CN108780905A - 燃料电池系统及其控制装置以及燃料电池系统的控制方法 - Google Patents

燃料电池系统及其控制装置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：阳极气体供给装置，其向燃料电池供给阳极气体；引射器，其使从燃料电池排出的阳极排气合流到向燃料电池供给的阳极气体中；以及致动器，其向引射器供给阳极排气。该燃料电池系统的控制方法包括：阴极气体控制步骤，根据对燃料电池要求的负荷的大小来控制向燃料电池供给的阴极气体的压力；以及阳极气体控制步骤，在负荷低时，与负荷高时相比，利用阳极气体供给装置使阴极气体的压力与阳极气体的压力的压力差变大。

Description

燃料电池系统及其控制装置以及燃料电池系统的控制方法
技术领域
本发明涉及一种将从燃料电池排出的气体导入到燃料电池来使该气体循环的燃料电池系统及其控制装置以及燃料电池系统的控制方法。
背景技术
在日本特开2008-131633号公报中公开了一种燃料电池系统，该燃料电池系统具备：引射器，其使从燃料电池排出的阳极排气合流到从罐向燃料电池供给的阳极气体中来供给到燃料电池；以及泵，其将该阳极排气进行加压后送出到引射器。
在该燃料电池系统中，在燃料电池的负荷比低负荷区域高的区域，驱动泵来将阳极排气升压，并且使向引射器供给的阳极气体的压力与低负荷区域相比增加以使得该阳极排气的压力在引射器中不被降压。
如上所述的燃料电池系统在燃料电池的负荷处于比低负荷区域高的区域时，使向引射器供给的阳极气体的压力增加，因此，存在向燃料电池的阳极气体的供给量变得过剩的可能性。在这种情况下，需要在燃料电池中超过需要地消耗阳极气体或者将阳极气体排出到外部，燃烧消耗率变差。
另一方面，在燃料电池的负荷处于低负荷区域时，使向引射器供给的阳极气体的压力减少，因此必须随之增大利用泵得到的阳极排气的升压量，驱动泵的致动器的消耗电力变大。因此，存在必须使泵的性能变高的问题。
本发明是着眼于这种问题而完成的，其目的在于提供一种减少使阳极气体循环到燃料电池的致动器的消耗电力的燃料电池系统及其控制装置以及燃料电池系统的控制方法。
发明内容
根据本发明的某个方式，燃料电池系统具备：阳极气体供给装置，其向燃料电池供给阳极气体；引射器，其使从所述燃料电池排出的阳极排气合流到向所述燃料电池供给的阳极气体中；致动器，其向所述引射器供给该阳极排气；以及阴极气体供给装置，其向所述燃料电池供给阴极气体。该燃料电池系统的控制方法的特征在于，包括：阴极气体控制步骤，根据对所述燃料电池要求的负荷的大小来控制向所述燃料电池供给的阴极气体的压力；以及阳极气体控制步骤，在所述负荷低时，与所述负荷高时相比，利用所述阳极气体供给装置使所述阴极气体的压力与所述阳极气体的压力的压力差变大。
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例的结构图。
图2是表示本实施方式中的引射器的性能与阳极循环系统的所需扬程之间的关系的图。
图3是说明本实施方式中的燃料电池的阳极气体压力的控制手法的一例的图。
图4是表示本实施方式中的燃料电池系统的控制方法的流程图。
图5是表示对本发明的第二实施方式中的燃料电池系统进行控制的控制器的功能结构例的框图。
图6是表示运算应该向燃料电池供给的阳极气体的目标压力的功能结构的框图。
图7是表示运算阳极循环泵的目标动力的功能结构的框图。
图8是表示运算应该向燃料电池供给的阴极气体的目标压力的功能结构的框图。
图9是表示运算阴极气体的目标流量的功能结构的框图。
图10是表示本实施方式中的燃料电池系统的工作状态的变化的图。
图11是表示本发明的第三实施方式中的燃料电池系统的结构例的结构图。
图12是表示本实施方式中的控制器的功能结构例的框图。
图13是表示根据对燃料电池的湿润要求来运算阳极气体的目标压力的功能结构的框图。
图14是表示基于要求负荷来运算利用引射器得到的阳极排气的升压量的功能结构的框图。
图15是表示基于阳极循环泵用逆变器的温度来运算利用阳极循环泵得到的上限升压量的功能结构的框图。
图16是表示运算用于减轻阳极循环泵的动力的阳极气体压力的功能结构的框图。
图17是表示运算用于抑制供给阴极气体的压缩机的动力增加的阳极气体压力的功能结构的框图。
图18是表示根据湿润要求来运算阳极循环泵的目标动力的功能结构的框图。
图19是表示根据湿润要求来运算阴极气体的目标压力的功能结构的框图。
图20是表示根据湿润要求来运算阴极气体的目标流量的功能结构的框图。
图21是表示本发明的第四实施方式中的阳极气体压力的控制手法的一例的图。
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)
图1是表示本发明的第一实施方式中的燃料电池系统100的结构的一例的结构图。
燃料电池系统100构成以下的电源系统：分别向燃料电池堆1供给包含燃料电池的发电所需的燃料的阳极气体以及包含氧化剂的阴极气体，根据电气负荷来使燃料电池发电。在本实施方式中，氢被用作燃料，氧被用作氧化剂。燃料电池系统100例如搭载于电动车辆、混合动力车辆等。
燃料电池系统100包括燃料电池堆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、负载装置5以及控制器200。
燃料电池堆1是层叠多个燃料电池而成的层叠电池。燃料电池堆1是与负载装置5连接的、向负载装置5供给电力的电源。燃料电池堆1例如产生数百V(伏特)的直流的电压。
燃料电池具有阳极电极(燃料极)、阴极电极(氧化剂极)以及夹在这些电极之间的电解质膜。在燃料电池中，向阳极电极供给的阳极气体中的氢与向阴极电极供给的阴极气体中的氧发生电化学反应从而发电。在阳极电极和阴极电极处如以下那样进行电化学反应(发电反应)。
阳极电极：2H2→4H++4e-…(1)
阴极电极：4H++4e-+O2→2H2O…(2)
阴极气体供排装置2包括向燃料电池堆1供给阴极气体的阴极气体供给装置。本实施方式的阴极气体供排装置2将包含氧的空气作为阴极气体供给到燃料电池堆1的阴极电极侧，并且将从燃料电池堆1的阴极电极侧排出的空气作为阴极排气放出到大气。
阴极气体供排装置2包括阴极气体供给通路21、压缩机22、流量传感器23、中冷器24、阴极压力传感器25、阴极气体排出通路26以及阴极压力调节阀27。
阴极气体供给通路21是用于向燃料电池堆1供给阴极气体的通路。阴极气体供给通路21的一端开口，另一端与燃料电池堆1的阴极气体入口孔连接。
压缩机22设置于阴极气体供给通路21。压缩机22从阴极气体供给通路21的开口端取入空气，将该空气供给到燃料电池堆1。压缩机22的操作量由控制器200来控制。
流量传感器23设置于比压缩机22更靠上游的阴极气体供给通路21。流量传感器23对由压缩机22吸引后向燃料电池堆1喷出的阴极气体的流量进行检测。下面，将利用压缩机22向燃料电池堆1供给的阴极气体的流量称为“压缩机流量”。流量传感器23将检测压缩机流量所得到的信号输出到控制器200。
中冷器24设置于比压缩机22更靠下游的阴极气体供给通路21。中冷器24对从压缩机22喷出的阴极气体进行冷却，以避免配置于比中冷器24更靠下游的位置的部件的温度变得过高。
阴极压力传感器25设置于中冷器24与燃料电池堆1之间的阴极气体供给通路21。阴极压力传感器25对向燃料电池堆1供给的阴极气体的压力进行检测。下面，将向燃料电池堆1供给的阴极气体的压力称为“阴极压力”。阴极压力传感器25将检测阴极压力所得到的信号输出到控制器200。
阴极气体排出通路26是用于从燃料电池堆1排出阴极气体的通路。阴极气体排出通路26的一端与燃料电池堆1的阴极气体出口孔连接，另一端开口。
阴极压力调节阀27设置于阴极气体排出通路26。作为阴极压力调节阀27，在本实施方式中，使用能够阶段性地变更阀的开度的电磁阀。此外，作为阴极压力调节阀27，也可以使用如孔(Orifice)、涡轮喷嘴这样的部件。阴极压力调节阀27的开度由控制器200来控制。随着阴极压力调节阀27的开度变大，阴极压力调节阀27打开，随着阴极压力调节阀27的开度变小，阴极压力调节阀27闭合。
阳极气体供排装置3构成向燃料电池堆1供给阳极气体的阳极气体供给装置和阳极循环系统。
本实施方式的阳极气体供排装置3将氢作为阳极气体供给到燃料电池堆1的阳极电极侧，并且，将从燃料电池堆1的阳极电极侧排出的气体再次导入到燃料电池堆1的阳极电极来使该气体循环。
并且，阳极气体供排装置3利用阴极排气对从燃料电池堆1的阳极极侧排出的气体中的杂质进行稀释后放出到大气。下面，将从燃料电池堆1的阳极电极侧排出的气体称为“阳极排气”。
阳极气体供排装置3包括高压罐31、阳极气体供给通路32、阳极压力调节阀33、引射器34、阳极气体循环通路35、阳极循环泵36、阳极压力传感器37、杂质排出通路38以及放气阀39。此外，本实施方式的阳极循环系统由燃料电池堆1、引射器34、阳极气体循环通路35以及阳极循环泵36构成。
高压罐31将要向燃料电池堆1供给的作为燃料的氢保持为高压状态来进行贮存。
阳极气体供给通路32是用于将高压罐31中收容的氢作为阳极气体供给到燃料电池堆1的通路。阳极气体供给通路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。
阳极压力调节阀33设置于比引射器34更靠上游的阳极气体供给通路32。阳极压力调节阀33对阳极气体供给通路32的压力、即向引射器34供给的阳极气体的压力进行调整。作为阳极压力调节阀33，例如使用能够阶段性地变更阀的开度的电磁阀。阳极压力调节阀33的开度由控制器200来控制开闭。
引射器34设置于阳极压力调节阀33与燃料电池堆1之间的阳极气体供给通路32。引射器34是使从燃料电池堆1排出的阳极排气合流到利用阳极压力调节阀33供给的阳极气体后供给到燃料电池堆1的机械式泵。
本实施方式的引射器34是喷嘴直径固定的引射器。在该引射器34中，通过将从高压罐31供给的阳极气体从位于流入口的喷嘴向扩散器进行喷射，来使扩散器内产生负压。然后，利用该负压来将阳极排气从吸引口引导到扩散器内，将所吸引的阳极排气与从喷嘴喷射的新的阳极气体进行混合后从流出口向燃料电池堆1排出。
这样，引射器34通过提高利用阳极压力调节阀33供给的阳极气体的流速，来从阳极气体循环通路35吸引阳极排气并使该阳极排气循环到燃料电池堆1的阳极电极。
阳极气体循环通路35是将来自燃料电池堆1的阳极排气导入到阳极气体供给通路32来使该阳极排气循环到燃料电池堆1的通路。阳极气体循环通路35的一端与燃料电池堆1的阳极气体出口孔连接，另一端与引射器34的吸引口(循环口)连接。
阳极循环泵36设置于阳极气体循环通路35。阳极循环泵36具有用于借助引射器34将阳极排气送出到燃料电池堆1的致动器。阳极循环泵36使阳极气体循环通路35的压力上升以确保在燃料电池堆1内的阳极电极循环的阳极排气的循环流量。
