专利名称：燃料电池系统及搭载了该系统的车辆的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过串联连接了电压调整部的蓄电装置、和与串联连接的上述电压调整部及上述蓄电装置并联连接的燃料电池的合成电源来驱动负载的燃料电池系统及搭载了该系统的车辆，涉及在这种燃料电池系统及搭载了该系统的车辆中既可以抑制上述燃料电池的劣化、又可以提高系统效率的燃料电池系统及搭载了该系统的车辆。
背景技术：
燃料电池例如具备由阴极电极与阳极电极夹持全氟磺酸的薄膜中被含浸了水的固体高分子电解质膜而成的电解质膜·电极结构体(MEA)。阴极电极及阳极电极具有由复写纸等构成的气体扩散层；在上述气体扩散层的表面上均衡地涂敷了表面担载有钼合金等催化剂(以下也称为Pt催化剂)粒子的碳粒子而形成的电极催化剂层。电极催化剂层形成于固体高分子电解质膜的两面。 用于抑制燃料电池的劣化的技术已经在JP2007-005038A中提出。在JP2007-005038A所提出的技术中，回避上述Pt催化剂发生结块(sintering)现象(Pt催化剂的凝聚)的氧化还原电位，使燃料电池发电。但是，在JP2007-005038A所涉及的技术中，为了持续回避氧化还原电位，对于由燃料电池的电力驱动的行驶电动机等负载所要求的电力而言，需要增大或减小从燃料电池输出的电力，该情况下将燃料电池中产生的剩余电力借助DC/DC变换器的限幅动作而使其降压后充电到电池(蓄电装置)中，对于上述负载所要求的电力的不足电力而言，通过上述DC/DC变换器的限幅动作使电池的电压升压后进行补充(assist)。然而，在JP2007-005038A所涉及的技术中，为了持续回避氧化还原电位，会频繁地发生DC/DC变换器的限幅动作，存在DC/DC变换器的开关损耗(lose)增大、燃料电池系统的系统效率降低的问题。
发明内容
本发明是考虑了上述课题而实现的，其目的在于提供一种既能够防止燃料电池的劣化、又能提高燃料电池系统的系统效率的燃料电池系统及搭载了该系统的车辆。本发明涉及的燃料电池系统具备具有催化剂并通过利用上述催化剂使氧或氢反应而进行发电的燃料电池；向上述燃料电池供给上述氧及上述氢中的至少一方的气体供给部；输出电压根据蓄电量而变动的蓄电装置；与上述燃料电池并联且与上述蓄电装置串联地设置，对上述燃料电池的输出电压进行调整的电压调整部；和由上述燃料电池的输出电力来驱动的负载，该燃料电池系统的特征在于还具有检测上述负载的要求电力，并且对上述燃料电池、上述气体供给部、及上述电压调整部进行控制的控制部，上述控制部在上述蓄电装置的输出电压为上述燃料电池的氧化还原进行电压范围外的情况下，将上述电压调整部控制为直接连接状态，并且按照使向上述燃料电池供给的氧或氢的浓度追随基于上述负载的要求电力而决定的目标发电电力的方式控制上述气体供给部。
根据本发明，因为控制部在蓄电装置的输出电压为燃料电池的氧化还原进行电压范围外的情况下，将电压调整部控制为不是升降压状态的直接连接状态(蓄电装置的输出电压 燃料电池的输出电压)，并且按照使向上述燃料电池供给的氧或氢的浓度追随基于负载的要求电力而决定的目标发电电力的方式控制气体供给部，所以可以防止燃料电池的劣化，且可以降低电压调整部中的升降压所引起的电力损耗。该情况下，上述蓄电装置的输出电压为上述燃料电池的上述氧化还原进行电压范围外的情况，是指该输出电压为比上述氧化还原进行电压范围低的催化剂还原稳定电压范围内或者比上述氧化还原进行电压范围高的催化剂氧化稳定电压范围内的电压。进而，优选还具备对外部气体温度进行测量的外部气体温度传感器，在由上述外部气体温度传感器测量出的外部气体温度为阈值温度以上时，上述控制部以上述催化剂还原稳定电压范围内的电压将上述电压调整部控制为上述直接连接状态、即控制为将上述蓄电装置与上述燃料电池直接连接的状态。在外部气体温度比阈值温度低的情况下，因为有时在燃料电池系统重新启动时燃料电池系统的暖机等需要能量，所以该情况下不成为直接连接状态而将上述蓄电装置的电压保持高的电压，从而可以确保上述能量。 再有，上述控制部在上述负载的要求电力高时，由上述电压调整部调整上述燃料电池的输出电压，从上述燃料电池与上述蓄电装置向上述负载供给电力，而在上述负载的要求电力低时，将上述电压调整部控制为上述直接连接状态，主要利用上述燃料电池的电力来应对上述负载的要求电力。另外，上述负载的要求电力高时例如在燃料电池系统被搭载到车辆中的情况下指的是爬坡时等。还有，上述控制部在将上述电压调整部控制为上述直接连接状态时，按照使上述蓄电装置的目标SOC值成为与上述氧化还原进行电压范围的下限电压对应的阈值SOC值以下的方式进行控制，从而可以使成为上述直接连接状态的频度增加。搭载了上述燃料电池系统的车辆也包含在本发明中。根据本发明，因为控制部在蓄电装置的输出电压为燃料电池的氧化还原进行电压范围外的情况下、将电压调整部控制为直接连接状态，并且按照使向上述燃料电池供给的氧或氢的浓度追随基于负载的要求电力而决定的目标发电电力的方式控制气体供给部，所以既可以防止燃料电池的劣化，又可以提高燃料电池系统的系统效率。根据附图与关联的下述优选实施方式例子的说明，会更加明了上述目的及其他目的、特征以及优点。
图I是本发明一实施方式涉及的搭载了燃料电池系统的燃料电池车辆的概略整体构成图。图2是上述燃料电池车辆的电力系统的框图。图3是上述实施方式中的燃料电池组件的概略构成图。图4是表示上述实施方式中的DC/DC变换器的细节的电路图。图5是电子控制装置(ECT)中的基本控制(主程序)的流程图。图6是计算系统负载的流程图。图7是表示当前的电动机转速与电动机预想消耗电力的关系的图。
图8是表示构成燃料电池的燃料电池单元的电压与单元的劣化量的关系的一例的图。图9是表示燃料电池单元的电压的变动速度不同时的氧化的进行与还原的进行的形态的例子的循环伏安法图。图10是燃料电池的通常的电流电压特性的说明图。图11是表示阴极化学计量比(stoichiometric ratio)与单元电流的关系的图。图12是用于说明燃料电池的发电控制相关的基本控制模式的流程图。图13是燃料电池中的多个电力供给模式(基本控制模式等)的说明图。图14是表示电池的SOC值与充放电系数的关系的图。图15是表示目标FC电流与目标氧浓度的关系的图。·图16是表示目标FC电流与目标气泵转速及目标水泵转速的关系的图。图17是表示目标FC电流与目标背压阀开度的关系的图。图18是电动机的转矩控制的流程图。图19是表示燃料电池的发电电力与发电效率的关系的图。图20是用于说明第I实施例的动作的流程图。图21是对第I实施例与基本控制相关的技术进行比较并说明的时间图。图22是第2实施例中的燃料电池组件的概略构成图。图23是表示循环阀的阀开度与阴极流路中的氧浓度的关系的图。图24是用于说明第2实施例的动作的流程图。图25是在与燃料电池电压的关系中表示目标SOC值和电池电压的关系的图。图26是对现有技术与第3实施例进行比较并说明的时间图。图27是表示燃料电池系统的第I变形例的概略构成的框图。图28是表示燃料电池系统的第2变形例的概略构成的框图。图29是表示燃料电池系统的第3变形例的概略构成的框图。
