燃料电池系统的制作方法

1.本说明书所公开的技术涉及燃料电池系统。本说明书提供既能够抑制燃料电池组的动作点的突然的变化、又能够应对燃料电池辅机的消耗电力的变化的技术。


背景技术：

2.在日本专利第4458126中公开一种如下所述的燃料电池系统：决定向燃料电池组请求的输出(请求输出)和燃料电池组应该产生的热量(所需发热量)，并以实现它们的方式决定动作点。请求输出包括燃料电池组的运转所使用的电气设备的电力。其中，在本说明书中，将燃料电池组的运转所使用的电气设备称为燃料电池辅机。向燃料电池组输送空气的空气压缩机、调整氢气的循环流量的氢泵、对燃料电池组进行冷却的冷却器的循环泵等是燃料电池辅机的例子。
3.日本专利第4458126的燃料电池系统被搭载于汽车。所需发热量是使燃料电池组本身升温所需的热量或车厢(cabin)的制热所需的热量等。在日本专利第4458126的燃料电池组连接有蓄电池，燃料电池组的输出与蓄电池的输出能够供给至燃料电池辅机。
4.燃料电池系统以实现请求输出的方式控制燃料电池组。燃料电池辅机的消耗电力根据状况而时时刻刻变化。燃料电池组的输出的响应性不高。存在燃料电池组的输出不追随消耗电力的变化的担忧。若根据消耗电力的变化勉强使燃料电池组的动作点突然变化，则存在燃料电池组的控制不稳定化的担忧。本说明书提供既能够抑制燃料电池组的动作点的突然的变化、又能够应对燃料电池辅机的消耗电力的变化的技术。


技术实现要素：

5.本说明书所公开的燃料电池系统具备：燃料电池组；燃料电池辅机，在燃料电池组的运转中被使用；蓄电池，与燃料电池组的输出端连接；负载设备，与燃料电池组的输出端连接；以及控制器。控制器控制燃料电池辅机和负载设备。控制器存储有燃料电池组的目标输出。控制器对燃料电池辅机为了燃料电池组的运转而消耗的电力(辅机预测消耗电力)进行预测。控制器决定蓄电池的预估输入输出电力。控制器基于辅机预测消耗电力和预估输入输出电力来决定对燃料电池组请求的输出(请求输出)。控制器基于目标输出来决定燃料电池组的动作点。负载设备以请求输出与目标输出的差为零的方式控制负载设备的动作。
6.在本说明书所公开的燃料电池系统中，以实现预先决定的目标输出的方式决定燃料电池组的动作点。其中，动作点是指燃料电池组的输出电流与输出电压的组。若以随时间经过缓慢地转换的方式决定目标输出，则动作点不急剧变化。另一方面，如先前所述，燃料电池辅机的消耗电力(即请求电力)时时刻刻变换。本说明书所公开的技术通过调整负载设备的动作(即消耗电力)来吸收请求输出与目标输出的差。通过根据请求输出的变化来调整负载设备的消耗电力，从而不需要从预定的值改变目标输出(即，燃料电池组的实际的输出)。本说明书所公开的燃料电池系统既能够抑制燃料电池组的动作点的突然的变化、又能够应对燃料电池辅机的消耗电力的变化。其中，基于根据外部空气温度等而决定的燃料电
池辅机的预估消耗电力来预先决定目标输出。
7.若在请求输出超过目标输出时负载设备停止，则无法消除请求输出与目标输出的差。鉴于此，目标输出可以包括根据外部空气温度等而决定的燃料电池辅机的预估消耗电力、和负载设备的预估消耗电力。通过目标电力包括负载设备的预估消耗电力，能够避免请求输出超过目标输出。
8.在本说明书所公开的燃料电池系统中，在燃料电池组连接有蓄电池。蓄电池的输出响应性快于燃料电池组的响应性。能够利用蓄电池来应对消耗电力的急剧的变化。然而，若蓄电池的剩余电力量(state of charge：soc)低，则在消耗电力骤增时，存在从蓄电池向燃料电池辅机供给的电力不足的担忧。因此，预先决定与蓄电池的soc对应的预估输入输出电力，并包括预估输入输出电力来决定请求电力。例如在soc低时，作为预估输入输出电力，决定从燃料电池组向蓄电池的规定的电力(充电电力)。利用燃料电池组的电力的一部分来对蓄电池充电。