本实施方式的阳极循环泵36由HRB(Hydrogen recirculation blower：氢气再循环鼓风机)来实现。下面将阳极循环泵36也称为“HRB”。阳极循环泵36的转速(旋转速度)由控制器200来控制。此外，阳极循环泵36只要用于将阳极排气进行升压后送出到引射器34即可，不限于HRB，也可以是压缩机或泵。
阳极压力传感器37设置于引射器34与燃料电池堆1之间的阳极气体供给通路32。阳极压力传感器37对从引射器34向燃料电池堆1供给的阳极气体的压力进行检测。下面，将向燃料电池堆1供给的阳极气体的压力称为“阳极压力”。阳极压力传感器37将检测阳极压力所得到的信号输出到控制器200。
杂质排出通路38是排出阳极排气中的杂质的通路。在此所说的杂质是指伴随燃料电池堆1中的发电的生成水、从燃料电池堆1的阴极电极经由电解质膜向阳极电极透过来的氮气等。
杂质排出通路38的一端与阳极气体循环通路35连接，另一端与比阴极压力调节阀27更靠下游的阴极气体排出通路26连接。由此，与杂质一起从杂质排出通路38排出的氢会被在阴极气体排出通路26中流动的阴极排气稀释。
此外，虽然在此未图示，但是在阳极气体循环通路35与杂质排出通路38的连接部分设置有将阳极排气中的生成水与氮气等气体分离的气液分离装置。
放气阀39设置于杂质排出通路38。放气阀39将阳极排气所包含的杂质放出到外部。放气阀39由控制器200来控制开闭。例如，通过占空比控制来以固定的周期重复开闭放气阀39。
氢与杂质一起从放气阀39被放出，包含它们的放气气体被排出到阴极气体排出通路26。以使利用阴极排气稀释后的氢浓度为规定值以下的方式对阴极排气的流量进行调整。
堆冷却装置4是对燃料电池堆1的温度进行冷却的装置。堆冷却装置4包括冷却水循环通路41、冷却水泵42、散热器43、旁路通路44、三通阀45、入口水温传感器46以及出口水温传感器47。
冷却水循环通路41是使冷却水循环到燃料电池堆1的通路。冷却水循环通路41的一端与燃料电池堆1的冷却水入口孔连接，另一端与燃料电池堆1的冷却水出口孔连接。
冷却水泵42设置于冷却水循环通路41。冷却水泵42经由散热器43向燃料电池堆1供给冷却水。冷却水泵42的转速由控制器200来控制。
散热器43设置于比冷却水泵42更靠下游的冷却水循环通路41。散热器43利用风扇来冷却在燃料电池堆1的内部被加温的冷却水。
旁路通路44是绕过散热器43的通路，是使从燃料电池堆1排出的冷却水以返回的方式循环到燃料电池堆1的通路。旁路通路44的一端连接于冷却水泵42与散热器43之间的冷却水循环通路41，另一端与三通阀45连接。
三通阀45对向燃料电池堆1供给的冷却水的温度进行调整。三通阀45例如通过恒温器来实现。三通阀45设置在散热器43与燃料电池堆1的冷却水入口孔之间的冷却水循环通路41上的与旁路通路44合流的部分处。
入口水温传感器46和出口水温传感器47对冷却水的温度进行检测。由入口水温传感器46和出口水温传感器47检测的冷却水的温度被用作燃料电池堆1的温度。下面，将燃料电池堆1的温度也称为“FC温度”。
入口水温传感器46设置于位于燃料电池堆1的冷却水入口孔附近的冷却水循环通路41。入口水温传感器46对向燃料电池堆1的冷却水入口孔流入的冷却水的温度进行检测。下面，将向燃料电池堆1流入的冷却水的温度称为“FC入口水温”。入口水温传感器46将检测FC入口水温所得到的信号输出到控制器200。
出口水温传感器47设置于位于燃料电池堆1中形成的冷却水出口孔的附近的冷却水循环通路41。出口水温传感器47对从燃料电池堆1排出的冷却水的温度进行检测。下面，将从燃料电池堆1排出的冷却水的温度称为“FC出口水温”。出口水温传感器47将检测FC出口水温所得到的信号输出到控制器200。
负载装置5是与燃料电池堆1连接的、接受由燃料电池堆1供给的电力来驱动的装置。作为负载装置5，例如包括驱动车辆的电动马达、控制该电动马达的控制单元、作为燃料电池堆1的发电所需的附属设备的FC辅机等。作为FC辅机，例如能够列举出压缩机22、阳极循环泵36、冷却水泵42等。
负载装置5的控制单元将对燃料电池堆1的要求负荷输出到控制器200。在此所说的要求负荷是与燃料电池堆1的发电量有相关性的参数，例如可以是驱动负载装置5所需的要求电力、向负载装置5供给该要求电力所需的燃料电池堆1的目标电流或目标电压等。负载装置5的要求电力越大，则对燃料电池堆1的要求负荷越高。在搭载于车辆的燃料电池系统100中，加速踏板的踏下量越大，则负载装置5的要求负荷越大。
在负载装置5与燃料电池堆1之间配置有电流传感器51和电压传感器52。电流传感器51连接于燃料电池堆1的正极端子1p与负载装置5的正极端子之间的电源线。电流传感器51对从燃料电池堆1向负载装置5输出的电流进行检测。电压传感器52连接于燃料电池堆1的正极端子1p与负极端子1n之间。电压传感器52对正极端子1p与负极端子1n之间的电压即端子间电压进行检测。
控制器200是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)的微型计算机构成的控制装置。此外，控制器200也可以由多个微型计算机构成。
流量传感器23、阴极压力传感器25、阳极压力传感器37、入口水温传感器46及出口水温传感器47的各输出信号以及来自负载装置5的要求负荷被输入到控制器200。除此以外，检测大气压力的大气压传感器201的输出信号被输入到控制器200。这些输入信号被用作与燃料电池系统100的运转状态有关的参数。
控制器200根据这些输入信号来控制燃料电池堆1的发电量。在本实施方式中，控制器200根据对燃料电池堆1的要求负荷的大小来控制阳极压力调节阀33的开度和阳极循环泵36的操作量。并且，控制器200根据燃料电池系统100的运转状态来控制压缩机22的操作量和阴极压力调节阀27的开度。
例如，控制器200基于对燃料电池堆1的要求负荷来运算应该向燃料电池堆1供给的阴极气体的目标流量和目标压力以及阳极气体的目标循环流量和目标压力。
控制器200基于阴极气体的目标流量和目标压力来控制压缩机22的马达转矩和阴极压力调节阀27的开度。并且，控制器200基于阳极气体的目标循环流量和目标压力来控制阳极循环泵36的转速和阳极压力调节阀33的开度。
例如，控制器200以极力减小燃料电池堆1的阴极压力与阳极压力的压力差、即极间压力差的方式对阴极压力调节阀27的开度和阳极压力调节阀33的开度进行控制。
图2是与本实施方式中的引射器34的性能有关的说明图。图2的(a)概念性地示出了引射器34的性能与阳极循环系统的所需扬程之间的关系。
在图2的(a)中，横轴是从燃料电池系统100向负载装置5的输出电力W，纵轴是阳极循环系统的压力损耗。在此所说的阳极循环系统的压力损耗表示作为燃料电池堆1中的阳极气体入口压力与阳极气体出口压力的压力差的压力损耗ΔPIO。
在图2的(a)中，利用虚线示出了燃料电池系统100的输出电力W与引射器34的扬程之间的关系，利用点线示出了为了确保燃料电池系统100的输出电力W而需要的阳极循环系统的所需扬程的变化。
此外，引射器34的扬程表示利用引射器34得到的阳极气体循环通路35的压力的升压量、即阳极排气的升压量。所需扬程表示为了确保应该向燃料电池堆1供给的阳极气体循环流量而需要的阳极排气的升压量。
如图2的(a)的虚线所示，在燃料电池系统100的输出电力高的区域、即燃料电池堆1的高负荷区域内，随着要求负荷变大，向引射器34供给的阳极气体的压力变高，因此引射器34的扬程大幅上升。这样，本实施方式的引射器34被设计成在燃料电池堆1的高负荷区域内引射器34的扬程变大。
另一方面，在燃料电池系统100的输出电力低的区域、即燃料电池堆1的低负荷区域内，向引射器34供给的阳极气体的压力变低，因此引射器34的扬程变为负，根据引射器34的结构上的特性，阳极排气的压力会下降。与此相对，如图2的(a)的实线所示，为了确保所需扬程，一般手法是在低中负荷区域内驱动阳极循环泵36来使阳极排气的压力上升。
图2的(b)是表示仅利用阳极循环泵36来对引射器34的扬程相对于所需扬程的不足进行辅助时的阳极循环泵36的消耗电力的概念图。
如图2的(b)所示，随着燃料电池系统100的输出电力相比于0变大，由于引射器34自身的压力损耗的原因，引射器34的扬程向负方向变大。因此，随着燃料电池系统100的输出电力相比于0变大，阳极循环泵36的消耗电力变大。
而且，在燃料电池系统100的输出点wp，引射器34的扬程在负方向上变为最大，因此阳极循环泵36的消耗电力最大。输出点wp存在于燃料电池系统100的输出范围中的大致20％至30％的区间，该区间相当于车辆的高速行驶状态下的平均输出。
随着燃料电池系统100的输出电力相比于输出点wp变大，如图2的(a)所示，向引射器34供给的阳极气体的压力变高，因此引射器34的扬程变大，相应地阳极循环泵36的消耗电力下降。由此，在高负荷区域内阳极循环泵36的消耗电力变为0或固定。
这样，在引射器34的扬程在负方向上最大的输出点wp，阳极循环泵36的要求动力最大。即，在燃料电池堆1的低负荷区域内，由于引射器34的特性，阳极排气的压力下降，因此阳极循环泵36的消耗电力相应地增加。
其结果，在燃料电池堆1的负荷处于低负荷区域时，尽管驱动阳极循环泵36来使阳极排气升压，阳极排气的压力也会由于引射器34的压力损耗而下降。即，在低负荷区域内，阳极循环泵36的动力的一部分变得浪费。
并且，当想要驱动阳极循环泵36来确保所需扬程时，向燃料电池堆1的阴极气体的流速变高，包括燃料电池堆1在内的阳极循环系统的压力损耗变大。
与此相对，当使向引射器34供给的阳极气体的压力高时，阳极气体的密度变高，因此能够在确保向阳极电极的氢供给量的同时降低向燃料电池堆1的阳极气体的流速。阳极循环系统的压力损耗与阳极气体的密度及阳极气体的流速的平方成正比，因此当阳极气体的流速下降时，阳极循环系统的压力损耗变小，因此阳极循环系统的所需扬程也会下降。因而，通过使向引射器34供给的阳极气体的压力高，能够降低阳极循环泵36的动力。
因此，本实施方式的控制器200在阳极排气会由于引射器34而降压的低负荷区域内，使阳极气体的压力增加以降低阳极循环系统的所需扬程。
图3是表示本实施方式中的阳极气体压力的控制手法的一例的图。图3的(a)示出了对燃料电池堆1的要求负荷与燃料电池堆1中的阳极压力及阴极压力之间的关系的一例。
在图3的(a)中，利用实线示出了执行本实施方式中的压力控制时的阳极压力的变化，利用点线示出了阴极压力的变化。并且，在图3的(a)中，利用虚线示出了比较例。
如图3的(a)的点线所示，本实施方式的控制器200随着对燃料电池堆1的要求负荷变大来使燃料电池堆1的阴极压力变高，以确保燃料电池堆1的发电所需的分压。
