燃料电池系统的制作方法
【专利摘要】该燃料电池系统(100)具备检测搭载燃料电池系统(100)的燃料电池车辆的驾驶室内的噪音的大小的噪音检测单元和控制辅机的动作的控制装置(700)，控制装置(700)基于由噪音检测单元检测出的噪音的大小来进行使辅机消耗的电力增加而使燃料电池(1)的发电电压为规定值以下的高电位回避控制。
【专利说明】燃料电池系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及搭载于燃料电池车辆的燃料电池系统。
【背景技术】
[0002]近年来，作为对将来的石油枯竭或地球暖化的对策，通过从燃料电池系统供给的电力进行行驶的燃料电池车辆的开发不断进展。搭载于这样的燃料电池车辆的燃料电池系统要求不进行维护而尽可能长期间地维持发电性能。
[0003]燃料电池系统的发电性能发生老化的因素有多种，但作为其中之一，已知有催化剂在燃料电池单元的燃料极溶出的现象。这是因为，在保持燃料电池单元为高电压的状态经过一定时间时，载持于燃料电池单元的燃料极的钼催化剂的一部分溶解，不再作为燃料极的催化剂发挥功能。当催化剂溶出时，燃料电池单元的1-V特性下降，因此可发电的电力的最大值下降。
[0004]已知:在燃料电池单元的发电电压越高时，而且，在发电电压高的状态持续的时间越长时，发生上述那样的催化剂的溶出的可能性越高。因此，在下述专利文献I记载的燃料电池系统中，由于使辅机的消耗电力暂时性地增加而使燃料电池单元的电压下降，进行避免超过预先设定的电压的上限值的高电位回避控制。通过进行这样的高电位回避控制，通过将燃料电池单元的电压维持成上限值以下而防止催化剂的溶出，并实现燃料电池系统的长寿命化。
[0005]专利文献1:日本特开2010-49827号公报
【发明内容】
[0006]使辅机的消耗电力暂时增加的具体的方法包括使为了燃料供给而搭载的泵的转速增加、或使为了对燃料电池进行冷却而使制冷剂循环的泵的转速增加等。因此，在上述专利文献I记载的燃料电池系统中，在通过使辅机的消耗电力暂时增加而进行高电位回避控制时，因辅机的动作音而驾驶室内的噪音增大，产生车辆的舒适性受损这样的问题。
[0007]而且，燃料电池单元的电压上升在例如车辆在下坡时、车辆在停止期间等、燃料电池发电所产生的电力成为富余那样的状况下容易发生。在这样的状况下进行高电位回避控制时，例如无论是否进行加速器的踏下等操作，因突然辅机的动作音增大的现象等，也会产生对驾驶员造成不适感这样的问题。
[0008]本发明鉴于这样的问题而作出，其目的在于提供一种在燃料电池车辆的驾驶室内不使驾驶员感知到的噪音增加，就能够抑制催化剂在燃料电池单元的燃料极中溶出的现象的燃料电池系统。
[0009]为了解决上述课题，本发明的燃料电池系统搭载于燃料电池车辆，其特征在于，上述燃料电池系统具备:燃料电池，接受燃料气体和空气的供给而进行发电；电压检测单元，检测上述燃料电池的发电电压；辅机，通过上述燃料电池发电所产生电力的一部分而进行动作；控制单元，控制上述辅机的动作；及噪音检测单元，检测燃料电池车辆的驾驶室内的噪音的大小，上述控制单元进行使上述辅机消耗的电力增加而使上述发电电压为规定值以下的高电位回避控制，上述控制单元基于由上述噪音检测单元检测出的噪音的大小来进行上述高电位回避控制。
[0010]在驾驶室的噪音小的状态下当辅机的动作音增加时，驾驶员容易感知到噪音的增力口。另一方面，在驾驶室中的噪音大的状态下即使辅机的动作音增加，驾驶员也不易感知到噪音的增加。
[0011]根据本发明，具备检测燃料电池车辆的驾驶室内的噪音的大小的噪音检测单元，基于由噪音检测单元检测出的噪音的大小来进行使辅机消耗的电力增加而使发电电压为规定值以下的高电位回避控制。即，基于检测出的噪音的大小而进行伴随电动机的动作音等声音的发生的高电位回避控制。
[0012]因此，例如通过仅在驾驶室的噪音大的状况下进行高电位回避控制、在驾驶室的噪音小的状况下抑制声音的产生并同时进行高电位回避控制等，能够防止驾驶员所感知到的噪音的增加，并抑制催化剂在燃料电池单元的燃料极中溶出的现象。
[0013]另外，在本发明的燃料电池系统中，优选的是，在进行上述高电位回避控制时，由上述噪音检测单元所检测出的噪音越小，则上述控制单元越抑制上述辅机消耗的电力的增加。
[0014]在上述优选的方案中，由噪音检测单元检测出的噪音越小，越抑制辅机消耗的电力的增加，即，抑制辅机的动作音的增加而进行高电位回避控制。因此，在驾驶员没有感知到辅机的动作音的增加的范围内，能够进行尽可能抑制燃料电池单元的电压的上升的高电位回避控制。
[0015]另外，在本发明的燃料电池系统中，优选的是，上述燃料电池车辆还具备检测车辆速度的速度检测单元，上述噪音检测单元基于上述速度检测单元所检测出的车辆速度来检测驾驶室内的噪音的大小。
[0016]在上述优选的方案中，基于速度检测单元所检测出的车辆速度来检测驾驶室内的噪音的大小。检测车辆速度的速度检测单元通常搭载于车辆。因此，无需另行设置直接检测驾驶室的噪音的大小的传感器，通过使用已经存在的速度检测单元，就能够进行基于噪音的大小的高电位回避控制。
[0017]此外，作为基于车辆速度而检测驾驶室内的噪音的大小的方法，例如，预先通过实验求出车辆速度与噪音的对应关系，基于该对应关系进行推定，由此能够检测与速度检测单元所检测出的车辆速度对应的噪音。
