CN104159780A - 供电*** - Google Patents

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Abstract

一种供电***包括具有安装在车辆上的燃料电池的燃料电池***，和用于控制燃料电池***的控制器。该控制器通过适当地在车辆行驶的驱动模式，和用于向外部负载供应电力的外部供电模式之间切换而执行控制以操作燃料电池。在驱动模式中，第一电压被设定为高电势避免电压，并且在外部供电模式中，高于第一电压的第二电压被设定为高电势避免电压。

Description

供电***
技术领域
本发明涉及一种包括燃料电池的供电***。
背景技术
通常燃料电池具有包括保持电解质膜的相反侧的一对电极(由阳极和阴极形成)的膜电极组件(MEA)，和保持MEA的相反侧的一对燃料电池分离器(separator)。阳极具有阳极催化剂层和扩散层。阴极具有阴极催化剂层和扩散层。当燃料电池产生电力时，用作阳极气体的氢气被供应到阳极并且用作阴极气体的氧气被供应到阴极，由此产生氢离子和电子的反应在阳极处发生。氢离子通过电解质膜到达阴极，而电子通过外部电路到达阴极。在另一方面，在氢离子、电子和氧气之间发生反应以在阴极处产生水，由此放出能量。
近来，作为用于外部负载的电力源(外部电源)，已经广泛地展开了研究、研发和解决以利用具有作为驱动能量源安装的燃料电池的燃料电池动力车辆等。例如日本专利申请公报No.2004-187385(JP2004-187385A)提出了一种分布式供电***，该***包括具有作为驱动电源的燃料电池的燃料电池动力车辆，和接收由燃料电池产生的电力并且向外部负载输出电力的外部电力网络。这个分布式供电***被配置为使得车载燃料电池操作以产生电力并且当燃料电池动力车辆停车时该产生的电力被供应到外部。
在JP2004-187385A中描述的分布式供电***是出于以下假设配置的，即，在当燃料电池动力车辆长时期停车的夜间期间，燃料电池在最大效率条件下操作以产生电力，并且产生的电力输出到是外部电力网络的商用电力***。然而，被用作外部电源的、安装在燃料电池动力车辆上的这种燃料电池的应用范围不限于商用电力***。实际上要求车载燃料电池当从商用电力***(商业电源)的供电例如在灾害等时丧失时用作外部电源以直接地向家庭、紧急避难所和恢复场所中的电器供应电力。
操作电器所要求的电力通常最大是几kW，而用于驱动车辆的燃料电池当它正常地操作时能够产生从稍微地小于10kW到大约100kW或者更大(电池组输出)一样高的电力。这意味着当执行能够产生高达大约100kW的电力的这种发电以向大约几kW的外部负载供应电力时产生大量的过度电力，因为不要求任何电力驱动操作车辆所要求的附件。
发明内容
本发明提供一种当安装在车辆上的燃料电池被用作外部电源时能够抑制过度电力产生的供电***。
本发明的第一方面涉及一种供电***，包括安装在车辆上的燃料电池，和控制器，该控制器当车辆行驶时以驱动模式操作燃料电池并且当电力被从燃料电池供应到外部负载时以外部供电模式操作燃料电池。在驱动模式中，控制器在利用燃料电池发电期间将高电势避免电压设定为第一电压，并且在外部供电模式中，控制器在利用燃料电池发电期间将高电势避免电压设定为高于第一电压的第二电压。
在如此配置的供电***中，在当车辆正常地驱动时的“驱动模式”中和在当电力被供应到外部负载时的“外部供电模式”中，利用由控制器执行的控制操作燃料电池。这意味着控制器通过选择性地在驱动模式和外部供电模式的不同模式之间切换而控制燃料电池的操作。
第二电压可以被设定为比用于燃料电池的催化剂层中的催化剂金属的氧化还原电势的范围高的电压。在驱动模式中，将用于在燃料电池发电期间避免高电势的上限电压(高电势避免电压)设定为第一电压，以便最小化在燃料电池的催化剂层中使用的催化剂金属的洗脱。这使得在驱动模式中抑制催化剂金属的过度损失成为可能。在驱动模式中设定为高电势避免电压的第一电压可以是使得阴极催化剂层的劣化相对难以发生的电压，阴极催化剂层的劣化诸如催化剂金属的洗脱或者由于烧结而使得催化剂金属的反应区域减小。
