燃料電池裝置、包括燃料電池裝置的車輛和用於配備有燃料電池單元的系統的電力管理方法

2024-01-24 02:41:15 2

專利名稱：燃料電池裝置、包括燃料電池裝置的車輛和用於配備有燃料電池單元的系統的電力管理方法
技術領域：
本發明涉及一種使用含氫的燃料氣體和含氧的氧化氣體來發電的燃料 電池裝置，以及包括這種燃料電池裝置的車輛。本發明還涉及一種用於配 備有燃料電池單元的系統的電力管理方法。
背景技術：
例如日本專利申請公報No. JP08-33782公開的燃料電池裝置之類的公 知燃料電池裝置在燃料電池的電解質層中具有質子導電固體聚合物電解質 膜。為了輔助燃料電池的電化學反應，作為催化劑的其上承載有鉑的碳顆 粒施加到各個固態聚合物電解質膜的表面上。這樣的催化劑以下稱之為"Pt 催化劑"。
圖12的曲線圖示出Pt催化劑的氧化還原電勢和燃料電池單元的輸出 電壓之間的關係。曲線圖中的氧化還原電勢共同表示引起Pt催化劑氧化 (例如在Pt催化劑上形成氧化膜)的電勢和使被氧化的催化劑還原的電 勢。"OCV"表示燃料電池裝置的開路電壓，即沒有負載連接到燃料電池 裝置上(也就是不從燃料電池裝置供應電流)的情況下的輸出電壓。如圖 所示，燃料電池裝置的開路電壓高於由虛線所示的Pt催化劑的氧化還原電 勢。
在配備有這種燃料電池裝置的系統中，例如響應於系統所要求的電力 量的變化，燃料電池裝置的頻繁進行發電的區域在低電勢側和高電勢側之 間切換。但是，發電區域的這種頻繁切換導致Pt催化劑的還原和氧化，如 以下的表達式(1)和(2)所示。
Pt + 2H20—Pt (OH) 2 + 2H+ + 2e (1) Pt
( OH) 2 + 2H+ + 2e —Pt + 2H20 (2 )
這種氧化和還原的重複引起Pt催化劑的燒結，導致燃料電池裝置的發 電性能降低。

發明內容
本發明的目的是提供一種能夠抑制燒結以使燃料電池單元的發電性能 的下降最小化的技術。
本發明的第一方面涉及一種燃料電池裝置，包括可再充電力儲存裝 置；包括燃料電池的燃料電池單元，所述燃料電池具有催化劑；控制器， 所述控制器根據要求的系統電力輸出來控制所述可再充電力儲存裝置的充 電和放電以及所述燃料電池單元的發電。根據所述燃料電池單元的輸出電 壓和所述催化劑的氧化還原電勢之間的關係，所述控制器限制要由所述燃 料電池單元產生的電力量的變化；並且根據所述被限制的要由所述燃料電 池單元產生的電力量的變化，所述控制器增大用於對所述可再充電力儲存 裝置充電的電力量或者從所述可再充電力儲存裝置釋放的電力量，以滿足 所述要求的系統電力輸出。
根據該構造，因為根據燃料電池單元的輸出電壓和催化劑的氧化還原 電勢之間的關係(例如，響應於輸出電壓變得接近氧化還原電勢)來限制 要由燃料電池單元產生的電力量的變化，然後校正對可再充電力儲存裝置 充電的電力量或者從可再充電力儲存裝置釋放的電力量以滿足要求的系統 電力輸出，所以減小了燃料電池單元的輸出電壓越過催化劑的氧化還原電 勢變化的機會，而不論要求的系統電力輸出如何變化。從而，可以抑制催 化劑的燒結並由此避免燃料電池單元的發電性能降低。除了在其處或者在 其附近引發催化劑發生氧化和還原中至少一者的電勢之外，"氧化還原電 勢"還包括與氧化/還原引發電勢相關的預定電勢(例如，被設定成與氧化 引發電勢接近的控制電勢)。
在前述燃料電池裝置中，所述控制器可以被構造成在所述燃料電池單元的輸出電壓接近所述催化劑的氧化還原電勢時對要由所述燃料電池單元 產生的電力量的變化進行限制，並根據所述被限制的要由所述燃料電池單 元產生的電力量的變化來增大用於對所述可再充電力儲存裝置充電的電力 量或者從所述可再充電力儲存裝置釋放的電力量，以滿足所述要求的系統 電力輸出。
在前述燃料電池裝置中，所述控制器可以被構造成繼續或重複對要由 所述燃料電池單元產生的電力量的變化進行所述限制，直到表示所述可再 充電力儲存裝置的充電狀態的參數達到基準充電水平。
在前述燃料電池裝置中，所述控制器可以被構造成響應於所述燃料電 池單元的輸出電壓下降到與所述催化劑的氧化還原電勢接近的水平，對要 由所述燃料電池單元產生的電力量的變化進行所述限制。
在前述燃料電池裝置中，所述控制器可以被構造成設定對要由所述燃 料電池單元產生的電力量的變化進行所述限制的最大持續時間，並在所述 設定的最大持續時間內繼續或重複所述限制。
