CN102918694A - 燃料电池系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

燃料电池系统（100）包括累计电流值测量单元（21）。累计电流值测量单元（21）通过在在负电压电池（11）的阳极中通过水分解反应产生氧气期间对燃料电池（10）输出的电流进行时间积分测量累计电流值。控制单元（20）使用氧气生成期间的累计电流值和阳极中的氧气消耗速度之间的第一对应关系和氧气生成期间的燃料电池（10）的电流密度和阳极中的氧气生成速度之间的第二对应关系来获得电流密度，并且所述控制单元致使燃料电池（10）以比所获得的电流密度低的电流密度输出电力，其中在等于或低于所获得的电流密度的条件下，阳极中的氧气量可以减少。

Description

燃料电池系统及其控制方法
发明背景
技术领域
本发明涉及一种燃料电池。
背景技术
燃料电池通常具有堆叠结构，用作发电元件的多个单电池堆叠在所述堆叠结构中。反应气体经由相应的歧管流入到用于每个单电池的气体流道中，并且被供应到每个单电池的发电部分。然而，如果部分单电池的气体流道被冻结的水分等堵塞，则供应到该部分单电池的反应气体的供应量将变得不足，因此，该部分单电池可能产生负电压。以此种方式，当燃料电池在部分单电池产生负电压的状态下继续操作时，不仅燃料电池的发电性能整体恶化，而且这些单电池的电极也将可能降级。例如，为了针对以上问题采取措施，迄今为止已经提出，如在日本专利申请公报No.2005-093111（JP-A-2005-093111）、日本专利申请公报No.2004-031232（JP-A-2004-031232）和日本专利申请公报No.2007-265929（JP-A-2007-265929）中所描述的技术、用于抑制因这种负电压所造成的燃料电池的发电性能恶化或燃料电池降级的多种技术。
发明内容
本发明提供了一种用于抑制因负电压而造成的燃料电池性能恶化和降级的技术。
本发明的第一方面涉及一种燃料电池系统，所述燃料电池系统响应外部负载的请求输出电力。所述燃料电池系统包括：燃料电池，所述燃料电池具有至少一个发电元件；控制单元，所述控制单元控制从所述燃料电池输出的电力；以及累计电流值测量单元，所述累计电流值测量单元测量通过从所述燃料电池输出的电流的时间积分获得的累计电流值，其中所述累计电流值测量单元测量氧气生成期间的累计电流值，在所述氧气生成期间，可能在所述至少一个发电元件中产生负电压，并且可能在所述至少一个发电元件的阳极中通过水分解反应产生氧气，所述控制单元预存储有：氧气消耗速度和基于所述氧气生成期间的累计电流值的预定值之间的第一对应关系，在产生负电压的所述至少一个发电元件的阳极中，氧气以所述氧气消耗速度与氢气重新结合以被消耗；以及，氧气生成速度和所述氧气生成期间的所述燃料电池的电流密度之间的第二对应关系，其中，在所述氧气生成期间，在产生负电压的所述至少一个发电元件的阳极中，氧气以所述氧气生成速度生成，并且当确定可能会在所述至少一个发电元件中产生负电压时，所述控制单元使用所述第一对应关系来获得氧气消耗速度，并且使用所述第二对应关系来获得对应于与通过所述第一对应关系获得的所述氧气消耗速度相等的氧气生成速度的电流密度，并且所述控制单元执行输出限制处理，以使所述燃料电池以比所获得的对应于所述氧气生成速度的电流密度低的电流密度输出电力。
根据以上方面，使用第一对应关系和第二对应关系，能够减小电流密度，以便减少产生负电压的至少一个发电元件的阳极中的氧气，所述氧气阻止从负电压恢复。因此，能够抑制因负电压所造成的燃料电池的性能恶化和降级。
另外，根据以上方面的燃料电池系统还可以包括负电压检测单元，所述负电压检测单元测量所述至少一个发电元件的电压，以检测所述至少一个发电元件中的负电压，其中所述累计电流值测量单元测量氧气生成期间的累计电流值，在氧气生成期间，在所述至少一个发电元件内产生负电压，并且在所述至少一个发电元件的阳极中通过水分解反应生成氧气，所述第一对应关系可以是所述氧气消耗速度和所述氧气生成期间的累计电流值之间的对应关系，其中，在产生负电压的所述至少一个发电元件的阳极中，氧气以所述氧气消耗速度与氢气重新结合以被消耗，并且当已经在所述至少一个发电元件中检测到负电压时，所述控制单元可以使用所述第一对应关系来获得对应于所述氧气生成期间的累计电流值的氧气消耗速度，并且可以使用所述第二对应关系来获得对应于与通过所述第一对应关系获得的所述氧气消耗速度相等的氧气生成速度的电流密度，并且所述控制单元可以执行输出限制处理，以使所述燃料电池以比所获得的对应于所述氧气生成速度的电流密度低的电流密度输出电力。
另外，根据以上方面的燃料电池系统还可以包括反应气体供应单元，所述反应气体供应单元向所述燃料电池供应反应气体，其中当已经在所述至少一个发电元件中检测到负电压时，所述控制单元可以在预定范围内减小所述燃料电池的电流密度，并且可以在所述电流密度减小之前和之后检测产生负电压的所述至少一个发电元件的电压变化，当所述电压变化落入预定的许可范围内时，所述控制单元可以执行所述输出限制处理，并且执行增加供应到所述燃料电池的反应气体的量的气体量增加处理；而当所述电压变化落在所述预定的许可范围之外时，所述控制单元可以执行所述气体量增加处理，而不执行所述输出限制处理。
根据以上方面，当在电流密度减小时产生负电压的至少一个发电元件的电压变化落入一范围（该范围等于在需要执行输出限制处理的预定状态下的电压变化）时，执行输出限制处理。因此，能够适当地选择并且执行用于从负电压恢复的处理。
另外，根据以上方面的燃料电池系统还可以包括控制开关，所述控制开关用于控制所述燃料电池和所述外部负载之间的电连接，其中在所述输出限制处理中，当对应于所述氧气生成速度的所述电流密度低于预设值时，所述控制单元可以中断所述外部负载和所述燃料电池之间的电连接，然后可以执行将所述燃料电池再次电连接到所述外部负载的重新连接处理，并且在所述重新连接处理中，所述控制单元可以根据所述氧气生成期间的累计电流值，设定从中断所述燃料电池和所述外部负载之间的电连接时到将所述燃料电池再次连接到所述外部负载时的间隔时间。
根据以上方面，即使当难以通过输出限制处理从负电压恢复时，也能够通过中断燃料电池和外部负载之间的电连接而从负电压恢复。然后，通过在经过适当地确定的间隔时间之后将燃料电池重新连接到外部负载，能够抑制在重新连接之后再次产生负电压。
另外，根据以上方面的燃料电池系统还可以包括负电压检测单元，所述负电压检测单元测量所述至少一个发电元件的电压，以检测所述至少一个发电元件中的负电压；和操作状态检测单元，所述操作状态检测单元包括湿度系数检测单元和操作温度测量单元中的至少一个，所述湿度系数检测单元检测所述燃料电池内部的润湿状态，所述操作温度测量单元检测所述燃料电池的操作温度，其中所述累计电流值测量单元可以测量氧气生成期间的累计电流值，在所述氧气生成期间，在所述至少一个发电元件中产生负电压，并且在所述至少一个发电元件的阳极中通过水分解反应产生氧气，所述第一对应关系可以是为所述氧气生成期间的每个累计电流值所准备的对应关系，并且可以是由所述湿度系数检测单元检测到的润湿状态和由所述操作温度测量单元检测到的操作温度中的至少一个和氧气消耗速度之间的对应关系，其中在产生负电压的所述至少一个发电元件的阳极中，氧气以所述氧气消耗速度与氢气重新结合以被消耗，并且当已经在所述至少一个发电元件中检测到负电压时，所述控制单元可以使用对应于所述氧气生成期间的累计电流值的所述第一对应关系来获得对应于由所述湿度系数检测单元检测到的润湿状态和由所述操作温度测量单元检测到的操作温度中的所述至少一个的氧气消耗速度，并且所述控制单元可以使用所述第二对应关系来获得对应于与通过所述第一对应关系获得的所述氧气消耗速度相等的氧气生成速度的电流密度，并且所述控制单元可以执行输出限制处理，以使所述燃料电池以比所获得的对应于所述氧气生成速度的电流密度低的电流密度输出电力。
根据以上方面，能够根据燃料电池内部的湿度或者燃料电池的操作温度来获得氧气消耗速度，因此能够进一步适当地减小电流密度，以便从负电压恢复。
另外，在根据以上方面的燃料电池系统中，所述累计电流值测量单元可以测量氧气生成期间的累计电流值，在所述氧气生成期间，所述燃料电池在满足预设的环境条件的状态下操作，所述预设的环境条件为在所述至少一个发电元件中产生负电压并且在所述至少一个发电元件的阳极中通过水分解反应产生氧气，所述第一对应关系可以是氧气消耗速度和所述氧气生成期间的累计电流值之间的对应关系，其中，在产生负电压的所述至少一个发电元件的阳极中，氧气以所述氧气消耗速度与氢气重新结合以被消耗，并且当所述燃料电池在所述氧气生成期间操作时，所述控制单元可以使用所述第一对应关系来获得对应于所述氧气生成期间的累计电流值的氧气消耗速度，并且可以使用所述第二对应关系来获得对应于与通过所述第一对应关系获得的所述氧气消耗速度相等的氧气生成速度的电流密度，并且所述控制单元可以执行输出限制处理，以使所述燃料电池以比所获得的对应于所述氧气生成速度的电流密度低的电流密度输出电力。
