燃料电池系统的制作方法

1.本说明书公开的技术涉及燃料电池系统。


背景技术：

2.在不久的将来，预想代替电池而利用燃料电池作为电源的各种系统会普及。电池和燃料电池有时为了将它们保持在一定的温度范围内而伴随设有冷却器。另一方面，燃料电池存在需要特有的温度管理顺序的情况。例如，若燃料电池低于规定的下限温度，则发电效率下降，因此若燃料电池的温度低于下限温度，则降低冷却器的冷却能力，通过燃料电池发出的热能而对燃料电池本身加热。降低冷却能力并通过燃料电池的热能对燃料电池本身加热的处理有时被称为急速预热运转。例如，在日本特开2015-064939中，存在关于急速预热运转的记载。急速预热运转也使发电效率降低，但若通过急速预热运转而燃料电池上升至适当的温度，则燃料电池的发电效率迅速地恢复。
3.在构建利用燃料电池的系统的情况下，向控制系统整体的上位控制器导入燃料电池所特有的处理(例如，上述的急速预热运转)是非常麻烦的。本说明书提供一种对于包括燃料电池系统在内的上位的系统的控制器(上位控制器)而言容易处置的燃料电池系统。


技术实现要素：

4.本说明书公开的燃料电池系统的一个形态具备燃料电池和燃料电池控制器。燃料电池控制器基于来自上位控制器的指令来控制对燃料电池进行冷却的冷却器。在与燃料电池有关的规定的条件成立的情况下，燃料电池控制器无论来自上位控制器的指令如何，都以在燃料电池控制器内预先决定的顺序来控制冷却器。
5.以下，将组装了燃料电池系统作为电源的系统称为整体系统。整体系统的控制器(上位控制器)从燃料电池系统取出电力，并通过该电力驱动整体系统的其他的设备。另外，整体系统具备对燃料电池进行冷却的冷却器，通常，上位控制器以燃料电池的温度变为规定的温度范围的方式控制冷却器。在欲将燃料电池发出的热能用于其他的设备(或者用户的房间)的升温的情况下，上位控制器以燃料电池的温度变得比较高的方式控制冷却器即可。燃料电池控制器通常基于来自上位控制器的指令来控制冷却器。但是，在要求燃料电池所特有的处理的条件成立的情况下，燃料电池控制器无论来自上位控制器的指令如何，都以在燃料电池控制器内预先决定的顺序来控制冷却器。由于燃料电池所特有的处理通过燃料电池控制器进行判断来执行，因此无需将燃料电池所特有的处理导入上位控制器。本说明书公开的燃料电池系统对于包括燃料电池系统在内的系统(整体系统)的控制器(上位控制器)而言是容易处置的。
6.在上述形态的燃料电池系统的基础上，规定的条件的一个例子与燃料电池的温度有关。预先决定的顺序的一个例子如下所述。燃料电池控制器也可以构成为：在燃料电池的温度低于规定的下限温度的情况下，无论来自上位控制器的指令如何，都使冷却器以最低冷却能力工作，直至燃料电池的温度达到规定的下限允许温度为止。下限允许温度比下限
温度高。“最低冷却能力”也包括停止冷却器。该顺序相当于上述的急速预热运转。即，在燃料电池的温度低于规定的下限温度的情况下，燃料电池控制器无论来自上位控制器的指令如何，都执行急速预热运转。无需将与急速预热运转有关的处理导入上位控制器。
7.在上述形态的燃料电池系统的基础上，上述规定的条件可以是与上述燃料电池的温度有关的条件。上述燃料电池控制器也可以构成为：在上述燃料电池的温度超过规定的上限温度的情况下，无论来自上述上位控制器的上述指令如何，都使上述冷却器以最大冷却能力动作。
8.在上述形态的燃料电池系统的基础上，上述规定的条件可以是上述燃料电池控制器从上述上位控制器收到上述燃料电池的起动指令这样的条件。上述燃料电池控制器也可以构成为：当收到上述起动指令时，则无论来自上述上位控制器的此后的用于上述冷却器的上述指令如何，都执行预先决定的上述燃料电池的起动处理。
9.在上述形态的燃料电池系统的基础上，上述规定的条件可以是上述燃料电池控制器从上述上位控制器收到上述燃料电池的停止指令这样的条件。上述燃料电池控制器也可以构成为：在收到上述停止指令时，则无论来自上述上位控制器的此后的用于上述冷却器的上述指令如何，都执行预先决定的上述燃料电池的停止处理。
