CN114179640A - 电力系统 - Google Patents

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五十岚大士
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Honda Motor Co Ltd
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Honda Motor Co Ltd
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Abstract

本发明要所要解决的问题在于，提供一种电力系统，所述电力系统能够根据电力系统和蓄电池的状态，以适当的方式进行将燃料电池系统的净输出设为0以下的怠速停止处理。为了解决上述问题，电力系统具备燃料电池堆、供给氢气和空气的系统辅机、高压蓄电池、使车辆行驶的行驶用发动机、及控制装置。控制装置基于车辆和高压蓄电池的状态，选择性地执行以下处理中的任意一种：正常发电处理，将作为燃料电池系统的电输出的净输出设为大于0；第一怠速停止处理，继续系统辅机的运行和燃料电池堆的发电，同时将净输出设为0以下；第二怠速停止处理，继续系统辅机的运行，同时停止燃料电池堆的发电并将净输出设为低于0；及，第三怠速停止处理，同时停止系统辅机的运行和燃料电池堆的发电并将净输出设为0。

Description

电力系统
技术领域
本发明涉及一种电力系统。更详细而言涉及一种具备燃料电池系统及蓄电池的电力系统。
背景技术
在燃料电池车辆上配备有电力系统，所述电力系统具备利用燃料电池进行发电的燃料电池系统、储存从燃料电池系统输出的电力的蓄电池、及消耗从燃料电池系统或蓄电池输出的电力使车辆行驶的行驶用发动机等。燃料电池系统由燃料电池堆和系统辅机等构成，所述燃料电池堆在被供给作为燃料气体的氢气和作为氧化剂气体的空气时进行发电，所述系统辅机向该燃料电池堆供给氢气和空气。
顺便提及，在电力系统中，当行驶用发动机或车辆辅机等车辆负载所需电力较小且蓄电池接近充满电状态时，即燃料电池系统的输出没有接收方，则不论电力系统是否处于运行过程中都需要抑制燃料电池系统的输出。然而，如果每次需要抑制燃料电池系统的输出时都停止燃料电池堆的发电，则此后重新启动燃料电池堆可能需要花费时间，或者可能加速燃料电池堆的劣化。
因此，在专利文献1所述的电力系统中，在需要抑制燃料电池系统的输出时，燃料电池堆在极低负载下继续发电。更具体而言，藉由将系统辅机中包含的气泵供给的空气的一部分从燃料电池堆的阴极流路迂回，从而以低流量向燃料电池堆的阴极流路供给空气，同时，利用低流量的空气下产生的电力继续驱动气泵。由此，在专利文献1所述的电力系统中，可以在不停止燃料电池堆发电的情况下，抑制组合了燃料电池堆和系统辅机的整个燃料电池系统中的电气输出也就是净输出。
[先行技术文献]
(专利文献)
专利文献1：日本特开2017-147140号公报
发明内容
[发明所要解决的问题]
然而，即使负载极低，如果燃料电池堆长时间持续发电，则也可能浪费氢气。另外，由于在极低负载下流过阴极流路的空气的流量减少，因此，发电产生的水的排水性和燃料电池堆的发电稳定性尚存在改善的空间。
本发明的目的在于提供一种电力系统，所述电力系统能够根据电力系统和蓄电池的状态，以适当的方式进行将燃料电池系统的净输出设为0以下的怠速停止处理。
[解决问题的技术手段]
(1)本发明的电力系统的特征在于，具备：燃料电池堆，利用燃料气体和氧化剂气体的电化学反应进行发电；系统辅机，藉由消耗电力供给燃料气体和氧化剂气体；蓄电池，储存从前述燃料电池堆输出的电力；负载，消耗从前述燃料电池堆或前述蓄电池输出的电力；及，控制装置，控制包含前述燃料电池堆和前述系统辅机的燃料电池系统；前述控制装置基于前述电力系统和前述蓄电池的状态，执行以下处理中的任意一种：正常发电处理，利用前述燃料电池堆进行发电并将作为前述燃料电池系统的电输出的净输出设为大于0；第一怠速停止处理，继续进行前述系统辅机的运行和前述燃料电池堆的发电，同时将前述净输出设为0以下；第二怠速停止处理，继续前述系统辅机的运行，同时停止前述燃料电池堆的发电并将前述净输出设为低于0；及第三怠速停止处理，停止前述系统辅机的运行和前述燃料电池堆的发电并将前述净输出设为0。
(2)该情况下优选的是，前述系统辅机具备：气泵；氧化剂气体供给通道，连接前述气泵和前述燃料电池堆；及，旁通流路，从前述氧化剂气体供给通道分支；在前述第一怠速停止处理中，前述控制装置使从前述气泵供给的氧化剂气体的一部分流过前述旁通流路绕过前述燃料电池堆，继续前述燃料电池堆的极低负载发电。
(3)该情况下优选的是，在前述第二怠速停止处理中，前述控制装置藉由停止向前述燃料电池堆供给燃料气体和氧化剂气体中的至少任意一种供给，来停止前述燃料电池堆的发电。
(4)该情况下优选的是，在前述第三怠速停止处理中，前述控制装置进行向前述燃料电池堆的氧化剂气体流路内填充惰性气体的劣化抑制处理后，停止前述系统辅机的运行和前述燃料电池堆的发电。
(5)该情况下优选的是，前述负载包括用于使车辆行驶的行驶用发动机，前述控制装置基于前述车辆的状态和前述蓄电池的状态，选择性地执行前述正常发电处理、前述第一、第二、及第三怠速停止处理中的任意一种。
