燃料電池系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】燃料電池系統(tǒng)具備：控制閥，其控制向燃料電池供給的負(fù)極氣體的壓力；電力控制器，其與燃料電池電連接，基于對燃料電池的發(fā)電要求量來控制燃料電池的輸出；脈動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)控制部，其使控制閥下游的負(fù)極氣體的壓力根據(jù)對燃料電池的發(fā)電要求量而增大，并且使該控制閥下游的負(fù)極氣體的壓力周期性地增減；以及輸出限制部，其在對燃料電池的發(fā)電要求量降低時(shí)，對由電力控制器設(shè)定的燃料電池的輸出進(jìn)行限制。
【專利說明】燃料電池系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在日本JP2007-517369A中，作為以往的燃料電池系統(tǒng)，公開了一種在負(fù)極 (anode)氣體供給通路上設(shè)置有常閉電磁閥、并且在負(fù)極氣體排出通路上從上游起依次設(shè) 置有常開電磁閥和緩沖罐（回收罐）的燃料電池系統(tǒng)。
[0003] 該以往的燃料電池系統(tǒng)是負(fù)極氣體非循環(huán)型的燃料電池系統(tǒng)，通過實(shí)施使負(fù)極氣 體的壓力增減的脈動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)來將燃料電池內(nèi)的發(fā)電區(qū)域中產(chǎn)生的雜質(zhì)壓入下游的緩沖罐，從 而抑制發(fā)電區(qū)域的氫濃度降低。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 發(fā)明要解決的問是頁
[0005] 在實(shí)施脈動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的燃料電池系統(tǒng)中，在對燃料電池的發(fā)電要求量降低時(shí)，負(fù)極氣 體的壓力從高的狀態(tài)向與發(fā)電要求量的降低相應(yīng)的低的目標(biāo)壓力變更。此時(shí)的壓力下降速 度為與消耗電力相應(yīng)的速度，但是已知若壓力下降速度快，則無法將燃料電池內(nèi)的發(fā)電區(qū) 域中產(chǎn)生的雜質(zhì)充分壓入下游的緩沖罐，從而不能完全抑制發(fā)電區(qū)域的氫濃度降低。
[0006] 本發(fā)明是著眼于這種問題而完成的，其目的在于減慢對燃料電池的發(fā)電要求量降 低時(shí)的壓力下降速度來可靠地抑制發(fā)電區(qū)域的氫濃度降低。
[0007] 用于解決問題的方案
[0008] 根據(jù)本發(fā)明的某個(gè)方式，提供一種將負(fù)極氣體和正極氣體供給到燃料電池并且根 據(jù)電力控制器的控制來進(jìn)行發(fā)電的燃料電池系統(tǒng)。而且，該燃料電池系統(tǒng)具備：控制閥，其 控制向燃料電池供給的負(fù)極氣體的壓力；電力控制器，其與燃料電池電連接，基于對燃料電 池的發(fā)電要求量來控制燃料電池的輸出；脈動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)控制部，其使控制閥下游的負(fù)極氣體的 壓力根據(jù)對燃料電池的發(fā)電要求量而增大，并且使該控制閥下游的負(fù)極氣體的壓力周期性 地增減；以及輸出限制部，其在對燃料電池的發(fā)電要求量降低時(shí)，對由電力控制器設(shè)定的燃 料電池的輸出進(jìn)行限制。
[0009] 下面參照附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方式、本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010] 圖1A是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的燃料電池的概要立體圖。
[0011] 圖1B是圖1A的燃料電池的IB-IB剖視圖。
[0012] 圖2是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的負(fù)極氣體非循環(huán)型的燃料電池系統(tǒng)的概要圖。
[0013] 圖3是說明穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的脈動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的圖。
[0014] 圖4是說明下降過渡運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的脈動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的圖。
