燃料电池系统的制作方法

1.本发明涉及将电力供给到负载的燃料电池系统。


背景技术：

2.在日本特开2020-031030号公报中公开了一种燃料电池系统。该燃料电池系统具备最大输出功率不同的多个燃料电池，根据请求输出功率，控制各个燃料电池进行的发电。
3.现有技术文献
4.专利文献
5.专利文献1：日本特开2020-031030号公报


技术实现要素：

6.发明所要解决的问题
7.日本特开2020-031030号公报所记载的技术是以提高具备最大输出功率不同的多个燃料电池的燃料电池系统的耐久性为目的的技术。在燃料电池系统的多个燃料电池具有对输出功率变动的耐性相互不同的电极部的情况下，需要兼顾燃料电池系统的发电性能和耐久性。
8.用于解决问题的方案
9.本发明的目的在于解决上述的问题。
10.本发明的方式是一种燃料电池系统，其将电力供给到负载，所述燃料电池系统具备：第一燃料电池，其具有由第一电极材料构成的电极部；以及第二燃料电池，其具有由第二电极材料构成的电极部，所述第二电极材料比所述第一电极材料对输出电压变动的耐性低，所述燃料电池系统具有：请求功率获取部，其获取所述负载的请求功率；以及控制部，其根据所述请求功率控制所述第二燃料电池，使得所述第二燃料电池的输出功率的变动量成为规定的限制变动量以下，并且根据所述请求功率以及所述第二燃料电池的输出功率控制所述第一燃料电池。
11.发明的效果
12.根据本发明，能够兼顾发电性能和耐久性。
13.根据参照附图所作的以下的实施方式的说明能够容易地理解上述的目的、特征以及优点。
附图说明
14.图1是具有燃料电池系统的车辆的系统图。
15.图2是对碳载体的劣化进行说明的图。
16.图3是示出由发电控制装置执行的发电控制处理的流程的流程图。
17.图4是请求功率、第一燃料电池的输出功率以及第二燃料电池的输出功率的时序图。
18.图5是示出由发电控制装置执行的发电控制处理的流程的流程图。
19.图6是请求功率、第一燃料电池的输出功率以及第二燃料电池的输出功率的时序图。
具体实施方式
20.[第一实施方式]
[0021]
图1是具有燃料电池系统10的车辆12的系统图。本实施方式的燃料电池系统10用于燃料电池车辆或定置式燃料电池装置等。燃料电池系统10是根据请求功率pr输出功率的发电系统。在本实施方式中，使用燃料电池系统10搭载于车辆12的例子进行说明。
[0022]
车辆12具有燃料电池系统10、逆变器14以及电动发电机16。从燃料电池系统10输出的电力在逆变器14中转换为交流电力，供给到电动发电机16。电动发电机16通过所供给的电力驱动车轮17。电动发电机16相当于本发明的负载。
[0023]
燃料电池系统10具有第一燃料电池18、第二燃料电池20、电池22、电池管理装置24以及发电控制装置26。
[0024]
第一燃料电池18以及第二燃料电池20是使用氢和空气作为反应气体进行发电的燃料电池。
[0025]
第一燃料电池18具有由使用高石墨化碳作为承载铂合金的碳载体的铂合金承载催化剂构成的电极部。第二燃料电池20具有由使用高比表面积碳作为承载铂合金的碳载体的铂合金承载催化剂构成的电极部。作为本实施方式的碳载体使用的高石墨化碳是将碳粉末在2700℃～2800℃下进行热处理而得到的。作为本实施方式的碳载体使用的高比表面积碳是将碳粉末在2400℃～2500℃下进行热处理而得到的。即，在本实施方式中，高石墨化碳在比高比表面积碳高的温度下进行热处理。此外，碳粉末也可以是碳黑。
[0026]
图2是对碳载体的劣化进行说明的图。碳粉末的热处理温度越高，碳粉末的耐腐蚀性越提高，但碳粉末的比表面积越减少。另一方面，如果降低碳粉末的热处理温度，则碳粉末的比表面积增大，但碳粉末的石墨化不足，耐腐蚀性降低。
[0027]
高石墨化碳与高比表面积碳相比，热处理温度高。因此，使用高石墨化碳作为碳载体的铂合金承载催化剂与使用高比表面积碳作为碳载体的铂合金承载催化剂相比，粒径变大，催化活性降低。另外，使用高比表面积碳作为碳载体的铂合金承载催化剂与使用高石墨化碳作为碳载体的铂合金承载催化剂相比，碳载体的劣化速度快，会更快变得无法承载铂合金。
[0028]
即，第一燃料电池18虽然耐久性高，但发电性能低，第二燃料电池20虽然发电性能高，但耐久性低。在本实施方式的燃料电池系统10中，通过组合第一燃料电池18和第二燃料电池20，作为燃料电池系统10整体，确保耐久性和发电性能。
