BR112012030022B1

BR112012030022B1 - sistema de célula de combustível e método de controle para o mesmo

Info

Publication number: BR112012030022B1
Application number: BR112012030022-9A
Authority: BR
Inventors: Kumei Hideyuki; Kato Manabu; Kawahara Shuya
Original assignee: Toyota Motor Co Ltd
Priority date: 2010-05-25
Filing date: 2011-05-25
Publication date: 2019-11-19
Also published as: JP4998609B2; US9196915B2; RU2531504C2; CA2787473A1; CN102986071B; US20130059215A1; EP2577783A1; WO2011148265A1; KR20120136387A; RU2012149572A; EP2577783B1; ES2610552T3; AU2011259799B2; BR112012030022A2; AU2011259799A1; KR101361881B1; JP2012009406A; CA2787473C; CN102986071A

Abstract

sistema de célula de combustível e método de controle para o mesmo. um sistema de célula de combústivel e um método de controle para o mesmo são fornecidos. o sistema de célula de combústivel (100) inclui: uma célula de combústivel (10) formada de uma pluralidade de elementos de geração de força (11) empilhados; uma unidade de medição da tensão de célula (91) detectando a tensão negativa em qualquer um dos elementos de geração de força (11); uma unidade de controle (20) controlando a produção da força elétrica da célula de combústivel (10) e uma unidade de medição do valor acumulado da corrente (21) medindo o valor caumulado da corrente obtido pela integração no tempo da população da corrente da célula de combústivel. a unidade de controle (20) pré-armazena uma correlação entre valores acumulados de corrente e densidades de corrente que são permissíveis para a célula de combustível (10) em um período durante o qual a tensão negativa é gerada. quando a tensão negativa for detectada, a unidade de controle (20) executa o processo de restrição de produção para restrição da produção da força elétrica da célula de combustível (10), de modo a cair dentro de uma faixa de operação permissível definida pelos valores acumulados de corrente e densidades de corrente da correlação.

Description

“SISTEMA DE CÉLULA DE COMBUSTÍVEL E MÉTODO DE CONTROLE PARA O MESMO”

Precedentes da invenção

1. Campo da invenção

A invenção se refere a uma célula de combustível.

2. Descrição da técnica relacionada

Uma célula de combustível geralmente tem uma estrutura de pilha na qual é empilhada uma pluralidade de células únicas que servem como elementos de geração de força. Gases de reação fluem para dentro de passagens de fluxo do gás, fornecidas para cada 10 célula única, através de tubos de distribuição respectivos e são abastecidos para uma porção de geração de força de cada célula única. Entretanto, se as passagens de fluxo do gás de parte das células únicas são bloqueadas pelo conteúdo de água congelada, ou semelhantes, as quantidades dos gases de reação abastecidos para a parte das células únicas se tornam insuficientes, de modo que a parte das células únicas pode possivelmente gerar ten15 são negativa. Dessa maneira, quando a operação da célula de combustível continua em um - estado onde parte das células únicas gera tensão negativa, não somente o desempenho de 'geração de força da célula de combustível em geral deteriora, mas também os eletrodos dessas células únicas podem degradar possivelmente. Várias técnicas para suprimir a deterioração do desempenho de geração de força de uma célula de combustível ou degradação 20 de uma célula de combustível devido a tal tensão negativa foram sugeridas até agora (ver Publicação do Pedido de Patente Japonês No. 2006-179389 (JP-A-2006-179389), Publicação do Pedido de Patente Japonês No. 2007-035516 (JP-A-2007-035516) e assim por diante).

Sumário da invenção

A invenção fornece uma técnica para suprimir a deterioração do desempenho e a degradação de uma célula de combustível devido à tensão negativa.

A invenção é considerada para resolver pelo menos parte dos problemas acima descritos, e pode ser executada como as modalidades seguintes ou modalidades alternativas.

Um aspecto da invenção fornece um sistema de célula de combustível que produz a força elétrica gerada em resposta a uma solicitação de uma carga externa. O sistema de célula de combustível inclui: uma célula de combustível que tem pelo menos um elemento de geração de força; uma unidade de detecção de tensão negativa que é configurada para detectar a tensão negativa no pelo menos um elemento de geração de força; uma unidade de controle que é configurada para controlar a produção da força elétrica da célula de combustível e uma unidade de medição do valor acumulado de corrente que é configurada para medir um valor acumulado de corrente que é obtido pela integração no tempo da produção

2/44 de corrente da célula de combustível, em que a unidade de controle é configurada para préarmazenar uma correlação entre valores acumulados de corrente que são permissíveis em um período durante o qual a tensão negativa é gerada no pelo menos um elemento de geração de força e densidades de corrente que são permissíveis no período e, quando a tensão negativa é detectada no pelo menos um elemento de geração de força, a unidade de controle é configurada para executar o processo de restrição de produção para restrição da produção da força elétrica da célula de combustível, de modo a cair dentro de uma faixa de operação permissível definida pelos valores acumulados de corrente permissíveis e densidades de corrente permissíveis da correlação. Aqui, os inventores da invenção verificaram que, em um elemento de geração de força no qual a tensão negativa é gerada, a regulação na qual a oxidação do eletrodo começa e o desempenho da geração de força começa a diminuir pode ser definida pela produção da corrente da célula de combustível em um período durante o qual a tensão negativa é gerada e um valor acumulado de corrente que é obtido pela integração no tempo da corrente. Com o sistema de célula de combustível assim configurado, onde a tensão negativa é gerada, a produção de força elétrica da célula de combustível é restrita de modo a cair dentro da faixa permissível de operação preestabelecida definida pelos valores acumulados de corrente permissíveis e as densidades de corrente permissíveis. Assim, pré-ajustando a faixa permissível de operação que não causa deterioração do desempenho do elemento de geração de força no qual a tensão negativa é gerada, é possível suprimir a deterioração do desempenho da célula de combustível devido à tensão negativa e suprimir a oxidação do eletrodo (degradação do eletrodo).

Além disso, no sistema de célula de combustível, quando a correlação é mostrada por um gráfico do qual um primeiro eixo geométrico representa um valor acumulado de corrente da célula de combustível e um segundo eixo geométrico representa a densidade de corrente da célula de combustível, a correlação pode ser mostrada como uma curva convexa descendente na qual a densidade de corrente permissível diminui à medida que o valor acumulado de corrente permissível aumenta. Com o sistema de célula de combustível acima, na correlação entre valores acumulados de corrente e densidades de corrente, armazenados na unidade de controle, a faixa permissível de operação pode ser ajustada em uma faixa apropriada que não causa deterioração do desempenho do elemento de geração de força no qual a tensão negativa é gerada. Assim, é possível ainda suprimir apropriadamente a deterioração do desempenho e a degradação da célula de combustível devido à tensão negativa.

Além disso, no sistema de célula de combustível, no processo de restrição de produção, a unidade de controle pode ser configurada para diminuir a densidade da corrente da célula de combustível ao longo da curva convexa descendente, que indica valores máximos das densidades de corrente permissíveis, com um aumento no valor acumulado de corrente.

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Com o sistema de célula de combustível acima, quando a tensão negativa é gerada, é possível restringir a produção da força elétrica da célula de combustível ao longo dos valores limiares (valores de limite permissíveis) da faixa permissível de operação. Assim, é possível suprimir a deterioração do desempenho e a degradação da célula de combustível devido à tensão negativa enquanto suprimindo restrições excessivas na produção da força elétrica da célula de combustível.

Além disso, o sistema de célula de combustível pode ainda incluir: uma unidade de regulação do estado de operação que é configurada para incluir pelo menos uma de uma unidade de umidificação que controla a quantidade de umidificação do gás de reação abastecido para a célula de combustível a fim de regular o estado úmido dentro da célula de combustível e uma unidade de abastecimento de refrigerante que controla a taxa de fluxo do refrigerante abastecido para a célula de combustível a fim de regular a temperatura de operação da célula de combustível, e uma unidade de mudança de correlação que é configurada para mudar a correlação em resposta a pelo menos um do estado úmido dentro da célula de combustível e da temperatura de operação da célula de combustível, em que, quando a densidade de corrente correspondendo com uma corrente de produção exigida da carga externa em um período durante o qual a tensão negativa é gerada no pelo menos um elemento de geração de força é maior do que um valor predeterminado, a unidade de controle pode ser configurada para fazer com que a unidade de regulação do estado de operação regule pelo menos um do estado úmido dentro da célula de combustível e da temperatura de operação da célula de combustível, de modo a expandir a faixa de operação permissível em tal maneira que a correlação é alterada pela unidade de mudança de correlação. Aqui, a correlação entre valores acumulados de corrente e densidades de corrente que são permissíveis para a célula de combustível em um período durante o qual a tensão negativa é gerada varia dependendo do estado úmido dentro da célula de combustível ou da temperatura de operação da célula de combustível. Com o sistema de célula de combustível assim configurado, mesmo quando a corrente exigida para a célula de combustível cai fora da faixa de operação permissível da célula de combustível, a corrente exigida pode ser trazida para dentro da faixa de operação permissível em tal maneira que pelo menos um do estado úmido dentro da célula de combustível e da temperatura de operação da célula de combustível é regulado para expandir a faixa de operação permissível.

Além disso, no sistema de célula de combustível, quando o processo de restrição de produção está completo, a unidade de controle pode ser configurada para armazenar de modo não volátil um valor acumulado de corrente da produção de corrente da célula de combustível no processo de restrição de produção e, quando o processo de restrição de produção é reassumido, a unidade de controle pode ser configurada para executar o processo de restrição de produção usando um valor acumulado total de corrente que é obtido

4/44 adicionando o valor acumulado armazenado de corrente e um valor acumulado de corrente da produção de corrente da célula de combustível depois que o processo de restrição de produção é reassumido. Com o sistema de célula de combustível acima, o valor acumulado de corrente é gravado mesmo depois de um reinicio do sistema de célula de combustível. Portanto, mesmo quando o processo de restrição de corrente é executado novamente depois de um reinicio do sistema de célula de combustível, o processo de restrição de corrente é executado usando o valor acumulado total de corrente que está acumulado conforme o valor acumulado gravado de corrente.

Além disso, o sistema de célula de combustível pode ainda incluir uma unidade de aviso que é configurada para avisar um usuário sobre a degradação da célula de combustível, em que a unidade de controle pode ser configurada para pré-armazenar um valor limite inferior da densidade de corrente da célula de combustível e, quando a densidade de corrente da célula de combustível é mais baixa do que o valor limite inferior no processo de restrição de produção, a unidade de controle pode ser configurada para fazer com que a unidade de aviso avise ao usuário sobre a degradação da célula de combustível. Com o sistema de célula de combustível acima, quando a célula de combustível não tiver se recuperado da tensão negativa, mas o valor limite inferior preestabelecido da densidade de corrente da célula de combustível tiver sido alcançado durante o processo de restrição de produção, o usuário é avisado sobre a degradação da célula de combustível. Assim, o usuário é capaz de saber apropriadamente a regulação na qual a célula de combustível deve ser mantida.

Além disso, o sistema de célula de combustível pode ainda incluir: uma unidade de abastecimento de refrigerante que é configurada para abastecer refrigerante para a célula de combustível para controlar a temperatura da célula de combustível e uma unidade de medição de temperatura que é configurada para medir a temperatura de operação da célula de combustível, em que, no processo de restrição de produção, a unidade de controle pode ser configurada para obter um valor térmico estimado que é um valor térmico da célula de combustível quando a célula de combustível é induzida a produzir a força elétrica em uma densidade de corrente baseada em um valor de comando da densidade de corrente para a célula de combustível, e controlar a quantidade do refrigerante abastecido para a célula de combustível pela unidade de abastecimento de refrigerante com base na temperatura de operação medida pela unidade de medição de temperatura e o valor térmico estimado. Com o sistema de célula de combustível acima, mesmo quando a produção da força elétrica da célula de combustível é restrita pela execução do processo de restrição de produção, a taxa de fluxo do refrigerante abastecido é controlada apropriadamente, então o aumento na temperatura de operação da célula de combustível enquanto o processo de restrição de produção é executado é facilitado. Assim, é altamente provável que a célula de combustível se

5/44 recupere do estado de tensão negativa.

No sistema de célula de combustível, no processo de restrição de produção, a unidade de controle pode ser configurada para usar o valor térmico estimado e a temperatura de operação medida pela unidade de medição de temperatura para calcular um aumento de temperatura estimado da célula de combustível quando a célula de combustível é induzida a produzir a força elétrica por um período de tempo predeterminado enquanto a célula de combustível está sendo abastecida com refrigerante e, quando o aumento de temperatura estimado é menor do que ou igual a um limiar preestabelecido, a unidade de controle pode ser configurada para fazer a célula de combustível gerar força elétrica em um estado onde a unidade de abastecimento dé refrigerante é induzida a parar o abastecimento do refrigerante para a célula de combustível. Com o sistema de célula de combustível acima, quando é difícil trazer a temperatura de operação da célula de combustível para um valor alvo porque a produção da força elétrica da célula de combustível é restrita através do processo de restrição de produção, o abastecimento do refrigerante para a célula de combustível é parado. Assim, um aumento na temperatura da célula de combustível enquanto o processo de restrição de produção é executado é facilitado, de modo que é altamente provável que a célula de combustível se recupere do estado de tensão negativa.

Além disso, no sistema de célula de combustível, no processo de restrição de produção, quando a taxa de aumento na temperatura de operação da célula de combustível é menor do que um limiar preestabelecido, a unidade de controle pode ser configurada para fazer a célula de combustível gerar força elétrica no estado onde a unidade de abastecimento do refrigerante é induzida a parar o abastecimento do refrigerante para a célula de combustível. Com o sistema de combustível de célula de combustível acima, quando a taxa de aumento na temperatura da célula de combustível não tiver alcançado um valor alvo de acordo com a temperatura de operação realmente medida da célula de combustível enquanto o processo de restrição de produção é executado, o abastecimento do refrigerante para a célula de combustível é parado. Assim, um aumento na temperatura da célula de combustível enquanto o processo de restrição de produção é executado é facilitado, então é altamente provável que a célula de combustível se recupere do estado de tensão negativa.

Outro aspecto da invenção fornece um método de controle para um sistema de célula de combustível que produz força elétrica gerada por uma célula de combustível tendo pelo menos um elemento de geração de força em resposta a uma solicitação de uma carga externa. O método de controle inclui: detectar a tensão negativa no pelo menos um elemento de geração de força; medir o valor acumulado de corrente que é obtido pela integração no tempo da produção de corrente da célula de combustível em um período durante o qual a tensão negativa é gerada no pelo menos um elemento de geração de força; consultar uma correlação preestabelecida entre valores acumulados de corrente que são permissíveis no

6/44 período durante o qual a tensão negativa é gerada no pelo menos um elemento de geração de força e densidades de corrente que são permissíveis no período e executar o processo de restrição de produção para restrição da produção da força elétrica da célula de combustível, de modo a cair dentro de uma faixa de operação permissível definida pelos valores acumulados de corrente permissíveis e densidades de corrente permissíveis da correlação.

Outro aspecto adicional da invenção fornece um sistema de célula de combustível que produz força elétrica gerada em resposta a uma solicitação de uma carga externa. O sistema de célula de combustível inclui: uma célula de combustível que tem pelo menos um elemento de geração de força; uma unidade de controle que é configurada para controlar a produção da força elétrica da célula de combustível e uma unidade de medição de valor acumulado de corrente que é configurada para medir o valor acumulado de corrente que é obtido pela integração no tempo da produção de corrente da célula de combustível, em que a unidade de controle é configurada para pré-armazenar uma correlação entre valores acumulados de corrente que são permissíveis em um período durante o qual a tensão negativa é gerada no pelo menos um elemento de geração de força e densidades de corrente que são permissíveis no período e, quando uma condição ambiental preestabelecida que indica uma possibilidade que a tensão negativa seja gerada é satisfeita, a unidade de controle é configurada para determinar que a tensão negativa é gerada no pelo menos um elemento de geração de força e então executar o processo de restrição de produção para restrição da produção da força elétrica da célula de combustível, de modo a cair dentro de uma faixa de operação permissível definida pelos valores acumulados de corrente permissíveis e densidades de corrente permissíveis da correlação. Com o sistema de célula de combustível assim configurado, mesmo quando a tensão negativa não é gerada, mas quando uma condição ambiental que é presumida empírica ou experimentalmente como o caso onde é altamente provável que a tensão negativa seja gerada, o processo de restrição de produção é executado. Assim, é possível ainda suprimir com segurança a deterioração do desempenho e a degradação da célula de combustível.

Além disso, no sistema de célula de combustível, quando a correlação é mostrada por um gráfico do qual o primeiro eixo geométrico representa um valor acumulado de corrente da célula de combustível e o segundo eixo geométrico representa a densidade de corrente da célula de combustível, a correlação pode ser mostrada como uma curva convexa descendente na qual a densidade de corrente permissível diminui à medida que o valor acumulado da corrente permissível aumenta. Com o sistema de célula de combustível acima, na correlação entre valores acumulados de corrente e densidades de corrente, armazenados na unidade de controle, a faixa de operação permissível pode ser estabelecida em uma faixa apropriada que não causa deterioração do desempenho do elemento de geração de força no qual a tensão negativa é gerada. Assim, é possível ainda suprimir apropriadamente a

7/44 deterioração do desempenho e a degradação da célula de combustível devido à tensão negativa.

