CN113752864B - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供燃料电池系统，用于抑制蓄电池在迅速暖机运中劣化。燃料电池系统(100)具备：燃料电池(10)，通过燃料气体与氧化剂气体的电化学反应来产生电力；二次电池(53)，被充电燃料电池(10)发电时的多余电力，并且放电不足电力；以及控制装置(200)。控制装置(200)具备发电实施部，该发电实施部构成为当存在燃料电池(10)的暖机请求时，能够选择性地实施通常发电和发电损耗大于通常发电的低效率发电。在低效率发电的实施中，当燃料电池(10)的目标发电电力变为规定的第1切换电力以上时，发电实施部暂时停止低效率发电而实施通常发电。

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
在专利文献1中，作为现有的燃料电池系统，公开了一种如下所述的燃料电池系统：通过在系统启动时实施发电损耗大于通常发电的低效率发电，从而实施使燃料电池的自身发热量增大来使燃料电池迅速暖机的迅速暖机运转。
专利文献1：国际公开第2010/150337号
在低效率发电时，由于增大浓度过电压来使发电损耗增大，所以若发电电力相同，则供给至燃料电池的氧化剂气体的供给流量少于通常发电时。即，低效率发电时设定的空气化学计量比(实际供给的氧化剂气体的供给流量相对于为了发出目标发电电力而最低限度需要的氧化剂气体的供给流量之比)的目标值比通常发电时设定的空气化学计量比的目标值小。而且，在以比通常发电时减小了空气化学计量比的状态进行的低效率发电时，处于当空气化学计量比偏离了其目标值时燃料电池的电压的变动幅度大于通常发电时的趋势。
这里，当目标发电电力发生变化的过渡时，在直到氧化剂气体的供给流量被控制为过渡后的目标流量为止的期间，空气化学计量比偏离过渡后的目标值。因此，当低效率发电时，在过渡时处于燃料电池的实际电压大幅度偏离目标电压的趋势，其结果是，处于实际发电电力大幅度偏离目标发电电力的趋势。
若实际发电电力大于目标发电电力，则此时的多余电力被充电至蓄电池。另一方面，若实际发电电力小于目标发电电力，则从蓄电池输出此时的不足电力。因此，若实际发电电力相对于目标发电电力的偏离变大，则存在蓄电池成为过充电状态或者过放电状态而导致蓄电池劣化的担忧。
这样，当低效率发电时，由于在过渡时处于实际发电电力大幅度偏离目标发电电力的趋势，所以存在蓄电池成为过充电状态或者过放电状态而导致蓄电池劣化的担忧。
发明内容
本发明是着眼于这样的问题点而完成的，其目的在于，在实施低效率发电的迅速暖机运转中抑制蓄电池成为过充电状态或者过放电状态而导致蓄电池劣化这一情况。
为了解决上述课题，本发明的某个方式涉及的燃料电池系统具备：燃料电池，通过燃料气体与氧化剂气体的电化学反应来产生电力；二次电池，被充电燃料电池发电时的多余电力，并且放电不足电力；以及控制装置。控制装置具备发电实施部，该发电实施部构成为当存在燃料电池的暖机请求时，能够选择性地实施通常发电和发电损耗大于通常发电的低效率发电。发电实施部构成为在低效率发电的实施中，当燃料电池的目标发电电力变为为规定的第1切换电力以上时，暂时停止低效率发电而实施通常发电。
根据本发明的该方式，由于在目标发电电力增加的过渡时能够实施通常发电，所以能够抑制实际发电电力偏离目标发电电力。因此，能够抑制蓄电池成为过充电状态或者过放电状态导致蓄电池劣化。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式涉及的燃料电池系统的简要结构图。
图2是表示了FC温度为某一温度时的成为燃料电池组的基准的电流电压特性的图。
图3是对空气化学计量比与成为发电损耗的一个因素的氧浓度过电压的关系进行说明的图。
图4是表示在将FC电流维持为恒定的状态下使空气化学计量比变化时的FC电压的变化的图。
图5是对本发明的一个实施方式涉及的迅速暖机运转中的发电切换控制进行说明的流程图。
图6是对低效率发电时的详细处理进行说明的流程图。
图7是描绘了用于计算迅速暖机动作点X2的等电力线与等发热量线的IV特性映射。
图8是对迅速暖机动作点X2的计算方法进行说明的图。
图9是用于计算基准FC电压的基准IV特性映射。
图10是表示用于计算基准空气化学计量比的空气化学计量比(stoichiometricamount of air)与氧浓度过电压的关系的映射。
图11是对在迅速暖机运转中从通常发电切换为低效率发电时可能发生的问题点及其应对方案进行说明的图。
附图标记说明：
10…燃料电池组(燃料电池)；53…蓄电池(二次电池)；100…燃料电池系统；200…电子控制单元(控制装置)。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式详细进行说明。其中，在以下的说明中，对同样的构成要素标注相同的参照编号。
