專利名稱：燃料電池系統(tǒng)的控制設備和控制方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)的一種控制設備和一種控制方法，其中把燃料氣體和氧化劑氣體供給到燃料電池以產(chǎn)生電功率，產(chǎn)生的功率供給到一個驅(qū)動負載的負載電路，并且產(chǎn)生的功率也存儲在一個功率存儲單元中。
背景技術(shù)：
在用作車輛功率源的燃料電池系統(tǒng)中，常常使用燃料電池組，它以這樣一種方式得到，從而一種使一個氧化劑電極和一個燃料電極提供為一對在其之間插入一個固體聚合物電解質(zhì)膜的燃料電池結(jié)構(gòu)由隔板夾持，并且多個燃料電池結(jié)構(gòu)彼此層疊。由燃料電池組產(chǎn)生的電功率充電到蓄電池，并且然后用來驅(qū)動在車輛中的電機。
關于燃料電池系統(tǒng)，在日本專利公開No.2000-92610的公報中公開了以這樣一種方式進行的控制，從而在低速行駛時把蓄電池的充電電平(SOC)設置為高以保證電機的驅(qū)動力，由此保證電功率能夠從蓄電池輸出。
而且，關于常規(guī)燃料電池系統(tǒng)，例如，在日本專利公開No.10(1998)-271706的公報中公開了一種方法。在這種方法中，探測的是一種其中諸如安裝在車輛中的電機之類的主負載幾乎是零的一種狀態(tài)，并且作為探測的結(jié)果，當用于探測狀態(tài)判斷告訴蓄電池要充電時，把蓄電池充電。根據(jù)這種方法，在常規(guī)燃料電池系統(tǒng)中，已經(jīng)有可能在所有時間供給足夠的電功率，即使由負載需要的電功率變化很大也是如此。
本發(fā)明的公開然而，在日本專利公開No.2000-92610的公報中公開的燃料電池系統(tǒng)中，以這樣一種方式進行控制，從而探測車輛速度，并且按照探測的車輛速度設置目標充電電平，因而保證蓄電池的可輸出功率。因此，它要求用來實際向蓄電池充電和保證輸出的一定量時間，導致在某些情況下燃料電池系統(tǒng)不能立即滿足立即需要的問題的發(fā)生。
而且，在日本專利公開No.10(1998)-271706的公報中公開的一種燃料電池系統(tǒng)中，以這樣一種方式進行控制，從而當探測到一種其中主負載幾乎變成零的狀態(tài)時，認為是一種其中應該向蓄電池充電的狀態(tài)，然后判斷蓄電池要充電。因此，當比較中等的負載繼續(xù)時，即當主負載幾乎是零的時間段較短時，不能足夠地向蓄電池充電。結(jié)果，在這種燃料電池系統(tǒng)中，已經(jīng)有一種供給功率對于由負載要求的使用功率變化不足的問題。
考慮到上述問題形成本發(fā)明，并且其一個目的在于提供用于燃料電池系統(tǒng)的一種控制方法和一種控制設備，該燃料電池系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在任何時間到其使用功率變化的負載的足夠功率供給。
為了解決上述問題，本發(fā)明的第一方面是一種用于燃料電池系統(tǒng)的控制設備，其中把燃料氣體和氧化劑氣體供給到燃料電池以產(chǎn)生電功率，通過把產(chǎn)生的功率供給到一個負載電路而驅(qū)動負載，并且把來自燃料電池的產(chǎn)生功率存儲在一個功率存儲單元中?？刂圃O備包括一個余量負載功率設置部分，用來設置一個余量負載功率量，當負載電路的負載以預定速率增大時，該功率量是從功率存儲單元和燃料電池供給到負載電路的電功率的增大量；一個可輸出功率計算部分，用來計算功率存儲單元的可輸出功率；一個可輸入功率計算部分，用來計算能夠輸入和存儲在功率存儲單元中的電功率；及一個控制部分，用來把由余量負載功率設置部分設置的余量負載功率和由可輸出功率計算部分計算的可輸出功率比較，以產(chǎn)生一個量判斷結(jié)果，當作為量判斷的結(jié)果可輸出功率小于余量負載功率時把可輸入功率和余量負載功率與可輸出功率之間的電功率差相比較以產(chǎn)生一個量判斷結(jié)果，當作為量判斷的結(jié)果在余量負載功率與可輸出功率之間的電功率差大于可輸入功率時，產(chǎn)生把可輸入功率設置為功率存儲單元的充電功率的電功率，及控制供給到燃料電池的氣體的流量或壓力，使得有可能總是產(chǎn)生與通過把可輸入功率和可輸出功率從余量負載功率上減去得到的電功率缺少量相當?shù)碾姽β省?br> 另外，本發(fā)明的第二方面是一種用于燃料電池系統(tǒng)的控制方法，其中把燃料氣體和氧化劑氣體供給到燃料電池以產(chǎn)生電功率，通過把產(chǎn)生的功率供給到一個負載電路而驅(qū)動負載，并且把來自燃料電池的產(chǎn)生功率存儲在一個功率存儲單元中?？刂品椒òú襟E預先設置余量負載功率量，當負載電路的負載以預定速率增大時，該功率量是從功率存儲單元和燃料電池供給到負載的電功率量的增大量；計算能夠輸入和存儲在功率存儲單元中的電功率，并且計算功率存儲單元的可輸出功率；通過把可輸入功率和在余量負載功率與可輸出功率之間的電功率差相比較，產(chǎn)生一個量判斷結(jié)果；及產(chǎn)生電功率，從而可輸入功率成為到功率存儲單元的充電功率、和控制供給到燃料電池的氣體的流量或壓力，從而當作為量判斷的結(jié)果在余量負載功率與可輸出功率之間的電功率差大于可輸入功率時，總是產(chǎn)生通過把可輸入功率和可輸出功率從余量負載功率上減去得到的電功率缺少量。
附圖的簡要描述