具体实施例方式图I是本发明一实施方式涉及的搭载了燃料电池系统12 (以下称为“FC系统12”)的燃料电池车辆10 (以下称为“FC车辆10” )的概略整体构成图。图2是FC车辆10的电力系统的框图。如图I及图2所示，FC车辆10除了 FC系统12以外，还具有行驶用的电动机14 (驱动电动机)和转换器(双向的直流·交流变换器)16。FC系统12具有燃料电池组件18 (以下称为“FC组件18”)、高电压电池20 (以下也称为“电池20”)(蓄电装置)、DC/DC变换器22 (电压调整部)、和电子控制装置24 (以下称为“ECU24”)。电动机14基于从FC组件18及电池20供给的电力来生成驱动力，并借助该驱动力，通过变速器26而使车轮28旋转。再有，电动机14将通过进行再生而生成的电力(再生功率Preg) [W]向电池20等输出(参照图2)。转换器16 {也称为PDU (Power Drive Unit)}为3相全桥型的构成,进行直流/交流变换，将直流变换为3相的交流之后向电动机14供给，另一方面将伴随于电动机14的再生动作的交流/直流变换后的直流通过DC/DC变换器22而向电池20等供给。
另外，将电动机14与转换器16合并称为负载30 (在与后述的辅机负载31进行区别的情况下也称为主负载30)。将主负载30与辅机负载31合并称为负载33 (也称为综合负载33)。图3是FC组件18的概略构成图。FC组件18具备燃料电池组40 (以下称为“FC组40”或“FC40”)、对FC组40的阳极给排氢(燃料气体)的阳极系统54、对FC组40的阴极给排包含氧的空气(氧化剂气体)的阴极系统56、使冷却FC组40的冷却水(冷却剂)循环的冷却系统58、以及单元电压监视器42。FC组40例如具有将利用阳极电极与阴极电极从两侧夹持固体高分子电解质膜而形成的燃料电池单元(以下称为“FC单元”)进行层叠的结构。阳极系统54具有氢罐44、调节器46、喷射器48及净化阀50。氢罐44收纳作为燃料气体的氢，经由配管44a、调节器46、配管46a、喷射器48、配管48a而与FC40的阳极流路 52的入口连接。由此，能够经由配管44a等将氢罐44的氢向阳极流路52供给。另外，配管44a中设置有切断阀(未图示)，在FC组40的发电之际，该切断阀由E⑶24进行开阀。调节器46将所导入的氢的压力调整为规定值之后排出。即，调节器46根据经由配管46b而输入的阴极侧的空气的压力(先导压)，对下游侧的压力(阳极侧的氢的压力)进行控制。因此，阳极侧的氢的压力与阴极侧的空气的压力联动，如后述，若为了使氧浓度变化而使气泵60的转速等变化，则阳极侧的氢的压力也变化。喷射器48可以通过利用喷嘴对来自氢罐44的氢进行喷射而使负压产生，并借助该负压来吸引配管48b的阳极废气。阳极流路52的出口经由配管48b而与喷射器48的吸气口连接。而且，从阳极流路52排出的阳极废气通过配管48b而被再次导入到喷射器48中，由此阳极废气(氢)循环。另外，阳极废气包含在阳极的电极反应中未被消耗的氢、及水蒸气。再有，配管48b中设有对阳极废气所包含的水分{冷凝水(液体)、水蒸气(气体)}进行分离·回收的气液分离器(未图示)。配管48b的一部分经由配管50a、净化阀50、配管50b而与设置在配管64c中的稀释器(未图示)连接。净化阀50在判定为FC组40的发电不稳定的情况下基于来自ECU24的指令而在规定时间内被开阀。上述稀释器将来自净化阀50的阳极废气中的氢用阴极废气稀释之后向大气中排出。阴极系统56具有气泵60、加湿器62及背压阀64。气泵60对外部气体(空气)进行压缩之后送入到阴极侧，其吸气口经由配管60a而与车外(外部、外部气体)连通。气泵60的喷出口经由配管60b、加湿器62及配管62a而与阴极流路74的入口连接。气泵60根据E⑶24的指令而工作时，气泵60经由配管60a对车外的空气进行吸气并压缩，该压缩后的空气通过配管60b等而被压送到FC40的阴极流路74中。加湿器62具备具有水分透过性的多个中空丝膜62e。而且，加湿器62经由中空丝膜62e而使面向阴极流路74的空气与从阴极流路74排出的多湿的阴极废气进行水分交换，对面向阴极流路74的空气进行加湿。 在阴极流路74的出口侧配置有配管62b、加湿器62、配管64a、背压阀64、配管64b及配管64c。从阴极流路74排出的阴极废气(氧化剂废气)通过配管62b等而从配管64c被排出到车外(大气)。背压阀64例如由蝶形阀构成，通过由E⑶24控制其开度，从而控制阴极流路74中的空气的压力。更具体的是，若背压阀64的开度减小，则阴极流路74中的空气的压力上升，每单位体积流量的氧浓度(体积浓度)增高。相反，若背压阀64的开度增大，则阴极流路74中的空气的压力下降，每单位体积流量的氧浓度(体积浓度)降低。温度传感器72被安装在配管64a上，检测阴极废气的温度并向E⑶24输出。冷却系统58具有水泵80及散热器(radiator) 82。水泵80使冷却水(冷却剂)循环，其喷出口经由配管80a、FC40的冷却剂流路84、配管82a、散热器82、配管82b而与水泵80的吸入口连接。若水泵80基于E⑶24的指令而工作，则冷却水在冷却剂流路84与散热器82之间循环，对FC组40进行冷却。单元电压监视器42是检测构成FC组40的多个单个单元各自的单元电压Vcell的测量设备，具备监视器主体以及将监视器主体与各单个单元连接起来的束线。监视器主体以规定周期对所有的单个单元进行扫描，检测各单个单元的单元电压Vcell，计算平均单元电压及最低电压。而且，将平均单元电压及最低单元电压向ECU24输出。如图2所示，将来自FC组40的电力(以下称为“FC电力Pfc”)向转换器16及电动机14(牵引时)供给，并且通过DC/DC变换器22向高电压电池20 (充电时)供给，进而向气泵60、水泵80、空调器90、降压变换器92、低电压电池94、附件96及E⑶24供给。另夕卜，在FC组40与转换器16及DC/DC变换器22之间配置有逆流防止二极管98。再有，FC组40的发电电压(以下称为“FC电压Vfc”)由电压传感器100(图4)来检测，FC组40的发电电流Ifc (以下称为“FC电流Ifc”)由电流传感器102来检测，均被输出到ECU24。电池20是包含多个电池单元的蓄电装置(能量储存器)，例如，可以利用锂离子2次电池等。还可以利用电容器。本实施方式中利用的是锂离子2次电池。电池20的输出电压(以下称为“电池电压Vbat或初级电压VI”)[V]由电压传感器120来检测，电池20的输出电流(以下称为“电池电流Ibat或初级电流II”)[A]由电流传感器124来检测，各自被输出到ECU24。再有，电池20的剩余容量(以下称为“S0C”)[% ]由SOC传感器104(图2)来检测，然后被输出到ECU24。DC/DC变换器22在ECU24的控制下对来自FC组件18的FC电力Pfc [W]、从电池20供给的电力(以下称为“电池电力Pbat”)[W]、来自电动机14的再生电力的供给目的地。图4中示出该实施方式中的DC/DC变换器22的一例。如图4所示，DC/DC变换器22的一方被连接到电池20的某个初级侧1S,另一方被连接到作为负载33与FC组40的连接点的次级侧2S。