(6)该情况下优选的是，当前述蓄电池的充电率在规定值以上且前述车辆处于暂停状态中时，前述控制装置执行前述第一怠速停止处理。
(7)该情况下优选的是，当前述蓄电池的充电率在规定值以上且前述车辆处于下坡的行驶过程中时，前述控制装置执行前述第二怠速停止处理。
(8)该情况下优选的是，当前述蓄电池的充电率在规定值以上且前述车辆处于停车状态中时，前述控制装置执行前述第三怠速停止处理。
(9)该情况下优选的是，前述电力系统还具备多组前述燃料电池系统，前述控制装置基于多组前述燃料电池系统中每一组的劣化程度，选择多组前述燃料电池系统中将前述净输出设为0以下的怠速停止对象。
(10)该情况下优选的是，当前述控制装置执行前述第一怠速停止处理或前述第二怠速停止处理时，选择前述多组燃料电池系统中前述劣化程度最低的作为前述怠速停止对象。
(11)该情况下优选的是，当前述控制装置执行前述第三怠速停止处理时，选择前述多组燃料电池系统中前述劣化程度最高的作为前述怠速停止对象。
[发明效果]
(1)控制装置基于电力系统和蓄电池的状态执行正常发电处理、第一怠速停止处理、第二怠速停止处理、及第三怠速停止处理中的任意一种。此处，比较将组合了燃料电池堆及其系统辅机的燃料电池系统的净输出设为0以下的三种怠速停止处理。在第一怠速停止处理中，由于继续系统辅机的运行和燃料电池堆的发电，同时将净输出设为0以下，因此，整个电力系统的能源效率低于第二和第三怠速停止处理，但重新开始发电所需的时间短于第二和第三怠速停止处理。在第三怠速停止处理中，由于同时停止系统辅机的运行和燃料电池堆的发电并将净输出设为0，因此，重新开始发电所需的时间长于第一和第二怠速停止处理，但能源效率高于第一和第二怠速停止处理。另外，在第二怠速停止处理中，继续系统辅机的运行，同时停止燃料电池堆的发电并将净输出设为低于0，因此，重新开始发电所需的时间短于第三怠速停止处理，能源效率高于第一怠速停止处理。在本发明中，控制装置藉由根据电力系统和蓄电池的状态来选择性地执行如上所述的正常发电处理和第一至第三怠速停止处理，从而可以根据电力系统和蓄电池的状态执行适当的怠速停止处理，以免使能源效率和再启动性恶化。
(2)在第一怠速停止处理中，控制装置使从气泵供给的氧化剂气体的一部分流过旁通流路，绕过燃料电池堆，继续燃料电池堆的极低负载发电。由此，可以继续系统辅机的运行和燃料电池堆的发电，同时将净输出设为0以下。
(3)在第二怠速停止处理中，控制装置藉由停止向燃料电池堆供给燃料气体和氧化剂气体中的至少任意一种供给，来停止燃料电池堆的发电。由此，与第三怠速停止处理相比，有可能会加速燃料电池堆的劣化，但可以根据需要快速地重新启动燃料电池堆的发电。
(4)在第三怠速停止处理中，控制装置进行向燃料电池堆的氧化剂气体流路内填充惰性气体的劣化抑制处理后，停止系统辅机的运行和燃料电池堆的发电。由此，与第二怠速停止处理相比，燃料电池堆的重新开始发电所需的时间较长，但可以抑制燃料电池堆的劣化。
(5)根据本发明，藉由基于车辆的状态和蓄电池的状态选择性地执行正常发电处理和第一至第三怠速停止处理中的任意一种，可以根据车辆和蓄电池的状态执行适当的怠速停止处理，以免使能源效率和再启动性恶化。
(6)在本发明中，当蓄电池的充电率在规定值以上且车辆处于暂停状态中时，藉由执行第一怠速停止处理，可以防止蓄电池的过度充电，同时，可以在重新开始行驶时响应驾驶员的需求快速地增加燃料电池系统的输出。
(7)在本发明中，当蓄电池的充电率在规定值以上且车辆处于下坡的行驶过程中时，藉由执行第二怠速停止处理，可以停止燃料电池堆的发电，同时利用从行驶用发动机输出的再生电力驱动系统辅机。因此，根据本发明，可以防止蓄电池的过度充电，同时，可以利用再生电力维持系统辅机的功耗。
(8)如上所述，第三怠速停止处理重新开始发电所需的时间比第一和第二怠速停止处理长。对此，在本发明中，当蓄电池的充电率在规定值以上且车辆处于停车状态中时，即能够判断出驾驶员不打算立即重新开始车辆的行驶时，藉由执行第三怠速停止处理，可以抑制燃料电池堆的劣化，且不会使再启动性恶化。
(9)在本发明中，藉由基于各燃料电池系统的劣化程度，选择多组燃料电池系统中将净输出设为0以下的怠速停止对象，可以使各燃料电池系统的劣化程度接近均匀。
(10)与第三怠速停止处理相比，第一和第二怠速停止处理对燃料电池系统的劣化的影响较大。因此，在本发明中，在执行第一或第二怠速停止处理时，选择多组燃料电池系统中劣化程度最低的作为怠速停止对象。由此，可以使各燃料电池系统的劣化程度接近均匀。
(11)与第一和第二怠速停止处理相比，第三怠速停止处理对燃料电池系统的劣化的影响较小。因此，在本发明中，在执行第三怠速停止处理时，选择多组燃料电池系统中劣化程度最高的作为怠速停止对象。由此，可以使各燃料电池系统的劣化程度接近均匀。
附图说明
图1绘示出本发明的第一实施方式的配备有电力系统的车辆的构成的图。
图2绘示出燃料电池系统的气体系统的构成的图。
图3绘示出在控制装置中基于车辆和高压蓄电池的状态选择性地执行正常发电处理和怠速停止处理中的任意一种的步骤的流程图。
图4绘示出劣化抑制处理中的各装置的控制步骤的时序图。
图5是比较第一至第三怠速停止处理的效果的表。
图6是正常发电处理和怠速停止处理的执行模式的一例的时序图。
图7绘示出本发明的第二实施方式的配备有电力系统的车辆的构成的图。
图8绘示出在控制装置中选择怠速停止对象的步骤的流程图。
具体实施方式
<第一实施方式>
