CN102473945A - 燃料电池发电设备的运转控制装置以及运转控制方法 - Google Patents

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Abstract

燃料电池发电设备在燃料电池堆叠体(1)内负极气体的压力达到上限压力时停止由负极气体供给机构(20)供给负极气体，在负极气体的压力下降到下限压力时重新开始由负极气体供给机构(20)供给负极气体。由传感器(52-54)检测对燃料电池堆叠体(1)的供氢量是否满足产生目标发电电力所需的量，在供氢量不足的情况下，由控制器(51)对下限压力进行增压校正，由此抑制燃料电池堆叠体(1)内发生液泛时燃料电池堆叠体(1)的发电电力降低。

Description

燃料电池发电设备的运转控制装置以及运转控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池发电设备的运转控制。
背景技术
日本专利局于2007年发布的JP2007-48479A公开了一种进行负极(anode)气体的压力脉动运转的燃料电池发电设备的运转控制装置。压力脉动运转是指如下的运转方式：若供给到燃料电池堆叠体的负极气体的压力达到上限压力则停止供给负极气体，之后若负极气体的压力下降到下限压力则再次开始供给负极气体，由此使燃料电池堆叠体内的压力在上限压力与下限压力之间脉动。根据该以往技术，利用随着压力脉动运转中的压力降低而产生的压力梯度来促使燃料电池堆叠体内的生成水排出。
发明内容
根据发明者的研究，负极气体的压力脉动有可能会助长燃料电池堆叠体内的液泛(Flooding)对发电能力产生的不良影响。即，当在燃料电池堆叠体内发生由于生成水而导致的液泛的状态下向负极气体的下限压力进行减压时，负极所能够利用的负极气体进一步减少。作为其结果，有时会无法得到发出目标电力所需量的负极气体而使发电电力降低。
因而，本发明的目的在于能够实现即使在发生液泛的情况下也能够迅速恢复燃料电池堆叠体的发电电力的燃料电池堆叠体的压力脉动运转控制。
为了达到以上的目的，本发明提供了一种燃料电池发电设备的运转控制装置，根据目标发电电力来控制使用氢进行发电的燃料电池堆叠体的发电电力，该运转控制装置具备：负极气体供给机构，其将含氢的负极气体供给到燃料电池堆叠体；传感器，其检测对燃料电池堆叠体的供氢量是否满足发出目标发电电力所需的量；以及可编程控制器。
可编程控制器被编程为：对负极气体供给机构进行控制以使燃料电池堆叠体内的负极气体压力在上限压力与下限压力之间脉动，在供氢量不满足发出目标发电电力所需的量的情况下，对下限压力进行增压校正。
本发明还提供了上述燃料电池发电设备的运转控制方法，将含氢的负极气体供给到燃料电池堆叠体，判断对燃料电池堆叠体的供氢量是否满足目标发电电力所需的量，对负极气体供给机构进行控制以使燃料电池堆叠体内的负极气体压力在上限压力与下限压力之间脉动，在供氢量不满足发出目标发电电力所需的量的情况下，对下限压力进行增压校正。
本发明的详情以及其它特征和优点在说明书的下面的记载中进行说明并通过附图进行表示。
附图说明
图1是应用本发明的燃料电池发电设备的概要结构图。
图2A-2C是说明负极死端型燃料电池堆叠体的通常运转的时序图。
图3是说明本发明的控制器所执行的反应气体压力控制例程的流程图。
图4是说明控制器所执行的恢复模式子例程的流程图。
图5是说明控制器所执行的恢复模式下限负极气体压力设定子例程的流程图。
图6是说明控制器所执行的恢复模式上限负极气体压力设定子例程的流程图。
图7是表示控制器所保存的恢复模式下限负极气体压力以及恢复模式上限负极气体压力的对应关系的特性图。
图8A和图8B是说明控制器所执行的反应气体压力控制的结果的时序图。
图9是说明本发明的第二实施方式的控制器所执行的恢复模式子例程的流程图。
图10是说明本发明的第二实施方式的控制器所执行的恢复模式上限负极气体压力设定子例程的流程图。
图11是说明本发明的第二实施方式的控制器所执行的反应气体压力控制的结果的时序图。
图12是说明本发明的第三实施方式的控制器所执行的恢复模式子例程的流程图。
图13是说明本发明的第三实施方式的控制器所执行的正极气体压力控制子例程的流程图。
图14是说明本发明的第三实施方式的控制器所执行的反应气体压力控制的结果的时序图。
图15是说明本发明的压力脉动运转控制的变化(variation)的图。
具体实施方式
参照附图的图1，燃料电池发电设备具备：燃料电池堆叠体1，其具有负极(anode)和正极(cathode)；正极线10，其将含氧的正极气体供给到燃料电池堆叠体1的正极，并使正极排气从燃料电池堆叠体1排出；以及负极线20，其将以氢为主成分的负极气体供给到燃料电池堆叠体1的负极，并使负极气体从燃料电池堆叠体1排出。
燃料电池发电设备是所谓的负极死端型的公知的发电设备，交替重复进行增压行程和减压行程，在该增压行程中使燃料电池堆叠体1内的负极气体的压力上升，在该减压行程中使燃料电池堆叠体1内的负极气体的压力降低。通过该操作，使负极气体产生压力脉动。从燃料电池堆叠体1排出的负极气体在减压行程中被重新供给到负极，因此能够极力抑制负极气体排出到外部。
