CN113540530B - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池系统。一种燃料电池系统包含燃料电池堆和控制装置，该控制装置基于由电压传感器测量的测量电压值而控制燃料电池系统的操作。当燃料电池系统启动并且由温度传感器测量的值等于或小于预先确定的温度时，控制装置通过在电流扫描开始之前向阴极供应氧化剂气体来升高燃料电池堆的电压，直到满足预先确定的电压条件为止。控制装置设定电压命令值和电流命令值，以使得当使操作点在过渡时段的至少一部分中过渡时，燃料电池堆的操作点处于燃料电池堆的相等功率线上。

Description

燃料电池系统
技术领域
本公开涉及燃料电池系统的技术。
背景技术
迄今已知一种燃料电池系统，在该燃料电池系统中，在与正常发电期间相比供应到阴极的氧化剂气体的量减少的情况下执行预热操作(例如，第6187774号日本专利)。
发明内容
在现有技术中，当燃料电池系统执行预热操作时，设定上限电流和下限电流，并且将电流目标值设定为电流命令值，以在电流目标值处于上限电流与下限电流之间的范围外时，使得电流目标值落入上限电流与下限电流之间的范围内。此外，在现有技术中，将受到限制以便限制由于泵氢而从燃料电池堆排放的氢气浓度的上升的电流值用作指标来设定上限电流。然而，在过渡到由用于燃料电池堆的目标电流值和目标电压值确定的目标操作点之前的过渡时段，氧化剂气体可能短缺，并且泵氢可能在燃料电池的阴极处产生。当泵氢在燃料电池中产生时，由于泵氢，没有向阴极的催化剂的表面供应充足的氧化剂气体，并且因此极其可能泵氢也在此后产生。当泵氢在阴极处产生时，从阴极排放的气体中的氢气的浓度可能较高。此外，燃料电池系统包含将利用燃料电池堆产生的电力充电并将该电力放电的二次电池。例如，当外部空气温度低于冰点时，执行预热操作。取决于二次电池的类型，充电/放电量的可允许范围可能在低于冰点的温度下受到限制。因此，当在低于冰点的温度下执行预热操作时，有时难以将二次电池的充电/放电量控制在可允许范围内，即，在特定范围内。术语“泵氢(pumping hydrogen)”是指在预热操作期间，由于阴极处的氧气的短缺而通过氢离子和从阳极传导的电子的复合在阴极处产生的氢气。
本公开可以在以下方面实施。
本公开的一个方面提供了一种燃料电池系统。该燃料电池系统包含：燃料电池堆，其具有多个堆叠的燃料电池，该多个堆叠的燃料电池各自具有阳极和阴极；电压传感器，其被配置成测量燃料电池堆的电压；氧化剂气体供应系统，其被配置成向阴极供应含有氧气的氧化剂气体；燃料气体供应系统，其被配置成向阳极供应燃料气体；温度传感器，其被配置成测量与燃料电池系统相关的温度；二次电池，其被配置成用燃料电池堆产生的电力充电并将该电力放电；以及控制装置，其被配置成基于由电压传感器测量的测量电压值而控制燃料电池系统的操作，其中：控制装置被配置成：当燃料电池系统启动并且由温度传感器测量的值等于或小于预先确定的温度时，通过在开始从燃料电池堆的电流扫描之前使氧化剂气体供应系统操作并向阴极供应氧化剂气体，来升高燃料电池堆的电压，直到满足预先确定的电压条件为止，并且通过在测量电压值满足电压条件时开始电流扫描，来执行升高燃料电池堆的温度的预热操作；并且控制装置被配置成当执行预热操作时，设定电压命令值和电流命令值，以使得当使由燃料电池堆的电压值和电流值确定的操作点在预热操作期间在从电流扫描的开始直到操作点达到由目标电压值和目标电流值确定的目标操作点为止的过渡时段的至少一部分中过渡时，该操作点处于燃料电池堆的相等功率线上，该相等功率线指示与燃料电池堆的所需发电电力相同的发电电力。利用这方面，通过在测量电压值满足预先确定的电压条件之后开始电流扫描，可以在将充足氧气提供到燃料电池堆的阴极之后执行预热操作。因此，可以降低在预热操作期间由于阴极处的氧气的缺乏而产生泵氢的可能性。此外，控制装置设定电压命令值和电流命令值，以使得当使操作点在过渡时段中过渡时，操作点在相等功率线上，并且因此由燃料电池堆产生的实际电力与所需发电电力的偏差可以受到抑制。因此，二次电池的充电/放电量可以被控制在某个范围内。利用上述方面，如上所述，二次电池的充电/放电量可以被控制在某个范围内，同时降低了产生泵氢的可能性。
在上述方面中，控制装置可以被配置成：在过渡时段的、从当测量电压值已变得等于或小于预先确定的切换电压值的时间直到测量电压值达到目标操作点的目标电压值的时间为止的切换后时段中，执行正常电流控制，在该正常电流控制中电流命令值以预先确定的比例升高到目标电流值；当执行正常电流控制并且测量电压值达到小于电压命令值的控制开始电压值时，中断正常电流控制并执行待机控制，在该待机控制中电流命令值保持恒定；并且在待机控制的执行期间，当测量电压值达到等于或大于电压命令值的许可电压值时，通过许可电流命令值的改变来结束待机控制并恢复正常电流控制。利用这方面，在切换后时段中，执行正常电流控制，并且因此可以抑制过度电流扫描的执行。此外，利用这方面，当执行正常电流控制并且测量电压值达到控制开始电压值时，可以通过执行待机控制来抑制阴极处的氧气的短缺。因此，可以抑制泵氢的产生。
