CN111009671B - 燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池系统，其包括：燃料电池单元，包括向负载装置供应电力的第一和第二燃料电池；第一和第二供应系统，分别控制分别供应给第一和第二燃料电池的阴极气体的第一和第二流量；切换装置，能够使燃料电池单元和负载装置在两者电连接的电连接状态与两者电断开的电断开状态之间切换；切换控制单元，配置成当燃料电池单元的要求功率等于或小于阈值时将燃料电池单元和负载装置切换到电断开状态；开路电压获取单元，配置成获取在电断开状态下第一和第二燃料电池的第一和第二开路电压；和供应系统控制单元，配置成通过控制第一和第二供应系统在不同时刻增减第一和第二流量来增减第一和第二开路电压以分别收敛在第一和第二目标范围内。

Description

燃料电池系统

技术领域

本发明涉及燃料电池系统。

背景技术

当燃料电池的要求功率等于或小于阈值时，燃料电池与负载装置电断开。当该状态下燃料电池的开路电压过高时，燃料电池的阴极催化剂可能会溶出。因此，通过向燃料电池内部供应足量的氢以及通过将阴极气体的流量控制为小于通常流量以便减少残留在燃料电池内的氧量来抑制开路电压过高。然而，当在燃料电池内残留的氧量过小的状态下要求功率又增加时，实际功率的响应性变差。因此，增减阴极气体的流量，使得开路电压收敛在目标范围内(例如，参见日本特开专利申请公报No.2016-096086)。

在包括此类燃料电池的燃料电池系统中，可以想到当要求功率增加时多个燃料电池的任何开路电压都是低的。在这种情况下，实际功率对要求功率的响应性可能变差。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种燃料电池系统，其中提高了对要求功率的响应性。

上述目的通过这样一种燃料电池系统来实现，该燃料电池系统包括：燃料电池单元，其包括向负载装置供应电力的第一和第二燃料电池；第一和第二供应系统，其分别控制分别供应给所述第一和第二燃料电池的阴极气体的第一和第二流量；切换装置，其能够使所述燃料电池单元和所述负载装置在所述燃料电池单元与所述负载装置电连接的电连接状态与所述燃料电池单元与所述负载装置电断开的电断开状态之间切换；切换控制单元，其配置成当所述燃料电池单元的要求功率等于或小于阈值时将所述燃料电池单元和所述负载装置切换到所述电断开状态；开路电压获取单元，其配置成获取在所述电断开状态下所述第一燃料电池的第一开路电压和所述第二燃料电池的第二开路电压；和供应系统控制单元，其配置成通过控制所述第一和第二供应系统在不同时刻增减所述第一和第二流量来增减所述第一和第二开路电压以便分别收敛在第一和第二目标范围内。

通过在不同时刻增减第一和第二流量，第一和第二开路电压在不同时刻增减，从而第一和第二开路电压中的一者高于第一和第二开路电压中的另一者。这使得避免了第一和第二开路电压两者都处于低状态，从而提高了对要求功率的响应性。

所述供应系统控制单元可以配置成通过在所述第二开路电压减小的至少一个时段期间在所述第二开路电压等于或低于所述第二目标范围的下限值之前增大所述第二流量来在不同时刻增减所述第一和第二流量。

所述供应系统控制单元可以配置成通过在所述第二开路电压减小的至少一个时段期间当所述第二开路电压达到通过将所述第二目标范围的下限值与在所述第二目标范围的下限值和上限值之间差值的30％和70％之间的值相加而获得的值时增大所述第二流量来在不同时刻增减所述第一和第二流量。

所述供应系统控制单元可以配置成通过当所述第一开路电压等于或低于所述第一目标范围的上限值和下限值之间的第一基准值并且所述第二开路电压等于或低于所述第二目标范围的上限值和下限值之间的第二基准值时增大所述第二流量来在不同时刻增减所述第一和第二流量。

所述第一基准值可以通过将所述第一目标范围的下限值与在所述第一目标范围的上限值和下限值之间差值的30％和70％之间的值相加来获得，并且所述第二基准值可以通过将所述第二目标范围的下限值与在所述第二目标范围的上限值和下限值之间差值的30％和70％之间的值相加来获得。

所述供应系统控制单元可以配置成在同一时段内增减所述第一和第二流量。

发明效果

根据本发明，可以提供一种燃料电池系统，其中提高了对要求功率的响应性。

附图说明

图1是车辆中搭载的燃料电池系统的结构图；

图2是示出开路电压控制的一个示例的时序图；

图3是示出开路电压控制的一个示例的流程图；

图4是示出FC 20a的开路电压控制的一个示例的流程图；

图5是示出FC 20b的开路电压控制的一个示例的流程图；

图6是示出FC 20b的开路电压控制的一个变型的时序图；

图7是示出FC 20b的开路电压控制的该变型的流程图。

具体实施方式

[燃料电池系统的构型]

