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)明涉及燃料電池的廢熱的利用。
背景技術(shù)：
提出有在低溫環(huán)境下起動(dòng)燃料電池時(shí)，通過進(jìn)行與通常運(yùn)轉(zhuǎn)相比以低效率使燃料電池發(fā)電的運(yùn)轉(zhuǎn)(以下稱為「低效率運(yùn)轉(zhuǎn)」)而使燃料電池的熱損失(廢熱)增加，利用廢熱對(duì)燃料電池進(jìn)行預(yù)熱的技術(shù)。并且，還提出有在相對(duì)于與燃料電池連接的負(fù)載從燃料電池供給電力的狀態(tài)下執(zhí)行低效率運(yùn)轉(zhuǎn)的技術(shù)。例如提出有在搭載燃料電池的電動(dòng)車輛中， 起動(dòng)即刻之后開始低效率運(yùn)轉(zhuǎn)，在燃料電池到達(dá)規(guī)定溫度時(shí)刻開始車輛行駛，以后，一邊行駛一邊對(duì)燃料電池進(jìn)行預(yù)熱直到到達(dá)預(yù)熱結(jié)束溫度的技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的課題但是，向負(fù)載供給電力的同時(shí)執(zhí)行低效率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的燃料電池的輸出響應(yīng)性以及發(fā)熱響應(yīng)性的提高還存在改善的余地。本發(fā)明的目的在于，在從燃料電池向負(fù)載供給電力的同時(shí)進(jìn)行低效率運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行時(shí)，提高燃料電池的輸出響應(yīng)性以及發(fā)熱響應(yīng)性。解決課題的手段本發(fā)明是為了解決上述的課題的至少一部分而做出，能夠作為以下的實(shí)施方式或適用例而實(shí)現(xiàn)。[適用例1]一種燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池；與上述燃料電池連接的二次電池；氧化劑氣體供給部，由從上述二次電池供給的電力驅(qū)動(dòng)，將用于上述燃料電池的發(fā)電的氧化劑氣體向上述燃料電池供給；供給氣體流量調(diào)整部，對(duì)由上述氧化劑氣體供給部供給的上述氧化劑氣體的供給量即供給氣體流量進(jìn)行調(diào)整；氧化劑氣體供給路，將上述氧化劑氣體供給部與上述燃料電池連通；陰極側(cè)廢氣排出路，將上述燃料電池的陰極側(cè)廢氣排出；旁通流路， 將上述氧化劑氣體供給路和上述陰極側(cè)廢氣排出路連接；流量調(diào)整閥，對(duì)從上述氧化劑氣體供給部供給的上述氧化劑氣體中的、從上述氧化劑氣體供給路朝向上述燃料電池的氧化劑氣體的流量即燃料電池需要?dú)怏w流量與從上述氧化劑氣體供給路朝向上述旁通流路的氧化劑氣體的流量即旁通流量之間的流量比進(jìn)行調(diào)整；可輸出電力量取得部，取得上述二次電池的可輸出電力量；和運(yùn)轉(zhuǎn)控制部，根據(jù)對(duì)上述燃料電池的要求輸出以及要求發(fā)熱量決定上述燃料電池的目標(biāo)電流值以及目標(biāo)電壓值，并且通過控制上述流量調(diào)整閥而調(diào)整上述燃料電池需要?dú)怏w流量以及上述旁通流量來執(zhí)行低效率運(yùn)轉(zhuǎn)，所述低效率運(yùn)轉(zhuǎn)是指上述燃料電池在與處于上述燃料電池的電流-電壓特性曲線上時(shí)相比發(fā)電效率較低的工作點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，與為了使上述供給氣體流量在規(guī)定期間內(nèi)從0增加到規(guī)定氣體流量而上述氧化劑氣體供給部所需要的最低電力相比上述可輸出電力量較小時(shí)，上述供給氣體流量調(diào)整部調(diào)整上述供給氣體流量，以使上述氧化劑氣體供給部供給比目標(biāo)燃料電池需要?dú)怏w流量大的氣體流量即過剩氣體流量，所述目標(biāo)燃料電池需要?dú)怏w流量是為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)電流值而應(yīng)向上述燃料電池供給的上述燃料電池需要?dú)怏w流量，上述運(yùn)轉(zhuǎn)控制部控制上述流量調(diào)整閥以使上述旁通流量成為上述過剩氣體流量和上述目標(biāo)燃料電池需要?dú)怏w流量之差的氣體流量。適用例1的燃料電池系統(tǒng)中，與在為了使供給氣體流量在規(guī)定期間內(nèi)從0增加到規(guī)定氣體流量而氧化劑氣體供給部所需要的最低電力相比，二次電池的可輸出電力量較小時(shí)，調(diào)整供給氣體流量，以使氧化劑氣體供給部供給過剩氣體流量，因此即使在與燃料電池連接的負(fù)載變大而需要使燃料電池需要?dú)怏w流量增加且二次電池的可輸出電力量較小的情況下，由于氧化劑氣體供給部預(yù)先供給過剩氣體流量，因此也能夠通過使旁通流量減少而抑制氧化劑氣體的供給響應(yīng)性的劣化。