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CN106299404B - 燃料电池系统 - Google Patents

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CN106299404B CN201610463948.XA CN201610463948A CN106299404B CN 106299404 B CN106299404 B CN 106299404B CN 201610463948 A CN201610463948 A CN 201610463948A CN 106299404 B CN106299404 B CN 106299404B
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Abstract

本发明提供一种燃料电池系统，能够抑制在运转结束后水分残留于燃料电池和辅机类。燃料电池系统(100)具备控制部(10)、燃料电池(20)、阴极气体供排部(30)以及阳极气体供排循环部(50)。控制部(10)作为对使燃料电池(20)的运转结束时的结束处理进行控制的结束处理控制部(15)而发挥功能。作为结束处理，结束处理控制部(15)在执行使燃料电池(20)急速升温的急速预热运转之后，执行燃料电池(20)的升温速度比急速预热运转慢的通常预热运转，在此基础上，执行燃料电池(20)的扫气处理。

Description

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
在固体高分子型燃料电池(以下，也简称作“燃料电池”。)中，在发电时，会在内部产生大量的水分。在燃料电池系统中，为了抑制因冰点下等低温环境下的残留水分的冻结而引起的起动性的降低，在其运转结束时，执行通过扫气等来除去燃料电池的内部和/或系统内的残留水分的处理(例如，下述专利文献1～3等)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008-034309号公报
专利文献2：日本特开2010-108757号公报
专利文献3：日本特开2005-317264号公报
发明内容
发明所要解决的课题
在燃料电池系统的运转结束时，优选通过扫气处理而在阀、泵等与反应气体、排气的流通相关的辅机类中也充分地除去内部的残留水分。然而，在低温环境下等的扫气时，有时在这样的辅机类的内部残留水分会冻结，辅机类内部的残留水分无法被充分地除去。
在上述专利文献2、3所记载的燃料电池系统中，为了除去附着于背压阀等阀的水分，对阀执行扫气处理和/或加热处理。然而，在上述专利文献2、3的技术中，因为这样的针对阀的加热处理和/或扫气处理与针对燃料电池的扫气处理相独立地执行，所以系统效率有可能降低。这样，在燃料电池系统中，关于抑制在运转结束后水分残留于燃料电池和/或辅机类的技术，依然存在改良的余地。
用于解决课题的技术方案
本发明是为了解决上述课题中的至少一部分而做出的，可以作为以下的方案来实现。
[1]根据本发明的一个方案，提供一种燃料电池系统。该燃料电池系统可以具备燃料电池、反应气体供给部、气体流通辅机、结束处理控制部、电池温度取得部以及辅机温度取得部。所述反应气体供给部可以能够向所述燃料电池供给反应气体。所述气体流通辅机可以设置于从所述燃料电池排出的排气流通的通路。所述结束处理控制部可以控制使所述燃料电池的运转结束时的结束处理的执行。所述电池温度取得部可以能够取得与所述燃料电池的温度相关的信息即电池温度信息。所述辅机温度取得部可以能够取得与所述气体流通辅机的温度相关的信息即辅机温度信息。所述结束处理控制部可以能够在所述结束处理中执行第一预热处理、第二预热处理以及扫气处理。所述第一预热处理可以是为了在所述燃料电池中发热而使所述反应气体供给部执行所述反应气体对所述燃料电池的供给来使所述燃料电池发电的处理。所述第二预热处理可以是以使所述燃料电池的每单位时间的升温量比所述第一预热处理时大的方式控制所述燃料电池的运转条件的处理。所述扫气处理可以是使所述反应气体供给部将所述反应气体作为扫气气体向所述燃料电池供给从而至少对所述燃料电池和所述气体流通辅机进行扫气的处理。所述结束处理可以包括如下处理：基于所述电池温度信息和所述辅机温度信息，执行了所述第二预热处理之后，执行所述第一预热处理，在此基础上，执行所述扫气处理。根据该方案的燃料电池系统，能够在扫气处理之前使燃料电池和气体流通辅机均升温，所以可提高由扫气处理带来的残留水分的除去效果。
[2]在上述方案的燃料电池系统中，所述电池温度取得部可以直接或间接地计测所述燃料电池的温度，并取得表示所述燃料电池的温度的电池温度作为所述电池温度信息，所述辅机温度取得部可以直接或间接地计测所述气体流通辅机的温度，并取得表示所述气体流通辅机的温度的辅机温度作为所述辅机温度信息，所述结束处理控制部可以在开始执行所述第二预热处理之后，在所述电池温度超过规定的第一电池温度阈值、且所述辅机温度为规定的辅机温度阈值以下时，从所述第二预热处理切换为所述第一预热处理，进而在所述电池温度超过比所述第一电池温度阈值高的规定的第二电池温度阈值之后，执行所述扫气处理。根据该方案的燃料电池系统，第一预热处理、第二预热处理、扫气处理可在与燃料电池的实际的温度和气体流通辅机的实际的温度相符的更适当的正时执行。