在燃料电池发电设备中，当燃料电池堆叠体1的正极的氮浓度高于负极的氮浓度时，氮气从正极经由电解质膜穿透到负极。穿透到负极的氮气在负极死端型燃料电池堆叠体中有可能会滞留于负极气体通路的下游而阻碍燃料电池堆叠体1的发电。负极气体的压力脉动有助于将滞留于负极气体通路的下游的氮气排出到燃料电池堆叠体1的外侧。当氮气从燃料电池堆叠体1排出时，能够使负极气体的总气体量/氢量之比接近于理论比(SR)。只通过将负极气体的压力维持为高压是无法得到这种效果的。
为了使负极气体的压力脉动成为可能，负极线20具备：高压的氢气罐21、负极气体供给路201、氢气压力调整阀22、负极气体排出路202、缓冲罐23、排水路203、排水阀24、净化通路204以及净化阀25。
氢气罐21配置于负极气体供给路201的上游端。
氢气压力调整阀22配置在将氢气罐21与燃料电池堆叠体1进行连接的负极气体供给路201上。氢气压力调整阀22对从氢气罐21供给的负极气体的压力进行调整，将压力调整后的负极气体供给到燃料电池堆叠体1。
负极气体排出路202将燃料电池堆叠体1与缓冲罐23进行连接。缓冲罐23的容积与燃料电池堆叠体1的负极气体通路的体积相同或者是该负极气体通路的体积的80％左右。缓冲罐23储存从燃料电池堆叠体1排出的负极气体。从燃料电池堆叠体1排出的负极气体中含有在正极生成并从正极穿透电解质膜而到达负极的水分。缓冲罐23将该水分从负极气体中分离出来。负极气体中还由于压力脉动而混入有滞留于负极气体通路的下游的氮气。缓冲罐23也具有将氮气分离出来的功能。
排水路203与缓冲罐23的底面相连接。排水阀24配置在排水路203的中途。排水阀24将从负极气体中分离出来并积存在缓冲罐23中的液态水排出到缓冲罐23的外侧。
净化通路204与缓冲罐23的顶面相连接。净化阀25配置在净化通路204的中途。净化阀25将积存在缓冲罐23的上部的氮气等惰性气体经由净化通路204吹扫到净化通路104。净化阀25通过连续或断续地改变开度来调整吹扫流量。
正极线10具备：正极气体通路101、压缩机11、加湿器12、正极气体供给路102以及正极气体排出路103。
压缩机11配置于正极气体通路101的上游端。压缩机11对空气进行压缩来供给到加湿器12。
加湿器12经由正极气体通路101连接于压缩机11。加湿器12还与正极气体供给路102、正极气体排出路103以及上述的净化通路104相连接。
加湿器12使用从燃料电池堆叠体1经由正极气体排出路103排出的正极排气所含的水分对从压缩机11经由正极气体通路101发送的压缩空气进行加湿。加湿后的压缩空气作为正极气体经由正极气体供给路102被供给到燃料电池堆叠体1的正极。正极气体在燃料电池堆叠体1的正极处与穿透电解质膜的氢离子进行反应而生成水。因而，反应后的正极排气中含有大量的水分。对压缩空气进行加湿后的正极排气从净化通路104放出到大气中。
与以上那样构成的燃料电池发电设备一起使用的本发明的运转控制装置具备：电流计52，其检测燃料电池堆叠体1的负载电流I；电压计53，其检测燃料电池堆叠体1的堆叠体电压V；氢浓度传感器54，其检测燃料电池堆叠体1内的负极气体的氢浓度；压力传感器55，其检测燃料电池堆叠体1内的负极气体压力Pa；以及可编程的控制器51。传感器52-55的各检测值通过信号电路输入到控制器51中。
控制器51由具备中央运算装置(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)以及输入输出接口(I/O接口)的微计算机构成。也能够利用多个微计算机构成控制器。
控制器51根据传感器52-54中的任一个或者多个传感器的检测信号来判断对燃料电池堆叠体1的负极气体的供给量是否满足燃料电池堆叠体1的目标发电电力所需的量。具体地说，在电流计52所检测出的负载电流I大于等于规定电流的情况下、或者堆叠体电压V大于等于规定电压的情况下、或者燃料电池堆叠体1内的负极气体的氢浓度大于等于规定浓度的情况下，判断为对燃料电池堆叠体1的负极气体的供给量满足了燃料电池堆叠体1的目标发电电力所需的量。在哪一个情形也不符合的情况下，判断为对燃料电池堆叠体1的负极气体的供给量不满足燃料电池堆叠体1的目标发电电力所需的量。
控制器51根据以上的判断结果，进行燃料电池堆叠体1内的负极气体的压力控制。具体地说，控制氢气压力调整阀22、排水阀24、净化阀25的开度或开闭。并且，控制器51通过控制压缩机11的运转来控制燃料电池堆叠体1内的正极气体的压力。
参照图2A-2C来说明燃料电池堆叠体1的通常运转。
在燃料电池堆叠体1的发电运转中，当如图2A所示那样将氢气压力调整阀22打开到规定开度时，由于通过负极气体供给路201从氢气罐21供给的负极气体而燃料电池堆叠体1内的负极气体的压力如图2B所示那样上升。负极气体所含有的氢气的一部分被燃料电池堆叠体1所消耗，剩余的负极气体通过负极气体排出路202如图2C所示那样流入到缓冲罐23中。在下面的说明中，将负极气体排出路202中的这种负极气体的流动称为顺流。
通过了燃料电池堆叠体1的负极气体含有从燃料电池堆叠体1的正极穿透到负极的生成水、氮等杂质。流入到缓冲罐23的负极气体中的杂质中的生成水在缓冲罐23中凝结而变成液态水，从而积存在缓冲罐23的下部。氮和未反应的负极气体积存在缓冲罐23的上部。缓冲罐23具备足够的容积以积存这些杂质。
