电源系统及燃料电池的电压控制方法
【专利说明】电源系统及燃料电池的电压控制方法
[0001]本申请主张基于在2014年11月15日提出申请的申请号2014-232251号的日本专利申请的优先权，并将其公开的全部内容通过参照而援引于本申请。
技术领域
[0002]本发明涉及电源系统及燃料电池的电压控制方法。
【背景技术】
[0003]在具备燃料电池的电源系统中，在根据来自负载的要求电力(以下，也称为负载要求)而从电源系统取出电力时，即使在电源系统的运行中也有时负载要求暂时变得极小。在具备燃料电池的系统中，通常，在燃料电池的发电电力非常小的情况下，具有系统整体的能量效率下降这样的性质。因此，以往，作为在对电源系统的负载要求极小时进行的控制的一种，进行使燃料电池的发电停止的控制。并且，通过与燃料电池一起搭载于电源系统的二次电池向负载输出所要求的电力。
[0004]若在燃料电池的阳极侧流路内残留氢且在阴极侧流路内残留氧的状态下使燃料电池的发电停止，贝1J燃料电池会表现出极高的开路电压(Open circuit voltage:0CV) 0当燃料电池的开路电压过度升高时，燃料电池所具备的电极(阴极)的电极电位过度升高，在阴极电极中，催化剂的溶出(劣化)进行，由此燃料电池的发电性能及耐久性下降。
[0005]而且，在燃料电池的发电停止后，残留在阳极侧流路内的氢经由燃料电池的电解质膜向阴极侧流路透过，进行在阴极上被氧化的反应。其结果是，在燃料电池的发电停止后的一段时间，残留于阴极侧流路的氧被消耗，由此开路电压下降(阴极电位下降)。在这样的情况下，在通过阴极催化剂被还原而此后阴极电位再上升时，更容易引起阴极催化剂的溶出。因此，在负载要求极小时，为了抑制上述的催化剂的劣化，希望将燃料电池的电压(电极电位)保持在适当的范围内。
[0006]作为在负载要求极小时将燃料电池的电压保持为适当的范围内的方法，提出了即使在负载要求变得极小之后燃料电池也继续进行微小的发电的方法(JP2013-161571A)。作为继续进行微小的发电的方法，例如，提出了如下的方法:停止向燃料电池的氧的供给直至燃料电池的输出电压下降而达到规定的范围的下限值为止，在输出电压下降为上述下限值之后，进行向燃料电池的氧的供给直至输出电压上升而达到上述规定的范围的上限值为止。
【发明内容】
[0007]【发明要解决的问题】
[0008]然而，若如上所述那样进行反复进行向燃料电池的氧的供给及停止的控制，则燃料电池的输出电压会在上述规定的范围的下限值与上限值之间反复变动。在燃料电池中，可认为电极电位越高则电极催化剂越容易溶出。而且，在电极电位先下降之后再上升时，可认为电极电位下降的程度、及之后再上升的程度越大则电极催化剂越容易溶出。因此，为了抑制电极催化剂的劣化并提高燃料电池的耐久性，希望不仅避免电极过度地成为高电位的情况及过度地成为低电位的情况，还抑制燃料电池的电压(电极电位)的变动。而且，还考虑到在如上所述负载要求极小的状态持续的中途，负载要求暂时变动的情况。虽然希望即使在这样的情况下也抑制电压变动，但对于包含暂时性的负载要求的变动的控制，以往并未进行充分的研究。
[0009]【用于解决问题的手段】
[0010]本发明为了解决上述的问题而作出，可以作为以下的方式来实现。
[0011](I)根据本发明的一方式，提供一种燃料电池的电压控制方法，是具备向负载供给电力的燃料电池的电源系统中的所述燃料电池的电压控制方法。该燃料电池的电压控制方法中，在来自所述负载的要求电力超过预先确定的基准值的通常负载状态时，从所述燃料电池供给所述要求电力的至少一部分；在所述要求电力为所述基准值以下的低负载状态时，向所述燃料电池供给比在所述通常负载状态时向所述燃料电池供给的氧量少且为了使所述燃料电池的电压成为预先设定的目标电压而需要的氧量。并且，在所述要求电力为所述基准值以下的第一低负载状态下，将第一目标电压设定作为所述目标电压而向所述燃料电池供给氧，然后，变成所述要求电力超过所述基准值的状态而使所述燃料电池以超过所述第一目标电压的输出电压发电，之后，在变成所述要求电力为所述基准值以下的第二低负载状态时，将比所述第一目标电压高的第二目标电压设定作为所述目标电压而向所述燃料电池供给氧。
