电源系统及燃料电池的电压控制方法
【技术领域】
[0001 ]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】
[0002]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转中也存在暂时性地负载要求极小的情况。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，作为在对于电源系统的负载要求极小时进行的控制之一，进行了使燃料电池的发电停止的控制。并且，对于负载，通过与燃料电池一起搭载于电源系统的二次电池，输出所要求的电力。
[0003]当在燃料电池的阳极侧流路内残留有氢并且在阴极侧流路内残留有氧的状态下使燃料电池的发电停止时，燃料电池显示出极高的开路电压(OCV)。若燃料电池的开路电压过度升高，则燃料电池具备的电极(阴极)的电极电位过度升高，在阴极电极处，催化剂的溶出(劣化)进展，由此燃料电池的发电性能及耐久性下降。
[0004]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，且在阴极上被氧化的反应进展。其结果是，当燃料电池的发电停止后不久，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，由于阴极催化剂被还原而之后阴极电位再上升时，阴极催化剂的溶出更容易产生。因此，在负载要求极小时，希望将燃料电池的电压(电极电位)保持在适当的范围内。
[0005]在负载要求极小时，作为用于将燃料电池的电压保持在适当的范围内的方法，提出了即使在负载要求极小之后在燃料电池中也继续微小的发电的方法(例如，参照日本特开2013-161571)。作为继续微小的发电的方法，提出了例如在燃料电池的输出电压下降至上述规定的范围的下限之前停止对燃料电池的氧的供给，在输出电压下降至上述下限之后，在输出电压上升至上述规定的范围的上限之前进行对燃料电池的氧的供给这样的方法。
[0006]然而，当即使负载要求变为极小之后也继续燃料电池的发电时，会产生为了电压维持而进行未要求的过度的发电的事态。这样过度地发电的电力在暂时向二次电池充电之后能够利用。然而，将燃料电池发电的电力暂时蓄积于二次电池的方法与直接利用由燃料电池发电的电力的情况相比，能量效率差，因此会导致具备燃料电池的系统整体的能量效率的下降。
【发明内容】
[0007 ]本发明提供一种电源系统及燃料电池的电压控制方法。
[0008]本发明的第一方案是具备燃料电池的电源系统中的所述燃料电池的电压控制方法，所述燃料电池构成为向负载供给电力。所述电压控制方法包括:在来自所述负载的要求电力为预先确定的基准值以下的低负载状态时，切断所述燃料电池与所述负载的电连接；在切断所述燃料电池与所述负载的电连接时，以预先设定的条件向所述燃料电池供给氧，所述预先设定的条件是用于将为了使所述燃料电池的开路电压成为预先确定的目标电压而需要的氧向所述燃料电池供给的条件；以所述预先设定的条件向所述燃料电池供给了氧之后，检测所述燃料电池的开路电压;在所述检测到的开路电压比所述目标电压高第一值以上的第一电压状态下，减少向所述燃料电池供给的氧量;在所述检测到的开路电压比所述目标电压低第二值以上的第二电压状态下，增加向所述燃料电池供给的氧量；以及在所述检测到的开路电压小于所述目标电压与所述第一值之和且大于从所述目标电压减去所述第二值而得到的值的电压维持状态下，维持向所述燃料电池供给的氧量。
[0009]根据本发明的第一方案，在负载要求为预先设定的基准值以下的低负载状态时，不使燃料电池发电而能够将燃料电池的开路电压维持在目标电压的附近。因此，无需进行未要求的过度的发电，能够抑制以将发电了的电力暂时蓄积于二次电池的情况等为起因而电源系统的能量效率下降的情况。
[0010]本发明的第一方案的电压控制方法可以还包括:在所述低负载状态时判断是否符合第一状态和第二状态中的任一个状态，在所述第一状态下所述负载快速地要求所述电力的概率比在所述第二状态下高;在判断为是所述第一状态的情况下，使用预先确定的第一目标电压作为所述目标电压；以及在判断为是所述第二状态的情况下，使用比所述第一目标电压低的第二目标电压作为所述目标电压。
[0011]根据上述方案，在判断为从负载迅速地显示出负载要求的概率高的第一状态的情况下，使用更高的第一目标电压作为燃料电池的目标电压。因此，能够在燃料电池内确保氧，能够确保下次负载要求增加时的响应性。而且，在判断为从负载迅速地显示出负载要求的概率为比第一状态低的第二状态的情况下，使用更低的第二目标电压作为燃料电池的目标电压。因此，即使构成燃料电池的各单电池的开路电压的变动扩大，也能抑制电压过度上升的单电池的产生，能够提高燃料电池整体的耐久性。
