CN111490268A - 燃料电池系统及燃料电池系统的控制方法 - Google Patents

燃料电池系统及燃料电池系统的控制方法 Download PDF

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Abstract

一种燃料电池系统及燃料电池系统的控制方法，所述燃料电池系统具备：燃料电池；第1喷射器，其构成为喷射燃料气体；第2喷射器，其构成为以比所述第1喷射器的喷射流量大的喷射流量来喷射燃料气体；喷射装置机构，其构成为供分别从所述第1喷射器及所述第2喷射器喷射出的所述燃料气体通过；供给通路，其构成为将通过了所述喷射装置机构的所述燃料气体向所述燃料电池供给；以及循环通路，其构成为使从所述燃料电池排出的所述燃料气体返回到所述喷射装置机构。

Description

燃料电池系统及燃料电池系统的控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池系统及燃料电池系统的控制方法。
背景技术
已知有一种燃料电池系统，所述燃料电池系统具备：第1喷射器，其喷射燃料气体，该燃料气体通过喷射装置；和第2喷射器，其燃料气体的喷射流量比第1喷射器的喷射流量大，该燃料气体不通过喷射装置(参照日本特开2014-059969)。从第1喷射器喷射出的燃料气体通过喷射装置，从而从燃料电池排出的燃料气体与从第1喷射器喷射出的燃料气体一起向燃料电池再循环。
发明内容
在上述的日本特开2014-059969的技术中，从第2喷射器喷射出的燃料气体不通过喷射装置便向燃料电池供给，所以无法仅通过从第2喷射器喷射出的燃料气体使从燃料电池排出的燃料气体向燃料电池再循环。因此，只有在从第1喷射器喷射了燃料气体的情况下，才能够使从燃料电池排出的燃料气体向燃料电池再循环。因此，无法充分地混合新喷射出的燃料气体与从燃料电池排出的燃料气体，无法使均一的浓度的燃料气体在燃料电池内充分地扩散，发电性能有可能降低。
本发明提供一种抑制了燃料电池的发电性能的降低的燃料电池系统及燃料电池系统的控制方法。
本发明的第1技术方案涉及一种燃料电池系统，所述燃料电池系统具备：燃料电池；第1喷射器，其构成为喷射燃料气体；第2喷射器，其构成为以比所述第1喷射器的喷射流量大的喷射流量来喷射燃料气体；喷射装置机构，其构成为供分别从所述第1喷射器及所述第2喷射器喷射出的所述燃料气体通过；供给通路，其构成为将通过了所述喷射装置机构的所述燃料气体向所述燃料电池供给；以及循环通路，其构成为使从所述燃料电池排出的所述燃料气体返回到所述喷射装置机构。
根据本发明的第1技术方案，在从第1及第2喷射器中的任一个喷射出燃料气体的情况下，喷射出的燃料气体均通过喷射装置机构。因此，能够使新喷射出的燃料气体与从燃料电池排出的燃料气体充分地混合并向燃料电池供给，从而抑制燃料电池的发电性能的降低。
在上述第1技术方案中，所述燃料电池系统可以还具备控制所述第1喷射器及所述第2喷射器的控制装置。所述控制装置以在对所述燃料电池的要求输出为第1阈值以上的情况下，由所述第2喷射器来喷射所述燃料气体的方式进行控制。所述控制装置可以以在所述要求输出小于所述第1阈值且所述燃料电池的阳极流路内的剩余水量为第2阈值以上的情况下，由所述第2喷射器来喷射所述燃料气体的方式进行控制。所述控制装置可以以在所述要求输出小于所述第1阈值且所述剩余水量小于所述第2阈值的情况下，由所述第1喷射器来喷射所述燃料气体的方式进行控制。
在上述技术方案中，所述燃料电池系统可以还具备：气液分离器，其设置于所述循环通路，构成为从燃料气体中分离水分；排出通路，其连接于所述气液分离器，构成为排出从所述燃料气体中分离出的水分；以及排出阀，其设置于所述排出通路。可以是，所述控制装置，在所述要求输出小于所述第1阈值的同一条件下，以在所述剩余水量为所述第2阈值以上的情况下，与所述剩余水量小于所述第2阈值的情况相比使所述排出阀的开闭频率增大的方式进行控制。
在上述技术方案中，可以是，所述控制装置，在所述要求输出小于所述第1阈值且所述剩余水量小于所述第2阈值的同一条件下，以在所述燃料电池中循环的所述燃料气体的浓度小于第3阈值的情况下，与所述浓度为所述第3阈值以上的情况相比使所述排出阀的开闭频率增大的方式进行控制。
在上述技术方案中，可以是，所述控制装置，在所述要求输出小于所述第1阈值且所述剩余水量小于所述第2阈值的同一条件下，以在所述燃料电池中循环的所述燃料气体的浓度小于第4阈值的情况下，与所述浓度为所述第4阈值以上的情况相比使基于所述第1喷射器的所述燃料气体的喷射量增大的方式进行控制。
在上述技术方案中，可以是，所述控制装置，以在所述要求输出小于所述第1阈值且所述剩余水量为所述第2阈值以上的情况下，与所述要求输出为所述第1阈值以上的情况相比使基于所述第2喷射器的所述燃料气体的喷射量减少的方式进行控制。
在上述技术方案中，所述喷射装置机构可以包括供从所述第1喷射器及所述第2喷射器中的任一个喷射出的所述燃料气体通过的单一的喷射装置。
在上述技术方案中，所述喷射装置机构可以包括配置在所述第1喷射器及所述第2喷射器各自的下游的第1喷射装置及第2喷射装置。所述循环通路可以包括彼此分支并分别连接于所述第1喷射装置及所述第2喷射装置的第1分支通路及第2分支通路。
