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)明涉及到一種氧化氣體可繞過燃料電池的燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
燃料電池機(jī)動(dòng)車等中搭載的燃料電池通過向陽極供給的燃料氣體 中的氫及向陰極供給的氧化氣體中的氧之間的化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生電力。 一般情況下，從燃料電池排出的燃料廢氣通過氫稀釋器，在氫濃度降 低的狀態(tài)下排出到大氣中。另一方面，從燃料電池排出的氧化廢氣直 接排出到大氣中。
然而，為了使燃料電池迅速升溫，在發(fā)電效率低的狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)燃 料電池時(shí)，存在陰極中產(chǎn)生氫(主要是泵氫)的情況。因此，氧化廢 氣中會(huì)含有氫。但將含氫的氧化廢氣直接排出到大氣對(duì)環(huán)境不利。
鑒于這一情況，在日本特開2006 — 73501號(hào)公報(bào)(第"0025"及 "0093"段)中記載的燃料電池系統(tǒng)中，通過旁通通路連接氧化氣體 的供給通路和氧化廢氣的排氣通路。并且，通過將氧化氣體從旁路通 路導(dǎo)入到氧化廢氣中，降低氧化廢氣中的氫濃度。

發(fā)明內(nèi)容
但在日本特開2006 — 73501號(hào)公報(bào)記載的燃料電池系統(tǒng)中，未對(duì) 氧化氣體向旁路通路及燃料電池的分流作任何研究。因此，擔(dān)心必要
量的氧化氣體未流入到燃料電池中，對(duì)燃料電池的輸出電流的控制造 成障礙。并且，即使假設(shè)設(shè)置分流用的控制閥等，當(dāng)控制閥因凍結(jié)等 原因不動(dòng)作時(shí)，擔(dān)心必要量以上的氧化氣體流入到燃料電池中，對(duì)輸 出電流的控制造成障礙。
5本發(fā)明的目的在于提供一種即使氧化氣體的分流控制產(chǎn)生異常 時(shí)，也可控制燃料電池的輸出電流的燃料電池系統(tǒng)。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)具有燃料電池；供 々厶；ffi敗 rin,to必:l出、'/4t/卄々厶66智乂U >^ 乂女4古乂卄々厶4眾S女t±r 、〉存^fi _ 乂卄々厶未fi
設(shè)置在供給通路上，向燃料電池壓送氧化氣體；排出通路，從燃料電 池排出的氧化廢氣在該排出通路中流動(dòng)；旁通通路，連接供給通路和 排出通路，以使氧化氣體繞過燃料電池而流動(dòng)；分流調(diào)整單元，調(diào)整 氧化氣體向旁通通路及燃料電池的分流；和控制裝置，控制供給機(jī)及 分流調(diào)整單元。在分流調(diào)整單元異常時(shí)，控制裝置從通過控制分流調(diào) 整單元而對(duì)燃料電池的輸出電流進(jìn)行的控制，切換為通過控制供給機(jī)
而對(duì)燃料電池的輸出電流進(jìn)行的控制。
根據(jù)上述構(gòu)成，通過正常時(shí)的分流調(diào)整單元，可調(diào)整氧化氣體向 旁通通路及燃料電池的分流，并且可控制燃料電池的輸出電流。另一 方面，分流調(diào)整單元中產(chǎn)生異常時(shí)，將控制燃料電池的輸出電流的裝 置切換為供給機(jī)，因此可繼續(xù)控制輸出電流。
優(yōu)選在與通常運(yùn)轉(zhuǎn)相比電力損失較大的低效率運(yùn)轉(zhuǎn)期間分流調(diào) 整單元發(fā)生異常時(shí)，控制裝置從基于分流調(diào)整單元的控制切換為基于 供給機(jī)的控制來控制燃料電池的輸出電流。
根據(jù)上述構(gòu)成，可達(dá)成低效率運(yùn)轉(zhuǎn)期間分流調(diào)整單元發(fā)生異常時(shí) 的失效保險(xiǎn)。
優(yōu)選分流調(diào)整單元在通常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，禁止氧化氣體向旁通通路的 分流，并在低效率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，調(diào)整向旁通通路分流的氧化氣體的流量。
根據(jù)上述構(gòu)成，在低效率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，可通過繞過的氧化氣體稀釋氧化廢氣中的氫。另一方面，在通常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，氧化氣體不繞過燃料電池 即可，因此可適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行對(duì)燃料電池的氧化氣體供給。
