燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法
阅读：537发布：2023-02-01
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1.一种燃料电池系统，将负极气体和正极气体供给到燃料电池，并且根据负荷来进行发电，该燃料电池系统包括：
正极气体控制部，其基于所述负荷来控制正极气体的压力；
负极气体控制部，其基于所述正极气体的压力以及根据所述燃料电池的运转状态而决定的脉动幅度来使负极气体的压力脉动；以及
负极气体分压维持控制部，其根据所述燃料电池内的杂质的状态来升高所述负极气体的压力，
其中，所述正极气体控制部在所述负极气体的压力与所述正极气体的压力的压力差大时，使所述正极气体的压力高于所述压力差小时的所述正极气体的压力。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
在所述压力差超过用于保护所述燃料电池的容许压力时，所述正极气体控制部升高所述正极气体的压力。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述负极气体分压维持控制部基于所述燃料电池内的杂质状态来计算负极气体的下限压力，
所述负极气体控制部包括：
下限设定部，其将负极气体的脉动下限压力设定为所述下限压力和所述正极气体的压力中较大一方的压力；以及
上限设定部，其将负极气体的脉动上限压力设定为所述脉动下限压力与所述脉动幅度相加而得到的压力，
所述负极气体控制部基于所述脉动上限压力和所述脉动下限压力来使所述负极气体的压力脉动，
所述正极气体控制部包括：
运算部，其基于所述负荷来运算正极气体的要求压力；以及
压力差调整部，其在所述负极气体的脉动上限压力与所述正极气体的要求压力的压力差超过所述容许压力时，基于所述脉动上限压力来使所述正极气体的压力高于所述要求压力。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，
在所述脉动上限压力超过用于防止负极气体的过大压力的极限压力时，所述压力差调整部停止正极气体的升压。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述压力差调整部使所述正极气体的压力比所述要求压力高从所述脉动上限压力减去所述极限压力而得到的差的量。
6.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述压力差调整部使所述正极气体的压力比所述要求压力高从所述压力差减去所述容许压力而得到的差的量。
7.根据权利要求3～6中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述杂质是由于所述发电而产生的水蒸气，
所述压力差调整部基于燃料电池的温度来计算所述负极气体的下限压力，使该下限压力与所述脉动幅度相加来计算所述负极气体的脉动上限压力。
8.根据权利要求3～7中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述压力差调整部包括：
计算部，其使由所述上限压力设定部设定的负极气体的压力和所述极限压力中较小一方的压力减去所述容许压力来计算正极气体的下限压力；以及
压力设定部，其将所述正极气体的压力设定为所述正极气体的下限压力和所述要求压力中较大一方的压力。
9.根据权利要求3～8中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
燃料电池的温度越高，则所述上限设定部使所述负极气体的脉动上限压力越高，在所述压力差大于所述容许压力时，所述负极气体的脉动上限压力越高，则所述压力差调整部使所述正极气体的压力越高。
10.一种燃料电池系统的控制方法，将负极气体和正极气体供给到燃料电池，并且根据负荷来进行发电，该燃料电池系统的控制方法包括：
正极气体控制步骤，基于所述负荷来控制正极气体的压力；
负极气体控制步骤，基于所述正极气体的压力以及根据所述燃料电池的运转状态而决定的脉动幅度来使负极气体的压力脉动；以及
负极气体分压维持控制步骤，根据所述燃料电池内的杂质的状态来升高所述负极气体的压力，
其中，在所述正极气体控制步骤中，在所述负极气体的压力与所述正极气体的压力的压力差大时，使所述正极气体的压力高于所述压力差小时的所述正极气体的压力。
燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种使供给到燃料电池的负极气体脉动的燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法。
背景技术
发明内容
[0003] 在当前正在开发的燃料电池系统中，实施如下的脉动运转：使负极气体的压力以与燃料电池的运转状态相应的期望的脉动幅度进行脉动。具体地说，以防止因负极气体压力与正极气体压力的极间压力差引起的电解质膜的劣化为目的，负极气体的脉动下限压力被设定为与正极气体压力相同的值，脉动上限压力被设定为使脉动幅度与脉动下限压力相加而得到的值。
[0004] 在这种燃料电池系统中，例如当在高负荷运转时燃料电池的温度上升时，燃料电池的负极气体流路内的水蒸气分压上升，因此随之负极气体的氢分压(浓度)相对降低而燃料电池的发电效率降低。对此，通过与水蒸气分压的上升相应地使脉动下限压力高于正极气体压力，来确保对燃料电池要求的电力，通过与脉动下限压力的上升相应地使脉动上限压力上升，来确保负极气体的脉动幅度。
[0005] 然而，在伴随水蒸气分压的上升而使脉动上限压力上升时，有时要将脉动上限压力限制得低以避免超过电解质膜的容许压力差。在该情况下，脉动幅度变小，燃料电池内的杂质的排出性变差，因此燃料电池的发电效率降低。
[0006] 假如不使脉动上限压力上升而反之使脉动下限压力降低以确保脉动幅度，则虽然能够确保杂质的排出性，但是由于负极气体的压力整体降低而难以确保要求电力。
