CN101657926A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种以适合低效率发电时改变燃料电池的运转动作点的燃料电池系统。本发明的燃料电池系统具备：利用反应气体的供给进行发电的燃料电池；调整向燃料电池供给的反应气体的流量的空气压缩机；通过控制空气压缩机来控制燃料电池的输出电流，并改变燃料电池的运转动作点的控制装置。控制装置在与通常发电相比电力损失较大的低效率发电的区域改变燃料电池的运转动作点时，对单位时间内的电流变化量及电压变化量的至少一个设定限制。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统，尤其涉及一种进行燃料电池的低效率发电的燃料电池系统。
背景技术
搭载于燃料电池汽车等上的固体高分子型的燃料电池通过包含氢的燃料气体及氧化气体(以下，总称为“反应气体”)的化学反应产生发电。该燃料电池的最适合发电的温度范围一般在70～80℃，但是，有时在到达该温度范围之前，燃料电池的发电不能追随目标电力，不能根据要求驱动设备(马达等)。另外，对于冰点下等使用环境，有时为了起动燃料电池后达到最适的温度范围而需要很长的时间。
鉴于上述情况，在日本特开2002-313388号所述的燃料电池系统中，通过在低温时进行燃料电池的低效率发电，从而使燃料电池迅速升温。所谓该低效率发电是指与通常发电相比电力损失较大的发电，换言之，是指通过使燃料电池与通常发电时相比发电效率降低，从而使自身发热量与通常发电时相比增大的发电。该燃料电池系统的情况下，为了进行低效率发电，采用使反应气体向燃料电池的供给压力、供给流量处于不足状态的方法。
但是，如果在低效率发电中改变燃料电池的运转动作点(电流、电压)时电流的变化量较大，则调整反应气体向燃料电池的供给状态的辅机(例如，空气压缩机、空气调压阀等)的控制值变得不稳定，发生辅机损变动。同样，电压的变化量较大时，发生燃料电池的电容成分的充放电。发生这些情况时，燃料电池的输出精度恶化，燃料电池的要求输出的指令值发生波动。但是，以往的特开2002-313388号中，关于这样的问题一点也没有考虑。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适合在低效率发电时改变燃料电池的运转动作点的燃料电池系统。
为了实现上述目的，本发明的燃料电池系统具备：燃料电池，利用反应气体的供给进行发电；气体调整单元，调整向燃料电池供给的反应气体的状态；及控制装置，通过控制气体调整单元来控制燃料电池的输出电流，并改变燃料电池的运转动作点。控制装置在与通常发电相比电力损失较大的低效率发电的区域改变燃料电池的运转动作点时，对单位时间内的电流变化量及电压变化量中的至少一个设定限制。
例如，如果限制电流变化量，则可以抑制气体调整单元的控制值变得不稳定而发生辅机损变动。另外，如果限制电压变化量，则可以抑制燃料电池的电容成分的充放电。这样，通过对电流或电压进行变化率处理，可以在低效率发电的区域中的运转动作点改变时确保燃料电池的输出精度。
优选的是，控制装置可以基于燃料电池的要求输出值及要求自身发热值算出燃料电池的目标运转动作点，并以不相对该算出的目标运转动作点过冲或下冲的方式，决定从当前运转动作点向目标运转动作点改变时经过的下次运转动作点。
根据上述构成，在从当前运转动作点向目标运转动作点的一系列改变过程中，不使燃料电池的输出电流或输出电压上下上升或下降也可以。
优选的是，控制装置可以选择满足燃料电池的要求输出值的运转动作点作为下次运转动作点。
更优选的是，控制装置可以在满足燃料电池的要求输出值后，维持该要求输出值而从下次运转动作点向目标运转动作点改变。
根据上述构成，能够管理燃料电池的要求输出，并且改变燃料电池的运转动作点。
根据其他的优选方式，控制装置可以在不能选择满足燃料电池的要求输出值的运转动作点作为下次运转动作点时，选择满足最接近要求输出值的输出值的运转动作点作为下次运转动作点。
根据上述构成，在暂时经过的下次运转动作点，可以尽量满足燃料电池的要求输出。
优选的是，气体调整单元可以包含向燃料电池供给氧化气体的供给机、及对从燃料电池排出的氧化剂废气进行调压的调压阀中的至少一个。
更优选的是，控制装置可以在低效率发电时，控制气体调整单元，以使氧化气体向燃料电池的供给流量及供给压力中的至少一个与通常发电时相比降低。
