燃料电池系统及燃料电池系统的控制方法

燃料电池系统及燃料电池系统的控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种燃料电池系统及燃料电池系统的制造方法。燃料电池系统(100)具有：燃料电池(10)及对燃料电池(10)的电压进行控制的控制部(20)。控制部(20)根据作为燃料电池(10)的相对于预定的电流的电压的目标值的目标电压，而对目标上升量(△V)进行设定。控制部(20)根据目标上升量(△V)而对临时电压下降处理的处理条件进行设定。控制部(20)根据所设定的处理条件来执行临时电压下降处理，所述临时电压下降处理为，通过根据燃料电池(10)的发电特性而使燃料电池(10)的电压临时下降，从而产生燃料电池(10)的电流的临时增大，并使燃料电池(10)的发电特性发生变化的处理。
【专利说明】燃料电池系统及燃料电池系统的控制方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种燃料电池。
【背景技术】
[0002]固体高分子形燃料电池(以下，简称为“燃料电池”)具备如下的膜电极接合体以作为发电体，所述膜电极接合体于在湿润状态下显示出良好的质子传导性的电解质膜的两个面上配置了电极(下述专利文献I等)。被搭载于燃料电池车辆上的燃料电池有时会在外部气温明显较高的环境下(例如，气温40°c左右)持续运转的情况下，或在爬坡过程中或加速过程中等长期持续高负荷运转的情况下，处于运转温度明显较高的高温状态。当燃料电池处于高温状态时，存在电解质膜中的质子传导性降低，导致其发电性能降低，从而难以输出所期望的电力等燃料电池的控制性降低的可能性。这种问题并不仅限于燃料电池车辆，而是在具备燃料电池的燃料电池系统中共通的问题。
[0003]在先技术文献
[0004]专利文献
[0005]专利文献1:日本特开2005-129252号公报
[0006]专利文献2:日本特开2010-027297号公报

【发明内容】

[0007]发明所要解决的课题
[0008]本发明的目的在于，提供一种提高燃料电池的控制性的技术。
[0009]用于解决课题的方法
[0010]本发明是为了解决上述课题中的至少一部分而完成的，并且能够作为以下的方式或应用例来实现。
[0011][应用例I]
[0012]燃料电池系统具有:燃料电池；控制部，其对所述燃料电池的电压进行控制，所述控制部根据作为所述燃料电池的相对于预定的电流的电压的目标值的目标电压，而对用于使被表示为电流与电压之间的关系的所述燃料电池的发电特性发生变化的处理条件进行设定，所述控制部按照所述处理条件来执行临时电压下降处理，所述临时电压下降处理为，通过根据所述燃料电池的发电特性而使所述燃料电池的电压临时下降，从而产生所述燃料电池的电流的临时增大，并使所述燃料电池的发电特性发生变化的处理。
[0013]根据该燃料电池系统，例如，即使在高温状态下燃料电池的发电性能下降的情况下，也能够通过以恰当的处理条件来执行临时电压下降处理，使燃料电池的发电特性发生变化，从而使燃料电池的电压上升至目标电压。因此，燃料电池的电压控制的控制性得到提闻。
[0014][应用例2]
[0015]在应用例I所述的燃料电池系统中，所述控制部预先取得如下的关系，即，在执行了所述临时电压下降处理时所述燃料电池的相对于预定的电流的电压由于所述发电特性的变化而上升的量、与所述临时电压下降处理的处理条件之间的关系，所述控制部利用所述关系，而根据作为当前的电压与所述目标电压之差的目标电压上升量来对所述处理条件进行设定。
[0016]根据该燃料电池系统，通过利用电压由于临时电压下降处理而上升的量、与临时电压下降处理的处理条件之间的关系，从而能够恰当地对用于使燃料电池的电压上升至目标电压的处理条件进行设定。
[0017][应用例3]
[0018]在应用例2所述的燃料电池系统中，所述处理条件为，所述临时电压下降处理中的最低电压、在所述临时电压下降处理中保持最低电压的期间、和在所述临时电压下降处理中使电压恢复时的电压的上升速度中的至少一个。
[0019]根据该燃料电池系统，能够根据目标电压上升量，而恰当地对临时电压处理中的最低电压、保持该最低电压的期间、使电压恢复时的电压的上升速度(电流的下降速度)进行设定，以作为临时电压下降处理的处理条件。
[0020][应用例4]
[0021]在应用例2或应用例3所述的燃料电池系统中，还具备运转状态检测部，所述运转状态检测部对即将执行所述临时电压下降处理之前的所述燃料电池的运转状态进行检测，所述控制部预先取得如下的关系，即，在执行了所述临时电压下降处理时所述燃料电池的相对于预定的电流的电压由于所述发电特性的变化而上升的量、所述燃料电池的运转状态、与所述临时电压下降处理的处理条件之间的关系，所述控制部利用所述关系，而根据所述燃料电池的运转状态及所述目标电压来对所述处理条件进行设定。
[0022]根据该燃料电池系统，能够根据目标电压上升量及燃料电池的运转状态，而恰当地对临时电压下降处理的处理条件进行设定。
[0023][应用例5]
[0024]在应用例4所述的燃料电池系统中，即将执行所述临时电压下降处理之前的所述燃料电池的运转状态为，所述燃料电池处于高于预定的温度的高温状态下的期间的累计时间、和表示负载于所述燃料电池的电极上的催化剂的状态的催化剂利用率中的至少一个。
[0025]根据该燃料电池系统，能够根据目标电压上升量、和处于高温状态下的期间的累计时间以及/或燃料电池的催化剂利用率，而适当地对临时电压下降处理的处理条件进行设定。
[0026][应用例6]
[0027]在应用例2至5中的任意一个应用例所述的燃料电池系统中，还具备电压测量部，所述电压测量部对所述燃料电池的电压进行测量，所述控制部执行对所述关系的补正，以使执行所述临时电压下降处理后的所述燃料电池的电压的测量值与所述目标电压之差减小。
[0028]根据该燃料电池系统，能够进行为了在临时电压下降处理中获得所期望的电压的上升的、更加恰当的处理条件的设定。
[0029][应用例7]
[0030]在应用例I至6中的任意一个应用例所述的燃料电池系统中，还具备二次电池，所述二次电池通过所述控制部而被控制充电和放电，并且在所述临时电压下降处理中，对所述燃料电池的输出电力进行辅助，所述控制部预先对作为限制所述二次电池的放电的阈值的所述二次电池的充电状态的下限值进行设定，并且以使所述二次电池的充电状态不小于所述下限值的方式而对所述二次电池的充电状态进行管理，所述控制部通过在执行所述临时电压下降处理时使所述下限值降低，从而将限制所述二次电池的放电的条件放宽。
[0031]根据该燃料电池系统，能够确保在执行临时电压下降处理时的由二次电池进行的电力的补偿。
[0032][应用例8]
[0033]一种燃料电池系统的控制方法，包括:(a)计算机根据作为燃料电池的相对于预定的电流的电压的目标值的目标电压，而对用于使被表示为电流与电压之间的关系的所述燃料电池的发电特性发生变化的处理条件进行设定的工序；(b)计算机根据基于所述目标电压而设定的处理条件来执行临时电压下降处理的工序，其中，所述临时电压下降处理为，通过根据所述燃料电池的发电特性而使所述燃料电池的电压临时下降，从而产生所述燃料电池的电流的临时增大，并使所述燃料电池的发电特性发生变化的处理。
[0034]根据该控制方法，例如，即使在高温状态下燃料电池的发电性能下降的情况下，也能够通过以恰当的处理条件来执行临时电压下降处理，使燃料电池的发电特性发生变化，从而使燃料电池的电压上升至目标电压。因此，燃料电池的电压控制的控制性得到提高。
