CN111029627B - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池系统包括：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，在燃料电池单元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，获取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，通过控制第一和第二供应系统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，其中第一目标范围的下限值大于第二目标范围的下限值。

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以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，其中所述第一目标范围的下限值大于所述第二目标范围的下限值。
第一目标范围的下限值大于第二目标范围的下限值，由此确保了第一开路电压高于第二开路电压的时段。这使得避免了第一和第二开路电压两者都处于低状态，由此提高了对要求功率的响应性。
所述第一和第二目标范围中的一者的大小可以大于所述第一和第二目标范围中的另一者。
所述第一和第二目标范围至少可以彼此部分地重叠。
所述第一目标范围的上限值可以与所述第二目标范围的上限值相同。
所述第一目标范围的上限值可以大于所述第二目标范围的上限值。
此外，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，其配置成在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以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，其中所述第一目标范围的下限值与所述第二目标范围的下限值相同，并且所述第一目标范围的上限值大于所述第二目标范围的上限值。
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是上限值和下限值之间的大小关系的说明图；
图4是示出开路电压控制的一个示例的流程图；
图5是示出第一燃料电池的开路电压控制的一个示例的流程图；
图6是示出第二燃料电池的开路电压控制的一个示例的流程图；
图7A至7D是开路电压控制的变型中的上限值和下限值之间的大小关系的说明图。
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和电子控制单元(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分别调节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各自的开路电压反复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分别等于或低于上限值VHa和VHb。上限值VHa和VHb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 20a的电压Va在时刻t4达到下限值VLa时，控制阴极气体到FC 20a的流量Qa增大至目标流量QH，使得电压Va开始增大。目标流量QH被设定为即使考虑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。稍后将详细描述的下限值VLa是预设的。
当电压Va在时刻t5等于或高于上限值VHa时，控制流量Qa再次减小到目标流量QL，然后电压Va开始降低。当电压Vb在时刻t6达到下限值VLb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。下限值VLb是预设的。当电压Va在时刻t7达到下限值VLa时，流量Qa被控制为增大至目标流量QH，然后电压Va开始增大。当电压Va在时刻t8达到上限值VHa时，流量Qa被控制为降低至目标流量QL，然后电压Va开始降低。同样，当电压Vb在时刻t8达到上限值VHb时，流量Qb被控制为增大至目标流量QL，然后电压Vb开始降低。
如上所述，上限值VHa和VHb是开路电压的目标范围的上限值，而下限值VLa和VLb是其下限值。因此，控制流量Qa和Qb增减，使得电压Va和Vb重复地增减以收敛在目标范围内。上限值VHa和VHb是适合于抑制如上所述的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VLa和VLb是适合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，下限值VLa为0.77V，下限值VLb为0.7V。
当要求功率P在时刻t9开始增大时，要求功率P在时刻t10大于阈值P1，并且FC 20a和20b连接到负载装置。此后，电压Va和Vb立即降低，并且未示出的FC 20a和20b的各电流立即增大。通过在时刻t11将流量Qa和Qb控制为均大于目标流量QH，电压Va和Vb降低，并且未示出的FC 20a和20b的功率增大。在本实施例中，在FC 20a和20b在时刻t10连接到负载装置之后，流量Qa和Qb在时刻t11增大，但不限于此。FC 20a和20b可以在流量Qa和Qb增大之后连接到负载装置。FC 20a和20b可以在流量Qa和Qb增大的同时连接到负载装置。
图3是上述上限值VHa和VHb与下限值VLa和VLb之间的大小关系的说明图。如图3所示，下限值VLa大于下限值VLb。因此，电压Va保持在不小于下限值VLa的高状态，这确保了电压Va高于电压Vb的时段。因此，避免了电压Va和Vb两者都低。例如，当在电压Va和Vb两者都低的情况下要求功率P增大并超过阈值P1时，由于电压Va和Vb两者都低，FC 20a和20b的实际功率对要求功率P的响应性可能变差而影响行驶性能。在本实施例中，抑制了上述问题的发生。
此外，上限值VHb与下限值VLb之差大于上限值VHa与下限值VLa之差。因此，在执行开路电压控制的时段，流量Qb的增大和减小之间的切换次数小于流量Qa的增大和减小之间的切换次数。因此，为了切换流量Qb而改变旁通阀15b的开度的频率小于为了切换流量Qa而改变旁通阀15a的开度的频率。这抑制了旁通阀15b的耐久性的下降。
此外，从上限值VHa到下限值VLa的电压Va的目标范围与从上限值VHb到下限值VLb的电压Vb的目标范围部分地重叠。这抑制了FC 20a和20b之间的输出性能的宽泛变化。
[开路电压控制的流程图]