附图说明
图1是表示实施方式的燃料电池系统的主要部分的构成图；
图2A、B是表示实施方式的燃料电池的输出电力和电力损失之间的关系的图，图2A是表示通常发电的情况的图，图2B是表示低效率发电的情况的图；
图3是表示在使实施方式的燃料电池的动作点移动(shift)并且进行运转时的FC输出的变化的图；
图4是表示实施方式的燃料电池的动作点的移动处理的流程图；
图5是表示使实施方式的燃料电池的动作点移动的方法的图；
图6是表示使变形例1的燃料电池的动作点移动的方法的图；
图7是表示变形例1的燃料电池的动作点的移动处理的流程图。
具体实施方式
下面，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。
A、本实施方式
图1是表示本实施方式的燃料电池系统100的主要部分的构成的图。在本实施方式中，假设为搭载于燃料电池汽车(FCHV；Fuel CellHyblid Vehicle)、电动汽车、及混合动力汽车等车辆上的燃料电池系统，但是不仅可适用于车辆，而且也可以适用于各种移动体(例如，船舶、飞机、机器人等)及定置型电源。
燃料电池40是从供给的反应气体(燃料气体及氧化气体)产生电力的单元，可以利用固体高分子型、磷酸型及熔融碳酸盐型等各种类型。燃料电池40具有将具备MEA等的多个单体电池串联地层积的堆叠结构。燃料电池40的输出电压(以下，称为“FC电压”)及输出电流(以下，称为“FC电流”)分别通过电压传感器140及电流传感器150检测。燃料电池40的输出电力(以下，称为“FC输出”)是FC电压乘以FC电流而得到的值。
燃料气体供给系统10将氢气等燃料气体向燃料电池40的燃料极供给。燃料气体供给系统10例如具备氢罐12、阀13、循环泵14及清洁阀15。燃料气体供给系统10根据来自控制装置80的指令，调整阀13的开度及ON/OFF时间等，且控制向燃料电池40供给的燃料气体量及燃料气体压力。燃料气体通过循环泵14向燃料电池40循环供给，另一方面，通过清洁阀15的开阀向外部排出。
氧化气体供给系统70将空气等氧化气体向燃料电池40的空气极供给。作为氧化气体用的气体调整单元，氧化气体供给系统70例如具备空气压缩机72及调压阀73。空气压缩机72根据来自控制装置80的指令，调整驱动源即马达的转速等，且控制向燃料电池40供给的氧化气体量。另外，调压阀73根据来自控制装置80的指令调整开度，且控制向燃料电池40供给的氧化气体压力。
蓄电池(蓄电装置)60是可充放电的二次电池，例如由镍氢蓄电池等构成。也可以取代蓄电池60，设置二次电池以外的可充放电的蓄电器(例如电容器)。蓄电池60经由DC/DC转换器130与燃料电池40并联连接。
变换器110例如是脉宽调制方式的PWM变换器。变换器110根据来自控制装置80的控制指令将从燃料电池40或蓄电池60输出的直流电流变换为三相交流，向牵引马达115供给。牵引马达115用于驱动车轮116L、116R，其转速通过变换器110进行控制。牵引马达115及变换器110连接于燃料电池40侧。
DC/DC转换器130具备：使从蓄电池60输入的直流电压升压或降压并向变换器110侧输出的功能；和使从燃料电池40等输入的直流电压升压或降压并向蓄电池60输出的功能。另外，利用DC/DC转换器130的功能，实现蓄电池60的充放电，并且控制燃料电池2的FC电压。此外，FC电压的下限值允许达到基于DC/DC转换器130的控制界限值。
在蓄电池60和DC/DC转换器130之间，经由变换器(省略图示)连接有车辆辅机或FC辅机等辅机类120。蓄电池60成为这些辅机类120的电源。此外，所谓车辆辅机是指车辆运转时等使用的各种电力设备(照明设备、空调设备、油压泵等)，所谓FC辅机是指燃料电池40的运转中使用的各种电力设备，例如，上述阀13、循环泵14、空气压缩机72及调压阀73等。但是，在其他的实施方式中，也可以在蓄电池60侧连接牵引马达115及变换器110。
控制装置80作为内部具备CPU、ROM、RAM的微型计算机构成。CPU根据控制程序执行希望的运算，并进行后述的燃料电池40的运转动作点的改变等各种处理、控制。ROM存储通过CPU处理的控制程序及控制数据。RAM主要作为用于控制处理的各种作业区域使用。