Além disso, no sistema de célula de combustível, no processo de restrição de produção, a unidade de controle pode ser configurada para diminuir a densidade da corrente da célula de combustível ao longo da curva convexa descendente, o que indica valores máximos das densidades de corrente permissíveis, com um aumento no valor acumulado da corrente. Com o sistema de célula de combustível acima, quando a tensão negativa é gerada, é possível restringir a produção da força elétrica da célula de combustível ao longo dos valores limites permissíveis da faixa de operação permissível. Assim, é possível suprimir a deterioração do desempenho e a degradação da célula de combustível devido à tensão negativa enquanto suprimindo restrições excessivas na produção da força elétrica da célula de combustível.

Além disso, o sistema de célula de combustível pode ainda incluir: uma unidade de regulação do estado de operação que é configurada para incluir pelo menos uma de uma unidade de umidificação que controla a quantidade de umidificação do gás de reação abastecido para a célula de combustível a fim de regular o estado úmido dentro da célula de combustível e uma unidade de abastecimento de refrigerante que controla a taxa de fluxo do refrigerante abastecido para a célula de combustível a fim de regular a temperatura de operação da célula de combustível e uma unidade de mudança de correlação que é configurada para mudar a correlação em resposta a pelo menos um do estado úmido dentro da célula de combustível e da temperatura de operação da célula de combustível, em que, quando a densidade de corrente correspondendo com uma corrente de produção exigida da carga externa em um período durante o qual a tensão negativa é gerada no pelo menos um elemento de geração de força é maior do que um valor predeterminado, a unidade de controle pode ser configurada para fazer a unidade de regulação do estado de operação regular pelo menos um do estado úmido dentro da célula de combustível e da temperatura de operação da célula de combustível, de modo a expandir a faixa de operação permissível em tal maneira que a correlação é alterada pela unidade de mudança de correlação. Com o sistema de célula de combustível acima, mesmo quando a corrente exigida para a célula de combustível cai fora da faixa de operação permissível da célula de combustível, a corrente exigida pode cair dentro da faixa de operação permissível em tal maneira que pelo menos um do estado úmido dentro da célula de combustível e da temperatura de operação da célula de combustível é regulado para expandir a faixa de operação permissível.

Além disso, no sistema de célula de combustível, quando o processo de restrição de produção está completo, a unidade de controle pode ser configurada para armazenar de modo não volátil um valor acumulado de corrente da produção de corrente da célula de combustível no processo de restrição de produção e, quando o processo de restrição de

8/44 produção é retomado, a unidade de controle pode ser configurada para executar o processo de restrição de produção usando um valor acumulado total de corrente que é obtido adicionando o valor acumulado armazenado de corrente e o valor acumulado de corrente da produção de corrente da célula de combustível depois que o processo de restrição de produção é retomado. Com o sistema de célula de combustível acima, mesmo quando o processo de restrição de corrente é executado novamente depois do reinicio do sistema de célula de combustível, o processo de restrição de corrente é executado usando o valor acumulado total da corrente que é acumulado conforme o valor acumulado gravado de corrente.

Além disso, o sistema de célula de combustível pode ainda incluir uma unidade de aviso que é configurada para avisar um usuário sobre a degradação da célula de combustível, em que a unidade de controle pode ser configurada para pré-armazenar um valor limite inferior da densidade de corrente da célula de combustível e, quando a densidade de corrente da célula de combustível é mais baixa do que o valor limite inferior no processo de restrição de produção, a unidade de controle pode ser configurada para fazer a unidade de aviso avisar o usuário sobre a degradação da célula de combustível. Com o sistema de célula de combustível acima, quando a célula de combustível não tiver se recuperado da tensão negativa, mas o valor limite inferior preestabelecido da densidade de corrente da célula de combustível tiver sido alcançado durante o processo de restrição de produção, o usuário é avisado sobre a degradação da célula de combustível. Assim, o usuário é capaz de conhecer apropriadamente a regulação na qual a célula de combustível deve ser mantida.

Além disso, o sistema de célula de combustível pode ainda incluir: uma unidade de abastecimento de refrigerante que é configurada para abastecer refrigerante para a célula de combustível para controlar a temperatura da célula de combustível e uma unidade de medição de temperatura que é configurada para medir a temperatura de operação da célula combustível, em que, no processo de restrição de produção, a unidade de controle pode ser configurada para obter um valor térmico estimado que é um valor térmico da célula de combustível quando a célula de combustível é induzida a produzir força elétrica em uma densidade de corrente baseada em um valor de comando da densidade de corrente para a célula de combustível e controlar a quantidade do refrigerante abastecido para a célula de combustível pela unidade de abastecimento de refrigerante com base na temperatura de operação medida pela unidade de medição de temperatura e o valor térmico estimado. Com o sistema de célula de combustível acima, mesmo quando a produção da força elétrica da célula de combustível é restrita pela execução do processo de restrição de produção, a taxa de fluxo do refrigerante abastecido é controlada apropriadamente, então um aumento na temperatura de operação da célula de combustível enquanto o processo de restrição de produção é executado é facilitado. Assim, é altamente provável que a célula de combustível se recupere do estado de tensão negativa.

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Além disso, no sistema de célula de combustível, no processo de restrição de produção, a unidade de controle pode ser configurada para usar o valor térmico estimado e a temperatura de operação medida pela unidade de medição de temperatura para calcular um aumento de temperatura estimado da célula de combustível quando a célula de combustível é induzida a produzir a força elétrica por um período de tempo predeterminado enquanto a célula de combustível está sendo abastecida com refrigerante e, quando o aumento de temperatura estimado é menor do que ou igual a um limiar preestabelecido, a unidade de controle pode ser configurada para fazer a célula de combustível gerar força elétrica em um estado onde a unidade de abastecimento de refrigerante é induzida a parar o abastecimento do refrigerante para a célula de combustível. Com o sistema de célula de combustível acima, quando é difícil trazer a temperatura de operação da célula de combustível para um valor alvo porque a produção da força elétrica da célula de combustível é restrita através do processo de restrição de produção, o abastecimento do refrigerante para a célula de combustível é parado. Assim, um aumento na temperatura da célula de combustível enquanto o processo de restrição de produção é executado é facilitado, de modo que é altamente provável que a célula de combustível se recupere do estado de tensão negativa.

Além disso, no sistema de célula de combustível, no processo de restrição de produção, quando a taxa de aumento na temperatura de operação da célula de combustível é menor do que um limiar preestabelecido, a unidade de controle pode ser configurada para fazer a célula de combustível gerar força elétrica no estado onde a unidade de abastecimento do refrigerante é induzida a parar o abastecimento do refrigerante para a célula de combustível. Com o sistema de combustível de célula de combustível acima, quando a taxa de aumento na temperatura da célula de combustível não tiver alcançado um valor alvo de acordo com a temperatura de operação medida da célula de combustível enquanto o processo de restrição de produção é executado, o abastecimento do refrigerante para a célula de combustível é parado. Assim, um aumento na temperatura da célula de combustível enquanto o processo de restrição de produção é executado é facilitado, então é altamente provável que a célula de combustível se recupere do estado de tensão negativa.

Ainda outro aspecto da invenção fornece um método de controle para um sistema de célula de combustível que produz força elétrica gerada por uma célula de combustível tendo pelo menos um elemento de geração de força em resposta a uma solicitação de uma carga externa. O método de controle inclui: medir um valor acumulado de corrente que é obtido pela integração no tempo da produção de corrente da célula de combustível em um período durante o qual uma condição ambiental preestabelecida que indica uma possibilidade que a tensão negativa seja gerada no pelo menos um elemento de geração de força é satisfeita; consultar uma correlação preestabelecida entre valores acumulados de corrente que são permissíveis no período durante o qual a tensão negativa é gerada no pelo menos

10/44 um elemento de geração de força e densidades de corrente que são permissíveis no período e executar o processo de restrição de produção para restrição da produção da força elétrica da célula de combustível, de modo a cair dentro de uma faixa de operação permissível definida pelos valores acumulados de corrente permissíveis e densidades de corrente permissíveis da correlação.

Observe que os aspectos da invenção podem ser executados em várias formas e, por exemplo, podem ser executados em uma forma, tais como um sistema de célula de combustível, um veículo equipado com o sistema de célula de combustível, um método de controle para o sistema de célula de combustível, um programa de computador para executar as funções desses sistemas, veículo e método de controle e um meio de gravação que grava o programa de computador.

Breve descrição dos desenhos

Características, vantagens e significado técnico e industrial das modalidades exemplares da invenção serão descritos abaixo com referência aos desenhos acompanhantes, nos quais numerais semelhantes representam elementos semelhantes e nos quais:

A figura 1 é uma vista esquemática que mostra a configuração de um sistema de célula de combustível de acordo com uma primeira modalidade da invenção,

A figura 2 é uma vista esquemática que mostra a configuração elétrica do sistema de célula de combustível de acordo com a primeira modalidade da invenção,

A figura 3A e a figura 3B são gráficos para ilustrar o controle de produção sobre uma célula de combustível do sistema de célula de combustível de acordo com a primeira modalidade da invenção,

A figura 4A, a figura 4B e a figura 4C são gráficos para ilustrar a deterioração do desempenho da célula de combustível devido à tensão negativa gerada por causa do abastecimento escasso de hidrogênio no sistema de célula de combustível,

A figura 5 é um fluxograma para ilustrar o procedimento de um processo de recuperação de tensão negativa no sistema de célula de combustível,

A figura 6 é um gráfico para ilustrar a regulação na qual a transição da tensão negativa do nível permissível de geração de força para o nível de deterioração do desempenho acontece no sistema de célula de combustível,

A figura 7 é um gráfico para ilustrar uma faixa de operação permissível da célula de combustível, definida através de um experimento, no sistema de célula de combustível,

A figura 8A, a figura 8B e a figura 8C são gráficos para ilustrar o processo de restrição de corrente no sistema de célula de combustível,

A figura 9 é uma vista esquemática que mostra a configuração elétrica de um sistema de célula de combustível de acordo com uma primeira modalidade alternativa à primeira modalidade,

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A figura 10 é um fluxograma para ilustrar o procedimento de um processo de recuperação de tensão negativa de acordo com a primeira modalidade alternativa à primeira modalidade,

A figura 11 é uma vista esquemática que mostra a configuração elétrica de um sistema de célula de combustível de acordo com uma segunda modalidade alternativa à primeira modalidade,

A figura 12 é um fluxograma que mostra o procedimento de um processo de recuperação de tensão negativa de acordo com a segunda modalidade alternativa à primeira modalidade,

A figura 13 é um fluxograma que mostra o procedimento de um processo de recuperação de tensão negativa de acordo com uma segunda modalidade,

A figura 14 é um gráfico para ilustrar o processo de restrição de corrente de acordo com a segunda modalidade,

A figura 15 é uma vista esquemática que mostra a configuração elétrica de um sistema de célula de combustível de acordo com uma terceira modalidade,

A figura 16 é um fluxograma que mostra o procedimento de um processo de recuperação de tensão negativa de acordo com uma terceira modalidade,

A figura 17 é um gráfico que mostra uma mudança da faixa de operação permissível resultante de uma mudança no estado de umidade dentro da célula de combustível de acordo com a terceira modalidade,

A figura 18 é um fluxograma que mostra o procedimento de um processo de mudança de faixa permissível de acordo com a terceira modalidade,

A figura 19 é um gráfico que mostra um exemplo de um mapa de determinação de umidade usado para determinar a umidade alvo dentro da célula de combustível de acordo com a terceira modalidade,

A figura 20A, a figura 20B e a figura 20C são gráficos para ilustrar um processo de determinação para determinação de uma umidade alvo dentro da célula de combustível usando um mapa de determinação de umidade e um processo de mudança para mudança de um mapa da faixa permissível de acordo com a terceira modalidade,

A figura 21A e a figura 21B são gráficos para ilustrar um processo de mudança de faixa permissível em um sistema de célula de combustível de acordo com uma quarta modalidade,

A figura 22 é um fluxograma que mostra o procedimento de um processo de recuperação de tensão negativa de acordo com uma quinta modalidade,

A figura 23 é um fluxograma que mostra o procedimento de um processo de controle de refrigerante de acordo com a quinta modalidade,

A figura 24 é um fluxograma que mostra o procedimento de um processo de recu12/44 peração de tensão negativa de acordo com uma sexta modalidade,

A figura 25A e a figura 25B são fluxogramas que mostram respectivamente o primeiro e o segundo processos de controle de refrigerante de acordo com a sexta modalidade e

A figura 26A e a figura 26B são gráficos para ilustrar uma mudança no tempo na temperatura da célula de uma célula de tensão negativa sob um ambiente de baixa temperatura de acordo com os exemplos de referência da invenção.

Descrição detalhada das modalidades

A figura 1 é uma vista esquemática que mostra a configuração de um sistema de célula de combustível de acordo com uma primeira modalidade da invenção. O sistema de célula de combustível 100 inclui uma célula de combustível 10, uma unidade de controle 20, uma unidade de abastecimento do gás do catodo 30, uma unidade de exaustão do gás do catodo 40, uma unidade de abastecimento do gás do ânodo 50, uma unidade de exaustão de circulação do gás do ânodo 60 e uma unidade de abastecimento de refrigerante 70.

A célula de combustível 10 é uma célula de combustível de eletrólito de polímero que é abastecida com hidrogênio (gás do ânodo) e ar (gás do catodo) como gases de reação para gerar a força elétrica. A célula de combustível 10 tem uma estrutura de pilha na qual uma pluralidade de elementos de geração de força 11 chamados células únicas é empilhada. Cada elemento de geração de força 11 inclui um conjunto de eletrodo de membrana (não mostrado) e dois separadores (não mostrados). O conjunto de eletrodo de membrana é o elemento de geração de força no qual os eletrodos são dispostos em ambas as superfícies de uma membrana do eletrólito. Os dois separadores comprimem o conjunto do eletrodo de membrana.

Aqui, a membrana do eletrólito pode ser formada de uma película fina de polímero sólido que exibe condutividade favorável do próton em um estado úmido. Além disso, cada eletrodo pode ser formado de carbono (C). Observe que uma superfície do eletrodo, virada para a membrana do eletrólito, suporta um catalisador (por exemplo, platina (Pt)) para facilitar a reação da geração de força. Tubos de distribuição (não mostrados) para gases de reação e refrigerante são fornecidos para cada elemento de geração de força 11. Os gases de reação nos tubos de distribuição são abastecidos para a porção de geração de força de cada elemento de geração de força 11 através de passagens de fluxo de gás respectivas fornecidas para cada elemento de geração de força 11.

A unidade de controle 20 é formada de um microcomputador que inclui uma unidade de processamento central e um armazenamento principal. A unidade de controle 20 aceita uma solicitação de produção de força de uma carga externa 200. Em resposta à solicitação, a unidade de controle 20 controla unidades estruturais do sistema de célula de combustível 100 descrito abaixo para fazer a célula de combustível 10 gerar a força elétrica.

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A unidade de abastecimento do gás do catodo 30 inclui uma linha do gás do catodo 31, um compressor de ar 32, um fluxímetro de ar 33, uma válvula liga-desliga 34 e uma unidade de umidificação 35. A linha do gás do catodo 31 é conectada no catodo da célula de combustível 10. O compressor de ar 32 é conectado na célula de combustível 10 através da linha do gás do catodo 31. O compressor de ar 32 absorve e comprime o ar externo e abastece o ar comprimido para a célula de combustível 10 como gás do catodo.

O fluxímetro de ar 33 mede a taxa de fluxo do ar externo absorvido pelo compressor de ar 32 em uma porção a montante do compressor de ar 32 e depois transmite a taxa de fluxo medida para a unidade de controle 20. A unidade de controle 20 aciona o compressor de ar 32 com base na taxa de fluxo medida para controlar a quantidade do ar abastecido para a célula de combustível 10.

A válvula liga-desliga 34 é fornecida entre o compressor de ar 32 e a célula de combustível 10. A válvula liga-desliga 34 abre ou fecha em resposta ao fluxo do ar abastecido na linha do gás do catodo 31. Especificamente, a válvula liga-desliga 34 fica normalmente fechada e abre quando o ar tendo uma pressão predeterminada é abastecido do compressor de ar 32 para a linha do gás do catodo 31.

A unidade de umidificação 35 umidifica o ar em alta pressão bombeado do compressor de ar 32. A fim de manter um estado úmido das membranas do eletrólito para obter condutividade do próton favorável, a unidade de controle 20 usa a unidade de umidificação 35 para controlar a quantidade de umidificação do ar abastecido para a célula de combustível 10 para regular dessa forma o estado úmido dentro da célula de combustível 10.

