CN101682055A - 燃料电池*** - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料电池***，其能够确保下一次可靠地起动燃料电池***，并且能够抑制不必要地长时间进行扫气处理。阻抗比较部(150)通过对存储于存储器(151)的阻抗基准值ins和存储于测定存储器(152)的测定阻抗进行比较，判断该***内剩余的水分量是否低于阈值。另一方面，SOC比较部(170)对存储于存储器(171)的SOC基准值和存储于SOC存储器(172)的检测SOC进行比较，判断检测SOC是否低于SOC基准值。扫气控制部(160)根据这两项判断结果进行扫气控制。

Description

燃料电池***
技术领域
本发明涉及燃料电池***。
背景技术
在外部温度较低的情况下，存在燃料电池***停止后在其内部产生的水分冻结而造成配管或阀等破损的问题，因此，已提出在***停止时通过进行扫气处理将积存在燃料电池内部的水分排出到外部的方法
要进行这样的扫气处理，需要燃料电池以外的能源，作为能源，利用电容器或蓄电池等辅助燃料电池的输出的蓄电装置。
然而，蓄电装置除用于阳极扫气处理以外，也作为燃料电池***起动时的能源来利用。因此，***停止后，在外部气温下降而需要在冰点下等低温时起动燃料电池***的情况下，因进行阳极扫气处理等引起蓄电装置的剩余容量降低，因此，产生在冰点下等低温时不能起动燃料电池***的问题。
为了消除这样的问题，已提出如下方法，即，在开始进行扫气处理后，监视电容器或蓄电池等蓄电装置的剩余容量，在所监视的剩余容量降到阈值的情况下，则结束阳极扫气处理，以确保下一次可靠地起动燃料电池***(例如参照专利文献1)。
专利文献1：(日本)特开2006-202520号公报
但是，如上所述，如果仅仅根据蓄电装置的剩余容量来判断是否结束扫气处理，则担心例如即使燃料电池的剩余水量适当也超出需要地进行长时间的扫气处理，导致能量效率恶化，或导致燃料电池的电解质膜过于干燥等。
发明内容
本发明鉴于以上说明的情况而开发，其目的在于提供一种燃料电池***，其能够确保下一次可靠地起动燃料电池***，并且能够抑制不必要地长时间进行扫气处理。
为了解决上述的问题，本发明的燃料电池***具备燃料电池和蓄电装置，通过向***内供给规定气体而进行扫气处理，其特征在于，具备：检测所述燃料电池的剩余水量的第一检测单元；检测所述蓄电装置的剩余容量的第二检测单元；存储剩余水量基准值的第一存储单元；存储剩余容量基准值的第二存储单元；以及扫气控制单元，该扫气控制单元根据扫气处理开始后所检测的所述剩余水量和所述剩余水量基准值的比较结果，或者根据扫气处理开始后所检测的所述剩余容量和所述剩余容量基准值的比较结果，来控制是否结束该扫气处理。
根据这样的构成，不仅考虑蓄电装置的剩余容量，而且还考虑到燃料电池的剩余水量来判断是否结束扫气处理，因此，能够确保下一次可靠地起动燃料电池***，并且能够抑制不必要地长时间进行扫气处理。
在此，在上述构成中，优选下述方式：所述剩余水量基准值是表示下一次起动该***时所需的水分量的剩余水量阈值，所述剩余容量基准值是表示下一次起动该***时所需的电能的剩余容量阈值，在所述剩余水量低于所述剩余水量基准值的情况下、或在所述剩余容量低于所述剩余容量基准值的情况下，所述扫气控制单元结束该扫气处理。
此外，在上述构成中，进一步优选所述剩余容量阈值根据下一次起动该***时的环境条件而不同的方式。
再有，也可以是下述方式：所述规定气体是向所述燃料电池的阳极供给的燃料气体，或者是向所述燃料电池的阴极供给的氧化气体，所述第一检测单元通过测定所述燃料电池的阻抗来检测所述剩余水量。
如以上说明，根据本发明，能够确保下一次可靠地起动燃料电池***，并且能够抑制不必要地长时间进行扫气处理。
