專利名稱：燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)，特別是涉及一種具有可接受電力供給而驅(qū)動(dòng)且可 產(chǎn)生再生電力的電動(dòng)機(jī)的燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年，將通過燃料氣體和氧化氣體的電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行發(fā)電的燃料電池作為能量源 的燃料電池系統(tǒng)受到注目。燃料電池系統(tǒng)向燃料電池的陽極供給來自燃料罐的高壓的燃料 氣體，并向陰極加壓供給作為氧化氣體的空氣，使這些燃料氣體和氧化氣體發(fā)生電化學(xué)反 應(yīng)，產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。這樣的燃料電池系統(tǒng)中用于車載的燃料電池系統(tǒng)以燃料電池、二次電池、行駛電 動(dòng)機(jī)、和輔機(jī)為主體而構(gòu)成，通過適當(dāng)控制它們的電力分配來進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。在這樣的燃料電池系統(tǒng)中，取得基于油門開度等決定的發(fā)電要求電力、行駛電動(dòng) 機(jī)的再生電力和燃料電池的發(fā)電電力的平衡來使二次電池的SOC(剩余容量)控制在規(guī)定 范圍內(nèi)(例如，參照專利文獻(xiàn)1)。專利文獻(xiàn)1 國際公開第2002/015316號(hào)小冊(cè)子然而，在燃料電池系統(tǒng)中，為了抑制燃料電池的老化促進(jìn)，考慮在規(guī)定的條件下進(jìn) 行抑制燃料電池的電壓達(dá)到規(guī)定的閾值以上的高電位化回避控制。這樣的高電位化回避控 制中，即使在暫時(shí)使向燃料電池的發(fā)電指令停止的狀態(tài)下，燃料電池也可能發(fā)電，發(fā)電指令 值和燃料電池的實(shí)際的發(fā)電電力之間產(chǎn)生誤差。在產(chǎn)生這樣的誤差的狀態(tài)下，不能適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行上述的電力分配，例如可能對(duì)二次 電池產(chǎn)生過充電。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種燃料電池系統(tǒng)，其能夠適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行電力分配。本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)，具備燃料電池，通過燃料氣體和氧化氣體的電化學(xué)反應(yīng) 進(jìn)行發(fā)電；電動(dòng)機(jī)，可接受電力供給而驅(qū)動(dòng)且可產(chǎn)生再生電力；蓄電部，相對(duì)于上述電動(dòng)機(jī) 與上述燃料電池并聯(lián)連接，可將上述燃料電池的發(fā)電電力及上述電動(dòng)機(jī)的再生電力予以充 電、且可將充電電力向上述電動(dòng)機(jī)放電；輔機(jī)，至少在上述燃料電池的運(yùn)轉(zhuǎn)中使用；及控制 部，對(duì)上述燃料電池、上述蓄電部、上述電動(dòng)機(jī)、及上述輔機(jī)的電力分配進(jìn)行控制，上述控制 部在通常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)使用基于發(fā)電要求電力的發(fā)電指令值決定上述電力分配，另一方面在抑制 上述燃料電池的電壓達(dá)到比該燃料電池的開路電壓低的規(guī)定的高電位回避電壓閾值以上 的高電位化回避控制中，代替上述發(fā)電指令值而使用上述燃料電池的發(fā)電實(shí)測(cè)值來決定上 述電力分配。根據(jù)該構(gòu)成，在抑制燃料電池的電壓達(dá)到規(guī)定的高電位回避電壓閾值以上的高電 位化回避控制中，盡管暫時(shí)使向燃料電池的發(fā)電指令停止，燃料電池也會(huì)發(fā)電，發(fā)電指令值 和燃料電池的實(shí)際的發(fā)電電力之間也可能產(chǎn)生誤差，但即便如此，由于使用燃料電池的發(fā)電實(shí)測(cè)值來代替發(fā)電指令值決定電力分配，因此能夠適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行電力分配。