CN113285105A - 燃料电池系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池系统及其控制方法。燃料电池系统具备：燃料电池组；氧化剂气体供给系统；燃料气体供给系统；电流控制电路，用于调节燃料电池组的输出电流；控制部，控制燃料电池组的发电和电流控制电路的输出电流，通过控制电流控制电路而调节输出电流来调节燃料电池组的发热量；及监视部，对超过预先确定的容许量的燃料气体存在于阴极的状态即燃料气体异常产生进行监视。控制部在以预先设定的目标发热量使燃料电池组发热的预热运转的执行中监视部检测到燃料气体异常产生的情况下，通过使目标发热量下降而使输出电流下降。

Description

燃料电池系统及其控制方法

关联申请的相互参照

本申请主张基于2020年2月19日申请的申请号2020-26103的日本专利申请的优先权，其公开的全部通过参照而向此并入。

技术领域

本公开涉及燃料电池系统及其控制方法。

背景技术

在燃料电池系统中，存在在冰点下等低温环境下的燃料电池组的起动时执行使燃料电池组急速升温的预热运转的燃料电池系统。通过这样的预热运转，能够抑制由燃料电池组内、反应气体流路内的水分的冻结引起的不良情况的产生。在预热运转中，例如，有时如日本特开2010-61960号公报所公开那样，通过使氧化剂气体的供给量减少而使燃料电池组的发电效率下降来使燃料电池组的发热量增大。

发明内容

发明所要解决的课题

在如上述那样限制相对于阴极的氧化剂气体的供给量的预热运转中，相对于阴极的氧化剂气体的供给量容易不足，在阴极处产生燃料气体而排气中的燃料气体浓度变大的可能性升高。在使用氢作为燃料气体的情况下，这样的在阴极处产生的燃料气体也被称作“泵氢”。在上述的专利文献1中，在预热运转的执行中检测到泵氢异常产生了的情况下，通过使相对于燃料电池组的氧化剂气体的供给量增大来消除阴极处的氧化剂气体的不足，抑制排气中的氢浓度的上升。

然而，若在预热运转中这样使氧化剂气体的供给量增大，则即使成功抑制了排气中的燃料气体浓度的上升，也有可能因燃料电池组的发电效率的上升而导致其升温速度下降从而预热运转长期化。另外，若在预热运转中使氧化剂气体的供给量大幅增减，则燃料电池组的发电状态变得不稳定，有可能难以进行燃料电池系统的电力控制。这样，在燃料电池系统的技术中，关于在预热运转中在阴极处异常产生了燃料气体时的对策，依然存在改良的余地。需要说明的是，阴极处的燃料气体的异常产生不仅是向阴极的氧化剂气体的供给被限制的预热运转，在其他方法下的预热运转中(例如，在氧化剂气体流路内的水分的冻结等理由下向阴极的氧化剂气体的供给迟延的情况)也可能产生。

用于解决课题的手段

本公开能够作为以下的方式而实现。

(1)根据本公开的一方式，提供一种燃料电池系统。该燃料电池系统具备：燃料电池组，具备阳极和阴极；氧化剂气体供给系统，向所述阴极供给氧化剂气体；燃料气体供给系统，向所述阳极供给燃料气体；电流控制电路，用于调节所述燃料电池组的输出电流；控制部，控制所述燃料电池组的发电和所述电流控制电路的输出电流，通过控制所述电流控制电路而调节所述输出电流来调节所述燃料电池组的发热量；及监视部，对超过预先确定的容许量的所述燃料气体存在于所述阴极的状态即燃料气体异常产生进行监视。所述控制部可以在以预先设定的目标发热量使所述燃料电池组发热的预热运转的执行中所述监视部检测到所述燃料气体异常产生的情况下，通过使所述目标发热量下降而使所述输出电流下降。

根据该方式的燃料电池系统，在预热运转的执行中检测到阴极处的燃料气体异常产生的情况下，通过目标发热量下降而燃料电池组的电流下降。由此，向阴极的燃料气体离子的传导被抑制，能够促进存在于阴极的燃料气体的减少。由此，能够抑制因在阴极存在燃料气体而燃料电池组的发电量下降从而燃料电池组的实际发热量比目标发热量显著下降，能够抑制预热运转中的燃料电池组的升温速度的下降。

(2)在上述方式的燃料电池系统中，可以是，所述控制部在所述预热运转的执行中通过使所述目标发热量下降而使所述输出电流下降的情况下，直到所述预热运转完成为止，不设定比下降后的所述目标发热量高的所述目标发热量。

根据该方式的燃料电池系统，能够抑制在预热运转的执行中因目标发热量上下变动而燃料电池组的发电条件频繁变更从而燃料电池组的发电状态变得不稳定。

(3)在上述方式的燃料电池系统中，可以是，所述控制部在所述预热运转的执行中，使用以所述目标发热量使所述燃料电池组发热所需的所述输出电流与所述燃料电池组的输出电压之间的关系，以使所述燃料电池组的输出电力成为预先确定的固定电力的方式调节所述输出电流，在所述预热运转的执行中所述监视部检测到所述燃料气体异常产生的情况下，使所述输出电流下降至变更后目标电流值，该变更后目标电流值根据用于使所述目标发热量下降的变更后发热量和所述固定电力而使用所述关系确定。