A unidade de exaustão do gás do catodo 40 inclui uma linha do gás de exaustão do catodo 41, uma válvula de regulação de pressão 43 e uma unidade de medição de pressão 44. A linha do gás de exaustão do catodo 41 é conectada no catodo da célula de combustível 10 e exaure o gás de exaustão do catodo para o exterior do sistema de célula de combustível 100. A válvula de regulação de pressão 43 regula a pressão do gás de exaustão do catodo (contrapressâo da célula de combustível 10) na linha do gás de exaustão do catodo 41. A unidade de medição de pressão 44 é fornecida em uma porção a montante da válvula de regulação de pressão 43. A unidade de medição de pressão 44 mede a pressão do gás de exaustão do catodo e depois transmite a pressão medida para a unidade de controle 20. A unidade de controle 20 regula o grau de abertura da válvula de regulação de pressão 43 com base na pressão medida pela unidade de medição de pressão 44.

A unidade de abastecimento do gás do ânodo 50 inclui uma linha do gás do ânodo 51, um tanque de hidrogênio 52, uma válvula liga-desliga 53, um regulador 54, um injetor 55 e duas unidades de medição de pressão 56u e 56d. O tanque de hidrogênio 52 é conectado no ânodo da célula de combustível 10 através da linha do gás do ânodo 51, e abastece o hidrogênio cheio no tanque para a célula de combustível 10. Observe que o sistema de célu

14/44 la de combustível 100 pode incluir uma unidade de reforma ao invés do tanque de hidrogênio 52 como uma fonte de abastecimento do hidrogênio. A unidade de reforma reforma o combustível baseado em hidrocarboneto para produzir hidrogênio.

A válvula liga-desliga 53, o regulador 54, a primeira unidade de medição de pressão 56u, o injetor 55 e a segunda unidade de medição de pressão 56d são fornecidos na linha do gás do ânodo 51 a partir do lado a montante (lado adjacente ao tanque de hidrogênio 52) na ordem declarada. A válvula liga-desliga 53 abre ou fecha em resposta a um comando da unidade de controle 20. A válvula liga-desliga 53 controla o fluxo do hidrogênio do tanque de hidrogênio 52 para o lado a montante do injetor 55. O regulador 54 é uma válvula de redução de pressão para regular a pressão do hidrogênio em uma porção a montante do injetor 55. O grau de abertura do regulador 54 é controlado pela unidade de controle 20.

O injetor 55 é uma válvula liga-desliga acionada eletromagneticamente da qual o elemento de válvula é acionado eletromagneticamente de acordo com um intervalo de acionamento ou duração de abertura da válvula estabelecido pela unidade de controle 20. A unidade de controle 20 controla o intervalo de acionamento ou a duração de abertura da válvula do injetor 55 para controlar a quantidade de hidrogênio abastecido para a célula de combustível 10. A primeira e a segunda unidades de medição de pressão 56u e 56d medem respectivamente a pressão do hidrogênio em uma porção a montante do injetor 55 e a pressão do hidrogênio em uma porção a jusante do injetor 55 e depois transmitem as pressões medidas para a unidade de controle 20. A unidade de controle 20 usa essas pressões medidas para determinar o intervalo de acionamento ou a duração de abertura da válvula do injetor 55.

A unidade de exaustão de circulação do gás do ânodo 60 inclui uma linha do gás de exaustão do ânodo 61, uma unidade de separação de gás-líquido 62, uma linha de circulação do gás do ânodo 63, uma bomba de circulação do hidrogênio 64, uma linha de drenagem do ânodo 65 e uma válvula de drenagem 66. A linha do gás de exaustão do ânodo 61 conecta a saída do ânodo da célula de combustível 10 na unidade de separação de gáslíquido 62. A linha do gás de exaustão do ânodo 61 leva o gás de exaustão do ânodo que inclui o gás não reagido (hidrogênio, nitrogênio e assim por diante) que não é usado na reação de geração de força para a unidade de separação de gás-líquido 62.

A unidade de separação de gás-líquido 62 é conectada na linha de circulação do gás do ânodo 63 e na linha de drenagem do ânodo 65. A unidade de separação de gáslíquido 62 separa componentes do gás e o conteúdo de água incluído no gás de descarga de exaustão do ânodo. A unidade de separação de gás-líquido 62 leva os componentes do gás para a linha de circulação do gás do ânodo 63 e leva o conteúdo de água para a linha de drenagem do ânodo 65.

A linha de circulação do gás do ânodo 63 é conectada na linha do gás do ânodo 51

15/44 em uma porção a jusante do injetor 55. A bomba de circulação de hidrogênio 64 é fornecida na linha de circulação do gás do ânodo 63. O hidrogênio incluído nos componentes do gás separados pela unidade de separação de gás-líquido 62 é bombeado para a linha do gás do ânodo 51 pela bomba de circulação do hidrogênio 64. Dessa maneira, no sistema de célula de combustível 100, o hidrogênio incluído no gás de exaustão do ânodo é circulado e abastecido novamente para a célula de combustível 10 para melhorar dessa maneira a eficiência de uso do hidrogênio.

A linha de drenagem do ânodo 65 é usada para drenar o conteúdo de água separado pela unidade de separação de gás-líquido 62 para o exterior do sistema de célula de combustível 100. A válvula de drenagem 66 é fornecida na linha de drenagem do ânodo 65. A válvula de drenagem 66 abre ou fecha em resposta a um comando da unidade de controle 20. A unidade de controle 20 fecha normalmente a válvula de drenagem 66 durante a operação do sistema de célula de combustível 100 e abre a válvula de drenagem 66 em uma regulação de drenagem predeterminada ajustada antecipadamente ou uma regulação na qual o gás inerte incluído no gás de exaustão do ânodo é exaurido.

A unidade de abastecimento do refrigerante 70 inclui uma linha de refrigerante 71, um radiador 72, uma bomba de circulação de refrigerante 73 e duas unidades de medição de temperatura do refrigerante 74 e 75. A linha de refrigerante 71 conecta um tubo de distribuição de entrada de refrigerante em um tubo de distribuição de saída de refrigerante. O tubo de distribuição de entrada de refrigerante e o tubo de distribuição de saída de refrigerante são fornecidos para a célula de combustível 10. A linha de refrigerante 71 circula o refrigerante para esfriar a célula de combustível 10. O radiador 72 é fornecido na linha de refrigerante 71. O radiador 72 troca o calor entre o refrigerante fluindo na linha de refrigerante 71 e o ar externo para dessa forma esfriar o refrigerante.

A bomba de circulação de refrigerante 73 é fornecida na linha de refrigerante 71 em uma porção a jusante do radiador 72 (adjacente à entrada do refrigerante da célula de combustível 10). A bomba de circulação de refrigerante 73 bombeia o refrigerante esfriado pelo radiador 72 para a célula de combustível 10. As duas unidades de medição de temperatura do refrigerante 74 e 75 são fornecidas respectivamente perto da saída do refrigerante da célula de combustível 10 e perto da entrada do refrigerante da célula de combustível 10 na linha de refrigerante 71. As duas unidades de medição de temperatura do refrigerante 74 e 75 transmitem respectivamente as temperaturas medidas para a unidade de controle 20. A unidade de controle 20 detecta a temperatura de operação da célula de combustível 10 a partir de uma diferença entre as temperaturas respectivas medidas pelas duas unidades de medição de temperatura do refrigerante 74 e 75 e depois controla a quantidade do refrigerante bombeado pela bomba de circulação de refrigerante 73 com base na temperatura de operação detectada para regular dessa forma a temperatura de operação da célula de com16/44 bustível 10.

A figura 2 é uma vista esquemática que mostra a configuração elétrica do sistema de célula de combustível 100. O sistema de célula de combustível 100 inclui uma bateria secundária 81, um conversor DC/DC 82 e um inversor DC/AC 83. Além disso, o sistema de célula de combustível 100 inclui uma unidade de medição de tensão da célula 91, uma unidade de medição de corrente 92, uma unidade de medição de impedância 93 e uma unidade de detecção do estado da carga 94.

A célula de combustível 10 é conectada no inversor DC/AC 83 através de uma linha de abastecimento de força de corrente contínua DCL. A bateria secundária 81 é conectada na linha de abastecimento de força de corrente contínua DCL através do conversor DC/DC 82. O inversor DC/AC 83 é conectado na carga externa 200. Observe que no sistema de célula de combustível 100, parte da produção da força elétrica da célula de combustível 10 e da bateria secundária 81 é usada para acionar os auxiliares que constituem o sistema de célula de combustível 100; entretanto, a fiação para os auxiliares não é mostrada e a sua descrição é omitida.

A bateria secundária 81 funciona como um abastecimento de força auxiliar da célula de combustível 10. A bateria secundária 81 pode ser formada, por exemplo, de uma bateria de íon de lítio carregável e descarregável. O conversor DC/DC 82 funciona como uma unidade de controle de carga/descarga que controla a carga/descarga da bateria secundária 81. O conversor DC/DC 82 regula de modo variável o nível de tensão da linha de abastecimento de força de corrente contínua DCL em resposta a um comando da unidade de controle 20. Se a produção da força elétrica da célula de combustível 10 é insuficiente para uma solicitação de produção da carga externa 200, a unidade de controle 20 instrui o conversor DC/DC 82 a descarregar a bateria secundária 81 a fim de compensar a força elétrica insuficiente.

O inversor DC/AC 83 converte a força elétrica da corrente contínua obtida da célula de combustível 10 e da bateria secundária 81 para força elétrica de corrente alternada, e depois abastece a força elétrica de corrente alternada para a carga externa 200. Observe que quando a força elétrica regenerativa é gerada na carga externa 200, a força elétrica regenerativa é convertida para força elétrica de corrente contínua pelo inversor DC/AC 83, e depois a bateria secundária 81 é carregada com a força elétrica de corrente contínua pelo conversor DC/DC 82.

A unidade de medição de tensão da célula 91 é conectada em cada elemento de geração de força 11 da célula de combustível 10 para medir a tensão (tensão da célula) de cada elemento de geração de força 11. A unidade de medição de tensão da célula 91 transmite as tensões medidas da célula para a unidade de controle 20. Observe que a unidade de medição de tensão da célula 91 pode transmitir somente a tensão mais baixa da

17/44 célula entre as tensões medidas da célula para a unidade de controle 20.

A unidade de medição de corrente 92 é conectada na linha de abastecimento de força de corrente contínua DCL. A unidade de medição de corrente 92 mede a produção de corrente da célula de combustível 10, e depois transmite a corrente medida para a unidade de controle 20. A unidade de detecção do estado da carga 94 é conectada na bateria secundária 81. A unidade de detecção do estado da carga 94 detecta o estado da carga (SOC) da bateria secundária 81, e depois transmite o SOC detectado para a unidade de controle 20.

A unidade de medição da impedância 93 é conectada na célula de combustível 10. A unidade de medição da impedância 93 aplica corrente alternada na célula de combustível 10 para medir dessa forma a impedância da célula de combustível 10. Aqui, é sabido que a impedância da célula de combustível 10 varia com a quantidade do conteúdo de água presente dentro da célula de combustível 10. Isto é, a correlação entre a impedância da célula de combustível 10 e a quantidade do conteúdo de água (umidade) dentro da célula de combustível 10 é adquirida antecipadamente e depois a impedância da célula de combustível 10 é medida para tornar possível obter dessa forma a quantidade do conteúdo de água (umidade) dentro da célula de combustível 10.

Incidentemente, no sistema de célula de combustível 100 de acordo com a primeira modalidade, a unidade de controle 20 também funciona como uma unidade de medição do valor acumulado da corrente 21. A unidade de medição do valor acumulado da corrente 21 integra a produção da corrente da célula de combustível 10, medida pela unidade de medição de corrente 92, com relação ao tempo por um período de tempo predeterminado para calcular dessa maneira o valor acumulado de corrente que indica a produção da carga elétrica da célula de combustível 10. A unidade de controle 20 usa o valor acumulado da corrente para executar o processo de restrição da corrente para suprimir a deterioração do desempenho de geração de força dos elementos de geração de força 11, e a sua descrição detalhada será descrita mais tarde.

A figura 3A e a figura 3B são gráficos para ilustrar o controle de produção sobre a célula de combustível 10 do sistema de célula de combustível 100. A figura 3A é um gráfico que mostra as características W-l da célula de combustível 10, na qual o eixo geométrico das ordenadas representa a força elétrica da célula de combustível 10 e o eixo geométrico das abscissas representa a corrente da célula de combustível 10. De forma geral, as características W-l de uma célula de combustível são mostradas por uma curva convexa ascendente.

A figura 3B é um gráfico que mostra as características V-l da célula de combustível 10, na qual o eixo geométrico das ordenadas representa a tensão da célula de combustível 10 e o eixo geométrico das abscissas representa a corrente da célula de combustível 10. De

18/44 forma geral, as características V-l de uma célula de combustível são mostradas por uma curva sigmoide horizontal que declina com um aumento na corrente. Observe que na figura 3A e figura 3B, os eixos geométricos das abscissas dos gráficos respectivos correspondem entre si.

A unidade de controle 20 pré-armazena essas características W-l e características V-l da célula de combustível 10. A unidade de controle 20 usa as características W-l para adquirir uma corrente alvo que deve ser produzida da célula de combustível 10 para uma força elétrica Pt exigida da carga externa 200. Além disso, a unidade de controle 20 usa as características V-l para determinar uma tensão alvo Vt da célula de combustível 10 para produzir a corrente alvo It obtida das características W-l. A unidade de controle 20 ajusta a tensão alvo Vt no conversor DC/DC 82 para fazer o conversor DC/DC 82 regular a tensão da linha de abastecimento de força de corrente contínua DCL.

Incidentemente, como descrito acima, na célula de combustível 10, os gases de reação fluem dos tubos de distribuição para dentro das passagens de fluxo do gás de cada elemento de geração de força 11. Entretanto, as passagens de fluxo do gás de cada elemento de geração de força 11 podem ser bloqueadas possivelmente pelo conteúdo de água, ou semelhante, produzido na célula de combustível 10. Se a célula de combustível 10 é induzida a continuar a geração de força no estado onde as passagens do gás de parte dos elementos de geração de força 11 estão bloqueadas, a reação de geração de força é suprimida por causa do abastecimento insuficiente dos gases de reação na parte dos elementos de geração de força 11. Por outro lado, os outros elementos de geração de força 11 continuam a geração de força, então a parte dos elementos de geração de força 11 funciona como resistência na célula de combustível 10 para gerar dessa forma a tensão negativa. A seguir, no relatório descritivo, o elemento de geração de força 11 no qual a tensão negativa é gerada é chamado uma “célula de tensão negativa 1Γ.

É sabido que, à medida que o estado da tensão negativa de cada célula de tensão negativa 11 continua, a degradação dos eletrodos de cada célula de tensão negativa 11 progride e depois o desempenho da geração de força da célula de combustível 10 deteriora. Aqui, a tensão negativa ocorre por causa do abastecimento escasso de hidrogênio que é causado através da inibição do abastecimento de hidrogênio para o ânodo ou por causa do abastecimento escasso de oxigênio que é causado através da inibição do abastecimento de oxigênio para o catodo. No caso da ocorrência de tensão negativa devido ao abastecimento escasso de hidrogênio para o ânodo, o desempenho da célula de combustível 10 deteriora como segue dependendo do nível da tensão negativa.

A figura 4A até a figura 4G são gráficos para ilustrar a deterioração do desempenho da célula de combustível 10 devido à tensão negativa gerada através do abastecimento escasso de hidrogênio em qualquer um dos elementos de geração de força 11. A figura 4A é

19/44 um gráfico que mostra uma variação na tensão da célula quando a tensão negativa é gerada em qualquer um dos elementos de geração de força 11. No gráfico da figura 4A, o eixo geométrico das ordenadas representa a tensão da célula e o eixo geométrico das abscissas representa o tempo.

No gráfico, a tensão negativa ocorre no tempo to e a tensão da célula declina substancialmente na vertical para a tensão Vi. Depois disso, a tensão da célula é mantida constante ao redor da tensão V₁₍ declina substancialmente na vertical para a tensão V₂ novamente no tempo h e é então mantida substancialmente constante na tensão V₂. Dessa maneira, o nível da tensão negativa que é gerada através do abastecimento escasso de hidrogênio diminui em dois estágios em uma maneira substancialmente gradual com um lapso de tempo.

Aqui, no ânodo de cada célula de tensão negativa 11, prótons são produzidos pela reação química seguinte a fim de compensar o abastecimento escasso de hidrogênio. Isto é, prótons são produzidos pela reação de divisão da água expressa pela fórmula de reação (1) seguinte durante um período de tempo to ao tempo ti, e os prótons são produzidos pela reação de oxidação do carbono que constitui o eletrodo (ânodo), expresso pela fórmula de reação (2) seguinte, depois do tempo t₂.

2H₂O-> O₂ + 4H⁺+ e (1)

C + 2H₂O -> CO₂ + 4H⁺ + 4e (2)

A figura 4B mostra um gráfico que mostra o desempenho de geração de força de cada célula de tensão negativa 11 durante um período de tempo to ao tempo h. A figura 4C mostra um gráfico que mostra o desempenho de geração de força de cada célula de tensão negativa 11 depois do tempo h. Cada uma das figuras 4B e figura 4C inclui um gráfico G_t._vque mostra as características l-V de cada célula de tensão negativa 11, na qual o eixo geométrico das abscissas representa a densidade de corrente e o eixo geométrico das ordenadas representa a tensão da célula e um gráfico G|._R que mostra as características l-R de cada célula de tensão negativa 11, na qual o eixo geométrico das abscissas representa a densidade da corrente e o eixo geométrico das ordenadas representa a resistência. Observe que de modo a mostrar as mudanças nas características, na figura 4C, os gráficos G₍._v e G|._Rmostrados na figura 4B são indicados pelas linhas tracejadas, e as setas que indicam as direções nas quais os gráficos respectivos mudam são mostradas.

