CN101156272B - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料电池系统，该系统控制供给燃料电池的燃料气体压力，以使燃料电池的燃料极和氧化剂极之间的燃料极-氧化剂极差压维持在预定范围之内，使得即使难以为燃料电池负载(电池发电需求)提供适当的燃料气体供给量，也能在减少排放到系统外部的燃料气体量的同时提供期望发电量。如果系统确定供给燃料电池的燃料气体量小于负载(发电需求)的适当的所需气体量(步骤S9：NO)，例如，如果燃料气体中的氮气浓度达到或大于预定值，那么截止阀H3，H3A的开启和关闭状态被切换，以增加供给燃料电池20的燃料气体压力(步骤S11)。

Description

燃料电池系统
背景技术
本发明涉及一种燃料电池系统，并且具体地涉及一种即使当例如在启动期间难以为所需气体量提供适当的燃料气体供给量时，也能够获得期望的发电量的技术。
已经努力开发一种包括燃料电池的燃料电池系统，该燃料电池系统包括位于固相聚合物电解质膜(下文中称为电解质膜)的相对侧上的燃料极和氧化剂极；例如氢气的燃料气体被供给燃料极，而例如空气的氧化剂气体被供给氧化剂极，使得燃料电池能够直接从燃料气体和氧化剂气体之间的氧化还原反应导致的化学能产生电能。
对于该类型的燃料电池系统，需要控制燃料极侧上的燃料气体供给压力(气体供给压力)和氧化剂极侧上的氧化剂气体供给压力(气体供给压力)之间的差压(下文中称为燃料极-氧化剂极差压)到预定值或小于预定值，从而防止对电解质膜可能的损坏并且使得电解质膜寿命更长。为了减少燃料极-氧化剂极差压，例如，日本专利特许公开No.2003-068334中提出了一种用于改变氢气调整器的整定压力的技术，该氢气调整器调整取决于由燃料电池负载(燃料电池的发电需求)确定的氧化剂气体供给压力的燃料气体供给压力。
发明内容
一些该类型的燃料电池系统将从燃料电池排出的燃料废气导入燃料供给系统用于循环，以增加燃料经济性。然而，废气循环增加了燃料气体中的杂质浓度。这使得难以提供系统中用于电力负载的适当的燃料气体供给量，如上述文献所述，该系统根据氧化剂气体的供给压力来确定燃料气体的供给压力。另一方面，通过以预定时间间隔放出(排出)燃料废气到系统外部而减少了杂质浓度。然而，额外量的燃料气体被排出，从而降低了燃料经济性。
因此，本发明的目的是提供一种燃料电池系统，该燃料电池系统在即使难以为燃料电池负载(电池发电需求)提供适当的燃料气体供给量的情况下，仍能够提供期望的发电量，同时减少排放到系统外部的燃料气体量。
本发明提供一种燃料电池系统，包括具有燃料极和氧化剂极的燃料电池，根据发电需求将反应气体供给到燃料电池的气体供给装置，和气体供给压力控制装置，该气体供给压力控制装置用于控制气体供给压力，从而将供给到燃料电池的燃料极的反应气体和供给到燃料电池的氧化剂极的反应气体之间的燃料极-氧化剂极差压维持在预定范围之内，其中，如果供给到所述燃料电池的所述反应气体供给量等于或小于一预定值，则所述气体供给压力控制装置调整所述气体供给压力以扩大所述燃料极-氧化剂极差压的所述范围。
利用该构造，如果难以提供根据燃料电池的发电需求的适当的反应气体供给量，则气体供给压力被控制为使得通过例如增加供给燃料极的反应气体的压力来增加燃料极-氧化剂极差压，而不是可控地维持燃料极-氧化剂极差压在预定范围内。这使得不需要所谓的排出反应废气到外界的排气过程就能提供期望的反应气体供给量。
气体供给压力控制装置可以利用减少供给燃料电池的反应气体量来扩大燃料极-氧化剂极差压的范围。
气体供给压力控制装置可以至少为供给燃料极的燃料气体和供给氧化剂极的氧化剂气体之一调整气体供给压力。
供给燃料电池的反应气体量的等于或小于预定值的情况，可能就是供给燃料极的燃料气体量小于用于燃料电池发电需求的适当的所需气体量的情况，或者是供给燃料极的燃料气体中的杂质浓度达到或者大于预定值的情况。
如果供给燃料极的燃料气体量小于用于燃料电池发电需求的适当的所需气体量或者如果供给燃料极的燃料气体中的杂质浓度达到或大于预定值，那么气体供给压力控制装置可能增加燃料气体供给压力。具体地，后者的构造使得容易并且精确地确定燃料气体供给量是否大于或等于所需气体量成为可能。
