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CN108432014A - 燃料电池系统和燃料电池系统的控制方法 - Google Patents

燃料电池系统和燃料电池系统的控制方法 Download PDF

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CN108432014A CN201680076205.5A CN201680076205A CN108432014A CN 108432014 A CN108432014 A CN 108432014A CN 201680076205 A CN201680076205 A CN 201680076205A CN 108432014 A CN108432014 A CN 108432014A
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Abstract

一种燃料电池系统的控制方法，该燃料电池系统具备被供给阳极气体和阴极气体且根据负载进行发电的固体氧化物型的燃料电池，并且控制向该燃料电池的气体供给以及发电。该控制方法包括以下步骤：发电运转步骤，根据负载的大小来控制流向燃料电池的阳极气体和阴极气体的流量；以及自主运转步骤，在负载为规定值以下的情况下，使燃料电池进行自主运转。自主运转步骤包括向燃料电池供给规定流量的阳极气体和规定流量的阴极气体的气体供给步骤。

Description

燃料电池系统和燃料电池系统的控制方法
技术领域
本发明涉及一种根据连接于燃料电池的负载来实施自主运转的燃料电池系统和燃料电池系统的控制方法。
背景技术
在US2014/0113162A1中，公开了为了抑制紧急停止时的燃料电池的阳极的氧化而对燃料电池堆供给规定的电压的燃料电池系统。
发明内容
发明要解决的问题
在如上述那样的燃料电池系统中，在成为对蓄电池、电动马达等负载的电力供给停止的状态即所谓的怠速停止状态时，实施燃料电池的自主运转，以使燃料电池维持适于发电的状态。例如，在自主运转中，为了抑制燃料的无谓消耗，停止向阳极供给燃料。
然而，在这种结构的情况下，在自主运转中在燃料电池中从阴极侧向阳极侧渗透氧，因此存在阳极发生氧化的风险。因而，在从燃料电池系统向负载的电力供给停止的状态下，阳极发生了氧化，燃料电池的发电性能降低。
本发明是着眼于这种问题而完成的。本发明的目的在于提供一种抑制由于燃料电池停止向负载供给电力的情况下的阳极的氧化劣化而引起的燃料电池的发电性能的降低的燃料电池系统和燃料电池系统的控制方法。
用于解决问题的方案
根据本发明的某一方式的燃料电池系统的控制方法，该燃料电池系统具备被供给阳极气体和阴极气体且根据负载进行发电的固体氧化物型的燃料电池，并且控制向该燃料电池的气体供给以及发电，该燃料电池系统的控制方法包括：发电运转步骤，根据负载的大小来控制流向燃料电池的阳极气体和阴极气体的流量；以及自主运转步骤，在负载为规定值以下的情况下，使燃料电池进行自主运转。自主运转步骤包括向燃料电池供给规定流量的阳极气体和规定流量的阴极气体的气体供给步骤。
附图说明
图1是表示第一实施方式的燃料电池系统的主要结构的结构图。
图2A是表示由燃料电池系统进行的电力供给的方式的概要图。
图2B是表示由燃料电池系统进行的电力供给的方式的概要图。
图2C是表示由燃料电池系统进行的电力供给的方式的概要图。
图2D是表示由燃料电池系统进行的电力供给的方式的概要图。
图3A是表示燃料电池系统的运转控制的流程图。
图3B是表示阳极气体控制的流程图。
图3C是表示电力供给控制的流程图。
图4是表示燃料电池系统的按时间序列的变化的图。
图5A是表示第二实施方式的燃料电池系统的运转控制的流程图。
图5B是表示加热装置控制的流程图。
图6是表示燃料电池系统的按时间序列的变化的图。
具体实施方式
下面，参照附图来说明本发明的实施方式。
(第一实施方式)
图1是表示本发明的第一实施方式的燃料电池系统10的主要结构的结构图。
本实施方式的燃料电池系统10是固体氧化物型燃料电池系统，在本实施方式中，对搭载于车辆的负载装置90供给电力。
燃料电池系统10具备：燃料电池堆1，其根据负载进行发电；燃料供给系统2，其向燃料电池堆1供给阳极气体(燃料气体)；以及氧化剂供给系统3，其向燃料电池堆1供给阴极气体(氧化剂气体)。燃料电池系统10还具备排气系统4，该排气系统4将从燃料电池堆1排出的阳极废气(燃料废气)和阴极废气(氧化剂废气)排出到外部。另外，燃料电池系统10具备：电力供给系统5，其从燃料电池堆1向外部的负载装置90供给电力；以及控制部6，其控制燃料电池系统10整体的动作。
燃料电池堆1是固体氧化物型燃料电池(SOFC：Solid oxide fuel Cell)。燃料电池堆1是将多个电池单体层叠而形成的，各电池单体构成为利用阳极(燃料极)与阴极(空气极)夹着由陶瓷等固体氧化物形成的电解质层。此外，对于燃料电池堆1的阳极使用高温时与氧发生反应的材料，由于该氧化反应而导致阳极的特性变差，燃料电池堆1的发电性能降低。
向燃料电池堆1的阳极供给通过改质器26被改质了的阳极气体，向燃料电池堆1的阴极供给含有氧的空气来作为阴极气体。在燃料电池堆1的内部，阳极气体中含有的氢、甲烷等与阴极气体中含有的氧发生反应，由此进行发电。而且，从燃料电池堆1排出在反应后生成的阳极废气和阴极废气。
形成于燃料电池堆1的阳极侧的岐管与构成阳极气体的通路的阳极气体供给通路22及阳极气体排出通路29连接。阴极侧的岐管与构成阴极气体的通路的阴极气体供给通路33及阴极气体排出通路39连接。