在外部供电模式中，在燃料电池发电期间的高电势避免电压被设定为高于第一电压的第二电压。通常在用于驱动车辆的燃料电池中，由于它的IV特性(电流电压特性)，当输出减小时，输出电压趋向于变得更高(输出电流趋向于变得更低)。因此，当高电势避免电压被设定为高于燃料电池的第一电压的、适当的第二电压时，由此使得能够在外部供电模式中输出与在驱动模式中产生的电力输出相比更低的输出。
因此，当安装在车辆上的燃料电池被用作外部电源以向大约几kW的外部负载供应电力时，能够有效地抑制在相关技术中发生的、大量过度电力的产生。
本发明的第二方面涉及一种供电***，包括安装在车辆上的燃料电池，和控制器，该控制器控制燃料电池的发电参数使得当电力被从燃料电池供应到外部负载时，燃料电池的单元电池电压并不超过高电势避免电压，并且控制发电参数使得当车辆行驶时的单元电池电压低于当电力被从燃料电池供应到外部负载时的单元电池电压。
附图简要说明
将在下面参考附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，其中类似的数字表示类似的元件，并且其中：
图1是配备有根据本发明的一个实施例的供电***的车辆的概略配置图表(***配置图表)；
图2是示出根据本发明的该实施例，控制器调节并且控制设置在燃料电池***中的燃料电池的输出的过程的一个实例的流程图；
图3是示出在安装在车辆上的燃料电池的单元电池电压和电池组输出之间的关系的一个实例的曲线图；
图4是概略地示出电池组输出相对于在供应到燃料电池的电池组的氧化气体(空气)和水蒸汽的量之间的比率的变动的一个实例的曲线图；并且
图5是概略地示出在驱动模式中和在外部供电模式中燃料电池的单元电池电压随着时间的变动的曲线图。
具体实施方式
以下描述的示例性实施例仅仅用于示意性的意图，并且本发明并非旨在被限制于这些实施例。在不偏离本发明的范围的情况下，本发明能够被以各种方式修改或者改变。
图1是示出配备有根据本发明的一个实施例的供电***的车辆的概略配置图表(***配置图表)。车辆100具有供电***20和内部负载单元30。供电***20作为用于车辆100的电源供应电力，并且内部负载单元30将从供电***20供应的电力转换成用于驱动车辆100的机械动力。
供电***20具有燃料电池***200、二次电池26、直流电-直流电(DC-DC)转换器64、用于测量燃料电池***200的输出电压的电压计69、用于测量其输出电流的电流计67，和用于测量二次电池26的剩余量的剩余容量监视器28。供电***20进一步具有用于控制燃料电池***200、二次电池26等的控制器50。
燃料电池***200设置有具有通过串联地堆叠多个单元电池形成的固体聚合物电解质电池组的燃料电池(FC)(未示出)，和FC转换器(未示出)。这个燃料电池具有多个单元电池，每一个单元电池被配置为使得MEA被用于供应燃料气体和氧化气体的一对分离器夹紧，MEA具有夹在一对电极(阳极和阴极)之间的聚合物电解质膜等。阳极通常是通过在多孔支撑层上设置阳极催化剂层而形成的，并且引起氢气的氧化反应。在另一方面，阴极通常是通过在多孔支撑层上设置阴极催化剂层而形成的，并且引起氧气的还原反应。结果，整体上引起在燃料电池中发生电动势反应(电池反应)。
燃料电池设置有用于向阳极供应燃料气体的***、用于向阴极供应氧化气体的***，和用于提供冷却剂的***(全部未示出)。燃料气体和氧化气体的供应量根据来自控制器50的控制信号受到控制，使得从燃料电池***200输出期望量的电力。
设置在燃料电池***200中的FC转换器采取控制燃料电池的输出电压的角色。FC转换器将输入它的初级侧(输入侧)的燃料电池的输出电压转换(升高或者降低)成不同于初级侧的电压的电压并且将转换的电压输出到它的次级侧(输出侧)。并且相反，FC转换器将输入次级侧的电压转换成不同于次级侧的电压的电压并且将转换的电压输出到初级侧。FC转换器因此是双向电压转换器。这个FC转换器根据需要由控制器50控制，由此燃料电池***200的输出电压被调节为期望电压。
FC转换器的配置和类型不被特别地限制，并且它可以是采用三相操作***的FC转换器。更加具体地，FC转换器可以优选地是三相桥式转换器，该三相由U相、V相和W相形成。三相桥式转换器的电路配置由用于将输入DC电压临时地转换成交流电(AC)电压的、类似逆变器的电路部分和用于整流AC电压以将其转换成不同的DC电压的部分的组合形成。
