CN107078320B - 燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法 - Google Patents

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Abstract

具有接受阳极气体以及阴极气体的供给而发电的燃料电池的车辆用的燃料电池系统，包括：怠速停止执行单元，根据车辆行驶状态使燃料电池系统怠速停止；压缩机控制单元，在怠速停止时，对阴极压缩机进行停止控制；外部气体导入控制单元，在怠速停止时抑制外部气体对燃料电池的导入。外部气体导入控制单元根据怠速停止中的燃料电池的电压，解除外部气体导入的抑制。

Description

燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法
技术领域
本发明涉及具有接受阳极气体以及阴极气体的供给而发电的燃料电池的车辆用的燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法。
背景技术
在车辆用的燃料电池系统中，执行根据车辆的行驶状态将燃料电池系统怠速停止(idle stop)的怠速停止控制。在怠速停止时，由于从燃料电池的电流的取出被停止，所以可以提高燃料电池系统中的耗电效率。
在特开2007－73278号公报中公开了通过在怠速停止时关闭阴极调压阀，防止被配置在阴极排出通路的稀释装置内的阳极气体(氢气)反向流过阴极侧的燃料电池系统。
发明内容
在燃料电池系统中，考虑从怠速停止至通常发电状态的顺畅的恢复，优选怠速停止中的燃料电池的电压处于规定电压范围内。在怠速停止中，阴极压缩机进行的阴极气体的供给被停止，在燃料电池内残留的阴极气体由于与透过到阴极侧来的阳极气体反应而被消耗，燃料电池的电压缓慢地降低。特别是，在上述的燃料电池系统中，存在由于在怠速停止时阴极调压阀关闭，所以阴极气体容易不足的问题。
本发明的目的是，提供能够抑制怠速停止中的阴极气体不足的燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法。
按照本发明的一个方式，提供具有接受阳极气体以及阴极气体的供给而发电的燃料电池的车辆用的燃料电池系统。燃料电池系统包括：怠速停止执行单元，根据车辆行驶状态使该燃料电池系统怠速停止；压缩机控制单元，在怠速停止时对阴极压缩机进行停止控制；以及外部气体导入控制单元，在怠速停止时抑制外部气体对燃料电池的导入。外部气体导入控制单元根据怠速停止中的燃料电池的电压解除外部气体导入的抑制。
附图说明
图1是本发明的第1实施方式的燃料电池系统的概略结构图。
图2是对怠速停止中的燃料电池堆(stack)的电压控制进行说明的图。
图3是表示第1实施方式的燃料电池系统的控制器执行的怠速停止时阴极供给控制的流程图。
图4是说明将阴极调压阀开阀而进行外部气体导入的情况下的怠速停止阴极控制的定时图。
图5是说明驱动阴极压缩机而强制地进行外部气体导入的情况下的怠速停止阴极控制的定时图。
图6是表示第2实施方式的燃料电池系统的控制器执行的怠速停止时阴极供给控制的流程图。
图7是说明第2实施方式下的怠速停止时阴极供给控制的定时图。
图8A是表示燃料电池系统的一个变形例的图。
图8B是表示燃料电池系统的一个变形例的图。
图8C是表示燃料电池系统的一个变形例的图。
图8D是表示燃料电池系统的一个变形例的图。
图9是本发明的第3实施方式的燃料电池系统的概略结构图。
图10是表示第3实施方式的燃料电池系统的控制器执行的怠速停止时阴极供给控制的流程图。
图11是表示第3实施方式的变形例的燃料电池系统的控制器执行的怠速停止时阴极供给控制的流程图。
具体实施方式
以下，参照附图等，说明本发明的各实施方式。
＜第1实施方式＞
参照图1，说明本发明的第1实施方式的燃料电池系统100。
图1所示的燃料电池系统100是被安装在燃料电池车辆等移动体上的燃料电池系统。燃料电池系统100包括：燃料电池堆1；阴极气体给排装置2；阳极气体给排装置3；电力系统4；以及控制器50。
燃料电池堆1是将燃料电池(单个单元)层积多个而构成的电池。燃料电池堆1接受阳极气体以及阴极气体的供给，发电车辆的行驶所需要的电力。
