CN105047962B - 燃料电池系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池系统(100)及其控制方法。所述燃料电池系统包括燃料电池(10)、燃料气体供应/排出部(50、60)、氧化剂气体供应/排出部(30、40)、冷却部(70)和控制器(20)。所述控制器执行瞬时上升控制处理和瞬时下降控制处理中的至少之一。在瞬时上升控制处理中，控制器确定冷却剂的温度是否处于瞬时上升状态。在瞬时上升状态下，控制器执行氧化剂气体压力增加处理。在瞬时下降控制处理中，控制器确定冷却剂的温度是否处于瞬时下降状态。在瞬时下降状态下，控制器执行氧化剂气体压力增加处理和输出增加处理中的至少之一。在输出增加处理中，控制器控制燃料电池以生成比对应于请求输出的目标输出高的输出。

Description

燃料电池系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池系统及其控制方法。
背景技术
日本专利申请公布第2012-004138(JP 2012-004138A)号描述了一种如下配置的燃料电池系统：当确定燃料电池处于瞬时操作状态时，燃料电池系统执行用以增大氧化剂气体的压力目标值使其大于通常操作的压力目标值的控制，从而防止空气供应系统中出现异常时燃料电池的输出电压异常下降。公开的日本专利申请公布第2012-109182(JP-A-2012-109182)号描述了一种如下配置的燃料电池系统：在负荷降低的瞬时下降的情况下，当检测到的燃料电池的干/湿状态是过度干状态或过度湿状态时，根据如此检测到的状态来控制阴极气体的流速或压力的降速以缓和状态，从而控制阴极气体带走的水的量，使得充分控制燃料电池的干/湿状态。国际公布第2012/117937号描述了一种如下配置的燃料电池系统：在操作状态改变的瞬时操作时，基于所设置的瞬时时间目标湿状态来控制电解质膜的湿状态以从在瞬时操作开始之前检测到的湿状态逐渐改变为稳定时间目标湿状态，从而防止反应气体的流速等的瞬时的大变化使燃料经济性和声音振动性能恶化。
然而，在JP 2012-004138A中，取决于瞬时操作后的操作状态，电池的湿状态可能进一步恶化。例如，在处于相对于燃料电池的适当湿状态的更湿侧的状态下请求输出下降的情况下，存在这样的可能：电池的湿状态变为过度湿状态。此外，当在干侧状态增加请求输出时，存在这样的可能：电池的湿状态变为过度干状态。因此，存在这样的可能：根据瞬时操作后的工作状态来限制燃料电池的可用输出，并且燃料电池不能输出请求输出。此外，如上所述，在JP-A-2012-109182中，可以根据检测到的状态来控制阴极气体要带走的水的量，使得可以控制燃料电池的干/湿状态。而且，如上所述，在第2012/117937号国际公布中，在操作状态改变的瞬时操作时，基于所设置的瞬时时间目标湿状态来控制电解质膜的湿状态以从瞬时操作开始之前检测到的湿状态逐渐改变为稳定时间目标湿状态。利用这样的配置，与JP-A-2012-109182的情况类似，可以控制燃料电池的干/湿状态。然而，通过JP-A-2012-109182和第2012/117937号国际公布的技术控制燃料电池的干/湿状态是复杂的，因此期望通过简单且容易的技术来实现该控制。
发明内容
本发明提供了一种燃料电池系统及其控制方法。
根据本发明的第一方面的燃料电池系统包括燃料电池、燃料气体供应/排出部、氧化剂气体供应/排出部、冷却部和控制器。燃料电池被配置成通过在燃料气体与氧化剂气体之间的电化学反应来产生电力。燃料气体供应/排出部被配置成向燃料电池供应燃料气体以及从燃料电池排出燃料气体。氧化剂气体供应/排出部被配置成向燃料电池供应氧化剂气体以及从燃料电池排出所述氧化剂气体。冷却部被配置成使冷却剂循环经过燃料电池。控制器被配置成控制冷却部以调节冷却剂的温度。控制器被配置成执行瞬时上升控制处理和瞬时下降控制处理中的至少之一。控制器被配置成在瞬时上升控制处理中确定冷却剂的温度是否处于瞬时上升状态，在所述瞬时上升状态下冷却剂的温度状态改变成偏离稳定控制状态的高温状态，在所述稳定控制状态下，冷却剂的温度被控制为稳定温度。控制器被配置成当控制器确定冷却剂的温度处于瞬时上升状态时执行氧化剂气体压力增加处理。控制器被配置成在氧化剂气体压力增加处理中在第一时段内控制氧化剂气体供应/排出部，使得要供应给燃料电池的氧化剂气体的压力的目标值变得比与稳定控制状态下燃料电池系统的工作状态相对应的工作目标值高，第一时段是冷却剂的温度上升的时段。控制器被配置成在瞬时下降控制处理中确定冷却剂的温度是否处于瞬时下降状态，在所述瞬时下降状态下，冷却剂的温度状态从偏离稳定控制状态的高温状态改变成稳定控制状态。控制器被配置成在控制器确定冷却剂的温度处于瞬时下降状态时在第二时段内执行氧化剂气体压力增加处理和输出增加处理中的至少之一，第二时段是冷却剂的温度状态从高温状态返回稳定温度状态的时段，稳定温度状态是冷却剂处于稳定温度的、冷却剂的温度状态。控制器被配置成在输出增加处理中控制燃料电池以生成比对应于请求输出的目标输出高的输出。
