CN102598380A - 燃料电池系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池系统，具备燃料电池(10)和转换器(11)，该转换器(11)连接在燃料电池与高电压系统之间并设定燃料电池的输出上限电压，其具备：燃料气体供给停止机构(201)，在间歇运转模式下，停止燃料气体向燃料电池的供给；残留燃料气体量判断机构(202)，判断燃料电池中是否残留有可发电量以上的燃料气体；转换器驱动机构(203)，当判断为燃料电池中残留有可发电量以上的燃料气体时，对转换器进行驱动，使得燃料电池的输出上限电压成为能够避免燃料电池老化的第一电压V1；及转换器停止机构(204)，当判断为燃料电池中未残留可发电量以上的燃料气体时，使转换器停止。

Description

燃料电池系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及搭载于车辆等的燃料电池系统，尤其是涉及对燃料电池停止发电时有效的消耗电力削减技术。
背景技术
作为搭载于车辆的燃料电池系统，开发有具备多个DC-DC转换器的系统。例如，在日本特开2007-209161号公报中公开有一种燃料电池系统，其具备：配置在蓄电装置与逆变器之间的第一DC-DC转换器；及配置在燃料电池与逆变器之间的第二DC-DC转换器。
在该系统中，当目标电动机输出大于规定的阈值时，使第一DC-DC转换器的驱动停止，将第二DC-DC转换器设定成电直接耦合状态，将输出大的燃料电池的输出电力优先于蓄电装置的输出电力向电动机供给。而且，当目标电动机输出小于阈值时，使第一DC-DC转换器动作并从蓄电装置供给辅助电力，将第二DC-DC转换器形成为电直接耦合状态。根据此种结构，能够防止车辆的行驶性能下降，且能够进行高效率的电力转换(专利文献1)。
专利文献1：日本特开2007-209161号公报
发明内容
然而，如上述专利文献1涉及的发明那样，当第一DC-DC转换器的驱动停止时，可知有时会产生不良情况。该不良情况是在第一DC-DC转换器的驱动停止时，一定程度量的燃料气体会残留在燃料电池内部的情况。
第一DC-DC转换器对燃料电池的输出电压的上限进行控制。当该第一DC-DC转换器的驱动停止时，燃料电池的输出电压不再受限制。假设第一DC-DC转换器的驱动停止时，若燃料电池的内部残留有可发电量的燃料气体，则燃料电池的输出电压不受限制地上升。第一DC-DC转换器在驱动停止时成为电直接耦合状态的情况下，燃料电池的输出电压会上升至作为高电压系统的逆变器的输入电压。
然而，从防止电解质膜老化等理由出发，对燃料电池的输出电压规定了输出电压的上限(以下称为“高电位避免电压”)。若以在燃料电池中残留有可发电量的燃料气体的状态停止第一DC-DC转换器的驱动，则输出电压可能会超过该高电位避免电压而上升。
因此，为解决上述问题，在本发明的一个优选形态中，其目的在于提供一种能够抑制燃料电池老化并能够削减消耗电力的燃料电池系统及其控制方法。
解决上述问题的燃料电池系统的一形态的特征在于，具备：燃料电池；转换器，连接在所述燃料电池与高电压系统之间，并设定所述燃料电池的输出上限电压；及控制装置，控制所述燃料电池及所述转换器；其中，在间歇运转模式下，当判断为所述燃料电池中残留有可发电量以上的燃料气体时，所述控制装置禁止所述转换器的停止。
解决上述问题的燃料电池系统的另一形态的特征在于，具备：逆变器，与负载装置连接；第一转换器，连接在燃料电池与所述逆变器之间，并设定所述燃料电池的输出上限电压；第二转换器，连接在蓄电装置与所述逆变器之间，并设定所述逆变器的输入电压；及控制装置，控制所述第一转换器及所述第二转换器；其中，在间歇运转模式下，当判断为所述燃料电池中残留有可发电量以上的燃料气体时，所述控制装置禁止所述第一转换器的停止。
解决上述问题的燃料电池系统的又一形态具备燃料电池和转换器，该转换器连接在所述燃料电池与高电压系统之间并设定所述燃料电池的输出上限电压，其特征在于，具备：燃料气体供给停止机构，在间歇运转模式下，停止燃料气体向所述燃料电池的供给；残留燃料气体量判断机构，判断所述燃料电池中是否残留有可发电量以上的燃料气体；转换器驱动机构，当判断为所述燃料电池中残留有所述可发电量以上的所述燃料气体时，对所述转换器进行驱动，使得所述燃料电池的所述输出上限电压成为能够避免所述燃料电池老化的第一电压；及转换器停止机构，当判断为所述燃料电池中未残留所述可发电量以上的所述燃料气体时，使所述转换器停止。
解决上述问题的燃料电池系统的控制方法的一形态中，所述燃料电池系统具备燃料电池和转换器，该转换器连接在所述燃料电池与高电压系统之间并设定所述燃料电池的输出上限电压，所述燃料电池系统的控制方法的特征在于，具备：在间歇运转模式下，停止燃料气体向所述燃料电池的供给的步骤；判断所述燃料电池中是否残留有可发电量以上的燃料气体的步骤；当判断为所述燃料电池中残留有所述可发电量以上的所述燃料气体时，对所述转换器进行驱动，使得所述燃料电池的所述输出上限电压成为能够避免所述燃料电池老化的第一电压的步骤；及当判断为所述燃料电池中未残留所述可发电量以上的所述燃料气体时使所述转换器停止的步骤。
