CN100346515C - 用于燃料电池系统的控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种用于燃料电池系统(S)的控制装置(6)，提供有燃料电池主体(1)；根据燃料电池主体所需的功率输出向燃料电池主体提供燃料气体的燃料气体供应系统(2)；根据所需的功率输出向燃料电池主体提供空气的空气供应系统(3)；燃烧从燃料电池主体排出的废气的燃烧室(4)；检测燃烧室的温度的温度传感器(5)；当所需功率输出增加时、鉴别利用温度传感器检测到的温度升高是否等于或高于预定阈值的温度变化鉴别器部分(7)；以及当由温度变化鉴别器部分鉴别出温度的升高等于或高于预定阈值时，允许从燃料电池主体可获得的功率输出增加的功率输出增加允许部分(9)。

Description

用于燃料电池系统的控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及用于燃料电池系统的控制装置及控制方法，具体而言，本发明涉及能够根据燃烧由燃料电池主体排出的废气的燃烧室的温度控制燃料电池体的功率输出的燃料电池系统用控制装置及控制方法。

背景技术

近年来，人们把注意力投向作为家用电源和车用电源的固体聚合物膜燃料电池，这种电池采用固体聚合物膜作为燃料电池的电解质，从而降低其工作温度，并同时提供体积小、重量轻的结构。

燃料电池主体通常包括供应有燃料气体的燃料电极和供应有空气的空气电极，在燃料气体中所含的氢和在空气中所含的氧发生电化学反应，产生电功率输出。在燃料电池主体中没有被消耗以产生电功率输出的未用过的废燃料气体和未用过的废空气被引入到燃烧室并在其中燃烧，从而产生反应产物，此反应产物由蒸汽和非活性氮构成并以无害废气的方式排出。

燃料电池主体的发电容量取决于供应到燃料电极的氢的分压和以取决于氢的分压的流速供应到空气电极的空气中氧的分压。如果以大于这种发电容量的速率从燃料电池主体中取出功率输出，不仅燃料电池主体遭受到在发电性能方面的恶化，而且燃料电极和空气电极的催化剂变为高温受到严重影响，或者电解质膜(质子可透过膜)受到严重影响。

为此，当从燃料电池主体中取出功率输出时，需要进行以下工作：确认燃料电池主体的燃料电极是否完全填满燃料气体；以产生受控功率输出的方式控制燃料电池主体，从而防止超过发电容量的过载。

日本专利申请特许公开2000-315516公开了一种用于燃料电池系统的控制装置。利用这种控制装置，当对在重整装置中的进料进行重整以产生富氢重整气体时，执行操作以根据供应到重整装置的进料的流速和重整温度对所得到的氢量进行评估，燃料电池进行工作以根据此预估值产生功率输出。

发明内容

然而，利用这种结构，在工作过程中很容易发生时间延迟，在此工作过程中，随着所需功率输出的增加，引入到蒸发器的进料的流速增加用以重整进料以产生氢气；然后，将被传送到燃料电极的氢气的流速也增加至所需值，以便达到在所需功率输出方面的提高。

具体而言，氢气传送到层叠的氢电极的时间延迟根据蒸发器的容量、蒸发时间周期、重整装置的容量、重整反应时间周期、在重整装置和燃料电极之间的供应管线中气体输送的压力以及经过供应线的气体流速而变化。由于这种时间延迟依靠系统的状态和工作条件变化，因此很难取得准确评估的结果，这样，很难精确地评估到达燃料电极的氢气的压力和流速。

另一方面，如果氢流速的评估值与正确值有偏差，还没有找到合适的办法来检测这种偏差，结果发生了不可靠的操作，导致了按照氢气流速的出现偏差的评估结果从燃料电池中取出功率输出。特别是在瞬时状态下，在燃料电极供应管线中燃料气体向燃料电池主体的流速变化严重地影响了在燃料电极供应管线中燃料气体压力的变化，导致了在预估值和实际值之间出现了更大的偏差。

并且，如果出现了预估值大于实际值的情况，存在这样一种可能性，从燃料电池主体中以大于燃料电池主体的发电容量的速率取出功率输出，结果导致燃料电池主体发生恶化。

此外，即使这种结构配置了检测燃料电池主体存在输出电压降低的机构，并由此能够识别出没有充分地供应到燃料电池主体的燃料电极的重整气体处于短缺状态，但是在其中燃料电池主体的输出电压下降的操作之前，很难判断出燃料电池主体的燃料电极供应线是否填满燃料气体。结果，仍然存在着以大于其发电容量的速率从燃料电池主体中暂时地取出功率输出的情况。

本发明人对前面所提及的内容进行了广泛研究，完成了本发明，本发明的目的是提供一种用于燃料电池系统的控制装置和控制方法，这种装置和方法能够避免以高于其发电容量的速率从燃料电池主体中取出功率输出，由此避免了在燃料电池工作性能方面的恶化。