阳极气体供给通路22是用于向燃料电池堆1供给阳极气体的燃料通路。阳极气体排出通路29是用于将从燃料电池堆1排出的阳极废气导入排气燃烧器40的路径。另外，阴极气体供给通路33是用于向燃料电池堆1供给阴极气体的氧化剂通路。阴极气体排出通路39是用于将从燃料电池堆1排出的阴极废气导入排气燃烧器40的路径。
燃料供给系统2相当于向燃料电池堆1供给阳极气体的气体供给装置。燃料供给系统2包括：燃料罐20、泵21、阳极气体供给通路22、控制阀23、蒸发器24、热交换器25以及改质器26。
燃料罐20用于蓄积含有燃料的液体。在燃料罐20中蓄积改质用的燃料，该改质用的燃料例如包含由乙醇和水混合而成的液体。
泵21抽吸燃料并以固定的压力向燃料供给系统2供给燃料。泵21与燃料电池堆1之间通过阳极气体供给通路22连接。在阳极气体供给通路22上配置有控制阀23、蒸发器24、热交换器25以及改质器26。
控制阀23具备未图示的喷射喷嘴。当从泵21向该喷射喷嘴供给燃料时，从喷射喷嘴向蒸发器24喷射燃料。控制部6能够通过对控制阀23进行控制来控制阳极气体的流量。
蒸发器24利用来自排气燃烧器40的排出气体的热量使燃料气化。
热交换器25利用排气燃烧器40中的发热，将气化了的燃料进一步加热至在改质器26中能够改质的温度。
改质器26将燃料通过催化反应改质为阳极气体后供给到燃料电池堆1的阳极。例如，在改质器26中进行使用水蒸气将燃料改质的水蒸气改质。为了进行水蒸气改质，对于燃料中含有的每1摩尔(mol)的碳(C)而言，至少需要2摩尔的水蒸气(S)。另外，在改质器26中，在进行水蒸气改质所需的水蒸气不足的状况下，进行部分氧化改质，该部分氧化改质是指取代水蒸气而使用空气来使燃料一边燃烧一边改质。
在位于改质器26与燃料电池堆1之间的阳极气体供给通路22上设置有温度传感器61。
温度传感器61检测向燃料电池堆1供给的阳极气体的温度。以下将温度传感器61的检测值称为“阳极入口温度”。由温度传感器61检测出的阳极入口温度被输出到控制部6。
阳极气体供给通路22具备在泵21与蒸发器24之间分支出的分支通路221和222。在阳极气体供给通路22中流动的燃料经由分支通路221被供给到排气燃烧器40，并且经由分支通路222被供给到加热装置35。此外，在分支通路221上设置有用于控制向排气燃烧器40供给的燃料的流量的控制阀231。在分支通路222上设置有用于控制向加热装置35供给的燃料的流量的控制阀232。控制阀231、232的阀打开量由控制部6控制。
氧化剂供给系统3相当于向燃料电池堆1供给阴极气体的气体供给装置。
氧化剂供给系统3包括过滤器30、空气吸入通路31、压缩机32、阴极气体供给通路33、阴极气体的流量的控制阀34以及加热装置35。
过滤器30用于去除外界空气的异物，并将该外界空气导入燃料电池系统10的内部。
空气吸入通路31是用于使通过过滤器30被去除了异物的空气向压缩机32流通的通路。空气吸入通路31的一端与过滤器30连接，并且另一端与压缩机32的吸入口连接。
压缩机32是向燃料电池堆1供给阴极气体的阴极气体供给装置。在本实施方式中，作为阴极气体供给装置的压缩机32经由过滤器30取入外界空气(阴极气体)，并将该阴极气体供给到燃料电池堆1等。此外，阴极气体供给装置只要是能够向燃料电池堆1供给阴极气体的装置即可，因此也可以是送风机、泵等。此外，压缩机32从能够蓄积来自燃料电池堆1的电力的弱电蓄电池52接受电力的供给而被驱动。
控制阀34是控制向燃料电池堆1供给的阴极气体的流量的控制阀。控制阀34的阀打开量由控制部6控制。
加热装置35是将向燃料电池堆1供给的阴极气体加热的装置。例如，加热装置35由用于在阴极气体与来自燃料电池堆1的排出气体之间交换热的热交换器、使燃料燃烧来将阴极气体加热的燃烧器、利用催化反应的热来将阴极气体加热的燃烧器等构成。加热装置35利用从燃料箱20经由分支通路222供给的燃料来将阴极气体加热。
燃烧器空气供给通路331是从阴极气体供给通路33分支且连接于排气燃烧器40的旁通通路，构成为能够不经过燃料电池堆1地向排气燃烧器40供给空气。此外，在本实施方式中，燃烧器空气供给通路331与排气燃烧器40连接，但也可以与阴极气体排出通路39合流。
控制阀341用于控制向排气燃烧器40供给的阴极气体的流量。控制阀341的阀打开量由控制部6控制。在此，排气燃烧器40主要使阳极废气中的未燃气体和阴极废气中含有的氧燃烧。然而，在燃料电池系统10的启动运转时、发电运转时，存在向排气燃烧器40供给的阴极废气中含有的氧不足的情况。在这种情况下，很难使未燃气体全部燃烧，因此打开控制阀341向排气燃烧器40供给阴极气体来作为助燃气体。由此，能够使未燃气体可靠地燃烧。
排气系统4包括阳极气体排出通路29、阴极气体排出通路39、排气燃烧器40以及排气通路41。
在位于燃料电池堆1与排气燃烧器40之间的阳极气体排出通路29上设置有温度传感器62。温度传感器62检测从燃料电池堆1排出的阳极废气的温度。以下将温度传感器62的检测值称为“阳极出口温度”。由温度传感器62检测出的阳极出口温度被输出到控制部6。
排气燃烧器40将阳极废气与阴极废气进行混合并使该混合气体催化燃烧，由此生成以二氧化碳、水为主成分的排出气体，并且将通过催化燃烧产生的热传递到热交换器25。排气燃烧器40将燃烧后产生的燃烧后气体排出到排气通路41。
排气通路41是用于将来自排气燃烧器40的燃烧后气体排出到外界空气的通路。排气通路41通过蒸发器24而与未图示的消音器连接。由此，蒸发器24通过来自排气燃烧器40的燃烧后气体被加热。
在排气通路41中的排气燃烧器40与蒸发器24之间设置有温度传感器63。温度传感器63检测从排气燃烧器40排出的排出气体(燃烧后气体)的温度。以下将温度传感器63的检测值称为“燃烧器出口温度”。由温度传感器63检测出的燃烧器出口温度被输出到控制部6。