[0035]并且，本发明能够通过各种方式来实现，例如，能够通过燃料电池系统、搭载有该燃料电池系统的车辆等的方式来实现。此外，本发明能够通过燃料电池系统的控制方法、执行该控制方法的控制装置或程序、存储有该程序的记录介质等的方式来实现。
【专利附图】

【附图说明】
[0036]图1为表示燃料电池系统的结构的概要图。
[0037]图2为表示燃料电池系统的电结构的概要图。
[0038]图3为表示由燃料电池系统的控制部实施的系统控制的控制步骤的说明图。
[0039]图4为用于对执行通常运转时的燃料电池系统的输出控制进行说明的说明图。
[0040]图5为用于对燃料电池的发电性能的下降进行说明的说明图。
[0041]图6为用于对由于临时电压下降处理而产生的燃料电池的发电特性的临时提高进行说明的说明图。
[0042]图7为用于对发电特性恢复运转中的燃料电池的电压控制进行说明的说明图。
[0043]图8为表示发电特性恢复运转的具体的控制步骤的说明图。
[0044]图9为表示执行了临时电压下降处理后的电压上升量与临时电压下降处理中的电压下降量之间的关系的说明图。
[0045]图10为表示第二实施例的发电特性恢复运转的控制步骤的说明图。
[0046]图11为表示在燃料电池中使电压临时下降之后使电压恢复时的、电压的上升速度与电压的上升量之间的关系的说明图。
[0047]图12为表示为了根据电压上升量而取得电压的上升速度所使用的映射图的一个示例的说明图。
[0048]图13为表示第三实施例的燃料电池系统中的系统控制的控制步骤的说明图。[0049]图14为表示第三实施例的发电特性恢复运转的控制步骤的说明图。
[0050]图15为表示由于临时电压下降处理而产生的电压的上升量与高温持续时间之间的关系的说明图。
[0051]图16为为了决定临时电压下降处理的处理条件所使用的映射图的一个示例的示意图。
[0052]图17为表示第四实施例的发电特性恢复运转的处理步骤的说明图。
[0053]图18为表示表现负极电位与催化剂利用率之间的关系的映射图的一个示例的说明图。
[0054]图19为表示第四实施例的发电特性恢复运转的控制步骤的说明图。
[0055]图20为表示二次电池的准备处理的处理步骤的说明图。
【具体实施方式】
[0056]A.第一实施例:
[0057]图1为表示作为本发明的一个实施例的燃料电池系统的结构的概要图。该燃料电池系统100被搭载于燃料电池车辆等上，根据来自驾驶员的要求，输出作为驱动力而被使用的电力。燃料电池系统100具有:燃料电池10、控制部20、负极气体供给部30、负极气体排出部40、正极气体供给部50、正极气体循环排出部60及制冷剂供给部70。
[0058]燃料电池10为，接受作为反应气体的氢气(正极气体)与空气(负极气体)的供给而发电的固体高分子形燃料电池。燃料电池10具有层叠了被称为单元电池的多个发电体11的堆积结构。各发电体11具有:作为在电解质膜的两个面上配置了电极的发电体的膜电极接合体(省略图示)、及夹持膜电极接合体的两张隔板(省略图示)。
[0059]在此，电解质膜能够由在湿润状态下显示出良好的质子传导性的固体高分子薄膜构成。此外，电极能够由负载有用于促进发电反应的催化剂的导电性粒子构成。作为催化齐U，例如，能够采用钼(Pt)，作为导电性粒子，例如，能够采用碳(C)粒子。
[0060]控制部20由具有中央处理装置和主存储装置的微型计算机构成。控制部20接受输出电力的要求，并按照该要求，对以下说明的各结构部进行控制，以使燃料电池10发电。
[0061]负极气体供给部30具有:负极气体配管31、空气压缩机32、空气流量计33、开闭阀34及加湿部35。负极气体配管31为被连接于燃料电池10的负极侧的配管。空气压缩机32经由负极气体配管31而与燃料电池10连接，并且，将吸取并压缩外部气体而得到的空气作为负极气体而供给至燃料电池10。
[0062]空气流量计33在空气压缩机32的上游侧，对空气压缩机32所吸取的外部气体的量进行测量，并发送至控制部20。控制部20通过根据该测量值，对空气压缩机32进行驱动，从而对相对于燃料电池10的空气的供给量进行控制。
[0063]开闭阀34被设置于空气压缩机32与燃料电池10之间，并根据负极气体配管31中的供给空气的流动来进行开闭。具体而言，开闭阀34通常处于关闭的状态，并在具有预定的压力的空气从空气压缩机32被供给至负极气体配管31中时打开。
[0064]加湿部35对从空气压缩机32送出的高压空气进行加湿。为了保持电解质膜的湿润状态而获得良好的质子传导性，控制部20通过加湿部35而对向燃料电池10被供给的空气的加湿量进行控制，以对燃料电池10内部的湿润状态进行调节。另外，加湿部35与负极排气配管41连接，并将排气中的水分使用于高压空气的加湿。
[0065]负极气体排出部40具有:负极排气配管41、调压阀43及压力测量部44。负极排气配管41为被连接于燃料电池10的负极侧的配管，并将负极排气向燃料电池系统100的外部排出。调压阀43对负极排气配管41中的负极排气的压力(燃料电池10的负极侧的背压)进行调节。压力测量部44被设置在调压阀43的上游侧，对负极排气的压力进行测量，并将该测量值发送至控制部20。控制部20根据压力测量部44的测量值而对调压阀43的开度进行调节。
[0066]正极气体供给部50具有:负极气体配管51、氢气罐52、开闭阀53、调节器54、氢气供给装置55及压力测量部56。氢气罐52经由正极气体配管51而被连接于燃料电池10的正极，并且将填充在罐内的氢气供给至燃料电池10。另外，燃料电池系统100也可以采用如下的结构，即，作为氢气的供给源，设置对碳氢化合物的燃料进行改质并生成氢气的改质部，以代替氢气罐52。
[0067]开闭阀53、调节器54、氢气供给装置55、压力测量部56按照该顺序从上游侧(氢气罐52侧)依次被设置于正极气体配管51上。开闭阀53根据来自控制部20的指令而进行开闭，并对氢气从氢气罐52向氢气供给装置55的上游侧的流入进行控制。调节器54为用于对氢气供给装置55的上游侧的氢气的压力进行调节的减压阀，并且其开度通过控制部20而被控制。
[0068]氢气供给装置55例如能够通过作为电磁驱动式的开闭阀的喷射器而被构成。压力测量部56对氢气供给装置55的下游侧的氢气的压力进行测量，并发送至控制部20。控制部20通过根据压力测量部56的测量值，对氢气供给装置55进行控制，从而对向燃料电池10被供给的氢气量进行控制。
[0069]正极气体循环排除部60具有:正极排气配管61、气液分离部62、正极气体循环配管63、氢气循环用泵64、正极排水配管65、排水阀66及压力测量部67。正极排气配管61为连接燃料电池10的正极的出口与气液分离部62的配管，并将包括未被使用于发电反应中的未反应气体(氢气或氮气等)在内的正极排气向气液分离部62进行引导。
[0070]气液分离部62被连接于正极气体循环配管63与正极排水配管65。气液分离部62将被包含在正极排气中的气体成分与水分分离，并且将气体成分向正极气体循环配管63进行引导，而将水分向正极排水配管65进行引导。
[0071]正极气体循环配管63在与氢气供给装置55相比靠下游的位置处被连接于正极气体配管51。在正极气体循环配管63上设置有氢气循环用泵64，并且在气液分离部62中被分离出的气体成分中所含有的氢气通过该氢气循环用泵64而向正极气体配管51被送出。如此，在该燃料电池系统100中，通过使被包含在正极排气中的氢气进行循环，并再次供给至燃料电池10，从而提高了氢气的利用效率。
[0072]正极排水配管65是用于将在气液分离部62中被分离出的水分向燃料电池系统100的外部排出的配管。排水阀66被设置于正极排水配管65上，并根据来自控制部20的指令而进行开闭。控制部20在燃料电池系统100运转过程中，通常关闭排水阀66，并在被预先设定的预定的排水时机或在正极排气过程中的惰性气体的排出时机打开排水阀66。