控制装置80从电压传感器140、电流传感器150、检测燃料电池40的温度的温度传感器50、检测蓄电池60的充电状态的SOC传感器、检测放置燃料电池系统1的环境温度的外部气体温度传感器及检测燃料电池车辆的加速踏板的开度的加速踏板传感器等输入传感器信号。而且，控制装置80根据各传感器信号中枢性控制该系统各部。尤其是，控制装置80在低温起动时等需要对燃料电池40进行快速预热的情况下，使燃料电池40的运转动作点移动，利用ROM中存储的各种映射进行发电效率较低的运转。
参照图2A及B，对燃料电池40的运转动作点(电流、电压)进行详细的说明。此外，在以下的说明中，将运转动作点简记为“动作点”。
图2A及B是表示在不同的动作点使燃料电池40运转时的FC输出Pfc和电力损失Ploss之间的关系的图，横轴表示FC电流Ifc，纵轴表示FC电压Vfc。另外，图2A及B所示的OCV(Open Circuit Voltage；开路电压)表示在燃料电池40中没有流过电流的状态下的电压，Vth表示燃料电池40的理论电动势。举一例的话，燃料电池40的单体电池为400个时，OCV为400V，如果电池理论电动势为1.23V，则Vth为492V。相当于实际的总能量的电压为1.25V～1.48V之间。但是，假设没有外部放热，则也可以是上述理论值。
在得到图2A及B所示的电流/电压特性(以下，称为“IV特性”。)的燃料电池40中，一般是在相对于FC输出Pfc电力损失Ploss较小的动作点Q1(Ifc1、Vfc1)进行运转(参照图2A)。但是，在对燃料电池40进行快速预热时，需要使燃料电池40的内部温度上升。在本实施方式中，确保需要的FC输出Pfc，并且移动至电力损失Ploss较大的动作点Q2(Ifc2、Vfc2)而进行运转(参照图2B)。电力损失Ploss作为热能，积极活用于使燃料电池40自身发热而使其内部温度上升。
在此，如果要表示图2A及B所示的各动作点的FC输出Pfc及电力损失Ploss之间的关系的话，如下。
<关于动作点Q1(Ifc1、Vfc1)>
Ifc1×Vfc1＝Pfc1    …(3)
Ifc1×Vth-Pfc1＝Ploss1    …(4)
<关于动作点Q2(Ifc2、Vfc2)>
Ifc2×Vfc2＝Pfc2    …(5)
Ifc2×Vth-Pfc2＝Ploss2    …(6)
<FC输出Pfc和电力损失Ploss之间的关系>
Pfc1＝Pfc2    …(7)
Ploss1＜Ploss2    …(8)
图3是表示使动作点移动并且使燃料电池40运转时的FC输出Pfc的变化的图，横轴表示FC电流，纵轴表示FC电压及FC输出。此外，图3中，为了便于说明，将表示燃料电池40的IV特性的线(以下称为IV线)以直线表示。另外，IV线上的动作点Q1(Ifc1、Vfc1)及Q2(Ifc2、Vfc2)与图2A及B所示的动作点Q1(Ifc1、Vfc1)及Q2(Ifc2、Vfc2)相对应。
如图3所示，以得到最大FC输出Pfcmax的最大输出动作点(Ifcmax、Vfcmax)为中心，在图示左侧所示的IV线上的动作点上，伴随FC电压Vfc的降低，FC输出Pfc增大，另一方面，在图示右侧所示的IV线上的动作点上，伴随FC电压Vfc的降低，FC输出Pfc减小。
如上所述，电力损失Ploss伴随FC电压Vfc降低而增大。因此，即使在使燃料电池40运转并输出相同的电力时，以最大输出动作点的右侧所示的IV线上的动作点(例如，动作点Q2)进行运转与以最大输出动作点的左侧所示的IV线上的动作点(例如，动作点Q1)进行运转相比，电力损失Ploss较大。因此，在以上的说明中，将包含伴随FC电压Vfc的降低而FC输出Pfc增大的IV线上的动作点的区域定义为通常发电区域。另外，将包含伴随FC电压Vfc的降低而FC输出Pfc减少的IV线上的动作点的区域定义为低效率发电区域。
如果表示通常发电及低效率发电的各动作点的话，则如下。
<关于通常发电的动作点(Ifc、Vfc)>
Ifc≤Ifcmax    …(9)
Vfcmax≤Vfc    …(10)
<关于低效率发电的动作点(Ifc、Vfc)>
Ifcmax＜Ifc    …(11)
Vfc＜Vfcmax    …(12)