附图说明
10.以下参考附图，对本发明的示例性实施例的特征、优点、以及技术和工业意义进行描述，在附图中，相同的附图标记表示相同的元件，其中，
11.图1是包括实施例的燃料电池系统在内的汽车的框图。
12.图2是fc控制器(燃料电池控制器)的处理的流程图(1)。
13.图3是fc控制器的处理的流程图(2)。
14.图4是fc控制器的处理的流程图(3)。
15.图5是fc控制器发送的信号的时序图的一个例子。
具体实施方式
16.参照附图对实施例的燃料电池系统10进行说明。燃料电池系统10组装于汽车100。汽车100具备行驶用的马达33。燃料电池系统10向汽车100的马达33、和汽车100的其他的设备供给电力。汽车100是包括燃料电池系统10在内的整体系统的一个例子。在图1中，虚线箭头线表示信号的流动。
17.在图1中，仅描述了燃料电池系统10的燃料电池11(燃料电池组)和燃料电池控制器12，而省略了燃料箱、燃料供给用的设备、氧供给用的设备等的图示。对于汽车100，也省略了除冷却器20、上位控制器31、电力变换器32、马达33、降压转换器35、电池36以外的设备的图示。以下，为了使说明简单而将“燃料电池控制器12”称为“fc控制器12”。
18.通过电力线34将燃料电池11的输出电力向电力变换器32输送。电力变换器32将燃料电池11的输出电力(直流电力)变换为马达33的驱动电力(交流电力)。另外，在电力线34连接有降压转换器35。降压转换器35将燃料电池11的输出电力的电压降压来向电池36供给。燃料电池11的输出电力经由电池36向汽车100的其他的设备供给。
19.汽车100具备的设备(包括燃料电池系统10)由上位控制器31控制。上位控制器31
(即，汽车100的控制器)根据加速器开度和汽车100的速度来决定马达33的目标扭矩。上位控制器31以实现决定好的目标扭矩的方式控制电力变换器32。另外，上位控制器31向fc控制器12指令燃料电池11的目标输出电力，使得燃料电池11输出足以满足目标扭矩的电力。fc控制器12与上位控制器31经由网络37通信。
20.燃料电池11的发热量较大，因此汽车100具备将燃料电池11冷却的冷却器20。冷却器20包括使制冷剂在燃料电池11与散热器22之间循环的循环路21、使制冷剂循环的泵23、将循环路21的散热器22的上游侧与下游侧连接起来的旁通路24、流量调整阀25以及温度传感器26。流量调整阀25将通过了燃料电池11的制冷剂向散热器22和旁通路24分配。流量调整阀25和泵23由fc控制器12控制。此外，fc控制器12从上位控制器31收到指令，也控制燃料电池11的输出。
21.fc控制器12具备中央运算单元(cpu13)和存储器14。在存储器14储存有cpu13执行的程序。通过cpu13执行储存于存储器14的程序，从而cpu13作为控制冷却器20和燃料电池11的fc控制器12而发挥功能。
22.通过泵23的输出和流量调整阀25的位置(阀位置)来调整冷却器20的冷却能力(冷却燃料电池11的能力)。流量调整阀25将通过了燃料电池11的制冷剂向散热器22和旁通路24分配。能够通过阀位置来调整向散热器22流动的制冷剂的量与向旁通路24流动的制冷剂的量之比。若增多向散热器22流动的制冷剂，则冷却能力变高。若以所有的制冷剂在散热器22中流动的方式控制流量调整阀25的位置并使泵23以最大输出动作，则获得最大的冷却能力。若以所有的制冷剂旁通散热器22而在旁通路24中流动的方式控制流量调整阀25的位置并使泵23以最低输出动作(或者停止泵23)，则冷却能力变为最低。
