CN104160542A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

一种将负极气体和正极气体供给到燃料电池来进行发电的燃料电池系统，具备：控制阀，其控制燃料电池内的负极气体的压力；缓冲部，其蓄积从燃料电池排出的负极排气；排气排出通路，其将燃料电池与缓冲部进行连接；放气通路，其与排气排出通路连接；放气阀，其设置于放气通路；放气单元，其打开放气阀来将缓冲部的气体排出到燃料电池系统的外部；以及压力控制单元，其使燃料电池内的负极气体的压力从第一规定压力下降到第二规定压力来使缓冲部的气体反流到燃料电池侧。

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
在日本JP2007-517369A中，作为以往的燃料电池系统，公开了一种在负极(anode)气体供给通路上设置有常闭电磁阀、并且在负极气体排出通路上从上游起依次设置有常开电磁阀和缓冲罐(回收罐)的燃料电池系统。该以往的燃料电池系统是不使被排出到负极气体排出通路的未使用的负极气体返回到负极气体供给通路的负极气体非循环型的燃料电池系统，通过实施周期性地开闭常闭电磁阀和常开电磁阀的脉动运转，使蓄积在缓冲罐中的未使用的负极气体反流到燃料电池堆从而再利用。然后，将积存在缓冲罐内的氮等杂质经由设置于比缓冲罐更靠下游的负极气体排出通路的第二常开电磁阀排出到系统外部。
发明内容
发明要解决的问题
在实施脉动运转的情况下，在燃料电池系统启动时、之后的通常运转中，需要将积存在缓冲罐内的氮等杂质快速地从缓冲罐内排出到系统外部。
当前设计出了以下系统：将用于将缓冲罐内的气体排出到系统外部的通路(放气通路)连接在燃料电池堆与缓冲罐之间。在这种系统的情况下，已知若不适当地控制负极系统内的压力，就无法将缓冲罐内的气体从放气通路排出到系统外部，反之，从燃料电池堆排出的浓度比较高的负极气体会从放气通路排出到系统外部。因此，已知存在以下的问题：无法将积存在缓冲罐内的氮等杂质快速地排出到系统外部，无法使缓冲罐内的负极气体浓度(氢浓度)快速地升高。
本发明是着眼于这种问题而完成的，其目的在于将积存在缓冲罐内的氮等杂质快速地排出到系统外部，使缓冲罐内的负极气体浓度(氢浓度)快速地升高。
用于解决问题的方案
根据本发明的某个方式，提供了一种将负极气体和正极气体供给到燃料电池来进行发电的燃料电池系统。而且，该燃料电池系统的特征在于，具备：控制阀，其控制燃料电池内的负极气体的压力；缓冲部，其蓄积从燃料电池排出的负极排气；排气排出通路，其将燃料电池与缓冲部进行连接；放气通路，其与排气排出通路连接；放气阀，其设置于放气通路；放气单元，其打开放气阀来将缓冲部的气体排出到燃料电池系统的外部；以及压力控制单元，其使燃料电池内的负极气体的压力从第一规定压力下降来使缓冲部的气体反流到燃料电池侧。
下面参照附图来详细说明本发明的实施方式、本发明的优点。
附图说明
图1A是本发明的第一实施方式的燃料电池的概要立体图。
图1B是图1A的燃料电池的IB-IB剖视图。
图2是本发明的第一实施方式的负极气体非循环型的燃料电池系统的概要结构图。
图3是说明燃料电池系统的运转状态为固定的稳定运转时的脉动运转的图。
图4是说明本发明的第一实施方式的燃料电池系统的控制的流程图。
图5是说明启动放气运转处理的流程图。
图6是说明启动放气准备处理的流程图。
图7是说明启动放气处理的流程图。
图8是基于代表温度和大气压来计算启动放气结束时间ttp的对应图。
图9是说明减压处理的流程图。
图10是说明压力保持处理的流程图。
图11是说明升压处理的流程图。
图12是说明启动放气结束处理的流程图。
图13是表示本发明的第一实施方式的燃料电池系统的控制动作的时序图。
图14是本发明的第二实施方式的负极气体非循环型的燃料电池系统的概要结构图。
图15是说明稳定运转时的脉动运转的图。
图16是说明本发明的第二实施方式的脉动控制的流程图。
图17是基于目标输出电力来设定负极压力的上限压力和下限压力的表。
图18是说明本发明的第二实施方式的放气控制的流程图。
图19是说明本发明的第二实施方式的放气时间计算处理的流程图。
图20是基于电解质膜的温度和含水率来计算氮透过量的对应图。
图21是基于氮浓度来计算目标放气总流量的表。
图22是基于负极压力和目标放气总流量来计算放气时间的对应图。
图23是说明本发明的第二实施方式的放气控制的动作的时序图。
具体实施方式
(第一实施方式)
燃料电池通过用负极(anode)电极(燃料极)和正极(cathode)电极(氧化剂极)将电解质膜夹在中间并向负极电极供给含氢的负极气体(燃料气体)、向正极电极供给含氧的正极气体(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处进行的电极反应如下。
负极电极：2H2→4H++4e-      …(1)
正极电极：4H++4e-+O2→2H2O  …(2)
通过该(1)和(2)的电极反应，燃料电池产生1伏特左右的电动势。
图1A和图1B是说明本发明的第一实施方式的燃料电池10的结构的图。图1A是燃料电池10的概要立体图。图1B是图1A的燃料电池10的IB-IB剖视图。
燃料电池10构成为在膜电极组件(Membrane Electrode Assembly，以下称为“MEA”)11的表面和背面两面配置负极隔板12和正极隔板13。
MEA11具备电解质膜111、负极电极112以及正极电极113。MEA11在电解质膜111的其中一面具有负极电极112，在另一面具有正极电极113。
电解质膜111是由氟系树脂形成的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电传导性。
负极电极112具备催化剂层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设置于催化剂层112a的外侧(电解质膜111的相反侧)，与负极隔板12接触。气体扩散层112b由具有足够的气体扩散性和导电性的构件形成，例如由碳布形成，该碳布是用由碳纤维形成的线织成的。
正极电极113也与负极电极112同样地具备催化剂层113a和气体扩散层113b。
负极隔板12与气体扩散层112b接触。负极隔板12在与气体扩散层112b接触的一侧具有用于向负极电极112供给负极气体的多个槽状的负极气体流路121。
正极隔板13与气体扩散层113b接触。正极隔板13在与气体扩散层113b接触的一侧具有用于向正极电极113供给正极气体的多个槽状的正极气体流路131。
在负极气体流路121中流动的负极气体和在正极气体流路131中流动的正极气体相互平行地流向相反方向。也可以相互平行地流向相同方向。
在将这种燃料电池10用作汽车用动力源的情况下，由于所要求的电力大，因此作为将数百块燃料电池10层叠而得到的燃料电池堆来使用。然后，构成向燃料电池堆供给负极气体和正极气体的燃料电池系统，取出用于驱动车辆的电力。
图2是本发明的第一实施方式的负极气体非循环型的燃料电池系统1的概要结构图。
