CN104170141A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池系统，具备：目标压力设定部，其周期性地反复设定目标上限压力和目标下限压力作为负极气体的目标压力；以及上限压力设定部，其将基于燃料电池的耐久性能而设定的负极气体的上限值与基于燃料电池的输出性能而设定的负极气体的上限值中的较小的一方设定为负极气体的上限压力，其中，在选择了基于燃料电池的耐久性能而设定的负极气体的上限值作为负极气体的上限压力时，目标压力设定部将小于该上限值的值设定为目标上限压力，在选择了基于燃料电池的输出性能而设定的负极气体的上限值作为负极气体的上限压力时，目标压力设定部将大于该上限值的压力设定为目标上限压力。

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JP2005-243476A中，作为以往的燃料电池系统，公开了一种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。该以往的燃料电池系统实施使负极气体的压力升降的脉动运转，在升压时对燃料电池供给比所需流量多的负极气体，由此将滞留在燃料电池内的杂质排出到燃料电池外，从而抑制了燃料电池的输出性能的降低。
发明内容
发明要解决的问题
当前，发明人正在研究反复设定高的压力、低的压力作为目标压力，实施利用压力调节阀对负极气体压力的反馈控制，使得负极气体压力变为该目标压力，由此进行负极气体的脉动控制。
另一方面，针对该脉动，会设定两种上限压力。一个例如是用于确保堆的性能要求以将堆内的水压入缓冲罐等的脉动的上限压力。另一个是考虑了电解质膜的机械强度等的用于确保耐久性的脉动的上限压力。
若超过了考虑耐久性所得的上限压力则有可能缩短产品寿命，因此，例如想到了始终提供低于上限压力的目标压力作为反馈控制的目标值，以使其一定不超过目标上限压力。
然而，若始终设定低于上限压力的目标压力，则在设定用于确保性能要求的脉动的上限压力的情况下，会由于将目标压力设定得低而无法提供足够的脉动振幅，从而存在水的排出不充分的可能性。
本发明是着眼于这种问题而完成的，其目的在于根据所设定的脉动的上限压力来提供最合适的目标压力反馈控制。
用于解决问题的方案
根据本发明的某个方式，提供一种燃料电池系统，该燃料电池系统具备：控制阀，其控制向燃料电池供给的负极气体的压力；压力检测部，其检测向燃料电池供给的负极气体的压力；目标压力设定部，其周期性地反复设定目标上限压力和目标下限压力作为负极气体的目标压力；压力控制部，其基于由压力检测单元检测出的负极气体的压力以及目标压力对控制阀进行反馈控制，来控制负极气体的压力；以及上限压力设定部，其将基于燃料电池的耐久性能而设定的负极气体的上限值与基于上述燃料电池的输出性能而设定的负极气体的上限值中的较小的一方设定为负极气体的上限压力。而且，其特征在于，在选择了基于燃料电池的耐久性能而设定的负极气体的上限值作为负极气体的上限压力时，目标压力设定部将小于该上限值的值设定为目标上限压力，在选择了基于燃料电池的输出性能而设定的负极气体的上限值作为负极气体的上限压力时，目标压力设定部将大于该上限值的压力设定为目标上限压力。
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10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是说明本发明的第一实施方式的脉动运转控制的流程图。
图4是说明负极压力的下限压力计算处理的流程图。
图5是基于目标输出电流计算发电要求下限值的表。
图6是说明负极压力的上限压力计算处理的流程图。
图7是基于目标输出电流计算压力上升值的表。
图8是说明控制目标下限压力计算处理的流程图。
图9是说明控制目标上限压力计算处理的流程图。
图10是说明脉动运转处理的流程图。
图11是说明负极压力的升压处理的流程图。
图12是基于目标输出电流计算升压变化率的表。
图13是说明负极压力的降压处理的流程图。
图14是说明本发明的第一实施方式的脉动运转控制的动作的时序图。
图15是说明本发明的第一实施方式的脉动运转控制的动作的时序图。
图16是说明以使负极压力以期望的升压变化率从下限压力向控制目标上限压力上升的方式设定目标负极压力所得到的效果的图。
图17是说明本发明的第二实施方式的升压处理的流程图。
图18是说明本发明的第二实施方式的降压处理的流程图。
图19是说明本发明的第二实施方式的脉动运转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。
MEA 11具备电解质膜111、负极电极112以及正极电极113。MEA 11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同方向。也可以相互平行地流向相反方向。
