CN1731612A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种能够实现高效率化以及控制的简化的燃料电池系统。燃料供给部(2)，为了让燃料电池组(1)提供给定的电能，而将必要的燃料供给给燃料电池组(1)。模式控制电路(5)，在燃料电池组(1)的输出电能大于负载电能的情况下，让双向DC/DC转换器(4)进行使用燃料电池组(1)的输出电能对二次电池(3)进行充电的动作(充电动作)，在燃料电池组(1)的输出电能小于负载电能的情况下，让双向DC/DC转换器(4)进行将二次电池(3)的输出电压变换成给定的电压并输出的动作(放电动作)。另外，将上述给定的电压设定为与燃料电池组(1)的输出电压大致相同，对燃料电池组(1)的输出电能进行一定控制，使其为上述给定的电能。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种作为燃料电池与二次电池的并联系统的燃料电池系统。
背景技术
近年来，开发出了种种作为燃料电池与二次电池的并联系统的燃料电池系统(参照例如专利文献1)。通常，作为燃料电池与二次电池的并联系统的燃料电池系统中，定期向燃料电池提供给定量的燃料。从燃料电池所获得的电能与反应燃料量几乎成正比。之后，对应于负载所需要的电能，反应燃料量发生变化，并将反应中没有使用的燃料回收再利用。另外，在只通过从燃料电池所获得的电能无法满足负载所需要的电能的情况下，由二次电池的输出电能对该不足部分进行补偿。
但是上述系统中，由于未反应燃料的回收时发生损耗，因此，在燃料电池的发电电能小于供给燃料量的情况下，存在燃料电池系统的效率低下这一问题。
作为解决相关问题的方法，有一种是根据负载所需要的电能来对供给燃料量进行控制，从而不产生未反应燃料的方法。
【专利文献1】特开2004-71260号公报
但是，根据负载所需要的电能来控制供给燃料量，从而不产生未反应燃料的方法中，为了对应过渡的负载变动，必须进行高速控制，另外，为了可靠地不产生未反应燃料，需要高精度控制，因此存在控制变得复杂这一问题。
发明内容
本发明为解决上述问题，目的在于提供一种能够实现高效化以及控制的简化的燃料电池系统。
为实现上述目的，本发明的燃料电池系统，是燃料电池与二次电池的并联系统，具有：
上述燃料电池；
燃料供给部，为了让上述燃料电池提供给定的电能，而将必要的燃料供给给上述燃料电池；
上述二次电池；
双向DC/DC转换器，有选择地进行将上述二次电池的输出电压变换成给定的电压并输出的动作，与使用上述燃料电池的输出电能(power)对上述二次电池进行充电的动作；
负载电能检测部，检测出作为外部负载向燃料电池系统所要求的电能的负载电能；以及
控制部，被输入上述负载电能检测部的检测结果，在让上述双向DC/DC转换器进行将上述二次电池的输出电压变换成给定的电压并输出的动作时，如果判断上述燃料电池的输出电能大于上述负载电能，则将上述双向DC/DC转换器的动作切换为使用上述燃料电池的输出电能对上述二次电池进行充电的动作；在让上述双向DC/DC转换器进行将上述二次电池的输出电压变换成给定的电压并输出的动作时，如果判断上述燃料电池的输出电能小于上述负载电能，则保持上述双向DC/DC转换器的动作为将上述二次电池的输出电压变换成给定的电压并输出的动作；同时，在让上述双向DC/DC转换器进行使用上述燃料电池的输出电能对上述二次电池进行充电的动作时，如果判断上述燃料电池的输出电能大于上述负载电能，则保持上述双向DC/DC转换器的动作为使用上述燃料电池的输出电能对上述二次电池进行充电的动作；在让上述双向DC/DC转换器进行使用上述燃料电池的输出电能对上述二次电池进行充电的动作时，如果判断上述燃料电池的输出电能小于上述负载电能，则将上述双向DC/DC转换器的动作切换为将上述二次电池的输出电压变换成给定的电压并输出的动作；