并且，控制器200在要求负荷处于低负荷区域时，使阴极压力与阳极压力的极间压力差相比于要求负荷处于高负荷区域时变大。即，控制器200在燃料电池堆1的负荷低时，使燃料电池堆1中的阳极气体的压力相对于阴极气体的压力而言增加。
在本实施方式中，控制器200以如下的方式控制阳极压力调节阀33的开度：随着要求负荷变高来使阳极压力变大，且在低负荷区域内，使相对于要求负荷的阳极压力的特性具有凸部。
图3的(b)概念性地示出了本实施方式中的对燃料电池堆1的要求负荷与阳极循环泵36的消耗电力之间的关系。
在图3的(b)中，利用实线示出了执行本实施方式中的压力控制时的阳极循环泵36的消耗电力的变化，利用虚线示出了表示执行图3的(a)的虚线所示的压力控制时的阳极循环泵36的消耗电力的变化的比较例。
如图3的(b)所示，在低负荷区域内能够通过增加向引射器34的阳极气体压力来降低燃料电池堆1的发电所需的阳极气体循环流量，因此能够相应地减少阳极循环泵36的消耗电力。
在图3的(b)的例子中，阳极循环泵36的消耗电力的峰比比较例的峰减少30％左右。通过像这样在低负荷区域内以不增加系统整体的消耗电力的方式增加阳极压力，能够降低阳极循环泵36的消耗电力的峰值，因此能够使阳极循环泵36变得小型。
另外，通过在低负荷区域内增加阳极气体压力，能够抑制因引射器34引起的阳极排气的压力下降，因此能够避免以下事态：阳极循环泵36的动力的一部分由于因引射器34引起的阳极排气的降压而变得浪费。
并且，在燃料电池堆1处于高负荷区域时，阳极气体压力的增加被抑制，因此能够避免以下事态：向燃料电池堆1供给的阳极气体的供给流量变得过多。
即使在低负荷区域内阳极气体的供给流量变得过剩，也能够在燃料电池堆1转变为高负荷区域时消耗剩余的阳极气体。因此，不需要在燃料电池堆1中超过需要地消耗阳极气体或者舍弃剩余的阳极气体。因而，能够抑制燃料电池系统100的燃烧消耗率恶化。
并且，由于在高负荷区域内阳极气体压力的增加被抑制，因此阳极压力与阴极压力的极间压力差变小，能够抑制电解质膜的耐久性下降。
另外，在高负荷区域内使阳极气体压力的增加量小，由此从放气阀39向大气排出的氢的排出量变少，因此能够改善燃料电池系统100的燃烧消耗率。并且，氢从阳极电极向阴极电极的透过量(泄漏量)减少，因此能够进一步改善燃烧消耗率。
此外，在图3的(a)的例子中，在要求负荷为0至特定的值的极低负荷区域内，极间压力差为0，但是控制器200也可以以在该极低负荷区域内也使极间压力差固定或者使阳极压力固定的方式控制阳极压力调节阀33的开度。在这种情况下也能够减少阳极循环泵36的消耗电力。
图4是表示本实施方式中的燃料电池系统100的控制方法的处理过程的一例的流程图。
在步骤S1中，控制器200根据来自负载装置5的要求负荷的大小来控制向燃料电池堆1供给的阴极气体的压力即阴极压力。例如，控制器200随着要求负荷变高来使阴极压力变大。
在步骤S2中，控制器200判断要求负荷是否处于规定的低负荷区域。规定的低负荷区域被设定为利用引射器34无法确保阳极气体的循环流量的负荷的区域。
在步骤S3中，控制器200在要求负荷处于规定的低负荷区域时根据要求负荷的大小来控制阳极循环泵36的动力。
在步骤S4中，控制器200通过控制阳极压力调节阀33的开度来使燃料电池堆1中的阴极压力与阳极压力的极间压力差变大。由此，向引射器34供给的阳极气体的压力增加，因此能够降低燃料电池堆1的发电所需的阳极气体的流速，能够如图3的(b)所示那样减少阳极循环泵36的消耗电力。
例如，控制器200使阳极压力在能够仅利用从燃料电池堆1排出的阴极排气的流量来稀释放气气体的范围内增加。由此，不需要使压缩机流量比燃料电池堆1的发电所需的阴极气体流量大，因此能够抑制压缩机22的消耗电力的增加。
在步骤S5中，控制器200在要求负荷处于规定的低负荷区域外时，以使阳极压力与阴极压力彼此相等的方式控制阳极压力调节阀33的开度。由此，能够抑制电解质膜的耐久性下降。
当步骤S4或S5的处理结束时，燃料电池系统100的控制方法的一系列处理过程结束。
根据本发明的第一实施方式，燃料电池系统100具备：引射器34，其使燃料电池堆1的阳极排气合流到向燃料电池堆1供给的阳极气体中；以及阳极循环泵36，其向引射器34供给阳极排气。
该燃料电池系统100的控制方法包括以下的阴极气体控制步骤S1：根据对燃料电池堆1要求的要求负荷的大小，来控制向燃料电池堆1供给的阴极气体的压力。并且，控制方法包括以下的阳极气体控制步骤S2至S4：在要求负荷低时，与要求负荷高时相比，利用阳极压力调节阀33使向燃料电池堆1供给的阳极气体的压力与阴极气体的压力的压力差变大。
通过像这样在燃料电池堆1的负荷低时增加阳极气体的压力，能够抑制引射器处的阳极排气的降压，因此能够相应地降低利用阳极循环泵36的致动器得到的阳极排气的升压量。因而，能够减少致动器的消耗电力。
另一方面，在燃料电池堆1的负荷高时使阴极气体与阳极气体的压力差变小，由此燃料电池堆1中的从阳极电极向阴极电极的阳极气体的泄漏量减少，因此能够抑制无用的阳极气体的排出。即，能够抑制燃料电池系统100中的燃烧消耗率的恶化。
并且，在燃料电池堆1的负荷高时阴极气体与阳极气体的压力差变小，因此能够抑制形成于燃料电池堆1的电解质膜的耐久性下降。
另外，根据本实施方式，控制器200在步骤S3中根据要求负荷的大小来控制阳极循环泵36的动力。例如，如图3的(b)所示，在要求负荷低时，与要求负荷高时相比，控制器200利用阳极循环泵36使阳极排气的升压量变大。
然后，如图3的(b)所示，控制器200在阳极循环泵36的动力增加的规定的低负荷区域内，使向燃料电池堆1供给的阳极气体的压力相对于阴极气体的压力而言增加。由此，阳极循环泵36的消耗电力的最大值下降，因此能够使阳极循环泵36变得小型。
如图2的(a)的虚线所示，上述的规定的低负荷区域被设定为在燃料电池堆1的发电所需的阳极气体压力下无法利用引射器34吸引阳极排气来使该阳极排气循环的负荷的区域。
另外，根据本实施方式，控制器200在步骤S5中要求负荷处于规定的低负荷区域外时，减小阳极气体的压力以使其与阴极气体的压力相等。由此，燃料电池堆1中的极间压力差会接近0，因此能够抑制燃料电池堆1中的电解质膜的劣化。
另外，根据本实施方式，燃料电池系统100包括：阴极气体供排装置2，其向燃料电池堆1供给阴极气体；阳极压力调节阀33，其对向燃料电池堆1供给的阳极气体的压力进行调整；以及引射器34，其使燃料电池堆1的阳极排气合流到至燃料电池堆1的阳极气体中。并且，燃料电池系统100包括：阳极循环泵36的致动器，其向引射器34供给阳极排气；以及控制器200，其构成根据与燃料电池堆1连接的负载装置5来控制燃料电池堆1的发电的控制装置。
而且，在由负载装置5要求的要求负荷低时，与负荷高时相比，控制器200使阳极压力调节阀33的操作量相对于阴极气体供排装置2对阴极气体压力的操作量的比例变大。
例如，控制器200在低负荷区域内使阳极压力调节阀33的操作量相对于阴极气体供排装置2中的阴极压力调节阀27的操作量的比例变大。由此，在低负荷区域内阳极压力调节阀33的开度相对于阴极压力调节阀27的开度而言变大，因此能够如图3的(a)所示那样使燃料电池堆1中的阴极气体压力与阳极气体压力的压力差变大。
因而，如图3的(b)所示，能够在减少燃料电池堆1中的从阳极电极向阴极电极的阳极气体的泄漏量的同时抑制阳极循环泵36的消耗电力。
(第二实施方式)
图5是表示本发明的第二实施方式中的控制器200的功能结构的框图。
控制器200包括An压力运算部210、An压力调节阀FB控制器220、HRB转速运算部230、Ca压力运算部240、Ca流量运算部250以及Ca流量/压力FB控制器260。
An压力运算部210基于来自负载装置5的要求负荷以及作为燃料电池堆1的温度的FC温度来运算应该向燃料电池堆1供给的阳极气体的目标压力。参照图6来在后面叙述An压力运算部210的详情。
本实施方式的An压力运算部210计算从入口水温传感器46输出的FC入口温度与从出口水温传感器47输出的FC出口温度的平均值来作为FC温度。此外，也可以将FC入口温度和FC出口温度中的任一方用作FC温度。
An压力调节阀FB控制器220基于阳极气体的目标压力以及来自阳极压力传感器37的阳极压力值，以使阳极压力值收敛为目标压力的方式对阳极压力调节阀33的开度进行反馈控制。
HRB转速运算部230基于来自负载装置5的要求负荷来运算为了确保包括引射器34和阳极循环泵36在内的阳极循环系统的所需扬程而需要的阳极循环泵36的目标转速。参照图7来在后面叙述HRB转速运算部230的详情。
HRB转速运算部230将运算出的目标转速输出到阳极循环泵36。由此，阳极循环泵36的转速被控制为目标转速。
Ca压力运算部240基于来自负载装置5的要求负荷以及上述的FC温度来运算应该向燃料电池堆1供给的阴极气体的目标压力。参照图8来在后面叙述Ca压力运算部240的详情。
Ca流量运算部250基于来自负载装置5的要求负荷、来自阳极压力传感器37的阳极压力值以及来自大气压传感器201的大气压力值，来运算应该向燃料电池堆1供给的阴极气体的目标流量。参照图9来在后面叙述Ca流量运算部250的详情。
Ca流量/压力FB控制器260基于阴极气体的目标压力及目标流量、来自阴极压力传感器25的阴极压力值以及来自流量传感器23的压缩机流量来控制压缩机22的操作量和阴极压力调节阀27的开度。压缩机22的操作量例如是指对设置于压缩机22的马达的转矩进行操作的量。
例如，Ca流量/压力FB控制器260以使阴极压力值收敛为目标压力的方式对阴极压力调节阀27的开度进行反馈控制。并且，Ca流量/压力FB控制器260以使压缩机流量收敛为目标流量的方式对压缩机22的操作量进行反馈控制。或者，也可以是，Ca流量/压力FB控制器260以使阴极压力值收敛为目标压力的方式，除了对阴极压力调节阀27的开度进行反馈控制以外还对压缩机22的操作量进行反馈控制。
图6是表示本实施方式中的An压力运算部210的详细结构的框图。
An压力运算部210基于负载装置5的要求负荷来运算表示燃料电池堆1的发电所需的阳极气体的压力的目标压力。然后，An压力运算部210根据基于入口水温传感器46和出口水温传感器47的检测值的FC温度来对阳极气体的目标压力进行校正。
如图6所示，在An压力运算部210中，按FC温度保存有表示要求负荷与确保要求负荷所需的阳极压力之间的关系的An压力控制对应图。当从负载装置5获取到要求负荷并且计算出FC温度时，An压力运算部210参照与该FC温度对应的An压力控制对应图，计算与获取到的要求负荷相关的阳极压力来作为阳极气体的目标压力。
在本实施方式中，An压力控制对应图被设定成：要求负荷越大则阳极压力越大，并且，在低负荷区域内，阳极压力的特性具有凸部。
在An压力控制对应图中，基本上来说，以使阴极压力与阳极压力的极间压力差变小的方式设定阳极气体的目标压力，以抑制电解质膜的耐久性的下降。通常来说，在同一要求负荷下，燃料电池堆1的发电所需的阳极气体的目标压力比阴极气体的目标压力小。因此，阳极气体的目标压力被设定成与阴极气体的目标压力一致。
