燃料電池系統及燃料電池系統的運轉控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及通過低效率運轉對燃料電池進行預熱的燃料電池系統及燃料電池系統的運轉控制方法。
【背景技術】
[0002]燃料電池是將通過利用電化學工藝使燃料氧化而伴隨氧化反應放出的能量直接轉換成電能的發電系統，具有將多個膜-電極接合體(單電池)層疊而成的堆疊結構，該膜-電極接合體通過由多孔材料構成的一對電極夾持用于選擇性地輸送氫離子的電解質膜的兩側面而成。
[0003]燃料電池通常將70?80 °C設為最適合于發電的溫度域，但是寒冷地等的環境下，有時從起動至達到最佳溫度域為止需要長時間，因此研究了各種預熱系統。例如，在下述專利文獻I中公開了如下的手法:通過實施比通常運轉的發電效率低的低效率運轉，由此控制搭載于車輛的燃料電池的自發熱量，一邊進行車輛行駛一邊對燃料電池進行預熱。上述手法將燃料電池的輸出電壓設定為比基于其電流?電壓特性(以下，稱為IV特性)的電壓值低的電壓值，使燃料電池的熱損失增大而實施基于自發熱的預熱運轉，因此無需搭載預熱用的裝置，便利性優異。
[0004]【現有技術文獻】
[0005]【專利文獻】
[0006]【專利文獻I】日本特開號公報

【發明內容】

[0007]【發明要解決的問題】
[0008]圖9是表示現有的燃料電池系統的預熱運轉時的動作點的變化的概念圖，示出燃料電池的IV特性線Lal、燃料電池的動作電壓線La2、燃料電池的等電力線(以下，稱為等功率線)La3以及燃料電池的等發熱線(以下，稱為等Q線)La4。
[0009]如圖9所示，基于要求發電量Preq及要求發熱量Qreq，在燃料電池的等功率線La3與等Q線La4相交的交點、即動作點A(I1，VI)進行預熱運轉的狀態下，由于某些理由而施加電流限制(例如，構成燃料電池的單電池的電壓下降引起的電流限制等；參照圖9中虛線所示的電流限制線La5)時，燃料電池的動作點在動作電壓線La2上移動而從動作點A(Il1Vl)向動作點B(I2，V2)轉移。這樣，以往，在燃料電池進行預熱運轉的狀態下施加電流限制時，通過在設定的動作電壓線L2上使燃料電池的動作點轉移(換言之，以使動作電壓取得特定的值的方式使運轉動作點轉移)來避免電流限制，因此最終無法滿足燃料電池的要求發電量Preq ( S卩，等功率線L3上沒有燃料電池的動作點的狀態)，由于僅能發出比要求發電量Preq小的發電量Pmes，因此被指出燃料電池系統的電力響應性下降而引起動力性能的下降這樣的問題。
[0010]本發明鑒于以上說明的情況而作出，目的是提供一種在通過低效率運轉對燃料電池進行預熱的燃料電池系統中、能夠避免電流限制等各種限制并使滿足要求發電量的情況優先而使燃料電池動作的技術。
[0011]【用于解決問題的手段】
[0012]為了解決上述的問題，本發明的一實施方式的燃料電池系統的運轉控制方法是通過低效率運轉而對燃料電池進行預熱的燃料電池系統的運轉控制方法，其特征在于，包括:第O步驟，根據要求發電量和要求發熱量來決定電流目標值；第一步驟，在電流目標值從上限電流及下限電流的范圍脫離的情況下，以使電流目標值進入上限電流及下限電流的范圍內的方式將電流目標值設定作為電流指令值；第二步驟，通過將要求發電量除以電流指令值而求出與電流指令值對應的目標電壓值，在目標電壓值超過上限電壓的情況下，以使目標電壓值進入上限電壓的范圍內的方式將目標電壓值設定作為電壓指令值；第三步驟，在電壓指令值從針對燃料電池的電壓測定值而設定的規定范圍脫離的情況下，以使電壓指令值進入規定范圍的方式將電壓指令值設定作為最終電壓指令值；第四步驟，將電壓指令值與電流指令值相乘所得到的值除以最終電壓指令值，來得到最終電流指令值；及第五步驟，以最終電流指令值及最終電壓指令值使所述燃料電池動作。
[0013]在此，在上述結構中，優選將以下所示的(A)?(E)中的至少一個的最小值設定作為上限電流:
[0014]⑷由燃料電池的單電池電壓下降限制的電流值；
[0015](B)由燃料電池和輔機類限制的電流值；
