燃料電池系統(tǒng)以及燃料電池系統(tǒng)的控制方法
【專利說(shuō)明】燃料電池系統(tǒng)以及燃料電池系統(tǒng)的控制方法
[0001 ] 技術(shù)區(qū)域
[0002]本發(fā)明涉及對(duì)燃料電池的電流電壓特性進(jìn)行估計(jì)的燃料電池系統(tǒng)以及燃料電池系統(tǒng)的控制方法。
【背景技術(shù)】
[0003]作為燃料電池系統(tǒng)，有一邊改變?nèi)剂想姵氐妮敵鲭娏饕贿厵z測(cè)輸出電壓而估計(jì)燃料電池的電流電壓(IV)特性的燃料電池系統(tǒng)(參照J(rèn)P2000-357526A)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]現(xiàn)在正在開(kāi)發(fā)的燃料電池系統(tǒng)中，在燃料電池的陽(yáng)極氣體流路中滯留的氮?dú)饣蛩鹊碾s質(zhì)排出至在陽(yáng)極氣體排出通路中設(shè)置的緩沖罐。這樣，由于在燃料電池的發(fā)電區(qū)域中存在的雜質(zhì)減少，所以抑制了燃料電池的發(fā)電效率的降低。
[0005]這樣的燃料電池系統(tǒng)也有時(shí)在零下的溫度環(huán)境中啟動(dòng)。在這樣的情況下，由于燃料電池的IV特性比通常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)變差，所以定期地確認(rèn)燃料電池的IV特性是否恢復(fù)至能夠?qū)︱?qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)供給電力的IV特性。
[0006]關(guān)于IV特性的估計(jì)，實(shí)施將從燃料電池取出的輸出電流在一定的范圍中產(chǎn)生振幅的電流控制，在使輸出電流產(chǎn)生振幅的期間，從各傳感器依次取得燃料電池的電流以及電壓。然后，基于取得的電流值以及電壓值來(lái)估計(jì)燃料電池的IV特性。
[0007]另一方面，關(guān)于陽(yáng)極氣體的壓力控制，控制成燃料電池的輸出電流越大則陽(yáng)極氣體的壓力越高。由此，抑制了在輸出電流低時(shí)根據(jù)陰極氣體壓力和陽(yáng)極氣體壓力的差壓而在燃料電池的膜中產(chǎn)生的應(yīng)力。
[0008]然而，在向緩沖罐排出雜質(zhì)的燃料電池系統(tǒng)中，若伴隨著基于IV估計(jì)的電流控制而使陽(yáng)極氣體壓力降低，則雜質(zhì)從緩沖罐向燃料電池逆流而導(dǎo)致發(fā)電區(qū)域內(nèi)的雜質(zhì)濃度上升。其結(jié)果，燃料電池的發(fā)電效率降低，在傳感器中檢測(cè)到的燃料電池的電壓比本來(lái)的電壓值更低，所以估計(jì)IV特性的估計(jì)精度變差。
[0009]本發(fā)明是著眼于這樣的問(wèn)題而完成的，其目的在于，提供一種將在燃料電池中滯留的雜質(zhì)排出至容積部，且抑制伴隨著雜質(zhì)的逆流的IV特性的估計(jì)精度的降低的燃料電池系統(tǒng)以及燃料電池系統(tǒng)的控制方法。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的某一方式，對(duì)燃料電池供給陽(yáng)極氣體以及陰極氣體、且使燃料電池根據(jù)負(fù)載而發(fā)電的燃料電池系統(tǒng)包括容積部，該容積部?jī)?chǔ)存從燃料電池排出的雜質(zhì)。并且，燃料電池系統(tǒng)包括:壓力控制部，與燃料電池的電流低時(shí)相比，在燃料電池的電流高時(shí)，提高陽(yáng)極氣體的壓力;估計(jì)部，使燃料電池的電流產(chǎn)生振幅，且基于此時(shí)取得的電流值以及電壓值來(lái)估計(jì)燃料電池的電流電壓特性；以及限制部，在估計(jì)部進(jìn)行電流電壓特性的估計(jì)時(shí)，限制基于壓力控制部的陽(yáng)極氣體的壓力降低。
