专利名称：燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池系统，其在发电停止时向燃料电池组供 给扫气气体，并将燃料电池组内部的水分排出。
背景技术：
近年来，作为致力于环境问题的一环，低公害车辆的开发得到推 进，其中之一是将燃料电池系统作为车载电源的燃料电池车辆。燃料 电池系统是如下的能量转换系统通过向在电解质膜的一侧面上配置 阳极、在另一侧面上配置阴极而形成的膜一电极接合体供给反应气体 而引起电化学反应，将化学能转换为电能。其中，将固体高分子膜作 为电解质使用的固体高分子电解质型燃料电池系统，由于成本低且容 易紧凑化，而且具有高输出密度，因此期待作为车载电源的用途。
在燃料电池组的气体通道内部残留有通过反应气体的电化学反应 产生的生成水及用于加湿反应气体的加湿水等，如果以将该残留水放 置的状态停止发电，则在低温环境下，残留水会冻结，妨碍反应气体 向膜一电极接合体的扩散，低温起动性降低。
鉴于这样的问题，在现有技术中，进行用于在发电停止时，利用 蓄电装置的电力来驱动空气压縮机，将残留在燃料电池组内部的气体
通道内的水分排出的扫气处理。在日本特开2006—179472号公报中， 提出如下方法判断是否需要发电停止时的扫气处理，在判断为需要 进行扫气处理时，将用于通过燃料电池对蓄电装置进行充电的充电阈 值变更为比通常的阈值大的值。
专利文献l:日本特开2006—179472号公报但是，扫气处理所需的电力根据气体通道内部残留的水量不同有
较大的差异，尽管如此，在日本特开2006—179472号公报的方法中， 由于将用于在判断需要扫气处理时对蓄电装置进行充电的阈值设定为 固定值，因此担心因残留水分量不同，扫气处理所需的电力会不足， 从而扫气处理不充分。
发明内容
于是，本发明的课题在于提出能解决上述的问题、进行必要且充 分的扫气处理的燃料电池系统。
为了解决上述问题，本发明的燃料电池系统具备燃料电池组， 接受反应气体的供给而发电；扫气装置，用于在发电停止时将残留在 燃料电池组内部的水分清除；蓄电装置，向扫气装置供给动作电力； 推测装置，基于燃料电池组的交流阻抗推测燃料电池组内部残留的水 分量，并推测用于将清除该水分量所需的电力蓄积于蓄电装置的目标 SOC;和SOC控制装置，以使蓄电装置的SOC与目标SOC相一致的 方式对蓄电装置进行充放电控制。
燃料电池组内部残留的水分量，可以基于燃料电池组的交流阻抗 来推测。推测用于将清除发电停止时残留在燃料电池组内部的水分所 需的电力蓄积于蓄电装置的目标SOC，以使蓄电装置的SOC与目标 SOC相一致的方式对蓄电装置进行充放电控制，从而可以不会过多或 不足地将扫气处理所需的电力蓄积于蓄电装置。
本发明另一方面的燃料电池系统具备燃料电池组，接受反应气 体的供给而发电；扫气装置，用于在发电停止时将残留在燃料电池组 内部的水分清除；蓄电装置，向扫气装置供给动作电力；推测装置， 基于燃料电池组的水平衡计算推测燃料电池组内部残留的水分量，并 推测用于将清除该水分量所需的电力蓄积于蓄电装置的目标SOC;和
4soc控制装置，以使蓄电装置的soc与目标soc相一致的方式对蓄
电装置进行充放电控制。
燃料电池组内部残留的水分量可以基于燃料电池组的水平衡计算 (生成水量、带走水量及加湿水量的平衡计算)来推测。推测用于将 清除发电停止时残留在燃料电池组内部的水分所需的电力蓄积于蓄电
装置的目标soc，以使蓄电装置的soc与目标soc相一致的方式对
蓄电装置进行充放电控制，从而可以不会过多或不足地将扫气处理中 所需的电力蓄积于蓄电装置。
图1是本实施方式的燃料电池系统的系统构成图。
图2是表示用于将扫气处理所需的电力向二次电池进行充电的第