圖1是對其應用本發(fā)明的一種燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成圖。
圖2是方塊圖，表示在對其應用本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)中提供的一個控制單元的功能構(gòu)成。
圖3是曲線圖，表示在由負載單元需要的電功率與余量負載功率之間的關系。
圖4是曲線圖，表示在燃料電池組的輸出功率、與燃料氣體和氧化劑氣體的壓力值和流量之間的關系。
圖5曲線圖，表示在充電電平、可輸入功率、和可輸出功率中的關系。
圖6是流程圖，表示通過控制單元進行的功率控制的過程步驟。
圖7是流程圖，表示通過控制單元進行的功率控制的過程步驟。
圖8A表示在由負載單元要求的負載、一個目標功率產(chǎn)生量及對于余量負載功率的可輸出功率之間的關系，圖8B表示在由負載單元要求的負載、對于余量負載功率的一個目標功率產(chǎn)生量、可輸出功率及一個缺少量之間的關系，及圖8C表示在由負載單元要求的負載、對于余量負載功率的一個目標功率產(chǎn)生量、可輸出功率、目標FC余量功率及一個缺少量之間的關系。
圖9A是曲線圖，表示在燃料電池組的輸出與負載單元要求的負載之間的關系，而圖9B是曲線圖，表示在功率存儲單元中的電功率的變化。
圖10A是另一條曲線，表示在燃料電池組與由負載單元需要的負載之間的關系，而圖10B是另一個曲線圖，表示在功率存儲單元中的電功率變化。
圖11是當目標FC余量功率由控制單元供給到負載單元時為用戶進行的通知過程的流程圖。
圖12是流程圖，表示用來根據(jù)燃料電池組的溫度判斷能否產(chǎn)生等效于目標FC余量功率的電功率的過程步驟。
圖13是曲線圖，表示在來自燃料電池組的冷卻劑溫度(燃料電池溫度)與燃料電池組的最大可輸出功率之間的關系。
圖14是流程圖，表示用來根據(jù)燃料氣體或氣體劑氣體的化學計量比率判斷能否產(chǎn)生等效于目標FC余量功率的電功率的過程步驟。
圖15是曲線圖，表示在化學計量比率與從燃料電池組產(chǎn)生的電功率之間的關系。
用來實現(xiàn)本發(fā)明的最好方法下文，參照附圖將描述本發(fā)明的一個實施例。
本發(fā)明應用于例如如圖1中所示構(gòu)成的燃料電池系統(tǒng)。
這種燃料電池系統(tǒng)提供有一個燃料電池組1，燃料電池組1供有含氫氣體和燃料氣體以產(chǎn)生電力。這種燃料電池組1包括例如多個燃料電池結(jié)構(gòu)，其中隔板夾持安裝一對在其之間插入固體聚合物電解質(zhì)膜的氧化劑電極和燃料電極的燃料電池結(jié)構(gòu)。這種燃料電池組1通過向其氧化劑電極供有作為氧化劑氣體的含氧空氣和通過向其燃料電極供有作為燃料氣體的氫氣產(chǎn)生電功率，并且用作例如車輛等的驅(qū)動源。
燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成如由圖1明白的那樣，這種燃料電池系統(tǒng)提供有一個燃料箱2，用來存儲要供給到燃料電池組1的氫氣；和一個壓力控制閥3，用來調(diào)節(jié)要供給到燃料電池組1的燃料氣體的壓力和流量。這里，燃料電池組1、燃料箱2及壓力控制閥3經(jīng)一根氫氣通過管彼此連接。在壓力控制閥3中，根據(jù)來自一個以后描述的控制單元10的開口控制信號S1調(diào)節(jié)其閥開口，并因而控制要供給到燃料電池組1的燃料氣體的壓力和流量。
而且，這種燃料電池組系統(tǒng)提供有一個壓縮機4，用來把氧化劑氣體供給到燃料電池組1；一個電機5，用來驅(qū)動壓縮機4；及一個壓力控制閥6，布置在燃料電池組1的氧化劑氣體排出側(cè)。這里，壓縮機4、燃料電池組1、及壓力控制閥6經(jīng)氧化劑氣體通道管彼此連接?？刂茊卧?0通過把一個驅(qū)動力控制信號S2輸出到電機5根據(jù)電機5的驅(qū)動力控制壓縮機4的驅(qū)動力?？刂茊卧?0也通過向其輸出一個閥開口控制信號S3通過控制壓力控制閥6控制在燃料電池組1中的氧化劑氣體壓力，由此控制要供給到燃料電池組1的氧化劑氣體的流量。
況且，這種燃料電池系統(tǒng)提供有一個功率控制單元7，電氣連接到燃料電池組1上；一個功率存儲單元8，用來存儲由燃料電池組1和諸如驅(qū)動電機之類的負載單元9產(chǎn)生的電功率，驅(qū)動電機由燃料電池組1產(chǎn)生的電功率驅(qū)動。存儲單元8包括所謂的蓄電池。
功率控制單元7根據(jù)來自控制單元10的功率控制信號S4從燃料電池組1取出電功率，并且把電功率供給到壓縮機的電機5、負載單元9、功率存儲單元8等。當從功率控制單元7供給的電功率量大于在負載單元9中消耗的功率時，功率存儲單元8存儲來自燃料電池組1的過剩電功率作為充電功率。當從功率控制單元7供給的電功率量小于在負載單元9中消耗的功率時，功率存儲單元8把等效于缺少量的電功率供給到負載單元9。
控制單元10計算由車輛駕駛員操作的油門操作量信息和基于車輛速度脈沖信號的車輛速度信息?？刂茊卧?0根據(jù)由油門操作量信息指示的數(shù)值通過把驅(qū)動力控制信號S5輸出到負載單元9控制驅(qū)動力。況且，控制單元10根據(jù)油門操作量信息和車輛速度信息通過計算得到目標功率產(chǎn)生量。