在低负荷区域内，如图2的(a)的虚线所示，利用引射器34得到的阳极排气的升压量为负，因此阳极气体的目标压力被设定为比阴极气体的目标压力高的值以使向引射器34供给的阳极气体的压力增加。由此，引射器34的扬程增加，因此能够相应地减少阳极循环泵36的动力。
如图2的(a)所示，相对于要求负荷的阳极压力的特性具有凸部的负荷区域是阳极循环泵36的动力增加的区域，是引射器34的扬程与所需扬程相比不足的区域。例如，阳极压力特性的凸部被设定成包括要求负荷的上限值的20％至30％的负荷区域。
另外，在An压力控制对应图中，FC温度越高则阳极压力越大。这样的原因在于，随着FC温度变高，燃料电池堆1内的水蒸气压变高，因此随之需要确保燃料电池堆1的发电所需的氢分压。
而且，在低负荷区域内，FC温度越高，则阳极压力特性中的凸部越小。即，FC温度越高，则使阴极气体的目标压力与阳极气体的目标压力之差越小。由此，能够抑制以下情况：在FC温度高时无用地使阳极气体的压力变高，向燃料电池堆1供给的阳极气体的供给量变得过剩。
这样，在对燃料电池堆1的要求负荷低时，与要求负荷高时相比，An压力运算部210使阴极气体的目标压力与阳极气体的目标压力之差变大。
而且，在低负荷区域内，An压力运算部210随着燃料电池堆1的温度变高来使阴极气体的目标压力与阳极气体的目标压力之差变小。另外，在要求负荷处于低负荷区域外时，An压力运算部210以使阳极气体的目标压力与阴极气体的目标压力相等的方式计算阳极气体的目标压力。
图7是表示本实施方式中的HRB转速运算部230的详细结构的框图。
HRB转速运算部230基于负载装置5的要求负荷来运算表示燃料电池堆1的发电所需的阳极循环泵36的转速的目标转速。
如图7所示，在HRB转速运算部230中，保存有表示要求负荷与确保要求负荷所需的HRB转速之间的关系的HRB控制对应图。当从负载装置5获取到要求负荷时，HRB转速运算部230参照HRB控制对应图，计算与该要求负荷相关的HRB转速来作为HRB目标转速。
在本实施方式中，HRB控制对应图被设定成：在低负荷区域内，HRB转速的特性为梯形。
在HRB控制对应图中，如图2的(a)所示，在引射器34的扬程低于所需扬程的低负荷区域内，HRB转速增加。在低负荷区域内，随着要求负荷相比于0变大，HRB转速变大，在与图6的An压力控制对应图中的凸部相当的负荷区域内，HRB转速大致固定。当要求负荷变得比该负荷区域大时，HRB转速急剧地变小。
通过在图6的An压力控制对应图中设定凸部，能够抑制HRB转速的峰值，能够如图3的(b)所示那样减少阳极循环泵36的消耗电力。因而，不会增加燃料电池系统100的消耗电力，能够使阳极循环泵36变得小型。
这样，在要求负荷低时，与要求负荷高时相比，HRB转速运算部230使阳极循环泵36的转速增加以使阳极排气的升压量变大。
图8是表示本实施方式中的Ca压力运算部240的详细结构的框图。
Ca压力运算部240基于负载装置5的要求负荷来运算表示燃料电池堆1的发电所需的阴极气体压力的目标压力。然后，Ca压力运算部240根据基于入口水温传感器46和出口水温传感器47的检测值的FC温度来对阴极气体的目标压力进行校正。
如图8所示，在Ca压力运算部240中，按FC温度保存有表示要求负荷与确保要求负荷所需的阴极压力之间的关系的Ca压力控制对应图。当从负载装置5获取到要求负荷并且计算出FC温度时，Ca压力运算部240参照与该FC温度对应的Ca压力控制对应图，计算与获取到的要求负荷相关的阴极压力来作为阴极气体的目标压力。
Ca压力控制对应图被设定成：要求负荷越大，则阴极压力越大。这样设定的原因在于，随着要求负荷变大，燃料电池堆1的发电所需的阴极电极中的氧分压变大。
另外，Ca压力控制对应图被设定成：FC温度越高，则阴极压力越大。这样设定的原因在于，随着FC温度变高，燃料电池堆1内的水蒸气压变高，因此随之需要确保燃料电池堆1的发电所需的氧分压。
这样，Ca压力运算部240随着对燃料电池堆1的要求负荷变高来使应该向燃料电池堆1供给的阴极气体的目标压力变大。而且，Ca压力运算部240以燃料电池堆1的温度越高则使阴极气体的压力越大的方式对阴极气体的目标压力进行校正。Ca压力运算部240将阴极气体的目标压力输出到Ca流量/压力FB控制器260。
图9是表示本实施方式中的Ca流量运算部250的详细结构的框图。
Ca流量运算部250包括发电流量运算部251、氧消耗量运算部252、Ca排气流量运算部253、稀释要求流量计算部254以及目标流量设定部255。
发电流量运算部251基于来自负载装置5的要求负荷来运算表示燃料电池堆1的发电所需的阴极气体的流量的发电要求阴极流量。
如图9所示，在发电流量运算部251中保存有表示对燃料电池堆1的要求负荷与发电要求阴极流量之间的关系的Ca流量控制对应图。当从负载装置5获取到要求负荷时，发电流量运算部251参照Ca流量控制对应图来计算与该要求负荷相关的发电要求阴极流量。
Ca流量控制对应图被设定成：要求负荷越大，则发电要求阴极流量越大。因此，发电流量运算部251随着要求负荷变大来使发电要求阴极流量变大。然后，发电流量运算部251将发电要求阴极流量作为FC要求阴极流量输出到目标流量设定部255。
氧消耗量运算部252基于来自负载装置5的要求负荷来运算表示燃料电池堆1中的电化学反应所消耗的氧的消耗流量的氧消耗量。
当从负载装置5获取到要求负荷时，氧消耗量运算部252使要求负荷乘以预先决定的换算值，来计算燃料电池堆1中的氧消耗流量。
Ca排气流量运算部253基于来自阳极压力传感器37的阳极压力值，以使从阴极气体排出通路26放出到大气的排气中的氢浓度为规定值、例如4％以下的方式运算阴极排气的稀释要求流量。在此所说的阴极排气的稀释要求流量是指稀释从放气阀39排出的氢所需的阴极排气流量。另外，Ca排气流量运算部253根据来自大气压传感器201的大气压力值来对阴极排气的稀释要求流量进行校正＝。
如图9所示，在Ca排气流量运算部253中，按大气压力值保存有表示要求负荷与阴极排气的稀释要求流量之间的关系的稀释要求对应图。当从负载装置5获取到要求负荷并且从大气压传感器201获取到大气压力值时，Ca排气流量运算部253参照与该大气压力值对应的稀释要求对应图，来计算与获取到的要求负荷相关的稀释要求流量。
稀释要求对应图被设定成：阳极压力值越大，则阴极排气的稀释要求流量越大。这样设定的原因在于，随着阳极压力值变大，从放气阀39排出的放气气体量增加，向阴极气体排出通路26放出的氢量增加。
另外，稀释要求对应图被设定成：大气压力值越大，则阴极排气的稀释要求流量越小。这样设定的原因在于，随着大气压力值变大，阳极气体循环通路35的压力与大气压的压力差变小，因此放气气体量减少。
稀释要求流量计算部254通过使阴极排气的稀释要求流量与来自氧消耗量运算部252的氧消耗流量相加，来计算表示稀释放气气体中的氢所需的压缩机22的喷出量的稀释要求压缩机流量。稀释要求流量计算部254将计算出的稀释要求压缩机流量输出到目标流量设定部255。
目标流量设定部255将稀释要求压缩机流量以及来自发电流量运算部251的FC要求阴极流量中的较大一方的值设定为阴极气体的目标流量。目标流量设定部255将所设定的阴极气体的目标流量输出到Ca流量/压力FB控制器260。
这样，通过选择基于稀释要求的阴极气体的流量以及基于发电要求的阴极气体的流量中的较大一方的值，能够在满足要求负荷的同时将燃料电池系统100的排出气体的氢浓度维持为规定值以下。
图10是表示对燃料电池堆1的要求负荷与燃料电池系统100的工作状态之间的关系的一例的图。
图10的(a)表示燃料电池堆1中的阳极压力和阴极压力的变化。在图10的(a)中，利用粗线示出了阳极压力，利用细线示出了阴极压力。
图10的(b)表示包括引射器34和阳极循环泵36在内的阳极循环系统的压力损耗的变化。在图10的(b)中，利用细线示出了阳极循环系统的所需扬程，利用点线示出了引射器34的扬程，利用粗线示出了阳极循环泵36的扬程。在此所说的阳极循环泵36的扬程表示利用阳极循环泵36得到的阳极排气的升压量。
阳极循环系统的所需扬程表示为了确保根据要求负荷决定的阳极气体循环流量而需要的阳极排气的升压量。阳极气体循环流量是为了避免在要求负荷大幅变高时在燃料电池堆1的下游侧阳极电极发生氢不足而设定的。例如，使为了确保要求负荷的确保而需要的最低限度的循环流量乘以大于1.0的规定的值来求出阳极气体循环流量，基于该阳极气体循环流量来决定所需扬程。
图10的(c)表示阳极循环泵36的消耗电力的变化。在图10的(a)至图10的(c)中，利用实线示出了FC温度低时的燃料电池系统100的工作状态，利用虚线示出了FC温度高时的燃料电池系统100的工作状态。
图10的(d)是表示阴极气体的目标流量的变化的图。在图10的(d)中，利用实线示出了作为阴极气体的稀释要求流量的稀释要求压缩机流量，利用点划线示出了作为阴极气体的发电要求流量的FC要求阴极流量。
此外，图10的(a)至图10的(d)的横轴是彼此共同的轴，表示对燃料电池堆1的要求负荷L。
首先，说明FC温度低的情况下的燃料电池系统100的动作。
在要求负荷处于0至负荷点L1的第一负荷区域(极低负荷区域)时，如图10的(d)所示，稀释要求压缩机流量大于FC要求阴极流量。因此，利用图9所示的目标流量设定部255将稀释要求压缩机流量设定为阴极气体的目标流量。
在第一负荷区域内，按照图8所示的Ca压力运算部240的对应图，如图10的(a)所示，随着要求负荷变高，阴极压力变大。并且，按照图6所示的An压力运算部210的对应图，随着要求负荷变高，阳极压力以与阳极压力相同的方式变大。即，阴极压力与阳极压力的压力差不增大。
这样的原因是，当在第一负荷区域内使阳极压力大于阴极压力时，稀释要求压缩机流量伴随放气气体的增量而增加，因此阴极气体的目标流量会增加。即，当增加阳极压力时压缩机22的消耗电力增加。作为其对策，在稀释要求压缩机流量超过FC要求阴极流量的第一负荷区域内，抑制阳极压力相对于阴极压力的增加。即，在低负荷区域内，要求负荷越低，越抑制阳极压力的增加。
并且，如图10的(b)所示，不利用引射器34来进行阳极排气的升压，因此驱动阳极循环泵36来进行阳极排气的升压。因此，如图10的(c)所示，阳极循环泵36的消耗电力增加。第一负荷区域例如是燃料电池堆1的输出范围的0％至十几％的区域。
当要求负荷大至负荷点L1时，如图10的(d)所示，FC要求阴极流量变得与稀释要求压缩机流量相等。然后，在要求负荷处于负荷点L1至负荷点L4的低负荷区域时，如图10的(a)所示，实施使阳极压力与阴极压力的极间压力差变大的压力差运转。由此，燃料电池堆1的发电所需的阳极循环系统的所需扬程下降。
