CN112687917B - 燃料电池车辆以及燃料电池车辆的起动方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及燃料电池车辆以及燃料电池车辆的起动方法。燃料电池车辆(11)搭载具有燃料电池堆(12)以及蓄电池(Bt)的燃料电池系统(10)。另外，燃料电池车辆(11)由ECU(82)控制燃料电池系统(10)的动作，从起动至允许行驶为止进行待机发电，并且在允许行驶之后进行运转中发电。在起动方法中，在运转中发电时使发电电流沿着低温时效率化比率(Rl)上升，在待机发电时将发电电力充电于蓄电池(Bt)，并且使发电电流沿着与低温时效率化比率(Rl)相比上升率低的待机时稳定化比率(Rw)上升。

Description

燃料电池车辆以及燃料电池车辆的起动方法
技术领域
本发明涉及搭载了燃料电池系统的燃料电池车辆以及燃料电池车辆的起动方法。
背景技术
搭载于燃料电池车辆的燃料电池系统，如专利文献1中公开那样，基于与燃料电池车辆的行驶状态相应的发电要求等来控制燃料电池堆的发电量。另外，专利文献1中公开的燃料电池系统在燃料电池的发电电压低于外部负荷所要求的电压的情况下对燃料电池实施电流限制处理，之后进行在上限值以下使燃料电池的输出电流增加的处理。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2015-201407号公报
发明内容
发明所要解决的问题
然而，这种燃料电池车辆在周边环境为低温(例如，冰点以下)的状态下使燃料电池系统起动时进行预热(待机发电)至燃料电池堆能够稳定地发电的温度为止。该预热中，不受理用户的行驶操作，因此待机发电的时间长并且用户的可用性降低。
但是，燃料电池车辆在设想低温起动的情况下为了预防燃料电池堆内的冻结，实施使燃料电池堆内的水分降低的扫气处理等。因此，即使为了缩短待机发电的时间而急剧地持续增加反应气体的供给量，因燃料电池堆内的水分量不足而燃料电池堆的发电不稳定。结局是，导致待机发电的时间缩短不充分，另外使燃料消耗恶化。
本发明的目的在于解决上述的问题，提供以简单的结构获得燃料电池系统的发电稳定性并且能够进一步缩短起动时的待机时间的燃料电池车辆以及燃料电池车辆的起动方法。
用于解决问题的方案
为了实现所述的目的，本发明的第一方式为燃料电池车辆，其搭载具有燃料电池堆以及用所述燃料电池堆发电产生的电力进行充电的蓄电池的燃料电池系统，使用所述燃料电池堆以及所述蓄电池的电力进行行驶，在所述燃料电池车辆中，该燃料电池车辆具有控制部，该控制部在周边环境为低温时，在紧挨行驶之前控制所述燃料电池系统的动作，从起动至允许行驶为止进行待机发电，并且在允许行驶之后进行运转中发电，所述控制部在所述运转中发电时，使所述燃料电池堆的发电电流沿着第一电流上升比率上升，在所述待机发电时，将所述燃料电池堆发电产生的电力充电于所述蓄电池，并且当所述燃料电池堆的发电电流超过基于温度信息而设定的待机时切换电流值时，切换为与所述第一电流上升比率相比上升率低的第二电流上升比率，使所述燃料电池堆的发电电流沿着该第二电流上升比率上升。
另外，为了实现所述的目的，本发明的第二方式为燃料电池车辆的起动方法，所述燃料电池车辆搭载具有燃料电池堆以及用所述燃料电池堆发电产生的电力进行充电的蓄电池的燃料电池系统，使用所述燃料电池堆以及所述蓄电池的电力进行行驶，在所述燃料电池车辆的起动方法中，该燃料电池车辆构成为，在周边环境为低温时，在紧挨行驶之前由控制部控制所述燃料电池系统的动作，从起动至允许行驶为止进行待机发电，并且在允许行驶之后进行运转中发电，在所述起动方法中，在所述运转中发电时，使所述燃料电池堆的发电电流沿着第一电流上升比率上升，在所述待机发电时，将所述燃料电池堆发电产生的电力充电于所述蓄电池，并且当所述燃料电池堆的发电电流超过基于温度信息而设定的待机时切换电流值时，切换为与所述第一电流上升比率相比上升率低的第二电流上升比率，使所述燃料电池堆的发电电流沿着该第二电流上升比率上升。
发明的效果
上述的燃料电池车辆以及燃料电池车辆的起动方法通过简单的结构获得燃料电池系统的发电稳定性，并且能够进一步缩短起动时的待机时间。
根据参照附图来说明的以下实施方式的说明，能容易地理解上述的目的、特征以及优点。
附图说明
图1是示出本发明的一实施方式涉及的燃料电池车辆的整体结构的说明图。
图2是示出燃料电池系统的电气系统的框图。
图3是示出燃料电池堆的起动时的发电电流的曲线图。
图4是示出燃料电池系统的ECU内的功能块的框图。
图5是示出燃料电池车辆的起动方法的流程图。
图6是示出燃料电池系统的起动时的动作以及发电电流的变化的时序图。
具体实施方式
以下，关于本发明例举优选的实施方式，参照附图进行详细说明。
本发明的一实施方式涉及的燃料电池系统10，如图1所示，具备燃料电池堆12、阳极系装置14、阴极系装置16以及冷却装置18。该燃料电池系统10搭载于燃料电池车辆11(燃料电池汽车：以下也简称为车辆11)的电机室，将燃料电池堆12的发电电力供给到蓄电池Bt、行驶用电机Mt等来使车辆11行驶。
燃料电池堆12具备多个发电单电池20，发电单电池20通过阳极气体(氢等燃料气体)与阴极气体(空气等氧化剂气体)的电化学反应来进行发电。在将燃料电池堆12搭载于车辆11的状态下，多个发电单电池20构成为使电极面为直立位姿势来沿着车宽方向层叠而成的层叠体21。而且也可以是，多个发电单电池20沿车辆11的车长方向(前后方向)、重力方向层叠。