以下，参照附图对本发明的第一实施方式的电力系统进行说明。
图1绘示出本实施方式的配备有电力系统1的车辆V的构成的图。
车辆V具备：驱动轮W；及，电力系统1，在与该驱动轮W连结的行驶用发动机M和后述的燃料电池系统2或高压蓄电池B之间进行电力的授受。车辆V是所谓的燃料电池车辆，其利用燃料电池系统2产生的电力并藉由行驶用发动机M产生的动力进行加速和减速。
电力系统1具备：行驶用发动机M，用于使车辆V行驶；电源转换器4，与该行驶用发动机M连接；燃料电池系统2，使用燃料电池堆20进行发电；高压蓄电池B，储存电力；第一电源线5，连接电源转换器4和燃料电池系统2；第二电源线6，连接第一电源线5和高压蓄电池B；车辆辅机7，与第一电源线5连接；电压转换器8，设置在第二电源线6上；及，控制装置9，控制燃料电池系统2、电源转换器4、及电压转换器8。在该电力系统1中，消耗从燃料电池堆20或高压蓄电池B输出的电力的电气负载主要由行驶用发动机M和车辆辅机7构成。
行驶用发动机M经由未图示的动力传递机构而与驱动轮W连结。藉由从电源转换器4向行驶用发动机M供给三相交流电，行驶用发动机M产生的转矩经由未图示的动力传递机构传递至驱动轮W，使驱动轮W旋转，从而使车辆V行驶。另外，行驶用发动机M在车辆V减速时发挥发电机的功能，产生再生电力，同时，根据该再生电力的大小将再生制动转矩施加给驱动轮W。在电力系统1中，由行驶用发动机M获得的再生电力可以充电给高压蓄电池B，或可以在车辆辅机7和燃料电池系统2中消耗。
高压蓄电池B是一种二次电池，既能够进行将化学能量转换成电能的放电，也能够进行将电能转换成化学能的充电。以下，说明将藉由锂离子在电极间移动来进行充放电的所谓锂离子蓄电池用作该高压蓄电池B的情形，但本发明不限定于此。高压蓄电池B经由第二电源线6和电压转换器8而与第一电源线5连接。
在高压蓄电池B中设置有用于推测其内部状态的蓄电池传感器单元S。蓄电池传感器单元S由多个传感器构成，所述多个传感器用于检测获取充电率(用百分比表示的蓄电池的蓄电量)所需的物理量，并将与检测值相应的信号发送至控制装置9，所述充电率相当于控制装置9中高压蓄电池B的剩余量。更具体而言，蓄电池传感器单元S由检测高压蓄电池B的端子电压的电压传感器、检测流经高压蓄电池B的电流的电流传感器、及检测高压蓄电池B的温度的温度传感器等构成。
电源转换器4在第一电源线5和行驶用发动机M之间进行电源的转换。电源转换器4例如是具有将多个开关元件(例如，IGBT)桥接构成的桥电路的基于脉宽调制的PWM逆变器，具备转换直流电和交流电的功能。电源转换器4在其直流输入/输出侧与第一电源线5连接，在其交流输入/输出侧中与行驶用发动机M的U相、V相、W相的各线圈连接。电源转换器4根据从控制装置9的未图示的栅极驱动电路按规定时机生成的栅极驱动信号，打开/关闭驱动各相的开关元件，藉此，将第一电源线5中的直流电转换成三相交流电并供给至行驶用发动机M，或者将从行驶用发动机M供给的三相交流电转换成直流电供给至第一电源线5。
电压转换器8连接第一电源线5和第二电源线6，并在这两个电源线5,6之间转换电压。该电压转换器8使用例如已知的升压斩波器型DCDC转换器。电压转换器8根据来自控制装置9的命令，提高从高压蓄电池B输出至第二电源线6的电力的电压并供给至第一电源线5，或降低从燃料电池系统2或电源转换器4输出至第一电源线5的电力的电压并供给至第二电源线6，对高压蓄电池B进行充电。
燃料电池系统2具备：燃料电池堆20，利用作为燃料气体的氢气和作为氧化剂气体的空气的电化学反应进行发电；及，系统辅机30，藉由消耗电力将氢气和空气供给至燃料电池堆20等。在燃料电池系统2中，藉由使用燃料电池堆20而产生的电力被输出至第一电源线5。另外，系统辅机30藉由消耗第一电源线5中的电力或燃料电池堆20产生的电力来进行工作。此外，后面参照图2对燃料电池系统2的更加详细的构成进行说明。
车辆辅机7由空调、电池加热器等多个电负载构成。车辆辅机7例如与第一电源线5连接，消耗第一电源线5中的电力进行工作。此外，在本实施方式中，对将车辆辅机7与第一电源线5连接的情况进行说明，但连接车辆辅机7的部分并不限定于此。车辆辅机7例如也可以与第二电源线6连接。
控制装置9藉由操作燃料电池系统2的系统辅机30来控制燃料电池堆20的发电状态，同时，藉由操作电源转换器4和电压转换器8来控制作为从燃料电池系统2向第一电源线5的电输出的净输出和从高压蓄电池B向第一电源线5的电输出的蓄电池输出。由此，从燃料电池系统2和高压蓄电池B向第一电源线5供给车辆辅机7和行驶用发动机M所需的电力。
如后面参照图3详细地说明所述，控制装置9基于电力系统1和高压蓄电池B的状态选择性地执行以下处理中的任意一种：正常发电处理，利用燃料电池堆20发电将净输出设为大于0，从而将行驶用发动机M和车辆辅机7所需的电力供给至第一电源线5；及，怠速停止处理，将净输出设为0以下。
图2绘示出燃料电池系统2的气体系统的构成的图。
燃料电池系统2具备：燃料电池堆20；系统辅机30，向该燃料电池堆20供给氢气和空气；及，稀释器39，对从燃料电池堆20排出的气体进行后处理。
燃料电池堆20是例如层叠有几十个到几百个燃料电池单体的堆栈结构。各燃料电池单体由一对隔膜夹持膜电极结构体(MEA)而构成。膜电极结构体由阳极电极(阴极)和阴极电极(阳极)两个电极和夹持在这些电极上的固体高分子电解质膜构成。两个电极通常由与固体高分子电解质膜相接进行氧化、还原反应的催化剂层和与该催化剂层相接的气体扩散层形成。如果向形成在阳极电极侧的阳极流路21供给氢气，向形成在阴极电极侧的阴极流路22供给包含氧气的空气，则该燃料电池堆20利用这些的电化学反应进行发电。