阴极气体给排装置2对燃料电池堆1供给阴极气体(空气)，同时将从燃料电池堆1排出的阴极废气排出到外部。阴极气体给排装置2包括：阴极气体供给通路21；阴极气体排出通路22；阴极压缩机23；阴极压力传感器24；以及阴极调压阀25。
阴极气体供给通路21是对燃料电池堆1供给的阴极气体流过的通路。阴极气体供给通路21的一端形成作为开口端，阴极气体供给通路21的另一端与燃料电池堆1的阴极气体入口部连接。阴极气体供给通路21的前端开口面临车辆前方来形成，成为容易取入外部气体的结构。
阴极气体排出通路22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22的一端连接到燃料电池堆1的阴极气体出口部，另一端形成作为开口端。阴极废气是包含阴极气体和由于电极反应生成的水蒸气等的混合气体。
阴极压缩机23被设置在阴极气体供给通路21的前端部分。阴极压缩机23取入作为阴极气体的空气，对燃料电池堆1供给阴极气体。阴极压缩机23构成为即使在停止了驱动的状态下，阴极气体也可以通过压缩机内。阴极压缩机23的动作由如后所述的控制器50控制。
阴极压力传感器24被设置在燃料电池堆1的阴极气体入口部近旁的阴极气体供给通路21上。阴极压力传感器24检测被提供给燃料电池堆1的阴极气体的压力。由阴极压力传感器24检测出的阴极气体压力，代表包含燃料电池堆1的阴极气体流路等的阴极系统整体的压力。
阴极调压阀25被设置在阴极气体排出通路22上。阴极调压阀25通过控制器50进行开闭控制，调整对燃料电池堆1供给的阴极气体的压力。
接着，说明阳极气体给排装置3。阳极气体给排装置3对燃料电池堆1供给阳极气体(氢气)，同时将从燃料电池堆1排出的阳极废气排出到阴极气体排出通路22。
阳极气体给排装置3包括：阳极气体供给通路31；阳极气体排出通路32；高压罐33；阳极调压阀34；阳极压力传感器35；以及清洗阀36。
高压罐33是将对燃料电池堆1供给的阳极气体保持为高压状态来储藏的容器。
阳极气体供给通路31是将从高压罐33排出的阳极气体提供给燃料电池堆1的通路。阳极气体供给通路31的一端连接到高压罐33，另一端连接到燃料电池堆1的阳极气体入口部。
阳极调压阀34被设置在比高压罐33更下游的阳极气体供给通路31上。阳极调压阀34通过控制器50进行开闭控制，调整对燃料电池堆1供给的阳极气体的压力。
阳极压力传感器35被设置在燃料电池堆1的阳极气体入口部近旁的阳极气体供给通路31上。阳极压力传感器35检测对燃料电池堆1供给的阳极气体的压力。由阳极压力传感器35检测出的阳极气体压力代表包含燃料电池堆1的阳极气体流路等的阳极系统整体的压力。
阳极气体排出通路32是流过从燃料电池堆1排出的阳极废气的通路。阳极气体排出通路32的一端连接到燃料电池堆1的阳极气体出口部，另一端连接到比阴极调压阀25更下游的阴极气体排出通路22。
清洗阀36被设置在阳极气体排出通路32上。清洗阀36通过控制器50进行开闭控制，控制从阳极气体排出通路32排出到阴极气体排出通路22的阳极废气的清洗流量。
在清洗阀36被打开执行清洗控制时，阳极废气通过阳极气体排出通路32以及阴极气体排出通路22被排出到外部。此时，阳极废气在阴极气体排出通路22内与阴极废气混合。这样，通过使阳极废气和阴极废气混合后排出到外部，混合气体中的氢浓度被设定为排出容许浓度以下的值。
电力系统4包括：行驶电动机41；逆变器42；电池43；DC/DC转换器44；电流传感器45；以及电压传感器46。
行驶电动机41是三相交流同步电动机，是用于驱动车辆的车轮的驱动源。行驶电动机41具有作为从燃料电池堆1以及电池43接受电力的供给而旋转驱动的电动机的功能、以及作为通过由外力旋转驱动而发电的发电机的功能。
逆变器42由IGBT等多个半导体开关构成。逆变器42的半导体开关由控制器50进行切换控制，由此直流电流被变换为交流电流，或者交流电流被变换为直流电流。在使行驶电动机41具有作为电动机的功能的情况下，逆变器42将燃料电池堆1的输出电流和电池43的输出电流的合成电流变换为三相交流电流，提供给行驶电动机41。相对于此，在使行驶电动机41具有作为发电机的功能的情况下，逆变器42将行驶电动机41的再生交流电流变换为直流电流，提供给电池43。
电池43被构成为充电燃料电池堆1的输出电力的剩余部分以及行驶电动机41的再生电力。对电池43充电的电力，根据需要被提供给阴极压缩机23等的辅助设备类或行驶电动机41。