[3]在上述方案的燃料电池系统中，所述结束处理控制部可以在从所述第二预热处理进行切换而开始执行所述第一预热处理之后，在所述辅机温度超过了所述辅机温度阈值时所述电池温度比所述第二电池温度阈值低的情况下，再次执行所述第二预热处理。根据该方案的燃料电池系统，能够在扫气处理之前在更短时间内高效地使燃料电池升温。
[4]在上述方案的燃料电池系统中，在所述第二预热处理中，所述结束处理控制部可以通过使相对于所述燃料电池的发电量的所述反应气体所含的氧化气体的供给量比所述第一预热处理时少，来增大每所述单位时间的所述燃料电池的升温量。根据该方案的燃料电池系统，无需使用用于燃料电池的加热的辅机等，能够通过燃料电池的反应气体的供给控制来简易地切换第一预热处理和第二预热处理，是高效的。
上述的本发明的各方案所具有的多个构成要素并非都是必需的，可以为了解决上述课题的一部分或全部或者为了达到本说明书所记载的效果的一部分或全部而适当针对所述多个构成要素的一部分构成要素进行其变更、删除、与新的其他构成要素之间的替换、限定内容的局部删除。另外，也可以为了解决上述课题的一部分或全部或者为了达到本说明书所记载的效果的一部分或全部而将上述的本发明的一个方案所包含的技术特征的一部分或全部与上述的本发明的其他方案所包含的技术特征的一部分或全部组合而作为本发明的独立的一个方案。
本发明也可以以燃料电池系统以外的各种方案来实现。例如，可以以燃料电池系统的控制装置、燃料电池系统的控制方法、燃料电池系统的结束处理装置、燃料电池系统的运转结束方法、燃料电池系统的预热装置、燃料电池系统的预热方法、燃料电池系统的扫气装置、燃料电池系统的扫气方法、用于实现所述装置的控制或所述方法的计算机程序、记录有该计算机程序的非暂时性的记录介质等方式来实现。
附图说明
图1是表示第一实施方式的燃料电池系统的结构的概略图。
图2是表示第一实施方式中的结束处理的流程的说明图。
图3是表示第一实施方式中的预热运转控制的流程的说明图。
图4是表示第一实施方式中的结束处理的时间图的一例的说明图。
图5是表示第二实施方式中的辅机温度取得处理的流程的说明图。
图6是表示第二实施方式中的辅机温度取得处理所使用的升温速度映射的一例的说明图。
图7是表示第三实施方式中的预热运转控制的流程的说明图。
具体实施方式
A.第一实施方式：
[燃料电池系统的结构]
图1是表示本发明的一实施方式的燃料电池系统100的结构的概略图。该燃料电池系统100搭载于燃料电池车辆，主要根据来自驾驶员的要求而输出用作燃料电池车辆的驱动力的电力。燃料电池系统100具备控制部10、燃料电池20、阴极气体供排部30、阳极气体供排循环部50以及制冷剂供给部70。
控制部10由具备中央处理装置和主存储装置的微型计算机构成，通过在主存储装置上读入程序并执行该程序来发挥各种功能。控制部10在燃料电池系统100的运转期间控制以下说明的各构成部30、50、70，来执行使燃料电池20发出与输出要求相应的电力的燃料电池20的发电控制。
另外，在本实施方式中，控制部10具有作为结束处理控制部15的功能，该结束处理控制部15执行使燃料电池系统100的运转结束时的结束处理。在本实施方式的燃料电池系统100中，通过在低温环境下的结束处理中执行扫气处理，来抑制水分残留在燃料电池系统100的运转停止后的系统内。关于结束处理的内容，将在后面进行叙述。
而且，在本实施方式中，控制部10具有作为电池温度取得部17的功能和作为辅机温度取得部18的功能。如后所述，电池温度取得部17基于制冷剂供给部70中的温度计测部76的计测结果而取得表示燃料电池20的温度的电池温度TFC。另外，辅机温度取得部18借助设置于阳极气体供排循环部50的氢泵64的泵温度计测部64t来取得表示氢泵64的温度的辅机温度TAM。电池温度TFC和辅机温度TAM在结束处理中被使用。
燃料电池20是接受燃料气体(氢)和氧化气体(氧)的供给作为反应气体来发电的固体高分子型燃料电池。燃料电池20具有多个电池单体21层叠而成的堆叠构造。各电池单体21分别是即使以单体形成也能够发电的发电元件。电池单体21具有在电解质膜的两面配置有电极的发电体即膜电极接合体和夹着膜电极接合体的两片分隔件(未图示)。电解质膜由固体高分子薄膜构成，所述固体高分子薄膜在内部包含有水分的湿润状态时显现良好的质子传导性。
阴极气体供排部30具有向燃料电池20的阴极侧供给氧化气体的功能和将从燃料电池20的阴极侧排出的阴极排气以及排水向燃料电池系统100的外部排出的功能。阴极气体供排部30具备阴极气体配管31、空气压缩机32、空气流量计33以及开闭阀34，作为氧化气体的供给系统。阴极气体配管31与燃料电池20的阴极侧的入口连接。空气压缩机32经由阴极气体配管31与燃料电池20连接，取入外气并将压缩后的空气向燃料电池20供给。
空气流量计33在空气压缩机32的上游侧对空气压缩机32所取入的外气的量进行计测，并向控制部10发送。控制部10基于该计测值驱动空气压缩机32，由此来控制对于燃料电池20的空气的供给量。开闭阀34设置于空气压缩机32与燃料电池20之间。开闭阀34通常处于关闭状态，在从空气压缩机32向阴极气体配管31供给了具有规定压力的空气时打开。
