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 现有技术中， 作为提升在燃料电池车辆中利用的燃料电池堆的耐久性的一个方 法， 提出了避开氧化还原电位来使燃料电池堆发电的技术 ( 参照专利文献 1)。
专利文献
专利文献 1 ： JP 特开 2007-5038 号公报
但是， 在专利文献 1 中， 为了持续避开氧化还原电位， 需要使燃料电池堆所输出的 功率相对于行驶电动机等负载所要求的功率变大或变小， 这种情况下， 剩余功率充电到蓄 电池 ( 蓄电装置 )， 或者用蓄电池来援助 ( 补充 ) 不足的部分。即， 为了持续避开氧化还原 电位， 蓄电池的充电 / 放电的频度会变多。如此， 由于蓄电池的充电 / 放电的频度增多， 伴 随充电 / 放电的损失 ( 损耗 ) 也会增加， 会降低车辆效率 ( 例如燃料费 )。
发明内容
因此， 本发明的课题在于提供一种提高燃料电池的耐久性并且追随负载要求来使 燃料电池发电的燃料电池系统。
作为用于解决所述课题的手段， 本发明是一种燃料电池系统， 特征在于， 具备 ： 燃 料电池， 其具有触媒， 通过用所述触媒使氧或氢发生反应来进行发电 ； 气体提供单元， 其向 所述燃料电池提供氧以及氢的至少一种气体 ； 冷媒提供单元， 其向所述燃料电池提供冷媒 ； 电压控制单元， 其对所述燃料电池输出的电压进行控制 ； 负载， 其由所述燃料电池输出的功 率所驱动 ； 和控制单元， 其控制所述气体提供单元、 所述冷媒提供单元以及所述电压控制单 元， 所述控制单元在通过控制所述电压控制单元而将所述燃料电池的实际电压固定在所述 触媒进行氧化还原的氧化还原进行电压范围外的规定电压的状态下， 一边控制所述气体提 供单元以使得提供给所述燃料电池的至少一种气体的浓度追随所述负载所要求的要求功 率， 一边通过所述冷媒提供单元将冷媒提供给所述燃料电池。
在此， 燃料电池具有按照其 IV 特性 (IV 曲线， 参照图 15)， 若其输出的实际电流变 大， 则其输出的实际电压变小这样的特性。
另外， 若负载的要求功率变大， 则为了使燃料电池所输出的实际功率变大， 通常使 实际电流变大， 因此， 在实际电压较小而实际电流较大的情况下 ( 目标电压为切换电压以 下的情况 )， 与要求功率较大的高负载侧对应。另一方面， 在施加电压较大而实际电流较小 的情况下 ( 目标电压不为切换电压以下的情况 )， 与要求功率较小的低负载侧对应。
根据这样的构成， 控制单元通过控制所述电压控制单元， 将燃料电池的实际电压 固定在触媒进行氧化还原的氧化还原进行电压范围外的规定电压。在此， 由于规定电压在 触媒进行氧化还原的氧化还原电压范围之外， 因此通过实际电压维持在规定电压， 能防止 同时期频繁地反复进行触媒的氧化反应以及还原反应。 由此， 抑制了触媒的洗提 (elution)等， 从而燃料电池难以劣化。其结果， 能提高燃料电池的耐久性。
另外， 控制单元控制气体提供单元以使得对所述燃料电池的所述至少一种气体的 浓度追随负载所要求的要求功率。在此， 由于若使所述至少一种气体的浓度变化则燃料电 池的 IV 特性也变化， 因此， 通过这样改变所述至少一种气体的浓度来追随要求功率， 燃料 电池的实际电流也发生变化， 燃料电池的输出的实际功率追随要求功率。
如此， 由于燃料电池追随负载要求功率来没有过剩不足地进行发电， 因此， 不会产 生不足功率或剩余功率， 不需要对蓄电装置进行充电 / 放电， 不会生成伴随着充电 / 放电的 损失 ( 热等 )。因此， 提高了燃料电池洗提的效率 ( 能量收支 )。
进而， 控制单元如上所述， 将燃料电池的实际电压固定于规定电压， 一边改变所述 至少一种气体的浓度， 一边通过冷媒提供单元将冷媒提供给燃料电池。 由此， 能适当地确保 燃料电池的温度。
另外， 优选在所述燃料电池系统中， 所述控制单元， 基于根据所述要求功率而算出 的所述燃料电池的目标电压、 和所述触媒进行氧化还原的氧化还原进行电压范围以下的切 换电压， 来控制所述气体提供单元以及所述电压控制单元， 在所述目标电压为所述切换电 压以下的情况下， 执行第 1 模式， 控制所述电压控制单元以使得所述燃料电池的实际电压 追随目标电压， 在所述目标电压不为所述切换电压以下的情况下， 执行第 2 模式， 控制所述 电压控制单元以使得所述燃料电池的实际电压被固定在所述切换电压， 并且通过控制所述 气体提供单元来改变所述至少一种气体浓度， 从而改变所述燃料电池的 IV 特性， 由此改变 所述燃料电池的实际电流， 使所述燃料电池所输出的实际功率追随所述要求功率。 另外， 切换电压优选为氧化还原进行电压范围以下且所述规定电压以上。 另外， 在 后述的实施方式中， 例示了切换电压等于规定电压的情况。
根据这样的构成， 在目标电压为切换电压以下的情况下 ( 高负载侧 )， 控制单元执 行第 1 模式， 控制电压控制单元， 以使得燃料电池的实际电压追随目标电压。即， 若执行第 1 模式， 一边通过气体提供单元来没有过剩不足地提供氧以及氢的至少一种气体， 一边通过 电压控制单元来使实际电压追随目标电压， 则燃料电池的实际电流按照气体的提供条件中 的燃料电池的 IV 特性而变化。例如， 若实际电压较小， 则实际电流变大。
如此， 通过使实际电压追随目标电压， 实际电流也发生变化， 燃料电池所输出的实 际功率追随负载的要求功率。即， 由于燃料电池追随负载的要求功率来没有过剩不足地进 行发电， 因此不会产生不足功率或剩余功率， 不需要对蓄电装置进行放电 / 充电， 不会伴随 放电 / 充电而生成损失 ( 热等 )。因而， 能提高燃料电池系统的效率 ( 能量收支 )。
另一方面， 在目标电压不为切换电压以下的情况下 ( 低负载侧 )， 控制单元执行第 2 模式。
即， 控制单元对电压控制单元进行控制， 将燃料电池的实际电压固定在切换电压 ( 后述的实施方式中为 0.8V)。在此， 由于切换电压为触媒进行氧化还原的氧化还原电压范 围以下， 因此通过将实际电压固定 ( 维持 ) 在切换电压， 能防止同时期频繁地进行触媒的氧 化反应以及还原反应。由此， 抑制了触媒的洗提等， 燃料电池难以劣化。其结果， 能提高燃 料电池的耐久性。
与此同时， 控制单元通过对气体提供单元进行控制来改变所述至少一种气体的浓 度从而改变燃料电池的 IV 特性， 由此改变了燃料电池的实际电流， 使燃料电池所输出的实
际功率追随要求功率。
这样， 由于燃料电池追随负载的要求功率来没有过剩不足地进行发电， 因此不会 产生不足功率或剩余功率， 不需要对蓄电装置进行放电 / 充电， 也不会伴随放电 / 充电而生 成损失 ( 热等 )。因此， 提高了燃料电池系统的效率 ( 能量收支 )。
另外， 优选在所述燃料电池系统中， 所述切换电压基于流通充裕的反应气体并正 常地进行发电的所述燃料电池的 IV 特性来设定。