为了实现上述目的，根据本发明的一种方案，提供一种用于燃料电池系统的控制装置，包括：燃料电池主体；根据燃料电池主体所需的功率输出向燃料电池主体提供燃料气体的燃料气体供应系统；根据所需的功率输出向燃料电池主体提供空气的空气供应系统；燃烧从燃料电池主体排出的废气的燃烧室；检测燃烧室的温度的温度传感器；当存在所需功率输出的增加时、鉴别利用温度传感器检测到的温度升高是否等于或高于预定阈值的温度变化鉴别器部分；以及当由温度变化鉴别器部分鉴别出温度的升高等于或高于预定阈值时，允许从燃料电池主体可获得的功率输出增加的功率输出增加允许部分。

以另一种方式表达，本发明提供一种用于燃料电池系统的控制装置，包括：燃料电池主体；根据燃料电池主体所需的功率输出向燃料电池主体提供燃料气体的燃料气体供应装置；根据所需的功率输出向燃料电池主体提供空气的空气供应装置；燃烧从燃料电池主体排出的废气的燃烧装置；检测燃烧装置温度的温度传感装置；当存在所需功率输出的增加时、鉴别利用温度传感器检测到的温度升高是否等于或超过预定阈值的温度变化鉴别装置；以及当由温度变化鉴别装置鉴别出温度的升高等于或高于预定阈值时，允许从燃料电池主体可获得的功率输出提高的功率输出提高允许装置。

另一方面，本发明提供一种用于燃料电池系统的控制方法，该系统具有燃料电池主体、根据燃料电池主体所需的功率输出将燃料气体供应到燃料电池主体的燃料气体供应系统、根据所需的功率输出将空气供应到燃料电池主体的空气供应系统以及燃烧从燃料电池主体排出的废气的燃烧室，控制方法包括：检测燃烧室的温度；当所需要的功率输出增加时，鉴别由此检测出的温度的升高是否等于或高于预定阈值；当鉴别出温度的升高等于或高于预定阈值时，允许可从燃料电池主体获得的功率输出增加。

根据结合附图的下面的说明，本发明的其它和另外的特点、优点和有益方面将更为明显。

附图说明

图1是描述用于根据本发明第一实施例的燃料电池系统的控制装置的基本结构的框图；

图2是用于描述包括第一实施例的图1中所示的控制装置的燃料电池系统的结构的框图；

图3是用于描述第一实施例的图1中所示的控制装置的基本工作流程的总流程图；

图4A到4D是与第一实施例的图3中所示的流程图基本操作顺序有关的各种信号的定时图。

图5是描述用于根据本发明第二实施例的燃料电池系统的控制装置的结构的框图；以及

图6和7是用于描述在第二实施例的图5中所示的控制装置的基本操作顺序的连续性总流程图。

具体实施方式

下面，为了更加详细地描述本发明，以下参考附图说明根据本发明的各实施例的燃料电池系统用控制装置和控制方法。

(第一实施例)

现在参考图1至4，下面详细描述根据本发明第一实施例的燃料电池系统用控制装置和控制方法。

图1是用于描述根据本发明目前提出的实施例的控制装置的框图。

在图1中，燃料电池系统S由以下部分构成：燃料电池主体1，具有燃料电极1a和空气电极1b，产生电功率输出；燃料气体供应部分2，根据和响应燃料电池主体1所需的功率输出将燃料气体提供到燃料电极1a；空气供应部分3，根据和响应所需的功率输出将空气提供到空气电极1b；燃烧室4，燃烧废燃料气体和废空气(以下优选称作未用过的废气)；温度传感器5，检测燃烧室4的温度；控制装置6，控制燃料电池系统S；以及负载10，适合于采用从燃料电池主体1的电功率输出。

控制装置6包括：燃烧室温度鉴别器部分7，该部分计算和鉴别利用温度传感器5检测出的温度的增加量是否等于或超过预定阈值或者低于预定阈值；功率输出增加允许部分9，当燃烧室温度变化鉴别器部分7鉴别出的温度的升高值等于或超过预定阈值时，该部分9允许可从燃料电池主体1获得的功率输出增加；以及目标功率输出值计算器部分8，该部分8计算燃料电池主体1的目标功率输出值，以便在功率输出增加允许部分9允许功率输出增加的情况下，让燃烧室4将其工作温度保持在预定值。

以下简要描述具有这种结构的控制装置6的工作过程。

首先，通常来说，将所需功率输出提供给控制装置6，此所需功率输出表示由图中未示出的要求功率输出指令器(在燃料电池系统S包含在采用燃料电池供电的机动车辆中的情况下，根据加速器踏板的加减位移以及车速来计算所需要功率输出的装置)向燃料电池主体1要求的功率输出。控制装置6监视这种所需功率输出，对于每一次固定时间间隔的控制循环，利用温度传感器5检测燃烧室温度。