Dessa maneira, se a reação de divisão da água está ocorrendo no ânodo de cada célula de tensão negativa 11 como no caso durante um período do tempo to ao tempo ti, a deterioração do desempenho de geração de força da célula de combustível 10 é relativamente suprimida (figura 4B). Observe que no caso da figura 4B, as características l-V de cada elemento de geração de força 11, no qual nenhuma tensão negativa é gerada, substancialmente coincidem com as características l-V de cada célula de tensão negativa 11. Por

20/44 outro lado, se a reação de oxidação do carbono está ocorrendo no ânodo de cada célula de tensão negativa 11 como no caso depois do tempo ti, as características l-V de cada célula de tensão negativa 11 diminuem, e a resistência interna de cada célula de tensão negativa 11 aumenta (figura 4C). Observe que o desempenho da geração de força da célula de combustível 10 deteriora por causa da deterioração do desempenho de cada célula de tensão negativa 11. Além disso, se o carbono do eletrodo é oxidado como no caso depois do tempo t₁₍ é difícil recuperar o desempenho de geração de força de cada célula de tensão negativa 11 mesmo depois do reinicio da célula de combustível 10.

A seguir, no relatório descritivo, o nível de tensão negativa no qual a geração de força pode continuar enquanto suprimindo a deterioração do desempenho de geração de força da célula de combustível 10 através da reação de divisão de água no ânodo de cada célula de tensão negativa 11, como no caso durante um período do tempo to ao tempo t₁₍ é chamado o “nível permissível de geração de força”. Além disso, o nível da tensão negativa, no qual a degradação do eletrodo de cada célula de tensão negativa 11 ocorre e o desempenho de geração de força da célula de combustível 10 deteriora como no caso depois do tempo ti, é chamado um “nível de deterioração de desempenho”.

No sistema de célula de combustível 100 de acordo com a primeira modalidade, quando a tensão negativa foi detectada em qualquer um dos elementos de geração de força 11 da célula de combustível 10, o estado de tensão negativa é recuperado através do processo de recuperação de tensão negativa descrito abaixo. Observe que, no processo de recuperação de tensão negativa, quando é determinado que a tensão negativa é devido ao abastecimento escasso de hidrogênio, o controle de produção que impede que o nível de tensão negativa alcance o nível de deterioração do desempenho é executado para recuperar dessa forma da tensão negativa enquanto evitando degradação do eletrodo da célula de tensão negativa 11.

A figura 5 é um fluxograma para ilustrar o procedimento do processo de recuperação de tensão negativa executado pela unidade de controle 20. Depois da operação normal da célula de combustível 10 (etapa S5) ser iniciada, quando a tensão negativa foi detectada em pelo menos um dos elementos de geração de força 11 pela unidade de medição de tensão da célula 91, a unidade de controle 20 começa o processo na etapa S20 e nas etapas seguintes (etapa S10). Na etapa S20, a unidade de controle 20 faz com que a unidade de medição do valor acumulado da corrente 21 comece a medir o valor acumulado de corrente usado em um processo de restrição de corrente (descrito mais tarde).

Aqui, no estágio onde a tensão negativa foi detectada na etapa S10, não é determinado se a razão pela qual a tensão negativa é gerada é devido ao abastecimento escasso de hidrogênio para o ânodo ou devido ao abastecimento escasso de oxigênio para o catodo. Então, na etapa S30, a unidade de controle 20 inicialmente aumenta a velocidade rotacional

21/44 do compressor de ar 32 para aumentar a quantidade de ar abastecido para a célula de combustível 10. Se tensão negativa é gerada por causa do abastecimento escasso de oxigênio para o catodo, essa operação elimina o abastecimento insuficiente do ar e também limpa o conteúdo de água que bloqueia a passagem de fluxo do gás no lado do catodo para tornar possível remover o bloqueio.

Se a tensão da célula de tensão negativa 11 aumenta depois que a quantidade do ar abastecido é aumentada, a unidade de controle 20 determina que a célula de tensão negativa 11 se recuperou da tensão negativa e então retorna para o controle da operação normal sobre a célula de combustível 10 (etapa S40). Por outro lado, se a célula de tensão negativa 11 não se recuperou da tensão negativa mesmo com um aumento na quantidade do ar abastecido, a unidade de controle 20 determina que a razão pela qual a tensão negativa é gerada é devido ao abastecimento escasso de hidrogênio, e então começa o processo de restrição de corrente para evitar a degradação do eletrodo e a deterioração do desempenho de geração de força na etapa S50 e nas etapas seguintes.

Na etapa S50, a unidade de controle 20 adquire o valor acumulado de corrente da unidade de medição do valor acumulado da corrente 21 com base na produção de corrente da célula de combustível 10 em um período durante o qual a tensão negativa é gerada. Nas etapas S60 e S70, a unidade de controle 20 usa o valor acumulado de corrente adquirido na etapa S50 para obter um limite de produção de força elétrica da célula de combustível 10, e então induz a célula de combustível 10 a produzir a força elétrica dentro da faixa limitada. Por fazer isso, a degradação do eletrodo de cada célula de tensão negativa 11 e a deterioração do desempenho de geração de força da célula de combustível 10 são suprimidas. Aqui, antes das operações detalhadas específicas nas etapas S60 e S70 serem descritas, será descrita a correlação entre o valor acumulado de corrente e o limite da produção da força elétrica da célula de combustível 10 para evitar a oxidação do eletrodo e a deterioração do desempenho da geração de força devido à tensão negativa, que foi obtida através de experimento pelos inventores da invenção.

A figura 6 é um gráfico que mostra os resultados do experimento conduzido pelos inventores da invenção a fim de investigar a regulação na qual a transição da tensão negativa do nível permissível de geração de força para o nível de deterioração do desempenho acontece. No experimento, para um selecionado dos elementos de geração de força 11, no estado onde a passagem de fluxo do gás no lado do ânodo está bloqueada, a geração de força que faz a célula de combustível 10 produzir uma corrente constante em taxas de fluxo constantes dos gases de reação em uma temperatura de operação constante foi executada intermitentemente cinco vezes em um intervalo de tempo constante. O gráfico da figura 6 mostra uma variação na tensão negativa através do tempo para cada ocasião de geração de força.

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Durante a primeira até a terceira gerações de força, o tempo de medição terminou antes que a tensão negativa alcançasse o nível permissível de geração de força. Entretanto, durante a quarta geração de força, a tensão da célula diminuiu para o nível de deterioração do desempenho no progresso da medição. Então, durante a quinta geração de força, a tensão da célula diminuiu para o nível de deterioração de desempenho imediatamente depois que a geração de força iniciou.

Os inventores da invenção repetiram um experimento similar com uma produção de corrente diferente da célula de combustível 10 e verificaram que o tempo acumulado que a transição da tensão negativa do nível permissível de geração de força para o nível de deterioração de desempenho acontece é substancialmente constante para cada densidade de corrente mesmo quando uma parada e reinicio da geração de força são repetidos depois que a tensão negativa é gerada. Isso é presumivelmente porque uma película de oxidação formada no ânodo da célula de tensão negativa 11 através da reação de divisão da água é forte o suficiente para permanecer uniforme quando a geração de força é interrompida.

Então, é presumível que a carga elétrica que pode ser produzida durante um período de quando a tensão negativa ocorre até quando a tensão negativa alcança o nível de deterioração de desempenho é substancialmente constante para cada densidade de corrente e a produção de carga elétrica durante esse tempo permanece como a história de geração de força durante esse tempo. Através dessas descobertas, os inventores da invenção verificaram que a condição de operação que é permissível para a célula de combustível 10 antes da transição da tensão negativa para o nível de deterioração de desempenho acontecer pode ser definida pela densidade de corrente da célula de combustível 10 em um período durante o qual a tensão negativa do nível permissível de geração de força é gerada e o valor acumulado da corrente da célula de combustível 10 durante esse tempo.

A figura 7 é um gráfico que mostra o resultado do experimento conduzido pelos inventores da invenção a fim de definir a condição de operação permissível para a célula de combustível 10 em um período durante o qual a tensão negativa do nível permissível de geração de força é gerada. Nesse experimento, a passagem de fluxo do gás no lado do ânodo de qualquer um dos elementos de geração de força 11 foi bloqueada, e então foi medido o valor acumulado de corrente quando a célula de combustível 10 é induzida a continuar a geração de força de quando a tensão negativa ocorre até quando a tensão negativa alcança o nível de deterioração de desempenho. Então, o valor acumulado da corrente foi medido com uma densidade de corrente diferente da célula de combustível 10 múltiplas vezes para obter o valor acumulado de corrente para cada densidade de corrente. Observe que nesse experimento, as taxas de fluxo dos gases de reação abastecidos para a célula de combustível 10 e a temperatura de operação da célula de combustível 10 eram constantes.

A figura 7 é um gráfico que é obtido em tal maneira que o eixo geométrico das or

23/44 denadas representa um valor acumulado de corrente, o eixo geométrico das abscissas representa uma densidade da corrente e os resultados medidos do experimento acima são marcados. Dessa maneira, a correlação entre as densidades da corrente da célula de combustível 10 em um período durante o qual a tensão negativa do nível permissível de geração de força é gerada e os valores acumulados de corrente permissíveis para a célula de combustível 10 durante esse tempo é mostrada por uma curva de declínio convexa descendente. Isto é, à medida que a densidade de corrente da célula de combustível 10 no período durante o qual a tensão negativa do nível permissível de geração de força é gerada (a seguir, também chamado como “período permissível de geração de força”) aumenta, o valor acumulado da corrente permissível para a célula de combustível 10 durante esse tempo reduz. O valor acumulado da corrente reduz de maneira substancialmente exponential à medida que a densidade da corrente aumenta.

Aqui, na figura 7, a faixa hachurada abaixo da curva convexa descendente pode ser entendida como uma faixa que inclui uma combinação da densidade da corrente e do valor acumulado da corrente que são permissíveis para a célula de combustível 10 durante o período permissível de geração de força. A seguir, essa faixa é chamada uma “faixa de operação permissível”. Isto é, no caso onde a tensão negativa é gerada por causa do abastecimento escasso de hidrogênio, quando a célula de combustível 10 é induzida a produzir uma combinação da densidade de corrente e do valor acumulado de corrente que caem dentro da faixa de operação, é possível que a célula de combustível 10 continue a geração de força enquanto evitando que a tensão negativa alcance o nível de deterioração de desempenho. Observe que, como pode ser entendido a partir do fato que o eixo geométrico das ordenadas do gráfico é um valor acumulado de corrente, a faixa permissível de operação reduz com um aumento na duração da geração de força da célula de combustível 10 depois que a tensão negativa ocorre.

No sistema de célula de combustível 100 de acordo com a primeira modalidade, a unidade de controle 20 pré-armazena a correlação entre os valores acumulados de corrente permissíveis para a célula de combustível 10 e as densidades de corrente permissíveis para a célula de combustível 10 em um período durante o qual a tensão negativa é gerada, mostrado pelo gráfico da figura 7, como um mapa. Então, o mapa (a seguir, chamado como “mapa da faixa permissível”) é usado para executar o processo de restrição de corrente nas etapas S60 e S70 (figura 5).

A figura 8A até a figura 8C são gráficos esquemáticos para ilustrar processos nas etapas S60 e S70. Na figura 8A até a figura 8C, o mapa da faixa permissível acima M_PA é mostrado pelo gráfico do qual o eixo geométrico das ordenadas representa um valor acumulado de corrente e o eixo geométrico das abscissas representa uma densidade de corrente. Nos gráficos dos mapas da faixa permissível M_PA na figura 8A e figura 8B, a faixa permissí

24/44 vel de operação é hachurada. Aqui, no sistema de célula de combustível 100 de acordo com a primeira modalidade, uma densidade de corrente limite inferior in_m (também chamada como “densidade de corrente mínima in_m”) que deve ser produzida da célula de combustível 10 é ajustada a fim de que a unidade de controle 20 continue a operação do sistema de célula de combustível 100. Portanto, a faixa em ou abaixo da densidade de corrente mínima in_m não está incluída na faixa de operação permissível.

Na etapa S60, a unidade de controle 20 adquire uma densidade de corrente h para um valor acumulado de corrente Qei adquirido pela unidade de medição do valor acumulado da corrente 21 (figura 8A). A seguir, a densidade de corrente adquirida usando o mapa de faixa permissível M_PA é também chamada uma “densidade de corrente limite”. Observe que o valor acumulado da corrente Qei nesse momento é obtido com base na produção de corrente da célula de combustível 10 durante os processos das etapas S20 a S60.

Na etapa S70, a unidade de controle 20 ajusta a densidade de corrente limite h obtida na etapa S60 como uma densidade de corrente que é atualmente permissível para a célula de combustível 10, e então faz a célula de combustível 10 gerar força elétrica em uma densidade de corrente i_1c (também chamada como “densidade de corrente restrita i_1c”) que é menor do que a densidade de corrente limite ii. Especificamente, a unidade de controle 20 pode subtrair um valor preestabelecido Ai da densidade de corrente limite h para calcular a densidade de corrente restrita h_c (hc = h - Ai). Observe que o valor preestabelecido Ai pode variar dependendo da densidade da corrente limite. Especificamente, também é aplicável que, à medida que a densidade de corrente limite reduz, o valor Ai seja aumentado.

A faixa de operação permissível no mapa da faixa permissível M_PA é reduzida pelo valor acumulado da corrente Qei na direção do eixo geométrico das ordenadas, então, na etapa S70, quando a geração de força é iniciada na densidade de corrente restrita ii_c que é menor do que a densidade de corrente limite ii, a produção da força elétrica da célula de combustível 10 cai dentro da faixa de operação permissível. Assim, é possível continuar a operação da célula de combustível 10 enquanto evitando a degradação do eletrodo.

Aqui, a unidade de controle 20 começa o processo para recuperação do abastecimento escasso de hidrogênio na etapa S80 enquanto a corrente é restrita de modo a ser capaz de continuar a operação da célula de combustível 10. Especificamente, também é aplicável que a taxa de fluxo do hidrogênio abastecido para a célula de combustível 10 seja aumentada regulando o intervalo de acionamento ou a duração de abertura da válvula do injetor 55, aumentando a velocidade rotacional da bomba de circulação de hidrogênio 64, ou semelhante, para aumentar a pressão do hidrogênio na célula de combustível 10.

Observe que, quando o sistema de célula de combustível 100 é colocado sob um ambiente de baixa temperatura, a passagem de fluxo do gás do ânodo pode ser bloqueada pelo conteúdo de água congelada. Portanto, nesse caso, o processo para aumentar a tem

25/44 peratura da célula de combustível 10 pode ser executado, por exemplo, a velocidade rotacional da bomba de circulação do refrigerante 73 é diminuída.

Depois que o processo de recuperação do abastecimento escasso do hidrogênio na etapa S80 é iniciado, quando a célula de tensão negativa 11 ainda não se recuperou da tensão negativa, a unidade de controle 20 repete o processo de restrição de corrente nas etapas S50 a S70 novamente (etapa S90). Na etapa S50, como no caso prévio, a unidade de controle 20 adquire um valor acumulado de corrente Qe₂ com base na produção de corrente da célula de combustível 10 de quando a tensão negativa foi detectada até o tempo atual (etapa S50). Depois, o mapa da faixa permissível M_PA é usado para adquirir uma densidade de corrente limite i₂ correspondendo com o valor acumulado de corrente Qe₂ (figura 8B). Na etapa S70, a unidade de controle 20 faz a célula de combustível 10 gerar força elétrica em uma densidade de corrente restrita i_2c que é menor do que a densidade de corrente limite i₂.

A figura 8C é um gráfico esquemático para ilustrar uma variação na densidade da corrente limite no processo de restrição de corrente. O processo de restrição de corrente nas etapas S50 a S80 é repetidamente executado até que a célula de tensão negativa 11 se recupera da tensão negativa (etapa S90). Durante a repetição do processo de restrição de corrente, a densidade de corrente limite reduz em uma maneira gradual ao longo da curva mostrada no gráfico (setas no gráfico) com um aumento no valor acumulado de corrente. Além disso, a produção de corrente da célula de combustível 10 reduz em uma maneira gradual ao longo da curva mostrada no gráfico como no caso da variação na densidade da corrente limite. Observe que, quando a densidade da corrente restrita adquirida na etapa S60 é menor do que ou igual à densidade de corrente mínima in_m, a unidade de controle 20 determina que a célula de tensão negativa 11 não se recuperou da tensão negativa e a força elétrica mínima da célula de combustível 10 não pode ser obtida, e então executa o processo de reinicio da célula de combustível 10.