根据这样的构成， 能良好地保持第 1 模式时 ( 高负载侧 ) 的燃料电池的输出 ( 实 际功率 )。另外， 能使第 2 模式时 ( 低负载侧 ) 的反应气体的提供量的变化成为最小限度。
另外， 优选在所述燃料电池系统中， 所述燃料电池系统具备积蓄所述燃料电池所 发出的功率的蓄电单元。
根据这样的构成， 即使在系统中发生相应延迟 ( 控制延迟 ) 等、 燃料电池的功率成 为剩余 / 不足， 也能通过蓄电单元， 以剩余的功率进行充电， 或者补足不足的功率。
另外， 优选在所述燃料电池系统中， 所述控制单元按照所述蓄电单元成为目标蓄 电量的方式， 基于所述蓄电单元的蓄电量来算出所述要求功率。
根据这样的构成， 控制单元按照蓄电单元成为目标蓄电量 ( 后述的实施方式中， SOC 为 50％ ) 的方式， 基于蓄电单元的蓄电量来算出要求功率。
由此， 燃料电池以考虑了蓄电单元的目标蓄电量的实际功率 ( 实际电压、 实际电 流 ) 来进行发电。因此， 能按照蓄电单元成为目标蓄电量的方式来进行放电 / 充电， 能适当 地维持蓄电单元的蓄电量。
另外， 优选在所述燃料电池系统中， 所述控制单元在所述燃料电池的实际电压被 固定于所述规定电压且在使所述至少一种气体的浓度追随所述负载所要求的要求功率期 间， 控制所述冷媒提供单元以使得对所述燃料电池的冷媒的提供量追随所述要求功率。
根据这样的构成， 控制单元在将燃料电池的实际电压固定在规定电压且在使所述 至少一种气体的浓度追随所述负载所要求的要求功率的期间， 控制所述冷媒提供单元以使 得对所述燃料电池的冷媒的提供量追随所述要求功率。由此， 能高效率地确保燃料电池的 温度。
另外， 优选在所述燃料电池系统中， 所述燃料电池系统还具备 ： 发电稳定性判定单 元， 其判定所述燃料电池的发电是否稳定， 在所述发电稳定性判定单元判定为所述燃料电 池的发电为不稳定的情况下， 所述控制单元按照增加所述至少一种气体的浓度的方式来控 制所述气体提供单元。
根据这样的构成， 在发电稳定性判定单元判定为燃料电池的发电为不稳定的情况 下， 控制单元控制气体提供单元来增加所述至少一种气体的浓度。 如此， 由于增加了所述至 少一种气体的浓度， 因此， 燃料电池的发电易于稳定。
另外， 优选在所述燃料电池系统中， 所述燃料电池系统还具备 ： 汇流流路， 其使从 所述燃料电池排放的所述至少一种气体的废气与流向所述燃料电池的所述至少一种气体 汇流， 所述气体提供单元包括 ： 废气流量控制单元， 其设于所述汇流流路， 并控制进行汇流 的废气的流量， 在所述发电稳定性判定单元判定为所述燃料电池的发电为不稳定的情况 下， 所述废气流量控制单元增加废气的流量。
另外， 在所述至少一种气体中包含氢的情况下， 使从燃料电池排放的氢废气 ( 后述的实施方式中为阳极废气 ) 与流向燃料电池的氢汇流。另外， 在所述至少一种气体包含 氧的情况下， 使从燃料电池排放的氧废气 ( 在后述的实施方式中为阴极废气 ) 与流向燃料 电池的氧汇流。
根据这样的构成， 由于在发电稳定性判定单元判定为燃料电池的发电为不稳定的 情况下， 废气流量控制单元增加废气的流量， 因此， 增加了流向燃料电池的混合气体 ( 所述 至少一种气体与一种气体的废气的混合气体 ) 的体积流量， 并且使所述至少一种气体分散 在所述混合气体中。 由此， 分散了所述至少一种气体、 增加了体积流量的混合气体易于提供 给燃料电池整体， 能恢复燃料电池的发电稳定性。
特别是， 在燃料电池如后述的实施方式那样， 为层叠多个单电池而成的燃料电池 堆、 对各单电池并行地提供氧 / 氢的构成的情况下， 通过如此提供增加了体积流量的混合 气体， 易于均等地对全部单电池提供氧 / 氢， 燃料电池堆的发电易于稳定。
另外， 优选在所述燃料电池系统中， 在所述发电稳定性判定单元判定为所述燃料 电池的发电为不稳定的情况下， 且在所述废气流量控制单元增加了废气的流量后， 所述控 制单元控制所述气体提供单元来增加来自外部的新的所述至少一种气体的浓度。
根据这样的构成， 根据这样的构成， 在发电稳定性判定单元判定为燃料电池的发 电为不稳定的情况下， 在废气流量控制单元增加了废气的流量后， 控制单元控制所述气体 提供单元来增加来自外部的新的所述至少一种气体的浓度。由此， 由于增加了流向燃料电 池的混合气体 ( 所述至少一种气体和一种气体的废气的混合气体 ) 的体积流量， 因此， 易于 提供给燃料电池整体， 能高效率地恢复燃料电池的发电稳定性。
另外， 优选在所述燃料电池系统中， 所述气体提供单元具备提供含有氧的空气的空气泵。 根据这样的构成， 能通过空气泵将含有氧的空气提供给燃料电池。
另外， 优选在所述燃料电池系统中， 所述气体提供单元具备提供氢的氢泵。
根据这样的构成， 能通过氢泵将氢提供给燃料电池。
另外， 优选在所述燃料电池系统中， 所述负载包括车辆的驱动用电动机， 所述燃料 电池系统搭载于所述车辆。
根据这样的构成， 能通过驱动用的电动机来驱动 ( 使行驶 ) 车辆。 另外， 如前所述， 由于提高了燃料电池的耐久性， 燃料电池系统的效率较高， 因此， 车辆的耐久性以及效率也 得到提高。
发明效果
根据本发明， 能提供一种提高了燃料电池的耐久性， 并追随负载要求来使燃料电 池发电的燃料电池系统。
附图说明
图 1 是本实施方式所涉及的燃料电池系统的构成图。 图 2 是本实施方式所涉及的燃料电池系统的功率控制系统的构成图。 图 3 是 Pt( 白金 ) 的循环伏安 (cyclic voltammetry) 图。 图 4 是表示电池电位 ( 电池电压 ) 和单电池的劣化量的关系的图表。 图 5 是表示氧的化学计量 (stoichiometry) 与电池电流 ( 单电池电流 ) 的关系的图表。 图 6 是本实施方式所涉及的燃料电池系统的主流程图。
图 7 是图 6 的系统负载计算处理 S200 的子流程图。
图 8 是图 6 的能量管理、 燃料电池堆的发电控制处理 S300 的子流程图。
图 9 是表示图 6 的电动机转矩控制处理 S400 的子流程图。
图 10 是表示当前的电动机转速、 燃料电池车辆的状态 ( 加速中 / 减速中 )、 和电动 机预想消耗功率的关系的映射图。
图 11 是表示高压蓄电池的 SOC 与充放电系数的关系的映射图。
图 12 是表示目标电流与目标氧浓度的关系的映射图。
图 13 是表示目标氧浓度 ( 目标电流 ) 与空气泵 ( 冷媒泵 ) 的转速 ( 旋转速度 ) 的关系的映射图。
图 14 是表示目标氧浓度 ( 目标电流 ) 与背压阀的开度的关系的映射图。
图 15 是表示燃料电池堆 ( 单电池 ) 的电流与单电池的电压 ( 电池电压 ) 的关系 的映射图。
图 16 是表示目标电流与空气流量的关系的映射图。
