CN103582970A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池系统，其向燃料电池供给阳极气体及阴极气体而进行发电，该燃料电池系统具有：控制阀，其控制供给至燃料电池的阳极气体的压力；缓冲部，其存储从燃料电池排出的阳极尾气；脉动运转单元，其对控制阀进行控制，以使得阳极气体的压力以规定的脉动宽度周期性地增加/减小；以及脉动宽度校正单元，其基于缓冲部的温度对脉动宽度进行校正。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统。
背景技术
在JP2007－517369A中记载的燃料电池系统中，在阳极气体供给通路中设有常闭螺线管阀，在阳极气体排出通路中从上游开始依次设有常闭螺线管阀和缓冲罐（循环罐）。
该现有的燃料电池系统是不使阳极气体排出通路所排出的未使用的阳极气体返回至阳极气体供给通路的阳极气体非循环型的燃料电池系统，通过用于控制阳极压力的控制阀，以与运转状态相对应的脉动宽度减小使阳极气体的压力增加/减小的脉动运转。
发明内容
然而，在上述现有的燃料电池系统中，没有考虑到缓冲罐的温度变化。因此，存在以下问题，即，如果以设定好的脉动宽度实施脉动运转，则由于缓冲罐的温度，会导致燃料电池堆内部的阳极气体浓度下降而使发电的稳定性下降，或液体水的排出性能下降。
本发明就是鉴于上述问题点而提出的，其目的在于通过对应于缓冲罐的温度的温度而设定适当的脉动宽度，从而进行稳定的发电并确保液体水的排出性能。
为了实现上述目的，根据本发明的某个技术方案，提供一种燃料电池系统，该燃料电池系统具有：控制阀，其控制供给至燃料电池的阳极气体的压力；缓冲部，其存储从燃料电池排出的阳极尾气；脉动运转单元，其对控制阀进行控制，使阳极气体的压力以规定的脉动宽度周期性地增加/减小；以及脉动宽度校正单元，其基于缓冲部的温度校正脉动宽度。
下面，参照附图，对本发明的实施方式、本发明的优点进行详细说明。
附图说明
图1A是燃料电池的概略斜视图。
图1B是燃料电池的剖视图。
图2是本发明的第1实施方式所涉及的阳极气体非循环型的燃料电池系统的概略结构图。
图3是对稳定运转时的脉动运转进行说明的图。
图4是对在阳极气体流路的内部，局部的阳极气体浓度比其他处的浓度低的部分产生的原因进行说明的图。
图5是在脉动宽度相同时，对应于缓冲罐的温度而示出阳极压力降压时的流路内最低阳极气体浓度的图。
图6是在脉动宽度相同时，对应于缓冲罐的温度而示出阳极压力升压时的阳极气体的运动能量的大小的图。
图7是对本发明的第1实施方式所涉及的脉动运动控制进行说明的流程图。
图8是根据输出电流计算基准压的图表。
图9是根据输出电流计算基本脉动宽度的图表。
图10是根据燃料电池堆的温度计算放气阀的基本开度的图表。
图11是对本发明的第1实施方式所涉及的低温时脉动宽度校正处理进行说明的流程图。
图12是对应于缓冲罐的各个温度而示出阳极压力降压时的脉动宽度和流路内最低阳极气体浓度的关系的对应图。
图13是对本发明的第1实施方式所涉及的高温时脉动宽度校正处理进行说明的流程图。
图14是根据输出电流计算容许下限运动能量的图表。
图15是对应于缓冲罐的各个温度而示出阳极压力升压时的脉动宽度和阳极气体的运动能量的关系的对应图。
图16是对本发明的第1实施方式所涉及的低温时脉动宽度校正处理的作用进行说明的图。
图17是对本发明的第1实施方式所涉及的高温时脉动宽度校正处理的作用进行说明的图。
图18是在缓冲罐的温度为规定温度时，对应于排气阀的开度而示出脉动宽度ΔP和流路内最低阳极气体浓度的关系的图。
图19是对本发明的第2实施方式所涉及的低温时脉动宽度校正处理进行说明的流程图。
图20是根据内部电阻计算排气阀的开度校正量的图表。
图21是根据排气阀的开度校正量计算容许最大脉动宽度的校正量的图表。
图22是对本发明的第2实施方式所涉及的低温时脉动宽度校正处理的作用进行说明的图。
图23是在缓冲罐的温度为比燃料电池堆的稳定温度高的规定温度时，示出脉动宽度和阳极气体的运动能量及流路内最低阳极气体浓度的关系的图。
图24是对本发明的第3实施方式所涉及的高温时脉动宽度校正处理进行说明的流程图。
图25是根据温度差计算排气阀的开度校正量的图表。
图26是根据温度差计算排气阀的开度校正量的图表。
图27是对本发明的第3实施方式所涉及的高温时脉动宽度校正处理的作用进行说明的图。
图28是对本发明的第3实施方式所涉及的高温时脉动宽度校正处理的作用进行说明的图。
图29是对本发明的第4实施方式所涉及的脉动运转控制进行说明的流程图。
图30是对本发明的第4实施方式所涉及的低温时排气阀开度校正处理进行说明的流程图。
图31是根据温度差计算排气阀的开度校正量的图表。
图32是对本发明的第4实施方式所涉及的低温时排气阀开度校正处理的作用进行说明的图。
具体实施方式
（第1实施方式）
燃料电池是通过由阳极电极（燃料极）和阴极电极（氧化剂极）夹持电解质膜，向阳极电极供给含有氢的阳极气体（燃料气体），向阴极电极供给含有氧的阴极气体（氧化剂气体）而进行发电的。在阳极电极及阴极电极的两个电极上进行的电极反应如下所示。
阳极电极：2H2→4H++4e－                   （1）
阴极电极：4H++4e－+O2→2H2O               （2）
通过上述（1）及（2）的电极反应，燃料电池产生1伏程度的电动势。
图1A是燃料电池10的概略斜视图。图1B是图1A的燃料电池10的B－B的剖视图。
