專利名稱：燃料電池系統(tǒng)和該系統(tǒng)中的起動時控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)和該系統(tǒng)中的起動時控制方法。若進(jìn)一步詳細(xì)說明，則本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)的低溫時的起動性的改良。
背景技術(shù)：
在使燃料電池系統(tǒng)起動時，在檢測出燃料電池組的溫度為水的凍結(jié)溫度以下(冰點(diǎn)下)的情況下，進(jìn)行如下處理將通常起動用的控制映射變更為冰點(diǎn)下起動用控制映射， 且按照該冰點(diǎn)下起動用控制映射使燃料電池系統(tǒng)起動。然后，若檢測出燃料電池組的溫度超過凍結(jié)溫度，則進(jìn)行如下處理將冰點(diǎn)下起動用控制映射變更為通常起動用控制映射，按照上述通常起動用控制映射進(jìn)行上述燃料電池組的起動。此時，還存在基于燃料電池的生成水的剩余水量變更起動方法的情況(例如參照專利文獻(xiàn)1)。另外，在如此使燃料電池系統(tǒng)在冰點(diǎn)下起動時，存在如下技術(shù)實(shí)施使發(fā)電部位急速升溫而使其突破冰點(diǎn)下溫度的急速預(yù)熱運(yùn)轉(zhuǎn)來提高起動性。作為該方法，例如有如下方法在燃料電池組預(yù)熱完成前，將燃料電池組入口的冷卻水壓力控制成低于燃料電池系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)時所使用的壓力，在燃料電池組預(yù)熱完成后，將燃料電池組入口的冷卻水壓力控制成在穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)時所使用的壓力。另外，作為防止在寒冷地區(qū)使燃料電池起動時在燃料電池內(nèi)部生成水發(fā)生凍結(jié)的技術(shù)，存在用溫度傳感器檢測燃料電池的內(nèi)部溫度的技術(shù)。該情況下，在燃料電池的內(nèi)部溫度為o°c以下時，控制成冷卻水泵成為停止?fàn)顟B(tài)，在超過o°c時，根據(jù)內(nèi)部溫度上升而使所述冷卻水泵的驅(qū)動量增加(參照專利文獻(xiàn)2)。專利文獻(xiàn)1 日本特開2008-147139號公報(bào)專利文獻(xiàn)2 日本特開2003-36874號公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
但是，在如上所述不使冷卻水循環(huán)而起動的方法的情況，會擔(dān)心熱集中導(dǎo)致的耐久性的劣化或惡化，因此希望盡可能減少頻率。因此，本發(fā)明的目的在于，提供在冰點(diǎn)下起動時根據(jù)需要進(jìn)行急速預(yù)熱運(yùn)轉(zhuǎn)并且抑制熱集中導(dǎo)致的耐久性的劣化的燃料電池系統(tǒng)和該系統(tǒng)中的起動時控制方法。為了解決所述課題，本發(fā)明人進(jìn)行了種種研究。為了抑制燃料電池的耐久性劣化， 希望減少冰點(diǎn)下的急速預(yù)熱運(yùn)轉(zhuǎn)的實(shí)施次數(shù)。另一方面，在冰點(diǎn)下的狀況下到起動為止需要時間不符合使用的實(shí)際情況。對于這一點(diǎn)，雖然在上述的現(xiàn)有方法中公開了在燃料電池組的溫度為水的凍結(jié)溫度以下時切換冰點(diǎn)下起動的映射的方法，但考慮到電池組的耐久性的本發(fā)明人，著眼于即使在冰點(diǎn)下也切換預(yù)熱運(yùn)轉(zhuǎn)的方法的這一點(diǎn)，反復(fù)進(jìn)行了各種研究， 結(jié)果獲得了有助于解決課題的新見解。本發(fā)明基于該見解，提供一種燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池，在冰點(diǎn)下的起動時根據(jù)需要實(shí)施停止冷卻水的循環(huán)而急速地進(jìn)行預(yù)熱的急速預(yù)熱運(yùn)轉(zhuǎn)，其特征在于，具有存儲器，存儲該系統(tǒng)的上一次運(yùn)轉(zhuǎn)的運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)束條件、起動時溫度等數(shù)據(jù)、或上一次掃氣時算出的該燃料電池中的生成水的剩余水量；判斷單元，基于在該系統(tǒng)的起動時從該存儲器讀出的數(shù)據(jù)來計(jì)算生成水的剩余水量，根據(jù)該剩余水量和起動時溫度進(jìn)行是否需要該系統(tǒng)的急速預(yù)熱的判斷，以及在需要急速預(yù)熱時進(jìn)行是否以不循環(huán)方式使冷卻水起動的判斷；及發(fā)電控制單元，基于該判斷單元的判斷結(jié)果，使冷卻水循環(huán)或不循環(huán)而執(zhí)行向燃料電池供給的反應(yīng)氣體比通常發(fā)電時少且電力損失比通常發(fā)電大的低效率發(fā)電。數(shù)據(jù)例如為該燃料電池的上一次運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)束時的阻抗、該燃料電池的溫度、及掃氣空氣量。