9.对蓄电池决定有输入输出电力的允许范围(输入输出允许范围)。在蓄电池的实际的输入输出电力超过输入输出允许范围的情况下，控制器可以以实际的输入输出电力返回到输入输出允许范围内的方式修正目标输出。在蓄电池的输入输出电力位于允许范围的期间，抑制动作点的急剧的变化而不需要改变目标输出。在蓄电池的输入输出电力脱离了允许范围的情况下，作为例外，通过修正目标输出来保护蓄电池。
10.控制器以实现目标输出的方式决定燃料电池组的动作点(目标电流和目标电压)。在想要加热燃料电池组的情况下，控制器决定燃料电池组的每单位时间的目标发热量，以实现目标输出和目标发热量的方式决定动作点和化学计量比。化学计量比是指对燃料电池组供给的氧的量相对于氢的量之比。若减小化学计量比，则发电损耗变大。发电损耗成为热而被释放。通过有意增大发电损耗能够加热燃料电池组。
11.本说明书所公开的技术的详细内容和进一步的改进将在以下的“具体实施方式”中说明。
附图说明
12.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：
13.图1是包括实施例的燃料电池系统的燃料电池车的框图。
14.图2是燃料电池组控制处理的流程图。
具体实施方式
15.参照附图对实施例的燃料电池系统2进行说明。燃料电池系统2被搭载于燃料电池车100。图1表示了包括燃料电池系统2的燃料电池车100的框图。燃料电池车100从燃料电池系统2获得电力，并通过电动马达102来进行行驶。燃料电池组10的输出在被升压转换器62升压之后通过逆变器101转换为交流电力，并供给至行驶用的电动马达102。在本说明书中，燃料电池组10的“输出”是指输出电力。以下，为了使说明简单，存在将燃料电池组10表述为“fc组10”的情况。另外，存在将蓄电池的剩余电力量表述为“soc”的情况。
16.在升压转换器62的输出端还连接有主蓄电池103。fc组10的输出中的未被电动马
达102消耗的剩余的电力被充电至主蓄电池103。fc组10的输出的响应性低。为了提高向电动马达102供给的电力的变化的响应性而使用主蓄电池103的电力。
17.在升压转换器62的输出端还连接有降压转换器63。在降压转换器63的输出端连接有副蓄电池64。fc组10的输出的一部分被降压转换器63降压，并对副蓄电池64进行充电。
18.主蓄电池103的输出电压高于100伏特。副蓄电池64的输出电压低于50伏特。主蓄电池103的电力被供给至电动马达102。副蓄电池64的电力被供给至以不足50伏特的电压进行动作的设备。利用副蓄电池64的电力动作的设备存在各种控制器(计算机)、收音机65等小功率机器。存在fc组10的电力经由升压转换器62和降压转换器63被供给至小功率机器的情况。
19.副蓄电池64还向燃料电池系统2的辅机(燃料电池辅机)供给电力。换言之，燃料电池辅机利用副蓄电池64的电力进行动作。燃料电池辅机是为了启动/运转燃料电池组而使用的电气设备的统称。关于燃料电池辅机将后述。还存在经由升压转换器62和降压转换器63将fc组10的电力供给至燃料电池辅机的情况。
20.燃料电池系统2具备：电压传感器18b，计量副蓄电池64的电压；和电流传感器19b，计量副蓄电池64的输入输出电流。电压传感器18b与电流传感器19b的计量值被输送至控制器50。
21.燃料电池系统2具备fc组10和燃料箱20。fc组10是很多燃料电池单元的集合体。如广为人知那样，各个燃料电池单元隔着电解质膜分被为阳极侧与阴极侧。燃料气体通过阳极气体入口16a被供给至阳极侧。空气通过阴极气体入口17a被供给至阴极侧。使燃料气体所包括的氢离子化，氢离子与阴极侧的空气所包括的氧反应而生成电。由于燃料电池单元(fc组10)中的化学反应广为人知，因而省略详细说明。
22.化学反应中剩余的燃料气体和化学反应中生成的杂质从阳极气体出口16b排出。存在从阳极气体出口16b排出的气体被称为燃料废气的情况。生成的水以及剩余的空气(氧)从阴极气体出口17b排出。
