CN101606260B - 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低于规定值时停止向燃料电池供给氧化气体，并通过使燃料电池的输出电压从使用上限电压(V1)降低到还原电压(V3)来实施催化剂活性化处理。在燃料电池的输出电压因氧化气体不足而降低到鼓风电压(V4)时，燃料电池系统补给氧化气体，并恢复燃料电池的输出电压。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种具有催化剂活性化功能的燃料电池系统。
背景技术
燃料电池组是通过电化学过程对燃料进行氧化，从而将伴随氧化反应放出的能量直接变换为电能的发电系统。燃料电池组具有利用由多孔性材料构成的一对的电极来夹持用于选择性地输送氢离子的高分子电解质膜的两侧面而构成的膜-电极组件。一对的电极分别以担载铂类的金属催化剂的碳粉为主要成分，具有与高分子电解质膜相接的催化剂层、以及形成于催化剂层的表面且同时具有通气性和电子导电性的气体扩散层。
在这种燃料电池系统中，在单体电池电压达到氧化电位(约0.7V～1.0V)的运转区域使电池继续运转时，通过氢氧化物向催化剂层的铂催化剂表面吸附，活性化过电压增大，因此输出特性降低。鉴于这样的情况，在日本特开2005-346979号公报中提及了如下处理：停止向燃料电池组供给空气，并且由DC/DC转换器强制性地使燃料电池组的输出电压降低，通过使单体电池电压降低到还原电位(例如0.6V以下)，从铂催化剂表面除去氢氧化物而恢复催化剂活性。在该文献中，也提及了将由催化剂活性化处理产生的剩余电力向辅机用蓄电池充电的处理。
专利文献1：日本特开2005-346979号公报
发明内容
但是在将燃料电池系统作为车载电源的燃料电池车辆中，如果在动力行驶中强制性地使燃料电池组的输出电压降低，从而实施催化剂活性化处理，则单体电池电压暂时降低，因此存在不能获得追随高负载要求时的油门响应的输出的情况，担心驾驶性能(操纵性能)显著降低。
另外，在继续向燃料电池组供给反应气体的状态下，为了实施催化剂活性化处理，强制性地使燃料电池组的输出电压降低时，存在在催化剂活性化处理中产生不能全部充电至蓄电装置的过大的剩余电力的情况。优选的是催化剂活性化处理中产生的剩余电力尽可能少，以抑制由过充电造成的蓄电装置的损伤。
因此，本发明将提出一种燃料电池系统作为课题，该燃料电池系统能够为了不损害驾驶性能且使催化剂活性化处理中产生的剩余电力减少而实施燃料电池的催化剂活性化处理。
为了解决上述课题，本发明的燃料电池系统具有：燃料电池，接受燃料气体和氧化气体的供给而发电；和控制装置，在对燃料电池的要求电力低于规定值时，停止向燃料电池供给氧化气体并通过使燃料电池的输出电压降低来实施催化剂活性化处理。
在对燃料电池的发电要求低于规定的阈值时，停止向燃料电池供给氧化气体而实施催化剂活性化处理，从而能够不损害驾驶性能，并且能够使在催化剂活性化处理中产生的剩余电力较少。
本发明的燃料电池系统还具有蓄电装置，在可对蓄电装置充电的电力为规定值以下的情况下，控制装置禁止催化剂活性化处理。
在不能将由催化剂活性化处理发电的剩余电力对蓄电装置充电的情况下，通过禁止催化剂活性化处理，能够避免蓄电装置的损伤。
在本发明的燃料系统中，在将上述燃料电池系统作为车载电源的车辆的行驶速度为规定值以上时，控制装置禁止催化剂活性化处理。
在车辆处于行驶的状态时，通过禁止催化剂活性化处理，能够抑制伴随单体电池电压降低的驾驶性能的降低。
本发明的燃料电池系统，还具有在用于向燃料电池供给燃料气体的配管系统上设置的多个截止阀。上述控制装置通过关闭多个截止阀而在上述配管系统内部形成密闭空间，在通过检测密闭空间内部的气体压力变动来检测气体泄漏的期间内禁止催化剂活性化处理。
通过禁止气体泄漏检测期间的催化剂活性化处理，能够避免气体泄漏精度的降低。
在本发明的燃料电池系统中，控制装置在燃料电池的输出性能降低时实施催化剂活性化处理。
通过在需要催化剂活性化处理时实施催化剂活性化处理，能够将催化剂活性化处理的实施次数抑制在所需最小限，能够避免由反复实施催化剂活性化处理引起的燃料电池的耐久性降低。
本发明的燃料电池系统还具有：DC/DC转换器，控制燃料电池的输出电压；和电容器，将燃料电池发电产生的电力充电。控制装置在对燃料电池的要求电力低于规定值的情况下，使燃料电池的输出端子与DC/DC转换器连接，并通过DC/DC转换器控制燃料电池的输出电压，另一方面，在对燃料电池的要求电力为规定值以上的情况下，使燃料电池的输出端子与电容器连接，并将燃料电池发电产生的电力充电于电容器。
附图说明
图1是实施例1的燃料电池系统的系统构成图。
图2是构成燃料电池组的单体电池的分解立体图。
图3是表示燃料电池系统的运转控制的时序图。
图4是表示催化剂活性化处理的执行条件的概要的说明图。