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、负极气体供给装置3以及控制器4。
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)。
向燃料电池堆2供给正极气体或从燃料电池堆2排出正极气体的正极气体供排装置以及对燃料电池堆2进行冷却的冷却装置不是本发明的主要部分，因此为了易于理解而省略了其图示。在本实施方式中将空气用作正极气体。
负极气体供给装置3具备高压罐31、负极气体供给通路32、压力调节阀33、压力传感器34、负极气体排出通路35、缓冲罐36、放气通路37以及放气阀38。
高压罐31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32是用于将从高压罐31排出的负极气体供给到燃料电池堆2的通路，一个端部与高压罐31连接，另一个端部与燃料电池堆2的负极气体入口孔21连接。
压力调节阀33设置于负极气体供给通路32。压力调节阀33将从高压罐31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33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4来进行控制。
压力传感器34设置于比压力调节阀33更靠下游的负极气体供给通路32。压力传感器34检测比压力调节阀33更靠下游的负极气体供给通路32的压力。在本实施方式中，将利用该压力传感器34检测出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36在内的负极系统整体的压力(以下称为“负极压力”。)。
负极气体排出通路35的一个端部与燃料电池堆2的负极气体出口孔22连接，另一个端部与缓冲罐36的上部连接。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”。)被排出到负极气体排出通路35。
缓冲罐36暂时蓄积通过负极气体排出通路35流过来的负极排气。负极排气中的水蒸气的一部分在缓冲罐36内凝结而成为液态水，从负极排气分离出来。
放气通路37的一个端部与缓冲罐36的下部连接。放气通路37的另一个端部为开口端。积存在缓冲罐36中的负极排气和液态水通过放气通路37从开口端排出到外部大气。
放气阀38设置于放气通路37。放气阀38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4来进行控制。通过调节放气阀38的开度，来调节从缓冲罐36经由放气通路37排出到外部大气的负极排气的量，从而调节成负极系统内的负极气体浓度为规定浓度。若规定浓度的设定值过低，则电极反应中使用的负极气体不足，因此发电效率降低。另一方面，若规定浓度的设定值过高，则经由放气通路37与负极排气中的惰性气体一起排出到外部大气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规定浓度设定为适当的值。若燃料电池系统1的运转状态相同，则放气阀38的开度越大，那么缓冲罐36内的惰性气体的浓度越低，负极气体浓度越高。
控制器4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。
除了来自前述的压力传感器34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41、检测对燃料电池堆2进行冷却的冷却水的温度的水温传感器42、检测向燃料电池堆供给的正极气体的压力(以下称为“正极压力”。)的压力传感器43、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44、检测电池充电率的SOC传感器45等用于检测燃料电池系统1的运转状态的各种传感器的信号也被输入到控制器4。
另外，控制器4基于各种传感器的输入信号来周期性地开闭压力调节阀33，进行使负极压力周期性地升降的脉动运转，并且，控制器4调节放气阀38的开度来调节从缓冲罐36排出的负极排气的流量，将负极系统内的负极气体浓度保持为规定浓度。
在脉动运转中，反复设定上限压力和下限压力作为负极压力的目标压力，进行利用压力调节阀的反馈控制使得成为所设定的压力，由此使负极压力在上限压力与下限压力之间周期性地升降来脉动。
通过进行脉动运转，能够在负极压力上升时将负极气体流路121内的液态水周期性地排出到负极气体流路121外，因此能够提高燃料电池堆的排水性能，进而提高输出性能。
图3是说明本实施方式的脉动运转控制的流程图。
在步骤S1中，控制器4读取各种传感器的检测信号，检测燃料电池系统的运转状态。
