专利名称：燃料电池系统及压缩机的转速控制方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池系统及压缩机的转速控制方法。
背景技术：
近年来，正在进行将通过反应气体即燃料气体和氧化气体的电化学反应来发电的燃料电池用作能量源的燃料电池系统的开发。为了高效率地使燃料电池系统发电，需要进 行调整以使燃料气体和氧化气体的供给量达到最适宜。但是，反应气体的供给量根据使用 环境而变动，因此不易调整为最适宜。例如，在高地使用燃料电池系统的情况下，空气密度 降低而供给到燃料电池的氧化气体的量不足，因此发电效率降低。为了解决这种问题，在下 述专利文献1所记载的燃料电池系统中，在气压降低的情况下使压缩机的转速增大，由此 维持供给到燃料电池的氧化气体的量。专利文献1 (日本)特开2000-48838号公报但是，在上述专利文献1所记载的燃料电池系统中，为了抑制发电效率的降低，根 据用现在的气压去除1气压所得的值来控制压缩机的转速。但是，在采用这种控制方法的 情况下，例如气压大幅度降低时，担心设定成超过压缩机的允许最大转速的转速，从而在压 缩机中产生不良情况。此外，也可以考虑到下述情形在较低地抑制允许最大转速的情况 下，即使在压缩机的转速被设定为允许最大转速时，供给到燃料电池的氧化气体量仍然不 足。
发明内容
本发明为了解决上述现有技术的问题而提出，其目的在于提供一种燃料电池系统 及压缩机的转速控制方法，所述燃料电池系统即使在大气压降低的情况下，也能够不使压 缩机中产生不良情况而向燃料电池供给充足的氧化气体。为了解决上述课题，本发明的燃料电池系统，其特征在于，具有燃料电池，接受反 应气体的供给而通过该反应气体的电化学反应产生电力；压缩机，将反应气体中的氧化气 体供给燃料电池；压力传感器，检测大气的压力；判断单元，判断由压力传感器检测出的大 气压是否处于规定压力值以下；以及转速控制单元，在由判断单元判断为大气压处于规定 压力值以下的情况下，使压缩机中允许的最大转速在规定时间内增大。此外，本发明的压缩机的转速控制方法，是控制燃料电池系统中的压缩机的转速 的方法，所述燃料电池系统具备接受反应气体的供给而通过该反应气体的电化学反应产 生电力的燃料电池、将反应气体中的氧化气体供给燃料电池的压缩机、以及检测大气的压 力的压力传感器，所述压缩机的转速控制方法的特征在于，包括判断工序，判断由压力传 感器检测出的大气压是否处于规定压力值以下；以及转速控制工序，在判断工序中判断为 大气压处于规定压力值以下的情况下，使压缩机中允许的最大转速在规定时间内增大。根据这些发明，在大气压降低至规定的压力值以下的情况下，能够使压缩机中允 许的最大转速在规定时间的期间增大。因此，即使在大气压降低的情况下，也能够不使压缩机中产生不良情况而向燃料电池供给充足的氧化气体。在上述燃料电池系统中，上述判断单元能够判断大气压处于规定压力值以下的状 态是否持续了第二规定时间以上，上述转速控制单元能够在由判断单元判断为大气压处于 规定压力值以下的状态持续了第二规定时间以上的情况下，使最大转速在规定时间内增 大。由此，能够在大气压持续第二规定时间以上低至规定压力值以下的情况下使最大 转速在规定时间的期间增大，因此，能够在由于某些原因压力值暂时降低的情况下，不使最 大转速增大而仍然以通常时的最大转速继续。在上述燃料电池系统中，上述判断单元能够判断对于压缩机的转速增大指令量是 否处于规定量以上、且大气压处于规定压力值以下的状态是否持续了第二规定时间以上， 上述转速控制单元能够在由判断单元判断为转速增大指令量处于规定量以上、且大气压处 于规定压力值以下的状态持续了第二规定时间以上的情况下，使最大转速在规定时间内增 大。此处，“转速增大指令量”例如对于搭载于车辆的燃料电池系统而言，是加速操作部件的 操作量(油门开度)。这样，在使最大转速增大时的条件中，包含了对于压缩机的转速增大指令量处于 规定量以上的条件，由此，能够限定在压缩机的转速到达最大转速的可能性较高时后使最 大转速增大。
