本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

公知有一種在燃料電池系統(tǒng)處于發(fā)電待機(jī)中的情況下，為了避免陰極(cathode)電極成為高電位，而在發(fā)電待機(jī)中使陰極氣體循環(huán)來使電壓降低的技術(shù)(例如，參照專利文獻(xiàn)1)。若可避免發(fā)電待機(jī)中的陰極電極的高電位，則燃料電池的劣化被抑制。作為與這樣的技術(shù)相關(guān)的其他文獻(xiàn)，有專利文獻(xiàn)2。

專利文獻(xiàn)1：日本特開2009－252552號公報

專利文獻(xiàn)2：日本特開2003－115317號公報

然而，如專利文獻(xiàn)1、專利文獻(xiàn)2所公開那樣，在發(fā)電待機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行陰極氣體的循環(huán)控制的燃料電池系統(tǒng)中，通過該循環(huán)控制，電池組內(nèi)部的陰極氣體內(nèi)的氧濃度變低。因此，在從發(fā)電待機(jī)狀態(tài)切換為發(fā)電要求狀態(tài)時，即使停止陰極氣體的循環(huán)控制，并增加空氣供給壓縮機(jī)的空氣供給量，到氧被供給至電池組的整個區(qū)域而能夠進(jìn)行高輸出發(fā)電為止也需要時間。若產(chǎn)生這樣的氧的供給延遲，則燃料電池系統(tǒng)的效率降低。氧的供給延遲因被低氧濃度的陰極氣體充滿的燃料電池組內(nèi)的氣體置換需要時間而引起。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于此，本說明書公開的燃料電池系統(tǒng)的課題在于，迅速地進(jìn)行陰極氣體的循環(huán)控制后的燃料電池組內(nèi)的氣體置換。

為了解決這樣的課題，本說明書所公開的燃料電池系統(tǒng)具備：燃料電池組，通過層疊多個具有陰極電極、陽極電極、以及配置于陰極電極與陽極電極之間的電解質(zhì)膜的單電池而形成，并且在內(nèi)部形成有陰極流路和陽極流路；陰極氣體供給流路，配置有排出陰極氣體的第一泵，并且與上述陰極流路的入口側(cè)連接；陰極廢氣排出流路，配置有背壓閥，并且與上述陰極流路的出口側(cè)連接；循環(huán)流路，將上述陰極氣體供給流路內(nèi)的比上述第一泵靠下游側(cè)的流路和上述陰極廢氣排出流路內(nèi)的比上述背壓閥靠上游側(cè)的流路連接，配置有排出陰極廢氣的第二泵，并且使上述陰極廢氣從上述陰極廢氣排出流路向上述陰極氣體供給流路循環(huán)；控制部，在有怠速運(yùn)轉(zhuǎn)的要求時，實(shí)施運(yùn)轉(zhuǎn)上述第二泵，使上述陰極廢氣循環(huán)的陰極循環(huán)控制，并且，在從上述怠速運(yùn)轉(zhuǎn)移至負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)后，在上述燃料電池組內(nèi)的氧濃度到達(dá)規(guī)定值為止的期間，實(shí)施使上述背壓閥的開度比上述怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時大來使陰極背壓比上述怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時的陰極背壓降低的減壓控制。由此，能夠迅速地進(jìn)行陰極氣體的循環(huán)控制后的燃料電池組內(nèi)的氣體置換。

上述控制部也可以在上述怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時關(guān)閉上述背壓閥來實(shí)施上述陰極循環(huán)控制。另外，上述控制部也可以在上述怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時，通過使上述第一泵排出陰極氣體來使上述陰極背壓上升。并且，上述控制部也可以在從上述怠速運(yùn)轉(zhuǎn)向上述負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移時，實(shí)施將上述背壓閥全開，使上述陰極背壓降低而接近大氣壓的減壓控制。

由此，能夠更高效地進(jìn)行燃料電池組內(nèi)的氣體置換。

另外，燃料電池系統(tǒng)可以還具備與上述背壓閥并列的釋放閥，上述控制部在從上述怠速運(yùn)轉(zhuǎn)向上述負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移時，使上述釋放閥開放。由此，能夠進(jìn)一步提高氣體置換的效率。

根據(jù)本說明書公開的燃料電池系統(tǒng)，能夠迅速地進(jìn)行陰極氣體的循環(huán)控制后的燃料電池組內(nèi)的氣體置換。

附圖說明

圖1是表示第一實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的概略結(jié)構(gòu)的說明圖。

