CN105612653A - 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

Info

Publication number
CN105612653A
CN105612653A CN201480055434.XA CN201480055434A CN105612653A CN 105612653 A CN105612653 A CN 105612653A CN 201480055434 A CN201480055434 A CN 201480055434A CN 105612653 A CN105612653 A CN 105612653A
Authority
CN
China
Prior art keywords
fuel cell
electric power
battery
power
cell pack
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201480055434.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN105612653B (zh
Inventor
星圣
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nissan Motor Co Ltd filed Critical Nissan Motor Co Ltd
Publication of CN105612653A publication Critical patent/CN105612653A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105612653B publication Critical patent/CN105612653B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M16/00—Structural combinations of different types of electrochemical generators
    • H01M16/003—Structural combinations of different types of electrochemical generators of fuel cells with other electrochemical devices, e.g. capacitors, electrolysers
    • H01M16/006—Structural combinations of different types of electrochemical generators of fuel cells with other electrochemical devices, e.g. capacitors, electrolysers of fuel cells with rechargeable batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04029—Heat exchange using liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04037—Electrical heating
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H01M8/04141—Humidifying by water containing exhaust gases
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04268—Heating of fuel cells during the start-up of the fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H01M8/04302—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during start-up
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04395—Pressure; Ambient pressure; Flow of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04604—Power, energy, capacity or load
    • H01M8/04619—Power, energy, capacity or load of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04925—Power, energy, capacity or load
    • H01M8/04947—Power, energy, capacity or load of auxiliary devices, e.g. batteries, capacitors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Power Engineering (AREA)

Abstract

燃料电池系统具备包含进行驱动以使用于使燃料电池发电的气体被供应给燃料电池的致动器和对冷却水进行加热的加热器的辅机、以及蓄电池。进而燃料电池系统包含：预热运转部，通过对辅机进行调整，以从燃料电池取得规定的电力；放电控制部，在通过燃料电池而发电的发电电力比由辅机消耗的电力小的情况下，从蓄电池向辅机供应电力。此外燃料电池系统包含：辅机限制部，在通过预热运转部进行燃料电池的预热的情况下，在通过放电控制部从蓄电池向辅机供应电力时，限制由致动器消耗的电力。