因此，即使在由燃料電池向負(fù)載供給電力的同時(shí)進(jìn)行低效率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)負(fù)載增加的情況下，也能夠提高燃料電池組的輸出響應(yīng)性以及發(fā)熱響應(yīng)性。[適用例2]在適用例1所述的燃料電池系統(tǒng)中，上述供給氣體流量調(diào)整部以上述可輸出電力量越小使上述過剩氣體流量越大的方式調(diào)整上述供給氣體流量。通過這樣的構(gòu)成，即使在由于二次電池的可輸出電力量較小、通過由二次電池供給的電力而氧化劑氣體供給部能夠供給的供給氣體流量較少時(shí)，由于氧化劑氣體供給部供給更多的過剩氣體流量，因此，在與燃料電池連接的負(fù)載變大、燃料電池需要?dú)怏w流量增加時(shí)，能夠抑制氧化劑氣體的供給響應(yīng)性的劣化。[適用例3]在適用例1或者適用例2所述的燃料電池系統(tǒng)中，上述過剩氣體流量是根據(jù)上述可輸出電力量值而預(yù)先決定的上述供給氣體流量，是使上述供給氣體流量在上述規(guī)定期間內(nèi)增加到上述規(guī)定氣體流量而預(yù)先需要的上述供給氣體流量。通過這樣的構(gòu)成，即使在二次電池的可輸出電力量較小時(shí)，也能夠使供給氣體流量在規(guī)定期間內(nèi)增加到規(guī)定氣體流量。因此，即使在二次電池的可輸出電力量較小時(shí)，也能夠維持規(guī)定的響應(yīng)性作為氧化劑氣體供給部的氧化劑氣體的供給響應(yīng)性。[適用例4]在適用例1至適用例3的任意一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)中，上述運(yùn)轉(zhuǎn)控制部根據(jù)由上述燃料電池的電容成分引起的電流值對(duì)根據(jù)上述要求輸出以及上述要求發(fā)熱量決定的上述目標(biāo)電流值進(jìn)行校止。通過這樣的構(gòu)成，能夠以消除燃料電池的目標(biāo)電壓值變化時(shí)產(chǎn)生的燃料電池的電容成分所導(dǎo)致的變動(dòng)能量的方式?jīng)Q定目標(biāo)電流值。因此，能夠準(zhǔn)確地控制燃料電池在目標(biāo)的工作點(diǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，能夠提高燃料電池組10的輸出響應(yīng)性以及發(fā)熱響應(yīng)性。[適用例5]在適用例1至適用例4的任意一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)中，還具有取得上述燃料電池起動(dòng)時(shí)的上述燃料電池內(nèi)的剩余水量的剩余水量取得部，上述剩余水量越多，上述運(yùn)轉(zhuǎn)控制部將結(jié)束溫度設(shè)定得越高，所述結(jié)束溫度是使上述低效率運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)束的溫度。通過這樣的構(gòu)成，由于起動(dòng)時(shí)的燃料電池內(nèi)的剩余水量越多，將結(jié)束溫度設(shè)定得越高，因此，能夠在低效率運(yùn)轉(zhuǎn)中使給予燃料電池自身的熱量變得更多。因此，即使是剩余水量較多的狀況，也能夠使水成為水蒸氣從燃料電池容易地排出。[適用例6]在適用例1至適用例5的任意一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)中，還具有取得上述燃料電池的溫度即燃料電池溫度的溫度取得部，上述燃料電池起動(dòng)時(shí)的上述燃料電池溫度越低，上述運(yùn)轉(zhuǎn)控制部將結(jié)束溫度設(shè)定得越高，所述結(jié)束溫度是使上述低效率運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)束的溫度。一般來說，起動(dòng)時(shí)的燃料電池溫度越低燃料電池內(nèi)殘留的水越多。通過適用例6 的構(gòu)成，起動(dòng)時(shí)的燃料電池溫度越低將結(jié)束溫度設(shè)定得越高，因此，能夠在低效率運(yùn)轉(zhuǎn)中使給予燃料電池自身的熱量變得更多。因此，即使是剩余水量較多的狀況，也能夠使水成為水蒸氣從燃料電池容易地排出。[適用例7]在適用例1至適用例6的任意一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)中，還具有 決定上述要求發(fā)熱量的要求發(fā)熱量決定部；和取得上述燃料電池的溫度即燃料電池溫度的溫度取得部，上述運(yùn)轉(zhuǎn)控制部執(zhí)行上述低效率運(yùn)轉(zhuǎn)直到上述燃料電池溫度到達(dá)結(jié)束溫度為止，所述結(jié)束溫度是使上述低效率運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)束的溫度，上述要求發(fā)熱量至少包括用于使上述燃料電池升溫的發(fā)熱量即升溫要求發(fā)熱量，在上述燃料電池溫度處于能夠判定上述車輛為可行駛狀態(tài)的規(guī)定溫度以上且低于上述結(jié)束溫度時(shí)，上述燃料電池溫度越高，上述要求發(fā)熱量決定部將上述升溫要求發(fā)熱量決定得越低。