圖2是表示第一實(shí)施方式中的燃料電池系統(tǒng)的控制的一個例子的流程圖。

圖3是表示第一實(shí)施方式中的燃料電池系統(tǒng)的指令以及各部的動作的時間圖的一個例子。

圖4是表示比較例中的燃料電池系統(tǒng)的指令以及各部的動作的時間圖的一個例子。

圖5是表示第二實(shí)施方式中的燃料電池系統(tǒng)的控制的一個例子的流程圖。

圖6是表示第二實(shí)施方式中的燃料電池系統(tǒng)的指令以及各部的動作的時間圖的一個例子。

圖7是表示陰極循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)停止后的電池組內(nèi)氣體置換率的圖表。

圖8是表示第三實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的概略結(jié)構(gòu)的說明圖。

具體實(shí)施方式

以下，參照附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說明。其中，在附圖中有時各部的尺寸、比率等未以與實(shí)際的尺寸、比率完全一致的方式圖示。另外，也有根據(jù)附圖而省略細(xì)節(jié)來進(jìn)行描述的情況。

(第一實(shí)施方式)

首先，參照圖1對第一實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)1進(jìn)行說明。圖1是表示第一實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)1的概略結(jié)構(gòu)的說明圖。燃料電池系統(tǒng)1除了能夠搭載于車輛、船舶、飛機(jī)、機(jī)器人等各種移動體以外，還能夠應(yīng)用于固定式電源。這里，以搭載于汽車的燃料電池系統(tǒng)1為例進(jìn)行說明。燃料電池系統(tǒng)1包括固體高分子電解質(zhì)型的燃料電池2。燃料電池2包括燃料電池組3，該燃料電池組3通過層疊多個具有陰極電極、陽極電極、配置于陰極電極與陽極電極之間的電解質(zhì)膜的單電池而形成，并且內(nèi)部形成有陰極流路3a和陽極流路3b。電解質(zhì)膜例如是由固體聚合物離子交換膜等構(gòu)成的固體高分子電解質(zhì)膜。其中，在圖1中，省略了單電池的圖示。另外，在燃料電池組3內(nèi)設(shè)置有未圖示的制冷劑流路。在燃料電池組3中，陽極電極被供給氫氣、即陽極電極被供給陽極氣體，并且陰極電極被供給包括氧的空氣、即陽極電極被供給陰極氣體。而且，通過陽極電極中的催化劑反應(yīng)而產(chǎn)生的氫離子透過電解質(zhì)膜，移動到陰極電極，與氧產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)而進(jìn)行發(fā)電。燃料電池組3上連接有對發(fā)出的電的電壓值進(jìn)行測定的電壓計V和測定電流值的電流計A。

在燃料電池組3的陰極流路3a的入口3a1側(cè)連接有陰極氣體供給流路4。在陰極氣體供給流路4配置有將陰極氣體排出的第一泵P1。第一泵P1是魯氏泵，在驅(qū)動停止?fàn)顟B(tài)中，能夠切斷空氣的流通。另外，在陰極氣體供給流路中，在陰極流路3a的入口3a1與第一泵P1之間配置有內(nèi)部冷卻器5。內(nèi)部冷卻器5與在燃料電池組3內(nèi)循環(huán)的制冷劑之間進(jìn)行熱交換。

在燃料電池組3的陰極流路3a的出口3a2側(cè)連接有陰極廢氣排出流路6。在陰極廢氣排出流路6設(shè)置有壓力計P。壓力計P計測以后說明的陰極背壓。在陰極廢氣排出流路6中，還在比壓力計P靠下游側(cè)配置有背壓閥7。背壓閥7調(diào)整陰極廢氣排出流路6的比背壓閥7靠上游側(cè)的區(qū)域的壓力、即陰極背壓。陰極背壓能夠由壓力計P把握。

燃料電池系統(tǒng)1具備將陰極氣體供給流路4和陰極廢氣排出流路6連接的循環(huán)流路8。具體而言，循環(huán)流路8將陰極氣體供給流路4內(nèi)的比第一泵P1靠下游側(cè)和陰極廢氣排出流路6內(nèi)的比背壓閥7靠上游側(cè)連接。在循環(huán)流路8配置有排出陰極廢氣的第二泵P2。由此，循環(huán)流路8使陰極廢氣從陰極廢氣排出流路6向陰極氣體供給流路4循環(huán)。由此，能夠?qū)㈥帢O廢氣再次通過陰極氣體供給流路4而供給至陰極流路3a。如以后詳細(xì)說明那樣，在有怠速運(yùn)轉(zhuǎn)的要求時，實(shí)施運(yùn)轉(zhuǎn)第二泵P2來使陰極廢氣循環(huán)的陰極循環(huán)控制。

在燃料電池組3的陽極流路3b的入口3b1側(cè)連接有陽極供給流路9。在陽極供給流路9的端部連接有成為氫供給源的氫罐10。在氫罐10內(nèi)儲存有高壓的氫。在陽極供給流路9中配置有切斷氫的供給的切斷閥11和對氫的壓力進(jìn)行減壓的調(diào)節(jié)器12。

