CN111384418B - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

燃料电池系统具备燃料电池、供给装置以及构成为执行通过使所述燃料电池的输出电压降低到目标值来使所述燃料电池的发电性能恢复的恢复处理的控制装置。所述控制装置在存在所述恢复处理的执行要求的情况下，当由于在所述燃料电池的发电暂停了的状态下阴极气体的流量被控制而所述燃料电池的开路电压降低为比所述目标值高的阈值以下时，重新开始所述燃料电池的发电，在将所述燃料电池的输出电流值控制为小于空闲电流值的同时执行所述恢复处理，所述空闲电流值是空闲运转状态下的所述燃料电池的输出电流值。

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
有时通过使燃料电池的电压降低到预定的目标值来执行恢复燃料电池的发电性能的恢复处理(例如参照日本特开2008－130402)。
发明内容
在如上所述那样使燃料电池的电压降低到目标值的过程中，燃料电池持续发电和发热，因此，发电量和发热量会增大。因此，也存在剩余电力增大、燃料电池高温化的情况。
本发明提供能够执行在使发电量和发热量降低的同时恢复燃料电池的发电性能的恢复处理的燃料电池系统。
根据本发明的一技术方案，提供一种燃料电池系统。该燃料电池系统具备：燃料电池；供给装置，其构成为向所述燃料电池供给阴极气体，对供给至所述燃料电池的所述阴极气体的流量进行调整；以及控制装置，其构成为通过使所述燃料电池的输出电压降低到目标值，执行使所述燃料电池的发电性能恢复的恢复处理。所述控制装置构成为：在存在所述恢复处理的执行要求的情况下，当由于在所述燃料电池的发电暂停的状态下所述阴极气体的流量被控制而所述燃料电池的开路电压降低到比所述目标值高的阈值以下时，重新开始所述燃料电池的发电，在将所述燃料电池的输出电流值控制为小于空闲电流值的同时执行所述恢复处理，所述空闲电流值是空闲运转状态下的所述燃料电池的输出电流值。
根据上述技术方案的燃料电池系统，在开路电压降低到阈值以下时重新开始发电而执行恢复处理，因此，能够以少的发电量以及发热量使输出电压降低到目标值。进一步，将燃料电池的输出电流值控制为小于空闲电流值而执行恢复处理，因此，能够以少的发电量以及发热量使输出电压降低到目标值。
上述技术方案的燃料电池系统中，也可以为，根据与所述阈值对应的所述燃料电池的电流-电压特性确定的与所述目标值对应的所述燃料电池的输出电流值小于所述空闲电流值。
上述技术方案的的燃料电池系统中，所述控制装置也可以构成为：通过重新开始所述燃料电池的发电，使所述燃料电池的输出电流值在小于所述空闲电流值的范围内暂时增大，然后使所述输出电流值降低，由此执行所述恢复处理。
上述技术方案的的燃料电池系统中，所述控制装置也可以构成为：在将所述阴极气体的流量限制为所述开路电压降低的阴极气体的流量以下的同时，执行所述恢复处理。
上述技术方案的的燃料电池系统中，所述控制装置也可以构成为：在使所述阴极气体的流量为零的同时，执行所述恢复处理。
上述技术方案的的燃料电池系统中，也可以为，所述控制装置构成为：在对所述燃料电池的要求输出为预定值以下的情况下，执行通过暂停所述燃料电池的发电并对所述阴极气体的流量进行增减控制来使所述开路电压收敛于目标范围内的间歇运转，所述阈值包含在所述目标范围以内，所述控制装置构成为：在存在所述恢复处理的执行要求、且处于所述间歇运转期间的情况下，当所述开路电压降低到所述阈值以下时，停止所述间歇运转而执行所述恢复处理。
上述技术方案的的燃料电池系统中，也可以为，所述控制装置构成为：在对所述燃料电池的要求输出为预定值以下的情况下，执行通过暂停所述燃料电池的发电并对所述阴极气体的流量进行增减控制来使所述开路电压收敛于目标范围内的间歇运转，所述阈值小于所述目标范围的下限值，所述控制装置构成为：在存在所述恢复处理的执行要求、且处于所述间歇运转期间的情况下，当即使所述开路电压降低到所述下限值也不会为了使所述开路电压上升来使所述阴极气体的流量增大而所述开路电压降低到所述阈值以下时，停止所述间歇运转而执行所述恢复处理。
上述技术方案的的燃料电池系统中，也可以为，所述燃料电池系统搭载于车辆，所述供给装置包括：压缩机，其构成为向所述燃料电池供给所述阴极气体；和切换机构，其能够从来自所述压缩机的所述阴极气体被供给至所述燃料电池的供给状态切换为所述阴极气体不被供给至所述燃料电池而绕过所述燃料电池向所述燃料电池的外部排出的绕行状态，所述控制装置构成为：在搭载于所述车辆的发电机的再生电力量为预定值以上的情况下，执行在通过所述压缩机的驱动来消耗所述发电机的再生电力的同时暂停所述燃料电池的发电而从所述供给状态切换为所述绕行状态的再生运转，在存在所述恢复处理的执行要求、且处于所述再生运转期间的情况下，当所述开路电压降低到所述阈值以下时，一边继续进行所述再生运转一边执行所述恢复处理。
