電源系統(tǒng)及燃料電池的電壓控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]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)】
[0002]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，即使在電源系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)中也存在暫時性地負(fù)載要求極小的情況。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，作為在對于電源系統(tǒng)的負(fù)載要求極小時進(jìn)行的控制之一，進(jìn)行了使燃料電池的發(fā)電停止的控制。并且，對于負(fù)載，通過與燃料電池一起搭載于電源系統(tǒng)的二次電池，輸出所要求的電力。
[0003]當(dāng)在燃料電池的陽極側(cè)流路內(nèi)殘留有氫并且在陰極側(cè)流路內(nèi)殘留有氧的狀態(tài)下使燃料電池的發(fā)電停止時，燃料電池顯示出極高的開路電壓(OCV)。若燃料電池的開路電壓過度升高，則燃料電池具備的電極(陰極)的電極電位過度升高，在陰極電極處，催化劑的溶出(劣化)進(jìn)展，由此燃料電池的發(fā)電性能及耐久性下降。
[0004]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，且在陰極上被氧化的反應(yīng)進(jìn)展。其結(jié)果是，當(dāng)燃料電池的發(fā)電停止后不久，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，由于陰極催化劑被還原而之后陰極電位再上升時，陰極催化劑的溶出更容易產(chǎn)生。因此，在負(fù)載要求極小時，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)。
[0005]在負(fù)載要求極小時，作為用于將燃料電池的電壓保持在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)的方法，提出了即使在負(fù)載要求極小之后在燃料電池中也繼續(xù)微小的發(fā)電的方法(例如，參照日本特開2013-161571)。作為繼續(xù)微小的發(fā)電的方法，提出了例如在燃料電池的輸出電壓下降至上述規(guī)定的范圍的下限之前停止對燃料電池的氧的供給，在輸出電壓下降至上述下限之后，在輸出電壓上升至上述規(guī)定的范圍的上限之前進(jìn)行對燃料電池的氧的供給這樣的方法。
[0006]然而，當(dāng)即使負(fù)載要求變?yōu)闃O小之后也繼續(xù)燃料電池的發(fā)電時，會產(chǎn)生為了電壓維持而進(jìn)行未要求的過度的發(fā)電的事態(tài)。這樣過度地發(fā)電的電力在暫時向二次電池充電之后能夠利用。然而，將燃料電池發(fā)電的電力暫時蓄積于二次電池的方法與直接利用由燃料電池發(fā)電的電力的情況相比，能量效率差，因此會導(dǎo)致具備燃料電池的系統(tǒng)整體的能量效率的下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007 ]本發(fā)明提供一種電源系統(tǒng)及燃料電池的電壓控制方法。
[0008]本發(fā)明的第一方案是具備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，所述燃料電池構(gòu)成為向負(fù)載供給電力。所述電壓控制方法包括:在來自所述負(fù)載的要求電力為預(yù)先確定的基準(zhǔn)值以下的低負(fù)載狀態(tài)時，切斷所述燃料電池與所述負(fù)載的電連接；在切斷所述燃料電池與所述負(fù)載的電連接時，以預(yù)先設(shè)定的條件向所述燃料電池供給氧，所述預(yù)先設(shè)定的條件是用于將為了使所述燃料電池的開路電壓成為預(yù)先確定的目標(biāo)電壓而需要的氧向所述燃料電池供給的條件；以所述預(yù)先設(shè)定的條件向所述燃料電池供給了氧之后，檢測所述燃料電池的開路電壓;在所述檢測到的開路電壓比所述目標(biāo)電壓高第一值以上的第一電壓狀態(tài)下，減少向所述燃料電池供給的氧量;在所述檢測到的開路電壓比所述目標(biāo)電壓低第二值以上的第二電壓狀態(tài)下，增加向所述燃料電池供給的氧量；以及在所述檢測到的開路電壓小于所述目標(biāo)電壓與所述第一值之和且大于從所述目標(biāo)電壓減去所述第二值而得到的值的電壓維持狀態(tài)下，維持向所述燃料電池供給的氧量。