CN101536231A - 燃料电池系统、燃料电池系统的控制方法及移动体 - Google Patents

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Abstract

在催化剂活化处理期间停止氧化气体供应，并且燃料电池(100)的输出电压朝向还原目标电压线性地降低。一旦活化处理中断条件已被满足，则变换器(41)的电压指令值被恢复为待机电压，并且在等待直至燃料电池(100)的输出电压恢复到待机电压附近之后，压缩机(20)运行以启动氧化气体供应，并且催化剂活化处理完成。结果，由于燃料电池(100)的输出电力快速增加而引起的蓄电池(40)过度充电被避免。

Description

燃料电池系统、燃料电池系统的控制方法及移动体
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统，并且更加具体地涉及一种用于控制燃料电池系统的技术，该技术能够可靠地中断燃料电池催化剂层的活化处理，同时避免对蓄电器件的过度充电。
背景技术
在燃料电池系统中，在系统的运行期间燃料电池的输出电压随着氧被燃料电池的催化剂层吸收而降低。在这种情形中，在传统上执行一种处理，通过该处理向燃料电池的氧供应被暂时停止并且燃料电池的输出电压被降低至催化剂层的还原区域，由此对燃料电池堆的催化剂层进行活化(即，执行还原处理)。
在这种活化处理的初始步骤中，氧化气体(例如，空气)的供应停止然后执行控制以将燃料电池的输出电压降低至还原目标电压值。
而且，所述控制被如此执行从而当在将燃料电池输出电压降至还原目标电压值期间必须终止活化过程时，氧化气体(例如，空气)供应被即刻地重启。例如，当在燃料电池的电解质隔膜中发生交叉泄露并且燃料气体(例如，氢)从阳极电极(向其供应燃料气体的电极)泄露到阴极电极(向其供应氧化气体的电极)时，能够产生这种终止活化处理的必要性。因此，因为燃料电池的电解质由多孔材料构成以增加两个电极与氧化气体或者燃料气体相接触的表面面积，所以交叉泄露可能发生。
燃料电池输出电压的上限由能够设定燃料电池输出电压上限的电压变换单元(例如，变换器)限制。
根据涉及在日本专利申请公开No.2005-346979中披露的燃料电池催化剂活化处理的技术，低压蓄电池被用作构成混合燃料电池的蓄存器件，并且在燃料电池催化剂活化处理期间随着电压降低而增加的额外电力被充入蓄电池中，由此有效地使用了所述额外电力。
日本专利申请公开No.2003-115318披露了一种通过将电池电压降低为0.6V或者更低并且接通大电流而在氧中诱导还原反应由此活化铂催化剂层的技术，作为涉及这种催化剂活化处理的另一种技术。
然而，利用上述传统技术，当在将燃料电池输出电压降低至还原目标电压以活化燃料电池催化剂层期间中断活化处理时，如上所述地执行控制从而即刻地重启氧化气体的供应。因此，当氧化气体供应被重启时，燃料电池输出电压下降至低于待机电压。当在其中燃料电池输出电压低于待机电压的状态下重启氧化气体供应时，燃料电池的输出电力快速地增加，有时使得蓄电器件例如二次电池被过度充电。
这里，其中在燃料电池的电解质隔膜中发生交叉泄露并且燃料气体(例如，氢)从阳极(燃料气体)电极侧泄露到阴极(氧化气体)电极侧的一种情形将被视为其中活化处理被中断的情形。在这种情形中，大量氧化气体(例如，空气)必须需被供应到阴极电极从而降低排气中燃料气体(例如，氢)的浓度。然而，当在催化剂活化处理(在下文中称为“更新”)期间大量氧化气体(例如，空气)被供应到阴极电极时，燃料电池所产生的电力快速地增加并且产生能够被充入蓄电器件的额外电力。特别地，在更新期间，因为负载器件停止并且因此电力消耗较低，所以蓄电器件被过度充电。
发明内容
相应地，本发明的一个目的在于提供一种燃料电池系统，它能够可靠地中断燃料电池催化剂层的活化处理，同时避免蓄电器件过度充电，从而解决上述问题。
为了解决上述问题，根据本发明的燃料电池系统是这样一种燃料电池系统，其中通过降低燃料电池的输出电压而执行催化剂活化处理，其中当在执行催化剂活化处理期间中断催化剂活化处理时，执行用于将燃料电池的输出电压恢复到待机电压的处理，并且在等待直至满足氧化气体供应条件后，氧化气体被供应到燃料电池。
而且，根据本发明的一种用于控制燃料电池系统的方法是一种用于控制在其中通过降低燃料电池的输出电压而执行催化剂活化处理的燃料电池系统的方法，该方法包括以下步骤：在执行催化剂活化处理期间确定催化剂活化处理是否被中断；当确定催化剂活化处理被中断时将燃料电池的输出电压恢复到待机电压；等待直至氧化气体供应条件被满足；并且当氧化气体供应条件被满足时将氧化气体供应到燃料电池。
