CN101663785A - 燃料电池系统和用于控制燃料电池系统的方法 - Google Patents
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Abstract
阳极气体通过其供给至燃料电池单元(2)的气体供给通道(6)和阳极气体通过其从燃料电池单元(2)排出的气体排出通道(12)通过连通通道(30)连接。循环泵(32)使连通通道的连通状态在关闭状态和打开状态之间切换。当连通通道(30)处于打开状态时，循环泵(32)使气体从气体排出通道流到气体供给通道。连通通道(30)通常关闭，并且当满足与燃料电池单元(2)的运行状态相关的预定条件时打开。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池系统，更具体地涉及利用余留在每个燃料电池中的阳极气体或在以非常低的速率从封闭的阳极通道连续排出阳极废气的同时运行的燃料电池系统。本发明还涉及控制这种燃料电池系统的方法。
背景技术
例如，公开的PCT申请08-500931(JP-T-08-500931)的日文译文、日本专利申请公开2005-32652(JP-A-2005-32652)、2005-19331(JP-A-2005-19331)和2005-166498(JP-A-2005-166498)描述了燃料电池系统(循环型燃料电池系统)，其中循环作为已经在燃料电池中使用的阳极气体的阳极废气，以利用余留在阳极废气中的任何未反应的氢。在这种循环型燃料电池系统中，通过每个燃料电池的电解质膜进入阳极的氮也与阳极气体一起循环，并且该氮在燃料电池运行期间累积在阳极气体的循环通道中。因此，设置排放阀以有助于将氮从循环通道中排出。因此，通过适当地控制该排放阀，可以排出累积在循环通道中的氮，从而恢复供给至燃料电池的阳极气体中的氢浓度。
然而，因为氮均匀地分散在循环通道中的阳极气体中，所以如果操作排放阀以排出大量的氮，则大量的氢也会与氮一起排出。即使通过降低阳极气体中的氮浓度增加燃料电池系统的发电效率，氢的浪费也直接导致整个系统的燃料经济性降低。同样，阳极气体中氮浓度可降低的程度存在限制，因此，这种发电效率的提高有限。
同时，存在循环型燃料电池系统，其中利用在燃料电池中余留的阳极气体和供给到燃料电池以补充发电所用的阳极气体的另外阳极气体，在每个燃料电池处发电(闭端型燃料电池系统)。此外，还有正在开发的燃料电池系统，其中在以非常低的速率从封闭的阳极气体通道排出阳极废气的同时在每个燃料电池处发电(“连续低速率排放型燃料电池系统”)。
在闭端型燃料电池系统和连续低速率排放型燃料电池系统中，氮也通过每个燃料电池中的电解质膜进入阳极，如在循环型燃料电池系统中一样。然而，在闭端型燃料电池系统和连续低速率排放型燃料电池系统中，通过电解质膜进入阳极的氮分散不均，而是，氮累积在阳极的下游侧。因此，在闭端型燃料电池系统中，如果在阳极的下游部分中已累积足量的氮之后打开排放阀，则一次排出大量的氮而不浪费氢。同时，在连续低速率排放型燃料电池系统中，累积在阳极下游部分的氮可以从封闭的阳极气体通道中逐渐排出。这样，在闭端型燃料电池系统和连续低速率排放型燃料电池系统中，可以保持阳极气体中的低氮浓度，因此可以获得高的发电效率。
每个燃料电池的电解质膜需要水分子以使得氢离子能够在其中移动，因此，只有在电解质膜足够潮湿时，电解质膜才表现出高的氢离子传导性。为此，如果电解质膜因燃料电池中水分不足而未充分水合，则传导性降低，这显著降低燃料电池的发电性能。因此，为了保持高的发电性能，保持每个燃料电池内部充分潮湿是重要的。
在每个燃料电池的阴极侧，由从阳极移动穿过电解质膜的氢离子和阴极气体中的氧产生水，并且该水的一部分穿过电解质膜移动到阳极。因此，如果该水可以分散到整个阳极中，则可以将阳极的整个部分水合至合适的程度。
如果在每个燃料电池的阳极气体通道中存在阳极气体流，则阳极气体流携带水，所以水分散到整个阳极。然而，在上述闭端型燃料电池系统和连续低速率排放型燃料电池系统的情形中，阳极气体通道中的阳极气体流动非常弱，尤其是在阳极下游部分中基本没有气体流动。因此，在这种燃料电池系统中，水可能未充分地分散在每个燃料电池的阳极中，导致阳极未均匀地水合。如果每个燃料电池的阳极的一些部分水合不充分，则在阳极的所述部分处阳极反应不能适当地进行，使燃料电池的发电性能劣化，并且不利地影响燃料电池的电解质膜的耐久性。
发明内容
本发明涉及用于利用保留在每个燃料电池中的阳极气体运行或在以非常低的速率从封闭的阳极气体通道中排出阳极废气的同时运行的燃料电池系统的技术，该技术防止燃料电池系统的发电性能劣化和每个燃料电池的电解质膜的耐久性降低，这些问题可以由每个燃料电池的阳极的干燥而引起。
本发明的第一方面涉及燃料电池系统，所述燃料电池系统具有燃料电池、通过其将阳极气体供给至所述燃料电池的气体供给通道、和通过其将阳极气体从所述燃料电池排出的气体排出通道，所述气体排出通道的末端基本关闭。所述燃料电池系统具有：所述气体排出通道通过其与所述气体供给通道连通的连通通道；用于在关闭状态和打开状态之间切换所述连通通道的连通状态的连通状态切换装置；用于在所述连通通道打开时使气体从所述气体排出通道流到所述气体供给通道的气体流动装置；和用于控制通过所述连通状态切换装置切换所述连通通道的连通状态的连通状态控制装置。所述连通状态控制装置通常使所述连通通道保持在关闭状态，并且在满足与所述燃料电池的运行状态相关的预定条件时打开所述连通通道。
根据上文所述的燃料电池系统，如果所述连通通道打开，则阳极气体从所述气体排出通道流到所述气体供给通道，由此所述阳极气体也在所述燃料电池中流动。由于所述阳极气体由此在所述燃料电池中流动，所以水分散在所述燃料电池的整个阳极，防止所述阳极的部分水合。此外，因为流过所述连通通道的阳极气体再次送到所述燃料电池，所以没有浪费阳极气体，并且由所述阳极气体从所述燃料电池带走的水还可以返回到所述燃料电池。此外，如果未满足所述预定条件，则所述连通通道关闭，即所述连通通道正常状态，使得所述燃料电池系统利用保留在所述燃料电池中的阳极气体继续运行，或者在以非常低的速率排出所述阳极废气的同时继续运行，由此获得高的发电效率。
上述燃料电池系统可以为：所述连通状态控制装置包括用于确定所述燃料电池上的负载是否低于第一参考负载的运行区域确定装置，并且在所述燃料电池上的负载低于所述第一参考负载时，所述连通状态控制装置确定已满足所述预定条件并且打开所述连通通道。