在要求负荷处于负荷点L1至负荷点L2的第二负荷区域时，图6所示的An压力运算部210如图10的(a)和图10的(b)所示那样，在稀释要求压缩机流量不超过FC要求阴极流量的范围内使阳极压力相比于阴极压力增加。在该例子中，阳极压力被增加到稀释要求压缩机流量变得与FC要求阴极流量相等为止。
通过在第二负荷区域内使燃料电池堆1的阳极压力增加，向引射器34供给的阳极气体的压力增加，因此阳极循环系统的所需扬程下降，并且如图10的(b)所示那样，引射器34的扬程不变为负而被维持为固定。因此，如图10的(c)所示，与使阳极压力与阴极压力一致的情况相比，能够抑制阳极循环泵36的消耗电力。第二负荷区域例如是燃料电池堆1的输出范围的十几％至二十几％的区域。
当要求负荷大至负荷点L2时，如图10的(b)所示，引射器34的扬程开始上升。因此，在要求负荷处于负荷点L2至负荷点L3的第三负荷区域时，如图10的(a)所示，阳极压力相对于阴极压力的增加量变小。此时，如图10的(d)所示，稀释要求压缩机流量低于FC要求阴极流量。
在第三负荷区域内，如图10的(b)所示，随着要求负荷变大，引射器34的扬程增加，因此相应地阳极循环泵36的扬程减少。因而，如图10的(c)所示，阳极循环泵36的消耗电力减少。第三负荷区域例如是燃料电池堆1的输出范围的二十几％至三十几％的区域。
当要求负荷大至负荷点L3时，如图10的(b)所示，引射器34的扬程与阳极循环泵36的扬程变得彼此相等。
在要求负荷处于负荷点L3至负荷点L4的第四负荷区域时，如图10的(b)所示，阳极循环泵36的扬程低于引射器34的扬程，如图10的(a)所示，阴极压力与阳极压力的极间压力差变小。
当要求负荷大至负荷点L4时，如图10的(b)所示，引射器34的扬程大至所需扬程，因此阳极循环泵36的扬程变为0或固定。此时，如图10的(c)所示，阳极循环泵36的消耗电力变为0或固定，并且如图10的(a)所示，阳极压力与阴极压力变得彼此相等。
这样，在稀释要求压缩机流量低于FC要求阴极流量的第二负荷区域至第四负荷区域内，使阳极压力相对于阴极压力变大，由此能够抑制压缩机22的消耗电力增加。
在要求负荷处于比负荷点L4高的高负荷区域时，如图10的(a)所示，阳极压力与阴极压力的极间压力差被维持为0或规定的值。由此，能够抑制燃料电池堆1中的电解质膜的耐久性的下降。
通过像这样在负荷点L1至负荷点L4的低负荷区域内使阴极压力与阳极压力的极间压力差变大，能够减少负荷点L2处的阳极循环泵36的消耗电力的峰值。而且，通过在稀释要求压缩机流量不超过FC要求阴极流量的范围内增加阳极压力，能够避免压缩机22的消耗电力增加。
另外，通过在要求负荷低的低负荷区域中的稀释要求压缩机流量大于FC要求阴极流量的第一负荷区域内抑制阳极压力的增加，能够抑制压缩机22的消耗电力的增加。此外，第一负荷区域是燃料电池堆1的使用比例高的区域，因此大大有助于减少压缩机22的消耗电力。
接着，说明FC温度高的情况下的燃料电池系统100的动作。
在低负荷区域内，如图10的(a)的点线所示，与FC温度低时的阳极压力相比，FC温度高时的阳极压力变高。另外，如图10的(b)所示，与FC温度低时的所需扬程相比，FC温度高时的所需扬程变小。
因而，如图10的(c)所示，在FC温度高时，即使不使阳极压力比阴极压力高，阳极循环泵36的消耗电力也比FC温度低时小。
因此，如图10的(a)所示，在FC温度高时，按照图6所示的An压力运算部210的对应图，使阴极压力与阳极压力的极间压力差与FC温度低时相比变小。由此，能够避免使阳极压力无用地变大而阳极气体循环流量变得过剩。
根据本发明的第二实施方式，控制器200如图10的(a)所示那样，在规定的低负荷区域内使燃料电池堆1中的阴极气体压力与阳极气体压力的压力差变大。由此，与第一实施方式同样地，能够削减阳极循环泵36的消耗电力的一部分，能够使驱动阳极循环泵36的致动器变得小型。
并且，根据本实施方式，控制器200如图10的(c)所示那样，在规定的低负荷区域内根据要求负荷的大小来控制阳极循环泵36的动力。在此所说的规定的低负荷区域被设定为利用引射器34得到的阳极气体的循环流量相对于根据要求负荷决定的基准流量而言不足的负荷的区域。使燃料电池堆1的发电所需的阳极气体流量乘以例如1.5来求出该基准流量。
由此，驱动阳极循环泵36使得阳极气体循环流量变为基准流量，因此，即使要求负荷急剧地变高，也能够避免在燃料电池堆1的下游侧阳极气体不足。即，能够抑制与阳极气体不足相伴的电解质膜的性能劣化。
然后，控制器200在阳极循环泵36的动力增加的规定的低负荷区域内，使阳极气体压力相对于阴极气体压力而言增加。由此，阳极循环泵36的消耗电力的峰值下降，因此能够使阳极循环泵36变得小型。
另外，根据本实施方式，燃料电池系统100包括：放气阀39，其排出来自燃料电池堆1的阳极排气所包含的杂质；以及杂质排出通路38，其构成利用燃料电池堆1的阴极排气对来自放气阀39的放气气体进行稀释的气体通路。
对该燃料电池系统100进行控制的控制器200在能够使用向燃料电池堆1供给的阴极气体来稀释放气气体的规定的低负荷区域内使阳极气体压力相比于阴极气体压力增加。
这样的原因在于，如图10的(d)所示，只要稀释要求压缩机流量不伴随阳极气体压力的增加而超过FC要求阴极流量，压缩机22的动力就不会增加。因此，在本实施方式中，在稀释要求压缩机流量变得比FC要求阴极流量少的状况下增加阳极气体压力，因此能够在减少阳极循环泵36的消耗电力的同时抑制压缩机22的消耗电力的增加。
另外，根据本实施方式，控制器200按照图6所示的An压力运算部210中保持的对应图，随着燃料电池堆1的温度变高来使阴极气体压力与阳极气体压力的压力差变小。
如图8所示的Ca压力运算部240中的对应图那样，燃料电池堆1的温度越高则阴极气体压力越大，因此假如以阴极气体压力为基准来使阳极气体压力增加固定量，那么会使阳极气体压力无用地变高。
作为其对策，本实施方式的控制器200随着燃料电池堆1的温度变高来使阴极气体压力与阳极气体压力的压力差变小。由此，能够避免使阳极气体压力无用地变高，放气气体的排出量、从阳极电极向阴极电极的氢泄漏量不会无用地增加，因此能够抑制燃烧消耗率的下降。
此外，在本实施方式中，说明了随着燃料电池堆1的温度变高来使阴极气体压力与阳极气体压力的极间压力差变小的例子，但是也可以是，以随着阴极气体压力变高来使极间压力差变小的方式控制阳极压力调节阀33的开度。
例如，在An压力运算部210中记录按阴极压力值表示要求负荷与阳极压力之间的关系的对应图来代替图6所示的对应图，An压力运算部210当获取到来自阴极压力传感器25的检测值或阴极气体的目标压力时，参照与获取到的值对应的对应图来计算阳极气体的目标压力。这样也能够得到与本实施方式同样的作用效果。
另外，根据本实施方式，图6所示的An压力运算部210保持以下的对应图:在要求负荷低时，与要求负荷高时相比，比燃料电池堆1的发电所需的阳极气体发电要求压力大的值被设定为阳极气体的目标压力。然后，作为An压力运算部210的控制部当获取到要求负荷时，参照该对应图来将向燃料电池堆1供给的阳极气体的压力控制为目标压力。由此，能够利用简易的结构来实现低负荷区域内的阳极气体压力的增加。
特别是，An压力运算部210中保持的对应图被设定成：要求负荷越高，则阳极气体的目标压力越大，并且，在要求负荷低的低负荷区域内，目标压力的特性具有凸部。
由此，如图10的(a)所示，在低负荷区域(0-L4)中的负荷低的极低负荷区域(0-L1)内，能够将极间压力差大致抑制为0。这样，在低负荷区域(0-L4)内，要求负荷越低，则越抑制阳极气体压力的增加。
这样的原因在于，如图10的(d)所示，在极低负荷区域(0-L1)内，稀释要求压缩机流量比FC要求阴极流量大。因此，当阳极气体压力增加时，被设定为阴极气体的目标流量的稀释要求压缩机流量变大，因此压缩机22的消耗电力会增加。
作为其对策，在本实施方式中，将对应图设定成在低负荷区域内阳极气体的目标压力的特性具有凸部，由此能够抑制极低负荷区域内的阳极气体压力的增加，因此能够抑制压缩机22的消耗电力的增加。
此外，在燃料电池堆1中，当燃料电池的电解质膜过于干燥时，发电性能下降，电解质膜过于湿润时，也会发生电解质膜的堵塞而发电性能下降，因此，优选的是，将电解质膜的湿润状态(含水量)操作为适于燃料电池的发电的状态。因此，下面说明对电解质膜的湿润状态进行操作的燃料电池系统的实施方式。
(第三实施方式)
图11是表示本发明的第三实施方式中的燃料电池系统101的结构例的结构图。
燃料电池系统101除了具备图1所示的燃料电池系统100的结构以外还具备阻抗测定装置6。另外，燃料电池系统101除了具备燃料电池系统100的阴极气体供排装置2以外还具备阴极气体供排装置2a。
阴极气体供排装置2a除了具备图1所示的阴极气体供排装置2的结构以外还具备阴极旁路通路28和旁路阀29。
阴极旁路通路28是设置于阴极气体供给通路21与阴极气体排出通路26之间、使得由压缩机22供给的阴极气体的一部分绕过燃料电池堆1地排出到外部的通路。阴极旁路通路28的一端连接于中冷器24与燃料电池堆1之间的阴极气体供给通路21，另一端与比阴极压力调节阀27更靠下游的阴极气体排出通路26连接。
旁路阀29设置于阴极旁路通路28。旁路阀29对将从压缩机22供给的阴极气体的一部分排出到阴极气体排出通路26的阴极气体的流量进行调整。作为旁路阀29，例如使用能够阶段性地变更阀的开度的电磁阀。旁路阀29的开度由控制器200来控制。
在稀释要求压缩机流量比发电要求阴极流量大的状况下，通常，以使压缩机流量为稀释要求压缩机流量的方式对压缩机22的操作量进行控制。在这种情况下，在图1所示的燃料电池系统100中未设置阴极旁路通路28，因此向燃料电池堆1的阴极气体流量相对于发电要求阴极流量而言变多。其结果，存在以下担忧：因剩余的阴极气体导致从燃料电池堆1拿出的水分增加，电解质膜干燥。
因此，在稀释要求压缩机流量变得大于发电要求阴极流量时，由控制器200控制旁路阀29的开度，使得向燃料电池堆1供给的阴极气体的流量不超过发电要求阴极流量。
阻抗测定装置6是检测电解质膜的湿润状态的装置。阻抗测定装置6对与电解质膜的湿润状态有关的燃料电池堆1的内部阻抗进行测定。阻抗测定装置6将测定得到的内部阻抗输出到控制器200。
一般来说，电解质膜的含水量越少、即电解质膜越偏干，则内部阻抗的电气电阻成分越大。另一方面，电解质膜的含水量越多、即电解质膜越偏湿，则内部阻抗的电气电阻成分越小。因此，作为表示电解质膜的湿润状态的参数，在本实施方式中使用燃料电池堆1的内部阻抗。
在燃料电池堆1中设置有与正极端子1p串联连接的正极片以及与负极端子1n串联连接的负极片，阻抗测定装置6与正极片及负极片连接。
阻抗测定装置6向正极端子1p供给适于测量电解质膜的电阻的具有规定的频率的交流电流后，检测在正极端子1p与负极端子1n之间产生的交流电压。阻抗测定装置6用检测出的交流电压的振幅除以供给到正极端子1p的交流电流的振幅来计算内部阻抗。下面，将计算出的内部阻抗称为HFR(High Frequency Resistance；高频电阻)。