[0018]另外，在本发明的燃料电池系统中，优选的是，上述控制单元算出为了使上述发电电压为上述规定值以下而需要在上述辅机中消耗的电力即要求消耗电力，并控制上述辅机的动作以使辅机实际消耗的电力即实际消耗电力达到上述要求消耗电力以上，由此进行上述高电位回避控制。
[0019]在上述优选的方案中，控制单元算出为了使发电电压为规定值以下而需要在辅机中消耗的电力即要求消耗电力。即，要求消耗电力是为了使发电电压为规定值以下而需要在辅机中最低限度消耗的电力。例如通过反馈控制来控制辅机的动作(辅机的消耗电力)以使辅机实际消耗的电力即实际消耗电力达到该要求消耗电力以上，由此能够准确地进行高电位回避控制。[0020]另外，在本发明的燃料电池系统中，优选的是，上述辅机具有用于向上述燃料电池供给燃料气体的燃料供给单元，上述控制单元根据需要而使上述燃料供给单元产生的燃料气体供给量增加，由此进行上述高电位回避控制。
[0021]在上述优选的方案中，根据需要而使燃料供给单元产生的燃料气体供给量增加，由此进行高电位回避控制。由此，例如通过使构成燃料供给单元的泵的转速增加而使辅机的消耗电力增加，能够使燃料电池单元的电压下降。
[0022]此外，即使燃料气体供给量增加，也不会产生燃料电池单元的固体高分子膜干燥这样的问题。反而起到将从空气极侧到达燃料极侧的反扩散水向燃料气体的下游侧搬运、并使固体高分子膜整体的含水量均匀化的效果。因此，不会给燃料电池的发电性能造成坏影响，能够使辅机的消耗电增加。
[0023]另外，在本发明的燃料电池系统中，优选的是，上述辅机具有通过使制冷剂循环而对上述燃料电池进行冷却的冷却单元，上述控制单元根据需要而使上述冷却单元产生的制冷剂的循环速度增加，由此进行上述高电位回避控制。
[0024]在上述优选的方案中，根据需要而使冷却单元产生的制冷剂的循环速度增加，由此进行高电位回避控制。由此，例如通过使构成冷却单元的泵的转速增加而使辅机的消耗电力增加，从而能够使燃料电池单元的电压下降。
[0025]另外，当制冷剂的循环速度增加时，燃料电池被进一步冷却，因此燃料电池的温度下降。其结果是，由于燃料电池的1-V性能下降，燃料电池单元的电压进一步下降。因此，能够进一步抑制燃料极中的催化剂的溶出。
[0026]另外，在本发明的燃料电池系统中，优选的是，上述辅机具有用于向上述燃料电池供给空气的空气供给单元，上述控制单元根据需要而使基于上述空气供给单元的空气供给量增加，由此进行上述高电位回避控制。
[0027]在上述优选的方案中，根据需要而使基于空气供给单元的空气供给量增加，由此进行高电位回避控制。由此，例如通过使构成空气供给单元的泵的转速增加而使辅机的消耗电增加，能够使燃料电池单元的电压下降。向燃料电池供给的空气流量增加，但空气是从外气导入的，因此不使其消耗成本上升而能够使流量增加。
[0028]另外，在本发明的燃料电池系统中，优选的是，上述燃料电池系统具备:旁通流路，是将从上述空气供给单元供给的空气的一部分不经由上述燃料电池而向外部排出的路径；及旁通调整单元，用于调整在上述旁通流路中流动的空气量；在通过使基于上述空气供给单元的空气供给量增加而进行上述高电位回避控制时，上述控制单元对上述旁通调整单元进行调整，以使到达上述燃料电池的空气流量不变。
[0029]向燃料电池供给的空气流量大于向燃料电池供给的燃料气体流量。因此，当使空气流量进一步增加时，存在燃料电池单元的固体高分子膜的一部分干燥而使燃料电池单元的发电性能发生老化的情况。
[0030]在上述优选的方案中，具备将从空气供给单元供给的空气的一部分不经由燃料电池而向外部排出的路径即旁通流路，在通过使基于空气供给单元的空气供给量增加而进行高电位回避控制时，控制单元对旁通调整单元进行控制，以使到达燃料电池的空气流量不变。
[0031]通过形成为这样的结构，即便进行高电位回避控制，到达燃料电池的空气流量也不变。因此，不使燃料电池单元的固体高分子膜干燥，就能够进行高电位回避控制。
[0032]另外，在本发明的燃料电池系统中，优选的是，上述辅机具有:燃料供给单元，用于向上述燃料电池供给燃料气体；及冷却单元，通过使制冷剂循环而对上述燃料电池进行冷却；仅在尽管增加了基于上述燃料供给单元的燃料气体供给量但上述实际消耗电力仍未达到上述要求消耗电力以上的情况下，上述控制单元通过使基于上述冷却单元的制冷剂的循环速度增加来进行上述高电位回避控制。
[0033]在上述优选的方案中，在控制单元进行高电位回避控制时，首先尝试通过使基于燃料供给单元的燃料气体供给量增加来使实际消耗电力达到要求消耗电力以上。并且，仅在尽管增加了基于燃料供给单元的燃料气体供给量但是实际消耗电力仍未达到要求消耗电力以上的情况下，使基于冷却单元的制冷剂的循环速度增加。即，每当进行高电位回避控制时，优先进行使基于燃料供给单元的燃料气体供给量增加。
[0034]如上所述，即便增加燃料气体供给量，也不会产生燃料电池单元的固体高分子膜干燥这样的问题。反而起到将从空气极侧到达燃料极侧的反扩散水向燃料气体的下游侧搬运、并使固体高分子膜整体的含水量均匀化的效果。因此，根据上述优选的方案，使不会给燃料电池单元的发电性能造成坏影响的方法优先，同时能够进行高电位回避控制。
[0035]另外，在本发明的燃料电池系统中，优选的是，上述辅机还具有用于向上述燃料电池供给空气的空气供给单元，仅在尽管增加了基于上述冷却单元的上述制冷剂的循环速度但上述实际消耗电力仍未达到上述要求消耗电力以上的情况下，上述控制单元通过使基于上述空气供给单元的空气供给量增加来进行上述高电位回避控制。