Dessa maneira, com o sistema de célula de combustível 100 de acordo com a primeira modalidade, quando é determinado no processo de recuperação da tensão negativa que a razão pela qual a tensão negativa é gerada é devido ao abastecimento escasso de hidrogênio, a geração de força continua enquanto suprimindo uma diminuição na tensão negativa para o nível de deterioração do desempenho por meio do processo de restrição da corrente. Então, durante o processo de restrição da corrente, o processo para a recuperação da tensão negativa é executado. Assim, é possível suprimir a deterioração do desempenho da geração de força da célula de combustível 10 e a degradação dos eletrodos da célula de combustível 10 devido à tensão negativa.

A seguir, uma primeira modalidade alternativa à primeira modalidade será descrita. A figura 9 é uma vista esquemática que mostra a configuração elétrica de um sistema de célula de combustível 100a de acordo com a primeira modalidade alternativa à primeira mo26/44 dalidade da invenção. A figura 9 é substancialmente a mesma que a figura 2, exceto que uma unidade de gravação do valor acumulado de corrente 23 é adicionada. Observe que a outra configuração do sistema de célula de combustível 100a nesse exemplo de configuração é similar a essa do sistema de célula de combustível 100 de acordo com a primeira modalidade (figura 1). A unidade de gravação do valor acumulado de corrente 23 (figura 9) do sistema de célula de combustível 100a é formada de uma memória não volátil apagável e regravável de dados, tal como uma memória de leitura programável apagável (EPROM).

A figura 10 é um fluxograma que mostra o procedimento de um processo de recuperação de tensão negativa executado pelo sistema de célula de combustível 100a. A figura 10 é substancialmente a mesma que a figura 5, exceto que a etapa S100 é adicionada depois da etapa S90. No sistema de célula de combustível 100a, quando a tensão negativa foi detectada na célula de combustível 10, o processo de recuperação de tensão negativa é executado como no caso do sistema de célula de combustível 100 de acordo com a primeira modalidade. Depois, no processo de recuperação de tensão negativa, quando é determinado que a razão pela qual a tensão negativa é gerada é devido ao abastecimento escasso de hidrogênio, o processo de restrição de corrente similar a esse descrito na primeira modalidade é executado (etapas S50 a S90).

Quando a célula de tensão negativa 11 se recupera da tensão negativa durante o processo de restrição de corrente, a unidade de controle 20 grava o valor acumulado de corrente usado no processo de restrição de corrente na unidade de gravação do valor acumulado de corrente 23 (etapa S100). Aqui, é assumido que a célula de tensão negativa 11 tenha se recuperado da tensão negativa através do processo de restrição de corrente. Em tal caso também, a menos que a manutenção do elemento de geração de força 11, no qual a tensão negativa foi gerada, seja conduzida, a tensão negativa é gerada nesse elemento de geração de força 11 novamente e depois uma faixa de operação permissível quando o processo de restrição de corrente é iniciado será a faixa de operação permissível no momento do término do processo de restrição de corrente prévio.

Depois, na etapa S100, a unidade de controle 20 grava de modo não volátil o valor acumulado da corrente na preparação para o próximo processo de restrição de corrente. Aqui, a unidade de controle 20 identifica os elementos de geração de força 11 nos quais a tensão negativa é gerada (células de tensão negativa 11) no momento quando a tensão negativa ocorre e grava um valor acumulado de corrente na unidade de gravação do valor acumulado de corrente 23 para as células de tensão negativa 11 correspondentes.

Quando o processo de restrição de corrente é executado novamente, a unidade de controle 20 carrega o valor acumulado de corrente que corresponde com cada célula de tensão negativa 11 e que é gravado na unidade de gravação do valor acumulado de corrente 23 como um valor inicial do valor acumulado de corrente e depois começa a medir o valor

27/44 acumulado de corrente na etapa S20. Isto é, a unidade de controle 20 executa o processo de restrição de corrente usando um valor acumulado total de corrente que é obtido adicionando o valor acumulado de corrente gravado na unidade de gravação do valor acumulado de corrente 23 e um valor acumulado de corrente da produção de corrente da célula de combustível 10 depois que o processo de restrição de corrente é retomado. Observe que quando o elemento de geração de força 11 que causa a geração da tensão negativa é mantido, o valor acumulado de corrente do elemento de geração de força mantido 11, gravado na unidade de gravação do valor acumulado de corrente 23, pode ser inicializado.

A seguir, uma segunda modalidade alternativa à primeira modalidade será descrita. A figura 11 é uma vista esquemática que mostra a configuração de um sistema de célula de combustível 100b de acordo com a segunda modalidade alternativa à primeira modalidade da invenção. A figura 11 é substancialmente a mesma como a figura 9, exceto que uma unidade de aviso 25 é adicionada. Observe que a outra configuração do sistema de célula de combustível 100b nesse exemplo de configuração é similar a esse do sistema de célula de combustível 100a na primeira modalidade alternativa (figura 9).

A unidade de aviso 25 (figura 11) do sistema de célula de combustível 100b avisa de modo visual ou auricular a um usuário do sistema de célula de combustível 100b sobre a manutenção da célula de combustível 10 em resposta a um comando da unidade de controle 20. A unidade de aviso 25 pode ser formada, por exemplo, de um monitor ou unidade emissora de luz que é reconhecível pelo usuário ou pode ser formada de um alto-falante ou uma campainha.

A figura 12 é um fluxograma que mostra o procedimento de um processo de recuperação de tensão negativa executado pelo sistema de célula de combustível 100b. A figura 12 é substancialmente a mesma que a figura 10, exceto que as etapas S62 e S63 são adicionadas. No processo de recuperação de tensão negativa executado pelo sistema de célula de combustível 100b de acordo com esse exemplo de configuração, o mapa da faixa permissível Mpa (figura 8A a figura 8C) é usado para obter uma densidade da corrente limite na etapa S60 e depois é determinado na etapa S62 se a densidade da corrente limite é mais baixa do que ou igual ao limiar predeterminado. Aqui, o limiar predeterminado pode ser, por exemplo, uma densidade de corrente exigida para obter a força elétrica pela qual a operação do sistema de célula de combustível 100b pode continuar.

Quando é determinado na etapa S62 que a densidade de corrente limite é menor do que o limiar predeterminado, a unidade de controle 20 determina que é difícil continuar a operação do sistema de célula de combustível 100b a menos que a manutenção da célula de combustível 10 seja conduzida, e então faz com que a unidade de aviso 25 execute o processo de aviso (etapa S63). Especificamente, no processo de aviso, é aplicável que a operação do sistema de célula de combustível 100b seja parada e então o usuário é infor28/44 mado sobre uma mensagem que induz à substituição da célula de tensão negativa 11.

Dessa maneira, com o sistema de célula de combustível 100b de acordo com esse exemplo de configuração, a informação que a produção de força elétrica da célula de combustível 10 está restrita e é difícil continuar a operação do sistema de célula de combustível 100b no processo de restrição de corrente é fornecida para o usuário do sistema pela unidade de aviso 25. Assim, o usuário é capaz de tomar conhecimento de uma situação na qual a manutenção da célula de combustível 10 deve ser conduzida. Observe que é aplicável que, quando o valor acumulado da corrente for maior do que ou igual ao limiar predeterminado enquanto o processo de restrição de corrente é executado ou quando o valor acumulado da corrente for gravado na etapa S100, a unidade de controle 20 informe ao usuário desse fato através da unidade de aviso 25.

A seguir, uma segunda modalidade será descrita. A figura 13 é um fluxograma que mostra o procedimento de um processo de recuperação de tensão negativa de acordo com a segunda modalidade da invenção. A figura 13 é substancialmente a mesma que a figura 5, exceto que as etapas S61 e S71 são fornecidas ao invés das etapas S60 e S70 e a etapa S91 é adicionada. Observe que a configuração de um sistema de célula de combustível de acordo com a segunda modalidade é similar a essa do sistema de célula de combustível 100 descrito na primeira modalidade (figura 1 e figura 2). No sistema de célula de combustível de acordo com a segunda modalidade, nas etapas S50 a S91, um valor acumulado de corrente permissível para a célula de combustível 10 é obtido e depois o processo de restrição de corrente é executado com base no valor acumulado da corrente.

A figura 14 é um gráfico para ilustrar o processo de restrição de corrente de acordo com a segunda modalidade e é um gráfico que mostra um mapa de faixa permissível M_PAsimilar a esse descrito na primeira modalidade. Na etapa S61, a unidade de controle 20 adquire uma densidade de corrente limite ii correspondendo com o valor acumulado de corrente Qei adquirido na etapa S50. Depois, uma densidade de corrente restrita ii_c que é menor por um valor preestabelecido do que a densidade de corrente limite h é determinada como um valor de comando de produção para a célula de combustível 10, e então a célula de combustível 10 é induzida a gerar a força elétrica na densidade de corrente restrita ii_c.

Na etapa S71, a unidade de controle 20 usa o mapa da faixa permissível M_PA novamente para adquirir um valor acumulado de corrente Qe₂ correspondendo com a densidade de corrente restrita i_1c que é um valor de comando para a célula de combustível 10. A unidade de controle 20 ajusta um valor menor por um valor predeterminado do que o valor acumulado da corrente Qe₂ como o valor acumulado da corrente (a seguir, também chamado como “valor acumulado limite da corrente”) permissível para a célula de combustível 10. Depois, a unidade de controle 20 executa o processo para recuperação do abastecimento escasso de hidrogênio na etapa S80 e então determina na etapa S90 se a célula de tensão

29/44 negativa 11 se recuperou da tensão negativa.

Quando a célula de tensão negativa 11 se recupera da tensão negativa, a unidade de controle 20 retoma o controle de operação normal (etapa S5). Além disso, quando a célula de tensão negativa 11 não se recupera da tensão negativa, a unidade de controle 20 adquire o valor acumulado de corrente no período durante o qual a tensão negativa é gerada de uma unidade de medição do valor acumulado da corrente 21, e então determina se o valor acumulado da corrente alcançou o valor acumulado limite da corrente adquirido na etapa S71 (etapa S91). Quando o valor acumulado da corrente não alcançou o valor acumulado limite da corrente, a unidade de controle 20 repete os processos das etapas S80 e S90.

Quando o valor acumulado da corrente alcança o valor acumulado limite da corrente na etapa S91, a unidade de controle 20 retoma para a etapa S61 e depois ajusta uma densidade de corrente i_2c que é menor por um valor preestabelecido do que a densidade de corrente restrita h_c, que foi ajustada como um valor de comando, como um novo valor de comando para a célula de combustível 10. Na etapa S71, o mapa da faixa permissível M_PA é usado para adquirir um valor acumulado de corrente Qe₂ correspondendo com a densidade de corrente i_2c e depois um valor acumulado limite da corrente é determinado com base no valor acumulado da corrente Qe₂.

Dessa maneira, no processo de restrição de corrente de acordo com a segunda modalidade, a unidade de controle 20 usa o mapa da faixa permissível M_PA para obter um valor acumulado limite da corrente correspondendo com uma densidade de corrente estabelecida como um valor de comando para a célula de combustível 10. Depois, até que o valor acumulado de corrente esteja próximo do valor acumulado limite de corrente, a célula de combustível 10 é induzida a continuar a geração de força na densidade de corrente estabelecida como um valor de comando. Quando o valor acumulado de corrente está perto do valor acumulado limite da corrente, a unidade de controle 20 diminui a densidade da corrente que é um valor de comando e adquire um valor acumulado limite da corrente correspondendo com o valor de comando diminuído novamente para fazer dessa maneira com que a célula de combustível 10 continue a geração de força. Por fazer isso, como indicado pela seta no gráfico da figura 14, a densidade de corrente da célula de combustível 10 reduz ao longo da curva mostrada no gráfico em uma maneira gradual com um aumento no valor acumulado da corrente.

Com o sistema de célula de combustível de acordo com a segunda modalidade também, como no caso do sistema de célula de combustível 100 de acordo com a primeira modalidade, é possível suprimir a deterioração do desempenho de geração de força da célula de combustível 10 e a degradação dos eletrodos da célula de combustível 10 devido à tensão negativa. Observe que também é aplicável que a unidade de controle 20 calcule uma duração de geração de força disponível em uma densidade de corrente que é um valor de

30/44 comando com base em um valor acumulado limite da corrente adquirido do mapa de faixa permissível M_PA e depois controle a regulação na qual a densidade da corrente, isto é, o valor de comando, ó diminuída com base na duração da geração de força.

A seguir, uma terceira modalidade será descrita. A figura 15 é uma vista esquemática que mostra a configuração elétrica de um sistema de célula de combustível 100B de acordo com a terceira modalidade da invenção. A figura 15 é substancialmente a mesma como a figura 2, exceto que uma chave liga-desliga 84 é adicionada na linha de abastecimento de força da corrente contínua DCL e uma unidade de mudança da faixa permissível 22 adicionada na unidade de controle 20. Observe que a outra configuração do sistema de célula de combustível 100B é similar à configuração descrita na primeira modalidade (figura 1). Entretanto, no sistema de célula de combustível 100B de acordo com a terceira modalidade, a célula de combustível 10 é operada em uma temperatura de operação constante.

A chave liga-desliga 84 é fornecida entre o conversor DC/DC 82 e a célula de combustível 10. A chave liga-desliga 84 abre ou fecha em resposta a um comando da unidade de controle 20. Quando a chave liga-desliga 84 é fechada, a célula de combustível 10 é eletricamente conectada na carga externa 200; enquanto que, quando a chave liga-desliga 84 é aberta, a célula de combustível 10 é eletricamente isolada da carga externa 200. Observe que quando a célula de combustível 10 está isolada da carga externa 200, a bateria secundária 81 é capaz de produzir força elétrica abastecida para a carga externa 200.

No sistema de célula de combustível 100B de acordo com a terceira modalidade, a unidade de controle 20 também funciona como a unidade de mudança da faixa permissível 22. A unidade de mudança da faixa permissível 22 executa o processo para mudar a faixa de operação permissível da célula de combustível 10 em um processo de restrição de corrente de um processo de recuperação de tensão negativa. Detalhes específicos do processo serão descritos mais tarde.

A figura 16 é um fluxograma que mostra o procedimento do processo de recuperação de tensão negativa de acordo com a terceira modalidade. A figura 16 é substancialmente a mesma que a figura 5, exceto que a etapa S65 é adicionada. No sistema de célula de combustível 100B de acordo com a terceira modalidade, como no caso do sistema de célula de combustível 100 de acordo com a primeira modalidade, o processo de recuperação da tensão negativa é executado. Depois, no processo de recuperação da tensão negativa, quando é determinado que a tensão negativa é gerada por causa do abastecimento escasso do hidrogênio, o processo de restrição de corrente e o processo de recuperação do abastecimento escasso de hidrogênio são executados.

Aqui, no processo de restrição de corrente, quando a corrente permissível para a célula de combustível 10 é consideravelmente menor do que uma corrente alvo da célula de combustível 10 para abastecer força elétrica exigida da carga externa 200, existe uma pos

31/44 sibilidade que corrente insuficiente possa não ser compensada uniformemente pela bateria secundária 81. Então, no sistema de célula de combustível 100B de acordo com a terceira modalidade, quando a diferença entre a densidade limite da corrente adquirida na etapa S60 e a densidade da corrente para produzir a corrente alvo da célula de combustível 10 é maior do que um valor predeterminado, a unidade de mudança da faixa permissível 22 é induzida a executar o processo de mudança da faixa permissível (etapa S65).

A figura 17 é um gráfico que ilustra uma mudança da faixa de operação permissível devido a uma mudança na umidade dentro da célula de combustível 10. O gráfico mostrado na figura 17 foi obtido conduzindo um experimento similar ao experimento conduzido a fim de obter o gráfico da figura 7 no estado onde a umidade dentro da célula de combustível 10 foi reduzida. Observe que na figura 17, como no caso do gráfico da figura 7, a faixa de operação permissível abaixo da curva mostrada no gráfico é hachurada. Além disso, no gráfico da figura 17, com o intuito de conveniência, a linha tracejada que indica a curva mostrada no gráfico da figura 7 e a seta que indica uma mudança da curva da linha tracejada são mostradas.

Os inventores da invenção verificaram que, diminuindo a umidade dentro da célula de combustível 10, a curva que mostra a correlação entre o valor acumulado de corrente e a densidade de corrente em um período permissível de geração de força muda para cima, e a faixa de operação permissível expande. A razão pela qual a faixa de operação permissível é expandida é por causa da razão seguinte.

É sabido que, no período de geração de força permissível, a reação expressa pela fórmula de reação (1) acima descrita e a reação expressa pela fórmula de reação (3) seguinte progridem no ânodo da célula de tensão negativa 11 para desativar dessa maneira o catalisador.

Pt + 2H₂O PtO₂ + 4H⁺ + 4e (3)

À medida que a umidade dentro da célula de combustível 10 diminui, a quantidade do conteúdo de água no ânodo (o conteúdo de água do conjunto do eletrodo da membrana) reduz, então as reações acima progridem gentilmente e á desativação do catalisador é suprimida. Portanto, a faixa de operação permissível expande pela quantidade que o progresso da desativação do catalisador pode ser atrasado.

