CN109768303A - 燃料电池系统和控制燃料电池系统的方法 - Google Patents

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Abstract

当需要由燃料电池堆生成的电力等于零，并且燃料电池堆的平均电池电压低于预定目标电压时，燃料电池系统的控制器执行阴极气体供应控制以通过增加对燃料电池堆的阴极气体的供应来提高平均电池电压。在阴极气体供应控制下，当指示可能发生交叉泄漏的预定条件被满足时，控制器将目标电压设置为与作为在所述条件未被满足的情况下的目标电压的参考目标电压相比更高的值。

Description

燃料电池系统和控制燃料电池系统的方法
技术领域
本发明涉及燃料电池系统和控制燃料电池系统的方法。
背景技术
在燃料电池系统中，如本领域中所已知的，当气体通道被所产生的水阻塞时(即，当发生溢流时)，每个单元电池的电压值(其将被称为“电池电压”)降低。在公开号为2012-227008(JP 2012-227008 A)的日本未审查专利申请中描述的燃料电池系统中，当最低电池电压变得低于预定值时，增加供应至电池的阴极气体量，以消除溢流，并且因此恢复电池电压。
发明内容
同时，当不需要燃料电池堆生成电力时，通常降低供应至燃料电池堆的阴极气体的流量，或者停止供应。如果发生阳极气体至阴极侧的渗透(所谓的“交叉泄漏”)，则在降低所供应的阴极气体的流量的情况下，电池电压下降。本申请的发明人发现，如果在紧接不再需要燃料电池堆生成电力之后的时段期间发生交叉泄漏，并且所供应的阴极气体的流量降低，则阴极侧的气体压力降低，并且相应地，电池电压迅速降低。在这种情况下，即使在检测到交叉泄漏之后增加所供应的阴极气体的流量，电池电压也不能及时恢复，并且可能急剧地降低至使电池劣化的电压。因此，期望用于防止电池电压过度降低的技术。
本发明的第一方面涉及一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括：具有多个单元电池的燃料电池堆；阳极气体供应单元，其向燃料电池堆供应阳极气体；阴极气体供应单元，其向燃料电池堆供应阴极气体；电压检测器，其检测燃料电池堆的电压；以及控制器，其控制阳极气体供应单元和阴极气体供应单元。当需要由燃料电池堆生成的电力等于零，并且燃料电池堆的平均电池电压低于预定目标电压时，控制器执行阴极气体供应控制以通过由阴极气体供应单元增加对燃料电池堆的阴极气体的供应来提高平均电池电压。在阴极气体供应控制下，控制器确定指示可能发生交叉泄漏的预定条件是否被满足，并且当预定条件被满足时，控制器将目标电压设置为与作为在预定条件未被满足的情况下的目标电压的参考目标电压相比更高的值。交叉泄漏表示在每个单元电池中阳极气体从阳极电极到阴极电极的渗透。利用如此配置的燃料电池系统，通过在交叉泄漏发生条件被满足时将目标电压设置为高的值来执行阴极气体供应控制。因此，所供应的阴极气体的流量在较早的时间点处增加，并且可以使电池电压较不可能或不太可能过度降低。
燃料电池系统还可以包括测量燃料电池堆的阳极气体压力的压力测量单元。预定条件可以包括阳极气体压力高于预定阈值压力的条件。利用如此配置的燃料电池系统，可以容易地检测可能发生交叉泄漏的情况。
在阴极气体供应控制下，当阳极气体压力高于阈值压力时，控制器可以将目标电压设置为与在阳极气体压力低于阈值压力的情况下的目标电压相比更高的值。利用如此配置的燃料电池系统，可以有效地使电池电压较不可能或不太可能过度降低。
预定条件可以包括在所需电力降低至零紧之前需要由燃料电池堆生成的电力等于或者大于预定阈值电力的条件。利用如此配置的燃料电池系统，可以容易地检测可能发生交叉泄漏的情况。
本发明的第二方面涉及一种控制燃料电池系统的方法，该燃料电池系统包括具有多个单元电池的燃料电池堆。该方法包括：当需要由燃料电池堆生成的电力等于零，并且燃料电池堆的平均电池电压低于预定目标电压时，执行阴极气体供应控制以通过增加对燃料电池堆的阴极气体的供应来提高平均电池电压。在阴极气体供应控制下，确定指示可能发生交叉泄漏的预定条件是否被满足，并且当预定条件被满足时，将目标电压设置为与作为在预定条件未被满足的情况下的目标电压的参考目标电压相比更高的值。交叉泄漏表示在燃料电池堆的每个单元电池中阳极气体从阳极电极到阴极电极的渗透。