Description

燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法
技术领域
本发明涉及对燃料电池进行预热的燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法。
背景技术
关于燃料电池，一般来说70℃前后被设为适于发电的温度域。因此，在燃料电池系统被启动的情况下，希望使燃料电池迅速地升温至适于发电的温度域。
在JP2009－4243A中，公开了利用通过使燃料电池自身发电而产生的自发热来缩短燃料电池的预热时间的燃料电池系统。
发明内容
在当前正在开发的燃料电池系统中，在零下启动时，通过对燃料电池的冷却水进行加热的加热器、对致动器进行驱动而向燃料电池供应阴极气体的压缩机等辅机，消耗通过燃料电池而发电的电力。由此，燃料电池通过伴随发电的自发热和冷却水的加热这两者而尽早被预热。
在燃料电池的预热时，由于燃料电池的IV特性差且输出也变得不稳定，存在燃料电池的发电电力与由辅机消耗的规定的电力相比不足的情况。此时，通过在燃料电池和蓄电池(battery)之间连接的转换器而对燃料电池或蓄电池的电压进行调整，从蓄电池将相应于不足的量的电力供应给辅机。
但是，若从蓄电池向辅机持续放出电力，则导致蓄电池过放电。作为其对策，例如若将从蓄电池向加热器的供应电力限制得较低，则由于加热器对冷却水的加热量变少，所以存在燃料电池的预热所需的时间变长的问题。
本发明着眼于这样的问题而完成，其目的在于，提供抑制蓄电池的过放电，且实现燃料电池的尽早预热的燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法。
根据本发明的某一方式，燃料电池系统具备：蓄电池，储蓄电力；辅机，包含进行驱动以使用于使燃料电池发电的气体被供应给所述燃料电池的致动器、和加热对所述燃料电池进行循环的冷却水的加热器。并且该燃料电池系统包含：预热运转部，通过对所述辅机进行调整，从而从所述燃料电池取得规定的电力；放电控制部，在通过所述燃料电池而发电的发电电力比由所述辅机消耗的电力小的情况下，从所述蓄电池向所述辅机供应电力。进而该燃料电池系统包含：辅机限制部，在通过所述预热运转部进行所述燃料电池的预热的情况下，在通过所述放电控制部从所述蓄电池向所述辅机供应电力时，限制由所述致动器消耗的电力。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式中的燃料电池系统的结构的图。
图2是表示控制器的功能结构的框图。
图3是表示对燃料电池的预热进行限制的方法的流程图。
图4是表示第二实施方式中的阴极气体流量控制部的结构的框图。
图5是表示过放电防止标志生成部的结构的框图。
图6是表示阴极气体压力控制部的结构的框图。
图7是表示加热器输出控制部的结构的框图。
图8是表示加热器可供应电力运算部的结构的框图。
图9是表示燃料电池系统的预热限制时的动作的时间图。
图10是表示第三实施方式中的燃料电池系统的预热限制时的动作的时间图。
图11是表示第四实施方式中的燃料电池系统的预热限制时的动作的时间图。
具体实施方式
以下，参照附图等说明本发明的实施方式。
(第一实施方式)
图1是表示本发明的第一实施方式中的燃料电池系统100的结构的图。
燃料电池系统100是对燃料电池堆(スタック)1从外部供应阴极气体以及阳极气体，且根据负荷而使燃料电池堆1发电的电源系统。在本实施方式中，燃料电池系统100对驱动车辆的驱动电机53等负荷，供应通过燃料电池堆1而发电的发电电力。
燃料电池系统100具备燃料电池堆1、阴极气体供排装置2、阳极气体供排装置3、堆冷却装置4、电力系统5、控制器6。
燃料电池堆1是将几百枚燃料电池、所谓电池单元(セル)进行了层叠的层叠电池。燃料电池堆1接受阳极气体以及阴极气体的供应而进行发电。在燃料电池堆1中，作为用于取出电力的端子，设置有阳极电极侧输出端子11、和阴极电极侧输出端子12。
燃料电池由阳极电极(燃料极)、阴极电极(氧化剂极)、被阳极电极以及阴极电力夹着的电解质膜而构成。燃料电池在阳极电极中使用含有氢的阳极气体(燃料气体)、在阴极电极中使用含有氧的阴极气体(氧化剂气体)，通过电解质膜产生电化学反应。在阳极电极以及阴极电极这两个电极中，进行以下的电化学反应。
阳极电极：2H2→4H++4e-···(1)
阴极电极：4H++4e-+O2→2H2O···(2)
在燃料电池中，通过上述(1)以及(2)的电化学反应而产生电动势且生成水。在燃料电池堆1中，层叠后的燃料电池的各个以相互串联的方式连接，所以在各燃料电池中产生的单元电压的总和成为燃料电池堆1的输出电压(例如几百伏特)。
向燃料电池堆1，通过阴极气体供排装置2而供应阴极气体，此外通过阳极气体供排装置3而供应阳极气体。
阴极气体供排装置2是向燃料电池堆1供应阴极气体，且将从燃料电池堆1排出的阴极废气向外部空气排出的装置。
阴极气体供排装置2具备阴极气体供应通路21、过滤器22、阴极流量传感器23、阴极压缩机24、温度传感器25、阴极压力传感器26。进而阴极气体供排装置2具备水分回收装置(WaterRecoveryDevice；以下称为“WRD”。)27、阴极气体排出通路28、阴极调压阀29。
阴极气体供应通路21是被供应给燃料电池堆1的阴极气体流过的通路。阴极气体供应通路21的一端与过滤器22连接，另一端与燃料电池堆1的阴极气体入口孔连接。
过滤器22去除被获取至阴极气体供应通路21的阴极气体中的异物。
阴极流量传感器23被设置在与阴极压缩机24相比更上游的阴极气体供应通路21中。阴极流量传感器23对被供应给阴极压缩机24，最终被供应给燃料电池堆1的阴极气体的流量进行检测。
阴极压缩机24被设置在阴极气体供应通路21中。阴极压缩机24经由过滤器22从外部空气将空气获取至阴极气体供应通路21，将该空气作为阴极气体而供应给燃料电池堆1。即，阴极压缩机24相当于进行驱动以使向燃料电池堆1供应空气的致动器。
温度传感器25被设置在阴极压缩机24和WRD27之间的阴极气体供应通路21中。温度传感器25对WRD27的阴极气体入口侧的温度进行检测。
阴极压力传感器26被设置在阴极压缩机24和WRD27之间的阴极气体供应通路21中。阴极压力传感器26对WRD27的阴极气体入口侧的压力(以下称为“WRD入口压力”。)进行检测。由阴极压力传感器26检测出的值被输出给控制器6。
WRD27与阴极气体供应通路21以及阴极气体排出通路28分别连接，对流过阴极气体排出通路28的阴极废气中的水分进行回收，通过该回收后的水分而对流过阴极气体供应通路21的阴极气体进行加湿。
阴极气体排出通路28是从燃料电池堆1排出的阴极废气流过的通路。阴极气体排出通路28的一端与燃料电池堆1的阴极气体出口孔连接，另一端成为开口端。
阴极调压阀29被设置在阴极气体排出通路28中。阴极调压阀29对被供应给燃料电池堆1的阴极气体的压力进行调整。阴极调压阀29通过控制器6而被控制。例如，为了使阴极压缩机24的消耗电力增加，通过阴极调压阀29而提高阴极气体的压力。
阳极气体供排装置3是向燃料电池堆1供应阳极气体，且将从燃料电池堆1排出的阳极废气排出至阴极气体排出通路28的装置。阳极气体供排装置3具备高压罐31、阳极气体供应通路32、阳极调压阀33、阳极压力传感器34、阳极气体排出通路35、清除阀(パージ弁)36。
高压罐31将供应给燃料电池堆1的阳极气体保持高压状态而储藏。
阳极气体供应通路32是用于从高压罐31将阳极气体供应给燃料电池堆1的通路。阳极气体供应通路32的一端与高压罐31连接，另一端与燃料电池堆1的阳极气体入口孔连接。
阳极调压阀33被设置在阳极气体供应通路32中。阳极调压阀33通过控制器6进行开闭控制，将从高压罐31推出的阳极气体的压力调节为期望的压力。
阳极压力传感器34被设置在与阳极调压阀33相比更下游的阳极气体供应通路32中。阳极压力传感器34对在燃料电池堆1的阳极气体入口孔中流过的阳极气体的压力进行检测。由阳极压力传感器34检测出的值被输出给控制器6。
阳极气体排出通路35是从燃料电池堆1排出的阳极废气流过的通路。阳极气体排出通路35的一端与燃料电池堆1的阳极气体出口孔连接，另一端与阴极气体排出通路28连接。
清除阀36被设置在阳极气体排出通路35中。清除阀36通过控制器6进行开闭控制，对从阳极气体排出通路35排出至阴极气体排出通路28的阳极废气的流量进行控制。
堆冷却装置4是通过冷却水而冷却燃料电池堆1，将燃料电池堆1保持为适于发电的温度的装置。
堆冷却装置4具备冷却水循环通路41、散热器42、旁路通路43、三通阀44、循环泵45、冷却水加热器46、第一水温传感器47、第二水温传感器48。
冷却水循环通路41是用于对燃料电池堆1进行冷却的冷却水进行循环的通路。
散热器42被设置在冷却水循环通路41中。散热器42对从燃料电池堆1排出的冷却水进行冷却。
旁路通路43从冷却水循环通路41分支并与三通阀44连接，以绕开散热器42。通过旁路通路43，能够使得冷却水在燃料电池堆1中循环而冷却水不流向散热器42。
三通阀44被设置在与散热器42相比更下游侧的冷却水循环通路41中。三通阀44根据冷却水的温度而切换冷却水的循环路径。
在三通阀44中，若冷却水的温度相对变高，则切换冷却水的循环路径以使从燃料电池堆1排出的冷却水经由散热器42而再次被供应给燃料电池堆1。相反，若冷却水的温度相对变低，则切换冷却水的循环路径以使从燃料电池堆1排出的冷却水不经由散热器42，而是流过旁路通路43而再次被供应给燃料电池堆1。
循环泵45被设置在与三通阀44相比更下游侧的冷却水循环通路41中，用于使冷却水循环。
冷却水加热器46被设置在旁路通路43中。冷却水加热器46在对燃料电池堆1进行预热的期间从燃料电池堆1被通电，使冷却水的温度上升。
第一水温传感器47被设置在与散热器42相比更上游的冷却水循环通路41中。第一水温传感器47对从燃料电池堆1排出的冷却水的温度(以下称为“堆出口水温”。)进行检测。
第二水温传感器48被设置在循环泵45和燃料电池堆1之间的冷却水循环通路41中。第二水温传感器48对被供应给燃料电池堆1的冷却水的温度(以下称为“堆入口水温”。)进行检测。
电力系统5具备堆电流传感器51、堆电压传感器52、驱动电机53、逆变器54、蓄电池55、DC/DC转换器56、辅机类57、蓄电池电流传感器58、蓄电池电压传感器59。
堆电流传感器51与阳极电极侧输出端子11连接，对从燃料电池堆1取出的输出电流进行检测。
堆电压传感器52对阳极电极侧输出端子11和阴极电极侧输出端子12之间的端子间电压(以下称为“输出电压”。)进行检测。另外，也可以通过蓄电池电压传感器59，对在燃料电池堆1中层叠的各电池单元的电压进行检测。
驱动电机53是在转子中埋设永久磁铁，在圆周状的定子上以等间隔的方式设置的各齿上缠绕线圈的三相交流同步电机。驱动电机53具有作为通过从燃料电池堆1以及蓄电池55供应的电力而旋转驱动的电动机的功能、和作为在车辆的减速时转子通过外力而旋转从而使线圈的两端产生电动势、所谓再生电力的发电机的功能。
逆变器54由多个半导体开关、例如IGBT(绝缘栅双极晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor))构成。逆变器54的半导体开关通过控制器6进行开关控制，直流电力被转换为交流电力，或交流电力被转换为直流电力。
逆变器54在使驱动电机53作为电动机而发挥作用时，将合成直流电力转换为三相交流电力而供应给驱动电机53，其中，该合成直流电力是将从燃料电池堆1取出的发电电力、和从蓄电池55放电的放电电力进行了合成的合成直流电力。另一方面，在使驱动电机53作为发电机而发挥作用时，逆变器54将驱动电机53的再生电力(三相交流电力)转换为直流电力而供应给蓄电池55。
蓄电池55是储蓄电力的二次电池。蓄电池55例如由锂离子蓄电池等来实现。蓄电池55将驱动电机53的再生电力、或由燃料电池堆1发电的电力进行充电。被充电给蓄电池55的电力根据需要而被供应给辅机类57以及驱动电机53。
DC/DC转换器56是对燃料电池堆1的电压和蓄电池55的电压的其中一个进行调整的双方向性的电压转换器。DC/DC转换器56的一方的电压端子与燃料电池堆1连接，另一方的电压端子与蓄电池55连接。
DC/DC转换器56对通过蓄电池55的电力而在燃料电池堆1侧的电压端子中产生的电压进行升压或降压。通过DC/DC转换器56，燃料电池堆1的输出电压被控制，燃料电池堆1的输出电流、进而发电电力(输出电流×输出电压)被调节。即，DC/DC转换器56是为了对燃料电池堆1的发电电力进行管理而使用的PM(电源管理)电路。
辅机类57是为了对燃料电池堆1进行运转而设置的控制部件的集合。辅机类57由阴极压缩机24、循环泵45、冷却水加热器46等构成。
辅机类57在蓄电池55和DC/DC转换器56之间并联连接。辅机类57通过DC/DC转换器56而从蓄电池55或燃料电池堆1被供应电力。
蓄电池电流传感器58与蓄电池55的正极端子连接，对从蓄电池55放电的电流进行检测。
蓄电池电压传感器59对蓄电池55的正极端子和负极端子之间的端子间电压进行检测。
控制器6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)的微机构成。
在控制器6中，从前述的第一水温传感器47、第二水温传感器48、堆电流传感器51、堆电压传感器52、蓄电池电流传感器58以及蓄电池电压传感器59被输入检测信号。除了这些传感器之外，控制器6中还被输入为了对燃料电池系统100进行控制而所需的来自各种传感器的检测信号。
作为其他传感器，存在被设置于车室内而检测大气压的大气压传感器61、被设置于蓄电池55而检测蓄电池55的充电率(SOC：StateofCharge)的SOC传感器62。除此之外，存在基于发动钥匙的接通和断开而检测燃料电池系统100的发动请求以及停止请求的键传感器63、检测油门踏板的踏入量的油门行程传感器64等。
控制器6使用来自各种传感器的输入信号、和对于燃料电池系统100的各控制部件等的指令值，高效地使燃料电池堆1发电。
例如，控制器6根据从驱动电机53以及辅机类57等负荷请求的请求电力，对阴极压缩机24、阴极调压阀29、阳极调压阀33以及清除阀36进行控制。由此，被供应给燃料电池堆1的阴极气体以及阳极气体的各流量被调整为适于发电的流量。