在燃料电池为间歇运转模式的情况下，使燃料电池停止发电，燃料气体向燃料电池的供给基本上停止。即使燃料气体的供给停止，在燃料电池的内部有时也残留有燃料气体。当所残留的燃料气体量为可发电量以上时，若解除输出上限电压的限制，则燃料电池的输出电力因残留的燃料气体而上升，并超过高电位避免电压。在该点上，根据本发明，由于在残留有可发电量以上的燃料气体时转换器不会停止，所以，基于输出上限电压的上限设定有效，从而能够预防输出电压达到高电位避免电压。
本发明可以根据要求选择性地附加以下要素。
(1)优选，当判断为所述燃料电池中残留有所述可发电量以上的燃料气体时，对所述转换器进行控制，使得所述燃料电池的所述输出上限电压成为能够避免所述燃料电池老化的第一电压。根据上述的结构，在残留有可发电量以上的燃料气体的期间，以第一电压为上限对燃料电池的输出电压进行限制，因此，能够避免燃料电池的老化。
(2)优选，在所述燃料电池的输出电压为预定的阈值电压以上时，判断为残留有所述可发电量以上的燃料气体。当燃料气体不足时，燃料电池的输出电压下降。由此，若将燃料电池的输出电压与用于判断是否残留燃料气体的阈值电压进行比较，则能够正确地判定燃料气体的残留状态。
(3)优选，在所述燃料气体的压力为预定的阈值压力以上时，判断为残留有所述可发电量以上的燃料气体。若燃料气体减少，则燃料气体的压力减小。由此，若将燃料气体的压力与用于判断是否残留燃料气体的阈值压力进行比较，则能够正确地判定燃料气体的残留状态。
(4)优选，当判断为所述燃料电池中未残留所述可发电量以上的燃料气体时，使所述转换器停止。若未残留燃料气体，则即使解除输出上限电压的限制，燃料电池的输出电压也不会上升。由此，当判断为未残留燃料气体时，通过使转换器停止能够预防输出电压上升这样的不良情况，并能够减少消耗电压。
(5)优选，当所述燃料电池的所述输出电压达到了供给所述燃料气体的阈值电压时，首先驱动所述转换器，接着供给所述燃料气体。即使在间歇运转模式下，若燃料电池的输出电压过度下降，则燃料电池也会产生不良情况，因此在输出电压下降时，需要适量供给燃料气体。根据上述的结构，由于在供给燃料气体时，先驱动转换器，因此，当输出电压因燃料气体的供给而开始上升时，基于输出上限电压的上限设定已经有效，因此，能够预防输出电压达到高电位避免电压。
(6)优选，对所述转换器进行控制，使得所述燃料电池的所述输出上限电压成为能够避免所述燃料电池老化的第二电压。先驱动转换器时，由于输出上限电压被设定成第二电压，因此，能够预防输出电压达到高电位避免电压。
发明效果
根据上述的发明，由于转换器停止时的燃料电池的输出电压上升得到避免，因此，能够抑制燃料电池老化并能够削减消耗电力。
附图说明
图1是实施方式涉及的FCHV系统的系统结构图。
图2是执行本实施方式涉及的燃料电池系统的电力控制的功能框图。
图3是表示应用了本发明时的作为第一转换器的指令值的输出上限电压Vfc_MAX与实际的燃料电池10的输出电压Vfc的变化的经过图。
图4是表示未应用本发明时的作为第一转换器的指令值的输出上限电压Vfc_MAX与实际的燃料电池10的输出电压Vfc的变化的经过图。
图5是表示应用了本发明时的燃料电池10的输出上限电压Vfc_MAX、输出电压Vfc及燃料气体量的变化的经过图。
图6是表示未应用本发明时的燃料电池10的输出上限电压Vfc_MAX、输出电压Vfc及燃料气体量的变化的经过图。
图7是表示本实施方式中的间歇运转模式的开始阶段处理的控制流程图。
图8是表示本实施方式中的间歇运转模式的中途阶段的燃料气体供给处理的控制流程图。
具体实施方式
接下来，参照附图，对用于实施本发明的优选的实施方式进行说明。
以下的附图的记载是示意性的例子。因此，具体的变化特性等应对照以下的说明进行判断。而且，当然在附图相互之间包含有特性互不相同的部分。而且，在以下的实施方式中，记载有利用一个控制装置进行全部的处理的情况，但也包括多个控制部协作来实现本发明的控制处理的情况。
(定义)
如下所述，对本说明书中使用的语句进行定义。
“间歇运转模式”：是指除系统完全停止以外使燃料电池临时停止发电的运转模式。由于负载少等原因，在无需从燃料电池直接供给电力的状态下执行。为了防止构成燃料电池的单元电池的电压过度下降而对单元电池造成不良影响，间断地执行临时发电。
“高电压系统”：是指燃料电池用转换器(以下说明的第一转换器11)的二次侧系统。其是通过燃料电池用转换器的升压处理通常供给高于燃料电池输出电压的电压的系统。但是，不表示作为高电压系统的二次侧电压始终高于连接于燃料电池的一次侧系统的电压。
“燃料气体”：是指氢气及氧化气体(空气)这双方或任一方。
“可发电量”：是指若该量的燃料气体残留在燃料电池内部，则能够提高输出电压的程度的量。具体而言，是指能够使输出电压Vfc达到对燃料电池的单电池产生不良影响的开路电压OCV的程度的燃料气体的量。
(实施方式)
本实施方式是如下模式：在间歇运转模式下，当判断为燃料电池中残留有可发电量以上的燃料气体时，禁止转换器的停止。
(系统结构)
图1是本实施方式1涉及的搭载于车辆的燃料电池系统100的框图。此种车辆是混合动力型燃料电池车(FCHV：Fuel Cell HybridVehicle)。
燃料电池系统100包括燃料电池10、第一转换器11、第二转换器12、蓄电池13、逆变器14、电动机15、辅机逆变器18、高电压辅机19及控制装置20等。
