燃料电池系统的制作方法

燃料电池系统的制作方法
【专利摘要】基于燃料电池堆的要求来计算目标堆供给流量，基于堆供给流量和目标堆供给流量来计算堆要求压缩机供给流量，将堆要求压缩机供给流量以及根据燃料电池系统的运转状态而决定的下限流量中较大的一方设定为目标压缩机供给流量，根据目标压缩机供给流量来控制压缩机，基于堆供给流量和目标堆供给流量来控制旁路阀，在堆供给流量收敛于以目标堆供给流量为基准的规定的旁路阀固定范围内、且堆供给流量变得小于目标堆供给流量时，固定旁路阀，在旁路阀被固定之后，在目标压缩机供给流量变得大于下限流量时，解除旁路阀的固定。
【专利说明】燃料电池系统

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种燃料电池系统。

【背景技术】
[0002] 在JP2009-123550A中，作为以往的燃料电池系统，记载了如下的燃料电池系统： 通过将从正极压缩机喷出的正极气体中的、燃料电池堆中的发电所不需要的量经由旁路 通路排出到正极气体排出通路，来将供给到燃料电池堆的正极气体的流量（实际堆供给流 量）控制为根据发电要求设定的目标堆供给流量。


【发明内容】

[0003] 发明要解决的问是页
[0004] 上述的以往的燃料电池系统基于实际堆供给流量和目标堆供给流量来控制设置 于旁路通路的旁路阀的开度，使得实际堆供给流量为目标堆供给流量。
[0005] 在实施这种控制的燃料电池系统中，特别是在旁路阀的开度分辨率粗糙的情况下 等，存在以下情况：无法使实际堆供给流量与目标堆供给流量一致，而在目标堆供给流量附 近反复进行旁路阀的开闭。这样一来，在旁路阀为步进电动机这样的情况下存在产生异声 的担忧。因此，举出了以下做法：在实际堆供给流量变为目标堆供给流量附近时，固定旁路 阀，以防止这种旁路阀的开闭。
[0006] 然而，当在实际堆供给流量大于目标堆供给流量的状态下固定旁路阀时，会将发 电所需的流量以上的正极气体供给到燃料电池堆，从而存在使电解质膜干燥的担忧。
[0007] 另一方面，当在实际堆供给流量小于目标堆供给流量的状态下固定旁路阀时，无 法将发电所需的流量的量的正极气体供给到燃料电池堆，存在电压下降的担忧。
[0008] 并且，当在实际堆供给流量变为目标堆供给流量附近时（收敛于旁路阀固定范围 内时）固定旁路阀的情况下，例如存在以下情况：即使变为目标堆供给流量增加而能够闭 合旁路阀的状态，也将实际堆供给流量控制为目标堆供给流量附近并使旁路阀保持固定， 从而通过正极压缩机供给多余的正极气体。这样一来，存在正极压缩机的消耗电力增加而 燃烧消耗率恶化的担忧。
[0009] 本发明是着眼于这种问题而完成的，其目的在于提供一种能够抑制上述不妥的燃 料电池系统。
[0010] 用于解决问题的方案
[0011] 本发明的某个方式应用于使用正极气体的旁路方式的燃料电池系统，该正极气体 是使用压缩机得到的，如下那样进行压缩机的控制和旁路阀的控制。
[0012] 首先，压缩机控制如下：基于检测出的实际堆供给流量以及根据燃料电池堆的要 求计算出的目标堆供给流量，来计算用于使实际堆供给流量为目标堆供给流量的堆要求压 缩机供给流量。然后，将该堆要求压缩机供给流量以及根据燃料电池系统的运转状态而决 定的下限流量中较大的一方设定为目标压缩机供给流量，控制压缩机使得成为所设定的目 标压缩机供给流量。
[0013] 另一方面，旁路阀控制如下：基于检测出的实际堆供给流量以及根据燃料电池堆 的要求计算出的目标堆供给流量，来控制旁路阀，使得实际堆供给流量为目标堆供给流量。
[0014] 根据本发明的某个方式，在这种具备压缩机控制和旁路阀控制的系统中，在实际 堆供给流量收敛于以目标堆供给流量为基准的规定的旁路阀固定范围内、且实际堆供给流 量变得小于目标堆供给流量时，固定旁路阀。然后，在这样固定了旁路阀之后，在目标压缩 机供给流量变得大于下限流量时，解除旁路阀的固定。
[0015] 下面参照附图来详细说明本发明的实施方式、本发明的优点。

【专利附图】

【附图说明】
[0016] 图1是本发明的一个实施方式的燃料电池系统的概要图。
[0017] 图2是与燃料电池堆的负荷相应地示出稀释要求压缩机供给流量与达到发电要 求堆供给流量的关系的图。
[0018] 图3示出了本实施方式的正极系统的控制模块。
[0019] 图4是说明控制器在旁路阀固定解除信号输出部中实施的控制内容的流程图。
[0020] 图5是说明控制器在旁路阀固定信号输出部中实施的控制内容的流程图。
[0021] 图6是说明本实施方式的正极系统的控制的动作的时序图。
[0022] 图7示出了比较例的正极系统的控制模块。
[0023] 图8是表示比较例的正极系统的控制的动作的时序图。
[0024] 图9是表示在比较例的正极系统的控制中成为一打开旁路阀实际堆供给流量就 会低于目标堆供给流量的状态的情况下禁止旁路阀的驱动时的动作的时序图。

【具体实施方式】
[0025] 燃料电池通过用负极（anode)电极（燃料极）和正极（cathode)电极（氧化剂 极）将电解质膜夹在中间并向负极电极供给含氢的负极气体（燃料气体）、向正极电极供给 含氧的正极气体（氧化剂气体）来进行发电。在负极电极和正极电极这两个电极处进行的 电极反应如下。
[0026] 负极电极：2H2 - 4H++4e、..（1)
[0027] 正极电极：4H++4e、02 - 2H20... (2)