图1是被搭载于车辆的本发明的一个实施方式涉及的燃料电池系统100的简要结构图。
燃料电池系统100具备：燃料电池组10；氢供给装置20，用于向燃料电池组10供给作为阳极气体(燃料气体)的氢；空气供给装置30，用于向燃料电池组10供给作为阴极气体(氧化剂气体)的空气；电气负载部50，与燃料电池组10的输出端子电连接；以及电子控制单元200，用于统一控制燃料电池系统100的各种控制部件。
燃料电池组10是沿着层叠方向将多个燃料电池单电池(以下简称为“单电池”)相互层叠并将各单电池串联电连接而成的部件。各单电池具备MEA(Membrane ElectrodeAssembly)。
MEA是在由固体高分子材料形成的质子传导性的离子交换膜(以下称为“电解质膜”)的一方表面形成阳极电极、在另一方表面形成阴极电极并将它们一体化而成的部件。在利用燃料电池组10进行发电时，在阳极电极以及阴极电极发生以下的电化学反应。
阳极电极：2H2→4H++4e－…(1)
阴极电极：4H++4e－+O2→2H2O…(2)
阳极电极以及阴极电极分别具备使多孔质的碳原材料担载了催化剂的催化剂层，各催化剂层中包括铂作为用于促进氢与氧的电化学反应((1)式的氢氧化反应与(2)式的氧还原反应)的催化剂。此外，可以在MEA的两外侧还具备阳极气体扩散层以及阴极气体扩散层。
氢供给装置20具备氢供给管21、作为氢源的高压氢罐22、氢供给控制部23、阳极废气管24、气液分离器25、氢返回管26、氢循环泵27、净化管28以及净化控制阀29。
氢供给管21是供向燃料电池组10供给的氢流动的配管，一端与高压氢罐22连结，另一端与燃料电池组10连结。
高压氢罐22对用于经由氢供给管21供给至燃料电池组10、进而供给至各单电池的阳极电极的氢进行储藏。
氢供给控制部23具备主止阀231、调节器232以及喷射器233。
主止阀231是由电子控制单元200进行开闭的电磁阀，设置于氢供给管21。若打开主止阀231，则氢从高压氢罐22流出至氢供给管21。若关闭主止阀231，则停止氢从高压氢罐22的流出。
调节器232被设置于比主止阀231靠下游的氢供给管21。调节器232是能够连续或者阶段地调整开度的压力控制阀，其开度由电子控制单元200控制。通过控制调节器232的开度，来控制比调节器232靠下游侧的氢的压力、即从喷射器233喷射的氢的压力。
喷射器233被设置于比调节器232靠下游的氢供给管21。喷射器233例如是针阀，由电子控制单元200控制开闭。通过控制喷射器233的开阀时间，来控制从喷射器233喷射的氢的流量。
这样，通过氢供给控制部23来控制氢从高压氢罐22向燃料电池组10的供给。即，将被氢供给控制部23控制为所希望的压力以及流量的氢供给至燃料电池组10。
阳极废气管24是供从燃料电池组10流出来的阳极废气流动的配管，一端与燃料电池组10连结，另一端与气液分离器25的气体流入口25a连结。阳极废气是包括在各单电池内未被电化学反应使用的多余的氢、从阴极电极侧经由MEA透过至阳极电极侧的氮气等惰性气体以及水分(液态水、水蒸气)的气体。
气液分离器25具备气体流入口25a、气体流出口25b、以及液态水流出口25c。气液分离器25对从气体流入口25a流入至内部的阳极废气中的水进行分离。而且，气液分离器25将分离出的水从液态水流出口25c排出至净化管28，并且将分离出水后的包括氢的阳极废气从气体流出口25b排出至氢返回管26。
氢返回管26是一端与气液分离器25的气体流出口25b连结、另一端与比氢供给控制部23靠下游的氢供给管21连结的配管。在氢返回管26中流动有从气液分离器25的气体流出口25b排出的阳极废气。
氢循环泵27设置于氢返回管26。氢循环泵27是用于将阳极废气中所包括的氢、即在各单电池内未被电化学反应使用的多余的氢返回至氢供给管21并使之循环的泵。氢循环泵27对从气液分离器25的气体流出口25b排出的阳极废气进行加压并压送至氢供给管21。
净化管28是一端与气液分离器25的液态水流出口25c连结、另一端与后述的阴极废气管38连结的配管。
净化控制阀29是由电子控制单元200进行开闭的电磁阀，设置于净化管28。净化控制阀29通常被闭阀，周期性地短时间开阀。若将净化控制阀29开阀，则在气液分离器25内分离出的水经由净化管28从阴极废气管38排出至外部。
这样，本实施方式涉及的燃料电池系统100是将从氢通路2流出的阳极废气返回至氢供给管21并使之循环的氢循环式的燃料电池系统，但也可以是不将从氢通路2流出的阳极废气返回至氢供给管21的氢非循环式的燃料电池系统。
空气供给装置30具备空气供给管31、空气净化器32、压缩机33、中冷器34、阴极入口阀35、旁通管36、分流阀37、阴极废气管38以及阴极压力控制阀39。
空气供给管31是用于供向燃料电池组10供给、进而供给至各单电池的阴极电极的空气流动的配管，一端与空气净化器32连结，另一端与燃料电池组10连结。
