CN106299419A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池系统，在燃料电池系统的发电状态的切换时，抑制燃料电池的输出暂时性地下降。燃料电池系统具备：燃料电池；燃料电池控制用转换器；向燃料电池供给氧化气体的氧化气体供给部；控制燃料电池的电压和电流值的控制部。控制部在第一发电状态下，根据要求输出，基于燃料电池的电流‑电压特性来设定燃料电池的电压和电流值，在第二发电状态下，根据要求输出和要求发热量，将燃料电池的电压和电流值设定为与第一发电状态相比发电效率变低的电压和电流值，在将发电状态从第二发电状态切换为第一发电状态时，使要求发热量下降，在要求输出为基准值以上的情况下，与要求输出小于基准值的情况相比，减小每单位时间使要求发热量下降的量。

Description

燃料电池系统
本申请主张基于在2015年6月24日提出申请的申请编号2015-126112号的日本专利申请的优先权，其公开的全部通过参照而援引于本申请。
技术领域
本发明涉及燃料电池系统。
背景技术
以往，提出了将燃料电池预热至适合发电为止的技术。例如，在JP2009-32605A记载的燃料电池系统中，使燃料电池的动作点从燃料电池的高效率发电状态下的I-V(电流-电压)特性线上脱离，使电压为低电压，并使电流为高电流，由此使燃料电池为低效率发电状态，对燃料电池进行预热。
在不再需要预热的情况下，燃料电池的发电状态从低电压·大电流的低效率发电状态切换为高电压·低电流的通常发电状态。然而，在发电状态的切换时，若在短时间内使电压急剧上升，则可能过大的电流会流过DC/DC转换器。因此，在发电状态的切换时，优选使电压平稳地上升。然而，若使电压平稳地上升，则尽管电压未增加至目标值，但是由于电流值先下降至目标值，因此存在燃料电池的输出暂时性地下降的情况。这样的输出的下降根据燃料电池系统的利用状况而有时无法忽视。
发明内容
本发明为了解决上述的课题而完成，可以作为以下的方式来实现。
(1)根据本发明的一方式，提供一种燃料电池系统。该燃料电池系统具备：燃料电池；燃料电池控制用转换器，与所述燃料电池连接；氧化气体供给部，向所述燃料电池供给氧化气体；以及控制部，使用所述燃料电池控制用转换器和所述氧化气体供给部来控制所述燃料电池的电压和电流值。并且，在第一发电状态下，所述控制部根据要求输出，基于所述燃料电池的电流-电压特性来设定所述燃料电池的电压和电流值，在第二发电状态下，所述控制部根据要求输出和要求发热量，将所述燃料电池的电压和电流值设定为与所述第一发电状态相比发电效率变低的电压和电流值，所述控制部在将发电状态从所述第二发电状态切换为所述第一发电状态时，使所述要求发热量下降，所述控制部在将发电状态从所述第二发电状态切换为所述第一发电状态时，在要求输出为基准值以上的情况下，与要求输出小于所述基准值的情况相比，减小每单位时间的所述要求发热量的下降量。若是这样的方式的燃料电池系统，则在将发电状态从第二发电状态切换为第一发电状态时，在要求输出为基准值以上的情况下，减小要求发热量的每单位时间的下降量，因此在发电状态的切换时，能够抑制电压和电流值急剧变化，并能够抑制燃料电池的输出暂时性地下降。
(2)在上述燃料电池系统中，可以的是，在所述要求输出为所述基准值以上的情况下，所述控制部随着所述燃料电池的电压上升而增大所述每单位时间的所述要求发热量的下降量。若是这样的结构，则在要求输出为基准值以上的情况下，能够抑制燃料电池的输出暂时性地下降，并能够在短时间内将发电状态从第二发电状态切换为第一发电状态。
本发明并不局限于上述的作为燃料电池系统的方式，可以通过各种方式来实现。例如，可以通过具备燃料电池系统的车辆、燃料电池系统的控制方法等方式来实现。
附图说明
图1是表示搭载有燃料电池系统的燃料电池车辆的结构的概略图。
图2是表示燃料电池的I-V特性线和动作点的图。
图3是发电状态切换处理的流程图。
图4A是急速切换处理的时间图。
图4B是恒定输出切换处理的时间图。
图5是用于说明急速切换处理及恒定输出切换处理中的动作点的转变的图。
图6是表示恒定输出切换处理的变形例的时间图。
标号说明
10…燃料电池车辆
