CN114792825A - 燃料电池*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池***，燃料电池***10的ECU 80在移动体11行驶中使气泵68以低负载转速LR旋转来供给阴极气体，由此使燃料电池堆12实施低负载发电。另外，ECU 80在移动体11的行驶停止中进行燃料电池堆12的发电的情况下，使气泵68以大于低负载转速LR的转速即行驶停止时转速SR旋转，来增加阴极气体的供给量。

Description

燃料电池***
技术领域
本发明涉及搭载于移动体并进行发电的燃料电池***。
背景技术
在搭载于燃料电池汽车等移动体的燃料电池***中，在燃料电池堆的内部，包含未用于发电的阳极气体(氢气)的阳极排气被向移动体的外部排出。为了防止阳极气体在向外部排出时燃起，通常，燃料电池***具备对所排出的阳极气体进行稀释的稀释器。
这种稀释器成为使燃料电池***大型化的主要原因。因此，在专利文献1中公开了一种不具备稀释器的燃料电池***。在该燃料电池***中，在发电停止时，从燃料电池堆排出的阳极排气返回阳极供给路。阳极气体透过电解质膜-电极构造体而从阳极路径移动到阴极路径，在阴极路径被阴极气体稀释并向外部排出。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利JP2020-9598A
发明内容
发明所要解决的问题
在燃料电池***中，因燃料电池堆发电而在阴极生成的生成水向阳极系装置排出。然而，在专利文献1公开的燃料电池***中，并未考虑到向阳极系装置排出的生成水的排出方法。燃料电池***需要排出向阳极系装置流出的生成水，在进行该排出时阳极气体也会排出。因而，如果只是在发电停止时将阳极气体导入至阴极路径，则存在如下问题，即，在移动体行驶中和行驶停止中等状况下，无法充分地稀释阳极气体。
本发明的目的在于，解决上述问题。
用于解决问题的方案
为了达到上述目的，本发明的一个方式的燃料电池***，设置于移动体，在所述燃料电池***中，包括：燃料电池堆；气泵，其向所述燃料电池堆供给阴极气体；阴极排出路，其从所述燃料电池堆排出阴极排气；阳极路径，其使阳极气体在所述燃料电池堆流通；排出路，其将所述阳极路径的阳极气体导入至所述阴极排出路；以及控制装置，其控制所述气泵的动作，所述控制装置在所述移动体行驶中使所述气泵以低负载转速旋转来供给所述阴极气体，由此能够使所述燃料电池堆实施低负载发电，所述控制装置在所述移动体的行驶停止中进行所述燃料电池堆的发电的情况下，使所述气泵以大于所述低负载转速的转速即行驶停止时转速旋转，来增加所述阴极气体的供给量。
发明的效果
在所述燃料电池***中，根据状况来调整阴极气体的供给量，由此能够将适当地进行了稀释的阳极气体排出到移动体的外部。
参照附图说明以下实施方式，基于对该实施方式的说明，能够容易地理解上述目的、特征以及优点。
附图说明
图1是概要地示出本发明的一实施方式所涉及的搭载于移动体的燃料电池***的整体结构的说明图。
图2是用于说明移动体行驶中的燃料电池***的发电的时序图。
图3A是表示移动体行驶中的阳极气体和阴极气体的排出的概要侧视图。
图3B是表示移动体的行驶停止中的阳极气体和阴极气体的排出的概要侧视图。
图4是表示移动体行驶中进行ECU的发电控制部的处理的功能块的框图。
图5是表示移动体的行驶停止中进行ECU的发电控制部的处理的功能块的框图。
图6A是用于说明移动体的行驶停止中的燃料电池***的发电的时序图。
图6B是例示***阀发生打开故障的情况下的阳极气体的排出量的时序图。
图7是例示阴极气体供给方法的处理流程的流程图。
图8是例示服务模式的处理流程的流程图。
图9是表示变形例的燃料电池***的整体结构的说明图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的一实施方式所涉及的燃料电池***10具备燃料电池堆12、阳极系装置14、阴极系装置16以及冷却装置18。该燃料电池***10搭载于燃料电池汽车等移动体11。该燃料电池***10将燃料电池堆12的发电电力供给到移动体11的蓄电池Bt和行驶用电机Mt等。此外，搭载燃料电池***10的移动体11并不限于燃料电池汽车，也可以是其它车辆、船舶、航空器、机器人等。
燃料电池堆12将多个发电单电池20层叠而成的层叠体21收容于未图示的堆壳体内。各发电单电池20通过阳极气体(氢等燃料气体)与阴极气体(空气等氧化剂气体)的电化学反应进行发电。
各发电单电池20由电解质膜-电极构造体22(以下，称为“MEA 22”)以及夹持MEA22的一对隔板24(24a、24b)构成。MEA 22具有电解质膜26、设置于电解质膜26的一方的面的阳极电极28以及设置于电解质膜26的另一方的面的阴极电极30。电解质膜26例如为固体高分子电解质膜(阳离子交换膜)。隔板24a在MEA 22的一方的面形成使阳极气体流通的阳极气体流路32。隔板24b在MEA 22的另一方的面形成使阴极气体流通的阴极气体流路34。另外，通过层叠多个发电单电池20，在隔板24a与隔板24b相互相向的面之间形成使制冷剂流通的制冷剂流路36。