接着说明对燃料电池系统100进行控制的控制器6的功能结构。
图2是表示构成控制器6的控制部200的一例的功能框图。
若燃料电池系统100被启动，则控制部200执行将燃料电池堆1预热到适于发电的发电温度为止的预热控制(以下称为“预热促进运转”)。
在预热促进运转中，控制部200将燃料电池堆1与辅机类57电连接，使得通过燃料电池堆1而对辅机类57的驱动所需的电力进行发电。由此，由于伴随燃料电池堆1的发电的自发热而燃料电池堆1本身被预热。通过燃料电池堆1而发电的电力被供应给例如阴极压缩机24、循环泵45、冷却水加热器46等。
另外，控制部200在车辆的行驶许可后，从燃料电池堆1向驱动电机53以及辅机类57这双方供应发电电力。假设在燃料电池堆1的发电电力与驱动电机53以及辅机类57的请求电力相比不足的情况下，将发电电力优先分配给驱动电机53，在对于辅机类57的供应电力不足的情况下使得从蓄电池55补充电力。
此外控制部200在实施预热促进运转时将循环泵45的旋转速度设定为可变范围的上限值，且将冷却水加热器46的输出(即发热量)设定为可变范围的上限值。由此，通过由冷却水加热器46加温的冷却水，燃料电池堆1也被预热。进而，由于由循环泵45以及冷却水加热器46消耗的电力增加，所以燃料电池堆1的发电电力增加且燃料电池堆1的自发热量也增加，燃料电池堆1的预热更加被促进。
通过这样实施预热促进运转，能够缩短从启动燃料电池系统100至燃料电池堆1的预热完成为止的预热时间。
控制部200具备预热运转部210、转换器控制部220、预热限制部230、阴极压缩机指令部240、冷却水加热器指令部250。
若燃料电池系统100被启动，则预热运转部210判断燃料电池堆1的温度是否比规定的预热阈值(例如50℃)低。预热运转部210在被判断为燃料电池堆1的温度比预热阈值低的情况下，对由辅机类57消耗的电力进行调整，开始预热促进运转以使从燃料电池堆1取得预热所需的规定的电力。之后，预热运转部210在燃料电池堆1的温度上升到预热阈值为止的情况下，结束预热促进运转。
另外，作为燃料电池堆1的温度，例如使用堆入口水温、或将堆入口水温以及堆出口水温平均后的值。此外，在被判断为燃料电池堆1的温度比预热阈值高的情况下，实施通常运转以使从燃料电池堆1取得来自驱动电机53等负荷的请求电力。
预热运转部210在实施预热促进运转的情况下，将由辅机类57消耗的电力的请求值(以下称为“辅机请求电力”。)调整为燃料电池堆1的预热所需的规定的电力。
例如，预热运转部210将对于阴极压缩机24以及冷却水加热器46的各供应电力的请求值设定为可变范围的上限值。此外，由循环泵45消耗的电力的请求值被设定为可变范围的上限值，以使冷却水不会通过冷却水加热器46而沸腾。将这些请求值合算后的值被设定为辅机请求电力。
转换器控制部220基于燃料电池堆1的发电电力、由辅机类57消耗的辅机消耗电力、蓄电池可放电电力，运算燃料电池堆1的剩余发电电力。
具体而言，转换器控制部220通过从将燃料电池堆1的发电电力和蓄电池可放电电力相加后的值减去辅机消耗电力，算出燃料电池堆1的剩余发电电力。
燃料电池堆1的发电电力例如将例如由堆电流传感器51检测的电流和由堆电压传感器52检测的电压相乘而求得。
辅机消耗电力是辅机类57的各设备以及DC/DC转换器56的各个所消耗的电力的总值。辅机消耗电力基于例如由堆电流传感器51以及堆电压传感器52检测的电力值、由蓄电池电流传感器58以及蓄电池电压传感器59检测的电力值等而算出。
蓄电池可放电电力(蓄电池可供应电力)是为了防止蓄电池55的过放电而设定的电力值，通过由SOC传感器62检测出的蓄电池55的充电率等而算出。例如，由SOC传感器62检测出的充电率越小，则蓄电池可放电电力被设定为越小的值。
在本实施方式中，转换器控制部220监视燃料电池堆1的发电电力是否与由辅机类57消耗的辅机消耗电力相比降低。
转换器控制部220在燃料电池堆1的发电电力比辅机消耗电力小的情况下，判断燃料电池堆1的发电电力与辅机消耗电力的差量是否比蓄电池可放电电力小。
例如转换器控制部220在从辅机消耗电力减去了燃料电池堆1的发电电力的差量比蓄电池可放电电力小的情况下，从蓄电池55向辅机类57放电电力。具体而言，转换器控制部220控制DC/DC转换器56的蓄电池55侧的电压，以使从蓄电池55放电的电流流向辅机类57。
此外，在通过DC/DC转换器56的电压控制从蓄电池55向辅机类57供应电力的情况下，转换器控制部220从蓄电池55向辅机类57放电电力。转换器控制部220将从将该蓄电池放电电力和燃料电池堆1的发电电力相加后的值减去辅机消耗电力后的值，作为料电池堆1的剩余发电电力而输出至预热限制部230。
预热限制部230基于由预热运转部210设定的预热请求电力，在阴极压缩机指令部240中设定对于阴极压缩机24的目标供应电力，且在冷却水加热器指令部250中设定对于冷却水加热器46的目标供应电力。
对于阴极压缩机24的目标供应电力基于阴极气体流量的目标值(目标流量)、由阴极流量传感器23检测出的值、阴极气体压力的目标值(目标压力)、由阴极压力传感器26检测出的值而算出。例如，对于阴极压缩机24的目标供应电力被设定为阴极气体的目标流量与检测值的差量、以及目标压力与检测值的差量相互成为零。
在这样的燃料电池系统100在0℃以下被启动时，燃料电池堆1的IV(电流电压)特性差，燃料电池堆1的输出也不稳定，所以存在燃料电池堆1的发电电力与预热所需的辅机消耗电力相比不足的情况。此时，通过DC/DC转换器56的电压控制，从蓄电池55向辅机类57供应相应于不足的量的电力。
在这样的状况下，从蓄电池55向辅机类57的放电持续规定时间以上的情况下，由于蓄电池55的充电容量存在限界，所以蓄电池55变得过放电。
作为其对策，若想要将对于辅机类57的供应电力之中对于冷却水加热器46的供应电力最初进行限制，则通过冷却水加热器46而被供应给冷却水的热量变少，所以燃料电池堆1的预热所需的预热时间变长。
此外，若与限制对于冷却水加热器46的供应电力相比先限制对于循环泵45的供应电力，则冷却水的循环变差，在冷却水和燃料电池堆1之间交换的热量减少，预热时间变长。进而存在冷却水的循环变差从而在冷却水加热器46的附近冷却水沸腾的顾虑。
另一方面，为了使燃料电池堆1的发电电力增加，在预热促进运转中被供应给阴极压缩机24的电力超过必要地被设定得较高。这带来的使燃料电池堆1的温度上升的预热效果与通过冷却水的循环从冷却水加热器46重复地加热冷却水而得到的预热效果相比更小。
因此在本实施方式中，预热限制部230在预热促进运转中(预热中)从蓄电池55向辅机类57放电电力时，与冷却水加热器46相比先限制对于阴极压缩机24的供应电力。
具体而言，若从转换器控制部220取得燃料电池堆剩余发电电力的算出值，则预热限制部230确认燃料电池堆剩余发电电力是否比“0(零)”小。并且预热限制部230在燃料电池堆剩余发电电力比“0”小的情况下，为了防止蓄电池55的过放电，将对于阴极压缩机24的目标供应电力设定为比可变范围的上限值低的规定的限制值。
另外，对于阴极压缩机24的供应电力的限制值被设定为例如能够将为了使燃料电池堆1发电而最低限度所需的阴极气体的流量供应给燃料电池堆1的电力值。
此外，在燃料电池堆剩余发电电力为负的情况、也就是说燃料电池堆1的发电电力不足的情况下，不能通过来自蓄电池55的放电电力完全补充发电电力的不足量的情况下，预热限制部230将对于冷却水加热器46的目标供应电力限制为“0”。由此，能够抑制在预热促进运转中伴随向冷却水加热器46供应电力的、蓄电池55的过放电。
或也可以是在燃料电池堆剩余发电电力为负的情况、也就是说燃料电池堆1的发电电力不足的情况下，预热限制部230减小冷却水加热器46的供应电力，以使不超过能够从燃料电池堆1以及蓄电池55供应的电力。由此，与在燃料电池堆1的发电电力不足的情况下将对于冷却水加热器46的供应电力限制为“0”的情况相比，能够增加能够通过冷却水加热器46加温燃料电池堆1的时间。
接着说明限制燃料电池堆1的预热的方法。
图3是表示基于控制器6的预热限制方法的一例的流程图。
首先，控制器6若从键传感器63接受发动请求，则启动燃料电池系统100。
在燃料电池系统100被启动的情况下，在步骤S901中控制器6从第二水温传感器48取得堆入口水温Ts。
在步骤S902中控制器6的预热运转部210判断堆入口水温Ts是否比预先决定的预热阈值(50℃)低。
在步骤S903中，在被判断为堆入口水温Ts比50℃低的情况下，控制器6的预热运转部210实施由燃料电池系统100进行的预热促进运转。在预热促进运转中，预热运转部210使被供应给辅机类57的电力之中对于阴极压缩机24以及冷却水加热器46的各个的供应电力上升至可变范围的上限值为止。
此外，在步骤S904中控制器6的转换器控制部220例如从堆电流传感器51以及堆电压传感器52分别取得检测值，估计燃料电池堆1的输出特性，根据该输出特性的估计结果，算出燃料电池1的可发电电力Ps。可发电电力Ps的算出方法不限于上述的方法，也可以使用燃料电池的温度来算出可发电电力Ps。
并且在步骤S905中控制器6的转换器控制部220判断燃料电池堆1的可发电电力Ps是否为由辅机类57以及DC/DC转换器56消耗的辅机消耗电力以上。即，转换器控制部220判断是否通过DC/DC转换器56从蓄电池55向辅机类57放电电力。
在步骤S906中控制器6的转换器控制部220在燃料电池堆1的可发电电力Ps比辅机消耗电力低的情况下，判断为通过DC/DC转换器56从蓄电池55向辅机类57放电电力。
在被判断为从蓄电池55向辅机类57放电电力的情况下，转换器控制部220将对于阴极压缩机24的供应电力限制为燃料电池堆1的发电最低限度所需的请求电力。另外，也可以根据燃料电池堆1的可发电电力Ps，调整对于压缩机24的供应电力。
在步骤S907中控制器6的转换器控制部220判断燃料电池堆1的可发电电力Ps是否与限制了对于阴极压缩机24的供应电力后的辅机消耗电力相比更低。
在步骤S908中控制器6的转换器控制部220在燃料电池堆1的可发电电力Ps与限制了阴极压缩机24的供应电力后的辅机消耗电力相比更低的情况下，从蓄电池55向辅机类57供应电力。例如，转换器控制部220将DC/DC转换器56的蓄电池55侧的电压调整为能够从蓄电池55向辅机类57供应电流的电压值。
在步骤S909中控制器6的预热限制部230在通过转换器控制部220判断为从蓄电池55向辅机类57供应电力的情况下，限制对于冷却水加热器46的供应电力。
例如，预热限制部230判断从限制后的辅机消耗电力减去了燃料电池堆1的可发电电力Ps的差量是否比蓄电池可放电电力的上限值高。并且在从辅机消耗电力减去了可发电电力Ps的差量比蓄电池可放电电力的上限值高的情况下，预热限制部230将对于冷却水加热器46的供应电力限制得低至蓄电池可放电电力为止。
在步骤S910中控制器6确认车辆的行驶是否被许可。具体而言，控制器6在步骤S902中堆入口水温Ts为50℃以上的情况、或在步骤S905以及S907中燃料电池堆1的可发电电力Ps为辅机消耗电力以上的情况下，确认车辆的行驶是否被许可。
例如，控制器6在预热促进运转中使燃料电池堆1的输出电流变化，在该时刻基于从堆电流传感器51以及堆电压传感器52取得的检测值来估计燃料电池堆1的IV特性。并且控制器6在判断为该估计出的特性超过规定的IV特性的情况下许可行驶。另外，规定的IV特性是能够供应驱动电机驱动车辆所需的最低限度的电力的IV特性。
控制器6在车辆的行驶没有被许可的情况下，返回步骤S904，在行驶被许可的情况下，前进至步骤S911。
并且在步骤S911中控制器6直至堆入口水温Ts成为50℃以上为止，反复从步骤S904至步骤S910为止的一系列的处理，若堆入口水温Ts成为50℃以上则结束预热限制方法。
根据本发明的第一实施方式，首先，预热运转部210在对燃料电池堆1进行预热时，将被供应给包含冷却水加热器46、阴极压缩机24等的辅机类57的供应电力增加到预热所需的规定电力为止。
因此，通过由冷却水加热器46加温的冷却水对燃料电池堆1进行加热，且通过辅机类57的驱动所引起的燃料电池堆1的自发热，燃料电池堆1也被预热。
在预热中，在燃料电池堆1中进行循环的冷却水通过冷却水加热器46被加热，且通过燃料电池堆1的自发热也被加温。这样加热的冷却水在燃料电池堆1中进行循环从而从冷却水向燃料电池堆1反复供应热量。
因此，通过冷却水加热器46对燃料电池堆1进行加热与将供应给阴极压缩机24的发电电力超过必要地增加而使燃料电池堆1的自发热量增加相比，使燃料电池堆1的温度上升的效果更大。
在这样的状况下，燃料电池堆1的IV特性差，被供应给辅机类57的电力不足的情况下，不足的量的电力从蓄电池55被供应给辅机类57。此时，预热限制部230与冷却水加热器46相比先使对于阴极压缩机24的供应电力降低。
像这样，由于先从使燃料电池堆1的温度上升的效果低的阴极压缩机24起限制供应电力，能够使从蓄电池55向辅机类57放电的电力高效地减少，抑制蓄电池55的过放电的产生。
进而，和与阴极压缩机24相比先限制对于冷却水加热器46的供应电力的情况相比，能够尽早完成燃料电池堆1的预热。
从而，能够抑制蓄电池55的过放电的产生，且实现燃料电池堆1的尽早预热。
(第二实施方式)
接着，参照图4～图9说明在本发明的第二实施方式中控制器6的更详细的结构。另外，本实施方式中的燃料电池系统的结构与图1所示的燃料电池系统100的结构基本相同，所以以下关于相同的结构赋予同一标号而省略在此的说明。
在本实施方式中控制器6具备阴极气体流量控制部201、阴极气体压力控制部202、加热器输出控制部203、加热器可供应电力运算部237、过放电防止标志生成部500。
图4是表示构成控制器6的阴极气体流量控制部201的详细结构的框图。
阴极气体流量控制部201对被供应给燃料电池堆1的阴极气体的流量进行控制。
阴极气体流量控制部201具备预热请求流量运算部211、预热限制部231、预热限制值保持部232、通常控制部301。
通常控制部301具备上限请求流量运算部311、流量限制部312、发电请求流量运算部321、下限请求流量设定部322、极间差压请求流量运算部331、目标流量设定部332。