燃料电池10是将多个单元电池串联层压而构成的发电机构。单元电池具有利用隔板将膜-电极接合体(MEA：Membrane ElectrodeAssembly)夹入的结构。膜-电极接合体具有利用阳极及阴极将高分子电解质膜等离子交换膜夹入的结构。对于阳极，在多孔质支撑层上设置阳极用催化剂层，对于阴极，在多孔质支撑层上设置阴极用催化剂层。从未图示的氢气供给系统经由隔板向各单元电池的阳极供给氢气。从未图示的氧化气体供给系统经由隔板向各单元电池的阴极供给氧化气体(在本实施方式中为空气)。在隔板上形成有冷却液的流路，且从未图示的冷却液供给系统供给冷却液。在燃料电池10中，在阳极发生(1)式的氧化反应，在阴极发生(2)式的还原反应，作为燃料电池10整体，发生(3)式的起电反应。
H2→2H++2e-…(1)
(1/2)O2+2H++2e-→H2O…(2)
H2+(1/2)O2→H2O…(3)
通过将多个单元电池串联连接，使得燃料电池10将输出电压Vfc向输出端子输出。燃料电池10具有规定的电流-电压输出特性(I-V特性)，对应于输出电压Vfc的变化，输出电流及输出电力发生变化。
在燃料电池10的内部，例如在燃料电池10的氢气供给系统的出入口、即供给口或排出口处设有压力传感器21。当氢气的供给因设置于上述供给口及排出口的未图示的截止阀而被切断时，压力传感器21检测燃料电池10内部的氢气供给系统的压力并输出压力检测信号SP。而且，在构成燃料电池10的单元电池处设有单电池监控器22。单电池监控器22检测单元电池的电压并输出单电池电压检测信号SV。
第一转换器11是本发明涉及的电压转换器，具备作为DC-DC转换器的结构。当第一转换器11采用三相运转方式时，其具备例如三相桥式转换器等的电路结构。三相桥式转换器具备由电抗器、整流用的二极管、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极型晶体管)等构成的开关元件。通过将这些元件组合，形成与将输入的直流电压临时转换成交流的逆变器类似的电路部分和对该交流进行再次整流并转换成不同的直流电压的部分。此外，第一转换器11的电路结构不受上述的限制，并且可以采用能够控制燃料电池10的输出电压Vfc的所有结构。
对于第一转换器11，在一次侧连接有燃料电池10的输出端子，在二次侧连接有逆变器14的输入端子。二次侧相当于本实施方式中的高电压系统。按照来自控制装置20的对一次侧的输出上限电压Vfc_MAX进行指示的命令CVfc，对燃料电池10的端子电压、即输出端子电压Vfc的上限电压进行规定。因此，在第一转换器11进行动作时，燃料电池10的输出电压Vfc不会上升至设定的输出上限电压Vfc_MAX以上。第一转换器11对燃料电池10的输出电压Vfc进行电压转换(升压)，并且以使二次侧的高电压系统的电压与规定的逆变器14的输入电压Vinv相匹配的方式进行动作。而且，第一转换器11按照来自控制装置20的对驱动/停止进行指示的命令CVfc，进行启动及停止动作。具体而言，第一转换器11在从控制装置20接到停止动作的命令CVfc时，将内部的开关元件的一部分设为接通状态，一次侧和二次侧成为电直接耦合的状态。而且，第一转换器11在从控制装置20接到对驱动进行指示的命令CVfc时，将一次侧的燃料电池10的输出电压Vfc控制成上次设定的输出上限电压Vfc_MAX以下。
蓄电池13是蓄电装置，其作为由燃料电池10所发出的电力中的剩余电力的储存源、再生制动时的再生能量储存源及伴随燃料电池车辆的加速或减速的负载变动时的能量缓冲器而发挥功能。作为蓄电池13，例如，利用镍-镉蓄电池、镍-氢蓄电池、锂二次电池等二次电池。蓄电池13的输出端子电压VBAT成为第二转换器12的输入电压。
第二转换器12是电压转换器，具备与第一转换器11同样的作为DC-DC转换器的结构。对于第二转换器12，在一次侧连接有蓄电池13的输出端子，在二次侧连接有逆变器14的输入端子。第二转换器12按照来自控制装置20的命令CVinv对二次侧的端子电压(逆变器14的输入电压Vinv)进行控制。例如，在电动机15的要求电力发生变化时，第二转换器12使逆变器14的输入电压Vinv变化至设定的目标输入电压。而且，第一转换器11控制燃料电池10的输出电压Vfc。此外，第二转换器12的电路结构可以采用能够控制逆变器14的输入电压Vinv的所有结构。
逆变器14是电力转换器，其将供给至输入端子的直流电流转换成交流电流并供给至电动机15。逆变器14的电路结构具备：例如以脉宽调制方式来驱动的PWM逆变器电路。逆变器14将具有规定的驱动电压Vd(实效值)的三相交流电力供给至电动机15。
电动机15是车辆行驶用的牵引电动机，其在被供给驱动电力时对本车辆施加推动力，在减速时产生再生电力。差速器16是减速装置，其以规定的比率对电动机15的高速旋转进行减速，并使设有轮胎17的轴旋转。在电动机15上设有转速传感器24。转速传感器24检测电动机15的转速并将转速信号SN输出至控制装置20。
辅机逆变器18是电力转换器，其将供给至输入端子的直流电流转换成交流电流并供给至高电压辅机19。辅机逆变器18的电路结构与上述逆变器14相同。此外，高电压辅机19是用于使本燃料电池系统100发挥功能的未图示的加湿器、空气压缩机、氢泵及冷却液泵等的总称。
