能量输出设备以及能量输出设备的控制方法
专利名称：能量输出设备以及能量输出设备的控制方法
技术领域：
本发明涉及能量输出设备，该设备具有包含有燃料电池的多个能量输出源并激活该多个能量输出源中的至少一个以输出能量，以及涉及这种能量输出设备的控制方法。
背景技术：
已知的带有包括燃料电池的多个能量输出源的能量输出设备是具有二次电池和燃料电池的供电设备。在这种供电设备中，当从该供电设备接受电力供应的负荷处在预设的低负荷状态时，控制过程就停止燃料电池的电能生成，并只从二次电池提供电力。这种控制是根据燃料电池的特性，因在低负荷状态下燃料电池的整体能量效率要降低。在低负荷状态下停止燃料电池的工作并只激活二次电池的控制方法有望提高电能供应设备的整体效率。
在因低负荷而临时停止燃料电池的电能生成之后，当响应负荷的升高而重启燃料电池的时候，会有诸如电能生成响应的延迟或单位电池(unit cell)电压的降低等缺点。例如在高分子电解质燃料电池的情况下，这些缺点可以归因于电能生成过程中在燃料电池的气流通路中所产生水的冷凝，或者电解质膜湿度的部分降低。根据供电设备整体效率使燃料电池停止电能生成的控制方法可能因此不能获得理论上的供电设备的高效率运行。在带有包含燃料电池的多个电能输出源的一般电能输出设备中，在预设条件下停止燃料电池电能生成的控制中，通常会出现因燃料电池电能生成的停止而引起的在重启燃料电池时的上述缺点的问题。
发明内容
本发明的目的是控制燃料电池的停止并因此防止在燃料电池重启时在燃料电池中可能引起的问题。
为了至少部分达到上述和其他有关的目的，本发明提供一种第一能量输出设备，该设备具有包含燃料电池的多个能量输出源，并激活该多个能量输出源的至少一个以输出能量。该第一能量输出设备包括输出控制组件，该组件在预设的条件下停止燃料电池的电能生成，并激活与包含在所述能量输出设备中的燃料电池不同的能量输出源以输出能量；判定组件，该组件在所述燃料电池的电能生成期间执行判定，该判定用于确定燃料电池的临时停止是否导致燃料电池重启时的燃料电池的可能性能恶化；以及强制FC操作组件，当所述判定组件判定燃料电池的可能性能恶化，则该组件强制燃料电池继续电能生成，即使处在所述预设的条件之下。
本发明的第一能量输出设备响应燃料电池的可能性能恶化的判定，继续燃料电池的电能生成。这种安排有效防止或至少限制了燃料电池重启时的燃料电池的可能性能恶化。
在本发明的第一能量输出设备中，燃料电池的可能性能恶化可以是燃料电池电流-电压特性的恶化。继续燃料电池的电能生成可望防止或至少限制燃料电池的电流-电压特性的恶化。
在本发明的第一能量输出设备的一个优选实施例中，当供应给燃料电池的含有电极活性物质的气体中所包含的杂质的浓度不低于预设水平时，所述的判定组件判定燃料电池的可能性能恶化。这种安排可望防止或至少限制因含有电极活性物质的气体中杂质的升高的浓度引起的燃料电池的电流-电压特性的恶化。
在本发明的该优选实施例中，第一能量输出设备进一步包括氢气供应管道，该管道把所供应的氢气引导至燃料电池正极；以及废气循环管道，该管道把从燃料电池的正极排放的正极废气的至少一部分引导至所述的氢气供应管道。当包含在被引导至所述氢气供应管道的正极废气中的杂质的浓度不低于所述预设水平时，所述判定组件判定燃料电池的可能性能恶化。
这种安排可望防止或至少限制因经至少部分正极废气到正极的循环的正极废气中杂质的升高浓度引起的燃料电池的电流-电压特性的恶化。
这种安排的第一能量输出设备，废气循环管道优选具有气体净化单元，该单元把一部分正极废气释放到所述能量输出设备的外部。当从用于释放部分正极废气的该气体净化单元的最近操作以来所经过的时间在预设的参考时间的范围之内，则所述判定组件判定燃料电池的可能性能恶化。
在气体净化单元释放部分正极废气的操作之后的短时间内，气流通路中气体净化单元附近的杂质浓度降低，而在气流通路的其余部分，包括在燃料电池内部，杂质的浓度依然保持较高水平。因此当从气体净化单元最近的操作以来所经过的时间段在预设的参考时间范围之内，可预期供应给燃料电池的气体中杂质的高浓度。
本发明的第一能量输出设备可进一步包括氢稀释组件，该组件利用从燃料电池的负极排放的负极废气来稀释由该气体净化单元释放的正极废气的一部分，并把所稀释的正极废气释放到所述能量输出设备的外部。
这种安排有效防止或至少部分限制了燃料电池重启时的较高浓度氢气的不良排放。当从最近的正极废气释放操作以来只经过了短时间，在氢气稀释组件中可能有较高浓度的氢气。燃料电池的停止妨碍利用负极废气稀释氢气。在燃料电池重启时在氢气稀释组件中剩余的较高浓度的氢气从氢气稀释组件中释放以恢复负极废气的供应。而本发明的安排可防止或至少限制这种可能的缺点。
在本发明的第一能量输出设备中，当燃料电池相对于输出电流的输出电压不大于相对于该输出电流的预设参考电压时，所述判定组件判定燃料电池的可能性能恶化。这种安排有效防止或至少限制了燃料电池的电流-电压特性的恶化。
在本发明的第一能量输出设备中，当燃料电池的工作温度不高于预设的参考温度，所述判定组件判定燃料电池的可能性能恶化。这种安排有效防止或至少限制了因燃料电池的温度降低而引起的燃料电池的可能性能恶化。
本发明还提供一种第二能量输出设备，该设备具有包括燃料电池的多个能量输出源，并且激活该多个能量输出源的至少一个以输出能量。第二能量输出设备包括输出控制组件，该组件在预设的条件下停止燃料电池的电能生成，并激活与包含在所述能量输出设备中的燃料电池不同的能量输出源以输出能量；判定组件，该组件在所述燃料电池的停止期间执行判定，该判定用于确定燃料电池的停止的持续是否导致燃料电池重启时的燃料电池的可能性能恶化；以及强制FC操作组件，当所述判定组件判定燃料电池的可能性能恶化，则该组件强制开始燃料电池的电能生成，即使处在所述预设的条件之下。
本发明的第二能量输出设备响应燃料电池的可能性能恶化的判定立刻开始燃料电池的工作。这种安排有效防止了燃料电池重启时的燃料电池的可能性能恶化。
在本发明的第二能量输出设备中，当燃料电池的工作温度不高于预设的参考温度，所述判定组件判定燃料电池的可能性能恶化。这种安排有效防止或至少限制了因燃料电池的温度降低而引起的燃料电池的可能性能恶化。
本发明还提供一种能量输出设备，该设备具有包括燃料电池的多个能量输出源，并且激活该多个能量输出源的至少一个以输出能量。第三能量输出设备包括输出控制组件，该组件在预设的条件下停止燃料电池的电能生成，并激活与包含在所述能量输出设备中的燃料电池不同的能量输出源以输出能量；燃料电池辅助装置，利用燃料电池所生成的电能来工作；判定组件，该组件在燃料电池的电能生成期间检测所述燃料电池辅助装置的工作状态，并根据所检测的工作状态确定燃料电池辅助装置是否处于异常过渡状态，其为异常性诊断之前的过渡状态；以及强制FC操作组件，当所述判定组件确定燃料电池辅助装置处于异常过渡状态，则该组件强制继续燃料电池的电能生成，即使在所述预设的条件之下。
本发明的第三能量输出设备在确定燃料电池辅助装置处于异常过渡状态时继续燃料电池的电能生成。因此持续地监视燃料电池辅助装置的工作状态。这种安排保证了燃料电池辅助装置中所产生问题和故障的快速检测。
在本发明的第三能量输出设备中，所述判定组件还检测燃料电池辅助装置的温度，并且当所检测的燃料电池辅助装置的温度不低于预设的参考温度时，确定燃料电池辅助装置处于异常过渡状态。
在继续燃料电池的电能生成的时候，持续地监视燃料电池辅助装置的温度升高。这种安排保证了燃料电池辅助装置中产生的问题和故障的快速检测。
本发明的技术不限于上述的能量输出设备，而可以实现在各种其他应用中，例如能量输出设备和带有安装在其中作为电源的能量输出设备的移动体的控制方法。
图1是示意性地示出本发明一个实施例中的电动车辆的配置的框图；图2是示出对照燃料电池堆的输出绘制的燃料电池单元的整体能量效率的变化的图示；图3是示出对照燃料电池堆的输出电流绘制的输出电压和输出功率的变化的图示；图4是示出驱动控制例程的流程图；图5是示出包含在用于确定是否激活间歇驱动模式的控制单元中的电路结构的框图；图6是性能恶化判定例程的流程图；以及图7是异常过渡状态处理例程的流程图。
具体实施例方式
下面结合附图参考优选实施例详细讨论本发明的能量输出设备和能量输出设备的控制方法。
A.一般系统配置图1是示出本发明一个实施例中的电动车辆10的配置的示意框图。电动车辆10包括驱动马达33和辅助装置马达34作为消耗电能的负荷，以及供电设备15作为对这些负荷供应电能的电源。供电设备15通过导线50与这些负荷连接，这样电能在供电设备15和负荷之间传送。
供电设备15包括燃料电池单元20和二次电池30。燃料电池单元20具有燃料电池的堆22，其由大量的单位电池一个叠一个地组成(下文中称燃料电池堆)，作为电能生成的主体。二次电池30经由DC-DC变换器32连接到导线50。DC-DC变换器32和燃料电池堆22与导线50串联连接。导线50具有开关52以便把燃料电池堆22连接到导线50和从导线50断开。
除了燃料电池堆，燃料电池单元20还包括氢气仓23用于存储要供应给燃料电池堆22的氢气，以及空气压缩机24用于向燃料电池堆馈送压缩空气。在该实施例中，燃料电池堆22由高分子电解质燃料电池构成，尽管各种其他燃料电池也可用于燃料电池堆22。
例如，氢气仓23可以是高压氢气仓或用于存储氢储合金氢的容器。在氢气仓23中存储的氢气被导向氢气供应管道60，通过设置在氢气供应管道60中的减压阀61来减压，再通过压力调节器62进行压力调节以达到预设的压力水平，并供应给燃料电池堆22的正极。从所述正极排放的正极废气通过正极废气管道63引导并流到氢气供应管道60。在正极废气中剩余的氢气经气流通路循环并再次经电化学反应。
氢气泵65设置在用于正极废气循环的正极废气管道63中。从正极废气管道63分支出废气排放管道64。废气排放管道64具有开/关阀66。在该开/关阀66的打开位置，部分流经正极废气管道63的废气可经由废气排放管道64释放到大气中。设置开/关阀66用于降低正极废气中杂质的浓度(氮的浓度)，经由正极废气管道63使其循环并再次供应给燃料电池堆22的正极。在氢气通过正极废气管道63循环并重新供应给燃料电池堆22的时候，电化学反应的进展逐渐把包含在循环氢气中的少量氮集中起来以提高氮的浓度。在燃料电池堆22中从负极到正极的空气供应中所包含氮气的可能泄露也提高氢气中氮的浓度。在该实施例的电动车辆10中，开/关阀66在预设的时间间隔内被设置在打开位置，以便把部分废气释放到大气中，并因此抑止向正极供应的氢气中含氮浓度的上升。代替在预设的时间间隔，可以在每当燃料电池堆22积累的电能生成达到了预设的量级的时候，设置开/关阀66在打开位置。
废气排放管道64连接到稀释单元26，稀释单元26具有比废气排放管道64更大的截面积。设计稀释单元26，使得在向大气释放正极废气之前，可利用负极废气(后面讨论)来稀释包含在正极废气中的剩余的氢。
气液分离器27位于正极废气管道63中。随着电化学反应的进展，在负极产生水。这些水部分地经由电解质膜进入正极废气。气液分离器27在低温气液分离器的内壁表面上浓缩在正极废气中积累的蒸汽，用于从正极废气中去除蒸汽。
空气压缩机24经由氧化气体供应管道67向燃料电池堆22馈送作为氧化气体的压缩空气的供应。通过带有过滤器的空气流量计28来取得周围空气并由空气压缩机24来压缩。从负极排放的负极废气通过负极废气管道68来引导并释放到大气中。氧化气体供应管道67和负极废气管道68经过加湿器组件25。在加湿器组件25中，氧化气体供应管道67的部分管壁与负极废气管道68的部分管壁接触，并且在接触面上设置有可透过蒸汽的膜。该可透过蒸汽的膜把氧化气体供应管道67与负极废气管道68分隔开。这种结构使得可从从负极废气把蒸汽供应到压缩的空气。负极废气含有通过电化学反应产生的蒸汽状态的水。在压缩空气供应到负极之前，加湿器组件25利用含有蒸汽的负极废气对压缩空气进行加湿。废气分支管道69从负极废气管道68分出。废气分支管道69经过稀释单元26并且再次与负极废气管道68结合。经由废气排放管道64流入稀释单元26的正极废气在被释放到大气之前，利用稀释单元26中的部分负极废气来混合并稀释，然后流到负极废气管道68，进一步利用剩余的负极废气来稀释。
燃料电池单元20进一步包括冷却系统40，用来冷却燃料电池堆22并把燃料电池堆的工作温度保持在预设的水平。冷却系统40包括冷却水流通路41、冷却泵42以及散热器29。冷却水流经冷却水流通路41并因此在燃料电池堆22内部和散热器28之间循环。冷却泵42用来通过冷却水流通路41对冷却水进行循环。散热器29具有冷却风扇并对由燃料电池堆加热的冷却水进行降温。温度传感器43和44设置在临近冷却水流通路41和燃料电池堆22的接合处，以测量冷却水的温度。根据温度传感器43和44的测量结果来调节冷却风扇和冷却泵的工作量，以便调节燃料电池堆22的工作温度。利用燃料电池堆22所产生的电能来工作的这些单元，如空气压缩机24、氢气泵65、冷却泵42、散热器29的冷却风扇、以及在各种气流通路中设置的阀门，在下文中都称作燃料电池辅助装置。