本发明可以以各种形式来实现。例如，本发明可以以包括燃料电池系统的电力生成设备、包括燃料电池系统的交通工具等的形式来实现。
附图说明
下面将参照附图来描述本发明的示例性实施方式的特征、优点以及技术和工业意义，在附图中相似的附图标记表示相似的元件，并且在附图中：
图1是示意性地示出燃料电池系统的配置的示意图；
图2是示出阴极气体供应控制的过程的一个示例的流程图；
图3是示出目标电压确定处理的过程的一个示例的流程图；
图4是示出阳极气体压力、平均电池电压以及阴极气体的指示流量之间的关系的图；
图5是示出根据第二实施方式的目标电压确定处理的过程的一个示例的流程图；
图6是示出根据第三实施方式的阳极气体压力与目标电压之间的关系的图；
图7是示出根据第四实施方式的阳极气体压力与目标电压之间的关系的图；
图8是示出根据第五实施方式的阳极气体压力与目标电压之间的关系的图；以及
图9是示出根据第六实施方式的阳极气体压力与目标电压之间的关系的图。
具体实施方式
A.第一实施方式
图1示意性地示出了根据本发明的一个实施方式的燃料电池系统100的配置。燃料电池系统100包括燃料电池堆10、控制器20、阴极气体供应单元30、阳极气体供应单元50以及冷却介质循环单元70。燃料电池系统100还包括DC/DC转换器80、电力控制单元(其将被称为“PCU”)81、负载82、阻抗测量单元83以及电压检测器84。该实施方式的燃料电池系统100安装在例如燃料电池交通工具上。
燃料电池堆10是聚合物电解质燃料电池，其被供应有作为反应气体的阳极气体(例如，氢气)和阴极气体(例如，空气)，以生成电力。燃料电池堆10由堆叠在一起的多个单元电池11组成。每个单元电池11具有膜电极组件(未示出)以及一对隔板(未示出)，在膜电极组件中，阳极电极(未示出)和阴极电极(未示出)布置在电解质膜(未示出)的相对表面上，并且膜电极组件被夹在该一对隔板之间。
控制器20被配置为包括中央处理单元(CPU)、存储器以及接口电路的计算机，该接口电路与后面将描述的各个部件连接。控制器20根据电子控制单元(ECU)21的命令来输出用于控制燃料电池系统100中的每个装置的启动和停止的信号。ECU 21是控制包括燃料电池系统100的整个设备(例如，交通工具)的控制器。在燃料电池交通工具中，例如，ECU 21根据多个输入值——例如加速器踏板的下压量、制动踏板的下压量和交通工具速度——来控制交通工具。ECU 21可以被包括作为控制器20的功能的一部分。CPU执行存储在存储器中的控制程序，以控制燃料电池系统100的电力生成，并且实现后面将描述的阴极气体供应控制。
阴极气体供应单元30包括阴极气体管31、空气流量计32、空气压缩机33、第一截止阀34、压力计35、分流阀36、阴极废气管41以及第一调节器42。阴极气体管31连接至燃料电池堆10，并且将从外部进入的空气供应至燃料电池堆10。
空气流量计32设置在阴极气体管31中，并且测量进入阴极气体管31的空气的流量。空气压缩机33根据来自控制器20的控制信号来对从外部进入的空气进行压缩，并且将压缩后的空气作为阴极气体供应至燃料电池堆10。第一截止阀34设置在空气压缩机33与燃料电池堆10之间。压力计35测量燃料电池堆10的阴极气体入口处的压力(其将被称为“阴极气体压力”)，并且将测量结果发送至控制器20。分流阀36设置在空气压缩机33与阴极废气管41之间，并且调整进入燃料电池堆10和阴极废气管41的空气的流量。
阴极废气管41将从燃料电池堆10排放的阴极废气排放至燃料电池系统100的外部。第一调节器42根据来自控制器20的控制信号来控制燃料电池堆10的阴极气体出口处的压力。