在上述構(gòu)成中，上述控制部也可以在上述燃料電池的運(yùn)轉(zhuǎn)停止中進(jìn)行上述高電位 化回避控制時(shí)，代替上述發(fā)電指令值而使用上述燃料電池的發(fā)電實(shí)測(cè)值來決定上述電力分配。另外，上述控制部也可以在上述發(fā)電指令值為零的期間進(jìn)行上述高電位化回避控制時(shí)，代替上述發(fā)電指令值而使用上述燃料電池的發(fā)電實(shí)測(cè)值來決定上述電力分配。根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)，由于能夠適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行電力分配，因此能夠抑制例如 向蓄電部的過度充電。


圖1是概略地表示本發(fā)明的一實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成圖。圖2是表示在該燃料電池系統(tǒng)中在間歇運(yùn)轉(zhuǎn)要求時(shí)實(shí)施的高電位回避控制的一 處理例的流程圖。
具體實(shí)施例方式以下參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說明。圖1是表示本實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)100的主要部分的構(gòu)成的圖。在本實(shí)施方式中，設(shè)想搭載于燃料電池汽車(FCHV ;Fuel CellHybrid Vehicle)、 電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車等的車輛上的燃料電池系統(tǒng)，但是不僅是車輛，也可應(yīng)用于各種移 動(dòng)體(例如二輪車、船舶、機(jī)器人等)中。進(jìn)而，不限于搭載在移動(dòng)體上的燃料電池系統(tǒng)，也 可適用于定置型的燃料電池系統(tǒng)、便攜型的燃料電池系統(tǒng)中。該車輛以經(jīng)由減速齒輪12而與車輪63L、63R連接的牽引電動(dòng)機(jī)61為驅(qū)動(dòng)力源行 駛。牽引電動(dòng)機(jī)61的電源是電源系統(tǒng)1。從電源系統(tǒng)1輸出的直流通過變換器60變換為 三相交流而供給到牽引電動(dòng)機(jī)61。牽引電動(dòng)機(jī)61也能夠在制動(dòng)時(shí)也作為發(fā)電機(jī)起作用。 電源系統(tǒng)1由燃料電池40、蓄電池(蓄電部)20、DC/DC轉(zhuǎn)換器30等構(gòu)成。燃料電池40是由所供給的反應(yīng)氣體(燃料氣體及氧化氣體)產(chǎn)生電力的單元，可 以利用固體高分子型、磷酸型、熔融碳酸鹽型等各種類型的燃料電池。燃料電池40具備由 通過氟類樹脂等形成的質(zhì)子傳導(dǎo)性的離子交換膜等構(gòu)成的高分子電解質(zhì)膜41，在高分子電 解質(zhì)膜的表面涂布有鉬催化劑(電極催化劑)。在高分子電解質(zhì)膜41上涂布的催化劑不限于鉬催化劑，也可適用鉬鈷催化劑(以 下簡(jiǎn)稱為催化劑)等。構(gòu)成燃料電池40的各單體電池具備在高分子電解質(zhì)膜41的兩面通 過網(wǎng)板印刷等形成陽極42和陰極43的膜/電極接合體44。燃料電池40具有串聯(lián)地層積 多個(gè)單體電池的堆疊構(gòu)造。該燃料電池40的輸出電壓(以下稱為FC電壓)及輸出電流(以下稱為FC電流) 分別由電壓傳感器92及電流傳感器93檢測(cè)出。從燃料氣體供給源70向燃料電池40的燃 料極(陽極)供給氫氣等的燃料氣體，另一方面從氧化氣體供給源80向氧極(陰極)供給 空氣等的氧化氣體。燃料氣體供給源70例如由氫罐、各種閥等構(gòu)成，通過調(diào)整閥開度、開/關(guān)時(shí)間等， 控制供給到燃料電池40的燃料氣體量。