并且，各发电单电池20具备使阳极气体、阴极气体以及制冷剂分别沿着层叠体21的层叠方向流通的未图示的多个连通孔(阳极气体连通孔、阴极气体连通孔、制冷剂连通孔)。阳极气体连通孔与阳极气体流路32连通，阴极气体连通孔与阴极气体流路34连通，制冷剂连通孔与制冷剂流路36连通。
由阳极系装置14向燃料电池堆12供给阳极气体。在燃料电池堆12内，阳极气体在阳极气体连通孔(阳极气体入口连通孔)流通并流入阳极气体流路32。阳极气体在阳极电极28处被用于发电。被用于发电而产生的阳极排气从阳极气体流路32流出到阳极气体连通孔(阳极气体出口连通孔)，并从燃料电池堆12排出到阳极系装置14。该阳极排气包含未反应的氢气。
另外，由阴极系装置16向燃料电池堆12供给阴极气体。在燃料电池堆12内，阴极气体在阴极气体连通孔(阴极气体入口连通孔)流通并流入阴极气体流路34。阴极气体在阴极电极30处被用于发电。被用于发电而产生的阴极排气从阴极气体流路34流出到阴极气体连通孔(阴极出口连通孔)，并从燃料电池堆12排出到阴极系装置16。
并且，由冷却装置18向燃料电池堆12供给制冷剂。在燃料电池堆12内，制冷剂在制冷剂连通孔(制冷剂入口连通孔)流通并流入制冷剂流路36。制冷剂对发电单电池20进行冷却。对发电单电池20进行了冷却的制冷剂从制冷剂流路36流出到制冷剂连通孔(制冷剂出口连通孔)，并从燃料电池堆12排出到冷却装置18。
燃料电池***10的阳极系装置14具有阳极路径38。阳极路径38包括：阳极供给路40，其向燃料电池堆12供给阳极气体；以及阳极排出路42，其从燃料电池堆12排出阳极排气。另外，阳极路径38具有阳极循环路44，该阳极循环路44用于将阳极排出路42的阳极排气中包含的未反应的氢气返还至阳极供给路40。
阳极路径38具有引射器50的下游侧的阳极供给路40、阳极排出路42以及循环回路39。循环回路39通过阳极循环路44使阳极气体(阳极排气)循环。在阳极循环路44连接泄放路46。泄放路46将阳极排气的一部分从循环回路39供给到阴极系装置16。
在阳极供给路40的上游部设置用于贮存阳极气体的罐47。另外，在阳极供给路40，朝向阳极气体的流通方向的下游侧依次设置有喷射器48、引射器50。在燃料电池***10运转时，喷射器48进行开闭来将压力设为比罐47的内部压力低的阳极气体向下游喷出。引射器50将从喷射器48喷出的阳极气体供给到燃料电池堆12。另外，引射器50从阳极循环路44吸引阳极排气，并将吸引的阳极排气供给到燃料电池堆12。引射器50利用因从喷射器48喷出的阳极气体的流动而产生的负压来吸引阳极排气。
在阳极排出路42设置气液分离器52。气液分离器52将阳极排气中包含的液态水(发电时的生成水)从阳极排气分离。在气液分离器52的上部连接阳极循环路44。由此，除去了液态水的阳极排气(气体)流动到阳极循环路44。在气液分离器52的底部连接用于排出分离出的液态水的***路54的一端。在***路54设置对流路进行开闭的***阀56。另外，在泄放路46设置对泄放路46内的流路进行开闭的泄放阀58。***阀56和泄放阀58是对开阀(开度100％)或闭阀(开度0％)进行切换的密封阀55。作为密封阀55例如使用电磁阀。
燃料电池***10的阴极系装置16具有阴极路径60。阴极路径60包括：阴极供给路62，其向燃料电池堆12供给阴极气体；以及阴极排出路64，其从燃料电池堆12排出阴极排气。另外，在阴极供给路62与阴极排出路64之间连接有阴极旁通路66。由此，阴极供给路62的阴极气体不通过燃料电池堆12而直接流动到阴极排出路64。
在阴极供给路62设置有将阴极气体供给到燃料电池堆12的气泵(空气压缩机)68。气泵68使未图示的扇叶旋转，将比气泵68靠上游侧的空气(外部气体)压缩并供给到下游侧的阴极供给路62。气泵68也可以为如下结构：在阴极供给路62具备压缩机并在阴极排出路64具备与压缩机同轴的膨胀机。
阴极供给路62在气泵68与阴极旁通路66之间具备调温器70(中间冷却器)。调温器70利用空气或水等制冷剂对阴极气体进行冷却。另外，阴极供给路62在阴极旁通路66与燃料电池堆12之间具备加湿器72。在比加湿器72靠下游侧的阴极供给路62连接所述泄放路46。优选的是，在与泄放路46连接的连接部位设置气液分离器(未图示)。
跨阴极供给路62与阴极排出路64这两者来设置加湿器72。加湿器72利用从燃料电池堆12排出到阴极排出路64的阴极排气中包含的水分(发电时的生成水等)，来对从阴极供给路62供给的阴极气体进行加湿。
另外，在阴极排出路64中比阴极旁通路66靠下游侧，连接阳极系装置14的***路54。优选的是，在气泵68在阴极排出路64具备膨胀机的情况下，在阴极排出路64的加湿器72与阴极旁通路66之间设置气液分离器。该气液分离器将阴极排气中包含的水分分离，并向膨胀机的下游侧排出液态水。
在阴极旁通路66设置有旁通阀74。旁通阀对绕过燃料电池堆12的阴极气体的流量进行调整。旁通阀74可使用能够线性地调整开度的蝶阀。