空气净化器32将吸入至空气供给管31的空气中的异物除去。空气净化器32被配置于成为氧源32a的大气中。即，氧源32a经由空气净化器32与空气供给管31连通。
压缩机33例如是离心式或者轴流式的涡轮压缩机，设置于空气供给管31。压缩机33对经由空气净化器32吸入至空气供给管31的空气进行压缩并排出。其中，在比压缩机33靠上游的空气供给管31中设置有用于对被压缩机33吸入并排出的空气的流量(以下称为“总空气供给量”)Qacp[NL/min]进行检测的阴极流量传感器211。
中冷器34设置于比压缩机33靠下游的空气供给管31，例如利用行驶风、冷却水等来冷却从压缩机33排出的空气。
阴极入口阀35是由电子控制单元200进行开闭的电磁阀，设置于比中冷器34靠下游的空气供给管31。阴极入口阀35在需要向燃料电池组10供给空气时被开阀。
旁通管36是用于使从压缩机33排出的空气的一部分或者全部根据需要不经由燃料电池组10而直接流入至后述的阴极废气管38的配管。旁通管36的一端连结于中冷器34与阴极入口阀35之间的空气供给管31，另一端与比后述的阴极压力控制阀39靠下游的阴极废气管38连结。
分流阀37设置于旁通管36。分流阀37是能够连续或者阶段地调整开度的电磁阀，其开度由电子控制单元200控制。
阴极废气管38是供从燃料电池组10流出的阴极废气流动的配管，一端与燃料电池组10连结，另一端向大气开口。阴极废气是包括在各单电池内未被电化学反应使用的多余的氧、氮气等惰性气体、通过电化学反应产生的水分(液态水、水蒸气)的气体。
阴极压力控制阀39设置于阴极废气管38。阴极压力控制阀39是能够连续或者阶段地调整开度的电磁阀，其开度由电子控制单元200控制。通过控制阴极压力控制阀39的开度，来控制燃料电池组10内的压力亦即阴极压力。
通过控制压缩机33进而控制总空气供给量Qafc、阴极入口阀35、分流阀37以及阴极压力控制阀39各自的开度，来控制从压缩机33排出的空气中的向燃料电池组10供给的空气的流量(以下称为“FC空气供给量”)Qfc[NL/min]。
电气负载部50具备第1转换器51、断路器52、蓄电池53、第2转换器54、电动发电机55以及逆变器56。
在电气负载部50与燃料电池组10的输出端子的连接线57设置有用于检测从燃料电池组10取出的电流(以下称为“FC电流”)Ifc[A]的电流传感器212、和用于检测燃料电池组10的输出端子的端子间电压(以下称为“FC电压”)Vfc[V]的电压传感器213。
第1转换器51是具备能够使初级侧端子的端子间电压升降压的电路的双向性的DC/DC转换器，初级侧端子与燃料电池组10的输出端子连接，次级侧端子与逆变器56的直流侧端子连接。第1转换器51基于来自电子控制单元200的控制信号来使成为初级侧的端子间电压的FC输出电压Vfc升降压，由此将FC电流Ifc控制为根据燃料电池系统100的运转状态而设定的目标FC电流Itg。
断路器52由电子控制单元200进行开闭，能够以电气方式、物理方式将燃料电池组10与电气负载部50连接或者切断。
蓄电池53例如是镍/镉蓄电池、镍/氢蓄电池、锂离子电池等可充放电的二次电池。向蓄电池53充电燃料电池组10的多余电力以及电动发电机55的再生电力。充电至蓄电池53的电力为了根据需要对电动发电机55、压缩机33等燃料电池系统100所具备的各种控制部件进行驱动而使用。
第2转换器54例如是具备能够使次级侧端子的端子间电压升降压的电路的双向性的DC/DC转换器，初级侧端子与蓄电池53的输出端子连接，次级侧端子与逆变器56的直流侧端子连接。第2转换器54基于来自电子控制单元200的控制信号来使成为次级侧的端子间电压的逆变器56的输入电压升降压。
电动发电机55例如是三相的永磁式同步马达，具备作为产生搭载有燃料电池系统100的车辆的动力的马达的功能、和作为在车辆减速时进行发电的发电机的功能。电动发电机55与逆变器56的交流侧端子连接，被燃料电池组10的发电电力以及蓄电池53的电力驱动。
逆变器56具备能够基于来自电子控制单元200的控制信号将从直流侧端子输入的直流电流变换为交流电流并从交流侧端子输出、反过来基于来自电子控制单元200的控制信号将从交流侧端子输入的交流电流变换为直流电流并从直流侧端子输出的电路。逆变器56的直流侧端子与第1转换器51以及第2转换器54的次级侧端子连接，逆变器56的交流侧端子与电动发电机55的输入输出端子连接。在使电动发电机55作为马达发挥功能时，逆变器56将来自燃料电池组10以及蓄电池53的直流电流变换为交流电流(在本实施方式中为三相交流电流)并供给至电动发电机55。另一方面，在使电动发电机55作为发电机发挥功能时，逆变器56将来自电动发电机55的交流电流变换为直流电流并供给至蓄电池53等。