氧化氣體供給源80例如由空氣壓縮機(jī)、驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)的電動(dòng)機(jī)、變換器等構(gòu) 成，通過調(diào)整該電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速等來調(diào)整供給到燃料電池40的氧化氣體量。蓄電池20是可充放電的二次電池，例如由鎳氫蓄電池等構(gòu)成。當(dāng)然，也可以設(shè)置 二次電池以外的可充放電的所有的蓄電器(例如電容器)來代替蓄電池20。該蓄電池20 插入設(shè)置在燃料電池40的放電路徑上，與燃料電池40并聯(lián)連接。蓄電池20和燃料電池40 與牽引電動(dòng)機(jī)用的變換器60并聯(lián)連接，在蓄電池20和變換器60之間設(shè)置DC/DC轉(zhuǎn)換器 30。變換器60是例如由多個(gè)開關(guān)元件構(gòu)成的脈沖寬度調(diào)制式的PWM變換器，根據(jù)從控 制裝置10給予的控制指令將從燃料電池40或蓄電池20輸出的直流電力變換為三相交流 電力并向牽引電動(dòng)機(jī)61供給。牽引電動(dòng)機(jī)61是用于驅(qū)動(dòng)車輪63L、63R的電動(dòng)機(jī)，通過變 換器60控制該電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。DC/DC轉(zhuǎn)換器30是例如由四個(gè)功率晶體管和專用的驅(qū)動(dòng)電路(均省略圖示)構(gòu) 成的全橋轉(zhuǎn)換器。DC/DC轉(zhuǎn)換器30具備使從蓄電池20輸入的DC電壓升壓或降壓而輸出 到燃料電池40側(cè)的功能；及使從燃料電池40等輸入的DC電壓升壓或降壓而輸出到蓄電池 20側(cè)的功能。另外，通過DC/DC轉(zhuǎn)換器30的功能實(shí)現(xiàn)蓄電池20的充放電。在蓄電池20和DC/DC轉(zhuǎn)換器30之間連接有車輛輔機(jī)、FC輔機(jī)等的輔機(jī)類50。蓄 電池20成為這些輔機(jī)類50的電源。所謂車輛輔機(jī)是指車輛的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)等使用的各種的電力 設(shè)備(照明設(shè)備、空調(diào)設(shè)備、油壓泵等)，所謂FC輔機(jī)是指燃料電池40的運(yùn)轉(zhuǎn)使用的各種電 力設(shè)備(用于供給燃料氣體、氧化氣體的空氣壓縮機(jī)、泵等)。另外，在與燃料電池40連接的配線上連接有絕緣電阻測(cè)定部90。絕緣電阻測(cè)定部 90對(duì)燃料電池40和車體之間的絕緣電阻進(jìn)行測(cè)定。上述各要素的運(yùn)轉(zhuǎn)通過控制裝置(控制部)10進(jìn)行控制?？刂蒲b置10作為內(nèi)部 具備CPU、ROM、RAM的微機(jī)而構(gòu)成?？刂蒲b置10基于所輸入的各傳感器信號(hào)對(duì)設(shè)于燃料氣體通路的調(diào)壓閥71、設(shè)于 氧化氣體通路的調(diào)壓閥81、燃料氣體供給源70、氧化氣體供給源80、蓄電池20、DC/DC轉(zhuǎn)換 器30、變換器60等系統(tǒng)各部進(jìn)行控制。向該控制裝置10輸入例如由壓力傳感器91檢測(cè)出的燃料氣體的供給壓力、由電 壓傳感器92檢測(cè)出的燃料電池40的FC電壓、由電流傳感器93檢測(cè)出的燃料電池40的FC 電流、由SOC傳感器21檢測(cè)出的表示蓄電池20的充電狀態(tài)S0C(State Of Charge)的SOC 值等各種傳感器信號(hào)。在本實(shí)施方式中，即使在蓄電池20的充電量被限制的情況下，例如通過使DC/DC 轉(zhuǎn)換器30的開關(guān)頻率上升，使在該DC/DC轉(zhuǎn)換器的能量損失增大，從而可靠地避免燃料電 池40的電壓達(dá)到比該燃料電池40的開路電壓低的規(guī)定的高電位化回避電壓閾值以上。接著，參照?qǐng)D2對(duì)由控制裝置10實(shí)施間歇運(yùn)轉(zhuǎn)要求時(shí)的高電位化回避控制處理進(jìn) 行說明。控制裝置10計(jì)算對(duì)于燃料電池40的要求電力(發(fā)電要求電力)(步驟Si)。在計(jì) 算該要求電力時(shí)，考慮例如用于驅(qū)動(dòng)牽引電動(dòng)機(jī)61、輔機(jī)類50的消耗電力、牽引電動(dòng)機(jī)61 的再生電力、及來自蓄電池20的供給電力。并且，控制裝置10利用表示未圖示的I-V特性及I-P特性的特性映射來算出與要求電力相對(duì)應(yīng)的燃料電池40的輸出電壓(步驟S3)。該特性映射預(yù)先通過試驗(yàn)等求得，在 制造出廠時(shí)等存儲(chǔ)在控制裝置10的內(nèi)部存儲(chǔ)器11中。該特性映射值也可以是固定值，但 是也可以是可依次改寫的值?？刂蒲b置10判斷是否需要強(qiáng)制性地使燃料電池40的輸出電壓降低(步驟S5)。 