通常发电的情况下，空气化学计量比设定为1.0以上。所谓空气化学计量比是指氧剩余率，表示相对于不会过多或不足地与氢反应所需的氧，所供给的氧剩余多少。另一方面，在低效率发电时，空气化学计量比设定为低于1.0，氧化气体向燃料电池40的供给变为不足的状态。燃料电池40的FC电流Ifc通过氧化气体量(空气化学计量比)被控制。此外，氧化气体量(空气化学计量比)如上所述由空气压缩机72的马达的转速被控制。
低效率发电的动作点的目标值(FC电流目标值Ireq、FC电压目标值Vreq)根据FC输出指令值Pref(即，要求输出值)及FC自身发热指令值Lref(即，要求自身发热值)，如下所示求出。
Ireq＝(Pref+Lref)/Vth    …(13)
Vreq＝Pref/Ireq＝Pref/{(Pref+Lref)/Vth}    …(14)
在此，FC输出指令值Pref是燃料电池系统100的要求功率。FC自身发热指令值Lref是使燃料电池40快速预热所需的发热量，例如，采纳外部气体温度传感器及温度传感器50的检测结果而设定。根据用户的要求等，如果FC输出指令值Pref或FC自身发热指令值Lref在低效率发电时变化，则燃料电池40的动作点的目标值改变。动作点的目标值的改变从通常发电的区域向低效率发电的区域、或从低效率发电的区域向通常发电的区域、以及在各区域内进行。
图4是表示动作点的移动处理的流程图，图5是表示使动作点移动的方法的图。在以下的说明中，假设在低效率发电的区域内改变燃料电池40的动作点的情况。作为一例，说明从图3及图5所示的当前动作点Q2(Ifc2、Vfc2)向目标动作点Q3(Ifc3、Vfc3)的改变处理。此外，图5所示的通过动作点Q3的曲线是表示与动作点Q3相同的功率(FC输出)的等功率线，与FC输出指令值Pref之间的关系如下。
Pref＝Ifc3×Vfc3    …(15)
控制装置80首先判断是否需要燃料电池40的快速预热(步骤S1)。具体地讲，在由外部气体温度传感器、温度传感器50检测出的温度不是低温(例如0℃以下)的情况下，判断为不需要快速预热(步骤S1：否)。另一方面，在检测温度为低温(例如0℃以下)的情况下，判断为需要快速预热(步骤S1：是)，确认此时的动作点(在此为Q2(Ifc2、Vfc2))(步骤2)。
接着，控制装置80从FC输出指令值Pref及FC自身发热指令值Lref导出目标动作点(步骤S3)。在此，作为目标的动作点，导出动作点Q3(Ifc3、Vfc3)。
接着，控制装置80对来自当前动作点Q2(Ifc2、Vfc2)的单位时间内的电流变化量ΔI及电压变化量ΔV设定限制(步骤S4)。电流变化量ΔI及电压变化量ΔV设定为不超过燃料电池系统100的能力的值。具体地讲，电流变化量ΔI设定为能够满足空气压缩机72的响应性的电流变化率。电压变化量ΔV设定为可抑制燃料电池40的电容成分引起的充放电的电压变化率。通过设置这样的限制，可以抑制空气压缩机72的控制值变得不稳定而产生由空气压缩机72的马达的转速变动导致的动作点的变化。另外，能够抑制燃料电池40的电容成分的充放电。
而且，控制装置80如下面的式(15)及(16)那样从电流变化量ΔI及电压变化量ΔV算出输出变化的最大值Pmax及最小值Pmin。另外，控制装置80进行将最大值设为输出变化最大值Pmax的上限处理、和将最小值设为输出变化最小值Pmin的下限处理，算出可以改变的可动作区域Ss1(即，FC输出变化许可值)。可动作区域Ss1为图5所示的四角形的框内的区域。因此，根据步骤S4，控制装置80限制动作点向可动作区域Ss1外改变。
Pmax＝(Ifc2+ΔI)×(Vfc2+ΔV)    …(15)
Pmin＝(Ifc2+ΔI)×(Vfc2+ΔV)    …(16)
接着，控制装置80进一步从当前动作点和目标动作点限定可动作区域(步骤S5)。具体地讲，控制装置80从当前动作点Q2(Ifc2、Vfc2)及目标动作点Q3(Ifc3、Vfc3)限定电流及电压的变化方向。此外，控制装置80将其限定范围限定在不使动作点Q3的电流Ifc3及电压Vfc3过冲或下冲的范围。这样，控制装置80求出可改变的可动作区域Ss2。根据以上的步骤S4及S5，可从当前动作点Q2(Ifc2、Vfc2)改变的动作点为可动作区域Ss1及Ss2重复的斜线表示的区域Ss3。