各发电单电池20由电解质膜-电极结构体22(以下，称为“MEA 22”)、夹持MEA 22的一对隔板24(第一隔板24a、第二隔板24b)构成。MEA 22具有电解质膜26(例如，固体高分子电解质膜(阳离子交换膜))、在电解质膜26的一方的面设置的阳极电极28以及在电解质膜26的另一方的面设置的阴极电极30。第一以及第二隔板24a、24b在与MEA 22相向配合的面分别形成流通阳极气体的阳极气体流路32、流通阴极气体的阴极气体流路34。另外，因多个发电单电池20的层叠而在第一以及第二隔板24a、24b彼此相向配合的面形成流通制冷剂的制冷剂流路36。
还有，燃料电池堆12具备使阳极气体、阴极气体以及制冷剂分别沿着层叠体21的层叠方向流通的未图示的多个连通孔(阳极气体连通孔、阴极气体连通孔、制冷剂连通孔)。阳极气体连通孔与阳极气体流路32连通，阴极气体孔与阴极气体流路34连通，制冷剂连通孔与制冷剂流路36连通。
由阳极系装置14向燃料电池堆12供给阳极气体。在燃料电池堆12内，阳极气体在阳极气体连通孔(阳极气体入口连通孔)流通并流入阳极气体流路32，在阳极电极28处用于发电。用于发电的阳极排气(包含未反应的氢)从阳极气体流路32流出到阳极气体连通孔(阳极气体出口连通孔)，从燃料电池堆12排出到阳极系装置14。
另外，由阴极系装置16向燃料电池堆12供给阴极气体。在燃料电池堆12内，阴极气体在阴极气体连通孔(阴极气体入口连通孔)流通并流入到阴极气体流路34，在阴极电极30处用于发电。用于发电的阴极排气从阴极气体流路34流出到阴极气体连通孔(阴极气体出口连通孔)，从燃料电池堆12排出到阴极系装置16。
还有，由冷却装置18向燃料电池堆12供给制冷剂。在燃料电池堆12内，制冷剂在制冷剂连通孔(制冷剂入口连通孔)流通并流入到制冷剂流路36，对发电单电池20进行冷却。对发电单电池20进行了冷却的制冷剂，从制冷剂流路36流出到制冷剂连通孔(制冷剂出口连通孔)，从燃料电池堆12排出到冷却装置18。
另外，本实施方式涉及的燃料电池堆12在堆壳体(未图示)内收容层叠体21。在层叠体21的层叠方向两端朝向外方顺次配置有未图示的接线板、绝缘板、端板。端板沿着各发电单电池20的层叠方向施加紧固载荷。
燃料电池系统10的阳极系装置14具有向燃料电池堆12供给阳极气体的阳极供给路40、从燃料电池堆12排出阳极排气的阳极排出路42。另外，在阳极供给路40与阳极排出路42之间，连接有用于将阳极排出路42的阳极排气中包含的未反应的氢返还到阳极供给路40的阳极循环路44。还有，从阳极系装置14的循环回路排出阳极排气的吹扫路46连接于阳极循环路44。
贮存阳极气体(高压氢气)的罐48连接于阳极供给路40的一端(上游端)。罐48基于罐内电磁阀(未图示)的开闭来使阳极气体流出到阳极供给路40。
在罐48与燃料电池堆12之间的阳极供给路40设置有喷射器50、引射器52，作为阳极系装置14的辅助设备。喷射器50在燃料电池系统10的动作时，以使比阳极供给路40靠上游侧(高压侧)的阳极气体成为规定的压力的方式进行开闭动作，来将阳极气体喷出到下游侧(低压侧)。
引射器52利用因从喷射器50喷出的阳极气体的移动而产生的负压，从阳极循环路44吸引阳极排气并且向下游侧的燃料电池堆12供给阳极气体。
在阳极排出路42的一端设置有将阳极排气中包含的水(发电时的生成水)与阳极排气分离的气液分离器54。阳极循环路44连接于气液分离器54的上部，气液分离器54的阳极排气(气体)流出到该阳极循环路44。将分离出的水排出的泄放路56的一端连接于气液分离器54的底部。在泄放路56设置对流路进行开闭的泄放阀56a。
另外，吹扫路46连接于泄放路56，并且在其途中具备对流路进行开闭的吹扫阀46a。而且，阳极系装置14不限定于上述结构。例如，也可以是，在阳极供给路40设置换热器等其它辅助设备。另外，也可以设置多个喷射器50。或者，也可以是，在阳极循环路44设置使阳极排气循环的循环泵。
燃料电池系统10的阴极系装置16具有向燃料电池堆12供给阴极气体的阴极供给路58、从燃料电池堆12排出阴极排气的阴极排出路60。使阴极供给路58的阴极气体绕过阴极排出路60的阴极旁通路62连接于阴极供给路58与阴极排出路60之间。
在阴极供给路58设置有将大气(空气)压缩并供给到燃料电池堆12的压缩机64。另外，阴极供给路58在压缩机64的下游侧并且阴极旁通路62的上游侧具备供给侧开闭阀58a，并且在供给侧开闭阀58a的下游侧具备加湿器66。
在阴极排出路60的上游侧(燃料电池堆12侧)也设置有加湿器66。加湿器66用阴极排出路60的阴极排气中包含的水分将阴极供给路58的阴极气体加湿。
另外，阴极排出路60在加湿器66的下游侧具备排出侧开闭阀60a以及背压阀60b。还有，阳极系装置14的泄放路56连接于阴极排出路60。在阴极旁通路62设置有对所流通的阴极气体的流量进行调整的流量调整阀62a。
而且，阴极系装置16也不限定于上述的结构。例如，也可以是，在阴极供给路58设置将阴极气体冷却的换热器等其它辅助设备。另外，也可以是，在阴极排出路60设置气液分离器、膨胀机等其它辅助设备。还可以是，在阴极供给路58与阴极排出路60之间设置使阴极排气循环的循环路(包括泵等)。
燃料电池系统10的冷却装置18具有向燃料电池堆12供给制冷剂的制冷剂供给路68、从燃料电池堆12排出制冷剂的制冷剂排出路70。制冷剂供给路68以及制冷剂排出路70连接于将制冷剂冷却的散热器72。另外，在制冷剂供给路68设置有使制冷剂在燃料电池堆12与散热器72之间循环的制冷剂泵74。