以上的燃料电池***10具有对该燃料电池***10的各设备的动作进行控制的ECU80(Electronic Control Unit：控制装置)。ECU 80由具有一个以上的处理器、存储器、输入输出接口以及电路(均未图示)的计算机构成。ECU 80的一个以上的处理器对存储于存储器的未图示的程序执行处理，由此控制***阀56、泄放阀58、气泵68、旁通阀74等的动作。
在此，在阳极系装置14中，通过打开***阀56，将在气液分离器52分离出的液态水、以及阳极排气中包含的阳极气体排出到***路54。***路54与阴极排出路64连接。因而，***路54的阳极气体经由阴极排出路64与阴极气体一起排出到外部。另外，在阳极系装置14中，通过打开泄放阀58，使阳极排气中包含的氮气、氧气、以及阳极气体向阴极供给路62流出。该阳极气体在燃料电池堆12流通之后排出到阴极排出路64，并与阴极排气一起排出到外部。
本实施方式所涉及的燃料电池***10并未在阴极排出路64中的比与***路54连接的连接部位更靠下游侧具备用于稀释阳极气体的稀释器。由此，实现燃料电池***10整体的小型化。
在从阴极排出路64向移动体11的外部排出阳极气体时，ECU 80根据移动体11的状况来适当地调整阴极气体的供给量。由此，良好地对流入阴极排出路64的阳极气体进行稀释。以下，对于在移动体11行驶中以及行驶停止中的各状况下供给阴极气体的供给方法进行说明。
〔移动体11行驶中〕
在移动体11行驶中(因点火装置或启动开关接通而处于动作中)，燃料电池***10进行燃料电池堆12的发电。该发电基于行驶控制ECU或蓄电池EC U的发电要求进行。此时，ECU 80将与发电要求相应的电力供给到气泵68。此外，通过调整旁通阀74的开度，对向燃料电池堆12供给的阴极气体的供给量进行调整。
如图2所示，在移动体11行驶在平坦道路等的状况下，燃料电池***10实施通常发电。通常发电为与通常行驶所需的行驶用电机Mt和气泵68的消耗电力相应的发电。此时，ECU 80根据发电要求使气泵68的转速在既定的旋转范围RR内变化(在图2中为了方便起见而设为固定的转速)。因而，将适当供给量的阴极气体从气泵68供给到燃料电池堆12。
另外，在移动体11在坡道爬坡等、对行驶用电机Mt施加高负载的状况下，燃料电池***10实施高负载发电。此时，ECU 80使气泵68以比通常行驶的旋转范围RR高的高负载转速HR或接近旋转范围RR的上限的转速旋转。因而，供给到燃料电池堆12的阴极气体的供给量(与高负载转速HR相应的流量)会大于通常发电的供给量。
相反地，在移动体11的用户松开加速器等、行驶用电机Mt处于低负载的状况下，燃料电池***10实施低负载发电。此时，ECU 80使气泵68以比通常行驶的旋转范围RR低的低负载转速LR或接近旋转范围RR的下限的转速旋转。因而，供给到燃料电池堆12的阴极气体的供给量(与低负载转速LR相应的流量)小于通常发电的供给量。
此外，即使在移动体11行驶中或行驶停止中等状况下发电要求为零的情况下，也将少量的阴极气体供给到燃料电池堆12。在该情况下，燃料电池***10使气泵68以低转速例如接近低负载转速LR的转速旋转。由此，燃料电池堆12实施输出比气泵68的消耗电力低的发电电力的怠速发电(日文：アイドル発電)。通过怠速发电输出的发电电力被气泵68消耗。
另外，在移动体11行驶中，ECU 80还控制阳极系装置14的各辅助设备(喷射器48等)，将与阴极气体的供给量相应的供给量的阳极气体供给到燃料电池堆12。由此，燃料电池堆12输出与各种发电(通常发电、高负载发电、低负载发电、怠速发电等)相应的电力。
在移动体11行驶中，在阳极路径38的循环回路39，循环有与燃料电池堆12的发电相应的阳极气体(阳极排气)。燃料电池***10适当地打开***阀56和泄放阀58，将在循环回路39流通的生成水、氮气、氧气等排出到阴极排出路64。在循环回路39流通的生成水、氮气、氧气等为透过电解质膜26的阴极气体。此外，在图2中，在不同的定时打开***阀56与泄放阀58。但是，例如也可以在实施高负载发电中等同时打开***阀56、泄放阀58。
在***阀56或泄放阀58打开时，阳极气体也流出。在此，如图3A所示，如果移动体11正在行驶，则在与阴极排出路64连通的尾管76的排出口76a附近并不存在燃起的要素(火种等)。因而，随着燃料电池堆12发电而供给的阴极气体稀释阳极气体，从而能够确保排出阳极气体时的安全性。
即便假设在移动体11行驶中因实施低负载发电或怠速发电而使气泵68以低负载转速LR旋转的情况下，较小供给量的阴极气体也能够充分地稀释阳极气体。例如，能够使阳极气体的浓度在连续3秒的时间间隔内平均不超过体积的4％或使任意时间点的阳极气体的浓度的瞬时上限不超过8％。如图4所示，例如，ECU 80具备移动体行驶中发电控制部81。移动体行驶中发电控制部81在移动体11行驶中通过供给阴极气体来控制阳极气体的稀释。
移动体行驶中发电控制部81具有基准阴极气体量计算部82、阀选择部84、稀释阴极气体量计算部86、泵控制部88、开阀判定部90、阀控制部92、移动体行驶中故障检测部94以及服务模式控制部96。