阴极气体供排部30还具备阴极排气配管41、调压阀43以及压力计测部44，作为氧化气体的排出系统。阴极排气配管41与燃料电池20的阴极侧的出口连接，能够将阴极排气和排水向燃料电池系统100的外部排出。调压阀43调整阴极排气配管41中的阴极排气的压力(燃料电池20的阴极侧的背压)。压力计测部44设置于调压阀43的上游侧，计测阴极排气的压力，并将该计测值向控制部10发送。控制部10基于压力计测部44的计测值来调整调压阀43的开度。
阳极气体供排循环部50具有向燃料电池20的阳极侧供给燃料气体的功能。另外，阳极气体供排循环部50具有将从燃料电池20的阳极侧排出的阳极排气以及排水向燃料电池系统100的外部排出的功能和在燃料电池系统100内使阳极排气循环的功能。
阳极气体供排循环部50具备阳极气体配管51、氢罐52、开闭阀53、调节器54、氢供给装置55以及压力计测部56，作为燃料气体的供给系统。在氢罐52中填充有用于向燃料电池20供给的高压氢。氢罐52经由阳极气体配管51与燃料电池20的阳极侧的入口连接。
在阳极气体配管51上，从上游侧(氢罐52侧)起依次设置有开闭阀53、调节器54、氢供给装置55以及压力计测部56。开闭阀53是用于对氢从氢罐52向氢供给装置55的上游侧的流入进行控制的阀。开闭阀53的开闭动作由控制部10控制。
调节器54是用于调整氢供给装置55的上游侧的氢的压力的减压阀，其开度由控制部10控制。氢供给装置55例如由作为电磁驱动式的开闭阀的喷射器构成。压力计测部56计测氢供给装置55的下游侧的氢的压力，并向控制部10发送。控制部10基于压力计测部56的计测值控制表示氢供给装置55的开闭正时的驱动周期，由此来控制向燃料电池20供给的氢量。
阳极气体供排循环部50具备阳极排气配管61、气液分离部62、阳极气体循环配管63、氢泵64、阳极排水配管65以及排水阀66，作为燃料气体的排出循环系统。阳极排气配管61与燃料电池20的阳极侧的出口和气液分离部62连接。
气液分离部62与阳极气体循环配管63和阳极排水配管65连接。经由阳极排气配管61流入到了气液分离部62中的阳极排气被气液分离部62分离成气体成分和水分。在气液分离部62内，阳极排气的气体成分被导向阳极气体循环配管63，水分被导向阳极排水配管65。
阳极气体循环配管63连接于阳极气体配管51的比氢供给装置55靠下游处。在阳极气体循环配管63设置有氢泵64。氢泵64作为将在气液分离部62分离出的气体成分所含的氢向阳极气体配管51送出的循环泵而发挥功能。控制部10经由氢泵64所具有的编码器(省略图示)取得氢泵64的当前的转速，并将其用于氢泵64的驱动控制。
在本实施方式中，在氢泵64设置有泵温度计测部64t。如上所述，在本实施方式中，辅机温度取得部18取得泵温度计测部64t对氢泵64的温度的实测值作为辅机温度TAM。在本实施方式中，氢泵64相当于本发明中的气体流通辅机的下位概念。另外，辅机温度TAM相当于辅机温度信息的下位概念。
在阳极排水配管65设置有排水阀66。排水阀66根据来自控制部10的指令而开闭。控制部10通常将排水阀66关闭，在预先设定的规定的排水正时和/或阳极排气中的非活性气体的排出正时打开排水阀66。阳极排水配管65的下游端与阴极排气配管41合流，以使得能够将阳极侧的排水和阳极排气混合于阴极侧的排水和阴极排气而排出(省略图示)。
阴极气体供排部30和阳极气体供排循环部50相当于本发明中的反应气体供给部的下位概念。在本实施方式中，在结束处理控制部15所执行的结束处理中，执行使燃料电池20升温的预热(暖机)处理。在预热处理中，阴极气体供排部30以及阳极气体供排循环部50作为预热运转执行部而对燃料电池20供给反应气体。另外，在本实施方式中，在结束处理控制部15所执行的结束处理中，执行对燃料电池20的内部以及燃料电池系统100内进行扫气的扫气处理。在扫气处理中，阴极气体供排部30的空气压缩机32和阳极气体供排循环部50的氢泵64作为扫气执行部而发挥功能，该扫气执行部将反应气体作为扫气气体进行供给。关于预热处理和/或扫气处理的详细情况，将在后面进行叙述。
制冷剂供给部70具备制冷剂用配管71、散热器72以及循环泵75。制冷剂用配管71是用于使用于冷却燃料电池20的制冷剂循环的配管，包括上游侧配管71a和下游侧配管71b。上游侧配管71a将燃料电池20内的制冷剂流路的出口和散热器72的入口连接。下游侧配管71b将燃料电池20内的制冷剂流路的入口和散热器72的出口连接。散热器72具有取入外气的风扇，通过在制冷剂用配管71的制冷剂与外气之间进行热交换来冷却制冷剂。循环泵75设置于下游侧配管71b。制冷剂借助循环泵75的驱动力而在制冷剂用配管71内流动。
在本实施方式中，在制冷剂供给部70设置有用于检测燃料电池20的温度的温度计测部76。温度计测部76设置于制冷剂供给部70的上游侧配管71a。如上所述，电池温度取得部17基于由温度计测部76取得的从燃料电池20排出的制冷剂的温度的计测值，来取得表示燃料电池20的温度的电池温度TFC。电池温度TFC相当于本发明中的电池温度信息的下位概念。
另外，本实施方式的燃料电池系统100在其电气系统中至少具备二次电池和DC/DC转换器(省略图示)。二次电池储存燃料电池20所输出的电力和/或再生电力，与燃料电池20一起作为电力源发挥功能。DC/DC转换器能够对二次电池的充放电和/或燃料电池20的输出电压进行控制。
[燃料电池系统的结束处理]
图2是表示在第一实施方式的燃料电池系统100中由结束处理控制部15执行的结束处理的流程的说明图。结束处理控制部15例如在检测到了由燃料电池车辆的驾驶员进行的运转结束操作(点火关闭的操作)时等结束燃料电池系统100的运转时，执行以下的结束处理。
