CN101828288A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种燃料电池系统，能够适当地进行电力分配。一种燃料电池，具备：燃料电池(40)，通过燃料气体和氧化气体的电化学反应进行发电；电动机(61)，可接受电力供给而驱动且可产生再生电力；蓄电部(20)，可将燃料电池(40)的发电电力及电动机(61)的再生电力予以充电且可将充电电力向电动机(61)放电；辅机(50)，至少用于燃料电池(40)的运转；及控制部(10)，对这些电力分配进行控制，控制部(10)在通常运转时使用基于发电要求电力的发电指令值决定电力分配，另一方面在抑制燃料电池(40)的电压达到比该燃料电池(40)的开路电压低的规定的高电位回避电压阈值以上的高电位化回避控制中，代替发电指令值而使用燃料电池(40)的发电实测值来决定电力分配。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统，特别是涉及一种具有可接受电力供给而驱动且可产生再生电力的电动机的燃料电池系统。
背景技术
近年，将通过燃料气体和氧化气体的电化学反应进行发电的燃料电池作为能量源的燃料电池系统受到注目。燃料电池系统向燃料电池的阳极供给来自燃料罐的高压的燃料气体，并向阴极加压供给作为氧化气体的空气，使这些燃料气体和氧化气体发生电化学反应，产生电动势。
这样的燃料电池系统中用于车载的燃料电池系统以燃料电池、二次电池、行驶电动机、和辅机为主体而构成，通过适当控制它们的电力分配来进行运转。
在这样的燃料电池系统中，取得基于油门开度等决定的发电要求电力、行驶电动机的再生电力和燃料电池的发电电力的平衡来使二次电池的SOC(剩余容量)控制在规定范围内(例如，参照专利文献1)。
专利文献1：国际公开第2002/015316号小册子
然而，在燃料电池系统中，为了抑制燃料电池的老化促进，考虑在规定的条件下进行抑制燃料电池的电压达到规定的阈值以上的高电位化回避控制。这样的高电位化回避控制中，即使在暂时使向燃料电池的发电指令停止的状态下，燃料电池也可能发电，发电指令值和燃料电池的实际的发电电力之间产生误差。
在产生这样的误差的状态下，不能适当地进行上述的电力分配，例如可能对二次电池产生过充电。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种燃料电池系统，其能够适当地进行电力分配。
本发明的燃料电池系统，具备：燃料电池，通过燃料气体和氧化气体的电化学反应进行发电；电动机，可接受电力供给而驱动且可产生再生电力；蓄电部，相对于上述电动机与上述燃料电池并联连接，可将上述燃料电池的发电电力及上述电动机的再生电力予以充电、且可将充电电力向上述电动机放电；辅机，至少在上述燃料电池的运转中使用；及控制部，对上述燃料电池、上述蓄电部、上述电动机、及上述辅机的电力分配进行控制，上述控制部在通常运转时使用基于发电要求电力的发电指令值决定上述电力分配，另一方面在抑制上述燃料电池的电压达到比该燃料电池的开路电压低的规定的高电位回避电压阈值以上的高电位化回避控制中，代替上述发电指令值而使用上述燃料电池的发电实测值来决定上述电力分配。
根据该构成，在抑制燃料电池的电压达到规定的高电位回避电压阈值以上的高电位化回避控制中，尽管暂时使向燃料电池的发电指令停止，燃料电池也会发电，发电指令值和燃料电池的实际的发电电力之间也可能产生误差，但即便如此，由于使用燃料电池的发电实测值来代替发电指令值决定电力分配，因此能够适当地进行电力分配。
在上述构成中，上述控制部也可以在上述燃料电池的运转停止中进行上述高电位化回避控制时，代替上述发电指令值而使用上述燃料电池的发电实测值来决定上述电力分配。