23.冷却器20具备测量在循环路21中流动的制冷剂的温度的温度传感器26。温度传感器26配置于燃料电池11的制冷剂出口的附近。温度传感器26测量的制冷剂的温度用作燃料电池11的温度。将温度传感器26的测量数据向fc控制器12发送，fc控制器12将温度传感器26的测量数据向上位控制器31发送。上位控制器31以将燃料电池11的温度保持在规定的温度范围内的方式，基于温度传感器26的测量数据(即燃料电池11的温度)来决定流量调整阀25的目标位置和泵23的目标输出。在将燃料电池11的热用于车厢的制热的情况下，上位控制器31将燃料电池11的温度调整得较高。这样，上位控制器31根据汽车100的各部的状况来调整燃料电池11的温度(温度范围)。
24.fc控制器12从上位控制器31收到指令，并控制冷却器20。fc控制器12根据接收到的指令(目标位置和目标输出)来控制泵23和流量调整阀25。但是，若规定的条件成立，则fc控制器12无论来自上位控制器31的指令如何，都以由fc控制器12预先决定的顺序来控制冷却器20。预先决定的顺序储存于fc控制器12的存储器14。
25.从上位控制器31向fc控制器12经由网络37输送各种指令。从fc控制器12向上位控制器31也经由网络37输送各种信号。fc控制器12向上位控制器31输送的信号包括模式信号、ready信号、控制信号、温度信号、输出上限信号。模式信号是表示燃料电池系统10的状态的信号，ready信号是向上位控制器31示出能够利用燃料电池11的输出的信号，控制信号是表示根据上位控制器31的指令控制冷却器20、还是无论上位控制器31的指令如何都根据fc控制器12所具有的顺序来控制的信号。温度信号是将温度传感器26的测量数据(即、燃料电池11的温度)向上位控制器31传达的信号，输出上限信号是将燃料电池11的输出的上限
值向上位控制器31传达的信号。
26.在图2～图4中示出fc控制器12执行的处理的流程图。若fc控制器12从上位控制器31收到起动指令，则开始图2～图4的处理。
27.参照图2～图4来对fc控制器12执行的处理进行说明。若从上位控制器31收到起动指令，则fc控制器12首先将模式信号、ready信号以及控制信号向上位控制器31发送(步骤s12)。此时，在模式信号设定表示“起动中”的参数。在ready信号设定表示“off”的参数。在控制信号也设定表示“off”的参数。在参数中设定有“起动中”的模式信号是向上位控制器31通知燃料电池系统10为起动中这一情况的信号。在参数中设定有“off”的ready信号是将不能利用燃料电池11的输出这一情况向上位控制器31通知的信号。设定有“off”的控制信号是将fc控制器12以预先决定的顺序控制冷却器20并且未接受来自上位控制器31的对冷却器20和燃料电池11的指令这一情况向上位控制器31通知的信号。
28.接着，fc控制器12执行起动处理(步骤s13)。起动处理是指在燃料电池11中开始发电而所需的准备处理，例如包括打开未图示的氢罐的阀、启动用于将空气向燃料电池11输送的空气压缩机(未图示)等。
29.起动处理也包括冷却器20的流量调整阀25的零点修正。流量调整阀25的零点修正是指在以所有的制冷剂向散热器22流动的方式将阀位置挪动至极限后缓缓地挪动阀位置并将制冷剂开始向旁通路24流动的位置更新为新的零点的处理。
30.在进行包括零点修正在内的起动处理的期间，fc控制器12即使从上位控制器31收到指定冷却性能的指令(对流量调整阀25的目标位置和对泵23的目标输出)，也忽略该指令。即，fc控制器12无论来自上位控制器31的指令如何，都执行预先决定的起动处理。
31.若起动处理完成，则接下来，fc控制器12将燃料电池11的温度与下限温度进行比较(步骤s14)。在图2的步骤s14中，“fc温度”是指燃料电池11的温度。图4所记述的“fc温度”也是相同的含义。