23.对燃料电池系统2中的燃料气体侧的设备进行说明。燃料电池系统2具备燃料供给管21、喷射器22、废气排出管23、气液分离器24、返回管25、氢泵26以及排气排水阀27作为用于向fc组10的阳极侧输送燃料气体的设备。
24.燃料供给管21将燃料箱20与fc组10连接。在燃料供给管21连接有2个阀41a、41b、喷射器22。阀41a为主止阀，在燃料电池系统2停止的期间，停止来自燃料箱20的燃料气体的释放。阀41b为调压阀，对向喷射器22供给的燃料气体的压力进行调整。喷射器22提高燃料气体的压力并供给至fc组10。
25.燃料供给管21的一端与fc组10的阳极气体入口16a连接，将燃料气体向fc组10的阳极侧供给。在阳极气体出口16b连接有废气排出管23的一端，废气排出管23的另一端与气液分离器24连接。
26.气液分离器24将从阳极气体出口16b排出的燃料废气分离为氢气(剩余燃料气体)与杂质。被气液分离器24分离出的杂质典型为氮气、水等。对于氮气而言，被供给至阴极侧的空气所包括的氮通过电解质膜到达了阳极侧。剩余燃料气体被从气体出口释放，杂质被从杂质排出口排出。杂质气体(氮气)的一部分与剩余燃料气体一同从气体出口流出。
27.返回管25的一端与气液分离器24的气体出口连接，返回管25的另一端与燃料供给
管21连接。在返回管25安装有氢泵26。氢泵26将被气液分离器24分离出的剩余燃料气体通过返回管25和燃料供给管21向fc组10返回。即，氢泵26调整氢气的循环流量。
28.在气液分离器24的杂质排出口连接有排气排水阀27。在排气排水阀27的出口连接有排气管32。若排气排水阀27打开，则将在气液分离器24中从燃料废气分离出的杂质排出至排气管32。
29.对燃料电池系统2的空气供给侧的设备进行说明。燃料电池系统2具备空气供给管31、空气压缩机34、阀41c、41d作为用于向fc组10的阴极侧输送空气(氧)的设备。
30.空气供给管31的一端与fc组10的阴极气体入口17a连接，另一端向外部空气开放。在空气供给管31的中途安装有空气压缩机34、阀41c。空气压缩机34压缩外部空气，并通过空气供给管31向fc组10的阴极侧供给空气。在fc组10的阴极气体出口17b连接有排气管32。在排气管32的中途安装有阀41d。阀41c和阀41d为调压阀，通过这些调压阀来对向fc组10供给的空气的压力进行调整。
31.排气管32与排气排水阀27的出口以及阴极气体出口17b连接。排气管32将从fc组10的阴极气体出口17b排出的排出空气和从排气排水阀27的出口排出的杂质气体混合并向外部空气释放。由fc组10生成的水也通过排气管32向车外排出。
32.虽然省略图示，但燃料电池系统2在各个部位具备压力传感器、浓度传感器或流量传感器。在fc组10的输出端安装有电压传感器18a和电流传感器19a。电流传感器19a计量从fc组10输出的电流，电压传感器18a计量fc组10的输出电压。这些传感器的计量值被输送至控制器50。
33.燃料电池系统2具备对fc组10进行冷却的冷却器70。冷却器70具备流路管71、循环泵72以及热交换器73。在流路管71中密封有冷却水。通过循环泵72使冷却水在流路管71中循环。流路管71通过fc组10。冷却水在通过fc组10的期间从fc组10吸收热。由fc组10吸收到的热被热交换器73转移至车厢制热器80。车厢制热器80具备流路管81和泵82。通过泵82使热介质在流路管81循环。车厢制热器80使用fc组10的热来加热车厢。车厢制热器80具备电加热器83，在凭借fc组10的热不足以制热车厢的情况下，利用电加热器83来对热介质加热。
34.控制器50通过调整升压转换器62的输出电压来调整fc组10的输出电流和输出电压。