根据该方式的燃料电池系统，能够基于目标发热量而合适地控制燃料电池组的发电状态，并且能够在预热运转中使从燃料电池组得到的电力稳定。

(4)上述方式的燃料电池系统可以还具备用于检测所述输出电压的电压传感器。所述控制部可以进一步在所述预热运转的执行中，在使所述输出电流下降至所述变更后目标电流值之前，执行在使所述输出电流下降至比所述变更后目标电流值低的迂回电流值后增大至所述变更后目标电流值的过渡控制，在所述过渡控制的执行中，在使所述输出电流从所述迂回电流值增大至所述变更后目标电流值的期间所述电压传感器的计测值比预先确定的阈值下降的情况下，执行将向所述电流控制电路输入的电流指令值维持为固定值的待机控制。

根据该方式的燃料电池系统，由于使燃料电池组的电流暂且大幅下降至迂回电流值，所以能够更迅速地抑制阴极处的燃料气体的产生。另外，在使燃料电池组的电流从迂回电流值增大至变更后目标电流值时，能够通过待机控制来抑制燃料电池组的电压显著下降，因此能够使燃料电池组的电流更顺畅地变化。

(5)在上述方式的燃料电池系统中，可以是，所述控制部在所述预热运转中，与所述燃料电池组的通常运转时相比使所述氧化剂气体的化学计量比降低。

根据该方式的燃料电池系统，能够进一步提高燃料电池组的发热量，因此能够将燃料电池组高效地预热。

本公开能够以各种方式实现，除了燃料电池系统之外，例如还能够以燃料电池系统的控制方法、用于使计算机执行该控制方法的计算机程序、记录有计算机程序的非暂时性的记录介质等方式实现。

附图说明

图1是示出燃料电池系统的结构的概略图。

图2是示出燃料电池系统的更详细的结构的概略图。

图3是示出燃料电池系统的电气结构的概略图。

图4是控制装置的概略内部框图。

图5是示出二次电池的温度特性的说明图。

图6是示出燃料电池系统中的启动处理的流程的说明图。

图7是示出动作点映射的一例的说明图。

图8是示出动作点变更处理的流程的说明图。

图9是示出在过渡控制中燃料电池组的动作点迁移的情形的说明图。

图10是示出由待机控制引起的燃料电池组的电压和电流的时间变化的一例的说明图。

具体实施方式

1.实施方式：

图1是示出本实施方式中的燃料电池系统10的结构的概略图。燃料电池系统10例如搭载于燃料电池车辆，输出来自后述的负载的要求电力、用于外部供电的要求电力。燃料电池系统10具备燃料电池组20、氧化剂气体供排系统30、燃料气体供排系统50及制冷剂循环系统70。

燃料电池组20具备多个燃料电池单元21和一对端板22、23。多个燃料电池单元21分别是板状，在厚度方向即层叠方向SD上层叠。燃料电池单元21是即使是单体也能够发电的发电要素。燃料电池单元21接受作为反应气体的氧化剂气体及燃料气体的供给，通过它们的电化学反应而发电。在本实施方式中，燃料电池单元21构成为固体高分子型燃料电池。另外，在本实施方式中，使用空气中包含的氧作为氧化剂气体，使用氢作为燃料气体。

燃料电池单元21具备在由具有离子传导性的高分子树脂膜构成的电解质膜的双面配置有担载有催化剂的电极即阳极及阴极的膜电极接合体。燃料电池单元21还具备夹住膜电极接合体的2张隔板。膜电极接合体及隔板的图示省略。在各燃料电池单元21的外周端部设置有形成用于使反应气体、通过了膜电极接合体的发电部的反应废气流通的歧管Mfa、Mfb的开口部(图示省略)。歧管Mfa、Mfb与膜电极接合体的发电部分支连接。歧管Mfa连接于阴极，歧管Mfb连接于阳极。另外，在各燃料电池单元21的外周端部设置有形成用于使制冷剂流通的歧管Mfc的开口部(图示省略)。歧管Mfc连接于形成于相邻的隔板彼此之间的制冷剂流路。

一对端板22、23配置于多个燃料电池单元21的层叠方向SD上的两端部。具体而言，第一端板22配置于燃料电池组20的一方的端部，第二端板23配置于燃料电池组20的与一方的端部相反一侧的另一方的端部。在第一端板22形成有用于形成歧管Mfa、Mfb、Mfc的贯通孔即开口部25。另一方面，在第二端板23未形成用于形成歧管Mfa、Mfb、Mfc的贯通孔即开口部25。由此，燃料气体、氧化剂气体及制冷剂仅从燃料电池组20中的层叠方向SD的一侧供给或排出。

氧化剂气体供排系统30具有氧化剂气体供给功能、氧化剂气体排出功能及氧化剂气体旁通功能。氧化剂气体供给功能是向燃料电池单元21的阴极供给氧化剂气体的功能。氧化剂气体排出功能是将从燃料电池单元21的阴极排出的包含氧化剂气体及不活性气体的排气(也称作“氧化剂废气”)向外部排出的功能。氧化剂气体旁通功能是将供给的氧化剂气体以不经由燃料电池单元21的方式向外部排出的功能。

燃料气体供排系统50具有燃料气体供给功能、燃料气体排出功能及燃料气体循环功能。燃料气体供给功能是向燃料电池单元21的阳极供给燃料气体的功能。燃料气体排出功能是将从燃料电池单元21的阳极排出的包含燃料气体及不活性气体的排气(也称作“燃料废气”)向外部排出的功能。燃料气体循环功能是使燃料气体在燃料电池系统10内循环的功能。