还有，燃料电池系统10具有多个检测反应气体的压力的压力传感器76以及检测车辆11的周边环境的温度或者燃料电池系统10的规定部位的温度的温度传感器78。作为压力传感器76，举出在阳极供给路40设置的阳极供给侧压力传感器76a、在阴极供给路58设置的阴极供给侧压力传感器76b、在阴极排出路60设置的阴极排出侧压力传感器76c等。作为温度传感器78，举出检测车辆11的外部气温的外部气温传感器78a、在制冷剂排出路70的燃料电池堆12的附近设置的制冷剂出口温度传感器78b等。
以上的燃料电池系统10具有分配燃料电池堆12的发电电力的电力系统80以及进行车辆11的电力管理的ECU 82(控制部：Electronic Control Unit)。电力系统80构成为，将燃料电池堆12的发电电力供给到行驶用电机Mt、将电力供给到蓄电池Bt，另外将行驶用电机Mt(以及压缩机64等辅助设备)的再生电力供给到蓄电池Bt。然后，参照图2，说明该电力系统80。
在燃料电池堆12(FC)与行驶用电机(TRC)Mt之间，从燃料电池堆12顺次串联地连接有FC接触器84、升压转换器86(称为FCVCU 86)以及逆变器88(称为MOTPDU 88)。
另外，蓄电池Bt经由BAT接触器90以及升降压转换器92(称为BATVCU92)连接于行驶用电机Mt。FCVCU 86与BATVCU 92分别在次级侧的接点α处对于行驶用电机Mt并联连接。还有，在BATVCU 92的初级侧并联连接多个辅助设备。作为辅助设备，举出例如阴极系装置16的压缩机64、对车辆11进行空调控制的空调机94(称为A/C 94)、对车辆11的座位、燃料电池系统10的规定的辅助设备等进行加温的一个以上的加热器96等。另外，降压转换器98(称为DC/DC 98)连接于BATVCU 92的初级侧。DC/DC 98将供给到辅助设备的电力降压至规定的电压。
FC接触器84连接于ECU 82，在ECU 82的控制下切换燃料电池堆12同FCVCU 86的初级侧之间的连接与阻断。
FCVCU 86是具备斩波电路的电压调整装置(Voltage Control Unit)。FCVCU 86连接于ECU 82，在ECU 82的控制下将初级侧的电压进行升压并施加到次级侧。
MOTPDU 88构成为三相桥型，将接点α(FCVCU 86以及BATVCU 92)侧的直流电压变换为交流电压，根据从ECU 82输出的目标转速的控制信号来控制行驶用电机Mt的驱动。另外，MOTPDU 88在行驶用电机Mt进行再生时作为顺变换的转换器来发挥功能，将由行驶用电机Mt产生的交流电压变换为直流电压。
行驶用电机Mt用MOTPDU 88的三相交流电力进行旋转驱动，经由未图示的变速器等将该旋转力传递到车轮，由此推进车辆11。另外，在车辆11的减速时等，行驶用电机Mt成为将再生电力输出到蓄电池Bt、辅助设备的发电机。
蓄电池Bt构成为能够将电力进行充放电，放电出相对于行驶用电机Mt、辅助设备的实际消耗电力而言燃料电池堆12的发电量的不足部分。另外，蓄电池Bt在适当的定时用燃料电池堆12、行驶用电机Mt的发电电力相对于实际消耗电力的超过部分进行充电。由ECU82监视蓄电池Bt的充电状态(SOC：state of charge)。
BAT接触器90连接于ECU 82，在ECU 82的控制下切换蓄电池Bt同BATVCU 92的初级侧之间的连接与阻断。
BATVCU 92与FCVCU 86相同，构成为具备斩波电路的电压调整装置。BATVCU 92连接于ECU 82，在ECU 82的控制下，在动力行驶时将初级侧的电压进行升压并施加到次级侧，在再生时将次级侧的电压进行降压并施加到初级侧。
压缩机64经由气泵PDU 64a(称为A/PPDU 64a)来连接于BATVCU 92的初级侧。A/PPDU 64a具备三相桥型的逆变器，将初级侧的直流电压变换为交流电压，根据从ECU 82输出的目标转速的控制信号来对压缩机64进行驱动控制。
燃料电池系统10的ECU 82构成为具有未图示的一个以上的处理器、存储器以及输入输出接口的计算机(包括微型控制器)。ECU 82在燃料电池系统10的一次运转中顺次控制起动、运转中发电、停止处理。另外，在起动时，ECU 82暂时不允许车辆11的行驶，实施待机发电。
ECU 82在运转中发电时，基于从对车辆11的行驶用电机Mt的驱动状态进行控制的电机ECU(未图示)来的发电要求指令等，设定燃料电池堆12的目标发电电流值。还有，ECU82设定与目标发电电流值相应的目标发电电压值，经由FCVCU 86来调整从燃料电池堆12至MOTPDU 88为止的电源线的电压。
而且，ECU 82基于与目标发电电流值相应的阳极气体的目标供给量、由阳极供给侧压力传感器76a检测的阳极压力来控制喷射器50的开闭等，将适量的阳极气体供给到燃料电池堆12。另外，ECU 82基于与目标发电电流值相应的阴极气体的目标供给量、由阴极供给侧压力传感器76b、阴极排出侧压力传感器76c检测的阴极压力来控制压缩机64、流量调整阀62a等，将适量的阴极气体供给到燃料电池堆12。由此，燃料电池堆12将与发电要求指令相应的发电电流输出到电力系统80。
另外，如图3所示，ECU 82在燃料电池系统10的起动中，使燃料电池堆12的电力充电于蓄电池Bt，并且基于所设定的上限电流值(目标发电电流值)以及电流上升比率来控制燃料电池堆12的发电。特别是，ECU 82在车辆11的周边环境为低温(例如冰点以下)时，准备多个上限电流值以及电流上升比率来进行控制，由此来获得发电稳定性并且缩短待机发电的实施期间。
