燃料电池系统

技术领域

本说明书公开的技术涉及能够作为电源使用的燃料电池系统。

背景技术

国际公开WO2017/010069号中公开了一种在输出端并联连接有多个燃料电池组的燃料电池系统。燃料电池系统的控制器为了获得目标输出电力而使所需最小限度个数的燃料电池组运转。在可以不使几个燃料电池组运转的情况下，将累积发电时间长的燃料电池组停止。

发明内容

燃料电池组若多次反复停止(输出电压为零的状态)和启动，则劣化加剧。本说明书提供能够抑制劣化的燃料电池系统。

本说明书公开的燃料电池系统具备：燃料电池单元，与输出端连接；蓄电池单元，与燃料电池单元并联连接；以及控制器。燃料电池单元包括燃料电池组。燃料电池单元可以包括将燃料电池组的输出电压升压的升压转换器。在燃料电池系统的目标输出电力低于对于燃料电池单元设定的输出电力下限值的情况下，控制器以燃料电池单元的输出电压保持规定的空载电压的方式控制燃料电池单元，上述规定的空载电压大于零且低于蓄电池单元的输出电压。例如，通过调整向燃料电池组供给的氧(空气)的量，能够将燃料电池单元的输出电压降低至空载电压。

在本说明书公开的燃料电池系统中，当目标输出电力小的情况下，使燃料电池单元的输出电压低于蓄电池单元的输出电压。从燃料电池单元(燃料电池组)不输出电流，从输出端仅输出蓄电池单元的电力。而且，控制器将燃料电池单元的输出电压保持为空载电压。燃料电池单元(燃料电池组)被保持为虽未停止但不输出电力的状态。由于在不输出电力的期间也不停止燃料电池单元(燃料电池组)，所以可抑制劣化。

空载电压的一个例子是对燃料电池组的单电池的维持电压(maintenancevoltage)乘以燃料电池组的电池数而得的值以上的值。维持电压是劣化不易加剧的输出电压，基于单电池的物理的特性预先决定。在目标输出电力小的情况下，燃料电池单元不输出电力，但是将燃料电池单元的输出电压保持为空载电压。通过将燃料电池单元的输出电压保持为低于蓄电池单元的输出电压的空载电压，可抑制燃料电池组的劣化。

燃料电池单元可以具备升压转换器，该升压转换器将燃料电池组的输出电压升压。该情况下，在目标输出电力超过输出电力下限值的情况下，控制器以燃料电池单元的输出电力成为目标输出电力以上的方式控制燃料电池组，并且以燃料电池单元的输出电压超过蓄电池单元的输出电压的方式控制升压转换器。从蓄电池单元不输出电力，从输出端输出燃料电池单元的输出电力。

燃料电池单元可以包括并联连接的多个燃料电池组(第1燃料电池组和第2燃料电池组)。对第1燃料电池组设定了第1输出电力下限值，对第2燃料电池组设定了第2输出电力下限值。该情况下，控制器执行以下3种处理中的任一种。(1)在目标输出电力超过第1输出电力下限值且低于第1输出电力下限值与第2输出电力下限值的合计的情况下，控制器以第1燃料电池组的输出电力成为目标输出电力以上的方式控制第1燃料电池组。控制器以第2燃料电池组的输出电压保持第2空载电压的方式控制第2燃料电池组，上述第2空载电压大于零且低于蓄电池单元的输出电压。(2)在目标输出电力超过第1输出电力下限值与第2输出电力下限值的合计的情况下，控制器以第1燃料电池组的输出电力超过第1输出电力下限值、第2燃料电池组的输出电力超过第2输出电力下限值、且第1燃料电池组与第2燃料电池组的合计输出成为目标输出电力以上的方式控制第1燃料电池组和第2燃料电池组。(3)在目标输出电力低于第1输出电力下限值与第2输出电力下限值的每一个的情况下，控制器以第1燃料电池组的输出电压保持第1空载电压的方式控制第1燃料电池组，上述第1空载电压大于零且低于蓄电池单元的输出电压。控制器以第2燃料电池组的输出电压保持第2空载电压的方式控制第2燃料电池组。在任一个情况下，通过将第1燃料电池组/第2燃料电池组的电压保证为比蓄电池电压低的规定的值(第1空载电压/第2空载电压)，可抑制燃料电池组的劣化。