在步骤S2中，控制器4基于燃料电池系统1的运转状态来计算燃料电池堆的目标输出电流。
在步骤S3中，控制器4实施负极压力的下限压力计算处理。关于下限压力计算处理的详情，参照图4在后面叙述。
在步骤S4中，控制器4实施负极压力的上限压力计算处理。关于上限压力计算处理的详情，参照图6在后面叙述。
在步骤S5中，控制器4实施在将负极压力控制为下限压力时应该成为目标的下限压力(以下称为“控制目标下限压力”。)的计算处理。关于控制目标下限压力计算处理的详情，参照图8在后面叙述。
在步骤S6中，控制器4实施在将负极压力控制为上限压力时应该成为目标的上限压力(以下称为“控制目标上限压力”。)的计算处理。关于控制目标上限压力计算处理的详情，参照图9在后面叙述。
在步骤S7中，控制器4实施脉动运转处理。关于脉动运转处理的详情，参照图10在后面叙述。
图4是说明负极压力的下限压力计算处理的流程图。
在步骤S31中，控制器4从正极压力减去规定值γ，由此计算膜劣化防止下限值。膜劣化防止下限值是从确保电解质膜111的耐久性这一观点出发而设定的负极压力的下限值，是防止正极压力(正极气体流路131的压力)与负极压力(负极气体流路121的压力)的压力差过大而电解质膜111劣化所需的正极压力的下限值。
在步骤S32中，控制器4参照图5的表，基于目标输出电流来计算为了输出该目标输出电流而起码需要的负极压力的下限值(以下称为“发电要求下限值”。)。也就是说，发电要求下限值是从确保燃料电池堆2的输出性能这一观点出发而设定的负极压力的下限值。
在步骤S33中，控制器4将膜劣化防止下限值和发电要求下限值中的较大一方设定为负极压力的下限压力。此外，在膜劣化防止下限值与发电要求下限值相等的情况下，将膜劣化防止下限值设定为负极压力的下限压力。
图6是说明负极压力的上限压力计算处理的流程图。
在步骤S41中，控制器4设定负极压力的允许最大上限值。允许最大上限值是从确保电解质膜111的耐久性这一观点出发而设定的负极压力的上限值，是防止负极压力过大而电解质膜111劣化所需的正极压力的上限值。允许最大上限值是根据燃料电池堆2的规格而决定的，是预先通过实验等决定的规定值。若在负极压力超过允许最大上限值的状态下运转燃料电池系统1，则存在电解质膜111劣化的担忧。
在步骤S42中，控制器4使正极压力加上规定值γ，由此计算膜劣化防止上限值。膜劣化防止上限值是从确保电解质膜111的耐久性这一观点出发而设定的负极压力的上限值，是防止正极压力与负极压力的压力差过大而电解质膜111劣化所需的正极压力的上限值。
在步骤S43中，控制器4参照图7的表，基于目标输出电流来计算防止负极气体流路121内的水堵塞(液泛)所需的压力上升值。
在步骤S44中，控制器4使通过下限压力计算处理计算出的下限压力加上通过步骤S42计算出的压力上升值，来计算液泛防止上限值。液泛防止上限值是从确保燃料电池堆的输出性能这一观点出发而设定的负极压力的上限值。
在步骤S45中，控制器4将允许最大上限值、膜劣化防止上限值以及液泛防止上限值中的最小的一方设定为负极压力的上限压力。
此外，在与膜劣化防止上限值相比剩余两个更小、且允许最大上限值与液泛防止上限值相等的情况下，将允许最大上限值设定为负极压力的上限压力。同样地，在与允许最大上限值相比剩余两个更小、且膜劣化防止上限值与液泛防止上限值相等的情况下，将膜劣化防止上限值设定为负极压力的上限压力。在与液泛防止上限值相比剩余两个更小、且允许最大上限值与膜劣化防止上限值相等的情况下，将哪一个设定为负极压力的上限压力都可以。
图8是说明控制目标下限压力计算处理的流程图。
在步骤S51中，控制器4判断是否将膜劣化防止下限值设定为下限压力。如果膜劣化防止下限值被设定为下限压力，则控制器4进行步骤S52的处理。另一方面，如果发电要求下限值被设定为下限压力，则控制器4进行步骤S54的处理。
在步骤S52中，控制器4将下限侧耐久性优先标志设定为1。下限侧耐久性优先标志是将膜劣化防止下限值设定为下限压力时被设定为1的标志，初始值被设定为0。
下限侧耐久性优先标志被设定为1时换言之即为基于确保电解质膜111的耐久性进而确保燃料电池堆2的耐久性这一要求而设定下限压力时。因而，不希望负极压力低于下限压力。因此，在本实施方式中，在下限侧耐久性优先标志被设定为1时，以下限压力加上规定值β1所得的值为控制目标下限压力，抑制负极压力低于下限压力的情况。
在步骤S53中，控制器4将下限压力加上规定值β1所得的值设定为控制目标下限压力。
在步骤S54中，控制器4将下限侧耐久性优先标志设定为0。
下限侧耐久性优先标志被设定为0时即为发电要求下限值被设定为下限压力时，换言之，即为基于确保燃料电池堆2的输出性能这一要求而设定下限压力时。上限压力与下限压力的压力差(脉动幅度)越大时，将负极气体流路121内的液态水排出到流路外的功能(排水性能)越高。当燃料电池堆2的排水性能降低时，容易产生液泛而燃料电池堆2的输出性能降低。