優(yōu)選，分流調(diào)整單元具有調(diào)壓閥，調(diào)整氧化氣體向燃料電池的 供給壓力；和旁通閥，調(diào)整從旁通通路向排出通路分流的氧化氣體的 流量。并且，在低效率運(yùn)轉(zhuǎn)期間調(diào)壓閥及旁通閥的至少一方發(fā)生異常 時(shí)，控制裝置從基于調(diào)壓閥的控制切換為基于供給機(jī)的控制來控制燃 料電池的輸出電流。
根據(jù)上述構(gòu)成，在低效率運(yùn)轉(zhuǎn)期間調(diào)壓閥及旁通闊的至少一方發(fā) 生異常而使氧化氣體向燃料電池的分流量產(chǎn)生問題時(shí)，也可控制燃料 電池的輸出電流。這樣一來，可保持低效率運(yùn)轉(zhuǎn)。
優(yōu)選，控制裝置在切換為基于供給機(jī)的控制時(shí)，使供給機(jī)暫時(shí)停 止后再進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
根據(jù)上述構(gòu)成，因發(fā)生異常而使氧化氣體對(duì)燃料電池的供給流量 及供給壓力產(chǎn)生問題時(shí)，通過供給機(jī)的暫時(shí)停止可消除該問題。這樣 一來，可順利地轉(zhuǎn)換到由供給機(jī)進(jìn)行的對(duì)輸出電流的控制。
其中，調(diào)壓閥在開閥狀態(tài)下變得異常時(shí)，向燃料電池供給必要量 以上的氧化氣體，因此燃料電池的輸出電流變大。
因此，作為優(yōu)選方式的燃料電池系統(tǒng)，具有檢測(cè)燃料電池的輸出 電流的電流傳感器，控制裝置在電流傳感器的檢測(cè)值超過閾值時(shí)，判 斷調(diào)壓閥的異常在開閥狀態(tài)下發(fā)生，使供給機(jī)暫時(shí)停止。
根據(jù)上述構(gòu)成，可判斷調(diào)壓閥的異常是在開闊狀態(tài)下并且能以該 異常狀態(tài)的判斷作為觸發(fā)而使供給機(jī)暫時(shí)停止。進(jìn)一步優(yōu)選，控制裝置將電流傳感器的檢測(cè)值反饋到調(diào)壓閥的開度指令值而進(jìn)行控制，在調(diào)壓閥的開度指令值超過閾值時(shí)，開始被暫時(shí)停止的供給機(jī)的驅(qū)動(dòng)。
根據(jù)上述構(gòu)成，能以調(diào)壓閥的開度指令值作為觸發(fā)，開始供給機(jī)的驅(qū)動(dòng)。
其中，不是調(diào)壓閥，而是旁通閥在關(guān)閥狀態(tài)下變得異常時(shí)，也向燃料電池供給必要量及必要量以上的氧化氣體。
因此，優(yōu)選的其他方式的燃料電池系統(tǒng)中，具有檢測(cè)供給機(jī)噴出氧化氣體的噴出壓力的壓力傳感器，控制裝置在壓力傳感器的檢測(cè)值超過閾值時(shí)，判斷旁通閥的異常在關(guān)閥狀態(tài)下發(fā)生，使供給機(jī)暫時(shí)停止。
根據(jù)上述構(gòu)成，可判斷調(diào)壓閥的異常是在關(guān)閥狀態(tài)下，并且能以該異常狀態(tài)的判斷作為觸發(fā)，使供給機(jī)暫時(shí)停止。
優(yōu)選控制裝置使用不同的傳感器判斷調(diào)壓閥及旁通閥中哪一個(gè)發(fā)生異常。
根據(jù)上述構(gòu)成，與使用同一傳感器時(shí)相比，可高精度地判斷調(diào)壓閥及旁通閥的哪一個(gè)異常。
優(yōu)選調(diào)壓閥設(shè)置在排出通路上，旁通閥設(shè)置在旁通通路上。


圖1是實(shí)施方式涉及的燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成圖。
圖2是表示實(shí)施方式涉及的FC電流和FC電壓之間的關(guān)系的圖表。圖3A、 B是用于說明產(chǎn)生泵氫的原理的圖，圖3A表示通常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的電池反應(yīng)，圖3B表示低效率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的電池反應(yīng)。
圖4是表示實(shí)施方式涉及的燃料電池系統(tǒng)的低效率運(yùn)轉(zhuǎn)中的FC
電流的控制方法的流程圖。
圖5是表示實(shí)施方式涉及的調(diào)壓閥的異常在開閥狀態(tài)下發(fā)生時(shí)的
切換方法的時(shí)序圖。
圖6是表示實(shí)施方式涉及的旁通閥的異常在關(guān)閥狀態(tài)下發(fā)生時(shí)的
切換方法的時(shí)序圖。
具體實(shí)施例方式
以下參照

本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式涉及的燃料電池系統(tǒng)。
如圖1所示，燃料電池系統(tǒng)1具有燃料電池2、氧化氣體配管系統(tǒng)3、燃料氣體配管系統(tǒng)4、電力系統(tǒng)6及控制裝置7。燃料電池系統(tǒng)1可搭載到車輛100上，當(dāng)然不僅是車輛100，也可適用于各種移動(dòng)體(例如船舶、飛機(jī)、機(jī)器人等)、定置型電源中。
