CN105531858A - 燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法 - Google Patents

燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法 Download PDF

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Abstract

燃料电池系统具备：脉动运转部，其使负极气体的压力脉动；目标流量设定部，其基于燃料电池的要求来设定正极气体的目标流量；第一目标压力设定部，其基于燃料电池的要求来设定正极气体的第一目标压力；第二目标压力设定部，其设定用于将燃料电池内的负极与正极间的压力差维持在规定的容许压力差范围内的正极气体的第二目标压力；目标压力设定部，其将第一目标压力和第二目标压力中的较大一方设定为目标压力；以及控制部，其基于目标流量和目标压力来控制压缩机和压力调节阀。在目标压力伴随负极气体的压力脉动而脉动时，控制部基于用于限制该目标压力的脉动的限制压力以及目标流量来控制压缩机。

Description

燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法。
背景技术
在日本JP2012-106411A中，作为以往的燃料电池系统，公开了如下的燃料电池系统：对压缩机和压力调节阀进行控制，来将正极气体的流量和压力控制为目标值。
发明内容
在当前正在开发的燃料电池系统中，基于燃料电池的状态来设定正极气体的目标流量和目标压力，对压缩机的供给流量和压力调节阀的开度进行控制，以使得成为该目标流量和目标压力。例如，关于压缩机，基于目标流量和目标压力来控制压缩机的转速，以控制压缩机的供给流量。
另外，在当前正在开发的燃料电池系统中，正在研究实施使负极气体的压力脉动的脉动运转。在实施脉动运转的情况下，燃料电池内的负极电极侧与正极电极侧的电解质膜间的压力差(以下称为“膜间压力差”。)由于负极气体的压力发生脉动而变动。当该膜间压力差变得过大时，预想外的应力施加于电解质膜，从而成为使燃料电池劣化的重要原因。
因而，期望的是，在基于燃料电池的状态而设定的正极气体的目标压力低于从负极气体的压力减去容许膜间压力差后得到的用于膜保护的下限压力的情况下，将该用于膜保护的下限压力设定为目标压力。
然而，该用于膜保护的下限压力是基于负极气体的压力而计算得到的，因此与负极气体的压力脉动连动地脉动(增减)。
因此，当将用于膜保护的下限压力设定为正极气体的目标压力并基于该目标压力和目标流量来控制压缩机时，压缩机的转速会伴随目标压力的脉动而周期性地增减，从而存在从压缩机产生蜂鸣声(日语：うねり音)等异响的担忧。
本发明是着眼于这种问题而完成的，其目的在于在基于正极气体的目标流量和目标压力来控制压缩机的燃料电池系统中抑制从压缩机产生异响。
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：压缩机，其对向燃料电池供给的正极气体的流量进行调节；压力调节阀，其对向燃料电池供给的正极气体的压力进行调节；脉动运转部，其使负极气体的压力脉动；目标流量设定部，其基于燃料电池的要求来设定正极气体的目标流量；第一目标压力设定部，其基于燃料电池的要求来设定正极气体的第一目标压力；第二目标压力设定部，其设定用于将燃料电池内的负极与正极间的压力差维持在规定的容许压力差范围内的正极气体的第二目标压力；目标压力设定部，其将第一目标压力和第二目标压力中的较大一方设定为目标压力；以及控制部，其基于目标流量和目标压力来控制压缩机和压力调节阀。而且，在目标压力伴随负极气体的压力脉动而脉动时，控制部基于用于限制该目标压力的脉动的限制压力以及目标流量来控制压缩机。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式的燃料电池系统的概要图。
图2是说明本发明的第一实施方式的负极气体供给控制的流程图。
图3是基于目标输出电流来计算脉动时上限目标压力和脉动时下限目标压力的表。
图4是说明本发明的第一实施方式的正极气体供给控制的框图。
图5是说明本发明的第一实施方式的负极气体供给控制和正极气体供给控制的动作的时序图。
图6是说明本发明的第二实施方式的正极气体供给控制的框图。
图7是说明本发明的第二实施方式的负极气体供给控制和正极气体供给控制的动作的时序图。
图8是说明本发明的其它实施方式的正极气体供给控制的框图。
具体实施方式
下面，参照附图来说明本发明的实施方式。
(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)、(2)的电极反应，燃料电池产生1伏特左右的电动势。