根据以上方面，当满足通过经验和实验的方式假定为极有可能发生负电压的情况的环境条件时，即使没有发生负电压也执行输出限制处理。因此，能够进一步可靠地抑制燃料电池的性能恶化和降级。
本发明的第二方面涉及一种燃料电池系统，所述燃料电池系统响应外部负载的请求输出电力。所述燃料电池系统包括：燃料电池，所述燃料电池具有至少一个发电元件；反应气体供应单元，所述反应气体供应单元向所述燃料电池供应反应气体；负电压检测单元，所述负电压检测单元检测所述至少一个发电元件中的负电压；控制单元，所述控制单元控制从所述燃料电池输出的电力；以及累计电流值测量单元，所述累计电流值测量单元测量通过从所述燃料电池输出的电流的时间积分获得的累计电流值，其中当在所述至少一个发电元件中产生负电压时，所述控制单元执行增加反应气体的供应量的恢复处理，以从所述负电压恢复，所述控制单元预存储电流密度和负电压产生期间的累计电流值之间的对应关系，在所述负电压产生期间在所述至少一个发电元件中产生所述负电压，在所述电流密度或低于所述电流密度时，所述至少一个发电元件能够通过所述恢复处理从所述负电压恢复，并且当已经在所述至少一个发电元件中检测到负电压时，所述控制单元使用所述对应关系来执行输出限制处理，以使所述燃料电池以低于或等于对应于所述负电压产生期间的累计电流值获得的电流密度的电流密度输出电力。
根据以上方面，通过使用累计电流值和准备好的对应关系，获得电流密度（在等于或者低于所述电流密度时，能够通过恢复处理从负电压恢复），并且致使燃料电池以所述电流密度产生电力，从而使得能够从负电压恢复。
本发明的第三方面涉及一种燃料电池系统，所述燃料电池系统响应外部负载的要求输出电力。所述燃料电池系统包括：燃料电池，所述燃料电池具有至少一个发电元件；负电压检测单元，所述负电压检测单元检测所述至少一个发电元件中的负电压；控制单元，所述控制单元控制从所述燃料电池输出的电力；以及累计电流值测量单元，所述累计电流值测量单元测量通过从所述燃料电池输出的电流的时间积分获得的累计电流值，其中当已经在所述至少一个发电元件中检测到负电压时，所述控制单元中断所述外部负载和所述燃料电池之间的电连接，然后执行使所述燃料电池再次电连接到所述外部负载的重新连接处理，并且在所述重新连接处理中，所述控制单元根据氧气生成期间的累计电流值，设定从中断所述燃料电池和所述外部负载之间的电连接时到使所述燃料电池再次连接到所述外部负载时的间隔时间。
根据以上方面，产生负电压的至少一个发电元件通过中断燃料电池和外部负载之间的电连接而从负电压恢复。因而，通过在经过适当地确定的间隔时间之后将燃料电池重新连接到外部负载，能够抑制在重新连接之后再次产生负电压。
本发明的第四方面涉及一种燃料电池系统，所述燃料电池系统响应外部负载的请求输出电力。所述燃料电池系统包括：燃料电池，所述燃料电池具有至少一个发电元件；负电压检测单元，所述负电压检测单元测量所述至少一个发电元件中的电压，以检测负电压；控制单元，所述控制单元控制从所述燃料电池输出的电力；以及累计电流值测量单元，所述累计电流值测量单元测量通过从所述燃料电池输出的电流的时间积分获得的累计电流值；和反应气体供应单元，所述反应气体供应单元向所述燃料电池供应反应气体；其中当已经在所述至少一个发电元件中检测到负电压时，所述控制单元在预设范围内减小所述燃料电池的电流密度，并且在所述电流密度减小之前和之后检测产生负电压的所述至少一个发电元件的电压变化，当所述电压变化落入预定的许可范围内时，所述控制单元进一步减小所述燃料电池的所述电流密度，并且增加供应到所述燃料电池的反应气体的量；而当所述电压变化落在所述预定的许可范围之外时，所述控制单元增加供应到所述燃料电池的反应气体的量，而不减小所述燃料电池的所述电流密度。
根据以上方面，根据与产生负电压的至少一个发电元件中的电流密度的减小对应的电压变化，能够适当地选择和执行用于从负电压恢复的处理。
本发明的第五方面涉及一种用于包括燃料电池的燃料电池系统的控制方法，所述燃料电池具有至少一个发电元件。所述控制方法包括：确定是否可能在所述至少一个发电元件中产生负电压；测量氧气生成期间的累计电流值，在所述氧气生成期间，可能在所述至少一个发电元件中产生负电压，并且可能在所述至少一个发电元件的阳极中通过水分解反应产生氧气；参考氧气消耗速度和基于所述氧气生成期间的累计电流值的预定值之间的预设的第一对应关系，以及参考氧气生成速度和所述氧气生成期间的所述燃料电池的电流密度之间的预设的第二对应关系，其中，在产生负电压的所述至少一个发电元件的阳极中，氧气以所述氧气消耗速度与氢气重新结合以被消耗；在所述氧气生成期间，在产生负电压的所述至少一个发电元件的阳极中以所述氧气生成速度生成氧气；以及使用所述第一对应关系获得氧气消耗速度，并且使用所述第二对应关系获得电流密度，所述电流密度对应于与通过所述第一对应关系获得的所述氧气消耗速度相等的氧气生成速度，并且执行输出限制处理，以使所述燃料电池以比所获得的对应于所述氧气生成速度的电流密度低的电流密度输出电力。
另外，在根据以上方面的控制方法中，可以使用检测单元检测所述至少一个发电元件中的负电压，所述第一对应关系可以是氧气消耗速度和所述氧气生成期间的累计电流值之间的预设的对应关系，在产生负电压的所述至少一个发电元件的阳极中，氧气以所述氧气消耗速度与氢气重新结合以被消耗，并且可以使用所述第一对应关系获得与所述氧气生成期间的累计电流值对应的氧气消耗速度，可以使用所述第二对应关系获得对应于等于通过所述第一对应关系获得的氧气消耗速度的氧气生成速度的电流密度，并且可以执行输出限制处理，以使所述燃料电池以比所获得的对应于所述氧气生成速度的电流密度低的电流密度输出电力。
另外，在根据以上方面的控制方法中，可以测量氧气生成期间的累计电流值，在所述氧气生成期间，所述燃料电池在满足预设的环境条件的状态下操作，所述预设的环境条件是在所述至少一个发电元件中产生负电压并且在所述至少一个发电元件的阳极中通过水分解反应产生氧气，所述第一对应关系可以是氧气消耗速度和所述氧气生成期间的累计电流值之间的预设的对应关系，其中在产生负电压的所述至少一个发电元件的阳极中，氧气以所述氧气消耗速度与氢气重新结合以被消耗，并且可以使用所述第一对应关系获得对应于所述氧气生成期间的累计电流值的氧气消耗速度，并且可以使用所述第二对应关系获得对应于等于通过所述第一对应关系获得的所述氧气消耗速度的氧气生成速度的电流密度，并且可以执行输出限制处理，以使所述燃料电池以比所获得的对应于所述氧气生成速度的电流密度低的电流密度输出电力。
应注意的是，可以以多种形式实施本发明的上述方面，例如，可以以例如燃料电池系统、装配有燃料电池系统的车辆、用于燃料电池系统的控制方法、用于实施这些系统、车辆和控制方法的功能的计算机程序、以及记录计算机程序的记录媒介的形式来实施。
附图说明
参照附图，将在下文中描述本发明的示例性实施例的特征、优势、和技术以及工业意义，在所述附图中，相同的附图标记指代相同的元件，并且其中：
图1是示出了根据本发明的第一实施例的燃料电池系统的构造的示意图；
图2是示出了根据本发明的第一实施例的燃料电池系统的电气构造的示意图；
图3A和图3B是用于例示对根据本发明的第一实施例的燃料电池系统的燃料电池进行输出控制的曲线图；
图4是用于例示根据本发明的第一实施例的负电压恢复处理的程序的流程图；
图5A至图5C是用于例示根据本发明的第一实施例的从因氢气供应不足而产生的负电压恢复的曲线图；
图6A至图6D是用于例示根据本发明的第一实施例的负电压电池由于电流密度的减小而从能够从负电压中恢复的原因的视图；
图7是例示根据本发明的第一实施例的电流密度减小处理的程序的流程图；
图8A和图8B是用于分别例示根据本发明的第一实施例的氧气消耗速度映射和电流密度阈值映射的曲线图；
图9是例示根据本发明的第二实施例的电流密度减小处理的程序的流程图；
图10A和图10B是用于例示根据本发明的第二实施例的氧气消耗速度映射的曲线图；
图11A和图11B是用于例示根据本发明的第二实施例的另一个构造示例的曲线图；
图12是示出了根据本发明的第三实施例的燃料电池系统的电气构造的示意图；
图13是例示根据本发明的第三实施例的重新连接处理的程序的流程图；
图14是用于例示根据本发明的第三实施例的负电压电池中电池电压随着时间的变化的曲线图；
图15是用于例示根据本发明的第三实施例的间隔时间确定映射的曲线图；
图16A和图16B是例示根据本发明的第四实施例的负电压恢复处理的程序的流程图；
图17是例示根据本发明的第四实施例的单电池中的电极电势和电流密度之间的对应关系的曲线图；
图18是用于例示根据本发明的第四实施例的在因氢气供应不足而产生负电压的负电压电池中的电池电压的变化的曲线图；以及