DC/DC转换器44是使燃料电池堆1的输出电压升压降压的双方向性的电压变换机。通过由DC/DC转换器44控制燃料电池堆1的输出电压，调整燃料电池堆1的输出电流等。
电流传感器45检测从燃料电池堆1取出的输出电流。电压传感器46检测燃料电池堆1的输出电压，即燃料电池堆1的端子间电压。
控制器50由具有中央运算装置(CPU)、只读存储器(ROM)、随机接入存储器(RAM)以及入输出接口(I/O接口)的微计算机构成。
在控制器50中，除了输入来自阴极压力传感器24和阳极压力传感器35、电流传感器45、电压传感器46的信号之外，还输入来自检测油门踏板的踏入量的油门行程传感器51和检测车辆行驶速度的车速传感器52等检测车辆运转状态的传感器的信号。
控制器50根据车辆行驶状态以及燃料电池系统100的运转状态，计算燃料电池堆1的目标输出电力。控制器50根据行驶电动机41的要求电力和辅助设备类的要求电力、电池43的充放电要求等，计算目标输出电力。控制器50根据目标输出电力，参照预先确定的燃料电池堆1的电流电压特性，计算燃料电池堆1的目标输出电流。然后，控制器50使用DC/DC转换器44控制燃料电池堆1的电压，使得燃料电池堆1的输出电流成为目标输出电流。
而且，在例如低负载行驶时那样对燃料电池堆1的要求电力低的情况下，控制器50(怠速停止执行单元)执行暂时停止燃料电池堆1中的发电，仅以电池43的电力驱动行驶电动机41和辅助设备类等的、所谓怠速停止控制。在怠速停止中，在由于加速要求等要求电力增大、或者电池43的充电量低于了规定的阈值时，控制器50结束怠速停止，再次开始燃料电池堆1中的发电。
参照图2，说明怠速停止中的燃料电池堆1的电压控制。
在怠速停止中，阴极压缩机23的驱动基本上被停止，燃料电池堆1内残留的阴极气体由于与透过到阴极侧的阳极气体(氢气)反应而被消耗。由此，燃料电池堆1的电压缓慢地降低。怠速停止继续时间延长，燃料电池堆1的 电压过度降低时，在从怠速停止恢复后，为了燃料电池堆1的电压恢复至要求电压值而花费时间，对于加速要求等的响应延迟加大。
因此，如图2所示，在进行怠速停止的燃料电池系统100中进行管理，使得怠速停止中的燃料电池堆1的电压成为预先设定的下限值VL和上限值VH的范围内。而且，上限值VH被设定为能够避免高电位劣化的值。
如图2所示，燃料电池系统100构成为，在怠速停止中燃料电池堆1的电压低至了下限值VL的情况下，对燃料电池堆1供给阴极气体，直至该电压成为上限值VH。燃料电池系统100怠速停止中的阴极气体供给控制方面具有特征，利用环境风或行驶风等执行阴极气体的供给。
接着，参照图3，说明控制器50执行的怠速停止时阴极供给控制。图3是表示控制器50执行的怠速停止时阴极供给控制的流程图。怠速停止时阴极供给控制在燃料电池系统100的怠速停止中被反复执行。
在S101中，控制器50判定燃料电池系统100中是否在执行怠速停止控制中。例如，控制器50参照与怠速停止控制有关的曲线，根据曲线判定怠速停止控制是否在执行中。
怠速停止控制例如在低负载行驶时那样对燃料电池堆1的要求电力低的情况下被执行。即，在对于燃料电池堆1的要求负载为基准值以下、阳极气体压力以及阴极气体压力在规定压力范围内、且冷却燃料电池堆1的冷却水的温度为规定温度范围内的情况下，控制器50判定为怠速停止条件已成立，执行怠速停止控制。而且，在有来自驾驶员的加速要求等的情况下，控制器50中止怠速停止时阴极供给控制等的执行，从怠速停止控制恢复，再次开始通常发电控制。
在S101中判定为不在怠速停止执行中的情况下，控制器50结束怠速停止时阴极供给控制。相对于此，在S101中判定为在怠速停止执行中的情况下，控制器50(压缩机控制单元)执行S102的处理。
在S102中，控制器50停止阴极压缩机23的驱动。之后，在S103中，控制器50(外部气体导入控制单元)进行控制，使得阴极调压阀25为全闭状态。这样，通过关闭阴极调压阀25，可以防止在阴极压缩机23的停止中，行驶风等外部气体被不必要地提供给燃料电池堆1。而且，在怠速停止中，清洗阀36被关闭，阳极调压阀34进行开度控制，使得阳极气体压力成为规定压力。
在S104中，控制器50判定怠速停止中的燃料电池堆1的电压V1是否为下限值VL以下。燃料电池堆1的电压V1根据电压传感器46的检测信号进行计算。而且，燃料电池堆1的电压V1是燃料电池堆1的端子间电压，但是也可以是根据构成燃料电池堆1的各单个单元的电压算出的电压平均值等。
