具体实施方式

[燃料电池系统的示意性配置1]

图1是燃料电池系统1的示意性配置视图。燃料电池系统1被安装在诸如燃料电池车辆、电动车辆、混合动力车辆等的车辆中，但是也适用于除了车辆以外的各种移动体(例如，轮船、飞机、机器人等)和固定电源。燃料电池系统1包括电子控制单元(ECU)3、燃料电池堆4、氧化剂气体供应系统10和燃料气体供应系统20。

燃料电池堆4是接收氧化剂气体和燃料气体以生成电力的燃料电池堆。通过堆叠多个固体聚合物电解质型单元电池来形成燃料电池堆4。单元电池包括：膜电极组件，其是电极被布置在电解质膜的两个表面上的电力生成器；以及一对分隔件，其将膜电极组件夹在中间。电解质膜是由具有磺酸基的氟化树脂材料或烃树脂材料制成的固体聚合物膜。电解质膜在湿态下具有良好的质子传导性。电极被配置成包括碳载体和离聚物，该离聚物(ionomer)是具有磺酸基的固体聚合物，并且在湿态下具有优良的质子传导性。在碳载体上承载有用于使电力生成反应加速的催化剂(例如，铂或铂-钴合金)。每个单元电池均设置有用于使反应气体和冷却水流动的歧管。流经歧管的反应气体经由设置在各单元电池中的气体流路被供应至各单元电池的电力生成区域。此外，燃料电池堆4设置有用于检测电压的电压传感器Vs。

氧化剂气体供应系统10向燃料电池堆4供应包含氧气的空气作为氧化剂气体，并且包括上游供应管11a、下游供应管11b、上游排放管12a、下游排放管12b、旁通管13、空气压缩机14、旁通阀15和压力调节阀17。上游供应管11a是连接至空气压缩机14的上游供应管的示例。下游供应管11b连接至上游供应管11a和燃料电池堆4的阴极入口歧管。上游排放管12a连接至燃料电池堆4的阴极出口歧管。下游排放管12b连接至上游排放管12a。旁通管13连接在上游供应管11a和下游供应管11b彼此连接的连接部P1与上游排放管12a和下游排放管12b彼此连接的连接部P2之间。

设置在旁通管13上的旁通阀15打开和关闭旁通管13。压力调节阀17被设置在上游排放管12a中。关闭旁通阀15并打开压力调节阀17使状态进入供应状态。在供应状态下，氧化剂气体从上游供应管11a和下游供应管11b供应至燃料电池堆4，并从上游排放管12a和下游排放管12b排放。由于在供应状态下旁通阀15关闭，因此，流过上游供应管11a的所有氧化剂气体被供应至燃料电池堆4。此外，打开旁通阀15并关闭压力调节阀17使状态进入旁通状态。在旁通状态下，氧化剂气体从上游供应管11a通过旁通管13并且从下游排放管12b排放，限制氧化剂气体流过上游排放管12a。由于在旁通状态下旁通阀15打开并且压力调节阀17关闭，所以抑制了供应至燃料电池堆4的氧化剂气体的流量。以此方式，旁通阀15和压力调节阀17是可在供应状态和旁通状态之间切换的阀机构的示例。

空气压缩机14从上游供应管11a的一端吸入含氧空气作为氧化剂气体，并将含氧空气朝向下游侧的其另一端排放。在上述供应状态下驱动空气压缩机14将足够量的氧化剂气体供应至燃料电池堆4。压力调节阀17通过控制在上述供应状态中的其开度来调节燃料电池堆4的阴极侧上的背压。空气压缩机14、旁通阀15和压力调节阀17由ECU 3控制。空气压缩机14是涡轮式的。ECU 3通过控制空气压缩机14的转速来调节供应至燃料电池堆4的氧化剂气体的流量。此外，ECU 3通过控制旁通阀15和压力调节阀17的开度来调节供应至燃料电池堆4的氧化剂气体的流量和旁通的氧化剂气体的流量。

流量传感器Qs设置在上游供应管11a上的空气压缩机14的上游。流量传感器Qs是检测通过上游供应管11a的氧化剂气体的流量的空气流量计。空气压缩机14设置有检测空气压缩机14的转速的转速传感器Rs。