控制單元10計算用作從燃料電池組1產(chǎn)生的電功率目標的目標功率產(chǎn)生量。而且，控制單元10控制壓力控制閥3的閥開口、電機5的驅(qū)動力及壓力控制閥6的閥開口，以便得到希望的功率產(chǎn)生量，并且控制供給到燃料電池組1的燃料氣體和氧化劑氣體的壓力和流量，因而控制燃料電池組1的功率產(chǎn)生量。另外，控制單元10控制功率控制單元7，因而把電功率供給到功率存儲單元8和負載單元9。
控制單元10的功能構(gòu)成圖2是方塊圖，表示控制單元10的功能構(gòu)成。如從圖2明白的那樣，控制單元10包括一個要求負載計算部分21，對其輸入油門操作量信息和車輛速度信息；一個可輸入/可輸出功率計算部分22，對其輸入來自一個用來探測功率存儲單元8(未表示)的狀態(tài)的蓄電池傳感器的蓄電池溫度信息、和表示功率存儲單元8的充電電平的充電電平信息；及一個余量負載功率存儲器部分23，具有存儲的電功率值，在車輛的最大加速時把要求的電功率補償?shù)截撦d單元9。
況且，控制單元10包括一個目標充電量計算單元24，利用來自可輸入/可輸出功率計算部分22和余量負載功率存儲部分23的信息條的來計算；一個目標FC余量功率計算部分25；一個輔助器件消耗功率計算部分26，用來計算在構(gòu)成包括負載單元9的燃料電池系統(tǒng)的每個元件中的消耗電功率；一個目標功率產(chǎn)生量計算部分27，利用來自要求負載計算部分21、目標充電量計算單元24及輔助器件消耗功率計算部分26的信息條?？刂茊卧?0進一步包括一個氣體供給量控制部分28，利用來自目標功率產(chǎn)生量計算部分27和目標FC余量功率計算部分25的信息條來計算。
要求負載計算部分21根據(jù)油門操作信息量信息和車輛速度信息計算驅(qū)動負載單元9要求的要求負載功率。然后，要求負載計算部分21把計算要求負載功率信息S11輸出到目標功率產(chǎn)生量計算部分27。
可輸入/可輸出功率計算部分22根據(jù)蓄電池溫度和充電電平信息計算表示能夠存儲在功率存儲單元8中的電功率值的可輸入功率信息、和表示能夠從功率存儲單元8輸出到負載單元9的電功率值的可輸出功率信息。然后，可輸入/可輸出功率計算部分22把可輸入功率信息S14和可輸出功率信息S13輸出到目標充電量計算單元24和目標FC余量功率計算部分25。
目標充電量計算單元24根據(jù)余量負載功率信息S12、可輸入功率信息S14及可輸出功率信息S13，計算一個用作由燃料電池組1產(chǎn)生的、并且也存儲在功率存儲單元8中的一個電功率目標的目標充電量。然后，目標充電量計算單元24確定在可輸入功率的范圍內(nèi)的目標充電量以便允許充電功率接近余量負載功率，并且然后把目標充電功率信息S16輸出到目標功率產(chǎn)生量計算部分27。
目標FC余量功率計算部分25根據(jù)余量負載功率信息S12、可輸出功率信息S13及可輸入功率信息S14計算。然后，目標FC余量功率計算部分25得到表示能夠立即取出和供給到負載單元9的目標FC余量功率的目標FC余量功率信息S17，并且把其輸出到氣體供給量控制部分28。
目標功率產(chǎn)生量計算部分27根據(jù)輔助器件消耗功率信息S15、目標產(chǎn)生功率信息S16、及要求負載功率信息S11計算。然后，目標功率產(chǎn)生量計算部分27得到表示用作由燃料電池組1產(chǎn)生的電功率目標的電功率值的目標產(chǎn)生功率信息18，并且把其輸出到氣體供給量控制部分28。
氣體供給量控制部分28根據(jù)目標產(chǎn)生功率信息18和目標FC余量功率信息S17控制壓力控制閥3、電機5及壓力控制閥6，以控制供給到燃料電池組1的燃料氣體和氧化劑氣體的壓力和流量，因而控制燃料電池組1的產(chǎn)生功率。
圖3表示從燃料電池組和功率存儲單元8供給的電功率對于負載的變化，以便與由負載單元9要求的電功率變化變化相對應。如從圖3明白的那樣，在其中曲線A表示用來驅(qū)動負載單元9必需的電功率的情況下，如果燃料電池組1僅產(chǎn)生由曲線B表示的電功率，則燃料電池組1的功率產(chǎn)生量由把電功率供給到負載單元9的功率存儲單元8補償。明確地說，由曲線C表示的電功率用來補償由在圖3中的陰影區(qū)域表示的電功率。這里，假定在車輛的最大加速時需要由曲線C表示的電功率，余量負載功率的值預先設置，并且存儲在余量負載功率存儲部分23中。
圖4表示在燃料電池組1的輸出功率與燃料氣體和氧化劑氣體的壓力值以及流量之間的關系。在圖4中，實線代表用來從燃料電池組1取出電功率的最小必需流量和最小必需壓力。這里，氣體供給量控制部分28控制每個元件，從而把控制目標流量和壓力設置為增大目標FC余量功率的流量值和壓力值(在圖4中由●表示)，并且然后把從燃料電池組1實際取出的電功率設置為目標功率產(chǎn)生量(在圖4中由○表示)。因此，目標功率產(chǎn)生量的電功率和目標FC余量功率之和能從燃料電池組1取出。當負載單元9在最大負載下操作，并且對需要負載功率的要求出現(xiàn)時，控制單元10這樣控制，從而等效于目標FC余量功率的電功率量從燃料電池組1立即取出，并且供給到負載單元9。
另一方面，當目標FC余量功率是零時，氣體供給量控制部分28控制電機5以減小壓縮機4的驅(qū)動量，以便得到最小必需流量和最小必需壓力，并且然后，把從燃料電池組1實際取出的電功率設置為目標功率產(chǎn)生量。換句話說，當?shù)玫皆趫D4中由○代表的輸出功率時，氣體供給量控制部分28把在其處從圖4中的○延伸的虛線與代表性質(zhì)每一種的線交叉的點，設置為控制目標流量和控制目標壓力。