利用这种配置，当中断催化剂活化处理时，执行处理以将燃料电池输出电压恢复为待机电压。因此，在利用较小氧化气体量的状态下，燃料电池的实际输出电压开始升高。如果氧化气体在这种状态下被直接地供应到燃料电池，则将产生非常多的电力。作为对比，根据本发明，在等待直至氧化气体条件被满足之后氧化气体供应被启动。因此，抑制了不能被消耗的额外电力的产生。
例如，根据本发明的燃料电池系统包括电压变换装置，用于根据电压指令值改变燃料电池的输出电压；电压检测装置，用于检测燃料电池的输出电压；控制装置，用于向电压变换装置发出电压指令值；中断条件确定装置，用于确定催化剂活化处理的中断条件是否已被满足；和氧化气体供应装置，用于向燃料电池的阴极电极供应氧化气体，其中当中断条件确定装置确定在执行催化剂活化处理期间催化剂活化处理的中断条件已被满足时，控制装置向电压变换装置发出待机电压作为指令值，在此之后等待直至氧化气体供应条件被满足，然后执行控制以将氧化气体供应到燃料电池的阴极电极侧。
在停止氧化气体供应之后并且在达到还原目标电压之前的电压下降周期，或者在已经达到还原目标电压之后的电压保持周期可以用作用于中断催化剂活化处理的定时。
在该燃料电池系统中，氧化气体供应条件是：从执行用于将燃料电池的输出电压恢复到待机电压的处理的时刻起，预定时间已经逝去。
利用这种配置，通过等待相应于已被预先确定的燃料电池输出电压升高特性的预定间隔，燃料电池的输出电压显著地升高并且能够执行控制从而即使供应氧化气体也不产生过量电力。例如，氧化气体供应条件是：燃料电池的输出电压达到预定电压值。
利用这种配置，当预定电压值被设为能够例如通过试验确定并且即使当供应氧化气体时也不会使得燃料电池输出电压快速地增加的电压时，能够可靠地确定即使当氧化气体被供应到燃料电池的阴极电极侧时也不会使得燃料电池输出电压快速地增加的定时。
例如，催化剂活化处理的中断条件是：在燃料电池中检测到交叉泄露的发生。
这种条件示意在燃料电池(例如，在阳极电极侧上)检测到交叉泄露并且必需的大量氧化气体(例如，空气)必须被供应以降低排气中的燃料气体(例如，氢)浓度，即，催化剂活化处理必须被中断。
这里，交叉泄露的发生可以是燃料气体(例如，氢气)从电解质隔膜的阳极电极侧泄露到阴极电极侧，或者氧化气体(例如，空气)从阴极电极侧泄露到阳极电极侧，或者燃料气体泄露到燃料电池周边。
例如，通过燃料电池的阳极电极侧上的燃料气体的预定压力降低检测交叉泄露的发生。
当燃料气体从阳极电极侧泄露到阴极电极侧时，交叉泄露发生，并且利用上述配置，能够以高可靠性检测在燃料电池中交叉泄露的发生。
例如，被供应到燃料电池的氧化气体量是足以被供应到燃料电池的所有阴极电极的氧化气体量。
利用这种配置，当在燃料电池中发生交叉泄露时，用以降低排气中的燃料气体(例如，氢)的浓度所必须的大量氧化气体(例如，空气)能够被供应到所有的阴极电极。
根据本发明的燃料电池还可包括蓄电器件，其中当蓄电器件处于其中它能够被充电至等于或者大于预定电量的电量的状态下时，催化剂活化处理被启动。
利用这种配置，通过燃料电池的发电处理产生的额外电力能够被充入蓄电器件(例如，蓄电池、二次电池、电容器等)中以便再次利用。当在预定电力能够被充入蓄电器件中的条件下启动催化剂活化处理时，由于中断催化剂活化处理而产生的一些额外电力能够被完全充入。
本发明还提供一种包括上述燃料电池系统的移动体。因为根据本发明的适用于抑制对安装在移动体上的蓄电器件过度充电，所以根据本发明的燃料电池系统能够被应用于电动汽车以及其它移动体(可在地面上、在水上、在水中以及在空中移动)。
附图说明
图1是示意本发明原理的功能框图；
图2是示意本发明实施例的燃料电池系统的总体配置的结构图；
图3是示意在本发明实施例1的催化燃料电池系统中在燃料电池输出电压和催化剂层再生处理的控制操作之间的关系随着时间变化的图表；
图4是示意在本发明实施例1的催化燃料电池系统中在燃料电池输出电压和催化剂层再生处理的控制操作之间的关系随着时间变化的图表；
图5是示意在本发明实施例1的催化燃料电池系统中控制单元5的操作的流程图，该操作关注于催化剂层再生处理；
图6是示意在本发明实施例2的催化燃料电池系统中控制单元5的操作的流程图，该操作关注于催化剂层再生处理。
具体实施方式
在下面参考附图描述实施本发明的优选实施例。
在本发明的实施例中，本发明被应用于安装在电动汽车上的混合燃料电池系统。下述实施例仅仅是本发明应用模式的简单示意，并且本发明不限于此。
(原理解释)
图1是示意本发明原理的功能框图。
如图1所示，本发明提供一种燃料电池系统，其中通过降低燃料电池100的输出电压Vfc执行催化剂活化处理，该燃料电池系统包括电压变换装置101、电压检测装置102、控制装置103、中断条件确定装置104，以及氧化气体供应装置105。
