燃料电池系统

技术领域

本说明书所公开的技术涉及燃料电池系统。特别是涉及具有多个燃料电池模块和一个制冷剂冷却装置的燃料电池系统。

背景技术

日本特开平09－259909、美国专利公开公报2020/0171976的燃料电池系统具备多个燃料电池模块，能够通过合并多个燃料电池模块的输出来输出大的电力。日本特开平09－259909、美国专利公开公报2020/0171976的燃料电池系统在对多个燃料电池模块的燃料电池主体进行冷却中使用一个制冷剂冷却装置。制冷剂冷却装置的典型为散热器。多个燃料电池模块与一个制冷剂冷却装置通过制冷剂管连接。制冷剂管将在制冷剂冷却装置中被冷却过的制冷剂向多个燃料电池模块(燃料电池主体)分配。

日本特开平09－259909的燃料电池系统通过一个泵向多个燃料电池模块输送制冷剂。在美国专利公开公报2020/0171976的燃料电池系统中，各个燃料电池模块具备泵和阀。泵向其自身的燃料电池模块的燃料电池主体供给制冷剂。阀对通过其自身的燃料电池模块的燃料电池主体的制冷剂的流量进行调整。泵和阀均是对通过燃料电池主体的制冷剂的流量进行调整的调整器。以下，存在将对通过燃料电池主体的制冷剂的流量进行调整的泵和阀简单地统称为调整器的情况。

在美国专利公开公报2020/0171976的燃料电池系统中，各个燃料电池模块的控制器(本地控制器)将燃料电池主体的温度(燃料电池温度)向上位控制器输送。上位控制器将多个燃料电池温度的最大值或平均值作为调整器控制的参照值向各个本地控制器输送。各个本地控制器基于从上位控制器输送来的参照值来对调整器进行控制，将燃料电池温度保持在适当的温度范围。

日本特开平09－259909的燃料电池系统由一个泵向多个燃料电池模块分配制冷剂，因而无法分别独立地对向各个燃料电池模块输送的制冷剂的流量进行调整。另一方面，在美国专利公开公报2020/0171976的燃料电池系统中，各个燃料电池模块具备调整器，因而能够分别独立地调整制冷剂的流量。另一方面，若多个燃料电池模块各自分别独立地控制调整器，则多个燃料电池模块中的制冷剂的流量差变大，在流量少的燃料电池模块中，可能产生制冷剂的倒流。在美国专利公开公报2020/0171976的燃料电池模块中，基于相同的参照值来控制多个燃料电池模块的调整器，因而调整器的工作量的偏差变小。因此，制冷剂流量的差在多个燃料电池模块中变小。此外，在美国专利公开公报2020/0171976的燃料电池系统中，各个本地控制器具有规定参照值与对调整器的控制指令值的关系的设定表。多个燃料电池模块具有不同的设定表，即便基于相同的参照值，对调整器的控制指令值(调整器的工作量)也能够在各个燃料电池模块中不同。

发明内容

在采用美国专利公开公报2020/0171976的技术的情况下，除了需要多个燃料电池模块的本地控制器之外，还需要上位控制器。本说明书所公开的技术的一个方式提供缩小针对多个燃料电池模块的调整器的指令值的偏差(即、制冷剂流量的偏差)而不需要上位控制器的技术。另一方面，若以相同的指令值控制多个燃料电池模块的调整器，则无法实现与各个燃料电池温度对应的温度控制。本说明书所公开的技术的另一方式提供既能够抑制针对多个燃料电池模块的调整器的指令值的偏差(即、流量的偏差)过大、又能够实现与各个燃料电池主体的温度对应的制冷剂流量的调整的技术。