燃料电池堆1的电压V1大于下限值VL的情况下，控制器50反复执行S102～S104的处理，直至燃料电池堆1内的阴极气体被消耗，电压V1达到下限值VL。
相对于此，在燃料电池堆1的电压V1为下限值VL以下的情况下，控制器50判断为为了抑制从怠速停止恢复时的燃料电池堆1的输出电压的响应延迟，需要使燃料电池堆1的电压恢复，执行S105的处理。
在S105中，控制器50将阴极调压阀25从全闭状态控制为全开状态。这样，通过在怠速停止中打开阴极调压阀25，即使阴极压缩机23为停止状态，车辆的周围产生的环境风和车辆行驶时的行驶风也通过阴极压缩机23以及阴极气体供给通路21，被提供给燃料电池堆1。如在S103以及S105中说明的那样，阴极调压阀25具有在怠速停止中控制外部气体至燃料电池堆1的导入状态的功能。
在S106中，控制器50判定燃料电池堆1的电压V1是否为上限值VH以上。
在燃料电池堆1的电压V1为上限值VH以上的情况下，控制器50结束本次的怠速停止时阴极供给控制。之后，控制器50再次开始怠速停止时阴极供给控制，执行S101的处理。
相对于此，在燃料电池堆1的电压V1小于上限值VH的情况下，控制器50判断为燃料电池堆1的电压尚未恢复，执行S107的处理。
在S107中，控制器50判定压缩机驱动条件是否已成立。在S105中从打开阴极调压阀25开始经过了规定时间的情况下、在阴极调压阀25的开阀后，燃料电池堆1的电压V1降低至被设定得低于下限值VL的第2下限值VL2的情况下，控制器50判定为压缩机驱动条件已成立。
在S107中判定为压缩机驱动条件未成立的情况下，控制器50再次执行S106的处理。相对于此，在S107中判定为压缩机驱动条件已成立的情况下，控制器50执行S108的处理。
在S108中，控制器50驱动阴极压缩机23，将外部气体强制地提供给燃料电池堆1。在S108的处理后，控制器50再次执行S106的处理。这样，在压缩机驱动条件已成立的情况下，阴极压缩机23被驱动，继续阴极气体供给，直至燃料电池堆1的电压V1达到上限值VH。
在燃料电池系统100中，通过执行上述怠速停止时阴极供给控制，如图2所示，怠速停止中的燃料电池堆1的电压V1在下限值VL和上限值VH的范围内被管理。
参照图4以及图5，说明怠速停止时阴极供给控制的作用效果。图4是例示了将阴极调压阀25开阀进行外部气体导入的情况的图，是与图3的S105以及S106的处理相关联的定时图。图5是例示了驱动阴极压缩机23，强制地进行外部气体导入的情况的图，是与图3的S105～S108的处理相关联的定时图。
如图4所示，在时刻t11怠速停止条件成立时，在燃料电池系统100中执行怠速停止控制以及怠速停止时阴极供给控制。在时刻t11中，对阴极压缩机23的电力供给如图4(C)所示被停止，阴极调压阀25如图4(B)所示被关闭。这样，在阴极调压阀25被关闭时，外部气体(行驶风等)至燃料电池堆1的导入被抑制。由此，燃料电池堆1内残留的阴极气体通过与透过到阴极侧的阳极气体反应而被消耗，图4(A)所示，燃料电池堆1的电压缓慢地降低。
在时刻t12，燃料电池堆1的电压降低至下限值VL时，如图3的S105以及图4(B)所示，阴极调压阀25被控制为从全闭状态至全开状态。这样，在阴极调压阀25被打开时，即使阴极压缩机23为停止状态，车辆的周围产生的环境风和车辆行驶时的行驶风也通过阴极压缩机23以及阴极气体供给通路21被提供给燃料电池堆1。即使不通过阴极压缩机23强制地导入外部气体，由于行驶风等外部气体被导入，所以如图4(A)所示，燃料电池堆1的电压缓慢地上升。
然后，在时刻t13中，燃料电池堆1的电压达到上限值VH时，阴极调压阀25被关闭。之后，阴极调压阀25仍被维持全闭状态，直至燃料电池堆1的电压达到下限值VL，或者怠速停止控制结束。
如上述那样，在燃料电池系统100中，通过在怠速停止中燃料电池堆1的电压降低至下限值VL时打开阴极调压阀25，即使不驱动阴极压缩机23，也可以将行驶风等外部气体作为阴极气体提供给燃料电池堆1。
接着，参照图5，说明在怠速停止中驱动阴极压缩机23，强制地进行外部气体导入的情况。
如图5所示，在怠速停止中的时刻t14燃料电池堆1的电压降低至下限值VL时，如图3的S105以及图5(B)所示，阴极调压阀25被控制为从全闭状态至全开状态。由此，允许行驶风等外部气体被提供给燃料电池堆1。但是，还考虑在车辆的周围产生的环境风和车辆行驶时的行驶风弱的情况下，即使打开阴极调压阀25，也不能补充阴极气体不足，燃料电池堆1的电压不能恢复的情况。
