燃料电池系统技术方案

本发明专利技术提供一种燃料电池系统，所述燃料电池系统若在利用发电效率低于通常运转的低效率运转来对燃料电池进行预热中向燃料电池的发电指令值Ｐｒｅｆ急剧减少时，则通过使燃料电池的输出电压升压，将与燃料电池的发电量Ｐｍｅｓ和发电指令值Ｐｒｅｄ之间的差分相当的剩余电力Ｗｓ向燃料电池的电容成分充电，并使供给到燃料电池的外部负载的电力（Ｐｍｅｓ－Ｗｓ）和发电指令值Ｐｒｅｆ一致。由此，能够进行控制以使在低效率运转时对燃料电池的要求电力急剧减少时，不向外部负载供给剩余电力。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种利用低效率运转对燃料电池进行预热的燃料电池系统。
技术介绍
燃料电池是通过使燃料利用电化学过程而氧化，从而将伴随氧化反应所释放的能 量直接变换成电能的发电系统，具有层叠多个膜_电极组件而成的堆叠结构，所述膜_电极 组件利用由多孔质材料构成的一对电极夹持用于选择性地输送氢离子的电解质膜的两侧 面而形成。其中，将固体高分子膜作为电解质使用的固体高分子电解质型燃料电池成本低 且易小型化，并且具有较高的输出密度，所以被期待用作车载电力源。 这种燃料电池通常将70 8(TC视为发电最佳的温度区域，但在寒冷地区等环境 中，从起动之后直到达到最佳温度区域有时需要较长时间，因此研究了各种预热系统。例 如，在(日本)特开2002-313388号公报中公示了 通过实施发电效率低于通常运转的低效 率运转来控制燃料电池的自身发热量，并在车辆行驶中对燃料电池进行预热的方法。该方 法是将燃料电池的输出电压设定为比基于其I-V特性(电流对电压特性)的电压值低的电 压值，使燃料电池的热损耗增大而实施基于自身发热的预热运转，所以不需要搭载预热用 的装置，便利性优良。 专利文献1 :(日本)特开2002-313388号公报 然而，优选在车辆行驶中的低效率运转中，将燃料电池的输出电压固定为比基于其i-v特性的电压值低的一定的电压值，并且根据要求电力可变地控制向燃料电池供给的氧化气体流量。这时的燃料电池的输出电压被设定为可以实现迅速的预热运转、并且能够 得到车辆行驶中最低限度所需的电动机输出的一定的电压值。在此，将燃料电池的输出电 压固定为一定的电压值的理由是从在预热运转时使发电效率降低的观点来看，在对燃料电池的输出电压以比基于燃料电池的i-v特性的电压低的电压进行运转控制的情况下，当燃料电池的输出电压变动(升压或降压)时，会产生来自燃料电池内部寄生性地形成的电容 成分的电力的充放电，在从燃料电池向外部负载(牵引电动机或车载辅机类等)所供给的 电力方面产生过量或不足。 另一方面，在(日本)特开2002-313388号公报公开的方法中，作为在预热运转时 使燃料电池的发电效率降低的补偿，使燃料电池的输出也降低，所以不能实施与要求电力 相适的输出控制。为了解决这样的问题，在车辆行驶中的低效率运转中，将燃料电池的输出电压固定为比基于燃料电池的i-v特性的电压值低的一定的电压值，并且根据要求电力可变地控制向燃料电池供给的氧化气体流量即可。 但是，在将燃料电池系统作为车载电源的燃料电池车辆中，存在利用空气压縮机 向燃料电池供给氧化气体的情况。空气压縮机中安装的驱动电动机采用响应性良好的电动 机，油门开度急剧增大时的空气压縮机的响应性良好。但对于空气压縮机而言，其现状是， 往往没有搭载制动器等减速装置，所以油门开度急剧减少时的响应性差，转速因惯性而减 小。 因此，在车辆行驶中的低效率运转时，即使油门开度急剧减小，因不能急剧地减小 向燃料电池的氧化气体流量，所以产生将超过发电指令值的剩余电力充电。虽然向蓄电池 充电该剩余电力，但是担心在由于低温环境下蓄电池的充电能力降低的情况下，导致蓄电 池的过度充电。
技术实现思路
于是，本专利技术的课题是提出一种燃料电池系统，该燃料电池系统可以进行控制以 使在低效率运转时对燃料电池的要求电力急剧减少时，不向外部负载供给剩余电力。 为了解决上述课题，本专利技术的燃料电池系统具备燃料电池，接受反应气体的供给 而进行发电；预热装置，利用与通常运转相比发电效率较低的低效率运转来对燃料电池进 行预热；及控制装置，在实施低效率运转期间向燃料电池的发电指令值急剧减少时，通过使 燃料电池的输出电压升压，将超过发电指令值的剩余电力充电于燃料电池的电容成分。 根据这样的结构，在低效率运转中发电指令值急剧减少时，可以将超过发电指令 值的剩余电力充电于燃料电池的电容成分，所以可以抑制从燃料电池向外部负载的剩余电 力供给。 在此，所谓燃料电池的电容成分，是指燃料电池的催化剂担载体的双电层电容成 分和催化剂的氧化还原反应所产生的视在电容成分。另外，所谓低效率运转是指在具有比 由燃料电池的电流对电压特性曲线确定的电压值低的电压值的运转点进行电池运转。 