在步骤S10中，结束处理控制部15判定可否执行扫气处理。扫气处理是为了减少残留水分而向燃料电池20和/或反应气体以及排气的流通路径供给扫气气体的处理(详细情况将在后面叙述)。结束处理控制部15在系统停止期间外气温度有可能达到冰点的情况下，决定执行扫气处理。例如，结束处理控制部15可以在由外气温度传感器(省略图示)等取得的外气温度比10℃低的情况和基于日期信息和/或时刻信息检测到了当前是冬天的半夜的情况下，决定执行扫气处理。另外，也可以在基于当前的燃料电池的电阻值和/或表示运转结束前的燃料电池20的发电量等运转历史记录的信息而检测到了在燃料电池20内和/或系统内残留有大量的水分的情况下，决定执行扫气处理。结束处理控制部15在系统停止期间外气温度到达冰点的可能性低的情况下，不执行扫气处理就结束燃料电池系统100的运转。
在步骤S13中，结束处理控制部15基于由电池温度取得部17取得的电池温度TFC和由辅机温度取得部18取得的辅机温度TAM，判定可否执行预热运转。预热运转是以燃料电池20的升温为目的而使燃料电池20发电的运转，相当于本发明中的预热处理的下位概念。结束处理控制部15在电池温度TFC和辅机温度TAM是在执行了扫气处理时氢泵64内的水分有可能冻结的温度的情况下，决定执行预热运转。结束处理控制部15在电池温度TFC是比后述的第一温度Tf1低的温度、且辅机温度TAM是比后述的辅机阈值温度Ta低的温度时，决定执行预热运转。更具体而言，结束处理控制部15在电池温度TFC为比50℃低的温度、且辅机温度TAM为10℃以下时，决定执行预热运转。
结束处理控制部15在步骤S13中决定了不执行预热运转的情况下，不执行步骤S15的预热运转控制就开始步骤S18的扫气处理。由此，可抑制多余执行预热运转而引起系统效率降低的情况。
结束处理控制部15在步骤S13中决定了执行预热运转的情况下，执行步骤S15的预热运转控制。通过在预热运转控制中执行预热运转，如后所述，能够高效地提高燃料电池20的温度和以氢泵64为首的燃料电池20的排气所流通的辅机类的温度。因此，可提高在之后执行的扫气处理中流动的扫气气体的温度，并且可抑制辅机类中的水分的冻结，高效地提高由扫气处理带来的残留水分的除去效果。此外，在预热运转中由燃料电池20发电得到的电力在燃料电池系统100内的空气压缩机32、氢泵64等辅机中被消耗，并且剩余部分被储存于二次电池。关于预热运转控制的详细情况，将在后面进行叙述。
在步骤S18的扫气处理中，结束处理控制部15驱动阴极气体供排部30的空气压缩机32来取入外气，将该外气作为扫气气体向燃料电池20的阴极侧供给。另外，结束处理控制部15在关闭阳极气体供排循环部50的开闭阀53并使氢供给装置55的驱动停止了的状态下，驱动氢泵64。由此，将残留于燃料电池系统100的阳极气体的循环路径的气体作为扫气气体而循环供给，对该循环路径内进行扫气。
[预热运转控制]
图3是表示第一实施方式中的预热运转控制的流程的说明图。如上所述，预热运转是以燃料电池20的升温作为目的而使燃料电池20发电的运转。在本实施方式的燃料电池系统100中所执行的预热运转存在“通常预热运转”和“急速预热运转”这两个种类。在预热运转控制中，适当地切换执行通常预热运转和急速预热运转。以下，在说明了通常预热运转和急速预热运转的差异的基础上，说明预热运转控制的流程。
通常预热运转是燃料电池20的升温速度比较缓慢的预热运转。在通常预热运转中，氧化气体的供给量相对于燃料气体的供给量的比率与燃料电池车辆的通常行驶时为同等程度。更具体而言，在本实施方式的通常预热运转中，以相对于基于发电反应的反应式而针对燃料电池20的发电量理论上求出的氧化气体的所需量，实际被供给到燃料电池20的氧化气体的供给量为1.5～2.0倍左右的方式，控制反应气体的供给量。通常预热运转下的燃料电池20的发电控制也可以与燃料电池车辆的怠速时所执行的发电控制大致相同。在该情况下，通常预热运转也可以解释成是进行燃料电池20的通常的发电控制的通常运转的一个形态。通常预热运转相当于本发明中的第一预热处理的下位概念。
另一方面，急速预热运转是以在更短时间内使燃料电池20升温为目的，每单位时间的燃料电池20的升温量(燃料电池20的升温速度)比通常预热运转大的预热运转。在本实施方式的急速预热运转中，通过燃料电池20的发电控制，使燃料电池20的升温速度比通常预热运转时高。在本实施方式的急速预热运转中，以上述的氧化气体的供给量相对于根据燃料电池20的发电量求出的氧化气体的所需量的比率比通常预热运转时小的方式，向燃料电池20供给反应气体。具体而言，在本实施方式的急速预热运转中，氧化气体的实际的供给量被控制成与基于发电反应的反应式而针对燃料电池20的发电量理论上求出的氧化气体的所需量大致相等。由此，在急速预热运转中，燃料电池20的发电效率比通常预热运转时低，可促进基于发电的产热，燃料电池20的升温速度比通常预热运转高。急速预热运转相当于本发明中的第二预热处理的下位概念。在本实施方式的燃料电池系统100中，通常预热运转和急速预热运转可通过燃料气体与氧化气体的供给量比率的变更而简易地切换。
在预热运转控制中，首先，结束处理控制部15开始急速预热运转，以使燃料电池20在短时间内升温(步骤S20)。这是因为，如在结束处理的控制中所说明那样，预热运转控制在电池温度TFC低时开始，所以优选能够急速地预热燃料电池20。