电子控制单元200由数字计算机构成，具备通过双向性总线201相互连接的ROM(只读存储器)202、RAM(随机访问存储器)203、CPU(微处理器)204、输入端口205以及输出端口206。
除了上述的阴极流量传感器211、电流传感器212、电压传感器213的输出信号之外，用于检测燃料电池组10的温度(以下称为“FC温度”)Tfc[℃]的FC温度传感器214、用于检测加速踏板的踩踏量(以下称为“加速踩踏量”)的负荷传感器215等的输出信号也经由对应的各AD变换器207被输入至输入端口205。
经由对应的驱动电路208在输出端口206电连接有氢供给控制部23(主止阀231、调节器232以及喷射器233)、氢循环泵27、净化控制阀29、压缩机33、阴极入口阀35、分流阀37、阴极压力控制阀39、第1转换器51、断路器52、第2转换器54、逆变器56等各控制部件。
电子控制单元200基于输入至输入端口205的各种传感器的输出信号从输出端口206输出用于控制各控制部件的控制信号，来控制燃料电池系统100。以下，对电子控制单元200所实施的燃料电池系统100的控制、特别是燃料电池系统100的冰点下启动时的迅速暖机运转中的FC空气供给量Qfc的控制进行说明。
图2是表示电池组温度Tfc为某个温度时的成为燃料电池组10的基准的电流电压特性(以下称为“基准IV特性”)的图。基准IV特性是实施了抑制在发电时产生的各种发电损耗的高效率发电(通常发电)时的IV特性。
电子控制单元200基于燃料电池系统100的运转状态来计算燃料电池组10的目标发电电力Ptg[kW]。在本实施方式中，电子控制单元200计算出基于加速踩踏量等而计算的电动发电机55的请求电力与压缩机33等各种辅机类的请求电力的合计值作为目标发电电力Ptg。
而且，如图2所示，在燃料电池组10的暖机完成之后的实施高效率发电的通常运转时，电子控制单元200控制空气化学计量比，进而控制FC空气供给量Qfc以使由FC电流Ifc以及FC电压Vfc规定的动作点X成为在基准IV特性上能够发出目标发电电力Ptg的通常动作点X1。
空气化学计量比是实际的FC空气供给量Qfc相对于为了发出目标发电电力Ptg而最低限度需要的FC空气供给量(以下称为“理论FC空气供给量”)Qst之比。因此，随着空气化学计量比(＝Qfc/Qst)变得大于1.0，实际的FC空气供给量Qfc变得多于理论FC空气供给量Qst。
图3是对空气化学计量比与成为发电损耗的一个因素的氧浓度过电压(在发电时因氧不足而产生的发电损耗)的关系进行说明的图。
如图3所示，氧浓度过电压处于空气化学计量比小时与空气化学计量比大时相比变大的趋势。换言之，以氧浓度过电压作为因素的发电损耗(电压下降量)处于空气化学计量比小时与空气化学计量比大时相比变大的趋势。
因此，在通常运转时，为了实施抑制了发电损耗的高效率发电，电子控制单元200以空气化学计量比成为大致能够忽略氧浓度过电压的通常区域内的空气化学计量比(在图3所示的例子中，例如为1.5附近的空气化学计量比)的方式控制FC空气供给量Qfc。
另一方面，当在冰点下的环境下启动燃料电池系统100来进行运转时，为了抑制伴随着发电而产生的生成水的结冰，并使越是低温时则越劣化的IV特性尽早恢复，电子控制单元200实施迅速暖机运转。迅速暖机运转是通过控制FC空气供给量Qfc来使氧浓度过电压比通常运转时增大而有意地使发电损耗增大、由此使燃料电池组10的自身发热量增大来实现暖机的促进的运转方法。
在迅速暖机运转时，为了发出目标发电电力Ptg并实施发电损耗(自身发热量)比通常运转时增大的低效率发电，电子控制单元200以空气化学计量比成为无法忽略氧浓度过电压的迅速暖机区域内的空气化学计量比(在图3所示的例子中，例如为1.0附近的空气化学计量比)的方式控制FC空气供给量Qfc。
由此，与在图2中以基准IV特性上的通常动作点X1进行了高效率发电(通常发电)的情况相比，能够使FC电压Vfc下降与空气化学计量比对应的氧浓度过电压量。即，由于通过控制FC电流Ifc并适当地控制空气化学计量比、进而适当地控制FC空气供给量Qfc，能够如图2所示，以与通常动作点X1位于等电力线(参照虚线)上的、发电损耗比通常动作点X1增大的、可获得所希望的自身发热量的迅速暖机动作点X2进行发电，所以能够实现燃料电池组10的暖机的促进。
这里，根据发明人们深入研究的结果可知：在该迅速暖机运转中处于容易在目标发电电力Ptg与实际发电电力Pfc之间产生差的趋势，其结果是，存在蓄电池充放电电力变大而使蓄电池劣化的担忧。以下，针对该问题点，除了参照图3之外还参照图4进行说明。其中，图4是表示在将FC电流Ifc维持为恒定的状态下使空气化学计量比变化时(即，使FC空气供给量Qfc变化时)的FC电压Vfc的变化的图。
如图3所示，若对空气化学计量比变化了规定量的情况下的氧浓度过电压的变化量进行比较，则处于空气化学计量比小时与空气化学计量比大时相比变大的趋势。换言之，空气化学计量比小时与空气化学计量比大时相比，处于当空气化学计量比发生了变化时电压下降量进而FC电压Vfc容易变动的趋势。