35.喷射器22、泵26、72、82，阀41a～41d(电磁阀)、排气排水阀27、空气压缩机34、升压转换器62、降压转换器63、逆变器101以及电加热器83由控制器50控制。这些设备与控制器50通过信号线连接，但在图1中省略了信号线的图示。燃料电池辅机包括喷射器22、氢泵26、循环泵72、阀41a～41d、排气排水阀27、空气压缩机34、升压转换器62、降压转换器63以及控制器50。另外，电加热器83、泵82以及收音机65是不参与fc组10的启动/运转的设备。燃料电池辅机以及不参与fc组10的运转的电气设备(电加热器83、泵82以及收音机65)从副蓄电池64接受电力供给。在图1中，将燃料电池辅机以及除此以外的电气设备与副蓄电池64连接的电线的图示也被省略。也存在经由升压转换器62和降压转换器63将fc组10的电力供给至燃料电池辅机以及不参与fc组10的运转的电气设备的情况。
36.在控制器50连接有非易失性的存储器51。在存储器51中储存有控制器50所执行的程序和在程序中使用的变量。在程序中使用的变量包括fc组10的目标输出。关于控制器50所执行的处理和目标输出将后述。
37.对实施例的燃料电池系统2中的fc组10的运转进行说明。如广为人知那样，fc组10通过燃料气体(氢)与氧化气体(空气)的反应来发电。能够通过氢与氧的供给量来调整fc组10的发电量。控制器50以满足对fc组10请求的输出(请求输出)的方式来调整使用燃料电池辅机向fc组10供给的氢与氧的量。
38.在fc组10中，根据要供给的氢的量和氧的量来决定iv曲线。iv曲线是表示所输出的电流(目标电流i)与fc组10的电压(目标输出v)的关系的曲线。控制器50在iv曲线上决定动作点(fc组10的目标电流与目标电压的组)，以实现目标电流的方式控制升压转换器62。如先前所述那样，控制器50通过调整升压转换器62的输出电压来调整fc组10的输出电流。若实现目标电流，则从属地实现了目标电压。
39.另一方面，对于fc组10而言，输出的响应性不高。因此，无法追随请求输出(包括燃料电池辅机的消耗电力)的急剧的变化。若勉强急剧改变动作点，则存在控制不稳定的担忧。实施例的燃料电池系统2既能够抑制fc组10的动作点的突然的变化、又能够应对燃料电池辅机的消耗电力的变化。
40.以下，对电动马达102停止、将fc组10迅速暖机时的处理进行说明。迅速暖机是利用fc组10的自身发热来提高fc组10的温度的处理。当在外部空气温度低的环境下接通燃料电池车100的主开关时，执行迅速暖机。在从fc组10强制性清除水时，或者在外部空气温度低的环境下切断了燃料电池车100的主开关时，也执行迅速暖机。
41.图2表示控制器50执行的fc组控制处理(迅速暖机处理)的流程图。在需要迅速暖机时，控制器50按规定的周期(控制周期)反复进行图2的处理。
42.控制器50首先预测燃料电池辅机的消耗电力(步骤s2)。将预测出的消耗电力称为辅机预测消耗电力。控制器50根据外部空气温度、fc组10的温度、燃料箱20的内压以及燃料电池辅机的状态等来预测燃料电池辅机的消耗电力。例如，在控制器50中存储有基于外部空气温度、fc组10的温度以及燃料箱20的内压等来计算辅机预测消耗电力的函数。关于预测处理的具体例，省略详细的说明。
43.接下来，控制器50决定副蓄电池64的预估输入输出电力(步骤s3)。预估输入输出电力能够利用将soc等作为输入变量的函数来获得。预估输入输出电力被规定为当前的soc接近基准值(例如60％)。在当前的soc低于基准值的情况下，预估输入输出电力被决定为电流向副蓄电池64流入的方向。在当前的soc高于基准值的情况下，预估输入输出电力被决定为电流从副蓄电池64流出的方向。在当前的soc接近基准值的情况下，零被决定为预估输入输出电力。soc与预估输入输出电力的关系被预先存储于控制器50(存储器51)。
44.接下来，控制器50决定对fc组10请求的输出电力(请求输出)(步骤s4)。根据辅机预测消耗电力和预估输入输出电力来决定请求输出。作为一个例子，将请求输出决定为辅机预测消耗电力与预估输入输出电力的合计。该情况下，电流向副蓄电池64流动时相当于预估输入输出电力的正侧。