[0007] 本发明是着眼于这种问题而完成的，其目的在于提供一种兼顾负极气体压力的脉动幅度的确保和要求电力的确保的燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法。
[0008] 根据本发明的某个方式，燃料电池系统将负极气体和正极气体供给到燃料电池，并且根据负荷来进行发电。而且，燃料电池系统包括：正极气体控制部，其基于所述负荷来控制正极气体的压力；以及负极气体控制部，其基于所述正极气体的压力以及根据所述燃料电池的运转状态而决定的脉动幅度来使负极气体的压力脉动。并且，燃料电池系统包括根据所述燃料电池内的杂质的状态来升高负极气体的压力的负极气体分压维持控制部。而且，所述正极气体控制部在所述负极气体的压力与所述正极气体的压力的压力差大时，所述正极气体的压力高于所述压力差小时的所述正极气体的压力。附图说明
[0009] 图1是表示燃料电池堆的外观的立体图。
[0010] 图2是表示燃料电池堆的单电池的剖视图。
[0011] 图3A是表示构成燃料电池的负极隔板的俯视图。
[0012] 图3B是表示构成燃料电池的正极隔板的俯视图。
[0013] 图4是表示本发明的实施方式中的燃料电池系统的结构的图。
[0015] 图6是表示目标负极压力运算部的结构的框图。
[0016] 图7是表示氢分压维持控制部的结构的框图。
[0017] 图8是表示目标正极压力运算部的结构的框图。
[0018] 图9是表示下限正极压力运算部的结构的框图。
[0019] 图10是表示伴随氢分压的变动的正极气体的压力控制的时序图。
具体实施方式
[0020] 下面，参照附图来说明本发明的实施方式。
[0021] (第一实施方式)
[0022] 图1是表示本发明的第一实施方式的燃料电池系统中使用的燃料电池堆的一例的立体图。
[0024] 燃料电池具备负极(anode)电极(所谓的燃料极)、正极(cathode)电极(所谓的氧化剂极)以及夹在这些电极中间的电解质膜。在此，将层叠成燃料电池堆110的多个燃料电池中的一个燃料电池称为“单电池”。
[0025] 燃料电池使用供给到负极电极的含氢的负极气体(所谓的燃料气体)和供给到正极电极的含氧的正极气体(所谓的氧化剂气体)来进行发电。在负极电极和正极电极这两个电极中，如以下那样进行燃料电池中的电化学反应。
[0026] 负极电极：2H2→4H++4e-…(1)
[0027] 正极电极：4H++4e-+O2→2H2O…(2)
[0029] 单电池1是固体高分子型燃料电池。单电池1产生1伏特左右的电动势。参照图2来在后面叙述单电池1的构造。
[0030] 一对集电板2a及2b分别配置于进行层叠的多个单电池1的外侧。集电板2a及2b由不透气性的导电性构件形成。不透气性的导电构件例如是致密碳。集电板2a及2b在上边的一部分处具备输出端子6。在燃料电池堆110中，从输出端子6取出由各单电池1产生的电子e-。
[0031] 一对绝缘板3a及3b分别配置于集电板2a及2b的外侧。绝缘板3a及3b由绝缘性的构件形成。绝缘性的构件例如是橡胶等。
[0033] 在一对端板4a及4b中的一个端板4a形成有冷却水的入口孔41a及出口孔41b、负极气体的入口孔42a及出口孔42b以及正极气体的入口孔43a及出口孔43b。此外，冷却水入口孔41a、负极气体出口孔42b以及正极气体入口孔43a形成于端板4a的一端侧(图中右侧)，冷却水出口孔41b、负极气体入口孔42a以及正极气体出口孔43b形成于另一端侧(图中左侧)。
[0034] 在此，作为向负极气体入口孔42a供给氢的方法，例如有从氢贮存装置直接供给氢气的方法、或者将含氢的燃料重整来供给重整后的含氢气体的方法。此外，作为氢贮存装置，有高压气体罐、液化氢罐、贮氢合金罐等。作为含氢的燃料气体，想到了天然气体、甲醇、汽油等。另外，作为向正极气体入口孔43a供给的氧化剂气体，一般利用空气。
[0035] 螺母5与贯通燃料电池堆110的内部的未图示的四根拉杆的两端部处形成的外螺纹部螺纹结合。通过将螺母5螺纹紧固于拉杆，燃料电池堆110沿层叠方向被紧固。拉杆由具有刚性的金属材料、例如钢等形成。对拉杆的表面实施了绝缘处理，以防止单电池1之间发生电短路。
[0036] 图2是表示从沿着图1的II-II线的方向观察到的单电池1的截面的一部分的图。
[0037] 单电池1构成为利用负极隔板20和正极隔板30来夹持膜电极组件(Membrane Electrode Assembly：以下称为“MEA”。)11。
[0038] MEA11具有电解质膜11a、负极电极11b以及正极电极11c。MEA11在电解质膜11a的其中一面具有负极电极11b，在另一面具有正极电极11c。
[0039] 电解质膜11a是由氟系树脂形成的质子传导性的离子交换膜。电解质膜11a在湿润状态下表现出良好的电传导性。
[0040] 负极电极11b和正极电极11c由气体扩散层、防水层以及催化剂层构成。气体扩散层由具有充分的气体扩散性和导电性的构件、例如用包括碳纤维的线织成的碳布形成。防水层是包含聚氟乙烯和碳材料的层。催化剂层由承载有铂等的炭黑粒子形成。
[0041] 负极隔板20与负极电极11b接触。负极隔板20在与负极电极11b接触的一侧具有用于向负极电极11b供给负极气体的负极气体流路24。而且，在与负极电极11b直接接触的面(后述的流路肋25的顶面)25a的相反面，具有对燃料电池堆110进行冷却的冷却水所流通的冷却水流路26。
[0042] 正极隔板30也同样地，在与正极电极11c接触的一侧具有用于向正极电极11c供给正极气体的正极气体流路34，在与正极电极11c接触的面(后述的流路肋35的顶面)35a的相反面具有冷却水流路36。负极隔板20和正极隔板30是金属或碳。
[0043] 此外，分别设置于相邻的负极隔板20和正极隔板30的冷却水流路26和冷却水流路36形成为彼此面对，由该冷却水流路26和冷却水流路36形成一个冷却水流路51。
[0044] 另外，在气体流路24中流动的负极气体与在气体流路34中流动的正极气体隔着MEA11而流向彼此相反的方向。在本实施方式中，在气体流路24中流动的负极气体从纸面里面流向面前，在气体流路34中流动的正极气体从纸面面前流向里面。