在上述技术方案中，可以是，所述喷射装置机构连接于所述第1喷射器及所述第2喷射器，并且构成为，通过喷射所述燃料气体来吸引在所述燃料电池中循环的所述燃料气体。
在上述技术方案中，在所述燃料电池中循环的所述燃料气体的所述浓度可以根据所述供给通路的燃料气体的浓度或所述循环通路的燃料气体的浓度来推定。
本发明的第2技术方案涉及一种燃料电池系统的控制方法，所述燃料电池系统具备：燃料电池；第1喷射器，其构成为喷射燃料气体；第2喷射器，其构成为以比所述第1喷射器的喷射流量大的喷射流量来喷射燃料气体；喷射装置机构，其构成为供分别从所述第1喷射器及所述第2喷射器喷射出的所述燃料气体通过；供给通路，其构成为将通过了所述喷射装置机构的所述燃料气体向所述燃料电池供给；以及循环通路，其构成为使从所述燃料电池排出的所述燃料气体返回到所述喷射装置机构。所述控制方法包括：检测对所述燃料电池的要求输出；推定所述燃料电池的阳极流路内的剩余水量；以及基于所述要求输出或所述剩余水量来控制由所述第1喷射器及所述第2喷射器进行的燃料气体的喷射。
在上述第2技术方案中，所述控制方法可以还包括：在对所述燃料电池的要求输出为第1阈值以上的情况下，以由所述第2喷射器来喷射所述燃料气体的方式进行控制。所述燃料电池系统的控制方法可以还包括：在所述要求输出小于所述第1阈值且所述燃料电池的阳极流路内的剩余水量为第2阈值以上的情况下，以由所述第2喷射器来喷射所述燃料气体的方式进行控制。所述燃料电池系统的控制方法可以还包括：在所述要求输出小于所述第1阈值且所述剩余水量小于所述第2阈值的情况下，以由所述第1喷射器来喷射所述燃料气体的方式进行控制。
在上述技术方案中，所述燃料电池系统可以还具备：气液分离器，其设置于所述循环通路，构成为从所述燃料气体中分离水分；排出通路，其连接于所述气液分离器，构成为排出从所述燃料气体中分离出的水分；以及排出阀，其设置于所述排出通路。所述控制方法可以还包括：检测在所述燃料电池中循环的所述燃料气体的浓度。所述控制方法可以还包括：基于所述要求输出、所述剩余水量或所述浓度来控制所述排出阀的开闭频率。
在上述技术方案中，所述控制方法可以还包括：在所述要求输出小于所述第1阈值的同一条件下，以在所述剩余水量为所述第2阈值以上的情况下，与所述剩余水量小于所述第2阈值的情况相比使所述排出阀的开闭频率增大的方式进行控制。
在上述技术方案中，所述控制方法可以还包括：在所述要求输出小于所述第1阈值且所述剩余水量小于所述第2阈值的同一条件下，以在所述浓度小于第3阈值的情况下，与所述浓度为所述第3阈值以上的情况相比使所述排出阀的开闭频率增大的方式进行控制。
在上述技术方案中，所述控制方法可以还包括：检测在所述燃料电池中循环的所述燃料气体的浓度。所述控制方法可以包括：基于所述要求输出、所述剩余水量或所述浓度来控制基于所述第1喷射器或所述第2喷射器的所述燃料气体的喷射量。
在上述技术方案中，所述控制方法可以还包括：在所述要求输出小于所述第1阈值且所述剩余水量小于所述第2阈值的同一条件下，以在所述供给通路及循环通路中的任一个中的所述浓度小于第4阈值的情况下，与所述浓度为所述第4阈值以上的情况相比使基于所述第1喷射器的所述喷射量增大的方式进行控制。
在上述技术方案中，所述控制方法可以还包括：以在所述要求输出小于所述第1阈值且所述剩余水量小于所述第2阈值的情况下，与所述要求输出为所述第1阈值以上的情况相比使基于所述第2喷射器的所述喷射量减少的方式进行控制。
在上述技术方案中，在所述燃料电池中循环的所述燃料气体的所述浓度可以根据所述供给通路的燃料气体的浓度或所述循环通路的燃料气体的浓度来推定。
根据本发明的各技术方案，能够提供一种抑制了燃料电池的发电性能的降低的燃料电池系统及燃料电池系统的控制方法。
附图说明
以下将参照附图说明本发明的示例性实施方式的特征、优点以及技术和产业意义，在附图中相似的附图标记表示相似的要素，并且其中：
图1是燃料电池系统的构成图。
图2是多喷嘴喷射装置的构成图。
图3是示出切换控制的一个例子的流程图。
图4是示出切换控制的一个例子的时间图。
图5是示出变形例的切换控制的流程图。
图6是示出变形例的燃料电池系统的一部分的构成图。
具体实施方式
燃料电池系统的构成
图1是燃料电池系统1的构成图。燃料电池系统1搭载于车辆，包括ECU(ElectronicControl 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、氧化剂气体供给系统10、燃料气体供给系统20以及电力控制系统30。此外，燃料电池系统1包括使冷却水向FC4循环来进行冷却的未图示的冷却系统。另外，在车辆中具备行驶用的马达50、车轮5、加速器开度传感器6。
FC4由多个接受氧化剂气体和燃料气体的供给而发电的固体高分子电解质型的单电池层叠而成。在FC4内形成有供氧化剂气体流动的阴极流路4c和供燃料气体流动的阳极流路4a。单电池由膜电极接合体、以及夹持该膜电极接合体的阴极侧的隔离件和阳极侧的隔离件构成。阴极流路4c主要由膜电极接合体与阴极侧的隔离件之间划定，是能够供氧化剂气体流通的空间。阳极流路4a由膜电极接合体与阳极侧的隔离件之间划定，是能够供燃料气体流通的空间。膜电极接合体包括电解质膜和分别形成于电解质膜的两面的催化剂层。
