電源系統(tǒng)及燃料電池的電壓控制方法
【專利說明】電源系統(tǒng)及燃料電池的電壓控制方法
[0001]本申請(qǐng)主張基于在2014年11月15日提出申請(qǐng)的申請(qǐng)?zhí)?014-232251號(hào)的日本專利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，并將其公開的全部?jī)?nèi)容通過參照而援引于本申請(qǐng)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及電源系統(tǒng)及燃料電池的電壓控制方法。
【背景技術(shù)】
[0003]在具備燃料電池的電源系統(tǒng)中，在根據(jù)來自負(fù)載的要求電力(以下，也稱為負(fù)載要求)而從電源系統(tǒng)取出電力時(shí)，即使在電源系統(tǒng)的運(yùn)行中也有時(shí)負(fù)載要求暫時(shí)變得極小。在具備燃料電池的系統(tǒng)中，通常，在燃料電池的發(fā)電電力非常小的情況下，具有系統(tǒng)整體的能量效率下降這樣的性質(zhì)。因此，以往，作為在對(duì)電源系統(tǒng)的負(fù)載要求極小時(shí)進(jìn)行的控制的一種，進(jìn)行使燃料電池的發(fā)電停止的控制。并且，通過與燃料電池一起搭載于電源系統(tǒng)的二次電池向負(fù)載輸出所要求的電力。
[0004]若在燃料電池的陽極側(cè)流路內(nèi)殘留氫且在陰極側(cè)流路內(nèi)殘留氧的狀態(tài)下使燃料電池的發(fā)電停止，貝1J燃料電池會(huì)表現(xiàn)出極高的開路電壓(Open circuit voltage:0CV) 0當(dāng)燃料電池的開路電壓過度升高時(shí)，燃料電池所具備的電極(陰極)的電極電位過度升高，在陰極電極中，催化劑的溶出(劣化)進(jìn)行，由此燃料電池的發(fā)電性能及耐久性下降。
[0005]而且，在燃料電池的發(fā)電停止后，殘留在陽極側(cè)流路內(nèi)的氫經(jīng)由燃料電池的電解質(zhì)膜向陰極側(cè)流路透過，進(jìn)行在陰極上被氧化的反應(yīng)。其結(jié)果是，在燃料電池的發(fā)電停止后的一段時(shí)間，殘留于陰極側(cè)流路的氧被消耗，由此開路電壓下降(陰極電位下降)。在這樣的情況下，在通過陰極催化劑被還原而此后陰極電位再上升時(shí)，更容易引起陰極催化劑的溶出。因此，在負(fù)載要求極小時(shí)，為了抑制上述的催化劑的劣化，希望將燃料電池的電壓(電極電位)保持在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。
[0006]作為在負(fù)載要求極小時(shí)將燃料電池的電壓保持為適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)的方法，提出了即使在負(fù)載要求變得極小之后燃料電池也繼續(xù)進(jìn)行微小的發(fā)電的方法(JP2013-161571A)。作為繼續(xù)進(jìn)行微小的發(fā)電的方法，例如，提出了如下的方法:停止向燃料電池的氧的供給直至燃料電池的輸出電壓下降而達(dá)到規(guī)定的范圍的下限值為止，在輸出電壓下降為上述下限值之后，進(jìn)行向燃料電池的氧的供給直至輸出電壓上升而達(dá)到上述規(guī)定的范圍的上限值為止。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]【發(fā)明要解決的問題】