另外，上述控制部也可以在上述发电指令值为零的期间进行上述高电位化回避控制时，代替上述发电指令值而使用上述燃料电池的发电实测值来决定上述电力分配。
根据本发明的燃料电池系统，由于能够适当地进行电力分配，因此能够抑制例如向蓄电部的过度充电。
附图说明
图1是概略地表示本发明的一实施方式的燃料电池系统的构成图。
图2是表示在该燃料电池系统中在间歇运转要求时实施的高电位回避控制的一处理例的流程图。
具体实施方式
以下参照附图对本发明的实施方式进行说明。
图1是表示本实施方式的燃料电池系统100的主要部分的构成的图。
在本实施方式中，设想搭载于燃料电池汽车(FCHV；Fuel CellHybrid Vehicle)、电动汽车、混合动力汽车等的车辆上的燃料电池系统，但是不仅是车辆，也可应用于各种移动体(例如二轮车、船舶、机器人等)中。进而，不限于搭载在移动体上的燃料电池系统，也可适用于定置型的燃料电池系统、便携型的燃料电池系统中。
该车辆以经由减速齿轮12而与车轮63L、63R连接的牵引电动机61为驱动力源行驶。牵引电动机61的电源是电源系统1。从电源系统1输出的直流通过变换器60变换为三相交流而供给到牵引电动机61。牵引电动机61也能够在制动时也作为发电机起作用。电源系统1由燃料电池40、蓄电池(蓄电部)20、DC/DC转换器30等构成。
燃料电池40是由所供给的反应气体(燃料气体及氧化气体)产生电力的单元，可以利用固体高分子型、磷酸型、熔融碳酸盐型等各种类型的燃料电池。燃料电池40具备由通过氟类树脂等形成的质子传导性的离子交换膜等构成的高分子电解质膜41，在高分子电解质膜的表面涂布有铂催化剂(电极催化剂)。
在高分子电解质膜41上涂布的催化剂不限于铂催化剂，也可适用铂钴催化剂(以下简称为催化剂)等。构成燃料电池40的各单体电池具备在高分子电解质膜41的两面通过网板印刷等形成阳极42和阴极43的膜/电极接合体44。燃料电池40具有串联地层积多个单体电池的堆叠构造。
该燃料电池40的输出电压(以下称为FC电压)及输出电流(以下称为FC电流)分别由电压传感器92及电流传感器93检测出。从燃料气体供给源70向燃料电池40的燃料极(阳极)供给氢气等的燃料气体，另一方面从氧化气体供给源80向氧极(阴极)供给空气等的氧化气体。
燃料气体供给源70例如由氢罐、各种阀等构成，通过调整阀开度、开/关时间等，控制供给到燃料电池40的燃料气体量。
氧化气体供给源80例如由空气压缩机、驱动空气压缩机的电动机、变换器等构成，通过调整该电动机的转速等来调整供给到燃料电池40的氧化气体量。
蓄电池20是可充放电的二次电池，例如由镍氢蓄电池等构成。当然，也可以设置二次电池以外的可充放电的所有的蓄电器(例如电容器)来代替蓄电池20。该蓄电池20插入设置在燃料电池40的放电路径上，与燃料电池40并联连接。蓄电池20和燃料电池40与牵引电动机用的变换器60并联连接，在蓄电池20和变换器60之间设置DC/DC转换器30。
变换器60是例如由多个开关元件构成的脉冲宽度调制式的PWM变换器，根据从控制装置10给予的控制指令将从燃料电池40或蓄电池20输出的直流电力变换为三相交流电力并向牵引电动机61供给。牵引电动机61是用于驱动车轮63L、63R的电动机，通过变换器60控制该电动机的转速。
DC/DC转换器30是例如由四个功率晶体管和专用的驱动电路(均省略图示)构成的全桥转换器。DC/DC转换器30具备：使从蓄电池20输入的DC电压升压或降压而输出到燃料电池40侧的功能；及使从燃料电池40等输入的DC电压升压或降压而输出到蓄电池20侧的功能。另外，通过DC/DC转换器30的功能实现蓄电池20的充放电。