[0029]
此外，高石墨化碳是石墨(graphite)化度高的碳材料的总称，高比表面积碳是每单位质量的表面积大的碳材料的总称。因此，并非所有高石墨化碳的热处理温度都高于高比表面积碳的热处理温度。另外，并非所有高石墨化碳或所有高比表面积碳都是粉末状的。
[0030]
电池22是可充放电的二次电池。电池22将电力供给到电动发电机16，并且利用由电动发电机16再生的电力进行充电。另外，利用从第一燃料电池18以及第二燃料电池20输出的电力中未被电动发电机16消耗的剩余功率对电池22进行充电。电池22相当于本发明的
蓄电部。电池管理装置24管理表示电池22的充电状态的soc(荷电状态)，进行充放电控制，以使电池22不会达到过充电、过放电。
[0031]
发电控制装置26具有运算部28以及存储部30。运算部28例如由cpu(cen tral processing unit:中央处理器)、gpu(graphics processing unit：图像处理器)等处理器、即处理电路构成。
[0032]
运算部28具有请求功率计算部32、平均请求功率计算部34以及控制部36。请求功率计算部32、平均请求功率计算部34以及控制部36通过由运算部28执行存储在存储部30中的程序来实现。
[0033]
此外，请求功率计算部32、平均请求功率计算部34以及控制部36的至少一部分也可以通过asic(application specific integrated circuit：专用集成电路)、fpga(field-programmable gate array：现场可编程阵列)等集成电路来实现。另外，请求功率计算部32、平均请求功率计算部34以及控制部36的至少一部分也可以由包含分立式器件的电子电路构成。
[0034]
请求功率计算部32基于加速踏板开度apo计算请求功率pr。此外，请求功率pr也可以在燃料电池系统10的外部计算出，并将计算出的请求功率pr输入到发电控制装置26。请求功率计算部32相当于本发明的请求功率获取部。平均请求功率计算部34计算规定期间中的请求功率pr的平均值作为平均请求功率pa。
[0035]
控制部36基于请求功率pr以及平均请求功率pa、还有从电池管理装置24发送来的电池soc，运算第一指令功率w1*和第二指令功率w2*。第一指令功率w1*是第一燃料电池18的发电功率的指令值。第二指令功率w2*是第二燃料电池20的发电功率的指令值。而且，控制部36控制第一燃料电池18，使得第一燃料电池18的输出功率w1成为第一指令功率w1*，并且控制第二燃料电池20，使得第二燃料电池20的输出功率w2成为第二指令功率w2*。
[0036]
存储部30可以由未图示的易失性存储器和未图示的非易失性存储器构成。作为易失性存储器，例如可以举出ram(random access memory：随机存取存储器)等。该易失性存储器作为处理器的工作存储器使用，暂时存储处理或运算所需的数据等。作为非易失性存储器，例如可以举出rom(read only memory：只读存储器)、闪存等。该非易失性存储器作为保存用的存储器使用，存储程序、表格、映射等。存储部30的至少一部分也可以具备于如上所述的处理器、集成电路等。
[0037]
[发电控制处理]
[0038]
图3是示出由发电控制装置26执行的发电控制处理的流程的流程图。发电控制处理在车辆12的起动开关接通的期间，以规定的周期反复执行。
[0039]
在步骤s1中，请求功率计算部32基于加速踏板开度apo计算请求功率pr，并向步骤s2转移。
[0040]
在步骤s2中，平均请求功率计算部34计算规定期间中的请求功率pr的平均值作为平均请求功率pa，并向步骤s3转移。
[0041]
在步骤s3中，控制部36判定平均请求功率pa是否为当前的第二燃料电池20的输出功率w2以上。在平均请求功率pa为输出功率w2以上的情况下向步骤s4转移，在平均请求功率pa小于输出功率w2的情况下向步骤s7转移。
[0042]
在步骤s4中，控制部36判定平均请求功率pa与当前的第二燃料电池20的输出功率
w2之差是否为限制变动量δw1以上。在平均请求功率pa与输出功率w2之差为限制变动量δw1以上的情况下向步骤s5转移，在平均请求功率pa与输出功率w2之差小于限制变动量δw1的情况下向步骤s6转移。