DC/DC变换器22基本上是将初级侧IS的电压(初级电压Vl = Vbat) [V]升压到次级侧2S的电压(次级电压V2) [V] (VI ( V2)，并且将次级电压V2降压到初级电压Vl (VI=Vbat)的升降压型且限幅器型的电压变换装置。如图4所示，DC/DC变换器22由配置在初级侧IS与次级侧2S之间的相臂UA以及电抗器110构成。相臂UA由作为高位侧臂的上臂元件(上臂开关元件112与二极管114)和作为低位侧臂的下臂元件(下臂开关元件116与二极管118)构成。上臂开关元件112与下臂开关元件116分别例如采用MOSFET或IGBT等。电抗器110被插入到相臂UA的中点(公共连接点)与电池20的正极之间，具有在由DC/DC变换器22在初级电压Vl与次级电压V2之间对电压进行变换之际释放及蓄积能量的作用。上臂开关元件112根据从E⑶24输出的栅极驱动信号(驱动电压)UH的高电平而被接通，下臂开关元件116根据栅极的驱动信号(驱动电压)UL的高电平而被接通。另外，E⑶24利用与初级侧IS的平滑电容器122并联地设置的电压传感器120来检测初级电压Vl [V]，利用电流传感器124来检测初级 侧IS的电流(初级电流II) [A]。再有，E⑶24利用与次级侧2S的平滑电容器128并联地设置的电压传感器126来检测次级电压V2[V]，利用电流传感器130来检测次级侧2S的电流(次级电流12) [A]。在DC/DC变换器22的升压时，在第I定时使栅极驱动信号UL为高电平且使栅极驱动信号UH为低电平,从电池20向电抗器110中蓄积能量(从电池20的正侧到电抗器110、下臂开关元件116、及电池20的负侧为止的电流路径)。在第2定时使栅极驱动信号UL为低电平且使栅极驱动信号UH为低电平，电抗器110所蓄积的能量通过二极管114而被供给到次级侧2S(从电池20的正侧开始，经由电抗器110、二极管114、次级侧2S的正侧、负载33等、次级侧2S的负侧、电池20的负侧的电流路径)。以后，重复升压时的第I定时与第2定时。在DC/DC变换器22的降压时，在第I定时使栅极驱动信号UH为高电平且使栅极驱动信号UL为低电平，从次级侧2S(FC组40或电动机14再生中的负载33)向电抗器110中蓄积能量，并且向电池20充电。在第2定时使栅极驱动信号UH为低电平且使栅极驱动信号UL为低电平，电抗器110所蓄积的能量通过二极管118而被供给到电池20，电池20被充电。另外，根据图2可知，来自电动机14的再生电力也能够向气泵60等的辅机负载31供给。以后，重复降压时的第I定时与第2定时。DC/DC变换器22除了作为上述的限幅器型进行动作以外，还可以作为直接连接型而动作。在作为直接连接型而动作的情况下，栅极驱动信号UH以占空比100[% ]被设为高电平，并且栅极驱动信号UL以占空比0[% ]被设为低电平，在电池20放电之际，从初级侧IS通过二极管114而向次级侧2S供给电流(例如从电池20向负载33供给电力)，在电池20被充电的情况下，从次级侧2S通过上臂开关元件112而向电池20供给电流(例如从电动机14向电池20供给再生电力)。E⑶24经由通信线140(图I等)来控制电动机14、转换器16、FC组件18、辅机负载31、电池20及DC/DC变换器22等。在进行该控制之际，执行存储器(ROM)内存储的程序，还利用单元电压监视器42、流量传感器68、温度传感器72、电压传感器100、120、126、电流传感器102、124、130、SOC传感器104等各种传感器的检测值。此处的各种传感器，除了上述的传感器以外，还包含开度传感器150、电动机转速传感器152、车速传感器154及外部气体温度传感器159 (图I)。开度传感器150检测加速踏板156的踩踏角度、即开度(加速器开度)Θ P [度]。转速传感器152检测电动机14的转速Nm[rpm]。车速传感器154检测FC车辆10的车速Vs [km/h]。外部气体温度传感器159检测外部气体温度Ta[°C ]。进而，E⑶24上还连接有主开关158 (以下称为“主SW158”)。主SW158对能否从FC组件18及电池20向电动机14供给电力进行切换，是能够由用户操作的开关(发动机车辆的点火开关所对应的开关)。E⑶24包括微型计算机，根据需要而具有定时器、A/D变换器、D/A变换器等的输入输出接口。另外，E⑶24并不只是由I个E⑶构成，也可以由电动机14、FC组件18、电池20及DC/DC变换器22各自的多个E⑶构成。E⑶24除了根据FC组 40的状态、电池20的状态、及电动机14的状态以外，还根据基于来自各种开关及各种传感器的输入(负载要求)而决定的作为FC车辆10整体对FC系统12要求的负载,一边对FC组40应该负担的负载、电池20应该负担的负载、再生电源(电动机14)应该负担的负载的分配(分担)进行调停，一边决定，然后向电动机14、转换器16、FC组件18、电池20及DC/DC变换器22送出指令。[基本的控制动作的说明]接着，对ECU24中的基本控制动作进彳丁说明。以该基本控制为如提，在后面对弟I 第3实施例进行描述。图5中示出E⑶24的基本控制(主程序)的流程图。步骤SI中，E⑶24判定主SW158是否接通。在主SW158未接通的情况下(SI :否)重复步骤SI。在主SW158接通的情况下(SI :是)进入步骤S2。在步骤S2中，E⑶24计算FC系统12所要求的负载(称为系统负载Psys或系统要求负载Psys) [W]。在步骤S3中，E⑶24基于所计算出的系统负载Psys进行FC系统12的能量管理。此处所说的能量管理希望既抑制FC组40的劣化、又提高FC系统12整体的输出的效率(系统效率)。在步骤S4中，E⑶24基于能量管理处理结果，进行FC组40的外部设备、即气泵60、背压阀64、及水泵80的控制(FC发电控制)。进而，在步骤S5中ECU24进行电动机14的转矩控制。在步骤S6中，E⑶24判定主SW158是否切断。在主SW158未切断的情况下(S6 否)返回到步骤S2。在主SW158切断的情况下(S6:是)结束本次的处理。图6中示出计算步骤S2的系统负载Psys的流程图。在步骤Sll中，E⑶24从开度传感器150读入加速踏板156的开度θ p。在步骤S12中，E⑶24从转速传感器152读入电动机14的转速Nm[rpm]。在步骤S13中，E⑶24基于开度θ p与转速Nm来计算电动机14的预想消耗电力Pm[W] ο具体为，在图7所示的当前的电动机转速Nm[rpm]与电动机预想消耗电力Pm[W]的映射(特性)中，按照每个开度Θ P预先存储了转速Nm与预想消耗电力Pm的关系。例如，在开度Θ P为Θ Pl时采用特性180。同样，在开度Θ P为θ Ρ2、θ Ρ3、θ Ρ4、θ Ρ5、θ ρ6时分别采用特性182、184、186、188、190。而且，在基于开度θ ρ而确定了表示转速Nm与预想消耗电力Pm的关系的特性之后,确定与转速Nm相对应的预想消耗电力Pm。另外,在牵引侧的加速中预想消耗电力Pm成为正的值，在再生侧的减速中预想消耗电力Pm成为负的值、SP预想再生电力。在步骤S14中，E⑶24从各辅机负载31读入当前的动作状况。此处的辅机负载31中，例如如图2所示包含具备气泵60、水泵80及空调器90的高电压系统的辅机、或者具备低电压电池94、附件96及ECU24的低电压系统的辅机。例如，若为气泵60及水泵80，则分别读入转速Nap、Nwp [rpm]。若为空调器90则读入其输出设定。