二次电池26与燃料电池***200并联连接到内部负载单元30。二次电池26用作用于存储过度电力的存储源、用于在再生制动期间存储再生能量的存储源，和在由燃料电池动力车辆加速或者减速引起的负载改变期间的能量缓冲源。这个二次电池26可以优选地是诸如镍镉电池、镍氢电池和锂二次电池的二次电池。
此外，例如单相电力插座70的一个极或者另一个极连接到将驱动电路36连接到燃料电池***200和二次电池26的线路40。这个单相电力插座70配置为接收诸如家用电气设备、紧急照明和紧急电力电路设施的外部负载(未示出)的连接。虽然单相电力插座70在图1中示意为凹形插座，但是输入/输出部分的形状不限于此。
内部负载单元30具有加速器37，和用于测量加速器37的压下量的加速度传感器35。内部负载单元30进一步具有牵引马达31、经由齿轮机构32连接到牵引马达31的轮子34，和电连接到牵引马达31的驱动电路36。牵引马达31经由驱动电路36连接到供电***20。由牵引马达31产生的动力经由齿轮机构32传递到轮子34。
驱动电路36是用于利用从供电***20供应的电力驱动牵引马达31的电路。驱动电路36的电路配置不被特别地限制并且可以例如由电力控制单元(PCU)、电力元件(开关元件)或者具有升压和电压转换功能的逆变器形成。具体地，驱动电路36将例如从供电***20供应的DC电力转换成三相AC电力并且将三相AC电力供应到牵引马达31。如此供应的三相AC电力的幅值基于来自加速度传感器35的输入(加速器压下量)由受到控制器50控制的驱动电路36确定。以此方式，车辆***被配置为使得供电***20的输出电压并不直接地依赖于从供电***20供应到牵引马达31的三相AC电力的幅度。
控制器50不仅电连接到燃料电池***200、DC-DC转换器64，和驱动电路36，而且还电连接到设置在车辆100中的速度传感器、导航***等(未示出)。控制器50对于这些构件执行各种控制(包括电路控制)和各种输入/输出控制。控制器50的这些各种控制操作是通过运行存储在结合在控制器50中的存储器(未示出)中的计算机程序的控制器50中的发动机控制单元(ECU)等实现的。为此目的使用的存储器不被特别地限制，并且可以选自各种记录介质，诸如只读存储器(ROM)和硬盘。
将对于由车辆100中的控制器50执行的控制操作的一个实例给出进一步的说明。图2是示出根据这个实施例的由控制器50执行以调整并且控制设置在燃料电池***200中的燃料电池的输出的过程的一个实例的流程图。
在该实施例中，控制器50作为正常操作模式激活驱动模式以管理车辆100的行驶(步骤S1)。在这个驱动模式中，第一电压V1被设定为燃料电池的高电势避免电压。如之前述及地，这个第一电压V1能够是发生阴极催化剂层劣化的可能性相对低的电压(将在以后给出更加具体的数值实例)，该阴极催化剂层劣化由于诸如铂的催化剂金属洗脱或者由烧结引起的反应区域减小造成。这使得在车辆100的行驶期间抑制在燃料电池中包含的铂或者其它催化剂金属的过度损失成为可能。
控制器50然后确定诸如家用电气设备、紧急照明或者紧急电力电路设施的任何外部负载(未示出)是否连接到单相电力插座70(步骤S2)。当无任何外部负载连接到单相电力插座70时，控制器50返回步骤S1并且以驱动模式控制燃料电池的操作。
当外部负载连接到单相电力插座70时，控制器50作为紧急操作模式激活外部供电模式以向外部负载供应电力(步骤S3)。在这个外部供电模式中，第二电压V2设定为燃料电池的高电势避免电压。在外部供电模式中的第二电压V2被设定为比在驱动模式中的第一电压V1更高的值(V2>V1)。更加具体地，第二电压V2优选地被设定为比用于包含在燃料电池中的诸如铂的催化剂金属的氧化还原电势范围大的电压值。
以下表格1示出要求的电池组输出(如上所述形成为电池组的燃料电池的总输出)和在分别的模式(驱动模式和外部供电模式)中的高电势避免电压V1和V2的实例，和这些模式的特性。
表格1