燃料電池2具有將多個(gè)單體電池層積的堆疊構(gòu)造。固體高分子電解質(zhì)型的單體電池在由離子交換膜構(gòu)成的電解質(zhì)的一側(cè)的面上具有空氣極(陰極)，在另一側(cè)的面上具有燃料極(陽極)，進(jìn)而具有從兩側(cè)夾持空氣極及燃料極的一對(duì)隔板。向一側(cè)的隔板的氧化氣體流路2a供給氧化氣體，向另一側(cè)的隔板的燃料氣體流路2b供給燃料氣體。通過供給的燃料氣體及氧化氣體的電氣化學(xué)反應(yīng)，燃料電池2產(chǎn)生電力的同時(shí)發(fā)熱。固體高分子電解質(zhì)型的燃料電池2的溫度通過溫度傳感器71檢測(cè)，大約為60 80'C。
燃料電池2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8及電流傳感器9檢測(cè)。燃料電池2的輸出電力(以下稱為"FC輸出")是在FC電壓上乘以FC電流所得的結(jié)果。氧化氣體配管系統(tǒng)3具有供給通路11及排出通路12。在供給通路11中，流動(dòng)著向氧化氣體流路2a供給的氧化氣體。在排出通路12中，流動(dòng)著從氧化氣體流路2a排出的氧化廢氣。壓縮機(jī)14 (供給機(jī))設(shè)置在供給通路11上，通過空氣凈化器13取入作為氧化氣體的外部氣體，并壓送到燃料電池2。壓送到燃料電池2的氧化氣體通過加濕器15與氧化廢氣之間進(jìn)行水分交換，并被適度地加濕。壓縮機(jī)14由控制裝置7控制馬達(dá)14a的轉(zhuǎn)速，從而控制氧化氣體的噴出量。由壓力傳感器P1檢測(cè)出壓縮機(jī)14噴出氧化氣體的噴出壓力。
調(diào)壓閥16在排出通路12中被設(shè)置在陰極出口附近，對(duì)向燃料電池2供給的氧化氣體的壓力進(jìn)行調(diào)壓。調(diào)壓閥16例如是以步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)源的控制闊，根據(jù)來自控制裝置7的指令任意地設(shè)定開度。旁通通路17與供給通路11和排出通路12連接，以使氧化氣體繞過燃料電池2而流動(dòng)。旁通通路17和供給通路11的連接部B位于壓縮機(jī)14和加濕器15之間。并且，旁通通路17和排出通路12的連接部C位于加濕器15和消音器19之間。氧化廢氣經(jīng)過消音器19而最終作為排氣排放到系統(tǒng)外的大氣中。
旁通閥18設(shè)置在旁通通路17上。旁通閥18是以電機(jī)或螺線管等為驅(qū)動(dòng)源的控制閥，根據(jù)來自控制裝置7的指令設(shè)定開度。通過旁通閥18的開閥，從壓縮機(jī)14噴出的氧化氣體的一部分向旁通通路17分流，經(jīng)過旁通閥18引導(dǎo)到消音器19。該繞過的氧化氣體量由控制裝置7控制。在以下說明中，將繞過的氧化氣體稱為"旁通空氣"。
此外，對(duì)權(quán)利要求范圍所述的"分流調(diào)整單元"進(jìn)行補(bǔ)充說明。旁通閥18可以說作為"分流調(diào)整單元"起作用，調(diào)整氧化氣體向旁通通路17及燃料電池2的分流。這是因?yàn)?，例如使旁通閥18關(guān)閥時(shí)，氧化氣體向旁通通路17分流。并且，調(diào)壓閥16也可以說作為"分流調(diào)整單元"起作用，調(diào)整氧化氣體向旁通通路17及燃料電池2的分流。這是因?yàn)?，?dāng)旁路閥18關(guān)閥時(shí)，使調(diào)壓閥16關(guān)閉后，旁通空氣增加。燃料氣體配管系統(tǒng)4將作為燃料氣體的氫氣供給到燃料電池2或從燃料電池2排出。燃料氣體配管系統(tǒng)4具有氫供給源21、供給通路22、循環(huán)通路23、泵24及排氣通路25。氫氣通過打開總閥26從氫供給源21流出到供給通路22,經(jīng)過調(diào)壓閥27及截止閥28供給到燃料氣體流路2b。氫氣從燃料氣體流路2b作為氫廢氣排出到循環(huán)通路23。氫廢氣通過泵24返回到循環(huán)通路23和供給通路22的合流點(diǎn)A，并再次供給到燃料氣體流路2b。并且，氫廢氣的一部分通過排氣閥33的適當(dāng)?shù)拈_閥，從循環(huán)通路23排出到排氣通路25，經(jīng)過省略了圖示的氫稀釋器排出到外部。
電力系統(tǒng)6對(duì)系統(tǒng)1的電力進(jìn)行充放電。DC/DC轉(zhuǎn)換器61是直流的電壓變換器。DC/DC轉(zhuǎn)換器61具有以下功能調(diào)整從蓄電池62輸入的直流電壓而輸出到牽引變換器63側(cè)的功能；和調(diào)整從燃料電池2或牽引馬達(dá)64輸入的直流電壓而輸出到蓄電池62的功能。通過DC/DC轉(zhuǎn)換器61的功能，實(shí)現(xiàn)蓄電池62的充放電，并且控制燃料電池2的FC電壓。牽引變換器63將直流電流變換為三相交流，并供給到牽引馬達(dá)64。牽引馬達(dá)64構(gòu)成車輛100的主動(dòng)力源，與車輪101L、101R連接。輔機(jī)變換器65及66分別控制壓縮機(jī)14的馬達(dá)14a及泵24的馬達(dá)24a的驅(qū)動(dòng)。