燃料电池和燃料供给源之间的燃料供给通道可以包括第一截止阀和布置在第一截止阀下游位置的第一减压阀，以及第二截止阀和布置在第二截止阀下游位置的第二减压阀，这些阀构成了并联回路。第二减压阀可具有比第一减压阀高的整定压力。气体供给压力控制装置可控制第一截止阀和第二截止阀的开启和关闭状态，以使来自燃料供给源的燃料气体选择性地通过第一减压阀和第二减压阀中的一个。
通过这种构造，气体供给压力控制装置可以通过关闭第一截止阀的同时开启第二截止阀来增加燃料气体供给压力。
如果即使在燃料气体供给压力已经因此增加后，供给燃料极的燃料气体量仍小于所需气体量，那么可限制燃料电池产生的能量。
本发明也可提供一种燃料电池系统，包括用于控制供给燃料电池的燃料气体的供给压力的控制装置，用于根据燃料电池负载确定氧化剂气体供给压力的装置，用于控制燃料气体供给压力以维持燃料极和氧化剂极之间的燃料极-氧化剂极差压在预定范围之内的装置，和用于控制供给燃料电池的燃料气体流量的装置，其中，如果确定燃料气体供给量小于所需气体量，那么与正常运行的情况相比，预定范围被扩大，以增加由控制装置控制的燃料气体供给压力。
具有该构造的燃料电池系统，如果难以提供用于燃料电池负载的适当的燃料气体供给量，则通过增加燃料气体供给压力而非执行燃料极-氧化剂极差压控制来控制燃料气体流量。这使得不需所谓的排出燃料废气到外界的排气过程就能提供期望的燃料气体供给量。
而且，根据本发明，如果燃料气体中的杂质浓度达到或者大于预定值，则可以确定燃料气体供给量小于所需气体量。
该结构使得容易并精确地确定燃料气体供给量是否大于或等于所需气体量成为可能。
附图说明
图1是示出了依照本发明的燃料电池系统的实施例的示意图；以及
图2是示出了由图1中所示控制单元执行的氢气供给压力控制的流程图。
具体实施方式
图1是示出了依照本发明的燃料电池系统的实施例的示意图。燃料电池系统10不仅适用于燃料电池车辆的车载发电系统，而且适用于例如固定的发电系统。
作为氧化气体的空气(户外空气)通过空气供给通道71供给燃料电池20的氧化剂极。空气供给通道71具有从空气中除去颗粒的空气过滤器A1，压缩空气的压缩机(气体供给装置)A3，检测空气供给压力的压力传感器P4，和加入所需水分到空气中的加湿器A21。该压缩机A3由电机M1驱动。
该电机M1由控制单元50进行驱动控制，该控制单元是用于确定氧化剂气体供给压力的装置，用于控制燃料气体供给压力以维持燃料极和氧化剂极之间的燃料极-氧化剂极差压在预定范围之内的装置，或者取决于燃料电池所受负载(燃料电池的发电需求)的气体供给压力控制装置。该空气过滤器A1具有检测空气流量的空气流量计(未示出)。
由燃料电池20排出的空气废气通过废气通道72排到外界。废气通道72具有检测燃料电池20的氧化剂极出口压力的压力传感器P1，压力控制阀A4和用于加湿器A21的热交换器。压力传感器P1设置在燃料电池20的空气废气端口附近。压力控制阀A4起压力控制器的作用，其设置供给燃料电池20的空气的压力。来自压力传感器P4和P1的检测信号被发送到控制单元50。
控制单元50确定用于供给燃料电池20的氧化剂气体的供给压力(空气供给压力)，并且根据燃料电池20所受负载，也就是燃料电池20的发电需求，来调整压缩机A3和压力控制阀A4。因此，控制单元50控制供给燃料电池20的空气的压力及其流量。
作为燃料气体(反应气体)的氢气通过燃料供给通道74从多个(本实施例中是2个)氢气供给源(气体供给装置，燃料供给源)30输送到燃料电池20的燃料极。氢气供给源30对应于例如高压氢气箱，但也可以是所谓的燃料调节器，吸收氢气合金箱等等。