二次电池30可以是任何各种已知的二次电池，例如，铅蓄电池、镍镉电池、镍氢电池或锂电池。如图1所示，SOC监视器31连接到二次电池30以监视二次电池30的充电状态(SOC)。本实施例的结构中，SOC监视器31是用来测量二次电池30充电放电电流和时间累积的SOC表。SOC监视器31可以不采用SOC表而采用电压传感器。二次电池30随着其充电状态的下降倾向于降低其电压。因此电压的测量导致二次电池30的充电状态的检测。
当二次电池30的充电状态降低到预设的量级或降到预设量级之下，燃料电池堆22开始对二次电池30充电。在电动车辆1O的刹车状态(即在车辆行驶期间响应驾驶员的刹车踏板的踩踏动作)，驱动马达33作为发电机来工作以产生电能。二次电池30还由驱动马达33所产生的电能来充电。
DC/DC变换器32根据目标输出电压的设定值来调节导线50的电压，并因此调节燃料电池堆22的输出电压，以便控制从燃料电池堆22的电功率输出水平。DC/DC变换器32还用作控制二次电池30与导线50连接的开关。当不需要二次电池30的充电或放电时，就切断二次电池30和导线50之间的连接。
作为从供电设备15接收电能供应的负荷之一的驱动马达33是同步马达，并具有三相线圈用于形成旋转的磁场。电能供应经由驱动逆变器35从供电设备15提供给驱动马达33。驱动逆变器35构造成晶体管逆变器，包括多个晶体管，作为对应于驱动马达33各相位的开关元件。驱动马达33的输出轴37经由减速齿轮38连接到车辆驱动轴39。减速齿轮38调节来自驱动马达33功率输出的转速并把该输出功率传送到车辆驱动轴39。
在图1的结构中，辅助装置马达34是接收来自供电设备15的电能供应的另外的负荷。辅助装置马达34是由上述的多个辅助装置的马达共同构成的，即空气压缩机24、冷却泵42、氢气泵65。辅助装置马达经由各相应的逆变器(在图1中被共同示为逆变器36)从供电设备15接收电能供应。从供电设备15接收电能供应的辅助装置还包括其他的燃料电池辅助装置，如散热器29的冷却风扇和设置在各气流通路中的阀门，以及安装在电动车辆10上的空调机和车辆上的各种电气设备。在辅助装置当中，具有较低工作电压的设备(如设置在气流通路中的阀门)经由预设的降压式DC/DC变换器(未示出)来接收电能供应。
电动车辆10还包括控制单元70，其控制电动车辆10的各个组成部分。控制单元70构造成包含微计算机的逻辑电路。控制单元70包括CPU，根据预设的控制程序执行各种操作；ROM，存储控制程序和CPU执行各种操作时所请求的控制数据；RAM，可把CPU执行各种操作时所请求的各种数据写入其中或从中读出；以及输入输出端口，用于输入和输出各种信号。控制单元70接收来自包括上述温度传感器43和44的各种传感器的检测信号、来自SOC监视器的输出信号、以及诸如加速踏板开度(accelerator opening)和车速等车辆驾驶状态信息(未示出)。控制单元70向例如DC/DC变换器32、驱动逆变器35以及包含在燃料电池单元20中的泵和设置在气流通路中的阀门等输出驱动信号。
B.使用间歇驱动的驱动控制在本实施例的结构中，燃料电池单元20主要用于供应在通常情况下驱动电动车辆所需要的电功率。在特定条件下，燃料电池单元20的运行降低到非期望的能量效率，这样，该控制过程就停止燃料电池单元20的运行(间歇驱动模式)并开始从二次电池30供应电能。根据能量效率的变化，当满足在供电设备15中设置间歇驱动模式的各条件中的至少一个时，本实施例的控制过程确定是否要实际激活间歇驱动模式。本说明书首先讨论通常状态下的驱动控制和间歇驱动模式下的驱动控制。
调节燃料电池堆22和二次电池30的电能生成的水平，以增强供电设备15的整体效率。图2是示出对照燃料电池堆22的输出而画出的燃料电池单元20的整体能量效率的图示。图2(A)的图中示出了对照燃料电池堆22的输出画出的燃料电池堆22的效率变化以及燃料电池辅助装置所需要电能的变化。如图2(A)中的图所示，随着燃料电池堆22输出的上升，燃料电池堆22的效率逐渐降低。燃料电池辅助装置所需要的电能，也即为驱动燃料电池辅助装置所需要的电能，随着燃料电池堆22输出的增加而增加。当燃料电池堆22的输出很小的时候，辅助装置所需要电能对燃料电池堆22输出的比值就非常高。如图2(B)所示，燃料电池单元20的整体效率，依赖于燃料电池堆22效率和辅助装置所要求的电能，在低负荷状态下也相应的变低，在预定的燃料电池堆输出水平上达到最大，在更高的负荷状态下逐渐降低。
在本实施例的电动车辆10中，作为规则，在燃料电池单元20的整体效率降低的低负荷状态下，控制过程停止燃料电池堆22的运行，因此防止供电设备15的整体能量效率的降低。在启动燃料电池堆22产生电能的时候，该控制过程只在燃料电池堆20的整体能量效率很高的预设负荷状态下限制从燃料电池堆22输出的电能供应。在更高的负荷状态下，该控制过程从燃料电池堆22和二次电池30两者接收电能供应。
供电设备15的输出受二次电池30的充电状态(SOC)的影响。当二次电池30具有足够的SOC水平，部分来自二次电池30的输出可以提高供电设备15的整体能量效率。另一方面，当二次电池30具有不足的SOC水平，则由燃料电池堆22对二次电池30充电。为了提高供电设备15的整体能量效率，本实施例的控制过程根据负荷需求(供电设备电能需求后面讨论)和二次电池30的SOC来设置燃料电池堆22和二次电池30的目标电能生成水平，并以图(功率分布图)的形式把该目标电能生成水平存储在控制单元70中。
在下文的说明中，在相对低负荷需求的条件下停止燃料电池堆22的电能生成并把电能供应限制到来自二次电池30的输出的驱动模式称作“间歇驱动模式”。启动燃料电池堆22以产生电能的驱动模式称作“FC驱动模式”。
在间歇驱动模式下，燃料电池辅助装置停止工作，并且切断对燃料电池堆22的氢气和空气供应。开关52被设置在断开位置以把燃料电池堆22与导线50断开。
在FC驱动模式下，从燃料电池堆22和二次电池30输出的电能生成的水平根据DC/DC变换器32的输出电压来调节。图3是示出对照燃料电池堆的输出电流画出的燃料电池堆22的输出电压和输出功率的变化的图示。如图3所示，把目标电功率PFC设定为燃料电池堆22的输出，由此自动确定燃料电池堆22的输出电流IFC的量。根据燃料电池堆22的输出特性，输出电流IFC的确定导致燃料电池堆22的输出电压VFC的设定。在FC驱动模式下，控制单元70通过参照功率分布图把目标电功率设置成从燃料电池堆22的输出，并把作为目标电压的输出电压VFC的设定值传给DC/DC变换器32。该控制过程根据负荷需要驱动燃料电池辅助装置以保证氢气和空气的供应满足燃料电池堆22的目标电能生成水平，并向逆变器35输出驱动信号。这样，从燃料电池堆22和二次电池30向各个负荷提供期望水平的电功率。
图4是示出由电动车辆10中的控制单元70执行的驱动控制例程的流程图。在电动车辆行驶期间反复执行该驱动例程。
当驱动控制例程启动，控制单元70首先接收有关车速和加速踏板开度的信息(步骤S100)，然后依次地根据输入的加速踏板开度和车速计算驱动马达的功率需求PMreq(马达功率需求PMreq)(步骤S110)，和计算供电设备15的功率需求Preq(供电设备功率需求Preq)(步骤S120)。供电设备功率需求Preq是马达功率需求PMreq和其他负荷(包括燃料电池辅助装置和安装在车辆10上的空调等)功率需求的总和，并表示要从供电设备15输出的总体电功率。
在计算了供电设备功率需求Preq之后，控制单元70从SOC监视器读取二次电池30的SOC(步骤S130)并参照功率分布图根据输入的SOC和所计算的供电设备功率需求Preq来设置要从燃料电池堆22和二次电池30输出的目标功率产生水平(功率分布)(步骤S140)。然后控制单元70确定在步骤S140的功率分布的设定值是否对应间歇驱动模式(步骤S150)。当功率分布设定值对应于间歇驱动模式，控制单元70执行将在后面讨论的性能恶化判定例程(步骤S160)并从该驱动控制例程中退出。另一方面，当功率分布的设定值对应于FC驱动模式，在退出该驱动控制例程之前，控制单元70向电动车辆的各组成部分输出驱动信号用于FC驱动模式下的控制，以获得在步骤S140的功率分布设定值(步骤S170)。该具体的过程驱动燃料电池单元20和DC/DC变换器32，以保证参照功率分布图从燃料电池堆22和二次电池30输出对应目标功率产生水平设定值的电功率，同时根据供电设备功率需求Preq驱动逆变器35和36以及其他有关负荷与燃料电池辅助装置的元件。
C.禁止间歇驱动的驱动控制在本实施例的电动车辆10中，当步骤S140的功率分布的设定值对应于间歇驱动模式，该控制过程根据性能恶化判定的结果确定是否要实际激活间歇驱动模式。图5是示出包含在控制单元70中用于确定是否要激活间歇驱动模式的电路结构的框图。如图5所示，控制单元70包括输出控制组件76、判定组件74、以及强制FC操作组件76。图6的流程图示出了当在图4的驱动控制例程中的步骤S150确定功率分布的设定值对应于间歇驱动模式的时候，由控制单元70在步骤S160执行的性能恶化判定例程。响应功率分布设定值对应于间歇驱动模式的确定，把在步骤S150的确定结果和在步骤S140的功率分布设定值传送到控制单元70的输出控制组件72，同时在步骤S160执行性能恶化判定例程。
当性能恶化判定例程启动，控制单元70首先输入和性能恶化判定有关的信息(步骤S200)。然后，控制单元70的判定组件74根据输入的与性能恶化判定有关的信息来确定是否满足至少一个性能恶化判定条件(步骤S210)。
当燃料电池堆22目前按FC驱动模式驱动，性能恶化判定条件表示这样的条件，其中选择间歇控制模式来临时停止燃料电池单元20操作会引起在重启燃料电池单元时的燃料电池堆22的性能恶化。另一方面，当燃料电池堆22目前不是按电能生成来驱动，则性能恶化判定条件是这样的条件，其中燃料电池单元20的当前停止的持续可能引起在重启燃料电池单元20时的燃料电池堆22的性能恶化。
这里首先讨论在FC驱动模式下燃料电池堆22操作期间的性能恶化判定条件。有关性能恶化判定的信息例如包括在提供给燃料电池堆22正极的气体中包含的氮气的浓度、燃料电池堆22的输出电压、燃料电池堆22的每个单位电池的电压、以及燃料电池堆22的工作温度。
在提供给燃料电池堆22正极的气体中包含的氮气浓度升高的条件下，燃料电池单元20的临时停止可能在重启燃料电池单元20时降低燃料电池堆22的电能生成效率，并使燃料电池堆22的输出特性恶化(即表示输出电压对照输出电流变化的电流-电压特性)。在本实施例中，在提供给正极的气体中所包含氮气的升高的浓度相应地设置成性能恶化判定条件之一。
包含在正极供应气体中的氮气的浓度可以从开/关阀66的阀门最近的打开操作之后所经过的时间来估算，或从开/关阀66最近的阀门打开操作之后燃料电池堆22中积累的电能生成来估算。本实施例的控制过程持续地测量所经过的时间以及电能生成的积累。控制单元70在步骤S200相应地参照的所经过时间和电能生成积累的测量值来估算包含在正极供应气体中的氮气浓度，并且当估算的氮气浓度超过了预设的参考水平的时候，在步骤S210确定满足一个性能恶化判定条件。但是，氮气浓度的估算不是必不可少的。可以简单地根据开/关阀66的最近的阀门打开操作之后所经过的时间来确定满足一个性能恶化条件。该控制过程事先设置氮气积累参考时间，这是用于估算正极供应气体中包含的氮气的升高浓度的参考时间。当开/关阀66最近的阀门打开操作之后所经过的时间超过了氮气积累参考时间，则确定满足了一个性能恶化判定条件。在另外的例子中，当开/关阀66的最近的阀门打开操作之后燃料电池堆22中电能生成的积累超过了用于估算正极供应气体中包含的氮气浓度的预设参考水平，则该控制过程可以确定满足了一个性能恶化判定条件。
在又另外的例子中，当开/关阀66最近的阀门打开操作之后所经过的时间在靠近阀门打开参考时间的范围内，这比氮气积累参考时间短很多，则该控制过程可以确定满足了一个性能恶化判定条件。响应于开/关阀66的阀门打开操作，在正极废气管道63中开/关阀66附近的氮气浓度急剧降低，而在燃料电池堆22的内部和气流通路的其他区域依然保持相对高的氮气浓度。在开/关阀66的阀门打开操作之后需要经过特定的时间段使气流通路中氮气浓度变得均匀，并把整个气流通路中的氮气浓度降得足够低。所述的靠近阀门打开参考时间相应地设置成在开/关阀66的阀门打开操作之后为把整个气流通路中的氮气浓度降得足够低而需要的所述时间段。当开/关阀66最近的阀门打开操作之后所经过的时间在靠近阀门打开参考时间的范围内，则确定满足了一个性能恶化判定条件。