另外，本說明書所說的掃氣空氣量是指上一次運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)束后在(例如車輛的駕駛員進(jìn)行的)點(diǎn)火開關(guān)的關(guān)閉操作時為了排出燃料電池組中的水而流過的空氣量。該燃料電池系統(tǒng)中，由上一次的運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)束條件、起動時溫度等進(jìn)行是否使冷卻水循環(huán)的判斷。通過經(jīng)由該判斷，不僅能夠總是使冷卻水不循環(huán)，還能夠根據(jù)狀況一邊使冷卻水循環(huán)一邊進(jìn)行急速預(yù)熱運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，能夠抑制冷卻水不循環(huán)下的起動次數(shù)。優(yōu)選的是，燃料電池系統(tǒng)中的判斷單元具備測定燃料電池的阻抗的阻抗測定功能和測定燃料電池的關(guān)聯(lián)溫度的關(guān)聯(lián)溫度測定功能，并基于包括阻抗的測定結(jié)果和關(guān)聯(lián)溫度的測定結(jié)果的數(shù)據(jù)計(jì)算出生成水的剩余水量。另外，本發(fā)明還優(yōu)選為燃料電池系統(tǒng)為搭載在燃料電池車上的燃料電池系統(tǒng)，在冰點(diǎn)下起動時通過判斷單元進(jìn)行該燃料電池車是否能夠行駛的判斷。另外，優(yōu)選的是，將該燃料電池的起動時溫度-生成水的剩余水量(Vw)的坐標(biāo)圖分成多個區(qū)域，根據(jù)該燃料電池的起動時的起動時溫度和剩余水量屬于多個區(qū)域中的哪一個區(qū)域來判斷是否以不循環(huán)方式使冷卻水起動。而且，還優(yōu)選，將該燃料電池的起動時溫度-生成水的剩余水量(Vw)的坐標(biāo)圖分成多個區(qū)域，根據(jù)該燃料電池起動時的起動時溫度和剩余水量的關(guān)系，判斷是否以不循環(huán)方式使冷卻水起動以及該燃料電池車能否不進(jìn)行預(yù)熱運(yùn)轉(zhuǎn)而行駛。另外，還優(yōu)選，作為燃料電池的起動時溫度-生成水的剩余水量(Vw)的坐標(biāo)圖，使用被由曲線封閉的空間分成了多個區(qū)域的坐標(biāo)圖?；蛘哌€優(yōu)選，作為燃料電池的起動時溫度-生成水的剩余水量(Vw)的坐標(biāo)圖，使用被近似反比例坐標(biāo)圖的曲線或近似成雙曲線的2或3條曲線分成了多個區(qū)域的坐標(biāo)圖。另外，本發(fā)明的控制方法，是燃料電池系統(tǒng)的起動時控制方法，所述燃料電池系統(tǒng)在冰點(diǎn)下的起動時根據(jù)需要實(shí)施停止冷卻水的循環(huán)而急速地進(jìn)行預(yù)熱的急速預(yù)熱運(yùn)轉(zhuǎn)，其中，在存儲器中存儲該系統(tǒng)的上一次運(yùn)轉(zhuǎn)的運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)束條件、起動時溫度等數(shù)據(jù)、或上一次掃氣時算出的該燃料電池中的生成水的剩余水量，基于在該系統(tǒng)的起動時從該存儲器讀出的數(shù)據(jù)來計(jì)算生成水的剩余水量，根據(jù)該剩余水量和起動時溫度進(jìn)行是否需要該系統(tǒng)的急速預(yù)熱的判斷，以及在需要急速預(yù)熱時進(jìn)行是否以不循環(huán)方式使冷卻水起動的判斷，基于該判斷單元產(chǎn)生的判斷結(jié)果，使冷卻水循環(huán)或不循環(huán)而執(zhí)行向燃料電池供給的反應(yīng)氣體比通常發(fā)電時少且電力損失比通常發(fā)電大的低效率發(fā)電。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明，在冰點(diǎn)下使燃料電池系統(tǒng)起動時，能夠抑制熱集中導(dǎo)致的耐久性的劣化并根據(jù)需要進(jìn)行急速預(yù)熱運(yùn)轉(zhuǎn)。


圖1是本發(fā)明的一實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成圖。圖2是表示燃料電池的輸出電流(FC電流)和輸出電壓(FC電壓)之間的關(guān)系的圖。圖3是表示本發(fā)明的第1實(shí)施方式中的系統(tǒng)起動時的控制方法的流程圖。圖4是縱軸表示起動時的燃料電池的內(nèi)部溫度(FC溫度)、橫軸表示剩余水量Vw 的坐標(biāo)圖，是作為一例示出設(shè)定了 I、II、III這3個區(qū)域的圖。圖5是表示本發(fā)明的第2實(shí)施方式中的系統(tǒng)起動時的控制方法的流程圖。圖6是起動時FC溫度-剩余水量Vw的坐標(biāo)圖，是作為一例示出設(shè)定了 I IV這 4個區(qū)域的圖。圖7是本發(fā)明的第3實(shí)施方式中的起動時FC溫度-剩余水量Vw的坐標(biāo)圖，是表示設(shè)定了 I III這3個區(qū)域的圖。圖8是本發(fā)明的第4實(shí)施方式中的起動時FC溫度-剩余水量Vw的坐標(biāo)圖，是表示設(shè)定了 I IV這4個區(qū)域的圖。