在上述方面中，电压传感器可以被配置成测量燃料电池堆的总电压；并且电压条件可以是作为由电压传感器测量的测量电压值的总电压的值已变得大于预先确定的参考电压值的条件。利用这方面，可以基于燃料电池堆的总电压的值来确定是否满足预先确定的电压条件。
在上述方面中，可以在燃料电池堆叠的堆叠方向上的燃料电池堆的第一端部部分侧上执行氧化剂气体到燃料电池堆的供应；电压传感器可以被配置成测量作为燃料电池当中的燃料电池的端部部分侧燃料电池的电压，端部部分侧燃料电池被定位在与第一端部部分侧相反的第二端部部分侧上；并且电压条件可以是作为由电压传感器测量的测量电压值的端部部分侧燃料电池的电压值已变得大于预先确定的端部部分侧参考电压值的条件。利用这方面，即使燃料电池堆在堆叠方向上非常长以致于氧化剂气体花费相当长的时间到达第二端部部分侧，也可以通过确定第二端部部分侧上的电压值是否满足预先确定的电压条件来进一步抑制泵氢的产生。与燃料电池堆的第一端部部分侧相比，氧化剂气体到燃料电池堆的第二端部部分侧的供应被延迟，并且因此，与第一端部部分侧相比，因氧化剂气体的供应所致的第二端部部分侧上的电压上升倾向于被延迟。因此，可以通过确定电压上升倾向于被延迟的第二端部部分侧上的电压值是否满足预先确定的电压条件来进一步抑制泵氢的产生。
本公开可以按各种形式实施。除了上述燃料电池系统之外，本公开可以按用于燃料电池系统的控制方法、使计算机执行控制方法的计算机程序、存储计算机程序的非暂时性存储介质等的形式实施。
附图说明
将在下文参照附图来描述本发明的示范性实施例的特征、优点和技术与工业意义，其中相似附图标记表示相似元件，并且其中：
图1图示了燃料电池系统的示意性配置；
图2图示了燃料电池系统的详细配置；
图3是图示了燃料电池系统的电气配置的概念图；
图4是控制装置的内部框图；
图5指示了二次电池的温度特性；
图6是图示了燃料电池系统的启动处理的流程图；
图7是图示了操作点过渡处理的流程图；
图8是图示了燃料电池堆的电压与电流之间的关系的第一曲线图；
图9是图示了燃料电池堆的电压与电流之间的关系的第二曲线图；以及
图10是图示了根据第二实施例的燃料电池系统10的启动处理的流程图。
具体实施方式
A.第一实施例
图1图示了燃料电池系统10的示意性配置。燃料电池系统10例如安装在燃料电池电动车辆12上，并且用作驱动燃料电池电动车辆12的驱动电动机的发电装置。燃料电池系统10包含燃料电池堆116、燃料气体供应/排放系统50、氧化剂气体供应/排放系统30和制冷剂循环系统70。
燃料电池堆116包含多个燃料电池11和一对端部端子110和120。燃料电池11各自呈板形状，并且在对应于厚度方向的堆叠方向SD上堆叠。燃料电池11各自是被供应作为反应气体的氧化剂气体和燃料气体以通过氧气和氢气之间的电化学反应而产生电力的固体聚合物燃料电池。在本实施例中，氧化剂气体是含有氧气的空气，并且燃料气体是氢气。燃料电池11各自是可以自身产生电力的发电元件。燃料电池11各自包含膜电极组件以及夹着膜电极组件的两个隔板。膜电极组件具有电解质膜、布置在电解质膜的一个表面上的阳极以及布置在电解质膜的另一表面上的阴极。开口部分(未图示)设置在燃料电池11中的每一个的外周端部部分处，以形成允许已经经过发电部分的反应气体和反应废气的流动的歧管Mfa。歧管Mfa分支并连接到燃料电池11的发电部分。此外，开口部分(未图示)设置在燃料电池11中的每一个的外周端部部分处，以形成允许制冷剂的流动的歧管Mfb。
端部端子110和120在堆叠方向SD上布置在燃料电池11的相对端部部分处。具体来说，第一端部端子110定位在燃料电池堆116的第一端部部分处，并且第二端部端子120定位在燃料电池堆116的与第一端部部分相对的第二端部部分处。第一端部端子110具有作为形成歧管Mfa和歧管Mfb的通孔而形成的开口部分115。另一方面，第二端部端子120不具有作为形成歧管Mfa和歧管Mfb的通孔而形成的开口部分115。也就是说，燃料气体、氧化剂气体和制冷剂仅在堆叠方向SD上被供应到燃料电池堆116的第一侧并从其排放。在多个燃料电池11当中，定位在第二端部部分侧上的燃料电池11也被称为“端部部分侧燃料电池11e”。在本实施例中，端部部分侧燃料电池11e包含最靠近第二端部部分而定位的燃料电池11。
燃料气体供应/排放系统50具有燃料气体供应功能、燃料气体排放功能和燃料气体循环功能。燃料气体供应功能是将燃料气体供应到燃料电池11的阳极的功能。燃料气体排放功能是将从燃料电池11的阳极排放的燃料气体(也称为“燃料废气”)排放到外部的功能。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。