45.接下来，控制器50从存储器51读出目标输出(步骤s5)。目标输出是fc组10的输出的目标值。目标输出用电力(千瓦特)表示。目标输出以将外部空气温度、fc组10的温度以及燃料电池辅机的状态作为输入变量的映射形式或函数形式被存储于存储器51。目标输出包括几个电气设备的预估消耗电力。例如，可如以下那样决定预估消耗电力。在外部空气温度低的情况下，使用车厢制热器80的电加热器83的可能性高。另外，在外部空气温度高的情况
下，使用车厢冷却器的可能性高。预估消耗电力被预先决定为根据外部空气温度来预测动作的电气设备的预估的消耗电力。预估消耗电力可以包括燃料电池辅机的预估的消耗电力。控制器50根据存储于存储器51的映射或关系式来决定与当前的外部空气温度、fc组10的温度等对应的目标输出。
46.在步骤s6的蓄电池保护处理中，当实际向副蓄电池64流动的电力超过规定的允许范围的情况下，修正目标输出。关于蓄电池保护处理将后述。这里，设为不需要目标输出的修正。
47.控制器50控制特定的负载设备。控制器50以负载设备的消耗电力和请求电力与目标输出的电力差相等的方式控制负载设备(步骤s7)。负载设备是被预先决定的电气设备，典型的是不参与fc组10的运转的电气设备。例如是车厢制热器80的泵82、电加热器83以及收音机65等。
48.更具体而言，控制器50对于负载设通知目标消耗电力(即，目标电力与请求电力的差)。接受到通知的负载设备以自身的消耗电力与目标消耗电力一致的方式控制自身的动作。换言之，负载设备以目标输出与请求输出的差为零的方式控制自身的动作。
49.存在负载设备包括燃料电池辅机的情况。在请求电力与目标输出的电力差小的情况下，可以在不给fc组10的发电带来影响的范围内，负载设备也包括燃料电池辅机。
50.接下来，控制器50决定fc组10的每单位时间的目标发热量(步骤s8)。目标发热量是迅速暖机所需的热量。每单位时间的目标发热量用“瓦特”表示。依据外部空气温度、fc组10的温度以及燃料电池车100的状态来决定目标发热量。目标发热量作为以外部空气温度、fc组10的温度以及燃料电池车100的状态为输入变量的函数(或映射)被预先存储于存储器51。控制器50通过存储于存储器51的映射或函数来决定与燃料电池系统2的当前的状态对应的目标发热量。
51.如广为人知那样，在fc组中，相对于氢的量来决定适当的氧量。若氧量相对于氢的量少，则发电效率降低。发电中的损失成为热而呈现。若相对于氢的量有意地减少氧的量，则发电损耗变大。fc组10因损失能量而发热、温度上升。将氧量相对于氢量的比称为化学计量比。
52.控制器50根据目标输出和目标发热量来决定化学计量比和动作点。而且，以实现所决定的化学计量比和动作点的方式控制fc组10(步骤s9)。换言之，控制器50以fc组10实现所决定的化学计量比和目标输出的方式控制燃料电池辅机。
53.对动作点(fc组10的目标电流和目标电压)的计算例进行说明。如先前所述，在fc组中，相对于氢的量来决定适当的氧量。将相对于氢的量被供给了适当的氧量时的电压称为理论电动势。在步骤s4中决定请求输出，在步骤s8中决定目标发热量(每单位时间的目标发热量)。此时，fc组应该发出的能量为(请求输出 目标发热量)。若假定为被供给适当的氧量，则用以下的关系式求出fc组10的输出电流(目标电流)。
54.目标电流＝(请求输出 目标发热量)/理论电动势
55.以目标发热量作为热能量被释放的方式决定化学计量比。fc组10的电力输出仅成为请求输出。由于请求输出＝目标电流
×
目标电压，所以利用以下的关系式来求出目标电压。
56.目标电压＝理论电动势
×
请求输出/(请求输出 目标发热量)
57.控制器50反复进行上述的处理，直至fc组10的温度达到规定的温度阈值为止(步骤s10：否，s2)。若fc组10的温度达到温度阈值，则控制器50结束处理(步骤s10：是)。