电力供给系统5设置在燃料电池堆1与负载装置90之间，使燃料电池堆1的电压相对于负载装置90的电压上升，以使燃料电池堆1能够供给电流，由此能够从燃料电池堆1向负载装置90供给电力。电力供给系统5相当于电力供给装置。另外，电力供给系统5包括电压传感器50、DC-DC转换器51、未图示的马达逆变器等。
电压传感器50连接在燃料电池堆1的正极端子与负极端子之间，用于检测燃料电池堆1的输出端的电压。以下将电压传感器50的检测值称为“堆电压”。由电压传感器50检测出的堆电压被输出到控制部6。
DC-DC转换器51是使燃料电池堆1的电压相对于蓄电池92和驱动马达91的电压上升、以使得能够将燃料电池堆1的发电电力取出到蓄电池92、驱动马达91的电力控制器。DC-DC转换器51连接于燃料电池堆1，用于使初级侧的燃料电池堆1的输出电压上升来向次级侧的负载装置90供给发电电力。DC-DC转换器51例如使从燃料电池堆1输出的几十伏的电压上升至数百伏的电压水平，以向负载装置90供给电力。
弱电蓄电池52能够蓄积由燃料电池堆1产生的发电电力。弱电蓄电池52向压缩机32供给驱动电力。另外，弱电蓄电池52也向作为电磁阀的控制阀23、231、232、34以及341等供给电力。此外，由控制部6控制从燃料电池堆1向弱电蓄电池52的充电的执行或者中断。
负载装置90是连接于燃料电池系统10的电负载，例如是搭载于车辆的电部件。负载装置90包括驱动马达91和蓄电池92。
驱动马达91经由未图示的逆变器而与蓄电池92及DC-DC转换器51分别连接。驱动马达91是驱动车辆的动力源。另外，驱动马达91能够利用在使车辆制动的情况下所需的制动力来产生再生电力，并将该再生电力充入蓄电池92。
蓄电池92是向驱动马达91供给所蓄积的电力的电力供给源。在本实施方式中，蓄电池92是主要的电力供给源，燃料电池堆1主要用于在蓄电池92的充电量变低时对蓄电池92进行充电。另外，也可以将燃料电池堆1的电力经由DC-DC转换器51供给到驱动马达91。
控制部6由微计算机、微处理器、包括CPU的通用的电子电路及周边设备构成，通过执行特定的程序来执行用于控制燃料电池系统10的处理。
控制部6接收从电压传感器50、温度传感器61～63等各种传感器输出的信号，根据这些信号来控制燃料供给系统2、氧化剂供给系统3、排气系统4以及电力供给系统5各自的工作状态。
控制部6与用于输出燃料电池系统10的启动指令信号或停止指令信号的操作部101连接。操作部101包括EV键，当由乘员操作EV键使之为ON(开启)时，向控制部6输出启动指令信号，当操作EV键使之为OFF(关闭)时，向控制部6输出停止指令信号。
控制部6在从操作部101接收到启动指令信号的情况下，实施使燃料电池系统10启动的启动运转，在启动运转结束后，实施根据负载装置90的工作状态来控制燃料电池堆1的发电的发电运转。此外，也可以在蓄电池92的充电量为充电所需的规定值以下(例如，SOC(State of Charge：充电状态)为90％以下)时启动燃料电池系统10。
在发电运转中，控制部6根据负载装置90的工作状态求出对燃料电池堆1请求的电力。然后，控制部6基于该请求电力求出燃料电池堆1的发电所需的阴极气体和阳极气体的供给流量，将计算出的供给流量的阳极气体和阴极气体供给到燃料电池堆1。然后，控制部6对DC-DC转换器51进行开关控制，来将从燃料电池系统10输出的电力供给到负载装置90。
即，控制部6基于对燃料电池堆1请求的请求电力对阴极气体和阳极气体的流量进行控制，来控制燃料电池堆1的发电量。例如，加速踏板的踏入量越大，则对燃料电池堆1请求的请求电力越大。因此，加速踏板的踏入量越大，则向燃料电池堆1供给的阴极气体和阳极气体的供给流量越大。此外，也可以基于燃料电池堆1的目标温度与实际温度的偏差来控制向燃料电池堆1供给的阴极气体。在实际温度高于目标温度的情况，使偏差大时的阴极气体的供给量相比偏差小时的阴极气体的供给量增加。
另外，在EV键为开启状态且从燃料电池系统10向负载装置90的电力供给停止的系统状态下，控制部6实施抑制燃料电池堆1的发电并且将燃料电池维持为适于发电的状态的自主运转。以下，将从燃料电池系统10向负载装置90的电力供给停止的系统状态称为“怠速停止(IS)状态”，将自主运转称为“IS运转”。
在对燃料电池堆1请求的请求电力为规定值例如零的情况下，燃料电池系统10的运转状态从发电运转转变为IS运转。而且，控制部6控制DC-DC转换器51来使从燃料电池系统10向负载装置90的电力供给停止。在IS运转中，有时对设置于燃料电池系统10的辅机供给燃料电池堆1的发电电力。此外，也可以不从燃料电池堆1对辅机进行电力供给。
在从操作部101接收到停止指令信号的情况下，控制部6实施使燃料电池系统10的工作停止的停止运转。
图2是说明EV键为开启状态的燃料电池系统10中的向负载装置90进行的电力供给的类型的图。
图2A是表示驱动马达91为停止状态且正从燃料电池系统10向蓄电池92供给电力的状态的概要图。在车辆为停止状态且蓄电池92的充电量少的情况下可能产生图2A所示的状态。
图2B是表示驱动马达91为动力运转状态且正从燃料电池系统10和蓄电池92这两者向驱动马达91供给电力的状态的概要图。在车辆为加速状态且驱动马达91的负载(输出)高的情况下可能产生图2B所示的状态。
图2C是表示驱动马达91为动力运转状态或者再生状态且从燃料电池系统10向驱动马达91和蓄电池92这两者的电力供给停止的状态的概要图。在车辆的行驶中驱动马达91为以低负载或中负载被驱动的状态且蓄电池92为满充电的情况下可能产生图2C所示的状态。另外，在车辆为减速状态且蓄电池92存在可充电容量的情况下也可能产生图2C所示的状态。