[0073]正极气体循环排出部60的压力测量部67被设置于正极排气配管61上。压力测量部67在燃料电池10的氢气歧管的出口附近，对正极排气的压力(燃料电池10的正极侧的背压)进行测量，并发送至控制部20。
[0074]制冷剂供给部70具有:制冷剂用配管71、散热器72、三通阀73、制冷剂循环用泵75及两个制冷剂温度测量部76a、76b。制冷剂用配管71是用于使用于对燃料电池10进行冷却的制冷剂进行循环的配管，并且由上游侧配管71a、下游侧配管71b及旁通配管71c构成。
[0075]上游侧配管71a对被设置在燃料电池10上的制冷剂用的出口歧管与散热器72的入口进行连接。下游侧配管71b对被设置在燃料电池10上的制冷剂用的入口歧管与散热器72的出口进行连接。旁通配管71c的一端经由三通阀73而与上游侧配管71a连接，另一端被连接于下游侧配管71b。控制部20通过对三通阀73的开闭进行控制，从而对制冷剂向旁通配管71c的流入量进行调节，进而对制冷剂向散热器72的流入量进行控制。
[0076]散热器72被设置于制冷剂用配管71上。散热器72通过使在制冷剂配管71中流动的制冷剂与外部气体之间进行热交换，从而对制冷剂进行冷却。制冷剂循环用泵75被设置在下游侧配管71b中与旁通配管71c的连接位置相比靠下游侧(燃料电池10的制冷剂入口侧)的位置处，并且根据控制部20的指令而进行驱动。
[0077]两个制冷剂温度测量部76a、76b分别被设置于上游侧配管71a与下游侧配管71b上，并且将各自的测量值发送至控制部20。控制部20根据各制冷剂温度测量部76a、76b各自的测量值之差，而对燃料电池10的运转温度进行检测。此外，控制部20根据所检测出的燃料电池10的运转温度，而对制冷剂循环用泵75的转速进行控制，以对燃料电池10的运转温度进行调节。
[0078]燃料电池系统100还具备用于获取燃料电池车辆的车辆信息的外部气体温度传感器101和车速传感器102。外部气体温度传感器101对燃料电池车辆外部的气体温度进行检测，并发送至控制部20。车速传感器102对燃料电池车辆的当前的速度进行检测，并发送至控制部20。控制部20将从这些传感器所得到的信息适当地利用于燃料电池10的输出控制。
[0079]图2为表示燃料电池系统100的电结构的概要图。燃料电池系统100具有:二次电池81、DC/DC转换器82及DC/AC逆变器83。此外，燃料电池系统100具有:电池电压测量部91、电流测量部92、阻抗测量部93、SOC检测部94及开闭开关95。
[0080]燃料电池10经由直流布线DCL而被连接于DC/AC逆变器83上，DC/AC逆变器83被连接于作为燃料电池车辆的驱动力源的电动机200上。二次电池81经由DC/DC转换器82而被连接于直流布线DCL上。
[0081]二次电池81作为燃料电池10的辅助电源而发挥功能。二次电池81能够由例如锂离子电池构成。控制部20通过对DC/DC转换器82进行控制，从而对燃料电池10的电流和电压以及二次电池81的充电和放电进行控制，并对直流布线DCL的电压电平进行可变调节。
[0082]在二次电池81上连接有SOC检测部94。SOC检测部94对作为二次电池81的充电状态的S0C(State of Charge:荷电状态)进行检测，并发送至控制部20。此处，二次电池81的SOC是指，二次电池81的充电剩余量(蓄电量)相对于二次电池81的充电容量的比率。SOC检测部94通过对二次电池81的温度、电力、电流进行测量，从而对二次电池81的SOC进行检测。[0083]控制部20根据SOC检测部94的检测值对二次电池81的充电和放电进行控制，以使二次电池81的SOC收纳在预定的范围内。具体而言，控制部20在从SOC检测部94所取得的二次电池81的SOC低于被预先设定的下限值时，利用燃料电池10输出的电力，而对二次电池81进行充电。此外，在二次电池81的SOC高于被预先设定的上限值时，使二次电池81放电。
[0084]DC/AC逆变器83将从燃料电池10和二次电池81得到的直流电力向交流电力进行转换，并提供给电动机200。而且，当通过电动机200而产生再生电力时，DC/AC逆变器83将该再生电力转换为直流电力。被转换为直流电力的再生电力经由DC/DC转换器82而被蓄电于二次电池81中。
[0085]电池电压测量部91与燃料电池10的各发电体11相连接，并对各发电体11的电压(电池电压)进行测量。电池电压测量部91将其测量结果发送至控制部20。控制部20根据电池电压测量部91的测量结果，取得燃料电池10所输出的电压。
[0086]电流测量部92被连接于直流布线DCL上，对燃料电池10所输出的电流值进行测量，并发送至控制部20。当在电池电压和电流的实测值与目标值(控制值)之间产生差时，控制部20执行对这些控制值进行修正的所谓的反馈控制，以减少该差。
[0087]阻抗测量部93被连接于燃料电池10上。阻抗测量部93通过向燃料电池10施加交流电流，从而对燃料电池10整体的阻抗进行测量，并发送至控制部20。控制部20根据阻抗测量部93的测量结果，对燃料电池10的电解质膜的湿润状态进行管理。开闭开关95被设置于直流布线DCL上，并根据控制部20的指令，而对燃料电池10及二次电池81与电动机200之间的电连接进行控制。
[0088]图3为表示由燃料电池系统100的控制部20所实施的系统控制的控制步骤的流程图。当燃料电池系统100启动时，控制部20将根据来自驾驶员的对于燃料电池车辆的驱动要求，而开始执行使燃料电池10发电的通常运转(步骤S10)。
[0089]图4为用于对执行通常运转时的燃料电池系统100的输出控制进行说明的说明图。图4中，以将左右纵轴分别设为电压和电力，并将横轴设为电流的方式，而图示了表示燃料电池10的电流-电压特性(1-V特性)的曲线图Gm及表示电流-电力特性(1-P特性)的曲线图通常，燃料电池的发电特性能够通过1-V特性或1-P特性来表示。燃料电池的1-V特性被表示为随着电流的增加而下降的横S字状的平缓的曲线图，燃料电池的1-P特性被表示为向上方凸出的曲线图。
[0090]控制部20将表示关于燃料电池10的1-V特性及1-P特性等发电特性的信息作为燃料电池10的控制用信息而预先进行存储。另外，由于燃料电池10的1-V特性及1-P特性随着燃料电池10的运转温度等运转条件而发生变化，因此优选为，控制部20具有针对这些运转条件中的每个运转条件的控制用信息。
[0091]控制部20根据燃料电池10的1-P特性，而取得相对于要求电力Pt燃料电池10所应当输出的目标电流It。而且，控制部20根据燃料电池10的1-V特性，取得用于输出目标电流It的燃料电池10的目标电压Vt。控制部20通过使DC/DC转换器82将直流布线DCL的电压设定为目标电压Vt，从而使燃料电池10及二次电池81输出要求电力Pt。
[0092]在步骤S20(图3)中，控制部20在通常运转的执行过程中，在预定的时机对燃料电池10的运转温度进行检测，并对燃料电池10是否处于高温状态进行判断。此处，在本说明书中，“高温状态”是指，燃料电池10的运转温度高于被预先设定的阈值(例如，大约90°C左右)的状态。
[0093]控制部20在燃料电池10未处于高温状态时，继续通常运转的控制(步骤S10)，而在燃料电池10处于高温状态时，开始进行高温运转(步骤S25)。控制部20实施用于抑制燃料电池10的运转温度的上升或电解质膜的干燥的控制，以作为高温运转。具体而言，实施使相对于燃料电池10的制冷剂的供给量增大的控制或使反应气体的加湿度上升的控制。此处，虽然在该高温运转的条件下，燃料电池10的输出控制与通常运转时以相同的方式被执行，但已知燃料电池10的发电性能会随着运转温度的上升而下降。