电压变换装置101是一种功能块，其根据从控制装置供应的电压指令值Cvfc改变燃料电池100的输出电压Vfc。能够利用能够以强制方式保持燃料电池的恒定输出端电压的器件例如利用DC-DC变换器实现电压变换装置101。
电压检测装置102是检测燃料电池的输出电压Vfc的功能块。适于用作电压检测装置102的器件实例包括能够直接地检测燃料电池输出电压的器件，例如电压传感器，以及基于与燃料电池输出电压相关的其它参数估计燃料电池输出电压的器件(计算器等)。
控制装置103是向电压变换装置101发出电压指令值Cvfc的功能块。利用执行用于执行根据本发明的控制方法的软件程序的计算器实现控制装置103。
中断条件确定装置104是确定催化剂活化处理的中断条件是否已被满足的功能块。其中在燃料电池100的电解质隔膜中发生交叉泄露并且燃料气体(例如，氢)从阳极(燃料气体)电极侧泄露到阴极(氧化气体)电极侧的情形是催化剂活化处理中断条件的一个实例。中断条件确定装置104能够确定当阳极电极侧上燃料气体压降等于或者高于预定量时或者当在阴极电极侧上能够直接地检测到燃料气体的预定浓度时，中断条件已被满足。中断条件确定装置104的配置根据交叉泄露检测方法而不同。例如，能够通过在燃料气体供应系统中提供的压力传感器检测燃料气体压降，或者计算器能够基于相应于燃料气体中压力变化的参数确认压力下降。
氧化气体供应装置105是向燃料电池100的阴极电极供应氧化气体(空气)的功能块。能够控制氧化气体(空气)供应量的全部器件，或者这种器件的部分，例如，空气压缩机，能够被用作氧化气体供应装置105。
根据本发明，当在催化剂活化处理期间通过中断条件确定装置104确定催化剂活化处理的中断条件被满足时，控制装置103向电压变换装置101发出待机电压，即，必须被保持以用于燃料电池操作的电压而非用于催化剂活化处理的低电压，作为指令值Cvfc。在发出该指令之后，控制装置103等待直至氧化气体供应条件被满足，然后控制氧化气体供应装置105从而氧化气体(空气)被供应到燃料电池100的阴极电极侧。
利用这种配置，当催化剂活化处理被中断时，燃料电池100的输出电压Vfc首先被恢复到待机电压，同时催化剂活化处理中的氧化气体量较小。因此，输出电力自身并不快速地升高。然后，在系统等待直至氧化气体供应条件被满足之后，首先启动氧化气体(空气)供应。氧化气体供应条件是在燃料电池100的输出电压Vfc充分升高之前预定时间逝去(实施例1)，或者即使当供应氧化气体(空气)时达到使得燃料电池100的输出电力Vfc并不快速地增加的预定电压值(实施例2)。因此，根据本发明，能够抑制不能在燃料电池100中被消耗的额外电力的产生。
(实施例1)
实施例1涉及一种用于在预定时间的逝去被采用作为氧化气体供应条件的情形中控制燃料电池系统的方法实例。
图2是示意本发明实施例的燃料电池系统的总体配置的结构图。
如图2所示，实施例1的燃料电池系统由下述的向燃料电池100供应作为阳极气体的氢气的阳极气体供应系统1、向燃料电池100供应作为阴极气体的空气的阴极气体供应系统2、电力系统4以及根据本发明对催化剂层活化执行必需控制的控制单元5(控制装置)构成。
燃料电池100具有堆叠结构，其中多个电池(单元电池)被堆叠。每一个电池均具有其中称为MEA(隔膜电极组件)的发电体被夹在一对具有用于氢气、空气和冷却水的流动通道的分离器之间的结构。MEA具有其中聚合物电解质隔膜被夹在两个电极(阳极电极和阴极电极)之间的结构。通过在多孔支撑层上提供用于燃料电极的催化剂层而配置阳极电极，并且通过在多孔支撑层上提供用于空气电极的催化剂层而配置阴极电极。燃料电池的其它适当形式包括磷酸型的燃料电池和熔融碳酸盐型的燃料电池。例如，通过附着铂颗粒而配置这些电极的催化剂层，并且本发明涉及一种被执行用以移除由于燃料电池的发电运行而已经附着到铂颗粒的氧化物的催化剂活化处理。
在燃料电池100中，诱发水电解逆反应，并且作为阳极气体的氢气被从燃料气体供应系统1供应到阳极(负电极)电极侧。用作含有氧的阴极气体的空气被从阴极气体供应系统2供应到阴极(正电极)电极侧。在阳极电极侧处，诱发例如由公式(1)代表的反应，在阴极电极侧处诱发例如由公式(2)代表的反应，从而致使电子循环，并且电流流动。
H2→2H++2e-             (1)
2H++2e-+(1/2)O2→H2O     (2)
阳极气体供应系统1包括作为氢气供应源的氢罐10、阳极气体供应路径11、阳极废气排放路径12，以及通过测量氢气压力检测氢气交叉泄露的燃料气体压力传感器13。另外，阳极气体供应系统可以设有用于泵送氢气的氢泵、用于管理并且控制氢气的压缩阀、调节阀、截止阀和止回阀，以及气体-液体分离器(图中未示出)。