图2D是表示驱动马达91为停止状态且蓄电池92为满充电的状态的概要图。在车辆为停止状态且蓄电池92为满充电的情况下可能产生图2D所示的状态。
这样，图2A至图2D所示的状态中的图2C和图2D所示的状态、即从燃料电池系统10向驱动马达91和蓄电池92这两者的电力供给停止的系统状态相当于燃料电池系统10的IS状态。当成为IS状态时，负载装置90对燃料电池系统10发送IS运转请求。
因而，在车辆的行驶中通过驱动马达91的再生动作而蓄电池92成为满充电、蓄电池92为满充电状态且车辆正在行驶或者停止等情况下，燃料电池系统10可能成为IS状态。在这种情况下，对燃料电池堆1的请求电力为零，实施IS运转。
在IS运转中，通常期望停止向燃料电池堆1供给阳极以抑制燃料的无谓消耗。然而，当停止向燃料电池堆1供给阳极气体时，随着时间经过，在燃料电池堆1中从阴极向阳极渗透阴极气体(空气)。在这种状况下，阳极由于渗透过来的空气中的氧发生氧化而劣化，燃料电池系统10的发电性能降低。
作为其对策，本实施方式的控制部6在从发电运转切换为IS运转时，使从燃料电池系统10向负载装置90的电力供给停止，但继续向燃料电池堆1供给阳极气体。
在IS运转中的燃料电池堆1内，渗透了电解质层的阴极气体直接与阳极气体发生直接化学反应(与电化学反应不同)。因此，在IS运转开始之后，随着阴极气体的供给流量的降低，由电压传感器50测定出的堆电压随时间经过而降低。另外，当燃料电池堆1在高温状态下暴露于氧时，作为催化剂的镍通过氧化反应而劣化。
作为其对策，本实施方式的控制部6继续向燃料电池堆1供给阴极气体以抑制电压的降低。因此，能够抑制堆电压的降低。另一方面，也继续供给阳极气体，由此能够消耗渗透到阳极的氧，并且能够将阳极的阳极气体浓度维持为高浓度，因此能够抑制阳极的氧化劣化。
接着，具体地说明本实施方式中的燃料电池系统10的动作。
图3A是表示本实施方式中的燃料电池系统10的运转控制的流程图。
在步骤S31中，控制部6实施发电运转。当进行发电运转时，基于对燃料电池堆1的请求电力对电力控制器进行控制，来调整从燃料电池堆1取出的电力量。
另一方面，控制部6基于从负载装置90对燃料电池系统10请求的请求电力、利用预先决定的对应图、运算式等来计算燃料电池堆1的发电所需的阴极气体流量和阳极气体流量的目标值。
然后，控制部6基于阴极气体流量的目标值来驱动压缩机32并且打开控制阀34。当利用压缩机32从燃料电池系统10外部供给阴极气体时，该阴极气体通过加热装置35而升温，之后被供给到燃料电池堆1的阴极。
同时，控制部6基于阳极气体流量的目标值来驱动泵21并且打开控制阀23。通过泵21从燃料罐20供给的改质用的燃料通过蒸发器24而气化，气化了的燃料通过热交换器25被加热。被加热后的燃料在改质器26中被改质为阳极气体，该阳极气体被供给到燃料电池堆1的阳极。
然后，在燃料电池堆1中，根据电力控制器的导通状态而供给的阳极气体与阴极气体发生电化学反应，由此产生电力。在电化学反应后生成的阳极废气和阴极废气从燃料电池堆1被排出到排气燃烧器40。
在步骤S32中，控制部6判断是否从负载装置90接收到IS运转请求。例如，在蓄电池92为满充电的情况、蓄电池92的充电量为充电所需的规定值以下的情况等对燃料电池堆1的请求电力为零的情况下，发出IS运转请求。
在未接收到IS运转请求的情况下(S32：“否”)，控制部6结束燃料电池系统10的运转控制。因此，进行发电运转。在接收到IS运转请求的情况下(S32：“是”)，进入S33的处理，进行IS运转。
在步骤S33中，开始进行IS运转。控制部6控制DC-DC转换器51的动作来使燃料电池系统10停止向负载装置90供给电力。然后，控制部6对控制阀34和控制阀23进行控制以使阀打开量变小，来控制阳极气体和阴极气体的流量。通过这样，向燃料电池堆1供给规定的流量的阳极气体和阴极气体。
在此，向燃料电池堆1供给的阳极气体的规定流量被确定为即使在燃料电池堆1中从阴极向阳极渗透阴极气体、阳极也不会发生氧化劣化的量。例如，预先决定所设想的IS运转的持续时间，设定即使在该持续时间内氧流入了阳极也能够将阳极气体浓度维持为高浓度的规定流量。控制部6也可以每隔规定的持续时间暂时性地增加向燃料电池堆1供给的阳极气体的供给流量。
阴极气体的规定流量被确定为能够维持燃料电池堆1的阴极的电位的流量。因此，在燃料电池堆1中，不会由于阴极气体不足而导致电压降低。
此外，既可以通过实验求出这种阳极气体的规定流量和阴极气体的规定流量，也可以基于仿真等的计算结果来求出这种阳极气体的规定流量和阴极气体的规定流量。
另外，在步骤S33中，控制部6对控制阀341进行控制来开始向排气燃烧器40供给阴极气体。通过这样，能够在排气燃烧器40中使阳极废气中含有的未燃气体可靠地燃烧。
在步骤S34中，控制部6判定堆电压Vs是否超过规定的阈值电压Vth。在堆电压Vs为阈值电压Vth以下的情况下(S34：“否”)，判断为需要将堆电压Vs控制为适当的电压值，进入S35的处理。在堆电压Vs超过阈值电压Vth的情况下(S34：“是”)，进入S36的处理。
在此，堆电压Vs根据燃料电池堆1内的阳极气体与阴极气体的直接化学反应的进行程度而发生变化。另外，向燃料电池堆1供给足够的阴极气体，以避免由于阴极气体不足而导致电压降低。因此，仅仅由于在燃料电池堆1内阳极气体减少，堆电压Vs就会降低。在此，在堆电压Vs大幅地降低的情况下，阳极气体浓度降低而氧分压上升，因此燃料电池堆1的阳极发生氧化的可能性高。因此，在S34的判定处理中，将在燃料电池堆1内使阳极发生氧化的可能性变高的堆电压Vs设为阈值电压Vth。然后，在S35中，通过调整阳极气体的供给流量来进行控制，以避免堆电压Vs低于阈值电压Vth，由此能够在IS运转中维持堆电压Vs。