燃料电池10通过在膜电极接合体（Membrane ElectrodeAssembly；下面称为“MEA”）11的正反两面配置阳极隔膜12和阴极隔膜13而构成。
MEA11具有：电解质膜111、阳极电极112、阴极电极113。MEA11在电解质膜111的一侧面上具有阳极电极112，在另一侧面上具有阴极电极113。
电解质膜111是由氟类树脂形成的具有质子传导性的离子交换膜。电解质膜111在湿润状态下表现出良好的导电性。
阳极电极112具有催化剂层112a和气体扩散层112b。催化剂层112a与电解质膜111接触。催化剂层112a由铂或承载有铂等的炭黑粒子形成。气体扩散层112b设置在催化剂层112a的外侧（电解质膜111的相反侧），与阳极隔膜12接触。气体扩散层112b由具有充分的气体扩散性及导电性的部件形成，例如由碳纤维构成的线编织成的碳布形成。
阴极电极113也与阳极电极112相同地，具有催化剂层113a和气体扩散层113b。
阳极隔膜12与气体扩散层112b接触。阳极隔膜12在与气体扩散层112b接触的一侧具有多个槽状的阳极气体流路121，它们用于向阳极电极112供给阳极气体。
阴极隔膜13与气体扩散层113b接触。阴极隔膜13在与气体扩散层113b接触的一侧具有多个槽状的阴极气体流路131，它们用于向阴极电极113供给阴极气体。
流过阳极气体流路121的阳极气体和流过阴极气体流路131的阴极气体彼此平行地沿同一方向流动。也可以彼此平行地沿相反方向流动。
在将上述燃料电池10作为汽车用动力源使用的情况下，由于要求的电力很大，因此，将数百片的燃料电池10层叠而作为燃料电池堆使用。并且，构成向燃料电池堆供给阳极气体及阴极气体的燃料电池系统，输出车辆驱动用的电力。
图2是本发明的一个实施方式所涉及的阳极气体非循环型的燃料电池系统1的概略结构图。
燃料电池系统1具有：燃料电池堆2、阳极气体供给装置3和控制器4。
燃料电池堆2由数百片的燃料电池10层叠而成，接受阳极气体及阴极气体的供给而发电，产生车辆的驱动所需的电力（例如为了驱动电动机所需的电力）。
关于向燃料电池堆2供给·排出阴极气体的阴极气体供给/排出装置及冷却燃料电池堆2的冷却装置，它们并不是本发明的主要部分，因此，为了便于理解而省略图示。在本实施方式中，作为阴极气体而使用空气。
阳极气体供给装置3具有：高压罐31、阳极气体供给通路32、调压阀33、压力传感器34、阳极气体排出通路35、缓冲罐36、排气通路37、排气阀38。
高压罐31将用于向燃料电池堆2供给的阳极气体保持为高压状态而存储。
阳极气体供给通路32是用于将从高压罐31排出的阳极气体供给至燃料电池堆2的通路，一端部与高压罐31连接，另一端与燃料电池堆2的阳极气体输入孔21连接。
调压阀33设置在阳极气体供给通路32中。调压阀33将从高压罐31排出的阳极气体调节为期望的压力而供给至燃料电池堆2。调压阀33是能够连续性或阶段性地调节开度的电磁阀，其开度由控制器4控制。
压力传感器34设置在与调压阀33相比更靠近下游侧的阳极气体供给通路32中。压力传感器34对在与调压阀33相比更靠近下游侧的阳极气体供给通路32中流动的阳极气体的压力进行检测。在本实施方式中，作为包含燃料电池堆内部的各阳极气体流路121和缓冲罐36在内的阳极系统整体的压力（下面称为“阳极压力”），使用通过该压力传感器34检测出的阳极气体的压力。
阳极气体排出通路35的一端部与燃料电池堆2的阳极气体输出孔22连接，另一端部与缓冲罐36的上部连接。在阳极气体排出通路35中排出由在电极反应中没有使用的剩余阳极气体、和从阴极侧向阳极气体流路121渗透过来的氮或水蒸气等杂质气体构成的混合气体（下面称为阳极尾气）。
缓冲罐36对通过阳极气体排出通路35而流过来的阳极尾气暂时进行存储。阳极尾气中的水蒸气的一部分在缓冲罐36内冷凝而变为液体，并从阳极尾气中分离。
排气通路37的一端部与缓冲罐36的下部连接。排气通路37的另一端部成为开口端。储存在缓冲罐36中的阳极尾气及液体通过排气通路37而从开口端向外部空气中排出。在图2中虽未图示，但通常向阴极排出管排出。
排气阀38设置在排气通路37中。排气阀38是能够连续性或阶段性地调节开度的电磁阀，其开度由控制器4控制。通过调节排气阀38的开度，对从缓冲罐36经由排气通路37向外部空气排出的阳极尾气的量进行调节，从而将缓冲罐36内的阳极气体浓度调节为恒定。如果燃料电池系统1的运转状态相同，则越增大排气阀38的开度，缓冲罐36内的氮浓度就降低得越多，阳极气体浓度越增高。
控制器4由具有中央运算装置（CPU）、只读存储器（ROM）、随机访问存储器（RAM）及输入输出接口（I/O接口）的微型计算机构成。
除了上述的压力传感器34之外，还向控制器4中输入电流传感器41、温度传感器42和加速器行程传感器43等的用于检测燃料电池系统1的运转状态的信号，其中，电流传感器41用于检测燃料电池堆2的输出电流，温度传感器42用于检测对燃料电池堆2进行冷却的冷却水的温度（下面称为“电池堆温度”），加速器行程传感器43用于检测加速器踏板的踏入量（下面称为“加速器操作量”）。
控制器4基于上述输入信号而周期性地对调压阀33进行开闭，进行使阳极压力周期性地增加/减小的脉动运转，并且，调节排气阀38的开度而调节从缓冲罐36排出的阳极尾气的流量，将缓冲罐36内的阳极气体浓度保持为规定浓度。
在阳极气体非循环型的燃料电池系统1的情况下，如果在打开调压阀33的状态下从高压罐31向燃料电池堆2持续供给阳极气体，则包含有从燃料电池堆2排出的未使用的阳极气体在内的阳极尾气从缓冲罐36经由排气通路37持续向外部空气排出，因此造成浪费。