[0015] 圖5是說明本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的脈動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)控制的流程圖。
[0016] 圖6是說明通常運(yùn)轉(zhuǎn)處理的流程圖。
[0017] 圖7是說明下降過渡運(yùn)轉(zhuǎn)處理的流程圖。
[0018] 圖8是基于負(fù)極壓力下降量來計(jì)算燃料電池堆的輸出電流上限值的表。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 燃料電池通過用負(fù)極（anode)電極（燃料極）和正極（cathode)電極（氧化劑 極）將電解質(zhì)膜夾在中間并向負(fù)極電極供給含氫的負(fù)極氣體（燃料氣體）、向正極電極供給 含氧的正極氣體（氧化劑氣體）來進(jìn)行發(fā)電。在負(fù)極電極和正極電極這兩個(gè)電極處進(jìn)行的 電極反應(yīng)如下。
[0020] 負(fù)極電極：2H2 - 4H++4e、..（1)
[0021] 正極電極：4H++4e +02 - 2H20... (2)
[0022] 通過該（1)和（2)的電極反應(yīng)，燃料電池產(chǎn)生1伏特左右的電動(dòng)勢。
[0023] 圖1A和圖1B是說明本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的燃料電池10的結(jié)構(gòu)的圖。圖1A是 燃料電池10的概要立體圖。圖1B是圖1A的燃料電池10的IB-IB剖視圖。
[0024] 燃料電池10構(gòu)成為在膜電極組件（Membrane Electrode Assembly,以下稱為 "MEA"）11的表面和背面兩面配置負(fù)極隔板12和正極隔板13。
[0025] MEA 11具備電解質(zhì)膜111、負(fù)極電極112以及正極電極113。MEA 11在電解質(zhì)膜 111的其中一面具有負(fù)極電極112,在另一面具有正極電極113。
[0026] 電解質(zhì)膜111是由氟系樹脂形成的質(zhì)子傳導(dǎo)性的離子交換膜。電解質(zhì)膜111在濕 潤狀態(tài)下表現(xiàn)出良好的電傳導(dǎo)性。
[0027] 負(fù)極電極112具備催化劑層112a和氣體擴(kuò)散層112b。催化劑層112a與電解質(zhì)膜 111接觸。催化劑層112a由鉬或承載有鉬等的炭黑粒子形成。氣體擴(kuò)散層112b設(shè)置于催 化劑層112a的外側(cè)（電解質(zhì)膜111的相反側(cè)），與負(fù)極隔板12接觸。氣體擴(kuò)散層112b由 具有足夠的氣體擴(kuò)散性和導(dǎo)電性的構(gòu)件形成，例如由碳布形成，該碳布是用由碳纖維形成 的線織成的。
[0028] 正極電極113也與負(fù)極電極112同樣地具備催化劑層113a和氣體擴(kuò)散層113b。
[0029] 負(fù)極隔板12與氣體擴(kuò)散層112b接觸。負(fù)極隔板12在與氣體擴(kuò)散層112b接觸的 一側(cè)具有用于向負(fù)極電極112供給負(fù)極氣體的多個(gè)槽狀的負(fù)極氣體流路121。
[0030] 正極隔板13與氣體擴(kuò)散層113b接觸。正極隔板13在與氣體擴(kuò)散層113b接觸的 一側(cè)具有用于向正極電極113供給正極氣體的多個(gè)槽狀的正極氣體流路131。
[0031] 在負(fù)極氣體流路121中流動(dòng)的負(fù)極氣體和在正極氣體流路131中流動(dòng)的正極氣體 相互平行地流向相同方向。也可以相互平行地流向相反方向。
[0032] 在將這種燃料電池10用作汽車用動(dòng)力源的情況下，由于所要求的電力大，因此作 為將數(shù)百塊燃料電池10層疊而得到的燃料電池堆來使用。然后，構(gòu)成向燃料電池堆供給負(fù) 極氣體和正極氣體的燃料電池系統(tǒng)，取出用于驅(qū)動(dòng)車輛的電力。
[0033] 圖2是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的負(fù)極氣體非循環(huán)型的燃料電池系統(tǒng)1的概要圖。
[0034] 燃料電池系統(tǒng)1具備燃料電池堆2、負(fù)極氣體供給裝置3、電力系統(tǒng)4以及控制器 5〇
[0035] 燃料電池堆2是層疊數(shù)百塊燃料電池10而得到的，接受負(fù)極氣體和正極氣體的供 給，來發(fā)出驅(qū)動(dòng)車輛所需的電力。燃料電池堆2具備負(fù)極電極側(cè)輸出端子21和正極電極側(cè) 輸出端子22作為取出電力的端子。