燃料电池系统1具备燃料电池堆2、正极气体供排装置3、负极气体供排装置4、堆冷却装置6以及控制器7。
燃料电池堆2是层叠多块燃料电池10而得到的，接受负极气体和正极气体的供给来进行发电，产生驱动车辆所需的电力(例如驱动电动机所需的电力)。
正极气体供排装置3具备正极气体供给通路31、过滤器32、正极压缩机33、气流传感器34以及正极气体排出通路35。
正极气体供给通路31是流通向燃料电池堆2供给的正极气体的通路。正极气体供给通路31一端连接于过滤器32，另一端连接于燃料电池堆2的正极气体入口孔21。
过滤器32去除取入到正极气体供给通路31的正极气体中的异物。
正极压缩机33设置于正极气体供给通路31。正极压缩机33经由过滤器32将作为正极气体的空气(外部大气)取入到正极气体供给通路31，供给到燃料电池堆2。
气流传感器34设置于比正极压缩机33更靠上游的正极气体供给通路31。气流传感器34检测在正极气体供给通路31中流动的正极气体的流量(以下称为“正极流量”。)。
正极气体排出通路35是流通从燃料电池堆2排出的正极排气的通路。正极气体排出通路35一端连接于燃料电池堆2的正极气体出口孔22，另一端为开口端。
负极气体供排装置4具备高压罐41、负极气体供给通路42、压力调节阀43、压力传感器44、第一负极气体排出通路45、第二负极气体排出通路46、第一放气通路47、第二放气通路48、第一放气阀49、第二放气阀50以及缓冲罐51。
高压罐41将要向燃料电池堆2供给的负极气体保持为高压状态来贮存。
负极气体供给通路42是用于将从高压罐41排出的负极气体供给到燃料电池堆2的通路，一端部连接于高压罐41，另一端部连接于燃料电池堆2的负极气体入口孔23。
压力调节阀43设置于负极气体供给通路42。压力调节阀43将从高压罐41排出的负极气体调节为期望的压力并供给到燃料电池堆2。压力调节阀43是能够连续地或阶段地调节开度的电磁阀，其开度由控制器7来进行控制。
压力传感器44设置于比压力调节阀43更靠下游的负极气体供给通路42。压力传感器44检测比压力调节阀43更靠下游的负极气体供给通路42的压力。在本实施方式中，将利用该压力传感器44检测出的负极气体的压力代用作包括燃料电池堆内部的各负极气体流路121和缓冲罐51在内的负极系统整体的压力(以下称为“负极压力”。)。
第一负极气体排出通路45一端部连接于燃料电池堆2的第一负极气体出口孔24，另一端部连接于缓冲罐51。电极反应中未被使用的剩余的负极气体与从正极侧向负极气体流路121透过来的氮、水蒸气等惰性气体的混合气体(以下称为“负极排气”。)被排出到第一负极气体排出通路45。
第二负极气体排出通路46一端部连接于燃料电池堆2的第二负极气体出口孔25，另一端部连接于缓冲罐51。负极排气被排出到第二负极气体排出通路46。
第一放气通路47一端部连接于第一负极气体排出通路45，另一端部连接于正极气体排出通路35。
第二放气通路48一端部连接于第二负极气体排出通路46，另一端部连接于正极气体排出通路35。
第一放气阀49设置于第一放气通路47。第一放气阀49是能够将开度调节成完全打开或完全闭合的电磁阀，由控制器7来进行控制。第一放气阀49的内部形成有水套(water jacket)(未图示)，使对燃料电池堆2进行冷却的冷却水循环。由此，防止由于冻结而固着。
第二放气阀50设置于第二放气通路48。第二放气阀50是能够将开度调节成完全打开或完全闭合的电磁阀，由控制器7来进行控制。第二放气阀50的内部形成有水套(未图示)，使对燃料电池堆2进行冷却的冷却水循环。由此，防止由于冻结而固着。
通过开闭第一放气阀49和第二放气阀50，来调节从缓冲罐51经由放气通路37向外部大气排出的负极排气的量，从而调节成缓冲罐51内的负极气体浓度为期望的浓度。若缓冲罐51内的负极气体浓度(氢浓度)过低，则存在以下担忧：在后述的脉动运转时要在电极反应中使用的负极气体不足，因此发电效率下降并且燃料电池劣化。另一方面，若缓冲罐51内的负极气体浓度(氢浓度)过高，则经由放气通路47与负极排气中的惰性气体一起向外部大气排出的负极气体的量变多，因此燃烧消耗率恶化。因而，考虑发电效率和燃烧消耗率，将缓冲罐51内的负极气体浓度控制为适当的值。
缓冲罐51暂时蓄积经第一负极气体排出通路45和第二负极气体排出通路46流过来的负极排气。积存在缓冲罐51中的负极排气在第一放气阀49和第二放气阀50被打开时，经第一放气通路47和第二放气通路48排出到正极气体排出通路35。其结果，负极排气与正极排气的混合气体(以下称为“外部大气排出气体”。)从正极气体排出通路35的开口端向外部大气排出。通过像这样将负极排气与正极排气混合后排出到外部大气，会使外部大气排出气体中的负极气体浓度变得低于规定的可燃浓度。
堆冷却装置6是对燃料电池堆2进行冷却以将燃料电池堆2保持为适于发电的温度的装置。堆冷却装置6具备冷却水循环通路61、散热器62、旁路通路63、三通阀64、循环泵65、PTC加热器66、第一放气阀循环通路67、第二放气阀循环通路68、第一水温传感器69、第二水温传感器70以及第三水温传感器71。
冷却水循环通路61是循环用于冷却燃料电池堆2的冷却水的通路，一端连接于燃料电池堆2的冷却水入口孔26，另一端连接于燃料电池堆2的冷却水出口孔27。下面。以冷却水循环通路61中的冷却水出口孔27侧为上游侧、以冷却水入口孔26侧为下游侧来进行说明。
散热器62设置于冷却水循环通路61。散热器62对从燃料电池堆2排出的冷却水进行冷却。
旁路通路63一端连接于冷却水循环通路61，另一端连接于三通阀64，使得冷却水能够绕过散热器62地循环。
三通阀64设置于比散热器62更下游侧的冷却水循环通路61。三通阀64根据冷却水的温度来切换冷却水的循环路径。具体地说，在冷却水的温度相对高时，以使从燃料电池堆2排出的冷却水经由散热器62再次供给到燃料电池堆2的方式切换冷却水的循环路径。反之，在冷却水的温度相对低时，以使从燃料电池堆2排出的冷却水不经由散热器62而流过旁路通路63来再次供给到燃料电池堆2的方式切换冷却水的循环路径。
循环泵65设置于比三通阀64更靠下游侧的冷却水循环通路61，使冷却水循环。
PTC加热器66设置于旁路通路63。PTC加热器66在燃料电池堆2暖机时等被通电，使冷却水的温度上升。
第一放气阀循环通路67是用于将冷却水导入在第一放气阀49的内部形成的水套(未图示)以防止冻结引起第一放气阀49发生固着的通路。第一放气阀循环通路67具备第一导入通路671和第一返回通路672，该第一导入通路671从循环泵65下游侧的冷却水循环通路61分支出来，将冷却水导入第一放气阀49的水套，该第一返回通路672使从第一放气阀49的水套排出的冷却水再次返回到循环泵65上游侧的冷却水循环通路61。
第二放气阀循环通路68是用于将冷却水导入在第二放气阀50的内部形成的水套(未图示)以防止冻结引起第二放气阀50发生固着的通路。第二放气阀循环通路68具备第二导入通路681和第二返回通路682，该第二导入通路681从循环泵65下游侧的冷却水循环通路61分支出来，将冷却水导入第二放气阀50的水套，该第二返回通路682使从第二放气阀50的水套排出的冷却水再次返回到循环泵65上游侧的冷却水循环通路61。