利用高压氢罐填充氢罐10。除了高压氢罐，使用氢存储合金的氢罐、使用重整气体的氢供应机构、液体氢罐，或者液体燃料罐也能够被使用作为氢供应源。阳极气体供应路径11是用于供应高压氢气的管道。可以在管道中间部分中提供图中未示出的调节阀(调节器)。从阳极气体供应路径11供应的氢气经由通向每一个单元电池的阳极电极的歧管被供应到燃料电池100中，并且在MEA阳极中引起电化学反应之后，该气体作为阳极废气(氢废气)被排放。阳极废气排放路径12是用于排放从燃料电池100排放的阳极废气的路径并且它可以形成循环路径。为了形成循环路径，阳极废气经由止回阀或者喷射器(图中未示出)被再次返回到阳极气体供应路径11。
阴极气体供应系统2包括压缩机20、阴极气体供应路径21和阴极废气排放路径22。另外，阴极气体供应系统可以包括用于控制用作阴极气体的空气的湿度的加湿器、移除阴极废气(空气废气)的气体-液体分离器、用于混合阳极废气与阴极废气的稀释单元以及消音器(图2中未示出)。
压缩机20涉及根据本发明的氧化气体供应装置并且用于压缩从空气净化器等引入的空气，改变空气量或者空气压力，并且将空气供应到燃料电池100的阴极电极侧。类似于氢气，从阴极气体供应路径21供应的空气经由通向每一个单元电池的阴极电极侧的歧管被供应到燃料电池100中，并且在MEA阴极中诱导电化学反应之后作为阴极废气被排放。从燃料电池100排出的阴极废气被利用阳极废气稀释并且被排出。
电力系统4包括蓄电池40、DC-DC变换器41、牵引逆变器42、牵引电机43、辅助逆变器44、高压辅助设备45、蓄电池计算器46、电流传感器47、测量燃料电池输出电压的与根据本发明的电压检测装置有关的电压传感器48以及防止逆流的二极管49。
蓄电池40是可充电蓄电器件(二次电池)。各种二次电池例如镍氢蓄电池能够被用作所述蓄电池。也能够使用可充电蓄电器件例如电容器替代二次电池。当产生恒定电压的多个蓄电池单元被堆叠并且串联时，蓄电池40能够产生高压输出。
蓄电池计算器46被设于蓄电池40的输出端处并且能够与控制单元3通信。蓄电池计算器46监视蓄电池40的充电状态，保持蓄电池处于其中蓄电池既不被过度充电也不被过度放电的适当充电状态下，并且当假定蓄电池被充电或者过度放电时，蓄电池计算器告知控制单元3这个效果。
DC-DC变换器41涉及根据本发明的电压变换装置并且具有与根据本发明的输出变换装置的配置等价的配置，它增加或者降低在初级侧和次级侧之间的电压，由此实现电力传输。例如，初级侧的蓄电池40的输出电压被增加至次级侧的燃料电池100的输出电压，并且电力被供应到负载器件例如牵引电机43或者高压辅助设备45。相反，在次级侧上的燃料电池100的额外电力或者来自负载器件的再生电力被发送从而当电压降低时被充入初级侧的蓄电池40中。
牵引逆变器42将直流电变换成三相交流电并且将其供应给牵引电机43。牵引电机43例如是三相电机，它是其中安装燃料电池系统的汽车的主动力源。
辅助逆变器44是用于驱动高压辅助设备45的直流电-交流电变换装置。高压辅助设备45能够是燃料电池系统运行所必需的各种类型的电机，例如用于压缩机20、氢泵和冷却系统的电机。
控制单元5是根据本发明的控制装置并且包括两个控制单元。一个控制单元是执行混合行驶模式的控制的HV控制单元51，并且另一控制单元是控制燃料电池的运行的FC控制单元52。控制单元具有包括CPU(中央处理单元)、RAM、ROM、接口电路等的典型计算器的配置，并且通过在它们之间的通信而能够实现整体系统控制。HV控制单元51通过相继地执行存储于内部ROM等中的软件程序，更加具体地，考虑到燃料电池100产生的电力，蓄电池40的充电电力以及电机的消耗电力而控制电气系统4，并且控制电力在这些构件之间的流动。另外，该控制单元能够执行根据本发明的催化剂层活化方法的一部分。而且，燃料电池控制单元52通过相继地执行存储于内部ROM等中的软件程序而控制主要包括阳极气体供应系统1和阴极气体供应系统2的整个燃料电池系统，并且还能够执行根据本发明的催化剂层活化方法的一部分。
图3是示意在本发明的实施例1的催化燃料电池系统中在燃料电池输出电压和催化剂层再生处理的控制操作之间的关系随着时间变化的图表。
图3示意其中在催化燃料电池系统中原样地执行催化剂层再生处理控制操作而不满足使得催化剂层活化处理必须被中断的条件的情形。
通常在处于其中作为蓄电器件的蓄电池40能够被充电至等于或者高于预定电力的电力的状态的条件下执行图3所示的催化剂层再生处理(催化剂层活化处理)，并且控制单元5确定该条件是否满足并且控制随后的活化处理。