本专利技术的燃料电池系统也可以还具备映射数据，表示电容成分的相对于电压的 电容值；和校正装置，基于所述电容成分的实测值校正所述映射数据，所述电容成分的实测 值由所述燃料电池的输出电流除以所述燃料电池的输出电压在单位时间内的变化而得到。 已知燃料电池的电容成分在持续长时间使用时，因催化剂氧化等，会发生时效老 化。以电容成分的实测值为基础，校正表示电容成分的相对于电压的电容值的映射数据，从 而可以高精度地将剩余电力充电于电容成分。 本专利技术的燃料电池系统可以还具备发电指令装置，在实施低效率运转期间针对燃 料电池的运转负荷急剧减少时，使发电指令值缓和地减少以使燃料电池的发电量和发电指 令值之间的差分变小。 通过使发电指令值缓和地减少以使燃料电池的发电量和发电指令值之间的差分 变小，可以尽量减少剩余电力，减小向燃料电池的外部负载供给的发电量和发电指令值之 间的偏差。 优选在为了将剩余电力充电于电容成分而指定的运转点具有比由通常运转时的 燃料电池的电流对电压特性曲线确定的电压值高的电压值的情况下，由于意味着运转点偏 离低效率运转区域，所以控制装置从低效率运转切换为通常运转。 优选在从低效率运转切换为通常运转时，控制装置通过向燃料电池供给比与发电 指令值相适的反应气体供给量多的反应气体，强制性地生成剩余电力，使燃料电池的输出 电压升压来将所述剩余电力充电于电容成分。 为了从低效率运转切换为通常运转，需要使燃料电池的运转点从低效率运转区域 移至根据电流对电压特性曲线确定的运转点(提高运转点的电压值)。这时，通过趋于过剩 地向燃料电池供给反应气体，强制性地生成剩余电力，使燃料电池的输出电压升压而将所述剩余电力充电于电容成分，由此能够不会使向燃料电池的外部负载供给的电力导致变动 地从低效率运转切换为通常运转。附图说明图1是本实施方式的燃料电池系统的系统构成图；图2是单体电池的分解立体图；图3是燃料电池组的C-V特性图；图4是燃料电池组的等效电路图；图5是燃料电池组的运转点的说明图；图6是表示AV控制的控制过程的时序图；图7是表示AV控制的控制过程的时序图；图8是表示用于从低效率运转切换为通常运转的控制过程的时序图；图9是用于计算在AV控制时燃料电池组的电压指令值的功能方框图；图10是寄生性地存在于燃料电池组中的电容成分的映射数据；图ll是用于校正寄生性地存在于燃料电池组中的电容成分的映射数据的方框图。具体实施例方式下面，参照各图对本专利技术的实施方式进行说明。 图1表示本实施方式的燃料电池系统10的系统构成。 燃料电池系统10作为燃料电池车辆上所搭载的车载电源系统起作用，具备接受 反应气体(燃料气体、氧化气体)的供给而进行发电的燃料电池组20、用于向燃料电池组 20供给作为氧化气体的空气的氧化气体供给系统30、用于向燃料电池组20供给作为燃料 气体的氢气的燃料气体供给系统40、用于控制电力的充放电的电力系统50、用于对燃料电 池组20进行冷却的冷却系统60、及控制系统整体的控制单元(ECU) 70本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池系统，具备：燃料电池，接受反应气体的供给而进行发电；预热装置，通过与通常运转相比发电效率较低的低效率运转来对燃料电池进行预热；及控制装置，在实施所述低效率运转期间向所述燃料电池的发电指令值急剧减少时，通过使所述燃料电池的输出电压升压，将超过所述发电指令值的剩余电力充电于所述燃料电池的电容成分。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】JP 2007-8-28 2007-221336一种燃料电池系统，具备燃料电池，接受反应气体的供给而进行发电；预热装置，通过与通常运转相比发电效率较低的低效率运转来对燃料电池进行预热；及控制装置，在实施所述低效率运转期间向所述燃料电池的发电指令值急剧减少时，通过使所述燃料电池的输出电压升压，将超过所述发电指令值的剩余电力充电于所述燃料电池的电容成分。2. 根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，还具备 映射数据，表示所述电容成分的相对于电压的电容值；及校正装置，基于所述电容成分的实测值来校正所述映射数据，所述电容成分的实测值 由所述燃料电池的输出电流除以所述燃料电池的输出电压在单位时间内的变化而得到。3. 根据权利要求l所述的燃料电池系统，其中，还具备发电指令装置，所述发电指令装置在实施所述低效率运转期间针对所述燃料电 池的运转负荷急剧减少时，使所述发电指令值缓和地减少以使所...

【专利技术属性】
技术研发人员：今西启之，真锅晃太，小川朋也，
申请(专利权)人：丰田自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]