第一水温传感器69设置于燃料电池堆2的冷却水出口孔27附近的冷却水循环通路61。第一水温传感器69检测从燃料电池堆2排出的冷却水的温度(以下称为“堆温度”。)。
第二水温传感器70设置于第一返回通路672。第二水温传感器70检测从第一放气阀49的水套排出的冷却水的温度(以下称为“第一放气阀温度”。)。
第三水温传感器71设置于第二返回通路682。第三水温传感器71检测从第二放气阀50的水套排出的冷却水的温度(以下称为“第二放气阀温度”。)。
控制器7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。
除了来自前述的气流传感器34、压力传感器44、第一水温传感器69、第二水温传感器70、第三水温传感器71的信号以外，来自检测燃料电池堆2的输出电流的电流传感器72、检测燃料电池堆2的输出电压的电压传感器73、检测加速踏板的踏下量(以下称为“加速操作量”。)的加速行程传感器74、检测大气压的大气压传感器75等检测燃料电池系统1的运转状态的各种传感器的信号也被输入到控制器7。
控制器7基于这些输入信号来周期性地开闭压力调节阀43，进行使负极压力周期性地增减的脉动运转，并且，控制器7调节放气阀38的开度来调节从缓冲罐51排出的负极排气的流量，将缓冲罐51内的负极气体浓度保持为期望的浓度。
通过进行脉动运转，能够将经由电解质膜111从正极气体流路131向负极气体流路121透过来的氮等的杂质气体压入缓冲罐51，因此能够抑制杂质气体蓄积在负极气体流路121内而阻碍电极反应，从而能够实施稳定的发电。
图3是说明燃料电池系统1的运转状态为固定的稳定运转时的脉动运转的图。
如图3的(A)所示，控制器7基于燃料电池系统1的运转状态来计算燃料电池堆2的目标输出，计算与目标输出相应的负极压力的基准压力和脉动幅度来设定负极压力的上限值和下限值。然后，使负极压力在所设定的负极压力的上限值与下限值之间周期性地增减。
具体地说，如果在时刻t11负极压力达到下限值，则上限值被设定为负极压力的目标压力，实施向目标压力的反馈控制。由此，如图3的(B)所示，将压力调节阀43打开到至少能够使负极压力增加到上限值的开度。在该状态时，负极气体从高压罐41供给到燃料电池堆2，排出到缓冲罐51。
如果在时刻t12负极压力达到上限值，则下限值被设定为负极压力的目标压力，实施向目标压力的反馈控制。由此，如图3的(B)所示那样，将压力调节阀43设为完全闭合，停止从高压罐41向燃料电池堆2供给负极气体。这样一来，通过前述的(1)的电极反应，残留在燃料电池堆2内部的负极气体流路121中的负极气体随着时间的推移而被消耗，因此负极压力降低了与负极气体的消耗量相当的部分。
另外，当残留在负极气体流路121中的负极气体被消耗时，缓冲罐51的压力会暂时高于负极气体流路121的压力，因此负极排气从缓冲罐51反流到负极气体流路121。其结果，残留在负极气体流路121中的负极气体和反流到负极气体流路121的负极排气中的负极气体随着时间的推移而被消耗，负极压力进一步降低。
如果在时刻t13负极压力达到下限值，则与时刻t1时同样地打开压力调节阀43。然后，如果在时刻t14负极压力再次达到上限值，则使压力调节阀43完全闭合。
在实施这种脉动运转的情况下，若缓冲罐51内的负极气体浓度(氢浓度)过低，则存在以下担忧：在负极压力减少时负极排气反流时，在负极气体流路的下游域要在电极反应中使用的负极气体不足，从而使发电效率下降，并且使燃料电池劣化。
在燃料电池系统1启动时，由于在燃料电池系统1停止期间侵入到负极系统内来的大气中的空气，而成为负极气体流路、缓冲罐51中充满了空气的状态。
因而，在燃料电池系统1启动时，作为实施脉动运转之前的准备运转，需要实施以下的启动放气运转：打开放气阀49、50来将缓冲罐51内的空气排出到外部大气，并且向缓冲罐51供给负极气体来使缓冲罐51内的负极气体浓度(氢浓度)上升到期望的浓度。
下面，说明该本实施方式的启动放气运转。
图4是说明本实施方式的燃料电池系统1的控制的流程图。当启动燃料电池系统1时，控制器7以规定的运算周期Δt(例如10[ms])执行本例程。
在步骤S1中，控制器7读取前述的各种传感器的检测值。
在步骤S2中，控制器7判断启动放气运转结束标志是否被设定成了1。启动放气运转结束标志是在启动放气运转结束后被设定为1的标志，在燃料电池系统启动时被设定为0。如果启动放气运转结束标志被设定成了0，则控制器7进行步骤S3的处理。另一方面，如果启动放气运转结束标志被设定成了1，则控制器7进行步骤S4的处理。
在步骤S3中，控制器7实施启动放气运转处理。关于启动放气运转处理的详情，参照图5在后面叙述。
在步骤S4中，控制器7实施通常处理。在通常处理中，如参照图3在前面叙述的那样，根据燃料电池堆2的目标输出来设定负极压力的上限值和下限值，实施使负极压力在所设定的负极压力的上限值与下限值之间周期性地增减的脉动运转。此外，脉动运转的控制内容本身并不是本发明的主要部分，因此在此省略详细的流程图。
图5是说明启动放气运转处理的流程图。
在步骤S31中，控制器7判断启动放气准备结束标志是否被设定成了1。启动放气准备结束标志是在启动放气运转的准备结束时被设定为1的标志，初始值被设定为0。如果启动放气准备结束标志被设定成了0，则控制器7进行步骤S32的处理。另一方面，如果启动放气准备结束标志被设定成了1，则控制器7进行步骤S33的处理。
在步骤S32中，控制器7实施启动放气准备处理。关于启动放气准备处理的详情，参照图6在后面叙述。
在步骤S33中，控制器7实施启动放气处理。关于启动放气处理的详情，参照图7在后面叙述。
图6是说明启动放气准备处理的流程图。
在步骤S321中，控制器7将启动放气运转中的正极流量的目标值设定为规定的启动目标正极流量Qs。在启动放气运转中，为了提高缓冲罐51内的负极气体浓度(氢浓度)，向缓冲罐51供给负极气体。此时，向缓冲罐51供给的负极气体的一部分经放气通路排出到正极气体排出通路35。因而，启动目标正极流量Qs被设定为使外部大气排出气体中的负极气体浓度低于规定的可燃浓度的值。启动目标正极流量Qs是预先通过实验等决定的值。
在步骤S322中，控制器7对正极压缩机33进行反馈控制使得正极流量变为启动目标正极流量Qs。
在步骤S323中，控制器7将负极压力的目标值设定为规定的启动目标负极上限压力Pau。启动目标负极上限压力Pau被设定为能够将正极气体流路内的空气与负极气体一起压入缓冲罐51的值。启动目标负极上限压力Pau是预先通过实验等决定的值。
在步骤S324中，控制器7对压力调节阀43进行反馈控制，使得负极压力变为启动目标负极上限压力Pau。
在步骤S325中，控制器7判断正极流量是否已变为启动目标正极流量Qs以上。如果正极流量低于启动目标正极流量Qs，则控制器7结束本次的处理，如果正极流量为启动目标正极流量Qs以上，则控制器7进行步骤S326的处理。
