CN101569044A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

燃料电池系统，在对燃料电池的要求电力小于规定值时，进行控制，停止对燃料电池的反应气体供给，并且使燃料电池的输出电压保持为比开路电压(OCV)低的高电位回避电压(V1)；在对燃料电池的要求电力在规定值以上时，以高电位回避电压(V1)为上限控制燃料电池的输出电压。通过将燃料电池输出电压的上限设定为比开路电压(OCV)低的高电位回避电压(V1)，能抑制由于燃料电池的输出电压上升到开路电压(OCV)而导致的催化剂劣化。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及使燃料电池的输出电压以比开路电压低的高电位回避电压为上限进行运转控制的燃料电池系统。
背景技术
燃料电池堆是如下发电系统：通过电化学处理使燃料氧化，从而将伴随氧化反应释放的能量直接变换为电能。燃料电池堆具有膜-电极组件，该组件的构成是，用于选择性地输送氢离子的高分子电解质膜的两个侧面由多孔质材料所构成的一对电极夹持而成。一对电极各自以负载铂类金属催化剂的碳粉末为主要成分，具有：与高分子电解质膜接触的催化剂层；和气体扩散层，形成于催化剂层的表面，同时具有透气性和电子导电性。
在以燃料电池系统作为电力源搭载的燃料电池车辆中，进行如下运转控制：在发电效率高的高输出区域中，使燃料电池堆发电，从燃料电池堆和二次电池两者或仅从燃料电池堆向牵引电动机提供电力；另一方面，在发电效率低的低输出区域中，暂时停止燃料电池堆的发电，仅从二次电池向牵引电动机提供电力。这样，将在燃料电池系统的发电效率低的低负荷区域中，暂时停止燃料电池堆的运转的情况称为间歇运转。在燃料电池系统的发电效率下降的低负荷区域中，通过实施间歇运转，能使燃料电池堆在能量变换效率高的范围内运转，能够提高燃料电池系统整体的效率。
日本特开2004-172028号公报中记载了如下燃料电池系统，当对燃料电池堆的要求负荷在规定值以下时，实施间歇运转。该公报还公开了：通过实施间歇运转而转换到发电停止状态的燃料电池堆的电池电压低于规定值时，驱动空气压缩机，向燃料电池堆提供氧气，消除燃料电池堆的阴极中的氧不足，恢复电池电压，改善对发电要求的响应延迟。
专利文献1：日本特开2004-172028号公报
发明内容
但在现有的间歇运转中，停止对燃料电池堆的反应气体供给的同时，将与燃料电池堆的输出端子并联的DC/DC转换器的指令电压设定为开路电压，从而将燃料电池堆的输出端子电压控制为开路电压(OCV)。通过将燃料电池堆的输出端子电压保持为开路电压，能够进行控制，使得在间歇运转中，电流不会从燃料电池堆中流出。
但在低负荷运转时，将燃料电池堆的输出端子电压保持为开路电压时，存在膜-电极组件的催化剂层中含有的铂催化剂离子化并溶出的情况，因此抑制燃料电池堆的性能下降成为研究课题。
因此，本发明的课题在于，提供能够兼顾燃料电池的发电效率的提高和耐久性维持的燃料电池系统。
为了解决上述课题，本发明的燃料电池系统具有：燃料电池，接受反应气体的供应而发电；控制装置，在对燃料电池的要求电力小于规定值时，进行控制，使对燃料电池的反应气体供给停止，并且使燃料电池的输出电压保持为比开路电压低的高电位回避电压；在对燃料电池的要求电力在规定值以上时，以高电位回避电压为上限控制燃料电池的输出电压。
通过将燃料电池的输出电压的上限设定为比开路电压低的高电位回避电压，能够抑制由于燃料电池的输出电压上升到开路电压而导致的催化剂劣化。
本发明的燃料电池系统还具有控制燃料电池的输出电压的DC/DC转换器。控制装置在对燃料电池的要求电力小于规定值时，在燃料电池的输出电压比高电位回避电压降低了规定电压的阶段，使DC/DC转换器的驱动停止。
通过在燃料电池的输出电压比高电位回避电压降低了规定电压的阶段停止DC/DC转换器的驱动，能够抑制DC/DC转换器的开关损耗，并且能够避免燃料电池内部残留的反应气体所造成的燃料电池的输出电压上升。
本发明的燃料电池系统还具有蓄电装置。控制装置在燃料电池的发电电力超过蓄电装置能够充电的电力与辅机类能够消耗的电力的总和时，允许燃料电池的输出电压上升到开路电压。
当燃料电池的发电电力超过蓄电装置的能够充电的电力时，允许燃料电池的输出电压上升到开路电压，由此能够避免蓄电装置的损伤。
本发明的燃料电池系统还具有牵引电动机。控制装置在实施利用牵引电动机的再生制动的过程中，允许燃料电池的输出电压上升到开路电压。
在实施利用牵引电动机的再生制动的过程中，允许燃料电池的输出电压上升到开路电压，由此能够使再生制动中的燃料电池的发电停止，能够使再生电力更多地充电到蓄电装置。
本发明的燃料电池系统还具有配置在用于将反应气体供给到燃料电池的配管系统中的多个断开阀。控制装置在通过关闭多个断开阀而在配管系统内部形成封闭空间、并通过检测封闭空间内部的气体压力变化而检测气体泄漏的过程中，允许燃料电池的输出电压上升到开路电压。
