燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法
【专利摘要】一种燃料电池系统，具备：压力调节阀，其控制负极气体的压力；以及放气阀，其构成为能够将开口面积以至少两个梯级进行变更，控制排出负极排气的量，该燃料电池系统还具备：脉动运转控制单元，其对压力调节阀进行控制，使得负荷高时的燃料电池内的负极气体压力比负荷低时的燃料电池内的负极气体压力高，并且在规定的负荷下使燃料电池内的负极气体压力周期性地增减；以及放气阀控制单元，其使下降过渡运转时使用的放气阀的开口面积比其它运转时使用的放气阀的开口面积大。
【专利说明】燃料电池系统以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系统以及燃料电池系统的控制方法。
【背景技术】
[0002]以往，已知如下一种燃料电池系统:在负极气体供给通路上设置有常闭电磁阀，在负极气体排出通路上从上游起依次设置有常开电磁阀和回收罐(缓冲罐)(参照JP2007-517369A)。公开了以下内容:该燃料电池系统是不使排出到负极气体排出通路的未使用的负极气体返回负极气体供给通路的负极气体非循环型的燃料电池系统，将常闭电磁阀和常开电磁阀周期性地开闭。
【发明内容】
[0003]一般来说，需要使燃料电池的负极压力与负荷相应地提高。当在此前提下通过驱动器等要求从高负荷运转转向低负荷运转时，在负极排气非循环型的燃料电池系统中有可能发生如下的问题。
[0004]在从高负荷状态转变为低负荷状态的情况下，需要使负极压力降低到与负荷相应的压力。此时，可知负极气体系统的压力会由于与负荷相应的发电而通过负极气体的消耗来降低，但是由于堆的发电区域内的负极气体的消耗而发电区域的压力降低。随之，含有杂质的负极气体从压力相对高的缓冲罐反流到发电区域，从而在燃料电池内部的负极气体流路内产生局部上负极气体浓度变低的点。在该点，存在反应所需的负极气体不足而发电效率降低的可能性。
[0005]在这种情况下，希望增大设置于缓冲罐后的用于将负极排气排出到大气的放气阀的开度来大量地放气，由此抑制含有杂质的负极气体的反流。然而，本申请发明人发现到，在考虑成本而采用开/关阀的情况下，若为了解决上述问题而增大放气阀开度，则存在稳定地进行脉动运转时的放气量过大而过量地舍弃负极排气的担忧。
[0006]因此，本发明的目的在于提供如下一种技术:在要求从高负荷运转转变为低负荷运转的下降过渡时，即使是开/关阀，也能够抑制因含有杂质的负极气体从缓冲罐反流而导致的发电区域内的负极气体浓度降低。
[0007]一个实施方式中的燃料电池系统具备控制负极气体的压力的压力调节阀以及控制从燃料电池排出的负极排气的排出量的放气阀。在该燃料电池系统中，放气阀构成为能够将开口面积以至少两个梯级进行变更。而且，该燃料电池系统还具备:脉动运转控制单元，其对压力调节阀进行控制，使得负荷高时的燃料电池内的负极气体压力比负荷低时的燃料电池内的负极气体压力高,并且使燃料电池内的负极气体压力在规定的负荷下周期性地增减；以及放气阀控制单元，其使下降过渡运转时使用的放气阀的开口面积比其它运转时使用的放气阀的开口面积大。
[0008]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】
[0009]图1A是用于说明第一实施方式中的燃料电池系统的结构的图，是燃料电池的立体图。
[0010]图1B是用于说明第一实施方式中的燃料电池系统的结构的图，是图1A的燃料电池的1B-1B剖视图。
[0011]图2是第一实施方式中的负极气体非循环型的燃料电池系统的概要结构图。
[0012]图3是说明燃料电池系统的运转状态为固定的稳定运转时的脉动运转的图。
[0013]图4是脉动运转控制的流程图。
[0014]图5是表示在下降过渡运转时使压力调节阀完全闭合来使负极压力降低到下限压力的情况下的负极压力的变化的时序图。