[0036] 向燃料電池堆2供給正極氣體或從燃料電池堆2排出正極氣體的正極氣體供排裝 置以及對燃料電池堆2進(jìn)行冷卻的冷卻裝置不是本發(fā)明的主要部分，因此為了易于理解而 省略了其圖示。在本實(shí)施方式中將空氣用作正極氣體。
[0037] 負(fù)極氣體供給裝置3具備高壓罐31、負(fù)極氣體供給通路32、壓力調(diào)節(jié)閥33、壓力傳 感器34、負(fù)極氣體排出通路35、緩沖罐36、放氣通路37以及放氣閥38。
[0038] 高壓罐31將要向燃料電池堆2供給的負(fù)極氣體保持為高壓狀態(tài)來貯存。
[0039] 負(fù)極氣體供給通路32是用于將從高壓罐31排出的負(fù)極氣體供給到燃料電池堆2 的通路，一個(gè)端部與高壓罐31連接，另一個(gè)端部與燃料電池堆2的負(fù)極氣體入口孔23連 接。
[0040] 壓力調(diào)節(jié)閥33設(shè)置于負(fù)極氣體供給通路32。壓力調(diào)節(jié)閥33將從高壓罐31排出 的負(fù)極氣體調(diào)節(jié)為期望的壓力并供給到燃料電池堆2。壓力調(diào)節(jié)閥33是能夠連續(xù)地或階段 地調(diào)節(jié)開度的電磁閥，其開度由控制器54來進(jìn)行控制。
[0041] 壓力傳感器34設(shè)置于比壓力調(diào)節(jié)閥33更靠下游的負(fù)極氣體供給通路32。壓力 傳感器34檢測在比壓力調(diào)節(jié)閥33更靠下游的負(fù)極氣體供給通路32中流動(dòng)的負(fù)極氣體的 壓力。在本實(shí)施方式中，將利用該壓力傳感器34檢測出的負(fù)極氣體的壓力代用作包括燃料 電池堆2內(nèi)部的各負(fù)極氣體流路121和緩沖罐36在內(nèi)的負(fù)極系統(tǒng)整體的壓力（以下稱為 "負(fù)極壓力"。）。
[0042] 負(fù)極氣體排出通路35 -個(gè)端部與燃料電池堆2的負(fù)極氣體出口孔24連接，另一 個(gè)端部與緩沖罐36的上部連接。電極反應(yīng)中未被使用的剩余的負(fù)極氣體與從正極側(cè)向負(fù) 極氣體流路121透過來的氮、水蒸氣等惰性氣體的混合氣體（以下稱為"負(fù)極排氣"。）被 排出到負(fù)極氣體排出通路35。
[0043] 緩沖罐36暫時(shí)蓄積通過負(fù)極氣體排出通路35流過來的負(fù)極排氣。負(fù)極排氣中的 水蒸氣的一部分在緩沖罐36內(nèi)凝結(jié)而成為液態(tài)水，從負(fù)極排氣分離出來。
[0044] 放氣通路37的一個(gè)端部與緩沖罐36的下部連接。放氣通路37的另一個(gè)端部為 開口端。積存在緩沖罐36中的負(fù)極排氣和液態(tài)水通過放氣通路37從開口端排出到外部大 氣。
[0045] 放氣閥38設(shè)置于放氣通路37。放氣閥38是能夠連續(xù)地或階段地調(diào)節(jié)開度的電磁 閥，其開度由控制器54來進(jìn)行控制。通過調(diào)節(jié)放氣閥38的開度，來調(diào)節(jié)從緩沖罐36經(jīng)由 放氣通路37排出到外部大氣的負(fù)極排氣的量，從而調(diào)節(jié)成緩沖罐內(nèi)的負(fù)極氣體濃度為期 望的濃度。若緩沖罐內(nèi)的負(fù)極氣體濃度過低，則在電極反應(yīng)中使用的負(fù)極氣體不足，因此發(fā) 電效率降低。另一方面，若緩沖罐內(nèi)的負(fù)極氣體濃度過高，則經(jīng)由放氣通路37與負(fù)極排氣 中的惰性氣體一起排出到外部大氣的負(fù)極氣體的量變多，因此燃燒消耗率惡化。因而，考慮 發(fā)電效率和燃燒消耗率，將緩沖罐內(nèi)的負(fù)極氣體濃度控制為適當(dāng)?shù)闹?。如果燃料電池系統(tǒng) 1的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)相同，則放氣閥38的開度越大，那么緩沖罐36內(nèi)的惰性氣體的濃度降低得越 多，負(fù)極氣體濃度越高。
[0046] 電力系統(tǒng)4具備電流傳感器41、電壓傳感器42、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)43、逆變器44、電池45 以及DC/DC轉(zhuǎn)換器46。
[0047] 電流傳感器41檢測從燃料電池堆2取出的電流（以下稱為"輸出電流"。）。
[0048] 電壓傳感器42檢測負(fù)極電極側(cè)輸出端子11與正極電極側(cè)輸出端子12之間的端 子間電壓（以下稱為"輸出電壓"。）。