在步骤S15中，E⑶24根据各辅机的当前的动作状况，计算辅机的消耗电力Pa[W]。在步骤S16中，ECU24求取电动机14的预想消耗电力Pm与辅机的消耗电力Pa之和(虚拟系统负载Pm+Pa)，计算FC车辆10整体的预想消耗电力、即系统负载Psys (也表记为 Psys = Pm+Pa、Psys 一 Pm+Pa)。如上所述，在本实施方式的能量管理中，希望实现既抑制FC组40的劣化、又提高FC系统12整体的输出的效率。图8表示构成FC组40的FC单元的电压(单元电压Vcell) [V]与单元的劣化量D的关系的一例。即，图8中的曲线(特性)142表示单元电压Vcell与劣化量D的关系。图8中，在低于电压Vl (例如O. 5V)的区域(以下称为“钼凝聚增加区域R1”或“凝聚增加区域R1”)内，对于FC单元所包含的钼(氧化钼)而言，还原反应剧烈地进行，钼过度地凝聚。从电压Vl到电压v2(例如0.8V)为止，是还原反应稳定地进行的区域(以下 称为“钼还原稳定区域R2”、“还原稳定区域R2”、或“催化剂还原稳定电压范围内R2”)。从电压v2到电压v3(例如0.9V)为止，是钼进行氧化还原反应的区域(以下称为“钼氧化还原进行区域R3”或“氧化还原进行区域R3”)。从电压v3到电压v4(例如O. 95V)为止，是钼稳定地进行氧化反应的区域(以下称为“钼氧化稳定区域R4”、“氧化稳定区域R4”、或“催化剂氧化稳定电压范围R4”)。从电压v4到OCV(闭合电压)为止，是进行FC单元所包含的碳的氧化的区域(以下称为“碳氧化进行区域R5”)。如上所述，根据图8可知若单元电压Vcell处于钼还原稳定区域R2或钼氧化稳定区域R4内，则FC单元的劣化的进展程度小。另一方面，若单元电压Vcell处于钼凝聚增加区域R1、钼氧化还原进行区域R3、或碳氧化进行区域R5内，则FC单元的劣化的进展程度大。另外，在图8中，虽然将曲线(特性)142设为唯一确定的表记，但是实际上曲线(特性)142是根据每单位时间内的单元电压Vcell的变动量(变动速度Acell) [V/sec]而变化的。图9是表示变动速度Acell不同的情况下氧化的进行与还原的进行的情形的例子的循环伏安法图。在图9中，实线的曲线(特性)170表示变动速度Acell高的情况，虚线的曲线(特性)172表示变动速度Acell低的情况。根据图9可知因为根据变动速度Acell而氧化或还原的进行程度有所不同，所以并不一定唯一地确定各电压Vl v4。再有，各电压Vl v4也会根据FC单元的个体差异而有所变化。因此，电压Vl v4优选设定为在理论值、模拟值或实测值中反映了误差量的值。再有，FC单元的电流·电压特性(IV特性)与一般的燃料电池单元同样，如图10中表示为“通常”的IV特性(也称为通常IV特性)162所示，单元电压Vcell越降低，单元电流Icell [A]就越增加。还有，FC组40的发电电压(FC电压Vfc)成为将单元电压Vcell与FC组40内的串联连接数Nfc相乘之后的值。串联连接数Nfc是FC组40内可串联地连接的FC单元的个数，以下也称为“单元数”。图10的通常IV特性162是在阴极化学计量比( 氧浓度)为通常的化学计量比(通常化学计量比)以上的氧呈现饱胀的状态时得到的特性。换言之，氧浓度被设为通常的氧浓度以上的氧浓度。此外，由阴极化学计量比=(供给到阴极电极的气体流量)/(通过发电而消耗掉的气体流量)来表示。该实施方式中，将阴极化学计量比也简单地称为化学计量比。所谓氧饱胀的状态指的是如图11所示，即便使阴极化学计量比( 氧浓度)上升，单元电流(单个单元输出的电流)Icell也大致恒定，是饱和状态下的通常化学计量比以上的区域内的氧。对于氢而言也同样。即，表示为阳极化学计量比( 氢浓度)=(供给到阳极电极的氢流量)/(由发电而消耗掉的氢流量)。接着，参照图12的流程图对步骤S4的FC发电控制中的基本控制(基本发电控制)进行说明。在步骤S21中，E⑶24计算电池20的充放电系数α，并通过将计算出的充放电系数α与步骤S16中计算出的系统负载Psys相乘，从而计算目标FC电力Pfctgt (Pfctgt — Psys X α )。
在此，充放电系数α是根据从SOC传感器104输入的当前的SOC值和图14的特性(曲线图)163而计算的。图14的特性(映射)163例如可以采用实测值、模拟值，并预先存储在ECU24中。再有，此处虽然例示了将电池20的目标SOC(目标蓄电量)设为50[%]的情况，但并未限于此。在本实施方式中，如图14所示，在SOC值比50[% ]小的需要充电的区域内，为了使FC组40的发电剩余并将该剩余电力充电到电池20中，设定为充放电系数α变得比“I”大的倾向。另外，在SOC值比50[% ]大的充电状态充分的区域内，为了使FC组40的发电不足并通过电池20的放电来弥补该不足电力，设定为充放电系数α变得比“I”小的倾向。另外，在此为了方便理解以下的说明，将充放电系数α设为α = I而进行说明(Pfctgt = Psys)。接着，在步骤S22中E⑶24判定步骤S21中计算出的目标发电电力Pfctgt是否在阈值电力Pthp以上(Psys彡Pthp)。在此，阈值电力Pthp是通过将“判断为催化剂未劣化的单元电压(O. 8V、切换电压、规定电压)”、“构成FC组40的单个单元数NfC”、和“将FC组40的通常的IV特性162 (参照图10)中的单元电压设为0.8V时的电流值Icellp”相乘而给出的以下的(I)式中示出的固定值。另外，在图10中请留意目标电力Pfctgt的轴并不是线性这一点。Pthp = O. 8[V] XNfcX Icellp (I)在目标发电电力Pfctgt为阈值电力Pthp以上的情况下(步骤S22 :是)，在步骤S23中为了获得目标FC电力Pfctgt，执行电压可变·电流可变控制(模式A控制)。该模式A控制主要是在目标FC电力Pfctgt相对较高时采用，在将目标氧浓度Cotgt维持为通常(包含氧饱胀的状态)的状态下,通过用DC/DC变换器22调整目标FC电压Vfctgt而控制FC电流Ifc。S卩，如图13所示，在目标FC电力Pfctgt为阈值电力Pthp以上时执行的模式A控制中，利用FC组40的通常IV特性162 (与图10中示出的特性同样)。在模式A控制中，根据目标FC电力Pfctgt计算目标FC电流Ifctgt,进而计算与目标FC电流Ifctgt对应的目标FC电压Vfctgt。而且，按照使FC电压Vfc成为目标FC电压Vfctgt的方式，ECU24控制DC/DC变换器22。即，按照次级电压V2成为目标FC电压Vfctgt的方式，通过利用DC/DC变换器22将初级电压Vl升压，从而控制FC电压Vfc并控制FC电流Ifc。
