CN108432015B - 燃料电池系统和燃料电池系统的控制方法 - Google Patents

燃料电池系统和燃料电池系统的控制方法 Download PDF

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Abstract

一种燃料电池系统的控制方法，该燃料电池系统具备向燃料电池供给燃料气体和氧化剂气体的气体供给装置，所述燃料电池系统的控制方法包括发电运转步骤，在该步骤中，基于对燃料电池请求的负载，实施对向燃料电池供给的燃料气体和氧化剂气体进行控制来使所述燃料电池发电的发电运转。该控制方法还包括自主运转步骤，在该步骤中，在负载为规定的值以下的情况下，实施燃料电池的自主运转，在自主运转中，停止从燃料电池系统向负载的电力供给，向燃料电池的阳极流通燃料气体。

Description

燃料电池系统和燃料电池系统的控制方法
技术领域
本发明涉及一种在停止向与燃料电池连接的负载进行电力供给时实施自主运转的燃料电池系统和燃料电池系统的控制方法。
背景技术
在美国专利申请公开第2014/0113162号说明书中，公开了一种为了抑制紧急停止时的燃料电池的阳极的氧化而对燃料电池堆提供规定的电压的燃料电池系统。
发明内容
在如上述那样的燃料电池系统中，在转变为停止了对蓄电池、电动马达等负载供给电力的状态即所谓的怠速停止状态时，实施燃料电池的自主运转，以使燃料电池维持适于发电的状态。例如，在自主运转中，为了抑制燃料的无谓消耗而停止向阳极供给燃料。
然而，在这种结构的情况下，在自主运转期间在燃料电池中从阴极向阳极渗透氧，因此有时导致阳极部分发生氧化。这样，在停止了从燃料电池系统向负载的供给电力的状态下，存在燃料电池的发电性能降低的担忧。
本发明是着眼于这种问题而完成的。本发明的目的在于提供一种抑制燃料电池停止了对负载供给电力的情况下的燃料电池的发电性能的降低的燃料电池系统和燃料电池系统的控制方法。
根据本发明的某一方式，具备向燃料电池供给燃料气体和氧化剂气体的气体供给装置的燃料电池系统的控制方法包括发电运转步骤，在该发电运转步骤中，基于对所述燃料电池请求的负载，实施对向所述燃料电池供给的燃料气体和氧化剂气体进行控制来使所述燃料电池发电的发电运转。该控制方法还包括自主运转步骤，在该步骤中，在所述负载为规定值以下的情况下，实施所述燃料电池的自主运转，其中，在所述自主运转中，停止从所述燃料电池系统向所述负载的电力供给，向所述燃料电池的阳极流通燃料气体。
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主要结构的结构图。
图2A是表示负载装置的马达为停止状态且正利用燃料电池向蓄电池供给电力的状态的概念图。
图2B是表示马达为动力运转状态且正利用燃料电池和蓄电池向马达供给电力的状态的概念图。
图2C是表示马达为动力运转或再生状态且从燃料电池向作为负载装置的马达和蓄电池的电力供给停止的状态的概念图。
图2D是表示马达为停止状态且蓄电池为满充电的状态的概念图。
图3是表示本实施方式中的燃料电池系统的控制方法的一例的流程图。
图4是表示本发明的第二实施方式中的燃料电池系统的控制方法的一例的流程图。
图5是表示本发明的第三实施方式中的燃料电池系统的控制方法的一例的流程图。
图6是例示用于在利用燃料电池系统的控制方法执行的IS运转期间确保燃料电池的响应性的响应性确保处理的内容的流程图。
图7是表示与本实施方式中的燃料电池系统的IS运转有关的控制方法的一例的时序图。
图8A是表示在IS运转期间维持燃料电池的温度的功能结构的一例的说明图。
图8B是表示在使燃料电池的温度上升的情况下向燃烧器供给的空气和燃料的流量的流量表的一例的概念图。
图9是例示本发明的第四实施方式中的燃料电池的响应性确保处理的流程图。
图10是表示本发明的第五实施方式中的燃料电池系统的主要结构的结构图。
图11是表示本实施方式中的燃料电池系统的启动运转方法的一例的流程图。
图12是表示本发明的第六实施方式中的燃料电池系统的结构的一例的结构图。
具体实施方式
以下，参照附图来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10的主要结构的结构图。
本实施方式的燃料电池系统10是固体氧化物型燃料电池系统，例如是对搭载于车辆的负载装置90供给电力的电力供给系统。
燃料电池系统10具备：燃料电池堆1，其根据负载进行发电；燃料供给系统2，其向燃料电池堆1供给阳极气体(燃料气体)；以及氧化剂供给系统3，其向燃料电池堆1供给阴极气体(氧化剂气体)。燃料电池系统10还具备排气系统4，该排气系统4将从燃料电池堆1排出的阳极废气(燃料废气)和阴极废气(氧化剂废气)排出到外部。另外，燃料电池系统10具备：电力供给系统5，其从燃料电池堆1向外部的负载装置90供给电力；以及控制部6，其控制燃料电池系统10的整体的动作。
燃料电池堆1是固体氧化物型燃料电池(SOFC：Solid oxide fuel Cell)。燃料电池堆1是将多个电池单体层叠而成的，各电池单体构成为利用阳极(燃料极)与阴极(空气极)夹着由陶瓷等固体氧化物形成的电解质层。此外，对于燃料电池堆1的阳极，使用高温时与氧发生反应的材料，由于该氧化反应而导致阳极的特性变差，燃料电池堆整体的发电性能降低。
向燃料电池堆1的阳极供给通过重整器26被重整了的阳极气体，向燃料电池堆1的阴极供给含有氧的空气来作为阴极气体。在燃料电池堆1的内部，使阳极气体中含有的氢与阴极气体中含有的氧发生反应来进行发电，并且将反应后生成的阳极废气和阴极废气排出到外部。
因此，形成于燃料电池堆1的阳极侧的岐管与构成供阳极气体通过的通路的阳极气体供给通路22及阳极气体排出通路29连接，阴极侧的岐管与构成供阴极气体通过的通路的阴极气体供给通路33及阴极气体排出通路39连接。
阳极气体供给通路22是用于向燃料电池堆1供给阳极气体的燃料通路，阳极气体排出通路29是用于将从燃料电池堆1排出的阳极废气导入排气燃烧器40的路径。另外，阴极气体供给通路33是用于向燃料电池堆1供给阴极气体的氧化剂通路，阴极气体排出通路39是用于将从燃料电池堆1排出的阴极废气导入排气燃烧器40的路径。
燃料供给系统2是向燃料电池堆1供给阳极气体的气体供给装置。燃料供给系统2包括：燃料罐20、泵21、阳极气体供给通路22、阳极流量控制阀23、蒸发器24、热交换器25以及重整器26。
燃料罐20用于蓄积含有燃料的液体。在燃料罐20中蓄积重整用燃料，该重整用燃料例如包含由乙醇与水混合而成的液体。
泵21抽吸重整用燃料并以固定的压力向燃料供给系统2供给重整用燃料。泵21与燃料电池堆1之间通过阳极气体供给通路22连接。在阳极气体供给通路22上配置有阳极流量控制阀23、蒸发器24、热交换器25以及重整器26。
阳极流量控制阀23通过向未图示的喷射喷嘴供给从泵21供给的重整用燃料，来使重整用燃料从喷射喷嘴喷射到蒸发器24。
蒸发器24利用从排气燃烧器40排出的排气的热使重整用燃料气化。
热交换器25被供给来自排气燃烧器40的热，将气化后的重整用燃料进一步加热以在重整器26中进行重整。
重整器26将重整用燃料通过催化反应重整为包含氢的阳极气体后供给到燃料电池堆1的阳极。在本实施方式的重整器26中进行使用水蒸气将燃料重整的水蒸气重整。为了进行水蒸气重整，对于重整用燃料中含有的每1摩尔(mol)的碳(C)而言，至少需要2摩尔的水蒸气(S)。另外，在重整器26中，在进行水蒸气重整所需要的水蒸气不足的状况下，取代水蒸气而使用空气进行使燃料一边燃烧一边重整的部分氧化重整。
在位于重整器26与燃料电池堆1之间的阳极气体供给通路22上设置有温度传感器61。