具體實(shí)施例方式以下，基于附圖所示的實(shí)施方式的一例詳細(xì)說明本發(fā)明的構(gòu)成。圖1是本實(shí)施方式中的燃料電池系統(tǒng)1的構(gòu)成圖。燃料電池系統(tǒng)1可搭載于燃料電池汽車(FCHV)、電動汽車、混合動力汽車等車輛100。但是，燃料電池系統(tǒng)1也能夠適用于車輛100以外的各種移動體(例如船舶或飛機(jī)、機(jī)器人等)或定置型電源、進(jìn)而便攜型燃料電池系統(tǒng)。燃料電池系統(tǒng)1具備燃料電池2、向燃料電池2供給作為氧化氣體的空氣的氧化氣體配管系統(tǒng)3、向燃料電池2供給作為燃料氣體的氫氣的燃料氣體配管系統(tǒng)4、向燃料電池2供給制冷劑的制冷劑配管系統(tǒng)5、對系統(tǒng)1的電力予以充放電的電力系統(tǒng)6、及集中控制系統(tǒng)1的運(yùn)轉(zhuǎn)的控制裝置7。氧化氣體及燃料氣體可總稱為反應(yīng)氣體。燃料電池2由例如固體高分子電解質(zhì)型燃料電池構(gòu)成，是將多個單電池層疊而成的電池組構(gòu)造。單電池在電解質(zhì)層具備具有質(zhì)子導(dǎo)電性的固體高分子膜，在電解質(zhì)的一個面具有空氣極(陰極)，在另一個面具有燃料極(陽極)，還具有從兩側(cè)夾持空氣極及燃料極的一對隔板。向一個隔板的氧化氣體流路加供給氧化氣體，向另一個隔板的燃料氣體流路2b供給燃料氣體。通過所供給的燃料氣體及氧化氣體的電化學(xué)反應(yīng)，燃料電池2產(chǎn)生電力。氧化氣體配管系統(tǒng)3具有向燃料電池2供給的氧化氣體所流過的供給通路11及從燃料電池2排出的氧化廢氣所流過的排出通路12。供給通路11經(jīng)由氧化氣體流路加與排出通路12連通。氧化廢氣由于包含由燃料電池2的電池反應(yīng)生成的水分而成為高濕潤狀態(tài)。在供給通路11上設(shè)有經(jīng)由空氣過濾器13取入外部氣體的壓縮機(jī)14、及將通過壓縮機(jī)14壓送至燃料電池2的氧化氣體加濕的加濕器15。加濕器15在流過供給通路11的低濕潤狀態(tài)的氧化氣體、流過排出通路12的高濕潤狀態(tài)的氧化廢氣之間進(jìn)行水分交換，將向燃料電池2供給的氧化氣體適度地加濕。
燃料電池2的空氣極側(cè)的背壓由設(shè)置在陰極出口附近的排出通路12的背壓調(diào)整閥16進(jìn)行調(diào)整。在背壓調(diào)整閥16的附近設(shè)有用于檢測排出通路12內(nèi)的壓力的壓力傳感器P1。氧化廢氣經(jīng)由背壓調(diào)整閥16及加濕器15最終作為廢氣排出到系統(tǒng)外的大氣中。燃料氣體配管系統(tǒng)4具有氫供給源21、從氫供給源21向燃料電池2供給的氫氣所流過的供給通路22、用于使從燃料電池2排出的氫廢氣(燃料廢氣)返回到供給通路22 的合流點(diǎn)A的循環(huán)通路23、將循環(huán)通路23內(nèi)的氫廢氣壓送至供給通路22的泵24、及分支連接于循環(huán)通路23的排氣通路25。通過打開主閥沈而從氫供給源21向供給通路22流出的氫氣經(jīng)過調(diào)壓閥27等減壓閥及切斷閥觀向燃料電池2供給。在排氣通路25上設(shè)有用于使氫廢氣排出至氫稀釋器(圖示省略)的清潔閥33。制冷劑配管系統(tǒng)(冷卻機(jī)構(gòu))5具有與燃料電池2內(nèi)的冷卻流路2c連通的制冷劑流路41、設(shè)于制冷劑流路41的冷卻泵42、將從燃料電池2排出的制冷劑冷卻的散熱器43、 繞過散熱器43的旁通流路44、及設(shè)定冷卻水向散熱器43及旁通流路44的流通的切換閥 45。制冷劑流路41具有設(shè)于燃料電池2的制冷劑入口的附近的溫度傳感器46、及設(shè)于燃料電池2的制冷劑出口的附近的溫度傳感器47。溫度傳感器47檢測出的制冷劑溫度(燃料電池的關(guān)聯(lián)溫度)反映燃料電池2的內(nèi)部溫度(以下稱為FC溫度)。另外，溫度傳感器47 也可以取代檢測制冷劑溫度而(或在此之上進(jìn)而)檢測燃料電池周邊的部件溫度(燃料電池的關(guān)聯(lián)溫度)或燃料電池周邊的外部氣體溫度(燃料電池的關(guān)聯(lián)溫度)。另外，燃料電池的冷卻泵42通過電動機(jī)驅(qū)動而將制冷劑流路41內(nèi)的制冷劑循環(huán)供給至燃料電池2。電力系統(tǒng)6具備高壓DC/DC轉(zhuǎn)換器61、蓄電池62、牽引逆變器63、牽引電動機(jī)64、 及各種輔機(jī)逆變器65、66、67。高壓DC/DC轉(zhuǎn)換器61為直流的電壓變換器，具有調(diào)整從蓄電池62輸入的直流電壓而向牽引逆變器63側(cè)輸出的功能及調(diào)整從燃料電池2或牽引電動機(jī) 64輸入的直流電壓而向蓄電池62輸出的功能。通過高壓DC/DC轉(zhuǎn)換器61的這些功能，實(shí)現(xiàn)蓄電池62的充放電。另外，通過高壓DC/DC轉(zhuǎn)換器61控制燃料電池2的輸出電壓。