根据以上的模式A控制，即使是目标FC电力Pfctgt在阈值电力Pthp以上的高负载，通过利用DC/DC变换器22根据目标FC电力Pfctgt使次级电压V2 (FC电压Vfc)按照通常IV特性162而变化，从而基本上能够利用FC电力Pfc来供给系统负载Psys。另一方面，在步骤S22的判定中，在目标FC电力Pfctgt小于阈值电力Pthp的情况下(步骤S22 :否)，在步骤S24中判定步骤S21计算出的目标FC电力Pfctgt是否小于阈值电力Pthq (Pfctgt < Pthq)。在此，因为例如与Vcell = O. 9 [V]对应地决定阈值电力Pthq，所以阈值电力Pthq被设定为比阈值电力Pthp低的值(Pthq < Pthp，参照图13)。在步骤S24的判定为否定的情况下，即目标FC电力Pfctgt小于阈值电力Pthp且为阈值电力Pthq以上的情况下(步骤S24 :否，Pthq ( Pfctgt < Pthp)，在步骤S25中执行电压固定·电流可变控制(模式B控制)。该模式B控制主要是在系统负载Psys相对居中时采用，将目标单元电压Vcelltgt (=目标FC电压Vfctgt/单元数Nfc)固定在被设定为比氧化还原进行区域R3 低的电压以下的基准电压{本实施方式中为电压v2 ( = O. 8V)}，并且通过使目标氧浓度Cotgt可变,从而使FC电流Ifc可变。S卩，如图13所示，在模式B控制中，在阈值电力Pthq Pthp的范围内，在单元电压Vcell保持恒定(Vcell = v2)的状态下通过降低目标氧浓度Cotgt来降低氧浓度Co。如图11所示，若阴极化学计量比氧浓度Co)下降，则单元电流Icell (FC电流Ifc)也下降。因此,在将单元电压Vcell保持恒定的状态(Vcell = v2 = O. 8V)下通过使目标氧浓度Cotgt增减,从而能够控制单元电流Icell (FC电流Ifc)及FC电力PfC。另外，FC电力Pfc的不足量由电池20来辅助。该情况下，ECU24通过调整DC/DC变换器22的升压率，从而将目标FC电压Vfctgt固定在被设定为比氧化还原进行区域R3低的电压以下的基准电压{本实施方式中为电压v2( = O. 8V)}，进而计算与目标FC电力Pfctgt对应的目标FC电流Ifctgt。再有，以目标FC电压Vfctgt为基准电压的情况为前提，计算与目标FC电流Ifctgt对应的目标氧浓度Cotgt (参照图11及图15)。另外，图15表示FC电压Vfc为基准电压v2时的目标FC电流Ifctgt与目标氧浓度Cotgt的关系。在此，E⑶24根据目标氧浓度Cotgt计算并向各部发送指令值。此处计算的指令值中包含气泵60的转速(以下称为“气泵转速Nap”或“转速Nap”)、水泵80的转速(以下称为“水泵转速Nwp”或“转速Nwp”)、及背压阀64的开度(以下称为“背压阀开度0bp”或“开度0bp”)。S卩，如图16及图17所示，根据目标氧浓度Cotgt可以设定目标气泵转速Naptgt、目标水泵转速Nwptgt及目标背压阀开度Qbptgt。如上所述，执行了步骤S25的模式B控制。接着，在步骤S26中，E⑶24判定FC组40进行的发电是否稳定。作为该判定，E⑶24在从单元电压监视器42输入的最低单元电压比从平均单元电压中减去了规定电压之后的电压还低的情况下{最低单元电压< (平均单元电压-规定电压)}判定为FC组40的发电不稳定。另外，上述规定电压例如可以利用实验值、模拟值等。在发电稳定的情况下(S26 :是)，结束本次的处理。在发电不稳定的情况下(S26 否)，在步骤S27中E⑶24使目标氧浓度Cotgt增加I级(接近通常的浓度)。具体是，将气泵60的转速Nap的增加及背压阀64的开度Θ bp的减少的至少一方进行I个阶段。在步骤S28中，E⑶24判定目标氧浓度Cotgt是否小于通常的IV特性中的目标氧浓度(通常氧浓度Conml)。在目标氧浓度Cotgt小于通常氧浓度Conml的情况下(S28 是)，返回到步骤S26。在目标氧浓度Cotgt不小于通常氧浓度Conml的情况下(S28 :否)，在步骤S29中E⑶24停止FC组件18。S卩，E⑶24停止向FC组40供给氢及空气，停止FC组40的发电。而且，E⑶24使未图示的警告灯点亮，向驾驶员通知FC组40异常。此外，E⑶24从电池20向电动机14供给电力，以使FC车辆10的行驶继续。在上述的步骤S24的判定中，在目标FC电力Pfctgt小于阈值电力Pthq的情况下(步骤S24 :是)，在步骤S30中进行模式C控制。如图13所示，模式C控制主要用于系统负载Psys相对较低时,将目标单元电压Vcelltgt(=目标FC电压Vfctgt/单元数)固定在氧化还原进行区域R3外的电压{本实施方式中为电压v3 ( = O. 9V)}，使FC电流Ifc可变。FC电力Pfc的不足量由电池20来辅助供应，将FC电力Pfc的剩余量充电到电池20中。在模式C控制中，如图13所示在将单元电压Vcell保持恒定(Vcell = v3)的状 态下通过降低目标氧浓度Cotgt来降低氧浓度Co。如图11所示，若阴极化学计量比氧浓度Co)降低，则单元电流Icell (FC电流Ifc)也降低。因此，在将单元电压Vcell保持恒定的状态(Vcell = v3 = O. 9V)下通过使目标氧浓度Cotgt增减,从而能够控制单元电流Icell (FC电流Ifc)及FC电力PfC。另外，FC电力Pfc的不足量由电池20来辅助供应。由此，在模式C控制中，执行与上述的步骤S25的模式B控制同样的控制处理、及步骤S26 S29的发电稳定性相关的处理。如上所述，执行步骤S4的FC发电控制相关的基本发电控制。接着，在图18中示出与步骤S5的处理相关的电动机14的转矩控制的流程图。在步骤S41中，E⑶24从车速传感器154中读入车速Vs。在步骤S42中，E⑶24从开度传感器150中读入加速踏板156的开度θ ρ。在步骤S43中，E⑶24基于车速Vs和开度θ p计算电动机14的临时目标转矩Ttgt_p[N*m]0具体是，在未图示的存储部内预先存储将车速Vs、开度θ ρ与临时目标转矩Ttgt_p建立了关联的映射，基于该映射、车速Vs及开度θ ρ计算临时目标转矩Ttgt_p。在步骤S44中，ECU24计算与能够从FC系统12向电动机14供给的电力的界限值(界限供给电力Ps_lim) [W]相等的电动机14的界限输出(电动机界限输出[W]。具体而言，界限供给电力Ps_lim及电动机界限输出Pm_lim，是从来自FC组40的FC电力Pfc与能够从电池20供给的电力的界限值(界限输出Pbat_lim) [W]之和中减去了辅机的消耗电力 Pa 而得到的值(Pm_lim = Ps_lim — Pfc+Pbat_l im-Pa)。在步骤S45中，E⑶24计算电动机14的转矩限制值Tlim[N · m]。具体是，将电动机界限输出除以车速Vs之后的值作为转矩限制值Tlim(Tlim — Pm_lim/Vs)。在步骤S46中，E⑶24计算目标转矩Ttgt [N ·ι ]。具体是，E⑶24将针对临时转矩Ttgt_p施加了基于转矩限制值Tlim的限制之后的值作为目标转矩Ttgt。例如，在临时目标转矩Ttgt_p为转矩限制值Tlim以下的情况下(Ttgt_p ( Tlim)，将临时目标转矩Ttgt_P直接作为目标转矩Ttgt (Ttgt — Ttgt_p)。另外,在临时目标转矩Ttgt_p超过转矩限制值Tlim的情况下(Ttgt_P > Tlim)，将转矩限制值Tlim设为目标转矩Ttgt (Ttgt — Tlim)。而且，利用计算出的目标转矩Ttgt来控制电动机14。