在将燃料电池用作汽车用动力源的情况下，由于要求的电力大，因此作为将数百块的燃料电池层叠所得的燃料电池堆来进行使用。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1是本发明的第一实施方式的燃料电池系统100的概要图。
燃料电池系统100具备燃料电池堆1、正极气体供排装置2、负极气体供排装置3以及控制器4。
燃料电池堆1是层叠数百块燃料电池而得的，接受负极气体和正极气体的供给，来发出驱动车辆所需的电力。
正极气体供排装置2向燃料电池堆1供给正极气体(空气)，并且将从燃料电池堆1排出的正极排气排出到外部大气。正极气体供排装置2具备正极气体供给通路21、正极气体排出通路22、过滤器23、正极压缩机24、中冷器(Intercooler)25、水分回收装置(WaterRecoveryDevice；以下称为“WRD”。)26、正极压力调节阀27、旁路通路28、旁路阀29、第一气流传感器41、第二气流传感器42、正极压力传感器43以及温度传感器44。
正极气体供给通路21是流通向燃料电池堆1供给的正极气体的通路。正极气体供给通路21一端连接于过滤器23，另一端连接于燃料电池堆1的正极气体入口孔。
正极气体排出通路22是流通从燃料电池堆1排出的正极排气的通路。正极气体排出通路22一端连接于燃料电池堆1的正极气体出口孔，另一端为开口端。正极排气是电极反应中未被使用的氧、正极气体中所含的氮、还有通过电极反应而产生的水蒸气等的混合气体。
过滤器23将取入到正极气体供给通路21的正极气体中的异物去除。
正极压缩机24设置于正极气体供给通路21。正极压缩机24经由过滤器23将作为正极气体的空气取入到正极气体供给通路21，供给到燃料电池堆1。
中冷器25设置于比正极压缩机24更靠下游的正极气体供给通路21。中冷器25对从正极压缩机24喷出的正极气体进行冷却。
WRD26分别与正极气体供给通路21和正极气体排出通路22连接，回收在正极气体排出通路22中流动的正极排气中的水分，以所回收的该水分来加湿在正极气体供给通路21中流动的正极气体。
正极压力调节阀27设置于比WRD26更靠下游的正极气体排出通路22。正极压力调节阀27由控制器4来控制开闭，将供给到燃料电池堆1的正极气体的压力调节为期望的压力。
旁路通路28是为了能够根据需要将从正极压缩机24喷出的正极气体的一部分不经由燃料电池堆1地直接排出到正极气体排出通路22而设置的通路。旁路通路28一端连接于正极压缩机24与中冷器25之间的正极气体供给通路21，另一端连接于比正极压力调节阀27更靠下游的正极气体排出通路22。
旁路阀29设置于旁路通路28。旁路阀29由控制器4来控制开闭，调节在旁路通路28中流动的正极气体的流量(以下称为“旁路流量”。)。
第一气流传感器41设置于比正极压缩机24更靠上游的正极气体供给通路21。第一气流传感器41对供给到正极压缩机24的正极气体的流量(以下称为“压缩机供给流量”。)进行检测。
第二气流传感器42设置于比与旁路通路28连接的连接部更靠下游的正极气体供给通路。第二气流传感器42对从正极压缩机24喷出的正极气体中的供给到燃料电池堆1的正极气体的流量(以下称为“堆供给流量”。)进行检测。堆供给流量是从压缩机供给流量减去旁路流量后得到的流量。
正极压力传感器43设置于WRD26的正极气体入口侧附近的正极气体供给通路21。正极压力传感器43对WRD26的正极气体入口侧附近的正极气体的压力(以下称为“正极压力”。)进行检测。
温度传感器44设置于中冷器25与WRD26之间的正极气体供给通路21。温度传感器44对WRD26的正极气体入口侧的温度(以下称为“WRD入口温度”。)进行检测。
负极气体供排装置3向燃料电池堆1供给负极气体，并且将从燃料电池堆1排出的负极排气排出到正极气体排出通路22。负极气体供排装置3具备高压罐31、负极气体供给通路32、负极压力调节阀33、负极气体排出通路34、放气阀35以及负极压力传感器45。
高压罐31将要向燃料电池堆1供给的负极气体(氢)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1的通路。负极气体供给通路32一端连接于高压罐31，另一端连接于燃料电池堆1的负极气体入口孔。
负极压力调节阀33设置于负极气体供给通路32。负极压力调节阀34由控制器4来控制开闭，将供给到燃料电池堆1的负极气体的压力调节为期望的压力。
负极气体排出通路34是流通从燃料电池堆1排出的负极排气的通路。负极气体排出通路34一端连接于燃料电池堆1的负极气体出口孔，另一端连接于正极气体排出通路22。
经由负极气体排出通路34排出到正极气体排出通路22的负极排气在正极气体排出通路22内与正极排气相混合后排出到燃料电池系统100的外部。负极排气中含有电极反应中未使用的剩余的负极气体，因此通过与正极排气相混合后排出到燃料电池系统100的外部，使得该排出气体中的氢浓度为预先决定的规定浓度以下。