蓄電池(蓄電器)62為能夠充放電的二次電池，例如由鎳氫蓄電池等構(gòu)成。此外還能夠適用各種類型的二次電池。另外，取代蓄電池62，也可以使用二次電池以外的能夠充放電的蓄電器，例如電容器。牽引逆變器63將直流電流變換成三相交流并供給至牽引電動機(jī)64。牽引電動機(jī) 64例如為三相交流電動機(jī)。牽引電動機(jī)64構(gòu)成搭載有燃料電池系統(tǒng)1的例如車輛100的主動力源，與車輛100的車輪101L、IOlR連結(jié)。輔機(jī)逆變器65、66、67分別控制壓縮機(jī)14、 泵M、冷卻泵42的電動機(jī)的驅(qū)動?？刂蒲b置7構(gòu)成為在內(nèi)部具備CPU、ROM、RAM的微型計(jì)算機(jī)。CPU根據(jù)控制程序執(zhí)行所期望的運(yùn)算，進(jìn)行通常運(yùn)轉(zhuǎn)的控制及后述的預(yù)熱運(yùn)轉(zhuǎn)的控制等各種處理及控制。ROM存儲由CPU處理的控制程序及控制數(shù)據(jù)。RAM主要作為用于控制處理的各種作業(yè)區(qū)域被使用。計(jì)時器70、電壓傳感器72及電流傳感器73與控制裝置7連接。計(jì)時器70計(jì)測為了控制燃料電池系統(tǒng)1的運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的各種時間。電壓傳感器72檢測燃料電池2的輸出電壓(FC電壓)。具體而言，電壓傳感器72檢測燃料電池2的多個單電池的每一個發(fā)電的電壓(以下稱為“電池電壓”)。由此，把握燃料電池2的各單電池的狀態(tài)。電流傳感器73 檢測燃料電池2的輸出電流(FC電流)?？刂蒲b置7輸入來自各種壓力傳感器Pl及溫度傳感器46、47、以及檢測車輛100的油門開度的油門開度傳感器等各種傳感器的檢測信號，向各構(gòu)成要素(壓縮機(jī)14、背壓調(diào)整閥16等)輸出控制信號。另外，控制裝置7在規(guī)定的時間進(jìn)行燃料電池2的水分狀態(tài)的診斷等，基于診斷結(jié)果進(jìn)行燃料電池2的水分控制。本實(shí)施方式中，在燃料電池系統(tǒng)1的起動時，根據(jù)需要實(shí)施低效率發(fā)電，使向燃料電池2供給的反應(yīng)氣體與通常發(fā)電時相比較少且與通常發(fā)電相比電力損失變大，由此進(jìn)行急速預(yù)熱。此處，若對低效率發(fā)電和通常發(fā)電的差異進(jìn)行說明則如以下所述(參照圖2)。圖2是表示燃料電池的輸出電流(FC電流)和輸出電壓(FC電壓)的關(guān)系的圖， 在進(jìn)行通常發(fā)電時以實(shí)線表示，在進(jìn)行低效率發(fā)電時以虛線表示。另外，橫軸表示FC電流， 縱軸表示FC電壓。此處，低效率發(fā)電是指向燃料電池2供給的反應(yīng)氣體(本實(shí)施方式中為氧化氣體) 比通常發(fā)電時少且與通常發(fā)電相比電力損失較大的發(fā)電，例如在使空氣化學(xué)計(jì)量比集中于 1. 0附近(理論值)的狀態(tài)下使燃料電池2運(yùn)轉(zhuǎn)(參照圖2的虛線部分)。這樣，通過將電力損失設(shè)定得較大，能夠使燃料電池2急速預(yù)熱。另一方面，在通常發(fā)電時，為了抑制電力損失而得到高的發(fā)電效率，例如在將空氣化學(xué)計(jì)量比設(shè)定為2.0以上(理論值)的狀態(tài)下使燃料電池2運(yùn)轉(zhuǎn)(參照圖2的實(shí)線部分)?？刂蒲b置7根據(jù)需要作為執(zhí)行低效率發(fā)電的發(fā)電控制單元起作用，所述低效率發(fā)電為向燃料電池2供給的反應(yīng)氣體比通常發(fā)電時少且與通常發(fā)電相比電力損失較大的發(fā)電。接著，對阻抗測定等進(jìn)行說明。首先，控制裝置7判斷應(yīng)診斷燃料電池2的水分狀態(tài)的時間(以下稱為診斷時間) 是否已到來。診斷時間為例如燃料電池系統(tǒng)1的運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)束時或起動時。本實(shí)施方式的控制裝置7例如通過車輛100的駕駛員進(jìn)行的點(diǎn)火開關(guān)的關(guān)閉操作等，檢測到已輸入燃料電池系統(tǒng)1的運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)束指令，判斷為診斷時間已到來?？刂蒲b置(阻抗測定單元)7進(jìn)行燃料電池2的阻抗測定，基于測定結(jié)果診斷燃料電池2的水分狀態(tài)。本實(shí)施方式的控制裝置(阻抗測定單元)7以規(guī)定的采樣速率對由電壓傳感器72檢測出的FC電壓及由電流傳感器73檢測出的FC電流進(jìn)行采樣，實(shí)施傅里葉變換處理(FFT運(yùn)算處理、DFT運(yùn)算處理)等。然后，控制裝置(阻抗測定單元)7將傅里葉變換處理后的FC電壓信號除以傅里葉變換處理后的FC電流信號等而測定燃料電池2的阻抗。然后，控制裝置7讀出存儲于基準(zhǔn)阻抗存儲器92的基準(zhǔn)阻抗IPth，將讀出的基準(zhǔn)阻抗IPth和測定出的阻抗(以下稱為測定阻抗)進(jìn)行比較。