系统辅机30被分为与氢气的供给相关的阳极系统3a和与空气的供给相关的阴极系统3c。
阳极系统3a构成为包含氢气罐31、从氢气罐31至阳极流路21的导入部的氢气供给管32、从阳极流路21的排出部至稀释器39的氢气排出管33、及从氢气排出管33分支到达氢气供给管32的氢气回流管34。包含氢气的气体的氢气循环流路由氢气供给管32、阳极流路21、氢气排出管33、及氢气回流管34构成。
氢气罐31具备高压储存氢气气体的罐主体311和设置在从罐主体311延伸的氢气供给管32的主止回阀312。主止回阀312根据来自控制装置9的命令打开和关闭。
在氢气供给管32中比主止回阀312更靠近下游侧设置有将从氢气罐31供给的新的氢气气体向燃料电池堆20喷射的喷射器35和阳极压力传感器37。喷射器35根据来自控制装置9的命令打开和关闭。阳极压力传感器37检测燃料电池堆20的阳极流路21内的压力(以下称为“阳极压力”)，并将与检测值相应的信号发送至控制装置9。
此外，以下，将氢气供给管32中喷射器35和主止回阀312之间的区间称为中压部321。在中压部321内的压力足够高的状态下打开/关闭驱动喷射器35，由此发电过程中的燃料电池堆20的阳极压力被控制在规定的目标压力。此外，即使在主止回阀312关闭之后，在该中压部321内残留足够量的氢气气体的期间，也可以藉由控制装置9打开/关闭驱动喷射器35来控制阳极压力。
在氢气回流管34上设置有氢气泵36，其将氢气排出管33侧的气体泵送到氢气供给管32，并使包含氢气的气体在氢气循环流路内循环。氢气泵36根据来自控制装置9的命令进行工作。在氢气排出管33中比与上述氢气回流管34的连接部更靠近下游侧设置有吹扫阀33a。吹扫阀33a根据来自控制装置9的命令打开和关闭。如果在氢气循环流路内循环的气体的氢气浓度降低，则燃料电池堆20的发电效率降低。因此，吹扫阀33a在燃料电池堆20的发电过程中在适当的时机被打开。由此，氢气循环流路内的气体被排出至稀释器39。
阴极系统3c构成为包含气泵23、连接气泵23和阴极流路22的导入部的空气供给管24、从阴极流路22的排出部至稀释器39的空气排出管25、从空气排出管25分支到达空气供给管24的空气回流管26、及从空气供给管24分支到达氢气供给管32和稀释器39的堆栈旁通管27。包含氧气的气体的氧气循环流路由空气供给管24、阴极流路22、空气排出管25、及空气回流管26构成。
气泵23经由空气供给管24将系统外的空气供给至燃料电池堆20的阴极流路22。气泵23根据来自控制装置9的命令进行工作。另外，在空气排出管25上设置有用于调整阴极流路22内的压力的背压阀25b和阴极压力传感器29。背压阀25b根据来自控制装置9的命令打开和关闭。阴极压力传感器29检测燃料电池堆20的阴极流路22内的压力(以下，称为“阴极压力”)，并将与检测值相应的信号发送至控制装置9。藉由使用气泵23供给空气，同时调整背压阀25b的开度，可以将发电过程中的燃料电池堆20的阴极压力控制在与燃料电池堆20的发电状态相应的合适的大小。
在空气回流管26上设置有废气再循环泵(Exhaust Gas Re-circulation,EGR)28，其将空气排出管25侧的气体泵送至空气供给管24，并使包含氧气的气体在氧气循环流路内循环。EGR泵28根据来自控制装置9的命令进行工作。在空气供给管24中比与空气回流管26的连接部更靠近气泵23侧设置有入口密封阀24a，其在燃料电池系统2停止的状态中防止外气从气泵23侧向阴极流路22侧流入。另外，在空气排出管25中比与空气回流管26的分支部更靠近稀释器39侧设置有出口密封阀25a，其在燃料电池系统2停止的状态中防止外气从稀释器39侧向阴极流路22流入。这些密封阀24a，25a根据来自控制装置9的命令打开和关闭。在后述的劣化抑制处理(参照后述的图4)中，这些密封阀24a，25a在向阴极流路22填充了氧气浓度较低的惰性气体的状态下关闭，抑制燃料电池堆20的劣化。
在堆栈旁通管27上设置有控制从气泵23向稀释器39流动的空气的流量的旁通阀27a和控制从气泵23向氢气供给管32流动的空气的流量的扫气阀27b。这些旁通阀27a和扫气阀27b根据来自控制装置9的命令打开和关闭。旁通阀27a例如在关闭了背压阀25b，不能从空气排出管25向稀释器39供给稀释气体的情况下打开，将气泵23的正下方的空气供给至稀释器39。在停止燃料电池堆20的发电的期间，在利用从气泵23供给的空气排出残留在氢气循环流路内的杂质的扫气处理时扫气阀27b被打开。此外，在本实施方式中，使用配管连接堆栈旁通管27和氢气供给管32，对在该配管上设置有扫气阀27b的情况进行说明，但本发明并不限定于此。这些配管和扫气阀27b并不一定必须设置。
稀释器39将经由上述的背压阀25b和旁通阀27a导入的气体作为稀释气体，对经由吹扫阀33a排出的包含氢气的气体进行稀释，并排出至系统外。
图3绘示出在控制装置9中基于车辆V和高压蓄电池B的状态选择性地执行正常发电处理和怠速停止处理中的任意一种的步骤的流程图。在控制装置9中以规定的周期反复执行图3所示的处理。