控制装置20是控制燃料电池系统100的计算机系统，例如具备CPU、RAM、ROM等。控制装置20输入来自压力传感器21的压力检测信号SP，并检测氢气的压力。而且，控制装置20输入来自单电池监控器22的电压检测信号SV，并能够计测各单元电池的电压值。而且，控制装置20输入来自转速传感器23的转速信号SN，并能够运算电动机15的转速N。此外，控制装置20输入来自传感器组22的各种信号，并实施控制所需的各种运算。此外，作为传感器组22，包括：表示未图示的油门(加速踏板)开度的油门开度传感器；检测燃料电池10的输出电流的电流传感器；检测燃料电池10的输出电压Vfc的电压传感器；检测燃料电池10的冷却液温度的温度传感器；检测空气压缩机、氢泵及冷却液泵等的转速的转速传感器等。
控制装置20参照这些信号对系统整体进行控制。例如，控制装置20进行以下的控制，但并不局限于此。
(1)输入来自未图示的点火开关的开关信号，使燃料电池系统10启动或停止；
(2)读入未图示的油门开度、换挡位置的检测信号、来自转速传感器24的转速检测信号SN，运算作为所需电力供给量的系统要求电力等控制参数；
(3)读入来自压力传感器21的压力检测信号SP，对未图示的空气压缩机的转速进行控制，使得向未图示的氢气供给系统的氢气供给量成为适当的量；
(4)以使得排出至未图示的氧化废气排出路的氧化废气量变得适当的方式进行控制；
(5)基于设置在氢气供给路径及氧化气体供给路径的各处的各种压力传感器的压力相对值，对未图示的主阀的开度或喷射器的压力进行控制，使得供给至氢气供给路径的氢气供给量成为适当的量；
(6)对未图示的氢泵的转速进行控制或对未图示的排气阀的开度进行控制，使得在氢气供给系统的循环路径中循环的氢废气量成为适当的量；
(7)根据运转模式来控制各种阀的开闭；
(8)基于冷却液温度的相对值来运算冷却液的循环量，对设置于未图示的冷却系统的冷却液泵的转速进行控制；
(9)基于通过电压传感器检测到的燃料电池10的输出电压Vfc、通过电流传感器检测到的输出电流Ifc，推测运算燃料电池10的含水量，并对车辆停止时等的扫气量进行控制；以及
(10)对第一转换器11、第二转换器12等构成电力系统的装置进行控制。
尤其是作为对电力系统的控制，控制装置20进行如下的处理。
首先，在通常运转模式下，控制装置20基于油门(加速踏板)开度及电动机转速N来运算电动机要求转矩。接着，基于电动机要求转矩和电动机转速N来运算电动机要求功率。接着，基于电动机要求功率及高电压辅机要求功率来运算发电要求功率。然后，根据燃料电池10的电流-电压(I-V)特性，对为了输出发电要求功率所需的燃料电池10的输出电压Vfc进行运算。根据需要，控制装置20决定燃料电池10与蓄电池13各自的输出电力的分配。然后，将用于将所求出的输出电压Vfc设为相对于燃料电池10的输出上限电压Vfc_MAX的命令CVfc输出至第一转换器11。而且，为了能够读取所求出的蓄电池13的要求电力，将命令CVinv输出至第二转换器12，并对逆变器14的输入电压Vinv、即高电压系统的电压进行控制。
另一方面，在间歇运转模式下，控制装置20执行本发明涉及的控制处理。具体而言，在间歇运转模式下，其特征在于，当判断为燃料电池10中残留有可发电量以上的燃料气体(在本实施方式中为氢气)时，控制装置20进行动作，以禁止第一转换器11的停止。以下，进一步详细地说明功能和动作。
(功能块)
图2表示通过本实施方式1的控制装置20来功能性地实现的燃料电池系统100的功能框图。在间歇运转模式下，控制装置20定期或不定期地调出执行本发明涉及的控制处理(参照图7及图8)的程序，从而功能性地实现这些功能块。
此外，图2所示的功能块是便于区分功能的结构，不必非要如图2那样进行功能分离。若是能够基于图2所列举的输入来指示第一转换器11的启动/停止及燃料电池10的输出上限电压Vfc_MAX的结构，即可以利用与图2不同的功能块来实现同样的功能。
如图2所示，作为功能块，控制装置20具备燃料气体供给停止机构201、残留燃料气体量判断机构202、转换器驱动机构203、转换器停止机构204及间歇运转控制机构205。
燃料气体供给停止机构201是在间歇运转模式下停止燃料气体向燃料电池10的供给的功能块。此处所说的燃料气体是指氢气及氧化气体。例如，燃料气体供给停止机构201关闭设置于向燃料电池10的氢气供给口的截止阀(未图示)及设置于氧化气体供给口的截止阀(未图示)。
残留燃料气体量判断机构202是判断在燃料电池10中是否残留有可发电量以上的燃料气体的功能块。此处所说的燃料气体在本实施方式中是指氢气。但是，也可以利用氧化气体进行同样的处理。而且，还可以利用氢气及氧化气体这双方进行同样的处理。对于残留在燃料电池10中的燃料气体量是否为可发电量的判断，例如，基于以下的方法实施。
(1)利用检测电压进行判断时，在燃料电池10的输出电压(单电池电压)Vfc为预定的阈值电压Vth1以上的情况下，能够判断为燃料电池10残留有可发电量以上的燃料气体。当燃料气体不足时，燃料电池10的输出电压Vfc下降。残留的燃料气体量与燃料电池10的输出电压Vfc具有相关关系。由此，若将燃料电池10的输出电压Vfc与用于判断是否残留燃料气体的阈值电压Vth1进行比较，则能够正确地判定燃料气体的残留状态。此外，检测的电压既可以是由单电池监控器22检测的一个或多个单元电池的电压，也可以是层压后的单元电池整体的电压、即由燃料电池10的输出端子检测的输出电压Vfc。