放气阀35设置于负极气体排出通路34。放气阀35由控制器4来控制开闭，对从负极气体排出通路34排出到正极气体排出通路22的负极排气的流量进行调节。
负极压力传感器45设置于比负极压力调节阀33更靠下游的负极气体供给通路32，对供给到燃料电池堆1的负极气体的压力(以下称为“负极压力”。)进行检测。
控制器4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。
除了来自前述的第一气流传感器41等的信号以外，来自检测从燃料电池堆1取出的电流(输出电流)的电流传感器46、检测燃料电池堆1的输出电压的电压传感器47、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48、检测电池充电量的SOC传感器49等各种传感器的信号也被输入到控制器4。控制器4基于来自该各种传感器的信号来检测燃料电池系统100的运转状态。
而且，控制器4控制对燃料电池堆1的负极气体的供给以使负极压力发生脉动，并且基于燃料电池系统100的运转状态来控制对燃料电池堆1的正极气体的供给。下面，说明由控制器4实施的该负极气体供给控制和正极气体供给控制。
图2是说明由控制器4(脉动运转部)实施的本实施方式的负极气体供给控制的流程图。
在步骤S1中，控制器4基于燃料电池系统100的运转状态来计算燃料电池堆1的目标输出电流。具体地说，基于产生车辆的驱动力的驱动电动机(未图示)以及正极压缩机24等辅机的要求电力、电池的充放电要求来计算燃料电池堆1的目标输出电力，基于目标输出电力，根据燃料电池堆1的IV特性来计算目标输出电流。
在步骤S2中，控制器4参照图3的表，基于目标输出电流来计算脉动时上限目标压力和脉动时下限目标压力。如图3的表所示，脉动时上限目标压力和脉动时下限目标压力均为在目标输出电流高时比目标输出电流低时大。另外，脉动幅度也同样地在目标输出电流高时比目标输出电流低时大。这样，控制器4基于燃料电池堆1的负荷(目标输出电流)来使负极气体的脉动时上限目标压力(脉动上限压力)和脉动时下限目标压力(脉动下限压力)变动。
在步骤S3中，控制器4判定负极压力是否高于脉动时上限目标压力。如果负极压力为脉动时上限目标压力以上，则控制器4进行步骤S4的处理以使负极压力下降。另一方面，如果负极压力小于脉动时上限目标压力，则进行步骤S5的处理。
在步骤S4中，控制器4将目标负极压力设定为脉动时下限目标压力。由此，以使负极压力变为脉动时下限目标压力的方式对负极压力调节阀33的开度进行反馈控制。该反馈控制的结果通常是负极压力调节阀33的开度变为完全闭合，停止从高压罐31向燃料电池堆1供给负极气体。其结果，通过发电对燃料电池堆1内的负极气体的消耗，负极压力逐渐降低。
在步骤S5中，控制器4判定负极压力是否为脉动时下限目标压力以下。如果负极压力为脉动时下限目标压力以下，则控制器4进行步骤S6的处理以使负极压力上升。另一方面，如果负极压力高于脉动时下限目标压力，则进行步骤S7的处理。
在步骤S6中，控制器4将目标负极压力设定为脉动时上限目标压力。由此，以使负极压力变为脉动时上限目标压力的方式对负极压力调节阀33的开度进行反馈控制。该反馈控制的结果是负极压力调节阀33被打开到期望的开度，从高压罐31向燃料电池堆1供给负极气体，负极压力上升。
在步骤S7中，控制器4将目标负极压力设定为与上一次相同的目标负极压力。
在此，在实施这种脉动运转的情况下，各燃料电池的负极电极侧与正极电极侧的电解质膜间的膜间压力差由于负极气体发生脉动而变动。当该膜间压力差变得过大时，存在预想外的应力施加于电解质膜而使电解质膜的机械强度降低的担忧，从而成为使燃料电池劣化的重要原因。
作为抑制这种燃料电池的劣化的方法，想到了：在基于燃料电池系统100的运转状态而设定的目标正极压力低于从负极压力减去规定的容许膜间压力差后得到的用于膜保护的下限压力的情况下，将该下限压力设定为目标正极压力。
然而，在该方法中，用于膜保护的下限压力是基于脉动的负极压力而计算得到的，因此下限压力也发生脉动。
这样一来，在下限压力被设定为目标正极压力时，目标正极压力会发生脉动。其结果，根据目标正极压力而控制的正极压缩机24的转速伴随目标正极压力的脉动而周期性地增减，从而存在从正极压缩机24产生蜂鸣声等异响的担忧。
因此，在本实施方式中，在像这样目标正极压力伴随负极压力的脉动而脉动时，将用于限制目标正极压力的脉动的压力设定为限制目标正极压力，根据该限制目标正极压力来控制正极压缩机24。具体地说，将从脉动时上限目标压力减去容许膜间压力差后得到的膜间压力差限制要求目标压力设定为限制目标正极压力。