在缓冲罐23内的生成水的蓄积量增加的情况下，控制器51打开排水阀24来将生成水经由排水路203排出到缓冲罐23之外。在缓冲罐23内的氮的蓄积量增加的情况下，控制器51打开净化阀25来将氮经由净化通路204排出到缓冲罐23之外。
上升的负极气体的压力如图2B所示那样在时刻t1达到上限压力Pmax。控制器51在负极气体的压力达到上限压力Pmax时如图2A所示那样将氢气压力调整阀22完全关闭，停止对燃料电池堆叠体1供给负极气体。通过燃料电池堆叠体1的发电运转在负极消耗负极气体，结果是如图2B所示那样在时刻t1之后负极气体压力Pa降低。当燃料电池堆叠体1内的负极气体压力Pa降低时，如图2C所示那样负极气体从缓冲罐23通过负极气体排出路202流入到燃料电池堆叠体1。在下面的说明中，将负极气体排出路202中的这种负极气体的流动称为逆流。
当由于将氢气压力调整阀22完全关闭而燃料电池堆叠体1内的负极气体压力Pa在时刻t2降低到下限压力Pmin时，控制器51如图2A所示那样将氢气压力调整阀22再次打开到规定开度，从氢气罐21重新开始向燃料电池堆叠体1供给负极气体。通过该操作，燃料电池堆叠体1内的负极气体压力Pa再次上升，从燃料电池堆叠体1排出的负极气体通过负极气体排出路202如图2C所示那样流入到缓冲罐23。
到了时刻t3时，燃料电池堆叠体1的负极气体压力Pa再次达到上限压力Pmax。控制器51再次将氢气压力调整阀22完全关闭，停止从氢气罐21对燃料电池堆叠体1供给负极气体。之后，由于燃料电池堆叠体1的发电运转而消耗负极气体中的氢气，随之如图2B所示那样燃料电池堆叠体1中的负极气体压力Pa降低。随着压力降低，贮存在缓冲罐23中的负极气体通过负极气体排出路202逆流而如图2C所示那样流入燃料电池堆叠体1。
这样，控制器51通过对氢气压力调整阀22进行开闭操作，来进行使燃料电池堆叠体1内的负极气体压力Pa反复增压和减压的脉动运转。从燃料电池堆叠体1排出的负极气体作为顺流流入到缓冲罐23之后，作为逆流再次供给到燃料电池堆叠体1。因而，负极气体被除去其所含有的氮和生成水，在燃料电池堆叠体1和缓冲罐23中进行循环，而并不排出到外部。通过以上的过程，执行燃料电池发电设备的负极盲端运转。
但是，根据发明者的研究，在燃料电池堆叠体1内由于生成水而发生液泛的状态下，在反复对负极气体进行增压和减压时，有时在减压时会无法向负极供给产生目标电力所需量的负极气体，因而导致燃料电池堆叠体1的发电电力的降低。
控制器51为了防止由于在液泛状态下的压力脉动运转而导致燃料电池堆叠体1的发电电力降低，通过氢气压力调整阀22的开闭操作来如下那样控制反应气体压力。
参照图3，说明控制器51为此而执行的反应气体压力控制例程。在燃料电池发电设备的运转过程中以固定时间间隔、例如每10毫秒重复执行一次该例程。
在步骤S1中，控制器51判断是否供给了用于由燃料电池堆叠体1产生出目标发电电力的电化学反应所需量的氢气。具体地说，将由电流计52检测出的燃料电池堆叠体1的负载电流I、由电压计53检测出的堆叠体电压V、由氢浓度传感器54检测出的负极气体的氢浓度分别与规定值进行比较，在不满足规定值的情况下，判断为未能供给用于产生出目标发电电力的电化学反应所需量的氢气。
既可以根据这些传感器52-54中的任一个传感器的输出来进行判断，或者也可以将多个传感器的输出分别与判断值进行比较来进行判断。并且，在后者的情况下，既可以在某一个传感器的输出小于规定值的情况下判断为负极气体量不足，也可以在所有传感器的输出都分别小于各个规定值的情况下判断为负极气体量不足。
也可取代测量负载电流I，而能够使用多个电流计来测量燃料电池堆叠体1内的多个区间的各发电电流，根据它们的电流分布来判断负极气体量是否不足。也可取代测量堆叠体电压V，而能够独立地测量构成燃料电池堆叠体1的各单电池的电压，根据各单电池的电压的平均值或最小值来判断负极气体量是否不足。并且，也能够测量特定单电池的电压来判断负极气体量是否不足。
在步骤S1中判断为供氢量并未不足的情况下，控制器51在步骤S2中进行通常模式的负极气体压力脉动运转控制。具体地说，如图2A-2C所示那样，控制氢气压力调整阀22的开闭操作以使负极气体压力Pa在上限压力Pmax与下限压力Pmin之间脉动。该操作与以往进行的操作的控制相同，因此省略说明。
在步骤S1中判断为供氢量不足的情况下，控制器51在步骤S3-S5中进行负极气体压力Pa的恢复控制。
在步骤S3中，控制器51判断从开始进行恢复控制起是否经过了规定时间。
在步骤S3的判断为否定的情况下，控制器51在步骤S4中执行图4所示的恢复模式子例程。在步骤S3的判断为肯定的情况下，控制器51在步骤中进行恢复失败处理。
在此，恢复失败处理意味着即使持续执行了规定时间的恢复模式子例程也无法解除负极气体量的不足的情况下的处理。具体地说，控制器51进行净化阀25的开阀操作或燃料电池堆叠体1的负载电压的降低处理。当打开净化阀25时，负极气体的氢浓度上升，其结果是各单电池的电压上升。当降低燃料电池堆叠体1的负载电压时，对负极气体的需求量减少，因此其结果是各单电池的电压上升。
在步骤S2、S4或者S5的处理之后，控制器51结束例程。
参照图4来说明控制器51在步骤S4中执行的恢复模式子例程。
