JP2008123844A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池の触媒層に対する活性化処理の中止処理を確実に行うことができる燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】触媒活性化処理時、酸化ガス供給を停止し、燃料電池１００の出力電圧を還元目標電圧に向かって直線的に降下させる。活性化処理の中止条件が成立したならば、コンバータ４１の電圧指令値を待機電圧に戻し、燃料電池１００の出力電圧が待機電圧近辺に回復するまで待ってから、コンプレッサ２０を動作させて酸化ガスの供給を開始し、触媒活性化処理を終える。これにより、燃料電池１００の出力電圧が急上昇してバッテリ４０を過充電させることを回避する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に燃料電池の触媒層を活性化する処理の途中において、この活性化処理を中止する中止処理の制御を確実に行うことができる燃料電池の制御方法を実行する燃料電池システムに関する。
従来、燃料電池システムは、運転中、燃料電池の触媒層に酸素が吸着されると燃料電池の出力電圧が低下するので、このような場合は、燃料電池への酸素供給を一旦停止し、かつ燃料電池の出力電圧を触媒層の還元領域にまで下げることにより、燃料電池スタックの触媒層を活性化する処理（すなわち還元処理）が行われていた。
従来から、この活性化処理に際しては、その最初の処理として、酸化ガス（例えばエア）の供給を停止すると共に燃料電池の出力電圧を一旦は目標還元電圧値にまで下げるように制御していた。
また、この燃料電池の出力電圧を目標還元電圧値にまで下げる途中で、この活性化処理を中止すべき事態が発生した時には、直ちに酸化ガス（例えばエア）の供給を再開するように制御していた。このような活性化処理を中止すべき事態としては、例えば、燃料電池の電解質膜にクロスリークが発生し、アノード極（燃料ガスが供給される側の電極）からカソード極（酸化ガスが供給される側の電極）へ燃料ガス（例えば水素）が漏れる場合が挙げられる。ちなみに、燃料電池の電解質は、両極とも、酸化ガスまたは燃料ガスとの接触面積を拡大するために、多孔質の素材で構成されているので、クロスリークが発生する可能性がある。
なお、燃料電池の出力電圧の上限は、電圧変換手段（コンバータ）への制御手段（制御部）からの指令によって可能となっている。即ち、従来から燃料電池の出力電圧の上限を設定することができる電圧変換手段が開発されている。
このような燃料電池の触媒活性化処理に関連する技術として、特開２００５−３４６９７９号公報には、ハイブリッド型の燃料電池を構成する補機用のバッテリとして低電圧のものを使用し、燃料電池の触媒活性化処理時に電圧低下に伴って増大する余剰電力をバッテリに充電できるようにすることで、余剰電力の無駄を省く技術が開示されている（特許文献１）。
また、同様の触媒活性化処理に関する技術として、特開２００３−１１５３１８号公報には、セル電圧を０．６Ｖ以下にして大きな電流を流すことによって酸素に還元反応を生じさせて、白金触媒層を活性化する技術が開示されている（特許文献２）
特開２００５−３４６９７９号公報（段落０００９等） 特開２００３−１１５３１８号公報（段落００１２〜００１４等）
しかしながら、上記従来の技術にあっては、燃料電池の触媒層を活性化するために燃料電池の出力電圧を目標還元電圧にまで下げる途中において該活性化処理を中止する場合、前述のとおり、酸化ガスの供給を直ちに再開するように制御しているので、酸化ガスの供給が再開される時は、燃料電池の出力電圧を目標還元電圧値にまで下げている途中であり、このため、燃料電池の出力電圧が待機電圧より低下していることと、酸化ガスの供給が再開されたこととが重なって、このタイミングで酸化ガスの供給を再開すると、燃料電池は過大に発電しようとして、燃料電池の出力電圧が急上昇し、二次電池の補助電源を過充電させるという問題点が有った。
活性化処理を中止する場合とは、例えば、燃料電池の電解質膜にクロスリークが生じ、アノード（燃料ガス）極側からカソード（酸化ガス）極側へ燃料ガス（例えば水素）が漏れる場合が挙げられる。この場合には、排気ガスの燃料ガス（例えば水素）濃度を下げるために酸化ガス（例えば空気）を多量にカソード極側に供給する必要がある。しかし、触媒活性化処理（以下、「リフレッシュ」と呼称することがある）の途中で酸化ガス（例えば空気）を多量にカソード極側に供給すると、燃料電池の発電電力が急増し、二次電池の補助電源に充電できない過剰電力が発生してしまう。特に、リフレッシュ中は、負荷装置を止めているので電力消耗量が少なく、補助電源を過充電してしまうトラブルが発生していた。
そこで本発明は、上記課題を解決するために、燃料電池の触媒層に対する活性化処理の中止処理を確実に行うことができる燃料電池システムを提供することを目的としている。
