燃料电池车辆的制作方法

本发明涉及燃料电池车辆。

背景技术：

按常规，根据燃料电池的输出电流的变化检测外部负载指令(command)值的快速增加并使燃料电池的电流上升速率保持在预定的恒定值以抑制在外部负载指令为大时发生的所产生电压的降低的燃料电池发电机是已知的(例如，参见日本专利申请公开号7-57753(JP 7-57753 A))。

但是，所产生电压的降低以及燃料电池输出的降低有可能不只受外部负载指令的大小影响，而且还受燃料电池的电池的干燥状态和电流上升速率影响。因此，在JP 7-57753 A所公开的技术中，在电流上升速率预先被设定为低的情况下，对快速输出增大请求(例如，全开油门(WOT))的响应有可能会降级。相反，在电流上升速率被预先设定为高的情况下，电压和输出有可能会下降，这取决于燃料电池的电池的干燥状态。

技术实现要素：

本发明提供了即使在燃料电池的电池处于干燥状态并且做出快速输出增大请求(例如，WOT)情况下也能够抑制电压降低并能够及时获得目标输出的燃料电池车辆。

本发明的第一方面涉及一种燃料电池车辆，该燃料电池车辆包含：安装于车辆内并在被供应以氧化剂气体和燃料气体时发电的燃料电池堆；用于检测车辆的加速状态的加速状态检测装置；用于检测燃料电池堆的电阻值的电阻值检测装置；用于检测燃料电池堆的电流值的电流值检测装置；以及用于控制由燃料电池堆输出的电流值的控制装置。该控制装置具有：用于基于依据检测到的加速状态的所请求的燃料电池堆的输出值来确定由燃料电池堆输出的目标电流值的目标电流值确定部；用于基于所确定的目标电流值与检测到的电流值之间的差来确定电流上升速率的电流上升速率确定部；以及用于校正所确定的目标电流值的目标电流值校正部。目标电流值校正部在包含所确定的目标电流值、所确定的电流上升速率和检测到的电阻值的函数变为大于预定的阈值的情况下，按照使所确定的目标电流值降低的方式来校正所确定的目标电流值。

以此方式，即使在燃料电池的电池处于干燥状态并且做出快速输出增大请求(例如，WOT)的情况下，燃料电池车辆也能够抑制电压的下降并且能够及时获得目标输出。

本发明的第二方面涉及一种燃料电池车辆，该燃料电池车辆包含：安装于车辆内并在被供应以氧化剂气体和燃料气体时发电的燃料电池堆；用于检测车辆的加速状态的加速状态检测装置；用于检测燃料电池堆的电阻值的电阻值检测装置；用于检测燃料电池堆的电流值的电流值检测装置；以及用于控制由燃料电池堆输出的电流值的控制装置。该控制装置具有：用于基于根据检测到的加速状态的所请求的燃料电池堆的输出值来确定由燃料电池堆输出的目标电流值的目标电流值确定部；用于基于所确定的目标电流值与检测到的电流值之间的差来确定电流上升速率的电流上升速率确定部；以及用于校正所确定的目标电流值的目标电流值校正部。目标电流值校正部在所确定的目标电流值的函数、所确定的电流上升速率的函数和检测到的电阻值的函数当中的至少一个值变为大于为该至少一个值设定的阈值的情况下，按照使所确定的目标电流值降低的方式来校正所确定的目标电流值。