[0012]根据该方式的燃料电池的电压控制方法，在第一低负载状态时，将第一目标电压设定为目标电压而向燃料电池供给氧，然后，在使燃料电池以超过第一目标电压的输出电压发电之后，在成为第二低负载状态时，设定比第一目标电压高的第二目标电压作为目标电压。因此，能够抑制燃料电池的电极电位的变动，抑制电极催化剂的溶出，提高燃料电池的耐久性。
[0013](2)在上述方式的燃料电池的电压控制方法中，可以是，在所述第一低负载状态及所述第二低负载状态下，从多个运转模式中选择一个运转模式，所述多个运转模式包括非发电模式和微小发电模式，所述非发电模式是切断所述燃料电池与所述负载之间的电连接，并向所述燃料电池供给为了使所述燃料电池的开路电压成为所述目标电压而需要的氧量的模式，所述微小发电模式是所述燃料电池对所述负载进行电力供给的运转模式，是以使所述燃料电池的输出电压成为所述目标电压的方式进行控制并向所述燃料电池供给必要氧量的模式，所述必要氧量是根据作为所述燃料电池的目标发电量而预先确定的目标发电量理论性地导出的氧量。
[0014]根据该方式的燃料电池的电压控制方法，在来自负载的要求电力成为预先确定的基准值以下的低负载状态时，能够将燃料电池的输出电压保持为优选的范围并抑制低负载状态下的过度的发电。
[0015](3)在上述方式的燃料电池的电压控制方法中，可以是，在所述第一低负载状态下，选择所述非发电模式来进行对所述燃料电池的氧供给，在所述第二低负载状态下，选择所述微小发电模式来进行对所述燃料电池的氧供给。
[0016]根据该方式的燃料电池的电压控制方法，在成为了低负载状态时，先于微小发电模式而选择非发电模式，由此在成为低负载状态时能抑制从燃料电池的过度的发电，能够提高电源系统的能量效率，而且，在上述方式的燃料电池的电压控制方法中，在选择了非发电模式之后，成为要求电力超过基准值的状态而进行燃料电池的发电，之后，再次成为低负载状态时，选择微小发电模式。因此，即使在低负载状态继续的情况下，也能够通过燃料电池来提供具备电源系统的装置内所要求的负载要求的至少一部分。而且，例如在电源系统还具备蓄电部(能够蓄积燃料电池发出的电力的至少一部分且能够向负载进行电力供给的蓄电部)的情况下，能够抑制在再次成为低负载状态之后蓄电部的残存容量下降的情况。其结果，能够抑制再次成为低负载状态之后的蓄电部的充电频度。
[0017](4)在上述方式的燃料电池的电压控制方法中，可以是，所述负载包括主负载和要求电力比所述主负载少的副负载，所述通常负载状态是至少所述主负载要求电力的状态，包括所述第一低负载状态和所述第二低负载状态的所述低负载状态是所述主负载未要求电力而所述副负载要求电力的状态。
[0018]根据该方式的燃料电池的电压控制方法，在从主负载要求电力的状态成为低负载状态时，能够先于微小发电模式而选择非发电模式，因此能够提高系统整体的能量效率。
[0019](5)在上述方式的燃料电池的电压控制方法中，可以是，在选择所述微小发电模式的状态继续时符合由于所述微小发电模式下的所述燃料电池的发电而在所述燃料电池内产生的液态水过剩地滞留于所述燃料电池内的液态水滞留条件的情况下，暂时中断作为所述微小发电模式的控制，向所述燃料电池供给过剩量的氧，所述过剩量超过在所述微小发电模式下向所述燃料电池供给的氧量。
[0020]根据该方式的燃料电池的电压控制方法，即使在选择微小发电模式的状态继续的情况下，也能够从燃料电池内除去液态水，能够抑制滞留在燃料电池内的液态水量变得过剩的情况。
[0021](6)在上述方式的燃料电池的电压控制方法中，可以是，所述电源系统具备蓄电部作为所述负载的一部分，所述蓄电部在选择了所述微小发电模式时能够蓄积所述燃料电池发电的电力的至少一部分，所述电压控制方法在选择所述微小发电模式的状态继续时符合所述液态水滞留条件的情况下，在暂时中断作为所述微小发电模式的控制之前，使所述燃料电池的所述目标发电量变得较小而使所述燃料电池发电。
[0022]根据该方式的燃料电池的电压控制方法，能够通过暂时性地减小燃料电池的目标发电量来使蓄电器的残存容量下降。因此，之后，即使在微小发电模式中由于将超过向燃料电池供给的氧量的过剩量的氧向燃料电池供给而燃料电池的发电量暂时性地增加，也能够将增加的发电量毫无障碍地充到蓄电部。