图5是表示催化剂活性化处理中的燃料电池组的输出电压的变化的时序图。
图6是表示催化剂活性化处理的执行条件的详细的说明图。
图7是表示单体电池电压和氧化被膜的吸附量之间的关系的图。
图8是表示以氧化被膜的吸附量超过规定的阈值为条件而实施催化剂活性化处理的顺序的流程图。
图9是表示以从上次的催化剂活性化处理经过了规定时间为条件而实施催化剂活性化处理的第一顺序的流程图。
图10是表示以从上次的催化剂活性化处理经过规定时间为条件而实施催化剂活性化处理的第二顺序的流程图。
图11是表示由氧化被膜吸附于铂催化剂而引起的燃料电池组的I-V特性的降低的说明图。
图12是表示以燃料电池组的输出特性的降低量超过规定的阈值为条件而实施催化剂活性化处理的顺序的流程图。
图13是表示燃料电池组的过电压的说明图。
图14是表示以燃料电池组的活性化过电压超过规定的阈值为条件而实施催化剂活性化处理的顺序的流程图。
图15是实施例2的燃料电池系统的系统构成图。
图16是实施例3的燃料电池系统的系统构成图。
具体实施方式
以下，参照各附图对本发明的实施例进行说明。对相同的装置标注相同的标号，省略了重复的说明。
(实施例1)
图1是表示实施例1的燃料电池系统10的系统构成。
燃料电池系统10作为在燃料电池车辆上搭载的车载电源系统起作用，具有：接受反应气体(燃料气体、氧化气体)的供给而发电的燃料电池组20；用于将作为氧化气体的空气供给到燃料电池组20的氧化气体供给系统30；用于将作为燃料气体的氢气供给到燃料电池组20的燃料气体供给系统40；用于控制电力的充放电的电力系统50；和集中控制系统整体的控制器60。
燃料电池组20是将多个单体电池串联地层积而构成的固体高分子电解质型单体电池组。在燃料电池组20中，在阳极产生(1)式的氧化反应，在阴极产生(2)式的还原反应。作为燃料电池组20的整体产生(3)式的起电反应。
H2→2H++2e-…(1)
(1/2)O2+2H++2e-→H2O…(2)
H2+(1/2)O2→H2O…(3)
在燃料电池组20中安装有用于检测燃料电池组20的输出电压(FC电压)的电压传感器71和用于检测输出电流(FC电流)的电流传感器72。
氧化气体供给系统30具有向燃料电池组20的阴极供给的氧化气体流经的氧化气体通路33和从燃料电池组20排出的氧化废气流经的氧化废气通路34。在氧化气体通路33上设有：经由过滤器31从大气中取入氧化气体的空气压缩机32；用于对由空气压缩机32加压的氧化气体进行加湿的加湿器35；和用于对供给向燃料电池组20的氧化气体进行截止的截止阀A1。在氧化废气通路34上设有：用于对从燃料电池组20排出的氧化废气进行截止的截止阀A2；用于调整氧化气体供给压力的背压调整阀A3；和用于在氧化气体(干气)和氧化废气(湿气)之间进行水分交换的加湿器15。
燃料气体供给系统40具有：燃料气体供给源41；从燃料气体供给源41向燃料电池组20的阳极供给的燃料气体流经的燃料气体通路43；用于使从燃料电池组20排出的燃料废气返回到燃料气体通路43的循环通路44；将循环通路44内的燃料废气压送到燃料气体通路43的循环泵45；和与循环通路44分支连接的排气排水通路46。
燃料气体供给源41例如由高压氢罐、贮氢合金等构成，贮存高压(例如，35MPa至70MPa)的氢气。打开截止阀H1后，燃料气体从燃料气体供给源41向燃料气体通路43流出。燃料气体由调节器H2、喷射器42减压到例如200kPa左右而供给到燃料电池组20。
此外，燃料气体供给源41也可以由从烃类的燃料生成富氢的改性气体的改性器、和将由该改性器生成的改性气体在高压状态下贮压的高压气体罐构成。
在燃料气体通路43上设有：截止阀H1，用于截止或允许从燃料气体供给源41供给的燃料气体；调节器H2，调整燃料气体的压力；喷射器42，控制向燃料电池组20的燃料气体供给量；截止阀H3，用于截止向燃料电池组20供给的燃料气体；和压力传感器74。
调节器H2是将其上游侧压力(一次压力)调压为预先设定的二次压力的装置，例如，由对一次压力进行减压的机械式的减压阀等构成。机械式的减压阀具有隔着隔膜形成背压室和调压室的筐体，具有由背压室内的背压在调压室内将一次压力减压为规定的压力而形成二次压力的构成。通过在喷射器42的上游侧配置调节器H2，能够有效地降低喷射器42的上游侧压力。因此，能够提高喷射器42的机械构造(阀芯、筐体、流路、驱动装置等)的设计自由度。另外，由于能够降低喷射器42的上游侧压力，所以能够抑制由喷射器42的上游侧压力和下游侧压力之间的压差的增大引起的喷射器42的阀芯难于移动的情况。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的响应性的降低。