燃料供给通道74具有用于从氢气供给源30输送氢气或者停止输送的电磁阀H1，H1A，用于将供给燃料电池20的氢气的压力从高压减少到中压的减压阀H2，H2A，用于检测减压阀H2下游位置处氢气压力的压力传感器P6，由例如电磁阀制成并用于从氢气供给源30输送氢气或者停止输送的截止阀(控制装置，气体供给压力控制装置的一部分，第一截止阀，第二截止阀)H3，H3A，用于将供给燃料电池20的氢气的压力从中压减少至低压的减压阀H4，H4A(控制装置，气体供给压力控制装置的一部分，第一减压阀，第二减压阀)，用于开启或者关闭燃料电池20的氢气供给端口和燃料供给通道74之间的部分的电磁阀H5，用于检测燃料电池20的燃料极入口压力的压力传感器P5，和用于检测氢气中氮气浓度(杂质浓度)的氮气传感器(未示出)。来自压力传感器P5，P6和氮气传感器的检测信号(未示出)被发送到控制单元50。
在燃料供给通道74中，截止阀(第一截止阀)H3和布置在截止阀H3下游位置处的减压阀(第一减压阀)H4，与截止阀(第二截止阀)H3A和布置在截止阀H3A下游位置处的减压阀(第二减压阀)H4A构成了并联回路。可控地开启和关闭截止阀H3，H3A使得氢气从氢气供给源30选择性地通过减压阀H4和H4A中的一个。减压阀H4A具有比减压阀H4高的整定压力。在正常运行中使用减压阀H4。然而，减压阀H4A的使用能够使供给燃料电池20的氢气的压力增加。
也就是说，在依照本实施例的燃料电池系统10中，截止阀H3和布置在截止阀H3下游位置处的减压阀H4，以及截止阀H3A和布置在截止阀H3A下游位置处的减压阀H4A，构成了控制装置(气体供给压力控制装置)，用于控制供给燃料电池20的燃料气体的供给压力。说明书中的“氢气”指通过燃料供给通道74的任何气体，而不管该气体的成分。
未被燃料电池20消耗的许多氢气作为氢气废气被排出到氢气循环通道75中，并且返回到燃料供给通道74中的减压阀H4的下游侧。氢气循环通道75具有用于检测氢气废气温度的温度传感器T31，用于使燃料电池20和循环通道75相互连通或者阻止连通的燃料电池输出阀H6，用于从氢气废气中回收水分的气液分离器H42，用于收集位于循环通道75之外的箱及其类似物(未示出)中的被回收的生成的水分的排出阀H41，用于压缩氢气废气的氢气泵(用于控制供给燃料电池的燃料气体流量的装置)H50，和用于分别检测氢气泵H50和单向阀H52的第一压力和第二压力的压力传感器P10，P11。
来自温度传感器T31的检测信号(未示出)被供给到控制单元50。氢气泵H50的运行由控制单元50控制。氢气废气加入到燃料供给通道74中的氢气中，然后供给燃料电池20用于再利用。单向阀H52防止燃料供给通道74中的氢气回流到氢气循环通道75中。阀H1，H3，H5，H6和阀H51根据来自控制单元50的信号被驱动。
氢气循环通道75通过经由排气阀H51的排气通道76连接到废气通道72。排气阀H51是电磁截止阀，并且根据来自控制单元50的指令运行，以向外界排出(放出)氢气废气。排气操作的间歇执行使得可以防止以下不利情况：氢气废气的循环被重复从而增加燃料极侧上氢气中杂质浓度，减少电池电压。
冷却通道73形成在燃料电池20冷却水入口处以循环冷却水。冷却通道73具有检测由燃料电池20排出的冷却水温度的温度传感器T1，将热量从冷却水散发到外界的散热器C2，压缩并循环冷却水的泵C1和检测供给燃料电池20的冷却水温度的温度传感器T2。该散热器C2具有由电机旋转驱动的冷却风扇C13。
通过堆叠所需数目的燃料电池单元(单位单元)，燃料电池20构造成燃料电池组的形式，每块燃料电池单元包括在电解质膜相对侧上的燃料极和氧化剂极。由燃料电池20产生的能量供给到能量控制单元(未示出)。能量控制单元包括驱动车辆的驱动电机的逆变器，驱动例如压缩机电机和氢气泵电机的各种辅助设备的逆变器，和给二次电池充电并且从该二次电池输送能量到电机及其类似物的DC-DC变换器。
控制单元50由控制计算机系统构成。控制单元50接收需求负载，例如车辆的加速器开度信号(未示出)和来自用于各自部分的传感器(压力传感器，温度传感器，流量传感器，输出电流计，输出伏特计等等)的控制信息，以控制用于系统各部分的阀和电机的运行。特别地，控制单元50调整用于驱动压缩机A3的电机M1的转速，从而调整供给燃料电池20的空气量。控制单元50还调整驱动氢气泵H50的电机M2的转速，从而调整供给燃料电池20的燃料气体的量。