[0045] 图3A是从负极电极侧观察负极隔板20而得到的俯视图。
[0046] 在负极隔板20的一端(图中左侧)，从上方起依次形成有正极气体出口孔43b、冷却水出口孔41b、负极气体入口孔42a。另一方面，在负极隔板20的另一端(图中右侧)，从上方起依次形成有负极气体出口孔42b、冷却水入口孔41a、正极气体入口孔43a。
[0047] 另外，在负极隔板20的表面形成有负极气体扩散部21、多个槽状的负极气体流路24以及负极气体合流部27。在此，负极气体流路24简称为“气体流路24”。
[0048] 气体流路24是在从气体流路底面24a向负极电极侧突出而与负极电极接触的多个流路肋25之间形成的流路。此外，流路肋25的背面为前述的冷却水流路26。流路肋25的侧面25b为锥状，以固定的角度从流路肋顶面25a向气体流路底面24a倾斜。由此，抑制在气体流路24中流动的气体和在冷却水流路26中流动的冷却水的多余的乱流来减少压力损失。
[0049] 负极气体扩散部21形成于负极气体入口孔42a与气体流路24之间。负极气体扩散部21是从负极气体入口孔42a向气体流路24逐渐加宽宽度的气体流路。
[0050] 在负极气体扩散部21中，从负极气体扩散部底面21a向负极电极突出而与负极电极接触的多个突起状的扩散肋22形成为格子状，以将负极气体均等地分配给各气体流路24。
[0051] 负极气体合流部27形成于气体流路24与负极气体出口孔42b之间。负极气体合流部27是从气体流路24向负极气体出口孔42b逐渐缩窄宽度的气体流路。
[0052] 在负极气体合流部27中，形成有从负极气体合流部底面27a向负极电极突出而与负极电极接触的多个合流肋28。负极气体合流部27被该合流肋28划分成多个区域29。下面，将该划分出的各区域29称为“气体合流流路29”。
[0053] 合流肋28是从气体流路24的终端向负极气体出口孔42b形成的。合流肋28形成为越去向负极气体出口孔42b则气体合流流路29的宽度越窄。以使从气体流路24流入各气体合流流路29的气体流量大致相同的方式形成合流肋28。合流肋28的根数比流路肋25的根数少。此外，一部分流路肋25的终端被延长，直到相邻的气体合流流路29的流路宽度与气体流路24的流路宽度大致相同为止。
[0054] 图3B是从正极电极11c侧观察正极隔板30而得到的俯视图。
[0055] 正极隔板30为与负极隔板20相同的结构。正极隔板30具有正极气体扩散部31、正极气体流路34、流路肋35以及正极气体合流部37。在此，将正极气体流路34单称为“气体流路34”。
[0056] 正极气体扩散部31中设置有扩散肋32。正极气体合流部37中设置有合流肋38，形成有气体合流流路39。
[0057] 正极隔板30隔着MEA11与负极隔板20相对，因此正极隔板30的一端侧(图3B的左侧)即为负极隔板20的另一端侧(图3A的右侧)。而且，正极隔板30的另一端侧(图3B的右侧)即为负极隔板20的一端侧(图3A的左侧)。
[0058] 因而，在正极隔板30的一端侧(图3B的左侧)，与形成于负极隔板20的另一端侧的三个孔对应地形成有负极气体出口孔42b、冷却水入口孔41a、正极气体入口孔43a。而且，在正极隔板30的另一端侧(图中右侧)，也与形成于负极隔板20的一端侧的三个孔对应地形成有正极气体出口孔43b、冷却水出口孔41b、负极气体入口孔42a。
[0059] 图4是表示本发明的实施方式中的燃料电池系统100的结构的图。
[0060] 燃料电池系统100是从外部对燃料电池供给发电所需的燃料气体、使燃料电池根据负荷来进行发电的电源系统。在本实施方式中，燃料电池系统100向驱动车辆的驱动电动机等供给电力。
[0061] 燃料电池系统100具备燃料电池堆110、正极气体供排装置120、负极气体供排装置130、堆冷却装置140以及控制器150。
[0062] 燃料电池堆110发出例如数百V(伏特)的电压。燃料电池堆110与驱动电动机、燃料电池系统100的辅机连接。层叠成燃料电池堆110的单电池1彼此串联地连接，因此在燃料电池堆110中，在各单电池1中产生的电池电压的总和即为针对负荷的输出电压。
[0063] 燃料电池堆110从正极气体供排装置120被供给正极气体，从负极气体供排装置130被供给负极气体。
[0064] 正极气体供排装置120是向燃料电池堆110供给正极气体、并且将从燃料电池堆110排出的正极气体排出到大气的装置。
[0066] 正极气体供给通路121是用于向燃料电池堆110供给正极气体的通路。正极气体供给通路121的一端与用于从外部大气取入空气的通路连通，另一端连接于正极气体入口孔43a。
[0067] 正极压缩机122是将正极气体供给到燃料电池堆110的泵。正极压缩机122设置于正极气体供给通路121。正极压缩机122将含氧的空气取入到正极气体供给通路121，将该空气作为正极气体供给到燃料电池堆110。
[0068] 正极流量传感器123设置于正极气体供给通路121。正极流量传感器123对供给到燃料电池堆110的正极气体的流量(以下称为“正极流量”。)进行检测。正极流量传感器123将检测出的值输出到控制器150。正极流量传感器123的检测值例如被使用于正极压缩机122的操作量的控制。
[0069] 正极压力传感器124设置于位于正极压缩机122下游的正极气体供给通路121。正极压力传感器124对供给到燃料电池堆110的正极气体的压力(以下称为“堆入口正极压力”或单称为“正极压力”。)进行检测。正极压力传感器124将检测出的值输出到控制器150。正极压力传感器124的检测值例如被使用于正极压缩机122的操作量的控制。
[0070] 正极气体排出通路125是用于从燃料电池堆110排出正极气体的通路。正极气体排出通路125的一端连接于正极气体出口孔43b，另一端开口。
[0071] 正极压力调节阀126设置于正极气体排出通路125。正极压力调节阀126由控制器150来控制开闭。通过该开闭控制，将供给到燃料电池堆110的正极气体调节为期望的压力。
