CN112086670A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池系统，具备：多个单电池层叠而成的燃料电池堆、对所述多个单电池中的至少一者的电池电压进行检测的检测部、对所述燃料电池堆的输出电流进行调整的转换器、以及对所述转换器进行控制的控制装置，当由所述检测部检测到的电池电压为负电压的情况下，所述控制装置执行使所述输出电流阶段性地降低的电流降低处理。

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
如果没有向燃料电池堆的一部分单电池充分供给燃料气体的状态持续，则该单电池的电压变为负电压，发电性能降低。例如已知日本特开2015-201407中，公开了通过降低燃料电池堆的输出电流，来消除负电压的技术(参照日本特开2015-201407)。
发明内容
当为了消除负电压而降低输出电流的情况下，有可能担载负电压的单电池的阴极催化剂的碳载体被氧化，阴极催化剂溶出，从而发电性能降低。认为特别是输出电流持续降低时，这样的碳载体的氧化被促进。
因此，本发明的目的是提供一种在抑制燃料电池堆的阴极催化剂溶出的同时消除负电压的燃料电池系统。
上述目的通过一种燃料电池系统来实现，该燃料电池系统具备：多个单电池层叠而成的燃料电池堆、对所述多个单电池中的至少一者的电池电压进行检测的检测部、对所述燃料电池堆的输出电流进行调整的转换器、以及对所述转换器进行控制的控制装置，当由所述检测部检测到的电池电压为负电压的情况下，所述控制装置执行使所述输出电流阶段性地降低的电流降低处理。
另外，也可以通过一种燃料电池系统来实现，该燃料电池系统具备：多个单电池层叠而成的燃料电池堆、对所述多个单电池中的至少一者的电池电压进行检测的检测部、对所述燃料电池堆的输出电流进行调整的转换器、以及对所述转换器进行控制的控制装置，当由所述检测部检测到的电池电压为负电压的情况下，所述控制装置执行使所述输出电流伴随增减地降低的电流降低处理。
另外，也可以通过一种燃料电池系统来实现，该燃料电池系统具备：多个单电池层叠而成的燃料电池堆、对所述多个单电池中的至少一者的电池电压进行检测的检测部、对所述燃料电池堆的输出电流进行调整的转换器、对向所述燃料电池堆供给的阴极气体的流量进行调整的调整装置、以及对所述转换器和调整装置进行控制的控制装置，当由所述检测部检测到的电池电压为负电压的情况下，所述控制装置执行以阴极化学计量比低于1.0的方式限制所述阴极气体的流量从而使所述输出电流降低的电流降低处理。
也可以是：具备调整装置，该调整装置由所述控制装置控制，对向所述燃料电池堆供给的阴极气体的流量进行调整，当由所述检测部检测到的电池电压为负电压的情况下，所述控制装置以阴极化学计量比低于1.0的方式限制所述阴极气体的流量，执行所述电流降低处理。
所述电流降低处理中，所述控制装置可以使所述输出电流连续地降低。
所述控制装置可以通过将所述阴极气体的流量控制为零，来将所述阴极化学计量比控制为低于1.0。
所述电流降低处理中，可以是：所述控制装置将所述输出电流维持在恒定值的时间段比使所述输出电流降低的时间段长。
所述电流降低处理中，所述控制装置可以使所述输出电流降低到零。
可以是：具备调整装置，该调整装置由所述控制装置控制，对向所述燃料电池堆供给的阴极气体的流量进行调整，所述电流降低处理中，所述控制装置使所述输出电流降低到零，所述电流降低处理完成之后，所述控制装置在将所述输出电流维持在零的状态下控制所述阴极气体的流量，将所述燃料电池堆的开路电压控制在目标范围内。
可以是：所述电流降低处理中，所述控制装置使所述输出电流降低到零，所述电流降低处理完成之后，所述控制装置在将所述输出电流维持在零的状态下控制所述阴极气体的流量，将所述燃料电池堆的开路电压控制在目标范围内。
本发明能够提供一种在抑制燃料电池堆的阴极催化剂溶出的同时消除负电压的燃料电池系统。
附图说明
以下，参考附图说明本发明的示例性实施例的特征、优点、技术和工业意义，相同的附图标记表示相同的元件。
图1是车辆所搭载的燃料电池系统的构成图。
图2是示出正常发电状态的单电池的阳极电位和阴极电位、以及电池电压为负电压的单电池的阳极电位和阴极电位的图。
图3是示出第1实施例的负电压消除控制的一例的时序图。
