CN102460801A - 燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明用于提高燃料电池系统的发电效率，其中，燃料电池(2)及FC转换器(3)以相互热传递的方式一体化组装，并收容在同一壳体内，在燃料电池(2)的温度低于与燃料电池(2)的输出对应的容许温度范围的下限值时，控制部(8)将FC转换器(3)中所包括的升压开关S1的开关模式从软开关模式切换为硬开关模式。

Description

燃料电池系统

技术领域

本发明涉及一种燃料电池系统。

背景技术

下述专利文献1公开了一种使燃料电池和作为电压转换部的DC-DC转换器一体化的燃料电池系统。在该燃料电池系统中，通过使燃料电池和DC-DC转换器一体化，易于监视燃料电池的各单电池的状态，对应监视的各单电池的状态来控制发电电流。并且，通过在DC-DC转换器所包括的升压开关和燃料电池之间配置印制电路板，来抑制升压开关的接通电阻因燃料电池的热量而增加的情况。

专利文献1：日本特开2007-207582号公报

发明内容

在燃料电池系统中，为了实现有效的运转，要求尽量抑制燃料电池的温度变动。但是，例如存在因受到外部气体等的影响而使燃料电池温度下降的情况。这种情况下，在燃料电池内发生凝结等，发电效率会下降。

本发明用于解决上述现有技术的问题点，其目的在于提供一种可提高发电效率的燃料电池系统。

为解决上述课题，本发明涉及的燃料电池系统特征在于，具有：燃料电池，接受燃料气体及氧化气体的供给，通过上述燃料气体及氧化气体的电化学反应进行发电；耗电装置，消耗来自燃料电池的电力；电压转换部，以能够与燃料电池进行热传递的方式构成，对燃料电池的输出电压进行升压并提供给耗电装置；以及控制单元，在燃料电池的温度低于与该燃料电池的输出对应的容许温度范围的下限值的情况下，将电压转换部所包括的升压开关元件的开关模式设定为硬开关模式；上述开关模式包括软开关模式和硬开关模式。

根据本发明，当燃料电池的温度低于与燃料电池的输出对应的容许温度时，可将升压开关元件的开关模式设定为硬开关模式，因此可利用通过升压开关元件产生的热量对燃料电池进行加热。

在上述燃料电池系统中也可是，上述控制单元在低温起动时将开关模式设定为硬开关模式。

这样一来，在低温起动时，可利用通过升压开关元件产生的热量对燃料电池进行加热。

在上述燃料电池系统中也可是，在开关模式是硬开关模式、且上升的燃料电池的温度达到该燃料电池的输出对应的容许温度范围内之前，上述控制单元将开关模式从硬开关模式切换为软开关模式。

这样一来，可防止燃料电池的温度过度上升而过冲。

在上述燃料电池系统中也可是，当燃料电池的温度处于与该燃料电池的输出对应的容许温度范围内、且开关模式是软开关模式时，在燃料电池的温度超过预定上限下降率地下降的情况下，上述控制单元将开关模式从软开关模式切换为硬开关模式。

这样一来，可防止燃料电池的温度过度下降。

在上述燃料电池系统中也可是，通过一体化组装上述燃料电池和上述电压转换部，使上述燃料电池和上述电压转换部能够进行热传递。

根据本发明，可提高发电效率。

附图说明

图1是表示实施方式中的燃料电池系统的构成的示意图。

图2是用于说明实施方式中的开关模式控制处理流程的流程图。

图3是用于说明变形例中的起动时用的开关模式控制处理流程的流程图。

具体实施方式

以下参照附图说明本发明涉及的燃料电池系统的优选实施方式。在实施方式中，说明将本发明涉及的燃料电池系统作为燃料电池车辆(FCHV：Fuel Cell Hybrid Vehicle)的车载发电系统使用的情况。此外，本发明涉及的燃料电池系统也可适用于燃料电池车辆以外的各种移动体(机器人、船舶、飞机等)，进一步也可适用于作为建筑(住宅、大厦等)的发电设备使用的固定型发电系统。