氧化剂气体供给系统10将包含氧的空气作为氧化剂气体向FC4供给，包括供给管11、排出管12、旁通管13、空气压缩机14、旁通阀15、中冷器16以及背压阀17。供给管11连接于FC4的阴极流路4c的入口。排出管12连接于FC4的阴极流路4c的出口。旁通管13将供给管11与排出管12连通。旁通阀15设置于供给管11与旁通管13连接的连接部分。旁通阀15切换供给管11与旁通管13的连通状态。空气压缩机14、旁通阀15以及中冷器16从上游侧起依次配置在供给管11上。背压阀17配置在排出管12上的、比排出管12与旁通管13连接的连接部分靠上游侧处。空气压缩机14将包含氧的空气作为氧化剂气体经由供给管11向FC4供给。供给到FC4的氧化剂气体经由排出管12排出。中冷器16对向FC4供给的氧化剂气体进行冷却。背压阀17调整FC4的阴极侧的背压。空气压缩机14、旁通阀15以及背压阀17的驱动由ECU3控制。通过由ECU3来调整旁通阀15及背压阀17的开度，从而调整从空气压缩机14向FC4供给的氧化剂气体的流量。
燃料气体供给系统20将氢气作为燃料气体向FC4供给，包括罐20T、供给管21、循环管22、排出管23、罐阀24、调压阀25、小流量喷射器(以下，称为SINJ)26a、大流量喷射器(以下，称为LINJ)26b、气液分离器27、排出阀28以及多喷嘴喷射装置(以下，称为MEJ)29。罐20T与FC4的阳极流路4a的入口由供给管21连接。在罐20T中储存有作为燃料气体的氢气。罐阀24、调压阀25、SINJ26a及LINJ26b、以及MEJ29从供给管21的上游侧起依次配置。SINJ26a及LINJ26b分别设置于供给管21的彼此部分地分支的部位。通过在罐阀24打开了的状态下调整调压阀25的开度，并驱动SINJ26a及LINJ26b中的任一个，从而喷射燃料气体，从SINJ26a及LINJ26b中的任一个喷射出的燃料气体通过MEJ29向FC4供给。供给管21的比MEJ29靠下游侧的部位是供给通路的一个例子。
SINJ26a及LINJ26b分别具备具有喷射燃料气体的喷射孔的阀座、和由电磁致动器驱动而对喷射孔进行开闭的阀芯。SINJ26a及LINJ26b分别每隔预定的间隔期间便使阀芯在预定的时间中与阀座分离来进行开阀，从而喷射燃料气体，接着使阀芯在预定的时间中与阀座抵接来进行闭阀，从而停止燃料气体的喷射。在该情况下，通过调整作为开阀期间相对于间隔期间的比的占空比来改变通过一次开阀喷射的燃料气体的喷射量。
LINJ26b的喷射孔的直径形成为比SINJ26a的喷射孔的直径大。因此，在开阀期间相同的情况下，来自LINJ26b的燃料气体的喷射流量比来自SINJ26a的燃料气体的喷射流量大。燃料气体的喷射流量是每单位时间从各喷射器喷射的燃料气体的量。另外，如上所述，SINJ26a及LINJ26b均能够通过调整占空比来改变一次开阀下的燃料气体的喷射量，但LINJ26b的喷射量的可变更范围的上限值及下限值分别设定得比SINJ26a的喷射量的可变更范围的上限值及下限值大。在本实施例中，在FC4的发电期间，以使得仅从SINJ26a及LINJ26b中的任一方喷射燃料气体的方式进行控制。详细情况在后文进行描述，但原则上在对FC4的要求输出大的情况下，根据要求输出的大小来调整占空比而从LINJ26b喷射大流量的燃料气体，在对FC4的要求输出小的情况下，根据要求输出的大小来调整占空比而从SINJ26a喷射小流量的燃料气体。由此，与通过单一的喷射器来调整向FC4供给的燃料气体的流量的情况相比，能够遍及广范围地控制向FC4供给的燃料气体的流量，能够遍及广范围地控制FC4的输出电力。SINJ26a是第1喷射器的一个例子，LINJ26b是第2喷射器的一个例子。
循环管22将FC4的阳极流路4a的出口与MEJ29连接。在循环管22设置有气液分离器27。循环管22是用于使燃料气体向FC4回流的配管。通过从SINJ26a及LINJ26b中的任一个喷射出的燃料气体通过MEJ29，从而在MEJ29内产生负压，通过该负压，从FC4排出的燃料气体经由气液分离器27被吸引到MEJ29。由此，从FC4排出的燃料气体再次被供给到FC4。在循环管22的FC4与气液分离器27之间设置有检测循环管22内的氢浓度的氢浓度传感器S1、及检测循环管22内的压力的压力传感器S2。MEJ29是喷射装置机构的一个例子。循环管22是循环通路的一个例子。
在气液分离器27连接有排出管23。在排出管23设置有排出阀28。气液分离器27从由FC4排出的燃料气体中分离水分并储存。通过使排出阀28打开，储存于气液分离器27的水经由排出管23向燃料电池系统1的外部排出。排出管23是排出通路的一个例子。罐阀24、调压阀25、SINJ26a、LINJ26b以及排出阀28的驱动由ECU3控制。