在即使打开阴极调压阀25，燃料电池堆1的电压也不恢复，例如在时刻t15，燃料电池堆1的电压降低至第2下限值VL2时，作为压缩机驱动条件已成立，如图5(C)所示，对阴极压缩机23供给电力。由此，阴极压缩机23被驱动，外部气体被强制地提供给燃料电池堆1。其结果，如图5(A)所示，燃料电池堆1的电压上升。而且，也可以在即使从打开阴极调压阀25开始经过规定时间，燃料电池堆1的电压也未能达到上限值的情况下，作为压缩机驱动条件已成立，驱动阴极压缩机23。
在时刻t16中燃料电池堆1的电压达到上限值VH时，阴极压缩机23被停止，在其之后马上关闭阴极调压阀25。之后，阴极调压阀25仍维持全闭状态，直至燃料电池堆1的电压达到下限值VL，或者怠速停止控制结束。
如上述的那样，在燃料电池系统100中，在怠速停止中即使打开阴极调压阀25燃料电池堆1的电压也不恢复，规定的压缩机驱动条件成立的情况下，驱动阴极压缩机23。因此，即使在行驶风等弱的情况下，也可以对燃料电池堆1确实地供给阴极气体。这样，通过供给外部气体，可以消除怠速停止中的阴极气体不足，将燃料电池堆1的电压在下限值VL和上限值VH的范围内进行管理。
按照上述本实施方式的燃料电池系统100，可以得到以下的效果。
在燃料电池系统100中，控制器50在怠速停止时对阴极压缩机进行停止控制。此时，通过关闭被配置在阴极气体排出通路22上的阴极调压阀25，可以抑制行驶风等外部气体至燃料电池堆1的导入。然后，控制器50根据怠 速停止中的燃料电池堆1的电压对阴极调压阀25进行开阀控制，解除外部气体导入的抑制。更具体地说，在怠速停止中的燃料电池堆1的电压达到了下限值VL的情况下，打开阴极调压阀25。
在怠速停止中，通过由阴极调压阀25解除外部气体导入的抑制，即使不驱动阴极压缩机23，也可以将行驶风等外部气体作为阴极气体提供给燃料电池堆1。而且，在车辆停止时执行怠速停止的情况下，可以将车辆的周围的环境风作为阴极气体提供给电池组1。这样，燃料电池系统100构成为，通过解除外部气体导入的抑制，使得外部气体从阴极气体供给通路21流入燃料电池堆1，所以通过取入行驶风或环境风作为阴极气体，能够消除怠速停止中的阴极气体不足。而且，由于不驱动阴极压缩机23地进行阴极气体供给，所以可以节约阴极压缩机23中的耗电，能够提高燃料电池系统100中的耗电效率。
进而，在打开阴极调压阀25，燃料电池堆1的电压达到了上限值VH的情况下，燃料电池系统100的控制器50再次关闭阴极调压阀25。由此，可以抑制不需要的外部气体的导入，可以防止在怠速停止中燃料电池堆1的电压超过上限值VH。因此，按照燃料电池系统100，可以在怠速停止中，在下限值VL和上限值VH的范围内管理燃料电池堆1的电压。
进而，在怠速停止中打开了阴极调压阀25后，燃料电池堆1的电压未恢复的情况下，燃料电池系统100的控制器50驱动阴极压缩机23，直至燃料电池堆1的电压达到上限值。若这样驱动阴极压缩机23，则即使在行驶风等较弱的情况下，也可以将阴极气体强制地提供给燃料电池堆1，能够确实地消除怠速停止中的阴极气体不足。
＜第2实施方式＞
参照图6，说明本发明的第2实施方式的燃料电池系统100。而且，在以下的实施方式中，对于实现与第1实施方式相同的功能的结构等使用同一标号，适当省略重复的说明。
图6是表示第2实施方式的燃料电池系统100的控制器50执行的怠速停止时阴极供给控制的流程图。
如图6所示，第2实施方式的燃料电池系统100的控制器50在S105的处理后，进行基于行驶风导入量的阴极压缩机23的驱动判定这一点，与第1实施方式的燃料电池系统的控制器不同。即，第2实施方式的燃料电池系统100的控制器50在S105的处理后执行S111～S113的处理。
如图6所示，在S104中判定为燃料电池堆1的电压V1降低至下限值VL时，控制器50在S105中对阴极调压阀25进行开阀控制，使得行驶风等被导入燃料电池堆1内。之后，控制器50执行S111的处理。
在S111中，控制器50(外部气体导入量计算单元)根据由车速传感器52检测到的当前的车速计算行驶风导入量Qa。行驶风导入量Qa是被导入到燃料电池堆1的行驶风等外部气体(阴极气体)的流量，车速越快，作为越大的值来计算。而且，行驶风导入量Qa也可以根据大气压等进行校正。
在S112中，控制器50判定在S111中算出的行驶风导入量Qa是否为基准导入量QH以上。基准导入量QH被设定作为通过行驶风等的导入，能够使燃料电池堆1的电压上升的值。