[0036]在上述优选的方案中，在控制单元进行高电位回避控制时，首先尝试通过使基于燃料供给单元的燃料气体供给量增加来使实际消耗电力成为要求消耗电力以上。并且，仅在尽管增加了基于燃料供给单元的燃料气体供给量但是实际消耗电力仍未达到要求消耗电力以上的情况下，使基于冷却单元的制冷剂的循环速度增加。而且，仅在尽管增加了基于冷却单元的制冷剂的循环速度但实际消耗电力仍未达到要求消耗电力以上的情况下，使基于空气供给单元的空气供给量增加。
[0037]S卩，每当进行高电位回避控制时，按照首先进行基于燃料供给单元的燃料气体供给量增加、接着进行基于冷却单元的制冷剂的循环速度增加、最后使基于空气供给单元的空气供给量增加这样的优先顺序，来进行高电位回避控制。
[0038]如上所述，当使基于空气供给单元的空气供给量增加时,存在使固体高分子膜干燥并使燃料电池单元的发电性能下降的可能性。在上述优选的方案中，将基于空气供给单元的空气供给量增加设为最低的优先顺序而进行高电位回避控制。因此，能够尽可能防止固体高分子膜的干燥，同时能够进行高电位回避控制。
[0039]发明效果
[0040]根据本发明，提供一种在燃料电池车辆的驾驶室内不增加驾驶员感知的噪音，就能抑制催化剂在燃料电池单元的燃料极溶出的现象的燃料电池系统。
【专利附图】
【附图说明】
[0041]图1是表示本发明的一实施方式的燃料电池系统的结构的图。
[0042]图2是用于说明燃料电池中的电流与电压的关系的曲线图。[0043]图3是表示图1所示的燃料电池系统进行高电位回避控制时的各种参数的时间变化的曲线图。
[0044]图4是用于说明图1所示的燃料电池系统进行的高电位回避控制的流程图。
[0045]图5是用于说明燃料电池中的电流与电压的关系根据温度而变化的情况的曲线图。
【具体实施方式】
[0046]以下，参照附图，说明本发明的实施方式。为了便于理解说明，在各附图中，对于同一结构要素，尽可能标注同一附图标记，并省略重复的说明。
[0047]首先，参照图1，说明本发明的一实施方式的燃料电池系统的结构。图1是表示本发明的一实施方式的燃料电池系统的结构的图。如图1所示，燃料电池系统100具备:燃料电池I ;将空气向燃料电池I供给的空气供给系统300 ;将作为燃料气体的氢向燃料电池I供给的燃料气体供给系统400 ;向燃料电池I供给制冷剂而对燃料电池I进行冷却的制冷剂供给系统500 ;作为传递电力的路径的电力系统600 ;及对系统整体进行集中控制的控制装置700。
[0048]燃料电池I例如是固体高分子形燃料电池，由将多个电池(单电池)层叠而串联连结的电池组构成。各电池在由高分子的离子交换膜构成的电解质的一个面具有空气极，在另一个面具有燃料极，而且以从两侧将空气极及燃料极夹入的方式具有一对隔板。向形成于一个隔板的燃料气体流路供给燃料气体，向形成于另一个隔板的空气流路供给空气，通过这些燃料气体与空气的反应而使燃料电池I产生电力。燃料电池I具备用于测定电池组的温度的温度传感器130。
[0049]空气供给系统300具有:供向燃料电池I供给的空气流动的供给路111 ;及供从燃料电池I排出的空气废气流动的排出路112。在供给路111上设有经由过滤器113从外部取入空气的压缩机114。在排出路112中流动的空气废气通过背压调整阀116，最终作为废气而排放到大气中。压缩机114通过压缩机电动机114a的驱动而从外部取入空气。
[0050]燃料气体供给系统400具有:燃料罐121 ;供从燃料罐121向燃料电池I供给的燃料气体流动的供给路122 ;用于使从燃料电池I排出的燃料废气向供给路122的合流点A返回的循环路123 ;将循环路123内的燃料废气向供给路122加压输送的泵124 ;及与循环路123分支连接的排出路125。
[0051]燃料罐121是用于储存作为燃料气体的高压氢气的罐。当打开燃料罐121的总阀126时，燃料气体向供给路122流出。燃料气体通过调压阀127及其他的减压阀，最终减压至例如200kPa左右，向燃料电池I供给。
[0052]在供给路122的合流点A的上游侧设有截止阀128及检测供给路122内的燃料气体的压力的压力传感器129。在燃料电池系统100中使燃料气体循环的路径由供给路122的合流点A的下游侧流路、形成于燃料电池I的隔板的燃料气体流路、及循环路123构成。燃料泵124通过燃料泵电动机124a的驱动而将循环系内的燃料气体向燃料电池I循环供
5口 O
[0053]在循环路123上设有检测燃料废气的压力的压力传感器132。而且，在排出路125上设有作为截止阀的清洗阀133。清洗阀133在燃料电池系统100运转时适当开阀，由此将燃料废气中的杂质与燃料废气一起向省略图示的氢稀释器供给，与从排出路112排出的空气合流而向大气中排出。通过清洗阀133的开阀，循环路123内的燃料废气中的杂质的浓度下降，对燃料电池I循环供给的燃料废气中的氢浓度上升。
[0054]制冷剂供给系统500具有:与燃料电池I内的冷却流路连通的制冷剂循环流路141 ;设于制冷剂循环流路141的制冷剂泵142 ;对从燃料电池I排出的制冷剂进行冷却的散热器143 ;绕过散热器143的旁通流路144 ;设定向散热器143及旁通流路144的冷却水的流通的三通阀145。制冷剂泵142通过制冷剂泵电动机142a的驱动而将制冷剂循环流路141内的制冷剂向燃料电池I循环供给。