上述给定的电压被设定为与上述燃料电池的输出电压大致相同，对上述燃料电池的输出电能进行一定控制，使其为上述给定的电能。
通过这样的构成，在上述燃料电池的输出电能大于上述负载电能的情况下，也即产生了剩余电能的情况下，让剩余电能对上述二次电池进行充电，在上述燃料电池的输出电能小于上述负载电能的情况下，也即产生了电能不足的情况下，通过上述二次电池的输出电能对电能不足进行补偿，从而将上述燃料电池组的输出电能保持为上述给定的电能。通过这样，能够实现燃料电池的高效率化。另外，上述控制部所进行的切换上述双向DC/DC转换器的动作的控制，即使对于过渡性的负载变动，也能够简单的进行对应。因此，上述构成的燃料电池系统中，不需要高精度·高速的燃料控制，因此能够实现控制的简化。
另外，从降低二次电池被满充电以及二次电池的残量被耗尽的可能性的观点出发，可以让上述燃料供给部提供给上述燃料电池的燃料量可变，能够设置多个上述给定的电能及上述给定的电压。例如，可以根据上述负载电能检测部的检测结果，变更上述燃料供给部提供给上述燃料电池的燃料量。
另外，上述任一个构成的燃料电池系统中，可以具有输出电能判断部及供给燃料量控制部；所述输出电能判断部判断是否正在从上述双向DC/DC转换器向上述外部负载供电，所述供给燃料量控制部被输入上述负载电能检测部的检测结果以及上述输出电能判断部的判断结果，如果不管上述负载电能是否不满上述给定电能的值，都从上述双向DC/DC转换器向上述外部负载供电，则控制上述燃料供给部向上述燃料电池供给燃料。
通过这样的构成，如果不管上述负载电能是否不满上述给定电能的值，都从上述双向DC/DC转换器向上述外部负载供电，则由于向上述燃料电池供给燃料，因此能够解除燃料电池的燃料不足。
另外，上述任一个构成的燃料电池系统中，可以让上述燃料供给部，将基于上述燃料电池系统的输出的电能作为动作电源。通过这样，不需要另外设置燃料供给部用电源。
通过本发明，能够实现一种可实现高效率化以及控制的简化的燃料电池系统。
附图说明
图1为说明本发明的燃料电池系统的一个构成例的图。
图2为说明燃料电池组的电流-电压特性以及电流-电能特性的图。
图3为说明本发明的燃料电池系统所具有的双向转换器的一个构成例的图。
图4为说明图1中所示的燃料电池系统的变形例的图。
图5为说明燃料电池组的电流-电压特性以及电流-电能特性的图。
图6为说明本发明的燃料电池系统的另一个构成例的图。
图7为说明燃料电池组的电流-电压特性以及电流-电能特性的图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明的一个实施方式进行说明。本发明的燃料电池系统的一个构成例如图1所示。另外，图1中所示的本发明的燃料电池系统所具有的燃料电池组1的电流-电压特性曲线TI-V以及电流-电能特性曲线TI-P如图2所示。
图1中所示的本发明的燃料电池系统，是燃料电池与二次电池的并联系统，具有燃料电池组1、燃料供给部2、二次电池3、双向DC/DC转换器4、模式控制电路5、负载电力检测部7。
燃料供给部2定期将一定量的燃料供给燃料电池组1。燃料电池组1被控制为，不管负载6所要求的电能如何，都以图2中的最大电能Pmax或稍小一些的电能Pc进行一定的输出。
二次电池3的正极与双向DC/DC转换器4的一端相连接。另外，燃料电池组1的输出端与双向DC/DC转换器4的另一端共通连接，并与负载6相连接。