阳极气体供应单元50包括阳极气体管51、阳极气体罐52、第二截止阀53、第二调节器54、喷射器55、压力计56、阳极废气管61、气液分离器62、空气水排放阀63、循环管64以及阳极气体泵65。在下面的描述中，包括阳极气体管51的位于喷射器55下游的一部分、燃料电池堆10中的阳极气体的通道、阳极废气管61、气液分离器62、循环管64以及阳极气体泵65的通道将被称为“循环通道66”。循环通道66是这样的通道：燃料电池堆10的阳极废气通过该通道循环回至燃料电池堆10。
阳极气体罐52经由阳极气体管51连接至燃料电池堆10的阳极气体入口，并且向燃料电池堆10供应阳极气体。以从上游侧——即，从更靠近阳极气体罐52的一侧——观察到的顺序将第二截止阀53、第二调节器54、喷射器55以及压力计56设置在阳极气体管51中。
根据来自控制器20的控制信号来打开和关闭第二截止阀53。当燃料电池系统100停止时，第二截止阀53关闭。第二调节器54根据来自控制器20的控制信号来控制喷射器55的上游侧处的氢气的压力。喷射器55是具有阀体的电磁驱动截止阀，其中根据由控制器20设置的驱动周期和阀打开时段对该阀体进行电磁驱动。控制器20通过控制喷射器55的驱动周期和阀打开时段来控制供应至燃料电池堆10的阳极气体的流量。压力计56测量燃料电池堆10的阳极气体入口处的压力，并且将测量结果发送至控制器20。压力计56可以设置在燃料电池堆10的阳极气体出口侧处。在这种情况下，上面提及的压力计35还优选地设置在燃料电池堆10的阴极气体出口侧处。在任一种情况下，由压力计56测量到的压力可以被称为“阳极气体压力”。压力计56还可以被称为“压力测量单元”。
阳极废气管61将燃料电池堆10的阳极气体出口与气液分离器62连接。阳极废气管61将包括未在电力生成反应中使用的氢气和氮气的阳极废气引导至气液分离器62。
气液分离器62连接在阳极废气管61与循环通道66的循环管64之间。气液分离器62将水作为杂质从循环通道66中的阳极废气中分离出来，并且将水储存在气液分离器62中。
空气水排放阀63设置在气液分离器62的下方。空气水排放阀63排放存储在气液分离器62中的水，并且排放气液分离器62中的不需要的气体(主要是氮气)。在燃料电池系统100的操作期间，空气水排放阀63是常闭的，并且根据来自控制器20的控制信号而打开和关闭。在该实施方式中，空气水排放阀63连接至阴极废气管41，并且经由空气水排放阀63排放的水和不需要的气体被通过阴极废气管41排放至外部。
循环管64连接至阳极气体管51的位于喷射器55下游的一部分。根据来自控制器20的控制信号进行驱动的阳极气体泵65设置在循环管64中。由气液分离器62从其中分离了水的阳极废气被借助于阳极气体泵65输送至阳极气体管51中。在该燃料电池系统100中，包含氢的阳极废气被循环并且被再次供应至燃料电池堆10，以用于提高阳极气体使用效率。
冷却介质循环单元70使冷却介质循环通过燃料电池堆10，以控制燃料电池堆10的温度。冷却介质循环单元70包括冷却剂供应管71、冷却剂排放管72、散热器73、冷却剂泵74、三通阀75、旁通管76以及温度计77。可以将水、防冻液例如乙二醇、空气等用作冷却剂。
冷却剂供应管71连接至燃料电池堆10中的冷却剂入口，并且冷却剂排放管72连接至燃料电池堆10的冷却剂出口。连接至冷却剂排放管72和冷却剂供应管71的散热器73使用例如电风扇的吹风来冷却从冷却剂排放管72流入的冷却介质，并且将冷却后的介质排放至冷却剂供应管71。冷却剂泵74设置在冷却剂供应管71中，并且将受压的冷却剂供给至燃料电池堆10。三通阀75调整去往散热器73和旁通管76的冷却剂的流量。温度计77连接至冷却剂排放管72，并且测量从燃料电池堆10排放的冷却剂的温度。由温度计77测量到的温度基本上等于燃料电池堆10的温度。
DC/DC转换器80提高燃料电池堆10的输出电压，并且将其供应至PCU 81。PCU 81包括逆变器，并且在控制器20的控制下经由逆变器向负载82供应电力。PCU 81还在控制器20的控制下限制燃料电池堆10的电流。测量燃料电池堆10的电流的电流表85设置在燃料电池堆10与DC/DC转换器80之间。
电压检测器84检测燃料电池堆10的电压。在该实施方式中，电压检测器84根据燃料电池堆10的电压来计算平均电池电压。“平均电池电压”是通过将燃料电池堆10的相对端的电压除以单元电池11的数目而获得的值。