图19A和图19B是用于例示根据本发明的参考示例的在低温环境下的负电压电池的电池温度随着时间的变化。
具体实施方式
图1是示出了根据本发明的第一实施例的燃料电池系统的构造的示意图。燃料电池系统100包括燃料电池10、控制单元20、阴极气体供应单元30、阴极气体排出单元40、阳极气体供应单元50、阳极气体循环排出单元60和冷却剂供应单元70。
燃料电池10是聚合物电解质燃料电池，向所述聚合物电解质燃料电池供应作为反应气体的氢气（阳极气体）和空气（阴极气体）以产生电力。燃料电池10具有堆叠结构，在所述堆叠结构中，堆叠有称作单电池的多个发电元件11。每个发电元件11均包括膜电极组件（未示出）和两个隔离件（未示出）。膜电极组件是发电元件，在所述发电元件中，电极布置在电解质膜的两个表面上。膜电极组件被两个隔离件夹在中间。
在此，电解质膜可以由固态聚合物薄膜形成，所述固态聚合物薄膜在润湿状态下呈现出良好的质子导电性。另外，每个电极均可以由支撑用于促进发电反应的催化剂（例如，铂（Pt））的碳（C）和具有透气性的离子交联聚合物形成。为每个发电元件11提供用于反应气体和冷却剂的歧管（未示出）。歧管中的反应气体经由用于每个发电元件11的相应的气体流道供应到每个发电元件11的发电部分。
控制单元20由微型计算机形成，所述微型计算机包括中央处理单元和主存储器。控制单元20接收来自外部负载200的输出电力请求。响应所述请求，控制单元20控制燃料电池系统100的以下描述的控制结构单元，以使燃料电池10产生电力。
阴极气体供应单元30包括阴极气体管路31、空气压缩机32、空气流量计33、开关阀34和加湿单元35。阴极气体管路31连接到燃料电池10的阴极。空气压缩机32经由阴极气体管路31连接到燃料电池10。空气压缩机32吸入并且压缩外部空气，并且将压缩的空气作为阴极气体供应到燃料电池10。
空气流量计33在空气压缩机32的上游部分处测量由空气压缩机32吸入的外部空气的流量，然后，将测量到的流量传输到控制单元20。根据测量到的流量，控制单元20驱动空气压缩机32，来控制供应到燃料电池10的空气量。
开关阀34设置在空气压缩机32和燃料电池10之间。开关阀34响应供应的空气在阴极气体管路31中的流动而打开或关闭。具体地，开关阀34常闭，而当预定压力的空气从空气压缩机32供应到阴极气体管路31时，开关阀34打开。
加湿单元35加湿从空气压缩机32泵出的高压空气。为了保持电解质膜的润湿状态以获得有利的质子导电性，控制单元20使用加湿单元35来控制供应到燃料电池10的空气的加湿量，从而调节燃料电池10内部的润湿状态。应注意的是，可以省略加湿单元35。
阴极气体排出单元40包括阴极废气管路41、压力调节阀43和压力测量单元44。阴极废气管路41连接到燃料电池10的阴极，并且将阴极废气排出到燃料电池系统100的外部。压力调节阀43调节阴极废气管路41中的阴极废气的压力（燃料电池10的背压）。压力测量单元44设置在压力调节阀43的上游部分处。压力测量单元44测量阴极废气的压力，然后将测量到的压力传输到控制单元20。控制单元20根据由压力测量单元44测量到的压力来调节压力调节阀43的开度。
阳极气体供应单元50包括阳极气体管路51、氢气罐52、开关阀53、调节器54、喷射器55和两个压力测量单元56u和56d。氢气罐52经由阳极气体管路51连接到燃料电池10的阳极，并且将填充在罐中的氢气供应到燃料电池10。应注意的是，燃料电池系统100可以包括重整单元，所述重整单元代替氢气罐52作为氢气供应源。重整单元重整烃基燃料来产生氢气。
从上游侧（毗邻氢气罐52的一侧）将开关阀53、调节器54、第一压力测量单元56u、喷射器55以及第二压力测量单元56d按照上述顺序设置在阳极气体管路51中。开关阀53响应控制单元20的命令打开或关闭。开关阀53控制氢气从氢气罐52向喷射器55的上游侧的流动。调节器54是用于在喷射器55的上游部分处调节氢气压力的减压阀。控制单元20控制调节器54的开度。
喷射器55是电磁驱动的开关阀，所述喷射器55的阀元件根据由控制单元20设定的驱动间隔或者阀的打开持续时间而被电磁驱动。控制单元20控制喷射器55的驱动间隔或阀的打开持续时间，以便控制供应到燃料电池10的氢气的供应量。第一压力测量单元56u和第二压力测量单元56d分别测量喷射器55的上游部分处的氢气压力和喷射器55的下游部分处的氢气压力，然后将测量到的压力传输到控制单元20。控制单元20使用这些测量到的压力来确定喷射器55的驱动间隔或阀的打开持续时间。
阳极气体循环排出单元60包括阳极废气管路61、气液分离单元62、阳极气体循环管路63、氢气循环泵64、阳极排水管路65和排水阀66。阳极废气管路61将燃料电池10的阳极的出口连接到气液分离单元62。阳极废气管路61将阳极废气引导到气液分离单元62，所述阳极废气包括没有用于发电反应的未反应的气体（氢气、氮气等）。
气液分离单元62连接到阳极气体循环管路63和阳极排水管路65。气液分离单元62分离包括在阳极废气中的气体成分和水分。气液分离单元62将气体成分引导到阳极气体循环管路63，并且将水分引导到阳极排水管路65。
在喷射器55的下游部分处，阳极气体循环管路63被连接到阳极气体管路51。氢气循环泵64设置在阳极气体循环管路63中。包括在由气液分离单元62分离的气体成分中的氢气被氢气循环泵64泵送到阳极气体管路51。以此种方式，在燃料电池系统100中，包括在阳极废气中的氢气循环，并且被再次供应到燃料电池10，从而提高氢气的利用效率。
阳极排水管路65用于将由气液分离单元62分离的水分排放到燃料电池系统100的外部。排水阀66设置在阳极排水管路65中。响应控制单元20发出的命令，排水阀66打开或关闭。控制单元20在燃料电池系统100操作期间常闭排水阀66，并且在预先设定的预定排水时间或在排放包括在阳极废气中的惰性气体的时间开启排水阀66。
冷却剂供应单元70包括冷却剂管路71、散热器72、冷却剂循环泵73和两个冷却剂温度测量单元74和75。冷却剂管路71将冷却剂入口歧管连接到冷却剂出口歧管。为燃料电池10提供了冷却剂入口歧管和冷却剂出口歧管。冷却剂管路71使冷却剂循环，以冷却燃料电池10。散热器72设置在冷却剂管路71中。散热器72交换冷却剂管路71中流动的冷却剂和外部空气之间的热量，从而使冷却剂冷却。
冷却剂循环泵73在散热器72的下游部分（毗邻燃料电池10的冷却剂入口）处设置在冷却剂管路71中。冷却剂循环泵73将由散热器72冷却的冷却剂泵送到燃料电池10。在冷却剂管路71中，两个冷却剂温度测量单元74和75分别设置在燃料电池10的冷却剂出口附近和燃料电池10的冷却剂入口附近。两个冷却剂温度测量单元74和75分别将测量到的温度传输到控制单元20。控制单元20通过由两个冷却剂温度测量单元74和75测量到的相应温度的差来检测燃料电池10的操作温度，然后根据检测到的操作温度控制由冷却剂循环泵73泵送的冷却剂的数量，从而调节燃料电池10的操作温度。
图2是示出了燃料电池系统100的电气构造的示意图。燃料电池系统100包括二级电池81、直流/直流变换器82和直流/交流逆变器83。另外，燃料电池系统100包括电池电压测量单元91、电流测量单元92、阻抗测量单元93和充电状态检测单元94。
燃料电池10经由直流电源线路DCL连接到直流/交流逆变器83。二级电池81经由直流/直流变换器82连接到直流电源线路DCL。直流/交流逆变器83连接到外部负载200。应注意的是，在燃料电池系统100中，由燃料电池10和二级电池81输出的部分电力用于驱动构成燃料电池系统100的辅助设备；然而，没有示出用于辅助设备的接线并且省略了对其的描述。
二级电池81起到燃料电池10的辅助电源的作用。二级电池81可以例如由可充放电的锂离子电池形成。直流/直流变换器82起到充电/放电控制单元的作用，所述充电/放电控制单元控制二级电池81的充电/放电。响应控制单元20发出的命令，直流/直流变换器82可变化地调节直流电源线路DCL中的电压水平。如果燃料电池10输出的电力不足以满足外部负载200的输出请求，则控制单元20命令直流/直流变换器82使二级电池81放电，以补偿不足的电力。
直流/交流逆变器83将从燃料电池10和二级电池81获得的直流电力转换成交流电力，并且然后将交流电力供应到外部负载200。应注意的是，当在外部负载200中产生了再生电力时，则通过直流/交流逆变器83将再生电力转换成直流电力，然后通过直流/直流变换器82用该直流电力为二级电池81充电。
电池电压测量单元91连接到燃料电池10的每个发电元件11，以便测量每个发电元件11的电压（电池电压）。电池电压测量单元91将测量到的电池电压传输到控制单元20。应注意的是，电池电压测量单元91可以仅将测量到的电池电压中的最低电池电压传输到控制单元20。