制冷剂循环系统70具有使制冷剂向燃料电池组20循环而调节燃料电池组20的温度的功能。作为制冷剂，例如使用乙二醇等防冻液、水等液体。

图2是示出燃料电池系统10的详细结构的概略图。燃料电池系统10除了上述的燃料电池组20、氧化剂气体供排系统30、燃料气体供排系统50、制冷剂循环系统70之外，还具有控制装置60。控制装置60控制燃料电池系统10的动作。控制装置60的详情后述。

氧化剂气体供排系统30具备氧化剂气体供给系统30A和氧化剂气体排出系30B。氧化剂气体供给系统30A向燃料电池组20的阴极供给包含氧化剂气体的空气。氧化剂气体供给系统30A具有氧化剂气体供给路302、环境温度传感器38、空气滤清器31、压缩机33、电动机34、中冷器35及入口阀36。

氧化剂气体供给路302是配置于燃料电池组20的上游侧且使外部和燃料电池组20的阴极连通的管。环境温度传感器38计测向空气滤清器31取入的空气的温度作为环境温度。环境温度传感器38的计测结果向控制装置60发送。空气滤清器31设置于氧化剂气体供给路302中的比压缩机33靠上游侧处，除去向燃料电池组20供给的空气中的异物。压缩机33设置于比燃料电池组20靠上游侧的氧化剂气体供给路302，将根据来自控制装置60的指示而压缩后的空气朝向阴极送出。压缩机33由根据来自控制装置60的指示而动作的电动机34驱动。中冷器35设置于氧化剂气体供给路302中的比压缩机33靠下游侧处。中冷器35冷却由压缩机33压缩而成为了高温的空气。入口阀36调整燃料电池组20的阴极入口侧的空气的压力。入口阀36由开度由控制装置60控制的电磁阀、电动阀构成。入口阀36也可以由在预先确定的压力的空气流入时机械地打开的开闭阀构成。

氧化剂气体排出系30B将在阴极流通后的氧化剂废气外部向排出。氧化剂气体排出系30B具有氧化剂气体排出路306和旁通路308。氧化剂气体排出路306是用于将从燃料电池组20的阴极排出的氧化剂废气、水分、在旁通路308流通后的空气向外部排出的管。在本实施方式中，如后所述，氧化剂气体排出路306也将从排气排水路504排出的燃料废气、排水向外部排出。在氧化剂气体排出路306的下游侧端部设置有消声器310。另外，在氧化剂气体排出路306设置有出口阀37。出口阀37配置于氧化剂气体排出路306中的比连接旁通路308的地点靠上游侧处。出口阀37由电磁阀、电动阀构成。出口阀37通过由控制装置60调整开度而调整燃料电池组20的阴极侧流路的背压。

旁通路308是以不经由燃料电池组20的方式连接氧化剂气体供给路302和氧化剂气体排出路306的管。在旁通路308设置有旁通阀39。旁通阀39由电磁阀、电动阀构成。旁通阀39通过由控制装置60调整开度而调整在旁通路308中流通的空气的流量。

在本实施方式中，在氧化剂气体排出路306的比与排气排水路504的汇合点靠上游侧处设置有燃料气体传感器311。燃料气体传感器311检测在氧化剂气体排出路306中流动的排气中的燃料气体浓度，将其检测结果向控制装置60发送。在本实施方式中，燃料气体传感器311由氢浓度传感器构成。如后所述，燃料气体传感器311在阴极处的燃料气体的异常产生的检测中使用。

燃料气体供排系统50具备燃料气体供给系统50A、燃料气体循环系统50B及燃料气体排出系统50C。

燃料气体供给系统50A向燃料电池组20的阳极供给燃料气体。燃料气体供给系统50A具备燃料气体供给路501、燃料气体罐51、开闭阀52、调压器53、喷射器54及压力传感器59。燃料气体供给路501是连接于燃料气体罐51和燃料电池组20且供从燃料气体罐51朝向燃料电池组20的燃料气体流通的管。燃料气体罐51例如贮存有高压的氢气。开闭阀52在燃料气体供给路501中设置于燃料气体罐51的近前。开闭阀52在开阀状态下使燃料气体罐51的燃料气体向下游侧流通。调压器53在燃料气体供给路501中设置于开闭阀52的下游侧。调压器53通过控制装置60的控制来调整比喷射器54靠上游侧的燃料气体的压力。喷射器54在燃料气体供给路501中设置于调压器53的下游侧。喷射器54配置于燃料气体供给路501中的比后述的燃料气体循环路502的汇合地点靠上游侧处。喷射器54是根据由控制装置60设定的驱动周期、开阀时间而电磁地驱动的开闭阀。控制装置60通过控制喷射器54来调整向燃料电池组20供给的燃料气体供给量。压力传感器59计测燃料气体供给路501中的比喷射器54靠下游侧的内部压力(也就是说，燃料气体的供给压力)。计测结果向控制装置60发送。

燃料气体循环系统50B使从燃料电池组20排出的燃料废气向燃料气体供给路501循环。燃料气体循环系统50B具有燃料气体循环路502、气液分离器57、循环泵55及电动机56。燃料气体循环路502是连接于燃料电池组20和燃料气体供给路501且供朝向燃料气体供给路501的燃料废气流通的管。气液分离器57设置于燃料气体循环路502，从燃料废气将包含水蒸气的液体成分分离，并以液态水的状态积存。循环泵55在燃料气体循环路502中设置于气液分离器57的下游侧。循环泵55通过使电动机56驱动而使燃料气体循环路502内的燃料废气朝向燃料气体供给路501循环。