图4是示出第1实施例的负电压消除控制的一例的流程图。
图5示出负电压电池的阳极电位和阴极电位、以及在负电压电池中发生氢泵的状态下的阳极电位和阴极电位。
图6是示出第2实施例的负电压消除控制的一例的时序图。
图7是示出第2实施例的负电压消除控制的一例的流程图。
图8是示出第3实施例的负电压消除控制的一例的时序图。
图9是示出第3实施例的负电压消除控制的一例的流程图。
图10是示出第4实施例的负电压消除控制的一例的时序图。
图11是示出第4实施例的负电压消除控制的一例的流程图。
具体实施方式
[燃料电池系统的构成]
图1是车辆所搭载的燃料电池系统1的构成图。燃料电池系统1包含：ECU(电子控制单元)3、燃料电池(以下称为FC)4、电池监视器7、二次电池(以下称为BAT)8、阴极气体供给系统10、阳极气体供给系统20和电力控制系统30。再者，燃料电池系统1包含未图示的冷却系统，该冷却系统使冷却水在FC4中循环从而使其冷却。另外，车辆具备行驶用的电动机50、车轮5和加速器开度传感器6。FC4是接受阴极气体和阳极气体的供给而发电的燃料电池，是将固体高分子电解质型单电池层叠多个而构成的。
阴极气体供给系统10将作为阴极气体的包含氧的空气向FC4供给，阴极气体供给系统10包含供给管11、排出管12、旁通管13、空气压缩机14、旁通阀15、中冷器16和背压阀17。供给管11连接于FC4的阴极入口歧管。排出管12连接于FC4的阴极出口歧管。旁通管13将供给管11和排出管12连通。旁通阀15设在供给管11与旁通管13的连接部分。旁通阀15对供给管11与旁通管13的连通状态进行切换。空气压缩机14、旁通阀15和中冷器16从上游侧依次配置在供给管11上。背压阀17配置在排出管12上的、比排出管12与旁通管13的连接部分靠上游侧。空气压缩机14经由供给管11将作为阴极气体的包含氧气的空气向FC4供给。供给到FC4的阴极气体经由排出管12排出。中冷器16对供给到FC4的阴极气体进行冷却。背压阀17对FC4的阴极侧的背压进行调整。空气压缩机14、旁通阀15和背压阀17的驱动由ECU3控制。ECU3能够通过控制空气压缩机14的转速来调整供给到FC4的阴极气体的流量。另外，ECU3能够通过控制旁通阀15和背压阀17的开度来调整供给到FC4的阴极气体流量和旁通的阴极气体流量。阴极气体供给系统10是调整供给到FC4的阴极气体流量的调整装置的一例。
阳极气体供给系统20将作为阳极气体的氢气向FC4供给，阳极气体供给系统20包含罐20T、供给管21、排出管22、循环管23、罐阀24、调压阀25、喷射器(以下称为INJ26)、气液分离器27、排水阀28和氢循环泵(以下称为HP)29。罐20T和FC4的阳极入口歧管由供给管21连接。在罐20T存储有作为阳极气体的氢气。排出管22连接于FC4的阳极出口歧管。循环管23将气液分离器27与供给管21连通。罐阀24、调压阀25和INJ26从供给管21的上游侧依次配置。在罐阀24打开的情况下，调整压力调整阀25的开度，INJ26喷射阳极气体。由此，向FC4供给阳极气体。在排出管22，从上游侧起依次配置有气液分离器27和排水阀28。气液分离器27从由FC4排出的阳极气体中分离水分并存储。通过打开排放阀28，存储在气液分离器27中的水经由排出管22向燃料电池系统1的外部排出。循环管23是用于使阳极气体向FC4回流的配管，其上游侧的端部连接于气液分离器27，配置有HP29。从FC4排出的阳极气体被HP29适当加压，导向供给管21。罐阀24、调压阀25、INJ26、排水阀28和HP29的驱动由ECU3控制。
电力控制系统30控制FC4的放电和BAT8的充放电。电力控制系统30包含：燃料电池DC/DC转换器(以下称为FDC)32、蓄电池DC/DC转换器(以下称为BDC)34、电动机逆变器(以下称为MINV)38和辅助逆变器(以下称为AINV)39。FDC32基于从ECU3发送的要求电流值来控制FC4的输出电流，并且调整来自FC4的直流电力，输出至MINV38和/或AINV39。BDC34调整来自BAT8的直流电力，输出到MINV38和/或AINV39。FC4的发电功率能够对BAT8充电。MINV38将输入的直流电力转换成三相交流电力，向电动机50供给。电动机50驱动车轮5使车辆行驶。另外，电动机50在车辆减速时和下坡时，作为基于从车轮5输入的动能进行发电的发电机发挥作用。FC4和BAT8的电力能够经由AINV39向电动机50以外的负载装置供给。在此，负载装置包含FC4用的辅助装置和车辆用的辅助装置。FC4用的辅助装置包含上述空气压缩机14、旁通阀15、背压阀17、罐阀24、调压阀25、INJ26、排水阀28和HP29。车辆用的辅助装置包含例如空调设备、照明装置和紧急闪烁灯等。