根据上述技术方案的燃料电池系统，能够提供能执行在减少发电量以及发热量的同时恢复燃料电池的发电性能的恢复处理的燃料电池系统。
附图说明
下文将参照附图说明本发明示例性实施例的特征、优点以及技术和产业的意义，其中相同的标号表示同样的要素，并且，其中：
图1是搭载于车辆的燃料电池系统的构成图。
图2是表示燃料电池的IV曲线的曲线图。
图3A是比较例的恢复处理的说明图。
图3B是比较例的恢复处理的说明图。
图3C是比较例的恢复处理的说明图。
图3D是比较例的恢复处理的说明图。
图4A是本实施例的恢复处理的说明图。
图4B是本实施例的恢复处理的说明图。
图5是表示本实施例的控制的一个例子的流程图。
图6是在间歇运转期间执行恢复处理的情况下的时序图。
图7是在再生运转期间执行恢复处理的情况下的时序图。
图8A是第1变形例的恢复处理的说明图。
图8B是第1变形例的恢复处理的说明图。
图9是在间歇运转期间执行第1变形例的恢复处理的情况下的时序图。
图10A是第2变形例的恢复处理的说明图。
图10B是第2变形例的恢复处理的说明图。
图10C是第2变形例的恢复处理的说明图。
图10D是第2变形例的恢复处理的说明图。
图11是在间歇运转期间执行第2变形例的恢复处理的情况下的时序图。
具体实施方式
[燃料电池系统的构成]
图1是搭载于车辆的燃料电池系统1的构成图。燃料电池系统1包括ECU(Electronic Control Unit，电子控制单元)3、燃料电池(以下称为FC)4、二次电池(以下称为BAT)8、阴极气体供给系统10、阳极气体供给系统20、电力控制系统30以及冷却系统40。此外，燃料电池系统1包括使冷却水循环到FC4来进行冷却的未图示的冷却系统。另外，车辆具备行驶用的马达50、车轮5、加速器开度传感器6。FC4是接受阴极气体和阳极气体的供给来发电的燃料电池，层叠多个固体高分子电解质型的单电池来构成。
阴极气体供给系统10(供给装置)向FC4供给包含氧的空气来作为阴极气体，包括供给管11、排出管12、旁路管13、空气压缩机14(压缩机)、旁路阀15、中冷器16以及背压阀17。供给管11与FC4的阴极入口歧管连接。排出管12与FC4的阴极出口歧管连接。旁路管13将供给管11和排出管12连通。旁路阀15设在供给管11与旁路管13的连接部分。旁路阀15对供给管11与旁路管13的连通状态进行切换。空气压缩机14、旁路阀15以及中冷器16从上游侧开始依次配置在供给管11上。背压阀17配置在排出管12上、且比排出管12与旁路管13的连接部分靠上游侧的位置。空气压缩机14经由供给管11向FC4供给包含氧的空气来作为阴极气体。被供给到FC4的阴极气体经由排出管12被排出。中冷器16对被供给到FC4的阴极气体进行冷却。背压阀17调整FC4的阴极侧的背压。空气压缩机14、旁路阀15以及背压阀17的驱动由ECU3来控制。
另外，在FC4的通常发电时，通过调整旁路阀15以及背压阀17的开度，控制为来自空气压缩机14的阴极气体被供给至FC4的供给状态。在供给状态下，旁路阀15至少将供给管11的比旁路阀15靠上游侧的位置和靠下游侧的位置连通，背压阀17至少将排出管12调整为全闭以外的打开的状态。另外，详细将在后面进行描述，但在FC4的发电暂停了的状态下，通过旁路阀15以及背压阀17控制为阴极气体不被供给到FC4而绕过FC4被排出到外部的绕行状态。在绕行状态下，背压阀17使排出管12为全闭，旁路阀15在将供给管11的比旁路阀15靠上游侧的位置和靠下游侧的位置切断的同时，将比旁路阀15靠上游侧的供给管11和旁路管13连通。这样，旁路阀15是能够从供给状态切换为绕行状态的切换机构的一个例子。
阳极气体供给系统20向FC4供给氢气来作为阳极气体，包括罐20T、供给管21、排出管22、循环管23、罐阀24、调压阀25、喷射器(以下称为INJ)26、气液分离器27、排水阀28以及氢循环泵(以下称为HP)29。罐20T与FC4的阳极入口歧管通过供给管21相连接。在罐20T中储存有作为阳极气体的氢气。排出管22与FC4的阳极出口歧管连接。循环管23将气液分离器27与供给管21连通。罐阀24、调压阀25以及INJ26从供给管21的上游侧开始依次配置。在罐阀24打开了的状态下，调整调压阀25的开度，INJ26喷射阳极气体。由此，向FC4供给阳极气体。在排出管22中从上游侧开始依次配置有气液分离器27以及排水阀28。气液分离器27从由FC4排出的阳极气体分离并储存水分。通过排水阀28打开，储存于气液分离器27的水被经由排出管22排出到燃料电池系统1的外部。循环管23是用于使阳极气体向FC4回流的配管，上游侧的端部与气液分离器27连接，配置有HP29。从FC4排出的阳极气体通过HP29被适度地加压，被导向供给管21。罐阀24、调压阀25及INJ26、排水阀28以及HP29的驱动由ECU3来控制。