温度传感器61检测向燃料电池堆1供给的阳极气体的温度。以下，将温度传感器61的检测值称为“阳极入口温度”。由温度传感器61检测出的阳极入口温度被输出到控制部6。
氧化剂供给系统3是向燃料电池堆1供给阴极气体的气体供给装置。
氧化剂供给系统3包括过滤器30、空气吸入通路31、压缩机32、阴极气体供给通路33、阴极流量控制阀34、加热装置35、重整温度控制空气通路311以及燃烧器空气控制阀312。氧化剂供给系统3还包括氧化重整通路331和阳极系统空气供给阀341。
过滤器30用于去除外界空气的异物并将该外界空气导入燃料电池系统10的内部。
空气吸入通路31是用于使通过过滤器30被去除了异物的空气向压缩机32流通的通路。空气吸入通路31的一端与过滤器30连接，并且另一端与压缩机32的吸入口连接。
压缩机32是向燃料电池堆1供给阴极气体的致动器。在本实施方式中，压缩机32经由过滤器30取入外界空气并将空气供给到燃料电池堆1等。此外，在本实施方式中，将对空气进行加压输送的压缩机用作向燃料电池堆1供给阴极气体的致动器，但只要是能够向燃料电池堆1供给阴极气体的装置即可，也可以是送风机、泵等致动器。
阴极流量控制阀34是控制向燃料电池堆1供给的阴极气体的流量的控制阀。例如，阴极流量控制阀34由电磁阀构成。阴极流量控制阀34的开度由控制部6控制，能够逐级地变更。
加热装置35是将向燃料电池堆1供给的阴极气体加热以使该阴极气体的温度成为适于燃料电池堆1的发电的温度的装置。例如，加热装置35由用于在向燃料电池堆1的阴极供给的供给气体与来自燃料电池堆1的排出气体之间交换热的热交换器、使燃料气体燃烧来将供给气体加热的燃烧器、利用催化反应的热来将供给气体加热的燃烧器等构成。
燃烧器空气供给通路332是用于不经过燃料电池堆1地向排气燃烧器40供给空气的通路。燃烧器空气供给通路332是从阴极气体供给通路33分支出的旁通通路，且连接于排气燃烧器40。此外，在本实施方式中，燃烧器空气供给通路332连接于排气燃烧器40，但也可以与阴极气体排出通路39合流。
空气流量控制阀342是控制向排气燃烧器40供给的空气的流量的控制阀。空气流量控制阀342的开度由控制部6控制。排气燃烧器40使燃料气体燃烧且加热，因此需要氧。在燃料电池系统10的启动运转时、发电运转时，存在阴极废气中的氧不足的情况。在这种情况下难以使阳极废气充分地燃烧，因此打开空气流量控制阀342来向排气燃烧器40供给助燃气体(氧)。由此，能够在燃料电池系统10的启动运转时和发电运转时利用排气燃烧器40使阳极废气中的未燃烧气体可靠地燃烧。
氧化重整通路331是为了在重整器26中的水蒸气重整反应所需要的水蒸气不足的情况下向重整器26补充空气来代替水蒸气而设置的空气通路。氧化重整通路331是从阴极气体供给通路33分支出的分支通路，且与比重整器26靠上游的阳极气体供给通路22合流。在本实施方式中，氧化重整通路331的一端连接在压缩机32与阴极流量控制阀34之间，并且另一端同位于蒸发器24与热交换器25之间的阳极气体供给通路22连接。
阳极系统空气供给阀341是向阳极气体供给通路22供给从压缩机32向阴极气体供给通路33喷出的空气的全部或者一部分的控制阀。在本实施方式中，阳极系统空气供给阀341向阳极气体供给通路22供给空气来代替利用重整器26进行的重整所需要的水蒸气。阳极系统空气供给阀341例如由电磁阀构成。阳极系统空气供给阀341的开度由控制部6控制，且能够逐级地变更。
排气系统4包括阳极气体排出通路29、阴极气体排出通路39、排气燃烧器40以及排气通路41。
在位于燃料电池堆1与排气燃烧器40之间的阳极气体排出通路29上设置有温度传感器62。温度传感器62检测从燃料电池堆1排出的阳极废气的温度。以下，将温度传感器62的检测值称为“阳极出口温度”。由温度传感器62检测出的阳极出口温度被输出到控制部6。
排气燃烧器40将阳极废气与阴极废气混合并使该混合气体催化燃烧，由此生成以二氧化碳、水为主成分的排出气体，并且将通过催化燃烧而产生的热传递到热交换器25。排气燃烧器40将燃烧后产生的燃烧后气体排出到排气通路41。
排气通路41是用于将来自排气燃烧器40的燃烧后气体排出到外界空气的通路。排气通路41通过蒸发器24，且与未图示的消音器连接。由此，蒸发器24通过来自排气燃烧器40的燃烧后气体而被加热。
在位于排气燃烧器40与蒸发器24之间的排气通路41上设置有温度传感器63。温度传感器63检测从排气燃烧器40排出的排出气体(燃烧后气体)的温度。以下，将温度传感器63的检测值称为“燃烧器出口温度”。由温度传感器63检测出的燃烧器出口温度被输出到控制部6。
电力供给系统5是如下一种电力供给装置：连接在燃料电池堆1与负载装置90之间，使燃料电池堆1的电压相对于负载装置90的电压上升，以使燃料电池堆1能够供给电流，由此能够从燃料电池堆1向负载装置90供给电力。电力供给系统5包括电压传感器50和DC-DC转换器51。
电压传感器50连接在燃料电池堆1的正极端子与负极端子之间。电压传感器50检测在燃料电池堆1中产生的电压。以下，将电压传感器50的检测值称为“堆电压”。由电压传感器50检测出的堆电压被输出到控制部6。
DC-DC转换器51是从燃料电池堆1取出发电电力的电力控制器。DC-DC转换器51与燃料电池堆1并联连接，使初级侧的燃料电池堆1的输出电压升压来向次级侧的负载装置90供给发电电力。DC-DC转换器51例如使从燃料电池堆1输出的几十伏的电压上升至几百伏的电压水平，以向负载装置90供给电力。
负载装置90是连接于燃料电池系统10的电负载，例如是搭载于车辆的电部件。负载装置90包括驱动马达91和蓄电池92。
驱动马达91经由未图示的逆变器而与蓄电池92及DC-DC转换器51分别连接。驱动马达91是驱动车辆的动力源。另外，驱动马达91能够利用在使车辆制动的情况下所需的制动力来产生再生电力，并将该再生电力充入蓄电池92。
蓄电池92是向驱动马达91供给所蓄积的电力的电力供给源。在本实施方式中，蓄电池92是主要的电力供给源，燃料电池堆1主要用于在蓄电池92的充电量变低时对蓄电池92进行充电。另外，也可以将燃料电池堆1的电力供给到驱动马达91。
控制部6由包括微计算机、微处理器、CPU的通用的电子电路及周边设备构成，通过执行特定的程序来执行用于控制燃料电池系统10的处理。
控制部6接收从电压传感器50、温度传感器61～63等各种传感器输出的信号，根据这些信号来控制燃料供给系统2、氧化剂供给系统3、排气系统4以及电力供给系统5的各系统的工作状态。
控制部6与输出燃料电池系统10的启动指令信号或停止指令信号的操作部101连接。操作部101包括EV键，当由乘员操作EV键使之为ON(开启)时，向控制部6输出启动指令信号，当操作EV键使之为OFF(关闭)时，向控制部6输出停止指令信号。
控制部6在从操作部101接收到启动指令信号的情况下，实施使燃料电池系统10启动的启动运转，在启动运转结束后，实施根据负载装置90的工作状态来控制燃料电池堆1的发电的发电运转。燃料电池系统10也可以在蓄电池92的充电量为对蓄电池92充电所需的规定值以下时实施启动运转。
在发电运转中，控制部6根据负载装置90的工作状态求出对燃料电池堆1请求的电力，基于该请求电力向燃料电池堆1供给燃料电池堆1发电所需的阴极气体流量和阳极气体流量。然后，控制部6对DC-DC转换器51进行开关控制，来将从燃料电池系统10输出的电力供给到负载装置90。
即，控制部6基于对燃料电池堆1请求的请求电力对向燃料电池堆1供给的阴极气体流量和阳极气体流量进行控制，来控制燃料电池堆1的发电量。例如，加速踏板的踏入量越大，则对燃料电池堆1请求的请求电力越大。因此，加速踏板的踏入量越大，则向燃料电池堆1供给的阴极气体流量和阳极气体流量越大。