根据本发明的第一方面的燃料电池，通过在冷却剂的温度的瞬时上升状态的第一时段内增加氧化剂气体的压力，可以减少流经燃料电池的氧化剂气体的容积流量，从而减少从燃料电池内带走的水的量。由此，可以减少瞬时上升状态下燃料电池的湿状态不处于适当的状态(即，燃料电池进入干状态)的可能性。此外，通过在冷却剂的温度的瞬时下降状态的第二时段内增加氧化剂气体的压力，可以减少从燃料电池内带走的水的量，从而可以减少瞬时下降状态下燃料电池的湿状态不处于适当的状态(即，燃料电池进入干状态)的可能性。此外，在冷却剂的温度的瞬时下降状态的第二时段内，当燃料电池的输出的目标值被设置为比对应于请求输出的目标值高的值时，可以增加通过发电而产生的水，由此可以减少燃料电池进入干状态的可能性。因此，在根据本发明的第一方面的燃料电池系统中，可以减少在瞬时上升状态或瞬时下降状态下燃料电池的湿状态没有处于适当的状态(即，燃料电池进入干状态)的可能性，以及可以减少在随后的操作中限制燃料电池的可用输出以及燃料电池不能根据输出请求执行输出的可能性。
在本发明的第一方面，控制器可以被配置成执行瞬时上升控制处理和瞬时下降控制处理二者。
根据燃料电池系统，可以减少在瞬时上升状态或瞬时下降状态下燃料电池的湿状态没有处于适当的状态(即，燃料电池进入干状态)的可能性，以及可以减少在随后的操作中限制燃料电池的可用输出以及燃料电池不能根据输出请求执行输出的可能性
在本发明的第一方面，控制器可以被配置成执行瞬时下降控制处理中的氧化剂气体压力增加处理和输出增加处理二者。
根据燃料电池系统，在瞬时下降状态下，氧化剂气体压力增加以减小要带走的水的量，并且通过增加输出目标值来生成水从而进一步增加干燥抑制效果。
在本发明的第一方面，控制器可以被配置成基于第一条件和第二条件中的任一个来确定冷却剂的温度的瞬时上升状态。第一条件是冷却剂的温度上升超过上升阈值温度。第二条件是对燃料电池的输出请求是上升阈值输出或更大。此外，控制器可以被配置成基于第三条件和第四条件中的任一个来确定冷却剂的温度的瞬时下降状态。第三条件是冷却剂的温度下降超过下降阈值温度。第四状况是对燃料电池的输出请求是下降阈值输出或更小。
根据燃料电池系统，可以容易地确定冷却剂的瞬时上升并且可以容易地确定冷却剂的瞬时下降。
在本发明的第一方面，第一时段是从控制器确定冷却剂的温度处于瞬时上升状态的时间点直到冷却剂的温度上升至上升终止阈值温度的时间点的时段。第二时段是从确定冷却剂的温度处于瞬时下降状态的时间点直到冷却剂的温度下降至下降终止阈值温度的时间点的时段。
根据燃料电池系统，可以容易地得到第一时段和第二时段。
本发明的第二方面是燃料电池系统的控制方法。该控制方法是用于控制向燃料电池供应燃料气体、氧化剂气体和冷却剂以产生电力的方法。该控制方法包括：执行瞬时上升控制处理和瞬时下降控制处理中的至少之一。在瞬时上升控制处理中，确定冷却剂的温度是否处于瞬时上升状态，在所述瞬时上升状态下，冷却剂的温度状态改变为偏离稳定控制状态的高温状态，在所述稳定控制状态下，冷却剂的温度被控制成稳定温度。当确定冷却剂的温度处于瞬时上升状态时，在冷却剂的温度上升的第一时段内执行氧化剂气体压力增加处理，氧化剂气体压力增加处理是如下处理：将要供应给燃料电池的氧化剂气体的压力的目标值设置为比与所述稳定控制状态下燃料电池系统的工作状态相对应的工作目标值高的值。在瞬时下降控制处理中，确定冷却剂的温度是否处于瞬时下降状态，在所述瞬时下降状态下，冷却剂的温度状态从偏离稳定控制状态的高温状态改变为稳定控制状态。当确定冷却剂的温度处于瞬时下降状态时，在第二时段内执行氧化剂气体压力增加处理和输出增加处理中的至少之一。第二时段是冷却剂的温度状态从高温状态返回至稳定温度状态的时段。稳定温度状态是冷却剂处于稳定温度的、冷却剂的温度状态。在输出增加处理中，燃料电池的输出的目标值被设置为比对应于请求输出的目标值高的值。
附图说明
下面将参照附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，在附图中相似的附图标记表示相似的元件，在附图中：
图1是示意性示出根据本发明的第一实施例的燃料电池系统的示例性配置的说明图；
图2是示出在本发明的第一实施例中执行的、根据冷却剂的温度状态对阴极气体的压力控制的处理的说明图；
图3是示出如图2所示根据冷却剂的温度状态执行的阴极气体的压力控制的示例的说明图；
图4是示出在本发明的第二实施例中执行的、根据冷却剂的温度状态对燃料电池的输出控制的处理的说明图；
图5是示出如图4所示根据冷却剂的温度状态执行的燃料电池的输出控制的示例的说明图；