在步骤S326中，如果负极压力低于启动目标负极上限压力Pau，则控制器7结束本次的处理。另一方面，如果负极压力为启动目标负极上限压力Pau以上，则控制器7判断为启动放气运转的准备完成，进行步骤S327的处理。
在步骤S327中，控制器7将启动放气准备结束标志设定为1。
在步骤S328中，控制器7打开第一放气阀49和第二放气阀50。
在步骤S329中，控制器7将减压标志设定为1。减压标志是在使负极压力上升到启动目标负极上限压力Pau之后将负极压力减少到规定压力(后述的启动目标负极下限压力Pad)时被设定为1的标志，初始值被设定为0。
图7是说明启动放气处理的流程图。
在步骤S331中，控制器7选择堆温度、第一放气阀温度以及第二放气阀温度中的最大的温度作为代表温度。
在步骤S332中，控制器7参照图8的对应图，基于代表温度和大气压来计算启动放气结束时间ttp。启动放气结束时间是能够判断为缓冲罐51内的负极气体浓度(氢浓度)通过启动放气运转已上升到能够开始脉动运转的期望的浓度的时间。换言之，启动放气结束时间是能够判断为已将存在于负极系统内的空气中的规定量的空气通过启动放气运转排出到外部大气的时间。
如图8的对应图所示，代表温度越高，另外大气压越高，则启动放气结束时间越长。
这是由于，通过第一放气阀49和第二放气阀50的气体的流量是根据所通过的气体的温度以及第一放气阀49和第二放气阀50各自的上游侧与下游侧的前后压力差而变化的。具体地说，所通过的气体的温度越高，另外前后压力差越小，则通过第一放气阀49和第二放气阀50的气体的流量越少。
在本实施方式中，将通过第一放气阀49和第二放气阀50的气体的温度假定为堆温度、第一放气阀温度以及第二放气阀温度中的最大的温度，由此设想出通过第一放气阀49和第二放气阀50的气体的流量最少的情况来计算启动放气结束时间。由此，在脉动运转开始时，已可靠地使缓冲罐51内的负极气体浓度(氢浓度)上升到期望的浓度。
另外，在本实施方式中，使用大气压作为用于计算启动放气结束时间的参数。第一放气阀49和第二放气阀50的前后压力差是负极压力与大气压的压力差，因此只要知道大气压就能够估计出第一放气阀49和第二放气阀50的前后压力差。也就是说，能够检测出由于大气压下降、第一放气阀49和第二放气阀50的前后压力差变大而所需的放气时间变短。
在步骤S333中，控制器7判断放气计时t1是否已变为启动放气结束时间ttp以上。放气计时t1是积存在缓冲罐51中的气体(空气或空气与负极气体的混合气体)经第一放气通路47和第二放气通路48排出到外部大气的时间的累积值。如果放气计时t1未达到启动放气结束时间ttp，则控制器7进行步骤S334的处理。另一方面，如果放气计时t1为启动放气结束时间ttp以上，则控制器7进行步骤S339的处理。
在步骤S334中，控制器7判断减压标志是否被设定成了1。如果减压标志被设定成1，则控制器7进行步骤S335的处理，如果被设定成0则进行步骤S336的处理。
在步骤S335中，控制器7实施减压处理。关于减压处理，参照图9在后面叙述。
在步骤S336中，控制器7判断压力保持标志是否被设定成了1。压力保持标志是在通过减压处理使负极压力减少到规定压力(后述的启动目标负极下限压力Pad)之后保持为该规定压力时被设定为1的标志，初始值被设定为0。如果压力保持标志被设定成1，则控制器7进行步骤S337的处理，如果被设定成0则进行步骤S338的处理。
在步骤S337中，控制器7实施压力保持处理。关于压力保持处理，参照图10在后面叙述。
在步骤S338中，控制器7实施升压处理。关于升压处理，参照图11在后面叙述。
在步骤S339中，控制器7实施启动放气结束处理。关于启动放气结束处理，参照图12在后面叙述。
图9是说明减压处理的流程图。
减压处理是用于在将负极气体供给到缓冲罐51内之后、为了将缓冲罐51内的负极气体与空气的混合气体从第一放气通路47和第二放气通路48排出到正极气体排出通路35而减少负极压力来使缓冲罐51内的混合气体反流到第一负极气体排出通路45和第二气体排出通路的处理。
在步骤S3351中，控制器7将负极压力的目标值设定为规定的启动目标负极下限压力Pad。启动目标负极下限压力Pad被设定为将缓冲罐51内的混合气体至少压回比第一负极气体排出通路45与第一放气通路47的连接部和第二负极气体排出通路46与第二放气通路48的连接部更靠上游侧(燃料电池堆2侧)的值。启动目标负极下限压力Pad是比启动目标负极上限压力Pau低规定压力的值，是预先通过实验等决定的值。此外，如果在负极气体流路121流路内负极气体并非不足，则也可以设定为使缓冲罐51内的混合气体反流到负极气体流路121为止的值。
在步骤S3352中，控制器7对压力调节阀43进行反馈控制，使得负极压力变为启动目标负极下限压力Pad。
在步骤S3353中，控制器7判断负极压力是否已变为启动目标负极下限压力以下。如果负极压力高于启动目标负极下限压力，则控制器7进行步骤S3354的处理。另一方面，如果负极压力为启动目标负极下限压力以下，则控制器7进行步骤S3355的处理。
在步骤S3354中，控制器7将减压标志设定为1。即，使减压标志仍维持为1。
在步骤S3355中，控制器7将减压标志设定为0。
步骤S3356中，控制器7将压力保持标志设定为1。
图10是说明压力保持处理的流程图。
在压力保持处理中，将负极压力保持为启动目标负极下限压力Pad。即，维持以下的状态：缓冲罐51内的混合气体至少被压回到比第一负极气体排出通路45与第一放气通路47的连接部和第二负极气体排出通路46与第二放气通路48的连接部更靠上游侧(燃料电池堆2侧)。由此，能够将缓冲罐51内的混合气体从第一放气通路47和第二放气通路48排出到正极气体排出通路35，从而通过在之后的升压时从上游供给负极气体来提高缓冲罐51内的负极气体浓度(氢浓度)。
在步骤S3371中，控制器7将负极压力的目标值设定为启动目标负极下限压力Pad。也就是说，使负极压力的目标值仍保持为减压处理时设定的启动目标负极下限压力Pad。
在步骤S3372中，控制器7对压力调节阀43进行反馈控制，使得负极压力被保持为启动目标负极下限压力Pad。
在步骤S3373中，控制器7更新放气计时t1。具体地说，将放气计时t1更新为使放气计时t1的上次值与运算周期Δt相加所得的值。
在步骤S3374中，控制器7更新压力保持计时t2。具体地说，将压力保持计时t2更新为使压力保持计时t2的上次值与运算周期Δt相加所得的值。
在步骤S3375中，控制器7判断压力保持计时t2是否已变为规定的压力保持结束时间tkd以上。如果压力保持计时t2未达到压力保持结束时间tkd，则控制器7进行步骤S3376的处理。另一方面，如果压力保持计时t2为压力保持结束时间tkd以上，则控制器7进行步骤S3377的处理。
在步骤S3376中，控制器7将压力保持标志设定为1。即，使压力保持标志维持为1。
在步骤S3377中，控制器7将压力保持标志设定为0。
在步骤S3378中，控制器7将压力保持计时t1的值更新为0。
在步骤S3379中，控制器7将升压标志设定为1。升压标志是在通过压力保持处理在规定时间内将负极压力保持为启动目标负极下限压力Pad之后使负极压力再次上升到启动目标负极上限压力Pau时被设定为1的标志，初始值被设定为0。
