CN114843571A - 燃料电池系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃料电池系统，具备：蓄电池；多个燃料电池单元，与蓄电池连接；和控制装置，控制多个燃料电池单元的动作。控制装置构成为能够执行使多个燃料电池单元启动的启动处理。启动处理包括：第1处理，利用从蓄电池供给的电力来启动多个燃料电池单元的一部分；和第2处理，在第1处理的执行后，启动多个燃料电池单元的剩余部分的至少一个。
Description
技术领域
本说明书所公开的技术涉及燃料电池系统。
背景技术
在日本特开2018－014177中公开了一种燃料电池系统。该燃料电池系统具备多个燃料电池单元和控制它们的动作的控制装置。控制装置例如构成为执行根据来自用户的请求来启动多个燃料电池单元的启动处理。
为了启动燃料电池单元，需要将氧化气体(例如包括氧气的空气)、燃料气体(例如氢气)供给至燃料电池单元。因此，在启动燃料电池单元时，为了使供给这些气体的设备工作，需要一定的电力(以下，有时将该电力称为“启动电力”)。为了供给该启动电力，燃料电池系统可以还具备蓄电池。该情况下，为了同时启动多个燃料电池单元，需要向各个燃料电池单元供给启动电力，要求从蓄电池输出许多电力。然而，根据蓄电池的状态，有时无法对于多个燃料电池单元供给足够的启动电力。例如在极寒地(例如－20℃以下)，若蓄电池成为极低温的状态，则蓄电池能够输出的电力降低。或者，即便蓄电池的SOC(State ofCharge)降低，蓄电池能够输出的电力也降低。在这样的特定的条件下，无法向多个燃料电池单元供给足够的启动电力，产生无法启动多个燃料电池单元的担忧。
发明内容
鉴于上述的实际情况，本说明书提供用于可靠地启动多个燃料电池单元的技术。
本说明书所公开的技术被具体化为燃料电池系统。该燃料电池系统具备：蓄电池；多个燃料电池单元，与上述蓄电池连接；以及控制装置，控制上述多个燃料电池单元的动作。上述控制装置构成为能够执行使上述多个燃料电池单元启动的启动处理。上述启动处理包括：第1处理，利用从上述蓄电池供给的电力来启动上述多个燃料电池单元的一部分；和第2处理，在上述第1处理的执行后，启动上述多个燃料电池单元的剩余部分的至少一个。
在上述的燃料电池系统中，当启动多个燃料电池单元时，能够执行包括第1处理和第2处理的启动处理。在第1处理中，利用从蓄电池供给的电力仅启动多个燃料电池单元的一部分。接着，在第2处理中，启动多个燃料电池单元的另外至少一个。这样，通过在相互不同的时机选择性地启动多个燃料电池单元的至少一部分，能够有意地减少蓄电池应该输出的启动电力。由此，能够可靠地启动多个燃料电池单元。此外，在第2处理完成了的阶段，多个燃料电池单元的几个可以未启动。该情况下，启动处理可以还包括在第2处理的执行后启动多个燃料电池单元的至少一个的第3处理、第4处理。
附图说明
以下，参照附图对本发明的示例性实施例的特征、优点、技术及工业重要性进行说明，在附图中相同的附图标记表示相同的构件，其中：
图1是表示实施例的FC系统10的简要结构的图。
图2是表示特别的启动处理的一个例子的流程图。
图3是对图2所示的特别的启动处理中的各FC单元FCU的状态进行说明的图。
图4是表示特别的启动处理的变形例的流程图。
图5是对图4所示的特别的启动处理中的各FC单元FCU的状态进行说明的图。
具体实施方式
在本技术的一个实施方式中，可以在特定的条件下执行启动处理。该情况下，特定的条件可以至少包括气氛温度低于规定的温度。根据这样的结构，在蓄电池的温度比较低、蓄电池可输出的电力降低的情况下，也能够可靠地启动多个燃料电池单元。但是，在本技术的其他实施方式中，启动处理可以在任意的条件下执行，并不一定仅局限于特定的条件下。