(2)利用检测压力进行判断时，在燃料气体的压力Pfc为预定的阈值压力Pth以上的情况下，优选判断为燃料电池10中残留有可发电量以上的燃料气体。若燃料气体减少，则燃料电池10的内部的燃料气体的压力减小。燃料气体的压力与残留的燃料气体量直接相关。由此，若将燃料气体的压力P与用于判断是否残留燃料气体的阈值压力Pth进行比较，则能够正确地判定燃料气体的残留状态。此外，在本实施方式中，检测了氢气供给系统的氢气压力，但也可以检测氧化气体供给系统的氧化气体压力。
转换器驱动机构203是如下的功能块：在判定为燃料电池10中残留有可发电量以上的燃料气体时，对第一转换器11进行驱动，使得燃料电池10的输出上限电压Vfc_MAX成为能够避免燃料电池10老化的第一电压V1。
燃料电池10中，当不存在对由第一转换器11驱动的输出上限电压Vfc_MAX的限制时，输出电压Vfc最大，并有可能上升至开路电压OCV。然而，若使输出电压Vfc上升至开路电压OCV，则会带来使燃料电池10的单元电池的电解质膜老化等的不良影响。由此，应该将燃料电池10的输出电压Vfc控制成距开路电压OCV具有富余量的规定电压(将其称为“高电位避免电压”)Vh_LIM以下，以免上升至带来不良影响的电压。
然而，在间歇运转模式下，基本而言，需要使第一转换器11停止。当第一转换器11的驱动停止时，在本实施方式中，一次侧和二次侧被电直接耦合。若第一转换器11的一次侧与二次侧被直接耦合，则第一转换器11的一次侧电压有可能上升至二次侧电压、即逆变器14的输入电压Vinv。逆变器14的输入电压Vinv是由第二转换器12控制的高电压系统的电压，其高于高电位避免电压自不必说，还有可能高于燃料电池10的开路电压OCV。由此，在燃料电池10中残留有可发电量以上的燃料气体时，必须防止输出电压Vfc上升到高电位避免电压以上。因此，在燃料电池10中残留有可发电量以上的燃料气体时，转换器驱动机构203进行控制，使得燃料电池10的输出上限电压Vfc_MAX成为能够避免燃料电池10老化的第一电压V1。需要第一电压V1至少为与高电位避免电压Vh_LIM相同或在其以下。
转换器停止机构204是判断为燃料电池10中未残留可发电量以上的燃料气体时使第一转换器11停止的功能块。若残留在燃料电池10的内部的燃料气体少于可发电量的燃料气体，则即便解除基于输出电压Vfc的输出上限电压的上限值限制，燃料电池10的输出电压Vfc也不会上升。由此，当判断为燃料电池10内部未残留燃料气体时，转换器停止机构204使第一转换器11停止。为了使第一转换器11停止，转换器停止机构204向第一转换器11输出用于使驱动停止的命令CFC_OFF。与动作的停止同时地，第一转换器11的一次侧与二次侧成为直接耦合状态，使得一次侧的电压能够上升至二次侧的逆变器14的输入电压Vinv。然而，到此时为止，由于燃料气体枯竭，因此燃料电池10的输出电压Vfc不会上升。
此外，可以使用预定的阈值来判定燃料电池10中是否存在可发电量以上的燃料气体。当利用燃料电池10的输出电压Vfc(单电池电压)来判定时，根据输出电压Vfc是否在规定的阈值电压Vth1以下来进行判定。当利用燃料电池10的燃料气体压力来判定时，根据燃料气体的压力Pfc是否在规定的阈值压力Pth以下来进行判定。
参照图3及图4，进一步说明上述转换器驱动机构203及转换器停止机构204的功能。
在通常运转模式下，为了得到适当的发电电力，将第一转换器11的输出上限电压Vfc_MAX维持在规定电压V0。通过该第一转换器11的上限设定，燃料电池10的输出电压Vfc也以规定电压V0进行推移。
当进入到间歇运转模式时，如上所述，基本上需要使第一转换器11停止。例如，如图4所示，在表示进入到间歇运转模式的间歇运转标志成为接通状态后，当然也可以立即将第一转换器11的驱动状态从接通状态形成为断开状态即停止状态。当第一转换器11成为停止状态时，如图4所示，第一转换器11的一次侧电压有可能上升至二次侧电压、即逆变器14的输入电压Vinv。然而，在刚进入间歇运转模式之后，仍然残留有若干燃料气体。因此，在刚使第一转换器11停止之后，利用残留的燃料气体进行发电，如图4所示，燃料电池10的实际的输出电压Vfc一下上升至第一转换器11的二次侧电压、即逆变器14的输入电压Vinv。然而，第一转换器11的二次侧电压有时会高于燃料电池10的高电位避免电压Vh_LIM。因此，燃料电池10的输出电压Vfc会超过高电位避免电压Vh_LIM。当由于发电而消耗燃料气体时，输出电压Vfc逐渐下降。尽管如此，在图4的由斜线表示为区域B的区域中，会产生给燃料电池10带来不良影响的输出电压Vfc。
相对于此，如图3所示，在本实施方式中，当判断为燃料电池10中残留有可发电量以上的燃料气体时，在使第一转换器11停止之前，转换器驱动机构203将燃料电池10的输出上限电压Vfc_MAX控制成能够避免燃料电池10老化的第一电压V1。
具体而言，如图3所示，即使进入间歇运转模式而使间歇运转标志成为接通，也无法立刻使第一转换器11停止。取而代之的是，向第一转换器11输出使燃料电池10的输出上限电压Vfc_MAX成为第一电压V1的命令CVfc_V1。因此，即使进入间歇运转模式而使燃料气体的供给停止，在燃料气体充分残留的期间，燃料电池10的输出电压Vfc也不会上升到第一电压V1以上。当残留在燃料电池10内部的燃料气体被消耗至低于可发电量时，输出电压Vfc下降至第一电压V1以下。