58.对图2的处理的优点进行说明。控制器50基于预先决定的目标输出与根据外部空气温度和fc组10的温度而决定的目标发热量来决定fc组10的化学计量比和动作点。而且，以实现所决定的化学计量比和动作点的方式控制燃料电池辅机。以相对于时间缓慢变化的方式预先决定了目标输出。因此，动作点缓慢变化而不急剧变化。
59.另一方面，使fc组10运转所使用的燃料电池辅机的消耗电力时时刻刻变化。控制器50不以与消耗电力(对于fc组10的请求输出)对应的方式决定动作点，而根据目标输出来决定动作点。从fc组10输出与目标输出相当的电力。fc组10的实际的输出(目标输出)与请求电力产生差。控制器50以满足该差的方式控制负载设备。
60.由于实施例的燃料电池系统2的控制器50使fc组10的输出追随目标输出，所以动作点不急剧变化。即，可抑制动作点的急剧的变化。另一方面，燃料电池辅机的消耗电力(请求输出)根据燃料电池辅机的状态、温度(fc组的温度或外部空气温度)时时刻刻变化。实际的输出(目标输出)与请求输出的差通过负载设备的消耗电力来调整。实施例的燃料电池系统2既能够满足时时刻刻变化的请求输出、又能够抑制动作点的急剧的变化。
61.目标输出包括负载设备的预估消耗电力，在请求电力大于预定的情况下，以负载设备的消耗电力小于预估消耗电力的方式控制负载设备。由于负载设备的实际的消耗电力小于目标输出所包括的负载设备的预估消耗电力，所以从fc组10供给至燃料电池辅机的电力增加。
62.对图2的步骤s6的蓄电池保护处理进行说明。副蓄电池64的输入输出电力存在允许范围(输入输出允许范围)。在副蓄电池64的输入输出电力脱离输入输出允许范围的情况下，控制器50以副蓄电池64的实际的输入输出电力返回到输入输出允许范围内的方式修正fc组10的目标输出。在副蓄电池64的输出超过输入输出允许范围的情况下，控制器50增大目标输出。通过增大目标输出，使得fc组10的实际的输出变大，副蓄电池64的输出降低。
63.或者，在向副蓄电池64供给的充电电力超过输入输出允许范围的情况下，控制器50减小目标输出。通过减小目标输出，使得fc组10的实际的输出变小，向副蓄电池64供给的充电电力降低。
64.当副蓄电池64的输入输出电力在规定时间的期间比输入输出允许范围的上限大规定量或比下限小规定量时，控制器50修正目标输出。在燃料电池车100的主开关被接通之后，副蓄电池64的输入输出电力脱离输入输出允许范围的情况可能发生多次。将副蓄电池64的输入输出电力最初脱离了输入输出允许范围时的规定时间和规定量称为第1规定时间和第1规定量。将副蓄电池64的输入输出电力脱离输入输出允许范围为第二次以后时的规定时间和规定量称为第2规定时间和第2规定量。第2规定时间被设定为短于第1规定时间的值，第2规定量被设定为小于第1规定量的值。
65.对与实施例中说明过的技术相关的注意点进行叙述。副蓄电池64与fc组10的输出端连接，相当于向燃料电池辅机供给电力的蓄电池的一个例子。负载设备的典型例子是收音机65等不参与fc组10的运转的电气设备。在请求电力与目标电力的差小时，燃料电池辅机可以为负载设备。
66.在需要迅速暖机(迅速加热fc组10的处理)的情况下，执行图2的处理。此时，燃料
电池车100为停车中。即，逆变器101与电动马达102停止。因此，预先准确地决定目标输出。当在行驶中执行图2的处理的情况下，目标输出可以被预先决定为包括外部空气温度、fc组的温度、加速器开度、以及车速的函数。
67.在不需要迅速暖机的情况下，省略图2的步骤s8和s10的处理。此时，步骤s9的化学计量比被决定为相对于所供给的氢的量供给最佳的氧量。
68.以上，详细地说明了本发明的具体例，但这些只不过是例示，并不限定技术方案的范围。技术方案的范围所记载的技术包括将以上例示的具体例进行各种变形、变更而得到的方案。本说明书或者附图中说明的技术要素通过单独或各种组合来发挥技术有用性，并不限定于申请时技术方案记载的组合。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，通过实现其中之一的目的本身而具有技术有用性。