[0015]图6是用于说明在负极气体流路的内部产生局部上负极气体浓度低于他处的部分的理由的图。
[0016]图7是由第一实施方式中的燃料电池系统进行的下降过渡运转时的放气阀的开闭控制的流程图。
[0017]图8是表示第一实施方式中的燃料电池系统中放气阀的开闭、放气阀的开闭、负极压力、负荷的时间变化的时序图的一例。
[0018]图9是在下降过渡运转中进行也同时打开放气阀的控制的情况下的时序图的一例。
[0019]图10是由第二实施方式中的燃料电池系统进行的下降过渡运转时的放气阀的开闭控制的流程图。
[0020]图11是表示第二实施方式中的燃料电池系统中放气阀的开闭、放气阀的开闭、负极压力、负荷的时间变化的时序图的一例。
[0021]图12是第三实施方式中的燃料电池系统的概要结构图。
[0022]图13是由第三实施方式中的燃料电池系统进行的下降过渡运转时的放气阀的开闭控制的流程图。
[0023]图14是表示第三实施方式中的燃料电池系统中放气阀的开闭、放气阀的开闭、气体压力、负荷的时间变化的时序图的一例。
【具体实施方式】
[0024]-第一实施方式-
[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、..(I)
[0027]正极电极:4H++4e_+02— 2H20...(2)
[0028]通过式⑴和式⑵的电极反应，燃料电池产生I伏特左右的电动势。
[0029]图1A和图1B是用于说明第一实施方式中的燃料电池的结构的图。图1A是燃料电池10的立体图。图1B是图1A的燃料电池的1B-1B剖视图。
[0030]燃料电池10构成为在膜电极组件(Membrane Electrode Assembly,以下称为“MEA”)11的表面和背面两面配置负极隔板12和正极隔板13。
[0031]MEA 11具备电解质膜111、负极电极112以及正极电极113。MEA 11在电解质膜111的其中一面具有负极电极112，在另一面具有正极电极113。
[0032]电解质膜111是由氟系树脂形成的质子传导性的离子交换膜。电解质膜111在湿润状态下表现出良好的电传导性。
[0033]负极电极112具备催化剂层112a和气体扩散层112b。催化剂层112a与电解质膜111接触。催化剂层112a由钼或承载有钼等的炭黑粒子形成。气体扩散层112b设置于催化剂层112a的外侧(电解质膜111的相反侧)，与负极隔板12接触。气体扩散层112b由具有足够的气体扩散性和导电性的构件形成，例如由碳布形成，该碳布是用由碳纤维形成的线织成的。
[0034]正极电极113也与负极电极112同样地具备催化剂层113a和气体扩散层113b。
[0035]负极隔板12与气体扩散层112b接触。负极隔板12在与气体扩散层112b接触的一侧具有用于向负极电极112供给负极气体的多个槽状的负极气体流路121。
[0036]正极隔板13与气体扩散层113b接触。正极隔板13在与气体扩散层113b接触的一侧具有用于向正极电极113供给正极气体的多个槽状的正极气体流路131。
[0037]在负极气体流路121中流动的负极气体和在正极气体流路131中流动的正极气体相互平行地流向同一方向。也可以相互平行地流向相反方向。
[0038]在将这种燃料电池10用作汽车用动力源的情况下，由于所要求的电力大，因此作为将数百块燃料电池10层叠而得到的燃料电池堆来使用。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。
[0039]图2是第一实施方式中的负极气体非循环型的燃料电池系统I的概要结构图。
[0040]燃料电池系统I具备燃料电池堆2、负极气体供给装置3以及控制器4。