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池の出力電圧を下げて触媒活性化処理を実施する燃料電池システムであって、電圧指令値に対応させて前記燃料電池の出力電圧を変化させる電圧変換手段と、前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧変換手段に前記電圧指令値を指令する制御手段と、触媒活性化処理の中止条件が成立したか否かを判定する中止条件判定手段と、前記燃料電池のカソード極に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、を備え、前記制御手段は、前記触媒活性化処理の実施中に、前記中止条件判定手段によって前記触媒活性化処理の中止条件の成立が判定された場合には、前記電圧変換手段に前記待機電圧を指令値として指令すると共に、前記指令から所定の条件か満たされるまで待機した後、前記燃料電池のカソード極側に酸化ガスが供給されるように制御すること、を特徴とする。
このように構成することにより、触媒活性化処理の中止処理を行うに際しては、酸化ガスの供給を再開するタイミングは、燃料電池の出力電圧を目標還元電圧値にまで下げている途中の期間（即ち、燃料電池の出力電圧が待機電圧より低下している期間）を回避することが可能となり、燃料電池の出力電圧が所定の電圧値よりも上昇するのを待ってから酸化ガスの供給が再開されるので、燃料電池は過大に発電しようとして、燃料電池の出力電圧が急上昇し、二次電池を過充電させる現象の発生を回避することが可能となる。
触媒活性化処理を中止するタイミングとしては、酸化ガス供給の停止後であって還元目標電圧に達するまでに電圧降下期であっても還元目標電圧到達後の電圧維持期であってもよい。
また、前記燃料電池システムにおいて、前記所定の条件は、前記電圧変換手段に前記待機電圧を指令した前記指令時点から、前記燃料電池の現在の出力電圧に基づいて計算される一定時間が経過することであることを特徴とする。
このように構成することにより、燃料電池の出力電圧の上昇特性があらかじめ把握されている場合には、燃料電池のカソード極側に酸化ガスを供給しても燃料電池の出力電圧を急上昇させることのないタイミングを容易に知ることができる。
また、前記燃料電池システムにおいて、前記所定の条件は、前記燃料電池の出力電圧が所定の電圧値に達することであることを特徴とする。
このように構成することにより、燃料電池のカソード極側に酸化ガスを供給しても燃料電池の出力電圧を急上昇させることのないタイミングを確実に知ることができる。
また、前記燃料電池システムにおいて、前記触媒活性化処理の前記中止条件は、前記燃料電池においてクロスリークの発生が検知されることであることを特徴とする。
このように構成することにより、燃料電池のアノード極側においてクロスリークが発生した場合は、排気ガスの燃料ガス（例えば水素）濃度を下げるために必要な多量の酸化ガス（例えば空気）をカソード極側に供給することが可能となる。
ここで、クロスリークが発生するのは、電解質膜におけるアノード極側からカソード極側への燃料ガス（例えば水素ガス）の漏洩であってもカソード極側からアノード極側への酸化ガス（例えば空気（エア））の漏洩であってもよく、さらに燃料電池周辺への燃料ガスの漏洩であってもよい。
また、前記燃料電池システムにおいて、前記クロスリーク発生の検知は、前記燃料電池のアノード極側における燃料ガスの圧力が所定量低下したことを検出することによりなされるものであることを特徴とする。
このように構成することにより、燃料電池のアノード極側におけるクロスリークの発生を確実に検知することができる。
さらに、前記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池のカソード極側に供給される酸化ガスの量は、前記燃料電池の総てのカソード極側に供給可能な量であることを特徴とする。
このように構成することにより、燃料電池のアノード極側においてクロスリークが発生した場合には、排気ガスの燃料ガス（例えば水素）濃度を下げるために必要な多量の酸化ガス（例えば空気）を総てのカソード極側に供給することが可能となる。
本発明によれば、触媒活性化処理の途中で何からの条件により酸化ガスの供給を再開した場合に、燃料電池の出力電圧が所定の電圧値よりも上昇するのを待ってから酸化ガスの供給が再開されるので、燃料電池の出力電流が相対的に大きくなっている出力電圧抑制状態において急激に酸化ガスが供給されることによって燃料電池の出力電圧が急上昇し、二次電池を過充電させる現象の発生を回避することが可能となる。
次に本発明を実施するための好適な実施形態を、図面を参照しながら説明する。
本発明の実施形態は、電気自動車に搭載するハイブリッド燃料電池システムに本発明を適用したものである。以下の実施形態は本発明の適用形態の単なる例示に過ぎず、本発明を限定するものではない。
（実施形態１）
本実施形態１は、触媒層の再活性化処理をその中止処理まで含めて確実に行うことができる燃料電池の制御方法を実行する燃料電池システムを構成した一例に関する。
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す構成図である。