负载电能检测部7，检测出负载6向燃料电池系统所要求的电能(以下称作负载电能)，将该检测结果输出给模式控制电路5。例如负载6是DC/DC转换器的情况下，由于该DC/DC转换器的输出电压被固定为给定的设定值，因此，通过检测出该DC/DC转换器的输出电流，负载电能检测部7就能够检测出负载电能。
模式控制电路5根据负载电能检测部7的输出，控制双向DC/DC转换器4的模式。
另外，燃料供给部2，将基于燃料电池系统的输出的电能作为动作电源。也即，图1中为了便于说明而将燃料供给部2与负载6分开显示，但实际上燃料供给部2构成负载6的一部分。
双向DC/DC转换器4能够对二次电池3进行充放电。双向DC/DC转换器4，在放电模式下，将二次电池3的输出电压升压，输出给负载6，另外，在充电模式下将燃料电池组1所供给的电压降低，输出给二次电池3。另外，让放电模式下的双向DC/DC转换器4的输出电压设定值Vop，与在动作点OP1以及OP2下工作时的燃料电池组1的输出电压值一致。
这里，图3中显示了双向DC/DC转换器4的一个构成例。双向DC/DC转换器4，由连接二次电池3(图3中未显示)的端子4A、线圈4B、电容器4C、放电用开关器件4D、充电用开关器件4E、电容器4F、及连接燃料电池组1(图3中未显示)与负载6(图3中未显示)的端子4G所构成。放电用开关器件4D，由MOSFET(绝缘栅型场效应晶体管)以及将线圈4B侧作为阴极的二极管构成。另外，充电用开关器件4E，由MOSFET以及将线圈4B侧作为阳极的二极管构成。端子4A与线圈4B的一端以及电容器4C的一端相连接。线圈4B的另一端与放电用开关器件4D的一端，以及充电用开关器件4E的一端相连接。电容器4C的另一端以及放大用开关器件4D的另一端，与二次电池3以及燃料电池组1的负极电位相同。充电用开关器件4E的另一端与电容器4F的一端以及端子4G相连接，电容器4F的另一端，与二次电池3以及燃料电池组1的负极电位相同。
在放电模式下，在构成放电用开关器件4D的MOSFET导通，且构成充电用开关器件4E的MOSFET截止的状态下，通过二次电池3(图3中未显示)的输出电压，在线圈4B中储存能量。之后，将构成放电用开关器件4D的MOSFET切换成截止，同时，将构成充电用开关器件4E的MOSFET切换成导通，从而让线圈4B中所储存的能量，经构成充电用开关器件4E的MOSFET的源-漏极间以及作为整流器件的二极管，提供给与被电容器4F进行了稳定化之后的端子4G相连接的负载6(图3中未显示)。通过这样进行升压放电动作。
另外，在充电模式下，在构成充电用开关器件4E的MOSFET导通，且构成放电用开关器件4D的MOSFET截止的状态下，从燃料电池组1(图3中未显示)所输出的电能经线圈4B提供给二次电池3(图3中未显示)，进行充电。之后，将构成充电用开关器件4E的MOSFET切换成截止，同时，将构成放电用开关器件4D的MOSFET切换成导通，在电容器4C、以及构成放电用开关器件4D的MOSFET的源-漏极之间以及作为整流器件的二极管中通电流，释放线圈4B中所储存的能量。通过这样进行降压充电动作。
回到图1中所示的燃料电池系统继续进行说明。燃料电池系统的起动时，模式控制电路5让双向DC/DC转换器4处于放电模式。模式控制电路5，将在动作点OP1及OP2下进行工作时的燃料电池组1的输出电能值Pc，预先存储在内部存储器(图中未显示)中，通过将该存储值与负载电能检测部7的输出进行比较，判断燃料电池组1的输出电能是否大于负载电能。