燃料气体排出系统50C将燃料废气、通过燃料电池组20的发电而产生的液态水向燃料气体供排系统50的外部排出。燃料气体排出系统50C具有排气排水路504和排气排水阀58。排气排水路504是连接于将液态水排出的气液分离器57的排出口和氧化剂气体排出路306的管。在本实施方式中，排气排水路504通过氧化剂气体排出路306而将燃料废气、排水向大气中排出。排气排水阀58设置于排气排水路504，开闭排气排水路504。作为排气排水阀58，例如使用隔膜阀。在燃料电池系统10的发电时，控制装置60在预先确定的定时下对排气排水阀58进行开阀指示。

制冷剂循环系统70具备制冷剂循环路79、制冷剂循环泵74、电动机75、散热器71、散热器风扇72及电池组温度传感器73。

制冷剂循环路79具有制冷剂供给路79A和制冷剂排出路79B。制冷剂供给路79A是用于向燃料电池组20供给制冷剂的管。制冷剂排出路79B是用于从燃料电池组20排出制冷剂的管。制冷剂循环泵74通过电动机75的驱动而将制冷剂供给路79A的制冷剂向燃料电池组20送出。散热器71通过由散热器风扇72输送风而散热来冷却在内部流通的制冷剂。电池组温度传感器73计测制冷剂排出路79B内的制冷剂的温度。制冷剂的温度的计测结果向控制装置60发送。控制装置60将电池组温度传感器73的计测温度作为燃料电池组20的温度而检测，在燃料电池系统10的控制中使用。

图3是示出燃料电池系统10的电气结构的概念图。燃料电池系统10具备电流控制电路95、DC/AC变换器98、电压传感器91及电流传感器92。

电压传感器91为了计测燃料电池组20的电压而使用。电压传感器91与燃料电池组20的全部燃料电池单元21分别连接，以全部燃料电池单元21的各自为对象来计测电压。电压传感器91将其计测结果向控制装置60发送。通过将由电压传感器91计测到的全部燃料电池单元21的计测电压合计来计测燃料电池组20的总电压。需要说明的是，燃料电池系统10也可以取代电压传感器91而具有计测燃料电池组20的两端的电压的电压传感器。在该情况下，计测到的两端的电压值成为燃料电池组20的总电压。电流传感器92计测燃料电池组20的输出电流值，并向控制装置60发送。

电流控制电路95例如由DC/DC转换器构成。电流控制电路95基于从控制装置60发送的电流指令值来控制燃料电池组20输出的电流。电流指令值是表示燃料电池组20的输出电流的目标值的值，由控制装置60设定。

DC/AC变换器98连接于燃料电池组20和负载200。负载200包含作为驱动力源的驱动电动机、其他的燃料电池车辆内的辅机类、电装品。DC/AC变换器98将从燃料电池组20输出的直流电力向交流电力变换，并向负载200供给。另外，在包含于负载200的驱动电动机中产生了再生电力的情况下，DC/AC变换器98将该再生电力变换为直流电力。由DC/AC变换器98变换为直流电力后的再生电力经由BDC97而向二次电池96蓄积。

燃料电池系统10还具备二次电池96和BDC97。二次电池96与燃料电池组20一起作为燃料电池系统10的电力源发挥功能。二次电池96通过由燃料电池组20产生的电力、上述的再生电力而充电。需要说明的是，在本实施方式中，二次电池96由锂离子电池构成，具有在冰点下充放电量的容许范围显著变窄的温度特性。关于二次电池96的温度特性后述。

BDC97由DC/DC转换器构成，根据控制装置60的指示来控制二次电池96的充放电。另外，BDC97计测二次电池96的SOC(State Of Charge：充电状态)，并向控制装置60发送。

图4是控制装置60的内部框图。控制装置60也被称作ECU，具备控制部62和由ROM、硬盘等外部存储装置构成的存储部68。控制部62具备至少1个处理器和主存储装置，处理器通过执行从存储部68读入到主存储装置上的程序、命令来发挥用于控制燃料电池组20的发电的各种功能。需要说明的是，控制部62的功能的至少一部分也可以由硬件电路构成。

在存储部68中非易失性地存储有控制部62执行的各种程序、在燃料电池系统10的控制中使用的参数、包含后述的动作点映射OPM的各种映射等。“非易失性”意味着即使在相对于存储装置的通电状态被切断的情况下信息也不消失而保持于存储装置。控制部62通过执行存储部68的各种程序而作为动作控制部64和监视部66发挥功能。动作控制部64控制燃料电池系统10的动作。动作控制部64执行根据相对于燃料电池系统10的来自负载200的输出要求而使燃料电池组20发电的通常运转。

另外，动作控制部64执行用于使燃料电池组20急速升温的预热运转。在燃料电池系统10的起动时动作控制部64执行的后述的启动处理中，在满足了预先确定的预热条件的情况下执行预热运转。在本实施方式中，预热条件在环境温度传感器38的计测值为预先确定的温度以下时满足。在其他的实施方式中，预热条件例如也可以设为在冬季燃料电池系统10以停止的状态被放置了规定的时间以上的情况下满足。在预热运转中，与通常运转不同，动作控制部64设定燃料电池组20的目标发热量，以不管来自负载200的输出要求如何燃料电池组20都以该目标发热量发电的方式进行控制。