[0028] 通过该（1)、（2)的电极反应，燃料电池产生1伏特左右的电动势。
[0029] 在将燃料电池用作汽车用动力源的情况下，由于要求的电力大，因此作为将数百 块的燃料电池层叠所得的燃料电池堆来进行使用。然后，构成向燃料电池堆供给负极气体 和正极气体的燃料电池系统，取出用于驱动车辆的电力。
[0030] 图1是本发明的一个实施方式的燃料电池系统100的概要图。
[0031] 燃料电池系统100具备燃料电池堆1、正极气体供排装置2、负极气体供排装置3 以及控制器4。
[0032] 燃料电池堆1是层叠数百块燃料电池而得的，接受负极气体和正极气体的供给， 来发出驱动车辆所需的电力。
[0033] 正极气体供排装置2向燃料电池堆1供给正极气体，并且将从燃料电池堆1排出 的正极排气排出到外部大气。正极气体供排装置2具备正极气体供给通路20、过滤器21、 正极压缩机22、正极气体排出通路23、正极压力调节阀24、旁路通路25、旁路阀26、第一流 量传感器41、第二流量传感器42、压力传感器43以及温度传感器44。
[0034] 正极气体供给通路20是流通向燃料电池堆1供给的正极气体的通路。正极气体 供给通路20 -端连接于过滤器21，另一端连接于燃料电池堆1的正极气体入口孔。
[0035] 过滤器21将取入到正极气体供给通路20的正极气体中的异物去除。
[0036] 正极压缩机22设置于正极气体供给通路20。正极压缩机22经由过滤器21将作 为正极气体的空气（外部大气）取入到正极气体供给通路20,供给到燃料电池堆1。
[0037] 正极气体排出通路23是流通从燃料电池堆1排出的正极排气的通路。正极气体 排出通路23 -端连接于燃料电池堆1的正极气体出口孔，另一端为开口端。
[0038] 正极压力调节阀24设置于正极气体排出通路23。正极压力调节阀24由控制器4 来控制开闭，将供给到燃料电池堆1的正极气体的压力调节为期望的压力。
[0039] 旁路通路25是为了能够将从正极压缩机22喷出的正极气体的一部分根据需要来 不经由燃料电池堆1地直接排出到正极气体排出通路23而设置的通路。旁路通路25 -端 连接于比正极压缩机23更靠下游的正极气体供给通路21，另一端连接于比正极压力调节 阀24更靠下游的正极气体排出通路24。
[0040] 旁路阀26是其开度阶段性地每次变化单位开度的开闭阀，设置于旁路通路25。旁 路阀26由控制器4来控制开闭，调节在旁路通路25中流动的正极气体的流量（以下称为 "旁路流量"。）。
[0041] 第一流量传感器41设置于比正极压缩机23更靠上游的正极气体供给通路20。第 一流量传感器41检测供给（吸入）到压缩机23的正极气体的流量（以下称为"压缩机供 给流量"。）。
[0042] 第二流量传感器42设置于比与旁路通路26连接的连接部更靠下游的正极气体供 给通路20、即燃料电池堆1的正极气体入口孔附近的正极供给通路20。第二流量传感器42 检测向燃料电池堆1供给的正极气体的流量（以下称为"堆供给流量"。）。
[0043] 压力传感器43设置于比与旁路通路26连接的连接部更靠下游的正极气体供给通 路20、即燃料电池堆1的正极气体入口孔附近的正极供给通路20。压力传感器43检测燃 料电池堆1的入口压力（以下称为"堆入口压力"。）。
[0044] 温度传感器44设置于正极压缩机22的喷出侧附近的正极气体供给通路20。温度 传感器44检测从正极压缩机22喷出的正极气体的温度（以下称为"吸气温度"。）。
[0045] 负极气体供排装置3向燃料电池堆1供给负极气体，并且将从燃料电池堆1排出 的负极排气排出到正极气体排出通路23。负极气体供排装置3具备高压罐31、负极气体供 给通路32、负极压力调节阀33、负极气体排出通路34以及放气阀35。
[0046] 高压罐31将要向燃料电池堆1供给的负极气体保持为高压状态来贮存。
[0047] 负极气体供给通路32是用于将从高压罐31排出的负极气体供给到燃料电池堆1 的通路。负极气体供给通路32的一端连接于高压罐31，另一端连接于燃料电池堆1的负极 气体入口孔。
[0048] 负极压力调节阀33设置于负极气体供给通路32。负极压力调节阀33由控制器4 来控制开闭，将供给到燃料电池堆1的负极气体的压力调节为期望的压力。
[0049] 负极气体排出通路34是流通从燃料电池堆1排出的负极排气的通路。负极气体 排出通路34的一端连接于燃料电池堆1的负极气体出口孔，另一端连接于正极气体排出通 路23。
[0050] 经由负极气体排出通路34排出到正极气体排出通路23的负极排气在正极气体排 出通路23内与正极排气和在旁路通路26中流过来的正极气体相混合，排出到燃料电池系 统100的外部。负极排气中包含电极反应中未使用的剩余的负极气体（氢），因此通过像这 样与正极排气和正极气体相混合来排出到燃料电池系统100的外部，该排出气体中的氢浓 度会变为预定的规定浓度以下。
[0051] 放气阀35设置于负极气体排出通路34。放气阀35由控制器4来控制开闭，对从 负极气体排出通路34排出到正极气体排出通路23的负极排气的流量进行控制。
[0052] 控制器4由具备中央运算装置（CPU)、只读存储器（ROM)、随机存取存储器（RAM) 以及输入输出接口（I/O接口）的微计算机构成。除了来自上述的第一流量传感器41、第二 流量传感器42、压力传感器43、温度传感器44的信号以外，来自加速踏板的踏下量（以下 称为"加速操作量"。）45、检测大气压力的大气压力传感器46等各种传感器的信号也被输 入到控制器4。