除了上述情况之外或者代替上述情况，上述的特定的条件可以至少包括蓄电池的SOC低于规定的值。根据这样的结构，即便在蓄电池的SOC比较低、蓄电池可输出的电力降低的情况下，也能够可靠地启动多个燃料电池单元。
在本技术的一个实施方式中，第2处理可以还包括使用通过第1处理而启动了的燃料电池单元所输出的电力来启动多个燃料电池单元的至少一个。根据这样的结构，能够不消耗蓄电池的电力或抑制其消耗量、且在第2处理中启动燃料电池单元。因此，由于在启动多个燃料电池单元时，能够减少应该从蓄电池供给的电力，所以例如即便在蓄电池可输出的电力降低的情况下，也能够可靠地启动多个燃料电池单元。
在本技术的一个实施方式中，可以在第1处理中仅启动多个燃料电池单元的一个。根据这样的结构，在启动多个燃料电池单元时，能够进一步减少应该从蓄电池供给的电力。
在本技术的一个实施方式中，可以在第2处理中仅启动多个燃料电池单元的剩余部分中的一个。根据这样的结构，能够减少在第2处理中所需的启动电力。或者，在本技术的其他实施方式中，可以在第2处理中同时启动多个燃料电池单元的剩余部分中的两个以上。根据这样的结构，能够缩短启动多个燃料电池单元所需的时间。此外，在第2处理完成了的阶段，多个燃料电池单元的全部可以未启动，启动处理也可以还包括如下述的第3处理那样紧接着第2处理而执行的其他处理。
在本技术的一个实施例中，启动处理可以还包括在第2处理的执行后启动多个燃料电池单元的剩余部分的另外至少一个的第3处理。即，可以通过三个以上的处理来依次启动多个燃料电池单元。根据这样的结构，能够减少在各处理中应该启动的燃料电池单元的数量而降低所需的启动电力。另外，在遍及某个一定的时间对启动后的燃料电池单元进行暖机运转的情况下，有时伴随暖机运转而发出的电力成为多余电力。关于这点，通过减少同时启动的燃料电池单元的数量，也能够抑制因此后的暖机运转而产生的发电电力，能够避免或者抑制多余电力的产生。
在上述的几个实施方式中，第2处理中被启动的燃料电池单元的数量可以多于第1处理中被启动的燃料电池单元的数量。根据这样的结构，能够减少在第1处理中所需的启动电力、即应该从蓄电池供给的电力，并且能够在短时间启动多个燃料电池单元的更多燃料电池单元。
在本技术的一个实施方式中，可以在第2处理中同时启动多个燃料电池单元的剩余部分的全部。根据这样的结构，通过执行第1处理以及第2处理，能够启动多个燃料电池单元的全部。即，能够缩短启动多个燃料电池单元所需的时间。
参照附图对实施例的燃料电池系统(以下，称为FC(Fuel cell)系统)10进行说明。FC系统10是被搭载于燃料电池车辆(例如汽车、巴士、卡车、电车)或安放用燃料电池装置等并根据请求电力来输出电力的发电系统。此外，FC系统10可以被搭载于车辆以外的各种移动体(例如船舶或飞行器)。
如图1所示，FC系统10具备多个燃料电池单元(以下，称为FC单元)FCU。这里，为了便于说明，将FC系统10所具备的FC单元FCU的数量设为N(N为2以上的整数)。即，多个FC单元FCU包括第1FC单元FCU1～第NFC单元FCUN。此外，FC系统10所具备的多个FC单元FCU的数量(即N)不特别限定，能够根据对FC系统10的请求电力来适当地变更。
如图1所示，FC系统10还具备系统控制装置12和蓄电池14。系统控制装置12是控制多个FC单元FCU以及蓄电池14的动作的控制装置。蓄电池14例如是锂离子蓄电池或镍氢蓄电池，内置有多个二次电池。系统控制装置12与各个FC单元FCU连接为可通信，如上述那样控制各个FC单元FCU的动作。同样，系统控制装置12与蓄电池14连接为可通信，如上述那样控制蓄电池14的动作。蓄电池14与各个FC单元FCU电连接，构成为能够向各个FC单元FCU供给电力。此外，该情况下，可以根据需要在蓄电池14与各个FC单元FCU之间设置使电力升压或者降压的转换器。
