燃料电池系统和燃料电池系统的启动方法 【技术领域】
本发明涉及一种燃料电池系统和燃料电池系统的启动方法，特别是，在启动时向负荷提供电力的燃料电池系统和燃料电池系统的启动方法。
背景技术
由于对环境的影响小，例如，在车辆上搭载燃料电池。燃料电池，能够通过做成组合了多个单电池的燃料电池堆而提供所希望的电压和电流。燃料电池，例如，向燃料电池堆的阳极侧提供氢等燃料气体，向阴极侧提供空气等含氧的氧化气体，在合适的温度下能够通过经由电解质膜的电化学反应而提供所需要的电力。
因此，为了运转燃料电池系统需要提供燃料气体的泵、提供氧化气体的空气压缩机(ACP)、用于控制燃料电池堆的温度的冷却水循环泵等燃料电池用的辅助设备、以及检测构成燃料电池堆的各单电池的电压和温度等的电池监视器等传感器。为了运转燃料电池系统还需要向这些辅助设备等提供电力，并且还需要考虑其时机。
例如，日本特开2005-332702号公报公开了一种燃料电池诊断装置，从接通IG起进行燃料电池的电阻测定，然后建立READY，向电动机提供电力。另外，日本国际公开第03/096001号公报公开了从接通IG起进行气体传感器的加热器的通电启动，然后提供燃料气体而发电。
日本特开2004-178998号公报公开了以下内容，作为燃料电池车辆的控制装置，在接通与点火开关对应的启动开关时，闭合(ON)电容开关，测定燃料电池的温度和电池电压，如果其测定结果低，则从燃料电池将电力提供给辅助设备而进行暖机，然后闭合(ON)主开关，向电动机提供电力。
在启动燃料电池系统时，需要向燃料电池用的辅助设备等负荷提供电力，而该电力是从燃料电池之外的电源，即，从低电压蓄电池等蓄电装置所提供的。因此，如果二次电池等蓄电装置的容量小，或者充电状态不充分时等，则不能在启动燃料电池系统时向负荷充分提供电力，或者，该阶段蓄电装置的充电状态大幅度降低。
同样，例如，在通过叫做输电网的输电线提供待机期间的电力的固定式燃料电池系统中也期待抑制待机电力。
因此，需要考虑在启动燃料电池系统时抑制向负荷提供的电力。日本特开2005-332702号和日本国际公开第03/096001号公报虽然记载了在启动前进行电阻测定和向气体传感器用的加热器通电，但是没有提到在启动时限制从蓄电装置提供电力。日本特开2004-178998号公报虽然提到了限制电力或者抑制消耗电力，但都是涉及燃料电池本身的电力，而不是涉及限制从蓄电装置提供电力等。
这样，在现有技术中，并没有考虑到在启动燃料电池系统时限制向负荷提供电力，例如考虑蓄电装置的使用状态。
本发明的目的在于提供一种燃料电池系统和燃料电池系统的启动方法，在启动燃料电池系统时能够抑制蓄电装置的消耗电力。本发明的另一个目的在于提供一种燃料电池系统和燃料电池系统的启动方法，在启动燃料电池系统时能够抑制向负荷提供电力。下面的装置贡献于这些目的至少之一。
【发明内容】
本发明涉及的燃料电池系统，其特征在于，包括：操作器，指示第2控制状态的开始，所述第2控制状态是第1控制状态的待机状态并在被指示转移到所述第1控制状态时转移到所述第1控制状态；以及消耗电力降低装置，在所述第2控制状态中，通过输入用于降低负荷的电力消耗的降低指示来降低待机时负荷中的电力消耗。
另外，优选当燃料电池系统的状态达到预定条件时输入所述降低指示。
另外，本发明涉及的燃料电池系统，其特征在于，包括：第1操作器，指示作为第1控制状态的控制系统的启动；第2操作器，指示转移到作为第2控制状态的利用燃料电池的可行驶状态；以及消耗电力抑制装置，从所述第1操作器接通起至所述第2操作器接通为止的待机期间，从所述第1操作器接通后经过了任意设定的待机期间开始，到所述第2操作器接通为止，停止从蓄电装置向所述燃料电池用的辅助设备提供电力。
另外，优选所述消耗电力抑制装置停止从所述蓄电装置向所述燃料电池用的流体泵提供电力。