[0072] 负极气体供排装置130是向燃料电池堆110供给负极气体、并且将滞留于燃料电池堆110的杂质排出到正极气体排出通路的装置。
[0074] 负极气体供给通路131是用于向燃料电池堆110供给负极气体的通路。负极气体供给通路131的一端连接于例如填充有负极气体的高压罐，另一端连接于负极气体入口孔42a。
[0075] 切断阀132设置于负极气体供给通路131。切断阀132切断向燃料电池堆110供给的负极气体。切断阀132由控制器150来控制开闭。切断阀132在燃料电池系统100启动时打开，在停止时闭合。
[0076] 负极压力调节阀133设置于位于切断阀132下游的负极气体供给通路131。负极压力调节阀133由控制器150来控制开闭。通过该开闭控制，基于对燃料电池要求的发电电力(要求电力)将供给到燃料电池堆110的负极气体调节为规定的压力。
[0077] 负极压力传感器134设置于负极压力调节阀133与负极气体入口孔42a之间的负极气体供给通路131。负极压力传感器134对供给到燃料电池堆110的负极气体的压力(以下称为“堆入口负极压力”或单称为“负极压力”。)进行检测。负极压力传感器134将检测出的值输出到控制器150。负极压力传感器134的检测值例如被使用于负极压力调节阀133的开度的调整。
[0078] 负极气体排出通路135使从燃料电池堆110排出负极气体所包含的杂质的通路。负极气体排出通路135的一端与正极气体排出通路125合流，另一端连接于贮水缓冲器136的出口孔。
[0079] 贮水缓冲器136设置于负极气体出口孔42b。此外，在本实施方式中贮水缓冲器136与负极气体出口孔42b直接连接，但是也可以设置将负极气体出口孔42b与正极气体排出通路125连结的通路，在该通路的中途设置贮水缓冲器136，来代替负极气体排出通路135。
[0080] 从负极气体出口孔42b排出的负极气体中除了包含发电反应中未使用的剩余的负极气体以外，还包含正极气体所含的惰性气体的氮、伴随发电反应的水蒸气等杂质。
[0081] 贮水缓冲器136起到以下作用：在从负极气体出口孔42b暂时排出超过后述的放气阀362的排水性能的流量的冷凝水的情况下，防止冷凝水反流到负极气体出口孔42b。
[0082] 负极气体排出通路135上具备放气阀362，该放气阀362用于将燃料电池堆110内的负极气体所包含的氮、水蒸气、冷凝水排出到正极气体排出通路125。
[0083] 放气阀362将积存在容积部361中的含氮的负极气体排出到正极气体排出通路125。由此，利用正极气体来稀释负极气体中的氢。放气阀362由控制器150来控制开闭。通过该开闭控制，将正极气体排出通路125的出口端部的氢浓度维持为规定值以下。
[0084] 堆冷却装置140是利用制冷剂对燃料电池堆110和贮水缓冲器136进行冷却的装置。作为制冷剂，在本实施方式中使用冷却水。
[0086] 冷却水循环通路141是使冷却水在燃料电池堆110中循环的通路。
[0088] 冷却水泵143设置于冷却水循环通路141。冷却水泵143向燃料电池堆110喷出被热交换器142制冷后的冷却水。冷却水泵143的喷出流量由控制器150来控制。
[0089] 旁路流路144从位于燃料电池堆110下游的冷却水循环通路141分支出来，与冷却水泵143上游的冷却水循环通路141合流。
[0090] 恒温器145设置于旁路流路144的合流部。恒温器145对供给到旁路流路144和热交换器142的冷却水的流量进行控制。由此，能够对供给到冷却水泵143的冷却水的温度进行控制。具体地说，以如下方式进行控制：冷却水的温度越低，则在旁路流路144中流动的冷却水流量越多。
[0091] 水温传感器146设置于入口孔41a附近的冷却水循环通路141。水温传感器146对流入到燃料电池堆110的冷却水的温度(以下称为“堆入口水温”。)进行检测。水温传感器146将检测出的值输出到控制器150。
[0092] 水温传感器147设置于出口孔41b附近的冷却水循环通路141。水温传感器147对从燃料电池堆110排出的冷却水的温度(以下称为“堆出口水温”。)进行检测。水温传感器147将检测出的值输出到控制器150。
[0093] 分支通路1411从位于冷却水泵143下游的冷却水循环通路141分支出来，绕贮水缓冲器136和放气阀362地流通冷却水。因此，通过燃料电池堆110的暖机操作(暖机运转)而被燃料电池堆110加温的冷却水在通过贮水缓冲器136和放气阀362的内部通路中流动。
[0094] 由此，贮水缓冲器136和放气阀362也被加温，因此即使在零下环境下也能够防止附着于放气阀362的冷凝水冻结。此外，也可以在旁路流路144中设置加热器，通过加热器来加热冷却水以对贮水缓冲器136和放气阀362进行暖机。
[0095] 合流通路1412从贮水缓冲器136和放气阀362的内部通路延伸出来，与位于冷却水泵143上游的冷却水循环通路141合流。
[0096] 控制器1504由具备中央运算装置(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存储器(RAM)以及输入输出接口(I/O接口)的微计算机构成。另外，从检测大气压的大气压传感器12向控制器150输入检测值。
[0097] 控制器150从大气压传感器12、正极压力传感器124、负极压力传感器134、水温传感器146以及水温传感器147获取检测值。控制器150使用这些检测值、指令值(设定值)等来控制正极压缩机122、正极压力调节阀126、负极压力调节阀133、冷却水泵143以及放气阀362。
[0098] 图5使表示控制器150的功能结构的框图。
[0099] 控制器150具备目标电流运算部151、堆电流控制部152、目标负极压力运算部153、负极气体控制部154、目标正极压力运算部155以及正极气体控制部156。
[0100] 目标电流运算部151基于从驱动电动机、负极等负荷要求的要求电力来运算要从燃料电池堆110取出的发电电流的目标值(以下称为“目标电流”。)。