因此，在本实施方式中，对调压阀33周期性地进行开闭，进行使阳极压力周期性地增加/减小的脉动运转。通过进行脉动运转，能够使积存在缓冲罐36中的阳极尾气在阳极压力降压时逆流至燃料电池堆2中。由此，由于能够对阳极尾气中的阳极气体进行再利用，因此能够减少向外部空气排出的阳极气体量，从而能够消除浪费。
下面，参照图3，对脉动运转进行说明，并对在阳极压力降压时积存在缓冲罐36中的阳极尾气逆流至燃料电池堆2中的原因进行说明。
图3是对燃料电池系统1的运转状态为恒定的稳定运转时的脉动运转进行说明的图。
如图3（A）所示，控制器4基于向燃料电池堆2施加的负载（下面称为“电池堆负载”）（输出电流），计算阳极压力的基准压力和脉动宽度，设定阳极压力的上限值及下限值。并且，以基准压力为中心，在脉动宽度的范围内使阳极压力周期性地升压/降压，从而在设定的阳极压力的上限值及下限值之间，使阳极压力周期性地升压/降压。
具体来说，在时刻t1阳极压力达到下限值后，如图3（B）所示，将调压阀33打开至能够至少使阳极压力升压至上限值的开度。在处于该状态时，阳极气体从高压罐31供给至燃料电池堆2，并向缓冲罐36排出。
在时刻t2阳极压力达到上限值后，如图3（B）所示，将调压阀33完全关闭，停止从高压罐31向燃料电池堆2供给阳极气体。这样，通过上述（1）的电极反应，残留在燃料电池堆内部的阳极气体流路121中的阳极气体随着时间的流逝而被消耗，因此，与阳极气体的消耗量相应地，阳极压力降低。
另外，如果残留在阳极气体流路121中的阳极气体被消耗，则缓冲罐36的压力暂时高于阳极气体流路121的压力，因此阳极尾气从缓冲罐36向阳极气体流路121逆流。其结果，残留在阳极气体流路121中的阳极气体和逆流至阳极气体流路121中的阳极尾气中的阳极气体随着时间的流逝被消耗，阳极压力进一步下降。
在时刻t3阳极压力达到下限值后，与时刻t1时相同地打开调压阀33。并且，在时刻t4阳极压力再次达到上限值后，将调压阀33完全关闭。
在此，上述的阳极压力的基准压力和脉动宽度是以燃料电池堆2的温度与缓冲罐36的温度相等为前提而设定的。具体来说，是以缓冲罐36的温度与暖机完成后的燃料电池堆2的稳定温度（约60［度］）相等为前提而设定的。
然而，作为缓冲罐36的温度，有时在燃料电池堆2的暖机过程中会比燃料电池堆2的稳定温度低。另外，作为缓冲罐36的温度，有时即使在暖机完成后，由于外部气体温度或行驶风等外部环境而发生变动，而会低于或高于燃料电池堆2的稳定温度。
在实施脉动运转的情况下，如果没有考虑到上述缓冲罐36的温度变化而设定脉动宽度，则在使阳极压力从上限压力下降至下限气压为止的降压时以及使阳极压力从下限气压增加至上限压力为止的升压时，已知会分别发生下面的问题。
首先，对阳极压力降压时所产生的问题进行说明。
在阳极压力到达至规定的上限压力时，存在于缓冲罐36的内部的阳极气体（氢）的物质量对应于缓冲罐36的温度而变化。具体来说，如果缓冲罐36内的压力相同，则缓冲罐36的温度越低，存在于缓冲罐36的内部的阳极气体的物质量越多。
在阳极压力降压时，通过消耗残留在阳极气体流路121中的阳极气体和逆流至阳极气体流路121的阳极尾气中的阳极气体，从而使阳极压力从上限压力下降至下限气压。因此，存在于缓冲罐36的内部的阳极气体的物质量越多，为了使阳极压力下降至下限气压所需要的阳极气体的消耗量就越多，因此为了使阳极压力下降至下限气压所需要的时间就越长。
在此，在阳极压力降压时，在阳极气体流路121的内部局部地产生阳极气体浓度比其他处的浓度低的部分。参照图4，对该原因进行说明。
图4是对在阳极气体流路121的内部，局部地产生阳极气体浓度比其他处的浓度低的部分的原因进行说明的图。图4（A）是表示在阳极压力降压时，在阳极气体流路121内的阳极气体及阳极尾气的流向的图。图4（B）是表示在阳极压力降压时，对应于时间的经过的阳极气体流路121内的阳极气体的浓度分布的图。
如图4（A）所示，如果残留在阳极气体流路121中的阳极气体被消耗，则缓冲罐36的压力会暂时高于阳极气体流路121的压力，因此，阳极尾气会从缓冲罐36侧向阳极气体流路121逆流。另外，相同地，存在于阳极气体供给通路32中的高浓度的阳极气体也向压力低的阳极气体流路121流入。
如上所述，在从阳极气体供给通路32侧向阳极气体流路121流入的阳极气体和从缓冲罐36侧向阳极气体流路121逆流的阳极尾气的合流部处，产生各自的气体流速大致为零的沉淀点。
如果在阳极气体流路121内产生上述的沉淀点，则在上述（1）的电极反应中不使用的阳极尾气中的氮随着时间的经过而积存在沉淀点附近。其结果，沉淀点附近的氮浓度随着时间的经过而变得比其他处高，如图4（B）所示，导致沉淀点附近的阳极气体浓度随着时间的经过而变得比其他处低。
如果在阳极气体流路121内阳极气体浓度最低的部分的阳极气体浓度（下面称为“流路内最低阳极气体浓度”）低于预先确定的容许下限阳极气体浓度，则该部分可能会妨碍上述（1）及（2）的电极反应而导致电压转为负电压，这成为使燃料电池10劣化的原因。
因此，在阳极压力降压时，必须避免流路内最低阳极气体浓度低于容许下限阳极气体浓度。
然而，在缓冲罐36的温度低于燃料电池堆2的稳定温度时，如果以缓冲罐36的温度为燃料电池堆2的稳定温度这一前提设定脉动宽度，并以该脉动宽度实施脉动运转，则阳极压力下降至下限气压的时间变长，流路内最低阳极气体浓度可能会低于容许下限阳极气体浓度。