模式控制电路5，在判断双向DC/DC转换器4处于放电模式下，且燃料电池组1的输出电能大于负载电能的情况下，也即判断产生了剩余电能的情况下，将双向DC/DC转换器4的模式切换成充电模式；在判断双向DC/DC转换器4处于放电模式下，且燃料电池组1的输出电能小于负载电能的情况下，也即判断电能不足的情况下，维持双向DC/DC转换器4的模式为放电模式。另外，在双向DC/DC转换器4处于放电模式下，且燃料电池组1的输出电能等于负载电能的情况下，既可以维持双向DC/DC转换器4的模式为放电模式，又可以切换成充电模式。
另外，模式控制电路5，在判断双向DC/DC转换器4处于充电模式下，且燃料电池组1的输出电能大于负载电能的情况下，也即判断产生了剩余电能的情况下，维持双向DC/DC转换器4的模式为充电模式；在判断双向DC/DC转换器4处于充电模式下，且燃料电池组1的输出电能小于负载电能的情况下，也即判断电能不足的情况下，将双向DC/DC转换器4的模式切换成放电模式。另外，在双向DC/DC转换器4处于充电模式下，且燃料电池组1的输出电能等于负载电能的情况下，既可以维持双向DC/DC转换器4的模式为充电模式，又可以切换成放电模式。
模式控制电路5通过进行上述控制，在产生了剩余电能的情况下，让剩余电能对二次电池3进行充电，在判断产生了电能不足的情况下，通过二次电池3的输出电能对电能不足进行补偿。通过这样，能够将燃料电池组1的输出电能保持为一定电能Pc，从而能够实现燃料电池的高效率化。另外，模式控制电路5所进行的放电模式与充电模式的切换控制，即使对于过渡性的负载变动，也能够简单的进行对应。这样，图1中所示的本发明的燃料电池系统中，不需要高精度·高速的燃料控制，因此能够实现控制的简化。
从提高燃料电池系统的效率的观点出发，图1中所示的本发明的燃料电池系统，在燃料电池组1的输出端，没有设置连接阳极的防倒流二极管。由于燃料电池组1不会向二次电池那样进行逆充电(从电压较高的电池向电压较低的电池充电)，因此，即使不设置防倒流二极管也不会发生什么问题。这样，通过不设置防倒流二极管，能够让燃料电池系统的效率提高相当于防倒流二极管中的电能损耗。另外，虽然燃料电池系统的效率会降低，但也可以设置防倒流二极管。
另外，如图4所示，可以在图1的燃料电池系统中添加负载电能检测部8、输出电能判断部9、及供给燃料量控制部10。
即使在图2中的动作点OP1以及OP2中，燃料供给部2将与燃料电池组1进行工作时所必需的反应燃料量等量的燃料，提供给燃料电池组1，由于未使用燃料的回收损耗、周边温度的上升等引起的蒸发等原因，燃料浓度发生变化。这样，如果燃料浓度变薄，则如图5所示，燃料电池组1的输出电流-输出电压特性曲线、燃料电池组1的输出电流-输出电能特性曲线分别变为TI-V’、TI-P’，在动作点OP1与OP2燃料电池组1无法工作。这样的状态称作燃料不足。
负载电能检测部8检测出负载电能，将该检测结果输出给供给燃料量控制部10。例如在负载6是DC/DC转换器的情况下，由于该DC/DC转换器的输出电压被固定为给定的设定值，因此，通过检测出该DC/DC转换器的输出电流，负载电能检测部8能够检测出负载电能。
输出电能判断部9，判断是否从双向DC/DC转换器4向负载6供电，将该判断结果输出给供给燃料量控制部10。输出电能判断部9，检测出双向DC/DC转换器4的放电模式下的输入电流或输出电流，如果该所检测出的电流的值不为0，则判断从双向DC/DC转换器4向负载6供电，如果所检测出的电流的值为0，则判断不从双向DC/DC转换器4向负载6供电。