圖5表示可輸出功率和可輸入功率相對于充電電平(SOC)的變化。可輸出功率和可輸入功率也隨溫度變化，并且圖5表示在室溫和低溫下性質(zhì)的每一種。
控制單元10的功率控制過程在圖6和7中，表示通過具有上述構(gòu)造的控制單元10的功率控制過程的過程步驟。根據(jù)圖6，當驅(qū)動負載單元9時，控制單元10首先在步驟ST1根據(jù)來自蓄電池傳感器(未表示)的傳感器信號通過可輸出功率計算部分22探測功率存儲單元8的溫度，并且然后過程轉(zhuǎn)到下個步驟ST2。
在步驟ST2，控制單元10根據(jù)功率存儲單元8的電流值和電壓值計算充電電平，并且把結(jié)果輸出到可輸入/可輸出功率計算部分22。
其次，在步驟ST3，可輸入/可輸出功率計算部分22根據(jù)在步驟ST1和ST2中得到的蓄電池溫度和充電電平，計算可輸入功率信息S14和可輸出功率信息S13。這里，可輸入/可輸出功率計算部分22根據(jù)圖5中所示的可輸入功率和可輸出功率關于充電電平的性質(zhì)、蓄電池溫度及充電電平，得到可輸入功率和可輸出功率。
其后，控制單元10在步驟ST4，讀出存儲在余量負載功率存儲部分23中的余量負載功率信息。
在下個步驟ST5，把油門操作量信息和車輛速度信息輸入到要求負載計算部分21。在下個步驟ST6，要求負載計算部分21根據(jù)油門操作量信息和車輛速度信息計算由負載單元9要求的要求負載功率。
在下個步驟ST7，輔助器件消耗功率計算部分26計算輔助器件消耗功率信息S15。
在圖7中表示的下個步驟ST8中，目標充電量計算單元24把存儲在余量負載功率存儲部分23中的余量負載功率量與在步驟ST3得到的可輸出功率量相比較，以確定余量負載功率是否小于可輸出功率。當余量負載功率小于可輸出功率時，目標充電量計算單元24轉(zhuǎn)到步驟ST9，而當余量負載功率不小于可輸出功率時，轉(zhuǎn)到以后描述的步驟ST11。
當余量負載功率小于可輸出功率時，目標充電量計算單元24判明如圖8A中所示可輸出功率能覆蓋余量負載功率、和能保證余量負載功率而不用額外充電。然后，目標充電量計算單元24把具有零目標充電量的目標充電功率信息S16輸出到目標功率產(chǎn)生量計算部分27，并且然后轉(zhuǎn)到步驟ST9。
在步驟ST9中，目標功率產(chǎn)生量計算部分27把目標功率產(chǎn)生量取成等于在步驟ST6得到的要求負載功率，并且把目標產(chǎn)生功率信息S18輸出到氣體供給量控制部分28。然后，在步驟ST19中把目標FC余量功率設置到0。此后，過程轉(zhuǎn)到步驟ST10。這里，目標功率產(chǎn)生計算部分27在目標功率產(chǎn)生量包括在步驟ST7得到的輔助器件消耗功率。
另一方面，如果在步驟ST8中確定余量負載功率不小于可輸出功率，則目標充電量計算單元24在步驟S11中計算可輸出功率對于余量負載功率的電功率差。在這種情況下，目標充電量計算單元24判明通過從余量負載功率減去可輸出功率的電功率差。
其后，在步驟ST12，目標充電量計算單元24確定在步驟S11中計算的電功率差是否小于可輸入功率。當確定功率差小于可輸入功率時，目標充電量計算單元24轉(zhuǎn)到步驟ST13，但當確定電功率差不小于可輸入功率時，目標充電量計算單元24轉(zhuǎn)到以后描述的步驟ST15。
在步驟ST13，目標充電量計算單元24判明如圖8B中所示電功率差能通過充電與可輸入功率相當?shù)碾姽β矢采w，并且把在步驟ST11中計算的電功率差按原樣設置為目標充電量。
在下個步驟ST14，目標功率產(chǎn)生量計算部分27從要求負載計算部分21接收在步驟ST6得到的要求負載功率，并且同時，從目標充電量計算單元24接收在步驟ST13得到的目標充電量。然后，把通過相加要求負載功率和目標充電量得到的電功率量設置為目標功率產(chǎn)生量，并且在步驟ST18把目標FC余量功率設置為0。此后，過程轉(zhuǎn)到步驟ST10。
如果在步驟ST12確定電功率差不小于可輸入功率，則目標充電量計算單元24在步驟ST15判明如圖8C中所示電功率差不能由可輸入功率覆蓋，并且把可輸入功率設置為目標充電量。
在下個步驟ST16，目標功率產(chǎn)生量計算部分27把來自要求負載計算部分21的要求負載功率和目標充電量相加以得到目標功率產(chǎn)生量。這里，目標功率產(chǎn)生量計算部分27把在上述步驟ST7中得到的輔助器件消耗功率包括在目標功率產(chǎn)生量中。
在下個步驟ST17，目標FC余量功率計算部分25通過從余量負載功率減去可輸入功率得到電功率差，并且然后通過從得到的功率差減去可輸入功率得到目標FC余量功率(電功率的缺少量)。此后，過程轉(zhuǎn)到步驟ST10。在下個步驟ST10，氣體供給量控制部分28根據(jù)目標產(chǎn)生功率信息S18輸出用來控制每個元件的控制信號，并且然后設置燃料氣體和氧化劑氣體的流量和壓力，以便得到圖4中所示的目標產(chǎn)生量和目標FC余量功率。
實施例的效果根據(jù)進行上述過程的控制單元10，在其中如圖8B中所示可輸出功率小于余量負載功率的情況下，并且也當可輸入功率大于電功率差時，設置目標功率產(chǎn)生量，以便用目標充電量補償電功率差。通過這樣做，在任何時間能取出余量負載功率。