电流测量单元92连接到直流电源线路DCL。电流测量单元92测量从燃料电池10输出的电流，然后将测量到的电流传输到控制单元20。充电状态检测单元94连接到二级电池81。充电状态检测单元94检测二级电池81的充电状态（SOC），然后将检测到的SOC传输到控制单元20。
阻抗测量单元93连接到燃料电池10。阻抗测量单元93向燃料电池10施加交流电，以测量燃料电池10的阻抗。在此，已知的是，燃料电池10的阻抗随着燃料电池10内部所存在的水分含量而发生变化。即，当提前获得燃料电池10的阻抗和燃料电池10内部的水分含量（湿度）之间的对应关系时，能够根据燃料电池10的测量到的阻抗而获得燃料电池10内部的水分含量（湿度）。
顺便提及，在根据第一实施例的燃料电池系统100中，控制单元20还起到累计电流值测量单元21的作用。累计电流值测量单元21对燃料电池10输出的由电流测量单元92测量到的电流相对于预定时段的时间进行积分，从而计算表示燃料电池10输出的电荷的累计电流值。控制单元20使用累计电流值来执行用于从产生在燃料电池10的部分发电元件11中的负电压（下文中描述）恢复的处理，并且将在稍后对其进行详细描述。
图3A和图3B是用于说明对根据第一实施例的燃料电池系统100的燃料电池10进行输出控制的曲线图。图3A是示出了燃料电池10的W-I特性的图表，其中，纵轴代表燃料电池10的电功率而横轴代表燃料电池10的电流。大体上，通过向上凸的曲线示出燃料电池的W-I特性。
图3B是示出了燃料电池10的V-I特性的曲线图，其中，纵轴代表燃料电池10的电压，而横轴代表燃料电池10的电流。大体上，通过水平S形曲线示出了燃料电池的V-I特性，所述水平S形曲线随着电流增加而下降。应注意的是，在图3A和图3B中，各曲线图的横轴相互对应。
控制单元20在存储单元（未示出）中预先存储有燃料电池10的这些W-I特性和V-I特性。控制单元20使用W-I特性来获得对于外部负载200所要求的电力Pt而言应当由燃料电池10输出的目标电流It。另外，控制单元20使用V-I特性来确定用于输出从W-I特性获得的目标电流It的燃料电池10的目标电压Vt。控制单元20将目标电压Vt设定为直流/直流变换器82中的命令值，以致使直流/直流变换器82调节直流电源线路DCL的电压。
顺便提及，如上所述，在燃料电池10中，反应气体经由歧管流入到每个发电元11的气体流道中。然而，每个发电元件11的气体流道可能被燃料电池10中产生的水分等所堵塞。如果使燃料电池10在部分发电元件11的气体流道被堵塞的状态下继续发电，则发电反应受到抑制，原因在于部分发电元件11中的反应气体供应不足。另一方面，在其它发电元件11中，发电反应继续，因此，反应气体的供应量不足的部分发电元件11作为燃料电池10中的电阻工作，从而产生负电压。在此之后，在本说明书中，产生负电压的发电元件11被称作“负电压电池11”。
已知的是，随着每个负电压电池11的负电压状态的继续，燃料电池10的发电性能恶化，并且每个负电压电池11的电极降级。因而，当在燃料电池10的发电元件11中的任意一个中产生负电压时，期望的是尽早消除产生负电压的状态。因此，在根据本实施例的燃料电池系统100中，当已经在燃料电池10的发电元件11中的任意一个中检测到负电压时，通过执行以下描述的负电压恢复处理来从负电压状态恢复。
图4是用于说明控制单元20执行的负电压恢复处理的程序的流程图。在燃料电池10开始常规操作（步骤S5）之后，当已经通过电池电压测量单元91在发电元件11中的至少一个中检测到负电压时，控制单元20开始执行步骤S20中的处理和以下步骤（步骤S10）。在步骤S20中，控制单元20致使累计电流值测量单元21开始测量在电流密度减小处理（稍后描述）中使用的累计电流值。
在此，在已经在步骤S10中检测到负电压的状态下，不能确定产生负电压的原因是由于供应到阳极的氢气不足还是由于供应到阴极的氧气不足。然后，在步骤S30中，控制单元20开始提高空气压缩机32的转速，以便增加供应到燃料电池10的空气量。如果是因为供应到阴极的氧气不足而产生负电压，则这个操作消除了负电压电池11中的空气供应不足的现象并且吹洗阴极侧的气体流道，以使得能够清除堵塞。
如果负电压电池11的电压在增加了空气的供应量之后增大，则控制单元20确定负电压电池11已经从负电压恢复，并且随后返回对燃料电池11的常规操作控制（步骤S40中的“是“）。另一方面，如果即使在空气的供应量增加的情况下负电压电池11还没有从负电压恢复，则控制单元20确定产生负电压的原因是由于氢气供应不足（步骤S40中的“否”）。
图5A是示出了在由本发明的发明人进行的实验中观察到的当因氢气供应不足而产生负电压时负电压电池11的阳极的电极电势变化的曲线图。在图5A中，实线曲线图GAP示出了阳极的电极电势随着时间的变化，其中，纵轴代表阳极的电极电势，而横轴代表时间。另外，在图5A中，虚线曲线图GV1示出了负电压电池11的电池电压随着时间的变化，其中，纵轴代表电池电压，而横轴代表时间。
在虚线曲线图GV1中，负电压在时间t1产生，并且电池电压基本竖直地减小为电压值V1。然后，在保持电压值V1附近的电压之后，电池电压在时间t2进一步基本竖直地减小为电压值V2。另一方面，在实线曲线图GAP中，随着在时间t1产生负电压，与负电压电池11的电压变化相比，负电压电池11的阳极的电势显著增加。
在此，在从时间t1到时间t2的这段时间内，在负电压电池11的阳极中，通过以下反应式（1a）表达的水分解反应（水的氧化反应）产生质子。另外，如上所述，在产生负电压时阳极电势增大的情况下，进行以下反应式（1b）表达的反应，所以催化剂被氧化，以使其钝化，并且产生质子。通过这些反应，燃料电池10能够在发电性能恶化的状态下继续操作，即使在产生负电压的状态下。
2H2O→O2+4H++e-          （1a）
Pt+2H2O→PtO2+4H++4e-    （1b）
然而，在时间t2之后，通过由以下反应式（2）表达的反应，通过氧化构成阳极的碳开始产生质子。在这种情况下，燃料电池10的发电性能显著恶化，这是因为电极部件构件降级，并且其难以恢复。以这种方式，当因氢气供应不足而产生负电压时，期望的是，将氢气供应到负电压电池11，以在时间t2之后，在负电压电池11的电池电压像电压第二次下降那样下降之前，使负电压电池11从负电压恢复。
C+2H2O→CO2+4H++4e-    （2）
然后，在步骤S50（图4），控制单元20调节喷射器55的驱动间隔或阀的打开持续时间或提高氢气循环泵64的旋转速度，以增加供应到燃料电池10的氢气的供应量，从而尝试从负电压恢复。然而，本发明的发明人发现，存在即使将氢气供应到负电压电池11，负电压电池11也不能从负电压恢复的情况。
图5B和图5C是示出了实验结果的曲线图，这些实验结果表明，存在通过增加氢气的供应量负电压电池11从负电压恢复的情况以及负电压电池1没有从负电压恢复的情况。图5B是曲线图，其示出了当在燃料电池10中发生负电压之后增加供应到燃料电池10的氢气供应量时，负电压电池11的电池电压随着时间的变化。图5B通过由本发明的发明人进行的实验获得。在图5B中，实线曲线图GV2示出了负电压电池11的电压随着时间的变化，其中，纵轴代表电池电压，而横轴代表时间。在图5B中，虚线曲线图GH1示出了氢气的化学计量比随着时间的变化，其中，纵轴代表氢气的化学计量比，而横轴代表时间。在此，“氢气的化学计量比”的意思是，供应的氢气的实际数量与针对燃料电池产生的电量理论上需要的氢气（氢气的理论消耗量）之比。
如图5B的曲线图所示，在时间t3产生负电压。然后，在增加氢气的供应量的处理之后，负电压电池11中的氢气的化学计量比在时间t4开始增大；然而，负电压电池11的电池电压仅略微增大，而没有恢复到发生负电压之前的电压水平。以此种方式，在由本发明的发明人实施的实验中，观察到存在即使负电压电池11中的氢气的化学计量比在产生负电压之后增大，负电压电池11的电池电压也没有从负电压恢复的情况。
图5C是类似于图5B的曲线图，并且示出了当在燃料电池10中产生负电压之后供应到燃料电池10的氢气量增加时，负电压电池11的电池电压随着时间的变化。在图5C中，实线曲线图GV3示出了负电压电池11的电压随着时间的变化，其中，纵轴代表电池电压，而横轴代表时间。在图5C中，虚线曲线图GH2示出了氢气的化学计量比随着时间的变化，其中，纵轴代表氢气的化学计量比，而横轴代表时间。
这里，在图5C的实验中，在负电压在时间t5产生之后，氢气的化学计量比在时间t6增大到与图5B中的氢气的化学计量比相同的水平，并且燃料电池10的电流密度减小到产生负电压之前的电流密度的大约1/10。然后，如图5C的曲线图所示，负电压电池11的电压能够恢复到产生负电压之前的电压水平。本发明的发明人从图5B和图5C的这些实验中获得以下考虑。