当所述燃料电池在低负载区域中运行时，在所述燃料电池的阴极处产生的水量相对小，同时相对于燃料电池上的负载所述阴极气体的流量相对高。因此，在该情况下，移动到所述阳极的水量减少，增加了所述阳极未充分水合的可能性。然而，根据上述结构，因为在所述燃料电池在低负载区域中运行时使所述阳极气体循环，所以水与所述阳极气体一起分散到整个阳极，由此可以防止所述阳极的各个部分未充分地水合。
此外，上述燃料电池系统可以为：所述连通状态控制装置包括用于测量或计算与所述燃料电池的阳极的水合程度相关的物理量并且确定所测量或计算的物理量是否表示所述阳极的水合程度低于参考值的水合程度确定装置，并且如果所测量或计算的物理量表示所述阳极的水合程度低于所述参考值，则所述连通状态控制装置打开所述连通通道。
根据上述结构，如果确定所述阳极未充分水合，则使所述阳极气体循环，由此通过所述阳极气体流动将水分散到整个阳极。
在上述燃料电池系统中，所测量的物理量可以是所述燃料电池的电压降低率；所述水合程度确定装置可以包括用于测量所述燃料电池的所述电压降低率的装置。
在该情况下，所述阳极是否充分地水合可以通过参考所述燃料电池的电压降低率来准确地确定。
在上述燃料电池系统中，所测量的物理量可以是所述气体排出通道中的阳极气体的湿度，并且所述水合程度确定装置可以包括用于测量所述气体排出通道中的阳极气体的湿度的装置。
在该情况下，所述阳极是否充分地水合可以通过参考所述气体排出通道中阳极气体的湿度来准确地确定。
在上述燃料电池系统中，所测量的物理量可以是所述阳极的入口侧和出口侧之间的电压差，所述水合程度确定装置可以包括用于测量电压差的装置。
在该情况下，可以通过参考所述燃料电池的阳极入口侧的电压和所述燃料电池的阳极出口侧的电压之间的差准确地确定所述阳极是否已干燥。
在上述燃料电池系统中，所测量的物理量可以是所述燃料电池的运行温度，所述水合程度确定装置可以包括用于测量所述燃料电池的运行温度的装置。
在该情况下，通过考虑所述燃料电池的运行温度可以准确地确定阳极是否充分地水合。
在上述燃料电池系统中，所述燃料电池还可以构建为所述燃料电池的阳极处的气流方向与所述燃料电池的阴极处的气流方向相反。
根据上述结构，因为所述燃料电池阳极处的气流方向与所述燃料电池阴极处的气流方向相反，所以从阴极穿过电解质膜移动至阳极的水有效地分散到整个阳极中。
上述燃料电池系统还可以包括气体排放阀，所述气体排放阀设置在所述气体排出通道中以中断或限制所述气体排放阀上游侧和下游侧之间的连通，并且可以在所述气体排放阀既不中断也不限制所述气体排放阀上游侧和下游侧之间的连通时使得所述连通状态控制装置使所述连通通道保持在关闭状态或限制所述连通通道中的气体流动。
根据上述结构，因为在通过打开所述气体排放阀排出所述阳极中累积的氮时禁止或限制阳极气体的循环，所以能够防止当氮浓度因阳极气体的循环而均匀时可引起的排出氮的效率降低。
上述燃料电池系统还可以包括用于使在所述连通通道处于打开状态时供给至所述燃料电池的阳极气体压力比在所述连通通道处于关闭状态时供给至所述燃料电池的阳极气体压力低的阳极气体压力控制装置。
根据上述结构，因为在使阳极气体循环时阳极气体的压力降低，所以所述燃料电池中阳极气体的流量增加，这有助于水在所述阳极中的分散。
上述燃料电池系统还可以包括冷却剂流量控制装置，所述冷却剂流量控制装置用于控制冷却剂的流量，使得在所述连通通道处于打开状态时所述阳极出口侧的温度比在所述阳极入口侧的温度低的量大于在所述连通通道处于关闭状态时所述阳极出口侧的温度比在所述阳极入口侧的温度低的量。
根据上述结构，所述阳极入口侧的湿度降低，有助于阳极气体将水带走，并且阳极出口侧的湿度增加，有助于润湿倾向于容易干燥的阳极的出口侧。
上述燃料电池系统还可以为：所述连通状态控制装置包括用于确定所述燃料电池上的负载是否比第二参考负载高的运行区域确定装置；并且如果所述燃料电池上的负载比所述第二参考负载高，则所述连通状态控制装置确定已满足所述预定条件并且打开所述连通通道。
如果所述燃料电池在高负载下运行并且不使阳极气体循环，则在所述阳极气体通道下游侧的一些部分处出现阳极气体不足，其可使所述部分处的催化剂劣化。然而，根据上述结构，在燃料电池单元上的负载高的时候也使阳极气体循环，则累积在所述燃料电池中的阳极气体通道中的氮被分散，由此防止局部的阳极气体不足。
本发明的第二方面涉及控制燃料电池系统的方法。所述方法包括以下步骤：确定燃料电池的运行状态；当满足与所述燃料电池的运行状态有关的预定条件时，通过打开阳极气体排出通道通过其与阳极气体供给通道连通的连通通道使从所述阳极气体排出通道排出的阳极气体循环返回到所述阳极气体供给通道；和如果不满足所述预定条件，则关闭所述连通通道。
本发明的第三方面涉及燃料电池系统，其具有：燃料电池；阳极气体通过其供给至所述燃料电池的气体供给通道；阳极气体通过其从所述燃料电池排出的气体排出通道，所述气体排出通道的末端基本上关闭；所述气体排出通道通过其与所述气体供给通道连通的连通通道；设置在所述连通通道中并可操作以中断所述阳极气体流动的中断装置；和控制器，所述控制器通常利用所述中断装置使所述连通通道保持在关闭状态；确定是否满足与所述燃料电池的运行状态有关的预定条件；和如果满足所述预定条件，则控制所述中断装置以打开所述连通通道。
本发明的第四方面涉及燃料电池系统，其具有：燃料电池；阳极气体通过其供给至所述燃料电池的气体供给通道；阳极气体通过其从所述燃料电池排出的气体排出通道，所述气体排出通道的末端基本上关闭；所述气体排出通道通过其与所述气体供给通道连通的连通通道；设置在所述连通通道、所述连通通道和所述气体排出通道之间的汇合点、和所述连通通道和所述气体供给通道之间的汇合点中的至少一个位置处并可操作以中断阳极气体从所述气体排出通道到所述气体供给通道的流动的中断装置；和控制器，所述控制器确定所述燃料电池的所述发电状态是否异常和所述燃料电池的所述发电状态是否会变得异常中的至少一项，并且如果确定所述燃料电池的发电状态异常或所述燃料电池的发电状态会变得异常，则控制所述中断装置以使阳极气体从所述气体排出通道流到所述气体供给通道。