即使在燃料电池的电池处于干燥状态并且做出快速输出增大请求(例如，WOT)的情况下，这样的燃料电池车辆同样能够抑制电压的下降并且能够及时获得目标输出。

根据本说明书所公开的燃料电池车辆，即使在燃料电池的电池处于干燥状态并且做出快速输出增大请求(例如，WOT)的情况下，也能够抑制电压的下降并且能够供应目标输出。

附图说明

本发明的示例性实施例的特征、优点及技术和工业意义将在下文参照附图来描述，在附图中相同的附图标记指示相同的元件，并且在附图中：

图1是示出第一实施例的燃料电池车辆的示意配置的示意图；

图2是示出第一实施例的燃料电池堆的I-V曲线和I-P曲线各自的一个示例的曲线；

图3是示意性地示出包含于燃料电池堆内的电池的电流分布的解释性图表；

图4是示出由燃料电池的电池的位置差异导致的I-V曲线的差异的解释性图表；

图5A是示出第一实施例的燃料电池的电流和电压的时间变化的曲线图；

图5B是示出输出的时间变化的曲线图；

图6是示出第一实施例的燃料电池车辆的控制的一个示例的流程图；

图7是示出在执行目标电流值校正控制的情况下输出的时间变化的曲线图；

图8是示出在电流上升速率为高的情况下电池电压的变化的曲线图；

图9是示出在电流上升速率为低的情况下电池电压的变化的曲线图；以及

图10是示出第二实施例的燃料电池车辆的控制的一个示例的流程图。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明的实施例进行描述。注意，在附图中的每个部分有可能按照其尺寸、比例等不完全对应于其实际尺寸、比例等的方式来示出。

(第一实施例)首先，将参照图1对第一实施例的燃料电池车辆100进行描述。燃料电池车辆100包含燃料电池系统50。燃料电池系统50包含燃料电池堆10、燃料电池转换器11、DC/AC逆变器12和驱动马达13。驱动轮14与驱动马达13机械连接。燃料电池车辆100还包含与控制装置对应的控制单元20。控制单元20产生与驾驶员的请求对应的燃料电池车辆100的驱动功率。加速踏板操作量传感器16与控制单元20电连接。加速踏板操作量传感器16起着用于检测车辆的加速状态的加速状态检测装置的作用。

注意，除了安装于燃料电池车辆100中进行使用之外，燃料电池系统50还能够安装于各种类型的移动体中，例如船舶、飞行器和机器人。

燃料电池堆10是多个电池堆叠于其内的固体聚合物型燃料电池。燃料电池堆10在被供应以作为氧化剂气体的空气和作为燃料气体的氢气时发电。燃料电池堆10并不限定于固体聚合物型的燃料电池，而是能够采用任意各种类型的燃料电池。例如，作为固体聚合物型燃料电池的替代，可以采用固体氧化物型燃料电池作为燃料电池堆10。

用于将空气供应到燃料电池堆10内的压缩机10a与燃料电池堆10连接。氢气罐10b1同样与燃料电池堆10连接。喷嘴10b2被布置于用于在燃料电池堆10与氢气罐10b1之间进行连接的管道内。压缩机10a和喷嘴10b2各自与控制单元20电连接。

起着用于检测燃料电池堆10的电流值的电流值检测装置的作用的电流表17与燃料电池堆10连接。用于检测燃料电池堆10的电压值的电压表18同样与燃料电池堆10连接。电流表17和电压表18各自起着用于检测燃料电池堆10的电阻值的电阻检测装置的一部分的作用。

燃料电池堆10经由第一DC引线1与燃料电池转换器11的输入端子连接。燃料电池转换器11是响应于来自控制单元20的指令而使由燃料电池堆10输入的电压上升至目标电压并输出该目标电压的升压转换器。燃料电池转换器11的输出端子经由第二DC引线2与DC/AC逆变器12的DC端子连接。

驱动马达13是用于驱动燃料电池车辆100的驱动轮14的驱动功率源，并且由例如三相AC马达构成。驱动马达13经由AC引线与DC/AC逆变器12的AC端子连接。DC/AC逆变器12响应于来自控制单元20的指令将由燃料电池堆10经由第二DC引线2供应的DC功率转换成三相AC功率并将该三相AC功率供应给驱动马达13。另外，DC/AC逆变器12将在驱动马达13中产生的再生功率转换成DC功率并将该DC功率输出到第二DC引线2。