图1是车辆中搭载的燃料电池系统(在下文中简称为系统)1的结构图。系统1包括阴极气体供应系统10a和10b、燃料电池(在下文中称为FC)20a和20b、电力控制系统30a和30b、蓄电池(在下文中称为BAT)40a和40b、电机50和ECU 60。此外，系统1包括将氢气作为阳极气体供应到FC 20a和20b的阳极气体供应系统(未示出)，以及使冷却水循环通过FC 20a和20b并冷却FC 20a和20b的冷却系统(未示出)。

FC 20a和20b是接收阴极气体和燃料气体以产生电力的燃料电池。FC 20a和20b中的每一者都是通过堆叠固体聚合物电解质类型的单电池而形成的。FC 20a和20b没有特别限制地是相同的燃料电池，并且额定功率也相同。FC 20a和20b是燃料电池单元的示例，并且也分别是第一和第二燃料电池的示例。

阴极气体供应系统10a和10b分别将含氧的空气作为阴极气体供应到FC 20a和20b。具体地，阴极气体供应系统10a和10b分别包括供应管11a和11b、排放管12a和12b、旁通管13a和13b、空气压缩机14a和14b、旁通阀15a和15b、中间冷却器16a和16b以及背压阀17a和17b。

供应管11a和11b分别连接到FC 20a和20b的阴极入口歧管。排放管12a和12b分别连接到FC 20a和20b的阴极出口歧管。旁通管13a与供应管11a和排放管12a连通。同样，旁通管13b与供应管11b和排放管12b连通。旁通阀15a设置在供应管11a和旁通管13a的接合部处。同样，旁通阀15b设置在供应管11b和旁通管13b的接合部处。旁通阀15a切换供应管11a与旁通管13a之间的连通状态。同样，旁通阀15b切换供应管11b与旁通管13b之间的连通状态。空气压缩机14a、旁通阀15a和中间冷却器16a从上游侧依次设置在供应管11a上。背压阀17a设置在排放管12a上并位于排放管12a和旁通管13a的接合部的上游侧。同样，空气压缩机14b、旁通阀15b和中间冷却器16b从上游侧依次设置在供应管11b上。背压阀17b设置在排放管12b上并且位于排放管12b和旁通管13b的接合部的上游侧。

空气压缩机14a和14b分别通过供应管11a和11b将含氧的空气作为阴极气体供应到FC 20a和20b。供应给FC 20a和20b的阴极气体分别通过排放管12a和12b排出。中间冷却器16a和16b分别冷却供应给FC 20a和20b的阴极气体。背压阀17a和17b分别控制FC 20a和20b的阴极侧的背压。

电力控制系统30a和30b包括燃料电池DC/DC转换器(在下文中称为FDC)32a和32b、蓄电池DC/DC转换器(在下文中称为BDC)34a和34b、开关36a和36b以及辅助装置逆变器(在下文中称为AINV)39a和39b。此外，电力控制系统30a和30b共用连接到电机50的电机逆变器(在下文中称为MINV)38。FDC 32a和32b分别调节来自FC 20a和20b的直流电，并将该直流电输出到MINV 38。BDC 34a和34b分别调节来自BAT 40a和40b的直流电，并将该直流电输出到MINV 38。由FC 20a和20b产生的电力分别存储在BAT 40a和40b中。MINV 38将输入的直流电转换成三相交流电，并将该三相交流电供应给电机50。电机50驱动车轮5以驱动车辆。

开关36a响应于来自ECU 60的命令而断开和闭合。当开关36a断开时，FC 20a和BAT40a与MINV 38电断开，而当开关36a闭合时，FC 20a和BAT 40a连接到MINV 38。同样，开关36b响应于来自ECU 60的命令而断开和闭合。当开关36b断开时，FC 20b和BAT 40b与MINV38电断开，而当开关36b闭合时，FC 20b和BAT 40b电连接到MINV 38。在断开状态下，FC 20a和20b与包括电机50的负载装置电断开。开关36a和36b是能够在FC 20a和20b与负载装置电连接的电连接状态与FC 20a和20b与负载装置电断开的电断开状态之间切换FC 20a和20b以及负载装置的切换装置的示例。这里，除了电机50之外，负载装置还包括用于FC 20a和20b的辅助装置以及用于车辆的辅助装置。用于FC 20a和20b的辅助装置包括上述空气压缩机14a和14b、旁通阀15a和15b、背压阀17a和17b以及用于将包括在阳极气体供应系统中的阳极气体分别供应到FC 20a和20b的喷射器。用于车辆的辅助装置包括例如空调装置、照明装置和警示灯。即使当FC 20a和20b以及BAT 40a和40b通过开关36a和36b与MINV 38断开时，BAT 40a和40b的蓄电电力也分别由BDC 34a和34b升压，并且能够经由AINV 39a和39b供应给空气压缩机14a和14b、旁通阀15a和15b以及背压阀17a和17b。在本实施例中，开关36a和36b被描述为与FDC 32a和32b分开的部件，但是分别设置在FDC 32a和32b内的开关可以在连接状态与断开状态之间切换。

ECU 60包括中央处理单元(CPU)、只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)。ECU60电连接到加速器开度传感器3、空气压缩机14a和14b、旁通阀15a和15b、背压阀17a和17b、FDC 32a和32b、BDC 34a和34b以及开关36a和36b。