在步骤S35中，进行如上述那样的阳极气体控制处理。在图3B中示出该阳极气体控制处理的详细内容。
参照图3B，首先，在步骤S351中，控制部6判定堆电压Vs是否为上限电压Vmax以上。在此，上限电压Vmax例如是IS运转时所允许的堆电压Vs的上限值。
在堆电压Vs为上限电压Vmax以上的情况下(S351：“是”)，判断为不需要增大堆电压Vs，进入S353的处理。在堆电压Vs低于上限电压Vmax的情况下(S351：“否”)，判断为需要增大堆电压Vs，进入步骤S352。
在步骤S352中，控制部6通过增大控制阀23的阀打开量来使流向燃料电池堆1的阳极气体的流量增加。在S352的处理之后返回到步骤S351的处理。
在此，如上所述，向燃料电池堆1供给了不会由于阴极气体不足而导致电压降低那样的规定量的阴极气体。因此，堆电压Vs的降低是由阳极气体不足引起的。因而，通过使阳极气体的流量增加，能够使堆电压Vs增加。
另外，当使阳极气体的流量增加时，堆电压Vs急剧地上升。因此，控制部6预先决定使阳极气体增加的流量和增加流量的时间，对控制阀23进行控制以使堆电压Vs成为上限电压Vmax，来使阳极气体的流量增加。此外，既可以通过实验求出要增加的阳极气体的供给流量和时间，也可以基于仿真等的计算结果求出要增加的阳极气体的供给流量和时间。
在步骤S353中，控制部6减小控制阀23的阀打开量，来使阳极气体的流量减少至规定流量。关于堆电压Vs，通过像这样进行阳极气体控制处理，能够将IS运转中的堆电压Vs维持在期望的电压范围内，并且能够抑制阳极的氧化。
再次参照图3A，在步骤S36中，判定作为燃料电池堆1的温度的堆温度Ts是否超过阈值温度Tth(例如，650度)。在此，阈值温度Tth是能够在燃料电池堆1的电解质层确保氧离子的电导率的温度。因此，为了使燃料电池堆1无拖延地重新开始发电，需要使堆温度Ts超过阈值温度Tth。在堆温度Ts为阈值温度Tth以下的情况下(S36：“否”)，判断为需要使堆温度Ts上升，进入S37的处理。在堆温度Ts超过规定的阈值温度Tth的情况下(S36：“是”)，进入S38的处理。此外，能够根据由温度传感器61获取到的堆入口温度和由温度传感器62获取到的堆出口温度求出堆温度Ts。
在步骤S37中进行电力供给控制。在图3C中示出该电力供给控制的详细内容。
参照图3C，首先，在步骤S371中，控制部6判定堆温度Ts是否为IS运转时所允许的上限温度Tmax(例如750度)以上。在堆温度Ts为上限温度Tmax以上的情况下(S371：“是”)，判断为不需要增大堆温度Ts，进入S373的处理。在堆温度Ts低于上限温度Tmax的情况下(S371：“否”)，判断为需要增大堆温度Ts，进入步骤S372。
在步骤S372中，控制部6开始从燃料电池堆1向燃料电池系统10所具备的辅机进行电力供给。例如，控制部6也可以借助弱电蓄电池52来增加向压缩机32供给的电力。通过这样，燃料电池堆1开始发电，因此堆温度Ts上升。
另外，在IS运转中从燃料电池堆1向辅机供给电力的期间的、向燃料电池堆1供给的阴极气体的供给流量比发电运转时的向燃料电池堆1供给的阴极气体的供给流量少。向燃料电池堆1供给的阴极气体的温度比正进行发电的燃料电池堆1的温度低，因此，阴极气体的供给流量越大，则燃料电池堆1的温度越低。因此，通过与发电运转相比减少向燃料电池堆1供给的阴极气体，能够抑制燃料电池堆1的温度的降低。
在进行了S372的处理之后，返回到步骤S371的处理。因此，进行该供给电力的增加，直到堆温度Ts为上限温度Tmax以上为止。
在步骤S373中，控制部6使来自燃料电池堆1的电力供给停止。例如，切断从燃料电池系统10向弱电蓄电池52的电力供给。通过这样，使堆温度Ts停止上升。因此，堆温度Ts始终为适于发电的温度，能够确保电解质层中的氧离子的电导率。
再次参照图3A，在步骤S38中，控制部6判断是否从负载装置90接收到IS恢复请求。例如在需要对蓄电池92进行充电、存在向驱动马达91的电力供给不足的风险等情况下发出IS恢复请求。即，在负载装置90的负载(请求电力)大于零的情况下发出IS恢复请求。
控制部6在没有接收到IS恢复请求时(S38：“否”)，返回到步骤S34，反复执行步骤S34到S37的处理，直到从负载装置90接收到IS恢复请求为止。另一方面，控制部6在接收到IS恢复请求时(S38：“是”)，结束IS运转并结束运转控制。由此，燃料电池系统10的运转状态从IS运转转变为发电运转，在下一次的控制周期内通过步骤S31来实施发电运转。如上所述，堆温度Ts始终为适于发电的温度，能够确保电解质层中的氧离子的电导率，因此能够缩短从IS运转状态向发电运转状态转变所需的时间。
这样，控制部6在实施IS运转时使燃料电池系统10停止向负载装置90供给电力，之后继续向燃料电池堆1供给阳极气体和阴极气体。然后，将堆电压Vs和堆温度Ts维持为适当的范围的值。
图4是表示本实施方式的IS运转的控制方法的时序图。
图4的(a)是表示堆温度Ts的变化的图。图4的(b)是表示堆电压Vs的变化的图。图4的(c)是表示燃料电池堆1内的阳极气体分压的图。图4的(d)是表示与控制阀34的阀打开量相应的、向燃料电池堆1供给的阴极气体的流量的变化的图。图4的(e)是表示与控制阀23的阀打开量相应的、向燃料电池堆1供给的阳极气体的流量的变化的图。图4的(f)是表示从燃料电池堆1供给的电流的变化的图。图4的(a)至图4的(f)的各附图的横轴是共用的时间轴。