本发明的第五方面涉及控制燃料电池系统的方法。该方法包括如下步骤：确定燃料电池的运行状态；当满足与所述燃料电池的运行状态有关的预定条件时，通过打开阳极气体排出通道通过其与阳极气体供给通道连通的连通通道使从所述阳极气体排出通道排放的阳极气体循环回到所述阳极气体供给通道；确定所述燃料电池的发电状态是否异常和所述燃料电池的发电状态是否会变得异常中的至少一项；和如果确定所述燃料电池的发电状态异常或所述燃料电池的发电状态会变得异常，则使阳极气体从所述气体排出通道流到所述气体供给通道。
附图说明
参照附图，从以下示例性实施方案的说明中，本发明的前述和其它特征和优点将变得明显，附图中类似的附图标记用于表示类似的元件/要素，其中：
图1是根据本发明第一示例性实施方案的燃料电池系统的配置示意图；
图2A和图2B是燃料电池单元的每个燃料电池的内部结构的示意图并示出燃料电池中的气流；
图3是示出在第一示例性实施方案的燃料电池系统中执行以打开和关闭循环泵的控制程序的流程图；
图4是分别示出燃料电池单元的I-V特性和阴极化学计量比值相对于燃料电池单元的输出电流的特性；
图5A是当循环泵打开时阳极气体通道部中氢浓度分布的示意图，和
图5B是当循环泵关闭时阳极气体通道部中氢浓度分布的示意图，
图6是示出在第二示例性实施方案的燃料电池系统中执行以打开和关闭循环泵的控制程序的流程图；
图7是分别示出在燃料电池单元2适当增湿时获得的燃料电池单元2的I-V特性和在阳极干燥时获得的燃料电池单元2的I-V特性；
图8是示出阳极废气的湿度如何随阳极闭端操作的继续进行而变化的图；
图9是示出阳极闭端操作期间阳极气体通道部的入口部分处的电池电压和阳极气体通道部的出口部分处的电池电压如何随时间变化的图；和
图10是示出循环泵打开时每个燃料电池中各种气体和冷却剂如何流动的图。
具体实施方式
图1是根据本发明第一示例性实施方案的燃料电池系统的配置示意图。该燃料电池系统利用燃料电池单元2发电，并将产生的电力供给到包括电动机的各种电负载。燃料电池单元2是由堆叠在彼此之上的多个燃料电池构成的燃料电池堆。每个燃料电池由膜电极组合件和将膜电极组合件夹在中间的一对集电极板(未显示)构成。膜电极组合件由固体聚合物电解质膜、一体化设置在固体聚合物电解质膜的两侧上的催化电极、和由碳片等形成的并且一体化设置在固体聚合物电解质膜两侧上的气体扩散层构成。每个集电极板还用作隔离器以将相邻的膜电极组合件隔开。在将空气供给到每个燃料电池的阴极的同时将氢(燃料气体)供给到阳极，从而发电。
空气供给通道20连接至燃料电池单元2，空气通过空气供给通道20供给至燃料电池单元2。空气泵22设置在空气供给通道20中。当驱动空气泵22时，空气被吸到空气供给通道20中，然后供给至燃料电池单元2。供给到燃料电池单元2的空气通过设置在燃料电池单元2中的供给歧管分配到各燃料电池的阴极。穿过各燃料电池阴极的气体(阴极气体)在设置于燃料电池单元2中的排气歧管处汇合，然后排放到阴极气体排出通道24。背压调节阀26和稀释器28设置在阴极气体排出通道24中。阴极气体排出通道24的下游末端连接至稀释器28。
氢供给通道6连接至燃料电池单元2，氢从氢供给源4通过氢供给通道6供给到燃料电池单元2，所述氢供给源4可以是高压氢罐等。截止阀10和可变压力调节阀8从上游侧以该顺序设置在氢供给通道6中。氢在可变压力调节阀8处减压至期望的压力，然后供给到燃料电池单元2。供给到燃料电池单元2的氢通过设置在燃料电池单元2中的供给歧管分散到各燃料电池的阳极。通过各燃料电池阳极的气体(阳极气体)在设置于燃料电池单元2中的排放歧管处汇合，然后排放到阳极气体排出通道12。排放阀14设置在阳极气体排出通道12中。排放阀14通常是关闭的，只有在满足预定条件(吹扫条件)时才打开。
此外，第一示例性实施方案的燃料电池系统具有将阳极气体排出通道12连接至氢供给通道6的连通通道30。更具体而言，阳极气体排出通道12的在排放阀14上游的部分和氢供给通道6的在可变压力调节阀8下游的部分通过连通通道30相互连接。在连通通道30内设置有小的循环泵32。循环泵32的泵送能力足以克服氢供给通道6中的气压和阳极气体排出通道12中的气压之差将阳极气体从阳极气体排出通道12输送至氢供给通道6。ECU 50控制可变压力调节阀8、截止阀10、排放阀14和循环泵32。循环泵32用作用于在连通通道30打开时使气体从阳极气体排出通道侧流到氢供给通道侧的“气体流动装置”，和用于在关闭状态和打开状态之间切换连通通道30的状态的“连通状态切换装置”。循环泵32通常是停止的，只有在满足预定条件(驱动条件)时才被驱动。
图2A和2B是燃料电池单元2中每个燃料电池的内部结构的示意图并示出每个燃料电池中的气流。图2A示出循环泵32关闭时(处于正常状态时)各气体如何在每个燃料电池中流动，图2B示出循环泵32打开时各气体如何在每个燃料电池中流动。这些图中未示出集电极板和歧管。在以下的说明中，将参照图2A和2B以及图1。
如图2A和2B中所示，在每个燃料电池中，沿将膜电极组合件40夹在中间的各气体扩散层42、44形成气体通道部46、48。气体通道部46作为空气通过其供给至阴极的阴极气体通道部，气体通道部48作为氢通过其供给至阳极的阳极气体通道。因此，燃料电池单元2的每个燃料电池构建为使得阴极气体通道部46中的气体和阳极气体通道部48中的气体沿相反的方向流动。阴极气体通道部46和阳极气体通道部48可以形成为任意形状，并且可以具有任意结构，只要阴极气体通道部46中的气体和阳极气体通道部48中的气体沿相反的方向流动即可。例如，可以在各集电极板(隔离器)的表面中形成槽，并且分别用作阴极气体通道部46和阳极气体通道部48。或者，可以在集电极板和膜电极组合件40之间设置由导电材料制成的多孔层，并且用作气体通道部46、48。
参照图2A，当循环泵32关闭时(处于正常状态时)，只要排放阀14关闭，则阳极气体停留在阳极气体通道部48中。在该操作(在合适的情况下称为“阳极闭端操作”)期间，有效地使用了供给至燃料电池单元2的氢。
然而，在上述阳极闭端操作期间，几乎没有气体流动，尤其是在阳极气体通道部48的下游侧。通过发电反应产生的水的一部分从阴极气体通道部46经过膜电极组合件40内部进入阳极气体通道部48。然而，当阳极气体通道部48中的气流弱的时候，水未分散到膜电极组合件40的整个阳极，导致阳极水合不均匀。
参照图2B，另一方面，当循环泵32打开时，连通通道30打开，因此阳极气体从阳极气体排出通道12流到氢供给通道6。在该状态下，阳极气体也在每个燃料电池的阳极气体通道部48中流动，并且该阳极气流使水分散，如图2B所示。相对大量的水从阴极气体通道部46的下游部分移动到阳极气体通道部48。因此，如果每个燃料电池都构建为使得阳极气体和阴极气体沿相反的方向流动，则从阴极气体通道部46进入阳极气体通道部48的水有效地分散到阳极气体通道部48的整个区域。