例如如圖9A中所示，在改變負載單元9的負載之前，在時段T1期間燃料電池組1的產(chǎn)生功率輸出超過要求負載，并且如圖9B中所示把電功率充電到功率存儲單元8。在這時的目標充電功率和可輸出功率的總和成為余量負載功率。注意，在燃料電池輸出(凈)與燃料電池輸出(粗)之間的差是由輔助器件消耗的電功率。
這里，如圖9A中所示，能供給與目標充電量等效的電功率，因為設置目標充電量，以便在所有時間保證余量負載功率，即使在其中在下個時段T2期間要求負載大大地改變的情況下也是如此，來自燃料電池組1的電功率輸出變化相對于要求負載的變化速度延遲，并且另外，即使在其中要求負載超過從燃料電池組1輸出的電功率和功率存儲單元8的可輸出功率的總和值的情況下也是如此。因此，根據(jù)燃料電池系統(tǒng)，即使當負載單元9的負載單元急劇變化時，變得有可能把余量負載功率供給到負載單元9，并且使電功率供給跟隨要求負載的變化。
而且，在這種燃料電池系統(tǒng)中，從功率存儲單元8供給到負載單元9的電功率能保持在可輸出功率范圍內(nèi)。因此，根據(jù)燃料電池系統(tǒng)，變得有可能禁止功率存儲單元8退化的發(fā)展。
況且，在負載變化之后的時段T3期間，燃料電池系統(tǒng)繼續(xù)向功率存儲單元8充電，因而使得有可能把充電電平設置得高得足以用可輸入功率覆蓋余量負載功率。因此，根據(jù)燃料電池組系統(tǒng)，當不改變負載單元9的要求負載時，對于功率存儲單元8進行充電，因而使得它有可能供給余量負載功率。
而且，根據(jù)進行上述過程的控制單元10，在其中如圖8C中所示可輸出功率小于余量負載功率的情況下，即使當可輸入功率小于在其之間的電功率差，余量負載功率也能通過設置目標FC余量功率而保證。
例如，如圖10A中所示，在負載單元9的負載變化之前的時段T1期間，燃料電池輸出(凈)超過要求負載，并且把電功率充電到功率存儲單元8，使電功率小于圖10B中所示的可輸入功率。
這里，假定，由于在時段T1期間功率存儲單元8的可輸入功率較小，所以在時段T1中余量負載功率不能僅由充電電功率和可輸出功率的總和覆蓋。與此相反，在燃料電池系統(tǒng)中，假定在步驟ST17設置目標FC余量功率，并且總能輸出過剩電功率。然后，當負載單元9的要求負載變得較大時，已經(jīng)取出的電功率和目標FC余量功率從燃料電池組1取出，并且同時，把功率存儲單元8的充電功率供給到負載單元9。
因此，根據(jù)燃料電池系統(tǒng)，有可能立即取出目標FC余量功率，并且縮短其中燃料電池組1的輸出相對于負載不足的時間段，并且也有可能減小燃料電池組1的輸出的不足量。而且，響應要求負載的變化能供給電功率。
另外，根據(jù)燃料電池系統(tǒng)，即使當在低溫下的功率存儲單元8與圖5中所示室溫相比不能輸出較大電功率時、和即使當相對于負載變化因而供給電功率不足時，也有可能通過把目標FC余量功率供給到負載單元9迅速應付負載變化。
而且，根據(jù)燃料電池系統(tǒng)，輸入到功率存儲單元8的電功率能保持在可輸出功率范圍內(nèi)，并且從功率存儲單元8輸出的電功率能保持在可輸出功率范圍內(nèi)。因此，有可能禁止功率存儲單元8退化的發(fā)展。
控制單元10的通知過程其次，參照圖11對于在把目標FC余量功率供給到負載單元9時對于用戶的通知過程進行描述。
根據(jù)圖11，首先在步驟ST21，類似于例如上述步驟ST17由目標FC余量功率計算部分25計算目標FC余量功率，并且過程轉(zhuǎn)到步驟ST22。
在步驟ST22中，目標FC余量功率計算部分25控制壓力控制閥3、電機5及壓力控制閥6，并且然后判斷是否能得到在步驟ST21中計算的目標FC余量功率。當判斷有可能得到目標FC余量功率時，目標FC余量功率計算部分25轉(zhuǎn)到步驟ST23。當判斷不可能得到目標FC余量功率時，目標FC余量功率計算部分25轉(zhuǎn)到步驟ST24。
在步驟ST23中，目標FC余量功率計算部分25執(zhí)行控制，以便關閉一個余量缺少燈，這通知車輛駕駛員不可能供給目標FC余量功率。
在步驟ST24中，目標FC余量功率計算部分25執(zhí)行控制，以便接通余量缺少燈。
通過這樣做，在燃料電池系統(tǒng)中，變得有可能通知車輛駕駛員降低加速性能。另外，通過通知對于諸如迅速加速之類的需要情形幾乎沒有功率留下，變得有可能根據(jù)情形促進駕駛操作。
這里，用來把目標FC余量功率的不可行性通知車輛駕駛員的裝置不限于燈，而是可以使用任何顯示機械或音頻機械(未表示)。
根據(jù)燃料電池組1的溫度的判斷過程其次，參照圖12對于一個例子進行描述，其中根據(jù)燃料電池組1的溫度執(zhí)行表示在圖11中在步驟S11中的判斷。
根據(jù)圖12，在步驟ST31中，類似于上述過程由目標FC余量功率計算部分25計算目標FC余量功率，并且開始如下過程。
在下個步驟ST32，供給到燃料電池組1的冷卻劑的溫度由一個溫度傳感器探測(未表示)。
在下個步驟ST33，根據(jù)在步驟ST32探測的冷卻劑溫度計算燃料電池組1的最大可能功率產(chǎn)生量。這里，參照圖13中所示在來自燃料電池組1的冷卻劑溫度(燃料電池溫度)與燃料電池組1的最大可能功率產(chǎn)生量之間的關系，根據(jù)冷卻劑溫度得到燃料電池組1的最大可能功率產(chǎn)生量。
在下個步驟ST34，把目標產(chǎn)生功率和目標FC余量功率的總和量與燃料電池組1的最大可能功率產(chǎn)生量相比較。當目標產(chǎn)生功率和目標FC余量功率的總和量小于燃料電池組1的最大可能功率產(chǎn)生量時，過程轉(zhuǎn)到步驟ST35。當目標產(chǎn)生功率和目標FC余量功率的總和量不小于燃料電池組1的最大可能功率產(chǎn)生量時，過程轉(zhuǎn)到步驟ST37。