本说明书所公开的燃料电池系统的一个方式具备制冷剂冷却装置、多个燃料电池模块以及制冷剂管。各个燃料电池模块具备燃料电池主体和本地控制器。制冷剂冷却装置冷却制冷剂。制冷剂管将制冷剂冷却装置与多个燃料电池主体连接起来，将制冷剂从制冷剂冷却装置分配至多个燃料电池主体。各个燃料电池模块具备对通过其自身的燃料电池主体的制冷剂的流量进行调整的调整器。各个本地控制器决定针对其自身的燃料电池模块的调整器的指令值(自指令值)，并且参照其他本地控制器所决定的指令值(其它指令值)来修正自指令值，并基于修正过的自指令值(修正指令值)来控制调整器。对于本说明书所公开的燃料电池系统而言，各个燃料电池模块的本地控制器参照其他本地控制器所决定的指令值(其它指令值)来决定针对其自身的燃料电池模块的调整器的指令值(修正指令值)，而不需要上位控制器。因此，针对多个燃料电池模块的调整器的指令值的偏差变小。其结果是，在多个燃料电池主体中流动的制冷剂的流量的偏差变小，不产生倒流。

在本说明书所公开的燃料电池系统的其他方式中，各个本地控制器基于自指令值和其它指令值来决定允许指令范围，在自指令值在允许指令范围内的情况下，将自指令值决定为修正指令值。在自指令值脱离允许指令范围的情况下，各个本地控制器将允许指令范围内的值中的、最接近自指令值的值决定为修正指令值。允许指令范围被选定为：即便多个燃料电池模块的本地控制器以允许指令范围内的不同的值驱动调整器也不产生倒流。各个本地控制器从相同的允许指令范围决定对调整器的最终指令值(修正指令值)，因而指令值的偏差最大也就是允许指令范围的上限与下限的差。该燃料电池系统既能够抑制针对调整器的指令值的偏差、且又能够根据各个燃料电池主体的温度来调整制冷剂流量。

本说明书所公开的技术的详细情况与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

以下，参照附图对本发明的示例性实施例的特征、优点、技术及工业重要性进行说明，在附图中相同的附图标记表示相同的构成要素，其中：

图1是实施例的燃料电池系统的框图。

图2是各个本地控制器所执行的调整器控制的流程图。

图3是调整器控制的第1变形例的流程图。

图4是调整器控制的第2变形例的流程图。

具体实施方式

参照附图对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搭载于电动汽车。燃料电池系统2将生成的电力供给至未图示的行驶用马达。

燃料电池系统2具备多个燃料电池模块10a～10c、散热器20、制冷剂管30。燃料电池系统2可以是仅具备2个燃料电池模块的系统，也可以是具备4个以上的燃料电池模块的系统。

燃料电池模块10a具备燃料电池主体11a、制冷剂供给泵12a、流量调整阀13a、本地控制器14a以及温度传感器16a。燃料电池模块10b(10c)与燃料电池模块10a同样，具备燃料电池主体11b(11c)、制冷剂供给泵12b(12c)、流量调整阀13b(13c)、本地控制器14b(14c)以及温度传感器16b(16c)。燃料电池系统2除了具备图1所示的部件的之外还具备氢罐、气液分离器等设备，但省略了这些的图示。燃料电池模块10a～10c分别具备氢喷射器等在图1中未图示的设备。

燃料电池主体11a～11c是燃料电池组，由氢与氧来生成电力。燃料电池主体11a～11c输出的电力通过电力线41输送至未图示的电力转换器。电力转换器将燃料电池主体11a～11c输出的总电力转换为行驶用的马达的驱动电力，并供给至马达。燃料电池系统2将多个燃料电池主体11a～11c并联连接，从而能够获得大的电力。

燃料电池主体11a～11c与散热器20通过制冷剂管30连结。散热器20释放制冷剂的热，使制冷剂的温度降低。即，散热器20相当于冷却制冷剂的制冷剂冷却装置。图1的粗箭头线表示制冷剂的流动的方向。制冷剂管30将在散热器20中被冷却过的制冷剂分配至多个燃料电池模块10a～10c的燃料电池主体11a～11c。制冷剂管30将吸收了燃料电池主体11a～11c的热的制冷剂返回至散热器20。吸收了燃料电池主体11a～11c的热的制冷剂在散热器20被冷却，并通过制冷剂管30再次向燃料电池主体11a～11c输送。一个散热器20(制冷剂冷却装置)经由制冷剂对多个燃料电池模块10a～10c的燃料电池主体11a～11c进行冷却。