[0049] 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)43是在轉(zhuǎn)子埋設(shè)永磁體并且在定子纏繞定子線圈的三相交流同步電 動(dòng)機(jī)。驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)43具有作為電動(dòng)機(jī)的功能和作為發(fā)電機(jī)的功能，該電動(dòng)機(jī)的功能是從燃 料電池堆2和電池45接受電力的供給來進(jìn)行旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，該發(fā)電機(jī)的功能是在使轉(zhuǎn)子因外力 而進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的車輛減速時(shí)使定子線圈的兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢。
[0050] 逆變器 44 例如由 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor :絕緣柵雙極型晶 體管）等多個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)成。逆變器44的半導(dǎo)體開關(guān)由控制器5來進(jìn)行開閉控制，由此 將直流電力轉(zhuǎn)換為交流電力，或者將交流電力轉(zhuǎn)換為直流電力。在使驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)43作為電 動(dòng)機(jī)而發(fā)揮功能時(shí)，逆變器44將燃料電池堆2的發(fā)電電力與電池45的輸出電力的合成直 流電力轉(zhuǎn)換為三相交流電力來供給到驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)43。另一方面，在使驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)43作為發(fā) 電機(jī)而發(fā)揮功能時(shí)，逆變器44將驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)43的再生電力（三相交流電力）轉(zhuǎn)換為直流 電力來供給到電池45。
[0051] 電池45是能夠充放電的二次電池。電池45以燃料電池堆2的輸出電力（輸出電 流X輸出電壓）的剩余部分和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)43的再生電力進(jìn)行充電。根據(jù)需要將充入到電 池45的電力供給到各種輔機(jī)類（例如向燃料電池堆2加壓輸送正極氣體的壓縮機(jī)）和驅(qū) 動(dòng)電動(dòng)機(jī)43。
[0052] DC/DC轉(zhuǎn)換器46是使燃料電池堆2的輸出電壓升降的雙方向性的電壓轉(zhuǎn)換機(jī)。通 過利用DC/DC轉(zhuǎn)換器46控制燃料電池堆2的輸出電壓，來控制燃料電池堆2的輸出電流甚 至輸出電力。
[0053] 控制器5由具備中央運(yùn)算裝置（CPU)、只讀存儲(chǔ)器（ROM)、隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM)以及 輸入輸出接口（I/O接口）的微型計(jì)算機(jī)構(gòu)成。除了來自前述的壓力傳感器34、電流傳感器 41、電壓傳感器42的信號以外，來自檢測加速踏板的踏下量（以下稱為"加速操作量"。）的 加速行程傳感器51、檢測電池45的充電量的S0C傳感器52等控制燃料電池系統(tǒng)1所需的 各種傳感器的信號也被輸入到控制器5。
[0054] 控制器5基于這些輸入信號來周期性地開閉壓力調(diào)節(jié)閥33,進(jìn)行使負(fù)極壓力周期 性地增減的脈動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)控制，并且，控制器5調(diào)節(jié)放氣閥38的開度來調(diào)節(jié)從緩沖罐36排出的 負(fù)極排氣的流量，進(jìn)行將緩沖罐36內(nèi)的負(fù)極氣體濃度調(diào)節(jié)為期望的濃度的放氣控制。
[0055] 在負(fù)極氣體非循環(huán)型的燃料電池系統(tǒng)1的情況下，當(dāng)打開著壓力調(diào)節(jié)閥33繼續(xù)從 高壓罐31向燃料電池堆2供給負(fù)極氣體時(shí)，從燃料電池堆2排出的包含未使用的負(fù)極氣體 的負(fù)極排氣會(huì)繼續(xù)從緩沖罐36經(jīng)由放氣通路37排出到外部大氣，因此造成浪費(fèi)。
[0056] 因此，在本實(shí)施方式中周期性地開閉壓力調(diào)節(jié)閥33,進(jìn)行使負(fù)極壓力周期性地增 減的脈動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。通過進(jìn)行脈動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，能夠使積存到緩沖罐36的負(fù)極排氣在負(fù)極壓力減少時(shí) 反流到燃料電池堆2。由此，能夠?qū)ω?fù)極排氣中的負(fù)極氣體進(jìn)行再利用，因此能夠減少排出 到外部大氣的負(fù)極氣體量，從而能夠杜絕浪費(fèi)。
