專利名稱：燃料電池系統(tǒng)及電源控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)，具備利用氫和氧的電化學反應產(chǎn) 生電能的燃料電池，特別是涉及起動時的低效率運轉(zhuǎn)時的空氣量推定 TT畀。
背景技術：
作為利用氫和氧的電化學反應進行發(fā)電的燃料電池，例如有固體 高分子型燃料電池。該固體高分子型燃料電池具備層積多個單體電池 而構成的組。構成組的單體電池具備陽極(燃料極)和陰極(空氣極)， 具有磺酸基作為離子交換基的固體高分子電解質(zhì)膜介于這些陽極和陰 極之間。
向陽極供給包含燃料氣體(氫氣或?qū)N進行改性成為富氫的改性 氫)的燃料氣體，向陰極供給包含作為氧化劑的氧的氣體(氧化劑氣 體)，作為一例供給空氣。通過向陽極供給燃料氣體，燃料氣體中包 含的氫與構成陽極的催化劑層的催化劑反應，由此產(chǎn)生氫離子。產(chǎn)生 的氫離子通過固體高分子電解質(zhì)膜，在陰極和氧產(chǎn)生電反應。成為通 過該電化學反應進行發(fā)電的結構。
然而，在燃料電池系統(tǒng)中，在低溫起動時，如果前次系統(tǒng)停止時 的水分殘留于燃料電池內(nèi)，則存在水分凍結而無法起動的狀況。另外， 即使起動，往往會因自身反應生成的生成水凍結而停止發(fā)電。
因此，例如如日本特開2004 — 30979號公報所記載，進行下述控 制將起動時對燃料電池的空氣供給量設定為比通常發(fā)電時的供給量 少，因氧不足而使燃料電池的自身發(fā)熱量增加。此時，如果使反應氣體的供給量減少，將燃料電池的電壓控制在0伏特附近，則有時會在 單體電池中產(chǎn)生逆電位。因不產(chǎn)生逆電位的電流值隨燃料電池的溫度
而變化，因此例如日本特開2006 — 73501號公報所記載，進行的是， 預先對在不產(chǎn)生逆電位的電位下使燃料電池動作所需的氧供給量和燃 料電池的溫度建立關系并映射化，根據(jù)燃料電池的溫度決定氧供給量。

發(fā)明內(nèi)容
在使反應氣體的供給量減少來進行低效率發(fā)電而使燃料電池升溫 時，以滿足低效率發(fā)電時的要求電流/電壓的方式?jīng)Q定空氣過剩系數(shù)(將 燃料電池發(fā)電所需最低限的空氣量設為1時的比)，需要考慮燃料電 池的溫度、含水量等的影響。但是，考慮燃料電池的溫度及含水量等 影響來決定空氣過剩系數(shù)需要多維映射，且用于該多維映射的電子控 制單元(ECU)的存儲容量變大。另外，使用了多維映射的計算通常 具有數(shù)值適應性差、推定精度低的傾向，在電力誤差及需要燃料氣體 量推定方面也可能產(chǎn)生誤差。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種燃料電池系統(tǒng)，不使用多維映 射而高精度地決定低效率發(fā)電時的燃料電池的空氣過剩系數(shù)。
為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種燃料電池系統(tǒng)，實施低效率 發(fā)電，其特征在于，具備指令值計算部，其計算該低效率發(fā)電時對
該燃料電池的指令電流值及指令電壓值；空氣濃度過電壓目標值計算 部，其推測以該指令電流值為基準電流時的該燃料電池的基準電壓，
并計算該基準電壓和該指令電壓值之差作為空氣濃度過電壓目標值； 空氣過剩系數(shù)計算部，其根據(jù)該空氣濃度過電壓目標值來計算空氣過 剩系數(shù)；和空氣量計算部，其根據(jù)該空氣過剩系數(shù)來計算該低效率發(fā) 電時的空氣量。