在燃料電池組3的陽極流路3b的出口3b2側(cè)連接有排氣管13。排氣管13在分支點(diǎn)13a處分支成循環(huán)流路14和凈化(purge)流路15。在循環(huán)流路14配置有第三泵P3。通過在循環(huán)流路14配置有第三泵P3，能夠?qū)㈥枠O廢氣再次供給至陽極流路3b。在分支點(diǎn)13a處分支出的凈化流路15與設(shè)置于陰極廢氣排出流路6的背壓閥7的下游側(cè)連接。在凈化流路15中配置有凈化閥16。通過將凈化閥16開閥，能夠?qū)⒉谎h(huán)的陽極廢氣與陰極廢氣一起排出。

燃料電池系統(tǒng)1具備ECU(Electronic Control Unit：電子控制單元)17。ECU17構(gòu)成為在內(nèi)部具備CPU、ROM、RAM的微型計算機(jī)，作為控制部發(fā)揮作用。即，在對于燃料電池系統(tǒng)1有怠速運(yùn)轉(zhuǎn)的要求時，實(shí)施運(yùn)轉(zhuǎn)第二泵P2來使陰極廢氣循環(huán)的陰極循環(huán)控制。此時，ECU17關(guān)閉背壓閥7。另外，在從怠速運(yùn)轉(zhuǎn)移至負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)之后，實(shí)施在燃料電池組3內(nèi)的氧濃度達(dá)到規(guī)定值之前的期間增大背壓閥7的開度來使陰極背壓降低的減壓控制。另外，ECU17上電連接有壓力計P、電壓計V、電流計A。另外，ECU17上連接有第一泵P1、第二泵P2以及第三泵P3，進(jìn)行這些泵的驅(qū)動控制。并且，ECU17上電連接有背壓閥7、切斷閥11、調(diào)節(jié)器12以及凈化閥16，進(jìn)行這些閥的開閉控制。ECU17被輸入由其他各傳感器檢測到的值。另外，ECU17儲存有電流電壓映射等。這樣的ECU17進(jìn)行輸出設(shè)定處理。即，根據(jù)后述的從車輛對燃料電池系統(tǒng)1的輸出要求、電流電壓映射、輸出歷史記錄等，設(shè)定燃料電池2輸出的電壓值、電流值，基于該值來設(shè)定空氣供給量、陰極背壓、氫供給量、氫壓力。并且，ECU17被輸入未圖示的加速器開度傳感器、制動器傳感器、駐車制動器傳感器、換檔選擇器、導(dǎo)航系統(tǒng)、橫向G傳感器以及車速傳感器等的檢測信息。ECU17根據(jù)這些檢測信息等，計算從車輛對燃料電池系統(tǒng)1的輸出要求，進(jìn)行燃料電池系統(tǒng)1是否被要求了怠速運(yùn)轉(zhuǎn)，是否被要求了從怠速運(yùn)轉(zhuǎn)向負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)移的判斷。這里，燃料電池系統(tǒng)1的怠速運(yùn)轉(zhuǎn)是指燃料電池系統(tǒng)1被要求低負(fù)荷區(qū)域中的發(fā)電的狀態(tài)、發(fā)電待機(jī)中的狀態(tài)。在對于燃料電池系統(tǒng)1的輸出要求比預(yù)先規(guī)定的規(guī)定值低的情況下，ECU17實(shí)施怠速運(yùn)轉(zhuǎn)。另外，負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)是指對于燃料電池系統(tǒng)1的輸出要求是上述的預(yù)先規(guī)定的規(guī)定值以上的狀態(tài)，是指不相當(dāng)于怠速運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)。

接著，參照圖2、圖3以及圖4，對第一實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)1的控制進(jìn)行說明。圖2是表示第一實(shí)施方式中的燃料電池系統(tǒng)1的控制的一個例子的流程圖。圖3是表示第一實(shí)施方式中的燃料電池系統(tǒng)1的指令值以及各部的動作的時間圖的一個例子。圖4是表示比較例中的燃料電池系統(tǒng)的指令以及各部的動作的時間圖的一個例子。此外，比較例的燃料電池系統(tǒng)的硬件構(gòu)成與第一實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)1共通，但在其控制的內(nèi)容上兩者不同。在以下的說明中，首先對第一實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)1的控制進(jìn)行說明，對于第一實(shí)施方式和比較例的控制的不同以及效果的不同將后述。