如图1所示，各个FC单元FCU具备燃料电池单元控制装置(以下，称为FC单元控制装置)16、燃料电池组(以下，称为FC组)18、压缩机20以及氢供给阀22。FC单元控制装置16与系统控制装置12连接为可通信，基于来自系统控制装置12的指示来控制FC组18、压缩机20以及氢供给阀22的动作。这样，各个FC单元FCU中的动作由对应的FC单元控制装置16控制。此外，各个FC单元FCU未必一定需要FC单元控制装置16。例如，系统控制装置12也可以不经由FC单元控制装置16而分别直接控制各FC单元FCU的构件。
FC组18例如是高分子电解质型燃料电池，具有层叠多个单电池而成的构造。如上所述，FC单元控制装置16基于来自系统控制装置12的指示来控制FC组18的动作。例如，FC单元控制装置16控制FC组18涉及的发电的开始或者发电的停歇。虽是一个例子，但在各FC单元FCU中，FC单元控制装置16可以监视FC组18的动作。
压缩机20对从外部取入的空气进行压缩并向FC组18供给。另一方面，氢供给阀22设置在和FC系统10连接的氢罐24与FC组18之间。如上所述，FC单元控制装置16基于来自系统控制装置12的指示来控制压缩机20以及氢供给阀22的动作。例如，FC单元控制装置16控制压缩机20来将包括氧气的空气供给至FC组18。同样，FC单元控制装置16控制氢供给阀22来调整从氢罐24供给至FC组18的氢气量。这样的压缩机20以及氢供给阀22的动作所需的电力可以从蓄电池14供给，也可以从自身或者其他FC单元FCU供给。结束了FC组18中的发电后的空气以及氢气被从FC组18排出至外部。该情况下，从FC组18排出至外部的气体之中有时包括未反应的氢气。因此，各FC单元FCU可以还具备循环路径(未图示)，能够向FC组18循环未反应的氢气。其中，压缩机20是向各个FC单元FCU供给空气的设备的一个例子。另外，氢气是燃料气体的一个例子，空气是氧化气体的一个例子。虽不特别限定，但FC系统10可以还具备使冷却水循环至各个FC单元FCU来进行冷却的冷却系统(未图示)。
接下来，对本实施例的FC系统10的启动所涉及的动作进行说明。FC系统10的启动由系统控制装置12和设置于各个FC单元FCU的FC单元控制装置16执行。通常，系统控制装置12同时向各个FC单元FCU赋予启动指令来使全部的FC单元FCU同时启动。此时，从蓄电池14供给为了启动各个FC单元FCU所需的启动电力。然而，根据蓄电池14的状态，有时无法对于多个FC单元FCU供给足够的启动电力。例如在极寒地(例如－20℃以下)，若蓄电池14成为极低温的状态，则蓄电池14可输出的电力降低。或者，即便蓄电池14的SOC降低，蓄电池14可输出的电力也降低。在这样的特定的条件下，无法向多个FC单元FCU供给足够的启动电力，产生无法启动多个FC单元FCU的担忧。
关于上述的点，在本实施例的FC系统10中，构成为当需要在特定的条件下启动时，执行以下说明的特别的启动处理。这里所说的特定的条件例如可以包括FC系统10的气氛温度低于规定的温度。除此之外或者取而代之，特定的条件可以包括蓄电池14的SOC低于规定的值。并不局限于这些，也可以对特定的条件设定有会使蓄电池14的可输出的电力降低的各种条件。但是，在本技术的其他实施方式中，启动处理可以在任意的条件下执行，未必仅局限于特定的条件下。以下，参照图2、图3对该特别的启动处理进行说明。
如图2所示，若检测到启动操作(在步骤S10中为“是”)，则系统控制装置12移至步骤S12以后的处理(图3的时刻T0)。这里，启动操作例如是指用户将FC系统10的主开关接通。另一方面，在未接检测到启动操作的情况下(在步骤S10中为“否”)，系统控制装置12再次返回到步骤S10。即，在未检测到启动操作的情况下，通过系统控制装置12来反复执行步骤S10的处理。