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的第一方案，在負(fù)載要求為預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)值以下的低負(fù)載狀態(tài)時，不使燃料電池發(fā)電而能夠?qū)⑷剂想姵氐拈_路電壓維持在目標(biāo)電壓的附近。因此，無需進(jìn)行未要求的過度的發(fā)電，能夠抑制以將發(fā)電了的電力暫時蓄積于二次電池的情況等為起因而電源系統(tǒng)的能量效率下降的情況。
[0010]本發(fā)明的第一方案的電壓控制方法可以還包括:在所述低負(fù)載狀態(tài)時判斷是否符合第一狀態(tài)和第二狀態(tài)中的任一個狀態(tài)，在所述第一狀態(tài)下所述負(fù)載快速地要求所述電力的概率比在所述第二狀態(tài)下高;在判斷為是所述第一狀態(tài)的情況下，使用預(yù)先確定的第一目標(biāo)電壓作為所述目標(biāo)電壓；以及在判斷為是所述第二狀態(tài)的情況下，使用比所述第一目標(biāo)電壓低的第二目標(biāo)電壓作為所述目標(biāo)電壓。
[0011]根據(jù)上述方案，在判斷為從負(fù)載迅速地顯示出負(fù)載要求的概率高的第一狀態(tài)的情況下，使用更高的第一目標(biāo)電壓作為燃料電池的目標(biāo)電壓。因此，能夠在燃料電池內(nèi)確保氧，能夠確保下次負(fù)載要求增加時的響應(yīng)性。而且，在判斷為從負(fù)載迅速地顯示出負(fù)載要求的概率為比第一狀態(tài)低的第二狀態(tài)的情況下，使用更低的第二目標(biāo)電壓作為燃料電池的目標(biāo)電壓。因此，即使構(gòu)成燃料電池的各單電池的開路電壓的變動擴大，也能抑制電壓過度上升的單電池的產(chǎn)生，能夠提高燃料電池整體的耐久性。
[0012]本發(fā)明的第一方案的電壓控制方法也可以還包括:在成為所述低負(fù)載狀態(tài)且以所述預(yù)先設(shè)定的條件向所述燃料電池供給了氧之后經(jīng)過的時間小于預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)時間的情況下，使用第一目標(biāo)電壓作為所述目標(biāo)電壓；以及在以所述預(yù)先設(shè)定的條件向所述燃料電池供給了氧之后經(jīng)過了所述預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)時間的情況下，將所述目標(biāo)電壓從所述第一目標(biāo)電壓變更為比所述第一目標(biāo)電壓低的第二目標(biāo)電壓。
[0013]當(dāng)使用第一目標(biāo)電壓作為目標(biāo)電壓的控制繼續(xù)時，構(gòu)成燃料電池的各單電池的開路電壓的變動能夠擴大。根據(jù)上述方案，由于將目標(biāo)電壓變更為比第一目標(biāo)電壓低的第二目標(biāo)電壓，因此能抑制電壓過度上升的單電池的產(chǎn)生，能夠提高燃料電池整體的耐久性。
[0014]本發(fā)明的第一方案的電壓控制方法也可以還包括:在所述低負(fù)載狀態(tài)時判斷檔位為規(guī)定的驅(qū)動檔和規(guī)定的非驅(qū)動檔中的哪一個;在判斷為所述檔位是所述規(guī)定的驅(qū)動檔的情況下，使用預(yù)先確定的第一目標(biāo)電壓作為所述目標(biāo)電壓；以及在判斷為所述檔位是所述規(guī)定的非驅(qū)動檔的情況下，使用比所述第一目標(biāo)電壓低的第二目標(biāo)電壓作為所述目標(biāo)電壓。