喷射器42是电磁驱动式的开关阀，其可通过利用电磁驱动力直接地以规定的驱动周期驱动阀芯远离阀座来调整气体流量、气体压力。喷射器42具备具有喷射燃料气体等气体燃料的喷射孔的阀座，并且具有：喷嘴体，将该气体燃料供给引导到喷射孔；和阀芯，相对该喷嘴体可沿轴线方向(气体流动方向)移动地被收容保持，并开关喷射孔。
在本实施方式中，喷射器42的阀芯被作为电磁驱动装置的螺线管驱动，能够通过向该螺线管供电的脉冲状励磁电流的开/关，来二级地切换喷射孔的开口面积。根据从控制器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，从而高精度地控制燃料气体的流量及压力。喷射器42是利用电磁驱动力直接驱动阀(阀芯及阀座)开闭的构造，该驱动周期可控制到高响应区域，因此具有较高的响应性。喷射器42供给其下游侧要求的气体流量，因此通过对设于喷射器42的气体流路上的阀芯的开口面积(开度)及开放时间的至少一个进行变更，调整向下游侧供给的气体流量(或氢摩尔浓度)。
在循环通路44上连接有用于对从燃料电池组20排出的燃料废气进行截止的截止阀H4和从循环通路44分支的排气排水通路46。在排气排水通路46上设置有排气排水阀H5。排气排水阀H5根据来自控制器60的指令而动作，从而将包含循环通路44内的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，循环通路44内的燃料废气中的杂质的浓度降低，能够提高在循环系统内循环的燃料废气中的氢浓度。
经由排气排水阀H5排出的燃料废气与流经氧化废气通路34的氧化废气混合，由稀释器(未图示)稀释。循环泵45通过马达驱动将循环系统内的燃料废气循环供给到燃料电池组20。
电力系统50具有DC/DC转换器51、蓄电池52、牵引变换器53、牵引马达54及辅机类55。DC/DC转换器51具有如下功能：将从蓄电池52供给的直流电压升压而输出到牵引变换器53的功能；和将燃料电池组20发电的直流电力、或牵引马达54通过再生制动回收的再生电力降压而对蓄电池52充电的功能。通过DC/DC转换器51的这些功能来控制蓄电池52的充放电。另外，通过基于DC/DC转换器51的电压变换控制来控制燃料电池组20的运转要素(输出电压、输出电流)。
蓄电池52作为剩余电力的贮存源、再生制动时的再生能量贮存源、伴随着燃料电池车辆的加速或减速的负载变动时的能量缓冲器起作用。作为蓄电池52，例如镍/铝蓄电池、镍/氢蓄电池、锂二次电池等二次电池是适宜的。在蓄电池52上安装有用于检测SOC(State ofcharge：充电状态)的SOC传感器。
牵引变换器53例如是以脉宽调制式驱动的PWM变换器，根据来自控制器60的控制指令，将从燃料电池组20或蓄电池52输出的直流电压变换为三相交流电压，来控制牵引马达54的旋转转矩。牵引马达54例如是三相交流马达，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内的各部分的各马达(例如泵类等的动力源)、用于驱动这些马达的变换器类、还有各种车载辅机类(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接受从点火开关输出的起动信号IG后，燃料电池系统10开始运转，基于从油门传感器输出的油门开度信号ACC、从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合计值。
在此，辅机电力中包含由车载辅机类(加湿器、空气压缩机、氢泵及冷却水循环泵等)消耗的电力、由车辆行驶所需的装置(变速器、车轮控制装置、转向装置、及悬架装置等)消耗的电力、和由配置在乘客空间内的装置(空调装置、照明器材及音响等)消耗的电力等。
并且，控制器60决定燃料电池组20和蓄电池52之间的各输出电力的分配，控制氧化气体供给系统30及燃料气体供给系统40以使燃料电池组20的发电量与目标电力一致，并且控制DC/DC转换器51，通过调整燃料电池组20的输出电压来控制燃料电池组20的运转要素(输出电压、输出电流)。进而，控制器60例如将U相、V相及W相的各交流电压指令值作为开关指令输出到牵引变换器53，并控制牵引马达54的输出转矩及转速，以获得与油门开度对应的目标转矩。
图2是构成燃料电池组20的单体电池21的分解立体图。
单体电池21由高分子电解质膜22、阳极23、阴极24和隔板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而形成夹层构造的扩散电极。由不透过气体的导电性部件构成的隔板26、27进一步从两侧夹持该夹层构造，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。在隔板26上形成截面凹状的棱26a。通过阳极23抵接于棱26a，来堵塞棱26a的开口部，形成燃料气体流路。在隔板27上形成截面凹状的棱27a。通过阴极24抵接于棱27a，来堵塞棱27a的开口部，形成氧化气体流路。