电流表85测量燃料电池堆10的输出电流值。阻抗测量单元83使用电压检测器84和电流表85来测量燃料电池堆10的交流阻抗，并且将其测量值发送至控制器20。
经由包括PCU 81的电力供应电路将燃料电池堆10的电力供应至负载82，例如用于驱动轮子(未示出)的牵引马达(未示出)，以及上面提及的空气压缩机33、阳极气体泵65和各种阀。
图2的流程图示出了根据该实施方式的阴极气体供应控制的过程的一个示例。图2的例程在燃料电池系统100从正常操作转变至零所需输出操作时开始。“零所需输出操作”是燃料电池系统100的在ECU 21需要燃料电池堆10生成的电力等于零时建立的操作模式。“零所需输出操作”还将被称为“间歇操作”。在零所需输出操作期间，可以由燃料电池堆10生成小电流，以防止单元电池11的电压等于开路电压。在零所需输出操作中，用于每个装置的电力从另一电源(未示出)例如二次电池供应。“零所需输出操作”还包括以下情况：由燃料电池堆10生成的电力被充电至二次电池等中，而不用于驱动负载82例如马达。在零所需输出操作中，尽可能地停止附件，以提高燃料效率。特别地，在零所需输出生成期间尽可能地停止空气压缩机33是优选的，因为空气压缩机33消耗大量的电力。
当零所需输出操作开始时，控制器20开始图2所示的阴极气体供应控制。当用于停止零所需输出操作的命令被生成时，更具体地，当ECU 21需要燃料电池堆10生成的电力不再为零时，即，当ECU 21需要燃料电池堆10生成电力时，控制器20结束图2的控制。
在步骤S100中，控制器20降低供应至燃料电池堆10的阴极气体的流量。在该实施方式中，空气压缩机33被停止，并且阴极气体的供应被停止。更具体地，由空气压缩机33供应至燃料电池堆10的阴极气体的流量被设置为零。因此，就提高燃料效率而言，停止空气压缩机33是优选的。就提高燃料效率而言，将所供应的阳极气体的流量设置为零也是优选的。可以采用各种方法来降低供应至燃料电池堆10的阴极气体的流量，而不停止对阴极气体的供应。例如，可以通过控制分流阀36的开度同时将空气压缩机33保持在驱动状态，来降低供应至燃料电池堆10的阴极气体的流量。
然后，在步骤S110中，控制器20确定平均电池电压的目标电压Vm。该处理将被称为“目标电压确定处理”。目标电压Vm优选地被设置为高于0V，更优选地被设置为等于或高于0.6V并且等于或低于0.85V的值。后面将描述目标电压确定处理的细节。
然后，在步骤S120中，控制器20获得平均电池电压Vfc，并且确定平均电池电压Vfc是否低于目标电压Vm。当平均电池电压Vfc低于目标电压Vm时，控制器20进行至步骤S130，以增加供应至燃料电池堆10的阴极气体的流量。在该实施方式中，开始空气压缩机33的操作，并且重新开始阴极气体的供应。此时供应的阴极气体的流量被预先根据经验确定，并且可以根据需要进行设置。还可以基于定义燃料电池堆10的状况与阴极气体的流量之间的关系的映射或函数来确定在步骤S130中供应的阴极气体的流量。另一方面，当平均电池电压Vfc等于或高于目标电压Vm时，控制器20返回至步骤S100。即，降低阴极气体的供应或者阴极气体的供应保持停止，直至平均电池电压Vfc变得低于目标电压Vm。在这方面，步骤S110可以仅在图2的例程被首次执行时执行。
在步骤S130中增加了供应至燃料电池堆10的阴极气体的流量之后，控制器20再次获得平均电池电压Vfc，并且确定平均电池电压Vfc是否高于目标电压Vm。当平均电池电压Vfc高于目标电压Vm时，控制器20返回至步骤S100，并且降低供应至燃料电池堆10的阴极气体的流量。在该实施方式中，控制器20停止空气压缩机33，并且停止阴极气体的供应。另一方面，当平均电池电压Vfc等于或低于目标电压Vm时，控制器20返回至步骤S140，并且继续阴极气体的供应。因此，在步骤S130、S140中，暂时增加所供应的阴极气体的流量，直至平均电池电压Vfc超过目标电压Vm。