当开/关阀66最近的阀门打开操作之后所经过的时间在靠近阀门打开参考时间的范围内，引起另外的问题，即在稀释单元26中氢气依然保持相对高的浓度，这不同于正极供应气体中高氮气浓度的不利情况。燃料电池单元20的停止也停止了空气压缩机24的工作并切断了对稀释单元26的负极废气的供应。在开/关阀66的阀门打开操作之后紧接着临时停止燃料电池单元20，当重启燃料电池单元20时，空气压缩机24恢复工作，这可能引起相对高浓度的氢气从稀释单元26排放到大气中。除了因正极供应气体中高浓度氮气而可能引起的燃料电池堆22电能生成性能的恶化之外，在开/关阀66最近的阀门打开操作之后所经过的非常短的时间(在紧邻阀门贷款参考时间的范围内)相应地会导致相对高浓度氢气的不良排放。
当燃料电池堆22的电解质膜的水分不足或者当凝结的水在燃料电池堆22的气流通路中积存影响了气流的通畅，燃料电池堆22的输出电压以及构成燃料电池堆22的各个单位电池中任何一个的电压可能会降低。在电解质膜水分不足的情况下或在气流通路中凝结的水积存的情况下，燃料电池单元20的临时停止可能在重启燃料电池单元20时降低燃料电池堆22的电能生成效率，并使电流-电压特性恶化。在该实施例中，燃料电池单元20的降低的输出电压以及构成燃料电池堆22的各个单位电池中任何一个的降低的电压相应地被设置成性能恶化判定条件。
本实施例的供电设备15包括用于测量燃料电池堆22的输出电流的电流表、用于测量燃料电池堆22的输出电压(导线50的电压)的电压表、以及用于测量构成燃料电池堆22的各个单位电池电压的单位电池电压表(未示出)。在图6的性能恶化判定例程中的步骤S200，控制单元70输入来自电流表、电压表以及各单位电池电压表的检测信号。当相对于输出电流的输出电压低于预设的参考水平，控制单元70在步骤S210确定满足了一个性能恶化判定条件。所述预设参考水平是为了持续电能生成能够允许的量级，但低于对电解质膜水分不足或对凝结水积存的可能情况所建议的标准量级。本实施例的结构测量整个燃料电池堆22的输出电压以及构成燃料电池堆22的各单位电池的电压。在初期各单位电池的电压测量对于判定可能出现的问题尤其重要。这样的测量可早期检测特定单位电池的电解质膜中的水分不足或包含在特定单位电池中的气流通路部分中凝结水的积存。
燃料电池堆22工作温度的降低还导致燃料电池堆22的电流-电压特性的恶化。在燃料电池堆22温度开始降低的时候，停止燃料电池单元20的工作还进一步降低燃料电池堆22的温度，并且在重启燃料电池单元20时可能显著恶化燃料电池堆22的输出特性。在燃料电池堆22降低温度的条件下燃料电池堆22的大负荷应用可能引起在燃料电池堆22中进行不同于标准电化学反应的某种反应，并显著降低燃料电池堆22的电能生成效率。在本实施例中，燃料电池堆22的降低的工作温度相应地设置成一个性能恶化判定条件。可以利用连接在燃料电池堆22的温度传感器直接测量燃料电池堆22的工作温度。也可以从另外的反映燃料电池堆22工作温度的可观测温度来测定燃料电池堆22的工作温度。例如，根据由位于冷却水流通路41的温度传感器43观测的温度来测定燃料电池堆22的工作温度。在图6的性能恶化判定例程中，控制单元70在步骤S200输入来自温度传感器的检测信号，并且当所观测的温度不高于预设的量级，在步骤S210确定满足了一个性能恶化判定条件。
在图6的性能恶化判定例程中，当判定组件74确定在步骤S210满足了任意的性能恶化判定条件，即当判定组件74判定了燃料电池堆22的可能性能恶化，则把该判定结果传送给控制单元70的强制FC操作组件76。除了前述的一般功率分布图，控制单元70还存储间歇驱动禁止条件下的功率分布图。在一般功率分布图中，在燃料电池单元20的低能量效率情况的低负荷状态下，把将由燃料电池堆22产生的电功率的量级设置成零。另一方面，即使在低负荷状态下，间歇驱动禁止条件下的功率分布图也具有分别由燃料电池堆22和二次电池30产生的电功率的设定值。也就是即使在低负荷状态下也驱动燃料电池堆22以产生电能。强制FC操作组件76参照间歇驱动禁止条件下的功率分布图并设定由燃料电池堆22和二次电池30产生的电功率的量级(功率分布)(步骤S220)。强制FC操作组件76向供电设备15的各个有关元件输出驱动信号，用于在FC驱动模式中进行控制，以便获取步骤S220的功率分布的设定值(步骤S230)。然后结束性能恶化判定例程。当判定组件74在步骤S210确定满足了任意的性能恶化判定条件，该判定结果也被传送到控制单元70的输出控制组件72。这取消了在图4的驱动控制例程中在步骤S150传送到输出控制组件72的确定(即功率分布对应间歇控制模式的确定)，以及取消了对应于间歇驱动模式的功率分布的设定值。
另一方面，在步骤S210，当判定组件74确定没有满足性能恶化判定条件，即当判定组件74判定燃料电池堆22没有可能的性能恶化，该判定结果发送到控制单元70的输出控制组件72。输出控制组件72向供电设备的各个有关元件输出驱动信号，以获得对应于在图4的驱动控制例程中在步骤S150传送的间歇驱动模式的功率分布设定值。这样在间歇驱动模式中执行控制，并引起二次电池30输出等于供电设备功率需求Preq的电功率(步骤S240)。然后结束性能恶化判定例程。
如上所述，当满足了任意的性能恶化判定条件时，本实施例的供电设备15不采用间歇驱动模式，而不管供电设备15的能量效率如何。这样的设置可望防止可能的燃料电池堆22的性能恶化。
当所满足的性能恶化判定条件是正极供应气体中氮气的升高浓度，燃料电池堆22的持续的电能生成触发开/关阀66的阀门打开操作，以降低正极供应气体中的氮气浓度。这种安排有效地防止或至少限制了燃料电池堆22的可能的性能恶化。当在开/关阀66的最近的阀门打开操作之后只经过了短时间段，禁止间歇驱动模式可望防止相对高浓度的氢气向大气的不良排放。燃料电池堆22的性能恶化不仅包括有关燃料电池堆22的性能方面的不利之处，还包括与燃料电池堆22的操作相伴随的不利之处。
当所满足的性能恶化条件是燃料电池堆22的降低的输出电压，或者是构成燃料电池堆22的各单位电池中任何的降低的电压，燃料电池堆22持续的电能生成保证在电解质膜中把水分恢复到足够的水平并从气流通路中除去凝结的水，并因此有效防止或至少限制燃料电池堆22可能的性能恶化。只要在燃料电池堆22规范地执行气流速率和气体湿度的调节，持续的电能生成就把燃料电池堆22输出电压的水平或构成燃料电池堆22的任意单位电池的输出电压的水平恢复到期望的水平。
当所满足的性能恶化判定条件是燃料电池堆22的降低的工作温度，燃料电池堆22的持续电能生成利用通过电化学反应所产生的热来控制燃料电池堆22工作温度的过分降低。这种安排有效防止或至少限制燃料电池堆22的可能性能恶化。
燃料电池堆22的持续的电能生成消除了有关的性能恶化判定条件。在低负荷状态下，在性能恶化判定例程的下一周期中可选择间歇驱动模式以停止燃料电池单元20的工作。在消除了性能恶化判定条件之后，在增加负荷的情况下重启燃料电池单元20，不引起上述的燃料电池堆22的任何性能恶化。
上述说明是当前在FC驱动模式下驱动燃料电池堆22的时候所确定的性能恶化判定条件的有关内容。当目前燃料电池堆22不是用于电能生成而被驱动时，也可以类似地控制燃料电池单元20。在用于电能生成的燃料电池堆22的非激活状态下(即间歇驱动模式)，在图6的性能恶化判定例程中的步骤S200输入的信息例如可是燃料电池堆22的工作温度。当燃料电池堆22的工作温度降低至或低于预设的参考温度，该控制过程确定满足了一个性能恶化判定条件，并立刻激活燃料电池单元20(把燃料电池堆22设置在FC驱动模式)。这样控制燃料电池堆22工作温度的降低，并因此防止可能的电能生成性能的恶化。这样的控制有效防止了在重启燃料电池单元20的时候因间歇控制模式的持续而导致的燃料电池堆22的可能的性能恶化。
代替直接测量燃料电池堆22的工作温度，可以根据从启动间歇驱动模式以来所经过的时间段来估算燃料电池堆22的工作温度。当该经过的时间段超过了预设的参考时间，则在步骤S210确定满足了一个性能恶化判定条件。这种安排把间歇驱动模式的可持续时间限制在预设的参考时间，并禁止间歇驱动模式的进一步延续。这种安排有效防止或至少限制了因间歇驱动模式的持续而造成的燃料电池堆22工作温度的过分降低。除了可限制间歇驱动模式的可持续时间之外，或者代替限制间歇驱动模式的可持续时间，在间歇驱动模式转换到FC驱动模式之后，该控制过程可以限制何时恢复间歇驱动模式的重启时间。在这种情况下，该控制过程在步骤S200输入从结束间歇驱动模式以来所经过的时间段，并且当该经过的时间段小于预设的参考时间的时候，在步骤S210确定满足了一个性能恶化判定条件。这种安排保证了在设置间歇驱动模式之后燃料电池堆22的电能生成的相当多的时间，以便把燃料电池堆22的工作温度保持在足够高的水平，并维持电解质膜的足够量的水分。
在间歇驱动模式下在图6的性能恶化判定例程的步骤S200输入的信息可以是在构成燃料电池堆22的各单位电池的OCV(开路电压)。在特定单位电池中的气流通路中凝结水的积存妨碍OCV升高到标准水平。因此当OCV不大于预设的参考电压，则确定满足了一个性能恶化判定条件。在燃料电池单元20在间歇驱动模式下工作期间，当在步骤S200的OCV输入不大于预设的参考电压，该控制过程在步骤S230立刻启动FC驱动模式。这种安排恢复堆燃料电池堆22的气体供应，以消除凝结水的积存，并因此防止燃料电池单元20性能的可能恶化。
D.第二实施例当预期了燃料电池单元20重启时的燃料电池堆22的可能性能恶化，第一实施例的过程就禁止间歇驱动模式。另一方面，第二实施例的过程是要在检出包含在燃料电池单元20中的任何燃料电池辅助装置的异常性之前，响应异常过渡状态的检测而禁止间歇驱动模式。
第二实施例的电动车辆实际上具有与第一实施例的电动车辆10相同的配置。相同的组成部分用相同的参考标号来表示，并且不在这里特别说明。图7是示出异常过渡状态处理例程的流程图，该例程由第二实施例的电动车辆10中的控制单元70来执行。当在图4的驱动控制例程的步骤S150确定功率分布的设定值对应于间歇驱动模式，在步骤S160，代替执行第一实施例的性能恶化判定例程(图6)，执行该异常过渡状态处理例程。
当异常过渡状态处理例程启动，控制单元70首先确定当前是否在间歇驱动模式下驱动燃料电池单元20(步骤S300)。如果当前不是在间歇驱动模式下驱动燃料电池单元20，控制单元70输入有关异常过渡状态的信息(步骤S305)。然后，控制单元70的判定组件74根据有关异常过渡状态的输入信息确定当前状态是否是异常过渡状态(步骤S310)。
异常过渡状态表示在检测出燃料电池单元20所包含的燃料电池辅助装置的任何异常性之前要满足的任意预设的条件。更确切地说，异常过渡状态是指任何与异常性有关的状态，通过设置间歇驱动模式来停止燃料电池单元20，取消异常过渡状态的检测并防止已有异常性的顺利检测。
为了判定异常过渡状态，本实施例的控制过程在步骤S305接收由空气压缩机24供应的压缩空气的温度、由氢气泵65供应的氢气的温度、以及逆变器36的温度。空气温度传感器54位于来自空气压缩机24的压缩空气的供应流通路上，并且氢气温度传感器56位于来自正极废气管道63中的氢气泵65的压缩氢气的供应流通路上(见图1)。在逆变器36上连接温度传感器(未示出)以测量逆变器36的温度。在图7的异常过渡状态处理例程的步骤S305，控制单元70输出来自这些传感器的检测信号。
通过空气压缩机24或通过氢气泵65的空气或氢气的压缩提高了空气或氢气的温度。当在空气压缩机24或在氢气泵65中出现任何问题或故障，空气或氢气的温度可能超过预设的量级并继续升高。当在逆变器36中出现任何问题或故障，逆变器36的温度可能超过预设的量级并继续升高。在本实施例的结构中，参照压缩空气的温度、氢气的温度以及逆变器36的温度，事先设置异常状态参考温度，并存储在控制单元70中。异常状态参考温度超出了标准温度范围，并用作确定异常状态以立刻停止燃料电池单元20的判据。还参照压缩空气的温度、氢气的温度以及逆变器36的温度，事先设置各异常过渡状态参考温度，并存储在控制单元70中。异常过渡状态参考温度介于正常温度范围和异常状态参考温度之间，并用作确定异常过渡状态的判据。该过程的步骤S310确定三个温度中的任何一个是否超过了用于异常过渡状态判定的各异常过渡状态参考温度。
在图7的异常过渡状态处理例程中的步骤S310，当判定组件74确定当前状态是异常过渡状态，该判定结果被发送到控制单元70的强制FC操作组件76。强制FC操作组件76设置功率分布(步骤S320)，并向供电设备15的各有关元件输出驱动信号，用于FC驱动模式下的控制，这样获得在步骤S320的功率分布的设定值(步骤S330)。然后结束异常过渡状态处理例程。步骤S320和S330的处理与图6的性能恶化判定例程中的步骤S220和S230的处理相同。
另一方面，在步骤S310，当判定组件74确定当前状态不是异常过渡状态，该判定结果被发送到控制单元70的输出控制组件72。输出控制组件72向供电设备15的各有关元件输出驱动信号，以获得对应于在图4的驱动控制例程中的步骤S150传送的间歇驱动模式的功率分布的设定值。这执行间歇驱动模式下的控制，并引起二次电池30输出等于供电设备功率需求Preq的电功率(步骤S340)。然后结束异常过渡状态处理例程。步骤S340的处理与图6的性能恶化判定例程中的步骤S240的处理相同。