这样，当循环泵32关闭时，执行阳极闭端操作，该操作使燃料电池能够有效地运行，如上文所述。进一步地，当循环泵32打开时，使阳极气体在阳极气体通道部48中流动，由此将水分散到整个阳极，从而防止阳极的部分干燥。通过适当地打开和关闭循环泵32，可以连续进行如前所述提供高发电效率的阳极闭端操作，同时防止每个燃料电池的阳极干燥，否则这会导致燃料电池系统的发电性能劣化。在下文中，将参照图3详细描述用于控制循环泵32的方法。图3是示出在第一示例性实施方案的燃料电池中执行以打开和关闭循环泵32的控制程序的流程图。该控制程序由ECU 50执行。
在图3所示的控制程序开始之后，在步骤S100中，ECU 50首先确定燃料电池单元2此时是否在预定的低负载区域中运行。燃料电池单元2上的负载由燃料电池单元2的输出电流确定。燃料电池单元2的输出电流利用电流计测定，电流计未在图中示出。或者，需要从燃料电池单元2输出的电流可以由电动机等上的电负载确定。图4中的上图示出燃料电池单元2的I-V特性。如该图中所示，将低负载区域设定为输出电流值I小于参考值I0的区域。
输出电流值I越大，即燃料电池单元2上的负载越高，则燃料电池单元2中由发电反应产生的水的量越大。相反，在输出电流值I小的低负载区域中，由发电反应产生的水的量相对小，如图4中的下图所示，阴极气体的流量与输出电流值I之比(将称为“阴极化学计量比值CAst”)相对大。结果，从阴极气体通道部46移动到阳极气体通道部48的水量减少，因此阳极干燥的可能性增加。注意，参考值I0设定为阴极化学计量比值CAst急剧变化的值或其附近的值。
如果在步骤S100中确定燃料电池单元2目前不在低负载区域中运行，则ECU 50随后执行步骤S106的过程使得循环泵32保持关闭。因此，在该情况下，循环泵32关闭并且排放阀14关闭，在燃料电池系统中执行阳极闭端操作。
另一方面，如果在步骤S100中确定燃料电池单元2目前在低负载区域中运行，则ECU 50进行到步骤S102，并且确定是否正在执行阳极吹扫。阳极吹扫是打开排放阀14以将阳极气体从阳极气体通道部48排出的过程。氮从阴极气体通道部46穿过膜电极组合件40进入阳极气体通道部48，并且在阳极气体通道部48中累积，并且在阳极吹扫期间该氮与阳极气体一起排出，由此防止氮的过量累积，否则，可引起包括电压降低的各种问题。
图5A是当循环泵32打开时阳极气体通道部48中的氢浓度分布的示意图，图5B是当循环泵32关闭时阳极气体通道部48中的氢浓度分布的示意图。当循环泵32打开时，随着阳极气体循环，氮分散在阳极气体中。因此，当循环泵32打开时，阳极气体通道部48中的氢浓度倾向于具有如图5A中所示的分布。另一方面，如果循环泵32关闭，则在阳极气体通道部48中阳极气体基本上不流动，因此，氮累积在阳极气体通道部48的下游部分中。因此，当循环泵32关闭时，氢浓度倾向于具有如图5B所示的分布。考虑到在避免不必要地排放氢的同时排出氮的效率，优选图5B中所示的氢浓度分布。
由于上述原因，如果在步骤S102中确定正在执行阳极吹扫，则ECU50执行步骤S106的过程，使得循环泵32保持关闭。以该方式，能够防止当氢浓度因阳极气体的循环而均匀时可引起的氮排出效率降低。
如果在步骤S102中确定未正在执行阳极吹扫，则ECU 50执行步骤S104的过程，使循环泵32启动。这样，循环泵32使阳极气体通道部48中的阳极气体流动，使水与阳极气体一起分散到整个阳极。根据该控制，能够防止每个燃料电池阳极的部分干燥，甚至当燃料电池在每个燃料电池的阳极倾向于容易干燥的低负载区域中运行时也是如此。此外，因为阳极气体在穿过阳极气体通道部48之后循环返回到阳极气体通道部48，所以阳极气体没有浪费，从阳极气体通道部48带走的水可以与阳极气体一起返回阳极气体通道部48。
这样，甚至当燃料电池单元2在低负载区域中运行时，通过根据上述控制程序打开和关闭循环泵32，能够防止每个燃料电池阳极的部分干燥，否则，可使燃料电池单元2的发电性能劣化并降低电解质膜的耐久性。
根据本发明第二示例性实施方案的燃料电池系统与第一示例性实施方案的燃料电池系统的不同之处在于对打开和关闭循环泵32的控制。如图1、图2A和图2B所示配置第二示例性实施方案的燃料电池系统，并且ECU 50执行图6流程图所示的控制程序，循环泵32根据该控制程序打开和关闭。在图6所示的控制程序中，与图3中所示的控制程序的过程相同的过程用相同的步骤序号表示。在下文中，将只详细描述第二示例性实施方案的燃料电池系统所特有的过程，与第一示例性实施方案的过程相同的过程只简要描述或不描述。
在图6中所示的控制程序开始之后，在步骤S200中，ECU 50首先计算燃料电池单元2的电压降低率。图7示出燃料电池单元2的I-V特性。在图7中，当燃料电池单元2充分水合时获得的I-V特性用实曲线表示，而阳极未充分地水合时获得的I-V特性用虚线表示。如图7中所示，燃料电池单元2的输出电压随每个燃料电池阳极的水合程度降低而降低。而且，随着每个燃料电池的阳极更多地未充分水合，燃料电池单元2的输出电压以更高的速率降低。这样，燃料电池单元2的电压降低率(1-当前电压/当燃料电池单元2恰当润湿时获得的电压×100)可用作与每个燃料电池的阳极水合程度有关的物理量，因此，阳极的水合程度可以表示为通过计算燃料电池单元2的电压降低率而得到的值。
随后，在步骤S202中，ECU 50将在步骤S200中计算的电压降低率与预定的参考值进行比较。也就是说，在该步骤中，ECU 50确定电压降低率是否超过参考值。当每个燃料电池的阳极未充分水合时，即当电压降低率超过参考值时，必须使阳极从干燥状态恢复以及防止阳极进一步干燥。也就是说，参考值是基于其确定是否执行使每个燃料电池的阳极从干燥状态再水合的过程的值。换言之，参考值用于确定是否要利用循环泵32来循环阳极气体。
如果在步骤S202中确定电压降低率等于或低于参考值，则ECU 50执行步骤S106的过程，使得循环泵32保持关闭。因此，在该情况下，在燃料电池系统中执行阳极闭端操作。
另一方面，如果在步骤S202中确定电压降低率超过参考值，则ECU50随后进行至步骤S102，并且确定是否正在执行阳极吹扫。如果正在执行阳极吹扫，则ECU 50执行步骤S106的过程，使得循环泵32保持关闭。