一处理的流程图。
图3是表示目标SOC计算过程的说明图。
图4是表示用于将扫气处理所需的电力向二次电池进行充电的第 二处理的流程图。
图5是表示水平衡计算的计算过程的说明图。 图6是表示目标SOC的计算过程的说明图。
具体实施例方式
图1是表示本实施方式的燃料电池系统10的系统构成。
燃料电池IO作为燃料电池车辆的车载用发电系统起作用，具备由 将多个单体电池层叠而成的堆叠构造形成的固体高分子电解质型的燃
料电池组40。单体电池由如下部件构成在电解质膜的一侧面上配置 阳极、在另一侧面上配置阴极而成的膜一电极接合体；和形成用于使 反应气体(燃料气体、氧气)在膜一电极接合体中流动的气体通道(阳 极气体通道、阴极气体通道)、用于使制冷剂流过的制冷剂流路的隔 板。燃料电池组40在接受向阳极供给的氢气(燃料气体)的同时，接受向阴极供给的氧气(氧化气体)而进行发电。
在燃料电池组40中，在阳极上产生(1)式的氧化反应，在阴极
上产生(2)式的还原反应。作为燃料电池组40整体，产生(3)式的 起电反应。
H2—2H+十2e-…(1)
(1/2) 02+2H++2e-—H20". (2) H2+ (1/2) 02—H20." (3)
在燃料电池系统10的氧气供给系统中配设有用于向燃料电池组 40供给氧气的氧气供给通路11和用于将从燃料电池组40排出的氧废 气向外部排出的氧废气排出通路12。在氧气供给通路11中配设有用于 将大气中的氧气中含有的粉尘等除去的过滤器13、用于对氧气进行加 压的空气压縮机14、用于将通过空气压縮机14加压的氧气适度加湿的 加湿模块15。
加湿模块15在从大气中取来的低湿度的氧气(干燥气体)和从燃 料电池组40的阴极排出的高湿度的氧废气(湿润气体)之间进行水分 交换。如(2)式所示，在阴极上，由于生成水分，故从阴极排出的氧 废气含有大量的水分。将由加湿模块15加湿了的氧气经由氧气供给通 路11向燃料电池组40供给，供燃料电池组40的发电。氧废气排出通 路12是设置在氧气的排出系中的配管，在加湿模块15和燃料电池组 40之间配设有对燃料电池组40内的氧气压力进行调压的调压阀16。 在氧废气排出通路12中流动的氧废气通过调压阀16在加湿模块15供 于水分交换后，作为排气排出到系统外的大气中。
在燃料电池组40的氢气供给系统中配设有氢罐21，作为储存 高压氢气的氢供给源；氢气供给通路22，将填充在氢罐21内的氢气向 燃料电池组40供给；截止阀29，控制从氢罐21向氢气供给通路22的氢气供给/停止；截止阀28，控制从氢气供给通路22的向燃料电池组 40的氢气供给/停止；循环通路23，用于使从燃料电池组40排出的氢 废气(未反应氢气)回流到氢废气排出通路22;氢泵24，将在循环通 路23中流动的氢废气向氢气供给通路22压送；和排出通路25，从循 环通路23分叉，并与氧废气排出通路12合流。
在氢废气排出通路22的上游侧设有对从氢罐21流出的高压氢气 的压力进行调节的调节器27，循环通路23汇合到调节器27的下游侧。 从氢罐21流向氢气供给通路22的氢气和在循环通路23中回流的氢废 气在氢气供给通路22和循环通路23的连接点处合流，形成混合气而 向燃料电池组40供给。在循环通路23的氢泵24的下游侧设有用于抑 制向燃料电池组40回流的氢废气的逆流的止回阀26。
在氢泵24的上游侧设有用于从在循环通路23中流动的氢废气中 分离水分的气液分离器30。在循环通路23中流动的流体中含有从燃料 电池组40排出的氢废气和通过在燃料电池组40中的电化学反应生成 的生成水。气液分离器30从氢废气分离该生成水。分离水分后的氢废 气通过氢泵24回流到燃料电池组40，另一方面，由气液分离器30回 收的水分经由排水阀31从流体配管32向氧废气排出通路12排出。