电力控制系统30对FC4的放电以及BAT8的充放电进行控制。电力控制系统30包括燃料电池DC/DC转换器(以下称为FDC)32、电池DC/DC转换器(以下称为BDC)34、马达变换器(以下称为MINV)38、辅机变换器(以下称为AINV)39。FDC32基于从ECU3发送的要求电流值，控制FC4的输出电流，并且，调整来自FC4的直流电力并输出至MINV38、AINV39。BDC34调整来自BAT8的直流电力并输出至MINV38、AINV39。FC4的发电电力能够储存于BAT8。MINV38将所输入的直流电力变换为三相交流电力并提供给马达50。马达50驱动车轮5来使车辆行驶。另外，在车辆减速时、下坡时，马达50作为基于从车轮5输入的动能来发电的发电机发挥功能。FC4以及BAT8的电力能够经由AINV39供给至马达50以外的负载装置。在此，除了马达50之外，负载装置还包括FC4用的辅机、车辆用的辅机。所谓FC4用的辅机包括上述的空气压缩机14、旁路阀15、背压阀17、罐阀24、调压阀25、INJ26、排水阀28、HP29。车辆用的辅机例如包括空调设备、照明装置、危险预警灯等。
冷却系统40通过使冷却水经由预定的路径进行循环来对FC4进行冷却，包括供给管41、排出管42、旁路管43、散热器44、旁路阀45以及水泵(以下称为WP)46。供给管41与FC4的冷却水入口歧管连接。排出管42与FC4的冷却水出口歧管连接。旁路管43将供给管41和排出管42连通。旁路阀45设置在供给管41与旁路管43的连接部分。旁路阀45对供给管41和旁路管43的连通状态进行切换。散热器44与供给管41和排出管42连接。旁路阀45和WP46从上游侧开始依次配置在供给管41上。WP46使作为制冷剂的冷却水经由供给管41和排出管42而在FC4与散热器44之间进行循环。散热器44通过使从FC4排出的冷却水与外部气体进行热交换来进行冷却。旁路阀45和WP46的驱动由ECU3来控制。
ECU3包括CPU(Central Processing Unit，中央处理单元)、ROM(Read OnlyMemory，只读存储器)、RAM(Random Access Memory，随机访问存储器)。ECU3电连接了加速器开度传感器6、点火开关7、空气压缩机14、旁路阀15及45、背压阀17、罐阀24、调压阀25、INJ26、排水阀28、HP29、FDC32、BDC34以及WP46。ECU3基于加速器开度传感器6的检测值、上述的车辆用的辅机以及FC4用的辅机的驱动状态、BAT8的蓄电电力等，算出对FC4的要求输出、即要求FC4输出的电力量。另外，ECU3算出与对FC4的要求输出相应的FC4的目标电流值，在控制通过空气压缩机14、INJ26供给至FC4的阴极气体以及阳极气体的流量的同时，对FDC32进行控制，以使得FC4的输出电流值成为目标电流值。另外，ECU3是执行后述的恢复处理的控制装置的一个例子。
另外，ECU3根据对FC4的要求输出，使FC4的发电暂停或者重新开始。对于FC4的发电的暂停，通过ECU3将目标电流值设定为零，并控制FDC32以使得从FC4扫描的电流值成为零来实现，或者通过利用设于FDC32内部的开关将FC4与负载装置的电连接切断来实现。另外，对于FC4的发电的重新开始，通过ECU3将目标电流值设定为比零大的值，并控制FDC32以使得从FC4扫描的电流值成为比零大的值来实现，或者通过利用设于FDC32内部的开关将FC4与负载装置电连接来实现。另外，ECU3执行以下说明的间歇运转以及再生运转。
[间歇运转]
ECU3在对FC4的要求输出变为了预先确定的预定值以下的情况下，执行使FC4的发电暂时暂停而将FC4的开路电压维持在目标范围内的间歇运转。对FC4的要求输出变为预定值以下的情况例如是指车辆处于停车中、且车辆用的辅机所要求的电力量也小的情况。在间歇运转中，具体而言，在阳极气体一度被充分地供给到FC4后，停止阳极气体的供给，调整向FC4供给的阴极气体的流量，以使得FC4的阴极处的氧浓度变为比通常发电时低。在该状态下，由于所谓交叉泄漏(cross leak)，FC4的阴极的氧浓度会随着时间经过而逐渐降低，FC4的开路电压也逐渐降低。所谓交叉泄漏是指氢从阳极侧经由电解质膜透到阴极侧的现象，由此，在阴极侧，氢与氧反应而生成水，阴极侧的氧浓度降低。当阴极侧的氧浓度降低时，FC4的开路电压会降低。当开路电压成为目标范围的下限值以下时，向FC4供给的阴极气体的流量被增大，FC4的阴极处的氧浓度上升，开路电压也上升。当开路电压成为目标范围的上限值以上时，向FC4供给的阴极气体的流量再次被减少，FC4的开路电压降低。
如上所述，通过向FC4的阴极气体的流量被反复切换增减，FC4的开路电压收敛于目标范围内。这样，FC4的开路电压的大小与FC4内的阴极处的氧浓度的高度成比例。因此，通过在发电暂停的状态下将开路电压维持在目标范围内，能够将FC4内的阴极处的氧浓度维持在预定范围内，在要求输出增大到预定值以上而重新开始FC4的发电时，能够立刻使FC4的输出增大。