控制裝置7作為內(nèi)部具有CPU、 ROM、 RAM的微機(jī)構(gòu)成，集中控制系統(tǒng)1。 CPU根據(jù)控制程序執(zhí)行所需的計(jì)算，進(jìn)行下述低效率運(yùn)轉(zhuǎn)的控制等各種處理、控制。ROM存儲(chǔ)CPU中處理的控制程序、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)域使用。
控制裝置7從壓力傳感器Pl、電壓傳感器8、電流傳感器9、溫度傳感器71、檢測(cè)放置燃料電池系統(tǒng)1的環(huán)境溫度的外部氣體溫度傳感器72及檢測(cè)車輛100的加速踏板的開度的加速踏板傳感器等輸入傳感器信號(hào)。并且，控制裝置80根據(jù)各傳感器信號(hào)中樞性地控制該系統(tǒng)
li各部分(供給機(jī)14、背壓調(diào)整閥16及旁通閥18等)。尤其是，控制 裝置7在低溫起動(dòng)等需要急速對(duì)燃料電池2進(jìn)行預(yù)熱的情況下，移動(dòng) 燃料電池2的運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)作點(diǎn)，利用ROM中存儲(chǔ)的各種映射進(jìn)行發(fā)電效率 較低的運(yùn)轉(zhuǎn)。
圖2是表示FC電流和FC電壓之間的關(guān)系的圖。圖2用實(shí)線表示 燃料電池2進(jìn)行較高發(fā)電效率(第l發(fā)電效率)的運(yùn)轉(zhuǎn)(以下稱為"通 常運(yùn)轉(zhuǎn)")的情況，用虛線表示通過壓縮氧化氣體量燃料電池2進(jìn)行 較te的發(fā)電效率(第2發(fā)電效率)的運(yùn)轉(zhuǎn)(以下稱為"低效率運(yùn)轉(zhuǎn)") 的情況。
使燃料電池2進(jìn)行通常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，為了抑制電力損失而獲得較高的 發(fā)電效率，在將化學(xué)計(jì)量空燃比設(shè)定為1.0以上(理論值)的狀態(tài)下運(yùn) 轉(zhuǎn)燃料電池2 (參照?qǐng)D2的實(shí)線部分)。其中，所謂化學(xué)計(jì)量空燃比是 指實(shí)際的空氣供給量相對(duì)于使燃料電池2發(fā)電所需的理論空氣供給量 的過剩率。
與之相對(duì)，在使燃料電池2預(yù)熱時(shí)，為了增大電力損失來使燃料 電池2的溫度上升，將化學(xué)計(jì)量空燃比設(shè)定為小于1.0 (理論值)來運(yùn) 轉(zhuǎn)燃料電池2 (參照?qǐng)D2的虛線部分〉。將化學(xué)計(jì)量空燃比設(shè)定較低地 進(jìn)行低效率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，變?yōu)閷?duì)燃料電池2的氧化氣體的供給不足的狀態(tài)， 因此通過氫和氧的反應(yīng)可取出的能量中，電力損失量(即熱損失量) 積極增大。這樣一來，和通常運(yùn)轉(zhuǎn)相比，可在短時(shí)間內(nèi)使燃料電池2 升溫。然而，當(dāng)進(jìn)行低效率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在燃料電池2的陰極產(chǎn)生泵氫。
圖3A及B是用于說明泵氫的產(chǎn)生原理的圖，圖3A表示通常運(yùn)轉(zhuǎn) 時(shí)的電池反應(yīng)，圖3B表示低效率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的電池反應(yīng)。
燃料電池2的各單體電池80具有電解質(zhì)膜81、夾持電解質(zhì)膜81 的陽極及陰極。含有氫(H2)的燃料氣體被供給到陽極，含有氧(02)的氧化氣體被供給到陰極。燃料氣體供給到陽極時(shí)，進(jìn)行下述通式(1) 的反應(yīng)，氫分離為氫離子和電子。在陽極生成的氫離子透過電解質(zhì)膜 81向陰極移動(dòng)，而電子從陽極通過外部電路向陰極移動(dòng)。
陽極H2—2H+ + 2e_ …(1)
其中，圖3A所示的通常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，即氧化氣體對(duì)陰極的供給 充分時(shí)(化學(xué)計(jì)量空燃比》1.0)，進(jìn)行下述通式(2)，通過氧、氫離 子及電子生成水。
陰極 2H+ + 2e—+ (1/2) 02—H20 …(2)