此處，基準(zhǔn)阻抗IPth是用于判斷燃料電池2是否處于干燥狀態(tài)的基準(zhǔn)值，預(yù)先通過試驗(yàn)等求出。具體而言，通過試驗(yàn)等求出用于判斷燃料電池2是否處于干燥狀態(tài)的阻抗， 將其映射化而存儲于基準(zhǔn)阻抗存儲器92。另外，控制裝置7將通過溫度傳感器47檢測出的FC溫度(以下稱為檢測FC溫度)和存儲于基準(zhǔn)FC溫度存儲器91的基準(zhǔn)FC溫度進(jìn)行比較。此處，基準(zhǔn)FC溫度Tth是用于判斷燃料電池2是否允許低效率發(fā)電的基準(zhǔn)值，預(yù)先通過試驗(yàn)等求出。具體而言，通過試驗(yàn)等求出用于判斷是否允許低效率發(fā)電的FC溫度，將其映射化而存儲于基準(zhǔn)FC溫度存儲器91。接著，表示本實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)1中的起動時控制的具體例(參照圖3 圖8)。<第1實(shí)施方式>首先，在該燃料電池系統(tǒng)1中，將該系統(tǒng)的上一次運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)束時的燃料電池2的溫度 (FC溫度)Te、阻抗k、掃氣空氣量(在上一次運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)束后，例如車輛的駕駛員進(jìn)行的點(diǎn)火開關(guān)的關(guān)閉操作時為了使燃料電池組中的水排出而流過的空氣量) 預(yù)先存儲于存儲器(基準(zhǔn)FC溫度存儲器91、基準(zhǔn)阻抗存儲器92、基準(zhǔn)掃氣空氣量存儲器93)，并形成為可隨時讀出。在燃料電池系統(tǒng)1起動時，將存儲于這些存儲器91 93的各數(shù)據(jù)讀出，并基于這些數(shù)據(jù)算出燃料電池2的剩余水量Vw(步驟SPl)。剩余水量Vw也可以使用在上一次的掃氣時算出并進(jìn)行了存儲的數(shù)據(jù)?；蛘撸赏ㄟ^例如以下的式子算出該剩余水量Vw。[數(shù)學(xué)式1]由阻抗求出的剩余水量Vl = E/ (ZO-F) +G此處，數(shù)學(xué)式1中的ZO為常溫阻抗，可通過下式求出。[數(shù)學(xué)式2]常溫阻抗ZO = A* (Te-B) * (Ze-C) +C 其中，A、B、C、D、E、F、G分別是根據(jù)系統(tǒng)而變化的常數(shù)。另外，剩余水量Vw也能夠使用掃氣空氣量狗而由下述數(shù)學(xué)式3算出。其中，Pe是溫度Te下的飽和水蒸氣壓，J、H是根據(jù)系統(tǒng)而變化的常數(shù)。[數(shù)學(xué)式3]由掃氣空氣量求出的剩余水量V2 = J-H* Σ (Fe*Pe)如以上所述分別基于數(shù)學(xué)式1和數(shù)學(xué)式3求出兩種剩余水量VI、V2后，能夠通過 Vw = MAX (VI, V2)求出剩余水量Vw。即，將上述的兩種剩余水量VI、V2中的較大的值作為剩余水量Vw進(jìn)行處理。接著，根據(jù)剩余水量Vw、起動時的FC溫度判斷車輛100能否行駛、是否需要急速預(yù)熱、及在急速預(yù)熱時是否使冷卻水(FCC)不循環(huán)(步驟SP^。在本實(shí)施方式中，在縱軸表示起動時的FC溫度、橫軸表示剩余水量Vw的坐標(biāo)圖中設(shè)定I、II、III各區(qū)域，通過剩余水量 Vw和起動時的FC溫度的組合位于哪個區(qū)域來決定車輛100能否行駛等(參照圖4)。若具體地說明，則在規(guī)定范圍內(nèi)與起動時FC溫度高且剩余水量Vw少的(干燥的)區(qū)域即I區(qū)域相當(dāng)?shù)那闆r下，控制裝置7判斷為車輛100能夠行駛且能夠進(jìn)行使冷卻水(FCC)循環(huán)時的急速預(yù)熱(步驟SP3)。另外，在與起動時FC溫度低且剩余水量Vw多的 (濕潤的)區(qū)域即III區(qū)域相當(dāng)?shù)那闆r下，控制裝置7判斷為車輛100處于停車狀態(tài)(不能行駛)且不使冷卻水循環(huán)地進(jìn)行急速預(yù)熱(步驟SPQ。進(jìn)而，在起動時FC溫度和剩余水量 Vw與上述I區(qū)域和III區(qū)域都不相當(dāng)而與它們之間的II區(qū)域相當(dāng)?shù)那闆r下，控制裝置7判斷為車輛100處于停車狀態(tài)(不能行駛)且進(jìn)行使冷卻水循環(huán)時的急速預(yù)熱(步驟SP4)。在本實(shí)施方式的情況下，在上述的I區(qū)域中，進(jìn)行使車輛行駛時的急速預(yù)熱(在示出輸出電流(FC電流)和輸出電壓(FC電壓)的關(guān)系的圖2(I-V曲線)中，由于I-V點(diǎn)向輸出側(cè)移動因而預(yù)熱延遲)。另外，II區(qū)域、III區(qū)域中在停車狀態(tài)下進(jìn)行急速預(yù)熱(能夠通過預(yù)熱而突破冰點(diǎn))。另外，在本實(shí)施方式中，在作出相當(dāng)于I區(qū)域的判斷的情況下，也首先進(jìn)行與II區(qū)域相當(dāng)時的預(yù)熱處理，然后，轉(zhuǎn)移到對應(yīng)于I區(qū)域的處理。