如果目标输出电流未发生变动，则脉动时上限目标压力被固定为与目标输出电流相应的规定值，因此从脉动时上限目标压力减去容许膜间压力差后得到的膜间压力差限制要求目标压力也会被固定为某个规定值。因此，在目标正极压力伴随负极压力的脉动而脉动时，根据被保持为该规定值的膜间压力差限制要求目标压力来控制正极压缩机24，由此能够抑制正极压缩机24的转速的脉动。下面，说明本实施方式的正极气体供给控制。
图4是说明由控制器4实施的本实施方式的正极气体的供给控制的框图。
目标输出电流被输入到氧分压确保要求堆供给流量计算部101。氧分压确保要求堆供给流量计算部101基于目标输出电流来计算氧分压确保要求堆供给流量。该氧分压确保要求堆供给流量是在从燃料电池堆1取出目标输出电流时为了在各燃料电池的正极电极内确保电极反应所需的氧分压而需要的堆供给流量的目标值。氧分压确保要求堆供给流量在目标输出电流大时比目标输出电流小时多。
例如通过交流阻抗法而计算出的燃料电池堆1的阻抗以及根据燃料电池堆1的目标输出电流而预先决定的目标阻抗被输入到湿润度控制要求堆供给流量计算部102。湿润度控制要求堆供给流量计算部102基于阻抗与目标阻抗的偏差计算用于使阻抗为目标阻抗的堆供给流量的目标值，来作为湿润度控制要求堆供给流量。该湿润度控制要求堆供给流量换言之即为将电解质膜的湿润度(含水率)控制为与燃料电池堆1的目标输出电流相应的最佳湿润度所需的堆供给流量。
氧分压确保要求堆供给流量和湿润度控制要求堆供给流量被输入到目标堆供给流量计算部103。目标堆供给流量计算部103计算出这两个中的较大一方来作为目标堆供给流量。
这样，控制器4(目标流量设定部)基于氧分压确保要求和湿润度控制要求这样的燃料电池堆1的要求，以至少满足这两个要求的方式设定向燃料电池堆供给的正极气体的目标流量(目标堆供给流量)。
堆供给流量和目标堆供给流量被输入到目标旁路阀开度计算部104。目标旁路阀开度计算部104基于堆供给流量与目标堆供给流量的偏差计算用于使堆供给流量为目标堆供给流量的旁路阀29的开度，来作为目标旁路阀开度。
目标旁路开度被输入到旁路阀控制部105。旁路阀控制部105将旁路阀29的开度控制为目标旁路阀开度。
目标输出电流被输入到氧分压确保要求目标压力计算部106。氧分压确保要求目标压力计算部106基于目标输出电流来计算氧分压确保要求目标压力。该氧分压确保要求目标压力是在从燃料电池堆1取出目标输出电流时为了在各燃料电池的正极电极内确保电极反应所需的氧分压而需要的正极压力的目标值。氧分压确保要求目标压力在目标输出电流大时比目标输出电流小时高。
这样，控制器4(氧分压确保要求压力计算部)基于燃料电池堆1的负荷(目标输出电流)，来计算将各燃料电池内的氧分压保持在规定以上所需的氧分压确保要求压力(氧分压确保要求目标压力)。
燃料电池堆1的阻抗以及根据燃料电池堆1的目标输出电流而预先决定的目标阻抗被输入到湿润度控制要求目标压力计算部107。湿润度控制要求目标压力计算部107基于阻抗与目标阻抗的偏差计算用于使阻抗为目标阻抗的正极压力的目标值，来作为湿润度控制要求目标压力。该湿润度控制要求目标压力是将电解质膜的湿润度(含水率)控制为与燃料电池堆1的目标输出电流相应的最佳湿润度所需的正极压力。
这样，控制器4(目标湿润度计算部)基于燃料电池堆1的负荷(目标输出电流)来计算电解质膜的目标湿润度(目标阻抗)。而且，控制器4(湿润度控制要求压力计算部)计算将电解质膜的湿润度(阻抗)控制为目标湿润度(目标阻抗)所需的湿润度控制要求压力(湿润度控制要求目标压力)。
负极压力和容许膜间压力差被输入到下限压力计算部108。下限压力计算部108计算从负极压力减去容许膜间压力差后得到的值，来作为正极气体的下限压力。下限压力是为了保护电解质膜而有必要加以保护的正极压力的下限值，在负极压力发生脉动的情况下，配合负极压力的脉动而脉动。此外，容许膜间压力差是只要以作为膜间压力差所能够容许的最大值(以下称为“容许最大膜间压力差”。)为上限来适当设定即可的规定值。
脉动时上限目标压力(脉动上限压力)和容许膜间压力差被输入到膜间压力差限制要求目标压力计算部109。膜间压力差限制要求目标压力计算部109计算从脉动时上限目标压力减去容许膜间压力差后得到的值，来作为膜间压力差限制要求目标压力(限制压力)。
氧分压确保要求目标压力、湿润度控制要求目标压力以及下限压力被输入到目标正极压力计算部110。目标正极压力计算部110计算出氧分压确保要求目标压力和湿润度控制要求目标压力中的较大一方来作为第一目标压力，计算出该第一目标压力和下限压力(第二目标压力)中的较大一方来作为目标正极压力。也就是说，目标正极压力计算部110计算出这三个输入值中的最大的输入值来作为目标正极压力。