氧化剂气体供应/排放系统30包含将氧化剂气体供应到燃料电池11的阴极的氧化剂气体供应功能、将从燃料电池11的阴极排放的氧化剂气体(也称为“氧化剂废气”)排放到外部的氧化剂气体排放功能以及不经由燃料电池11而将所供应的氧化剂气体排放到外部的旁路功能。
制冷剂循环系统70使制冷剂循环穿过燃料电池堆116，以调整燃料电池堆116的温度。制冷剂的示例包含诸如乙二醇的防冻溶液和诸如水的液体。
图2图示了燃料电池系统10的详细配置。在图2中，被供应到燃料电池堆116以及从燃料电池堆116排放的燃料气体、氧化剂气体和制冷剂的方向由箭头指示。除了上文所论述的燃料电池堆116、氧化剂气体供应/排放系统30、燃料气体供应/排放系统50和制冷剂循环系统70之外，燃料电池系统10还具有控制装置60。控制装置60控制燃料电池系统10的操作。稍后将详细论述控制装置60。
氧化剂气体供应/排放系统30包含氧化剂气体供应系统30A和氧化剂气体排放系统30B。氧化剂气体供应系统30A将氧化剂气体供应到燃料电池堆116的阴极。氧化剂气体供应系统30A具有氧化剂气体供应路径302、作为温度传感器的外部空气温度传感器38、空气清洁器31、压缩机33、电动机34、中间冷却器35和第一压力调节阀36。
氧化剂气体供应路径302是布置在燃料电池堆116上游以在外部与燃料电池堆116的阴极之间连通的管道。外部空气温度传感器38测量与燃料电池系统10相关的温度。具体来说，外部空气温度传感器38测量将被吸入空气清洁器31中的、作为氧化剂气体的空气的温度，即，作为环境温度的外部空气温度。外部空气温度传感器38的测量的结果被传输到控制装置60。空气清洁器31在氧化剂气体供应路径302中设置在压缩机33上游，并且移除将供应到燃料电池堆116的氧化剂气体中的异物。压缩机33在氧化剂气体供应路径302中设置在燃料电池堆116上游，并且根据来自控制装置60的指令而朝向阴极排放压缩空气。压缩机33由根据来自控制装置60的指令而操作的电动机34驱动。中间冷却器35在氧化剂气体供应路径302中设置在压缩机33下游。中间冷却器35冷却已被压缩机33压缩而变热的氧化剂气体。第一压力调节阀36是电磁阀或电动阀。第一压力调节阀36调节从氧化剂气体供应路径302朝向燃料电池堆116引导的氧化剂气体的流速，其中第一压力调节阀36的开度由控制装置60调节。
氧化剂气体排放系统30B将已流经阴极的氧化剂气体排放到外部。氧化剂气体排放系统30B具有氧化剂气体排放路径308、旁路路径306、第二压力调节阀37和第三压力调节阀39。氧化剂气体排放路径308是将从燃料电池堆116的阴极排放的氧化剂气体(也称为“氧化剂废气”)以及已流经旁路路径306的氧化剂气体排放到外部的管道。第二压力调节阀37是电磁阀或电动阀。第二压力调节阀37调节燃料电池堆116的阴极侧流动路径中的背压，其中第二压力调节阀37的开度由控制装置60调节。第二压力调节阀37在氧化剂气体排放路径308中布置在旁路路径306连接到氧化剂气体排放路径308的位置的上游。消声器310布置在氧化剂气体排放路径308的下游端部部分处。
第三压力调节阀39布置在旁路路径306中。第三压力调节阀39是电磁阀或电动阀。第三压力调节阀39调节流经旁路路径306的氧化剂气体的流速，其中第三压力调节阀39的开度由控制装置60调节。旁路路径306是不通过燃料电池堆116而连接在氧化剂气体供应路径302与氧化剂气体排放路径308之间的管道。
燃料气体供应/排放系统50包含燃料气体供应系统50A、燃料气体循环系统50B和燃料气体排放系统50C。
燃料气体供应系统50A将燃料气体供应到燃料电池堆116的阳极。燃料气体供应系统50A包含燃料气体罐51、燃料气体供应路径501、开/关阀52、调节器53、喷射器54和压力传感器59。例如，燃料气体罐51存储高压氢气。燃料气体供应路径501是连接到燃料气体罐51和燃料电池堆116以允许从燃料气体罐51朝向燃料电池堆116被引导的燃料气体流过其中的管道。当阀打开时，开/关阀52允许燃料气体罐51中的燃料气体向下游流动。调节器53在控制装置60的控制下调节喷射器54上游的燃料气体的压力。喷射器54在燃料气体供应路径501中布置在稍后将论述的燃料气体循环路径502在燃料气体供应路径501处汇合的位置的上游。喷射器54是根据由控制部62设定的驱动时段和阀打开时间而电磁驱动的开/关阀，并且调节将供应到燃料电池堆116的燃料气体的量。压力传感器59测量喷射器54下游的燃料气体供应路径501的内部压力(燃料气体的供应压力)。测量结果被传输到控制装置60。