图 17 是表示循环阀的开度与循环气体的关系的映射图。 图 18 是表示本实施方式所涉及的燃料电池系统的一个动作例的时序图。 图 19 是变形例所涉及的燃料电池系统的功率控制系统的构成图。 符号的说明 1 燃料电池系统 10 燃料电池堆 ( 燃料电池 ) 14 电池电压监视器 21 氢罐 ( 燃料气体提供单元 ) 31 空气泵 ( 氧化剂气体提供单元 ) 34 循环泵 ( 废气流量控制单元、 气体提供单元 ) 34a、 34b 配管 ( 汇流流路 ) 51 电动机 ( 负载 ) 53 高压蓄电池 ( 蓄电单元 ) 55 第 1 转换器 80 ECU( 控制单元、 发电稳定性判定单元 )具体实施方式
下面， 参照图 1 ～图 18 来说明本发明的一个实施方式。
《燃料电池系统的构成》
图 1 所示的本实施方式所涉及的燃料电池系统 1 被搭载在未图示的燃料电池车辆 ( 移动体 ) 中。
燃料电池系统 1 具备 ： 燃料电池堆 10( 燃料电池 )、 电池电压监视器 14、 对燃料电 池堆 10 的阳极提供 / 排放氢 ( 燃料气体 ) 的阳极系统、 对燃料电池堆 10 的阴极提供 / 排放 包含氧的空气 ( 氧化剂气体 ) 的阴极系统、 使冷媒经由燃料电池堆 10 地循环 ( 流通 ) 的冷媒系统、 与燃料电池堆 10 的输出端子 ( 未图示 ) 连接并控制燃料电池堆 10 的发电功率的功 率控制系统、 以及作为对上述构成进行电子控制的控制单元的 ECU80(Electronic Control Unit， 电子控制装置 )。
另外， 燃料气体、 氧化剂气体的具体种类并不限于此。
< 燃料电池堆 >
燃 料 电 池 堆 10 是 层 叠 了 多 个 ( 例 如 200 ～ 600 片 ) 固 体 高 分 子 型 的 单 电 池 ( 燃料电池 ) 而构成的堆， 多个单电池串联连接。单电池具备 ： MEA(Membrane Electrode Assembly ： 膜电极接合体 )、 和夹持 MEA 的 2 片具有导电性的隔板。 MEA 具备由 1 价的阳离子 交换膜等构成的电解质膜 ( 固体高分子膜 )、 和夹持该电解质膜的阳极以及阴极 ( 电极 )。
阳极以及阴极包含 ： 碳纸等的具有导电性的多孔质体、 被载在多孔质体上并使阳 极以及阴极中的电极反应发生的触媒 (Pt、 Ru 等 )。
在各隔板上形成有用于对各 MEA 的整个面提供氢或空气的槽、 用于对全部单电池 提供 / 排放氢或空气的贯通孔， 这些槽以及贯通孔作为阳极流路 11( 燃料气体流路 )、 阴极 流路 12( 氧化剂气体流路 ) 发挥作用。另外， 这样的阳极流路 11、 阴极流路 12， 特别是为了 对单电池的整个面提供氢、 空气， 分支、 汇流为多路， 其流路截面积极小。 然后， 在经由阳极流路 11 而对各阳极提供了氢后， 发生式 (1) 的电极反应， 在经 由阴极流路 12 而对各阴极提供了空气后， 发生式 (2) 的电极反应， 在各单电池产生电位差 (OCV(Open Circuit Voltage， 开路电压 ))。接下来， 燃料电池堆 10 与后述的电动机 51 等 的负载电连接， 若取出电流， 则燃料电池堆 10 进行发电。 +
2H2 → 4H +4e … (1)
O2+4H++4e- → 2H2O … (2)
如此， 若燃料电池堆 10 进行发电， 则在阴极生成水分 ( 水蒸气 )， 从阴极流路 12 排 放的阴极废气湿度大。
另外， 在各隔板形成有用于使冷却各单电池的冷媒进行流通的槽、 贯通孔， 这些槽 以及贯通孔作为冷媒流路 13 而发挥作用。
但是， 在这样的燃料电池堆 10 中， 对应于电动机 51 等的负载所要求的要求功率的 变动， 反复执行在低电位侧的发电、 在高电位侧的发电。 如此， 在包含于阳极、 阴极的触媒表 面反复进行式 (3) 的氧化反应、 式 (4) 的还原反应， 其结果， 诱发了触媒的洗提或烧结现象 ( 触媒的凝集 )， 有可能会降低燃料电池堆 10 的输出特性。
另外， 式 (3)、 式 (4) 例示了触媒为白金 (Pt) 的情况。
Pt+2H2O → Pt(OH)2+2H++2c- … (3)
Pt(OH)2+2H++2e- → Pt+2H2O … (4)
在触媒为白金 (Pt) 的情况下， 参照图 3、 图 4 来进一步作说明。
在燃料电池堆 10 流通充裕的氢、 空气 ( 氧 )， 使燃料电池堆 10( 单电池 ) 正常发 电， 在燃料电池堆 10 根据通常 IV 特性来进行发电的情况下 ( 参照图 15)， 在电池电位 ( 电 池电压、 单电池的电压 ) 为 0.8V 以下的区域， 主要进行式 (4) 的还原反应， 主要流通还原电 流。
另外， 所谓充裕的氧， 如图 5 所示， 即使使化学计量 ( 氧浓度 ) 提高， 电池电流 ( 单 电池输出的电流 ) 也大致恒定， 意味着成为饱和的状态的通常化学计量以上的区域中的
氧。关于氢也是如此。
在电池电位为 0.8 ～ 0.9V 的区域， 进行式 (3) 的氧化反应、 式 (4) 的还原反应的 两者， 成为易于流通氧化电流、 还原电流的两者。 另外， 本申请的发明者等得到如下见解 ： 在 式 (3) 的氧化反应后， 接下来进行式 (4) 的还原反应， 即同时期频繁反复白金的氧化反应以 及还原反应， 会洗提出白金， 会加快 MEA 的劣化 ( 图 4 的劣化量变大 )。
在电池电位为 0.9V 以上的区域， 主要进行式 (3) 的氧化反应， 主要流通氧化电流。
另外， 在图 3 中， 实践中示出的氧化电流、 还原电流对应于电池电位 ( 电池电压 ) 的变动的速度 ( 燃料电池车辆的加速 / 减速 )， 由于如虚线所示那样移位， 因此优选对应于 电池电位的变动的速度 ( 燃料电池车辆的加速 / 减速 ) 来取得氧化电流、 还原电流。
另一方面， 单电池 ( 燃料电池堆 10) 具有如图 15 所示的 IV 特性 (IV 曲线 )， 随着 单电池所输出的实际电流 ( 电池电流 ) 变大， 实际电压 ( 电池电压 ) 有缓缓变小的倾向。
因此， 若来自电动机 51 等的要求功率 ( 目标功率 ) 变小、 电池电压变得大于 0.8V， 则进行式 (3) 的氧化反应、 式 (4) 的还原反应的两者， 即， 同时期频繁地反复白金的氧化反 应以及还原反应， 这有可能会加快单电池 ( 燃料电池堆 10) 的劣化。
因此， 在本实施方式中， 特征在于 ： 即使要求功率变小， 也通过将电池电压固定在 0.8V( 切换电压、 规定电压 )， 同时使氧浓度降低 ( 变化 ) 来使 IV 特性变化， 使单电池 ( 燃 料电池堆 10) 所输出的实际电流减小 ( 参照图 15)， 从而使单电池 ( 燃料电池堆 10) 的发电 追随要求功率 ( 目标功率 )， 即， 使单电池 ( 燃料电池堆 10) 的发电不会不足或过剩， 减少了 后述的高压蓄电池 53 中的充电 / 放电的频度， 降低了伴随充电 / 放电的损失 ( 损耗， 例如 热 )。
即， 在本实施方式中， 例示了将 0.8V 设为 “进行白金 ( 触媒 ) 的氧化还原的氧化还 原进行电压范围 (0.8 ～ 0.9V) 外的、 氧化还原进行电压范围以下的切换电压 ( 规定电压 ) 的情况。其中， 切换电压以及规定电压并不限定于 0.8V。