这样，控制器4(第一目标压力设定部)基于氧分压确保要求和湿润度控制要求这样的燃料电池堆1的要求，以至少满足这两个要求的方式设定正极气体的第一目标压力。另外，控制器4(第二目标压力设定部)设定用于将各燃料电池内的负极电极侧与正极电极侧的电解质膜间的膜间压力差(负极-正极间的压力差)维持在规定的容许膜间压力差范围内的正极气体的下限压力(第二目标压力)。而且，控制器4(目标压力设定部)将第一目标压力和下限压力(第二目标压力)中的较大一方设定为向燃料电池堆供给的正极气体的目标压力(目标正极压力)。
目标正极压力和膜间压力差限制要求目标压力被输入到限制目标正极压力计算部111。限制目标正极压力计算出这两个输入值中的最大的输入值来作为限制目标正极压力。
堆供给流量、目标堆供给流量、正极压力以及目标正极压力被输入到目标正极压力调节阀开度计算部112。目标正极压力调节阀开度计算部112基于这些输入值来计算目标正极压力调节阀开度。
目标正极压力调节阀开度被输入到正极压力调节阀控制部113。正极压力调节阀控制部113将正极压力调节阀27的开度控制为目标正极压力调节阀开度。
这样，控制器4(控制部)基于目标流量(目标堆供给流量)和目标压力(目标正极压力)来控制正极压力调节阀27。
堆供给流量、目标堆供给流量、正极压力以及限制目标正极压力被输入到堆要求压缩机供给流量计算部114。堆要求压缩机供给流量计算部114基于这些输入值来计算堆要求压缩机供给流量。此外，堆要求压缩机供给流量是满足氧分压确保要求、湿润度控制要求等燃料电池堆1的要求所需的压缩机供给流量。
堆要求压缩机供给流量以及根据燃料电池堆1的目标输出电流而决定的稀释要求压缩机供给流量被输入到目标压缩机供给流量计算部115。目标压缩机供给流量计算出这两个输入值中的较大一方来作为目标压缩机供给流量。此外，稀释要求压缩机供给流量是使排出到燃料电池系统100的外部的排出气体的氢浓度为规定浓度以下所需的压缩机供给流量。在本实施方式中，使稀释要求压缩机供给流量在目标输出电流大时比目标输出电流小时多，但是也可以与目标输出电流无关地设为固定值。
压缩机供给流量和目标压缩机供给流量被输入到正极压缩机控制部116。正极压缩机控制部116基于压缩机供给流量与目标压缩机供给流量的偏差来计算对正极压缩机24的转矩指令值，根据该转矩指令值来控制正极压缩机24。
这样，控制器4(控制部)基于目标流量(目标堆供给流量)和限制目标正极压力(目标正极压力或膜间压力差限制要求目标压力)来控制正极压缩机24。即，控制器4(控制部)基本上基于目标流量(目标堆供给流量)和目标压力(目标正极压力)来控制正极压缩机24，并且，在下限压力(第二目标压力)被设定为目标压力(目标正极压力)而目标压力(目标正极压力)伴随负极气体的压力脉动而脉动时，基于用于限制该目标压力(目标正极压力)的脉动的限制压力(膜间压力差限制要求目标压力)以及目标流量(目标堆供给流量)来控制正极压缩机24。
图5是说明本实施方式的负极气体供给控制和正极气体供给控制的动作的时序图。
首先，说明负极气体供给控制的动作。
在该时序图中，在时刻t1的时间点，已经实施了使负极压力在基于目标输出电流而计算出的脉动时上限目标压力与脉动时下限目标压力之间脉动的脉动运转(图5的(A))。然后，在时刻t1到时刻t5的区间，目标输出电流固定(图5的(B))，因此继续实施时刻t1的时间点的使负极压力在脉动时上限目标压力与脉动时下限目标压力之间脉动的脉动运转(图5的(A))。
当在时刻t5例如由于加速操作量减少而目标输出电流降低时(图5的(B))，与目标输出电流的降低相应地，脉动时上限目标压力和脉动时下限目标压力也分别降低(图5的(A))。
由此，为了将负极压力控制成变为降低后的脉动时下限目标压力，负极压力调节阀33的开度被完全闭合，停止从高压罐31向燃料电池堆1供给负极气体。其结果，通过发电来逐渐消耗燃料电池堆1内的负极气体，负极压力逐渐降低(图5的(A))。这样，目标输出电流降低的下降过渡时的负极压力的降低速度取决于发电对负极气体的消耗速度，因此有时在下降过渡时负极压力暂时变得比脉动上限目标压力高(图5的(A))。
接着，说明正极气体供给控制的动作。此外，在该时序图中，设想了湿润度控制要求目标压力比氧分压确保要求压力高、而且堆要求压缩机供给流量比稀释要求压缩机供给流量多的状态。
在时刻t1的时间点，湿润度控制要求目标压力大于下限压力(图5的(C)，因此湿润度控制要求目标压力被设定为目标正极压力(图5的(D))。另外，若将作为该目标正极压力的湿润度控制要求目标压力与膜间压力差限制要求目标压力进行比较，则湿润度控制要求目标压力更大，因此湿润度控制要求目标压力被设定为限制目标正极压力(图5的(E))。
然后，根据该限制目标正极压力等来计算堆要求压缩机供给流量。在该时序图中，设想了堆要求压缩机供给流量比稀释要求压缩机供给流量多的状态。因而，根据该限制目标正极压力等而计算出的堆要求压缩机供给流量被设定为目标压缩机供给流量，基于该目标压缩机供给流量来控制正极压缩机24。