图19中示出上述的电力供给模式涉及的模式A控制、模式B控制、模式C控制、FC电力Pfc、与FC组40的发电效率的关系。根据图19可知在模式A控制中，基本上用FC电力Pfc来供给所有的系统负载Psys，可以将FC组40的发电效率维持得较高。在v2电压固定低氧化学计量比可变控制的模式B控制中，基本上用FC电力Pfc来供给所有的系统负载Psys,由此能够抑制电池20的充放电的频度，能够提高FC系统12整体的输出效率。在模式C控制中，利用FC电力Pfc与电池电力Pbat来供给系统负载Psys。接着，以上述的基本控制(模式A、B、C控制)为前提对第I及第2实施例进行说明。[第I实施例] 在上述的基本控制中，例如在系统负载(系统要求负载)Psys大的情况下，执行上述的步骤S22(图12)的处理所涉及的图13中依据于电压v2( = O. 8V)以下的通常IV特性162的模式A控制、即目标FC电压Vfctgt可变且阴极化学计量比( 氧浓度)被设为通常且FC电流Ifc可变的控制。在该模式A控制中，通过由图4所示的DC/DC变换器22使初级电压Vl、即电池20的电池电压Vbat升压，从而设定FC电压Vfc。因此，在系统负载(系统要求负载)Psys大的情况下执行的模式A控制中，会发生对DC/DC变换器22进行升压开关(限幅)而引起的开关损耗。更详细地说明的话，在包含从电池20向电动机14供给电力的牵引时在内的向负载33的电力供给时，例如将DC/DC变换器22设为升压模式，在恒定周期2 π中的第I定时期间内，使图4中的栅极驱动信号UL为高电平、使下臂开关元件116为接通状态，并且使栅极驱动信号UH为低电平、使上臂开关元件112为切断状态，在该状态下(下臂开关元件116 :0Ν，上臂开关元件112 :0FF)，从电池20向电抗器110蓄积能量。在该第I定时期间内，从平滑电容器128向负载33供给电力。在上述恒定周期2π中的剩余期间(第2定时期间)内，通过使栅极驱动信号UL为低电平(下臂开关元件116 :0FF，上臂开关元件112 0FF)，从而电抗器110所蓄积的能量(电力)与来自电池20的电力合成后，从电池20通过电抗器110及二极管114而被供给到平滑电容器128，并且向负载33供给。这样，DC/DC变换器22进行开关动作的情况下的开关损耗，大概为电抗器110中的交流损耗(作为热而发散)与下臂开关元件116为接通状态时的损耗以及二极管114导通时的损耗的合成损耗。与该损耗量相应地，电池20的电力消耗增加，系统效率也降低。在该第I实施例中，着眼于该损耗，目的在于使DC/DC变换器22以升压型动作时的电抗器110中的交流损耗和下臂开关元件116的开关损耗零值化。为了使开关损耗零值化，该第I实施例中，在图4所示的DC/DC变换器22中，进行从电池20侧经由电抗器110并通过二极管114向负载33侧连续地供给电流(电力)的、所谓的DC/DC变换器22的直接连接状态的控制。在该直接连接状态中，通过ECU24使栅极驱动信号UH及栅极驱动信号UL均为低电平、上臂开关元件112及下臂开关元件116均维持切断状态。基于以上的方面，参照图20的流程图对第I实施例(直接连接控制)的动作进行说明。在步骤S71中，E⑶24根据车速Vs等来判定FC车辆10是否处于驱动中(行驶中)。在FC车辆10并未处于驱动中(行驶中)的情况下(步骤S71 :否)，在步骤S72中进行上述的基本控制。步骤S72中的基本控制，因为系统负载(系统要求负载)Psys较小，所以执行模式B控制(v2固定低氧化学计量比可变控制)或者模式C控制(v3固定低氧化学计量比可变控制)。另一方面，在处于驱动中(行驶中)的情况下(步骤S71 :是)，在步骤S73中判定作为电池20的端子间电压的电池电压Vbat是否为可以将DC/DC变换器22设为直接连接状态的电压(Vbat =能够直接连接的电压？)。具体是，在步骤S73a中，判定电池电压Vbat是否为小于氧化还原进行区域R3的下限电压v2 XNfc (Vbat < v2 XNfc)的电压，在为小于的电压的情况下(步骤S73a:是)，判定为能够直接连接。·
在步骤S73a中，在判定为电池电压Vbat是氧化还原进行区域R3的下限电压v2XNfc以上的电压时(步骤S73a:否)，进而在步骤S73b中判定电池电压Vbat是否为氧化还原进行区域R3的上限电压v3XNfc以上的电压，在为以上的电压的情况下(步骤S73b :是)，判定为能够直接连接。另外，在步骤S73b的判定为否定时(步骤S73a中为否且步骤S73b中为否)，电池电压Vbat位于氧化还原进行区域R3内(v2 < Vbat < v3)，所以若进行直接连接，则FC组40的劣化量D增大，因此判定为不能够直接连接，在步骤S72中进行基本控制。此时的基本控制被设为上述的模式C控制。在步骤S73的判定为肯定时(步骤S73 :是)，因为能够进行直接连接，所以E⑶24进行模式F控制(直接连接控制)，即通过将FC组40的系统负载(系统要求负载)Psys设为目标FC电力Pfctgt,将FC目标电压Vfctgt设为电池电压Vbat (Vfctgt = Vbat),使目标氧浓度Cotgt可变,从而使FC电流Ifc可变。图21示出步骤S73a的条件成立且从时刻t21到变为直接连接状态(模式F控制)时的时间图。另外，在图21中自Vfc向下描绘的时间图中以粗虚线表示的曲线示出基于基本控制的变化特性，以粗实线表示的曲线示出基于该第I实施例的变化特性。在时刻t21以后，虽然在基本控制中直接连接标志Fd为关闭状态(Fd = OFF)，但在基于该第I实施例的控制中为起动状态(Fd = 0N)。因此，在时刻t21以后，对于负载33及FC组40而言，电池20通过二极管114而使其成为直接连接状态(参照图4)。结果，在时刻t21以后，电池电压Vbat与FC电压Vfc为同一电压(Vbat = Vfc)。二极管114的电压下降量被逆流防止二极管98的电压下降量大致抵消。在基本控制(模式A控制)中，在系统负载(系统要求负载)Psys为阈值电力Pthp (参照图13)以上的时刻t22 t23的期间内及时刻t24以后的期间内，低氧化学计量比可变工作标志Fs被设为关闭状态，执行基于模式A控制的基本控制，但是在该第I实施例中，在整个期间内都执行直接连接控制。通过进行直接连接控制，从而电抗器110中的交流损耗量与下臂开关元件116的开关损耗量被零值化，DC/DC变换器22的损耗降低到仅为二极管114的正向下降电压与电池电流Ibat相乘而得到的损耗量。[第I实施例的总结]