在检测气体泄漏的过程中，允许燃料电池的输出电压上升到开路电压，由此能够抑制气体泄漏检测中因燃料电池发电引起的反应气体消耗，提高气体泄漏检测精度。
在此，燃料电池是层叠多个电池而成的电池堆。优选控制装置校正高电位回避电压，以使多个电池的输出电压中的最高电压在规定值以下。当电池电压波动时，存在多个电池的输出电压中最高的电压高于每个电池的高电位回避电压的情况。通过校正高电位回避电压，使多个电池的输出电压中的最高电压在规定值(例如电池堆的目标电压除以电池总数所得的电压值)以下，能够抑制因电池电压波动造成的耐久性下降。
附图说明
图1是本实施方式的燃料电池系统的系统构成图。
图2是构成燃料电池堆的电池的分解透视图。
图3是表示本实施方式的燃料电池系统的运转控制的时间图。
图4是表示堆电压的检测误差的图。
图5是表示电池电压的波动的图。
图6是表示DC/DC转换器的间歇停止的时间图。
图7是表示高电位回避控制的执行条件的说明图。
图8是表示用于根据再生制动的有无对高电位回避控制进行开/关切换的运转控制的时间图。
图9是表示行驶模式与高电位回避电压的关系的图。
图10是表示用于根据气体泄漏检测的有无对高电位回避控制进行开/关切换的运转控制的时间图。
具体实施方式
以下参照各图说明本发明的实施方式。
图1表示作为燃料电池车辆的车载电源系统发挥作用的燃料电池系统10的系统构成。
燃料电池系统10作为搭载在燃料电池车辆上的车载电源系统而发挥作用，具有：燃料电池堆20，接受反应气体(燃料气体、氧化气体)的供给而发电；氧化气体供给系统30，将作为氧化气体的空气提供到燃料电池堆20；燃料气体供给系统40，将作为燃料气体的氢气提供到燃料电池堆20；电力系统50，控制电力的充电放电；和控制器60，统一控制系统整体。
燃料电池堆20是串联层叠多个电池而成的固体高分子电解质型电池堆。在燃料电池堆20中，在阳极中发生(1)式的氧化反应，在阴极中发生(2)式的还原反应。作为燃料电池堆20整体，发生(3)式的起电反应。
H2→2H++2e-  …(1)
(1/2)O2+2H++2e-→H2O  …(2)
H2+(1/2)O2→H2O  …(3)
燃料电池堆20上安装有：电压传感器71，用于检测燃料电池堆20的输出电压(FC电压)；以及电流传感器72，用于检测输出电流(FC电流)。
氧化气体供给系统30具有：氧化气体路径33，提供到燃料电池堆20的阴极的氧化气体在其中流动；氧化废气路径34，从燃料电池堆20排出的氧化废气在其中流动。氧化气体路径33中设有：空气压缩机32，通过过滤器31从大气中取入氧化气体；加湿器35，用于对被空气压缩机32加压的氧化气体进行加湿；断开阀A1，用于断开向燃料电池堆20的氧化气体供给。氧化废气路径34中设有：断开阀A2，用于断开来自燃料电池堆20的氧化废气排出；背压调整阀A3，用于调整氧化气体供给压力；加湿器35，在氧化气体(干燥气体)和氧化废气(湿润气体)之间进行水分交换。
燃料气体供给系统40具有：燃料气体供给源41；燃料气体路径43，从燃料气体供给源41向燃料电池堆20的阳极提供的燃料气体在其中流动；循环路径44，用于使从燃料电池堆20排出的燃料废气返回到燃料气体路径43；循环泵45，将循环路径44内的燃料废气压送到燃料气体路径43；排气排水路径46，与循环路径44分支连接。
燃料气体供给源41例如由高压氢罐、储氢合金等构成，存储高压(例如35MPa到70MPa)的氢气。打开断开阀H1时，燃料气体从燃料气体供给源41流出到燃料气体路径43。燃料气体通过调节器H2、喷射器42例如减压到200kPa左右，被提供到燃料电池堆20。
并且，燃料气体供给源41也可由以下构成：改性器，由烃类燃料生成富氢的改性气体；高压气罐，使由该改性器生成的改性气体为高压状态而蓄压。
燃料气体路径43中设有：断开阀H1，用于断开或允许来自燃料气体供给源41的燃料气体的供给；调节器H2，调整燃料气体的压力；喷射器42，控制提供到燃料电池堆20的燃料气体供给量；断开阀H3，用于断开向燃料电池堆20的燃料气体供给；压力传感器74。
调节器H2是将其上游侧压力(一次压力)调节为提前设定的二次压力的装置，例如由对一次压力减压的机械式的减压阀等构成。机械式的减压阀具有如下构成：具有隔着隔膜形成背压室和调压室的筐体，通过背压室内的背压在调压室内将一次压力减压到规定的压力作为二次压力。通过在喷射器42的上游侧配置调节器H2，能有效降低喷射器42的上游侧压力。因此，能提高喷射器42的机械构造(阀芯、筐体、流路、驱动装置等)的设计自由度。并且，能够降低喷射器42的上游侧压力，因此能抑制因喷射器42的上游侧压力和下游侧压力的差压增大引起的喷射器42的阀芯难以移动的情况。因此，能够扩大喷射器42的下游侧压力的可变调压幅度，并且能够抑制喷射器42的响应性下降。