燃料气体供应系统20将氢气作为燃料气体供应至燃料电池堆4，并且包括罐T、供应管21、排放管22、循环管23、氢气喷射器26、排放阀28和氢气泵29。罐T通过供应管21连接至燃料电池堆4的阳极入口歧管。

罐T存储作为燃料气体的氢气。排放管22的一端连接至燃料电池堆4的阳极出口歧管，而另一端连接至氧化剂气体供应系统10的下游排放管12b。然而，排放管22不限于此，并且排放管22的另一端可以连接至压力调节阀17的下游侧的上游排放管12a。循环管23连接在排放管22与供应管21之间。排放阀28设置在排放管22与循环管23彼此连接的连接部处。氢气喷射器26、排放阀28和氢气泵29由ECU 3控制。燃料气体通过喷射燃料气体的氢气喷射器26被供应至燃料电池堆4。通过打开排放阀28，液态水通过排放管22和下游排放管12b排放到燃料电池系统1的外部。氢气泵29设置在循环管23上。从燃料电池堆4排放的燃料气体通过氢气泵29适当地加压，并被引导至供应管21。

ECU 3包括中央处理单元(CPU)、只读存储器(ROM)以及随机存取存储器(RAM)。ECU3根据燃料电池堆4的所需输出来控制空气压缩机14、旁通阀15、压力调节阀17、氢气喷射器26、氢气泵29等，以控制供应至燃料电池堆4的氧化剂气体的流量和燃料气体的流量，并控制燃料电池堆4的输出电力。电压传感器Vs、流量传感器Qs和转速传感器Rs电连接至ECU 3。ECU 3基于CPU、ROM和RAM在功能上实现获取由电压传感器Vs检测到的燃料电池堆4的电压的电压获取器，获取由流量传感器Qs检测到的流量的流量获取器，通过转速传感器Rs获取转速的转速获取器，执行间歇操作的间歇操作执行器以及执行开路电压降低处理的降低处理执行器。将在后面描述细节。

燃料电池系统1还包括：电力控制系统，其通过使用DC/DC转换器和逆变器来控制由燃料电池堆4生成的电力；冷却系统，其利用在散热器与燃料电池堆4之间循环的冷却水对燃料电池堆4进行冷却。

[间歇操作]

接下来，将给出由ECU 3执行的间歇操作的描述。当没有对燃料电池堆4进行电力输出请求时，ECU 3暂时停止燃料电池堆4的电力生成并控制空气压缩机14的驱动，以在旁通阀15关闭而压力调节阀17打开的供应状态下，将燃料电池堆4的开路电压维持在预定的目标电压v1。例如，没有对燃料电池堆4进行电力输出请求的情况是车辆停止并且车辆的辅助装置也停止的情况。燃料电池堆4的电力生成的暂时停止通过以下方式实现。ECU 3将目标电流值设置为零，并且控制附接至燃料电池堆4的DC/DC转换器(未示出)以便将从燃料电池堆4提取的电流值设置为零。可替选地，ECU 3控制设置在DC/DC转换器内的开关以使燃料电池堆4和负载装置电断开。

图2是示出间歇操作的执行期间燃料电池堆4的开路电压的变化的时序图。在间歇操作中，空气压缩机14被间歇地驱动。图2示出了正常情况下的开路电压V和异常条件下的开路电压Vx和Vy。首先，将描述正常情况。在正常情况下，当在时间t1处开路电压V等于或低于目标电压v1时，ECU 3驱动空气压缩机14以将氧化剂气体供应至燃料电池堆4。因此，开路电路电压V开始增加。当在时间t2处开路电压V超过目标电压v1时，ECU 3停止驱动空气压缩机14。当空气压缩机14的驱动停止时，开路电压V逐渐减小。这是因为从阳极侧渗透到阴极侧的氢气与氧气反应而生成水，这降低了阴极侧的氧浓度。当开路电压V再次降低到等于或低于目标电压v1时，ECU 3再次驱动空气压缩机14以将氧化剂气体供应至燃料电池堆4。以这种方式，开路电压V维持在目标电压v1附近。在执行间歇操作期间，在燃料电池堆4被阳极气体充分填充的情况下，停止向燃料电池堆4供应阳极气体。