图4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以及负载装置切换到断开状态。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分别不超过上限值VHa和VHb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中，“IV特性充分恶化”是指IV特性以紧接在断开之后增大的电压不超过上限值VHa的程度劣化。在步骤S7b中，“IV特性充分恶化”是指IV特性以紧接在断开之后增大的电压不超过上限值VHb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5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，ECU 60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VLa(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t2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t7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VHa(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t7至时刻t8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t8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VHa与下限值VLa之间重复地增减。步骤S11a、S17a、S21a和S27a的处理是由供应系统控制单元执行的处理的一个示例，该供应系统控制单元配置成通过控制旁通阀15a以增减流量Qa来增减FC 20a的开路电压以便收敛在第一目标范围内。
另外，步骤S13a的处理可以在步骤S11a之前执行，或者在步骤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，或者在步骤S25a和S27a之间执行。
[FC 20b的开路电压控制的流程图]
图6是示出了FC 20b的开路电压控制的一个示例的流程图。首先，ECU 60将流量Qb控制为目标流量QL(步骤S11b)。当在上述步骤S3中已经将流量Qb控制为目标流量QL时，在步骤S11b中继续该状态。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获取电压Vb(步骤S15b)，并判定电压Vb是否等于或低于下限值VLb(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，就将流量Qb控制为目标流量QL。例如，如在上述时刻t2之后所示，流量Qb被控制为目标流量QL。由于只要在步骤S17b中判定为否就重复执行步骤S13b的处理，所以即使在将流量Qb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S17b中判定为是时，如例如在时刻t6所示，ECU 60将流量Qb控制为目标流量QH(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)。同样，当在步骤S23b中判定为否时，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是否等于或高于上限值VHb(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。只要在步骤S23b中判定为是并且在步骤S27b中判定为否，就将流量Qb控制为目标流量QH。也就是说，如在上述从时刻t6到时刻t8的时段所示，流量Qb被控制为目标流量QH。只要在步骤S27b中判定为否，就重复执行步骤S23b的处理，所以即使在流量Qb被控制为目标流量QH期间要求功率增大时也执行返回控制。
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，并且将流量Qb控制为目标流量QL，例如如在时刻t8所示。如上所述，流量Qb被交替地控制为目标流量QH和目标流量QL，使得控制电压Vb被控制为在上限值VHb与下限值VLb之间重复地增减。步骤S11b、S17b、S21b和S27b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15b以增减流量Qb来增减FC 20b的开路电压以便收敛在第二目标范围内。
另外，步骤S13b的处理可以在步骤S11b之前执行，或者在步骤S15b和S17b之间执行。同样，步骤S23b的处理可以在步骤S21b之前执行，或者在步骤S25b和S27b之间执行。
如上所述，FC 20a和20b的上述开路电压控制中的每一者基本上相同，并且上限值VHa和VHb也是相同的值。不同之处在于下限值VLa大于下限值VLb。通过以这种方式设定上限值和下限值，可以抑制调节供应到FC 20b的阴极气体的流量的供应系统的耐久性劣化，同时确保对要求功率的响应性。这抑制了执行FC 20a和20b的开路电压控制的程序的制造成本的增大，并且抑制了ECU 60上的处理负荷的增加。
[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t10所示。这导致电压Va和Vb立即降低。在连接状态下，如在时刻t11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。
[开路电压控制的第一变型]
接下来，将描述开路电压控制的第一变型。图7A是开路电压控制的第一变型中的上限值VHa和VHb以及下限值VLa和VLb之间的大小关系的说明图。在第一变型中，上限值VHa大于上限值VHb，下限值VLa大于下限值VLb，而上限值VHb小于上限值VHa且大于下限值VLa。由于下限值VLa大于下限值VLb，因此确保了电压Va高于电压Vb的时段，由此提高了对要求功率的增大的响应性。
此外，由于上限值VHb低于上限值VHa，所以进一步抑制了FC 20b的阴极催化剂的溶出，并且进一步抑制了FC 20b的功率性能下降。这种构型适合于特别抑制FC 20b的功率性能下降的情况，例如，在采用其中FC 20b而不是FC 20a向辅助设备提供更多电力的系统的情况下，或者在FC 20b的额定输出大于FC 20a的额定输出的情况下。在第一变型中，因此在确保对要求功率增大的响应性的同时，可以比FC 20a更优先地抑制FC 20b的功率性能下降。