当在步骤S300确定当前在间歇驱动模式下驱动燃料电池单元20，燃料电池单元20已经处于停止，并且不需要异常过渡状态的确定。这样，控制单元70立刻转到步骤S340，继续间歇驱动模式。然后结束异常过渡状态处理例程。
如上所述，在第二实施例的供电设备15中，响应空气压缩机24、氢气泵65以及逆变器36任何一个当中的异常过渡状态的检测，禁止燃料电池单元20的停止。这种安排保证已有异常性检测的持续。当在作为异常状态开始之前的异常过渡状态下设置间歇驱动模式，以停止燃料电池单元20的运行，则例如具有升高温度并已经被确定处于异常过渡状态的空气压缩机停止其运行以降低温度。在重启燃料电池单元20的时候，在压缩空气的温度再次达到异常过渡状态参考温度以及达到异常状态参考温度之前需要相对长的时间。也就是说需要长时间来检测已有的异常性。本实施例的过程响应异常过渡状态的检测禁止燃料电池单元20的停止。这种安排保证了诸如空气压缩机24中出现的问题或故障的快速检测。
第二实施例的过程根据空气压缩机24、氢气泵65以及逆变器36检测异常过渡状态。也可以根据包含在供电设备15中的其他燃料电池辅助装置类似地检测异常过渡状态。在任何的燃料电池辅助装置中的异常过渡状态的检测可得出上述类似的效果，只要用于停止燃料电池单元20的间歇驱动模式的设定抵消了异常过渡状态的检测并阻碍已有异常性的顺利检测(例如温度升高的异常性)。例如，该控制过程可以测量从燃料电池堆22排出的正极废气或负极废气的温度，并利用正极废气或负极废气的温度升高检测燃料电池堆22的异常过渡状态。在另外的例子中，该控制过程可以测量从燃料电池堆22排出的正极废气或负极废气的压力，并利用正极废气或负极废气的压力降低检测燃料电池堆22的异常过渡状态(例如电解质膜的损坏)。
E.改型上面讨论的实施例在各个方面都应该被看作是说明性的而非限制性的。在不脱离本发明主要特征的范围和精神的前提下，可有许多改型、改变和替换。下面给出一些可能的改型的例子。
E1.改型例子1在上述的第一和第二实施例中，所述控制过程根据供电设备15的整体能量效率确定燃料电池单元20的停止。一种改型的控制过程可以根据供电设备15的整体能量效率以及另外的条件，或者根据代替供电设备15的整体能量效率的另外条件来确定燃料电池单元20的停止。在后一种情形，通过在性能恶化判定条件下或在异常过渡状态下禁止燃料电池单元20的停止，可以得到上面讨论的类似的效果。
E2.改型例子2在上述的第一和第二实施例的结构中，供电设备15包括燃料电池单元20以及二次电池30。除了二次电池之外，或者代替二次电池，本发明的技术还可以应用包括内燃机的能量输出设备。在装备有燃料电池单元和内燃机的车辆中，车辆的驱动动力既可由内燃机供应，也可由从燃料电池单元接收电能的马达来供应。在带有包括燃料电池的多个能量输出源的能量输出设备中，本发明的技术可用于控制从多个能量输出源中至少一个的能量输出。在所述能量输出设备中，即使满足了停止燃料电池电能生成的预设条件，如整体能量效率，该控制过程在性能恶化判定条件下或在异常过渡状态下也禁止燃料电池的停止。这种安排可以得到上述的类似效果。
E3.改型例子3在上面讨论的第一和第二实施例的结构中，燃料电池单元20向正极提供高纯度的氢气，并把正极废气循环到正极。但这种结构不是必要的。例如，本发明的技术还可以应用到带有燃料电池的供电设备，其具有重整装置来重整如汽油或酒精的碳氢化合物燃料以产生氢气。包括带有重整装置的燃料电池的供电设备还可具有二次电池。该二次电池作为主电源，而燃料电池单元主要用于对二次电池充电。当二次电池充满电的时候，停止燃料电池单元的电能生成。在这种供电设备中，即使在准备停止燃料电池单元运行的二次电池的满充电状态，所述控制过程可在性能恶化判定条件下或在异常过渡状态下禁止燃料电池单元的停止。这种安排可得到上述的类似效果。
在本改型的结构中，作为一个性能恶化判定条件，在含有电极活性物质的气体中杂质的浓度可以是被重整气体中杂质的浓度(如一氧化碳的浓度)或被重整气体中氢的浓度。当被重整的气体具有高浓度杂质，燃料电池单元的持续工作可望防止重整装置温度的降低，或防止装有用于净化被重整气体的催化剂的反应器温度的降低。这样所述控制过程在预设的条件下禁止燃料电池单元的停止，并因此防止重整装置温度或反应器温度的进一步降低，其导致在重启燃料电池单元时的在可允许范围内被重整气体中杂质浓度的升高。
E4.在上述的第一和第二实施例中，包括燃料电池单元20的供电设备15安装在电动车辆上。本发明的技术也可应用在固定的能量输出设备，如包括燃料电池单元的固定供电设备。
权利要求旨在覆盖其等价含义和范围内的所有变化。本发明的范围和精神由权利要求书来限定，而不是由上述的说明书来限定。
权利要求
1.一种能量输出设备，该设备具有包括燃料电池的多个能量输出源，并且激活该多个能量输出源的至少一个以输出能量，所述能量输出设备包括输出控制组件，该组件在预设的条件下停止燃料电池的电能生成，并激活与包含在所述能量输出设备中的燃料电池不同的能量输出源以输出能量；判定组件，该组件在燃料电池的电能生成期间执行判定，该判定用于确定燃料电池的临时停止是否导致燃料电池重启时的燃料电池的可能性能恶化；以及强制FC操作组件，当所述判定组件判定燃料电池的可能性能恶化，则该组件强制燃料电池继续电能生成，即使处在所述预设的条件之下。
2.根据权利要求1所述的能量输出设备，其中，燃料电池的可能性能恶化是燃料电池电流-电压特性的恶化。
3.根据权利要求1和2中任何一项所述的能量输出设备，其中，当供应给燃料电池的含有电极活性物质的气体中所包含杂质的浓度不低于预设水平时，所述的判定组件判定燃料电池的可能性能恶化。
4.根据权利要求3所述的能量输出设备，所述能量输出设备还包括氢气供应管道，该管道把所供应的氢气引导至燃料电池正极；以及废气循环管道，该管道把从燃料电池的正极排放的正极废气的至少一部分引导至所述的氢气供应管道，其中，当包含在被引导至所述氢气供应管道的正极废气中的杂质的浓度不低于所述预设水平时，所述判定组件判定燃料电池的可能性能恶化。
5.根据权利要求4所述的能量输出设备，其中所述的废气循环管道具有气体净化单元，该单元把一部分正极废气释放到所述能量输出设备的外部，以及当从用于释放部分正极废气的该气体净化单元的最近操作以来所经过的时间在预设的参考时间的范围之内，则所述判定组件判定燃料电池的可能性能恶化。
6.根据权利要求5所述的能量输出设备，所述能量输出设备还包括氢稀释组件，该组件利用从燃料电池的负极排放的负极废气来稀释由该气体净化单元释放的正极废气的一部分，并把所稀释的正极废气释放到所述能量输出设备的外部。
7.根据权利要求2所述的能量输出设备，其中，当燃料电池相对于输出电流的输出电压不大于相对于该输出电流的预设参考电压时，所述判定组件判定燃料电池的可能性能恶化。
8.根据权利要求1所述的能量输出设备，其中，当燃料电池的工作温度不高于预设的参考温度，所述判定组件判定燃料电池的可能性能恶化。
9.一种能量输出设备，该设备具有包括燃料电池的多个能量输出源，并且激活该多个能量输出源的至少一个以输出能量，所述能量输出设备包括输出控制组件，该组件在预设的条件下停止燃料电池的电能生成，并激活与包含在所述能量输出设备中的燃料电池不同的能量输出源以输出能量；判定组件，该组件在所述燃料电池的停止期间执行判定，该判定用于确定燃料电池的停止的持续是否导致燃料电池重启时的燃料电池的可能性能恶化；以及强制FC操作组件，当所述判定组件判定燃料电池的可能性能恶化，则该组件强制启动燃料电池的电能生成，即使处在所述预设的条件之下。
10.根据权利要求9所述的能量输出设备，其中，当燃料电池的工作温度不高于预设的参考温度，所述判定组件判定燃料电池的可能性能恶化。
11.一种能量输出设备，该设备具有包括燃料电池的多个能量输出源，并且激活该多个能量输出源的至少一个以输出能量，所述能量输出设备包括输出控制组件，该组件在预设的条件下停止燃料电池的电能生成，并激活与包含在所述能量输出设备中的燃料电池不同的能量输出源以输出能量；燃料电池辅助装置，利用燃料电池所生成的电能来工作；判定组件，该组件在燃料电池的电能生成期间检测所述燃料电池辅助装置的工作状态，并根据所检测的工作状态确定燃料电池辅助装置是否处于异常过渡状态，其为异常性诊断之前的过渡状态；以及强制FC操作组件，当所述判定组件确定燃料电池辅助装置处于异常过渡状态，则该组件强制继续燃料电池的电能生成，即使在所述预设的条件之下。
12.根据权利要求11所述的能量输出设备，其中，所述判定组件还检测燃料电池辅助装置的温度，并且当所检测的燃料电池辅助装置的温度不低于预设的参考温度时，确定燃料电池辅助装置处于异常过渡状态。
13.根据权利要求1至12中任意一项所述的能量输出设备，其中，所述预设的条件基于所述能量输出设备的能量效率。
14.一种能量输出设备的控制方法，该设备具有包括燃料电池的多个能量输出源，并且激活该多个能量输出源的至少一个以输出能量，所述控制方法包括步骤(a)在预设的条件下，在FC电能生成模式和FC停止模式当中选择驱动模式，用于从所述能量输出设备输出能量，其中，在FC电能生成模式下，燃料电池产生电能，在FC停止模式下，停止燃料电池的电能生成并从与燃料电池不同的能量输出源输出能量；(b)在燃料电池的电能生成期间执行判定，其中，该判定用于确定燃料电池的临时停止是否会导致燃料电池重启时的燃料电池的可能性能恶化；(c)在所述步骤(a)中选择FC停止模式的情况下，响应在所述步骤(b)中的燃料电池的可能性能恶化的判定，取消FC停止模式的选择；以及(d)当在所述步骤(c)中取消FC停止模式的选择时，驱动并控制燃料电池和不同于燃料电池的其他能量输出源以激活FC电能生成模式，而当在所述步骤(c)中没有取消FC停止模式的选择时，驱动和控制燃料电池以及不同于燃料电池的能量输出源以激活在所述步骤(a)中选择的驱动模式。
15.一种能量输出设备的控制方法，该设备具有包括燃料电池的多个能量输出源，并且激活该多个能量输出源的至少一个以输出能量，所述控制方法包括步骤(a)在预设的条件下，在FC电能生成模式和FC停止模式当中选择驱动模式，用于从所述能量输出设备输出能量，其中，在FC电能生成模式下，燃料电池产生电能，在FC停止模式下，停止燃料电池的电能生成并从与燃料电池不同的能量输出源输出能量；(b)在燃料电池的停止期间执行判定，其中，该判定用于确定燃料电池的停止的持续是否会导致燃料电池重启时的燃料电池的可能性能恶化；(c)在所述步骤(a)中选择FC停止模式的情况下，响应在所述步骤(b)中的燃料电池的可能性能恶化的判定，取消FC停止模式的选择；以及(d)当在所述步骤(c)中取消FC停止模式的选择时，驱动并控制燃料电池和不同于燃料电池的其他能量输出源以激活FC电能生成模式，而当在所述步骤(c)中没有取消FC停止模式的选择时，驱动和控制燃料电池以及不同于燃料电池的能量输出源以激活在所述步骤(a)中选择的驱动模式。
16.一种能量输出设备的控制方法，该设备具有包括燃料电池的多个能量输出源，并且激活该多个能量输出源的至少一个以输出能量，所述控制方法包括步骤(a)在预设的条件下，在FC电能生成模式和FC停止模式二者中选择驱动模式，用于从所述能量输出设备输出能量，其中，在FC电能生成模式下，燃料电池产生电能，在FC停止模式下，停止燃料电池的电能生成并从与燃料电池不同的能量输出源输出能量；(b)检测利用燃料电池所生成电能来工作的燃料电池辅助装置的工作状态，并根据所检测的工作状态确定燃料电池辅助装置是否处于异常过渡状态，其为异常性诊断之前的过渡状态；(c)在所述步骤(a)中选择FC停止模式的情况下，响应在所述步骤(b)中的燃料电池辅助装置处于异常过渡状态的确定，取消FC停止模式的选择；以及(d)当在所述步骤(c)中取消FC停止模式的选择时，驱动并控制燃料电池和不同于燃料电池的其他能量输出源以激活FC电能生成模式，而当在所述步骤(c)中没有取消FC停止模式的选择时，驱动和控制燃料电池以及不同于燃料电池的能量输出源以激活在所述步骤(a)中选择的驱动模式。
全文摘要
在供电设备中包括带有堆或燃料电池堆的燃料电池单元以及二次电池，在预设的条件下选择间歇驱动模式，使得仅从二次电池接受供电。本发明的控制过程确定燃料电池堆的临时停止或燃料电池堆停止的持续是否会导致燃料电池单元重启时的燃料电池堆的可能性能恶化。响应可能性能恶化的判定，该控制过程控制该供电设备继续燃料电池堆的电能生成或开始燃料电池堆的电能生成，而不管在预设条件下的间歇驱动模式的选择。
文档编号H01M16/00GK1894815SQ20048001887
公开日2007年1月10日 申请日期2004年6月25日 优先权日2003年7月2日
发明者吉田尚弘, 森裕晃 申请人:丰田自动车株式会社
技术领域：