燃料气体循环系统50B将从燃料电池堆116排放的燃料气体(也称为“燃料废气”)再次循环到燃料气体供应路径501。燃料气体循环系统50B具有燃料气体循环路径502、气液分离器57、循环泵55和电动机56。燃料气体循环路径502是连接到燃料电池堆116和燃料气体供应路径501以允许朝向燃料气体供应路径501被引导的燃料废气流过其中的管道。气液分离器57设置在燃料气体循环路径502中，并将液态水与混合有液态水的阳极废气分离。循环泵55驱动电动机56以使燃料气体循环路径502中的阳极废气朝向燃料气体供应路径501循环。
燃料气体排放系统50C将由燃料电池堆116通过发电产生的阳极废气和液态水排放到外部。燃料气体排放系统50C具有空气排放/水排放路径504和空气排放/水排放阀58。空气排放/水排放路径504是在排放液态水的气液分离器57的排放口与外部之间连通的管道。
空气排放/水排放阀58布置在空气排放/水排放路径504中，并且接通和关断空气排放/水排放路径504。空气排放/水排放阀58的示例包含隔膜阀。在燃料电池系统10的正常操作期间，控制装置60指示空气排放/水排放阀58在预先确定的定时接通。
制冷剂循环系统70包含制冷剂循环路径79、制冷剂循环泵74、电动机75、散热器72、散热器风扇71和堆温度传感器73。
制冷剂循环路径79具有制冷剂供应路径79A和制冷剂排放路径79B。制冷剂供应路径79A是将制冷剂供应到燃料电池堆116的管道。制冷剂排放路径79B是从燃料电池堆116排放制冷剂的管道。制冷剂循环泵74由电动机75驱动，以将制冷剂供应路径79A中的制冷剂馈送到燃料电池堆116。散热器风扇71将空气馈送到散热器72，以耗散热量并冷却在散热器72内部流动的制冷剂。堆温度传感器73测量与燃料电池系统10相关的温度。具体来说，堆温度传感器73测量制冷剂排放路径79B中的制冷剂的温度。测量制冷剂的温度的结果被传输到控制装置60。控制装置60将由堆温度传感器73测量的温度用作燃料电池堆116的温度来控制燃料电池系统10的操作。制冷剂循环系统70可以包含加热制冷剂的加热器。替代性地，代替外部空气温度传感器38，堆温度传感器73可以用作发明内容中所述的温度传感器。
图3是图示了燃料电池系统10的电气配置的概念图。燃料电池系统10包含燃料电池直流/直流转换器(FDC)95、直流/交流(DC/AC)逆变器98、电压传感器91和电流传感器92。
电压传感器91用于测量燃料电池堆116的电压。电压传感器91连接到燃料电池堆116的所有燃料电池11中的每一个，并且测量所有燃料电池11中的每一个的电压。电压传感器91将测量结果传输到控制装置60。通过对由电压传感器91测量的所有燃料电池11的电压求和而获得燃料电池堆116的总电压。代替电压传感器91，燃料电池系统10可以具有测量燃料电池堆116的两个端部的电压的电压传感器。在这种情况下，两个端部的测量电压值被用作燃料电池堆116的总电压。电流传感器92测量从燃料电池堆116输出的电流的值，并将测量结果传输到控制装置60。
FDC 95是被配置为直流/直流(DC/DC)转换器的电路。FDC 95基于从控制装置60传输的电压命令值而控制燃料电池堆116的输出电压。FDC 95还基于从控制装置60传输的电流命令值而控制燃料电池堆116的输出电流。电流命令值是作为燃料电池堆116的输出电流的目标值的值，并且由控制装置60设定。例如，控制装置60通过基于燃料电池堆116的所需发电电力而计算所需电流值来产生电流命令值。
DC/AC逆变器98连接到燃料电池堆116和诸如驱动电动机的负载255。DC/AC逆变器98将从燃料电池堆116输出的DC电力转换为将供应到负载255的AC电力。
燃料电池系统10还包含二次电池96和电池直流/直流转换器(BDC)97。二次电池96例如由锂离子电池构成，并且充当辅助电源。此外，二次电池96将电力供应到负载255，并利用燃料电池堆116产生或再生的电力充电。也就是说，二次电池96用于利用燃料电池堆116产生的电力充电并将该电力放电。
BDC 97是与FDC 95一起构成为DC/DC转换器的电路，并且根据来自控制装置60的指令而控制二次电池96的充电和放电。BDC 97测量二次电池96的充电状态(SOC：剩余容量)，并将测量结果传输到控制装置60。
图4是控制装置60的内部框图。控制装置60包含由随机存取存储器(RAM)或只读存储器(ROM)构成的存储部68和控制部62。控制部62例如基于由电压传感器91测量的测量电压值Vt而控制燃料电池系统10的操作。