上限请求流量运算部311为了防止燃料电池堆1的性能降低，运算阴极气体的流量的上限值。
例如，若燃料电池堆1成为过干燥状态，则电解质膜的发电性能降低。作为其对策，上限请求流量运算部311为了限制通过流过燃料电池堆1的阴极气体而向外带出的水蒸气的量，算出阴极气体的流量的上限值。
燃料电池堆1是否干燥能够通过对燃料电池堆1的内部电阻进行测定来估计。例如，燃料电池堆1的内部电阻的测量值越大，则越能够估计为燃料电池堆1是干燥状态。
此外，作为燃料电池堆1的内部电阻的测定方法，通过DC/DC转换器56而规定频率的交流信号被输出给燃料电池堆1，使用燃料电池堆1的输出电压以及输出电流来测定燃料电池堆1的内部电阻(HFR)。或也可以将对燃料电池堆1的内部电阻进行测定的装置另外设置于燃料电池系统100。
在上限请求流量运算部311中，存储例如为了防止燃料电池堆1的过干燥而生成的湿润请求流量图。在湿润请求流量图中，为了对从燃料电池堆1带出的水蒸气的量进行限制而决定的阴极气体的请求流量与燃料电池堆1的每个内部电阻值建立对应。另外，湿润请求流量图例如通过实验数据等而预先被设定。
并且上限请求流量运算部311若取得燃料电池堆1的内部电阻的测量值，则参照湿润请求图，算出与测量值建立对应的请求流量。即，上限请求流量运算部311基于燃料电池堆1的内部电阻，算出为了防止伴随燃料电池堆1的过干燥的性能降低而决定的性能请求流量的上限值。
例如，燃料电池堆1的内部电阻的测量值变得越大，则上限请求流量运算部311将性能请求流量设定为越小的值并输出至流量限制部312。
发电请求流量运算部321基于从燃料电池堆1取出的电流的目标值(以下称为“目标电流”)，运算阴极气体的请求流量的下限值。
目标流量基于从辅机类57、驱动电机53等负荷请求的请求电力而算出。例如，在行驶许可后，油门踏板的踏入量变得越大，则控制器6将越大的值设定为请求电力。并且控制器6参照燃料电池堆1的基准特性，确定满足请求电力的电流值，将所确定的电流值设定为目标电流。
具体而言，燃料电池堆1的发电请求图被记录至发电请求流量运算部321。在发电请求图中，取出该电流值最低限度所需的阴极气体的供应流量与燃料电池堆1的每个电流值建立对应。另外，发电请求图通过例如实验数据等而预先被设定。
并且发电请求流量运算部321若取得燃料电池堆1的目标电流，则参照发电请求图，算出与目标电流建立对应的请求流量。燃料电池堆1的目标电流变得越大，则发电请求流量运算部321将越小的值的发电请求流量输出至下限请求流量设定部322。
预热请求流量运算部211基于预热标志的设定值，运算燃料电池堆1的预热所需的阴极气体的请求流量的下限值。
预热标志在通过预热运转部210而堆入口水温比规定的预热阈值(例如50℃)低的情况下被设定为“1”，在堆入口水温为预热阈值以上的情况下被设定为“0”。
预热请求流量运算部211在预热标志的设定值表示“0”的情况下，将预热请求流量设定为“0”。另一方面，预热请求流量运算部211在预热标志的设定值表示“1”的情况下，将预热请求流量设定为规定值，以使对于阴极压缩机24的供应电力成为最大值。另外，越增大阴极压缩机24的旋转速度，则对于阴极压缩机24的供应电力变得越大。
即，预热请求流量运算部211在预热促进运转中，将阴极压缩机24的可变范围的上限值作为预热请求流量而输出至预热限制部231。
预热限制值保持部232保持为了限制预热促进运转而决定的预热限制值。在本实施方式中预热限制值为“0”，预热限制值被输出至预热限制部231。
预热限制部231基于蓄电池过放电防止标志的设定值，将预热请求流量的下限值切换为预热限制值(0)。
蓄电池过放电防止标志通过图2所示的预热限制部230而被设定。蓄电池过放电防止标志在从蓄电池55向辅机类57供应的放电电力比零大的情况下被设定为“1”，在放电电力比零低的情况、即没有从蓄电池55放电电力的情况下，蓄电池过放电防止标志被设定为“0”。另外，关于蓄电池过放电防止标志的生成方法，参照图5在后面叙述。
预热限制部231在蓄电池过放电防止标志的设定值表示“0”的情况下，判断为没有从蓄电池55向辅机类57放电电力，将预热请求流量输出至下限请求流量设定部322。
另一方面，预热限制部231在蓄电池过放电防止标志的设定值表示“1”的情况下，判断为从蓄电池55向辅机类57放电电力，将预热限制值(0)输出至下限请求流量设定部322。由此，阴极压缩机24的旋转速度被抑制，因此能够降低从蓄电池55被供应给阴极压缩机24的电力。
下限请求流量设定部322选择发电请求流量的下限值、和来自预热限制部231的输出值之中较大的值，将该选择出的值作为性能请求流量的下限值而输出至流量限制部312。
例如，若蓄电池过放电标志被设定为“1”而从预热限制部231输出预热限制值(0)，则下限请求流量设定部322将发电请求流量的下限值作为性能请求流量的下限值而输出至流量限制部312。由此，若在预热促进运转中成为从蓄电池55向辅机类57放电电流的状况，则阴极气体的性能请求流量被限制为燃料电池堆1的发电最低限度所需的供应流量。
流量限制部312选择来自上限请求流量运算部311的性能请求流量的上限值、和来自下限请求流量设定部322的性能请求流量的下限值之中较小的值，将所选择出的值作为堆性能请求的下限流量而输出至目标流量设定部332。
例如，在燃料电池堆1的发电状态为良好的状态下，性能请求流量的上限值变得比性的性能请求流量的下限值低，所以性能请求流量的下限值作为堆性能请求的下限流量而从流量限制部312被输出。
另一方面，若燃料电池堆1假设成为干燥状态，性能请求流量的上限值降低，性能请求流量的上限值变得比性能请求流量的下限值低，则堆性能请求下限流量被性能请求流量的上限值限制而被输出至目标流量设定部332。
极间差压请求流量运算部331为了防止燃料电池堆1内的阴极气体压力与阳极气体压力的差压、所谓极间差压的增大所导致的电解质膜的损伤，运算阴极气体的流量的下限值。
例如，在极间差压请求流量运算部331中存储差压控制图。在差压控制图中，通过电解质膜的允许差压而决定的阴极气体的请求流量与被供应给燃料电池堆1的阳极气体的每个压力建立对应。另外，差压控制图例如通过实验数据等而预先被设定。
极间差压请求流量运算部331若从阳极压力传感器34取得阳极气体压力的检测值，则参照差压控制图而算出与检测值建立对应的请求流量，将该算出值作为异常避免请求的下限流量而输出至目标流量设定部332。
目标流量设定部332选择堆性能请求的下限流量和异常避免请求的下限流量之中较大的值，将所选择出的值作为阴极气体目标流量而算出。
例如，在燃料电池堆1的发电状态为良好的状态下，异常避免请求的下限流量变得比堆性能请求的下限流量低，所以目标流量设定部332将堆性能请求的下限流量设定为阴极气体目标流量。
另一方面，在燃料电池堆1的极间差压变得比允许差压大，异常避免请求的下限流量变得比堆性能请求的下限流量大的情况下，目标流量设定部332将异常避免请求的下限流量设定为阴极气体目标流量。
图5是表示过放电防止标志生成部500的结构的框图。
过放电防止标志生成部500根据蓄电池55的放电状态而生成蓄电池过放电标志。另外，过放电防止标志生成部500被包含于预热限制部230。
过放电防止标志生成部500具备辅机消耗电力算出部510、放电电力算出部520、预热限制阈值保持部530、标志设定部540。
辅机消耗电力算出部510对阴极压缩机24的消耗电力、循环泵45的消耗电力、冷却水加热器46的消耗电力、DC/DC转换器56的电力损失进行合算。
阴极压缩机的消耗电力基于阴极压缩机24的旋转速度的检测值和转矩的估计值而算出。阴极压缩机24的消耗电力在预热促进运转时被设定为设定范围的上限值。
循环泵45的消耗电力是由循环泵45消耗的电力的实际值。例如，对从蓄电池55向循环泵45供应的电流值进行检测的电流传感器、和对循环泵45的电压值进行检测的电压传感器与循环泵45连接。并且将电流传感器以及电压传感器的各检测值相乘而算出循环泵45的消耗电力的值。
冷却水加热器46的消耗电力在预热促进运转时被设定为设定范围的上限值。
DC/DC转换器56的电力损失是由DC/DC转换器56产生的电力损失的实际值。例如，基于将被设置于DC/DC转换器56内的燃料电池堆1侧的电流传感器以及电压传感器的各检测值相乘后的值、和将被设置于DC/DC转换器56内的蓄电池55侧的电流传感器以及电压传感器的各检测值相乘后的值而算出。
辅机消耗电力算出部510将对阴极压缩机24的消耗电力、循环泵45的消耗电力、冷却水加热器46的消耗电力、DC/DC转换器56的电力损失进行了合算后的值，作为辅机消耗电力而输出放电电力算出部520。
放电电力算出部520将从堆发电电力的限制值减去了辅机消耗电力后的值输出至标志设定部540。
堆发电电力的限制值是为了防止燃料电池堆1的输出电压的极端的降低而决定的值。堆发电电力的限制值基于燃料电池堆1的电压而算出。例如，堆发电电力的限制值根据通过实验数据等生成的限制图而算出。
预热限制阈值保持部530保持为了限制预热促进运转而决定的预热限制阈值。在本实施方式中预热限制阈值为“0”，预热限制阈值被输出至标志设定部540。
在燃料电池堆剩余发电电力为预热限制阈值以下的情况下，标志设定部540将蓄电池过放电标志设定为“0”。另一方面，在燃料电池堆剩余发电电力比预热限制阈值大的情况下，标志设定部540为了实施预热限制而将蓄电池过放电标志设定为“1”。另外，标志设定部540在预热促进运转中将蓄电池过放电标志设定为“1”的情况下，直至预热促进运转结束为止将蓄电池过放电标志固定为“1”。这是因为若在预热促进运转中预热限制被频繁地实施，则燃料电池堆1变得不稳定。
像这样，通过过放电防止标志生成部500，若从蓄电池55向辅机类57供应的电力变得比零大，则蓄电池过放电标志被设定为“1”。由此，如图4所叙述在预热促进运转中阴极气体目标流量被限制，因此能够限制对于阴极压缩机24的供应电力。
另外，在预热促进运转时，通过增加被供应给燃料电池堆1的阴极气体的流量，且通过阴极调压阀29提高阴极气体的压力，从而使对于阴极压缩机24的供应电力增加。即，为了增加对于阴极压缩机24的供应电力，使阴极压缩机24的旋转速度上升，且增大阴极压缩机24的转矩。
因此，在限制预热促进运转的情况下，通过降低阴极气体的压力，也能够降低对于阴极压缩机24的供应电力。因此说明通过将阴极气体的压力与预热请求压力相比下降从而限制对于阴极压缩机24的供应电力的例子。
图6是表示阴极气体压力控制部202的详细结构的框图。
阴极气体压力控制部202对被供应给燃料电池堆1的阴极气体的压力进行控制。
阴极气体压力控制部202具备预热请求压力运算部212、预热限制部233、预热限制值保持部234、通常控制部302。
通常控制部302具备上限请求压力运算部341、压力限制部342、湿润请求压力运算部351、分压确保请求压力运算部352、下限请求压力设定部353、极间差压请求压力运算部361、目标压力设定部362。
上限请求压力运算部341运算被供应给燃料电池堆1的阴极气体的请求压力的上限值。
例如，若通过DC/DC转换器56而被供应给阴极压缩机24的电流变得过大，则DC/DC转换器56中的电力损失变得过大，燃料电池系统100的发电效率降低。作为其对策，上限请求压力运算部341为了防止燃料电池系统100的性能的降低，例如基于阴极压缩机24的旋转速度以及转矩而算出阴极气体的压力的上限值。上限请求压力运算部341将其算出结果作为性能请求压力的上限值而输出至压力限制部342。
湿润请求压力运算部351为了将燃料电池堆1维持为良好的湿润状态，基于燃料电池堆1的内部电阻的测量值，运算阴极气体的压力的下限值。
具体而言，为了防止燃料电池堆1的过干燥而生成的湿润请求压力图被存储至湿润请求压力运算部351。在湿润请求压力图中，阴极气体的请求压力与每个内部电阻值建立对应，以使燃料电池堆1的内部电阻值变得越大则燃料电池堆1内的水蒸气分压越降低。另外，湿润请求压力图例如通过实验数据等而预先被设定。
并且湿润请求压力运算部351若取得燃料电池堆1的内部电阻的测量值，则参照湿润请求压力图，算出与测量值建立对应的请求压力。例如，若燃料电池堆1干燥而内部电阻变得越大，则湿润请求压力运算部351将越大的值的请求压力输出至压力限制部342。由此，能够将燃料电池堆1从干燥状态靠近湿润状态。
分压确保请求压力运算部352为了确保燃料电池堆1的发电最低限度所需的阴极气体的分压，基于大气压传感器61的检测值、和燃料电池堆1的目标电流，运算阴极气体的请求压力的下限值。
在燃料电池堆1中，伴随燃料电池堆1的温度上升，液体水成为水蒸气，水蒸气量增加，水蒸气的分压变高。其结果，阴极气体的分压相对变低，燃料电池的发电区域中的氧浓度降低。作为其对策，根据水蒸气的分压上升而增加阴极气体的压力。
具体而言，为了将燃料电池堆1内的阴极气体的分压维持为发电所需的分压而生成的分压请求图被存储至分压确保请求压力运算部352。在分压请求图中，燃料电池堆1的目标电流、和通过目标电流而决定的阴极气体的请求压力与每个大气压相互建立对应。另外，分压请求图例如通过实验数据等而预先被设定。
并且分压确保请求压力运算部352若取得目标电流的设定值和大气压的检测值，则参照与大气压的检测值对应的分压请求图，将与目标电流的设定值建立对应的请求压力作为分压确保请求压力的下限值而输出至压力限制部342。
例如，燃料电池堆1的目标电流变得越大，则分压确保请求压力运算部352越增加分压确保请求压力。此外，大气压变得越高，则分压确保请求压力运算部352越增加分压确保请求压力。
预热请求压力运算部212基于由图2所示的预热运转部210设定的预热标志的设定值，运算燃料电池堆1的预热所需的阴极气体的请求压力的下限值。
预热请求压力运算部212在预热标志的设定值表示“0”的情况下，将预热请求压力设定为“0”。另一方面，预热请求压力运算部212在预热标志的设定值表示“1”的情况下，将预热请求压力设定为规定值，以使对于阴极压缩机24的供应电力变得最大。即，预热请求压力运算部212在预热促进运转中，将对于阴极压缩机24的供应电力的上限值作为预热请求压力而输出至预热限制部233。