< 电池电压监视器 >
返回图 1 继续说明。
电池电压监视器 14( 发电状态检测单元 ) 是用于检测构成燃料电池堆 10 的多个 单电池的每一个的电池电压的设备， 具备监视器主体、 和连接监视器主体与各单电池的线 束。 监视器主体以规定周期来扫描全部的单电池， 检测各单电池的电池电压， 算出平均电池 电压以及最低电池电压。然后， 监视器主体 ( 电池电压监视器 14) 将平均电池电压以及最 低电池电压输出到 ECU80。
< 阳极系统 >
阳极系统具备 ： 氢罐 21( 燃料气体提供单元、 反应气体提供单元 )、 调节器 22、 喷射 器 23、 常闭型的净化阀 24。
氢罐 21 经由配管 21a、 调节器 22、 配管 22a、 喷射器 23、 配管 23a 而与阳极流路 11 的入口连接。然后， 氢罐 21 的氢通过配管 21a 等被提供给阳极流路 11。另外， 在配管 21a 设有常闭型的阻断阀 ( 未图示 )， 在燃料电池堆 10 的发电时， ECU80 打开所述阻断阀。
调节器 22 适宜地调整其二次侧 ( 下游侧 ) 的氢的压力。 即， 调节器 22 按照与经由 配管 22b 作为指示压力而输入的阴极侧的空气的压力平衡的方式来控制二次侧的压力 ( 阳 极侧的氢的压力 )。 即， 阳极侧的氢的压力与阴极侧的空气的压力联动， 如后述那样， 若为了使氧浓度变化而使空气泵 31 的转速等可变， 则也能使阳极侧的氢的压力可变。
喷射器 23 通过用喷嘴喷射来自氢罐 21 的氢而使负压产生， 通过该负压来吸引配 管 23b 的阳极废气。
阳极流路 11 的出口经由配管 23b 与喷射器 23 的吸气口连接。并且， 从阳极流路 11 排放的阳极废气通过配管 23b 并流向喷射器 23， 阳极废气 ( 氢 ) 进行循环。
另外， 阳极废气包含在阳极的电极反应中未被消耗的氢、 以及水蒸气。另外， 配管 23b 中设有分离、 回收包含在阳极废气中的水分 ( 凝集水 ( 液体 )、 水蒸气 ( 气体 ) 的气液 分离器 ( 未图示 )。
配管 23b 的中途经由配管 24a、 净化阀 24、 配管 24b 而与设于后述的配管 33b 的 稀释器 ( 未图示 ) 连接。在判定为燃料电池堆 10 的发电不稳定的情况下， 净化阀 24 在由 ECU80 所确定的规定开阀时间内， 被设定为打开。 所述稀释器以阴极废气来稀释来自净化阀 24 的阳极废气中的氢。
< 阴极系统 >
阴极系统具备 ： 空气泵 31( 压气机、 压缩机、 反应气体提供单元 )、 加湿器 32、 常开 型的背压阀 33( 反应气体提供单元 )、 常开型循环阀 34( 废气流量控制单元、 气体提供单 元 )、 流量传感器 35、 36、 温度传感器 37。 空气泵 31 的吸气口经由配管 31a 与车外 ( 外部 ) 连通。空气泵 31 的排出口经由 配管 31a、 加湿器 32、 配管 32a 而与阴极流路 12 的入口连接。
然后， 在空气泵 31 按照 ECU80 的指令而工作后， 空气泵 31 经由配管 31a 将车外的 空气吸入并压缩， 并通过配管 31b 等将该压缩后的空气压送到阴极流路 12。
加湿器 32 具备具有水分透过性的多个中空丝膜 32e。并且， 加湿器 32 经由中空 丝膜 32e 将流向阴极流路 12 的空气与从阴极流路 12 排放的湿度大的阴极废气进行水分交 换， 对流向阴极流路 12 的空气进行加湿。
在阴极流路 12 的出口连接有配管 32b、 加湿器 32、 配管 33a、 背压阀 33、 配管 33b。 并且， 从阴极流路 12 排放的阴极废气 ( 氧化剂废气 ) 通过配管 32b 等被排放到车外。
另外， 在配管 33b 设有上述的稀释器 ( 未图示 )。
背压阀 33 例如以蝴蝶阀构成， 通过用 ECU80 控制其开度， 来控制阴极流路 12 中的 空气的压力。详细地， 若背压阀 33 的开度变小， 则阴极流路 12 中的空气的压力就上升， 每 体积流量下的氧浓度 ( 体积浓度 ) 提高。反之， 若背压阀 33 的开度变大， 则阴极流路 12 中 的空气的压力就下降， 每体积流量下的氧浓度 ( 体积浓度 ) 降低。
所述稀释器的下游侧的配管 33b 经由配管 34a、 循环阀 34、 配管 34b 而与配管 31a 连接。由此， 排放气体 ( 阴极废气 ) 的一部分作为循环气体而通过配管 34a、 配管 34b 被提 供给配管 31a， 与来自车外的新空气汇流， 被空气泵 31 吸入。另外， 作为循环气体的阴极废 气由于如上所述湿度大， 因此通过如此与新空气汇流， 能使加湿器 32 小型化。
因此， 在本实施方式中， 使阴极废气与流向阴极的新空气汇流的汇流流路构成为 具备配管 34a 和配管 34b。并且， 在该汇流流路设有循环阀 34。
循环阀 34 例如以蝴蝶阀构成， 通过用 ECU80 控制其开度， 控制流向配管 31a 的循 环气体的流量。
流量传感器 35 被安装在配管 31b， 检测流向阴极流路 12 的空气的流量 (g/s)， 并
将其输出给 ECU80。
流量传感器 36 被安装在配管 34b， 检测流向配管 31a 的循环气体的流量 (g/s)， 并 将其输出给 ECU80。
温度传感器 37 被安装在配管 33a， 检测阴极废气的温度， 并将其输出给 ECU80。在 此， 由于上述的循环气体的温度大致等于阴极废气的温度， 因此基于温度传感器 37 进行检 测的阴极废气的温度来探测循环气体的温度。
< 冷媒系统 >
冷媒系统具备冷媒泵 41 和散热器 42(radiator)。
冷媒泵 41 的排出口依次经由配管 41a、 冷媒流路 13、 配管 42a、 散热器 42、 配管 42b， 与冷媒泵 41 的吸入口连接。并且， 构成为 ： 在按照 ECU80 的指令使冷媒泵 41 工作后， 冷媒在冷媒流路 13 和散热器 42 之间循环， 燃料电池堆 10 被适当地冷却。
< 功率控制系统 >
接下来， 参照图 2 来说明功率控制系统。
功率控制系统具备以高电压的功率来进行动作的高电压系统、 和以低电压 ( 例如 12V) 的功率来进行动作的低电压系统。 高电压系统具备 ： 电动机 51( 电动机 / 发电机 )、 PDU52(Power Driver Unit ： 动力 驱动装置 )、 高压蓄电池 53( 蓄电单元 )、 SOC 传感器 54、 第 1 转换器 (DC/DC 转换器、 电压控 制单元 )、 车辆用空调 56( 空调装置 )、 第 2 转换器 57(DC/DC 转换器 )。
电动机 51 是作为燃料电池车辆的动力源的行驶用的电动机。电动机 51 在燃料电 池车辆的减速时， 作为发电机 (generator) 发挥作用， 产生再生功率。然后， 电动机 51 经由 PDU52 而与燃料电池堆 10 的输出端子连接。