另外，在EV键为开启状态且从燃料电池系统10向负载装置90的电力供给停止的系统状态下，控制部6实施抑制燃料电池堆1的发电并且将燃料电池维持为适于发电的状态的自主运转。以下，将从燃料电池系统10向负载装置90的电力供给停止的系统状态称为“怠速停止(IS)状态”，将自主运转称为“IS运转”。
在对燃料电池堆1请求的请求电力为规定值、例如零的情况下，燃料电池系统10的运转状态从发电运转转变为IS运转，控制部6控制DC-DC转换器51来停止从燃料电池系统10向负载装置90的电力供给。
此外，在IS运转中，既可以对使燃料电池堆1发电所需的作为附属设备的辅机供给燃料电池堆1的发电电力，也可以停止从燃料电池堆1向辅机的电力供给。作为燃料电池系统10的辅机，例如能够列举压缩机32。
在IS运转中从燃料电池堆1向辅机供给电力的系统中，例如在对燃料电池堆1请求的请求电力为驱动该辅机所需的电力的值或者实测值以下的情况下，停止从燃料电池系统10向负载装置90的电力供给。
另外，在从操作部101接收到停止指令信号的情况下，控制部6实施使燃料电池系统10的工作停止的停止运转。
图2是说明EV键为开启状态的燃料电池系统10中的向负载装置90进行的电力供给的类型的图。
图2A是表示驱动马达91为停止状态且正从燃料电池系统10向蓄电池92供给电力的状态的概念图。在车辆为停止状态且蓄电池92的充电量少的情况下可能产生图2A示出的状态。
图2B是表示驱动马达91为动力运转状态且正从燃料电池系统10和蓄电池92这两者向驱动马达91供给电力的状态的概念图。在车辆为加速状态且以驱动马达91的负载(输出)高的状态进行驱动的情况下可能产生图2B示出的状态。
图2C是表示驱动马达91为动力运转状态或再生状态且停止了从燃料电池系统10向驱动马达91和蓄电池92这两者的电力供给的状态的概念图。在车辆的行驶中驱动马达91以低负载或者中负载进行驱动的状态且蓄电池92为满充电的情况下可能产生图2C示出的状态。另外，在车辆为减速状态且蓄电池92的容量存在用于充入驱动马达91的再生电力的富余的情况下也可能产生图2C示出的状态。
图2D是表示驱动马达91为停止状态且蓄电池92为满充电的状态的概念图。在车辆为停止状态且蓄电池92为满充电的情况下可能产生图2D示出的状态。
这样，图2A～图2D示出的状态中的图2C和图2D示出的状态、即从燃料电池系统10向驱动马达91和蓄电池92这两者的电力供给停止了的系统状态相当于燃料电池系统10的IS状态。
因而，在车辆的行驶中通过驱动马达91的再生动作而蓄电池92成为满充电的情况、蓄电池92为满充电状态且车辆正在行驶或者停止等情况下，燃料电池系统10可能成为IS状态。在这种情况下，从负载装置90对燃料电池堆1的请求电力为零，实施IS运转。
在IS运转中，通常期望停止向燃料电池堆1供给阳极气体以抑制燃料的无谓消耗。然而，当停止向燃料电池堆1供给阳极气体时，随着时间经过，在燃料电池堆1中从阴极向阳极渗透空气。在这种状况下，在阳极由于渗透过来的空气中的氧而发生氧化反应，燃料电池系统10的发电性能降低。
作为其对策，本实施方式的控制部6在从发电运转切换为IS运转时，停止从燃料电池系统10向负载装置90的电力供给，但继续向燃料电池堆1供给阳极气体。由此，能够在IS运转中抑制空气从燃料电池堆1的阴极向阳极流入，因此能够抑制在阳极发生的氧化反应。
接着，具体地说明本实施方式中的燃料电池系统10的动作。
图3是表示与本实施方式中的燃料电池系统10的控制方法有关的处理过程例的流程图。
在步骤S910中，控制部6实施如下的发电运转：基于对燃料电池堆1请求的请求电力来控制燃料电池堆1的发电，并且从燃料电池系统10向负载装置90供给电力。
例如，控制部6基于负载装置90的请求电力，利用预先决定的对应图、运算式等来计算燃料电池堆1发电所需的阴极气体流量和阳极气体流量的各目标值。
然后，控制部6基于阴极气体流量的目标值来驱动压缩机32，并且打开阴极流量控制阀34。由此，作为阴极气体的空气通过加热装置35而升温，且被供给到升温后的燃料电池堆1的阴极。与此同时，控制部6基于阳极气体流量的目标值来驱动泵21，并且打开阳极流量控制阀23。由此，从燃料罐20供给的重整用燃料通过蒸发器24被气化，气化了的重整用燃料被热交换器25加热。加热后的重整用燃料在重整器26中被重整为阳极气体，该阳极气体被供给到燃料电池堆1。
然后，在被供给了阳极气体和阴极气体的燃料电池堆1中，通过电化学反应产生电力并向DC-DC转换器51供给电力，将使用于电化学反应的阳极废气和阴极废气导入排气燃烧器40。
并且，控制部6基于燃料电池堆1的温度来控制空气流量控制阀342和燃料流量控制阀231的开度，以使燃料电池堆1维持适于发电的温度。由此，由于在排气燃烧器40中产生的燃烧热而阳极气体的温度上升，因此燃料电池堆1被加热。另外，在被供给到重整器26的燃料气体中的水蒸气不足的状况下，控制部6打开阳极系统空气供给阀341。由此，从阳极系统空气供给阀341向重整器26供给空气，因此重整用燃料通过部分氧化反应被重整为阳极气体。
在步骤S920中，控制部6判断是否从负载装置90接收到IS运转请求。例如，在蓄电池92为满充电时发出IS运转请求。即，在负载装置90的请求电力为零的情况下，发出IS运转请求。控制部6在未接收到IS运转请求的情况下，结束燃料电池系统10的控制方法的处理过程。
在接收到IS运转请求的情况下，在步骤S921中，控制部6开始燃料电池系统10的IS运转，控制DC-DC转换器51的动作来停止从燃料电池系统10向负载装置90的电力供给。
在停止从燃料电池系统10向负载装置90的电力供给之后，在步骤S930中，控制部6向燃料电池堆1供给规定量的阳极气体。
在此所说的规定量被决定为能抑制氧从燃料电池堆1的阴极向阳极的流入的量。例如，考虑所设想的IS运转的持续时间来预先决定持续时间，将规定量设定为能在该持续时间内抑制氧向阳极的流入的量。在该情况下，控制部6也可以每经过规定的持续时间使向燃料电池堆1供给的阳极气体供给流量暂时性地多于规定量。或者，控制部6也可以基于阴极气体流量和阳极气体流量的各目标值来运算向阳极流入的氧流入量，基于该氧流入量来变更规定量。
在步骤S929中，控制部6判断是否从负载装置90接收到恢复请求。例如，在需要对蓄电池92进行充电的情况下、向驱动马达91的电力供给有可能不足等情况下，发出恢复请求。即，在负载装置90的请求电力大于零的情况下，发出恢复请求。
控制部6在未接收到恢复请求时，返回到步骤S930，反复执行步骤S930的处理，直到从负载装置90接收到恢复请求为止。另一方面，控制部6在接收到恢复请求时，结束IS运转并结束本控制方法的处理过程。由此，燃料电池系统10的运转状态从IS运转转变为发电运转，在下一次的控制周期内，在步骤S910中实施发电运转。
这样，控制部6在实施燃料电池系统10的IS运转时，在停止从燃料电池系统10向负载装置90的电力供给之后，继续向燃料电池堆1供给阳极气体。
此外，在本实施方式中，在执行步骤S921的处理之后执行步骤S930的处理，但也可以同时执行这些处理，或者在执行步骤S930的处理之后执行步骤S921的处理。
另外，在本实施方式中，控制部6也可以在步骤S929的处理之后使重整器26的内部、燃料电池堆1的阳极侧滞留的未燃烧气体在排气燃烧器40中燃烧，之后转变为发电运转。
另外，在实施燃料电池系统10的IS运转时，既可以继续向燃料电池堆1供给阴极气体，也可以停止向燃料电池堆1供给阴极气体。即，在本实施方式中，无论向燃料电池堆1供给的阴极气体的供给状态如何，都使阳极气体通过燃料电池堆1。此外，在停止阴极气体的供给的情况下，优选通过燃烧器空气供给通路332供给空气，以使通过燃料电池堆1的阳极气体能够在排气燃烧器40中适当地燃烧。