可以将比在步骤S120中使用的目标电压Vm高的值用作在步骤S140中使用的目标电压Vm。然而，优选地，将步骤S140中使用的目标电压Vm和步骤S120中使用的目标电压Vm设置为相同值，从而使控制更加简化。在步骤S130与步骤S140之间，可以执行再次确定目标电压的处理。
虽然在图2的例程中的步骤S120、S140中使用平均电池电压Vfc来进行确定，但是还可以在步骤S120、S140中使用燃料电池堆10的相对端的电压来代替平均电池电压Vfc，以进行确定。因为如上所述，平均电池电压Vfc是通过将燃料电池堆10的相对端的电压除以单元电池11的数目而获得的，因此基于燃料电池堆10的相对端的电压进行的确定等同于基于平均电池电压进行的确定。
图3的流程图示出了目标电压确定处理的过程的一个示例。首先，在步骤S200中，控制器20确定可能发生交叉泄漏——即在单元电池11中阳极气体从阳极电极到阴极电极的渗透——的条件(该条件将被称为“交叉泄漏发生条件”)是否被满足。例如，可以采用以下条件中的任一条件作为交叉泄漏发生条件。
第一交叉泄漏发生条件：阳极气体的压力高于预定阈值压力。
第二交叉泄漏发生条件：在开始零所需输出操作紧之前需要由燃料电池系统100生成的电力等于或大于预定阈值电力。
第三交叉泄漏发生条件：燃料电池堆10的温度高于预定阈值温度。
第四交叉泄漏发生条件：燃料电池堆10的单元电池11的电解质膜的相对湿度高于预定阈值湿度。
第五交叉泄漏发生条件：阳极气体压力与阴极气体压力之间的差高于预定阈值。
当满足第一交叉泄漏发生条件时，在每个单元电池11中，阳极侧的气体压力高；因此，可能发生交叉泄漏。如果在阳极气体压力高的情况下降低平均电池电压Vfc，则降低的斜率可能很大。因此，当使用阳极气体压力高的条件作为交叉泄漏发生条件时，可以有利且准确地确定电池电压是否过度降低。阈值压力可以被预先根据经验确定。例如，可以将130kPa至160kPa范围内的值用作阈值压力。
当满足第二交叉泄漏发生条件时，已经向燃料电池堆10供应了相对大量的阳极气体，以生成相对大的电力。因此，在这种情况下，每个单元电池11的阳极侧的气体压力高，并且可能发生交叉泄漏。因此，可以仅基于所需的电力来进行步骤S200中的确定，而不使用阳极气体压力。如果在所需电力大时降低平均电池电压Vfc，则降低的斜率可能很大。因此，当使用所需电力大的条件作为交叉泄漏发生条件时，可以有利且准确地确定电池电压是否过度降低。阈值电力可以被预先根据经验确定。例如，可以将每单元电池11的10W至20W范围内的值用作阈值电力。
当满足第三交叉泄漏发生条件时，每个单元电池11中的温度高；因此，分子的振动速度增加，并且可能发生交叉泄漏。阈值温度可以被预先根据经验确定。例如，可以将70℃至90℃范围内的值用作阈值温度。
当满足第四交叉泄漏发生条件时，在每个单元电池11中电解质膜的相对湿度高；因此，电解质膜中含有的水量大，并且阳极气体可能溶解在电解质膜的水中。因此，可能发生交叉泄漏。可以根据交流(AC)阻抗来估计电解质膜的相对湿度。AC阻抗与单元电池11的电解质膜的电阻值相对应，并且与电解质膜的水含量相关。更具体地，随着电解质膜的水含量越小，即随着电解质膜的相对湿度越低，阻抗值增加。相反，随着电解质膜的水含量越大，即随着电解质膜的相对湿度越高，阻抗值减小。阈值湿度可以被预先根据经验确定。例如，可以将60％至70％范围内的值用作阈值湿度。
当满足第五交叉泄漏发生条件时，阳极侧的阳极气体分压与阴极侧的阳极气体分压之间的差大；因此，可能发生交叉泄漏。阈值可以被预先根据经验确定。例如，可以将20kPa至30kPa范围内的值用作阈值。
可以视情况对以上条件进行组合，以用作交叉泄漏发生条件。在该实施方式中，使用第一交叉泄漏发生条件。
在图3的步骤S200中，当不满足交叉泄漏发生条件时，控制器20进行至步骤S210，以将参考目标电压Vref确定为目标电压Vm。参考目标电压Vref可以被预先根据经验确定为这样的电压：当需要生成电力时，该电压允许燃料电池系统100从零所需输出操作返回至正常操作，而没有响应延迟。另一方面，当满足交叉泄漏发生条件时，控制器20进行至步骤S215，以将比参考目标电压Vref高的值Vup确定为目标电压Vm。
