CN116783739A - 燃料电池系统 - Google Patents

燃料电池系统 Download PDF

Info

Publication number
CN116783739A
CN116783739A CN202280009870.8A CN202280009870A CN116783739A CN 116783739 A CN116783739 A CN 116783739A CN 202280009870 A CN202280009870 A CN 202280009870A CN 116783739 A CN116783739 A CN 116783739A
Authority
CN
China
Prior art keywords
fuel cell
control
electric power
capacitor
recovery device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202280009870.8A
Other languages
English (en)
Inventor
辻口拓也
中井基生
齐藤利幸
久保厚
武田恭英
古桥资丈
河内达磨
仲曾根步
中根淳志
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kanazawa University NUC
JTEKT Corp
Original Assignee
Kanazawa University NUC
JTEKT Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kanazawa University NUC, JTEKT Corp filed Critical Kanazawa University NUC
Publication of CN116783739A publication Critical patent/CN116783739A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04228—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during shut-down
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H01M8/04303—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during shut-down
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

提供一种燃料电池系统。燃料电池系统(1)具备燃料电池(10)、电力回收装置(30)、控制燃料电池(10)和电力回收装置(30)的控制装置(20)。控制装置(20)在停止了液体燃料向燃料电池(10)的供给的状态下，通过充电将燃料电池(10)使用既已供给的液体燃料发电的停止后电力回收至电力回收装置(30)，在停止后电力被回收之后，使燃料电池(10)的电极构造体中的电极反应停止。