在步骤S401中，控制器51判断燃料电池堆叠体1内的负极气体压力Pa是否正在减少。在步骤S401的判断为肯定的情况下，控制器51进行步骤S402-S406的处理。在步骤S401的判断为否定的情况下，控制器51进行步骤S407-步骤S411的处理。
在步骤S402中，控制器51通过执行图5所示的恢复模式下限负极气体压力设定子例程，来设定恢复模式下限负极气体压力Pamin。
参照图5，在步骤S4021中，控制器51根据电流计52的输出信号来检测燃料电池堆叠体1的负载电流I。
在步骤S4022中，控制器51根据电压计53的输出信号来检测堆叠体电压V。
在步骤S4023中，控制器51参照预先保存在ROM中的图7所示的特性的对应关系，来根据燃料电池堆叠体1的负载电流I和堆叠体电压V求出恢复模式下限负极气体压力Pamin。在此，预先对对应关系进行设定使得恢复模式下限负极气体压力Pamin高于应用于通常模式的压力脉动运转的下限压力Pmin。
在步骤S4023的处理之后，控制器51结束恢复模式下限负极气体压力设定子例程。
再次参照图4，在通过执行恢复模式下限负极气体压力设定子例程来设定了恢复模式下限负极气体压力Pamin之后，控制器51在步骤S403中根据压力传感器55的输出信号来检测燃料电池堆叠体1内的负极气体压力Pa。
在接下来的步骤S404中，控制器51判断负极气体压力Pa是否高于在步骤S402中设定的恢复模式下限负极气体压力Pamin。
在步骤S404的判断为肯定的情况下，控制器51在步骤S405中使负极气体压力减少。具体地说，控制器51将氢气压力调整阀22封闭或者维持该氢气压力调整阀22的封闭状态。当氢气压力调整阀22被封闭时，通过消耗燃料电池堆叠体1中的氢，负极气体压力以固定量逐步下降。
在步骤S404的判断为否定的情况下，控制器51在步骤S406中使负极气体压力增加。具体地说，控制器51将氢气压力调整阀22打开到上述的规定开度。通过该处理，从高压的氢气罐21供给到燃料电池堆叠体1的负极气体供给量增加，燃料电池堆叠体1内的负极气体压力Pa上升。
在进行步骤S405或步骤S406的处理之后，控制器51结束恢复模式子例程。
另一方面，在步骤S407中，控制器51通过执行图6所示的恢复模式上限负极气体压力设定子例程来设定恢复模式上限负极气体压力Pamax。
参照图6，在步骤S4071中，控制器51根据电流计52的输出信号来检测燃料电池堆叠体1的负载电流I。
在步骤S4072中，控制器51根据电压计53的输出信号来检测堆叠体电压V。
在步骤S4073中，控制器51参照预先保存在ROM中的图7所示的特性的对应关系，来根据燃料电池堆叠体1的负载电流I和堆叠体电压V求出恢复模式上限负极气体压力Pamax。在此，预先对对应关系进行设定使得恢复模式上限负极气体压力Pamax高于应用于通常模式的压力脉动运转的上限压力Pmax。
在步骤S4073的处理之后，控制器51结束恢复模式上限负极气体压力设定子例程。
再次参照图4，在通过执行恢复模式上限负极气体压力设定子例程来设定了恢复模式上限负极气体压力Pamax之后，控制器51在步骤S408中根据压力传感器55的输出信号来检测燃料电池堆叠体1内的负极气体压力Pa。
在接下来的步骤S409中，控制器51判断负极气体压力Pa是否低于在步骤S407中设定的恢复模式上限负极气体压力Pamax。
在步骤S409的判断为肯定的情况下，控制器51在步骤S410中使负极气体压力增加。用于增压的具体处理内容与步骤S406相同。
在步骤S409的判断为否定的情况下，控制器51在步骤S411中使负极气体压力减少。用于减压的具体处理内容与步骤S405相同。
在进行步骤S410或步骤S411的处理之后，控制器51结束恢复模式子例程。
通过实验和模拟，在各种燃料电池堆叠体中，针对每个负载电流I、堆叠体电压V，预先求出不会使发电电力再降低的压力脉动的下限压力和上限压力，由此制作出控制器51的ROM中预先保存的图7所示的特性的恢复模式下限负极气体压力以及恢复模式上限负极气体压力的对应关系。
参照图7，在该对应关系中，关于恢复模式下限负极气体压力Pamin，负极气体量的不足度越大即堆叠体电压V的降低度越大，对恢复模式下限负极气体压力Pamin赋予越大的值。另外，燃料电池堆叠体1的负载电流I越大，对恢复模式下限负极气体压力Pamin赋予越大的值。
另一方面，关于恢复模式上限负极气体压力Pamax，负极气体量的不足度越大即堆叠体电压V的降低度越大，对恢复模式上限负极气体压力Pamax赋予越大的值。另外，燃料电池堆叠体1的负载电流I越大，对恢复模式上限负极气体压力Pamax赋予越大的值。
优选的是，对于对应关系的特性进行设定，使得对于同样的负极气体量的不足度来说，恢复模式上限负极气体压力Pamax与通常模式下的上限压力Pmax之间的压差等于或大于恢复模式下限负极气体压力Pamin与下限压力Pmin之间的压差，由此，恢复模式下的压力脉动的中心值与通常模式的压力脉动的中心值相比向增压方向变化，因此能够更强力地促使降低了的发电电力恢复。
通过控制器51所执行的以上的反应气体压力控制，燃料电池堆叠体1内的负极气体压力如图8A和8B所示那样变化。
在这些时序图中，在时刻t13之前，燃料电池堆叠体1如图8B所示那样维持目标发电电力。在该状态下步骤S1的判断为肯定，因此控制器51在步骤S2中进行通常模式的负极气体压力脉动运转控制。