此外，开路电压变为了目标范围的上限值以上的情况下的阴极气体的目标流量被设定为即使考虑交叉泄漏、开路电压也不增大的程度的低流量。这是由于起因于交叉泄漏的氧浓度的降低速度是根据FC4的使用环境和/或使用时间而变化的，难以预先设想。另外，开路电压变为了目标范围的下限值以下的情况下的阴极气体的目标流量被设定为即使考虑交叉泄漏引起的氧浓度的降低量、开路电压也增大的程度的流量。在本实施例中，在开路电压变为了目标范围的上限值以上的情况下所设定的阴极气体的目标流量为零，但不限定于此，只要是开路电压降低的流量即可。
对于阴极气体的流量的切换，通过如上所述那样调整旁路阀15以及背压阀17的开度来进行控制。例如在将阴极气体的流量切换为零的情况下，在使空气压缩机14的转速为最低转速而持续旋转的状态下，将连通状态控制为上述的绕行状态。另外，在使阴极气体的流量增大的情况下，背压阀17打开排出管12，通过旁路阀15使比旁路阀15靠供给管11的上游侧的位置与靠下游侧的位置相连通。此外，阴极气体的流量的控制不限定于此，例如也可以在能够向FC4供给阴极气体的供给状态下，通过停止空气压缩机14的驱动来将向FC4的阴极气体的流量控制为零。此外，在间歇运转中，在阳极气体被充分地填充于FC4内的状态下停止该阳极气体的供给。
[再生运转]
ECU3在车辆的减速时、下坡时使得马达50作为发电机进行运转来获得向车辆的制动力，并且，将所产生的再生电力的至少一部分充到BAT8。在此，在再生电力为预定值以上的情况下，ECU3执行如下的再生运转：在FC4的发电暂时暂停、且限制了向FC4供给的阴极气体的流量的状态下，通过空气压缩机14的驱动来消耗再生电力的至少一部分。具体而言，在如上所述那样控制旁路阀15以及背压阀17的开度，使得阴极气体不被供给至FC4而被排出到外部的同时，将空气压缩机14的转速设定为最大转速。由此，通过空气压缩机14消耗剩余电力，能够防止伴随充到BAT8的再生电力过大而产生BAT8的过充电。此外，即使在再生运转的执行期间，FC4的发电也暂停，不供给阴极气体，因此，由于上述的交叉泄漏，开路电压会逐渐降低。
[恢复处理]
ECU3能够执行用于使得从由催化剂的性能降低引起的FC4的发电性能的降低进行恢复的恢复处理。恢复处理由ECU3的CPU、ROM、RAM来功能性地实现。恢复处理是如下处理：通过使FC4的电压降低到作为在FC4的电极催化剂发生还原反应的电压值的目标值，除去FC4的催化剂所附着的有毒物(poisonous substances)、氧化膜，使FC4的发电性能恢复。详细将在后面进行描述，但在恢复处理中，在限制被供给至FC4的阴极气体的流量的同时，FC4的电压降低到目标值。
[IV特性]
ECU3通过控制向FC4供给的阴极气体的流量，能够改变FC4的电流－电压特性(以下称为IV特性)。详细而言，通过改变向FC4供给的阴极气体的流量，能够改变阴极化学计量比，其结果是，能够改变FC4的IV特性。“化学计量比”表示基于所要求的发电量的、所供给的反应气体量相对于理论上的反应气体量之比。在通常发电状态下，阴极气体以及阳极气体的流量被进行调整以使得阴极化学计量比以及阳极化学计量比都成为足够高的状态，高效率地进行发电。为了不发生所谓的氢不足，阳极气体的流量被进行控制，以使得与阴极化学计量比的大小无关而阳极化学计量比被维持为足够高的状态。
图2是表示了FC4的IV曲线C1～C4的曲线图。示出了按IV曲线C1～C4的顺序在阳极化学计量比足够高的状态下仅降低了阴极化学计量比的情况下的IV曲线，发电效率按该顺序降低。IV曲线C1是阴极化学计量比足够高的状态下的IV曲线，示出了通常发电状态下的FC4的IV特性。另外，在图2中示出了工作点D1～D4以及E1～E4、理论电动势电压(theoretical electromotive voltage)E0、目标值α、阈值β、空闲(idle)电流值A1以及电流值A4。此外，对于图示的FC4的工作点的转变，通过如下方式来实现：ECU3在不会成为氢不足的程度内控制供给至FC4的阳极气体的流量，同时控制阴极气体的流量，并且，控制FDC32以使得来自FC4的扫描电流值达到目标电流值。
工作点D1～D4分别是IV曲线C1～C4上的工作点。FC4的理论电动势电压E0可以通过对单电池的理论电动势电压乘以FC4的单电池的层叠块数来获得。工作点E1～E4是在IV曲线C1～C4上电流成为零的情况下的工作点。目标值α是上述的恢复处理的目标值。阈值β是工作点E4的开路电压值，是比目标值α高的值。阈值β是比表示通常发电状态下的IV特性的IV曲线C1上的工作点E1处的开路电压值小的值。阈值β例如被设定为对0.6V乘以FC4的单电池的层叠块数而得到的值。空闲电流值A1是FC4为空闲运转状态下的输出电流值。电流值A4是在IV曲线C4上、电压成为目标值α的情况下的电流值。电流值A4是比空闲电流值A1小的值。
