燃料電池系統以及燃料電池系統的控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及對燃料電池進行預熱的燃料電池系統以及燃料電池系統的控制方法。
【背景技術】
[0002]關于燃料電池，一般來說70°C前后被設為適于發電的溫度域。因此，在燃料電池系統被啟動的情況下，希望使燃料電池迅速地升溫至適于發電的溫度域。
[0003]在JP2009— 4243A中，公開了利用通過使燃料電池自身發電而產生的自發熱來縮短燃料電池的預熱時間的燃料電池系統。

【發明內容】

[0004]在當前正在開發的燃料電池系統中，在零下啟動時，通過對燃料電池的冷卻水進行加熱的加熱器、對致動器進行驅動而向燃料電池供應陰極氣體的壓縮機等輔機，消耗通過燃料電池而發電的電力。由此，燃料電池通過伴隨發電的自發熱和冷卻水的加熱這兩者而盡早被預熱。
[0005]在燃料電池的預熱時，由于燃料電池的IV特性差且輸出也變得不穩定，存在燃料電池的發電電力與由輔機消耗的規定的電力相比不足的情況。此時，通過在燃料電池和蓄電池(battery)之間連接的轉換器而對燃料電池或蓄電池的電壓進行調整，從蓄電池將相應于不足的量的電力供應給輔機。
[0006]但是，若從蓄電池向輔機持續放出電力，則導致蓄電池過放電。作為其對策，例如若將從蓄電池向加熱器的供應電力限制得較低，則由于加熱器對冷卻水的加熱量變少，所以存在燃料電池的預熱所需的時間變長的問題。
[0007]本發明著眼于這樣的問題而完成，其目的在于，提供抑制蓄電池的過放電，且實現燃料電池的盡早預熱的燃料電池系統以及燃料電池系統的控制方法。
[0008]根據本發明的某一方式，燃料電池系統具備:蓄電池，儲蓄電力;輔機，包含進行驅動以使用于使燃料電池發電的氣體被供應給所述燃料電池的致動器、和加熱對所述燃料電池進行循環的冷卻水的加熱器。并且該燃料電池系統包含:預熱運轉部，通過對所述輔機進行調整，從而從所述燃料電池取得規定的電力;放電控制部，在通過所述燃料電池而發電的發電電力比由所述輔機消耗的電力小的情況下，從所述蓄電池向所述輔機供應電力。進而該燃料電池系統包含:輔機限制部，在通過所述預熱運轉部進行所述燃料電池的預熱的情況下，在通過所述放電控制部從所述蓄電池向所述輔機供應電力時，限制由所述致動器消耗的電力。
【附圖說明】
[0009]圖1是表示本發明的第一實施方式中的燃料電池系統的結構的圖。
[0010]圖2是表示控制器的功能結構的框圖。
[0011 ]圖3是表示對燃料電池的預熱進行限制的方法的流程圖。
[0012]圖4是表示第二實施方式中的陰極氣體流量控制部的結構的框圖。
[0013]圖5是表示過放電防止標志生成部的結構的框圖。
[0014]圖6是表示陰極氣體壓力控制部的結構的框圖。
[0015]圖7是表示加熱器輸出控制部的結構的框圖。
[0016]圖8是表示加熱器可供應電力運算部的結構的框圖。
[0017]圖9是表示燃料電池系統的預熱限制時的動作的時間圖。
[0018]圖10是表示第三實施方式中的燃料電池系統的預熱限制時的動作的時間圖。
[0019]圖11是表示第四實施方式中的燃料電池系統的預熱限制時的動作的時間圖。
【具體實施方式】
[0020]以下，參照附圖等說明本發明的實施方式。
[0021](第一實施方式)
[0022]圖1是表示本發明的第一實施方式中的燃料電池系統100的結構的圖。
[0023]燃料電池系統100是對燃料電池堆(只夕、;/夕)I從外部供應陰極氣體以及陽極氣體，且根據負荷而使燃料電池堆I發電的電源系統。在本實施方式中，燃料電池系統100對驅動車輛的驅動電機53等負荷，供應通過燃料電池堆I而發電的發電電力。
[0024]燃料電池系統100具備燃料電池堆1、陰極氣體供排裝置2、陽極氣體供排裝置3、堆冷卻裝置4、電力系統5、控制器6。
[0025]燃料電池堆I是將幾百枚燃料電池、所謂電池單元(ir/W進行了層疊的層疊電池。燃料電池堆I接受陽極氣體以及陰極氣體的供應而進行發電。在燃料電池堆I中，作為用于取出電力的端子，設置有陽極電極側輸出端子11、和陰極電極側輸出端子12。
[0026]燃料電池由陽極電極(燃料極)、陰極電極(氧化劑極)、被陽極電極以及陰極電力夾著的電解質膜而構成。燃料電池在陽極電極中使用含有氫的陽極氣體(燃料氣體)、在陰極電極中使用含有氧的陰極氣體(氧化劑氣體)，通過電解質膜產生電化學反應。在陽極電極以及陰極電極這兩個電極中，進行以下的電化學反應。