在本实施方式的预热运转中，动作控制部64以使向燃料电池组20供给的氧化剂气体的化学计量比(stoichiometric ratio)比通常运转中的化学计量比小的方式控制氧化剂气体供排系统30和燃料气体供排系统50。“氧化剂气体的化学计量比”意味着实际供给的氧化剂气体的量相对于为了发电要求发电电力而在理论上需要的氧化剂气体的量的比。通过该控制，阴极处的浓度过电压增大，燃料电池组20的发电效率下降，因此燃料电池组20的发热量比通常运转时增大，燃料电池组20的升温速度提高。预热运转中的氧化剂气体的化学计量比例如可以设为1.0左右。需要说明的是，在本实施方式的预热运转中，动作控制部64使相对于燃料电池组20的氧化剂气体及燃料气体的供给量维持为预先确定的供给量。

在本实施方式中，动作控制部64在执行着预热运转的期间，以使燃料电池组20输出的电力成为预先确定的固定电力的方式进行控制。该固定电力优选设定为估计在预热运转的期间会由负载200消耗的电力以上的值。固定电力例如可以设为5～15kW左右。

监视部66监视燃料电池组20的阴极处的燃料气体的异常产生。在此，对阴极处的燃料气体的异常产生进行说明。在燃料电池组20中，若在阳极处离子化的燃料气体经由电解质膜而向阴极移动并与电子再结合，则在阴极产生燃料气体。这样的阴极处的燃料气体的产生容易在相对于阴极的氧化剂气体的供给量不足的情况下产生。在燃料气体是氢的情况下，在该阴极处产生的燃料气体也被称作“泵氢”。以下的说明中的“在阴极处产生的燃料气体”也能够改说成“泵氢”。监视部66将阴极处的超过容许量的燃料气体的产生作为阴极处的燃料气体的异常产生而检测。

在本实施方式中，监视部66在由燃料气体传感器311计测的排气中的燃料气体浓度超过了预先确定的容许值时，检测出阴极处的燃料气体的异常产生。需要说明的是，在其他的实施方式中，监视部66也可以通过监视排气中的燃料气体浓度以外的方法来检测阴极处的燃料气体的异常产生。监视部66例如也可以基于估计由阴极处的燃料气体的异常产生引起的燃料电池组20的电压的变化来检测阴极处的燃料气体的异常产生。

动作控制部64在预热运转的执行中监视部66检测到阴极处的燃料气体的异常产生的情况下，执行使燃料电池组20的目标发热量下降的处理。关于其详情后述。

图5是示出二次电池96的温度特性的图。若锂离子电池等二次电池成为冰点下(尤其是-20℃(摄氏)以下)，则能够充放电的电力的幅度急剧变窄。因而，在冰点下，在燃料电池组20的发电电力相对于要求发电电力超过或不足的情况下，可能产生难以向二次电池96蓄积超过量的电力或者将不足量的电力从二次电池96放出的情况。于是，在本实施方式中，在预热运转时，以使二次电池96的充放电量处于规定的范围的方式，燃料电池组20的发电电力被控制成上述的固定电力。由此，在预热运转的执行中，能够抑制燃料电池组20的电力变动，因此能够抑制向由于低温而充放电量的容许范围变窄的二次电池96施加负荷。由此，例如，能够抑制因过剩的负荷而二次电池96的锂溶出等二次电池96的劣化的产生。

图6是示出控制部62的动作控制部64执行的启动处理的流程的说明图。启动处理在进行相对于燃料电池车辆的起动操作而指令了燃料电池系统10的运转开始时由动作控制部64执行。在步骤S10中，动作控制部64使燃料电池组20的发电开始。具体而言，动作控制部64使氧化剂气体供排系统30开始向燃料电池组20的阴极的包含氧化剂气体的空气的供给，并且使燃料气体供排系统50开始向燃料电池组20的阳极的燃料气体的供给。

在步骤S15中，动作控制部64判定是否满足了预热运转的开始条件即预热条件。如上所述，在本实施方式中，在环境温度传感器38的计测值为预先确定的温度以下的情况下，判定为满足了预热条件。在本实施方式中，预热条件的阈值温度是冰点。预热条件的阈值温度也可以是比冰点低的温度，还可以是比冰点高的冰点附近的温度。在不满足预热条件的情况下，动作控制部64不执行预热运转，结束启动处理，开始通常运转。在满足了预热条件的情况下，动作控制部64开始包括以下说明的步骤S20～S70的工序的预热运转。

在步骤S20中，动作控制部64设定预热运转中的燃料电池组20的发热量的目标值即目标发热量。当前的环境温度或燃料电池组20的温度越低，则动作控制部64将目标发热量设定为越大的值。动作控制部64在设定目标发热量时，也可以使用预先准备并保存于存储部68的映射。

在步骤S30中，动作控制部64决定用于使燃料电池组20进行目标发热量下的发热的目标动作点。这里的目标动作点意味着由燃料电池组20的目标电流值和目标电压值的组确定的设为目标的燃料电池组20的发电状态。动作控制部64使用以下说明的动作点映射OPM来求出相对于在步骤S20中设定的目标发热量Qt的目标动作点TP，并决定以该目标动作点TP使燃料电池组20发电。

图7是示出动作点映射OPM的一例的说明图。在动作点映射OPM中规定有相对于目标发热量Qt而燃料电池组20的目标电流值和目标电压值所确定的关系。该关系能够通过计测以各种发热量使燃料电池组20发电时的燃料电池组20的电流和电压而以实验的方式求出。在图7中，动由作点映射OPM规定的关系表示为示出以按照目标发热量Qa、Qb、Qc(Qa>Qb>Qc)发热的方式使燃料电池组20发电时的燃料电池组20的目标电流值和目标电压值的一对一的对应关系的曲线。在动作点映射OPM中，目标发热量Qt越大，则相对于目标发热量Qt确定的目标电流值的范围越向电流轴的正的方向转移。

