燃料电池系统及其控制方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及低温起动时的燃料电池系统及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 在车辆上安装的燃料电池一般将70°C左右设为适合发电的温度域。因此，在车辆 起动时，需要使燃料电池迅速升温至适合发电的温度域。在JP2009 - 4243A中公开了利用 使燃料电池自身发电而产生的自发热，缩短燃料电池的预热时间的燃料电池系统。
【发明内容】
[0003] 由于车辆的使用环境，有时上述的燃料电池系统例如在负30°C的低温时被起动。 在这样的情况下，有时伴随燃料电池的自发热，在电解质膜中生成的生成水超过电解质膜 的保水量而溢出，如果在冰点以下，则溢出的生成水被冻结。因此，在冰点以下起动燃料电 池系统时，有由于生成水的冻结，通过电解质膜的气体的扩散性变差，不能发电的顾虑。
[0004] 本发明是着眼于这样问题点而完成的。本发明的目的是抑制在冰点以下燃料电池 预热时生成水冻结的问题。
[0005] 本发明的燃料电池系统一个方式是燃料电池系统，其特征在于，包括：与燃料电池 电连接，通过燃料电池的电力进行驱动的辅助设备；以及与燃料电池电连接，加热对燃料电 池供给的冷却水的加热器。该燃料电池系统包括：预热控制单元，通过在燃料电池零下起动 时送往辅助设备和加热器的电力供给，预热燃料电池自身。预热控制单元包括：水量运算单 元，根据燃料电池的湿润度、温度和预热时的发电电力，运算燃料电池的温度上升至冰点温 度期间在电解质膜中生成的生成水量。而且还包括冻结对策控制单元，在通过水量运算单 元算出的生成水量超过阈值时，提高在预热时至加热器的、相对于送往辅助设备的电力比 例。
【附图说明】
[0006] 图1是表示本发明的实施方式的燃料电池系统的结构图。
[0007] 图2是表示控制器中的预热控制单元的结构的图。
[0008] 图3是表示生成水量运算单元的细节的结构图。
[0009] 图4是表示冻结对策控制单元的细节的结构图。
[0010] 图5是表示预热控制单元的控制方法的流程图。
[0011] 图6是表示基于冻结对策控制的生成水的避免冻结方法的图。
【具体实施方式】
[0012] 以下，参照添加的【附图说明】本发明的实施方式。
[0013](第1实施方式）
[0014] 图1是表示本发明的第1实施方式的燃料电池系统的概略图。
[0015] 燃料电池系统10是在起动燃料电池组1时，利用通过燃料电池组自身的发电产生 的自发热对燃料电池组1进行预热的系统。燃料电池系统10包括：燃料电池组1 ;阴极气 体给排装置2;阳极气体给排装置3;组冷却装置4;以及控制器5。阴极气体给排装置2、阳 极气体给排装置3、组冷却装置4作为燃料电池组1的辅助设备使用。
[0016] 燃料电池组1是将数百张燃料电池层积后的电池组。燃料电池组1在本实施方式 中作为汽车用动力源使用。
[0017] 通过阳极电极（燃料极）和阴极电极（氧化剂极）夹持电解质膜而构成燃料电池。 燃料电池通过对阳极电极供给含有氢的阳极气体（燃料气体）并对阴极电极供给含有氧的 阴极气体（氧化剂气体）来发电。在阳极电极以及阴极电极的两个电极进行的电极反应分 别如（1)以及⑵那样表示。
[0018][化学式1]
[0019] 阳极电极：2H2- 4H++4e…（1)
[0020] 阴极电极：4H++4e+02- 2H20…（2)
[0021] 燃料电池通过上述（1)以及（2)的电极反应，在产生电动势的同时生成水。由于 层积多个这样的燃料电池，所以在燃料电池组1中，产生数百伏特的电压。燃料电池组1接 受阳极气体以及阴极气体的供给，提供例如车辆的驱动所需要的电力。在燃料电池组1中， 例如设置电阻检测单元51。
[0022] 电阻检测单元51为了求出燃料电池的湿润度，检测电解质膜的阻抗（电阻值）。 电解质膜的湿润度越小（电解质膜中的水分越少，干燥感越强）阻抗越大。电解质膜的湿 润度越大（电解质膜中的水分越多，湿润感越强）阻抗越小。
[0023] 电阻检测单元51例如通过HFR(HighFrequencyResistance，高频电阻）测量方 法求出阻抗。电阻检测单元51使燃料电池组1的发电电流以1kHz(千赫）的正弦波变动， 检测燃料电池组1的电压的变动。然后电阻检测单元51通过将1kHz的交流电压振幅除以 交流电流振幅求出电阻值。电阻检测单元51将表示电阻值的电池电阻信号输出到控制器 5〇
[0024]阴极气体给排装置2是对燃料电池组1供给阴极气体，同时将从燃料电池组1流 出的阴极废气排出到外部大气的装置。阴极气体给排装置2包括：阴极气体供给通路21、 过滤器22、阴极压缩机23、阴极气体排出通路24、阴极调压阀25、气流传感器26、压力传感 器27。
[0025]阴极气体供给通路21是对燃料电池组1供给阴极气体的通路。阴极气体供给通 路21的一端连接到过滤器22,另一端连接到阴极气体入口孔11。
[0026] 过滤器22将取入阴极气体供给通路21的阴极气体中包含的异物除去。