具體而言，控制裝置10對(duì)輸出電壓和高電位化回避目標(biāo)閾值電壓(以下，閾值電壓Vth)進(jìn) 行比較，在輸出電壓超過閾值電壓Vth的情況下，判斷為需要強(qiáng)制性地使燃料電池40的輸 出電壓降低，另一方面，在輸出電壓為閾值電壓Vth以下的情況下，判斷為不需要強(qiáng)制性地 使燃料電池40的輸出電壓降低。該閾值電壓Vth是比燃料電池40的開路電壓低的電壓，預(yù)先通過試驗(yàn)等求出，在 制造出廠時(shí)等存儲(chǔ)在控制裝置10的內(nèi)部存儲(chǔ)器11中。另外，閾值電壓Vth也可以是固定 值，但是例如也可以是根據(jù)周圍環(huán)境(外部氣體溫度、燃料電池溫度、濕度、運(yùn)轉(zhuǎn)模式等)可 依次改寫的值?？刂蒲b置10在上述判斷中判斷為不需要強(qiáng)制性地使燃料電池40的輸出電壓降低 的情況下(步驟S5 否)，由于不需要避免燃料電池40的高電位化的控制，因此結(jié)束該高電 位化回避處理。另一方面，控制裝置10在上述判斷中判斷為需要強(qiáng)制性地使燃料電池40的輸出 電壓降低的情況下(步驟S5 是)，進(jìn)行使該燃料電池40的輸出電壓強(qiáng)制性地降低到低于 閾值電壓Vth的值的控制(步驟S7)。此時(shí)，對(duì)于強(qiáng)制性地使燃料電池40的輸出電壓降低 到怎樣的值可任意設(shè)定。 并且，控制裝置10判斷是否可通過蓄電池20吸收剩余電力(即，是否可在蓄電池 20蓄電)(步驟S9)。詳細(xì)表述即為，控制裝置10根據(jù)由SOC傳感器21檢測(cè)出的SOC值進(jìn) 行檢測(cè)，把握蓄電池20的剩余容量等來判斷是否能夠通過蓄電池20吸收剩余電力?？刂蒲b置10在判斷為能夠通過蓄電池20吸收剩余電力的情況下(步驟S9 是)， 在通過蓄電池20吸收剩余電力(蓄電于蓄電池20)后(步驟Sll)，結(jié)束處理。另一方面， 控制裝置10在判斷為不能通過蓄電池20吸收剩余電力的情況下(步驟S9 否)，例如將 DC/DC轉(zhuǎn)換器30的開關(guān)頻率設(shè)定得較高，并使DC/DC轉(zhuǎn)換器30的能量損失增大，從而吸收 剩余電力(步驟S13)，然后結(jié)束處理。并且，本實(shí)施方式的控制裝置10除了以上說明的高電位化回避控制處理外，還進(jìn) 行燃料電池40、蓄電池20、牽引電動(dòng)機(jī)61及輔機(jī)類50的電力分配控制。在該電力分配控 制中，控制裝置10如下所述計(jì)算允許牽引電動(dòng)機(jī)61的再生的再生允許電力。執(zhí)行通常發(fā)電模式時(shí)，對(duì)于電力分配中允許牽引電動(dòng)機(jī)61的再生的電力即電動(dòng) 機(jī)再生允許電力，根據(jù)允許將其向蓄電池20側(cè)充電的充電允許電力和基于發(fā)電要求電力 的發(fā)電指令值即FC指令電力來如下所述進(jìn)行運(yùn)算。電動(dòng)機(jī)再生允許電力=充電允許電力+FC指令電力在此，充電允許電力根據(jù)蓄電池20的可充電的電力即蓄電池可充電電力、由輔機(jī)類50導(dǎo)致的損失(電力消耗)即輔機(jī)損(輔機(jī)消耗電力)、及DC/DC轉(zhuǎn)換器30的效率即轉(zhuǎn) 換器效率進(jìn)行如下所述的運(yùn)算。充電允許電力=(蓄電池可充電電力+輔機(jī)損)X(l/轉(zhuǎn)換器效率)S卩，執(zhí)行通常發(fā)電模式時(shí)，使用基于發(fā)電要求電力的發(fā)電指令值即FC指令電力來決定電力分配。與此相對(duì)，在間歇運(yùn)轉(zhuǎn)模式下的高電位化回避控制執(zhí)行時(shí)，由于為輸出停止期間， 因此向燃料電池40的指令電力值為零。即便如此，作為燃料電池40的輸出電壓被強(qiáng)制性 地降低到比閾值電壓Vth低的值的結(jié)果，燃料電池40進(jìn)行發(fā)電。因此，需要避免牽引電動(dòng) 機(jī)61使電力再生至蓄電池20側(cè)的充電允許電力以上。因此，在輸出停止模式中，代替FC指令電力而使用燃料電池40的發(fā)電實(shí)測(cè)值即FC 發(fā)電電力實(shí)測(cè)值來計(jì)算電動(dòng)機(jī)再生允許電力。即，在高電位化回避控制時(shí)，僅在輸出停止期 間使用燃料電池40的發(fā)電實(shí)測(cè)值即FC發(fā)電電力實(shí)測(cè)值來進(jìn)行以下的運(yùn)算，從而使燃料電 池40、蓄電池20、牽引電動(dòng)機(jī)61及輔機(jī)類50的電力分配成立。