[0101] 目标电流运算部151中例如记录有表示燃料电池堆110的电流电压特性(IV特性)的基准信息。然后，目标电流运算部151当接收到基于负荷的要求电力时，参照基准信息来运算能够确保要求电力的目标电流。目标电流运算部151将作为其运算结果的目标电流输出到堆电流控制部152。另外，目标电流还被输入到目标负极压力运算部153、目标正极压力运算部155以及正极气体控制部156。
[0102] 堆电流控制部152基于目标电流来控制PM(Power management：电源管理)电路。PM电路例如是连接有电池的DC/DC转换器，对连接于电池的相反侧的燃料电池堆110的输出电压进行控制，进行调整使得从燃料电池堆110向驱动电动机供给的电流为目标电流。
[0103] 目标负极压力运算部153基于供给到燃料电池堆110的正极气体的压力(正极压力)以及排出燃料电池堆110内的杂质气体所需的脉动幅度来使负极气体的压力脉动。脉动幅度是根据燃料电池堆110的运转状态而决定的值。并且，目标负极压力运算部153与燃料电池堆110内的杂质的分压状态相应地使负极气体的脉动压力上升。
[0104] 在本实施方式中，目标负极压力运算部153将大气压、正极压力、冷却水温度以及负极压力的检测值和目标电流用作表示燃料电池堆110的运转状态的参数，来运算负极气体压力的目标值(以下称为“目标负极气体压力”。)。参照图6来在后面叙述目标负极压力运算部153的结构。
[0105] 另外，目标负极压力运算部153将在目标负极气体压力的运算中途得到的值作为与负极气体压力有关的信息输出到目标正极压力运算部155。目标负极压力运算部153将目标负极气体压力的运算结果输出到负极气体控制部154。
[0106] 负极气体控制部154基于目标负极气体压力来控制负极压力调节阀133的开度。具体地说，负极气体控制部154基于目标负极气体压力来计算规定周期内的负极压力调节阀133的完全打开期间的比例(占空比)，基于占空比来对负极压力调节阀133进行开闭控制，以使得负极压力调节阀133以规定周期从完全闭合切换为完全打开。例如，目标负极气体压力越大，则负极气体控制部154使规定周期内的完全打开期间越长。
[0107] 目标正极压力运算部155基于目标电流来控制正极气体的压力。在本实施方式中，目标正极压力运算部155使用来自目标负极压力运算部153的与负极气体压力有关的信息、目标电流以及大气压和负极压力的检测值，来运算正极气体压力的目标值(以下称为“目标正极气体压力”。)。
[0108] 目标正极压力运算部155将目标负极气体压力的运算结果输出到正极气体控制部156。参照图8来在后面叙述目标正极压力运算部155的结构。
[0109] 正极气体控制部156使用目标正极气体压力、目标电流以及正极压力和正极流量的检测值，来计算正极气体流量的目标值(以下称为“目标正极气体流量”。)。
[0110] 正极气体控制部156基于目标正极气体流量和目标正极气体压力来控制正极压力调节阀126的开度，并且对正极压缩机122的转矩进行控制。
[0111] 图6是表示目标负极压力运算部153的详细结构的框图。
[0112] 目标负极压力运算部153具备脉动控制部200和氢分压维持控制部300。
[0113] 脉动控制部200具备堆耐压常数保持部211、堆耐压极限值计算部212、极间耐压常数保持部213、膜耐压极限值计算部214、目标脉动幅度运算部215以及上限压力目标值计算部216。另外，脉动控制部200具备脉动上限压力设定部210、脉动下限压力设定部220以及脉动波形运算部230。
[0114] 堆耐压常数保持部211中保持有形成于燃料电池堆110的负极气体流路24的耐压上限值，来作为用于防止负极气体的过大压力的堆耐压常数。
[0115] 堆耐压极限值计算部212当从大气压传感器12获取到检测值时，使堆耐压常数与大气压的检测值相加，将相加后得到的该值作为堆耐压极限值(极限压力)输出到脉动上限压力设定部210。
[0116] 极间耐压常数保持部213中保持有膜电极组件11的耐压上限值，来作为用于防止被负极气体流路24和正极气体流路34夹在中间的膜电极组件11的发电性能劣化的极间耐压常数(容许压力)。
[0117] 膜耐压极限值计算部214使极间耐压常数与从正极压力传感器124获取到的堆入口正极压力相加，将相加后得到的该值作为膜耐压极限值输出到脉动上限压力设定部210。
[0118] 目标脉动幅度运算部215基于目标电流来运算使负极气体压力脉动的脉动幅度的目标值(以下称为“目标脉动幅度”。)。
[0119] 在本实施方式中，目标脉动幅度运算部215中记录有使目标电流与目标脉动幅度彼此相对应的目标脉动幅度图。然后，目标脉动幅度运算部215当从目标电流运算部151获取到目标电流时，参照目标脉动幅度图来运算与目标电流相对应的目标脉动幅度。
[0120] 具体地说，目标电流越大，则杂质气体越容易堆积于负极气体流路24，因此目标脉动幅度运算部215使目标脉动幅度越大。目标脉动幅度运算部215将目标脉动幅度输出到上限压力目标值计算部216。
[0121] 上限压力目标值计算部216使基于正极压力的脉动下限压力与目标脉动幅度相加，将相加后得到的该值作为目标脉动上限压力输出到脉动上限压力设定部210。
[0122] 脉动上限压力设定部210选择堆耐压极限值、膜耐压极限值以及目标脉动上限压力的计算值中的最小值，将选择出的该值作为脉动上限压力来设定给脉动波形运算部230。
[0123] 氢分压维持控制部300与燃料电池堆110内的杂质的分压状态相应地升高供给到燃料电池堆110的负极气体的压力。例如，氢分压维持控制部300使负极气体的压力与燃料电池堆110的温度相应地上升。
[0124] 在本实施方式中，氢分压维持控制部300使用大气压、堆入口水温以及堆出口水温的检测值，来运算确保负极气体流路24内的氢分压所需的负极气体压力的下限值(以下称为“所需氢分压下限值”。)。
[0125] 在燃料电池堆110中，在形成膜电极组件11的负极气体流路24的发电区域，伴随堆温度的上升，氮、水蒸气等杂质气体的分压变高。特别是由于堆温度的上升，液态水变为水蒸气而水蒸气量增加，杂质气体的分压变高。因此，负极气体流路24内的氢分压相对变低，发电区域中的氢浓度会降低。作为其对策，使用与杂质气体的状态具有相关性的上述的检测值来估计所需氢分压下限值，由此能够使负极气体压力与杂质气体的分压上升相应地升高。