燃料电池模块10a的本地控制器14a控制燃料电池主体11a，并且基于温度传感器16a的测量数据来控制制冷剂供给泵12a和流量调整阀13a。温度传感器16a在比燃料电池主体11a靠制冷剂流动的下游侧配置于制冷剂管30。温度传感器16a测量通过燃料电池主体11a后的制冷剂的温度。从温度传感器16a获得制冷剂的温度与燃料电池主体11a的温度的近似值相当。温度传感器16a的测量数据被送至本地控制器14a。

制冷剂供给泵12a与流量调整阀13a均对通过燃料电池主体11a的制冷剂的流量进行调整。通过对通过燃料电池主体11a的制冷剂的流量进行控制，从而能够调整制冷剂的温度、即燃料电池主体11a的温度。本地控制器14a基于通过燃料电池主体11a的制冷剂的温度来控制制冷剂供给泵12a和流量调整阀13a，从而将燃料电池主体11a的温度保持在适当的温度范围。

燃料电池模块10b(10c)具有与燃料电池模块10a相同的构造。本地控制器14b(14c)从温度传感器16b(16c)取得通过燃料电池主体11b(11c)的制冷剂的温度，并基于该温度来控制制冷剂供给泵12b(12c)和流量调整阀13b(13c)，从而将燃料电池主体11b(11c)的温度保持在适当的温度范围。

以下，为了便于说明，将多个燃料电池模块10a～10c统称为燃料电池模块10，将多个燃料电池主体11a～11c统称为燃料电池主体11。多个本地控制器14a～14c、多个制冷剂供给泵12a～12c、多个流量调整阀13a～13c也同样存在被分别统称为本地控制器14、制冷剂供给泵12、流量调整阀13的情况。另外，制冷剂供给泵12和流量调整阀13均是对通过燃料电池主体11的制冷剂的流量进行调整的调整器，因而以下，存在将制冷剂供给泵12和流量调整阀13统称为“调整器”的情况。

多个本地控制器14能够通过网络40连结为可通信，从而能够相互交换数据。

多个燃料电池模块10(多个燃料电池主体11)被通过制冷剂管30从一个散热器20供给制冷剂。制冷剂管30向多个燃料电池主体11分支。在燃料电池模块10相互独立的地驱动调整器(制冷剂供给泵12或者流量调整阀13)的情况下，可能产生多个调整器的动作(制冷剂供给泵12的输出或者流量调整阀的开度)相差较大的情况。若调整器的动作相差较大，则存在制冷剂在具有输出小的制冷剂供给泵12(或开度小的流量调整阀13)的燃料电池模块10中倒流的担忧。制冷剂的倒流有可能对燃料电池模块10造成损伤，因而优选防止制冷剂的倒流。燃料电池系统2的多个本地控制器14协作，从而能够抑制调整器的动作的偏差(流量的偏差)。

图2中示出各个本地控制器14所执行的调整器控制的流程图。参照图2对各个本地控制器14所执行的处理进行说明。以下，着眼于燃料电池模块10a的本地控制器14a来对调整器控制进行说明。

本地控制器14a接受温度传感器16a的测量值，取得通过燃料电池主体11a的制冷剂的温度(步骤S11)。本地控制器14a基于取得的制冷剂的温度来决定针对其自身的燃料电池模块10a的调整器(制冷剂供给泵12a或流量调整阀13a)的指令值(步骤S12)。温度与指令值之间的关系预先存储于本地控制器14。温度与指令值的关系通过设定表或关系式而被赋予。一般地，设定为温度越高则指令值也越大。