并且，如图3所示，当燃料电池10的输出电压Vfc下降至上述规定的阈值电压Vth1以下(也可以为阈值压力Pth以下)时，转换器停止机构204使第一转换器11停止。
此外，从通常运转模式进入间歇运转模式时，在燃料电池10的输出上限电压Vfc_MAX变化较大的情况下，也可以采用使输出上限电压Vfc_MAX平缓变化的处理(以下称为“延迟处理”)。在图3中，使输出上限电压Vfc_MAX从通常运转模式下的规定电压V0变化成间歇运转模式下的第一电压V1的若干期间(区域A)采用延迟处理。通过进行延迟处理，能够抑制因输出电力的急剧增加而对燃料电池10造成的损害。延迟处理能够通过将输出上限电压Vfc_MAX的变化率限制在一定值以下(或一定值)来执行。
间歇运转控制机构205是如下的功能块：在燃料电池10的输出电压Vfc达到应供给燃料气体的阈值电压Vth2时，首先驱动第一转换器11，接下来供给燃料气体。当燃料电池10的输出电压Vfc过度下降时，会对单元电池的电解质膜造成损害。因此，设定阈值电压Vth2作为应供给燃料气体的电压，这是因为若输出电压Vfc下降到该阈值电压Vth2，则供给若干量的燃料气体。此外，也可以替换阈值电压Vth2，可以使用达到该阈值电压Vth2时残留的燃料气体的压力作为阈值压力。而且，例如，在将燃料电池10的氧化气体供给系统的未图示的截止阀打开后，能够通过对压缩机进行若干时间驱动等处理来供给燃料气体。
此处，在驱动第一转换器11时，间歇运转控制机构205将燃料电池10的输出上限电压Vfc_MAX控制成能够避免燃料电池10老化的第二电压V2。上述燃料气体的供给是使燃料电池10进行发电的程度的燃料气体的供给，因此，刚一供给燃料气体，燃料电池10的输出电压Vfc就上升。若该电压成为高电位避免电压Vh_LIM以上，则会对燃料电池10造成不良影响。因此，间歇运转控制机构205先驱动第一转换器11时，将输出上限电压Vfc_MAX设定成第二电压V2。该第二电压V2预先设定成高电位避免电压Vh_LIM以下。
参照图5及图6，进一步对上述间歇运转控制机构205的功能进行说明。
如图6所示，伴随着时间的经过，燃料气体被消耗，在时刻t2达到应供给燃料气体的阈值Vth2。燃料气体的供给量保持为零。此时，如图6所示，在使第一转换器11保持停止的状态下，供给了若干量q的燃料气体。如此一来，该燃料气体的量q超过可发电量，因此燃料电池10的输出电压Vfc急剧上升。此时，第一转换器11成为停止状态，即，一次侧与二次侧被电直接耦合，输出电压Vfc成为有可能上升至二次侧的逆变器14的输入电压Vinv的状态。因此，燃料电池10的输出电压Vfc上升至二次侧的电压Vinv。若该二次侧的电压Vinv大于燃料电池10的高电位避免电压Vh_LIM，则在燃料电池10的电解质中会产生不理想的电压。
因此，如图5所示，本实施方式的间歇运转控制机构205在燃料气体的供给之前将第一转换器11的驱动状态设为接通。即，在时刻t2，若输出电压Vfc达到阈值电压Vth2，则间歇运转控制机构205首先输出使第一转换器11的驱动开始的命令CFC_ON。同时，输出将燃料电池10的输出电压Vfc作为输出上限电压Vfc_MAX设定成第二电压V2的命令CVfc_V2。然后，进行如下控制，在第一转换器11的一次侧的输出上限电压Vfc_MAX实际地成为了第二电压V2后的时刻t3，才供给若干量q的燃料气体。在供给燃料气体的时刻，由于输出上限电压Vfc_MAX的限制已经变得有效，因此即便供给燃料气体，也能将输出电压Vfc维持成高电位避免电压Vh_LIM以下的第二电压V2。
在经过供给了足以使燃料电池10的输出电压Vfc返回某一程度的高度的燃料气体的期间T后的时刻t4，再次停止燃料气体的供给。然后，如图3所示，驱动第一转换器11直到残留的燃料气体量成为可发电量以下，然后使其停止。
(动作)
接下来，参照图7及图8的流程图，对利用上述功能块实现的本实施方式1的燃料电池系统100的控制处理进行说明。以下的控制处理是定期或不定期地被反复执行的处理。例如，在本实施方式中，每隔规定的控制周期，执行图7及图8所示的控制处理的软件程序被调出(被调用)。
首先将运转模式切换成间歇运转模式时，图2的燃料气体供给停止机构201将间歇运转标志设为接通，并停止燃料气体的供给。若燃料气体的供给停止，则残留在燃料电池10的内部的燃料气体逐渐被消耗。
图7的各步骤表示通过图2的残留燃料气体判断机构202、转换器驱动机构203及转换器停止机构204实施的处理。在图7的步骤S10中，表示运转模式为间歇运转模式的间歇运转标志为接通，并且，控制装置20对表示燃料气体为可发电量以下的燃料缺乏判定标志是否成为断开进行判定。
间歇运转标志不为接通的状态(否)是通常运转模式，与该处理无关，因此从该处理返回。
在间歇运转标志为接通的情况下，当燃料缺乏判定标志为断开时(是)，其表示还残留有可发电量以上的燃料气体。在刚进入间歇运转模式之后，燃料气体当然大量地残留，燃料缺乏判定标志为断开。因此，向步骤S11移动，转换器驱动机构203输出命令CVfc_V1，将第一转换器11的一次侧电压、即输出上限电压Vfc_MAX设定成第一电压V1。