图6A至图6D是用于说明为什么通过减小电流密度能够使负电压电池从负电压恢复的视图。图6A至图6D是这样的视图，这些视图示意性示出了每个发电元件11的阳极的内部状态，并且示意性示出了碳原子1、支撑在碳原子1上的催化剂2和覆盖碳原子1和催化剂2的离子交联聚合物3。
图6A示出了负电压电池11的阳极的内部状态，在所述负电压电池11中，由于氢气供应不足而产生负电压。如上所述，当由于氢气供应不足而产生负电压时，通过由以上反应式（1a）表达的水分解反应产生质子和氧气。因此，当燃料电池10在产生负电压的状态下继续发电时，在催化剂2附近出现大量氧分子。
图6B示意性示出了在产生负电压之后氢气的化学计量比增大时负电压电池11的阳极的状态。随着氢气开始到达负电压电池11的阳极，氢气与阳极中产生的氧气发生反应，直到产生水为止（以下反应式（3））。另外，以上水分解反应也继续进行。
H2+1/2O2→H2O  （3）
在此，在本说明书中，通过以上水分解反应每单位时间产生的氧气量被称作“氧气生成速度”。另外，与氢气结合以在以上反应式（3）表达的形成水的反应中每单位时间消耗的氧气量被称作“氧气消耗速度”。
在氢气开始到达负电压电池11之后，当负电压电池11的阳极中的氧气生成速度高于负电压电池11的阳极中的氧气消耗速度时，在负电压电池11的阳极中，催化剂2附近的氧气量持续增加（图6C）。所以，在这种情况下，氢气难以到达催化剂2，因此水分解反应继续进行，并且负电压状态继续。
另一方面，在氢气开始到达负电压电池11之后，当负电压电池11的阳极中的氧气消耗速度高于负电压电池11的阳极中的氧气生成速度时，催化剂2附近的氧气量减少（图6D）。因此，氢气易于到达催化剂2，所以重新开始正常的发电反应。
在此，根据法拉第定律，随着燃料电池10的电流密度的增大，氧气生成速度提高。即，在图5B的实验中，可以理解的是，因为燃料电池10的电流密度较高，所以负电压电池11的阳极中的氧气生成速度高于负电压电池11的阳极中的氧气消耗速度，所以负电压电池11还没有从负电压恢复。另一方面，在图5C的实验中，可以理解的是，因为燃料电池10的电流密度较低，所以负电压电池11的阳极中的氧气生成速度低于负电压电池11的阳极中的氧气消耗速度，因此负电压电池11从负电压恢复。
然后，在根据第一实施例的燃料电池系统100中，在步骤S50（图4）中的氢气供应量增加处理之后，确定负电压电池11是否已经从负电压恢复（步骤S60）。然后，当负电压电池11已经从负电压恢复时，则重新开始对燃料电池10进行正常操作控制（步骤S5）；而当负电压电池11还没有从负电压恢复时，则执行步骤S70的电流密度减小处理。在电流密度减小处理中，获得这样的电流密度的阈值（称作“电流密度阈值”），在等于或低于所述阈值时，负电压电池11的阳极中的氧气生成速度可以相对于氧气消耗速度下降；然后，使用电流密度阈值减小燃料电池10的电流密度，从而尝试从负电压恢复。
图7是示出了步骤S70中的电流密度减小处理的程序的流程图。在步骤S110中，控制单元20获得产生负电压期间内的累计电流值，所述累计电流值通过累计电流值测量单元21测量。在此，获得累计电流值的原因如下所述。
如上所述，当由于氢气供应量不足而产生负电压时，通过水分解反应（上述反应式（1a））产生质子，并且进行催化剂的氧化反应（上述反应式（1b））。即，随着在产生负电压期间从燃料电池10输出的电荷（累计电流值）增加，催化剂的钝化程度增大，因此抑制了氢气和氧气的重新结合对氧气的消耗。因此，当事先获得产生负电压期间的累计电流值和氧气消耗速度之间的对应关系时，可以使用步骤S110中获得的累计电流值获得负电压电池11的阳极中的氧气消耗速度。
图8A是示出了用于在步骤S120中获得负电压电池11的阳极中的氧气消耗速度的氧气消耗速度映射MGV的示例的曲线图。在图8A中，当纵轴代表氧气消耗速度并且横轴代表累计电流值时，氧气消耗速度映射MGV示出为向下凸的下降曲线。例如可以根据以下实验获得设定在氧气消耗速度映射MGV中的累计电流值和氧气消耗速度之间的对应关系。
即，堵塞燃料电池10的发电元件11中的任意一个的阳极侧气体流道，以在特定的一段时间内产生负电压，然后停止发电。获得这个时间段内的累计电流值，并且通过负电压电池11产生的电量获得这个时间段内产生的氧气量。然后，开始向负电压电池11的阳极供应氢气，并且测量从开始供应氢气时到负电压电池11的阳极中的氧气分压变为零时的氧气消耗时间。在产生负电压期间的不同时间段实施上述一系列测量处理。通过这些测量结果，为每个累计电流值计算氧气消耗速度。
控制单元20在存储单元（未示出）中预先存储氧气消耗速度映射MGV。然后，在步骤S120中，控制单元20参考氧气消耗速度映射MGV，以获得对应于步骤S110中获得的累计电流值Qe的氧气消耗速度VO。
图8B是示出了为了在步骤S130中获得电流密度阈值所使用的电流密度阈值映射MTC的示例的曲线图。在图8B中，电流密度阈值映射MTC示出为成正比例的曲线图，在所述成正比例的曲线图中，氧气生成速度随着电流密度的增大而增大，其中纵轴代表氧气生成速度而横轴代表累计电流值。根据法拉第定律获得电流密度阈值映射MTC中的氧气生成速度和电流密度之间的对应关系。
控制单元20在存储单元（未示出）中预先存储电流密度阈值映射MTC。因而，在步骤S130中，控制单元20参考氧气消耗速度映射MGV以获得作为电流密度阈值imax的对应于与在先前步骤中获得的氧气消耗速度VO相等的氧气生成速度VO的电流密度。
当使燃料电池10以低于电流密度阈值imax的电流密度发电时，负电压电池11的阳极中的氧气生成速度可以相对于氧气消耗速度降低，因此，负电压电池11的阳极中产生的氧气量可以逐渐降低。因此，能够通过供应氢气从负电压恢复。
在步骤S140（图7）中，控制单元20致使燃料电池10在预设时间内以通过从电流密度阈值imax中减去一个预定值Δi（Δi＞0）获得的电流密度（imax-Δi）发电。在控制单元20执行电流密度减小处理之后，在步骤S80（图4）中，控制单元20执行关于负电压电池11是否已经从负电压恢复的确定处理。当负电压电池11已经从负电压恢复时，控制单元20重新开始对燃料电池10进行正常操作控制（步骤S5）。另外，当通过电流密度减小处理，负电压电池11还没有从负电压恢复时，控制单元20再次重复电流密度减小处理。
以此种方式，对于根据第一实施例的燃料电池系统100，当在部分发电元件11中检测到负电压时，执行用于从负电压恢复的恢复处理。另外，在恢复处理中，当即使增加氢气的供应量也没有使部分发电元件11从负电压恢复时，执行用于降低抑制从负电压中恢复的氧气的生成速度的电流密度减小处理。因此，即使在燃料电池10中产生了负电压，也能够抑制燃料电池10的恶化和燃料电池10的发电性能的降级。
图9是示出了在根据第二实施例的燃料电池系统中执行的电流密度减小处理的程序的流程图。除了增加了步骤S112之外，图9基本与图7相同。应注意的是，根据第二实施例的燃料电池系统的其它构造与根据第一实施例的燃料电池系统100的其它构造相同，并且以与在第一实施例中描述的方式（图1、图2、图4）类似的方式也执行负电压恢复处理。然而，在根据第二实施例的燃料电池系统中，燃料电池10在预设的恒定操作温度操作。
在步骤110中，测量产生负电压期间的累计电流值。在步骤S112中，控制单元20检测作为燃料电池10的操作状态的燃料电池10内部的湿度。具体地，控制单元20根据由阻抗测量单元93测量的阻抗获得燃料电池10内部的湿度。
图10A是示出了累计电流值和氧气消耗速度之间的对应关系随着燃料电池10内部的湿度变化而变化的曲线图。图10A中示出的曲线图是与图8A的曲线图类似的曲线图，并且是从内部湿度降低的燃料电池10获得的。注意到的是，在图10A的曲线图中，为了方便起见，虚线曲线图表示图8A的曲线图，而箭头表示相比于虚线曲线图的变化。
如在第一实施例中所描述的那样，在由于氢气的供应不足而产生负电压的负电压电池11的阳极中进行由上述反应式（1b）表达的催化剂的氧化反应。利用催化剂附近的水分子发生催化剂的氧化反应，因此，当包含在负电压电池11的膜电极组件中的水分含量减少时，抑制了氧化反应的进行。
即，响应燃料电池10内部的湿度，催化剂在负电压电池11的阳极中的钝化速度发生变化，因而，氧气消耗速度也相应地发生变化。另外，在根据第二实施例的燃料电池系统中，根据在步骤S110中获得的累计电流值和在步骤S112中获得的燃料电池10内部的湿度，使用准备好的映射获得适当的氧气消耗速度（步骤S120）。
图10B是示出了在根据第二实施例的燃料电池系统中控制单元20在存储单元中存储的氧气消耗速度映射MGVH的示例的曲线图。在图10B中，通过纵轴代表氧气消耗速度而横轴代表湿度的曲线图示出了氧气消耗速度映射MGVH。在第二实施例中，控制单元20具有针对每个累计电流值的氧气消耗速度映射MGVH。控制单元20选择对应于在步骤S110中获得的累计电流值的氧气消耗速度映射MGVH，然后在步骤S120中使用该氧气消耗速度映射MGVH获得对应于燃料电池10内部的湿度hFC的氧气消耗速度VO。