100…燃料电池系统
110…燃料电池
112…温度传感器
120…燃料气体供给部
130…氧化气体供给部
131…燃料电池控制用转换器
132…变换器
134…蓄电池控制用转换器
136…牵引电动机
139…车速传感器
140…蓄电池
150…辅机类
180…控制部
190…加速器位置检测部
195…车轮
具体实施方式
A.实施方式：
图1是表示搭载有作为本发明的一实施方式的燃料电池系统100的燃料电池车辆10的结构的概略图。燃料电池车辆10具备燃料电池110、温度传感器112、燃料气体供给部120、氧化气体供给部130、燃料电池控制用转换器131、变换器132、蓄电池控制用转换器134、牵引电动机136、车速传感器139、蓄电池140、辅机类150、控制部180、加速器位置检测部190、车轮195。燃料电池车辆10通过从燃料电池110及蓄电池140中的至少一方供给的电力使牵引电动机136驱动而进行行驶。燃料电池系统100至少包括上述中的燃料电池110、燃料电池控制用转换器131、氧化气体供给部130、控制部180。
燃料电池110在本实施方式中是固体高分子型燃料电池。燃料电池110具有堆叠构造，该堆叠构造是将具备膜电极接合体(MEA)的多个单电池串联地层叠的堆叠构造。从燃料气体供给部120向燃料电池110的阳极供给氢气作为燃料气体。从氧化气体供给部130向燃料电池110的阴极供给空气作为氧化气体。
燃料气体供给部120由氢罐、各种阀、喷射器等构成。燃料气体供给部120基于控制部180的控制，向燃料电池110进行燃料气体的供给。
氧化气体供给部130由空气压缩器、各种阀等构成。氧化气体供给部130基于控制部180的控制，向燃料电池110进行氧化气体的供给。氧化气体供给部130以使燃料电池110的电压成为规定的值的方式按照来自控制部180的指令来调整氧化气体的供给量。伴随于氧化气体的供给量的增加，燃料电池110的电压增加至后述的I-V特性曲线上的动作点为止。
温度传感器112是测定燃料电池110的温度的传感器。温度传感器112通过测定在燃料电池110内流动的制冷剂的温度来测定燃料电池110的温度。
燃料电池控制用转换器131由DC/DC转换器构成。燃料电池控制用转换器131与燃料电池110连接，按照来自控制部180的指令，变更内部的开关元件的开关频率，由此调整燃料电池110的电流值。
蓄电池控制用转换器134由DC/DC转换器构成。蓄电池控制用转换器134经由燃料电池控制用转换器131而与燃料电池110连接。蓄电池控制用转换器134根据来自控制部180的指令而将蓄电池140的状态切换成充电状态及放电状态中的任一状态。
蓄电池140是蓄积由燃料电池110发电的电力能量而能够反复进行充电和放电的蓄电装置。蓄电池140可以由例如锂离子电池构成。蓄电池140也可以是铅蓄电池、镍镉电池、镍氢电池等其他种类的电池。
变换器132将从燃料电池110及蓄电池140中的至少一方得到的直流电力向交流电力转换。转换后的交流电力向牵引电动机136供给。
牵引电动机136由具备三相线圈的同步电动机构成。牵引电动机136从变换器132接受交流电力的供给，对车轮195进行驱动。在通过车轮195的旋转而在牵引电动机136中产生再生电力的情况下，该再生电力由变换器132转换成直流电力，并经由蓄电池控制用转换器134向蓄电池140充电。
车速传感器139是检测燃料电池车辆10的速度的传感器。车速传感器139基于牵引电动机136的转速来检测车速。检测到的车速向控制部180传递。
加速器位置检测部190检测在燃料电池车辆10的驾驶席设置的加速踏板的操作量。检测到的加速器操作量向控制部180传递。
控制部180构成为具备CPU、RAM、ROM和将上述的各部连接的接口电路的计算机。控制部180具备的CPU将记录于ROM的控制程序向RAM载入并执行，由此来控制燃料电池110的发电、蓄电池140的充放电、燃料电池车辆10的驱动。控制部180使用燃料电池控制用转换器131和氧化气体供给部130来控制燃料电池110的电压和电流值。更具体而言，在本实施方式中，控制部180每当控制燃料电池110的发电时，使用燃料电池控制用转换器131来控制燃料电池110的电流值，使用氧化气体供给部130来控制燃料电池110的电压。