首先，在步骤S12中，系统控制装置12对参数n设定“1”。该参数n表示启动对象的FC单元FCU，在后续的步骤S14～S18的处理中，意味着第nFC单元FCUn被启动。在本实施例中，由于最初对于参数n设定“1”，所以首先仅启动第1FC单元FCU1。
在步骤S14中，系统控制装置12向第1FC单元FCU1的FC单元控制装置16赋予启动指令(图3的时刻T1)。接受到启动指令的FC单元控制装置16开始用于使第1FC单元FCU1启动的处理。压缩机20开始工作，对从外部取入的空气进行压缩并供给至FC组18。此时，氢供给阀22也被控制，对供给至FC组18的氢气量进行调整。由此，在第1FC单元FCU1中，使用从压缩机20供给的空气与从氢罐24供给的氢气来开始发电。即，第1FC单元FCU1启动。在该步骤S14的处理中，从蓄电池14向压缩机20之类的第1FC单元FCU1的各构件供给电力。即，从蓄电池14供给第1FC单元FCU1的启动电力。
在步骤S16中，在启动了的第1FC单元FCU1实施迅速暖机运转。迅速暖机运转是用于对刚刚启动之后的低温的FC组18进行暖机的暖机运转的一个例子。一般在FC组18的暖机运转中，使发电效率比通常的发电时降低来进行发电，使用伴随着发电损耗的发热来使FC组18的温度上升。与此相对，在迅速暖机运转中，例如通过进一步限制空气向FC组18的供给量，使FC组18中的发电损耗增大，来使FC组18的温度在更短时间内上升。
在步骤S18中，若第1FC单元FCU1的迅速暖机运转完成，则从FC单元控制装置16向系统控制装置12发送完成信号。其中，迅速暖机运转可以通过经过规定时间来完成，也可以基于FC组18的测定出的温度来完成。例如，FC单元控制装置16可以在迅速暖机运转中监视FC组18的温度，在该温度为阈值以上时判断为迅速暖机运转完成。
在步骤S20中，接收到完成信号的系统控制装置12对参数n的设定值是否为“N”进行判定。在参数n的设定值不为“N”的情况下，系统控制装置12进入至步骤S22的处理，对参数n设定“n+1”。这里，由于对参数n设定了“1”，所以对参数n新设定“2”。接着，系统控制装置12返回至步骤S14的处理，对于第2FC单元FCU2赋予启动指令(图3的时刻T2)。由此，第2FC单元FCU2被启动，并且在启动后的第2FC单元FCU2中执行迅速暖机运转。此时，如图3中的箭头示意性所示，从启动完毕的第1FC单元FCU1供给第2FC单元FCU2的启动电力。此外，也可以代替第1FC单元FCU1或者在其基础上从蓄电池14供给第2FC单元FCU2的启动电力。以后，反复进行上述的处理直至第NFC单元FCUN的启动以及迅速暖机运转完成为止、即直至在步骤S20的处理中变为“是”为止(图3的T3、····、TN)。此时，如图3中的箭头示意性所示，从启动完毕的第2FC单元FCU2供给第3FC单元FCU3的启动电力。此外，也可以代替第2FC单元FCU2或者在其基础上从蓄电池14与启动完毕的第1FC单元FCU1的至少一方供给第3FC单元FCU3的启动电力。即，可以从蓄电池14供给第NFC单元FCUN的启动电力，也可以从启动完毕的其他FC单元FCU供给第NFC单元FCUN的启动电力的一部分或者全部。由此，在图3的时刻TF，对于全部的FC单元FCU完成启动。