供给燃料控制部10，不管负载电能是否不满Pc(燃料不足时的燃料电池组1的输出电能值)，如果从双向DC/DC转换器4向负载6供电，则判断为燃料电池的燃料不足，控制燃料供给部2向燃料电池组1供给燃料。另外，在开始从双向DC/DC转换器4向负载6供电时的负载电能越小，燃料电池的燃料不足量就越大，因此最好增加供给燃料量。
由于在供给燃料量控制部10不管负载电能是否不满阈Pc，都从双向DC/DC转换器4向负载6供电的情况下，判断为燃料电池的燃料不足，控制燃料供给部2向燃料电池组1供给燃料，因此能够解除燃料电池的燃料不足。
另外，即使是设有防倒流二极管的燃料电池系统，通过如上设置负载电能检测部8、输出电能判断部9、及供给燃料量控制部10，也能够解除燃料电池的燃料不足。但是，从提高燃料电池系统的效率的观点出发，最好是如图4所示的没有设置防倒流二极管的构成。另外，由于负载电能检测部7与负载电能检测部8是具有相同功能的电路，因此最好将二者结合起来。
上述图1中所示的燃料电池系统中，如果负载电能小于燃料电池组1的输出电能的状态持续，则二次电池3便会变成满充电，如果负载电能大于燃料电池组1的输出电能的状态持续，则二次电池3的残量便会耗尽。在二次电池满充电时产生了剩余电能的情况下，无法将剩余电能充给二次电池。因此，燃料电池组1无法保持在图2中的动作点OP1及OP2下的动作，燃料电池组1的输出电能减少，产生了未反应燃料。这样便产生了回收未反应燃料时产生损耗这一问题。另外，存在在二次电池3的残量耗尽时产生了电能不足的情况下，无法通过二次电池3来补偿电能不足这一问题。
因此，图6中显示了能够降低二次电池被满充电以及二次电池的残量耗尽的可能性的本发明的燃料电池系统。另外，图6中给和图1相同的部分标注相同的符号，省略详细说明。
图6中所示的燃料电池系统，将图1中所示的燃料电池系统的燃料供给部2替换成燃料供给部2’，将模式控制电路5替换成模式控制电路5’。
燃料供给部2’被输入负载电能检测部7的输出，如果负载电能大于预先设定的阈值，则向燃料电池组1供给与燃料电池组1在图7中的动作点OP1及OP2下工作时所需要的反应燃料量等量的燃料，如果负载电能不大于预先设定的阈值，则向燃料电池组1供给与燃料电池组1在图7中的动作点OP1及OP2下工作时所需要的反应燃料量等量的燃料。通过这样，燃料电池组1能够不管负载6所需要的电能如何，都输出一定电能Pc或Pc’。
模式控制电路5’，除了进行模式控制电路5所进行的动作之外，如果负载电能大于预先设定的阈值，则让放电模式下的双向DC/DC转换器4的输出电压为设定值Vop(与在动作点OP1及OP2下工作时的燃料电池组1的输出电压相同的值)，如果负载电能不大于预先设定的阈值，则让放电模式下的双向DC/DC转换器4的输出电压为设定值Vop’(与在动作点OP1’及OP2’下工作时的燃料电池组1的输出电压相同的值)。
图6中所示的燃料电池系统中，如果负载电能为阈值以下，则通过较小的值(Pc’)对燃料电池组1的输出电能进行一定控制，因此能够降低二次电池3被满充电的可能性。另外，图6中所示的燃料电池系统中，如果负载电能大于阈值，则通过较大的值(Pc)对燃料电池组1的输出电能进行一定控制，因此能够降低二次电池3的残量被耗尽的可能性。
另外，还可以设置检测出二次电池3的满充电的检测部，如果通过该检测部检测出二次电池3的满充电，则可以减少燃料供给部2’提供给燃料电池组1的燃料量，增大模式控制电路5’所设定的放电模式下的双向DC/DC转换器4的输出电压的设定值。
另外，还可以设置检测出二次电池3的残量被耗尽的检测部，如果通过该检测部检测出二次电池3的残量被耗尽，则可以增加燃料供给部2’提供给燃料电池组1的燃料量，减小模式控制电路5’所设定的放电模式下的双向DC/DC转换器4的输出电压的设定值。