喷射器42是能够通过电磁驱动力直接以规定的驱动周期驱动阀芯离开阀座、从而调整气体流量、气体压力的电磁驱动式的开关阀。喷射器42具有阀座，其具有喷射氢气等气体燃料的喷射孔，并且还具有：喷嘴主体，将该气体燃料供给引导到喷射孔；阀芯，相对该喷嘴主体在轴线方向(气体流动方向)上可移动地被收容保持，使喷射孔开关。
在本实施方式中，喷射器42的阀芯由作为电磁驱动装置的螺线管驱动，通过向该螺线管供电的脉冲状励磁电流的接通/断开，能够两阶段地切换喷射孔的开口面积。通过利用从控制器60输出的控制信号控制喷射器42的气体喷射时间及气体喷射时期，能高精度地控制燃料气体的流量及压力。喷射器42是通过电磁驱动力直接开关驱动阀(阀芯及阀座)的装置，其驱动周期可控制到高响应的区域，因此具有高的响应性。喷射器42为了向其下游提供要求的气体流量，通过变更喷射器42的气体流路上设置的阀芯的开口面积(开度)及开放时间中的至少一个，调整提供到下游侧的气体流量(或氢摩尔浓度)。
循环路径44上，用于断开来自燃料电池堆20的燃料废气排出的断开阀H4与从循环路径44分支的排气排水路径46连接。排气排水路径46上设有排气排水阀H5。排气排水阀H5根据来自控制器60的指令进行动作，由此将循环路径44内的含有杂质的燃料废气和水分排出到外部。通过排气排水阀H5的开阀，循环路径44内的燃料废气中的杂质浓度下降，能够提高在循环系统内循环的燃料废气中的氢浓度。
通过排气排水阀H5排出的燃料废气与在氧化废气路径34中流动的氧化废气混合，通过稀释器(未图示)被稀释。循环泵45通过电动机驱动将循环系统内的燃料废气循环提供到燃料电池堆20。
电力系统50具有：DC/DC转换器51、蓄电池52、牵引逆变器53、牵引电动机54和辅机类55。燃料电池系统10作为DC/DC转换器51和牵引逆变器53并列地与燃料电池堆20连接的并联混合系统构成。DC/DC转换器51具有以下功能：使由蓄电池52提供的直流电压上升并输出到牵引逆变器53；将燃料电池堆20发电的直流电、或通过再生制动由牵引电动机54回收的再生电降压，并充电到蓄电池52。通过DC/DC转换器51的这些功能，能控制蓄电池52的充电放电。并且，通过DC/DC转换器51的电压变换控制，能够控制燃料电池堆20的运转点(输出电压、输出电流)。
蓄电池52作为剩余电力的存储源、再生制动时的再生能量存储源、伴随燃料电池车辆的加速或减速的负荷变动时的能量缓冲器发挥作用。作为蓄电池52，优选例如镍镉蓄电池、镍氢蓄电池、锂二次电池等干二次电池。蓄电池52上安装有用于检测SOC(State of charge：充电状态)的SOC传感器73。
牵引逆变器53例如是由脉宽调制方式驱动的PWM逆变器，根据来自控制器60的控制命令，将由燃料电池堆20或蓄电池52输出的直流电压变换为三相交流电压，控制牵引电动机54的旋转转矩。牵引电动机54例如是三相交流电动机，构成燃料电池车辆的动力源。
辅机类55是配置在燃料电池系统10内各部分的各电动机(例如泵类等动力源)、用于驱动这些电动机的逆变器类、以及各种车载辅机类(例如空气压缩机、喷射器、冷却水循环泵、散热器等)的总称。
控制器60是具有CPU、ROM、RAM及输入输出接口的计算机系统，控制燃料电池系统10的各部分。例如，控制器60接受到来自点火开关输出的起动信号IG时，使燃料电池10的运转开始，根据由加速传感器输出的加速开度信号ACC、由车速传感器输出的车速信号VC等，求出系统整体的要求电力。系统整体的要求电力是车辆行驶电力和辅机电力的总和。
其中，辅机电力包括：车载辅机类(加湿器、空气压缩机、氢泵、冷却水循环泵等)消耗的电力，车辆行驶所需装置(变速机、车轮控制装置、转向装置、悬挂装置等)消耗的电力，乘员空间内配置的装置(空调装置、照明器具、音响等)消耗的电力等。
并且，控制器60决定燃料电池堆20和蓄电池52各自的输出电力的分配，为了使燃料电池堆20的发电量与目标电力一致，控制氧化气体供给系统30及燃料气体供给系统40的同时，通过控制DC/DC转换器51而调整燃料电池堆20的输出电压，从而控制燃料电池堆20的运转点(输出电压、输出电流)。进一步，控制器60为了获得与加速开度对应的目标转矩，例如作为开关指令，将U相、V相及W相的各交流电压指令值输出到牵引逆变器53，控制牵引电动机54的输出转矩及转速。
图2是构成燃料电池堆20的电池21的分解透视图。
电池21由高分子电解质膜22、阳极23、阴极24、隔板26、27构成。阳极23及阴极24是从两侧夹持高分子电解质膜22的夹层结构的扩散电极。由非透气性的导电部件构成的隔板26、27进一步从两侧夹持该夹层结构，同时在阳极23及阴极24之间分别形成燃料气体及氧化气体的流路。隔板26上形成有截面凹形的肋26a。肋26a与阳极23抵接，从而关闭肋26a的开口部，形成燃料气体流路。隔板27上形成有截面凹形的肋27a。肋27a与阴极24抵接，从而关闭肋27a的开口部，形成氧化气体流路。