其结果是，燃料电池堆叠体1内的负极气体压力如图8A所示那样在通常模式的上限压力Pmax与下限压力Pmin之间脉动。
如图8B所示，以时刻t13为界，当堆叠体电压V降低时，步骤S1的判断转为否定，控制器51在步骤S3和S4中进行负极气体压力的恢复控制处理。在时刻t13，如图8A所示那样正在进行负极气体压力的减压操作。因而，在步骤S4中执行的恢复模式子例程中，图4的步骤S401的判断为肯定。
控制器51在步骤S402中，通过执行图5的恢复模式下限负极气体压力设定子例程来设定恢复模式下限负极气体压力Pamin。控制器51每执行一次例程就进行一次步骤S404的判断，只要判断为肯定就重复图4的步骤S405的减压处理。其结果是，在负极气体压力Pa达到恢复模式下限负极气体压力Pamin之前，负极气体压力Pa持续降低。由于将恢复模式下限负极气体压力Pamin设定为高于通常模式的下限压力Pmin，因此在恢复模式的压力脉动中，负极气体压力Pa不像通常模式那样低。该控制从而带来了抑制发电电力降低的作用。
当在时刻t14负极气体压力Pa降低到恢复模式下限负极气体压力Pamin时，在接下来的例程执行中，步骤S404的判断转为否定，控制器51在步骤S406中使负极气体压力Pa增加。在之后的例程执行中，步骤S401的判断变为否定，控制器51之后基于步骤S407中设定恢复模式上限负极气体压力Pamax来在S408-S410中进行负极气体压力Pa的增压处理。其结果是，在负极气体压力Pa达到恢复模式上限负极气体压力Pamax之前，负极气体压力Pa持续上升。由于将恢复模式上限负极气体压力Pamax设定为高于通常模式的上限压力Pmax，因此在恢复模式的压力脉动中负极气体压力Pa相比于通常模式会升高。该控制从而带来了促使发电电力恢复的作用。
当在时刻t15负极气体压力Pa达到恢复模式上限负极气体压力Pamax时，图4的步骤S409的判断转为否定，控制器51在步骤S411中使负极气体压力Pa减少。在之后的例程执行中，步骤S401的判断变为肯定，控制器51之后基于步骤S402中设定的恢复模式加减负极气体压力Pamin来在步骤S403-S405中进行负极气体压力Pa的减压处理。
当在时刻t16负极气体压力Pa达到恢复模式下限负极气体压力Pamin时，控制器51再次通过步骤S407对恢复模式上限负极气体压力Pamax进行设定，在步骤S408-S410中进行负极气体压力Pa的增压处理。
这样，控制器51通过执行图3的例程和图4-6的子例程，来使恢复模式的负极气体压力脉动运转控制继续。
当在时刻t17堆叠体电压V恢复到规定电压时，步骤S1的判断转为肯定。之后，控制器51进行通常模式的负极气体压力脉动运转控制。
在负极气体的供给量相对于作为目标的发电电力不足的情况下，在将燃料电池堆叠体1内的负极气体压力维持为较高的同时进行脉动运转，由此能够供给目标发电电力所需量的负极气体。因而，根据该运转控制装置，即使是在燃料电池堆叠体1内发生液泛的状态下进行压力脉动运转的情况下，也难以引起燃料电池堆叠体1的发电电力的降低。
考虑到燃料电池堆叠体1内的生成水的排水性能依赖于负极气体流速与升压时间的积。根据该运转控制装置，将恢复模式下的上限负极气体压力Pamax设定为高于通常模式的上限压力Pmax，因此恢复模式中的燃料电池堆叠体1内的负极气体流速被维持为高水平，从而能够保持较佳的排水性能。
供给到燃料电池堆叠体1的负极气体量的不足度越大，燃料电池堆叠体1的负载电流I和堆叠体电压V的降低幅度越大。在图7所示的特性的对应关系中，负载电流I和堆叠体电压V越低即负极气体量的不足度越大，对恢复模式下限负极气体压力Pamin和恢复模式上限负极气体压力Pamax分别赋予越大的值。该运转控制装置使压力脉动范围对应于负极气体量的不足度而上升，因此能够以最小的压力上升量来防止发电状况的恶化。
该运转控制装置还在解除了负极气体量的不足时使燃料电池发电设备恢复为通常模式的压力脉动运转，因此通过所需最小限度的负极气体压力的上升操作就能够维持发电状况或防止其恶化。
根据该运转控制装置，在恢复模式下的压力脉动运转持续了规定时间但堆叠体电压V也没有恢复到规定电压的情况下，进行恢复失败处理，该恢复失败处理包括净化阀25的开阀操作或燃料电池堆叠体1的负载电压的降低处理。因而，在只控制负极气体压力无法阻止发电状况的恶化的情况下，也能够通过其它手段来阻止发电状况的恶化。
参照图9-11，说明本发明的第二实施方式，本实施方式涉及控制器51所执行的恢复模式子例程以及恢复模式上限负极气体压力设定子例程。
在本实施方式中，对恢复模式上限负极气体压力Pamax设置限制，以使在恢复模式下的压力脉动运转中，负极气体压力相对于正极气体压力不会过大，这一点与第一实施方式不同。为此，本实施方式的运转控制装置如图1所示那样还具备检测正极气体压力Pc的压力传感器56。
图9所示的本实施方式的恢复模式子例程与第一实施方式的图4的恢复模式子例程相对应，在图3的反应气体压力控制例程的步骤S4中执行该恢复模式子例程。
图10所示的本实施方式的恢复模式上限负极气体压力设定子例程与第一实施方式的图6的恢复模式上限负极气体压力设定子例程相对应。在图9的恢复模式子例程的步骤S421中执行该恢复模式上限负极气体压力设定子例程。
在图9和10所涉及的下面的说明中，对进行与第一实施方式相同的处理的步骤附加相同的步骤号，省略说明。