在调整器为制冷剂供给泵12a的情况下，指令值用制冷剂供给泵12a的目标转速来表达。制冷剂的温度越高，指令值、即制冷剂供给泵12a的目标转速越高。制冷剂供给泵12a的转速越高，通过燃料电池主体11a的制冷剂的温度越低。在调整器为流量调整阀13a的情况下，指令值用流量调整阀13a的开度来表达。制冷剂的温度越高，指令值、即流量调整阀13a的开度也越大。流量调整阀13a的开度越大，则通过燃料电池主体11a的制冷剂的温度越低。指令值也可以是制冷剂供给泵12a的目标转速与流量调整阀13a的开度的组合。

其他本地控制器14b、14c也分别决定针对其自身的控制下的调整器的指令值。

为了便于说明，当前，将着眼的本地控制器14a所决定的指令值称为自指令值，将其他本地控制器14b、14c所决定的指令值称为其它指令值。

本地控制器14a经由网络40将自指令值向其他本地控制器14b、14c发送(步骤S13)。其他本地控制器14b、14c也分别将针对其自身的调整器的指令值(对于本地控制器14a而言的其它指令值)向本地控制器14a发送。本地控制器14a从其他本地控制器14b、14c接收其它指令值(步骤S14)。

本地控制器14a取得全部的本地控制器14所决定的指令值(即，自指令值和全部的其它指令值)。本地控制器14a基于自指令值和其它指令值来修正自指令值(步骤S15)。将修正后的自指令值称为修正指令值。

对自指令值的修正的例子进行说明。本地控制器14a将自指令值和全部的其它指令值的平均值决定为修正指令值。或者，本地控制器14a将自指令值和全部的其它指令值之中的最大值决定为修正指令值。最后，本地控制器14a基于修正指令值来控制调整器(步骤S16)。

本地控制器14a按照一定的周期来重复图2的处理。本地控制器14b、14c也执行同样的处理。

若全部的本地控制器14进行相同的修正运算，则全部的本地控制器14获得相同的修正指令值。即，在全部的燃料电池模块10中，对调整器的最终的指令值(修正指令值)成为相同。多个燃料电池模块10中的调整器的动作的偏差变小。在实施例的燃料电池系统2中，在全部的燃料电池模块10中，调整器的动作相同，因而制冷剂均等地流动至全部的燃料电池主体11。制冷剂不会在任一燃料电池主体11中倒流。

在燃料电池系统2中，各个本地控制器14向其他本地控制器14输送自指令值。不需要对多个本地控制器14进行管理、从各个本地控制器14接受自指令值并生成修正指令值的上位控制器。

在实施例的燃料电池系统2中，全部的本地控制器14获得相同的修正指令值。即，全部的燃料电池模块10的调整器(制冷剂供给泵12或者流量调整阀13)进行相同的动作。因此，与各个燃料电池主体11的温度对应的调整器的精密的控制较难。在接下来说明的变形例中，既能够抑制流动至多个燃料电池模块10的燃料电池主体11的流量的偏差过大、又能够实现与各个燃料电池主体11的温度对应的调整器的控制。参照图3并示出调整器控制的第1变形例。

图3的流程图的步骤S21～S24与图2的流程图的步骤S11～S14相同，因而省略说明。

从其他本地控制器14b、14c接收到了其它指令值的本地控制器14a基于自指令值与其它指令值来决定允许指令范围(步骤S25)。允许指令范围是包括自指令值和其它指令值的平均值在内的规定的范围。允许指令范围被选定为：多个本地控制器14在该范围内即便以选择的不同的指令值控制调整器也不产生倒流。允许指令范围作为自指令值和其它指令值的平均值的函数而被存储于各个本地控制器14。

本地控制器14a将决定的允许指令范围与自指令值进行比较(步骤S26)。在自指令值处于允许范围内的情况下(步骤S26：是)，本地控制器14a将自指令值决定为修正指令值(步骤S27)。另一方面，在自指令值脱离了允许范围的情况下(步骤S26：否)，本地控制器14a将允许指令范围的数值中的、最接近自指令值的值决定为修正指令值(步骤S28)。更具体而言，在自指令值小于允许指令范围的下限值的情况下，本地控制器14a将下限值决定为修正指令值。在自指令值大于允许指令范围的上限值的情况下，本地控制器14a将上限值决定为修正指令值。