図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池システムは、後述する燃料電池１００にアノードガスである水素ガスを供給するアノードガス供給系１と、燃料電池１００にカソードガスである空気を供給するカソードガス供給系２と、電力系４と、本発明に係る触媒層の活性化に必要な制御を行う制御部５（制御手段）と、から構成されている。
燃料電池１００は、セル（単セル）を複数積層したスタック構造を備えている。各セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と呼ばれる発電体を、水素ガス、空気、冷却水の流路を有するセパレータ一対で挟み込んだ構造をしている。ＭＥＡは高分子電解質膜をアノード極及びカソード極の二つの電極で挟み込んだ構造をしている。アノード極は燃料極用触媒層を多孔質支持層上に設けて構成され、カソード極は空気極用触媒層を多孔質支持層上に設けて構成される。その他、燃料電池の形態として、リン酸型、溶融炭酸塩型等を用いることが可能である。これら電極の触媒層は、例えば白金粒子を付着させて構成されており、燃料電池の発電動作によってこの白金粒子に付着した酸化物を除去するための触媒活性化処理が本発明に関係する。
燃料電池１００は水の電気分解の逆反応を起こすものであり、アノード（陰極）極側には燃料ガス供給系統１からアノードガスである水素ガスが供給される。カソード（陽極）極側にはカソードガス供給系統２から酸素を含んだカソードガスである空気が供給される。アノード極側では式（１）のような反応を、カソード極側では式（２）のような反応を生じさせて電子を循環させ電流を流すものである。
Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ- …（１）
２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ …（２）
アノードガス供給系１は、水素ガス供給源としての水素タンク１０、アノードガス供給路１１、アノードオフガス排出路１２、水素ガスのガス圧を計測することにより水素ガスのクロスリークを検知する燃料ガス圧力センサ１３と、を備える。その他、図示しないが、水素ガスを流通させるための水素ポンプ、水素ガスの管理制御のために必要な元弁や調整弁、遮断弁、逆止弁、気液分離器等を備えていてもよい。
水素タンク１０には高圧の水素ガスが充填されている。水素供給源としては高圧水素タンクの他に、水素吸蔵合金を用いた水素タンク、改質ガスによる水素供給機構、液体水素タンク、液化燃料タンク等種々のものを適用可能である。アノードガス供給路１１は、高圧の水素ガスを供給する配管であり、途中に図示しない調圧弁（レギュレータ）等を備えていてもよい。アノードガス供給路１１から供給された水素ガスは、燃料電池１００内において、マニホールド経由で各単セルのアノード極側に供給され、ＭＥＡのアノードにおいて電気化学反応を生じてからアノードオフガス（水素オフガス）として排出される。アノードオフガス排出路１２は、燃料電池１００から排出されたアノードオフガスを排出する経路であり、循環経路を形成していてもよい。循環経路を形成させるには、図示しない逆止弁やエジェクタを介して、再びアノードガス供給路１１にアノードオフガスを戻すように構成される。
カソードガス供給系２は、コンプレッサ２０、カソードガス供給路２１、カソードオフガス排出路２２を備える。その他、図１では図示しないが、カソードガスである空気の湿度を制御するための加湿器、カソードオフガス（空気オフガス）を除去する気液分離器、アノードオフガスをカソードオフガスと混合するための希釈器、消音器等を備えていてもよい。
コンプレッサ２０は、エアクリーナ等から取り入れられた空気を圧縮し、空気量や空気圧を変更し、燃料電池１００のカソード極側に供給するものである。カソードガス供給路２１から供給された空気は、燃料電池１００内において、水素ガスと同じくマニホールド経由で各単セルのカソード極側に供給され、ＭＥＡのカソードにおいて電気化学反応を生じてからカソードオフガスとして排出される。燃料電池１００から排出されたカソードオフガスは、アノードオフガスと希釈されてから排出される。
電力系４は、バッテリ４０、ＤＣ−ＤＣコンバータ４１、トラクションインバータ４２、トラクションモータ４３、補機インバータ４４、高圧補機４５、バッテリコンピュータ４６、電流センサ４７、燃料電池の出力電圧を計測する電圧センサ４８、逆流防止ダイオード４９等を備えている。
バッテリ４０は、充放電可能な二次電池である。バッテリとしては、ニッケルー水素電池等、様々な種類の二次電池を用いることができる。二次電池の代わりに、充放電が可能な蓄電装置、例えばキャパシタを用いることが可能である。バッテリ４０は、一定電圧で発電するバッテリーユニットを複数積層し直列接続することによって高電圧を出力可能とすることができる。
バッテリコンピュータ４６は、バッテリ４０の出力端子に設けられており、制御部３と通信可能になっている。バッテリコンピュータ４６は、バッテリ４０の充電状態を監視し、バッテリが過充電や過放電に至らない適正な充電範囲内に維持するとともに、万が一バッテが過充電や過放電等の状態になったら制御部３に通知するようになっている。