预热限制值保持部234保持为了限制预热促进运转而设定的预热限制值。在本实施方式中预热限制值为“0”，预热限制值被输出至预热限制部233。
预热限制部233基于图5所叙述的蓄电池过放电防止标志的设定值，将预热请求流量的下限值切换为“0”。
预热限制部233在蓄电池过放电防止标志的设定值表示“0”的情况下，判断为没有从蓄电池55向辅机类57放电电力，将预热请求压力的下限值输出至下限请求压力设定部353。
另一方面，预热限制部233在蓄电池过放电防止标志的设定值表示“1”的情况下，判断为从蓄电池55向辅机类57放电电力，将预热限制值(0)输出至下限请求压力设定部353。由此，阴极压缩机24的转矩被抑制，因此能够降低从蓄电池55向阴极压缩机24供应的电力。
下限请求压力设定部353选择湿润请求压力的下限值、和来自预热限制部233的输出值之中较大的值，将该选择出的值作为性能请求压力的下限值而输出至压力限制部342。
例如，若蓄电池过放电标志被设定为“1”，从预热限制部233输出预热限制值(0)，则下限请求压力设定部353作为性能请求压力的下限值而将湿润请求压力的下限值输出至压力限制部342。即，在从蓄电池55向辅机类57放电电流的情况下，下限请求压力设定部353将阴极气体的性能请求压力的下限值从预热请求压力切换为湿润请求压力。
压力限制部342选择来自上限请求压力运算部341的性能请求压力的上限值、和来自下限请求压力运算部343的性能请求流量的下限值之中较小的值，将所选择的值作为堆性能请求的下限压力而输出至目标压力设定部362。
例如，在燃料电池堆1的发电状态为良好的状态下，性能请求流量的上限值变得比性能请求流量的下限值低，所以性能请求流量的下限值作为堆性能请求的下限压力而从压力限制部342被输出。
另一方面，伴随燃料电池堆1的发电性能的降低而性能请求压力的上限值降低，若性能请求压力的上限值变得比性能请求压力的下限值低，则堆性能请求下限压力被性能请求压力的上限值限制而被输出至目标压力设定部362。
极间差压请求压力运算部361为了抑制极间差压的增大所导致的电解质膜的耐久性的恶化，运算阴极气体的压力的下限值。
例如，在极间差压请求压力运算部361中存储差压限制图。在差压限制图中，通过电解质膜的允许差压而决定的阴极气体的请求压力与被供应给燃料电池堆1的阳极气体的每个压力建立对应。另外，差压限制图例如通过实验数据等而预先被设定。
极间差压请求压力运算部361若从阳极压力传感器34取得阳极气体压力的检测值，则参照差压限制图，算出与检测值建立对应的请求流量，将其算出值作为异常避免请求的下限流量而输出至目标压力设定部362。
目标压力设定部362选择堆性能请求的下限压力和异常避免请求的下限压力之中较大的值，将所选择的值作为阴极气体目标压力而算出。
例如，在燃料电池堆1的发电状态为良好的状态下，由于异常避免请求的下限流量与堆性能请求的下限压力相比变得更低，所以目标压力设定部362将堆性能请求的下限压力设定为阴极气体目标压力。
另一方面，在燃料电池堆1的极间差压变得比允许差压大，异常避免请求的下限压力变得比堆性能请求的下限流量大的情况下，目标流量设定部332将异常避免请求的下限压力设定为阴极气体目标压力。
像这样，在预热促进运转中从蓄电池55向辅机类57放电电力的情况下，将预热请求压力切换为0，从而使阴极气体目标压力降低。由此，能够降低对于阴极压缩机24的供应电力。
另外，在顾虑在预热促进运转中对于阴极压缩机24的供应电力被限制后，持续从蓄电池55向辅机类57放电电力而蓄电池55变得过放电的状况下，限制对于冷却水加热器46的供应电力。此处说明在预热促进运转中限制对于冷却水加热器46的供应电力的方法。
图7是表示加热器输出控制部203的详细结构的框图。
加热器输出控制部203在预热促进运转中对于阴极压缩机24的供应电力被限制后限制冷却水加热器46的输出。
加热器输出控制部203具备预热请求输出保持部213、预热限制部236、加热器可供应电力运算部237、通常控制部303。
通常控制部303具备温度请求输出运算部371、最大输出运算部372、目标输出设定部374。
温度请求输出运算部371为了适当地维持燃料电池堆1的温度，基于堆入口水温，运算对于冷却水加热器46的供应电力的上限值。
具体而言，以能够将燃料电池堆1的温度维持为适于发电的温度、例如50℃的方式生成的温度请求图被预先存储至温度请求输出运算部371。在温度请求图中，为了调整为适于发电的温度而决定的冷却水加热器46的请求输出与每个冷却水温度建立对应。温度请求图例如通过实验数据等而设定。
并且温度请求输出运算部371若从第二水温传感器48取得堆入口水温的检测值，则参照温度请求图，算出与检测值建立对应的请求输出。
例如，若堆入口水温到达50℃附近，则温度请求输出运算部371算出较小的值的请求输出，将其算出值作为温度请求输出的上限值，输出至目标输出设定部374。由此，能够将燃料电池堆1的温度维持为适于发电的温度。
最大输出运算部372运算能够对冷却水进行加热而不使冷却水沸腾的冷却水加热器46的最大输出(供应电力的上限值)。最大输出运算部372基于循环泵45的旋转速度，算出对于冷却水加热器46的供应电力的上限值。循环泵45的旋转速度越快，则冷却水越难以通过冷却水加热器46沸腾，所以最大输出运算部372提高冷却水加热器46的供应电力的上限值。
此外，最大输出运算部372根据堆入口水温以及堆出口水温的平均值，对冷却水加热器46的输出的上限值进行校正。进而最大输出运算部372根据堆出口水温，对冷却水加热器46的输出的上限值进行校正。
例如，在最大输出运算部372中，记录按每个堆入口水温以及堆出口水温的平均值而生成的最大输出图。在最大输出图中，循环泵45的旋转速度、和为了防止冷却水的沸腾而决定的请求输出相互建立对应。最大输出图例如通过实验数据等而设定。
最大输出运算部372若取得循环泵45的旋转速度、堆入口水温以及堆出口水温的检测值，则算出堆入口水温的检测值以及堆出口水温的检测值的平均值。最大输出运算部372参照与该平均值对应的最大输出图，将与循环泵45的旋转速度的检测值建立对应的请求输出作为加热器输出上限值而输出至目标输出设定部374。
预热请求输出保持部213保持燃料电池堆1的预热所需的预热请求输出的下限值。预热请求输出的下限值例如为5kW，该预热请求输出被输出至目标输出设定部374。另外，预热请求输出的下限值在燃料电池系统100的启动时通过预热运转部210而被设定。
目标输出设定部373选择温度请求输出的上限值、加热器输出的上限值、和预热请求输出的下限值之中最小的值，将所选择的值作为加热器供应电力的上限值而输出至预热限制部236。
在预热促进运转时，预热请求输出的下限值最小，因此目标输出设定部374将预热请求输出的下限值设定为加热器供应电力的目标值。
加热器可供应电力运算部237在蓄电池55的可放电电力的范围内，运算能够向冷却水加热器46供应的电力的上限值。加热器可供应电力运算部237将其运算结果输出至预热限制部236。另外，关于加热器可供应电力运算部237的详细结构，参照图8而在后面叙述。
预热限制部236选择加热器供应电力的目标值、和对于冷却水加热器46的可供应电力的上限值之中较小的值，将所选择的值作为对于冷却水加热器46的目标供应电力而输出至冷却水加热器指令部250。
例如，在预热促进运转中燃料电池堆1稳定时，从燃料电池堆1向冷却水加热器46的可供应电力变得比加热器供应电力的目标值大，所以预热限制部236输出加热器供应电力的目标值。
另一方面，在预热促进运转中燃料电池堆1的IV特性差时，存在能够向冷却水加热器46供应的电力变得比加热器供应电力的目标值低的情况。此时，预热限制部236将对于冷却水加热器46的目标供应电力限制为能够向冷却水加热器46供应的电力的上限值。
冷却水加热器指令部250通过与冷却水加热器46连接的电流传感器的检测值、和蓄电池电流传感器58的检测值来调整冷却水加热器46的输出，以使被供应给冷却水加热器46的电力成为目标供应电力。
图8是表示加热器可供应电力运算部237的详细结构的框图。
加热器可供应电力运算部237具备加法部2371、减法部2372、运算部2373、下限放电电力保持部2374、可供应电力设定部2375。
加法部2371对阴极压缩机24的消耗电力、循环泵45的消耗电力、DC/DC转换器56的损失电力进行合计，算出除去冷却水加热器46的消耗电力之外的辅机消耗电力。另外，阴极压缩机24的消耗电力、循环泵45的消耗电力、DC/DC转换器56的损失电力是图5所叙述的参数。
若通过图4以及图6所示的蓄电池过放电防止标志而预热被限制，则阴极压缩机24的消耗电力表示在预热被限制的状态下的消耗电力。
减法部2372从燃料电池堆1的发电电力减去从驱动电机53请求的电机请求电力，算出能够向辅机类57供应的辅机可供应电力。另外，在预热促进运转中行驶没有被许可的状况下，电机请求电力表示“0”，燃料电池堆1的发电电力仅被供应给辅机类57。
运算部2373对能够从燃料电池堆1向冷却水加热器46供应的电力加上蓄电池可放电电力，运算能够向冷却水加热器46供应的电力的上限值。
蓄电池可放电电力例如基于由SOC传感器62检测出的SOC而被设定。此外，若蓄电池55的SOC与用于防止过放电的放电阈值相比降低，则蓄电池可放电电力被设定为“0”。
具体而言，运算部2373从由减法部2372算出的辅机可供应电力，减去除去了冷却水加热器46的消耗电力的辅机消耗电力，算出能够从燃料电池堆1向冷却水加热器46供应的堆可供应电力。
并且运算部2373对堆可供应电力加上蓄电池可放电电力而算出能够向冷却水加热器46供应的加热器可供应电力。
下限放电电力保持部2374保持对于冷却水加热器46的供应电力的下限值。在本实施方式中，对于冷却水加热器46的供应电力的下限值为“0”，该下限值被输出至可供应电力设定部2375。
可供应电力设定部2375在加热器可供应电力比下限值(0)大的情况下，将加热器可供应电力输出至图7所示的预热限制部236。
像这样，加热器可供应电力运算部237对能够从燃料电池堆1向冷却水加热器46供应的电力的上限值，加上能够从蓄电池55向冷却水加热器46放电的电力的上限值，算出能够向冷却水加热器46供应的电力的上限值。
由此，即使在燃料电池堆1的发电电力与辅机类57的消耗电力相比不足的情况下，也能够在蓄电池可放电电力的范围内，向冷却水加热器46供应电力。因此，能够抑制蓄电池55的过放电，且促进燃料电池堆1的预热。
此外，在蓄电池55的SOC与放电阈值相比降低的情况下，蓄电池可放电电力被设定为“0”，因此能够防止蓄电池55的过放电。
图9是表示燃料电池系统100中的预热限制时的动作的时间图。
图9(a)是表示燃料电池堆1的发电电力的图。图9(b)是表示在燃料电池堆1中层叠的各电池单元之中单元电压最低的电池单元的单元电压(最低单元电压)的图。图9(c)是表示冷却水加热器46的输出的图。图9(d)是表示蓄电池55的充放电的图。
图9(e)是表示从阴极压缩机24向燃料电池堆1供应的阴极气体的流量的图。图9(f)是表示流过WRD27的入口孔的阴极气体的压力的图。图9(a)至图9(f)的各图的横轴是相互共同的时间轴。
在图9(a)～图9(f)中，在预热促进运转时燃料电池堆1的IV特性差而辅机类57的消耗电力被限制时的波形以实线示出。相对于此，不产生燃料电池堆1的输出降低而燃料电池堆1稳定发电时的波形以虚线示出。
首先，在时刻t0的紧前，控制器6通过来自钥匙传感器63的发动请求，执行燃料电池堆1的启动处理。
具体而言，控制器6对阳极调压阀33的开度进行调整而将燃料电池堆1的发电最低限度所需的阳极气体的压力供应给燃料电池堆1。与此同时控制器6对阴极调压阀29的开度进行调整而将阴极气体的压力控制为适于发电的压力，且对燃料电池堆1供应发电最低限度所需的阴极气体的流量。
在时刻t0中，燃料电池堆1的启动处理完成，控制器6的预热运转部210由于由第二水温传感器48检测出的堆入口水温比预热阈值低，开始预热促进运转。
并且控制器6的转换器控制部220对DC/DC转换器56的燃料电池堆1侧的电压进行控制，从燃料电池堆1向辅机类57供应发电电力。
具体而言，转换器控制部220为了从燃料电池堆1取出预热促进运转所需的请求电力，通过DC/DC转换器56的电压控制而使燃料电池堆1的输出电压降低。
通过使燃料电池堆1的输出电压降低，从燃料电池堆1取出的输出电流增加，所以如图9(a)所示，燃料电池堆1的发电电力上升。此外，通过使燃料电池堆1的输出电压降低，如图9(b)所示那样最低电池单元的单元电压也降低。
另外，在燃料电池堆1稳定的通常状态时，如图9(b)的虚线所示，在最低单元电压降低至电压阈值为止之前，燃料电池堆1的发电电力到达预热促进运转所需的辅机类57的预热请求电力。
在时刻t1，如图9(b)的实线所示，燃料电池堆1的IV特性差，燃料电池堆1的发电电力比预热请求电力低，因此电池单元的最低单元电压降低至规定的电压阈值。电压阈值是为了避免燃料电池堆1的异常降低而决定的单元电压的下限值，例如通过实验数据等而决定。
若最低单元电压降低至规定的电压阈值为止，则控制器6为了避免燃料电池堆1的输出极端地降低，禁止DC/DC转换器56的燃料电池堆1侧的电压从电压阈值降低。
其结果，如图9(a)所示，从燃料电池堆1取出的发电电力与预热请求电力相比变低。此时在控制器6的过放电防止标志生成部500中，燃料电池堆剩余发电电力变得比“0”大，所以蓄电池过放电防止标志被设定为“1”。
由此，在图4所示的阴极气体流量控制部201中，预热请求流量被限制为“0”，所以由通常控制部301运算的各请求流量之中此处发电请求流量的算出值被设定为阴极气体目标流量。
因此，如图9(e)所示，阴极气体的流量被维持为燃料电池堆1的发电所需的发电请求流量。从而，阴极压缩机24的旋转速度没有上升，因此由阴极压缩机24消耗的电力被限制得比预热所需的请求电力低。
此外，通过蓄电池过放电防止标志被设定为“1”，在图6所示的阴极气体压力控制部202中，预热请求压力被限制为“0”，因此由通常控制部302运算的请求压力之中此处湿润请求压力的算出值被设定为阴极气体目标压力。
因此，如图9(f)所示，阴极气体的压力被维持为为了良好地维持燃料电池堆1的湿润状态所需的请求压力。从而，在阴极压缩机24中产生的转矩不增加，因此由阴极压缩机24消耗的电力进一步被限制得比预热所需的请求电力低。