流体配管32的上游端与气液分离器30的排水阀31相连接，其下 游端与氧废气排出通路12相连接，使由气液分离器30分离出的水分 流入到氧废气排出通路12。在排出通路25中配设有作为对其进行开闭 的切断阀起作用的排气阀33。通过使排气阀33适当地开闭，可以将氢 废气中含有的杂质与氢废气一起经由排出通路25向氧废气排出通路12 排出。通过将氢废气中含有的杂质从排出通路25排出，可使氢废气中 的杂质浓度降低，并且可将向燃料电池组40循环供给的氢废气中的氢 浓度提高。
在燃料电池系统10的电力系统中配设有二次电池42,作为用
7于将燃料电池组40的发电电力或车辆制动时的再生能量蓄电的蓄电装
置；DC/DC转换器41，调节燃料电池组40的输出电压来控制燃料电 池组40和二次电池42的电力供给分配；和牵引变换器43，将从燃料 电池组40或二次电池42供给的直流电力变换为交流电力而向牵引电 动机(车辆行驶电动机)44进行供给。
二次电池42是可进行电力的蓄积及放电的蓄电装置，作为制动再 生时的再生能量储存源、伴随燃料电池车辆的加速或减速的负荷变动 时的能量缓存器起作用。作为二次电池42，例如优选的是镍/镉蓄电池、 镍/氢蓄电池、锂二次电池等。也可以替代二次电池42搭载电容器等的 蓄电装置。
在燃料电池系统10的冷却系统中配设有制冷剂流路51，用于 使在燃料电池组40内循环的制冷剂流过；制冷剂泵54，用于沿制冷剂 流路51压送制冷剂；散热器53，用于冷却制冷剂；旁通阀52,用于 绕过散热器53而使制冷剂流到制冷剂流路51上。通过加减绕过散热 器53的制冷剂的旁通量能够调节制冷剂温度。
在燃料电池系统10的控制系统中配设有用于对燃料电池系统10 整体进行控制的控制器60。控制器60是具备中央处理器(CPU)、存 储装置(ROM、 RAM)、输入输出接口等的控制单元(ECU)。控制 器60基于来自各传感器类的传感器输出来监视运转状态，对燃料电池 系统IO进行控制。
作为传感器类，包括输出起动/停止信号的点火开关71、检测车速 的车速传感器72、检测加速踏板开度的加速踏板传感器73、检测构成 燃料电池组40的各单体电池的输出电压的电压传感器74、检测燃料电 池组40的输出电流(FC电流)的电流传感器75、检测燃料电池组40 的温度(FC温度)的温度传感器76、检测从燃料电池组40的阴极出 口流出的空气的流量的空气流量传感器77、检测从燃料电池组40的阴
8极出口流出的空气的压力的空气压力传感器78、检测二次电池42的 SOC的SOC (State of charge:充电状态)传感器79等。
例如，控制器60在接受从点火开关71输出的起动信号后，开始 燃料电池系统10的运转，基于从加速踏板传感器73输出的加速踏板 开度信号及从车速传感器72输出的车速信号等，求出系统整体的要求 电力。系统整体的要求电力为车辆行驶电力和辅机电力的合计值。辅 机电力中例如包括，由车载辅机类(加湿器、空气压縮机、氢泵、及 冷却水循环泵等)消耗的电力、由车辆行驶所需的装置(变速器、车 轮控制装置、转向装置、及悬架装置等)消耗的电力、由乘员空间内 配设的装置(空调装置、照明器具、及音响等)消耗的电力等。
并且，控制器60决定燃料电池组40和二次电池42的输出电力的 分配，并以使燃料电池组40的发电量与目标电力相一致的方式，对空 气压縮机14的转速、调节器27的阀开度进行调节，调节向燃料电池 组40的反应气体的供给量，并且通过控制DC/DC转换器41来调节燃 料电池组40的输出电压，从而控制燃料电池组40的运转要素(输出 电压、输出电流)。进而，为了获得与加速踏板开度相对应的目标车 速，例如，控制器60作为开关指令，向变换器43输出U相、V相及 W相的各交流电压指令值，并控制牵引电动机44的输出转矩及转速。