通過這樣的構(gòu)成，燃料電池溫度越高，越能夠延遲燃料電池的溫度的上升速度。因此，能夠抑制超過低效率運(yùn)轉(zhuǎn)的結(jié)束溫度而使燃料電池升溫，因此，能夠抑制無謂的低效率運(yùn)轉(zhuǎn)的執(zhí)行，能夠使反應(yīng)氣體的燃耗提高。[適用例8]在適用例7所述的燃料電池系統(tǒng)中，上述燃料電池系統(tǒng)搭載于具有加速器的車輛，上述燃料電池系統(tǒng)還具有取得上述車輛的速度的速度取得部；和取得上述加速器的開度的加速器開度取得部，在上述燃料電池溫度為上述規(guī)定溫度以上且低于上述結(jié)束溫度時(shí)，上述要求發(fā)熱量決定部將上述升溫要求發(fā)熱量決定為與上述車輛的速度相應(yīng)的上限值和與上述加速器的開度相應(yīng)的上限值中的至少一個(gè)上限值以下，上述車輛的速度越高，與上述車輛的速度相應(yīng)的上限值越被設(shè)定為大的值，上述加速器的開度越大，與上述加速器的開度相應(yīng)的上限值越被設(shè)定為大的值。一般來說，伴隨氧化劑氣體供給部的驅(qū)動(dòng)的噪音、振動(dòng)，在車輛的速度越低時(shí)，在加速器的開度越大時(shí)，越強(qiáng)烈地給予乘員以不適感。因此，通過這樣的構(gòu)成，要求發(fā)熱量被限制為與車輛的速度相應(yīng)的上限值和與加速器開度相應(yīng)的上限值中的至少一個(gè)上限值以下，因此，能夠抑制給予乘員以伴隨氧化劑氣體供給部的驅(qū)動(dòng)的噪音、振動(dòng)所導(dǎo)致的不適感。[適用例9]在適用例1至適用例8的任意一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)中，上述燃料電池系統(tǒng)搭載于車輛，上述燃料電池系統(tǒng)還具有取得對(duì)上述車輛的減速要求的減速要求取得部，在存在上述減速要求時(shí)，上述供給氣體流量調(diào)整部以調(diào)整上述供給氣體流量時(shí)的變化量為規(guī)定量以下的方式調(diào)整上述供給氣體流量。通過這樣的構(gòu)成，在存在減速要求時(shí)，能夠使供給氣體流量的變化量在規(guī)定量以下，因此，能夠與作出減速要求無關(guān)地、抑制與伴隨供給氣體流量的變化的氧化劑氣體供給部的驅(qū)動(dòng)相伴的噪音、振動(dòng)變大而給予乘員較強(qiáng)的不適感。


圖1是表示作為本發(fā)明的一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的概略構(gòu)成的說明圖。
圖2是示意地表示圖1所示的空氣化學(xué)計(jì)量比映射6 的設(shè)定內(nèi)容的一例的說明圖。圖3是示意地表示圖1所示的不足空氣量映射63e的設(shè)定內(nèi)容的一例的說明圖。圖4是表示本實(shí)施例的空氣供給量控制處理的順序的流程圖。圖5是表示目標(biāo)工作點(diǎn)決定處理的順序的流程圖。圖6是示意地表示濃度過電壓的求解方法的說明圖。圖7是表示進(jìn)行本實(shí)施例的空氣供給量控制處理時(shí)設(shè)定的空氣壓縮機(jī)的供給空氣量的一例的說明圖。圖8是表示第2實(shí)施例的目標(biāo)工作點(diǎn)決定處理的順序的流程圖。圖9是表示第3實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的概略構(gòu)成的說明圖。圖10是表示第3實(shí)施例的要求發(fā)熱量決定處理的順序的流程圖。圖11是示意地表示圖9所示的第1發(fā)熱量限制映射以及第2發(fā)熱量限制映射的設(shè)定內(nèi)容的一例的說明圖。圖12是示意地表示圖9所示的預(yù)熱目標(biāo)溫度映射63i的設(shè)定內(nèi)容的一例的說明圖。圖13是示意地表示圖9所示的FC需要發(fā)熱量映射6 的設(shè)定內(nèi)容的一例的說明圖。圖14是表示第4實(shí)施例的FC需要空氣量決定處理的順序的說明圖。圖15是表示變形例1的不足空氣量映射的設(shè)定內(nèi)容的例的說明圖。