[0126] 氢分压维持控制部300将所需氢分压下限值输出到脉动下限压力设定部220。参照图7来在后面叙述氢分压维持控制部300的结构。
[0127] 脉动下限压力设定部220选择堆入口正极压力的检测值和所需氢分压下限值中较大一方的值，将选择出的该值作为脉动下限压力来设定给脉动波形运算部230。即，脉动下限压力设定部220与杂质气体的分压状态相应地使脉动下限压力高于燃料电池堆110内的正极气体压力。
[0128] 脉动波形运算部230基于脉动上限压力、脉动下限压力以及堆入口负极压力来设定目标负极气体压力。
[0129] 脉动波形运算部230将目标负极气体压力设定为脉动上限压力，当堆入口负极压力上升至脉动上限压力时，将目标负极气体压力切换为脉动下限压力。然后，脉动波形运算部230在堆入口负极压力降低至脉动下限压力之后，再次将目标负极气体压力设定为脉动上限压力。这样，脉动波形运算部230将脉动上限压力和脉动下限压力交替地设定为目标负极气体压力，由此使供给到燃料电池堆110的负极气体的压力脉动。
[0130] 图7是表示氢分压维持控制部300的详细结构的框图。
[0131] 氢分压维持控制部300具备氢分压变动运算部310和氢分压下限值计算部320。
[0132] 氢分压变动运算部310基于堆入口水温和堆出口水温来运算氢分压的变动量(以下称为“分压变动量”。)。
[0133] 在本实施方式中，氢分压变动运算部310中按堆出口水温而记录有使堆入口水温与分压变动量彼此相对应的分压变动图。然后，氢分压变动运算部310当获取到堆出口水温和堆入口水温的检测值时，参照堆入口水温所指定的分压变动图，将与堆入口水温相对应的分压变动量输出到氢分压下限值计算部320。
[0134] 具体地说，堆入口水温越高，则氮和水蒸气的分压越大，因此氢分压变动运算部310使分压变动量越大。另外，在同一堆入口水温下，堆出口水温越高，则负极气体流路24内的平均温度(堆入口水温与堆出口水温的平均值)越提高而水蒸气分压越上升，因此氢分压变动运算部310使分压变动量越大。
[0135] 氢分压下限值计算部320使大气压的检测值与分压变动量相加，将相加后得到的该值作为所需氢分压下限值而输出。
[0136] 如以上那样，负极气体控制部154实施使负极气体压力以与燃料电池堆110的运转状态相应的期望的脉动幅度来脉动的脉动运转。脉动下限压力被设定为与堆入口正极压力相同的值以达到防止伴随负极气体压力与正极气体压力的极间压力差的电解质膜劣化的目的，脉动上限压力被设定为以堆入口正极压力为基准来使脉动下限压力与脉动幅度相加后得到的值。
[0137] 在负极气体压力的脉动运转中，例如当在高负荷运转时对燃料电池堆110要求的电力变大而堆温度上升时，负极气体流路24的杂质气体、特别是水蒸气的分压上升，相对地负极气体中的氢分压降低。
[0138] 为了防止相对性的氢分压的降低，与燃料电池堆110内的水蒸气分压的上升幅度相应地升高脉动下限压力，在该值变得大于正极压力的情况下，使脉动下限压力上升到高于正极压力。由此，确保了燃料电池堆110内的氢分压，因此能够防止因缺乏氢引起的发电不良。而且，通过使脉动上限压力与脉动下限压力的上升一起上升，能够确保负极气体压力的脉动幅度。
[0139] 然而，在伴随燃料电池堆110内的水蒸气分压的上升而使脉动上限压力上升时，有时要将脉动上限压力限制得低以避免超过电解质膜的容许压力差(极间耐压)。在这种情况下，脉动幅度变小，燃料电池堆110内的杂质的排出性变差，因此燃料电池堆110的发电效率降低。
[0140] 假如不使脉动上限压力上升而使脉动下限压力下降以确保杂质的排出性，则虽然能够确保脉动幅度，但是由于负极气体压力整体降低而难以确保驱动电动机等负荷所需的要求电力。
[0141] 因此，在本实施方式中，与燃料电池堆110内的所需氢分压的上升相应地升高负极气体的脉动上限压力，并且升高正极气体的压力以避免超过电解质膜的极间耐压。由此，能够在缓解负极气体的脉动上限压力的限制的同时确保所需氢分压，因此能够兼顾确保负极气体的脉动幅度和确保要求电力。
[0142] 图8是表示本发明的实施方式中的目标正极压力运算部155的结构的框图。
[0143] 目标正极压力运算部155具备要求正极压力运算部410和压力差调整部411。
[0144] 要求正极压力运算部410基于目标电流来运算为了进行燃料电池堆110的发电而需要的最低限度的正极气体压力的要求值(以下成为“要求正极压力”。)，以确保要求电力。目标电流越大，则要求正极压力运算部410使要求正极压力越大。
[0145] 要求正极压力运算部410根据大气压的检测值来对要求正极压力进行校正。大气压越小，则要求正极压力相对于大气压的压力比、即正极压缩机122的压力比越大，因此正极压缩机122的所需动力越大而系统效率越降低。作为其对策，大气压越小，则要求正极压力运算部410将要求正极压力校正为越小的值。
[0146] 在本实施方式中，要求正极压力运算部410中按大气压而预先记录有使发电电流与要求正极压力彼此相对应的发电要求图。然后，要求正极压力运算部410当获取到大气压的检测值和目标电流时，参照大气压的检测值所指定的发电要求图，将与目标电流相对应的要求正极压力输出到目标正极压力设定部430。
[0147] 在脉动上限压力的设定值超过堆耐压极限值的情况下，压力差调整部411将目标正极气体压力设定成比要求正极压力高该超过量。另外，在负极气体的脉动上限压力与要求正极压力的极间压力差超过膜电极组件11的极间耐压常数的情况下，压力差调整部411使目标正极气体压力升高该超过的量。
[0148] 压力差调整部411具备下限正极压力运算部420和目标正极压力设定部430。
[0149] 下限正极压力运算部420以避免超过电解质膜的极间耐压的方式运算正极气体压力的下限值(以下称为“下限正极压力”。)。