但是，目标动作点Q3(Ifc3、Vfc3)位于区域Ss3外。因此，控制装置80在斜线区域Ss3内决定从动作点Q2(Ifc2、Vfc2)向动作点Q3(Ifc3、Vfc3)改变时经过的下次动作点Qa(Ifca、Vfca)(步骤S6)。在此，下次动作点Qa如果在区域Ss3内则不限定，但是优选决定为达成FC输出指令值Pref的等功率线上的动作点。这样，即使是下次动作点Qa也可以满足最终的FC输出指令值Pref。该情况下，以下的关系式成立。
Ifca×Vfca＝Ifc3×Vfc3＝Pref    …(17)
接着，控制装置80开始动作点的移动，并从当前动作点Q2(Ifc2、Vfc2)向下次的动作点Qa(Ifca、Vfca)改变(步骤S7)。这时，控制装置80按照沿着能够最短地从动作点Q2(Ifc2、Vfc2)向Qa(Ifca、Vfca)移动的动作点变化路径的方式控制FC电压Vfc及FC电流Ifc。具体地讲，控制装置80使用DC/DC转换器130控制FC电压Vfc并使其上升至下次电压Vfca。此外，控制装置80控制空气压缩机72并调整向燃料电池40的氧化气体量(在此，缩小氧化气体量)。这样，控制装置80使FC电流Ifc降低至下次的电流Ifca。
向下次动作点Qa(Ifca、Vfca)改变后，控制装置80进一步开始动作点的移动，从动作点Qa(Ifca、Vfca)向目标动作点Q3(Ifc3、Vfc3)改变(步骤S8)。该情况下，控制装置80通过按照以等功率线上的移动到达动作点Q3(Ifc3、Vfc3)的方式控制DC/DC转换器130及空气压缩机72，由此控制FC电压Vfc及FC电流Ifc。通过这样的控制，燃料电池40的FC输出Pfc保持为一定，并且完成向目标动作点Q3的改变。
如以上所进行的说明，根据本实施方式的燃料电池系统100，在低效率发电的区域改变燃料电池40的动作点时，对电流及电压进行变化率处理。由此，可以抑制辅机损变动(空气压缩机72的变动)，并且可以抑制燃料电池40的电容成分的充放电。因此，能够提高燃料电池40的输出精度。尤其是在动作点的一系列改变过程中，不使FC电流Ifc及FC电压Vfc上下上升或下降也可以，并且可进行管理使FC输出Pfc不变动，因此，可以适当改变燃料电池40的动作点。另外，可以通过电力控制系统适当确保空气的辅机(空气压缩机72)的追随性。
此外，其他的实施方式中，在步骤S4设定限制的电流变化量ΔI及电压变化量ΔV也可以只是任意一方。即，在步骤S4中，可以对电流变化量ΔI及电压变化量ΔV的至少一个设定限制。
B.变形例
接着，对燃料电池系统100的变形例进行说明。
变形例1
图6是表示使变形例1的动作点移动的方法的图，图7是表示变形例1的动作点的移动处理的的流程图。在以下的说明中，假设在低效率发电的区域内改变燃料电池40的动作点的情况，以图6表示的从当前动作点Q2(Ifc2、Vfc2)向目标动作点Q4(Ifc4、Vfc4)的改变处理为例进行说明。
如图7所示，控制装置80执行与上述实施方式相同的步骤S1～S5。例如，控制装置80通过步骤S4对电流变化量ΔI及电压变化量ΔV设定限制，设定可动作区域Ss1。另外，控制装置80通过步骤S5，从当前动作点Q2(Ifc2、Vfc2)及目标动作点Q4(Ifc4、Vfc4)限定电流及电压的变化方向，进而将其限定范围限定在不使动作点Q4的电流Ifc4及电压Vfc4过冲及下冲的范围。由此，控制装置80求出可改变的可动作区域Ss2。其结果，可从当前动作点Q2(Ifc2、Vfc2)改变的动作点为可动作区域Ss1及Ss2重复的、斜线表示的区域Ss3。
接着，控制装置80在区域Ss3内选择下次动作点Qb(Ifcb、Vfcb)，但是与上述实施方式不同，在区域Ss3内不存在达成FC输出指令值Pref的等功率线上的动作点。因此，控制装置80不能选择满足FC输出指令值Pref的动作点。该情况下，控制装置可以将满足在区域Ss3内最接近FC输出指令值Pref的FC输出Pfc的动作点作为下次动作点Qb(Ifcb、Vfcb)而决定(步骤S6’)。这样，在暂时经过的下次动作点Qb，可以尽量满足FC输出指令值Pref。
当前动作点Q2(Ifc2、Vfc2)、下次动作点Qb(Ifcb、Vfcb)及目标的动作点Q4(Ifc4、Vfc4)的关系如下。
Ifc2＜Ifcb＜Ifc4    …(18)
Vfc2＜Vfcb＝Vfc4    …(19)
