专利名称：燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池系统。
背景技术：
近来，使用燃料电池(燃料电池组)作为车辆的电源。对于在这种燃料电池中发电量进行控制的燃料电池系统，公开了多种技术。
例如，在日本专利申请特开号2002-289238(参考文献1)中公开了通过在车辆减速时增加燃料电池中的发电量来消耗氢气的技术。在日本专利申请特开号2004-79451(参考文献2)和2004-127748(参考文献3)中公开了甚至在燃料电池停止时停止供应氢气之后继续产生电能来消耗氢气的技术。另外，在日本专利申请特开号7-75214(参考文献4)中，公开了当燃料电池的需要功率大于其可输出的功率时，在可输出功率处使燃料电池产生电能的技术。而且，在日本专利申请特开号8-45527(参考文献5)中公开了一种进行控制的技术，该技术用于将燃料电池的阴极和阳极之间的电压差保持在可允许范围内。
而且，在根据参考文献1的上述技术中，通过在车辆减速的同时增加发电量，功率量等于或者大于燃料电池可以稳定产生的发电量(下文中简单地称为“可允许发电量”)，由此氢气变得不充分。因此燃料电池常常退化。另外，在根据参考文献2-5的技术中，在车辆从加速状态到减速状态的移动时间中，将大于最初所需要的氢气提供给燃料电池，常常产生大量未反应的氢气。
发明内容
为了解决上述问题，实现了本发明。本发明的目的是提供一种能够限制发电量的燃料电池系统，其中在车辆减速时，燃料电池可以根据燃料电池可以稳定产生的可允许发电量，来输出该发电量。
根据本发明的一个方案，提供了一种燃料电池系统，包括所需发电量计算单元，其计算燃料电池的所需发电量；目标操作状态计算单元，其计算对应于所需发电量的目标操作状态；操作状态检测单元，其检测燃料电池的操作状态；校正发电量计算单元，其根据目标操作状态和检测操作状态之间的偏离，计算用于校正所需发电量的校正发电量；可允许发电量计算单元，其根据检测的操作状态计算燃料电池可以稳定产生的可允许发电量；以及输出发电量确定单元，其根据可允许发电量和通过利用校正发电量对所需发电量进行校正所获得的发电量之间的关系，来确定燃料电池的输出发电量。
上述燃料电池系统被安装在具有燃料电池电源的车辆上并控制燃料电池的发电量。所需发电量计算单元计算燃料电池所需发电量，以及目标操作状态计算单元计算对应于所需发电量的目标操作状态。操作状态检测单元检测燃料电池的操作状态。另外，校正发电量计算单元计算用于校正所需发电量的校正发电量，以及可允许发电量计算单元根据燃料电池的可操作状态来计算燃料电池可以稳定产生的可允许发电量。输出发电量确定单元根据可允许发电量和通过利用校正发电量对所需发电量校正后所获得的发电量之间的关系，来确定燃料电池最终输出的发电量。也就是，输出发电量计算单元考虑可允许发电量来确定输出的发电量。因此，根据上述的燃料电池系统，变得可以有效防止由于气体不充分以及电池电压不稳定所导致的燃料电池退化，这可以通过当所需发电量从高负载变化到低负载时执行将发电量增加校正发电量的步骤来实现。
在上述燃料电池系统的方式中，当通过利用校正发电量对所需发电量进行校正所获得的发电量等于或者大于可允许发电量时，输出发电量确定单元可以确定可允许发电量作为输出发电量，并且当通过利用校正发电量对所需发电量进行校正所获得的发电量小于可允许发电量时，输出发电量确定单元可以确定通过校正所需发电量获得的发电量作为输出发电量。
以这种方式，输出发电量确定单元利用可允许发电量对输出发电量进行限制。具体地，当所需发电量和校正发电量的总和等于或者大于可允许发电量时，输出发电量确定单元可以确定可允许发电量作为输出的发电量。因此，燃料电池系统可以从燃料电池获得对应于操作状态的可允许发电量的范围内的发电量。因此，当所需发电量从高负载降低到低负载时，变得可以阻止例如燃料电池退化的问题的发生，并适当地降低了氢气的压力。
以另一种方式，上述的燃料电池系统还可以包括存储装置可充电量计算单元，其计算存储装置的可充电量。当校正发电量等于或者大于可充电量并且所需发电量和可充电量的总和小于可允许发电量时，输出发电量确定单元可以确定所需发电量和可充电量的总和为输出发电量。
以这种方式，输出发电量确定单元考虑到存储装置的可充电量不仅确定可允许发电量而且确定输出发电量。具体地，当校正发电量等于或者大于可充电量并且所需发电量和可充电量的总和小于可允许发电量时，输出发电量确定单元确定所需发电量和可充电量的总和为输出发电量。也就是，输出发电量受到存储装置的可充电量的限制。从而，变得可以抑制对存储装置的过电流充电并且防止存储装置的退化。具体地，当可充电量足够大时，输出发电量不受到存储装置的可充电量的限制。因此，通过将由于减压产生的多余电能充电给存储装置可以恢复能量，并可以降低行进所必需的能量消耗。