下面，参照图2概要说明用于将扫气处理所需的电力对二次电池 42进行充电的第一处理。
控制器60接受从点火开关71输出的起动信号后，实施通常运转 (步骤201)。在通常运转时，控制器60基于从加速踏板传感器73输 出的加速踏板开度信号及从车速传感器72输出的车速信号等求出系统 整体的要求电力，并决定燃料电池组40和二次电池42的输出电力的 分配，以使燃料电池组40的发电量与目标电力相一致的方式控制辅机 类。控制器60控制DC/DC转换器41来向燃料电池组40施加交流信 号，由电压传感器74检测该电压响应，从而计测燃料电池组40的交 流阻抗(步骤202)。
另外，设向燃料电池组40施加交流信号时的燃料电池组40的响 应电压为E、响应电流为I、交流阻抗为Z，则可知以下关系式成立。
E=E0expj ( w t+①) 1= 1。expj to t
Z=E/I= (E0/I0) expj$=R+jx
这里，Eo表示响应电压的振幅，Io表示响应电流的振幅，"表示 角频率，①表示初始相位。R表示电阻部分(实数部分)，x表示电抗 成分(虚数部分)。j表示虚数单位，t表示时间。
控制器60基于温度传感器76的输出来计测FC温度(步骤203)。
而且，控制器60基于步骤202中计测出的交流阻抗推测在燃料电 池组40内部残留的水分量，计算出用于将清除该水分所需的电力蓄积 于二次电池42的SOC (以下称为S0C1)。进而，控制器60基于步骤 203中计测的FC温度推测清除燃料电池组40的水分时的干燥速度(单 位时间内所排出的水分量)，并算出用于将在该干燥速度下清除残留 水分所需的电力蓄积于二次电池42的SOC (以下称为S0C2)。而且， 控制器60将SOC1和SOC2中大的一方设为目标SOC (步骤204)。
控制器60基于SOC传感器79的输出值监视二次电池42的SOC, 并且以使二次电池42的SOC与目标SOC相一致的方式，控制二次电 池42的充放电(步骤205)。而且，控制器60判断是否有发电停止要求(步骤206)。在点火 开关71从接通转换为断开时，发电停止的要求被输出到控制器60。只 要没有发电停止要求(步骤206;否)，控制器60就执行步骤201 步骤205的处理。
由于燃料电池组40的交流阻抗及温度根据运转状态而时刻变动， 因此目标SOC也根据运转状态而时刻变动。控制器60跟踪时刻变化的 目标SOC，对二次电池42进行充放电控制。
控制器60接受到发电停止的要求后(步骤206;是)，使用蓄积 于二次电池42内的电力来驱动空气压縮机14，向燃料电池组40内部 的气体通道供给扫气气体，从而清除气体通道内的水分(步骤207)。 空气压縮机14作为用于清除燃料电池组40内的水分的扫气装置起作 用。
另外，在步骤202中，也可以使用内部电阻计测器计测燃料电池 组40的交流阻抗。内部电阻计测器例如是高频阻抗计测器，通过对燃 料电池组40施加高频电流，检测其电压响应，能够求出燃料电池组40 的交流阻抗。
在此，参照图3对目标S0C的计算过程(步骤204)进行详细叙述。
控制器60基于步骤202中计测出的交流阻抗101和交流阻抗SOC 映射数据102，计算出S0C1。交流阻抗SOC映射数据102是将横轴设 为交流阻抗，将纵轴设为SOC的映射数据，其描绘了了将清除根据交 流阻抗推测的水分所需的电力蓄积于二次电池42用的SOC。
控制器60基于步骤203中计测出的FC温度103和FC温度一 SOC 映射数据104，计算出SOC2。 FC温度一SOC映射数据104是将横轴
11设为FC温度，将纵轴设为SOC的映射数据，其描绘了了用于将在根