根據(jù)這樣的結構，在決定滿足低效率發(fā)電時的向燃料電池的指令 電流值及指令電壓值的空氣過剩系數(shù)時，以指令電流值為基準電流，推測燃料電池的基準電壓，并求出推測出的基準電壓和指令電壓值的 差作為空氣濃度過電壓目標值，根據(jù)該空氣濃度過電壓目標值計算空 氣過剩系數(shù)，根據(jù)由計算所得的空氣過剩系數(shù)求出低效率發(fā)電時的空 氣量，因此能夠不使用多維映射而求出空氣過剩系數(shù)。因此，有助于 降低存儲容量，且不使用多維映射，故而可以提高所求得的空氣過剩 系數(shù)的精度。
艮P，在求出用于滿足指令電流值和指令電壓值的空氣過剩系數(shù)時， 推測以指令電流值為基準電流時的燃料電池的基準電壓，并求出由該 推測獲得的基準電壓和指令電壓值的差作為空氣濃度過電壓目標值， 因此能夠根據(jù)空氣濃度過電壓目標值求出空氣過剩系數(shù)，能夠不使用 多維映射而決定空氣過剩系數(shù)。此時，通過考慮燃料電池的溫度及含 水量來推測出基準電壓，從而可考慮燃料電池的溫度及含水量的影響 而求出正確的空氣過剩系數(shù)。
在構成所述燃料電池系統(tǒng)時，可以附加下面的要素。
優(yōu)選的是，所述空氣濃度過電壓目標值計算部檢測該燃料電池的 溫度，并由所檢測出的該溫度和該指令電流值來推測該基準電壓。
根據(jù)這樣的結構，檢測出燃料電池的溫度，并根據(jù)所檢測出的溫 度和指令電流值推測基準電壓，由此可以求出考慮到燃料電池的溫度 的影響的、精度更高的空氣過剩系數(shù)。
優(yōu)選的是，所述空氣濃度過電壓目標值計算部推測該燃料電池的 阻抗，并由所推測的該阻抗和該指令電流值來推測該基準電壓。
根據(jù)這樣的結構，推測燃料電池的阻抗，并根據(jù)所推測的阻抗和 指令電流值推測基準電壓，由此可以求出對應于含水量的基準電壓， 可以求出考慮到燃料電池的含水量的影響的、更高精度的空氣過剩系數(shù)。
優(yōu)選的是，所述空氣濃度過電壓目標值計算部推測上次結束時的 該燃料電池的阻抗，并由所推測的該阻抗和該指令電流值來推測該基 準電壓。
根據(jù)這樣的結構，推測上次結束時的燃料電池的阻抗，并根據(jù)所 推測的阻抗和指令電流值推測基準電壓，從而可求出前次停止時的含 水量中校正了溫度的基準電壓，可以求出考慮到前次停止時的燃料電 池的含水量和溫度的影響的、更高精度的空氣過剩系數(shù)。
優(yōu)選的是，所述空氣過剩系數(shù)計算部還測定該燃料電池的含水量， 并參照所測定的含水量來計算該空氣過剩系數(shù)。
根據(jù)這樣的結構，測定燃料電池的含水量，并參照所測定的含水 量計算空氣過剩系數(shù)，從而可以求出考慮到燃料電池的含水量的影響 的、更高精度的空氣過剩系數(shù)。
優(yōu)選的是，所述空氣過剩系數(shù)計算部根據(jù)該空氣濃度過電壓目標 值和該空氣過剩系數(shù)的一維映射來計算該空氣過剩系數(shù)。
根據(jù)這樣的結構，可以參照通過預先測定特性所做出的一維映射， 根據(jù)該空氣濃度過電壓目標值簡單地求出空氣過剩系數(shù)。
優(yōu)選的是，所述空氣過剩系數(shù)計算部根據(jù)該空氣濃度過電壓目標 值、所測定的該燃料電池的含水量和該空氣過剩系數(shù)的二維映射來計 算該空氣過剩系數(shù)。
根據(jù)這樣的結構，可以求出也包含含水量的影響的、更高精度的 空氣過剩系數(shù)。另外，本發(fā)明提供一種電源控制方法，用于實施低效率發(fā)電的燃 料電池系統(tǒng)，其特征在于，包括
1) 計算該低效率發(fā)電時對該燃料電池的指令電流值及指令電壓值 的步驟、
2) 推測以該指令電流值為基準電流時的該燃料電池的基準電壓的 步驟、
3) 計算該基準電壓和該指令電壓值之差作為空氣濃度過電壓目標 值的步驟、
4) 根據(jù)該空氣濃度過電壓目標值計算空氣過剩系數(shù)的步驟、