具體實(shí)施例方式第1實(shí)施例Al.系統(tǒng)構(gòu)成圖1是表示作為本發(fā)明的一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的概略構(gòu)成的說明圖。在本實(shí)施例中，燃料電池系統(tǒng)100作為用于供給驅(qū)動(dòng)用電源的系統(tǒng)，搭載于電動(dòng)車輛而使用。燃料電池系統(tǒng)100包括燃料電池組10、氫氣供給路51、陽極廢氣排出路52、氫氣旁通路53、空氣供給路54、陰極廢氣排出路55、空氣旁通路56、氫罐31、切斷閥42、氫氣供給閥43、凈化閥 46、循環(huán)泵47、空氣壓縮機(jī)32、調(diào)壓閥45、旁通閥44、溫度傳感器16、DC-DC轉(zhuǎn)換器210、二次電池220、SOC計(jì)算單元221、控制組件60。燃料電池組10具有層疊的多個(gè)單電池20。單電池20具有陽極側(cè)隔板21、具有電解質(zhì)膜的MEA (膜電極組件Membrane Electrode Assembly) 22、陰極側(cè)隔板23，具有將 MEA22由陽極側(cè)隔板21和陰極側(cè)隔板23夾持而成的構(gòu)成。氫氣供給路51將氫罐31和燃料電池組10連通，是用于將從氫罐31供給的氫氣引導(dǎo)到燃料電池組10的流路。陽極廢氣排出路52是用于將來自燃料電池組10的陽極廢氣(剩余氫氣)排出的流路。氫氣旁通路53將陽極廢氣排出路52和氫氣供給路51連通， 是用于使從燃料電池組10排出的氫氣(未用于反應(yīng)的氫氣)返回氫氣供給路51的流路。空氣供給路M將空氣壓縮機(jī)32和燃料電池組10連通，是用于將從空氣壓縮機(jī)32 供給的壓縮空氣向燃料電池組10引導(dǎo)的流路。陰極廢氣排出路55是用于將來自燃料電池組10的陰極的陰極廢氣排出的流路。陰極廢氣中，在通常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)包括在燃料電池組10中未用于電化學(xué)反應(yīng)的剩余空氣、通過燃料電池組10的電化學(xué)反應(yīng)生成的水，在低效率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，除了這些剩余空氣以及生成水之外，還包括在低效率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)在陰極通過下述式1所示的化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的氫(以下，稱為「泵氫」)。在本實(shí)施例中，「低效率運(yùn)轉(zhuǎn)」是指與通常運(yùn)轉(zhuǎn)(燃料電池組10在I-V特性曲線上的工作點(diǎn)下運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài))相比使發(fā)電效率降低的運(yùn)轉(zhuǎn)。數(shù)學(xué)式12H++2e_ — H2... (1)空氣旁通路56將空氣供給路M和陰極廢氣排出路55連通，是用于將通過空氣壓縮機(jī)32供給的空氣不經(jīng)由燃料電池組10而向陰極廢氣排出路55供給的流路。氫罐31貯存高壓氫氣。切斷閥42配置在氫罐31的未圖示的氫氣排出口，進(jìn)行氫氣的供給以及停止。氫氣供給閥43配置在氫氣供給路51，通過調(diào)整閥開度來調(diào)整向燃料電池組10供給的氫氣的壓力及流量。凈化閥46是用于將陽極廢氣從陽極廢氣排出路52向大氣放出的閥。循環(huán)泵47是用于在旁通路53內(nèi)使氫氣從陽極廢氣排出路52向氫氣供給路51流通的泵?？諝鈮嚎s機(jī)32配置在空氣供給路M，對(duì)從外部取入的空氣進(jìn)行加壓，向燃料電池組10供給?？諝鈮嚎s機(jī)32例如能夠使用葉片旋轉(zhuǎn)而進(jìn)行壓縮的離心式的壓縮機(jī)、動(dòng)葉片 (轉(zhuǎn)子)旋轉(zhuǎn)而進(jìn)行壓縮的軸流式壓縮機(jī)?？諝鈮嚎s機(jī)32的驅(qū)動(dòng)電力從燃料電池組10供給。調(diào)壓閥45是用于對(duì)燃料電池組10側(cè)的壓力(背壓)進(jìn)行調(diào)整的閥。旁通閥44是用于在空氣旁通路56中對(duì)從空氣供給路M向陰極廢氣排出路55流通的空氣量進(jìn)行調(diào)整的閥。溫度傳感器16配置在陰極廢氣排出路55上的燃料電池組10附近。本實(shí)施例中采用通過溫度傳感器16檢測(cè)的溫度作為燃料電池組10的溫度以及二次電池220的溫度。DC-DC轉(zhuǎn)換器210將二次電池220以及燃料電池組10連接，對(duì)由二次電池220供給的直流電壓升壓，經(jīng)由未圖示的逆變器而向負(fù)載輸出。在本實(shí)施例中負(fù)載是指電動(dòng)車輛的驅(qū)動(dòng)用馬達(dá)200，空氣壓縮機(jī)32、循環(huán)泵47等的輔機(jī)。并且，DC-DC轉(zhuǎn)換器210將通過燃料電池組10的發(fā)電得到的電力降壓而向二次電池220充電。二次電池220例如能夠采用鎳鎘蓄電池、鎳氫蓄電池、鋰二次電池等。SOC計(jì)算單元221計(jì)算二次電池200的充電電力 S (S0C State Of Charge)?？