ＤＣ−ＤＣコンバータ４１は、一次側と二次側との間で電圧の昇圧／降圧をして電力を流通させる本発明の電力変換手段に相当する構成である。例えば、一次側のバッテリ４０の出力電圧を、二次側の燃料電池１００の出力電圧にまで昇圧して、トラクションモータ４３や高圧補機４５等の負荷装置に電力を供給する。逆に、二次側において燃料電池１００の余剰電力や前記負荷装置からの回生電力を、降圧して一次側のバッテリ４０に充電するために通過させる。
トラクションインバータ４２は直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ４３に供給するものである。トラクションモータ４３は例えば三相モータであり、当該燃料電池システムが搭載される自動車の主動力源である。
補機インバータ４４は、高圧補機４５を駆動するための直流−交流変換手段である。高圧補機４５は、コンプレッサ２０、水素ポンプ、冷却系のモータ類等の燃料電池システムの運転に必要な各種モータ類である。
制御部５は、２つの制御部から成り立っており、一つがハイブリッド走行の制御を行うＨＶ制御部５１であり、他方が燃料電池の動作制御を行うＦＣ制御部５２である。それぞれの制御部は、ＣＰＵ（中央処理装置）、ＲＡＭ、ＲＯＭ、インターフェース回路等を汎用コンピュータとしての構成を備えており、相互に通信することにより、システム全体の制御が可能になっている。ＨＶ制御部５１は、内蔵ＲＯＭ等に格納されているソフトウェアプログラムを順次実行することにより、電気系４の制御をし、特に燃料電池１００の発電電力とバッテリ４０との充電電力と各種モータ類の消費電力に鑑み、これら要素間の電力流通を制御する他、当該燃料電池システムにおいて本発明の触媒層の活性化方法の一部を実行させることが可能になっている。またＦＣ制御部５２は、内蔵ＲＯＭ等に格納されているソフトウェアプログラムを順次実行することにより、主としてアノードガス供給系１、カソードガス供給系２を含む燃料電池システム全体を制御する他、当該燃料電池システムにおいて本発明の触媒層の活性化方法の一部を実行させることが可能になっている。
図２は、本発明の実施形態１に係る触媒燃料電池システムにおける燃料電池の出力電圧と触媒層再生処理の制御動作との関係を経時的に示すチャートである。
同図に示す触媒層再生処理の制御動作は、触媒層の活性化処理を中止すべき条件が成立せずに、そのまま実行されたケースを示している。
同図に示す触媒層再生処理（触媒層の活性化処理）は、通常、補助電源であるバッテリ４０が所定の電力量以上の充電が可能な状態であることを条件として行われるものであり、この条件の判定と、それ以降の活性化処理の制御とは、制御部５によって行われる。
通常運転によって燃料電池のＭＥＡでは、上記式（１）に従ってアノード極側で生じた水素イオンが電解質膜を透過してカソード極側に移動し，カソード極側に供給されている酸化ガス（例えば空気）中の酸素とともに式（２）の電気化学反応によって酸素の還元反応を生じる。この結果、触媒層の組成成分（例えば白金）を酸素が覆って反応抵抗が増加し、発電効率が悪化する。触媒活性化（再生）処理は、還元反応によって触媒中の酸素を取り除くものである。具体的には、各単セルの端子電圧、すなわち、図２に示すように、燃料電池の出力電圧を下げて電流量を増加させ、触媒層の電気化学反応を通常運転時の酸化反応領域から還元反応領域に遷移させて触媒を活性化することが行われている。
なお、コンバータの二次側電圧はコンバータへの電圧指令値に応じて変更可能になっているが、燃料電池の出力端子と並列接続されているため、コンバータに設定した目標二次側電圧に燃料電池の出力電圧が達しない場合には、コンバータの二次側電圧は目標二次側電圧に達しない。一方、燃料電池の出力電圧がコンバータの目標二次側電圧より高い場合には、強制的に燃料電池の出力電圧は目標二次側電圧に規制され、燃料電池のＩ−Ｖ特性に従って電流値が上昇する。すなわち、コンバータの二次側電圧は燃料電池の出力電圧の上限値を規定するものである。
（動作説明）
次に本発明に係る燃料電池システムにおける触媒活性化処理中止時の動作を説明する。
コンバータに設定した目標二次側電圧が、待機電圧よりも低く、還元目標電圧である場合であっても、燃料電池１００の出力電圧が待機電圧Ｖｈよりも低い場合には、停止していた酸化ガスの供給を再開すると、酸化ガスが急に供給されて通常のＩ−Ｖ特性に基づいた発電状態に戻ってしまうため燃料電池１００の出力電圧が急上昇することがあり、この現象の発生を防止しないことには、バッテリ４０が過充電されてしまう。
そこで本発明では、触媒活性化処理中止時には、燃料電池１００の出力電圧が待機電圧Ｖｈに回復してから、停止していた酸化ガスの供給を再開することにより、燃料電池１００の出力電圧が急上昇する現象の発生を防止するものである。以下、本実施形態の触媒活性化処理における制御部５の動作を、触媒活性化処理中止時の動作を中心に説明する。
図３は、本発明の実施形態１に係る触媒燃料電池システムにおける燃料電池の出力電圧と触媒層再生処理の制御動作との関係を経時的に示すチャートである。図４は、本発明の実施形態１に係る燃料電池システムにおける制御部５の触媒層再生処理を中心とする動作を示すフローチャートを示す。