另一方面，如果在步骤S102中确定未正在进行阳极吹扫，则ECU 50执行步骤S104的过程，使得循环泵32打开。这样，循环泵32使阳极气体通道部48中的阳极气体流动，使得水与阳极气体一起分散到每个燃料电池的整个阳极。
这样，即使阳极因阳极闭端操作而未充分地水合，通过根据上述控制程序打开和关闭循环泵32，可以使每个燃料电池的阳极迅速再水合并防止阳极进一步干燥。因此，能够防止燃料电池单元2的发电性能劣化和每个燃料电池电解质膜的耐久性降低，否则这些问题会由每个燃料电池阳极的干燥引起。
除了在执行打开和关闭循环泵32的控制期间，按下文所述方法确定每个燃料电池的阳极的水合程度之外，根据本发明第三示例性实施方案的燃料电池系统与第二示例性实施方案的燃料电池系统相同。
当燃料电池单元2的燃料电池阳极的一部分未充分地水合时，该部分吸收阳极气体中包含的水分，使穿过阳极气体通道部48的阳极气体(阳极废气)的湿度相应地降低。图8示出阳极废气的湿度如何随阳极闭端操作的继续进行而变化。参考图8，在阳极闭端操作期间，阳极废气的湿度随阳极水合减少而逐渐降低。这样，阳极废气的湿度可以用作与阳极水合程度相关的物理量，并且阳极的水合程度可以通过测量阳极废气的湿度来精确地确定。
在第三示例性实施方案的燃料电池系统中，在阳极气体排出通道12中设置湿度计H或露点仪以检测阳极废气的湿度，并且基于检测的湿度和预定参考值之间的比较结果打开和关闭循环泵32。更具体地，尽管用于该控制的流程图未包括在附图中，但是，如果检测的湿度等于或小于参考值，则循环泵32保持在停止状态，而如果检测的湿度超过参考值并且未正在执行阳极吹扫，则启动循环泵32。通过以该方式打开和关闭循环泵32，即使阳极因阳极闭端操作而未充分地水合，也可以防止每个燃料电池的阳极进一步干燥，并且可使其迅速再水合。
除了在执行打开和关闭循环泵32的控制期间按照下文所述方法确定阳极的水合程度之外，根据本发明第四示例性实施方案的燃料电池系统与第二示例性实施方案的燃料电池系统相同。
在阳极闭端操作期间，与和阳极气体通道部48下游部分对应的位置处相比，阳极的干燥更可能出现在与阳极气体通道部48上游部分对应的位置处。阳极的干燥部分的内阻相对高，所以致使电压降低。图9示出阳极闭端操作期间，阳极气体通道部48入口部分处(入)的电池电压和阳极气体通道部48出口部分处(出)的电池电压如何随时间变化的图。参照图9，在阳极闭端操作继续进行时，入口部分处的电压和出口部分处的电压之间的差随阳极水合的减少而增加。这样，阳极气体通道部48的入口部分和出口部分之间的电压差可以用作与阳极水合程度相关的物理量，因此，阳极的水合程度可以通过检测电压差而精确地确定。
在第四示例性实施方案的燃料电池系统中，在阳极气体通道部48的入口部分和出口部分处分别设置电压监测器V1和V2，并且利用电压监测器V1和V2检测入口部分和出口部分之间的电压差，并且基于检测的电压差和预定的参考值之间的比较结果打开和关闭循环泵32。更具体地，尽管用于该控制的流程图未包括在附图中，但是，如果检测的电压差等于或小于参考值，则循环泵32保持关闭，而如果检测的电压差超过参考值并且未正在执行阳极吹扫，则启动循环泵32。因此，通过以该方式打开和关闭循环泵32，即使阳极因阳极闭端操作而未充分地水合，也能够防止阳极进一步脱水，并且可使其迅速再水合。
除了与打开和关闭循环泵32的控制一起执行以下冷却剂流量控制之外，本发明第五示例性实施方案的燃料电池系统与第一至第四示例性实施方案的燃料电池系统相同。
图10示出循环泵32打开时每个燃料电池中的各气体和冷却剂如何流动。冷却剂在彼此相邻的燃料电池之间形成的冷却剂通道(未显示)中流动。如图10中所示，冷却剂从阴极气体通道部46的入口侧流到阴极气体通道部46的出口侧，换言之，从阳极气体通道部48的出口侧流到阳极气体通道部48的入口侧。
根据图10中所示的冷却剂流动方向，阳极气体通道部48出口侧的阳极气体温度变得比阳极气体通道部48入口侧的阳极气体的温度低。温差由冷却剂的流量决定。在第五示例性实施方案中，当循环泵32打开时，控制冷却剂的流量，使阳极气体通道部48的入口侧和出口侧之间的温差大于循环泵32关闭时的温差(即冷却剂的流量增加)。也就是说，通过增加阳极气体通道部48的入口侧和出口侧之间的温差，可以增加阳极气体通道部48的入口侧和出口侧之间的湿度差。更具体地，如果使阳极气体通道部48入口侧的湿度相对低，则有助于使阳极气体带走水。另一方面，如果使阳极气体通道部48出口侧的湿度相对高，则有助于润湿阳极的干燥部分。因此，通过控制冷却剂的流量以及循环泵32的打开/关闭，能够更有效地防止燃料电池单元2的发电性能劣化和每个燃料电池的电解质膜的耐久性降低，否则这些问题可由每个燃料电池的阳极干燥引起。
除了执行以下阳极气体压力控制以及打开和关闭循环泵32的控制之外，第六示例性实施方案的燃料电池系统与第一至第五示例性实施方案的燃料电池系统相同。
根据图1所示的配置，当通过循环泵32循环阳极气体时，可以利用可变压力调节阀8调节循环通道中的气体压力。在第六示例性实施方案中，当循环泵32打开时，控制可变压力调节阀8，使阳极气体的压力低于循环泵32关闭时的阳极气体的压力。假定循环泵32的泵送能力不变，则可以通过增加阳极气体的压力来增加其流量。如果在阳极气体通道部48中流动的阳极气体的流量由此增加，则有助于使阳极气体携带水，从而更有效地分散水。此外，如果阳极气体的压力降低，则有助于水从阴极侧移动到阳极侧。这样，通过控制阳极气体的压力以及循环泵32的打开/关闭，能够更有效地防止燃料电池单元2的发电性能劣化和每个燃料电池的电解质膜的耐久性降低，否则这些问题可由每个燃料电池的阳极干燥引起。
虽然已经参照本发明的示例性实施方案描述了本发明，但是，应当理解，本发明不限于这些示例性实施方案中的任意实施方案。相反，本发明还涵盖本发明范围内的各修改方案和等同布置，包括下文描述的那些。
虽然在图1所示的燃料电池系统中连通通道30中设置循环泵32，但是可以设置喷射器和阀代替循环泵32。更具体地，喷射器可设置在氢供给通道6和连通通道30汇合点处，阀可以设置在连通通道30中。在该情况下，阀可以视为相当于本发明的“连通状态切换装置”，而喷射器可以视为相当于“气体流动装置”。此外，根据本发明的燃料电池系统可以将阀分别设置在氢供给通道6与连通通道30汇合点处和阳极气体排出通道12与连通通道30汇合点处，并且将泵或喷射器设置在连通通道30中。