时刻t0例如是蓄电池92为满充电且从负载装置90发出IS运转请求的时刻。在时刻t0之前进行发电运转(S31)。然后，在时刻t0，当从负载装置接收到IS运转请求时(S32：“是”)，使燃料电池系统10停止向负载装置90供给电力。然后，在时刻t0之后进行IS运转(S33～S38)。
如图4的(f)所示，在时刻t0，当开始进行IS运转时，控制部6控制DC-DC转换器51来使燃料电池系统10停止向负载装置90供给电流。同时，如图4的(e)所示，控制部6减小控制阀23的阀打开量，来将阳极气体以规定的流量向燃料电池堆1供给。
然后，当成为从时刻t0起延后规定时间的时刻t0a时，控制部6减小控制阀34的阀打开量，来将阴极气体以规定流量向燃料电池堆1供给。在此，即使在时刻t0关闭了控制阀23之后，也不会立即将存在于阳极气体供给通路22中的控制阀23与燃料电池堆1之间的燃料和阳极气体全部消耗。因此，为了在燃料电池堆1中将这些燃料和阳极气体全部消耗，需要继续向燃料电池堆1供给阴极气体。因而，阴极气体供给流量变小的定时(时刻t0a)比阳极气体供给流量变小的定时(时刻t0)延后。
如图4的(c)所示，在从时刻t0到时刻t1的期间，存在于燃料电池堆1内的阳极气体与阴极气体进行直接化学反应，阳极气体分压减少。因此，如图4的(b)所示，堆电压Vs也降低。另外，如图4的(a)所示，在从时刻t0到时刻t2的期间，在燃料电池堆1中没有进行发电，因此堆温度Ts降低。
如图4的(b)所示，在时刻t1，堆电压Vs成为阈值电压Vth。在此，参照图3A，在堆电压Vs为阈值电压Vth以下的情况下(S34：“否”)，控制部6进行阳极气体供给控制(S35)。如图3B所示，在阳极气体供给控制中，通过对控制阀23进行控制来在规定时间内增加向燃料电池堆1供给的阳极气体的供给流量(S352)。于是，如图4的(c)所示，燃料电池堆1内的阳极气体分压上升，伴随于此，如图4的(b)所示，堆电压Vs上升。
然后，在时刻t1a，当结束规定时间的阳极气体的供给时，堆电压Vs达到上限电压Vmax(S351：“是”)。然后，控制部6对控制阀23进行控制，以使向燃料电池堆1供给的阳极气体的流量减少，来将阳极气体以规定流量进行供给(S353)。
此外，在从时刻t1到时刻t2的期间，堆电压Vs上升，但由于从燃料电池系统10向负载装置90的电力供给已停止，因此在燃料电池堆1中未进行发电。因此，如图4的(a)所示，堆温度Ts持续降低。
如图4的(a)所示，在时刻t2，堆温度Ts成为阈值温度Tth。在此，参照图3A，在堆温度Ts为阈值温度Tth以下的情况下(S36：“否”)，控制部6进行电力供给控制(S37)。如图3C所示，在电力供给控制中，通过使燃料电池堆1开始电力供给(S372)，来使燃料电池堆1发电并发热。因此，如图4的(a)所示，在时刻t2之后，燃料电池堆1重新开始发电，因此堆温度Ts开始上升。另外，如图4的(f)所示，从燃料电池堆1向燃料电池系统10的辅机等供给的堆电流增加。
然后，如图4的(f)所示，在时刻t2a，当堆温度Ts达到上限温度Tmax时(S371：“否”)，停止从燃料电池堆1供给电力(S373)。因而，如图4的(a)所示，由于燃料电池堆1停止发电，因此堆温度Ts的温度的上升停止。
在此，参照图4的(b)、(c)，在从时刻t2到时刻t2a的期间，在燃料电池堆1中进行了发电，因此堆电压Vs和阳极气体分压暂时性地降低。当在时刻t2a使燃料电池堆1停止发电时，堆电压Vs和阳极气体分压再次增加。
在时刻t3、t3a、t4以及t4a，在燃料电池系统10内分别进行与时刻t1、t1a、t2以及t2a相同的处理。
此外，在本实施方式中，对以下例子进行了说明：在蓄电池92为满充电且负载装置90的负载(请求电力)大于零的情况下，负载装置90向燃料电池系统10发出IS运转请求，但并不限于此。负载装置90也可以在蓄电池92的充电量为充电所需的规定的剩余量(例如，90％)以下时向燃料电池系统10发出IS运转请求。
根据第一实施方式的燃料电池系统10，能够获得以下效果。
根据第一实施方式的燃料电池系统10，正执行发电运转步骤(S31)的燃料电池系统10在负载(请求电力)为规定的值以下且接收到IS运转请求时(S32：“是”)，执行自主运转步骤(S33～S37)。在自主运转步骤中，向燃料电池堆1供给规定流量的阳极气体和规定流量的阴极气体(S33)。
在此，燃料电池堆1的阳极当与氧接触时，易发生氧化。因此，当在燃料电池堆1内阴极气体渗透到阳极时，存在阳极劣化的风险。因此，在进行自主运转的期间向燃料电池堆1供给规定量的阳极气体，由此即使阴极气体渗透到阳极，渗透过来的阴极气体中含有的氧也通过与阳极气体进行直接化学反应而被消耗。通过这样，在阳极中，能够通过将阳极气体浓度维持为高浓度来降低氧分压，因此能够防止阳极的氧化劣化。
另外，即使在未进行从燃料电池堆1向负载装置90的电力供给的情况下，也向燃料电池堆1供给阳极气体和阴极气体，由此在燃料电池堆1中进行阳极气体与阴极气体的直接化学反应。因此，能够抑制自主运转时的堆电压的降低。
另外，根据第一实施方式的燃料电池系统10，供给能够维持燃料电池堆1的阴极的电位的流量的阴极气体。通过这样，能够维持阴极的电位来抑制由于阴极气体的不足而引起的电压降低。因此，通过仅控制阳极气体就能够控制燃料电池堆1的电压。
另外，根据第一实施方式的燃料电池系统10，在进行自主运转的期间，向燃料电池堆1供给能够消耗向阳极渗透的阴极气体中含有的氧的规定流量的阳极气体。因此，不消耗多余的阳极气体就能够抑制阳极的氧化劣化。
向燃料电池堆1还供给避免发生由于阴极气体不足而引起的电压降低那样的规定流量的阴极气体。通过抑制由于阴极气体不足而引起的电压降低，通过仅控制阳极气体就能够控制燃料电池堆1的电压。因而，燃料电池系统10的控制性提高。