阳极23具有：以担载铂类的金属催化剂(Pt、Pt-Fe、Pt-Cr、Pt-Ni、Pt-Ru等)的碳粉末为主要成分，且与高分子电解质膜22相接的催化剂层23a；和形成于催化剂层23a的表面，且同时具有通气性和电子导电性的气体扩散层23b。同样地，阴极24具有催化剂层24a和气体扩散层24b。更详细地，催化剂层23a、24a是如下构成：使担载铂或由铂和其他的金属构成的合金的碳粉分散到适当的有机溶剂中，适量地添加电解质溶液来胶化，并在高分子电解质膜22上网板印刷。气体扩散层23b、24b通过由碳纤维构成的纱线织成的碳布、复写纸或石墨毡而形成。高分子电解质膜22是由固体高分子材料、例如由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电传导性。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的运转控制的时序图。
燃料电池系统10根据运转负载切换燃料电池组20的运转模式，从而提高发电效率。例如，燃料电池系统10在发电效率较低的低负载区域(发电要求低于规定值的运转区域)，将燃料电池组20的发电指令值设定为零而进行运转控制，由来自蓄电池52的电力提供车辆行驶所需的电力或系统运用上所需的电力(以下称为第一运转模式)。另一方面，在发电效率较高的高负载区域(发电要求为规定值以上的运转区域)，基于油门开度、车速等算出燃料电池组20的发电指令值而进行运转控制，仅由燃料电池组20产生的发电电力或由燃料电池组20产生的发电电力和来自蓄电池52的电力提供车辆行驶所需的电力或系统运用上所需的电力(以下称为第二运转模式)。
燃料电池系统10以一定周期监视表示运转模式的控制标志，如果控制标志变为开，则在第一运转模式下进行运转控制，如果控制标志变为关，则在第二运转模式下进行运转控制。在所有运转模式中，通常运转时的燃料电池组20的输出电压原则上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，优选满足如下条件的电压，即处于包含在燃料电池组20的催化剂层23a、24a中的铂催化剂不溶出的程度的电压范围，进而该条件以外，在停止向燃料电池组20供给反应气体的状态下使燃料电池组20的输出电压维持在使用上限电压V1时，优选满足如下条件的电压，即处于能够由辅机类55消耗燃料电池组20发电产生的电力的电压范围。在燃料电池组20中，特别是在低密度电流运转时、空转运转时这样的阴极24的电位被较高保持的情况下，存在催化剂24a的铂催化剂溶出的可能性。在本说明书中，将下述处理称为高电位回避控制，即将燃料电池组20的输出电压控制在使用上限电压V1以下而维持燃料电池组20的耐久性。另外，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，在所有运转模式中，原则上实行高电位回避控制。使用上限电压V1适宜设定为例如每个单体电池电压为0.9V左右。
作为使用下限电压V2，优选满足如下条件的电压，即处于单体电池电压不降低到还原区域的程度的电压范围。使燃料电池组20在氧化区域持续连续运转后，在包含于催化剂层24a中的铂催化剂的表面上形成氧化被膜，从而铂催化剂的有效面积减少。于是，活性电压增大，因此燃料电池组20的I-V特性降低。通过实施催化剂活性化处理，使氧化被膜还原，从铂催化剂除去氧化被膜，由此能够恢复I-V特性，但是如果使单体电池电压在氧化区域和还原区域之间频繁地转移，则燃料电池组20的耐久性降低。另外，使单体电池电压降低到还原区域后，如果与要求负载的增大相对应而将单体电池电压提高到氧化区域，则存在担载铂催化剂的碳氧化的情况。考虑到这样的情况，将通常运转时的燃料电池组20的输出电压控制在使用下限电压V2以上，从而能够抑制燃料电池组20的耐久性的降低。使用下限电压V2适宜设定为例如每个单体电池电压为0.8V左右。
此外，通常运转时的燃料电池组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，但是在系统运用的需要上，存在将燃料电池组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以下的情况。例如在蓄电池52的SOC为规定以上时、实施气体泄漏检测时、由再生制动回收再生电力时等，燃料电池组20的输出电压被提高到开放端电压。另外，在实施催化剂活性化处理时，燃料电池组20的输出电压被降低到使用下限电压V2以下。
在第一运转模式中，控制器70将发电指令值设定为零，停止向燃料电池组20供给反应气体，并且将向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)。即使在停止供给反应气体之后，由于在燃料电池组20内部残留有未反应的反应气体，因此燃料电池组20也会暂时微量地发电。