首先参照图1说明实施方式中的燃料电池系统的构成。图1是表示实施方式中的燃料电池系统的示意图。

如图1所示，燃料电池系统1具有：燃料电池2，通过作为反应气体的氧化气体和燃料气体的电化学反应产生电力；作为燃料电池用的DC/DC转换器的FC转换器3(电压转换部)；作为二次电池的蓄电池4；作为蓄电池用的DC/DC转换器的Bat转换器5；作为负载的牵引逆变器6、牵引电机7(耗电装置)；统一控制系统整体的控制部8(控制单元)。燃料电池2及FC转换器3以相互热传递的方式一体化组装，并收容在同一壳体内。此外，燃料电池2和FC转换器3并不一定必须收容于同一壳体内。例如也可将燃料电池2和FC转换器3收容到不同壳体、在两个壳体之间设置可进行热交换的结构并结合。

燃料电池2例如是高分子电解质型燃料电池，是层压多个单电池而成的叠层结构。单电池的结构是，在由离子交换膜构成的电解质膜一个面上具有空气极，在另一个面具有燃料极，还具有一对隔板，其从两侧夹持空气极及燃料极。此时，向一个隔板的氢气通路提供氢气，向另一个隔板的氧化气体通路提供氧气，通过这些反应气体进行化学反应而产生电力。

FC转换器3是直流的电压转换器，具有以下功能：使从燃料电池2输出的直流电压升压，输出到牵引逆变器6及牵引电机7。通过FC转换器3控制燃料电池2的输出电压。

FC转换器3例如由以下部件构成：平滑电容C1，使从燃料电池2输入的直流电压平滑化；使直流电压升压的升压线圈L1及升压开关S1(升压开关元件)；构成共振电路的共振电容C2及共振线圈L2；接通/断开共振电路的共振开关S2；平滑电容C3，使FC转换器3的输出电压平滑化。在本实施方式中，通过设置共振电路，实现升压开关S1的软开关。稍后详述软开关的详情。

蓄电池4层压蓄电池单元，以一定的高压为端子电压，可通过未图示的蓄电池计算机的控制对燃料电池2的剩余电力进行充电，或辅助性地提供电力。Bat转换器5是直流的电压转换器，具有以下功能：调整(升高)从蓄电池4输出的直流电压，输出到牵引逆变器6及牵引电机7的功能；调整(降低)从燃料电池2或牵引电机7输出的直流电压，输出到蓄电池4的功能。通过该Bat转换器5的上述功能，实现蓄电池4的充电放电。

牵引逆变器6将直流电流转换为三相交流，提供到牵引电机7。牵引电机7例如是三相交流电机，构成搭载燃料电池系统1的燃料电池车辆的主动力源。

控制部8检测设置在燃料电池车辆上的加速操作部件(例如油门)的操作量，接收加速要求值(例如来自牵引电机7等耗电装置的要求发电量)等的控制信息，控制系统内的各种设备的动作。此外，在耗电装置中除了牵引电机7外，例如还包括：为使燃料电池2动作而必需的辅机装置(例如压缩机、氢泵的电机等)，与车辆行驶相关的各种装置(变速器、车轮控制装置、转向装置、悬挂装置等)中使用的致动器，乘客空间的空调装置(空调)、照明、音响等。

控制部8物理上例如具有CPU、存储器、输入输出接口。存储器具有：ROM，存储由CPU处理的控制程序、控制数据；RAM，主要作为用于控制处理的各种作业区域使用。这些要素彼此通过总线连接。输入输出接口与电压传感器等各种传感器连接，并且与用于驱动牵引电机7的各种驱动器连接。

CPU根据ROM中存储的控制程序，经由输入输出接口接收各种传感器的检测结果，使用RAM内的各种数据进行处理，从而执行燃料电池系统1中的各种控制处理。并且，CPU经由输入输出接口向各种驱动器输出控制信号，从而控制燃料电池系统1整体。

控制部8设定升压开关S1的开关模式，根据设定的开关模式，进行升压开关S1的开关控制。升压开关S1的开关模式包括硬开关模式和软开关模式。硬开关模式是指，与电压、电流的值无关地，根据控制指示接通/断开升压开关S 1的模式。软开关模式是指，使开关端子间的电位差为0、使电流不会流入到端子之间后，接通/断开升压开关S1的模式。

以下说明软开关模式时由控制部8进行的软开关的步骤。本实施方式中的软开关用于消除升压开关S 1接通/断开时产生的开关损失。

首先，在将升压开关S1从接通切换为断开时，使升压开关S1从接通逐渐切换为断开(步骤1)。这样一来，流入到升压开关S1的电流减少，电流集中到二极管D3及共振电容C2一侧。