[0016](C)由對燃料電池的電壓進行控制的電壓轉換器的最大升壓比限制的電流值；
[0017](D)為了對燃料電池的栗氫引起的排氣氫濃度的上升進行抑制而限制的電流值；
[0018](E)由系統整體的電力容許量限制的電流值。
[0019]而且，在上述結構中，優選將以下所示的(F)?(H)中的至少一個的最大值設定作為下限電流:
[0020](F)將要求發電量除以高電位回避電壓而得到的電流值；
[0021](G)將要求發電量對照所述燃料電池的性能曲線而得到的電流值；
[0022](H)將要求發電量除以發熱效率維持電壓而得到的電流值。
[0023]而且，在上述結構中，可以將電流指令值對照燃料電池的性能曲線而得到的電壓值和發熱效率維持電壓中的較小的一方設定作為上限電壓。
[0024]而且，本發明的另一實施方式的燃料電池系統通過低效率運轉而對燃料電池進行預熱，其特征在于，具備:決定部，根據要求發電量和要求發熱量來決定電流目標值；第一設定部，在電流目標值從上限電流及下限電流的范圍脫離的情況下，以使電流目標值進入上限電流及下限電流的范圍內的方式將電流目標值設定作為電流指令值；第二設定部，通過將要求發電量除以電流指令值而求出與電流指令值對應的目標電壓值，在目標電壓值超過上限電壓的情況下，以使目標電壓值進入上限電壓的范圍內的方式將目標電壓值設定作為電壓指令值；第三設定部，在電壓指令值從針對燃料電池的電壓測定值而設定的規定范圍脫離的情況下，以使電壓指令值進入規定范圍的方式將電壓指令值設定作為最終電壓指令值；導出部，將電壓指令值與電流指令值相乘所得到的值除以最終電壓指令值，來得到最終電流指令值；及控制部，以最終電流指令值及最終電壓指令值使燃料電池動作。
[0025]【發明效果】
[0026]如以上說明那樣，根據本發明，在通過低效率運轉對燃料電池進行預熱的燃料電池系統中，能夠避免電流限制等各種限制并使滿足要求發電量的情況優先而使燃料電池動作。
【附圖說明】
[0027]圖1是表示本實施方式的燃料電池系統的概略結構的圖。
[0028]圖2是表示預熱運轉時的動作點的決定工藝的流程圖。
[0029]圖3是表示燃料電池系統的預熱運轉時的運轉動作點的變化的概念圖。
[0030]圖4A是表示燃料電池系統的預熱運轉時的運轉動作點的變化的概念圖。
[0031]圖4B是表示燃料電池系統的預熱運轉時的運轉動作點的變化的概念圖。
[0032]圖4C是表示燃料電池系統的預熱運轉時的運轉動作點的變化的概念圖。
[0033]圖5A是表示燃料電池系統的預熱運轉時的運轉動作點的變化的概念圖。
[0034]圖5B是表示燃料電池系統的預熱運轉時的運轉動作點的變化的概念圖。
[0035]圖5C是表示燃料電池系統的預熱運轉時的運轉動作點的變化的概念圖。
[0036]圖6A是表示燃料電池系統的預熱運轉時的運轉動作點的變化的概念圖。
[0037]圖6B是表示燃料電池系統的預熱運轉時的運轉動作點的變化的概念圖。
[0038]圖6C是表示燃料電池系統的預熱運轉時的運轉動作點的變化的概念圖。
[0039]圖7是用于說明電流上限閾值Iupl、電流下限閾值Ilol及電壓上限閾值Vupl的決定方法的概念圖。
[0040]圖8是用于說明電壓上限閾值VupI的決定方法的概念圖。
[0041]圖9是表示以往的燃料電池系統的預熱運轉時的動作點的變化的概念圖。
[0042]【符號說明】
[0043]10.??燃料電池系統，20.??燃料電池組，30…氧化氣體供給系統，40…燃料氣體供給系統，50...電力系統，60...冷卻系統，70...控制器。
【具體實施方式】
[0044]以下，關于本發明的實施方式，參照附圖進行說明。
[0045]A.本實施方式
[0046]A-1.結構
[0047]圖1是搭載有本實施方式的燃料電池系統10的車輛的概略結構。需要說明的是，在以下的說明中，作為車輛的一例而設想了燃料電池機動車(FCHV;Fuel Cell HybridVehicle)，但并不局限于車輛，也可以應用于各種移動體(例如，船舶或飛機、機器人等)或固定型電源、以及便攜型的燃料電池系統。
[0048]燃料電池系統10是作為搭載于燃料電池車輛的