CN107851820A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

燃料电池系统具备：第一燃料电池堆和第二燃料电池堆，第二燃料电池堆的输出电压小于第一燃料电池堆的输出电压；切换前堆，其由第一燃料电池堆和第二燃料电池堆中的任一个构成；升压用堆，其由第一燃料电池堆和第二燃料电池堆中的任一个构成；以及切换后堆，其至少由第一燃料电池堆构成，其中，在切换前堆与负载连接的状态下使升压用堆的电压上升后，切换为切换后堆与负载连接的状态。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种具备多个燃料电池堆的燃料电池系统。
背景技术
已知如下一种技术：在具备启动用堆和主堆这两个燃料电池堆的燃料电池系统中，在启动时只由启动用堆进行启动，通过将该启动用堆的排气供给到主堆来使主堆在短时间内升温(参照专利文献1)。启动用堆在启动中被连接于启动用负载，当主堆的升温完成时，启动用堆停止、待机或被连接于主堆。
专利文献1：欧洲专利申请公开1507302号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，在专利文献1中记载的技术中，在变更连接于负载的堆的情况下，在变更的瞬间，在负载产生大的电压变动，因此有可能产生冲击电流、浪涌电压。另外，在将堆串联连接的情况下，由于一个堆的电流流入另一个堆而合计的输出电压有可能大幅度地变动。电压大幅度地变动的燃料电池堆需要被过量地供给燃料以防止劣化，从而输出效率有可能变差。
本发明鉴于上述问题点，其目的在于提供一种能够提高输出电压的稳定性的燃料电池系统。
用于解决问题的方案
燃料电池系统具备：第一燃料电池堆；第二燃料电池堆，其输出电压小于第一燃料电池堆的输出电压；切换前堆，其由第一燃料电池堆和第二燃料电池堆中的任一个构成；升压用堆，其由第一燃料电池堆和第二燃料电池堆中的任一个构成；以及切换后堆，其至少由第一燃料电池堆构成，其中，在切换前堆与负载连接的状态下使升压用堆的电压上升后，切换为切换后堆与负载连接的状态。
发明的效果
根据本发明，能够提供一种通过具有电控装置能够使燃料电池堆的电压上升的结构而能够提高输出电压的稳定性的燃料电池系统。
附图说明
图1是说明本发明的第一实施方式所涉及的燃料电池系统的结构的一例的框图。
图2是说明本发明的第一实施方式所涉及的燃料电池系统所具备的电控装置的电路图。
图3是图示出本发明的第一实施方式所涉及的燃料电池系统的负载电压的一例。
图4是说明本发明的第一实施方式所涉及的燃料电池系统的动作的一例的流程图。
图5是说明本发明的第一实施方式所涉及的燃料电池系统的启动模式下的动作的电路图。
图6是说明本发明的第一实施方式所涉及的燃料电池系统的低输出模式下的动作的电路图。
图7是说明计算本发明的第一实施方式所涉及的燃料电池系统的目标电压的方法的图。
图8是说明本发明的第一实施方式所涉及的燃料电池系统的通常模式下的动作的电路图。
图9是说明计算本发明的第一实施方式所涉及的燃料电池系统的目标电压的方法的电路图。
图10是说明本发明的第一实施方式所涉及的燃料电池系统的高输出模式下的动作的电路图。
图11是模拟本发明的第一实施方式所涉及的燃料电池系统的负载电压所得到的结果。
图12是模拟本发明的第一实施方式所涉及的燃料电池系统的负载电压所得到的结果。
图13是说明本发明的第二实施方式所涉及的燃料电池系统所具备的电控装置的电路图。
图14是说明本发明的第三实施方式所涉及的燃料电池系统所具备的电控装置的电路图。
图15是说明本发明的第四实施方式所涉及的燃料电池系统所具备的电控装置的电路图。
图16是说明本发明的第四实施方式所涉及的燃料电池系统的低输出模式下的动作的电路图。
图17是说明本发明的第四实施方式所涉及的燃料电池系统的高输出模式下的动作的电路图。
图18是模拟本发明的第四实施方式所涉及的燃料电池系统的负载电压所得到的结果。
图19是说明本发明的第五实施方式所涉及的燃料电池系统所具备的电控装置的电路图。
图20是图示出本发明的第五实施方式所涉及的燃料电池系统的负载电压的一例。
图21是模拟本发明的第五实施方式所涉及的燃料电池系统的负载电压所得到的结果。
具体实施方式