[0027] 阴极压缩机23设置在阴极气体供给通路21中。阴极压缩机23经由过滤器22将 来自外部大气的空气取入阴极气体供给通路21，作为阴极气体提供给燃料电池组1。
[0028] 阴极气体排出通路24是从燃料电池组1排出阴极废气的通路。阴极气体排出通 路24的一端连接到阴极气体出口孔12,另一端开口。
[0029] 阴极调压阀25设置在阴极气体排出通路24中。阴极调压阀25通过控制器5进 行开闭控制。通过该开闭控制，将流过阴极调压阀25上游侧的通路的阴极气体的压力（以 下称为"阴极压"。）调节为希望的压力。
[0030] 气流传感器26设置在阴极压缩机23上游的阴极气体供给通路21中。气流传感 器26检测流过阴极气体供给通路21的阴极气体的流量。
[0031] 压力传感器27设置在阴极气体入口孔11的附近的阴极气体供给通路21中。压 力传感器27检测阴极压。控制器5供给压力传感器27的检测值调整阴极调压阀25的开 度。由此，将阴极压调节为希望的压力。
[0032]阳极气体给排装置3是对燃料电池组1供给阳极气体，同时将从燃料电池组1排 出的阳极废气排出到阴极气体排出通路24的装置。阳极气体给排装置3包括：高压罐31、 阳极气体供给通路32、阳极调压阀33、阳极气体排出通路34、和清洗阀35。
[0033] 高压罐31将提供给燃料电池组1的阳极气体保持为高压状态储藏。
[0034]阳极气体供给通路32是从高压罐31对燃料电池组1供给阳极气体的通路。阳极 气体供给通路32的一端连接到高压罐31，另一端连接到阳极气体入口孔13。
[0035] 阳极调压阀33设置在阳极气体供给通路32中。阳极调压阀33通过控制器5进 行开闭控制。通过该开闭控制，调节从高压罐31流过阳极气体供给通路32的阳极气体的 压力。
[0036] 阳极气体排出通路34是排出从燃料电池组1流出的阳极废气的通路。阳极气体 排出通路34的一端连接到燃料电池组1的阳极气体出口孔14,另一端连接到阴极气体排出 通路24。
[0037] 清洗阀35设置在阳极气体排出通路34中。清洗阀35通过控制器5进行开闭控 制。通过清洗阀35的开闭控制，控制阴极气体排出通路24中合流的阳极废气的流量。
[0038] 组冷却装置4是冷却燃料电池组1，将燃料电池组1保持为适合发电的温度的装 置。组冷却装置4包括：冷却水循环通路41、散热器42、旁路通路43、恒温器44、循环泵45、 加热器46、第1水温传感器47、第2水温传感器48。
[0039] 冷却水循环通路41是使冷却燃料电池组1的冷却水循环的通路。
[0040]散热器42设置在冷却水循环通路41中。散热器42冷却从燃料电池组1排出的 冷却水。
[0041] 旁路通路43是使散热器42旁路的通路。旁路通路43的一端连接到冷却水循环 通路41，另一端连接到恒温器44。
[0042] 恒温器44设置在散热器42下游侧的冷却水循环通路41中。恒温器44是开闭阀。 恒温器44根据流过内部的冷却水的温度自动地开闭。
[0043] 恒温器44在流过内部的冷却水的温度低于规定的恒温器开阀温度时，成为关闭 状态，仅将经由旁路通路43而来的相对高温的冷却水提供给燃料电池组1。
[0044] 另一方面，恒温器44在流过内部的冷却水的温度为恒温器开阀温度以上时，开始 缓慢地打开。然后恒温器44将经由旁路通路43而来的冷却水和经由散热器42而来的相 对低温的冷却水在内部混合，提供给燃料电池组1。
[0045] 循环泵45设置在恒温器44下游侧的冷却水循环通路41中。循环泵45使流过燃 料电池组1的冷却水循环。循环泵45的排出流量由控制器5控制。
[0046] 加热器46设置在恒温器44和循环泵45之间的冷却水循环通路41中。加热器46 在燃料电池组1预热时被通电，使冷却水的温度上升。作为加热器46例如使用PTC加热器。
[0047] 第1水温传感器47设置在冷却水循环通路41和旁路通路43的分支点的上游侧的 冷却水循环通路41中。第1水温传感器47检测从燃料电池组1排出的冷却水的温度（以 下称为"组出口水温"。）。第1水温传感器47将检测到的组出口温度输出到控制器5。
[0048] 第2水温传感器48设置在循环泵45下游侧的冷却水循环通路41中。第2水温 传感器48检测燃料电池组1中流入的冷却水的温度（以下称为"组入口水温"。）。第2水 温传感器48将组入口水温输出到控制器5。
[0049]控制器5由具有中央运算装置（CPU)、只读存储器（ROM)、随机访问存储器（RAM)、 以及输入输出接口（I/O接口）的微计算机构成。
[0050] 在控制器5中，从第1水温传感器47输入组出口水温，从第2水温传感器48输入 组入口水温，从电阻检测单元51输入电池电阻信号。
[0051] 控制器5根据组入口水温、组出口水温、以及电池电阻信号等，使燃料电池组1发 电。控制器5通常控制阴极压缩机23、阴极调压阀25、阳极调压阀33、和清洗阀35,将发电 所需要的最低限度流量的阴极气体以及阳极气体提供给燃料电池组1。
[0052] 在燃料电池系统10的起动时，控制器5执行将燃料电池组1预热至适合发电的发 电温度，例如60°C的控制（以下称为"预热促进运转"）。
[0053] 在预热促进运转时，以燃料电池组1