在步骤S130中，在第一实施例中描述的氧气消耗速度VO和电流密度阈值映射MTC（图8B）用于确定电流密度阈值imax。然后，在步骤S140中，使燃料电池10以燃料电池10的在电流密度阈值imax的基础上减小的电流密度发电。
以此种方式，对于根据第二实施例的燃料电池系统，能够根据燃料电池10内部的湿度获得另一个适当的氧气消耗速度。因此，能够进一步适当地执行电流密度减小处理，以从负电压恢复。
图11A和图11B是用于说明第二实施例的另一个构造的曲线图。应注意的是，在这种构造示例中，燃料电池系统的构造与上述第二实施例的构造（图1、图2）相同，并且可以以相似的方式执行负电压恢复处理中执行的负电压恢复处理和电流密度减小处理（图4、图9）。然而，在根据这个构造示例的燃料电池系统中，操作燃料电池10，以便将燃料电池10内部的湿度保持在恒定的预设湿度。
图11A是示出了累计电流值和氧气消耗速度之间的对应关系随着燃料电池10的操作温度的变化而变化的曲线图。图11A中示出的曲线图是与图8A的曲线图类似的曲线图，并且由操作温度降低的燃料电池10获得。应注意的是，在图11A的曲线图中，为了方便起见，虚线曲线图表示图8A的曲线图，而箭头表示相比于虚线曲线图的变化。
随着燃料电池10的操作温度的降低，在因氢气供应不足而在其中产生负电压的负电压电池11的阳极中进行的催化剂的氧化反应（反应式（1b））更为缓和地进行（阿伦纽斯方程：Arrhenius equation）。即，负电压电池11的阳极中的催化剂的活化程度根据燃料电池10的操作温度而发生变化，因此，氧气消耗速度也发生变化。
因而，在这个构造示例中，在图9的步骤S112中，替代燃料电池10内部的湿度，燃料电池10的操作温度被作为燃料电池10的操作状态检测。具体地，控制单元20根据由冷却剂供应单元70的两个冷却剂温度测量单元74和75测量的值测量燃料电池10的操作温度。然后，控制单元20使用准备好的映射，以根据在步骤S110中获得的累计电流值和在步骤S112中获得的操作温度来获得适当的氧气消耗速度（步骤S120）。
图11B是示出了在根据第二实施例的另一个构造示例的燃料电池系统中，控制单元20在存储单元中存储的氧气消耗速度映射MGVT的示例的曲线图。在图11B中，通过其纵轴代表氧气消耗速度而横轴代表操作温度的曲线图示出了氧气消耗速度映射MGVT。应注意的是，控制单元20具有针对每个累计电流值的氧气消耗速度映射MGVT。
在步骤S120中，控制单元20选择对应于在步骤S110中获得的累计电流值的氧气消耗速度映射MGVH，然后使用氧气消耗速度映射MGVT来获得对应于燃料电池10的操作温度TFC的氧气消耗速度VO。然后，在步骤S130中，控制单元20使用电流密度阈值映射MTC（图8B）来获得对应于氧气消耗速度VO的电流密度阈值。以这种方式，即使当如在根据燃料电池10内部的湿度获得氧气消耗速度的情况中那样根据燃料电池10的操作温度获得氧气消耗速度时，也能够进一步适当地获得氧气消耗速度。
应注意的是，当燃料电池系统在操作燃料电池10时执行用于改变燃料电池10内部的润湿状态以及改变燃料电池10的操作温度的控制时，控制单元20可以构造成根据检测到的燃料电池10内部的湿度和检测到的操作温度来获得氧气消耗速度。在这种情况下，适当的是，控制单元20在存储单元中预先存储了表示针对检测到的燃料电池10内部的湿度和检测到的操作温度的每个组合的累积电流值和氧气消耗速度之间的对应关系的氧气消耗速度映射MGV，然后使用这些映射获得氧气消耗速度。
图12是示出了根据本发明的第三实施例的燃料电池系统100B的电气构造的示意性视图。除了控制单元20包括重新连接处理单元22且双位开关84设置在直流电源线路DCL上之外，图12与图2基本相同。应注意的是，根据第三实施例的燃料电池系统100B的其它构造与根据第一实施例的燃料电池系统100的构造基本相同。另外，根据第三实施例的燃料电池系统100B执行与由根据第一实施例的燃料电池系统100执行的负电压恢复处理（图4、图7）类似的负电压恢复处理。
在根据第三实施例的燃料电池系统100B中，当在负电压恢复处理中负电压电池11没有从负电压恢复并且可能发生燃料电池10的降级时，重新连接处理单元22执行重新连接处理（稍后描述），从而尝试从负电压恢复。双位开关84响应重新连接处理单元22发出的命令断开或闭合。双位开关84接通或切断燃料电池10和外部负载200之间的电连接。
图13是示出了在根据第三实施例的燃料电池系统100B中通过重新连接处理单元22执行的重新连接处理的程序的流程图。当电流密度阈值imax小于或等于电流密度减小处理（图7）的步骤S120中的预定阈值时，执行重新连接处理，以避免负电压电池11的阳极降级。应注意的是，适当的是，在即使重复执行电流密度减小处理预定次数后负电压电池11还没有从负电压恢复时，可以在负电压恢复处理（图4）的步骤S80中执行重新连接处理。
在步骤S210中，重新连接处理单元22断开双位开关84，以中断燃料电池10和外部负载200之间的电连接。应注意的是，在这个步骤以及后续步骤中，由二级电池81向外部负载200供应电力。在步骤S220中，重新连接处理单元22从累计电流值测量单元21获得从在负电压恢复处理（图4）中开始步骤S20的测量时到在燃料电池10在重新连接处理（图13）的步骤S210中与外部负载200中断电连接时的时间段内的累计电流值。然后，在步骤S230中，根据累计电流值确定一直到燃料电池10再次连接到外部负载200的间隔时间。
图14是示出了在由本发明的发明人实施的实验中观察到的负电压电池11的电池电压随着时间的变化的曲线图，其中，纵轴代表电池电压而横轴代表时间。在这个实验中，燃料电池10的发电元件11中的任何一个的阳极侧的气体流道被堵塞以产生负电压，然后使燃料电池10以这种状态继续发电。然后，在负电压状态下，在增加氢气供应量的同时，重复两次燃料电池10和外部负载200之间的电连接的中断和重新连接。
当在时间t1实施第一次中断时，负电压电池11的电池电压恢复到发生负电压之前的水平。然后，当在时间间隔ΔT1之后的时间t2将燃料电池10重新电连接到外部负载200时，负电压电池11的电池电压立即急剧减小到负电压的初始水平。
之后，在时间t3实施第二次中断。同样，通过这次中断，负电压电池11的电池电压恢复到发生负电压之前的水平。然后，在长于先前的时间间隔ΔT1的时间间隔ΔT2之后的时间t4，燃料电池10被重新电连接到外部负载200。重新连接之后的电池电压在重新连接时略微下降，但是立即恢复到发生负电压之前的水平。
以此种方式，当因氢气供应不足产生负电压时，立刻中断燃料电池10与外部负载200之间的电连接，从而使得能够将负电压电池11的电压恢复到发生负电压之前的电压。另外，燃料电池10和外部负载200之间的电连接中断的持续时间被保持在一定范围，然后重新连接电连接，从而使得能够抑制在重新连接之后回到负电压状态。
在此，本发明的发明人发现，期望的是，根据产生负电压期间的累计电流值设定中断燃料电池10和外部负载200之间的电连接到重新连接之间的间隔时间。如上所述，在因氢气供应不足而产生负电压期间，在负电压电池11的阳极中产生对应于在此期间由燃料电池10输出的电荷的氧气量（上述反应式（1a））。通过根据在产生负电压期间的累计电流值设置间隔时间，通过在该间隔时间内与氢气重新结合反应（反应式（3））进一步可靠地消耗存在于阳极中的氧气。
图15是示出了在步骤S230中在确定间隔时间的处理中使用的间隔时间确定映射MIT的示例的曲线图。当纵轴代表间隔时间而横轴代表累计电流值时，间隔时间确定映射MIT示出为向下凸的上升曲线。根据在产生负电压期间在负电压电池11的阳极中产生的氧气量来设定在间隔时间确定映射MIT中设定的时间间隔和累计电流值的对应关系。重新连接处理单元22使用间隔时间确定映射MIT来获得针对步骤S220中获得的累计电流值Qe的间隔时间Ti。
在步骤S240中，控制单元20等待直到经过了步骤S230中所获得的间隔时间Ti为止。应注意的是，在执行重新连接处理之前，在负电压恢复处理的步骤S50（图4）中增加了供应到燃料电池10的氢气供应量，因此，在间隔时间Ti期间，在负电压电池11的阳极中产生的氧气重新与氢气结合以被消耗。
在步骤S250中，燃料电池10被重新电连接到外部负载200，以重新开始通过燃料电池10输出电力。在步骤S260中，确定负电压电池11是否已经从负电压恢复。当负电压电池11已经从负电压恢复时，处理返回到燃料电池10的正常操作控制（图4：步骤S5）。然后，当负电压电池11还没有从负电压恢复时，在步骤S220中再次获得累计电流值，然后在步骤S230中再次获得间隔时间。应注意的是，在确定间隔时间的第二次以及后续处理中（步骤S230），期望的是通过从使用间隔时间确定映射MIT获得的间隔时间中减去在先前处理中获得的间隔时间来设定间隔时间。