在前述燃料電池裝置中，所述控制器可以被構造成檢測所述可再充電 力儲存裝置的充電狀態，並根據所述檢測到的充電狀態來改變所述最大持 續時間。
在前述燃料電池裝置中，所述控制器可以被構造成計數在預定時間段 內所述要求的系統電力輸出改變的次數或者所述燃料電池單元進行發電的 次數，並根據所述計數出的次數來改變所述最大持續時間。
在前述燃料電池裝置中，所述控制器可以被構造成檢測從所述燃料電池單元排出的排氣的pH，並根據所述檢測到的pH來調整所述燃料電池單 元的輸出電壓水平，在達到或接近所述輸出電壓水平時，所述控制器對要 由所述燃料電池單元產生的電力量的變化進行所述限制。
在前述燃料電池裝置中，所述控制器可以被構造成檢測所述燃料電池 單元的發電狀態，並根據所述檢測到的狀態來調整所述燃料電池單元的輸 出電壓水平，在達到或接近所述輸出電壓水平時，所述控制器對要由所述 燃料電池單元產生的電力量的變化進行所述限制。
在前述燃料電池裝置中，所述控制器可以被構造成如果分配給所述燃 料電池單元的電力量低於與所述催化劑的氧化還原電勢相關的氧化還原電 力水平，則所述控制器可以進行所述電力分配，以僅用從所述可再充電力 儲存裝置釋放的電力來滿足所述要求的系統電力輸出。
前述燃料電池裝置可以設置在車輛中。在這種情況下，所述控制器可 以被構造成計數在預定時間段內所述車輛加速和/或減速的次數，並才艮據所 述計數出的次數來改變所述最大持續時間。
前述燃料電池裝置可以設置於在道路上行駛的車輛中。在這種情況下， 所迷控制器可以被構造成確定所述車輛在其上行駛的所述道路的狀態或特 性，並根據所述檢測到的道路狀態或特性來改變所述最大持續時間。
前述燃料電池裝置可以設置在車輛中。在這種情況下，所述控制器可 以被構造成檢測車速，並根據所述檢測到的車速來調整所述燃料電池單元 的輸出電壓水平，在達到或接近所述輸出電壓水平時，所述控制器對要由 所述燃料電池單元產生的電力量的變化進行所述限制。
本發明的第二方面涉及一種用於配備有燃料電池單元和可再充電力儲 存裝置的系統的電力管理方法，所述燃料電池單元和可再充電力儲存裝置
用於滿足要求的系統電力輸出，所述方法包括確定所述要求的系統電力 輸出；根據所述要求的系統電力輸出，確定要由燃料電池單元產生的電力 量和用於對可再充電力儲存裝置充電或者從可再充電力儲存裝置釋放的電的催化劑的氧化還原電勢之間的關係，校正所述確定的要由所述燃料電池 單元產生的電力量；並且根據所述校正後的要由所述燃料電池單元產生的 電力量，校正所述確定的用於對所述可再充電力儲存裝置充電或者從所述 可再充電力儲存裝置釋放的電力量。
在前述方法中，對所述確定的要由所述燃料電池單元產生的電力量進 行的所述校正可以包括判定所述燃料電池單元的輸出電壓是否接近所述 催化劑的氧化還原電勢；並且如果所述燃料電池單元的輸出電壓接近所述 氧化還原電勢，則^&正要由所述燃料電池單元產生的電力量。
前述方法還可以包括判定所述可再充電力儲存裝置的充電水平是否 已經達到基準充電水平；並且如果所述充電水平達到所述基準充電水平， 則停止對要由所述燃料電池單元產生的電力量進行所述衝吏正。
前述方法還可以包括判定對要由所述燃料電池單元產生的電力量的 所述校正是否已經持續或者重複了最大持續時間；並且如果所述校正已經 持續或者重複了所述最大持續時間，則停止對要由所述燃料電池單元產生 的電力量進行所述校正。
前述方法還可以包括檢測所述可再充電力儲存裝置的充電狀態；並 且根據所述檢測到的充電狀態來改變所迷最大持續時間。
前述方法還可以包括計數在預定時間段內所述要求的系統電力輸出 改變的次數或者所述燃料電池單元進行發電的次數；並且^f艮據所述計數出 的次數來改變所述最大持續時間。
前述方法還可以包括檢測從所述燃料電池單元排出的排氣的pH;並 且根據所述檢測到的pH來調整所述燃料電池單元的輸出電壓水平，在達 到或接近所述輸出電壓水平時，對要由所述燃料電池單元產生的電力量進 行所述校正。
前述方法還可以包括檢測所述燃料電池單元的發電狀態；並且根據 所述檢測到的狀態來調整所述燃料電池單元的輸出電壓水平，在達到或接 近所述輸出電壓水平時，對要由所述燃料電池單元產生的電力量進行所述 校正。