[0053] 控制器4基于这些输入信号对正极压缩机22和旁路阀26进行反馈控制，使得同 时满足以下两个要求：使排出到燃料电池系统100的外部的排出气体中的氢浓度为规定浓 度以下的要求（以下称为"稀释要求"。）；以及利用燃料电池堆1发出驱动电动机等燃料电 池系统100的各电气部件所要求的电力（以下称为"要求发电电力"。）的要求（以下称为 "发电要求"。）。
[0054] 图2与燃料电池堆1的负荷（=要求发电电力）相应地示出使排出到燃料电池系 统100的外部的排出气体的氢浓度为规定浓度以下所需的压缩机供给流量（以下称为"稀 释要求压缩机供给流量"。）与发出要求发电电力所需的堆供给流量（以下称为"达到发电 要求堆供给流量"。）之间的关系的图。
[0055] 如图2所示，在中高负荷区域，达到发电要求堆供给流量一方大于稀释要求压缩 机供给。
[0056] 因而，在中负荷区域，如果单纯地将用于使堆供给流量为达到发电要求堆供给流 量的压缩机供给流量的目标值（以下称为"堆要求压缩机供给流量"。）作为目标压缩机供 给流量来对正极压缩机22进行反馈控制，则供给到燃料电池堆1的正极气体的流量会变为 达到发电要求堆供给流量，因此能够利用燃料电池堆1发出要求发电电力。然后，能够利用 从燃料电池堆1排出的正极排气，来稀释从负极气体排出通路34流到正极气体排出通路23 的负极排气，从而使排出气体的氢浓度为规定浓度以下。
[0057] 另一方面，如图2所示，在低负荷区域，稀释要求压缩机供给流量一方大于达到发 电要求堆供给流量。
[0058] 因而，如果在低负荷区域为了使排出气体的氢浓度为规定浓度以下，而将目标压 缩机供给流量设为稀释要求压缩机供给流量来对正极压缩机22进行反馈控制，通过正极 压缩机22供给比利用燃料电池堆1发出要求发电电力所需的正极气体流量多的正极气体， 则会将发电所不需要的剩余的正极气体供给到燃料电池堆1。因此，存在以下担忧：构成燃 料电池堆1的各燃料电池的电解质膜干燥，燃料电池堆1的发电效率降低。
[0059] 因此，在稀释要求压缩机供给流量大于堆要求压缩机供给流量时，需要一边将目 标压缩机供给流量设为稀释要求压缩机供给流量来对正极压缩机22进行反馈控制，一边 打开旁路阀26来使发电所不需要的剩余的正极气体流向旁路通路25。也就是说，需要打开 旁路阀26,以使旁路流量为从稀释要求压缩机供给流量减去发电要求堆供给流量（将堆供 给流量朝向达到发电要求堆供给流量进行控制时的堆供给流量的目标值）所得的目标旁 路流量。
[0060] 但是，在本实施方式中，只能使旁路阀26的开度阶段性地每次增大单位开度。因 此，有时无法使旁路流量与目标旁路流量一致。这样一来，存在以下情况：为了使旁路流量 与目标旁路流量一致而反复进行旁路阀26的开闭，旁路流量在目标旁路流量两边上上下 下。其结果，发现以下问题：压缩机供给流量上下变动而正极压缩机产生旋转变动，存在从 正极压缩机产生异声的担忧。
[0061] 下面，为了易于理解本发明，在说明本实施方式的正极系统的控制之前，首先参照 图7来说明比较例的正极系统的控制。然后，接着参照图8来说明在比较例的正极系统的 控制中会产生这种问题的原因。
[0062] 图7示出了比较例的正极系统的控制模块。
[0063] 比较例的正极系统的控制模块具备发电要求堆供给流量计算部101、目标堆供给 流量设定部102、堆要求压缩机供给流量计算部103、目标压缩机供给流量设定部104、正极 压缩机控制部105以及旁路阀控制部106。
[0064] 对发电要求堆供给流量计算部101输入燃料电池堆1的实际发电电力以及根据燃 料电池堆1的负荷而设定的要求发电电力。发电要求堆供给流量计算部101将使实际发电 电力为要求发电电力所需的堆供给流量设定为达到发电要求堆供给流量，计算使堆供给流 量向所设定的该达到发电要求堆供给流量变化时的目标值来作为发电要求堆供给流量。
[0065] 对目标堆供给流量设定部102输入发电要求堆供给流量以及湿润要求堆供给流 量。在此，湿润要求堆供给流量是将电解质膜的湿润度（含水率）控制为与燃料电池堆1 的负荷相应的最佳湿润度（要求湿润度）所需的堆供给流量。目标堆供给流量设定部102 将发电要求堆流量和湿润要求堆供给流量中较大的一方设定为目标堆供给流量。这样，目 标堆供给流量设定部102将与燃料电池堆1的负荷相应的最佳堆供给流量设定为目标堆供 给流量。
[0066] 对堆要求压缩机供给流量计算部103输入目标堆供给流量以及由第二流量传感 器42检测出的堆供给流量（以下称为"实际堆供给流量"。）。堆要求压缩机供给流量计算 部103基于目标堆流量与实际堆流量的偏差，计算用于使实际堆供给流量向目标堆供给流 量变化的压缩机供给流量的目标值，来作为堆要求压缩机供给流量。具体地说，根据同目标 堆流量与实际堆流量的偏差成正比的成分以及对目标堆流量与实际堆流量的偏差进行时 间积分所得的成分来实施PI (proportional integral :比例积分）控制，从而计算堆要求 压缩机供给流量。
[0067] 此外，在堆要求压缩机供给流量计算部103中，在作为操作量的堆要求压缩机供 给流量在下限值饱和时，为了防止过量的积分运算所导致的振动（所谓的饱和（wind up) 现象），实施以下的PI控制：仅实施堆要求压缩机供给流量变得大于下限值的积分运算，停 止堆要求压缩机供给流量变得小于下限值的积分运算。
