专利名称：燃料电池系统和装有该燃料电池系统的电动车辆的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池系统和一种电动车辆。更具体地，本发明涉及一种包括燃料电池和蓄电装置的燃料电池系统，以及一种装有该燃料电池系统的电动车辆。
背景技术：
在装有燃料电池系统的电动车辆中要求对能量效率进行改进。例如，日本专利申请特开No.2001-307758公开了一种燃料电池系统，在该系统中当负荷大于基准值时从燃料电池和二次电池(蓄电池)供给所需要的电力量，当负荷等于或小于基准值时，停止燃料电池的工作，从二次电池供给所需要的电力量。在该燃料电池系统中，燃料电池间歇地工作，从而在燃料电池系统的效率降低的低负荷区域中暂时停止燃料电池的工作，在能量转换效率高的区域中燃料电池工作，由此整个燃料电池的效率得到改进。
尽管通过使燃料电池间歇地运行(运转，工作)而使整个燃料电池系统的效率得到提高，但是在电动车辆中负荷频繁地波动。因此，在使燃料电池间歇地运行的情况下，当燃料电池的运行暂时停止而来自燃料电池的电力供给暂时停止时，在短时间内需要重新启动燃料电池的工作。相应地，可以运行空气压缩机和氢泵(辅机)，以便即使来自燃料电池的电力供给被停止时燃料电池输出端的开路电压(OCV)都可保持在预定值。然而，在这种情况下，燃料电池消耗氢(燃料)以维持开路电压，从而恶化燃料效率。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种燃料电池系统，在该燃料电池系统中，使燃料电池间歇地运行，整个燃料电池系统的效率可得到提高，燃料电池的响应可得到改进，即可降低用于重新启动已经停止的燃料电池系统所需要的时间。
同样地，本发明的另一目的是提供一种装有燃料电池和二次电池的电动车辆，在该电动车辆中可以提高整个燃料电池系统的效率，并且可以提高车辆的响应性。
为实现上述目的，本发明涉及一种燃料电池系统，它包括燃料电池、蓄电装置和用于从所述燃料电池和所述蓄电装置向负荷供给电力的电力供给装置。在该燃料电池系统中，所述电力供给装置包括用于在所述负荷所需要的电力量小于基准值时停止所述燃料电池的运行、并且在所述负荷所需要的电力量等于或大于该基准值时启动已停止运行的所述燃料电池的间歇运行装置，和用于根据运行已经停止的所述燃料电池中的内部电动势调整所述基准值的阈值调整装置。
根据这种构造，由于根据由燃料电池中的剩余燃料气体产生的内部电动势(开路电压)调整用于启动燃料电池运行的阈值，所以可以在短时间内重新启动燃料电池的运行。相应地，即使在间歇运行燃料电池期间完全停止向燃料电池供给燃料(氢气)时，燃料电池也可快速重新启动。由此，可以提高在间歇运行期间燃料电池系统的效率，并且可以提高在间歇运行期间燃料电池系统的运行性，也就是说，可以降低燃料电池系统的启动响应时间。
在该燃料电池系统中，电力供给装置可以包括用于在负荷所需要的电力量小于第一基准值时停止燃料电池的运行、并且在负荷所需要的电力量等于或大于第二基准值时启动燃料电池的运行的间歇运行装置；和用于根据运行已经停止的燃料电池中的内部电动势调整该第二基准值的阈值调整装置。蓄电装置存储电能。例如，采用二次电池(蓄电池)、电容器或所谓的超大电容器(具有大容量的电容器)作为蓄电装置。
根据这种构造，如在上述本发明的燃料电池系统中所述的，由于根据由燃料电池中的剩余燃料气体产生的内部电动势(开路电压)调整用于启动燃料电池运行的阈值，所以可以在短时间内重新启动燃料电池的运行。相应地，即使在间歇运行燃料电池期间完全停止向燃料电池供给燃料(氢气)时，燃料电池的运行也可快速重新启动。由此，可以提高在间歇运行期间燃料电池系统的效率，并且可以提高在间歇运行期间燃料电池系统的运行性，也就是说，可以降低燃料电池系统的启动响应时间。此外，由于用于判定是否需要启动燃料电池的运行的判定值(阈值)与用于判定是否需要停止燃料电池的运行的判定值(阈值)不同，所以可以避免游车。
阈值调整装置可以根据燃料电池中的内部电动势的降低而降低第二基准值，以便相对提前启动燃料电池的运行的时间。
同样地，阈值调整装置可以存储与需要根据燃料电池中的内部电动势设定的第二基准值相关的数据。该数据可以作为表或函数存储。
此外，蓄电装置可以包括由燃料电池的电力充电的二次电池(或蓄电池)和电容器中的至少之一。