参照附图来说明本发明的实施方式。在附图的记载中，对相同或类似的部分标注相同或类似的标记，省略重复的说明。
(第一实施方式)
如图1所示，本发明的第一实施方式所涉及的燃料电池系统具备第一燃料电池堆FC1、第二燃料电池堆FC2、排气路径30、电控装置40、处理部50、存储部60以及负载70。第一实施方式所涉及的燃料电池系统例如是供给燃料电池的电力来作为电动车辆的驱动力的系统。负载70相当于逆变器、马达等。
第一燃料电池堆FC1和第二燃料电池堆FC2例如分别包含通过氢、轻油、汽油、乙醇等燃料与氧之间的化学反应来发电的固体氧化物型燃料电池(SOFC)、聚合物电解质燃料电池(PEFC)等。第一燃料电池堆FC1和第二燃料电池堆FC2分别是通过层叠由燃料电极(阳极)、氧电极(阴极)、电解质以及隔板等构成的电池而构成的电池堆。
第一燃料电池堆FC1是在通常模式时向负载70供给电力的主堆。第一燃料电池堆FC1具备状态检测部10，该状态检测部10检测第一燃料电池堆FC1的输出电压和温度中的至少一个。即，状态检测部10具有电压计和温度计中的至少一个。状态检测部10将检测出的输出电压和温度中的至少一个逐次输出到处理部50。
第二燃料电池堆FC2具有比第一燃料电池堆FC1的发电电容小的发电电容。即，第二燃料电池堆FC2具有比第一燃料电池堆FC1的输出电压小的输出电压。第二燃料电池堆FC2具备状态检测部20，该状态检测部20检测第二燃料电池堆FC2的输出电压和温度中的至少一个。即，状态检测部20具有电压计和温度计中的至少一个。状态检测部20将检测出的输出电压和温度中的至少一个逐次输出到处理部50。另外，第二燃料电池堆FC2为了启动时的升温而具备用于导入来自燃烧器等加热器35的气体的路径。
排气路径30是将在第二燃料电池堆FC2中发电时产生的热作为排气供给到第一燃料电池堆FC1的管路。排气路径30通过供给第二燃料电池堆FC2的热来使第一燃料电池堆FC1升温，以促进第一燃料电池堆FC1的启动。
电控装置40是对第一燃料电池堆FC1和第二燃料电池堆FC2中的至少一个燃料电池堆的电力进行调整后供给到负载70的电路。电控装置40的输入侧与第一燃料电池堆FC1的正极及负极、第二燃料电池堆FC2的正极连接。电控装置40的输出侧与负载70的两个端子连接。负载70的负极侧端子与第二燃料电池堆FC2的负极连接。
电控装置40具有以下模式来作为动作模式：将第一燃料电池堆FC1和第二燃料电池堆FC2中的任一个连接于负载70的模式；将第一燃料电池堆FC1和第二燃料电池堆FC2串联连接于负载70的高输出模式；以及使第二燃料电池堆FC2的电压上升后供给到负载70的升压模式。由处理部50控制电控装置40的各模式的切换。
处理部50除了控制电控装置40的动作以外，还控制第一实施方式所涉及的燃料电池系统进行的动作所需要的处理。处理部50例如能够由微型控制器构成，该微型控制器是具备中央运算处理装置(CPU)、存储器以及输入输出I/F等的集成电路。在该情况下，通过由CPU执行预先安装于微型控制器中的计算机程序来实现处理部50的各功能。微型控制器可以被兼用作与车辆有关的其它控制中使用的电子控制单元(ECU)。
存储部60存储第一燃料电池堆FC1和第二燃料电池堆FC2各自的电流电压特性(IV曲线)。电流电压特性根据第一燃料电池堆FC1和第二燃料电池堆FC2各自的温度不同而不同，因此存储部60存储各温度的电流电压特性。存储部60能够由半导体存储器、磁盘等存储装置构成。
如图2所示，电控装置40例如具备三个开关元件SW3、SW1、SW2以及开关元件SW5，这三个开关元件SW3、SW1、SW2依次串联连接于第一燃料电池堆FC1的正极与负极之间，该开关元件SW5连接于第一燃料电池堆FC1的负极与第二燃料电池堆FC2的负极之间。电控装置40还具备连接于第二燃料电池堆FC2的正极同开关元件SW1与开关元件SW2之间的接点之间的电抗器L2。
开关元件SW1、SW2、SW5例如能够由绝缘栅极场效应晶体管(IGFET)、绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)、MOS-FET等半导体开关元件构成。开关元件SW1、SW2、SW5的各栅极端子连接于处理部50，由处理部50控制开关元件SW1、SW2、SW5的动作。开关元件SW3由以机械方式进行接点的开闭的机械开关构成。由处理部50控制开关元件SW3的动作。