另外，图6中所示的燃料电池系统中，也可以与图1中所示的燃料电池系统一样，不设置阳极连接在燃料电池组1的输出端的防倒流二极管，但也可以设置防倒流二极管。
另外，图6中所示的燃料电池系统中，也可以与图1中所示的燃料电池系统一样，添加负载电能检测部8、输出电能判断部9以及供给燃料量控制部10。
以上对本发明的实施方式进行了说明，但本发明的范围并不限定于此，可以在不脱离本发明的要点的范围内，添加各种变更进行实施。例如，从图6中所示的燃料电池系统的燃料供给部2’向燃料电池组1所供给的燃料量，可以不是两种而是三种。

Claims (5)

1.一种燃料电池系统，是燃料电池与二次电池的并联系统，其特征在于，包括：
上述燃料电池；
燃料供给部，为了让上述燃料电池提供给定的电能，而将必要的燃料供给上述燃料电池；
上述二次电池；
双向DC/DC转换器，有选择地进行将上述二次电池的输出电压变换成给定的电压并输出的动作，与使用上述燃料电池的输出电能对上述二次电池进行充电的动作；
负载电能检测部，检测出作为外部负载向燃料电池系统所要求的电能的负载电能；以及
控制部，被输入上述负载电能检测部的检测结果，在让上述双向DC/DC转换器进行将上述二次电池的输出电压变换成给定的电压并输出的动作时，如果判断上述燃料电池的输出电能大于上述负载电能，则将上述双向DC/DC转换器的动作切换为使用上述燃料电池的输出电能对上述二次电池进行充电的动作；在让上述双向DC/DC转换器进行将上述二次电池的输出电压变换成给定的电压并输出的动作时，如果判断上述燃料电池的输出电能小于上述负载电能，则保持上述双向DC/DC转换器的动作为将上述二次电池的输出电压变换成给定的电压并输出的动作；同时，在让上述双向DC/DC转换器进行使用上述燃料电池的输出电能对上述二次电池进行充电的动作时，如果判断上述燃料电池的输出电能大于上述负载电能，则保持上述双向DC/DC转换器的动作为使用上述燃料电池的输出电能对上述二次电池进行充电的动作；在让上述双向DC/DC转换器进行使用上述燃料电池的输出电能对上述二次电池进行充电的动作时，如果判断上述燃料电池的输出电能小于上述负载电能，则将上述双向DC/DC转换器的动作切换为将上述二次电池的输出电压变换成给定的电压并输出的动作；
上述给定的电压被设定为与上述燃料电池的输出电压大致相同，对上述燃料电池的输出电能进行一定控制，使其为上述给定的电能。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：
上述燃料供给部提供给上述燃料电池的燃料量可变，能够设置多个上述给定的电能及上述给定的电压。
3.如权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于：
可以对应于上述负载电能检测部的检测结果，变更上述燃料供给部提供给上述燃料电池的燃料量。
4.如权利要求1～3中任意一项所述的燃料电池系统，其特征在于，具有：
输出电能判断部，判断是否正在从上述双向DC/DC转换器向上述外部负载供电；以及
供给燃料量控制部，被输入上述负载电能检测部的检测结果以及上述输出电能判断部的判断结果，如果不管上述负载电能是否不满上述给定电能的值，都从上述双向DC/DC转换器向上述外部负载供电，则控制上述燃料供给部向上述燃料电池供给燃料。
5.如权利要求1～4中任意一项所述的燃料电池系统，其特征在于，具有：
上述燃料供给部，将基于上述燃料电池系统的输出的电能作为动作电源。
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