本发明涉及一种电动车辆，它装有产生用于车辆的动力的电动机和包括用于从所述燃料电池和所述蓄电装置向所述电动机供给电力的电力供给装置的燃料电池系统。在这种电动车辆中，所述电力供给装置包括用于在包括电动机的负荷所需要的电力量小于基准值时停止燃料电池的运行、并且在负荷所需要的电力量等于或大于该基准值时启动已停止运行的燃料电池的间歇运行装置，和用于根据运行已经停止的燃料电池中的内部电动势调整基准值的阈值调整装置。
在该电动车辆中，电力供给装置可以包括用于在包括电动机的负荷所需要的电力量小于第一基准值时停止燃料电池的运行、并且在负荷所需要的电力量等于或大于第二基准值时启动燃料电池的运行的间歇运行装置；和用于根据运行已经停止的燃料电池中的内部电动势调整该第二基准值的阈值调整装置。
根据这种构造，即使在间歇运行燃料电池期间完全停止向燃料电池供给燃料时，也可以防止重新启动燃料电池时燃料电池响应的恶化。因此，可以同时提高燃料效率和电动车辆的响应(例如加速器响应)。
根据本发明，由于在间歇运行燃料电池期间当停止燃料电池的运行时可以完全停止向燃料电池供给燃料，所以可以提高燃料效率。此外，即使当完全停止向燃料电池供给燃料时，由于根据剩余内部电动势(开路电压)设定用于启动燃料电池运行的阈值，所以可以抑制重新启动燃料电池运行(燃料电池响应)中的延迟。
通过结合附图阅读对本发明的示例性实施例进行的详细说明，本发明的上述和其它目的、特征、优点、技术和工业效果将变得更加明显。
图1是说明装有燃料电池系统的电动车辆的框图；图2是说明辅机(在使用氢气的情况下)的框图；图3是说明辅机(在使用改质气体(reformate gas)的情况下)的框图；图4A至图4C是分别说明燃料电池系统效率的曲线图；图5是说明间歇地供给氢气以将燃料电池的开路电压(OCV)保持在预定值的例子的曲线图；图6是说明由于燃料电池的开路电压降低而使启动燃料电池的运行(输出升高)被延迟的特性的曲线图；图7是说明根据开路电压的降低进行用于使燃料电池间歇地运行和较早启动燃料电池的控制的流程图，其中该控制由控制部进行；图8是说明根据燃料电池的开路电压设定用于启动燃料电池运行的基准值(阈值)的例子的曲线图；和图9是说明在使燃料电池系统间歇地运行期间用于启动燃料电池运行的基准值根据开路电压而改变的例子的曲线图。
具体实施例方式
在以下说明和附图中，将根据示例性实施例更详细地说明本发明。首先，将说明燃料电池系统的效率。图4A、4B和4C分别是示出燃料电池效率的曲线图。图4A是示出电流密度、单格电池的效率(燃料电池效率)和燃料电池输出之间关系的曲线图。图4B是示出辅机功率和燃料电池输出之间关系的曲线图。图4C是示出燃料电池输出和燃料电池系统效率之间关系的曲线图。
其中，辅机如空气压缩机和用于将燃料气体(氧和氢气)供给燃料电池的泵要求基本随气体供给量的增加(燃料电池输出)而增加的功率。即使当燃料电池的输出为低时，辅机还是要求预定量的功率(见图4B)。结果是，如图4C所示，燃料电池系统的效率随着燃料电池输出的降低而降低。例如，燃料电池系统的效率由通过用从产生的电力量中减去驱动辅机所需要的电力量而获得的电力量除以气体供给量而获得的值表示。
相应地，在对燃料电池所要求的负荷低于基准值Ps的低负荷区(即燃料电池系统的效率相对低的区域)中，停止来自燃料电池20的电力供给，从二次电池(蓄电装置)供给电力。同时，在对燃料电池所要求的负荷等于或高于基准值Ps的高负荷区域(即燃料电池系统的效率相对高的区域)中，从燃料电池和二次电池向负荷供给电力，由此燃料电池系统的效率得到提高。这是间歇运行燃料电池的原因。
同时，动力发生源(电动机和电源)需要响应加速器的操作和电动车辆的启动操作。因此，如图5所示，即使停止从燃料电池向电动机的电力供给，还是要间歇地运行辅机，从而将燃料气体间歇地供给到燃料电池，并且燃料电池将开路电压(OCV)保持在预定值，例如400伏特。
图6示出当完全踩下加速器(即加速器的开度为100％)使车辆起步时的燃料电池的启动响应特性。在图6中，实线表示在当开路电压(OCV)保持在预定值时启动燃料电池的情况下的燃料电池的输出特性，虚线表示在开路电压已经降低(见图5中的双点划线)后启动燃料电池的情况下的燃料电池的输出特性。当将燃料电池中的开路电压保持在预定值时，发生响应延迟d。同时，当开路电压未保持在预定值时，由于开路电压降低，所以产生大于响应延迟d的响应延迟D。此外，当燃料电池的开路电压降低时，电动机启动时二次电池的输出(工作负荷)增大。相应地，为了获得燃料电池的良好启动响应特性，需要对燃料气体进行不必要的消耗以将开路电压保持在预定值。即使当使燃料电池间歇地运行以使仅在燃料电池系统的效率高的区域中从燃料电池供给电力时，燃料效率也未提高。