因而，在发电要求下限值被设定为下限压力时，希望使负极压力可靠地下降到下限压力，从而在接下来的升压时使负极气体流路121内的液态水排出到流路外。因此，在本实施方式中，在下限侧耐久性优先标志被设定为0时，以下限压力减去规定值β2所得的值为控制目标下限压力，使负极压力可靠地下降到下限压力。
在步骤S55中，控制器4将下限压力减去规定值β2所得的值设定为控制目标下限压力。
图9是说明控制目标上限压力计算处理的流程图。
在步骤S61中，控制器4判断是否将允许最大上限值和膜劣化防止上限值中的某一个设定为上限压力。如果允许最大上限值和膜劣化防止上限值的某一个被设定为上限压力，则控制器4进行步骤S62的处理。另一方面，如果液泛防止上限值被设定为上限压力，则控制器4进行步骤S64的处理。
在步骤S62中，控制器4将上限侧耐久性优先标志设定为1。上限侧耐久性优先标志是将允许最大上限值和膜劣化防止上限值中的某一个设定为上限压力时被设定为1的标志，初始值被设定为0。
上限侧耐久性优先标志被设定为1时换言之即为基于确保电解质膜111的耐久性进而确保燃料电池堆2的耐久性这一要求而设定上限压力时。因而，不希望负极压力超过上限压力。因此，在本实施方式中，在上限侧耐久性优先标志被设定为1时，以上限压力减去规定值α1所得的值为控制目标上限压力，抑制负极压力超过上限压力的情况。
在步骤S63中，控制器4将上限压力减去规定值α1所得的值设定为控制目标上限压力。在本实施方式中，使规定值α1为大于规定值β1的值。关于其理由，参照图14在后面叙述。
在步骤S64中，控制器4将上限侧耐久性优先标志设定为0。
上限侧耐久性优先标志被设定为0时即为液泛防止上限值被设定为上限压力时，换言之即为基于防止液泛来确保燃料电池堆2的输出性能(排水性能)这一要求而设定上限压力时。因而，在这种情况下，若负极压力不能上升到上限压力则会出现问题，希望使负极压力可靠地上升到上限压力。因此在本实施方式中，在耐久性标志被设定为0时，以上限压力加上规定值α2所得的值为控制目标上限压力，使负极压力可靠地上升到上限压力。
在步骤S65中，控制器4将上限压力加上规定值α2所得的值设定为控制目标上限压力。在本实施方式中，使规定值α2为小于规定值β2的值。关于其理由，参照图15在后面叙述。
图10是说明脉动运转处理的流程图。
在步骤S71中，控制器4判断是否将降压中标志设定为1。降压中标志是在负极压力的降压处理中被设定为1的标志，初始值被设定为0。
在步骤S72中，控制器4实施负极压力的升压处理。关于升压处理的详情，参照图11在后面叙述。
在步骤S73中，控制器4实施负极压力的降压处理。关于降压处理的详情，参照图13在后面叙述。
图11是说明负极压力的升压处理的流程图。
在步骤S721中，控制器4参照图12的表，基于目标输出电流来计算使负极压力上升时的升压变化率(目标负极压力的斜率)。升压变化率越大时，负极压力的升压速度越快。
如图12的表所示，目标输出电流越大时升压变化率越大是由于，目标输出电流越大时，从正极侧向负极侧透过来的水分量越多。
在步骤S722中，控制器4判断是否将上限侧耐久性优先标志设定为1。如果上限侧耐久性优先标志被设定为1，则控制器4进行步骤S723的处理。另一方面，如果上限侧耐久性优先标志被设定为0，则控制器4进行步骤S727的处理。
在步骤S723中，控制器4设定使负极压力以期望的升压变化率从控制目标下限压力向控制目标上限压力上升的目标负极压力，调节压力调节阀的开度使得负极压力跟踪目标负极压力。
在步骤S724中，控制器4判断负极压力是否已变为控制目标上限压力以上。如果负极压力未达到控制目标上限压力，则控制器4结束本次的处理。另一方面，如果负极压力为控制目标上限压力以上，则控制器4为了结束升压处理而进行步骤S725的处理。
这样，在上限侧耐久性优先标志被设定为1时，在负极压力变为低于上限压力的控制目标上限压力时结束升压处理，由此能够抑制负极压力超过上限压力的情况。
在步骤S725中，控制器4使目标负极压力降低到控制目标下限压力，结束升压处理。由于要使目标负极压力降低到控制目标下限压力，控制器4基本上将压力调节阀控制为完全闭合。
在步骤S726中，控制器4将降压中标志设定为1。降压中标志的初始值被设定为0。
在步骤S727中，控制器4设定使负极压力以期望的升压变化率从下限压力向控制目标上限压力上升的目标负极压力，调节压力调节阀的开度使得负极压力跟踪目标负极压力。
在步骤S728中，控制器4判断负极压力是否已变为上限压力以上。如果负极压力未达到上限压力，则控制器4结束本次的处理。另一方面，如果负极压力为上限压力以上，则控制器4为了结束升压处理而进行步骤S728的处理。