而且，正常运行中，控制单元50控制氢气泵H50的转速，从而维持供给燃料电池20燃料极的氢气的压力和供给燃料电池20氧化剂极的空气的压力之间的差压(下文中，称为燃料极-氧化剂极差压)在预定范围之内。燃料极-氧化剂极差压基于由压力传感器P5检测的燃料电池20的燃料极入口压力，以及从压力损失估计的氧化剂极入口压力和由压力传感器P1检测的燃料电池20的氧化剂极出口压力而被控制。
然而，如果控制单元50确认供给燃料电池20的氢气量少于用于燃料电池负载(发电需求)的适当的所需气体量，那么该控制单元50通过增加氢气供给压力而不是执行燃料极-氧化剂极差压控制来控制氢气流量。特别地，控制单元50关闭开启的截止阀H3的同时开启关闭的截止阀H3A以切换回路，使得来自氢气供给源30的氢气通过减压阀H4A。这时，燃料极-氧化剂极差压的预定范围临时扩大。
切换之后，因为减压阀H4A的整定压力高于减压阀H4的整定压力，所以供给燃料电池20的氢气的压力临时增加。因此，由于氢气中的杂质浓度(例如，氮气浓度)等于或大于例如在启动或从间歇运行恢复期间的预定值，即使难以为燃料电池负载(发电需求)提供适当的所需气体量，期望的氢气量也能够供给到燃料电池20，而不需要执行所谓的排放氢气废气到外界的排气过程。
现在，参考图2将说明供给控制单元50的氢气的压力控制。
假定当首次调用该程序时，运行控制使得截止阀H3开启的同时截止阀H3A关闭，并且来自氢气供给源30的氢气通过减压阀H4输送到燃料电池20。
首先，步骤S1中，氮气传感器(未示出)设置在燃料供给通道74中并且更靠近燃料电池20，以测量供给燃料电池20的氢气中的氮气浓度(杂质浓度)。
在后续步骤S3至S5中，基于燃料电池系统10所需的能量来计算附属设备的指令操作量。在下述说明中，将氢气泵H50的转速作为附属设备的操作量的示例。首先，在步骤S3中，基于由加速器传感器检测的加速器开度，计算燃料电池20所需的能量。然后，在所需能量的基础上，计算为氢气泵H50指定的指导转速。
然后，在步骤S5中，由于即使在相同的气体流量下，供给燃料电池20的氢气量也根据气体成分而变化，因此从步骤S1中测量的氢气中的氮气浓度来计算氢气浓度。在氢气浓度基础上，步骤S3中确定的、指定给氢气泵H50的转速被修正。在浓度修正之后，指导转速被指定给氢气泵H50(步骤S7)，以控制供给燃料电池20的氢气量。
后续步骤S9确定供给燃料电池20的氢气量是否等于或大于用于燃料电池负载(发电需求)的适当的所需气体量。根据本实施例，步骤S9确定步骤S1中测量的氮气浓度是否等于或大于预定值。如果测量的氮气浓度等于或大于预定值，那么步骤S9确定供给燃料电池20的氢气量不等于或大于用于燃料电池负载(发电需求)的适当的所需气体量(步骤S9：NO)。然后，程序进行到步骤S11。
另一方面，如果步骤S1中测量的氮气浓度小于预定值，那么步骤S9确定供给燃料电池20的氢气量等于或大于用于燃料电池负载(发电需求)的适当的所需气体量(步骤S9：YES)。然后，程序进行到步骤S13。
步骤S11中，开启的截止阀H3关闭或者关闭的截止阀H3保持关闭，而关闭的截止阀H3A开启或者开启的截止阀H3A保持开启。因此，回路被切换以使来自氢气供给源30的氢气通过减压阀H4A。切换之后，由于减压阀H4A的整定压力高于减压阀H4的整定压力，因此供给燃料电池20的氢气的压力增加。这也增加了供给燃料电池20的氢气量。
因此，由于氢气中的杂质浓度(例如，氮气浓度)等于或大于例如在启动或从间歇运行恢复期间的预定值，即使难以为燃料电池负载(发电需求)提供适当的所需气体量，期望的氢气量也能够供给到燃料电池20，而不需要执行所谓的排放氢气废气到外界的排气过程。这使得燃料经济性的改善和适当发电量的供给成为可能。
如果即使在切换至减压阀H4A之后，供给燃料电池20的氢气量小于所需气体量，那么能量被限制到发电需求以下，例如减少由燃料电池20产生的能量(输出)的量。这使得防止电解质膜被破坏成为可能，并使得电解质膜延长寿命。而且，在提供发电需求的氢气供给量过程中，不能通过氢气泵H50的转速和流量实现的氢气供给量的那部分被通过增加氢气供给压力来补偿。这有效地抑制了氢气供给压力和燃料极-氧化剂极差压的增加。