[0023](7)根据本发明的另一方式，提供一种电源系统，是具备向负载供给电力的燃料电池的电源系统。电源系统具备:氧供给部，向所述燃料电池的阴极供给氧；及氧量调节部，驱动所述氧供给部而调节所述氧供给部向所述阴极供给的氧量。在来自所述负载的要求电力超过预先确定的基准值的通常负载状态时，所述氧量调节部以向所述阴极供给如下的氧量的方式驱动所述氧供给部:该氧量使得从所述燃料电池能够供给所述要求电力的至少一部分，在所述要求电力为所述基准值以下的低负载状态时，所述氧量调节部以向所述阴极供给比在所述通常负载状态时向所述燃料电池供给的氧量少且为了使所述燃料电池的电压成为预先设定的目标电压而需要的氧量的方式驱动所述氧供给部，在所述要求电力为所述基准值以下的第一低负载状态下，所述氧量调节部将第一目标电压设定作为所述目标电压来驱动所述氧供给部，然后，变成所述要求电力超过所述基准值的状态而使所述燃料电池以超过所述第一目标电压的输出电压发电，之后，在变成所述要求电力为所述基准值以下的第二低负载状态时，所述氧量调节部将比所述第一目标电压高的第二目标电压设定作为所述目标电压来驱动所述氧供给部。
[0024]根据该方式的电源系统，在第一低负载状态时将第一目标电压设定为目标电压而驱动氧供给部，之后，在使燃料电池以超过第一目标电压的输出电压发电之后，成为第二低负载状态时，将比第一目标电压高的第二目标电压作为目标电压来驱动氧供给部，因此能抑制燃料电池的电极电位的变动，能抑制电极催化剂的溶出，能够提高燃料电池的耐久性。
[0025]本发明能够以上述以外的各种方式实现，例如，能够以搭载电源系统作为驱动用电源的移动体、具备燃料电池的电源系统的燃料电池的高电位回避控制方法、实现已述的电压控制方法或高电位回避控制方法的计算机程序、记录有该计算机程序的非暂时性的记录介质等方式实现。
【附图说明】
[0026]图1是表示燃料电池车辆的概略结构的框图。
[0027]图2是示意性地表示燃料电池的输出电流与输出电压或输出电力的关系的说明图。
[0028]图3是示意性地表示供给氧量与燃料电池的开路电压的关系的说明图。
[0029]图4是表示一边供给过剩量的氢一边变更氧供给量时的燃料电池的IV特性的说明图。
[0030]图5是将在微小发电模式选择时可取得的动作点与通常运转模式的IV特性重叠表示的说明图。
[0031]图6是表示非发电间歇运转控制处理例程的流程图。
[0032]图7是表示微小发电间歇运转控制处理例程的流程图。
[0033]图8是表示间歇运转模式设定处理例程的流程图。
[0034]图9是表示为了避免产生各问题而能够允许的水分量的说明图。
[0035]图10是表示阴极扫气控制处理例程的流程图。
[0036]【符号说明】
[0037]20…燃料电池车辆
[0038]22…车身
[0039]30…电源系统
[0040]100…燃料电池
[0041]102…电压传感器
[0042]103…电流传感器
[0043]104…开关
[0044]110…氢罐
[0045]115…阳极侧流路
[0046]120…氢气供给部
[0047]121…氢供给流路
[0048]122…循环流路
[0049]123…氢放出流路
[0050]124…开闭阀
[0051]125…减压阀
[0052]126…氢供给设备
[0053]127…循环栗
[0054]128…压力传感器
[0055]129…开闭阀
[0056]130…压缩器
[0057]140…空气供给部
[0058]141…第一空气流路
[0059]142…空气放出流路
[0060]143…背压阀
[0061]144…分流阀
[0062]145…第二空气流路
[0063]146…第三空气流路
[0064]147…流量传感器
[0065]148…阴极侧流路
[0066]170…电动机
[0067]l74."DC/DC 转换器
[0068]178…配线
[0069]180…加速器开度传感器
[0070]200…控制部
【具体实施方式】
[0071]A.电源系统的整体结构:
[0072]图1是表示作为本发明的第一实施方式的燃料电池车辆20的概略结构的框图。燃料电池车辆20在车身22上搭载有电源系统30。电源系统30与燃料电池车辆20的驱动用的电动机170之间由配线178连接，经由配线178，在电源系统30与电动机170之间交接电力。
[0073]电源系统30具备燃料电池100、包含氢罐110的氢气供给部120、包含压缩器130的空气供给部140、二次电池172、DC/DC转换器104、DC/DC转换器174、控制部200。需要说明的是，电源系统30为了将燃料电池100的温度保持