另外，优选所述消耗电力抑制装置还停止从所述蓄电装置向监视所述燃料电池状态的电池监视器提供电力。
另外，本发明涉及的燃料电池系统，其特征在于，包括：第1操作器，作为燃料电池的启动指示，发出通过输电线向所述燃料电池用地辅助设备提供电力的指示；第2操作器，指示所述燃料电池转移到发电状态；以及消耗电力抑制装置，从所述第1操作器接通起至所述第2操作器接通为止的待机期间，从所述第1操作器接通后经过了任意设定的待机期间开始，到所述第2操作器接通为止，停止从所述输电线提供电力。
另外，本发明涉及的燃料电池系统的启动方法，其特征在于，包括以下步骤：通过第1操作器接通而使控制器启动；判断用于指示转移到利用燃料电池的可行驶状态的第2操作器是否接通；当判断为所述第2操作器还没接通时，判断在所述第1操作器接通后是否经过了任意设定的待机期间；以及当判断为经过了所述待机期间时，此后一直到所述第2操作器接通为止，停止从所述蓄电装置向所述燃料电池用的辅助设备提供电力。
根据上述结构的至少之一，燃料电池系统，包括：操作器，指示第2控制状态的开始，所述第2控制状态是在被指示转移到第1控制状态时转移到第1控制状态，在第2控制状态中，通过输入用于降低负荷的电力消耗的降低指示来降低待机时负荷中的电力消耗。由此，在启动燃料电池系统时能够抑制对于负荷的电力消耗。
根据上述结构的至少之一，燃料电池系统包括：第1操作器，指示控制系统的启动；以及第2操作器，指示转移到利用燃料电池的可行驶状态；从第1操作器接通起至第2操作器接通为止的待机期间内，从所述第1操作器接通后经过了任意设定的待机期间开始，到第2操作器接通为止，停止从蓄电装置向燃料电池用的辅助设备提供电力。由此，在启动燃料电池系统时能够抑制到接通第2操作器时的浪费的蓄电装置的消耗电力。
另外，作为消耗电力抑制装置，停止从蓄电装置向燃料电池用的流体泵提供电力。并且，优选停止从蓄电装置向监视燃料电池状态的电池监视器提供电力。因为第2操作器接通之前不会被指示转移到利用燃料电池的可行驶状态，所以根据上述的结构能够抑制浪费的蓄电装置的消耗电力。
另外，根据上述结构的至少之一，燃料电池系统包括：第1操作器，作为燃料电池的启动指示，发出通过输电线向所述燃料电池用的辅助设备提供电力的指示；以及第2操作器，指示燃料电池转移到发电状态；在第1操作器接通起至第2操作器接通为止的待机期间内，从第1操作器接通后经过了任意设定的待机期间开始，到第2操作器接通为止，停止从输电线向燃料电池用的辅助设备提供电力。因此，在启动燃料电池系统时能够抑制接通第2操作器之前的向辅助设备的浪费的电力消耗。
【附图说明】
图1是本发明的实施方式的燃料电池系统的结构图。
图2是本发明的实施方式的燃料电池系统中关于14V蓄电池的详细框图。
图3是表示在本发明的实施方式中启动燃料电池系统时用于抑制消耗电力的流程图。
图4是表示在本发明的实施方式中燃料电池系统的各开关的接通/断开时序的时序图。
【具体实施方式】
下面利用附图详细说明本发明的实施方式。下面，作为燃料电池系统的结构，在燃料电池堆和二次电池组之间设置了双向电压转换器，但是除此之外，也可以采用下面的结构，在燃料电池堆和二次电池组之间设置具有电力分配功能的要素，从该电力分配器向负荷提供电力。另外，下面，除此之外，作为燃料电池系统的构成要素还包括14VDC/DC转换器、14V蓄电池、系统主继电器等，但是也可以省略这些要素。或者，也可以附加这些之外的要素。
另外，下面，作为向燃料电池用的辅助设备等负荷提供的电源采用14V蓄电池，但是只要是燃料电池之外的电源，则可以采用其他的电源。例如，可以采用14V之外的低电压蓄电池，或者，根据情况也可以采用高电压二次电池。此外，也可以采用电容器等电力蓄积装置而不是蓄电池。二次电池或者蓄电装置是泛指蓄电池和电容器等能够充放电的电力蓄积装置，作为向燃料电池用的辅助设备等提供的电源，只要是所述广义的蓄电装置即可。