时刻t0～t2期间是通过将残留反应气体具有的化学能变换为电能而继续微量发电的发电期间。在该发电期间，残留反应气体具有燃料电池组20的输出电压仅能维持使用上限电压V1的能量，因此燃料电池组20的输出电压持续维持使用上限电压V1。在该发电期间内发电产生的电力由辅机类55消耗，但是在由辅机类55不能消耗完的情况下，对蓄电池52进行充电。
在时刻t0～t1期间，由于燃料电池组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对蓄电池52充电。然而，根据残留反应气体的消耗而从燃料电池组20放出的发电能量逐渐减少，因此在时刻t1，从燃料电池组20放出的发电能量和辅机类55的消耗容量平衡，对蓄电池52充电的电力变为零。并且，在时刻t1～时刻t2期间，在从燃料电池组20放出的发电能量中，由于不能提供辅机类55的消耗电力，因此为了补充该不足电力，从蓄电池52向辅机类55供给电力。
在时刻t2～t4期间，由于残留反应气体的消耗，已经不能将燃料电池组20的输出电压维持在使用上限电压V1，成为达到发电停止的发电停止期间。如果残留反应气体不具有使燃料电池组20的输出电压维持在使用上限电压V1所需的能量，则至发电停止，燃料电池组20的输出电压逐渐降低。在该发电停止期间，燃料电池组20的发电能量变为零，因此从蓄电池52向辅机类55供给的电力几乎恒定。
燃料电池组20的输出电压在降低到使用下限电压V2的时刻t3，驱动氧化气体供给系统30，向燃料电池组20补给氧化气体。燃料电池组20接受氧化气体的补给而发电，因此燃料电池组20的输出电压转变为上升。在燃料电池组20的输出电压上升到规定电压为止(例如360V)的阶段，结束氧化气体补给。这样，在发电停止期间内，在每次燃料电池组20的输出电压降低到使用下限电压V2时适当补给氧化气体，进行控制以使输出电压不低于使用下限电压V2。
在第二运转模式中，控制器70根据要求负载算出发电指令值，控制反应气体向燃料电池组20的供给，并且经由DC/DC转换器51控制燃料电池组20的运转要素(输出电压、输出电流)(时刻t4～时刻t5)。此时，向DC/DC转换器51的电压指令值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。
图4是表示催化剂活性化处理的执行条件的概要的说明图。
如该图所示，在燃料电池车辆处于停车中且运转模式为第一运转模式时，允许实施催化剂活性化处理。
在此，对催化剂活性化处理的详细情况进行说明。在燃料电池组20中，如上述的(1)式所示，在阳极23生成的氢离子透过电介质膜22而向阴极24移动。向阴极24移动的氢离子如上述(2)式所示，与供给到阴极24的氧化气体中的氧发生电化学反应，产生氧的还原反应。其结果，氧化被膜覆盖催化剂24a的铂催化剂表面，反应电阻(过电压)增大，发电效率(输出特性)降低。催化剂活性处理是通过使单体电池电压降低到还原电位，使氧化被膜还原，并从催化剂表面除去氧化被膜的处理。更详细地，通过使各单体电池的电压、即使燃料电池组的输出电压降低，从而使输出电流增加，使催化剂24a的电化学反应从氧化反应区域向还原反应区域转移而恢复催化剂活性。
此外，燃料电池车辆处于停车中且运转模式为第一运转模式的情况是用于允许催化剂活性化处理的最低条件。为了允许催化剂活性化处理的实施，希望在系统运用上加上其他的条件(详细情况如下所述)。
图5是表示催化剂活性化处理中的燃料电池组20的输出电压的变化的时序图。
如上所述，在燃料电池车辆处于停车中且运转模式为第一运转模式时实施催化剂活性化处理。在催化剂活性化处理中，控制器60继续向燃料电池组20供给燃料气体，并停止供给氧化气体，使向DC/DC转换器51的电压指令值从使用上限电压V1向还原电压V3线性递减(时刻t10～t11)。作为还原电压V3，需要处于能够通过使覆盖铂催化剂的氧化被膜还原而除去氧化被膜的电压范围，例如适宜设定为每个单体电池电压变为0.7V左右。
此外，在第一运转模式中，原则上停止向燃料电池组20供给燃料气体并且停止供给氧化气体，但是在催化剂活性化处理中，继续向燃料电池组20供给燃料气体，仅停止供给氧化气体。这是因为，如果燃料气体的供给也停止，则单体电池21极性反转，有可能受到损伤。
在燃料电池组20的输出电压到达还原电压V3的时刻t11以后，控制器60将向DC/DC转换器51的电压指令值维持在还原电压V3。然而，由于氧化气体向催化剂活性化处理中的燃料电池组20的供给停止，因此燃料电池组20的输出电压不能维持还原电压V3，不久到达发电停止。于是，燃料电池组20的输出电压开始逐渐下降。