参照图9，说明本实施方式的恢复模式子例程。
控制器51在步骤S401中判断燃料电池堆叠体1内的负极气体压力是否正在减少，在判断为否定的情况下，在步骤S421中通过执行图10所示的恢复模式上限负极气体压力设定子例程来设定恢复模式上限负极气体压力Pamax。
参照图10，控制器51在与第一实施方式同样地进行了步骤S4071-S4073的处理之后，在步骤S4211中判断恢复模式上限负极气体压力Pamax与压力传感器56所检测到的正极气体压力Pc之间的压差是否超过了允许压差ΔP0。通过实验和模拟，将允许压差ΔP0预先设定为不会使燃料电池堆叠体1的耐久性显著降低的值。允许压差ΔP0的一般值为50-200千帕(kPa)。
在步骤S4211的判断为肯定的情况下，控制器51在步骤S4212中将恢复模式上限负极气体压力Pamax重新设定为正极气体压力Pc加上允许压差ΔP0而得到的值。在步骤S4212的处理之后，控制器51结束恢复模式上限负极气体压力设定子例程。
另一方面，在步骤S4211的判断为否定的情况下，控制器51不对恢复模式上限负极气体压力Pamax施加限制，结束恢复模式上限负极气体压力设定子例程。
再次参照图9，在步骤S409中，控制器51与第一实施方式同样地判断负极气体压力Pa是否低于恢复模式上限负极气体压力Pamax。其中，在此使用的负极气体压力Pa是恢复模式上限负极气体压力Pamax被如上所述那样以将正极气体压力Pc与允许压差ΔP0相加后的值进行限制而得到的值。
在步骤S409的判断为肯定的情况下，控制器51与第一实施方式同样地在步骤S410中使负极气体压力增加之后，结束恢复模式子例程。
在步骤S409的判断为否定的情况下，控制器51在步骤S422中判断负极气体压力Pa的减压条件是否成立。关于负极气体压力Pa的减压条件，例如是根据步骤S409的判断从肯定转为否定的所需时间是否达到了规定时间来进行判断。
在步骤S422的判断为否定的情况下即步骤S409的判断从肯定转为否定的所需时间未达到规定时间的情况下，控制器51在步骤S423中将负极气体压力Pa维持原样。
在步骤S422的判断为肯定的情况下即步骤S409的判断从肯定转为否定的所需时间达到了规定时间的情况下，控制器51在步骤S411中使负极气体压力Pa减少。
在步骤S423或步骤S411的处理之后，控制器51结束恢复模式子例程。
参照图11，进行以上控制的结果是，将恢复模式上限负极气体压力Pamax抑制为低于第一实施方式的Pamax，另一方面，在时刻t24-t26的期间以及时刻t27-t28的期间中，负极气体压力Pa被维持为恢复模式上限负极气体压力Pamax。
根据本实施方式，对恢复模式上限负极气体压力Pamax施加限制，使得负极与正极之间的气压压力差Pa-Pc不超过允许压差ΔP0，另一方面，即使在负极气体压力Pa达到恢复模式上限负极气体压力Pamax的情况下，也不立即使负极气体压力Pa进行减压，而是在规定期间内将负极气体压力Pa维持为恢复模式上限负极气体压力Pamax。
通过将负极气体与正极气体之间的压力差保持在允许压差ΔP0以内，能够防止由于过大的压力差而损害燃料电池堆叠体1的耐久性。另外，通过在允许压差ΔP0的范围内使恢复模式上限负极气体压力Pamax持续规定期间，也能够确保维持发电状况乃至使发电状况从恶化恢复所需的负极气体量。
参照图12-14，说明本发明的第三实施方式。
在第一以及第二实施方式中，控制器51只对负极气体压力进行控制，但是在本实施方式中，控制器51对正极气体压力和负极气体压力一并进行控制。
图12所示的本实施方式的恢复模式子例程与第一实施方式的图4的恢复模式子例程相对应，在图3的反应气体压力控制例程的步骤S4中执行该恢复模式子例程。在本实施方式的恢复模式子例程中，设置了其它实施方式不具有的步骤S431。
参照图12，步骤S401-S411的处理与第一实施方式相同。控制器51在进行步骤S405、S406、S410以及S411的任一个处理之后，在步骤S431中执行图13所示的正极气体压力控制子例程。
参照图13，在步骤S4311中，控制器51用负极气体压力Pa减去允许压差ΔP0来设定恢复模式下限正极气体压力Pc0。允许压差ΔP0与第二实施方式中使用的允许压差ΔP0相等。
在步骤S4312中，控制器51根据压力传感器56的输出信号来检测正极气体压力Pc。
在步骤S4313中，控制器51判断正极气体压力Pc是否低于恢复模式下限正极气体压力Pc0。
在步骤S4313的判断为肯定的情况下，控制器51在步骤S4314中通过控制压缩机11的运转来进行正极气体压力Pc的增压处理。在进行步骤S4314的处理之后，控制器51结束正极气体压力控制子例程。
另一方面，在步骤S4313的判断为否定的情况下，控制器51在步骤S4315中判断正极压力Pc是否与通常模式的正极压力相等。在正极压力Pc与通常模式的正极压力相等的情况下，控制器51不对正极压力Pc施加处理而结束正极气体压力控制子例程。
在正极压力Pc与通常模式的正极压力不相等的情况下，控制器51在步骤S4316中使正极压力Pc减少。在进行步骤S4316的处理之后，控制器51结束正极气体压力控制子例程。随着正极气体压力控制子例程的结束，图12的恢复模式子例程也结束。