[0094]图5为用于对随着运转温度的上升而产生的燃料电池的发电性能的下降进行说明的说明图。在图5中，以将纵轴设为电压，并将横轴设为电流的方式，而图示了表示在通常的运转温度(例如，60°C?80°C左右)下的燃料电池的1-V特性的一个示例的曲线图1-Vn，与表示在高温状态(例如，90°C以上)下的燃料电池的1-V特性的一个示例的曲线图1-Vd0
[0095]通常情况下，燃料电池的1-V特性具有随着燃料电池的运转温度的上升，表示其特性的曲线图向下降的方向发生变化的趋势。而且，表示1-V特性的曲线越下降，则燃料电池的发电效率越下降，从而成为容易产生发热的发电状态。因此，在表示1-V特性的曲线显著下降的发电状态中，将促进电解质膜的干燥、催化剂的氧化，从而燃料电池成为难以按照发电特性而使电流增大并使电力增大的极限状态(用虚线表示)。在该状态下，当对燃料电池进一步施加负荷时，还可能产生燃料电池的不可逆转的劣化。
[0096]因此，在本实施例的燃料电池系统100中，控制部20在高温运转的执行过程中，在预定的时机，对燃料电池10的发电性能是否处于显著下降的极限状态(图3的步骤S30)进行判断。在该判断处理中，控制部20例如可以在燃料电池10的相对于预定的电流的电池电压与预定的阈值相比下降时，判断为燃料电池10的发电状态处于极限状态。此外，也可以在根据燃料电池10的阻抗而取得的电池阻抗显著增大时，判断为燃料电池10的发电状态处于极限状态。
[0097]控制部20在判断为燃料电池10的发电状态不是极限状态时，继续进行高温运转的控制(步骤S25)。此外，在高温运转的执行过程中，当燃料电池10的运转温度下降，并从高温状态恢复时，恢复至通常运转(用虚线箭头图示)。
[0098]另一方面，控制部20在步骤S30中判断为燃料电池10的发电状态处于极限状态的情况下，开始进行用于避免燃料电池10的劣化的劣化避免运转(步骤S40)。在该劣化避免运转中，燃料电池10的输出控制被限制。具体而言，控制部20以预定的极限值对燃料电池10的输出电力进行限制。更加具体而言，控制部20将燃料电池10的电压限制为预定的极限电压Vlim，并将燃料电池10的电流限制为预定的极限电流Ilim。并且，在该劣化避免运转的执行过程中，二次电池81对相对于要求电力的不足部分进行补偿。
[0099]在此，即使在该劣化避免运转的执行过程中，也存在作出如下的要求的情况，即，要求超过能够由二次电池81补偿的电力的电力等需要使燃料电池10的电压进一步上升的要求。此外,根据燃料电池系统的内部要求,有时会产生使燃料电池10的电压进一步上升的需要。
[0100]在本实施例的燃料电池系统100中，在继续进行劣化避免运转的过程中，当检测出需要使燃料电池10的电压上升的要求时(步骤S50)，不将该要求设为无效，而开始执行发电特性恢复运转(步骤S60)。该发电特性恢复运转为，通过以预定的周期、预定的次数来反复执行如下说明的临时电压下降处理，从而使燃料电池10的发电特性临时提高的运转。
[0101]图6(A)?(C)为用于对通过临时电压下降处理而产生的燃料电池的发电性能的临时提高进行说明的说明图。图6(A)、(B)的曲线是通过实验而得到的。图6(A)为表示燃料电池的电流的时间变化的曲线图，图6(B)为表示燃料电池的电压的时间变化的曲线图。图6㈧、(B)的曲线图分别使时间轴相互对应而进行图示。
[0102]该实验中，在时刻&?t2的期间，使燃料电池的电流从I1增大至I2，并以I2临时进行了保持之后，再次下降至I1(图6(A))。此时，燃料电池的电压虽然随着电流的增大而从％下降至V2，但在使电流恢复至原来的电流值I1时(时刻t2)，成为高于原来的电压V1的电压V3，之后也短暂地维持高于原来的电压V1的电压(图6(B))。
[0103]图6(C)为用于根据燃料电池的1-V特性而对使电压临时下降之后的电压的上升进行说明的说明图。图6(C)中，用虚线图示了表示时刻A(使燃料电池的电压下降之前)的燃料电池的1-V特性的曲线，用实现图示了表示时刻t2(使燃料电池的电压恢复之后)的燃料电池的1-V特性的曲线。
[0104]如图6㈧、⑶所示，使电流临时增大之后，燃料电池的电流与电压变得不再对应的原因在于，如图6(C)所示，燃料电池的1-V特性向恢复的方向发生变化。该1-V特性的变化的原因在于，由于电流的临时增大，而引起燃料电池内部的水分的增加，从而促进了电解质膜的干燥区域的减少、催化剂的氧化被膜的减少/活化等。另外，如根据到目前为止的说明也能够理解的那样，可以解释为，临时电压下降处理的执行前后的相对于某一电流的电压的上升量(在图6中，相对于电流I1作为V3-V1而获得的量)为，表示燃料电池的发电性能的提高的程度的值。
[0105]如此，通过执行如下的临时电压下降处理，从而使燃料电池的发电特性恢复，并使燃料电池的发电性能提高，所述临时电压下降处理为，使燃料电池的电压临时下降，从而产生基于燃料电池的发电特性(Ι-v特性)的电流的临时增大。但是，通过该发电特性的恢复变化而产生的发电性能的提高是临时的，即使将电流保持为固定，燃料电池的电压也会随着时间的经过而逐渐下降。因此，为了获得所希望的发电性能的提高，优选反复执行临时电压下降处理。
[0106]图7(A)、⑶为用于对发电特性恢复运转中的燃料电池10的输出控制进行说明的说明图。图7㈧中，以将纵轴设为电压，并将横轴设为时间的方式，而图示了表示发电特性恢复运转的执行开始前后的燃料电池10的电压的时间变化的一个示例的曲线图。此外，图7(B)中，以将纵轴设为电流，将横轴设为时间，并使时间轴与图7(A)相对应的方式，而图示了表示燃料电池10的电流的时间变化的一个示例的曲线图。
[0107]在此，当在劣化避免运转过程中燃料电池10输出极限电压Vlim及极限电流Ilim时，设为控制部20检测出了使燃料电池10的电压上升至目标电压Vt的要求(图3的步骤S40、S50)。控制部20以如下的方式执行燃料电池10的输出控制，以作为发电特性恢复运转(步骤 S60)。
[0108]控制部20使燃料电池10的电压从极限电压Vlim下降至Vc，从而使电流从Ilim增大至Ic (时刻tla)。然后，以下降后的电压Vc保持了预定的期间之后，使电压上升至高于原来的极限电压Vlim的Vp (时刻tlb)，以使电流返回到原来的Ilim。
[0109]以下，在本说明书中，将临时电压下降处理后的上升电压Vp与执行临时电压下降处理前的原来的电压Vlim之差、即由于临时电压下降处理而产生的电压的上升量称为“电压上升量Λ V”( Λ V = Vp-Vlim)。在本实施例的燃料电池系统100中，根据目标电压Vt来设定上升电压Vp，并且设定电压上升量Λ V的目标值(目标上升量Λ V)，从而决定用于得到目标上升量Λ V的电压临时电压下降处理的处理条件，详细内容将在后文叙述。
[0110]另外，上述的“上升电压Vp”相当于本发明中的“目标电压”，“目标上升值Λ V”相当于本发明中的“目标电压上升量”。
[0111]时刻tlb?t2a中，控制部20控制为从燃料电池10流出的电流以Ilim被保持。然而，如上文所述，由于燃料电池10的发电性能的提高是临时的，因此控制部20以预先被设定的速度使电压从Vp慢慢下降。之后，控制部20以预定的次数、固定的周期T反复进行与时刻tla?tlb的期间相同的临时电压下降处理，以使燃料电池10的电压的时间平均达到目标电压vt。