在第1燃料电池组/第2燃料电池组的输出电压被保持为第1空载电压/第2空载电压的期间，从输出端输出蓄电池单元的电力。

本说明书公开的技术的详细和进一步的改进在以下的“具体实施方式”中进行说明。

附图说明

图1是第1实施例的燃料电池系统的框图。

图2是表示燃料电池单元的输出电流与输出电压的关系的图表。

图3是燃料电池单元控制的流程图(第1实施例)。

图4是第2实施例的燃料电池系统的框图。

图5是燃料电池单元控制的流程图(第2实施例)。

图6是第3实施例的燃料电池系统的框图。

图7是燃料电池单元控制的流程图(第3实施例)。

图8是燃料电池单元控制的流程图(图7的接续)。

图9是燃料电池单元控制的流程图(图8的接续)。

具体实施方式

(第1实施例)参照附图对第1实施例的燃料电池系统2进行说明。图1中示出燃料电池系统2的框图。燃料电池系统2具备燃料电池单元10、蓄电池单元3、输出端4以及控制器5。燃料电池系统2能够从输出端4输出电力。在图1的结构中，在输出端4连接有电气设备90，燃料电池系统2向电气设备90供给电力。图1的虚线箭头线表示通信线。以下，为了便于说明，将“燃料电池”简称为“FC”。燃料电池单元10被记载为FC单元10，燃料电池组11被记载为FC组11。

在控制器5连接有操作盘5a。在操作盘5a装备有对应该从输出端4输出的电力(目标输出电力)进行设定的开关类。燃料电池系统2的用户对操作盘5a的开关进行操作来向控制器5输入目标输出电力。在输出端4并联连接有FC单元10和蓄电池单元3，控制器5控制FC单元10以使从输出端4输出的电力与目标输出电力一致。

蓄电池单元3包括蓄电池3a和电压转换器3b。电压转换器3b具有：升压功能，将蓄电池3a的输出电压升压并向输出端4供给；和降压功能，将FC单元10的输出电压降压并向蓄电池3a供给。这样的电压转换器3b被称为双向DC－DC转换器。控制器5控制电压转换器3b，调整蓄电池单元3的输出电压。在蓄电池3a的残留电力量少时，控制器5控制FC单元10和电压转换器3b，利用FC单元10的输出电力来对蓄电池3a进行充电。

FC单元10包括多个单电池串联连接而成的FC组11和将FC组11的输出电压升压的升压转换器12。如众所周知那样，FC组11(多个单电池)使氢与氧反应来获得电力。

在FC单元10连接有燃料箱30以及用于使FC单元10运转的各种电气设备。有时将用于使FC单元10运转的电气设备称为辅机。辅机例如包括用于将燃料(氢)输送至FC组11的喷射器32、将通过了FC组11的残留气体分离为残留氢气和水的气液分离器33、将残留氢气再次返回至FC组11的泵34、将氧(空气)供给至FC组11的空气压缩机35、以及冷却FC组11的冷却器36等。除此之外，在FC单元10还附带有多个压力传感器、阀，但省略它们的说明。控制器5控制辅机来调整供给至FC组11的氢气和氧(空气)的量，从而能够调整FC组11的输出电力。另外，控制器5能够控制升压转换器12来调整FC单元10的输出电压。

FC单元10的输出电压和输出电流分别由电压传感器13和电流传感器14测量。电压传感器13和电流传感器14的测量值被输送至控制器5。控制器5根据电压传感器13和电流传感器14的测量值来获得FC单元10的输出电压和输出电流。通过将输出电压与输出电流相乘，来获得FC单元10的输出电力。