接下来，移至步骤S12，残留燃料气体量判断机构202对燃料电池10的输出电压Vfc是否为燃料缺乏判定阈值Vth1以下进行判定，该燃料缺乏判定阈值Vth1用于判定燃料气体是否为可发电量以下。当判定的结果为燃料电池10的输出电压Vfc不在燃料缺乏判定阈值Vth1以下时(否)，表示燃料气体的剩余量多。因此，移至步骤S15，转换器驱动机构203将表示燃料气体为可发电量以下的燃料缺乏判定标志f1设为断开。接下来，移至步骤S16，转换器驱动机构203输出命令CFC_ON及CVfc_V1，驱动第一转换器11，且将输出上限电压Vfc_MAX设定成第一电压V1。在该状态下，燃料气体的消耗持续进行。在进入间歇运转模式第二次以后时执行该处理的情况下，只要残留的燃料气体量在可发电量以上，就执行步骤S15及S16。
另一方面，在步骤S12中，当判定的结果为燃料电池10的输出电压Vfc在燃料缺乏判定阈值Vth1以下时(是)，表示燃料气体的剩余量成为可发电量以下。因此，移至步骤S13，转换器停止机构204将燃料缺乏判定标志f1设为接通。接着，移至步骤S14，转换器停止机构204输出命令CFC_OFF，使第一转换器11停止。
若步骤S16及步骤S14结束，则暂时从处理返回。
图8的各步骤表示通过图2的间歇运转控制机构205实施的处理。在图8的步骤S20中，对间歇运转标志是否为接通进行判断。判定的结果是间歇标志为接通时(是)，移至步骤S21，间歇运转控制机构205对燃料电池10的输出电压Vfc是否为所需的最低限度的燃料气体供给的判定阈值Vth2以上进行判定。当判定的结果是未达到燃料气体供给判定阈值Vth2时(否)，表示燃料气体的残留量未下降到对燃料电池10造成不良影响的程度，因此暂时返回。
当步骤S21的判定的结果是在燃料气体供给判定阈值Vth2以下时(是)，表示燃料气体的残留量下降到对燃料电池10造成不良影响的程度。因此，移至步骤S22，间歇运转控制机构205首先输出命令CFC_ON，指示第一转换器11的启动。接着，移至步骤S22，间歇运转控制机构205输出命令CVfc_V2，将第一转换器11的输出上限电压Vfc_MAX设定成防老化电压、即第二电压V2。接着，向步骤S24移动，间歇运转控制机构205对第一转换器11的输出上限电压Vfc_MAX是否切实地达到了第二电压V2进行判定。若判定的结果是确认为第一转换器11的输出上限电压Vffc_MAX达到了第二电压V2(是)，则移至步骤S25，间歇运转控制机构205开始燃料气体的供给。判定的结果是第一转换器11的输出上限电压Vfc_MAX未达到第二电压V2时(否)，一直等待，直至第二电压V2反映到第一转换器11的输出上限电压Vfc_MAX为止，因此暂时从处理返回。
(本实施方式1的优点)
根据本实施方式1，具有以下的优点。
(1)根据本实施方式，在残留有可发电量以上的燃料气体时，由于第一转换器11的停止被禁止，所以，基于输出上限电压Vfc_MAX而进行的燃料电池10的输出电压Vfc的上限设定有效。由此，能够预防对燃料电池10造成不良影响的情况。
(2)根据本实施方式，在判定为残留有可发电量以上的燃料气体时，以高电位避免电压Vh_LIM以下的第一电压V1为上限对燃料电池10的输出电压Vfc进行限制，因此能够避免燃料电池的老化。
(3)根据本实施方式，在燃料电池10的输出电压Vfc为预定的阈值电压Vth1以上时，判断为残留有可发电量以上的燃料气体，因此能够正确地判定燃料气体的残留状态。
(4)根据本实施方式，在燃料气体的压力为预定的阈值压力Pth以上时，也可以判断为残留有可发电量以上的燃料气体。由此，能够正确地判定燃料气体的残留状态。
(5)根据本实施方式，在判断为燃料电池10中未残留可发电量以上的燃料气体时，才使第一转换器11停止，因此能预防输出电压上升这样的不良情况，且能够有效地减少消耗电压。
(6)根据本实施方式，在燃料电池10的输出电压Vfc达到了用于供给燃料气体的阈值电压Vth2时，首先驱动第一转换器11，接着供给燃料气体。由此，输出电压因燃料气体的供给而开始上升时，基于输出上限电压Vfc_MAX而进行的燃料电池10的输出电压Vfc的上限设定已经有效，因此能够预防输出电压Vfc达到高电位避免电压Vh_LIM。
(7)根据本实施方式，在供给燃料气体之前对第一转换器11进行驱动时，将输出上限电压Vfc_MAX设定成第二电压V2，因此能够预防输出电压Vfc达到高电位避免电压Vh_LIM。
(变形例)
本发明并未限定于上述实施方式，在不违反本发明主旨的范围内能够进行适当变形来适用。
例如，在上述实施方式中，在具备第一转换器11、第二转换器12及逆变器14的燃料电池系统100中应用了本发明，但并未限定为此种结构。在DC-DC转换器仅为一个的系统或具备三个以上的燃料电池系统中，也能够适用本发明。
另外，在上述实施方式中，测定了氢气的残留量，但也可以测定氧化气体量。而且也可以同时测定氢气的残留量和氧化气体的残留量。
另外，在上述实施方式中，在燃料气体成为缺乏状态时将供给的燃料气体选为了氧化气体，但也可以供给氢气。而且，也可以同时供给氧化气体和氢气。
工业实用性
本发明的燃料电池系统及其控制方法并不局限于车辆，也可以搭载于其他的移动体来适用。作为此种移动体，可以适用于列车、船舶、航空器、潜水艇等。而且，并不局限于车辆那样的移动体，也可以适用于固定式电源系统、便携式电源系统。