通过限制阴极压缩机24的消耗电力，能够将从预热所需的请求电力至发电所需的请求电力为止的差量的电力供应给冷却水加热器46，因此能够增加对于冷却水加热器46的供应电力而促进预热。
此外，在时刻t1，在阴极压缩机24的消耗电力被限制的状态下，能够从燃料电池堆1向冷却水加热器46供应的电力也与预热所需的请求电力相比不足。因此，控制器6的转换器控制部220通过DC/DC转换器56的电压控制而从蓄电池55向冷却水加热器46放电电力。
如图9(c)以及图9(d)所示，通过限制了阴极压缩机24的消耗电力，能够在蓄电池55的可放电电力的范围内，将预热请求输出所需的供应电力供应给冷却水加热器46。
由此，如图9(c)所示，冷却水加热器46的输出被控制为预热请求输出的值。像这样，在限制了阴极压缩机24的消耗电力的状态下，燃料电池堆1的发电电力比由辅机类57消耗的电力小时，通过转换器控制部220，从蓄电池55在可放电的范围内向冷却水加热器46放电电力。因此，冷却水加热器46的输出没有被限制为零，因此能够抑制蓄电池55的过放电的产生，且高效地对燃料电池堆1进行预热。
另外，在图8所示的加热器可供应电力运算部237中，能够从蓄电池55向辅机类57放电的电力、和能够从燃料电池堆1向冷却水加热器46供应的电力的总和作为加热器可供应电力而被输出。并且，在由图7所示的加热器输出控制部203中，加热器可供应电力高于预热请求输出，因此预热限制部236将预热请求输出作为加热器目标供应电力而输出。
之后，通过伴随燃料电池堆1的发电的自发热、冷却水加热器46对冷却水的加热，燃料电池堆1被加温，燃料电池堆1的IV特性恢复。伴随燃料电池堆1的IV特性的恢复，如图9(a)所示，燃料电池堆1的发电电力逐渐上升。
另一方面，伴随从蓄电池55向冷却水加热器46的电流的放电，如图9(d)的虚线所示，蓄电池55的可放电电力的上限值逐渐降低。
在时刻t2，如图9(d)所示，伴随蓄电池55的可放电电力的降低，不能在蓄电池55的可放电电力的范围内确保冷却水加热器46的预热请求输出。此时，在加热器输出控制部203中，加热器可供应电力变得比预热请求输出低，因此预热限制部236将加热器目标供应电力切换为加热器可供应电力。
由此，伴随蓄电池55的可放电电力的降低，如图9(c)所示，冷却水加热器46的输出从发电请求输出逐渐降低。从而，对冷却水加热器46以不超过蓄电池可放电电力的上限值的方式从蓄电池55补充电力，所以能够抑制蓄电池55的放电，且高效地对燃料电池堆1进行预热。
根据本发明的第二实施方式，在预热促进运转中从蓄电池55向辅机类57供应电力的情况下，蓄电池过放电防止标志被设定为“1”，对于阴极压缩机24的供应电力被限制。
例如，阴极气体流量控制部201在蓄电池过放电防止标志表示“1”的情况下，将阴极气体的目标流量从预热所需的预热请求流量，降低至由通常控制部302运算的各请求流量之中例如发电请求流量为止。
此外，阴极气体压力控制部202在蓄电池过放电防止标志表示“1”的情况下，将阴极气体的目标压力从预热所需的预热请求压力，降低至由通常控制部302运算的各请求压力之中例如湿润请求压力为止。
像这样，在预热促进运转中从蓄电池55向辅机类57供应电力的情况下，阴极气体的目标流量以及目标压力被抑制，因此能够限制对于阴极压缩机24的供应电力。
从而，能够抑制蓄电池55的过放电的产生，且使燃料电池堆1的预热的促进优先。
此外在本实施方式中，在预热限制时阴极气体的目标流量以及目标压力分别被切换为由通常控制部301以及302运算的请求流量以及请求压力，因此能够以简易的控制逻辑来实现。
此外在本实施方式中，在预热促进运转中限制了对于阴极压缩机24的供应电力的状态下，从蓄电池55向冷却水加热器46放电电力时，加热器输出控制部203限制冷却水加热器46的输出。
即，在预热促进运转中限制了阴极压缩机24的消耗电力的状态下，从蓄电池55向冷却水加热器46供应的放电电力超过蓄电池可放电电力时，加热器输出控制部203限制冷却水加热器46的输出。
像这样，通过使冷却水加热器46的限制与限制阴极压缩机24的定时相比更延迟，能够抑制蓄电池55的过放电的产生，且使基于冷却水加热器46的预热优先。
此外，通过冷却水加热器46而使燃料电池堆1的温度上升的预热效果与由阴极压缩机24的消耗电力的增加带来的预热效果相比效率高，所以能够高效地利用蓄电池55的电力。
另外，在第二实施方式中说明了在限制阴极压缩机24的消耗电力时，同时限制阴极气体的目标流量以及目标压力这双方的例子，但不限于此。
因此在本发明的第三以及第四实施方式中，说明限制阴极压缩机24的消耗电力的其他限制方法。另外，第三以及第四实施方式中的燃料电池系统的结构基本上与图1所示的燃料电池系统100的结构相同。
(第三实施方式)
在本发明的第三实施方式中，预热限制部230不限制阴极气体目标流量，仅限制阴极气体目标压力。例如，预热限制部230将在阴极气体压力控制部202的预热限制值保持部234中设定的预热限制值，根据压缩机可供应电力的上限值而变更。
压缩机可供应电力是在预热促进运转中向除了阴极压缩机24的辅机类57供应发电电力的状态下，能够仅从燃料电池堆1向阴极压缩机24供应的电力。
具体而言，预热限制部230对图5所叙述的循环泵45的消耗电力、冷却水加热器46的消耗电力、和DC/DC转换器56的损失电力进行合算，算出除了阴极压缩机24的辅机消耗电力。预热限制部230从燃料电池堆1的发电电力减去除了该阴极压缩机24的辅机消耗电力，算出压缩机可供应电力。
并且，压缩机可供应电力变得越大，则预热限制部230将越大的值的预热限制值设定至预热限制值保持部234。由此，能够在燃料电池堆1的发电电力的范围内，将阴极气体目标压力设为比由通常控制部302运算的请求压力更高。
图10是表示第三实施方式中的预热限制时的动作的时间图。另外，图10(a)至图10(f)的各附图的纵轴分别与图9(a)至图9(f)的各附图相同，图10(a)至图10(f)的各附图的横轴是相互共同的时间轴。
在时刻t10，与图9同样，由于由第二水温传感器48检测出的堆入口水温比规定的预热温度低，控制器6的预热运转部210开始预热促进运转。
并且控制器6的转换器控制部220对DC/DC转换器56的电压进行控制而使燃料电池堆1的输出电压降低。由此，燃料电池堆1的输出电流增加，所以如图10(a)所示，燃料电池堆1的发电电力上升。此外，燃料电池堆1的输出电压降低，因此如图10(b)所示，最低电池单元的单元电压也降低。
在时刻t11，与图9同样，即使如图10(b)所示那样最低单元电压降低至电压阈值为止，如图10(a)所示那样燃料电池堆1的发电电力也不到达预热请求电力为止。因此，在控制器6的过放电防止标志生成部500中，燃料电池堆剩余发电电力变得比“0”大，蓄电池过放电防止标志被设定为“1”。
此时，预热限制部230算出来自燃料电池堆1的压缩机可供应电力，基于压缩机可供应电力，运算阴极气体压力的预热限制值，将其运算结果设定至图6所示的预热限制值保持部234。由此，在阴极气体压力控制部202中，阴极气体目标压力从预热请求压力被切换为基于压缩机可供应电力的预热限制值。
因此，如图10(f)所示，阴极气体的压力被限制为比湿润请求压力高的预热限制值。由此，由阴极压缩机24消耗的电力的降低量能够在燃料电池堆1的发电电力的范围内被抑制为最小限度。此外，在此，通过限制阴极压缩机24的消耗电力，如图10(c)以及图10(d)所示那样，预热请求输出所需的供应电力仅从燃料电池堆1被供应给冷却水加热器46，而不从蓄电池55补充电力。
之后，伴随燃料电池堆1的IV特性的恢复，如图10(a)所示那样，燃料电池堆1的发电电力逐渐上升。伴随于此，图6所叙述的湿润请求压力也上升。
因此，在时刻12，在阴极气体压力控制部202中，湿润请求压力变得比预热限制值大，所以阴极气体目标压力被切换为湿润请求压力。
像这样，在第三实施方式中，在燃料电池堆1的预热促进运转中，限制对于阴极压缩机24的供应电力的情况下，不限制阴极气体的流量，仅限制阴极气体的压力。
一般而言，在燃料电池系统100的零下启动时，燃料电池堆1内的饱和水蒸气量变低，所以伴随发电的水蒸气凝缩而成为凝缩水，该凝缩水易于留存在电解质膜上，因此存在产生所谓水淹(flooding)的可能性。
作为其对策，考虑通过增加被供应给燃料电池堆1的阴极气体的流量，从而使从燃料电池堆1带出的水蒸气的量增加、降低阴极气体的压力，从而抑制凝缩水的产生等。
因此在本实施方式中，在限制阴极压缩机24的消耗电力的情况下，不限制阴极气体的流量而是限制阴极气体的压力。由此，能够抑制蓄电池55的过放电，且抑制在零下启动时易于产生的水淹。
(第四实施方式)
在本发明的第四实施方式中，预热限制部230在限制了阴极气体目标压力的状态下，限制阴极气体目标流量。例如，预热限制部230将在阴极气体流量控制部201的预热限制值保持部232中设定的预热限制值，根据第三实施方式所叙述的压缩机可供应电力的上限值而变更。
具体而言，预热限制部230算出将阴极气体目标流量以及阴极气体目标压力这两者限制为通常控制部301以及302的请求流量(例如发电请求流量)以及请求压力(例如湿润请求压力)时的请求电力。
并且预热限制部230在压缩机可供应电力高于请求电力的情况下，根据其剩余电力的大小，将阴极气体流量的预热限制值设定得较高。由此，在将阴极气体目标压力限制为请求压力的状态下，能够将阴极气体目标流量设为比请求流量更高。
图11是表示第四实施方式中的预热限制时的动作的时间图。另外，图11(a)至图11(f)的各附图的纵轴分别与图9(a)至图9(f)的各附图相同，图11(a)至图11(f)的各附图的横轴是相互共同的时间轴。
在时刻t20，与图9同样地，由于由第二水温传感器48检测出的堆入口水温比规定的预热温度低，控制器6的预热运转部210开始预热促进运转。
并且控制器6的转换器控制部220对DC/DC转换器56的电压进行控制而使燃料电池堆1的输出电压降低。由此，燃料电池堆1的输出电流增加，所以如图11(a)所示，燃料电池堆1的发电电力上升。此外，燃料电池堆1的输出电压降低，因此如图11(b)所示，最低电池单元的单元电压也降低。
在时刻t21，即使如图11(b)所示那样最低单元电压降低至电压阈值为止，如图10(a)所示那样燃料电池堆1的发电电力不会上升至预热促进运转所需的请求电力为止。因此，在控制器6的过放电防止标志生成部500中，燃料电池堆剩余发电电力变得比“0”大，蓄电池过放电防止标志被设定为“1”。
此时，预热限制部230算出来自燃料电池堆1的压缩机可供应电力。并且预热限制部230根据在将阴极气体压力以及阴极气体流量的各预热限制值一起设定为“0”时的请求电力与压缩机可供应电力的差量，将阴极气体流量的预热限制值设定至预热限制值保持部232。由此，在阴极气体流量控制部201中，阴极气体目标流量从预热请求流量被切换为基于压缩机可供应电力的预热限制值。
因此，如图11(f)所示，阴极气体的流量上升至比发电请求流量高的预热限制值为止。由此，由阴极压缩机24消耗的电力的降低量能够在燃料电池堆1的发电电力的范围内抑制为最小限度。另外，通过限制阴极压缩机24的消耗电力，如图11(c)以及图11(d)所示，预热请求输出所需的供应电力仅从燃料电池堆1被供应给冷却水加热器46，而不从蓄电池55补充电力。
之后，伴随燃料电池堆1的IV特性的恢复，如图11(a)所示，燃料电池堆1的发电电力逐渐上升。伴随于此，图4所叙述的发电请求流量也上升。
在时刻22，在阴极气体流量控制部201中，发电请求压力变得比预热限制值大，所以阴极气体目标压力被切换为发电请求流量。
像这样，在第四实施方式中，在燃料电池堆1的预热促进运转中限制对于阴极压缩机24的供应电力的情况下，将阴极气体的压力限制为通常控制部301的请求压力的状态下，限制阴极气体的流量。
根据第四实施方式，在限制阴极压缩机24的消耗电力的情况下，在限制了阴极气体压力后限制阴极气体流量，因此与第三实施方式相比能够增加阴极压缩机24的消耗电力的削减量。
此外，与阴极气体流量相比优先限制阴极气体压力，因此能够抑制水淹的产生，且抑制蓄电池55的放电。
这样根据第三以及第四实施方式，预热限制部230根据压缩机可供应电力，提高对于阴极压缩机24的供应电力的预热限制值。由此，与第二实施方式相比，能够使燃料电池堆1的自发热量增加，能够缩短预热时间。
以上，说明了本发明的实施方式，但上述实施方式不过表示本发明的应用例的一部分，不是将本发明的技术的范围限定于上述实施方式的具体构成的意旨。
在本实施方式中说明了在阴极气体流量控制部201在从蓄电池55向辅机类57放电电力的时刻，限制阴极气体的预热请求流量的例子，但不限于此。
例如，阴极气体流量控制部201也可以根据从蓄电池55向辅机类57供应的放电电能，限制预热请求流量。
具体而言，蓄电池55的SOC变得越小，则预热限制部230越减小在预热限制值保持部232中设定的预热限制值。或也可以是预热限制部230使用蓄电池电流传感器58以及蓄电池电压传感器59，对从蓄电池55向辅机类57供应的放电电能进行累计，该放电电能变得越大则越减小预热限制值。
由此，通过在蓄电池55不会过放电的范围使阴极压缩机24的消耗电力增加，能够使燃料电池堆1的预热优先。另外，在阴极气体压力控制部202中同样，通过根据从蓄电池55向辅机类57供应的电能而减小预热请求压力，能够使燃料电池堆1的预热优先。
此外，在本实施方式中说明了使用压缩机作为向燃料电池堆1供应阴极气体的气体供应部的例子，但也可以代替阴极压缩机24，使用具有致动器的送风机、泵等。
此外，在本实施方式中说明了阳极气体非循环型的燃料电池系统，但还能够应用于阳极气体循环型的燃料电池系统。例如，在从阳极气体排出通路35分支而与阳极气体供应通路32合流的循环通路中设置气体循环泵，在预热促进运转时将气体循环泵设为比发电所需的请求流量更高。在这样的结构中，在预热限制时将气体循环泵的消耗电力与冷却水加热器46相比更先进行限制。此时，能够抑制蓄电池55的放电，且实现燃料电池堆1的预热的促进。
另外，上述实施方式能够适当组合。
本申请主张基于2013年10月8日在日本特许厅申请的特愿2013－211314的优先权，本申请的全部的内容通过参照而被编入本说明书。