电力控制系统30控制FC4的放电及BAT8的充放电。电力控制系统30包括燃料电池DC/DC转换器(以下，称为FDC)32、蓄电池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发送的要求电流值来控制基于FC4的输出电流，调整来自FC4的直流电力并向MINV38、AINV39输出。BDC34调整来自BAT8的直流电力并向MINV38、AINV39输出。FC4的发电电力能够储存于BAT8。MINV38将被输入的直流电力变换为三相交流电力并向马达50供给。马达50驱动车轮5而使车辆进行行驶。FC4及BAT8的电力能够经由AINV39向马达50以外的负荷装置供给。在此，负荷装置除了包括马达50以外，还包括FC4用的辅机和车辆用的辅机。FC4用的辅机包括上述的空气压缩机14、旁通阀15、背压阀17、罐阀24、调压阀25、SINJ26a、LINJ26b以及排出阀28。车辆用的辅机例如包括空气调节设备、照明装置、危险标识灯等。
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：随机存取存储器)。ECU3电连接有加速器开度传感器6、空气压缩机14、旁通阀15、背压阀17、罐阀24、调压阀25、SINJ26a、LINJ26b、排出阀28、FDC32、BDC34、氢浓度传感器S1以及压力传感器S2。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。另外，ECU3算出与对FC4的要求输出相应的FC4的目标电流值，并以使得FC4的输出电流值成为目标电流值的方式控制由空气压缩机14、SINJ26a或LINJ26b向FC4供给的氧化剂气体及燃料气体的流量并控制FDC32。
多喷嘴喷射装置
图2是MEJ29的构成图。MEJ29具有喷嘴部291a、喷嘴部291b、吸引部292、混合部293以及扩散部294。喷嘴部291a及喷嘴部291b分别连接于SINJ26a及LINJ26b，喷嘴部291b的直径形成为比喷嘴部291a的直径大。在吸引部292连接有循环管22。通过SINJ26a及LINJ26b各自喷射出的燃料气体经由喷嘴部291a及喷嘴部291b并通过MEJ29内，从而从FC4排出的燃料气体被吸引到吸引部292。在混合部293中，从SINJ26a及LINJ26b中的任一个喷射出的燃料气体与从FC4排出的燃料气体混合。在混合部293中混合的燃料气体在扩散部294中流动。扩散部294形成为直径随着向下游侧逐渐扩大。在混合部293中新喷射出的燃料与从FC4排出的燃料混合，在混合后的燃料在扩散部294中流动的过程中，氢浓度变得均匀。由此，氢浓度均匀的燃料气体向FC4供给。
如上所述，不仅从SINJ26a喷射出的燃料气体通过MEJ29，从LINJ26b喷射出的燃料气体也通过MEJ29，所以无论从SINJ26a及LINJ26b中的哪一个喷射燃料气体，从FC4排出的燃料气体均能够被吸引到MEJ29并向FC4再循环。由此，无论从SINJ26a及LINJ26b中的哪一个喷射燃料气体，均能够使新喷射出的燃料气体与从FC4排出的燃料气体充分地混合，能够使氢浓度变得均匀的燃料气体在FC4内无偏重地扩散。由此，可抑制FC4的发电性能的降低。另外，LINJ26b的喷射流量大，所以通过从LINJ26b喷射燃料气体，与从SINJ26a喷射燃料气体的情况相比，能够增大FC4内的阳极流路的入口侧的压力的上升速度。即，能够在短期间内使FC4内的阳极流路的入口侧的压力上升。由此，能够促进来自FC4内的阳极流路的剩余水的排出并使燃料气体在FC4内的阳极流路内充分地扩散，从而提高FC4的发电性能。
在此，也考虑通过使喷射流量相同的两个喷射器中的一方的开阀期间比另一方增大，从而增大来自一方的喷射器的一次开阀下的燃料气体的喷射量，促进上述的剩余水的排出。然而，在该情况下，无论从哪个喷射器喷射燃料气体，FC4内的阳极流路的入口侧的压力的上升速度均不会产生大的差别，所以难以促进来自FC4内的阳极流路的剩余水的排出。因此，如本实施例那样，采用喷射流量不同的SINJ26a及LINJ26b，通过从喷射流量大的LINJ26b喷射燃料气体，从而能够促进剩余水的排出。此外，FC4内的阳极流路内的剩余水主要因为通过FC4的发电反应而在阴极侧产生的生成水经由电解质膜渗透到阳极侧而产生。
另外，在本实施例中，相对于两个SINJ26a及LINJ26b共用单一的MEJ29，所以与相对于SINJ26a及LINJ26b单独地设置喷射装置的情况相比，削减了部件个数，也削减了搭载空间。
控制模式的切换控制
ECU3基于对FC4的要求输出、FC4内的阳极流路内的剩余水量以及循环管22内的氢浓度来执行切换用于控制SINJ26a、LINJ26b以及排出阀28的驱动的控制模式的切换控制。该切换控制在功能上通过ECU3的CPU、ROM、RAM来实现。图3是示出切换控制的一个例子的流程图。该切换控制被反复执行。
要求输出
首先，ECU3判定对FC4的要求输出是否为阈值α以上(步骤S1)。如上所述，要求输出基于加速器开度传感器6的检测值、车辆用的辅机及FC4用的辅机的驱动状态、BAT8的蓄电电力等来算出。阈值α是第1阈值的一个例子。
第1模式