图11是说明升压处理的流程图。
升压处理是用于在压力保持处理结束之后使负极压力再次上升到启动目标负极上限压力Pau并供给缓冲罐51内的负极气体、使缓冲罐51内的负极气体浓度(氢浓度)上升的处理。
在步骤S3381中，控制器7将负极压力的目标值设定为启动目标负极上限压力Pau。
在步骤S3382中，控制器7对压力调节阀43进行反馈控制，使得负极压力上升到启动目标负极上限压力Pau。
在步骤S3383中，控制器7判断负极压力是否已变为启动目标负极上限压力以上。如果负极压力低于启动目标负极上限压力，则控制器7进行步骤S3384的处理。另一方面，如果负极压力为启动目标负极上限压力以上，则控制器7进行步骤S3385的处理。
在步骤S3384中，控制器7将升压标志设定为1。即，使升压标志维持为1。
在步骤S3385中，控制器7将升压标志设定为0。
在步骤S3386中，控制器7将减压标志设定为1。
图12是说明启动放气结束处理的流程图。
在步骤S3391中，控制器7将放气计时t1的值更新为0。
在步骤S3392中，控制器7将启动放气运转结束标志设定为1。
在步骤S3393中，控制器7将启动放气准备结束标志设定为0。
在步骤S3394中，控制器7将压力保持计时t2的值更新为0。
在步骤S3395中，控制器7将减压标志设定为0。
在步骤S3396中，控制器7将压力保持标志设定为0。
在步骤S3397中，控制器7将升压标志设定为0。
图13是表示本实施方式的燃料电池系统的控制动作的时序图。在以下的说明中，为了明确与图4至图12的流程图的对应关系，一并记载流程图的步骤号来进行说明。
当在时刻t1启动了燃料电池系统时，在燃料电池系统启动时启动放气运转结束标志和启动放气准备结束标志分别被设定成了0(图13的(F)、图13的(G)；S2中“否”、S31中“否”)，因此实施启动放气准备处理(S32)。
当实施启动放气准备处理时，对正极压缩机33进行反馈控制使得正极流量以规定的变化率上升到启动目标正极流量Qs(图13的(B)；S321、S322)，对压力调节阀43进行反馈控制使得负极压力以规定的变化率上升到启动目标负极上限压力Pau(图13的(A)；S323、S324)。
当在时刻t2正极流量上升到启动目标正极流量、且负极压力上升到启动目标负极上限压力时(图13的(A)、图13的(B)；S325中“是”、S326中“是”)，将启动放气准备结束标志设定为1(图13的(G)；S327)，打开第一放气阀49和第二放气阀50(图13的(D)、图13的(E)；S328)。另外，将减压标志设定为1(图13的(H)；S329)。
当将启动放气准备结束标志设定为1时，接着实施启动放气处理(S31中“是”、S33)。在启动放气处理开始时，放气计时t1的值为初始值0(图13的(K)；S333中“否”)且减压标志被设定成了1(图13的(H)；S334中“是”)，因此实施减压处理(S335)。
当实施减压处理时，对压力调节阀43进行反馈控制使得负极压力下降到启动目标负极下限压力Pad(图13的(A)；S3351、S3352)。
当在时刻t3负极压力下降到启动目标负极下限压力Pad时(图13的(A)；S3353中“是”)，将减压标志设定为0(图13的(H)；S3355)，将压力保持标志设定为1(图13的(I)；S3356)。
当将压力保持标志设定为1、实施压力保持处理时(S334中“否”、S336中“是”、S337)，将负极压力保持为启动目标负极下限压力Pad(图13的(A))。然后，通过压力保持计时t2对将负极压力保持为启动目标负极下限压力Pad的时间进行计时(图13的(L)；S3374)。
另外，缓冲罐51内的混合气体在负极压力被保持为启动目标负极下限压力Pad时经第一放气通路47和第二放气通路48向正极气体排出通路35排出。因此，通过放气计时t1对将负极压力保持为启动目标负极下限压力Pad的时间进行计时(图13的(K)；S3373)。
当在时刻t4将负极压力保持为启动目标负极下限压力Pad后的经过时间达到压力保持结束时间tkd时(图13的(L)；S3375中“是”)，将压力保持标志设定为0(图13的(I)；S3373)，将压力保持计时t2复位为0(图13的(L)；S3378)。另外，将升压标志设定为1(图13的(J)；S3379)。
在升压标志被设定为1、且压力保持处理中计时得到的放气计时t1未达到启动放气结束时间ttp时(S333中“否”、S334中“否”、S336中“否”)，实施升压处理(S338)。
当实施升压处理时，对压力调节阀43进行反馈控制使得负极压力再次上升到启动目标负极上限压力Pau(图13的(A)；S3381、S3382)。
当在时刻t5负极压力上升到启动目标负极上限压力Pau时(图13的(A)；S3383中“是”)，使升压标志恢复为0(图13的(J)；S3385)，将减压标志再次设定为1(图13的(H)；S3386)。
之后，反复进行减压处理、压力保持处理以及升压处理直到在时刻t6放气计时t1达到启动放气结束时间ttp为止(图13的(K)；S333中“是”)，使缓冲罐51内的负极气体浓度(氢浓度)上升到期望的浓度。
根据以上说明的本实施方式，在燃料电池系统1启动时，使负极压力上升到启动目标负极上限压力Pau，由此将在燃料电池系统1停止期间侵入到负极系统内来的空气与负极气体一起压入缓冲罐51内。之后，使负极压力下降到目标负极下限压力Pad，由此使缓冲罐51内的混合气体反流到第一负极气体排出通路45和第二负极气体排出通路46。
另外，配合上述的控制，在燃料电池系统1启动时打开第一放气阀49和第二放气阀50。
由此，能够在燃料电池系统1启动时将缓冲罐51内的混合气体经由第一放气通路47和第二放气通路48排出到正极气体排出通路35，使缓冲罐51内的负极气体浓度(氢浓度)逐渐上升。因而，在实施脉动运转时，即使缓冲罐内的负极排气反流到负极气体流路121，也能够抑制在负极气体流路121的下游域要在电极反应中使用的负极气体不足。因此，能够抑制发电效率下降，并且还能够抑制燃料电池的劣化。
另外，在本实施方式中，仅在缓冲罐51内的混合气体实际正在经由第一放气通路47和第二放气通路48排出到正极气体排出通路35时、即仅在处于压力保持处理中时对放气计时t1进行计时。
这是由于在减压处理中、升压处理中存在以下可能性：不是缓冲罐51内的混合气体而是从高压罐41供给的负极气体经由第一放气通路47和第二放气通路48被排出到了正极气体排出通路35。
通过如本实施方式那样仅在压力保持处理中对放气计时t1进行计时，能够高精度地判断出缓冲罐51内的负极气体浓度(氢浓度)上升到了期望的浓度。
(第二实施方式)
接着，说明本发明的第二实施方式。在以下示出的各实施方式中，对实现了与前述的第一实施方式同样的功能的部分，使用同一标记并适当省略重复的说明。
图14是本发明的第二实施方式的负极气体非循环型的燃料电池系统1的概要结构图。在图2中，为了简便而记载了以下的燃料电池系统：省略正极气体供排装置3和堆冷却装置6，并且只具备一个放气阀54。