另一方面，圖3B所示的低效率運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，即氧化氣體對(duì)陰極 的供給不足時(shí)(化學(xué)計(jì)量空燃比<1.0)，對(duì)應(yīng)于不足的氧化氣體量進(jìn) 行下述通式3，氫離子和電子再結(jié)合而生成氫。生成的氫與氧化廢氣一 起從陰極排出。此外，通過分離的氫離子和電子再次結(jié)合而在陰極生 成的氫、即在陰極生成的陽極氣體稱為泵氫。
陰極2H+ + 2e——H2 …(3)
因此，在供給到陰極的氧化氣體不足的狀態(tài)下，氧化廢氣中含有 泵氫。因此，在低效率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，控制裝置7對(duì)旁通閥18進(jìn)行開閥控制， 將旁通空氣導(dǎo)入到氧化廢氣中。通過旁通空氣稀釋氧化廢氣中的氫濃 度，因此氫濃度減少到安全范圍的氧化廢氣從排出通路12排出到外部。
低效率運(yùn)轉(zhuǎn)以對(duì)燃料電池2進(jìn)行預(yù)熱為目的，例如在燃料電池2 的溫度或外部氣體溫度為規(guī)定的低溫(例如O'C以下)的起動(dòng)時(shí)進(jìn)行。 對(duì)低效率運(yùn)轉(zhuǎn)的控制進(jìn)行詳細(xì)說明，控制裝置7首先根據(jù)燃料電池2 所要求的FC輸出及預(yù)熱所需的熱量來決定FC電流及FC電壓的目標(biāo) 值。并且，控制裝置7使用DC/DC轉(zhuǎn)換器61控制FC電壓，以使其變 為FC電壓的目標(biāo)值。此時(shí)，DC/DC轉(zhuǎn)換器61的電壓指令值反饋電壓 傳感器IO的檢測(cè)值并被校正。另一方面，低效率運(yùn)轉(zhuǎn)下的FC電流的控制由調(diào)壓閥16進(jìn)行。具 體而言，控制裝置7首先參照ROM中存儲(chǔ)的低效率運(yùn)轉(zhuǎn)化學(xué)計(jì)量比映 射，并根據(jù)FC電流及FC電壓的目標(biāo)值決定化學(xué)計(jì)量空燃比的目標(biāo)值。 接著，控制裝置7使用化學(xué)計(jì)量空燃比的目標(biāo)值、ROM內(nèi)的其他映射， 求出壓縮機(jī)14的氧化氣體要求噴出量、燃料電池2的發(fā)電所需的氧化 氣體流量(以下稱為"FC空氣要求流量")、及氫濃度減少所需的旁 通空氣要求流量。并且，根據(jù)氧化氣體要求噴出量控制壓縮機(jī)14的驅(qū) 動(dòng)。
并且，控制裝置7參照其他映射，根據(jù)FC空氣要求流量及旁通空 氣要求流量決定調(diào)壓閥16及旁通閥18的開度指令值，根據(jù)開度指令 值控制調(diào)壓閥16及旁通閥18。由此進(jìn)行氧化氣體向燃料電池2及旁通 通路17的分流控制。此時(shí)，調(diào)壓閥16的開度指令值根據(jù)由電流傳感 器9檢測(cè)出的FC電流的測(cè)定值與FC電流的目標(biāo)值的偏差來校正。即， 控制裝置7將電流傳感器9的檢測(cè)值反饋到調(diào)壓閥16的開度指令值來 控制調(diào)壓閥16，從而進(jìn)行FC電流的控制。
是否應(yīng)結(jié)束低效率運(yùn)轉(zhuǎn)、即是否應(yīng)該結(jié)束燃料電池2的預(yù)熱運(yùn)轉(zhuǎn)， 以燃料電池2的溫度、低效率運(yùn)轉(zhuǎn)的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間等為基準(zhǔn)進(jìn)行判斷即可。 并且，當(dāng)判斷燃料電池2的預(yù)熱結(jié)束時(shí)，從低效率運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換到通常運(yùn) 轉(zhuǎn)即可。在通常運(yùn)轉(zhuǎn)中，不產(chǎn)生泵氫，因此可關(guān)閉旁通閥18。在通常 運(yùn)轉(zhuǎn)中，與低效率運(yùn)轉(zhuǎn)同樣地，使用DC/DC轉(zhuǎn)換器61控制FC電壓， 使用調(diào)壓閥16控制FC電流。
圖4是表示低效率運(yùn)轉(zhuǎn)中的FC電流的控制方法的流程圖。
如圖4所示，當(dāng)調(diào)壓閥16及旁通閥18均正常時(shí)(步驟S1:否)， 如上所述，進(jìn)行基于調(diào)壓閥16的FC電流控制，并且進(jìn)行氧化氣體向 燃料電池2及旁通通路17的分流控制(步驟S2)。
14另一方面，存在調(diào)壓閥16及旁通閥18因凍結(jié)等原因不動(dòng)作的情 況。該異常在調(diào)壓閥16及旁通閥18的至少一個(gè)中發(fā)生時(shí)(步驟Sl: 是)，控制裝置7進(jìn)行基于壓縮機(jī)14的FC電流的控制(步驟S3)。 艮P，控制裝置7從作為缺省功能的調(diào)壓閥16的控制切換為壓縮機(jī)14 的控制，進(jìn)行FC電流的控制。以下依次說明調(diào)壓閥16及旁通閥18分 別發(fā)生異常時(shí)的切換方法。