控制单元20控制由燃料电池堆10输出的电流值。控制单元20由包含中央处理单元、主存储器和非易失性存储器部分的微计算机构成。控制单元20以目标电流值确定部21、电流上升速率确定部22和目标电流值校正部23形成。目标电流值确定部21基于与由例如起着加速状态检测装置的作用的加速踏板操作量传感器16检测到的加速状态对应的所请求的燃料电池堆10的输出值，来确定由燃料电池堆10输出的目标电流值。电流上升速率确定部22基于由目标电流值确定部21确定的目标电流值与由对应于电流值检测装置的电流表17检测到的电流值之间的差来确定电流上升速率。另外，目标电流值校正部23校正由目标电流值确定部21确定的目标电流值。在目标电流值确定部21、电流上升速率确定部22和目标电流值校正部23中执行的各种类型的处理将在下文详细描述。

控制单元20通过控制燃料电池转换器11和DC/AC逆变器12来控制燃料电池堆10的输出，并且使驱动马达13生成与来自外部的输出请求(所请求的系统输出)对应的驱动功率。控制单元20经由信号线与燃料电池转换器11和DC/AC逆变器12连接。控制单元20生成与来自外部的输出请求(例如，加速踏板操作量传感器16的请求值)对应的控制信号，并且控制着燃料电池转换器11的操作。

控制单元20基于从加速踏板操作量传感器16获得的值来执行对于燃料电池堆10的输出设定处理。也就是，控制单元20根据空气供应量、氢气供应量、氢气压力、输出历史、电压、电流值映射等来设定待由燃料电池堆10输出的电流值。

包含于控制单元20内的目标电流值确定部21基于从加速踏板操作量传感器16获得的值来检测加速踏板被压下，并且基于该值来理解对燃料电池堆10请求的所请求的输出值P。然后，参照图2，目标电流值确定部21根据所请求的输出值P与电流I之间的关系来获得目标电流值Itrg。一旦确定目标电流值Itrg，与目标电流值Itrg对应的电压值就能够根据电流/电压特性(即，IV曲线)来获得。燃料电池系统50通过DC/AC逆变器12来提升该电压，并由此输出与对驱动马达13请求的所请求的系统输出对应的电压。

基于目标电流值Itrg，控制单元20获得供应给燃料电池堆10的所请求的氧气流量和所请求的氢气流量。所请求的氧气流量和所请求的氢气流量各自基于根据燃料电池堆10的操作模型设定的映射来确定。控制单元20操作压缩机10a，以便实现已经确定的所请求的氧气流量。控制单元20同样操作喷嘴10b2，以便实现已经确定的所请求的氢气流量。

控制单元20通过阻抗的测量来获得燃料电池堆10的电阻值R。更具体地，控制单元20导致电压或电流的周期性波动，并且在电流表17检测到电流值以及电压表18检测到电压值时基于当时的电流值和电压值获得燃料电池堆10的电阻值R。正如所描述的，控制单元20与电流表17和电压表18一起起着电阻值检测装置的作用。

包含于控制单元20内的电流上升速率确定部22获得被预先确定为电流值达到目标电流值Itrg的速率的电流上升速率S。更具体地，电流上升速率确定部22通过将由目标电流值确定部21确定的目标电流值Itrg与由电流表17检测到的电流值之间的差除以作为这些值的测量间隔的时间段T来确定电流上升速率S。

在此，将对在燃料电池堆10的电流值尝试按照如同上文参照图3、图4、图5A和图5B所描述的那样计算出的电流上升速率S来达到目标电流值Itrg的情况下设想到的现象进行描述。