Description

燃料电池系统
技术领域
本公开涉及燃料电池系统。
背景技术
主要构建燃料电池系统的燃料电池特别是固体高分子型的燃料电池，通常具备由形成于电解质膜的一个面侧的阳极电极和形成于另一个面侧的阴极电极构成的电极构造体。而且，在固体高分子型的燃料电池中，对阳极电极供给燃料并且从外部对阴极电极供给氧化剂，由此通过电极构造体产生电极反应而发电。
近年来，作为向阳极电极供给的燃料，开发了直接使用甲醇、甲酸等液体燃料的直接型燃料电池。在使用液体燃料的情况下，与将氢气等气体用作燃料的情况相比，操作容易，每单位体积能量密度高，极其实用。
在这样的直接型燃料电池中，存在产生如下现象的情况：在连续进行发电运转的状况下，由发电形成的输出电力逐渐降低。为了抑制输出电力的降低而维持输出电力，在直接型燃料电池中，定期执行使电极反应停止的刷新控制。在执行刷新控制的情况下，在直接型燃料电池中电极反应暂时停止即发电停止，因此，输出电力不稳定。
因此，以往，例如日本特开2007-280741号公报公开有具备对燃料电池发电的电力进行充电的辅助电源的燃料电池系统的技术。在现有的燃料电池系统中，燃料电池向外部输出电力并且预先对辅助电源进行充电，在燃料电池的输出电力降低的状况下使被充电(蓄电)至辅助电源的电力放电，由此使向外部输出的电力稳定。
然而，在具备直接型液体燃料电池的燃料电池系统中，在对燃料电池执行刷新控制的情况下，通常，停止液体燃料向燃料电池的阳极电极的供给。
在这种情况下，在电极构造体中，在使用已经供给的液体燃料继续了由电极反应进行的发电之后，电极反应停止。
因此，在至已经供给的液体燃料被电极构造体中的电极反应消耗为止需要时间的情况下，伴随着刷新控制的执行，使停止用于燃料电池向外部输出电力的发电的时间变长。作为其结果，即便供给向被辅助电源充了电的电力，也导致向外部输出的电力不稳定。因此，从实现向外部输出的电力的稳定化的观点出发，期望燃料电池的与刷新控制相伴形成的发电停止时间为短时间。
另外，通常，伴随着刷新控制，至既已供给的液体燃料被消耗为止继续从燃料电池输出的电力因接地放电而浪费。因此，从实现向外部输出的电力的稳定化的观点出发，除了期望以短时间进行刷新控制之外，还期望回收伴随着刷新控制而浪费的电力，并能够将回收到的电力加入到从燃料电池向外部输出的电力中而加以利用。
发明内容
本公开提供能够使向外部输出的电力稳定化的燃料电池系统。
根据本公开的一方式，燃料电池系统具备：燃料电池，其具有具备阳极电极和阴极电极的电极构造体，对上述阳极电极供给液体燃料且对上述阴极电极供给氧化剂而发电电力；电力回收装置，其构成为通过充电来回收从上述燃料电池输出的电力的至少一部分，并且使上述充了电的电力放电；以及控制装置，其控制上述燃料电池和上述电力回收装置。上述控制装置构成为，在停止了上述液体燃料向上述燃料电池的供给的状态下，通过充电将上述燃料电池使用既已供给的上述液体燃料而发电的停止后电力回收至上述电力回收装置，在上述停止后电力被回收至上述电力回收装置之后，使上述燃料电池的上述电极构造体中的电极反应停止。上述控制装置构成为，在向上述燃料电池供给上述液体燃料的状态下，除了放电而供给从上述燃料电池输出的上述电力之外，还使回收到的上述停止后电力从上述电力回收装置向外部的负载放电而供给。
据此，燃料电池系统通过控制装置的控制，在停止了液体燃料向燃料电池的供给的状态下，电力回收装置能够对停止后电力进行充电而回收，其后，燃料电池能够使电极反应停止。而且，燃料电池系统通过控制装置的控制，在向燃料电池供给液体燃料的状态下，除了供给从燃料电池输出的电力之外，还能够使电力回收装置回收到的停止后电力放电而向外部的负载供给电力。
由此，燃料电池系统能够在电力回收装置回收到停止后电力之后迅速停止电极反应，因此，能够缩短与刷新控制相伴的发电停止时间。另外，电力回收装置能够回收被白白浪费的停止后电力并能够通过放电来利用停止后电力。因此，燃料电池系统能够实现从燃料电池向外部的负载供给的电力的稳定化。
附图说明
图1是表示燃料电池系统的结构的图。
图2是用于对图1的燃料电池的结构进行说明的图。
图3是表示图1的控制装置的结构的框图。
图4是用于对通常发电模式下的燃料电池系统的工作进行说明的图。
图5是用于对刷新控制模式下的燃料电池系统的工作进行说明的图。
图6是用于对电容器放电模式下的燃料电池系统的工作进行说明的图。
具体实施方式
1.燃料电池系统1的概要
如图1所示，本例的燃料电池系统1主要具备燃料电池10、控制装置20、作为电力回收装置的电容器30。就本例的燃料电池10而言，能够例示固体高分子型。固体高分子型的燃料电池10在电解质膜的一个面侧形成有阳极电极，在电解质膜的另一个面侧形成有阴极电极。此处，电解质膜、阳极电极和阴极电极形成作为电极构造体的MEA(Membrane-Electrode-Assembly：膜-电极组件)。阳极电极和阴极电极通过涂敷例如被铂(Pt)、钯(Pd)等金属催化剂和附加有这些金属催化剂的碳而形成。另外，燃料扩散层存在于催化剂膜与电极间。
作为对固体高分子型的燃料电池10的阳极电极供给的燃料，能够例示甲酸(HCOOH)、甲醇(CH 3OH)、乙醇(C 2H 5OH)等液体燃料。此处，在以下说明的燃料电池10中，作为供给的液体燃料，例示直接使用甲酸这种情况。换言之，例示燃料电池10是直接甲酸型燃料电池(DFAFC)的情况。另外，作为对燃料电池10的阴极电极供给的氧化剂(氧化剂气体)，能够例示氧(O 2)气、空气等。此处，在以下说明的燃料电池10中，作为供给的气体的氧化剂(即，氧化剂气体)，例示使用空气的情况。
在本例的燃料电池系统1中，通过基于控制装置20的控制，能够在下面几种情况间进行切换，即，将由燃料电池10发电的电力向外部的负载C供给这种情况，将由燃料电池10发电的电力(包含停止后电力)向电容器30充电(蓄电)这种情况，以及将充电(蓄电)至电容器30的电力(包含停止后电力)向外部的负载C供给这种情况。即，在本例的燃料电池系统1中，控制装置20通过控制部21控制控制电路22，能够执行将燃料电池10发电的电力向负载C供给和将燃料电池10发电的电力的一部分向电容器30充电的通常发电模式。