PDU52 是按照来自 ECU80 的指令将来自燃料电池堆 10 以及 / 或者高压蓄电池 53 的直流功率变换为三相交流功率、 并提供给电动机 51 的逆变器。另外， PDU52 将来自电动 机 51 的再生功率提供给高压蓄电池 53。
高压蓄电池 53 经由第 1 转换器 55 而连接在燃料电池堆 10 和 PDU52 之间。即， 从 燃料电池堆 10、 电动机 51、 和高压蓄电池 53 的连接点观察， 第 1 转换器 55 配置在高压蓄电 池 53 侧。
高压蓄电池 53 用燃料电池堆 10 的剩余功率、 电动机 51 的再生功率来进行充电， 或对燃料电池堆 10 的不足功率进行援助 ( 补助 )。这样的高压蓄电池 53 例如具备组合了 多个锂离子型的单电池而成的电池组。
SOC 传感器 54 是检测高压蓄电池 53 的 SOC(State of charge， 充电状态 (％ )) 的 传感器， 具备电压传感器和电流传感器。然后， SOC 传感器 54 将高压蓄电池 53 的 SOC 输出 给 ECU80。
第 1 转换器 55 被 ECU80 所控制， 是能将电压进行升降压的 DC/DC 转换器。并且， 通过适宜地控制第 1 转换器 44 的燃料电池堆 10 侧的端子电压， 来控制燃料电池堆 10 的发 电功率 ( 实际电流、 实际电压 )。
空气泵 31、 冷媒泵 41、 空调 ( 冷媒压缩用的压气机 )、 以及第 2 转换器 57 相对于燃 料电池堆 10 以及高压蓄电池 53 并联连接， 并与 PDU52( 电动机 51) 并联连接。
另外， 第 2 转换器 57 按照来自 ECU80 的指令， 将燃料电池堆 10、 高压蓄电池 53、 来
自电动机 51 的高压的电流变换为低压 (12V) 的电力， 并提供给低电压系统。
低电压系统具备 ： 低压蓄电池 61(12V 蓄电池 )、 配件 62、 ECU80。并且， 低压蓄电池 61、 配件 62 以及 ECU80 相对于第 2 转换器 57 并联连接。
低压蓄电池 61 是配件 62 以及 ECU80 的电源。另外， 用 SOC 传感器 ( 未图示 ) 检 测出低压蓄电池 61 的 SOC(％ )， 并将其输出给 ECU80。进而， 来自第 2 转换器 57 的功率适 宜地对低压蓄电池 61 进行充电。
配件 62 例如为车头灯、 室内灯。
返回图 1 继续说明。
IG71 是燃料电池系统 1( 燃料电池车辆 ) 的起动开关， 配置在驾驶席周围。然后， IG71 将其接通 / 切断信号输出给 ECU80。
油门 72 是驾驶者为了使燃料电池车辆加速而踩踏的踏板， 配置于驾驶席的脚下。 并且， 油门 72 将油门开度 ( 踩踏量 ) 输出给 ECU80。
ECU80 是对燃料电池系统 1 进行电子控制的控制装置， 包含 CPU、 ROM、 RAM、 各 种接口、 电子电路而构成， 按照存储于其内部的程序， 发挥各种作用， 控制空气泵 31、 背压阀 33、 循环阀 34 等各种设备。
ECU80 具备如下功能 ： 基于单电池的目标电压和切换电压 (0.8V) 来在第 1 模式与 第 2 模式之间对燃料电池系统 1 进行切换， 并使其运转。
第 1 模式是单电池的目标电压为切换电压以下的情况下， 使单电池的实际电压追 随目标电压的模式。
第 2 模式是在单电池的目标电压不为切换电压以下的情况下， 将单电池的实际电 压维持在切换电压， 同时通过改变空气的提供量 ( 氧浓度 ) 来改变单电池的 IV 特性， 由此 改变单电池的实际电流、 使单电池所输出的实际功率追随要求功率的模式。
ECU80( 发电稳定性判定单元 ) 具备对燃料电池堆 10 的发电是否稳定进行判定的 发电稳定性判定功能。
具体地， ECU80 构成为 ： 在从电池电压监视器 14 所输入的最低电池电压低于从平 均电池电压减去规定电压后的得到的电压的情况下 ( 最低电池电压＜ ( 平均电池电压 - 规 定电压 ))， 判定为燃料电池堆 10 的发电不稳定。另外， 所述规定电压通过事前试验等来适 宜地设定。
《燃料电池系统的动作》
接下来， 参照图 6 ～图 17 来说明燃料电池系统 1 的动作。
< 基本动作 >
参照 6 来说明燃料电池系统 1 的基本动作。
在步骤 S101 中， ECU80 判定 IG71 是否被接通。
在判定为 IG71 被接通的情况下 (S101 ： 是 )， ECU80 的处理前进到步骤 S102。另一 方面， 在判定为 IG71 未被接通的情况下 (S101 ： 否 )， ECU80 反复步骤 S101 的判定。
在步骤 S102 中， ECU80 执行燃料电池堆 10 的发电开始处理。
具体地， ECU80 打开设于配管 21a 的阻断阀 ( 未图示 ) 来对阳极流路 11 提供氢，
使空气泵 31 工作来对阴极流路 12 提供空气。另外， ECU80 使冷媒泵 41 工作来循环冷媒。
在步骤 S200 中， ECU80 执行系统负载算出处理， 来算出系统的负载整体 ( 电动机 51、 配件 62) 所要求的系统负载 ( 系统预想消耗功率 )。具体的内容在后面进行说明。
在步骤 S300 中， ECU80 执行燃料电池系统 1 整体的能量管理处理、 和燃料电池堆 10 的发电控制处理。具体的内容在后面进行说明。
在步骤 S400 中， ECU80 执行控制电动机 51 的转矩的电动机转矩控制处理。具体 的内容在后面进行说明。
在步骤 S103 中， ECU80 判定 IG71 是否被切断。
在判定为 IG71 被切断的情况下 (S103 ： 是 )， ECU80 的处理前进到步骤 S104。另一 方面， 在判定为 IG71 未被切断的情况下 (S103 ： 否 )， ECU80 的处理前进到步骤 S200。
在步骤 S104 中， ECU80 执行燃料电池堆 10 的发电停止处理。
具体地， ECU80 关闭设于配管 21a 的阻断阀 ( 未图示 ) 来阻断氢， 停止空气泵 31 以 及冷媒泵 41， 停止燃料电池堆 10 的发电。
之后， ECU80 的处理前进到步骤 S101。
< 系统负载计算处理 >
接下来， 参照图 7 来说明系统负载计算处理 S200。
在步骤 S201 中， ECU80 读取当前的油门 72 的开度 ( 油门开度 )。
在步骤 S202 中， ECU80 基于当前的电动机 51 的转速 (rpm， 旋转速度 )、 燃料电池车 辆的加速 / 减速的程度、 图 10 映射图， 来算出之后的电动机 51 的预想消耗功率。图 10 的 映射图通过事前试验或模拟等而求得， 预先存储于 ECU80 中。加速 / 减速的程度基于油门 开度 ( 或其变化量 )、 车速传感器 ( 未图示 ) 所检测出的燃料电池车辆的车速的变化等而算 出。当前的电动机 51 的转速通过安装在电动机 51 的输出轴的转速传感器 ( 未图示 ) 等来 检测出。
另外， 在图 10 中， 示出在电动机预想消耗功率为 “正” 的情况下， 预想为电动机 51 消耗功率， 并示出在电动机预想消耗功率为 “负” 的情况下， 电动机 51 产生再生功率。