[0041]燃料电池堆2是层叠多块燃料电池10而得到的，接受负极气体和正极气体的供给来进行发电，发出驱动车辆所需的电力(例如驱动电动机所需的电力)。
[0042]向燃料电池堆2供给正极气体或从燃料电池堆2排出正极气体的正极气体供排装置以及对燃料电池堆2进行冷却的冷却装置不是本发明的主要部分，因此为了易于理解而省略了其图示。在本实施方式中将空气用作正极气体。
[0043]负极气体供给装置3具备高压罐31、负极气体供给通路32、压力调节阀33、压力传感器34、负极气体排出通路35、缓冲罐36、放气通路37、放气阀38、放气通路39以及放气阀40。
[0044]高压罐31将要向燃料电池堆2供给的负极气体保持为高压状态来贮存。
[0045]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2的通路，一个端部与高压罐31连接，另一个端部与燃料电池堆2的负极气体入口孔21连接。
[0046]压力调节阀33设置于负极气体供给通路32。压力调节阀33将从高压罐31排出的负极气体调节为期望的压力并供给到燃料电池堆2。压力调节阀33是能够连续地或阶段地调节开度的电磁阀，其开度由控制器4来进行控制。控制器4通过控制向压力调节阀33供给的电流的量，来控制压力调节阀33的开度。
[0047]压力传感器34设置于比压力调节阀33更靠下游的负极气体供给通路32。压力传感器34检测在比压力调节阀33更靠下游的负极气体供给通路32中流动的负极气体的压力。在本实施方式中，将利用该压力传感器34检测出的负极气体的压力代用作包括燃料电池堆内部的各负极气体流路121和缓冲罐36在内的负极系统整体的压力(以下称为“负极压力”。)。
[0048]负极气体排出通路35的一个端部与燃料电池堆2的负极气体出口孔22连接，另一个端部与缓冲罐36的上部连接。电极反应中未被使用的剩余的负极气体与从正极侧向负极气体流路121交叉泄漏来的氮、水蒸气等惰性气体的混合气体(以下称为“负极排气”。)被排出到负极气体排出通路35。
[0049]缓冲罐36暂时蓄积通过负极气体排出通路35流过来的负极排气。负极排气中的水蒸气的一部分在缓冲罐36内凝结而成为液态水，从负极排气分离出来。
[0050]放气通路37的一个端部与缓冲罐36的下部连接。放气通路37的另一个端部为开口端。积存在缓冲罐36中的负极排气和液态水通过放气通路37从开口端排出到外部大气。
[0051]放气阀38设置于放气通路37。放气阀38是能够连续地或阶段地调节开度的电磁阀，其开度由控制器4来进行控制。通过调节放气阀38的开度，来调节从缓冲罐36经由放气通路37排出到外部大气的负极排气的量，从而调节成缓冲罐36内的负极气体浓度为固定以下。这是由于，当缓冲罐36内的负极气体浓度变得过高时，从缓冲罐36经由放气通路37排出到外部大气的负极气体量变多,从而造成浪费。
[0052]在本实施方式中的燃料电池系统中，缓冲罐36连接有放气通路37，并且连接有放气通路39。放气阀40设置于放气通路39。放气阀40是能够连续地或阶段地调节开度的电磁阀，其开度由控制器4来进行控制。特别是，在本实施方式中，设放气阀40的开口面积大于放气阀38的开口面积。
[0053]放气阀40的另一端经由止回阀46连接于正极气体供给通路45。S卩，使经由放气阀40排出的负极排气返回到正极气体供给通路45，由此能够使负极排气中的负极气体在燃料电池堆2内部的催化剂上与正极气体发生反应来将其消耗。由此，与将负极排气向外部大气排出的结构相比，能够抑制负极气体排出到外部大气。
[0054]另外，在放气阀40与正极气体供给通路45之间，设置有用于防止气体从正极气体供给通路45向放气阀40的方向流入的止回阀46。即，止回阀46具有使气体只从缓冲罐36经由放气阀40向正极气体供给通路45的方向流动的功能。由此,能够防止以下情况:因正极气体从正极气体供给通路45向放气阀40的方向反流而导致缓冲罐36内的负极气体浓度降低，从而电池电压变得不稳定。