另外，在本例的燃料电池系统1中，控制装置20通过控制部21控制控制电路22，伴随着刷新控制而将燃料电池10发电的停止后电力充电(蓄电)至电容器30。换言之，能够执行将停止后电力回收并且使MEA中的电极反应迅速地停止的刷新控制模式。而且，在本例的燃料电池系统1中，控制装置20能够通过控制部21控制控制电路22，执行使充电(蓄电)至电容器30的电力，换言之回收至电容器30的停止后的电力，从电容器30放电(优选迅速放电)而向负载C供给的电容器放电模式。
2.燃料电池10的结构
以下，参照图1和图2对本例的固体高分子型的燃料电池10的结构进行说明。本例的燃料电池10是作为液体燃料的甲酸直接供给于阳极电极的直接型燃料电池。
如图1所示，本例的燃料电池10具备并联电连接的第一燃料电池堆11和第二燃料电池堆12。第一燃料电池堆11和第二燃料电池堆12通过层叠多个单电池U而形成，上述单电池U包括MEA(省略图示)、对MEA的阳极电极供给液体燃料的阳极侧隔板(省略图示)和对MEA的阴极电极供给氧化剂(氧化剂气体)的阴极侧隔板(省略图示)、燃料扩散层(省略图示)。
如图2所示，第一燃料电池堆11和第二燃料电池堆12成为层叠有多个单电池U的状态，层叠的多个单电池U由支架H和螺栓B保持。在第一燃料电池堆11和第二燃料电池堆12各自中，对存积于供给罐13的液体燃料亦即甲酸进行加压而供给的第一泵14经由配管而与连接部K1连接。另外，在第一燃料电池堆11和第二燃料电池堆12各自中，对作为氧化剂(氧化剂气体)的空气进行加压而供给的鼓风机15(加压泵)经由配管而与连接部K2连接。此处，第一泵14和鼓风机15由控制装置20控制(参照图1)。
而且，如图2所示，第一燃料电池堆11和第二燃料电池堆12对存积于供给罐16的水(例如，生成水)进行加压而供给的作为水供给装置的第二泵17经由配管而与连接部K1连接。第二泵17由控制装置20控制(参照图1)。
此处，由第一泵14加压了的甲酸和由第二泵17加压了的水(生成水)经由省略图示的切换阀而供给于阳极电极。换句话说，在第一燃料电池堆11和第二燃料电池堆12发电的情况下通过切换阀的切换对阳极电极供给甲酸，在进行刷新控制的情况下(即，使MEA中的电极反应停止的情况下)，停止甲酸的供给。而且，通过切换阀的切换对阳极电极供给水(生成水)。切换阀能够设置于连接部K1。
3.控制装置20的结构的详情
如图1和图3所示，控制装置20主要具备控制部21和控制电路22。控制部21是以CPU、ROM、RAM、接口作为主要结构部件的微型计算机。
控制电路22是由控制部21控制的电路。如图1所示，控制电路22将并联电连接的第一燃料电池堆11和第二燃料电池堆12与外部的负载C电连接。另外，控制电路22将第一燃料电池堆11和第二燃料电池堆12与电容器30电连接，并且将电容器30与外部的负载C电连接。由此，控制电路22通过控制部21的控制分别实现将由第一燃料电池堆11和第二燃料电池堆12发电的电力向外部的负载C供给这种情况、将由第一燃料电池堆11和第二燃料电池堆12发电的电力向电容器30充电(蓄电)这种情况和将充电(蓄电)至电容器30的电力向负载C供给这种情况。
如图3所示，控制电路22主要具备第一开闭器22a、第二开闭器22b、第一升压电路22c、第二升压电路22d、电容器输出开闭器22e、DC调节器电路22f。第一开闭器22a、第二开闭器22b、第一升压电路22c、第二升压电路22d、电容器输出开闭器22e和DC调节器电路22f各自的工作由控制部21控制。
第一开闭器22a由两个nMOSFET(n沟道MOSFET)形成，并配置于第一燃料电池堆11与第一升压电路22c之间。第一开闭器22a通过受控制部21的控制而使两个nMOSFET同步切换为接通状态或断开状态来进行开闭，进行从第一燃料电池堆11输出至第一升压电路22c的高电压的电力的供给或切断。
以下的说明中，两个nMOSFET同步成为接通状态的情况下，第一开闭器22a为接通状态(闭合状态)，允许从第一燃料电池堆11向第一升压电路22c的通电。另一方面，在两个nMOSFET同步成为断开状态的情况下，第一开闭器22a为断开状态(开路状态)，切断从第一燃料电池堆11向第一升压电路22c的通电。
第二开闭器22b由两个nMOSFET(n沟道MOSFET)形成，并配置于第二燃料电池堆12与第二升压电路22d之间。第二开闭器22b通过受控制部21的控制而使两个nMOSFET同步切换为接通状态或断开状态来进行开闭，进行从第二燃料电池堆12输出至第二升压电路22d的高电压的电力的供给或切断。
以下的说明中，在两个nMOSFET同步成为接通状态的情况下，第二开闭器22b为接通状态(闭合状态)，允许从第二燃料电池堆12向第二升压电路22d的通电。另一方面，在两个nMOSFET同步成为断开状态的情况下，第二开闭器22b为断开状态(开路状态)，切断从第二燃料电池堆12向第二升压电路22d的通电。
第一升压电路22c具有公知的结构，具有线圈和二极管并且具有nMOSFET(n沟道MOSFET)的开关22c1。第一升压电路22c受控制部21的控制而使开关22c1周期性地且高速地切换为接通状态和断开状态，从而使从第一燃料电池堆11供给来的电力(电压)升压并向电容器30供给。以下的说明中，在开关22c1成为接通状态或切换状态(接通状态和断开状态之间的反复)的情况下，第一升压电路22c为接通状态。另外，在开关22c1成为断开状态的情况下，第一升压电路22c为断开状态。
第二升压电路22d具有公知的结构，具有线圈和二极管并且具有nMOSFET(n沟道MOSFET)的开关22d1。第二升压电路22d受控制部21的控制而使开关22d1周期性地且高速地切换为接通状态和断开状态，从而使从第二燃料电池堆12供给的电力(电压)升压并向电容器30供给。以下的说明中，在开关22d1成为接通状态或切换状态(接通状态和断开状态之间的反复)的情况下，第二升压电路22d成为接通状态。另外，在开关22d1成为断开状态的情况下，第二升压电路22d成为断开状态。
电容器输出开闭器22e由两个nMOSFET(n沟道MOSFET)形成，且配置于电容器30与DC调节器电路22f之间。电容器输出开闭器22e通过受控制部21的控制而使两个nMOSFET同步切换为接通状态或断开状态来进行开闭，进行从电容器30输出至DC调节器电路22f的高电压的电力的供给或切断。
以下的说明中，在两个nMOSFET同步成为接通状态的情况下，电容器输出开闭器22e成为接通状态(闭合状态)，允许从电容器30向DC调节器电路22f的通电。另外，在两个nMOSFET同步成为断开状态的情况下，电容器输出开闭器22e成为断开状态(开路状态)，切断从电容器30向DC调节器电路22f的通电。