ECU3包含CPU(中央处理单元)、ROM(只读存储器)和RAM(随机存取存储器)。ECU3中，电连接有加速器开度传感器6、空气压缩机14、旁通阀15、背压阀17、罐阀24、调压阀25、INJ26、排水阀28、HP29、FDC32和BDC34。ECU3基于加速器开度传感器6的检测值和/或上述车辆用的辅助装置和FC4用的辅助装置的驱动状态、BAT8的蓄电电力等，计算向FC4的要求输出，基于该要求输出算出对FC4的要求电流值。另外，ECU3根据对FC4的要求输出来控制空气压缩机14和INJ26，控制供给到FC4的阴极气体和阳极气体的流量，并基于FC4的要求电流值来控制FDC32，由此控制FC4的输出电流。另外，ECU3是执行后述的负电压消除控制的控制装置的一例。电池监控器7检测FC4的各单电池的电压，ECU3判定各单电池的电池电压中的任一者是否为负电压。
[负电压]
图2是示出正常发电状态的单电池的阳极电位和阴极电位、以及电池电压为负电压的单电池的阳极电位和阴极电位的图。正常发电状态下的单电池中，在阳极侧发生下式(1)的反应，在阴极侧发生下式(2)的反应，处于阴极电位高于阳极电位的状态。
H2→2H++2e-…(1)
4H++O2+4e-→2H2O…(2)
在此，例如，当FC4在冰点下的环境中停止期间，FC4内的阳极流路有时因残留水的冻结而被阻塞。这样的状态下启动FC4时，阳极气体没有充分地供给到一部分单电池，成为阳极气体缺乏的状态，一部分单电池的阳极电位上升，单电池的电池电压变为负电压。认为如果单电池的电池电压为负电压，则发生如下问题。
如图2所示，负电压的单电池中，由于氢不足，由式(1)的反应得到的质子量减少。因此，如下式(3)所示，为了补偿质子量的减少，担载阳极催化剂的碳载体与水反应从而碳载体氧化，产生质子。
C+2H2O→CO2+4H++4e-…(3)
如果碳载体氧化，则阳极催化剂溶出和/或粒径增大，为负电压的单电池的发电性能恐怕会降低。这样，如果电池电压保持负电压放置，则单电池的发电性能降低。
在此，除了铂催化剂以外，将促进水的分解反应的催化剂添加到FC4的各单电池的阳极催化剂层中。该催化剂是例如氧化铱、氧化钌。因此，如下式(4)所示，水的分解反应被促进，产生质子，抑制了上式(3)所示的碳载体的氧化。
2H2O→O2+4H++4e-…(4)
再者，在电池电压为负电压的单电池的阴极侧，发生下式(5)那样的反应。
4H++O2+4e-→2H2O…(5)
如上所述，通过添加到阳极催化剂层中的水分解促进催化剂，能够抑制由负电压引起的阳极催化剂的溶出等，但需要消除负电压本身。负电压的消除可以通过逐渐降低FC4的输出电流来实现。在为了消除负电压而降低FC4的输出电流的过程中，负电压的单电池的阴极电位上升。在该过程中，如下式(6)和(7)所示，担载负电压的单电池的阴极催化剂的碳载体发生氧化。由此，阴极催化剂溶出，发电性能可能降低。
Pt+H2O→PtO+2H++2e-…(6)
2PtO+C/Pt→3Pt+CO2…(7)
特别地，当为了消除负电压而将FC4的输出电流降低到零的情况下，为负电压的单电池的阴极电位从0V左右或更低的状态增大到例如1.0V附近的开路电压。如果这样使负电压的单电池的阴极电位持续上升，则式(6)和式(7)的反应在活化状态下持续，阴极催化剂的碳载体的氧化量增大，阴极催化剂可能溶出。另外，认为这样的阴极电位的上升速度越快，式(6)和式(7)的反应就越被促进。即，认为随着输出电流的降低持续进行且输出电流的降低速度越快，这样的反应就越被促进。
第1实施例中，当某一单电池的电压为负电压的情况下，通过阶段性地降低FC4的输出电流来消除负电压。通过阶段性地降低输出电流，能够抑制负电压的单电池的阴极催化剂的碳载体的氧化量增大，能够抑制阴极催化剂的溶出。再者，在此以后的说明中，将电池电压为负电压的单电池称为“负电压电池”。另外，为了便于说明，对处于电池电压曾为负电压但通过以下说明的负电压消除控制而消除了负电压的状态的单电池，也称为“负电压电池”。