相应地，在下述实施例中，当在燃料电池间歇地运行期间停止从燃料电池向负荷的电力供给时，完全停止向燃料电池的燃料气体供给。而且，根据由于完全停止燃料气体供给而降低的燃料电池的开路电压，调节在燃料电池间歇地运行期间启动燃料电池运行所基于的所需负荷的基准值Ps，从而使启动燃料电池运行的时间提前。由此而尽可能抑制在启动燃料电池运行中的延迟。为了防止游车(hunting)，在间歇运行期间用于启动燃料电池运行的基准值和用于停止燃料电池运行的基准值可彼此不相同。
图1是示意性示出装有根据本发明的示例性实施例的燃料电池系统10的电动车辆的构造的框图。根据本实施例的燃料电池系统10装在车辆中，并且用作驱动车辆的电源。该电源系统10主要包括燃料电池20、二次电池30、用于驱动车辆的电动机32、辅机34、DC/DC变换器36、剩余容量监控器46、控制部50、逆变器80和电流传感器90。在下文中，将描述构成燃料电池系统10的每个部件。
燃料电池20是质子交换膜燃料电池，并且具有多个单格电池堆叠在其中的堆叠结构。单格电池是燃料电池的构成单元。单格电池包括隔板、阳极、电解质膜、阴极、隔板(所有都未示出)等。在燃料电池20中，在阴极侧接收含氢的燃料气体，在阳极侧接收含氧的氧化气体，通过下述电化学反应获得电动势。
...(1)...(2)...(3)方程式(1)表示阴极侧的反应，方程式(2)表示阳极侧的反应，方程式(3)表示发生在整个燃料电池中的反应。
在燃料电池20中，可以通过根据与燃料电池20相连的负荷的大小调节燃料气体量和氧化气体量来控制输出。这种对输出的控制通过控制部50进行。也就是说，控制部50向将在下文中描述的空气压缩机和设置在燃料供给通道中的电磁阀输出驱动信号，从而调节它们的驱动量和开/关状态。由此，控制供给气体量，并相应地控制燃料电池20的输出。
燃料电池20连接到二次电池30、电动机32和辅机34。燃料电池20向电动机32和辅机34供给电力，并且根据这些负荷的状态向二次电池30充电。在这种情况下，燃料电池20经由开关20a连接到电动机32和辅机34。当控制部50控制开关20a和二次电池侧的开关30a的开/关后，电力供给到电动机32和辅机34，并且二次电池30被充电。此外，在燃料电池20的输出端连接有伏特计20b，所检测的电压提供给控制部50。
二次电池30以及燃料电池20是用于向电动机32和辅机34供给电力的电源装置(蓄电装置)。虽然在该实施例中使用铅酸蓄电池，但是也可以使用其它类型的二次电池，例如镍铬蓄电池、镍氢蓄电池或锂二次电池。二次电池30的容量根据装有燃料电池系统10的车辆的尺寸、假定的行驶条件、所需要的车辆性能(最大速度、行驶距离等)等确定。代替二次电池30，也可以使用具有大容量的电容器或超大电容器。
电动机32是三相同步电动机。由燃料电池20和二次电池30输出的直流电通过将在下文中描述的逆变器80转换成三相交流电，将该三相交流电供给到电动机32。当电动机32接收到这种电力供给时，电动机32产生旋转驱动力。该旋转驱动力经由装有燃料电池系统10的车辆的车轴传递到该车辆的前轮和/或后轮，该旋转驱动力用作驱动车辆的动力。电动机32由控制装置33控制。控制装置33连接到用于检测加速踏板33a的操作量的加速踏板位置传感器33b等。控制装置33也连接到控制部50，有关驱动电动机32等的驱动的各种信息在控制装置33和控制部50之间传送。例如加速踏板33a的操作量作为驱动力要求量而被传递给控制部50。
辅机34向燃料电池20供给燃料气体等，以使燃料电池20运行。
图2是示意性示出在使用高压氢气作为燃料的情况下的辅机的构造的一个例子的框图。保存在高压氢燃料箱34a中的氢气经由开/关阀34b、用于调节压力的减压阀34c和开/关阀34d供给到燃料电池20的阴极组。通过将在下文中描述的控制部50电磁地控制这些阀的开/关和开/关量。未被燃料电池20使用的排出氢气经由气液分离器34e收集，并且通过泵34f返回到燃料电池20而重新使用。其间，通过空气滤清器34g除去供给到阳极组的空气(氧气)中的异物。然后，该空气(氧气)经过压缩机34h压缩，通过增湿器34i增湿，而随后供给到燃料电池20。压缩机34h可调节供给到燃料电池20的氧化气体的压力。