圖5是表示調(diào)壓閥16的異常在開閥狀態(tài)下發(fā)生時(shí)的切換方法的時(shí) 序圖。此外，調(diào)壓閥16的異常在開閥狀態(tài)下是指無法使調(diào)壓閥16的 閥芯向關(guān)閥方向移動(dòng)，不限于調(diào)壓閥16的全開狀態(tài)。
如圖5所示，通過調(diào)壓閥16控制FC電流時(shí)，若調(diào)壓閥16的異常 在開閥狀態(tài)下發(fā)生，則FC電流與目標(biāo)值相比開始增加(時(shí)刻t。。這 是因?yàn)?，氧化氣體到燃料電池2的流量增大。增加的FC電流由電流傳 感器9檢測(cè)出，電流偏差被反饋到調(diào)壓閥16的開度指令值時(shí)，調(diào)壓閥 16的開度指令值變?yōu)殛P(guān)閥方向(例如開度0%)(時(shí)刻t, —12)。這樣 一來，實(shí)現(xiàn)到燃料電池2的氧化氣體的流量減少，且旁通空氣流量增 加。然而在開閥狀態(tài)下異常的調(diào)壓閥16不動(dòng)作，因此旁通空氣量不增 加，F(xiàn)C電流的增加沒有被止住(時(shí)刻t!—12)。
增加的FC電流超過電流閾值時(shí)，控制裝置7判斷調(diào)壓閥16在開 閥狀態(tài)下變得異常(時(shí)刻t2)。該判斷之后，控制裝置7開始切換處理。 在切換處理中，首先停止壓縮機(jī)14的馬達(dá)14a的驅(qū)動(dòng)(時(shí)刻t2)。壓 縮機(jī)14的驅(qū)動(dòng)向停止側(cè)轉(zhuǎn)換時(shí)，斷開氧化氣體的供給，因此FC電流 開始下降(時(shí)刻t2—13)。接著，壓縮機(jī)14停止后，F(xiàn)C電流低于目標(biāo) 值(時(shí)刻t》。此時(shí)，電流偏差反饋到調(diào)壓閥16的開度指令值，調(diào)壓 閥16的開度指令值變?yōu)殚_閥方向(時(shí)刻t3)。這是因?yàn)?，控制裝置7 打開調(diào)壓閥16，要增加向燃料電池2的氧化氣體的流量。然而，在開 閥狀態(tài)下異常的調(diào)壓閥16不動(dòng)作，因此FC電流繼續(xù)下降，調(diào)壓閥16 的開度指令值也向開度100%繼續(xù)上升(時(shí)刻t3—14)。上升的調(diào)壓閥16的開度指令值超過閾值(例如開度80%)時(shí)，控 制裝置7起動(dòng)馬達(dá)14a，再次開始?jí)嚎s機(jī)14的驅(qū)動(dòng)(時(shí)刻t4)。這樣 一來，可使下降的FC電流朝向目標(biāo)值轉(zhuǎn)換到上升側(cè)(時(shí)刻t4—15)。 并且，當(dāng)調(diào)壓闊16的開度指令值達(dá)到開度100°/。時(shí)(時(shí)刻ts)，控制裝 置7結(jié)束切換處理，開始基于控制馬達(dá)14a的轉(zhuǎn)速的FC電流的控制， 使FC電流滿足目標(biāo)值。此外，控制裝置7對(duì)馬達(dá)Ma的轉(zhuǎn)速的指令值 也可以通過電流偏差(基于電流傳感器9的FC電流的檢測(cè)值和目標(biāo)值 之間的差)進(jìn)行校正。
接著使用圖6說明旁通閥18的異常在關(guān)閥狀態(tài)下發(fā)生時(shí)的切換方 法。此外，旁通閥18的異常在關(guān)閥狀態(tài)是指無法使旁通閥18的閥芯 向開閥方向移動(dòng)的狀態(tài)，不限于旁通闊18的全閉狀態(tài)。
如圖6所示，通過調(diào)壓閥16控制FC電流時(shí)，旁通閥18的異常在 關(guān)閥狀態(tài)下發(fā)生時(shí)，F(xiàn)C電流和目標(biāo)值相比開始增加(時(shí)刻t。。這是 因?yàn)?，向燃料電?的氧化氣體的流量增大。并且，調(diào)壓閥16的開度 指令值和上述一樣，反饋電流偏差而變?yōu)殛P(guān)閥方向(例如開度0%)(時(shí) 刻h—12)。然而，在關(guān)閥狀態(tài)下異常的旁通閥18未動(dòng)作，因此FC電 流增加的同時(shí)，壓縮機(jī)14的噴出壓力上升(時(shí)刻t2)。噴出壓力 如上所述由壓力傳感器P1檢測(cè)出。
當(dāng)上升的噴出壓力的值超過壓力閾值時(shí)，控制裝置7判斷旁通閥 18在關(guān)閥狀態(tài)下異常(時(shí)刻t2)。其中，之所以采用利用了壓力傳感 器P1的旁通閥18的異常檢測(cè)是因?yàn)?，使用電流傳感?時(shí)，和調(diào)壓 閥16的異常檢測(cè)方法相同，難于高精度地判斷調(diào)壓閥16及旁通閥18 哪一個(gè)異常。在本實(shí)施方式中，旁通閥18的異常檢測(cè)使用壓力傳感器 Pl，調(diào)壓閥16的異常檢測(cè)使用電流傳感器9，從而高精度地判斷有無 兩者的異常檢測(cè)。之所以這樣選擇傳感器，是因?yàn)楫?dāng)旁通閥18在關(guān)閥 狀態(tài)下變得異常時(shí)(圖6的情況)，與調(diào)壓閥16在開閥狀態(tài)下變得異常時(shí)(圖5的情況)相比，F(xiàn)C電流的上升率被抑制得較小，并且噴出 壓力的上升率變高。