在上述燃料电池系统的另一种方式中，校正发电量计算单元可以计算校正发电量，使得随着偏离变得越大，对所需发电量的校正程度变得越大。
以这种方式，校正发电量计算单元计算校正发电量，使得随着目标操作状态和实际操作状态之间的偏离变得越大，对所需发电量的校正程度变得越大。相反，校正发电量计算单元计算校正发电量，使得随着偏离变得越小，对所需发电量的校正程度变得越小。也就是，在用于将操作状态设置为目标操作状态的反馈控制中，当偏离很大时，增益变大，当偏离很小时，增益变小。因此，当偏离很大时，目标操作状态的收敛速度可以增加。同时，当偏离很小时，目标可操作状态的收敛特性可以得到改善。
在上述燃料电池系统的另一种方式中，当所需发电量等于或者大于预定值时，校正发电量计算单元可以将校正发电量设置为“0”。
以这种方式，当所需发电量等于或者大于预定值时，校正发电量计算单元可以将校正发电量设置为“0”，也就是校正发电量计算单元不校正所需发电量。也就是，该单元不执行用于设置为目标操作状态的反馈控制。因此，当所需发电量等于或者大于预定值时，例如，通过使用与所需发电量有关的充分保持的氢气的气压气压，将车辆从减速状态再次改变到加速状态，可以将必要的所需发电量确定为输出发电量。
在本发明的另一个方面中，提供了一种燃料电池系统，包括所需发电量计算单元，其计算燃料电池的所需发电量；目标操作状态计算单元，其计算对应于所需发电量的目标操作状态；操作状态检测单元，其检测燃料电池的操作状态；校正发电量计算单元，其根据目标操作状态和检测操作状态之间的偏离，计算用于校正所需发电量的校正发电量；存储装置可充电量计算单元，其计算存储装置的可充电量；以及输出发电量确定单元，其根据可充电量和通过利用校正发电量对所需发电量进行校正后获得的发电量之间的关系确定燃料电池输出的发电量。
上述燃料电池系统考虑到存储装置可充电量来确定输出的发电量。因此，变得可以抑制对存储装置过度充电和阻止存储装置退化。同时，通过用发电电流对存储装置充电，可以改善能量效率。
图1是示意性地示出根据本发明的第一个实施例的燃料电池系统的结构的方框图； 图2是示意性地示出根据本发明的第一个实施例的系统控制装置的结构的方框图； 图3是示出了用于计算校正发电量的曲线图的例子的示意图； 图4A和4B是示出了用于计算可允许发电量的曲线图的示意图； 图5是示出了根据第一个实施例的输出发电量确定过程的流程图； 图6是示出了根据第二个实施例的输出发电量确定过程的流程图； 图7是示意性地示出了根据第三个实施例的系统控制装置的结构的方框图； 图8是示出了根据第三个实施例的输出发电量确定过程的流程图； 图9是示出了蓄电池可充电量计算程序的流程图。
附图标记的主要描述 1空气供给装置 2氢气供给装置 3空气流量计 4和5压力传感器 6散热器 9温度传感器 10燃料电池 12反向器 13驱动电机 15蓄电池 20系统控制装置 实现本发明的最佳方式 现在将在下面参考附图来描述本发明的优选实施例。
[第一个实施例] 将解释本发明的第一个实施例。
(燃料电池系统的结构) 首先，将参考图1给出根据本发明的第一个实施例的燃料电池系统的结构的描述。
图1示出示意性地示出在其上设置有根据第一个实施例的燃料电池系统的车辆的结构的方框图。该车辆由燃料电池(燃料电池堆)10产生的电能来驱动，并且燃料电池系统控制燃料电池10的发电。
车辆主要包括空气供给装置1、氢气供给装置2、控制流量计3、压力传感器4和5、散热器6、三通阀7、冷却水泵8、温度传感器9、燃料电池10、逆变器12、驱动电机13、变换器14、蓄电池(电能存储装置)15和系统控制装置20。
根据从系统控制装置20提供的控制信号S1，空气供给装置1将来自大气的空气吸入以将空气(氧气)提供给燃料电池10。空气流量计3检测从空气供给装置1提供的空气流量，以将检测的流量作为信号S3输出给系统控制装置20。压力传感器4检测提供给燃料电池10的空气的压力，以将检测的压力作为信号S4输出给系统控制装置20。
根据从系统控制装置20提供的控制信号S2，氢气供给装置2获得在燃料箱中的燃料(氢气)以向燃料电池10提供氢气。压力传感器5检测提供给燃料电池10的氢气压力，并将检测的压力作为信号S5输出给系统控制装置20。
燃料电池10是通过层叠燃料电池形成的，其每一个都是通过附着具有这种结构的电极而构成的，该结构例如能够向电解质膜(未示出)的两个表面扩散气体的多孔层，导电隔板夹在燃料电池之间。可以从燃料电池10得到对应于层数的输出电压。特别地，燃料电池10包括在电解质膜上的阴极和阳极(未示出)。从空气供给装置1向阴极提供空气，以及从氢气供给装置2向阳极提供氢气。燃料电池10借助于由此提供的空气和氢气之间的化学反应来产生能量。利用从系统控制装置20提供的控制信号S10，对燃料电池10进行多种控制。