图4的时序图示出了阳极气体压力、平均电池电压Vfc以及阴极气体的指示流量之间的关系的一个示例。上部的图线指示阳极气体压力的变化，中部的图线指示平均电池电压Vfc和目标电压Vm的变化。下部的图线指示所供应的阴极气体的流量的指示流量(其将被称为“阴极气体指示流量”)的变化。如图4所示，控制器20在时刻t0处将燃料电池系统100从正常操作切换至零所需输出操作。在图4的示例中，在燃料电池堆10中停止电力生成，并且阴极气体指示流量被设置为零。当阴极气体指示流量等于零时，空气压缩机33的操作被停止。
如图4上部的图线所示，由于阳极气体的交叉泄漏，因此阳极气体压力从燃料电池系统100被切换至零所需输出操作的时刻t0开始逐渐减小。然后，在时刻t2处，阳极气体压力降低至阈值压力Pt，其中基于该阈值压力Pt确定是否满足交叉泄漏发生条件。
如图4中部的图线所示，当燃料电池系统100从正常操作切换至零所需输出操作时，在可能发生交叉泄漏的情况下，平均电池电压Vfc迅速降低。如果平均电池电压Vfc过度降低，则单元电池11的性能可能劣化。因此，在图4的示例中，在平均电池电压Vfc变得低于目标电压Vm的时刻t1处，控制器20通过使用空气压缩机33来重新开始向燃料电池堆10供应阴极气体。因此，可以通过以下操作来使平均电池电压Vfc较不可能或不太可能过度降低：控制阴极气体的供应，更具体地，将目标电压Vm设置为比参考目标电压Vref高的值Vup，从而在较早的时间点t1处开始阴极气体的供应。
如图4下部的图线所示，在从时刻t0至时刻t1的时段内，阴极气体的供应被停止；因此，指示空气流量被设置为零。控制器20在时刻t1处执行图2的步骤S130(在图4的示例中重新开始阴极气体供应)，并且在每个控制循环中执行对步骤S100至步骤S140的控制。因此，所供应的阴极气体的流量被间歇地增加。在时刻t2之后，不满足交叉泄漏发生条件；因此，在图2的步骤S110中，目标电压Vm被设置为参考目标电压Vref，并且执行用于间歇地增加所供应的阴极气体的流量的控制。在图4的该示例中，在不再满足交叉泄漏发生条件的时刻t2之后的阴极气体的指示流量被设置为这样的值，该值与在满足交叉泄漏发生条件的从时刻t1至时刻t2的时段内的阴极气体指示流量Q1相比较小。然而，本发明不限于此，而是可以根据需要来确定阴极气体指示流量。
根据该实施方式的燃料电池系统100，当满足交叉泄漏发生条件时，控制器20将目标电压Vm设置为与在不满足交叉泄漏发生条件的情况下的目标电压相比更高的值，并且执行阴极气体供应控制以增加平均电池电压Vfc。因此，所供应的阴极气体的流量被增加的时间点提前(即，在较早时刻处增加阴极气体的流量)，并且电池电压较不可能或不太可能过度降低。
此外，在该实施方式中使用的交叉泄漏发生条件是阳极气体压力高于预定阈值压力；因此，可以容易地检测交叉泄漏的发生。
B.第二实施方式
图5的流程图示出了根据第二实施方式的阴极气体供应控制的过程的一个示例。第二实施方式的燃料电池系统的配置与第一实施方式的燃料电池系统的配置相同，这里将不再描述。第二实施方式的阴极气体供应控制与第一实施方式的阴极气体供应控制的不同之处在于，当液态水被积聚时执行液态水清除处理，但是在其他步骤中与第一实施方式的处理相同。液态水清除处理是用于通过控制燃料电池系统100的各个组成部分来减少残留在燃料电池堆10中的水以及沉积在燃料电池系统100的管、阀等上的水的扫气处理。
在上面的第一实施方式中，在步骤S140中确定平均电池电压Vfc低于目标电压Vm之后，控制器20返回至步骤S140，并且继续供应阴极气体。在第二实施方式中，在步骤S140中确定平均电池电压Vfc低于目标电压Vm之后，控制器20根据步骤S150、S160来视需要执行液态水清除处理。
在步骤S140中，控制器20再次获得平均电池电压Vfc。当所获得的平均电池电压Vfc等于或低于目标电压Vm时，控制器20进行至步骤S150，并且确定在步骤S140中获得的平均电池电压Vfc是否低于下限电压Vlow。下限电压Vlow可以被预先根据经验确定为这样的电压值，基于该电压值确定液态水积聚在燃料电池堆10中(例如，单元电池11的催化剂在氧化与还原之间切换的电压值)。下限电压Vlow是等于或高于0.4V且等于或低于0.7V的值，并且被设置为比在步骤S140中使用的目标电压Vm低的值。当平均电池电压Vfc低于下限电压Vlow时，控制器20进行至步骤S160，并且执行液态水清除处理。另一方面，当平均电池电压Vfc等于或高于下限电压Vlow时，控制器20返回至步骤S140，并且继续供应阴极气体。