如以上说明，第I实施例涉及的燃料电池系统12包括具有催化剂，且通过利用上述催化剂使氧或氢反应而发电的FC组40 ;将上述氧及上述氢的至少一方向FC组40供给的气体供给部{燃料气体供给部(氢罐44)、氧化剂气体供给部(气泵60)};输出电压根据蓄电量而变动的电池20 (蓄电装置)；与FC组40并联且与电池20串联地设置，用于对FC组40的FC电压Vfc进行调整的DC/DC变换器22 (电压调整部)；由FC组40的输出电力驱动的负载33 ;检测负载33的系统电力(系统要求电力)Psys，并且控制FC组40、上述气体供给部及DC/DC变换器22的E⑶24 (控制部)。E⑶24在电池20的电池电压Vbat为FC组40的氧化还原进行电压范围(氧化还原进行区域R3)外的电压(Vbat ( v2XNfc或Vbat彡v3XNfc)的情况下，将DC/DC变换器22控制为直接连接状态(电池20的电池电压Vbat FC组40的FC电压Vf C)，并且按照使向FC组40供给的氧或氢的浓度追随基于负载33的要求电力而决定的目标FC电力Pfctgt的方式控制气体供给部{燃料气体供给部(氢罐44)、氧化剂气体供给部(气泵60)}(进行化学计量比可变控制)。
因为是氧化还原进行区域R3外的电压的直接连接(Vfc = Vbat)，所以可以防止FC组40的劣化。但是，因为是直接连接，所以可以完全消除DC/DC变换器22的升降压(开关)所带来的电力损耗(开关损耗)。由此，在搭载了该燃料电池系统12的燃料电池车辆10中，可以降低电力损耗，提闻系统效率。[第2实施例]图22示出第2实施例涉及的FC组件18的概略构成。该第2实施例涉及的FC组件18中，阴极系统56a除了包括气泵60、加湿器62、及背压阀64以外，还包括循环阀(阴极循环阀)66。此时，在背压阀64的输出侧的配管64b与空气取入口侧(输入侧)的配管60a之间连接着配管66a、循环阀66、及配管66b。由此，排气(阴极废气)的一部分作为循环气体，通过配管66a、循环阀66及配管66b而被供给到配管60a，与来自车外的新空气合流，被气泵60吸气。循环阀66例如由蝶形阀构成，通过由E⑶24来控制其开度(以下称为“循环阀开度9c”或“开度Θ c”)，从而可以控制循环气体的流量。流量传感器70被安装于配管66b，检测朝向配管60a的循环气体的流量Qc[g/s]并向E⑶24输出。如图23所示，越增大排气流通的阀开度Θ C，则越能够使阴极流路74中的氧浓度Co降低。因此，在该第2实施例中，在上述的步骤S73的判定为肯定(步骤S73 :是)而能够成为直接连接时，ECU24在进行模式F控制(直接连接控制)之际，通过仅使循环阀66的开度Θ c可变就能使FC电流Ifc可变，其中在模式F控制中，将FC组40的系统负载(系统要求负载)Psys设为目标FC电力Pfctgt，将FC目标电压Vfctgt设为电池电压Vbat，使目标氧浓度Cotgt可变，由此使FC电流Ifc可变。S卩，在第2实施例中，在进行模式F控制(直接连接控制)之际，如第I实施例所不，无需改变气泵60的转速或背压阀64的开度,而仅使循环阀66的开度Θ c可变，由此使FC电流Ifc可变，因此得到控制变得简单的优点。[第3实施例]
上述的第I实施例及第2实施例的直接连接控制中，在想要进行直接连接时，若电池20的SOC值高且电池电压Vbat保持高的值，则电池电压Vbat位于氧化还原进行区域R3内的概率增大。在电池电压Vbat位于氧化还原进行区域R3内时，若使其直接连接，则FC组40劣化，因此若电池20的SOC值高，则实质上无法进行直接连接。但是，若禁止直接连接，则会使DC/DC变换器22工作，变换器损耗增加，车辆效率下降。因此，在该第3实施例中，提供一种按照尽可能提高成为直接连接控制的频度的方式进行控制的构成。该情况下，第一，按照电池20的电池电压Vbat成为比氧化还原进行电压v2 X Nfc低的电压的方式控制电池20的SOC值。第二，在进行直接连接时，通过进行化学计量比可变控制，从而不会进行DC/DC变换器22的开关动作，使损耗降低。第三，例如为了确保爬坡中的行驶性能和低温下的重新启动的能量，在系统负载Psys (主要指电动机负载)高时，换言之电动机14的预想消耗电力Pm[W]高时及外部气体温度低时使用电池20的能量的可能性较高，因此不进行直接连接控制。 考虑上述第I 第3观点，参照图24的流程图对该第3实施例的动作进行说明。在步骤SlOl中，判定由外部气体温度传感器159检测的外部气体温度Ta是否在作为规定值的阈值温度Tath以上。虽然按照每个车辆种类将阈值温度That设定为适当的值，但例如可以将阈值温度设定为0[°C ] 10[°C ]左右以下的值。外部气体温度Ta越低，则在重新启动时暖机等就越需要能量，因此将外部气体温度Ta为阈值温度Tath以上的高温度的状况作为该第3实施例涉及的直接连接控制的前提条件。在步骤SlOl的判定为肯定的时，在步骤S102中判定包含电动机预想消耗电力Pm[ff]在内的系统负载Psys是否在阈值电力Pthp[W](参照图13)以下。在系统负载Psys (主要指电动机负载)高时，仅利用FC组40无法与系统负载Psys对应，不足量由电池20的能量来补充，因此将系统负载Psys (主要指电动机负载)不太高的状况作为该第3实施例涉及的直接连接控制的前提条件。在步骤S102的判定为肯定的时，在步骤S103中，将电池20的目标SOC值即SOCtgt控制为SOCth以下，SOCth是FC组40的单元电压Vcell中与氧化还原进行区域R3的下限电压v2 = O. 8 [V]对应的阈值SOC值。具体是，如图25的特性280所示，将电池电压Vbat设定在比与阈值SOCth对应的电池电压v2XNfc更小的J区域中。此时，DC/DC变换器22被控制为直接连接状态，将FC组40的目标FC电压Vfctgt设定为电池电压Vbat (Vfctgt = Vbat)。接着，在将DC/DC变换器22控制为直接连接状态的状态下，在步骤S104中，通过使目标氧浓度Cotgt在通常化学计量比以下的范围内可变，从而使氧浓度Co可变，控制FC电流Ifc。另外，在步骤SlOl或步骤S102的判定为否定的时，换言之在外部气体温度Ta比阈值温度That高或者电动机预想消耗电力Pm[W]高，系统负载Psys比阈值电力Pthp[W]高时，可以进行升降压控制(开关控制)，而不将DC/DC变换器22设为直接连接控制。该情况下，在步骤S105中，在DC/DC变换器22中进行控制，使作为电池20的目标SOC值的SOCtgt，高于在FC组40的单元电压Vcell中与氧化还原进行区域R3的下限电压v2 = O. 8 [V]对应的阈值SOC值即SOCth。具体是，如图25的特性280所示，将电池电压Vbat设定在高于比阈值SOCth大的v2XNfc的K区域中。接着，在步骤S106中，判定电动机预想消耗电力Pm[W](电动机负载)是否在由FC组40供给的电力Pfcnormal [W]以下。在步骤S106的判定为肯定的时，在步骤S107中，在将单元电压Vcell保持为恒定(Vcell = v2)的状态下通过使目标氧浓度Cotgt在通常化学计量比以下的范围内可变，从而使氧浓度Co可变，控制FC电流Ifc。该情况下，无法由FC组40供给的电力由电池20的电力来供给。另外，在步骤S106的判定为否定的时，停止通常化学计量比以下的范围内的氧浓 度Co的可变控制，在步骤S108中作为通常化学计量比而控制FC组40，并且无法由FC组40供给的电力由电池20的电力来供给。图26表示在时刻t51 t52附近被设为直接连接控制、在时刻t52附近 时刻t53为止被设为非直接连接控制(基于DC/DC变换器22的升压控制)的情况下的时间图。