在此，在图7中，表示在预热运转时动作控制部64使燃料电池组20输出的固定电力的等功率线PL由单点划线图示。燃料电池组20的目标动作点TP相当于目标发热量Qt的曲线与等功率线PL的交点。需要说明的是，燃料电池组20根据其温度而I-V特性变化，因此等功率线PL根据燃料电池组20的温度而变化。因而，相对于目标发热量Qt的目标动作点TP根据燃料电池组20的温度而变化。动作控制部64在决定目标动作点TP时，求出与燃料电池组20的当前的温度对应的等功率线PL，取得该等功率线PL上的目标动作点TP。

在步骤S40中，动作控制部64以在步骤S30中决定出的与目标发热量Qt对应的目标动作点TP使燃料电池组20运转。更具体而言，动作控制部64以使燃料电池组20的电流成为在步骤S30中决定出的目标动作点TP下的目标电流值的方式，将该目标电流值设定为相对于电流控制电路95的电流指令值。由此，燃料电池组20的电流被向目标电流值调整，燃料电池组20的电压也被向目标电压值调整。

在步骤S50中，动作控制部64判定是否由监视部66检测到阴极处的燃料气体的异常产生。在检测到阴极处的燃料气体的异常产生的情况下，动作控制部64在步骤S60中，开始使目标发热量Qt下降而变更目标动作点的动作点变更处理的执行。关于动作点变更处理后述。

在步骤S50中未检测到阴极处的燃料气体的异常产生的情况下，或者在步骤S60的动作点变更处理的执行后，动作控制部64在步骤S70中判定是否完成预热运转。动作控制部64判定是否满足了预先确定的预热完成条件。在本实施方式中，预热完成条件在燃料电池组20的温度为预先确定的阈值温度以上的情况下满足。需要说明的是，在其他的实施方式中，预热完成条件例如也可以设为在燃料电池组20以外的系统辅机类的温度成为了阈值温度以上时满足。另外，预热完成条件还可以设为在经过了根据目标发热量求出的预热完成时间时满足。

动作控制部64在满足了预热完成条件的情况下，完成预热运转，结束启动处理。动作控制部64在启动处理的结束后，开始燃料电池组20的通常运转。另一方面，在不满足预热完成条件的情况下，动作控制部64返回步骤S40，继续相对于当前的目标发热量Qt的目标动作点TP下的燃料电池组20的发电。动作控制部64直到在步骤S70中满足预热完成条件为止以规定的控制周期反复执行步骤S50的阴极处的燃料气体的异常产生的判定。需要说明的是，在预热运转持续的期间，相对于目标发热量Qt的目标动作点TP下的目标电流值及目标电压值以与伴随于燃料电池组20的升温的I-V特性的变化对应的方式，根据燃料电池组20的当前的温度而更新。

图8是示出动作点变更处理的流程的说明图。动作点变更处理是用于通过变更燃料电池组20的目标动作点TP而使在阴极处产生的燃料气体减少从而抑制燃料电池组20的升温效率的下降的处理。在步骤S100中，动作控制部64使目标发热量Qt的值比当前设定的目标发热量Qt下降。动作控制部64例如将从当前的目标发热量Qt减去预先确定的下降量ΔQ而得到的值设定为新的目标发热量Qt。

在步骤S110中，动作控制部64与在图6的步骤S30中说明的内容同样，使用图7的动作点映射OPM来决定与下降后的目标发热量Qt相应的新的目标动作点TP。在接下来的步骤S120～S170中，执行用于使得燃料电池组20能够向在步骤S110中决定出的目标动作点TP下的发电状态顺畅地转变的过渡控制。

参照图9来说明步骤S120～S170中的过渡控制。在图9中，在表示在图7中说明的动作点映射OPM的曲线上示意性地例示了在步骤S120～S170的过渡控制的执行中燃料电池组20的动作点迁移的情形。在图9的例子中，检测到阴极处的燃料气体的异常产生时的目标发热量Qt是Qo，相对于该Qo设定的目标动作点TP表示为TPo。另外，在步骤S100中下降后的目标发热量Qt是Qn，相对于该Qn设定的目标动作点TP表示为TPn。以下，将Qo称作“变更前发热量Qo”，将TPo称作“变更前动作点TPo”，将Qn称作“变更后发热量Qn”，将TPn称作“变更后动作点TPn”。

在步骤S120中，动作控制部64设定迂回电流值Ip。迂回电流值Ip是比变更后动作点TPn下的目标电流值即变更后目标电流值It小的电流值。动作控制部64将从变更后目标电流值It减去预先确定的下降量ΔI而得到的值设定为迂回电流值Ip。

在步骤S130中，动作控制部64将迂回电流值Ip设定为相对于电流控制电路95的电流指令值，使电流控制电路95将燃料电池组20的电流从变更前动作点TPo下的目标电流值Ic下降至迂回电流值Ip。由此，燃料电池组20的动作点向目标电流值是迂回电流值Ip的等功率线PL上的迂回动作点TPp迁移。通过这样使燃料电池组20的电流急速且大幅地下降至迂回电流值Ip，能够使向阴极的燃料气体离子(在本实施方式中是质子)的传导量急速减少。由此，能够使阴极处的燃料气体的产生迅速地延缓，能够促进来自阴极的燃料气体的排出。