5) 根據(jù)該空氣過剩系數(shù)計算該低效率發(fā)電時的空氣量的步驟。


圖1是本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的系統(tǒng)結構圖。
圖2是用于說明控制部的功能的功能框圖。
圖3是作為指令電流值和指令電壓值的關系的燃料電池的基準I 一V特性圖。
圖4是基準I一V特性和燃料電池溫度t的關系圖。
圖5是根據(jù)空氣濃度目標電壓值確定的空氣過剩系數(shù)的關系圖。
圖6是用于說明實施方式1的作用的流程圖。
圖7是基準I一V特性和阻抗的關系圖。
圖8是用于說明實施方式2的作用的流程圖。
具體實施例方式
(整體結構)
圖1是適用了本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的系統(tǒng)結構圖。
圖1中，燃料電池系統(tǒng)IO構成為具備用于向燃料電池20供給 燃料氣體(氫氣)的燃料氣體供給系統(tǒng)4;用于向燃料電池20供給氧 化氣體(空氣)的氧化氣體供給系統(tǒng)7;用于對燃料電池20進行冷卻的冷卻液供給系統(tǒng)3;充放電來自燃料電池20的發(fā)電電力的電力系統(tǒng)9。
燃料電池20具備通過網(wǎng)板印刷等在高分子電解質(zhì)膜21的兩面上 形成有陽極22和陰極23的膜/電極接合體24,所述高分子電解質(zhì)膜21 由通過氟類樹脂等形成的質(zhì)子傳導性的離子交換膜等構成。膜/電極接 合體24的兩面由具有燃料氣體、氧化氣體、冷卻水的流路的隔板(未 圖示)夾層。在該隔板和陽極22及陰極23之間分別形成槽狀的陽極 氣體通道25及陰極氣體通道26。陽極22通過在多孔質(zhì)支承層上設置 燃料極用催化劑層而構成，陰極23通過在多孔質(zhì)支承層上設置空氣極 用催化劑層而構成。這些電極的催化劑層例如附著白金粒子而構成。
在陽極22上產(chǎn)生下面的(1)式的氧化反應，在陰極23上產(chǎn)生下 面(2)式的還原反應。燃料電池20整體產(chǎn)生下面(3)式的起電反應。 H2—2H++2e— …(1)
(l/2)02+2H++2e —H20 …(2) H2+(l/2)02—H20 …(3)
另外，在圖1中，為了便于說明，示意性圖示了由膜/電極接合體 24、陽極氣體通道25及陰極氣體通道26構成的單元單體電池的結構， 但實際上具備經(jīng)由上述的隔板將多個單元單體電池(電池組)串聯(lián)連 接的堆疊結構。
在燃料電池系統(tǒng)10的冷卻液供給系統(tǒng)3中設置有使冷卻液循環(huán) 的冷卻流路31;對由燃料電池20排出的冷卻液的溫度進行檢測的溫度 傳感器32;將冷卻液的熱量向外部散熱的散熱器(熱交換器)33;調(diào) 整向散熱器33流入的冷卻液的水量的閥34;對冷卻液進行加壓而使其 循環(huán)的冷卻液泵35;和對向燃料電池20供給的冷卻液的溫度進行檢測 的溫度傳感器36等。在燃料電池系統(tǒng)10的燃料氣體供給系統(tǒng)4配設有燃料氣體流路
40，用于將來自燃料氣體供給裝置42的燃料氣體(陽極氣體)例如氫 氣供給到陽極氣體通道25;和循環(huán)流路(循環(huán)路徑)51，用于使從陽 極氣體通道25排出的燃料廢氣向燃料氣體流路40循環(huán)，通過這些氣 體流路構成燃料氣體循環(huán)系統(tǒng)。
在燃料氣體流路40上設置有對來自燃料氣體供給裝置42的燃料 氣體流出進行控制的截止閥(主閥)43、檢測燃料氣體壓力的壓力傳 感器44、調(diào)整循環(huán)路徑51的燃料氣體壓力的調(diào)整閥(噴射器)45、控 制向燃料電池20的燃料氣體供給的截止閥46。燃料氣體供給裝置42 例如由高壓氫罐、貯氫合金、改性器等構成。