接着，控制装置80从当前动作点Q2(Ifc2、Vfc2)向下次动作点Qb(Ifcb、Vfcb)改变(步骤S7)。之后，控制装置80进一步开始动作点的移动，从动作点Qb(Ifcb、Vfcb)向目标动作点Q4(Ifc4、Vfc4)改变(步骤S8)。在哪一个移动处理时，控制装置80均按照沿着能够最短地从最初的动作点向改变后的动作点移动的动作点变化路径的方式控制DC/DC转换器130及空气压缩机72，由此控制FC电压Vfc及FC电流Ifc。
这样，根据变形例1，即使在不能将下次动作点设定在目标动作点Q4(Ifc4、Vfc4)的等功率线上的情况下，也可以与上述实施方式同样，适当改变燃料电池40的动作点。
变形例2
在上述实施方式中，通过调整氧化气体量来控制FC电流Ifc，但是也可以通过调整氧化气体压力来控制FC电流Ifc。具体地讲，控制装置80可以在低效率发电时按照使向燃料电池40供给的氧化气体的压力比通常发电时低的方式控制调压阀73，由此控制FC电流Ifc。
另外，也可以FC电流Ifc的控制不是通过调整向燃料电池40的氧化气体的状态来进行，而是通过调整燃料气体的状态来进行。例如，控制装置80也可以在低效率发电时按照使向燃料电池40供给的燃料气体的量比通常发电时低的方式控制阀13及泵14，由此控制FC电流Ifc。或者，控制装置80也可以在低效率发电时按照向燃料电池40供给的燃料气体的压力比通常发电时低的方式控制阀13，由此控制FC电流Ifc。

Claims (7)

1.一种燃料电池系统，具备：
燃料电池，利用反应气体的供给进行发电；
气体调整单元，调整向所述燃料电池供给的反应气体的状态；及
控制装置，通过控制所述气体调整单元来控制所述燃料电池的输出电流，并改变该燃料电池的运转动作点，
所述控制装置在与通常发电相比电力损失较大的低效率发电的区域改变所述燃料电池的运转动作点时，对单位时间内的电流变化量及电压变化量中的至少一个设定限制。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，
所述控制装置基于所述燃料电池的要求输出值及所述燃料电池的要求自身发热值算出所述燃料电池的目标运转动作点，并以不相对该算出的目标运转动作点过冲或下冲的方式，决定从当前运转动作点向该目标运转动作点改变时经过的下次运转动作点。
3.如权利要求2所述的燃料电池系统，
所述控制装置选择满足所述燃料电池的要求输出值的运转动作点作为所述下次运转动作点。
4.如权利要求3所述的燃料电池系统，
所述控制装置在满足所述燃料电池的要求输出值后，维持该要求输出值而从所述下次运转动作点向所述目标运转动作点改变。
5.如权利要求2所述的燃料电池系统，
所述控制装置在不能选择满足所述燃料电池的要求输出值的运转动作点作为所述下次运转动作点时，选择满足最接近该要求输出值的输出值的运转动作点作为所述下次运转动作点。
6.如权利要求1～5中任一项所述的燃料电池系统，
所述气体调整单元包含向所述燃料电池供给氧化气体的供给机、及对从所述燃料电池排出的氧化剂废气进行调压的调压阀中的至少一个。
7.如权利要求6所述的燃料电池系统，
所述控制装置在所述低效率发电时，控制所述气体调整单元，以使氧化气体向所述燃料电池的供给流量及供给压力中的至少一个与所述通常发电时相比降低。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105609824A (zh) * 2014-11-15 2016-05-25 丰田自动车株式会社 燃料电池系统及燃料电池系统的控制方法
CN106299419A (zh) * 2015-06-24 2017-01-04 丰田自动车株式会社 燃料电池系统

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4827023B2 (ja) * 2007-12-27 2011-11-30 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP5590120B2 (ja) * 2010-04-27 2014-09-17 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
CA2740221C (en) 2010-05-27 2013-05-07 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell with low-efficiency operation