图3是示意性示出在使用改质器(重整器)作为氢气供应源的情况下的辅机的构造的一个例子的框图。燃料电池系统10主要包括上述燃料电池20、甲醇箱34j、水箱34k，改质器34l和空气压缩机34m。此外，燃料电池系统10还包括从所述箱中向改质器34l供应甲醇和水的泵34n、34o，和调节从改质器34l向燃料电池70供给的氢气量的电磁阀34p。空气压缩机34m可调节供给到燃料电池20的氧化气体的压力。
除了上述电磁阀、空气压缩机和泵以外，辅机34还包括质量流量控制器、水泵(未示出)等。水泵对冷却剂加压，并使冷却剂在燃料电池20中循环。由于使冷却剂循环，所以在燃料电池20中进行热交换，将燃料电池20内的温度控制在等于或小于预定温度。质量流量控制器调节如上所述供给到燃料电池20的燃料气体的压力和流量。在图1中，燃料电池20和辅机34彼此单独示出。然而，这些与控制燃料电池20的运行状态相关的装置也可称作用于燃料电池20的外围设备。
DC/DC变换器36转换由燃料电池20和二次电池30输出的电能的电压，并且将电能供给辅机34。通常，用于驱动电动机32所需要的电压是大约200伏特至300伏特，燃料电池20和二次电池30输出对应于这种需求电压的电压。然而，由于用于驱动辅机34，例如泵、压缩机和电磁阀的电压为大约12伏特，所以从燃料电池20和二次电池30输出的电压不能直接供给辅机34。因此，通过DC/DC变换器36降低电压。
通过将上述燃料电池侧的开关20a和二次电池侧的开关30a接通和断开，可使电动机32连接到燃料电池20和二次电池30上和从燃料电池20及二次电池30上断开。上述各开关的连接状态由控制部50控制。
剩余容量监控器46检测二次电池30的剩余容量，并且由SOC计构成。SOC计累计二次电池30中的充电/放电电流值和充电/放电时间。在该值的基础上，控制部50计算二次电池30的剩余容量。剩余容量监控器46可由电压传感器而不是SOC计构成。当二次电池30的剩余容量降低时，电压值降低。因此，可通过利用这种特性检测电压而检测二次电池30的剩余容量。这样一种电压传感器连接到控制部50，由电压传感器检测的电压值和剩余容量之间的关系事先存储在控制部50中，由此控制部50可根据从电压传感器输入的检测值而得到二次电池30的剩余容量。可选地，剩余容量监控器46可通过检测二次电池30的电解液的比重而检测剩余容量。
控制部50构成为主要包括微计算机的逻辑电路，并且包括CPU52、ROM54、RAM56和输入/输出端口58。CPU52根据事先设定的控制程序执行预定的计算等。CPU52执行各种计算时所必须的控制程序和控制数据，存储在ROM54中。CPU52执行各种计算时所必须的各种数据被暂时地读取并写入RAM56中。输入/输出端口58从各种传感器例如输出伏特计20b和剩余容量监控器46接收检测信号等。此外，输入/输出端口58根据计算结果向逆变器80输出驱动信号，由此控制燃料电池系统各部分的驱动状态。
在图1中，控制部50从输出伏特计20b、剩余容量监控器46和电流传感器90接收信号，向逆变器80输出驱动信号，并且向控制装置33传递信号和从控制装置33接收信号。然而，控制部50还执行燃料电池系统中的各种其它控制。未示于图1中但由控制部50执行的主要控制包括控制燃料电池20的运行状态。如上所述，控制部50通过向空气压缩机和质量流量控制器输出驱动信号而控制氧化气体量和燃料气体量。在使用改质器的情况下，控制部50控制供给到改质器34l的甲醇和水的量，管理燃料电池20的温度和改质器34l的温度。
逆变器80将来自燃料电池20和二次电池30的直流电转换成三相交流电，并且将该三相交流电供给到电动机32。根据来自控制部50的指令，逆变器80调节供给到电动机32的三相交流电的振幅(实际为脉冲宽度)和频率，由此控制由电动机32生成的驱动力。逆变器80构造成使用六个开关元件(例如，双极MOSFET(IGBT))作为主电路元件。通过这些开关元件的开关操作，从燃料电池20和二次电池30供给的直流电压转换成具有给定振幅和频率的三相交流电。包含在逆变器80中的每个开关元件都通过导线连接到控制部50，并且利用来自控制部50的驱动信号控制各开关元件的开关定时。