如图3所示，控制装置9可以执行第一怠速停止处理、第二怠速停止处理、及第三怠速停止处理作为将燃料电池系统2的净输出设为0以下的怠速停止处理。
在第一怠速停止处理中，控制装置9控制继续系统辅机30的运行和燃料电池堆20的发电，同时将净输出设为0以下。即在第一怠速停止处理中，控制装置9藉由利用燃料电池堆20产生的所有电力使系统辅机30工作，从而将净输出设为0以下。
更具体而言，在第一怠速停止处理中，对于阳极系统3a，控制装置9驱动喷射器35，并向燃料电池堆20的阳极流路21供给氢气。另外，对于阴极系统3c，驱动气泵23，并将空气供给至空气供给管24，同时，打开旁通阀27a，使从气泵23向空气供给管24供给的空气的一部分流过堆栈旁通管27，绕过燃料电池堆20的阴极流路22。即在第一怠速停止处理中，与正常发电处理相比，藉由减小阴极流路22中的空气流量来继续燃料电池堆20的极低负载发电。此处，用于继续使系统辅机30(特别是气泵23)的运行所需的电力使用燃料电池堆20中的极低负载发电产生的电力。即，在第一怠速停止处理中，藉由将燃料电池堆20的发电电力设为系统辅机30的耗电量以下，从而将净输出设为0以下。此外，在将燃料电池堆20的发电电力设为低于系统辅机30的耗电量时的不足量使用从行驶用发动机M向第一电源线5供给的再生电力或从高压蓄电池B向第一电源线5供给的电力。
此外，在进行第一怠速停止处理期间，有时燃料电池堆20的发电电力由于某种原因会暂时大于系统辅机30的耗电量，净输出暂时大于0。这种情况下，系统辅机30没有消耗完的剩余量暂时储存在高压蓄电池B中，之后，在燃料电池堆20的发电电力低于系统辅机30的耗电量时，也可以从高压蓄电池B供给系统辅机30中的不足量。
此外，有时在燃料电池堆20中设置有作为相对于可持续发电的发电量的下限的最低发电量。另外，根据燃料电池堆20的发电环境，该最低发电量有时也会超过系统辅机30中的耗电量。这种情况下，由于不能将净输出持续设为0以下，因此，控制装置9无法执行第一怠速停止处理，而可以执行以下说明的第二怠速停止处理。即，也可以关闭燃料电池堆20的发电，同时，利用从高压蓄电池B等供给的电力继续使系统辅机30工作。
在第二怠速停止处理中，控制装置9控制继续系统辅机30的运行，同时停止燃料电池堆20的发电，并将净输出设为低于0。即在第二怠速停止处理中，控制装置9继续驱动系统辅机30中的气泵23，同时，藉由停止向燃料电池堆20的阳极流路21供给氢气和停止向阴极流路22供给空气中的至少一种来暂停燃料电池堆20的发电。此处，例如藉由停止驱动喷射器35，然后关闭吹扫阀33a可以停止向阳极流路21供给氢气。另外，对于阴极系统3c，例如藉由在关闭入口密封阀24a和出口密封阀25a且打开旁通阀27a的状态下继续驱动气泵23，可以继续驱动气泵23，同时停止向阴极流路22供给空气。此处，用于使系统辅机30(特别是气泵23)工作所需的电力使用从行驶用发动机M向第一电源线5供给的再生电力或从高压蓄电池B向第一电源线5供给的电力。即，在第二怠速停止处理中，藉由停止燃料电池堆20的发电，同时继续驱动系统辅机30，从而将净输出设为低于0。
另外，在第三怠速停止处理中，控制装置9控制同时停止系统辅机30的运行和燃料电池堆20的发电，并将净输出设为0。更具体而言，在第三怠速停止处理中，控制装置9进行用于藉由向燃料电池堆20的阴极流路22内填充惰性气体来抑制燃料电池堆20的劣化的劣化抑制处理后，同时停止系统辅机30的运行和燃料电池堆20的发电。
图4绘示出劣化抑制处理中的各装置的控制步骤的时序图。劣化抑制处理是用于抑制燃料电池堆20的劣化的处理，由增压处理(t1～t2)、EGR排放处理(t2～t3)、及保压处理(t3～t4)三个处理构成。
增压处理是在执行EGR排放处理之前预先将阳极压力升压至优选的压力的处理。更具体而言，在增压处理中，控制装置9在打开主止回阀312确保中压部321充足的压力的状态下基于阳极压力传感器37的输出反馈控制喷射器35，以使得阳极压力形成后述的目标压力。
EGR排放处理是为了防止燃料电池堆20的劣化而在完全停止燃料电池堆20的发电之前消耗残留在阴极流路22中的氧气的处理。针对阳极系统3a的装置，控制装置9在打开主止回阀312的状态下利用喷射器35将阳极压力控制在预定的目标压力(以下称为“排放时目标压力”)，同时，利用氢气泵36使氢气循环流路内的氢气气体循环。针对阴极系统3c的装置，控制装置9在关闭入口密封阀24a和出口密封阀25a的状态下驱动气泵23，从而将阴极压力维持在规定的目标压力。另外，控制装置9驱动EGR泵28，使气体在氧气循环流路内循环，从而使氧气循环流路内的氧气浓度缓慢降低。在EGR排放处理中，将氢气循环流路和氧气循环流路维持在如上所述的状态，同时进行燃料电池堆20的发电和排放规定时间，从而使氧气循环流路内的氧气浓度降低。执行EGR排放处理直到经过可以判断出直到氧气循环流路内的氧气浓度下降至规定浓度或氧气浓度下降至规定浓度的程度的时间。
保压处理是在EGR排放处理结束后，对阳极压力进一步升压的处理。更具体而言，在保压处理中，在打开主止回阀312的状态下藉由喷射器35将阳极压力升压至比上述的排放时目标压力高的规定的保压时目标压力。此外，此时，优选的是气泵23与喷射器35连动而设为OFF(参照图4中时刻t4)。
藉由在如上所述的步骤中执行劣化抑制处理，从而向燃料电池堆20的阴极流路22填充氧气浓度较低的惰性气体，阳极流路21藉由氢气气体维持在高压。由此，尽可能地抑制来自阴极侧的残留氧气的渗透，并且可以抑制燃料电池堆20的劣化。