阳极23以负载铂类金属催化剂(Pt，Pt-Fe，Pt-Cr，Pt-Ni，Pt-Ru等)的碳粉末为主要成分，具有：催化剂层23a，与高分子电解质膜22连接；扩散层23b，形成在催化剂层23a的表面，同时具有透气性和电子导电性。同样，阴极24具有催化剂层24a和气体扩散层24b。更具体而言，催化剂层23a、24a是如下得到的物质：将负载了铂或铂与其他金属构成的合金的碳粉分散到适当的有机溶剂中，适量添加电解质溶液而浆化，并丝网印刷到高分子电解质膜22上。气体扩散层23b、24b由碳纤维构成的丝编织的碳布料、碳纸或碳毡形成。高分子电解质膜22是由固体高分子材料、例如氟类树脂形成的质子传导性的离子交换膜，在湿润状态下发挥良好的导电性。由高分子电解质膜22、阳极23及阴极24形成膜-电极组件25。
图3是表示燃料电池系统10的运转控制的时间图。
燃料电池系统10根据运转负荷，通过切换燃料电池堆20的运转模式提高发电效率。例如，燃料电池系统10在发电效率低的低负荷区域(发电要求小于规定值的运转区域)，将燃料电池堆20的发电指令值设定为0而进行运转控制，由蓄电池52的电力提供车辆行驶所需的电力、系统运用上所需的电力(以下称为第1运转模式)。另一方面，在发电效率高的高负荷区域(发电要求在规定值以上的运转区域)，根据加速开度、车速等，计算出燃料电池堆20的发电指令值而进行运转控制，使车辆行驶所需电力、系统运用上所需电力仅由燃料电池堆20产生的发电电力提供，或者由燃料电池堆20产生的发电电力和来自蓄电池52的电力提供(以下称为第2运转模式)。
燃料电池系统10以一定周期监视表示运转模式的控制标记，当控制标记变为ON时，在第1运转模式下进行运转控制，当控制标记变为OFF时，在第2运转模式下进行运转控制。无论在哪种运转模式下，通常运转时燃料电池堆20的输出电压原则上均限制在使用上限电压V1和使用下限电压V2之间的运转范围内。
作为使用上限电压V1，优选是满足以下条件的电压：燃料电池堆20的催化剂层23a、24a中含有的铂催化剂不溶出的程度的电压范围，进一步优选除了以上条件外还满足以下条件的电压：在停止向燃料电池堆20的反应气体供给的状态下将燃料电池堆20的输出电压保持为使用上限电压V1时，使燃料电池堆20发电的电力在能够由辅机类55消耗的程度的电压范围。在燃料电池堆20中，尤其是在低密度电流运转或如空转运转那样阴极24的电位保持得较高的情况下，催化剂层24a的铂催化剂有可能溶出。在本说明书中，将燃料电池堆20的输出电压控制在使用上限电压V1以下而保持燃料电池堆20的耐久性的情况被称为高电位回避控制。并且，也存在将使用上限电压V1称为高电位回避电压的情况。在本实施方式中，无论在哪种运转模式下，原则上都进行高电位回避控制。使用上限电压V1优选设定为，例如每一个电池的电压为0.9V左右。
作为使用下限电压V2，优选满足以下条件的电压：电池电压不下降到还原区域的程度的电压范围。当燃料电池堆20在氧化区域中连续运转时，催化剂层24a中含有的铂催化剂的表面上形成氧化被膜，从而使铂催化剂的有效面积减少。这样，活性电压增大，因此燃料电池堆20的I-V特性下降。通过实施催化剂活性化处理，还原氧化被膜，从铂催化剂中除去氧化被膜，能够使I-V特性恢复，但当电池电压在氧化区域和还原区域之间频繁转换时，燃料电池堆20的耐久性下降。并且，使电池电压下降到还原区域后，对应要求负荷的增大而将电池电压提高到氧化区域时，存在负载铂催化剂的碳氧化的情况。鉴于这一情况，通过将通常运转时的燃料电池堆20的输出电压控制在使用下限电压V2以上，能够抑制燃料电池堆20的耐久性下降。使用下限电压V2优选设定为，例如每一个电池的电压为0.8V左右。
此外，通常运转时的燃料电池堆20的输出电压原则上控制在使用上限电压V1和使用下限电压V2之间，但根据系统运用的必要性，也有时将燃料电池堆20的输出电压控制在使用上限电压V1以上，或控制在使用下限电压V2以下。例如，当蓄电池52的SOC在规定值以上时、实施气体泄漏检测时、通过再生制动回收再生电力时等情况下，燃料电池堆20的输出电压上升到开路电压。并且，实施催化剂活性化处理时，燃料电池堆20的输出电压下降到使用下限电压V2以下。
在第1运转模式中，控制器60将发电指令值设定为0，停止对燃料电池堆20的反应气体供给，并且将对DC/DC转换器51的电压指令值设定为使用上限电压V1(时刻t0～t4)。即使在停止反应气体供给后，燃料电池堆20内部也残留有未反应的反应气体，因此燃料电池堆20暂时微量地发电。