[0043]
在步骤s5中，控制部36将第二指令功率w2*设定为当前的第二燃料电池20的输出功率w2与限制变动量δw1之和，并向步骤s9转移。
[0044]
在步骤s6中，控制部36将第二指令功率w2*设定为平均请求功率pa，并向步骤s9转移。
[0045]
在步骤s7中，控制部36判定当前的第二燃料电池20的输出功率w2与平均请求功率pa之差是否为限制变动量δw1以上。在输出功率w2与平均请求功率pa之差为限制变动量δw1以上的情况下向步骤s8转移，在输出功率w2与平均请求功率pa之差小于限制变动量δw1的情况下向步骤s6转移。
[0046]
在步骤s8中，控制部36将第二指令功率w2*设定为当前的第二燃料电池20的输出功率w2与限制变动量δw1之差，并向步骤s9转移。
[0047]
在步骤s9中，控制部36判定请求功率pr是否为第二指令功率w2*以上。在请求功率pr为第二指令功率w2*以上的情况下向步骤s10转移，在请求功率pr小于第二指令功率w2*的情况下向步骤s11转移。
[0048]
在步骤s10中，控制部36将请求功率pr与第二指令功率w2*之差设定为第一指令功率w1*，并向步骤s12转移。
[0049]
在步骤s11中，控制部36将第一指令功率w1*设定为0瓦特，并向步骤s12转移。
[0050]
在步骤s12中，控制部36控制第一燃料电池18，使得第一燃料电池18的输出功率w1成为设定的第一指令功率w1*，并且控制第二燃料电池20，使得第二燃料电池20的输出功率w2成为第二指令功率w2*，并结束发电控制处理。
[0051]
此外，以上，控制部36基于平均请求功率pa设定第二指令功率w2*，但也可以代替平均请求功率pa而基于请求功率pr设定第二指令功率w2*。
[0052]
[作用效果]
[0053]
图4是请求功率pr、第一燃料电池18的输出功率w1以及第二燃料电池20的输出功率w2的时序图。图4示出了请求功率pr、第一燃料电池18的输出功率w1以及第二燃料电池20的输出功率w2的时间变化的图像。
[0054]
在本实施方式中，控制部36以使第二燃料电池20的输出功率w2的变动量为限制变动量δw1以下的方式设定第二指令功率w2*，控制第二燃料电池20。而且，控制部36控制第一燃料电池18，以对请求功率pr补充靠第二燃料电池20的输出功率w2尚不足的量的电功率。由此，能够兼顾通过发电性能高的第二燃料电池20的输出功率w2来提供请求功率pr的一部分、和抑制第二燃料电池20的输出功率w2的变动来抑制第二燃料电池20的电极部的劣化。而且，关于请求功率pr的随时间的变动量，能够通过第一燃料电池18的输出功率w1来补充。因此，作为燃料电池系统10整体，能够确保耐久性和发电性能。
[0055]
另外，在本实施方式中，控制部36基于平均请求功率pa设定第二指令功率w2*。相对于请求功率pr的变动量，平均请求功率pa的变动量变小，因此第二指令功率w2*的变动量也能够变小。
[0056]
另外，控制部36在当前的第二燃料电池20的输出功率w2比平均请求功率pa小的情
况下，将第二指令功率w2*设定为当前的第二燃料电池20的输出功率w2与限制变动量δw1之和。由此，能够使第二燃料电池20的输出功率w2以限制变动量δwl渐增。
[0057]
另外，控制部36在当前的第二燃料电池20的输出功率w2比平均请求功率pa大的情况下，将第二指令功率w2*设定为当前的第二燃料电池20的输出功率w2与限制变动量δw1之差。由此，能够使第二燃料电池20的输出功率w2以限制变动量δwl渐减。
[0058]
[第二实施方式]
[0059]
在本实施方式中，使第一燃料电池18的输出功率w1和第二燃料电池20的输出功率w2相对于请求功率pr的剩余功率(日文：余剰電力)充电到电池22。
[0060]
[发电控制处理]
[0061]
图5是示出由发电控制装置26执行的发电控制处理的流程的流程图。发电控制处理在车辆12的起动开关接通的期间，以规定的周期反复执行。
[0062]
在步骤s21中，请求功率计算部32基于加速踏板开度apo计算请求功率pr，并向步骤s22转移。
[0063]