据FC温度求出的干燥速度下清除残留水分所需的电力蓄积于二次电 池42的SOC。由于FC温度103越高，干燥速度越快，因此扫气所需 的电能减少，另一方面，由于FC温度103越低，干燥速度越慢，因此 扫气所需的电能增多。
控制器60将自变量SOC1、 SOC2代入MAX函数105中，并将其 返值作为目标SOC106。 MAX函数105是将多个自变量中取得的最大 值作为返值的函数。
在燃料电池组40内部残留的水分量可以基于燃料电池组40的交 流阻抗进行推测。推测用于将在发电停止时清除燃料电池组40内部残 留的水分所需的电力蓄积于二次电池42的目标SOC，并以使二次电池 42的SOC与目标SOC相一致的方式对二次电池42进行充放电，由此 可以将扫气处理所需的电力不会过多或不足地蓄积于二次电池42。
另外，控制器60作为如下装置起作用基于燃料电池组40的交 流阻抗推测燃料电池组40内部残留的水分量，并推测用于将清除该水 分量所需的电力蓄积于二次电池42的目标SOC的推测装置(步骤 204)、及以使二次电池42的SOC与目标SOC相一致的方式对二次电 池42进行充放电控制的SOC控制装置(步骤205)。
下面，参照图4对用于将扫气处理所需的电力向二次电池42充电 的的第二处理进行概要说明。
在上述的第一处理中，控制DC/DC转换器41来向燃料电池组40 施加交流信号，并检测其电压响应，由此计测出交流阻抗，但在DC/DC 转换器41的停滞时间校正量大幅度变动的动作范围内，DC/DC转换器 41的响应性能下降，因此存在不能使用DC/DC转换器41准确地计测 交流阻抗的情况。在这种情况下，优选将交流阻抗的计测暂时中止，基于水平衡计算来推测燃料电池组40内部的水分量。
在第二处理中，代替交流阻抗计测(步骤202)来执行水平衡计 算(步骤402)这一点与第一处理不同。其他的各处理(步骤401、步 骤403 步骤407)与第一处理的各处理(步骤201、步骤203 步骤 207)相对应。
另外，由于燃料电池组40的残留水分量及温度根据运转状态时刻 变动，因此目标SOC也根据运转状态时刻变动。控制器60跟踪时刻变 动的目标SOC，对二次电池42进行充放电控制。
这里，参照图5对水平衡计算的计算过程(步骤402)进行详细 说明。
控制器60将增益110乘以从电流传感器75的输出值计测的FC 电流值107，由此计算出生成水量W1 [g/sec]。增益110是具有单体 电池数/LVFF/2X18的值的常数，LVFF是法拉利常数(96500C/mol)。 进而，控制器60根据由温度传感器76的输出值计测出的FC温度103 和水饱和蒸气特性映射数据111计算出水蒸气压力Ul,根据空气压力 传感器78的输出值计测空气压力值109 (以下称为空气压力值U2)。 而且，控制器60将自变量U1、 U2代入函数112，计算出水蒸气和空 气的分压比VI。
控制器60通过将增益113乘以由电流传感器75的输出值计测出 的FC电流值107，计算出空气消耗量Al [mol/sec]。增益113是具 有单体电池数/LVFF/4的值的常数。控制器60由空气流量传感器77的 输出值计测阴极出口的空气流量值108 (以下称作空气流量值A2 [mol/sec]。而且，控制器60通过空气流量A2 —空气流量Al算出转 换为带走水分的空气流量V2。控制器60将自变量VI、 V2代入乘法函 数115，并通过在其返值上乘以增益116，计算出带走的水量W2[g/sec]。
13增益116是具有18的值的常数。带走的水量W2乘以具有一1值的增 益117，其符号变为"一"。