[0057] 下面，參照圖3來說明脈動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，并說明積存到緩沖罐36的負(fù)極排氣在負(fù)極壓力 減少時(shí)反流到燃料電池堆2的理由。
[0058] 圖3是說明燃料電池系統(tǒng)1的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)為固定的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的脈動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的圖。
[0059] 如圖3的（A)所示，控制器5基于燃料電池堆2的目標(biāo)輸出電力來計(jì)算負(fù)極壓力 的基準(zhǔn)壓力和脈動(dòng)幅度，設(shè)定負(fù)極壓力的上限值和下限值。然后，使負(fù)極壓力以基準(zhǔn)壓力為 中心，在脈動(dòng)幅度的范圍內(nèi)周期性地增減。也就是說，使負(fù)極壓力在所設(shè)定的負(fù)極壓力的上 限值與下限值之間周期性地增減。
[0060] 如果在時(shí)刻tl負(fù)極壓力達(dá)到下限值，則如圖3的（B)所示，對壓力調(diào)節(jié)閥33的開 度進(jìn)行反饋控制使得負(fù)極壓力變?yōu)槟繕?biāo)上限值。由此，如圖3的（A)所示，負(fù)極壓力從下限 值向上限值上升。在該狀態(tài)時(shí)，負(fù)極氣體從高壓罐31供給到燃料電池堆2,排出到緩沖罐 36 〇
[0061] 如果在時(shí)刻t2負(fù)極壓力達(dá)到上限值，則如圖3的（B)所示那樣，對壓力調(diào)節(jié)閥33 的開度進(jìn)行反饋控制使得負(fù)極壓力變?yōu)橄孪拗怠Ｔ摲答伩刂频慕Y(jié)果通常是壓力調(diào)節(jié)閥33 的開度變?yōu)橥耆]合，停止從高壓罐31向燃料電池堆2供給負(fù)極氣體。這樣一來，通過前 述的（1)的電極反應(yīng)，殘留在燃料電池堆2內(nèi)部的負(fù)極氣體流路121中的負(fù)極氣體隨著時(shí) 間的推移而被消耗，因此負(fù)極壓力降低了與負(fù)極氣體的消耗量相當(dāng)?shù)牟糠帧?br>
[0062] 另外，當(dāng)殘留在負(fù)極氣體流路121中的負(fù)極氣體被消耗時(shí)，緩沖罐36的壓力會(huì)暫 時(shí)高于負(fù)極氣體流路121的壓力，因此負(fù)極排氣從緩沖罐36反流到負(fù)極氣體流路121。其 結(jié)果，殘留在負(fù)極氣體流路121中的負(fù)極氣體和反流到負(fù)極氣體流路121的負(fù)極排氣中的 負(fù)極氣體隨著時(shí)間的推移而被消耗，負(fù)極壓力進(jìn)一步降低。
[0063] 如果在時(shí)刻t3負(fù)極壓力達(dá)到下限值，則與時(shí)刻tl時(shí)同樣地打開壓力調(diào)節(jié)閥33。 然后，如果在時(shí)刻t4負(fù)極壓力再次達(dá)到上限值，則使壓力調(diào)節(jié)閥33完全閉合。
[0064] 已知在進(jìn)行這種脈動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，在燃料電池堆2的目標(biāo)輸出電力降低之后的 下降過渡運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生如下的問題。
[0065] 圖4是說明下降過渡運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的脈動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的圖。
[0066] 在時(shí)刻tll，例如當(dāng)加速操作量減少而燃料電池堆2的目標(biāo)輸出電力降低時(shí)，新設(shè) 定與降低后的目標(biāo)輸出電力相應(yīng)的負(fù)極壓力的上限值和下限值。然后，為了使負(fù)極壓力降 低到新設(shè)定的下限值，將壓力調(diào)節(jié)閥33設(shè)為完全閉合。
[0067] 在此如圖4所示，與穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)相比，在下降過渡運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)負(fù)極壓力的下降量會(huì)變 大。