图6是示出在本发明的第三实施例中执行的、根据冷却剂的温度状态对阴极气体的压力控制的处理的说明图；以及
图7是示出在本发明的第四实施例中执行的、根据冷却剂的温度状态对阴极气体的压力控制的处理的说明图。
具体实施方式
A.第一实施例
图1是示意性示出根据第一实施例的燃料电池系统的示例性配置的说明视图。作为燃料电池系统100，例举了设置在燃料电池车辆中并被配置成响应于来自驾驶员的请求而输出要用作驱动力的电力的燃料电池系统。
燃料电池系统100包括燃料电池10、控制器20、阴极气体供应系统30、阴极气体排出系统40、阳极气体供应系统50、阳极气体排出系统60、冷却系统70、电池电压测量部80、输出电压测量部90、以及输出电流测量部92。阴极气体供应系统30和阴极气体排出系统40可以被认为是本发明的氧化剂气体供应/排出部。阳极气体供应系统50和阳极气体排出系统60可以被认为是本发明的燃料气体供应/排出部。冷却系统70可以被认为是本发明的冷却部。
燃料电池10通过作为要供应给阳极的阳极气体的燃料气体(氢)与作为要供应给阴极的阴极气体的氧化剂气体(空气，更严格地，空气中包括的氧)之间的电化学反应来生成电力。燃料电池10具有层叠有多个单电池11的堆叠结构。在多个电池11的堆叠的两端上设置接线板12。
虽然本文中并未示出，电池11基本上具有将膜电极组件(MEA)夹在分隔器之间的配置。MEA由用离子交换膜制成的固态聚合物电解质膜(下文中仅称作“电解质膜”)、形成在电解质膜的阳极侧表面上的催化剂电极(称作“阳极侧催化剂电极”或仅称作“阳极”)、以及形成在电解质膜的阴极侧表面上的催化剂电极(称作“阴极侧催化剂电极”或仅称作“阴极”)构成。在MEA与阳极侧和阴极侧的每个分隔器之间设置有气体扩散层(GDL)。此外，在分隔器与气体扩散层之间的表面上形成诸如阳极气体或阴极气体的气体通过的槽形气体通道。然而，气体通道部可以被分别设置在分隔器与气体扩散层之间。注意，可以将形成在电解质膜与阳极侧的分隔器之间的相应要素统称为“阳极”。此外，可以将形成在电解质膜与阴极侧的分隔器之间的相应要素统称为“阴极”。
控制器20可以由包括中央处理单元和主存储装置的微处理器构成。控制器20基于从燃料电池10的每个后述测量部和开关发送的信号所指示的信息来控制后述系统30至70中所包括的各种装置，以使得燃料电池10按照输出请求生成电力。各种装置的示例包括开/关阀、压力调节阀、调节器、压缩机、散热器等。
阴极气体供应系统30包括阴极气体管道31、空气压缩机32、空气流量计33、开/关阀34、以及压力测量部35。阴极气体管道31是连接至燃料电池10的阴极侧入口的管道。
空气压缩机32经由阴极气体管道31连接至燃料电池10，并且被配置成将外部空气捕获至其中并压缩空气，以及将如此压缩的空气供应给燃料电池10作为阴极气体。空气流量计33在空气压缩机32的上游测量被捕获到空气压缩机32中的外部空气的量，并将测量值发送至控制器20。此外，通过使用例如压力传感器来构成压力测量部35。压力测量部35测量要供给至燃料电池10的空气的压力，并将测量值发送至控制器20。控制器20基于测量值来驱动空气压缩机32和后述阴极气体排出系统40的压力调节阀43，以控制至燃料电池10的空气供应量和压力。开/关阀34被设置在空气压缩机32与燃料电池10之间。开/关阀34通常处于闭合状态，并且当将具有预定压力的空气从空气压缩机32供应至阴极气体管道31时，开/关阀34打开。
阴极气体排出系统40包括阴极排出气体管道41、压力调节阀43、以及压力测量部44。阴极排出气体管道41是连接至燃料电池10的阴极侧出口的管道。阴极排出气体(从燃料电池排放的氧化剂气体的排出气体；也称作“氧化剂排出气体”)通过阴极排出气体管道41被排放到燃料电池系统100的外部。
通过控制器20控制压力调节阀43的打开程度，以调节阴极排出气体管道41中的阴极排出气体的压力(燃料电池10的阴极侧背压)。压力测量部44通过使用例如压力传感器来构成，并被设置在压力调节阀(也称作“背压调节阀”)43的上游。压力测量部44测量阴极排出气体的压力(也称作“阴极背压”)，并将测量值发送至控制器20。如上所述，控制器20基于阴极气体供应系统30的压力测量部35和阴极气体排出系统40的压力测量部44的测量值来控制要供应给燃料电池10的空气(阴极气体、氧化剂气体)的压力。
阳极气体供应系统50包括阳极气体管道51、氢气罐52、开/关阀53、调节器54、氢气供应装置55、以及压力测量部56。氢气罐52经由阳极气体管道51连接至燃料电池10的阳极，并将罐中填充的氢气供应给燃料电池10。
从上游(氢气罐52侧)起将开/关阀53、调节器54、氢气供应装置55和压力测量部56按序设置在阳极气体管道51中。响应于来自驱动控制器21的指令而打开及闭合开/关阀53，以控制从氢气罐52至氢气供应装置55的上游的氢气流入。调节器54是用于调节氢气供应装置55的上游的氢气的压力的减压阀，并且通过控制器20控制调节器54的打开程度。