这样，在上限侧耐久性优先标志被设定为0时，将控制目标上限压力设定为高于上限压力的值，由此能够使负极压力可靠地上升到上限压力。另外，通过在负极压力变为上限压力时使升压处理结束，不会徒劳地供给负极气体来使负极压力上升。因此，能够在确保燃料电池堆2的输出性能(排水性能)的同时，抑制燃烧消耗率的恶化。
在步骤S729中，控制器4使目标负极压力降低到控制目标下限压力，来结束升压处理。由于要使目标负极压力降低到控制目标下限压力，控制器4基本上将压力调节阀控制为完全闭合。
在步骤S730中，控制器4将降压中标志设定为1。
图13是说明负极压力的降压处理的流程图。
在步骤S731中，控制器4判断是否将下限侧耐久性优先标志设定为1。如果下限侧耐久性优先标志被设定为1，则控制器4进行步骤S732的处理，另一方面，如果下限侧耐久性优先标志被设定为0，则控制器4进行步骤S734的处理。
在步骤S732中，控制器4判断负极压力是否已变为控制目标下限压力以下。如果负极压力高于控制目标下限压力，则控制器4结束本次的处理。另一方面，如果负极压力为控制目标下限压力以下，则控制器4为了结束降压处理而进行步骤S733的处理。
在步骤S733中，控制器4将降压中标志设定为0。
这样，在下限侧耐久性优先标志被设定为1时，在负极压力变为高于下限压力的控制目标下限压力时结束降压处理，由此能够抑制负极压力低于下限压力的情况。
在步骤S734中，控制器4判断负极压力是否已变为下限压力以下。如果负极压力高于下限压力，则控制器4结束本次的处理。另一方面，如果负极压力为下限值以下，则控制器4为了结束降压处理而进行步骤S735的处理。
这样，在下限侧耐久性优先标志被设定为0时，通过将控制目标下限压力设定为低于下限压力的值，能够抑制负极压力未能下降到下限压力的情况。
在步骤S735中，控制器4将降压中标志设定为0。
接着，参照图14和图15来说明本实施方式的脉动运转控制的作用效果。
图14是说明本实施方式的脉动运转控制的动作的时序图。图14是膜劣化防止上限值被设定为上限压力、膜劣化防止下限值被设定为下限压力时、即上限侧耐久性优先标志和下限侧耐久性优先标志分别被设定为1时的时序图。在图14中，虚线是目标负极压力，实线是负极压力。
如图14所示，由于膜劣化防止上限值被设定为上限压力，因此比上限压力低规定值α1的值被设定为控制目标上限压力。
然后，如时刻t1到时刻t2所示的那样，设定使负极压力以期望的升压变化率从控制目标下限压力向控制目标上限压力上升的目标负极压力(虚线)，调节压力调节阀33的开度使得负极压力(实线)跟踪目标负极压力。
这样，在基于确保燃料电池堆2的耐久性这一要求而设定上限压力时，将低于上限压力的值设定为控制目标上限压力，由此能够抑制负极压力超过上限压力的情况。由此，能够提高燃料电池堆2的耐久性。
当在时刻t2负极压力变为控制目标上限压力时，控制器4结束升压处理，进入降压处理。当进入降压处理时，控制器4使压力调节阀33完全闭合，由此停止从高压罐31向燃料电池堆2供给负极气体。
由此，如时刻t2到时刻t3所示的那样，通过前述的(1)的电极反应，残留在燃料电池堆22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36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36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。
当在时刻t3负极压力变为控制目标下限压力时，控制器4结束降压处理，再次进入升压处理。
这样，在基于确保燃料电池堆2的耐久性这一要求而设定下限压力时，将高于下限压力的值设定为控制目标下限压力，由此能够抑制负极压力低于下限压力的情况。由此，能够提高燃料电池堆2的耐久性。
另外，在本实施方式中，使规定值α1为大于规定值β1的值。由此，能够得到以下的效果。
在实施如本实施方式那样的脉动运转的情况下，负极压力的升压速度比负极压力的降压速度快。这是由于，为了使负极压力上升，只要打开压力调节阀33来从高压罐供给高压的负极气体即可，因此能够通过调整压力调节阀33的开度来高响应性地使负极压力升高，但是为了使负极压力下降，只能等待负极气体在燃料电池堆2的内部被消耗。
因而，若规定值α1的值小，则随着负极压力高响应性地上升，存在负极压力超过控制目标上限压力而达到上限压力的担忧。因此，在本实施方式中，在上限侧耐久性优先标志被设定为1时，使规定值α1大于规定值β1。
由此，能够可靠地抑制负极压力超过上限压力的情况，因此能够进一步抑制燃料电池堆2的耐久性的降低。
图15是说明本实施方式的脉动运转控制的动作的时序图。图15是液泛防止上限值被设定为上限压力、发电要求下限值被设定为下限压力时、即上限侧耐久性优先标志和下限侧耐久性优先标志分别被设定为0时的时序图。在图15中，虚线是目标负极压力，实线是负极压力。