在循環(huán)流路51上設置有截止閥52，控制從燃料電池20向循環(huán) 流路51的燃料廢氣供給；氣液分離器53及排出閥54，除去燃料廢氣 內(nèi)所含的水分；氫泵(循環(huán)泵)55，通過陽極氣體通道25時，對受到 壓力損失的燃料廢氣進行壓縮而使之升壓至適度的氣壓而回流到燃料 氣體流路40;止逆閥56，防止燃料氣體流路40的燃料氣體向循環(huán)流 路51側逆流。利用馬達驅(qū)動氫泵55，從而驅(qū)動氫泵55產(chǎn)生的燃料廢 氣在燃料氣體流路40內(nèi)與從燃料氣體供給裝置42供給的燃料氣體合 流，之后，向燃料電池20供給而進行再利用。另外，在氫泵55上設 置有對氫泵55的轉(zhuǎn)速進行檢測的轉(zhuǎn)速傳感器57。
另外，循環(huán)流路51分支配設有用于將從燃料電池20排出的燃料 廢氣經(jīng)由稀釋器62(例如氫濃度降低裝置)向車外排出的排氣流路61。 在排氣流路61上設置有清潔閥63，構成為進行燃料廢氣的排氣控制。 通過開關清潔閥63，能夠反復燃料電池20內(nèi)的循環(huán)，將不純度增加的 燃料廢氣向外部排出，導入新的燃料氣體而防止單體電池電壓的降低。
另一方面，在燃料電池系統(tǒng)10的氧化氣體供給系統(tǒng)7中配設有用 于向陰極氣體通道26供給氧化氣體(陰極氣體)的氧化氣體流路71、氣流路72。 在氧化氣體流路71上設置有空氣過濾器74，其從大氣取入空氣；及 空氣壓縮機75,其對取入的空氣進行壓縮；并將已壓縮的空氣作為氧 化劑氣體送入陰極氣體通道26。在空氣壓縮機75上設置有檢測空氣壓 縮機75的轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速傳感器73。在氧化氣體流路71和陰極廢氣流路 72之間設置有進行濕度交換的加濕器76。在陰極廢氣流路72上設置 有調(diào)壓閥77，其調(diào)整陰極廢氣流路72的排氣壓力；氣液分離器64， 其作為用于除去陰極廢氣中的水分的選擇的結構；及消聲器65，其吸 收陰極廢氣的排氣聲音。將從氣液分離器64排出的陰極廢氣分流，一 部分流入稀釋器62，與滯留在稀釋器62內(nèi)的燃料廢氣混合而被稀釋。 另外，所分流的另一部分陰極廢氣通過消音器65被吸音，與利用稀釋 器62混合稀釋的氣體混合，向車外排出。
另外，燃料電池系統(tǒng)10的電力系統(tǒng)9連接有DC — DC轉(zhuǎn)換器90， 其一次側連接有蓄電池91的輸出端子，其二次側連接有燃料電池20 的輸出端子；蓄電池91，其作為二次電池蓄電剩余電力；蓄電池計算 機92，其監(jiān)視蓄電池91的充電狀況；變換器93，其向成為燃料電池 20的負載或驅(qū)動對象的車輛行駛用馬達94供給交流電力；變換器95， 其向燃料電池系統(tǒng)10的各種高壓輔機96供給交流電力；電壓傳感器 97，其測定燃料電池20的輸出電壓；及電流傳感器98，其測定輸出電 流。
DC — DC轉(zhuǎn)換器90對燃料電池20的剩余電力或通過向車輛行駛 用馬達94的制動動作而產(chǎn)生的再生電力進行電壓變換而供給到蓄電池 91使之充電。另外，為了填補燃料電池20的發(fā)電電力對于車輛行駛用 馬達94的要求電力的不足部分，DC — DC轉(zhuǎn)換器90對來自蓄電池91 的放電電力進行電壓變換而向二次側輸出。
變換器93及95將直流電流變換為三相交流電流，分別向車輛行 駛用馬達94及高壓輔機96輸出。在車輛行駛用馬達94上設置有對馬達94的轉(zhuǎn)速進行檢測的轉(zhuǎn)速傳感器99。馬達94經(jīng)由差速器而機械地 結合車輪100，可以將馬達94的回轉(zhuǎn)力變換成車輛的推進力。