[0027]陽極電極:2H2—4H++4e-...(I)
[0028]陰極電極:4H++4e—+Ο2—2H20...(2)
[0029]在燃料電池中，通過上述(I)以及(2)的電化學反應而產生電動勢且生成水。在燃料電池堆I中，層疊后的燃料電池的各個以相互串聯的方式連接，所以在各燃料電池中產生的單元電壓的總和成為燃料電池堆I的輸出電壓(例如幾百伏特)。
[0030]向燃料電池堆I，通過陰極氣體供排裝置2而供應陰極氣體，此外通過陽極氣體供排裝置3而供應陽極氣體。
[0031]陰極氣體供排裝置2是向燃料電池堆I供應陰極氣體，且將從燃料電池堆I排出的陰極廢氣向外部空氣排出的裝置。
[0032]陰極氣體供排裝置2具備陰極氣體供應通路21、過濾器22、陰極流量傳感器23、陰極壓縮機24、溫度傳感器25、陰極壓力傳感器26。進而陰極氣體供排裝置2具備水分回收裝置(Water Recovery Device ；以下稱為“WRD”。)27、陰極氣體排出通路28、陰極調壓閥29。
[0033]陰極氣體供應通路21是被供應給燃料電池堆I的陰極氣體流過的通路。陰極氣體供應通路21的一端與過濾器22連接，另一端與燃料電池堆I的陰極氣體入口孔連接。
[0034]過濾器22去除被獲取至陰極氣體供應通路21的陰極氣體中的異物。
[0035]陰極流量傳感器23被設置在與陰極壓縮機24相比更上游的陰極氣體供應通路21中。陰極流量傳感器23對被供應給陰極壓縮機24，最終被供應給燃料電池堆I的陰極氣體的流量進行檢測。
[0036]陰極壓縮機24被設置在陰極氣體供應通路21中。陰極壓縮機24經由過濾器22從外部空氣將空氣獲取至陰極氣體供應通路21，將該空氣作為陰極氣體而供應給燃料電池堆I。即，陰極壓縮機24相當于進行驅動以使向燃料電池堆I供應空氣的致動器。
[0037]溫度傳感器25被設置在陰極壓縮機24和WRD27之間的陰極氣體供應通路21中。溫度傳感器25對WRD27的陰極氣體入口側的溫度進行檢測。
[0038]陰極壓力傳感器26被設置在陰極壓縮機24和WRD27之間的陰極氣體供應通路21中。陰極壓力傳感器26對WRD27的陰極氣體入口側的壓力(以下稱為“WRD入口壓力”。)進行檢測。由陰極壓力傳感器26檢測出的值被輸出給控制器6。
[0039]WRD27與陰極氣體供應通路21以及陰極氣體排出通路28分別連接，對流過陰極氣體排出通路28的陰極廢氣中的水分進行回收，通過該回收后的水分而對流過陰極氣體供應通路21的陰極氣體進行加濕。
[0040]陰極氣體排出通路28是從燃料電池堆I排出的陰極廢氣流過的通路。陰極氣體排出通路28的一端與燃料電池堆I的陰極氣體出口孔連接，另一端成為開口端。
[0041]陰極調壓閥29被設置在陰極氣體排出通路28中。陰極調壓閥29對被供應給燃料電池堆I的陰極氣體的壓力進行調整。陰極調壓閥29通過控制器6而被控制。例如，為了使陰極壓縮機24的消耗電力增加，通過陰極調壓閥29而提高陰極氣體的壓力。
[0042]陽極氣體供排裝置3是向燃料電池堆I供應陽極氣體，且將從燃料電池堆I排出的陽極廢氣排出至陰極氣體排出通路28的裝置。陽極氣體供排裝置3具備高壓罐31、陽極氣體供應通路32、陽極調壓閥33、陽極壓力傳感器34、陽極氣體排出通路35、清除閥(/、°一夕弁)36 ο
[0043]高壓罐31將供應給燃料電池堆I的陽極氣體保持高壓狀態而儲藏。
[0044]陽極氣體供應通路32是用于從高壓罐31將陽極氣體供應給燃料電池堆I的通路。陽極氣體供應通路32的一端與高壓罐31連接，另一端與燃料電池堆I的陽極氣體入口孔連接。
[0045]陽極調壓閥33被設置在陽極氣體供應通路32中。陽極調壓閥33通過控制器6進行開閉控制，將從高壓罐31推出的陽極氣體的壓力調節為期望的壓力。
[0046]陽極壓力傳感器34被設置在與陽極調壓閥33相比更下游的陽極氣體供應通路32中。陽極壓力傳感器34對在燃料電池堆I的陽極氣體入口孔中流過的陽極氣體的壓力進行檢測。由陽極壓力傳感器34檢測出的值被輸出給控制器6。
[0047]陽極氣體排出通路35是從燃料電池堆I排出的陽極廢氣流過的通路。陽極氣體排出通路35的一端與燃料電池堆I的陽極氣體出口孔連接，另一端與陰極氣體排出通路28連接。