控制裝置7判斷旁通閥18在關(guān)閥狀態(tài)下變得異常時(shí)，開始切換處 理，停止壓縮機(jī)14的馬達(dá)Ha的驅(qū)動(dòng)(時(shí)刻t2)。這樣一來，噴出壓 力及FC電流下降(時(shí)刻t2—13) ， FC電流小于目標(biāo)值時(shí)(時(shí)刻t3)， 調(diào)壓閥16的開度指令值和上述同樣，反饋電流偏差而變?yōu)殚_閥方向(時(shí) 刻{3以后)。并且，調(diào)壓閥16的開度指令值朝向開度100%而持續(xù)上 升(時(shí)刻t3—14)，當(dāng)上升的調(diào)壓閥16的開度指令值超過閾值(例如 開度80%)時(shí)，控制裝置7起動(dòng)馬達(dá)14a，再次開始?jí)嚎s機(jī)14的驅(qū)動(dòng)
(時(shí)刻t4)。
之后，調(diào)壓閥16的開度指令值變?yōu)殚_度100%時(shí)(時(shí)刻ts)，控 制裝置7開始基于控制馬達(dá)14a的轉(zhuǎn)速的FC電流的控制。這樣一來， 切換處理完成，之后FC電流滿足目標(biāo)值。此外，控制裝置7對(duì)馬達(dá) 14a的轉(zhuǎn)速的指令值也可以用電流偏差(基于電流傳感器9的FC電流 的檢測(cè)值和目標(biāo)值的差)進(jìn)行校正。
如上所述，根據(jù)本實(shí)施方式，無論在低效率運(yùn)轉(zhuǎn)中調(diào)壓閥16及旁 通閥18的任意一個(gè)發(fā)生異常，均將控制FC電流的操作裝置切換為壓 縮機(jī)14。因此，可持續(xù)控制FC電流，并可維持低效率運(yùn)轉(zhuǎn)。并且， 切換到壓縮機(jī)14進(jìn)行控制時(shí)，暫時(shí)停止壓縮機(jī)14后使之驅(qū)動(dòng)。這樣 一來，可降低因發(fā)生異常而增加的FC電流、FC空氣流量及噴出壓力， 因此可順利地切換為之后的由壓縮機(jī)14進(jìn)行的FC電流控制。進(jìn)而， 以反饋控制的調(diào)壓閥16的開度指令值為觸發(fā)，可再次開始?jí)嚎s機(jī)14 的驅(qū)動(dòng)。另一方面，在低效率運(yùn)轉(zhuǎn)中調(diào)壓闊16及旁通閥18正常時(shí)， 通過它們可適當(dāng)?shù)胤至骺刂婆酝諝饬髁考癋C空氣流量，并且可控制 FC電流。
變形例
17當(dāng)判斷調(diào)壓閥16及旁通閥18異常時(shí)(圖5及圖6的時(shí)刻t2)， 可不暫時(shí)停止壓縮機(jī)14，而向停止方向驅(qū)動(dòng)?？傊?，只要可通過減少 由壓縮機(jī)14產(chǎn)生的氧化氣體的噴出量來降低FC電流即可。
例如，圖5及圖6所示的、從由調(diào)壓閥16進(jìn)行的FC電流的控制 向由壓縮機(jī)14迸行的FC電流的控制的切換不限于低效率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，也 可在通常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)執(zhí)行。
旁速閥18不限于設(shè)置在旁通通路17上的情況，也可設(shè)置在連接 點(diǎn)B上。這種情況下，也可以使旁通閥18由旋轉(zhuǎn)閥構(gòu)成。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，具有燃料電池；供給通路，向上述燃料電池供給的氧化氣體在該供給通路中流動(dòng)；供給機(jī)，設(shè)置在上述供給通路上，向上述燃料電池壓送氧化氣體；排出通路，從上述燃料電池排出的氧化廢氣在該排出通路中流動(dòng)；和旁通通路，連接上述供給通路和上述排出通路，以使氧化氣體繞過上述燃料電池而流動(dòng)，所述燃料電池系統(tǒng)具有分流調(diào)整單元，調(diào)整氧化氣體向上述旁通通路及上述燃料電池的分流；和控制裝置，控制上述供給機(jī)及上述分流調(diào)整單元，在上述分流調(diào)整單元異常時(shí)，上述控制裝置從通過控制上述分流調(diào)整單元而對(duì)上述燃料電池的輸出電流進(jìn)行的控制，切換為通過控制上述供給機(jī)而對(duì)上述燃料電池的輸出電流進(jìn)行的控制。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，在與通常運(yùn)轉(zhuǎn)相比電力損失較大的低效率運(yùn)轉(zhuǎn)期間上述分流調(diào)整 單元發(fā)生異常時(shí)，上述控制裝置從基于上述分流調(diào)整單元的控制切換 為基于上述供給機(jī)的控制來控制上述燃料電池的輸出電流。