図３、４に示す触媒層再生処理の制御動作は、触媒層の活性化処理を中止すべき条件が途中で成立し、中止に至ったケースを示している。
ここで、触媒活性化処理は、定期的に行うものとし、本実施形態１では、制御部５の内部タイマによって触媒活性化処理の開始タイミング及び中止タイミングが規定される。以下、例えば、時刻ｔ０に作動開始され、燃料電池１００の出力電圧が時刻ｔｒにおいて還元目標電圧に到達するまでの期間Ｔ０を計測するタイマを「タイマＴ０」と称する。なお、触媒活性化処理を中止すべき条件に達してからエア供給を開始するまでの待機期間を計測するタイマは、タイマＴ１であり、触媒活性化処理のインターバル期間Ｔ２を計測するタイマは、タイマＴ２である。
図４に示すように、触媒活性化処理のインターバル期間中、即ち、タイマＴ２の示す期間Ｔ２が経過するまでは（ステップＳ２／ＮＯ）触媒活性化処理が行われず、制御部５は、通常運転のために、コンバータ４１への電圧指令値を指示する指令信号ＣCONVを通常運転モードの目標電圧である待機電圧Ｖｈに維持し続ける（ステップＳ１）。これにより、燃料電池１００の出力電圧は待機電圧Ｖｈに維持され、適切なシステムへの電力供給がされる。ここで、待機電圧Ｖｈは、耐久性向上等の観点から燃料電池１００の出力電圧がこれ以上上昇して欲しくない上限値という意味で、高電圧回避電圧とも言う。
次いで、ステップＳ２において、タイマＴ２が計測していた期間Ｔ２が時刻ｔ０に到来すると（ＹＥＳ）、ステップＳ３において、制御部５はタイマＴ２を停止させ、同時に、ステップＳ４において、制御部５は、コンプレッサ２０に出力していた酸化ガス（例えば空気）を供給するコンプレッサ２０の駆動を停止させる指令信号ＣCOMPをコンプレッサ２０に送出する。これにより、コンプレッサ２０の駆動が停止し、酸化ガス供給系２を介する積極的な酸化ガスの供給が停止される。そして同時に、ステップＳ５において、制御部５は、燃料電池１００の出力電圧が還元目標電圧に到達するまでの期間Ｔ０をタイマＴ０にセットし、タイマＴ０による計時を開始させ、ステップＳ６において、コンバータ４１への電圧指令値である指令信号ＣCONVを、所定の応答特性に適合するように線形的に漸減させていく。正常時にあれば、上記処理により、燃料電池１００の出力電圧は、コンバータ４１の二次側電圧の漸減と酸化ガスの消費とが相俟って、図３に示すように直線的に降下していく。即ち、図３に示すように、燃料電池１００の出力電圧（コンバータ４１の二次側電圧）は漸減していき、時刻ｔ０から期間Ｔ０が経過した時刻ｔｒにおいて還元目標電圧Ｖｒに到達する。この電圧は、触媒層が酸化反応領域から完全に還元反応領域に入る電圧として実験的に把握されているものである。正常時であれば、この還元目標電圧Ｖｒに維持することによって、触媒層のリフレッシュが促進される。
この燃料電池１００の出力電圧の降下の間、制御部５は、リフレッシュを中断すべき条件が成立しているか否かを検証し（ステップＳ７）、リフレッシュを中断すべき条件が成立している場合（ＹＥＳ）はステップＳ１０に移り、リフレッシュを中断すべき条件が成立していない場合（ＮＯ）はステップＳ８に進む。
なお、リフレッシュを中断すべき条件の１つとして、ここでは燃料ガス（水素）のクロスリークを検知する燃料ガス圧力センサ１３からのクロスリーク検知信号Ｓｐの通知が有った場合を、リフレッシュを中断すべき条件としている。
また、リフレッシュを中断すべき他の条件として、例えば、アクセル操作等を監視して条件とすることができる。
また、さらに水素濃度センサのような燃料ガスの漏洩を検出可能な構成を備えていれば、そのような濃度センサから燃料ガスの漏洩を検出したことを、リフレッシュの中断すべき条件として設定可能である。
ステップＳ８では、制御部５は、タイマＴ０による計時が還元目標電圧Ｖｒに至るまでに経過する時間（期間Ｔ０）に達したか否かを検証し、タイマＴ０による計時が還元目標電圧Ｖｒに至るまでに経過する時間（期間Ｔ０）に未だ達していない場合（ＮＯ）はステップＳ６に戻り、タイマＴ０による計時が還元目標電圧Ｖｒに至るまでに経過する時間（期間Ｔ０）に達している場合（ＹＥＳ）はステップＳ９に進む。
ステップＳ９では、制御部５は、タイマＴ０を停止させると共に、燃料電池１００の触媒層の還元領域下での活性化処理に必要な制御を行い処理を終了する（これより、インターバル期間Ｔ２に入る）。
なお、燃料電池１００の触媒層の還元領域下での活性化処理に必要な制御としては、例えば、コンバータ４１への指令信号ＣCONVによる電圧指令値を還元目標電圧Ｖｒに維持することで燃料電池１００の出力電圧を還元目標電圧Ｖｒに固定し、触媒層における還元反応を促進して触媒層を活性化させる制御などが可能であるが、これについては、本発明の特徴的な処理ではないので、他の周知の方法であっても良いものとする。触媒層活性化処理の実行中は、発電電流量が上昇し発電電力量も上昇するので、燃料電池１００の発電により生ずる余剰電力は、ハイブリッド動作により、コンバータ４１経由でコンバータ４１の一次側に出力され、バッテリ４０に充電される。
さて、上記いずれかのリフレッシュの中断条件に合致していた場合、ステップＳ１０では、制御部５は、コンバータ４１への電圧指令値を指示する指令信号ＣCONVを通常運転モードの目標電圧である待機電圧Ｖｈにする。