[第1实施例的负电压消除控制]
图3是示出第1实施例的负电压消除控制的一例的时序图。如上所述，第1实施例的负电压消除控制中，执行使FC4的输出电流阶段性地降低的电流降低处理。图3示出了负电压电池的电池电压、FC4的输出电流和在FC4的阴极流路内产生的CO2产生量(ppm)的变化。再者，图3还记载了使输出电流连续降低的比较例，对于与第1实施例相关的值用实线表示，对于与比较例相关的值用虚线表示。
比较例中，从时刻t0到时刻tx1，以恒定速度使输出电流连续降低到零。比较例的情况下，在输出电流降低的时间段，随着时间流逝，CO2产生量始终增大。这样，直到输出电流变为零为止，CO2产生量始终持续增大，CO2的合计产生量增大，阴极催化剂的溶出量可能变多。再者，比较例中，详情后述，与第1实施例同样地将输出电流控制为零之后，负电压电池的电池电压在时刻tx2变为阈值VH的情况下，执行再发电待机处理。
第1实施例中，从时刻t0到时刻t1降低输出电流，从时刻t1到时刻t2将输出电流维持在恒定值。从此后的时刻t2到时刻t3再次降低输出电流，从时刻t3到时刻t4将输出电流维持在恒定值。从时刻t4起再次降低输出电流，负电压电池的电池电压在时刻t5变为后述的阈值VL时，输出电流被控制为零。在输出电流降低的时间段，与比较例同样地，CO2产生量随着时间流逝而增大，但在CO2产生量变得过多之前，输出电流被维持为恒定值。输出电流被维持为恒定值时，阴极侧的电位不变化，因此上述式(6)和式(7)的反应被抑制，CO2产生量降低到大致为零。
这样，通过使输出电流阶段性地降低，能够与比较例的情况相比在更加抑制CO2的合计产生量的同时消除负电压，能够抑制阴极催化剂的溶出。另外，输出电流被降低到零，因此阳极侧的上式(3)的反应被进一步抑制，能够促进负电压电池的电池电压上升。
另外，如图3所示，优选：输出电流被维持为恒定值的从时刻t1到时刻t2的时间段以及从时刻t3到时刻t4的时间段的各时间段，比输出电流降低的从时刻t0到时刻t1的时间段、从时刻t2到时刻t3的时间段以及从时刻t4到时刻t5的时间段的各时间段更长。因为通过确保将输出电流维持在恒定值的时间段较长，电池电压维持在恒定值的时间段也被确保为较长，随后降低输出电流时，能够抑制上述式(6)和式(7)的反应，能够抑制CO2产生量。
另外，第1实施例中，输出电流在时刻t5被控制为零时，由于持续向FC4供给的阴极气体和阳极气体，负电压电池的开路电压上升。负电压电池的电池电压在时刻t6变为阈值VH时，执行详情后述的再发电待机处理，以负电压电池的电池电压被维持在预定目标范围内的方式，调整向FC4供给的阴极气体和阳极气体的流量。对于再发电待机处理详情后述。再者，图3中，将阈值VL显示为大于零的值，但不限定于此。对于阈值VL详情后述。
图4是示出第1实施例的负电压消除控制的一例的流程图。ECU3基于电池单监控器7的检测结果，判定是否检测到某一单电池的电压为负电压(步骤S1)。例如，当某一单电池的电压为-0.1V以下的情况下，判定该单电池的电池电压为负电压。步骤S1为“否”的情况下，该控制结束。
当某一单电池的电压为负电压的情况下(步骤S1中为是)，ECU3如上所述地执行阶段性地降低FC4的输出电流的电流降低处理(步骤S2)。具体而言，ECU3控制FDC32，阶段性地降低FC4的输出电流。在此，电流降低处理与由驾驶员操作的加速器开度等无关地执行。这是为了在早期消除负电压。再者，在第1实施例中的电流降低处理执行中向FC4供给的阴极气体和阳极气体的流量，与通常运行状态同样地被控制为与FC4的输出相对应。
接着，ECU3判定负电压电池的电池电压是否变为阈值VL以上(步骤S3)。阈值VL是通过降低输出电流而能够将负电压电池的电池电压看作不再是有问题的电压的值。阈值VL是例如大于-0.1V且低于0.1V之间的任意值。
ECU3待机直到负电压电池的电池电压变为阈值VL以上为止，在变为阈值VL以上时(步骤S3中为是)，作为消除负电压的控制，将FC4的输出电流控制为零(步骤S4)。即，FC4的发电中止。再者，将输出电流控制为零的方法可以通过控制FDC32以使从FC4扫描的电流值变为零来实现，也可以通过控制设在FDC32的、对FC4与辅助装置的连接状态进行切换的开关由此切断FC4与辅助装置来实现。再者，即使在ECU3基于BAT8的输出中止FC4的发电之后，也将阴极气体和阳极气体向FC4持续地供给、或者以一定时间间隔间歇地供给。