DC调节器电路22f是所谓的公知的开关调节器，是使从第一燃料电池堆11、第二燃料电池堆12和电容器30供给的电力(电压)稳定化的电路。以下的说明中，在省略图示的开关成为接通状态的情况下，DC调节器电路22f成为接通状态。另外，在省略图示的开关成为断开状态的情况下，DC调节器电路22f成为断开状态。
4.电容器30的详情
在设置于控制装置20的控制电路22处的电容器输出开闭器22e为断开状态(开路状态)的情况下，作为电力回收装置的电容器30对由设置于控制装置20的控制电路22中的第一升压电路22c和第二升压电路22d进行了升压的高电压的电力进行充电(蓄电)。另外，电容器30在充电(蓄电)至预定的电压的情况下，通过将设置于控制装置20的控制电路22中的电容器输出开闭器22e控制为接通状态(闭合状态)，将充了电(蓄了电)的高电压的电力向DC调节器电路22f放电。
如图3所示，电容器30具有对表示充电(蓄电)的电力(包含停止后电力)的大小的电容器电压Vcap进行检测的电压传感器31。电压传感器31将检测到的电容器电压Vcap输出至控制部21。
电容器30在如后述那样第一燃料电池堆11和第二燃料电池堆12进行通常发电的情况下，根据电容器电压Vcap，对从第一燃料电池堆11和第二燃料电池堆12供给的电力进行充电(蓄电)。另外，电容器30在第一燃料电池堆11或第二燃料电池堆12伴随着刷新控制而进行放电的情况下，将放电的至少一部分电力充电(蓄电)为停止后电力。而且，电容器30在并联电连接的第一燃料电池堆11和第二燃料电池堆12发电的电力的电压降低的情况下或外部的负载C增大的情况下，通过迅速放电来供给充电(蓄电)的电力(包含停止后电力)。
这样，电容器30能够通过进行充电(蓄电)来回收第一燃料电池堆11或第二燃料电池堆12因刷新控制而放电的电力的至少一部分的停止后电力。另外，电容器30能够将回收到的停止后电力加入第一燃料电池堆11和第二燃料电池堆12发电的电力，并向负载C供给。换句话说，电容器30能够回收电力而进行再次利用。
作为电力回收装置，除了能够使用电容器30以外，还能够使用例如蓄电池等二次电池。但是，电容器30由于通常内部电阻小，所以能够在充电(蓄电)时迅速充电并且能够在放电时迅速放电。相对于此，蓄电池等二次电池通常由于内部电阻大而充电(蓄电)时的迅速充电和放电时的迅速放电较困难。因此，作为电力回收装置，优选使用电容器30。
5.燃料电池系统1的工作的详情
接下来，对本例的燃料电池系统1的工作进行说明。本例的燃料电池系统1通过控制装置20(控制部21)的控制，以图4所示的通常发电模式、图5所示的与发电停止相伴的电容器充电模式以及图6所示的电容器放电模式各个动作模式工作。以下，对各个动作模式依次进行说明。
5-1.通常发电模式
如图4所示，通常发电模式中，由于根据表示由电压传感器31检测的电容器30的充电电压的电容器电压Vcap使被控制装置20的控制部21进行切换控制的控制电路22的工作状态进行切换，故存在两个动作模式。具体而言，通常发电模式中存在电容器电压Vcap不足电容器30的电容器基础电压Vbase的情况下的“电容器充电模式”和电容器电压Vcap为电容器基础电压Vbase以上的情况下的“通常运转模式”这两个动作模式。
如图4所示，在通常发电模式下，无论电容器30的充电状态如何，具有并联电配置的第一燃料电池堆11和第二燃料电池堆12的燃料电池10均由控制装置20控制为接通状态而进行发电。而且，如图4所示，在通常发电模式下，控制电路22的DC调节器电路22f被控制为接通状态，由第一燃料电池堆11和第二燃料电池堆12发电的电力向外部的负载C供给。
5-1-1.电容器充电模式
电容器充电模式是从第一燃料电池堆11和第二燃料电池堆12的至少一者对电容器电压Vcap降低至不足电容器基础电压Vbase的电容器30供给电力的动作模式。在本例中，例示第一燃料电池堆11和第二燃料电池堆12双方对电容器30供给电力的情况。
在电容器充电模式下，电容器电压Vcap充电至成为电容器基础电压Vbase以上。作为电容器充电状态下的向电容器30充电的上限电压，如后述那样，能够设定为比电容器基础电压Vbase大的预定的电压值而设定为判定发电停止时有无向电容器30充电的电容器充电准备电压Vr。
在电容器充电模式中，控制装置20的控制部21将控制电路22的第一开闭器22a和第二开闭器22b切换为接通状态，并且将控制电路22的电容器输出开闭器22e控制为断开状态。而且，控制装置20的控制部21将控制电路22的第一升压电路22c反复切换为接通状态和断开状态而进行升压开关控制。同样，控制装置20的控制部21将控制电路22的第二升压电路22d反复切换为接通状态和断开状态来进行升压开关控制。
由此，在电容器充电模式下，由第一燃料电池堆11和第二燃料电池堆12发电的电力被通过第一升压电路22c和第二升压电路22d升压而向电容器30供给。此处，在电容器充电模式下，电容器输出开闭器22e维持为断开状态，因此，切断从电容器30向DC调节器电路22f的电力供给。因此，在电容器充电模式下，电容器30因从第一燃料电池堆11和第二燃料电池堆12处升压而供给的电力，被充电至成为电容器基础电压Vbase以上为止。
5-1-2.通常运转模式
通常运转模式是电容器30的电容器电压Vcap为电容器基础电压Vbase以上，且不对电容器30进行充电，而将第一燃料电池堆11和第二燃料电池堆12发电的电力经由DC调节器电路22f而向外部的负载C输出的动作模式。
因此，在通常运转模式下，控制装置20的控制部21将控制电路22的第一开闭器22a和第二开闭器22b切换为断开状态，并且将控制电路22的电容器输出开闭器22e控制为断开状态。另外，控制装置20的控制部21将控制电路22的第一升压电路22c和第二升压电路22d控制为断开状态。
由此，在通常运转模式下，由第一燃料电池堆11和第二燃料电池堆12发电的电力没有向电容器30供给。另外，在通常运转模式下，通过将电容器输出开闭器22e维持为断开状态，经由电容器输出开闭器22e，切断从电容器30向DC调节器电路22f的电力供给。因此，由第一燃料电池堆11和第二燃料电池堆12发电的所有电力经由DC调节器电路22f向外部的负载C输出。
5-2.刷新控制模式