首先，設(shè)想燃料電池系統(tǒng)1正在進(jìn)行負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)。圖3中的參照符號T1所示的期間表示燃料電池系統(tǒng)1正進(jìn)行負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的期間。燃料電池系統(tǒng)1正進(jìn)行負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時的輸出要求為高(High)。這里，圖3中的使輸出要求成為高的狀態(tài)表示對于燃料電池系統(tǒng)1有規(guī)定值以上的輸出要求。在輸出要求為高時，ECU17設(shè)定為陰極背壓的壓力要求值是高于大氣壓的壓力p1。伴隨該ECU17的壓力要求值p1的設(shè)定，由壓力計P測定出的實(shí)際壓力(陰極背壓)也為p1。另外，ECU17將第一泵P1的排出流量要求值設(shè)定為高，與此相伴，第一泵P1的實(shí)際的排出流量也為高。另一方面，ECU17將第二泵P2的排出流量要求值設(shè)定為0，與此相伴，第二泵P2的實(shí)際的排出流量為0。即，不進(jìn)行陰極循環(huán)控制。這里，第一泵P1的排出流量要求值為高是指第一泵P1是開啟(運(yùn)轉(zhuǎn))狀態(tài)，第一泵P1的排出流量要求值為0是指第一泵P1是關(guān)閉(停止)狀態(tài)。在這樣的負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時，電池組內(nèi)氧濃度為滿(Full)的狀態(tài)。這里，電池組內(nèi)氧濃度為滿的狀態(tài)是指設(shè)置于燃料電池組3的陰極流路3a的入口3a1中的氧濃度與環(huán)境氣體中的氧濃度大致相同的狀態(tài)，是能夠與燃料電池系統(tǒng)1可得到所希望的輸出的負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)對應(yīng)的狀態(tài)。通過電池組內(nèi)氧濃度成為高的狀態(tài)，電池組輸出成為能夠?qū)崿F(xiàn)高輸出(High)的狀態(tài)。此外，雖然在圖3中省略了，但在負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時，第三泵P3的排出流量也為高狀態(tài)、即進(jìn)行陽極氣體的循環(huán)。

如上所述，ECU17根據(jù)加速器開度傳感器、制動器傳感器、駐車制動器傳感器等的檢測信息等，判斷燃料電池系統(tǒng)1是否被要求怠速運(yùn)轉(zhuǎn)。而且，若判斷為在時刻t1的時機(jī)被要求怠速運(yùn)轉(zhuǎn)，則在步驟S1中判斷為是，將輸出要求設(shè)定為空閑(Idle)。然后，移至在圖3中的期間T2實(shí)施的陰極循環(huán)控制。具體而言，進(jìn)入步驟S2，將輸出目標(biāo)值設(shè)定為w1。這里，成為輸出目標(biāo)值的w1被設(shè)定為能夠提供以后的燃料電池系統(tǒng)1的運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的電力的輸出值。例如，w1被設(shè)定為能夠提供第二泵P2的驅(qū)動等所要求的電力的輸出值。

在接著步驟S2進(jìn)行的步驟S3中，開始陰極循環(huán)控制。即，ECU17將第一泵P1停止，并且開始第二泵P2的運(yùn)轉(zhuǎn)。進(jìn)而，將背壓閥7閉閥。具體如圖3所示，第一泵P1的排出流量要求值被設(shè)定為0，與此相伴，第一泵P1的排出流量為0。另外，第二泵P2的排出流量要求值為高，伴隨該排出流量要求值的設(shè)定，實(shí)際的第二泵P2的排出流量為高。其中，由于實(shí)際的第二泵P2的排出流量從排出流量0的狀態(tài)上升，所以排出流逐漸增加，到達(dá)最終的排出流量。這里，第二泵P2的排出流要求值并不要求精確的值，只要通過驅(qū)動第二泵P2而能夠使陰極廢氣流通即可。這樣，若第一泵P1的運(yùn)轉(zhuǎn)停止，第二泵P2的運(yùn)轉(zhuǎn)開始，則燃料電池系統(tǒng)1內(nèi)不被導(dǎo)入新氣體，陰極廢氣進(jìn)行循環(huán)。即，導(dǎo)入到陰極流路3a的新氣體減少。結(jié)果，電池組內(nèi)氧濃度從滿的狀態(tài)逐漸地降低。這樣，若燃料電池組3內(nèi)的氧濃度降低，則電池組輸出與開始怠速運(yùn)轉(zhuǎn)的時刻t1的輸出相比而降低。其中，在從時刻t1起的怠速要求狀態(tài)中，壓力要求值與時刻t1以前同樣地被維持為壓力p1。這里，無論第一泵P1的運(yùn)轉(zhuǎn)是否被停止，實(shí)際壓力被保持為p1都是因?yàn)楸硥洪y7被閉閥。在第一實(shí)施方式中，雖然接著步驟S2實(shí)施步驟S3，但步驟S2和步驟S3既可以同時進(jìn)行，也可以更換順序。此外，雖然在本實(shí)施方式的步驟S3中，使背壓閥7全閉，但可以不必一定全閉。這是因?yàn)槿绻帢O廢氣通過作為循環(huán)泵的第二泵P2而循環(huán)，則由于燃料電池組3內(nèi)的氧濃度降低，所以能夠使輸出電壓降低。其中，由于通過使背壓閥7成為全閉，即使不運(yùn)轉(zhuǎn)第一泵P1也能夠提高燃料電池組3的內(nèi)壓，所以優(yōu)選背壓閥7全閉。這里，背壓閥7全閉除了陰極廢氣完全不向背壓閥7的下游側(cè)流動的狀態(tài)之外，還包括背壓閥7的開度接近0、陰極廢氣向背壓閥7的下游側(cè)稍微流動的狀態(tài)。之所以提高燃料電池組3的內(nèi)壓是為了如以后詳細(xì)說明那樣一氣地釋放陰極背壓來進(jìn)行排氣，促進(jìn)氣體置換。