详细来讲，ECU 82将低温运转时上限电流值Lo、待机时上限电流值Lw设定为用于在低温时对燃料电池堆12的发电电流进行限制的电流上限值。另外，ECU 82设定在待机发电时成为电流上升比率的切换定时的待机时切换电流值Lpw。
低温运转时上限电流值Lo是在待机发电后允许车辆11行驶时在燃料电池系统10进行运转中发电的情况下用于限制燃料电池堆12的发电电流的上限电流值。ECU 82在车辆11的行驶初期，根据发电要求指令控制燃料电池系统10的发电，使其不超过低温运转时上限电流值Lo。而且，优选为，低温运转时上限电流值Lo根据燃料电池堆12的温度、外部气温等的温度信息来进行变动。例如也可以是，ECU 82具有表示低温运转时上限电流值Lo与温度信息之间关系的未图示的运转中发电对应信息(或者函数)，根据所检测出的外部气温来获取适当的低温运转时上限电流值Lo。
另一方面，待机时上限电流值Lw是在实施待机发电时设定的，限制燃料电池堆12的待机发电的电流。待机时上限电流值Lw是低于低温运转时上限电流值Lo的值，例如，设定于低温运转时上限电流值Lo的30％～70％的范围内。ECU 82根据正在监视的蓄电池Bt的SOC来计算最大可充电量，基于该最大可充电量和待机发电的实施期间来计算能够对蓄电池Bt适当地进行充电的(抑制浪费电的)待机时上限电流值Lw。也可以是，在待机发电时，在使燃料电池堆12的发电电流上升而达到了该待机时上限电流值Lw的情况下，ECU 82进行使燃料电池堆12的发电电流逐渐减少的控制。
另外，待机时切换电流值Lpw是根据温度信息(例如，外部气温、制冷剂出口温度)进行变动的值，在冰点以下时设定为低于待机时上限电流值Lw。ECU 82具有表示待机时切换电流值Lpw与温度信息之间的关系的未图示的待机时对应信息(或者函数)，根据所检测出的温度信息来设定适当的待机时切换电流值Lpw。
另外，ECU 82设定使燃料电池堆12的发电电流根据时间经过而逐渐地(线性地)上升的两种电流上升比率(低温时效率化比率Rl、待机时稳定化比率Rw)(也参照图4)。在图3中，低温时效率化比率Rl以及待机时稳定化比率Rw表示为燃料电池堆12的发电电流的斜率。ECU 82在燃料电池堆12的待机发电时基于该电流上升比率来设定FCVCU 86的目标电流值、目标电压值，并且根据电流上升比率来使阳极气体以及阴极气体的供给量变化。
低温时效率化比率Rl是在实施低温起动时使燃料电池堆12的发电电流最高效率地上升的第一电流上升比率。也就是说，如果燃料电池堆12内的发电环境(水分量、温度等)适当，则ECU 82沿着低温时效率化比率Rl供给阳极气体以及阴极气体来使燃料电池堆12发电，由此能够在最短时间内得到高输出。燃料电池系统10在假设以比低温时效率化比率Rl陡的斜率来使燃料电池堆12的发电电流上升的情况下，燃料电池堆12的发电稳定性降低。
另一方面，待机时稳定化比率Rw是如下比率，取得待机发电时的反应气体与燃料电池堆12的水分量的平衡，由此稳定地得到发电单电池20的催化剂活性(电极的面内活性)并且使发电电流上升。因而，待机时稳定化比率Rw，与低温时效率化比率Rl相比，电流上升的比例(斜率)缓和。
这里，燃料电池系统10为了抑制发电单电池20的电极面冻结，在预测为停止处理时周边环境为低温的情况下，实施将燃料电池堆12内的水分排出的扫气处理。通过该扫气处理，与电极面的冻结相伴随的无法发电区域会减少，而且起动时燃料电池堆12内的水分会减少。由此，ECU 82在从起动经过某程度时间之后，进行使发电电流沿着待机时稳定化比率Rw增加的控制。由此，在燃料电池堆12内，抑制与发电电流的急剧增加相伴随的发电稳定性降低，另外伴随着发电而适当地得到水分。
具体来讲，ECU 82在实施待机发电时，先设定为低温时效率化比率Rl，在规定的定时(发电电流超过了待机时切换电流值Lpw的时间点)，切换为待机时稳定化比率Rw。而且，在以后的实施待机发电的期间中，沿着待机时稳定化比率Rw来控制燃料电池堆12的发电。
为了实施上述的动作，ECU 82通过由一个以上的处理器执行在存储器中存储的程序(未图示)，构建如图4所示那样的功能块。具体来讲，低温起动判定部100、蓄电池充电判定部101、低温时基准设定部102、起动控制部104以及运转中发电控制部106形成于ECU 82内。
低温起动判定部100判定燃料电池系统10的低温起动是实施还是未实施。在外部气温传感器78a的温度信息低于规定的温度阈值(例如，0℃)的情况下，低温起动判定部100判定为实施低温起动，在温度阈值以上的情况下，低温起动判定部100判定为未实施低温起动。而且，低温起动的判定方法没有特别限定，也可以基于其它温度传感器78(例如，制冷剂出口温度传感器78b)的温度信息进行判定。或者，也可以是，在前一次的停止时实施了扫气处理的情况下，低温起动判定部100判定为实施低温起动，在未实施扫气处理的情况下，低温起动判定部100判定为未实施低温起动。
蓄电池充电判定部101在燃料电池系统10的起动时，基于蓄电池Bt的SOC来判定是否将待机发电的发电电力充电到蓄电池Bt。而且，ECU 82在进行向蓄电池Bt充电的情况下，进行使发电电流沿着低温时效率化比率Rl、待机时稳定化比率Rw上升的控制。这是因为，在不对蓄电池Bt进行充电的情况下，当待机发电的发电电流提高时，阳极气体白费地消耗。
低温时基准设定部102基于由低温起动判定部100进行的对低温起动的实施的判定，来设置规定低温时的发电电流的上限的低温运转时上限电流值Lo以及规定发电电流的上升程度的低温时效率化比率Rl。即，ECU 82在低温时首先设定基本的电流上限值以及电流上升比率。