在步骤S1中为是(Yes)的情况下，ECU3将控制模式切换为第1模式(步骤S2)。在第1模式下，不驱动SINJ26a而驱动LINJ26b，从LINJ26b喷射大流量的燃料气体。由此，FC4能够输出与大的要求输出相应的发电电力。进而，如上所述，从LINJ26b喷射出的燃料气体通过MEJ29，所以能够使从LINJ26b喷射出的燃料气体与从FC4排出的燃料气体充分地混合并向FC4供给，抑制FC4的发电性能的降低。另外，虽然在像这样要求输出大的情况下，伴随FC4的发电反应而产生的生成水的量也多，但来自LINJ26b的燃料气体的喷射流量大，所以促进来自FC4的剩余水的排出，提高FC4的发电性能。此外，详细情况在后文进行描述，但无论控制模式如何，ECU3均在预定的定时对排出阀28进行开闭。关于排出阀28的开闭，当从上次排出阀28关闭起的向FC4的输出电流的累计值成为预定值以上时，打开排出阀28，当在排出阀28的打开期间循环管22内的压力的降低量成为预定值以上时关闭排出阀28。通过在第1模式下对排出阀28进行开闭，将从FC4排出并储存于气液分离器27内的剩余水向外部排出。
剩余水量
在步骤S1中为否(No)的情况下，ECU3判定FC4内的阳极流路内的剩余水量是否为阈值β以上(步骤S3)。以下，将FC4内的阳极流路内的剩余水量适当地简称为“剩余水量”。无论是否执行步骤S3，始终对剩余水量进行推定。阈值β是第2阈值的一个例子。
剩余水量例如基于FC4的阻抗来推定。在该情况下，当阻抗的电阻成分小时推定为剩余水量多。FC4的阻抗基于连接于FC4的电压传感器及电流传感器的检测值来算出。另外，剩余水量也可以通过对参照如下映射获得的值进行累计来推定，所述映射根据FC4的输出电流和FC4的温度预先规定剩余水量。在该情况下，FC4的温度例如可以基于FC4的冷却水的温度来推定。进而，也可以基于FC4的阳极流路4a的入口及出口的差压来推定剩余水量。在该情况下，由于在上述的差压大的情况下FC4内的燃料气体的压力损失大，所以推定为剩余水量多。上述的差压能够根据设置于FC4的阳极流路4a的入口附近的压力传感器的检测值、和设置于阳极流路4a的出口附近的压力传感器S2的检测值来算出。剩余水量的推定不限定于上述的方法，也可以通过其他方法来推定。
第2模式
在步骤S3中为是的情况下，ECU3将控制模式切换为第2模式(步骤S4)。在第2模式下，驱动LINJ26b并且增大排出阀28的开闭频率。在切换为第2模式的情况下，要求输出小但剩余水量多，所以不从SINJ26a而是从LINJ26b喷射出喷射流量大的燃料气体，从而促进来自FC4内的剩余水的排出。另外，在第2模式下排出阀28的开闭频率也增大，所以能够将从FC4排出并储存于气液分离器27内的剩余水向系统1的外部排出。排出阀28的开闭频率意味着在预定期间中排出阀28进行开闭动作的次数。如上所述，关于排出阀28，当从上次排出阀28关闭起的向FC4的输出电流的累计值成为预定值以上时排出阀28打开，通过变更该预定值来增减排出阀28的开闭频率。例如，通过将该预定值设定为小的值，排出阀28的开闭频率相对于FC4的输出电流的累计值增大，通过将预定值设定为大的值，排出阀28的开闭频率相对于FC4的输出电流的累计值减小。
第2模式下的排出阀28的开闭频率的增大并不意味着比第1模式下的排出阀28的开闭频率大，而是意味着在除剩余水量以外的条件相同的情况下，在第2模式下，与后述的第3模式相比排出阀28的开闭频率增大。即，在第2模式下，通过将规定上述的排出阀28的开闭频率的预定值设定为比第3模式下的预定值小的值，从而增大排出阀28的开闭频率。另外，在切换为第2模式的情况下，要求输出比第1模式小，所以以比第1模式下的LINJ26b的占空比小的占空比进行驱动。即，在第2模式下，与第1模式相比，从LINJ26b喷射的燃料气体的流量减少。
根据以上所述，能够基于对FC4的要求输出或FC4内的阳极流路内的剩余水量来控制由SINJ26a及LINJ26b进行的燃料气体的喷射。
氢浓度
在步骤S3中为否的情况下，ECU3判定循环管22内的燃料气体的氢浓度是否为阈值γ以上(步骤S5)。例如当FC4的发电持续预定期间时，向阴极侧供给的空气所包含的氮等杂质经由FC4的电解质膜渗透到阳极侧，循环管22内的燃料气体的杂质的浓度增大并且氢浓度降低。循环管22内的燃料气体的氢浓度越低，则表示在FC4中循环的燃料气体的氢浓度越低，被用于FC4的发电的氢量有可能降低而发电性能降低。循环管22内的氢浓度基于氢浓度传感器S1来取得，但无论是否执行步骤S5的处理，始终取得循环管22内的氢浓度。阈值γ是第3阈值的一个例子。氢浓度是燃料气体的浓度的一个例子。
虽然循环管22内的氢浓度基于氢浓度传感器S1来取得，但也可以通过其他方法来推定。例如，也可以基于排出阀28的开闭频率来推定。在该情况下，排出阀28的开闭频率越大，则越能够将杂质从循环管22内向外部排出，越能够推定为循环管22内的燃料气体的氢浓度为较高的值。另外，也可以基于由压力传感器S2取得的循环管22内的压力来推定循环管22内的氢浓度。向FC4的燃料气体的供给量根据FC4的要求输出而增减，与该要求输出相应地在FC4中消耗燃料气体，所以循环管22内的压力越高，则越能够推定为循环管22内的燃料气体的杂质的浓度高，即循环管22内的燃料气体的氢浓度低。也可以通过其他方法来推定氢浓度。
也可以在供给管21的MEJ29与FC4之间设置氢浓度传感器，并由该氢浓度传感器检测氢浓度来替代对循环管22内的燃料气体的氢浓度的检测。这是因为：即使在供给管21内，只要在比MEJ29靠下游侧处，则从SINJ26a及LINJ26b中的任一个新喷射出的燃料气体均与从FC4排出的燃料气体合流了，所以能够检测出在FC4中循环的燃料气体的氢浓度。