另外，对于燃料电池，作为车辆搭载用的燃料电池进行说明，但也可以是固定式的燃料电池。在这种情况下，作为向负荷提供电力的装置，除了燃料电池之外，也可以通过叫做输电网的输电线从外部提供电力。
图1是燃料电池系统10的结构图。燃料电池系统10包括高电压二次电池12、系统主继电器14、14V DC/DC转换器16、高电压二次电池侧平滑电容器18、电压转换器20、燃料电池侧平滑电容器22、以及燃料电池堆24。其中，14V DC/DC转换器16的输出连接到14V蓄电池26。关于14V蓄电池26的框30的内容，后面利用图2详细说明。另外，在此虽然不是燃料电池系统10的构成要素，但是在燃料电池侧的正极母线和负极母线之间连接有M/G逆变器8，车辆用电动机/发电机(M/G)6连接到M/G逆变器8。
高电压二次电池12是组合多组锂离子单电池或者组合多组镍氢单电池，200V～400V左右，例如约288V的高电压蓄电池。
系统主继电器14是用于在高电压二次电池12侧进行高电压电力线的接通/断开(ON/OFF)的继电器。考虑到隔断高电压电力时的继电器溶着，在正极母线侧和负极母线侧分别设置一个继电器。另外，在任一侧的母线上设置了连接限流电阻的另一个继电器。这种带有限流电阻的继电器具有使其接通而逐渐充电的功能等。
14V DC/DC转换器16是具有以下功能的电压转换器，将高电压电力调整为14V的低电压而提供给作为低电压电源的14V蓄电池26。采用双向动作时，在紧急情况下等，可以将从14V蓄电池26的电力返回到高电压侧。
高电压二次电池侧平滑电容器18是大容量电容器，具有吸收高电压二次电池12侧的正极母线和负极母线之间的电压等变动，作为直流电力而抑制脉动的功能。
电压转换器20是高电压用双向电压转换器，具有在高电压二次电池侧的高电压电力和燃料电池堆24侧的高电压电力之间进行电压转换以进行交换电力的功能。
燃料电池侧平滑电容器22是大容量电容器，具有吸收燃料电池侧的正极母线和负极母线之间的电压等的变动，作为直流电力而抑制脉动的功能。
燃料电池堆24是一种组电池，组合多个叫做燃料电池单元的单电池，能够提供200V～400V左右的高电压，例如约288V的发电电力。其中，各燃料电池单元具有以下功能，向阳极侧提供作为燃料气体的氢，向阴极侧提供作为氧化气体的空气，通过经由作为固体高分子膜的电解质膜的电池化学反应而取出所需要的电力。为了使所述燃料电池堆24动作，需要后述的燃料电池用的辅助设备等负荷的动作等。
另外，从未图示的氢贮藏装置向燃料电池堆24提供氢。作为氢贮藏装置，可以采用氢罐或氢贮藏合金等。
这样，由高电压二次电池12和燃料电池堆24构成的电源的直流电力可以通过M/G逆变器8转换成三相电力，驱动车辆用电动机/发电机(M/G)6。另外，在制动车辆时，通过M/G逆变器8将车辆用电动机/发电机(M/G)6的再生电力转换成直流电力，可以使其充电于高电压二次电池12中。
图2是本发明实施方式的燃料电池系统10中，关于14V蓄电池26的详细框图30。其中，14V蓄电池26是由铅蓄电池等构成的低电压二次电池，即蓄电装置。另外，下面利用图1中的附图符号说明。
如图2所示，由14V蓄电池26提供电力的大致分为三个组。即，配件等40、控制器等42以及FC用的辅助设备等44。其中，FC是FuelCell的略称，是指燃料电池。其中，FC用的辅助设备等44配置在燃料电池侧平滑电容器22和燃料电池堆24之间，并连接在正极母线和负极母线之间，因此接受从14V蓄电池26提供的电力和从燃料电池堆24侧提供的高电压的电力。另外，对应于上述三个组的大致划分，在14V蓄电池26和这各组之间设置了IG开关32、配件开关34、启动开关36以及FC逆变器等开关38。