并且，控制装置6进行工作以控制燃料气体供应部分2和空气供应部分3，这样，当所需的功率输出增加时，根据所需功率输出的增加量，以各自的流速将燃料气体和空气输送到燃料电池主体1的燃料电极1a和空气电极1b。

然而，即便当控制装置6执行操作以命令燃料气体供应部分2和空气供应部分3分别提高燃料气体的流速和空气的流速时，由于这些气体的体积、响应时间和气体供应线的体积等原因，直至这些气体的流速达到各自的预定值仍存在着时间延迟。并且，在这种时间延迟过去之后，燃料电极1a的燃料流速和空气电极1b的空气流速开始提高，导致了可从燃料电池主体1中获得的功率输出的增加。

但另一方面，当这种现象发生时，由于控制装置6还没有允许此功率输出增加，实际上从燃料电池主体1获得的功率输出并不能增加，因此，就增加了在燃料电池主体1中未用过的燃料气体的体积和空气的体积，结果就增加了在燃烧室4中要被燃烧的燃料气体和空气的体积。因而，燃烧室4的温度升高，并且利用温度传感器5检测出的此温度升高，温度传感器5把温度检测信号传送给控制装置6。

实际上，控制装置6的燃烧室温度变化鉴别器部分7基于利用温度传感器5检测出的燃烧器4的温度对燃烧室的温度是否等于或超过预定阈值进行鉴别，如果是这样，就将表示温度升高等于或超过预定阈值的鉴别信号传送给功率输出增加允许部分9。随后，如果燃烧室4的温度升高等于或超过预定阈值，功率输出增加允许部分9就允许从燃料电池主体1获得的功率输出增加。在后续的步骤中，如果功率输出增加允许部分9允许功率输出增加，目标功率输出值计算器部分8计算出燃料电池主体1的目标功率输出值，从而使燃烧室4的温度保持在预定值，产生指示将传送给负载10的目标功率输出值的指令。

利用上面列出的这种结构，控制装置典型具有以下结构：在燃料电池主体的燃料供应线中的燃料气体流速开始提高之前，该结构阻碍从燃料电池主体1获得的功率输出的增加，从而能够避免由于其过载而导致的在燃料电池中的损坏。

现在参考图2，下面描述目前提出的实施例的燃料电池系统S的进一步详细的结构。在目前提出的实施例中，虽然对进料没有限制，但采用水和甲醇作为进料以获得含氢的燃料气体。也就是说，虽然不意味着限定为特定的结构，但是以下描述的燃料电池系统S具有下述的基本结构，在此结构中，从燃料电池主体1释放出的未用过的废气(废氢气和废空气)用作燃烧器4的燃料，燃烧室4产生热量，通过此热量将蒸发器15加热至使进料蒸发，从而产生进料蒸汽，该蒸汽在重整器17中与空气中的氧反应，由此形成富氢重整气体。将重整气体和空气分别供应到燃料电极和空气电极，这样，重整气体的氢就与在空气中的氧在燃料电池主体1中进行电化学反应，由此产生电功率输出。

在图2中，燃料电池系统S由以下部分构成：水槽11，存储作为进料的水；甲醇槽12，存储作为进料的甲醇；水供应单元13，从水槽11向蒸发器15供应水；甲醇供应单元14，从甲醇槽12向蒸发器15供应甲醇；蒸发器15，利用燃烧器4的废热蒸发水和甲醇；重整装置17，采用由蒸发器15产生的水蒸汽和甲醇蒸汽进行重整反应，生成富氢重整气体；压气机16，用作空气供应单元，抽取外部空气并将压缩空气供应到燃料电池系统的各部分；流速传感器23，检测在压气机16中的空气流速；流速控制器22，控制由压气机16提供的空气的流速；温度传感器18，检测重整装置17的温度；空气流速控制阀20，控制将供应到重整装置17的空气流速；温度控制器19，控制重整装置17的温度；空气流速控制阀21，控制将供应到燃料电池主体1的空气电极的空气流速；燃料电池主体1，具有空气电极和燃料电极，空气电极具有从空气流速控制阀21提供的空气，燃料电极具有从重整装置17提供的燃料；燃烧室4，燃烧由燃料电池主体1释放出的废空气和废氢；温度传感器5，检测燃烧室4的温度；负载10，具有从燃料电池主体1所提供的负载电流；电流传感器24，检测负载电流；电压传感器25，检测燃料电池主体1的输出电压；以及控制装置6，控制燃料电池系统。此外，在图2中，对应于图1的燃料气体供应部分2的组成部分包括水槽11、甲醇槽12、水供应单元13、甲醇供应单元14、蒸发器15、重整装置17，空气流速控制阀20、温度控制器19以及温度传感器18。此外，在图2中，形成对应于图1的空气供应部分3的组成部分包括压气机16、流速控制器22、流速传感器23和空气流速控制阀21。