[0015]在上述結(jié)構(gòu)中，電壓控制方法也可以還包括:在以所述預(yù)先設(shè)定的條件向所述燃料電池供給了氧之后經(jīng)過的時間小于預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)時間且判斷為所述檔位是所述規(guī)定的驅(qū)動檔的情況下，使用所述第一目標(biāo)電壓作為所述目標(biāo)電壓；以及在以所述預(yù)先設(shè)定的條件向所述燃料電池供給了氧之后經(jīng)過了所述預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)時間且判斷為所述檔位是所述規(guī)定的驅(qū)動檔的情況下，將所述目標(biāo)電壓從所述第一目標(biāo)電壓變更為所述第二目標(biāo)電壓。
[0016]本發(fā)明的第一方案的電壓控制方法也可以還包括:在所述低負(fù)載狀態(tài)時判斷具備所述燃料電池的車輛是否符合第一狀態(tài)和第二狀態(tài)中的任一個狀態(tài)，所述負(fù)載在所述第一狀態(tài)下要求規(guī)定等級以上的電力的響應(yīng)性的概率比在所述第二狀態(tài)下高;在所述車輛處于第一狀態(tài)的情況下，使用預(yù)先確定的第一目標(biāo)電壓作為所述目標(biāo)電壓；以及在所述車輛處于第二狀態(tài)的情況下，使用比所述第一目標(biāo)電壓低的第二目標(biāo)電壓作為所述目標(biāo)電壓。
[0017]本發(fā)明的第一方案的電壓控制方法也可以還包括:在成為所述低負(fù)載狀態(tài)且以所述預(yù)先設(shè)定的條件向所述燃料電池供給了氧之后，所述燃料電池的開路電壓相對于作為所述目標(biāo)電壓而設(shè)定的第一目標(biāo)電壓下降了預(yù)先設(shè)定的允許值以上的情況下，將所述目標(biāo)電壓從所述第一目標(biāo)電壓變更為比所述第一目標(biāo)電壓低的第二目標(biāo)電壓。
[0018]根據(jù)上述方案，燃料電池的開路電壓相對于第一目標(biāo)電壓下降了允許值以上的情況下，由于將目標(biāo)電壓變更為更低的第二目標(biāo)電壓，因此能夠抑制以各單電池的開路電壓變動為起因而產(chǎn)生不優(yōu)選的程度的高電壓的單電池的情況。而且，不進(jìn)行使下降了的燃料電池的開路電壓上升為第一目標(biāo)電壓的控制，將目標(biāo)電壓變更得更低，由此能抑制燃料電池的開路電壓的變動，能夠抑制以變動為起因而燃料電池的電極催化劑劣化的情況。
[0019]本發(fā)明的第一方案的電壓控制方法也可以還包括:在將所述燃料電池的開路電壓的目標(biāo)值從所述第一目標(biāo)電壓變更為所述第二目標(biāo)電壓之后，在向所述燃料電池供給氧之前暫時停止對所述燃料電池的氧的供給。
[0020]根據(jù)上述方案，能夠減少使用第一目標(biāo)電壓作為目標(biāo)電壓期間產(chǎn)生的各單電池的開路電壓的變動。
[0021]本發(fā)明的第二方案是具備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，所述燃料電池構(gòu)成為向負(fù)載供給電力。所述電壓控制方法包括:在來自所述負(fù)載的要求電力為預(yù)先確定的基準(zhǔn)值以下的低負(fù)載狀態(tài)時，以預(yù)先設(shè)定的條件向所述燃料電池供給氧，所述預(yù)先設(shè)定的條件是用于將為了使所述燃料電池的電壓成為預(yù)先確定的目標(biāo)電壓而需要的氧向所述燃料電池供給的條件；以所述預(yù)先設(shè)定的條件向所述燃料電池供給了氧之后，檢測所述燃料電池的電壓;在所述檢測到的電壓比所述目標(biāo)電壓高第一值以上的第一電壓狀態(tài)下，將輸出電壓設(shè)定為所述目標(biāo)電壓并使所述燃料電池的發(fā)電進(jìn)行;在所述檢測到的電壓比所述目標(biāo)電壓低第二值以上的第二電壓狀態(tài)下，以切斷了所述燃料電池與所述負(fù)載的電連接的狀態(tài)增加向所述燃料電池供給的氧量；以及在所述檢測到的電壓小于所述目標(biāo)電壓與所述第一值之和且大于從所述目標(biāo)電壓減去所述第二值而得到的值的電壓維持狀態(tài)下，維持向所述燃料電池供給的氧量。