在前述方法中，如果所述確定的要由所述燃料電池單元產生的電力量 小於與所述催化劑的氧化還原電勢相關的氧化還原電力水平，則可以通過 對要由所述燃料電池單元產生的電力量的所述校正使所述要由所述燃料電 池單元產生的電力量成為零，並且可以通過對要從所述可再充電力儲存裝 置釋放的電力量的所述校正使所述要從所述可再充電力儲存裝置釋放的電 力量增大，以滿足所述要求的系統電力輸出。
在前述方法中，所述系統可以是設置在車輛中的燃料電池裝置，所述 方法還可以包括計數在預定時間^險內所述車輛加速和/或減速的次數；並且根據所述計數出的次數來改變所述最大持續時間。
在前述方法中，所述系統可以是設置在車輛中的燃料電池裝置，所述車輛被構造成在道路上運行，所述方法還可以包括確定所述車輛在其上 行駛的所述道路的狀態或特性；並且根據所述檢測到的所述道路狀態或特 性來改變所述最大持續時間。
在前述方法中，所述系統可以是設置在車輛中的燃料電池裝置，所述 方法還可以包括檢測所述車輛的速度；並且根據所述檢測到的速度來調 整所述燃料電池單元的輸出電壓水平，在達到或接近所述輸出電壓水平時， 對要由所述燃料電池單元產生的電力量進行所述校正。
根據上述的燃料電池裝置、電力管理方法和涉及該裝置和/或方法的車 輛，能夠可靠地抑制燃料電池單元的燃料電池的催化劑燒結，由此能夠避 免燃料電池單元的發電性能的降低。


參考附圖，本發明的前述和/或其他目的、特徵和優點將從優選實施例 的以下描述中變得更加清楚，其中類似的附圖標記用於表示類似的元件， 附圖中
圖1的視圖示意性地示出包含根據本發明示例性實施例的燃料電池裝 置的構造；
圖2的控制圖表圖示了用在示例性實施例中以抑制Pt催化劑燒結的控 制邏輯；
圖3的流程圖示出執行圖2所示控制邏輯的示例性控制例程；
圖4是用在示例性實施例中的電力(功率)-電流特性圖5是用在示例性實施例中的電壓-電流特性圖6是用於確定閾值的圖表(第一變型示例)；
圖7是用於確定閾值的圖表(第二變型示例)；
圖8是用於控制燃料電池單元的輸出電壓的圖表(第三變型示例)；
圖9是用於控制燃料電池單元的輸出電壓的圖表(第四變型示例)；
圖IO是用於控制燃料電池單元的輸出電壓的圖表(第五變型示例)；
圖11的曲線圖示出燃料電池單元的輸出電壓的變化(第五變型示例)；
圖12的曲線圖示出氧化還原電勢和燃料電池單元的輸出電壓之間的 關係。
具體實施例方式
以下，將參考附圖來描述本發明的示例性實施例。圖l示意性地示出 了包含根據示例性實施例的燃料電池裝置100的燃料電池混合動力汽車的 構造。儘管在示例性實施例中本發明應用於燃料電池混合動力汽車 (FCHV),但是其也可以用於各種其他汽車(例如電動汽車和混合動力 汽車)、各種其他車輛(例如船舶、飛行器)、各種固定的供電設備等。
圖1所示的燃料電池混合動力汽車由經由減速齒輪(減速器)12連接 到車輪63L、 63R上的同步電機61來驅動。同步電機61由供電系統1供 電。具體而言，從供電系統1供應的直流電通過逆變器60轉換成三相交流 電，然後供應到同步電機61。例如，在制動過程中，同步電才/L61還用作 發電機。
供電系統1包括燃料電池單元40、電池20和DC/DC轉換器30。燃 料電池單元40具有堆疊的結構，其中電池彼此連續地堆疊。燃料電池單元 40使用燃料氣體和氧化氣體來發電。在燃料電池單元40中，質子導電固 體聚合物電解質膜設置在燃料電池的電解質層中，並且Pt催化劑塗布到各 個膜的表面上。如果合適的話，可以用其他的催化劑來代替Pt催化劑，包 括但不限於柏-鈷催化劑。
燃料氣體供應裝置(例如氫箱)70將包含氫的燃料氣體供應到燃料電 池單元40的燃料電池的陽極，空氣壓縮器80將包含氧的氧化氣體供應到 陰極。
電池20是可再充的二次電池，包括但不限於鎳氫電池。但是，各種其 4也的電池可以用作電池20。此外，電池20不限於這種二次電池，而是可 以用其他電力儲存裝置來代替，例如電容器。電池20連接到燃料電池單元40的輸出線(放電線)，使得它們彼此並聯。
電池20和燃料電池單元40並聯連接到逆變器60。在燃料電池單元40 和逆變器60之間設置有二極體(圖中未示出)，以防止電流從電池20和 作為發電機的同步電機61逆流。
DC-DC轉換器30是DC電壓轉換器，其調節來自電池20的DC電壓 並將其輸出到燃料電池單元40側，並調節來自同步電才幾61的DC電壓並 將其輸出到電池20側。由於DC-DC轉換器30的這些功能，可以對電池 20進行適當的充電和放電。