附图说明
图1是表示本实施方式的燃料电池***的构成的图。
图2是表示该实施方式的控制单元的扫气控制功能的图。
图3是例示该实施方式的扫气时间和测定阻抗的关系的图。
图4是表示该实施方式的扫气控制处理的流程图。
图5是表示变形例1的扫气控制处理的流程图。
图6是表示变形例2的SOC控制处理的流程图。
图7是例示该变形例的蓄电池的SOC和充放电目标功率的关系的图。
图8是例示该变形例的蓄电池的SOC和放电功率上限值的关系的图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
A.本实施方式
<整体构成>
图1是搭载了本实施方式的燃料电池***100的车辆的概略构成。
在以下的说明中，假定燃料电池汽车(FCHV：Fuel Cell HybridVehicle)作为车辆的一例，但也可以适用于电动汽车及混合动力汽车。另外，不仅是车辆，还可以适用于各种移动体(例如船舶、飞机、机器人等)、固定型燃料电池***及可动型燃料电池***。
该车辆将与车轮63L、63R连接的同步马达61作为驱动力源而行驶。同步马达61的电源是燃料电池40及蓄电池20。从这些燃料电池40及蓄电池20输出的电力由变换器60变换为三相交流电，供给到同步马达61。同步马达61在制动时也可以作为发电机发挥作用。
燃料电池40是从所供给的燃料气体及氧化气体产生电力的单元，具有将多个具备包含电解质膜的MEA等的单电池串联层叠而成的堆叠构造。具体地说，可以利用固体高分子型、磷酸型、溶融碳酸盐型等各种类型的燃料电池。
冷却机构70是对燃料电池40进行冷却的装置，具备对冷却水加压而使其循环的泵和将冷却水的热量向外部散热的热交换器(均未图示)等。
燃料电池40上设有检测所供给的各气体的流量的流量传感器41和检测燃料电池侧的冷却水的温度(FC出口温度)的温度传感器43。
蓄电池(蓄电装置)20例如是由镍氢蓄电池等构成的可充放电的二次电池，辅助燃料电池40的输出，在燃料电池40发电停止时等时间，将所蓄积的能量供给到同步马达61或车辆辅机50、FC辅机51等，并且用作下一次起动时的能量源。蓄电池20的SOC(State Of Charge：充放电状态)利用SOC传感器21进行检测，所检测出的SOC在控制单元10中进行管理。此外，除镍氢蓄电池以外，也可以适用各种类型的二次电池。另外，也可以使用二次电池以外的可充放电的蓄电器例如电容器来代替蓄电池20。该蓄电池20介插在燃料电池40的放电路径中，与燃料电池40并联连接。
燃料电池40和蓄电池20与变换器60并联连接，在从燃料电池40向变换器60的电路中设有二极管42，该二极管42用于防止来自蓄电池20的电流或同步马达61中发电的电流产生反向电流。
这样，为了实现并联连接的燃料电池40及蓄电池20两个电源的适当的输出分配，需要控制两电源的相对电压差。为了控制这种电压差，在蓄电池20和变换器60之间设有DC/DC转换器30。DC/DC转换器30是直流电压变换器，具备对从蓄电池20输入的DC电压进行调节后向燃料电池40侧输出的功能，和对从燃料电池40或马达61输入的DC电压进行调节后向蓄电池20侧输出的功能。
在蓄电池20和DC/DC转换器30之间，连接有车辆辅机50及FC辅机51，蓄电池20作为这些辅机的电源。车辆辅机50是指车辆运转时等期间使用的各种电力设备，包括照明设备、空调设备、液压泵等。另外，FC辅机51是指燃料电池40的运转中使用的各种电力设备，包括用于供给燃料气体或改性原料的泵、调节改性器的温度的加热器等。