图2是表示燃料电池110的I-V特性线Lc和动作点的图。控制部180根据由加速器位置检测部190检测到的驾驶者的加速器操作量、由车速传感器139检测到的燃料电池车辆10的车速，来算出要求输出P。图2示出了表示算出的要求输出P的等输出曲线Lp。并且，在燃料电池110的通常发电状态下，控制部180根据算出的要求输出P，基于燃料电池110中效率良好的I-V特性线Lc来设定燃料电池110的电压和电流值。
在本实施方式中，在通常发电状态下，控制部180以使电压与电流值之积满足要求输出P且燃料电池110的动作点成为I-V特性线上的动作点的方式设定电压和电流值。具体而言，控制部180将动作点设定成为等输出曲线Lp与I-V特性线Lc的交点上的动作点p0(电压V0、电流值I0)。需要说明的是，在交点存在2个的情况下，控制部180将动作点设定成为电压大的交点上的动作点p0(电压V0、电流值I0)。控制部180控制氧化气体供给部130而调整向燃料电池110供给的反应气体的量，由此将燃料电池110的电压调整成设定的动作点p0的电压V0。而且，控制部180通过控制燃料电池控制用转换器131，将燃料电池110的电流值调整成设定的动作点p0的电流值I0。在通常发电状态下，通过这样设定燃料电池110的电压和电流值，能够有效地进行发电。需要说明的是，也将通常发电状态称为第一发电状态或高效率发电状态。
控制部180在使用温度传感器112而检测到的燃料电池110的温度为预先确定的温度(例如，0℃)以下的情况下，为了进行预热而使燃料电池110的发电状态为低效率发电状态。具体而言，首先，控制部180求出要求输出P及为了使燃料电池110升温至适合发电的温度(例如，70～90℃)为止所需的发热量(要求发热量Q)。图2示出了表示要求发热量Q的等发热量曲线Lq。并且，控制部180根据要求输出P和要求发热量Q，将燃料电池110的电压和电流值设定为与通常发电状态相比发电效率变低的电压和电流值。
在本实施方式中，在低效率发电状态下，控制部180以使电压与电流值之积满足要求输出P且来自燃料电池110的开电路电压(OCV)的电压差(＝OCV-V)与电流值之积满足要求发热量Q的方式设定电压和电流值。换言之，控制部180将低效率发电状态下的动作点设定成为等输出曲线Lp与等发热量曲线Lq的交点上的动作点p1(电压V1、电流值I1)。若动作点成为这样的动作点p1，则燃料电池110的动作点从I-V特性线Lc脱离，并且电压成为低电压，电流值成为高电流，因此，在燃料电池110的特性上，发电损失增大，废热量增大。因此，控制部180能够使燃料电池110的温度快速升温，进行预热。需要说明的是，也将低效率发电状态称为第二发电状态或急速预热状态。
在燃料电池110的发电状态为低效率发电状态的情况下，若燃料电池110的温度达到适宜温度，则控制部180将发电状态从低效率发电状态切换成通常发电状态。在本实施方式中，控制部180在将发电状态从低效率发电状态切换成通常发电状态时，使要求发热量下降。更详细而言，控制部180在将发电状态从低效率发电状态切换成通常发电状态时，在要求输出为基准值以上的情况下，与要求输出小于该基准值的情况相比，减小每单位时间的要求发热量的下降量。以下，将发电状态从低效率发电状态切换成通常发电状态的处理称为发电状态切换处理。
图3是通过控制部180执行的发电状态切换处理的流程图。该发电状态切换处理在燃料电池110的发电状态为低效率发电状态的情况下检测到燃料电池110的温度成为适宜温度时被执行。
控制部180执行发电状态切换处理时，首先，判定要求输出是否为基准值以上(步骤S10)。在本实施方式中，该基准值基于燃料电池车辆10停车时所需的输出、或者即使由于发电状态的切换而产生了输出变动的情况下乘坐人员也不会感觉到该输出变动的程度的低输出来确定。基准值可以预先通过进行实验来确定。
控制部180在步骤S10中判断为要求输出小于基准值时(步骤S10：否)，执行急速切换处理(步骤S20)。另一方面，控制部180在步骤S10中判断为要求输出是基准值以上时(步骤S10：是)，执行恒定输出切换处理(步骤S30)。