因此，在本实施方式中，在缓冲罐36的温度较低时，校正为使脉动宽度较小，缩短阳极压力下降至下限气压的时间。由此，流路内最低阳极气体浓度不低于容许下限阳极气体浓度。
图5是在脉动宽度相同时，对应于缓冲罐36的温度而示出阳极压力降压时的流路内最低阳极气体浓度的图。
如图5所示，可知如果脉动宽度相同，则缓冲罐36的温度越低，阳极压力下降至下限气压的时间越长，流路内最低阳极气体浓度越降低。
下面，对阳极压力升压时所产生的问题进行说明。
如上述所示，在阳极压力到达至规定的上限压力时，存在于缓冲罐36的内部的阳极气体（氢）的物质量对应于缓冲罐36的温度而变化。具体来说，如果缓冲罐36内的压力相同，则缓冲罐36的温度越高，存在于缓冲罐36的内部的阳极气体的物质量越少。
因此，缓冲罐36的温度越高，使阳极压力增加至上限压力所需要的阳极气体量越少。其结果，缓冲罐36的温度越高，阳极压力升压时的阳极气体的流速、进而运动能量越低，阳极气体流路121内的液体水的排出性能越下降。
因此，在缓冲罐36的温度高于燃料电池堆2的稳定温度时，如果以缓冲罐36的温度与燃料电池堆2的稳定温度相同这一前提设定脉动宽度，并以该脉动宽度实施脉动运转，则阳极气体的运动能量可能低于为了将阳极气体流路121内的液体水排出所需的运动能量的最小值（下面称为“容许下限运动能量”）。
因此，在本实施方式中，在缓冲罐36的温度较高时，校正为使脉动宽度较大，确保阳极气体的运动能量。
图6是在脉动宽度相同时，对应于缓冲罐36的温度而示出阳极压力升压时的阳极气体的运动能量的大小的图。
如图6所示，可知如果脉动宽度相同，则缓冲罐36的温度越高，阳极气体的运动能量越低。
下面，对本实施方式所涉及的脉动运转控制进行说明。
图7是对本实施方式所涉及的脉动运转控制进行说明的流程图。控制器4每隔规定时间（例如10ms）重复执行该处理流程。
在步骤S1中，控制器4读取作为电池堆负载的输出电流、电池堆温度、外部气体温度及车速。
在步骤S2中，控制器4参照图8的图表，基于输出电流而计算脉动运转时的阳极压力的基准压力。如图8所示，输出电流越大，阳极压力的基准压力越大。
在步骤S3中，控制器4参照图9的图表，基于输出电流而计算脉动运转时的脉动宽度的基本值（下面称为“基本脉动宽度”）。如图9所示，输出电流越大，基本脉动宽度越大。
在步骤S4中，控制器4参照图10的图表，基于电池堆温度而计算排气阀的基本开度。如图10所示，电池堆温度越高，排气阀的基本开度越大。
在步骤S5中，控制器4计算缓冲罐36的温度。在本实施方式中，基于电池堆温度、外部气体温度及车速，计算缓冲罐36的温度。
在步骤S6中，控制器4判定缓冲罐36的温度是否高于第1规定温度。第1规定温度设定为比暖机完成后的燃料电池堆2的稳定温度（约60［度］）高的温度。控制器4如果判定出缓冲罐36的温度高于第1规定温度，则进行步骤S10的处理，如果低于第1规定温度，则进行步骤S7的处理。
在步骤S7中，控制器4判定缓冲罐36的温度是否低于第2规定温度。第2规定温度设定为比暖机完成后的燃料电池堆2的稳定温度低的温度。控制器4如果判定出缓冲罐36的温度低于第2规定温度，则进行步骤S9的处理，如果高于第2规定温度，则进行步骤S8的处理。
在步骤S8中，控制器4判断出缓冲罐36的温度与燃料电池堆2的稳定温度大致相等，以基准压力为中心，在基本脉动宽度的范围内周期性地使阳极压力增加/减小而实施脉动运转。
在步骤S9中，控制器4判断缓冲罐36的温度低于燃料电池堆2的稳定温度，实施低温时脉动宽度校正处理，以使得脉动宽度小于基准脉动宽度。关于低温时脉动宽度校正处理，参照图11在后面进行叙述。
在步骤S10中，控制器4判断出缓冲罐36的温度低于燃料电池堆2的稳定温度，实施高温时脉动宽度校正处理，以使得脉动宽度大于基准脉动宽度。关于高温时脉动宽度校正处理，参照图13在后面进行叙述。
在步骤S11中，控制器4将排气阀的开度控制为基本开度。
图11是对低温时脉动宽度校正处理进行说明的流程图。
在步骤S91中，控制器4参照图12的对应图，基于缓冲罐36的温度，对使流路内最低阳极气体浓度不低于容许下限阳极气体浓度时的脉动宽度的最大值（下面称为“容许最大脉动宽度”）进行计算。
图12是对应于缓冲罐36的各个温度而示出阳极压力降压时的脉动宽度和流路内最低阳极气体浓度的关系的对应图。
如图12所示，如果缓冲罐36的温度相同，则越减小脉动宽度，使阳极压力下降至下限气压所需的时间越短，因此流路内最低阳极气体浓度越高。另外，如果脉动宽度相同，则缓冲罐36的温度越低，存在于缓冲罐36的内部的阳极气体的物质量越多，使阳极压力下降至下限气压所需的时间越长，流路内最低阳极气体浓度越低。
在步骤S92中，控制器4以基准压力为中心，在容许最大脉动宽度的范围内周期性地使阳极压力增加/减小而实施脉动运转。
在步骤S93中，控制器4将排气阀的开度控制为基本开度。
图13是对高温时脉动宽度校正处理进行说明的流程图。
在步骤S101中，控制器4参照图14的图表，基于输出电流，计算容许下限运动能量。如图14所示，输出电流越大，容许下限运动能量越大。这是由于输出电流越大，通过上述（2）的电极反应所产生的水越多。
在步骤S102中，控制器4参照图15的对应图，基于缓冲罐36的温度，对不低于容许下限运动能量时的脉动宽度的最小值（下面称为“容许最小脉动宽度”）进行计算。
图15是对应于缓冲罐36的各个温度而示出阳极压力升压时的脉动宽度和阳极气体的运动能量的关系的对应图。