基准阴极气体量计算部82计算向燃料电池堆12供给的阴极气体的供给目标量。基于从其它ECU例如用于控制行驶用电机Mt的行驶控制ECU、用于监视蓄电池Bt的电池量的蓄电池ECU等发送的发电要求的信号，计算供给目标量。此外，ECU 80也可以具备行驶控制ECU或蓄电池ECU的功能。另外，ECU 80也可以根据加速器开度传感器、轮速传感器等传感器的信号来计算发电要求。
阀选择部84选择***阀56和泄放阀58中的要打开的阀。基于监视氢浓度的未图示的ECU的氢浓度调整要求或监视气液分离器52(或其它气液分离器)的贮水量的未图示的ECU的排水要求或检测气液分离器52(或其它气液分离器)的贮水量的传感器的检测信号，选择阀。
稀释阴极气体量计算部86计算稀释阳极气体所需的阴极气体的量(稀释阴极气体量)。基于由阀选择部84选择的***阀56或泄放阀58的打开要求，计算稀释阴极气体量。例如稀释阴极气体量计算部86计算阳极气体的排出量。基于泄放路46或***路54的上游和下游的压力差、阳极气体的估计温度、阳极气体的估计浓度、催化剂反应效果等，来计算该排出量。从未图示的ECU、传感器获取泄放路46或***路54的上游和下游的压力差。并且，稀释阴极气体量计算部86基于计算出的阳极气体的排出量来计算稀释阴极气体量。
泵控制部88计算气泵68的转速。基于基准阴极气体量计算部82计算出的供给目标量以及稀释阴极气体量计算部86计算出的稀释阴极气体量，计算该转速。而且，泵控制部88基于计算出的转速控制气泵68的旋转。将气泵68的转速设为能够稀释阳极气体的值，因而有时气泵68的转速大于燃料电池堆12的发电所需的值。在该情况下，ECU 80改变旁通阀74的开度来调整在阴极旁通路66流通的阴极气体的量。由此，向燃料电池堆12供给的阴极气体的量成为与发电电力对应的适当的量。
开阀判定部90许可开阀。基于设置于阴极供给路62的未图示的阴极气体的流量传感器检测出的实际流量超过稀释阴极气体量计算部86计算出的稀释阴极气体量的定时，许可开阀。
阀控制部92打开被选择的密封阀55(***阀56和泄放阀58中的一个)。基于阀选择部84选择出的***阀56、泄放阀58的选择信息以及开阀判定部90的开阀许可，打开密封阀55。另外，阀控制部92也可以在高负载发电时打开***阀56和泄放阀58这两者。
由此，ECU 80根据气泵68的转速从循环回路39排出阳极气体。通过打开***阀56和泄放阀58中的一个或打开***阀56和泄放阀58这两者来排出阳极气体。在高负载发电时，打开***阀56和泄放阀58这两者。例如即使在进行使气泵68以低负载转速LR旋转的低负载发电或怠速发电的情况下，也向阴极排出路64供给能够稀释阳极气体的阴极气体。因而，燃料电池***10能够在移动体11行驶中安全地排出阳极气体和阴极气体。
另外，移动体行驶中故障检测部94在移动体11行驶中检测燃料电池***10的各密封阀55(***阀56、泄放阀58)的故障和阳极气体的泄漏。例如移动体行驶中故障检测部94监视***阀56的开闭指示和***阀56的电压。而且，在尽管进行了***阀56的闭阀指示但***阀56施加有电压的情况下，判断为***阀56错误地打开。根据该检测方法(以下，称为指令动作不一致检测法)，移动体行驶中故障检测部94能够检测出***阀56并未关闭而保持打开的状态的打开故障以及阳极气体的泄漏。此外，对于泄放阀58也同样。该检测方法具有能够在短时间内检测出各密封阀55的异常的优点。或者，移动体行驶中故障检测部94在对***阀56进行闭阀指示的状态下，根据循环回路39的未图示的压力传感器的检测压力和发电电流值来计算氢泄漏量。而且，在泄漏量大的情况下，也可以判断为***阀56错误地打开。即使是该检测方法(以下，称为压力下降检测法)，移动体行驶中故障检测部94也能够检测出***阀56并未关闭的打开阀故障以及阳极气体的泄漏。此外，对于泄放阀58也同样。压力下降检测法需要比指令动作不一致检测法更长的时间，但是能够提高检测精度。
在检查时或维护时等发生服务人员进行的操作的情况下，服务模式控制部96进行燃料电池***10的动作。例如，服务模式控制部96在检测出***阀56或泄放阀58的异常之后进行动作。而且，将气泵68的转速设定为与低负载转速LR相比增加的转速(服务模式转速)。此时，服务模式控制部96根据旁通阀74的开度调整朝向燃料电池堆12供给的阴极气体的供给量，由此进行通常发电或低负载发电。由此，能够在服务模式中实施故障部位的再确认、发生故障的各辅助设备(密封阀55等)的初始化、各ECU的重置、停止启动等措施。
服务模式控制部96也可以在检测出***阀56或泄放阀58的异常之后向***阀56或泄放阀58输出闭阀指令，由此防止阳极气体的排出。例如，即便在***阀56发生无法闭阀的打开故障，也通过闭阀指示关闭泄放阀58，由此能够抑制向阴极排出路64排出的阳极气体的排出量。
〔移动体11行驶停止中〕
接着，对于在移动体11的行驶停止中进行发电时供给阴极气体的供给方法进行说明。燃料电池***10即使在移动体11的行驶停止(因断开点火装置或启动开关而出现的非动作中)中也对应进行发电的状况进行判定，并且自动地进行燃料电池堆12的发电。作为应进行发电的状况，可举出避免燃料电池***10的冻结、远程启动空调装置、外部供电或蓄电池Bt的充电等。即使在行驶停止中，ECU 80也调整气泵68的工作和旁通阀74的开度，从而调整朝向燃料电池堆12的供给的阴极气体的供给量。