[0008]然而，若如上所述那樣進(jìn)行反復(fù)進(jìn)行向燃料電池的氧的供給及停止的控制，則燃料電池的輸出電壓會(huì)在上述規(guī)定的范圍的下限值與上限值之間反復(fù)變動(dòng)。在燃料電池中，可認(rèn)為電極電位越高則電極催化劑越容易溶出。而且，在電極電位先下降之后再上升時(shí)，可認(rèn)為電極電位下降的程度、及之后再上升的程度越大則電極催化劑越容易溶出。因此，為了抑制電極催化劑的劣化并提高燃料電池的耐久性，希望不僅避免電極過度地成為高電位的情況及過度地成為低電位的情況，還抑制燃料電池的電壓(電極電位)的變動(dòng)。而且，還考慮到在如上所述負(fù)載要求極小的狀態(tài)持續(xù)的中途，負(fù)載要求暫時(shí)變動(dòng)的情況。雖然希望即使在這樣的情況下也抑制電壓變動(dòng)，但對(duì)于包含暫時(shí)性的負(fù)載要求的變動(dòng)的控制，以往并未進(jìn)行充分的研究。
[0009]【用于解決問題的手段】
[0010]本發(fā)明為了解決上述的問題而作出，可以作為以下的方式來實(shí)現(xiàn)。
[0011](I)根據(jù)本發(fā)明的一方式，提供一種燃料電池的電壓控制方法，是具備向負(fù)載供給電力的燃料電池的電源系統(tǒng)中的所述燃料電池的電壓控制方法。該燃料電池的電壓控制方法中，在來自所述負(fù)載的要求電力超過預(yù)先確定的基準(zhǔn)值的通常負(fù)載狀態(tài)時(shí)，從所述燃料電池供給所述要求電力的至少一部分；在所述要求電力為所述基準(zhǔn)值以下的低負(fù)載狀態(tài)時(shí)，向所述燃料電池供給比在所述通常負(fù)載狀態(tài)時(shí)向所述燃料電池供給的氧量少且為了使所述燃料電池的電壓成為預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)電壓而需要的氧量。并且，在所述要求電力為所述基準(zhǔn)值以下的第一低負(fù)載狀態(tài)下，將第一目標(biāo)電壓設(shè)定作為所述目標(biāo)電壓而向所述燃料電池供給氧，然后，變成所述要求電力超過所述基準(zhǔn)值的狀態(tài)而使所述燃料電池以超過所述第一目標(biāo)電壓的輸出電壓發(fā)電，之后，在變成所述要求電力為所述基準(zhǔn)值以下的第二低負(fù)載狀態(tài)時(shí)，將比所述第一目標(biāo)電壓高的第二目標(biāo)電壓設(shè)定作為所述目標(biāo)電壓而向所述燃料電池供給氧。
[0012]根據(jù)該方式的燃料電池的電壓控制方法，在第一低負(fù)載狀態(tài)時(shí)，將第一目標(biāo)電壓設(shè)定為目標(biāo)電壓而向燃料電池供給氧，然后，在使燃料電池以超過第一目標(biāo)電壓的輸出電壓發(fā)電之后，在成為第二低負(fù)載狀態(tài)時(shí)，設(shè)定比第一目標(biāo)電壓高的第二目標(biāo)電壓作為目標(biāo)電壓。因此，能夠抑制燃料電池的電極電位的變動(dòng)，抑制電極催化劑的溶出，提高燃料電池的耐久性。
[0013](2)在上述方式的燃料電池的電壓控制方法中，可以是，在所述第一低負(fù)載狀態(tài)及所述第二低負(fù)載狀態(tài)下，從多個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)模式中選擇一個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)模式，所述多個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)模式包括非發(fā)電模式和微小發(fā)電模式，所述非發(fā)電模式是切斷所述燃料電池與所述負(fù)載之間的電連接，并向所述燃料電池供給為了使所述燃料電池的開路電壓成為所述目標(biāo)電壓而需要的氧量的模式，所述微小發(fā)電模式是所述燃料電池對(duì)所述負(fù)載進(jìn)行電力供給的運(yùn)轉(zhuǎn)模式，是以使所述燃料電池的輸出電壓成為所述目標(biāo)電壓的方式進(jìn)行控制并向所述燃料電池供給必要氧量的模式，所述必要氧量是根據(jù)作為所述燃料電池的目標(biāo)發(fā)電量而預(yù)先確定的目標(biāo)發(fā)電量理論性地導(dǎo)出的氧量。