如图15所示，液泛防止上限值被设定为上限压力，因此比上限压力高规定值α2的值被设定为控制目标上限压力。
然后，如时刻t11到时刻t12所示那样，设定使负极压力以期望的升压变化率从下限压力向控制目标上限压力上升的目标负极压力(虚线)，调节压力调节阀33的开度使得负极压力(实线)跟踪目标负极压力。
这样，在基于防止液泛来确保燃料电池堆2的输出性能(排水性能)这一要求而设定上限压力时，将控制目标上限压力设定为高于上限压力的值，由此能够可靠地使负极压力上升到上限压力。也就是说，即使控制中产生稳定偏差而变为负极压力未能上升到控制目标上限压力这样的状况，由于控制目标上限压力被设定为高于上限压力的值，因此也能够可靠地使负极压力上升到上限压力。由此，能够确保燃料电池堆2的输出性能(排水性能)。
另外，虽然将控制目标上限压力设定成了高于上限压力的值，但是由于在负极压力变为上限压力时使升压处理结束，因此不会徒劳地供给负极气体来使负极压力上升。因此，能够抑制燃烧消耗率的恶化。
当在时刻t12负极压力变为上限值时，控制器4结束升压处理，进入降压处理。当进入降压处理时，控制器4使压力调节阀33完全闭合，由此停止从高压罐向燃料电池堆2供给负极气体。
当在时刻t3负极压力变为下限压力时，控制器4结束降压处理，再次进入升压处理。
此时，发电要求下限值被设定为下限压力，因此比下限压力低规定值β2的值被设定为控制目标下限压力。由此，能够可靠地使负极压力下降到下限压力。其结果，能够确保接下来的升压时的脉动幅度(上限压力与下限压力的压力差)，因此能够使负极气体流路121内的液态水排出到流路外。因此，能够提高燃料电池堆2的输出性能(排水性能)。
另外，在本实施方式中，使规定值α2为小于规定值β2的值。由此，能够得到以下的效果。
如前所述，在实施如本实施方式那样的脉动运转的情况下，负极压力的升压速度比负极压力的降压速度快。
因而，在上限侧耐久性优先标志被设定为0时，若规定值α2的值大，则随着负极压力高响应性地上升，存在负极压力超过上限压力过多的担忧。因此，在本实施方式中，在上限侧耐久性优先标志被设定为0时，使规定值α2小于规定值β2。
由此，能够抑制负极压力超过上限压力的情况，因此不会徒劳地供给负极气体来使负极压力上升。因此，能够抑制燃烧消耗率的恶化。
另外，在本实施方式中，在结束降压处理来再次进入升压处理时，并不设定使负极压力以期望的升压变化率从控制目标下限压力向控制目标上限压力上升的目标负极压力，而是设定使负极压力以期望的升压变化率从下限压力向控制目标上限压力上升的目标负极压力。由此，能够得到以下的效果。
图16是说明设定使负极压力以期望的升压变化率从下限压力向控制目标上限压力上升的目标负极压力而得到的效果的图。
若如图16中点划线所示的那样、设定使负极压力以期望的升压变化率从控制目标下限压力向控制目标上限压力上升的目标负极压力，则在负极压力降低到下限压力之后，不久目标负极压力就变为低于下限压力的值。因此，即使负极压力降低到下限压力之后，也仍将压力调节阀33控制为完全闭合以使负极压力跟踪目标负极压力。其结果，负极压力会降低到下限压力以下，从而产生下冲。
若在发电要求下限值被设定为下限压力时产生这种下冲而负极压力降低到下限压力以下，则存在燃料电池堆2的输出电流变得低于目标输出电流的担忧。
与此相对，在从降压处理转变为升压处理时，通过如本实施方式那样设定使负极压力以期望的升压变化率从下限压力向控制目标上限压力上升的目标负极压力，能够抑制这种下冲的产生。因而，能够抑制燃料堆的输出电流变得低于目标输出电流的情况，作为结果能够提高燃料电池堆2的输出性能。
(第二实施方式)
接着，说明本发明的第二实施方式。本发明的第二实施方式在将负极压力保持固定时间这一点上与第一实施方式不同。下面，说明该不同点。此外，在下面示出的各实施方式中，对与前述的第一实施方式实现同样的功能的部分使用同一标记，适当省略重复的说明。
在本实施方式中，将利用设置于负极气体供给通路32的压力传感器34检测出的压力(负极压力)代用作包括燃料电池堆2内部的各负极气体流路121和缓冲罐36在内的负极系统整体的压力。
因而，在燃料电池堆内部的各负极气体流路121的压力变为利用压力传感器34检测出的压力时，有可能产生延迟，虽然时间短。因此，在本实施方式中，在负极压力达到上限压力和下限压力之后，暂时将负极压力保持为该上限压力和下限压力。
图17是说明本实施方式的升压处理的流程图。
在步骤S2721中，控制器4将目标负极压力设定为控制目标上限压力。
在步骤S2722中，控制器4判断将目标负极压力设定为控制目标上限压力后是否经过了规定时间。如果将目标负极压力设定为控制目标上限压力后经过了规定时间，则控制器4进行步骤S725的处理，如果未经过规定时间则返回到步骤S2722的处理。