根据第一实施方式，燃料电池系统10具备向燃料电池堆1供给阳极气体和阴极气体的燃料供给系统2以及氧化剂供给系统3。该燃料电池系统10的控制方法包括：发电运转步骤，基于对燃料电池堆1请求的负载，实施使燃料电池堆1发电的发电运转；以及自主运转步骤，在该负载为规定值以下的情况下，实施抑制燃料电池堆1的发电来维持燃料电池堆1的状态的IS运转(自主运转)。
燃料电池系统10在实施发电运转时，向燃料电池堆1供给阳极气体和阴极气体来控制燃料电池堆1的发电，并且从燃料电池系统10向负载装置90供给电力。而且，燃料电池系统10在从发电运转切换为IS运转时，停止从燃料电池系统10向负载装置90的电力供给，向燃料电池堆1的阳极供给阳极气体。
这样，通过在IS运转中向燃料电池堆1供给阳极气体，能够对氧从燃料电池堆1的阴极向阳极的流入以及氧从排气燃烧器40向阳极的逆流同时进行抑制。因此，能够抑制IS运转中的在燃料电池堆1的阳极发生的氧化反应，因此能够抑制燃料电池堆1的发电性能的降低。
除此以外，根据本实施方式，能够使从燃料电池堆1排出的阳极废气在排气燃烧器40中燃烧，能够维持用于将燃料电池堆1加热的排气燃烧器40的温度。因此，能够缩短在从IS运转恢复为发电运转时使燃料电池堆1的温度上升至适于发电的工作温度所需要的时间。即，能够抑制燃料电池堆1的下一次发电时的响应性的降低。
这样，通过在IS运转中使阳极气体流通到燃料电池堆1的阳极，能够将燃料电池堆1的劣化和响应性的降低同时消除，因此能够抑制IS运转中的燃料电池堆1的发电性能的降低。
另外，根据本实施方式，控制部6在停止了从燃料电池系统10向负载装置90的电力供给的状态下恢复为例如发电运转、停止运转等的情况下，使从燃料电池堆1的阳极排出到排气燃烧器40的未燃烧气体燃烧。由此，能够减少在从IS运转恢复时从燃料电池系统10向大气排出的未燃烧气体的排出量。
(第二实施方式)
图4是表示与本发明的第二实施方式的燃料电池系统10的控制方法有关的处理过程例的流程图。
本实施方式的燃料电池系统10的结构与图1所示的燃料电池系统10的结构相同。以下，对与图1所示的燃料电池系统10的结构相同的结构标注相同的附图标记并省略详细说明。
本实施方式的控制方法具备步骤S931～933来代替图3所示的步骤S930。在此，仅详细地说明各步骤S931、S932、S933的处理。
当在步骤S921中停止从燃料电池系统10向负载装置90的电力供给时，进入步骤S931的处理。
在步骤S931中，控制部6停止向燃料电池堆1供给阳极气体以抑制燃料的消耗。在本实施方式中，控制部6关闭阳极流量控制阀23，使得阳极气体向燃料电池堆1的供给停止。
在步骤S932中，控制部6根据燃料电池堆1的状态来判断燃料电池堆1的发电性能是否降低。作为表示燃料电池堆1的状态的参数，例如能够列举燃料电池堆1的温度、向阳极流入的氧的氧流入量等。
在本实施方式中，控制部6从电压传感器50获取堆电压，并判断该堆电压是否低于氧化抑制阈值Vth。在燃料电池堆1中从阴极渗透到阳极的氧的量越多，则阳极气体中的氢浓度越下降，燃料电池堆1的输出电压越低。通过利用这种性质，能够掌握从阴极向阳极流入的氧的流入量。
这样，氧化抑制阈值Vth是表示由于燃料电池堆1的阳极的氧浓度的增加而氢浓度下降从而导致阳极劣化的电压值。即，氧化抑制阈值Vth是用于表示燃料电池堆1中的阳极的燃料气体浓度降低了的规定的电压值。例如预先通过实验数据、仿真等将氧化抑制阈值Vth设定为不会使燃料电池堆1的发电性能降低的范围内的电压值。
控制部6在堆电压等于或高于氧化抑制阈值Vth的情况下，判定为没有进行阳极的氧化反应，进入步骤S929的处理。
在堆电压低于氧化抑制阈值Vth的情况下，在步骤S933中，控制部6通过向燃料电池堆1供给阳极气体来增加阳极气体供给量。
在本实施方式中，控制部6打开阳极流量控制阀23，使得阳极气体向燃料电池堆1流通。由此，能够将渗透到阳极的氧推出，因此能够使堆电压上升。
当堆电压升高到比氧化抑制阈值Vth高的规定的目标值时，控制部6关闭阳极流量控制阀23。由此，能够抑制燃料电池系统10中的燃料的消耗。此外，在本实施方式中，在堆电压上升至目标值时关闭阳极流量控制阀23，但也可以在从开始供给阳极气体起的经过时间成为预先决定的期间的情况下关闭阳极流量控制阀23。
在步骤S929中未从负载装置90接收到恢复请求的情况下，返回到步骤S932的处理，在堆电压低于氧化抑制阈值Vth的情况下，向燃料电池堆1供给阳极气体。即，控制部6在IS运转中间歇性地向燃料电池堆1供给阳极气体。
而且，在步骤S929中接收到恢复请求的情况下，停止阳极气体的间歇供给并结束IS运转。
根据第二实施方式，控制部6在停止向燃料电池堆1供给阳极气体之后的规定期间的情况下，使向燃料电池堆1供给的阳极气体增多。由此，能够一边抑制燃料的消耗，一边抑制燃料电池堆1中的阳极的氧化。
在本实施方式中，控制部6在停止了向负载装置90的电力供给时，基于堆电压(燃料电池堆1的电压)来控制向燃料电池堆1供给的阳极气体的流量。由此，与按照经过时间的长度来增加阳极气体供给流量的结构相比，能向燃料电池堆1可靠地供给阳极气体，因此能够一边抑制燃油消耗率的消耗一边适当地抑制阳极的氧化。
另外，根据本实施方式，控制部6在堆电压比用于表示燃料电池堆1的阳极的燃料气体浓度降低了的规定的电压值(氧化抑制阈值)Vth低的情况下，增加向阳极供给的燃料气体的流量。在此所说的规定的电压值Vth是表示由于燃料电池堆1中的阳极的氧浓度的增加而氢浓度降低从而导致所述阳极劣化的电压值。
通过像这样根据堆电压向阳极供给燃料气体或使燃料气体增多，在阳极的燃料气体浓度降低时，从阳极流量控制阀23经由重整器26向阳极供给燃料气体，因此能够一边抑制无谓的燃料的喷射一边抑制阳极的氧化。
(第三实施方式)
图5是表示与本发明的第三实施方式中的燃料电池系统10的控制方法有关的处理过程例的流程图。
本实施方式的控制方法除了具备图4所示的控制方法的各处理以外，还具备新的步骤S922、S923以及S940，并且具备步骤S930a来取代步骤S931。在此，仅详细地说明各步骤S922、S923、S930a以及S940的处理。
在从燃料电池系统10向负载装置90的电力供给停止的状态下，在步骤S922中，控制部6停止向燃料电池堆1供给阴极气体。在本实施方式中，控制部6在停止从燃料电池系统10向负载装置90的电力供给时关闭阴极流量控制阀34。由此，燃料电池堆1的发电停止，因此能够抑制无谓的发电来削减阳极气体的无谓的消耗。
另外，通过停止向阴极的空气供给，燃料电池堆1中的阴极的压力降低，因此能够抑制氧从阴极向阳极的流入。除此以外，燃料电池堆1的内部的热不再通过空气被排出到外部，因此能够抑制燃料电池堆1的温度降低。
在停止向燃料电池堆1供给阴极气体之后，在步骤S923中，控制部6在排气燃烧器40的温度不过度低于适于燃烧的工作温度的范围内向排气燃烧器40供给空气。在本实施方式中，控制部6继续驱动压缩机32并且打开燃烧器空气供给通路332的空气流量控制阀342。空气流量控制阀342的开度被设定为使向排气燃烧器40流入的空气的空气流量为来自燃料电池堆1的阳极废气燃烧所需要的流量。
通过像这样向排气燃烧器40供给空气，能够使从燃料电池堆1的阳极排出的未燃烧气体在排气燃烧器40中燃烧，能够抑制从燃料电池系统10向大气排出未燃烧气体。并且，由于排气燃烧器40中的未燃烧气体的燃烧而重整用燃料的温度上升，随之重整用燃料被重整为阳极气体并且阳极气体的温度上升，因此能够抑制燃料电池堆1的温度降低。