因此，如图4所示，例如在以空气化学计量比成为大致能够忽略上述的氧浓度过电压的通常区域内的某个目标空气化学计量比SRtg1的方式控制FC空气供给量Qfc的通常运转时，即便FC空气供给量Qfc发生变动而空气化学计量比偏离目标空气化学计量比SRtg1，FC电压Vfc的变动量也少。
与此相对，例如在以空气化学计量比成为无法忽略上述的氧浓度过电压的迅速暖机区域内的某个目标空气化学计量比SRtg2的方式控制FC空气供给量Qfc的迅速暖机运转时，若FC空气供给量Qfc发生变动而空气化学计量比偏离目标空气化学计量比SRtg2，则即便偏离幅度与通常运转时相同，FC电压Vfc也大幅度变动。
这样，在迅速暖机运转中，当空气化学计量比偏离目标空气化学计量比时，处于FC电压Vfc的变动量比通常发电时变大的趋势。
而且，当目标发电电力Ptg逐步(step)发生变化的过渡时，在FC空气供给量Qfc被控制为过渡后的目标空气供给量Qtg之前的期间，空气化学计量比偏离过渡后的目标空气化学计量比。因此，在迅速暖机运转中，特别是在过渡时，存在FC电压Vfc大幅度偏离目标FC电压Vtg的趋势，其结果是，存在实际发电电力Pfc大幅度偏离目标发电电力Ptg的趋势。
若实际发电电力Pfc大于目标发电电力Ptg，则此时的多余电力被充电至蓄电池53。因此，若多余电力变大，则蓄电池53的充电电力成为为了抑制蓄电池53的劣化而根据蓄电池状态设定的允许充电电力Win[kW]以上，存在使蓄电池53劣化的担忧。特别是在使用了锂离子电池作为蓄电池53的情况下，若多余电力变大，则存在产生在蓄电池53的负极表面析出锂的所谓锂析出的担忧。
另外，若实际发电电力Pfc小于目标发电电力Ptg，则从蓄电池53输出此时的不足电力。因此，若不足电力变大，则蓄电池53的放电电力成为与允许充电电力Win同样地为了抑制蓄电池53的劣化而根据蓄电池状态设定的允许放电电力Wout[kW]以上，存在使蓄电池53劣化的担忧。
其中，在本实施方式中，蓄电池53的充电电力是对于蓄电池53的充电电力越大则其值越大的正值。另外，蓄电池53的放电电力也同样是从蓄电池53放电的电力越大则其值越大的正值。
而且，该允许充电电力Win以及允许放电电力Wout根据蓄电池的状态而变化，例如处于蓄电池53的温度低时与蓄电池53的温度高时相比变小的趋势。因此，由于在基本上在冰点下的环境进行的迅速暖机运转中，蓄电池53的温度也为低温，所以处于允许充电电力Win以及允许放电电力Wout也小于通常运转时的趋势。因此，在迅速暖机运转中，若实际发电电力Pfc与目标发电电力Ptg之间产生偏离，则特别是蓄电池53容易变为过充电状态或者过放电状态，蓄电池53容易劣化。
鉴于此，在本实施方式中，当存在迅速暖机运转的实施请求时，基于目标发电电力Ptg来选择性地实施通常发电(高效率发电)与低效率发电。具体而言，在存在迅速暖机运转的实施请求并正实施低效率发电的情况下，当目标发电电力Ptg为规定的第1切换电力Pthr1以上时，暂时停止低效率发电而实施通常发电。
这里，如上所述，在迅速暖机运转中，在目标发电电力Ptg发生变动的过渡时，存在实际发电电力Pfc大幅度偏离目标发电电力Ptg的趋势，换言之，在进行加速踏板的操作的车辆行驶时，存在实际发电电力Pfc大幅度偏离目标发电电力Ptg的趋势。
因此，第1切换电力Pthr1例如是能够判定为加速踏板被踩踏而开始车辆的加速那样的发电电力(例如30[kW])。由此，由于在目标发电电力Ptg容易变动的车辆行驶时，能够实施通常发电，所以能够抑制实际发电电力Pfc偏离目标发电电力Ptg，并抑制蓄电池53成为过充电状态或者过放电状态。
另外，在本实施方式中，在暂时停止低效率发电而实施通常发电的情况下，当目标发电电力Ptg小于比第1切换电力Pthr1小的规定的第2切换电力Pthr2时，实施低效率发电。
第2切换电力Pthr2例如是在未踩踏加速踏板、车辆处于停止状态的情况下等能够判定为是目标发电电力Ptg难以发生变动的状态那样的发电电力(例如20[kW])。由此，由于在成为目标发电电力Ptg难以发生变动的状态时，能够从通常发电切换为低效率发电，所以能够实现燃料电池组10的暖机的促进。
另外，通过使从低效率发电切换为通常发电的阈值(第1切换电力Pthr1)与从通常发电切换为低效率发电的阈值(第2切换电力Pthr2)不同，能够抑制发电方式被重复切换的振荡。
以下，参照图5对该本实施方式涉及的迅速暖机运转中的发电切换控制进行说明。
图5是对本实施方式涉及的迅速暖机运转中的发电切换控制进行说明的流程图。电子控制单元200按规定的运算周期(例如10[ms])反复执行本例程。