在步骤s22中，平均请求功率计算部34计算规定期间中的请求功率pr的平均值作为平均请求功率pa，并向步骤s23转移。
[0064]
在步骤s23中，控制部36判定电池22的soc是否为第一阈值th1以上。在电池22的soc为第一阈值th1以上的情况下向步骤s24转移，在电池22的soc小于第一阈值th1的情况下向步骤s25转移。电池22的soc为第一阈值th1以上的状态是电池22的充电水平高的状态，表示为了避免过充电而无法对电池22进行充电的状态。
[0065]
在步骤s24中，控制部36将第二指令功率w2*设定为0瓦特，将第一指令功率w1*设定为请求功率pr，并转移到步骤s38。
[0066]
在步骤s25中，控制部36判定平均请求功率pa是否为当前的第二燃料电池20的输出功率w2以上。在平均请求功率pa为输出功率w2以上的情况下向步骤s26转移，在平均请求功率pa小于输出功率w2的情况下向步骤s29转移。
[0067]
在步骤s26中，控制部36判定平均请求功率pa与当前的第二燃料电池20的输出功率w2之差是否为限制变动量δw1以上。在平均请求功率pa与输出功率w2之差为限制变动量δw1以上的情况下向步骤s27转移，在平均请求功率pa与输出功率w2之差小于限制变动量δw1的情况下向步骤s28转移。
[0068]
在步骤s27中，控制部36将第二指令功率w2*设定为当前的第二燃料电池20的输出功率w2与限制变动量δw1之和，并向步骤s31转移。
[0069]
在步骤s28中，控制部36将第二指令功率w2*设定为平均请求功率pa，并向步骤s31转移。
[0070]
在步骤s29中，控制部36判定当前的第二燃料电池20的输出功率w2与平均请求功率pa之差是否为限制变动量δw1以上。在输出功率w2与平均请求功率pa之差为限制变动量δw1以上的情况下向步骤s30转移，在输出功率w2与平均请求功率pa之差小于限制变动量δw1的情况下向步骤s28转移。
[0071]
在步骤s30中，控制部36将第二指令功率w2*设定为当前的第二燃料电池20的输出功率w2与限制变动量δw1之差，并向步骤s31转移。
[0072]
在步骤s31中，控制部36判定电池22的soc是否为第二阈值th2以上。在电池22的
soc为第二阈值th2以上的情况下向步骤s32转移，在电池22的soc小于第二阈值th2的情况下向步骤s35转移。第二阈值th2是比第一阈值th1小的值。电池22的soc为第二阈值th2以上且小于第一阈值th1的状态是电池22的充电水平为中等程度、由于到充满电为止尚有余量而能够对电池22进行充电的状态。电池22的soc为小于第二阈值th2的状态是电池22的充电水平低、为了防止过放电而需要对电池22充电的状态。
[0073]
在步骤s32中，控制部36判定请求功率pr是否为第二指令功率w2*以上。在请求功率pr为第二指令功率w2*以上的情况下向步骤s33转移，在请求功率pr小于第二指令功率w2*的情况下向步骤s34转移。
[0074]
在步骤s33中，控制部36将请求功率pr与第二指令功率w2*之差设定为第一指令功率w1*，并向步骤s38转移。
[0075]
在步骤s34中，控制部36将第一指令功率w1*设定为0瓦特，并向步骤s38转移。
[0076]
在步骤s35中，控制部36判定请求功率pr是否为第二指令功率w2*以上。在请求功率pr为第二指令功率w2*以上的情况下向步骤s36转移，在请求功率pr小于第二指令功率w2*的情况下向步骤s37转移。
[0077]
在步骤s36中，控制部36将请求功率pr与第二指令功率w2*之差加上充电功率wb的值设定为第一指令功率w1*，并转移到步骤s38。
[0078]
在步骤s37中，控制部36将充电功率wb设定为第一指令功率w1*，并向步骤s38转移。
[0079]
在步骤s38中，控制部36控制第一燃料电池18，使得第一燃料电池18的输出功率w1成为设定的第一指令功率w1*，并且控制第二燃料电池20，使得第二燃料电池20的输出功率w2成为第二指令功率w2*，并结束发电控制处理。
[0080]
[作用效果]
[0081]
图6是请求功率pr、第一燃料电池18的输出功率w1以及第二燃料电池20的输出功率w2的时序图。图6示出了请求功率pr、第一燃料电池18的输出功率w1以及第二燃料电池20的输出功率w2的时间变化的图像。