并且，在燃料电池组20的输出电压降低到鼓风电压V4的时刻t12，控制器60再次驱动空气压缩机33，向燃料电池组20补给氧化气体。作为鼓风电压V4，需要处于单体电池电压不过度降低的程度的电压范围，例如适宜设定为每个单体电池电压为0.65V左右。
此外，通过补给氧化气体，燃料电池组20的输出电压转变为上升，但是由DC/DC转换器51进行限制，以使燃料电池组20的输出电压不超过使用上限电压V1。
图6是表示催化剂活性化处理的执行条件的详细的说明图。
如该图所示，为了允许催化剂活性处理的实施，需要满足所有下述条件：(A1)车速为VC1以下；(B1)运转模式是第一运转模式；(C1)蓄电池52的充电能力Win为W1以下；(D1)不在检测气体泄漏的判断中；以及(E1)空气压缩机33停止。另一方面，为了禁止催化剂活性化处理的实施，需要满足如下条件之一：(A2)车速为VC2以上；(B2)运转模式在第一运转模式之外；(C2)蓄电池52的充电能力Win为W2以上；(D2)处于气体泄漏检测的判断中；(E2)空气压缩机33处于动作中。
(车辆行驶状态)
在催化剂活性化处理中，由于使燃料电池组20的输出电压降低到还原电压V3，因此，如果假设在该状态下油门开，并将运转模式从第一运转模式切换为第二运转模式的情况，则由于单体电池电压降低，因此不能获得追随高负载要求时的油门响应的输出，担心驾驶性能显著降低。因此，为了实施催化剂活性化处理，以车辆处于停车状态为必要条件，在车辆处于行驶状态时，禁止催化剂活性化处理的实施。更详细而言，作为用于实施催化剂活性化处理的必要条件，以车速是VC1(例如0.5km/h)以下为条件，在车速为VC2(例如3.0km/h)以上的情况下，禁止催化剂活性化处理的实施。
(运转模式)
为了允许催化剂活性化处理的实施，需要运转模式处于第一运转模式，在运转模式处于第一运转模式以外的模式(例如第二运转模式、系统起动中、系统停止中等状态)时，禁止催化剂活性化处理。在第一运转模式中，由于停止向燃料电池组20供给氧化气体，因此，通过实施催化剂活性化处理，强制性地使燃料电池组20的输出电压降低，也能够将发电电力(剩余电力)抑制在最小限。换言之，通过在第一运转模式中实施催化剂活性化处理，能够进行充电控制以使对蓄电池52的充电不会变为过充电，同时能够使燃料电池组20的输出电压降低到还原电位。
(蓄电池充电能力)
在催化剂活性化处理中，由燃料电池组20发电的剩余电力的一部分被辅机类55消耗，但是其大部分对蓄电池52充电。蓄电池52的充电能力降低后，由于不能充分地使其剩余电力充电，因此禁止催化剂活性化处理的实施。更详细而言，作为用于实施催化剂活性化处理的条件，以蓄电池52的充电能力为W1(例如-6kW)以下为条件，在充电能力为W2(例如-5kW)以上时，禁止催化剂活性化处理的实施。
(气体泄漏判断)
通过关闭截止阀H3、H4而在燃料气体配管系统内部形成密闭空间，通过由压力传感器74读取该密闭空间内部的气体压力变动来实施用于判断氢气是否泄漏的气体泄漏检测，此时，担心实施催化剂活性化处理后，不能通过燃料电池组20造成的燃料气体的消耗来正确地实施气体泄漏检测。因此，将不实施气体泄漏检测作为催化剂活性化处理的必要条件，在实施气体泄漏判断时，禁止催化剂活性化处理的实施。
(空气压缩机)
如果在空气压缩机33动作时实施催化剂活性化处理而使燃料电池组20的输出电压降低，则担心燃料电池组20的发电电力增大，对蓄电池52过充电。因此，将空气压缩机33停止作为催化剂活性化处理的必要条件，在空气压缩机33动作时，禁止催化剂活性化处理的实施。
此外，用于实施催化剂活性化处理的条件表示一个例子，但本发明不限于上述例子。作为用于允许或禁止催化剂活性化处理的实施的条件，也可以追加其他的条件，或适当变更上述的条件的内容。例如频繁地重复催化剂活性化处理后，燃料电池组20的耐久性降低，因此根据能够发生I-V特性的降低等理由，希望仅在判断为需要催化剂活性化处理时实施催化剂活性化处理。
图7是表示单体电池电压和氧化被膜的吸附量之间的关系的图。
如该图所示，在单体电池电压为约0.75V以上的氧化区域，单体电池电压越高，吸附在铂催化剂上的氧化被膜的量越多。另外，单体电池电压停留在氧化区域的时间越长，氧化被膜的吸附量越多。另一方面，在单体电池电压为约0.75V以下的还原区域，单体电池电压越低，从铂催化剂剥离的氧化被膜的量越多。另外，单体电池电压停留在还原区域的时间越长，氧化被膜的剥离量越多。因此，基于该图所示的图形，在氧化区域实施正的时间积分，在还原区域实施负的时间积分，从而能够推测吸附在铂催化剂上的氧化被膜的量。如果吸附在铂催化剂上的氧化被膜的量变多，则有助于电化学反应的铂催化剂的有效面积减少，因此电流密度上升，引起过电压的增大。在氧化被膜的吸附量超过规定的阈值的时刻实施催化剂活性化处理，从而能够将催化剂活性化处理的实施次数限定为所需最小限。
此外，上述的0.75V始终是例示，本发明不限于该电压值。