在蓄电池20和DC/DC转换器30之间连接有车辆辅机、FC辅机等的辅机类50。蓄电池20成为这些辅机类50的电源。所谓车辆辅机是指车辆的运转时等使用的各种的电力设备(照明设备、空调设备、油压泵等)，所谓FC辅机是指燃料电池40的运转使用的各种电力设备(用于供给燃料气体、氧化气体的空气压缩机、泵等)。
另外，在与燃料电池40连接的配线上连接有绝缘电阻测定部90。绝缘电阻测定部90对燃料电池40和车体之间的绝缘电阻进行测定。
上述各要素的运转通过控制装置(控制部)10进行控制。控制装置10作为内部具备CPU、ROM、RAM的微机而构成。
控制装置10基于所输入的各传感器信号对设于燃料气体通路的调压阀71、设于氧化气体通路的调压阀81、燃料气体供给源70、氧化气体供给源80、蓄电池20、DC/DC转换器30、变换器60等系统各部进行控制。
向该控制装置10输入例如由压力传感器91检测出的燃料气体的供给压力、由电压传感器92检测出的燃料电池40的FC电压、由电流传感器93检测出的燃料电池40的FC电流、由SOC传感器21检测出的表示蓄电池20的充电状态SOC(State Of Charge)的SOC值等各种传感器信号。
在本实施方式中，即使在蓄电池20的充电量被限制的情况下，例如通过使DC/DC转换器30的开关频率上升，使在该DC/DC转换器的能量损失增大，从而可靠地避免燃料电池40的电压达到比该燃料电池40的开路电压低的规定的高电位化回避电压阈值以上。
接着，参照图2对由控制装置10实施间歇运转要求时的高电位化回避控制处理进行说明。
控制装置10计算对于燃料电池40的要求电力(发电要求电力)(步骤S1)。在计算该要求电力时，考虑例如用于驱动牵引电动机61、辅机类50的消耗电力、牵引电动机61的再生电力、及来自蓄电池20的供给电力。
并且，控制装置10利用表示未图示的I-V特性及I-P特性的特性映射来算出与要求电力相对应的燃料电池40的输出电压(步骤S3)。该特性映射预先通过试验等求得，在制造出厂时等存储在控制装置10的内部存储器11中。该特性映射值也可以是固定值，但是也可以是可依次改写的值。
控制装置10判断是否需要强制性地使燃料电池40的输出电压降低(步骤S5)。具体而言，控制装置10对输出电压和高电位化回避目标阈值电压(以下，阈值电压Vth)进行比较，在输出电压超过阈值电压Vth的情况下，判断为需要强制性地使燃料电池40的输出电压降低，另一方面，在输出电压为阈值电压Vth以下的情况下，判断为不需要强制性地使燃料电池40的输出电压降低。
该阈值电压Vth是比燃料电池40的开路电压低的电压，预先通过试验等求出，在制造出厂时等存储在控制装置10的内部存储器11中。另外，阈值电压Vth也可以是固定值，但是例如也可以是根据周围环境(外部气体温度、燃料电池温度、湿度、运转模式等)可依次改写的值。
控制装置10在上述判断中判断为不需要强制性地使燃料电池40的输出电压降低的情况下(步骤S5：否)，由于不需要避免燃料电池40的高电位化的控制，因此结束该高电位化回避处理。
另一方面，控制装置10在上述判断中判断为需要强制性地使燃料电池40的输出电压降低的情况下(步骤S5：是)，进行使该燃料电池40的输出电压强制性地降低到低于阈值电压Vth的值的控制(步骤：S7)。此时，对于强制性地使燃料电池40的输出电压降低到怎样的值可任意设定。
并且，控制装置10判断是否可通过蓄电池20吸收剩余电力(即，是否可在蓄电池20蓄电)(步骤S9)。详细表述即为，控制装置10根据由SOC传感器21检测出的SOC值进行检测，把握蓄电池20的剩余容量等来判断是否能够通过蓄电池20吸收剩余电力。
控制装置10在判断为能够通过蓄电池20吸收剩余电力的情况下(步骤S9：是)，在通过蓄电池20吸收剩余电力(蓄电于蓄电池20)后(步骤S11)，结束处理。另一方面，控制装置10在判断为不能通过蓄电池20吸收剩余电力的情况下(步骤S9：否)，例如将DC/DC转换器30的开关频率设定得较高，并使DC/DC转换器30的能量损失增大，从而吸收剩余电力(步骤S13)，然后结束处理。