電壓傳感器97及電流傳感器98用于根據(jù)電力系統(tǒng)9所重疊的交 流信號相對于電壓的電流的相位和振幅來測定交流阻抗。交流阻抗與 燃料電池20的含水量相對應。
進而，燃料電池系統(tǒng)10上設置有用于控制燃料電池12的發(fā)電的 控制部80。控制部80例如由具備CPU(中央處理裝置)、RAM、 ROM、 接口電路等的通用計算機構成。控制部80取入來自溫度傳感器32、 36、 壓力傳感器44、轉(zhuǎn)速傳感器57、 73、 99的傳感器信號及來自電壓傳感 器97、電流傳感器98、點火開關82的信號，根據(jù)電池運轉(zhuǎn)的狀態(tài)例 如根據(jù)電力負載來驅(qū)動各馬達，調(diào)整氫泵55及空氣壓縮機75的轉(zhuǎn)速， 進而進行各種閥(閥)的開閉控制或閥開度的調(diào)整等。
圖2表示通過控制部80執(zhí)行規(guī)定的程序所實現(xiàn)的功能框圖。
如圖2所示，控制部80具備如下構造而構成指令值計算部80a， 其在使反應氣體對燃料電池20的供給量減少而進行低效率發(fā)電時，根 據(jù)對燃料電池系統(tǒng)20的要求電力Preq來計算低效率發(fā)電時向燃料電池 20的指令電流值及指令電壓值；空氣濃度過電壓目標值計算部80b， 其對以由指令值計算部80a的計算所獲得的指令電流值為基準電流時 的燃料電池20的基準電壓進行推測，并計算所推測的基準電壓和指令 電壓值的差作為空氣濃度過電壓目標值；空氣過剩系數(shù)計算部80c，其 根據(jù)由空氣濃度過電壓目標值計算部80b的計算獲得的空氣濃度過電 壓目標值來計算空氣過剩系數(shù)(將燃料電池20的發(fā)電所需要的最低限 的空氣量設為1時的比)；和空氣量計算部80d，其根據(jù)由空氣過剩系 數(shù)計算部80c的計算所獲得的空氣過剩系數(shù)來計算低效率發(fā)電時的空(實施方式O
本實施方式1中，在空氣濃度過電壓目標值計算部80b中，在推
測燃料電池20的基準電壓時，將溫度傳感器32、 36作為水溫傳感器 使用，根據(jù)水溫傳感器的檢測溫度和指令電流值推測基準電壓。
但是，如后述，此外還可以根據(jù)電流傳感器98的檢測電流和電壓 傳感器97的檢測電壓來推測燃料電池20的阻抗，并根據(jù)推測出的阻 抗和指令電流值來推測作為燃料電池20的基準電壓的對應于阻抗、即 含水量的基準電壓。
另外，在空氣濃度過電壓目標值計算部80b中，在推測燃料電池 20的基準電壓時，也可以根據(jù)電流傳感器98的檢測電流和電壓傳感器 97的檢測電壓來推測上次結束時的燃料電池20的阻抗，并能夠根據(jù)推 測出的阻抗和指令電流值來推測燃料電池的基準電壓，求出在上次結 束時的含水量上增加了溫度校正的基準電壓。
圖3表示作為指令電流值和指令電壓值的關系的燃料電池的I一V 特性。
在圖3中表示根據(jù)低效率運轉(zhuǎn)時對于燃料電池的指令電流值Il和 指令電壓值VI確定的指令動作點Pl。另一方面，根據(jù)氧化氣體(空 氣)及燃料氣體(氫氣)充足的情況下的通常運轉(zhuǎn)時的溫度確定的基 準I一V特性用曲線fl表示?？紤]以指令電流值為基準時，指令動作點 Pl的電壓V1和指令動作點P1的電流Il對應的曲線fl上的基準電壓 Vth的差為"空氣濃度過電壓目標值"。
空氣濃度過電壓目標值計算部80b構成為，在對以指令電流值為 基準電流時的燃料電池20的基準電壓進行推測時，對根據(jù)指令電流值 和指令電壓值確定的指令動作點P1的指令電壓值V1和基準I一V特性 曲線fl上的基準電壓值Vth的差進行計算，并將其作為空氣濃度過電壓目標值輸出。
圖4是表示基準I一V特性和燃料電池溫度t之間的關系的圖。