[0055]电力系统600具备高压DC/DC转换器161、蓄电池162、牵引逆变器163、牵引电动机164及各种辅机逆变器165、166、167。高压DC/DC转换器161是直流的电压变换器，具有如下功能:对从蓄电池162输入的电力的直流电压进行调整而向牵引逆变器163侧输出；对从燃料电池I或牵引电动机164输入的电力的直流电压进行调整而向蓄电池162输出。通过高压DC/DC转换器161的这些功能，可实现蓄电池162的充放电。而且，通过高压DC/DC转换器161来控制燃料电池I的输出电压。
[0056]蓄电池162将蓄电池单元层叠而将恒定的高电压作为端子电压，通过未图示的蓄电池计算机的控制，能够将富余电力进行充电或辅助地输出电力。牵引逆变器163将直流电流转换成三相交流电流，向牵引电动机164供给。牵引电动机164是例如三相交流电动机，是用于使搭载燃料电池系统100的燃料电池车辆行驶的动力源。
[0057]辅机逆变器165、166、167分别是控制对应的压缩机电动机114a、燃料泵电动机124a、制冷剂泵电动机142a的驱动的电动机控制装置。辅机逆变器165、166、167将从燃料电池I或蓄电池162输出的直流电力转换成三相交流电力，分别向压缩机电动机114a、燃料泵电动机124a、制冷剂泵电动机142a供给。辅机逆变器165、166、167例如是脉宽调制方式的PWM逆变器，按照来自控制装置700的控制指令，控制压缩机电动机114a、燃料泵电动机124a、制冷剂泵电动机142a的转速。
[0058]控制装置700构成为在内部具备CPU、R0M、RAM的微型计算机。CPU按照控制程序而执行所希望的运算来进行各种处理或控制。ROM存储由CPU处理的控制程序或控制数据。RAM主要被用作控制处理用的各种作业区域。控制装置700从配置于燃料电池系统100的各种传感器接受检测信号的输入，向各结构要素输出控制信号而进行控制。
[0059]速度检测单元701是检测搭载燃料电池系统100的燃料电池车辆的车辆速度的速度计。速度检测单元701所检测出的车辆速度向控制装置700输入。
[0060]电压检测单元800是为了检测燃料电池I的发电电压而使用的电压传感器。燃料电池I的发电电压是在燃料电池I发电的状态下产生于电池组的两端的电压。电压检测单元800所检测出的发电电压向控制装置700输入。
[0061]接下来，参照图2，说明燃料电池系统100的高电位回避控制。图2是用于说明燃料电池I中的电流Ic与电压Vc的关系的曲线图。这样的关系通常被称为1-V特性。1-V特性根据燃料电池I的温度Tc、向燃料电池I供给的燃料气体流量及空气流量而变化，但是若上述的条件恒定，则电流Ic与电压Vc如图2那样成为1:1的关系。
[0062]如图2所示，产生于燃料电池I的电池组的两端的电压Vc在燃料电池I输出的电流Ic为O时变得最大(0CV:open circuit voltage (开路电压))，当电流Ic增加时，电压Vc随着电流Ic增加而下降。因此，在燃料电池系统100输出的电力低且电流Ic小的状态下，电压Vc维持成高的状态。
[0063]已知:当电压Vc维持成高的状态的时间长时，构成燃料电池I的各单电池中的燃料极的催化剂溶出，燃料电池系统100的发电性能老化。这是因为，在保持电压Vc高的状态经过一定时间时，载持于燃料极的钼催化剂的一部分溶解，不再作为燃料极的催化剂发挥功能。当催化剂溶出时，燃料电池单元的ι-ν特性下降，因此可发电的电力的最大值下降。
[0064]已知:在电压Vc越高时，而且电压Vc维持高的状态的时间越长时，发生上述那样的催化剂的溶出的可能性越高。因此，为了防止催化剂的溶出，只要通过使电流Ic始终在规定以上流动而将电压Vc维持得较低，从而避免使电压Vc成为高的状态即可。
[0065]例如图2所示，对电压Vc设定规定的阈值Vt，当检测出电压Vc超过了阈值Vt (Vc=VI)时，能够通过使燃料电池I的输出增加而使电压Vc下降。S卩，通过使电流Ic从Il向12增加，若使电压Vc从Vl下降至V2，则能够避免电压Vc成为高的状态。这样一来，以下，将通过电流Ic的控制而将电压Vc维持成阈值Vt以下的控制称为高电位回避控制。
[0066]作为用于避免使燃料电池I所输出的电力(电流)下降的方法，首先可考虑将牵引电动机164的消耗电力维持得较高。然而，由于牵引电动机164是用于使燃料电池车辆行驶的动力源，因此其消耗电力根据车辆的加速器开度等来决定。因此，出于使电压Vc下降的目的，无法与加速器开度等无关地将该消耗电力维持得较高或使其增加。
[0067]接下来，可考虑通过高压DC/DC转换器161的控制，将从燃料电池I向蓄电池162供给的电力维持成规定以上，并将电压Vc维持成阈值Vt以下。然而，在蓄电池162的充电率(SOC)高的状态下，无法向蓄电池162供给为了将电压Vc维持得较低所需的电力。
[0068]因此，本实施方式的燃料电池系统100在SOC高且无法将从燃料电池I向蓄电池162供给的电力维持成规定以上时，通过使各辅机消耗的电力增加而进行高电位回避控制。具体而言，通过使燃料泵电动机124a、制冷剂泵电动机142a、压缩机电动机114a各自的转速增加而将从燃料电池I输出的电流Ic维持成规定以上，防止电压Vc超过阈值Vt。
[0069]这样一来，参照图3，具体说明除了向蓄电池162供给的电力之外、也控制辅机消耗的电力并进行的高电位回避控制的例子。图3是表示本实施方式的燃料电池系统100进行高电位回避控制时的各种参数的时间变化的曲线图。图3(A)示出蓄电池162的充电率(SOC)的时间变化。图3(B)示出燃料电池I输出的输出电力FCP的时间变化。图3(C)示出辅机实际消耗的电力即实际辅机消耗电力PAP的时间变化、为了将电压Vc维持得较低而要求由辅机消耗的电力即要求辅机消耗电力SAP的时间变化。图3(D)示出燃料电池I的电压Vc的时间变化。