其结果，在时刻t1到时刻t2的期间，保持为固定值的湿润度控制要求目标压力被设定为限制目标正极压力，因此正极压缩机24的转速也变为固定(图5的(F))。
当在时刻t2例如由于发电所带来的生成水的影响而电解质膜成为过于湿润的状态从而目标阻抗增加时，为了增大正极压力调节阀的开度以便于将生成水与正极气体一起排出，湿润度控制要求目标压力降低(图5的(C))。由此，目标正极压力和限制目标正极压力也同样降低(图5的(D)(E))。
当在时刻t3目标正极压力(湿润度控制要求目标压力)变得小于膜间压力差限制要求目标压力时(图5的(D))，膜间压力差限制要求目标压力被设定为限制目标正极压力(图5的(E))。
当在时刻t4下限压力变得大于湿润度控制要求目标压力时，下限压力被设定为目标正极压力，从而成为目标正极压力也伴随负极压力的脉动而脉动的状态(图5的(C)(D))。当根据这种脉动的目标正极压力来控制正极压缩机24时，正极压缩机24的转速伴随目标正极压力的脉动而周期性地增减，从而存在从正极压缩机24产生蜂鸣声等异响的担忧。
因此，在本实施方式中，将目标正极压力和膜间压力差限制要求目标压力中较大一方设定为限制目标正极压力，根据该限制目标正极压力来控制正极压缩机24。
因此，在时刻t3以后，即使在时刻t4以后变为目标正极压力发生脉动的状态，也根据保持为固定值的限制目标正极压力(膜间压力差限制要求目标压力)来控制正极压缩机24。因而，在时刻t3以后，正极压缩机24的转速也维持为固定，正极压缩机24的转速不会周期性地增减，因此能够抑制从正极压缩机24产生蜂鸣声等异响(图5的(F))。
当在时刻t5由于燃料电池堆1的目标输出电流降低而负极压力变得大于脉动时上限目标压力时(图5的(A))，膜间压力差限制要求目标压力变得小于被设定为目标正极压力的下限压力(图5的(C)(D))。其结果，下限压力被设定为限制目标正极压力(图5的(E))。
这样，在目标输出电流降低的下降过渡时，有时负极压力暂时变得大于脉动时上限目标压力，有时下限压力变得高于膜间压力差限制要求目标压力。在该情况下，当将膜间压力差限制要求目标压力作为限制目标正极压力来控制正极压缩机24时，存在膜间压力差超过容许膜间压力差的担忧。
因此，在本实施方式中，考虑到在下降过渡时下限压力变得高于膜间压力差限制要求目标压力的情况，将膜间压力差限制要求目标压力和目标正极压力中的较大一方设定为限制目标正极压力。
由此，在下限压力变得高于膜间压力差限制要求目标压力时，下限压力被设定为限制目标正极压力，因此能够抑制膜间压力差超过容许膜间压力差。
当在时刻t6负极压力降低至脉动时上限目标压力时(图5的(A))，膜间压力差限制要求目标压力再次被设定为限制目标正极压力。由此，在时刻t6以后，也根据保持为固定值的限制目标正极压力(膜间压力差限制要求目标压力)来控制正极压缩机24，因此能够抑制从正极压缩机24产生蜂鸣声等异响(图5的(F))。
根据以上说明的本实施方式，在使负极压力脉动的燃料电池系统100中，在变为目标正极压力伴随负极压力的脉动而脉动的状态时，基于用于限制目标正极压力的脉动的限制目标正极压力以及根据氧分压确保要求、湿润度控制要求等燃料电池堆1的要求而计算出的目标堆供给流量，来控制正极压缩机24。
由此，能够抑制正极压缩机24的转速伴随目标正极压力的脉动而周期性地增减，因此能够抑制从正极压缩机24产生蜂鸣声等异响。
具体地说，在从负极压力减去容许膜间压力差后得到的下限压力被设定为目标正极压力、从而变为目标正极压力伴随负极压力的脉动而脉动的状态时，将从脉动时上限目标压力减去容许膜间压力差后得到的膜间压力差限制要求目标压力设定为限制目标正极压力。
如果目标输出电流未发生变动，则脉动时上限目标压力被固定为与目标输出电流相应的规定值，因此从脉动时上限目标压力减去容许膜间压力差后得到的膜间压力差限制要求目标压力也被固定为某个规定值。
因而，在变为目标正极压力伴随负极压力的脉动而脉动的状态时，将膜间压力差限制要求目标压力设定为限制目标正极压力，根据该限制目标正极压力来控制正极压缩机24，由此能够抑制正极压缩机24的转速伴随目标正极压力的脉动而周期性地增减。因此，能够抑制从正极压缩机24产生蜂鸣声等异响。
即，根据本实施方式，在为了将燃料电池内的负极-正极间的压力差维持在规定的容许膜间压力差范围内而将下限压力(第二目标压力)设定为目标正极压力、从而变为目标正极压力与负极气体的压力脉动连动地脉动的状态时，基于用于限制该目标正极压力的脉动的压力(限制目标正极压力＝膜间压力差限制要求目标压力)以及目标堆供给流量来控制正极压缩机24。