刷新控制模式是在因控制装置20的控制而燃料电池10中的第一燃料电池堆11和第二燃料电池堆12中一者伴随着刷新控制而停止发电时，进行向电容器30的充电控制、燃料电池堆的放电控制、燃料电池堆的停止控制的动作模式。在本例中，例示第一燃料电池堆11因刷新控制而停止发电，第二燃料电池堆12因通常发电模式(通常运转模式)而继续发电的情况。此处，燃料电池10(本例中第一燃料电池堆11)即使在进行了后述的发电停止控制之后也会在直到既已供给的液体燃料被消耗为止期间内继续MEA处的电极反应，因此，一边伴随着电压降低，一边输出停止后电力。
如图5所示，刷新控制模式中，因对由控制装置20的控制部21进行切换控制的控制电路22的工作状态进行切换而存在三个动作模式。具体而言，在刷新控制模式中，存在将第一燃料电池堆11(燃料电池10)的发电停止控制后输出的停止后电力充电至电容器30的充电控制模式、在充电控制模式的停止后从第一燃料电池堆11(燃料电池10)放电的放电控制模式、结束第一燃料电池堆11(燃料电池10)的发电停止控制的控制结束模式。
5-2-1.充电控制模式
在电容器30的电容器电压Vcap为电容器基础电压Vbase以上且不足电容器充电准备电压Vr(Vbase≤Vcap＜Vr)并且从第一燃料电池堆11输出的输出电压Vfc成为预先设定的下限输出电压Vlim以下(Vfc≤Vlim)的情况下，执行本例的充电控制模式。通过控制装置20的控制部21使第一泵14停止，由此使液体燃料向第一燃料电池堆11的供给停止，从通常运转模式切换成充电控制模式。而且，充电控制模式，是控制装置20的控制部21为了执行刷新控制而使第一泵14的工作停止而停止(即，进行了发电停止控制)甲酸向第一燃料电池堆11的供给之后，输出电压Vfc降低并且将从第一燃料电池堆11输出的停止后电力充电至电容器30的动作模式。
在充电控制模式中，如图5所示，控制装置20的控制部21将控制电路22的第一开闭器22a切换为接通状态，并且将控制电路22的电容器输出开闭器22e控制为断开状态。而且，控制装置20的控制部21将控制电路22的第一升压电路22c反复切换为接通状态和断开状态而进行升压开关控制。与第二燃料电池堆12电连接的控制电路22的第二开闭器22b和第二升压电路22d由控制部21控制为断开状态。
由此，在充电控制模式下，在由第一泵14进行的液体燃料(甲酸)的供给停止的发电停止控制之后，由第一燃料电池堆11发电的停止后电力被第一升压电路22c升压而向电容器30供给。因此，在充电控制模式下，电容器30被充电至使电容器电压Vcap成为充满电电压Vm为止。在充电控制模式下，电容器输出开闭器22e维持为断开状态，因此，从电容器30向DC调节器电路22f的电力供给被切断。
此处，在对第一燃料电池堆11进行了发电停止控制之后(即，液体燃料(甲酸)的供给被切断之后)发电的停止后电力的至少一部分被充电并蓄电至电容器30。而且，如后述那样，充电(蓄电)至电容器30的包括停止后电力在内的电力在需要时被经由DC调节器电路22f向外部供给。因此，通过执行充电控制模式，在发电停止控制后，第一燃料电池堆11发电的停止后电力至少一部分被电容器30回收而被有效地利用。由此，与在通常的刷新控制下停止后电力被废弃的情况相比，能够提高电能的利用效率，进而能够实现节能。
5-2-2.放电控制模式
在电容器30的电容器电压Vcap为充满电电压Vm以上(Vcap≥Vm)，电容器30成为充满电的情况下，或在第一燃料电池堆11的输出电压Vfc成为能够充电(或升压)的最小电压Vmin以下(Vfc≤Vmin)的情况下，从充电控制模式切换成本例的放电控制模式。而且，放电控制模式，是为了使MEA中的电极反应迅速停止而优先使第一燃料电池堆11强制放电的动作模式。另外，放电控制模式是除了为了第一燃料电池堆11的强制的放电之外，还为了使残存于第一燃料电池堆11的阳极电极的甲酸强制排出而对阳极电极供给水的动作模式。
如图5所示，在放电控制模式下，控制装置20的控制部21将控制电路22的第一开闭器22a维持为接通状态，并且将控制电路22的第一升压电路22c的开关22c1切换为接通状态。由此，通过使第一燃料电池堆11的阳极电极强制短路，从而使第一燃料电池堆11强制放电。在放电控制模式下，控制电路22的电容器输出开闭器22e维持为断开状态。
另外，控制装置20使第二泵17工作，例如将生成水供给于阳极电极，使残存于阳极电极的甲酸排出。由此，在放电控制模式下，对阳极电极供给水，因此，MEA中的电极反应被强制且迅速地停止。即，通过执行放电控制模式，能够迅速地转移至后述的控制结束模式，作为其结果，能够迅速地结束刷新控制。
5-2-3.控制结束模式
在从被进行了发电停止控制的第一燃料电池堆11输出的输出电流Ifc成为预先设定的下限电流Ilow以下(Ifc≤Ilow)的情况下，从放电控制模式切换成本例的控制结束模式。在这种情况下，实际上执行基于与输出电流Ifc相关的输出电压Vfc和与下限电流Ilow相关的电压值的切换处理。而且，控制结束模式是在经过了恒定时间之后结束刷新控制的动作模式。
在控制结束模式下，如图5所示，控制装置20的控制部21将在充电控制模式和放电控制模式下维持为接通状态的第一开闭器22a切换为断开状态。另外，在控制结束模式下，控制装置20的控制部21将在放电控制模式下已切换成接通状态的控制电路22的第一升压电路22c的开关22c1切换为断开状态。而且，在控制结束模式下，控制装置20的控制部21为了使在放电控制模式下向阳极电极供给的水停止而停止第二泵17的工作。由此，针对燃料电池10中的第一燃料电池堆11的刷新控制结束。
在进行针对第二燃料电池堆12的刷新控制的情况下，与针对上述的第一燃料电池堆11的刷新控制相同地进行。即，在充电控制模式下，控制装置20的控制部21将控制电路22的第二开闭器22b切换为接通状态，并且将控制电路22的电容器输出开闭器22e控制为断开状态。而且，控制装置20的控制部21将控制电路22的第二升压电路22d反复切换为接通状态和断开状态来进行升压开关控制。
另外，在放电控制模式下，控制装置20的控制部21将控制电路22的第二开闭器22b维持为接通状态，并且将控制电路22的第二升压电路22d的开关22d1切换为接通状态。由此，通过使第二燃料电池堆12的阳极电极强制短路，使第二燃料电池堆12强制放电。另外，控制装置20的控制部21通过使第二泵17工作而将生成水向第二燃料电池堆12的阳极电极供给，使残存于阳极电极的甲酸排出。由此，在第二燃料电池堆12中，对阳极电极供给水，因此，MEA中的电极反应被强制且迅速地停止。