輔助設備50連接在電池20和DC-DC轉換器30之間，並由電池20 供電。輔助設備50包括例如在燃料電池混合動力汽車工作期間使用的各種 電氣和電子設備。這些設備的示例包括燈、空調和液壓泵。
燃料電池混合動力汽車的各個部件(包括上述的那些)由控制單元10 來控制，控制單元IO是包含CPU、 ROM、 RAM等的微計算機。在工作 中，控制單元IO接收表示必要參數的各個傳感器輸入，例如(a)由壓 力傳感器91檢測到的燃料氣體供應壓力；(b)由電壓傳感器92檢測到的 燃料電池單元40的輸出電壓Vfc; (c)由電流傳感器93檢測到的燃料電 池單元40的輸出電流Ifc; (d)由pH傳感器94檢測到的燃料電池陰極 的PH;和(e)由SOC傳感器21檢測到的與電池20的充電狀態相對應 的SOC (充電狀態)值。使用這些傳感器輸入，控制單元IO控制燃料電 池混合動力汽車的各個部件，例如設置在燃料氣體通路中的調節器閥71、 設置在氧化氣體通路中的調節器閥81、空氣壓縮器80、電池20、 DC-DC 轉換器30和逆變器60。為了抑制Pt催化劑的燒結，控制單元10執行下 述各種控制，以最小化燃料電池單元40的輸出電力越過與Pt催化劑的氧 化還原電勢相關的氧化還原電力水平變化的機會。
圖2的控制圖表圖示了用在此示例性實施例中以抑制Pt催化劑燒結的 控制邏輯。圖3的流程圖示出用於執行圖2所示控制邏輯的示例性控制例 程。在圖2中，豎軸表示燃料電池單元40的輸出電力，橫軸表示時間。圖 3的控制例程由控制單元10反覆執行。
在例程開始時，控制單元10在步驟1中例如基於來自加速器傳感器、 運行速度傳感器和用於檢測輔助設備50的操作狀態的傳感器的信號來獲 得所要求的系統電力量Wreq。然後，控制單元10進行到步驟2並分別確
的電力的分配，以滿足所要求的系統電力Wreq。這種分配是基於燃料電 池單元40的輸出極限(例如，單位時間的最大輸出)、電池20的輸入和 輸出上限等來進行的。
在步驟3中，控制單元10判定分配給燃料電池單元40的電力量(將 稱作"FC分配電力")是否大於與Pt催化劑的氧化還原電勢Voxpt相關 的氧化還原電力水平Woxpt。氧化還原電勢Voxpt是設定在使Pt催化劑 發生氧化的電勢(例如0.78V )和使氧化的Pt催化劑還原的電勢(例如0.6V ) 之間的控制電勢(例如0.7V)。因為引發氧化和還原的電勢根據燃料電池 單元40的內部溫度、燃料氣體的供應壓力等變化，所以氧化還原電勢Voxpt 可能包含誤差y，氧化還原電力水平Woxpt可能包含誤差a。
如果FC分配電力的量低於氧化還原電力水平Woxpt (見圖2中的 "A")，則控制單元10進行到步驟8並判斷存儲在控制單元10中的FC 發電開始標誌是開(on)還是關(off)。該標誌表示燃料電池單元40是 否已經開始發電，並且該標誌保持關的狀態直到燃料電池單元40開始發 電。如果FC發電開始標誌處於關，則控制單元10進行到步驟13並且將 燃料電池單元40的輸出電壓Vfc設定成開路電壓(OCV),使得燃料電 池單元40的輸出電力Wfc變成零。就是說，因為電力(功率)是電壓和 電流的乘積，將輸出電壓Vfc設定成開路電壓(OCV)使得燃料電池單元 40的輸出電力Wfc為零。接下來，控制單元10進行到步驟14，並且校正 已經在步驟2中確定的分配給電池20的電力(以下將稱作電池分配電力) 的量，以補償燃料電池單元40的變成零的輸出電力Wfc，也就是僅用電池 20來滿足所要求的系統電力Wreq。最後，控制單元10進行到步驟7並控 制DC-DC轉換器30以從電池20供應校正後的電池分配電力，之後例程 結束。
當在例程接下來的循環的步驟3中判定FC分配電力的量大於(已經 變得大於)氧化還原電力水平Woxpt時(見圖2中的"B，，)，控制單元 10進行到步驟4。在該步驟中，控制單元10將FC發電開始標誌設定成"開"， 並使設置在控制單元10中的計數器(圖中未示出)清零(計數器=0 )。然 後，控制單元10進行到步驟5並根據步驟2中確定的FC分配電力的量來 確定燃料電池單元40的工作目標(目標電壓、目標電流)。以下將詳細描 述該過程。