实施例的FC系统2具备蓄电池单元3。在利用蓄电池单元3供应请求电力的情况下，可以不使用FC单元10(FC组11)。然而，公知为FC组11若频繁地反复停止和启动则劣化加剧。鉴于此，在请求电力(目标输出电力)小的情况下，控制器5如以下那样控制FC单元10。即，在目标输出电力小的情况下，控制器5以FC单元10不向输出端4输出电力且输出电压保持空载电压(idling voltage)的方式控制FC单元10。其中，如在先描述那样，“控制FC单元10”是指(1)调整供给至FC组11的氧或者氢的量(或者氧与氢双方)和(2)控制升压转换器12的升压比中的一方或者双方。

空载电压被设定为FC组11的单电池的维持电压(maintenance voltage)乘以FC组11具有的单电池数而得的值。这里，单电池的维持电压是指单电池抑制劣化的发展而稳定地输出的电压。维持电压根据单电池的物理特性被预先决定。在FC单元10(FC组11)的输出电压为空载电压时，可抑制FC单元10所包括的各个单电池的劣化。

这里，参照图2，对FC组11的电流/电压特性与空载电压的关系进行说明。图2是分别在横轴与纵轴表示了FC组11的输出电流与输出电压的图表。其中，为了帮助理解，设升压转换器12的升压比为1。即，FC组11的输出电压与FC单元10的输出电压相等。

如众所周知那样，对于FC组而言，供给的氧和氢的量越多，则图表越向上移动。在图2的例子中，图表G1示出氧和氢的供给量最多的状态。另外，对于FC组而言，存在输出电流越大则输出电压越下降的趋势。若与FC组连接的负载的内部电阻小，则从FC组流动至负载的电流变大、电压下降。若负载的内部电阻大或FC组的输出端开放，则从FC组不输出电流，但FC组的输出端的电压最大。当输出电流为零时，在FC组的内部，氢与氧的反应不推进，保持着在FC组的内部充电有电荷的状态。

FC组11(FC单元10)与蓄电池单元3并联连接在输出端4。因此，在FC组11的输出电压超过蓄电池单元3的电压V＿BT时，从FC组11输出电力。另一方面，若FC组11的输出电压低于电压V＿BT，则不从FC组11输出电力。在FC组11表现出图表G1的特性时，FC组11的动作点被维持在点P1。这里，若停止向FC组11的氧供给，则图表逐渐向下方移动。FC组11以输出电流＝零以及输出电压＝V＿BT的特性(图表G2)停止反应。即，FC组11被维持在不输出电力(电流)但输出电压与蓄电池单元3的电压(蓄电池电压V＿BT)相等的动作点(图2的点P2)。

后述的空载电压V＿Idle被设定为低于蓄电池电压V＿BT的值。若以FC组11的输出电压成为空载电压V＿Idle的方式控制FC组11(FC单元10)，则FC组11表现出图表G3的特性，在点P3停止反应。在点P3，由于FC组11的电压V＿Idle小于蓄电池电压V＿BT，所以不从FC组11(FC单元10)输出电力(电流)，但保持电压V＿Idle。

在实施例中，燃料电池系统2的目标输出以电力的单位(目标输出电力)表示，但燃料电池系统2的目标输出也可以以电流的单位(目标输出电流)表示。以FC单元10的输出电压与蓄电池电压V＿BT相等时的电流(在图表G1的情况下为电流I1)表示目标输出电流。以FC单元10的输出电压与蓄电池电压V＿BT相等时的电流I1和蓄电池电压V＿BT的积(I1×V＿BT)表示目标电力输出。

控制器5执行的处理的流程图如图3所示。在以下的说明以及图3中，存在将FC单元10的输出电压称为FC电压、将蓄电池单元3的电压称为蓄电池电压的情况。

如在先描述那样，目标输出电力由用户设定。控制器5将目标输出电力与输出电力下限值进行比较(步骤S2)。预先对于FC单元10设定了输出电力下限值。

在目标输出电力超过输出下限值的情况下(步骤S2：否)，控制器5控制FC单元10以使FC单元10的输出电力成为目标输出电力以上(步骤S4)。同时，控制器5控制升压转换器12以使FC电压(升压转换器12的输出电压)高于蓄电池电压。通过FC电压高于蓄电池电压，从而从输出端4输出FC单元10的输出电力。蓄电池单元3的蓄电池3a是可再充电的二次蓄电池，在蓄电池3a不是充满电状态的情况下，用FC单元10的输出电力的一部分对蓄电池3a进行充电。