次に、制御部５は、触媒活性化処理を中止すべき条件に達した時点（即ち時刻ｔｒ）からエア供給を行うまでの待機期間Ｔ１をタイマＴ１にセットし、タイマＴ１による計時を開始させる（ステップＳ１１）。
ここで、タイマＴ１にセットする待機期間Ｔ１は、待機電圧Ｖｈと、触媒活性化処理を中止すべき条件に達した時点（即ち時刻ｔ１）における燃料電池１００の出力電圧との差（即ち、待機電圧からの降下程度）に応じて実験値として求めることができる。待機期間Ｔ１の間は、燃料電池１００への酸化ガスの供給は絶たれているが、燃料電池１００は、残留エアによって出力電圧を上昇させることができる。なお、図３では、時刻ｔ２において燃料電池１００の出力電圧が待機電圧Ｖｈに達する場合を示しているが、本発明では、一般に、燃料電池１００の出力電圧は、時刻ｔ２において必ずしも待機電圧Ｖｈに達する必要はなく、待機電圧Ｖｈを下回っていてもよい。
次に、制御部５は、タイマＴ１による計時が触媒活性化処理を中止すべき条件に達した時点（即ち、時刻ｔ１）からエア供給を行うまでの待機期間Ｔ１に達したか否かを検証し、タイマＴ１による計時が触媒活性化処理を中止すべき条件に達した時点（即ち、時刻ｔ１）からエア供給を行うまでの待機期間Ｔ１に達するまで待機して、タイマＴ１による計時が触媒活性化処理を行うべき条件に達した時点（即ち、時刻ｔ１）からエア供給を行うまでの待機期間Ｔ１に達したら（ＹＥＳ）ステップＳ１３に進む（ステップＳ１２）。
ステップＳ１３では、制御部５は、タイマＴ１を停止させる。次いで、ステップＳ１４に進み、エアブローの実行を指令する。すなわち、制御部５は、コンプレッサ２０の動作を再開させる指令信号ＣCOMPをコンプレッサ２０に送出する。これにより、酸化ガス系２から酸化ガス（例えば空気）が多量に燃料電池１００のカソード極に供給され、以後、燃料電池１００の出力電圧を、待機電圧Ｖｈを超えない範囲に維持させることができる。
ここで、燃料電池１００のカソード極に供給される酸化ガスの量は、燃料電池１００の全てのカソード極に酸化ガスが供給され得る量に設定される。
ステップＳ１５では、前述のエアブローの実行指令の発令と同時に、次の触媒活性化処理までのインターバル期間Ｔ２を計測するタイマＴ２を始動させ、処理を終了する（これより、インターバル期間Ｔ２に入る）。
（実施形態１の利点）
本実施形態１によれば、以下の利点がある。
上記実施形態１によれば、燃料電池１００の出力電圧が還元目標電圧に達する途中で活性化処理の中止条件が発生しても、当面はコンバータ４１へ出力電圧の上限を定める待機電圧Ｖｈを指令するだけであり、酸化ガスの供給までは行われない。エアブローの実行を指令する時点、すなわち、コンプレッサ２０の動作を再開させる指令信号ＣCOMPをコンプレッサ２０に送出する時点は、燃料電池１００の出力電圧を待機電圧Ｖｈ近くまで上昇させてからのことであるから、エアブローの実行によって燃料電池１００の出力電圧が急上昇し、バッテリ４０を過充電させてしまうトラブルの発生を回避することができる。
また上記実施形態１によれば、センサによる出力電圧のセンシングが不要であるという効果を奏する。
（実施形態２）
上記実施形態１では制御部５がタイマを動作させて処理タイミングを検出していたが、本実施形態２では、実際の燃料電池の出力電圧を検出して処理タイミングを検出するものである。
本実施形態２におけるシステム構成は、図１に示すような上記実施形態１と同様のものとする。
図５は、本発明の実施形態２に係る燃料電池システムにおける制御部５の触媒層再生処理を中心とする動作を示すフローチャートを示す。本実施形態２の動作の前提として、制御部５は、電圧センサ４８で検出される燃料電池１００の出力電圧（コンバータ４１の二次側電圧）を定期的に監視しているものとする。以下、前記実施形態１と同様の処理は、同じステップ番号を付す。
図５に示すように、ステップＳ１において、制御部５は、通常運転のために、コンバータ４１への電圧指令値を指示する指令信号ＣCONVを通常運転モードの目標電圧である待機電圧Ｖｈに維持し続ける。
ステップＳ２１において、制御部５は、触媒活性化処理を行う状態となったか否かを判定する。この触媒活性化処理を行うべきか否かの判定については、幾つかの考え方を適用可能である。例えば、前記実施形態１では、触媒活性化処理を所定のインターバル期間Ｔ４毎に定期的に行うものとしていたため、内部タイマＴ２の時間経過を触媒活性化処理の契機としていた。
しかしながら、触媒活性化処理は必ずしも定期的に行えばよいものではない。触媒の酸化物形成量は使用状態によって変動するからである。例えば、触媒に酸化物が多量に形成されるようになるとセルの出力が低下してくる。すなわち、本来燃料電池が有していたＩ−Ｖ特性どおりに出力が取り出せなくなる。よって、燃料電池１００の出力電圧を所定の電圧に設定したとしても、実際に取り出せる電流量が、Ｉ−Ｖ特性より推測していた電流量に達しなくなってきたら、触媒活性化が必要だと判定できる。
以上より、制御部５は、何からの条件により燃料電池１００の動作状態や燃料電池の発電状況を監視し、所定の条件に達した場合に、触媒活性化が必要なものと判断することが可能である。