[0014]根據(jù)該方式的燃料電池的電壓控制方法，在來自負(fù)載的要求電力成為預(yù)先確定的基準(zhǔn)值以下的低負(fù)載狀態(tài)時(shí)，能夠?qū)⑷剂想姵氐妮敵鲭妷罕３譃閮?yōu)選的范圍并抑制低負(fù)載狀態(tài)下的過度的發(fā)電。
[0015](3)在上述方式的燃料電池的電壓控制方法中，可以是，在所述第一低負(fù)載狀態(tài)下，選擇所述非發(fā)電模式來進(jìn)行對(duì)所述燃料電池的氧供給，在所述第二低負(fù)載狀態(tài)下，選擇所述微小發(fā)電模式來進(jìn)行對(duì)所述燃料電池的氧供給。
[0016]根據(jù)該方式的燃料電池的電壓控制方法，在成為了低負(fù)載狀態(tài)時(shí)，先于微小發(fā)電模式而選擇非發(fā)電模式，由此在成為低負(fù)載狀態(tài)時(shí)能抑制從燃料電池的過度的發(fā)電，能夠提高電源系統(tǒng)的能量效率，而且，在上述方式的燃料電池的電壓控制方法中，在選擇了非發(fā)電模式之后，成為要求電力超過基準(zhǔn)值的狀態(tài)而進(jìn)行燃料電池的發(fā)電，之后，再次成為低負(fù)載狀態(tài)時(shí)，選擇微小發(fā)電模式。因此，即使在低負(fù)載狀態(tài)繼續(xù)的情況下，也能夠通過燃料電池來提供具備電源系統(tǒng)的裝置內(nèi)所要求的負(fù)載要求的至少一部分。而且，例如在電源系統(tǒng)還具備蓄電部(能夠蓄積燃料電池發(fā)出的電力的至少一部分且能夠向負(fù)載進(jìn)行電力供給的蓄電部)的情況下，能夠抑制在再次成為低負(fù)載狀態(tài)之后蓄電部的殘存容量下降的情況。其結(jié)果，能夠抑制再次成為低負(fù)載狀態(tài)之后的蓄電部的充電頻度。
[0017](4)在上述方式的燃料電池的電壓控制方法中，可以是，所述負(fù)載包括主負(fù)載和要求電力比所述主負(fù)載少的副負(fù)載，所述通常負(fù)載狀態(tài)是至少所述主負(fù)載要求電力的狀態(tài)，包括所述第一低負(fù)載狀態(tài)和所述第二低負(fù)載狀態(tài)的所述低負(fù)載狀態(tài)是所述主負(fù)載未要求電力而所述副負(fù)載要求電力的狀態(tài)。
[0018]根據(jù)該方式的燃料電池的電壓控制方法，在從主負(fù)載要求電力的狀態(tài)成為低負(fù)載狀態(tài)時(shí)，能夠先于微小發(fā)電模式而選擇非發(fā)電模式，因此能夠提高系統(tǒng)整體的能量效率。
[0019](5)在上述方式的燃料電池的電壓控制方法中，可以是，在選擇所述微小發(fā)電模式的狀態(tài)繼續(xù)時(shí)符合由于所述微小發(fā)電模式下的所述燃料電池的發(fā)電而在所述燃料電池內(nèi)產(chǎn)生的液態(tài)水過剩地滯留于所述燃料電池內(nèi)的液態(tài)水滯留條件的情況下，暫時(shí)中斷作為所述微小發(fā)電模式的控制，向所述燃料電池供給過剩量的氧，所述過剩量超過在所述微小發(fā)電模式下向所述燃料電池供給的氧量。
[0020]根據(jù)該方式的燃料電池的電壓控制方法，即使在選擇微小發(fā)電模式的狀態(tài)繼續(xù)的情況下，也能夠從燃料電池內(nèi)除去液態(tài)水，能夠抑制滯留在燃料電池內(nèi)的液態(tài)水量變得過剩的情況。