散热器6具有将在燃料电池10中循环的冷却水的热量向外辐射功能。三通阀7使得可以选择是向散热器6提供已经流过燃料电池10的冷却水还是不向散热器6而是向燃料电池10提供该冷却水。利用从系统控制装置20提供的信号S7，控制三通阀7的打开-关闭切换。利用从系统控制装置20提供的信号S8，控制将冷却水循环到燃料电池10中的冷却水泵8。
温度传感器9检测已经流过燃料电池10的冷却水的温度，并将检测温度作为信号S9输出给系统控制装置20。由温度传感器9检测的温度基本上对应于温度传感器10的温度。主要根据温度传感器9检测的温度，利用上述系统控制装置20来对三通阀7进行控制。例如，当由温度传感器9检测的温度高时，由于燃料电池10的温度高，所以系统控制装置20控制三通阀7，使得冷却水流过散热器6。同时，当由温度传感器9检测的温度低时，由于燃料电池10的温度低，所以系统控制装置20三通阀7，使得冷却水不能流过散热器6。
逆变器12获得由燃料电池10产生的电流，并向驱动电机13提供对应于从系统控制装置20提供的信号S12的电流。驱动电机13基于该提供的电流来驱动车辆的车轮。变换器14获得由燃料电池10产生的电流或者从蓄电池15提供的电流，并将获得的电流转换成直流并将其输出。利用从变换器14提供的电流对蓄电池15充电，以及将充电的电流输出给变换器14。通过从蓄电池15获得信号S15，系统控制装置20检测剩余的可充电量(下文中简单地称为“可充电量”)。可充电量对应于蓄电池15的满容量(充电量为0的情况中的容量)和蓄电池15的当前充电量之间的差。
系统控制装置20是由所谓的ECU(电气控制单元)构成的，并包括CPU、ROM、RAM、A/D转换器和输入/输出界面。如上所述，系统控制装置20基于从多种传感器的输出对燃料电池系统中的部件进行控制。稍后将具体解释由系统控制装置20进行的控制。
(系统控制装置的结构) 接下来，将参考图2给出对系统控制装置20的具体结构的描述。
图2是示意性地示出了系统控制装置20的结构的方框图。系统控制装置20包括所需发电量计算单元21、目标操作状态计算单元22、操作状态检测单元23、气压偏离计算单元24、校正发电量计算单元25、可允许发电量计算单元26和输出发电量确定单元27。
所需发电量计算单元21基于驱动器的操作来计算由燃料电池10产生的所需发电量。例如，所需发电量计算单元21获得由驱动器操作的加速器的打开程度以计算所需发电量。所需发电量计算单元21将计算的所需发电量提供给目标操作状态计算单元22和输出发电量确定单元27。所需发电量可以用电流来表达。
目标操作状态计算单元22计算对应于在所需发电量计算单元21中计算的所需发电量的目标操作状态。具体地，目标操作状态计算单元22计算提供给燃料电池10的空气和氢气的气体量(气体流量)的目标值以及空气和氢气的气压的目标值，并将计算结果作为目标操作状态。然后，目标操作状态计算单元22将计算的目标操作状态提供给气压偏离计算单元24。
在根据目标操作状态计算单元22中计算的目标操作状态来驱动燃料电池10的情况中，操作状态检测单元23获得燃料电池10的操作状态。具体地，操作状态检测单元23从空气流量计3和压力传感器4和5获得提供给燃料电池10的空气和氢气的气体量和气压。此时，操作状态检测单元从温度传感器9获得燃料电池10的温度。然后，操作状态检测单元23将检测的操作状态提供给气压偏离计算单元24和可允许发电量计算单元26。
气压偏离计算单元24获得从目标操作状态计算单元22提供的目标操作状态和从操作状态检测单元23提供的燃料电池10的操作状态。具体地，气压偏离计算单元24获得操作状态比如气压。然后，气压偏离计算单元24计算对应于目标操作状态的气压和对应于燃料电池10的操作状态的气压之间的偏离(下文中还称为“气压偏离”)。气压偏离计算单元24将计算的气压偏离提供给校正发电量计算单元25。
校正发电量计算单元25基于由气压偏离计算单元24计算的气压偏离，来计算用于校正所需发电量的校正发电量。校正发电量被用于根据气压偏离来校正(减压)氢气的气压。具体地，校正发电量计算单元25基于表示气压偏离和校正发电量之间的关系的图，来计算校正发电量。校正发电量可以用电流来表示。