另外，第一实施方式所涉及的燃料电池系统具备连接于第一燃料电池堆FC1的正极与负极之间的电容器C1、连接于第二燃料电池堆FC2的正极与负极之间的C2以及连接于负载70的两个端子之间的电容器CL。
图3是图示出从第一实施方式所涉及的燃料电池系统启动时起到向负载70供给第一燃料电池堆FC1和第二燃料电池堆FC2的电力为止的负载70的两个端子之间的电压(负载电压)VL的一例。
电控装置40在时刻t0～t1的时间a使第二燃料电池堆FC2的输出电压(例如20V)上升到与第一燃料电池堆FC1的输出电压(例如50V)相等的电压后输出到负载70。电控装置40在时刻t1～t2的时间b将电源从第二燃料电池堆FC2切换为第一燃料电池堆FC1，将第一燃料电池堆FC1的输出电压输出到负载70。
电控装置40在时刻t2～t3的时间c使第二燃料电池堆FC2的输出电压上升到同第一燃料电池堆FC1的输出电压与第二燃料电池堆FC2的输出电压之和相等的电压后输出到负载70。电控装置40在时刻t3以后的时间d将电源从第二燃料电池堆FC2切换为第一燃料电池堆FC1和第二燃料电池堆FC2，将串联连接的第一燃料电池堆FC1及第二燃料电池堆FC2的输出电压输出到负载70。
下面，使用图4的流程图，参照图5～10来说明从系统启动时起到将第一燃料电池堆FC1及第二燃料电池堆FC2的电力供给到负载70为止的第一实施方式所涉及的燃料电池系统的动作的一例。通过将搭载第一实施方式所涉及的燃料电池系统的车辆的点火开关接通等，来启动系统并开始一系列的处理。
首先，在步骤S101中，处理部50根据由状态检测部10、20检测出的各温度为规定的阈值以下而转移到启动模式。在启动模式下，处理部50如图5所示那样控制电控装置40，使得开关元件SW1、SW3断开，只有开关元件SW2、SW5接通。此外，在电路图中，虚线表示没有电流流过的布线。在启动模式下，利用加热器35使第二燃料电池堆FC2升温。在第二燃料电池堆FC2中，根据由状态检测部10检测的第二燃料电池堆FC2的温度达到规定的阈值(例如300℃)而堆中流入燃料。当在第二燃料电池堆FC2中产生电动势时，构成电流流过电抗器L2来进行循环的闭合电路。第二燃料电池堆FC2能够利用由发电产生的自身发热，来缩短启动时间。
在步骤S102中，当第二燃料电池堆FC2启动时，如图6所示那样，电控装置40根据处理部50的控制，只将开关元件SW1接通，来只将第二燃料电池堆FC2连接于负载70。另外，排气路径30通过向第一燃料电池堆FC1供给第二燃料电池堆FC2的排气，来使第一燃料电池堆FC1升温，促进第一燃料电池堆FC1的启动。
在步骤S103中，处理部50转移到升压模式，控制电控装置40，使得从第二燃料电池堆FC2输入的电压上升到与第一燃料电池堆FC1的输出电压(开路电压)相等的电压。电控装置40通过在将开关元件SW3断开的状态下将开关元件SW2、SW5与开关元件SW1互不相同地接通/断开，来作为升压斩波电路发挥功能。即，电控装置40在图5所示的状态与图6所示的状态之间交替地切换。电控装置40通过被处理部50调整占空比，能够使第二燃料电池堆FC2的电压平滑地上升到第一燃料电池堆FC1的电压。
在步骤S104中，根据第一燃料电池堆FC1的输出电压和温度中的至少一个达到规定的阈值，第一燃料电池堆FC1开始启动，第一燃料电池堆FC1促进发电。
在步骤S105中，电控装置40根据处理部50的控制来进行用于将连接于负载70的电源从第二燃料电池堆FC2切换为第一燃料电池堆FC1的控制。首先，处理部50从状态检测部10和状态检测部20获取第一燃料电池堆FC1及第二燃料电池堆FC2的温度和电压中的至少一个。燃料电池堆的温度和电压相互关联，因此如果能够掌握一方，则另一方也能够掌握。
处理部50从存储部60读取与第一燃料电池堆FC1的当前的温度对应的电流电压特性P1以及与第二燃料电池堆FC2的当前的温度对应的电流电压特性P2。存储部60如图7所示那样存储与电流电压特性P1对应的输出特性Q1以及与电流电压特性P2对应的输出特性Q2。处理部50如图7的从电流电压特性P2朝向电流电压特性P1的箭头所示的那样基于电流电压特性P1、P2和输出特性Q1、Q2来计算成为与当前的第二燃料电池堆FC2的输出相等的输出的情况下的第一燃料电池堆FC1的估计电压。