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，上述分流調(diào)整單元在上述通常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，禁止氧化氣體向上述旁通 通路的分流，并在上述低效率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，調(diào)整向上述旁通通路分流的氧 化氣體的流量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的燃料電池系統(tǒng)， 上述分流調(diào)整單元具有-調(diào)壓閥，調(diào)整氧化氣體向上述燃料電池的供給壓力；和 旁通閥，調(diào)整向上述旁通通路的下游分流的氧化氣體的流量， 在上述低效率運(yùn)轉(zhuǎn)期間上述調(diào)壓閥及上述旁通閥中的至少一方發(fā)生異常時(shí)，上述控制裝置從基于上述調(diào)壓閥的控制切換為基于上述供給機(jī)的控制來控制上述燃料電池的輸出電流。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料電池系統(tǒng)，上述控制裝置在切換為基于上述供給機(jī)的控制時(shí)，使上述供給機(jī) 暫時(shí)停止后再進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池系統(tǒng)， 具有檢測(cè)上述燃料電池的輸出電流的電流傳感器， 上述控制裝置在上述電流傳感器的檢測(cè)值超過閾值時(shí)，判斷上述調(diào)壓閥的異常在開閥狀態(tài)下發(fā)生，使上述供給機(jī)暫時(shí)停止。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃料電池系統(tǒng)，上述控制裝置將上述電流傳感器的檢測(cè)值反饋到上述調(diào)壓閥的開 度指令值而進(jìn)行控制，上述控制裝置在上述調(diào)壓閥的開度指令值超過閾值時(shí)，開始被暫 時(shí)停止的上述供給機(jī)的驅(qū)動(dòng)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池系統(tǒng)， 具有檢測(cè)上述供給機(jī)噴出氧化氣體的噴出壓力的壓力傳感器， 上述控制裝置在上述壓力傳感器的檢測(cè)值超過閾值時(shí)，判斷上述旁通閥的異常在關(guān)閥狀態(tài)下發(fā)生，使上述供給機(jī)暫時(shí)停止。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃料電池系統(tǒng)， 具有檢測(cè)上述燃料電池的輸出電流的電流傳感器， 上述控制裝置將上述電流傳感器的檢測(cè)值反饋到上述調(diào)壓閥的開度指令值而進(jìn)行控制，上述控制裝置在上述調(diào)壓閥的開度指令值超過閾值時(shí)，開始被暫 時(shí)停止的上述供給機(jī)的驅(qū)動(dòng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料電池系統(tǒng)，上述控制裝置使用不同的傳感器判斷上述調(diào)壓閥及上述旁通閥中 哪一個(gè)發(fā)生異常。
11.根據(jù)權(quán)利要求4至10的任意一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，上述調(diào)壓閥設(shè)置在上述排出通路上， 上述旁通閥設(shè)置在上述旁通通路上。
全文摘要
本發(fā)明的課題是提供一種燃料電池系統(tǒng)，其即使在氧化氣體的分流控制產(chǎn)生異常時(shí)，也可控制燃料電池的輸出電流。燃料電池系統(tǒng)具有燃料電池和向燃料電池壓送氧化氣體的供給機(jī)。供給通路和排出通路通過旁通通路連接，以使氧化氣體旁通燃料電池而流動(dòng)。設(shè)有調(diào)整氧化氣體向旁通通路及燃料電池的分流的調(diào)壓閥及旁通閥?？刂蒲b置在調(diào)壓閥及旁通閥的任意一個(gè)異常時(shí)，停止通過控制調(diào)壓閥而對(duì)燃料電池的輸出電流進(jìn)行的控制，切換為通過控制供給機(jī)而對(duì)燃料電池的輸出電流進(jìn)行的控制。
文檔編號(hào)H01M8/04GK101657927SQ20088001239
公開日2010年2月24日 申請(qǐng)日期2008年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月16日
發(fā)明者小川朋也, 真鍋晃太 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車株式會(huì)社