控制器60基于加湿模块水蒸气交换率映射数据118，计算出与空 气流量A2相对应的水蒸气交换率XI。控制器60将自变量Wl、 W2 代入MIN函数119,将其返值设为X2。 MIN函数119是将多个自变量 中取得的最小值作为返值的函数。控制器60将自变量X1、 X2代入乘 法函数120，并将其返值设为加湿水量W3 [g/sec]。控制器60将自 变量W1、 一W2、 W3代入加法函数121，将其返值作为在燃料电池组 40内残留的水分量122。
这里，参照图6对目标SOC的计算过程(步骤404)进行详细说明。
控制器60基于步骤402中的水平衡计算所得水分量122和水分量 一交流阻抗映射数据123,计算出交流阻抗。水分量一交流阻抗映射数 据123将横轴作为水分量，将纵轴作为交流阻抗的映射数据，描绘出 与水分量相对应的交流阻抗。控制器60基于交流阻抗和交流阻抗一 SOC映射数据102，计算出SOCl。
控制器60基于在步骤403计测出的FC温度103和FC温度_ SOC 映射数据104，计算出SOC2，并将自变量SOCl、 SOC2代入MAX函 数105，将其返值设为目标SOC106。
燃料电池组40内部残留的水分量可以基于燃料电池组40的水平衡 计算来进行推测。推测用于将发电停止时清除燃料电池组40内部残留 的水分所需的电力向二次电池42进行蓄电的目标SOC，并以使二次电 池42的SOC与目标SOC相一致的方式对二次电池42进行充放电控制， 由此能够将扫气处理中所需的电力不会过多或不足地蓄积于二次电池 42。另外，控制器60作为如下装置起作用基于燃料电池组40的水平
衡计算推测燃料电池组40内部残留的水分量(步骤402)，并推测用于 将清除该水分量所需的电力蓄积于二次电池42的目标SOC的推测装置 (步骤404);以使二次电池42的SOC与目标SOC相一致的方式对二 次电池42进行充放电控制的SOC控制装置(步骤405)。
根据本发明，能够基于燃料电池组的交流阻抗或水平衡计算推测扫 气处理所需的电力，且可在电池运转中向蓄电装置蓄电，因此可使在 发电停止时的扫气处理必要并且充分地进行。
权利要求
1. 一种燃料电池系统，其具备燃料电池组，接受反应气体的供给而发电；扫气装置，用于在发电停止时将残留在所述燃料电池组内部的水分清除；蓄电装置，向所述扫气装置供给动作电力；推测装置，基于所述燃料电池组的交流阻抗推测所述燃料电池组内部残留的水分量，并推测用于将清除该水分量所需的电力蓄积于所述蓄电装置的目标SOC；和SOC控制装置，以使所述蓄电装置的SOC与所述目标SOC相一致的方式对所述蓄电装置进行充放电控制。
2. —种燃料电池系统，其具备 燃料电池组，接受反应气体的供给而发电；扫气装置，用于在发电停止时将残留在所述燃料电池组内部的水 分清除；蓄电装置，向所述扫气装置供给动作电力；推测装置，基于所述燃料电池组的水平衡计算推测所述燃料电池 组内部残留的水分量，并推测用于将清除该水分量所需的电力蓄积于 所述蓄电装置的目标SOC;和SOC控制装置，以使所述蓄电装置的SOC与所述目标SOC相一 致的方式对所述蓄电装置进行充放电控制。
全文摘要
本发明提供一种燃料电池系统(10)，其具备燃料电池组(40)，接受反应气体的供给而发电；空气压缩机(14)，用于在发电停止时将残留在燃料电池组(40)内部的水分清除；二次电池(42)，向空气压缩机(14)供给动作电力；控制器(60)，基于燃料电池组(40)的交流阻抗推测燃料电池组(40)内部残留的水分量，并推测用于将清除该水分量所需的电力蓄积于二次电池(42)的目标SOC，以使二次电池(42)的SOC与目标SOC相一致的方式进行充放电控制。
文档编号H01M8/04GK101490884SQ20078002619
公开日2009年7月22日 申请日期2007年9月12日 优先权日2006年10月18日
发明者梶原滋人 申请人:丰田自动车株式会社