在驱动模式中要求的电池组输出例如是大约8.0到110kW。例如，当要求的电池组输出是8.0kW时，是高电势避免电压的第一电压V1例如被设定为大约0.85V(表格1中的实例1)。在外部供电模式中要求的电池组输出例如是大约0.0到5.0kW。例如，当要求的电池组输出是5.0、0.5和0.0kW时，是高电势避免电压的第二电压V2分别地设定为大约0.90、0.95V和开路电压(OCV)(1.0V)。第一电压V1和第二电压V2这两者示意燃料电池的单元电池电压。当第二电压V2是OCV(1.0V)时，能够认为该模式基本上不用于避免高电势。
图3是示出在如此配置的、安装在车辆100上的燃料电池的单元电池电压和电池组输出之间的关系的一个实例的曲线图。在曲线图中所示曲线中，由白色箭头R1示意的区域对应于驱动模式，并且由白色箭头R2示意的区域对应于外部供电模式。
用于选择性地设定用于驱动模式的高电势避免电压(第一电压V1)和用于外部供电模式的高电势避免电压(第二电压V2)的装置、方法和过程不被特别地限制。例如，控制器50对单元电池电压的电势控制可以通过切换高电势避免电压的数值参数等实现。在此情形中，第一电压V1和第二电压V2每一个的单一或者几个值预先存储在结合在控制器50中的存储器中。当在图2所示步骤S1中激活驱动模式时，从存储器取回第一电压V1的值。当在步骤S3中激活外部供电模式时，从存储器取回第二电压V2的值。使用这些高电势避免电压，燃料电池的操作受到控制。
替代地，控制器50可以替代如上所述使用固定值作为第一电压V1和第二电压V2，通过在控制器50的存储器中存储图3所示曲线的关系表达式，来执行单元电池电压的电势控制。可以基于根据连接到单相电力插座70的外部负载或者多个外部负载的幅值要求的燃料电池的电池组输出和预先存储在存储器中的关系表达式，适当地设定在外部供电模式中的高电势避免电压。
此外，替代通过控制器50的电势控制，能够通过调节影响燃料电池的发电容量的各种发电参数，使得在驱动模式中的发电参数的值不同于在外部供电模式中的发电参数的值，来执行该控制。这种发电参数例如包括燃料气体和/或氧化气体向电池组的供应量(流量)、电池组中的湿度条件和电池组的温度。
图4是概略地示出电池组输出相对于在供应到燃料电池的电池组的氧化气体(空气)和水蒸汽的量之间的比率(此后被称作“气体/水蒸汽比率”)的变动的一个实例的曲线图。如从图4看到地，电池组输出趋向于随着气体/水蒸汽比率变得更高而增加。在图4中，当气体/水蒸汽比率等于二时能够获得在驱动模式中燃料电池所要求的电池组输出P1。当气体/水蒸汽比率等于1(气体/水蒸汽比率＝1)时能够获得在外部供电模式中燃料电池所要求的电池组输出P2。
如从这看到地，在作为用于通过控制器50的电势控制的发电参数之一的高电势避免电压自身的值在驱动模式和外部供电模式之间保持相同时，例如，通过利用控制器50改变氧化气体的供应量，来调节气体/水蒸汽比率。这使得实现在驱动模式和外部供电模式中的高电势避免电压分别地变得基本等价于第一电压V1和第二电压V2的这种控制成为可能。
通过单相电力插座70供应到外部负载的电力可以仅仅从燃料电池***200、从燃料电池***200和二次电池26这两者或者仅仅从二次电池26供应。当通过使用二次电池26或者经由二次电池26将电力供应到外部负载时，在燃料电池中不要求实质性的高电势避免控制(例如，第二电压V2可以如上所述被设定为OCV(1.0V))。
根据如上所述配置的、设置在车辆100中的供电***20，在外部供电模式中燃料电池的高电势避免电压被设定为高于在驱动模式中的第一电压V1的第二电压V2。这使得当实施外部供电模式以向外部负载供应电力时输出比在车辆100的正常驱动模式中车辆100产生的电力输出低的电力成为可能。因此，不像相关技术那样，当通过使用作为外部电源安装在车辆100上的燃料电池***200的燃料电池将电力供应到大约几kW或者更小的外部负载时，供电***20能够充分地抑制过度电力的产生。
在从商用电力***(商业电源)的供电在自然灾害等时丧失的情形中，作为用于直接地向一般的家庭、紧急避难所、恢复场所等中的电器等供应电力的外部电源，车辆100因此是非常有用的。
此外，因为在外部供电模式中燃料电池输出能够减小(电力能够减小)，所以对于燃料电池自身的负载能够减小并且产生的电流减小。这使得减小由于所谓的IR损失引起的输出损失，并且因此改进燃料电池的发电效率成为可能。