Claims (7)

1.一种燃料电池系统，其中，包含：
蓄电池，储蓄电力；
辅机，包含进行驱动以使用于使燃料电池发电的气体被供应给所述燃料电池的致动器、和加热对所述燃料电池进行循环的冷却水的加热器；
预热运转部，通过对所述辅机的动作进行调整，从而从所述燃料电池进行输出以取得规定的电力；
放电控制部，在通过所述燃料电池而发电的发电电力比由所述辅机消耗的电力小的情况下，从所述蓄电池向所述辅机供应电力；
辅机限制部，在通过所述加热器进行所述燃料电池的预热的情况下，在通过所述放电控制部从所述蓄电池向所述辅机供应电力时，限制由所述致动器消耗的电力。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，还包含：
通常控制部，根据所述燃料电池的发电状态，控制对于所述致动器的供应电力，
所述辅机限制部在所述燃料电池的预热时判断为所述发电电力比所述规定的电力小的情况下，将由所述致动器消耗的电力限制为通过所述通常控制部而控制的供应电力为止。
3.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
所述辅机限制部在通过所述放电控制部从所述蓄电池向所述辅机供应电力的情况下，从所述蓄电池向所述辅机放电的电能变得越大，则越减小对于所述致动器的供应电力。
4.如权利要求1至权利要求3的任一项所述的燃料电池系统，其中，
所述辅机限制部在限制了由所述致动器消耗的电力的情况下，在从所述蓄电池向所述辅机供应的电力比能够通过所述蓄电池而放电的电力大时，限制对于所述加热器的供应电力。
5.如权利要求1至权利要求4的任一项所述的燃料电池系统，其中，
所述辅机限制部在限制了由所述致动器消耗的电力的状态下，所述发电电力比由所述辅机消耗的电力小的情况下，不通过所述放电控制部限制从所述蓄电池向所述加热器放电的电力。
6.如权利要求1至权利要求3的任一项所述的燃料电池系统，其中，
所述辅机限制部在减小由驱动所述致动器而供应阴极气体的气体供应部消耗的电力的情况下，限制被供应给所述燃料电池的阴极气体的压力后，限制所述阴极气体的流量。
7.一种燃料电池系统的控制方法，所述燃料电池系统具备：
辅机，包含进行驱动以使用于使燃料电池发电的气体被供应给所述燃料电池的致动器和加热对所述燃料电池进行循环的冷却水的加热器；以及
蓄电池，储蓄电力，
其中，所述控制方法包含：
预热运转步骤，通过对所述辅机的动作进行调整，从而从所述燃料电池进行输出以取得规定的电力；
放电控制步骤，在由所述燃料电池发电的发电电力比由所述辅机消耗的电力小的情况下，从所述蓄电池向所述辅机供应电力；以及
辅机限制步骤，在通过所述加热器进行所述燃料电池的预热的情况下，通过所述放电控制步骤从所述蓄电池向所述辅机供应电力时，限制由所述致动器消耗的电力。
CN201480055434.XA 2013-10-08 2014-09-18 燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法 Expired - Fee Related CN105612653B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013-211314 2013-10-08
JP2013211314 2013-10-08
PCT/JP2014/074728 WO2015053060A1 (ja) 2013-10-08 2014-09-18 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105612653A true CN105612653A (zh) 2016-05-25
CN105612653B CN105612653B (zh) 2017-07-21