刂平M件60與空氣壓縮機(jī)32、DC_DC轉(zhuǎn)換器210、各閥42 47電連接，并控制這些各要素。并且，控制組件60與溫度傳感器16以及SOC計(jì)算單元221電連接，接收來自這些各要素的測(cè)定值以及計(jì)算值。控制組件 60 具有 CPU (Central Processing Unit)61，RAM(Random Access Memory) 62和ROM (Read Only Memory) 63。在R0M63中存儲(chǔ)用于控制燃料電池系統(tǒng)100的未圖示的控制程序，CPU61利用RAM62而執(zhí)行該控制程序，從而作為運(yùn)轉(zhuǎn)控制部61、燃料電池(FC)需要空氣量決定部61b、供給空氣量決定部61c、閥控制部61d、可輸出電力量取得部 61e起作用。運(yùn)轉(zhuǎn)控制部61a通過控制向燃料電池組10供給的反應(yīng)氣體(空氣以及氫氣)的量，以及燃料電池組10的電壓，控制燃料電池組10的輸出(發(fā)電量)以及發(fā)熱量?？諝饬康目刂仆ㄟ^空氣壓縮機(jī)32的轉(zhuǎn)速調(diào)整來實(shí)現(xiàn)。氫氣流量的控制通過經(jīng)由閥控制部61d調(diào)整氫氣供給閥43的開度來實(shí)現(xiàn)。燃料電池組10的電力控制經(jīng)由DC-DC轉(zhuǎn)換器210進(jìn)行。并且，運(yùn)轉(zhuǎn)控制部61a根據(jù)未圖示的加速器的開度以及車速來計(jì)算對(duì)燃料電池組10的要求輸出值。R0M63中預(yù)先存儲(chǔ)轉(zhuǎn)速映射63a、空氣化學(xué)計(jì)量比映射63b、閥開度映射63c、可輸出電力量映射63d、不足空氣量映射63e。轉(zhuǎn)速映射63a是將空氣壓縮機(jī)32的葉片的轉(zhuǎn)速和空氣壓縮機(jī)32的供給空氣量建立對(duì)應(yīng)而成的映射，通過預(yù)先試驗(yàn)等求出而設(shè)定。圖2是示意地表示圖1所示的空氣化學(xué)計(jì)量比映射6 的設(shè)定內(nèi)容的一例的說明圖。在圖2中，橫軸表示空氣化學(xué)計(jì)量比，縱軸表示濃度過電壓。燃料電池系統(tǒng)100中作為低效率運(yùn)轉(zhuǎn)，采用通過抑制向燃料電池組10供給的空氣量而產(chǎn)生濃度過電壓，從而使燃料電池組10的廢熱量增加的公知的方法。此低效率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的空氣化學(xué)計(jì)量比和濃度過電壓之間的關(guān)系能夠預(yù)先通過實(shí)驗(yàn)等求出。空氣化學(xué)計(jì)量比是指實(shí)際向燃料電池組10供給的空氣量相對(duì)于構(gòu)成燃料電池組10的各單電池20在I-V特性曲線上的工作點(diǎn)下運(yùn)轉(zhuǎn)所需的理論上的空氣量的比率。如圖2所示，空氣化學(xué)計(jì)量比越高(S卩，供給空氣量越多)，濃度過電壓越小，空氣化學(xué)計(jì)量比在0.9 1. 1的范圍內(nèi)急劇地降低。圖1所示的閥開度映射63c是將空氣量與旁通閥44以及調(diào)壓閥45的閥開度建立對(duì)應(yīng)而成的映射。旁通閥44的開度越大則空氣旁通路56的空氣量越大，并且，調(diào)壓閥45 的開度越大則空氣供給路M的空氣量以及陰極廢氣排出路陽的空氣量越大。因此，燃料電池系統(tǒng)100中預(yù)先通過試驗(yàn)求出旁通閥44以及調(diào)壓閥45的開度和各空氣量之間的關(guān)系存儲(chǔ)在R0M63中?？奢敵鲭娏α坑成?3d是將二次電池220的充電電力量(SOC)及二次電池220的溫度與二次電池220的可輸出的最大電力量建立對(duì)應(yīng)而成的映射。二次電池220 的SOC越大則可輸出電力量越大，并且，二次電池220的溫度越高則輸出可能電力量越大。 因此，能夠預(yù)先通過試驗(yàn)求出二次電池220的SOC以及二次電池220的溫度與可輸出電力量之間的關(guān)系，并作為可輸出電力量映射63d存儲(chǔ)于R0M63中。圖3是示意地表示圖1所示的不足空氣量映射63e的設(shè)定內(nèi)容的一例的說明圖。 在圖3中，橫軸表示二次電池220的可輸出電力量，縱軸表示通過空氣壓縮機(jī)32供給的空氣量的不足部分。在低溫環(huán)境下，二次電池220的可輸出電力量較低，因此可能不能將用于滿足規(guī)定的空氣供給響應(yīng)性的電力向空氣壓縮機(jī)32供給。本實(shí)施例中作為規(guī)定的空氣響應(yīng)性，設(shè)定在一秒期間上升到作為最大空氣供給量的3700N1 (Normal litter 公升)/min)的響應(yīng)性。此時(shí)，最大響應(yīng)性為在向燃料電池組10完全不供給空氣的狀態(tài)下，從加速器空轉(zhuǎn)狀態(tài) (加速器開度為0%的狀態(tài))過渡到加速器最大踩下的狀態(tài)(加速器開度100%的狀態(tài)) 時(shí)，在一秒期間從ONl/min上升到作為最大空氣供給量的3700Nl/min)的響應(yīng)性。