除了在第一实施方式中叙述的输入信号以外，从阻抗测定装置6输出的燃料电池堆1的HFR以及未图示的检测HRB逆变器的温度的INV温度传感器202的输出信号被输入到本实施方式的控制器200。HRB逆变器将从燃料电池堆1或蓄电池输出的电力变换为交流电力，将变换得到的交流电力供给到阳极循环泵36的马达。
控制器200根据来自阻抗测定装置6的HFR，在能够利用燃料电池堆1实现来自负载装置5的要求负荷的范围内对压缩机22的操作量、阴极压力调节阀27的开度以及阳极循环泵36的转速进行操作。在本实施方式中，随着阳极循环泵36的转速变大，保留于阳极循环系统的水量增加，因此燃料电池堆1的电解质膜变为湿的状态。
例如，在燃料电池堆1的HFR大于目标值的情况下、即在电解质膜干的情况下，控制器200在能够实现要求负荷的范围内减少阴极气体的流量、或者增加阴极气体的压力、或者增大阳极循环泵36的转速。
另一方面，在燃料电池堆1的HFR小于目标值的情况下，控制器200在能够确保要求负荷的范围内增加阴极气体的流量、或者减少阴极气体的压力、或者减小阳极循环泵36的转速。
图12是表示本发明的第三实施方式中的控制器200的功能结构例的框图。
本实施方式的控制器200包括An压力运算部310、An压力调节阀FB控制器320、HRB转速运算部330、Ca压力运算部340、Ca流量运算部350、Ca流量/压力FB控制器360以及膜湿润FB控制器370。
此外，控制器200中的膜湿润FB控制器370以外的结构基本与第二实施方式的结构相同。在此，主要详细说明膜湿润FB控制器370的结构，之后，简单说明与第二实施方式相比输入参数不同的An压力运算部310、HRB转速运算部330、Ca压力运算部340以及Ca流量运算部350的结构。
膜湿润FB控制器370基于来自负载装置5的要求负荷以及来自阻抗测定装置6的HFR，来分别运算将燃料电池堆1的湿润状态操作为目标状态所需的HRB转速、阴极压力以及阴极流量。下面，将这些参数分别称为“湿润要求HRB转速”、“湿润要求阴极压力”以及“湿润要求阴极流量”。
例如，在膜湿润FB控制器370中，预先保存有表示燃料电池堆1的目标HFR与要求负荷之间的关系的湿润控制对应图。通过实验等来决定在此所说的目标HFR，使得燃料电池的电解质膜被维持为适于发电的目标的状态。例如，按要求负荷，考虑在燃料电池堆1中生成的水量、利用阴极排气从燃料电池堆1拿出的水量等来决定目标HFR。
当从负载装置5获取到对燃料电池堆1的要求负荷时，膜湿润FB控制器370参照湿润控制对应图来计算与该要求负荷相关的目标HFR。然后，膜湿润FB控制器370以使来自阻抗测定装置6的HFR为目标HFR的方式对湿润要求HRB转速、湿润要求阴极压力以及湿润要求阴极流量进行反馈控制。
燃料电池堆1的HFR相比于目标HFR越大、即电解质膜越偏干，则使湿润要求HRB转速越大、使湿润要求阴极压力越大、使湿润要求阴极流量越小。通过使湿润要求HRB变大，阳极循环系统的水分增加，因此燃料电池堆1的电解质膜易于变湿。并且，通过使湿润要求阴极压力变大并且使湿润要求阴极流量变小，利用阴极气体从燃料电池堆1拿出的水分减少，因此电解质膜更易于变湿。
另一方面，燃料电池堆1的HFR相比于目标HFR越小、即电解质膜越偏湿，则使湿润要求HRB转速越小、使湿润要求阴极压力越小、使湿润要求阴极流量越大。由此，燃料电池堆1的电解质膜易于变干。
膜湿润FB控制器370将湿润要求HRB转速输出到HRB转速运算部330，将湿润要求阴极压力输出到Ca压力运算部340，将湿润要求阴极流量输出到Ca流量运算部350。
An压力运算部310与第二实施方式的An压力运算部210对应。An压力运算部310基于来自负载装置5的要求负荷、HRB逆变器温度、来自大气压传感器201的大气压力值、来自阴极压力传感器25的阴极压力值以及阴极气体的目标压力来运算阳极气体的目标压力。参照图13来在后面叙述An压力运算部310的详情。
An压力调节阀FB控制器320具有与第二实施方式的An压力调节阀FB控制器220相同的功能。
HRB转速运算部330与第二实施方式的HRB转速运算部230对应。HRB转速运算部330基于来自负载装置5的要求负荷以及来自膜湿润FB控制器370的湿润要求HRB转速来运算阳极循环泵36的目标转速。参照图18来在后面叙述HRB转速运算部330的详情。
Ca压力运算部340与第二实施方式的Ca压力运算部240对应。Ca压力运算部340基于来自负载装置5的要求负荷以及来自阳极压力传感器37的阳极压力值来运算阴极气体的目标压力。参照图19来在后面叙述Ca压力运算部340的详情。
Ca流量运算部350与第二实施方式的Ca流量运算部250对应。Ca流量运算部350基于来自负载装置5的要求负荷、来自阳极压力传感器37的阳极压力值以及来自大气压传感器201的大气压力值来运算压缩机目标流量和阴极目标流量。
压缩机目标流量是表示应该从压缩机22喷出的阴极气体流量的目标值的参数，阴极目标流量是表示应该向燃料电池堆1供给的阴极气体流量的目标值的参数。
Ca流量运算部350将阴极目标流量输出到An压力运算部310，并且将压缩机目标流量和阴极目标流量输出到Ca流量/压力FB控制器360。参照图20来在后面叙述Ca流量运算部350的详情。
Ca流量/压力FB控制器360与第二实施方式的Ca流量/压力FB控制器260对应。Ca流量/压力FB控制器360与第二实施方式同样地，基于阴极气体的目标压力及压缩机目标流量、来自阴极压力传感器25的阴极压力值以及来自流量传感器23的压缩机流量，来控制压缩机22的操作量和阴极压力调节阀27的开度。
另外，Ca流量/压力FB控制器360基于压缩机目标流量和阴极目标流量来控制旁路阀29的开度。例如，Ca流量/压力FB控制器360参照规定的对应图，以使流过阴极旁路通路28的阴极气体的流量为从压缩机目标流量减去阴极目标流量所得到的旁路流量的方式控制旁路阀29的开度。
此外，也可以是，在阴极气体供给通路21上设置检测向燃料电池堆1供给的阴极气体的流量的传感器，以使该传感器的检测值为阴极目标流量的方式对旁路阀29的开度进行反馈控制。
图13是表示本实施方式中的An压力运算部310的详细结构例的框图。另外，图14至图17是说明An压力运算部310中保存的对应图的图。
An压力运算部310包括引射器扬程运算部311、HRB上限扬程运算部312、加法器313以及HRB要求压力运算部314。并且，An压力运算部310包括氧消耗量运算部315、Ca排气流量运算部316、Comp要求压力运算部317、容许压力差值保持部318、膜保护要求压力计算部319以及升压设定部321。另外，An压力运算部310包括通常压力差值保持部322、等压控制压力计算部323以及An目标压力设定部324。
引射器扬程运算部311基于来自负载装置5的要求负荷来运算表示引射器34的扬程(升压量)的预测值的引射器预测扬程。引射器34的扬程由从引射器34的喷嘴喷射的阳极气体的喷射流量来决定，引射器34的喷射流量与要求负荷成正比。因此，引射器扬程运算部311随着要求负荷变大来使引射器预测扬程变大。
在本实施方式中，如图14所示，在引射器扬程运算部311中保存有表示要求负荷与引射器预测扬程之间的关系的引射器扬程运算对应图。当从负载装置5获取到要求负荷时，引射器扬程运算部311参照引射器扬程运算对应图来计算与该要求负荷相关的引射器预测扬程。
扬程运算对应图被设定成：在低负荷区域内，引射器34的扬程被设定为0，在中高负荷区域内，要求负荷越大则引射器预测扬程越大。这是由于，引射器34的扬程被设计成在高负荷区域内变大。
HRB上限扬程运算部312基于来自INV温度传感器202的HRB逆变器温度来运算表示阳极循环泵36的升压量的上限值的HRB上限扬程。
阳极循环泵36的逆变器对向阳极循环泵36供给的电力进行限制，以避免设置于内部的开关元件的温度变得过高而损伤。因此，在HRB逆变器温度变得比规定的阈值高的情况下，HRB上限扬程运算部312使HRB上限扬程变小。此外，通过实验等来求出规定的阈值。
在本实施方式中，如图15所示，在HRB上限扬程运算部312中保存有表示HRB逆变器温度与HRB上限扬程之间的关系的HRB限制对应图。当从INV温度传感器202获取到HRB逆变器温度时，HRB上限扬程运算部312参照HRB限制对应图来计算与HRB逆变器温度相关的HRB上限扬程。
在HRB限制对应图中，在HRB逆变器温度为0至规定的阈值的温度区域内，HRB上限扬程被设定为固定的值。该温度区域是逆变器的开关元件的温度不会变得过高、开关元件损伤的担忧极低的温度区域。
另外，HRB限制对应图被设定成：在HRB逆变器温度高于规定的阈值的温度区域内，HRB逆变器温度越高则HRB上限扬程越小。在该温度区域内，向阳极循环泵36供给的电力受到限制以避免开关元件的温度超过上限温度。
此外，在本实施方式中说明了使用阳极循环泵36用逆变器的温度来运算HRB上限扬程的例子，但是也可以使用逆变器内的开关元件的温度、驱动阳极循环泵的马达的温度等来代替逆变器的温度。即使使用这种参数也能够减小HRB上限扬程的计算误差。
加法器313通过将HRB上限扬程与引射器预测扬程相加来计算引射器34和阳极循环泵36的可确保扬程。在此所说的可确保扬程是指能够使用引射器34和阳极循环泵36的双方来将阳极排气升压的升压量的上限值。
HRB要求压力运算部314基于来自负载装置5的要求负荷来运算表示为了减轻阳极循环泵36的动力而要求的阳极压力的HRB要求阳极压力。并且，HRB要求压力运算部314根据来自加法器313的可确保扬程来对HRB要求阳极压力进行校正。
在本实施方式中，如图16所示，在HRB要求压力运算部314中保存有按阳极循环系统的可确保扬程来表示要求负荷与HRB要求阳极压力之间的关系的HRB动力减轻对应图。当从负载装置5获取到要求负荷并且从加法器313获取到可确保扬程时，HRB要求压力运算部314参照与该可确保扬程对应的HRB动力减轻对应图来计算与获取到的要求负荷相关的HRB要求阳极压力。
HRB动力减轻对应图被设定成要求负荷越高则HRB要求阳极压力越小。这是由于，如图2的(a)所示，要求负荷越高则引射器34的扬程越大，因此在高负荷区域内能够减少阳极循环泵36的动力。
并且，低负荷区域内的阳极压力相对于要求负荷的斜率(下降率)大于高负荷区域的该斜率。这是由于，在低负荷区域内阳极循环泵36的动力增加，因此通过在低负荷区域内随着要求负荷变低来使HRB要求阳极压力变大，能够使阳极循环泵36的动力与高负荷区域相比减轻。由此，能够减少阳极循环泵36的动力，能够使阳极循环泵36变得小型。