[0112]如此，在本实施例的燃料电池系统100中，在发电特性恢复运转中，通过反复执行上述的使电压临时下降的临时电压下降处理，从而能够使燃料电池10的电压从极限电压Vlim进一步上升。具体而言，发电特性恢复运转按照以下的步骤而被执行。
[0113]图8为表示发电特性恢复运转的具体控制步骤的流程图。在步骤SlOO中，控制部20根据被要求的电压(目标电压Vt)而对临时电压下降处理后的上升电压Vp进行设定，并且对作为通过临时电压下降处理而应当上升的电压的上升量的目标上升量ΛV进行设定。具体而言，控制部20根据目标电压Vt、和预先被设定的反复进行临时电压下降处理的周期T，来对上升电压Vp和目标上升量Λ V进行设定。控制部20也可以利用预先准备的关系，而对相对于目标电压Vt的上升电压Vp和目标上升量Λ V进行设定。
[0114]在步骤SllO中，控制部20根据目标上升量Λ V，而将作为临时电压下降处理中的燃料电池10的最低电压(电压下降的目标值)的下降后电压Vc作为临时电压下降处理的处理条件来确定。具体而言，控制部20如以下方式取得下降后电压Vc。
[0115]图9为本发明的发明人通过实验而得到的曲线图，且为表示相对于预定的电流的电压在执行了临时电压下降处理后所上升的量(电压上升量)、与临时电压下降处理中的电压的下降量(电压下降量)之间的关系的曲线图。本发明的发明人在以电流密度0.25A/cm2、0.5A/cm2UA/cm2使燃料电池发电时，分别以改变电压下降量的方式执行临时电压下降处理，并对分别恢复至所述的原来的电流密度时的电压的上升量进行测量。然后，通过对各测量值的标绘，而得到了图9所示的虚线的直线图G1。
[0116]本发明的发明人通过该实验而发现了，在临时电压下降处理中的电压下降量与通过临时电压下降处理而得到的电压上升量之间，具有随着电压下降量增大，电压上升量以大致固定的比例增大的线性关系。而且发现了，该线性关系与燃料电池的电流的值无关，而是作为大致固定的关系而被得出。
[0117]并且，控制部20预先储存了与图9相同的表示电压下降量与电压上升量之间的关系的映射图。在步骤SllO中，利用该映射图来取得相对于目标上升量Λ V的电压下降量Vd，并根据电压下降量Vd与当前的电压Vi，而取得作为临时电压下降处理中的电压下降的目标值的下降后电压Vc (Vc = V1-Vd)。[0118]在步骤S120中，以预先被设定的周期T、预定的次数反复执行如下的临时电压下降处理，所述临时电压下降处理为，使燃料电池10的电压临时下降至在步骤110中所确定的下降后电压Vc，并保持预定的固定期间。由此，如通过图7所说明的那样，能够使燃料电池10的电压从极限电压Vlim上升，并在取得临时电压下降处理被反复执行的期间内的燃料电池10的电压的时间平均时，会得到目标电压Vt。
[0119]在步骤S130中，控制部20实施对通过临时电压下降处理是否得到了恰当的电压上升量的判断。具体而言，控制部20对燃料电池10的上升后的电压进行测量，并对作为目标值的目标上升量Λ V与电压实际上升的量之间的误差进行计算，且对该误差是否存在于预先被设定的容许范围内(例如，±10%左右)进行判断。
[0120]当误差脱离了在容许范围时，控制部20对在图9中所说明的映射图进行补正，以使该误差降低(步骤S140)。具体而言，反映出执行临时电压下降处理后所得到的电压的实际上升量，并使映射图所表示的曲线图进行移动。或者，控制部20也可以使映射图所表示的曲线图的斜率度发生变化。
[0121]当在步骤S120的临时电压下降处理中，作为目标上升量Λ V而得到了恰当的值时，或者，完成了步骤S130中的映射图的补正时，控制部20结束发电特性恢复运转。然后，再次执行劣化避免运转，直到燃料电池10的电压的上升达到所需为止(步骤S40)。另外，在劣化避免运转的执行过程中，在燃料电池10的发电性能从极限状态恢复了的情况下，控制部20返回至步骤S25的高温运转，而且，在燃料电池10变得不再是高温状态时，返回至通常运转(用虚线箭头标记图示的流程)。
[0122]如上文所述，根据本实施例的燃料电池系统100，即使在燃料电池10处于高温状态而发电性能下降，并且达到了极限区域之后，也能够通过发电特性恢复运转，而使燃料电池10的电压达到目标电压。由此，高温状态下的燃料电池10的控制性能得到提高。此外，在发电特性恢复运转中，由于根据目标电压来对临时电压下降处理的处理条件进行设定，因此能够恰当地对燃料电池10的电压进行控制。而且，由于通过临时电压下降处理而实际上升的电压的上升量被反馈到用于设定处理条件的映射图中，因此能够进一步提高燃料电池10的控制性。
[0123]B.第二实施例:
[0124]图10为表示作为本发明的第二实施例的燃料电池系统所执行的发电特性恢复运转的控制步骤的流程图。图10除了设置有步骤Slll以替代步骤SllO这一点以外，与图8大致相同。另外，第二实施例的燃料电池系统的结构与第一实施例的燃料电池系统的结构大致相同(图1、图2)。此外，由第二实施例的燃料电池系统中的控制部20而实施的系统控制的步骤与第一实施例中所说明的步骤相同(图3)。
[0125]在第二实施例的发电特性恢复运转中，控制部20在步骤SllO中取得了目标上升量Λ V之后，根据该目标上升量ΛV而对作为临时电压下降处理中的电压的恢复速度的电压上升速度Vrv进行设定(步骤S111)。控制部20为了取得电压上升速度Vrv的设定值，而利用以下说明的在临时电压下降处理中使电压恢复时的电压的上升速度(电压上升速度)与电压上升量之间的关系。
[0126]图11为本发明的发明人通过实验而得到的曲线图，且为表示对燃料电池执行了临时电压下降处理时的电压上升速度与电压上升量之间的关系的曲线图。图11中，以将左侧的纵轴设为电池电压，将右侧的纵轴设为电流密度，并将横轴设为时间的方式，而在下部图示了表示电流密度的时间变化的曲线G11~G13，并在上部图示了表示电压的时间变化的
曲线Gvi~Gv3。
[0127]如该曲线图所示，使电流密度从Ihigh下降至Ilmt时的电流密度的下降速度越小、SP电压的上升速度越大，则变化后的电压值越高。由此，本发明的发明人发现了，在临时电压下降处理中，电压的恢复速度越大，则电压上升量变得越大。即，本发明的发明人发现了，在临时电压下降处理中，电压的上升速度越大，则燃料电池的性能的提高的程度越高。因此，在第二实施例的燃料电池系统中，控制部20为了设定临时电压下降处理的处理条件，而利用以下的映射图。
[0128]图12为表示在步骤Slll中控制部20为了根据目标上升量Λ V而获得电压的上升速度Vrv所利用的映射图的一个示例的说明图。图12中，将在步骤Slll中被利用的映射图图示为将纵轴设为电压上升量并将横轴设为电压上升速度的曲线图。该映射图被设定为，电压上升量越大，则电压上升速度越大，并且电压上升量越大，则电压上升速度的变化率越小。
[0129]控制部20利用该映射图，取得相对于目标上升量Λ V的电压上升速度Vrv(步骤SiiD0然后，作为临时电压下降处理，而使燃料电池?ο的电压下降至预定的下降后电压Vc，并以下降后电压Vc保持了预定的期间之后，以电压上升速度Vrv使燃料电池的电压恢复(步骤S120)。另外，在 第二实施例的燃料电池系统100中，也可以采用如下的方式，SP，根据电压上升速度Vrv来调节临时电压下降处理的执行间隔(从电压上升后至电压再次下降为止的时间间隔)，以便能够以预定的周期T来执行临时电压下降处理。
[0130]如上文所述，在第二实施例的燃料电池系统中，通过利用预先取得的关系，并根据所希望的电压上升量，而对作为临时电压下降处理的处理条件之一的电压上升速度进行设定，从而能够得到燃料电池10的所希望的发电特性的恢复。因此，高负荷运转时的燃料电池10的控制性得到提高。另外，在第二实施例的燃料电池系统中，也可以解释为，利用预先取得的关系，根据所希望的电压上升量，而设定临时电压下降处理中的电流的下降速度。