根据以上所述，能够检测循环管22内的燃料气体的氢浓度、或供给管21内的燃料气体的氢浓度，并根据检测出的循环管22内的燃料气体的氢浓度、或供给管21内的燃料气体的氢浓度来推定在FC4中循环的燃料气体的氢浓度。
第3模式
在步骤S5中为是的情况下，ECU3将控制模式切换为第3模式(步骤S6)。在第3模式下，不驱动LINJ26b而驱动SINJ26a。在切换为第3模式的情况下，要求输出小并且剩余水量也少，所以能够由SINJ26a将满足需求的燃料气体量向FC4供给。另外，在切换为第3模式的情况下，由于循环管22内的氢浓度也高，所以增大排出阀28的开闭频率的需求也少。此外，如上所述，在第3模式下，规定排出阀28的开闭频率的预定值被设定为比第2模式下的预定值大的值，由此，在第3模式下，与第2模式相比排出阀28的开闭频率减小。
第4模式
在步骤S5中为否的情况下，ECU3将控制模式切换为第4模式(步骤S7)。在第4模式下，驱动SINJ26a，排出阀28的开闭频率增大。在切换为第4模式的情况下，与第3模式同样地要求输出小且剩余水量也少，所以能够由SINJ26a将满足需求的燃料气体量向FC4供给，但由于循环管22内的氢浓度低，所以排出阀28的开闭频率增大。由此，能够促进将氢浓度低且杂质的浓度高的燃料气体向外部排出，能够使氢浓度高且杂质的浓度低的燃料气体向FC4循环而提高FC4的发电性能。在第4模式下，在除氢浓度以外的条件相同的情况下，与第3模式相比排出阀28的开闭频率增大。在第4模式下，规定排出阀28的开闭频率的预定值被设定为比第3模式下的预定值小的值，由此，在第4模式下，与第3模式相比排出阀28的开闭频率增大。
根据以上所述，能够基于要求输出、剩余水量或在FC4中循环的燃料气体的氢浓度来控制排出阀28的开闭频率。
例如可能发生刚在步骤S3中判定为是并切换为第2模式之后，便在步骤S3中判定为否并切换为第3或第4模式的情况。像这样可能会产生控制模式在短期间内频繁地切换的切换波动。为了防止这样的切换波动，优选在切换为了某一控制模式的情况下，在该控制模式持续了预定时间后，基于步骤S3及S5的判定结果切换为不同的控制模式。但是，在从第1模式切换为第1模式以外的控制模式、从第1模式以外的控制模式切换为第1模式的情况下，为了防止FC4的输出相对于加速要求、减速要求的响应延迟，也可以基于步骤S1的判定结果立即切换为切换对象的控制模式。
切换控制的时间图
图4是示出切换控制的一个例子的时间图。在图4中示出所实施的控制模式、对FC4的要求输出、FC4的阳极侧的剩余水量、由氢浓度传感器S1检测出的循环管22内的氢浓度、SINJ26a及LINJ26b的驱动状态、排出阀28的开闭状态、由压力传感器S2检测出的循环管22内的压力。如上所述，由SINJ26a及LINJ26b进行的燃料气体的喷射间歇地进行，所以在SINJ26a及LINJ26b中的任一个打开的期间中均喷射燃料气体，所以循环管22内的氢浓度及压力上升，在SINJ26a及LINJ26b关闭的期间中，循环管22内的氢浓度及压力降低。
如图4所示，在实施第3模式的状态下(时刻t0)，例如当通过驾驶员的操作而加速器踏板的开度增大而发出加速要求时，对FC4的要求输出增大。当要求输出成为阈值α以上时，从第3模式切换为第1模式(时刻t1)，SINJ26a的驱动停止，LINJ26b的驱动开始。由此，为了应对加速要求，FC4的输出增大，并且剩余水量降低。此外，在第1模式下对FC4的要求输出大，所以与第1模式以外的控制模式相比，FC4的输出电流的累计值也在短期间内成为预定值以上。因此，结果，与第1模式以外的控制模式相比，每预定期间的第1模式下的排出阀28的开闭频率增大。由此，在第1模式下，与FC4的发电反应相伴的生成水的量增大，储存于气液分离器27的剩余水的量也在短期间内增大，与储存于这样的气液分离器27的剩余水的量对应地确保了排出阀28的开闭频率。
接着，当加速器踏板的开度减小而发出减速要求时，要求输出降低。当要求输出变得小于阈值α时，从第1模式向第3模式切换(时刻t2)，LINJ26b的驱动停止，SINJ26a的驱动开始。由此，FC4的输出降低并且FC4内的剩余水量增大。
此外，在从第1模式切换为第2模式以外的不同的控制模式后，剩余水量有增大的倾向。在第2模式下，从LINJ26b喷射燃料气体，所以促进了来自FC4的剩余水的排出，但在从第1模式切换为第2模式以外的控制模式后，从SINJ26a喷射小流量的燃料气体。因此，在第1模式下进行了控制时的生成水的一部分作为剩余水滞留在FC4内，由于该剩余水妨碍了在FC4内新产生的生成水的排出，在FC4内剩余水逐渐增多。
当剩余水量成为阈值β以上时，从第3模式向第2模式切换(时刻t3)。在第2模式下，SINJ26a的驱动停止，LINJ26b的驱动开始，并且排出阀28的开闭频率增大，剩余水量降低。在从切换为第2模式起经过了预定期间后剩余水量降低至小于阈值β时，从第2模式切换为第3模式(时刻t4)。若第3模式持续长期间，则循环管22内的氢浓度有降低的倾向。这是因为：在第3模式下排出阀28的开闭频率小，所以无法将杂质从循环管22内向外部排出，氢浓度降低。