在行驶风导入量Qa为基准导入量QH以上的情况下，控制器50判断为即使不驱动阴极压缩机23也取入足够量的外部气体，不执行S113的处理而执行S106的处理。
相对于此，在行驶风导入量Qa小于基准导入量QH的情况下，控制器50判断为仅打开阴极调压阀25不能取入足够量的外部气体，执行S113的处理。
在S113中，控制器50驱动阴极压缩机23，将外部气体强制地提供给燃料电池堆1。在S113的处理后，控制器50执行S106的处理。
如上述那样，在燃料电池系统100中，在行驶风导入量Qa为基准导入量QH以上的情况下，不驱动阴极压缩机23。但是，在由于某些影响而成为难以取入行驶风等的状况的情况下，即使行驶风导入量Qa为基准导入量QH以上，也有仅通过打开阴极调压阀25，不能将足够的外部气体提供给燃料电池堆1的可能性。即使是这样的情况，由于控制器50在压缩机驱动条件成立时驱动阴极压缩机23(参照S107以及S108)，所以可以将阴极气体确实地提供给燃料电池堆1。这样，S107以及S108起到一种故障保险处理的功能。
参照图7，说明第2实施方式的燃料电池系统100的控制器50执行的怠速停止时阴极供给控制的作用效果。
在怠速停止中燃料电池堆1的电压降低至下限值VL时，控制器50对阴极调压阀25进行开阀控制。如图7(D)所示，在车辆高速行驶时，如图7(B)所示，仅通过打开阴极调压阀25就可以取入足够量的外部气体，燃料 电池堆1的电压向上限值VH上升。然后，在时刻t21燃料电池堆1的电压达到上限值VH时，关闭阴极调压阀25。
之后，在时刻t22，燃料电池堆1的电压降低至下限值VL时，再次打开阴极调压阀25。此时，如图7(D)所示，车辆在低速行驶，所以行驶风导入量Qa小于基准导入量QH。在这样的情况下，由于仅通过打开阴极调压阀25不能取入足够量的外部气体，所以如图7(C)所示，对阴极压缩机23供给电力。由此，驱动阴极压缩机23，外部气体被强制地提供给燃料电池堆1。其结果，如图7(A)所示，燃料电池堆1的电压向上限值VH上升。
按照上述的本实施方式的燃料电池系统100，可以得到以下的效果。
在燃料电池系统100中，在怠速停止中，燃料电池堆1的电压降低至下限值VL时，控制器50对阴极调压阀25进行开阀控制。控制器50根据车速计算能够对燃料电池堆1供给的行驶风导入量Qa，在行驶风导入量Qa小于基准导入量QH的情况下，驱动阴极压缩机23，直至燃料电池堆1的电压达到上限值。
如果这样驱动阴极压缩机23，则即使在车辆低速行驶，仅通过打开阴极调压阀25不能取入足够量的外部气体的情况下，也可以将阴极气体(外部气体)强制地提供给燃料电池堆1。因此，能够确实地消除怠速停止中的阴极气体不足。而且，由于根据行驶风导入量Qa，仅在需要的情况下驱动阴极压缩机23，所以可以节约阴极压缩机23中的耗电，能够提高燃料电池系统100的耗电效率。
而且，在燃料电池系统100中，由于根据由车速算出的行驶风导入Qa量进行阴极压缩机23的驱动判定，所以可以马上判断驱动阴极压缩机23的必要性，能够迅速地使燃料电池堆1的电压恢复。
上述的第1以及第2实施方式的燃料电池系统100构成为，在阴极气体排出通路22中具有阴极调压阀25，通过阴极调压阀25进行怠速停止中的外部气体导入控制。但是，作为实现怠速停止中的外部气体导入控制的结构，除了在阴极气体排出通路22中配置阴极调压阀25的结构之外，还考虑图8A～图8D所示的那样的结构。
图8A～图8D分别是表示燃料电池系统100的一个变形例的图。
如图8A所示，在燃料电池系统100中，也可以在阴极气体供给通路21以及阴极气体排出通路22中分别配置阴极调压阀25。在被这样构成的情况 下，这两个阴极调压阀25在图3以及图6的S103中同时被闭阀控制，在图3以及图6的S106中同时被开阀控制。
而且，如图8B所示，在燃料电池系统100中，也可以将阴极调压阀25配置在阴极压缩机23和燃料电池堆1之间的阴极气体供给通路21中。
进而，如图8C所示，在燃料电池系统100中，也可以将阴极调压阀25配置在比阴极压缩机23更上游的阴极气体供给通路21中。作为开闭比阴极压缩机23更上游的阴极气体供给通路21的结构，也考虑通过百叶窗(shutter)开闭车辆的前侧前格栅的开口部。在该情况下，配置阴极气体供给通路21的上游端，使其与前侧前格栅的开口部相对，设置百叶窗以便开闭该开口部。在这样的结构中，百叶窗在图3以及图6的S103中被关闭，在图3以及图6的S106中被打开。