图3示出了用于计算校正发电量的图的例子。在图3中，水平轴表示气压偏离，以及垂直轴表示校正发电量。校正发电量计算单元25基于图3中由参考数字25所示的曲线，从气压偏离确定校正发电量。通过利用参考数字35所示的曲线，可以理解，当气压偏离大时，校正发电量的变化量相对于气压偏离的变化也大。因此，当气压偏离大时，根据操作状态中的控制，反馈的增益变大。随着气压偏离变得更大，对所需发电量的校正程度会变大，并且由此燃料电池系统可以加速将操作状态收敛到目标操作状态的速度。同时，通过参考数字35所示的曲线，可以理解，当气压偏离小时，校正发电量的变化量相对于气压偏离的变化也小。因此，当气压偏离小时，根据操作状态中的控制，反馈的增益变小。因此，当检测操作状态变得靠近目标操作状态时，可以精确地进行校正，因此目标操作状态中的收敛特性可以较高。因此，例如，可以阻止向着目标气压的过度减压(过度/不足)的发生。将由此计算的校正发电量提供给输出发电量确定单元27。
回到图2，将解释可允许发电量计算单元26。可允许发电量计算单元26从操作状态确定单元23获得燃料电池10的操作状态，以根据获得的操作状态来计算燃料电池10可以稳定产生的可允许发电量。例如，可允许发电量计算单元26获得氢气或者空气的气压和气体量或者燃料电池10的温度作为燃料电池10的操作状态。具体地，可允许发电量计算单元26基于表示燃料电池10的操作状态和可允许发电量之间的关系的图，来计算可允许发电量。可允许发电量可以用电流来表不。
图4A和4B示出了用于计算可允许发电量的图的例子。当使用气压作为燃料电池10的操作状态时，可允许发电量计算单元26使用图4A所示的图，并且当使用气体量作为燃料电池10的操作状态时，使用图4B所示的图。
在图4A中，水平轴示出了气压，垂直轴示出了可允许发电量。可允许发电量计算单元26基于参考数字30所示的曲线来确定可允许发电量。具体地，随着气压变得越大，可允许发电量计算单元26确定更大的值作为可允许发电量。此外，可允许发电量计算单元26基于燃料电池10的温度来改变用于计算可允许发电量的图。具体地，当燃料电池10的温度高时，可允许发电量计算单元26使用参考数字31表示的曲线，当燃料电池10的温度低时，使用参考数字32所示的曲线。也就是，当燃料电池10的温度高时，可允许发电量计算单元26使用具有可允许发电量相对于气压变化的大变化率的图。相反，当燃料电池10的温度低时，可允许发电量计算单元26使用具有可允许发电量相对于气压变化的小变化率的图。
在图4B中，水平轴表示气体量，垂直轴表示可允许发电量。可允许发电量计算单元26基于参考数字40所示的曲线来确定可允许发电量。具体地，随着气体量变得越大，可允许发电量计算单元26确定更大的值作为可允许发电量。此外，可允许发电量计算单元26从温度传感器9获得燃料电池10的温度，以基于燃料电池10的温度，来改变用于计算可允许发电量的图。具体地，当燃料电池10的温度高时，可允许发电量计算单元26使用参考数字41所示的曲线，当燃料电池10的温度低时，使用参考数字42所示的曲线。具体地，当燃料电池10的温度高时，可允许发电量计算单元26使用具有可允许发电量相对于气压变化的大变化率的图。相反，当燃料电池10的温度低时，可允许发电量计算单元26使用具有可允许发电量相对于气压变化的小变化率的图。
将由此确定的可允许发电量提供给输出发电量确定单元27。
回到图2，将解释输出发电量确定单元27。输出发电量确定单元27获得从所需发电量计算单元21提供的所需发电量、从校正发电量计算单元25提供的校正发电量、以及从可允许发电量计算单元26提供的可允许发电量。基于获得的发电量，输出发电量确定单元27确定最终从燃料电池10输出的发电量(输出发电量)。输出发电量还示出发电电流。
具体地，输出发电量确定单元27比较通过利用校正发电量对所需发电量进行校正后所获得的发电量和可允许发电量，由此确定输出发电量。更特别地，输出发电量确定单元27比较可允许发电量和所需发电量与校正发电量的总和，以确定输出发电量。在这种情况中，当所需发电量和校正发电量的总和等于或者大于可允许发电量时，输出发电量确定单元27确定可允许发电量作为输出发电量。相反地，当所需发电量和校正发电量的总和小于可允许发电量时，输出发电量确定单元27确定所需发电量和校正发电量的总和作为输出发电量。将由此确定的输出发电量作为信号S20提供给燃料电池系统中的每个控制单元。
(输出发电量确定程序) 接下来，将参考图5所示的流程图给出在系统控制装置20中进行的输出发电量确定程序的描述。该输出发电量确定程序确定最终从燃料电池10输出的输出发电量。以预定的周期重复地进行输出发电量确定程序。
首先，在步骤S101，系统控制装置20中的所需发电量计算单元21基于驱动器的操作来计算所所需发电量。然后，该程序进行到步骤S102。在步骤S102，目标操作状态计算单元22计算对应于所需发电量的目标操作状态。例如，目标操作状态计算单元22计算氢气的目标气压。接下来，该程序进行到步骤S103。