即，在以搭載于車輛100的燃料電池系統(tǒng)1為對象的本實(shí)施方式的情況下，由于在停車狀態(tài)下進(jìn)行系統(tǒng)起動，因此，在作出與I區(qū)域相當(dāng)而能夠行駛的判斷的情況下，也首先如與II區(qū)域相當(dāng)時那樣進(jìn)行停車狀態(tài)下的預(yù)熱處理，然后，轉(zhuǎn)移到對應(yīng)于I區(qū)域的處理(參照圖3)。這樣，本實(shí)施方式中，通過將燃料電池系統(tǒng)1的起動時的FC溫度和剩余水量Vw的關(guān)系分成區(qū)域，而同時提高了該燃料電池系統(tǒng)1的便利性和耐久性。即，在該系統(tǒng)1中進(jìn)行急速預(yù)熱時，僅在與上述的III區(qū)域相當(dāng)時在冷卻水不循環(huán)的狀態(tài)下進(jìn)行急速預(yù)熱，抑制不使冷卻水循環(huán)的(即不循環(huán)的)狀況下的急速預(yù)熱的實(shí)施頻率，因此能夠通過熱集中而抑制耐久性劣化。另外，由于預(yù)先設(shè)定與區(qū)域的數(shù)量相應(yīng)的種類的急速預(yù)熱方式并根據(jù)FC溫度和剩余水量Vw的關(guān)系決定進(jìn)行哪種急速預(yù)熱即可，因此特別是在系統(tǒng)起動時的便利性較高。 若更具體地說明，則首先在頻率最高的I區(qū)域時，立即變?yōu)榭尚旭偁顟B(tài)，駕駛員等用戶無需等待，因此可用性不會惡化。相反，III區(qū)域頻率低，但在相當(dāng)?shù)那闆r下停止冷卻水的循環(huán)而急速地進(jìn)行預(yù)熱，在嚴(yán)寒下極力減少用戶等待的時間。另外，如此根據(jù)需要停止冷卻水的循環(huán)而進(jìn)行急速預(yù)熱也能緩和該駕駛員等的不安。進(jìn)而，在II區(qū)域的情況下具有如下效果 通過急速預(yù)熱而縮短用戶等待的時間，并且通過使冷卻水循環(huán)的同時進(jìn)行急速預(yù)熱來抑制燃料電池2的耐久性的劣化。<第2實(shí)施方式>上述的第1實(shí)施方式中在FC溫度和剩余水量Vw的坐標(biāo)圖中設(shè)定了 3個區(qū)域，但也可以設(shè)定除此以外的數(shù)量的區(qū)域。例如本實(shí)施方式中，在縱軸表示起動時的FC溫度、橫軸表示剩余水量Vw的坐標(biāo)圖中設(shè)定I IV這4個區(qū)域，通過剩余水量Vw和起動時的FC 溫度的組合位于哪個區(qū)域而決定車輛100能否行駛等(參照圖5、圖6)。首先，將該燃料電池系統(tǒng)1的上一次運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)束時的燃料電池2的溫度(FC溫度) Te、阻抗k、掃氣空氣量狗存儲于存儲器(基準(zhǔn)FC溫度存儲器91、基準(zhǔn)阻抗存儲器92、基準(zhǔn)掃氣空氣量存儲器93)。在燃料電池系統(tǒng)1起動時，讀出存儲于這些存儲器91 93的各數(shù)據(jù)，基于這些數(shù)據(jù)算出燃料電池2的剩余水量Vw(步驟SP11)。與上述實(shí)施方式同樣，基于數(shù)學(xué)式1 3算出從阻抗求得的剩余水量Vl和從掃氣空氣量求得的剩余水量V2，通過選擇較大的值而能夠得到剩余水量Vw。然后，根據(jù)剩余水量Vw、起動時的FC溫度判斷車輛100能否行駛、是否需要急速預(yù)熱、和在急速預(yù)熱時是否使冷卻水(FCC)不循環(huán)(步驟SP12)。本實(shí)施方式中，在縱軸表示起動時的FC溫度、橫軸表示剩余水量Vw的坐標(biāo)圖中設(shè)定I、II、III、IV各區(qū)域，通過剩余水量Vw和起動時的FC溫度的組合位于哪個區(qū)域來決定車輛100能否行駛等。若具體地說明，則在與起動時FC溫度高且剩余水量Vw少的(干燥的)區(qū)域即I 區(qū)域相當(dāng)?shù)那闆r下，控制裝置7判斷為車輛100能夠行駛且不需要急速預(yù)熱(步驟SP13)。 另一方面，在與起動時FC溫度低且剩余水量Vw多的(濕潤的)區(qū)域即IV區(qū)域相當(dāng)?shù)那闆r下，控制裝置7判斷為車輛100處于停車狀態(tài)(不能行駛)且不使冷卻水循環(huán)而進(jìn)行急速預(yù)熱(步驟SP16)。另外，在起動時FC溫度和剩余水量Vw與I區(qū)域和IV區(qū)域之間靠近I 區(qū)域的II區(qū)域相當(dāng)?shù)那闆r下，控制裝置7判斷為車輛100能夠行駛但需要急速預(yù)熱(步驟 SP14)。該情況下的急速預(yù)熱是使冷卻水循環(huán)的同時進(jìn)行的。進(jìn)而，在起動時FC溫度和剩余水量Vw與該II區(qū)域和IV區(qū)域之間的III區(qū)域相當(dāng)?shù)那闆r下，控制裝置7判斷為車輛100在停車狀態(tài)下(不能行駛)需要急速預(yù)熱(步驟SP15)。該情況下的急速預(yù)熱也是使冷卻水循環(huán)的同時進(jìn)行的。