32.如之前叙述的那样，将温度传感器26测量的温度作为燃料电池11的温度来处置。下限温度是fc控制器12的程序预先包含的常量。若燃料电池11的温度低于下限温度，则燃料电池11的发电效率极度地降低。因此，在燃料电池11的温度低于下限温度的情况下，fc控制器12执行急速预热运转(步骤s14：是、s15)。
33.急速预热运转是指fc控制器12使冷却器20以最低冷却能力动作。具体而言，fc控制器12执行以下的处理。fc控制器12以使所有的制冷剂旁通散热器22的方式调整流量调整阀25的位置。同时，fc控制器12以最低输出运转泵23(或者停止泵23)。并且，fc控制器12降低向燃料电池11的空气供给量。若降低空气供给量，则发电效率降低，但燃料电池11产生的热能增大。在急速预热运转中，增加燃料电池11发出的热能，并且以变为最低的冷却能力的方式控制冷却器20，由此迅速地提高燃料电池11的温度。
34.fc控制器12在急速预热运转中忽略上位控制器31的指令。即，在燃料电池11的温度低于下限温度的情况下，fc控制器12无论上位控制器31的指令如何，都执行预先决定的急速预热运转(以最低冷却能力运转冷却器20)。
35.fc控制器12在急速预热运转中也监视燃料电池11的温度。若燃料电池11的温度超过规定的下限允许温度，则fc控制器12结束急速预热运转。下限允许温度是比之前的下限温度高的温度，是用于防止急速预热运转的振荡的阈值温度。振荡是指频繁地重复特定的
处理的起动和停止的情况。
36.在步骤s14的分支判断处理中，在燃料电池11的温度未低于下限温度的情况下(步骤s14：否)，fc控制器12跳过步骤s15的处理(即、急速预热运转)。
37.在起动处理结束后反复执行图3和图4的处理。fc控制器12将模式信号、ready信号、控制信号、温度信号、输出上限信号向上位控制器31发送(步骤s22)。此时，在模式信号设定表示“运转中”的参数。在ready信号设定表示“on”的参数。在控制信号设定表示“on”的参数。设定有表示“运转中”的参数的模式信号是将燃料电池系统10为运转中这一情况向上位控制器31通知的信号。设定有表示“on”的参数的ready信号是将表示能够利用燃料电池11的输出这一情况向上位控制器31通知的信号。设定有表示“on”的参数的控制信号是将fc控制器12基于来自上位控制器31的指令来控制冷却器20和燃料电池11这一情况向上位控制器31通知的信号。接收到设定有表示“on”的参数的ready信号的上位控制器31判断为能够利用燃料电池11的输出，并起动电力变换器32和降压转换器35。另外，接收到设定有表示“on”的参数的控制信号的上位控制器31将根据燃料电池11的温度指定冷却器20的冷却能力的指令(流量调整阀25的目标位置和泵23的目标输出)向fc控制器12发送。
38.温度信号包括温度传感器26的测量数据(即、燃料电池11的温度)。输出上限信号包括燃料电池11能够输出的最大电力的值。
39.接下来，fc控制器12接收来自上位控制器31的指令(步骤s23)。当在来自上位控制器31的指令中包含停止指令的情况下(步骤s24：是)，fc控制器12将模式信号、ready信号以及控制信号向上位控制器31发送(步骤s25)，进行规定的停止处理(步骤s26)，并结束自身处理。在步骤s25中发送的模式信号设定表示“停止”的参数，在ready信号和控制信号分别设定表示“off”的参数。
40.停止处理包括关闭氢罐的阀、从燃料电池11中抽出水的处理等。此外，步骤s13的起动处理所包括的零点修正也可以代替在起动处理中进行而在停止处理中进行。当在停止处理中进行零点修正的情况下，不需要在燃料电池系统10的下次的起动时进行零点修正。通过在停止处理中进行零点修正，能够缩短起动处理所需要的时间。在进行停止处理的期间，fc控制器12不接受来自上位控制器31的关于冷却器20的指令。即，fc控制器12在从上位控制器31接收停止指令后，无论其后的来自上位控制器31的关于冷却器20的指令如何，都执行停止处理。