在步骤S103，操作状态检测单元23检测燃料电池10的当前操作状态。在这种情况中，由操作状态检测单元23检测的操作状态对应于根据在目标操作状态计算单元22中计算的目标操作状态来进行控制的情况中的燃料电池10的操作状态。例如，操作状态检测单元23从压力传感器5获得氢气的气压。然后，该程序进行到步骤S104。
在步骤S104，气压偏离计算单元24计算在目标操作状态计算单元22中计算的目标操作状态和在操作状态检测单元23中检测的燃料电池10的操作状态之间的偏离。具体地，气压偏离计算单元24获得操作状态比如气压，以计算气压偏离。然后，该程序进行到步骤S105。
在步骤S105，校正发电量计算单元25计算校正发电量，该校正发电量用于基于在气压偏离计算单元24中计算的气压偏离来校正所需发电量。具体地，校正发电量计算单元25基于图3所示的图来计算校正发电量。然后，该程序进行到步骤S106。
在步骤S106，基于燃料电池10的当前操作状态，可允许发电量计算单元26计算燃料电池10可以稳定产生的可允许发电量。具体地，基于氢气或者氧气的气压和气体量以及燃料电池10的温度，可允许发电量计算单元26通过使用图4A和4B所示的图来计算可允许发电量。该程序进行到步骤S107。
在步骤S107，输出发电量确定单元27比较可允许发电量和所需发电量与校正发电量的总和。具体地，输出发电量确定单元27确定所需发电量与校正发电量的总和是否小于可允许发电量。当所需发电量与校正发电量的总和小于可允许发电量时(步骤S107；是)，该程序进行到步骤S108。同时，当所需发电量与校正发电量的总和等于或者大于可允许发电量时(步骤S107；否)，该程序进行到步骤S109。
在步骤S108，输出发电量确定单元27确定所需发电量与校正发电量的总和作为输出发电量。这是因为，在这种情况中，所需发电量与校正发电量的总和小于可允许发电量，并且燃料电池10的发电量不是必须受到可允许发电量的限制。因此，输出发电量确定单元27确定通过利用校正发电量对所需发电量进行校正所获得的发电量作为输出发电量。当上述程序结束时，该程序退出该流程。
另一方面，在步骤S109，输出发电量确定单元27确定可允许发电量作为输出发电量。这是因为，在这种情况中，所需发电量与校正发电量的总和大于可允许发电量，并且燃料电池10的输出发电量必须受到可允许发电量的限制。也就是，必须不从燃料电池输出等于或者大于可允许发电量的发电量。因此，输出发电量确定单元27不使用通过利用校正发电量对所需发电量进行校正所获得的发电量而确定可允许发电量作为输出发电量。当上述程序结束时，该程序退出该流程。
以这种方式，在根据第一个实施例的燃料电池系统中，基于燃料电池10的当前操作状态来计算可允许发电量。所需发电量受到该可允许发电量的限制，并确定输出发电量。因此，燃料电池系统可以从燃料电池10中获得在对应于操作状态的可允许发电量范围内的发电量。因此，当所需发电量从高负载降低到低负载时，由于燃料电池10的输出发电量受到可允许发电量的限制，它使得可以适当地降低氢气的气压。更特别地，当所需发电量从高负载变化到低负载时，通过为了前面阶段消耗氢气而执行增加发电量的程序，可能出现由于气体不足导致的燃料电池10退化和电池电压的不稳定。然而，在根据第一个实施例的燃料电池系统中，由于输出发电量受到可允许发电量的限制，所以可以避免这种问题的发生。
[第二个实施例] 接下来，将给出对本发明的第二个实施例的描述。
根据第二个实施例的燃料电池系统与根据第一个实施例的燃料电池系统不同的地方在于当所需发电量等于或者大于预定值时没有执行将操作状态设置为目标操作状态的反馈控制。特别地，在第二个实施例中，仅仅当所需发电量小于预定值时，用校正发电量来校正所需发电量。同时，当所需发电量等于或者大于预定值时，没有校正所需发电量(也就是，将校正发电量设置为“0”)。原因如下。当所需发电量等于或者大于预定值时，例如车辆再次从减速状态变化到加速状态时，相对于所需发电量保持足够的氢气气压。因此，优选的是，所需发电量被确定为没有校正的输出发电量。
现在将参考图6的流程图给出对于根据第二个实施例的输出发电量确定程序的描述。根据第二个实施例的燃料电池系统和执行输出发电量确定程序的系统控制装置与图1所示的燃料电池10以及图2所示的系统控制装置20具有相同的结构。另外，以预定的周期重复地执行根据第二个实施例的输出发电量确定程序。
在步骤S201，所需发电量计算单元21基于驱动器的操作来计算所需发电量，并且该程序进行到步骤S202。在步骤S202，目标操作状态计算单元22计算对应于所需发电量的目标操作状态，然后并且该程序进行到步骤S203。在步骤S203，操作状态检测单元23检测燃料电池10的当前操作状态，并且该程序进行到步骤S204。以这种方式，步骤S201到S203中的程序和根据第一个实施例的输出发电量确定程序的步骤S101到S103中的程序一样。