在上述燃料电池系统中，还具有温度传感器，检测从上述压缩机排出的所述氧化 气体的温度；以及第二判断单元，判断在从通过所述转速控制单元使最大转速增大后到经 过规定时间的期间、由温度传感器检测出的温度是否达到规定温度以上，所述转速控制单 元能够在由第二判断单元判断为所述温度达到规定温度以上的情况下，将最大转速变更为 增大前的转速。由此，能够在使最大转速增大后防止由增大最大转速所引起的压缩机的不良情况 于未然。在上述燃料电池系统中，所述第二判断单元能够判断在从使最大转速增大后到经 过规定时间的期间由温度传感器检测出的所述温度达到规定温度以上的状态是否持续了 第三规定时间以上，所述转速控制单元能够在由第二判断单元判断为所述温度达到规定温 度以上的状态持续了第三规定时间以上的情况下，将最大转速变更为增大前的转速。由此，在使最大转速增大后，能够在由于某些原因压缩机的排出温度暂时上升的 情况下，不使最大转速复原而仍然以增大后的状态继续。根据本发明，即使在大气压降低的情况下，也能够不使压缩机产生不良情况而向 燃料电池供给充足的氧化气体。
图1是示意地表示实施方式的燃料电池系统的构成图。图2是用于说明图1所示的燃料电池系统的压缩机转速控制处理的流程图。标号说明L···燃料电池系统；2…燃料电池；3…氧化气体配管系统；4…氢气配管系统；5… 控制部；30…过滤器；31…压缩机；32…空气供给流路；33…空气排出流路；34…加湿器；40…氢罐；41…氢供给流路；42…循环流路；43…主截止阀；44…调节器；45…氢泵；46··· 气液分离器；47…排气排水阀；48…排出流路；49…稀释器；N…转速传感器；P…压力传感 器；T…温度传感器；S…油门开度传感器
具体实施例方式以下，参照附图，对本发明的燃料电池系统及压缩机的转速控制方法的适宜实施方式进行说明。本实施方式中，对将本发明的燃料电池系统用作燃料电池车辆(FCHV;Fuel Cell Hybrid Vehicle)的车载发电系统的情况进行说明。本实施方式的燃料电池系统，在大气压低至规定的压力值以下的情况下，使压缩 机允许的最大转速在规定时间内增大，由此，即使在大气压降低的情况下，也能够不使压缩 机产生不良情况而向燃料电池供给充足的氧化气体。以下，对具有这种特征的燃料电池系 统的构成及动作详细地进行说明。首先，参照图1，对本实施方式的燃料电池系统的构成进行说明。图1是示意地表 示本实施方式的燃料电池系统的构成图。如该图所示，燃料电池系统1具有通过反应气体即氧化气体和燃料气体的电化 学反应而产生电力的燃料电池2、向燃料电池2供给作为氧化气体的空气的氧化气体配管 系统3、向燃料电池2供给作为燃料气体的氢的氢气配管系统4、以及集中控制系统整体的 控制部5。燃料电池2由层叠多个接受反应气体的供给而发电的单电池而成的电池组构造 构成。由燃料电池2发出的直流电力的一部分被DC/DC转换器(未图示)降压而充电到蓄 电池即二次电池(未图示)。氧化气体配管系统3具有压缩机31，将经由过滤器30取入的空气压缩并将作为 氧化气体的压缩空气送出；空气供给流路32，用于向燃料电池2供给氧化气体；以及空气排 出流路33，用于将从燃料电池2排出的氧化废气排出。空气供给流路32和空气排出流路 33上设有加湿器34，其利用从燃料电池2排出的氧化废气对从压缩机31压送来的氧化气 体进行加湿。通过该加湿器34进行水分交换等后的氧化废气最终作为废气向系统外的大 气中排出。此外，压缩机31中，设有转速传感器N，其检测压缩机31中包含的马达的转速。 而且，在压缩机31的出口侧，设有温度传感器T，其检测从压缩机31排出的氧化气体的温度 (以下称为“排出温度”)。