如图 10 所示， 示出如下关系 ： 在燃料电池车辆为加速中的情况下， 随着当前电动 机 51 的转速变大， 另外， 随着加速的程度变大， 电动机预想消耗功率向正侧变大。
另一方面， 示出如下关系 ( 再生功率变大的关系 ) ： 在燃料电池车辆为减速中的情 况下， 随着当前的电动机 51 的转速变大， 另外随着减速的程度变大， 电动机预想消耗功率 向负侧变大。
在步骤 S203 中， ECU80 算出之后的辅助设备的预想消耗功率。
在此， 由于辅助设备分为高电压系统的辅助设备 ( 空气泵 31、 冷媒泵 41、 空调 56)、 和低电压系统的辅助设备 ( 低压蓄电池 61、 配件 62)( 参照图 2)， 因此， 辅助设备的预想消 耗功率通过将高电压系统的辅助设备的预想消耗功率和低电压系统的辅助设备的预想消 耗功率相加而获得 ( 参照式 5)。
辅助设备预想消耗功率＝高压系统辅助设备的预想消耗功率 + 低压系统辅助设 备的预想消耗功率… (5)
空气泵 31 的预想消耗功率在此采用上一次的步骤 S306( 参照图 8) 中消耗掉的功 率。冷媒泵 41 的预想消耗功率在此采用上一次的步骤 S306( 参照图 8) 中消耗掉的功率。 空调 56 的预想消耗功率基于来自操作空调 56 的操作面板 ( 未图示 ) 的信息 ( 风 量： 大、 中、 小等 ) 来算出。
低压蓄电池 61 的预想消耗功率基于来自安装在低压蓄电池 61 上的所述 SOC 传感 器 ( 未图示 ) 的当前的 SOC 而算出， 例如， 在当前的 SOC 小于目标 SOC 的情况下， 在与充电 侧对应的正侧来算出低压蓄电池 61 的预想消耗功率。
配件 62 的预想消耗功率基于配件 62 的工作状态 ( 车头灯的开关接通 / 切断等 ) 来算出。
在步骤 S204 中， ECU80 计算之后的燃料电池系统 1 整体的预想消耗功率 ( 系统预 想消耗功率、 要求功率 )。系统预想消耗功率通过将在步骤 S202 算出的电动机预想消耗功 率、 和在步骤 S203 算出的辅助设备预想消耗功率相加而获得 ( 参照式 (6))。
系统预想消耗功率＝电动机预想消耗功率 + 辅助设备预想消耗功率… (6)
之后， ECU80 的处理越过 “结束” ， 前进到图 6 的步骤 S300。
< 能量管理处理、 燃料电池堆的发电控制处理 S300>
接下来， 参照图 8 来说明能量管理处理、 燃料电池堆 10 的发电控制处理 S300。
另外， 在初始状态下， 循环泵 34 的开度为大致 0° ( 全闭状态 )， 循环气体的流量 (g/s) 为大致 0。
在步骤 S301 中， ECU80 算出燃料电池堆 10 要输出的目标功率 ( 要求功率 )。目标 电流通过将在步骤 S204 算出的系统预想消耗功率与高压蓄电池 53 的充放电系数相乘而获 得 ( 参照式 (7))。
目标功率＝系统预想消耗功率 × 充放电系数… (7)
高压蓄电池 53 的充放电系数基于从 SOC 传感器 54 输入的当前的 SOC、 与图 11 的 映射图而算出。图 11 的映射图通过事前试验等求出， 并预先存储在 ECU80 中。另外， 在此， 例示了高压蓄电池 53 的目标 SOC( 目标蓄电量 ) 为 50(％ ) 的情况， 但并不限于此。
如图 11 所示那样， 在 SOC 小于 50(％ ) 的区域， 燃料电池堆 10 的发电会有剩余， 该 剩余功率被充电到高压蓄电池 53 中， 从而充放电系数有变得大于 “1” 的倾向。
另一方面， 在 SOC 大于 50(％ ) 的区域， 燃料电池堆 10 的发电不足， 通过高压蓄电 池 53 放电来补充该不足功率， 从而充放电系数有变得小于 “1” 的倾向。
在步骤 S302 中， ECU80 判定在步骤 S301 算出的目标功率是否为规定功率以下。
规定功率是将 “判断为触媒未劣化的电池电压 (0.8V、 切换电压、 规定电压 )” 、 “构 成燃料电池堆 10 的单电池数量” 、 “燃料电池堆 10 的通常的 IV 特性 (IV 曲线， 参照图 15) 中设电池电压为 0.8V 的情况下的电流值” 相乘而被赋予的固定值 ( 参照式 (8))。
规定功率＝ 0.8V( 切换电压、 规定电压 )× 单电池数 × 通常 IV 的电流值……(8)。
在判定为目标功率为规定功率以下的情况下 (S302 ： 是 )， ECU80 的处理前进到步 骤 S303。另一方面， 在判定为目标电流不为规定功率以下的情况下 (S302 ： 否 )， ECU80 的处 理前进到步骤 S350。
另外， 在本实施方式中， 判定为目标功率为规定功率以下的情况 ( 低负载侧 ) 相当 于单电池的目标电压不为切换电压 (0.8V) 以下的情况， 之后， 执行所述的第 2 模式。
另一方面， 判定为目标功率不为规定功率以下的情况相当于单电池的目标电压为 切换电压 (0.8V) 以下的情况， 之后， 执行所述的第 1 模式。
< 第 2 模式 >
在步骤 S303 中， ECU80 将燃料电池堆 10 的整体的目标电压 ( 堆目标电压 ) 设为 规定值。规定值通过将 “判断为触媒未劣化的电池电压 (0.8V)” 与 “构成燃料电池堆 10 的 单电池数量” 相乘而获得 ( 参照式 (9))。
规定值＝ 0.8V( 切换电压、 规定电压 )× 单电池数量… (9)
然后， ECU80 控制第 1 转换器 55， 使得燃料电池堆 10 的整体的目标电压固定 ( 维 持 ) 在所述规定值。具体地， 将第 1 转换器 55 的燃料电池堆 10 侧的电压设为所述规定值。
由此， 由于单电池的实际电压为被判断为触媒未劣化的电池电压 (0.8V) 以下， 因 此， 防止了触媒的氧化反应以及还原反应同时期频繁地反复进行 ( 参照图 3)， 触媒难以劣 化 ( 洗提 )( 参照图 4)。
在步骤 S304 中， ECU80 算出成为在步骤 S301 算出的目标功率时的目标电流。目 标电流通过在步骤 S301 算出的目标功率除以在步骤 S303 的堆目标电压 ( 规定值 ) 而获得 ( 参照式 (10))。由此， 目标电流追随目标功率。 在此， 燃料电池堆 10 通过串联连接多个单电池而构成， 因此所述目标电流等于在 燃料电池堆 10 整体流通的电流 ( 堆电流 )、 和在各单电池流通的电流 ( 电池电流 )。
目标电流＝目标功率 / 规定值…… (10)
在步骤 S305 中， ECU80 基于在步骤 S304 算出的目标电流、 和图 12 的映射图， 来计 算出在阴极流路 12 流通的空气的目标氧浓度 ( 每单位体积流量的氧浓度 )。
另外， 图 12 的映射图通过事前试验等而求取， 并预先存储在 ECU80 中。另外， 如图 12 所示， 存在随着目标电流变小而目标氧浓度变低的关系。 由此， 目标氧浓度追随目标电流 ( 目标功率 )。