[0070]要求辅机消耗电力SAP是基于SOC或输出电力FCP等而通过控制装置700始终进行算出的电力值，例如以下那样算出。
[0071]控制装置700存储为了使电压Vc为阈值Vt以下而燃料电池I最低限度应输出的电力即最低输出电力pth。该最低输出电力Pth是通过燃料电池I的1-V特性而确定的电力，如图2所示，是算出作为电压Vc的上限而设定的阈值Vt和与之对应的电流值It之积而得到的电力。
[0072]控制装置700通过将牵引电动机164消耗的电力Pmt与向蓄电池162可供给的电力Pba相加而算出容许电力Pac。容许电力Pac在燃料电池系统100中相当于除辅机以外可消耗的电力。控制装置700在从最低输出电力Pth减去该容许电力Pac后，通过考虑到规定的余量，来算出上述的要求辅机消耗电力SAP。
[0073]在图3(A)中，在到达时刻tl为止期间，蓄电池162的SOC低，因此对于蓄电池162供给恒定的电力。因此，SOC随着时间的经过而增加，在时刻tl到达SPl。
[0074]SPl是为了判断SOC已接近上限而设置的SOC的阈值。当SOC超过SPl时，以伴随着SOC的进一步增加而向蓄电池162供给的电力逐渐减小的方式进行控制。当SOC到达作为比SPl高的值而设定的SP2时(时刻t3)，以后停止对蓄电池162的电力的供给。
[0075]在时刻tl以后，向蓄电池162供给的电力逐渐减小，因此伴随于此，燃料电池I的输出电力FCP也逐渐减小，在时刻t2，输出电力FCP成为FPO。FPO是为了使电压Vc为阈值Vt以下而在燃料电池I最低限度应输出的电力(最低输出电力Pth)的基础上考虑到规定的余量而设定的电力值。
[0076]在从时刻t2至时刻t3，向蓄电池162供给的电力进一步下降，因此燃料电池I的输出电力FCP也继续进一步下降，在时刻t3成为FP2。即，低于如上述那样设定的FP0，电压Vc超过阈值Vt。然而，在本实施方式中，在从时刻t2到时刻t3，使辅机的消耗电力增加，因此在时刻t2以后，输出电力FCP不下降，保持为FPO处于恒定的状态。
[0077]时刻t2以后的辅机的消耗电力的增加是基于先前说明的要求辅机消耗电力SAP增加而进行的。在时刻t2以后向蓄电池162供给的电力减少，因此容许电力Pac下降。要求辅机消耗电力SAP通过从最低输出电力Pth减去该容许电力Pac而求出，因此容许电力Pac下降的结果是，如图3(C)那样，要求辅机消耗电力SAP增加。
[0078]控制装置700进行控制以使通过辅机(燃料泵电动机124a、制冷剂泵电动机142a、压缩机电动机114a)实际消耗的电力即实际辅机消耗电力PAP达到要求辅机消耗电力SAP以上。当实际辅机消耗电力PAP低于要求辅机消耗电力SAP时，通过对两者的差量(偏差)进行反馈，从而进行控制以使实际辅机消耗电力PAP增加、以达到要求辅机消耗电力SAP以上。
[0079]如图3 (C)那样，在时刻t2，要求辅机消耗电力SAP刚开始增加之后不久，实际辅机消耗电力PAP变得低于要求辅机消耗电力SAP。因此，控制装置700使实际辅机消耗电力PAP从APO向APl增加。
[0080]如以上说明那样，在蓄电池162的SOC成为高的状态以后，通过使实际辅机消耗电力PAP增加，能防止燃料电池I的电流Ic下降。其结果是，如图3(D)所示，燃料电池I的电压Vc在时刻tl以后也维持比阈值Vt小的状态，能防止燃料极的催化剂的溶出。
[0081]然而，为了通过辅机使实际消耗的电力增加，需要使燃料泵电动机124a、制冷剂泵电动机142a及压缩机电动机114a中的至少其中一个的转速增加，但是伴随于此，电动机的动作音增加。尤其是燃料电池I的电压上升例如在车辆在下坡时、车辆在停止期间等、燃料电池I发电所产生的电力成为富余的状况下容易发生。当在这样的状况下进行上述那样的高电位回避控制时，由于例如尽管未进行加速器的踏下等操作而突然辅机的动作音增大的现象等，也存在给驾驶员带来不适感这样的问题。
[0082]在本实施方式的燃料电池系统100中，基于燃料电池车辆的驾驶室内的噪音的大小，考虑到避免使驾驶员所感知的噪音增加的同时进行高电位回避控制。以下，参照图4，具体地进行说明。图4是用于说明本实施方式的高电位回避控制的流程图。在燃料电池系统100进行发电期间，每经过规定时间，通过控制装置700反复执行图4所示的一系列的处理。
[0083]首先，在步骤SlOl中，算出要求辅机消耗电力SAP的值。要求辅机消耗电力SAP如已经说明那样，通过在从最低输出电力Pth减去了(考虑到SOC等而算出的)容许电力Pac之后且考虑到规定的余量而算出。
[0084]接着，在步骤S102中，将该要求辅机消耗电力SAP与实际辅机消耗电力PAP进行比较。若实际辅机消耗电力PAP为要求辅机消耗电力SAP以上，则是从燃料电池I已经输出了充分的电流Ic，无需进行高电位回避控制，因此中断处理。
[0085]在步骤S102中，若实际辅机消耗电力PAP比要求辅机消耗电力SAP小，则向步骤S103转移。在步骤S103中，判断速度检测单元701所检测出的车辆速度VEL是否大于预先设定的下限车辆速度VEL0。若车辆速度VEL比下限车辆速度VELO小，则推定为车辆的驾驶室内的噪音小的状态，因此将处理中断，不进行使辅机的消耗电力增加的高电位回避控制。