ステップＳ２１において、触媒活性化処理が必要と判定された場合（ＹＥＳ）、制御部５はステップＳ４に移行し、ステップＳ４では、コンプレッサ２０に出力していた酸化ガス（例えば空気）を供給するコンプレッサ２０の駆動を停止させる指令信号ＣCOMPをコンプレッサ２０に送出する。これにより、コンプレッサ２０の駆動が停止し、酸化ガス供給系２を介する積極的な酸化ガスの供給が停止される。次いでステップＳ６に移行し、ステップＳ６では、制御部５はコンバータ４１への電圧指令値である指令信号ＣCONVを、所定の応答特性により線形的に漸減させていく。上記処理により、燃料電池１００の出力電圧は、コンバータ４１の二次側電圧の漸減と酸化ガスの消費とが相俟って、図３に示すように直線的に降下していく。
ここで、上記実施形態１ではタイマＴ０により電圧降下の開始から終了までの期待時間を測定していたが、本実施形態２では、ステップＳ２２において直接燃料電池１００の出力電圧を判定することとする。システムの動作状態が期待されたものである場合、図２の時刻ｔ１に達する頃には、燃料電池１００の出力電圧が還元目標電圧Ｖｒに到達するはずである。
この燃料電池１００の出力電圧の降下の間、制御部５は、リフレッシュを中断すべき条件が成立しているか否かを検証し（ステップＳ７）、リフレッシュを中断すべき条件が成立している場合（ＹＥＳ）はステップＳ１０に移り、リフレッシュを中断すべき条件が成立していない場合（ＮＯ）はステップＳ２２に進む。
なお、リフレッシュを中断すべき条件の１つとして、ここでは燃料ガス（水素）のクロスリークを検知する燃料ガス圧力センサ１３からのクロスリーク検知信号Ｓｐの通知が有った場合をリフレッシュを中断すべき条件としている。
また、リフレッシュを中断すべき他の条件として、例えば、アクセル操作等を監視して条件とすることができる。
また、さらに水素濃度センサのような燃料ガスの漏洩を検出可能な構成を備えていれば、そのような濃度センサから燃料ガスの漏洩を検出したことを、リフレッシュの中断すべき条件として設定可能である。
ステップＳ２２では、制御部５は、電圧センサ４８の出力電圧検出信号Ｓｅにより、燃料電池１００の出力電圧を監視する。ついで、ステップＳ２３で、燃料電池１００の出力電圧が還元目標電圧に達したか否かを検証し、燃料電池１００の出力電圧が還元目標電圧に達していない場合（ＮＯ）はステップＳ６に戻り、燃料電池１００の出力電圧が還元目標電圧に達している場合（ＹＥＳ）はステップＳ９に進む。
ステップＳ９では、制御部５は、タイマＴ０を停止させると共に、燃料電池１００の触媒層の還元領域下での活性化処理に必要な制御を行い、処理を終了する（これより、インターバル期間Ｔ２に入る）。
さて、上記いずれかの中止条件に達していた場合、ステップＳ１０では、制御部５は、コンバータ４１への電圧指令値を指示する指令信号を、ＣCONVを通常運転モードの目標電圧である待機電圧Ｖｈにする。
次に、ステップＳ２４で、制御部５は、電圧センサ４８の出力電圧検出信号Ｓｅにより、燃料電池１００の出力電圧を監視する。ついでステップＳ２５で、燃料電池１００の出力電圧が待機電圧近辺に達したか否かを検証し、燃料電池１００の出力電圧が待機電圧近辺に達していない場合（ＮＯ）はステップＳ２４に戻り、燃料電池１００の出力電圧が待機電圧近辺に達している場合（ＹＥＳ）はステップＳ１４に進み、エアブローの実行を指令する。すなわち、制御部５は、コンプレッサ２０の動作を再開させる指令信号ＣCOMPをコンプレッサ２０に送出し、処理を終了する（これより、インターバル期間Ｔ２に入る）。これにより、酸化ガス系２から酸化ガス（例えば空気）が多量に燃料電池１００のカソード極に供給され、以後、燃料電池１００の出力電圧を、待機電圧Ｖｈを超えない範囲に維持させることができる。
ここで、燃料電池の出力電圧を、活性化処理の中止処理開始時点の出力電圧から待機電圧の近辺にまで戻す時間の時間長は、残留エアの量に応じて変動するので、実施形態１のようにタイマ１の設定により計測することは余り好適ではない。よって、この実施形態では、時間計測に代えて直接出力電圧を検出して残留エア量の変動を把握するものとしている。
また、燃料電池１００のカソード極に供給される酸化ガスの量は、燃料電池１００の全てのカソード極に酸化ガスが供給され得る量に設定される。
なお、図３では、時刻ｔ２において燃料電池１００の出力電圧が待機電圧Ｖｈに達する場合を示しているが、本発明では、一般に、燃料電池１００の出力電圧は、時刻ｔ２において必ずしも待機電圧Ｖｈに達する必要はなく、待機電圧Ｖｈを下回っていてもよい。
以上、本実施形態２によれば、触媒活性化処理において、制御部５はタイマを動作させる代わりに、実際の燃料電池１００の出力電圧を検出して次の処理に移るタイミングを把握していた。燃料電池の出力電圧の変化は実際の燃料電池１００の内部に残留している酸化ガスの量に影響を受ける。燃料電池の出力電圧に基づいて処理するということは、実際の燃料電池内部の酸化ガス残留量に応じて処理タイミングを決定していることになる。つまり、本実施形態２によれば、残留エアの量に応じた適切なタイミングで触媒活性化処理を（その中止処理も含めて）進めることができるのである。