如圖4所示，表示電流指令值和基準電壓值之間的關系的基準I 一V特性曲線隨燃料電池20的溫度而變化。S卩，表示電流指令值和基 準電壓值之間的關系的基準I一V特性曲線fl f6在燃料電池20的溫 度較低時表示沿基準I一V特性曲線fl的特性，隨著燃料電池20的溫 度升高，表示基準電壓值Vth的基準I一V特性曲線變化為f2、 f3、 f4、 f5、 f6?？諝鉂舛冗^電壓目標值計算部80b預先將如圖4所示的燃料電 池溫度t和基準I一V特性曲線之間的關系作為一維映射保持。而且， 在根據(jù)指令電流值和燃料電池20的溫度來推測基準電壓時，空氣濃度 過電壓目標值計算部80b使用表示圖4所示的關系的映射200，計算對 應于指令電流值的基準電壓值，并由此計算空氣濃度過電壓目標值。
圖5表示根據(jù)空氣濃度目標電壓值確定的空氣過剩系數(shù)的關系圖。
空氣過剩系數(shù)計算部80c預先將圖5所示的關系圖作為一維映射 保存。而且，在根據(jù)空氣濃度過電壓目標值計算空氣過剩系數(shù)時，空 氣過剩系數(shù)計算部80c使用表示圖5所示的關系的基準電壓值映射 202，計算出對應于空氣濃度過電壓目標值的空氣過剩系數(shù)。
下面，根據(jù)圖6的流程圖，說明實施方式l的作用。
首先，控制部80的指令值計算部80a根據(jù)對于實施低效率發(fā)電的 燃料電池系統(tǒng)10的要求電力Pr叫，計算對燃料電池20的指令電流值 和指令電壓值(Sl)。接著，控制部80的空氣濃度過電壓目標值計算 部80b取入溫度傳感器32、 36的檢測溫度(水溫)(S2)，根據(jù)檢測 溫度和指令電流值及指令電壓值來檢索表示圖4所示的關系的基準電壓值映射200，推測出基準電壓值Vth (S3)。之后，空氣濃度過電壓 目標值計算部80b計算所推測出的基準電壓值Vth和指令電壓值的差 作為空氣濃度過電壓目標值(S4)。
接著，控制部80的化學計量比計算部80c根據(jù)所計算出的空氣濃 度過電壓目標值來檢索表示圖5所示的關系的基準電壓值映射202，并 求出對應于空氣濃度過電壓目標值的空氣過剩系數(shù)(S5)。而且，控 制部80的空氣量計算部80d根據(jù)已求出的空氣過剩系數(shù)計算出空氣 量，例如根據(jù)由電流傳感器98檢測出的電流值X換算系數(shù)X空氣過剩 系數(shù)計來算出空氣量(S6)，結束該過程的處理。
對應于通過這些處理所求出的空氣量，控制部80驅(qū)動空氣壓縮機 75，將需要的量的空氣供給到燃料電池20。
以上，根據(jù)本實施方式1，在對以指令電流值為基準電流時的燃 料電池20的基準電壓進行推測時，根據(jù)指令電流值和燃料電池20的 溫度來推測基準電壓，因此可以求出對應于燃料電池20的溫度的基準 電壓，并且根據(jù)從基準電壓和指令電壓的差所獲得的空氣濃度過電壓 目標值，可以求出空氣過剩系數(shù)，可以實現(xiàn)存儲容量的降低。另外， 由于不使用多維映射，故而能夠高精度地求出空氣過剩系數(shù)。
(實施方式2)
接著，對實施方式2進行說明。本實施方式2涉及根據(jù)燃料電池 的阻抗推定空氣過剩系數(shù)的例子。
圖7表示基準I_ V特性和阻抗之間的關系的圖。
如圖7所示，基準I一V特性與上述燃料電池的溫度的情況同樣，
受燃料電池的阻抗的影響而變化。燃料電池的阻抗與殘留在燃料電池 的單體電池內(nèi)的水分量即燃料電池的含水量相對應。在實施方式2中，控制部80的空氣濃度過電壓目標值計算部80b 預先將圖7所示的關系作為一維映射存儲。而且，空氣濃度過電壓目 標值計算部80b根據(jù)通過電壓傳感器97及電流傳感器98所檢測出的 燃料電池的電壓及電流，測定燃料電池20的交流阻抗，并根據(jù)所測定 的阻抗直接計算空氣濃度過電壓目標值。