在步骤S13中，关闭的截止阀H3开启或者开启的截止阀H3保持开启，而开启的截止阀H3A关闭或者关闭的截止阀H3A保持关闭。因此，回路被切换以使来自氢气供给源30的氢气通过减压阀H4。
参考附图，上面已经详细说明了本发明的实施例。然而，具体结构不局限于上述实施例。设计更改等等可包含在本发明的技术范围之内而不偏离本发明的精神。
例如，上述实施例中，供给燃料电池20的氢气中的氮气浓度由氮气传感器测量(图2中的步骤S1)。然后，氮气浓度是否等于或大于预定值被确定，以确定供给燃料电池20的氢气量是否等于或大于所需气体量。然而，作为替代，氢气中的氢气浓度可直接由氢气传感器测量或者氢气浓度由O2传感器或CO2传感器测量的氧气浓度或二氧化碳浓度，或基于温度的饱和蒸汽压力来计算，使得如果氢气浓度等于或小于预定值，那么确定氢气供给量不等于或大于所需气体量。
而且，上述实施例中，如果确定氢气供给量小于所需气体量，则截止阀H3，H3A可控地开启和关闭，以选择减压阀4A，H4A之一，氢气通过该减压阀以增加氢气供给压力。然而，本发明不局限于此。包括截止阀H3A和减压阀H4A的回路可以省略，并且减压阀H4的整定压力可以被替代为能够根据控制单元50的控制信号进行连续控制的压力。在这种构造中，也可以省略截止阀H3。
根据本发明，如果如在过渡状态(例如启动或者从间歇运行恢复)下，难以为发电需求(燃料电池负载)提供适当的供给反应气体的量(燃料气体供给量)，那么反应气体流量通过增加反应气体供给压力(燃料气体供给压力)，而非执行燃料极-氧化剂极差压控制来进行控制(燃料气体流量控制)。这使得当减少排放到外界以增加燃料经济性的反应气体量(燃料气体量)时，能够获得期望的发电量。
因此，本发明能够广泛应用于遵循上述要求的燃料电池系统。

Claims (14)

1.一种燃料电池系统，包括具有燃料极和氧化剂极的燃料电池，根据发电需求将反应气体供给到所述燃料电池的气体供给装置，和气体供给压力控制装置，该气体供给压力控制装置用于控制气体供给压力，从而将供给到所述燃料电池的所述燃料极的所述反应气体和供给到所述燃料电池的所述氧化剂极的所述反应气体之间的燃料极-氧化剂极压差维持在预定范围之内，
其中，如果供给到所述燃料电池的所述反应气体供给量等于或小于一预定值，则所述气体供给压力控制装置调整所述气体供给压力以扩大所述燃料极-氧化剂极压差的范围以使其维持为大于所述预定范围。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述气体供给压力控制装置随着供给到所述燃料电池的反应气体量的减少而扩大所述燃料极-氧化剂极压差的所述范围。
3.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述气体供给压力控制装置为供给到所述燃料极的燃料气体和供给到所述氧化剂极的氧化剂气体中的至少一个调整所述气体供给压力。
4.如权利要求2所述的燃料电池系统，其中所述气体供给压力控制装置为供给到所述燃料极的燃料气体和供给到所述氧化剂极的氧化剂气体中的至少一个调整所述气体供给压力。
5.如权利要求1至4中任一项所述的燃料电池系统，其中，供给到所述燃料电池的所述反应气体量等于或小于所述预定值的情况是供给到所述燃料极的所述燃料气体量小于根据所述燃料电池的发电需求的所需气体量的情况。
6.如权利要求1至4中任一项所述的燃料电池系统，其中，供给到所述燃料电池的所述反应气体供给量等于或小于所述预定值的情况是供给到所述燃料极的所述燃料气体中的杂质浓度达到一预定值或更大的情况。
7.如权利要求5所述的燃料电池系统，其中，如果供给到所述燃料电池的所述反应气体供给量等于或小于一预定值，则所述气体供给压力控制装置增加所述燃料气体供给压力。
8.如权利要求6所述的燃料电池系统，其中，如果供给到所述燃料电池的所述反应气体供给量等于或小于一预定值，则所述气体供给压力控制装置增加所述燃料气体供给压力。