图5是比较第一至第三怠速停止处理的效果的表。对燃料电池堆20的劣化的影响按第三怠速停止处理、第一怠速停止处理、及第二怠速停止处理的顺序增大。即，在第三怠速停止处理中，由于在如上所述进行完劣化抑制处理之后停止燃料电池堆20的发电，因此，对燃料电池堆20的劣化的影响最小。另外，在第二怠速停止处理中，由于在没有进行劣化抑制处理的情况下停止燃料电池堆20的发电，因此，对燃料电池堆20的劣化的影响最大。
整个电力系统1的能源效率按第一怠速停止处理、第二怠速停止处理、及第三怠速停止处理的顺序提高。在第一怠速停止处理中，由于继续系统辅机30的运行，同时继续燃料电池堆20的发电，因此，能源效率最低。另外，在第三怠速停止处理中，由于同时停止系统辅机30的运行和燃料电池堆20的发电，因此，能源效率最高。
另外，第二怠速停止处理重新开始燃料电池堆20的发电所需的时间短于第三怠速停止处理。在第三怠速停止处理中，如上所述执行劣化抑制处理，并向阴极流路22填充惰性气体，因此，与第二怠速停止处理相比，其重新开始燃料电池堆20的发电所需的时间较长。
返回图3，在S1中，控制装置9判断是否满足规定的怠速停止条件。此处，怠速停止条件是指用于停止执行正常发电处理并开始执行第一至第三怠速停止处理的条件。以下，对怠速停止条件为高压蓄电池B的充电率为规定的上限值以上且相对于藉由未图示的处理计算出的净输出的需求值为0以下的情况进行说明。此处，相对于净输出的需求值为0以下的情况是指例如车辆V停止的情况或车辆V处于下坡的行驶过程中的情况等。
在S1的判定结果为“否”时，控制装置9执行正常发电处理(参照S2)，结束图3所示的处理。
在S1的判定结果为“是”时，控制装置9转移至S3。在S3中，控制装置9判定车辆V是否处于停车状态中。此处，车辆V是否处于停车状态中可以藉由以下方式来判定，例如车辆V的档位是否处于驻车档、车速为0km/h且驻车制动是否运行、或车速为0km/h且从导航系统获得的车辆V的当前位置是否在停车位内。当S3的判定结果为“是”时，即可以判断出驾驶员不打算立即重新开始车辆V的行驶时，控制装置9执行第三怠速停止处理(参照S4)，结束图3所示的处理。
当S3的判定结果为“否”时，控制装置9转移至S5。在S5中，控制装置9判定车辆V是否处于下坡的行驶过程中。当S5的判定结果为“否”时，更具体而言，例如车辆V处于暂停状态中时，控制装置9执行第一怠速停止处理(参照S6)，结束图3所示的处理。
S5的判定结果为“是”时，即车辆V处于下坡的行驶过程中时，控制装置9执行第二怠速停止处理(参照S7)，结束图3所示的处理。
图6绘示出正常发电处理和怠速停止处理的执行模式的一例的时序图。在图6的例子中表示驾驶员在时刻t10～t17的期间将档位设为驱动档、在时刻t17～t19的期间将档位设为驻车档的情形。另外，在图6的例子中表示驾驶员在时刻t11～t13的期间藉由信号等待暂停车辆V、在时刻t14～t16的期间在下坡处行驶、在时刻t17～t19的期间将档位换成驻车档时打开车辆辅机7的空调的情形。
首先，在时刻t10～t11的期间，控制装置9执行正常发电处理，并与高压蓄电池B协作向车辆辅机7和行驶用发动机M供给电力。之后，在时刻t11车辆V形成信号等待的状态，藉由从燃料电池系统2输出的电力，高压蓄电池B的充电率上升。
之后，在时刻t12，响应于高压蓄电池B的充电率到达上限值，控制装置9开始第一怠速停止处理。在执行第一怠速停止处理的期间，由于燃料电池堆20中的低负载发电产生的电力被在系统辅机30中消耗，因此，净输出成为0，高压蓄电池B的充电率为上限值且几乎固定。
之后，在时刻t13，响应于驾驶员重新开始车辆V的行驶，并响应于高压蓄电池B的充电率开始从上限值下降，控制装置9结束第一怠速停止处理，开始正常发电处理。
之后，在时刻t14，车辆V开始在下坡处行驶，从而控制装置9利用在行驶用发动机M中产生的再生电力开始高压蓄电池B的充电，充电率开始上升。
之后，在时刻t15，响应于高压蓄电池B的充电率到达上限值，控制装置9开始第二怠速停止处理。在执行第二怠速停止处理期间，控制装置9停止燃料电池堆20的发电，同时，利用行驶用发动机M中产生的再生电力继续系统辅机30的运行。
之后，在时刻t16，响应于下坡结束且高压蓄电池B的充电率开始从上限值下降，控制装置9结束第二怠速停止处理，开始正常发电处理。此时，在第二怠速停止处理中，由于继续系统辅机30的运行，同时暂停燃料电池堆20的发电，因此，在时刻t16，可以立即重新开始燃料电池堆20的发电，并转移至正常发电处理。
之后，在时刻t17，驾驶员停止车辆V，将档位换成驻车档。因此，藉由从燃料电池系统2输出的电力，高压蓄电池B的充电率上升。
之后，在时刻t18，响应于在档位为驻车档的状态下高压蓄电池B的充电率到达上限值，控制装置9结束正常发电处理，开始第三怠速停止处理。在第三怠速停止处理中，在执行劣化抑制处理之后，停止系统辅机30的运行和燃料电池堆20的发电。因此，在时刻t18之后，由于车辆辅机7消耗从高压蓄电池B供给的电力进行工作，因此，高压蓄电池B的充电率缓慢下降。
根据本实施方式的电力系统1，起到以下的效果。