ECU17在接著步驟S3進(jìn)行的步驟S4中，判斷由電壓計V測定的電池組電壓是否低于預(yù)先規(guī)定的電壓V1。這里，預(yù)先規(guī)定的電壓V1在燃料電池系統(tǒng)1成為怠速狀態(tài)時，被設(shè)定為用于避免陰極電極的高電位，抑制燃料電池2的劣化的電壓。怠速運(yùn)轉(zhuǎn)中的燃料電池系統(tǒng)1通過實(shí)施陰極循環(huán)控制，使得電壓逐漸地降低，低于電壓V1。在步驟S4中判斷為是時，進(jìn)入步驟S5。在步驟S5中，將燃料電池系統(tǒng)1的輸出目標(biāo)值設(shè)定為w0。然后，在接著步驟S5進(jìn)行的步驟S6中，停止第二泵P2。之所以在步驟S5中將燃料電池系統(tǒng)1的輸出目標(biāo)值設(shè)定為w0、使輸出目標(biāo)值降低是因?yàn)樵陔姵亟M電壓降低到比V1低的值之后，不需要第二泵P2的運(yùn)轉(zhuǎn)，消耗的電力也降低。在步驟S6之后，處理返回。此外，步驟S5和步驟S6既可以更換順序，也可以同時進(jìn)行。這樣的從步驟S2到步驟S6的處理相當(dāng)于陰極循環(huán)控制。另一方面，在步驟S4中判斷為否時，反復(fù)進(jìn)行從步驟S1開始的處理。如此反復(fù)進(jìn)行從步驟S1開始的處理而使輸出目標(biāo)值成為w1的控制繼續(xù)到在步驟S4中判斷為是。

另一方面，在步驟S1中判斷為否時，進(jìn)入步驟S1a。在步驟S1a中，判斷是否是從怠速運(yùn)轉(zhuǎn)向負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)移時。即，一系列的處理燃在料電池系統(tǒng)1正實(shí)施怠速運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下返回，經(jīng)由再次進(jìn)行的步驟S1來判斷是否正進(jìn)行步驟S1a的處理。在步驟S1a中判斷為否時，進(jìn)入步驟S1b，實(shí)施通?？刂?，處理返回。這里，通?？刂剖窃谪?fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)中不實(shí)施以后詳細(xì)說明的減壓控制的控制。例如，是繼續(xù)圖3所示的期間T1內(nèi)的狀態(tài)那樣的情況。另一方面，若在步驟S1a中判斷為是，則移至步驟S7。即，若在圖3的時刻t2的時機(jī)判斷為未被要求怠速運(yùn)轉(zhuǎn)，則在步驟S1中判斷為否，將輸出要求設(shè)定為高。即，燃料電池系統(tǒng)1從怠速運(yùn)轉(zhuǎn)移至負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。此時，實(shí)施增大背壓閥7的開度來使燃料電池組3內(nèi)的壓力比怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時降低的減壓控制。具體而言，在步驟S7中，開始第一泵P1的運(yùn)轉(zhuǎn)，停止第二泵P2的運(yùn)轉(zhuǎn)，并且增大背壓閥7的開度。由此，使陰極背壓比怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時的陰極背壓降低。正實(shí)施減壓控制的狀態(tài)是指背壓閥7的開度比怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時大，陰極背壓比怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時降低的狀態(tài)。而且，如圖3所示，若將第一泵P1的排出流量要求值設(shè)定為高，則第一泵P1的排出流量為高。即，成為能夠與負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時的輸出要求對應(yīng)的狀態(tài)。另外，第二泵P2的排出流量要求值為0，伴隨該排出流量要求值的設(shè)定，實(shí)際的第二泵P2的排出流量為0。其中，由于實(shí)際的第一泵P1的排出流量從排出流量0的狀態(tài)提高，所以排出流逐漸地增加，最終到達(dá)排出流量高(High)。這樣，若開始第一泵P1的運(yùn)轉(zhuǎn)，停止第二泵P2的運(yùn)轉(zhuǎn)，則電池組內(nèi)氧濃度接近滿。此時，因?yàn)镋CU17指定大氣壓作為陰極背壓的壓力要求值，使背壓閥7全開，所以陰極流路3a內(nèi)的氣體置換一氣地進(jìn)行。結(jié)果，包括豐富的氧的新氣體被導(dǎo)入陰極流路3a內(nèi)，電池組內(nèi)氧濃度上升。若參照圖3，則可知電池組內(nèi)氧濃度從時刻t2到時刻t31恢復(fù)成滿的狀態(tài)，但在從時刻t2到時刻t31a的期間，直線性地進(jìn)行氣體置換，電池組內(nèi)氧濃度上升。該直線性的氣體置換的進(jìn)行因直至?xí)r刻t2的時機(jī)為止被維持為壓力p1的陰極背壓被一氣地釋放來進(jìn)行凈化而引起。這里，若將在從怠速運(yùn)轉(zhuǎn)向負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移時進(jìn)行氣體交換之際的、各時刻中的氧濃度相對于電池組氧濃度的到達(dá)目標(biāo)值的比例定義為氣體置換率，則時刻t31a之后的氣體置換率以二次曲線的方式增加，最終到達(dá)滿的狀態(tài)。