此外，虽然在图2A和图2B中显示的燃料电池结构中，阴极气体通道部46中的气体流动方向和阳极气体通道部48中的气体流动方向相反，但是本发明也可适用于引入了其中阳极气体和阴极气体沿相同方向流动的燃料电池结构的燃料电池系统。在阳极气体和阴极气体沿相同方向流动的情况下，阳极的干燥在阳极气体通道的入口侧进行，并且阳极气体在阳极气体通道的出口侧接收水。甚至在该情况下，也可以通过循环阳极气体将在出口侧处由阳极气体接收的水带到出口侧，使得入口侧处的干燥部分被水合。
虽然其中排放阀14完全关闭的闭端操作是前述示例性实施方案中燃料电池系统的标准操作，但是，作为替代方案可以执行排放阀14略微打开的操作(“连续低速率排出操作”)作为燃料电池系统的标准操作。在连续低速率排出操作期间，调节排放阀14的打开度，以使排出的阳极气体流量与阳极气体通道48中消耗的阳极气体量相比极低。根据该连续低速率排出操作，将滞留在阳极气体通道48中的氮逐渐排出，因此与阳极闭端操作期间相比可以降低阳极吹扫的频率。
虽然在图3和图6示出的程序中在阳极吹扫期间阳极气体的循环完全停止，但是，作为替代方案，这些程序可以在阳极吹扫期间使得阳极气体的循环量相对于未正在执行阳极吹扫时的循环量降低。此外，当每个燃料电池的阳极已经干燥至较大程度时，可以执行阳极气体循环，甚至在阳极吹扫期间也是如此，优先防止阳极进一步干燥并使阳极再水合。
虽然在第一示例性实施方案中当燃料电池单元2在低负载区域中运行循环使阳极气体，但是优选当燃料电池单元在高于正常负载范围的负载下运行时也循环阳极气体。如果燃料电池单元在高负载下运行并且不循环阳极气体，则在每个燃料电池的阳极气体通道下游侧中的一些部分处可出现阳极气体不足，并且可使所述部分处的催化剂劣化。鉴于此，当燃料电池单元上的负载高时也循环阳极气体，使得燃料电池中的阳极气体通道内累积的氮被分散，并且防止局部阳极气体不足。注意，上述用于打开和关闭循环泵32的控制可应用于上述第一至第六示例性实施方案的任意燃料电池系统。
此外，在第二至第四示例性实施方案的燃料电池系统中，可以检测燃料电池单元2的运行温度，并且在确定每个燃料电池的阳极水合程度时可以参考该检测的运行温度。也就是说，通过考虑燃料电池单元2的运行温度可以更准确地确定阳极是否已干燥。
此外，本发明还可适用于只在紧急情况下才操作气体排放阀的燃料电池系统(无吹扫的闭端型系统)。在该系统中，因为不利用气体排放阀进行吹扫，所以阳极气体通道内的氮的分压在燃料电池系统运行期间增加。然而，当阳极气体通道中的氮分压等于阴极通道中的氮分压时，阳极气体通道中的氮分压不再增加。也就是说，在这种无吹扫的闭端型系统中，允许一定量的氮累积在每个燃料电池中的阳极气体通道内。
在上述实施方案中，基于与燃料电池阳极的水合程度或燃料电池上的负载相关的物理量确定燃料电池的发电状态是否异常或燃料电池的发电状态是否会变得异常。因此，能够防止燃料电池的发电状态变得异常，或者可以迅速使燃料电池的发电状态正常，即使燃料电池的发电状态异常时也是如此。
Claims (22)
1.一种燃料电池系统，所述燃料电池系统具有燃料电池，阳极气体通过其供给至所述燃料电池的气体供给通道，和阳极气体通过其从所述燃料电池排出的气体排出通道，所述气体排出通道的末端基本关闭，所述燃料电池系统包括：
所述气体排出通道通过其与所述气体供给通道连通的连通通道；
用于在关闭状态和打开状态之间切换所述连通通道的连通状态的连通状态切换装置；
用于在所述连通通道打开时使气体从所述气体排出通道流到所述气体供给通道的气体流动装置；和
用于控制通过所述连通状态切换装置切换所述连通通道的连通状态的连通状态控制装置，其中
所述连通状态控制装置通常使所述连通通道保持在关闭状态，并且在满足与所述燃料电池的运行状态相关的预定条件时打开所述连通通道。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中：
所述连通状态控制装置包括用于确定所述燃料电池上的负载是否低于第一参考负载的运行区域确定装置；和
在所述燃料电池上的负载低于所述第一参考负载时，所述连通状态控制装置确定满足所述预定条件并打开所述连通通道。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中在所述燃料电池的输出电流等于或低于参考值时，所述运行区域确定装置确定所述燃料电池上的负载低于所述第一参考负载。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中：
所述连通状态控制装置包括用于测量或计算与所述燃料电池的阳极的水合程度相关的物理量并且确定所测量或计算的物理量是否表示所述阳极的水合程度低于参考值的水合程度确定装置；和
如果所测量或计算的物理量表示所述阳极的水合程度超过所述参考值，则所述连通状态控制装置打开所述连通通道。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其中：
所述物理量是所述燃料电池的电压的降低率；和
所述水合程度确定装置包括用于测量所述燃料电池的电压的降低率的装置。
6.根据权利要求4或5所述的燃料电池系统，其中：
所述物理量是所述气体排出通道中的阳极气体的湿度；和
所述水合程度确定装置包括用于测量所述气体排出通道中的阳极气体的湿度的装置。
7.根据权利要求4～6中任一项所述的燃料电池系统，其中：
所述物理量是所述燃料电池的阳极入口侧的电压和所述燃料电池的阳极出口侧的电压之间的差；和
所述水合程度确定装置包括用于测量所述燃料电池的阳极入口侧的电压和所述燃料电池的阳极出口侧的电压之间的差的装置。
8.根据权利要求4～7中任一项所述的燃料电池系统，其中：
所述物理量是所述燃料电池的运行温度；和
所述水合程度确定装置包括用于测量所述燃料电池的运行温度的装置。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的燃料电池系统，其中所述燃料电池阳极处的气流方向与所述燃料电池阴极处的气流方向相反。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的燃料电池系统，还包括：
设置在所述气体排出通道中并可操作以中断或限制所述气体排放阀的上游侧和下游侧之间的连通的气体排放阀，