然而，如图2所示，在间歇操作开始之后紧接着，开路电压Vx可能过度地超过目标电压v1，或者在执行间歇操作期间，开路电压Vy可能太高。在间歇操作开始之后紧接着开路电压Vx增加的原因如下。当燃料电池堆4从电力生成状态改变为电力生成暂时停止状态时，燃料电池堆4的电压(开路电压)增加。此时，残留在上游侧供应管11a和下游侧供应管11b中的氧化剂气体被供应至燃料电池堆4，从而可以进一步提高开路电压。在间歇操作的执行期间开路电压Vy增加的原因如下。例如，在间歇操作的执行期间，外部空气可能流入上游供应管11a和下游供应管11b，并且过量的氧化剂气体可能被供应至燃料电池堆4。

本实施方式中的ECU 3执行用于抑制开路电压的这样的过度增加的开路电压降低处理。首先，将给出如下描述：在间歇操作开始之前执行的开路电压降低处理，以便抑制在间歇操作开始之后紧接着的开路电压的增加。

[间歇操作开始之前的开路电压降低处理]

图3是示出间歇操作开始前由ECU 3执行的开路电压降低处理的示例的流程图。重复执行该控制。在该流程图的描述中，将由电压传感器Vs检测到的燃料电池堆4的开路电压称为开路电压V。首先，确定是否对燃料电池堆4进行电力输出请求(步骤S1)。当在步骤S1中确定为“是”时，该控制结束。即，燃料电池堆栈4的电力生成继续，并且不开始间歇操作。当在步骤S1中确定为“否”时，即，当没有对燃料电池堆4进行电力输出请求时，使燃料电池堆4进入电力生成暂时停止状态(步骤S2)。

接下来，在空气压缩机14停止并且压力调节阀17关闭并且旁通阀15打开的旁通状态下，开路电压降低处理开始(步骤S3)。通过停止空气压缩机14，抑制了至燃料电池堆4的氧化剂气体的供应。此外，如上所述，旁通状态加速了将残留在上游供应管11a和下游供应管11b中的氧化剂气体从旁通管13和下游排放管12b排放到外部。以这种方式，加速了开路电压V的下降，并且抑制了开路电压V的过度增加。步骤S3的处理是降低处理执行器执行的处理的示例。

接下来，确定开路电压V是否等于或低于目标电压v1(步骤S4)。当在步骤S4中确定为“否”时，该控制结束一次，并且再次执行步骤S1和后续步骤的处理。即，由于通过开路电压降低处理对开路电压V的降低仍然不充分，因此继续进行开路电压降低处理。在本文中，步骤S4中的目标电压v1是电压阈值的示例，并且电压阈值不限于此。代替目标电压v1，可以使用比目标电压v1低的电压阈值。

当在步骤S4中确定为“是”时，确定由流量传感器Qs检测到的通过上游供应管11a的氧化剂气体的流量Q是否等于或小于预定流量阈值q(步骤S5)。通过上游侧供应管11a的氧化剂气体的流量Q的一部分通过下游供应管11b被供应至燃料电池堆4。原则上，流量Q越高，越多的氧化剂气体流入燃料电池堆4。因此，流量Q是与流入燃料电池堆4的氧化剂气体的流量相关的流量相关值的示例。当氧化剂气体从上游供应管11a的上游端流到是空气压缩机14的下游侧时，流量Q被检测为正值。流量阈值q也被设定为正值。流量阈值q被设定为氧化剂气体的如下程度的流量：即使当开路电压V等于或低于目标电压v1时开始间歇操作，开路电压V也不太可能过度增加。流量阈值q可以是预先设定的固定值，或者是基于预定参数设定的可变值。

当在步骤S5中确定为“是”时，可想而知，开路电压V和氧化剂气体的流量Q都已充分降低，并且开路电压V不会过度增加。因此，在压力调节阀17打开而旁通阀15关闭的供应状态下，驱动空气压缩机14开始间歇操作(步骤S8)。步骤S8的处理是由间歇操作执行器执行的处理的示例。