氢气供应装置55可以由作为电磁驱动的开/关阀的注入器构成。通过使用例如压力传感器来构成压力测量部56。压力测量部56测量氢气供应装置55下游的氢气的压力，并将测量值发送至控制器20。控制器20通过基于压力测量部56的测量值控制氢气供应装置55，来控制要供应给燃料电池10的氢气的量。
阳极气体排出系统60包括阳极排出气体管道61、开/关阀66、以及压力测量部67。阳极排出气体管道61是连接至燃料电池10的阳极侧出口的管道。通过阳极排出气体管道61将包括在电力生成反应中未使用的未反应气体(氢气、氮气等)中的阳极排出气体排放至燃料电池系统100的外部。
开/关阀66被设置在阳极排出气体管道61中，并且响应于来自驱动控制器21的指令而打开和闭合。阳极气体排出系统60的压力测量部67被设置在阳极排出气体管道61中。通过使用例如压力传感器来构成压力测量部67。压力测量部67测量燃料电池10的氢气歧管的出口附近的阳极排出气体的压力(燃料电池10的阳极侧背压)，并将测量值发送至控制器20。
冷却系统70包括：散热器71；制冷剂供应管道72，被配置成向燃料电池10供应冷却剂；制冷剂排放管道73，被配置成将从燃料电池10如此排放的冷却剂恢复到散热器71；温度测量部74，被配置成测量制冷剂供应管道72中的冷却剂的温度；以及温度测量部75，被配置成测量制冷剂排放管道73中的冷却剂的温度。散热器71经由制冷剂供应管道72将冷却剂供应给燃料电池10，并经由制冷剂排放管道73接收从燃料电池10排放的冷却剂，从而使冷却剂循环以将燃料电池10冷却下来。作为冷却剂，可以使用水、防冻液等。注意，制冷剂供应管道72中的冷却剂的温度由温度测量部74测量，并且制冷剂排放管道73中的冷却剂的温度由温度测量部75测量。它们的测量值被发送至控制器20。注意，通过使用例如温度传感器来构成温度测量部74、75。控制器20基于如此接收的测量值来控制散热器71的操作，以调节冷却剂的流速。由此，控制器20控制从燃料电池10排放的冷却剂的温度以保持在预先设置的温度(下文中称作“稳定温度”)，使得燃料电池10以不大于稳定温度的温度操作。
电池电压测量部80连接至燃料电池10的每个单元电池11，并且可以测量每个单元电池11的阳极与阴极之间产生的电池电压。电池电压测量部80将测量值发送至控制器20。输出电压测量部90测量连接至燃料电池10的正侧接线板12的正端子(+)与连接至负侧接线板12的负端子(-)之间产生的输出电压，并将测量值发送至控制器20。输出电流测量部92测量流经正端子(+)的输出电流，并将测量值发送至控制器20。
虽然本文中未示出或描述，诸如辅助电路和驱动电路的各负载装置以及二次电池连接至燃料电池10的输出端子。
如上所述，燃料电池系统100基本上操作用于通过由控制器20控制系统30至70中的每一个来生成驱动负载装置所需要的电力，并利用剩余的电力对二次电池充电。注意，可以通过与控制器20分开设置的另一控制器来执行控制器20对系统30至70中的每一个的控制，从而实际上响应于来自控制器20的指令或与控制器20协作地控制系统30至70中的每一个的操作。下文中，将该基本生成操作称作“基本操作”或“通常操作”。本实施例具有根据冷却剂的温度的状态改变阴极气体(氧化剂气体)的压力的工作目标值这样的特征。更具体地，如下面将描述的，在冷却剂温度瞬时上升时段期间，该工作目标值增大。与基本操作中的输出请求相关联地设置工作目标值。
图2是示出在第一实施例中执行的、根据冷却剂的温度状态进行阴极气体的压力控制的处理的说明图。图3是示出如图2所示根据冷却剂的温度状态要执行的阴极气体的压力控制的示例的说明图。注意，与基本操作的控制同时地，通过控制器20(参见图1)执行该控制操作。
首先，在步骤S110中，获取冷却剂的温度Tc。使用由制冷剂排放管道73中的温度测量部75所测量的温度作为冷却剂的温度Tc。由于流过制冷剂排放管道73的冷却剂已经使燃料电池10的各个单元电池11冷却下来，因而所获取的冷却剂的温度Tc可以被看作燃料电池10的各个单元电池11的平均电池温度。
这里，如上所述，对冷却系统70的散热器71的冷却剂的流速等进行控制，使得从燃料电池10排放的冷却剂的温度达到稳定温度Tt[℃](参见图3所示的(A))，从而控制燃料电池10的电池温度处于稳定温度Tt。注意，下文中将冷却剂的温度被控制为稳定温度Tt[℃]的状态称作“稳定控制状态”。当对燃料电池10的输出请求增长并且由于燃料电池10的单元电池11的发热而导致的温度上升不能通过利用冷却剂冷却而被吸收时，冷却剂的温度Tc偏离稳定控制状态并且上升，并且最后在最大操作温度Tmax[℃]处，利用冷却剂以最大流量进行的冷却与燃料电池10的单元电池11的热生成平衡。