另外，根据第一实施方式的燃料电池系统10，执行根据堆电压Vs来改变向燃料电池堆1供给的阳极气体的供给流量的电压维持步骤(S34、35)。在此，在堆电压Vs降低的情况下，随着阳极气体浓度的降低，氧分压增加，因此燃料电池堆1的阳极电极容易发生氧化。因此，通过执行将堆电压Vs维持为规定的电压范围内的电压维持步骤(S34、35)，能够抑制阳极电极的氧化劣化。
另外，根据第一实施方式的燃料电池系统10，在堆电压Vs低于阈值电压Vth(S34：“否”)时，增加向燃料电池堆1供给的阳极气体的供给流量，以使得堆电压Vs成为上限电压Vmax(S352)。而且，当堆电压Vs成为上限电压Vmax时(S351：“是”)，减少向燃料电池堆1供给的阳极气体的供给流量(S353)。通过这样，能够将堆电压Vs维持在阈值电压Vth与上限电压Vmax的温度范围内。
另外，根据第一实施方式的燃料电池系统10，执行使燃料电池堆1的温度(堆温度)处于规定的温度范围内那样的温度维持步骤(S36、37)。通过这样来确保电解质层中的氧离子的电导率，由此使燃料电池堆1始终为能够适当地发电的温度，因此燃料电池堆1能够立即重新开始发电。因而，能够抑制从自主运转状态向发电运转状态转变时的延迟。
另外，根据第一实施方式的燃料电池系统10，在温度维持步骤中，执行从燃料电池系统10向负载装置90进行电力供给的电力供给步骤(S37)。当堆温度Ts低于阈值温度Tth(S36：“否”)时，使燃料电池堆1开始电力供给(S372)。然后，当堆温度Ts成为上限温度Tmax时(S371：“是”)，停止电力供给(S373)。通过这样，能够维持堆温度Ts，因此能够缩短从自主运转状态转变为发电运转状态所需的时间。
另外，根据第一实施方式的燃料电池系统10，在进行电力供给步骤(S37)的情况下，从燃料电池堆1向阴极压缩机9等燃料电池系统10的辅机供给电力。通过这样，不追加新的辅机，燃料电池堆1就能够向电力供给系统5外部供给电力，因此能够简化燃料电池系统10的结构。
另外，根据第一实施方式的燃料电池系统10，向正进行电力供给步骤(S37)的情况下的燃料电池堆1供给的阴极气体的供给流量比向进行发电运转时的燃料电池堆1供给的阴极气体的供给流量少。通过这样，能够抑制温度比较低的阴极气体向燃料电池堆1流入，因此能够防止燃料电池堆1的温度降低。
另外，根据第一实施方式的燃料电池系统10，利用排气燃烧器40将从燃料电池堆1排出的阳极废气和阴极废气进行混合，并使该混合气体燃烧。通过这样，使阳极废气中含有的未燃气体完全地燃烧，因此能够防止未燃气体中含有的阳极气体被排出到燃料电池系统10外。
(第二实施方式)
图5A是表示与本发明的第二实施方式中的燃料电池系统10的运转控制有关的处理过程例的流程图。
将图5A所示的燃料电池系统10的运转控制与图3A所示的第一实施方式的燃料电池系统10的运转控制进行比较，不同点在于步骤S37的处理被变更为步骤S51的处理。
在步骤S51中，进行加热装置控制。在图5B中示出该加热装置控制的详细内容。
参照图5B，首先，在步骤S511中，控制部6判定堆温度Ts是否为上限温度Tmax以上。在堆温度Ts为上限温度Tmax以上的情况下(S511：“否”)，判断为需要增大堆温度Ts，进入S513的处理。在堆温度Ts低于上限温度Tmax的情况下(S511：“是”)，判断为需要增大堆温度Ts，进入步骤S512。
在步骤S512中，控制部6使加热装置35启动，并且对控制阀232进行控制来增大向加热装置35供给的燃料的供给流量。通过这样，加热装置35的发热量变大，因此经由压缩机32从阴极气体供给通路33通过的阴极气体在被加热装置35进一步加热之后被供给到燃料电池堆1。其结果，堆温度Ts上升。
在进行S512的处理之后，返回到步骤S511的处理。因此，进行该加热装置35的驱动，直到堆温度Ts超过上限温度Tmax为止。
在步骤S513中，控制部6使加热装置35停止，并且关闭控制阀232来停止向加热装置35供给燃料。通过这样，堆温度Ts上升至上限温度Tmax。因而，由于堆温度Ts上升至上限温度Tmax，因此堆温度Ts始终为适于发电的温度，能够缩短从IS运转状态转变为发电运转状态所需的时间。
图6是表示本实施方式中的IS运转的控制方法的时序图。
图6与表示第一实施方式的时序图中的图4相比，存在以下不同点：在图4的(f)中示出堆电流的变化，而在图6的(f)中示出向加热装置35供给的燃料的供给流量的变化。以下，仅说明图6的(f)所示的燃料供给量发生变化的时刻t0、t2以及t2a的控制。此外，在时刻t4和t4a分别进行与时刻t2和t2a相同的处理。
参照图6的(f)，当在时刻t0发出IS运转请求时，控制部6关闭控制阀232来停止向加热装置35进行燃料供给。因此，图6的(c)所示的阳极气体分压开始降低，图6的(b)所示的堆电压Vs开始降低。如图6的(a)所示，堆温度Ts也开始降低。
然后，如图6的(a)所示，在时刻t2，堆温度Ts成为阈值温度Tth以下(S36：“否”)。如图6的(f)所示，在时刻t2，控制部6使加热装置35启动，并且打开控制阀232来开始向加热装置35进行燃料供给(S512)。由于向燃料电池堆1供给通过加热装置35被加热后的阴极气体，因此如图6的(a)所示，燃料电池堆1的温度开始上升。
之后，如图6的(a)所示，在时刻t2a，堆温度Ts成为上限温度Tmax(S511：“是”)。如图6的(f)所示，在时刻t2a，控制部6使加热装置35停止，并且关闭控制阀232来停止向加热装置35进行燃料供给(S513)。因此，如图6的(a)所示，堆温度Ts停止上升。