氢气配管系统4具有氢罐40，作为贮存高压(例如70MPa)的氢气的燃料供给源； 氢供给流路41，作为用于向燃料电池2供给氢罐40的氢气的燃料供给流路；以及循环流路 42，用于使从燃料电池2排出的氢废气返回到氢供给流路41。此外，氢气配管系统4是本发 明的燃料供给系统的一种实施方式。可以代替本实施方式的氢罐40而采用例如改性器和 高压气罐作为燃料供给源，所述改性器利用水蒸气将烃类燃料改性为富氢的燃料气体，所 述高压气罐使由该改性器改性后的燃料气体成为高压状态而储压。此外，也可以采用具有 储氢合金的罐作为燃料供给源。氢供给流路41上，设有切断或允许来自氢罐40的氢气的供给的主截止阀43和将 氢气的压力调压为预先设定的二次压的调节器44。在循环流路42上设有将循环流路42内的氢废气进行加压而向氢供给流路41侧送出的氢泵45。此外，在循环流路42上，经由气液分离器46和排气排水阀47连接有排出 流路48。气液分离器46从氢废气回收水分。排气排水阀47根据来自控制部5的指令，将 由气液分离器46回收的水分和包含循环流路42内的不纯物的氢废气排出(放气)。从排 气排水阀47排出的氢废气被稀释器49稀释而与空气排出流路33内的氧化废气合流。控制部5通过传感器(例如油门开度传感器S)检测燃料电池车辆中设置的加速 操作部件(油门)的操作量(例如油门开度)，接受加速要求值(例如来自牵引马达等的电 力消耗装置的要求发电量)等的控制信息，控制系统内的各种机器的动作。此外，电力消耗 装置中，除了牵引马达之外，还包括例如为了使燃料电池2工作所需要的辅机装置(例如压 缩机31、氢泵45的马达等)、与车辆行走有关的各种装置(变速器、车轮控制装置、转向装 置、悬架装置等)所使用的促动器、乘员空间的空调装置(空调)、照明、音响等。控制部5判断由油门开度传感器S检测出的油门开度是否处于规定开度以上、且 由用于测定大气压的压力传感器P检测出的大气压处于规定的压力值以下的状态是否持 续了规定时间以上。作为判断油门开度时的规定开度，可设定例如95%的开度，作为判断大 气压时的规定的压力值，可设定例如90kPa，作为判断持续时间时的规定时间，可设定例如 3秒。
控制部5在判断为油门开度处于规定开度以上且大气压处于规定压力值以下的 状态持续了规定时间以上的情况下，执行使压缩机31中允许的最大转速在规定时间内增 大的最大转速增大处理。以下具体说明最大转速增大处理的内容。首先，将压缩机31中允 许的最大转速变更为比通常时的最大转速高的转速即增大时最大转速。接着，在变更为增 大时最大转速后经过规定时间的情况下，将最大转速变更为通常时的最大转速。由此结束 最大转速增大处理。作为通常时的最大转速，可设定例如5700rpm，作为增大时最大转速，可 设定例如6000rpm。作为判断变更为增大时最大转速后的经过时间时的规定时间，可设定例 如180秒。此外，压力传感器P可设在例如发动机室内。控制部5在执行最大转速增大处理期间，进一步判断由温度传感器T检测出的压 缩机31的排出温度达到规定温度以上的状态是否持续了规定时间以上。作为判断压缩机 31的排出温度时的规定温度，可设定例如170°C，作为判断在规定温度以上的持续时间时 的规定时间，可设定例如20秒。控制部5在判断为压缩机31的排出温度达到规定温度以上的状态持续了规定时 间以上的情况下，强制地将压缩机31中允许的最大转速变更为通常时的最大转速，由此在 中途使最大转速增大处理结束。此处，控制部5在物理上具有例如CPU、存储由CPU处理的控制程序或控制数据的 ROM或HDD、主要作为用于控制处理的各种作业区域使用的RAM、以及输入输出接口。这些要 素互相经由总线连接。输入输出接口上，连接有转速传感器N、压力传感器P、温度传感器T 和油门开度传感器S等各种传感器，并且，连接有用于驱动压缩机31、主截止阀43、氢泵45 和排气排水阀47等的各种驱动器。CPU根据ROM中存储的控制程序，经由输入输出接口接收转速传感器N、压力传感 器P、温度传感器T、油门开度传感器S中的检测结果，并使用RAM内的各种数据等而进行处 理，由此来控制燃料电池系统1的压缩机转速控制处理。此外，CPU经由输入输出接口而向 各种驱动器输出控制信号，由此控制燃料电池系统1整体。