此外，空闲运转状态例如是指车辆暂时停止中、且FC4正在释放与要持续FC4的发电所最低限度需要的FC4用的辅机所消耗的电力相当量的状态。工作点D1表示空闲运转状态下的IV曲线C1上的工作点。工作点D4表示电压成为目标值α的情况下的IV曲线C4上的工作点。关于工作点D2以及D3，将在后面进行描述。
如图2所示，FC4的输出电流越增大，则输出电压越降低。在此，对于FC4的发电量，可以对FC4的输出电流值乘以输出电压值来获得，一般而言，输出电流越增大，则发电量也越增大。例如在如IV曲线C1所示那样FC4的发电效率高的情况下，为了使FC4的输出电压降低到恢复处理的目标值α，需要使FC4的输出电流较大地增大，即需要使FC4的输出电力较大地增大。然而，例如为了在如C4所示那样FC4的发电效率低的情况下使FC4的输出电压降低到目标值α，FC4的输出电流较小即可，即不需要使FC4的输出电力较大地增大。因此，例如通过在对FC4的要求输出小的情况下，一边使发电效率降低，一边执行恢复处理，能够抑制伴随着恢复处理的执行而产生的FC4的发电量的增大，能够防止剩余电力的增大和/或FC4的高温化等。在以下说明的比较例中，通过一边使FC4的发电效率降低，一边按工作点D1、D2、D3、D4的顺序进行转变，由此执行恢复处理。
[比较例的恢复处理]
图3A、图3B、图3C以及图3D是比较例中的恢复处理的说明图。在比较例的恢复处理中，通过从处于空闲运转状态的工作点D1开始，一边持续进行FC4的发电，一边使阴极气体的流量降低，从而使阴极化学计量比降低，按工作点D2、D3、D4的顺序进行转变。进行扫描的电流值从空闲电流值A1逐渐降低到电流值A4。在图3A～图3D分别示出了工作点D1～D4处的FC4的发电量H1以及发热量H2。对于工作点D1处的发电量H1，可以将工作点D1处的空闲电流值A1和电压值相乘来得到。对于工作点D1处的发热量H2，可以对从理论电动势电压E0减去工作点D1处的电压值而得到的值乘以工作点D1处的电流值来获得。同样地，对于工作点D2处的发电量H1，可以将工作点D2处的电流值和电压值相乘来获得。对于工作点D2处的发热量H2，可以对从理论电动势电压E0减去工作点D2处的电压值而得到的值乘以工作点D2处的电流值来获得。对于工作点D3处的发电量H1，可以将工作点D3处的电流值和电压值相乘来获得。对于工作点D3处的发热量H2，可以对从理论电动势电压E0减去工作点D3处的电压值而得到的值乘以工作点D3处的电流值来获得。对于工作点D4处的发电量H1，可以将工作点D4处的电流值和电压值相乘来获得。对于工作点D4处的发热量H2，可以对从理论电动势电压E0减去工作点D4处的电压值而得到的值乘以工作点D4处的电流值来获得。
在比较例的恢复处理中，在从工作点D1向工作点D4转变的过程中，FC4总是进行发电，因此，总是产生发电量H1以及发热量H2。因此，在比较例的恢复处理中，也期望进一步降低剩余电力、抑制FC4的高温化。
[本实施例的恢复处理]
图4A以及图4B的本实施例的恢复处理的说明图。在本实施例中，从作为FC4的发电暂停了的状态的工作点E1开始，通过控制向FC4供给的阴极气体的流量来使IV特性降低，在工作点E4重新开始发电而向工作点D4转变。对于从工作点E1向工作点E4的转变，能够通过由在FC4的发电暂停了的状态下减少阴极气体的流量而产生的上述的交叉泄漏来实现。在此，在FC4的发电暂停了的状态下，当然不产生发电量H1以及发热量H2。如图4B所示，当FC4的开路电压成为工作点E4处的阈值β以下时，重新开始FC4的发电，从工作点E4向工作点D4转变。在本实施例的恢复处理中，在工作点D4处产生发电量H1以及发热量H2。在本实施例中，伴随着恢复处理的执行的发电电力也被充到BAT8。
在此，工作点D4处的输出电流值A4小于空闲电流值A1。即，根据与阈值β对应的IV曲线C4确定的、与目标值α对应的FC4的输出电流值A4小于空闲电流值A1。阈值β预先根据实验结果来确定，以使得只要在开路电压变为了阈值β的时间点重新开始了FC4的发电的情况下阴极气体的流量不增大，在输出电压值达到目标值α之前，输出电流值就不会成为空闲电流值A1以上。
这样，在本实施例中，在FC4的发电暂停了的状态下开路电压降低到阈值β以下后开始执行恢复处理，因此，与如比较例那样持续进行发电地执行恢复处理的情况相比，发电量H1以及发热量H2降低。由于发电量H1少，因此，能够降低与恢复处理的执行相伴的剩余电力，也能够抑制BAT8因充入剩余电力而成为过充电。进一步，由于发热量H2也少，因此，能够抑制FC4的高温化。特别是在车辆处于停车中的情况下，散热器44不会被吹行驶风，无法使FC4的冷却水的温度充分地降低，但在这样的情况下也能抑制FC4的高温化。
[ECU3执行的控制]
接着，对ECU3执行的控制进行具体的说明。图5是表示本实施例的控制的一个例子的流程图。该控制被反复执行。首先，ECU3判定是否存在恢复处理的执行要求(以下称为恢复要求)(步骤S1)。例如，在满足FC4的预定的电流密度下的电压值小于阈值、从前次的恢复处理的执行起的经过时间为预定时间以上、从前次的恢复处理的执行起的FC4的运转时间为预定时间以上、从前次的恢复处理的执行起的车辆的行驶距离为预定的距离以上中的至少一个条件的情况下，判定为存在恢复要求。在步骤S1为否的情况下，本控制结束。