[0021](6)在上述方式的燃料電池的電壓控制方法中，可以是，所述電源系統(tǒng)具備蓄電部作為所述負(fù)載的一部分，所述蓄電部在選擇了所述微小發(fā)電模式時(shí)能夠蓄積所述燃料電池發(fā)電的電力的至少一部分，所述電壓控制方法在選擇所述微小發(fā)電模式的狀態(tài)繼續(xù)時(shí)符合所述液態(tài)水滯留條件的情況下，在暫時(shí)中斷作為所述微小發(fā)電模式的控制之前，使所述燃料電池的所述目標(biāo)發(fā)電量變得較小而使所述燃料電池發(fā)電。
[0022]根據(jù)該方式的燃料電池的電壓控制方法，能夠通過暫時(shí)性地減小燃料電池的目標(biāo)發(fā)電量來使蓄電器的殘存容量下降。因此，之后，即使在微小發(fā)電模式中由于將超過向燃料電池供給的氧量的過剩量的氧向燃料電池供給而燃料電池的發(fā)電量暫時(shí)性地增加，也能夠?qū)⒃黾拥陌l(fā)電量毫無障礙地充到蓄電部。
[0023](7)根據(jù)本發(fā)明的另一方式，提供一種電源系統(tǒng)，是具備向負(fù)載供給電力的燃料電池的電源系統(tǒng)。電源系統(tǒng)具備:氧供給部，向所述燃料電池的陰極供給氧；及氧量調(diào)節(jié)部，驅(qū)動(dòng)所述氧供給部而調(diào)節(jié)所述氧供給部向所述陰極供給的氧量。在來自所述負(fù)載的要求電力超過預(yù)先確定的基準(zhǔn)值的通常負(fù)載狀態(tài)時(shí)，所述氧量調(diào)節(jié)部以向所述陰極供給如下的氧量的方式驅(qū)動(dòng)所述氧供給部:該氧量使得從所述燃料電池能夠供給所述要求電力的至少一部分，在所述要求電力為所述基準(zhǔn)值以下的低負(fù)載狀態(tài)時(shí)，所述氧量調(diào)節(jié)部以向所述陰極供給比在所述通常負(fù)載狀態(tài)時(shí)向所述燃料電池供給的氧量少且為了使所述燃料電池的電壓成為預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)電壓而需要的氧量的方式驅(qū)動(dòng)所述氧供給部，在所述要求電力為所述基準(zhǔn)值以下的第一低負(fù)載狀態(tài)下，所述氧量調(diào)節(jié)部將第一目標(biāo)電壓設(shè)定作為所述目標(biāo)電壓來驅(qū)動(dòng)所述氧供給部，然后，變成所述要求電力超過所述基準(zhǔn)值的狀態(tài)而使所述燃料電池以超過所述第一目標(biāo)電壓的輸出電壓發(fā)電，之后，在變成所述要求電力為所述基準(zhǔn)值以下的第二低負(fù)載狀態(tài)時(shí)，所述氧量調(diào)節(jié)部將比所述第一目標(biāo)電壓高的第二目標(biāo)電壓設(shè)定作為所述目標(biāo)電壓來驅(qū)動(dòng)所述氧供給部。
[0024]根據(jù)該方式的電源系統(tǒng)，在第一低負(fù)載狀態(tài)時(shí)將第一目標(biāo)電壓設(shè)定為目標(biāo)電壓而驅(qū)動(dòng)氧供給部，之后，在使燃料電池以超過第一目標(biāo)電壓的輸出電壓發(fā)電之后，成為第二低負(fù)載狀態(tài)時(shí)，將比第一目標(biāo)電壓高的第二目標(biāo)電壓作為目標(biāo)電壓來驅(qū)動(dòng)氧供給部，因此能抑制燃料電池的電極電位的變動(dòng)，能抑制電極催化劑的溶出，能夠提高燃料電池的耐久性。