最后，本地控制器14a以决定的修正指令值来控制调整器(步骤S19)。本地控制器14b、14c也执行同样的处理。

根据第1变形例的控制，多个本地控制器14的指令值被收敛于允许指令范围内。因此，制冷剂的流量的差被抑制在规定的范围内，从而不产生制冷剂的倒流。另外，在自指令值高的情况下，修正指令值为允许指令范围的上限值，在自指令值低的情况下，修正指令值为允许指令范围的下限值。在自指令值处于允许范围内的情况下，自指令值为修正指令值。修正指令值能够根据自指令值的大小而在允许指令范围之中变动。根据第1变形例的调整器控制，既能够抑制多个燃料电池模块10的调整器的动作的偏差过大、又能够实现与各个燃料电池主体11的温度对应的调整器的控制。

图4中示出调整器控制的第2变形例。在该变形例中，采用由温度传感器16测量出的温度(通过燃料电池主体11后的制冷剂的温度)作为自指令值。

本地控制器14a从温度传感器16a取得温度(步骤S31)。本地控制器14a将取得的温度作为自指令值向其他本地控制器14b、14c发送(步骤S32)。其他本地控制器14b(14c)也将自身的燃料电池模块10b(10c)所具备的温度传感器16b(16c)的测量数据作为自指令值(对于本地控制器14a而言为其它指令值)向其他本地控制器发送。即，本地控制器14a从其他本地控制器14b、14c接收温度(其它指令值)(步骤S33)。

本地控制器14a基于自指令值和其它指令值来决定允许指令范围(步骤S34)。与图2的情况同样，允许指令范围是包括自指令值和其它指令值的平均值在内的规定的范围，作为平均值的函数而预先被存储于各本地控制器14。

本地控制器14a将决定的允许指令范围与自指令值进行比较(步骤S35)。在自指令值处于允许范围内的情况下(步骤S35：是)，本地控制器14a将自指令值决定为修正指令值(步骤S36)。另一方面，在自指令值脱离了允许范围的情况下(步骤S35：否)，本地控制器14a将允许指令范围的数值中的、最接近自指令值的值决定为修正指令值(步骤S37)。更具体而言，在自指令值小于允许指令范围的下限值的情况下，本地控制器14a将下限值决定为修正指令值。在自指令值大于允许指令范围的上限值的情况下，本地控制器14a将上限值决定为修正指令值。

修正指令值也用温度来表达。在本地控制器14a预先存储有温度与调整器指令值(最终指令值)的关系。本地控制器14a使用存储的关系来将修正指令值转换为最终指令值(步骤S38)。在调整器为制冷剂供给泵12a的情况下，最终指令值用目标转速来表达。在调整器为流量调整阀13a的情况下，最终指令值用阀的目标开度来表达。最后，本地控制器14a用获得的最终指令值来控制调整器(步骤S39)。本地控制器14a按照规定的周期来重复图4的处理。本地控制器14b、14c也执行同样的处理。

根据第2变形例的控制，也与第1变形例的情况同样，既能够抑制多个燃料电池模块10的调整器的动作的偏差(即流量的偏差)过大、又能够实现与各个燃料电池主体11的温度对应的调整器的控制。

对与在实施例中说明过的技术相关的注意点进行描述。燃料电池系统所具有的燃料电池模块的数量为2个以上即可。制冷剂冷却装置不局限于散热器20，只要是能够冷却制冷剂的设备即可。燃料电池系统可以具备多个制冷剂冷却装置。本说明书所公开的技术能够应用于向多个燃料电池模块分配制冷剂的系统。

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，并不限定权利要求书。权利要求书所记载的技术包括各种变形、变更以上例示的具体例而得到的技术方案。在本说明书或者附图中说明过的技术要素单独或通过各种组合来发挥技术的有用性，并不限定于申请时技术方案所记载的组合。另外，本说明书或者附图中例示的技术能够同时实现多个目的，实现其中的一个目的本身具有技术的有用性。