图8是表示以氧化被膜的吸附量超过规定的阈值为条件而实施催化剂活性化处理的顺序的流程图。
控制器60基于从上次实施催化剂活性化处理的时刻经过的时间而对氧化被膜的吸附量进行时间积分(步骤801)，判断吸附量是否超过规定的阈值(步骤802)。在氧化被膜的吸附量未超过规定的阈值的情况下(步骤802；否)，控制器60反复执行步骤801～802。
在氧化被膜的吸附量超过规定的阈值时(步骤802；是)，控制器60判断是否满足所有用于允许实施催化剂活性化处理的条件(A1)～(E1)(步骤803)。在条件(A1)～(E1)中的任意一项均不成立时(步骤803；否)，返回步骤801。另一方面，在条件(A1)～(E1)全部成立时(步骤803；是)，控制器60实施催化剂活性化处理(步骤804)。
此外，在实施催化剂活性化处理时，单体电池电压处于还原区域，因此根据催化剂活性化处理的实施时间，对氧化被膜的吸附量实施负的时间积分(步骤801)。
图9是表示以从上次的催化剂活性化处理经过了规定时间为条件而实施催化剂活性化处理的第一顺序的流程图。
控制器60判断从上次的催化剂活性化处理经过的时间是否超过规定时间(步骤901)。在从上次的催化剂活性处理经过的时间未超过规定时间的情况下(步骤901；否)，控制器60反复执行步骤901的判断。
在从上次的催化剂活性处理经过的时间超过规定时间的情况下(步骤901；是)，控制器60判断是否满足所有用于允许实施催化剂活性化处理的条件(A1)～(E1)(步骤902)。在条件(A1)～(E1)中的任意一项均不成立时(步骤902；否)，返回步骤901。另一方面，在条件(A1)～(E1)全部成立时(步骤902；是)，控制器60实施催化剂活性化处理(步骤903)，返回到步骤901的判断处理。
这样，以从上次的催化剂活性化处理经过的时间超过规定时间为条件实施催化剂活性化处理，从而能够将催化剂活性化处理的实施次数限制在所需最小限。
图10是表示以从上次的催化剂活性化处理经过规定时间为条件而实施催化剂活性化处理的第二顺序的流程图。
控制器60判断从上次的催化剂活性化处理经过的时间(或从计时器复位经过的时间)是否超过规定时间(步骤1001)。在从上次的催化剂活性处理经过的时间(或从计时器复位经过的时间)未超过规定时间的情况下(步骤1001；否)，控制器60反复执行步骤1001的判断处理。
在从上次的催化剂活性处理经过的时间超过规定时间的情况下(步骤1001；是)，控制器60在上次的催化剂活性化处理实施后，判断单体电池电压是否降低到还原区域(步骤1002)。
在单体电池电压会降低到还原区域的情况下(步骤1002；是)，控制器60对计测从上次的催化剂活性化处理经过的时间的计时器进行复位(步骤1003)。
在单体电池电压未降低到还原区域的情况下(步骤1002；否)，控制器60判断是否满足所有用于允许实施催化剂活性化处理的条件(A1)～(E1)(步骤1004)。在条件(A1)～(E1)中的任意一项均不成立时(步骤1004；否)，返回步骤1001。另一方面，在条件(A1)～(E1)全部成立时(步骤1004；是)，控制器60实施催化剂活性化处理(步骤1005)，返回到步骤1001的判断处理。
这样，即使在从实施上次的催化剂活性化处理经过的时间超过规定时间的情况下，在实施上次的催化剂活性化处理后，在单体电池电压会降低到还原区域的情况下，省略催化剂活性化处理的实施，从而能够将催化剂活性化处理的实施次数限制为所需最小限。
图11是表示由氧化被膜吸附于铂催化剂而引起的燃料电池组20的I-V特性的降低的说明图。
使燃料电池组20在氧化区域连续运转后，在铂催化剂的表面形成氧化被膜，过电压增大，因此I-V特性降低。例如，如果设理想状态下的运转要素为OP(I，V)，则在铂催化剂的表面形成氧化被膜的状态下的运转要素变为OP’(I，V-ΔV)，从燃料电池组20扫描电流I时的输出电压降低ΔV。因此，优选在燃料电池组20的输出特性的降低量ΔV超过规定的阈值的时刻实施催化剂活性化处理。
图12是表示以燃料电池组20的输出特性的降低量超过规定的阈值为条件而实施催化剂活性化处理的顺序的流程图。
控制器60判断燃料电池组20的输出特性的降低量ΔV是否超过规定的阈值(步骤1201)。在降低量ΔV未超过规定的阈值的情况下(步骤1201；否)，控制器60反复执行步骤1201的判断处理。
在降低量ΔV超过规定的阈值的情况下(步骤1201；是)，控制器60判断是否满足所有用于允许实施催化剂活性化处理的条件(A1)～(E1)(步骤1202)。在条件(A1)～(E1)中的任意一项均不成立时(步骤1202；否)，返回步骤1201。另一方面，在条件(A1)～(E1)全部成立时(步骤1202；是)，控制器60实施催化剂活性化处理(步骤1203)，返回到步骤1201的判断处理。