此外，在本實(shí)施方式中，在減壓控制時使陰極背壓為大氣壓來促進(jìn)氣體置換，但只要陰極背壓在減壓控制時比怠速狀態(tài)時低，就能夠得到氣體置換的效果。即，即使將背壓閥7全開而不使陰極背壓與大氣壓相同，陰極背壓也只要在減壓控制時也比怠速狀態(tài)時低即可。另外，背壓閥7全開是指背壓閥7的開度大致是100％，包括陰極背壓與背壓閥7的全開時實(shí)際上沒有不同的狀態(tài)。另外，陰極背壓與大氣相同例如包括陰極背壓由于背壓閥7本身的壓損而比大氣壓稍大的狀態(tài)。

在步驟S8中，判斷陰極流路3a內(nèi)的氣體置換是否結(jié)束。氣體置換是否結(jié)束的判斷通過推斷時刻t2中的從第一泵P1的運(yùn)轉(zhuǎn)開始起的新氣體的供給量，并根據(jù)該推斷量來判斷。此外，也可以測定陰極流路3a的出口3a2側(cè)的氧濃度，若該測定值超過預(yù)先規(guī)定的閾值，則判斷為氣體置換結(jié)束。步驟S7以及步驟S8相當(dāng)于減壓控制。若在該步驟S8中判斷為是、即若確認(rèn)為電池組內(nèi)氧濃度到達(dá)滿的狀態(tài)，則進(jìn)入步驟S9，移至通?？刂?。另一方面，若在步驟S8中判斷為否，則反復(fù)進(jìn)行該處理直至在步驟S8中判斷為是。在步驟S8中判斷為是之后，進(jìn)入步驟S9，移至通常控制，將壓力要求值設(shè)定為p1。在步驟S9之后返回。此外，在步驟S8中判斷為否時，在步驟S10中，再次判斷是否有怠速運(yùn)轉(zhuǎn)要求。這是為了應(yīng)對在減壓控制中被發(fā)出怠速運(yùn)轉(zhuǎn)要求的情況。在步驟S10中判斷為是時，移至步驟S2。另一方面，在步驟S10中判斷為否時，反復(fù)進(jìn)行步驟S8的處理。

這樣，本實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)1由于在從怠速運(yùn)轉(zhuǎn)移至負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時，實(shí)施增大背壓閥7的開度來使陰極背壓降低的減壓控制，所以能夠迅速地實(shí)施陰極氣體的循環(huán)控制后的燃料電池組內(nèi)的氣體置換。

與此相對，在圖4示出了時間圖的一個例子的比較例中，在被發(fā)出從怠速運(yùn)轉(zhuǎn)向負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)移指令之后，電池組內(nèi)氧濃度到達(dá)滿的狀態(tài)為止的期間T3與第一實(shí)施方式中的期間T3相比為長期間。比較例與第一實(shí)施方式的不同點(diǎn)在于，壓力要求值的設(shè)定以及伴隨于此的實(shí)際壓力。在比較例中，與第一實(shí)施方式不同，壓力要求值為恒定。即，在燃料電池系統(tǒng)從怠速狀態(tài)向負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移時，陰極背壓的壓力要求值也為恒定。這樣，在壓力要求值為恒定，實(shí)際上陰極背壓為恒定的情況下，電池組內(nèi)氧濃度在被發(fā)出了從怠速運(yùn)轉(zhuǎn)向負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)移指令后，經(jīng)過到達(dá)滿的狀態(tài)而二次曲線地增加。即，到氣體置換結(jié)束為止的期間較長。這樣，若到氣體置換結(jié)束為止的期間長期化，則會產(chǎn)生到得到所要求的輸出需要時間的控制延遲等問題。對于這樣的比較例，根據(jù)第一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)1，能夠迅速地使氣體置換結(jié)束，立刻得到所希望的輸出。