(1)控制装置9基于车辆V和高压蓄电池B的状态，选择性地执行正常发电处理、第一怠速停止处理、第二怠速停止处理、及第三怠速停止处理中的任意一种。此处，比较将组合了燃料电池堆20及其系统辅机30的燃料电池系统的净输出设为0以下的三种怠速停止处理。在第一怠速停止处理中，由于继续系统辅机30的运行和燃料电池堆20的发电，同时将净输出设为0以下，因此，整个电力系统1的能源效率低于第二和第三怠速停止处理，但重新开始发电所需的时间短于第二和第三怠速停止处理。在第三怠速停止处理中，由于同时停止系统辅机30的运行和燃料电池堆20的发电并将净输出设为0，因此，重新开始发电所需的时间比第一和第二怠速停止处理长，但能源效率高于第一和第二怠速停止处理。另外，在第二怠速停止处理中，由于继续系统辅机30的运行，同时停止燃料电池堆20的发电并将净输出设为低于0，因此，重新开始发电所需的时间短于第三怠速停止处理，能源效率高于第一怠速停止处理。在本实施方式中，控制装置9根据车辆V和高压蓄电池B的状态，选择性地执行如上所述的正常发电处理和第一至第三怠速停止处理，从而可以根据车辆V和高压蓄电池B的状态执行适当的怠速停止处理，以免使能源效率和再启动性恶化。
(2)在第一怠速停止处理中，控制装置9使从气泵23供给的空气的一部分流过堆栈旁通管27，绕过燃料电池堆20，继续燃料电池堆20的极低负载发电。由此，可以继续系统辅机30的运行和燃料电池堆20的发电，同时将净输出设为0以下。
(3)在第二怠速停止处理中，控制装置9藉由停止向燃料电池堆20供给氢气和空气中的至少一种，来停止燃料电池堆20的发电。由此，与第三怠速停止处理相比，有可能会加速燃料电池堆20的劣化，但可以根据需求迅速重新开始燃料电池堆20的发电。
(4)在第三怠速停止处理中，控制装置9进行向燃料电池堆20的阴极流路22内填充惰性气体的劣化抑制处理后，停止系统辅机30的运行和燃料电池堆20的发电。由此，与第二怠速停止处理相比，燃料电池堆20的重新开始发电所需的时间增长，但可以抑制燃料电池堆20的劣化。
(5)根据本实施方式，基于车辆V的状态和高压蓄电池B的状态，选择性地执行正常发电处理和第一至第三怠速停止处理中的任意一种，从而可以基于车辆V和高压蓄电池B的状态执行适当的怠速停止处理，以免使能源效率和再启动性恶化。
(6)在本实施方式中，当高压蓄电池B的充电率为上限值以上且车辆V处于暂停状态中时，藉由执行第一怠速停止处理，防止高压蓄电池B的过度充电，同时，可以在重新开始行驶时响应驾驶员的需求快速地增加燃料电池系统2的输出。
(7)在本实施方式中，当高压蓄电池B的充电率为上限值以上且车辆V处于下坡的行驶过程中时，藉由执行第二怠速停止处理，可以停止燃料电池堆20的发电，同时利用从行驶用发动机M输出的再生电力驱动系统辅机30。因此，根据本实施方式，防止高压蓄电池B的过度充电，同时，可以利用再生电力维持系统辅机30的功耗。
(8)如上所述，与第一和第二怠速停止处理相比，第三怠速停止处理重新开始发电所需的时间较长。对此，在本实施方式中，当高压蓄电池B的充电率为上限值以上且车辆V处于停车状态中时，即在可以判断出驾驶员不打算立即重新开始车辆V的行驶时，执行第三怠速停止处理，藉此，可以抑制燃料电池堆20的劣化而不会使再启动性恶化。
<第二实施方式>
接着，参照附图对本发明的第二实施方式的电力系统进行说明。此外，在以下的第二实施方式的电力系统的说明中，对与第一实施方式的电力系统和相同的构成标注相同的符号，省略详细的说明。
图7绘示出本实施方式的配备有电力系统1A的车辆VA的构成的图。如图7所示，本实施方式的电力系统1A与第一实施方式的电力系统1的不同点在于，具备多组(在图7的例子中为3组)燃料电池系统2a,2b,2c，且控制装置9A的构成不同。此外，各燃料电池系统2a,2b,2c的具体的构成与参照图2说明的燃料电池系统2几乎相同，因此，省略详细的说明。以下，以车辆VA为卡车、公交车、及拖车等大型车辆为例进行说明，但本发明不限定于此。电力系统1A也可以配备在除车辆之外的其它移动体(例如，船舶、飞机、及机器人等)上，也可以用作向规定的负载供给电力的固定式或便携式电力供给装置。
第一燃料电池系统2a、第二燃料电池系统2b、及第三燃料电池系统2c分别与第一电源线5连接，并可以藉由第一电源线5将各个输出合成。
控制装置9A藉由与例如参照图3说明的步骤相同的步骤，基于车辆V和高压蓄电池B的状态，选择性地执行正常发电处理和第一至第三怠速停止处理中的任意一种。控制装置9A在执行正常发电处理时，将多组燃料电池系统2a,2b,2c的每组的净输出设为大于0。另外，控制装置9A在执行第一至第三怠速停止处理时，藉由执行图8所示的处理，选择多组燃料电池系统2a,2b,2c中将净输出设为0以下的怠速停止对象。
图8绘示出在控制装置9A选择怠速停止对象的步骤的流程图。响应于判定藉由图3所示的处理执行第一至第三怠速停止处理，在控制装置9A中执行图8所示的处理。
首先，在S11中，控制装置9A获取第一至第三燃料电池系统2a～2c中每一组的劣化程度。更具体而言，控制装置9A基于例如第一至第三燃料电池系统2a～2c中每一组的总发电时间、每种发电状况的发电时间、启动次数、及停止次数等与燃料电池系统的劣化相关的某些参数，计算劣化程度。
接着，在S12中，判定控制装置9A执行的怠速停止处理是否为第三怠速停止处理。当S12的判定结果为“是”时，控制装置9A从第一至第三燃料电池系统2a～2c中选择在S11中获取的劣化程度最高的作为怠速停止对象，并对该怠速停止对象执行第三怠速停止处理(参照S13)。