逆变器80和燃料电池20或二次电池30之间的连接状态由对上述开关20a和30a的控制决定。也就是说，逆变器80可连接到燃料电池20，逆变器80可连接到二次电池30，逆变器80可同时连接到燃料电池20和二次电池30。当逆变器80与燃料电池20和/或二次电池30以上述方式相连时，可任意执行燃料电池20的输出控制(用于操纵燃料电池20以生成电力的控制)，也可任意地执行二次电池30的输出控制(用于将输出接通和断开的控制)。
电流传感器90检测来自二次电池30的输出电流。二次电池30的输出状态可处于放电状态或充电状态。然而，在下文中，在充电状态下和在放电状态下从二次电池30输出的电流都将称作“输出电流”。电流传感器90连接到控制部50，由电流传感器90检测的电流值输入到控制部50。所输入的电流值用于确定二次电池30的充电/放电状态。
接下来，将描述由具有上述构造的燃料电池系统10执行的燃料电池控制。图7是示出燃料电池控制的处理的流程图。在包括燃料电池系统10的车辆中，当用于启动燃料电池系统的预定启动开关接通时燃料电池控制开始被CPU52执行，并且以预定时间间隔例如10μsec的时间间隔执行(步骤S100)。
当执行该例程时，控制部50读取装有燃料电池系统10的电动车辆的驾驶员通过加速器操作而要求的驱动力(驱动功率)的量，并且读取二次电池30的剩余容量Q(步骤S110)。所需要的驱动力是根据驾驶员的需求用于使车辆的电动机32旋转的电力(负荷电力)。所要求的驱动力的量利用燃料电池20生成的电力和二次电池30放出的电力获得。在这种情况下，所要求的驱动力的量由通过控制装置33向控制部50输入加速踏板33a的操作量(加速踏板位置传感器33b的输出)确定。同样地，通过读取剩余容量监控器46的输出值来计算二次电池30的剩余容量Q。
计算完剩余容量Q之后，对表示燃料电池20处于间歇运行模式并进行间歇运行的间歇标志的设定状态进行判定(步骤S120)。通过将在下文中描述的过程设定和重新设定间歇标志。当间歇标志被设定时(即当标志为“开(on)”时)，燃料电池20需要被间歇地运行。当间歇标志被重新设定时(即当标志为“关(off)”时)，燃料电池20需要被连续运行。
当判定间歇标志被重新设定(即连续运行燃料电池20；步骤S120为“是”时)，就判定所需要的驱动力的量是否小于作为判定基准值的阈值Ps(步骤S120)。如图4C所示，阈值Ps是在由于燃料电池20的低输出而使燃料电池系统的效率低的低负荷区中燃料电池输出的边界值。阈值Ps用作判定是否需要停止来自燃料电池20的电力供给并需要执行间歇运行模式的基准值。例如，将阈值Ps设定成等于约10％的发电能力(电力供给能力)的值。根据二次电池30的充电/放电能力和在步骤S110中读取的剩余容量Q等，可以各种方式设定阈值Ps。由此，本发明并不限定于上述阈值Ps。
当在步骤S130中作出了肯定的判定时(即在步骤S130中为“是”)，尽管由于在步骤S120中判定间歇标志为“关”而使得燃料电池20连续运行，所要求的驱动力的量小于阈值Ps。因此，在这种情况下，间歇标志设定成“开”以表示燃料电池20的运行模式需要从连续运行模式转换成间歇运行模式(步骤S140)。接下来，对在步骤S100中读取的剩余容量Q和所要求的驱动力进行相互比较，并且判定是否可以仅使用二次电池30的剩余容量Q的电力来根据所要求的驱动力的量使电动机32旋转(步骤S150)。也就是说，判定是否可以仅使用剩余容量Q的电力获取所要求的驱动力的量。
当在步骤S150中判定所要求的驱动力的量可以通过仅使用剩余容量Q的电力而获取(即步骤S150为“是”)时，在低发电区中，停止包括燃料电池20和燃料电池20的辅机(外围设备)如泵和压缩机的燃料电池设备组的运行，并且停止向燃料电池20供给燃料气体。开关20a打开，停止从燃料电池20向电动机32供给电力。燃料电池20的开路电压由伏特计20b检测，并且传送到控制部50(步骤S160)。随后，闭合开关30a，剩余容量Q的电力从二次电池30供给电动机32(步骤S170)，并且终止例程(S230)。由此，仅使用从二次电池30供给的电力使电动机32旋转，并且根据所要求的驱动力的量驱动车辆。