在处于通常运行模式中的燃料电池的MEA中，根据以上公式(1)在阳极电极侧上产生的氢离子渗透通过电解质隔膜，移动到阴极电极侧并且与在供应到阴极电极侧的氧化气体(例如，空气)中含有的氧一起参与由公式(2)代表的电化学反应，由此致使氧的还原反应。结果，利用氧覆盖催化剂层的组分(例如，铂)，反应阻力增加，并且发电效率降低。执行催化剂活化(再生)处理以通过还原反应移除在催化剂中含有的氧。更加具体地，当每一个单元电池的端电压，即燃料电池的输出电压降低时，如图3所示，使得催化剂层的电化学反应在通常运行期间从氧化反应区域过渡到还原反应区域，并且催化剂被活化。
变换器的次级侧电压能够根据向变换器发出的电压指令值而改变，但是因为变换器被并联到燃料电池的输出端，所以当燃料电池的输出电压没有达到在变换器中设定的目标次级侧电压时，变换器的次级侧电压并不达到目标次级侧电压。在另一方面，当燃料电池的输出电压高于变换器的目标次级侧电压时，燃料电池的输出电压被以强制方式控制为目标次级侧电压并且电流值根据燃料电池的I-V特性而升高。因此，变换器的次级侧电压确定燃料电池输出电压的上限值。
(操作解释)
将在下面描述当在实施例1的燃料电池系统中中断催化剂活化处理时执行的操作。
如图3所示，即使在已在变换器中设定的目标次级侧电压低于待机电压并且是还原目标电压的情形中，当燃料电池100的输出电压低于待机电压Vh时，如果终止的氧化气体供应被重启，则氧化气体被快速地供应并且发电恢复到基于通常I-V特性的状态。因此，燃料电池100的输出电力有时快速地升高并且如果这种效果的发生未被阻止，则蓄电池40被过度充电。
相应地，在实施例1中，当中断催化剂活化处理时，燃料电池100的输出电压恢复为待机电压Vh，然后终止的氧化气体供应以一定延迟被重启，由此防止快速地升高燃料电池100的输出电压的效果。将在下面主要关于当中断催化剂活化处理时执行的操作解释在本实施例的催化剂活化处理中控制单元5的操作。
图4是示意本发明实施例1的催化燃料电池系统中在燃料电池输出电压和催化剂层再生处理的控制操作之间的关系随着时间变化的图表。图5是示意在本发明实施例1的催化燃料电池系统中的控制单元5的操作的流程图，该操作关注于催化剂层再生处理。
图4和图5所示的催化剂层再生处理的控制操作涉及其中在操作和处理被中断期间催化剂层活化处理必须被中断的条件已被满足的情形。
这里，假定催化剂活化处理被周期地执行，并且在实施例1中，利用控制单元5的内部计时器确定催化剂活化处理开始时刻和中断时刻。例如，在时间t0开始操作并且计算周期T0直至燃料电池100的输出电压在时间tr内达到还原目标电压的计时器在下面被称为“计时器T0”。对从达到催化剂活化处理必须被中断的条件之时起到启动空气供应之时止的待机间隔进行计时的计时器是计时器T1，并且对催化剂活化处理的间隔周期T2进行计时的计时器是计时器T2。
如图4和图5所示，在催化剂活化处理的间隔周期内，即，在由计时器T2示意的周期T2逝去之前(步骤S2：否)，催化剂活化处理不被执行，并且控制单元5继续在待机电压Vh下保持向变换器41示意电压指令值的指令信号CCONV，所述待机电压是通常操作模式的目标电压，从而执行通常操作(步骤S1)。结果，燃料电池100的输出电压被保持为待机电压Vh，并且向系统执行足够的电力供应。这里，在作为燃料电池100的输出电压不应达到或者超过从而增加耐用性等的上限值的意义下，待机电压Vh还能够被称为使得能够避免高电压的电压。
然后，当在步骤S2中由计时器T2计算的周期T2达到时间t0时(是)，控制单元5在步骤S3中停止计时器T2并且同时，控制单元5在步骤S4中向压缩机20输出停止压缩机20供应输出到压缩机20的氧化气体(例如，空气)的操作的指令信号CCOMP。结果，压缩机20的操作停止，并且停止经由氧化气体供应系统2的氧化气体主动供应。同时，在步骤S5中，控制单元5在计时器T0中设置使得燃料电池100的输出电压达到还原目标电压所需的周期T0并且开始利用计时器T0计时。在步骤S6中，控制单元线性地并且逐渐地降低指令信号CCONV，所述指令信号是向变换器41发出的电压指令值，从而匹配预定响应特性。
在通常操作的情形中，作为上述处理的结果，变换器41的次级侧电压的逐渐降低与氧化气体消耗相结合并且燃料电池100的输出电压线性地降低，如图4所示。因此，如图4所示，燃料电池100的输出电压(变换器41的次级侧电压)逐渐地降低并且在时间tr达到还原目标电压Vr，其中从时间t0起周期T0已经逝去。通过试验方式确定该电压作为使得催化剂层从氧化反应区域完全过渡到还原反应区域的电压。在通常操作的情形中，通过将电压保持在该还原目标电压Vr的水平而促进催化剂层的更新。
在燃料电池100的输出电压的这种降低期间，控制单元5确认要求中断更新的条件是否已被满足(步骤S7)。在要求中断更新的条件已被满足的情形中(是)，控制单元移至步骤S10，并且在要求中断更新的条件尚未被满足(否)的情形中，控制单元前进到步骤S8。