而且，在控制结束模式下，控制装置20的控制部21将在充电控制模式和放电控制模式下维持为接通状态的第二开闭器22b切换为断开状态。另外，控制装置20的控制部21将在放电控制模式下切换成了接通状态的控制电路22的第二升压电路22d的开关22d1切换为断开状态。而且，控制装置20的控制部21使第二泵17的工作停止。由此，针对第二燃料电池堆12的刷新控制结束。而且，控制装置20的控制部21通过使第一泵14工作而再次开始甲酸向第一燃料电池堆11的供给，通过通常发电模式使具有第一燃料电池堆11的燃料电池10工作。
5-3.电容器放电模式
电容器放电模式，是第一燃料电池堆11和第二燃料电池堆12通过通常发电模式(通常运转模式)发电，经由DC调节器电路22f对外部的负载C供给电力的状态下，将充电(蓄电)至电容器30的包括停止后电力的电力经由DC调节器电路22f而向外部的负载C供给的动作模式。电容器放电模式，是在如后述那样由并联电连接的第一燃料电池堆11和第二燃料电池堆12发电的电力降低了的状况下或外部的负载C以变大的方式变化了的状况下进行的动作模式。
如图6所示，电容器放电模式通过对由控制装置20的控制部21切换控制的控制电路22的工作状态进行切换，从而存在两个动作模式。具体而言，电容器放电模式中，存在将从电容器30充电(蓄电)的包括停止后电力的电力向外部供给的放电控制模式和将来自电容器30的电力供给切断的切断控制模式。
5-3-1.放电控制模式
电容器放电模式中的放电控制模式，是在在通常运转模式下发电的燃料电池10中的第一燃料电池堆11和第二燃料电池堆12中任一者的输出电压Vfc不足要求输出电压Vd(Vfc＜Vd)或经由DC调节器电路22f向外部的负载C供给的最大输出电流Imax不足负载C所要求的要求电流Id(Imax＜Id)的情况下从电容器30供给包含停止后电力的电力的动作模式。此处，要求输出电压Vd例如设定为不足电容器30的电容器基础电压Vbase的大小。在放电控制模式下，具有第一燃料电池堆11和第二燃料电池堆12的燃料电池10继续发电。
如图6所示，在放电控制模式下，控制装置20的控制部21在将DC调节器电路22f维持为接通状态的状态下将电容器输出开闭器22e从断开状态切换为接通状态。另外，控制装置20的控制部21将第一开闭器22a和第二开闭器22b维持为断开状态。
由此，在电容器放电模式的放电控制模式下，电容器30经由电容器输出开闭器22e而与DC调节器电路22f电连接。就此，电容器30通过上述的电容器充电模式或充电控制模式，对至少包含停止后电力的电力进行充电(蓄电)，直至电容器基础电压Vbase以上(例如，充满电电压Vm)为止。即，在进行放电控制模式的情况下，电容器30的电容器电压Vcap成为比第一燃料电池堆11和第二燃料电池堆12的输出电压Vfc大的状态。
因此，除了能够供给第一燃料电池堆11和第二燃料电池堆12发电的电力之外，还能够通过电容器30使充电(蓄电)了的电力(包括停止后电力)放电而经由DC调节器电路22f向外部的负载C供给。另外，电容器30通过放电而供给电力(包括停止后电力)，由此能够使经由DC调节器电路22f而向外部的负载C供给的最大输出电流Imax变大，作为其结果，外部的负载C能够稳定地接受要求电流Id的供给。
5-3-2.切断控制模式
切断控制模式，是在通过放电使电容器30的电容器电压Vcap成为第一燃料电池堆11或第二燃料电池堆12的输出电压Vfc以下(Vcap≤Vfc)的情况下将电力从电容器30向DC调节器电路22f的供给切断的动作模式。如图6所示，在切断控制模式下，控制装置20的控制部21将在放电控制模式下切换成了接通状态的电容器输出开闭器22e切换为断开状态。
由此，电容器30与DC调节器电路22f之间的电连接被切断。因此，来自电容器30的电力的供给(即，电容器30的放电)被切断。
如能够从以上的说明理解的那样，根据燃料电池系统1，作为电力回收装置的电容器30在伴随着刷新控制模式的执行而使作为液体燃料的甲酸向燃料电池10的第一燃料电池堆11或第二燃料电池堆12的供给被停止之后，能够通过充电控制模式的执行对停止后电力进行充电而回收。而且，燃料电池系统1伴随着电容器放电模式的执行，除了能供给从燃料电池10的第一燃料电池堆11和第二燃料电池堆12输出的电力之外，还能够通过因放电控制模式的执行使电容器30回收到的停止后电力放电而对外部的负载供给电力。
因此，燃料电池系统1能够由电力回收装置回收被白白浪费的停止后电力并且能够通过放电来利用停止后电力。由此，燃料电池系统1能够实现从燃料电池10的第一燃料电池堆11和第二燃料电池堆12向外部的负载C供给的电力的稳定化。
另外，燃料电池系统1，针对在刷新控制模式的放电控制模式下因刷新控制而进行了发电停止控制的(即，停止了甲酸的供给的)第一燃料电池堆11和第二燃料电池堆12中一者亦即第一燃料电池堆11，优先使阴极电极向阳极进行电短路放电。而且，燃料电池系统1对第一燃料电池堆11的阳极电极供给水，排出残留的甲酸。由此，第一燃料电池堆11能够迅速通过短路使电力放电并且停止MEA中的电极反应而停止发电。换句话说，燃料电池系统1能够迅速结束刷新控制，能够在控制结束模式的执行之后迅速转移至通常发电模式。
因此，燃料电池系统1能够使伴随着刷新控制而燃料电池10(第一燃料电池堆11和第二燃料电池堆12中一者亦即第一燃料电池堆11)停止发电的发电停止时间缩短。作为其结果，能够抑制从燃料电池10(第一燃料电池堆11和第二燃料电池堆12)向外部的负载C供给的电力不稳定这种情况，能够实现向外部的负载C输出的电力的稳定化。
而且，燃料电池系统1能够由电容器30通过充电(蓄电)来回收因放电而浪费了的从燃料电池10(第一燃料电池堆11和第二燃料电池堆12)输出的停止后电力，其后通过放电将停止后电力向外部的负载C输出(供给)。由此，能够提高通过燃料电池10发电的电力的利用效率，作为其结果，能够实现节能。
在上述的本例中，例示出燃料电池系统1具有第一燃料电池堆11和第二燃料电池堆12这两个燃料电池堆的情况。但是，在燃料电池系统1中，燃料电池堆的数量不限定于两个，也可以具有3个以上的燃料电池堆。在具有3个以上燃料电池堆的情况下，也得到与上述的本例相同的效果。
本申请是基于2021年1月20日申请的日本专利申请特愿2021-006854的，其内容作为参照而在此处引用。