在从切换为第3模式起经过了预定期间后循环管22内的氢浓度变得小于阈值γ时，从第3模式切换为第4模式(时刻t5)。在第4模式下，排出阀28的开闭频率增大，所以循环管22内的氢浓度逐渐增大。在从切换为第4模式起经过了预定期间后循环管22内的氢浓度成为阈值γ以上时，从第4模式切换为第3模式(时刻t6)。像这样，根据FC4内的剩余水量、循环管22内的氢浓度来进行SINJ26a及LINJ26b的切换、及排出阀28的开闭频率的变更，可实现燃料经济性的提高和发电性能的提高。
变形例的控制
接着，对ECU3所执行的变形例的切换控制进行说明。图5是示出变形例的切换控制的流程图。此外，仅对与上述的本实施例的切换控制不同的处理使用不同的标号进行说明。在本变形例中，ECU3判定氢浓度是否为阈值γa以上(步骤S5a)，在步骤S5a中为否的情况下，切换为第4模式并增大基于SINJ26a的燃料气体的喷射量(步骤S7a)。具体而言，在除了循环管22内的氢浓度以外条件均相同的条件下，在第4模式下，与第3模式相比SINJ26a的占空比增大而基于SINJ26a的燃料气体的喷射量增大。由此，能够使氢浓度高的燃料气体向FC4循环，FC4的发电性能提高。此外，在本变形例中，第4模式下的排出阀28的开闭频率与第3模式相同，但不限定于此。在第4模式中也是，也可以在不排出氢浓度高的燃料气体的程度下使排出阀28的开闭频率比第3模式下的开闭频率增大。
根据以上所述，能够基于要求输出、剩余水量或在FC4中循环的燃料气体的氢浓度来控制基于SINJ26a或LINJ26b的所述燃料气体的喷射量。
变形例的燃料电池系统的构成
接着，对变形例的燃料电池系统1A的构成进行说明。图6是示出变形例的燃料电池系统1A的一部分，特别地示出变形例的燃料电池系统1A的燃料气体供给系统20A的构成图。此外，对与上述的本实施例相同的构成标注相同的标号，从而省略重复的说明。在燃料电池系统1A中，设置有供分别从SINJ26a及LINJ26b喷射出的燃料气体通过的喷射装置(以下，称为EJ)29a及29b。即，从SINJ26a喷射出的燃料气体仅通过喷射装置29a，从LINJ26b喷射出的燃料气体仅通过喷射装置29b。SINJ26a及EJ29a、和LINJ26b及EJ29b分别设置于供给管21A的彼此部分地分支的分支管21a及21b。循环管22A在比气液分离器27靠下游侧处分支为分支管22a及22b，分支管22a及22b分别连接于EJ29a及29b。
像这样，EJ29a及29b分别是SINJ26a及LINJ26b的专用的喷射装置，所以在设计EJ29a时不需要考虑LINJ26b的规格，在设计EJ29b时不需要考虑SINJ26a的规格。因此，可确保EJ29a及29b各自的设计的自由度。例如LINJ26b的燃料气体的喷射流量比SINJ26a的燃料气体的喷射流量大，所以EJ29b也可以设计成比EJ29a大型化。
以上对本发明的优选的实施方式进行了详细描述，但本发明不限定于上述特定的实施方式，能够在权利要求书所记载的本发明的要旨的范围内进行各种变形·变更。

Claims (19)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，具备：
燃料电池；
第1喷射器，其构成为喷射燃料气体；
第2喷射器，其构成为以比所述第1喷射器的喷射流量大的喷射流量来喷射燃料气体；
喷射装置机构，其构成为供分别从所述第1喷射器及所述第2喷射器喷射出的所述燃料气体通过；
供给通路，其构成为将通过了所述喷射装置机构的所述燃料气体向所述燃料电池供给；以及
循环通路，其构成为使从所述燃料电池排出的所述燃料气体返回到所述喷射装置机构。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
还具备控制所述第1喷射器及所述第2喷射器的控制装置，
所述控制装置以如下方式进行控制：
在对所述燃料电池的要求输出为第1阈值以上的情况下，由所述第2喷射器来喷射所述燃料气体，
在所述要求输出小于所述第1阈值且所述燃料电池的阳极流路内的剩余水量为第2阈值以上的情况下，由所述第2喷射器来喷射所述燃料气体，
在所述要求输出小于所述第1阈值且所述剩余水量小于所述第2阈值的情况下，由所述第1喷射器来喷射所述燃料气体。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，还具备：
气液分离器，其设置于所述循环通路，构成为从所述燃料气体中分离水分；
排出通路，其连接于所述气液分离器，构成为排出从所述燃料气体中分离出的所述水分；以及
排出阀，其设置于所述排出通路，
所述控制装置，在所述要求输出小于所述第1阈值的同一条件下，以在所述剩余水量为所述第2阈值以上的情况下，与所述剩余水量小于所述第2阈值的情况相比使所述排出阀的开闭频率增大的方式进行控制。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述控制装置，在所述要求输出小于所述第1阈值且所述剩余水量小于所述第2阈值的同一条件下，以在所述燃料电池中循环的所述燃料气体的浓度小于第3阈值的情况下，与所述浓度为所述第3阈值以上的情况相比使所述排出阀的开闭频率增大的方式进行控制。