在步骤S930a中，控制部6向燃料电池堆1供给微量的阳极气体。在本实施方式中，控制部6打开阳极流量控制阀23，使得向燃料电池堆1供给的阳极气体供给流量小于发电运转时的流量。
通过像这样使微量的阳极气体流通到阳极来抑制氧向阳极的流入，堆电压降低至氧化抑制阈值Vth所需要的时间变长，因此能够减少使阳极气体供给流量增加的机会。因而，能够一边抑制阳极的氧化一边提高燃油消耗率。
在堆电压等于或者高于氧化抑制阈值Vth的情况下，在步骤S940中，控制部6执行用于确保燃料电池堆1的下次发电时的响应性的堆响应性确保处理。此外，参照下图说明堆响应性确保处理的详细内容。
当在步骤S940中结束堆响应性确保处理时，确认有无恢复请求，在未发出恢复请求的情况下，返回到步骤S923的处理来继续进行IS运转，在发出恢复请求时，结束IS运转。
图6是表示与在步骤S940中执行的堆响应性确保处理有关的处理过程例的流程图。
在步骤S941中，控制部6判断燃料电池堆1的温度是否低于温度阈值Tth。作为燃料电池堆1的温度，例如能够使用由温度传感器61检测出的阳极入口温度、由温度传感器62检测出的阳极出口温度等。或者，也可以在燃料电池堆1设置温度传感器并使用该温度传感器的检测值。以下，将燃料电池堆1的温度简称为“堆温度”。
在本实施方式中，控制部6从温度传感器61获取阳极入口温度来作为堆温度，判断该堆温度是否低于温度阈值Tth。通过将阳极入口温度用作堆温度，能够更高精度地确定排气燃烧器40的发热量。另外，基于燃料电池堆1的发电性能的温度特性来设定温度阈值Tth。例如，温度阈值Tth被设定为600℃左右。
在堆温度等于或高于温度阈值Tth的情况下，结束与堆响应性确保处理有关的一系列的处理过程。
在堆温度低于温度阈值Tth的情况下，在步骤S942中，控制部6增加向排气燃烧器40供给的空气供给流量和燃料供给流量，以使排气燃烧器40的燃烧量增加。由此，排气燃烧器40的温度上升，向燃料电池堆1供给的阳极气体的温度上升，因此堆温度高于温度阈值Tth，且上升至适于燃料电池堆1的发电的工作温度。
当步骤S942的处理结束时，控制部6结束堆响应性确保处理，返回到图5所示的控制方法的处理过程并进入步骤S929的处理。
图7是表示本实施方式中的IS运转的控制方法的时序图。
图7的(a)是表示堆温度的变化的图。图7的(b)是表示与阳极的氢动态浓度存在相关性的堆电压的变化的图。图7的(c)是表示利用空气流量控制阀342向排气燃烧器40供给的空气的流量的变化的图。图7的(d)是表示利用阳极流量控制阀23经由燃料电池堆1向排气燃烧器40供给的阳极气体的流量的变化的图。图7的(a)至图7的(d)的各附图的横轴是彼此共用的时间轴。
在时刻t0，例如蓄电池92为满充电且从负载装置90发出IS运转请求，因此控制部6开始进行IS运转，控制DC-DC转换器51来停止从燃料电池系统10向负载装置90的电力供给。由此，不再从燃料电池堆1向负载装置90流通电流，因此如图7的(b)所示，堆电压上升。
在从燃料电池系统10向负载装置90的电力供给停止的状态下，控制部6使阳极流量控制阀23稍微打开而非完全关闭。由此，如图7的(d)所示，比发电运转时的阳极气体供给流量少的微量的阳极气体流到燃料电池堆1的阳极。通过向燃料电池堆1的阳极流通阳极气体，能够抑制氧从阴极向阳极的流入，因此能够抑制阳极的氧化。
并且，控制部6在停止了从燃料电池系统10向负载装置90的电力供给时，关闭阴极流量控制阀34。由此，阴极气体向燃料电池堆1的供给停止，因此燃料电池堆1的发电停止。因此，能够抑制伴随发电的燃料的消耗。另外，燃料电池堆1中的阴极的压力降低，因此能够进一步抑制氧从阴极向阳极的流入。
另外，控制部6在关闭阴极流量控制阀34时，打开不经过燃料电池堆1地向排气燃烧器40供给空气的空气流量控制阀342。由此，如图7的(c)所示，向排气燃烧器40供给空气，因此能够使通过燃料电池堆1排出到排气燃烧器40的阳极气体适当地燃烧。通过使阳极气体燃烧，排气燃烧器40的温度上升、微量的阳极气体的温度上升，因此能够抑制燃料电池堆1的温度降低。
在图7的(c)中，从空气流量控制阀342向排气燃烧器40供给的空气供给流量比阳极废气的燃烧所需要的流量多。这样做的理由在于，由于在时刻t0以前空气流量控制阀342是关闭的，因此在空气流量控制阀342开阀后空气从空气流量控制阀342到达排气燃烧器40需要某种程度的时间。
因此，控制部6在IS运转开始时仅在特定的期间打开空气流量控制阀342，使得流通比足以使通过燃料电池堆1的阳极气体燃烧的空气流量Qai_c多的空气。由此，能够避免由于紧接IS运转开始后向排气燃烧器40进行的空气供给的延迟而引起的空气不足。
在使向排气燃烧器40供给的空气供给流量减少至燃烧所需要的流量之后，如图7的(b)所示，由于阳极的氧浓度的增加而氢浓度下降，堆电压大幅地降低。其原因是，从阴极流入阳极的空气的量增加。
在时刻t1，堆电压降低至氧化抑制阈值Vth，因此控制部6仅在规定的期间增大阳极流量控制阀23的开度来增加向燃料电池堆1供给的阳极气体供给流量。由此，燃料电池堆1的阳极存在的氧被排出到外部，因此氢浓度上升，如图7的(b)所示，堆电压上升。
在时刻t2，如图7的(a)所示，堆温度降低至温度阈值Tth，因此控制部6增大空气流量控制阀342的开度，使得排气燃烧器40的发热量变大。由此，如图7的(c)所示，向排气燃烧器40供给的空气供给流量增加。
然后，在时刻t3，控制部6增大阳极流量控制阀23的开度，使得排气燃烧器40的发热量变大。由此，如图7的(d)所示，向排气燃烧器40供给的阳极气体供给流量相比时刻t1的增加后的供给流量进一步增加。
因此，排气燃烧器40的温度上升，因此从重整器26排出的阳极气体的温度上升。随之，加热后的阳极气体在燃料电池堆1的内部流动，因此如图7的(a)所示，堆温度逐渐上升。
在时刻t4，如图7的(a)所示，堆温度上升至目标温度Ts_t，因此控制部6在使阳极流量控制阀23的开度恢复为增加前的初始值之后，使空气流量控制阀342的开度恢复为初始值。由此，确保适于燃料电池堆1的发电的温度，因此能够在从IS运转切换为发电运转时从燃料电池堆1向负载装置90迅速地供给电力。
同样地，在时刻t5堆压力降低至氧化抑制阈值Vth时，增大向燃料电池堆1供给的阳极气体供给流量。在堆压力上升之后，在时刻t6堆温度降低至温度阈值Tth时，增加向排气燃烧器40供给的空气供给流量和阳极气体供给流量直到时刻7为止。
此外，在此例示了增加从时刻t3起至时刻t4为止的堆升温期间向燃料电池堆1供给的阳极气体供给流量的例子，但也可以增加堆升温期间从燃料流量控制阀231向排气燃烧器40供给的燃料供给流量。
另外，在此例示了将堆升温期间向排气燃烧器40供给的空气供给流量和阳极气体供给流量设定为固定的值的例子，但并不限于该例。以下，对堆升温期间的向排气燃烧器40供给的空气供给流量和阳极气体供给流量的其它控制方法进行说明。
图8A是表示与在IS运转中使堆温度从温度阈值Tth上升至目标温度Ts_t的控制方法有关的其它例的框图。
控制部6包括减法部601、燃烧器出口温度计算部602以及燃烧器供给流量控制部603。
在图6的步骤S941中堆温度低于温度阈值Tth的情况下，减法部601从目标堆温度Ts_t减去由温度传感器61检测出的堆温度来运算温度差ΔT。减法部601将运算出的温度差ΔT输出到燃烧器出口温度计算部602。
在燃烧器出口温度计算部602中记录有预先决定的温度曲线图。燃烧器出口温度计算部602在从减法部601获取到温度差ΔT时，参照温度曲线图来计算与温度差ΔT对应的燃烧器出口温度的目标值。燃烧器出口温度计算部602将该目标值作为目标出口温度Tc输出到燃烧器供给流量控制部603。