如圖4所示的電力-電流特性圖和如圖5所示的電壓-電流特性圖^皮存 儲在控制單元10的存儲器中。在步驟5中，控制單元10參考電力-電流特 性圖將燃料電池單元40的目標輸出電流設定成與FC分配電力的量相對應 的值，然後參考電壓-電流特性圖將燃料電池單元40的目標輸出電壓設定 成與目標電流相對應的值。然後，通過如此設定的這些工作目標，控制單 元10控制DC-DC轉換器30,以^吏燃料電池單元40的輸出電壓Vfc成為 目標輸出電壓(步驟6，步驟7)。
當在例程接下來的循環的步驟3中判定FC的分配電力的量小於(已 經變得小於)氧化還原電力水平Woxpt時(見圖2中的"C"),控制單 元10進行到步驟8，並判斷FC發電開始標誌是開還是關。因為該標誌已 經被如上所述設定為"開"(也就是燃料電池單元40的發電已經開始)， 所以控制單元10判定為"是"，並且進行到步驟9。在步驟9中，控制單
元10判斷計數器的預設數是否小於閾值p，閾值p對應於用於限制要由燃
料電池單元40產生的電力量的最大持續時間。例如在燃料電池混合動力汽 車的生產中，閾值卩被預先設定成固定值。但是，也可以將其設定成根據 一些情況變化的值，如下詳細所述。
如果計數器的預設數小於閾值P (步驟9:是)，則控制單元10使計 數器前進與用於執行一個周期的例程所需的時間相對應的一個周期值 Car,並將燃料電池單元40的輸出電壓Vfc設定成氧化還原電勢Voxpt(步 驟SIO, Sll)。然後，控制單元10在步驟12中校正電池分配電力的量， 以補償燃料電池單元40的輸出電力Wfc的量由於輸出電壓Vfc被設定成
氧化還原電勢Voxpt而導致的變化。最後，在步驟7中，控制單元10控 制DC-DC轉換器30，以從電池20供應校正後的電池分配電力，並從燃料 電池單元40產生輸出電力Wfc。
當計數器的計數值在前述處理重複一定次數之後超過閾值p時(步驟 9:否)，控制單元10然後進行到步驟13並將燃料電池單元40的輸出電 壓Vfc減小到開路電壓(OCV)(見圖2中的"D，，)。接下來，在步驟 14中，控制單元10校正電池分配電力的量，以補償燃料電池單元40的輸 出電壓Vfc的減小。最後，在步驟7中，控制單元10控制DC-DC轉換器 30，以從電池20供應校正後的電池分配電力，之後例程結束。
通過這些處理，此示例性實施例的燃料電池裝置可以最小化燃料電池 單元的輸出電壓越過氧化還原電勢變化的機會，而不論所要求的系統電力 量響應於加速踏板被壓下或者放開或者依賴於一些其他條件發生的變化如 何。從而，可以抑制Pt催化劑的燒結，並由此可以避免燃料電池單元40 的發電性能的降低。
其他示例
以下是上述燃料電池裝置的變型的幾個示例。其中前兩個示例涉及閾 值P根據具體情況變化的示例性狀況，其中閾值P對應於燃料電池單元40 持續發電的最大持續時間，在前述示例性實施例中閾值p是固定值。
第一示例
圖6的圖MP1圖示了閾值p根據加速器被打開和關閉的次數而變化的 示例，也就是根據燃料電池混合動力汽車的加速和減速頻率而變化的示例。 更具體而言，在本示例中，控制單元10在特定時間段上對所述頻率進行計 數，並根據所計數出的頻率改變閾值p。當發現燃料電池混合動力汽車已 經加速和減速很多次時，燃料電池混合動力汽車例如很可能再次加速。相 反，當次數較少時，這種可能性較低。
考慮到此，使圖MP1形成為使得閾值p隨著在特定時間段上前述加速 -減速頻率的增加而增加。圖MP1存儲在存儲器等中，並用於最小化燃料 電池單元40持續發電的時間以避免燃料經濟性和使用再生驅動力來進行再生發電的效率等的降低。注意，代替加速-減速頻率，也可以計數制動開
關打開和關閉的次數、所要求的系統電力Wreq的量改變的次數或者燃料 電池單元40進行發電的次數，並且閾值|5可以根據所計數出的這些次數來 改變。
第二示例
圖7的圖MP2圖示了閾值p才艮據電池20的充電狀態而變化的示例。 具體而言，控制單元10獲取表示電池20的充電狀態的SOC (充電狀態) 值，並根據獲得的SOC值改變閾值p。當SOC值較小時，其表示電池20 可以儲存大量的剩餘電力。相反，當SOC值較大時，其表示可儲存的剩佘 電力的量不大。考慮到此，圖MP2形成為使得閾值p隨著S0C值增加而 減小。圖MP2存儲在存儲器等中，並用於最小化燃料電池單元40持續發 電的時間，以避免燃料經濟性和使用再生驅動力來進行再生發電的效率等 的降低。