在步骤S1为是的情况下，ECU3判定是否处于间歇运转期间(步骤S3)。在步骤S3为是的情况下，ECU3判定是否处于再生运转期间(步骤S5)。在步骤S3为否的情况下，不执行恢复处理，结束本控制。在步骤S5为否的情况下，不执行恢复处理，结束本控制。
在步骤S3为是、且步骤S5为是的情况下，ECU3判定FC4的开路电压是否为阈值β以下(步骤S7)。阈值β预先通过实验来取得，被存储于ECU3的ROM。在步骤S7为否的情况下，本控制结束。在步骤S7为是的情况下，ECU3执行恢复处理(步骤S9)。具体而言，通过上述的方法，重新开始FC4的发电，FC4的扫描电流值被控制为电流值A4。通过FC4的电压成为目标值α以下，FC4的发电性能恢复。此外，恢复处理完成后，ECU3按照所要求的运转状态，控制FC4的发电状态。
此外，步骤S3以及S5都是用于判定FC4的发电是否处于暂停期间的处理。因此，在间歇运转、再生运转以外，能够控制为FC4的发电暂停的状态的情况下，也可以代替步骤S3以及S5，判定FC4的发电是否处于暂停期间。
[间歇运转期间执行的恢复处理]
图6是在间歇运转期间执行恢复处理的情况下的时序图。图6示出了对FC4的要求输出、间歇运转的执行状态、向FC4供给的阴极气体的流量、FC4的电压以及电流、恢复处理的执行状态。另外，图6示出了基于间歇运转的开路电压的目标范围的上限值V1以及下限值V2。
当在FC4为发电状态下对FC4的要求输出开始降低时，ECU3使供给至FC4的阴极气体的流量逐渐减少，FC4的输出电流降低，输出电压上升，以使得FC4的输出电力降低。当对FC4的要求输出成为预先确定的预定值P以下时，从通常运转切换为间歇运转(时刻t1)。
在此，上述的阈值β被设定为比上限值V1小且比下限值V2大的值。因此，在存在恢复要求的情况下，开路电压在降低到下限值V2之前成为阈值β以下，间歇运转暂时被中止而执行恢复处理(时刻t2)。当执行恢复处理时，将间歇运转时被进行了控制的阴极气体的流量限制为零不变，重新开始FC4的发电，FC4的扫描电流值被控制为电流值A4，输出电压降低到目标值α以下。当输出电压成为目标值α时，所扫描的电流值再次被控制为零，恢复处理完成(时刻t3)。此外，当在恢复处理完成后要求输出变为比预定值P大时，阴极气体的流量增大，重新开始FC4的发电。
在图6的例子中示出了如下情况：在恢复处理完成后，即使电流值被控制为零，开路电压也不上升。该理由是由于通过恢复处理的执行、即发电的重新开始，FC4内的氧被消耗而氧浓度降低，在恢复处理完成后，与即将开始恢复处理之前相比，氧浓度低，开路电压也不上升。另外，在没有恢复要求的情况下的间歇运转期间，与开路电压和阈值β的大小关系无关地，开路电压被维持在上限值V1与下限值V2之间。
[再生运转期间执行的恢复处理]
图7是在再生运转期间执行恢复处理的情况下的时序图。在图7中示出了车速、再生发电量、再生运转的执行状态、向FC4供给的阴极气体的流量、FC4的电压以及电流、恢复处理的执行状态。
例如，在下坡时车速上升而马达50的再生发电量开始上升，虽未图示，但对FC4的要求输出也降低，供给至FC4的阴极气体的流量也逐渐减少，FC4的输出电流降低，输出电压上升。当再生发电量超过比BAT8能够充电的充电极限值L小预定的余裕量的阈值G时，从通常运转切换为再生运转(时刻t11)。当切换为再生运转时，如上所述，通过旁路阀15以及背压阀17切换为阴极气体不被供给至FC4的状态，并且，通过马达50的再生电力驱动空气压缩机14。由此，能够消耗再生电力，能抑制再生电力超过BAT8的充电极限值L而进行充电。另外，来自空气压缩机14的阴极气体不被供给至FC4而被向外部排出。因此，开路电压逐渐降低，成为阈值β以下而执行恢复处理(时刻t12)。然后，当开路电压成为目标值α以下时，恢复处理完成(时刻t13)。这样，一边继续进行再生运转，一边执行恢复处理。
[第1变形例的恢复处理]
接着，对恢复处理的多个变形例进行说明。图8A以及图8B是第1变形例的恢复处理的说明图。图8A以及图8B示出了IV曲线C5、工作点E5及D5、阈值βa以及输出电流值A5。IV曲线C5是发电效率比IV曲线C4进一步降低了的IV曲线。工作点E5表示输出电流值为零的情况下的IV曲线C5上的工作点。工作点D5表示输出电压成为目标值α的情况下的IV曲线C5上的工作点。输出电流值A5是基于IV曲线C5确定的、输出电压为目标值α的情况下的输出电流值。阈值βa是工作点E5处的开路电压值，是比上述的阈值β小的值。在第1变形例中，从工作点E1转变为E5，开路电压降低为阈值βa以下后，重新开始发电，转变为工作点D5而执行恢复处理。因此，与本实施例相比，第1变形例更能减少发电量H1以及发热量H2。