时刻t0～t2的期间是通过将残留反应气体具有的化学能转化为电能从而继续微量发电的发电期间。在该发电期间内，残留反应气体具有仅能保持燃料电池堆20的输出电压为使用上限电压V1的能量，因此燃料电池堆20的输出电压继续保持为使用上限电压V1。在该发电期间内发电的电力由辅机类55消耗，但辅机类55消耗不完时，充电到蓄电池52。
在时刻t0～t1的期间内，燃料电池堆20的发电能量超过辅机类55的消耗容量，因此发电能量的一部分充电到蓄电池52。而随着残留反应气体的消耗，从燃料电池堆20释放的发电能量逐渐减少，因此在时刻t1的时间点下，从燃料电池堆20释放的发电能量与辅机类55的消耗容量平衡，充电到蓄电池52的电力为0。并且，在时刻t1～时刻t2的期间内，在从燃料电池堆20释放的发电能量中，无法提供辅机类55的消耗电力，因此为了补充其不足电力，从蓄电池52向辅机类55提供电力。
时刻t2～t4的期间是因残留反应气体的消耗已经无法将燃料电池堆20的输出电压保持为使用上限电压V1、从而发电停止的发电停止期间。当残留反应气体不具有用于将燃料电池堆20的输出电压保持为使用上限电压V1的必须的能量时，发电停止，燃料电池堆20的输出电压逐渐降低。在该发电停止期间内，燃料电池堆20的发电能量为0，因此从蓄电池52提供到辅机类55的电力基本一定。
在燃料电池堆20的输出电压下降到使用下限电压V2的时刻t3下，驱动氧化气体供给系统30，向燃料电池堆20补给氧化气体。燃料电池堆20接受氧化气体的补给而发电，因此燃料电池堆20的输出电压转而上升。在燃料电池堆20的输出电压上升到规定电压(例如360V)的阶段，结束氧化气体补给。因此，在发电停止期间内，每当燃料电池堆20的输出电压下降到使用下限电压V2时，适当补给氧化气体，控制输出电压不低于使用下限电压V2。
在第2运转模式下，控制器60根据要求负荷计算发电指令值，控制对燃料电池堆20的反应气体供给，并且通过DC/DC转换器51控制燃料电池堆20的运转点(输出电压、输出电流)(时刻t4～时刻t5)。此时，对DC/DC转换器51的电压指令值被限制在使用上限电压V1和使用下限电压V2之间的运转范围内。
并且，如图4所示，由电压传感器71测定的测定电压VDC存在仅比燃料电池堆20的实际电压VTC小ΔVstack的情况。作为误差ΔVstack的主要原因，认为是由于为了防止堆电流的逆流而设置的二极管75导致的电压下降、电压传感器71的测量误差等。当产生这种误差时，控制器60控制DC/DC转换器51，使仅比实际电压VTC小ΔVstack的测定电压VDC与目标电压一致，因此实际电压VTC被控制为仅比目标电压高ΔVstack的电压。
实际电压VTC被控制为仅比目标电压高ΔVstack的电压时，加速了燃料电池堆20的劣化，因此优选在加上了误差ΔVstack的基础上，校正测定电压VDC，并且控制DC/DC转换器51，使实际电压VTC与目标电压一致。具体而言，能将二极管75引起的电压下降、电压传感器71造成的测量误差作为稳态误差处理时，将作为校正值的ΔVstack与测定电压VDC相加，将其作为实际电压VTC处理，并控制DC/DC转换器51，使实际电压VTC与目标电压一致。
实际电压VTC与由电池监视器测定的各电池21的电池电压的总和Vcell_all相等，因此也可以将Vcell_all与VDC之间的误差ΔVstack以规定的计算周期计算出来，在加上误差ΔVstack的基础上，实时地校正测定电压VDC，并控制DC/DC转换器51，使实际电压VTC与目标电压一致。
但即使控制DC/DC转换器51使实际电压VTC与目标电压一致，如图5所示，电池21的输出电压(电池电压)也有波动，存在部分电池21的电池电压超过每个电池的目标电压的情况(每个电池的目标电压是指燃料电池堆20的目标电压除以电池总数的电压值)。这种情况下，加速了该部分电池21的劣化，因此为了使任意一个电池21的电池电压均不超过每个电池的目标电压，优选控制器60校正目标电压。具体而言，优选控制器60利用电池电压检测装置(未图示)监视构成燃料电池堆20的各电池21的电池电压，根据最高电池电压Vcell_max与平均电池电压Vcell_ave的差ΔVcell，校正燃料电池堆20的目标电压，控制任意一个电池21的电池电压均不超过每个电池的目标电压。
图6是表示DC/DC转换器51的间歇停止的时间图。
该时间图表示燃料电池车辆从低速行驶逐渐减速直到车辆停止的一系列的控制过程。
在低速行驶的燃料电池车辆的负荷变轻、对燃料电池堆20的要求负荷小于规定阈值的时刻t10下，控制标记从OFF切换为ON。由此，燃料电池系统10的运转模式从第2运转模式切换为第1运转模式。并且，在车速在规定值(例如数km/h左右)以下的时刻t11下，行驶标记从ON切换为OFF。行驶标记是表示车辆是否处于行驶状态的标记信息，当燃料电池车辆处于行驶状态(车速在规定值以上的状态)时，行驶标记变为ON，处于停止状态(车速小于规定值的状态)时，行驶标记变为OFF。