在步驟ST35，計算用來產(chǎn)生電功率的燃料氣體和氧化劑氣體的流量和壓力，其中電功率是目標產(chǎn)生功率和在燃料電池組1處的目標FC余量功率的總和。然后過程轉(zhuǎn)到步驟ST36。
在步驟ST36，判斷目標FC余量功率是可行的，并且然后過程轉(zhuǎn)到圖11中的步驟ST23。然后，過程轉(zhuǎn)到圖11中的步驟ST23。
另一方面，當在步驟ST34中判斷目標產(chǎn)生功率和目標FC余量功率的總和量大于燃料電池組1的最大可能功率產(chǎn)生量時，過程轉(zhuǎn)到步驟ST37。在步驟ST37，氣體供給量控制部分28根據(jù)在步驟ST33中計算的燃料電池組1的最大可能功率產(chǎn)生量，計算燃料氣體和氧化劑氣體的流量和壓力。然后，過程轉(zhuǎn)到步驟ST38。
在步驟ST38，判斷目標FC余量功率是不可行的。然后，過程轉(zhuǎn)到圖11中的步驟ST24。
根據(jù)進行上述這種過程的燃料電池系統(tǒng)，得到隨燃料電池組1的溫度變化而變化的燃料電池組1的最大可能功率產(chǎn)生量，以判斷為了覆蓋余量負載功率能否供給目標FC余量功率。因此，變得有可能根據(jù)燃料電池組1的溫度狀態(tài)準確地確定對于過大負載變化幾乎沒有功率留下。
根據(jù)化學計量比率的判斷過程其次，對于一個例子進行描述，其中根據(jù)圖14中表示的燃料氣體或氧化劑氣體的化學計量比率執(zhí)行圖11中步驟ST22的判斷。
如圖14中所示，在步驟ST41，類似于上述過程由目標FC余量功率計算部分25計算目標FC余量功率。然后過程轉(zhuǎn)到步驟ST42以開始如下過程。
在步驟ST42，根據(jù)目標功率產(chǎn)生量和目標FC余量功率計算一個極限化學計量比率。然后過程轉(zhuǎn)到步驟ST43。這里，化學計量比率是一個通過把對于燃料電池組1的氣體供給量除以由燃料電池組1消耗的氣體供給量得到的值，并且化學計量比率依據(jù)表示在圖15中的燃料電池組1的產(chǎn)生功率而變化。在這種情況下，極限化學計量比率也依據(jù)純水收集效率和燃料電池系統(tǒng)的濕潤性而變。
在步驟ST43中，通過把用來實施目標產(chǎn)生功率和目標FC余量功率的總和的功率產(chǎn)生必需的燃料氣體和氧化劑氣體的流量除以在產(chǎn)生功率時消耗的燃料氣體和氧化劑氣體的流量，計算一個目標FC余量功率量實施化學計量比率。然后，過程轉(zhuǎn)到步驟ST44。
在步驟ST44中，把在步驟ST42中計算的極限化學計量比率和在步驟ST43中計算的目標FC余量功率量實施化學計量比率彼此比較。當判斷目標FC余量功率量實施化學計量比率大于極限化學計量比率時，過程轉(zhuǎn)到步驟ST45。當判斷目標FC余量功率量實施化學計量比率不大于極限化學計量比率時，過程轉(zhuǎn)到步驟ST47。
在步驟ST45中，把一個目標化學計量比率設置為目標FC余量功率量實施化學計量比率，并且然后過程轉(zhuǎn)到步驟ST46。
在步驟ST46中，判斷目標FC余量功率是可行的，并且然后過程轉(zhuǎn)到在圖11中的步驟ST23。
在步驟ST47中，把一個目標化學計量比率設置為圖15中表示的極限化學計量比率，并且然后過程轉(zhuǎn)到步驟ST48。
在步驟ST48中，判斷目標FC余量功率是不可行的，并且然后過程轉(zhuǎn)到在圖11中的步驟ST24。
根據(jù)進行上述這種過程的燃料電池系統(tǒng)，得到依據(jù)燃料電池組1的消耗變化而變化的燃料電池組1的最大可能功率產(chǎn)生量，并且然后判斷能否供給用來覆蓋余量負載功率的目標FC余量功率。因此，變得有可能根據(jù)燃料電池組1的消耗狀態(tài)準確地確定對于過大負載變化幾乎沒有功率留下。
注意，上述實施例是本發(fā)明的一個例子。因而，本發(fā)明不限于上述實施例。當然，即使在與上述實施例不同的情況下，各種修改依據(jù)在與本發(fā)明有關的技術(shù)概念的范圍內(nèi)的設計等也是可能的。
工業(yè)應用性根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的控制設備，當可輸出功率小于余量負載功率時，控制燃料電池的功率產(chǎn)生量，從而充電功率變得大于在余量負載功率與可輸出功率之間的電功率差。因此，即使增大負載電路的負載，也從功率存儲單元供給電功率，并且能供給與余量負載功率等效的電功率。因而，有可能實現(xiàn)到其使用功率變化的負載的足夠功率供給。
況且，當作為量判斷的結(jié)果在余量負載功率與可輸出功率之間的電功率差大于可輸入功率時，產(chǎn)生電功率，從而可輸入功率成為功率存儲單元的充電功率，并且控制供給到燃料電池的氣體的流量或壓力，從而總是產(chǎn)生通過從余量負載功率減去可輸入功率和可輸出功率得到的電功率的缺少量。因此，即使功率存儲單元由于低溫等相對于負載變化不能足夠地供給電功率，也變得有可能立即把電功率供給到負載電路。