[0055]控制器4由具备中央运算装置(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存储器(RAM)以及输入输出接口(I/o接口)的微计算机构成。
[0056]除了前述的压力传感器34以外，检测燃料电池堆2的输出电流的电流传感器41、检测对燃料电池堆2进行冷却的冷却水的温度(以下称为“冷却水温”。)的温度传感器42、检测加速踏板的踏下量(以下称为“加速操作量”。)的加速行程传感器43等的用于检测燃料电池系统I的运转状态的信号也被输入到控制器4。
[0057]控制器4基于这些输入信号来周期性地开闭压力调节阀33，进行使负极压力周期性地增减的脉动运转，并且，控制器4调节放气阀38的开度来调节从缓冲罐36排出的负极排气的流量，将缓冲罐36内的负极气体浓度保持为固定以下。
[0058]在负极气体非循环型的燃料电池系统I的情况下，当打开着压力调节阀33继续从高压罐31向燃料电池堆2供给负极气体时，从燃料电池堆2排出的包含未使用的负极气体的负极排气会继续从缓冲罐36经由放气通路37排出到外部大气，因此造成浪费。
[0059]因此，在本实施方式中周期性地开闭压力调节阀33，进行使负极压力周期性地增减的脉动运转。通过进行脉动运转，能够使积存到缓冲罐36的负极排气在负极压力减少时反流到燃料电池堆2。由此，能够对负极排气中的负极气体进行再利用，因此能够减少排出到外部大气的负极气体量，从而能够杜绝浪费。
[0060]图3是说明燃料电池系统I的运转状态为固定的稳定运转时的脉动运转的图。
[0061]如图3的(A)所示，控制器4基于燃料电池系统I的运转状态(燃料电池堆的负荷)来计算燃料电池堆2的目标输出，设定与目标输出相应的负极压力的上限值和下限值。然后，使负极压力在所设定的负极压力的上限值与下限值之间周期性地增减。
[0062]具体地说，如果在时刻tl负极压力达到下限值，则如图3的⑶所示，将压力调节阀33打开到至少能够使负极压力增加到上限值的开度。在该状态时，负极气体从高压罐31供给到燃料电池堆2，排出到缓冲罐36。
[0063]如果在时刻t2负极压力达到上限值，则如图3的⑶所示那样将压力调节阀33设为完全闭合，停止从高压罐31向燃料电池堆2供给负极气体。这样一来，通过前述的(I)的电极反应，残留在燃料电池堆内部的负极气体流路121中的负极气体随着时间的推移而被消耗，因此负极压力降低了与负极气体的消耗量相当的部分。
[0064]另外，当残留在负极气体流路121中的负极气体被消耗时，缓冲罐36的压力会暂时高于负极气体流路121的压力，因此负极排气从缓冲罐36反流到负极气体流路121。其结果，残留在负极气体流路121中的负极气体和反流到负极气体流路121的负极排气中的负极气体随着时间的推移而被消耗，负极压力进一步降低。
[0065]如果在时刻t3负极压力达到下限值，则与时刻tl时同样地打开压力调节阀33。然后，如果在时刻t4负极压力再次达到上限值，则使压力调节阀33完全闭合。
[0066]图4是脉动运转控制的流程图。由控制器4进行从步骤SlO起的处理。
[0067]在步骤SlO中，基于燃料电池系统I的运转状态来计算燃料电池堆2的目标输出。
[0068]在步骤S20中，基于通过步骤SlO计算出的燃料电池堆2的目标输出来设定脉动运转时的负极压力的上限值和下限值，并且基于所设定的上限值和下限值来决定负极压力目标值。在负极压力增压时，上限值为负极压力目标值，在降压时，下限值为负极压力目标值。
[0069]在步骤S30中，通过压力传感器34检测负极压力。
[0070]在步骤S40中，基于通过步骤S20决定的负极压力目标值与通过步骤S30检测出的负极压力之差，来进行控制压力调节阀33的开闭的反馈控制，使得负极压力接近负极压力目标值。