[0131]C.第三实施例:
[0132]图13为表示在作为本发明的第三实施例的燃料电池系统中控制部20所执行的系统控制的控制步骤的流程图。图13除了追加有步骤S24这一点以外，与图3大致相同。图14为表示第三实施例的燃料电池系统中的发电特性恢复运转的控制步骤的流程图。
[0133]图14除了追加有步骤S105这一点和设置有步骤112以替代步骤SllO这一点以外，与图8大致相同。另外，第三实施例的燃料电池系统的结构与第一实施例的燃料电池系统100的结构大致相同(图1、图2)。在第三实施例的燃料电池系统中，根据目标上升量Δ V和燃料电池10处于高温状态下的期间的累计时间(燃料电池10被曝光于高温状态下的累计时间)，来对临时电流下降处理的处理条件进行设定。具体内容如下。
[0134]控制部20在执行通常运转时检测出了燃料电池10处于高温状态的情况下，在开始测量燃料电池10处于高温状态下的期间的累计时间(以下，称为“高温持续时间”)之后，开始进行高温运转(步骤S24、S25)。该高温持续时间如以下所说明那样，在发电特性恢复运转时，被利用于临时电压下降处理的处理条件的设定。另外，该高温测量时间可以在从燃料电池10的运转温度下降而不再处于高温状态起经过了预定的时间时被复位。[0135]在发电特性恢复运转(图14)中，控制部20在步骤SlOO中取得了目标上升量Λ V之后，取得当前的高温持续时间，以作为即将执行临时电压下降处理之前的燃料电池10的运转状态(步骤S105)。然后，在步骤S112中，利用预定的关系，而根据目标上升量Λ V与高温持续时间来确定临时电压下降处理中的下降后电压Vc。
[0136]图15为本发明的发明人通过实验而得到的曲线图，且为将针对每个高温持续时间而对燃料电池以固定的处理条件执行了临时电压下降处理时的测量结果，以将纵轴设为电压上升量并将横轴设为高温持续时间的方式而进行图示的曲线图。另外，实线曲线Gl为，将在临时电压下降处理中保持下降后电压Vc的期间设定为与虚线曲线G2的情况相比较长时的曲线图。
[0137]在将临时电压下降处理的处理条件设为固定的情况下，高温持续时间越长，则通过临时电压下降处理而产生的电压上升量越大。而且，高温持续时间越长，则电压上升量的增加率越下降，当高温持续时间超过某个值时，电压上升量将收敛于最大值。
[0138]本发明的发明人发现了，能够针对每个作为临时电压处理中的最低电压的下降后电压，而取得该高温持续时间与电压上升量之间的关系。第三实施例的燃料电池系统中，利用这样表示了高温持续时间、电压上升量与下降后电压之间的关系的映射图，而根据高温持续时间Td与目标上升量Λ V，来确定作为临时电压下降处理的处理条件的下降后电压Vc。
[0139]图16为表示在步骤S112中用于确定临时电压下降处理的处理条件的映射图的一个示例的模式图。第三实施例的燃料电池系统中，控制部20预先存储了针对每个下降后电压Vc (Vc =…、Vlri^n)的表示高温持续时间与电压上升量之间的关系的映射图。
[0140]在步骤S112中，控制部20对相对于在步骤S105中所取得的高温持续时间Td而获得目标上升量Λ V的映射图进行选择，并取得与该映射图对应的下降后电压Vc。并且，将该下降后电压Vc作为临时电压下降处理的处理条件来确定。另外，根据执行了临时电压下降处理后被测量的燃料电池10的电压上升量的实测值，而对图16的映射图进行补正(步骤 S140)。
[0141]如上文所述，根据第三实施例的燃料电池系统，能够根据目标上升量Λ V以及即将执行临时电压下降处理之前的高温持续时间Td，而恰当地对临时电压下降处理的处理条件进行设定。因此，高负荷运转时的燃料电池10的控制性得到提高。
[0142]Cl.第三实施例的其他的结构示例:
[0143]在上述的第三实施例中，根据目标上升量Λ V和高温持续时间Td而确定了下降后电池电压Vc，以作为临时电压下降处理的处理条件。然而，如图15中的曲线图所示，在临时电压下降处理中保持下降后电压Vc的时间(低电压保持期间)越长，则执行临时电压下降处理后的电压上升量越大。通过利用该关系，控制部20还能够根据目标上升量Λ V和高温持续时间Td，而确定临时电压下降处理中的低电压保持期间。
[0144]D.第四实施例:
[0145] 图17为表示在作为本发明的第四实施例的燃料电池系统中被执行的发电特性恢复运转的处理步骤的流程图。第四实施例的燃料电池系统中，作为燃料电池10的运转状态而取得负极催化剂的当前的催化剂利用率Vi，并根据该催化剂利用率L与目标上升量ΛV来确定临时电压下降处理的处理条件。另外，第四实施例的燃料电池系统的结构与第一实施例的燃料电池系统的结构大致相同(图1、图2)。此外，第四实施例的燃料电池系统中控制部20执行的系统控制的控制步骤与在第一实施例中所说明的控制步骤相同(图3)。
[0146]第四实施例的燃料电池系统中，当被判断为燃料电池10在高温状态下处于极限状态，而且，相对于燃料电池10而作出电压的上升要求时，执行以下所说明的发电特性恢复运转。在步骤S200中，与在第一实施例中所说明的步骤SlOO(图8)同样地，根据当前的燃料电池10的电压、目标电压Vt及预先被设定的临时电压下降处理的执行周期T，来对临时电压下降处理中的目标上升量Λ V进行设定。
[0147]在步骤S210中，控制部20取得燃料电池10的当前的负极电位Φρ负极电位Φ?能够利用燃料电池10的当前的电池电压Ve1、可根据阻抗测量部93的测量值而取得的燃料电池10的电池阻抗R、燃料电池10的当前的电流密度I，根据下述的数学式(I)而取得。
[0148]Φ j = Vci+I XR...(I)
[0149]图18为图示表示负极电位与催化剂利用率之间的关系的映射图的一个示例的说明图。该映射图可以在燃料电池系统的启动时，由控制部20通过LSV(Linear SweepVolta_etry:线性扫描伏安法)而取得，也可以预先被存储在控制部20的存储部中。负极电位与催化剂利用率之间的关系通常情况下能够表示为，负极电位越高，则催化剂利用率越降低的横S字状的平缓的曲线图，并且负极电位与催化剂利用率能够相互唯一地求取。
[0150]在步骤S220中，控制部20利用该映射图来取得相对于当前的负极电位Φ?的当前的催化剂利用率Vi(用虚线箭头图示)。在步骤S230中，将当前的催化剂利用率V1、目标上升量Λ V、电池阻抗R及燃料电池10的当前的运转温度T代入基于塔菲尔(Tafel)公式的下述数学式(2)中，以取得作为临时电压下降处理后的催化剂利用率的目标值的目标催化剂利用率Vt。
[0151]Δ V = (RX T/a XF) Xln(FtZ^i)...(2)
[0152]在此，α为负极反应的移动系数，通常，为0.5~1.0之间的值。F是法拉第常数。
[0153]在步骤S240中，再次利用在图18中所说明的映射图，而取得相对于目标催化剂利用率^的目标负极电位(在图18中用单点划线的箭头标记来图示)。在步骤S250中，将所取得的目标负极电位、燃料电池10的电池阻抗R、电流密度I代入到下述的数学式
(3)中，从而取得临时电压下降处理中的下降后电压Vc。
[0154]Vc = Φ? -1XR- (3)
[0155]在步骤S260中，以预定的周期Τ、预定的次数反复执行如下的临时电压下降处理，所述临时电压下降处理为，将在步骤S250中所取得的下降后电压Vc保持预定的期间的处理。然后，在步骤S270中，对临时电压下降处理中的燃料电池10的实际的电压上升量进行测量，并对与作为目标值的目标上升量Λ V之间的误差进行计算。当该误差脱离了预先被设定的容许范围(例如，±10%左右)时，控制部20对在图18中所说明的映射图进行补正(步骤 S280)。