[0068] 对目标压缩机供给流量设定部104输入堆要求压缩机供给流量以及根据燃料电 池堆1的负荷而决定的稀释要求压缩机供给流量。目标压缩机供给流量设定部104将稀释 要求压缩机供给流量和堆要求压缩机供给流量中较大的一方设定为目标压缩机供给流量。 [0069] 这样，在目标压缩机供给流量设定部104中，稀释要求压缩机供给流量和堆要求 压缩机供给流量中的较大的一方被设定为目标压缩机供给流量。因而，在稀释要求压缩机 供给流量被设定为目标压缩机供给流量时，从堆要求压缩机供给流量计算部103来看，与 作为操作量的堆要求压缩机供给流量在下限值饱和（在此为稀释要求压缩机供给流量）的 状态是等效的。
[0070] 因此，当在目标压缩机供给流量设定部104中将稀释要求压缩机供给流量设定为 目标压缩机供给流量时，在堆要求压缩机供给流量计算部103中，停止堆要求压缩机供给 流量变得小于稀释要求压缩机供给流量的积分运算。
[0071] 也就是说，当在目标压缩机供给流量设定部104中将稀释要求压缩机供给流量设 定为目标压缩机供给流量时，在堆要求压缩机供给流量计算部103中，仅在实际堆供给流 量小于目标堆供给流量时（需要增大堆要求压缩机流量时）实施目标堆流量与实际堆流量 的偏差的时间积分。然后，在实际堆供给流量大于目标堆供给流量时（需要减小堆要求压 缩机流量时），停止目标堆流量与实际堆流量的偏差的时间积分。
[0072] 对正极压缩机控制部105输入目标压缩机供给流量以及由第一流量传感器41检 测出的压缩机供给流量（以下称为"实际压缩机供给流量"。）。正极压缩机控制部105基 于目标压缩机供给流量与实际压缩机供给流量的偏差来输出针对正极压缩机22的控制信 号，使得实际压缩机供给流量为目标压缩机供给流量。具体地说，根据同目标压缩机供给流 量与实际压缩机供给流量的偏差成正比的成分以及对目标压缩机供给流量与实际压缩机 供给流量的偏差进行时间积分所得的成分实施PI控制，来输出针对正极压缩机22的控制 信号。
[0073] 对旁路阀控制部106输入实际堆供给流量和目标堆供给流量。旁路阀控制部106 基于目标堆流量与实际堆流量的偏差来输出旁路阀26的驱动信号。具体地说，根据同目标 堆流量与实际堆流量的偏差成正比的成分以及对目标堆流量与实际堆流量的偏差进行时 间积分所得的成分实施PI控制，来计算旁路阀操作量，在该旁路阀操作量超过规定量时输 出旁路阀26的驱动信号。
[0074] 在此，如前所述，在本实施方式中，只能使旁路阀26的开度阶段性地每次增大单 位开度。因此，在比较例的正极系统的控制中，在稀释要求压缩机供给流量被设定为目标压 缩机供给流量时，存在以下的情况：无法使旁路流量与目标旁路流量一致，从而无法使实际 堆供给流量与目标堆供给流量一致。参照图8来说明这种情况下产生的上述的问题。
[0075] 图8是说明无法使旁路流量与目标旁路流量一致的情况下产生的问题的图，是表 示比较例的正极系统的控制的动作的时序图。
[0076] 当在时刻tl例如加速操作量减少而要求发电电力降低、从而达到发电要求堆供 给流量降低时，目标堆供给流量（发电要求堆供给流量）朝向达到发电要求堆供给流量逐 渐降低（图8的（A))。其结果，实际堆供给流量变得大于目标堆供给流量，因此由堆要求压 缩机供给流量计算部103计算出的堆要求压缩机供给流量也逐渐降低（图8的（B))。此 夕卜，在此，是以发电要求堆供给流量大于湿润要求堆供给流量为前提来进行说明的。
[0077] 在时刻tl到时刻t2的期间，堆要求压缩机供给流量大于稀释要求压缩机供给流 量，因此堆要求压缩机供给流量被设定为目标压缩机供给流量（图8的（B))。其结果，会 对响应性好的正极压缩机进行控制使得实际压缩机供给流量为堆要求压缩机供给流量，因 此，实际堆供给流量会大致跟踪目标堆供给流量地降低（图8的（A))。
[0078] 当在时刻t2堆要求压缩机供给流量低于稀释要求压缩机供给流量时，稀释要求 压缩机供给流量被设定为目标压缩机供给流量，控制正极压缩机使得实际压缩机供给流量 为稀释要求压缩机供给流量（图8的（B))。其结果，实际堆供给流量固定，而不跟踪目标堆 供给流量地降低（图8的（A))。然后，在时刻t2以后目标堆供给流量仍降低，因此实际堆 供给流量慢慢变得大于目标堆供给流量，目标堆供给流量与实际堆供给流量的偏差慢慢扩 大（图8的⑶）。
[0079] 当像这样目标堆供给流量与实际堆供给流量的偏差逐渐扩大时，由旁路阀控制部 106的PI控制计算出的旁路阀操作量慢慢变大。此外，当在以下的说明中需要特别区分时， 将实际堆供给流量大于目标堆供给流量时计算出的旁路阀操作量称为"打开侧旁路阀操作 量"，将实际堆供给流量小于目标堆供给流量时计算出的旁路阀操作量称为"闭合侧旁路阀 操作量"。
[0080] 当在时刻t3打开侧旁路阀操作量超过了规定量时，输出旁路阀26的驱动信号，使 旁路阀26打开单位开度（图8的（C))。其结果，原本供给到燃料电池堆1的剩余的正极气 体流向旁路通路25,实际堆供给流量减少到目标堆供给流量（图8的（A))，旁路流量增加 到目标旁路流量（=稀释要求压缩机供给流量-目标堆供给流量）（图8的（D))。
[0081] 然而，在时刻t3以后目标堆供给流量仍降低，因此实际堆供给流量再次慢慢变得 大于目标堆供给流量（图8的（A))，在时刻t4使旁路阀26再打开单位开度（图8的（C))。 其结果，实际堆供给流量再次减少到目标堆供给流量（图8的（A))，旁路流量增加到目标旁 路流量（图8的（D))。