[0071]在此，在实施这种脉动运转的情况下，当燃料电池系统I的运转状态变化时，具体地说，在燃料电池堆2的目标输出减少而使燃料电池堆2的输出向目标输出减少的过渡运转时(以下称为下降过渡运转时)，已知会在负极气体流路121的内部产生局部上负极气体浓度低于他处的部分。以下，参照图5和图6来说明这一点。
[0072]图5是表示在下降过渡运转时使压力调节阀33完全闭合来使负极压力降低到下限压力的情况下的负极压力的变化的时序图。
[0073]在时刻tll，例如当加速操作量减少而燃料电池堆2的目标输出降低时，如图5的(A)所示，设定与降低后的目标输出相应的负极压力的上限值和下限压力。
[0074]此时，如图5的(A)和图5的⑶所示，当在时刻tll使压力调节阀33完全闭合来使负极压力降低到下限值时(时刻tl2)，在负极气体流路121的内部产生局部上负极气体浓度低于他处的部分。参照图6来说明其理由。
[0075]图6是说明在负极气体流路121的内部产生局部上负极气体浓度低于他处的部分的理由的图。图6的(A)是表示下降过渡运转时使压力调节阀33完全闭合时的负极气体流路121内的负极气体和负极排气的流动的图。图6的(B)是与时间的推移相应地示出下降过渡运转时使压力调节阀33完全闭合时的负极气体流路121内的负极气体的浓度分布的图。
[0076]如图6的㈧所示，当使压力调节阀33完全闭合时，残留在负极气体流路121中的负极气体由于惯性而流向缓冲罐36侧。然后，当残留在负极气体流路121中的负极气体被消耗时，缓冲罐36的压力暂时高于负极气体流路121的压力，因此负极排气从缓冲罐36侧反流回负极气体流路121。
[0077]这样一来，在负极气体流路121中流向缓冲罐36侧的负极气体与从缓冲罐36侧反流回负极气体流路121的负极排气的合流部处，产生各自的气体流速变为零的滞点。
[0078]当在负极气体流路121内产生这种滞点时，在前述的⑴的电极反应中未被使用的负极排气中的氮随着时间的推移而在滞点附近积存。其结果，滞点附近的氮浓度随着时间的推移而变得高于他处，如图6的(B)所示，滞点附近的负极气体浓度随着时间的推移而变得低于他处。
[0079]这样，在下降过渡运转后，成为在负极气体流路121的内部存在滞点的状态，在负极气体流路121的内部产生局部上负极气体浓度低于他处的部分。
[0080]因而，在本实施方式中的燃料电池系统中，在下降过渡运转时，打开开口面积大于放气阀38的开口面积的放气阀40，由此抑制负极排气从缓冲罐36向燃料电池堆2的反流，从而抑制燃料电池堆2内的负极气体浓度的降低。
[0081]图7是由第一实施方式中的燃料电池系统进行的下降过渡运转时的放气阀的开闭控制的流程图。由控制器4进行从步骤SlOO起的处理。
[0082]在步骤SlOO中，判断是否已变为下降过渡运转。例如能够基于接受电力供给的负荷的减少(燃料电池堆2的要求输出的减少)来判断是否已变为下降过渡运转。若判断为未变为下降过渡运转则以步骤SlOO待机，若判断为已变为下降过渡运转则进入步骤S110。
[0083]在步骤SllO中，打开放气阀40。
[0084]在步骤S120中，判断下降过渡运转是否已结束。若判断为下降过渡运转尚未结束则以步骤S120待机，若判断为下降过渡运转已结束则进入步骤S130。
[0085]在步骤S130中，闭合放气阀40。
[0086]图8是分别示出第一实施方式中的燃料电池系统中放气阀38的开闭、放气阀40的开闭、负极压力、负荷的时间变化的时序图的一例。在下降过渡运转时以外的通常运转时，进行开闭开口面积较小的放气阀38的控制。当在时刻t21负荷变小时，燃料电池堆2的目标输出变小，因此目标负极压力也降低，实际的负极压力也降低。即，在时刻t21进入下降过渡运转，因此开口面积较大的放气阀40被打开。之后。在时刻t22，下降过渡运转结束，因此放气阀40被闭合。