在图2的步骤S120中，确定冷却剂的温度是否处于瞬时上升状态。更具体地，当温度上升而超过预先设置的上升阈值温度Tα[℃](参见图3所示的(A))时，确定温度处于瞬时上升状态。上升阈值温度Tα是满足Tα>Tt的温度，并且是被实验确定为下述温度的温度：基于该温度，可确定冷却剂温度的受控状态偏离稳定控制状态而进入瞬时上升状态。
当温度不处于瞬时上升状态时，在步骤S140a中，将阴极背压的控制设置为通常控制状态。更具体地，执行压力调节阀43的控制(参见图3所示的(A))，以达到与在通常操作中设置的阴极气体的压力的工作目标值(下文中也称作“通常阴极压力目标值”)对应的阴极背压(CA背压)的值(下文中也称作“通常阴极背压值”)。
在瞬时上升状态的情况下，在步骤S130中确定所获取的冷却剂的温度Tc是否上升到预先设置的上升终止阈值温度Tβ[℃]。上升终止阈值温度Tβ是满足Tα<Tβ<Tmax的温度，并且是被实验确定为实现后述效果的温度的温度。
在冷却剂的温度Tc没有上升到上升终止阈值温度Tβ的情况下，即，在Tα<Tc<Tβ的情况下，在步骤S140b中将阴极背压的控制设置为增加控制状态。更具体地，执行压力调节阀43的控制(参见图3所示的3(A))，使得阴极气体的压力值达到如下阴极背压值：该阴极背压值比与高于通常阴极压力目标值的值相对应的通常阴极背压值高。相反，在冷却剂的温度Tc增大到上升终止阈值温度Tβ或更大的情况下，即，在Tc≥Tβ的情况下，在步骤S140a中将阴极背压的控制设置为通常控制状态。注意，高于通常阴极压力目标值的阴极气体的压力值以及高于与该压力值对应的通常阴极背压值的阴极背压的值被实验确定为实现后述效果的值。
然后，直到在步骤S150中确定完成了燃料电池系统的操作为止，重复执行从步骤S110至步骤S140a或步骤S110至步骤S140b的处理。
当执行上述处理时，在确定冷却剂的温度Tc超过上升阈值温度Tα而进入瞬时上升状态之后且在温度达到上升终止阈值Tβ之前的时段(第一时段)内，将阴极背压的值设置为高于通常阴极背压值的阴极背压值，并且将阴极气体的压力设置为高于通常阴极压力目标值的值。注意，图3的(A)所示的比较示例指示下述情况：甚至在确定冷却剂的温度Tc处于瞬时上升状态之后且在温度达到上升终止阈值温度Tβ之前的时段内，阴极背压的值也被设置为通常操作中的通常阴极背压值。
在通过将阴极背压设置为高于通常阴极背压值的值来增加阴极气体的压力的情况下，促进了在燃料电池10的每个单元电池11的阴极中产生的水的平面内循环，以使得可以延迟每个单元电池11的干燥。此外，减少通过燃料电池10的每个单元电池11的阴极气体的容积流量，从而抑制每个单元电池11的阴极中存在的水被阴极气体带走，以使得可以抑制每个单元电池11的干燥。结果，与比较示例相比，可以通过容易且简单的技术来改进在瞬时上升状态之后的高温状态(图3的示例中的最大操作温度Tmax的状态)下的电池电压，以呈现高压特性。因此，能够降低依据瞬时操作之后的工作状态而限制燃料电池的可用输出以及燃料电池不能按照输出请求来执行输出的可能性。注意，图3的(B)所示的电池电压由电池电压测量部80测量，或通过使输出电压测量部90的测量值除以单元电池数目来测量。
注意，对上升阈值温度Tα、上升终止阈值温度Tβ、高于通常阴极压力目标值的阴极气体的压力值、高于通常阴极背压值的阴极背压值、上升阈值输出等进行设置，以获得如上所述的效果，即通过促进在燃料电池10的每个单元电池11的阴极中产生的水的平面内循环而延迟每个单元电池11的干燥的效果，以及通过抑制在每个单元电池11的阴极中存在的水被阴极气体带走而抑制每个单元电池11的干燥的效果。
根据以上面描述显然可见，在本实施例中执行的、根据冷却剂的温度状态对阴极气体的压力控制处理可以被认为是本发明中执行氧化剂气体压力增加处理的瞬时上升控制处理。
B.第二实施例
第二实施例具有根据冷却剂的温度状态来改变与基本操作中的输出请求相关联地设置的燃料电池的输出的目标值的特征，更具体地，如下面将描述的，在冷却剂温度的瞬时下降时段中目标值增大。注意，除了控制器的用于执行上述特征的操作之外，根据本实施例的燃料电池系统的配置与第一实施例的燃料电池系统100(参见图1)相同，因此本实施例中的燃料电池系统是与第一实施例相同的燃料电池系统100。
图4是示出在第二实施例中执行的、根据冷却剂的温度状态对燃料电池的输出控制的处理的说明图。图5是示出如图4所示的根据冷却剂的温度状态执行的燃料电池的输出控制的示例的说明图。注意，与基本操作的控制同时地，通过控制器20(参见图1)执行该控制操作。
首先，在步骤S210中，以与图2中的步骤S110相同的方式获取冷却剂的温度Tc。然后，在步骤S220中确定冷却剂的温度是否是瞬时下降状态。