以此种方式，对于根据第三实施例的燃料电池系统100B，在燃料电池10和外部负载200之间的电连接被中断的间隔时间期间，由于因氢气供应不足产生的负电压而在负电压电池11的阳极中产生的氧气被消耗。因此，可以使燃料电池10能够进一步可靠地从负电压恢复，所以能够抑制燃料电池10的降级和燃料电池10的发电性能的恶化。
图16A和图16B是示出了在根据本发明的第四实施例的燃料电池系统中执行的负电压恢复处理的程序的流程图。除了省略了步骤S50和增加了步骤S52、S65、S66、S72和S82之外，图16A和图16B与图4基本相同。应注意的是，根据第四实施例的燃料电池系统的构造与根据第三实施例的燃料电池系统100B的构造（图1、图12）相似。
在此，如在图6A至图6D中所描述的那样，当因氢气供应不足产生负电压时，存在当将氢气供应到负电压电池11时负电压电池11能够从负电压恢复的情况（图6D）和负电压电池11不能从负电压恢复的情况（图6C）。在根据第四实施例的负电压恢复处理中，通过步骤S52至S65的处理确定负电压电池11的阳极的状态是否是负电压电池11能够通过供应氢气从负电压恢复的状态。
图17是当纵轴代表电流密度而横轴代表电极电势时示出了每个发电元件11中的电极电势和电流密度之间的对应关系的曲线图。在图17中，通过实线曲线图EP1示出了负电压电池11的电极电势和电流密度之间的对应关系，其中，在阳极中进行水分解反应（上述反应式（1a））。实线曲线图EP1大体呈U状，在纸张左侧示出了阴极的电极电势，而在纸张的右侧示出了阳极的电极电势。
另外，图17通过点划线曲线图EP2示出了在阳极中发生作为发电反应的氢气氧化反应（以下反应式（4））的情况下的负电压电池11的阳极的对应关系。点划线曲线图EP2示出为在纸张上位于实线曲线图EP1左侧上的基本竖直向上倾斜的曲线图。应注意的是，与由曲线图EP2示出的阳极相对应的阴极的电极电势和电流密度之间的对应关系，与在实线曲线图EP1中示出了阴极的电极电势和电流密度之间的对应关系的曲线图相同。
H2→2H++2e-  （4）
在此，在实线曲线图EP1中，当燃料电池10的电流密度是i1时，负电压电池11的电压值Ei1可以获得为针对电流密度i1的阳极的电极电势EA1和阴极的电极电势EC1之间的差（Ei1=EA1-EC1）。另外，当燃料电池10的电流密度为i2（il＞i2）时，类似地获得负电压电池11的电压值Ei2（Ei2=EA2-EC2）。
图18是示出了当将氢气供应到因氢气供应不足而产生负电压的负电压电池11且燃料电池10的电流密度减小时电池电压变化的曲线图。在图18中，实线曲线图Ga示出了当通过供应氢气负电压电池11还没有从负电压恢复时的电池电压的变化，其中，纵轴代表电池电压，而横轴代表时间。另外，作为对比示例，虚线曲线图Gb示出了当通过供应氢气负电压电池11已经从负电压恢复时的电池电压的变化。
在实线曲线图Ga中，在时间t1发生负电压，然后，氢气的化学计量比增大，并且在时间t2电流密度从i1减小到i2，结果，电压略微上升。获得实线曲线图Ga时的电极电势和电流密度之间的对应关系与当获得图17的实线曲线图EP1的电极电势和电流密度之间的对应关系相似，并且时间t2的电池电压的增量ΔE对应于图17的曲线图中的两个电压值Ei1和Ei2之间的差（EA1-EA2+EC2-EC1）。应注意的是，电压的增量ΔE对应于反应过电势。
在此，当即使向负电压电池11供应氢气并且在负电压电池11的阳极中持续进行水分解反应，负电压电池11仍还没有从负电压恢复时，负电压电池11的电极电势和电流密度之间的对应关系示出为图17的实线曲线图EP1。因而，这时，当燃料电池10的电流密度从预定的第一值减小到预定的第二值时，负电压电池11的电池电压的变化（反应过电势）可以基本恒定。
然而，当在负电压电池11的阳极中氢气氧化反应作为发电反应重新开始时，即使燃料电池10的电流密度类似地减小时，发生电极电势的不同变化和电池电压的不同变化（图17的曲线图EP2，图18的曲线图Gb）。因此，在这种情况下，不能获得与在负电压电池11的阳极中持续进行的水分解反应时的反应过电势类似的反应过电势。
即，能够根据在电流密度减小预定值时负电压电池11的电池电压的变化，确定在负电压电池11的阳极中是正在发生水分解反应还是正在发生氢气氧化反应。更为具体地，在负电压电池11的阳极中正在持续进行水分解反应时，在预定范围内减小电流密度，然后事先记录测量到的反应过电势（对应于图17中的两个电压值Ei1和Ei2之间的差）。然后，当在燃料电池10中检测到负电压时，电流密度减小预定值，然后将记录的反应过电势与那时的负电压电池11的电池电压的变化（图18中的ΔE）相比较，从而使得能够确定在负电压电池11的阳极中进行的反应。
在根据第四实施例的燃料电池系统中，在步骤S52中（图16B），燃料电池10的电流密度从预定的第一值减小到预定的第二值，并且测量负电压电池11的电池电压的变化。然后，在步骤S60中，确定是否通过在步骤S52中减小电流密度而使得负电压电池11已经从负电压恢复。在步骤S60中，当负电压电池11已经从负电压恢复时，直接重新开始对燃料电池10的正常操作控制。当负电压电池11还没有从负电压恢复时，使用在步骤S52中获得的电池电压变化在步骤S65中进行用于识别在阳极中进行的反应的确定。
即，当电池电压的变化落入事先获得的预定的许可范围内时，确定负电压电池11的阳极处于进行水分解反应的“第一状态”。在此，“预定的许可范围”是接近负电压电池11的电压变化的数值范围，其通过在负电压电池11的阳极中持续进行水分解反应的同时将电流密度从预定的第一值减小到预定的第二值而获得。另一方面，当电池电压的变化落在预定的许可范围之外时，确定负电压电池11的阳极处于发生氢气氧化反应的“第二状态”。
在步骤S65中，当确定负电压电池11的阳极处于第一状态时，仅通过增加氢气的供应量，负电压电池11可能无法从负电压恢复。因此，在这种情况下，在步骤S66中，增加供应到燃料电池10的氢气的供应量并且执行步骤S70的电流密度减小处理（图7），然后，重复电流密度减小处理，直到负电压电池11从负电压恢复（步骤S80）。
另一方面，在步骤S65中，当确定负电压电池11的阳极处于第二状态时，负电压电池11可以仅通过增加氢气的供应量而从负电压中恢复。因此，在步骤S72中，增加供应到燃料电池10的氢气的供应量。然后，重复步骤S72，直到负电压电池11从负电压恢复（步骤S82）。应注意的是，当在步骤S80或S82中确定负电压电池11没有从负电压中恢复预定次数时，执行在第三实施例中描述的重新连接处理（图13），以使负电压电池11从负电压恢复。
以此种方式，对于根据第四实施例的燃料电池系统，能够通过电流密度减小时负电压电池11的电池电压的变化识别负电压电池11的阳极中进行的反应。因此，能够响应负电压电池11的阳极中的状态适当地执行用于从负电压恢复的处理。
应注意的是，在诸如零度以下的低温环境条件下，可以以最大的旋转速度驱动氢气循环泵64等，以快速地使燃料电池10升温。在这种情况下，难以进一步增加氢气的供应量，并且与另一个实施例的情况一样，在增加氢气的供应量之后负电压电池11还没有从负电压恢复的情况下，难以确定是因为氢气供应不足而产生负电压。然而，与第四实施例的情况一样，当使用减小电流密度时的负电压电池11的电压变化识别负电压电池11的阳极的状态时，可以省略上述确定，并且能够适当地执行用于从负电压恢复的处理。
图19A和图19B是作为本发明的示例的由本发明的发明人实施的实验的结果的曲线图。图19A和图19B是示出了当使燃料电池中的单电池中的一个在零度以下的低温环境下产生负电压时燃料电池的电流密度随着时间的变化以及负压电池的温度（电池温度）随着时间的变化。图19A示出了燃料电池输出的电力被限制为基本恒定的低电流密度的情况。图19B示出了电流密度逐渐增加的情况。应注意的是，图19A和图19B的纵轴和横轴中的每一个的比例都彼此相等。
在此，因为保留在设置在部分单电池中的反应气体流道中的水分在低温环境中冻结并且继而堵塞气体流道，所以可能在燃料电池的部分单电池中发生负电压。在这种情况下，期望的是升高燃料电池的温度，以解冻气体流道中冻结的水分，消除不足的反应气体供应，从而从负电压恢复。
如图19A和图19B中的曲线图所示，与使燃料电池以高于恒定的低电流密度的电流密度输出电力相比，使燃料电池以该恒定的低电流密度输出电力时，电池温度的升高更为缓和。因此，当产生负电压时，期望地使燃料电池以尽可能高的电流密度输出电力，从而在短时间内升高燃料电池的操作温度。