艮P，空氣濃度過電壓目標值計算部80b構成為使用如圖7所示的 基準電壓值映射204代替表示圖4所示的關系的映射200。其他的結構 與實施方式l相同。另外，映射204中的特性曲線fll fl6中，fll阻 抗最低，隨著阻抗變高，變?yōu)樘匦郧€fl2 fl6的特性。
接著，根據(jù)圖8的流程圖，說明本實施方式2的作用。
首先，控制部80的指令值計算部80a根據(jù)對于實施低效率發(fā)電的 燃料電池系統(tǒng)10的要求電力Preq，計算對燃料電池20的指令電流值 和指令電壓值(S11)。接著，控制部80的空氣濃度過電壓目標值計 算部80b根據(jù)電流傳感器98的檢測電流和電壓傳感器97的檢測電壓 來算出燃料電池20的阻抗(S12)。然后，空氣濃度過電壓目標值計 算部80b根據(jù)已計算出的阻抗和指令電流值及指令電壓值，檢索記錄 了如圖7所示的關系的基準電壓值映射204，推測對應的基準電壓值 Vth (S13)。而且，計算所推測出的基準電壓值和指令電壓值的差作 為空氣濃度過電壓目標值(S14)。
接著，控制部80的空氣過剩系數(shù)計算部80c根據(jù)所計算出的空氣 濃度過電壓目標值來檢索圖5所示的映射202，并求出對應于空氣濃度 過電壓目標值的空氣過剩系數(shù)(S15)。而且，控制部80的空氣量計 算部80d根據(jù)已求出的空氣過剩系數(shù)計算出空氣量，例如根據(jù)由電流 傳感器98的檢測得到的電流值X換算系數(shù)X空氣過剩系數(shù)計算出空氣 量(S16),結束該過程的處理。對應于通過這些處理求出的空氣量，控制部80驅(qū)動空氣壓縮機
75，將需要量的空氣向燃料電池20供給。
以上，根據(jù)本實施方式2，在對以指令電流值為基準電流時的燃 料電池20的基準電壓進行推測時，根據(jù)指令電壓值和燃料電池20的 阻抗進行推測，因此可以求出對應于燃料電池20的阻抗的基準電壓， 并且可以根據(jù)從基準電壓和指令電壓的差所獲得的空氣濃度過電壓目 標值，求出空氣過剩系數(shù)，可以實現(xiàn)存儲容量的降低。另外，由于不 使用多維映射，故而能夠高精度地求出空氣過剩系數(shù)。
(變形例)
本發(fā)明不限于上述實施方式，可以進行各種變形而應用。
例如，在上述實施方式2中，作為計算空氣量的前提，為了算出 空氣濃度過電壓目標值而測定阻抗，但是，除此以外，可以通過推測 上次結束時的燃料電池20的阻抗(含水量)，并根據(jù)所推測出的阻抗 和指令電壓值來推測基準電壓，從而可以求出在上次結束時的含水量 上增加了溫度的校正的基準電壓。通過利用前次的阻抗，不需要只為 了計算空氣量而測定阻抗，可進行利用了阻抗的精度高的空氣過剩系 數(shù)計算、進而可進行正確的空氣量供給。
另外，在上述的實施方式中，代替使用表示空氣濃度過電壓目標 值和空氣過剩系數(shù)的關系的映射202，采用如下結構利用阻抗的測定 來設定燃料電池20的含水量，并根據(jù)含水量和空氣濃度過電壓目標值 的二維映射求出空氣過剩系數(shù)，由此，可以更準確地求出考慮到了燃 料電池20的含水量的影響的空氣過剩系數(shù)。
(產(chǎn)業(yè)上的可利用性) 根據(jù)本發(fā)明，以指令電流值為基準電流值，推測燃料電池的基準電壓，并求出已推測出的基準電壓和指令電壓值的差作為空氣濃度過 電壓目標值，根據(jù)該空氣濃度過電壓目標值計算空氣過剩系數(shù)，根據(jù) 通過計算獲得的空氣過剩系數(shù)，求出低效率發(fā)電時的空氣量，因此不 需要使用多維映射，可以降低存儲容量，并高精度地求出空氣過剩系 數(shù)。