在步骤S160中执行了液态水清除处理之后，控制器20返回至步骤S100。在该实施方式的液态水清除处理中，控制器20控制阴极气体供应单元30以将阴极气体过量地注入至燃料电池堆10中。例如，优选的是，以维持正常电压所需的流量的10倍大的流量——更具体地，以如图4所示的在不满足交叉泄漏发生条件的时刻t2之后的阴极气体指示流量的10倍大的流量——注入阴极气体达数秒。
根据如上面所描述的该实施方式的燃料电池系统100，控制器20在发生液态水的积聚时执行清除处理。因此，可以使电池电压较不可能或者不太可能过度降低。
C.其他实施方式
下面所描述的第三实施方式的燃料电池系统的配置与第一实施方式的燃料电池系统的配置相同，因此这里将不再进行描述。第三实施方式的阴极气体供应控制与第一实施方式的阴极气体供应控制的不同在于目标电压确定处理中的阳极气体压力与目标电压Vm之间的关系，但是在其他步骤中与第一实施方式的处理相同。
图6的图示出了在第三实施方式中的目标电压确定处理中使用的阳极气体压力与目标电压Vm之间的关系。在该示例中，当阳极气体压力等于或高于阈值压力Pt时，其中在Pt处或高于Pt时满足交叉泄漏发生条件，由于阳极气体压力较高，所以紧接切换至零所需输出操作之后的平均电池电压Vfc的降低的斜率较陡；因此，当阳极气体压力较高时，将目标电压Vm设置为较大的值。虽然在第三实施方式中目标电压Vm被设置为根据阳极气体压力选择的三个值中的一个，但是可以以不同的方式来设置目标电压Vm。利用如此配置的燃料电池系统100，因为随着阳极气体压力增加而将目标电压Vm设置为较大的值，所以可以有效地使电池电压较不可能或不太可能过度降低。
图7的图示出了在根据第四实施方式的目标电压确定处理中使用的阳极气体压力与目标电压Vm之间的关系。该示例与图6的示例的相似之处在于：当阳极气体压力较高时，将目标电压Vm设置为较大的值，但是阳极气体压力与目标电压Vm之间的关系由连续曲线表示。利用这种配置，因为将目标电压Vm设置成随着阳极气体压力增加而增加，所以也可以使电池电压较不可能或不太可能过度降低。
图8的图示出了在根据第五实施方式的目标电压确定处理中使用的阳极气体压力与目标电压Vm之间的关系。该示例与图6的示例的相似之处在于：当阳极气体压力较高时，将目标电压Vm设置为较大的值，但是阳极气体压力与目标电压Vm之间的关系是根据燃料电池堆10的温度而确定的。在图8中，图线G1a指示当燃料电池堆10的温度高时的阳极气体压力与目标电压Vm之间的关系，并且图线G1b指示当温燃料电池堆10的温度低时的阳极气体压力与目标电压Vm之间的关系。判别温度被预先根据经验确定，并且可以根据需要来确定，其中基于判别温度确定燃料电池堆10的温度是高还是低。经图线G1a与图线G1b之间的比较发现，图线G1b的目标电压Vm低于图线G1a的目标电压Vm。因此，当燃料电池堆10的温度高时，将目标电压Vm设置为与温度低的情况下的目标电压相比更高的值。当阳极气体压力等于或低于阈值压力Pt时，图线G1a和图线G1b可以彼此相同。利用这种配置，在满足交叉泄漏发生条件的范围内，将目标电压Vm设置成随着阳极气体压力增加而增加，从而也可以有效地使电池电压较不可能或不太可能过度降低。