起动控制部104基于车辆11的起动指令，控制阳极系装置14、阴极系装置16以及冷却装置18的各结构的动作，来控制燃料电池堆12的待机发电。在该起动控制部104内，构建待机发电电流设定部108、电流判定部110、要求电流控制部112、待机发电时间判定部114以及计数部116。
待机发电电流设定部108设置在实施低温起动时的待机发电时设定的待机时上限电流值Lw、待机时切换电流值Lpw以及待机时稳定化比率Rw。待机发电电流设定部108首先基于蓄电池Bt的SOC来设定待机时上限电流值Lw，之后基于外部气温传感器78a的温度来设定待机时切换电流值Lpw。另外，待机发电电流设定部108在待机发电的开始初期时基于低温时效率化比率Rl来使燃料电池堆12实施发电。而且，待机发电电流设定部108在发电电流成为待机时切换电流值Lpw以上的情况下，从低温时效率化比率Rl切换为待机时稳定化比率Rw。
电流判定部110基于测定燃料电池堆12的输出电流的电流表118的检测电流值来监视发电电流。例如，在待机发电的开始初期时，电流判定部110将检测电流值与待机时切换电流值Lpw进行比较。另外，例如，电流判定部110在切换为待机时稳定化比率Rw之后，将检测电流值与待机时上限电流值Lw进行比较，在检测电流值超过了待机时上限电流值Lw的情况下，将该信息发送到要求电流控制部112。
要求电流控制部112基于由低温时基准设定部102、待机发电电流设定部108设定的电流上限值以及电流上升比率，对阳极系装置14、阴极系装置16、冷却装置18、电力系统80进行控制。可以是，要求电流控制部112在控制时反馈适当的检测部(压力传感器76、温度传感器78、电流表118等)的检测信息，由此调整反应气体的供给量、燃料电池堆12的输出以及制冷剂的循环速度。
另外，待机发电时间判定部114设定待机发电的实施期间，将该实施期间与计数时间进行比较，来判定待机发电是继续还是结束。该实施期间构成为根据适当的温度信息进行变动。例如，待机发电时间判定部114预先具有表示温度信息与实施期间的关系的未图示的实施期间对应信息，基于起动时的温度传感器78(例如，外部气温传感器78a)的温度信息来提取适当的实施期间。作为一例，在外部气温为-10℃的情况下，将实施期间设置为20秒，另外在外部气温为0℃的情况下，将实施期间设置为0秒。另外，计数部116对从待机发电的开始(起动指令)起的时间进行计量，向待机发电时间判定部114提供计数时间。
ECU 82的运转中发电控制部106在待机发电的结束后(允许行驶后)，控制燃料电池系统10的发电(运转中发电)的动作。例如，运转中发电控制部106在运转中发电的初期时，使燃料电池堆12的发电电流沿着低温时效率化比率Rl上升，另外进行控制以在低温运转时上限电流值Lo附近使发电电流成为固定(设为低温运转时上限电流值Lo以下)。
可以是，运转中发电控制部106在允许行驶后持续监视蓄电池Bt的SOC，在蓄电池Bt的充电容量有余裕的情况下并且在基于发电要求指令的目标发电电流值小的情况下继续充电。由此，进一步可靠地确保车辆11的行驶(加速等高负荷时)使用的电力。
本实施方式涉及的燃料电池车辆11(车辆11)基本上如以上那样构成，以下说明其动作(起动方法)。
车辆11基于在停止状态中用户的起动操作(点火装置、启动开关的开操作、来自用户的起动通信等)来向燃料电池系统10的ECU 82输出起动指令。ECU 82伴随着起动而构建图4所示的功能块，在适当的功能部的动作下执行图5所示的处理流程(起动方法)。
ECU 82首先由低温起动判定部100判定低温起动是实施还是未实施(步骤S10)。而且，在低温起动判定部100判定为未实施低温起动的情况下(步骤S10：“否”)，进到步骤S11，在步骤S11中实施通常的起动控制。另一方面，在低温起动判定部100判定为实施低温起动的情况下(步骤S10：“是”)，进到步骤S12。
在步骤S12中，ECU 82获取蓄电池Bt的SOC(或者基于蓄电池Bt是否有充电要求)，来判定能否将待机发电的电力充电于蓄电池Bt。而且，在不能充电(没有充电要求)的情况下(步骤S12：“否”)，进到步骤S11，另一方面，在能够充电的情况下(步骤S12：“是”)，进到步骤S13。
在步骤S13中，ECU 82由低温时基准设定部102设定低温运转时上限电流值Lo以及低温时效率化比率Rl。还有，ECU 82由待机发电电流设定部108设定待机时上限电流值Lw、待机时切换电流值Lpw(步骤S14)。
之后，要求电流控制部112基于低温时效率化比率Rl控制燃料电池系统10来进行待机发电(步骤S15)。这时，关于ECU 82，在电力系统80的FC接触器84、BAT接触器90内为连接状态，由此使燃料电池堆12的电力充电于蓄电池Bt。也可以是，ECU 82使燃料电池堆12的电力的一部分供给到其它辅助设备(压缩机64等)。
还有，在待机发电时，电流判定部110将电流表118的电流检测值与待机时切换电流值Lpw进行比较，判定电流检测值是否超过待机时切换电流值Lpw(步骤S16)。在电流检测值为待机时切换电流值Lpw以下的情况下(步骤S16：“否”)，返回步骤S15，继续待机发电。另一方面，在电流检测值超过了待机时切换电流值Lpw的情况下(步骤S16：“是”)，进到步骤S17。
在步骤S17中，待机发电电流设定部108对于电流上升比率，从低温时效率化比率Rl改成设定(切换)为待机时稳定化比率Rw。