權利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，實施低效率發(fā)電，其特征在于，具備指令值計算部，其計算該低效率發(fā)電時對該燃料電池的指令電流值及指令電壓值；空氣濃度過電壓目標值計算部，其推測以該指令電流值為基準電流時的該燃料電池的基準電壓，并計算該基準電壓和該指令電壓值之差作為空氣濃度過電壓目標值；空氣過剩系數(shù)計算部，其根據(jù)該空氣濃度過電壓目標值來計算空氣過剩系數(shù)；和空氣量計算部，其根據(jù)該空氣過剩系數(shù)來計算該低效率發(fā)電時的空氣量。
2. 如權利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，所述空氣濃度過電壓目標值計算部檢測該燃料電池的溫度，并由 所檢測出的該溫度和該指令電流值來推測該基準電壓。
3. 如權利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，所述空氣濃度過電壓目標值計算部推測該燃料電池的阻抗，并由 所推測的該阻抗和該指令電流值來推測該基準電壓。
4. 如權利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，所述空氣濃度過電壓目標值計算部推測上次結束時的該燃料電池 的阻抗，并由所推測的該阻抗和該指令電流值來推測該基準電壓。
5. 如權利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，所述空氣過剩系數(shù)計算部還測定該燃料電池的含水量，并參照所 測定的含水量來計算該空氣過剩系數(shù)。
6. 如權利要求1 5中任意一項所述的燃料電池系統(tǒng)，所述空氣過剩系數(shù)計算部根據(jù)該空氣濃度過電壓目標值和該空氣二vf孟ll 豁rVi —drtr白4 tIx 2丄特二本臺~ ^計乖||玄粉，士n士T7吝ll戒t^ 1 ，《rh/工舎_■ T石+姊tl 、、/+h玄 /WI入化U3CO、 l—j T l丄Ai:、 " W'J服H "Ciim^js >幾，
7.所述空氣過剩系數(shù)計算部根據(jù)該空氣濃度過電壓目標值、所測定 的該燃料電池的含水量和該空氣過剩系數(shù)的二維映射來計算該空氣過 剩系數(shù)。
8. —種電源控制方法，用于實施低效率發(fā)電的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，包括計算該低效率發(fā)電時對該燃料電池的指令電流值及指令電壓值的步驟；推測以該指令電流值為基準電流時的該燃料電池的基準電壓的步驟；計算該基準電壓和該指令電壓值之差作為空氣濃度過電壓目標值的步驟；根據(jù)該空氣濃度過電壓目標值計算空氣過剩系數(shù)的步驟；和 根據(jù)該空氣過剩系數(shù)計算該低效率發(fā)電時的空氣量的步驟。
全文摘要
本發(fā)明提供一種燃料電池系統(tǒng)，其為了不使用多維映射而求出空氣過剩系數(shù)，根據(jù)要求電力計算低效率發(fā)電時的燃料電池(20)的指令電流值及指令電壓值，并根據(jù)指令電壓值和水溫推測以指令電流值為基準電流時的燃料電池(20)的基準電壓，求出所得的基準電壓和指令電壓值的差作為空氣濃度過電壓目標值，根據(jù)空氣濃度過電壓目標值計算空氣過剩系數(shù)，根據(jù)空氣過剩系數(shù)計算低效率發(fā)電時的空氣量，并按照計算出的空氣量控制空氣對燃料電池(20)的供給量。這時，根據(jù)指令電壓值和水溫推測出基準電壓，求出基準電壓和指令電壓值的差作為空氣濃度過電壓目標值，并根據(jù)空氣濃度過電壓目標值算出空氣過剩系數(shù)，從而不使用多維映射地求出空氣過剩系數(shù)。
文檔編號H01M8/04GK101647146SQ20088001051
公開日2010年2月10日 申請日期2008年4月18日 優(yōu)先權日2007年4月19日
發(fā)明者長沼良明 申請人:豐田自動車株式會社