在為了滿足此最大響應(yīng)性而空氣壓縮機(jī)32的驅(qū)動(dòng)所需的電力例如為50kW的情況下，由SOC以及二次電池220的溫度決定的二次電池220的可輸出電力量為40kW的話，不能實(shí)現(xiàn)最大空氣供給響應(yīng)性。但是，在二次電池220的可輸出電力量為50kW以上時(shí)，能夠滿足此最大響應(yīng)性。因此，在燃料電池系統(tǒng)100中預(yù)先通過試驗(yàn)等求出二次電池220的可輸出電力量，在不向燃料電池組10供給空氣的狀態(tài)下為了滿足規(guī)定的空氣供給響應(yīng)性而不足的空氣供給量 (Nl/min)，設(shè)定作為不足空氣量映射63e。如圖3所示，不足空氣量映射63e中，二次電池220的可輸出電力量越大，作為不足空氣量越被設(shè)定為小的值。二次電池220的可輸出電力量為50kW以上時(shí)，不足空氣量為0。即意味著，如果可輸出電力量至少為50kW則在從空氣壓縮機(jī)32不供給空氣的狀態(tài)下， 即使加速器開度為100%時(shí)，一秒期間也能夠上升到作為最大空氣供給量的3700Nl/min)。 并且，二次電池220的可輸出電力量為OkW時(shí)的不足的空氣量為3700Nl/min。這表示二次電池220的可輸出電力量位OkW時(shí)，不足的空氣量為3700Nl/min。在此，已經(jīng)由空氣壓縮機(jī)32供給空氣時(shí)，即使二次電池220的可輸出電力量較少時(shí)，也能夠滿足規(guī)定的空氣供給響應(yīng)性。例如，由于已經(jīng)由空氣壓縮機(jī)32供給空氣，在加速器開度為100%時(shí)，1秒間應(yīng)該上升的空氣供給量如果為lOOONl/min，即便二次電池220的可輸出電力量不到50kW，也可能滿足規(guī)定的空氣供給響應(yīng)性(1秒以內(nèi)空氣供給量上升到 3700Nl/min)。此例中，3700Nl/min與權(quán)利要求中的規(guī)定氣體流量，1秒間與權(quán)利要求中的規(guī)定的期間分別相當(dāng)。規(guī)定的空氣供給響應(yīng)性不限于1秒以內(nèi)空氣供給量上升到3700N1/ min，能夠設(shè)定為任意的期間內(nèi)增加到任意的流量的任意的空氣供給響應(yīng)性。燃料電池系統(tǒng)100中，除了上述的各構(gòu)成要素，還具有用于通過冷卻介質(zhì)冷卻燃料電池組10的機(jī)構(gòu)(例如，冷卻介質(zhì)循環(huán)路、散熱器等)。并且，燃料電池系統(tǒng)100具有利用通過燃料電池組10升溫的冷卻介質(zhì)對(duì)客室進(jìn)行加溫的未圖示的暖氣機(jī)構(gòu)。燃料電池系統(tǒng)100中，起動(dòng)時(shí)在燃料電池組10的溫度低于0°C時(shí)開始低效率運(yùn)轉(zhuǎn)， 對(duì)燃料電池組10進(jìn)行預(yù)熱。搭載燃料電池系統(tǒng)100的電動(dòng)車輛中為了保證行駛穩(wěn)定性，在燃料電池組10的溫度低于o°c時(shí)設(shè)定為不能行駛的狀態(tài)，通過低效率運(yùn)轉(zhuǎn)使燃料電池組10的溫度升溫而變成 o°c以上時(shí)設(shè)定為能夠行駛的狀態(tài)。因此，為了在燃料電池組10的溫度低于o°c時(shí)使電動(dòng)車輛成為能夠在短期間內(nèi)行駛的狀態(tài)，執(zhí)行低效率運(yùn)轉(zhuǎn)以使輸出響應(yīng)性(直到能夠滿足要求輸出電力輸出性能或滿足要求輸出的期間的長(zhǎng)短)降低而得到較多的發(fā)熱量。燃料電池系統(tǒng)100中燃料電池組10的溫度上升而到達(dá)o°c的話，通過低效率運(yùn)轉(zhuǎn)繼續(xù)執(zhí)行，并且，執(zhí)行后述的空氣供給量控制處理，能夠提高燃料電池組10的輸出響應(yīng)性以及發(fā)熱響應(yīng)性。在本實(shí)施例「發(fā)熱響應(yīng)性」是指能夠滿足要求發(fā)熱量的性能，或存在發(fā)熱要求后直到滿足要求發(fā)熱量的期間的長(zhǎng)短。上述的空氣壓縮機(jī)32與權(quán)利要求中的氧化劑氣體供給部相當(dāng)。并且，旁通閥44 以及調(diào)壓閥45與權(quán)利要求中的流量調(diào)整閥相當(dāng)，SOC計(jì)算單元221與權(quán)利要求中的可輸出電力量取得部相當(dāng)，溫度傳感器16與權(quán)利要求中的溫度取得部相當(dāng)。并且，運(yùn)轉(zhuǎn)控制部61a 與權(quán)利要求中的供給氣體流量調(diào)整部、運(yùn)轉(zhuǎn)控制部、剩余水量取得部、要求發(fā)熱量決定部、 速度取得部、加速器開度取得部以及減速要求取得部相當(dāng)。A2.