图9的图示出了在根据第六实施方式的目标电压确定处理中使用的阳极气体压力与目标电压Vm之间的关系。该示例与图8的示例的相似之处在于：阳极气体压力与目标电压Vm之间的关系是根据燃料电池堆10的温度而确定的，并且当阳极气体压力较高时，将目标电压Vm设置为较大的值。然而，在图9的示例中，根据燃料电池堆10的温度来设置阳极气体压力的阈值，其中，在该阈值处目标电压Vm的值变化。在图9中，图线G2a指示当燃料电池堆10的温度高时的阳极气体压力与目标电压Vm之间的关系，图线G2b指示当燃料电池堆10的温度低时的阳极气体压力与目标电压Vm之间的关系。经图线G2a与图线G2b之间的比较发现，在图线G2b中，目标电压Vm的值在其处变化的阳极气体压力的阈值大于图线G2a中的阈值。例如，在图线G2a中作为交叉泄漏发生条件的阈值的阳极气体压力是Pt1，并且在图线G2b中作为交叉泄漏发生条件的阈值的阳极气体压力是比Pt1高的Pt2。此外，在图线G2b中目标电压Vm较低。利用这种配置，在满足交叉泄漏发生条件的范围内，将目标电压Vm设置成随着阳极气体压力增加而增加，从而也可以有效地使电池电压较不可能或不太可能过度降低。
在图8和图9所示的实施方式中，使用其中阳极气体压力与目标电压Vm之间的关系根据燃料电池堆的温度而不同的图来执行目标电压确定处理。替代地，可以使用其中阳极气体压力与目标电压Vm之间的关系根据燃料电池堆10的每个单元电池11的电解质膜的相对湿度而不同的图来执行目标电压确定处理。更具体地，当燃料电池堆10的每个单元电池11的电解质膜的相对湿度高时，将目标电压Vm设置为与相对湿度低的情况下的目标电压相比更高的值。
本发明不限于以上实施方式，而是可以在不偏离其范围的情况下以各种配置来实现。例如，实施方式中的与“发明内容”中描述的技术特征相对应的技术特征可以用其他特征代替或者视情况进行组合，以解决上面提到的一部分问题或全部问题，或者实现上面提到的部分效果或全部效果。如果在本说明书中存在未被描述为必不可少的任何技术特征，则可以视情况删除该技术特征。

Claims (5)

1.一种燃料电池系统，其特征在于包括：
具有多个单元电池的燃料电池堆；
阳极气体供应单元，其向所述燃料电池堆供应阳极气体；
阴极气体供应单元，其向所述燃料电池堆供应阴极气体；
电压检测器，其检测所述燃料电池堆的电压；以及
控制器，其控制所述阳极气体供应单元和所述阴极气体供应单元，
其中，当需要由所述燃料电池堆生成的电力等于零，并且所述燃料电池堆的平均电池电压低于预定目标电压时，所述控制器执行阴极气体供应控制以通过经由所述阴极气体供应单元增加对所述燃料电池堆的阴极气体的供应来提高所述平均电池电压，并且
在所述阴极气体供应控制下，所述控制器确定指示可能发生交叉泄漏的预定条件是否被满足，并且所述控制器将所述预定条件被满足时的目标电压设置为比作为所述预定条件未被满足的情况下的目标电压的参考目标电压更高的值，所述交叉泄漏表示在每个所述单元电池中所述阳极气体从阳极电极到阴极电极的渗透。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于还包括测量所述燃料电池堆的阳极气体压力的压力测量单元，
其中，所述预定条件包括以下条件：所述阳极气体压力高于预定阈值压力。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，在所述阴极气体供应控制下，当所述阳极气体压力高于所述阈值压力时，所述控制器将所述目标电压设置为比在所述阳极气体压力低于所述阈值压力的情况下的目标电压更高的值。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，所述预定条件包括以下条件：紧接在所需电力降低至零之前需要由所述燃料电池堆生成的电力等于或大于预定阈值电力。
5.一种控制燃料电池系统的方法，所述燃料电池系统具有燃料电池堆，所述燃料电池堆具有多个单元电池，所述方法的特征在于包括：
当需要由所述燃料电池堆生成的电力等于零，并且所述燃料电池堆的平均电池电压低于预定目标电压时，执行阴极气体供应控制以通过增加对所述燃料电池堆的阴极气体的供应来提高所述平均电池电压，
其中，在所述阴极气体供应控制下，确定指示可能发生交叉泄漏的预定条件是否被满足，并且将所述预定条件被满足时的目标电压设置为比作为所述预定条件未被满足的情况下的目标电压的参考目标电压更高的值，所述交叉泄漏表示在每个所述单元电池中阳极气体从阳极电极到阴极电极的渗透。
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