另外，本實(shí)施方式中，在作出與I區(qū)域或II區(qū)域相當(dāng)?shù)呐袛鄷r，首先進(jìn)行與III區(qū)域相當(dāng)時的預(yù)熱處理，然后，轉(zhuǎn)移到對應(yīng)于II區(qū)域的處理，進(jìn)而根據(jù)狀況轉(zhuǎn)移到對應(yīng)于I區(qū)域的處理。這是由于與上述第1實(shí)施方式同樣，在以搭載于車輛100的燃料電池系統(tǒng)1為對象的本實(shí)施方式中，在停車狀態(tài)下進(jìn)行系統(tǒng)起動，因此在作出與I區(qū)域或II區(qū)域相當(dāng)而能夠行駛的判斷的情況下，首先如相當(dāng)于III區(qū)域的情況那樣進(jìn)行停車狀態(tài)下的預(yù)熱處理， 然后，轉(zhuǎn)移到對應(yīng)于II區(qū)域的處理，根據(jù)情況轉(zhuǎn)移到對應(yīng)于I區(qū)域的處理(參照圖3)。另外，可以從最初開始像這樣區(qū)分I區(qū)域、II區(qū)域、及III區(qū)域。<第3實(shí)施方式>上述第1、第2實(shí)施方式中在FC溫度和剩余水量Vw的坐標(biāo)圖中設(shè)定了大致橢圓形狀的區(qū)域(參照圖4、圖6)，但也能夠使區(qū)域的形狀為除此以外的形狀。例如本實(shí)施方式中，通過2條曲線(例如反比例坐標(biāo)圖的曲線或者近似于雙曲線的曲線)劃分為起動時FC 溫度高且剩余水量Vw少的(干燥的)I區(qū)域、起動時FC溫度低且剩余水量Vw多的(濕潤的)III區(qū)域、位于兩區(qū)域的中間的II區(qū)域這3個區(qū)域(參照圖7)。另外，剩余水量Vw的計(jì)算、車輛100能否行駛、是否需要急速預(yù)熱、和急速預(yù)熱時是否使冷卻水(FCC)不循環(huán)的判斷能夠與第1實(shí)施方式同樣地進(jìn)行。<第4實(shí)施方式>本實(shí)施方式中，通過3條曲線(例如反比例坐標(biāo)圖的曲線或近似于雙曲線的曲線)，劃分為起動時FC溫度高且剩余水量Vw少的(干燥的)I區(qū)域、起動時FC溫度低且剩余水量Vw多的(濕潤的)IV區(qū)域、位于兩區(qū)域之間的II區(qū)域和III區(qū)域這4個區(qū)域(參照圖8)。剩余水量Vw的計(jì)算、車輛100能否行駛、是否需要急速預(yù)熱、和急速預(yù)熱時是否使冷卻水(FCC)不循環(huán)的判斷可與第2實(shí)施方式同樣地進(jìn)行。另外，上述實(shí)施方式雖是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但不限于此，在不脫離本發(fā)明的主旨的范圍內(nèi)能夠進(jìn)行各種變形實(shí)施。工業(yè)實(shí)用性根據(jù)本發(fā)明，在冰點(diǎn)下使燃料電池系統(tǒng)起動時，能夠根據(jù)需要進(jìn)行急速預(yù)熱運(yùn)轉(zhuǎn)并抑制熱集中導(dǎo)致的耐久性的劣化。因此，本發(fā)明在具有這種要求的燃料電池系統(tǒng)中能夠廣泛利用。標(biāo)號說明1…燃料電池系統(tǒng)、2…燃料電池、7…控制裝置(判斷單元、發(fā)電控制單元)、9L···
基準(zhǔn)FC溫度存儲器(存儲器)、92…基準(zhǔn)阻抗存儲器(存儲器)、93…基準(zhǔn)掃氣空氣量存儲器(存儲器)、100…車輛、狗…掃氣空氣量、Te…上一次結(jié)束時的燃料電池的溫度、Vw…剩余水量
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池，在冰點(diǎn)下起動時根據(jù)需要實(shí)施停止冷卻水的循環(huán)而急速地進(jìn)行預(yù)熱的急速預(yù)熱運(yùn)轉(zhuǎn)，所述燃料電池系統(tǒng)的特征在于，具有存儲器，存儲該系統(tǒng)的上一次運(yùn)轉(zhuǎn)的運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)束條件、起動時溫度等數(shù)據(jù)、或上一次掃氣時算出的該燃料電池中的生成水的剩余水量；判斷單元，基于在該系統(tǒng)起動時從該存儲器讀出的數(shù)據(jù)來計(jì)算所述生成水的剩余水量，根據(jù)該剩余水量和起動時溫度進(jìn)行是否需要該系統(tǒng)的急速預(yù)熱的判斷，以及在需要急速預(yù)熱時進(jìn)行是否以不循環(huán)方式使所述冷卻水起動的判斷；及發(fā)電控制單元，基于該判斷單元的判斷結(jié)果，使所述冷卻水循環(huán)或不循環(huán)而執(zhí)行向所述燃料電池供給的反應(yīng)氣體比通常發(fā)電時少且電力損失比所述通常發(fā)電大的低效率發(fā)電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述判斷單元具備測定所述燃料電池的阻抗的阻抗測定功能和測定所述燃料電池的關(guān)聯(lián)溫度的關(guān)聯(lián)溫度測定功能，并基于包括所述阻抗的測定結(jié)果和所述關(guān)聯(lián)溫度的測定結(jié)果的數(shù)據(jù)計(jì)算出所述生成水的剩余水量。