接着，判定负电压电池的电池电压是否变为阈值VH以上(步骤S5)。阈值VH是负电压电池的电池电压能够看作已充分恢复到与其他正常单电池同样为止的值。阈值VH是1.0V以下的值，例如0.4V～0.7V之间的任意值，但不限定于此。
ECU3待机直到负电压电池的电池电压变为阈值VH以上为止，在变为阈值VH以上时(步骤S5中为是)，ECU3执行再发电待机处理(步骤S6)。具体而言，是主要通过对向FC4供给的阴极气体的流量进行增减控制，来将处于发电中止状态的FC4的开路电压维持在预定目标范围内的处理，该处理也被称为间歇运行。执行再发电待机处理时，供给到FC4的阴极气体的流量被控制为开路电压降低的程度，开路电压低于目标范围的下限值时，阴极气体的流量暂时增大到开路电压增大的程度。开路电压超过目标范围的上限时，阴极气体的流量再次被控制为开路电压降低的程度。在执行再发电待机处理的过程中，对FC4的要求输出变为预定值以上时，ECU3开次开始FC4的发电。
这样，通过将处于发电中止状态的FC4的开路电压维持在目标范围，能够将FC4的阴极侧的氧浓度维持在适于再次开始发电的浓度，抑制发电再次开始时的FC4的输出响应性的降低。上述开路电压的目标范围是例如0.6V～0.8V，但不限定于此。再者，阳极气体的供给以再次开始发电时不处于氢缺乏状态的方式，与FC4的开路电压无关地以预定的时间间隔断续地供给。再者，执行上述负电压消除控制时，成为FC4的发电暂时中止的状态，输出功率的不足量由BAT8的输出来补偿。
第1实施例中的“使输出电流阶段性地降低”是指降低输出电流之后，将输出电流以预定时间维持在恒定值，然后再次降低输出电流。这样，插入至少一次的输出电流被维持在恒定值的时间段地降低输出电流。输出电流的降低可以以恒定速度降低，也可以改变速度地降低。另外，可以通过逐渐减小输出电流的降低速度，以预定时间段将输出电流维持在恒定值，然后逐渐增大输出电流的降低速度，由此阶段性地降低输出电流。降低输出电流的时间段不限定于始终相同的时间段。同样地，将输出电流维持在恒定值的时间段不限定于始终相同的时间段。可以设定为随着输出电流接近于零，将降低一次输出电流的时间段的输出电流的降低量逐渐减小。另外，这样的输出电流降低的时间段和维持为恒定值的时间段等，可以考虑实际输出相对于对FC4的要求输出的不足量来控制。
[第2实施例]
第2实施例中的负电压消除控制中，与上述比较例同样地以恒定速度降低输出电流，但在该电流降低处理开始前，限制阴极气体的流量以使阴极化学计量比低于1.0。“化学计量比”表示实际供给的反应气体量相对于基于所要求的发电量的理论上的反应气体量之比。例如，在除了暖机运转等的低效率运转状态以外的通常运转状态下，控制阴极气体和阳极气体的流量以使阴极化学计量比和阳极化学计量比均维持为1.5，以高效率发电。
这样在电流降低处理开始之前，进行控制以使阴极化学计量比低于1.0，由此包括负电压电池在内在多个单电池的阴极侧使氧浓度降低，抑制上式(5)的反应，发生下式(8)所示的氢泵。
2H++2e-→H2···(8)
氢泵是在阳极侧生成的质子穿过电解质膜在阴极侧生成氢的反应。这样，在阴极侧，质子被还原两个电子发生氢生成反应，由此阳极电位降低，阴极电位上升，电位差变小。图5示出负电压电池的阳极电位和阴极电位、以及在负电压电池中发生氢泵的状态下的阳极电位和阴极电位。另外，通过在阴极侧促进式(8)的反应，上述式(6)的反应被抑制，由此式(7)的反应也被抑制。因此，即使电池电压由于氢泵而上升，也可抑制来自阴极侧的CO2产生量。
图6是示出第2实施例的负电压消除控制的一例的时序图。在图6中，与图3同样地对于与比较例相关的值用虚线表示，对于与第2实施例相关的值由实线表示。第2实施例中，通过将供给到FC4的阴极气体的流量控制为零，由此将阴极化学计量比控制为低于1.0。具体而言，将在时刻t0供给到FC4的阴极气体的流量控制为零。由此，发生氢泵，负电压电池的电池电压开始上升。在该电池电压上升的时间段，如上所述地抑制CO2的产生。接着，在时刻t1a，在将阴极气体的流量维持为零的状态下以恒定速度连续地降低输出电流。在时刻t2a负电压电池的电池电压变为阈值VL以上时，看作负电压被消除，输出电流被控制为零。