[0012]本发明的第一方案的电压控制方法也可以还包括:在成为所述低负载状态且以所述预先设定的条件向所述燃料电池供给了氧之后经过的时间小于预先设定的基准时间的情况下，使用第一目标电压作为所述目标电压；以及在以所述预先设定的条件向所述燃料电池供给了氧之后经过了所述预先设定的基准时间的情况下，将所述目标电压从所述第一目标电压变更为比所述第一目标电压低的第二目标电压。
[0013]当使用第一目标电压作为目标电压的控制继续时，构成燃料电池的各单电池的开路电压的变动能够扩大。根据上述方案，由于将目标电压变更为比第一目标电压低的第二目标电压，因此能抑制电压过度上升的单电池的产生，能够提高燃料电池整体的耐久性。
[0014]本发明的第一方案的电压控制方法也可以还包括:在所述低负载状态时判断档位为规定的驱动档和规定的非驱动档中的哪一个;在判断为所述档位是所述规定的驱动档的情况下，使用预先确定的第一目标电压作为所述目标电压；以及在判断为所述档位是所述规定的非驱动档的情况下，使用比所述第一目标电压低的第二目标电压作为所述目标电压。
[0015]在上述结构中，电压控制方法也可以还包括:在以所述预先设定的条件向所述燃料电池供给了氧之后经过的时间小于预先设定的基准时间且判断为所述档位是所述规定的驱动档的情况下，使用所述第一目标电压作为所述目标电压；以及在以所述预先设定的条件向所述燃料电池供给了氧之后经过了所述预先设定的基准时间且判断为所述档位是所述规定的驱动档的情况下，将所述目标电压从所述第一目标电压变更为所述第二目标电压。
[0016]本发明的第一方案的电压控制方法也可以还包括:在所述低负载状态时判断具备所述燃料电池的车辆是否符合第一状态和第二状态中的任一个状态，所述负载在所述第一状态下要求规定等级以上的电力的响应性的概率比在所述第二状态下高;在所述车辆处于第一状态的情况下，使用预先确定的第一目标电压作为所述目标电压；以及在所述车辆处于第二状态的情况下，使用比所述第一目标电压低的第二目标电压作为所述目标电压。
[0017]本发明的第一方案的电压控制方法也可以还包括:在成为所述低负载状态且以所述预先设定的条件向所述燃料电池供给了氧之后，所述燃料电池的开路电压相对于作为所述目标电压而设定的第一目标电压下降了预先设定的允许值以上的情况下，将所述目标电压从所述第一目标电压变更为比所述第一目标电压低的第二目标电压。
[0018]根据上述方案，燃料电池的开路电压相对于第一目标电压下降了允许值以上的情况下，由于将目标电压变更为更低的第二目标电压，因此能够抑制以各单电池的开路电压变动为起因而产生不优选的程度的高电压的单电池的情况。而且，不进行使下降了的燃料电池的开路电压上升为第一目标电压的控制，将目标电压变更得更低，由此能抑制燃料电池的开路电压的变动，能够抑制以变动为起因而燃料电池的电极催化剂劣化的情况。
[0019]本发明的第一方案的电压控制方法也可以还包括:在将所述燃料电池的开路电压的目标值从所述第一目标电压变更为所述第二目标电压之后，在向所述燃料电池供给氧之前暂时停止对所述燃料电池的氧的供给。
[0020]根据上述方案，能够减少使用第一目标电压作为目标电压期间产生的各单电池的开路电压的变动。
[0021]本发明的第二方案是具备燃料电池的电源系统中的所述燃料电池的电压控制方法，所述燃料电池构成为向负载供给电力。所述电压控制方法包括:在来自所述负载的要求电力为预先确定的基准值以下的低负载状态时，以预先设定的条件向所述燃料电池供给氧，所述预先设定的条件是用于将为了使所述燃料电池的电压成为预先确定的目标电压而需要的氧向所述燃料电池供给的条件；以所述预先设定的条件向所述燃料电池供给了氧之后，检测所述燃料电池的电压;在所述检测到的电压比所述目标电压高第一值以上的第一电压状态下，将输出电压设定为所述目标电压并使所述燃料电池的发电进行;在所述检测到的电压比所述目标电压低第二值以上的第二电压状态下，以切断了所述燃料电池与所述负载的电连接的状态增加向所述燃料电池供给的氧量；以及在所述检测到的电压小于所述目标电压与所述第一值之和且大于从所述目标电压减去所述第二值而得到的值的电压维持状态下，维持向所述燃料电池供给的氧量。
[0022]根据本发明的第二方案，至少在负载要求为预先设定的基准值以下的低负载状态时，不用使燃料电池发电，而能够进行将燃料电池的电压维持在目标电压的附近的控制。因此，能抑制未要求的过度的发电，能够抑制以将发电的电力暂时蓄积于二次电池等为起因而电源系统的能量效率下降的情况。
[0023]本发明的第三方案的电源系统包括:燃料电池，构成为向负载供给电力；氧供给部，构成为向所述燃料电池的阴极供给氧:氧量调节部，构成为调节所述氧供给部向所述阴极供给的氧量;负载切断部，构成为在来自所述负载的要求电力为预先设定的基准值以下的低负载状态时，切断所述燃料电池与所述负载的电连接；以及电压传感器，构成为检测所述燃料电池的开路电压。所述氧量调节部构成为在所述低负载状态时以预先设定的条件驱动所述氧供给部，所述预先设定的条件是用于将为了使所述燃料电池的开路电压成为预先设定的目标电压而需要的氧向所述燃料电池供给的条件。所述氧量调节部构成为在驱动了所述氧供给部之后，在第一电压状态下以向所述燃料电池供给的氧量减少的方式驱动所述氧供给部，所述第一电压状态是所述检测到的开路电压比所述目标电压高第一值以上的状态。所述氧量调节部构成为在驱动了所述氧供给部之后，在所述检测到的开路电压比所述目标电压低第二值以上的第二电压状态下以向所述燃料电池供给的氧量增加的方式驱动所述氧供给部。