存储部68存储将由控制部62执行的各种程序。控制部62执行存储部68中的各种程序，以充当操作控制部64和电压条件确定部66。操作控制部64根据测量电压值Vt等而控制燃料电池系统10的操作。当接通燃料电池系统10的启动开关以启动燃料电池系统10并执行其中燃料电池堆116的温度通过低效率操作而快速升高的预热操作时，电压条件确定部66起作用。例如，当外部空气温度传感器38的测量值指示温度低于冰点时，执行预热操作。术语“预热操作(warm-up operation)”指以下操作状态：使用燃料电池堆116产生的热而升高燃料电池堆116的温度，以使得燃料电池堆116的温度达到预先确定为稳定状态的目标温度(例如，65℃)。在预热操作中，将供应到燃料电池堆116的氧化剂气体的化学计量比被设定为小于稳定状态下的化学计量比，并且燃料电池堆116的发电损耗由于增大氧浓度过电压而增加。“氧化剂气体的化学计量比”是指实际供应氧气量与产生所需发电电力所需的最小氧气量之比。在本实施例中，预热操作期间的氧化剂气体的化学计量比为约1.0。电压条件确定部66确定是否满足针对通过开始与从燃料电池堆116汲取电流相对应的电流扫描来执行预热操作而预先确定的电压条件。这稍后将会详细论述。
图5指示了二次电池96的温度特性。当温度低于冰点、特别是-20℃(摄氏度)或更低时，可以对诸如锂离子电池的二次电池充电和从其放电的电力受到极大限制。因此，当燃料电池堆116产生的电力超过或低于所需发电电力时，可能难以将二次电池96用过量的电力充电或将该电力放电以补充二次电池96的短缺。因此，当外部空气温度传感器38的测量值指示温度低于冰点、特别是-20℃或更低时，优选控制燃料电池系统10，以使得燃料电池堆116产生的电力不会显著偏离所需发电电力。
图6是图示了燃料电池系10的启动处理的流程图。图7是图示了操作点过渡处理的流程图。图8是图示了从启动处理的开始直到达到目标操作点Pg为止的燃料电池堆116的电压(总电压)与电流之间的关系的第一曲线图。图9是图示了从启动处理的开始起直到达到目标操作点Pg为止的燃料电池堆116的电压(总电压)与电流之间的关系的第二曲线图。图8所指示的虚线是相等功率线PL，该相等功率线连接指示与燃料电池堆116的特定所需发电电力(例如，在目标操作点Pg处的所需发电电力)相同的发电电力的操作点。当接通燃料电池系统10的启动开关时，触发图6所指示的启动处理。
如图6所图示，控制部62确定是否存在预热请求(步骤S10)。在本实施例中，当外部空气温度传感器38的测量值指示预先确定的温度或更低时，控制部62确定存在预热请求。例如，预先确定的温度可以是冰点，或者可以是低于冰点的温度。当确定没有预热请求时(步骤S10：否)，控制部62结束启动处理。在启动处理结束之后，控制部62执行例如使燃料电池堆116根据来自负载255的请求而产生电力的正常发电处理。
另一方面，当确定存在预热请求时(步骤S10：是)，在通过开始电流扫描而执行预热操作之前，操作控制部64通过控制包含氧化剂气体供应系统30A的氧化剂气体供应/排放系统30，而开始将含有氧气的氧化剂气体供应到燃料电池11中的每一个的阴极(步骤S20)。因此，燃料电池堆116的电压升高，直到满足预先确定的电压条件为止。此外，在步骤S20中，控制部62通过控制燃料气体供应/排放系统50，而开始以预先确定的流速将燃料气体供应到燃料电池11中的每一个的阳极。此外，在步骤S20中，控制部62通过控制制冷剂循环系统70的操作而开始使制冷剂循环。
预先确定的电压条件被设定为以下条件：在该条件下，当执行预热操作时，可以通过从燃料电池11中的每一个的阳极传导到阴极的氢离子与存在于阴极处的氧气结合，而抑制阴极处的氢气的复合。也就是说，预先确定的电压条件被设定为以下电压条件：可以确定存在足以与传导到阴极的氢离子结合的氧气。在本实施例中，预先确定的电压条件是根据燃料电池堆116的总电压值而规定的，并且是表示电压传感器91的总电压值的测量电压值(总测量电压值)Vt已超过预先确定的参考电压值Vs的条件。例如，参考电压值Vs是Vc×Ln。Vc是每个燃料电池11的电池参考电压值。Ln是堆叠的燃料电池11的数量。Vc被设定为可以确定已将充足氧气供应到燃料电池11的阴极的值，例如，0.88V或更高。Vc的上限是可以抑制燃料电池11的催化剂层的劣化的值。在本实施例中，Vc被设定为0.88V。
在步骤S20之后，电压条件确定部66确定电压传感器91的测量电压值Vt是否已超过参考电压值Vs(步骤S30)。当测量电压值Vt等于或小于参考电压值Vs时(步骤S30：否)，操作控制部64在步骤S20中继续该处理，而不中断该处理。另一方面，当测量电压值Vt已变得大于参考电压值Vs时(步骤S30：是)，操作控制部64许可进行从燃料电池堆116的电流扫描(步骤S40)，并且开始操作点过渡处理(步骤S50)。也就是说，当许可进行电流扫描时，开始步骤S50中的操作点过渡处理中的电流扫描。