结束处理控制部15在电池温度TFC为规定阈值即第一温度Tf1以下的期间，使急速预热运转继续(步骤S22)。并且，在电池温度TFC变得比第一温度Tf1高时结束急速预热运转(步骤S24)。第一温度Tf1相当于本发明中的第一电池温度阈值的下位概念。第一温度Tf1优选是位于燃料电池20的端部的电池单体21切实地比0℃高的程度的温度。由此，可抑制急速预热运转在燃料电池20的所有电池单体21充分升温之前就结束。
另外，第一温度Tf1优选被设定为比燃料电池20的通常的运转温度低的温度。在本说明书中，燃料电池20的通常的运转温度是指在外气温度为20～30℃的状态下使燃料电池20持续进行0.8～1.0V的输出电压的发电时的平均运转温度。优选将第一温度Tf1设定为这样的低的值的理由如下所述。
在步骤S20～S24中执行急速预热运转时，氢泵64等辅机类的温度有时会保持比0℃低的状态。例如，在之前一直被放置在低温环境下的燃料电池系统100起动后，立即使其结束了运转的情况下，就会出现上述状态。若在这样的状态时燃料电池20的温度达到超过通常的运转温度的高温，则温度高而会使包含大量的水蒸气的排气流入辅机类，排气中的水分有可能会在辅机类的内部冻结。因此，为了抑制这样的辅机类内部的水分的冻结，也优选此阶段的急速预热运转在电池温度TFC比燃料电池20的通常的运转温度低时结束。
这样，第一温度Tf1优选被设定为能够使燃料电池20的所有电池单体21充分地升温、且比燃料电池20的通常的运转温度低的温度。第一温度Tf1优选被设定为例如50～60℃左右。
在步骤S26中辅机温度TAM为规定的辅机阈值温度Ta以下的情况下，结束处理控制部15开始通常预热运转(步骤S30)。辅机阈值温度Ta相当于本发明中的辅机温度阈值的下位概念。辅机阈值温度Ta优选是可确保在预热运转期间以及此后的扫气处理的执行期间，在氢泵64中不会发生水分的冻结的温度。辅机阈值温度Ta可以设为例如10～20℃左右。此外，在步骤S26中辅机温度TAM比辅机阈值温度Ta高的情况下，在步骤S28以后，执行不切换成通常预热运转的控制。关于步骤S28以后的控制，将在说明了执行通常预热运转的控制之后进行说明。
步骤S30中的通常预热运转主要以氢泵64的升温为目的。若在预热运转控制中使氢泵64升温，则可抑制在执行后面的扫气处理时扫气气体所含的水分在氢泵64的内部冻结而残留，可提高扫气处理的扫气效果。
根据本发明的发明人通过实验而得到的见解，在急速预热运转时和通常预热运转时，包含氢泵64的辅机类的每单位时间的升温量之差是微小的。即，即使是通常预热运转，也能够与急速预热运转同样地使氢泵64升温。于是，在本实施方式中，在通过急速预热运转使燃料电池20的温度升高一定程度后，通过可抑制燃料电池20的运转温度急剧升高的通常预热运转使氢泵64升温。由此，可抑制因从温度高的燃料电池20向温度提高之前的氢泵64流入包含大量的水分的排气而导致氢泵64冻结，能够使氢泵64更切实地升温。另外，由于能够不多余进行急速预热运转中的燃料电池20的低效率的发电地使氢泵64升温，所以是高效的。
结束处理控制部15判定辅机温度TAM是否比规定的前述的辅机阈值温度Ta高，在辅机温度TAM为辅机阈值温度Ta以下的情况下，使通常预热运转继续(步骤S32)。结束处理控制部15在辅机温度TAM变得比辅机阈值温度Ta高的情况下，结束通常预热运转(步骤S34)，并判定电池温度TFC是否比规定阈值即第二温度Tf2高(步骤S36)。在电池温度TFC比第二温度Tf2高的情况下，结束处理控制部15开始执行扫气处理(图2的步骤S18)。
第二温度Tf2优选被设定为比第一温度Tf1高一定程度的温度，以提高扫气处理的扫气效果。另外，为了抑制燃料电池20在运转结束前多余地变为高温，第二温度Tf2也优选被设定为与燃料电池20的通常的运转温度同等程度或者比其低的温度。在本实施方式中，第二温度Tf2被设定为60～80℃。第二温度Tf2相当于本发明中的第二电池温度阈值的下位概念。
在步骤S36中电池温度TFC为第二温度Tf2以下的情况下，结束处理控制部15为了使燃料电池20急速升温而再次使急速预热运转开始(步骤S42)。第二次的急速预热运转持续到电池温度TFC变得比第二温度Tf2高为止(步骤S44)。若是该阶段，则由于氢泵64已被升温，所以即使通过急速预热运转使燃料电池20急速地升温，也可抑制氢泵64的冻结。结束处理控制部15在电池温度TFC变得比第二温度Tf2高时，结束急速预热运转(步骤S46)，并开始扫气处理(图2的步骤S18)。
这样，在本实施方式中，在通过通常预热运转将辅机温度TAM提高到比辅机阈值温度Ta高之后，在电池温度TFC被提高到比第二温度Tf2高的基础上，执行扫气处理。由此，不仅可抑制氢泵64中的水分的冻结，也可提高扫气处理中的扫气气体的温度而增大扫气气体对于水分的带走量。因此，可提高由扫气处理带来的残留水分的除去效果。
对不执行通常预热运转的步骤S28以后的控制进行说明。在步骤S28中电池温度TFC比规定的第二温度Tf2高的情况下，由于氢泵64的温度和燃料电池20的温度足够高，所以结束处理控制部15执行扫气处理(图2的步骤S18)。即，在该情况下，在执行急速预热运转之后，不切换成通常预热运转而直接执行扫气处理。
另一方面，在步骤S28中电池温度TFC为第二温度Tf2以下的情况下，虽然氢泵64的温度高达可抑制冻结的程度，但燃料电池20的温度并不足够，所以结束处理控制部15开始第二次的急速预热运转(步骤S42)。此外，在该情况下，实质上也可以解释成在步骤S20中开始的急速预热运转持续到电池温度TFC超过第二温度Tf2为止。结束处理控制部15在电池温度TFC超过第二温度Tf2之后执行扫气处理(步骤S44、S46，图2的步骤S18)。这样，在本实施方式中，在通过急速预热运转提高了燃料电池20的温度之后，氢泵64的温度是可抑制冻结的程度的温度的情况下，省略通常预热运转的执行，因此是高效的。
图4是表示第一实施方式的结束处理中的预热运转和扫气处理的执行期间的时间图的一例的说明图。在该时间图中例示了结束处理开始之后的电池温度TFC和辅机温度TAM的时间变化、以及急速预热运转、通常预热运转、扫气处理各自的执行期间。
在时刻t0～t1期间，首先执行急速预热运转，电池温度TFC急速上升至第一温度Tf1。不过，在该期间，辅机温度TAM仅稍微上升。在切换成通常预热运转之后，由于电池温度TFC已经升高，所以辅机温度TAM的升温速度变快，氢泵64升温至辅机阈值温度Ta(时刻t1～t2)。不过，在该例子中，在切换成通常预热运转之后，电池温度TFC在外气温度的影响下稍微降低。
在时刻t2，由于电池温度TFC比第二温度Tf2低，所以从通常预热运转切换成急速预热运转。由此，燃料电池20的升温速度再次被提高，燃料电池20被急速预热至第二温度Tf2(时刻t2～t3)。此后，在电池温度TFC比第二温度Tf2高、且辅机温度TAM比辅机阈值温度Ta高的状态下，执行扫气处理。
[总结]
如以上那样，在本实施方式的燃料电池系统100中，在其停止期间外气温度有可能达到冰点下的情况下，在结束处理中通过执行扫气处理来减少残留于系统内的反应气体和排气的路径的水分。因此，可抑制因残留水分的冻结而引起的燃料电池系统100的起动性的降低。另外，在本实施方式的燃料电池系统100中，在燃料电池20和/或氢泵64的温度低的情况下，在预热运转控制中执行预热运转，使燃料电池20和氢泵64升温。因此，在扫气处理中，可提高扫气气体对于水分的带走量，并且可抑制氢泵64内的水分的冻结而提高由扫气处理带来的水分的除去效果。
而且，在本实施方式的燃料电池系统100中，在预热运转控制中，在通过急速预热运转使燃料电池20急速升温之后，通过通常预热运转使氢泵64升温。由此，既能抑制氢泵64中的冻结的发生，又能使氢泵64与燃料电池20一起升温。该控制例如在之前一直被放置在低温环境下的燃料电池系统100起动之后在燃料电池20和氢泵64的温度还没充分升高时就结束燃料电池系统100的运转等情况下特别有效。另外，这与为了抑制氢泵64的冻结而一边通过制冷剂供给部70的冷却将燃料电池20的温度抑制得低一边持续进行急速预热运转相比，是高效的。除此之外，在本实施方式的燃料电池系统100中，在氢泵64升温之后，在难以通过通常预热运转使燃料电池20升温的情况下，从通常预热运转再次切换成急速预热运转，所以能够更切实地在短时间内使燃料电池20升温。除此之外，根据本实施方式的燃料电池系统100，能够起到在上述实施方式内说明的各种作用效果。
B.第二实施方式：
图5是表示在本发明的第二实施方式的燃料电池系统之中执行的辅机温度取得处理的流程的说明图。第二实施方式的燃料电池系统除了没有在氢泵64设置泵温度计测部64t这一点以外，具有与第一实施方式的燃料电池系统100大致相同的结构。在第二实施方式的燃料电池系统中，由结束处理控制部15执行与在第一实施方式中说明的结束处理(图2)和预热运转控制(图3)同样的处理。在第二实施方式的燃料电池系统中，不限于结束处理的执行期间，辅机温度取得部18在氢泵64进行驱动的期间内周期性地反复执行以下所说明的辅机温度取得处理，逐次更新表示氢泵64的温度的辅机温度TAM。辅机温度TAM如在第一实施方式中所说明那样，由结束处理控制部15在结束处理和预热运转控制中使用。
在步骤S50中，辅机温度取得部18读入并取得在控制部10的存储部(省略图示)存储的上次值PTAM。在辅机温度取得处理的执行为初次的情况下，辅机温度取得部18读入非易失性地存储的上次值PTAM即初始值。初始值可以基于表示燃料电池系统100的运转历史记录的信息、当前的电池温度TFC、当前的环境温度等而适当设定。
在步骤S51中，辅机温度取得部18从电池温度取得部17取得当前的电池温度TFC。在步骤S52中，辅机温度取得部18经由氢泵64所具备的编码器(省略图示)来取得当前的氢泵64的转速RC。
在步骤S53中，辅机温度取得部18使用预先准备的映射，基于当前的电池温度TFC和当前的氢泵64的转速RC取得氢泵64的升温速度VTP。“氢泵64的升温速度”是指每单位时间的氢泵64的升温量。
图6是概念性地表示在步骤S53中用于取得氢泵64的升温速度VTP的映射的一例的说明图。该映射19(以下，称作“升温速度映射19”。)中，按氢泵64的每个转速RC而设定了燃料电池20的温度越高则氢泵64的升温速度VTP越高的关系。
在本实施方式中，升温速度映射19中的氢泵64的升温速度VTP是基于由氢泵64的转速RC决定的阳极排气的流量和氢泵64从包含饱和水蒸气量的水蒸气的阳极排气的受热量而算出的值。辅机温度取得部18基于与当前的氢泵64的转速RC对应的燃料电池20的温度与氢泵64的升温速度VTP之间的关系，取得相对于当前的电池温度TFC的氢泵64的升温速度VTP。
在步骤S54(图5)中，辅机温度取得部18使氢泵64的升温速度VTP乘以与辅机温度取得处理的执行周期相当的微小时间Δt，并加上上次值PTAM，由此算出泵温度的辅机温度TAM的本次值(下述(A)式)。
TAM＝PTAM+VTP×Δt…(A)
在步骤S55中，辅机温度取得部18将所获得的辅机温度TAM的本次值存储于存储部。辅机温度取得部18在下一周期的辅机温度取得处理的步骤S50中读入在存储部存储的辅机温度TAM的本次值作为上次值PTAM。另外，结束处理控制部15在结束处理和预热运转控制中读入在存储部存储的辅机温度TAM的本次值，用作表示当前的氢泵64的温度的推定值。
如以上那样，第二实施方式的辅机温度取得部18通过逐次的简单运算来取得表示当前的氢泵64的温度的辅机温度TAM。第二实施方式的辅机温度TAM可以解释成是间接地计测当前的氢泵64的温度而得到的值。根据第二实施方式的燃料电池系统，可通过逐次的简单运算取得表示当前的氢泵64的温度的辅机温度TAM，并将其使用于结束处理和/或预热运转控制。因此，能够省略直接地测定氢泵64的温度的泵温度计测部64t，是高效的。除此之外，根据第二实施方式的燃料电池系统，能够起到与在第一实施方式中所说明的各种作用效果同样的作用效果。
C.第三实施方式：
图7是表示本发明的第三实施方式的预热运转控制的流程的说明图。第三实施方式的燃料电池系统具有与第一实施方式的燃料电池系统100(图1)大致相同的结构，执行与在第一实施方式中说明的结束处理(图2)同样的处理。在第三实施方式的燃料电池系统中执行的预热运转控制除了省略了步骤S28、S42～S46的处理这一点以外，与第一实施方式的预热运转控制大致相同。在第三实施方式的预热运转控制中，在步骤S26中辅机温度TAM为辅机阈值温度Ta以下的情况下，切换为通常预热运转(步骤S30)。在切换成通常预热运转之后辅机温度TAM变得比辅机阈值温度Ta高时，或者在步骤S26中辅机温度TAM已经变得比辅机阈值温度Ta高的情况下，执行扫气处理(图2的步骤S18)。在第三实施方式的预热运转控制中，也能够使燃料电池20和氢泵64升温，所以可提高扫气处理的扫气效果。除此之外，若是第三实施方式的燃料电池系统，则能够起到与在第一实施方式中说明的各种作用效果同样的作用效果。此外，在第三实施方式的燃料电池系统中，辅机温度取得部18也可以通过与在第二实施方式中所说明的辅机温度取得处理同样的处理来取得辅机温度TAM。
D.变形例：
D1.变形例1：
在上述各实施方式中，结束处理控制部15取得反应气体或排气所流通的辅机中的氢泵64的温度作为辅机温度TAM，并基于该辅机温度TAM控制预热运转，以抑制氢泵64中的冻结。与此相对，结束处理控制部15也可以取得表示氢泵64以外的排气所流通的其他辅机的温度的辅机温度TAM，并基于该辅机温度TAM控制预热运转。例如，结束处理控制部15也可以取得表示阴极气体供排部30的调压阀43的温度的辅机温度TAM，并基于该辅机温度TAM控制预热运转，以抑制调压阀43中的冻结。即，本发明中的气体流通辅机不限于氢泵64，也可以是燃料电池20的排气所流通的其他辅机。
D2.变形例2：
在上述各实施方式中，通过使急速预热运转的发电效率比通常预热运转时低，来使急速预热运转中的每单位时间的升温量比通常预热运转时大。与此相对，也可以通过其他方法来使急速预热运转中的燃料电池20的每单位时间的升温量比通常预热运转时大。只要通过由结束处理控制部15变更燃料电池20的运转条件而使急速预热运转中的燃料电池20的每单位时间的升温量比通常预热运转时大即可。例如，在急速预热运转中，也可以通过在结束处理控制部15的控制下使流入制冷剂供给部70的制冷剂升温，来增大燃料电池20的每单位时间的升温量。或者，也可以通过由在结束处理控制部15的控制下驱动的加热器等加热单元对燃料电池20进行加热，来增大燃料电池20的每单位时间的升温量。
D3.变形例3：
在上述各实施方式中，扫气处理由阴极气体供排部30和阳极气体供排循环部50的双方执行。与此相对，扫气处理也可以仅由阴极气体供排部30或阳极气体供排循环部50中的任一方执行。不过，在仅由阴极气体供排部30执行扫气处理的情况下，预热运转控制优选取代氢泵64而基于表示阴极气体供排部30所含的排气所流通的辅机(例如调压阀43)的温度的辅机温度TAM来执行。
D4.变形例4：
在上述第一实施方式中，辅机温度取得部18通过泵温度计测部64t取得氢泵64的温度的实测值，作为辅机温度TAM。另外，在上述的第二实施方式中，辅机温度取得部18取得氢泵64的温度的推定值作为辅机温度TAM。这样，辅机温度TAM只要是表示氢泵64等作为抑制水分的冻结的对象的辅机的温度的参数即可，辅机温度TAM也可以通过上述各实施方式的方法以外的方法取得。辅机温度TAM例如也可以基于在氢泵64的下游侧的配管设置的温度传感器的计测值来取得。另外，在上述各实施方式中，电池温度取得部17基于与燃料电池20的温度具有相关关系的制冷剂温度，取得表示燃料电池20的温度的电池温度TFC作为间接的计测值。与此相对，电池温度TFC也可以通过其他方法取得。电池温度TFC只要是表示燃料电池20的温度的参数即可，可以以由温度传感器直接地计测燃料电池20的温度而得到的实测值的形式来取得，也可以基于例如燃料电池20的发电状态、发电特性的变化等而以推定值的形式来取得。
D5.变形例5：