上述的各要素的运转由控制单元10来控制。控制单元10作为内部具备CPU、RAM、ROM等的微型计算机而构成。控制单元10控制燃料电池40及DC/DC转换器30的运转，以供给与要求动力对应的电力。另外，从油门踏板传感器11、SOC传感器21、流量传感器41、温度传感器43、检测外部气温的外部气温传感器44、检测车速的车速传感器62等，向控制单元10输入各种传感器信号。控制单元10基于这些信号中枢地控制该***，并且时常把握蓄电池20的SOC。
而且，控制单元10连接有点火开关(IG开关)45。控制单元10检测该IG开关45的接通/断开操作，根据检测结果进行发电开始/停止的控制。
在具有这种构成的燃料电池***100中，通过测定燃料电池40的阻抗来检测燃料电池40的水分状态(即剩余水量)，并且利用SOC传感器21检测蓄电池20的SOC，基于这两个参数实现用于适当保持燃料电池40的水分状态的扫气控制。下面，对本实施方式的扫气控制功能进行说明。
<扫气控制功能的说明>
图2是用于说明控制单元10的扫气控制功能的图。
如图2所示，控制单元10具备阻抗运算部140、阻抗比较部150、扫气控制部160、和SOC比较部170。
扫气控制部(扫气控制单元)160在IG开关45断开并从IG开关45接受燃料电池40的发电停止命令时，开始扫气处理。
具体地说，为了减少残留在燃料电池40及配管(图示略)等中的水分，通过向燃料电池40的阴极供给低湿度的氧化气体或向燃料电池40的阳极供给低湿度的燃料气体，进行扫气处理。但是，这样的扫气处理只不过是一个例子，只要能够减少残留在该***内的水分，可以采用任何方法。
另一方面，阻抗运算部(第一检测单元)140在开始扫气处理后，间歇性地进行阻抗测定，将距扫气开始的时间(以下称为扫气时间)和测定阻抗的对(图3所示的(t，in)＝(t1，in1)、(t2，in2)等)依次存储于测定存储器152。
阻抗比较部150通过比较存储于存储器(第一存储单元)151的阻抗基准值ins(剩余水量基准值，参照图3)和存储于测定存储器152的测定阻抗，来判断残留在该***内的水分量是否低于阈值。该阻抗基准值ins是为了使残留在该***内的水分量不会过度减少(即，为了使电解质膜不会过于干燥)而设定的基准值，表示了表示下一次起动该***时所需水分量的剩余水量阈值。此外，阻抗基准值ins事先通过实验等求出。阻抗比较部150在因测定阻抗超过阻抗基准值ins而判断为残留在该***内的水分量低于阈值时，将应结束扫气处理的指令通知扫气控制部160。
另一方面，阻抗比较部150在因测定阻抗低于阻抗基准值ins而判断为残留在该***内的水分量不低于阈值时，将应进行SOC比较的指令通知SOC比较部170。
SOC传感器(第二检测单元)21在扫气处理开始后，间歇性地检测蓄电池20的SOC，将所检测出的蓄电池20的SOC(以下称为检测SOC)依次存储在SOC存储器172中。
SOC比较部170根据来自阻抗比较部150的通知，对存储于存储器(第二存储单元)171的SOC基准值(剩余容量基准值)和存储于SOC存储器172的检测SOC进行比较，判断检测SOC是否低于SOC基准值。该SOC基准值表示在停止该***后，表示下一次起动该***时所需要的电能的剩余容量阈值，事先通过实验等求出。SOC比较部170在检测SOC低于SOC基准值的情况下，向扫气控制部160通知应结束扫气处理的指令。此外，SOC基准值可以设定为固定值，也可以根据例如利用外部气温传感器44检测出的外部气温(环境条件)而变更SOC基准值。
扫气控制部(扫气控制单元)160如上所述，通过从IG开关45接受燃料电池40停止发电的命令开始扫气处理，另一方面，根据来自阻抗比较部150或SOC比较部170的通知而结束扫气处理。通过调节向燃料电池40供给的氧化气体和燃料气体的的供给量、旁通阀(图示略)的阀开度等，实现扫气处理的具体控制。根据以上说明的构成，能够实现适当地保持残留在燃料电池***100中的水分量的扫气控制。下面对本实施方式的扫气控制处理进行说明。