参照图14，通过以上的控制，在通常模式的压力脉动运转中，当时刻t32之后的减压行程中负极气体量不足时，控制器51在图3的步骤S4中执行图12的恢复模式子例程。在恢复模式子例程中，在步骤S405中进行负极气体压力Pa的减压处理，负极气体压力Pa在时刻t33达到恢复模式下限负极气体压力Pamin。在负极气体压力Pa减少时，恢复模式下限正极气体压力Pc0也降低，因此正极压力Pc不会变得低于恢复模式下限正极气体压力Pc0。因而，在恢复模式子例程的步骤S431中执行的图13的正极压力控制子例程中，不进行正极压力Pc的增压。
在时刻t33负极气体压力Pa达到恢复模式下限负极气体压力Pamin之后，控制器51在图12的恢复模式子例程的步骤S410和步骤S410中通过控制压缩机11的运转来进行负极气体压力的增压处理。其结果是负极气体压力Pa上升。
随着负极气体压力Pa的上升，通过图13的正极气体压力控制子例程的步骤S4311设定的恢复模式下限正极气体压力Pc0也上升。其结果是，在时刻t34正极压力Pc低于恢复模式下限正极气体压力Pc0，控制器51在步骤S4314中进行正极压力Pc的增压处理。这样，时刻t34之后正极压力Pc也与负极压力Pa一起上升。
在时刻t35，负极气体压力Pa达到恢复模式上限负极气体压力Pamax。控制器51之后在图12的恢复模式子例程的步骤S411和S406中进行负极气体压力Pa的减压处理。另外，在图13的步骤S4316中通过控制压缩机11的运转来进行正极气体压力Pc的减压处理。之后，负极气体压力Pa与正极气体压力Pc以保持压差ΔP0的状态降低。
当在时刻t36正极气体压力Pc降低到通常模式下的正极压力时，步骤S4316的判断转为肯定，因此之后停止正极气体压力Pc的减压处理，正极压力Pc被维持为通常模式下的正极压力。另一方面，继续对负极气体压力Pa进行减压处理直到负极气体压力Pa在时刻t37达到恢复模式下限负极气体压力Pamin。
时刻t37之后也重复从时刻t33到时刻t37的恢复模式的脉动控制处理。当时刻t40之后堆叠体电压V向规定电压恢复时，图3的反应气体压力控制例程的步骤S1的判断从否定转为肯定。与该变化相应地，控制器51将压力脉动运转控制从恢复模式切换为通常模式，之后在步骤S2中进行通常模式时的压力脉动运转控制。
根据本实施方式，与负极气体压力Pa的上升相应地进行正极气体压力Pc的增压处理，以使负极气体压力Pa与正极气体压力Pc之间的压差不会超过允许压差ΔP0。因而，能够防止由于过大的压力差而损害燃料电池堆叠体1的耐久性。另外，并不妨碍负极气体压力Pa向恢复模式上限负极气体压力Pamax上升，因此也能够确保维持发电状况乃至使发电状况从恶化恢复所需的负极气体量。
在以上的说明中，以引用的方式合并了申请日为2009年7月7日的日本特愿2009-160528号的内容。
以上，通过几个特定的实施方式说明了本发明，但是本发明并不限定于上述各实施方式。对本领域技术人员来说，能够在权利要求的范围内对这些实施方式施加各种修正或变更。
例如，在上述的任一个实施方式中，都可以如图15所示那样在恢复模式下使负极气体压力Pa增加时提高负极气体压力的上升速度，以使通过燃料电池堆叠体1的负极气体的流速超过通常模式时的流速。具体地说，将步骤S406和S410中进行的负极气体压力Pa的增压处理中应用的氢气压力调整阀22的规定开度设定为更大的值。
当提高负极气体压力Pa的上升速度时，压力脉动的间隔变短，从而直到在堆叠体电压V恢复到规定电压之后从恢复模式切换为通常模式为止的时间变短。因而，能够在短时间内结束恢复模式下的压力脉动运转。
产业上的可利用性
如上，本发明的燃料电池发电设备的控制装置以及控制方法在应用于车辆用的燃料电池发电设备时会带来较佳的效果，但是其应用对象不限于此。
本发明的实施例所包含的排他的性质或特征请求保护如权利要求所述的范围。

Claims (19)

1.一种燃料电池发电设备的运转控制装置，其根据目标发电电力来控制使用氢进行发电的燃料电池堆叠体(1)的发电电力，该燃料电池发电设备的控制装置具备：
负极气体供给机构(20)，其将含氢的负极气体供给到燃料电池堆叠体(1)；
传感器(52-54)，其检测燃料电池堆叠体(1)的发电状态；以及
能够被编程的控制器(51)，其被编程为：
对负极气体供给机构(20)进行控制，以使燃料电池堆叠体(1)内负极气体的压力在上限压力与下限压力之间脉动(S2、S4、S405、S406、S410、S411)，
根据燃料电池堆叠体(1)的发电状态来判断对燃料电池堆叠体(1)的供氢量是否满足产生目标发电电力所需的量(S1)，
在上述供氢量不满足产生目标发电电力所需的量的情况下，对下限压力进行增压校正(S4、S402、S4023)。
2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，控制器(51)还被编程为：
负极气体的供给量的不足度越高，将下限压力的增压校正量设定得越大(S402、S4023)。
3.根据权利要求1或2所述的控制装置，其特征在于，
检测发电状态的传感器(52-54)包括检测燃料电池堆叠体(1)的负载电流的电流计(52)，
控制器(51)还被编程为：负载电流越大，将下限压力的增压校正量设定得越大(S402、S4023)。
4.根据权利要求1～3中的任一项所述的控制装置，其特征在于，控制器(51)还被编程为：