而且，要求电流控制部112基于待机时稳定化比率Rw控制燃料电池系统10来继续待机发电(步骤S18)。
还有，ECU 82由待机发电时间判定部114将基于起动时的温度而设定的待机发电的实施期间与计数部116的计数时间进行比较，判定计数时间是否达到实施期间(步骤S19)。在计数时间没有达到实施期间的情况下(步骤S19：“否”)，返回步骤S18，继续待机发电。另一方面，在计数时间达到实施期间的情况下(步骤S19：“是”)，进度步骤S20。
在步骤S20中，ECU 82由待机发电电流设定部108解除待机时上限电流值Lw以及待机时稳定化比率Rw，结束待机发电，转移到运转中发电。即，车辆11从不允许行驶转为允许行驶状态，由燃料电池系统10实施运转中发电来进行行驶。
在运转中发电时，ECU 82的运转中发电控制部106进行基于低温运转时上限电流值Lo以及低温时效率化比率Rl对燃料电池系统10的控制。而且，例如在车辆11进行大的加速时，用低温运转时上限电流值Lo抑制燃料电池堆12的发电电流，并且用蓄电池Bt的充电电力来将不足部分补足。因而，能够舒适地进行车辆11的加速。
然后，参照图6的时序图说明基于上述的起动方法的发电电流的变化以及燃料电池系统10的各结构的动作。
车辆11在时间点t0，向燃料电池系统10发送起动指令。由此，ECU 82控制燃料电池系统10的动作，开始待机发电。在该待机发电的开始时，ECU82将低温时效率化比率Rl设定为电流上升比率(图6中，将电流上升比率的状态管理设置为“1”)。在设置为该低温时效率化比率Rl的状态下，压缩机64在ECU 82的控制下，使阴极气体的供给量伴随着时间经过而上升。另外，制冷剂泵74在ECU 82的控制下，将旋转速度提高至与低温时效率化比率Rl相应的流速为止，使制冷剂循环。
由此，燃料电池堆12的发电电流沿着低温时效率化比率Rl上升，该发电电流充电于蓄电池Bt。通过该开始初期的发电，燃料电池堆12的温度缓和地上升，燃料电池堆12内的水分量也逐渐地上升。而且，如上所述，ECU 82至燃料电池堆12的发电电流(电流表118的检测电流值)达到待机时切换电流值Lpw为止，继续该发电状态。
在发电电流超过了待机时切换电流值Lpw的时间点t1，ECU 82将待机时稳定化比率Rw设定为电流上升比率(图6中，将电流上升比率的状态管理设置为“2”)。压缩机64在ECU82的控制下，使阴极气体的供给量沿着该待机时稳定化比率Rw，以比时间点t0～t1的阴极气体的供给量的上升率低的上升率上升。同样地，制冷剂泵74在ECU 82的控制下，沿着待机时稳定化比率Rw来逐渐地提高流速(旋转速度)。
由此，燃料电池堆12的发电电流沿着待机时稳定化比率Rw上升，该发电电流充电于蓄电池Bt。在该时间点t1以后的发电中，燃料电池堆12被暖气促进温度上升，另外内部的水分量也逐渐地上升。
这里，说明在待机发电时没有对蓄电池Bt实施充电的比较例的控制。比较例的控制由于没有对蓄电池Bt进行充电，在待机发电时如图6中的双点划线所示那样不会提高燃料电池堆12的发电，而继续输出低的发电电流。这是因为，会消耗与燃料电池堆12的发电相当量的阳极气体，与燃料消耗的恶化相关。因此，比较例的控制中燃料电池堆12的温度虽然上升，但与本实施方式的控制(对蓄电池Bt充电的控制)引起的燃料电池堆12的温度上升相比，会缓和些。另外，在比较例的控制中燃料电池堆12内的水分量虽然上升，但与本实施方式的控制引起的水分量的上升相比，会缓和些。因而，比较例的控制中，在时间点t1以后进行待机发电的实施期间会大幅度延长。而且，虽然在图6中示出即使比较例的控制也在本实施方式的成为允许行驶的时间点t3设为允许行驶的例子，但实际的控制上是进行至燃料电池堆12能够稳定地发电的温度为止继续待机发电而不允许行驶的控制。
另一方面，本实施方式的控制中，燃料电池堆12的发电电流稳定地增加，由此燃料电池堆12的温度以及内部的水分量的上升迅速，待机发电的实施期间缩短。还有，通过向待机发电的蓄电池Bt充电，阳极气体的消耗不会白费。
另外，在发电电流成为待机时上限电流值Lw以上的时间点t2以后，ECU 82进行减少发电电流的处理。待机时上限电流值Lw是基于蓄电池Bt的SOC而设定的，因此在发电电流成为待机时上限电流值Lw以上的情况下，可以说是蓄电池Bt的SOC充分增高了的状态，另外从时间点t2至待机发电结束的时间点t3为止的期间是短的。因此，时间点t2以后减少燃料电池堆12的发电电流，由此优先抑制阳极气体的消耗。即使进行抑制燃料电池堆12的发电量的控制，也能够使燃料电池堆12的温度以及内部的水分量上升。
而且，车辆11在待机发电的实施期间结束的时间点t3允许车辆11的行驶。这时，ECU 82从待机时稳定化比率Rw再次改成设定为低温时效率化比率Rl来作为电流上升比率(图6中，将电流上升比率的状态管理设置为“1”)。因此，在时间点t3以后，压缩机64沿着该低温时效率化比率Rl使阴极气体的供给量上升，另外调整供给量以在低温运转时上限电流值Lo附近使运转中发电成为固定。同样地，制冷剂泵74沿着低温时效率化比率Rl来使流速(旋转速度)上升，另外调整流速以在低温运转时上限电流值Lo附近使运转中发电成为固定。
燃料电池堆12在待机发电时内部的水分量达到目标含水量Wt，因此在运转中发电时能够稳定地进行发电，另外发电电流上升的期间也缩短。与之相对，在比较例的控制中，在允许行驶以后，燃料电池堆12的水分量也减少，因此氢离子的移动效率降低。而且，在燃料电池堆12的温度低的情况下，电极的面内活性仍然不充分。因此，在比较例的控制中，运转中发电不稳定，例如，发电电流会混乱地升高降低。