另一方面，当在步骤S150中判定所要求的驱动力的量不能仅使用二次电池30的剩余容量Q的电力获取(即步骤S150为“否”)时，将间歇标志设定为“关”以表示需要运行上述燃料电池设备组以产生电力，并且燃料电池20的运行模式需改变成连续运行模式，以同时利用二次电池30和燃料电池20(步骤S210)。由此，可以使用二次电池30的剩余容量Q的电力和燃料电池20生成的电力，使电动机32旋转并且可以根据所要求的驱动力的量使车辆驱动。
在步骤S210之后，为利用二次电池30的剩余容量Q的电力和由燃料电池20生成的电力获得所要求的驱动力的量，使开关20a和30a闭合，以便电力从二次电池30和燃料电池20输送到电动机32(步骤S220)。然后，例程终止(S230)。更具体地，由于所要求的驱动力的量和剩余容量Q在步骤S110中已被读取并且为已知，所以需要由燃料电池20生成的电力的量根据所要求的驱动力的量和剩余容量Q确定。因此，计算用于产生所确定的电力量的上述燃料气体的供应量，根据计算结果运行上述辅机(外围设备)，并且由燃料电池20生成所确定的电力量。由此，电动机32使用从二次电池30和燃料电池20供给的电力旋转，车辆根据所要求的驱动力的量驱动。
当在步骤S130中判定所要求的驱动力的量等于或大于阈值Ps时，运行燃料电池20以便在燃料电池系统10的效率高的区域中生成电力而获得所要求的驱动力的量。相应地，例程前进到步骤S210以使用二次电池30的电力和由燃料电池20生成的电力获得所要求的驱动力的量。由此，电动机32使用从二次电池30和燃料电池20供给的电力旋转，车辆根据所要求的驱动力的量驱动(步骤S220)。
另一方面，当在步骤S120中控制部50判定间歇标志设定为“开”(执行间歇运行)(即在步骤S120中为“否”)时，控制部50读取从伏特计20b输送到控制部50的燃料电池的输出电压Vocv，以便设定阈值Pon(步骤S180)，该阈值Pon用于根据运行已停止的燃料电池20的当前开路电压(OCV)判定是否需要启动燃料电池的运行。
控制部50根据燃料电池20的输出电压Vocv计算阈值Pon。图8是说明开路电压Vocv和需要设定的该阈值之间的关系的例子的曲线图。控制部50的ROM54事先存储该曲线图作为图(map)数据或函数Pon＝f(Vocv)。函数Pon＝f(Vocv)具有阈值Pon随着开路电压的降低而降低的特性。由此，用于启动燃料电池运行的阈值Pon随着运行已经被停止的燃料电池的开路电压的降低而降低。由于阈值Pon降低并且启动燃料电池20运行的时间相对提前，所以如后面将要描述的可以使燃料电池20的输出的上升的延迟量降低。可以在设计系统中或通过实验识别函数f(Vocv)的最佳特性。在图8所示的例子中，当燃料电池20的开路电压Vocv为400伏特时，将阈值Pon设定成7千瓦。当开路电压Vocv为200伏特时，将阈值Pon设定成3千瓦。控制部50以这种方式设定阈值Pon(步骤S190)。
图9是说明根据燃料电池20的当前开路电压调整阈值Pon的例子的曲线图。当当前开路电压Vocv低时，将阈值Pon设定成相对低。当当前开路电压Vocv高(例如，额定输出电压)时，将阈值Pon设定成相对高。
接下来，控制部50判定所要求的驱动力的量是否大于阈值Pon(步骤S200)。当判定为肯定(即步骤S200为“是”)时，尽管由于在步骤S120中判定为间歇标志为“开”燃料电池20需要间歇地运行，但是所要求的驱动力的量大于阈值Pon。相应地，例程前进到步骤S210，以便利用二次电池30的电力和由燃料电池20生成的电力获得较大的所需要的驱动力的量。
如上所述，控制部50使上述燃料电池设备组运行以生成电力，并且将间歇标志设定为“关”以表示燃料电池20的运行模式需要变成连续运行模式(步骤S210)从而利用二次电池30和燃料电池20。由此，利用二次电池30的剩余容量Q的电力和由燃料电池20生成的电力，电动机32可以旋转并且车辆可以根据所要求的驱动力的量驱动。
在步骤S210之后，为利用二次电池30的剩余容量Q的电力和由燃料电池20生成的电力获得所要求的驱动力的量，使开关20a和30a闭合，以使电力从二次电池30和燃料电池20输送到电动机32(步骤S220)，之后例程终止(S230)。
更具体地，由于所要求的驱动力的量和剩余容量Q在步骤S110中已知，所以需要由燃料电池20生成的电力的量根据所要求的驱动力的量和剩余容量Q确定。因此，计算用于产生所确定的电力量的上述燃料气体的供应量，根据计算结果运行上述辅机(外围设备)，并且由燃料电池20生成所确定的电力量。由此，电动机32使用从二次电池30和燃料电池20供给的电力旋转，车辆根据所要求的驱动力的量驱动。