ECU 60基于加速器开度传感器3的检测值计算作为由驾驶者操作的加速器踏板的开度的加速器开度。ECU 60基于加速器开度来计算驱动电机50所需的电力量。ECU 60基于驱动诸如空气压缩机14a和14b的用于FC 20a和20b的辅助装置、诸如电机50的用于车辆的辅助装置所需的电力以及BAT 40a和40b的蓄电电力来计算整个FC 20a和20b的要求功率。ECU 60控制FDC 32a和32b以及BDC 34a和34b，以便将与整个FC 20a和20b的要求功率相对应的电力量从整个FC 20a和20b供应给MINV 38。在本说明书中，“要求功率”不是指FC 20a和20b各自的要求功率，而是指整个FC 20a和20b的要求功率，即燃料电池单元的要求功率。

此外，ECU 60执行如稍后将详细描述的开路电压控制。开路电压控制由在功能上由CPU、ROM和RAM实现的开关控制单元、开路电压获取单元和供应系统控制单元执行。

[开路电压]

例如，当加速器开度减小时，要求功率也减小。当要求功率等于或小于稍后描述的阈值时，开关36a和36b将FC 20a和20b与负载装置电断开，然后使车辆进入怠速状态。这里，在FC 20a和20b与负载装置电断开的断开状态下，FC 20a和20b处于发电暂时停止的状态。在这种状态下，FC 20a和20b的电流均为零，并且该状态下的每个电压被称为开路电压。当在这种怠速状态下加速器开度的增大使得要求功率再次大于阈值时，开关36a和36b将FC20a和20b与负载装置电连接。因此，由FC 20a和20b产生的电力被供应到电机50，然后车辆处于驱动状态。

这里，在FC 20a和20b与负载装置电断开的断开状态下，在发电中不消耗氧和氢。然而，氢透过电解质膜从阳极侧交叉泄漏(cross-leak)到阴极侧，使得在阴极侧氢和氧反应而生成水。这减小了阴极侧的氧浓度。

阴极侧的氧浓度的减小降低了开路电压。考虑到当在开路电压降低之后要求功率增大时FC 20a和20b的实际功率的响应性，即使在断开状态下，也希望保持开路电压高。这是因为高开路电压意味着阴极侧的高氧浓度，并且当在阴极侧氧浓度高的状态下要求功率增大时，FC 20a和20b的电功率响应性地增大。然而，开路电压太高，使得阴极催化剂可能溶出而降低FC 20a和20b的功率性能。因此，执行上述用于将开路电压保持在预定目标范围内的开路电压控制。在开路电压控制中，供应给各FC 20a和20b的阴极气体的流量增减，使得FC 20a和20b各自的开路电压重复地增减以收敛在目标范围内。另外，上述目标范围不是当开路电压偏离目标范围时立即出现问题的范围。FC 20a和20b的开路电压的目标范围是第一和第二目标范围的相应示例。

[开路电压控制的时序图]

图2是示出开路电压控制的一个示例的时序图。图2示出了要求功率P的变迁、各FC20a和20b与负载装置之间的连接状态、供应给FC 20a和20b的阴极气体的相应流量Qa和Qb的变迁以及FC 20a和20b的相应电压Va和Vb的变迁。另外，在执行下述开路电压控制期间的流量Qa和Qb通过在保持空气压缩机14a和14b的转速恒定并保持背压阀17a和17b的开度恒定的同时调节旁通阀15a和15b的开度来控制。

例如，当在车辆处于行驶状态时加速器开度逐渐减小时，要求功率从时刻t0开始逐渐降低。当要求功率降低时，流量Qa和Qb降低，从而降低FC 20a和20b的功率。此外，FC20a和20b的功率降低，因此FC 20a和20b的电流降低并且电压Va和Vb增大。

例如，当加速器开度达到零时，要求功率P在时刻t1等于或小于阈值P1。阈值P1是预设值，并且是用于判定是否可以将要求功率P视为基本为零的阈值。换句话说，阈值P1是用于判定是否可能没有对FC 20a和20b的发电请求的阈值。另外，当要求功率P大于阈值P1时，流量Qa和Qb被控制为大于目标流量QH。此外，阈值P1不限于例如基本上为零，并且可以是驱动车辆和操作辅助装置所需的小功率值，其可以仅由BAT 40a和40b充分管理。

在从要求功率P等于或小于阈值P1的时刻t1起经过预定的微小时间之后要求功率P基本恒定的时刻t2，流量Qa和Qb各自被控制为目标流量QL。目标流量QL小于目标流量QH。通过控制旁通阀15a和15b的开度以增加流过旁通管13a和13b的阴极气体的流量来将流量Qa和Qb各自从目标流量QH控制为目标流量QL。当流量Qa和Qb各自被控制为目标流量QL时，与正常发电时的IV特性相比，FC 20a和20b的各IV特性恶化。因此，电压Va和Vb从时刻t2开始降低。