在步骤S2723中，控制器4将目标负极压力设定为上限压力。
在步骤S2724中，控制器4判断将目标负极压力设定为上限压力后是否经过了规定时间。如果将目标负极压力设定为上限压力后经过了规定时间，则控制器4进行步骤S728的处理，如果未经过规定时间则返回到步骤S2724的处理。
图18是说明本实施方式的降压处理的流程图。
在步骤S2731中，控制器4将目标负极压力设定为控制目标下限压力。
在步骤S2732中，控制器4判断将目标负极压力设定为控制目标下限压力后是否经过了规定时间。如果将目标负极压力设定为控制目标下限压力后经过了规定时间，则控制器4进行步骤S733的处理，如果未经过规定时间则返回到步骤S2731的处理。
在步骤S2733中，控制器4将目标负极压力设定为下限压力。
在步骤S2734中，控制器4判断将目标负极压力设定为下限压力后是否经过了规定时间。如果将目标负极压力设定为下限压力后经过了规定时间，则控制器4进行步骤S735的处理，如果未经过规定时间则返回到步骤S2733。
根据以上说明的本实施方式，在上限侧耐久性优先标志被设定为1时，在负极压力达到控制目标上限压力之后，使目标负极压力在规定时间内保持为控制目标上限压力。由此，能够可靠地使负极气体流路121内的压力上升到控制目标上限压力。
另外，在下限侧耐久性优先标志被设定为1时，在负极压力达到控制目标下限压力之后，使目标负极压力在规定时间内保持为控制目标下限压力。由此，能够可靠地使负极气体流路121内的压力下降到控制目标下限压力。
参照图19来说明上限侧耐久性优先标志和下限侧耐久性优先标志分别被设定为0时的效果。
图19是说明本实施方式的脉动运转控制的动作的时序图。图19是液泛防止上限值被设定为上限压力、发电要求下限值被设定为下限压力时、即上限侧耐久性优先标志和下限侧耐久性优先标志分别被设定为0时的时序图。在图19中，虚线是目标负极压力，实线是负极压力。
如图19所示，在上限侧耐久性优先标志被设定为0时，当在时刻t21负极压力达到上限压力之后，将目标负极压力从控制目标上限压力变更为上限压力，使目标负极压力在规定时间内保持为上限压力。由此，能够可靠地使负极气体流路121内的压力上升到上限压力。
这样，并非使目标负极压力在规定时间内保持为控制目标上限压力，而是在将目标负极压力从控制目标上限压力变更为上限压力的基础上，使目标负极压力在规定时间内保持为上限压力，由此能够抑制在保持过程中负极压力超过上限压力的情况。因而，不会徒劳地供给负极气体来使负极压力上升，能够抑制燃烧消耗率的恶化。
另外，如图19所示，在下限侧耐久性优先标志被设定为0时，当在时刻t22负极压力达到下限压力之后，将目标负极压力从控制目标下限压力变更为下限压力，使目标负极压力在规定时间内保持为下限压力。由此，能够可靠地使负极气体流路121内的压力下降到下限压力。
这样，在下限侧耐久性优先标志被设定为0的情况下，并非如下限侧耐久性优先标志被设定为1时那样使目标负极压力在规定时间内保持为控制目标下限压力，而是在将目标负极压力从控制目标下限压力变更为下限压力的基础上，使目标负极压力在规定时间内保持为下限压力。由此，由此能够抑制在保持过程中负极压力低于下限压力的情况。因此，能够抑制燃料堆的输出电流变得低于目标输出电流的情况，作为结果能够提高燃料电池堆2的输出性能。
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，在上述各实施方式中，在负极气体排出通路35中设置了作为蓄积负极排气的空间的缓冲罐36。然而，也可以不设置这种缓冲罐36，而例如将燃料电池堆22的内部歧管作为代替缓冲罐36的空间。此外，在此所说的内部歧管是指将在各隔板的负极气体流路121中流动结束的负极排气汇集在一起的燃料电池堆2内部的空间，负极排气经由歧管排出到负极气体排出通路35。
本申请基于2012年3月15日向日本专利局申请的特愿2012-59263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 (14)

1.一种燃料电池系统，具备：
控制阀，其控制向燃料电池供给的负极气体的压力；
压力检测部，其检测向上述燃料电池供给的负极气体的压力；
目标压力设定部，其周期性地反复设定目标上限压力和目标下限压力作为负极气体的目标压力；
压力控制部，其基于由上述压力检测单元检测出的负极气体的压力以及上述目标压力对上述控制阀进行反馈控制，来控制负极气体的压力；以及
上限压力设定部，其将基于上述燃料电池的耐久性能而设定的负极气体的上限值与基于上述燃料电池的输出性能而设定的负极气体的上限值中的较小的一方设定为负极气体的上限压力，