5.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述控制装置，在所述要求输出小于所述第1阈值且所述剩余水量小于所述第2阈值的同一条件下，以在所述燃料电池中循环的所述燃料气体的浓度小于第4阈值的情况下，与所述浓度为所述第4阈值以上的情况相比使基于所述第1喷射器的所述燃料气体的喷射量增大的方式进行控制。
6.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述控制装置，以在所述要求输出小于所述第1阈值且所述剩余水量为所述第2阈值以上的情况下，与所述要求输出为所述第1阈值以上的情况相比使基于所述第2喷射器的所述燃料气体的喷射量减少的方式进行控制。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述喷射装置机构包括供从所述第1喷射器及所述第2喷射器中的任一个喷射出的所述燃料气体通过的单一的喷射装置。
8.根据权利要求1～6中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述喷射装置机构包括配置在所述第1喷射器及所述第2喷射器各自的下游的第1喷射装置及第2喷射装置，
所述循环通路包括彼此分支并分别连接于所述第1喷射装置及所述第2喷射装置的第1分支通路及第2分支通路。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述喷射装置机构连接于所述第1喷射器及所述第2喷射器，
并且构成为，通过喷射所述燃料气体来吸引在所述燃料电池中循环的所述燃料气体。
10.根据权利要求4或5所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述浓度根据所述供给通路的燃料气体的浓度或所述循环通路的燃料气体的浓度来推定。
11.一种燃料电池系统的控制方法，
所述燃料电池系统具备：
燃料电池；
第1喷射器，其构成为喷射燃料气体；
第2喷射器，其构成为以比所述第1喷射器的喷射流量大的喷射流量来喷射燃料气体；
喷射装置机构，其构成为供分别从所述第1喷射器及所述第2喷射器喷射出的所述燃料气体通过；
供给通路，其构成为将通过了所述喷射装置机构的所述燃料气体向所述燃料电池供给；以及
循环通路，其构成为使从所述燃料电池排出的所述燃料气体返回到所述喷射装置机构，
所述燃料电池系统的控制方法的特征在于，包括：
检测对所述燃料电池的要求输出；
推定所述燃料电池的阳极流路内的剩余水量；以及
基于所述要求输出或所述剩余水量来控制由所述第1喷射器及所述第2喷射器进行的燃料气体的喷射。
12.根据权利要求11所述的控制方法，其特征在于，还包括：
在对所述燃料电池的要求输出为第1阈值以上的情况下，以由所述第2喷射器来喷射所述燃料气体的方式进行控制；
在所述要求输出小于所述第1阈值且所述燃料电池的阳极流路内的剩余水量为第2阈值以上的情况下，以由所述第2喷射器来喷射所述燃料气体的方式进行控制；以及
在所述要求输出小于所述第1阈值且所述剩余水量小于所述第2阈值的情况下，以由所述第1喷射器来喷射所述燃料气体的方式进行控制。
13.根据权利要求12所述的控制方法，其特征在于，
所述燃料电池系统还具备：
气液分离器，其设置于所述循环通路，构成为从所述燃料气体中分离水分；
排出通路，其连接于所述气液分离器，构成为排出从所述燃料气体中分离出的水分；以及
排出阀，其设置于所述排出通路，
所述控制方法还包括：
检测在所述燃料电池中循环的所述燃料气体的浓度；和
基于所述要求输出、所述剩余水量或所述浓度来控制所述排出阀的开闭频率。
14.根据权利要求13所述的控制方法，其特征在于，还包括：
在所述要求输出小于所述第1阈值的同一条件下，以在所述剩余水量为所述第2阈值以上的情况下，与所述剩余水量小于所述第2阈值的情况相比使所述排出阀的开闭频率增大的方式进行控制。
15.根据权利要求13所述的控制方法，其特征在于，还包括：
在所述要求输出小于所述第1阈值且所述剩余水量小于所述第2阈值的同一条件下，以在所述浓度小于第3阈值的情况下，与所述浓度为所述第3阈值以上的情况相比使所述排出阀的开闭频率增大的方式进行控制。
16.根据权利要求12所述的控制方法，其特征在于，还包括：
检测在所述燃料电池中循环的所述燃料气体的浓度；和
基于所述要求输出、所述剩余水量或所述浓度来控制基于所述第1喷射器或所述第2喷射器的所述燃料气体的喷射量。
17.根据权利要求16所述的控制方法，其特征在于，还包括：
在所述要求输出小于所述第1阈值且所述剩余水量小于所述第2阈值的同一条件下，以在所述供给通路及循环通路中的任一个中的所述浓度小于第4阈值的情况下，与所述浓度为所述第4阈值以上的情况相比使基于所述第1喷射器的所述喷射量增大的方式进行控制。
18.根据权利要求16所述的控制方法，其特征在于，还包括：
以在所述要求输出小于所述第1阈值且所述剩余水量小于所述第2阈值的情况下，与所述要求输出为所述第1阈值以上的情况相比使基于所述第2喷射器的所述喷射量减少的方式进行控制。
19.根据权利要求13～18中任一项所述的控制方法，其特征在于，
所述浓度根据所述供给通路的燃料气体的浓度或所述循环通路的燃料气体的浓度来推定。
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