在时刻t2a输出电流被控制为零时，FC4的开路电压增大，负电压电池的电池电压也增大。另外，在时刻t2a，再次开始供给阴极气体，FC4的开路电压进一步增大，负电压电池的电池电压也进一步增大。在时刻t3a，电池电压为阈值VH以上时，执行再发电待机处理。
第2实施例中，从时刻t0到时刻t1a为止输出电流被维持为恒定值，在该时间段中，负电压电池的电池电压由于氢泵而上升，之后输出电流持续降低直到变为零。因此，与第1实施例相比，能够使负电压单电池的单电池电压在早期上升到阈值VL，能够在早期消除负电压。另外，通过利用氢泵消除负电压，能够与比较例相比更加抑制CO2的合计产生量。
在此，如图6所示，由氢泵引起的电池电压的上升速度大于由输出电流的降低引起的电池电压的上升速度。换句话说，优选限制阴极气体的流量并控制输出电流的降低速度，以使这样的关系成立。如上所述，式(6)和式(7)的反应被抑制，式(8)的反应被促进，因此，即使因氢泵引起的电池电压的上升速度快，也相对较能够抑制CO2产生量。相对于此，认为输出电流的降低速度越慢，越能够抑制与输出电流降低引起的电池电压的上升相伴的CO2产生量。因此，从早期消除负电压的观点出发，优选因氢泵引起的电池电压的上升速度快，从抑制CO2产生量的观点出发，优选输出电流的降低速度慢。
图7是示出第2实施例的负电压消除控制的一例的流程图。对于第2实施例的负电压消除控制，省略与第1实施例同样的处理的说明。当步骤S1中为是的情况下，ECU3将对FC4的阴极气体的流量控制为零(步骤S1a)。具体而言，ECU3停止空气压缩机14的驱动。再者，即使在通过步骤S1a将阴极气体的流量控制为零之后，也要以不发生所谓氢欠缺的方式，控制阳极气体的流量以成为阳极气体的化学计量比足够高的状态。
接着，ECU3判定负电压电池的电池电压是否上升了预定值以上(步骤S1a1)。即，判定负电压电池的电池电压是否由于氢泵而上升了预定值以上。再者，该预定值是基于发生氢泵时假定的电池电压的上升量而确定的值，通过实验预先得到。
在将向FC4供给的阴极气体的流量控制为零的状态下，ECU3待机直到负电压电池的电池电压上升预定值以上，上升预定值以上时(步骤S1a1中为是)，ECU3降低FC4的输出电流(步骤S2a)。
接着，负电压电池的电池电压变为阈值VL以上(步骤S3中为是)，输出电流被控制为零时(步骤S4)，ECU3判定负电压电池的电池电压是否为阈值VM以上(步骤S4a)。阈值VM是大于上述阈值VL且小于阈值VH的值，在将阴极气体的流量控制为零且输出电流也控制为零的状态下，是通过氢泵和输出电流的降低这两者的效果，能够看作负电压被消除的值。
ECU3待机直到负电压电池的电池电压变为阈值VM以上，变为阈值VM以上时(步骤S4a中为是)，再次开始向FC4的阴极气体供给(步骤S4a1)。具体而言，ECU3基于BAT8的输出再次起动空气压缩机14。优选再次起动后的空气压缩机14的转速被设定为FC4的开路电压上升的程度。其后，负电压电池的电池电压变为阈值VH以上时(步骤S5中为是)，执行再发电待机处理(步骤S6)。
第2实施例中，在步骤S1a中将阴极气体的流量控制为零，但不限定于此，可以通过调整空气压缩机14的转速以使阴极化学计量比维持在低于1.0，来持续地向FC4供给阴极气体，以维持阴极化学计量比低于1.0。由此也能够使阴极侧的氧浓度降低，通过氢泵来使负电压电池的电池电压上升。
再者，如果在将阴极气体的流量控制为零的状态下长时间地降低输出电流，则通过氢泵在阴极侧生成许多氢，FC4阴极流路内的氢浓度上升。因此，再次开始供给阴极气体时，氢浓度高的气体向外部排出。另一方面，输出电流的降低速度快时，CO2产生量增大。因此，优选比较考虑这些因素来确定输出电流的降低速度。
在降低输出电流的时间段，若维持阴极化学计量比低于1.0，则不限定于阴极气体的流量为恒定值，例如可以根据降低的输出电流值使阴极气体的流量逐渐降低。
在第2实施例的电流降低处理中，示出以恒定速度使输出电流连续降低的例子，但不限定于此，可以以输出电流的降低速度变化的方式连续降低。