如图15所示，如果缓冲罐36的温度相同，则越减小脉动宽度，使阳极压力增加至上限压力所需的阳极气体量越少，因此阳极气体的运动能量越小。另外，如果脉动宽度相同，则缓冲罐36的温度越高，为了使阳极压力增加至上限压力所需的阳极气体量越少，因此阳极气体的运动能量越小。
在步骤S103中，控制器4以基准压力为中心，在容许最小脉动宽度的范围内周期性地使阳极压力增加/减小而实施脉动运转。
在步骤S104中，控制器4将排气阀的开度控制为基本开度。
图16是对本实施方式所涉及的低温时脉动宽度校正处理的作用进行说明的图。在图16中，细实线是表示在缓冲罐36的温度为燃料电池堆2的稳定温度时，与脉动宽度对应的流路内最低阳极气体浓度的直线。另一方面，粗实线是表示在缓冲罐36的温度为比燃料电池堆2的稳定温度低的规定温度时即比第2规定温度低的规定温度时，与脉动宽度对应的流路内最低阳极气体浓度的直线。
如图16中粗实线所示，如果在缓冲罐36的温度低于燃料电池堆2的稳定温度时以基本脉动宽度实施脉动运转，则流路内最低阳极气体浓度会低于容许下限阳极气体浓度。
因此，在缓冲罐36的温度低于燃料电池堆2的稳定温度时，基于缓冲罐36的温度，校正为使脉动运转时的脉动宽度小于基本脉动宽度。具体来说，基于缓冲罐36的温度，对使流路内最低阳极气体浓度成为容许下限阳极气体浓度的容许最大脉动宽度进行计算，以该计算出的容许最大脉动宽度实施脉动运转。由此，在阳极压力降压时能够抑制流路内最低阳极气体浓度低于容许下限阳极气体浓度。
图17是对本实施方式所涉及的高温时脉动宽度校正处理的作用进行说明的图。在图17中，细实线是表示在缓冲罐36的温度为燃料电池堆2的稳定温度时，与脉动宽度对应的阳极气体的运动能量的直线。另一方面，粗实线是表示在缓冲罐36的温度为比燃料电池堆2的稳定温度高的规定温度时即比第1规定温度高的规定温度时，与脉动宽度对应的阳极气体的运动能量的直线。
如图17中粗实线所示，如果在缓冲罐36的温度高于燃料电池堆2的稳定温度时以基本脉动宽度实施脉动运转，则阳极气体的运动能量会小于容许下限运动能量。
因此，在缓冲罐36的温度高于燃料电池堆2的稳定温度时，基于缓冲罐36的温度，校正为使脉动运转时的脉动宽度大于基本脉动宽度。具体来说，基于缓冲罐36的温度，对阳极气体的运动能量成为容许下限运动能量时的容许最小脉动宽度进行计算，以该计算出的容许最小脉动宽度实施脉动运转。由此，在阳极压力升压时能够抑制阳极气体的运动能量低于容许下限运动能量。
根据以上说明的本实施方式，基于缓冲罐36的温度，在实施脉动运转时对脉动宽度进行校正。
具体来说，在缓冲罐36的温度低于燃料电池堆2的稳定温度时即低于第2规定温度时，将脉动运转时的脉动宽度设为，小于在缓冲罐36的温度与燃料电池堆2的稳定温度大致相等时设定的脉动宽度。
由此，在阳极压力降压时，由于阳极压力下降至下限气压的时间变短，因此能够抑制流路内最低阳极气体浓度低于容许下限阳极气体浓度。由此，不会担心妨碍上述（1）及（2）的电极反应而导致电压转为负电压，能够实施稳定的发电，并能够抑制燃料电池10的劣化。
另外，在缓冲罐36的温度高于燃料电池堆2的稳定温度时即高于第1规定温度时，将脉动运转时的脉动宽度设为，大于在缓冲罐36的温度与燃料电池堆2的稳定温度大致相等时设定的脉动宽度。
由此，在阳极压力的升压时，由于阳极气体的运动能量对应于脉动宽度的增加而增加，因此能够抑制阳极气体的运动能量低于容许下限运动能量。由此，能够确保液体水的排出性，并能够抑制在阳极气体流路121内发生溢流。
（第2实施方式）
下面，对本发明的第2实施方式进行说明。本实施方式与第1实施方式的区别在于，对应于电解质膜111的湿润状态而对排气阀38的开度进行校正。下面，以该不同点为中心进行说明。此外，在下面所示的实施方式中，对具有与上述的第1实施方式相同功能的部分，使用相同的标号并适当地省略重复的说明。
在第1实施方式中，在缓冲罐36的温度低于燃料电池堆2的稳定温度时，将脉动运转时的脉动宽度设为小于在缓冲罐36的温度与燃料电池堆2的稳定温度大致相等时设定的脉动宽度。
然而，如果减小脉动运转时的脉动宽度，则在阳极压力升压时，阳极气体的运动能量降低，导致阳极气体流路121内的液体水的排出性能下降。因此，在电解质膜111的膜中的水分含量较多，电解质膜111湿润的状态时，优选将脉动宽度相对于基本脉动宽度的减小幅度设为尽可能小。
图18是在缓冲罐36的温度为规定温度时，对应于排气阀38的开度而示出脉动宽度和流路内最低阳极气体浓度的关系的图。
如图18所示，在阳极压力降压时，排气阀38的开度越大而缓冲罐36内的阳极气体浓度越高，从而脉动宽度相同时的流路内最低阳极气体浓度越高。这是由于缓冲罐36内的阳极气体浓度越高，从缓冲罐36侧逆流至阳极气体流路121中的阳极尾气中的氮含量越少，滞留在沉淀点附近的氮越少。
因此，如图18所示，排气阀38的开度越大，容许最大脉动宽度越大。
因此，在本实施方式中，在电解质膜111为湿润状态时，使排气阀38的开度大于基本开度，缓冲罐36内的阳极气体浓度比通常高。由此，由于能够增大容许最大脉动宽度，因此能够减小脉动宽度相对于基本脉动宽度的减小幅度。
图19是对本实施方式所涉及的低温时脉动宽度校正处理进行说明的流程图。
在步骤S291中，控制器4为了判断电解质膜111的湿润状态，而计算燃料电池堆2的内部高频电阻（HFR：High FrequencyResistance）（下面称为“内部电阻”）。已知在电解质膜111的湿润状态和燃料电池堆2的内部电阻之间存在相关关系，燃料电池堆2的内部电阻越低，膜中的水分含量越多，电解质膜111成为越湿润的状态。