41.在步骤s23中接收的指令包括指定冷却器20的冷却能力的指令(流量调整阀25的目标阀位置和泵23的目标输出)、和燃料电池11的目标输出。通常，fc控制器12基于从上位控制器31接收到的冷却能力的指令来控制冷却器20，并基于燃料电池11的目标输出来控制燃料电池11(后述的步骤s39)。但是，在燃料电池11的温度低于下限温度的情况(步骤s31：是)、以及燃料电池11的温度超过上限温度的情况下(步骤s36：是)，fc控制器12无论来自上位控制器31的指令如何，都执行预先由fc控制器12决定的处理。
42.在燃料电池11的温度低于下限温度的情况下，fc控制器12将设定有表示“off”的参数的控制信号向上位控制器31发送，执行急速预热运转，若急速预热运转结束，则将设定有表示“on”的参数的控制信号向上位控制器31发送(步骤s31：是、s32、s33、s34)。设定有表示“off”的参数的控制信号是指fc控制器12无论来自上位控制器31的指令无如何，都根据预先决定的顺序来控制冷却器20。
43.对于急速预热运转，如之前叙述的那样。但是，在执行步骤s33的急速预热运转中，ready信号保持于“on”不变。即，在步骤s33的急速预热运转中，上位控制器31也能够利用燃料电池11的输出。如之前叙述的那样，在急速预热运转中，fc控制器12降低向燃料电池11的空气供给量。因此，发电效率降低，燃料电池11的最大输出降低。fc控制器12在执行步骤s33的急速预热运转中将燃料电池11的输出上限设定为输出上限信号并向上位控制器31发送。
44.如之前叙述的那样，若燃料电池11的温度超过规定的下限允许温度，则fc控制器12结束急速预热运转。
45.在燃料电池11的温度超过上限温度的情况下，fc控制器12将设定有表示“off”的参数的控制信号向上位控制器31发送，并以最大冷却能力运转冷却器20(步骤s35：否、s36：是、s37、s38)。在燃料电池11的温度超过上限温度并且fc控制器12以最大冷却能力运转冷却器20的期间，fc控制器12即使从上位控制器31收到指定冷却能力的指令，也忽略该指令。换言之，在燃料电池11的温度超过上限温度的期间，fc控制器12无论从上位控制器31发送来的指令如何，都以规定的顺序(最大冷却能力)来控制冷却器20。
46.在燃料电池11的温度低于上限允许温度的情况下(步骤s35：是)，跳过步骤s36的分支判断，fc控制器12移至步骤s39的处理。上限允许温度被设定为比上限温度低的值。为了防止步骤s37和s38的处理的振荡而设置步骤s35的处理。
47.在燃料电池11的温度不低于下限温度(步骤s31：否)并且不超过上限温度的情况下(步骤s36：否)，fc控制器12基于来自上位控制器31的指令来控制冷却器20和燃料电池11(步骤s39)。
48.在执行步骤s38或者s39的处理后，fc控制器12直至从上位控制器31收到停止指令为止，反复进行图3的步骤s22以后的处理。
49.在图5中示出fc控制器12发送的各种信号的时序图的一个例子。在图5中，示出了(a)模式信号、(b)ready信号、(c)控制信号、(d)输出上限信号的各时序图的一个例子。在图5中也示出了(e)燃料电池的温度。
50.在时刻tm1，从上位控制器31向fc控制器12发送起动指令，在时刻tm1，fc控制器12将设定有表示“起动中”的参数的模式信号、设定有表示“off”的参数的ready信号、设定有表示“off”的参数的控制信号向上位控制器31发送(图2的步骤s12)。
51.步骤s13的起动处理在时刻tm2结束。接着，fc控制器12检查燃料电池11的温度(步骤s14)。在图5的例子中，在时刻tm2燃料电池11的温度低于下限温度。因此，fc控制器12开始急速预热运转(步骤s15)。