接着，利用图2所示的流程图，对本实施方式的燃料电池系统的压缩机转速控制 处理进行说明。该压缩机转速控制处理在从使点火开关为ON (接通)到使其为OFF (断开) 的期间重复进行。首先，控制部5将压缩机的最大转速设定为通常时的最大转速(步骤Si)。接着，控制部5判断由油门开度传感器S检测出的油门开度是否处于规定开度以 上且由压力传感器P检测出的大气压处于规定的压力值以下的状态是否持续了规定时间 以上(步骤S2)。在该判断为NO(否)的情况(步骤S2 ；NO)下，重复步骤S2的处理。另一方面，在步骤S2的判断为YES (是)的情况(步骤S2 ；YES)下，控制部5将压 缩机31中允许的最大转速从通常时的最大转速变更为增大时最大转速(步骤S3)。接着，控制部5判断将最大转速变更为增大时最大转速后是否经过了规定时间， 并且，判断由温度传感器T检测出的压缩机31的排出温度达到规定温度以上的状态是否持 续了规定时间以上(步骤S4)。在双方的判断均为NO的情况(步骤S4 ；NO)下，重复步骤 S4的处理。另一方面，在步骤S4的判断中至少任一方的判断为YES的情况(步骤S4 ；YES)下， 转移到上述步骤Sl进行处理。由此，压缩机31中允许的最大转速被变更为通常时的最大 转速。此外，在上述的动作说明中，在步骤Sl中将压缩机的最大转速设定为通常时的最 大转速，但通过在点火开关被设为OFF时使最大转速再设定(复位)为通常时的最大转速， 能够在刚使点火开关为ON之后省略步骤Sl的处理。如上所述，根据本实施方式的燃料电池系统1，在油门开度处于规定开度以上且大 气压持续规定时间以上低至规定的压力值以下的情况下，执行上述的最大转速增大处理， 能够使压缩机31中允许的最大转速在规定时间的期间增大。由此，即使在大气压降低的情 况下，也能够不使压缩机产生不良情况而向燃料电池供给充足的氧化气体。此外，根据本实施方式的燃料电池系统1，在执行最大转速增大处理时，如果从压 缩机31排出的氧化气体的温度达到规定温度以上，则由于能够使最大转速返回到通常时 的最大转速，所以能够将增大最大转速所引起的压缩机31的不良情况防止于未然。此外，在上述实施方式中，作为最大转速增大处理的开始条件，举出了油门开度处 于规定开度以上且大气压处于规定压力值以下的状态持续了规定时间以上的例子，但开始 条件的内容不限定于此。在开始条件中至少包含大气压处于规定压力值以下的条件即可。 但是，通过在开始条件中包含油门开度处于规定开度以上的条件，能够限定在压缩机的转 速到达最大转速的可能性较高时执行最大转速增大处理。此外，通过在开始条件中包含低 压力状态持续了规定时间以上的条件，能够在由于某些原因压力值暂时降低的情况下不使 最大转速增大而仍然以通常时的最大转速继续。此外，在上述实施方式中，作为最大转速增大处理的结束条件之一，除了最大转速增大处理的持续时间以外，举出了由温度传感器T检测出的压缩机31的排出温度达到规定 温度以上的状态持续了规定时间以上的例子，但结束条件的内容不限定于此。除了最大转 速增大处理的持续时间以外，在结束条件之一中至少包含排出温度达到规定温度以上的条 件即可。但是，通过在结束条件中包含高温状态持续了规定时间以上的条件，能够在由于某 些原因排出温度暂时上升的情况下不使最大转速增大处理结束而直接继续。
此外，在上述实施方式中，对在燃料电池车辆上装载本发明的燃料电池系统的情 况进行了说明，但在燃料电池车辆以外的各种移动体(机器人、船舶、飞行器等)中也能够 应用本发明的燃料电池系统。此外，本发明的燃料电池系统也能够应用于用作建筑物(住 宅、大楼等)用的发电设备的定置用发电系统中。
本发明的燃料电池系统和压缩机的转速控制方法，适于即使在大气压降低的情况 下也向燃料电池供给充足的氧化气体的情况。