此外，如果燃料電池混合動力汽車(作為一種可應用的車輛)配備有 導航系統，則閾值p可以根據道路的狀態和/或特性(例如道路坡度、道路 類型)而改變，其中道路的狀態和/或特性是從通過導航系統的GPS接收 器獲得的位置信息來得到的。例如，當燃料電池混合動力汽車在上坡路或 者高速公路上行駛時，車輛很可能再次加速。因此，在這種情況下，閾值 p增大。相反，當燃料電池混合動力汽車在下坡路或者普通道路上行駛時， 再次加速的可能性不大，因此閾值p減小。由此，可以才艮據道路的狀態和/ 或特性來適當地改變閾值(5。
第三示例
圖8的圖MP3圖示了輸出電壓Vfc根據燃料電池陰極的pH而變化的 示例，輸出電壓Vfc是燃料電池單元40在其發電受限期間的輸出電壓(輸 出電壓Vfc以下簡稱"控制電壓Vfc"),燃料電池陰極的pH是由pH傳 感器94檢測出的。這是因為氧化還原電勢Voxpt隨著pH向鹼性側增大而 增大，隨著pH向酸性側減小而減小。考慮到此，圖MP3形成為使得燃料 電池單元40的控制電壓Vfc隨著pH增大而增大。圖MP3存儲在存儲器等中，並用於更可靠地防止Pt催化劑燒結並避免燃料電池裝置的發電性能 的降低。
第四示例
圖9的圖MP4圖示了燃料電池單元40的控制電壓Vfc根據燃料電池 單元40的發電狀態而變化的示例。當燃料電池單元40持續以高的輸出水 平運行時，在燃料電池單元40的陰極側產生的水量增大，這降低了氧化還 原電勢Voxpt。相反，當燃料電池單元40持續以低的輸出水平運行時，所 述水量減小，這升高了氧化還原電勢Voxpt。考慮到此，圖MP4形成為4吏 得燃料電池單元40的控制電壓Vfc隨著陰極側產生的水量增大而減小。圖 MP4存儲在存儲器等中，並用於更可靠地防止Pt催化劑燒結並避免燃料 電池裝置的發電性能的降低。
笫五示例
圖10的圖MP5圖示了燃料電池單元40的控制電壓Vfc根據燃料電池 混合動力汽車的由運行速度傳感器檢測到的運行速度而變化的示例。當燃 料電池混合動力汽車高速運行時，制動過程中產生的再生驅動力的量易於 變大，由此剩餘電力的量變大。相反，燃料電池混合動力汽車低速運行時， 再生電力的量易於變小，由此剩餘電力的量變小。考慮到此，圖MP5形成 為使得燃料電池單元40的控制電壓Vfc隨著運行速度增大而減小。圖MP5 存儲在存儲器等中，並用於改變控制電壓Vfc,以更可靠地防止Pt催化劑 燒結並避免燃料電池裝置的發電性能的降低。
第六示例
圖11的曲線圖示出了燃料電池單元40的輸出電壓Vfc的變化。參考 該曲線圖，當燃料電池單元40的輸出電壓將要降低到氧化還原電勢Voxpt 之下同時例如響應於加速器被壓下而使所要求的系統電力Wreq的量逐漸 增大時，控制單元10將燃料電池單元40的輸出電壓Vfc保持在氧化還原 電勢Voxpt處(這限制了要由燃料電池單元40產生的電力量)。當輸出 電壓Vfc由此保持在氧化還原電勢Voxpt處而不是降低到該電勢之下時， 燃料電池單元40的輸出電力的量不能增加到所需要的水平。因此，控制單
元10然後使要從電池20釋放的電力量增加用於補償燃料電池單元40的受 限電力量所要求的量。控制單元10持續進行該電力補償，直到電池20的 SOC值變得低於第一基準水平(第一基準充電水平)。當SOC值變得低 於第一基準水平時，控制單元10將燃料電池單元40的輸出電壓Vfc減小 到氧化還原電勢Voxpt之下。然後，即使加速踏板被壓下並且因此燃料電 池單元40的發電變得不需要，控制單元10繼續使燃料電池單元40發電同 時將輸出電壓Vfc保持在氧化還原電勢Voxpt之下以向電池20充電。控 制單元IO持續該電池充電，直到電池20的SOC值超過第二基準水平(第 二基準充電水平)。當SOC值超過第二基準水平時，控制單元10使燃料 電池單元40的輸出電壓Vfc增加到氧化還原電勢Voxpt以上。由此，根 據此示例，可以更可靠地防止Pt催化劑燒結，並由此避免燃料電池裝置的 發電性能降低。
第七示例
儘管在前述實施例和示例中，由燃料電池單元40產生的剩餘電力被用 於向電池20充電，但是剩餘電力可以用於驅動諸如冷卻劑泵之類的電氣負 載。可替換地，由燃料電池單元40產生的剩餘電力可以首先用於向電池 20充電，並且如果在向電池20充電之後還剩餘一些電力，則其可以用於 驅動電氣負載。