JP5294097B2 (ja) * 2011-08-04 2013-09-18 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
KR101510066B1 (ko) 2011-12-09 2015-04-14 유나이티드 테크놀로지스 코포레이션 연료전지 어셈블리 및 제어 방법
JP6222047B2 (ja) * 2014-11-10 2017-11-01 トヨタ自動車株式会社 燃料電池の運転制御方法
JP6187774B2 (ja) * 2014-11-14 2017-08-30 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及び燃料電池システムの運転制御方法
KR101611123B1 (ko) * 2015-02-16 2016-04-08 현대자동차주식회사 연료전지 출력 추정방법
JP6299684B2 (ja) * 2015-06-25 2018-03-28 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
DE102016208082A1 (de) * 2016-05-11 2017-11-16 Volkswagen Ag Brennstoffzellenfahrzeug mit einer Mehrzahl wählbarer Betriebsmodi
JP7347315B2 (ja) 2020-04-20 2023-09-20 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP7238848B2 (ja) 2020-04-20 2023-03-14 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP7327280B2 (ja) * 2020-05-29 2023-08-16 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
DE102022200741A1 (de) 2022-01-24 2023-07-27 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Derating-Strategie für Brennstoffzellensysteme mit Berücksichtigung von reversiblen und irreversiblen Kennlinieneffekten

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6438969A (en) 1987-08-03 1989-02-09 Fuji Electric Co Ltd Control of fuel cell
JP3567509B2 (ja) * 1994-11-10 2004-09-22 トヨタ自動車株式会社 燃料電池の駆動装置および触媒被毒率検出装置並びに燃料電池システム
US6675573B2 (en) * 2001-01-17 2004-01-13 Visteon Global Technologies, Inc. Vehicles containing and methods for using a pre-heater to reduce emissions, and for warming fuel cells at low ambient temperatures
JP3888074B2 (ja) * 2001-03-21 2007-02-28 スズキ株式会社 発電装置
JP2002313388A (ja) * 2001-04-10 2002-10-25 Honda Motor Co Ltd 燃料電池の制御方法と燃料電池電気車両
US6939635B2 (en) * 2001-05-31 2005-09-06 Plug Power Inc. Method and apparatus for controlling a combined heat and power fuel cell system