当在步骤S200中为否定判定(即步骤S200为“否”)时，所要求的驱动力的量保持为小。相应地，在使包括燃料电池20及其外围设备的燃料电池设备组保持停止的同时，为利用二次电池30的剩余容量Q的电力获得所要求的驱动力的量，例程前进到步骤S150，执行上述随后的处理。由此，在燃料电池系统10中，在停止燃料电池设备组的状态下(步骤S160)，电动机32使用二次电池30的剩余容量Q的电力旋转(步骤S170)，车辆根据所要求的驱动力的量驱动。当剩余容量Q的电力不充足时(即步骤S150为“否”时)，电动机32使用从二次电池30和燃料电池20供给的电力旋转(步骤S210和步骤S220)，车辆根据所要求的驱动力的量驱动。
如上所述，在根据本实施例的燃料电池系统10中，根据驾驶员通过对加速踏板33a的踩压操作所要求的驱动力的量，判定执行或停止包括燃料电池20及其外围设备的燃料电池设备组的运行。也就是说，在所要求的驱动力的量大并相应地对燃料电池20的要求负荷高的情况下(即在步骤S130中为“否”)，使燃料电池设备组运行以使燃料电池20生成电力(步骤S210)，并且利用由燃料电池20生成的电力和二次电池30的电力使电动机32旋转和驱动车辆(步骤S220)。相应地，在这种情况下，可有效地运行燃料电池20以便在高负荷区生成电力。由此，可以提高燃料电池系统10的效率，并由此可以提高包括燃料电池系统的电动车辆的效率。
另一方面，在对燃料电池20需求的负荷低的情况下(即在步骤S130中为“是”)，当电动机32可仅利用二次电池30的剩余容量Q的电力旋转(即在步骤S150中为“是”)时，停止包括燃料电池20及其外围设备的燃料电池设备组的运行(步骤S160)，电动机32仅利用二次电池30的剩余容量Q的电力旋转(步骤S170)以便根据所要求的驱动力的量驱动车辆。相应地，由于防止在低负荷区运行燃料电池20而生成电力，所以防止了燃料电池20不必要地生成电力。由此，可以提高燃料电池系统10的效率，并由此可以提高包括燃料电池系统10的电动车辆的效率。此外，由于当停止燃料电池20的运行时也停止了外围设备如空气压缩机66的运行，所以不再使用用于运行外围设备的能量，由此燃料电池系统的效率得到进一步提高。
即使在所要求的驱动力的量大并相应地对燃料电池20需求的负荷低的情况下，当二次电池30的剩余容量Q的电力不充足时(即步骤S150为“否”时)，使燃料电池设备组运行，利用从二次电池30和燃料电池20供给的电力使电动机32旋转(步骤S210和步骤S220)以便根据所要求的驱动力的量驱动车辆。相应地，由于车辆以驾驶员所希望的驱动状态被驱动，所以驾驶员不会感觉到不舒服。
同样地，在该实施例中，在由于所要求的驱动力的量小于阈值Ps而停止燃料电池20的运行后当所要求的驱动力的量增加而运行燃料电池20的情况下，燃料电池20的运行保持停止，直至所要求的驱动力的量大于阈值Pon(步骤S200)。相应地，即使在所要求的驱动力的量在阈值Ps附近增加或降低时，也可防止燃料电池20的重复运行和停止，也就是说，可以防止游车。因此，可以防止由于游车所带来的问题，例如，在燃料电池20的外围设备如泵中产生噪音。
在本实施例中，在由于所要求的驱动力的量小于阈值Ps而完全停止燃料电池20的运行后当所要求的驱动力的量增加而重新启动燃料电池20的运行的情况下，根据当前开路电压(OCV)调整用于判定是否需要启动燃料电池20的运行的阈值Pon(步骤S180和步骤S190)。相应地，可以尽可能地抑制由于燃料电池20的开路电压(OCV)的降低而造成的启动燃料电池的运行的延迟(见图6)。由此，可以获得燃料电池的良好启动特性(响应)，并且提高燃料电池的燃料效率。
此外，代替使用上述固定的阈值Ps，可以改变阈值Ps。例如，可以将阈值Ps设定成比根据剩余电动势调节的阈值Pon低预定量α的值(即Pon-α)。在这种情况下，即使当阈值Pon改变时，也可总能获得防止游车的余量α。同样地，如果不发生游车，阈值Ps可以设定成与阈值Pon相同的值。
权利要求