[0082] 当在时刻t5发电要求堆供给流量降低到达到发电要求堆供给流量而目标堆供给 流量固定时，之后目标堆供给流量与实际堆供给流量的偏差固定（图8的（A))。在时刻t5 的时间点，稀释要求压缩机供给流量被设定为目标压缩机供给流量，且成为实际堆供给流 量大于目标堆供给流量的状态，因此在堆要求压缩机供给流量计算部103的PI控制中，停 止偏差的时间积分的运算。因此，在时刻t5随着目标堆供给流量与实际堆供给流量的偏差 固定，堆要求压缩机供给流量固定（图8的（B))。
[0083] 另一方面，在旁路阀控制部106的PI控制中，实施偏差的时间积分的运算，因此通 过旁路阀控制部106的PI控制而计算出的打开侧旁路阀操作量在时刻t5以后也逐渐变 大。
[0084] 当在时刻t6打开侧旁路阀操作量超过规定量时，输出旁路阀26的驱动信号来使 旁路阀26再打开单位开度（图8的（C))，但是这次无法将实际堆供给流量控制为目标堆供 给流量，实际堆供给流量变得小于目标堆供给流量（图8的（A))。即，无法将旁路流量控制 为目标旁路流量，旁路流量变得大于目标旁路流量（图8的（D))。其结果，通过旁路阀控制 部106的PI控制，这次闭合侧旁路阀操作量会慢慢变大。
[0085] 另外，当在时刻t6使旁路阀26打开单位开度、而变为实际堆供给流量小于目标堆 供给流量的状态时，在堆要求压缩机供给流量计算部103的PI控制中重新开始偏差的时间 积分的运算。因此，堆要求压缩机供给流量增加（图8的（B))。
[0086] 当在时刻t7闭合侧旁路阀操作量超过了规定量时，输出旁路阀26的驱动信号，这 次使旁路阀26闭合单位开度（图8的（C))，实际堆供给流量再次变得大于目标堆供给流量 (图 8 的（A))。
[0087] 另外，当在时刻t7旁路阀26闭合单位开度时，变为实际堆供给再次大于目标堆供 给流量的状态，因此在堆要求压缩机供给流量计算部103中，停止偏差的时间积分的运算， 堆要求压缩机供给流量固定（图8的（B))。然后，当在时刻t8使旁路阀26打开单位开度 来变为实际堆供给小于目标堆供给流量的状态时，再次实施偏差的时间积分的运算，堆要 求压缩机供给流量增加（图8的（B))。
[0088] 像这样，在时刻t6以后反复进行旁路阀26的开闭，堆要求压缩机供给流量会慢慢 增加。
[0089] 然后，当在时刻t9使旁路阀26打开单位开度时，实际堆供给流量变得小于目标堆 供给流量（图8的（A))，因此堆供给压缩机供给流量增加（图8的（B))。其结果，堆要求 压缩机供给流量变得大于稀释要求压缩机供给流量（图8的（B))，堆要求压缩机供给流量 被设定为目标压缩机供给流量，实际压缩机供给流量增大（图8的（B))。
[0090] 当在时刻tio使旁路阀26闭合单位开度时，实际堆供给流量增加与其相应的量。 其结果，实际堆供给流量变得大于目标堆供给流量（图8的（A))，这次堆要求压缩机供给流 量降低（图8的（B))。
[0091] 然后，当在时刻til堆要求压缩机供给流量降低到稀释要求堆要求压缩机流量时 (图8的（B))，控制正极压缩机使得实际压缩机供给流量为稀释要求堆要求压缩机，实际 压缩机供给流量固定（图8的（B))。在时刻til到时刻tl2的期间，实际堆供给流量大于 目标堆供给流量（图8的（A))，因此停止堆要求压缩机供给流量计算部103中的偏差的时 间积分的运算。因而，堆要求压缩机供给流量也固定为稀释要求压缩机供给流量（图8的 ⑶）。
[0092] 然后，当在时刻tl2使旁路阀26打开单位开度时（图8的（C))，堆要求压缩机供 给流量再次变得大于稀释要求压缩机供给流量（图8的（B))，堆要求压缩机供给流量被设 定为目标压缩机供给流量，实际压缩机供给流量增大（图8的（A))。
[0093] 由于像这样反复进行旁路阀26的开闭，最终会如时刻t9以后那样实际压缩机供 给流量上下变动，产生正极压缩机22的旋转变动而从正极压缩机22产生异声。
[0094] 在此，作为防止反复进行旁路阀26的开闭的方法，例如想到了以下方法：在处于 实际堆供给流量与目标堆供给流量的偏差为规定量以下的状态、即一打开旁路阀26实际 堆供给流量就会低于目标堆供给流量的状态时，禁止旁路阀26的驱动来固定旁路阀26。 [0095] 然而，在这种方法中，虽然能够防止反复进行旁路阀26的开闭，但是存在无法使 实际堆供给流量与目标堆供给流量一致的担忧。下面，参照图9来说明这个问题。
[0096] 图9是表示在比较例的正极系统的控制中、在成为一打开旁路阀26实际堆供给流 量就会低于目标堆供给流量的状态的情况下使旁路阀26的驱动禁止时的动作的时序图。
[0097] 如图9所示，在时刻t4以后，处于实际堆供给流量与目标堆供给流量的偏差为规 定量以下的状态、即一打开旁路阀26实际堆供给流量就会低于目标堆供给流量的状态。因 而，当在时刻t4以后禁止旁路阀26的驱动时，在时刻t5以后，在稀释要求压缩机供给流量 被设定为目标堆供给流量的状态、且实际堆供给流量大于目标堆供给流量的状态下，目标 堆供给流量与实际堆供给流量的偏差固定。
[0098] 这样一来，在堆要求压缩机供给流量计算部103的PI控制中，会停止目标堆供给 流量与实际堆供给流量的偏差的时间积分的运算，因此在时刻t5以后堆要求压缩机供给 流量会成为固定（图9(B))。因此，会继续将稀释要求压缩机供给流量设定为目标堆供给流 量，因此变得无法使实际堆供给流量与目标堆供给流量一致。