进而，如图8D所示，在燃料电池系统100中也可以构成为，不设置阴极调压阀25，而使得阴极气体供给通路21的上游端21A以及阴极气体排出通路22的下游端22A回转。
在这样的结构中，在需要抑制外部气体导入的情况下，阴极气体供给通路21的上游端21A以及阴极气体排出通路22的下游端22A回转，以便偏离车辆进行方向。另一方面，在解除外部气体导入的抑制的情况下，将上游端21A以及下游端22A回转，使得阴极气体供给通路21以及阴极气体排出通路22沿着车辆进行方向成为直线状。
＜第3实施方式＞
参照图9，说明本发明的第3实施方式的燃料电池系统100。第3实施方式的燃料电池系统100在具有旁路通路60以及旁路阀61这一点上与第1实施方式的燃料电池系统不同。
如图9所示，燃料电池系统100还包括从阴极气体供给通路21分支而在阴极气体排出通路22合流的旁路通路60；以及被配置在旁路通路60上的旁路阀61。
旁路通路60是将该燃料电池堆1旁路，使得阴极气体不通过燃料电池堆1的通路。旁路通路60的上游端与比阴极压力传感器24更上游的阴极气体供给通路21连接，旁路通路60的下游端与比阴极调压阀25更下游的阴极气体排出通路22连接。
旁路阀61是开闭旁路通路60的开闭阀，被设置在旁路通路60的中途。旁路阀61的开度通过控制器50进行控制。
接着，参照图10，说明第3实施方式的燃料电池系统100的控制器50执行的怠速停止时阴极供给控制。图10的流程图是与图3同样的流程图，图10的S103A以及S105A是取代图3的S103以及S105的处理。
如图10所示，在开始怠速停止时，控制器50在S102中停止阴极压缩机23。然后，在S102的处理后，控制器50执行S103A的处理。
在S103A中，控制器50进行控制，将阴极调压阀25设为全闭状态，并且进行控制，将旁路阀61设为全开状态。这样，由于在怠速停止中将阴极调压阀25关闭而打开旁路阀61，所以即使假设行驶风等外部气体流入阴极气体供给通路21内，外部气体也通过旁路通路60流入阴极气体排出通路22。因此，可以抑制外部气体不必要地被提供给燃料电池堆1。而且，在S103A中，优选打开旁路阀61后关闭阴极调压阀25。
在S103A的处理后的S104中，在判定为燃料电池堆1的电压降低至下限值VL的情况下，控制器50执行S105A的处理。
在S105A中，控制器50将阴极调压阀25从全闭状态控制为全开状态，将旁路阀61从全开状态控制为全闭状态。这样，通过在怠速停止中打开阴极调压阀25，关闭旁路阀61，可以将流入阴极气体供给通路21的行驶风等外部气体的全量提供给燃料电池堆1。由此，可以使怠速停止中的燃料电池堆的电压迅速上升。
而且，在S105A中，优选在打开阴极调压阀25后关闭旁路阀61。而且，因为行驶风等的强度因车辆行驶状态而变化，所以也可以根据车辆行驶状态控制旁路阀61的开度，调整被导入燃料电池堆1的外部气体的量。
在S105A的处理后，控制器50执行S106以后的处理，在燃料电池堆1的电压达到了上限值VH时结束怠速停止时阴极供给控制。
按照上述的本实施方式的燃料电池系统100，可用得到以下的效果。
在燃料电池系统100中，控制器50在怠速停止时对阴极压缩机进行停止控制。此时，因为关闭阴极调压阀25而打开旁路阀61，所以即使假设行驶风等外部气体流入阴极气体供给通路21内，外部气体也可以通过旁路通路60流入阴极气体排出通路22。因此，可以确实地抑制外部气体被不必要地提供给燃料电池堆1，可以防止燃料电池堆1的电压过高。
而且，在怠速停止中的燃料电池堆1的电压降低至下限值VL的情况下，控制器50对阴极调压阀25进行开阀控制，同时对旁路阀61进行闭阀控制。这样，通过在怠速停止中打开阴极调压阀25，关闭旁路阀61，可以将流入阴极气体供给通路21的行驶风等外部气体的全量提供给燃料电池堆1。通过这样供给外部气体，能够消除怠速停止中的阴极气体不足。而且，由于不驱动阴极压缩机23而进行阴极气体供给，所以可以节约阴极压缩机23中的耗电，能够提高燃料电池系统100中的耗电效率。
而且，控制器50在怠速停止中对阴极调压阀25进行开阀控制的情况下，也可以根据车辆行驶状态控制旁路阀61的开度，调整被导入到燃料电池堆1的外部气体的量。由此，能够将适度的量的外部气体提供给燃料电池堆1。