【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1是表示本發(fā)明的第一實(shí)施方式中的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
[0012]圖2是表示估計(jì)燃料電池的IV特性的估計(jì)方法的說(shuō)明圖。
[0013]圖3是表示構(gòu)成控制器的控制部的框圖。
[0014]圖4是表示伴隨著IV估計(jì)時(shí)中的陽(yáng)極氣體的壓力降低的、輸出電壓的降低的說(shuō)明圖。
[0015]圖5是表示在IV估計(jì)時(shí)限制陽(yáng)極氣體的壓力降低的限制方法的流程圖。
[0016]圖6是表示第二實(shí)施方式中的陽(yáng)極氣體控制部的框圖。
[0017]圖7是表示在IV估計(jì)時(shí)限制陽(yáng)極氣體的壓力降低的限制方法的說(shuō)明圖。
[0018]圖8是表示燃料電池的IV特性的估計(jì)精度的說(shuō)明圖。
[0019]圖9是表示第三實(shí)施方式中的陽(yáng)極氣體控制部的框圖。
[0020]圖10是表示在IV估計(jì)時(shí)限制陽(yáng)極氣體的壓力降低的限制方法的說(shuō)明圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021 ]以下，參照附圖等說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式。
[0022](第一實(shí)施方式)
[0023]圖1是表示本發(fā)明的第一實(shí)施方式中的燃料電池系統(tǒng)100的結(jié)構(gòu)的圖。
[0024]燃料電池系統(tǒng)100是從外部對(duì)燃料電池堆I供給陰極氣體以及陽(yáng)極氣體且使燃料電池堆I根據(jù)負(fù)載而發(fā)電的電源系統(tǒng)。在本實(shí)施方式中，燃料電池系統(tǒng)100將在燃料電池堆I中發(fā)電的發(fā)電電力供應(yīng)給驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)53等的負(fù)載。
[0025]燃料電池系統(tǒng)100包括燃料電池堆1、陰極氣體供排裝置2、陽(yáng)極氣體供排裝置3、堆冷卻裝置4、電力系統(tǒng)5、控制器6。
[0026]燃料電池堆I是層疊了幾百塊燃料電池(所謂的電池組(cell))的層疊電池。燃料電池堆I接受陽(yáng)極氣體以及陰極氣體的供給而發(fā)電。在燃料電池堆I中，作為用于取出電力的端子，設(shè)置有陽(yáng)極電極側(cè)輸出端子11和陰極電極側(cè)輸出端子12。
[0027]燃料電池由陽(yáng)極電極(燃料極)、陰極電極(氧化劑極)、被陽(yáng)極電極以及陰極電極所夾持的電解質(zhì)膜構(gòu)成。在燃料電池中，在陽(yáng)極電極中含氫的陽(yáng)極氣體(燃料氣體)和在陰極電極中含氧的陰極氣體(氧化劑氣體)在電解質(zhì)膜中產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)。在陽(yáng)極電極以及陰極電極的兩個(gè)電極中，進(jìn)行以下的電化學(xué)反應(yīng)。
[0028]陽(yáng)極電極:2H2—4H++4e—……(I)
[0029 ]陰極電極:4H++4e—+02—2H20 ……(2)
[0030]在燃料電池中，通過(guò)上述(I)以及(2)的電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)且生成水。由于在燃料電池堆I中層疊的每一個(gè)燃料電池相互串聯(lián)連接，所以在各燃料電池中產(chǎn)生的組電壓的總和成為燃料電池堆I的輸出電壓(例如，幾百伏特)。
[0031]在燃料電池堆I中，通過(guò)陰極氣體供排裝置2而被供給陰極氣體，通過(guò)陽(yáng)極氣體供排裝置3而被供給陽(yáng)極氣體。