具体而言，重整装置17通过对在从压气机16提供的空气中所含的氧和通过蒸发蒸发器15中的进料的水和甲醇形成的蒸汽之间进行蒸汽重整从而生成富氢重整气体。

此处，空气流速控制阀20设置在将空气供应到重整装置17的空气供应线的中路上，利用温度控制器19调节空气流速控制阀20的打开程度，从而将重整装置17保持在目标温度。也就是说，将被供应到重整装置17的空气流速随着温度控制器19而变化，此温度控制器19受控制装置6的控制。

虽然并不限于此，但是这种重整装置17是转移反应积分器型(shift reaction intergrator type)的，这种类型的重整器利用水蒸气、甲醇蒸气和空气进行重整反应和部分氧化反应，同时除去从这些反应得到的一氧化碳。并且，将利用重整器17生成的富氢重整气体供应到燃料电池主体1的燃料电极。

燃料电池主体1利用由压气机16提供的空气中的氧和富氢重整气体进行电化学反应，由此产生电功率输出。

利用流速传感器23测量压气机16的排气速率。此处，总的来说，由单个压气机16供应在燃料电池系统中所需要的空气总体积。为了使在重整器17和燃料电池主体1中所需的空气流速的总量与由流速传感器23检测的压气机16的排气速率相等，利用由控制装置6控制的流速控制器22控制压气机16的转速。

没有用在燃料电池主体1中来产生电功率输出的未用过的废气由从空气电极排出的废空气和从燃料电极排出的废氢构成，将这些气体引入到燃烧室4中并在其中燃烧，从而释放出废气。燃烧室4安装有温度传感器5，以检测它的温度，将由燃烧室4产生的最终废热供应到蒸发器15中，由此提供进料蒸发所需的热量值。

蒸发器15提供有来自水供应单元13和甲醇供应单元14的重整进料。此处，水由水槽11提供，甲醇由甲醇槽12提供。

根据燃料电池主体1所需的功率输出计算出水和甲醇流速的各目标值，水供应单元13和甲醇供应单元14的各流速控制器(未示出)用于将水和甲醇的流速控制在各目标值。在燃料电池系统用于车辆的情况下，例如以燃料电池作动力的机动车辆，根据由驾驶员踩下的加速器踏板的增加位移，计算出所需的功率输出。

虽然没有特别地限制，但是水供应单元13和甲醇供应单元14由将相应的进料注入到在其各侧的蒸发器15的喷射器构成。

负载10连接到燃料电池主体1并形成为由电池产生的功率输出所供应的目标。虽然不表示特别地限制，但是负载包括电池和连接到燃料电池主体1的变换器1。

按下面的构成：为负载10确定目标功率输出值，从而让燃料电池主体1将目标功率输出传送给负载10。功率输出以负载电流的形式取出并借助变换器供应至电动机，此变换器产生驱动功率以推动车辆。

虽然不表示限制于此，但是此电压传感器25包括测量燃料电池主体1的输出电压并用于测量燃料电池主体1的电池电压平均值的传感器。此外，电流传感器24包括测量从燃料电池主体1流向负载10的负载电流的电流传感器。也就是说，在实际应用中，燃料电池主体1功率输出量由利用电压传感器25检测的电压值和利用电流传感器24检测的负载电流值的乘积。

此外，利用具有各CPUs和相关外围界面的微型计算机和相关的软件将形成目前提出实施例的控制组件的流速控制器22、温度控制器19和控制装置6应用于实践中。

现在，参考图3的总流程图详细描述目前提出实施例的控制装置6的工作状况。

在图3的第一步骤S10中，对是否存在着在燃料电池主体1所需功率输出方面的增加进行鉴别。典型根据下述方式获得燃料电池主体1的所需功率输出值：将下压位移传感器安装在加速器踏板上，未示出，以检测出当驾驶员加压时加速器踏板的增加位移值，并参照由加速器踏板的所检测增加位移值和车辆速度所校正的函数计算出所需功率输出，鉴别出当在最后所需的功率输出值和目前所需功率输出值之间存在增加时，存在着所需功率输出的增加。这样的函数以图表的形式预先存储在控制器6的存储器(未示出)中，以便于随后操作的检索。

如果鉴别出在步骤S10中的所需功率输出方面存在着增加，那么执行步骤S20的操作；反言之，如果鉴别出不存在所需功率输出方面的增加，那么就执行步骤S150的操作。并且，在目前提出的实施例中，一旦存在着所需功率输出的增加，就执行操作以连续鉴别在所需功率输出方面的增加，直至所需功率输出值和由燃料电池主体产生的功率输出的实际值彼此一致，执行步骤S20。此外，一旦存在着在新的所需功率输出方面的增加，就继续地保持所需功率输出值，直至燃料电池的实际功率输出值达到所需功率输出值。术语“所需功率输出继续”是指这种所需功率输出值继续发出的状态。