另外，当S12的判定结果为“否”时，即执行的怠速停止处理为第一或第二怠速停止处理时，控制装置9A从第一至第三燃料电池系统2a～2c中选择在S11中获得的劣化程度最低的作为怠速停止对象，并对该怠速停止对象执行第一或第二怠速停止处理(参照S14)。
如上所述，控制装置9A基于多组燃料电池系统2a～2c中的每一组的劣化程度，选择多组燃料电池系统2a～2c中将净输出设为0以下的怠速停止对象。
根据本实施方式的电力系统1A，起到以下的效果。
(9)在本实施方式中，藉由基于各劣化程度，选择多组燃料电池系统2a～2c中将净输出设为0以下的怠速停止对象，可以使各燃料电池系统2a～2c的劣化程度接近均匀。
(10)如参照图5说明所述，与第三怠速停止处理相比，第一和第二怠速停止处理对燃料电池系统的劣化的影响较大。因此，在本实施方式中，当执行第一或第二怠速停止处理时，选择多组燃料电池系统2a～2c中劣化程度最低的作为怠速停止对象。由此，可以使各燃料电池系统2a～2c的劣化程度接近均匀。
(11)如参照图5说明所述，与第一和第二怠速停止处理相比，第三怠速停止处理对燃料电池系统的劣化的影响较小。因此，在本实施方式中，在执行第三怠速停止处理时，选择多组燃料电池系统2a～2c中劣化程度最高的作为怠速停止对象。由此，可以使各燃料电池系统2a～2c的劣化程度接近均匀。
以上，对本发明的一实施方式进行了说明，但本发明不限定于此。在本发明的主旨的范围内可以对细节的构成进行适当变更。
附图标记
V,VA：车辆
1，1A：电力系统
M：行驶用发动机(负载、行驶用发动机)
B：高压蓄电池(蓄电池)
2,2a,2b,2c：燃料电池系统
20：燃料电池堆
21：阳极流路
22：阴极流路
30：系统辅机
3a：阳极系统
3c：阴极系统
23：气泵
24：空气供给管(氧化剂气体供给通道)
27：堆栈旁通管(旁通流路)
4：电源转换器
5：第一电源线
6：第二电源线
7：车辆辅机(负载)
8：电压转换器
9,9A：控制装置

Claims (11)

1.一种电力系统，其特征在于，具备：
燃料电池堆，利用燃料气体和氧化剂气体的电化学反应进行发电；
系统辅机，藉由消耗电力供给燃料气体和氧化剂气体；
蓄电池，储存从前述燃料电池堆输出的电力；
负载，消耗从前述燃料电池堆或前述蓄电池输出的电力；及，
控制装置，控制包含前述燃料电池堆和前述系统辅机的燃料电池系统；并且，
前述控制装置基于前述电力系统和前述蓄电池的状态，执行以下处理中的任意一种：正常发电处理，利用前述燃料电池堆进行发电并将作为前述燃料电池系统的电输出的净输出设为大于0；第一怠速停止处理，继续进行前述系统辅机的运行和前述燃料电池堆的发电，同时将前述净输出设为0以下；第二怠速停止处理，继续前述系统辅机的运行，同时停止前述燃料电池堆的发电并将前述净输出设为低于0；及第三怠速停止处理，停止前述系统辅机的运行和前述燃料电池堆的发电并将前述净输出设为0。
2.根据权利要求1所述的电力系统，其中，
前述系统辅机具备：气泵；氧化剂气体供给通道，连接前述气泵和前述燃料电池堆；及，旁通流路，从前述氧化剂气体供给通道分支；
在前述第一怠速停止处理中，前述控制装置使从前述气泵供给的氧化剂气体的一部分流过前述旁通流路，绕过前述燃料电池堆，继续前述燃料电池堆的极低负载发电。
3.根据权利要求2所述的电力系统，其中，
在前述第二怠速停止处理中，前述控制装置藉由停止向前述燃料电池堆供给燃料气体和氧化剂气体中的至少任意一种供给，来停止前述燃料电池堆的发电。
4.根据权利要求3所述的电力系统，其中，
在前述第三怠速停止处理中，前述控制装置进行向前述燃料电池堆的氧化剂气体流路内填充惰性气体的劣化抑制处理后，停止前述系统辅机的运行和前述燃料电池堆的发电。
5.根据权利要求4所述的电力系统，其中，
前述负载包括用于使车辆行驶的行驶用发动机，
前述控制装置基于前述车辆的状态和前述蓄电池的状态选择性地执行前述正常发电处理、前述第一、第二、及第三怠速停止处理中的任意一种。
6.根据权利要求5所述的电力系统，其中，
当前述蓄电池的充电率在规定值以上且前述车辆处于暂停状态中时，前述控制装置执行前述第一怠速停止处理。
7.根据权利要求5所述的电力系统，其中，
当前述蓄电池的充电率在规定值以上且前述车辆处于下坡的行驶过程中时，前述控制装置执行前述第二怠速停止处理。
8.根据权利要求5所述的电力系统，其中，
当前述蓄电池的充电率在规定值以上且前述车辆处于停车状态中时，前述控制装置执行前述第三怠速停止处理。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的电力系统，其中，
前述电力系统还具备多组前述燃料电池系统，
前述控制装置基于多组前述燃料电池系统中每一组的劣化程度，选择多组前述燃料电池系统中将前述净输出设为0以下的怠速停止对象。
10.根据权利要求9所述的电力系统，其中，
当前述控制装置执行前述第一怠速停止处理或前述第二怠速停止处理时，选择前述多组燃料电池系统中前述劣化程度最低的作为前述怠速停止对象。
11.根据权利要求10所述的电力系统，其中，
当前述控制装置执行前述第三怠速停止处理时，选择前述多组燃料电池系统中前述劣化程度最高的作为前述怠速停止对象。
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