本发明的第二实施方式的燃料电池系统1的负极气体供排装置4具备高压罐41、负极气体供给通路42、压力调节阀43、压力传感器44、缓冲罐51、负极气体排出通路52、放气通路53以及放气阀54。
高压罐41、负极气体供给通路42、压力调节阀43、压力传感器44以及缓冲罐51的功能与第一实施方式相同。
负极气体排出通路52一端部连接于燃料电池堆2的负极气体出口孔26，另一端部连接于缓冲罐51。
放气通路53一端部连接于负极气体排出通路52，另一端部为开口端。积存在缓冲罐51中的负极排气在暂时反流到负极气体排出通路52之后，经放气通路53从开口端向外部大气排出。
放气阀54设置于放气通路53。放气阀54是由控制器来进行开闭控制的电磁阀。通过打开放气阀54，积存在缓冲罐51中的负极排气经放气通路53从开口端向外部大气排出。
图15是说明燃料电池系统1的运转状态为固定的稳定运转时的脉动运转的图。
如图15的(A)所示，控制器7基于燃料电池系统1的运转状态来计算燃料电池堆2的目标输出，计算与目标输出相应的负极压力的基准压力和脉动幅度来设定负极压力的上限值和下限值。然后，使负极压力在所设定的负极压力的上限值与下限值之间周期性地增减。
具体地说，如果在时刻t11负极压力达到下限压力，则如图15的(B)所示，对压力调节阀43的开度进行反馈控制使得负极压力变为上限压力。由此，如图15的(A)所示，负极压力从下限压力向上限压力上升。在该状态时，负极气体从高压罐41供给到燃料电池堆2，负极排气会被压入到缓冲罐51。
如果在时刻t12负极压力达到上限压力，则如图15的(B)所示，对压力调节阀43的开度进行反馈控制使得负极压力变为下限压力。该反馈控制的结果通常是压力调节阀43的开度变为完全闭合，停止从高压罐41向燃料电池堆2供给负极气体。这样一来，通过前述的(1)的电极反应，残留在燃料电池堆内部的负极气体流路121中的负极气体随着时间的推移而被消耗，因此如图15的(A)所示，负极压力降低了与负极气体的消耗量相当的部分。
然后，残留在负极气体流路121中的负极气体被消耗，由此缓冲罐51的压力会暂时高于负极气体流路121的压力，因此负极排气从缓冲罐51反流到燃料电池堆2侧。在本实施方式中，在该定时打开放气阀54，由此将蓄积在缓冲罐51中的负极排气排出到外部。
这是由于，在负极压力升高时从燃料电池堆2侧经放气阀54的上游、即负极气体排出通路52流向缓冲罐51侧的负极排气的负极气体浓度相对高，若在此定时打开放气阀54则会将负极气体徒劳地排出到外部。另一方面，在负极压力降低时从缓冲罐51侧经负极气体排出通路52向燃料电池堆2侧反流的负极排气是蓄积在缓冲罐51中的负极气体浓度相对低的(换言之氮浓度高的)气体。因而，通过在此定时打开放气阀54，能够抑制负极气体的徒劳的排出，并且将从正极侧向负极气体流路121透过来的氮高效地排出到外部。
另外，在负极压力降低时，若负极气体浓度低的负极排气流入到燃料电池堆2的内部，则在负极气体流路121的下游部负极气体浓度的下降变大而发电效率下降，但是通过在负极压力降低时打开放气阀54，能够抑制因负极气体浓度低的负极排气流入到燃料电池堆2的内部而导致的发电效率的下降。
下面，说明该本实施方式的脉动控制和放气控制。
图16是说明本实施方式的脉动控制的流程图。
在步骤S11中，控制器7读取前述的各种传感器的检测值。
在步骤S12中，控制器7基于燃料电池系统1的运转状态来计算燃料电池堆2的目标输出电力。
在步骤S13中，控制器7参照图17的表，基于目标输出电力来设定负极压力的上限压力和下限压力。
在步骤S14中，控制器7判断升压标志是否被设定成了1。升压标志是在负极压力升高时被设定为1的标志，初始值被设定为1。如果升压标志被设定成1，则控制器7进行步骤S5的处理，如果升压标志被设定成0，则控制器7进行步骤S9的处理。此外，在升压标志被设定成0时，即为正在使负极压力降低时。
在步骤S15中，控制器7判断由压力传感器44检测出的负极压力是否低于上限压力。如果负极压力低于上限压力，则控制器7进行步骤S16的处理，如果负极压力为上限压力以上，则控制器7进行步骤S17的处理。
在步骤S16中，控制器7对压力调节阀43的开度进行反馈控制使得负极压力变为上限压力。
在步骤S17中，控制器7将升压标志设定为0。
在步骤S18中，控制器7对压力调节阀43的开度进行反馈控制使得负极压力变为下限压力。
在步骤S19中，控制器7判断由压力传感器44检测出的负极压力是否高于下限压力。如果负极压力高于下限压力，则控制器7进行步骤S18的处理，如果负极压力为下限压力以下，则控制器7进行步骤S20的处理。
在步骤S20中，控制器7将升压标志设定为1。
在步骤S21中，控制器7对压力调节阀43的开度进行反馈控制使得负极压力变为上限压力。
图18是说明本实施方式的放气控制的流程图。
在步骤S101中，控制器7读取前述的各种传感器的检测值。
在步骤S102中，控制器7实施用于计算打开放气阀54的时间(以下称为“放气时间”。)的处理(以下称为“放气时间计算处理”。)。关于放气时间计算处理的详情，参照图19在后面叙述。
在步骤S103中，控制器7判断放气阀54是否处于被打开的状态。如果放气阀54处于闭合则控制器7进行步骤S104的处理，如果放气阀54处于被打开的状态则控制器7进行步骤S110的处理。
在步骤S104中，控制器7判断升压标志是否被设定成了0、即是否为负极压力降低时。如果是升压标志为0时、即负极压力降低时，则控制器7进行步骤S106的处理。另一方面，如果是升压标志为1时、即负极压力升高时，则控制器7进行步骤S105的处理。
在步骤S105中，控制器7使放气阀54仍维持闭合的状态。
在步骤S106中，控制器7计算升压标志被设定为0后的经过时间T1。也就是说，经过时间T1是从负极压力开始降低起的经过时间。
在步骤S107中，控制器7判断经过时间T1是否已变为第一规定时间以上。如果经过时间T1已变为第一规定时间以上，则控制器7进行步骤S108的处理，否则进行步骤S105的处理。
在步骤S108中，控制器7打开放气阀54，并且使经过时间T1恢复为零。像这样在负极压力开始降低起经过第一规定时间之后打开放气阀54是由于，从负极压力开始降低到负极排气从缓冲罐内反流到放气阀54的上游为止的期间内，会产生规定的时间延迟。
在步骤S109中，控制器7计算从放气阀54被打开起的经过时间T2。
在步骤S110中，控制器7判断升压标志是否被设定成了0。如果升压标志被设定成0，则控制器7进行步骤S111的处理，如果升压标志被设定成1，则控制器7进行步骤S113的处理。
在步骤S111中，控制器7判断经过时间T2是否已变为放气时间以上。如果经过时间T2未达到放气时间，则控制器7结束本次的处理并使放气阀54仍打开。另一方面，如果经过时间T2为放气时间以上，则控制器7进行步骤S112的处理。
在步骤S112中，控制器7闭合放气阀54，并且使经过时间T2和后述的经过时间T3恢复为零。
在步骤S113中，控制器7计算从升压标志被设定为1起的经过时间T3。该经过时间T3是在放气阀54保持打开的状态且升压标志被设定为1时计算出的时间。