在燃料电池车辆完全停止的时刻t12下，电动机驱动允许标记从ON切换为OFF。电动机驱动允许标记是表示是否允许驱动牵引电动机54的状态的标记信息，当可允许驱动牵引电动机54时，电动机驱动允许标记变为ON，当不可允许驱动牵引电动机54(牵引电动机54为断开状态)时，电动机驱动允许标记变为ON。
在第1运转模式下，控制器60将发电指令值设定为0，停止对燃料电池堆20的反应气体供给，并且将对DC/DC转换器51的电压指令值设定为使用上限电压V1。在反应气体供给停止后，为了将燃料电池堆20的输出电压保持为使用上限电压V1，充足的反应气体残留在燃料电池堆20的内部，但因残留反应气体的微量发电，残留反应气体逐渐减少。残留反应气体不再具有将燃料电池堆20的输出电压保持为使用上限电压V1而需要的能量时，出现发电停止，燃料电池堆20的输出电压逐渐降低。
在燃料电池堆20的输出电压从使用上限电压V1仅下降ΔV而到达电压V3的时刻t13下，转换器驱动允许标记从ON切换为OFF。转换器驱动允许标记是表示是否允许驱动DC/DC转换器51的状态的标记信息，当可允许驱动DC/DC转换器51时，转换器驱动允许标记变为ON，当不允许驱动DC/DC转换器51时，转换器驱动允许标记变为OFF。
在燃料电池堆20的输出电压小于使用下限电压V2的时刻t14下，控制器60驱动氧化气体供给系统40，向燃料电池堆20补给氧化气体。燃料电池堆20接受氧化气体的补给而发电，因此燃料电池堆20的输出电压转而上升。并且，在开始向燃料电池堆20补给氧化气体的时刻t14下，转换器驱动允许标记从OFF切换为ON，DC/DC转换器51再次起动。在DC/DC转换器51再次起动的时刻t14下，控制标记保持ON，因此对DC/DC转换器51的电压指令值设定为使用上限电压V1。由此，燃料电池堆20的输出电压控制在使用上限电压V1和使用下限电压V2之间。
因此，以“牵引电动机54断开”、“燃料电池堆20的输出电压从使用上限电压V1仅下降ΔV”为条件，停止DC/DC转换器51的驱动(晶体管的开关动作)(以下称为间歇停止)，从而可降低DC/DC转换器51的开关损耗，提高能量效率。
在此说明上述二个条件是使DC/DC转换器51间歇停止的条件的理由。假如在牵引电动机54未断开的状态下停止DC/DC转换器51的驱动，则DC/DC转换器51对燃料电池堆20的电压控制不再起作用，因此燃料电池堆20的输出电压因牵引逆变器53而下降，不仅导致无法控制，而且燃料电池堆20的输出电压有可能低于使用下限电压V2。
并且，在燃料电池堆20的输出电压保持使用上限电压V1的状态下，充足的量的反应气体残留在燃料电池堆20中，有可能继续发电。假如在这种状态下，停止DC/DC转换器51的驱动时，燃料电池堆20发的电力中未被牵引逆变器53消耗尽的部分会导致燃料电池堆20的输出电压上升，有可能超过使用上限电压V1。
另一方面，在燃料电池堆20的输出电压从使用上限电压V1仅下降ΔV的状态下，残留反应气体的量是微量的，且处于发电停止状态，因此即使停止DC/DC转换器51的驱动，燃料电池堆20的输出电压也不会上升。鉴于以上原因，将上述二个条件作为用于使DC/DC转换器51间歇停止的条件。
图7是表示高电位回避控制的执行条件的说明图。
如该图所示，为了允许高电位回避控制的实施，需要满足以下所有条件：(A1)蓄电池52的SOC在SOC1以下，(B 1)车辆不处于再生控制中，(C1)不处于气体泄漏检测的判定中。另一方面，为了禁止高电位回避控制的实施，需要满足以下任意一个条件：(A2)蓄电池52的SOC在SOC2以上，(B2)车辆处于再生控制中，(C2)处于气体泄漏检测的判定中。
(蓄电池)
控制器60通过读取从SOC传感器73输出的信号，定期监视蓄电池52的充电状态。并且，当蓄电池52的SOC在SOC2(例如75％)以上时，控制器60将高电位回避控制功能从ON(允许)切换为OFF(禁止)。当高电位回避控制功能变为OFF时，燃料电池堆20的输出电压保持开路电压。另一方面，当蓄电池52的SOC在SOC1(例如70％)以下时，控制器60将高电位回避控制功能从OFF切换为ON。当高电位回避控制功能变为ON时，燃料电池堆20的输出电压控制为使用上限电压V1以下。
在第1运转模式中，当实施高电位回避控制时，虽然对燃料电池堆20的发电指令值为0，但燃料电池堆20的输出电压保持为使用上限电压V1，因此燃料电池堆20通过残留反应气体的电化学反应而微量发电。由该发电生成的电力作为辅机损失可被辅机类55消耗，但因燃料电池堆20的发电波动、辅机类55的耗电波动等，存在辅机类55无法消耗尽的情况。这种情况下，将辅机类55未耗尽的电力充电到蓄电池52中，但蓄电池52的SOC高时，造成过度充电，蓄电池52可能破损。因此，如上所述，将蓄电池52的SOC在SOC2以上作为条件，将高电位回避控制功能从ON切换为OFF，从而可避免过度充电造成的蓄电池52的破损。