電動(dòng)機(jī)再生允許電力=充電允許電力+FC發(fā)電電力實(shí)測(cè)值根據(jù)以上所述的本實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)100，在抑制燃料電池40的電壓達(dá)到 規(guī)定的閾值電壓Vth以上的高電位化回避控制中，盡管向燃料電池40的發(fā)電指令停止，燃 料電池40還會(huì)發(fā)電，發(fā)電指令值和燃料電池40的實(shí)際的發(fā)電電力之間會(huì)產(chǎn)生誤差，但既便 如此，由于控制裝置10使用燃料電池40的發(fā)電實(shí)測(cè)值來代替FC指令電力決定電力分配， 由此能夠適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行電力分配。因此，能夠抑制蓄電池20產(chǎn)生的過度充電等。
權(quán)利要求
一種燃料電池系統(tǒng)，具備燃料電池，通過燃料氣體和氧化氣體的電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行發(fā)電；電動(dòng)機(jī)，可接受電力供給而驅(qū)動(dòng)且可產(chǎn)生再生電力；蓄電部，相對(duì)于上述電動(dòng)機(jī)與上述燃料電池并聯(lián)連接，可將上述燃料電池的發(fā)電電力及上述電動(dòng)機(jī)的再生電力予以充電、且可將充電電力向上述電動(dòng)機(jī)放電；輔機(jī)，至少在上述燃料電池的運(yùn)轉(zhuǎn)中使用；及控制部，對(duì)上述燃料電池、上述蓄電部、上述電動(dòng)機(jī)及上述輔機(jī)的電力分配進(jìn)行控制，上述控制部在通常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)使用基于發(fā)電要求電力的發(fā)電指令值來決定上述電力分配，另一方面，在抑制上述燃料電池的電壓達(dá)到比該燃料電池的開路電壓低的規(guī)定的高電位回避電壓閾值以上的高電位化回避控制中，代替上述發(fā)電指令值而使用上述燃料電池的發(fā)電實(shí)測(cè)值來決定上述電力分配。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，上述控制部在上述燃料電池的運(yùn)轉(zhuǎn)停止中進(jìn)行上述高電位化回避控制時(shí)，代替上述發(fā) 電指令值而使用上述燃料電池的發(fā)電實(shí)測(cè)值來決定上述電力分配。
3.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，上述控制部在上述發(fā)電指令值為零的期間進(jìn)行上述高電位化回避控制時(shí)，代替上述發(fā) 電指令值而使用上述燃料電池的發(fā)電實(shí)測(cè)值來決定上述電力分配。
全文摘要
提供一種燃料電池系統(tǒng)，能夠適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行電力分配。一種燃料電池，具備燃料電池(40)，通過燃料氣體和氧化氣體的電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行發(fā)電；電動(dòng)機(jī)(61)，可接受電力供給而驅(qū)動(dòng)且可產(chǎn)生再生電力；蓄電部(20)，可將燃料電池(40)的發(fā)電電力及電動(dòng)機(jī)(61)的再生電力予以充電且可將充電電力向電動(dòng)機(jī)(61)放電；輔機(jī)(50)，至少用于燃料電池(40)的運(yùn)轉(zhuǎn)；及控制部(10)，對(duì)這些電力分配進(jìn)行控制，控制部(10)在通常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)使用基于發(fā)電要求電力的發(fā)電指令值決定電力分配，另一方面在抑制燃料電池(40)的電壓達(dá)到比該燃料電池(40)的開路電壓低的規(guī)定的高電位回避電壓閾值以上的高電位化回避控制中，代替發(fā)電指令值而使用燃料電池(40)的發(fā)電實(shí)測(cè)值來決定電力分配。
文檔編號(hào)B60L11/18GK101828288SQ20088011175
公開日2010年9月8日 申請(qǐng)日期2008年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月2日
發(fā)明者吉田道雄, 馬屋原健司 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車株式會(huì)社