如图3所示，根据上述的一系列的启动处理，作为第1处理，首先仅启动第1FC单元FCU1(时刻T1)。接着，作为第2处理，仅启动第2FC单元FCU2(时刻T2)。通过之后也重复同样的处理(时刻T3、···、TN)，来一个一个地依次启动多个FC单元FCU。这样，启动处理至少包括第1处理和第2处理，通过在相互不同的时机选择性地启动多个FC单元FCU的至少一部分，能够限制同时启动的FC单元FCU，因而能够有意地减少蓄电池14应该输出的启动电力。例如即便在蓄电池14成为极低温的状态、蓄电池14可输出的电力降低的情况下，也能够可靠地启动多个FC单元FCU。此外，未必需要一个一个地依次启动多个FC单元FCU，作为其他实施方式，也可以同时启动两个以上的FC单元FCU。
在本实施例的FC系统中，当各个FC单元FCU启动时，作为该启动所涉及的动作的一部分，实施迅速暖机运转。在迅速暖机运转(或暖机运转)中，由于在FC组18中实施发电，所以在许多FC单元FCU同时被启动的情况下，存在因迅速暖机运转而无用地发出比较大的电力的担忧。关于这点，通过在相互不同的时机选择性地启动多个FC单元FCU的至少一部分、限制同时启动的FC单元FCU，也能够避免发出伴随着迅速暖机运转的多余的电力。
除此之外，若将基于先启动的FC单元FCU的迅速暖机运转的发电电力作为启动电力向之后启动的FC单元FCU供给，则能够进一步减少蓄电池14应该输出的启动电力。该情况下，系统控制装置12可以在一个或者多个FC单元FCU启动之后、其迅速暖机运转完成之前(即，在比图2的步骤S18靠前)，对于下一FC单元FCU赋予启动指令。
接下来，使用图4、图5对特别的启动处理的变形例进行说明。在该变形例中，启动处理包括第1处理和第2处理，在第1处理中，第1FC单元FCU1被启动，在第2处理中，第2FC单元FCU2～第NFC单元FCUN被同时启动。因此，图4所示的步骤S24～步骤S30与上述的第1处理、即在图2的步骤S12中将n设定为“1”时的步骤S10～步骤S18同样。
如图4所示，系统控制装置12若检测到启动操作(在步骤S24为“是”)，则移至步骤S26以后的处理(图5的时刻T0)。另一方面，在未检测到启动操作的情况下，系统控制装置12再次返回至步骤S24，反复进行步骤S24的处理直至检测到启动操作为止。在步骤S26中，系统控制装置12对第1FC单元FCU1的FC单元控制装置16赋予启动指令(图5的时刻T1)。接受到启动指令的FC单元控制装置16开始用于使第1FC单元FCU1启动的处理。在该步骤S26的处理中，从蓄电池14供给第1FC单元FCU1的启动电力。在步骤S28中，在启动了的第1FC单元FCU1中实施迅速暖机运转。在步骤S30中，若第1FC单元FCU1的迅速暖机运转完成，则从FC单元控制装置16向系统控制装置12发送完成信号。
接着，在步骤S32中，系统控制装置12对于第2FC单元FCU2～第NFC单元FCUN的各FC单元控制装置16同时赋予启动指令(图5的时刻T2)。接受到启动指令的各FC单元控制装置16同时开始用于使第2FC单元FCU2～第NFC单元FCUN启动的处理。在该步骤S32的处理中，如图5中的箭头示意性所示，从启动完毕的第1FC单元FCU1供给将被启动的各个FC单元FCU的启动电力。此外，也可以代替第1FC单元FCU1而从蓄电池14供给各个FC单元FCU的启动电力的一部分。
在步骤S34中，在启动了的第2FC单元FCU2～第NFC单元FCUN中实施迅速暖机运转。在步骤S36中，若第2FC单元FCU2～第NFC单元FCUN的迅速暖机运转完成，则从各FC单元控制装置16向系统控制装置12发送完成信号。由此，在图5的时刻TF，对于全部的FC单元FCU完成启动。