之后，当流入到升压开关S1的电流变为0后，将升压开关S 1从接通完全切换为断开(步骤2)。这样一来，可以在电流未流入到升压开关S1时断开升压开关S1，因此可使开关损失为0。

另一方面，电流流入到共振电容C2，从而使电荷积蓄到共振电容C2中。

接着，为了放出积蓄到共振电容C2中的电荷，将共振开关S2从断开切换为接通(步骤3)。这样一来，电流从共振电容C2经由共振线圈L2及二极管D2流入到平滑电容C1，电荷积蓄到平滑电容C1中。即，电流从共振电路流入到平滑电容C1，电荷积蓄到平滑电容C1。

之后，所有电荷从共振电容C2放出，共振电容C2的电压变为0时，由二极管D3及共振电容C2构成的串联电路两端的电位差也变为0，升压开关S2的两端的电位差也变为0。

当升压开关S 1的两端的电位差变为0后，将升压开关S 1从断开切换为接通(步骤4)。这样一来，可以在电流未流入到升压开关S 1时接通升压开关S1，因此可使开关损失为0。

控制部8例如在以下(1)、(2)的各个条件分别成立时，将升压开关S1的开关模式设定为硬开关模式。即，将开关模式从软开关模式切换为硬开关模式。

(1)燃料电池2的温度低于与燃料电池2的输出对应的容许温度范围的下限值时。作为燃料电池2的温度，例如可使用测定燃料电池2的温度的温度传感器的检测值、测定冷却燃料电池2的冷却水的温度的温度传感器的检测值。与燃料电池2的输出对应的容许温度范围例如可如下获得：按照燃料电池2的各个输出，通过实验等求出能够作为可判断为发挥与该输出对应的性能的燃料电池2的温度而取得的值的范围。所获得的容许温度范围与燃料电池2的输出对应地存储到映射图中，并存储于存储器中。

(2)燃料电池2的温度处于与燃料电池2的输出对应的容许温度范围内、且、燃料电池2的温度超过预定上限下降率地下降时。对于预定上限下降率，例如可如下设定下降率的上限值：燃料电池2的温度即使以当前的下降率持续下降，在达到上述容许温度范围的下限值时如切换到硬开关模式，则也可不降低发电效率地继续进行运转。

控制部8在燃料电池2的温度处于燃料电池2的输出对应的容许温度范围内、且不符合上述(2)时，将升压开关S1的开关模式设定为软开关模式。即，将开关模式从硬开关模式切换为软开关模式。此外，控制部8在燃料电池2的温度高于与燃料电池2的输出对应的容许温度范围时，将升压开关S1的开关模式设定为软开关模式。

接着参照图2所示的流程图，说明本实施方式中的开关模式控制处理。该开关模式控制处理例如在点火键接通后到停止运行为止反复进行。

首先，控制部8判断燃料电池2的温度是否低于与燃料电池2的输出对应的容许温度范围的下限值(步骤S101)。当判断为“是”时(步骤S101：是)，控制部8将升压开关S1的开关模式设定为硬开关模式(步骤S104)。

另一方面，上述步骤S101的判断中，当判断为燃料电池2的温度为与燃料电池2的输出对应的容许温度范围的下限温度以上时(步骤S101：否)，控制部8判断燃料电池2的温度下降率是否超过上限下降率(步骤S102)。当判断为“是”时(步骤S102：是)，控制部8将升压开关S1的开关模式设定为硬开关模式(步骤S104)。

另一方面，在上述步骤S102的判断中，当判断为燃料电池2的温度下降率为上限下降率以下时(步骤S102：否)，控制部8将升压开关S1的开关模式设定为软开关模式(步骤S103)。

如上所述，根据本实施方式中的燃料电池系统1，当燃料电池2的温度低于与燃料电池2的输出对应的容许温度时，可将升压开关S1的开关模式设定为硬开关模式，因此可利用升压开关S1所产生的热量来加热燃料电池2。因此，可提高燃料电池系统1的发电效率。

并且，当燃料电池2的温度达到与燃料电池2的输出对应的容许温度时，可将升压开关S1的开关模式设定为软开关模式，因此可消除升压开关S1接通/断开时产生的开关损失。

并且，当燃料电池2的温度处于与燃料电池2的输出对应的容许温度范围内、且开关模式是软开关模式时，在燃料电池2的温度超过预定上限下降率地下降的情况下，可将开关模式从软开关模式切换为硬开关模式，因此可防止燃料电池2的温度过度下降。