[0068] 如前所述，在脈動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)中，使壓力調(diào)節(jié)閥33完全閉合來停止向燃料電池堆2供給 負(fù)極氣體，使負(fù)極氣體流路121的負(fù)極氣體被消耗，由此使負(fù)極壓力降低。即使在使負(fù)極壓 力降低的過程中，惰性氣體也會(huì)從正極氣體流路131向負(fù)極氣體流路121透過來。因而，在 負(fù)極壓力的下降量變大的下降過渡運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，負(fù)極氣體流路121的負(fù)極氣體濃度的降低量也 大于穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)。
[0069] 此時(shí)，若負(fù)極氣體流路121中的負(fù)極氣體的消耗速度快，則負(fù)極氣體流路121內(nèi)與 緩沖罐內(nèi)的壓力差馬上變大，大量的負(fù)極排氣從緩沖罐36內(nèi)反流到負(fù)極氣體流路121內(nèi)。 另外，若負(fù)極氣體流路121中的負(fù)極氣體的消耗速度快，則負(fù)極壓力的下降速度也變快，因 此負(fù)極壓力下降過程中的放氣控制的實(shí)施時(shí)間也變短。因此，負(fù)極氣體濃度相對低的負(fù)極 排氣從緩沖罐36內(nèi)反流過來。
[0070] 也就是說，若下降過渡運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的負(fù)極氣體流路121中的負(fù)極氣體的消耗速度快， 則在由于負(fù)極氣體的消耗而負(fù)極氣體濃度降低的部分，還會(huì)有負(fù)極氣體濃度相對低的負(fù)極 排氣反流過來。因此，存在以下?lián)鷳n：負(fù)極排氣反流過來的負(fù)極氣體流路下游區(qū)域的負(fù)極氣 體濃度變得尤其低而阻礙電極反應(yīng)，從而使燃料電池10劣化。
[0071] 因此在本實(shí)施方式中，在下降過渡運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，對燃料電池堆2的發(fā)電量進(jìn)行限制。由 此，能夠降低負(fù)極氣體流路121中的負(fù)極氣體的消耗速度。其結(jié)果，能夠延長負(fù)極壓力下降 過程中的放氣控制的實(shí)施時(shí)間，因此能夠使緩沖罐36內(nèi)的負(fù)極排氣的負(fù)極氣體濃度相對 高。另外，通過放氣控制，緩沖罐36內(nèi)的壓力也降低，因此能夠抑制從緩沖罐36內(nèi)反流的 負(fù)極排氣流量。其結(jié)果，能夠抑制負(fù)極氣體流路下游區(qū)域的負(fù)極氣體濃度的降低，從而能夠 抑制燃料電池10的劣化。
[0072] 下面，說明該本實(shí)施方式的脈動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)控制。
[0073] 圖5是說明本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的脈動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)控制的流程圖。
[0074] 在步驟S1中，控制器5讀取前述的各種傳感器的檢測值，檢測燃料電池系統(tǒng)1的 運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。
[0075] 在步驟S2中，控制器5基于燃料電池系統(tǒng)1的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)來計(jì)算燃料電池堆2的目 標(biāo)輸出電力。關(guān)于目標(biāo)輸出電力，基本上是加速操作量越大時(shí)目標(biāo)輸出電力越大。
[0076] 在步驟S3中，控制器5基于燃料電池堆2的目標(biāo)輸出電力來計(jì)算以該目標(biāo)輸出電 力進(jìn)行脈動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下的負(fù)極壓力的基準(zhǔn)壓力和脈動(dòng)幅度，設(shè)定負(fù)極壓力的上限值和下 限值。目標(biāo)輸出電力越大時(shí)，負(fù)極壓力的基準(zhǔn)壓力和脈動(dòng)幅度越大。
[0077] 在步驟S4中，控制器5判斷本次計(jì)算出的目標(biāo)輸出電力是否小于上次計(jì)算出的目 標(biāo)輸出電力。如果本次計(jì)算出的目標(biāo)輸出電力小于上次計(jì)算出的目標(biāo)輸出電力，則控制器 5進(jìn)行步驟S8的處理，否則進(jìn)行步驟S5的處理。