如图5所示，根据上述的一系列的启动处理，作为第1处理，首先仅启动第1FC单元FCU1(时刻T1)。接着，作为第2处理，启动第2FC单元FCU2～第NFC单元FCUN(时刻T2)。即，在第2处理中，将在第1处理中未启动的FC单元FCU的剩余部分全部启动。因此，通过采用这样的结构，能够缩短使FC系统10所包括的全部的FC单元FCU启动所需的时间。另外，在这样的结构中，能够从在第1处理中启动完毕的第1FC单元FCU1向将在第2处理中启动的各FC单元FCU供给各FC单元FCU的启动电力。因此，例如即便在蓄电池14可输出的电力降低的情况下，也能够可靠地启动多个FC单元FCU。
此外，在第1处理中启动的FC单元FCU的数量并不限定于一个。作为其他实施方式，第1处理可以同时启动两个以上的FC单元FCU。另外，在第2处理中，未必需要第2FC单元FCU2～第NFC单元FCUN全部同时启动。作为其他实施方式，第2处理只要同时启动至少两个FC单元FCU即可。在这些情况下，虽然也不特别限定，但在第2处理中启动的FC单元FCU的数量可以多于在第1处理中启动的FC单元FCU的数量。而且，系统控制装置12可以紧接着第2处理还执行用于启动未启动的FC单元FCU的一个或者多个处理。
以上，对几个具体例详细地进行了说明，但这些只不过是例示，并不限定技术方案。技术方案所记载的技术包括对以上例示的具体例进行各种变形、变更而得的技术方案。本说明书或者附图中说明过的技术要素单独或通过组合来发挥技术的有用性。
Claims (11)
1.一种燃料电池系统，其中，具备：
蓄电池；
多个燃料电池单元，与所述蓄电池连接；以及
控制装置，控制所述多个燃料电池单元的动作，
所述控制装置构成为能够执行使所述多个燃料电池单元启动的启动处理，
所述启动处理包括：
第1处理，利用从所述蓄电池供给的电力来启动所述多个燃料电池单元的一部分；和
第2处理，在所述第1处理的执行后，启动所述多个燃料电池单元的剩余部分的至少一个。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
在特定的条件下执行所述启动处理。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中，
所述特定的条件至少包括气氛温度低于规定的温度。
4.根据权利要求2或3所述的燃料电池系统，其中，
所述特定的条件至少包括所述蓄电池的SOC低于规定的值。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的燃料电池系统，其中，
所述第2处理还包括使用通过所述第1处理而启动了的所述燃料电池单元所输出的电力来启动所述多个燃料电池单元的所述至少一个。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的燃料电池系统，其中，
在所述第1处理中仅启动所述多个燃料电池单元的一个。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的燃料电池系统，其中，
在所述第2处理中仅启动所述多个燃料电池单元的所述剩余部分中的一个。
8.根据权利要求1～6中任一项所述的燃料电池系统，其中，
在所述第2处理中，同时启动所述多个燃料电池单元的所述剩余部分中的两个以上。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的燃料电池系统，其中，
所述启动处理还包括在所述第2处理的执行后启动所述多个燃料电池单元的所述剩余部分的另外至少一个的第3处理。
10.根据权利要求8或9所述的燃料电池系统，其中，
所述第2处理中被启动的所述燃料电池单元的数量多于所述第1处理中被启动的所述燃料电池单元的数量。
11.根据权利要求1～10中任一项所述的燃料电池系统，其中，
在所述第2处理中，同时启动所述多个燃料电池单元的所述剩余部分的全部。
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