[0086]在步骤S103中，若车辆速度VEL比下限车辆速度VELO大，则向步骤S104转移。在步骤S104中，对于燃料泵电动机124a的转速Fp，设定其最大值Fpmax。在本实施方式中，设定为，伴随着车辆速度VEL增大,最大值Fpmax成为大值。最大值Fpmax与车辆速度VEL的关系例如为比例关系，预先通过实验求出车辆速度与在驾驶室内感知的燃料泵电动机124a的动作音的关系，由此在驾驶员没有感知到动作音的增加的范围内适当进行设定。
[0087]在接着步骤S104之后的步骤S105中，判断燃料泵电动机124a的转速Fp是否小于其最大值Fpmax。若燃料泵电动机124a的转速Fp为最大值Fpmax以上，则向步骤S204转移。在步骤S204中，如后面说明那样，尝试通过使制冷剂泵电动机142a的转速增加而使实际辅机消耗电力PAP增加。
[0088]在步骤S105中，若转速Fp比最大值Fpmax小，则向步骤S106转移。在步骤S106中，进行使当前的转速Fp增加规定量并设为新的转速Fp的处理。此时，实际辅机消耗电力PAP随着转速Fp的增加而上升。
[0089]在接着步骤S106之后的步骤S107中，再次将要求辅机消耗电力SAP与实际辅机消耗电力PAP进行比较。若实际辅机消耗电力PAP比要求辅机消耗电力SAP大，则是从燃料电池I输出了充分的电流Ic，因此在此时刻将处理中断，结束高电位回避控制。
[0090]在步骤S107中，若实际辅机消耗电力PAP为要求辅机消耗电力SAP以下，则进一步使转速Fp增加，因此再次进行步骤S105的处理。这样一来，反复进行从步骤S105到步骤S107的处理直至实际辅机消耗电力PAP比要求辅机消耗电力SAP大。然而，在其途中，转速Fp到达最大值Fpmax时(步骤S105的判断为“否”时)，无法使燃料泵电动机124a的转速再增加，因此向步骤S204转移。
[0091]在步骤S204中，对于制冷剂泵电动机142a的转速Cp，设定其最大值Cpmax。在本实施方式中，设定为，伴随着车辆速度VEL增大,最大值Cpmax成为大值。最大值Cpmax与车辆速度VEL的关系例如为比例关系，预先通过实验求出车辆速度与在驾驶室内感知的制冷剂泵电动机142a的动作音的关系，由此在驾驶员没有感知到动作音的增加的范围内适当进行设定。
[0092]在接着步骤S204的步骤S205中，判断制冷剂泵电动机142a的转速Cp是否小于其最大值Cpmax。若制冷剂泵电动机142a的转速Cp为最大值Cpmax以上，则向步骤S304转移。在步骤S304中，如后面说明那样，尝试通过使压缩机电动机114a的转速增加而使实际辅机消耗电力PAP增加。
[0093]在步骤S205中，若转速Cp小于最大值Cpmax，则向步骤S206转移。在步骤S206中，进行使当前的转速Cp增加规定量并设为新的转速Cp的处理。此时，实际辅机消耗电力PAP随着转速Cp的增加而上升。
[0094]在接着步骤S206的步骤S207中，再次将要求辅机消耗电力SAP与实际辅机消耗电力PAP比较。若实际辅机消耗电力PAP大于要求辅机消耗电力SAP,则是从燃料电池I输出了充分的电流Ic，因此在此时刻将处理中断，结束高电位回避控制。
[0095]在此，关于伴随燃料电池I的温度Tc的1-V特性变化，参照图5进行说明。燃料电池I的1-V特性如已经说明那样根据燃料电池I的温度Tc而变化。具体而言，在温度Tc高的状态下，成为图5的曲线IVO那样的1-V特性，在温度Tc低的状态下成为图5的曲线IVl那样的1-V特性。即，当温度Tc下降时，表示1-V特性的曲线向下方(Vc下降的方向)移动。
[0096]在步骤S206中，当使制冷剂泵电动机142a的转速Cp增加时，燃料电池I的温度下降。因此，燃料电池I的电压Vc由于电流Ic的增加而下降，而且伴随着表示1-V特性的曲线向下方移动而进一步下降。因此，能进一步抑制燃料极的催化剂的溶出。
[0097]在步骤S207中，若实际辅机消耗电力PAP为要求辅机消耗电力SAP以下，则进一步使转速Cp增加，因此再次进行步骤S205的处理。这样一来，反复进行从步骤S205到步骤S207的处理直至实际辅机消耗电力PAP大于要求辅机消耗电力SAP。然而，在其途中，转速Cp到达最大值Cpmax时(步骤S205的判断为“否”时)，无法使制冷剂泵电动机142a的转速再增加，因此向步骤S304转移。
[0098]在步骤S304中，对于压缩机电动机114a的转速Ap，设定其最大值Apmax。在本实施方式中，设定为，伴随着车辆速度VEL增大，最大值Apmax成为大值。最大值Apmax与车辆速度VEL的关系例如为比例关系，预先通过实验求出车辆速度与在驾驶室内感知的压缩机电动机114a的动作音的关系，由此在驾驶员不会感知到动作音的增加的范围内适当进行设定。
[0099]在接着步骤S304的步骤S305中，判断压缩机电动机114a的转速Ap是否小于其最大值Apmax。若压缩机电动机114a的转速Ap为最大值Apmax以上,则无法使辅机的消耗电力再增加，因此将处理中断。
[0100]在步骤S305中，若转速Ap小于最大值Apmax，则向步骤S306转移。在步骤S306中，进行使当前的转速Ap增加规定量并设为新的转速Ap的处理。此时，实际辅机消耗电力PAP随着转速Ap的增加而上升。