在供氢量不满足产生目标发电电力所需的量的情况下，对上限压力进行增压校正(S407、S4023)。
5.根据权利要求4所述的控制装置，其特征在于，控制器(51)还被编程为：
供氢量的不足度越大，将上限压力的增压校正量设定得越大(S407、S4023)。
6.根据权利要求5所述的控制装置，其特征在于，
检测发电状态的传感器(52-54)包括检测燃料电池堆叠体(1)的负载电流的电流计(52)，
控制器(51)还被编程为：负载电流越大，将上限压力的增压校正量设定得越大(S407、S4023)。
7.根据权利要求4～6中的任一项所述的控制装置，其特征在于，控制器(51)还被编程为：
在供氢量不满足产生目标发电电力所需的量的情况下，进行设定使得上限压力的增压校正量大于下限压力的增压校正量(S407、S4023)。
8.根据权利要求4～7中的任一项所述的控制装置，其特征在于，控制器(51)还被编程为：
在对上限压力进行增压校正之后，如果供氢量达到产生目标发电电力所需的量，对上限压力进行减压校正(S407、S4023)。
9.根据权利要求1～8中的任一项所述的控制装置，其特征在于，
燃料电池发电设备还具备正极气体供给机构(10)和压力传感器(56)，该正极气体供给机构(10)将正极气体供给到燃料电池堆叠体(1)，该压力传感器(56)检测燃料电池堆叠体(1)内的正极气体压力，
控制器(51)还被编程为：根据正极气体压力加上规定压力而得到的压力来对上限压力进行限制(S4212)。
10.根据权利要求1～9中的任一项所述的控制装置，其特征在于，控制器(51)还被编程为：
对正极气体压力进行增压校正，使得负极气体的压力与正极气体的压力之间的压差处于规定的压力以内(S431、S4314)。
11.根据权利要求1～10中的任一项所述的控制装置，其特征在于，控制器(51)还被编程为：
使负极气体压力的增压速度增大，以使在供氢量不满足产生目标发电电力所需的量的状态下负极气体压力向上限压力增大时通过燃料电池堆叠体(1)的负极气体的流速超过在负极气体的供给量满足产生目标发电电力所需的量的状态下通过燃料电池堆叠体(1)的负极气体的流速(S406、S410)。
12.根据权利要求1～11中的任一项所述的控制装置，其特征在于，控制器(51)还被编程为：
在对下限压力进行增压校正之后，如果供氢量达到产生目标发电电力所需的量，对下限压力进行减压校正(S402、S4023)。
13.根据权利要求1～12中的任一项所述的控制装置，其特征在于，控制器(51)还被编程为：
在针对下限压力进行了规定时间的增压校正但供氢量仍没有达到产生目标发电电力所需的量的情况下，进行除了负极气体的增压校正以外的电力恢复处理(S3、S5)。
14.根据权利要求13所述的控制装置，其特征在于，
负极气体供给机构(20)具备缓冲罐(23)，该缓冲罐(23)从燃料电池堆叠体(1)回收已供给到燃料电池堆叠体(1)的负极气体并贮存所回收的负极气体，另一方面，与燃料电池堆叠体(1)内的负极气体压力的降低相应地将所贮存的负极气体重新供给到燃料电池堆叠体(1)。
15.根据权利要求14所述的控制装置，其特征在于，
除了负极气体的压力控制以外的电力恢复处理包括：对缓冲罐(23)所贮存的负极气体进行净化。
16.根据权利要求13所述的控制装置，其特征在于，
除了负极气体的压力控制以外的电力恢复处理包括：降低燃料电池堆叠体(1)的负载电流。
17.根据权利要求1～16中的任一项所述的控制装置，其特征在于，
检测燃料电池堆叠体(1)的发电状态的传感器(52-54)包括检测燃料电池堆叠体(1)的堆叠体电压的电压计(53)、检测燃料电池堆叠体(1)的负载电流的电流计(52)以及检测供给到燃料电池堆叠体(1)的负极气体的氢浓度的氢浓度传感器(54)中的至少一个。
18.一种燃料电池发电设备的运转控制装置，该燃料电池发电设备使用利用氢进行发电的燃料电池堆叠体(1)来根据目标发电电力进行发电运转，该控制装置具备：
单元(20)，其将含氢的负极气体供给到燃料电池堆叠体(1)；
单元(51、52-54、S1)，其判断对燃料电池堆叠体(1)的供氢量是否满足目标发电电力所需的量；
单元(51、S2、S4、S405、S406、S410、S411)，其对单元(20)进行控制，以使燃料电池堆叠体(1)内负极气体的压力在上限压力与下限压力之间脉动；以及
单元(51、S4、S402、S4023)，其在上述供氢量不满足产生目标发电电力所需的量的情况下对下限压力进行增压校正。
19.一种燃料电池发电设备的控制方法，该燃料电池发电设备使用利用氢进行发电的燃料电池堆叠体(1)来根据目标发电电力进行发电运转，该燃料电池发电设备的控制方法包括以下步骤：
将含氢的负极气体供给到燃料电池堆叠体(1)；
判断对燃料电池堆叠体(1)的供氢量是否满足产生目标发电电力所需的量(S1)；
对负极气体供给机构(20)进行控制，以使燃料电池堆叠体(1)内负极气体的压力在上限压力与下限压力之间脉动(S2、S4、S405、S406、S410、S411)；以及
在上述供氢量不满足产生目标发电电力所需的量的情况下对下限压力进行增压校正(S4、S402、S4023)。
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