在蓄电池3a为充满电的情况下，控制器5以FC单元10的输出电力与目标输出电力一致的方式控制FC单元10。该情况下，FC单元10的输出电力的全部被从输出端4输出，供给至电气设备90。

在步骤S2中，当目标输出电力低于输出电力下限值的情况下(步骤S2：是)，控制器5以FC电压与空载电压一致的方式控制FC单元10。此时，控制器5以升压比为1的方式控制升压转换器12。FC电压(FC单元10的输出电压)与FC组11的电压相等。即，FC组11的电压被保持为空载电压。

如在先描述那样，空载电压被设定为FC组11的单电池的维持电压乘以FC组11具有的单电池数而得的值。另外，空载电压低于蓄电池电压。因此，在FC电压被保持为空载电压时，不从FC单元10输出电力，从输出端4输出蓄电池单元3的输出电力。即，对电气设备90供给蓄电池单元3的电力，而不被从FC单元10供给电力。

如在先描述那样，通过将FC电压(FC组11的输出电压)保持为空载电压，能够将多个单电池的电压抑制得低(但是，单电池的电压不为零)，可抑制FC组11的劣化。

(第2实施例)图4表示第2实施例的燃料电池系统102的框图。燃料电池系统102与第1实施例的燃料电池系统2的不同点仅在于：在FC单元10与输出端4之间配置有FC继电器15。关于FC继电器15以外的燃料电池系统102的结构省略说明。若FC继电器15断开，则FC单元10被从输出端4电分离。此外，即便FC继电器15断开，也保持蓄电池单元3与输出端4的电连接。

图5表示燃料电池系统102的控制器105执行的处理的流程图。步骤S2、S3、S4与图3的流程图相同。在图5中，紧接着步骤S3追加了步骤S5。即，在目标输出电力低于输出电力下限值的情况下，如果将FC电压保持为空载电压，则控制器105断开FC继电器15(步骤S3、S5)。在步骤S3中，控制器105使升压转换器12运转(升压转换器12的输出电压＞蓄电池电压)，将FC组11的电力向蓄电池单元3输出直至FC组11的输出电压下降为空载电压为止。换言之，控制器105汲取FC组11的电力并向蓄电池单元3输送。若FC组11的输出电压下降为空载电压，则控制器105将升压转换器12停止，并断开FC继电器15(步骤S5)。若将升压转换器12停止，则升压转换器12的升压比成为1。此时，FC单元10的输出电压与FC组11的输出电压相等。即，FC电压(FC单元10的输出电压)与空载电压相等。通过断开FC继电器15来将FC单元10从输出端4电分离，从而可靠地不从FC单元10输出电力。由于不从FC单元10输出电力，所以FC单元10的输出电压稳定。

(第3实施例)图6表示第3实施例的燃料电池系统202的框图。燃料电池系统202的FC单元210具备2个FC组(第1FC组11a和第2FC组11b)。2个FC组11a、11b与蓄电池单元3一同并联连接在输出端4。在第1FC组11a的输出端连接有升压转换器12a，在第2FC组11b的输出端连接有升压转换器12b。FC组11a、11b、升压转换器12a、12b分别与第1实施例的FC组11、升压转换器12相同。从共用的燃料箱30向2个FC组11a、11b供给燃料气体(氢气)。在图6中，省略了喷射器、气液分离器、泵、空气压缩机等附带于FC组的辅机的图示。

FC组11a(11b)的输出电压和输出电流由电压传感器13a(13b)和电流传感器14a(14b)测量。电压传感器13a(13b)和电流传感器14a(14b)的测量值被输送至控制器205。在图6中，省略了通信线的图示。控制器205能够根据电压传感器13a(13b)和电流传感器14a(14b)的测量值来获得FC组11a(11b)的输出电压、输出电流以及输出电力。

在控制器205连接有操作盘5a，用户使用操作盘5a来将应该从输出端4输出的电力(目标输出电力)输入至控制器205。控制器205以从输出端4输出的电力与目标输出电力一致的方式控制FC单元210(FC组11a、11b)。