此外，在从时刻t2到时刻t2a的期间，燃料电池堆1不进行发电(电化学反应)。在此，在图4的(b)所示的第一实施方式中，在从时刻t2到时刻t2a的期间，由于燃料电池堆1的发电而引起堆电压Vs暂时性地减少。然而，在图6的(b)所示的本实施方式中，在从时刻t2到时刻t2a的期间，燃料电池堆1不进行发电，因此不会发生堆电压Vs的暂时性的减少。因而，图6的(c)所示的阳极气体分压也不会暂时性地减少。
根据第二实施方式的燃料电池系统10，能够获得以下效果。
根据第二实施方式的燃料电池系统10，在温度维持步骤中，执行使加热装置35进行动作的加热燃烧步骤(S512)。当向加热装置35供给燃料时，通过阴极气体供给通路33的阴极气体通过加热装置35被加热，之后被供给到燃料电池堆1。于是，燃料电池堆1的温度上升，能够确保电解质层中的氧离子的电导率，因此燃料电池堆1能够适当地进行发电。因而，能够抑制从自主运转状态向发电运转状态转变时的延迟。
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示出了本发明的应用例的一部分，宗旨并非是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，在负载装置90的请求电力为零的情况下实施了IS运转，但只要是停止从燃料电池系统向负载装置90供给电力的条件即可，即使向燃料电池堆发出的请求电力是大于零的规定值，也可以实施IS运转。
此外，上述实施方式能够适当进行组合。
本国际申请主张2015年12月15日向日本专利局申请的日本特愿2015-253887的优先权，通过参照将该申请的全部内容引入本说明书中。

Claims (12)

1.一种燃料电池系统的控制方法，该燃料电池系统具备被供给阳极气体和阴极气体且根据负载进行发电的固体氧化物型的燃料电池，并且控制向该燃料电池的气体供给以及发电，所述燃料电池系统的控制方法包括：
发电运转步骤，根据所述负载的大小来控制流向所述燃料电池的所述阳极气体和所述阴极气体的流量；以及
自主运转步骤，在所述负载为规定值以下的情况下，使所述燃料电池进行自主运转，
其中，所述自主运转步骤包括向所述燃料电池供给规定流量的所述阳极气体和规定流量的所述阴极气体的气体供给步骤。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，
在所述气体供给步骤中，向所述燃料电池供给能够维持所述燃料电池的阴极的电位的流量的所述阴极气体。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，
在所述气体供给步骤中，向所述燃料电池供给在所述燃料电池内抑制所述阴极气体向阳极电极渗透的流量的所述阳极气体和使该阳极气体全部在所述燃料电池内发生反应的流量的所述阴极气体。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，
所述自主运转步骤还包括根据所述燃料电池的电压来改变所述阳极气体的流量的电压维持步骤。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，
在所述电压维持步骤中，在所述燃料电池的电压低于下限值的情况下，使所述阳极气体的流量增加，以使所述燃料电池的电压成为上限值。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，
所述自主运转步骤还包括将所述燃料电池的温度维持在所述燃料电池能够发电的温度范围内的温度维持步骤。
7.根据权利要求6所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，
所述温度维持步骤包括电力供给步骤，在该电力供给步骤中，在所述燃料电池的温度低于下限值的情况下，使所述燃料电池发电来从所述燃料电池供给电力，在所述燃料电池的温度超过上限值的情况下，使所述燃料电池停止发电。
8.根据权利要求7所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，
所述燃料电池系统还具有辅机，
在所述电力供给步骤中，从所述燃料电池向所述辅机供给电力。
9.根据权利要求7或8所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，
所述电力供给步骤中的所述阴极气体的流量比所述发电运转步骤中的所述阴极气体的流量小。
10.根据权利要求6所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，
所述燃料电池系统还具有启动燃烧器，该启动燃烧器设置于用于向所述燃料电池供给所述阴极气体的流路，
所述温度维持步骤包括使所述启动燃烧器启动的启动燃烧步骤。
11.根据权利要求1至10中的任一项所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，
所述燃料电池系统还具有排气燃烧器，该排气燃烧器将从所述燃料电池排出的阳极废气和阴极废气进行混合，并使进行该混合得到的气体燃烧，
所述自主运转步骤还包括使所述排气燃烧器启动的排气燃烧步骤。
12.一种燃料电池系统，具备：
燃料电池，其被供给阳极气体和阴极气体；
气体供给装置，其向所述燃料电池供给所述阳极气体和所述阴极气体；
电力控制器，其将电力从所述燃料电池取出并供给到蓄电池或者马达；以及
控制部，其基于对所述燃料电池请求的负载来实施所述燃料电池的发电运转，
其中，在所述负载为规定值以下的情况下，所述控制部使从所述燃料电池系统向所述负载的电力供给停止，从所述气体供给装置向所述燃料电池的阳极供给所述阳极气体，并且向所述燃料电池的阴极供给所述阴极气体。
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