在从电压Va和Vb开始降低的时刻t2开始经过预定时间的时刻t3，FC 20a和20b与负载装置断开，并且开路电压控制开始。此后，电压Va和Vb立即增大，未示出的FC 20a和20b的各电流达到零。在FC 20a和20b与负载装置断开的状态下，电压Va和Vb分别对应于FC 20a和20b的开路电压。另外，虽然稍后详细提及，但是断开的时刻被调整成使得在FC 20a和20b与负载装置断开之后立即增大的电压Va和Vb均等于或低于上限值VH。上限值VH是预设的。

从时刻t3开始，电压Va和Vb由于上述交叉泄漏而降低。也就是说，目标流量QL被设定为即使考虑到交叉泄漏也不会增大开路电压的低流量。这是因为，由于交叉泄漏引起的氧浓度的降低速度根据燃料电池的使用环境和使用时间而变化，难以预先估计降低速度。

当FC 20b的电压Vb在时刻t4达到基准值VM时，控制阴极气体到FC 20b的流量Qb增大至目标流量QH，使得电压Vb开始增大。将目标流量QH设定为即使考虑到由于交叉泄漏引起的氧浓度的减小量也增大氧浓度的流量。稍后将详细描述的基准值VM是预设的。

当电压Vb在时刻t5等于或高于上限值VH时，控制流量Qb再次降低到目标流量QL，然后电压Vb开始降低。当电压Va在时刻t6达到下限值VL时，控制流量Qa增大至目标流量QH，然后电压Va开始增大。下限值VL是预设的。当电压Va在时刻t7达到上限值VH时，控制流量Qa降低至目标流量QL，然后电压Va开始降低。同样，当电压Vb在时刻t8达到下限值VL时，流量Qb被控制为增大至目标流量QH，然后电压Vb开始增大。当电压Vb在时刻t9达到上限VH时，控制流量Qb降低至目标流量QL，然后电压Vb开始降低。当电压Va在时刻t10达到下限值VL时，控制流量Qa控制增大至目标流量QH，电压Va开始增大。当电压Va在时刻t11达到上限值VH时，控制流量Qa降低至目标流量QL，然后电压Va开始降低。当电压Vb在时刻t12达到下限值VL时，控制流量Qb增大至目标流量QH，然后电压Vb开始增大。当电压Vb在时刻t13达到上限值VH时，控制流量Qb降低至目标流量QL，然后电压Vb开始降低。

如上所述，上限值VH和下限值VL分别是开路电压的目标范围的上限值和下限值。因此，流量Qa和Qb被控制成增减以使得电压Va和Vb重复地增减以收敛在目标范围内。上限值VH是适于如上所述抑制阴极催化剂的溶出的电压值，并且可以在例如0.75V至0.9V的范围内，更具体地0.85V。下限值VL是适于确保对要求功率的良好响应性的电压值，并且可以在例如0.5V至0.8V的范围内，更具体地0.75V。

当要求功率P在时刻t14开始增大时，要求功率P在时刻t15大于阈值P1，FC 20a和20b连接到负载装置。此后，电压Va和Vb立即降低，未示出的FC 20a和20b的各电流立即增大。通过控制流量Qa和Qb在时刻t16各自大于目标流量QH，电压Va和Vb降低，未示出的FC20a和20b的功率增大。在本实施例中，在FC 20a和20b在时刻t15连接到负载装置之后，流量Qa和Qb在时刻t16增大，但不限于此。在流量Qa和Qb增大之后，FC 20a和20b可连接到负载装置。流量Qa和Qb可以增大，并且FC 20a和20b可以同时连接到负载装置。

如上所述，在时刻t4在电压Vb达到下限值VL之前，流量Qa增大至目标流量QH使得电压Vb增大，然后流量Qa和Qb在不同时刻增减。具体地，流量Qa开始增大的时刻t6和t10与流量Qb开始增大的时刻t8和t12不同。同样，流量Qa开始降低的时刻t7和t11与流量Qb开始降低的时刻t5、t8和t12不同。因此，电压Va开始增大的时刻与电压Vb开始增大的时刻不同，并且电压Va开始降低的时刻与电压Vb开始降低的时刻不同。这使得避免了电压Va和Vb都在相应的目标范围内变低。

这里，假设流量Qa和Qb开始增大的时刻相同并且流量Qa和Qb开始降低的时刻相同，那么电压Va和Vb开始增大的时刻也相同，并且电压Va和Vb开始降低的时刻也相同。因此，存在电压Va和Vb都低的时段。当在这样的时段内要求功率P增大并超过阈值P1时，FC20a和20b的实际功率对要求功率P的响应性可能变差，这可能影响驾驶性能，因为两个电压Va和Vb都低。在本实施例中，电压Va和Vb开始增大的时刻彼此不同，并且电压Va和Vb开始降低的时刻彼此不同，从而抑制了上述问题的发生。

只要流量Qa增减的时段与流量Qb增减的时段相同，FC 20a和20b的额定功率可以彼此不同，FC 20a和20b的开路电压的上限值可以彼此不同，FC 20a和20b的开路电压的下限值可以彼此不同，或者FC 20a和20b的开路电压的目标范围的大小可以彼此不同。此外，用于增大FC 20a和20b的开路电压的阴极气体的流量可以彼此不同，或者用于降低FC 20a和20b的开路电压的阴极气体的流量可以彼此不同。这是因为，在流量Qa增减的时段与流量Qb增减的时段相同的状态下，通过使流量Qa和Qb在不同时刻增减抑制了上述问题的发生。另外，流量Qa增减的时段不限于与流量Qb增减的时段完全相同。例如，一个流量的增减的时段是另一流量的增减的时段的0.9倍至1.1倍。