电控装置40根据处理部50进行的控制，以第一燃料电池堆FC1的估计电压为目标电压来调整升压模式下的占空比，使得负载电压与目标电压相等。当负载电压上升到目标电压而升压完成时，处理部50使处理前进到步骤S106。
在步骤S106中，处理部50转移到通常模式。如图8所示，电控装置40在通常模式下将开关元件SW1、SW2断开，只将开关元件SW3、SW5接通，来只将第一燃料电池堆FC1连接于负载70。当转移到通常模式时，第二燃料电池堆FC2通过设为停止或保持规定的温度的待机状态，来抑制发电。
在步骤S107中，处理部50判定是否向高输出模式转移。处理部50例如基于车辆的目标速度、目标输出，根据目标负载电压是否超过规定的阈值来判定是否向高输出模式转移即可。在向高输出模式转移的情况下，处理部50使处理前进到步骤S108，在不向高输出模式转移的情况下，处理部50重复进行步骤S106的处理。
在步骤S108中，处理部50暂时转移到升压模式。电控装置40在紧挨着高输出模式之前的升压模式下，使从第二燃料电池堆FC2输入的电压上升到同第一燃料电池堆FC1的输出电压与第二燃料电池堆FC2的输出电压之和相等的电压。电控装置40通过如图5和图6所示那样在将开关元件SW3断开的状态下将开关元件SW2、SW5与开关元件SW1互不相同地接通/断开，来作为升压斩波电路发挥功能。电控装置40通过被处理部50调整占空比，来使第二燃料电池堆FC2的输出电压平滑地上升到第一燃料电池堆FC1的电压与第二燃料电池堆FC2的电压之和。
在步骤S109中，电控装置40根据处理部50的控制，来进行用于将连接于负载70的电源从第一燃料电池堆FC1切换为串联连接的第一燃料电池堆FC1和第二燃料电池堆FC2的控制。处理部50从状态检测部10和状态检测部20获取第一燃料电池堆FC1及第二燃料电池堆FC2的温度和电压中的至少一个。另外，处理部50从存储部60读取与第一燃料电池堆FC1的当前的温度对应的电流电压特性P1以及与第二燃料电池堆FC2的当前的温度对应的电流电压特性P2。
处理部50如图9的从电流电压特性P2朝向电流电压特性P1的箭头所示的那样，基于电流电压特性P1、P2来计算第一燃料电池堆FC1的在流过当前的第二燃料电池堆FC2的电流的情况下的估计电压。
电控装置40根据处理部50进行的控制，以第一燃料电池堆FC1的估计电压与第二燃料电池堆FC2的电压之和为目标电压来调整升压模式下的占空比，使得负载电压与目标电压相等。当负载电压上升到目标电压而升压完成时，处理部50使处理前进到步骤S110。
在步骤S110中，处理部50转移到高输出模式。如图10所示，电控装置40在高输出模式下将开关元件SW1、SW5断开，只将开关元件SW2、SW3接通，来将第一燃料电池堆FC1和第二燃料电池堆FC2串联连接于负载70。
如以上那样，根据第一实施方式所涉及的燃料电池系统，在动作模式转移后负载电压变高的情况下，经由升压模式来转移模式。第一实施方式所涉及的燃料电池系统能够使第二燃料电池堆FC2的电压上升后供给到负载70，因此不另外需要充电电路等，能够低成本、高效率地提高向负载70施加的输出电压的稳定性。
图11是图4的流程图的步骤S103～S106中的负载电压VL的模拟结果。模拟是在电控装置40从只将第二燃料电池堆FC2(切换前堆)连接于负载70的状态向只将第一燃料电池堆FC1(切换后堆)连接于负载70的状态转变的期间进行的。负载电压VL在从时刻0.05秒至0.15秒的期间从第二燃料电池堆FC2(升压用堆)的输出电压V2平滑地上升到与第一燃料电池堆FC1的输出电压V1相等的电压。之后，在时刻0.25，通过从升压模式转移到通常模式，来只将第一燃料电池堆FC1连接于负载70。
一般来说，在连接于负载的堆被切换的情况下，在切换的瞬间在负载产生大的电压变动，因此有可能产生冲击电流、浪涌电压。另一方面，根据第一实施方式所涉及的燃料电池系统，通过在使第二燃料电池堆FC2(升压用堆)的电压上升到与第一燃料电池堆FC1的电压相等的电压之后切换堆，能够降低冲击电流、浪涌电压，从而能够提高向负载70施加的输出电压的稳定性。