9.如权利要求7所述的燃料电池系统，其中在所述燃料电池和燃料供给源之间的燃料供给通道具有第一截止阀和布置在所述第一截止阀下游的第一减压阀，以及第二截止阀和布置在所述第二截止阀下游的第二减压阀，这些阀相互构成并联回路，并且所述第二减压阀具有比所述第一减压阀高的整定压力，以及
所述气体供给压力控制装置控制所述第一截止阀和所述第二截止阀的开启和关闭状态，以使来自所述燃料供给源的所述燃料气体能够选择性地通过所述第一减压阀和所述第二减压阀中的任一个。
10.如权利要求8所述的燃料电池系统，其中在所述燃料电池和燃料供给源之间的燃料供给通道具有第一截止阀和布置在所述第一截止阀下游的第一减压阀，以及第二截止阀和布置在所述第二截止阀下游的第二减压阀，这些阀相互构成并联回路，并且所述第二减压阀具有比所述第一减压阀高的整定压力，以及
所述气体供给压力控制装置控制所述第一截止阀和所述第二截止阀的开启和关闭状态，以使来自所述燃料供给源的所述燃料气体能够选择性地通过所述第一减压阀和所述第二减压阀中的任一个。
11.如权利要求9所述的燃料电池系统，其中所述气体供给压力控制装置通过在关闭所述第一截止阀的同时开启所述第二截止阀来增加所述燃料气体供给压力。
12.如权利要求10所述的燃料电池系统，其中所述气体供给压力控制装置通过在关闭所述第一截止阀的同时开启所述第二截止阀来增加所述燃料气体供给压力。
13.如权利要求11所述的燃料电池系统，其中如果即使在所述燃料气体供给压力已经通过在关闭所述第一截止阀的同时开启所述第二截止阀而增加后，供给到所述燃料极的所述燃料气体供给量仍小于所述所需气体量，则由所述燃料电池产生的能量受到限制。
14.如权利要求12所述的燃料电池系统，其中如果即使在所述燃料气体供给压力已经通过在关闭所述第一截止阀的同时开启所述第二截止阀而增加后，供给到所述燃料极的所述燃料气体供给量仍小于所述所需气体量，则由所述燃料电池产生的能量受到限制。
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Families Citing this family (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5233126B2 (ja) 2007-02-05 2013-07-10 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP4831437B2 (ja) * 2008-01-30 2011-12-07 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及びその制御方法
KR100988815B1 (ko) * 2008-11-27 2010-10-20 금오공과대학교 산학협력단 연료전지의 시스템의 운전방법
CN102013505B (zh) * 2010-11-15 2012-09-12 新源动力股份有限公司 一种车用燃料电池氢气循环系统
DE102011089094A1 (de) * 2011-12-20 2013-06-20 Robert Bosch Gmbh Hochdruckbetrieb einer Brennstoffzellenanode
JP2013254624A (ja) * 2012-06-06 2013-12-19 Suzuki Motor Corp 車両用燃料電池システム
DE102016217643A1 (de) * 2016-09-15 2018-03-15 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Druckbehältersystem mit einer Temperaturüberwachungsvorrichtung sowie Verfahren zum Überwachen einer Temperatur
CN106654320A (zh) * 2017-01-24 2017-05-10 武汉地质资源环境工业技术研究院有限公司 一种高效燃料电池联供系统