此外，流量Qa增减的时段如上所述与流量Qb增减的时段基本相同，从而使旁通阀15a和15b的经年劣化程度基本相同。这是因为在控制开路电压期间，可以使旁通阀15a和15b的开度切换次数基本相同。因此，避免了旁通阀15a和15b中只有一个过早老化。

[开路电压控制的流程图]

图3是示出开路电压控制的示例的流程图。首先，ECU 60判定要求功率P是否等于或小于阈值P1(步骤S1)。如上所述，ECU 60基于驱动电机50和辅助装置所需的电力来计算要求功率P。例如，当加速器开度不为零并且车辆处于行驶状态时，在步骤S1中判定为否，并且结束当前控制。

例如，当加速器开度为零时，在步骤S1中判定为是，并且ECU 60将流量Qa和Qb控制为如在上述时刻t2的目标流量QL(步骤S3)。因此，FC 20a和20b中的氧浓度降低，并且电压Va和Vb降低。

接下来，ECU 60获取FC 20a的IV特性(步骤S5a)，并判定FC 20a的IV特性是否充分恶化(步骤S7a)。同样，ECU 60获取FC 20b的IV特性(步骤S5b)，并判定FC 20b的IV特性是否充分恶化(步骤S7b)。也就是说，目标流量QL是在燃料电池连接到负载装置的状态下IV特性由于燃料电池的阴极侧的低氧浓度而劣化的流量。在将流量Qa和Qb控制为目标流量QL之后，基于FC 20a和20b的相应电流值和电压值来获取IV特性。当电流值和电压值降低时，认为IV特性恶化。也就是说，当电流值和电压值等于或低于相应的预定值时，判定为IV特性充分恶化。当在步骤S7a中判定为否时，再次执行步骤S5a。同样，当在步骤S7b中判定为否时，再次执行步骤S5b。

当在步骤S7a中判定为是时，ECU 60如在上述时刻t3那样将FC 20a与负载装置断开(步骤S9a)。同样，当在步骤S7b中判定为是时，ECU 60如在时刻t3那样将FC 20b与负载装置断开(步骤S9b)。步骤S9a和S9b的处理是由切换控制单元执行的处理的示例，该切换控制单元配置成当要求功率P等于或小于阈值P1时将FC 20a和20b以及负载装置切换至断开状态。这里，如在时刻t3所示，电压Va和Vb增大至使得紧接在断开之后不超过上限值VH的程度。这是因为上述断开在上述步骤S7a和S7b中判定IV特性充分恶化之后执行。也就是说，在步骤S7a和S7b中，“IV特性充分恶化”意味着IV特性以紧接在断开之后增大的电压不超过上限值VH的程度恶化。

接下来，ECU 60执行FC 20a的开路电压控制(步骤S10a)，并执行FC 20b的开路电压控制(步骤S10b)。另外，上述步骤S5a和S5b的处理以及后续处理并行地执行。

[FC 20a的开路电压控制的流程图]

图4是示出FC 20a的开路电压控制的示例的流程图。首先，ECU 60将流量Qa控制为目标流量QL(步骤S11a)。当在上述步骤S3中已经将流量Qa控制为目标流量QL时，在步骤S11a中继续该状态。接下来，ECU60判定要求功率P是否等于或小于阈值P1(步骤S13a)。当在步骤S13a中判定为否时，ECU 60执行用于使FC 20a和20b返回到正常发电状态的返回控制(步骤S100)。稍后将描述该返回控制。

当在步骤S13a中判定为是时，ECU 60获取电压Va(步骤S15a)，并判定电压Va是否等于或低于下限值VL(步骤S17a)。当在步骤S17a中判定为否时，ECU 60再次执行步骤S11a的处理和后续处理。也就是说，只要在步骤S13a中判定为是并且在步骤S17a中判定为否，就将流量Qa控制为目标流量QL。例如，如上述时刻t3之后所示，流量Qa被控制为目标流量QL。由于只要在步骤S17a中判定为否就重复执行步骤S13a，所以即使在将流量Qa控制为目标流量QL期间要求功率增大时，也执行返回控制。

当在步骤S17a中判定为是时，例如，如在时刻t6所示，ECU 60将流量Qa控制为目标流量QH(步骤S21a)。接下来，ECU 60判定要求功率P是否等于或小于阈值P1(步骤S23a)。同样，当在步骤S23a中判定为否时，执行返回控制(步骤S100)。

当在步骤S23a中判定为是时，ECU 60获取电压Va(步骤S25a)，并判定电压Va是否等于或高于上限值VH(步骤S27a)。当在步骤S27a中判定为否时，ECU 60再次执行步骤S21a的处理。只要在步骤S23a中判定为是并且在步骤S27a中判定为否，就将流量Qa控制为目标流量QH。也就是说，如在从上述时刻t6至时刻t7的时段所示，流量Qa被控制为目标流量QH。由于只要在步骤S27a中判定为否就重复执行步骤S23a，所以可以应对在将流量Qa被控制为目标流量QH期间要求功率增大的情况。