图9是在间歇运转期间执行第1变形例的恢复处理的情况下的时序图。阈值βa被设定为小于间歇运转时的开路电压的目标范围的下限值V2。在存在恢复要求的情况下，即使开路电压成为下限值V2以下，阴极气体的流量也不增大，在开路电压变为了阈值βa以下的情况下执行恢复处理(时刻t2a)。即，阴极的氧浓度充分降低后重新开始FC4的发电，执行恢复处理。因此，重新开始发电后，FC4的输出电压在短期间内降低为目标值α以下，恢复处理在短期间内完成(时刻t3a)。
另外，阈值βa为下限值V2以下，因此，也可以将下限值V2设定为更高的值。通过将下限值V2设定为更高的值，在没有恢复要求的情况下，能够将开路电压维持为比较高的值。因此，在重新开始通常发电时，能够确保FC4的输出的响应性。
在第1变形例中，在从工作点E1到工作点E5开路电压充分降低之后，执行恢复处理。与此相对，在上述的本实施例中，如图3A～图3D所示，在从工作点E1到工作点E4开路电压降低之后，执行恢复处理。因此，与本实施例相比，第1变形例更能够减少发电量H1以及发热量H2，但到重新开始FC4的发电为止需要时间，即到执行恢复处理为止需要时间。因此，优选对发电量H1以及发热量H2的减少效果、和到执行恢复处理为止的期间进行比较考虑，适当地确定用于执行恢复处理的阈值。此外，在图9中，由于纸面的制约，与图6相比，基于间歇运转的开路电压的降低速度表示为更大，但实际上是大致相同的。
[第2变形例的恢复处理]
接着，对第2变形例的恢复处理进行说明。图10A、图10B、图10C以及图10D是第2变形例的恢复处理的说明图。在第2变形例中，阈值βb被设定为比上述的阈值β大的值，被设定为与工作点E2处的开路电压相同的值。在第2变形例中，按工作点E1、E2、D2、D3、D4的顺序进行转变。对于从工作点E2向工作点D2的转变，可以通过重新开始FC4的发电来使对FC4的扫描电流在小于空闲电流值A1的范围内暂时增大来实现。对于从工作点D2向工作点D4的转变，可以通过使对FC4的扫描电流逐渐降低来实现。在第2变形例中，也在FC4的发电暂停了的状态下使IV特性降低，因此，与图3A～图3D所示的比较例相比，能够减少发电量H1以及发热量H2。
图11是在间歇运转期间执行第2变形例的恢复处理的情况下的时序图。阈值βb在比间歇运转的上限值V1小且比下限值V2大这一点上与上述的阈值β相同，但阈值βb是更接近上限值V1的值。因此，执行间歇运转后在短期间内重新开始FC4的发电而执行恢复处理(时刻t2b)，能够使输出电压降低到目标值α(时刻t3b)。
当对图4A以及图4B所示的本实施例和第2变形例进行比较时，本实施例更能够减少发电量H1以及发热量H2。然而，在阴极气体的流量在相同的条件下被限制的情况下，在第2变形例中从工作点E1向工作点D4转变所需要的时间比在本实施例中的恢复处理中从工作点E1向工作点D4转变所需要的时间短。例如，图11所示的时刻t1～时刻t3b的期间比图6所示的时刻t1～时刻t3的期间短。本实施例以及第2变形例中，从工作点E1向工作点E2转变的期间都相同，本实施例中的从工作点E4向工作点D4转变的期间与第2变形例中的从工作点E2向工作点D2转变的期间也可以认为大致相同。然而，对于第2变形例中的从工作点D2向工作点D4的电压的降低，通过由FC4的发电实现的阴极气体中的氧的消耗来实现。与此相对，对于本实施例中的从工作点E2向工作点E4的开路电压的降低，通过由交叉泄漏进行的氧的消耗来实现。在此，一般而言，通过发电进行的氧的消耗速度比通过交叉泄漏进行的氧的消耗速度快。因此，在第2变形例中，与本实施例相比，发电量H1以及发热量H2减少的效果更小，但与本实施例相比，能够缩短到恢复处理完成为止的时间。因此，优选对发电量H1以及发热量H2的减少效果和到恢复处理完成为止的期间进行比较考虑，适当地确定用于执行恢复处理的阈值。
[关于本实施例、第1变形例以及第2变形例的恢复处理的切换]
也可以根据状况，对所执行的本实施例、第1变形例以及第2变形例的恢复处理进行切换。例如，如上所述那样与恢复处理的执行相伴的FC4的发电电力被充到BAT8，但也可以在BAT8的充电剩余量小于预定值的情况下，执行本实施例的恢复处理，在为预定值以上的情况下，执行第1变形例的恢复处理。这样，也可以在BAT8的充电剩余量比较大的情况下，通过执行第1变形例的恢复处理，使与恢复处理相伴的发电量进一步减少，防止BAT8的过充电。
另外，可能引起如下情况：在存在恢复要求的状态下，在开路电压达到阈值β以下之前，对FC4的要求输出增大为预定值P以上而重新开始通常发电，不执行恢复处理。也可以在反复发生了这样的状况的情况下，执行使用比阈值β大的阈值βb的第2变形例的恢复处理。由此，能够确保执行恢复处理的机会。具体而言，也可以对在存在恢复要求的状态下不执行恢复处理而执行了间歇运转和再生运转的次数进行计数，在该计数值小于预定值的情况下，使用阈值β，在为预定值以上的情况下，使用阈值βb。另外，也可以对在存在恢复要求的状态下未执行恢复处理的时间进行计测，在计测时间小于预定时间的情况下，使用阈值β，在为预定时间以上的情况下，使用阈值βb。