第2实施例中，对于步骤S1a和S4a1的处理，通过停止和启动空气压缩机14来实现，但不限定于此。例如，可以在持续驱动空气压缩机14的状态下，通过控制旁通阀15和背压阀17的开度，来绕开FC4而不将阴极气体供给到FC4。该状态可以通过背压阀17完全关闭排出管12，旁通阀15切断供给管11的旁通阀15上游侧和下游侧，并且将旁通阀15上游侧的供给管11和旁通管13连通来实现。不过，该情况下，在步骤S4中FC4的发电被中止，因此基于BAT8的输出来驱动空气压缩机14，但从抑制BAT8的充电电力的消耗的观点出发，优选通过停止空气压缩机14来将阴极气体的流量控制为零。
第2实施例中，限制阴极气体的流量后，确认了因氢泵而引起的电池电压上升后(步骤S1a1)，使输出电流降低，但不限定于此，也可以不进行这样的确认而开始降低输出电流。
[第3实施例]
第3实施例的负电压消除控制中，控制阴极化学计量比低于1.0，使FC4的输出电流阶段性地降低。图8是示出第3实施例的负电压消除控制的一例的时序图。图8中，与图3同样地对于与比较例相关的值由虚线表示，而对于与第3实施例相关的值由实线表示。
第3实施例中，在时刻t0向FC4供给的阴极气体的流量被控制为零，即，阴极化学计量比被控制为零。在时刻t1a使输出电流降低，在时刻t2b将输出电流维持为恒定值。在时刻t3b开始输出电流的降低，在时刻t4b负电压电池的电池电压为阈值VL以上时，输出电流被控制为零。输出电流被控制为零时，负电压电池的电池电压上升变为阈值VM以上，再次开始供给阴极气体。由此，负电压电池的电池电压开始上升，在时刻t5b变为阈值VH以上，执行再发电待机处理。第3实施例中，在利用氢泵的同时使输出电流阶段性地降低，因此能够与比较例、第1实施例和第2实施例相比更加抑制CO2合计产生量并且消除负电压。
图9是示出第3实施例的负电压消除控制的一例的流程图。对于第3实施例的负电压消除控制，省略与第1实施例和第2实施例相同处理的说明。当某一单电池的电压为负电压的情况下(步骤S1中为是)，阴极气体的流量被控制为零(步骤S1a)，判定为负电压电池的电池电压上升了预定值以上时(步骤S1a1中为是)，ECU3阶段性地降低输出电流(步骤S2)。其后，与第2实施例中的步骤S3之后的处理相同。
在第3实施例的电流降低处理中，与第2实施例同样，如果阴极化学计量比低于1.0，则可以将阴极气体连续地供给到FC4。另外，在降低输出电流的时间段，阴极气体的流量不限定于恒定值。另外，可以不执行步骤S1a1的处理而开始降低输出电流。
[第4实施例]
第4实施例的电流降低处理中，使输出电流伴随增减地降低。例如，在将输出电流降低预定值ΔA之后，增大小于预定值ΔA的预定值ΔB，然后将输出电流再次降低预定值ΔA。
图10是示出第4实施例的负电压消除控制的一例的时序图。第4实施例中，从时刻t0到时刻t1使输出电流降低预定值ΔA，从时刻t1到时刻t2使输出电流增大预定值ΔB。同样地，从时刻t2到时刻t3使输出电流再次降低预定值ΔA，从时刻t3到时刻t4使输出电流增大预定值ΔB。从时刻t4到时刻t5c使输出电流降低预定值ΔA，从时刻t5c到时刻t6c使输出电流增大预定值ΔB。从时刻t6c起降低输出电流，在时刻t7c负电压电池的电池电压变为阈值VL以上时，输出电流被控制为零。这样，即使使输出电流伴随增减地降低，也能够与比较例的情况相比抑制CO2合计产生量。再者，在时刻t8c负电压电池的电池电压变为阈值VH时，执行再发电待机处理。
通过这样使输出电流伴随增减地降低，能够抑制与FC4的输出电流降低相伴的FC4的实际输出降低。因此，能够抑制FC4的实际输出相对于FC4的要求输出的不足量的增加。由此，例如即使当BAT8的充电剩余量比较少的情况下，也能够利用BAT8补偿实际输出相对于FC4的要求输出的不足量。由此，能够在执行消除负电压的控制的同时，抑制FC4的输出降低，满足要求输出。
图11是示出第4实施例的负电压消除控制的一例的流程图。对于第4实施例的负电压消除控制，省略与第1实施例相同处理的说明。当某一单电池的电压为负电压的情况下(步骤S1中为是)，ECU3使FC4的输出电流伴随增减地降低(步骤S2c)。其后的处理与第1实施例中的步骤S3以后的处理相同，因此省略说明。