Claims (12)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，具备：
燃料电池，其具有具备阳极电极和阴极电极的电极构造体，对所述阳极电极供给液体燃料且对所述阴极电极供给氧化剂而进行发电；
电力回收装置，其构成为通过充电来回收从所述燃料电池输出的电力的至少一部分，并且使所述充了电的电力放电；以及
控制装置，其控制所述燃料电池和所述电力回收装置，
所述控制装置构成为，
在停止了所述液体燃料向所述燃料电池的供给的状态下，
通过充电将所述燃料电池使用既已供给的所述液体燃料发电的停止后电力回收至所述电力回收装置，
在所述停止后电力被回收至所述电力回收装置之后，使所述燃料电池的所述电极构造体中的电极反应停止，
所述控制装置构成为，
在向所述燃料电池供给所述液体燃料的状态下，
除了放电而供给从所述燃料电池输出的所述电力之外，还使回收到的所述停止后电力从所述电力回收装置向外部的负载放电而供给。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述控制装置构成为，
在所述停止后电力的输出电压成为能够充电至所述电力回收装置的最小电压以下时使所述燃料电池短路。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，
还具备对所述燃料电池的所述阳极电极供给水的水供给装置，
所述控制装置构成为，
在表示所述电力回收装置的充电状态的充电电压成为表示所述电力回收装置的充满电的充满电电压时，或在所述停止后电力的输出电压成为能够向所述电力回收装置充电的最小电压以下时，从所述水供给装置对所述阳极电极供给水。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述控制装置构成为，
在从所述燃料电池输出的电流成为预先设定的最小输出电流以下时，再次开始所述液体燃料向所述燃料电池的供给。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述电力回收装置在表示充电状态的充电电压成为被设定为比充满电状态的充满电电压小的电压的充电准备电压以下时，将所述停止后电力进行充电。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述电力回收装置将升压得比所述燃料电池的输出电压高的所述停止后电力进行充电。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述电力回收装置在所述燃料电池的输出电压为预定的要求输出电压以下时，或在所述燃料电池的输出电流为所述负载的要求输出电流以下时，使所述停止后电力向所述负载放电而供给。
8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述控制装置在表示所述电力回收装置的充电状态的充电电压成为所述燃料电池的所述输出电压以下时，停止向所述负载的放电。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述电力回收装置包括电容器。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
在由所述控制装置向所述燃料电池供给所述液体燃料的状态下，在表示所述电力回收装置的充电状态的充电电压不足预定的基础电压时，所述电力回收装置将从所述燃料电池输出的电力进行充电。
11.根据权利要求1～10中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述燃料电池具有并联电连接的多个燃料电池堆。
12.根据权利要求1～11中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述液体燃料为甲酸HCOOH。
CN202280009870.8A 2021-01-20 2022-01-07 燃料电池系统 Pending CN116783739A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021-006854 2021-01-20
JP2021006854A JP2022111435A (ja) 2021-01-20 2021-01-20 燃料電池システム
PCT/JP2022/000363 WO2022158315A1 (ja) 2021-01-20 2022-01-07 燃料電池システム