在步骤S292中，控制器4判定燃料电池堆2的内部电阻是否小于规定值。如果燃料电池堆2的内部电阻小于规定值，则控制器4判断为电解质膜111处于湿润状态而进行步骤S293的处理。另一方面，如果燃料电池堆2的内部电阻大于或等于规定值，则进行步骤S91的处理。
在步骤S293中，控制器4参照图20的图表，基于燃料电池堆2的内部电阻而计算排气阀38的开度校正量。如图20所示，燃料电池堆2的内部电阻越小，即电解质膜111的膜中的水分含量越多，将排气阀的开度校正量设为越大而越增大排气阀38的开度。
在步骤S294中，控制器4参照图21的图表，基于排气阀38的开度校正量而计算容许最大脉动宽度的校正量。如图21所示，排气阀38的开度校正量越大，容许最大脉动宽度的校正量越大。
在步骤S295中，控制器4以基准压力为中心，以将容许最大脉动宽度与校正量相加而得到的脉动宽度（下面称为“校正容许最大脉动宽度”）实施脉动运转。
在步骤S296中，控制器4将排气阀38的开度控制为将基本开度与开度校正量相加而得到的校正开度。
图22是对本实施方式所涉及的低温时脉动宽度校正处理的作用进行说明的图。在图22中，细实线是表示在缓冲罐的温度为比燃料电池堆的稳定温度低的规定温度，且排气阀为基本开度时，与脉动宽度对应的流路内最低阳极气体浓度的直线。另一方面，粗实线是表示在缓冲罐的温度为比燃料电池堆的稳定温度低的规定温度，且排气阀大于基本开度时，与脉动宽度对应的流路内最低阳极气体浓度的直线。
如图22的粗实线所示，在缓冲罐的温度低于燃料电池堆的稳定温度，且电解质膜111处于湿润状态时，对应于燃料电池堆2的内部电阻而将排气阀38的开度设为大于基本开度。由此，由于能够提高流路内最低阳极气体浓度，因此能够将容许最大脉动宽度增大至校正容许最大脉动宽度，能够减小脉动宽度相对于基本脉动宽度的减小幅度。
因此，根据本实施方式，除了能够获得与第1实施方式相同的效果之外，能够提高在电解质膜111处于湿润状态时的液体水的排水性能，因此，能够进一步抑制在阳极气体流路121内发生溢流。
（第3实施方式）
下面，对本发明的第3实施方式进行说明。本实施方式与第1实施方式的不同之处在于，在高温时脉动宽度校正处理实施时，增加脉动宽度并且对排气阀38的开度进行校正。下面，以该不同点为中心进行说明。
图23是在缓冲罐36的温度为比燃料电池堆2的稳定温度高的规定温度时，示出脉动宽度和阳极气体的运动能量及流路内最低阳极气体浓度的关系的图。
如图23所示，在第1实施方式中，在缓冲罐36的温度高于燃料电池堆2的稳定温度时，为了使阳极气体的运动能量不低于容许下限运动能量，校正为使脉动运转时的脉动宽度大于基本脉动宽度，而以容许最小脉动宽度实施脉动运转。
然而，容许下限运动能量对应于燃料电池堆的运转状态而变化。因此，如图23所示，在容许下限运动能量较小的情况下，以容许最小脉动宽度实施脉动运转时的流路内最低阳极气体浓度有时会高于容许下限阳极气体浓度。
另一方面，在容许下限运动能量较大的情况下，以容许最小脉动宽度实施脉动运转时的流路内最低阳极气体浓度，有时会低于容许下限阳极气体浓度。
因此，在本实施方式中，在判断出以容许最小脉动宽度实施脉动运转时的流路内最低阳极气体浓度大于容许下限阳极气体浓度时，将排气阀38的开度设为小于基本开度，以使得流路内最低阳极气体浓度下降至容许下限阳极气体浓度。由此，由于能够减少从排气通路排出的阳极气体量，因此能够改善燃料消耗。
另一方面，在判断出以容许最小脉动宽度实施脉动运转时的流路内最低阳极气体浓度低于容许下限阳极气体浓度时，将排气阀38的开度设为大于基本开度，以使得流路内最低阳极气体浓度增加至容许下限阳极气体浓度。下面，对本实施方式所涉及的高温时脉动宽度校正处理进行说明。
图24是对本实施方式所涉及的高温时脉动宽度校正处理进行说明的流程图。
在步骤S301中，控制器4参照上述图12的对应图，计算以容许最小脉动宽度实施脉动运转时的流路内最低阳极气体浓度。
在步骤S302中，控制器4判定计算出的流路内最低阳极气体浓度是否大于或等于容许下限阳极气体浓度。如果计算出的流路内最低阳极气体浓度大于或等于容许下限阳极气体浓度，则控制器4进行步骤S303的处理。另一方面，如果计算出的流路内最低阳极气体浓度小于容许下限阳极气体浓度，则进行步骤S306的处理。
在步骤S303中，控制器4参照图25的图表，基于从计算出的流路内最低阳极气体浓度减去容许下限阳极气体浓度得到的浓度差，计算排气阀38的开度校正量。如图25所示，排气阀38的开度校正量设定为，浓度差越大，排气阀38的开度相对于基本开度越小。
在步骤S304中，控制器4将排气阀38的开度设为将排气阀38的基本开度与开度校正量相加得到的校正开度。
在步骤S305中，控制器4以基准压力为中心，以容许最小脉动宽度实施脉动运转。
在步骤S306中，控制器4参照图26的图表，基于从计算出的流路内最低阳极气体浓度减去容许下限阳极气体浓度得到的浓度差，计算排气阀38的开度校正量。如图26所示，排气阀38的开度校正量设定为，浓度差越大，排气阀38的开度相对于基本开度越大。
下面，参照图27及图28，对本实施方式所涉及的高温时脉动宽度校正处理的作用进行说明。
图27是对以容许最小脉动宽度实施脉动运转时的流路内最低阳极气体浓度高于容许下限阳极气体浓度的情况下的作用进行说明的图。
如图27所示，在以容许最小脉动宽度实施脉动运转的情况下，在流路内最低阳极气体浓度超过容许下限阳极气体浓度时，将排气阀38的开度设为小于基本开度，以使得流路内最低阳极气体浓度下降至容许下限阳极气体浓度。由此，由于能够减少从排气通路排出的阳极气体量，因此能够改善燃料消耗。