当在步骤S27a中判定为是时，ECU 60再次执行步骤S11a的处理和后续处理，并且例如如在时刻t7所示，流量Qa被控制为目标流量QL。如上所述，通过交替地将流量Qa控制为目标流量QH和目标流量QL，电压Va被控制成在上限值VH与下限值VL之间重复地增减。

步骤S13a的处理可以在步骤S11a之前执行，或者可以在步骤S15a和S17a之间执行。同样，步骤S23a的处理可以在步骤S21a之前执行，或者可以在步骤25a和27a之间执行。

[FC 20b的开路电压控制的流程图]

图5是示出FC 20b的开路电压控制的示例的流程图。如在上述步骤S3中所述，在流量Qb被控制为目标流量QL的状态下执行FC 20b的开路电压控制。首先，ECU 60判定要求功率P是否等于或小于阈值P1(步骤S01b)。当在步骤S01b中判定为否时，执行返回控制(步骤S100)。当在步骤S01b中判定为是时，ECU 60获取电压Vb(步骤S03b)，并判定电压Vb是否等于或低于基准值VM(步骤S05b)。这里，基准值VM小于上限值VH且大于下限值VL，并且可以是例如上限值VH与下限值VL之间的中值。当在步骤S05b中判定为否时，再次执行步骤S01b的处理和后续处理，并且继续将流量Qb控制为目标流量QL。这里，基准值VM不限于上限值VH与下限值VL之间的中值。基准值VM可以通过将下限值VL与在上限值VH和下限值VL之间差值的30％和70％之间的值相加来获得，或者可以通过将下限值VL与在上限值VH和下限值VL之间差值的40％和60％之间的值相加来获得。通过将基准值VM近似设定为上限值VH与下限值VL之间的中值，来使FC 20a的开路电压开始降低的时刻和开路电压再次开始降低的下一时刻之间的间隔与FC 20b的开路电压开始降低的时刻和开路电压再次开始降低的下一时刻的间隔基本相同。这提高了响应性。

当在步骤S05b中判定为是时，如在上述时刻t4那样，ECU 60控制流量Qb并将其增加至目标流量QH(步骤S11b)。接下来，ECU 60判定要求功率P是否等于或小于阈值P1(步骤S13b)。当在步骤S13b中判定为否时，ECU 60执行返回控制(步骤S100)。当在步骤S13b中判定为是时，ECU 60获得电压Vb(步骤S15b)，并判定电压Vb是否等于或高于上限值VH(步骤S17b)。当在步骤S17b中判定为否时，ECU 60再次执行步骤S11b的处理和后续处理。也就是说，只要在步骤S13b中判定为是并且在步骤S17b中判定为否，流量Qb就保持在目标流量QH。

当在步骤S17b中判定为是时，如在上述时刻t5那样，ECU 60控制流量Qb并将流量Qb降低至目标流量QL(步骤S21b)。接下来，ECU 60判定要求功率P是否等于或小于阈值P1(步骤S23b)。当在步骤S23b中判定为否时，ECU 60执行返回控制(步骤S100)。当在步骤S23b中判定为是时，ECU 60获取电压Vb(步骤S25b)，并判定电压Vb是否等于或低于下限值VL(步骤S27b)。当在步骤S27b中判定为否时，ECU 60再次执行步骤S21b的处理和后续处理。

当在步骤S27b中判定为是时，ECU 60再次执行步骤S11b的处理和后续处理，以将流量Qb控制为目标流量QH，如在上述时刻t8那样。与FC 20a的开路电压控制一样，通过交替地将流量Qb控制为目标流量QH和目标流量QL来控制电压Vb在上限值VH与下限值VL之间重复地增减。

在如上所述的FC 20a和20b的开路电压控制中，电压Va和Vb在不同时刻增减。步骤S11a、S17a、S21a、S27a、S05b、S11b、S17b、S21b和S27b中的处理是由供应系统控制单元执行的处理的示例，该供应系统控制单元配置成通过控制旁通阀15a和15b以在不同时刻增减流量Qa和Qb而周期性地增减FC 20a和20b的开路电压以便分别收敛在第一和第二目标范围内。

此外，在FC 20b的开路电压控制开始之后重复执行从步骤S01b到S05b的处理，直到电压Vb等于或低于基准值VM，并且在电压Vb等于或低于基准值VM之后重复执行从步骤S11b到S27b的处理。以这种方式，仅通过将步骤S01b至S05b的处理添加至步骤S11b至S27b的处理，电压Va和Vb在不同时刻增减，步骤S11b至S27b的处理与如上所述的FC 20a的开路电压控制基本相同。这抑制了执行这种控制的程序的制造成本的增大，并且抑制了ECU 60上的处理负荷的增大。