[0150] 下限正极压力运算部420获取所需氢分压下限值、目标脉动幅度以及堆耐压极限值来作为图5中叙述的与负极气体压力有关的信息，使用这些值来求出下限正极压力，输出到目标正极压力设定部430。此外，参照图9来在后面叙述下限正极压力运算部420的详情。
[0151] 目标正极压力设定部430选择要求正极压力和下限正极压力中较大一方的值，将选择出的该值设定为目标正极气体压力。
[0152] 图9是表示下限正极压力运算部420的功能结构的框图。
[0153] 下限正极压力运算部420具备负极上限压力计算部421、氢分压上升限制部422、极间耐压常数保持部423以及下限正极压力计算部424。此外，极间耐压常数保持部423与图6所示的极间耐压常数保持部213相同。
[0154] 负极上限压力计算部421使所需氢分压下限值与目标脉动幅度相加，将相加后得到的该值作为负极上限压力输出到氢分压上升限制部422。
[0155] 氢分压上升限制部422选择负极上限压力和堆耐压极限值中较小一方的值，将选择出的该值作为上限负极压力输出到下限正极压力计算部424。
[0156] 下限正极压力计算部424使上限负极压力减去极间耐压常数，将相减后得到的该值作为下限正极压力而输出。
[0157] 这样，在要求正极压力与脉动上限压力的极间压力差变得大于容许压力时，脉动上限压力越高则目标正极压力运算部155使目标正极气体压力越高，以避免极间压力差超过容许压力。
[0158] 具体地说，在目标负极压力运算部153中为了确保所需氢分压而使目标负极气体压力上升这样的状况下，在下限正极压力运算部420中，所需氢分压下限值变大。因此，作为负极上限压力计算部421的计算值的负极上限压力也变大。
[0159] 然后，在负极上限压力小于堆耐压极限值的情况下，当从负极上限压力减去极间耐压常数而得到的下限正极压力变得大于要求正极压力时，在目标正极压力设定部430中，下限正极压力被设定为目标正极气体压力。
[0160] 这样，与因所需氢分压的上升引起的脉动上限压力的上升相应地，正极气体的压力上升以避免极间压力差超过膜电极组件11的极间耐压。
[0161] 另外，在目标负极压力运算部153中脉动上限压力被限制为堆耐压极限值这样的状况下，在氢分压上升限制部422中，负极上限压力受堆耐压极限值限制以与目标负极压力运算部153相同。由此，能够在负极气体压力的升压因堆耐压极限值而停止的时间点使正极气体压力的升压也停止。
[0162] 因而，能够防止在目标负极压力运算部153中对负极气体的升压进行限制的状态下在目标正极压力运算部155中使正极气体的压力升高到所需以上，因此能够降低正极压缩机122的消耗电力。
[0163] 接着说明通过控制器150进行的燃料电池系统100的动作。
[0164] 图10是表示伴随所需氢分压的变动的燃料电池堆110的运转状态的一例的图。
[0165] 图10的(a)是表示由目标电流运算部151计算出的目标电流的图。图10的(b)是表示冷却水温度的图。在图10的(b)中，以实线表示冷却水温度的检测值，以虚线表示冷却水温度的目标值。
[0166] 图10的(c)是表示供给到燃料电池堆110的负极气体的脉动压力的图。在图10的(c)中，以实线表示用于确保氢分压的脉动下限压力和脉动上限压力，以虚线表示脉动下限压力被设定为正极压力时的脉动下限压力和脉动上限压力。
[0167] 图10的(d)是表示供给到燃料电池堆110的正极气体的压力的图。图10的(d)中分别示出了基于目标电流的下限值(要求正极压力)和与所需氢分压相应的下限值(下限正极压力)。图10的(a)至图10的(d)的各图面的横轴是彼此共同的时间轴。
[0168] 在时刻t0至时刻t1的怠速期间内，车辆处于怠速状态，加速操作量为零。因此，从燃料电池堆110供给到驱动电动机的电力为零，燃料电池堆110所发出的电力仅被供给到正极压缩机122、冷却水泵143等辅机。因此，基于从辅机要求的要求电力来计算目标电流。
[0169] 在怠速期间中，对燃料电池堆110要求的电力小，因此如图10的(a)～图10的(d)所示，目标电流、冷却水温度、负极气体的脉动上限压力及脉动下限压力、正极气体压力均比行驶中的值低。
[0170] 在时刻t1至时刻t2的负荷上升期间内，为了对车辆进行加速而加速操作量变大，从驱动电动机要求的要求电力变大，因此如图10的(a)所示，目标电流逐渐变大。由此，如图10的(c)所示，脉动幅度也变大。
[0171] 另外，如图10的(b)所示，冷却水温度的实际值(检测值)低于目标值，因此对于负极气体压力，如图10的(c)所示那样通过基于目标电流的通常控制来实施脉动运转。即，通过图6所示的脉动下限压力设定部220来选择堆入口正极压力，以堆入口正极压力为基准来设定脉动下限压力和脉动上限压力。
[0172] 在时刻t2至时刻t3的高负荷稳定运转期间内，加速操作量被维持为固定，因此如图10的(a)所示，目标电流被维持为固定。由此，如图10的(c)所示，脉动幅度也被维持为固定。
[0173] 此时，当经过时刻t21时，冷却水温度的实际值变得大于目标值，因此通过脉动下限压力设定部220将脉动下限压力的基准从堆入口正极压力切换为所需氢分压下限值。因此，如图10的(c)所示，负极气体的脉动运转从通常控制转变为氢分压维持控制。
[0174] 然后，当经过时刻t22时，如图10的(c)所示，负极气体压力与所需氢分压的上升相应地上升，由此，如图10的(d)所示，与正极气体压力的氢分压相应的下限值变得大于基于目标电流的下限值。因此，通过目标正极压力设定部430将目标正极压力从基于目标电流的下限值切换为与氢分压相应的下限值。
[0175] 这样，伴随所需氢分压的上升，使正极气体压力上升到高于基于目标电流的下限值，由此能够将正极气体压力与脉动上限压力的压力差维持为电解质膜的极间耐压以下，并使脉动上限压力和脉动下限压力一起上升。因此，无需为了确保极间耐压而限制脉动幅度，就能够与所需氢分压的上升相应地使脉动压力上升。
[0176] 在时刻t3至时刻t4的负荷下降期间内，加速操作量下降到零，如图10的(a)所示，目标电流缓慢地降低。由此，如图10的(c)所示，脉动幅度也变小。