当操作执行至步骤S20时，此情况相应于燃料电池主体1的所需功率输出增加的情况，因此，发布命令以便根据这种增加来提高进料流速的目标值，由此增加进料的体积。特别是，由于构成目前提出的实施例允许蒸发器15蒸发进料以产生蒸汽(此蒸汽又是由重整器重整的蒸汽)，因此各进料流速的目标值被传送给水供应单元13和甲醇供应单元14，这些单元将进料提供给蒸发器15，从而控制空气供应单元13和甲醇供应单元14中所含的喷射器控制单元的各自流速，这样，将供应到蒸发器15的各进料(水和甲醇)的体积就达到了相应的目标值。

在下一个步骤S30中，将利用温度传感器5检测出的燃烧室4的目前燃烧室温度存储在控制装置6的存储器中(未示出)。

在下一个步骤S40中，基于利用电压传感器25检测出的电压值和利用电流传感器24检测出的负载电流值计算出在此刻由燃料电池主体1取出的功率输出值，并存储在控制装置6的存储器中(未示出)。仅当新识别出所需功率输出的增加时才执行这种数据存储，在前述所需功率输出继续的过程中不执行，此时使用保持与之前的值相同的预存储功率输出值。

在下一个步骤S50中，对在此刻从燃料电池主体1取出的功率输出的增加变化量是大于预定阈值L1还是低于此值进行鉴别。此处要说明的是，功率输出的增加变化量是指以增加的所需功率输出值减去从燃料电池主体1取出的目前功率输出所得到的值。

接下来，当在步骤S50中鉴别出在功率输出中增加的变化量超过预定上阈值L1时，执行步骤S60的操作。在步骤S60中，用于检测在燃烧室温升的变化的阈值TH仅增加ΔH(TH_INIT的预定值，TH＝TH_INIT+ΔH)的预定量，操作进行至步骤S80。同样，仅当在所需功率输出方面有新的增加时才执行这种操作，而在所需功率输出继续的过程中不执行操作，操作进行至步骤S80。这种情况类似于在步骤S70、S72和S74中的情况，在所需功率输出继续的阶段内不进行这种操作。

另一方面，当在步骤S50中鉴别出在功率输出中增加的变化量等于或低于预定上限阈值L1的时候，操作进行至S70，在步骤S70中，对目前所得的功率输出是否保持在上限阈值L1和下限阈值L2(L2＜L1)之间进行鉴别，即，对目前所得的功率输出是否等于或小于L1但大于L2进行鉴别。

如果在步骤S70中鉴别出在功率输出中增加的变化量保持在上限阈值L1和下限阈值L2之间，那么操作就进行至步骤是72，步骤S72允许温度变化阈值TH，阈值TH用于检测在步骤S72中燃烧室4的温度变化，被预设为TH_INIT的阈值(TH＝TH_INIT)，操作进行至步骤S80。此处应注意，TH_INIT的预定阈值是根据试验测试所预先获得的数值。

相反，如果在步骤S70中鉴别出在功率输出中增加的变化量在上限阈值L1和下限阈值L2之外，即，如果鉴别出在功率输出中增加的变化量等于或低于L2的值，那么操作就进行至步骤S74，步骤S74迫使温度变化阈值TH降低ΔH的预定量(TH＝TH_INIT-ΔH)，此阈值用于检测燃烧室4的温度变化，操作进行至步骤S80。

也就是说，在这种分支步骤中，对用于检测燃烧室4的温度变化的温度变化阈值进行设置，当功率输出具有更大量的增加变化时该阈值确定为更高值，这种方式能够以可靠的方式检测出燃烧室温度所存在的变化。因此，如果出现了负面影响例如噪音，在这种检测步骤中就采取措施以避免出现错误识别，从而提供了可靠证实燃料气体以足够低的速率保持在连接于燃料电池主体1的燃料电极的气体供应线中的性能。

相反，假设用于检测在燃烧室4中温度变化的阈值被确定为更低的值，很显然，尽管燃烧室4的温度变化不充分但错误地识别出存在充分的温度变化，仍然会迫使燃烧电池产生比电功率产生容量更多的功率输出。尤其是，这种情形出现在功率输出中增加变化量更大的情况下，即，从燃料电池主体1中提取出的功率输出增加的变化值更大的情况下，很显然会一口气提取出大的功率输出。

换句话说，在这种情况下的这种分支步骤中，在功率输出的增加变化的量大于预定值的情况下、把将要用于燃烧室4中温度变化检测的阈值确定为更高值的原因在于，防止燃料电池主体1受到由于噪音所引起的错误识别造成的严重影响。