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的第二方案，至少在負(fù)載要求為預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)值以下的低負(fù)載狀態(tài)時，不用使燃料電池發(fā)電，而能夠進(jìn)行將燃料電池的電壓維持在目標(biāo)電壓的附近的控制。因此，能抑制未要求的過度的發(fā)電，能夠抑制以將發(fā)電的電力暫時蓄積于二次電池等為起因而電源系統(tǒng)的能量效率下降的情況。
[0023]本發(fā)明的第三方案的電源系統(tǒng)包括:燃料電池，構(gòu)成為向負(fù)載供給電力；氧供給部，構(gòu)成為向所述燃料電池的陰極供給氧:氧量調(diào)節(jié)部，構(gòu)成為調(diào)節(jié)所述氧供給部向所述陰極供給的氧量;負(fù)載切斷部，構(gòu)成為在來自所述負(fù)載的要求電力為預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)值以下的低負(fù)載狀態(tài)時，切斷所述燃料電池與所述負(fù)載的電連接；以及電壓傳感器，構(gòu)成為檢測所述燃料電池的開路電壓。所述氧量調(diào)節(jié)部構(gòu)成為在所述低負(fù)載狀態(tài)時以預(yù)先設(shè)定的條件驅(qū)動所述氧供給部，所述預(yù)先設(shè)定的條件是用于將為了使所述燃料電池的開路電壓成為預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)電壓而需要的氧向所述燃料電池供給的條件。所述氧量調(diào)節(jié)部構(gòu)成為在驅(qū)動了所述氧供給部之后，在第一電壓狀態(tài)下以向所述燃料電池供給的氧量減少的方式驅(qū)動所述氧供給部，所述第一電壓狀態(tài)是所述檢測到的開路電壓比所述目標(biāo)電壓高第一值以上的狀態(tài)。所述氧量調(diào)節(jié)部構(gòu)成為在驅(qū)動了所述氧供給部之后，在所述檢測到的開路電壓比所述目標(biāo)電壓低第二值以上的第二電壓狀態(tài)下以向所述燃料電池供給的氧量增加的方式驅(qū)動所述氧供給部。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的第三方案，在負(fù)載要求為預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)值以下的低負(fù)載狀態(tài)時，不使燃料電池發(fā)電，而能夠?qū)⑷剂想姵氐拈_路電壓維持在目標(biāo)電壓的附近。因此，無需進(jìn)行未要求的過度的發(fā)電，能夠抑制以將發(fā)電的電力暫時蓄積于二次電池等為起因而電源系統(tǒng)的能量效率下降的情況。而且，為了使燃料電池的開路電壓接近于目標(biāo)電壓而調(diào)節(jié)供給氧量的控制通過基于燃料電池的開路電壓與目標(biāo)電壓的關(guān)系使供給氧量增減來進(jìn)行，因此無需直接測定供給氧量，能夠簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
[0025]在本發(fā)明的第三方案中，所述氧供給部也可以具備氧供給路、氧導(dǎo)入部、旁通流路、分流閥、流量調(diào)整閥。所述氧供給路也可以是與所述陰極連接的流路。所述氧導(dǎo)入部可以構(gòu)成為向所述氧供給路導(dǎo)入氧。所述旁通流路可以從所述氧供給路分支，構(gòu)成為以不經(jīng)由所述陰極的方式引導(dǎo)從所述氧導(dǎo)入部供給的氧。所述分流閥可以設(shè)于所述旁通流路從所述氧供給路分支的位置，構(gòu)成為通過開閥狀態(tài)來變更向所述氧供給路和所述旁通流路分配的氧的分配比例。所述流量調(diào)整閥可以設(shè)于所述氧供給路，構(gòu)成為變更向所述陰極供給的氧量。所述氧量調(diào)節(jié)部可以構(gòu)成為變更所述氧導(dǎo)入部導(dǎo)入的氧量、所述分流閥的開閥狀態(tài)及所述流量調(diào)整閥的開度中的至少一個來調(diào)節(jié)向所述陰極供給的氧量。