[0101]在接着步骤S306的步骤S307中，再次将要求辅机消耗电力SAP与实际辅机消耗电力PAP进行比较。若实际辅机消耗电力PAP大于要求辅机消耗电力SAP，则是从燃料电池I输出了充分的电流Ic，因此在此时刻将处理中断，结束高电位回避控制。
[0102]在步骤S307中，若实际辅机消耗电力PAP为要求辅机消耗电力SAP以下，则使转速Ap进一步增加，因此再次进行步骤S305的处理。这样一来，反复进行从步骤S305到步骤S307的处理直至实际辅机消耗电力PAP大于要求辅机消耗电力SAP。然而，在其途中，在转速Ap到达最大值Apmax时(步骤S305的判断为“否”时)，无法使压缩机电动机114a的转速再增加。即，无法使辅机的消耗电力再增加，因此将处理中断。
[0103]如以上说明那样，在本实施方式的燃料电池系统100中，基于燃料电池车辆的速度检测单元701所检测出的车辆速度VEL来推定车辆的驾驶室内的噪音的大小。而且，基于上述噪音的大小而使辅机消耗的电力增加，由此进行高电位回避控制。
[0104]S卩，在燃料电池车辆的驾驶室内的噪音小的状态(VEL为VELO以下的状态)下，驾驶员容易感知到噪音增加，因此不进行使辅机的消耗电力增加的高电位回避控制，能防止驾驶员感知的噪音的增加。另一方面，在燃料电池车辆的驾驶室内的噪音大的状态(VEL超过VELO的状态)下，驾驶员难以感知到噪音的增加，因此使辅机消耗的电力增加，进行高电位回避控制。
[0105]另外，关于步骤S104、步骤S204及步骤S304如已经说明那样，控制装置700在进行高电位回避控制时以如下方式设定:由速度检测单元701检测出的车辆速度越大，燃料泵电动机124a的转速的最大值Fpmax、制冷剂泵电动机142a的转速的最大值Cpmax、压缩机电动机114a的转速的最大值Apmax分别越大。
[0106]换言之，由速度检测单元701检测出的车辆速度越小，越抑制辅机消耗的电力的增加。因此，在驾驶员不会感知到辅机的动作音的增加的范围内，能够进行尽可能抑制燃料电池单元的电压的上升那样的(即，尽可能使辅机的消耗电力增加那样的)高电位回避控制。
[0107]另外，在本实施方式的燃料电池系统100中，具有用于向燃料电池I供给燃料气体的燃料泵电动机124a(燃料供给单元)和通过使制冷剂循环而对上述燃料电池进行冷却的制冷剂泵电动机142a (冷却单元)，仅在尽管使燃料泵电动机124a的转速增加而增加了燃料气体供给量但是实际辅机消耗电力PAP(实际消耗电力)仍未达到要求辅机消耗电力SAP (要求消耗电力)以上的情况下，控制装置700使制冷剂泵电动机142a的转速增加而使制冷剂的循环速度增加，由此进行高电位回避控制。
[0108]此外，还具有用于向燃料电池I供给空气的压缩机电动机114a(空气供给单元)，仅在尽管使制冷剂泵电动机142a的转速增加而增加了制冷剂的循环速度但实际辅机消耗电力PAP (实际消耗电力)仍未达到要求辅机消耗电力SAP (要求消耗电力)以上的情况下，使制冷剂泵电动机142a的转速增加而使空气供给量增加，由此进行高电位回避控制。
[0109]S卩，每当进行高电位回避控制时，首先，最优先地进行使基于燃料泵电动机124a(燃料供给单元)的燃料气体供给量增加，由此不会给燃料电池I的发电性能造成坏影响，通过使固体高分子膜整体的含水量均匀化的方法来进行高电位回避控制。接着，优先进行使基于制冷剂泵电动机142a(冷却单元)的制冷剂的循环速度增加，由此通过利用1-V特性的变化而有效地使电压Vc下降的方法来进行高电位回避控制。
[0110]此外，当使压缩机电动机114a的转速增加时，对燃料电池I的空气供给量增加。然而，向燃料电池I供给的空气流量大于向燃料电池I供给的燃料气体流量。因此，当使空气流量进一步增加时，构成燃料电池I的固体高分子膜的一部分干燥，存在使燃料电池I的发电性能老化的情况。在本实施方式的燃料电池系统100中，能够通过设置旁通流路117及可变阀118来防止这样的现象。
[0111]再次参照图1进行说明，在本实施方式的燃料电池系统100中，具备将从压缩机电动机114a供给的空气的一部分不经由燃料电池I而向外部排出的路径即旁通流路117。而且，具备用于调整通过旁通流路117的空气流量的可变阀118。
[0112]在使压缩机电动机114a的转速增加时，控制装置700能够通过调整可变阀118的开度进行控制以使到达燃料电池I的空气流量不变。通过进行这样的控制，能够不使固体高分子膜的一部分干燥地使压缩机电动机114a的转速增加。
[0113]以上，参照具体例而说明了本发明的实施方式。然而，本发明没有限定为上述的具体例。即，对于本领域技术人员对这些具体例适当施加了设计变更的情况，只要具备本发明的特征，就包含于本发明的范围。例如，上述的各具体例所具备的各要素及其配置、材料、条件、形状、尺寸等没有限定为例示的情况，能够适当地变更。而且，上述的各实施方式所具备的各要素只要在技术上可能就能够组合，这些组合只要包含本发明的特征就包含于本发明的范围。
[0114]附图标记说明
[0115]1:燃料电池
[0116]130:温度传感器
[0117]100:燃料电池系统
[0118]111:供给路
[0119]112:排出路
[0120]113:过滤器
[0121]114:压缩机
[0122]114a:压缩机电动机
[0123]116:背压调整阀
[0124]117:旁通流路
[0125]118:可变阀
[0126]121:燃料罐
[0127]122:供给路
[0128]123:循环路
[0129]124:燃料泵