在下一个步骤S80中，对从在步骤S30中存储的当前温度开始的温度变化是否等于或大于阈值TH进行鉴别，该阈值TH用于检测温升变化并且在步骤S60，S72或S74中计算出，上述温度变化出现在燃烧室中。在步骤S80中，如果燃烧室4的温度变化值等于或大于阈值TH，操作就进行至步骤S90。相反，如果没有等于或大于阈值TH的值的变化，操作进行至步骤S100。

在下一个步骤S90中，执行操作以允许增加将从燃料电池主体1取出的功率输出，操作进行至S120。另一方面，在步骤S100中，执行操作以不允许增加将从燃料电池主体1取出的功率输出，操作进行至S130。

在随后的步骤S120中，计算将从燃料电池主体1取出的目标功率输出值P(t)，从而使燃烧室4的温度达到预定目标值，操作进行至步骤S140。利用下述公式(1)至(3)，采用PID控制计算法，计算出目标功率输出值P(t)。

P(t)＝P(t-1)+ΔP(t)  …(1)

此处t表示时间，ΔP(t)表示将从燃料电池主体1取出的功率输出的增加值，ΔP(t)由下述公式(2)计算出来，

ΔP(t)＝K*{(e(t)-e(t-1))+(T/Ti)*e(t)+(TD/T)*(e(t)-2*e(t-1)+e(t-2))}  …(2)

此处，乘法算子由“*”表示，和燃烧室4的温度有关的偏差由e(t)表示，K，Ti和Td表示控制增益，各具有一种调整参数的意义。并且，e(t)可由下式(3)计算。

e(t)＝{(燃烧室目标温度(t)-(燃烧室温度传感器的检测值(t)))  …(3)

并且，燃烧室温度的预定目标值可以是在增加功率输出之前的燃烧室温度或者可以根据在功率输出中增加变化的量改变。

相反，在步骤S130中，由于存在着不允许从燃料电池主体1取出的功率输出的量增加的情况，因此使将从燃料电池主体1中取出的目标功率输出值保持在先前值(保持现状)，操作进行至步骤S140。

最后，在步骤S140中，把从燃料电池主体1取出的目标功率输出值输出值输出至输出提取单元例如负载10，操作返回至“开始”。

并且，在上述步骤中，通过燃烧室温度变化鉴别器部分7执行步骤S10至S80，通过功率输出核准部分9执行步骤S90，S100和150，通过目标功率输出值计算器部分8执行步骤S120至S140。

现在，下面参照图4A至4D的时间选择图描述控制装置6的工作状况。

图4A表示根据时间绘出的燃料电池主体(燃料电池堆)(1)的功率输出的变化，图4B表示根据时间绘出的在燃料电池堆1的入口处氢的流速变化，图4C表示根据时间绘出的燃料电池堆1的电池电压，以及图4D表示根据时间绘出的燃烧室4的温度。

在图4A中，当所需的功率输出开始以由单点线A表示的时间段t0增加时，对在由实线B表示的在目前提出实施例的情况下由燃料电池主体可获得的功率输出的变化和由点划线C表示的在根据供应到重整器的进料流速和重整器的温度估计氢流速值的情况下功率输出的变化之间进行比较。同样，在图4B中由点划线D表示出相关的估计值和与由图中实线E表示出的实际流速值的偏差。

具体而言，如图4C所示，如果估计出氢的流速并且根据所得到的预估值从燃料电池堆中取出功率输出，那么就很容易以超过其功率产生容量的大速率从燃料电池堆中取出功率输出，因此，电池电压迅速降低到标准电压线I以下，正如由点划线H表示的那样。并且，在时间段t1之前，在预估值和氢气实际流速之间存在着偏差，因此，在时间段t1之前很难从燃料电池堆中取出功率输出，如图4A的点划线C所示。此外，燃烧室4的温度急剧地降低，正如由图4D的点划线L所示。相反，根据目前提出的实施例，如图4D所示，在燃烧室4的温度从预定温度TP(在所需功率输出增加之前的温度)上升至等于或高于TH的值时，从燃料电池堆1取出的功率输出开始象图4A中实线B所示的那样增加，与此同时，将燃烧室4的温度控制在不低于预定温度TP的值。这产生将电池电压保持在由图4C的实线G所示的恒定值的性能。因此，可以避免燃料电池堆的损坏，能够以尽可能高的速率从电池堆中取出功率输出。并且，在图4D中的单点线J表示在没有氢在电池堆1中消耗的情况下燃烧室4的温度变化。

(第二实施例)

