燃料電池系統(tǒng)及其控制方法
【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及低溫起動時的燃料電池系統(tǒng)及其控制方法。
【背景技術】
[0002] 在車輛上安裝的燃料電池一般將70°C左右設為適合發(fā)電的溫度域。因此，在車輛 起動時，需要使燃料電池迅速升溫至適合發(fā)電的溫度域。在JP2009 - 4243A中公開了利用 使燃料電池自身發(fā)電而產(chǎn)生的自發(fā)熱，縮短燃料電池的預熱時間的燃料電池系統(tǒng)。

【發(fā)明內容】

[0003] 由于車輛的使用環(huán)境，有時上述的燃料電池系統(tǒng)例如在負30°C的低溫時被起動。 在這樣的情況下，有時伴隨燃料電池的自發(fā)熱，在電解質膜中生成的生成水超過電解質膜 的保水量而溢出，如果在冰點以下，則溢出的生成水被凍結。因此，在冰點以下起動燃料電 池系統(tǒng)時，有由于生成水的凍結，通過電解質膜的氣體的擴散性變差，不能發(fā)電的顧慮。
[0004] 本發(fā)明是著眼于這樣問題點而完成的。本發(fā)明的目的是抑制在冰點以下燃料電池 預熱時生成水凍結的問題。
[0005] 本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)一個方式是燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，包括：與燃料電池 電連接，通過燃料電池的電力進行驅動的輔助設備；以及與燃料電池電連接，加熱對燃料電 池供給的冷卻水的加熱器。該燃料電池系統(tǒng)包括：預熱控制單元，通過在燃料電池零下起動 時送往輔助設備和加熱器的電力供給，預熱燃料電池自身。預熱控制單元包括：水量運算單 元，根據(jù)燃料電池的濕潤度、溫度和預熱時的發(fā)電電力，運算燃料電池的溫度上升至冰點溫 度期間在電解質膜中生成的生成水量。而且還包括凍結對策控制單元，在通過水量運算單 元算出的生成水量超過閾值時，提高在預熱時至加熱器的、相對于送往輔助設備的電力比 例。
【附圖說明】
[0006] 圖1是表示本發(fā)明的實施方式的燃料電池系統(tǒng)的結構圖。
[0007] 圖2是表示控制器中的預熱控制單元的結構的圖。
[0008] 圖3是表示生成水量運算單元的細節(jié)的結構圖。
[0009] 圖4是表示凍結對策控制單元的細節(jié)的結構圖。
[0010] 圖5是表示預熱控制單元的控制方法的流程圖。
[0011] 圖6是表示基于凍結對策控制的生成水的避免凍結方法的圖。
【具體實施方式】
[0012] 以下，參照添加的【附圖說明】本發(fā)明的實施方式。
[0013](第1實施方式）
[0014] 圖1是表示本發(fā)明的第1實施方式的燃料電池系統(tǒng)的概略圖。
[0015] 燃料電池系統(tǒng)10是在起動燃料電池組1時，利用通過燃料電池組自身的發(fā)電產(chǎn)生 的自發(fā)熱對燃料電池組1進行預熱的系統(tǒng)。燃料電池系統(tǒng)10包括：燃料電池組1 ;陰極氣 體給排裝置2;陽極氣體給排裝置3;組冷卻裝置4;以及控制器5。陰極氣體給排裝置2、陽 極氣體給排裝置3、組冷卻裝置4作為燃料電池組1的輔助設備使用。
[0016] 燃料電池組1是將數(shù)百張燃料電池層積后的電池組。燃料電池組1在本實施方式 中作為汽車用動力源使用。
[0017] 通過陽極電極（燃料極）和陰極電極（氧化劑極）夾持電解質膜而構成燃料電池。 燃料電池通過對陽極電極供給含有氫的陽極氣體（燃料氣體）并對陰極電極供給含有氧的 陰極氣體（氧化劑氣體）來發(fā)電。在陽極電極以及陰極電極的兩個電極進行的電極反應分 別如（1)以及⑵那樣表示。