在FC 20b的上述开路电压控制中，在FC 20b与负载装置断开之后电压Vb降低的第一时段期间且在电压Vb等于或低于下限值VL之前，流量Qb增大，但不限于此。例如，在FC20b进入断开状态之后电压Vb第二次以后降低的时段期间，在电压Vb等于或低于下限值VL之前，可以增大流量Qb。然而，从确保对要求功率的增大的响应性的观点来看，期望使电压Vb增大的时刻提前。

另外，步骤S01b的处理可以在步骤S03b和S05b之间执行。步骤S13b的处理可以在步骤S11b之前或在步骤S13b和S15b之间执行。步骤S23b的处理可以在步骤S21b之前或在步骤S23b和S25b之间执行。

[返回控制]

当在FC 20a和20b与负载装置断开的状态下要求功率P等于或大于阈值P1时，ECU60控制开关36a和36b以将FC 20a和20b与负载装置电连接，如在时刻t15所示。这导致电压Va和Vb立即降低。在连接状态下，如在时刻t16所示，流量Qa和Qb被控制为响应于要求功率P的增大而增大。因此，FC 20a和20b的功率也增大，以满足要求功率P。此外，当在FC 20a和20b中任何一个的开路电压控制中执行返回控制时，FC 20a和20b两者都返回到正常发电状态。

[开路电压控制的变型的时序图]

接下来，将描述FC 20b的开路电压控制的一个变型。图6是示出FC20b的开路电压控制的一个变型的时序图。FC 20a的开路电压控制与上述开路电压控制相同，因此省略其说明。

当在时刻t4电压Vb等于或低于基准值VMb并且电压Va等于或低于基准值VMa时，流量Qb被控制为目标流量QH，并且电压Vb开始增大。基准值VMb和VMa中的每一者都是预设的，小于上限值VH且大于下限值VL。基准值VMb和VMa中的每一者可以是上限值VH和下限值VL的中值。此外，基准值VMb和VMa中的每一者不限于上限值VH和下限值VL之间的中值，可以通过将下限值VL与在上限值VH和下限值VL之间差值的30％和70％之间的值相加来获得，并且可以通过将下限值VL与在上限值VH和下限值VL之间差值的40％和60％之间的值相加来获得。基准值VMa是第一基准值的示例，而基准值VMb是第二基准值的示例。

当电压Vb在时刻t5达到上限值VH时，流量Qb被控制为目标流量QH，然后电压Vb开始降低。接下来，在时刻t7与时刻t8之间的时刻t7a，电压Vb等于或低于基准值VMb，但是电压Va高于基准值VMa，从而流量Qb继续被控制为目标流量QL。当在时刻t8电压Va等于或低于基准值VMa时，流量Qb被控制为目标流量QH，然后电压Vb开始增大。当电压Vb在时刻t9达到上限值VH时，流量Qb被控制为目标流量QH，然后电压Vb开始降低。

在时刻t11与时刻t12之间的时刻t11a，电压Vb等于或低于基准值VMb，但是电压Va高于基准值VMa，从而流量Qb继续被控制为目标流量QL。当在时刻t12电压Va等于或低于基准值VMa时，流量Qb被控制为目标流量QH并且电压Vb开始增大。当电压Vb在时刻t13达到上限值VH时，流量Qb被控制为目标流量QH，然后电压Vb开始降低。

如上所述，当电压Vb等于或低于基准值VMb并且电压Va等于或低于基准值VMa时，流量Qb增大，而当电压Va等于或低于下限值VL时，流量Qa增大，与上述实施例类似。因此，流量Qa和Qb在不同时刻增减，并且电压Va和Vb也在不同时刻增减。这使得避免了电压Va和Vb都进入低状态，并且提高了FC 20a和20b对要求功率的响应性。

[示出FC 20b的开路电压控制的变型的流程图]

图7是示出FC 20b的开路电压控制的变型的流程图。与上述实施例的处理相同的处理将用相同的附图标记表示，并且省略重复的说明。首先，ECU 60将流量Qb控制为目标流量QL(步骤S01bA)。当已经在上述步骤S3中将流量Qb控制为目标流量QL时，在步骤S01bA中继续该状态。接下来，当执行步骤S01b和S03b的处理时，ECU 60判定电压Vb是否等于或低于基准值VMb(步骤S05bA)。当在步骤S05bA中判定为否时，再次执行步骤S01bA的处理和后续处理。当在步骤S05bA中判定为是时，执行步骤S07b的处理，并且ECU 60判定电压Va是否等于或低于基准值VMa(步骤S09bA)。当在步骤S09bA中判定为否时，再次执行步骤S01bA的处理和后续处理。也就是说，只要在步骤S01b中判定为是并且在步骤S05bA和09bA中的任何一者中判定为否，就继续将流量Qb控制为目标流量QL。

当在两个步骤S05bA和09bA中都判定为是时，ECU 60将流量Qb控制为目标流量QH(步骤S11b)，并且执行上述步骤S13b、S15b和S17b的处理。当在步骤S17b中判定为是时，再次执行步骤S01bA的处理。