从检测燃料气体(氢)的交叉泄露的燃料气体压力传感器13接受交叉泄露检测信号Sp在这里被采用作为要求中断更新的一个条件。
通过监视加速器等的操作能够建立要求中断更新的另一个条件。
而且，当提供一种配置从而能够例如利用氢浓度传感器检测燃料气体泄露时，利用浓度传感器的燃料气体泄露检测能够被设为要求中断更新的条件。
在步骤S8中，控制单元5确认计时器T0的计数是否已经达到在达到还原目标电压Vr之前逝去的时间(周期T0)，并且当计时器T0的计数尚未达到在达到还原目标电压Vr之前逝去的时间(周期T0)(否)时，控制单元返回到步骤S6。当计时器T0的计数已经达到在达到还原目标电压Vr之前逝去的时间(周期T0)时(是)，控制单元前进到步骤S9。
在步骤S9中，控制单元5停止计时器T0，在还原区域中执行燃料电池100的催化剂层活化处理所必需的控制，并且结束所述处理(结果，控制单元进入间隔周期T2)。
在还原区域中用于燃料电池100的催化剂层活化处理所需的控制能够包括例如以下步骤：通过基于在还原目标电压Vr下向变换器41发出的指令信号CCONV保持电压指令值而将燃料电池100的输出电压固定为还原目标电压Vr，促进催化剂层中的还原反应，并且活化催化剂层，但是这并非根据本发明的特殊处理并且因此可以利用其它为人熟知的方法执行。在执行催化剂层活化处理期间，所产生的电流升高并且所产生的电力也升高。因此，通过在燃料电池100中发电所形成的过量电力经由变换器41被输出到蓄电池41的初级侧并且通过混合操作被充入蓄电池40中。
当上述的更新中断条件中的任何一个被满足时，在步骤S10中，控制单元5将示意电压指令值的指令信号CCONV作为待机电压Vh送至变换器41，所述待机电压是通常操作模式的目标电压。
然后，控制单元5向计时器T1设置从使得要求中断催化剂活化处理的条件被满足的时间点(时间t1)到供应空气的待机周期T1并且开始利用计时器T1计时(步骤S11)。
这里，能够根据在待机电压Vh和在使得要求停止催化剂活化处理的条件被满足的时间点(即，时间t1)燃料电池100的输出电压之间的差异(即，从待机电压的电压下降)发现在计时器T1中设定的待机周期T1作为经验值。在待机周期T1中，终止向燃料电池100的氧化气体供应，但是能够通过剩余空气升高燃料电池100的输出电压。而且，图4示意其中燃料电池100的输出电压在时间点t2达到待机电压Vh的情形，但是根据本发明，一般并非必须使得燃料电池100的输出电压在时间t2达到待机电压Vh并且它可以低于待机电压Vh。
然后，控制单元5确认计时器T1的计数是否已经达到从使得要求中断催化剂活化处理的条件被满足的时间点(即，时间t1)到空气供应的待机周期T1，等待直至计时器T1的计数达到从使得要求中断催化剂活化处理的条件被满足的时间点(即，时间t1)到空气供应的待机周期T1，并且一旦计时器T1的计数达到从使得要求中断催化剂活化处理的条件被满足的时间点(即，时间t1)到空气供应的待机周期T1(是)(步骤S12)，则前进到步骤S13。
在步骤S13中，控制单元5停止计时器T1。然后，它前进到步骤S14并且发出执行空气吹送的指令。因此，控制单元5向压缩机20发送重启压缩机20的操作的指令信号CCOMP。结果，大量的氧化气体(例如，空气)被从氧化气体系统2供应到燃料电池100的阴极，然后燃料电池100的输出电压能够被保持在低于待机电压Vh的范围中。
这里，被供应到燃料电池100的阴极电极的氧化气体量被设定为使得氧化气体能够被供应到燃料电池100的所有的阴极电极的量。
在步骤S15中，在与发出前述空气吹送执行指令相同的时刻，计时器T2被启动，该计时器对间隔周期T2计时直至下次催化剂活化处理，并且处理结束(结果，控制单元进入间隔周期T2)。
(实施例1的优点)
实施例1具有下面的优点。
在实施例1中，即使当燃料电池100的输出电压达到还原目标电压时要求中断活化处理的条件被满足，仅仅确定输出电压上限的待机电压Vh也被即刻地发送到变换器41并且没有达到供应氧化气体的阶段。在发出空气吹送执行指令的时间，即，重启压缩机20的操作的指令信号CCOMP被发送到压缩机20的时间，在燃料电池100的输出电压升高到接近待机电压Vh之后到来。因此，由于空气吹送和蓄电池40的过度充电引起的问题例如燃料电池100的输出电压快速增加的出现能够被避免。
利用实施例1实现的另一效果在于无需利用传感器检测输出电压。
(实施例2)
在实施例1中，控制单元5通过致动计时器而检测处理时刻，但是在实施例2中，通过检测燃料电池的实际输出电压而检测处理时刻。
在实施例2中的系统配置与图2所示的实施例1的系统配置相同。