在步骤S204，确定所需发电量是否小于预定值。例如，可以使用基本上在高负载和低负载之间的边界附近的值来作为用于在步骤S204中进行确定的预定值。当所需发电量小于预定值时(步骤S204；是)，该程序进行到步骤S205。同时，当所需发电量等于或者大于预定值时(步骤S204；否)，该程序进行到步骤S207。
当所需发电量小于预定值时(步骤S204是)，车辆处于减速状态并具有低负载。因此，执行和上述步骤S104和S105相同的程序，并计算校正发电量。具体地，在步骤S205，气压偏离计算单元24计算燃料电池10的目标操作状态和操作状态之间的偏离。在步骤S206，校正发电量计算单元25基于在气压偏离计算单元24中计算的气压偏离来计算校正发电量。然后该程序进行到步骤S208。
另一方面，当所需发电量等于或者大于预定值时(步骤S204；否)，执行步骤S207中的程序。在步骤S207，校正发电量计算单元25输出“0”作为校正发电量。以这种方式，由于所需发电量等于或者大于预定值，所以负载不低，并且车辆处于加速状态。因此，由于很可能相对于所需发电量保持足够氢气气压，所以不校正所需发电量。当上述程序结束时，该程序进行到步骤S208。
在步骤S208，类似于步骤S106中的上述程序，可允许发电量计算单元26基于燃料电池10的操作状态来计算可允许发电量。然后，该程序进行到步骤S209。在步骤S209，输出发电量确定单元27确定所需发电量与校正发电量的总和是否小于可允许发电量，类似于步骤S107中的上述程序。当所需发电量与校正发电量的总和小于可允许发电量时(步骤S209；是)，程序进行到步骤S210。当所需发电量与校正发电量的总和等于或者大于可允许发电量时(步骤S209；否)，该程序进行到步骤S211。当校正发电量是“0”时(也就是，当执行步骤S207中的程序时)，将所需发电量与可允许发电量进行相互比较。
类似于步骤S108中的上述程序，在步骤S210，输出发电量确定单元27确定所需发电量与校正发电量的总和为输出发电量。在这种情况中，由于所需发电量与校正发电量的总和小于可允许发电量，所以输出发电量确定单元27确定通过利用校正发电量对所需发电量进行校正所获得的发电量为输出发电量。当校正发电量是“0”时，确定所需发电量为输出发电量。当上述程序结束时，该程序退出该流程。
另一方面，在步骤S211，类似于步骤S109中的上述程序，输出发电量确定单元27确定可允许发电量作为输出发电量。以这种方式，由于所需发电量与校正发电量的总和等于或者大于可允许发电量，所以输出发电量确定单元27确定可允许发电量为输出发电量。当上述程序结束时，该程序退出该流程。
如上所述，根据第二个实施例的燃料电池系统，根据所需发电量，也就是根据燃料电池10中的负载，确定是否校正所需发电量，并确定燃料电池10的输出发电量。因此，当所需发电量等于或者大于预定值时，例如车辆再次处于从减速状态到加速状态，通过使用相对于所需发电量充分保持的氢气气压，可以确定必要的所需发电量为输出发电量。相反，当所需发电量小于预定值时，通过使用由于空气流动量所导致产生的过量空气，可以避免能量的无用消耗。具体地，由于空气压缩机的响应延迟和空气压缩机的最小空气流量，从而导致出现过量空气。然而，通过使用过量空气，可以减少用于驱动空气压缩机的能量。
[第三个实施例] 接下来，将解释本发明的第三个实施例。
根据第三个实施例的燃料电池系统不同于根据第一和第二个实施例的上述燃料电池系统，不同点在于考虑到蓄电池15的可充电量来确定燃料电池10的输出发电量。具体地，在第三个实施例中，输出发电量受到燃料电池10的可允许发电量和蓄电池15的可充电量的限制。通过执行这个，从而可以抑制对蓄电池15的过量充电，并防止了蓄电池15的退化。此时，通过执行这个，使得将发电电流充电到蓄电池15中，并改善了能量效率。
图7是示意性地示出了根据第三个实施例的燃料电池系统的系统控制装置20a的结构的方框图。系统控制装置20a不同于上述的系统控制装置20，不同点在于它包括蓄电池状态检测单元28和蓄电池可充电量计算单元29。因此，对于和系统控制装置20相同的部件给出相同的参考数字，并将省略对这些部件的解释。
蓄电池状态检测单元28基于从蓄电池15得到的信号S15来检测蓄电池15的充电状态。蓄电池状态检测单元28然后将检测的蓄电池15的充电状态提供给蓄电池可充电量计算单元29。