[0018][化學式1]
[0019] 陽極電極：2H2- 4H++4e…（1)
[0020] 陰極電極：4H++4e+02- 2H20…（2)
[0021] 燃料電池通過上述（1)以及（2)的電極反應，在產(chǎn)生電動勢的同時生成水。由于 層積多個這樣的燃料電池，所以在燃料電池組1中，產(chǎn)生數(shù)百伏特的電壓。燃料電池組1接 受陽極氣體以及陰極氣體的供給，提供例如車輛的驅動所需要的電力。在燃料電池組1中， 例如設置電阻檢測單元51。
[0022] 電阻檢測單元51為了求出燃料電池的濕潤度，檢測電解質膜的阻抗（電阻值）。 電解質膜的濕潤度越?。娊赓|膜中的水分越少，干燥感越強）阻抗越大。電解質膜的濕 潤度越大（電解質膜中的水分越多，濕潤感越強）阻抗越小。
[0023] 電阻檢測單元51例如通過HFR(HighFrequencyResistance，高頻電阻）測量方 法求出阻抗。電阻檢測單元51使燃料電池組1的發(fā)電電流以1kHz(千赫）的正弦波變動， 檢測燃料電池組1的電壓的變動。然后電阻檢測單元51通過將1kHz的交流電壓振幅除以 交流電流振幅求出電阻值。電阻檢測單元51將表示電阻值的電池電阻信號輸出到控制器 5〇
[0024]陰極氣體給排裝置2是對燃料電池組1供給陰極氣體，同時將從燃料電池組1流 出的陰極廢氣排出到外部大氣的裝置。陰極氣體給排裝置2包括：陰極氣體供給通路21、 過濾器22、陰極壓縮機23、陰極氣體排出通路24、陰極調壓閥25、氣流傳感器26、壓力傳感 器27。
[0025]陰極氣體供給通路21是對燃料電池組1供給陰極氣體的通路。陰極氣體供給通 路21的一端連接到過濾器22,另一端連接到陰極氣體入口孔11。
[0026] 過濾器22將取入陰極氣體供給通路21的陰極氣體中包含的異物除去。
[0027] 陰極壓縮機23設置在陰極氣體供給通路21中。陰極壓縮機23經(jīng)由過濾器22將 來自外部大氣的空氣取入陰極氣體供給通路21，作為陰極氣體提供給燃料電池組1。
[0028] 陰極氣體排出通路24是從燃料電池組1排出陰極廢氣的通路。陰極氣體排出通 路24的一端連接到陰極氣體出口孔12,另一端開口。
[0029] 陰極調壓閥25設置在陰極氣體排出通路24中。陰極調壓閥25通過控制器5進 行開閉控制。通過該開閉控制，將流過陰極調壓閥25上游側的通路的陰極氣體的壓力（以 下稱為"陰極壓"。）調節(jié)為希望的壓力。
[0030] 氣流傳感器26設置在陰極壓縮機23上游的陰極氣體供給通路21中。氣流傳感 器26檢測流過陰極氣體供給通路21的陰極氣體的流量。
[0031] 壓力傳感器27設置在陰極氣體入口孔11的附近的陰極氣體供給通路21中。壓 力傳感器27檢測陰極壓。控制器5供給壓力傳感器27的檢測值調整陰極調壓閥25的開 度。由此，將陰極壓調節(jié)為希望的壓力。
[0032]陽極氣體給排裝置3是對燃料電池組1供給陽極氣體，同時將從燃料電池組1排 出的陽極廢氣排出到陰極氣體排出通路24的裝置。陽極氣體給排裝置3包括：高壓罐31、 陽極氣體供給通路32、陽極調壓閥33、陽極氣體排出通路34、和清洗閥35。
[0033] 高壓罐31將提供給燃料電池組1的陽極氣體保持為高壓狀態(tài)儲藏。
[0034]陽極氣體供給通路32是從高壓罐31對燃料電池組1供給陽極氣體的通路。陽極 氣體供給通路32的一端連接到高壓罐31，另一端連接到陽極氣體入口孔13。
[0035] 陽極調壓閥33設置在陽極氣體供給通路32中。陽極調壓閥33通過控制器5進 行開閉控制。通過該開閉控制，調節(jié)從高壓罐31流過陽極氣體供給通路32的陽極氣體的 壓力。