[0099] 当像这样在实际堆供给流量大于目标堆供给流量的状态下固定旁路阀26时，无 法使实际堆供给流量与目标堆供给流量一致而保持实际堆供给流量大于目标堆供给流量 的状态，从而各燃料电池的电解质膜变为过干燥状态，发电效率降低。
[0100] 因此，在本实施方式中，更细致地设定了固定旁路阀26的时机，使得能够在防止 这种反复进行旁路阀26的开闭的同时使实际堆供给流量与目标堆供给流量一致。而且，适 当地设定了解除旁路阀26的固定的时机。下面，说明本实施方式的正极系统的控制。
[0101] 图3示出了本实施方式的正极系统的控制模块。此外，在本实施方式的正极系统 的控制模块中，对实现了与比较例的正极系统的控制模块相同的功能的部分，使用同一标 记，适当省略重复的说明。
[0102] 本实施方式的正极系统的控制模块还具备旁路阀固定解除信号输出部107以及 旁路阀固定信号输出部108。
[0103] 对旁路阀固定解除信号输出部107输入目标堆供给流量和稀释要求压缩机供给 流量。旁路阀固定解除信号输出部107基于这些输入信号，来输出用于解除旁路阀26的固 定的旁路阀固定解除信号。之后参照图4的流程图来叙述旁路阀固定解除信号输出部107 的详细控制内容。
[0104] 对旁路阀固定信号输出部108输入实际堆供给流量、目标堆供给流量以及旁路阀 固定解除信号。旁路阀固定信号输出部108基于这些输入信号，来输出用于禁止旁路阀26 的驱动来将旁路阀26固定于当前位置的旁路阀固定信号以及用于强制性地使旁路阀26完 全闭合的旁路阀闭合动作信号。之后参照图5的流程图来叙述旁路阀固定信号输出部108 的详细控制内容。
[0105] 图4是说明由旁路阀固定解除信号输出部107实施的控制内容的流程图。
[0106] 在步骤S1中，控制器4判断目标堆供给流量是否为稀释要求压缩机供给流量以 上。如果目标堆供给流量为稀释要求压缩机供给流量以上，则控制器4进行步骤S2的处理。 另一方面，如果目标堆供给流量未达到稀释要求压缩机供给流量，则进行步骤S3的处理。
[0107] 在步骤S2中，控制器4将旁路阀固定解除信号设为0N(开）。
[0108] 在步骤S3中，控制器4将旁路阀固定解除信号设为OFF(关）。
[0109] 图5是说明由旁路阀固定信号输出部108实施的控制内容的流程图。
[0110] 在步骤S11中，控制器4判断旁路阀固定解除信号是否被设定为0N。如果旁路阀 固定解除信号被设定为0N，则控制器4进行步骤S12的处理。另一方面，如果旁路阀固定解 除信号被设定为0FF，则进行步骤S14的处理。
[0111] 在步骤S12中，控制器4无论旁路阀26的开度如何都将旁路阀闭合动作信号设为 0N。这是由于希望在将旁路阀固定解除信号设定成0N时使旁路阀26保持完全闭合，在旁 路阀闭合动作信号变为0N时，作为旁路阀控制部106的PI控制中使用的偏差，输入使旁路 阀26强制性地闭合的规定值。此外，在旁路阀26变为完全闭合之后，在旁路阀控制部106 的PI控制中，为了防止饱和现象而停止使旁路阀26向闭方向动作的积分运算。
[0112] 通过像这样配合旁路阀固定解除信号的0N来将旁路阀闭合动作信号设为0N，能 够在旁路阀固定解除信号被设定为0N时，始终使旁路阀26向闭方向动作，从而将旁路阀26 维持为完全闭合。
[0113] 在步骤S13中，控制器4将旁路阀固定信号设为OFF。
[0114] 在步骤S14中，控制器4将旁路阀闭合动作信号设为OFF。
[0115] 在步骤S15中，控制器4判断实际堆供给流量是否处于旁路阀固定范围内。旁路 阀固定范围是以目标堆供给流量加上规定值α所得的流量（以下称为"固定范围上限流 量"。）为上限、以目标堆供给流量减去规定值β所得的流量（以下称为"固定范围下限流 量"。）为下限的范围。此外，规定值α是考虑了检测实际堆供给流量的第二流量传感器 42的检测误差、反馈控制的控制误差等而设定的微小值，目标堆供给流量与固定范围上限 流量为大致相等的值。规定值β是大于规定值α的值，被设定成与旁路阀26的单位开度 量的旁路流量大致相等的值。如果实际堆供给流量处于旁路阀固定范围内，则控制器4进 行步骤S16的处理。另一方面，如果实际堆供给流量未处于旁路阀固定范围内，则进行步骤 S13的处理。
[0116] 在步骤S16中，控制器将旁路阀固定信号设为0Ν。
[0117] 图6是说明本实施方式的正极系统的控制的动作的时序图。在以下的说明中，为 了明确与图5的流程图的对应关系，一并记载流程图的步骤号来进行说明。
[0118] 从时刻tl到时刻t6,进行与比较例的正极系统的控制同样的动作。
[0119] 当在时刻t6旁路阀26被打开单位开度时，实际堆供给流量会收敛于旁路阀固定 范围内。在时刻t6的时间点，目标堆供给流量小于稀释要求压缩机供给流量，因此旁路阀 固定解除信号变为OFF。因此，在时刻t6,由于实际堆供给流量收敛于旁路阀固定范围内， 旁路阀固定信号为0N。
[0120] 在此，在时刻t2到时刻6的期间，成为稀释要求压缩机供给流量被设定为目标压 缩机供给流量、且实际堆供给流量大于目标堆供给流量的状态，因此在堆要求压缩机供给 流量计算部103的PI控制中，停止偏差的时间积分的运算。因此，在时刻t5随着目标堆供 给流量与实际堆供给流量的偏差固定，堆要求压缩机供给流量固定（图6的（B))。