此外，在以上的说明中，例示了根据蓄电池52的SOC进行高电位回避控制功能的ON/OFF切换的判断条件的设定，也可以根据蓄电池52的充电能力进行高电位回避控制功能的ON/OFF切换的判断条件的设定。例如，当蓄电池52的充电能力在Win1(例如-4kW)以下时，将高电位回避控制功能从OFF切换为ON，而当蓄电池52的充电能力在Win2(例如-2kW)以上时，将高电位回避控制功能从ON切换为OFF。但对高电位回避控制功能进行ON/OFF切换的判断条件不一定具有滞后特性。
(再生制动)
对于根据再生制动的有无对高电位回避控制进行ON/OFF切换的运转控制，参照图8所示的时间图进行说明。该时间图表示燃料电池车辆从行驶状态向再生控制转换的一系列过程。驱动器在时刻t20踩踏刹车板时，牵引电动机54进行再生制动，将车辆的运动能量变换为电能。并且，在时刻t20下，再生标记从OFF切换为ON。再生标记是表示车辆是否进行再生制动的标记信息，当车辆不进行再生制动时，再生标记变为OFF，当车辆进行再生制动时，再生标记变为ON。
当再生标记变为ON时，控制器60将燃料电池堆20的上限电压从使用上限电压V1变更为开路电压，允许燃料电池堆20的输出电压超过使用上限电压V1而变为开路电压。再生控制时对燃料电池堆20的要求负荷较轻，因此燃料电池堆20的输出电压逐渐上升，在时刻t21下，与开路电压相等，之后继续保持开路电压。并且，在燃料电池堆20的输出电压与开路电压相等的时刻t21之后，发电电流变为0。
燃料电池堆20的发电电流变为0，意味着燃料电池堆20不再发电，因此无需将发电电力充电到蓄电池52中。由此，可将再生电力充分地充电到蓄电池52中。其中，实线所示的再生电力表示再生制动时通过禁止高电位回避控制可充电到蓄电池52中的电力，虚线所示的再生电力表示再生制动时通过实施高电位回避控制可充电到蓄电池52中的电力。两者的差ΔW是因再生制动时燃料电池堆20发电的电力无需充电到蓄电池52中造成的，其表示通过蓄电池52可较多回收的再生电力。
因此，当车辆再生制动时，通过关闭高电位回避控制功能，使燃料电池堆20的发电电力为0，可将较多的再生电力充电到蓄电池52中，因此可提高能量效率。
此外，再生制动时，也可以不将高电位回避功能关闭，而是进行控制，使使用上限电压V1上升到比开路电压低的电压。并且，当蓄电池52的SOC低时，不仅可充电牵引电动机54回收的再生电力，而且可充电燃料电池堆20的发电电力，有富余，因此可以将蓄电池52的SOC在规定值以上时进行再生制动作为条件，将高电位回避控制关闭。
并且，也可根据车辆的行驶模式(D/B范围)变更再生制动中的高电位回避电压的目标值。其中，D范围是通常行驶时使用的行驶模式，B范围如在下坡或在坡间道路等上行驶的情况一样，是与通常行驶时相比要求更大的制动力时使用的行驶模式。利用牵引电动机54进行再生制动的过程中，电动机再生转矩变换为电力，充电到蓄电池52中，因此在再生制动中也实施高电位回避控制时，下述电力收支成立。
蓄电池充电电力+辅机消耗电力＝电动机再生电力+燃料电池发电电力…(4)
如式(4)所示，当车辆制动时的燃料电池发电电力多时，电动机再生电力只减少相应部分，无法确保充分的制动转矩。因此优选的是，在车辆制动时通过提高高电位回避电压，减少燃料电池发电电力，确保充分的制动转矩。因此，控制器60在车辆制动时为了使下述式(5)成立，可变地设定高电位回避电压。
蓄电池充电电力+辅机消耗电力≥电动机再生电力+燃料电池发电电力…(5)
其中，从式(5)的关系式导出的高电位回避电压作为图9所示的映像数据(map data)，可保持在控制器60内的ROM中。在图9中，横轴表示再生电力，纵轴表示高电位回避电压。B范围和D/R范围内，制动转矩不同，因此是不同的映像数据。实线表示D范围的映像数据，虚线表示B范围的映像数据。控制器60根据移动位置判断车辆的行驶模式是D范围还是B范围，当行驶模式是B范围时，行驶模式将高电位回避电压的目标值提高得大于D范围，确保大的制动力。由此，可提高车辆的驱动力。
(气体泄漏检测)
对于根据气体泄漏检测的有无对高电位回避控制进行ON/OFF切换的运转控制，参照图10所示的时间图进行说明。该时间图表示处于停车状态的燃料电池车辆在第1运转模式下在运转中用于判断燃料电池系统10的燃料气体配管系统中是否产生气体泄漏(氢泄漏)的一系列控制过程。
在燃料电池车辆停车等原因下对燃料电池堆20的要求电力小于规定值的时刻t30下，控制标记从OFF切换为ON。由此，控制器60在第1运转模式下运转控制燃料电池堆20。
控制器60以处于停车状态的燃料电池车辆在第1运转模式下运转控制为契机，起动气体泄漏检测程序，用于判断燃料气体配管系统中是否发生氢泄漏。当气体泄漏检测程序起动时，设置在燃料电池堆20的燃料气体入口的上游侧的断开阀H3、及配置在燃料气体出口的下游侧的断开阀H4分别关阀，在燃料气体配管内部形成密封空间。该密封空间内部的气体压力通过压力传感器74检测。密封空间内部的单位时间下的气体压力下降量在规定阈值以上时，判断发生气体泄漏。