图3是示意性地示出包含于燃料电池堆内的电池的电流分布的解释性图表。参照图3，应当理解，电流分布差异是在燃料电池的一个电池中观察到的。在低负载时，如图3中的实线所示，观察到电流密度(A/cm²)差在从氧气入口侧到氧气出口侧的整个范围内为小的分布。在高负载时的理想电流分布是处于电流密度(A/cm²)差在从氧气入口侧到氧气出口侧的整个区域内为小的状态，如图3中的点线(dotted line)所示。相反，如图3的长划虚线(broken line)所示，存在着其中氧气入口侧的电流密度(A/cm²)低并且电流密度(A/cm²)朝氧气出口侧增加的电流分布被观察到的情形。更具体地，当与理想电流分布相比时，在点(a)处的电流密度(A/cm²)为低，并且当与理想电流分布相比时，在点(b)处的电流密度(A/cm²)为高。在燃料电池的电池内的电流分布的这种偏差在燃料电池的电池处于干燥状态并且请求快速输出增大(例如，WOT)的情况下被观察到。

也就是，当做出快速输出增大请求时，流入燃料电池堆10内的空气流量增大。在此，干燥的空气通常被供应给燃料电池堆10。因此，当空气流量增加时，在包含于燃料电池堆10内的电池的氧气入口侧的干燥进一步进行。随着在氧气入口侧的干燥的进行，如图3中的长划虚线所示，在氧气入口侧的电流密度降低。因此，与在氧气入口侧的电流密度的这种下降对应的发电量必须在氧气出口侧进行补偿。结果，在氧气出口侧的电流密度在燃料电池的电池内增加。

更具体地，在由图3中的长划虚线指示的在燃料电池的电池内的电流分布的偏差被观察到的情况下，由图4中的长划虚线指示的IV曲线在氧气入口附近的点(a)处被测量。同时，在由图3中的长划虚线指示的在燃料电池的电池内的电流分布的偏差被观察到的情况下，由实线指示的IV曲线在氧气出口附近的点(b)处被测量。正如所描述的，IV曲线在电流分布的偏差被观察到的情况下被示为不同的曲线，这取决于在燃料电池的电池内到氧气入口的距离。当与实线所指示的IV曲线相比时，由长划虚线指示的IV曲线的梯度是大的。这是由于燃料电池的电池的氧气入口侧处于干燥状态的事实。当IV曲线的梯度大时，电压的下降量即使在低电流密度区域内也会增加。另外，电流密度自身处于无法达到高值的状态。假定，在氧气入口侧的电流密度变为由在该状态下的(i)指示的值。该值是与在高负载时处于理想电流分布内的点(a)处的电流密度分离的值，如图3所示。由于该原因，在燃料电池的一个电池内的氧气出口侧的电流密度增加，以便获得对燃料电池的电池请求的发电量。更具体地，在图3中的点(b)处的电流密度在燃料电池的电池处于干燥状态并且请求WOT的条件下高于在高负载时的理想电流分布中的点(b)处的电流密度。

燃料电池的该一个电池的电压值用作一个值。因此，在氧气入口侧的电流密度变为由图4中的(i)指示的值的情况下，燃料电池的电池的电压值变为与由(i)指示的电流值对应的值。因而，在点(b)处的电压值同样变为与由(i)指示的电流值对应的值。当被应用于在点(b)处的由图4中的实线指示的IV曲线时，该值变为值(ii)。在此，关注在点(b)处的IV曲线。在点(b)处的IV曲线内，电流密度高于I₁(A/cm²)的区域是电压快速下降的区域。在这样的电压快速下降的区域内，电压值下降的速率高于电流密度增加的速率。结果，燃料电池堆10的输出P降低。

正如所描述的，在燃料电池的电池处于干燥状态并且做出快速输出增大请求(例如，WOT)的情况下，在燃料电池的电池内的电流分布出现偏差，并且然后燃料电池堆10的电压下降，如图5A中的点线所示，并且输出P下降，如图5B中的点线所示。注意，在图5A、5B中的正常控制各自示出了在燃料电池的电池处于干燥状态并且没有做出快速输出增大请求(例如，WOT)的情况下的输出的时间变化。