[0082]
在本实施方式中，将第一燃料电池18的输出功率w1以及第二燃料电池20的输出功率w2中大于请求功率pr的剩余功率供给到电池22。由此，剩余功率能够在电池22中蓄电而不被丢弃。此外，在燃料电池系统10用于定置式燃料电池装置的情况下，也可以向电网供给剩余功率。
[0083]
另外，在本实施方式中，控制部36在电池22的soc处于高的状态时，将第二指令功率w2*设定为0瓦特，仅利用第一燃料电池18进行发电。在处于无法对电池22进行充电的状态时，根据请求功率pr的变化，使第一燃料电池18的输出功率w1变化，由此能够不产生剩余功率。
[0084]
[从实施方式得到的发明]
[0085]
以下对根据上述实施方式能够掌握的发明进行记载。
[0086]
本发明为一种燃料电池系统(10)，其将电力供给到负载(16)，所述燃料电池系统(10)具备：第一燃料电池(18)，其具有由第一电极材料构成的电极部；以及第二燃料电池(20)，其具有由第二电极材料构成的电极部，所述第二电极材料比所述第一电极材料对输出电压变动的耐性低；所述燃料电池系统(10)具有：请求功率获取部(32)，其获取所述负载
的请求功率；以及控制部(36)，其根据所述请求功率控制所述第二燃料电池，使得所述第二燃料电池的输出功率的变动量成为规定的限制变动量以下，并且根据所述请求功率以及所述第二燃料电池的输出功率控制所述第一燃料电池。
[0087]
在本发明的燃料电池系统中，也可以是，所述控制部控制所述第一燃料电池以使输出功率成为第一指令功率，所述控制部控制所述第二燃料电池以使输出功率成为第二指令功率，在所述第二指令功率比所述请求功率小时，将所述请求功率与所述第二指令功率之差设为所述第一指令功率。
[0088]
在本发明的燃料电池系统中，也可以是，所述控制部控制所述第一燃料电池以使输出功率成为第一指令功率，所述控制部控制所述第二燃料电池以使输出功率成为第二指令功率，在所述第二指令功率比所述请求功率大时，将所述第一指令功率设为0瓦特，将作为所述第二指令功率与所述请求功率之差的剩余功率供给到所述负载以外。
[0089]
在本发明的燃料电池系统中，也可以是，具有蓄电部(22)，所述控制部控制所述第一燃料电池以使输出功率成为第一指令功率，所述控制部控制所述第二燃料电池以使输出功率成为第二指令功率，在所述蓄电部的充电水平处于规定范围的情况下，在所述第二指令功率比所述请求功率小时，将所述请求功率与所述第二指令功率之差设为所述第一指令功率，在所述第二指令功率比所述请求功率大时，将所述第一指令功率设为0瓦特，将作为所述第二指令功率与所述请求功率之差的剩余功率供给到所述蓄电部。
[0090]
在本发明的燃料电池系统中，也可以是，所述控制部在所述蓄电部的充电水平比所述规定范围高的情况下，将所述第二指令功率设为0瓦特，将所述第一指令功率设为所述请求功率。
[0091]
在本发明的燃料电池系统中，也可以是，具有平均请求功率计算部(34)，其计算规定期间中的所述请求功率的平均值作为平均请求功率，所述控制部将所述第二指令功率设为所述平均请求功率，在所述蓄电部的充电水平比所述规定范围低的情况下，在所述第二指令功率比所述请求功率小时，将所述请求功率与所述第二指令功率之差加上充电功率设为所述第一指令功率，将所述充电功率供给到所述蓄电部，在所述第二指令功率比所述请求功率大时，将所述第一指令功率设为所述充电功率，将作为所述第二指令功率与所述请求功率之差的剩余功率以及所述充电功率供给到所述蓄电部。
[0092]
在本发明的燃料电池系统中，也可以是，所述控制部在所述第二燃料电池的输出功率比所述请求功率低的情况下，使所述第二燃料电池的输出功率以所述限制变动量渐增。
[0093]
在本发明的燃料电池系统中，也可以是，所述控制部在所述第二燃料电池的输出功率比所述请求功率高的情况下，使所述第二燃料电池的输出功率以所述限制变动量渐减。
[0094]
在本发明的燃料电池系统中，也可以是，所述第一电极材料由铂合金承载催化剂形成，所述铂合金承载催化剂是在碳载体承载铂合金而成，所述碳载体由在2700℃～2800℃的温度范围进行了热处理的碳粉末形成，所述第二电极材料由铂合金承载催化剂形成，所述铂合金承载催化剂是在碳载体承载铂合金而成，所述碳载体由在2400℃～2500℃的温度范围进行了热处理的碳粉末形成。