再者，优选输出电流的增大量小。这是因为输出电流的增大量小时，能够缩短使负电压电池的电池电压上升到阈值VL为止所需的时间段，也能够抑制CO2合计产生量。因此，优选作为输出电流增大量的预定值ΔB相对于作为输出电流降低量的预定值ΔA尽可能小，优选例如以满足(2×ΔB)<ΔA的关系式的方式确定预定值ΔA和ΔB。更优选以满足(3×ΔB)<ΔA的关系式的方式确定预定值ΔA和ΔB，进一步优选以满足(4×ΔB)<ΔA的关系式的方式确定预定值ΔA和ΔB。
在第4实施例中，可以使阴极化学计量比降低到低于1.0，使输出电流伴随增减地降低。另外，在第4实施例的电流降低处理中，可以在将输出电流以预定时间段维持在恒定值之后使其增大。另外，在第4实施例的电流降低处理中，可以在使输出电流降低之后再增大输出电流，然后使输出电流降低后将输出电流维持在恒定值，也可以在使输出电流降低之后将输出电流维持在恒定值，然后使输出电流降低后再增大输出电流。
以上对本发明的优选实施方式进行了详细说明，但本发明不限定于特定的实施方式，可以在专利请求保护的范围所记载的本发明主旨的范围内进行各种变形和变更。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统，具备：
多个单电池层叠而成的燃料电池堆、
对所述多个单电池中的至少一者的电池电压进行检测的检测部、
对所述燃料电池堆的输出电流进行调整的转换器、以及
对所述转换器进行控制的控制装置，
当由所述检测部检测到的电池电压为负电压的情况下，所述控制装置执行使所述输出电流阶段性地降低的电流降低处理。
2.一种燃料电池系统，具备：
多个单电池层叠而成的燃料电池堆、
对所述多个单电池中的至少一者的电池电压进行检测的检测部、
对所述燃料电池堆的输出电流进行调整的转换器、以及
对所述转换器进行控制的控制装置，
当由所述检测部检测到的电池电压为负电压的情况下，所述控制装置执行使所述输出电流伴随增减地降低的电流降低处理。
3.一种燃料电池系统，具备：
多个单电池层叠而成的燃料电池堆、
对所述多个单电池中的至少一者的电池电压进行检测的检测部、
对所述燃料电池堆的输出电流进行调整的转换器、
对向所述燃料电池堆供给的阴极气体的流量进行调整的调整装置、以及
对所述转换器和调整装置进行控制的控制装置，
当由所述检测部检测到的电池电压为负电压的情况下，所述控制装置执行以阴极化学计量比低于1.0的方式限制所述阴极气体的流量从而使所述输出电流降低的电流降低处理。
4.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，具备调整装置，该调整装置由所述控制装置控制，对向所述燃料电池堆供给的阴极气体的流量进行调整，
当由所述检测部检测到的电池电压为负电压的情况下，所述控制装置以阴极化学计量比低于1.0的方式限制所述阴极气体的流量，执行所述电流降低处理。
5.根据权利要求3所述的燃料电池系统，所述电流降低处理中，所述控制装置使所述输出电流连续地降低。
6.根据权利要求3～5中任一项所述的燃料电池系统，所述控制装置通过将所述阴极气体的流量控制为零，来将所述阴极化学计量比控制为低于1.0。
7.根据权利要求1所述的燃料电池系统，所述电流降低处理中，所述控制装置将所述输出电流维持在恒定值的时间段比使所述输出电流降低的时间段长。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的燃料电池系统，所述电流降低处理中，所述控制装置使所述输出电流降低到零。
9.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，具备调整装置，该调整装置由所述控制装置控制，对向所述燃料电池堆供给的阴极气体的流量进行调整，
所述电流降低处理中，所述控制装置使所述输出电流降低到零，所述电流降低处理完成之后，所述控制装置在将所述输出电流维持在零的状态下控制所述阴极气体的流量，将所述燃料电池堆的开路电压控制在目标范围内。
10.根据权利要求3～6中任一项所述的燃料电池系统，所述电流降低处理中，所述控制装置使所述输出电流降低到零，所述电流降低处理完成之后，所述控制装置在将所述输出电流维持在零的状态下控制所述阴极气体的流量，将所述燃料电池堆的开路电压控制在目标范围内。
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