配件等40是搭载在车辆上的点火器、音响、导航装置等多个要素的组。在14V蓄电池26和配件等40之间设置有配件开关34。关于配件开关34，在车室内设置其操作部，当由驾驶员等操作其操作部而接通配件开关34时，向配件等40提供电力，从而可以使用点火器等。
控制器等42是可以分为传感器/空调机等46和控制器48的组。传感器用于检测燃料电池系统10中各要素的状态，例如，包括用于构成燃料电池堆24的各单电池的电压检测传感器、温度检测传感器、用于向燃料电池堆24提供燃料气体的流量计、用于氧化气体的流量计以及用于冷却水的水温计等。空调机等包括用于车室内的空调的风扇、加热器以及冷媒循环泵等。
控制器48具有整体控制燃料电池系统10的各要素的动作的功能，特别是，进行燃料电池系统10的启动控制的功能。该控制器48可以由车载用计算机构成。车载用计算机可以由微处理器的芯片等构成。控制器48可以由独立的计算机构成，但是也可以使其功能作为其他车载用计算机的功能。例如，如果车辆具有混合CPU，则可以使混合CPU具有控制器48的功能。
控制器48，作为控制功能，包括控制燃料电池系统10的整体动作的电源系统控制模块49，特别是向FC用的辅助设备等44给予启动指令的FC启动指令模块50，以及通过控制后述的FC逆变器等开关38的动作而抑制启动时的消耗电力的消耗电力抑制模块51。可以由软件来实现这些功能，具体的说，通过执行对应的燃料电池系统控制程序来实现。
在14V蓄电池26和控制器等42之间设置IG开关32。IG是IGnition的略称，本来是指内燃机关的点火，虽然在燃料电池系统10中使用所述用语未必合适，但是对本领域的技术人员而言，长期以来，点火开关就是指车辆的启动开关。因此，在此也直接采用IG开关这个用语来表示作为车辆的启动开关的操作器的含义。
关于IG开关32，在车室内设置其操作部，当由驾驶员等操作其操作部并接通IG开关32时，向控制器等42提供电力，启动控制器48，从而启动燃料电池系统控制程序。即，IG开关32是用于指示启动车辆控制系统的开关，是在启动车辆时由驾驶员等首先操作的开关，因此可以将其叫做第1开关或者第1操作器，以区别于其他开关。
另外，以上说明了除IG开关32之外另设置了配件开关34的情况，但是作为使配件开关34与IG开关32同时动作的情况，实质上也可以采用一个开关来启动控制器等42和配件等40。
除了IG开关32之外，在14V蓄电池26和控制器48之间还设置有启动开关36。如图2所示，启动开关36的接通/断开(ON/OFF)信号52传递给控制器48，当控制器48检测出接通了启动开关36时，通过FC启动指令模块50的功能，向FC用的辅助设备等44输出FC启动指令信号54。
关于启动开关36，在车室内设置其操作部，当由驾驶员等操作其操作部而接通启动开关36时，如上所述，向FC用的辅助设备等44输出FC启动指令信号54。当向FC用的辅助设备等44输出FC启动指令信号54时，以满足其他需要的条件为前提，启动FC用的辅助设备等44，因此启动开关36具有以下功能，即作为指示转移到利用燃料电池的车辆可行驶状态的开关的操作器。这样，启动开关36是在接通IG开关32后由驾驶员等操作的开关，因此可以将其叫做第2开关或者第2操作器，以区别于其他开关。
FC用的辅助设备等44是用于使燃料电池堆24动作的电气设备。作为FC用的辅助设备，除了压缩氧化气体并向燃料电池堆24提供的空气压缩机(ACP)70、用于向燃料电池堆24输送作为燃料气体的氢的氢泵72、冷却燃料电池堆24等的冷却水泵74等旋转机械之外，还包括用于驱动这些机械的各逆变器电路60、62、64。另外，作为用于使燃料电池堆24动作的电气设备，FC用的辅助设备等44还包括用于监视构成燃料电池堆24的各单电池的电压和温度等的电池监视器66。