[0087]在图8所示的例子中，在下降过渡运转中，开口面积较小的放气阀38是闭合的。但是，也可以在下降过渡运转中使放气阀38也同时打开。
[0088]图9是在下降过渡运转中进行放气阀38也同时打开的控制的情况下的时序图的一例。在图9中，与图8同样地，从上起依次分别示出了放气阀38的开闭、放气阀40的开闭、负极气体压力、负荷的时间变化。
[0089]当在时刻t31负荷变小而燃料电池堆2的目标输出变小时，随着目标负极压力的降低，实际的负极压力也降低。即，在时刻t31进入下降过渡运转。此时，不仅打开放气阀40，将放气阀38也同时打开。由此，与在下降过渡运转时仅打开放气阀38的控制的情况相t匕，能够进一步抑制负极排气从缓冲罐36向燃料电池堆2的反流，因此能够进一步抑制燃料电池堆2内的负极气体浓度的降低。
[0090]此外，在下降过渡运转时进行打开放气阀40并且将放气阀38也打开的控制的系统中，放气阀40的开口面积既可以与放气阀38的开口面积相同，也可以小于放气阀38的开口面积。
[0091]以上，根据第一实施方式中的燃料电池系统，具备蓄积从燃料电池排出的负极排气的缓冲罐36，并进行以下的脉动运转:对压力调节阀33进行控制，使得负荷高时的燃料电池内的负极气体压力比负荷低时的燃料电池内的负极气体压力高,并且使燃料电池内的负极气体压力在规定的负荷下周期性地增减，在该燃料电池系统中，使下降过渡运转时使用的放气阀的开口面积比其它运转时使用的放气阀的开口面积大。更具体地说，在未处于下降过渡运转时进行控制使得开闭放气阀38，在下降过渡运转时进行控制使得打开开口面积大于放气阀38的开口面积的放气阀40。由此，能够抑制在下降过渡运转时负极排气从缓冲罐36向燃料电池堆2的反流，从而抑制燃料电池堆2内的负极气体浓度的降低。
[0092]另外，在下降过渡运转时，进行控制使得打开放气阀40并且将放气阀38也打开，由此能够进一步抑制负极排气从缓冲罐36向燃料电池堆2的反流，因此能够进一步抑制燃料电池堆2内的负极气体浓度的降低。
[0093]另外,放气阀40的一端连接于向燃料电池供给正极气体的正极气体供给通路45,因此使负极排气返回到正极气体供给通路45，由此能够使负极排气中的负极气体在燃料电池内部的催化剂上与正极气体发生反应来将其消耗。由此，与将负极排气向外部大气排出的结构相比，能够抑制负极气体排出到外部大气。
[0094]并且，在放气阀40与正极气体供给通路45之间，设置有能够使气体只从放气阀40向正极气体供给通路45的方向流动的止回阀46，因此能够防止以下情况:因正极气体从正极气体供给通路45向放气阀40的方向反流而导致缓冲罐36内的负极气体浓度降低，从而电池电压变得不稳定。
[0095]-第二实施方式_
[0096]在第一实施方式中的燃料电池系统中，当进入下降过渡运转时，打开开口面积较大的放气阀40。然而，在进入了下降过渡运转的最初阶段，负极气体浓度的降低小，因此几乎不存在负极排气从缓冲罐36的反流，打开放气阀40的必要性低。
[0097]因而，在第二实施方式中的燃料电池系统中，当在下降过渡运转中负极压力的降压量变为规定量以上时，进行控制使得打开放气阀40。此外，对于与负极压力的降压量进行比较的规定量，预先设定适当的值。
[0098]图10是由第二实施方式中的燃料电池系统进行的下降过渡运转时的放气阀的开闭控制的流程图。对于进行与图7所示的流程图的处理相同的处理的步骤，标注同一标记，省略详细的说明。
[0099]若在步骤SlOO中判断为已变为下降过渡运转则进入步骤S200。
[0100]在步骤S200中，判断负极压力的降压量是否为规定量以上。若判断为负极压力的降压量低于规定量则返回到步骤S100，若判断为负极压力的降压量为规定量以上则进入步骤S110。步骤SllO以后的处理与图7所示的流程图的处理相同。