儘管已經參考示例性實施例描述了本發明，但是應當理解，本發明不 限於這些示例性實施例或者構造。相反，本發明意圖覆蓋除上述以外的各 種變型和等同布置。此外，儘管以各種組合和構造示出了示例性實施例的 各個元件，但是它們是示例性的，包含更多、更少或僅一個元件的其他組 合和構造也在本發明的精神和範圍內。
權利要求
1.一種燃料電池裝置，包括可再充電力儲存裝置；包括燃料電池的燃料電池單元，所述燃料電池具有催化劑；控制器，所述控制器根據要求的系統電力輸出來控制所述可再充電力儲存裝置的充電和放電以及所述燃料電池單元的發電，所述燃料電池裝置的特徵在於所述控制器被構造成根據所述燃料電池單元的輸出電壓和所述催化劑的氧化還原電勢之間的關係，來限制要由所述燃料電池單元產生的電力量的變化；並且根據所述被限制的要由所述燃料電池單元產生的電力量的變化，來增大用於對所述可再充電力儲存裝置充電的電力量或者從所述可再充電力儲存裝置釋放的電力量，以滿足所述要求的系統電力輸出。
2. 根據權利要求l所述的燃料電池裝置，其中的氧化還原電勢時對要由所述燃料電池單元產生的電力量的變化進行限 制，並根據所述被限制的要由所述燃料電池單元產生的電力量的變化來增 大用於對所述可再充電力儲存裝置充電的電力量或者從所述可再充電力儲 存裝置釋放的電力量，以滿足所述要求的系統電力輸出。
3. 根據權利要求2所述的燃料電池裝置，其中所述控制器被構造成繼續或重複對要由所述燃料電池單元產生的電力 量的變化進行所述限制，直到表示所述可再充電力儲存裝置的充電狀態的 參數達到基準充電水平。
4. 才艮據權利要求2所述的燃料電池裝置，其中所述控制器被構造成響應於所述燃料電池單元的輸出電壓下降到與所 述催化劑的氧化還原電勢接近的水平，對要由所述燃料電池單元產生的電 力量的變化進行所述限制。
5. 根據權利要求4所述的燃料電池裝置，其中所述控制器被構造成設定對要由所述燃料電池單元產生的電力量的變化進行所述限制的最大持續時間，並在所述設定的最大持續時間內繼續或 重複所述限制。
6. 根據權利要求5所述的燃料電池裝置，其中所述控制器被構造成檢測所述可再充電力儲存裝置的充電狀態，並根 據所述檢測到的充電狀態來改變所述最大持續時間。
7. 根據權利要求5所述的燃料電池裝置，其中變的次數或者所述燃料電池單元進行發電的次數，並根據所述計數出的次 數來改變所述最大持續時間。
8. 根據權利要求1至7中任一項所述的燃料電池裝置，其中 所述控制器被構造成檢測從所述燃料電池單元排出的排氣的pH，並根據所述檢測到的pH來調整所述燃料電池單元的輸出電壓水平，在達到或 接近所述輸出電壓水平時，所述控制器對要由所述燃料電池單元產生的電 力量的變化進行所述限制。
9. 根據權利要求1至7中任一項所述的燃料電池裝置，其中 所述控制器被構造成檢測所述燃料電池單元的發電狀態，並根據所述檢測到的狀態來調整所述燃料電池單元的輸出電壓水平，在達到或接近所 述輸出電壓水平時，所述控制器對要由所述燃料電池單元產生的電力量的 變化進行所述限制。
10. 根據權利要求1至7中任一項所述的燃料電池裝置，其中 所述控制器被構造成在所述燃料電池單元和所述可再充電力儲存裝置之間進行電力分配，以滿足所述要求的系統電力輸出，其中如果分配給所述燃料電池單元的電力量低於與所述催化劑的氧化還原 電勢相關的氧化還原電力水平，則所述控制器進行所述電力分配，以僅用 從所述可再充電力儲存裝置釋放的電力來滿足所述要求的系統電力輸出。
11. 一種車輛，包括根據權利要求5所述的燃料電池裝置，其中 所述控制器被構造成計數在預定時間段內所述車輛加速和/或減速的次數，並根據所述計數出的次數來改變所述最大持續時間。
12. —種車輛，包括根據權利要求5所述的燃料電池裝置，其中 所述車輛被構造成在道路上行駛，並且所述控制器被構造成確定所述車輛在其上行駛的所述道路的狀態或特 性，並根據所述檢測到的道路狀態或特性來改變所述最大持續時間。
13. —種車輛，包括根據權利要求5所述的燃料電池裝置，其中 所述控制器被構造成檢測車速，並根據所述檢測到的車速來調整所述燃料電池單元的輸出電壓水平，在達到或接近所述輸出電壓水平時，所述 控制器對要由所述燃料電池單元產生的電力量的變化進行所述限制。