而且，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的控制設備，根據(jù)燃料電池溫度、化學計量比率、流量、及燃料氣體的壓力的至少一個，判斷燃料電池相對于要求余量功率不能產(chǎn)生與缺少功率量等效的電功率。因此，變得有可能依據(jù)燃料電池的狀態(tài)通知對于負載變化幾乎沒有功率留下。
另外，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的控制設備，當燃料電池不能產(chǎn)生相當于缺少功率量的電功率時，通知用戶不能保證要求的余量功率。因此，變得有可能準確地通知對于負載變化幾乎沒有功率留下。
更進一步，在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的控制設備中，把從功率存儲單元供給到負載電路的電功率設置為等于可輸出功率或更小，并且把從燃料電池輸入到功率存儲單元的電功率設置為等于功率存儲單元的可輸入功率或更小。因此，變得有可能禁止功率存儲單元退化的發(fā)展。
根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的控制方法，當作為量判斷的結(jié)果可輸出功率小于余量負載功率時，控制燃料電池的功率產(chǎn)生量，從而充電功率變得大于在余量負載功率與可輸出功率之間的電功率差。因此，即使增大負載電路的負載，也從功率存儲單元供給電功率，并且能供給與余量負載功率等效的電功率。因而，有可能實現(xiàn)到其使用功率變化的負載的足夠功率供給。
況且，當作為量判斷的結(jié)果在余量負載功率與可輸出功率之間的電功率差大于可輸入功率時，產(chǎn)生電功率，從而可輸入功率成為功率存儲單元的充電功率，并且控制供給到燃料電池的氣體的流量或壓力，從而總是產(chǎn)生通過從余量負載功率減去可輸入功率和可輸出功率得到的電功率的缺少量。因此，即使功率存儲單元由于低溫等相對于負載變化不能足夠地供給電功率，也變得有可能立即把電功率供給到負載電路。
而且，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的控制方法，根據(jù)燃料電池溫度、化學計量比率、流量、及燃料氣體的壓力的至少一個，判斷燃料電池對于要求余量功率不能產(chǎn)生與缺少功率量等效的電功率。因此，變得有可能按照燃料電池的狀態(tài)通知對于負載變化幾乎沒有功率留下。
另外，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的控制方法，當燃料電池不能產(chǎn)生相當于缺少功率量的電功率時，通知用戶不能保證要求的余量功率。因此，變得有可能準確地通知用戶對于負載變化幾乎沒有功率留下。
更進一步，在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的控制方法中，控制裝置把從功率存儲單元供給到負載電路的電功率設置為等于可輸出功率或更小，并且也把從燃料電池輸入到功率存儲單元的電功率設置為等于功率存儲單元的可輸入功率或更小。因此，變得有可能禁止功率存儲單元退化的發(fā)展。
盡管通過參考本發(fā)明的某些實施例在以上已經(jīng)描述了本發(fā)明，但本發(fā)明不限于上述實施例，并且按照講授熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員會想到變更和修改。參考如下權(quán)利要求書定義本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于燃料電池系統(tǒng)的控制設備，其中把燃料氣體和氧化劑氣體供給到燃料電池以產(chǎn)生電功率，通過把產(chǎn)生的功率供給到一個負載電路而驅(qū)動負載，并且把來自燃料電池的產(chǎn)生的功率存儲在一個功率存儲單元中，該控制設備包括一個余量負載功率設置部分，用來設置一個余量負載功率量，當所述負載電路的所述負載以預定速率增大時，該功率量是從所述功率存儲單元和所述燃料電池供給到負載電路的電功率的增大量；一個可輸出功率計算部分，用來計算所述功率存儲單元的可輸出功率；一個可輸入功率計算部分，用來計算能夠輸入和存儲在所述功率存儲單元中的電功率；及一個控制部分，用來把由所述余量負載功率設置部分設置的余量負載功率和由所述可輸出功率計算部分計算的可輸出功率相比較，以產(chǎn)生一個量判斷結(jié)果，當作為所述量判斷的結(jié)果所述可輸出功率小于余量負載功率時把所述可輸入功率和所述余量負載功率與所述可輸出功率之間的電功率差相比較以產(chǎn)生一個量判斷結(jié)果，當作為所述量判斷的結(jié)果在所述余量負載功率與所述可輸出功率之間的電功率差大于所述可輸入功率時，產(chǎn)生把所述可輸入功率設置為所述功率存儲單元的充電功率的電功率，及控制供給到所述燃料電池的氣體的流量或壓力，使得有可能總是產(chǎn)生與通過把所述可輸入功率和所述可輸出功率從所述余量負載功率上減去得到的電功率缺少量相當?shù)碾姽β省?br> 2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于燃料電池系統(tǒng)的控制設備，進一步包括一個部分，用來根據(jù)燃料電池的溫度、氧化劑氣體的化學計量比率、流量、和壓力，以及燃料氣體的化學計量比率、流量、和壓力的至少一個，判斷所述燃料電池對于所述要求的余量功率不能產(chǎn)生與缺少功率量相當?shù)碾姽β省?br> 3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于燃料電池系統(tǒng)的控制設備，進一步包括一個通知部分，當所述燃料電池不能產(chǎn)生相當于所述缺少功率量的電功率時，用來通知用戶不能保證所述余量負載功率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于燃料電池系統(tǒng)的控制設備，其中所述控制部分把從所述功率存儲單元供給到負載電路的電功率設置為等于所述可輸出功率或更小，并且也把從所述燃料電池輸入到所述功率存儲單元的電功率設置為等于所述功率存儲單元的所述可輸入功率或更小。