[0121] 然后，通过在时刻t6将旁路阀26打开单位开度而实际堆供给流量变得小于目标 堆供给流量，来在堆要求压缩机供给流量计算部103的PI控制中重新开始偏差的时间积分 的运算。其结果，在时刻t6以后，堆要求压缩机供给流量慢慢增加（图6的（B))。
[0122] 然后，当在时刻t21堆要求压缩机变得大于稀释要求压缩机供给流量时，堆要求 压缩机供给流量被设定为目标压缩机供给流量。
[0123] 当在时刻t21将堆要求压缩机供给流量设定为目标压缩机供给流量之后，实际堆 供给流量也小于目标堆供给流量（图6的（A))，因此堆要求压缩机供给流量逐渐增大，随之 目标压缩机供给流量也逐渐增大。由此，随着目标压缩机供给流量的增大，实际堆供给流量 也逐渐增大（图6的（B))。
[0124] 其结果，能够在时刻t22使实际堆供给流量增加到目标堆供给流量。然后，直到在 时刻t23燃料电池堆的要求发电电力发生变化为止，旁路阀26的开度都保持固定（图6的 (D) (E))，实际堆供给流量会被维持为目标堆供给流量（图6的（A))。
[0125] 当在时刻t23例如加速操作量增加而要求发电电力增加、相应地达到发电要求堆 供给流量增加时，目标堆供给流量向达到发电要求堆供给流量逐渐增加（图6的（A))。其 结果，堆要求压缩机供给流量也逐渐增加（图6的（B))。
[0126] 在时刻t23的时间点，堆要求压缩机供给流量大于稀释要求压缩机供给流量，因 此堆要求压缩机供给流量被设定为目标压缩机供给流量。因此，会对响应性好的正极压缩 机进行控制使得实际压缩机供给流量为堆要求压缩机供给流量，实际堆供给流量会大致跟 踪目标堆供给流量地逐渐增加。其结果，会保持实际堆供给流量收敛于旁路阀固定范围内 的状态（图6的（A))。
[0127] 这样一来，在时刻t24,即使在变成了目标堆供给流量（发电要求堆供给流量）变 得大于稀释要求压缩机供给流量、而能够使旁路阀26完全闭合的状态之后，也无法闭合旁 路阀26。当像这样在变成了能够闭合旁路阀26的状态之后也保持打开旁路阀26时，会白 白增加相应量的压缩机供给流量，因此燃烧消耗率恶化。
[0128] 因此，在本实施方式中，在目标堆供给流量变得大于稀释要求压缩机供给流量时， 将旁路阀固定解除信号和旁路阀闭合动作信号设为0N，使得即使实际堆供给流量收敛于旁 路阀固定范围内也能够闭合旁路阀26。
[0129] 当在时刻t24目标堆供给流量变得大于稀释要求压缩机供给流量（图6的（A))而 旁路阀固定解除信号变为0N时，旁路阀闭合动作信号变为0N，旁路阀固定信号变为OFF (图 6的（C)⑶；S11中"是"、S12、S13)。这样，随着旁路阀闭合动作信号变为0N，由旁路阀控 制部106计算出的闭合侧旁路阀操作量增加。
[0130] 当在时刻t25闭合侧旁路阀操作量超过了规定量、旁路阀26被闭合单位开度时， 实际堆供给流量变得大于目标堆供给流量（图6的（A))。其结果，在时刻t25以后，堆要求 压缩机供给流量降低（图6的（B))，实际堆供给流量也逐渐降低（图6的（A))。
[0131] 当在时刻t25闭合旁路阀26之后旁路阀26的开度也没有完全闭合，因此在时刻 t26继续进行闭合动作（图6的（E))。由此，实际堆供给流量变得大于目标堆供给流量（图 6的（A))。其结果，堆要求压缩机供给流量降低（图6的（B))，实际堆供给流量也逐渐降低 (图6的（A))。同样地在时刻t27闭合旁路阀26,旁路阀26变为完全闭合（图6的（E))。
[0132] 根据以上所说明的本实施方式，在目标堆供给流量变得小于稀释要求压缩机供给 流量而旁路阀固定解除信号变为OFF之后，阶段性地打开旁路阀26,在实际堆供给流量变 得小于目标堆供给流量后固定旁路阀26。
[0133] 由此，能够防止反复进行旁路阀26的开闭，因此能够防止实际压缩机供给流量在 目标压缩机供给流量两边上下变动。因此，能够防止从正极压缩机22产生异声。另外，在 实际堆供给流量低于目标堆供给流量后固定旁路阀26,因此能够防止电解质膜过干燥。
[0134] 另外，在本实施方式中，为了防止饱和现象，当在目标压缩机供给流量设定部104 中将稀释要求压缩机供给流量设定为目标压缩机供给流量时，在堆要求压缩机供给流量计 算部103中，仅在实际堆供给流量小于目标堆供给流量时（需要增大堆要求压缩机流量时） 实施目标堆流量与实际堆流量的偏差的时间积分。然后，在实际堆供给流量大于目标堆供 给流量时（需要减小堆要求压缩机流量时），停止目标堆流量与实际堆流量的偏差的时间 积分。
[0135] 因此，若在实际堆供给流量大于目标堆供给流量的状态下禁止旁路阀26的驱动， 则随着禁止旁路阀26的驱动，实际堆供给流量与目标堆供给流量的偏差变为固定，此时， 偏差的时间积分被停止而变得无法使实际堆供给流量与目标堆供给流量一致。
[0136] 与此相对，在本实施方式中在实际堆供给流量低于目标堆供给流量后禁止旁路阀 26的驱动，由此即使在实际堆供给流量与目标堆供给流量的偏差变为固定的情况下，也能 够实施偏差的时间积分。因此，能够使堆要求压缩机供给流量增大，从而使实际堆供给流量 与目标堆供给流量一致。因而，能够抑制各燃料电池的电解质膜变为过干燥状态的情况，因 此能够抑制发电效率降低。
[0137] 另外在本实施方式中，在目标堆供给流量变得大于稀释要求压缩机供给流量时将 旁路阀固定解除信号和旁路阀闭合动作信号设为0N，使得即使实际堆供给流量处于旁路阀 固定范围内也能够闭合旁路阀26。