在气体泄漏检测程序起动的时刻t30下，气体泄漏检测标记从OFF切换为ON。气体泄漏检测标记是表示是否实施了气体泄漏检测处理的标记信息，当实施气体泄漏检测时，气体泄漏检测标记变为ON，当未实施气体泄漏检测处理时，气体泄漏检测标记变为OFF。
在气体泄漏检测标记变为ON的时刻t30下，高电位回避标记从ON切换为OFF。高电位回避标记是表示是否允许高电位回避控制的标记信息，当允许高电位回避控制时，高电位回避标记变为ON，当禁止高电位回避控制时，高电位回避标记变为OFF。通过禁止气体泄漏检测中的高电位回避控制，燃料电池堆20的输出电压在时刻t30下，从使用上限电压V1逐渐上升，最终达到开路电压。燃料电池堆20的输出电压与开路电压一致时，停止燃料电池堆20的发电。
在气体泄漏判断经过必要的所需时间、气体泄漏检测处理完成的时刻t31下，气体泄漏检测完成标记从OFF切换为ON。气体泄漏检测完成标记是表示气体泄漏检测是否完成的标记信息，当气体泄漏检测完成时，气体泄漏检测完成标记变为ON，当气体泄漏检测未完成时，气体泄漏检测完成标记变为OFF。
并且，在气体泄漏检测处理完成的时刻t31下，气体泄漏检测标记从ON切换为OFF，高电位回避标记从OFF切换为ON。通过高电位回避标记从OFF切换为ON，燃料电池堆20的输出电压在时刻t31下从开路电压逐渐下降，最终到达使用上限电压V1。并且，当气体泄漏检测处理完成时，断开阀81、82开阀。
在燃料气体配管系统内部形成密封空间，通过测定经过规定时间后的密封空间内部的气体压力下降量，在实施气体泄漏检测的过程中允许高电位回避控制时，燃料电池堆20发电，消耗密封空间内部的氢气，因此有可能错误判断。与之相对，根据本实施方式，在实施气体泄漏检测的过程中禁止高电位回避控制，因此可抑制燃料电池堆20发电引起的密封空间内部的氢气消耗，因此可实施高精度的气体泄漏判断。
此外，在上述实施方式中，例示了将燃料电池系统10作为车载电源系统使用的方式，但燃料电池系统10的使用方式不限于该例。例如也可将燃料电池系统10作为燃料电池车辆以外的移动体(机器人、船舶、飞机等)的电力源而搭载。并且，也可将本实施方式涉及的燃料电池系统10作为住宅、建筑等的发电设备(放置用发电系统)使用。
产业上的利用可能性
根据本发明，将燃料电池的输出电压的上限设定为比开路电压低的高电位回避电压，从而可抑制燃料电池的输出电压上升到开路电压造成的催化剂的劣化。

Claims (6)

1.一种燃料电池系统，具有：
燃料电池，接受反应气体的供应而发电；
控制装置，在对所述燃料电池的要求电力小于规定值时，进行控制，使对所述燃料电池的反应气体供给停止，并且使所述燃料电池的输出电压保持为比开路电压低的高电位回避电压；在对所述燃料电池的要求电力在规定值以上时，以所述高电位回避电压为上限控制所述燃料电池的输出电压。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
还具有DC/DC转换器，控制所述燃料电池的输出电压，
所述控制装置，在对所述燃料电池的要求电力小于规定值时，在所述燃料电池的输出电压比所述高电位回避电压降低了规定电压的阶段，使所述DC/DC转换器的驱动停止。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
还具有蓄电装置，
所述控制装置，在所述燃料电池的发电电力超过所述蓄电装置能够充电的电力与辅机类能够消耗的电力的总和时，允许所述燃料电池的输出电压上升到开路电压。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
还具有牵引电动机，
所述控制装置，在实施利用所述牵引电动机的再生制动的过程中，允许所述燃料电池的输出电压上升到开路电压。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
还具有多个断开阀，配置在用于将反应气体供给到所述燃料电池的配管系统中，
所述控制装置，在通过关闭所述多个断开阀而在所述配管系统内部形成封闭空间、并通过检测所述封闭空间内部的气体压力变化而检测气体泄漏的过程中，允许所述燃料电池的输出电压上升到开路电压。
6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
所述燃料电池是层叠多个电池而成的电池堆，
所述控制装置校正所述高电位回避电压，以使所述多个电池的输出电压中的最高电压在规定值以下。
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