而且，本发明不限定于上述的实施方式，能够遵循发明的主旨进行各种改变。使用低温时效率化比率Rl以及待机时稳定化比率Rw的本实施方式的控制不仅在低温起动中实施，也在其它状态下实施。例如，车辆11也可以在燃料电池堆12内为干燥状态的情况下进行同样的控制(起动方法)来起动燃料电池系统10。
另外也可以是，ECU 82根据需要来对于低温运转时上限电流值Lo、待机时上限电流值Lw、待机时切换电流值Lpw等进行设定即可。例如也可以是，在蓄电池Bt的SOC低的情况下，不设定待机时上限电流值Lw而使发电电流继续沿着待机时稳定化比率Rw上升。另外，例如，如果温度为冰点附近则在运转中发电时燃料电池堆12的温度难以降低，因此也可以不设定低温运转时上限电流值Lo而提高发电电流。
以下记载了根据上述的实施方式能够掌握的技术的思想和效果。
本发明的第一方式为燃料电池车辆，其搭载具有燃料电池堆12以及用燃料电池堆12发电产生的电力进行充电的蓄电池Bt的燃料电池系统10，使用燃料电池堆12以及蓄电池Bt的电力进行行驶，在燃料电池车辆11中，该燃料电池车辆11具有控制部(ECU 82)，该控制部在周边环境为低温时，在紧挨行驶之前控制燃料电池系统10的动作，从起动至允许行驶为止进行待机发电，并且在允许行驶之后进行运转中发电，控制部在运转中发电时，使燃料电池堆12的发电电流沿着第一电流上升比率(低温时效率化比率Rl)上升，在待机发电时，将燃料电池堆12发电产生的电力充电于蓄电池Bt，并且当燃料电池堆12的发电电流超过基于温度信息而设定的待机时切换电流值Lpw时，切换为与第一电流上升比率相比上升率低的第二电流上升比率(待机时稳定化比率Rw)，使燃料电池堆12的发电电流沿着该第二电流上升比率上升。
上述的燃料电池车辆11在待机发电时，沿着与第一电流上升比率(低温时效率化比率Rl)相比上升率低的第二电流上升比率(待机时稳定化比率Rw)来控制燃料电池堆12的发电。由此，获得发电稳定性，并且能够将发电电流充电于蓄电池Bt。即，用沿着第二电流上升比率的反应气体的供给量，取得燃料电池堆12内的水分量的平衡并且使发电电流稳定地上升，能够在短时间内消除与该发电引起的升温相伴随电极面的面内活性不稳定的温度区域。结果是，燃料电池车辆11能够大幅度缩短待机发电的实施期间。另外，燃料电池车辆11在待机发电时对蓄电池Bt的充电量增加，因而在允许行驶后也能够减少燃料电池堆12的输出电力，能够良好地维持发电稳定性。
控制部(ECU 82)在燃料电池系统10的起动时判定在周边环境为低温的状态下进行的低温起动是实施还是者未实施，与对低温起动的实施的判定相伴随进行沿着第一电流上升比率(低温时效率化比率Rl)以及第二电流上升比率(待机时稳定化比率Rw)的控制。燃料电池车辆11在电极面的面内活性低的低温起动中，进行沿着第一以及第二电流上升比率的控制，因此能够使低温的状态的燃料电池堆12更顺畅地升温。
另外，控制部(ECU 82)在燃料电池系统10的起动时获取蓄电池Bt的充电状态，基于充电状态来判定是否进行沿着第一电流上升比率(低温时效率化比率Rl)以及第二电流上升比率(待机时稳定化比率Rw)的控制。由此，燃料电池车辆11能够将燃料电池堆12的待机发电的电力可靠地充电于蓄电池Bt，能够进一步抑制燃料消耗的恶化。
另外，控制部(ECU 82)在从紧接开始待机发电之后至燃料电池堆12的发电电流超过待机时切换电流值Lpw为止之间，使燃料电池堆12的发电电流沿着第一电流上升比率(低温时效率化比率Rl)上升。由此，燃料电池车辆11在紧接开始待机发电之后，使燃料电池堆12的发电电流在即使短时间内上升也没有问题的期间沿着第一电流上升比率，由此来实现缩短时间，之后使燃料电池堆12的发电电流沿着第二电流上升比率，由此能够获得发电稳定性。
另外，控制部(ECU 82)具有表示温度信息与待机时切换电流值Lpw之间的关系的待机时对应信息，在燃料电池系统10的起动时参照待机时对应信息，基于所获取到的温度信息来设定待机时切换电流值Lpw。由此，能够用基于温度信息的待机时切换电流值Lpw来适当地设定从第一电流上升比率(低温时效率化比率Rl)切换为第二电流上升比率(待机时稳定化比率Rw)的定时。
另外，控制部(ECU 82)基于蓄电池Bt的充电状态来设定待机发电时的燃料电池堆12的发电电流的上限、即待机时上限电流值Lw，以使燃料电池堆12的发电电流成为待机时上限电流值Lw以下的方式进行控制。燃料电池车辆11以成为根据蓄电池Bt的充电状态而设定的待机时上限电流值Lw以下的方式进行待机发电，因此能够将电力可靠地充电于蓄电池Bt。
另外，控制部(ECU 82)实施使燃料电池堆12的发电电流沿着第二电流上升比率(待机时稳定化比率Rw)上升的控制，至该发电电流超过待机时上限电流值Lw为止。由此，燃料电池车辆11能够使待机发电更稳定地继续来使燃料电池堆12升温。
另外，控制部(ECU 82)设定运转中发电的发电电流的上限、即运转时上限电流值(低温运转时上限电流值Lo)，将燃料电池堆12的发电电流抑制成运转时上限电流值以下。燃料电池车辆11在运转中发电时，发电电流越大则燃料电池堆12内的生成水(水分量)越增加因此发电越不稳定，但是设定运转时上限电流值来抑制燃料电池堆12的发电电流，由此能够良好地确保发电稳定性。
另外，控制部(ECU 82)在燃料电池系统10的起动时，基于所获取到的温度信息来设定待机发电的实施期间，当计数时间经过待机发电的实施期间时，转移到运转中发电。燃料电池车辆11仅在基于温度信息的实施期间实施待机发电，由此能够避免待机发电延长来提高用户的使用性。另外，将待机发电的电力充电于蓄电池Bt，因此即使待机发电结束也能够良好地补足运转中发电时的电力不足。