另外，在目标输出电流降低的下降过渡时以外，负极压力被控制为脉动时上限目标压力以下。因此，通过如本实施方式那样以脉动时上限目标压力为基准来限制正极压力的下限，能够抑制在脉动运转中膜间压力差变得大于容许膜间压力差。因此，能够抑制电解质膜的机械强度的降低，从而抑制燃料电池的劣化。
另外，根据本实施方式，考虑到在下降过渡时下限压力暂时变得比膜间压力差限制要求目标压力高的情况，将膜间压力差限制要求目标压力和目标正极压力中的较大一方设定为限制目标正极压力。
由此，在下限压力被设定为目标正极压力的情况下目标输出电流降低时，下限压力被设定为限制目标正极压力，因此能够抑制膜间压力差超过容许膜间压力差。
(第二实施方式)
下面说明本发明的第二实施方式。本实施方式的正极气体供给控制的内容与第一实施方式不同。下面，以该不同点为中心来进行说明。此外，在以下的各实施方式中，对于实现与上述第一实施方式相同的功能的部分，使用同一标记并适当省略重复的说明。
图6是说明由控制器4实施的本实施方式的正极气体供给控制的框图。
本实施方式设置选择脉动时上限目标压力和负极压力中的较大一方的选择部117，将使从该选择部117输出的压力减去容许膜间压力差后得到的压力作为膜间压力差限制要求目标压力。而且，将该膜间压力差限制要求目标压力作为第二目标压力来输入到目标正极压力计算部110。
这样，在本实施方式中，控制器4(第二目标压力设定部)将用于限制伴随负极气体的压力脉动的正极气体的压力脉动的限制压力(膜间压力差限制要求目标压力)设定为第二目标压力。而且，控制器4(目标压力设定部)将第一目标压力和第二目标压力中的较大一方设定为向燃料电池堆供给的正极气体的目标压力(目标正极压力)。然后，控制器4(控制部)基本上基于目标流量(目标堆供给流量)和目标压力(目标正极压力)来控制正极压缩机24。
图7是说明本实施方式的负极气体供给控制和正极气体供给控制的动作的时序图。
通过如上所述那样构成控制模块，在本实施方式中，计算出氧分压确保要求压力、湿润度控制要求目标压力以及膜间压力差限制要求目标压力中的最大压力来作为目标正极压力，根据该目标正极压力来控制正极压缩机24。
因而，如图7所示，从时刻t3到目标输出电流降低的时刻t5，从脉动时上限目标压力减去容许膜间压力差后得到的膜间压力差限制要求目标压力被设定为目标正极压力(图7的(C)(D))。因此，根据保持为固定值的目标正极压力来控制正极压缩机24，因此能够抑制从正极压缩机24产生蜂鸣声等异响(图7的(F))。
然后，在下降过渡中的时刻t5到时刻t6，从负极压力减去容许膜间压力差后得到的膜间压力差限制要求目标压力被设定为目标正极压力(图7的(C)(D))。因此，能够抑制在下降过渡时膜间压力差超过容许膜间压力差。
另外，在时刻t6以后，从脉动时上限目标压力减去容许膜间压力差后得到的膜间压力差限制要求目标压力再次被设定为目标正极压力。因此，再次根据保持为固定值的目标正极压力来控制正极压缩机24，因此能够抑制从正极压缩机24产生蜂鸣声等异响(图7的(F))。
根据以上说明的本实施方式，将用于限制伴随负极气体的压力脉动的脉动的压力设定为膜间压力差限制要求目标压力，使得用于将膜间压力差维持在容许膜间压力差的范围内来实现电解质膜的保护的膜间压力差限制要求目标压力不伴随负极气体的压力脉动而脉动。具体地说，将从脉动时上限目标压力和负极压力中的较大一方减去容许膜间压力差后得到的压力设定为膜间压力差限制要求目标压力。
由此，在下降过渡时以外，从脉动时上限目标压力减去容许膜间压力差后得到的压力为膜间压力差限制要求目标压力，因此在膜间压力差限制要求目标压力被设定为目标正极压力时，能够根据保持为固定值的目标正极压力来控制正极压缩机24。因此，能够得到与第一实施方式相同的效果，能够抑制从正极压缩机24产生蜂鸣声等异响。
以上，说明了本发明的实施方式，但是上述实施方式不过示出了本发明的应用例的一部分，其宗旨并不是将本发明的保护范围限定于上述实施方式的具体结构。
例如，在第二实施方式中，将从脉动时上限目标压力和负极压力中较大一方减去容许膜间压力差后得到的压力作为膜间压力差限制要求目标压力而输入到目标正极压力计算部110。与此相对，在不使脉动时上限目标压力和脉动时下限目标压力与目标输出电流相应地变化、而将它们设为预先决定的固定值来使负极压力脉动的情况下，也可以如图8所示那样构成正极气体供给控制的控制模块。
即，在使脉动时上限目标压力和脉动时下限目标压力为预先决定的固定值的情况下，即使目标输出电流降低，脉动时上限目标压力和脉动时下限目标压力也不发生变化，因此脉动时上限目标压力不会变得低于负极压力。因此，也可以如图8所示那样，在膜间压力差限制要求目标压力计算部109中，计算从脉动时上限目标压力减去容许膜间压力差后得到的压力来作为膜间压力差限制要求目标压力，并输入到目标正极压力计算部110。