52.通过急速预热运转而燃料电池11的温度上升。在时刻tm3燃料电池11的温度超过下限允许温度。fc控制器12在时刻tm3结束急速预热运转，将设定有表示“运转中”的参数的模式信号、设定有表示“on”的参数的ready信号、设定有表示“on”的参数的控制信号、以及表示燃料电池的温度的温度信号、和设定有燃料电池11的输出上限的输出上限信号向上位控制器31发送(步骤s22)。对在时刻tm3输出的输出上限信号指定有通常输出上限。“通常输出上限”是指燃料电池11正常动作时的输出上限。
53.在图5的例子中，在时刻tm3以后，燃料电池11的温度缓缓地降低。在时刻tm4燃料电池11的温度低于下限温度。fc控制器12将设定有表示“off”的参数的控制信号向上位控制器31发送，并开始急速预热运转(步骤s32、s33)。如之前叙述的那样，若进行急速预热运
转，则燃料电池11的发电效率降低。fc控制器12在急速预热运转中发送指定了比通常输出上限低的输出上限的输出上限信号(参照图5的虚线范围wd)。
54.在时刻tm5燃料电池11的温度超过下限允许温度。fc控制器12结束急速预热运转，将设定有表示“on”的参数的控制信号向上位控制器31发送(步骤s34)。由于急速预热运转结束，因此在时刻tm5以后，输出上限也返回至通常输出上限。
55.对在实施例中说明的燃料电池系统10的优点进行说明。实施例的燃料电池系统10组装于汽车100。汽车100具备对燃料电池11进行冷却的冷却器20。燃料电池系统10的控制器(fc控制器12)通常基于来自汽车100的控制器(上位控制器31)的指令来控制冷却器20。但是，若与燃料电池11有关的规定的条件成立，则fc控制器12无论来自上位控制器31的指令(与冷却能力有关的指令)如何，都以预先决定的顺序控制冷却器20。
56.规定的条件的一个例子是与燃料电池11的温度有关的条件。典型地是燃料电池11的温度低于下限温度这样的条件。在燃料电池11的温度低于下限温度的情况下，fc控制器12无论来自上位控制器31的指令如何，都执行预先决定的急速预热运转。
57.规定的条件的另一个例子是燃料电池11的温度超过上限温度这样的条件。在燃料电池11的温度超过上限温度的情况下，fc控制器12无论来自上位控制器31的指令如何，都以预先决定的顺序来控制冷却器20。即，fc控制器12以发挥最大冷却能力的方式控制冷却器20。
58.规定的条件的又一例子是fc控制器12从上位控制器31收到燃料电池11的起动指令或者停止指令这样的条件。fc控制器12若收到起动指令，则无论来自上位控制器31的其后的指令如何，都执行预先决定的起动处理。在起动处理结束后，fc控制器12再次接受来自上位控制器31的指令。
59.fc控制器12若收到停止指令，则无论来自上位控制器31的其后的指令如何，都执行预先决定的停止处理。在停止处理结束后，fc控制器12再次接受来自上位控制器31的指令(在该情况下，仅起动指令)。
60.急速预热运转等是燃料电池11所特有的控制。上位控制器31能够与燃料电池11所特有的处理无关地使用燃料电池系统10。上位控制器31的处理不变得复杂即可。换言之，对于上位的系统的控制器(上位控制器31)而言，实施例的燃料电池系统10容易处置。
61.例如，购入燃料电池系统来制造本公司的系统(例如燃料电池汽车)的制造者向本公司的系统的控制器导入与对电池的温度管理处理相同的温度管理处理即可。
62.对与在实施例中说明的技术有关的留意点进行叙述。实施例的燃料电池系统10也能够组装于汽车以外的上位系统。
63.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对以上例示的具体例进行了各种变形、变更的技术。在本说明书或者附图中说明的技术要素单独地或者通过各种组合来发挥技术有用性，并不限定于申请时权利要求所记载的组合。另外，在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有用性。