在14V蓄电池26和FC用的辅助设备等44之间设置FC逆变器等开关38。如图2所示，FC逆变器等开关38是具有向逆变器电路60、62、64和电池监视器66提供14V蓄电池26的电力或者停止提供的功能的开关。FC逆变器等开关38，与利用图2说明的其他IG开关32、配件开关34以及启动开关36不同，不是由驾驶员等操作而是由控制器48的消耗电力抑制模块51的功能来控制。
现在，说明消耗电力抑制模块51的功能。消耗电力抑制模块51基于IG开关32的接通/断开信号，以及启动开关36的接通/断开信号，输出FC逆变器等开关38的接通/断开控制信号56。具体的说，具有以下功能，从接通作为第1开关的IG开关32到接通作为第2开关的启动开关36的待机期间，对于从接通第1开关并经过任意设定的待机期间到接通第2开关的期间，停止从14V蓄电池26向FC用的辅助设备等44提供电力。
如上所述，作为第1操作器的IG开关32是用于指示启动车辆的开关，作为第2操作器的启动开关36是用于指示转移到利用燃料电池的车辆可行驶状态的开关。现在，如果将车辆可行驶状态视为第1控制状态，而将第1控制状态的待机状态，即在被指示转移到第1控制状态时转移到第1控制状态的待机状态视为第2控制状态，那么作为第1操作器的IG开关32是用于指示第2控制状态的开始的操作器，作为第2操作器的启动开关36是用于指示转移到第1控制状态的操作器。
并且，消耗电力抑制模块51输出的接通/断开控制信号56是在作为所述第2控制状态的待机状态中，在预定的条件下，输出降低对于FC用的辅助设备等44等负荷的电力消耗的降低指示的装置。即，在此，从接通作为第1操作器的IG开关32而变成待机状态到接通作为第2操作器的启动开关36而被指示转移到可行驶状态之前的待机期间，以在接通第1开关后经过任意设定的待机期间作为预定的条件，当满足所述条件时，断开接通/断开控制信号56。所述接通/断开控制信号56的断开则是降低对于负荷的电力消耗的降低指示。
如上所述，FC用的辅助设备等44是用于使燃料电池堆24动作的电器设备。因此，在由驾驶员等的操作接通启动开关36，并被指示转移到利用燃料电池的可行驶状态之前不需要启动。如果在接通IG开关32的同时使FC用的辅助设备等44启动，此后立即接通启动开关36，则可以早期转移到车辆可行驶状态，因此方便，但是如果接通IG开关32后暂时没有接通启动开关36，则在此期间FC用的辅助设备等44的运转是浪费的。于是，在接通IG开关32的同时使FC用的辅助设备等44启动而等待接通启动开关36的情况下，如果在接通IG开关32后经过很长时间时，暂时停止向FC用的辅助设备等44提供电力，等待接通启动开关36后，再开始向FC用的辅助设备等44提供电力。这样，在启动燃料电池系统10时，可以抑制接通作为第2开关的启动开关36之前由FC用的辅助设备等44浪费的14V蓄电池26的电力。
利用图3和图4说明上述结构的燃料电池系统10的动作，特别是，控制器48的各功能。另外，下面利用图1和图2中的附图符号说明。图3是表示在启动燃料电池系统10时用于抑制消耗电力的流程图。所述各流程相当于对应的燃料电池系统控制程序中所包含的消耗电力抑制程序的各处理流程。图4是表示燃料电池系统10的各开关的接通/断开时序的时序图。图4中横轴表示具有共同原点的时间，纵轴表示各开关的接通/断开。
在启动燃料电池系统10时用于抑制消耗电力的流程中，首先判断是否接通了IG开关32(S10)。反复执行S10的步骤直到判断为接通IG开关32为止，当判断为接通了IG开关32时，接通FC逆变器等开关38(S12)。实际上通过向控制器48提供14V蓄电池26的电力而启动控制器48，与此同时，或者隔开适当的处理时间，使接通/断开控制信号56作为接通信号向FC逆变器等开关38输出，从而执行这些功能。由此启动FC用的辅助设备等44。