在第一变型中，与上述实施例类似，上限值VHb与下限值VLb之间的差值大于上限值VHa与下限值VLa之间的差值，由此抑制了旁通阀15b的耐久性的下降。因此，在抑制FC20b的功率性能下降的同时，可以抑制作为FC 20b的辅助设备的旁通阀15b的耐久性的下降，并且长期确保FC 20b的功率。
在第一变型中，例如，上限值VHa是0.84V，上限值VHb是0.82V，下限值VLa是0.77V，下限值VLb是0.7V。
[开路电压控制的第二变型]
图7B是开路电压控制的第二变型中的上限值VHa和VHb以及下限值VLa和VLb之间的大小关系的说明图。在第二变型中，上限值VHb大于上限值VHa，下限值VLa和下限值VLb彼此相同，并且上限值VHa小于上限值VHb且大于下限值VLb。由于上限值VHb大于上限值VHa，因此确保了电压Vb高于电压Va的时段，由此提高了对要求功率的增大的响应性。此外，由于上限值VHa低于上限值VHb，因此进一步抑制了FC 20a的阴极催化剂的溶出，这抑制了FC20a的功率性能的下降。此外，同样在第二变型中，上限值VHb和下限值VLb之间的差值大于上限值VHa和下限值VLa之间的差值，由此抑制了旁通阀15b的耐久性的下降。
另外，在第二变型中，与上述实施例和第一变型以及稍后描述的第三和第四变型不同，FC 20b的开路电压的目标范围对应于第一目标范围，FC 20a的开路电压的目标范围对应于第二目标范围。因此，上限值VHb对应于第一目标范围的上限值，上限值VHa对应于第二目标范围的上限值。在第二变型中，例如，上限值VHa是0.8V，上限值VHb是0.84V，下限值VLa和VLb各自都是0.75V。
[开路电压控制的第三变型]
图7C是开路电压控制的第三变型中的上限值VHa和VHb以及下限值VLa和VLb之间的大小关系的说明图。在第三变型中，上限值VHb大于上限值VHa，并且下限值VLb小于下限值VLa。因此，由于上限值VHb和下限值VLb之间的差值大于上限值VHa与下限值VLa之间的差值，所以抑制了旁通阀15b的耐久性的下降。此外，由于上限值VHa低于上限值VHb，所以抑制了FC 20a的阴极催化剂的溶出，由此抑制了FC 20a的功率性能的下降。
在第三变型中，例如，上限值VHa是0.8V，上限值VHb是0.84V，下限值VLa是0.75V，下限值VLb是0.7V。
[开路电压控制的第四变型]
图7D是开路电压控制的第四变型中的上限值VHa和VHb以及下限值VLa和VLb之间的大小关系的说明图。在第四变型中，上限值VHb大于上限值VHa，下限值VLb大于下限值VLa，上限值VHa小于上限值VHb且大于下限值VLb，下限值VLb小于上限值VHa且大于下限值VLa。由于上限值VHb大于上限值VHa并且由于下限值VLb大于下限值VLa，所以确保了电压Vb高于电压Va的时段，由此提高了对要求功率的增大的响应性。而且，由于上限值VHa低于上限值VHb，所以抑制了FC 20a的阴极催化剂的溶出。此外，由于上限值VHb与下限值VLb之间的差值大于上限值VHa与下限值VLa之间的差值，所以还抑制了旁通阀15b的耐久性的下降。
在第四变型中，例如，上限值VHa是0.8V，上限值VHb是0.84V，下限值VLa是0.75V，下限值VLb是0.77V。
在第一至第四变型中，同样，电压Va和Vb的目标电压彼此部分地重叠，这抑制了由于开路电压控制的执行而导致的FC 20a和20b之间在功率性能方面的差异。
在上述实施例和变型中，目标流量QL可以是零。
如图2所示，通过将流量Qa和Qb调节为矩形形状来控制开路电压，但不限于此。可以将流量Qa和Qb中的至少一者调节为线性地或曲线地逐渐增减，或者可以以正弦波方式调节流量Qa和Qb中的至少一者。
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，可以仅减小背压阀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。
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 (8)

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，其配置成在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以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，
其中，所述第一目标范围的下限值大于所述第二目标范围的下限值，使得所述第一开路电压高于所述第二开路电压。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述第一和第二目标范围中的一者的大小大于所述第一和第二目标范围中的另一者。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，所述第一和第二目标范围至少部分地彼此重叠。
4.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，所述第一目标范围的上限值与所述第二目标范围的上限值相同。
5.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，所述第一目标范围的上限值大于所述第二目标范围的上限值。
6.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其中，所述第一目标范围的上限值与所述第二目标范围的上限值相同。
7.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其中，所述第一目标范围的上限值大于所述第二目标范围的上限值。
8.一种燃料电池系统，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，其配置成在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以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，
其中，
所述第一目标范围的下限值与所述第二目标范围的下限值相同，并且
所述第一目标范围的上限值大于所述第二目标范围的上限值，使得所述第一开路电压高于所述第二开路电压。
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