图4(A)是急速切换处理的时间图。图4(B)是恒定输出切换处理的时间图。图5是用于说明急速切换处理及恒定输出切换处理中的动作点的转变的图。
如图4(A)所示，在急速切换处理中，若燃料电池110的温度成为适宜温度而进行低效率发电的要求被解除，则控制部180在定时t0使要求发热量急速下降成为零。并且，使对燃料电池控制用转换器131进行指令的要求电压平稳地上升至作为目标的电压。这是因为，若使要求电压急剧上升，则根据燃料电池控制用转换器131的特性，可能过大的电流会流过燃料电池控制用转换器131。另一方面，关于要求电流值，使其立即下降。关于过大的电流流过燃料电池控制用转换器131那样的DC/DC转换器的现象，记载于例如日本特开2009-158162号公报(申请人：丰田自动车株式会社)。电压的每单位时间的增加量基于避免过大的电流流过燃料电池控制用转换器131的增加量而预先确定。在定时t1，电压达到作为目标的电压时，发电状态的切换完成。
按照图4(A)所示的时间图，在急速切换处理中，如图5所示，燃料电池110的动作点从低效率发电状态的动作点p1到达通常发电状态的动作点p0之前，首先向动作点p3转移。在动作点p3，虽然电流值与作为目标的通常发电状态的动作点p0相同，但是关于电压，为了保护燃料电池控制用转换器131而为从动作点p1稍上升的程度。即，在急速切换处理中，与每单位时间的电流值的变化率相比，电压的变化率减小。并且，在急速切换处理中，动作点转移到动作点p3之后，电压逐渐升高，最终，动作点成为I-V特性线Lc上的动作点p0，发电状态切换成通常发电状态。
在急速切换处理中，这样动作点以p1、p3、p0的顺序变更时，电流与电压的关系从低电压·大电流状态(动作点p1)成为低电压·低电流状态(动作点p3)，最终成为高电压·低电流(动作点p0)。因此，如图4(A)所示，在低电压·低电流状态的动作点p3附近，燃料电池110的输出暂时性地下降。然而，在本实施方式中，该急速切换处理由于是要求输出为前述的小于基准值的情况，即为燃料电池车辆10停车中的输出的情况或为即使产生输出变动而乘坐人员也不会感觉到该输出变动的程度的输出的情况，因此即使伴随于发电状态的切换而输出暂时性地下降，燃料电池车辆10的驾驶性也不会受损。
如图4(B)所示，在恒定输出切换处理中，若燃料电池110的温度成为适宜温度而进行低效率发电的要求被解除，则控制部180在定时t0以后使要求发热量逐渐下降。即，在恒定输出切换处理中，控制部180使要求发热量的每单位时间的下降量与急速切换处理中的下降量相比减小。并且，控制部180使要求发热量逐渐下降，并使要求电压逐渐增加，而且，同时，使要求电流值逐渐下降。并且，在定时t2，要求发热量成为预先确定的阈值以下的情况下，控制部180停止使用了要求发热量的发电控制，由此完成发电状态的切换。阈值例如是定时t0的要求发热量的十分之一的值等即便使发电状态转变也不会给输出造成大的影响的值。阈值可以预先通过进行实验来确定。
按照图4(B)所示的时间图，在恒定输出切换处理中，如图5所示，燃料电池110的动作点由于要求发热量逐渐下降，因此能够使动作点在等输出曲线Lp上从低效率发电状态的动作点p1平滑地变化至通常发电状态的动作点p0。因此，能够抑制电压及电流的急剧上升，同时能够将输出保持为恒定，并使发电状态转变。
以上说明的本实施方式的燃料电池系统100在将发电状态从低效率发电状态切换为通常发电状态时，根据要求输出来选择是进行急速切换处理还是进行恒定输出切换处理。并且，在要求输出小于基准值的情况下，执行急速切换处理，因此在停车中等的发电状态下，能够将发电状态迅速地切换成通常发电状态。因此，能够立即提高发电效率，能够提高燃耗性能。而且，在要求输出为基准值以上的情况下，执行恒定输出切换处理，减小要求发热量的每单位时间的下降量，因此虽然与急速切换处理相比发电状态的切换所需的时间变长，但是能够抑制电压和电流值急剧变化，并且能够抑制燃料电池110的输出暂时性地下降。因此，能够抑制伴随于发电状态的切换而燃料电池车辆10产生转矩冲击，能够抑制驾驶性受损。
B.变形例：
<变形例1>