另外，在图26中，自FC电压Vfc向下描绘的时间图中，以粗虚线示出的曲线表示未进行直接连接控制时的现有技术涉及的变化特性，以粗实线示出的曲线表示基于该第3实施例的变化特性。通过如第3实施例这样进行控制，从而在系统负载Psys比阈值电力Pthp小的情况下成为直接连接状态，DC/DC变换器22中的开关损耗被零值化。S卩，到步骤S102的判定(Psys ( Pthp)变为否定的时刻t52附近为止，直接连接标志Fd为起动状态(Fd = 0N)且低氧化学计量比可变标志Fs’为起动状态(Fs’ = 0N)。因此，FC组40的目标FC电压Vfctgt被设为电池电压Vbat，FC组40与电池20成为直接连接状态(非开关状态)。因为DC/DC变换器22被设为直接连接状态，所以可以使得变换器损耗与现有技术相比有所减小。直接连接状态下的变换器损耗成为变换器损耗 通过二极管114的电流X 二极管114的正向电压降。在时刻t52附近系统负载Psys高于阈值电力Pthp时，直接连接状态被解除。[变形例]另外，本发明并不限于上述实施方式，基于本说明书记载的内容，当然能够采用各种各样的构成。例如，可以采用以下的构成。例如，在上述的实施例I 3中，基本上采取使目标发电电力Pfctgt追随系统负载(系统要求负载)Psys的控制，但不限于此，也可以决定FC组40与电池20的电力分配，以Psys (系统要求电力)一Pfctgt (目标发电电力)+Pbattgt (目标电池电力)的形式进行控制，按照追随目标发电电力Pfctgt的方式控制气泵60的转速Nap。再有，在上述实施方式中，虽然将FC系统12搭载到FC车辆10中，但不限于此，也可以搭载到其他对象中。例如，也可以将FC系统12用于船舶或航空机等移动体上。或者，也可以将FC系统12应用于家庭用电力系统中。在上述实施方式中，虽然采取了将FC组40与高电压电池20并联地配置，在电池20的跟前配置DC/DC变换器22的构成，但不限于此。例如，如图27所示，也可以构成为将FC组40与电池20并联地配置，将升压式、降压式或升降压式的DC/DC变换器22配置在FC组40的跟前。或者，如图28所示，还可以构成为将FC组40与电池20并联地配置，在FC组40的跟前配置DC/DC变换器160，在电池20的跟前配置DC/DC变换器22。或者，如图29所示，也可以构成为将FC组40与电池20串联地配置，在电池20与电动机14之间配置DC/DC变换器22。在上述实施方式中，作为调整化学计量比的手段或方法，采用调整目标氧浓度Cotgt的手段，但并未限于此，也能够调整目标氢浓度。再有，取代目标浓度，也可以采用目 标流量或者采用目标浓度与目标流量双方。在上述的实施方式中，例示了具备供给包含氧的空气的气泵60的构成，也可以采取取代该气泵或者在该气泵的基础上具备供给氢的氢泵的构成。
权利要求
1.一种燃料电池系统，具备 燃料电池(40)，其具有催化剂，通过利用上述催化剂使氧或氢反应而进行发电； 气体供给部(44，60)，其向上述燃料电池(40)供给上述氧及上述氢中的至少一方； 蓄电装置(20)，其输出电压根据蓄电量而变动； 电压调整部(22)，其与上述燃料电池(40)并联且与上述蓄电装置(20)串联地设置，对上述燃料电池(40)的输出电压进行调整；和 负载(14),其由上述燃料电池(40)的输出电力来驱动， 该燃料电池系统的特征在于， 该燃料电池系统还具有控制部(24)，其检测上述负载(14)的要求电力，并且控制上述燃料电池(40)、上述气体供给部(44，60)及上述电压调整部(22)， 上述控制部(24)在上述蓄电装置(20)的输出电压为上述燃料电池(40)的氧化还原进行电压范围外的情况下，将上述电压调整部(22)控制为直接连接状态，并且按照使向上述燃料电池(40)供给的氧或氢的浓度追随基于上述负载(14)的要求电力而决定的目标发电电力的方式控制上述气体供给部(44，60)。
2.根据权利要求I所述的燃料电池系统，其特征在于， 上述蓄电装置(20)的输出电压为上述燃料电池(40)的上述氧化还原进行电压范围外的情况，是指该输出电压为比上述氧化还原进行电压范围低的催化剂还原稳定电压范围内或比上述氧化还原进行电压范围高的催化剂氧化稳定电压范围内的电压。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于， 该燃料电池系统还具备对外部气体温度进行测量的外部气体温度传感器(159)， 在由上述外部气体温度传感器(159)测量出的外部气体温度为阈值温度以上时，上述控制部(24)以上述催化剂还原稳定电压范围内的电压将上述电压调整部(22)控制为上述直接连接状态。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于， 上述控制部(24)在上述负载(14)的要求电力高时通过上述电压调整部(22)对上述燃料电池(40)的输出电压进行调整，而在上述负载(14)的要求电力低时将上述电压调整部(22)控制为上述直接连接状态。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于， 上述控制部(24)在将上述电压调整部(22)控制为上述直接连接状态时，按照使上述蓄电装置(20)的目标剩余容量值成为与上述氧化还原进行电压范围的下限电压对应的阈值剩余容量值以下的方式进行控制。
6.根据权利要求I 5中任一项所述的燃料电池系统,其特征在于， 上述电压调整部(22)是由上臂元件(112、114)及下臂元件(116、118)与电抗器(110)构成的DC/DC变换器(22)，该上臂元件及下臂元件包含与开关元件(112、116)并联且反向连接的二极管(I 14、118)， 上述控制部(24)在将上述电压调整部(22)控制为上述直接连接状态时，通过使上述开关元件(112、116)成为不进行开关转换的状态，从而从上述蓄电装置(20)通过上述电抗器(110)及二极管(114)而向上述负载(14)侧供给电力，并且从上述燃料电池(40)向上述负载(14)侧供给电力。
7.一种燃料电池车辆，搭载了权利要求I所述的燃料电池系统(12)。
全文摘要
本发明提供一种燃料电池系统(12)及搭载了该系统的车辆(10)，既能够防止燃料电池(40)的劣化，又能够提高燃料电池系统(12)的系统效率。ECU(24)在电池(20)的电压(Vbat)是燃料电池(40)的氧化还原进行电压范围外的电压的情况下，将DC/DC变换器(22)控制为直接连接状态(Vbat≈Vfc)，并且按照使向燃料电池(40)供给的氧或氢的浓度追随基于负载(30)的要求电力而决定的目标发电电力的方式控制气体供给部(60、44)。因此，能够防止燃料电池(40)的劣化，并且能够降低DC/DC变换器(22)中的升降压所引起的电力损耗。
文档编号H01M8/04GK102842727SQ20121019110
公开日2012年12月26日 申请日期2012年6月11日 优先权日2011年6月20日
发明者数野修一, 佐伯响, 渡边和典 申请人:本田技研工业株式会社