在步骤S140中，动作控制部64执行使燃料电池组20的动作点从迂回动作点TPp向变更后动作点TPn迁移的控制。动作控制部64执行将燃料电池组20的电力维持为固定电力并使燃料电池组20的电流从迂回电流值Ip逐渐增大至变更后目标电流值It的电流控制。在该电流控制中，动作控制部64使相对于电流控制电路95的电流指令值以不超过燃料电池组20的响应速度的规定的速度增大至变更后目标电流值It。

动作控制部64在使燃料电池组20的电流从迂回电流值Ip增大至变更后目标电流值It的期间，定期地执行步骤S150的判定处理。在步骤S150中，动作控制部64判定燃料电池组20的电压是否超过容许范围而下降。这里的容许范围是能够抑制燃料电池组20的发电状态变得不稳定的预先以实验的方式求出的范围。动作控制部64在电压传感器91的计测值为预先确定的第一阈值Va以下的情况下，认为燃料电池组20的电压超过容许范围而下降，执行后述的步骤S160的待机控制。动作控制部64在电压传感器91的计测值比第一阈值Va大的情况下，将使燃料电池组20的电流增大的控制原样继续。

在步骤S170中，在燃料电池组20的电流指令值被设定为变更后目标电流值It且燃料电池组20的动作点到达了变更后动作点TPn的情况下，动作控制部64结束动作点变更处理，返回图6的启动处理。之后，动作控制部64直到在图6的步骤S70中满足预热完成条件为止，将变更后动作点TPn设为目标动作点TP而继续预热运转。

在此，在动作点变更处理中燃料电池组20的目标发热量Qt下降后，直到预热运转完成为止，目标发热量Qt不会被设定得高。因而，能够抑制因目标发热量Qt上下变动而燃料电池组20的发电条件频繁变更从而燃料电池组20的发电状态变得不稳定。由此，能够抑制因燃料电池组20的发电量变动而向在低温环境下充放电量的容许范围变窄的二次电池96施加负荷。另外，若在动作点变更处理中使燃料电池组20的目标发热量Qt下降后再次提高目标发热量Qt，则再次在阴极处异常产生燃料气体的风险升高。由此，通过在动作点变更处理中使燃料电池组20的目标发热量Qt下降后目标发热量Qt不被设定得高，能够抑制在预热运转中反复产生阴极处的燃料气体的异常产生。

参照图10来说明步骤S160的待机控制。图10是示出反复执行着待机控制的期间的燃料电池组20的电压和电流的时间变化的一例的说明图。

如上所述，在使燃料电池组20的电流朝向变更后目标电流值It增大的期间，在电压传感器91的计测值成为了第一阈值Va以下时，执行步骤S160的待机控制(时刻t1)。电压传感器91的计测值成为第一阈值Va以下是因为阴极处的氧化剂气体不足。动作控制部64执行在将电流控制电路95的电流指令值维持为固定的状态下待机的待机控制，等待氧化剂气体到达阴极而燃料电池组20的电压开始上升。

动作控制部64在燃料电池组20的电压上升而成为了第二阈值Vb以上时，结束待机控制，再次开始使燃料电池组20的电流增大的控制(时刻t2)。在本实施方式中，第二阈值Vb被设定为比第一阈值Va大的值。不过，在其他的实施方式中，第二阈值Vb也可以是与第一阈值Va相等的值。另外，也可以设为，在待机控制开始后，在检测到燃料电池组20的电压转为上升且变得比低于第一阈值Va的第二阈值Vb大的情况下，结束待机控制。

直到燃料电池组20的电流到达变更后目标电流值It为止，反复执行待机控制，以使燃料电池组20的电压不会大幅下降。在图10的例子中，在时刻t1～t2的第1次的待机控制后，在时刻t3～t4的期间和时刻t5～t6的期间反复执行待机控制，在时刻t7下，燃料电池组20的电流到达了变更后目标电流值It。

这样，通过在动作点变更处理的过渡控制中执行待机控制，能够抑制燃料电池组20的电压过于下降而燃料电池组20的发电状态变得不稳定。由此，与不执行待机控制的情况相比，能够使燃料电池组20的动作点更顺畅地迁移至变更后动作点TPn。

参照图9来说明在动作点变更处理中使燃料电池组20的目标发热量下降的理由。在图9中，将在阴极处燃料气体异常产生且燃料电池组20正以实际发热量QM发热时的燃料电池组20的电流和电压的实测值连结的曲线GC由虚线图示。实际发热量QM是比图9所示的变更前发热量Qo、变更后发热量Qn小的值。

在阴极处异常产生着燃料气体时，燃料电池组20的发电状态恶化，因此曲线GC与由动作点映射OPM规定的用于确定目标发热量Qt的电流·电压曲线大幅不同。另外，在阴极处异常产生着燃料气体时，燃料电池组20的发热量比通常时下降。因而，在阴极处异常产生着燃料气体的情况下，即使之前以相对于目标发热量Qt设定的目标动作点TP使燃料电池组20进行着发电，燃料电池组20中的发热量也会变得比该目标发热量Qt低。在图9的例子中，正以变更前动作点TPo发电时的燃料电池组20正以比变更前发热量Qo小的实际发热量QM发热。