<动作说明>
图4是表示由控制单元10执行的扫气控制处理的流程图。
扫气控制部160从IG开关45接受燃料电池40的发电停止命令(即，IG开关45的断开指令)后，以该发电停止命令为触发而开始扫气处理(步骤S100→步骤S200)。阻抗运算部140在利用扫气控制部160开始扫气处理后，间歇性地进行阻抗测定(步骤S300)、将扫气时间和测定阻抗的对(图3所示的(t，in)＝(t1，in1)、(t2，in2)等)依次存储于测定存储器152。
另一方面，阻抗比较部150通过比较存储于存储器151的阻抗基准值ins(参照图3)和存储于测定存储器152的测定阻抗，来判断残留在燃料电池40内的水分量是否低于阈值(步骤S400)。如前所述，阻抗基准值ins表示残留在该***内的水分量的阈值。阻抗比较部150在因测定阻抗超过阻抗基准值ins而判断为残留在该***内的水分量低于阈值时(步骤S400：是)，将应结束扫气处理的指令通知扫气控制部160(步骤S600)。扫气控制部160基于来自阻抗比较部150的通知，停止氧化气体及燃料气体的供给等，结束扫气处理。
另一方面，阻抗比较部150在因测定阻抗低于阻抗基准值ins而判断为残留在该***内的水分量不低于阈值时(步骤S400：否)，将应进行SOC比较的指令通知SOC比较部170。
SOC比较部170根据来自阻抗比较部150的通知，对存储于存储器171的SOC基准值和存储于SOC存储器172的检测SOC进行比较，判断检测SOC是否低于SOC基准值(步骤S500)。如前所述，SOC基准值表示在停止该***后，用于确保下一次起动燃料电池40时所需要的电能的阈值。SOC比较部170在检测SOC不低于基准值的情况下(步骤S500：否)，则返回步骤S300，向阻抗比较部150通知应进行阻抗比较的指令。
另一方面，SOC比较部170在检测SOC低于SOC基准值的情况下(步骤S500：是)，则向扫气控制部160通知应结束扫气处理的指令(步骤S600)。扫气控制部160基于来自阻抗比较部150的通知，停止氧化气体及燃料气体的供给等，结束扫气处理。
如以上说明，根据本实施方式，基于由阻抗测定检测出的该***内的剩余水量、和由SOC传感器检测出的蓄电池的SOC，来判断是否应结束扫气处理，因此，能够确保下一次可靠地起动燃料电池***，并且能够抑制不必要地长时间进行扫气处理。
B.变形例
<变形例1>
在上述的实施方式中，对IG开关45断开前的燃料电池40的运转状态没有进行特别说明，但也可以根据IG开关45断开前的燃料电池40的运转状态(运转模式)而变更扫气控制。
图5是表示变形例1的扫气控制处理的流程图。此外，图5所示的扫气控制处理相对于图4所示的扫气控制处理设置了步骤S100a、S100b。其它步骤同图4，因此，对于相对应的步骤附加同一符号，省略其详细的说明。
扫气控制部160从IG开关45接受燃料电池40的发电停止命令(即，IG开关45的断开指令)后，根据该指令停止燃料电池40的发电，并且确认停止该发电之前的燃料电池40的运转模式(步骤S100→步骤S100a)。燃料电池40的运转模式具有通常运转模式和低温运转模式两种。所谓低温运转模式是指实施以提高低温环境下的起动性为目的的控制(含水量控制及电解质膜的干燥控制等)的运转模式，通常运转模式是指低温模式以外的运转模式。
这两种运转模式的切换基于由外部气温传感器44检测出的外部气温而进行。详细地说，在所检测出的外部气温超过阈值的情况下，控制单元10以通常运转模式运转，而当该外部气温在阈值以下时，以低温运转模式运转。此外，所设定的阈值可以事先通过实验等求出。另外，取而代之(或加之)，也可以基于用户对低温开关(图示略)的操作来切换运转模式。