[0130]124a:燃料泵电动机
[0131]125:排出路
[0132]126:总阀
[0133]127:调压阀
[0134]128:截止阀
[0135]129、132:压力传感器
[0136]130:温度传感器
[0137]133:清洗阀
[0138]141:制冷剂循环流路
[0139]142:制冷剂泵
[0140]142a:制冷剂泵电动机
[0141]143:散热器
[0142]144:旁通流路[0143]145:三通阀
[0144]161:高压DC/DC转换器
[0145]163:牵引逆变器
[0146]164:牵引电动机
[0147]165、166、167:辅机逆变器
[0148]300:空气供给系统
[0149]400:燃料气体供给系统
[0150]500:制冷剂供给系统
[0151]600:电力系统
[0152]700:控制装置
[0153]701:速度检测单元
[0154]800:电压检测单元
[0155]Fp、Cp、Ap:转速
[0156]Fpmax、Apmax、Cpmax:最大值
[0157]FCP输出电力
[0158]Pth:最低输出电力
[0159]PAP:实际辅机消耗电力
[0160]SAP:要求辅机消耗电力
[0161]VEL:车辆速度
[0162]VELO:下限车辆速度
[0163]Vt:阈值
【权利要求】
1.一种燃料电池系统，搭载于燃料电池车辆，其特征在于，所述燃料电池系统具备: 燃料电池，接受燃料气体和空气的供给而进行发电； 电压检测单元，检测所述燃料电池的发电电压； 辅机，通过所述燃料电池发电所产生的电力的一部分而进行动作； 控制单元，控制所述辅机的动作 '及 噪音检测单元，检测燃料电池车辆的驾驶室内的噪音的大小， 所述控制单元进行使所述辅机消耗的电力增加而使所述发电电压为规定值以下的高电位回避控制， 所述控制单元基于由所述噪音检测单元检测出的噪音的大小来进行所述高电位回避控制。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于， 在进行所述高电位回避控制时，由所述噪音检测单元所检测出的噪音越小，则所述控制单元越抑制所述辅机消耗的电力的增加。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于， 所述燃料电池车辆还具备检测车辆速度的速度检测单元， 所述噪音检测单元基于所述速度检测单元所检测出的车辆速度来检测驾驶室内的噪音的大小。
4.根据权利要求2或3所述的燃料电池系统，其特征在于， 所述控制单元算出为了使所述发电电压为所述规定值以下而需要在所述辅机中消耗的电力即要求消耗电力，并控制所述辅机的动作以使辅机实际消耗的电力即实际消耗电力达到所述要求消耗电力以上，由此进行所述高电位回避控制。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于， 所述辅机具有用于向所述燃料电池供给燃料气体的燃料供给单元， 所述控制单元根据需要而使基于所述燃料供给单元的燃料气体供给量增加，由此进行所述高电位回避控制。
6.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于， 所述辅机具有通过使制冷剂循环而对所述燃料电池进行冷却的冷却单元， 所述控制单元根据需要而使基于所述冷却单元的制冷剂的循环速度增加，由此进行所述高电位回避控制。
7.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于， 所述辅机具有用于向所述燃料电池供给空气的空气供给单元， 所述控制单元根据需要而使基于所述空气供给单元的空气供给量增加，由此进行所述高电位回避控制。
8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于， 所述燃料电池系统具备: 旁通流路，是将从所述空气供给单元供给的空气的一部分不经由所述燃料电池而向外部排出的路径；及 旁通调整单元，用于调整在所述旁通流路中流动的空气量， 在通过使基于所述空气供给单元的空气供给量增加而进行所述高电位回避控制时，所述控制单元对所述旁通调整单元进行控制，以使到达所述燃料电池的空气流量不变。
9.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于， 所述辅机具有: 燃料供给单元，用于向所述燃料电池供给燃料气体 '及 冷却单元，通过使制冷剂循环而对所述燃料电池进行冷却， 仅在尽管增加了基于所述燃料供给单元的燃料气体供给量但所述实际消耗电力仍未达到所述要求消耗电力以上的情况下，所述控制单元通过使基于所述冷却单元的制冷剂的循环速度增加来进行所述高电位回避控制。
10.根据权利要求9所述的燃料电池系统，其特征在于， 所述辅机还具有用于向所述燃料电池供给空气的空气供给单元， 仅在尽管增加了基于所述冷却单元的所述制冷剂的循环速度但所述实际消耗电力仍未达到所述要求消耗电力以上的情况下，所述控制单元通过使基于所述空气供给单元的空气供给量增加来进行所述高电位回避控制。
【文档编号】H01M8/00GK103946056SQ201180074977
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2011年11月21日 优先权日:2011年11月21日
【发明者】户井田政史 申请人:丰田自动车株式会社