在此，在检测到阴极处的燃料气体的异常产生而执行了动作点变更处理的情况下，目标发热量Qt下降。由此，燃料电池组20的电流下降，向阴极移动的燃料气体离子减少。因而，阴极处的燃料气体的产生被抑制，存在于阴极的燃料气体的减少被促进。由此，能够抑制因存在于阴极的燃料气体而燃料电池组20的发电量下降从而燃料电池组20的发热量比目标发热量Qt大幅下降。因而，能够与在使目标发热量Qt为变更前发热量Qo的状态下继续了预热运转时相比使燃料电池组20的实际发热量上升，能够抑制预热运转中的燃料电池组20的升温效率的下降。

如以上这样，根据本实施方式的燃料电池系统10，在预热运转的执行中检测到阴极处的燃料气体的异常产生的情况下，通过使目标发热量Qt下降而以使燃料电池组20的电流下降的方式变更其动作点。由此，存在于阴极的燃料气体的减少被促进，预热运转中的燃料电池组的升温效率的下降被抑制。

2.其他的实施方式：

在上述实施方式中说明的各种结构例如能够如以下这样改变。以下说明的其他的实施方式均与上述实施方式同样，作为用于实施本公开的技术的方式的一例而定位。

·其他的实施方式1：

动作控制部64也可以在检测到阴极处的燃料气体的异常产生而使目标发热量Qt下降后，在检测到阴极处的燃料气体的异常产生被消除的情况下，即使是预热运转完成之前，也提高目标发热量Qt而恢复为变更前的原来的值。

·其他的实施方式2：

动作控制部64在预热运转中根据目标发热量Qt来控制燃料电池组20的电流时，也可以不使用动作点映射OPM。动作控制部64例如也可以将燃料电池组20的电流控制为相对于目标发热量Qt唯一地确定的目标电流值。另外，动作控制部64在使燃料电池组20的电流下降时，也可以不执行在图8中说明的过渡控制、待机控制。

·其他的实施方式3：

动作控制部64在预热运转中，也可以不使氧化剂气体的化学计量比比燃料电池组20的通常运转时降低。动作控制部64在预热运转中，也可以将氧化剂气体的化学计量比控制成与燃料电池组20的通常运转时的化学计量比相同的化学计量比或比其大的化学计量比。

3.其他：

在上述实施方式中，由软件实现的功能及处理的一部分或全部也可以由硬件实现。另外，由硬件实现的功能及处理的一部分或全部也可以由软件实现。作为硬件，例如能够使用集成电路、分立电路或组合这些电路而得到的电路模块等各种电路。

本公开不限于上述的实施方式，能够在不脱离其主旨的范围内以各种结构实现。例如，与发明内容一栏所记载的各方式中的技术特征对应的实施方式的技术特征能够为了解决上述的课题的一部分或全部或者为了达成上述的效果的一部分或全部而适当进行替换、组合。另外，只要该技术特征在本说明书中未被说明为必须的技术特征，就能够适当删除。

Claims (6)

1.一种燃料电池系统，其中，具备：

燃料电池组，具备阳极和阴极；

氧化剂气体供给系统，向所述阴极供给氧化剂气体；

燃料气体供给系统，向所述阳极供给燃料气体；

电流控制电路，用于调节所述燃料电池组的输出电流；

控制部，控制所述燃料电池组的发电和所述电流控制电路的输出电流，通过控制所述电流控制电路而调节所述输出电流来调节所述燃料电池组的发热量；及

监视部，对超过预先确定的容许量的所述燃料气体存在于所述阴极的状态即燃料气体异常产生进行监视，

所述控制部在以预先设定的目标发热量使所述燃料电池组发热的预热运转的执行中所述监视部检测到所述燃料气体异常产生的情况下，通过使所述目标发热量下降而使所述输出电流下降。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，

所述控制部在所述预热运转的执行中通过使所述目标发热量下降而使所述输出电流下降的情况下，

直到所述预热运转完成为止，不设定比下降后的所述目标发热量高的所述目标发热量。

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，

所述控制部在所述预热运转的执行中，使用以所述目标发热量使所述燃料电池组发热所需的所述输出电流与所述燃料电池组的输出电压之间的关系，以使所述燃料电池组的输出电力成为预先确定的固定电力的方式调节所述输出电流，

所述控制部在所述预热运转的执行中所述监视部检测到所述燃料气体异常产生的情况下，使所述输出电流下降至变更后目标电流值，该变更后目标电流值根据用于使所述目标发热量下降的变更后发热量和所述固定电力而使用所述关系确定。

4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，

还具备用于计测所述输出电压的电压传感器，

所述控制部进一步在所述预热运转的执行中，在使所述输出电流下降至所述变更后目标电流值之前，执行在使所述输出电流下降至比所述变更后目标电流值低的迂回电流值后增大至所述变更后目标电流值的过渡控制，

所述控制部在所述过渡控制的执行中，在使所述输出电流从所述迂回电流值增大至所述变更后目标电流值的期间所述电压传感器的计测值比预先确定的阈值下降的情况下，执行将向所述电流控制电路输入的电流指令值维持为固定值的待机控制。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的燃料电池系统，

所述控制部在所述预热运转中，与所述燃料电池组的通常运转时相比使所述氧化剂气体的化学计量比降低。

6.一种燃料电池系统的控制方法，是具备燃料电池组的燃料电池系统的控制方法，其中，

通过向所述燃料电池组的阴极供给氧化剂气体且向所述燃料电池组的阳极供给燃料气体而开始所述燃料电池组的发电，

开始以预先设定的所述燃料电池组的目标发热量使所述燃料电池组发热的预热运转，

在所述预热运转的执行中超过预先确定的容许量的所述燃料气体存在于所述阴极的情况下，通过使所述目标发热量下降而使所述输出电流下降。

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