这里，在冷却剂的温度偏离稳定控制状态而进入如第一实施例描述的瞬时上升状态之后，温度在平衡状态下达到最高操作温度Tmax。在平衡状态下执行操作。随后，当加速器打开时，即当输出请求降低至使得燃料电池10的单元电池11的发热可以通过利用冷却剂冷却而吸收的程度时，冷却剂的温度朝向稳定温度Tt进入瞬时下降状态。鉴于此，使用来自燃料电池10的输出电流的电流密度作为例如对应于输出请求的参数，并且当电流密度下降超过作为预先设置的下降阈值输出的电流密度Id[A/cm2](即，电流密度下降至小于下降阈值输出)时，确定温度处于瞬时下降状态。作为下降阈值输出的电流密度Id也被实验地确定为可基于其确定瞬时下降的电流密度。在本实施例中，相对于最大输出电流的电流密度Imax将电流密度Id设置为(0.3·Imax)。
当温度不处于瞬时下降状态时，在步骤S240a中根据输出请求将燃料电池的输出的控制设置为通常控制状态。更具体地，以对应于这样的IV特性的控制设置执行操作控制，在该控制设置中获得与通常操作中的输出请求相关联地设置的输出目标值。在下文中，输出目标值也被称作“通常输出目标值”。输出目标值可以是与输出请求对应的电流密度的目标值(参见图5所示的(A))。下文中，将电流密度的目标值称作“通常电流密度目标值”。
在瞬时下降状态的情况下，在步骤S230中确定所获取的冷却剂的温度Tc是否下降到预先设置的下降终止阈值温度Tγ[℃]。下降终止阈值温度Tγ是满足Tt<Tγ<Tmax的温度，并且是被实验确定为得到后述效果的温度的温度。
在冷却剂的温度Tc没有下降到下降终止阈值温度Tγ[℃]的情况下，即，在Tγ<Tc<Tmax的情况下，在步骤S240b中将燃料电池的输出控制设置为增加控制状态。更具体地，以与IV特性对应的控制设置执行操作控制，在控制设置中将输出目标值设置为高于通常输出目标值的值。在以上IV特性中，可以将高于通常电流密度目标值的电流密度值设置为输出目标值(参见图5所示的(A))。相反，在冷却剂的温度Tc下降至下降终止阈值温度Tγ[℃]或更小的情况下，即，在Tc≤Tγ的情况下，在步骤S240a中根据输出请求将燃料电池的输出控制设置为通常控制状态。注意，输出目标值被设置的、高于通常输出目标值的值(例如高于通常电流密度目标值的电流密度值)是如下值：该值被实验确定为实现后述效果的值。
然后，直到在步骤S250中确定完成了燃料电池系统的操作为止，重复执行从步骤S210至步骤S240a或步骤S210至步骤S240b的处理。
在执行上述处理时，在确定冷却剂的温度Tc处于瞬时下降状态之后且在温度达到下降终止阈值温度Tγ之前的时段(第二时段)内，将输出目标值设置为高于通常输出目标值的值。注意，图5的(A)中示出的比较示例指示下述情况：在确定冷却剂的温度Tc处于瞬时下降状态之后且在温度达到下降终止阈值温度Tγ之前的时段内，将输出目标值设置为通常输出目标值。
在将输出目标值设置为高于通常输出目标值的值以增加燃料电池的输出的情况下，可以增加由于电化学反应而导致的燃料电池10的每个单元电池11的阴极中所产生的水的量，使得可以抑制每个单元电池11的干燥。结果，与比较示例相比，甚至在瞬时下降之后燃料电池转换至高温操作状态的情况下，可以通过容易且简单的技术来改进每个单元电池11中的电池电压，以呈现高电压特性。因此，能够减少根据瞬时操作之后的操作状态而限制燃料电池的可用输出以及燃料电池不能按照输出请求执行输出的可能性。注意，图5例举了燃料电池转换至具有最大电流密度Imax的最大输出操作状态的情况。
注意，作为下降阈值输出的电流密度Id、下降终止阈值温度Tγ、下降阈值温度等是被设置用于实现下述效果的值：通过增加在燃料电池10的每个单元电池11的阴极中产生的水，来抑制每个单元电池11的干燥。
根据以上描述显然可见，在本实施例中执行的、根据冷却剂的温度状态的燃料电池的输出控制处理可以被认为是执行本发明的输出增加处理的瞬时下降控制处理。
C.第三实施例
图6是示出在第三实施例中执行的、根据冷却剂的温度状态对阴极气体的压力控制处理的说明图。从图6与第一实施例的图2和第二实施例的图4之间分别的比较显然可见，利用阴极背压通常控制步骤S240aB(其与图2中的步骤S140a相同)和阴极背压增加控制步骤S240bB(其与图2中的步骤S140b相同)来替代图4中的步骤S240a的输出通常控制和步骤S240b的输出增加控制。注意，除了控制器的控制操作之外，根据本实施例的燃料电池系统的配置与第一实施例的燃料电池系统100(参见图1)相同。
如上所述，在第二实施例中，在冷却剂温度的瞬时下降时段内执行用于增加燃料电池的输出的控制。然而，本实施例具有下述特征：与第一实施例的瞬时上升时段的情况类似，在冷却剂温度的瞬时下降时段内增长阴极气体的压力的工作目标值。如第一实施例中所述，在通过将阴极背压设置为高于通常阴极背压值的值来增加阴极气体的压力的情况下，减小了通过燃料电池10的每个单元电池11的阴极气体的容积流量。因而，能够抑制从燃料电池10的每个单元电池11的阴极带走水，使得可以抑制每个单元电池11的干燥。结果，与第二实施例类似，甚至在瞬时下降之后燃料电池被转换至高温操作状态的情况下，也可以通过容易且简单的技术来改进每个单元电池11中的电池电压。因此，能够减少依据瞬时操作之后的操作状态而限制燃料电池的可用输出以及燃料电池不能按照输出请求执行输出的可能性。