[0025]本發(fā)明能夠以上述以外的各種方式實(shí)現(xiàn)，例如，能夠以搭載電源系統(tǒng)作為驅(qū)動(dòng)用電源的移動(dòng)體、具備燃料電池的電源系統(tǒng)的燃料電池的高電位回避控制方法、實(shí)現(xiàn)已述的電壓控制方法或高電位回避控制方法的計(jì)算機(jī)程序、記錄有該計(jì)算機(jī)程序的非暫時(shí)性的記錄介質(zhì)等方式實(shí)現(xiàn)。
【附圖說明】
[0026]圖1是表示燃料電池車輛的概略結(jié)構(gòu)的框圖。
[0027]圖2是示意性地表示燃料電池的輸出電流與輸出電壓或輸出電力的關(guān)系的說明圖。
[0028]圖3是示意性地表示供給氧量與燃料電池的開路電壓的關(guān)系的說明圖。
[0029]圖4是表示一邊供給過剩量的氫一邊變更氧供給量時(shí)的燃料電池的IV特性的說明圖。
[0030]圖5是將在微小發(fā)電模式選擇時(shí)可取得的動(dòng)作點(diǎn)與通常運(yùn)轉(zhuǎn)模式的IV特性重疊表示的說明圖。
[0031]圖6是表示非發(fā)電間歇運(yùn)轉(zhuǎn)控制處理例程的流程圖。
[0032]圖7是表示微小發(fā)電間歇運(yùn)轉(zhuǎn)控制處理例程的流程圖。
[0033]圖8是表示間歇運(yùn)轉(zhuǎn)模式設(shè)定處理例程的流程圖。
[0034]圖9是表示為了避免產(chǎn)生各問題而能夠允許的水分量的說明圖。
[0035]圖10是表示陰極掃氣控制處理例程的流程圖。
[0036]【符號(hào)說明】
[0037]20…燃料電池車輛
[0038]22…車身
[0039]30…電源系統(tǒng)
[0040]100…燃料電池
[0041]102…電壓傳感器
[0042]103…電流傳感器
[0043]104…開關(guān)
[0044]110…氫罐
[0045]115…陽極側(cè)流路
[0046]120…氫氣供給部
[0047]121…氫供給流路
[0048]122…循環(huán)流路
[0049]123…氫放出流路
[0050]124…開閉閥
[0051]125…減壓閥
[0052]126…氫供給設(shè)備
[0053]127…循環(huán)栗
[0054]128…壓力傳感器
[0055]129…開閉閥
[0056]130…壓縮器
[0057]140…空氣供給部
[0058]141…第一空氣流路
[0059]142…空氣放出流路
[0060]143…背壓閥
[0061]144…分流閥
[0062]145…第二空氣流路
[0063]146…第三空氣流路
[0064]147…流量傳感器
[0065]148…陰極側(cè)流路
[0066]170…電動(dòng)機(jī)
[0067]l74."DC/DC 轉(zhuǎn)換器
[0068]178…配線
[0069]180…加速器開度傳感器
[0070]200…控制部
【具體實(shí)施方式】
[0071]A.電源系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu):
[0072]圖1是表示作為本發(fā)明的第一實(shí)施方式的燃料電池車輛20的概略結(jié)構(gòu)的框圖。燃料電池車輛20在車身22上搭載有電源系統(tǒng)30。電源系統(tǒng)30與燃料電池車輛20的驅(qū)動(dòng)用的電動(dòng)機(jī)170之間由配線178連接，經(jīng)由配線178，在電源系統(tǒng)30與電動(dòng)機(jī)170之間交接電力。
[0073]電源系統(tǒng)30具備燃料電池100、包含氫罐110的氫氣供給部120、包含壓縮器130的空氣供給部140、二次電池172、DC/DC轉(zhuǎn)換器104、DC/DC轉(zhuǎn)換器174、控制部200。需要說明的是，電源系統(tǒng)30為了將燃料電池100的溫度保持