なお本実施形態２のように燃料電池１００の出力電圧を検出する場合と前記実施形態１のようにタイマにより処理タイミングを検出する場合とを併用してもよい。つまり、燃料電池１００の出力電圧検出に代えて、タイマＴ０〜Ｔ２のいずれか１以上を利用してもよい。
（その他の実施形態）
本発明は上記実施形態以外にも種々に変更して適用することが可能である。
例えば、上記実施形態では、触媒層再生処理（中止処理を含む）においてコンプレッサ２０の駆動を制御したが、この制御と連動させて水素タンク１０からの水素供給を制御する構成としてもよい。
また、上記各実施形態における処理ステップの順序を適宜入れ替えることは可能である。
また、上記各実施形態における燃料電池システムは、電気自動車の他の移動体（陸上、水上、水中、空中）に適用することもできるし、定置形システムに適用してもよい。
本発明の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す構成図である。 本発明の実施形態１に係る触媒燃料電池システムにおける燃料電池の出力電圧と触媒層再生処理の制御動作との関係を経時的に示すチャートである。 本発明の実施形態１に係る触媒燃料電池システムにおける燃料電池の出力電圧と触媒層再生処理の制御動作との関係を経時的に示すチャートである。 本発明の実施形態１に係る燃料電池システムにおける制御部５の触媒層再生処理を中心とする動作を示すフローチャートを示す。 本発明の実施形態２に係る燃料電池システムにおける制御部５の触媒層再生処理を中心とする動作を示すフローチャートを示す。
符号の説明
１…アノードガス供給系、２…カソードガス供給系、４…電力系、５…制御部、１０…水素タンク、１１…アノードガス供給路、１２…アノードオフガス排出路、１３…燃料ガス圧力センサ、２０…コンプレッサ、２１…カソードガス供給路、２２…カソードオフガス排出路、４０…バッテリ、４１…コンバータ、４２…トラクションインバータ、４３…トラクションモータ、４４…補機インバータ、４５…高圧補機、４８…電圧センサ、４９…逆流防止ダイオード、１００…燃料電池、ＣCONV，ＣCOMP…指令信号、Ｓｅ…出力電圧検出信号、Ｓｐ…クロスリーク検知信号

Claims (7)

  1. 燃料電池の出力電圧を下げて触媒活性化処理を実施する燃料電池システムであって、
    電圧指令値に対応させて前記燃料電池の出力電圧を変化させる電圧変換手段と、
    前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出手段と、
    前記電圧変換手段に前記電圧指令値を指令する制御手段と、
    触媒活性化処理の中止条件が成立したか否かを判定する中止条件判定手段と、
    前記燃料電池のカソード極に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
    を備え、
    前記制御手段は、
    前記触媒活性化処理の実施中に、前記中止条件判定手段によって前記触媒活性化処理の中止条件の成立が判定された場合には、前記電圧変換手段に前記待機電圧を指令値として指令すると共に、前記指令から所定の条件が満たされるまで待機した後、前記燃料電池のカソード極側に酸化ガスが供給されるように制御すること、を特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記所定の条件は、前記電圧変換手段に前記待機電圧を指令した前記指令時点から、前記燃料電池の現在の出力電圧に基づいて計算される一定時間が経過することであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
  3. 前記所定の条件は、前記燃料電池の出力電圧が所定の電圧値に達することであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
  4. 前記触媒活性化処理の前記中止条件は、前記燃料電池においてクロスリークの発生が検知されることであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  5. 前記クロスリーク発生の検知は、前記燃料電池のアノード極側における燃料ガスの圧力が所定量低下したことを検出することによりなされるものであることを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
  6. 前記燃料電池のカソード極側に供給される酸化ガスの量は、前記燃料電池の総てのカソード極側に供給可能な量であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
  7. 補助電源をさらに備えると共に、前記制御部は、前記補助電源が所定の電力量以上の充電が可能な状態であることを条件として前記触媒活性化処理を開始することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
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