[0024]根据本发明的第三方案，在负载要求为预先设定的基准值以下的低负载状态时，不使燃料电池发电，而能够将燃料电池的开路电压维持在目标电压的附近。因此，无需进行未要求的过度的发电，能够抑制以将发电的电力暂时蓄积于二次电池等为起因而电源系统的能量效率下降的情况。而且，为了使燃料电池的开路电压接近于目标电压而调节供给氧量的控制通过基于燃料电池的开路电压与目标电压的关系使供给氧量增减来进行，因此无需直接测定供给氧量，能够简化系统结构。
[0025]在本发明的第三方案中，所述氧供给部也可以具备氧供给路、氧导入部、旁通流路、分流阀、流量调整阀。所述氧供给路也可以是与所述阴极连接的流路。所述氧导入部可以构成为向所述氧供给路导入氧。所述旁通流路可以从所述氧供给路分支，构成为以不经由所述阴极的方式引导从所述氧导入部供给的氧。所述分流阀可以设于所述旁通流路从所述氧供给路分支的位置，构成为通过开阀状态来变更向所述氧供给路和所述旁通流路分配的氧的分配比例。所述流量调整阀可以设于所述氧供给路，构成为变更向所述阴极供给的氧量。所述氧量调节部可以构成为变更所述氧导入部导入的氧量、所述分流阀的开阀状态及所述流量调整阀的开度中的至少一个来调节向所述阴极供给的氧量。
[0026]在本发明的第三方案中，所述氧量调节部可以构成为在使所述氧导入部导入的氧量及所述分流阀的开阀状态固定的状态下，通过变更所述流量调整阀的开度来调节向所述阴极供给的氧量。
[0027]本发明的第四方案的电源系统包括:燃料电池，向负载供给电力；氧供给部，构成为向所述燃料电池的阴极供给氧;至少一个电子控制装置，构成为调节所述氧供给部向所述阴极供给的氧量，且构成为控制所述燃料电池的输出状态;负载切断部，构成为切断所述燃料电池与所述负载的电连接；以及电压传感器，构成为检测所述燃料电池的电压。所述电子控制装置构成为在所述低负载状态时以预先设定的条件驱动所述氧供给部，所述预先设定的条件是用于将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向所述燃料电池供给的条件。所述电子控制装置构成为在以所述预先设定的条件驱动了所述氧供给部之后，在所述检测到的电压比所述目标电压低第二值以上的第二电压状态且所述负载切断部切断所述燃料电池与所述负载的电连接的状态下，以向所述阴极供给的氧量增加的方式驱动所述氧供给部。所述电子控制装置构成为在以所述预先设定的条件驱动了所述氧供给部之后，在所述检测到的电压比所述目标电压高第一值以上的第一电压状态下，以使所述燃料电池的输出电压成为所述目标电压的方式控制所述燃料电池的输出状态。
[0028]本发明的方案也可以通过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和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案来实现。
【附图说明】
[0029]图1是表示本发明的实施方式的燃料电池车辆的概略结构的框图。
[0030]图2是表示本发明的实施方式的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。
[0031]图3是示意性地表示本发明的实施方式的供给氧量与燃料电池的开路电压的关系的说明图。
[0032]图4是表示本发明的实施方式的间歇运转控制处理例程的流程图。
[0033]图5是表示本发明的实施方式的目标电压设定处理例程的流程图。
[0034]图6是表示本发明的实施方式的目标电压变更处理例程的流程图。
[0035]图7是概念性地表示本发明的实施方式的电压维持控制开始之后的开路电压的行迹的说明图。
[0036]图8是表示本发明的实施方式的间歇运转控制处理例程的流程图。
[0037]图9是表示本发明的实施方式的间歇运转控制处理例程的流程图。
[0038]图10是表示本发明的实施方式的间歇运转控制处理例程的流程图。
[0039]图11是表示本发明的实施方式的极限值回避处理例程的流程图。
[0040]图12是表示本发明的实施方式的间歇运转控制处理例程的流程图。
【具体实施方式】
[0041]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在车体22上搭载电源系统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。
[0042]电源系