5.一種用于燃料電池系統(tǒng)的控制方法，其中把燃料氣體和氧化劑氣體供給到燃料電池以產(chǎn)生電功率，通過把產(chǎn)生的功率供給到一個負載電路而驅(qū)動負載，并且把來自燃料電池的產(chǎn)生的功率存儲在一個功率存儲單元中，該控制方法包括步驟預先設置余量負載功率量，當所述負載電路的所述負載以預定速率增大時，該功率量是從所述功率存儲單元和所述燃料電池供給到負載的電功率量的增大量；計算能夠輸入和存儲在所述功率存儲單元中的電功率，并且計算所述功率存儲單元的可輸出功率；通過把所述可輸入功率和在所述余量負載功率與所述可輸出功率之間的電功率差相比較，產(chǎn)生一個量判斷結(jié)果；及產(chǎn)生電功率，從而所述可輸入功率成為到功率存儲單元的充電功率、和控制供給到所述燃料電池的氣體的流量或壓力，從而當作為所述量判斷的結(jié)果在所述余量負載功率與所述可輸出功率之間的電功率差大于可輸入功率時，總是產(chǎn)生通過把所述可輸入功率和所述可輸出功率從所述余量負載功率上減去得到的電功率缺少量。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池系統(tǒng)的控制方法，其中根據(jù)所述燃料電池的溫度、氧化劑氣體的化學計量比率、流量、和壓力、及燃料氣體的化學計量比率、流量、和壓力的至少一個，判斷所述燃料電池對于所述要求的余量功率不能產(chǎn)生與缺少功率量相當?shù)碾姽β省?br> 7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池系統(tǒng)的控制方法，當所述燃料電池不能產(chǎn)生相當于所述缺少功率量的電功率時，通知用戶不能保證要求的余量功率。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池系統(tǒng)的控制方法，其中把從所述功率存儲單元供給到所述負載電路的電功率設置為等于可輸出功率或更小，并且也把從所述燃料電池輸入到所述功率存儲單元的電功率設置為等于所述功率存儲單元的所述可輸入功率或更小。
9.一種用于燃料電池系統(tǒng)的控制設備，其中把燃料氣體和氧化劑氣體供給到燃料電池以產(chǎn)生電功率，通過把產(chǎn)生的功率供給到負載電路而驅(qū)動負載，并且把來自燃料電池的產(chǎn)生的功率存儲在一個功率存儲單元中，該控制設備包括余量負載功率設置裝置，用來設置一個余量負載功率量，當所述負載電路的所述負載以預定速率增大時，該功率量是從所述功率存儲單元和所述燃料電池供給到負載電路的電功率的增大量；可輸出功率計算裝置，用來計算所述功率存儲單元的可輸出功率；可輸入功率計算裝置，用來計算能夠輸入和存儲在所述功率存儲單元中的電功率；及控制裝置，用來把由所述余量負載功率設置裝置設置的余量負載功率和由所述可輸出功率計算裝置計算的可輸出功率相比較，以產(chǎn)生一個量判斷結(jié)果，當作為所述量判斷的結(jié)果所述可輸出功率小于余量負載功率時把所述可輸入功率和所述余量負載功率與所述可輸出功率之間的電功率差相比較以產(chǎn)生一個量判斷結(jié)果，當作為所述量判斷的結(jié)果在所述余量負載功率與所述可輸出功率之間的電功率差大于所述可輸入功率時，產(chǎn)生把所述可輸入功率設置為所述功率存儲單元的充電功率的電功率，及控制供給到所述燃料電池的氣體的流量或壓力，使得有可能總是產(chǎn)生與通過把所述可輸入功率和所述可輸出功率從所述余量負載功率上減去得到的電功率缺少量相當?shù)碾姽β省?br> 全文摘要
一種控制設備和一種控制方法用在一個燃料電池系統(tǒng)中，其中把燃料氣體和氧化劑氣體供給到一個燃料電池組(1)以產(chǎn)生電功率，通過把產(chǎn)生的功率供給到一個負載單元(9)而驅(qū)動它，及把產(chǎn)生的功率存儲在一個功率存儲單元中。當負載單元(9)的負載以預定速率變化時，一個控制單元(10)預先設置從功率存儲單元(8)供給到燃料電池組(1)的余量負載功率，并且計算功率存儲單元(8)的可輸出功率。然后，控制單元(10)比較余量負載功率和可輸出功率以產(chǎn)生一個量判斷結(jié)果。當可輸出功率大于余量負載功率時，控制單元(10)控制燃料電池組1的功率產(chǎn)生量，從而充電功率變得等于在余量負載功率與可輸出功率之間的電功率差。
文檔編號H01M16/00GK1396872SQ01804456
公開日2003年2月12日 申請日期2001年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月4日
發(fā)明者風間勇, 大藏一真 申請人:日產(chǎn)自動車株式會社