权利要求
一种燃料电池系统，其特征在于，具有燃料电池，接受反应气体的供给而通过该反应气体的电化学反应产生电力；压缩机，将所述反应气体中的氧化气体供给所述燃料电池；压力传感器，检测大气的压力；判断单元，判断由所述压力传感器检测出的大气压是否处于规定压力值以下；以及转速控制单元，在由所述判断单元判断为所述大气压处于规定压力值以下的情况下，使所述压缩机中允许的最大转速在规定时间内增大。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述判断单元判断所述大气压处于规定压力值以下的状态是否持续了第二规定时间 以上，在由所述判断单元判断为所述大气压处于规定压力值以下的状态持续了第二规定时 间以上的情况下，所述转速控制单元使所述最大转速在规定时间内增大。
3.如权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述判断单元判断对于所述压缩机的转速增大指令量是否处于规定量以上、且所述大 气压处于规定压力值以下的状态是否持续了第二规定时间以上，在由所述判断单元判断为所述转速增大指令量处于规定量以上、且所述大气压处于规 定压力值以下的状态持续了第二规定时间以上的情况下，所述转速控制单元使所述最大转 速在规定时间内增大。
4.如权利要求1 3的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，还具有 温度传感器，检测从所述压缩机排出的所述氧化气体的温度；以及第二判断单元，判断在从所述转速控制单元使所述最大转速增大后到经过所述规定时 间的期间、由所述温度传感器检测出的所述温度是否达到规定温度以上，在由所述第二判断单元判断为所述温度达到规定温度以上的情况下，所述转速控制单 元将所述最大转速变更为增大前的转速。
5.如权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，所述第二判断单元判断在从使所述最大转速增大后到经过所述规定时间的期间、由所 述温度传感器检测出的所述温度达到规定温度以上的状态是否持续了第三规定时间以上， 在由所述第二判断单元判断为所述温度达到规定温度以上的状态持续了第三规定时 间以上的情况下，所述转速控制单元将所述最大转速变更为增大前的转速。
6.一种压缩机的转速控制方法，是控制燃料电池系统中的所述压缩机的转速的方法， 所述燃料电池系统具备接受反应气体的供给而通过该反应气体的电化学反应产生电力的 燃料电池、将所述反应气体中的氧化气体供给所述燃料电池的压缩机、以及检测大气的压 力的压力传感器，所述压缩机的转速控制方法的特征在于，包括判断工序，判断由所述压力传感器检测出的大气压是否处于规定压力值以下；以及 转速控制工序，在所述判断工序中判断为所述大气压处于规定压力值以下的情况下， 使所述压缩机中允许的最大转速在规定时间内增大。
全文摘要
即使在大气压降低的情况下，也不使压缩机产生不良情况而向燃料电池供给充足的氧化气体。控制部(5)判断由油门开度传感器(S)检测出的油门开度是否处于规定开度以上且由压力传感器(P)检测出的大气压处于规定压力值以下的状态是否持续了规定时间以上，在该判断为是的情况下，将压缩机(31)中允许的最大转速从通常时的最大转速变更为增大时最大转速。控制部(5)判断将最大转速变更为增大时最大转速后是否经过了规定时间，并且判断由温度传感器(T)检测出的压缩机(31)的排出温度达到规定温度以上的状态是否持续了规定时间以上，在至少任一方的判断为是的情况下，将最大转速返回到通常时的最大转速。
文档编号H01M8/00GK101828290SQ200880111980
公开日2010年9月8日 申请日期2008年9月3日 优先权日2007年10月16日
发明者坊农哲也 申请人:丰田自动车株式会社