本发明涉及能量输出设备，该设备具有包含有燃料电池的多个能量输出源并激活该多个能量输出源中的至少一个以输出能量，以及涉及这种能量输出设备的控制方法。
背景技术：
已知的带有包括燃料电池的多个能量输出源的能量输出设备是具有二次电池和燃料电池的供电设备。在这种供电设备中，当从该供电设备接受电力供应的负荷处在预设的低负荷状态时，控制过程就停止燃料电池的电能生成，并只从二次电池提供电力。这种控制是根据燃料电池的特性，因在低负荷状态下燃料电池的整体能量效率要降低。在低负荷状态下停止燃料电池的工作并只激活二次电池的控制方法有望提高电能供应设备的整体效率。
在因低负荷而临时停止燃料电池的电能生成之后，当响应负荷的升高而重启燃料电池的时候，会有诸如电能生成响应的延迟或单位电池(unit cell)电压的降低等缺点。例如在高分子电解质燃料电池的情况下，这些缺点可以归因于电能生成过程中在燃料电池的气流通路中所产生水的冷凝，或者电解质膜湿度的部分降低。根据供电设备整体效率使燃料电池停止电能生成的控制方法可能因此不能获得理论上的供电设备的高效率运行。在带有包含燃料电池的多个电能输出源的一般电能输出设备中，在预设条件下停止燃料电池电能生成的控制中，通常会出现因燃料电池电能生成的停止而引起的在重启燃料电池时的上述缺点的问题。
发明内容
本发明的目的是控制燃料电池的停止并因此防止在燃料电池重启时在燃料电池中可能引起的问题。
为了至少部分达到上述和其他有关的目的，本发明提供一种第一能量输出设备，该设备具有包含燃料电池的多个能量输出源，并激活该多个能量输出源的至少一个以输出能量。该第一能量输出设备包括输出控制组件，该组件在预设的条件下停止燃料电池的电能生成，并激活与包含在所述能量输出设备中的燃料电池不同的能量输出源以输出能量；判定组件，该组件在所述燃料电池的电能生成期间执行判定，该判定用于确定燃料电池的临时停止是否导致燃料电池重启时的燃料电池的可能性能恶化；以及强制FC操作组件，当所述判定组件判定燃料电池的可能性能恶化，则该组件强制燃料电池继续电能生成，即使处在所述预设的条件之下。
本发明的第一能量输出设备响应燃料电池的可能性能恶化的判定，继续燃料电池的电能生成。这种安排有效防止或至少限制了燃料电池重启时的燃料电池的可能性能恶化。
在本发明的第一能量输出设备中，燃料电池的可能性能恶化可以是燃料电池电流-电压特性的恶化。继续燃料电池的电能生成可望防止或至少限制燃料电池的电流-电压特性的恶化。
在本发明的第一能量输出设备的一个优选实施例中，当供应给燃料电池的含有电极活性物质的气体中所包含的杂质的浓度不低于预设水平时，所述的判定组件判定燃料电池的可能性能恶化。这种安排可望防止或至少限制因含有电极活性物质的气体中杂质的升高的浓度引起的燃料电池的电流-电压特性的恶化。
在本发明的该优选实施例中，第一能量输出设备进一步包括氢气供应管道，该管道把所供应的氢气引导至燃料电池正极；以及废气循环管道，该管道把从燃料电池的正极排放的正极废气的至少一部分引导至所述的氢气供应管道。当包含在被引导至所述氢气供应管道的正极废气中的杂质的浓度不低于所述预设水平时，所述判定组件判定燃料电池的可能性能恶化。
这种安排可望防止或至少限制因经至少部分正极废气到正极的循环的正极废气中杂质的升高浓度引起的燃料电池的电流-电压特性的恶化。
这种安排的第一能量输出设备，废气循环管道优选具有气体净化单元，该单元把一部分正极废气释放到所述能量输出设备的外部。当从用于释放部分正极废气的该气体净化单元的最近操作以来所经过的时间在预设的参考时间的范围之内，则所述判定组件判定燃料电池的可能性能恶化。
在气体净化单元释放部分正极废气的操作之后的短时间内，气流通路中气体净化单元附近的杂质浓度降低，而在气流通路的其余部分，包括在燃料电池内部，杂质的浓度依然保持较高水平。因此当从气体净化单元最近的操作以来所经过的时间段在预设的参考时间范围之内，可预期供应给燃料电池的气体中杂质的高浓度。
本发明的第一能量输出设备可进一步包括氢稀释组件，该组件利用从燃料电池的负极排放的负极废气来稀释由该气体净化单元释放的正极废气的一部分，并把所稀释的正极废气释放到所述能量输出设备的外部。
这种安排有效防止或至少部分限制了燃料电池重启时的较高浓度氢气的不良排放。当从最近的正极废气释放操作以来只经过了短时间，在氢气稀释组件中可能有较高浓度的氢气。燃料电池的停止妨碍利用负极废气稀释氢气。在燃料电池重启时在氢气稀释组件中剩余的较高浓度的氢气从氢气稀释组件中释放以恢复负极废气的供应。而本发明的安排可防止或至少限制这种可能的缺点。
在本发明的第一能量输出设备中，当燃料电池相对于输出电流的输出电压不大于相对于该输出电流的预设参考电压时，所述判定组件判定燃料电池的可能性能恶化。这种安排有效防止或至少限制了燃料电池的电流-电压特性的恶化。
在本发明的第一能量输出设备中，当燃料电池的工作温度不高于预设的参考温度，所述判定组件判定燃料电池的可能性能恶化。这种安排有效防止或至少限制了因燃料电池的温度降低而引起的燃料电池的可能性能恶化。
本发明还提供一种第二能量输出设备，该设备具有包括燃料电池的多个能量输出源，并且激活该多个能量输出源的至少一个以输出能量。第二能量输出设备包括输出控制组件，该组件在预设的条件下停止燃料电池的电能生成，并激活与包含在所述能量输出设备中的燃料电池不同的能量输出源以输出能量；判定组件，该组件在所述燃料电池的停止期间执行判定，该判定用于确定燃料电池的停止的持续是否导致燃料电池重启时的燃料电池的可能性能恶化；以及强制FC操作组件，当所述判定组件判定燃料电池的可能性能恶化，则该组件强制开始燃料电池的电能生成，即使处在所述预设的条件之下。
本发明的第二能量输出设备响应燃料电池的可能性能恶化的判定立刻开始燃料电池的工作。这种安排有效防止了燃料电池重启时的燃料电池的可能性能恶化。
在本发明的第二能量输出设备中，当燃料电池的工作温度不高于预设的参考温度，所述判定组件判定燃料电池的可能性能恶化。这种安排有效防止或至少限制了因燃料电池的温度降低而引起的燃料电池的可能性能恶化。
本发明还提供一种能量输出设备，该设备具有包括燃料电池的多个能量输出源，并且激活该多个能量输出源的至少一个以输出能量。第三能量输出设备包括输出控制组件，该组件在预设的条件下停止燃料电池的电能生成，并激活与包含在所述能量输出设备中的燃料电池不同的能量输出源以输出能量；燃料电池辅助装置，利用燃料电池所生成的电能来工作；判定组件，该组件在燃料电池的电能生成期间检测所述燃料电池辅助装置的工作状态，并根据所检测的工作状态确定燃料电池辅助装置是否处于异常过渡状态，其为异常性诊断之前的过渡状态；以及强制FC操作组件，当所述判定组件确定燃料电池辅助装置处于异常过渡状态，则该组件强制继续燃料电池的电能生成，即使在所述预设的条件之下。
本发明的第三能量输出设备在确定燃料电池辅助装置处于异常过渡状态时继续燃料电池的电能生成。因此持续地监视燃料电池辅助装置的工作状态。这种安排保证了燃料电池辅助装置中所产生问题和故障的快速检测。
在本发明的第三能量输出设备中，所述判定组件还检测燃料电池辅助装置的温度，并且当所检测的燃料电池辅助装置的温度不低于预设的参考温度时，确定燃料电池辅助装置处于异常过渡状态。
在继续燃料电池的电能生成的时候，持续地监视燃料电池辅助装置的温度升高。这种安排保证了燃料电池辅助装置中产生的问题和故障的快速检测。
本发明的技术不限于上述的能量输出设备，而可以实现在各种其他应用中，例如能量输出设备和带有安装在其中作为电源的能量输出设备的移动体的控制方法。
图1是示意性地示出本发明一个实施例中的电动车辆的配置的框图；图2是示出对照燃料电池堆的输出绘制的燃料电池单元的整体能量效率的变化的图示；图3是示出对照燃料电池堆的输出电流绘制的输出电压和输出功率的变化的图示；图4是示出驱动控制例程的流程图；图5是示出包含在用于确定是否激活间歇驱动模式的控制单元中的电路结构的框图；图6是性能恶化判定例程的流程图；以及图7是异常过渡状态处理例程的流程图。
具体实施例方式
下面结合附图参考优选实施例详细讨论本发明的能量输出设备和能量输出设备的控制方法。
A.一般系统配置图1是示出本发明一个实施例中的电动车辆10的配置的示意框图。电动车辆10包括驱动马达33和辅助装置马达34作为消耗电能的负荷，以及供电设备15作为对这些负荷供应电能的电源。供电设备15通过导线50与这些负荷连接，这样电能在供电设备15和负荷之间传送。
供电设备15包括燃料电池单元20和二次电池30。燃料电池单元20具有燃料电池的堆22，其由大量的单位电池一个叠一个地组成(下文中称燃料电池堆)，作为电能生成的主体。二次电池30经由DC-DC变换器32连接到导线50。DC-DC变换器32和燃料电池堆22与导线50串联连接。导线50具有开关52以便把燃料电池堆22连接到导线50和从导线50断开。
除了燃料电池堆，燃料电池单元20还包括氢气仓23用于存储要供应给燃料电池堆22的氢气，以及空气压缩机24用于向燃料电池堆馈送压缩空气。在该实施例中，燃料电池堆22由高分子电解质燃料电池构成，尽管各种其他燃料电池也可用于燃料电池堆22。
例如，氢气仓23可以是高压氢气仓或用于存储氢储合金氢的容器。在氢气仓23中存储的氢气被导向氢气供应管道60，通过设置在氢气供应管道60中的减压阀61来减压，再通过压力调节器62进行压力调节以达到预设的压力水平，并供应给燃料电池堆22的正极。从所述正极排放的正极废气通过正极废气管道63引导并流到氢气供应管道60。在正极废气中剩余的氢气经气流通路循环并再次经电化学反应。
氢气泵65设置在用于正极废气循环的正极废气管道63中。从正极废气管道63分支出废气排放管道64。废气排放管道64具有开/关阀66。在该开/关阀66的打开位置，部分流经正极废气管道63的废气可经由废气排放管道64释放到大气中。设置开/关阀66用于降低正极废气中杂质的浓度(氮的浓度)，经由正极废气管道63使其循环并再次供应给燃料电池堆22的正极。在氢气通过正极废气管道63循环并重新供应给燃料电池堆22的时候，电化学反应的进展逐渐把包含在循环氢气中的少量氮集中起来以提高氮的浓度。在燃料电池堆22中从负极到正极的空气供应中所包含氮气的可能泄露也提高氢气中氮的浓度。在该实施例的电动车辆10中，开/关阀66在预设的时间间隔内被设置在打开位置，以便把部分废气释放到大气中，并因此抑止向正极供应的氢气中含氮浓度的上升。代替在预设的时间间隔，可以在每当燃料电池堆22积累的电能生成达到了预设的量级的时候，设置开/关阀66在打开位置。
废气排放管道64连接到稀释单元26，稀释单元26具有比废气排放管道64更大的截面积。设计稀释单元26，使得在向大气释放正极废气之前，可利用负极废气(后面讨论)来稀释包含在正极废气中的剩余的氢。
气液分离器27位于正极废气管道63中。随着电化学反应的进展，在负极产生水。这些水部分地经由电解质膜进入正极废气。气液分离器27在低温气液分离器的内壁表面上浓缩在正极废气中积累的蒸汽，用于从正极废气中去除蒸汽。
空气压缩机24经由氧化气体供应管道67向燃料电池堆22馈送作为氧化气体的压缩空气的供应。通过带有过滤器的空气流量计28来取得周围空气并由空气压缩机24来压缩。从负极排放的负极废气通过负极废气管道68来引导并释放到大气中。氧化气体供应管道67和负极废气管道68经过加湿器组件25。在加湿器组件25中，氧化气体供应管道67的部分管壁与负极废气管道68的部分管壁接触，并且在接触面上设置有可透过蒸汽的膜。该可透过蒸汽的膜把氧化气体供应管道67与负极废气管道68分隔开。这种结构使得可从从负极废气把蒸汽供应到压缩的空气。负极废气含有通过电化学反应产生的蒸汽状态的水。在压缩空气供应到负极之前，加湿器组件25利用含有蒸汽的负极废气对压缩空气进行加湿。废气分支管道69从负极废气管道68分出。废气分支管道69经过稀释单元26并且再次与负极废气管道68结合。经由废气排放管道64流入稀释单元26的正极废气在被释放到大气之前，利用稀释单元26中的部分负极废气来混合并稀释，然后流到负极废气管道68，进一步利用剩余的负极废气来稀释。
燃料电池单元20进一步包括冷却系统40，用来冷却燃料电池堆22并把燃料电池堆的工作温度保持在预设的水平。冷却系统40包括冷却水流通路41、冷却泵42以及散热器29。冷却水流经冷却水流通路41并因此在燃料电池堆22内部和散热器28之间循环。冷却泵42用来通过冷却水流通路41对冷却水进行循环。散热器29具有冷却风扇并对由燃料电池堆加热的冷却水进行降温。温度传感器43和44设置在临近冷却水流通路41和燃料电池堆22的接合处，以测量冷却水的温度。根据温度传感器43和44的测量结果来调节冷却风扇和冷却泵的工作量，以便调节燃料电池堆22的工作温度。利用燃料电池堆22所产生的电能来工作的这些单元，如空气压缩机24、氢气泵65、冷却泵42、散热器29的冷却风扇、以及在各种气流通路中设置的阀门，在下文中都称作燃料电池辅助装置。