关于上述的温度曲线图，如燃烧器出口温度计算部602的内部所示那样，温度差ΔT越大则燃料器出口温度的目标值越大。另外，温度差ΔT越大则目标值的增加幅度越小。由此，在温度差ΔT大时，能够使燃料电池堆1的温度迅速地上升，在温度差ΔT小时，能够避免燃料电池堆1的温度变得过高。
燃烧器供给流量控制部603从燃烧器出口温度计算部602获取目标出口温度Tc，基于该目标出口温度Tc、利用预先决定的流量表分别设定要向排气燃烧器40供给的目标燃料流量和目标空气流量。在本实施方式中，燃烧器供给流量控制部603打开阳极流量控制阀23，使得向排气燃烧器40供给的燃料供给流量成为目标燃料流量，打开空气流量控制阀342，使得向排气燃烧器40供给的空气供给流量成为目标空气流量。
图8B是表示燃烧器供给流量控制部603中记录的流量表的一例的概念图。
如图8B所示，在流量表中，按每个燃烧器目标出口温度设定向排气燃烧器40供给的目标空气流量和目标燃料流量。
燃烧器目标燃料流量被设定为实现燃烧器目标出口温度所需要的值，燃烧器目标空气流量被设定为使碳(C)的摩尔量与氧(O2)的摩尔量之比(C/O2)大于1。即，根据燃烧器目标流量来设定燃烧器目标空气流量，燃烧器目标空气流量被设定为能够使作为向排气燃烧器40供给的燃料的阳极废气充分地燃烧的值。
燃烧器目标出口温度的值按第一目标出口温度Tc1、第二目标出口温度Tc2、第三目标出口温度Tc3的顺序变大。因而，燃烧器目标空气流量的值也按第一目标空气流量Qai1、第二目标空气流量Qai2、第三目标空气流量Qai3的顺序变大，燃烧器目标燃料流量的值也按第一目标燃料流量Qfu1、第二目标燃料流量Qfu2、第三目标燃料流量Qfu3的顺序变大。
例如，第一目标出口温度Tc1是在堆温度低于温度阈值Tth的情况下由燃烧器出口温度计算部602设定的排气燃烧器40的出口温度的目标值。目标燃料流量Qfu1是实现目标出口温度Tc1所需的向排气燃烧器40供给的燃料供给流量，相对于目标燃料流量Qfu1，目标空气流量Qai1是能够在排气燃烧器40中完全燃烧所需的向排气燃烧器40供给的空气供给流量。
因而，在堆温度低于温度阈值Tth的情况下，燃烧器供给流量控制部603获取第一目标出口温度Tc1，计算与该第一目标出口温度Tc1对应的第一目标燃料流量Qfu1及第一目标空气流量Qai1。然后，燃烧器供给流量控制部603打开阳极流量控制阀23，使得向排气燃烧器40供给的燃料供给流量成为第一目标燃料流量Qfu1，并且打开空气流量控制阀342，使得向排气燃烧器40供给的空气供给流量成为第一目标空气流量Qai1。
之后，燃烧器供给流量控制部603从温度传感器63获取燃烧器出口温度，在燃烧器出口温度上升至第二目标出口温度Tc2的情况下，计算与第二目标出口温度Tc2对应的第二目标燃料流量Qfu2及第二目标空气流量Qai2。然后，燃烧器供给流量控制部603基于计算出的第二目标燃料流量Qfu2和第二目标空气流量Qai2，打开阳极流量控制阀23和空气流量控制阀342。
通过这样，排气燃烧器40的出口温度逐级地上升至目标出口温度Tc3，由此能够使堆温度上升至适于发电的温度Ts_t。
根据第三实施方式，控制部6在IS运转中停止从燃料电池系统10向负载装置90的电力供给时，停止向燃料电池堆1供给阴极气体。由此，在IS运转中燃料电池堆1的发电停止，因此能够改善燃油消耗率。并且，燃料电池堆1的内部不会被阴极气体用的空气冷却，因此能够抑制燃料电池堆1的温度降低。另外，通过停止向燃料电池堆1供给阴极气体，燃料电池堆1的阴极侧的压力降低，能抑制随之发生的氧从阴极向阳极的流入，因此能够抑制阳极的氧化。
另外，根据本实施方式，燃料电池系统10还包括排气燃烧器40，该排气燃烧器40使从燃料电池堆1的阳极排出的气体燃烧来将向燃料电池堆1供给的阳极气体加热。然后，控制部在IS运转中向燃料电池堆1供给规定量的阳极气体，向排气燃烧器40供给空气。
由此，从燃料电池堆1排出的阳极废气能够在排气燃烧器40中燃烧，能够维持用于将燃料电池堆1加热的排气燃烧器40的温度。因此，能抑制IS运转中的燃料电池堆1的温度的降低，因此能够缩短从IS运转恢复为发电运转时使燃料电池堆1的温度上升至适于发电的工作温度所需要的时间。即，能够抑制燃料电池堆1的下次发电时的响应性的降低。
另外，根据本实施方式，控制部6在IS运转中向燃料电池堆1供给微量的阳极气体，在成为规定的期间的情况下使向燃料电池堆1供给的阳极气体增量。这样，通过间歇性地增加向燃料电池堆1供给的阳极气体供给流量，能够抑制燃料电池堆1的阳极的氧化，并且能够抑制下次发电时的响应性的降低。
特别是，根据本实施方式，控制部6在停止了从燃料电池系统10向负载装置90的电力供给时，根据燃料电池堆1的状态来控制向燃料电池堆1供给的阳极气体的流量。具体地说，如图7所示，控制部6在燃料电池堆1的温度比用于确保燃料电池堆1的发电所需要的温度的规定的阈值Tth低的情况下，增加向排气燃烧器40供给的阳极气体供给流量。由此，能够适当地维持燃料电池堆1的温度。
另外，根据本实施方式，在IS运转中堆温度降低的情况下，控制部6使阳极气体供给流量的增加幅度变大，并且增加向排气燃烧器40供给的空气供给流量。例如，如图7的(d)所示，控制部6使时刻t1的阳极气体供给流量的增加幅度比时刻t3的堆电压降低时的增加幅度大，并且使向排气燃烧器40供给的空气供给流量增加。
由此，排气燃烧器40的发热量增加，因此能够使堆温度迅速地上升。另外，由于阳极气体供给流量增加，因此能够进一步抑制氧从阴极向阳极的流入。
(第四实施方式)
图9是表示与本发明的第四实施方式的堆响应性确保处理有关的处理过程例的流程图。
本实施方式的堆响应性确保处理除了具备图6所示的步骤S941和S942以外，还具备步骤S951～S955。在此，仅说明步骤S951～S955的各处理。
在堆温度低于温度阈值Tth的情况下，在步骤S951中，控制部6使向排气燃烧器40供给的空气供给流量减少规定量。在本实施方式中，控制部6使空气流量控制阀342的开度减小预先决定的开闭幅度，来减少向排气燃烧器40供给的空气的流量。
由于向排气燃烧器40流入的空气流量的减少，排气燃烧器40的内部的热变得不易排出，因此排气燃烧器40的温度上升，向燃料电池堆1供给的阳极气体的温度上升。即，能够使燃料电池堆1的温度上升。
在步骤S952中，控制部6判断向排气燃烧器40供给的空气供给流量是否达到下限值Qth。在此所说的下限值Qt是使向排气燃烧器40供给的阳极废气燃烧所需的最低限度的空气流量、或者是对该空气流量加上将误差等考虑在内的余量而得到的流量。即，下限值Qt是用于进行限制使得排气燃烧器40不排出未燃烧气体的值。
而且，控制部6在向排气燃烧器40供给的空气供给流量大于下限值Qth的情况下，判断堆温度是否达到目标温度Ts_t。在堆温度达到目标温度Ts_t的情况下，堆响应性确保处理结束。另一方面，在堆温度低于目标温度Ts_t的情况下，控制部6返回到步骤S951的处理，使向排气燃烧器40供给的空气供给量进一步减少规定量。
控制部6在步骤S952中判断为向排气燃烧器40供给的空气供给流量达到下限值Qth的情况下，在步骤S954中，打开阳极系统空气供给阀341来向重整器26供给空气。由此，在重整器26中进行使空气燃烧来将阳极气体重整的部分氧化重整，因此重整后的阳极气体的温度上升。因此，堆温度上升。
在向重整器26供给空气之后，在步骤S955中，控制部6判断堆温度是否达到目标温度Ts_t。而且，在堆温度达到目标温度Ts_t的情况下，堆响应性确保处理结束。另一方面，在堆温度低于目标温度Ts_t的情况下，控制部6进入步骤S942的处理，增加向排气燃烧器40供给的空气供给流量和燃料供给流量，使得排气燃烧器40的发热量增加。