其中在所述气体排放阀既没有中断也没有限制所述气体排放阀的上游侧和下游侧之间的连通时，所述连通状态控制装置使所述连通通道保持在关闭状态或限制所述连通通道中的气流。
11.根据权利要求1～10中任一项所述的燃料电池系统，还包括用于在所述连通通道打开时降低供给至所述燃料电池的阳极气体压力的阳极气体压力控制装置。
12.根据权利要求1～11中任一项所述的燃料电池系统，其中所述燃料电池具有冷却剂通过其循环的冷却剂通道。
13.根据权利要求12所述的燃料电池系统，其中所述冷却剂通道设置在所述燃料电池的阳极侧，并且所述冷却剂的流动方向与所述阳极气体的流动方向相反。
14.根据权利要求12或13所述的燃料电池系统，还包括冷却剂流量控制装置，所述冷却剂流量控制装置用于控制冷却剂的流量，使得在所述连通通道处于打开状态时所述阳极出口侧的温度比所述阳极入口侧的温度低的量大于在所述连通通道处于关闭状态时所述阳极出口侧的温度比所述阳极入口侧的温度低的量。
15.根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中在所述连通通道打开时，所述冷却剂流量控制装置增加冷却剂的流量。
16.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中：
所述连通状态控制装置包括用于确定所述燃料电池的负载当前是否高于第二参考负载的运行区域确定装置；和
如果所述燃料电池的负载当前高于所述第二参考负载，则所述连通状态控制装置确定满足所述预定条件并打开所述连通通道。
17.一种控制燃料电池系统的方法，包括：
确定燃料电池的运行状态；
在满足与所述燃料电池的运行状态有关的预定条件时，通过打开阳极气体排出通道通过其与阳极气体供给通道连通的连通通道，使从所述阳极气体排出通道排放的阳极气体循环返回到所述阳极气体供给通道；和
在不满足所述预定条件时关闭所述连通通道。
18.一种燃料电池系统，包括：
燃料电池；
阳极气体通过其供给至所述燃料电池的气体供给通道；
阳极气体通过其从所述燃料电池排出的气体排出通道，所述气体排出通道的末端基本上关闭；
所述气体排出通道通过其与所述气体供给通道连通的连通通道；
设置在所述连通通道中并可操作以中断所述阳极气体的流动的中断装置；和
控制器，所述控制器通常利用所述中断装置将所述连通通道保持在关闭状态；确定是否满足与所述燃料电池的运行状态有关的预定条件；和如果满足所述预定条件，则控制所述中断装置以将所述连通通道置于打开状态。
19.一种燃料电池系统，包括：
燃料电池；
阳极气体通过其供给至所述燃料电池的气体供给通道；
阳极气体通过其从所述燃料电池排出的气体排出通道，所述气体排出通道的末端基本上关闭；
所述气体排出通道通过其与所述气体供给通道连通的连通通道；
设置在所述连通通道、所述连通通道和所述气体排出通道之间的汇合点、和所述连通通道和所述气体供给通道之间的汇合点中的至少一个位置处的并可操作以中断阳极气体从所述气体排出通道流到所述气体供给通道的中断装置；和
控制器，所述控制器确定所述燃料电池的发电状态是否正常和所述燃料电池的发电状态是否会变得异常中的至少一项，并且如果确定所述燃料电池的发电状态异常或所述燃料电池的发电状态会变得异常，则控制所述中断装置，以使阳极气体从所述气体排出通道流到所述气体供给通道。
20.根据权利要求19所述的燃料电池系统，其中如果所述燃料电池的阳极没有充分地水合，则所述控制器确定所述燃料电池的发电状态异常。
21.根据权利要求19或20所述的燃料电池系统，其中在所述燃料电池的负载低于第一参考负载和/或在所述燃料电池的负载超过第二参考负载时，所述控制器确定所述燃料电池的发电状态异常。
22.一种控制燃料电池系统的方法，包括：
确定燃料电池的运行状态；
在满足与所述燃料电池的运行状态有关的预定条件时，通过打开阳极气体排出通道通过其与阳极气体供给通道连通的连通通道，使从所述阳极气体排出通道中排放的阳极气体循环返回到所述阳极气体供给通道；
确定所述燃料电池的发电状态是否异常和所述燃料电池的发电状态是否会变得异常中的至少一项；和
如果确定所述燃料电池的发电状态异常或所述燃料电池的发电状态会变得异常，则控制所述中断装置，以使阳极气体从所述气体排出通道流到所述气体供给通道。
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103797629A (zh) * | 2011-09-09 | 2014-05-14 | 戴姆勒股份公司 | 用于运行燃料电池系统的方法 |
| CN103872353A (zh) * | 2012-12-07 | 2014-06-18 | 财团法人工业技术研究院 | 燃料电池失效的预防装置与方法 |
| CN110021765A (zh) * | 2019-03-15 | 2019-07-16 | 深圳国氢新能源科技有限公司 | 燃料电池系统及燃料电池系统的控制方法 |
| CN113809359A (zh) * | 2021-08-16 | 2021-12-17 | 华南理工大学 | 一种质子交换膜燃料电池水管理系统及控制方法 |
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|---|---|---|---|---|
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| US20120171590A1 (en) * | 2009-09-16 | 2012-07-05 | Nissan Motor Co., Ltd. | Control device and control method for fuel cell system |
| EP2618416B1 (en) * | 2010-09-17 | 2019-01-09 | Nissan Motor Co., Ltd | Fuel cell system |
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| US12002921B2 (en) * | 2015-08-03 | 2024-06-04 | The Research Foundation For The State University Of New York | Solid-state silver-lithium / iodine dual-function battery formed via self-assembly |