二次电池30可以是任何各种已知的二次电池，例如，铅蓄电池、镍镉电池、镍氢电池或锂电池。如图1所示，SOC监视器31连接到二次电池30以监视二次电池30的充电状态(SOC)。本实施例的结构中，SOC监视器31是用来测量二次电池30充电放电电流和时间累积的SOC表。SOC监视器31可以不采用SOC表而采用电压传感器。二次电池30随着其充电状态的下降倾向于降低其电压。因此电压的测量导致二次电池30的充电状态的检测。
当二次电池30的充电状态降低到预设的量级或降到预设量级之下，燃料电池堆22开始对二次电池30充电。在电动车辆1O的刹车状态(即在车辆行驶期间响应驾驶员的刹车踏板的踩踏动作)，驱动马达33作为发电机来工作以产生电能。二次电池30还由驱动马达33所产生的电能来充电。
DC/DC变换器32根据目标输出电压的设定值来调节导线50的电压，并因此调节燃料电池堆22的输出电压，以便控制从燃料电池堆22的电功率输出水平。DC/DC变换器32还用作控制二次电池30与导线50连接的开关。当不需要二次电池30的充电或放电时，就切断二次电池30和导线50之间的连接。
作为从供电设备15接收电能供应的负荷之一的驱动马达33是同步马达，并具有三相线圈用于形成旋转的磁场。电能供应经由驱动逆变器35从供电设备15提供给驱动马达33。驱动逆变器35构造成晶体管逆变器，包括多个晶体管，作为对应于驱动马达33各相位的开关元件。驱动马达33的输出轴37经由减速齿轮38连接到车辆驱动轴39。减速齿轮38调节来自驱动马达33功率输出的转速并把该输出功率传送到车辆驱动轴39。
在图1的结构中，辅助装置马达34是接收来自供电设备15的电能供应的另外的负荷。辅助装置马达34是由上述的多个辅助装置的马达共同构成的，即空气压缩机24、冷却泵42、氢气泵65。辅助装置马达经由各相应的逆变器(在图1中被共同示为逆变器36)从供电设备15接收电能供应。从供电设备15接收电能供应的辅助装置还包括其他的燃料电池辅助装置，如散热器29的冷却风扇和设置在各气流通路中的阀门，以及安装在电动车辆10上的空调机和车辆上的各种电气设备。在辅助装置当中，具有较低工作电压的设备(如设置在气流通路中的阀门)经由预设的降压式DC/DC变换器(未示出)来接收电能供应。
电动车辆10还包括控制单元70，其控制电动车辆10的各个组成部分。控制单元70构造成包含微计算机的逻辑电路。控制单元70包括CPU，根据预设的控制程序执行各种操作；ROM，存储控制程序和CPU执行各种操作时所请求的控制数据；RAM，可把CPU执行各种操作时所请求的各种数据写入其中或从中读出；以及输入输出端口，用于输入和输出各种信号。控制单元70接收来自包括上述温度传感器43和44的各种传感器的检测信号、来自SOC监视器的输出信号、以及诸如加速踏板开度(accelerator opening)和车速等车辆驾驶状态信息(未示出)。控制单元70向例如DC/DC变换器32、驱动逆变器35以及包含在燃料电池单元20中的泵和设置在气流通路中的阀门等输出驱动信号。
B.使用间歇驱动的驱动控制在本实施例的结构中，燃料电池单元20主要用于供应在通常情况下驱动电动车辆所需要的电功率。在特定条件下，燃料电池单元20的运行降低到非期望的能量效率，这样，该控制过程就停止燃料电池单元20的运行(间歇驱动模式)并开始从二次电池30供应电能。根据能量效率的变化，当满足在供电设备15中设置间歇驱动模式的各条件中的至少一个时，本实施例的控制过程确定是否要实际激活间歇驱动模式。本说明书首先讨论通常状态下的驱动控制和间歇驱动模式下的驱动控制。
调节燃料电池堆22和二次电池30的电能生成的水平，以增强供电设备15的整体效率。图2是示出对照燃料电池堆22的输出而画出的燃料电池单元20的整体能量效率的图示。图2(A)的图中示出了对照燃料电池堆22的输出画出的燃料电池堆22的效率变化以及燃料电池辅助装置所需要电能的变化。如图2(A)中的图所示，随着燃料电池堆22输出的上升，燃料电池堆22的效率逐渐降低。燃料电池辅助装置所需要的电能，也即为驱动燃料电池辅助装置所需要的电能，随着燃料电池堆22输出的增加而增加。当燃料电池堆22的输出很小的时候，辅助装置所需要电能对燃料电池堆22输出的比值就非常高。如图2(B)所示，燃料电池单元20的整体效率，依赖于燃料电池堆22效率和辅助装置所要求的电能，在低负荷状态下也相应的变低，在预定的燃料电池堆输出水平上达到最大，在更高的负荷状态下逐渐降低。
在本实施例的电动车辆10中，作为规则，在燃料电池单元20的整体效率降低的低负荷状态下，控制过程停止燃料电池堆22的运行，因此防止供电设备15的整体能量效率的降低。在启动燃料电池堆22产生电能的时候，该控制过程只在燃料电池堆20的整体能量效率很高的预设负荷状态下限制从燃料电池堆22输出的电能供应。在更高的负荷状态下，该控制过程从燃料电池堆22和二次电池30两者接收电能供应。
供电设备15的输出受二次电池30的充电状态(SOC)的影响。当二次电池30具有足够的SOC水平，部分来自二次电池30的输出可以提高供电设备15的整体能量效率。另一方面，当二次电池30具有不足的SOC水平，则由燃料电池堆22对二次电池30充电。为了提高供电设备15的整体能量效率，本实施例的控制过程根据负荷需求(供电设备电能需求后面讨论)和二次电池30的SOC来设置燃料电池堆22和二次电池30的目标电能生成水平，并以图(功率分布图)的形式把该目标电能生成水平存储在控制单元70中。
在下文的说明中，在相对低负荷需求的条件下停止燃料电池堆22的电能生成并把电能供应限制到来自二次电池30的输出的驱动模式称作“间歇驱动模式”。启动燃料电池堆22以产生电能的驱动模式称作“FC驱动模式”。
在间歇驱动模式下，燃料电池辅助装置停止工作，并且切断对燃料电池堆22的氢气和空气供应。开关52被设置在断开位置以把燃料电池堆22与导线50断开。
在FC驱动模式下，从燃料电池堆22和二次电池30输出的电能生成的水平根据DC/DC变换器32的输出电压来调节。图3是示出对照燃料电池堆的输出电流画出的燃料电池堆22的输出电压和输出功率的变化的图示。如图3所示，把目标电功率PFC设定为燃料电池堆22的输出，由此自动确定燃料电池堆22的输出电流IFC的量。根据燃料电池堆22的输出特性，输出电流IFC的确定导致燃料电池堆22的输出电压VFC的设定。在FC驱动模式下，控制单元70通过参照功率分布图把目标电功率设置成从燃料电池堆22的输出，并把作为目标电压的输出电压VFC的设定值传给DC/DC变换器32。该控制过程根据负荷需要驱动燃料电池辅助装置以保证氢气和空气的供应满足燃料电池堆22的目标电能生成水平，并向逆变器35输出驱动信号。这样，从燃料电池堆22和二次电池30向各个负荷提供期望水平的电功率。
图4是示出由电动车辆10中的控制单元70执行的驱动控制例程的流程图。在电动车辆行驶期间反复执行该驱动例程。
当驱动控制例程启动，控制单元70首先接收有关车速和加速踏板开度的信息(步骤S100)，然后依次地根据输入的加速踏板开度和车速计算驱动马达的功率需求PMreq(马达功率需求PMreq)(步骤S110)，和计算供电设备15的功率需求Preq(供电设备功率需求Preq)(步骤S120)。供电设备功率需求Preq是马达功率需求PMreq和其他负荷(包括燃料电池辅助装置和安装在车辆10上的空调等)功率需求的总和，并表示要从供电设备15输出的总体电功率。
在计算了供电设备功率需求Preq之后，控制单元70从SOC监视器读取二次电池30的SOC(步骤S130)并参照功率分布图根据输入的SOC和所计算的供电设备功率需求Preq来设置要从燃料电池堆22和二次电池30输出的目标功率产生水平(功率分布)(步骤S140)。然后控制单元70确定在步骤S140的功率分布的设定值是否对应间歇驱动模式(步骤S150)。当功率分布设定值对应于间歇驱动模式，控制单元70执行将在后面讨论的性能恶化判定例程(步骤S160)并从该驱动控制例程中退出。另一方面，当功率分布的设定值对应于FC驱动模式，在退出该驱动控制例程之前，控制单元70向电动车辆的各组成部分输出驱动信号用于FC驱动模式下的控制，以获得在步骤S140的功率分布设定值(步骤S170)。该具体的过程驱动燃料电池单元20和DC/DC变换器32，以保证参照功率分布图从燃料电池堆22和二次电池30输出对应目标功率产生水平设定值的电功率，同时根据供电设备功率需求Preq驱动逆变器35和36以及其他有关负荷与燃料电池辅助装置的元件。
C.禁止间歇驱动的驱动控制在本实施例的电动车辆10中，当步骤S140的功率分布的设定值对应于间歇驱动模式，该控制过程根据性能恶化判定的结果确定是否要实际激活间歇驱动模式。图5是示出包含在控制单元70中用于确定是否要激活间歇驱动模式的电路结构的框图。如图5所示，控制单元70包括输出控制组件76、判定组件74、以及强制FC操作组件76。图6的流程图示出了当在图4的驱动控制例程中的步骤S150确定功率分布的设定值对应于间歇驱动模式的时候，由控制单元70在步骤S160执行的性能恶化判定例程。响应功率分布设定值对应于间歇驱动模式的确定，把在步骤S150的确定结果和在步骤S140的功率分布设定值传送到控制单元70的输出控制组件72，同时在步骤S160执行性能恶化判定例程。
当性能恶化判定例程启动，控制单元70首先输入和性能恶化判定有关的信息(步骤S200)。然后，控制单元70的判定组件74根据输入的与性能恶化判定有关的信息来确定是否满足至少一个性能恶化判定条件(步骤S210)。
当燃料电池堆22目前按FC驱动模式驱动，性能恶化判定条件表示这样的条件，其中选择间歇控制模式来临时停止燃料电池单元20操作会引起在重启燃料电池单元时的燃料电池堆22的性能恶化。另一方面，当燃料电池堆22目前不是按电能生成来驱动，则性能恶化判定条件是这样的条件，其中燃料电池单元20的当前停止的持续可能引起在重启燃料电池单元20时的燃料电池堆22的性能恶化。
这里首先讨论在FC驱动模式下燃料电池堆22操作期间的性能恶化判定条件。有关性能恶化判定的信息例如包括在提供给燃料电池堆22正极的气体中包含的氮气的浓度、燃料电池堆22的输出电压、燃料电池堆22的每个单位电池的电压、以及燃料电池堆22的工作温度。
在提供给燃料电池堆22正极的气体中包含的氮气浓度升高的条件下，燃料电池单元20的临时停止可能在重启燃料电池单元20时降低燃料电池堆22的电能生成效率，并使燃料电池堆22的输出特性恶化(即表示输出电压对照输出电流变化的电流-电压特性)。在本实施例中，在提供给正极的气体中所包含氮气的升高的浓度相应地设置成性能恶化判定条件之一。
包含在正极供应气体中的氮气的浓度可以从开/关阀66的阀门最近的打开操作之后所经过的时间来估算，或从开/关阀66最近的阀门打开操作之后燃料电池堆22中积累的电能生成来估算。本实施例的控制过程持续地测量所经过的时间以及电能生成的积累。控制单元70在步骤S200相应地参照的所经过时间和电能生成积累的测量值来估算包含在正极供应气体中的氮气浓度，并且当估算的氮气浓度超过了预设的参考水平的时候，在步骤S210确定满足一个性能恶化判定条件。但是，氮气浓度的估算不是必不可少的。可以简单地根据开/关阀66的最近的阀门打开操作之后所经过的时间来确定满足一个性能恶化条件。该控制过程事先设置氮气积累参考时间，这是用于估算正极供应气体中包含的氮气的升高浓度的参考时间。当开/关阀66最近的阀门打开操作之后所经过的时间超过了氮气积累参考时间，则确定满足了一个性能恶化判定条件。在另外的例子中，当开/关阀66的最近的阀门打开操作之后燃料电池堆22中电能生成的积累超过了用于估算正极供应气体中包含的氮气浓度的预设参考水平，则该控制过程可以确定满足了一个性能恶化判定条件。
在又另外的例子中，当开/关阀66最近的阀门打开操作之后所经过的时间在靠近阀门打开参考时间的范围内，这比氮气积累参考时间短很多，则该控制过程可以确定满足了一个性能恶化判定条件。响应于开/关阀66的阀门打开操作，在正极废气管道63中开/关阀66附近的氮气浓度急剧降低，而在燃料电池堆22的内部和气流通路的其他区域依然保持相对高的氮气浓度。在开/关阀66的阀门打开操作之后需要经过特定的时间段使气流通路中氮气浓度变得均匀，并把整个气流通路中的氮气浓度降得足够低。所述的靠近阀门打开参考时间相应地设置成在开/关阀66的阀门打开操作之后为把整个气流通路中的氮气浓度降得足够低而需要的所述时间段。当开/关阀66最近的阀门打开操作之后所经过的时间在靠近阀门打开参考时间的范围内，则确定满足了一个性能恶化判定条件。