FC组11a(11b)经由FC继电器15a(15b)与输出端4连接。若控制器205断开FC继电器15a(15b)，则FC组11a(11b)被从输出端4电分离。以下，存在将FC继电器15a称为第1FC继电器15a、将FC继电器15b称为第2FC继电器15b的情况。

对FC组11a、11b也分别设定了输出电力下限值。将第1FC组11a的输出电力下限值称为第1输出电力下限值，将第2FC组11b的输出电力下限值称为第2输出电力下限值。第1输出电力下限值与第2输出电力下限值可以相同，也可以不同。为了便于说明，假定为第1输出电力下限值为第2输出电力下限值以下。

对FC组11a、11b也分别设定了空载电压。若将FC组11a(11b)的输出电压保证为空载电压，则可抑制FC组11a(11b)所包括的多个单电池的劣化。将第1FC组11a的空载电压称为第1空载电压，将第2FC组11b的空载电压称为第2空载电压。第1空载电压与第2空载电压可以相同，也可以不同。第1空载电压/第2空载电压均大于零且低于蓄电池单元3的电压。

控制器205以FC组11a、11b的劣化不加剧的方式控制FC组11a、11b。图7～图9表示控制器205执行的处理的流程图。其中，在以下的说明以及图7～图9中，将第1FC组11a的输出电压称为第1FC电压，将第2FC组11b的输出电压称为第2FC电压。

控制器205将由用户输入的目标输出电力与第1输出电力下限值进行比较(步骤S12)。如在先描述那样，由于假定为第1输出电力下限值为第2输出电力下限值以下，所以在目标输出电力小于第1输出下限值的情况下，目标输出电力当然小于第2输出电力下限值。

在目标输出电力低于第1输出电力下限值与第2输出电力下限值中的每一个的情况下(步骤S12：是)，控制器205以第1FC电压成为第1空载电压的方式控制第1FC组11a，以第2FC电压成为第2空载电压的方式控制第2FC组11b(步骤S13)。如在第1实施例、第2实施例中说明那样，控制器205驱动升压转换器12a(12b)直至FC组11a(11b)的输出电压下降至比蓄电池电压(蓄电池单元3的输出电压)低的空载电压为止。将FC组11a(11b)的电力供给至蓄电池3a，第1FC电压与第2FC电压逐渐下降。若FC组11a、11b的输出电压下降至各自的空载电压，则控制器205将升压转换器12a、12b停止，将第1FC继电器15a与第2FC继电器15b断开(步骤S14)。

由于将FC继电器15a、15b断开，所以FC组11a、11b的输出不流动至输出端4。从输出端4输出蓄电池单元3的电力。此外，即便FC继电器15a(15b)闭合也不从FC组11a(11b)向输出端4流动电力。这是因为：FC组11a(11b)的输出电压被设定为第1空载电压(第2空载电压)，第1空载电压(第2空载电压)低于蓄电池单元3的电压。之所以断开FC继电器15a、15b是为了可靠地阻止FC组11a、11b的输出。

在步骤S12中，当目标输出电力超过第1输出电力下限值的情况下，控制器205移至图8的步骤S21的处理。

在步骤S21中，控制器205将目标输出电力和第1输出电力下限值与第2输出下限值的合计(下限值合计)进行比较。在目标输出电力超过下限值合计的情况下，控制器205以FC组11a、11b的输出电力的合计成为目标输出电力以上的方式控制FC组11a、11b。并且，此时控制器205以第1FC组11a的输出电力大于第1输出电力下限值、且第2FC组11b的输出电力大于第2输出电力下限值的方式控制FC组11a、11b。进而，控制器205以FC组11a、11b各自的输出电压(升压转换器12a、12b各自的输出电压)大于蓄电池单元3的电压的方式控制FC组11a、11b(步骤S22)。