其次，判断是否接通了启动开关36(S14)。通常，启动开关36与IG开关32不是同时接通，因此，接着对接通IG开关32后的经过时间t与预定的待机时间t0进行比较(S16)。可以任意设定待机时间t0，例如，可以设定为5sec等。在经过时间t小于待机时间t0时返回到S14。
在经过时间t达到待机时间t0之前，如果判断为接通了启动开关36(S14)，以此状态结束图3的流程。即，FC逆变器等开关38维持接通状态。
如果判断为在接通启动开关36之前，经过时间t达到了待机时间t0，则断开FC逆变器等开关38(S18)。图4表示这样的状态。通过控制器48的消耗电力抑制模块51的功能，使接通/断开控制信号56作为断开信号，向FC逆变器等开关38输出，从而实现所述功能。由此，停止从14V蓄电池26向FC用的辅助设备等44提供电力。
然后，判断是否接通启动开关36(S20)。反复执行S20的步骤直到判断为接通启动开关36为止，当判断为接通了启动开关36时，再次接通FC逆变器等开关38(S22)。由此启动FC用的辅助设备等44。其中，与接通启动开关36同时，或者隔开适当的处理时间，从14V蓄电池向FC用的辅助设备等44提供电源。
这样，在启动燃料电池系统时，可以抑制在接通第2开关之前FC用的辅助设备等中二次电池的电力消耗。
换句话说，包括操作器，指示第2控制状态的开始，所述第2控制状态是第1控制状态的待机状态并在被指示转移到所述第1控制状态时转移到所述第1控制状态，在所述第2控制状态中，可以通过输入用于降低负荷的电力消耗的降低指示来降低待机所消耗的负荷中的电力消耗。
上面，作为从第2控制状态转移到第1控制状态，说明了从燃料电池或蓄电装置等电源和车辆行驶用电动机被电断开的待机状态转移到电连接的可行驶状态的情况。例如，利用如上所述的继电器等开关元件来进行这种情况的电连接和断开。
此外，基于其它的观点，在燃料电池车辆中，也可以从以下第2控制状态转移到以下第1控制状态，所述第2控制状态是即使从用于指示行驶加速度的加速器踏板等加速操作器输入了操作也不驱动行驶用电动机从而不产生加速度的待机状态，所述第1控制状态是根据加速操作器的操作驱动行驶用电动机的行驶模式等状态。在这种情况时，可以构成为通过用于指定行驶模式的所谓变速杆等来输入从第2控制状态转移到第1控制状态。
另外，也可以从不向燃料电池提供燃料气体或氧化气体而不处于发电状态的第2控制状态转移到向燃料电池提供燃料气体和氧化气体而处于发电状态的第1控制状态。基于这样的结构，在固定式燃料电池中也能够在预定的条件下节约电力。
这样，所谓第1控制状态和第2控制状态，包括系统的控制状态、行驶机构的控制状态、以及发电控制状态等广义的含义。另外，从第2控制状态转移到第1控制状态，除了从一个状态转移到另一个状态之外，还包括如状态推移的情况和状态迁移的情况等状态连续变化的情况。
另外，以上作为指示降低负荷中的电力的条件，从接通第1操作器到接通第2操作器并被指示转移到可行驶状态之前的待机期间，以在接通第1开关后经过任意设定的待机期间为预定的条件。这样，优选当燃料电池系统的状态达到预定条件时输入降低负荷中的电力的指示。作为预定的条件，除了如此转移到第2控制状态后的累积时间达到预定时间之外，还可以在第2控制状态中，检测向负荷提供电力的蓄电装置的蓄电量，当其蓄电量减少到预定量时，指示降低电力。基于其它的观点，也可以检测使用者的状态，根据检测结果输入降低指示。例如，检测在驾驶席上是否有人，如果没有人，则可以视为暂时没有由驾驶员等转移到第1控制状态的情况而指示降低电力。
如上所述，第1控制状态的待机状态是根据指示可以转移到第1控制状态的控制模式。优选将能够转移到第1控制状态限定为仅处于第2控制状态时。即，也可以构成为只能通过第2控制状态才转移到第1控制状态。
产业上利用的可能性
本发明涉及的燃料电池系统和燃料电池系统的启动方法，可以用于搭载在车辆等上的燃料电池系统和固定式燃料电池系统等。