当开/关阀66最近的阀门打开操作之后所经过的时间在靠近阀门打开参考时间的范围内，引起另外的问题，即在稀释单元26中氢气依然保持相对高的浓度，这不同于正极供应气体中高氮气浓度的不利情况。燃料电池单元20的停止也停止了空气压缩机24的工作并切断了对稀释单元26的负极废气的供应。在开/关阀66的阀门打开操作之后紧接着临时停止燃料电池单元20，当重启燃料电池单元20时，空气压缩机24恢复工作，这可能引起相对高浓度的氢气从稀释单元26排放到大气中。除了因正极供应气体中高浓度氮气而可能引起的燃料电池堆22电能生成性能的恶化之外，在开/关阀66最近的阀门打开操作之后所经过的非常短的时间(在紧邻阀门贷款参考时间的范围内)相应地会导致相对高浓度氢气的不良排放。
当燃料电池堆22的电解质膜的水分不足或者当凝结的水在燃料电池堆22的气流通路中积存影响了气流的通畅，燃料电池堆22的输出电压以及构成燃料电池堆22的各个单位电池中任何一个的电压可能会降低。在电解质膜水分不足的情况下或在气流通路中凝结的水积存的情况下，燃料电池单元20的临时停止可能在重启燃料电池单元20时降低燃料电池堆22的电能生成效率，并使电流-电压特性恶化。在该实施例中，燃料电池单元20的降低的输出电压以及构成燃料电池堆22的各个单位电池中任何一个的降低的电压相应地被设置成性能恶化判定条件。
本实施例的供电设备15包括用于测量燃料电池堆22的输出电流的电流表、用于测量燃料电池堆22的输出电压(导线50的电压)的电压表、以及用于测量构成燃料电池堆22的各个单位电池电压的单位电池电压表(未示出)。在图6的性能恶化判定例程中的步骤S200，控制单元70输入来自电流表、电压表以及各单位电池电压表的检测信号。当相对于输出电流的输出电压低于预设的参考水平，控制单元70在步骤S210确定满足了一个性能恶化判定条件。所述预设参考水平是为了持续电能生成能够允许的量级，但低于对电解质膜水分不足或对凝结水积存的可能情况所建议的标准量级。本实施例的结构测量整个燃料电池堆22的输出电压以及构成燃料电池堆22的各单位电池的电压。在初期各单位电池的电压测量对于判定可能出现的问题尤其重要。这样的测量可早期检测特定单位电池的电解质膜中的水分不足或包含在特定单位电池中的气流通路部分中凝结水的积存。
燃料电池堆22工作温度的降低还导致燃料电池堆22的电流-电压特性的恶化。在燃料电池堆22温度开始降低的时候，停止燃料电池单元20的工作还进一步降低燃料电池堆22的温度，并且在重启燃料电池单元20时可能显著恶化燃料电池堆22的输出特性。在燃料电池堆22降低温度的条件下燃料电池堆22的大负荷应用可能引起在燃料电池堆22中进行不同于标准电化学反应的某种反应，并显著降低燃料电池堆22的电能生成效率。在本实施例中，燃料电池堆22的降低的工作温度相应地设置成一个性能恶化判定条件。可以利用连接在燃料电池堆22的温度传感器直接测量燃料电池堆22的工作温度。也可以从另外的反映燃料电池堆22工作温度的可观测温度来测定燃料电池堆22的工作温度。例如，根据由位于冷却水流通路41的温度传感器43观测的温度来测定燃料电池堆22的工作温度。在图6的性能恶化判定例程中，控制单元70在步骤S200输入来自温度传感器的检测信号，并且当所观测的温度不高于预设的量级，在步骤S210确定满足了一个性能恶化判定条件。
在图6的性能恶化判定例程中，当判定组件74确定在步骤S210满足了任意的性能恶化判定条件，即当判定组件74判定了燃料电池堆22的可能性能恶化，则把该判定结果传送给控制单元70的强制FC操作组件76。除了前述的一般功率分布图，控制单元70还存储间歇驱动禁止条件下的功率分布图。在一般功率分布图中，在燃料电池单元20的低能量效率情况的低负荷状态下，把将由燃料电池堆22产生的电功率的量级设置成零。另一方面，即使在低负荷状态下，间歇驱动禁止条件下的功率分布图也具有分别由燃料电池堆22和二次电池30产生的电功率的设定值。也就是即使在低负荷状态下也驱动燃料电池堆22以产生电能。强制FC操作组件76参照间歇驱动禁止条件下的功率分布图并设定由燃料电池堆22和二次电池30产生的电功率的量级(功率分布)(步骤S220)。强制FC操作组件76向供电设备15的各个有关元件输出驱动信号，用于在FC驱动模式中进行控制，以便获取步骤S220的功率分布的设定值(步骤S230)。然后结束性能恶化判定例程。当判定组件74在步骤S210确定满足了任意的性能恶化判定条件，该判定结果也被传送到控制单元70的输出控制组件72。这取消了在图4的驱动控制例程中在步骤S150传送到输出控制组件72的确定(即功率分布对应间歇控制模式的确定)，以及取消了对应于间歇驱动模式的功率分布的设定值。
另一方面，在步骤S210，当判定组件74确定没有满足性能恶化判定条件，即当判定组件74判定燃料电池堆22没有可能的性能恶化，该判定结果发送到控制单元70的输出控制组件72。输出控制组件72向供电设备的各个有关元件输出驱动信号，以获得对应于在图4的驱动控制例程中在步骤S150传送的间歇驱动模式的功率分布设定值。这样在间歇驱动模式中执行控制，并引起二次电池30输出等于供电设备功率需求Preq的电功率(步骤S240)。然后结束性能恶化判定例程。
如上所述，当满足了任意的性能恶化判定条件时，本实施例的供电设备15不采用间歇驱动模式，而不管供电设备15的能量效率如何。这样的设置可望防止可能的燃料电池堆22的性能恶化。
当所满足的性能恶化判定条件是正极供应气体中氮气的升高浓度，燃料电池堆22的持续的电能生成触发开/关阀66的阀门打开操作，以降低正极供应气体中的氮气浓度。这种安排有效地防止或至少限制了燃料电池堆22的可能的性能恶化。当在开/关阀66的最近的阀门打开操作之后只经过了短时间段，禁止间歇驱动模式可望防止相对高浓度的氢气向大气的不良排放。燃料电池堆22的性能恶化不仅包括有关燃料电池堆22的性能方面的不利之处，还包括与燃料电池堆22的操作相伴随的不利之处。
当所满足的性能恶化条件是燃料电池堆22的降低的输出电压，或者是构成燃料电池堆22的各单位电池中任何的降低的电压，燃料电池堆22持续的电能生成保证在电解质膜中把水分恢复到足够的水平并从气流通路中除去凝结的水，并因此有效防止或至少限制燃料电池堆22可能的性能恶化。只要在燃料电池堆22规范地执行气流速率和气体湿度的调节，持续的电能生成就把燃料电池堆22输出电压的水平或构成燃料电池堆22的任意单位电池的输出电压的水平恢复到期望的水平。
当所满足的性能恶化判定条件是燃料电池堆22的降低的工作温度，燃料电池堆22的持续电能生成利用通过电化学反应所产生的热来控制燃料电池堆22工作温度的过分降低。这种安排有效防止或至少限制燃料电池堆22的可能性能恶化。
燃料电池堆22的持续的电能生成消除了有关的性能恶化判定条件。在低负荷状态下，在性能恶化判定例程的下一周期中可选择间歇驱动模式以停止燃料电池单元20的工作。在消除了性能恶化判定条件之后，在增加负荷的情况下重启燃料电池单元20，不引起上述的燃料电池堆22的任何性能恶化。
上述说明是当前在FC驱动模式下驱动燃料电池堆22的时候所确定的性能恶化判定条件的有关内容。当目前燃料电池堆22不是用于电能生成而被驱动时，也可以类似地控制燃料电池单元20。在用于电能生成的燃料电池堆22的非激活状态下(即间歇驱动模式)，在图6的性能恶化判定例程中的步骤S200输入的信息例如可是燃料电池堆22的工作温度。当燃料电池堆22的工作温度降低至或低于预设的参考温度，该控制过程确定满足了一个性能恶化判定条件，并立刻激活燃料电池单元20(把燃料电池堆22设置在FC驱动模式)。这样控制燃料电池堆22工作温度的降低，并因此防止可能的电能生成性能的恶化。这样的控制有效防止了在重启燃料电池单元20的时候因间歇控制模式的持续而导致的燃料电池堆22的可能的性能恶化。
代替直接测量燃料电池堆22的工作温度，可以根据从启动间歇驱动模式以来所经过的时间段来估算燃料电池堆22的工作温度。当该经过的时间段超过了预设的参考时间，则在步骤S210确定满足了一个性能恶化判定条件。这种安排把间歇驱动模式的可持续时间限制在预设的参考时间，并禁止间歇驱动模式的进一步延续。这种安排有效防止或至少限制了因间歇驱动模式的持续而造成的燃料电池堆22工作温度的过分降低。除了可限制间歇驱动模式的可持续时间之外，或者代替限制间歇驱动模式的可持续时间，在间歇驱动模式转换到FC驱动模式之后，该控制过程可以限制何时恢复间歇驱动模式的重启时间。在这种情况下，该控制过程在步骤S200输入从结束间歇驱动模式以来所经过的时间段，并且当该经过的时间段小于预设的参考时间的时候，在步骤S210确定满足了一个性能恶化判定条件。这种安排保证了在设置间歇驱动模式之后燃料电池堆22的电能生成的相当多的时间，以便把燃料电池堆22的工作温度保持在足够高的水平，并维持电解质膜的足够量的水分。
在间歇驱动模式下在图6的性能恶化判定例程的步骤S200输入的信息可以是在构成燃料电池堆22的各单位电池的OCV(开路电压)。在特定单位电池中的气流通路中凝结水的积存妨碍OCV升高到标准水平。因此当OCV不大于预设的参考电压，则确定满足了一个性能恶化判定条件。在燃料电池单元20在间歇驱动模式下工作期间，当在步骤S200的OCV输入不大于预设的参考电压，该控制过程在步骤S230立刻启动FC驱动模式。这种安排恢复堆燃料电池堆22的气体供应，以消除凝结水的积存，并因此防止燃料电池单元20性能的可能恶化。
D.第二实施例当预期了燃料电池单元20重启时的燃料电池堆22的可能性能恶化，第一实施例的过程就禁止间歇驱动模式。另一方面，第二实施例的过程是要在检出包含在燃料电池单元20中的任何燃料电池辅助装置的异常性之前，响应异常过渡状态的检测而禁止间歇驱动模式。
第二实施例的电动车辆实际上具有与第一实施例的电动车辆10相同的配置。相同的组成部分用相同的参考标号来表示，并且不在这里特别说明。图7是示出异常过渡状态处理例程的流程图，该例程由第二实施例的电动车辆10中的控制单元70来执行。当在图4的驱动控制例程的步骤S150确定功率分布的设定值对应于间歇驱动模式，在步骤S160，代替执行第一实施例的性能恶化判定例程(图6)，执行该异常过渡状态处理例程。
当异常过渡状态处理例程启动，控制单元70首先确定当前是否在间歇驱动模式下驱动燃料电池单元20(步骤S300)。如果当前不是在间歇驱动模式下驱动燃料电池单元20，控制单元70输入有关异常过渡状态的信息(步骤S305)。然后，控制单元70的判定组件74根据有关异常过渡状态的输入信息确定当前状态是否是异常过渡状态(步骤S310)。
异常过渡状态表示在检测出燃料电池单元20所包含的燃料电池辅助装置的任何异常性之前要满足的任意预设的条件。更确切地说，异常过渡状态是指任何与异常性有关的状态，通过设置间歇驱动模式来停止燃料电池单元20，取消异常过渡状态的检测并防止已有异常性的顺利检测。
为了判定异常过渡状态，本实施例的控制过程在步骤S305接收由空气压缩机24供应的压缩空气的温度、由氢气泵65供应的氢气的温度、以及逆变器36的温度。空气温度传感器54位于来自空气压缩机24的压缩空气的供应流通路上，并且氢气温度传感器56位于来自正极废气管道63中的氢气泵65的压缩氢气的供应流通路上(见图1)。在逆变器36上连接温度传感器(未示出)以测量逆变器36的温度。在图7的异常过渡状态处理例程的步骤S305，控制单元70输出来自这些传感器的检测信号。
通过空气压缩机24或通过氢气泵65的空气或氢气的压缩提高了空气或氢气的温度。当在空气压缩机24或在氢气泵65中出现任何问题或故障，空气或氢气的温度可能超过预设的量级并继续升高。当在逆变器36中出现任何问题或故障，逆变器36的温度可能超过预设的量级并继续升高。在本实施例的结构中，参照压缩空气的温度、氢气的温度以及逆变器36的温度，事先设置异常状态参考温度，并存储在控制单元70中。异常状态参考温度超出了标准温度范围，并用作确定异常状态以立刻停止燃料电池单元20的判据。还参照压缩空气的温度、氢气的温度以及逆变器36的温度，事先设置各异常过渡状态参考温度，并存储在控制单元70中。异常过渡状态参考温度介于正常温度范围和异常状态参考温度之间，并用作确定异常过渡状态的判据。该过程的步骤S310确定三个温度中的任何一个是否超过了用于异常过渡状态判定的各异常过渡状态参考温度。
在图7的异常过渡状态处理例程中的步骤S310，当判定组件74确定当前状态是异常过渡状态，该判定结果被发送到控制单元70的强制FC操作组件76。强制FC操作组件76设置功率分布(步骤S320)，并向供电设备15的各有关元件输出驱动信号，用于FC驱动模式下的控制，这样获得在步骤S320的功率分布的设定值(步骤S330)。然后结束异常过渡状态处理例程。步骤S320和S330的处理与图6的性能恶化判定例程中的步骤S220和S230的处理相同。
另一方面，在步骤S310，当判定组件74确定当前状态不是异常过渡状态，该判定结果被发送到控制单元70的输出控制组件72。输出控制组件72向供电设备15的各有关元件输出驱动信号，以获得对应于在图4的驱动控制例程中的步骤S150传送的间歇驱动模式的功率分布的设定值。这执行间歇驱动模式下的控制，并引起二次电池30输出等于供电设备功率需求Preq的电功率(步骤S340)。然后结束异常过渡状态处理例程。步骤S340的处理与图6的性能恶化判定例程中的步骤S240的处理相同。