在步骤S1中，电子控制单元200对迅速暖机标志F1是否被设定为0进行判定。迅速暖机标志F1是初始值被设定为0的标志，是在迅速暖机运转的开始时被设定为1、在迅速暖机运转的结束时恢复为0的标志。若迅速暖机标志F1为0，则电子控制单元200进入至步骤S2的处理。另一方面，若迅速暖机标志F1为1，则电子控制单元200进入至步骤S4的处理。
在步骤S2中，电子控制单元200对是否存在迅速暖机运转的实施请求进行判定。在本实施方式中，若是燃料电池系统100的起动时且FC温度为规定的迅速暖机请求温度(例如0[℃])以下，则电子控制单元200判定为存在迅速暖机运转的实施请求。当判定为存在迅速暖机运转的实施请求时，电子控制单元200进入至步骤S3的处理。另一方面，在判定为不存在迅速暖机运转的实施请求时，电子控制单元200结束本次的处理。
在步骤S3中，电子控制单元200将迅速暖机标志F1设定为1。
在步骤S4中，电子控制单元200基于燃料电池系统100的运转状态来计算燃料电池组10的目标发电电力Ptg。在本实施方式中，如上述那样，电子控制单元200计算电动发电机55的请求电力与压缩机33等各种辅机类的请求电力的合计值作为目标发电电力Ptg。
在步骤S5中，电子控制单元200对目标发电电力Ptg是否为规定的第1切换电力Pthr1以上进行判定。若目标发电电力Ptg为第1切换电力Pthr1以上，则为了暂时停止低效率发电而实施通常发电，电子控制单元200进入至步骤S6的处理。另一方面，若目标发电电力Ptg小于第1切换电力Pthr1，则电子控制单元200进入至步骤S10的处理。
在步骤S6中，电子控制单元200实施通常发电。具体而言，电子控制单元200以由FC电流Ifc以及FC电压Vfc规定的动作点X成为在基准IV特性上能够发出目标发电电力Ptg的通常动作点X1的方式控制各控制部件。
在步骤S7中，电子控制单元200将通常发电实施标志F2设定为1。通常发电实施标志F2是当在存在迅速暖机运转的实施请求的情况下正实施通常发电时被设定为1的标志，初始值被设定为0。
在步骤S8中，电子控制单元200对燃料电池组10的暖机是否完成进行判定。在本实施方式中，电子控制单元200对FC温度Tfc是否为规定的迅速暖机完成温度(例如70[℃])以上进行判定。若FC温度Tfc为迅速暖机完成温度以上，则电子控制单元200进入至步骤S9的处理。另一方面，若FC温度Tfc小于迅速暖机完成温度，则电子控制单元200结束本次的处理。
在步骤S9中，电子控制单元200结束迅速暖机运转，将迅速暖机标志F1以及通常发电实施标志F2分别恢复为0。
在步骤S10中，电子控制单元200对通常发电实施标志F2是否被设定为1、即是否为通常发电的实施中进行判定。若为通常发电的实施中，则电子控制单元200进入至步骤S11的处理。另一方面，若不是通常发电的实施中，则电子控制单元200进入至步骤S12的处理。
在步骤S11中，电子控制单元200对目标发电电力Ptg是否小于规定的第2切换电力Pthr2进行判定。若目标发电电力Ptg小于第2切换电力Pthr2，则为了再次开始低效率发电，电子控制单元200进入至步骤S12的处理。另一方面，若目标发电电力Ptg为第1切换电力Pthr2以上，则为了使通常发电继续，电子控制单元200进入至步骤S6的处理。
在步骤S12中，电子控制单元200实施低效率发电。关于低效率发电时的详细处理，将参照图6后述。
在步骤S13中，电子控制单元200将通常发电实施标志F2恢复至0。
图6是对低效率发电时的详细的处理进行说明的流程图。
在步骤S121中，电子控制单元200设定低效率发电中的目标发热量PLtg。在本实施方式中，目标发热量PLtg为预先决定的固定值，但也可以是可变值。
在步骤S122中，电子控制单元200参照图7所示的描绘了等电力线(参照细实线)与等发热量线(参照粗实线)的IV特性映射，基于目标发电电力Ptg和目标发热量PLtg来计算迅速暖机动作点X2、即目标FC电流Itg[A]以及目标FC电压Vtg[V]。
具体而言，电子控制单元200如图8所示那样从等电力线之中选择能够发出目标发电电力Ptg的等电力线，计算选择出的等电力线与在IV特性映射上能够使发热量为目标发热量PLtg的等发热量线相交的点作为迅速暖机动作点X2。
在步骤S123中，电子控制单元200参照图9所示的基准IV特性映射，计算在基准IV特性上将FC电流Ifc控制为目标FC电流Itg时的FC电压(以下称为“基准FC电压”)Vstd。换言之，基准FC电压Vstd是实施高效率发电(通常发电)而将FC电流Ifc控制为目标FC电流Itg时的FC电压。
其中，由于基准IV特性根据FC温度Tfc而变化，所以按每个FC温度准备有多个基准IV特性映射。因此，电子控制单元200从多个基准IV特性映射之中参照与当前的FC温度Tfc对应的最佳的基准IV特性映射来计算基准FC电压Vstd。