[0026]在本發(fā)明的第三方案中，所述氧量調(diào)節(jié)部可以構(gòu)成為在使所述氧導(dǎo)入部導(dǎo)入的氧量及所述分流閥的開閥狀態(tài)固定的狀態(tài)下，通過變更所述流量調(diào)整閥的開度來調(diào)節(jié)向所述陰極供給的氧量。
[0027]本發(fā)明的第四方案的電源系統(tǒng)包括:燃料電池，向負(fù)載供給電力；氧供給部，構(gòu)成為向所述燃料電池的陰極供給氧;至少一個電子控制裝置，構(gòu)成為調(diào)節(jié)所述氧供給部向所述陰極供給的氧量，且構(gòu)成為控制所述燃料電池的輸出狀態(tài);負(fù)載切斷部，構(gòu)成為切斷所述燃料電池與所述負(fù)載的電連接；以及電壓傳感器，構(gòu)成為檢測所述燃料電池的電壓。所述電子控制裝置構(gòu)成為在所述低負(fù)載狀態(tài)時以預(yù)先設(shè)定的條件驅(qū)動所述氧供給部，所述預(yù)先設(shè)定的條件是用于將為了使所述燃料電池的電壓成為預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)電壓而需要的氧向所述燃料電池供給的條件。所述電子控制裝置構(gòu)成為在以所述預(yù)先設(shè)定的條件驅(qū)動了所述氧供給部之后，在所述檢測到的電壓比所述目標(biāo)電壓低第二值以上的第二電壓狀態(tài)且所述負(fù)載切斷部切斷所述燃料電池與所述負(fù)載的電連接的狀態(tài)下，以向所述陰極供給的氧量增加的方式驅(qū)動所述氧供給部。所述電子控制裝置構(gòu)成為在以所述預(yù)先設(shè)定的條件驅(qū)動了所述氧供給部之后，在所述檢測到的電壓比所述目標(biāo)電壓高第一值以上的第一電壓狀態(tài)下，以使所述燃料電池的輸出電壓成為所述目標(biāo)電壓的方式控制所述燃料電池的輸出狀態(tài)。
[0028]本發(fā)明的方案也可以通過搭載電源系統(tǒng)作為驅(qū)動用電源的移動體、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、實現(xiàn)已述的電壓控制方法和高電位回避控制方法的計算機程序、記錄有該計算機程序的非暫時性的記錄介質(zhì)等方案來實現(xiàn)。
【附圖說明】
[0029]圖1是表示本發(fā)明的實施方式的燃料電池車輛的概略結(jié)構(gòu)的框圖。
[0030]圖2是表示本發(fā)明的實施方式的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。
[0031]圖3是示意性地表示本發(fā)明的實施方式的供給氧量與燃料電池的開路電壓的關(guān)系的說明圖。
[0032]圖4是表示本發(fā)明的實施方式的間歇運轉(zhuǎn)控制處理例程的流程圖。
[0033]圖5是表示本發(fā)明的實施方式的目標(biāo)電壓設(shè)定處理例程的流程圖。
[0034]圖6是表示本發(fā)明的實施方式的目標(biāo)電壓變更處理例程的流程圖。
[0035]圖7是概念性地表示本發(fā)明的實施方式的電壓維持控制開始之后的開路電壓的行跡的說明圖。
[0036]圖8是表示本發(fā)明的實施方式的間歇運轉(zhuǎn)控制處理例程的流程圖。
[0037]圖9是表示本發(fā)明的實施方式的間歇運轉(zhuǎn)控制處理例程的流程圖。
[0038]圖10是表示本發(fā)明的實施方式的間歇運轉(zhuǎn)控制處理例程的流程圖。
[0039]圖11是表示本發(fā)明的實施方式的極限值回避處理例程的流程圖。
[0040]圖12是表示本發(fā)明的實施方式的間歇運轉(zhuǎn)控制處理例程的流程圖。
【具體實施方式】
[0041]圖1是表示作為本發(fā)明的第一實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在車體22上搭載電源系統(tǒng)30。電源系統(tǒng)30與燃料電池車輛20的驅(qū)動用的電動機170之間由配線178連接，經(jīng)由配線178，在電源系統(tǒng)30與電動機170之間交接電力。
[0042]電源系