1.一种燃料电池系统，它包括燃料电池(20)、蓄电装置(30)和用于从所述燃料电池和所述蓄电装置向负荷供给电力的电力供给装置(50，20a，30a)，其特征在于，所述电力供给装置(50，20a，30a)包括用于在所述负荷所需要的电力量小于基准值时停止所述燃料电池(20)的运行、并且在所述负荷所需要的电力量等于或大于该基准值时启动已停止运行的所述燃料电池(20)的间歇运行装置(50)，和用于根据运行已经停止的所述燃料电池(20)中的内部电动势(Vocv)调整所述基准值的阈值调整装置(50)。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阈值调整装置(50)根据所述燃料电池(20)中的内部电动势(Vocv)的降低而降低基准值，以相对提前启动所述燃料电池(20)的运行的时间。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阈值调整装置(50)存储与需要根据所述燃料电池(20)中的内部电动势(Vocv)设定的所述基准值相关的数据。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述基准值包括第一基准值(Ps)和大于所述第一基准值(Ps)的第二基准值(Pon)；所述间歇运行装置(50)在所述负荷所需要的电力量小于所述第一基准值(Ps)时停止所述燃料电池(20)的运行，并且在所述负荷所需要的电力量等于或大于所述第二基准值(Pon)时启动已停止运行的所述燃料电池(20)；并且所述阈值调整装置(50)根据运行已经停止的所述燃料电池(20)中的内部电动势(Vocv)调整所述第二基准值(Pon)。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阈值调整装置(50)根据所述燃料电池(20)中的内部电动势(Vocv)的降低而降低所述第二基准值(Pon)，以相对提前启动所述燃料电池(20)的运行的时间。
6.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阈值调整装置(50)存储与需要根据所述燃料电池(20)中的内部电动势(Vocv)设定的所述第二基准值(Pon)相关的数据。
7.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述蓄电装置(30)包括二次电池和电容器中的至少之一。
8.一种电动车辆，它装有产生用于车辆的动力的电动机(32)和包括用于从燃料电池(20)和蓄电装置(30)向所述电动机(32)供给电力的电力供给装置(50，20a，30a)的燃料电池系统，其特征在于，所述电力供给装置(50，20a，30a)包括用于在包括所述电动机(32)的负荷所需要的电力量小于基准值时停止所述燃料电池(20)的运行、并且在所述负荷所需要的电力量等于或大于该基准值时启动已停止运行的所述燃料电池(20)的间歇运行装置(50)，和用于根据运行已经停止的所述燃料电池(20)中的内部电动势(Vocv)调整所述基准值的阈值调整装置(50)。
9.根据权利要求8所述的电动车辆，其特征在于，所述基准值包括第一基准值(Ps)和大于所述第一基准值(Ps)的第二基准值(Pon)；所述间歇运行装置(50)在所述负荷所需要的电力量小于所述第一基准值(Ps)时停止所述燃料电池(20)的运行，并且在所述负荷所需要的电力量等于或大于所述第二基准值(Pon)时启动已停止运行的所述燃料电池(20)；并且所述阈值调整装置(50)根据运行已经停止的所述燃料电池(20)中的内部电动势(Vocv)调整所述第二基准值(Pon)。
全文摘要
在一种从燃料电池(20)和二次电池(30)供给负荷电力的燃料电池系统中，在低负荷区执行间歇运行，也就是，停止燃料电池(20)的运行并且从二次电池(30)供给负荷电力。此时，根据开路电压(OCV)调整用于停止和启动燃料电池(20)的运行的阈值(步骤S180至步骤S200)。由此，可以在已经停止产生电力的燃料电池(20)中开路电压(OCV)已经降低后重新启动燃料电池(20)的运行时，防止为了将开路电压保持在预定值而不必要地消耗燃料。
文档编号H01M8/00GK1832872SQ200480022724
公开日2006年9月13日 申请日期2004年8月18日 优先权日2003年8月25日
发明者石川哲浩, 吉田宽史, 佐藤仁 申请人:丰田自动车株式会社