Isto é, diminuindo a umidade dentro da célula de combustível 10, a faixa de operação permissível da célula de combustível 10 no processo de restrição de corrente pode ser expandida, então é possível aumentar a densidade da corrente permissível para a célula de combustível 10. Depois, no sistema de célula de combustível 100B de acordo com a terceira modalidade, no processo de mudança de faixa permissível descrito abaixo, a umidade dentro da célula de combustível 10 é diminuída para expandir a faixa de operação permissível.

A figura 18 é um fluxograma que mostra o procedimento do processo de mudança

32/44 da faixa permissível executado pela unidade de mudança da faixa permissível 22. Na etapa S110, a unidade de mudança da faixa permissível 22 abre a chave liga-desliga 84 para isolar eletricamente a célula de combustível 10 da carga externa 200. Então, a força elétrica é abastecida da bateria secundária 81 para a carga externa 200. A unidade de mudança da faixa permissível 22 faz a célula de combustível 10 parar a geração de força uma vez para permitir dessa forma que a umidade dentro da célula de combustível 10 seja facilmente regulada. Na etapa S120, a umidade alvo dentro da célula de combustível 10 para expandir a faixa de operação permissível é adquirida.

A figura 19 é um gráfico que mostra um exemplo de um mapa de determinação de umidade M_Hd que é usado pela unidade de mudança da faixa permissível 22 a fim de determinar a umidade alvo dentro da célula de combustível 10 na etapa S120. O mapa de determinação de umidade M_Hd é mostrado como uma curva de declínio convexa descendente quando o eixo geométrico das ordenadas representa um valor acumulado de corrente e o eixo geométrico das abscissas representa a umidade. O mapa de determinação da umidade M_Hd é obtido em tal maneira que um experimento similar a esse descrito na figura 7 é conduzido para cada umidade dentro da célula de combustível 10 para obter valores medidos e depois os valores medidos são usados para marcar uma combinação de um valor acumulado de corrente e umidade para cada densidade de corrente da célula de combustível 10.

A figura 20A e a figura 20B são gráficos para ilustrar um processo de determinação de uma umidade alvo dentro da célula de combustível 10 usando o mapa de determinação de umidade M_Hd na etapa S120. A figura 20A é um gráfico que mostra o mapa da faixa permissível Mpa usado na etapa S60 da figura 16. Aqui, é assumido que na etapa S60, o valor acumulado de corrente Qe_a tenha sido medido, a densidade limite da corrente i_a tenha sido determinada a partir do mapa de faixa permissível M_PA e a carga externa 200 exija uma densidade de corrente i_t fora da faixa de operação permissível da célula de combustível 10. Nesse momento, a unidade de mudança da faixa permissível 22 determina uma umidade alvo dentro da célula de combustível 10, como segue.

A unidade de mudança da faixa permissível 22 determina um valor acumulado de corrente Qe_t que é mais alto por um valor predeterminado definido antecipadamente do que o valor acumulado atualmente medido da corrente Qe_a como o valor do limite da faixa de operação permissível expandida. Então, o mapa de determinação da umidade M_Hd correspondendo com a densidade de corrente exigida é selecionado de entre os mapas de determinação de umidade M_Hd preparados para densidades de corrente respectivas, e então o mapa de determinação de umidade selecionado M_HD é usado para adquirir uma umidade h correspondendo com o valor acumulado da corrente Qe_t como uma umidade alvo (figura 20B).

Na etapa S130 (figura 18), a unidade de mudança da faixa permissível 22 executa o

33/44 controle, de modo que a umidade dentro da célula de combustível 10 coincide com a umidade alvo adquirida na etapa S120. Especificamente, a unidade de mudança da faixa permissível 22 aumenta a velocidade rotacional do compressor de ar 32 da unidade de abastecimento do gás do catodo 30 (figura 1) para aumentar a quantidade do ar abastecido para a célula de combustível 10 e para diminuir a quantidade de umidificação do ar abastecido pela unidade de umidificação 35. Por fazer isso, o interior da célula de combustível 10 pode ser limpo pelo ar abastecido do qual a umidade é reduzida, e a umidade dentro da célula de combustível 10 pode ser diminuída. Observe que a unidade de mudança da faixa permissível 22 determina se a umidade dentro da célula de combustível 10 alcançou a umidade alvo com base no valor medido pela unidade de medição da impedância 93.

A figura 20C é um gráfico para ilustrar o processo de mudança do mapa da faixa permissível M_PA na etapa S140. A figura 20C é um gráfico que mostra o mapa da faixa permissível alterado M_PA. Observe que, na figura 20C, a curva que indica o mapa da faixa permissível pré-alterado M_PA é mostrada pela linha tracejada e a faixa de operação permissível é indicada por hachuras.

Aqui, no sistema de célula de combustível 100B de acordo com a terceira modalidade, o mapa da faixa permissível M_PA para cada umidade dentro da célula de combustível 10 é preparado antecipadamente e é armazenado na unidade de controle 20. A unidade de mudança da faixa permissível 22 seleciona o mapa da faixa permissível M_PA correspondendo com a umidade alvo adquirida na etapa S120 de entre os mapas da faixa permissível M_PApara umidades respectivas como um novo mapa da faixa permissível M_PA. No processo de restrição de corrente depois que a umidade dentro da célula de combustível 10 foi diminuída, o novo mapa da faixa permissível selecionado M_PA é usado. Observe que o novo mapa da faixa permissível selecionado M_PA tem a faixa permissível de operação expandida, então a densidade de corrente i_t exigida da carga externa 200 é incluída na faixa de operação permissível.

Na etapa S150 (figura 18), a unidade de mudança da faixa permissível 22 inicia a célula de combustível 10, e fecha a chave liga-desliga 84 (isto é, aciona a chave liga-desliga 84) para conectar eletricamente a célula de combustível 10 na carga externa 200. Na etapa S160, enquanto a célula de combustível 10 é parada, é determinado se a célula de tensão negativa 11 se recuperou da tensão negativa. Quando a célula de tensão negativa 11 se recupera da tensão negativa, o controle de operação normal (etapa S5 da figura 16) da célula de combustível 10 é retomado. Por outro lado, quando a célula de tensão negativa 11 não se recuperou da tensão negativa, o processo retorna para a etapa S50 e então começa o processo de restrição de corrente usando o novo mapa da faixa permissível selecionado e alterado M_PA.

Dessa maneira, o sistema de célula de combustível 100B de acordo com a terceira

34/44 modalidade é capaz de expandir a faixa de operação permissível da célula de combustível 10 no processo de restrição de corrente regulando a umidade dentro da célula de combustível 10. Assim, com o sistema de célula de combustível 100B de acordo com a terceira modalidade, é possível ainda abastecer com segurança a força elétrica correspondendo com uma solicitação da carga externa 200 enquanto suprimindo a deterioração do desempenho e a degradação da célula de combustível devido à tensão negativa.

A seguir, uma quarta modalidade será descrita. A figura 21A e a figura 21B são gráficos para ilustrar o processo de mudança da faixa permissível em um sistema de célula de combustível de acordo com a quarta modalidade da invenção. Observe que a configuração do sistema de célula de combustível de acordo com a quarta modalidade é similar a essa do sistema de célula de combustível de acordo com a terceira modalidade. Entretanto, no sistema de célula de combustível de acordo com a quarta modalidade, a célula de combustível 10 é operada em um estado onde a umidade dentro da célula de combustível 10 é mantida constante.

A figura 21A é um gráfico que mostra uma variação na correlação entre o valor acumulado de corrente e a densidade de corrente em um período permissível de geração de força quando a temperatura da célula de combustível 10 é variada, como no caso da figura

17. A linha sólida na figura 21A foi obtida em tal maneira que um experimento similar ao experimento conduzido de modo a obter o gráfico da figura 7 é conduzido no estado onde a temperatura da célula de combustível 10 é diminuída.

A curva que mostra a correlação entre um valor acumulado de corrente e uma densidade de corrente deslocou para cima quando a temperatura da célula de combustível 10 foi diminuída. Isso é porque o progresso da reação expressa pela fórmula de reação (3) descrita na terceira modalidade se torna gentil por causa de uma diminuição na temperatura da célula de combustível 10. Dessa maneira, pela diminuição da temperatura de operação da célula de combustível 10, como no caso descrito na terceira modalidade, é possível expandir a faixa de operação permissível da célula de combustível 10 no processo de restrição de corrente.

Aqui, um experimento similar a esse descrito na figura 7 é conduzido com uma temperatura de operação diferente da célula de combustível 10, e a correlação entre o valor acumulado de corrente e a densidade de corrente é obtida para cada temperatura de operação da célula de combustível 10 antecipadamente para tornar possível obter dessa forma o mapa da faixa permissível M_PA para cada temperatura de operação da célula de combustível

10. Além disso, é possível obter um mapa de determinação da temperatura de operação M_Td para cada densidade de corrente, que mostra a correlação entre o valor acumulado de corrente e a temperatura de operação da célula de combustível 10 com base nos dados experimentais. A figura 21B mostra um exemplo do mapa de determinação da temperatura de

35/44 operação M_Td em uma densidade de corrente em um gráfico do qual o eixo geométrico das ordenadas representa um valor acumulado de corrente e o eixo geométrico das abscissas representa uma temperatura de operação da célula de combustível 10.

No sistema de célula de combustível de acordo com a quarta modalidade, o mapa da faixa permissível M_PA para cada temperatura de operação da célula de combustível 10 e o mapa de determinação da temperatura de operação M_Td para cada densidade de corrente são armazenados na unidade de controle 20 antecipadamente. Depois, o processo de mudança da faixa permissível descrito na terceira modalidade é executado usando esses mapas M_PAe M_Td regulando a temperatura de operação da célula de combustível 10 ao invés de regular a umidade dentro da célula de combustível 10. Observe que a temperatura de operação da célula de combustível 10 pode ser regulada em tal maneira que a velocidade rotacional da bomba de circulação do refrigerante 73 da unidade de abastecimento do refrigerante 70 é controlada para mudar a eficiência do esfriamento pelo refrigerante.

Dessa maneira, com o sistema de célula de combustível de acordo com a quarta modalidade, como no caso do sistema de célula de combustível de acordo com a terceira modalidade, é possível ainda abastecer com segurança a força elétrica correspondendo com uma solicitação da carga externa 200, enquanto suprimindo a deterioração do desempenho e a degradação da célula de combustível 10 devido à tensão negativa.

A seguir, uma quinta modalidade será descrita. A figura 22 é um fluxograma que mostra o procedimento de um processo de recuperação de tensão negativa executado em um sistema de célula de combustível de acordo com a quinta modalidade da invenção. A figura 22 é substancialmente a mesma como na figura 12, exceto que um processo de controle de refrigerante da etapa S68 é adicionado. Observe que a configuração do sistema de célula de combustível de acordo com a quinta modalidade é similar a essa do sistema de célula de combustível 100b de acordo com a segunda modalidade alternativa à primeira modalidade (figura 1, figura 11). Observe que, no sistema de célula de combustível de acordo com a quinta modalidade, quando a temperatura do ar externo ou a temperatura da célula de combustível 10 está abaixo de zero ou quando o sistema inicia, o refrigerante é abastecido da unidade de abastecimento de refrigerante 70 para a célula de combustível 10 em uma taxa de fluxo constante mínima na qual a degradação da célula de combustível 10 é suprimida.

Aqui, de modo a recuperar de um estado onde a tensão negativa é gerada por causa do congelamento nas passagens de fluxo do gás de reação da célula de combustível 10, a temperatura de operação da célula de combustível 10 é desejavelmente induzida a alcançar acima de zero para eliminar o estado congelado. Entretanto, quando o processo de restrição de corrente é executado, a geração de calor da célula de combustível 10 é suprimida pela quantidade que a corrente de produção da célula de combustível 10 é restrita (lei de

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Joule). Portanto, nesse caso, é difícil aumentar a temperatura de operação da célula de combustível 10. Então, no sistema de célula de combustível de acordo com a quinta modalidade, quando o processo de restrição de corrente é executado em um ambiente de baixa temperatura, tal como abaixo de zero, o processo de controle do refrigerante da etapa S68 é executado para facilitar um aumento na temperatura de operação da célula de combustível

10.

A figura 23 é um fluxograma que mostra o procedimento do processo de controle do refrigerante da etapa S68. O processo de controle do refrigerante pode ser executado toda vez que o processo de restrição de corrente é executado no momento de uma partida do sistema de célula de combustível. Além disso, o processo de controle do refrigerante pode ser executado quando a temperatura de operação da célula de combustível 10, obtida com base nos valores medidos pelas unidades de medição da temperatura do refrigerante 74 e 75, está abaixo de zero ou quando a temperatura do ar externo está abaixo de zero.

Na etapa S200, a unidade de controle 20 adquire um valor térmico estimado (a seguir, citado como “valor térmico estimado Qe”) quando a célula de combustível 10 é induzida a gerar força elétrica por uma duração de geração de força predeterminada t (por exemplo, aproximadamente 10 a 30 segundos) em uma densidade de corrente restrita obtida de uma densidade de corrente limite. Especificamente, a unidade de controle 20 pode calcular o valor térmico estimado Qe usando a expressão matemática (4) com base na lei de Joule.

Qe = l²xRxt (4)

Aqui, I é uma densidade de corrente restrita e R é uma constante que é preestabelecida com base na resistência interna da célula de combustível 10. Observe que a unidade de controle 20 pode adquirir um valor térmico estimado correspondendo com uma densidade de corrente restrita com base no mapa ou tabela obtida através de um experimento, ou semelhante, antecipadamente ao invés da expressão matemática (4) acima.

Na etapa S210, a unidade de controle 20 adquire uma capacidade térmica assumida Cc da célula de combustível 10 quando o refrigerante é circulado na célula de combustível 10 pela unidade de abastecimento de refrigerante 70. Aqui, a “capacidade térmica assumida Cc da célula de combustível 10” é um valor correspondendo com uma quantidade de calor pela qual a temperatura da célula de combustível 10 é aumentada por 1 ° C.

Incidentemente, quando o refrigerante é circulado na célula de combustível 10, a quantidade térmica exigida para aumentar a temperatura da célula de combustível 10 varia dependendo da temperatura da célula de combustível 10 ou da temperatura e taxa de fluxo do refrigerante. Como descrito acima, no sistema de célula de combustível de acordo com a quinta modalidade, o refrigerante é abastecido para a célula de combustível 10 em uma taxa de fluxo constante mínima preestabelecida. Depois, no sistema de célula de combustível de acordo com a quinta modalidade, a unidade de controle 20 pré-armazena um mapa ou tabe37/44

Ia que é capaz de determinar unicamente a capacidade térmica assumida Cc correspondendo com a temperatura do refrigerante e a temperatura da célula de combustível 10, e usa o mapa ou tabela para adquirir a capacidade térmica assumida Cc.

Na etapa S220, a unidade de controle 20 usa o valor térmico estimado Qe adquirido na etapa S200 e a capacidade térmica assumida Cc da célula de combustível 10, adquirida na etapa S210, para calcular uma temperatura estimada Te que é uma temperatura predita da célula de combustível 10 depois da duração de geração de força predeterminada t. Especificamente, a temperatura estimada Te pode ser calculada usando a expressão matemática (5) seguinte.

Qe = Ccx(Te-Tm) (5)

Aqui, Tm é uma temperatura de operação medida da corrente da célula de combustível 10.

Na etapa S230, a unidade de controle 20 determina se a temperatura estimada Te calculada na etapa S220 é mais baixa do que ou igual a um limiar predeterminado. Aqui, o limiar predeterminado pode ser ajustado em uma temperatura (por exemplo, 0⁰ C) na qual o estado congelado nas passagens de fluxo do gás de reação da célula de combustível 10 começa a ser eliminado.

Quando a temperatura estimada Te é mais alta do que o limiar predeterminado, a unidade de controle 20 executa os processos na etapa S70 e nas etapas seguintes do processo de restrição de corrente (figura 22) enquanto continuando o abastecimento do refrigerante para a célula de combustível 10 na suposição que a temperatura de operação da célula de combustível 10 alcança o valor alvo em uma duração de geração de força predeterminada t. Por outro lado, quando a temperatura estimada Te é mais baixa do que ou igual ao limiar predeterminado, a unidade de controle 20 para o abastecimento e a circulação do refrigerante para a célula de combustível 10 a fim de facilitar um aumento na temperatura da célula de combustível 10 na duração de geração de força predeterminada t (etapa S240).

Aqui, no sistema de célula de combustível de acordo com a quinta modalidade, como descrito acima, o refrigerante é abastecido para a célula de combustível 10 mesmo quando a temperatura da célula de combustível 10 é baixa, tal como no momento de uma partida do sistema. Isso é por causa da razão seguinte. Isto é, no momento da partida do sistema, ou semelhante, por causa do bloqueio das passagens de fluxo do gás dentro da célula de combustível 10, é altamente provável que a quantidade de força elétrica gerada se tome não uniforme entre os elementos de geração de força 11 da célula de combustível 10 ou entre as regiões de geração de força de cada elemento de geração de força 11.