在此，根据***阀56的流路截面面积或泄放阀58的流路截面面积来决定从阳极路径38排出的阳极气体的排出量。因此，即使在行驶停止中的发电中，燃料电池***10也打开***阀56和泄放阀58中的任一个来排出阳极气体。此时，如果气泵68以与行驶中相同程度的转速供给阴极气体，则能够充分稀释阳极气体。
然而，在发生***阀56无法闭阀的打开故障或泄放阀58无法闭阀的打开故障的情况下，无法充分地进行阳极气体的稀释。例如，当***阀56为打开故障的情况下打开泄放阀58时，会从***路54和泄放路46这两者排出阳极气体。因而，作为阳极系装置14的整体，阳极气体的排出量增加(还可参照图6B)。而且，如图3B所示，在移动体11的行驶停止中，在尾管76的排出口76a附近可能存在燃起的主要因素。作为燃起的主要因素，例如可举出在车库内进行产生火花的操作等存在氢着火点温度以上的火种。
因此，在移动体11的行驶停止中，ECU 80具有如图5示出的移动体行驶停止中发电控制部100。移动体行驶停止中发电控制部100进行用于稀释阳极气体的控制。通过进行用于稀释阳极气体的控制，供给供给量比低负载发电或怠速发电中供给的阴极气体的供给量大的阴极气体。
具体地说，移动体行驶停止中发电控制部100与所述移动体行驶中发电控制部81同样地具有阀选择部84、泵控制部88、开阀判定部90以及阀控制部92。另外，在移动体行驶停止中发电控制部100内具有阴极气体量设定部102，来替代基准阴极气体量计算部82和稀释阴极气体量计算部86。并且，移动体行驶停止中发电控制部100具有移动体行驶停止中故障检测部104，来替代移动体行驶中故障检测部94。
阴极气体量设定部102在行驶停止中的发电中拥有预先规定的气泵68的转速的值(以下，称为行驶停止时转速SR)。行驶停止时转速SR例如为，在从多个密封阀55(***阀56、泄放阀58)排出阳极气体的情况下，与该阳极气体的合计量的稀释对应的气泵68的转速。即，如以下那样计算行驶停止时转速SR。首先，根据多个密封阀55的流路截面面积来计算排出的阳极气体的合计量。接着，制造商预先通过实验等求出确保能够充分稀释该合计量的阳极气体的阴极气体的供给量的旋转值。此外，在从阳极路径38排出阳极气体的密封阀55为三个以上的情况下，行驶停止时转速SR可以与两个密封阀55的阳极气体的排出量对应，也可以与三个以上的密封阀55的阳极气体的排出量对应。
具体地说，如图6A所示，行驶停止时转速SR为比低负载转速LR大的转速。低负载转速LR为在移动体11行驶中实施低负载发电或怠速发电时的气泵68的转速。此外，行驶停止时转速SR低于高负载转速HR。高负载转速HR为在移动体11行驶中实施高负载发电时的气泵68的转速。由此，能够抑制在燃料电池***10行驶停止时因供给过量的阴极气体而导致的电力消耗。
当在行驶停止时接收到从其它ECU发送的发电要求时，阴极气体量设定部102自动地设定所拥有的行驶停止时转速SR，并输出到泵控制部88。泵控制部88基于阴极气体量设定部102所设定的行驶停止时转速SR，控制气泵68的旋转。另外，阀选择部84、开阀判定部90以及阀控制部92的动作与移动体行驶中发电控制部81相同。也就是说，阀选择部84选择***阀56和泄放阀58中的一个。阀控制部92基于开阀判定部90的开阀许可，打开所选择的阀。
由此，燃料电池***10从循环回路39排出阳极气体，并且根据行驶停止时转速SR使气泵68旋转，并将阴极气体供给到燃料电池堆12。在行驶停止中从阳极系装置14供给到燃料电池堆12的阳极气体的供给量例如设定为与行驶中的低负载发电时相同的供给量。因此，燃料电池堆12基于阳极气体与阴极气体的流入而进行低负载发电，并输出发电电力。相对于燃料电池堆12的发电电力而供给量过量的阴极气体，根据旁通阀74的开度从阴极旁通路66导入至阴极排出路64。
因而，从旋转中的气泵68供给的阴极气体稀释阳极气体。即使***阀56和泄放阀58中的一个或两者发生打开故障而从泄放路46和***路54这两者流出阳极气体，也能够稀释从两个密封阀55排出的阳极气体。因而，在行驶停止中的发电中，燃料电池***10能够充分地稀释阳极气体。例如能够使阳极气体的浓度在连续3秒的时间间隔内平均不超过体积的4％或任意时间点的阳极气体的浓度的瞬时上限不超过8％。
另外，移动体行驶停止中故障检测部104在移动体11的行驶停止中检测燃料电池***10的各阀(***阀56、泄放阀58)的故障和阳极气体的泄漏。例如，在移动体的行驶停止中，移动体行驶停止中故障检测部104获取循环回路39的未图示的压力传感器的检测压力，来常态计算***阀56、泄放阀58各自的阳极气体的流出量。移动体行驶停止中故障检测部104对***阀56或泄放阀58依次发出开阀和闭阀的指令。而且，在尽管为闭阀指令但在阳极气体的流出量大的情况下，能够判断为***阀56或泄放阀58错误地打开。根据该检测方法(以下，称为流出量估计检测法)，移动体行驶停止中故障检测部104能够检测出阀的打开故障和阳极气体的泄漏。另外，流出量估计检测法与所述指令动作不一致检测法或压力下降检测法相比费时更长，但是能够进行高精度的检测。并且，不需要设置电压传感器或电流传感器，因此能够降低成本。