由于升压转换器12a、12b的输出电压高于蓄电池单元3的电压，所以从FC组11a、11b向输出端4流动电力。

在步骤S21的处理中，当目标输出电力低于下限值合计的情况下，控制器205移至图9的步骤S31的处理。

在目标输出电力大于第1输出电力下限值(步骤S12：否)且低于下限值合计的情况下(步骤S21：否)，控制器205以从第1FC组11a输出电力但不从第2FC组11b输出电力的方式控制FC组11a、11b。具体而言，首先，控制器205以第2FC组11b的输出电压保持第2空载电压的方式控制第2FC组11b(步骤S31)。如在先描述那样，控制器205驱动升压转换器12b直至第2FC组11b的输出电压下降为第2空载电压为止(升压转换器12b的输出电压＞蓄电池电压)。第2FC组11b的电力流动至蓄电池单元3的蓄电池3a，第2FC组11b的电压逐渐下降。若第2FC组11b的输出电压下降至第2空载电压，则控制器105将升压转换器12b停止，断开第2FC继电器15b(步骤S32)。

接下来，控制器205将第1FC继电器15a闭合(步骤S33)。控制器205以第1FC组11a的输出电力成为目标输出电力以上、第1FC组11b的输出电压(升压转换器12a的输出电压)超过蓄电池单元3的电压的方式控制第1FC组11a(步骤S34)。

由于第2FC组11b的输出电压被保持为第2空载电压，第2空载电压低于蓄电池单元3的电压，所以不从第2FC组11b向输出端4流动电力。由于第2FC组11b的输出电压被保持为第2空载电压，所以可抑制第2FC组11b的多个单电池的劣化。

另一方面，由于第1FC组11a的输出电压(升压转换器12a的输出电压)超过蓄电池单元3的电压，所以从输出端4输出第1FC组11a的输出电力。通过第1FC组11a从输出端4输出目标输出电力。

如以上说明那样，由于以FC单元(FC组)的输出电压成为空载电压以上的方式控制实施例的燃料电池系统，所以可抑制多个单电池的劣化。

描述与在实施例中说明的技术相关的注意点。在第3实施例中，2个FC组11a、11b与输出端4连接。也可以是3个以上的FC组并联连接在输出端4。

即便在目标输出电力小的情况下，实施例的FC系统也不停止FC单元(FC组)，将FC组的输出电压保持为空载电压。实施例的FC系统能够抑制启动与停止的反复数，其结果是，能够抑制劣化。减少向FC组供给的氧(空气)的量的处理适合于降低FC组的输出电压。

通过将FC组的输出电压保持为空载电压能够抑制劣化，但与输出大电流的FC组相比，劣化相对地加剧。在多个FC组并联连接且将至少一个FC组的输出电压保持为空载电压的情况下，只要选择输出特性低的FC组即可。能够将多个FC组的劣化的加剧状况平均化。这里，“输出特性低”是指在多个FC组输出相同的电流时输出电压最低的FC组。

如在先描述那样，将实施例的说明中的“目标输出电力”、“FC单元的输出电力”、“输出电力下限值”分别改为“目标输出电流”、“FC单元的输出电流”、“输出电流下限值”在技术上也是等效的。

FC继电器15、15a、15b不是必须的，但为了可靠地阻止输出电压被保持为空载电压的FC单元的输出是有效的。在升压转换器为变压器式的情况下，若停止升压转换器，则由于升压转换器的两端被电分离，所以不需要FC继电器。

实施例的FC系统的FC单元具备FC组和升压转换器。升压转换器可以取消。但是，若FC单元具备升压转换器，则可获得以下好处。通过使用升压转换器来使FC单元的输出电压高于蓄电池单元的电压，能够将FC组的电力移至蓄电池单元。能够灵活利用该电力移送来将FC组的输出电压迅速地降低至空载电压。

实施例的FC系统的蓄电池单元具备蓄电池和电压转换器。电压转换器可以取消。

以上，对本发明的具体例详细地进行了说明，但这些只不过是例示，并不限定本申请请求保护的技术方案。本申请请求保护的技术方案所记载的技术包括对以上例示的具体例进行各种变形、变更而得的技术。本说明书或者附图中说明的技术要素单独或通过各种组合来发挥技术有用性，并不限定于申请时技术方案所记载的组合。另外，本说明书或者附图例示的技术能够同时实现多个目的，实现其中一个目的本身就具有技术有用性。