JP2003309979A (ja) * 2002-02-14 2003-10-31 Kazuo Kono 自励発振回路
JP2004030979A (ja) 2002-06-21 2004-01-29 Equos Research Co Ltd 燃料電池システム
JP2004102720A (ja) 2002-09-10 2004-04-02 Digital Electronics Corp 情報処理装置、データ収集プログラムおよびそれを記録した記録媒体
JP4686957B2 (ja) * 2003-02-28 2011-05-25 日産自動車株式会社 燃料電池発電制御システム
JP2004342461A (ja) * 2003-05-15 2004-12-02 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2006309979A (ja) * 2005-04-26 2006-11-09 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池の制御装置及び燃料電池の制御方法
JP4905847B2 (ja) 2005-11-30 2012-03-28 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP5071879B2 (ja) 2005-12-07 2012-11-14 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
WO2008029862A1 (fr) 2006-09-01 2008-03-13 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Système de pile à combustible et corps mobile
JP5120594B2 (ja) 2006-10-20 2013-01-16 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及びその運転方法

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105609824A (zh) * 2014-11-15 2016-05-25 丰田自动车株式会社 燃料电池系统及燃料电池系统的控制方法
CN105609824B (zh) * 2014-11-15 2018-01-23 丰田自动车株式会社 燃料电池系统及燃料电池系统的控制方法
CN106299419A (zh) * 2015-06-24 2017-01-04 丰田自动车株式会社 燃料电池系统
CN106299419B (zh) * 2015-06-24 2019-02-22 丰田自动车株式会社 燃料电池系统
US10714770B2 (en) 2015-06-24 2020-07-14 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system

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Publication number Publication date
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CN101657926B (zh) 2012-11-07
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US20100112402A1 (en) 2010-05-06
JP4936126B2 (ja) 2012-05-23
KR101135655B1 (ko) 2012-04-13
WO2008130048A1 (ja) 2008-10-30
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US9236623B2 (en) 2016-01-12
KR20090121394A (ko) 2009-11-25

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