图12是图4的流程图的步骤S108～S110中的负载电压VL的模拟结果。模拟是在电控装置40从只将第一燃料电池堆FC1(切换前堆)连接于负载70的状态向将第一燃料电池堆FC1和第二燃料电池堆FC2(切换后堆)串联连接于负载70的状态转变的期间进行的。负载电压VL在从时刻0.08秒至0.11秒的期间从输出电压V1平滑地上升到同输出电压V1与输出电压V2之和相等的电压。之后，在时刻0.25，通过从升压模式转移到高输出模式，来将第一燃料电池堆FC1和第二燃料电池堆FC2串联连接于负载70。
一般来说，在将堆串联连接的情况下，由于一个堆的电流流入另一个堆而合计的输出电压有可能大幅度地变动。另一方面，根据第一实施方式所涉及的燃料电池系统，在使第二燃料电池堆FC2(升压用堆)的电压上升到同第一燃料电池堆FC1的电压与第二燃料电池堆FC2的电压之和相等的电压之后，将第一燃料电池堆FC1和第二燃料电池堆FC2串联连接于负载70。由此，第一实施方式所涉及的燃料电池系统能够降低负载电压的剧烈的变动，从而能够降低不必要的燃料的消耗，提高输出效率。
另外，根据第一实施方式所涉及的燃料电池系统，在第一燃料电池堆FC1的温度和第二燃料电池堆FC2的温度为规定的阈值以下的情况下，使第二燃料电池堆FC2的电压上升后供给到负载70。通过像这样利用电容小的第二燃料电池堆FC2向负载70供给电力，能够缩短系统的启动时间。
另外，根据第一实施方式所涉及的燃料电池系统，通过具备排气路径30，不需要用于使第一燃料电池堆FC1升温的外部燃烧器等，能够高效地使第一燃料电池堆FC1升温。
另外，根据第一实施方式所涉及的燃料电池系统，在第一燃料电池堆FC1的温度和电压中的至少一个超过规定的阈值的情况下，抑制第二燃料电池堆FC2的发电，促进第一燃料电池堆FC1的发电。由此，使每次启动时所需要的第二燃料电池堆FC2的使用频度降低，从而能够减轻劣化。另外，通过将电容大的第一燃料电池堆FC1的电压供给到负载70，能够提高输出效率。
另外，根据第一实施方式所涉及的燃料电池系统，使第二燃料电池堆FC2的电压上升为与基于第一燃料电池堆FC1的电流电压特性P1计算出的估计电压相等的电压。由此，第一实施方式所涉及的燃料电池系统能够降低向通常模式转移时的负载70处的电压变动，从而能够降低冲击电流、浪涌电压的产生。
另外，根据第一实施方式所涉及的燃料电池系统，通过仅在目标负载电压超过规定的阈值的情况下转移到所述高输出模式，能够使每次启动时所需要的第二燃料电池堆FC2的使用频度降低，从而能够减轻劣化。
另外，根据第一实施方式所涉及的燃料电池系统，在向高输出模式转移时，使第二燃料电池堆FC2的电压上升为与基于电流电压特性P1、P2计算的目标电压相等的电压。由此，第一实施方式所涉及的燃料电池系统能够降低从通常模式向高输出模式转移时的负载70处的电压变动，从而能够降低冲击电流、浪涌电压的产生。
另外，根据第一实施方式所涉及的燃料电池系统，在启动时，电控装置40使第二燃料电池堆FC2的电流经由电阻(电抗器)循环到第二燃料电池堆FC2。由此，第二燃料电池堆FC2能够利用由发电产生的自身发热，来缩短启动时间。
(第二实施方式)
如图13所示，本发明的第二实施方式所涉及的燃料电池系统在电控装置40的开关元件SW3不是机械开关而由半导体开关元件构成等方面与第一实施方式不同。在第二实施方式中未说明的其它结构、作用以及效果实质上与第一实施方式相同，由于重复而省略。
开关元件SW3例如能够由绝缘栅极场效应晶体管(IGFET)、绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)、MOS-FET等半导体开关元件构成。开关元件SW3是控制电容大的第一燃料电池堆FC1的电力的功率元件。
在第一实施方式所涉及的燃料电池系统中，开关元件SW3由机械开关构成，因此根据使用条件而有可能发生由电弧引起的熔接等的劣化。另一方面，第二实施方式所涉及的燃料电池系统所具备的开关元件SW3由半导体开关元件构成，因此能够降低劣化，提高耐久性。
(第三实施方式)
如图14所示，本发明的第三实施方式所涉及的燃料电池系统在电控装置40还具备以与开关元件SW3相向的方式连接的开关元件SW4这一点与第二实施方式不同。在第三实施方式中未说明的其它结构、作用以及效果实质上与第一实施方式～第二实施方式相同，由于重复而省略。