另外，在第一实施方式中，也能够将从负极气体的脉动时上限目标压力(脉动上限压力)减去容许膜间压力差后得到的压力和从负极压力减去容许膜间压力差后得到的压力中的较大一方作为膜间压力差限制要求目标压力(限制压力)。
本申请基于2013年7月11日向日本专利局申请的特愿2013-145701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 (6)

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使该燃料电池发电，该燃料电池系统的特征在于，具备：
压缩机，其对向所述燃料电池供给的正极气体的流量进行调节；
压力调节阀，其对向所述燃料电池供给的正极气体的压力进行调节；
脉动运转部，其使负极气体的压力脉动；
目标流量设定部，其基于所述燃料电池的要求来设定正极气体的目标流量；
第一目标压力设定部，其基于所述燃料电池的要求来设定正极气体的第一目标压力；
第二目标压力设定部，其设定用于将所述燃料电池内的负极与正极间的压力差维持在规定的容许压力差的范围内的正极气体的第二目标压力；
目标压力设定部，其将所述第一目标压力和所述第二目标压力中的较大一方设定为目标压力；以及
控制部，其基于所述目标流量和所述目标压力来控制所述压缩机和所述压力调节阀，
其中，在所述目标压力伴随负极气体的压力脉动而脉动时，所述控制部基于用于限制该目标压力的脉动的限制压力以及所述目标流量来控制所述压缩机。
2.一种燃料电池系统，将负极气体和正极气体供给到燃料电池来使该燃料电池发电，该燃料电池系统的特征在于，具备：
压缩机，其对向所述燃料电池供给的正极气体的流量进行调节；
压力调节阀，其对向所述燃料电池供给的正极气体的压力进行调节；
脉动运转部，其使负极气体的压力脉动；
目标流量设定部，其基于所述燃料电池的状态来设定正极气体的目标流量；
第一目标压力设定部，其基于所述燃料电池的状态来设定正极气体的第一目标压力；
第二目标压力设定部，其设定用于将所述燃料电池内的负极与正极间的压力差维持在规定的容许压力差的范围内的正极气体的第二目标压力；
目标压力设定部，其将所述第一目标压力和所述第二目标压力中的较大一方设定为目标压力；以及
控制部，其基于所述目标流量和所述目标压力来控制所述压缩机和所述压力调节阀，
其中，所述第二目标压力设定部将用于限制伴随负极气体的压力脉动的正极气体的压力脉动的限制压力设定为所述第二目标压力。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述限制压力是从负极气体的脉动上限压力减去所述容许压力差后得到的压力。
4.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述脉动运转部具备变动部，该变动部基于所述燃料电池的负荷来使负极气体的脉动上限压力和脉动下限压力变动，
所述限制压力是从负极气体的脉动上限压力减去所述容许压力差后得到的压力和从负极气体的压力减去所述容许压力差后得到的压力中的较大一方的压力。
5.根据权利要求1～4中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述第一目标压力设定部具备：
氧分压确保要求压力计算部，其基于所述燃料电池的负荷来计算将所述燃料电池内的氧分压保持在规定以上所需的氧分压确保要求压力；
目标湿润度计算部，其基于所述燃料电池的负荷来计算所述电解质膜的目标湿润度；以及
湿润度控制要求压力计算部，其计算将所述电解质膜的湿润度控制为所述目标湿润度所需的湿润度控制要求压力，
其中，所述第一目标压力设定部基于所述氧分压确保要求压力和所述湿润度控制要求压力来设定所述第一目标压力。
6.一种燃料电池系统的控制方法，该燃料电池系统将负极气体和正极气体供给到燃料电池来使该燃料电池发电，该控制方法包括：
压缩机，其对向所述燃料电池供给的正极气体的流量进行调节；
压力调节阀，其对向所述燃料电池供给的正极气体的压力进行调节；
脉动运转步骤，使负极气体的压力脉动；
目标流量设定步骤，基于所述燃料电池的要求来设定正极气体的目标流量；
第一目标压力设定步骤，基于所述燃料电池的要求来设定正极气体的第一目标压力；
第二目标压力设定步骤，设定用于将所述燃料电池内的负极与正极间的压力差维持在规定的容许压力差的范围内的正极气体的第二目标压力；
目标压力设定步骤，将所述第一目标压力和所述第二目标压力中的较大一方设定为目标压力；以及
控制步骤，基于所述目标流量和所述目标压力来控制所述压缩机和所述压力调节阀，
其中，在所述控制步骤中，当所述目标压力伴随负极气体的压力脉动而脉动时，基于用于限制该目标压力的脉动的限制压力以及所述目标流量来控制所述压缩机。
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