接下来，以下主要参考图5至7详细描述根据本发明的第二实施例的燃料电池系统用控制装置和控制方法。

除了燃料电池系统S还额外地包括时间常数存储更新部分21和所需功率输出变化速度鉴别器部分22之外，目前提出的实施例与第一实施例在结构上基本相同。时间常数存储更新部分21和所需功率输出变化速度鉴别器部分22作为软件程序包含在控制装置6的存储器中，未示出。相同的部件采用与第一实施例中所用的那些部件相同的参考标记，忽略了基本描述，以下描述主要针对不同点。

在图5中，时间常数存储更新部分21存储燃烧室4的温度变化的时间常数并且对这种存储的时间常数更新。在重复执行操作以降低或增加燃料电池主体1的所需功率输出的情况下，所需的功率输出变化速度鉴别器部分22比较变化速度(频率)和燃烧室4的温度变化的时间常数。利用这种结构，在燃料电池主体1的所需功率输出的变化速度超过燃烧室4的温度变化的时间常数的情况下，可以将燃料电池主体1的目标功率输出值降低至预定值。也就是说，即使在超过燃烧室4的温度变化的时间常数的范围内以该变化速率执行重复操作以增加或降低所需功率输出的情况下，燃料电池主体1也会以降低的额定功率工作，同时避免了基于燃烧室温度的错误鉴别，这种错误鉴别是由于缺乏响应在所需功率输出中变化的能力所造成的，提供防止燃料电池系统S中断、从而持续操作以得到所需功率输出的性能。

现在，参考图6和7描述目前提出的实施例的工作过程，注意力主要集中于与第一实施例不同的特殊点。

首先，在步骤S2中，对燃烧室4的温度变化的时间常数进行存储或者将所存储的时间常数更新为通过学习获得的新值。当进行用于测量时间常数的测试时，在燃料电池系统的正常工作过程中，在把将要供应至蒸发器15的进料流速轻微地降低以由此降低将在燃烧室4中燃烧的废氢气和废空气的流速的情况下，在将在燃烧室4中燃烧的废氢气和废空气的流速降低之后，执行操作以收集并分析燃烧室4的时间变化的时序数据，由此获得燃烧室4的温度变化的时间常数。将由此获得的时间常数储存在控制装置6的存储器(未示出)中，或者，如果前面的时间常数存储在存储器中，那么就利用存储的新数据更新前面的时间常数。存储在各种情况中的燃烧室4的温度变化的时间常数或者更新和存储时间常数提供包容含有燃烧室4的燃料电池系统每小时的变化的能力，由此排除了由于每小时的变化引起的错误识别。

在下一步骤S4中，对从当前时间返回至预定耗用时间的所需功率输出的时序数据进行分析，由此获得在一连串的所需功率输出中的变化的变化速度(也称作频率)，当特定图形连续地重复或者当其它特定图形连续地重复时出现上述一连串的变化速度，在所述特定图形中，所需功率输出以一连串降低→增加(降低和其随后增加，等等)的方式进行变化，在所述其它特定图形中，所需要的功率输出以增加→降低→增加(增加，接下来降低，再接下来增加，等等)的顺序进行变化。

在下一个步骤S6中，参照在步骤S4中获得的所需功率输出中的变化的变化速度执行操作，根据在步骤S2中存储的燃烧室的时间常数对这种变化速度是否低于时间变化进行鉴别。并且，如果鉴别出变化速度快(不)，就认为燃料电池逐渐接近于遇到性能极限的情况，从而紧跟着在所需功率输出的变化，将操作进行至步骤S8。

顺便提及，当重复地执行在所需功率输出方面的增加和降低之间的操作时，对于特殊情况必须进行研究，在特殊情况中，在所需功率输出开始从某一状态下降的条件下重新增加所需功率输出，在此状态中，根据伴随有在将要供应的重整气体的流速的附带提高的所需功率输出的增加升高了燃烧室4的温度，然后由于在燃烧室4的温度中的下降变化的时间常量引起了燃烧室4的温度的逐步降低。在这种特殊的情况下，由于燃烧室4的温度没有充分降低并仍保持在高温条件下(甚至当氢气的流速还没有完全提高时)的实际情况，可以想到，通过从燃烧室4的温度来判断，会引起其中氢流速保持在足够量的错误鉴别，这导致了被迫地以大于其电功率产生容量的速率从燃料电池主体1取出功率输出。

也就是说，这意味着即使所需功率输出以比燃料电池系统的气体供应部分2，3的时间常数和燃烧室4的温度变化特性的时间常数更高的速度(频率)以增加→降低→增加的顺序进行变化，也不会使燃料电池系统难于继续进行。因此，难以让沿着延伸至燃料电池主体1的燃料电极的供应线流动的重整气体的流速伴随着或相应于燃烧室4的温度变化。因此，对在燃料电池系统中的响应速度方面的所谓局限性进行判断，以便在燃烧室4的温度没有表现出供应到燃料电极的气体流速的情况下，避免由于以燃烧室4的温度为基础所导致的对气体供应状况判断错误的可能性，从而防止了迫使燃料电池主体1以大于电功率产生容量的速率产生功率输出。