当在步骤S300确定当前在间歇驱动模式下驱动燃料电池单元20，燃料电池单元20已经处于停止，并且不需要异常过渡状态的确定。这样，控制单元70立刻转到步骤S340，继续间歇驱动模式。然后结束异常过渡状态处理例程。
如上所述，在第二实施例的供电设备15中，响应空气压缩机24、氢气泵65以及逆变器36任何一个当中的异常过渡状态的检测，禁止燃料电池单元20的停止。这种安排保证已有异常性检测的持续。当在作为异常状态开始之前的异常过渡状态下设置间歇驱动模式，以停止燃料电池单元20的运行，则例如具有升高温度并已经被确定处于异常过渡状态的空气压缩机停止其运行以降低温度。在重启燃料电池单元20的时候，在压缩空气的温度再次达到异常过渡状态参考温度以及达到异常状态参考温度之前需要相对长的时间。也就是说需要长时间来检测已有的异常性。本实施例的过程响应异常过渡状态的检测禁止燃料电池单元20的停止。这种安排保证了诸如空气压缩机24中出现的问题或故障的快速检测。
第二实施例的过程根据空气压缩机24、氢气泵65以及逆变器36检测异常过渡状态。也可以根据包含在供电设备15中的其他燃料电池辅助装置类似地检测异常过渡状态。在任何的燃料电池辅助装置中的异常过渡状态的检测可得出上述类似的效果，只要用于停止燃料电池单元20的间歇驱动模式的设定抵消了异常过渡状态的检测并阻碍已有异常性的顺利检测(例如温度升高的异常性)。例如，该控制过程可以测量从燃料电池堆22排出的正极废气或负极废气的温度，并利用正极废气或负极废气的温度升高检测燃料电池堆22的异常过渡状态。在另外的例子中，该控制过程可以测量从燃料电池堆22排出的正极废气或负极废气的压力，并利用正极废气或负极废气的压力降低检测燃料电池堆22的异常过渡状态(例如电解质膜的损坏)。
E.改型上面讨论的实施例在各个方面都应该被看作是说明性的而非限制性的。在不脱离本发明主要特征的范围和精神的前提下，可有许多改型、改变和替换。下面给出一些可能的改型的例子。
E1.改型例子1在上述的第一和第二实施例中，所述控制过程根据供电设备15的整体能量效率确定燃料电池单元20的停止。一种改型的控制过程可以根据供电设备15的整体能量效率以及另外的条件，或者根据代替供电设备15的整体能量效率的另外条件来确定燃料电池单元20的停止。在后一种情形，通过在性能恶化判定条件下或在异常过渡状态下禁止燃料电池单元20的停止，可以得到上面讨论的类似的效果。
E2.改型例子2在上述的第一和第二实施例的结构中，供电设备15包括燃料电池单元20以及二次电池30。除了二次电池之外，或者代替二次电池，本发明的技术还可以应用包括内燃机的能量输出设备。在装备有燃料电池单元和内燃机的车辆中，车辆的驱动动力既可由内燃机供应，也可由从燃料电池单元接收电能的马达来供应。在带有包括燃料电池的多个能量输出源的能量输出设备中，本发明的技术可用于控制从多个能量输出源中至少一个的能量输出。在所述能量输出设备中，即使满足了停止燃料电池电能生成的预设条件，如整体能量效率，该控制过程在性能恶化判定条件下或在异常过渡状态下也禁止燃料电池的停止。这种安排可以得到上述的类似效果。
E3.改型例子3在上面讨论的第一和第二实施例的结构中，燃料电池单元20向正极提供高纯度的氢气，并把正极废气循环到正极。但这种结构不是必要的。例如，本发明的技术还可以应用到带有燃料电池的供电设备，其具有重整装置来重整如汽油或酒精的碳氢化合物燃料以产生氢气。包括带有重整装置的燃料电池的供电设备还可具有二次电池。该二次电池作为主电源，而燃料电池单元主要用于对二次电池充电。当二次电池充满电的时候，停止燃料电池单元的电能生成。在这种供电设备中，即使在准备停止燃料电池单元运行的二次电池的满充电状态，所述控制过程可在性能恶化判定条件下或在异常过渡状态下禁止燃料电池单元的停止。这种安排可得到上述的类似效果。
在本改型的结构中，作为一个性能恶化判定条件，在含有电极活性物质的气体中杂质的浓度可以是被重整气体中杂质的浓度(如一氧化碳的浓度)或被重整气体中氢的浓度。当被重整的气体具有高浓度杂质，燃料电池单元的持续工作可望防止重整装置温度的降低，或防止装有用于净化被重整气体的催化剂的反应器温度的降低。这样所述控制过程在预设的条件下禁止燃料电池单元的停止，并因此防止重整装置温度或反应器温度的进一步降低，其导致在重启燃料电池单元时的在可允许范围内被重整气体中杂质浓度的升高。
E4.在上述的第一和第二实施例中，包括燃料电池单元20的供电设备15安装在电动车辆上。本发明的技术也可应用在固定的能量输出设备，如包括燃料电池单元的固定供电设备。
权利要求旨在覆盖其等价含义和范围内的所有变化。本发明的范围和精神由权利要求书来限定，而不是由上述的说明书来限定。
权利要求
1.一种能量输出设备，该设备具有包括燃料电池的多个能量输出源，并且激活该多个能量输出源的至少一个以输出能量，所述能量输出设备包括输出控制组件，该组件在预设的条件下停止燃料电池的电能生成，并激活与包含在所述能量输出设备中的燃料电池不同的能量输出源以输出能量；判定组件，该组件在燃料电池的电能生成期间执行判定，该判定用于确定燃料电池的临时停止是否导致燃料电池重启时的燃料电池的可能性能恶化；以及强制FC操作组件，当所述判定组件判定燃料电池的可能性能恶化，则该组件强制燃料电池继续电能生成，即使处在所述预设的条件之下。
2.根据权利要求1所述的能量输出设备，其中，燃料电池的可能性能恶化是燃料电池电流-电压特性的恶化。
3.根据权利要求1和2中任何一项所述的能量输出设备，其中，当供应给燃料电池的含有电极活性物质的气体中所包含杂质的浓度不低于预设水平时，所述的判定组件判定燃料电池的可能性能恶化。
4.根据权利要求3所述的能量输出设备，所述能量输出设备还包括氢气供应管道，该管道把所供应的氢气引导至燃料电池正极；以及废气循环管道，该管道把从燃料电池的正极排放的正极废气的至少一部分引导至所述的氢气供应管道，其中，当包含在被引导至所述氢气供应管道的正极废气中的杂质的浓度不低于所述预设水平时，所述判定组件判定燃料电池的可能性能恶化。
5.根据权利要求4所述的能量输出设备，其中所述的废气循环管道具有气体净化单元，该单元把一部分正极废气释放到所述能量输出设备的外部，以及当从用于释放部分正极废气的该气体净化单元的最近操作以来所经过的时间在预设的参考时间的范围之内，则所述判定组件判定燃料电池的可能性能恶化。
6.根据权利要求5所述的能量输出设备，所述能量输出设备还包括氢稀释组件，该组件利用从燃料电池的负极排放的负极废气来稀释由该气体净化单元释放的正极废气的一部分，并把所稀释的正极废气释放到所述能量输出设备的外部。
7.根据权利要求2所述的能量输出设备，其中，当燃料电池相对于输出电流的输出电压不大于相对于该输出电流的预设参考电压时，所述判定组件判定燃料电池的可能性能恶化。
8.根据权利要求1所述的能量输出设备，其中，当燃料电池的工作温度不高于预设的参考温度，所述判定组件判定燃料电池的可能性能恶化。
9.一种能量输出设备，该设备具有包括燃料电池的多个能量输出源，并且激活该多个能量输出源的至少一个以输出能量，所述能量输出设备包括输出控制组件，该组件在预设的条件下停止燃料电池的电能生成，并激活与包含在所述能量输出设备中的燃料电池不同的能量输出源以输出能量；判定组件，该组件在所述燃料电池的停止期间执行判定，该判定用于确定燃料电池的停止的持续是否导致燃料电池重启时的燃料电池的可能性能恶化；以及强制FC操作组件，当所述判定组件判定燃料电池的可能性能恶化，则该组件强制启动燃料电池的电能生成，即使处在所述预设的条件之下。
10.根据权利要求9所述的能量输出设备，其中，当燃料电池的工作温度不高于预设的参考温度，所述判定组件判定燃料电池的可能性能恶化。
11.一种能量输出设备，该设备具有包括燃料电池的多个能量输出源，并且激活该多个能量输出源的至少一个以输出能量，所述能量输出设备包括输出控制组件，该组件在预设的条件下停止燃料电池的电能生成，并激活与包含在所述能量输出设备中的燃料电池不同的能量输出源以输出能量；燃料电池辅助装置，利用燃料电池所生成的电能来工作；判定组件，该组件在燃料电池的电能生成期间检测所述燃料电池辅助装置的工作状态，并根据所检测的工作状态确定燃料电池辅助装置是否处于异常过渡状态，其为异常性诊断之前的过渡状态；以及强制FC操作组件，当所述判定组件确定燃料电池辅助装置处于异常过渡状态，则该组件强制继续燃料电池的电能生成，即使在所述预设的条件之下。
12.根据权利要求11所述的能量输出设备，其中，所述判定组件还检测燃料电池辅助装置的温度，并且当所检测的燃料电池辅助装置的温度不低于预设的参考温度时，确定燃料电池辅助装置处于异常过渡状态。
13.根据权利要求1至12中任意一项所述的能量输出设备，其中，所述预设的条件基于所述能量输出设备的能量效率。
14.一种能量输出设备的控制方法，该设备具有包括燃料电池的多个能量输出源，并且激活该多个能量输出源的至少一个以输出能量，所述控制方法包括步骤(a)在预设的条件下，在FC电能生成模式和FC停止模式当中选择驱动模式，用于从所述能量输出设备输出能量，其中，在FC电能生成模式下，燃料电池产生电能，在FC停止模式下，停止燃料电池的电能生成并从与燃料电池不同的能量输出源输出能量；(b)在燃料电池的电能生成期间执行判定，其中，该判定用于确定燃料电池的临时停止是否会导致燃料电池重启时的燃料电池的可能性能恶化；(c)在所述步骤(a)中选择FC停止模式的情况下，响应在所述步骤(b)中的燃料电池的可能性能恶化的判定，取消FC停止模式的选择；以及(d)当在所述步骤(c)中取消FC停止模式的选择时，驱动并控制燃料电池和不同于燃料电池的其他能量输出源以激活FC电能生成模式，而当在所述步骤(c)中没有取消FC停止模式的选择时，驱动和控制燃料电池以及不同于燃料电池的能量输出源以激活在所述步骤(a)中选择的驱动模式。
15.一种能量输出设备的控制方法，该设备具有包括燃料电池的多个能量输出源，并且激活该多个能量输出源的至少一个以输出能量，所述控制方法包括步骤(a)在预设的条件下，在FC电能生成模式和FC停止模式当中选择驱动模式，用于从所述能量输出设备输出能量，其中，在FC电能生成模式下，燃料电池产生电能，在FC停止模式下，停止燃料电池的电能生成并从与燃料电池不同的能量输出源输出能量；(b)在燃料电池的停止期间执行判定，其中，该判定用于确定燃料电池的停止的持续是否会导致燃料电池重启时的燃料电池的可能性能恶化；(c)在所述步骤(a)中选择FC停止模式的情况下，响应在所述步骤(b)中的燃料电池的可能性能恶化的判定，取消FC停止模式的选择；以及(d)当在所述步骤(c)中取消FC停止模式的选择时，驱动并控制燃料电池和不同于燃料电池的其他能量输出源以激活FC电能生成模式，而当在所述步骤(c)中没有取消FC停止模式的选择时，驱动和控制燃料电池以及不同于燃料电池的能量输出源以激活在所述步骤(a)中选择的驱动模式。
16.一种能量输出设备的控制方法，该设备具有包括燃料电池的多个能量输出源，并且激活该多个能量输出源的至少一个以输出能量，所述控制方法包括步骤(a)在预设的条件下，在FC电能生成模式和FC停止模式二者中选择驱动模式，用于从所述能量输出设备输出能量，其中，在FC电能生成模式下，燃料电池产生电能，在FC停止模式下，停止燃料电池的电能生成并从与燃料电池不同的能量输出源输出能量；(b)检测利用燃料电池所生成电能来工作的燃料电池辅助装置的工作状态，并根据所检测的工作状态确定燃料电池辅助装置是否处于异常过渡状态，其为异常性诊断之前的过渡状态；(c)在所述步骤(a)中选择FC停止模式的情况下，响应在所述步骤(b)中的燃料电池辅助装置处于异常过渡状态的确定，取消FC停止模式的选择；以及(d)当在所述步骤(c)中取消FC停止模式的选择时，驱动并控制燃料电池和不同于燃料电池的其他能量输出源以激活FC电能生成模式，而当在所述步骤(c)中没有取消FC停止模式的选择时，驱动和控制燃料电池以及不同于燃料电池的能量输出源以激活在所述步骤(a)中选择的驱动模式。
全文摘要
在供电设备中包括带有堆或燃料电池堆的燃料电池单元以及二次电池，在预设的条件下选择间歇驱动模式，使得仅从二次电池接受供电。本发明的控制过程确定燃料电池堆的临时停止或燃料电池堆停止的持续是否会导致燃料电池单元重启时的燃料电池堆的可能性能恶化。响应可能性能恶化的判定，该控制过程控制该供电设备继续燃料电池堆的电能生成或开始燃料电池堆的电能生成，而不管在预设条件下的间歇驱动模式的选择。
文档编号H01M16/00GK1894815SQ20048001887
公开日2007年1月10日 申请日期2004年6月25日 优先权日2003年7月2日
发明者吉田尚弘, 森裕晃 申请人:丰田自动车株式会社
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