当在步骤S5中确定为“否”时，确定由转速传感器Rs检测到的空气压缩机14的转速R是否等于或低于预定转速阈值r(步骤S6)。转速阈值r被设定为空气压缩机14的如下程度的转速：即使当开路电压V等于或低于目标电压v1且流量Q高于流量阈值q时开始间歇操作，开路电压V也不太可能过度增加。转速阈值r可以是固定值或可变值。当在步骤S6中确定为“是”时，流量Q没有充分降低，但是开路电压V和转速R充分降低。因此，可以想到开路电压V不太可能过度增加，因此间歇操作开始(步骤S8)。

当在步骤S6中确定为“否”时，确定开路电压V是否低于或等于比目标电压v1低的下限电压v2(步骤S7)。下限电压v2被设定成如下程度的电压：即使当流量Q高于流量阈值q且旋转速度高于转速阈值r时开始间歇操作，开路电压V也不太可能过度增加。当在步骤S7中确定为“是”时，流量Q和转速R没有充分降低，但是开路电压V进一步降低。因此，可以想到开路电压V不会过度增加，因此间歇操作开始(步骤S8)。当在步骤S7中确定为“否”时，类似于在步骤S4中确定为“否”的情况，控制结束一次，并且再次执行步骤S1的处理和随后的处理。如上所述，步骤S4至S7的处理对应于用于执行间歇操作的执行条件。

接下来，将使用时序图作为示例来描述上述控制。图4是在间歇操作开始之前执行开路电压降低处理时的时序图的第一示例。如图4所示，当电力生成暂时停止并且在时间t1处执行开路电压降低处理(步骤S2和S3)时，开路电压V逐渐降低。在时间t2处，开路电压V等于或低于目标电压v1(步骤S4为“是”)之后，在时间t3处，流量Q等于或低于流量阈值q(在步骤S5中为“是”)，间歇操作开始(步骤S8)。

在本文中，如果在不执行步骤S5的处理的情况下在时间t2开始间歇操作，则残留在上游供应管11a中的氧化剂气体和通过驱动空气压缩机14而从外部引入的氧化剂气体可能被供应至燃料电池堆4，从而流量Qz可能增加，这可能使开路电压像开路电压Vz一样过度增加。由于开始间歇操作的条件不仅包括开路电压V等于或低于目标电压_v1的条件，还包括流量Q等于或低于流量阈值q的条件，因此这样的问题的发生被抑制。

图5是在间歇操作开始之前执行开路电压降低处理时的时序图的第二示例。在时间t1处，电力生成暂时停止并且执行开路电压降低处理(步骤S2和S3)。在时间t2处，开路电压V等于或低于目标电压v1(步骤S4中为“是”)。即使当流量Q高于流量阈值q时(步骤S5中为“否”)，当在时间t3处空气压缩机14的转速R等于或低于转速阈值r时(在步骤S6中为“是”)，间歇操作开始(步骤S8)。

在本文中，如果仅基于图5所示的流量Qx1大于流量阈值q而不开始间歇操作，则转速Rx1和开路电压Vx1都进一步降低。这可能会使燃料电池堆4的电力生成性能劣化。流量Qx1不会下降低于流量阈值q的原因是，例如，大量空气可能会从外部引入到上游供应管11a和下游供应管11b中，或者流量传感器Qs的检测准确度可能存在差异。在本实施方式中，即使流量Q高于流量阈值q，当转速R等于或低于转速阈值r时，间歇操作也开始。这抑制了上述问题的发生。

图6是在间歇操作开始之前执行开路电压降低处理时的时序图的第三示例。电力生成在时间t1处暂时停止并且执行开路电压降低处理(步骤S2和S3)之后，在时间t2处，开路电压V等于或低于目标电压v1(步骤S4为“是”)。即使流量Q高于阈值q(步骤S5中为“否”)且旋转速度R高于转速阈值r(步骤S6中为“否”)时，如果开路电压V等于或低于下限电压v2时(步骤S7中为“是”)，则间歇操作开始(步骤S8)。

在本文中，如图6所示，如果仅基于流量Qx1高于流量阈值q且转速Rx1高于转速阈值r不开始间歇操作，则开路电压Vx1进一步降低。在本实施方式中，即使流量Q高于流量阈值q且旋转速度R高于转速阈值r，在开路电压V等于或低于下限电压v2的情况下间歇操作开始。因此，可以抑制这样的问题的发生。