图6是示意本发明实施例2的催化燃料电池系统中控制单元5的操作的流程图，该操作关注于催化剂层再生处理。作为在实施例2中的操作的前序，假设控制单元5周期地监视利用电压传感器48检测的燃料电池100的输出电压(变换器41的次级侧电压)。与实施例1的处理相同的处理在下面被赋予相同的步骤编号。
如图6所示，在步骤S1中，控制单元5继续在待机电压Vh下保持向变换器41示意电压指令值的指令信号CCONV，所述待机电压是通常操作模式的目标电压，从而执行通常操作。
在步骤S21中，控制单元5确定是否已经达到用于执行催化剂活化处理的状态。多种方法能够被采用以确定是否需要执行催化剂活化处理。例如，在实施例1中，假设催化剂活化处理以预定间隔周期T4周期地执行。因此，内部计时器T2的逝去时间提供用于执行催化剂活化处理的可能性。
然而，周期地执行催化剂活化处理并不总是必需的。这是因为由催化剂形成的氧化物量根据使用条件而改变。例如，当在催化剂上形成大量的氧化物时，电池输出下降。因此，不能获得根据燃料电池固有的I-V特性的输出。相应地，如果实际获取的电流量没有达到利用I-V特性估计的电流量但是燃料电池100的输出电压已被设为预定电压，则能够确定催化剂活化是必需的。
从上可见，控制单元5能够基于任何条件监视燃料电池100的操作状态或者燃料电池的发电模式，并且当满足预定条件时确定催化剂活化处理是必需的。
当在步骤S21中确定催化剂活化处理是必需的(是)时，控制单元5移至步骤S4。在步骤S4中，停止供应已被输出到压缩机20的氧化气体(例如，空气)的压缩机20的驱动的指令信号CCOMP，被发送到压缩机20。结果，压缩机20的驱动停止，并且经由氧化气体供应系统2的氧化气体主动供应停止。然后，控制单元移至步骤S6。在步骤S6中，根据预定响应特性，控制单元5线性地并且逐渐地降低指令信号CCONV，所述指令信号是向变换器41发出的电压指令值。作为上述处理的结果，变换器41的次级侧电压的逐渐降低与氧化气体的消耗相结合并且燃料电池100的输出电压线性地降低，如图4所示。
这里，在实施例1中，利用计时器T0测量从电压降低开始到结束的等待时间，但是在实施例2中，在步骤S22中直接地确定燃料电池100的输出电压。当系统处于待机操作模式时，当达到图4中的时间tr时，燃料电池100的输出电压必须达到还原目标电压Vr。
在燃料电池100输出电压的这种降低期间，控制单元5确认要求中断更新的条件是否已被满足(步骤S7)。在要求中断更新的条件已被满足(是)的情形中，控制单元移至步骤S10，并且在要求中断更新的条件未被满足(否)的情形中，控制单元前进到步骤S22。
从检测燃料气体(氢)的交叉泄露的燃料气体压力传感器13接受交叉泄露检测信号Sp在这里被采用作为要求中断更新的一个条件。
能够通过监视加速器等的操作建立要求中断更新的另一个条件。
而且，当提供一种配置从而能够例如利用氢浓度传感器检测到燃料气体泄露时，利用浓度传感器检测燃料气体泄露能够被设定作为要求中断更新的条件。
在步骤S22中，控制单元5利用电压传感器48的输出电压检测信号Se监视燃料电池100的输出电压。然后，在步骤S23中，控制单元确认燃料电池100的输出电压是否已经达到还原目标电压。当燃料电池100的输出电压没有达到还原目标电压(否)时，控制单元返回步骤S6，并且当燃料电池100的输出电压已经达到还原目标电压(是)时，控制单元前进到步骤S9。
在步骤S9中，控制单元5停止计时器T0，执行用于在还原区域中燃料电池100的催化剂层的活化处理所需的控制，并且结束处理(结果，控制单元进入间隔周期T2)。
当上述的更新中断条件中的任何一个被满足时，在步骤S10中，控制单元5将示意电压指令值的指令信号CCONV作为待机电压Vh送至变换器41，所述待机电压是通常操作模式的目标电压。
然后，在步骤S24中，控制单元5通过电压传感器48的输出电压检测信号Se监视燃料电池100的输出电压。在随后的步骤S25中，控制单元确认燃料电池100的输出电压是否已经达到待机电压的附近。当燃料电池100的输出电压没有达到待机电压的附近(否)时，控制单元返回到步骤S24，并且当燃料电池100的输出电压已经达到待机电压的附近(是)时，控制单元前进到步骤S14，并且发出执行空气吹送的指令。因此，控制单元5向压缩机20发送重启压缩机20的操作的指令信号CCOMP并且结束处理(相应地，控制单元进入间隔周期T2)。结果，大量的氧化气体(例如，空气)被从氧化气体系统2供应到燃料电池100的阴极电极，然后燃料电池100的输出电压能够被保持在低于待机电压Vh的范围中。
这里，因为其中燃料电池的输出电压从在启动活化处理中断时的输出电压恢复到待机电压附近的间隔长度根据剩余空气的量而改变，所以将难以期望如在实施例1中那样通过设置计时器1而执行测量。因此，在本实施例中，通过确定空气剩余量的变化而非测量时间间隔直接地检测输出电压。