在随后的步骤S8中，中止了从燃料电池主体1中将要取出的功率输出方面的增加，并且执行操作从而把从燃料电池主体1获得的功率输出减少预定的速率。通过执行这种操作，可以有效地防止燃料电池主体1被迫以大于电功率产生容量的速率产生功率输出，在不引起燃料电池系统处于不正常的停顿状态的条件下，让操作持续下去。

另一方面，如果判断出在步骤S4中获得的所需功率输出变化的速度比在步骤S2中储存的时间常数要慢的话，操作进行至步骤S10，在步骤S20之后的步骤以与第一实施例相同的方式执行。

同样，利用时间常数存储更新部分21执行步骤S2的操作，利用所需功率输出变化速度鉴别器部分22执行步骤S4至S8的操作。

此外，当然它也可以按照下面的一种情况构成：在步骤S8中不允许增加功率输出，准备单独的电源例如二次电池，从而弥补不能从燃料电池主体1获得的功率输出，从而应付所需的功率输出。

把2001年10月16日在日本申请的专利申请号为TOKUGAN2001-317968的全部内容在此引作参考。

虽然以上参考本发明的特定实施例描述了本发明，但是本发明并不限于上述实施例。对本领域的普通技术人员而言，可以根据本技术对上述实施例进行变化和修改。参照下面的权利要求限定本发明的保护范围。

工业实用性

如上所示，由于本发明具有特定结构，在该结构中，如果判断出燃料电池系统中的燃烧室温升等于或高于预定阈值，就执行操作以增加从燃料电池主体中取出的功率输出，可以有效地避免在燃料电池中的损坏。因此，本发明具有宽的应用范围，包括采用这种燃料电池系统的燃料电池驱动机动车辆。

Claims (9)

1.一种用于燃料电池系统的控制装置，包括：

燃料电池主体；

根据燃料电池主体所需的功率输出向燃料电池主体提供燃料气体的燃料气体供应系统；

根据所需的功率输出向燃料电池主体提供空气的空气供应系统；

燃烧从燃料电池主体排出的废气的燃烧室；

检测燃烧室的温度的温度传感器；

当所需功率输出增加时、鉴别利用温度传感器检测到的温度升高是否等于或高于预定阈值的温度变化鉴别器部分；以及

当由温度变化鉴别器部分鉴别出温度的升高等于或高于预定阈值时，允许从燃料电池主体可获得的功率输出增加的功率输出增加允许部分。

2.根据权利要求1的用于燃料电池系统的控制装置，进一步包括计算燃料电池主体的目标功率输出值的目标功率输出值计算器部分，

其中将燃料电池主体的目标功率输出值设定为特定值，使得当功率输出增加允许部分允许功率输出增加时，燃烧室的温度保持在预定值。

3.根据权利要求2的用于燃料电池系统的控制装置，其中预定温度对应于在所需功率输出增加之前燃烧室的温度。

4.根据权利要求1的用于燃料电池系统的控制装置，其中确定将用在温度变化鉴别器部分中的阈值，使得，当所需功率输出增加时，所需功率输出的增加量越大，阈值就越大。

5.根据权利要求4的用于燃料电池系统的控制装置，其中这样确定，使得，当所需功率输出的增加量超过预定范围时，将被增加的阈值的数值等于其中当所需功率输出的增加量低于预定范围时将要降低的阈值的数值。

6.根据权利要求1的用于燃料电池系统的控制装置，进一步包括：

存储燃烧室的温度变化的时间常数的时间常数存储部分；以及

变化速度鉴别器部分，当在连续地进行所需功率输出降低和所需功率输出增加时，对燃料电池主体的所需功率输出的变化速度和时间常数进行比较，从而鉴别出在变化速度和时间常数之间的关系。

7.根据权利要求6的用于燃料电池系统的控制装置，其中当变化速度超过时间常数时，燃料电池主体的目标功率输出值降低预定值。

8.根据权利要求1的用于燃料电池系统的控制装置，其中时间常数存储部分获取燃烧室的温度变化的时间常数并更新其中存储的时间常数。

9.一种用于燃料电池系统的控制方法，该燃料电池系统具有燃料电池主体、根据燃料电池主体所需的功率输出将燃料气体供应到燃料电池主体的燃料气体供应系统、根据所需的功率输出将空气供应到燃料电池主体的空气供应系统以及燃烧从燃料电池主体排出的废气的燃烧室，控制方法包括：

检测燃烧室的温度；

当所需要的功率输出增加时，鉴别由此检测出的温度的升高是否等于或高于预定阈值；以及

当鉴别出温度的升高等于或高于预定阈值时，允许可从燃料电池主体获得的功率输出增加。

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