[0048]清除閥36被設置在陽極氣體排出通路35中。清除閥36通過控制器6進行開閉控制，對從陽極氣體排出通路35排出至陰極氣體排出通路28的陽極廢氣的流量進行控制。
[0049]堆冷卻裝置4是通過冷卻水而冷卻燃料電池堆I，將燃料電池堆I保持為適于發電的溫度的裝置。
[0050]堆冷卻裝置4具備冷卻水循環通路41、散熱器42、旁路通路43、三通閥44、循環栗45、冷卻水加熱器46、第一水溫傳感器47、第二水溫傳感器48。
[0051]冷卻水循環通路41是用于對燃料電池堆I進行冷卻的冷卻水進行循環的通路。
[0052]散熱器42被設置在冷卻水循環通路41中。散熱器42對從燃料電池堆I排出的冷卻水進行冷卻。
[0053]旁路通路43從冷卻水循環通路41分支并與三通閥44連接，以繞開散熱器42。通過旁路通路43，能夠使得冷卻水在燃料電池堆I中循環而冷卻水不流向散熱器42。
[0054]三通閥44被設置在與散熱器42相比更下游側的冷卻水循環通路41中。三通閥44根據冷卻水的溫度而切換冷卻水的循環路徑。
[0055]在三通閥44中，若冷卻水的溫度相對變高，則切換冷卻水的循環路徑以使從燃料電池堆I排出的冷卻水經由散熱器42而再次被供應給燃料電池堆I。相反，若冷卻水的溫度相對變低，則切換冷卻水的循環路徑以使從燃料電池堆I排出的冷卻水不經由散熱器42，而是流過旁路通路43而再次被供應給燃料電池堆I。
[0056]循環栗45被設置在與三通閥44相比更下游側的冷卻水循環通路41中，用于使冷卻水循環。
[0057]冷卻水加熱器46被設置在旁路通路43中。冷卻水加熱器46在對燃料電池堆I進行預熱的期間從燃料電池堆I被通電，使冷卻水的溫度上升。
[0058]第一水溫傳感器47被設置在與散熱器42相比更上游的冷卻水循環通路41中。第一水溫傳感器47對從燃料電池堆I排出的冷卻水的溫度(以下稱為“堆出口水溫”。)進行檢測。
[0059]第二水溫傳感器48被設置在循環栗45和燃料電池堆I之間的冷卻水循環通路41中。第二水溫傳感器48對被供應給燃料電池堆I的冷卻水的溫度(以下稱為“堆入口水溫” ο)進行檢測。
[0060]電力系統5具備堆電流傳感器51、堆電壓傳感器52、驅動電機53、逆變器54、蓄電池55、DC/DC轉換器56、輔機類57、蓄電池電流傳感器58、蓄電池電壓傳感器59。
[0061 ]堆電流傳感器51與陽極電極側輸出端子11連接，對從燃料電池堆I取出的輸出電流進行檢測。
[0062]堆電壓傳感器52對陽極電極側輸出端子11和陰極電極側輸出端子12之間的端子間電壓(以下稱為“輸出電壓”。)進行檢測。另外，也可以通過蓄電池電壓傳感器59，對在燃料電池堆I中層疊的各電池單元的電壓進行檢測。
[0063]驅動電機53是在轉子中埋設永久磁鐵，在圓周狀的定子上以等間隔的方式設置的各齒上纏繞線圈的三相交流同步電機。驅動電機53具有作為通過從燃料電池堆I以及蓄電池55供應的電力而旋轉驅動的電動機的功能、和作為在車輛的減速時轉子通過外力而旋轉從而使線圈的兩端產生電動勢、所謂再生電力的發電機的功能。
[0064]逆變器54由多個半導體開關、例如IGBT(絕緣柵雙極晶體管(Insulated GateBipolar Transistor))構成。逆變器54的半導體開關通過控制器6進行開關控制，直流電力被轉換為交流電力，或交流電力被轉換為直流電力。
[0065]逆變器54在使驅動電機53作為電動機而發揮作用時，將合成直流電力轉換為三相交流電力而供應給驅動電機53，其中，該合成直流電力是將從燃料電池堆I取出的發電電力、和從蓄電池55放電的放電電力進行了合成的合成直流電力。另一方面，在使驅動電機53作為發電機而發揮作用時，逆變器54將驅動電機53的再生電力(三相交流電力)轉換為直流電力而供應給蓄電池55。
[0066]蓄電池55是儲蓄電力的二次電池。蓄電池55例如由鋰離子蓄電池等來實現。蓄電池55將驅動電機53的再生電力、或由燃料電池堆I發電的電力進行充電。被充電給蓄電池55的電力根據需要而被供應給輔機類57以及驅動電機53。
[0067]DC/DC轉換器56是對燃料電池堆I的電壓和蓄電池55的電壓的其中一個進行調整的雙方向性的電壓轉換器。DC/DC轉換器56的一方的電壓端子與燃料電池堆I連接，另一方的電壓端子與蓄電池55連接。
[0068]DC/DC轉換器56對通過蓄電池55的電力而在燃料電池堆I側的電壓端子中產生的電壓進行升壓或降壓。通過DC/DC轉換器56，燃料電池堆I的輸出電壓被控制