[0177] 并且，伴随目标电流的降低，如图10的(b)所示，冷却水温度降低。由此，如图10的(c)所示，通过氢分压维持控制而脉动下限压力和脉动上限压力降低，并且如图10的(d)所示，与氢分压相应的下限值也降低。
[0178] 此时，当经过时刻t31时，如图10的(c)所示，与氢分压相应的下限值降低到低于基于目标电流的下限值。因此，在目标正极压力设定部430中将目标正极气体压力切换为基于目标电流的下限值。
[0179] 然后，在时刻t32，冷却水温度的实际值与目标值一致，如图10的(c)所示，负极气体的脉动运转从氢分压维持控制切换为通常控制。之后，在时刻t4加速操作量变为零而车辆变为怠速状态。
[0180] 这样，伴随冷却水温度的上升，在负极压力上升区间与所需氢分压的上升相应地提高正极气体压力。由此，在正极压力上升区间，脉动上限压力不会被电解质膜的极间耐压限制得低，从而能够使负极气体压力的整体上升。
[0181] 根据本发明的实施方式，目标正极压力运算部155基于与燃料电池堆110连接的负荷的要求电力来控制正极气体的压力。另外，脉动控制部200基于滞留于负极气体流路24的杂质的排出所需的脉动幅度以及正极压力的检测值来使负极气体的压力脉动。并且，氢分压维持控制部300与燃料电池堆110内的杂质的分压变动状态相应地升高负极气体的压力。
[0182] 而且，在负极气体的脉动上限压力与正极气体压力的极间压力差超过为了保护电解质膜而决定的极间耐压常数(容许压力)时，目标正极压力运算部155升高目标正极气体压力。
[0183] 即，正极气体控制部156根据负极气体的压力与正极气体的压力的极间压力差，在极间压力差大时，相比于极间压力差小时升高正极气体的压力。
[0184] 因此，在与燃料电池堆110内的杂质气体的分压上升相应地使负极气体压力上升的情况下，目标正极压力运算部155升高目标正极气体压力以避免极间压力差超过电解质膜的容许压力。
[0185] 由此，脉动上限压力不会受电解质膜的耐压极限值所限制，从而能够使负极气体整体的压力上升。因而，能够实现兼顾负极气体压力的脉动幅度的确保和基于负荷的要求电力的确保。
[0186] 在本实施方式中，氢分压维持控制部300基于燃料电池堆110内的杂质状态来计算所需氢分压下限值(用于确保氢分压的负极气体的下限压力)。然后，脉动下限压力设定部220将脉动下限压力设定为所需氢分压下限值和正极压力的检测值中较大一方的压力值。
[0187] 另外，脉动上限压力设定部210将负极气体的脉动上限压力设定为使脉动下限压力与脉动幅度相加后得到的值。然后，脉动波形运算部230基于脉动上限压力和脉动下限压力来使负极气体的压力脉动。
[0188] 并且，在目标正极压力运算部155中，要求正极压力运算部410基于目标电流来运算要求正极压力(正极气体的要求压力)。然后，在从脉动上限压力减去要求正极压力而得到的极间压力差超过容许压力时，压力差调整部411基于极间压力差与容许压力之差来使目标正极气体压力高于要求正极压力。
[0189] 这样，在本实施方式中，以正极压力的检测值为基准来设定脉动下限压力，以脉动下限压力为基准来设定脉动上限压力。在该情况下，在根据所需氢分压下限值使脉动下限压力上升时，利用该所需氢分压下限值来提高正极气体的压力以避免脉动下限压力超过电解质膜的极间耐压。由此，能够实现兼顾负极气体的脉动幅度的确保和要求电力的确保。
[0190] 此外，在本实施方式中，说明了基于正极压力的检测值来设定负极气体的脉动下限压力的例子，但是并不限于该例。例如，也可以基于目标电流来计算负极气体的目标压力，以该目标压力为基准来计算脉动上限压力和脉动下限压力。在该情况下也能够得到同样的效果。
[0191] 另外，在本实施方式中，在脉动上限压力受到用于防止负极气体的过大压力的极限压力(堆耐压极限值)的限制的时间点，氢分压上升限制部422使供给到燃料电池堆110的正极气体的压力的升压停止。由此，能够防止在脉动上限压力被限制的状态下无用地升高正极气体压力。
[0192] 另外，在压力差调整部411中，下限正极压力计算部424使负极上限压力与堆耐压极限值中较小一方的压力值减去极间耐压常数来计算下限正极压力。然后，目标正极压力设定部430将下限正极压力和要求正极压力中较大一方的压力设定为目标正极气体压力。
[0193] 由此，在伴随杂质气体的分压的上升而脉动上限压力上升的情况下，能够使目标正极气体压力高于要求正极压力以避免超过堆耐压和极间耐压。
[0194] 此外，在计算下限正极压力的情况下，也可以是，压力差调整部411基于燃料电池堆110的温度来运算所需氢分压下限值(下限压力)，使该运算结果与目标脉动幅度相加来计算负极上限压力。
[0195] 由此，在压力差调整部411中，能够与所需氢分压的上升相应地计算负极气体的脉动上限压力。此外，作为燃料电池堆110的温度，在本实施方式中使用了冷却水温度，但是也可以在燃料电池堆110的内部设置温度传感器，使用该温度传感器的检测值。
[0196] 另外，在本实施方式中，燃料电池堆110的温度越高，则脉动上限压力设定部210使负极气体的脉动上限压力越高。在该情况下，仅在脉动上限压力与要求正极压力的极间压力差大于容许压力时，脉动上限压力越高则压力差调整部411使目标正极气体压力越高。
[0197] 由此，能够与脉动上限压力相对于容许压力差的上升量相应地升高目标正极气体压力。因而，能够避免将目标正极气体压力白白设定得高，因此能够抑制正极压缩机122的消耗电力。
[0198] 以上，说明了本发明的实施方式，但是上述实施方式不过示出了本发明的应用例的一部分，其宗旨并不是将本发明的保护范围限定于上述实施方式的具体结构。
[0199] 例如，在使正极气体压力高于要求正极压力后脉动上限压力被负极耐压极限值所限制而脉动幅度变小时，也可以根据脉动上限压力的设定值与耐压极限值的压力差来降低目标电流。
[0200] 另外，在脉动上限压力的设定值与正极压力的检测值的压力差大于容许压力时，压力差调整部411也可以将目标负极气体设定成高出超过容许压力的超过量。
[0201] 此外，上述实施方式能够适当组合。
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