而且，被供应到燃料电池100的阴极电极的氧化气体的量被设为使得氧化气体能够被供应到燃料电池100的所有的阴极电极的量。
而且，图4示意其中在时间t2燃料电池100的输出电压达到待机电压Vh的情形，但是根据本发明，一般地在时间t2燃料电池100的输出电压不必达到待机电压Vh并且它可以低于待机电压Vh。
在上述实施例2中，在催化剂活化处理期间，控制单元5通过检测燃料电池100的实际输出电压而非操作计时器确定用于向下次处理进行过渡的时刻。通过在燃料电池100中剩余的氧化气体实际量影响燃料电池的输出电压的变化。基于燃料电池的输出电压执行处理意味着根据在燃料电池中氧化气体的实际剩余量确定处理时刻。换言之，利用实施例2，能够相应于剩余气体量在足够的时刻处促进催化剂活化处理(包括其中断)。
而且，还能够将其中如在实施例2中检测到燃料电池100的输出电压的情形与其中如在实施例1中由计时器检测到处理时刻的情形相结合。换言之，除了检测燃料电池100的输出电压以外，可以使用计时器T0到T2中的至少一个。
(其它实施例)
本发明不限于上述实施例并且能够以各种方式改变。
例如，在上述实施例中，通过在催化剂层再生处理(包括其中断处理)期间控制压缩机20的驱动而控制氧化气体的供应量，但是也可以使用一种其中与该控制相结合地控制从氢罐10的氢供应的配置。而且，也可以通过控制氧化气体供应系统以及燃料气体供应系统的阀的打开和关闭而控制氧化气体和燃料气体的供应量。
在上述实施例中处理步骤的顺序能够被适当地改变。
而且，上述实施例的燃料电池系统可被应用于电动汽车以及其它移动体(可在地面上、在水上、在水中以及在空中移动)以及静止系统。
根据本发明，当在催化剂活化处理期间根据任何条件重启氧化气体供应时，在等待直至燃料电池的输出电压升高到高于预定电压值之后重启氧化气体供应。因此，能够避免由于在燃料电池输出电流变得较大的输出电压限制状态下氧化气体的突然供应而引起的燃料电池输出电压快速增加以及二次电池过度充电的发生。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统，在所述燃料电池系统中，通过降低燃料电池的输出电压而执行催化剂活化处理，其中
当在执行所述催化剂活化处理期间所述催化剂活化处理被中断时，
执行用于将所述燃料电池的输出电压恢复到待机电压的处理，并且
在等待直至满足氧化气体供应条件之后，将氧化气体供应到所述燃料电池。
2.根据权利要求1的燃料电池系统，包括：
电压变换装置，用于根据电压指令值改变所述燃料电池的输出电压；
电压检测装置，用于检测所述燃料电池的输出电压；
控制装置，用于向所述电压变换装置发出所述电压指令值；
中断条件确定装置，用于确定是否已满足所述催化剂活化处理的中断条件；和
氧化气体供应装置，用于将氧化气体供应到所述燃料电池的阴极电极，其中
当所述中断条件确定装置确定在执行所述催化剂活化处理期间已满足所述催化剂活化处理的中断条件时，所述控制装置将所述待机电压作为指令值发出到所述电压变换装置，在此之后等待直至满足所述氧化气体供应条件，然后执行控制以将所述氧化气体供应到所述燃料电池的阴极电极侧。
3.根据权利要求1的燃料电池系统，其中所述氧化气体供应条件是：从执行用于将所述燃料电池的输出电压恢复到所述待机电压的处理的时刻起经过预定时间。
4.根据权利要求1的燃料电池系统，其中所述氧化气体供应条件是：所述燃料电池的输出电压达到预定电压值。
5.根据权利要求2的燃料电池系统，其中所述催化剂活化处理的中断条件是：在所述燃料电池中检测到交叉泄露的发生。
6.根据权利要求5的燃料电池系统，其中通过所述燃料电池的阳极电极侧上的燃料气体的压力的预定降低而检测到所述交叉泄露的发生。
7.根据权利要求2的燃料电池系统，其中供应到所述燃料电池的氧化气体量是足以供应到所述燃料电池的所有阴极电极的氧化气体量。
8.根据权利要求1的燃料电池，还包括蓄电器件，其中
在所述蓄电器件处于它能够被充电至等于或大于预定电量的电量的状态的条件下，开始所述催化剂活化处理。
9.一种移动体，包括根据权利要求1到8中任一项的燃料电池系统。
10.一种用于控制燃料电池系统的方法，在所述燃料电池系统中，通过降低燃料电池的输出电压而执行催化剂活化处理，所述方法包括以下步骤：
确定在执行所述催化剂活化处理期间所述催化剂活化处理是否被中断；
当确定所述催化剂活化处理被中断时，将所述燃料电池的输出电压恢复到待机电压；
等待直至满足氧化气体供应条件；并且
当满足所述氧化气体供应条件时，将氧化气体供应到所述燃料电池。
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