另外，HFR动力减轻对应图被设定成：阳极循环系统的可确保扬程越大则HRB要求阳极压力越小。这是为了抑制以下情况：即使在充分确保了引射器34和阳极循环泵36的总扬程的状态下，也使阳极压力变高而无用地增加阳极气体供给量或者使阳极压力与阴极压力的压力差变大。由此，在高负荷区域内，如图2的(a)所示，引射器34的扬程变得足够大，因此能够使阳极压力的增加变小。
通过如上所述那样设定HRB动力减轻对应图，能够如图3的(b)和图10的(b)所示那样，在低负荷区域内减少阳极循环泵36的消耗电力的峰值，并且在高负荷区域内使阳极压力与阴极压力的压力差变小。
HRB要求压力运算部314将计算出的HRB要求阳极压力输出到升压设定部321。
氧消耗量运算部315与图9所示的氧消耗量运算部252同样地，使来自负载装置5的要求负荷乘以预先决定的换算值来运算燃料电池堆1中的氧消耗流量。
Ca排气流量运算部316从来自Ca流量运算部350的阴极气体的目标流量减去氧消耗流量来运算表示从燃料电池堆1排出的阴极排气的流量的阴极排气流量。
Comp要求压力运算部317运算表示为了减轻压缩机22的动力而要求的阳极压力的Comp要求阳极压力。另外，Comp要求压力运算部317根据来自大气压传感器201的大气压力值来对Comp要求阳极压力进行校正。
在此所说的Comp要求阳极压力是表示能够仅使用阴极排气来对放气气体中的氢进行稀释的阳极压力的上限值的参数。在此所说的能够对放气气体中的氢进行稀释表示能够将燃料电池系统101的排气中的氢浓度维持为规定值以下。即，Comp要求阳极压力是为了抑制压缩机22的消耗电力的增加而限制HRB要求阳极压力的参数。
在本实施方式中，如图17所示，在Comp要求压力运算部317中保存有按大气压来表示燃料电池堆1的阴极排气流量与Comp要求阳极压力之间的关系的Comp限制对应图。Comp要求压力运算部317从Ca排气流量运算部316获取阴极排气流量，并且从大气压传感器201获取大气压力值。然后，Comp要求压力运算部317参照与该大气压力值对应的Comp限制对应图来计算与获取到的阴极排气流量相关的Comp要求阳极压力。
Comp限制对应图被设定成阴极排气流量越大则Comp要求阳极压力越大。这是由于，随着阴极排气流量变大，能够不使压缩机22的动力增加地使阳极压力的增加幅度变大。
并且，Comp限制对应图被设定成大气压力值越大则Comp要求阳极压力越大。这是由于，随着大气压力值变大，从阳极电极向阴极电极的氢泄漏量以及放气气体从放气阀39向大气的排出量变少，能够相应地使阳极压力变高。
这样，Comp要求压力运算部317使用Comp限制对应图来计算能够仅利用来自燃料电池堆1的阴极排气流量对放气气体进行稀释的阳极压力的上限值。由此，控制器200能够以使稀释放气气体所需的阴极气体稀释流量为向燃料电池堆1供给的阴极气体的供给流量以下的方式使阳极压力增加。
Comp要求压力运算部317将计算出的Comp要求阳极压力输出到升压设定部321。
容许压力差值保持部318针对阴极压力与阳极压力的压力差来保持表示燃料电池堆1的电解质膜能够容许的压力差的上限值的容许压力差上限值。
膜保护要求压力计算部319通过对来自阴极压力传感器25的阴极压力值加上上述的容许压力差上限值来计算表示为了保护电解质膜而要求的阳极压力的膜保护要求阳极压力。膜保护要求压力计算部319将膜保护要求阳极压力输出到升压设定部321。
升压设定部321将HRB要求阳极压力、Comp要求阳极压力以及膜保护要求阳极压力中的最小的值作为升压要求阳极压力输出到An目标压力设定部324。
例如，在要求负荷处于图10的负荷点L1至负荷点L2的第二负荷区域时，HRB要求阳极压力大于Comp要求阳极压力，因此升压设定部321将Comp要求阳极压力设定为升压要求阳极压力。
另外，在要求负荷处于图10的负荷点L2至负荷点L3的第三负荷区域时，HRB要求阳极压力小于Comp要求阳极压力，因此升压设定部321将HRB要求阳极压力设定为升压要求阳极压力。
通常压力差值保持部322保持表示通常的发电控制中的阴极压力与阳极压力的极间压力差的基准值的通常压力差基准值。例如，通常压力差基准值被设定为零(0)或考虑到压力差控制的误差的值。
等压控制压力计算部323通过对来自阴极压力传感器25的阴极压力值加上上述的通常压力差基准值来计算表示用于使阴极压力与阳极压力彼此相等的阳极压力的等压控制阳极压力。等压控制压力计算部323将等压控制阳极压力输出到An目标压力设定部324。由此，能够维持电解质膜的耐久性，并且放气气体的增加被抑制从而能够抑制压缩机22的动力。
An目标压力设定部324将升压要求阳极压力和等压控制阳极压力中的较大一方的值设定为阳极气体的目标压力。然后，An目标压力设定部324将阳极气体的目标压力输出到An压力调节阀FB控制器320。
图18是表示本实施方式中的HRB转速运算部330的详细结构例的框图。
HRB转速运算部330包括发电要求转速运算部331和目标转速设定部332。
发电要求转速运算部331具有与图7所示的HRB转速运算部330相同的功能。在发电要求转速运算部331中保存有与图7所示的HRB控制对应图相同的内容的对应图，发电要求转速运算部331当获取到来自负载装置5的要求负荷时，参照上述的对应图来计算发电要求HRB转速。发电要求HRB转速是表示燃料电池堆1的发电所需的阳极循环泵36的转速的参数。
目标转速设定部332将发电要求HRB转速和来自膜湿润FB控制器370的湿润要求HRB转速中的较大一方的值设定为阳极循环泵36的目标转速。
在来自阻抗测定装置6的HFR大于目标HFR的情况下、即在电解质膜偏干的情况下，在要求负荷处于高负荷区域时，湿润要求HRB转速大于发电要求HRB转速。在这种情况下，目标转速设定部332将湿润要求HRB转速设定为目标转速，将该目标转速输出到阳极循环泵36。由此，阳极排气的循环流量变大，电解质膜易于变湿。
图19是表示本实施方式中的Ca压力运算部340的详细结构例的框图。
Ca压力运算部340包括发电要求压力运算部341、容许压力差值保持部342、膜保护要求压力计算部343以及目标压力设定部344。
发电要求压力运算部341基于来自负载装置5的要求负荷来运算表示用于确保燃料电池堆1的发电所需的氧分压的阴极压力的发电要求阴极压力。
在本实施方式中，在发电要求压力运算部341中保存有表示对燃料电池堆1的要求负荷与发电要求阴极压力之间的关系的氧分压控制对应图。当从负载装置5获取到要求负荷时，发电要求压力运算部341参照氧分压控制对应图来计算与要求负荷相关的发电要求阴极压力。
氧分压控制对应图被设定成要求负荷越大则发电要求阴极压力越大。这是由于，要求负荷越大，则电解质膜中的氧消耗量越多。
容许压力差值保持部342保持考虑电解质膜的耐压而决定的容许压力差上限值。容许压力差上限值与图13的容许压力差值保持部318中保持的值相同。
膜保护要求压力计算部343从来自阳极压力传感器37的阳极压力值减去容许压力差上限值来运算表示为了保持电解质膜而要求的阴极压力的膜保护要求阴极压力。膜保护要求压力计算部343将该膜保护阴极压力输出到目标压力设定部344。
目标压力设定部344将来自膜湿润FB控制器370的湿润要求阴极压力、发电要求阴极压力以及膜保护要求阴极压力中的最大的值设定为阴极气体的目标压力。目标压力设定部344将阴极气体的目标压力输出到Ca流量/压力FB控制器360。
这样，Ca压力运算部340根据对燃料电池堆1的湿润要求、发电要求、膜保护要求等的要求来计算应该向燃料电池堆1供给的阴极气体的目标压力。即，控制器200根据燃料电池堆1的发电状态、湿润状态、压力差状态等运转状态，以使燃料电池堆1的阴极压力为对燃料电池堆1要求的阴极气体压力的方式控制阳极压力调节阀33的开度。然后，图13所示的An压力运算部310的等压控制压力计算部323以使阳极压力与来自阴极压力传感器25的阴极压力值大致相等的方式计算等压控制阳极压力。
图20是表示本实施方式中的Ca流量运算部350的详细结构例的框图。
Ca流量运算部350包括发电要求流量运算部351、FC要求流量设定部352、氧消耗量运算部353、Ca排气流量运算部354、稀释要求流量计算部355以及Comp目标流量设定部356。
发电要求流量运算部351具有与图9所示的Ca流量运算部250相同的功能。在发电要求流量运算部351中，如图20所示那样保存有与图9的Ca流量控制对应图相同的对应图，发电要求流量运算部351当获取到来自负载装置5的要求负荷时，参照Ca流量控制对应图来计算发电要求阴极流量。
FC要求流量设定部352将来自膜湿润FB控制器370的湿润要求阴极流量以及发电要求阴极流量中的较大一方的值设定为FC要求阴极流量。在此所说的FC要求阴极流量是表示根据对燃料电池堆1的发电要求、湿润要求等要求而决定的向燃料电池堆1供给的阴极气体的供给流量的参数。
FC要求流量设定部352将FC要求阴极流量作为阴极目标流量输出到An压力运算部310和Ca流量/压力FB控制器360。
氧消耗量运算部353、Ca排气流量运算部354以及稀释要求流量计算部355分别具有与图9所示的氧消耗量运算部252、Ca排气流量运算部253以及稀释要求流量计算部254相同的功能。因此，在此省略这些结构的说明。
Comp目标流量设定部356将FC要求阴极流量以及稀释要求压缩机流量中的较大一方的值作为压缩机目标流量输出到Ca流量/压力FB控制器360。
本实施方式的控制器200也如图10所示那样，在燃料电池堆1的低负荷区域内使阳极压力比阴极压力大。
在An压力运算部310中，如图10的(a)所示，在负荷点L1至负荷点L4的第二至第四负荷区域内，HRB要求阳极压力超过阴极压力值。而且，如图10的(d)所示，在负荷点L1至L2的第二负荷区域内，HRB要求阳极压力被Comp要求阳极压力所限制。
由此，能够以使稀释要求压缩机流量为FC要求阴极流量以下的方式使阳极压力增加。因此，An压力运算部310能够在抑制压缩机22的消耗电力的增加的同时减少阳极循环泵36的消耗电力。
根据本发明的第三实施方式，燃料电池系统101包括：放气阀39，其排出来自燃料电池堆1的阳极排气所包含的杂质；以及杂质排出通路38和阴极气体排出通路26，它们构成使用来自燃料电池堆1的阴极排气对从放气阀39排出的放气气体进行稀释的通路。
而且，控制器200的An压力运算部310基于阴极目标流量，以使稀释放气气体所需的阴极气体稀释流量为从燃料电池堆1排出的阴极排气流量以下的方式控制阳极气体压力的增加量。
在本实施方式中，在An压力运算部310的Comp要求压力运算部317所保存的对应图中，设定有表示能够仅利用来自燃料电池堆1的阴极排气流量来稀释放气气体的阳极压力的上限值的Comp要求阳极压力。因此，Comp要求压力运算部317按照该对应图来计算Comp要求阳极压力并输出到升压设定部321。