此外，第一實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)1在陰極氣體供給流路4內(nèi)配置有內(nèi)部冷卻器5。內(nèi)部冷卻器5具備大量的空氣流通的容積。因此，若背壓閥7被開閥，則該容積內(nèi)的空氣將陰極流路3a內(nèi)的氣體推出，使氣體置換時的掃氣的效率提高。在本實(shí)施方式中，雖然將壓力計P設(shè)置于燃料電池組3的下游的陰極廢氣排出流路6內(nèi)，但并不局限于此，壓力計P例如也可以配置于比燃料電池組3靠上游的陰極氣體供給流路4內(nèi)。這是因?yàn)榧词箟毫τ婸被配置于陰極氣體供給流路4側(cè)，通過減去根據(jù)陰極氣體流量、電池組溫度等條件而預(yù)先存儲的燃料電池組3中的壓損，也能夠計算出陰極背壓。

(第二實(shí)施方式)

接著，參照圖5以及圖6對第二實(shí)施方式進(jìn)行說明。圖5是表示第二實(shí)施方式中的燃料電池系統(tǒng)1的控制的一個例子的流程圖。圖6是表示第二實(shí)施方式中的燃料電池系統(tǒng)1的指令以及各部的動作的時間圖的一個例子。若比較第二實(shí)施方式和第一實(shí)施方式，則兩者的控制不同，燃料電池系統(tǒng)1的硬件構(gòu)成本身共通。因此，在以下的說明中，以在控制中第二實(shí)施方式與第一實(shí)施方式不同的點(diǎn)為中心進(jìn)行說明。

在步驟S1中，與第一實(shí)施方式同樣，判斷是否要求了燃料電池系統(tǒng)1的怠速運(yùn)轉(zhuǎn)。在步驟S1中判斷為是時，進(jìn)入步驟S2。在步驟S1中判斷為否時，進(jìn)入步驟S1a。在步驟S1a中，與第一實(shí)施方式的情況相同地判斷是否是從怠速運(yùn)轉(zhuǎn)的恢復(fù)。在步驟S1a中判斷為是時，進(jìn)入步驟S7。在進(jìn)入了步驟S7的情況下，步驟S7到步驟S9的內(nèi)容與第一實(shí)施方式共通。另外，在步驟S2中，與第一實(shí)施方式相同地將輸出目標(biāo)值設(shè)定為w1。在步驟S2之后進(jìn)入步驟S11。其中，在步驟S1a中判斷為否時，與第一實(shí)施方式的情況相同地經(jīng)由步驟S1b的處理而返回。

在步驟S11中，將壓力要求值設(shè)定為p2。換言之，壓力要求值成為背壓控制值。壓力值p2大于壓力值p1。即，在步驟S11中，將壓力要求值設(shè)定為比至今為止的通?？刂浦械膲毫σ笾荡蟮闹怠Ｔ诮又襟ES11進(jìn)行的步驟S12中，使第一泵P1以及第二泵P2成為運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，并且，將背壓閥7閉閥。即，為了使壓力值從p1向p2上升，繼續(xù)第一泵P1的運(yùn)轉(zhuǎn)。這樣，為了使壓力值上升而繼續(xù)第一泵P1的運(yùn)轉(zhuǎn)這一點(diǎn)與第一實(shí)施方式不同。此外，在本實(shí)施方式中，雖然使背壓閥7全閉，但可以不必一定全閉。另外，背壓閥7全閉除了陰極廢氣完全不向背壓閥7的下游側(cè)流動的狀態(tài)之外，還包括背壓閥7的開度接近0、陰極廢氣向背壓閥7的下游側(cè)稍微流動的狀態(tài)。這些點(diǎn)與第一實(shí)施方式的情況相同。

在接著步驟S12進(jìn)行的步驟S13中，判斷實(shí)際壓力p、即由壓力計P測定出的陰極背壓p是否是p2以上。在步驟S13中判斷為是時，進(jìn)入步驟S14。在步驟S14中，停止第一泵P1的運(yùn)轉(zhuǎn)。然后，繼續(xù)第二泵P2的運(yùn)轉(zhuǎn)，并且，維持背壓閥7的閉閥狀態(tài)。該點(diǎn)與第一實(shí)施方式的步驟S3共通。在步驟S14之后進(jìn)入步驟S15。另一方面，在步驟S13中判斷為否時，跳過步驟S14而進(jìn)入步驟S15。