Family

ID=52812880

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201480055434.XA Expired - Fee Related CN105612653B (zh) 2013-10-08 2014-09-18 燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法

Country Status (6)

Country Link
US (1) US10020553B2 (zh)
EP (1) EP3057165B1 (zh)
JP (1) JP6252595B2 (zh)
CN (1) CN105612653B (zh)
CA (1) CA2926903C (zh)
WO (1) WO2015053060A1 (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106532083A (zh) * 2016-12-15 2017-03-22 新源动力股份有限公司 一种含水热管理结构设计的燃料电池连接模块
CN111509267A (zh) * 2019-01-30 2020-08-07 丰田自动车株式会社 燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法
CN113725465A (zh) * 2020-05-25 2021-11-30 丰田自动车株式会社 燃料电池系统
CN114725447A (zh) * 2020-12-18 2022-07-08 株式会社东芝 燃料电池系统的运转方法及燃料电池系统

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6044620B2 (ja) * 2014-11-13 2016-12-14 トヨタ自動車株式会社 燃料電池車両
GB2532930B (en) * 2014-11-27 2022-02-16 Intelligent Energy Ltd Fuel cell and coolant storage
DE102015221613A1 (de) * 2015-11-04 2017-05-04 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Speichereinheit, sowie Verfahren zum Betreiben einer stromerzeugenden Einheit
JP6364043B2 (ja) * 2016-06-03 2018-07-25 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
JP6897489B2 (ja) * 2017-10-23 2021-06-30 トヨタ自動車株式会社 燃料電池車
KR102507227B1 (ko) * 2017-11-27 2023-03-08 현대자동차주식회사 연료전지 차량의 전력 분배 시스템 및 방법
DE102018215085A1 (de) * 2018-09-05 2020-03-05 Continental Automotive Gmbh Regelstrategie zum Aufheizen eines Brennstoffzellenfahrzeuges
KR102647199B1 (ko) * 2019-04-22 2024-03-14 현대자동차주식회사 친환경 차량의 배터리 관리 시스템 및 방법
JP7367611B2 (ja) * 2020-05-22 2023-10-24 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001236978A (ja) * 2000-02-21 2001-08-31 Denso Corp 燃料電池システム
JP2007188825A (ja) * 2006-01-16 2007-07-26 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム及び燃料電池車両
US20080248351A1 (en) * 2007-04-06 2008-10-09 Honda Motor Co., Ltd. Fuel Cell System
CN101529634A (zh) * 2006-10-19 2009-09-09 丰田自动车株式会社 燃料电池系统

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3599761B2 (ja) 1993-09-28 2004-12-08 バラード パワー システムズ インコーポレイティド 燃料電池の暖機システム
JP2004247164A (ja) * 2003-02-13 2004-09-02 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP5083603B2 (ja) 2007-06-22 2012-11-28 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
US8007946B2 (en) * 2007-09-24 2011-08-30 GM Global Technology Operations LLC Fuel cell system warm-up strategy with reduced efficiency losses
GB2453127A (en) 2007-09-26 2009-04-01 Intelligent Energy Ltd Fuel Cell System
JP5176590B2 (ja) * 2008-02-25 2013-04-03 日産自動車株式会社 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法
JP5286990B2 (ja) * 2008-07-08 2013-09-11 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001236978A (ja) * 2000-02-21 2001-08-31 Denso Corp 燃料電池システム
JP2007188825A (ja) * 2006-01-16 2007-07-26 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム及び燃料電池車両
CN101529634A (zh) * 2006-10-19 2009-09-09 丰田自动车株式会社 燃料电池系统
US20080248351A1 (en) * 2007-04-06 2008-10-09 Honda Motor Co., Ltd. Fuel Cell System

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106532083A (zh) * 2016-12-15 2017-03-22 新源动力股份有限公司 一种含水热管理结构设计的燃料电池连接模块
CN106532083B (zh) * 2016-12-15 2023-07-28 新源动力股份有限公司 一种含水热管理结构设计的燃料电池连接模块
CN111509267A (zh) * 2019-01-30 2020-08-07 丰田自动车株式会社 燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法
CN113725465A (zh) * 2020-05-25 2021-11-30 丰田自动车株式会社 燃料电池系统
CN113725465B (zh) * 2020-05-25 2024-04-05 丰田自动车株式会社 燃料电池系统
CN114725447A (zh) * 2020-12-18 2022-07-08 株式会社东芝 燃料电池系统的运转方法及燃料电池系统
CN114725447B (zh) * 2020-12-18 2024-09-10 株式会社东芝 燃料电池系统的运转方法及燃料电池系统

Also Published As

Publication number Publication date
US20160240904A1 (en) 2016-08-18
EP3057165A1 (en) 2016-08-17
EP3057165A4 (en) 2016-09-28
JP6252595B2 (ja) 2017-12-27
CA2926903C (en) 2018-07-31
CA2926903A1 (en) 2015-04-16
JPWO2015053060A1 (ja) 2017-03-09
WO2015053060A1 (ja) 2015-04-16
EP3057165B1 (en) 2018-09-12
US10020553B2 (en) 2018-07-10
CN105612653B (zh) 2017-07-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105612653A (zh) 燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法
JP3719229B2 (ja) 電源装置
KR101859803B1 (ko) 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 운전 제어 방법
JP5456721B2 (ja) 燃料電池システム
CN104871356B (zh) 燃料电池系统及其控制方法
JP5233312B2 (ja) 燃料電池システム
JP6187774B2 (ja) 燃料電池システム及び燃料電池システムの運転制御方法
US11097636B2 (en) Fuel cell vehicle
JP5971408B2 (ja) 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法
CN104704666B (zh) 燃料电池系统以及控制方法
KR102316963B1 (ko) 연료 전지 시스템
JP2017091682A (ja) 燃料電池システム制御方法及び燃料電池システム
CN105594043B (zh) 燃料电池系统
JP6160313B2 (ja) 燃料電池システム
JP2008103228A (ja) 燃料電池システム
JP2008034309A (ja) 燃料電池システム
JP2018006165A (ja) 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法
JP4984484B2 (ja) 燃料電池システムの制御装置
JP6191133B2 (ja) 燃料電池システム
JP2004253152A (ja) 電源システム及びその制御方法
JP5803445B2 (ja) 燃料電池システム
JP4867070B2 (ja) 燃料電池の加湿状態制御
JP6237067B2 (ja) 燃料電池システム
JP2013058416A (ja) 燃料電池車両
JP2018106866A (ja) 燃料電池システム

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20170721