此外，在上述实施方式中，升压开关S1的开关模式控制处理在燃料电池系统运行过程中反复进行，但不限于此。例如，在燃料电池系统起动时，也可进行下述起动时用的开关模式控制处理。该起动时用的开关模式控制处理可与实施方式中的开关模式控制处理同时进行，也可仅进行该起动时用的开关模式控制处理。

使用图3所示的流程图说明本变形例中的起动时用的开关模式控制处理。该起动时用开关模式控制处理例如在点火键接通时执行一次。

首先，控制部8判断是否需要预热(步骤S201)。判断是否需要预热，例如可判断外部气体温度是否低至如下程度，若不进行预热，则燃料电池的生成水会发生冻结。当判断为“否”时(步骤S201：否)，控制部8将升压开关S 1的开关模式设定为软开关模式(步骤S207)，执行正常起动处理(步骤S208)。另一方面，当在上述步骤S201的判断中判断为需要预热时(步骤S201：是)，控制部8将升压开关S 1的开关模式设定为硬开关模式(步骤S202)，执行预热起动处理(步骤S203)。

接着，控制部8判断预热是否结束(步骤S204)。当判断为“否”时(步骤S204：否)，控制部8反复执行该判断处理。另一方面，当在上述步骤S204的判断中判断为预热结束时(步骤S204：是)，控制部8将升压开关S1的开关模式设定为软开关模式(步骤S205)。

这样一来，在需要预热的低温起动时，可将升压开关S1的开关模式设定为硬开关模式，因此可利用升压开关S1接通/断开时产生的热量来加热燃料电池2。并且，当预热结束、燃料电池变热时，可将升压开关S1的开关模式设定为软开关模式，因此可消除升压开关S1接通/断开时产生的开关损失。

并且，在上述实施方式中，在将升压开关S1的开关模式从硬开关模式切换为软开关模式时，其条件是燃料电池2的温度处于与燃料电池2的输出对应的容许温度范围内，但并一定必须以燃料电池2的温度处于上述容许温度范围内作为条件。例如也可以，假设即使燃料电池2的温度低于上述容许温度范围的下限值，即使在燃料电池2的温度处于上升中、且切换为硬开关模式后燃料电池2的温度达到上述容许温度范围的情况下，在燃料电池2的温度达到上述容许温度范围之前，将升压开关S1的开关模式设定为软开关模式。这样一来，可防止燃料电池2的温度过度上升而过冲。其中，燃料电池2的温度是否达到上述容许温度范围，例如可使用当前的燃料电池的温度、温度上升率、升压开关S的散热量等来判断。

本发明涉及的燃料电池系统适于提高发电效率。

附图标记说明

1燃料电池系统、2燃料电池、3FC转换器、4蓄电池、5Bat转换器、6牵引逆变器、7牵引电机、8控制部、C1、C3平滑电容、C2共振电容、L1升压线圈、L2共振线圈、S1升压开关、S2共振开关

Claims (5)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，

具有：燃料电池，接受燃料气体及氧化气体的供给，通过上述燃料气体及氧化气体的电化学反应进行发电；

耗电装置，消耗来自上述燃料电池的电力；

电压转换部，以能够与上述燃料电池进行热传递的方式构成，对上述燃料电池的输出电压进行升压并提供给上述耗电装置；以及

控制单元，在上述燃料电池的温度低于与该燃料电池的输出对应的容许温度范围的下限值的情况下，将上述电压转换部所包括的升压开关元件的开关模式设定为硬开关模式；

上述开关模式包括软开关模式和硬开关模式。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，上述控制单元在低温起动时将上述开关模式设定为硬开关模式。

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，在上述开关模式是硬开关模式、且上升的上述燃料电池的温度达到与该燃料电池的输出对应的容许温度范围内之前，上述控制单元将上述开关模式从硬开关模式切换为软开关模式。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，当上述燃料电池的温度处于与该燃料电池的输出对应的容许温度范围内、且上述开关模式是软开关模式时，在上述燃料电池的温度超过预定上限下降率地下降的情况下，上述控制单元将上述开关模式从软开关模式切换为硬开关模式。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，通过一体化组装上述燃料电池和上述电压转换部，使上述燃料电池和上述电压转换部能够进行热传递。

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