[0036] 陽極氣體排出通路34是排出從燃料電池組1流出的陽極廢氣的通路。陽極氣體 排出通路34的一端連接到燃料電池組1的陽極氣體出口孔14,另一端連接到陰極氣體排出 通路24。
[0037] 清洗閥35設置在陽極氣體排出通路34中。清洗閥35通過控制器5進行開閉控 制。通過清洗閥35的開閉控制，控制陰極氣體排出通路24中合流的陽極廢氣的流量。
[0038] 組冷卻裝置4是冷卻燃料電池組1，將燃料電池組1保持為適合發(fā)電的溫度的裝 置。組冷卻裝置4包括：冷卻水循環(huán)通路41、散熱器42、旁路通路43、恒溫器44、循環(huán)泵45、 加熱器46、第1水溫傳感器47、第2水溫傳感器48。
[0039] 冷卻水循環(huán)通路41是使冷卻燃料電池組1的冷卻水循環(huán)的通路。
[0040]散熱器42設置在冷卻水循環(huán)通路41中。散熱器42冷卻從燃料電池組1排出的 冷卻水。
[0041] 旁路通路43是使散熱器42旁路的通路。旁路通路43的一端連接到冷卻水循環(huán) 通路41，另一端連接到恒溫器44。
[0042] 恒溫器44設置在散熱器42下游側的冷卻水循環(huán)通路41中。恒溫器44是開閉閥。 恒溫器44根據(jù)流過內部的冷卻水的溫度自動地開閉。
[0043] 恒溫器44在流過內部的冷卻水的溫度低于規(guī)定的恒溫器開閥溫度時，成為關閉 狀態(tài)，僅將經(jīng)由旁路通路43而來的相對高溫的冷卻水提供給燃料電池組1。
[0044] 另一方面，恒溫器44在流過內部的冷卻水的溫度為恒溫器開閥溫度以上時，開始 緩慢地打開。然后恒溫器44將經(jīng)由旁路通路43而來的冷卻水和經(jīng)由散熱器42而來的相 對低溫的冷卻水在內部混合，提供給燃料電池組1。
[0045] 循環(huán)泵45設置在恒溫器44下游側的冷卻水循環(huán)通路41中。循環(huán)泵45使流過燃 料電池組1的冷卻水循環(huán)。循環(huán)泵45的排出流量由控制器5控制。
[0046] 加熱器46設置在恒溫器44和循環(huán)泵45之間的冷卻水循環(huán)通路41中。加熱器46 在燃料電池組1預熱時被通電，使冷卻水的溫度上升。作為加熱器46例如使用PTC加熱器。
[0047] 第1水溫傳感器47設置在冷卻水循環(huán)通路41和旁路通路43的分支點的上游側的 冷卻水循環(huán)通路41中。第1水溫傳感器47檢測從燃料電池組1排出的冷卻水的溫度（以 下稱為"組出口水溫"。）。第1水溫傳感器47將檢測到的組出口溫度輸出到控制器5。
[0048] 第2水溫傳感器48設置在循環(huán)泵45下游側的冷卻水循環(huán)通路41中。第2水溫 傳感器48檢測燃料電池組1中流入的冷卻水的溫度（以下稱為"組入口水溫"。）。第2水 溫傳感器48將組入口水溫輸出到控制器5。
[0049]控制器5由具有中央運算裝置（CPU)、只讀存儲器（ROM)、隨機訪問存儲器（RAM)、 以及輸入輸出接口（I/O接口）的微計算機構成。
[0050] 在控制器5中，從第1水溫傳感器47輸入組出口水溫，從第2水溫傳感器48輸入 組入口水溫，從電阻檢測單元51輸入電池電阻信號。
[0051] 控制器5根據(jù)組入口水溫、組出口水溫、以及電池電阻信號等，使燃料電池組1發(fā) 電。控制器5通?？刂脐帢O壓縮機23、陰極調壓閥25、陽極調壓閥33、和清洗閥35,將發(fā)電 所需要的最低限度流量的陰極氣體以及陽極氣體提供給燃料電池組1。
[0052] 在燃料電池系統(tǒng)10的起動時，控制器5執(zhí)行將燃料電池組1預熱至適合發(fā)電的發(fā) 電溫度，例如60°C的控制（以下稱為"預熱促進運轉"）。
[0053] 在預熱促進運轉時，以燃料電池組1