Quando o abastecimento do refrigerante para a célula de combustível 10 é parado enquanto uma distribuição de geração de força dentro da célula de combustível 10 é não uniforme, o elemento de geração de força 11 ou a região que gera uma quantidade relati

38/44 vamente grande de força elétrica pode degradar localmente por causa da geração de calor resultante da geração de força. A fim de evitar a degradação local da célula de combustível 10 devido à quantidade não uniforme do valor térmico, mesmo quando a temperatura da célula de combustível 10 é baixa, o refrigerante é abastecido desejavelmente para a célula de combustível 10.

Entretanto, quando o processo de restrição de corrente é executado, o valor térmico da célula de combustível 10 é restrito, então o valor térmico é relativamente pequeno em uma porção na qual a quantidade da força elétrica gerada aumenta localmente na célula de combustível 10. Assim, como no caso da etapa S240, mesmo enquanto o abastecimento do refrigerante para a célula de combustível 10 é parado durante o processo de restrição de corrente, é menos provável que a degradação da célula de combustível 10 ocorra por causa do valor térmico não uniforme como descrito acima. Portanto, parando o abastecimento do refrigerante, é possível facilitar um aumento na temperatura da célula de combustível 10 sem degradação da célula de combustível 10.

Depois que o abastecimento do refrigerante para a célula de combustível 10 é parado na etapa S240, a unidade de controle 20 executa os processos da etapa S270 e das etapas seguintes do processo de restrição de corrente (figura 22). Observe que, quando a célula de tensão negativa 11 se recupera da tensão negativa e a operação normal da célula de combustível 10 é retomada, a unidade de controle 20 reinicia o abastecimento do refrigerante para a célula de combustível 10.

Dessa maneira, com o sistema de célula de combustível de acordo com a quinta modalidade, mesmo quando a tensão negativa ocorre na célula de combustível 10 e o processo de restrição de corrente é executado, o abastecimento do refrigerante para a célula de combustível 10 é controlado apropriadamente para facilitar o aumento na temperatura de operação da célula de combustível 10. Assim, a recuperação do estado de tensão negativa é facilitada com o aumento na temperatura da célula de combustível 10.

A seguir, uma sexta modalidade será descrita. A figura 24 é um fluxograma que mostra o procedimento de um processo de recuperação de tensão negativa executado em um sistema de célula de combustível de acordo com a sexta modalidade da invenção. A figura 24 é substancialmente a mesma como a figura 22, exceto que a etapa S68F é fornecida ao invés da etapa S68. Observe que a configuração do sistema de célula de combustível de acordo com a sexta modalidade é similar à configuração do sistema de célula de combustível descrito na quinta modalidade (figura 1, figura 11). Observe que, no sistema de célula de combustível de acordo com a sexta modalidade, a unidade de controle 20 mede e registra a temperatura de operação da célula de combustível 10 periodicamente (por exemplo, em um intervalo de um segundo).

No sistema de célula de combustível de acordo com a sexta modalidade, quando o

39/44 processo de restrição de corrente é executado enquanto o sistema inicia ou a temperatura da célula de combustível 10 está baixa (por exemplo, temperatura está em ou abaixo de 0 °

C), o primeiro ou o segundo processo de controle do refrigerante é executado depois da etapa S62 (etapa S68F). Especificamente, na etapa S68F depois que o processo de restrição de corrente é iniciado, o primeiro processo de controle do refrigerante é executado. Então, através das etapas do processo de restrição de corrente, quando uma condição predeterminada é satisfeita no momento quando a etapa S68F é executada novamente, o segundo processo de controle do refrigerante é executado.

A figura 25A é um fluxograma que mostra o procedimento do primeiro processo de controle do refrigerante. A figura 25A é substancialmente a mesma como a figura 23. Isto é, o primeiro processo de controle do refrigerante é executado em uma maneira similar a essa do processo de controle do refrigerante descrito na quinta modalidade. No primeiro processo de controle do refrigerante, quando é determinado na etapa S230 que é difícil que a temperatura de operação da célula de combustível 10 alcance a temperatura de operação alvo através do processo de restrição de corrente, o abastecimento do refrigerante para a célula de combustível 10 é parado (etapa S240).

A figura 25B é um fluxograma que mostra o procedimento do segundo processo de controle do refrigerante. O segundo processo de controle do refrigerante é executado quando o abastecimento do refrigerante para a célula de combustível 10 não é parado no primeiro processo de controle do refrigerante. Na etapa S250, a unidade de controle 20 calcula a taxa de aumento (dT/dt) na temperatura de operação T, que é a taxa de mudança no tempo na temperatura de operação T da célula de combustível 10, com base na temperatura de operação gravada da célula de combustível 10.

Na etapa S260, a unidade de controle 20 calcula um tempo estimado te até que a temperatura de operação T da célula de combustível 10 alcance uma temperatura de operação alvo (por exemplo, 0 ⁰ C) com base na taxa de aumento calculada na temperatura de operação T. Na etapa S270, a unidade de controle 20 executa o processo de determinação usando o tempo estimado te. Quando o tempo estimado te é mais longo do que um limiar predeterminado (por exemplo, 30 segundos), a unidade de controle 20 determina que a temperatura de operação da célula de combustível 10 não alcança a temperatura de operação alvo dentro de um período de tempo predeterminado no estado onde o abastecimento do refrigerante continua, e então para o abastecimento do refrigerante para a célula de combustível 10 (etapa S280).

Por outro lado, quando o tempo estimado te é mais curto do que ou igual ao limiar predeterminado, a unidade de controle 20 determina que a temperatura de operação da célula de combustível 10 pode alcançar a temperatura de operação alvo dentro do período de tempo predeterminado mesmo quando o abastecimento do refrigerante para a célula de

40/44 combustível 10 continua. Então, a unidade de controle 20 executa continuamente o processo de restrição de corrente (figura 22) enquanto continuando o abastecimento do refrigerante para a célula de combustível 10.

Aqui, no primeiro processo de controle do refrigerante, mesmo quando é determinado que a temperatura de operação da célula de combustível 10 alcança a temperatura alvo dentro de uma duração de geração de força predeterminada mesmo quando o abastecimento do refrigerante continua, a temperatura de operação pode não aumentar do que o predito porque a produção de força elétrica da célula de combustível 10 é restrita. Entretanto, com o sistema de célula de combustível de acordo com a sexta modalidade, no segundo processo de controle do refrigerante, é determinado novamente se o abastecimento do refrigerante para a célula de combustível 10 continua com base na taxa de mudança no tempo nas temperaturas de operação realmente medidas da célula de combustível 10. Assim, quando o processo de restrição de corrente é executado enquanto o sistema inicia ou a temperatura da célula de combustível 10 está baixa, o controle de abastecimento do refrigerante é ainda executado apropriadamente, então um aumento na temperatura da célula de combustível 10 é facilitado e a recuperação do estado de tensão negativa é facilitada.

A figura 26A e a figura 26B são gráficos que mostram os resultados dos experimentos conduzidos pelos inventores da invenção como exemplos de referência da invenção. A figura 26A e a figura 26B são gráficos que mostram a variação no tempo na temperatura da célula de tensão negativa (temperatura da célula) e uma variação no tempo na densidade de corrente da célula de combustível quando uma das células únicas da célula de combustível é induzida a gerar tensão negativa em um ambiente de baixa temperatura abaixo de zero. A figura 26A mostra o caso onde a produção da força elétrica da célula de combustível é restrita em uma densidade de corrente baixa substancialmente constante. A figura 26B mostra o caso onde a densidade de corrente é gradualmente aumentada. Observe que a escala de cada um do eixo geométrico das ordenadas e do eixo geométrico das abscissas da figura 26A e figura 25B é igual entre si.

Aqui, a tensão negativa em parte das células únicas da célula de combustível pode ocorrer possivelmente porque o conteúdo de água que permanece nas passagens de fluxo do gás da reação fornecidas na parte das células únicas congela em um ambiente de baixa temperatura e depois as passagens de fluxo do gás são bloqueadas. Em tal caso, é desejável que a temperatura da célula de combustível seja aumentada para descongelar o conteúdo de água congelada nas passagens de fluxo do gás para eliminar dessa maneira o abastecimento escasso do gás de reação, assim recuperando da tensão negativa.

Como mostrado nos gráficos da figura 26A e figura 26B, um aumento na temperatura da célula é mais moderado quando a célula de combustível é induzida a produzir força elétrica em uma densidade de corrente baixa constante do que quando a célula de combus

41/44 tível é induzida a produzir força elétrica em uma densidade de corrente mais alta do que a densidade de corrente baixa constante. Assim, quando tensão negativa é gerada, a célula de combustível é desejavelmente induzida a produzir força elétrica em uma densidade de corrente alta tanto quanto possível para aumentar dessa forma a temperatura de operação da célula de combustível em um período de tempo curto.

No processo de restrição de corrente quando tensão negativa é gerada, descrito nas modalidades acima, a densidade de corrente é diminuída em uma maneira gradual ao longo da curva convexa descendente que mostra o mapa da faixa permissível M_PA com um aumento no valor acumulado da corrente. Por fazer isso, a célula de combustível 10 pode ser operada perto de uma densidade de corrente limite permissível na faixa de operação permissível, então é possível aumentar a temperatura da célula de combustível 10 em um período de tempo curto adicional em um ambiente de baixa temperatura, então é fácil se recuperar da tensão negativa. Isto é, isso é mais desejável no caso do processo de restrição de corrente de acordo com as modalidades acima do que quando a corrente é restrita para uma densidade de corrente baixa constante quando tensão negativa é gerada.

Observe que o aspecto da invenção não é limitado aos exemplos ou modalidades acima, o aspecto da invenção pode ser executado em várias formas sem se afastar do escopo da invenção. Por exemplo, a primeira a décima terceira modalidades alternativas seguintes são possíveis.

Em primeiro lugar, a primeira modalidade alternativa será descrita. Nas modalidades acima descritas, a unidade de controle 20 armazena, como o mapa da faixa permissível Mpa, a correlação entre valores de corrente acumulados permissíveis para a célula de combustível 10 e densidades de corrente permissíveis para a célula de combustível 10 em um período durante o qual a tensão negativa é gerada. Entretanto, a correlação não precisa ser armazenada como um mapa; ao invés disso, por exemplo, a correlação pode ser armazenada como uma expressão aritmética ou uma função.

A seguir, a segunda modalidade alternativa será descrita. Nas modalidades acima descritas, a correlação entre valores acumulados de corrente permissíveis para a célula de combustível 10 e densidades de corrente permissíveis para a célula de combustível 10 em um período durante o qual a tensão negativa é gerada é ajustada no mapa da faixa permissível Mpa como definido pela curva de declínio convexa descendente. Entretanto, a correlação pode ser ajustada no mapa da faixa permissível M_PA como definido por uma curva tendo outra forma. Por exemplo, a correlação pode ser ajustada no mapa da faixa permissível M_PAcomo definido por uma linha linear que declina linearmente. Entretanto, a curva de declínio convexa descendente que define o mapa da faixa permissível M_PA nas modalidades acima é baseada no experimento conduzido pelos inventores da invenção, e é mais desejável como um gráfico que define a faixa de operação permissível em um período durante o qual a ten42/44 são negativa é gerada.

A seguir, a terceira modalidade alternativa será descrita. Nas modalidades acima descritas, no processo de restrição de corrente do processo de recuperação da tensão negativa, a densidade de corrente da célula de combustível 10 é diminuída em uma maneira gradual ao longo da curva convexa descendente que define o mapa da faixa permissível M_PAcom o aumento no valor acumulado da corrente. Entretanto, no processo de restrição de corrente, a densidade da corrente da célula de combustível 10 pode não ser diminuída em uma maneira gradual ao longo da curva convexa descendente. A densidade da corrente da célula de combustível 10 apenas precisa ser controlada de modo a cair dentro da faixa de operação permissível que é definida no mapa da faixa permissível M_PA. Entretanto, como no caso das modalidades acima, a densidade da corrente da célula de combustível 10 é mais desejavelmente diminuída em uma maneira gradual ao longo da curva convexa descendente porque é possível executar o controle em uma densidade de corrente mais perto de uma densidade de corrente limite permissível no processo de restrição de corrente.

A seguir, a quarta modalidade alternativa será descrita. Nas modalidades acima descritas, a unidade de medição da tensão da célula 91 mede as tensões de todos os elementos de geração de força 11 da célula de combustível 10 para detectar dessa forma a tensão negativa. Entretanto, a unidade de medição da tensão da célula 91 não precisa medir as tensões de todos os elementos de geração de força 11; a unidade de medição da tensão da célula 91 precisa apenas medir a tensão de pelo menos um dos elementos de geração de força 11 para detectar dessa forma a tensão negativa. Por exemplo, é sabido que é altamente provável que a tensão negativa ocorra no elemento de geração de força 11 disposto na porção de extremidade da célula de combustível 10, no qual a temperatura de operação tende a ser a mais baixa, entre os elementos de geração de força 11. Então, a unidade de medição da tensão da célula 91 pode medir a tensão de somente o elemento de geração de força 11 disposto na porção de extremidade para detectar a tensão negativa.

A seguir, a quinta modalidade alternativa será descrita. Na primeira modalidade, a densidade de corrente mínima i|_)m é ajustada como uma densidade de corrente limite mínima da célula de combustível 10 no processo de restrição de corrente, e a unidade de controle 20 executa o processo de reinicio da célula de combustível 10 usando a densidade de corrente mínima inm como um limiar. Entretanto, a densidade de corrente mínima hm pode não ser ajustada na unidade de controle 20.

A seguir, a sexta modalidade alternativa será descrita. Na terceira ou quarta modalidade, uma da umidade dentro da célula de combustível 10 e da temperatura de operação da célula de combustível 10 é regulada para executar o processo de expansão da faixa de operação permissível. Entretanto, também é aplicável que ambas a umidade dentro da célula de combustível 10 e a temperatura de operação da célula de combustível 10 sejam regu

43/44 ladas para expandir a faixa de operação permissível. Nesse caso, é desejável que um mapa da faixa permissível M_PA seja preparado para cada combinação da umidade dentro da célula de combustível 10 e da temperatura de operação da célula de combustível 10.

A seguir, a sétima modalidade alternativa será descrita. Na terceira ou quarta modalidade, a unidade de mudança da faixa permissível 22 seleciona o mapa correspondendo com a umidade dentro da célula de combustível 10 ou a temperatura de operação da célula de combustível 10 de entre os mapas da faixa permissível M_PA preparados antecipadamente para cada umidade dentro da célula de combustível 10 ou cada temperatura de operação da célula de combustível 10 para expandir a faixa de operação permissível. Entretanto, a unidade de mudança da faixa permissível 22 pode usar uma expressão aritmética preestabelecida, algoritmo ou semelhante, para corrigir a correlação ajustada no mapa da faixa permissível M_pa em resposta à umidade dentro da célula de combustível 10 ou à temperatura de operação da célula de combustível 10 para expandir dessa forma a faixa de operação permissível.

A seguir, a oitava modalidade alternativa será descrita. Nas modalidades acima descritas, a correlação entre densidades de corrente da célula de combustível 10 e valores acumulados de corrente da célula de combustível 10 é ajustada no mapa da faixa permissível M_pa. Entretanto, a correlação entre valores de corrente, ao invés de densidades de corrente, da célula de combustível 10 e valores acumulados de corrente da célula de combustível 10 pode ser ajustada no mapa da faixa permissível M_PA. O valor de corrente da célula de combustível 10 é obtido multiplicando a densidade de corrente pela área do eletrodo, então a correlação entre valores de corrente da célula de combustível 10 e valores acumulados de corrente da célula de combustível 10 pode também ser considerada como um tipo de correlação entre densidades de corrente da célula de combustível 10 e valores acumulados de corrente da célula de combustível 10.

A seguir, a nona modalidade alternativa será descrita. Nos sistemas de célula de combustível de acordo com as modalidades acima descritas, quando a célula de tensão negativa não se recupera da tensão negativa depois que a quantidade do gás do catodo abastecido é aumentada, é determinado que a tensão negativa é gerada por causa do abastecimento escasso de hidrogênio e então o processo de restrição de corrente é executado. Entretanto, também é aplicável que o processo de restrição de corrente seja iniciado depois que a tensão negativa foi detectada sem executar o processo de recuperação da tensão negativa pelo aumento da quantidade do gás do catodo abastecido.

A seguir, a décima modalidade alternativa será descrita. Nos sistemas de célula de combustível de acordo com as modalidades acima descritas, o processo para recuperação da tensão negativa é iniciado quando a tensão negativa for detectada e o processo de restrição de corrente é executado nesse processo. Entretanto, também é aplicável que no sis

44/44 tema de célula de combustível, o processo de restrição de corrente seja executado quando uma condição ambiental preestabelecida que indica uma possibilidade que a tensão negativa seja gerada é satisfeita mesmo quando a tensão negativa não tenha sido detectada. Por exemplo, o processo de restrição de corrente descrito nas modalidades acima pode ser executado sob um ambiente em que a temperatura do ar externo está em ou abaixo de zero, quando a temperatura da célula de combustível 10 está perto de uma temperatura em ou abaixo de zero, ou semelhante. Além disso, o processo de aviso (etapa S63 da figura 12), o processo de mudança da faixa permissível (etapa S65 da figura 16) ou o processo de controle do refrigerante (etapa S68 da figura 22, etapa S68F da figura 24) de acordo com o processo de restrição de corrente pode ser executado.