扫气控制部160在步骤S100a中判断为设定于通常运转模式时，不进行低温起动，而是在进行考虑了通常起动的通常扫气处理后(步骤S100b)结束扫气处理(步骤S600)。此外，所谓通常扫气处理是指不考虑蓄电池20的SOC，而仅在设定时间内进行扫气的处理。
另一方面，扫气控制部160在步骤S100a中判断为设定于低温运转模式时，在进行考虑了低温起动的低温扫气处理后(步骤S200～步骤S500)结束扫气处理(步骤S600)。此外，有关低温扫气处理的详细情况，在本实施方式中已说明其详细情况，因此省略进一步的说明。如以上说明，根据变形例1的构成，能够实现与燃料电池40的运转模式对应的最佳的扫气控制。
<变形例2>
上述的变形例1中，对蓄电池20的SOC没有进行特别说明，但也可以根据燃料电池40的运转模式而变更蓄电池20的SOC控制。
图6是表示变形例2的SOC控制处理的流程图。该SOC控制处理是在燃料电池40运转期间由控制单元10间歇性地执行。
控制单元10首先确认燃料电池40在该时点的运转模式(步骤S200)。控制单元10在判断为设定于通常运转模式时，进行通常运转时的蓄电池20的SOC控制(步骤S220)，而在判断为设定于低温运转模式时，则进行低温运转时的蓄电池20的SOC控制(步骤S210)。
图7是例示各运转模式下的蓄电池的SOC和蓄电池的充放电目标功率的关系的图，图8是例示各运转模式下的蓄电池的SOC和蓄电池的放电功率上限值的关系的图。图7及图8中，用单点画线表示通常运转模式的图，用实线表示低温运转模式的图。
如变形例1中的说明，在以低温运转模式运转的情况下，低温环境下的下一次起动成为前提。因此，在以低温运转模式运转的情况下，需要确保低温环境下的下一次起动所需要的蓄电池的SOC，因此，如图7所示，低温运转模式下的蓄电池20的SOC的控制值高于通常运转模式下的蓄电池20的SOC的控制值(参照图7所示的SOC1、SOC2)。另一方面，关于蓄电池20的放电功率上限值，如图8所示，低温运转模式下的蓄电池20的放电功率上限值低于通常运转模式下的蓄电池20的放电功率上限值(参照图8所示的Pb1、Pb2)。这样，通过进行蓄电池20的SOC控制，在低温环境下也能够可靠地起动燃料电池***。
<变形例3>
上述的本实施方式中，作为扫气处理时向燃料电池供给的气体，例示了氧化气体及燃料气体，但氮气等可测定阻抗的所有气体都能够适用。

Claims (4)

1.一种燃料电池***，具备燃料电池和蓄电装置，通过向***内供给规定的气体而进行扫气处理，其特征在于，具备：
检测所述燃料电池的剩余水量的第一检测单元；
检测所述蓄电装置的剩余容量的第二检测单元；
存储剩余水量基准值的第一存储单元；
存储剩余容量基准值的第二存储单元；以及
扫气控制单元，根据扫气处理开始后所检测的所述剩余水量和所述剩余水量基准值的比较结果、或者扫气处理开始后所检测的所述剩余容量和所述剩余容量基准值的比较结果，来控制是否结束该扫气处理。
2.如权利要求1所述的燃料电池***，其特征在于，
所述剩余水量基准值是表示下一次起动该***时所需的水分量的剩余水量阈值，
所述剩余容量基准值是表示下一次起动该***时所需电能的剩余容量阈值，
在所述剩余水量低于所述剩余水量基准值的情况下，或者在所述剩余容量低于所述剩余容量基准值的情况下，所述扫气控制单元结束该扫气处理。
3.如权利要求2所述的燃料电池***，其特征在于，所述剩余容量阈值根据下一次起动该***时的环境条件而不同。
4.如权利要求1～3中任一项所述的燃料电池***，其特征在于，
所述规定的气体是向所述燃料电池的阳极供给的燃料气体，或者是向所述燃料电池的阴极供给的氧化气体，
所述第一检测单元通过测定所述燃料电池的阻抗来检测所述剩余水量。
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