空氣供給量控制處理通過起動(dòng)時(shí)的低效率運(yùn)轉(zhuǎn)，燃料電池組10的溫度上升達(dá)到0°C，電動(dòng)車輛變成可行駛狀態(tài)，在燃料電池系統(tǒng)100執(zhí)行空氣供給量控制處理。圖4是表示本實(shí)施例的空氣供給量控制處理的順序的流程圖。運(yùn)轉(zhuǎn)控制部61a 根據(jù)未圖示的加速器的開度以及電動(dòng)車輛的速度，決定驅(qū)動(dòng)用馬達(dá)200、輔機(jī)的要求輸出值 (步驟S105)。運(yùn)轉(zhuǎn)控制部61a決定要求發(fā)熱量(步驟S110)。本實(shí)施例中作為低效率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的要求發(fā)熱量，預(yù)先設(shè)定從燃料電池組10的最大產(chǎn)生能量中去掉輔機(jī)損失(向輔機(jī)的供給電力量)所得到的值(以下，稱為「最大發(fā)熱量」)，運(yùn)轉(zhuǎn)控制部61a設(shè)定該最大發(fā)熱量作為要求發(fā)熱量。運(yùn)轉(zhuǎn)控制部61a決定燃料電池組10的目標(biāo)工作點(diǎn)(步驟S115)。
圖5是表示目標(biāo)工作點(diǎn)決定處理的順序的流程圖。運(yùn)轉(zhuǎn)控制部61a根據(jù)下述式2 計(jì)算目標(biāo)工作點(diǎn)的電流值(目標(biāo)電流值)Iref的(步驟S205)。式2中，“Pfc”表示要求輸出值。并且，iPlossJ表示要求發(fā)熱量，“VI”表示單位單電池的理論電動(dòng)勢(shì)，「η」表示構(gòu)成燃料電池組10的單電池20的數(shù)目。數(shù)學(xué)式2
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括 燃料電池；與上述燃料電池連接的二次電池；氧化劑氣體供給部，由從上述二次電池供給的電力驅(qū)動(dòng)，將用于上述燃料電池的發(fā)電的氧化劑氣體向上述燃料電池供給；供給氣體流量調(diào)整部，對(duì)由上述氧化劑氣體供給部供給的上述氧化劑氣體的供給量即供給氣體流量進(jìn)行調(diào)整；氧化劑氣體供給路，將上述氧化劑氣體供給部與上述燃料電池連通； 陰極側(cè)廢氣排出路，將上述燃料電池的陰極側(cè)廢氣排出； 旁通流路，將上述氧化劑氣體供給路和上述陰極側(cè)廢氣排出路連接； 流量調(diào)整閥，對(duì)從上述氧化劑氣體供給部供給的上述氧化劑氣體中的、從上述氧化劑氣體供給路朝向上述燃料電池的氧化劑氣體的流量即燃料電池需要?dú)怏w流量與從上述氧化劑氣體供給路朝向上述旁通流路的氧化劑氣體的流量即旁通流量之間的流量比進(jìn)行調(diào)整；可輸出電力量取得部，取得上述二次電池的可輸出電力量；和運(yùn)轉(zhuǎn)控制部，根據(jù)對(duì)上述燃料電池的要求輸出以及要求發(fā)熱量決定上述燃料電池的目標(biāo)電流值以及目標(biāo)電壓值，并且通過控制上述流量調(diào)整閥而調(diào)整上述燃料電池需要?dú)怏w流量以及上述旁通流量來執(zhí)行低效率運(yùn)轉(zhuǎn)，所述低效率運(yùn)轉(zhuǎn)是指上述燃料電池在與處于上述燃料電池的電流-電壓特性曲線上時(shí)相比發(fā)電效率較低的工作點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，與為了使上述供給氣體流量在規(guī)定期間內(nèi)從0增加到規(guī)定氣體流量而上述氧化劑氣體供給部所需要的最低電力相比上述可輸出電力量小時(shí)，上述供給氣體流量調(diào)整部調(diào)整上述供給氣體流量，以使上述氧化劑氣體供給部供給比目標(biāo)燃料電池需要?dú)怏w流量大的氣體流量即過剩氣體流量，所述目標(biāo)燃料電池需要?dú)怏w流量是為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)電流值而應(yīng)向上述燃料電池供給的上述燃料電池需要?dú)怏w流量，上述運(yùn)轉(zhuǎn)控制部控制上述流量調(diào)整閥以使上述旁通流量成為上述過剩氣體流量和上述目標(biāo)燃料電池需要?dú)怏w流量之差的氣體流量。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，上述供給氣體流量調(diào)整部以上述可輸出電力量越小使上述過剩氣體流量越大的方式調(diào)整上述供給氣體流量。
3.如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，上述過剩氣體流量是根據(jù)上述可輸出電力量值而預(yù)先決定的上述供給氣體流量，是使上述供給氣體流量在上述規(guī)定期間內(nèi)增加到上述規(guī)定氣體流量而預(yù)先需要的上述供給氣體流量。