A seguir, a décima primeira modalidade alternativa será descrita. Na segunda, terceira ou quarta modalidade acima descritas, como é descrito em outro exemplo de configuração da primeira modalidade, o valor acumulado de corrente pode ser gravado de modo não volátil na unidade de gravação do valor acumulado da corrente 23. Além disso, quando o valor acumulado limite da corrente é maior do que ou igual a um limiar predeterminado ou quando a densidade de corrente restrita é menor do que ou igual a um limiar predeterminado, o processo de aviso pode ser executado pela unidade de aviso 25.

A seguir, a décima segunda modalidade alternativa será descrita. Na quinta modalidade acima descrita, é determinado se continuar o abastecimento do refrigerante com base no valor térmico estimado Qe ou na temperatura estimada Te da célula de combustível 10, calculado usando a capacidade térmica assumida Cc. Ao invés disso, a unidade de controle 20 pode controlar a taxa de fluxo do refrigerante abastecido para a célula de combustível 10 com base na temperatura de operação da célula de combustível 10 e no valor térmico estimado Qe. Isto é, a unidade de controle 20 pode diminuir a taxa de fluxo do refrigerante abastecido para a célula de combustível 10 à medida que o valor térmico estimado Qe reduz e pode diminuir o grau de diminuição na taxa de fluxo do refrigerante abastecido à medida que a temperatura de operação da célula de combustível 10 aumenta.

A seguir, a décima terceira modalidade alternativa será descrita. Na quinta modalidade acima descrita, a unidade de controle 20 usa o mapa ou tabela preparada antecipadamente para adquirir uma capacidade térmica assumida Cc correspondendo com a temperatura da célula de combustível 10 e a temperatura do refrigerante. Entretanto, a unidade de controle 20 pode ter uma capacidade térmica assumida Cc como uma constante que é irrelevante para a temperatura da célula de combustível 10 ou a temperatura do refrigerante. Nesse caso, a capacidade térmica assumida Cc pode ser ajustada como a soma (CFC + CRE) da CFC total das capacidades térmicas dos componentes da célula de combustível 10 e da capacidade térmica CRE de uma quantidade constante de refrigerante presente dentro da célula de combustível 10.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Sistema de célula de combustível que produz a força elétrica em resposta a uma ônlinitorõn rio i irr»o γόγπο civíorno ^ΔΡΔ^ΤΕΡΙ7ΑΓΊΛΊί noIn fo+n rio mio nomoroonrlô' QVIIUIlUyUV UV Ml I 114 OL4I yu VALVI I IU) I pçziw IC4LV/ ULz Wl I 1I X^Vrl IMV.

uma célula de combustível (10) que tem pelo menos um elemento de geração de força (11);

uma unidade de detecção de tensão negativa (91) que é configurada para detectar a tensão negativa no pelo menos um elemento de geração de força;

uma unidade de controle (20) que é configurada para controlar a produção da força elétrica da célula de combustível (10); e uma unidade de medição do valor acumulado de corrente (21) que é configurada para medir um valor acumulado de corrente que é obtido pela integração no tempo da produção de corrente da célula de combustível (10), em que a unidade de controle (21) é configurada para pré-armazenar uma correlação entre valores acumulados de corrente que são permissíveis em um período durante o qual a tensão negativa é gerada no pelo menos um elemento de geração de força (11) e densidades de corrente que são permissíveis no período e quando a tensão negativa é detectada no pelo menos um elemento de geração de força (11), a unidade de controle (20) é configurada para executar o processo de restrição de produção para restrição da produção da força elétrica da célula de combustível (10)1, de modo a cair dentro de uma faixa de operação permissível definida pelos valores acumulados de corrente permissíveis e densidades de corrente permissíveis da correlação.
2. Sistema de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que:

quando a correlação é mostrada por um gráfico do qual um primeiro eixo geométrico representa um valor acumulado de corrente da célula de combustível (10) e um segundo eixo geométrico representa uma densidade de corrente da célula de combustível (10), a correlação é mostrada como uma curva convexa descendente na qual a densidade de corrente permissível diminui à medida que o valor acumulado de corrente permissível aumenta.
3. Sistema de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de que:

no processo de restrição de produção, a unidade de controle (20) é configurada para diminuir a densidade da corrente da célula de combustível (10) ao longo da curva convexa descendente, que indica valores máximos das densidades de corrente permissíveis, com um aumento no valor acumulado de corrente.
4. Sistema de célula de combustível, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, CARACTERIZADO pelo fato de que ainda compreende:

uma unidade de regulação do estado de operação que é configurada para incluir

2/7 pelo menos uma de uma unidade de umidificação (35) que controla a quantidade de umidificação do gás de reação abastecido para a célula de combustível (10) a fim de regular o estado úmido dentro da. célula de combustível (10) e uma unidade de abastecimento de refrigerante (70) que controla a taxa de fluxo do refrigerante abastecido para a célula de combustível (10) a fim de regular a temperatura de operação da célula de combustível (10); e uma unidade de mudança de correlação que é configurada para mudar a correlação em resposta a pelo menos um do estado úmido dentro da célula de combustível (10) e da temperatura de operação da célula de combustível (10), em que quando a densidade de corrente correspondendo com uma corrente de produção exigida da carga externa em um período durante o qual a tensão negativa é gerada no pelo menos um elemento de geração de força (11) é maior do que um valor predeterminado, a unidade de controle (20) é configurada para fazer com que a unidade de regulação do estado de operação regule pelo menos um do estado úmido dentro da célula de combustível (10) e da temperatura de operação da célula de combustível (10), de modo a expandir a faixa de operação permissível em tal maneira que a correlação é alterada pela unidade de mudança de correlação.
5. Sistema de célula de combustível, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, CARACTERIZADO pelo fato de que:

quando o processo de restrição de produção está completo, a unidade de controle (20) é configurada para armazenar de modo não volátil um valor acumulado de corrente da produção de corrente da célula de combustível (10) no processo de restrição de produção e, quando o processo de restrição de produção é retomado, a unidade de controle (20) é configurada para executar o processo de restrição de produção usando um valor acumulado total de corrente que é obtido adicionando o valor acumulado armazenado de corrente e um valor acumulado de corrente da produção de corrente da célula de combustível (10) depois que o processo de restrição de produção é retomado.
6. Sistema de célula de combustível, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, CARACTERIZADO pelo fato de que ainda compreende:

uma unidade de aviso (25) que é configurada para avisar um usuário sobre a degradação da célula de combustível (10), em que:

a unidade de controle (20) é configurada para pré-armazenar um valor limite inferior da densidade de corrente da célula de combustível (10) e, quando a densidade de corrente da célula de combustível (10) é mais baixa do que o valor limite inferior no processo de restrição de produção, a unidade de controle (20) é configurada para fazer com que a unidade de aviso (25) avise ao usuário sobre a degradação da célula de combustível (10).
7. Sistema de célula de combustível, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, CARACTERIZADO pelo fato de que ainda compreende:

3/7 uma unidade de abastecimento de refrigerante (70) que é configurada para abastecer refrigerante para a célula de combustível (10) para controlar a temperatura da célula de combustível (10); e uma unidade de medição de temperatura que é configurada para medir a temperatura de operação da célula de combustível (10), em que:

no processo de restrição de produção, a unidade de controle (20) é configurada para obter um valor térmico estimado que é um valor térmico da célula de combustível (10) quando a célula de combustível (10) é induzida a produzir a força elétrica em uma densidade de corrente baseada em um valor de comando da densidade de corrente para a célula de combustível (10), e controlar a quantidade do refrigerante abastecido para a célula de combustível (10) pela unidade de abastecimento de refrigerante (70) com base na temperatura de operação medida pela unidade de medição de temperatura e o valor térmico estimado.
8. Sistema de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADO pelo fato de que:

no processo de restrição de produção, a unidade de controle (20) é configurada para usar o valor térmico estimado e a temperatura de operação medida pela unidade de medição de temperatura para calcular um aumento de temperatura estimado da célula de combustível (10) quando a célula de combustível (10) é induzida a produzir a força elétrica por um período de tempo predeterminado enquanto a célula de combustível (10) está sendo abastecida com refrigerante e, quando o aumento de temperatura estimado é menor do que ou igual a um limiar preestabelecido, a unidade de controle (20) é configurada para fazer a célula de combustível (10) gerar força elétrica em um estado onde a unidade de abastecimento de refrigerante (70) é induzida a parar o abastecimento do refrigerante para a célula de combustível (10).
9. Sistema de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADO pelo fato de que:

no processo de restrição de produção, quando uma taxa de aumento na temperatura de operação da célula de combustível (10) é menor do que um limiar preestabelecido, a unidade de controle (20) é configurada para fazer a célula de combustível (10) gerar força elétrica no estado onde a unidade de abastecimento de refrigerante (70) é induzida a parar o abastecimento de refrigerante para a célula de combustível (10).
10. Método de controle para um sistema de célula de combustível que produz força elétrica gerada por uma célula de combustível tendo pelo menos um elemento de geração de força em resposta a uma solicitação de uma carga externa, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende:

detectar a tensão negativa no pelo menos um elemento de geração de força (11);

medir o valor acumulado de corrente que é obtido pela integração no tempo da pro

4/7 dução de corrente da célula de combustível (10) em um período durante o qual a tensão negativa é gerada no pelo menos um elemento de geração de força (11);

consultar uma correlação preestabelecida entre valores acumulados de corrente que são permissíveis no período durante o qual a tensão negativa é gerada no pelo menos um elemento de geração de força (11) e densidades de corrente que são permissíveis no período; e executar o processo de restrição de produção para restrição da produção da força elétrica da célula de combustível (10), de modo a cair dentro de uma faixa de operação permissível definida pelos valores acumulados de corrente permissíveis e densidades de corrente permissíveis da correlação.
11. Sistema de célula de combustível que produz força elétrica gerada em resposta a uma solicitação de uma carga externa, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende:

uma célula de combustível (10) que tem pelo menos um elemento de geração de força (11);

uma unidade de controle (20) que é configurada para controlar a produção da força elétrica da célula de combustível (10);

uma unidade de medição de valor acumulado de corrente (21) que é configurada para medir o valor acumulado de corrente que é obtido pela integração no tempo da produção de corrente da célula de combustível (10), em que:

a unidade de controle (20) é configurada para pré-armazenar uma correlação entre valores acumulados de corrente que são permissíveis em um período durante o qual a tensão negativa é gerada no pelo menos um elemento de geração de força (11) e densidades de corrente que são permissíveis no período e quando uma condição ambiental preestabelecida que indica uma possibilidade que a tensão negativa seja gerada é satisfeita, a unidade de controle (20) é configurada para determinar que a tensão negativa é gerada no pelo menos um elemento de geração de força (11) e então executar o processo de restrição de produção para restrição da produção da força elétrica da célula de combustível (10), de modo a cair dentro de uma faixa de operação permissível definida pelos valores acumulados de corrente permissíveis e densidades de corrente permissíveis da correlação.
12. Sistema de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato de que:

quando a correlação é mostrada por um gráfico do qual o primeiro eixo geométrico representa um valor acumulado de corrente da célula de combustível (10) e o segundo eixo geométrico representa a densidade de corrente da célula de combustível (10), a correlação é mostrada como uma curva convexa descendente na qual a densidade de corrente permissível diminui à medida que o valor acumulado da corrente permissível aumenta.

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13. Sistema de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 12, CARACTERIZADO pelo fato de que:

no orocesso de restrição de produção, a unidade de controle (20) é configurada para diminuir a densidade da corrente da célula de combustível (10) ao longo da curva convexa descendente, que indica valores máximos das densidades de corrente permissíveis, com um aumento no valor acumulado da corrente.
14. Sistema de célula de combustível, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 13, CARACTERIZADO pelo fato de que ainda compreende:

uma unidade de regulação do estado de operação que é configurada para incluir pelo menos uma de uma unidade de umidificação (35) que controla a quantidade de umidificação do gás de reação abastecido para a célula de combustível (10) a fim de regular o estado úmido dentro da célula de combustível (10) e uma unidade de abastecimento de refrigerante (70) que controla a taxa de fluxo do refrigerante abastecido para a célula de combustível (10) a fim de regular a temperatura de operação da célula de combustível (10); e uma unidade de mudança de correlação que é configurada para mudar a correlação em resposta a pelo menos um do estado úmido dentro da célula de combustível (10) e da temperatura de operação da célula de combustível (10), em que:

quando uma densidade de corrente correspondendo com uma corrente de produção exigida da carga externa em um período durante o qual a tensão negativa é gerada no pelo menos um elemento de geração de força (11) é maior do que um valor predeterminado, a unidade de controle (20) é configurada para fazer a unidade de regulação do estado de operação regular pelo menos um do estado úmido dentro da célula de combustível (10) e da temperatura de operação da célula de combustível (10), de modo a expandir a faixa de operação permissível em tal maneira que a correlação é alterada pela unidade de mudança de correlação.
15. Sistema de célula de combustível, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 14, CARACTERIZADO pelo fato de que:

quando o processo de restrição de produção está completo, a unidade de controle (20) é configurada para armazenar de modo não volátil um valor acumulado de corrente da produção de corrente da célula de combustível (10) no processo de restrição de produção e, quando o processo de restrição de produção é retomado, a unidade de controle (20) é configurada para executar o processo de restrição de produção usando um valor acumulado total de corrente que é obtido adicionando o valor acumulado armazenado de corrente e o valor acumulado de corrente da produção de corrente da célula de combustível (10) depois que o processo de restrição de produção é retomado.
16. Sistema de célula de combustível, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 15, CARACTERIZADO pelo fato de que ainda compreende:

6/7 uma unidade de aviso (25) que é configurada para avisar um usuário sobre a degradação da célula de combustível (10), em que a unidade de controle (20) é configurada para pré-armazenar um valor limite inferior da densidade de corrente da célula de combustível (10) e, quando a densidade de corrente da célula de combustível (10) é mais baixa do que o valor limite inferior no processo de restrição de produção, a unidade de controle (20) é configurada para fazer a unidade de aviso (25) avisar o usuário sobre a degradação da célula de combustível (10).
17. Sistema de célula de combustível, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 16, CARACTERIZADO pelo fato de que ainda compreende:

uma unidade de abastecimento de refrigerante (70) que é configurada para abastecer refrigerante para a célula de combustível (10) para controlar dessa maneira a temperatura da célula de combustível (10); e uma unidade de medição de temperatura que é configurada para medir a temperatura de operação da célula combustível (10), em que no processo de restrição de produção, a unidade de controle (20) é configurada para obter um valor térmico estimado que é um valor térmico da célula de combustível (10) quando a célula de combustível (10) é induzida a produzir força elétrica em uma densidade de corrente baseada em um valor de comando da densidade de corrente para a célula de combustível (10) e controlar a quantidade do refrigerante abastecido para a célula de combustível (10) pela unidade de abastecimento de refrigerante (70) com base na temperatura de operação medida pela unidade de medição de temperatura e o valor térmico estimado.
18. Sistema de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 17, CARACTERIZADO pelo fato de que:

no processo de restrição de produção, a unidade de controle (20) é configurada para usar o valor térmico estimado e a temperatura de operação medida pela unidade de medição de temperatura para calcular um aumento de temperatura estimado da célula de combustível (10) quando a célula de combustível (10) é induzida a produzir a força elétrica por um período de tempo predeterminado enquanto a célula de combustível (10) está sendo abastecida com refrigerante e, quando o aumento de temperatura estimado é menor do que ou igual a um limiar preestabelecido, a unidade de controle (20) é configurada para fazer a célula de combustível (10) gerar força elétrica em um estado onde a unidade de abastecimento de refrigerante (70) é induzida a parar o abastecimento do refrigerante para a célula de combustível (10).
19. Sistema de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 18, CARACTERIZADO pelo fato de que:

no processo de restrição de produção, quando uma taxa de aumento na temperatura de operação da célula de combustível (10) é menor do que um limiar preestabelecido, a in unidade de controle (20) é configurada para fazer a célula de combustível (10) gerar força elétrica em um estado onde a unidade de abastecimento de refrigerante (70) é induzida a parar o abastecimento de refrigerante para a célula de combustível (10).
20. Método de controle para um sistema de célula de combustível que produz força

5 elétrica gerada por uma célula de combustível tendo pelo menos um elemento de geração de força (11) em resposta a uma solicitação de uma carga externa, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende:

medir um valor acumulado de corrente que é obtido pela integração no tempo da produção de corrente da célula de combustível (10) em um período durante o qual uma con10 dição ambiental preestabelecida que indica uma possibilidade que a tensão negativa seja gerada no pelo menos um elemento de geração de força (11) é satisfeita;

consultar uma correlação preestabelecida entre valores acumulados de corrente que são permissíveis no período durante o qual a tensão negativa é gerada no pelo menos um elemento de geração de força (11) e densidades de corrente que são permissíveis no 15 período; e executar o processo de restrição de produção para restrição da produção da força elétrica da célula de combustível (10), de modo a cair dentro de uma faixa de operação permissível definida pelos valores acumulados de corrente permissíveis e densidades de corrente permissíveis da correlação.