注意，在根据第二实施例的处理中，必需通过例如二次电池吸收剩余电力，其中，剩余电力是通过根据输出请求将输出目标值设置为高于通常输出目标值而产生的。因此，不能根据二次电池的剩余容量来执行根据第二实施例的处理。相反，在本实施例中，没有产生剩余电力，因此不需要考虑二次电池的剩余容量。
根据上述描述显然可知，在本实施例中执行的、根据冷却剂的温度状态对阴极气体的压力控制处理可以被认为是在本发明中执行氧化剂气体压力增加处理的瞬时下降控制处理。
D.第四实施例
图7是示出在第四实施中执行的、根据冷却剂的温度状态对阴极气体的压力控制的处理的说明图。本实施例的控制处理是第一实施例的瞬时上升中的阴极背压的增加控制与第三实施例的瞬时下降中的阴极背压的增加控制的组合。更具体地，从图7与第一实施例的图2和第三实施例的图6之间的比较明显可见，在图2的步骤S120与步骤S140a之间添加瞬时下降确定步骤S124(其与图6中的步骤S220相同)以及用于确定温度是否下降到下降终止阈值Tγ的步骤S128(其与图6中的步骤S230相同)。注意，除了控制器的控制操作之外，根据本实施例的燃料电池系统的配置与第一实施例的燃料电池系统100(参见图1)相同。
在步骤S124中确定冷却剂的温度Tc处于瞬时下降状态并且在步骤S128中确定冷却剂的温度Tc没有下降到下降终止阈值温度Tγ的情况下，在步骤S140b中将阴极背压设置为增加控制状态。
在本实施例中，与第一实施例类似，在冷却剂温度的瞬时上升时段(第一时段)内增大阴极气体的压力的工作目标值，并且与第三实施例类似，在冷却剂温度的瞬时下降时段(第二时段)内增大阴极气体的压力的工作目标值。因此，在瞬时增长时段和瞬时下降时段内，能够抑制从燃料电池10的每个单元电池11的阴极带走水，使得可以抑制燃料电池10的每个单元电池11的干燥。结果，与第一实施例和第三实施例类似，甚至在燃料电池在瞬时上升状态之后转换至高温操作状态以及在瞬时下降状态之后转换至高温操作状态的情况下，也可以通过容易且简单的技术来改进燃料电池10的每个单元电池11的电池电压。因此，能够减小依据瞬时操作之后的操作状态而限制燃料电池的可用输出以及燃料电池不能根据输出请求执行输出的可能性。
E.变型
在第一实施例中，基于温度是否上升超过上升阈值温度Tα[℃]来确定冷却剂的温度是否处于瞬时上升状态，但是也可以以下述方式执行该确定。
由于燃料电池10的每个单元电池11的发热根据加速器开度(acceleratoropening)的增加(即输出请求的增加)而增加，因而当对燃料电池10的输出请求增加超过增加阈值输出时(当输出请求增加至大于增加阈值输出时)，可以确定温度处于瞬时上升状态。例如，通过使用来自燃料电池10的输出电流的电流密度作为与输出请求对应的参数，也可以基于电流密度是否变得大于与预先设置的增长阈值输出(例如，最大输出的80％)对应的电流密度，来确定温度是否处于瞬时上升状态。以电流密度作为增加阈值输出的话，实验地确定可基于其确定瞬时增加的电流密度。
在第二实施例和第三实施例中，基于电流密度是否下降超过作为下降阈值输出的电流密度Id，执行关于冷却剂的温度是否处于瞬时下降状态的确定。然而，可以将冷却剂的、可基于其确定温度处于瞬时下降状态的温度设置为下降阈值温度，并且当冷却剂的温度下降超过下降阈值温度(低于下降阈值温度)时，可以确定温度处于瞬时下降状态。还可以实验地将冷却剂的、可基于其确定温度处于瞬时下降状态的温度确定为下降阈值温度。
第四实施例是第一实施例与第三实施例的组合。然而，第一实施例可以与第二实施例组合，使得与第一实施例类似地可以在冷却剂温度的瞬时上升时段(第一时段)内增加阴极气体的压力，与第二实施例类似地可以在冷却剂温度的瞬时下降时段(第二时段)内增加燃料电池的输出。此外，在瞬时下降时段内，可以执行第二实施例的燃料电池的输出增加以及第三实施例的阴极气体压力的增加二者。
在上述实施例中，基于燃料电池的操作点处冷却剂温度的变化来确定瞬时状态。然而，也可以基于燃料电池的操作点处阴极气体(氧化剂气体)的流速的变化或阳极气体(燃料气体)的流速的变化来确定瞬时状态。
在上述实施例中，燃料电池系统设置在车辆中。然而，燃料电池系统也可以不设置在车辆中，而是可以设置在除了车辆之外的可移动体(例如，火车或船舶)中。此外，上述实施例的燃料电池系统可以被固定地设置在除了可移动体之外的设施或建筑物内。
本发明不限于上述实施例、示例和变型，并且可以在不偏离本发明的精神的范围内以各种配置来实现。可以适当地删除本说明书中未被描述为必要的技术特征。

Claims (5)

1.一种燃料电池系统(100)，其特征在于包括：