在步骤S114中，控制器7判断经过时间T3是否已变为第二规定时间以上。如果经过时间T3未达到第二规定时间，则控制器7进行步骤S111的处理，如果为第二规定时间以上，则控制器7进行步骤S115的处理。
在步骤S115中，控制器7闭合放气阀54，并且使经过时间T2和经过时间T3恢复为零。这样，在放气阀54保持打开的状态且升压标志被设定为1的情况下，当负极压力开始升高起经过第二规定时间时，即使打开放气阀54的时间(经过时间T2)未达到放气时间，也强制性地闭合放气阀54。
这是由于，当负极压力开始升高时，从高压罐41向燃料电池堆2供给负极气体，因此在放气阀54的上游，会有负极气体浓度相对高的负极排气从燃料电池堆2向缓冲罐51流动。因此，在这种负极气体浓度高的负极排气到达放气阀54的上游之前闭合放气阀54，从而抑制负极气体浓度高的负极排气被排出。
图19是说明放气时间计算处理的流程图。
在步骤S1021中，控制器7参照图20的对应图，基于电解质膜111的温度和含水率来计算从正极侧向负极气体流路121透过来的氮量(以下称为“氮透过量”。)。此外，在本实施方式中，使用冷却水温作为电解质膜111的温度。另外，基于以公知的各种手法(例如交流阻抗法等)计算出的燃料电池堆2的内部高频电阻(HFR；High Frequency Resistance)来计算电解质膜111的含水率。
在步骤S1022中，控制器7判断放气阀54是否处于打开的状态。如果放气阀54处于闭合，则控制器7进行步骤S1023的处理，如果放气阀54处于打开的状态，则控制器7进行步骤S1024的处理。
在步骤S1023中，控制器7计算负极系统内整体的氮量(以下称为“总氮量”。)。在此，计算出总氮量的上次值与氮透过量相加所得的值来作为总氮量。
在步骤S1024中，控制器7计算总氮量。在此，计算出从总氮量的上次值与氮透过量相加所得的值减去每单位时间的放气流量所得的值来作为总氮量，该每单位时间的放气流量是基于由压力传感器44检测出的负极压力而计算出的。此外，放气流量是根据放气阀54的前后压力差、即负极压力减去大气压所得的差以及放气阀54的开度而决定的。在本实施方式中放气阀54的开度是固定的，因此只要知道负极压力就能够计算出放气流量。
在步骤S1025中，控制器7基于总氮量来计算负极系统整体的氮浓度。
在步骤S1026中，控制器7参照图21的表，基于氮浓度来计算目标放气总流量。如图21所示，氮浓度越高，则目标放气总流量越多。
在步骤S1027中，控制器7参照图22的对应图，基于由压力传感器44检测出的负极压力以及目标放气总流量来计算放气时间。如图22所示，如果负极压力相同，则目标放气总流量越多那么放气时间就越长。另外，如果目标放气总流量相同，则负极压力越低那么放气时间就越长。这是由于，每单位时间的放气流量是由放气阀54的开度以及负极压力与大气压的压力差决定的，负极压力越低时，每单位时间的放气流量越少。
这样，在本实施方式中，负极系统内的氮浓度越高时，目标放气总流量越多，根据负极系统内的氮浓度来改变放气时间，使得负极系统内的氮浓度变为规定浓度以下。
图23是说明本实施方式的放气控制的动作的时序图。在以下的说明中，为了明确与图16和图18的流程图的对应关系，一并记载流程图的步骤号来进行说明。
当在时刻t21负极压力变为上限压力时(图23的(A)；S15中“否”)，将升压标志设定为0(图23的(D)；S17)，并且对压力调节阀43的开度进行反馈控制使得负极压力变为下限压力(图23的(B)；S18)。另外，开始计算经过时间T1(S104中“是”、S106)。
当在时刻t22经过时间T1变为第一规定时间以上时，打开放气阀54，将蓄积在缓冲罐51的内部的负极排气排出到外部(图23的(C)；S107中“是”、S108)。另外，打开放气阀54，由此开始计算经过时间T2(S103中“是”、S109)。
当在时刻t23负极压力降低过程中经过时间T2变为放气时间以上时，闭合放气阀54(图23的(C)；S110中“是”、S111中“是”、S112)。
通过像这样在负极压力降低过程中打开放气阀54，能够将蓄积在缓冲罐51中的负极气体浓度相对低的(氮浓度高的)负极排气排出到外部。另外，通过在负极压力开始降低起经过第一规定时间之后打开放气阀54，能够将从缓冲罐内反流回来的负极气体浓度相对低的负极排气排出，而不将在负极压力升高后存在于负极气体排出通路52中的负极气体浓度相对高的负极排气排出到外部。
当在时刻t24负极压力变为下限压力时(图23的(A)；S19中“否”)，将升压标志设定为1(图23的(D)；S20)，并且对压力调节阀43的开度进行反馈控制使得负极压力变为上限压力(图23的(B)；S21)。
当在时刻t25负极压力再次变为上限压力时(图23的(A)；S15中“否”)，将升压标志设定为0(图23的(D)；S17)，并且对压力调节阀43的开度进行反馈控制使得负极压力变为下限压力(图23的(B)；S18)。另外，开始计算经过时间T1(S104中“是”、S106)。
当在时刻t26经过时间T1变为第一规定时间以上时，打开放气阀54(图23的(C)；S107中“是”、S108)，开始计算经过时间T2(S103中“是”、S109)。
当在时刻t27负极压力降低过程中经过时间T2未达到放气时间而保持放气阀54打开的状态且负极压力下降到下限压力时(图23的(A)(C))，开始计算经过时间T3(S110中“否”、S113)。
然后，当在时刻t28经过时间T2达到放气时间之前经过时间T3已变为第二规定时间以上时(S114中“是”)，闭合放气阀54(图23的(C)；S115)
这样，在放气阀54保持打开状态且负极压力下降到下限压力而开始升高负极压力时，即使处于经过时间T2达到放气时间之前也闭合放气阀54。
由此，能够在由于负极压力的升高而负极气体浓度相对高的负极排气从燃料电池堆2经负极气体排出通路52向缓冲罐51流过来之前，排出缓冲罐51内的负极气体浓度低的负极排气。而且，能够抑制从燃料电池堆2向缓冲罐51流过来的负极气体浓度高的负极排气被排出。
根据以上说明的本实施方式，在实施脉动运转的负极气体非循环型的燃料电池系统1中，在将燃料电池堆2与缓冲罐51进行连接的负极气体排出通路52上连接具备放气阀54的放气通路53，在负极压力降低过程中打开放气阀54。
在负极压力降低过程中，暂时蓄积在缓冲罐51内的负极气体浓度相对低的(氮浓度高的)负极排气从缓冲罐51侧向燃料电池堆2侧反流过来。因此，通过在负极压力降低过程中打开放气阀54，能够将氮浓度高的负极排气排出到外部。由此，能够抑制负极气体的徒劳的排出，并且将从正极侧向负极气体流路121透过来的氮高效地排出到外部。
另外，在负极压力降低时，当负极气体浓度低的负极排气流入到燃料电池堆2的内部时，在负极气体流路121的下游部负极气体浓度的下降变大而发电效率下降，但是通过在负极压力降低时打开放气阀54，能够抑制因负极气体浓度低的负极排气流入到燃料电池堆2的内部而导致的发电效率的下降。
另外，根据本实施方式，在负极压力开始降低起经过第一规定时间之后打开放气阀54。