在步骤 S306 中， ECU80 基于在步骤 S305 算出的目标氧浓度 ( 目标电流 )、 和图 13、 图 14 的映射图， 来分别算出空气泵 31 的目标转速、 冷媒泵 41 的目标转速、 背压阀 33 的目 标开度。
另外， 图 13、 图 14 的映射图通过事前的试验等求取， 预先存储在 ECU80 中。另外， 成为如下关系 ： 随着目标氧浓度降低， 空气泵 31 以及冷媒泵 41 的目标转速降低， 背压阀 33 的目标开度增大。
然后， ECU80 控制空气泵 31 以及冷媒泵 41， 以使得成为如此所算出的目标转速， 控 制背压阀 33， 以使得成为目标开度。由此， 对燃料电池堆 10 的冷媒提供量追随目标氧浓度 ( 目标电流、 目标功率 )。
于是， 如图 15 所示， 在单电池中， 电池电压被固定在 0.8V 不变， 对应于目标氧浓 度地使电池电流 ( 燃料电池堆 10 的电流 ) 可变， 燃料电池堆 10 输出的实际功率成为步骤 S301 的目标功率。
即， 虽然燃料电池堆 10 的电压被固定在固定值， 但使得燃料电池堆 10 的实际电流 可变， 从而燃料电池堆 10 的实际功率追随目标功率。
另外， 优选 ： 在如此进行控制之后， 检测经由流量传感器 35 而在阴极流路 12 流通 的空气的流量 (g/s)， 检测经由压力传感器 ( 未图示 ) 而在阴极流路 12 流通的空气的压力，
基于检测出的流量以及压力， 来反馈控制空气泵 31 的转速、 冷媒泵 41 的转速以及背压阀 33 的开度。
在步骤 S307 中， ECU80 判定燃料电池堆 10 的发电是否稳定。
在判定为燃料电池堆 10 的发电稳定的情况下 (S307 ： 是 )， ECU80 的处理越过 “结 束” ， 前进到图 6 的步骤 S400。另一方面， 在判定为燃料电池堆 10 的发电不稳定 ( 不稳定 ) 的情况下 (S307 ： 否 )， ECU80 的处理前进到步骤 S308。
在步骤 S308 中， ECU80 一边经由流量传感器 36 来监视循环气体的流量 (g/s)， 一 边增大循环阀 34 的开度， 将循环气体的流量增加一个等级 ( 参照图 16)。
另外， 适宜地设定在各等级中的循环气体的增加量， 在图 16 中， 例示了在使循环 阀 34 全开的情况下， 循环气体的流量增加 4 个等级， 成为最大流量的情况。
于是， 在被空气泵 31 吸入的吸入气体中， 循环气体的比例增加。即， 关于所述吸入 气体， 按照新空气 ( 从车外吸入的空气 ) 与循环气体的比例中循环气体的比例增加的方式 变化。在此， 由于循环气体 ( 阴极废气 ) 的氧浓度相对于新空气的氧浓度较低， 因此， 在循 环阀 34 的流量控制前后， 在空气泵 31 的转速、 背压阀 33 的开度为相同的情况下， 在阴极流 路 12 流通的气体的氧浓度降低。 因此， 在步骤 S308 的循环气体的流量的控制前后， 为了维持在在步骤 S305 算出的 目标氧浓度， 优选与循环气体的流量的增加联动地来执行空气泵 31 的转速的增加、 以及 / 或者背压阀 33 的开度的减少。
即， 例如， 在增加循环气体的流量的情况下， 优选增加空气泵 31 的转速， 从而增加 新空气的流量。并且， 如此的话， 由于增加了流向阴极流路 12 的气体 ( 新空气和循环气体 的混合气体 ) 的整体的流量， 因此能提高对全部单电池的氧的分配能力， 燃料电池堆 10 的 发电性能变得容易回复。
如此， 由于维持目标氧浓度的同时使循环气体与新空气汇流， 因此， 增加了在阴极 流路 12 流通的气体的体积流量 (L/s)。由此， 维持目标氧浓度且增加了体积流量的气体在 燃料电池堆 10 内能易于行遍整个复杂形成的阴极流路 12。 因此， 易于将所述气体同样地提 高给各单电池， 易于消除燃料电池堆 10 的发电的不稳定。另外， 也易于除去附着在 MEA 表 面或包围阴极流路 12 的壁面的水滴 ( 凝集水等 )。
在步骤 S309 中， ECU80 判定经由流量传感器 36 而检测出的循环气体的流量是否 为上限值以上。成为判定基准的上限值设定为循环阀 34 的阀开度为全开的时的值。
这种情况下， 即使循环阀 34 的开度相同， 也由于若增加空气泵 31 的转速则流量传 感器 36 检测出的循环气体的流量增加， 因此所述上限值与空气泵 31 的转速关联对应， 即， 优选按照若空气泵 31 的转速变大， 则上述上限值变大的方式来进行设定。
在判定为循环气体的流量为上限值以上的情况下 (S309 ： 是 )， ECU80 的处理前进 到步骤 S310。另一方面， 在判定为循环气体的流量不为上限值以上的情况下 (S309 ： 否 )， ECU80 的处理前进到步骤 S307。
在此， 在步骤 S308、 S309 中， 基于流量传感器 36 直接检测出的循环气体的流量来 执行处理， 但也可以基于循环阀 34 的开度来执行处理。即， 在步骤 S308 中， 设循环阀 34 的 开度向开方向以 1 个等级 ( 例如 30° ) 来增加的构成， 在步骤 S309 中， 构成为在循环阀 34 全开的情况下 (S309 ： 是 )， 前进到步骤 S310。
另外， 在这种情况下， 能基于循环阀 34 的开度、 循环气体的温度、 图 17 的映射图， 来算出循环气体的流量 (g/s)。如图 17 所示， 成为如下关系 ： 随着循环气体的温度提高， 其 密度变小， 因此流量 (g/s) 减小。
返回图 8 继续说明。
在步骤 S310 中， ECU80 与步骤 S307 相同地， 判定燃料电池堆 10 的发电是否稳定。
在判定为燃料电池堆 10 的发电稳定的情况下 (S310 ： 是 )， ECU80 的处理越过 “结 束” ， 前进到图 6 的步骤 S400。 另一方面， 在判定为燃料电池堆 10 的发电为不稳定的情况下 (S310 ： 否 )， ECU80 的处理前进到步骤 S311。
在步骤 S311 中， ECU80 使在步骤 S305 算出的目标氧浓度增加一个等级， 按照成为 该增加了一个等级后的目标氧浓度的方式来执行空气泵 31 的转速的增加、 以及 / 或者背压 阀 33 的开度的减小。目标氧浓度的一个等级的增加的程度通过事前的试验等来适宜地设 定。
在步骤 S312 中， ECU80 判定当前的目标氧浓度 ( 在 S311 增加后的目标氧浓度 ) 是 否为通常的 IV 特性中的目标氧浓度以下。通常的 IV 特性中的目标氧浓度是指在没有过剩 不足地被提供充裕的氢以及空气 ( 氧 ) 并通常地进行发电的燃料电池堆 10 的 IV 特性 (IV 曲线 ) 中， 与电池电压为 0.8V 的情况下的目标电流对应的氧浓度 ( 参照图 15)。
在判定为当前的目标氧浓度为通常的 IV 特性中的目标氧浓度以下的情况下 (S312 ： 是 )， ECU80 的处理前进到步骤 S310。另一方面， 在判定为当前的目标氧浓度不为通 常的 IV 特性中的目标氧浓度以下的情况下 (S312 ： 否 )， ECU80 的处理前进到步骤 S313。