关于图3所示的流程图，在步骤S5中使用由设置在上游供应管11a中的流量传感器Qs检测到的流量Q。然而，流量不限于此，并且可以使用由设置在下游供应管11b中的流量传感器检测到的流量。代替使用由这样的流量传感器检测到的流量作为流量相关值，可以使用流入燃料电池堆4中的氧化剂气体的流量的估计值。例如，在压力调节阀17关闭而旁通阀15打开的状态下，可以基于由设置在上游供应管11a中的流量传感器Qs检测到的流量Q以及基于预先通过实验获取的流过下游供应管11b的氧化剂气体与流过旁通管13的氧化剂气体的流量比来计算上述估计值。

代替步骤S7，可以确定开路电压V的降低速度是否等于或高于速度阈值。速度阈值被设定成如下程度：即使当开路电压V等于或低于目标电压v1时、当流量Q高于流量阈值q时且当转速R高于转速阈值r时开始间歇操作，开路电压V也不太可能过度增加。当在步骤S7中确定为“是”时，流量Q和转速R没有充分降低，但是开路电压V的降低速度高。因此，可想而知，开路电压V不太可能过度增加，并且间歇操作开始(步骤S8)。当在该确定中确定为“否”时，与在步骤S4中确定为“否”时一样，控制结束一次，并且再次执行步骤S1的处理和后续处理。

间歇操作可以在从在步骤S5至S7中的任何一个确定为“是”的时间起经过了预定时间之后开始(步骤S8)。这是因为，考虑到传感器的检测准确度的差异，充分抑制了开路电压的过度增加。

并非总是采用步骤S5至S7。此外，在采用步骤S5而未采用步骤S6和S7的情况下，当在步骤S5中确定为“否”时，该控制可以结束。在采用步骤S5和S6而没有采用步骤S7的情况下，当在步骤S6中确定为“否”时，该控制可以结束。在采用步骤S5和S7而没有采用步骤S6的情况下，当在步骤S5中确定为“否”时，可以执行步骤S7的处理。

[间歇操作期间的开路电压降低处理]

接下来，将给出在间歇操作期间执行的开路电压降低处理的描述。图7是示出在间歇操作的执行期间由ECU 3执行的开路电压降低处理的示例的流程图。重复执行该控制。首先，确定是否正在执行间歇操作(步骤S11)。当在步骤S11中确定为“否”时，该控制结束。

当在步骤S11中确定为“是”时，确定开路电压V是否等于或高于上限电压v3(步骤S12)。上限电压v3高于目标电压v1，并且被设定成期望强制降低开路电压的电压值。例如，可以将上限电压v3设定成比电压阈值低预定裕度的值，以便降低过度增加的开路电压，该电压阈值用于确定燃料电池堆4是否开始电力生成。当在步骤S12中确定为“否”时，间歇操作继续(步骤S13)。

当在步骤S12中确定为“是”时，可想而知，开路电压V过度增加。因此，空气压缩机14停止，并且在压力调节阀17关闭并且旁通阀15打开的旁通状态下执行开路电压降低处理(步骤S14)。步骤S14的处理是由降低处理执行器执行的处理的示例。

接下来，通过执行开路电压降低处理来确定开路电压V是否等于或低于目标电压v1(步骤S15)。步骤S15中的目标电压v1是电压阈值的示例。可以使用下限电压v2代替目标电压v1，或者可以使用比目标电压v1小的另外的电压阈值。当在步骤S15中确定为“否”时，再次执行步骤S14的处理。

当在步骤S15中确定为“是”时，可想而知，开路电压V充分降低。因此，打开压力调节阀17，关闭旁通阀15，然后驱动空气压缩机14以重新开始间歇操作(步骤S16)。以这种方式，即使在间歇操作的执行期间开路电压V过度增加，开路电压V也会降低。步骤S15的处理对应于用于执行间歇操作的执行条件。

接下来，将参考时序图作为示例来描述上述控制。图8是在间歇操作的执行期间执行开路电压降低处理时的时序图的示例。在间歇操作的执行期间开路电压V在时间t1处等于或高于上限电压v3时(步骤S11和S12中为“是”)，执行开路电压降低处理(步骤S14)。当开路电压V在时间t2处逐渐降低到等于或小于目标电压v1时(步骤S15中为“是”)，间歇操作再次重新开始(步骤S16)。