标号说明
10…燃料电池，11…第一转换器，12…第二转换器，13…蓄电池，14…逆变器，15…电动机，16…差速器，17…轮胎，18…辅机逆变器，19…高电压辅机，20…控制装置，21…压力传感器，22…单电池监控器，23…各种传感器组，24…转速传感器，100…燃料电池系统，201…燃料气体供给停止机构，202…残留燃料气体量判断机构，203…转换器驱动机构，204…转换器停止机构，205…间歇运转控制机构，N…电动机转速，SN…转速信号，SP…压力检测信号，SV…电压检测信号，Vfc…燃料电池10的输出电压，Vinv…逆变器14的输入电压，Vfc_MAX…第一转换器11的输出上限电压，Vh_LIM…高电位避免电压，OCV…开路电压，CVfc…第一转换器11用的控制命令，CVinv…第二转换器12用的驱动控制命令

Claims (12)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，具备：
燃料电池；
转换器，其连接在所述燃料电池与高电压系统之间，并设定所述燃料电池的输出上限电压；及
控制装置，其控制所述燃料电池及所述转换器；
在间歇运转模式下，当判断为所述燃料电池中残留有可发电量以上的燃料气体时，所述控制装置禁止所述转换器的停止。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
当判断为所述燃料电池中残留有所述可发电量以上的燃料气体时，对所述转换器进行控制，使得所述燃料电池的所述输出上限电压成为能够避免所述燃料电池老化的第一电压。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
在所述燃料电池的输出电压为预定的阈值电压以上时，判断为残留有所述可发电量以上的燃料气体。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
在所述燃料气体的压力为预定的阈值压力以上时，判断为残留有所述可发电量以上的燃料气体。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的燃料电池系统，其中，
当判断为所述燃料电池中未残留所述可发电量以上的燃料气体时，使所述转换器停止。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的燃料电池系统，其中，
当所述燃料电池的所述输出电压达到了供给所述燃料气体的阈值电压时，
首先驱动所述转换器，接着供给所述燃料气体。
7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其中，
对所述转换器进行控制，使得所述燃料电池的所述输出上限电压成为能够避免所述燃料电池老化的第二电压。
8.一种燃料电池系统，其特征在于，具备：
逆变器，与负载装置连接；
第一转换器，连接在燃料电池与所述逆变器之间，并设定所述燃料电池的输出上限电压；
第二转换器，连接在蓄电装置与所述逆变器之间，并设定所述逆变器的输入电压；及
控制装置，控制所述第一转换器及所述第二转换器；
在间歇运转模式下，当判断为所述燃料电池中残留有可发电量以上的燃料气体时，所述控制装置禁止所述第一转换器的停止。
9.一种燃料电池系统，具备燃料电池和转换器，该转换器连接在所述燃料电池与高电压系统之间并设定所述燃料电池的输出上限电压，其特征在于，具备：
燃料气体供给停止机构，在间歇运转模式下，停止燃料气体向所述燃料电池的供给；
残留燃料气体量判断机构，判断所述燃料电池中是否残留有可发电量以上的燃料气体；
转换器驱动机构，当判断为所述燃料电池中残留有所述可发电量以上的所述燃料气体时，对所述转换器进行驱动，使得所述燃料电池的所述输出上限电压成为能够避免所述燃料电池老化的第一电压；及
转换器停止机构，当判断为所述燃料电池中未残留所述可发电量以上的所述燃料气体时，使所述转换器停止。
10.根据权利要求9所述的燃料电池系统，其中，
还具备间歇运转控制机构，当所述燃料电池的所述输出电压达到了供给所述燃料气体的阈值电压时，该间歇运转控制机构首先驱动所述转换器，接着供给所述燃料气体。
11.一种燃料电池系统的控制方法，所述燃料电池系统具备燃料电池和转换器，该转换器连接在所述燃料电池与高电压系统之间并设定所述燃料电池的输出上限电压，所述燃料电池系统的控制方法的特征在于，具备：
在间歇运转模式下停止燃料气体向所述燃料电池的供给的步骤；
判断所述燃料电池中是否残留有可发电量以上的燃料气体的步骤；
当判断为所述燃料电池中残留有所述可发电量以上的所述燃料气体时，对所述转换器进行驱动，使得所述燃料电池的所述输出上限电压成为能够避免所述燃料电池老化的第一电压的步骤；及
当判断为所述燃料电池中未残留所述可发电量以上的所述燃料气体时使所述转换器停止的步骤。
12.根据权利要求11所述的燃料电池系统的控制方法，其中，还具备：
当所述燃料电池的所述输出电压达到了供给所述燃料气体的阈值电压时首先驱动所述转换器的步骤；及
在驱动所述转换器后供给所述燃料气体的步骤。
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