蓄电池可充电量计算单元29计算蓄电池15的可充电量。具体地，蓄电池可充电量计算单元29计算蓄电池15的全部存储容量和从蓄电池状态检测单元28提供的蓄电池15的充电状态之间的差别，从而计算蓄电池15的可充电量。然后，蓄电池可充电量计算单元29将计算的蓄电池15的可充电量提供给输出发电量确定单元27。以这种方式，蓄电池可充电量计算单元29起到存储装置可充电量计算单元的作用。可充电量可以用电流来表示。
输出发电量确定单元27基于所需发电量与校正发电量的总和、可允许发电量、和所需发电量与可充电量的总和，来确定燃料电池10的输出发电量。具体地，输出发电量确定单元27确定具有上述三个发电量中的最小值的发电量作为输出发电量。将由此确定的输出发电量作为信号S21提供给燃料电池系统的每个控制单元。
接下来，将参考图8的流程图给出根据第三个实施例的输出发电量确定程序的描述。以预定的周期重复地执行根据第三个实施例的输出发电量确定程序。
首先，在步骤S301，执行用于计算可允许发电量的可允许发电量计算程序。在该可允许发电量计算程序中，执行图5中所示的第一个实施例中的步骤S101到S106中的程序，或者执行图6中所示的第二个实施例中的步骤中S201到S208中的程序。也就是，通过执行可允许发电量计算程序，不仅计算可允许发电量而且计算所需发电量和校正发电量。当上述程序结束时，该程序进行到步骤S302。
在步骤S302，执行蓄电池可充电量计算程序。图9示出了蓄电池可充电量计算程序的流程图。首先，在步骤S3021中，蓄电池状态检测单元28基于从蓄电池15获得的信号S15来检测蓄电池15的充电状态。然后，程序进行到步骤S3022。在步骤S3022，蓄电池可充电量计算单元29计算蓄电池15的全部存储容量和蓄电池15的充电状态之间的差，以计算蓄电池15的可充电量。然后，该程序退出该流程，以进入到主程序中的步骤S303。
回到图8，将解释步骤S303的程序。在步骤S303，输出发电量确定单元27确定校正发电量是否小于蓄电池15的可充电量。当校正发电量小于可充电量时(步骤S303；是)，该程序进行到步骤S304。当校正发电量等于或者大于可充电量时(步骤S303；否)，该程序进行到步骤S307。
在步骤S304，输出发电量确定单元27确定所需发电量与校正发电量的总和是否小于可允许发电量。当所需发电量与校正发电量的总和小于可允许发电量时(步骤S304；是)，该程序进行到步骤S305。当所需发电量与校正发电量的总和小于可允许发电量时(步骤S304；否)，该程序进行到步骤S306。
在步骤S305，输出发电量确定单元27确定所需发电量与校正发电量的总和为输出发电量。由于所需发电量与校正发电量的总和在所需发电量与校正发电量的总和、可允许发电量、以及所需发电量与可充电量的总和中是最小的，所以执行这种确定。因此，在这种情况中，输出发电量不必受到可允许发电量和可充电量的限制。当上述程序结束时，该程序退出该流程。
在步骤S306，输出发电量确定单元27确定可允许发电量作为输出发电量。由于可允许发电量在所需发电量与校正发电量的总和、可允许发电量、以及所需发电量与可充电量的总和中是最小的，所以执行这种确定。也就是，输出发电量确定单元27利用可允许发电量来限制输出发电量。当上述程序结束时，该程序退出该流程。
另一方面，在步骤S307，输出发电量确定单元27确定所需发电量与可充电量的总和是否小于可允许发电量。当所需发电量与可充电量的总和小于可允许发电量时(步骤S307；是)，该程序进行到步骤S308。
在步骤S308，输出发电量确定单元27确定所需发电量与可充电量的总和为输出发电量。由于所需发电量与可充电量的总和在所需发电量与校正发电量的总和、可允许发电量、以及所需发电量与可充电量的总和中是最小的，所以执行这种确定。因此，输出发电量确定单元27利用蓄电池15的可充电量来限制输出发电量。以这种方式，同时使用可充电量表示的输出发电量，来产生燃料电池10的电能，并由此可以防止蓄电池15的退化。此时，通过使用蓄电池15的充电电流来驱动车辆中的辅助设备，并由此可以保持校正发电量。当上述程序结束时，该程序退出该流程。
相反，当所需发电量与可充电量的总和等于或者大于可允许发电量时(步骤是307；否)，该程序进行到步骤S306。在这种情况中，在步骤S306，输出发电量确定单元27确定可允许发电量作为输出发电量。由于可允许发电量在所需发电量与校正发电量的总和、可允许发电量、以及所需发电量与可充电量的总和中是最小的，所以执行这种确定。当上述程序结束时，该程序退出该流程。
以这种方式，在根据第三个实施例的燃料电池中，不仅基于燃料电池10的可允许发电量，而且还基于蓄电池15的可充电量，来确定输出发电量。因此，变得可以抑制对蓄电池15的过电流充电并防止蓄电池15的退化。而且，即使当蓄电池15基本上在全充电状态时，通过辅助设备例如空气压缩机和电加热器可以执行对应于降压的功率消耗。因此，可以减少为了降压而通过氢气排放阀排放的氢气。因此，可以降低废气中氢气的浓度。同时，当可充电量比较大时，通过将由于降压导致产生的过量电能充电给蓄电池15，可以恢复能量，并由此可以减少行进所需要的能量消耗。