图28是对以容许最小脉动宽度实施脉动运转时的流路内最低阳极气体浓度低于容许下限阳极气体浓度的情况下的作用进行说明的图。
如图28所示，在以容许最小脉动宽度实施脉动运转的情况下，在流路内最低阳极气体浓度低于容许下限阳极气体浓度时，将排气阀38的开度设为大于基本开度，以使得流路内最低阳极气体浓度增加至容许下限阳极气体浓度。由此，即使在缓冲罐36的温度高于燃料电池堆2的稳定温度的情况下，由于能够抑制流路内最低阳极气体浓度低于容许下限阳极气体浓度，因此能够实施更稳定的发电。
根据以上说明的本实施方式，在缓冲罐36的温度高于燃料电池堆2的稳定温度时，进行校正以使阳极气体的运动能量不低于容许下限运动能量以及脉动运转时的脉动宽度大于基本脉动宽度，以容许最小脉动宽度实施脉动运转。
并且，在以容许最小脉动宽度实施脉动运转时的流路内最低阳极气体浓度高于容许下限阳极气体时，将排气阀38的开度设为小于基本开度，以使得流路内最低阳极气体浓度下降至容许下限阳极气体浓度。由此，由于能够减少从排气通路排出的阳极气体量，因此能够改善燃料消耗。
另一方面，在以容许最小脉动宽度实施脉动运转时的流路内最低阳极气体浓度低于容许下限阳极气体时，将排气阀38的开度设为大于基本开度，以使得流路内最低阳极气体浓度增加至容许下限阳极气体浓度。由此，即使在缓冲罐36的温度高于燃料电池堆2的稳定温度的情况下，由于能够抑制流路内最低阳极气体浓度低于容许下限阳极气体浓度，因此能够实施更稳定的发电。
（第4实施方式）
下面，对本发明的第4实施方式进行说明。本实施方式与第1实施方式的不同之处在于，在缓冲罐36的温度低于燃料电池堆2的稳定温度时，仅校正排气阀38的开度，以使得流路内最低阳极气体浓度不会低于容许下限阳极气体浓度。下面，以该不同点为中心进行说明。
图29是对本实施方式所涉及的脉动运转控制进行说明的流程图。控制器4每隔规定时间（例如10ms）重复执行该处理流程。
在步骤S49中，控制器4实施低温时排气阀开度校正处理。
图30是对低温时排气阀开度校正处理进行说明的流程图。
在步骤S491中，控制器4参照上述图12的对应图，计算在以基本脉动宽度实施脉动运转时的流路内最低阳极气体浓度。
在步骤S492中，控制器4参照图31的图表，基于从计算出的容许下限阳极气体浓度减去流路内最低阳极气体浓度得到的浓度差，计算排气阀38的开度校正量。如图31所示，以浓度差越大，排气阀38的开度相对于基本开度越大的方式，计算排气阀38的开度校正量。
在步骤S493中，控制器4将排气阀38的开度设为将排气阀38的基本开度与开度校正量相加得到的校正开度。
在步骤S494中，控制器4以基准压力为中心，以基本脉动宽度实施脉动运转。
图32是对本实施方式所涉及的低温时排气阀开度校正处理的作用进行说明的图，该图是表示缓冲罐36的温度为比燃料电池堆2的稳定温度低的规定温度时的脉动宽度和流路内最低阳极气体浓度的关系的图。
如图32所示，在缓冲罐36的温度低于燃料电池堆2的稳定温度时，如果以基本脉动宽度实施脉动运转，则流路内最低阳极气体浓度会低于容许下限阳极气体浓度。
因此，在本实施方式中，在以基本脉动宽度实施脉动运转时，以流路内最低阳极气体浓度增加至容许下限阳极气体浓度的方式，将排气阀38的开度设为大于基本开度。如上所述，即使不校正脉动宽度而仅校正排气阀38的开度，也能够获得与实施方式1相同的效果。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但上述实施方式只是示出了本发明的应用例的一部分，并不是将本发明的技术范围限定于上述实施方式的具体结构。
在上述各实施方式中，通过运算而计算缓冲罐36的温度，但并不限定于此。例如，可以在缓冲罐36中设置温度传感器，直接检测缓冲罐36的温度。
另外，在上述实施方式中，基于缓冲罐36的温度校正脉动宽度，但并不限定于此。例如，可以将从调压阀38至燃料电池堆2为止的阳极气体供给通路32的容积（以下称为“上游缓冲容积”）视为缓冲罐，基于该上游缓冲容积内的温度，与上述各实施方式相同地校正脉动宽度。另外，也可以对应于燃料电池堆2和缓冲罐36的温度而校正脉动宽度。
另外，在上述第1实施方式中，在缓冲罐36的温度低于燃料电池堆2的温度时，校正为使脉动宽度小于基本脉动宽度，为了使得流路内最低阳极气体浓度不低于容许下限阳极气体浓度，以容许最大脉动宽度实施脉动运转，但并不限定于此。例如，由于脉动宽度越小，流路内阳极气体浓度越高，因此可以将脉动宽度设为比容许最大脉动宽度更小而实施脉动运转。
在此情况下，由于脉动宽度越小，阳极气体的运动能量越低，因此，对于阳极气体，在运动能量不小于容许下限运动能量的范围即脉动宽度不小于容许最小脉动宽度的范围内，能够使脉动宽度小于容许最大脉动宽度。由此，能够确保发电性能并确保液体水的排出性能。
本申请基于在2011年6月2日向日本特许厅申请的特愿2011－124220号而主张优先权，该申请的全部内容通过参照而加入本说明书。

Claims (12)

1.一种燃料电池系统（1），其向燃料电池（10）供给阳极气体及阴极气体而进行发电，
该燃料电池系统（1）具有：
控制阀（33），其控制向所述燃料电池（10）供给的阳极气体的压力；
缓冲部（36），其存储从所述燃料电池（10）排出的阳极尾气；
脉动运转单元（4），其对所述控制阀（33）进行控制，以使得阳极气体的压力以规定的脉动宽度周期性地增加/减小；以及