14. 一種用於配備有燃料電池單元和可再充電力儲存裝置的系統的電 力管理方法，所述燃料電池單元和可再充電力儲存裝置用於滿足要求的系 統電力輸出，所述方法包括確定所述要求的系統電力輸出；根據所述要求的系統電力輸出，確定要由燃料電池單元產生的電力量 和用於對可再充電力儲存裝置充電或者從可再充電力儲存裝置釋放的電力量；催化劑的氧化還原電勢之間的關係，校正所述確定的要由所述燃料電池單 元產生的電力量；並且根據所述校正後的要由所述燃料電池單元產生的電力量，校正所述確 定的用於對所述可再充電力儲存裝置充電或者從所述可再充電力儲存裝置 釋放的電力量。
15. 根據權利要求14所述的方法，其中對所述確定的要由所述燃料電池單元產生的電力量進行的所述校正包括判定所述燃料電池單元的輸出電壓是否接近所述催化劑的氧化還原電勢；並且如果所述燃料電池單元的輸出電壓接近所述氧化還原電勢，則校正要 由所述燃料電池單元產生的電力量。
16. 根據權利要求14或15所述的方法，還包括 判定所述可再充電力儲存裝置的充電水平是否已經達到基準充電水平；並且如果所述充電水平達到所述基準充電水平，則停止對要由所述燃料電 池單元產生的電力量進行所述校正。
17. 根據權利要求14至16中任一項所述的方法，還包括判定對要由所述燃料電池單元產生的電力量的所述校正是否已經持續 或者重複了最大持續時間；並且如果所述校正已經持續或者重複了所述最大持續時間，則停止對要由 所述燃料電池單元產生的電力量進行所述校正。
18. 根據權利要求17所述的方法，還包括 檢測所述可再充電力儲存裝置的充電狀態；並且 根據所述檢測到的充電狀態來改變所述最大持續時間。
19. 根據權利要求17或18所述的方法，還包括計數在預定時間段內所述要求的系統電力輸出改變的次數或者所述燃 料電池單元進行發電的次數；並且根據所述計數出的次數來改變所述最大持續時間。
20. 根據權利要求14至19中任一項所述的方法，還包括 檢測從所述燃料電池單元排出的排氣的pH;並且 根據所述檢測到的pH來調整所述燃料電池單元的輸出電壓水平，在達到或接近所述輸出電壓水平時，對要由所述燃料電池單元產生的電力量 進行所述校正。
21. 根據權利要求14至19中任一項所述的方法，還包括 檢測所述燃料電池單元的發電狀態；並且根據所述檢測到的狀態來調整所述燃料電池單元的輸出電壓水平，在 達到或接近所述輸出電壓水平時，對要由所述燃料電池單元產生的電力量 進行所述校正。
22. 根據權利要求14至21中任一項所述的方法，其中如果所述確定的要由所述燃料電池單元產生的電力量小於與所述催化 劑的氧化還原電勢相關的氧化還原電力水平，則通過對要由所述燃料電池 單元產生的電力量的所述校正使所述要由所述燃料電池單元產生的電力量 成為零，並且通過對要從所述可再充電力儲存裝置釋放的電力量的所述校 正使所述要從所述可再充電力儲存裝置釋放的電力量增大，以滿足所述要 求的系統電力輸出。
23. 根據權利要求17所述的方法，其中 所述系統是設置在車輛中的燃料電池裝置，所述方法還包括 計數在預定時間段內所述車輛加速和/或減速的次數；並且 根據所述計數出的次數來改變所述最大持續時間。
24. 根據權利要求17所述的方法，其中所述系統是設置在車輛中的燃料電池裝置，所述車輛被構造成在道路 上行駛，所述方法還包括確定所述車輛在其上行駛的所述道路的狀態或特性；並且 根據所述檢測到的所述道路狀態或特性來改變所迷最大持續時間。
25. 根據權利要求14至22中任一項所述的方法，其中 所述系統是設置在車輛中的燃料電池裝置，所述方法還包括 檢測所述車輛的速度；並且根據所述檢測到的速度來調整所述燃料電池單元的輸出電壓水平，在 達到或接近所述輸出電壓水平時，對要由所述燃料電池單元產生的電力量 進行所述校正。
全文摘要
本發明涉及一種燃料電池裝置、包括該燃料電池裝置的車輛和用於配備有燃料電池單元的系統的電力管理方法。根據燃料電池單元的輸出電壓和燃料電池單元中燃料電池的催化劑的氧化還原電勢之間的關係，來限制要由燃料電池單元產生的電力量的變化。然後，根據要由燃料電池單元(40)產生的電力量的受到限制的變化，來校正用於對電池進行充電的電力量或者從電池釋放的電力量，以滿足要求的系統電力輸出。
文檔編號H01M8/04GK101203978SQ200680022553
公開日2008年6月18日 申請日期2006年6月19日 優先權日2005年6月21日
發明者日比野雅彥, 柴田和則 申請人:豐田自動車株式會社