在步驟S15中，判斷由電壓計V測定的電池組電壓V是否比預(yù)先規(guī)定的電壓V1低。該處理與第一實(shí)施方式中的步驟S4共通。在步驟S15中判斷為是時，進(jìn)入步驟S16。在步驟S16中，將燃料電池系統(tǒng)1的輸出目標(biāo)值設(shè)定為w0。該點(diǎn)與第一實(shí)施方式的步驟S5共通。在步驟S16之后進(jìn)入步驟S17。在步驟S15中判斷為否時，反復(fù)進(jìn)行從步驟S1開始的處理。這與在第一實(shí)施方式的步驟S4中判斷為否時共通。

步驟S17中，判斷是否實(shí)際壓力p是p2以上并且電池組電壓V比V1低。在步驟S17中判斷為是時，處理經(jīng)由與第一實(shí)施方式共通的步驟S6而返回。另一方面，在步驟S17中判斷為否時，反復(fù)進(jìn)行從步驟S13開始的處理直至在步驟S17中判斷為是為止。

在步驟S1中判斷為否而進(jìn)入步驟S7的情況下的步驟S7到步驟S9的內(nèi)容如上述那樣與第一實(shí)施方式共通。然而，其效果與第一實(shí)施例不同。具體而言，在被發(fā)出了從怠速運(yùn)轉(zhuǎn)向負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)移指令之后，電池組內(nèi)氧濃度到達(dá)滿的狀態(tài)為止的期間T3與第一實(shí)施方式中的期間T3相比為更短期間。對該理由進(jìn)行說明。在第二實(shí)施方式中，在怠速運(yùn)轉(zhuǎn)中將陰極背壓提高到p2。即，與大氣壓之差變大。因此，若在使燃料電池系統(tǒng)1從怠速運(yùn)轉(zhuǎn)恢復(fù)時打開背壓閥7，則陰極流路3a內(nèi)的殘存氣體猛地被排出而高效地進(jìn)行氣體置換。結(jié)果，如圖6所示，時刻t2與時刻t32a的間隔變短，表示氣體置換率的直線成為更接近垂直的狀態(tài)。由此，電池組內(nèi)氧濃度到達(dá)滿的狀態(tài)的時刻t32為止的期間T3也縮短。

這樣，通過在怠速運(yùn)轉(zhuǎn)期間T2中使陰極背壓上升，能夠進(jìn)行更高效的氣體置換。對于產(chǎn)生該不同的理由而言，若參照圖7進(jìn)行整理，則如以下所述。首先，如在第一實(shí)施方式中說明的比較例那樣，在從怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時向負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移時不進(jìn)行陰極背壓的減壓的情況下，電池組內(nèi)的氣體置換率的變化始終由二次曲線表示。結(jié)果，到全部量的氣體置換結(jié)束為止需要長時間。與此相對，如第一實(shí)施方式那樣，在從怠速運(yùn)轉(zhuǎn)向負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移時，通過實(shí)施比至今為止的陰極背壓降低的減壓控制，由此通過伴隨陰極背壓降低的排氣一氣地進(jìn)行氣體置換。結(jié)果，到全部量的氣體置換結(jié)束為止的時間縮短。而且，在第二實(shí)施方式中，在怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時，通過使陰極背壓上升，增大陰極背壓與打開背壓閥7之后的壓力之差，能夠?qū)嵤└咝У臍怏w置換。結(jié)果，到全部量的氣體置換結(jié)束為止的時間進(jìn)一步縮短。

(第三實(shí)施方式)

接著，參照圖8對第三實(shí)施方式進(jìn)行說明。第三實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)101與第一實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)1的不同點(diǎn)在于，設(shè)有與背壓閥7并列地設(shè)置的釋放閥102。對于其他的點(diǎn)，因?yàn)闆]有與第一實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)1不同的點(diǎn)，所以對共通的構(gòu)成要素在附圖中標(biāo)注相同的符號而省略其詳細(xì)的說明。

釋放閥102具有輔助陰極廢氣從背壓閥7排出的作用。釋放閥102在從怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時的陰極循環(huán)控制移至減壓控制時與背壓閥7一起打開。由此，陰極背壓的降低的效率提高，結(jié)果，氣體置換的效率提高。通過氣體置換的效率的提高，氧立即遍布燃料電池組3的大范圍，燃料電池系統(tǒng)101成為能夠短時間地輸出高電位的狀態(tài)。

根據(jù)上述記載顯而易見的是，上述實(shí)施方式只不過是用于實(shí)施本發(fā)明的例子，本發(fā)明并不局限于這些實(shí)施方式，對這些實(shí)施例進(jìn)行各種變形也在本發(fā)明的范圍內(nèi)，并且，其他各種實(shí)施例也能夠在本發(fā)明的范圍內(nèi)。

符號說明

1、101...燃料電池系統(tǒng)；2...燃料電池；3...燃料電池組；3a...陰極流路；4...陰極氣體供給流路；5...內(nèi)部冷卻器；6...陰極廢氣排出流路；7...背壓閥；8...循環(huán)流路；102...釋放閥；P1...第一泵；P2...第二泵；P3...第三泵。