[0032]陰極氣體供排裝置2是對(duì)燃料電池堆I供給陰極氣體、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。陰極氣體供排裝置2包括陰極氣體供給通路21、過(guò)濾器22、陰極壓縮機(jī)23、陰極壓力傳感器24、陰極氣體排出通路25、陰極調(diào)壓閥26。
[0033]陰極氣體供給通路21是要對(duì)燃料電池堆I供給的陰極氣體流過(guò)的通路。陰極氣體供給通路21的一端連接到過(guò)濾器22，另一端連接到燃料電池堆I的陰極氣體入口孔。
[0034]過(guò)濾器22除去在陰極氣體供給通路21的陰極氣體中取入的異物。
[0035]陰極壓縮機(jī)23設(shè)置在陰極氣體供給通路21中。陰極壓縮機(jī)23經(jīng)由過(guò)濾器22將作為陰極氣體的空氣(外部空氣)取入陰極氣體供給通路21，將該空氣供應(yīng)給燃料電池堆I。
[0036]陰極壓力傳感器24設(shè)置在比陰極壓縮機(jī)23位于下游的陰極氣體供給通路21中。陰極壓力傳感器24對(duì)供應(yīng)給燃料電池堆I的陰極氣體的壓力進(jìn)行檢測(cè)。在陰極壓力傳感器24中所檢測(cè)的檢測(cè)壓力輸出到控制器6。
[0037]陰極氣體排出通路25是從燃料電池堆I排出的陰極廢氣流過(guò)的通路。陰極氣體排出通路25的一端連接到燃料電池堆I的陰極氣體出口孔，另一端成為開(kāi)口端。
[0038]陰極調(diào)壓閥26設(shè)置在陰極氣體排出通路25中。陰極調(diào)壓閥26通過(guò)控制器6而被進(jìn)行開(kāi)閉控制，將從陰極壓縮機(jī)23供應(yīng)給燃料電池堆I的陰極氣體的壓力調(diào)節(jié)為期望的壓力。
[0039]另外，雖然在圖1中未圖示，但也可以為了燃料電池堆I的加濕，在陰極氣體供給通路21中設(shè)置加濕裝置。
[0040]陽(yáng)極氣體供排裝置3是死端型的系統(tǒng)，是對(duì)燃料電池堆I供應(yīng)陽(yáng)極氣體且將從燃料電池堆I排出的陽(yáng)極廢氣向陰極氣體排出通路25排出的裝置。陽(yáng)極氣體供排裝置3包括高壓罐31、陽(yáng)極氣體供給通路32、陽(yáng)極調(diào)壓閥33、陽(yáng)極壓力傳感器34、陽(yáng)極氣體排出通路35、緩沖罐36、凈化閥37。
[0041]高壓罐31將對(duì)燃料電池堆I供給的陽(yáng)極氣體保持高壓狀態(tài)而儲(chǔ)藏。
[0042]陽(yáng)極氣體供給通路32是用于將陽(yáng)極氣體從高壓罐31向燃料電池堆I供給的通路。陽(yáng)極氣體供給通路32的一端連接到高壓罐31，另一端連接到燃料電池堆I的陽(yáng)極氣體入口孔。
[0043]陽(yáng)極調(diào)壓閥33設(shè)置在陽(yáng)極氣體供給通路32中。陽(yáng)極調(diào)壓閥33通過(guò)控制器6而被進(jìn)行開(kāi)閉控制，將從高壓罐31向陽(yáng)極氣體供給通路32流出的陽(yáng)極氣體的壓力調(diào)節(jié)為期望的壓力。
[0044]陽(yáng)極壓力傳感器34設(shè)置在比陽(yáng)極調(diào)壓閥33位于下游的陽(yáng)極氣體供給通路32中。陽(yáng)極壓力傳感器34對(duì)供應(yīng)給燃料電池堆I的陽(yáng)極氣體的壓力進(jìn)行檢測(cè)。在陽(yáng)極壓力傳感器34中檢測(cè)到的檢測(cè)壓力輸出到控制器6。
[0045]陽(yáng)極氣體排出通路35是從燃料電池堆I排出的陽(yáng)極廢氣流過(guò)的通路。陽(yáng)極氣體排出通路35的一端連接到燃料電池堆I的陽(yáng)極氣體出口孔，另一端連接到陰極氣體排出通路25。
[0046]緩沖罐36設(shè)置在陽(yáng)極氣體排出通路35中。緩沖罐36是儲(chǔ)存從燃料電池堆I排出的陽(yáng)極廢氣的容積部。能夠通過(guò)緩沖罐36向燃料電池堆I的發(fā)電區(qū)域的下游排出雜質(zhì)氣體。因此，能夠抑制燃料電池堆I的發(fā)電區(qū)域中的雜質(zhì)氣體的濃度上升。