4.如權(quán)利要求1至權(quán)利要求3的任意一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，上述運(yùn)轉(zhuǎn)控制部根據(jù)由上述燃料電池的電容成分引起的電流值對(duì)根據(jù)上述要求輸出以及上述要求發(fā)熱量決定的上述目標(biāo)電流值進(jìn)行校正。
5.如權(quán)利要求1至權(quán)利要求4的任意一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，還具有取得上述燃料電池起動(dòng)時(shí)的上述燃料電池內(nèi)的剩余水量的剩余水量取得部， 上述剩余水量越多，上述運(yùn)轉(zhuǎn)控制部將結(jié)束溫度設(shè)定得越高，所述結(jié)束溫度是使上述低效率運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)束的溫度。
6.如權(quán)利要求1至權(quán)利要求5的任意一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，還具有取得上述燃料電池的溫度即燃料電池溫度的溫度取得部，上述燃料電池起動(dòng)時(shí)的上述燃料電池溫度越低，上述運(yùn)轉(zhuǎn)控制部將結(jié)束溫度設(shè)定得越高，所述結(jié)束溫度是使上述低效率運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)束的溫度。
7.如權(quán)利要求1至權(quán)利要求6的任意一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，還具有 決定上述要求發(fā)熱量的要求發(fā)熱量決定部；和取得上述燃料電池的溫度即燃料電池溫度的溫度取得部，上述運(yùn)轉(zhuǎn)控制部執(zhí)行上述低效率運(yùn)轉(zhuǎn)直到上述燃料電池溫度到達(dá)結(jié)束溫度為止，所述結(jié)束溫度是使上述低效率運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)束的溫度，上述要求發(fā)熱量至少包括用于使上述燃料電池升溫的發(fā)熱量即升溫要求發(fā)熱量， 在上述燃料電池溫度處于能夠判定上述車輛為可行駛狀態(tài)的規(guī)定溫度以上且低于上述結(jié)束溫度時(shí)，上述燃料電池溫度越高，上述要求發(fā)熱量決定部將上述升溫要求發(fā)熱量決定得越低。
8.如權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)， 上述燃料電池系統(tǒng)搭載于具有加速器的車輛， 上述燃料電池系統(tǒng)還具有取得上述車輛的速度的速度取得部；和取得上述加速器的開度的加速器開度取得部，在上述燃料電池溫度為上述規(guī)定溫度以上且低于上述結(jié)束溫度時(shí)，上述要求發(fā)熱量決定部將上述升溫要求發(fā)熱量決定為與上述車輛的速度相應(yīng)的上限值和與上述加速器的開度相應(yīng)的上限值中的至少一個(gè)上限值以下，上述車輛的速度越高，與上述車輛的速度相應(yīng)的上限值越被設(shè)定為大的值， 上述加速器的開度越大，與上述加速器的開度相應(yīng)的上限值越被設(shè)定為大的值。
9.如權(quán)利要求1至權(quán)利要求8的任意一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)， 上述燃料電池系統(tǒng)搭載于車輛，上述燃料電池系統(tǒng)還具有取得對(duì)上述車輛的減速要求的減速要求取得部， 在存在上述減速要求時(shí)，上述供給氣體流量調(diào)整部以調(diào)整上述供給氣體流量時(shí)的變化量為規(guī)定量以下的方式調(diào)整上述供給氣體流量。
全文摘要
一種燃料電池系統(tǒng)，在與使氧化劑氣體供給部的供給氣體量在規(guī)定期間內(nèi)從0增加到規(guī)定氣體流量而氧化劑氣體供給部所需要的最低電力相比，二次電池的可輸出電力量較小時(shí)，調(diào)整供給氣體流量，以使氧化劑氣體供給部供給比用于實(shí)現(xiàn)目標(biāo)電流值的目標(biāo)燃料電池需要?dú)怏w流量大的過剩氣體流量，并控制流量調(diào)整閥以使旁通流量成為過剩氣體流量和目標(biāo)燃料電池需要?dú)怏w流量之差的氣體流量。
文檔編號(hào)H01M8/04GK102405150SQ20108000610
公開日2012年4月4日 申請(qǐng)日期2010年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月27日
發(fā)明者弓田修, 水野伸和, 田中浩己, 藤公志, 長(zhǎng)沼良明 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車株式會(huì)社