操作点过渡处理是作为预热操作的一部分的处理。如图8中箭头的方向所指示，操作点过渡处理是在从电流扫描开始直到燃料电池堆116的操作点达到由燃料电池堆116的目标电压值Vg和目标电流值Ig确定的目标操作点Pg为止的时段(过渡时段)期间执行的处理。控制部62设定电压命令值和电流命令值，以使得当使由燃料电池堆116的电压值和电流值确定的操作点在过渡时段的至少一部分中过渡时，该操作点处于相等功率线PL上，该相等功率线PL指示与燃料电池堆116的所需发电电力相同的发电电力。在本实施例中，电压命令值和电流命令值被设定成使得在过渡时段中当测量电压值Vt已变得等于或小于切换电压值Vsw之后使操作点过渡时，操作点处于相等功率线PL上。在另一实施例中，电压命令值和电流命令值可以被设定成使得当使操作点在整个过渡时段中过渡时，操作点处于相等功率线PL上。在操作点过渡处理之后，执行预热操作，直到在目标操作点Pg处达到预先确定的目标温度为止。
在描述步骤S50中的操作点过渡处理的细节之前，将参照图9描述直到步骤S40中的电流扫描的许可为止的处理的内容。在时间t0，确定存在预热请求，并且开始将氧化剂气体供应到燃料电池11中的每一个的阴极。当将氧化剂气体供应到阴极时，燃料电池堆116的总电压升高。在本实施例中，在时间t1，燃料电池堆116的总电压变得大于参考电压值Vs。因此，在时间t1执行操作点过渡处理。如图8所指示，操作点过渡处理是从电流扫描的开始直到达到目标操作点Pg为止执行的处理。在包含操作点过渡处理的预热操作控制中，压缩机33(图2)的转速优选在达到预先确定的目标转速之后保持恒定，以便抑制燃料电池堆116的所需发电电力的显著波动。因此，在预热操作控制中，调整第二压力调节阀37的开度或第三压力调节阀39的开度，以在压缩机33达到目标转速之后改变供应到阴极的氧化剂气体的流速。在根据本实施例的预热操作控制中，第一压力调节阀36保持完全打开。
如图7所图示，操作控制部64在过渡时段的切换前时段中执行实际电压控制(步骤S52)。切换前时段是直到测量电压值Vt达到切换电压值Vsw为止的时段。在实际电压控制中，操作控制部64基于燃料电池堆116的所需发电电力和作为燃料电池堆116的实际电压的电压传感器91的测量电压值Vt来设定电流命令值。具体来说，操作控制部64通过将所需发电电力除以测量电压值Vt来计算电流命令值，并设定电流命令值。在实际电压控制中，操作控制部64通过控制FDC 95来执行电流扫描，以使得获得所计算的电流命令值。
在步骤S52中开始实际电压控制之后，电压条件确定部66确定测量电压值Vt是否已变得等于或小于预先确定的切换电压值Vsw(步骤S54)。执行步骤S52，直到测量电压值Vt变得等于或小于切换电压值Vsw为止。当测量电压值Vt已变得等于或小于切换电压值Vsw时，操作控制部64执行正常电流控制和待机控制中的一个(步骤S56)。也就是说，在从测量电压值Vt已变得等于或小于切换电压值Vsw的时间直到测量电压值Vt达到目标操作点Pg的时间为止的、过渡时段的切换后时段中执行正常电流控制和待机控制中的一个。
当在切换后时段中满足特定条件时，在正常电流控制被中断的情况下执行待机控制。切换电压值Vsw被设定为通过将预先确定的相加电压值Vad相加到目标电压值Vg而获得的值。相加电压值Vad优选被设定为即使当引起过大的电流扫描时也不会低于目标电压值Vg的值。在本实施例中，相加电压值Vad被设定为66V。
在正常电流控制中，控制部62以预先确定的比例将电流命令值升高到目标电流值Ig。当测量电压值Vt达到小于电压命令值的控制开始电压值时，控制部62中断正常电流控制并执行待机控制。在待机控制中，控制部62通过在测量电压值Vt达到控制开始电压值时保持电流命令值来保持电流命令值恒定。因此，当测量电压值Vt通过升高燃料电池堆116的电压而达到等于或大于电压命令值的许可电压值时，控制部62通过许可电流命令值的改变来结束待机控制。控制开始电压值可以被设定成使得在测量电压值Vt下降到电压命令值以下之后立即执行待机控制，或者可以被设定为比电压命令值小下述值：该值是考虑到测量电压值Vt的精度而预先确定的(例如，5V)。此外，考虑到测量电压值Vt的精度，许可电压值可以是与电压命令值相同的值，或者可以是比电压命令值大特定值(例如，5V)的值。在待机控制中，控制部62可以通过调整图2所图示的第二压力调节阀37或第三压力调节阀39的开度来增大将供应到燃料电池堆116的氧化剂气体的流速。因此，可以更有效地升高燃料电池堆116的电压。控制部62可以通过在待机控制的执行期间许可电流命令值的改变来恢复正常电流控制。
假设在如图9所指示的时间t3，测量电压值Vt达到控制开始电压值Vcs，该控制开始电压值小于作为电压命令值的目标电压值Vg。在时间t3，电流传感器92(图3)的测量电流值It还没有达到目标电流值Ig。在这种情况下，测量电压值Vt在时间t3达到控制开始电压值Vcs，并且因此控制部62中断正常电流控制并执行待机控制。也就是说，控制部62通过在时间t3保持电流命令值而将电流命令值维持在恒定值Ia。