脉动宽度校正单元（4），其基于所述缓冲部（36）的温度，对所述脉动宽度进行校正。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统（1），其中，
所述脉动宽度校正单元（4），在所述缓冲部（36）的温度低于所述燃料电池（10）的稳定温度时，减小所述脉动宽度，以使得所述燃料电池（10）内的阳极气体流路的阳极气体浓度不低于规定的容许下限浓度。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统（1），其中，
所述脉动宽度校正单元（4），将减小所述脉动宽度时的该脉动宽度的下限值设定为，使流过所述燃料电池（10）内的阳极气体流路的阳极气体的运动能量，不低于能够将存在于该阳极气体流路中的液体水向所述缓冲部（36）排出的容许下限运动能量。
4.根据权利要求2或3所述的燃料电池系统（1），其还具有：
排气阀（38），其调节从所述缓冲部（36）排出的阳极尾气的流量；
排气阀控制单元（4），其将所述排气阀（38）控制为与所述燃料电池系统（1）的运转状态相对应的开度，以使得所述缓冲部（36）内的阳极气体浓度成为规定浓度；
湿润状态判断单元（4），其判断所述燃料电池（10）的湿润状态；以及
湿润时排气阀开度校正单元（4），其基于所述燃料电池（10）的湿润状态，增大所述排气阀（38）的开度而使所述缓冲部（36）内的阳极气体浓度高于所述规定浓度，从而降低在减小所述脉动宽度时的减小幅度。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的燃料电池系统（1），其中，
所述脉动宽度校正单元（4），在所述缓冲部（36）的温度高于所述燃料电池（10）的稳定温度时，增大所述脉动宽度，以使流过所述燃料电池（10）内的阳极气体流路的阳极气体的运动能量，不低于能够将存在于该阳极气体流路中的液体水向所述缓冲部（36）排出的容许下限运动能量。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统（1），其还具有：
排气阀（38），其调节从所述缓冲部（36）排出的阳极尾气的流量；
排气阀控制单元（4），其将所述排气阀（38）控制为与所述燃料电池系统（1）的运转状态相对应的开度，以使得所述缓冲部（36）内的阳极气体浓度成为规定浓度；
最低浓度计算单元（4），其在通过所述脉动宽度校正单元（4）进行校正而使所述脉动宽度变大时，对以该校正后的脉动宽度进行脉动运转时的所述燃料电池（1）内的阳极气体流路的最低浓度进行计算；以及
高温时排气阀开度校正单元（4），其对应于计算出的最低浓度，对所述排气阀（38）的开度进行校正。
7.根据权利要求6所述的燃料电池系统（1），其中，
所述高温时排气阀开度校正单元（4），在所述计算出的最低浓度高于规定的容许下限浓度时，减小所述排气阀（38）的开度而使所述缓冲部（36）内的阳极气体浓度低于所述规定浓度，以使得以所述校正后的脉动宽度进行脉动运转时的所述燃料电池（10）内的阳极气体流路的最低浓度下降至容许下限浓度。
8.根据权利要求6或7所述的燃料电池系统（1），其中，
所述高温时排气阀开度校正单元（4），在所述计算出的最低浓度低于规定的容许下限浓度时，增大所述排气阀（38）的开度而使所述缓冲部（36）内的阳极气体浓度高于所述规定浓度，以使得以所述校正后的脉动宽度进行脉动运转时的所述燃料电池（10）内的阳极气体流路的最低浓度增加至容许下限浓度。
9.一种燃料电池系统（1），其向燃料电池（10）供给阳极气体及阴极气体而进行发电，
该燃料电池系统（1）的特征在于，具有：
控制阀（33），其控制向所述燃料电池（10）供给的阳极气体的压力；
缓冲部（36），其存储从所述燃料电池（10）排出的阳极尾气；
排气阀（38），其调节从所述缓冲部（36）排出的阳极尾气的流量；
脉动运转单元（4），其对所述控制阀（33）进行控制，以使得阳极气体的压力以规定的脉动宽度周期性地增加/减小；
排气阀控制单元（4），其将所述排气阀（38）控制为与所述燃料电池系统（1）的运转状态相对应的开度，以使得所述缓冲部（36）内的阳极气体浓度成为规定浓度；以及
低温时排气阀开度校正单元（4），其在所述缓冲部（36）的温度低于所述燃料电池（10）的稳定温度时，增大所述排气阀（38）的开度而使所述缓冲部（36）内的阳极气体浓度高于所述规定浓度。
10.根据权利要求9所述的燃料电池系统（1），其中，
所述低温时排气阀开度校正单元（4），增大所述排气阀（38）的开度，以使所述燃料电池（10）内的阳极气体流路的阳极气体浓度不低于规定的容许下限浓度。
11.一种燃料电池系统（1），其向燃料电池供给阳极气体及阴极气体而进行发电，
该燃料电池系统（1）具有：
控制阀（33），其控制向所述燃料电池（10）供给的阳极气体的压力；
缓冲部（36），其存储从所述燃料电池（10）排出的阳极尾气；
脉动运转单元（4），其对所述控制阀（33）进行控制，以使得阳极气体的压力以规定的脉动宽度周期性地增加/减小；以及
脉动宽度校正单元（4），其基于从所述控制阀（33）至所述燃料电池（10）为止的阳极气体流路的容积温度，对所述脉动宽度进行校正。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的燃料电池系统（1），其中，
所述燃料电池（10）的负载越大，所述脉动运转单元（4）将所述脉动宽度设为越大。
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