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述數(shù)據(jù)為該燃料電池的上一次運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)束時的阻抗、該燃料電池的溫度、及掃氣空氣量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1 3中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述燃料電池系統(tǒng)為搭載在燃料電池車上的燃料電池系統(tǒng)，在冰點(diǎn)下起動時通過所述判斷單元進(jìn)行該燃料電池車是否能夠行駛的判斷。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，將該燃料電池的起動時溫度-所述生成水的剩余水量(Vw)的坐標(biāo)圖分成多個區(qū)域，根據(jù)該燃料電池起動時的所述起動時溫度和所述剩余水量屬于所述多個區(qū)域中的哪一個區(qū)域來判斷是否以不循環(huán)方式使所述冷卻水起動。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，將該燃料電池的起動時溫度-所述生成水的剩余水量(Vw)的坐標(biāo)圖分成多個區(qū)域，根據(jù)該燃料電池起動時的所述起動時溫度和所述剩余水量的關(guān)系，判斷是否以不循環(huán)方式使所述冷卻水起動以及該燃料電池車能否不進(jìn)行預(yù)熱運(yùn)轉(zhuǎn)而行駛。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，作為所述燃料電池的起動時溫度-所述生成水的剩余水量(Vw)的坐標(biāo)圖，使用被由曲線封閉的空間分成了多個區(qū)域的坐標(biāo)圖。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，作為所述燃料電池的起動時溫度-所述生成水的剩余水量(Vw)的坐標(biāo)圖，使用被近似反比例坐標(biāo)圖的曲線或近似雙曲線的2條或3條曲線分成了多個區(qū)域的坐標(biāo)圖。
9.一種燃料電池系統(tǒng)的起動時控制方法，所述燃料電池系統(tǒng)在冰點(diǎn)下起動時根據(jù)需要實(shí)施停止冷卻水的循環(huán)而急速地進(jìn)行預(yù)熱的急速預(yù)熱運(yùn)轉(zhuǎn)，其中，在存儲器中存儲該系統(tǒng)的上一次運(yùn)轉(zhuǎn)的運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)束條件、起動時溫度等數(shù)據(jù)、或上一次掃氣時算出的該燃料電池中的生成水的剩余水量，基于在該系統(tǒng)起動時從該存儲器讀出的數(shù)據(jù)來計(jì)算所述生成水的剩余水量，根據(jù)該剩余水量和起動時溫度進(jìn)行是否需要該系統(tǒng)的急速預(yù)熱的判斷，以及在需要急速預(yù)熱時進(jìn)行是否以不循環(huán)方式使所述冷卻水起動的判斷，基于該判斷單元的判斷結(jié)果，使所述冷卻水循環(huán)或不使循環(huán)而執(zhí)行向所述燃料電池供給的反應(yīng)氣體比通常發(fā)電時少且電力損失比所述通常發(fā)電大的低效率發(fā)電。
全文摘要
在冰點(diǎn)下使燃料電池系統(tǒng)起動時，根據(jù)需要進(jìn)行急速預(yù)熱運(yùn)轉(zhuǎn)，并抑制熱集中導(dǎo)致的耐久性的劣化。為了實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，在存儲器中存儲該系統(tǒng)的上一次運(yùn)轉(zhuǎn)的運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)束條件、起動時溫度等數(shù)據(jù)、或上一次掃氣時的生成水的剩余水量，基于在該系統(tǒng)的起動時從該存儲器讀出的數(shù)據(jù)算出生成水的剩余水量，由該剩余水量和起動時溫度進(jìn)行是否需要該系統(tǒng)的急速預(yù)熱的判斷、及在需要急速預(yù)熱時進(jìn)行是否以不循環(huán)方式使冷卻水起動的判斷，基于該判斷單元產(chǎn)生的判斷結(jié)果，使冷卻水循環(huán)或不循環(huán)而執(zhí)行向燃料電池供給的反應(yīng)氣體比通常發(fā)電時少且電力損失比通常發(fā)電大的低效率發(fā)電。數(shù)據(jù)例如為該燃料電池的上一次運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)束時的阻抗Ze、該燃料電池的溫度Te、掃氣空氣量Fe。
文檔編號B60L11/18GK102318116SQ20108000726
公開日2012年1月11日 申請日期2010年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月10日
發(fā)明者弓田修, 手塚卓睦, 水野伸和, 田中浩己, 藤公志, 長沼良明 申請人:豐田自動車株式會社