另外，本发明的第二方式为燃料电池车辆的起动方法，所述燃料电池车辆搭载具有燃料电池堆12以及用燃料电池堆12发电产生的电力进行充电的蓄电池Bt的燃料电池系统10，使用燃料电池堆12以及蓄电池Bt的电力进行行驶，在燃料电池车辆11的起动方法中，该燃料电池车辆11构成为在周边环境为低温时，在紧挨行驶之前由控制部(ECU 82)控制燃料电池系统10的动作，从起动至允许行驶为止进行待机发电，并且在允许行驶之后进行运转中发电，在起动方法中，在运转中发电时，使燃料电池堆12的发电电流沿着第一电流上升比率(低温时效率化比率Rl)上升，在待机发电时，将燃料电池堆12发电产生的电力充电于蓄电池Bt，并且当燃料电池堆12的发电电流超过基于温度信息而设定的待机时切换电流值Lpw时，切换为与第一电流上升比率相比上升率低的第二电流上升比率(待机时稳定化比率Rw)，使燃料电池堆12的发电电流沿着该第二电流上升比率上升。由此，燃料电池车辆11的起动方法中，以简单的结构获得燃料电池系统10的发电稳定性，并且能够进一步缩短起动时的待机期间。

Claims (10)

1.一种燃料电池车辆，其搭载具有燃料电池堆(12)以及用所述燃料电池堆发电产生的电力进行充电的蓄电池(Bt)的燃料电池系统(10)，使用所述燃料电池堆以及所述蓄电池的电力进行行驶，在燃料电池车辆(11)中，
该燃料电池车辆具有控制部(82)，该控制部在周边环境为低温时，在紧挨行驶之前控制所述燃料电池系统的动作，从起动至允许行驶为止进行待机发电，并且在允许行驶之后进行运转中发电，
所述控制部
在所述运转中发电时，使所述燃料电池堆的发电电流沿着第一电流上升比率(Rl)上升，所述第一电流上升比率是在周边环境为低温的状态下进行的低温起动实施时使所述燃料电池堆的发电电流上升的比率，
在所述待机发电时，将所述燃料电池堆发电产生的电力充电于所述蓄电池，并且当所述燃料电池堆的发电电流超过基于温度信息而设定的待机时切换电流值(Lpw)时，切换为第二电流上升比率(Rw)，使所述燃料电池堆的发电电流沿着该第二电流上升比率上升，所述第二电流上升比率是与所述第一电流上升比率相比上升率低的比率。
2.根据权利要求1所述燃料电池车辆，其特征在于，
所述控制部在所述燃料电池系统的起动时，判定所述低温起动是实施还是未实施，与所述低温起动的实施的判定相伴随进行沿着所述第一电流上升比率以及所述第二电流上升比率的控制。
3.根据权利要求1所述燃料电池车辆，其特征在于，
所述控制部在所述燃料电池系统的起动时获取所述蓄电池的充电状态，基于所述充电状态判定是否进行沿着所述第一电流上升比率以及所述第二电流上升比率的控制。
4.根据权利要求1所述燃料电池车辆，其特征在于，
所述控制部在紧接所述待机发电的开始之后至所述燃料电池堆的发电电流超过所述待机时切换电流值为止之间，使所述燃料电池堆的发电电流沿着所述第一电流上升比率上升。
5.根据权利要求1所述燃料电池车辆，其特征在于，
所述控制部具有表示所述温度信息与所述待机时切换电流值之间关系的待机时对应信息，在所述燃料电池系统的起动时参照所述待机时对应信息，基于所获取到的所述温度信息来设定所述待机时切换电流值。
6.根据权利要求1～5中的任一项所述的燃料电池车辆，其特征在于，
所述控制部基于所述蓄电池的充电状态设定所述待机发电时的所述燃料电池堆的发电电流的上限、即待机时上限电流值(Lw)，以使所述燃料电池堆的发电电流成为所述待机时上限电流值以下的方式进行控制。
7.根据权利要求6所述燃料电池车辆，其特征在于，
所述控制部实施使所述燃料电池堆的发电电流沿着所述第二电流上升比率上升的控制，至该发电电流超过所述待机时上限电流值为止。
8.根据权利要求1所述燃料电池车辆，其特征在于，
所述控制部设定所述运转中发电的发电电流的上限、即运转时上限电流值(Lo)，将所述燃料电池堆的发电电流抑制成所述运转时上限电流值以下。
9.根据权利要求1所述燃料电池车辆，其特征在于，
所述控制部在所述燃料电池系统的起动时基于所获取到的所述温度信息来设定所述待机发电的实施期间，当计数时间经过所述待机发电的实施期间时转移到所述运转中发电。
10.一种燃料电池车辆的起动方法，所述燃料电池车辆搭载具有燃料电池堆(12)以及用所述燃料电池堆发电产生的电力进行充电的蓄电池(Bt)的燃料电池系统(10)，使用所述燃料电池堆以及所述蓄电池的电力进行行驶，在燃料电池车辆(11)的起动方法中，
该燃料电池车辆构成为，在周边环境为低温时，在紧挨行驶之前由控制部(82)控制所述燃料电池系统的动作，从起动至允许行驶为止进行待机发电，并且在允许行驶之后进行运转中发电，
在所述起动方法中，
在所述运转中发电时，使所述燃料电池堆的发电电流沿着第一电流上升比率(Rl)上升，所述第一电流上升比率是在周边环境为低温的状态下进行的低温起动实施时使所述燃料电池堆的发电电流上升的比率，
在所述待机发电时，将所述燃料电池堆发电产生的电力充电于所述蓄电池，并且当所述燃料电池堆的发电电流超过基于温度信息而设定的待机时切换电流值(Lpw)时，切换为第二电流上升比率(Rw)，使所述燃料电池堆的发电电流沿着该第二电流上升比率上升，所述第二电流上升比率是与所述第一电流上升比率相比上升率低的比率。
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