本实施方式所涉及的燃料电池***10基本如上述那样构成。以下，参照图7说明处理流程。
燃料电池***10的ECU 80在实施燃料电池堆12的发电时，首先根据点火装置或启动开关的信号，判定移动体11是行驶中还是行驶停止中(步骤S1)。在判定为移动体11为行驶中的情况下(步骤S1：“是”)，进至步骤S2，由移动体行驶中发电控制部81进行阴极气体的供给处理。
具体地说，移动体行驶中发电控制部81首先判定对燃料电池***10进行维修保养的服务模式实施或没有实施(步骤S2)。在如上所述那样服务人员进行操作的情况下等为实施服务模式，除此以外的情况下为没有实施。在步骤S2并未实施服务模式的情况下(步骤S2：“是”)，移动体行驶中发电控制部81根据发电要求来实施燃料电池堆12的发电(步骤S3)。
在行驶中的发电控制中，ECU 80适当地实施通常发电、高负载发电、低负载发电或怠速发电等，根据发电的种类调整气泵68的转速。由此，与气泵68的转速相应的阴极气体在阴极路径60流通，并稀释从阳极系装置14排出的阳极气体。例如，因打开***阀56而流出到***路54的阳极气体流入阴极排出路64，被阴极气体稀释。而且，与阴极气体一起被排出到移动体11的外部。同样地，随着打开泄放阀58而流出到泄放路46的阳极气体流入阴极供给路62并与阴极气体混合。而且，在燃料电池堆12流通并排出到阴极排出路64，与阴极气体一起被排出到移动体11的外部。
另外，移动体行驶中故障检测部94在燃料电池堆12的发电中判定***阀56或泄放阀58是否发生故障(步骤S4)。此时，移动体行驶中故障检测部94通过所述指令动作不一致检测法并不费长时间地检测***阀56、泄放阀58的故障。由此，能够讯速地查出***阀56或泄放阀58发生故障的情况。
在判定为***阀56或泄放阀58故障的情况下(步骤S4：“是”)，移动体行驶中故障检测部94进至步骤S5，存储发生故障的阀的异常码。另外，在***阀56或泄放阀58发生打开故障的情况下，移动体行驶中故障检测部94在阳极系装置14停止供给阳极气体。此外，对***阀56和泄放阀58发出闭阀指令(步骤S6)。并且，移动体行驶中故障检测部94通过移动体11的未图示的通知部，将阳极系装置14发生异常的情形通知给移动体11的用户(步骤S7)。
在步骤S4***阀56或泄放阀58并未发生故障的情况下以及步骤S7结束之后，ECU80判定移动体11的行驶是否结束(步骤S8)。而且，在移动体11继续进行行驶的情况下(步骤S8：“否”)，返回至步骤S3，反复进行步骤S3以下相同的处理流程。
另外，在步骤S1中，在判定为移动体11为行驶停止中的情况下(步骤S1：“否”)，进至步骤S9，移动体行驶停止中发电控制部100进行阴极气体的供给处理。
在步骤S9中，移动体行驶停止中发电控制部100根据由阴极气体量设定部102设定的行驶停止时转速SR来使气泵68旋转。而且，供给供给量比行驶中的低负载发电的阴极气体的供给量大的阴极气体。阴极气体的供给量与来自***阀56的阳极气体的排出量以及来自泄放阀58的阳极气体的排出量的合计量对应。由此，即使因***阀56或泄放阀58发生未关闭的打开故障而从多个排出路(泄放路46、***路54)排出阳极气体，也能够通过阴极气体充分地进行稀释。
另外，移动体行驶停止中故障检测部104在燃料电池堆12的发电中判定***阀56或泄放阀58是否发生故障(步骤S10)。此时，移动体行驶停止中故障检测部104花费比所述流出量估计检测法更长的时间来检测***阀56、泄放阀58的故障。由此，精度良好地检测***阀56或泄放阀58的故障。即使检测故障需要长时间，也由供给量大的阴极气体持续对阳极气体进行稀释，因此能避免燃起等。
在步骤S10判定为故障的情况下(步骤S10：“是”)，行驶停止中故障检测部104进至步骤S11，存储发生故障的阀的异常码。另外，移动体行驶停止中故障检测部104通过移动体11的未图示的通知部，将阳极系装置14发生异常的情形通知给移动体11的用户(步骤S12)。
在步骤S10***阀56或泄放阀58并未发生故障的情况下(步骤S10：“否”)或步骤S12结束之后，ECU 80判定移动体11的行驶停止中的发电是否结束(步骤S13)。在移动体11的行驶停止中继续进行燃料电池堆12的发电的情况下(步骤S13：“否”)，ECU 80返回至步骤S9，反复进行步骤S9以下相同的处理流程。
另一方面，在图7示出的步骤S2实施服务模式的情况下(步骤S2：“否”)，如图8所示，服务模式控制部96开始进行燃料电池***10的控制。服务模式控制部96也可以在服务模式中禁止移动体11的行驶。
在服务模式中，服务模式控制部96设定比低负载发电的气泵68的低负载转速LR大的服务模式转速。由此，将增加了供给量的阴极气体供给到气泵68的下游(步骤S21)。另外，移动体行驶中故障检测部94在服务模式中也判定***阀56或泄放阀58是否发生故障(步骤S22)。在服务模式中，处于阴极气体的供给量大而稀释了阳极气体的状态。因而，移动体行驶中故障检测部94例如通过所述流出量估计检测法(或压力下降检测法)花费时间来检测***阀56、泄放阀58的故障。