因此，在该实施例的燃料电池车辆100中，执行用于避免这样的输出P下降的控制。下面将参照图6中的流程图来对这种控制的一个示例做出描述。

在步骤S1中，获得目标电流值Itrg、燃料电池堆电阻值R和电流上升速率S。这些值在每经过时间段T时就被周期性地获取。在这些值中，为了获得目标电流值Itrg，对燃料电池系统50请求的所请求的系统输出首先根据由加速踏板操作量传感器16检测到的加速踏板的压下量来获得。所请求的系统输出通过参照基于与加速器操作量相关的操作模型预先创建的映射来获得。然后，燃料电池堆10的所请求的输出基于所获得的请求的系统输出来确定。例如，在蓄电池被并入燃料电池系统50的情况下，考虑到蓄电池的剩余容量，确定所请求的蓄电池的输出与所请求的燃料电池堆10的输出的分配比例。然后，所请求的燃料电池堆10的输出基于该分配比例来确定。在确定所请求的燃料电池堆10的输出之后，目标电流值Itrg例如根据图2所示的电流I与输出P之间的关系来确定。

当电压或电流周期性波动时，燃料电池堆电阻值R基于由电流表17检测到的电流值和由电压表18检测到的电压值来获得。

电流上升速率S通过将由目标电流值确定部21确定的目标电流值Itrg与由电流表17检测到的电流值之间的差除以作为这些值的测量间隔的时间段T来获得。也就是，电流上升速率S指出电流值在时间段T内增加的程度。

在步骤S1中获得目标电流值Itrg、燃料电池堆电阻值R和电流上升速率S之后，在步骤S2中确定含有这些值的函数f(Itrg，R，S)是否大于阈值X。在此，将描述阈值X。在步骤S1中获得的目标电流值Itrg、燃料电池堆电阻值R和电流上升速率S能够被用作用于估计在燃料电池的电池内的电流分布的偏差的参数，进而，作为用于估计电压下降量的参数。

如同上文所描述的，在燃料电池的电池内的电流分布的偏差与燃料电池的电池的干燥度(即，水分分布)相关。另外，电流分布的偏差导致电压的下降。随着电流分布的偏差增大，并且随着在氧气出口侧的电流密度增大，电压下降量同样会增大。因此，在该实施例中，基于这些发现，Itrg、R、S被改变，并且电流分布被预先测量出，以确定电压与f(Itrg，R，S)之间的关系。也就是，Itrg、R、S的组合会有各种变化，并且电流分布在实验中测量，以便确定电压与f(Itrg，R，S)之间的关系。以此方式，获得燃料电池的电池内的水分分布与函数f(Itrg，R，S)之间的关系，并且能够基于函数f(Itrg，R，S)来估计电压下降量。阈值X被预先设定为能够抑制电压的下降的并且能够于其下获得目标输出的值。

如果在步骤S2中确定为“否”，则该处理返回。另一方面，如果在步骤S2中确定为“是”，则该处理前进到步骤S3。在步骤S3中，执行用于降低电流上升速率S的处理。更具体地，由目标电流值确定部21确定的目标电流值Itrg由目标电流值校正部23校正，以便移动到下降侧。为了根据目标电流值Itrg来校正实际电流值并且针对该下降值来设定，改变燃料电池转换器内的升压比。也就是，电流值的降低通过改变燃料电池转换器11的升压电路的切换占空比来实现(ON/OFF的时间段比)。注意，目标电流值Itrg的下降量能够基于阈值X与函数f(Itrg，R，S)的值之间的分离量来确定。也就是，当阈值X与函数f(Itrg，R，S)的值之间的分离量大时，由校正进行的下降量就增大。

正如所描述的，从目标电流值Itrg起下降的电流值被设定为指令值，并且电流上升速率S降低。以此方式，供应给燃料电池堆10的氧化剂气体的流量降低。结果，在燃料电池堆10内的干燥受到抑制，在燃料电池堆10内的电流分布的偏差受到抑制，并且进一步地，电压的下降受到抑制。因而，能够及时获得目标输出附近的输出。当在步骤S3中的处理终止时，该处理返回。