[0156]如上文所述，在第四实施例的燃料电池系统中，根据可基于目标电压取得的目标上升量Λ V、表示即将执行临时电压下降处理之前的燃料电池10的运转状态的催化剂利用率Fi，来确定作为临时电压下降处理的处理条件的下降后电压Vc。在此，通过临时电压下降处理而使燃料电池10的发电特性恢复的理由之一在于，由于电流的临时增大，催化剂的氧化被膜减少，从而催化剂利用率得到提升。因此，通过根据催化剂利用率来对临时电压下降处理的处理条件进行设定，从而能够更直接地对燃料电池10中的发电性能的提高的程度进行控制，从而燃料电池10的输出控制能够以更高的精度来实现。
[0157]E.第五实施例:
[0158]图19为表示在第四实施例的燃料电池系统中被执行的发电特性恢复运转的控制步骤的流程图。图19除了追加有步骤S115这一点以外，与图8大致相同。另外，第五实施例的燃料电池系统的结构与第一实施例的燃料电池系统100的结构大致相同(图1、图2)。此外，在第四实施例的燃料电池系统中控制部20执行的系统控制的控制步骤与在第一实施例中所说明的步骤相同(图3)。
[0159]在此，在执行临时电压下降处理时，有时会通过二次电池81的输出来补偿燃料电池10的输出不足。然而，如在上文中已经说明的那样，由于在二次电池81的SOC中预先设定有下限值，因此在二次电池81的SOC明显较低的情况下，存在执行临时电压下降处理时的由二次电池81所实施的补偿变得困难的可能性。因此，在第五实施例的燃料电池系统中，在步骤SllO中对临时电压下降处理的处理条件进行了设定之后，执行用于确保在临时电压下降处理被反复执行的期间内的由二次电池81所实施的补偿的准备处理(步骤S115)。
[0160]图20为表示步骤S115中的二次电池81的准备处理的处理步骤的流程图。步骤S300中，控制部20根据临时电压下降处理的处理条件，来执行是否需要由二次电池81实施的输出补偿的判断处理。具体而言，控制部20对当前对燃料电池10要求的电力(要求电力)与在临时电压下降处理被反复执行的期间内燃料电池10所能够输出的电力进行比较。然后，对相对于要求电力，临时电压下降处理被反复执行的期间内的燃料电池10的输出电力是否不足进行判断。
[0161]当判断为需要由二次电池81实施的输出补偿时，控制部20对二次电池81的当前的SOC进行检测(步骤S310)。另一方面，当判断为不需要由二次电池81实施的输出补偿时，控制部20返回至发电特性恢复运转，并以预定的周期T、预定的次数反复执行临时电压下降处理(图19的步骤S120)。
[0162]在步骤S320(图20)中，控制部20根据当前的二次电池81的S0C，来判断二次电池81是否能够对在执行临时电压下降处理的过程中产生不足的电力进行补偿。即，对当使二次电池81输出了该不足电力的情况下，二次电池81的SOC是否不低于下限值进行判断。当判断为能够进行由二次电池81实施的补偿时，控制部20返回至发电特性恢复运转，并开始执行临时电压下降处理(图19的步骤S120)。
[0163]在步骤S330(图20)以后的处理中，控制部20为了确保临时电压下降处理的执行，而执行放宽二次电池81的输出限制的处理或对临时电压下降处理的处理条件进行变更的处理中的某一个。具体内容如下。
[0164]控制部20在判断为当使二次电池81对不足电力进行补偿时，二次电池81的SOC将低于下限值的情况下，对能否通过将该下限值重新设定为更低的值，从而进行由二次电池81实施的补偿进行判断(步骤S330)。S卩，对在将二次电池81的SOC的下限值重新设定为低于预先被规定的初始设定的下限值的第二下限值，并使二次电池81对临时电压下降处理中的不足电力进行补偿的情况下，二次电池81的SOC是否低于第二下限值进行判断。
[0165]控制部20在判断为通过二次电池81的SOC的下限值的变更而能够进行临时电压下降处理中的不足电力的补偿时，将二次电池81的SOC的下限值变更为第二下限值(步骤S340)。在此，二次电池81的SOC的下限值是为了防止因二次电池81的蓄电量不足所引起的劣化而被设定的值。然而，由于当燃料电池10的发电性能提高时，施加于二次电池81的负荷也会减少，因此在第四实施例的燃料电池系统中，通过主动地将二次电池81的SOC的极限临时放宽，从而确保临时电压下降处理的执行。
[0166]控制部20在判断为即使对二次电池81的SOC的下限值进行变更也无法进行临时电压下降处理中的不足电力的补偿时，对临时电压下降处理的处理条件进行变更(步骤S350)。具体而言，执行使下降后电压Vc的值上升的补正，以减少执行临时电压下降处理的过程中的不足电力。控制部20在执行了 SOC的下限值的变更或下降后电压Vc的变更之后，返回至发电特性恢复运转，并开始执行临时电压下降处理(图19的步骤S120)。
[0167]如上所述，在第五实施例的燃料电池系统中，通过预先进行准备以便能够进行由二次电池81实施的电力的补偿，从而确保临时电压下降处理的执行。因此，能够切实地提高高负荷运转时的燃料电池10的发电性能。
[0168]F.改变例:
[0169]另外，本发明并不限定于上述的实施例和实施方式，在不脱离其主旨的范围内能够以各种方式来实施，例如，也可以采用以下的改变。
[0170]Fl.改变例 1:
[0171]在上述的各实施例中，燃料电池系统被搭载于燃料电池车辆上。然而，各实施例的燃料电池系统也可以不搭载于燃料电池车辆上。燃料电池系统可以作为供给满足来自外部的要求的电力的供给源，而被搭载于其他装置或系统等中。
[0172]F2.改变例 2:
[0173]在上述的各实施例中，控制部20根据目标上升量Λ V，而对下降后电压Ne、电压上升速度Vrv及低电压保持期间进行设定，以作为临时电压下降处理的处理条件。然而，由于目标上升量Λ V与执行临时电压下降处理后的上升电压Vp具有单值对应的关系，所以可以解释为，根据作为执行临时电压下降处理后的目标电压的上升电压Vp，来对临时电压下降处理的处理条件进行设定。因此，控制部20也可以使用预先准备的表示上升电压Vp与临时电压下降处理的处理条件之间的关系的映射图以代替在上述实施例中所说明的映射图。另外，控制部20也可以利用预先被准备的目标电压Vt与临时电压下降处理的处理条件之间的关系，而根据目标电压Vt来对临时电压下降处理的处理条件进行设定。
[0174]此外，控制部20也可以对其他的处理条件进行设定，以作为临时电压下降处理的处理条件。控制部20例如可以根据上升电压Vp或目标上升量Λ V，而对反复执行临时电压下降处理时的周期T进行设定。此外，控制部20也可以根据上升电压Vp或目标上升量Λ V,而对多个处理条件进行设定。例如，控制部20可以根据上升电压Vp或目标上升量Λ V，而对下降后电压Vc和电压上升速度Vrv进行设定。
[0175]F3.改变例 3:
[0176]在上述第三实施例中，对高温持续时间Td进行检测，以作为即将执行临时电压下降处理之前的燃料电池10的运转状态，并根据目标上升量Λ V与高温持续时间Td，来确定临时电压下降处理的处理条件。然而，为了确定临时电压下降处理的处理条件而检测的燃料电池10的运转状态也可以是其他的要素。具体而言，具有以下的要素。[0177].电池电压
[0178].阻抗
[0179].电流密度
[0180].反应气体的理论空燃比
[0181]?入口压力或出口压力(背压)