另外，也可以在再生运转期间使用阈值βa，在间歇运转期间使用阈值β或者βb。这是因为在再生运转期间当希望减少与FC4的发电相伴的剩余电力时，能够通过执行发电量少的本实施例的恢复处理来减少剩余电力。另外，这是因为也可能存在如下情况：在间歇运转期间，根据驾驶员的驾驶操作，在开路电压达到阈值βa以下之前，对FC4的要求输出增大到预定值P以上而重新开始通常发电，无法确保执行恢复处理的机会。
[其他]
在本实施例中，在间歇运转期间和再生运转期间的任何情况下都能够执行恢复处理，但也可以仅在某一方的情况下执行恢复处理。
以上对本发明优选的实施方式进行了详细描述，但本发明并不限定于该特定的实施方式，可以在权利要求书记载的本发明的宗旨的范围内进行各种变形、变更。

Claims (7)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，包括：
燃料电池；
供给装置，其构成为向所述燃料电池供给阴极气体，对供给至所述燃料电池的所述阴极气体的流量进行调整；以及
控制装置，其构成为执行通过使所述燃料电池的输出电压降低到目标值来使所述燃料电池的发电性能恢复的恢复处理，
所述控制装置构成为：在存在所述恢复处理的执行要求的情况下，当由于在所述燃料电池的发电暂停的状态下所述阴极气体的流量被控制而所述燃料电池的开路电压降低到比所述目标值高的阈值以下时，重新开始所述燃料电池的发电，在将所述燃料电池的输出电流值控制为小于空闲电流值的同时执行所述恢复处理，所述空闲电流值是空闲运转状态下的所述燃料电池的输出电流值，
所述燃料电池系统搭载于车辆，
所述供给装置包括：
压缩机，其构成为向所述燃料电池供给所述阴极气体；和
切换机构，其能够从来自所述压缩机的所述阴极气体被供给至所述燃料电池的供给状态切换为所述阴极气体不被供给至所述燃料电池而绕过所述燃料电池向所述燃料电池的外部排出的绕行状态，
所述控制装置构成为：在搭载于所述车辆的发电机的再生电力量为预定值以上的情况下，执行在通过所述压缩机的驱动来消耗所述发电机的再生电力的同时暂停所述燃料电池的发电而从所述供给状态切换为所述绕行状态的再生运转，在存在所述恢复处理的执行要求、且处于所述再生运转期间的情况下，当所述开路电压降低到所述阈值以下时，一边继续进行所述再生运转一边执行所述恢复处理。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
根据与所述阈值对应的所述燃料电池的电流-电压特性确定的与所述目标值对应的所述燃料电池的输出电流值小于所述空闲电流值。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述控制装置构成为：通过重新开始所述燃料电池的发电，使所述燃料电池的输出电流值在小于所述空闲电流值的范围内暂时增大，然后使所述输出电流值降低，由此执行所述恢复处理。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述控制装置构成为：在将所述阴极气体的流量限制为所述开路电压降低的阴极气体的流量以下的同时，执行所述恢复处理。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述控制装置构成为：在使所述阴极气体的流量为零的同时，执行所述恢复处理。
6.根据权利要求1～3中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述控制装置构成为：在对所述燃料电池的要求输出电力为预定值以下的情况下，执行通过暂停所述燃料电池的发电并对所述阴极气体的流量进行增减控制来使所述开路电压收敛于目标范围内的间歇运转，
所述阈值包含在所述目标范围以内，
所述控制装置构成为：在存在所述恢复处理的执行要求、且处于所述间歇运转期间的情况下，当所述开路电压降低到所述阈值以下时，停止所述间歇运转而执行所述恢复处理。
7.根据权利要求1～3中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述控制装置构成为：在对所述燃料电池的要求输出电力为预定值以下的情况下，执行通过暂停所述燃料电池的发电并对所述阴极气体的流量进行增减控制来使所述开路电压收敛于目标范围内的间歇运转，
所述阈值小于所述目标范围的下限值，
所述控制装置构成为：在存在所述恢复处理的执行要求、且处于所述间歇运转期间的情况下，当即使所述开路电压降低到所述下限值也不会为了使所述开路电压上升来使所述阴极气体的流量增大而所述开路电压降低到所述阈值以下时，停止所述间歇运转而执行所述恢复处理。
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