图6是表示恒定输出切换处理的变形例的时间图。在本变形例中，控制部180在恒定输出切换处理中，随着电压上升而增大要求发热量的每单位时间的下降量。若这样控制要求发热量的每单位时间的下降量，则容易沿着等输出曲线Lp(参照图5)变更动作点，因此在要求输出为基准值以上的情况下，能够抑制燃料电池110的输出暂时性地下降，并且能够在短时间内将发电状态从低效率发电状态切换成通常发电状态。
<变形例2>
在上述实施方式中，控制部180在发电状态切换处理中，将要求输出与基准值进行比较，来选择是执行急速切换处理还是执行恒定输出切换处理。相对于此，在燃料电池车辆10停车的情况下，控制部180可以不论要求输出如何，都执行急速切换处理。这是因为，若燃料电池车辆10停止，则即便输出暂时性地下降，驾驶性也不会受损。
<变形例3>
在上述实施方式中，控制部180在发电状态切换处理中，将要求输出与基准值进行比较，来选择是执行急速切换处理还是执行恒定输出切换处理。相对于此，控制部180可以不论要求输出如何，在发电状态切换处理中，始终执行恒定输出切换处理。这样的话，无论燃料电池车辆10的驾驶状态如何，都能够抑制伴随于发电状态的切换而输出暂时性地下降。
<变形例4>
在上述实施方式中，控制部180基于燃料电池110的温度来判断是否变更发电状态。相对于此，控制部180也可以基于例如外部气体温度或辅机类150的温度来判断是否变更发电状态。
<变形例5>
在上述实施方式中，用于使燃料电池110预热的要求发热量也可以是预先确定的固定值。而且，可以基于由温度传感器112检测到的温度与燃料电池110的适宜温度之差而动态地算出。而且，可以在要求发热量中加上对燃料电池车辆10进行供暖所需的发热量。
<变形例6>
在上述实施方式中，控制部180在通常发电状态下，将燃料电池110的电压及电流值控制成为I-V特性线Lc上的动作点。然而，控制部180可以不将动作点严格为I-V特性线Lc上的动作点，而控制在不从I-V特性线Lc较大地偏离的范围内。
<变形例7>
在上述实施方式中，使用氧化气体供给部130来调整燃料电池110的电压，使用燃料电池控制用转换器131来调整燃料电池110的电流，但是并不局限于此。也可以使用氧化气体供给部130来调整电流，使用燃料电池控制用转换器131来调整电压。
<变形例8>
在上述实施方式中，燃料电池系统100搭载于燃料电池车辆10。相对于此，燃料电池系统100可以搭载于航空机或船舶等其他移动体。而且，燃料电池系统100也可以作为家庭或企业的电力源而安置于建筑物或土地。
本发明并不局限于上述的实施方式或变形例，在不脱离其主旨的范围内能够以各种结构实现。例如，发明内容一栏记载的各方式中的技术特征所对应的实施方式或变形例中的技术特征为了解决上述的课题的一部分或全部，或者为了实现上述的效果的一部分或全部，可以适当进行更换、组合。而且，该技术特征只要在本说明书中不是作为必须的特征进行说明，就可以适当删除。

Claims (2)

1.一种燃料电池系统，具备：
燃料电池；
燃料电池控制用转换器，与所述燃料电池连接；
氧化气体供给部，向所述燃料电池供给氧化气体；以及
控制部，使用所述燃料电池控制用转换器和所述氧化气体供给部来控制所述燃料电池的电压和电流值，
在第一发电状态下，所述控制部根据要求输出，基于所述燃料电池的电流-电压特性来设定所述燃料电池的电压和电流值，
在第二发电状态下，所述控制部根据要求输出和要求发热量，将所述燃料电池的电压和电流值设定为与所述第一发电状态相比发电效率变低的电压和电流值，
所述控制部在将发电状态从所述第二发电状态切换为所述第一发电状态时，使所述要求发热量下降，
所述控制部在将发电状态从所述第二发电状态切换为所述第一发电状态时，在要求输出为基准值以上的情况下，与要求输出小于所述基准值的情况相比，减小每单位时间的所述要求发热量的下降量。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
在所述要求输出为所述基准值以上的情况下，所述控制部随着所述燃料电池的电压上升而增大所述每单位时间的所述要求发热量的下降量。
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