[0047]另外，燃料電池堆I的發(fā)電區(qū)域是電池組的電解質(zhì)膜被陽(yáng)極氣體流路和陰極氣體流路所夾持的區(qū)域。另外，也可以代替緩沖罐36，在燃料電池堆I內(nèi)的各電池組的陽(yáng)極氣體流路合流的部分設(shè)置容積部而蓄積陽(yáng)極廢氣。
[0048]凈化閥37設(shè)置在陽(yáng)極氣體排出通路35中。凈化閥37通過(guò)控制器6而被進(jìn)行開(kāi)閉控制，控制從陽(yáng)極氣體排出通路35向陰極氣體排出通路25排出的陽(yáng)極廢氣的流量。
[0049]堆冷卻裝置4是冷卻燃料電池堆I，將燃料電池堆I保持適合發(fā)電的溫度的裝置。堆冷卻裝置4包括冷卻水循環(huán)通路41、散熱器42、旁路通路43、三通閥44、循環(huán)栗45、PTC加熱器46、第一水溫傳感器47、第二水溫傳感器48。
[0050]冷卻水循環(huán)通路41是用于冷卻燃料電池堆I的冷卻水循環(huán)的通路。
[0051]散熱器42設(shè)置在冷卻水循環(huán)通路41中。散熱器42冷卻從燃料電池堆I排出的冷卻水。
[0052]旁路通路43繞開(kāi)(bypass)散熱器42，使冷卻水循環(huán)燃料電池堆I。旁路通路43的一端連接到冷卻水循環(huán)通路41，另一端連接到三通閥44。
[0053]三通閥44設(shè)置在比散熱器42位于下游側(cè)的冷卻水循環(huán)通路41中。三通閥44根據(jù)冷卻水的溫度而切換冷卻水的循環(huán)路徑。
[0054]循環(huán)栗45設(shè)置在比三通閥44位于下游側(cè)的冷卻水循環(huán)通路41中，使冷卻水循環(huán)。
[0055]PTC加熱器46設(shè)置在旁路通路43中ITC加熱器46在燃料電池堆I的預(yù)熱時(shí)被通電，使冷卻水的溫度上升。
[0056]第一水溫傳感器47設(shè)置在比散熱器42位于上游側(cè)的冷卻水循環(huán)通路41中。第一水溫傳感器47檢測(cè)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”)。
[0057]第二水溫傳感器48設(shè)置在循環(huán)栗45和燃料電池堆I之間的冷卻水循環(huán)通路41中。第二水溫傳感器48對(duì)供應(yīng)給燃料電池堆I的冷卻水的溫度進(jìn)行檢測(cè)。
[0058]電力系統(tǒng)5包括電流傳感器51、電壓傳感器52、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)53、逆變器54、蓄電池55、DC/DC轉(zhuǎn)換器56、輔機(jī)類57。
[0059]電流傳感器51檢測(cè)從燃料電池堆I取出的電流(以下，稱為“輸出電流”)。在電流傳感器51中檢測(cè)到的輸出電流供應(yīng)給控制器6。
[0060]電壓傳感器52檢測(cè)陽(yáng)極電極側(cè)輸出端子11的電位和陰極電極側(cè)輸出端子12的電位的電位差(以下，稱為“輸出電壓”)。在電壓傳感器52中檢測(cè)到的輸出電壓輸出到控制器
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[0061]驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)53是在轉(zhuǎn)子中埋設(shè)永久磁鐵、在定子上卷繞定子線圈的三相交流同步電動(dòng)機(jī)。驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)53具有作為從燃料電池堆I以及蓄電池55接受電力的供給而旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)的功能、作為通過(guò)在車輛的減速時(shí)轉(zhuǎn)子因外力而旋轉(zhuǎn)從而在定子線圈的兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的發(fā)電機(jī)