开关元件SW4与其它开关元件SW1～SW3、SW5同样地，例如能够由绝缘栅极场效应晶体管(IGFET)、绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)、MOS-FET等半导体开关元件构成。开关元件SW4是控制电容大的第一燃料电池堆FC1的电力的功率元件。开关元件SW4连接于开关元件SW3与第一燃料电池堆FC1之间。
在第二实施方式所涉及的燃料电池系统中，在由半导体开关元件构成的开关元件SW3中内置相对于第一燃料电池堆FC1而言逆向的二极管。因而，电流流入第一燃料电池堆FC1侧，由此负载70侧的电压无法超过第一燃料电池堆FC1的输出电压。另一方面，第三实施方式所涉及的燃料电池系统通过具备相对于开关元件SW3而言逆向连接的开关元件SW4，能够使负载电压上升到电控装置40所能上升的任意的电压。
此外，在第三实施方式所涉及的燃料电池系统中，也可以设为将开关元件SW3、SW4合并的结构，具备双向开关元件，来代替开关元件SW3、SW4。双向开关元件例如由逆阻型IGBT等构成。
(第四实施方式)
如图15所示，本发明的第四实施方式所涉及的燃料电池系统在电控装置40还具备电抗器L1和二极管D这一点与第三实施方式不同。在第四实施方式中未说明的其它结构、作用以及效果实质上与第一实施方式～第三实施方式相同，由于重复而省略。
电抗器L1串联连接于第一燃料电池堆FC1的正极与电容器C1的正极侧端子之间。二极管D串联连接于电抗器L2与电容器C2的青玉侧端子之间。二极管D相对于第二燃料电池堆FC2的输出而言正向连接。
如图16所示，电控装置40在低输出模式下，将开关元件SW2～SW5断开，只将开关元件SW1接通，来只将第二燃料电池堆FC2连接于负载70。
电控装置40在升压模式下，在只将第二燃料电池堆FC2连接于负载70的低输出模式与图17所示的将第一燃料电池堆FC1和第二燃料电池堆FC2串联连接于负载70的高输出模式之间交替地高速切换。即，电控装置40在图16所示的状态与图17所示的状态之间交替地切换。电控装置40通过调整切换的占空比，能够将负载电压从第二燃料电池堆FC2的输出电压任意地控制到第一燃料电池堆FC1的输出电压与第二燃料电池堆FC2的输出电压之和。
例如，在第一实施方式所涉及的燃料电池系统中，在从低输出模式或通常模式向高输出模式转移的情况下，根据使用条件，有可能由于电抗器L1等中蓄积的能量而电流剧烈地流入到第一燃料电池堆FC1或第二燃料电池堆FC2。当电流的变化剧烈时，燃料电池堆无法追踪燃料的供给量，所流入的燃料有可能不足。在该情况下，燃料的不足会导致由于燃料电极的氧化而引起的燃料电池堆的故障或劣化，因此需要过量地供给燃料，针对燃料的输出效率有可能变差。
第四实施方式所涉及的燃料电池系统具备电抗器L1，因此能够降低在切换为将第一燃料电池堆FC1和第二燃料电池堆FC2串联连接于负载70的状态的情况下电流急剧地流过第一燃料电池堆FC1这一情况。即，电控装置40在升压模式下进行控制，使得电抗器L1被一点一点地充电，而不是电容器C1等中蓄积的电荷被瞬间消耗，因此能够降低流过第一燃料电池堆FC1的电流的剧烈的变化。电控装置40能够根据向燃料电池堆供给燃料的控制的响应速度来任意地控制负载电压上升的速度，因此能够降低燃料电池堆的故障、劣化，从而能够提高输出效率。
在第一实施方式所涉及的燃料电池系统中，根据输出条件，在切换时第一燃料电池堆FC1的电流有可能流入第二燃料电池堆FC2。另一方面，根据第四实施方式所涉及的燃料电池系统，具备二极管D，因此能够防止电流流入第二燃料电池堆FC2。
图18是从低输出模式经由升压模式向高输出模式转变的期间的负载电压VL的模拟结果。负载电压VL在从时刻0.05秒至时刻0.23秒为止的升压模式的期间，从第二燃料电池堆FC2(切换前堆、升压用堆)的输出电压V2上升到第一燃料电池堆FC1的输出电压V1与第二燃料电池堆FC2(切换后堆)的输出电压V2之和。由此可知，能够降低流过第一燃料电池堆FC1的电流的变化速度。
(第五实施方式)
如图19所示，本发明的第五实施方式所涉及的燃料电池系统在将电控装置40的结构简单化、删除动作模式这一点与第一实施方式～第四实施方式不同。在第五实施方式中未说明的其它结构、作用以及效果实质上与第一实施方式～第四实施方式相同，由于重复而省略。