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|---|---|---|---|---|
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| US6013385A (en) * | 1997-07-25 | 2000-01-11 | Emprise Corporation | Fuel cell gas management system |
| JP3659147B2 (ja) * | 2000-09-11 | 2005-06-15 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池装置 |
| US6946104B2 (en) * | 2001-07-09 | 2005-09-20 | Hydrogenics Corporation | Chemical hydride hydrogen generation system and an energy system incorporating the same |
| CN1291516C (zh) * | 2001-08-16 | 2006-12-20 | 亚太燃料电池科技股份有限公司 | 用于燃料电池的阳极气体循环系统 |
| DE10204124A1 (de) * | 2002-02-01 | 2003-08-07 | Daimler Chrysler Ag | Verfahren zum Befeuchten von Wasserstoffgas |
| JP3792625B2 (ja) * | 2002-08-21 | 2006-07-05 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池およびその運転方法 |
| US20040115491A1 (en) * | 2002-09-23 | 2004-06-17 | Hydrogenics Corporation | System and method for process gas stream delivery and regulation using open loop and closed loop control |
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| CN1532972A (zh) * | 2003-03-24 | 2004-09-29 | ��̫ȼ�ϵ�ؿƼ��ɷ�����˾ | 小功率气冷式燃料电池系统 |
| JP2005019331A (ja) | 2003-06-27 | 2005-01-20 | Ngk Spark Plug Co Ltd | 燃料電池システム |
| JP2005032652A (ja) * | 2003-07-09 | 2005-02-03 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池システム |
| JP4682512B2 (ja) | 2003-12-03 | 2011-05-11 | 株式会社デンソー | 燃料電池システム |
| JP2005129312A (ja) * | 2003-10-22 | 2005-05-19 | Denso Corp | 燃料電池の燃料供給装置 |
| JP2005302451A (ja) * | 2004-04-09 | 2005-10-27 | Toyota Motor Corp | 燃料電池システム |
| JP2005310414A (ja) * | 2004-04-16 | 2005-11-04 | Toyota Motor Corp | 燃料電池セル、及び、該燃料電池セルを備えた燃料電池システム |
| KR101248254B1 (ko) | 2004-07-20 | 2013-03-27 | 폴 슈레 앙스띠뛰 | 전기 생산 장치 |
| JP2006147150A (ja) * | 2004-11-16 | 2006-06-08 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池システム |
| JP5314828B2 (ja) * | 2005-08-03 | 2013-10-16 | セイコーインスツル株式会社 | 燃料電池システム |
| JP2007048507A (ja) * | 2005-08-08 | 2007-02-22 | Nippon Soken Inc | 燃料電池システム |
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Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103797629A (zh) * | 2011-09-09 | 2014-05-14 | 戴姆勒股份公司 | 用于运行燃料电池系统的方法 |
| CN103797629B (zh) * | 2011-09-09 | 2016-08-17 | 戴姆勒股份公司 | 用于运行燃料电池系统的方法 |
| CN103872353A (zh) * | 2012-12-07 | 2014-06-18 | 财团法人工业技术研究院 | 燃料电池失效的预防装置与方法 |
| CN103872353B (zh) * | 2012-12-07 | 2016-04-06 | 财团法人工业技术研究院 | 燃料电池失效的预防装置与方法 |
| CN110021765A (zh) * | 2019-03-15 | 2019-07-16 | 深圳国氢新能源科技有限公司 | 燃料电池系统及燃料电池系统的控制方法 |
| CN113809359A (zh) * | 2021-08-16 | 2021-12-17 | 华南理工大学 | 一种质子交换膜燃料电池水管理系统及控制方法 |
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