[0182]此处，上述的“理论空燃比”是指，实际的负极气体的供给量相对于针对燃料电池的发电量而理论上所需的负极 气体的量(负极气体的理论消耗量)之比。此外“入口压力”是指，燃料电池10的反应气体的供给侧的压力，“出口压力(背压)”是指，燃料电池10的反应气体的排出侧的压力。
[0183]另外，临时电压下降处理的处理条件只需根据作为执行临时电压下降处理后的目标电压的上升电压Vp与上述的燃料电池10的运转状态的要素中的至少一个而被确定即可。临时电压下降处理的处理条件例如可以根据上升电压Vp、高温持续时间Td与电池电压的组合而被确定，还可以通过更多元的要素的组合而被确定。
[0184]F4.改变例 4:
[0185]在上述的各实施例中，在检测出燃料电池10的高温状态之后，开始进行高温运转(步骤S25)，并在燃料电池10的劣化避免运转(步骤S40)的执行过程中开始了发电特性恢复运转(步骤S60)。然而，既可以省略燃料电池10的高温状态的检测，也可以省略高温运转的执行或劣化避免运转的执行。控制部20例如也可以在检测出燃料电池10的电解质膜的干燥或发电性能的降低时，执行发电特性恢复运转。
[0186]F5.改变例 5:
[0187]在上述的各实施例中，在决定临时电压下降处理条件时，控制部20利用了表示目标上升量Λ V与临时电压下降处理的处理条件之间的关系的映射图，或表示目标上升量Λ V、燃料电池10的运转状态与临时电压下降处理的处理条件之间的关系的映射图。然而，控制部20也可以不利用这种映射图，而是利用例如预先被设定的数学式或函数等对应关系，根据目标上升量Λ V、燃料电池10的运转状态，来设定临时电压下降处理的处理条件。此外，控制部20也可以不利用由这种映射图或数学式等所表示的关系。控制部20只需至少根据作为执行临时电压下降处理后的目标电压的上升电压Vp (包括根据上升电压Vp而唯一被求得的值)，来对临时电压下降处理的处理条件进行设定即可。
[0188]F6.改变例 6:
[0189]在上述的各实施例中，将执行了临时电压下降处理后的电流控制为与即将开始进行电压下降之前的电流相同。然而，执行临时电压下降处理后的电流也可以被控制为与即将开始进行电压下降之前的电流不同的电流。
[0190]F7.改变例 7:
[0191]在上述第五实施例中，控制部20在步骤S340中使二次电池81的SOC的下限值降低。然而，控制部20也可以在步骤S340中解除二次电池81的SOC的限制本身。
[0192]F8.改变例 8:
[0193]在上述的各实施例中，在执行了临时电压下降处理之后，根据燃料电池10的电压的实测值与目标上升量Λ V，而执行了映射图的补正。然而，也可以省略映射图的补正处理。
[0194]符号说明[0195]10...燃料电池；11...发电体；20...控制部；30…负极气体供给部；31…负极气体配管；32…空气压缩机；33…空气流量计；34…开闭阀；35…加湿部；40…负极气体排出部；41…负极排气配管；43...调压阀；44...压力测量部；50…正极气体供给部；51…正极气体配管;52…氢气罐;53…开关阀;54…调节器；55…氢气供给装置；56…压力测量部;60…正极气体循环排出部；61…正极排气配管；62…气液分离部；63…正极气体循环配管；64…氢气循环用泵；65…正极排水配管；66…排水阀；67…压力测量部；70…制冷剂供给部；71...制冷剂用配管；71a…上游侧配管；71b…下游侧配管；71c…旁通配管；72…散热器；73…三通阀；75…制冷剂循环用泵；76a、76b…制冷剂温度测量部；81…二次电池；82...DC/DC转换器；83…DC/AC逆变器；91…电池电压测量部;92…电流测量部;93…阻抗测量部;94…SOC检测部；95…开闭开关；100…燃料电池系统；101…外部气体温度传感器；102…车速传感器；200…电动机；DC L...直流布线。
【权利要求】
1.一种燃料电池系统，具有: 燃料电池； 控制部，其对所述燃料电池的电压进行控制； 所述控制部根据作为所述燃料电池的相对于预定的电流的电压的目标值的目标电压，而对用于使被表示为电流与电压之间的关系的所述燃料电池的发电特性发生变化的处理条件进行设定， 所述控制部按照所述处理条件来执行临时电压下降处理，所述临时电压下降处理为，通过根据所述燃料电池的发电特性而使所述燃料电池的电压临时下降，从而产生所述燃料电池的电流的临时增大，并使所述燃料电池的发电特性发生变化的处理。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中， 所述控制部预先取得如下的关系，即，在执行了所述临时电压下降处理时所述燃料电池的相对于预定的电流的电压由于所述发电特性的变化而上升的量、与所述临时电压下降处理的处理条件之间的关系， 所述控制部利用所述关系，而根据作为当前的相对于所述预定的电流的电压与所述目标电压之差的目标电压上升量来对所述处理条件进行设定。
3.如权利要求2所述的燃料电池系统，其中， 所述处理条件为，所述临时电压下降处理中的最低电压、在所述临时电压下降处理中保持最低电压的期间、和在所述临时电压下降处理中使电压恢复时的电压的上升速度中的至少一个。
4.如权利要求2或3所述的燃料电池系统，其中， 还具备运转状态检测部，所述运转状态检测部对即将执行所述临时电压下降处理之前的所述燃料电池的运转状态进行检测， 所述控制部预先取得如下的关系，即，在执行了所述临时电压下降处理时所述燃料电池的相对于预定的电流的电压由于所述发电特性的变化而上升的量、所述燃料电池的运转状态、与所述临时电压下降处理的处理条件之间的关系， 所述控制部利用所述关系，而根据所述燃料电池的运转状态及所述目标电压来对所述处理条件进行设定。
5.如权利要求4所述的燃料电池系统，其中， 即将执行所述临时电压下降处理之前的所述燃料电池的运转状态为，所述燃料电池处于高于预定的温度的高温状态下的期间的累计时间、和表示负载于所述燃料电池的电极上的催化剂的状态的催化剂利用率中的至少一个。
6.如权利要求2至5中的任意一项所述的燃料电池系统，其中， 还具备电压测量部，所述电压测量部对所述燃料电池的电压进行测量， 所述控制部执行对所述关系的补正，以使执行所述临时电压下降处理后的所述燃料电池的电压的测量值与所述目标电压之差减小。
7.如权利要求1至6中的任意一项所述的燃料电池系统，其中， 还具备二次电池，所述二次电池通过所述控制部而被控制充电和放电，并且在所述临时电压下降处理中，对所述燃料电池的输出电力进行辅助， 所述控制部预先对作为限制所述二次电池的放电的阈值的所述二次电池的充电状态的下限值进行设定，并且以使所述二次电池的充电状态不小于所述下限值的方式而对所述二次电池的充电状态进行管理， 所述控制部通过在执行所述临时电压下降处理时使所述下限值降低，从而将限制所述二次电池的放电的条件放宽。
8.一种燃料电池系统的控制方法，包括: (a)计算机根据作为燃料电池的相对于预定的电流的电压的目标值的目标电压，而对用于使被表示为电流与电压之间的关系的所述燃料电池的发电特性发生变化的处理条件进行设定的工序； (b)计算机根据基于所述目标电压而设定的处理条件来执行临时电压下降处理的工序，其中，所述临时电压下降处理为，通过根据所述燃料电池的发电特性而使所述燃料电池的电压临时下降，从而产生所述燃料电池的电流的临时增大，并使所述燃料电池的发电特性发生变化的处理 。
【文档编号】H01M8/04GK103959528SQ201280058319
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2012年11月13日 优先权日:2011年11月28日
【发明者】城森慎司, 松末真明, 池田晃一郎 申请人:丰田自动车株式会社