[0078] 在步驟S5中，控制器5判斷下降過渡運(yùn)轉(zhuǎn)中標(biāo)志F1是否被設(shè)定成1。下降過渡運(yùn) 轉(zhuǎn)中標(biāo)志F1是下降過渡運(yùn)轉(zhuǎn)中在負(fù)極壓力達(dá)到下限值之前都被設(shè)定為1的標(biāo)志，初始值被 設(shè)定為0。如果下降過渡中標(biāo)志F1是1，則控制器5進(jìn)行步驟S7的處理，否則進(jìn)行步驟S6 的處理。
[0079] 在步驟S6中，控制器5實(shí)施通常運(yùn)轉(zhuǎn)處理。關(guān)于通常運(yùn)轉(zhuǎn)處理的詳情，參照圖6 在后面敘述。
[0080] 在步驟S7中，控制器5判斷本次計(jì)算出的目標(biāo)輸出電力是否大于上次計(jì)算出的目 標(biāo)輸出電力。也就是說，判斷在下降過渡運(yùn)轉(zhuǎn)中是否踏下了加速踏板。如果本次計(jì)算出的 目標(biāo)輸出電力大于上次計(jì)算出的目標(biāo)輸出電力，則控制器5進(jìn)行步驟S8的處理，否則進(jìn)行 步驟S10的處理。
[0081] 在步驟S8中，控制器5將下降過渡運(yùn)轉(zhuǎn)中標(biāo)志F1設(shè)定為0。
[0082] 在步驟S9中，控制器5計(jì)算上次計(jì)算出的負(fù)極壓力的基準(zhǔn)壓力與本次計(jì)算出的負(fù) 極壓力的基準(zhǔn)壓力之差（以下稱為"負(fù)極壓力下降量"。）并存儲(chǔ)。
[0083] 在步驟S10中，控制器5實(shí)施下降過渡運(yùn)轉(zhuǎn)處理。關(guān)于下降過渡運(yùn)轉(zhuǎn)處理的詳情， 參照圖7在后面敘述。
[0084] 圖6是說明通常運(yùn)轉(zhuǎn)處理的流程圖。
[0085] 在步驟S61中，控制器5判斷負(fù)極壓力減少中標(biāo)志F2是否為1。負(fù)極壓力減少中 標(biāo)志F2的初始值為0,負(fù)極壓力減少中標(biāo)志F2是在負(fù)極壓力達(dá)到上限值之后在負(fù)極壓力 下降到下限值之前都被設(shè)定為1的標(biāo)志。如果負(fù)極壓力減少中標(biāo)志F2是0,則控制器5進(jìn) 行步驟S62的處理。另一方面，如果負(fù)極壓力減少中標(biāo)志F2為1，則控制器5進(jìn)行步驟S67 的處理。
[0086] 在步驟S62中，控制器5基于負(fù)極壓力的上限值來設(shè)定壓力調(diào)節(jié)閥33的開度，使 得負(fù)極壓力至少能夠上升到該上限值。
[0087] 在步驟S63中，控制器5將壓力調(diào)節(jié)閥33打開到步驟S72所設(shè)定的開度。
[0088] 在步驟S64中，控制器5判斷負(fù)極壓力是否已變?yōu)樯舷拗狄陨稀Ｈ绻?fù)極壓力已變 為上限值以上，則控制器5進(jìn)行步驟S65的處理。另一方面，如果負(fù)極壓力未達(dá)到上限值， 則控制器5進(jìn)行步驟S67的處理。
[0089] 在步驟S65中，控制器5使壓力調(diào)節(jié)閥33完全閉合。
[0090] 在步驟S66中，控制器5將負(fù)極壓力減少中標(biāo)志F2設(shè)定為1。
[0091] 在步驟S67中，控制器5判斷負(fù)極壓力是否已變?yōu)橄孪拗狄韵隆Ｈ绻?fù)極壓力已 變?yōu)橄孪拗狄韵?，則控制器5進(jìn)行步驟S68的處理。另一方面，如果負(fù)極壓力大于下限值， 則控制器5結(jié)束本次的處理。
[0092] 在步驟S68中，控制器5將負(fù)極壓力減少中標(biāo)志F2設(shè)定為0。
[0093] 圖7是說明下降過渡運(yùn)轉(zhuǎn)處理的流程圖。
[0094] 在步驟S101中，控制器5將下降過渡中標(biāo)志設(shè)定為1。
[0095] 在步驟S102中，控制器5使壓力調(diào)節(jié)閥33完全閉合。
[0096] 在步驟S103中，控制器5參照圖8的表，基于負(fù)極壓力下降量來計(jì)算燃料電池堆 2的輸出電流的上限值（以下稱為"輸出電流上限值"。）。
[0097] 在步驟S104中，判斷目標(biāo)輸出電流是否大于燃料電池堆2的輸出電流上限值，該 目標(biāo)輸出電流是根據(jù)燃料電池堆2的電流電壓特性（I-V特性）并基于目標(biāo)輸出電力而唯 一地決定的。如果目標(biāo)輸出電流大于輸出電流上限值，則控制器進(jìn)行步驟S105的處理。另 一方面，如果目標(biāo)輸出電流為輸出電流上限值以下則控制器進(jìn)行步驟S106的處理。
[0098] 在步驟S105中，控制器5控制DC/DC轉(zhuǎn)換器46以使其利用電池45來補(bǔ)充不足部 分的電流。
[0099] 在步驟S106中，控制器5如通常那樣控制DC/DC轉(zhuǎn)換器46。即，控制DC/DC轉(zhuǎn)換 器46以使其將燃料電池堆2的剩余電力充入到電池45。