CN106784926A (zh) * 2017-01-24 2017-05-31 武汉地质资源环境工业技术研究院有限公司 一种高效燃料电池冷热电联供系统
JP6681552B2 (ja) * 2017-01-30 2020-04-15 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 燃料電池システム及びその運転方法
TWI626783B (zh) * 2017-11-10 2018-06-11 財團法人工業技術研究院 燃料電池用氫氣循環系統
US11637300B2 (en) * 2019-03-14 2023-04-25 Honeywell International Inc. Fuel cell based power generator
CN109860663A (zh) * 2019-03-26 2019-06-07 一汽解放汽车有限公司 一种快速判断氢气泄露部位的供氢系统
CN110364754B (zh) * 2019-08-12 2024-04-12 上海电气集团股份有限公司 燃料电池的过压保护装置及控制方法
IT202000005917A1 (it) * 2020-03-19 2021-09-19 Metatron S P A Sistema di cella a combustibile e regolatore elettronico di pressione di combustibile per tale sistema
JP2023531937A (ja) * 2020-06-22 2023-07-26 フュエルセル エナジー， インコーポレイテッド ガス注入を使用して燃料電池内の圧力差を再平衡させるためのシステム
CN113258100B (zh) * 2021-06-25 2021-09-24 北京亿华通科技股份有限公司 一种燃料电池系统及其阳极氢气浓度评估方法
DE102022200545A1 (de) * 2022-01-18 2023-07-20 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems
CN114464848B (zh) * 2022-01-24 2023-11-24 同济大学 一种车载供氢系统氢气流量负载匹配控制方法和装置
DE102022212447A1 (de) 2022-11-22 2023-11-30 Vitesco Technologies GmbH Verfahren, Steuerungsvorrichtung und Computerprogramm zum Feststellen einer Undichtigkeit in einem Brennstoffzellensystem sowie Dichtheitsanalysevorrichtung und Brennstoffzellensystem
CN117577888B (zh) * 2024-01-16 2024-04-12 质子汽车科技有限公司 供氢系统、供氢方法及存储介质

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1561555A (zh) * 2002-01-17 2005-01-05 日产自动车株式会社 燃料电池的控制装置

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63213262A (ja) * 1987-02-27 1988-09-06 Hitachi Ltd 燃料電池発電システム
JPH02220362A (ja) * 1989-02-18 1990-09-03 Hitachi Ltd 燃料電池装置
JPH06231786A (ja) 1993-02-02 1994-08-19 Toshiba Corp 燃料電池制御装置
JPH09237634A (ja) 1996-02-28 1997-09-09 Fuji Electric Co Ltd 燃料電池発電装置