在以上示例中，在步骤S15和S16中，当开路电压V等于或低于目标电压v1时，间歇操作重新开始，但是这些处理不限于此。例如，代替步骤S15，可以采用如图3中所示的步骤S4至S7。

在上述实施方式中，以设置在旁通管13中的旁通阀15和设置在上游排放管12a中的压力调节阀17作为阀机构的示例，但阀机构不限于此。例如，代替在压力调整阀17，可以在下游供应管11b中设置作为阀机构的密封阀，就像调压阀17一样，密封阀可以在执行间歇操作期间打开，而在执行开路电压降低处理期间关闭。另外，除了压力调节阀17以外，还可以在下游供应管11b中设置作为阀机构的密封阀，压力调节阀17和密封阀两者可以在间歇操作的执行期间打开，并且压力调节阀17和密封阀中的仅一个可以在开路电压降低处理期间关闭。

此外，代替旁通阀15和压力调节阀17，可以在连接部P1处设置作为阀机构的三通阀，并且可以控制该三通阀，使得在间歇操作的执行期间，上游供应管11a和下游供应管11b彼此连通，旁通管13被堵塞，并且使得在开路电压降低处理的执行期间，上游供应管11a、下游供应管11b和旁通管13彼此连通。此外，代替旁通阀15和压力调节阀17，可以在连接部P2处设置作为阀机构的三通阀，并且可以控制该三通阀，使得在间歇操作的执行期间，上游排放管12a和下游排放管12b彼此连通，旁通管13被堵塞，并且使得在开路电压降低处理的执行期间，上游排放管12a、下游排放管12b和旁通管13彼此连通。

[变型]

图9是根据变型的燃料电池系统1a的示意性配置。与上述实施方式中的部件相同的部件由相同的附图标记表示，并且将省略重复的描述。氧化剂气体供应系统10a包括排放管12c和旁通管13a，以代替以上描述的上游排放管12a、下游排放管12b和旁通管13。旁通管13a不直接连接至排放管12c。即，旁通管13a的一端连接至连接部P1，但是另一端不连接至排放管12c，并且暴露于外部空气。

因此，在旁通阀15关闭且压力调节阀17打开的供应状态下，氧化剂气体经由上游供应管11a和下游供应管11b通过燃料电池堆4并从排放管12c排放。在旁通阀15打开且压力调节阀17关闭的旁通状态下，氧化剂气体通过上游供应管11a并从旁通管13a排放，并且限制氧化剂气体通过排放管12c。即使在这样的配置中，也执行图3或图7所示的抑制开路电压过度增加的控制。

同样在上述变型中，代替旁通阀15和压力调节阀17，可以在连接部P1中设置作为阀机构的三通阀，并且可以控制该三通阀，使得在间歇操作的执行期间，上游供应管11a和下游供应管11b彼此连通，旁通管13a被堵塞，并且使得在开路电压降低处理的执行期间，上游供应管11a、下游供应管11b和旁通管13a彼此连通。

[其他]

在上述实施方式和变型中，以旁通阀15完全关闭的供应状态为例进行了说明，但是旁通状态不限于此。在旁通状态下，旁通阀15可以以如下程度稍微打开：与供应至燃料电池堆4的氧化剂气体的流量相比，小流量的氧化剂气体流过旁通管13。

代替设置在上游供应管11a中的流量传感器Qs，可以在下游供应管11b和旁通管13中的每一个中设置流量传感器，并且可以通过综合判断由两个流量传感器检测到的流量来估计供应至燃料电池堆4的流量。

在以上描述中，在间歇操作的执行期间，当开路电压V等于或低于目标电压v1时，空气压缩机14被驱动，并且当开路电压V高于目标电压v1时，空气压缩机14停止。然而，本发明不限于此。例如，当开路电压V等于或低于目标下限电压时，可以驱动空气压缩机14，当开路电压V等于或高于目标上限电压时，可以停止空气压缩机14，目标上限电压高于目标下限电压，这可以将开路电压V保持在目标下限电压与目标上限电压之间。

虽然已经详细描述了本发明的一些实施方式，但是本发明不限于这些特定的实施方式，而是可以在所要求保护的本发明的范围内进行变化或改变。