这样，在步骤S952中，通过减少向排气燃烧器40供给的空气供给流量来使堆温度上升。在尽管如此堆温度仍未达到目标温度Ts_t的情况下，在步骤S954中通过向重整器26供给空气来进行部分氧化重整，来使堆温度上升。
此外，在本实施方式中，在执行步骤S951～953的处理之后执行步骤S954～S955的处理，但并不限于此。也可以将步骤S951～953的处理和步骤S954～S955的处理同时执行，或者也可以在执行步骤S954～S955的处理之后执行步骤S951～953的处理。另外，也可以在执行步骤S942的处理之后执行步骤S951～953的处理和步骤S954～S955的处理。
根据第四实施方式，在IS运转中堆温度降低的情况下，使向排气燃烧器40供给的空气的流量在不会引起排气燃烧器40中空气不足的范围内减少。由此，排气燃烧器40的内部不易被流入的空气冷却，因此能够使堆温度上升。
另外，根据本实施方式，氧化剂供给系统3包括：重整器26，其将由排气燃烧器40加热后的燃料气体进行重整来生成阳极气体；以及阳极系统空气供给阀(控制阀)341，其用于向重整器26供给阴极气体用的空气。而且，控制部6在IS运转中堆温度降低的情况下，从阳极系统空气供给阀341向重整器26供给空气。由此，通过重整器26中的部分氧化重整反应而重整后的阳极气体的温度上升，高温的阳极气体被供给到燃料电池堆1的内部，因此能够使堆温度上升。
(第五实施方式)
图10是表示本发明的第五实施方式中的燃料电池系统11的结构的一例的图。
燃料电池系统11具备热交换器351、扩散燃烧器352以及催化燃烧器353来取代图1所示的燃料电池系统10的加热装置35。另外，燃料电池系统11具备用于从压缩机32向催化燃烧器353流通空气的分支通路333和用于使燃料气体从泵21分别流通到排气燃烧器40、扩散燃烧器352以及催化燃烧器353的分支通路211、212以及213。在各分支通路333、211、212以及213中分别具备控制阀343、231、232以及232。
并且，在阳极气体排出通路29上安装有截止阀28。截止阀28在燃料电池系统11的停止控制结束后关闭。由此，防止阳极气体排出通路29中的阴极废气等的逆流，抑制阳极的劣化。
在阴极气体供给通路33上安装有溢流阀36。当阴极气体供给通路33内的压力超过固定值时，打开阴极气体供给通路33来避免对压缩机32施加一定量以上的负载。
控制阀343在燃料电池堆1启动时向催化燃烧器353供给固定量的空气，在启动结束后关闭分支通路333。
热交换器351利用从排气燃烧器40排出的排气的热对燃烧气体用的空气或者阴极气体用的空气进行加热。
扩散燃烧器352在燃料电池系统10启动时被供给通过热交换器351被加热的空气以及从分支通路212供给且在电加热器242中被加热的加热用燃料，并将两者混合。然后，利用附属于扩散燃烧器352的点火装置将空气与加热用燃料的混合物点燃来形成催化燃烧器353用的预热炉。启动结束后，将从热交换器351供给的空气供给到催化燃烧器353。
催化燃烧器353在启动时使用催化剂和预热炉生成高温的燃烧气体。在催化燃烧器353中，经由分支通路333供给燃烧气体用的空气，并且从分支通路213供给加热用燃料，两者以与催化剂接触的状态混合。然后，通过利用预热炉将空气与加热用燃料的混合物点燃来生成大量的燃烧气体。该燃烧气体不含有氧且以非活性气体为主要成分。然后，燃烧气体被供给到燃料电池堆1的阴极，对燃料电池堆1进行加热。此外，在启动结束后，燃烧气体的生成结束，通过了热交换器351、扩散燃烧器352的空气作为阴极气体被供给到燃料电池堆1。
控制阀231、232以及233在燃料电池系统11启动时将分支通路211、212、213分别打开来使加热用燃料流通，在启动结束时将分支通路211、212、213分别关闭。另外，阳极流量控制阀23在启动时将阳极气体供给通路22关闭，但在启动结束时将阳极气体供给通路22打开来使重整用燃料流通。
在燃料电池系统11启动时，向排气燃烧器40供给从分支通路211供给且通过电加热器241被加热后的加热用燃料，将通过了燃料电池堆1的燃烧气体和从燃烧器空气供给通路332导入的空气进行混合，并通过催化反应对排气燃烧器40进行加热。
接着，简单地说明本实施方式的燃料电池系统11的动作。
图11是表示与使燃料电池系统11启动的启动运转有关的处理过程例的流程图。
当燃料电池系统11开始进行启动运转时，在步骤S101中，控制部6启动压缩机32，使阴极流量控制阀34、控制阀341以及控制阀342分别以固定的开度打开。由此，向扩散燃烧器352和催化燃烧器353供给空气(燃烧用气体)。在步骤S102中，控制部6启动泵21和扩散燃烧器352(点火装置)并且打开控制阀231～233。由此，加热用燃料被分别供给到扩散燃烧器352、催化燃烧器353以及排气燃烧器40。而且，在扩散燃烧器352中形成预热炉，利用该预热炉在催化燃烧器353中生成燃烧气体，燃烧气体通过燃料电池堆1且将燃料电池堆1加热。并且，通过了燃料电池堆1的燃烧气体到达排气燃烧器40，通过与加热用燃料之间的催化燃烧，来将排气燃烧器40加热且将热交换器25加热。另外，利用来自排气燃烧器40的燃烧后气体将蒸发器24和热交换器351加热。
在步骤S103中，控制部6判定燃料电池堆1的温度是否达到发电所需要的工作温度。在此，作为燃料电池堆1的温度的判定方法，例如若由温度传感器63检测出的燃烧器出口温度超过固定值则判定为燃料电池堆1达到工作温度即可。
此外，原本需要判断蒸发器24、热交换器25以及重整器26是否达到用于对重整用燃料良好地进行重整的适当的温度，但在它们达到适当的温度的时间比燃料电池堆1的温度达到工作温度所需的时间短的情况下，无需进行上述判断。
在步骤S103中控制部6判断为燃料电池堆1的温度达到工作温度的情况下，在步骤S104中，控制部6使扩散燃烧器352停止，关闭各控制阀342、343、231、232、233，打开阳极流量控制阀23。由此，重整用燃料从燃料罐20经过蒸发器24、热交换器25、重整器26后变为阳极气体(燃料气体)，该阳极气体被供给到燃料电池堆1的阳极。另一方面，从阴极流量控制阀34继续供给空气并且在热交换器351中将该空气加热，加热后的空气作为阴极气体(氧化剂气体)被供给到燃料电池堆1。然后，在燃料电池堆1中，阳极气体与阴极气体开始发生电化学反应，由此转变为发电运转，启动运转结束。
接着，对燃料电池系统11的发电运转的动作进行说明。
在燃料电池系统11的发电运转中，首先，从燃料罐20供给的重整用燃料通过蒸发器24而发生气化，气化了的重整用燃料通过热交换器25被加热，被加热后的重整用燃料在重整器26中被重整为阳极气体，该阳极气体被供给到燃料电池堆1的阳极。另一方面，作为阴极气体的空气通过热交换器351而升温，通过扩散燃烧器352、催化燃烧器353被供给到燃料电池堆1的阴极。在被供给了阳极气体和阴极气体的燃料电池堆1中，通过电化学反应产生电力并向DC-DC转换器51供给电力，并且在电化学反应中使用的阳极废气和阴极废气被导入排气燃烧器40。然后，阳极废气、阴极废气以混合的状态燃烧后转变为排出气体，该排出气体将蒸发器24和热交换器351加热。
根据第五实施方式，与上述的各实施方式同样地，控制部6在燃料电池系统11的运转状态从发电运转切换为IS运转时，停止从燃料电池系统11向负载装置90的电力供给，向燃料电池堆1供给阳极气体。由此，能够获得与上述实施方式相同的作用效果。
此外，在上述实施方式中，示出了将本发明应用于具备固体氧化物型燃料电池的燃料电池系统的例子，但并不限于该例子，还能够应用于如下图所示那样的具备高分子电解质型燃料电池的燃料电池系统。
(第六实施方式)
图12是表示具备高分子电解质型燃料电池的燃料电池系统12的结构的一例的结构图。