这样，在燃料电池组20的输出特性的降低量ΔV超过规定的阈值的时刻实施催化剂活性化处理，从而能够将催化剂活性化处理的实施次数限制为所需最小限。
图13是表示燃料电池组20的过电压的说明图。
如该图所示，过电压由活性化过电压ηa、浓度过电压ηc及电阻过电压ηr构成。所谓活性化过电压，是用于对处于基态的氢气及氧气分别进行活性化所消耗的能量。所谓浓度过电压，是由在电极上的反应引起平衡偏离，反应系、生成系均产生浓度差，引起扩散移动时所消耗的能量。所谓电阻过电压，是对高分子电解质膜22、阳极23、阴极24及隔板26、27本身的电阻及这些接触电阻的总称。这些各种过电压能够由(4)～(6)式运算。
ηa＝a-b×logI…(4)
ηc＝b×log(1-I/IL)…(5)
ηr＝IR…(6)
在此，a、b是常数，R是电阻值，I是电流密度，IL是极限电流密度。
使燃料电池组20在氧化区域连续运转时，在铂催化剂的表面形成氧化被膜，活性化过电压增大，因此优选在活性化过电压超过规定的阈值的时刻实施催化剂活性化处理。
图14是表示以燃料电池组20的活性化过电压超过规定的阈值为条件而实施催化剂活性化处理的顺序的流程图。
控制器60判断燃料电池组20的活性化过电压是否超过规定的阈值(步骤1401)。在活性化过电压未超过规定的阈值的情况下(步骤1401；否)，控制器60反复执行步骤1401的判断处理。
在活性化过电压超过规定的阈值的情况下(步骤1401；是)，控制器60判断是否满足所有用于允许实施催化剂活性化处理的条件(A1)～(E1)(步骤1402)。在条件(A1)～(E1)中的任意一项均不成立时(步骤1402；否)，返回步骤1401。另一方面，在条件(A1)～(E1)全部成立时(步骤1402；是)，控制器60实施催化剂活性化处理(步骤1403)，返回到步骤1401的判断处理。
这样，在燃料电池组20的活性化过电压超过规定的阈值的时刻实施催化剂活性化处理，从而能够将催化剂活性化处理的实施次数限制为所需最小限。
(实施例2)
图15表示实施例2的燃料电池系统11的系统构成。燃料电池系统11在作为主电源的燃料电池组20上并联连接电容器57，作为将燃料电池组20发电产生的电力或再生制动时牵引马达54回收的再生电力对电容器57充电的电容器系统而构成。在急加速等需要功率时，通过从电容器57瞬时取出电力来实现输出特性优良的系统构成。
DC/DC转换器56的一次侧与燃料电池组20的输出端子连接，其二次侧分别与电容器57及牵引变换器53并联连接。在第一运转模式下进行运转控制时，控制器60使继电器58关，由DC/DC转换器56控制燃料电池组20的输出电压。并且，在从第一运转模式切换为第二运转模式时，以燃料电池组20的输出电压低于电容器57的电压为条件，控制器60使继电器58开，使燃料电池组20和继电器57并联连接。
此外，实施例2的燃料电池系统11的催化剂活性化处理与实施例1相同。
(实施例3)
图16表示实施例3的燃料电池系统12的系统构成。实施例1的燃料电池系统10作为DC/DC转换器51和牵引变换器53与燃料电池组20并联连接的并联混合系统而构成，与此相对，实施例3的燃料电池系统12作为DC/DC转换器51和牵引变换器53相对于作为主电源的燃料电池组20串联连接的串联混合系统而构成，在这一点上两者不同。
此外，实施例3的燃料电池系统12的催化剂活性化处理与实施例1相同。
此外，在上述的各实施例中，例示了将燃料电池系统10作为车载电源系统使用的利用方式，但是燃料电池系统10的利用方式不限于该例。例如，也可以将燃料电池系统10作为燃料电池车辆以外的移动体(机器人、船舶、飞机等)的电力源搭载。另外，也可以将本实施方式的燃料电池系统10作为住宅、大厦等的发电设备(定置用发电系统)使用。
根据本发明，在对于燃料电池的发电要求低于规定的阈值时，停止向燃料电池供给氧化气体而实施催化剂活性化处理，从而能够不损害驾驶性能，并且能够使在催化剂活性化处理中产生的剩余电力减少。

Claims (3)

1.一种燃料电池系统，具有：
燃料电池，接受燃料气体和氧化气体的供给而发电；和
控制装置，在对上述燃料电池的要求电力低于规定值时，停止向上述燃料电池供给氧化气体，并通过使上述燃料电池的输出电压降低来实施催化剂活性化处理，
该燃料电池系统还具有蓄电装置，
在可向上述蓄电装置充电的最大电力为规定值以下的情况下，上述控制装置禁止催化剂活性化处理。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，
在将上述燃料电池系统作为车载电源的车辆的行驶速度为规定值以上时，上述控制装置禁止催化剂活性化处理。
3.如权利要求1所述的燃料电池系统，
上述控制装置在上述燃料电池的I-V特性降低时实施催化剂活性化处理。
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