移动体行驶中故障检测部94在步骤S22判定了故障的情况下(步骤S22：“是”)，进至步骤S23，存储发生故障的阀的异常码。并且，移动体行驶中故障检测部94通过移动体11的未图示的通知部，将阳极系装置14发生异常的情形通知给移动体11的用户(步骤S24)。
在步骤S22***阀56和泄放阀58并未发生故障的情况下(步骤S22：“否”)以及步骤S24结束之后，ECU 80判定是否结束服务模式(步骤S25)。
在继续进行服务模式的情况下(步骤S25：“否”)，服务模式控制部96返回至步骤S21，反复进行步骤S21以下相同的处理流程。通过这样实施服务模式，燃料电池***10能够在移动体11行驶时确认密封阀55的故障来提前进行所需的措施。此外，移动体11可以在服务模式中许可行驶，由此能够容易地将移动体搬运到维修保养工厂等。
本发明并不限定于上述实施方式，根据发明的宗旨能够进行各种变更。例如，气泵68并不限定于压缩机，也可以应用鼓风机等能够供给氧化剂气体的设备。
另外，例如在所述处理流程中，ECU 80在移动体11行驶中检测到密封阀55(***阀56、泄放阀58)的故障的情况下，对密封阀55输出闭阀指令(图7中的步骤S6)。并不限定于此，ECU 80也可以进行如下控制：在移动体11行驶中检测到密封阀55的故障的情况下，与密封阀55未发生故障的状况的气泵68的转速相比使气泵68的转速增加。由此，能够将充分供给量的阴极气体导入阴极排出路64，并稀释阳极气体。
例如图9所示，燃料电池***10在阳极循环路44连接净化路110。并且，也可以设置对净化路110的流路进行开闭的净化阀112。在该情况下，净化路110具有与所述泄放路46相同的功能，净化阀112具有与所述泄放阀58相同的功能。或者，燃料电池***10具备将滞留在燃料电池堆12内的生成水直接排出的未图示的排水管。并且，也可以具备对排水管的流路进行开闭的密封阀55。对于燃料电池***10内包含的从阳极系装置14排出阳极气体的排出路和密封阀55的数量并不特别进行限定，也可以设置三个以上。
另外，作为其它变形例，燃料电池***10仅具备一个从阳极路径38排出阳极气体的排出路(例如***路54)。并且，也可以具备一个对该排出路进行开闭的密封阀55(例如***阀56)。这样即使排出路仅为一个，通过将行驶停止中的气泵68的转速设定为根据***阀56的流路截面面积设定的行驶停止时转速SR，也能够利用阴极气体对阳极气体充分地进行稀释。另外，该情况下的行驶停止时转速SR设定为比移动体11行驶中进行低负载发电时的气泵68的低负载转速LR大的值。
以下，说明能够通过所述实施方式掌握的发明以及效果。
本发明的一个方式是一种燃料电池***10，设置于移动体11，在所述燃料电池***10中，包括：燃料电池堆12；气泵68，其向燃料电池堆12供给阴极气体；阴极排出路64，其从燃料电池堆12排出阴极排气；阳极路径38，其使阳极气体在燃料电池堆12流通；一个以上的排出路(泄放路46、***路54)，其将阳极路径38的阳极气体导入至阴极排出路64；以及控制装置(ECU 80)，其控制气泵68的动作，控制装置在移动体11行驶中使气泵68以低负载转速LR旋转来供给阴极气体，由此能够使燃料电池堆12实施低负载发电，控制装置在移动体11的行驶停止中进行燃料电池堆12的发电的情况下，使气泵68以大于低负载转速LR的转速即行驶停止时转速SR旋转，来增加阴极气体的供给量。
如上所述，在燃料电池***10中，根据移动体11的行驶中或行驶停止中等的状况调整阴极气体的供给量，由此能够将适当地稀释过的阳极气体排出到移动体11的外部。特别是，在移动体11的行驶停止中，燃起的主要因素可能存在于移动体11的外部。在该情况下，燃料电池***10使气泵68以比低负载转速大的行驶停止时转速SR旋转。由此，排出到阴极排出路64的阴极气体能够充分地对阳极气体进行稀释。其结果，燃料电池***10不需要稀释器，而能够实现***整体的小型化。
另外，燃料电池***10在一个以上的排出路(泄放路46、***路54)具备对阳极气体的可流通状态和流通停止状态进行切换的一个以上的密封阀55(***阀56、泄放阀58)。根据一个以上的密封阀55的流路截面面积设定气泵68的行驶停止时转速SR。这样，根据密封阀55的流路截面面积设定行驶停止时转速SR，由此能够适当地使气泵68的阴极气体的供给量与阳极气体的稀释所需的量一致。由此，燃料电池***10不会使气泵68的旋转超过所需的量，因此实现发电的效率化。
另外，设置多个排出路(泄放路46、***路54)。并且，在多个排出路的每个排出路设置密封阀55，行驶停止时转速SR被设定为使阴极气体的供给量成为与从多个密封阀55排出的阳极气体的合计量对应的供给量。由此，即使多个密封阀55同时被打开，与从多个密封阀55排出的阳极气体的合计量对应的供给量的阴极气体也能够对阳极气体充分地进行稀释。