在负极压力刚降低时，由于负极压力的升压，而在负极气体排出通路52存在负极气体浓度相对高的负极排气。因而，通过在负极压力开始降低起经过第一规定时间之后打开放气阀54，能够将从缓冲罐51内反流回来的负极气体浓度低的负极排气排出，而不将这种负极气体浓度高的负极排气排出到外部。
另外，根据本实施方式，根据负极系统内的氮浓度来计算放气时间，使得负极系统内的氮浓度变为规定浓度以下。
由此，能够将从正极侧向负极气体流路121透过来的氮适当地排出到外部，能够而抑制负极气体徒劳地与负极排气一起被排出。
另外，根据本实施方式，在负极压力开始升高起经过第二规定时间之后放气阀54仍打开时，即使打开放气阀54后的经过时间T2未达到放气时间也闭合放气阀54。
由此，能够在由于负极压力的升高而负极气体浓度相对高的负极排气从燃料电池堆2经负极气体排出通路52向缓冲罐51流过来之前，排出缓冲罐51内的负极气体浓度低的负极排气。而且，在负极气体浓度高的负极排气从燃料电池堆2向缓冲罐51流过来之前闭合放气阀54，因此能够抑制负极气体浓度高的负极排气的排出。
以上，说明了本发明的实施方式，但是上述实施方式不过是示出了本发明的应用例的一部分，其宗旨并不在于将本发明的技术范围限定于上述实施方式的具体结构。
例如，在上述的第一实施方式中，在启动放气处理中保持打开第一放气阀49和第二放气阀50，但是也可以仅在压力保持处理中打开。由此，能够抑制在减压处理中、升压处理中负极气体排出到正极气体排出通路35，而仅将缓冲罐51内的混合气体排出到正极气体排出通路35。
另外，在上述的第二实施方式中，也可以在负极压力下降到下限压力的情况下放气阀54仍打开时、即在经过时间T2变为放气时间以上之前负极压力下降到下限压力时，使负极压力的下限压力暂时下降，在经过时间T2已变为放气时间以上的阶段开始升高负极压力。
另外，在上述的第一实施方式中使用具备两个放气阀的燃料电池系统来进行说明，在第二实施方式中使用具备一个放气阀的燃料系统来进行说明，但是两个实施方式都是既可以具备一个放气阀，也可以具备一个以上的放气阀。
本申请基于2012年3月12日向日本专利局申请的特愿2012-54733号和2012年9月18日向日本专利局申请的特愿2012-204177号要求优先权，通过参照将该申请的全部内容引入本说明书中。

Claims (13)

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来进行发电，该燃料电池系统具备：
控制阀，其控制上述燃料电池内的负极气体的压力；
缓冲部，其蓄积从上述燃料电池排出的负极排气；
排气排出通路，其将上述燃料电池与上述缓冲部进行连接；
放气通路，其与上述排气排出通路连接；
放气阀，其设置于上述放气通路；
放气单元，其打开上述放气阀来将上述缓冲部的气体排出到上述燃料电池系统的外部；以及
压力控制单元，其使上述燃料电池内的负极气体的压力从第一规定压力下降到第二规定压力来使上述缓冲部的气体反流到上述燃料电池侧。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，上述压力控制单元具备：
升压单元，其使上述燃料电池内的负极气体的压力升高到上述第一规定压力；
减压单元，其使上述燃料电池内的负极气体的压力在升高到上述第一规定压力之后，下降到低于上述第一规定压力的上述第二规定压力；以及
压力保持单元，其在上述燃料电池内的负极气体的压力下降到上述第二规定压力之后，在规定期间内将上述燃料电池内的负极气体的压力保持为上述第二规定压力。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，
上述压力控制单元在实施上述压力保持单元之后再次实施上述升压单元，来反复实施上述升压单元、上述减压单元以及上述压力保持单元。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，还具备：
放气持续时间计算单元，其根据通过上述放气阀的上述缓冲部的气体的流量，来计算上述放气单元的所需持续时间；以及
放气时间计算单元，其计算将上述燃料电池内的负极气体的压力保持为上述第二规定压力的时间，来作为将上述缓冲部的气体排出到上述燃料电池系统的外部的放气时间，
其中，在上述放气时间为上述所需持续时间以上时，结束上述放气单元和上述压力控制单元的实施。
5.根据权利要求2～4中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
在将上述燃料电池内的负极气体的压力保持为上述第二规定压力时，上述放气单元打开上述放气阀。
6.根据权利要求1～5中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
上述第一规定压力是能够将上述燃料电池的负极气体流路和上述排气排出通路内的气体压入上述缓冲部内的压力。
7.根据权利要求1～6中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
上述第二规定压力是上述缓冲部的气体至少反流到比上述排气排出通路与上述放气通路的连接部更靠上述燃料电池侧的压力。
8.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
在使上述负极气体的压力下降时，上述放气单元打开上述放气阀来开始将负极排气排出到外部的放气控制。
9.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其特征在于，
在从负极气体的压力开始下降起经过了第一规定时间之后，上述放气单元开始放气控制。
10.根据权利要求8或9所述的燃料电池系统，其特征在于，
上述放气单元根据包括上述燃料电池和上述缓冲部在内的负极系统内的氮浓度，来计算在上述放气控制中打开上述放气阀的放气时间。
11.根据权利要求10所述的燃料电池系统，其特征在于，
在从开始上述放气控制起的经过时间为上述放气时间以上时，上述放气单元结束上述放气控制。
12.根据权利要求11所述的燃料电池系统，其特征在于，
上述放气单元在从上述负极气体的压力开始升高起经过了第二规定时间之后上述放气阀仍被打开时，即使从开始上述放气控制起的经过时间少于上述放气时间，也结束上述放气控制。
13.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，上述放气单元具备：
透过氮量计算单元，其基于上述燃料电池的电解质膜的温度和含水率来计算从正极侧透过电解质膜到达负极侧的透过氮量；
氮浓度计算单元，其基于上述透过氮量来计算包括上述燃料电池和上述缓冲部在内的负极系统的氮浓度；
目标放气总流量计算单元，其基于上述氮浓度来计算在放气控制中排出的负极排气的流量的目标值，来作为目标放气总流量；以及
放气时间计算单元，其基于上述目标放气总流量来计算在放气控制中打开放气阀的时间，来作为放气时间。
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