在时间t4，测量电压值Vt达到等于或大于作为电压命令值的目标电压值Vg的许可电压值Vp，并且因此控制部62结束待机控制并恢复正常电流控制。因此，电流命令值通过正常电流控制以预先确定的比例再次朝向目标操作点Pg升高。在从时间t5到时间t6的时段和从时间t7到时间t8的时段中，也以类似的方式执行待机控制。
如图7所指示，控制部62确定燃料电池堆116的操作点(测量电流值It和测量电压值Vt)是否已达到目标操作点Pg(步骤S58)。控制部62执行正常电流控制和待机控制中的一个，直到操作点达到目标操作点Pg为止。另一方面，当操作点达到目标操作点Pg时，控制部62结束操作点过渡处理。在图9所图示的示例中，操作点在时间t9达到目标操作点Pg。在操作点过渡处理结束之后，控制部62在目标操作点Pg下执行预热操作，直到燃料电池堆116达到目标温度为止。控制部62确定作为燃料电池堆116的温度的堆温度传感器73(图2)的测量值是否已达到目标温度。
利用上述第一实施例，通过在测量电压值Vt满足预先确定的电压条件之后执行电流扫描，可以在将充足氧气提供到燃料电池堆116的阴极之后执行预热操作。因此，可以降低在预热操作期间由于阴极处的氧气的缺乏而产生泵氢的可能性。通过降低产生泵氢的可能性，可以抑制氢气经由氧化剂气体排放路径308释放到外部。此外，控制部62设定电压命令值和电流命令值，以使得当使操作点在过渡时段中过渡时，操作点在相等功率线PL上，并且因此燃料电池堆116产生的实际电力与所需发电电力的偏差可以被抑制。因此，二次电池的充电/放电量可以被控制在特定范围内。
利用上述第一实施例，此外，在切换前时段中执行实际电压控制，并且因此可以抑制所需发电电力与燃料电池堆116产生的实际电力之间的差的增大，同时抑制泵氢的产生。因此，二次电池96的充电/放电量可以被进一步控制在特定范围内。
利用上述第一实施例，此外，在切换后时段中执行正常电流控制，并且因此可以抑制过度电流扫描的执行。此外，利用此实施例，当执行正常电流控制并且测量电压值Vt达到控制开始电压值时，可以通过执行待机控制来抑制阴极处的氧气的短缺。因此，可以抑制泵氢的产生。
B.第二实施例
图10是图示了根据第二实施例的燃料电池系统10的启动处理的流程图。与根据上述第一实施例的启动处理(图6)的不同之处在于步骤S30a。其他步骤在第一实施例与第二实施例之间是相同的，并且因此被给予相同附图标记以省略描述。在第二实施例中，预先确定并且在该条件下许可电流扫描的电压条件是端部部分侧燃料电池11e的测量电压值已变得大于预先确定的端部部分侧参考电压值的条件。
在步骤S20之后，电压条件确定部66确定由电压传感器91测量的端部部分侧燃料电池11e的测量电压值是否已超过预先确定的端部部分侧参考电压值Vce(步骤S30a)。端部部分侧参考电压值Vce被设定为可以确定已将充足氧气供应到端部部分侧燃料电池11e的阴极的值，例如，0.8V。例如，当基于多个端部部分侧燃料电池11e的相应测量电压值而进行步骤S30a中的确定时，控制部62确定预定数量的端部部分侧燃料电池11e的相应测量电压值是否已变得大于端部部分侧参考电压值Vce。
利用上述第二实施例，对于具有与根据上述第一实施例的配置相同的配置，可以实现相同效果。例如，通过在端部部分侧燃料电池11e的测量电压值满足预先确定的电压条件之后执行电流扫描，可以在将充足氧气提供到燃料电池堆116的阴极之后执行预热操作。因此，可以降低在预热操作期间由于阴极处的氧气的缺乏而产生泵氢的可能性。通过降低产生泵氢的可能性，可以抑制氢气经由氧化剂气体排放路径308释放到外部。此外，即使燃料电池堆116在堆叠方向SD上非常长以致于氧化剂气体花费相当长的时间到达第二端部部分侧，也可以通过确定定位在第二端部部分侧上的端部部分侧燃料电池11e的电压值是否满足预先确定的电压条件来进一步抑制泵氢的产生。也就是说，即使当发生以下情形时：因为氧化剂气体到达第二端部部分侧比到达第一端部部分侧更晚，所以因氧化剂气体的供应所致的电压上升在燃料电池堆116的第二端部部分侧比燃料电池堆116的第一端部部分侧更慢，也可以通过确定端部部分侧燃料电池11e的测量电压值是否满足预先确定的电压条件，端部部分侧燃料电池11e的电压缓慢升高，来进一步抑制泵氢的产生。
C.其他实施例
C-1.第一其他实施例
在上述第一实施例中，燃料气体、氧化剂气体和制冷剂仅被供应到燃料电池系统10的燃料电池堆116的第一端部部分侧以及从其排放。然而，本发明不限于此。例如，燃料气体、氧化剂气体和制冷剂可以被供应到燃料电池系统10的燃料电池堆116的第一端部部分侧，并且例如从第二端部部分侧排放。
C-2.第二其他实施例