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116783739A true CN116783739A (zh) 2023-09-19

Family

ID=82548867

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202280009870.8A Pending CN116783739A (zh) 2021-01-20 2022-01-07 燃料电池系统

Country Status (4)

Country Link
JP (1) JP2022111435A (zh)
CN (1) CN116783739A (zh)
DE (1) DE112022000695T5 (zh)
WO (1) WO2022158315A1 (zh)

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003229157A (ja) * 2002-02-05 2003-08-15 Nissan Motor Co Ltd 改質型燃料電池システムの制御装置
JP2005085509A (ja) * 2003-09-04 2005-03-31 Nec Corp 燃料電池システムおよびその運転方法
JP2007280741A (ja) 2006-04-06 2007-10-25 Hitachi Ltd 燃料電池装置
US20120308851A1 (en) * 2010-12-17 2012-12-06 Takashi Akiyama Fuel cell system and method for controlling the same
JP5698202B2 (ja) * 2012-10-16 2015-04-08 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
JP2021006854A (ja) 2019-06-28 2021-01-21 京セラドキュメントソリューションズ株式会社 ベルト検査システムおよびベルト検査プログラム

Also Published As

Publication number Publication date
JP2022111435A (ja) 2022-08-01
DE112022000695T5 (de) 2023-11-02
WO2022158315A1 (ja) 2022-07-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7562731B2 (en) Electric power generation system for vehicle
JP4495111B2 (ja) 燃料電池システムにおけるコンタクタ故障検知装置
US7862943B2 (en) Method and apparatus for starting a fuel cell engine in a vehicle equipped with an ultracapacitor
CN102217128B (zh) 停止和启动燃料电池的方法
KR101285997B1 (ko) 연료 전지 시스템의 운전 방법 및 연료 전지 시스템
JP5227620B2 (ja) 燃料電池システムの始動方法
US7776481B2 (en) Fuel cell system and method of controlling electrical energy discharged in the fuel cell system
CN1765028A (zh) 燃料电池混合电源
JP4516093B2 (ja) 燃料電池システム及びその始動方法
JP2006210168A (ja) ２次電池充電システム
JP4847929B2 (ja) 燃料電池システムにおけるコンタクタ故障検出方法及びその装置
US20060147770A1 (en) Reduction of voltage loss caused by voltage cycling by use of a rechargeable electric storage device
JP4505489B2 (ja) 燃料電池システム及びその起動方法
US20140072887A1 (en) Oxidation of fuel cell electrode contaminants
JP2011076818A (ja) 燃料電池発電システムおよびその運転方法
CN101536231B (zh) 燃料电池系统、燃料电池系统的控制方法及移动体
JP4332101B2 (ja) 燃料電池システムおよびその制御方法
CN116783739A (zh) 燃料电池系统
JP2011034837A (ja) 燃料電池システムの氷点下起動方法
JP2007305365A (ja) 燃料電池システムにおけるコンタクタ故障検知方法及びその装置
WO2023162055A1 (ja) 燃料電池システム
JP2006190571A (ja) 燃料電池の制御装置
JP7264110B2 (ja) 燃料電池システム
US20220416279A1 (en) Fuel cell system
JP2009104977A (ja) 燃料電池システム

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination