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CN111200140A - 燃料电池系统 - Google Patents

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CN111200140A
CN111200140A CN201910836340.0A CN201910836340A CN111200140A CN 111200140 A CN111200140 A CN 111200140A CN 201910836340 A CN201910836340 A CN 201910836340A CN 111200140 A CN111200140 A CN 111200140A
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Abstract

本发明提供一种燃料电池系统，其具备第1燃料电池堆、第2燃料电池堆、供给路径、排出路径、导入部和控制装置，所述供给路径与所述第1燃料电池堆的所述氧化剂气体的入口连接，所述排出路径与所述第2燃料电池堆的所述氧化剂气体的出口连接，所述导入部将在所述排出路径流动的所述氧化剂气体中的水分向所述供给路径导入，所述控制装置通过使所述第1燃料电池堆的电压降低而进行所述第1燃料电池堆的刷新控制，所述刷新控制中，在使所述第2燃料电池堆发电的状态下使所述导入部工作。

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
燃料电池中，电极的铂催化剂随着时间的经过而氧化，其氧化被膜蓄积在铂催化剂的表面。另外，在铂催化剂的表面不仅附着氧化被膜，还会附着磺酸等杂质。因此，燃料电池的发电性能有可能由于氧化被膜和杂质而降低。
对此，有通过使燃料电池的电池电压暂时降低，将氧化被膜还原，并且使杂质从铂催化剂脱离，由此恢复燃料电池的发电性能的手段(例如参照日本特开2009-59610)。再者，以下的说明中将这样为了恢复发电性能而使电池电压暂时降低的控制记为“刷新控制”。
发明内容
在刷新控制时，氧化被膜通过还原反应而成为氧气，与废气一起从燃料电池排出，但杂质以固体的状态从铂催化剂脱离，因此在燃料电池内的液态水少的情况下，难以通过利用液态水使杂质充分流动而将其排出。如果刷新控制后在燃料电池内残留有杂质，则当电池电压恢复到通常的发电时的值时，杂质会再次附着在铂催化剂的表面，发电性能的恢复有可能不充分。
例如具备多个燃料电池堆的燃料电池系统中，在每个燃料电池堆的发电性能的恢复不充分的情况下，整体的发电性能有可能大大降低。
本发明提供能够在刷新控制时将杂质容易地排出的燃料电池系统。
本发明的第1技术方案涉及一种燃料电池系统，其具备第1燃料电池堆、第2燃料电池堆、供给路径、排出路径、导入部和控制装置，所述第1燃料电池堆和所述第2燃料电池堆通过燃料气体与氧化剂气体的化学反应分别发电，所述供给路径与所述第1燃料电池堆的所述氧化剂气体的入口连接，所述排出路径与所述第2燃料电池堆的所述氧化剂气体的出口连接，所述导入部将在所述排出路径流动的所述氧化剂气体中的水分向所述供给路径导入，所述控制装置通过使所述第1燃料电池堆的电压降低而进行所述第1燃料电池堆的刷新控制，所述刷新控制中，在使所述第2燃料电池堆发电的状态下使所述导入部工作。
可以构成为：在进行所述刷新控制时，所述控制装置使在所述供给路径流动的所述氧化剂气体的流量小于根据对所述第1燃料电池堆和所述第2燃料电池堆所要求的电力而使所述第1燃料电池堆发电时的流量，由此降低所述第1燃料电池堆的电压。
可以构成为：所述导入部包含加湿器，所述加湿器具备膜，所述膜使所述水分从所述排出路径侧向所述供给路径侧渗透。
可以构成为：所述导入部包含第1控制阀，所述第1控制阀将所述排出路径与所述加湿器连接，所述控制装置控制所述第1控制阀的开度，以使得所述刷新控制中在所述排出路径流动的所述氧化剂气体的至少一部分向所述加湿器流动。
可以构成为：所述导入部包含第2控制阀，所述第2控制阀将所述供给路径与所述加湿器连接，所述控制装置控制所述第2控制阀的开度，以使得所述刷新控制中在所述供给路径流动的所述氧化剂气体的至少一部分向所述加湿器流动。
可以构成为：所述导入部包含泵，所述泵将在所述排出路径流动的所述氧化剂气体向所述供给路径输送，所述控制装置在所述刷新控制中驱动所述泵。
可以构成为：所述燃料电池系统还具备空气压缩机，所述空气压缩机在所述供给路径中设置在所述导入部的上游侧，向所述第1燃料电池堆供给所述氧化剂气体，所述控制装置在所述刷新控制中停止所述空气压缩机的工作。
可以构成为：所述燃料电池系统还具备冷却装置，所述冷却装置将用于冷却所述第1燃料电池堆的冷却介质向所述第1燃料电池堆供给，所述控制装置在所述刷新控制中控制所述冷却装置，以使得所述冷却介质的供给量增加或所述冷却介质的温度降低。
根据本发明，能够在刷新控制时将杂质容易地排出。
附图说明
下面参考附图对本发明的示例性实施例的特征、优点、技术和工业重要性进行说明，附图中相同的标记表示相同的元件。
图1是表示第1实施例的燃料电池系统的结构图。
图2是表示第2实施例的燃料电池系统的结构图。
图3是表示第1和第2实施例中的ECU(电控单元；Electric Control Unit)的工作的一例的流程图。
图4是表示第1和第2实施例中的ECU的其它工作的流程图。
图5是表示第3实施例的燃料电池系统的结构图。
图6是表示第3实施例中的ECU的工作的一例的流程图。
图7是表示第3实施例的燃料电池系统的变形例的结构图。
具体实施方式
(第1实施例的燃料电池系统的结构)
图1是表示第1实施例的燃料电池系统9的结构图。燃料电池系统9例如搭载于燃料电池车，具有第1发电系统9a、第2发电系统9b、ECU1、逆变器(INV)43、发动机44和开关45a、45b。
第1发电系统9a具有燃料电池堆(FC)10a、电压传感器6a、阴极供给路径20a、阴极排出路径21a、旁通流路22a、空气压缩机30a、中冷器31a、三通阀32a、背压阀33a和加湿器34a、35a。第1发电系统9a还具有燃料电池堆10a用的DC(直流电；Direct Current)-DC转换器(FDC)40a、电池42a、电池42a用的DC-DC转换器(BDC)41a、散热器50a、冷却泵51a、冷却水供给路径52a和冷却水排出路径53a。
第2发电系统9b具有燃料电池堆10b、电压传感器6b、阴极供给路径20b、阴极排出路径21b、旁通流路22b、加湿流路23b、24b、空气压缩机30b、中冷器31b、三通阀32b、36b、背压阀33b和加湿器34b。第2发电系统9b还具有燃料电池堆10b用的DC-DC转换器(FDC)40b、电池42b、电池42b用的DC-DC转换器(BDC)41b、散热器50b、冷却泵51b、冷却水供给路径52b和冷却水排出路径53b。
阴极供给路径20a、20b是流通向燃料电池堆10a、10b供给的氧化剂气体的配管、阴极排出路径21a、21b是流通从燃料电池堆10a、10b排出的氧化剂废气的配管。再者，阴极供给路径20a是供给路径的一例，阴极排出路径21b是排出路径的一例。
另外，通过三通阀32a、32b，旁通流路22a、22b的一端与阴极供给路径20a、20b连接，另一端与阴极排出路径21a、21b连接。因此，氧化剂气体的一部分与三通阀32a、32b的旁通流路22a、22b侧的开度相对应地，从阴极供给路径20a、20b起流经旁通流路22a、22b向阴极排出路径21a、21b流动。
另外，省略了图示，第1发电系统9a和第2发电系统9b设有阳极供给路径作为流通向燃料电池堆10a、10b供给的燃料气体的配管，设有阳极排出路径作为流通从燃料电池堆10a、10b排出的燃料废气的配管。燃料气体作为一例为氢气，氧化剂气体作为一例为空气。
燃料电池堆10a、10b是固体高分子形的多个燃料电池(单电池)层叠而成的层叠体。燃料气体和氧化剂气体经由歧管向各燃料电池供给。各燃料电池设有包含具备铂催化剂的一对电极和电解质膜的膜电极接合体(MEA：Membrane ElectrodeAssembly)，在膜电极接合体中，氧化剂气体中的氧与燃料气体中的氢发生电化学反应，由此进行发电。燃料电池伴随发电会生成水分。
氧化剂气体从阴极供给路径20a、20b向燃料电池堆10a、10b供给而用于发电，从燃料电池堆10a、10b中作为氧化剂废气向阴极排出路径21a、21b排出。阴极供给路径20a、20b与燃料电池堆10a、10b的氧化剂气体的入口即氧化剂气体供给歧管100a、100b分别连接。另外，阴极排出路径21a、21b与燃料电池堆10a、10b的氧化剂气体的出口即氧化剂气体排出歧管101a、101b分别连接。
阴极供给路径20a、20b中，沿着从上游侧向下游侧的方向连接有空气压缩机30a、30b、中冷器31a、31b、三通阀32a、32b和加湿器34a、34b。
空气压缩机30a、30b经由阴极供给路径20a、20b向燃料电池堆10a、10b供给氧化剂气体。空气压缩机30a、30b在阴极供给路径20a、20b中，设置在比三通阀32a、32b和中冷器31a、31b靠上游侧。
空气压缩机30a、30b从外部纳入氧化剂气体并进行压缩。被压缩了的氧化剂气体向中冷器31a、31b输送。空气压缩机30a、30b由ECU1控制。中冷器31a、31b将通过压缩而升温的氧化剂气体冷却。被冷却了的氧化剂气体向三通阀32a、32b输送。
氧化剂气体的一部分从三通阀32a、32b向旁通流路22a、22b流动，从阴极排出路径21a、21b排出。氧化剂气体的剩余部分在阴极供给路径20a、20b中流动到加湿器34a、34b。加湿器34a、34b通过在阴极排出路径21a、21b中流动的氧化剂废气中的水分而将氧化剂气体加湿。
另外，在第1发电系统9a的阴极供给路径20a中的三通阀32a的下游侧且加湿器34a的上游侧，还连接有加湿器35a。加湿器35a通过从第2发电系统9b的阴极排出路径21b导入的水分而将氧化剂气体加湿。
加湿器34a、34b、35a，例如在中空纤维等的膜340a、340b、350a的一侧，使湿度相对较高的阴极排出路径21a、21b中流动的氧化剂废气的至少一部分通过。另外，加湿器34a、34b、35a，在膜340a、340b、350a的另一侧，使湿度相对较低的阴极供给路径20a、20b中流动的氧化剂气体的至少一部分通过。由此，加湿器34a、34b、35a经由膜340a、340b、350a使水分透过而进行加湿，但并不限定于此，也可以采用其他加湿方式。
阴极排出路径21a、21b与加湿器34a、34b和背压阀33a、33b连接。加湿器34a、34b从阴极排出路径21a、21b中流动的氧化剂废气中取出水分而用于氧化剂气体的加湿。背压阀33a、33b调整氧化剂废气的背压。
另外，在第2发电系统9b的阴极排出路径21b中的加湿器34b的下游侧且背压阀33b的上游侧连接有三通阀36b。三通阀36b也与加湿流路23b连接，加湿流路23b与加湿器35a连接。三通阀36b的加湿流路23b侧的开度由ECU1控制。
在阴极排出路径21b中流动的氧化剂废气的至少一部分，与三通阀36b的加湿流路23b侧的开度相对应地流经加湿流路23b而被导向加湿器35a。加湿器35a中，氧化剂废气中的水分透过膜350a向阴极供给路径20a移动。加湿器35a中用于加湿的氧化剂废气流经加湿流路24b返回阴极排出路径21b。再者，加湿器35a、三通阀36b和加湿流路23b、24b，是将阴极排出路径21b中流动的氧化剂气体中的水分向阴极供给路径20a导入的导入部的一例。另外，三通阀36b是第1控制阀的一例。
散热器50a、50b和冷却泵51a、51b是冷却装置的一例，向燃料电池堆10a、10b供给冷却水。冷却水是冷却燃料电池堆10a、10b的冷却介质的一例。
散热器50a、50b通过流动冷却水的冷却水供给路径52a、52b和冷却水排出路径53a、53b而与燃料电池堆10a、10b连接。冷却水从散热器50a、50b起通过冷却水供给路径52a、52b向燃料电池堆10a、10b流动。
燃料电池堆10a、10b会由于发电而发热，但通过利用冷却水进行冷却能够抑制升温。被用于冷却的冷却水，从燃料电池堆10a、10b起通过冷却水排出路径53a、53b返回散热器50a、50b。
在冷却水供给路径52a、52b设有冷却泵51a、51b。冷却泵51a、51b向燃料电池堆10a、10b送出冷却水。由此，冷却水在燃料电池堆10a、10b与散热器50a、50b之间循环。散热器50a、50b和冷却泵51a、51b的工作由ECU1控制。
DC-DC转换器40a、40b包含三极管等开关元件，通过开关元件的开关控制将燃料电池堆10a、10b的输出电压升压。DC-DC转换器40a、40b的升压工作由ECU1控制。逆变器43包含变压器、晶体管等，将燃料电池堆10a、10b的输出电流从直流电流转换为交流电流。逆变器43与驱动燃料电池车的车轮(未图示)的发动机44连接。发动机44通过交流电流而运转。
逆变器43与DC-DC转换器40a、40b、41a、41b经由开关45a、45b连接。开关45a、45b通过ECU1进行开关控制。由此，开关45a将燃料电池堆10a和电池42a与逆变器43电连接或电切断，开关45b将燃料电池堆10b和电池42b与逆变器43电连接或电切断。
再者，本实施方式中，公开了分别独立具备DC-DC转换器40a、40b、41a、41b和开关45a、45b的结构，但不限定于此。例如，也可以仅具备DC-DC转换器40a、40b、41a、41b，利用DC-DC转换器40a、40b、41a、41b内部的开关元件，将燃料电池堆10a、10b和电池42a、42b与逆变器43电连接或电切断。
电池42a、42b储存燃料电池堆10a、10b的电力的剩余部分。DC-DC转换器41a、41b包含三极管等开关元件，通过开关元件的开关控制将电池42a、42b的输出电压升压。电池42a、42b的电力例如经由逆变器43向发动机44供给。
电压传感器6a、6b检测燃料电池堆10a、10b的电池电压。电压传感器6a、6b可以设置于燃料电池堆10a、10b内的每个单电池，也可以仅设置于任何一个单电池。
ECU1是控制装置的一例，控制燃料电池系统9的工作。ECU1例如具有CPU(中央处理单元；Central Processing Unit)和储存有驱动CPU的程序和各种数据等的存储器。
ECU1为了调整燃料电池堆10a、10b的输出电流，对DC-DC转换器40a、40b进行控制。输出电流的调整手段不限定于DC-DC转换器40a、40b的控制，例如也可以通过控制燃料电池堆10a、10b的电负荷使输出电流变化。
另外，ECU1为了调整所供给的氧化剂气体的流量，对空气压缩机30a、30b进行控制。ECU1通过控制空气压缩机30a、30b，调整为得到输出电流而需要的氧化剂气体的流量。另外，同样通过控制未图示的喷射器，调整为得到输出电流而需要的燃料气体的流量。
另外，ECU1为了调整燃料电池堆10a、10b的温度，对散热器50a、50b和冷却泵51a、51b中的至少一者进行控制。例如散热器50a、50b具备风扇的情况下，ECU1通过控制风扇的转速使冷却水的温度变化，调整燃料电池堆10a、10b的温度。另外，ECU1例如通过控制冷却泵51a、51b的输出使冷却水的供给量变化，调整燃料电池堆10a、10b的温度。
本例中，举出由于第1发电系统9a的燃料电池堆10a内的燃料电池的铂催化剂的氧化以及杂质附着于催化剂表面而导致发电性能降低的情况。ECU1为了恢复燃料电池堆10a的发电性能，通过使燃料电池堆10a的输出电压降低至预定值以下，对燃料电池堆10a进行刷新控制。
例如ECU1一边维持燃料电池堆10a的通常的发电所需的燃料气体和氧化剂气体的流量，一边控制DC-DC转换器40a使燃料电池堆10a的输出电流增加。如果燃料电池堆10a的输出电流增加，则根据燃料电池的电压相对于电流的变化特性，燃料电池堆10a的输出电流降低。由此，燃料电池堆10a内的各燃料电池的电池电压暂时低于刷新控制所需的下限值。因此，燃料电池堆10a的发电性能得到恢复。
ECU1可以从燃料电池堆10a扫描预定的输出电流，并且减少向燃料电池堆10a供给的氧化剂气体的流量，由此使电池电压降低。伴随氧化剂气体的流量的减少，电池电压降低。例如ECU1通过降低空气压缩机30a的输出，使阴极供给路径20a的氧化剂气体的流量减少。由此，燃料电池堆10a内的各燃料电池的电池电压暂时低于刷新控制所需的下限值。因此，燃料电池堆10a的发电性能得到恢复。在此，预定的输出电流不限于恒定的电流。通常，氧化剂气体的流量减少的情况下，无法确保电化学反应所需的氧化剂气体的流量，因此无法维持ECU1指示的所需电流，实际发电的电流有时会降低。
在刷新控制时，附着于铂催化剂的氧化被膜通过还原反应而成为氧气，与废气一起从燃料电池排出，但附着于铂催化剂的杂质会以固体的状态从铂催化剂脱离，因此在燃料电池堆10a内的液态水少的情况下，难以通过利用液态水使杂质流动而将其排出。如果在刷新控制后杂质残留于燃料电池堆10a内，则当电池电压恢复为通常的发电时的值时，杂质有可能再次附着在铂催化剂的表面，导致发电性能的恢复不充分。
因此，ECU1在刷新控制中，在使第2发电系统9b的燃料电池堆10b发电的状态下，控制三通阀36b的加湿流路23b侧的开度以使得通过燃料电池堆10b的发电而生成的水分从发电中的第2发电系统9b的阴极排出路径21b向第1发电系统9a的阴极供给路径20a导入。通过ECU1使三通阀36b工作，水分从阴极排出路径21b向阴极供给路径20a导入。由此，阴极排出路径21b内的氧化剂废气的至少一部分被导向加湿器35a。
第2发电系统9b的燃料电池堆10b不处于刷新控制中，而是处于通常的发电中，因此阴极排出路径21b内的氧化剂废气包含足够的由于发电而生成的水分。氧化剂废气中的水分通过加湿器35a而用于阴极供给路径20a内的氧化剂气体的加湿，由此向阴极供给路径20a内移动。
从加湿器35a导入的水分，连同由空气压缩机30a泵送的氧化剂气体一起在阴极供给路径20a内流动，从而流入燃料电池堆10a。因此，刷新控制中的燃料电池堆10a内的水分量，会以由加湿器35a导入的量增加。由此，燃料电池堆10a能够充分地确保用于使通过刷新控制而从铂催化剂脱离的杂质流出的液态水。因此，燃料电池系统9能够在刷新控制时容易地排出杂质。
此时，加湿器35a利用在阴极排出路径21b中流动的氧化剂废气中的水分，将阴极供给路径20a中流动的氧化剂气体加湿。因此，仅水分从阴极排出路径21b向阴极供给路径20a移动，氧化剂废气不流入燃料电池堆10a。因此，ECU1能够通过空气压缩机30a的控制而调整向燃料电池堆10a供给的氧气的流量。
另外，三通阀36b将阴极排出路径21b与加湿器35a连接。ECU1控制三通阀36b的加湿流路23b侧的开度以使得在阴极排出路径21b中流动的氧化剂废气的至少一部分在刷新控制中向加湿器35a流动。因此，在阴极排出路径21b中流动的氧化剂废气，一部分从三通阀36b通过加湿流路23b向加湿器35a流动，剩余部分沿着阴极排出路径21b从三通阀36b通过背压阀33b而排出。因此，ECU1能够通过三通阀36b的开度而调整向燃料电池堆10a供给的水分量。
另外，燃料电池堆10a为了更有效地使杂质流出，优选确保较多液态水。因此，ECU1控制散热器50a或冷却泵51a以使得燃料电池堆10a的温度降低。
此时，例如ECU1可以通过增加冷却泵51a的输出而使冷却水的供给量增加，也可以通过增加散热器50a的风扇转速而使冷却水的温度降低。由此，如果燃料电池堆10a的温度降低，则燃料电池堆10a内的饱和水蒸气量也降低，因此水分容易从水蒸气变为液态水。因此，液态水的量增加，能够在刷新控制时更有效地使杂质流出。
(第2实施例的燃料电池系统的结构)
第1实施例中，调整从阴极排出路径21b流入加湿器35a的氧化剂废气的流量，但也可以相反地调整从阴极供给路径20a流入加湿器的氧化剂气体的流量。
图2是表示第2实施例的燃料电池系统9的结构图。图2中，对与图1共同的结构附带相同标记并省略其说明。
本例的燃料电池系统9，代替第1实施例的加湿器35a、三通阀36b和加湿流路23b、24b而具备加湿器35b、三通阀36a和加湿流路23a、24a。三通阀36a与阴极供给路径20a中的三通阀32a的下游侧且加湿器34a的上游侧连接。三通阀36a的加湿流路23a侧的开度由ECU1控制。
加湿流路23a的一端与三通阀36a连接，另一端与加湿器35b连接。加湿流路24a的一端与阴极供给路径20a连接，另一端与加湿器35b连接。
在阴极供给路径20a中流动的氧化剂气体的至少一部分，与三通阀36a的加湿流路23a侧的开度相对应地从加湿流路23a被导向加湿器35b。加湿器35b与加湿流路23a、24a和阴极排出路径21b连接。加湿器35b利用在阴极排出路径21b中流动的氧化剂废气中的水分，将从加湿流路23a流入的氧化剂气体加湿。加湿器35b例如通过经由中空纤维或膜使水分移动而进行加湿，但并不限定于此，也可以采用其他加湿方式。被加湿了的氧化剂气体流经加湿流路24a而返回阴极供给路径20a。
由此，与第1实施例同样地，阴极排出路径21b内的水分经由加湿器35b而导入阴极供给路径20a，向燃料电池堆10a供给。再者，加湿器35b、三通阀36a和加湿流路23a、24a是将在阴极排出路径21b中流动的氧化剂气体中的水分导入阴极供给路径20a的导入部的一例。
ECU1控制三通阀36a的加湿流路23a侧的开度，以使得在刷新控制中水分从发电中的第2发电系统9b的阴极排出路径21b向第1发电系统9a的阴极供给路径20a导入。因此，在阴极供给路径20a中流动的氧化剂气体，一部分从三通阀36a通过加湿流路23a向加湿器35b流动，剩余部分沿着阴极供给路径20a从三通阀36a向燃料电池堆10a供给。
加湿器35b利用阴极排出路径21b中流动的氧化剂废气中的水分，将阴极供给路径20a中流动的氧化剂气体的至少一部分加湿。加湿器35b具备使水分从阴极排出路径21b侧向阴极供给路径20a侧透过的膜350b。因此，能够仅使水分从阴极排出路径21b向阴极供给路径20a移动。
另外，三通阀36a将阴极供给路径20a与加湿器35b连接。ECU1控制三通阀36a的加湿流路23a侧的开度，以使得阴极供给路径20a中流动的氧化剂气体的至少一部分在刷新控制中向加湿器35b流动。因此，ECU1能够通过三通阀36a的加湿流路23a侧的开度而调整向燃料电池堆10a供给的水分量。
因此，燃料电池堆10a与第1实施例同样地，能够在刷新控制时利用从阴极排出路径21b供给的水分而将杂质容易地排出。
再者，本例的加湿器35b可以追加连接第1实施例的加湿流路23b、24b和三通阀36b。该情况下，ECU1不仅能够通过控制三通阀36a的加湿流路23a侧的开度而调整向加湿器35b流动的氧化剂气体的流量，还能够通过控制三通阀36b的加湿流路23b侧的开度而调整向加湿器35b流动的氧化剂废气的流量。
(第1和第2实施例的ECU的工作)
图3是表示第1和第2实施例中的ECU1的工作的一例的流程图。在本工作之前，ECU1将三通阀36b、36a的加湿流路23b、23a侧的开度设为0(关闭状态)，以使得水分不会从阴极排出路径21b经由加湿器35a、35b向阴极供给路径20a移动。另外，ECU1将开关45a、45b设为打开状态，以使得燃料电池堆10a、10b进行发电。
首先，ECU1判定是否需要进行燃料电池堆10a的刷新控制(步骤St1)。ECU1通过检测由燃料电池堆10a的铂催化剂的氧化或杂质的附着导致的发电性能的降低，判定是否需要进行刷新控制。发电性能的降低例如是通过将燃料电池堆10a以所需的预定电流值发电时的实际的输出电压与对应于电流值的阈值相比较而进行检测的。在此，阈值可以基于没有由于燃料电池堆10a的铂催化剂氧化或杂质的附着而使发电性能降低时的值而确定，例如与所需求的电流值相对应的阈值可以作为图表储存于ECU1内。
另外，ECU1可以从定时器等取得燃料电池堆10a的工作时间，在工作时间超过预定时间的情况下，视为发电性能降低，判定为需要进行刷新控制。ECU1在判定为不需要进行刷新控制的情况下(步骤St1中为否)，待机预定的时间(例如1秒钟、1分钟或1小时)(步骤St13)，再次进行步骤St1之后的各处理。
另外，ECU1在判定为需要进行刷新控制的情况下(步骤St1中为是)，取得燃料电池堆10a、10b整体所需的电力(以下记为“所需电力”)Preq(步骤St2)。所需电力Preq例如从未图示的加速踏板的开度传感器等取得。
接着，ECU1将所需电力Preq与阈值THreq进行比较(步骤St3)。再次，阈值THreq例如基于燃料电池堆10b的电力的最大值而确定。
ECU1在所需电力Preq为阈值THreq以上的情况下(步骤St3中为否)，根据所需电力Preq使燃料电池堆10a、10b分别发电(步骤St4)。ECU1例如控制空气压缩机30a、30b、DC-DC转换器40a、40b，以使得燃料电池堆10a、10b发电的电力的合计满足所需电力Preq。然后，ECU1待机预定时间(步骤St13)，再次进行步骤St1以后的各处理。
如后所述，在刷新控制时，ECU1为了降低向燃料电池堆10a供给的氧化剂气体的流量，使燃料电池堆10a的电力与步骤St4中进行通常发电的情况相比大大减少，成为接近零的值。因此，ECU1在所需电力Preq为阈值THreq以上的情况下(步骤St3中为否)，如果进行刷新控制，则判断为即使燃料电池堆10b发电也不满足所需电力Preq，不执行步骤St5以后的各处理，再次进行步骤St1以后的各处理。
另一方面，ECU1在所需电力Preq小于阈值THreq的情况下(步骤St3中为是)，进行步骤St5以后的各处理。
首先，ECU1在使燃料电池堆10b发电的状态下，停止作为刷新控制对象的燃料电池堆10a的发电(步骤St5)。此时，ECU1通过将开关45a设为关闭状态，切断燃料电池堆10a与逆变器43的电连接。由此，燃料电池堆10a实质上没有电负荷，因此处于发电停止的状态。在该状态下，燃料电池堆10a的输出电流成为零，燃料电池堆10a的电压成为开路电压。
再者，使燃料电池堆10a的发电停止的步骤(步骤St5)，可以不必须执行。例如，可以不停止燃料电池堆10a的发电，在成为以较小的恒定电流继续发电的空转状态后，执行接下来的步骤St6以后的处理。
另外，ECU1通过空气压缩机30b的控制，控制向燃料电池堆10b供给的氧化剂气体的流量，以使得不进行刷新控制的燃料电池堆10b的电力满足所需电力Preq。另外，ECU1通过控制未图示的喷射器，控制燃料气体的流量。由此，即使燃料电池堆10a停止发电，由于燃料电池堆10b进行通常的发电，因此也满足所需电力Preq，并且能确保用于向作为刷新控制对象的燃料电池堆10a供给的水分。
ECU1在进行刷新控制时，将三通阀36b、36a开阀，以使得水分从阴极排出路径21b经由加湿器35a、35b向阴极供给路径20a导入(步骤St6)。由此，从通常的发电中的燃料电池堆10b向作为刷新控制对象的燃料电池堆10a供给在发电中生成的水分。
接着，ECU1控制散热器50a或冷却泵51a，以使得燃料电池堆10a的温度降低(步骤St7)。例如ECU1可以通过增加散热器50a的风扇的转速而使冷却水的温度降低，也可以通过增加冷却泵51a的转速而使冷却水的流量增加。由此，燃料电池堆10a内的水蒸气变为液态水使得液态水的量增加，因此能够在刷新控制时更有效地使从铂催化剂脱离的杂质流出。
再者，可以不必须执行为了使燃料电池堆10a的温度降低而控制散热器50a或冷却泵51a的处理(步骤St7)。即使不使燃料电池堆10a的温度降低，通过将燃料电池堆10b的发电而生成的水分导入燃料电池堆10a，也能够使燃料电池堆10a的刷新控制中的液态水量增加，因此能够使杂质很好地流出。
然后，ECU1在此开始燃料电池堆10a的发电(步骤St8)。此时，ECU1通过打开开关45a，将燃料电池堆10a与逆变器43电连接。
接着，ECU1通过控制空气压缩机30a，使得向燃料电池堆10a供给的氧化剂气体的流量比通常的发电时少(步骤St9)。更具体而言，控制氧化剂气体的流量以使得氧化剂气体的化学计量比小于1。在此，化学计量比是指实际向燃料电池堆10供给的氧化剂气体的流量相对于产生燃料电池堆10a所要求的电流的电化学反应所需的氧化剂气体的流量之比。此时，燃料电池堆10a中，由于残存在燃料电池堆10a内的氧化剂气体量快速减少，因此燃料电池堆10a的输出电压也快速降低。
像这样，ECU1通过使阴极供给路径20a中流动的氧化剂气体的流量小于如步骤St4中的控制那样根据所需电力Preq而使燃料电池堆10a发电的情况下的流量，降低燃料电池堆10a的电压。由此，进行燃料电池堆10a的刷新控制。
上述的刷新控制中，通过阴极供给路径20a中流动的氧化剂气体的流量的减少，使得由燃料电池堆10a的发电而生成的水分量减少。但是，由于从通常的发电中的燃料电池堆10b向刷新控制中的燃料电池堆10a供给水分，因此燃料电池堆10a能够使从铂催化剂脱离的杂质充分流出。
另外，通过燃料电池堆10a的发电而生成的水分量，在由于氧化剂气体的流量的减少控制而使输出电压降低的情况下，少于一边供给通常的发电所需的氧化剂气体的流量一边仅通过输出流量的增加控制而使输出电压降低的情况。因此，在进行氧化剂气体的流量的减少控制的情况下，通过将从通常的发电中的燃料电池堆10b排出的水分经由加湿器35a、35b向燃料电池堆10a供给，能够在刷新控制时使产生的杂质流出的效果更显著。
然后，ECU1从电压传感器6a取得燃料电池堆10a的电池电压E(步骤St10)。此时，ECU1例如可以取得燃料电池堆10a的各燃料电池的电池电压的平均值作为电池电压E。
接着，ECU1为了判断刷新控制的完成，将电池电压E与刷新控制所需的预定的刷新电压THe进行比较(步骤St11)。ECU1在电池电压E为刷新电压THe以上的情况下(步骤St11中为否)，判断为刷新控制未完成，再次执行步骤St10以后的各处理。
另外，ECU1在电池电压E小于刷新电压THe的情况下(步骤St11中为是)，判断为刷新控制完成，停止刷新控制(步骤St12)。此时，ECU1将三通阀36a、36b的开度和燃料电池堆10a的氧化剂气体的供给量恢复为步骤St5以前的状态。
像这样，ECU1进行工作。再者，ECU1在已知通过刷新控制使电池电压E达到刷新电压THe为止的所需时间的情况下，可以代替步骤St11的判定，判定是否从步骤St9的处理完成起经过了预定时间。
(第1和第2实施例的ECU的其它工作)
ECU1也可以与上述工作不同地，在将向燃料电池堆10a供给的氧化剂气体的流量维持为与所需电力Preq相对应的流量的状态下，使燃料电池堆10a的输出电流增加，由此进行刷新控制。
图4是表示第1和第2实施例中的ECU1的工作的另一例的流程图。图4中，对与图3共同的处理附带相同标记并省略其说明。
在本工作之前，ECU1将三通阀36b、36a的加湿流路23b、23a侧的开度设为0(关闭状态)，以使得水分不会从阴极排出路径21b经由加湿器35a、35b向阴极供给路径20a移动。另外，ECU1将开关45a、45b设为打开状态以使得燃料电池堆10a、10b进行发电。
首先，ECU1取得燃料电池堆10a、10b整体的所需电力Preq(步骤St1a)。接着，ECU1根据所需电力Preq而使燃料电池堆10a、10b分别发电(步骤St2a)。ECU1例如控制空气压缩机30a、30b、DC-DC转换器40a、40b，以使得燃料电池堆10a、10b发电的电力的合计满足所需电力Preq。
然后，ECU1判定是否需要进行燃料电池堆10a的刷新控制(步骤St3a)。该判定通过与上述步骤St1的判定相同的方法进行。ECU1在判定为不需要进行刷新控制的情况下(步骤St3a中为否)，待机预定的时间(步骤St13)，再次进行步骤St1a以后的各处理。
另外，ECU1在判定为需要进行刷新控制的情况下(步骤St3a中为是)，执行上述步骤St6、St7的处理。
接着，ECU1在将向燃料电池堆10a供给的氧化剂气体的流量维持为步骤St2a中的通常的发电时的流量的状态下，使燃料电池堆10a的输出电流增加(步骤St9a)。此时，ECU1例如通过对DC-DC转换器40a进行电控制而使燃料电池堆10a的输出电流增加。燃料电池堆10a的输出电压会随着输出电流的增加，根据氧化剂气体较多的情况下的电流-电压特性而降低。由此，燃料电池堆10a的输出电压低于刷新电压THe。
另外，通过燃料电池堆10a的输出电流的增加，燃料电池堆10a发电的电力大于步骤St2a中的通常发电的电力。此时，ECU1可以通过例如控制空气压缩机30b以使得进行通常的发电的燃料电池堆10b的电力减少，从而将燃料电池堆10a、10b的合计电力调整成为所需电力Preq。在此，所需电力Preq小的情况下，燃料电池堆10a、10b发电的电力的合计有时会大于所需电力Preq，在该情况下，大于所需电力Preq的剩余部分的电力被储存于电池42a、42b中。
然后，ECU1执行步骤St10～St12的各处理，像这样，ECU1进行工作。
(第3实施例的燃料电池系统的结构)
第1和第2实施例中，通过燃料电池堆10b的发电而生成的水分从阴极排出路径21b起经由加湿器35a、35b向阴极供给路径20a移动，但也可以从阴极排出路径21b其经由泵向阴极供给路径20a移动。
图5是表示第3实施例的燃料电池系统9的结构图。图5中，对与图1共同的结构附带相同标记并省略其说明。
本例的燃料电池系统9，代替第1实施例的加湿器35a、三通阀36b和加湿流路23b、24b而具有中继泵38b、三通阀37b和中继流路25b。三通阀37b与阴极排出路径21b中的背压阀33b的上游侧且加湿器34b的下游侧连接。三通阀37b的中继流路25b侧的开度由ECU1控制。
中继流路25b的一端与三通阀37b连接，另一端与阴极供给路径20a连接。中继泵38b是泵的一例，设置于中继流路25b上。中继泵38b、三通阀37b和中继流路25b是将阴极排出路径21b中流动的氧化剂废气中的水分导入阴极供给路径20a的导入部的一例。
在阴极排出路径21b中流动的氧化剂废气的至少一部分，根据三通阀37b的中继流路25b侧的开度而向中继流路25b流动。中继泵38b通过由ECU1的控制而驱动，将氧化剂气体向阴极供给路径20a送出。氧化剂废气包含由于燃料电池堆10b的发电而产生的水分，氧化剂废气中的水分从阴极供给路径20a被导入燃料电池堆10a。
由此，燃料电池堆10a能够在刷新控制时将从铂催化剂脱离的杂质容易地排出。
另外，ECU1在燃料电池堆10a的刷新控制时驱动中继泵38b，因此燃料电池堆10a中，与第1和第2实施例不同，不仅是水分，还将包含水分的氧化剂废气向燃料电池堆10a供给。因此，燃料电池堆10a利用氧化剂废气中的低浓度的氧气而发电。
此时，ECU1在刷新控制时停止空气压缩机30a的工作，由此能够使燃料电池堆10a仅利用来自阴极供给路径20a的低浓度的氧气而发电。此时，燃料电池堆10a发电的电力比空气压缩机的工作停止前低，因此能够容易地使燃料电池堆10a的输出电压降低至刷新控制所需的刷新电压THe。再者，即使空气压缩机30a停止，中继泵38b也被驱动，因此氧化剂废气能够从阴极排出路径21b向燃料电池堆10a流动。
(第3实施例的ECU的工作)
图6是表示第3实施例中的ECU1的刷新控制时的工作的一例的流程图。图6中，对与图3共同的处理附带相同标记并省略其说明。在本处理之前，ECU1停止中继泵38b以使得水分不会从阴极排出路径21b起经由中继泵38b向阴极供给路径20a移动，并且将三通阀37b的中继流路25b侧的开度设为0。另外，ECU1将开关45a、45b设为打开状态以使得燃料电池堆10a、10b进行发电。
ECU1在步骤St5的处理之后，将三通阀37b开阀以使得水分从阴极排出路径21b起经由中继泵38b导入阴极供给路径20a(步骤St6a)。由此，在阴极排出路径21b中流动的氧化剂废气的一部分，根据三通阀37b的中继流路25b侧的开度而向中继流路25b流动。ECU1能够通过三通阀37b的开度的控制而调整向中继流路25b流动的氧化剂废气的流量。
接着，ECU1驱动中继泵38b(步骤St6b)。由此，氧化剂废气从中继流路25b导入阴极供给路径20a。
在步骤St8的处理之后，ECU1停止对作为刷新控制对象的燃料电池堆10a供给氧化剂气体(步骤St9b)。此时，ECU1停止空气压缩机30a的工作。因此，仅有来自通常的发电中的燃料电池堆10b的氧化剂废气经由阴极供给路径20a向燃料电池堆10a供给，燃料电池堆10a利用氧化剂废气中的低浓度的氧气而进行发电。
因此，燃料电池堆10a与像第1实施例的步骤St9那样氧化剂气体的流量减少的情况同样地在氧化剂气体不足的状态下发电，输出电压降低。
另外，通过燃料电池堆10a的发电而生成的水分量，由于氧化剂气体的供给停止而减少。但是，从通常的发电中的燃料电池堆10b向刷新控制中的燃料电池堆10a供给氧化剂废气中的水分，因此燃料电池堆10a能够使从铂催化剂脱离的杂质充分地流出。
(第3实施例的燃料电池系统的变形例)
在此之前，举出了第1发电系统9a的燃料电池堆10a一边导入通过第2发电系统9b的燃料电池堆10b的发电而生成的水分一边进行刷新控制的情况，但除此之外，也可以是第2发电系统9b的燃料电池堆10b一边导入通过第1发电系统9a的燃料电池堆10a的发电而生成的水分一边进行刷新控制。该情况下，燃料电池系统9还设有用于将氧化剂废气从第1发电系统9a的阴极排出路径21a导入第2发电系统9b的阴极供给路径20b的结构。
图7是表示第3实施例的燃料电池系统9的变形例的结构图。图7中，对与图5共同的结构附带相同标记并省略其说明。
燃料电池系统9，除了图5的结构以外，还可以具有中继泵38a、三通阀37a和中继流路25a。三通阀37a与阴极排出路径21a中的背压阀33a的上游侧且加湿器34a的下游侧连接。三通阀37a的中继流路25a侧的开度由ECU1控制。
中继流路25a的一端与三通阀37a连接，另一端与阴极供给路径20b连接。中继泵38a设置在中继流路25a上。中继泵38a、三通阀37a和中继流路25a将阴极排出路径21a中流动的氧化剂废气中的水分导入阴极供给路径20b。
ECU1与上述同样地在燃料电池堆10b的刷新控制中控制三通阀37a的中继流路25a侧的开度，驱动中继泵38a。因此，在阴极排出路径21a中流动的氧化剂废气流经中继流路25a而被导入阴极供给路径20b，从阴极供给路径20b被导入燃料电池堆10b。因此，燃料电池堆10b能够在刷新控制时利用氧化剂废气中的水分将从铂催化剂脱离的杂质容易地排出。
再者，第1实施例的加湿器35a、三通阀36b和加湿流路23b、24b，或第2实施例的加湿器35b、三通阀36a和加湿流路23a、24a，可以与本例同样地追加以使得在阴极排出路径21a中流动的氧化剂废气中的水分被导入阴极供给路径20a。另外，燃料电池系统9可以在阴极排出路径21a、21b中具备气液分离器。该情况下，在阴极排出路径21a、21b中流动的氧化剂废气中的水分，通过气液分离器从氧化剂废气中作为液态水被取出，通过如上所述的加湿器、泵而被导入阴极供给路径20b、20a。
上述实施方式是本发明的优选实施例。但并不限定于此，可以在不脱离本发明主旨的范围内实施各种变形。

Claims (8)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，具备第1燃料电池堆、第2燃料电池堆、供给路径、排出路径、导入部和控制装置，
所述第1燃料电池堆和所述第2燃料电池堆通过燃料气体与氧化剂气体的化学反应分别发电，
所述供给路径与所述第1燃料电池堆的所述氧化剂气体的入口连接，
所述排出路径与所述第2燃料电池堆的所述氧化剂气体的出口连接，
所述导入部将在所述排出路径流动的所述氧化剂气体中的水分向所述供给路径导入，
所述控制装置通过使所述第1燃料电池堆的电压降低而进行所述第1燃料电池堆的刷新控制，所述刷新控制中，在使所述第2燃料电池堆发电的状态下使所述导入部工作。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
在进行所述刷新控制时，所述控制装置使在所述供给路径流动的所述氧化剂气体的流量小于根据对所述第1燃料电池堆和所述第2燃料电池堆所要求的电力而使所述第1燃料电池堆发电时的流量，由此降低所述第1燃料电池堆的电压。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述导入部包含加湿器，所述加湿器具备膜，所述膜使所述水分从所述排出路径侧向所述供给路径侧渗透。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述导入部包含第1控制阀，所述第1控制阀将所述排出路径与所述加湿器连接，
所述控制装置控制所述第1控制阀的开度，以使得所述刷新控制中在所述排出路径流动的所述氧化剂气体的至少一部分向所述加湿器流动。
5.根据权利要求3或4所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述导入部包含第2控制阀，所述第2控制阀将所述供给路径与所述加湿器连接，
所述控制装置控制所述第2控制阀的开度，以使得所述刷新控制中在所述供给路径流动的所述氧化剂气体的至少一部分向所述加湿器流动。
6.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述导入部包含泵，所述泵将在所述排出路径流动的所述氧化剂气体向所述供给路径输送，
所述控制装置在所述刷新控制中驱动所述泵。
7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于，
还具备空气压缩机，所述空气压缩机在所述供给路径中设置在所述导入部的上游侧，向所述第1燃料电池堆供给所述氧化剂气体，
所述控制装置在所述刷新控制中停止所述空气压缩机的工作。
8.根据权利要求1～7的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
还具备冷却装置，所述冷却装置将用于冷却所述第1燃料电池堆的冷却介质向所述第1燃料电池堆供给，
所述控制装置在所述刷新控制中控制所述冷却装置，以使得所述冷却介质的供给量增加或所述冷却介质的温度降低。
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