图5是概略地示出在驱动模式和外部供电模式中燃料电池的单元电池电压随着时间的变动的曲线图。在图5中，实线H1代表在驱动模式中的单元电池电压，并且交替的长短划线H2代表在外部供电模式中的单元电池电压。在图5中，由斜线示意的电压范围K代表被用作催化剂金属的铂氧化还原电势的区域(大致地示意为0.70到0.75V)。在该实例中，在驱动模式中的高电势避免电压(第一电压V1)被设定为单元电池电压＝0.85V(对应于8.0kW的电池组输出)，而在外部供电模式中的高电势避免电压(第二电压V2)被设定为单元电池电压＝0.95V(对应于0.5kW的电池组输出)。
驱动模式是车辆100的正常操作模式，并且操作时间是相对长的。在驱动模式中，根据道路状况和交通状况，加速器37频繁地被使用者(车辆100的驾驶员)压下和释放。因此，如由图5中的线H1示意地，燃料电池的单元电池电压跨铂氧化还原电势(电压范围K)地上下改变的次数趋向于增加。在图5中，当单元电池电压超过电压范围K时，作为催化剂金属的铂被氧化和电离以被洗脱。当单元电池电压降至低于电压范围K时，铂离子被还原和原子化，由此铂被析出。由于催化剂金属的氧化还原频繁地重复，所以如在表格1中描述地，在驱动模式中燃料电池的耐久性被高度地影响。
作为对照，外部供电模式是车辆100的紧急操作模式，并且因此在这个模式中的操作时间是相对短的。在外部供电模式中，加速器37通常不被使用者压下或者释放。因此，如由图5中的线H2示意地，燃料电池的单元电池电压跨铂氧化还原电势(电压范围K)地上下改变的次数趋向于相对地减小。结果，在外部供电模式中，催化剂金属的氧化或者还原并不频繁地发生，并且如在表格1中描述地，燃料电池的耐久性不被外部供电模式显著地影响。这使得防止燃料电池性能劣化促进的不便成为可能，即便作为在外部供电模式中的高电势避免电压的第二电压V2高于在驱动模式中的第一电压V1。
换言之，虽然当在外部供电模式中的高电势避免电压是高的时，与当它是低的时相比，催化剂金属的洗脱趋向于增加，但是在外部供电模式中如上所述催化剂金属的氧化和还原并不频繁地发生。因此，总体上，在实际操作方面对于燃料电池性能劣化的影响是能够容许的。因为催化剂金属的氧化和还原在驱动模式中比在外部供电模式中更加频繁地发生，所以高电势避免电压在驱动模式中应该被设定为比在外部供电模式中更低的值，以便抑制燃料电池的性能劣化。这意味着燃料电池在驱动模式中受到控制使得燃料电池的单元电池电压并不超过第一电压V1。
应该理解，如上所述，本发明不限于前面的实施例，而是可以在不偏离本发明的范围的情况下被以各种方式改变和修改。
以上供电***提供如上所述的优良的有利效果。因此，它能够广泛并且有效地应用于通常的燃料电池、具有燃料电池的车辆、设施、***和设施及其制造。进而，作为用于当从商业电源的供电由于灾害等丧失时直接地向一般的家庭、紧急避难所、恢复场所等供应电力的外部电源，该供电***是极其有用的。

Claims (4)

1.一种供电***，包括：
燃料电池，所述燃料电池安装在车辆上；和
控制器，所述控制器当所述车辆行驶时以驱动模式操作所述燃料电池，并且当电力被从所述燃料电池供应到外部负载时以外部供电模式操作所述燃料电池，
其中：
在所述驱动模式中，所述控制器把在通过所述燃料电池发电期间的高电势避免电压设定为第一电压；并且
在所述外部供电模式中，所述控制器把在通过所述燃料电池发电期间的所述高电势避免电压设定为高于所述第一电压的第二电压。
2.根据权利要求1所述的供电***，其中：
所述燃料电池包括催化剂金属；并且
所述第二电压被设定为比所述催化剂金属的氧化还原电势的范围高的电压。
3.根据权利要求1或者2所述的供电***，其中，所述控制器控制所述燃料电池的发电参数，使得所述燃料电池的单元电池电压不超过所述高电势避免电压。
4.一种供电***，包括：
燃料电池，所述燃料电池安装在车辆上；和
控制器，所述控制器控制所述燃料电池的发电参数，使得当电力被从所述燃料电池供应到外部负载时，所述燃料电池的单元电池电压不超过高电势避免电压，并且所述控制器控制所述发电参数，使得当所述车辆行驶时的单元电池电压低于当电力被从所述燃料电池供应到所述外部负载时的单元电池电压。
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