[0101]图11是分别示出第二实施方式中的燃料电池系统中放气阀38的开闭、放气阀40的开闭、负极气体压力、负荷的时间变化的时序图的一例。当在时刻t41负荷变小时，目标负极压力也降低，变为下降过渡运转。之后，在时刻t42，负极压力的降压量变为规定量以上，因此在时刻t42打开放气阀40。由此，在进入下降过渡运转的时刻t41到负极压力的下降量变为规定量以上的时刻t42的期间，放气阀40保持闭合，因此能够防止在此期间负极气体从缓冲罐36排出。
[0102]此外，也可以当在下降过渡运转中负极压力的降压量变为规定量以上时，不仅打开放气阀40，将放气阀38也同时打开。
[0103]以上，根据第二实施方式中的燃料电池系统，在下降过渡运转时，在负极气体的压力的下降量为规定量以上的情况下，使放气阀的开口面积大于未处于下降过渡运转时的放气阀的开口面积，因此能够防止负极气体徒劳地从缓冲罐36排出。
[0104]-第三实施方式_
[0105]图12是第三实施方式中的燃料电池系统IA的概要结构图。与图2所示的燃料电池系统I的结构不同之处在于:省去了设置于放气阀40与正极气体供给通路45之间的止回阀46 ;以及在正极气体供给通路45中设置了用于检测正极气体的压力(以下称为“正极压力”)的压力传感器47。
[0106]由于省去了止回阀46，因此在第三实施方式中的燃料电池系统IA中，在负极压力低于正极压力的情况下，禁止放气阀40的开放，以防止正极气体从正极气体供给通路45反流到缓冲罐36。
[0107]图13是由第三实施方式中的燃料电池系统IA进行的下降过渡运转时的放气阀的开闭控制的流程图。对于进行与图7所示的流程图的处理相同的处理的步骤，标注同一标记，省略详细的说明。
[0108]若在步骤SlOO中判断为已变为下降过渡运转则进入步骤S300。
[0109]在步骤S300中，判断压力传感器34所检测出的负极压力是否为压力传感器47所检测出的正极压力以上。若判断为负极压力低于正极压力则进入步骤S130，闭合放气阀40。另一方面，若判断为负极压力为正极压力以上则进入步骤S110。
[0110]在接着步骤SllO的步骤S120中，若判断为下降过渡运转尚未结束则返回到步骤S300，若判断为下降过渡运转已结束则进入步骤S130。
[0111]图14是分别示出第三实施方式中的燃料电池系统中放气阀38的开闭、放气阀40的开闭、气体压力、负荷的时间变化的时序图的一例。以虚线示出气体压力中的负极压力，以实线示出气体压力中的正极压力。
[0112]当在时刻t51负荷变小时，目标负极压力也降低，变为下降过渡运转。此时，负极压力为正极压力以上，因此打开放气阀40。
[0113]之后，当在时刻t52负极压力变得低于正极压力时，虽然正处于下降过渡运转的中途，但闭合放气阀40。由此，能够防止正极气体从正极气体供给通路45反流到缓冲罐36。
[0114]以上，根据第三实施方式中的燃料电池系统，在负极气体的压力低于正极气体的压力的情况下，即使处于下降过渡运转时，也禁止放气阀40的开放，因此能够防止正极气体从正极气体供给通路45反流到缓冲罐36。
[0115]本发明并不限定于上述的各实施方式。例如，在第一实施方式?第三实施方式中，在下降过渡运转时打开开口面积比在通常控制时开闭的放气阀38的开口面积大的放气阀40，由此抑制负极排气从缓冲罐36向燃料电池堆2的反流。但是，构成为不设置与放气阀38分开设置的放气阀40而仅设置一个开口面积可变的放气阀也能够得到同样的效果。即，只要设置一个可使开口面积至少变为两个水准的放气阀并在下降过渡运转以外的通常运转时以小的开口面积打开放气阀、在下降过渡运转时以大的开口面积打开放气阀即可。
[0116]此外，能够将各实施方式中说明的控制内容适当组合。另外，上述的实施方式是以缓冲罐和非循环系统进行描述的，但是在使用喷吸器等来形成循环的系统中，也会产生在下降过渡时(压力下降时)发生反流的问题，因此通过采用本技术能够得到同样的效果。在这种情况下，循环流路、或者贮水罐的发电区域外的容积部相当于缓冲部。