参照图7，当执行目标电流值校正控制时，输出P的下降与燃料电池的电池处于干燥状态并且做出快速输出增大请求(例如，WOT)的情形相比减小。因为该实施例的控制被如上所述地执行，所以能够及时获得目标输出附近的输出。

在此，将参照图8和图9来描述通过抑制电流上升速率S而获得的效果。图8是通过在电阻值R为R1的情形与电阻值R为R2的情形之间的比较，来示出在电流值达到目标电流值Itrg需要时间段t1时(更具体地，在电流上升速率S为S1时)的电压V的变化的曲线图。在此，电阻值R1、R2是燃料电池堆10的电阻值，并且电阻值R1﹤电阻值R2。在电流上升速率S为S1并且电阻值R为R1时的电压V是V1。同时，在电阻值R为R2时的电压V是V2。电压V2在与电压V1比较时显著下降。

同时，图9是通过在电阻值R为R1的情形与电阻值R为R2的情形之间的比较，来示出在电流上升速率S为S2并且电流值达到目标电流值Itrg需要时间段t2时的电压V的变化的曲线图。在此，t2﹥t1，且S1﹥S2。另外，电阻值R1﹤电阻值R2。当电流上升速率S为S2时，在电阻值R为R1时的电压V是V1。同时，在电阻值R为R2时的电压V是V2。电压V2在与电压V1比较时略为下降，并且因此没有如同图8中那样显著下降。

如同上文所描述的，在这两种情形中，与电阻值R为小的时候相比，电压V的下降在电阻值R为大的时候被观察到。但是，在图9所示的结果中的下降量，即，在每个图中的△V是小的，其中电流上升速率S被设定为S2。因而，电压V的下降能够通过降低电流上升速率S来抑制。结果，能够抑制输出的下降。

(第二实施例)接下来，将参照图10来描述第二实施例。图10是示出第二实施例的燃料电池车辆100的控制的一个示例的流程图。注意，因为燃料电池车辆100自身的配置与第一实施例中的燃料电池车辆并无不同，所以下面将不会对其进行详细描述。

在第二实施例中，采用步骤S21，而不是在第一实施例中的步骤S2。更具体地，在第二实施例中，确定关于目标电流值Itrg、燃料电池堆电阻值R和电流上升速率S的函数f(Itrg)、f(R)和f(S)是否分别大于阈值α[A/cm₂]、阈值β[mΩ·cm²]和阈值γ[A/cm²/sec]。

在此，类似于第一实施例中的阈值X，阈值α、β和γ每个都被预先设定为能够于其下抑制电压的下降并能够获得目标输出的值。也就是，在燃料电池的电池内的电流分布的偏差与燃料电池的电池的干燥度(即，水分分布)相关。另外，电流分布的偏差导致电压的下降。随着电流分布的偏差增大，并且随着在氧气出口侧的电流密度增加，电压下降量同样会增大。因此，在该实施例中，基于这些发现，确定燃料电池的电池内的水分分布与电压下降量之间的关系，并且预先确定电压下降量与每个函数f(Itrg)、f(R)及f(S)之间的关系。以此方式，获得燃料电池的电池内的水分分布与每个函数f(Itrg)、f(R)及f(S)之间的关系，并且能够基于函数f(Itrg)、f(R)和f(S)来估计电压下降量。

正如所描述的，可以基于单独参数的各自函数是否满足规定的条件来确定电流上升速率S是否降低。因为在步骤S3中的操作类似于第一实施例的相应操作，所以将不再给出关于它的详细描述。

类似于第一实施例，同样地，在这样的第二实施例中，燃料电池堆10的干燥受到抑制，并且在燃料电池堆10内的电流分布的偏离受到抑制。另外，电压的下降受到抑制，并且能够及时获得在目标输出附近的输出。

上述实施例仅仅是用于实现本发明的示例，因而本发明并不限定于此。这些实施例的各种修改都属于本发明的范围之内，并且很明显，根据上述描述，在本发明的范围之内，还能够实现其他各种示例。