电控装置40的输入侧连接于第一燃料电池堆FC1的正极及负极与第二燃料电池堆FC2的正极。电控装置40的输出侧连接于负载70的正极侧端子。负载70的负极侧端子连接于第二燃料电池堆FC2的负极。
电控装置40具备电抗器L11、L12以及开关元件SW1、SW2，电抗器L11、L12依次串联连接于第一燃料电池堆FC1的正极与负载70的正极侧端子之间，开关元件SW1、SW2依次串联连接于电抗器L11、L12的接点与第一燃料电池堆FC1的负极之间。另外，电控装置40具备与开关元件SW1、SW2并联连接的电容器C1。
在第五实施方式所涉及的燃料电池系统中，作为动作模式，除了具有启动模式和通常模式以外，还具有低输出模式、升压模式和高输出模式。处理部50在低输出模式下，控制电控装置40，使得开关元件SW2断开，只有开关元件SW1接通。另外，处理部50在高输出模式下，控制电控装置40，使得开关元件SW1断开，只有开关元件SW2接通。
电控装置40在升压模式下，通过根据处理部50的控制将开关元件SW1和开关元件SW2互不相同地接通/断开，来作为升压斩波电路发挥功能。电控装置40通过调整切换的占空比，能够将负载电压VL从第二燃料电池堆FC2(切换前堆、升压用堆)的输出电压任意地控制到第一燃料电池堆FC1与第二燃料电池堆FC2(切换后堆)的输出电压之和。
图20是图示出从第五实施方式所涉及的燃料电池系统启动时起到将第一燃料电池堆FC1和第二燃料电池堆FC2的电力供给到负载70为止的负载电压VL的一例。
电控装置40在时刻t0～t1期间设为低输出模式，只将第二燃料电池堆FC2连接于负载70。电控装置40在时刻t1～t2期间设为升压模式，在只将第一燃料电池堆FC1连接于负载70的状态与只将第二燃料电池堆FC2连接于负载70的状态之间交替地切换，由此使负载电压VL上升。
图21为低输出模式和升压模式期间的负载电压VL的模拟结果。在从时刻25ms起的区间J，电控装置40以升压模式进行驱动。如图21所示，负载电压VL通过被调整切换的占空比而能够从第二燃料电池堆FC2的输出电压V2在到第一燃料电池堆FC1的输出电压V1与输出电压V2之和的范围K内任意地上升。
根据第五实施方式所涉及的燃料电池系统，通过削减开关元件的个数，能够降低制造成本和升压时的处理负荷。另外，第五实施方式所涉及的燃料电池系统具备一端连接于第一燃料电池堆FC1的正极的电抗器L11，因此能够降低在向将第一燃料电池堆FC1和第二燃料电池堆FC2串联连接于负载70的状态切换的情况下电流急剧地流过第一燃料电池堆FC1。
(其它实施方式)
如上述的那样通过第一实施方式～第五实施方式记载了本发明，但形成该公开的一部分的论述和附图不应被理解为是对本发明进行限定。根据该公开，各种代替实施方式、实施例以及运用技术对于本领域技术人员而言是显而易见的。
例如，在第一实施方式～第五实施方式所涉及的燃料电池系统中，第一燃料电池堆FC1和第二燃料电池堆FC2也可以互换。即，在低输出模式下，只将第一燃料电池堆FC1连接于负载70，在通常模式下，只将第二燃料电池堆FC2连接于负载70。
特别是在第四实施方式所涉及的燃料电池系统中，通过设为使第一燃料电池堆FC1(升压用堆)的电压上升后供给到负载70的结构，能够降低负载电压的变化速度。即，在第四实施方式所涉及的燃料电池系统中，在从通常模式向高输出模式转变的情况下，需要利用输出电压小的第二燃料电池堆FC2暂时转移到升压模式，因此导致电控装置40的输出下降。
与此相对，在通过在只将第一燃料电池堆FC1(切换前堆)连接于负载70的状态与将第一燃料电池堆FC1和第二燃料电池堆FC2(切换后堆)串联连接于负载70的状态之间交替地高速切换来使负载电压上升的情况下，能够抑制电控装置40的输出大幅度下降。
除此以外，不言而喻的是，本发明还包括相互应用第一实施方式～第五实施方式所记载的各结构所得到的结构等在此没有记载的各种实施方式等。因而，本发明的保护范围仅由基于上述的说明妥当的权利要求书所涉及的发明特定事项决定。
产业上的可利用性
根据本发明，能够提供一种通过具有电控装置能够使燃料电池堆的电压上升的结构而能够提高输出电压的稳定性的燃料电池系统。