另外，阳极路径38包括阳极供给路40、阳极排出路42以及阳极循环路44。阳极供给路40向燃料电池堆12供给阳极气体。阳极排出路42从燃料电池堆12排出阳极排气，还具备气液分离器52。阳极循环路44使从气液分离器52排出的阳极排气在阳极供给路40循环。多个密封阀55包括***阀56和泄放阀58。***阀56对与气液分离器52相连接的排出路即***路54进行开闭，排出被分离出的水分。泄放阀58对与阳极循环路44相连接的排出路即泄放路46进行开闭，排出阳极排气。由此，在燃料电池***10中，即使在因***阀56和泄放阀58发生异常而两者打开的情况下，供给的适当的量的阴极气体也能够对阳极气体充分地进行稀释。
另外，控制装置(ECU 80)能够实施以下方法：第一检测方法，在移动体11行驶中检测密封阀55的故障；以及第二检测方法，在移动体11的行驶停止中检测密封阀55的故障。第一检测方法所需的检测时间比第二检测方法所需的检测时间短。由此，燃料电池***10在移动体11行驶中通过第一检测方法在较短的检测时间检测出故障，由此能够提前检测密封阀55的异常来使用户采取必要的措施。另一方面，燃料电池***10能够在移动体11的行驶停止中通过需要较长时间的第二检测方法来精度良好地检测密封阀55的异常，从而能够提高移动体11行驶中的安全性。
另外，控制装置(ECU 80)在移动体11行驶中检测到一个以上的密封阀55的故障的情况下，与检测故障之前的气泵68的转速相比，使检测出故障之后的气泵68的转速增加。由此，燃料电池***10即使在移动体11行驶中检测到密封阀55的故障的情况下，增加的阴极气体的供给量也能够充分地稀释阳极气体。
另外，控制装置(ECU 80)在检测到密封阀55的故障的情况下，对密封阀55输出闭阀指令。由此，燃料电池***10能够在检测到密封阀55的故障的情况下，直接减少阳极气体的排出。
另外，控制装置(ECU 80)在移动体11的行驶停止中检测到密封阀55的故障之后的移动体11的行驶中，与密封阀55未发生故障的状态下的气泵68的转速相比，使检测出故障之后的气泵68的转速增加。由此，燃料电池***10即使在移动体11行驶中密封阀55发生故障的情况下，也能够对阳极气体充分地进行稀释，并能够根据需要使移动体11移动。

Claims (8)

1.一种燃料电池***，设置于移动体，在所述燃料电池***中，包括：
燃料电池堆；
气泵，其向所述燃料电池堆供给阴极气体；
阴极排出路，其从所述燃料电池堆排出阴极排气；
阳极路径，其使阳极气体在所述燃料电池堆流通；
一个以上的排出路，其将所述阳极路径的阳极气体导入至所述阴极排出路；以及
控制装置，其控制所述气泵的动作，
所述控制装置在所述移动体行驶中使所述气泵以低负载转速旋转来供给所述阴极气体，从而能够使所述燃料电池堆实施低负载发电，
所述控制装置在所述移动体的行驶停止中进行所述燃料电池堆的发电的情况下，使所述气泵以大于所述低负载转速的转速即行驶停止时转速旋转，来增加所述阴极气体的供给量。
2.根据权利要求1所述的燃料电池***，其特征在于，
具备一个以上的密封阀，一个以上的所述密封阀对一个以上的所述排出路中的所述阳极气体的可流通状态与流通停止状态进行切换，
根据一个以上的所述密封阀的流路截面面积设定所述行驶停止时转速。
3.根据权利要求2所述的燃料电池***，其特征在于，
设置多个所述排出路，并且在多个所述排出路的每个排出路设置所述密封阀，
所述行驶停止时转速被设定为使所述阴极气体的供给量成为与从多个所述密封阀排出的所述阳极气体的合计量对应的供给量。
4.根据权利要求3所述的燃料电池***，其特征在于，
所述阳极路径包括：
阳极供给路，其向所述燃料电池堆供给所述阳极气体；
阳极排出路，其从所述燃料电池堆排出阳极排气，并且具备气液分离器；以及
阳极循环路，其使从所述气液分离器排出的所述阳极排气在所述阳极供给路循环，
多个所述密封阀包括：
***阀，其对与所述气液分离器相连接的所述排出路即***路进行开闭，排出被分离出的水分；以及
泄放阀，其对与所述阳极循环路相连接的所述排出路即泄放路进行开闭，排出所述阳极排气。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的燃料电池***，其特征在于，
所述控制装置能够实施：
第一检测方法，在所述移动体行驶中检测所述密封阀的故障；以及
第二检测方法，在所述移动体的行驶停止中检测所述密封阀的故障，
所述第一检测方法的检测时间比所述第二检测方法的检测时间短。
6.根据权利要求2所述的燃料电池***，其特征在于，
所述控制装置在所述移动体行驶中检测到一个以上的所述密封阀的故障的情况下，与检测所述故障之前的所述气泵的转速相比，使检测出所述故障之后的所述气泵的转速增加。
7.根据权利要求2所述的燃料电池***，其特征在于，
所述控制装置在检测到所述密封阀的故障的情况下，对所述密封阀输出闭阀指令。
8.根据权利要求2所述的燃料电池***，其特征在于，
所述控制装置在所述移动体的行驶停止中检测到所述密封阀的故障之后的所述移动体的行驶中，与所述密封阀未发生故障的状态下的所述气泵的转速相比，使检测出所述故障之后的所述气泵的转速增加。
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