燃料电池系统12用于向负载装置90a所具备的驱动马达91供给电力。燃料电池系统12具备：多个高分子电解质型燃料电池层叠而成的燃料电池堆1a、阳极气体供给系统2a、阴极气体供给系统3a、电力供给系统5a以及基于驱动马达91的请求电力控制向燃料电池堆1a供给的阳极气体和阴极气体的流量的控制部6a。
阳极气体供给系统2a具备：将阳极气体以高压容纳的高压罐20a、阳极气体供给通路22a、用于调整阳极气体的压力的阳极调压阀23a、用于排出阳极废气的净化阀24a以及阳极气体排出通路29a。
氧化剂供给装置3a具备：过滤器30a、压缩机32a、阴极气体供给通路33a、用于调整阴极气体的压力的阴极调压阀34a以及阴极气体排出通路39a。
电力供给系统5a具备用于从燃料电池系统12向负载装置90a供给电力的DC-DC转换器51和用于对燃料电池堆1的电力进行辅助的辅助蓄电池52。
在这种燃料电池系统12中也是，控制部6a例如在驱动马达91的请求电力为零的情况下实施IS运转。在该情况下，控制部6a也可以控制DC-DC转换器51来停止向驱动马达91的电力供给，并且使阳极气体流通到燃料电池堆1的阳极后排出到外部。由此，在IS运转中排出滞留在阳极的空气，因此能够抑制燃料电池堆1的发电性能的降低。
另外，即使是使从高分子电解质型燃料电池排出的燃料废气和氧化剂废气在燃烧器中燃烧并利用该燃烧气体来驱动涡轮的燃料电池系统，也能够应用本发明。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但上述实施方式只是示出了本发明的应用例的一部分，宗旨并非是将本发明的技术范围限定为上述实施方式的具体结构。
例如，在负载装置90的请求电力为零的情况下实施了IS运转，但只要是停止从燃料电池系统向负载装置90的电力供给的条件即可，即使对燃料电池堆请求的请求电力是大于零的规定值，也可以实施IS运转。
另外，在本实施方式中对在蓄电池92为满充电时发出IS运转请求的例子进行了说明，但也可以在蓄电池92的SOC为规定值(例如90％)以上时发出IS运转请求。
此外，能够对上述各实施方式适当进行组合。
本申请主张在2015年12月25日向日本专利局申请的特愿2015-253852号的优先权，通过参照将该申请的全部内容引入本说明书中。

Claims (14)

1.一种燃料电池系统的控制方法，该燃料电池系统具备向燃料电池供给燃料气体和氧化剂气体的气体供给装置、以及使从所述燃料电池的阳极排出的燃料气体燃烧的燃烧器，所述燃料电池系统的控制方法包括：
发电运转步骤，基于对所述燃料电池请求的负载，实施对向所述燃料电池供给的燃料气体和氧化剂气体进行控制来使所述燃料电池发电的发电运转；以及
自主运转步骤，在所述负载为规定值以下的情况下，实施所述燃料电池的自主运转，
其中，在所述自主运转中，停止从所述燃料电池系统向所述负载的电力供给，向所述燃料电池的阳极流通燃料气体，
其中，在所述自主运转步骤中，向所述燃烧器供给氧化剂气体。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，
在所述自主运转步骤中，在停止从所述燃料电池系统向所述负载的电力供给时，停止向所述燃料电池供给氧化剂气体。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，
所述燃烧器将向所述燃料电池供给的燃料气体加热，
在所述自主运转步骤中，向所述阳极供给规定量的燃料气体。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，
在所述自主运转步骤中，在停止从所述燃料电池系统向所述负载的电力供给之后，仅在从避免由于紧接所述自主运转开始后向所述燃烧器进行的空气供给的延迟而引起的空气不足的角度出发确定的特定的期间使向所述燃烧器供给的氧化剂气体增量。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，
在所述自主运转步骤中，向所述阳极供给微量的燃料气体或者停止向所述阳极供给燃料气体，在成为从一边抑制燃料的消耗，一边抑制所述燃料电池中的阳极的氧化的角度出发确定的规定期间的情况下，使向所述阳极供给的燃料气体增量。
6.根据权利要求1至4中的任一项所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，
在所述自主运转步骤中，在停止了向所述负载的电力供给时，根据所述燃料电池的状态来控制向所述阳极供给的燃料气体的流量。
7.根据权利要求6所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，
在所述自主运转步骤中，在所述燃料电池的电压比规定电压低的情况下，增加向所述阳极供给的燃料气体的流量，该规定电压是用于表示所述阳极的燃料气体浓度降低的电压。
8.根据权利要求7所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，
所述规定电压是用于表示由于所述阳极的氧浓度的增加而燃料气体浓度下降、所述阳极劣化的电压。
9.根据权利要求7或8所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，
在所述自主运转步骤中，在所述燃料电池的温度低于规定的阈值的情况下，增加向所述燃烧器供给的燃料气体的流量，该规定的阈值用于确保进行所述发电所需的温度。
10.根据权利要求9所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，
在所述自主运转步骤中，在所述自主运转中所述燃料电池的温度降低了的情况下，减小向所述燃烧器供给的氧化剂气体的流量。
11.根据权利要求9所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，
在所述自主运转步骤中，在所述自主运转中所述燃料电池的温度降低了的情况下，增大所述燃料气体的流量的增加幅度，并且增加向所述燃烧器供给的氧化剂气体的流量。
12.根据权利要求10或11所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，
所述气体供给装置包括：
重整器，其对通过所述燃烧器被加热后的燃料气体进行重整；以及
控制阀，其用于向所述重整器供给要向所述燃料电池供给的氧化剂气体，
其中，在所述自主运转步骤中，在所述自主运转中所述燃料电池的温度降低了的情况下，利用所述控制阀向所述重整器供给氧化剂气体。
13.根据权利要求1至4中的任一项所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，
在所述自主运转步骤中，在停止了向所述负载的电力供给时，使从所述燃料电池的阳极排出到所述燃烧器的未燃烧气体燃烧。
14.一种燃料电池系统，包括：
燃料电池，其利用燃料气体和氧化剂气体进行发电；
气体供给装置，其向所述燃料电池供给燃料气体和氧化剂气体；
燃烧器，其使从所述燃料电池的阳极排出的燃料气体燃烧；
电力控制器，其将电力从所述燃料电池取出且供给到蓄电池或者马达；以及
控制部，其基于对所述燃料电池请求的负载，来实施所述燃料电池的发电运转，
其中，在所述负载为规定值以下的情况下，所述控制部实施所述燃料电池的自主运转，在所述自主运转中，停止从所述燃料电池系统向所述负载的电力供给，向所述燃料电池的阳极流通燃料气体，
其中，在所述自主运转中，向所述燃烧器供给氧化剂气体。
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