燃料电池(10)，被配置成通过燃料气体与氧化剂气体之间的电化学反应来产生电力；
燃料气体供应/排出部(50、60)，被配置成向所述燃料电池供应所述燃料气体以及从所述燃料电池排出所述燃料气体；
氧化剂气体供应/排出部(30、40)，被配置成向所述燃料电池供应所述氧化剂气体以及从所述燃料电池排出所述氧化剂气体；
冷却部(70)，被配置成使冷却剂循环经过所述燃料电池；以及
控制器(20)，被配置成控制所述冷却部以调节所述冷却剂的温度，其中：
所述控制器被配置成执行瞬时上升控制处理和瞬时下降控制处理两者；
所述控制器被配置成在所述瞬时上升控制处理中确定所述冷却剂的温度是否处于瞬时上升状态，其中，在所述瞬时上升状态下，所述冷却剂的温度状态改变成偏离稳定控制状态的高温状态，在所述稳定控制状态下，所述冷却剂的温度被控制为稳定温度；
所述控制器被配置成在所述控制器确定所述冷却剂的温度处于所述瞬时上升状态时执行氧化剂气体压力增加处理；
所述控制器被配置成在所述氧化剂气体压力增加处理中在第一时段内控制所述氧化剂气体供应/排出部，使得要供应给所述燃料电池的所述氧化剂气体的压力的目标值变得比与所述稳定控制状态下所述燃料电池系统的工作状态相对应的工作目标值高，所述第一时段是所述冷却剂的温度上升的时段；
所述控制器被配置成在所述瞬时下降控制处理中确定所述冷却剂的温度是否处于瞬时下降状态，其中，在所述瞬时下降状态下，所述冷却剂的温度状态从偏离所述稳定控制状态的所述高温状态改变成所述稳定控制状态；
所述控制器被配置成在所述控制器确定所述冷却剂的温度处于所述瞬时下降状态时在第二时段内执行所述氧化剂气体压力增加处理和输出增加处理中的至少之一，所述第二时段是所述冷却剂的温度状态从所述高温状态返回至稳定温度状态的时段，所述稳定温度状态是所述冷却剂处于所述稳定温度的、所述冷却剂的温度状态；以及
所述控制器被配置成在所述输出增加处理中控制所述燃料电池以产生比对应于请求输出的目标输出高的输出。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中
所述控制器被配置成在所述瞬时下降控制处理中执行所述氧化剂气体压力增加处理和所述输出增加处理二者。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中
所述控制器被配置成基于第一条件和第二条件中的任一个来确定所述冷却剂的温度的所述瞬时上升状态；
所述第一条件是指所述冷却剂的温度上升超过上升阈值温度；
所述第二条件是指对所述燃料电池的输出请求为上升阈值输出或更大；
所述控制器被配置成基于第三条件和第四条件中的任一个来确定所述冷却剂的温度的瞬时下降状态；
所述第三条件是指所述冷却剂的温度下降超过下降阈值温度；以及
所述第四条件是指对所述燃料电池的输出请求为下降阈值输出或更小。
4.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中：
所述第一时段是从所述控制器确定所述冷却剂的温度处于所述瞬时上升状态时的时间点直到所述冷却剂的温度上升至上升终止阈值温度时的时间点的时段；以及
所述第二时段是从确定所述冷却剂的温度处于所述瞬时下降状态时的时间点直到所述冷却剂的温度下降至下降终止阈值温度时的时间点的时段。
5.一种燃料电池系统(100)的控制方法，所述控制方法用于控制向燃料电池(10)供应燃料气体、氧化剂气体和冷却剂以产生电力，所述控制方法的特征在于包括：
执行瞬时上升控制处理和瞬时下降控制处理两者，其中：
在所述瞬时上升控制处理中，确定所述冷却剂的温度是否处于瞬时上升状态，其中，在所述瞬时上升状态下，所述冷却剂的温度状态改变成偏离稳定控制状态的高温状态，在所述稳定控制状态下，所述冷却剂的温度被控制成稳定温度；
当确定所述冷却剂的温度处于所述瞬时上升状态时，在所述冷却剂的温度上升的第一时段内执行氧化剂气体压力增加处理，所述氧化剂气体压力增加处理是如下处理：将要供应给所述燃料电池的所述氧化剂气体的压力的目标值设置为比与所述稳定控制状态下所述燃料电池系统的工作状态相对应的工作目标值高的值；
在所述瞬时下降控制处理中，确定所述冷却剂的温度是否处于瞬时下降状态，其中，在所述瞬时下降状态下，所述冷却剂的温度状态从偏离所述稳定控制状态的所述高温状态改变成所述稳定控制状态；
当确定所述冷却剂的温度处于所述瞬时下降状态时，在第二时段内执行所述氧化剂气体压力增加处理和输出增加处理中的至少之一，所述第二时段是所述冷却剂的温度状态从所述高温状态返回至稳定温度状态的时段，所述稳定温度状态是所述冷却剂处于所述稳定温度的、所述冷却剂的温度状态；以及
在所述输出增加处理中，将所述燃料电池的输出的目标值设置为比对应于请求输出的目标值高的值。
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