在步骤S124中，电子控制单元200参照与图3同样的图10所示的对空气化学计量比与氧浓度过电压的关系进行表示的映射，并基于基准FC电压Vstd与目标FC电压Vtg的差量(即，为了使基准FC电压Vstd降低至目标FC电压Vtg而需要产生的氧浓度过电压)ΔV1(＝Vstd－Vtg)来计算基准空气化学计量比SRstd。
在步骤S125中，电子控制单元200基于目标FC电压Vtg与FC电压Vfc的偏差(以下称为“FC电压偏差”)ΔV2(＝Vtg－Vfc)来计算对于基准空气化学计量比SRstd的反馈修正值，并通过将该反馈修正值与基准空气化学计量比SRstd相加，来计算目标空气化学计量比SRtg。
在步骤S126中，电子控制单元200通过将目标空气化学计量比SRtg与为了发出目标发电电力Ptg所需的理论FC空气供给量Qth相乘，来计算目标FC空气供给量Qtg。
在步骤S127中，电子控制单元200以由FC电流Ifc以及FC电压Vfc规定的动作点X成为迅速暖机动作点X2的方式控制各控制部件。
具体而言，电子控制单元200控制第1转换器51来将FC电流Ifc控制为目标FC电流Itg，并且将FC空气供给量Qfc控制为目标空气供给量Qtg。在本实施方式中，电子控制单元200以总空气供给量Qafc为恒定的方式控制压缩机33，通过控制阴极入口阀35、分流阀37以及阴极压力控制阀39各自的开度来将FC空气供给量Qfc控制为目标空气供给量Qtg。
然而，若如本实施方式那样能够在迅速暖机运转中选择性地实施通常发电与低效率发电，则在从通常发电切换为低效率发电时、即在使动作点X从通常动作点X1转移至迅速暖机动作点X2时，存在蓄电池53成为过充电状态而导致蓄电池53劣化的情况。以下，关于该问题点与应对方案，参照图11简单地进行说明。
如图11所示，例如在时刻t1踩踏加速踏板而目标发电电力Ptg成为第1切换电力Pthr1以上，从低效率发电切换为通常发电。在该迅速暖机运转中的通常发电时IV特性因某些因素变差的情况下，当想要使FC电流Ifc增加至通常动作点X1上的目标FC电流Itg1时，存在导致FC电压Vfc降低至下限电压(电动发电机55的动作保证电压)而无法使FC电流Ifc增加至目标FC电流Itg1的情况。若无法使FC电流Ifc增加至目标FC电流Itg1，则由于氧的消耗量减少，所以FC空气供给量Qfc过度(空气化学计量比过大)。
然后，在时刻t2，若加速踏板复原而目标发电电力Ptg降低、目标发电电力Ptg变得小于第1切换电力Pthr2，则从通常发电切换为低效率发电，计算能够在迅速暖机动作点X2上发电的目标FC电流Itg2以及目标FC空气供给量Qtg2。低效率发电时的目标FC空气供给量Qtg2当然小于通常发电时的目标FC空气供给量Qtg1。
而且，如上所述，在时刻t2切换为低效率发电之前的通常发电时，无法使FC电流Ifc增加至目标FC电流Itg1，FC空气供给量Qfc过度。由于FC空气供给量Qfc的控制响应速度比FC电流Ifc的控制响应速度慢，所以若与从通常发电向低效率发电的切换同时什么也不考虑就使FC电流Ifc降低至目标FC电流Itg2，则FC空气供给量Qfc成为进一步过度的状态。
其结果是，在将FC电流Ifc控制为目标FC电流Itg2时，由于在使FC空气供给量Qfc降低至目标FC空气供给量Qtg2的期间，FC电压Vfc变得高于迅速暖机动作点X2上的目标FC电压Ffc，所以存在蓄电池53成为过充电状态的担忧。
鉴于此，在本实施方式中，如图11所示，当加速踏板在时刻t2返回而从通常发电切换为低效率发电时，暂时使下限电压降低，来使FC电流Ifc例如增加至通常发电时的目标FC电流Itg1。由此，由于能够既使氧的消耗量增大、又使FC空气供给量Qfc向目标FC空气供给量Qtg2降低，所以能够抑制FC空气供给量Qfc成为过度的状态。换言之，能够使空气化学计量比向迅速暖机区域内的空气化学计量比迅速收敛。
而且，若产生因使FC电流Ifc增加而引起的电压下降，然后还产生因空气化学计量比的降低而引起的氧浓度过电压所带来的电压下降、例如降低至FC电压Vfc暂时降低的下限电压，则使FC电流Ifc向目标FC电流Itg2降低。
这样，通过使动作点X从通常动作点X1转移至迅速暖机动作点X2，能够在动作点X的转移中，抑制FC电压Vfc变得高于迅速暖机动作点X2上的目标FC电压Ffc。因此，能够抑制蓄电池53成为过充电状态而导致蓄电池53劣化。
以上说明的本实施方式涉及的燃料电池系统100具备：燃料电池组10(燃料电池)，通过作为燃料气体的氢与作为氧化剂气体的空气的电化学反应来产生电力；蓄电池53(二次电池)，被充电燃料电池组10发电时的多余电力，并且放电不足电力；以及电子控制单元200(控制装置)。电子控制单元200具备发电实施部，该发电实施部构成为在存在燃料电池组10的暖机请求时，能够选择性地实施通常发电和发电损耗大于通常发电的低效率发电。
而且，发电实施部构成为在低效率发电的实施中当燃料电池组10的目标发电电力Ptg变为规定的第1切换电力Pthr1以上时，暂时停止低效率发电并实施通常发电。