[0117]本申请基于2012年3月13日向日本专利局申请的特愿2012-056350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:燃料电池，其被供给负极气体和正极气体，根据外部负荷来进行发电；压力调节阀，其控制向上述燃料电池供给的负极气体的压力；以及放气阀，其控制从上述燃料电池排出的负极排气的排出量，其中， 上述放气阀构成为能够将开口面积以至少两个梯级进行变更， 该燃料电池系统还具备: 脉动运转控制单元，其对上述压力调节阀进行控制，使得负荷高时的燃料电池内的负极气体压力比负荷低时的燃料电池内的负极气体压力高，并且使燃料电池内的负极气体压力在规定的负荷下周期性地增减；以及 放气阀控制单元，其使下降过渡运转时使用的放气阀的开口面积比其它运转时使用的放气阀的开口面积大。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于， 上述放气阀由第一放气阀和开口面积比上述第一放气阀的开口面积大的第二放气阀构成， 上述放气阀控制单元在未处于上述下降过渡运转时进行控制使得开闭上述第一放气阀，在上述下降过渡运转时进行控制使得打开上述第二放气阀。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于， 上述放气阀由第一放气阀和第二放气阀构成， 上述放气阀控制单元在未处于上述下降过渡运转时进行控制使得开闭上述第一放气阀，在上述下降过渡运转时进行控制使得打开上述第一放气阀和上述第二放气阀。
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， 还具备计算负极气体压力的下降量的负极气体压力下降量计算单元， 在上述下降过渡运转时，在上述负极气体压力的下降量为规定量以上的情况下，上述放气阀控制单元使放气阀的开口面积大于未处于上述下降过渡运转时的放气阀的开口面积。
5.根据权利要求2或3所述的燃料电池系统，其特征在于， 上述第二放气阀的一端连接于向燃料电池供给正极气体的正极气体供给通路。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其特征在于， 在上述第二放气阀与上述正极气体供给路之间设置有止回阀，该止回阀能够使气体只从上述第二放气阀向上述正极气体供给通路的方向流动。
7.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其特征在于，还具备: 负极气体压力检测单元，其检测负极气体压力；以及 正极气体压力检测单元，其检测正极气体压力， 其中，在上述负极气体压力低于上述正极气体压力的情况下，即使处于上述下降过渡运转时，上述放气阀控制单元也禁止上述第二放气阀的开放。
8.一种燃料电池系统的控制方法，该燃料电池系统具备:燃料电池，其被供给负极气体和正极气体，根据外部负荷来进行发电；压力调节阀，其控制向上述燃料电池供给的负极气体的压力；以及放气阀，其构成为能够将开口面积以至少两个梯级进行变更，控制从上述燃料电池排出的负极排气的排出量，该燃料电池系统的控制方法包括以下步骤: 对上述压力调节阀进行控制，使得负荷高时的上述燃料电池内的负极气体压力比负荷低时的上述燃料电池内的负极气体压力高,并且使上述燃料电池内的负极气体压力在规定的负荷下周期性地增减；以及使下降过渡运转时使用的放气阀的开口面积比其它运转时使用的放气阀的开口面积大。
【文档编号】H01M8/04GK104170142SQ201380013942
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2013年3月1日 优先权日:2012年3月13日
【发明者】池添圭吾, 筑后隼人, 市川靖 申请人:日产自动车株式会社