[0138] 由此，能够防止以下情况：在固定旁路阀26来使实际堆供给流量与目标堆供给流 量一致后，即使变为能够使旁路阀26完全闭合的状态也无法闭合旁路阀26。因此，不会白 白增加压缩机供给流量，因此能够抑制燃烧消耗率的恶化。
[0139] 以上，说明了本发明的实施方式，但是上述实施方式不过示出了本发明的应用例 的一部分，其宗旨并不是将本发明的保护范围限定于上述实施方式的具体结构。
[0140] 在上述实施方式中，在目标堆供给流量变得大于稀释要求压缩机供给流量时使旁 路阀26闭合单位开度，但是也可以控制为完全闭合。
[0141] 另外，在上述实施方式中，对目标堆供给流量计算部103输入了发电要求堆供给 流量和湿润要求堆供给流量，但是除此以外，也可以输入根据燃料电池堆1的负荷而决定 的液泛防止用的堆供给流量，将它们的最大值设为目标堆供给流量。
[0142] 另外，在上述实施方式中，对目标压缩机供给流量设定部104输入了稀释要求压 缩机供给流量和堆要求压缩机供给流量，但是除此以外，也可以输入正极压缩机22的浪涌 防止用的压缩机供给流量，将它们的最大值设为目标压缩机供给流量。
[0143] 另外，在上述实施方式中，在正极压缩机控制部105中，实施了基于目标压缩机供 给流量和实际压缩机供给流量的反馈控制，但是也可以实施基于目标压缩机供给流量的前 馈控制。
[0144] 本申请基于2012年2月29日向日本专利局申请的特愿2012-43873、2012年3月 1日向日本专利局申请的特愿2012-45739以及2013年1月24日向日本专利局申请的特愿 2013-11415要求优先权，通过参照将该申请的全部内容引入本说明书中。
【权利要求】
1. 一种燃料电池系统，具备： 正极气体供给通路，其用于向燃料电池堆供给正极气体； 正极气体排出通路，其用于排出已供给到上述燃料电池堆的正极气体； 压缩机，其设置于上述正极气体供给通路； 旁路通路，其使从上述压缩机喷出的正极气体的一部分绕过上述燃料电池堆而排出到 上述正极气体排出通路；以及 旁路阀，其设置于上述旁路通路，调节在上述旁路通路中流动的正极气体的流量， 该燃料电池系统还具备： 堆供给流量检测单元，其检测向上述燃料电池堆供给的堆供给流量； 目标堆供给流量计算单元，其基于上述燃料电池堆的要求来计算应该向上述燃料电池 堆供给的目标堆供给流量； 堆要求压缩机供给流量计算单元，其基于上述堆供给流量和上述目标堆供给流量，来 计算用于使上述堆供给流量为上述目标堆供给流量的堆要求压缩机供给流量； 目标压缩机供给流量设定单元，其将上述堆要求压缩机供给流量和根据上述燃料电池 系统的运转状态而决定的下限流量中较大的一方设定为目标压缩机供给流量，该目标压缩 机供给流量是压缩机供给流量的目标值； 压缩机控制单元，其根据上述目标压缩机供给流量来控制上述压缩机； 旁路阀控制单元，其基于上述堆供给流量和上述目标堆供给流量来控制上述旁路阀； 固定单元，其在上述堆供给流量收敛于以上述目标堆供给流量为基准的规定的旁路阀 固定范围内、且上述堆供给流量变得小于上述目标堆供给流量时，固定上述旁路阀；以及 固定解除单元，其在由上述固定单元固定了上述旁路阀之后，在上述目标压缩机供给 流量变得大于上述下限流量时，解除上述旁路阀的固定。
2. 根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于， 在由上述固定解除单元解除了上述旁路阀的固定时，使上述旁路阀闭合单位开度。
3. 根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于， 在由上述固定解除单元解除了上述旁路阀的固定时，使上述旁路阀完全闭合。
4. 根据权利要求1?3中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于， 在上述目标压缩机供给流量被限制为上述下限流量的情况下，上述堆要求压缩机供给 流量计算单元实施以下的反馈控制来计算上述堆要求压缩机供给流量：仅在上述堆供给流 量小于上述目标堆供给流量时进行上述堆供给流量与上述目标堆供给流量的偏差的时间 积分的运算。
5. 根据权利要求1?4中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于， 还具备负极气体排出通路，该负极气体排出通路用于将从上述燃料电池堆排出的负极 气体排出到上述正极气体排出通路， 上述下限流量是使上述正极气体排出通路内的氢浓度为规定值以下所需的压缩机供 给流量的目标值。
6. 根据权利要求1?5中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于， 上述旁路阀固定范围是从限制范围下限流量至限制范围上限流量的范围，该限制范围 下限流量是从上述目标堆供给流量减去规定值β所得的值，该限制范围上限流量是上述 目标堆供给流量加上规定值α所得的值。
【文档编号】H01M8/04GK104145362SQ201380011594
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2013年2月28日 优先权日:2012年2月29日
【发明者】浅井祥朋, 武田大 申请人:日产自动车株式会社