[0100] 在步驟S107中，控制器5判斷負(fù)極壓力是否已達(dá)到下限值。如果負(fù)極壓力已達(dá)到 下限值，則控制器5進(jìn)行步驟S106的處理，否則結(jié)束本次的處理。
[0101] 在步驟S108中，控制器5將下降過渡運(yùn)轉(zhuǎn)中標(biāo)志F1設(shè)定為0。
[0102] 根據(jù)以上說明的本實(shí)施方式，在下降過渡運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，負(fù)極壓力下降量越大，則越限制 燃料電池堆2的發(fā)電量。即，負(fù)極壓力下降量越大，則燃料電池堆2的輸出電流上限值越小。
[0103] 由此，能夠抑制下降過渡運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的負(fù)極氣體流路121內(nèi)的負(fù)極氣體的消耗速度， 來延長負(fù)極壓力下降過程中的放氣控制的實(shí)施時(shí)間。因此，能夠使緩沖罐36內(nèi)的負(fù)極排氣 的負(fù)極氣體濃度相對高。另外，通過放氣控制，緩沖罐36內(nèi)的壓力也降低，因此能夠抑制從 緩沖罐36內(nèi)反流的負(fù)極排氣流量。
[0104] 其結(jié)果，能夠抑制負(fù)極氣體流路121下游區(qū)域的負(fù)極氣體濃度的降低，因此能夠 抑制燃料電池10的劣化。
[0105] 另外，負(fù)極壓力下降量越大，則使燃料電池堆2的輸出電流上限值越小，因此在負(fù) 極壓力下降量少時(shí)能夠抑制電池的消耗電力，從而能夠抑制電池的劣化。
[0106] 另外，通過電池45的電力來補(bǔ)充不足部分的電力，因此即使對燃料電池堆2的發(fā) 電量進(jìn)行限制，也能夠輸出目標(biāo)輸出電力。因此，能夠防止動(dòng)力性能的惡化。
[0107] 以上，說明了本發(fā)明的實(shí)施方式，但是上述實(shí)施方式不過是示出了本發(fā)明的應(yīng)用 例的一部分，其宗旨并不在于將本發(fā)明的保護(hù)范圍限定于上述實(shí)施方式的具體結(jié)構(gòu)。
[0108] 例如，在上述的實(shí)施方式中，在燃料電池堆2的下游有意地設(shè)置了緩沖罐36,但是 這種部件并非是必需的，也可以將通常的配管、燃料電池堆2的內(nèi)部歧管視作緩沖罐。
[0109] 另外，也能夠應(yīng)用于不具備用于加壓輸送負(fù)極氣體、使該負(fù)極氣體循環(huán)的泵的負(fù) 極氣體循環(huán)型的燃料電池系統(tǒng)。
[0110] 本申請基于2012年3月13日向日本專利局申請的特愿2012-56362號要求優(yōu)先 權(quán)，通過參照將該申請的全部內(nèi)容引入本說明書中。
【權(quán)利要求】
1. 一種燃料電池系統(tǒng)，將負(fù)極氣體和正極氣體供給到燃料電池，并且根據(jù)電力控制器 的控制來進(jìn)行發(fā)電，該燃料電池系統(tǒng)具備： 控制閥，其控制向上述燃料電池供給的負(fù)極氣體的壓力； 電力控制器，其與上述燃料電池電連接，基于對上述燃料電池的發(fā)電要求量來控制上 述燃料電池的輸出； 脈動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)控制部，其使上述控制閥下游的負(fù)極氣體的壓力根據(jù)對上述燃料電池的發(fā)電 要求量而增大，并且使上述控制閥下游的負(fù)極氣體的壓力周期性地增減；以及 輸出限制部，其在對上述燃料電池的發(fā)電要求量降低時(shí)，對由上述電力控制器設(shè)定的 上述燃料電池的輸出進(jìn)行限制。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于， 上述燃料電池的發(fā)電要求量的降低量越大，則上述輸出限制部使上述燃料電池的輸出 限制量越大。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于， 上述燃料電池系統(tǒng)還具備外部負(fù)載控制部，該外部負(fù)載控制部與外部負(fù)載連接，并經(jīng) 由上述電力控制器與二次電池相連接，并且基于駕駛員的要求來控制上述外部負(fù)載， 上述輸出限制部調(diào)整上述電力控制器來限制上述燃料電池的輸出，由此從上述二次電 池輸出上述燃料電池對于上述外部負(fù)載的輸出不足部分。
【文檔編號】H01M8/10GK104160541SQ201380013913
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2013年3月12日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月13日
【發(fā)明者】藤井隆宏, 石川達(dá)郎, 市川靖, 池添圭吾 申請人:日產(chǎn)自動(dòng)車株式會(huì)社