在步骤 S313 中， ECU80 停止燃料电池系统 1。即， ECU80 停止对燃料电池堆 10 的 氢以及空气的提供， 停止燃料电池堆 10 的发电。然后， 优选 ECU80 点亮 ( 使其工作 ) 警告 灯 ( 通知单元 )， 向驾驶员通知燃料电池堆 10 异常。另外， 优选 ECU80 从高压蓄电池 53 对 电动机 51(PDU52) 进行功率提供， 使燃料电池车辆的继续行驶。
< 通常控制 >
接下来， 关于步骤 S302 的判定结果为 “否” 的情况下而前进到的步骤 S350 进行说 明。
在步骤 S350 中， ECU80 通常地控制燃料电池系统 1， 按照通常的 IV 特性来通常地 使燃料电池堆 10 发电。即， 一边对燃料电池堆 10 提供没有过剩不足的充裕的氢以及空气 ( 氧 )， 一边按照输出步骤 S301 所算出的目标功率的方式来使燃料电池堆 10 的实际电流、 实际电压可变 ( 参照图 15)。
之后， ECU80 的处理越过 “结束” 而前进到图 6 的步骤 S400。
< 电动机转矩控制 >
接下来， 参照图 9 来说明电动机转矩控制处理。
在步骤 S401 中， ECU80 算出电源提供极限输出 (W)。功率提供极限输出是通过是 从当前的燃料电池堆 10 的输出 ( 实际功率 ) 和高压蓄电池 53 的极限输出的相加值中减去 辅助设备消耗功率而获得的值 ( 参照式 (11))。
电源提供极限输出＝ FC 堆输出 + 高压蓄电池极限输出 + 辅助设备消耗功率 … (11)
高压蓄电池的极限输出是基于其规格 ( 额定等 ) 而确定的固定值。辅助设备消耗功率采用在步骤 S203 算出的值。
在步骤 S402 中， ECU80 算出电动机 51 的转矩限制值。转矩限制值通过利用在步 骤 S401 算出的电源提供极限输出除以燃料电池车辆的当前的车速而获得 ( 参照式 (12))。 另外， 燃料电池车辆的车速经由未图示的车速传感器而被检测出。
转矩限制值＝电源提供极限输出 / 车速… (12)
在步骤 S403 中， ECU80 算出电动机 51 的最终目标转矩。
具体地， ECU80 基于油门开度等来搜索映射图， 由此算出电动机 51 的目标转矩， 并 对该目标转矩以在步骤 S402 算出的转矩限制值来进行限制， 由此算出最终目标转矩。
然后， ECU80 控制 PDU52， 使电动机 51 生成该最终目标转矩。
之后， ECU80 的处理越过 “结束” 而前进到图 6 的步骤 S103。
《燃料电池系统的效果》
根据这样的燃料电池系统 1， 能获得如下的效果。
在目标功率不为规定功率以下的情况下 (S302 ： 否 )， 即， 单电池的目标电压为切 换电压 (0.8V) 以下的情况下， 燃料电池系统 1 以第 1 模式运转， 燃料电池堆 10 的实际功率 追随目标功率 (S350)， 能抑制燃料电池堆 10 的发电的过剩 / 不足。因此， 能减少高压蓄电 池 53 中的充电 / 放电的频度， 减少了损失。
另一方面， 在目标功率为规定功率以下的情况下 (S302 ： 是 )， 即， 单电池的目标 电压为切换电压 (0.8V) 以上的情况下， 由于燃料电池堆 10 的实际电压被固定在规定值 (S308)， 即， 单电池的实际电压被固定在切换电压 (0.8V)， 因此能抑制触媒的洗提等， 燃料 电池堆 10 的劣化变得困难， 能提高耐久性。
另外， 由于控制空气泵 31 等来使氧浓度可变， 使燃料电池堆 10 的 IV 特性变化， 从 而使燃料电池堆 10 的实际电流可变 (S304、 S305、 S306)， 因此， 能使燃料电池堆 10 的实际 功率追随目标功率。由此， 减少了高压蓄电池 53 中的充电 / 放电的频度， 减少了损失。
由于基于高压蓄电池 53 的目标 SOC(50％ ) 来算出目标功率 (S301)， 因此， 能在减 少高压蓄电池 53 中的充电 / 放电的频度并且适当地维持高压蓄电池 53 的 SOC。
由 于 在 燃 料 电 池 堆 10 的 发 电 为 不 稳 定 的 情 况 下 (S307 ： 否 )， 增加循环气体 (S308)， 因此， 燃料电池堆 10 的发电易于变稳定。
《燃料电池系统的一个动作例》
接下来， 参照图 18 来说明燃料电池系统 1 的一个动作例。
如图 18 所示， 虽然在系统消耗功率 ( 目标功率 ) 为规定功率以下 (S302 ： 是 )， 且燃料电池系统 1 以第 1 模式运转的情况下， 燃料电池堆 10( 单电池 ) 的实际电压为恒定 (S303)， 但燃料电池堆电流 ( 实际电流 ) 追随系统消耗功率， 燃料电池堆 10 的实际功率追 随系统消耗功率。另外， 空气泵 31 以及冷媒泵 41 的消耗功率也追随系统消耗功率。
进而， 若系统消耗功率增加， 高压蓄电池 53 放电， 从而其 SOC 减少。另一方面， 若 系统消耗功率减少， 则对高压蓄电池 53 充电， 其 SOC 增加。
《变形例》
以上， 关于本发明的一个实施方式进行了说明， 但本发明并不限于此， 例如， 也可 以进行如下变更。
在前述的实施方式中， 如图 2 所示， 例示了从燃料电池堆 10、 电动机 51、 和高压蓄电池 53 的连接点观察， 第 1 转换器 55 配置于高压蓄电池 53 侧的构成， 但此外也可以是例 如图 19 的构成。
即， 也可以如图 19(a) 所示， 从所述连接点观察， 构成为第 1 转换器 55 配置于燃料 电池堆 10 侧。
另外， 也可以如图 19(b) 所示， 构成为在燃料电池堆 10 侧、 高压蓄电池 53 侧分别 配置第 1 转换器 55。
另外， 也可以如图 19(c) 所示， 构成为燃料电池堆 10 与高压蓄电池 53 串联连接， 在高压蓄电池 53 与电动机 51 之间配置第 1 转换器 55。
在前述的实施方式中， 例示了具备提供包含氧的空气的空气泵 31 的构成， 但也可 以取而代之或在此基础上， 构成为具备提供氢的氢泵。
在前述的实施方式中， 例示了具备将阴极废气与新空气汇流的汇流流路 ( 配管 34a、 34b)、 循环泵 34 的构成， 但也可以取而代之会在此基础上， 在阳极侧也是相同的构成。 例如， 在配管 23b 设置循环泵 ( 废气流量控制单元、 气体提供单元 )， 通过该循环泵来控制与 新氢汇流的阳极废气的流量。
在上述的实施方式中， 例示了规定电压为氧化还原进行电压范围 (0.8 ～ 0.9V) 以 下的 0.8V 的构成， 但规定电压只要是氧化还原进行电压范围外即可， 具体地， 也可以构成 为氧化还原进行电压范围 (0.8 ～ 0.9V) 以上， 即 0.9 以上。
在上述的实施方式中， 例示了燃料电池系统 1 被搭载于燃料电池车辆上的情况， 但也可以构成为搭载于例如自动二轮车、 列车、 船舶上。另外， 本发明也可以应用在家庭用 放置型的燃料电池系统、 或嵌入热水提供系统的燃料电池系统中。