由此，由于在目标发电电力Ptg增加的过渡时能够实施通常发电，所以能够抑制实际发电电力Pfc偏离目标发电电力Ptg，而抑制蓄电池53成为过充电状态或者过放电状态。另外，由于无论是通常发电时还是低效率发电时，都随着实际发电电力Pfc增加，发电损耗基本上增加而自身发热量增加，所以即便实施通常发电也能够确保某种程度的发热量，实现暖机的促进。
另外，本实施方式涉及的发电实施部构成为在暂时停止低效率发电而实施通常发电的情况下，当目标发电电力Ptg变得小于比第1切换电力Pthr1小的规定的第2切换电力Pthr2时，实施低效率发电。
这样，通过使从低效率发电切换为通常发电的阈值(第1切换电力Pthr1)与从通常发电切换为低效率发电的阈值(第2切换电力Pthr2)不同，能够抑制发电方式被重复切换的振荡。
另外，本实施方式涉及的燃料电池系统100还具备被燃料电池组10的发电电力驱动的电动发电机55(旋转电机)，第1切换电力Pthr1是能够判断为电动发电机55是驱动状态的电力(例如30[kW])，第2切换电力Pthr2是能够判断为电动发电机55是非驱动状态的电力(例如20[kW])。
在迅速暖机运转中，在目标发电电力Ptg发生变动的过渡时，存在实际发电电力Pfc大幅度偏离目标发电电力Ptg的趋势，换言之，在进行加速踏板的操作的车辆行驶时，存在实际发电电力Pfc大幅度偏离目标发电电力Ptg的趋势。
因此，通过将第1切换电力Pthr1设定为能够判断为电动发电机55是驱动状态的电力，能够在目标发电电力Ptg容易发生变动的车辆行驶时实施通常发电。因此，能够抑制实际发电电力Pfc偏离目标发电电力Ptg，而抑制蓄电池53成为过充电状态或者过放电状态。
另外，由于通过将第2切换电力Pthr2设定为能够判断为电动发电机55是非驱动状态的电力，能够在为目标发电电力Ptg难以变动的状态时从通常发电切换为低效率发电，所以能够实现燃料电池组10的暖机的促进。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但上述实施方式只不过表示了本发明的应用例的一部分，其主旨并不在于将本发明的技术范围限定为上述实施方式的具体结构。
例如，在上述的实施方式中，举出将燃料电池系统100搭载于车辆的情况为例进行了说明，但并不局限于车辆，可以搭载于各种移动体，也可以搭载于固定式的发电设备。

Claims (6)

1.一种燃料电池系统，具备：
燃料电池，通过燃料气体与氧化剂气体的电化学反应来产生电力；
二次电池，被充电所述燃料电池发电时的实际发电电力大于目标发电电力的多余电力，并且放电实际发电电力小于目标发电电力的不足电力；以及
控制装置，
其中，
所述控制装置具备发电实施部，该发电实施部构成为当存在所述燃料电池的暖机请求时，能够选择性地实施通常发电和发电损耗大于所述通常发电的低效率发电，
在所述通常发电时，以空气化学计量比成为将氧浓度过电压作为因素发电损失的影响少的第1区域内的空气化学计量比的方式控制向所述燃料电池供给的所述氧化剂气体的供给流量，在所述低效率发电时，以空气化学计量比成为区域内的空气化学计量比的值比所述第1区域小的第2区域内的空气化学计量比的方式控制向所述燃料电池供给的所述氧化剂气体的供给流量，在所述低效率发电的实施中，当所述燃料电池的目标发电电力变为规定的第1切换电力以上时，所述发电实施部暂时停止所述低效率发电而实施通常发电。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
在暂时停止所述低效率发电而实施所述通常发电的情况下，当所述燃料电池的目标发电电力变得小于比所述第1切换电力小的规定的第2切换电力时，所述发电实施部实施所述低效率发电。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，
所述燃料电池系统还具备被所述燃料电池的发电电力驱动的旋转电机，
所述第1切换电力是能够判定为所述旋转电机是驱动状态的电力。
4.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，
所述第1切换电力为30kW。
5.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中，
所述燃料电池系统还具备被所述燃料电池的发电电力驱动的旋转电机，
所述第1切换电力是能够判断为所述旋转电机是驱动状态的电力，
所述第2切换电力是能够判断为所述旋转电机是非驱动状态的电力。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其中，
所述第1切换电力为30kW，
所述第2切换电力为20kW。
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