其中，在选择了基于上述燃料电池的耐久性能而设定的负极气体的上限值作为负极气体的上限压力时，上述目标压力设定部将小于该上限值的值设定为目标上限压力，在选择了基于上述燃料电池的输出性能而设定的负极气体的上限值作为负极气体的上限压力时，上述目标压力设定部将该上限值或者大于该上限值的压力设定为目标上限压力。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
在选择了基于上述燃料电池的输出性能而设定的负极气体的上限值作为负极气体的上限压力的情况下，上述压力控制部在负极气体的压力达到上限压力时结束负极气体的升压。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，
还具备下限压力设定单元，该下限压力设定单元将基于上述燃料电池的耐久性能而设定的负极气体的压力的下限值与基于上述燃料电池的输出性能而设定的负极气体的压力的下限值中的较大的一方设定为负极气体的下限压力，
在选择了基于上述燃料电池的耐久性能而设定的下限值作为负极气体的下限压力时，上述目标压力设定部将大于该下限值的值设定为目标下限压力，在选择了基于上述燃料电池的输出性能而设定的下限值作为负极气体的下限压力时，上述目标压力设定部将小于该下限值的值设定为目标下限压力。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，
在选择了基于上述燃料电池的输出性能而设定的下限值作为负极气体的下限压力的情况下，上述压力控制部在负极气体的压力达到下限压力时结束负极气体的降压。
5.根据权利要求3或4所述的燃料电池系统，其特征在于，
选择基于上述燃料电池的输出性能而设定的上限值作为负极气体的上限压力时的目标上限压力与该上限值之差小于选择基于上述燃料电池的输出性能而设定的下限值作为负极气体的下限压力时的该下限值与目标下限压力之差。
6.根据权利要求3～5中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
上述压力控制部使负极气体的压力以根据上述燃料电池的运转状态而计算出的升压变化率上升。
7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于，
在选择了基于上述燃料电池的输出性能而设定的上限值作为负极气体的上限压力、并且选择了基于上述燃料电池的输出性能而设定的下限值作为负极气体的下限压力的情况下，上述压力控制部在使负极气体的压力上升时，使负极气体的压力以上述升压变化率从下限压力向目标上限压力上升。
8.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
在选择了基于上述燃料电池的输出性能而设定的上限值作为负极气体的上限压力的情况下，上述压力控制部在负极气体的压力达到上限压力时，使负极气体的目标压力在规定时间内保持为上限压力，之后结束负极气体的升压。
9.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，
在选择了基于上述燃料电池的输出性能而设定的下限值作为负极气体的下限压力的情况下，上述压力控制部在负极气体的压力达到下限压力时，使上述负极气体的目标压力在规定时间内保持为目标下限压力，之后结束负极气体的降压。
10.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
基于上述燃料电池的耐久性能而设定的负极气体的压力的上限值是根据上述燃料电池的规格而决定的能够向上述燃料电池供给的气体压力的最大值。
11.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
基于上述燃料电池的耐久性能而设定的负极气体的压力的上限值是基于向上述燃料电池供给的负极气体的压力与正极气体的压力的压力差的允许最大值而设定的值。
12.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
基于上述燃料电池的输出性能而设定的负极气体的压力的上限值是基于将上述燃料电池内的负极气体流路中存在的水分排出到负极气体流路外所需的压力上升值而设定的值。
13.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，
基于上述燃料电池的耐久性能而设定的负极气体的压力的下限值是基于向上述燃料电池供给的负极气体的压力与正极气体的压力的压力差的允许最大值而设定的值。
14.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，
基于上述燃料电池的输出性能而设定的负极气体的压力的下限值是能够输出根据上述燃料电池的负荷而决定的目标输出的负极气体的压力的最低值。
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