由此，在低负荷区域内，即使HRB要求阳极压力变得大于阴极压力而超过Comp要求阳极压力，也利用升压设定部321将Comp要求阳极压力设定为阳极气体的目标压力。因此，阳极气体的目标压力不会变为大于Comp要求阳极压力的值。
因而，控制器200能够以使稀释放气气体所需的阴极气体稀释流量为燃料电池堆1的阴极排气流量以下的方式使阳极压力的增加量增加或减少。由此，能够在减少阳极循环泵36的消耗电力的同时抑制压缩机22的消耗电力的增加。
另外，根据本实施方式，膜保护要求压力计算部319将表示阴极压力值与容许压力差的上限值相加所得到的值的膜保护要求阳极压力输出到升压设定部321。由此，在An压力运算部310中，即使HRB要求阳极压力和Comp要求阳极压力均变得大于膜保护要求阳极压力，也利用升压设定部321来将膜保护要求阳极压力设定为阳极气体的目标压力。
因而，控制器200能够限制阳极压力的增加量以使得阳极压力与阴极压力的极间压力差为电解质膜的容许压力差以下。由此，能够在减少阳极循环泵36的消耗电力的同时避免电解质膜的耐久性下降从而发电性能下降。
在上述的各实施方式中，说明了在高负荷区域内对阳极压力和阴极压力进行等压控制以使得极间压力差变小的例子，但是不限于此。例如，在燃料电池堆1中的电解质膜的耐久性高的燃料电池系统中，也可以如下图所示那样，将阳极压力控制为燃料电池堆1的发电所需的压力值。
(第四实施方式)
说明本发明的第四实施方式中的控制器200。本实施方式的控制器200的基本结构与图5所示的控制器的结构相同，但是An压力运算部210的存储器中保持的对应图的设定内容不同。
图21是表示本发明的第四实施方式中的控制器200的阳极压力控制的一例的图。
在图21中，利用实线示出了本实施方式的控制器200执行压力控制时的阳极压力的变化，利用虚线示出了在中高负荷下执行等压控制时的阳极压力的变化。
如图21所示，本实施方式的控制器200在低负荷区域内如图10的(a)的粗线那样，以使相对于要求负荷的阳极压力的特性具有凸部的方式控制阳极压力调节阀33的开度。
在高负荷区域内，本实施方式的控制器200与其它实施方式不同，将阳极压力控制为燃料电池堆1的发电所需的压力值。由此，如图21的实线所示，与虚线所示的等压控制相比，相对于要求负荷的阳极压力的梯度变小。
例如，控制器200将如图21的实线所示的示出要求负荷与阳极气体的目标压力之间的关系的压力控制对应图保持到图6所示的An压力运算部210的存储器，按照该压力控制对应图来将阳极压力控制为目标压力。此外，考虑燃料电池堆1的发电所需的压力值，也可以使压力控制对应图的相对于要求负荷的阳极压力的梯度为零。
或者，也可以省略图13所示的An压力运算部310的结构中的通常压力差值保持部322、等压控制压力计算部323以及An目标压力设定部324，将升压设定部321的输出作为阳极气体的目标压力。在这种结构下，也如图21那样，与等压控制相比，在高负荷区域内，随着要求负荷变高，阳极压力缓慢地变大、或者阳极压力变为固定。
根据本发明的第四实施方式，具备引射器34和阳极循环泵36的燃料电池系统100的控制器200还具备具有存储器的An压力运算部210。An压力运算部210的存储器保持以下的对应图：在燃料电池堆1的负荷低时，与负荷高时相比，将比燃料电池堆1的发电所需的阳极压力大的值设定为阳极气体的目标压力。控制器200当获取到对燃料电池堆1的要求负荷时，参照该对应图来将向燃料电池堆1供给的阳极气体的压力控制为目标压力。
由此，控制器200能够通过简易的结构，来在燃料电池堆1的低负荷区域内使向燃料电池堆1供给的阳极气体的压力比燃料电池堆1的发电所需的阳极气体压力值高。因而，能够在减轻控制器200的运算负荷的同时减少阳极循环泵36的消耗电力。
并且，根据本实施方式，如图6所示，An压力运算部210的对应图被设定成：燃料电池堆1的负荷越高则阳极气体的目标压力越大，并且，在负荷低的负荷区域内，目标压力的特性具有凸部。
这样，与第二实施方式同样地，在低负荷区域内，使阳极压力在稀释要求压缩机流量不超过发电要求阴极流量的范围内增加，由此能够在抑制压缩机22的消耗电力的增加的同时使阳极循环泵36小型化。
并且，在本实施方式中，如图21所示那样设定成：在负荷高的负荷区域内，阳极气体的目标压力的梯度小于阴极气体的目标压力的梯度。
这样，在高负荷区域内，使阳极压力小于阴极压力，由此从阳极电极经由电解质膜向阴极电极透过来的氢的泄漏量变少，因此能够改善燃料电池系统100的燃烧消耗率。
并且，能够使图10的(b)所示的引射器34的扬程上升的负荷点L2例如移动到负荷点L1。其结果，在低负荷区域内引射器34的扬程变高，因此阳极循环泵36的要求动力变小，能够减少阳极循环泵36的消耗电力。
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，其宗旨并不在于将本发明的技术范围限定于上述实施方式的具体结构。
例如，在图10的(a)中，说明了在低负荷区域中的仅负荷点L1至负荷点L4的负荷区域内阴极气体压力与阳极气体压力的极间压力差变大的例子，但是，如果压缩机22的消耗电力的增加轻微，则也可以在0至负荷点L1的负荷区域内也使极间压力差变大。这样也能够减少阳极循环泵36的消耗电力。
另外，在本实施方式中，利用阳极压力调节阀33来构成借助引射器34来向燃料电池堆1供给阳极气体的阳极气体供给装置，但是也可以利用喷射器、泵等来构成。
另外，在本实施方式中，如图9和图20所示，在运算压缩机目标流量时考虑了FC要求流量和稀释要求压缩机流量，但是也可以还考虑为了避免压缩机22产生浪涌而需要的浪涌避免要求压缩机流量。
另外，在本实施方式中，如图19所示，在运算阴极气体的目标压力时考虑了湿润要求、发电要求、膜保护要求，但是也可以除此以外还考虑为了避免位于压缩机22的下游的部件的过热而要求的部件保护要求。
此外，上述各实施方式能够适当组合。
本申请基于2016年3月15日向日本专利局申请的特愿2016-51472要求优先权，通过参照将这些申请的全部内容引入本说明书中。

Claims (12)

1.一种燃料电池系统的控制方法，该燃料电池系统具备：阳极气体供给装置，其向燃料电池供给阳极气体；引射器，其使从所述燃料电池排出的阳极排气合流到向所述燃料电池供给的阳极气体中；致动器，其向所述引射器供给该阳极排气；以及阴极气体供给装置，其向所述燃料电池供给阴极气体，
所述燃料电池系统的控制方法包括：
阴极气体控制步骤，根据对所述燃料电池要求的负荷的大小来控制向所述燃料电池供给的阴极气体的压力；以及
阳极气体控制步骤，在所述负荷低时，与所述负荷高时相比，利用所述阳极气体供给装置使所述阴极气体的压力与所述阳极气体的压力的压力差变大。
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，
在所述阳极气体控制步骤中，
在所述负荷低时，与所述负荷高时相比，利用所述致动器使所述阳极排气的升压量变大，
在所述致动器的动力增加的规定负荷区域内，使所述阳极气体的压力相对于所述阴极气体的压力而言增加。
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，
在所述阳极气体控制步骤中，在所述负荷处于所述规定负荷区域外时，使所述阳极气体的压力减小至所述阴极气体的压力。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，
所述燃料电池系统还包括：
放气阀，其排出来自所述燃料电池的阳极排气所包含的杂质；以及
气体通路，其利用来自所述燃料电池的阴极排气对从所述放气阀排出的放气气体进行稀释，
在所述阳极气体控制步骤中，
运算向所述燃料电池供给的阴极气体的目标流量，
根据所述阴极气体的目标流量，在对所述放气气体进行稀释所需的阴极气体流量为从所述燃料电池排出的阴极排气的流量以下的范围内，使所述阳极气体的压力增加。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，
在所述阳极气体控制步骤中，在所述负荷低的规定负荷区域内，所述负荷越低，则越抑制所述阳极气体的压力的增加。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，
在所述阳极气体控制步骤中，
基于所述燃料电池中的电解质膜的容许压力差来限制所述阳极气体的压力，使得所述阳极气体的压力与所述阴极气体的压力的压力差为所述容许压力差以下。
7.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，
所述规定负荷区域是利用所述引射器得到的阳极气体的循环量相对于由所述负荷决定的循环量而言不足的负荷的区域。
8.根据权利要求2或7所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，
所述燃料电池系统还包括：
放气阀，其排出来自所述燃料电池的阳极排气所包含的杂质；以及
气体通路，其利用来自所述燃料电池的阴极排气对从所述放气阀排出的放气气体进行稀释，
其中，所述规定负荷区域是能够使用向所述燃料电池供给的阴极气体来稀释所述放气气体的负荷的区域。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，
在所述阳极气体控制步骤中，所述燃料电池的温度或阴极气体的压力越高，则使所述压力差越小。
10.一种燃料电池系统的控制装置，该燃料电池系统具备：引射器，其使从燃料电池排出的阳极排气合流到向所述燃料电池供给的阳极气体中；以及致动器，其向所述引射器供给该阳极排气，
所述燃料电池系统的控制装置包括：
存储器，其保持对应图，在该对应图中，在所述燃料电池的负荷高时，将所述燃料电池的发电所需的阳极气体压力设定为阳极气体的目标压力，在所述负荷低时，将比所述燃料电池的发电所需的阳极气体压力大的值设定为阳极气体的目标压力；以及
控制部，其当获取到针对所述燃料电池的要求负荷时，参照所述对应图来将向所述燃料电池供给的阳极气体的压力控制为所述目标压力。
11.根据权利要求10所述的燃料电池系统的控制装置，其特征在于，
在所述对应图中，所述负荷越高则所述目标压力越大，且在所述负荷低的负荷区域内所述目标压力具有凸部。
12.一种燃料电池系统，包括：
阴极气体供给装置，其向燃料电池供给阴极气体；
压力调节阀，其调整向所述燃料电池供给的阳极气体的压力；
引射器，其使从所述燃料电池排出的阳极排气合流到向所述燃料电池供给的阳极气体中；
致动器，其向所述引射器供给所述阳极排气；以及
控制装置，其根据与所述燃料电池连接的负荷来控制所述燃料电池的发电，
其中，在所述负荷低时，与所述负荷高时相比，所述控制装置使所述压力调节阀的操作量相对于所述阴极气体供给装置对阴极气体压力的操作量的比例变大。
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