在上述的三个实施例中，基于燃料电池19的可允许发电量和蓄电池15的可充电量，来确定输出发电量。也可以代之以仅仅考虑到蓄电池15的可充电量来确定输出发电量。在这种情况中，当校正发电量大于可充电量时，输出发电量确定单元27确定所需发电量与可充电量的总和作为输出发电量。同时，当校正发电量小于或者等于可充电量时，输出发电量确定单元27确定所需发电量与校正发电量的总和作为输出发电量。以这种方式，通过利用可充电量来限制输出发电量，可以避免电池的退化。
在上述的实施例中，公开了这样的例子通过使用图来执行反馈控制，从而使得燃料电池10的操作状态变得接近目标操作状态。然而，作为另一个例子，通过PID控制而不是图可以执行反馈控制。在这种情况中，当目标值和实际值之间的差很大时，抑制了积分项(integralparagraph)的更新。因此可以抑制过充电。
另外，在本发明中，不局限于使用蓄电池15作为存储装置。也就是，除了蓄电池15之外，可以使用电容器作为存储装置。
工业实用性 本发明可应用于用于移动物体例如车辆的燃料电池系统。
权利要求
1.一种燃料电池系统，包括
所需发电量计算单元，其计算燃料电池的所需发电量；
目标操作状态计算单元，其计算对应于所述所需发电量的目标操作状态；
操作状态检测单元，其检测所述燃料电池的操作状态；
校正发电量计算单元，其根据所述目标操作状态和所述检测的操作状态之间的偏离，来计算用于校正所述所需发电量的校正发电量；
可允许发电量计算单元，其根据所述检测的操作状态，来计算所述燃料电池可以稳定产生的可允许发电量；以及
输出发电量确定单元，其根据所述可允许发电量和通过利用所述校正发电量对所述所需发电量进行校正所获得的发电量之间的关系，来确定所述燃料电池的输出发电量。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，当通过利用所述校正发电量对所述所需发电量进行校正后获得的所述发电量等于或者大于所述可允许发电量时，所述输出发电量确定单元确定所述可允许发电量作为所述输出发电量，而当通过利用所述校正发电量对所述所需发电量校正后获得的所述发电量小于所述可允许发电量时，所述输出发电量确定单元确定通过校正所述所需发电量而获得的所述发电量作为所述输出发电量。
3.根据权利要求1或者2所述的燃料电池系统，还包括存储装置可充电量计算单元，其计算存储装置的可充电量，其中，当所述校正发电量等于或者大于所述可充电量并且所述所需发电量与所述可充电量的总和小于所述可允许发电量时，所述输出发电量确定单元确定所述所需发电量与所述可充电量的总和为所述输出发电量。
4.根据权利要求1至3的任何一项所述的燃料电池系统，其中，所述校正发电量计算单元计算所述校正发电量，使得随着所述偏离越大，校正所述所需发电量的程度也越大。
5.根据权利要求1至4的任何一项所述的燃料电池系统，其中，当所述所需发电量等于或者大于预定值时，所述校正发电量计算单元将所述校正发电量设置为“0”。
6.一种燃料电池系统，包括
所需发电量计算单元，其计算燃料电池的所需发电量；
目标操作状态计算单元，其计算对应于所述所需发电量的目标操作状态；
操作状态检测单元，其检测所述燃料电池的操作状态；
校正发电量计算单元，其根据所述目标操作状态和所述检测的操作状态之间的偏离，来计算用于校正所述所需发电量的校正发电量；
存储装置可充电量计算单元，其计算存储装置的可充电量；以及
输出发电量确定单元，其根据所述可充电量和通过利用所述校正发电量对所述所需发电量进行校正所获得的发电量之间的关系，来确定所述燃料电池的输出发电量。
全文摘要
燃料电池系统安装在具有燃料电池电源的车辆上，并控制燃料电池的发电量。所需发电量计算单元计算燃料电池的所需发电量，以及目标操作状态计算单元计算对应于所需发电量的目标操作状态。可操作状态检测单元检测燃料电池的可操作状态。校正发电量计算单元计算用于校正所需发电量的校正发电量，以及可允许发电量计算单元根据检测的操作状态计算燃料电池可以稳定产生的可允许发电量。而且，输出发电量确定单元根据可允许发电量和通过对所需发电量校正了校正发电量获得的发电量之间的关系确定燃料电池输出的发电量。
文档编号B60L11/18GK101171150SQ20068001516
公开日2008年4月30日 申请日期2006年3月31日 优先权日2005年5月2日
发明者马屋原健司 申请人:丰田自动车株式会社