在上述各实施方式中，结束处理控制部15基于电池温度TFC和辅机温度TAM执行预热运转控制。与此相对，结束处理控制部15也可以基于电池温度TFC以外的与燃料电池20的温度相关的电池温度信息和/或辅机温度TAM以外的与氢泵64的温度相关的信息即辅机温度信息，来执行预热运转控制。在此，电池温度信息只要是与燃料电池20的温度状态相关联的信息即可。电池温度信息包括电池温度TFC，除了电池温度TFC以外，也包括能够间接地导出燃料电池20的当前的温度的信息，这样的信息例如有表示燃料电池20的运转历史记录的信息、表示配置有燃料电池20的环境温度的信息等。表示环境温度的信息除了温度计测值以外，还包括能够间接地求出当前的温度倾向的当前的日期信息、时刻信息等。同样地，辅机温度信息只要是与氢泵64等作为对象的辅机的温度状态关联的信息即可。辅机温度信息包括辅机温度TAM，除了辅机温度TAM以外，还包括能够间接地导出氢泵64的当前的温度的信息，这样的信息例如有表示氢泵64的运转历史记录的信息、表示配置有氢泵64的环境温度的信息等。在结束处理中，结束处理控制部15也可以在基于上述的电池温度信息和/或辅机温度信息而推定为燃料电池20的温度为在上述的各实施方式中所说明的第一温度Tf1以下、且氢泵64的温度为在上述的各实施方式中所说明的辅机阈值温度Ta以下的情况下，决定执行预热运转控制(步骤S15)。另外，也可以基于电池温度信息和/或辅机温度信息决定急速预热运转和/或通常预热运转各自的执行时间，按照该执行时间依次执行急速预热运转和通常预热运转。
本发明并不限于上述的实施方式、实施例、变形例，能够在不脱离其主旨的范围内以各种结构实现。例如，与发明内容一栏所记载的各方案中的技术特征对应的实施方式、实施例、变形例中的技术特征能够为了解决上述课题的一部分或全部或者为了达到上述效果的一部分或全部而适当进行替换、组合。另外，若该技术特征在本说明书中没有作为必要技术特征来说明，则能够适当地进行删除。
标号说明
10…控制部
15…结束处理控制部
17…电池温度取得部
18…辅机温度取得部
19…升温速度映射
20…燃料电池
21…电池单体
30…阴极气体供排部
31…阴极气体配管
32…空气压缩机
33…空气流量计
41…阴极排气配管
43…调压阀
44…压力计测部
50…阳极气体供排循环部
51…阳极气体配管
52…氢罐
53…开闭阀
54…调节器
55…氢供给装置
56…压力计测部
61…阳极排气配管
62…气液分离部
63…阳极气体循环配管
64…氢泵
64t…泵温度计测部
65…阳极排水配管
66…排水阀
70…制冷剂供给部
71(71a、71b)…制冷剂用配管
72…散热器
75…循环泵
76…温度计测部
100…燃料电池系统

Claims (4)

1.一种燃料电池系统，其中，具备：
燃料电池；
反应气体供给部，能够向所述燃料电池供给反应气体；
气体流通辅机，设置于从所述燃料电池排出的排气流通的通路；
结束处理控制部，控制使所述燃料电池的运转结束时的结束处理的执行；
电池温度取得部，能够取得电池温度信息，所述电池温度信息是与所述燃料电池的温度相关的信息；以及
辅机温度取得部，能够取得辅机温度信息，所述辅机温度信息是与所述气体流通辅机的温度相关的信息，
在所述结束处理中，所述结束处理控制部能够执行：
第一预热处理，为了在所述燃料电池中发热，使所述反应气体供给部执行所述反应气体对所述燃料电池的供给来使所述燃料电池发电；
第二预热处理，以使所述燃料电池的每单位时间的升温量比所述第一预热处理时大的方式控制所述燃料电池的运转条件；以及
扫气处理，使所述反应气体供给部将所述反应气体作为扫气气体向所述燃料电池供给，由此至少对所述燃料电池和所述气体流通辅机进行扫气，
所述结束处理包括如下处理：基于所述电池温度信息和所述辅机温度信息，执行了所述第二预热处理之后，执行所述第一预热处理，在此基础上，执行所述扫气处理。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，
所述电池温度取得部直接或间接地计测所述燃料电池的温度，并取得表示所述燃料电池的温度的电池温度作为所述电池温度信息，
所述辅机温度取得部直接或间接地计测所述气体流通辅机的温度，并取得表示所述气体流通辅机的温度的辅机温度作为所述辅机温度信息，
所述结束处理控制部在开始执行所述第二预热处理之后，在所述电池温度超过规定的第一电池温度阈值且所述辅机温度为规定的辅机温度阈值以下时，从所述第二预热处理切换为所述第一预热处理，进而在所述电池温度超过比所述第一电池温度阈值高的规定的第二电池温度阈值之后，执行所述扫气处理。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，
所述结束处理控制部在从所述第二预热处理进行切换而开始执行所述第一预热处理之后，在所述辅机温度超过了所述辅机温度阈值时所述电池温度比所述第二电池温度阈值低的情况下，再次执行所述第二预热处理。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的燃料电池系统，
在所述第二预热处理中，所述结束处理控制部通过使相对于所述燃料电池的发电量的所述反应气体所含的氧化气体的供给量比所述第一预热处理时少，来增大所述每单位时间的所述燃料电池的升温量。
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