附图标记说明
30：排气路径；40：电控装置；70：负载；FC1：第一燃料电池堆；FC2：第二燃料电池堆；P1、P2：电流电压特性。

Claims (13)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，具备：
第一燃料电池堆；
第二燃料电池堆，其输出电压小于所述第一燃料电池堆的输出电压；
切换前堆，其由所述第一燃料电池堆和所述第二燃料电池堆中的任一个构成；
升压用堆，其由所述第一燃料电池堆和所述第二燃料电池堆中的任一个构成；
切换后堆，其至少由所述第一燃料电池堆构成；以及
电控装置，其在所述切换前堆与负载连接的状态下使所述升压用堆的电压上升后，切换为所述切换后堆与所述负载连接的状态。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述切换前堆和所述升压用堆由所述第二燃料电池堆构成，
所述切换后堆由所述第一燃料电池堆构成。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述切换前堆由所述第一燃料电池堆构成，
所述升压用堆由所述第一燃料电池堆或所述第二燃料电池堆构成，
所述切换后堆由彼此串联连接的所述第一燃料电池堆和所述第二燃料电池堆构成。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述切换前堆和所述升压用堆由所述第二燃料电池堆构成，
所述切换后堆由彼此串联连接的所述第一燃料电池堆和所述第二燃料电池堆构成。
5.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，
是所述第一燃料电池堆的温度和所述第二燃料电池堆的温度分别为规定的阈值以下的情况。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
还具备排气路径，该排气路径通过向所述第一燃料电池堆供给所述第二燃料电池堆的排气，来使所述第一燃料电池堆升温。
7.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
在所述第一燃料电池堆的温度和电压中的至少一个超过规定的阈值的情况下，所述第二燃料电池堆抑制发电，所述第一燃料电池堆促进发电。
8.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述电控装置使所述第二燃料电池堆的电压上升，使得向所述负载供给的电压相等于基于所述第一燃料电池堆的电流电压特性计算的估计电压。
9.根据权利要求3或4所述的燃料电池系统，其特征在于，
在目标负载电压超过规定的阈值的情况下，所述电控装置转移到高输出模式。
10.根据权利要求9所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述电控装置在向所述高输出模式转移时，使所述第二燃料电池堆的电压上升，使得向所述负载供给的电压相等于基于所述第一燃料电池堆的电流电压特性计算的估计电压与所述第二燃料电池堆的电压之和。
11.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述电控装置通过在将所述第二燃料电池堆连接于所述负载的状态与将所述第一燃料电池堆及所述第二燃料电池堆串联地连接于所述负载的状态之间交替地切换，来使所述第二燃料电池堆的电压上升。
12.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述电控装置通过在将所述第一燃料电池堆连接于所述负载的状态与将所述第一燃料电池堆及所述第二燃料电池堆串联地连接于所述负载的状态之间交替地切换，来使所述第一燃料电池堆的电压上升。
13.根据权利要求1至12中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
在系统启动时，所述第二燃料电池堆根据温度达到规定的阈值而被流入燃料，所述电控装置使所述第二燃料电池堆的电流经由电阻循环到所述第二燃料电池堆。
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