如上所述，增大流量Qb的条件不仅包括电压Vb等于或低于基准值VMb(在步骤S05bA中为“是”)，而且还包括电压Va等于或低于基准值VMa(在步骤S09bA中为“是”)。这使得有效地避免了电压Va和Vb都进入低状态。在该变型中，与上述实施例不同，不是使用下限值VL来控制电压Vb。然而，相应地，电压Vb被控制成在预定范围内增减。

在该变型中，步骤S03b和S05bA以及步骤S07b和S09bA的顺序可以颠倒。

在上述实施例和变型中，目标流量QL可以是零。

如图2和图6所示，通过将流量Qa和Qb控制为矩形形状来控制开路电压，但不限于此。流量Qa和Qb中的至少一者的至少一部分可被控制为线性地或曲线地增大或减小，或者可以以正弦波方式控制。在这种情况下，流量增大的时刻是指流量从减小状态切换到增大状态的时刻，流量减小的时刻是指流量从增大状态切换到减小状态的时刻。

在上述实施例和变型中，通过调节旁通阀15a的开度来控制流量Qa，但不限于此。可以通过调节空气压缩机14a的转速、旁通阀15a的开度和背压阀17a的开度中的至少一者来控制流量Qa。例如，当流量Qa从流量Qa大于目标流量QL的状态被控制为目标流量QL时，可以仅降低空气压缩机14a的转速而不改变旁通阀15a和背压阀17a的开度。或者，在不改变空气压缩机14a的转速和旁通阀15a的开度的情况下，可以仅降低背压阀17a的开度。另外，在仅调节空气压缩机14a的转速来控制流量Qa的情况下，与仅调节旁通阀15a或背压阀17a的开度的情况相比，由于空气压缩机14a引起的能量损失量减少。这同样适用于流量Qb。

上述系统1包括但不限于两个空气压缩机14a和14b。例如，代替两个空气压缩机14a和14b，提供单个空气压缩机以及将空气压缩机和两个供应管11a和11b连接的配管，并且可以通过控制旁通阀15a和15b以及背压阀17a和17b的开度来控制流量Qa和Qb。

在上述实施例和变型中，通过使用基准值VM、VMa和VMb，流量Qa和Qb在不同时刻增减，但不限于此。例如，通过有意地使FC 20a与负载装置断开的时刻从FC 20b与负载装置断开的时刻迁移，流量Qa和Qb可以在不同时刻增减。在这种情况下，不需要上述基准值VM、VMa和VMb。

上述系统1包括两个FC 20a和20b，但是可以包括三个或更多个燃料电池。在这种情况下，可以如上所述控制这些燃料电池的至少两个开路电压。同样，在这种情况下，可以抑制所有燃料电池的开路电压都进入低状态。

燃料电池系统搭载在车辆上，但不限于此。例如，可以使用固定式燃料电池系统。车辆不仅可以是汽车，还可以是摩托车、铁路车辆、船舶、飞机等。此外，车辆可以是一起使用电动机和内燃发动机的混合动力车辆。

尽管已经详细描述了本发明的一些实施例，但本发明不限于这些具体实施例，而是可以在要求保护的本发明的范围内变化或改变。

Claims (6)

1.一种燃料电池系统，包括：

燃料电池单元，其包括向负载装置供应电力的第一和第二燃料电池；

第一和第二供应系统，其配置成分别控制分别供应给所述第一和第二燃料电池的阴极气体的第一和第二流量；

切换装置，其能够使所述燃料电池单元和所述负载装置在所述燃料电池单元与所述负载装置电连接的电连接状态与所述燃料电池单元与所述负载装置电断开的电断开状态之间切换；

切换控制单元，其配置成当所述燃料电池单元的要求功率等于或小于阈值时将所述燃料电池单元和所述负载装置切换到所述电断开状态；

开路电压获取单元，其配置成获取在所述电断开状态下所述第一燃料电池的第一开路电压和所述第二燃料电池的第二开路电压；和

供应系统控制单元，其配置成通过控制所述第一和第二供应系统在不同时刻增减所述第一和第二流量来增减所述第一和第二开路电压以便分别收敛在第一和第二目标范围内。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述供应系统控制单元配置成在所述第二开路电压减小的至少一个时段期间在所述第二开路电压等于或低于所述第二目标范围的下限值之前增大所述第二流量。

3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中，所述供应系统控制单元配置成在所述第二开路电压减小的至少一个时段期间当所述第二开路电压达到通过将所述第二目标范围的下限值与在所述第二目标范围的下限值和上限值之间差值的30％和70％之间的值相加而获得的值时增大所述第二流量。

4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述供应系统控制单元配置成当所述第一开路电压等于或低于所述第一目标范围的上限值和下限值之间的第一基准值并且所述第二开路电压等于或低于所述第二目标范围的上限值和下限值之间的第二基准值时增大所述第二流量。

5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其中，

所述第一基准值是通过将所述第一目标范围的下限值与在所述第一目标范围的上限值和下限值之间差值的30％和70％之间的值相加而获得的，并且

所述第二基准值是通过将所述第二目标范围的下限值与在所述第二目标范围的上限值和下限值之间差值的30％和70％之间的值相加而获得的。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的燃料电池系统，其中，所述供应系统控制单元配置成在同一时段内增减所述第一和第二流量。

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