JP4031555B2 (ja) * 1997-05-23 2008-01-09 トヨタ自動車株式会社 ガス供給装置
AUPQ413999A0 (en) * 1999-11-19 1999-12-09 Water Corporation, The A system and method for removing a gas from a plurality of vessels
DE10050981A1 (de) 2000-10-16 2002-04-25 Novars Ges Fuer Neue Technolog Vorrichtung zur Zuführung eines Betriebsgases zu einer Brennstoffzellenanordnung
JP4063507B2 (ja) * 2001-05-23 2008-03-19 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP4338914B2 (ja) 2001-08-27 2009-10-07 本田技研工業株式会社 燃料循環式燃料電池システム
JP3922108B2 (ja) * 2002-06-19 2007-05-30 日産自動車株式会社 燃料電池システムの制御装置
JP3905800B2 (ja) * 2002-07-17 2007-04-18 本田技研工業株式会社 燃料電池の保護装置
WO2004079845A2 (en) * 2003-03-07 2004-09-16 Ballard Power Systems Inc. Methods of operating fuel cells having closed reactant supply systems
DE10311786A1 (de) * 2003-03-18 2004-09-30 Daimlerchrysler Ag Vorrichtung und Verfahren zur Bereitstellung von zu reduzierendem Reaktionsstoff für einen Anodenbereich einer Brennstoffzelle
JP4552399B2 (ja) * 2003-08-07 2010-09-29 トヨタ自動車株式会社 複数タンクからなるタンクシステムおよびその制御方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1561555A (zh) * 2002-01-17 2005-01-05 日产自动车株式会社 燃料电池的控制装置

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CN 1561555 A,全文.
JP平2-220362A 1990.09.03
JP特开2002-352837A 2002.12.06
JP特开平10-326625A 1998.12.08

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Publication number Publication date
JP4788945B2 (ja) 2011-10-05
US8795917B2 (en) 2014-08-05
DE112006000802T5 (de) 2008-01-31
US20080166611A1 (en) 2008-07-10
DE112006000802B4 (de) 2017-06-29
WO2006109756A1 (ja) 2006-10-19
JP2006294295A (ja) 2006-10-26
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CN101156272A (zh) 2008-04-02

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