在上述第一实施例中，当燃料电池堆116的总电压值满足电压条件时，控制部62开始电流扫描，并且在上述第二实施例中，当端部部分侧燃料电池11e的电压值满足电压条件时，开始电流扫描。然而，本发明不限于此。例如，当定位在燃料电池堆116的第一侧上的燃料电池11的电压值或定位在中间的燃料电池11的电压值满足电压条件时，可以开始电流扫描。
C-3.第三其他实施例
在上述实施例中的每一个中，控制部62在过渡时段中执行实际电压控制、正常电流控制和待机控制。然而，本发明不限于此。例如，控制部62在过渡时段中可以不执行待机控制，或者可以仅执行实际电压控制和正常电流控制中的一个。此外，例如，可以在过渡时段中执行用于暂时减小电流命令值的控制。
C-4.第四其他实施例
在上述实施例中的每一个中，在图6所指示的步骤S10中，当外部空气温度传感器38的测量值指示预先确定的温度或更低时，控制部62确定存在预热请求。然而，本发明不限于此。例如，当堆温度传感器73的测量值指示预先确定的温度或更低时，控制部62可以确定存在预热请求。
本公开不限于上文所论述的实施例，并且可以在不脱离本公开的范围和精神的情况下以各种配置来实施。例如，可以适当地替换或组合对应于发明内容中所述的方面的技术特征的实施例的技术特征，以便解决上文所论述的问题中的一些或全部，或者实现上文所论述的效果中的一些或全部。此外，技术特征可以被适当地删除，除非这些技术特征在本文中被描述为必要的。

Claims (3)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，包括：
燃料电池堆，所述燃料电池堆具有多个堆叠的燃料电池，所述多个堆叠的燃料电池各自具有阳极和阴极；
电压传感器，所述电压传感器被配置成测量所述燃料电池堆的电压；
氧化剂气体供应系统，所述氧化剂气体供应系统被配置成向所述阴极供应含有氧气的氧化剂气体；
燃料气体供应系统，所述燃料气体供应系统被配置成向所述阳极供应燃料气体；
温度传感器，所述温度传感器被配置成测量与所述燃料电池系统相关的温度；
二次电池，所述二次电池被配置成用所述燃料电池堆产生的电力充电并将所述电力放电；以及
控制装置，所述控制装置被配置成基于由所述电压传感器测量的测量电压值而控制所述燃料电池系统的操作，其中：
所述控制装置被配置成，当所述燃料电池系统启动并且由所述温度传感器测量的值等于或小于预先确定的温度时，
通过在开始从所述燃料电池堆的电流扫描之前使所述氧化剂气体供应系统操作并向所述阴极供应所述氧化剂气体，来升高所述燃料电池堆的电压，直到满足预先确定的电压条件为止，并且
通过在所述测量电压值满足所述电压条件时开始所述电流扫描，来执行升高所述燃料电池堆的温度的预热操作；以及
所述控制装置被配置成：当执行所述预热操作时，设定电压命令值和电流命令值，以使得当使由所述燃料电池堆的电压值和电流值确定的操作点在所述预热操作期间在从所述电流扫描的开始直到所述操作点达到由目标电压值和目标电流值确定的目标操作点为止的过渡时段的至少一部分中过渡时，所述操作点处于所述燃料电池堆的相等功率线上，所述相等功率线指示与所述燃料电池堆的所需发电电力相同的发电电力，
其中，所述控制装置被配置成：
在所述过渡时段的、从当所述测量电压值已变得等于或小于预先确定的切换电压值的时间直到所述测量电压值达到所述目标操作点的所述目标电压值的时间为止的切换后时段中，执行正常电流控制，在所述正常电流控制中所述电流命令值以预先确定的比例升高到所述目标电流值；
当执行所述正常电流控制并且所述测量电压值达到小于所述电压命令值的控制开始电压值时，中断所述正常电流控制并执行待机控制，在所述待机控制中所述电流命令值保持恒定；并且
在所述待机控制的执行期间，当所述测量电压值达到等于或大于所述电压命令值的许可电压值时，通过许可所述电流命令值的改变来结束所述待机控制并恢复所述正常电流控制。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：
所述电压传感器被配置成测量所述燃料电池堆的总电压；并且
所述电压条件是作为由所述电压传感器测量的所述测量电压值的所述总电压的值已变得大于预先确定的参考电压值的条件。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：
在所述燃料电池堆叠的堆叠方向上的所述燃料电池堆的第一端部部分侧上执行所述氧化剂气体到所述燃料电池堆的供应；
所述电压传感器被配置成测量作为所述燃料电池当中的燃料电池的端部部分侧燃料电池的电压，所述端部部分侧燃料电池被定位在与所述第一端部部分侧相反的第二端部部分侧上；并且
所述电压条件是作为由所述电压传感器测量的所述测量电压值的所述端部部分侧燃料电池的电压值已变得大于预先确定的端部部分侧参考电压值的条件。
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