并且，本实施方式的控制装置10除了以上说明的高电位化回避控制处理外，还进行燃料电池40、蓄电池20、牵引电动机61及辅机类50的电力分配控制。在该电力分配控制中，控制装置10如下所述计算允许牵引电动机61的再生的再生允许电力。
执行通常发电模式时，对于电力分配中允许牵引电动机61的再生的电力即电动机再生允许电力，根据允许将其向蓄电池20侧充电的充电允许电力和基于发电要求电力的发电指令值即FC指令电力来如下所述进行运算。
电动机再生允许电力＝充电允许电力+FC指令电力
在此，充电允许电力根据蓄电池20的可充电的电力即蓄电池可充电电力、由辅机类50导致的损失(电力消耗)即辅机损(辅机消耗电力)、及DC/DC转换器30的效率即转换器效率进行如下所述的运算。
充电允许电力＝(蓄电池可充电电力+辅机损)×(1/转换器效率)
即，执行通常发电模式时，使用基于发电要求电力的发电指令值即FC指令电力来决定电力分配。
与此相对，在间歇运转模式下的高电位化回避控制执行时，由于为输出停止期间，因此向燃料电池40的指令电力值为零。即便如此，作为燃料电池40的输出电压被强制性地降低到比阈值电压Vth低的值的结果，燃料电池40进行发电。因此，需要避免牵引电动机61使电力再生至蓄电池20侧的充电允许电力以上。
因此，在输出停止模式中，代替FC指令电力而使用燃料电池40的发电实测值即FC发电电力实测值来计算电动机再生允许电力。即，在高电位化回避控制时，仅在输出停止期间使用燃料电池40的发电实测值即FC发电电力实测值来进行以下的运算，从而使燃料电池40、蓄电池20、牵引电动机61及辅机类50的电力分配成立。
电动机再生允许电力＝充电允许电力+FC发电电力实测值
根据以上所述的本实施方式的燃料电池系统100，在抑制燃料电池40的电压达到规定的阈值电压Vth以上的高电位化回避控制中，尽管向燃料电池40的发电指令停止，燃料电池40还会发电，发电指令值和燃料电池40的实际的发电电力之间会产生误差，但既便如此，由于控制装置10使用燃料电池40的发电实测值来代替FC指令电力决定电力分配，由此能够适当地进行电力分配。因此，能够抑制蓄电池20产生的过度充电等。

Claims (3)

1.一种燃料电池系统，具备：
燃料电池，通过燃料气体和氧化气体的电化学反应进行发电；
电动机，可接受电力供给而驱动且可产生再生电力；
蓄电部，相对于上述电动机与上述燃料电池并联连接，可将上述燃料电池的发电电力及上述电动机的再生电力予以充电、且可将充电电力向上述电动机放电；
辅机，至少在上述燃料电池的运转中使用；及
控制部，对上述燃料电池、上述蓄电部、上述电动机及上述辅机的电力分配进行控制，
上述控制部在通常运转时使用基于发电要求电力的发电指令值来决定上述电力分配，另一方面，在抑制上述燃料电池的电压达到比该燃料电池的开路电压低的规定的高电位回避电压阈值以上的高电位化回避控制中，代替上述发电指令值而使用上述燃料电池的发电实测值来决定上述电力分配。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，
上述控制部在上述燃料电池的运转停止中进行上述高电位化回避控制时，代替上述发电指令值而使用上述燃料电池的发电实测值来决定上述电力分配。
3.如权利要求1所述的燃料电池系统，
上述控制部在上述发电指令值为零的期间进行上述高电位化回避控制时，代替上述发电指令值而使用上述燃料电池的发电实测值来决定上述电力分配。
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