而且，第3实施方式的燃料电池系统100的控制器50也可以不根据图10的流程图，而根据与第2实施方式的图6对应的图11的流程图执行怠速停止时阴极供给控制。图11的S103A是取代图6的S103的处理，是与图10的S103A相同的处理。而且，图11的S105A是取代图6的S105的处理，是与图10的S105A相同的处理。这样，通过根据图11的流程图执行怠速停止时阴极供给控制，能够得到与第2以及第3实施方式同样的效果。
以上，说明了本发明的实施方式，但是上述实施方式只不过是表示本发明的适用例的一部分，没有将本发明的技术的范围限定于上述实施方式的具体的结构的意思。
例如，在第3实施方式的燃料电池系统100中，也可以不设置阴极调压阀25，而仅通过旁路阀61执行怠速停止中的外部气体导入控制。在这样的结构中，在怠速停止中需要抑制外部气体导入的情况下旁路阀61被打开，在解除外部气体导入的抑制的情况下旁路阀61被关闭。
进而，在第1至第3实施方式中，在怠速停止中打开阴极调压阀25而取入足够的外部气体的情况下，不驱动阴极压缩机23。但是，在这样的情况下，也可以使阴极压缩机23驱动，以便辅助行驶风等外部气体的取入。由此，燃料电池系统100的耗电效率降低了相当于驱动阴极压缩机23的部分，但是能够使怠速停止中的燃料电池堆1的电压迅速恢复。
进而，在第1至第3实施方式中，燃料电池系统100也可以构成为，取代阴极压缩机23而具有鼓风机，以便通过该鼓风机将阴极气体提供给燃料电池堆1。

Claims (9)

1.一种车辆用的燃料电池系统，具有接受阳极气体以及阴极气体的供给而发电的燃料电池，包括：
怠速停止执行单元，根据车辆行驶状态使所述燃料电池系统怠速停止；
压缩机控制单元，在怠速停止时对阴极压缩机进行停止控制；以及
外部气体导入抑制机构，在怠速停止时抑制外部气体对所述燃料电池的导入，
所述外部气体导入抑制机构根据怠速停止中的所述燃料电池的电压解除外部气体导入的抑制。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，
在怠速停止中所述燃料电池的电压达到了下限值的情况下，所述外部气体导入抑制机构解除外部气体导入的抑制，
在所述外部气体导入抑制机构的外部气体导入的抑制被解除后，所述燃料电池的电压未恢复的情况下，所述压缩机控制单元使所述阴极压缩机驱动。
3.如权利要求1或2所述的燃料电池系统，
还包括：外部气体导入量计算单元，计算所述压缩机停止中的外部气体对所述燃料电池的导入量，
在所述外部气体导入抑制机构的外部气体导入的抑制被解除的情况下，所述压缩机控制单元根据由所述外部气体导入量计算单元算出的外部气体导入量使所述阴极压缩机驱动。
4.如权利要求1或2所述的燃料电池系统，
在所述外部气体导入抑制机构的外部气体导入的抑制被解除后，所述燃料电池的电压达到了上限值的情况下，所述外部气体导入抑制机构再次抑制外部气体的导入。
5.如权利要求1或2所述的燃料电池系统，
还包括：开闭阀，被设置在与所述燃料电池连接的阴极气体通路上，
所述外部气体导入抑制机构在抑制外部气体导入的情况下关闭所述开闭阀，在解除外部气体导入的抑制的情况下打开所述开闭阀。
6.如权利要求1或2所述的燃料电池系统，
还包括：旁路通路，与所述燃料电池的阴极气体通路连接，以便将所述燃料电池旁路；以及
旁路阀，设置在所述旁路通路上，
所述外部气体导入抑制机构在抑制外部气体导入的情况下打开所述旁路阀，在解除外部气体导入的抑制的情况下关闭所述旁路阀。
7.如权利要求6所述的燃料电池系统，
所述外部气体导入抑制机构在解除外部气体导入的抑制的情况下，根据车辆行驶状态控制所述旁路阀的开度。
8.如权利要求1或2所述的燃料电池系统，
所述阴极压缩机构成为，即使处于停止了驱动的状态，气体也可以在该压缩机内通过。
9.一种车辆用的燃料电池系统的控制方法，所述燃料电池系统具有接受阳极气体以及阴极气体的供给而发电的燃料电池，所述方法包括：
根据车辆行驶状态，使所述燃料电池系统怠速停止的怠速停止执行步骤；
在怠速停止时对阴极压缩机进行停止控制的压缩机控制步骤；以及
在怠速停止时抑制外部气体对所述燃料电池的导入的外部气体导入控制步骤，
在所述外部气体导入控制步骤中，根据怠速停止中的所述燃料电池的电压解除外部气体导入的抑制。
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