在在上述实施例中描述的在产生负电压时的电流密度减小处理中，获得电流密度阈值imax（在等于或者低于所述电流密度阈值imax时可以减少负电压电池11的阳极中存在的氧气量），然后电流密度从电流密度阈值imax逐渐减小，从而尝试从负电压恢复。因此，为了从负电压恢复，可以抑制燃料电池的电流密度的过分减小。因此，与以预设的恒定的低电流密度操作燃料电池以从负电压恢复的情况相比，能够在短时间内升高燃料电池的温度，所以能够在低温环境下更加可靠地从负电压恢复。
应注意的是，本发明的方面并不局限于以上示例或实施例；在不背离本发明的范围的前提下，可以以各种形式实施本发明的上述方面。例如，下面的替代性实施例是可能的。
（第一替代性实施例）
在上述实施例中，控制单元20在存储单元中存储作为累计电流值和氧气消耗速度之间的对应关系的氧气消耗速度映射MGV，并且在存储单元中存储作为电流密度和氧气生成速度之间的对应关系的电流密度映射MTC。然而，这些对应关系不需要存储为映射；替代地，例如，这些对应关系可以存储为算术表达式或函数。应注意的是，这同样适用于上述实施例中描述的各种映射。
（第二替代性实施例）
在上述实施例中，电池电压测量单元91测量燃料电池10的所有发电元件11的电压，从而检测负电压。然而，电池电压测量单元91不需要测量所有发电元件11的电压；电池电压测量单元91只需要测量发电元件11中的至少一个的电压，从而检测负电压。例如，已知的是，极有可能的是在布置在燃料电池10的端部部分处的发电元件11发生负电压，在端部部分处的所述发电元件11中操作温度在多个发电元件11中趋于最低。因而，电池电压测量单元91可以仅测量布置在端部部分处的发电元件11的电压，以检测负电压。
（第三替代性实施例）
在第一实施例中，控制单元20使用氧气消耗速度映射MGV和电流密度阈值映射MTC来确定电流密度阈值imax，以便减少存在于负电压电池11的阳极中的氧气。替代地，控制单元20可以使用表示累计电流值和电流密度之间的对应关系的单个映射来获得针对在产生负电压期间的累计电流值的电流密度阈值，所述单个映射是氧气消耗速度映射MGV和电流密度阈值映射MTC的组合。
另外，替代氧气消耗速度映射MGV和电流密度阈值映射MTC，控制单元20可以在存储单元中预先存储产生负电压期间的累计电流值和电流密度（在等于或低于所述电流密度时，负电压电池11可以通过增加氢气的供应量而从负电压中恢复）之间的对应关系，然后可以使用所述对应关系来执行输出限制处理，在所述输出限制处理中，致使燃料电池10以这样的电流密度输出电力，所述电流密度低于或等于针对在产生负电压期间内的累计电流值获得的电流密度。
（第四替代性实施例）
在第二实施例或第二实施例的另一个构造示例中，控制单元20在存储单元中存储对应于每个累计电流值的氧气消耗速度映射MGVH或MGVT，并且使用氧气消耗速度映射MGVH或MGVT。替代地，适当的是，控制单元20在存储单元中预先存储对应于燃料电池10内部的每个湿度或燃料电池10的每个操作温度的氧气消耗速度映射MGV，然后从这些映射中选择并且使用对应于检测到的燃料电池10内部的湿度或检测到的燃料电池10的操作温度的一个映射。
（第五替代性实施例）
在第三实施例中，当在电流密度减小处理中难以从负电压恢复时，执行重新连接处理。替代地，当已经检测到负电压时，可以在另一个时机执行重新连接处理。例如，可以在检测到负电压之后立即执行重新连接处理，或者可以在检测到负电压之后并且当即使增加氢气的供应量负电压电池11仍然没有从负电压恢复时执行重新连接处理。
（第六替代性实施例）
在第四实施例中，当确定水分解反应进行以在负电压电池11的阳极中产生氧气时，执行在第一实施例中描述的电流密度减小处理（图16A和图16B）。替代地，当确定水分解反应进行以在负电压电池11的阳极中产生氧气时，可以在另一个程序中执行减小燃料电池10的电流密度的处理而非所述电流密度减小处理。
（第七替代性实施例）
在上述实施例中，燃料电池10的电流密度和氧气生成速度之间的对应关系设定在电流密度阈值映射MTC中。替代地，可以将燃料电池10的电流值（替代电流密度）和氧气生成速度之间的对应关系设定在电流密度阈值映射MTC中。燃料电池10的电流值通过使电流密度乘以电极的面积得到，因此，燃料电池10的电流值和燃料电池10的氧气生成速度之间的对应关系也可以看作是燃料电池10的电流密度和燃料电池10的氧气生成速度之间的一种类型的对应关系。应注意的是，在上述实施例中，由控制单元20执行的对燃料电池10的电流密度的控制可以解读为对燃料电池10的电流值的控制。
（第八替代性实施例）
在上述实施例中，在燃料电池系统100和燃料电池系统100B中，当在增加阴极气体的供应量之后负电压电池11还没有从负电压恢复时，确定因氢气供应不足而产生了负电压，然后执行电流密度减小处理或用于识别在负电压电池11的阳极中正在发生的反应的确定处理。替代地，可以在检测到负电压之后，并且在不执行通过增加阴极气体的供应量而从负电压恢复的恢复处理的条件下，开始电流密度减小处理或用于识别在阳极中正发生的反应的确定处理。
（第九替代性实施例）
在上述实施例中，在燃料电池系统100和100B中，当已经检测到负电压时，执行用于从负电压恢复的恢复处理，并且在恢复处理中，执行电流密度减小处理。替代地，适当的是，在燃料电池系统100和100B中，当即使没有检测到负电压，但仍然满足表示存在产生负电压的可能性的预设的环境条件时，确定产生了负电压，然后执行电流密度减小处理。例如，在外部空气温度等于或低于零度时，当燃料电池10的温度是接近等于或低于零度的温度时等等，可以执行电流密度减小处理。
已经参照仅为说明目的的示例性实施例描述了本发明。应当理解的是，本说明书并不旨在是详尽的或旨在限制本发明的形式，本发明可以适用于其它系统和用途。本发明的范围涵盖可以由本领域中的技术人员想到的各种修改方案和等同布置方案。

Claims (12)

1.一种燃料电池系统，所述燃料电池系统响应外部负载的请求输出电力，其特征在于，所述燃料电池系统包括：
燃料电池，所述燃料电池具有至少一个发电元件；
控制单元，所述控制单元控制从所述燃料电池输出的电力；以及
累计电流值测量单元，所述累计电流值测量单元测量通过从所述燃料电池输出的电流的时间积分获得的累计电流值，其中
所述累计电流值测量单元测量氧气生成期间的累计电流值，在所述氧气生成期间，可能在所述至少一个发电元件中产生负电压，并且可能在所述至少一个发电元件的阳极中通过水分解反应产生氧气，
所述控制单元预存储有：氧气消耗速度和基于所述氧气生成期间的累计电流值的预定值之间的第一对应关系，在产生负电压的所述至少一个发电元件的阳极中，氧气以所述氧气消耗速度与氢气重新结合以被消耗；以及，氧气生成速度和所述氧气生成期间的所述燃料电池的电流密度之间的第二对应关系，其中，在所述氧气生成期间，在产生负电压的所述至少一个发电元件的阳极中，氧气以所述氧气生成速度生成，并且
当确定可能会在所述至少一个发电元件中产生负电压时，所述控制单元使用所述第一对应关系来获得氧气消耗速度，并且使用所述第二对应关系来获得对应于与通过所述第一对应关系获得的所述氧气消耗速度相等的氧气生成速度的电流密度，并且所述控制单元执行输出限制处理，以使所述燃料电池以比所获得的对应于所述氧气生成速度的电流密度低的电流密度输出电力。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，所述燃料电池系统还包括：
负电压检测单元，所述负电压检测单元测量所述至少一个发电元件的电压，以检测所述至少一个发电元件中的负电压，其中
所述累计电流值测量单元测量氧气生成期间的累计电流值，在氧气生成期间，在所述至少一个发电元件内产生负电压，并且在所述至少一个发电元件的阳极中通过水分解反应生成氧气，
所述第一对应关系是所述氧气消耗速度和所述氧气生成期间的累计电流值之间的对应关系，其中，在产生负电压的所述至少一个发电元件的阳极中，氧气以所述氧气消耗速度与氢气重新结合以被消耗，并且
当已经在所述至少一个发电元件中检测到负电压时，所述控制单元使用所述第一对应关系来获得对应于所述氧气生成期间的累计电流值的氧气消耗速度，并且使用所述第二对应关系来获得对应于与通过所述第一对应关系获得的所述氧气消耗速度相等的氧气生成速度的电流密度，并且所述控制单元执行输出限制处理，以使所述燃料电池以比所获得的对应于所述氧气生成速度的电流密度低的电流密度输出电力。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，所述燃料电池系统还包括：
反应气体供应单元，所述反应气体供应单元向所述燃料电池供应反应气体，其中
当已经在所述至少一个发电元件中检测到负电压时，所述控制单元在预定范围内减小所述燃料电池的电流密度，并且在所述电流密度减小之前和之后检测产生负电压的所述至少一个发电元件的电压变化，当所述电压变化落入预定的许可范围内时，所述控制单元执行所述输出限制处理，并且执行增加供应到所述燃料电池的反应气体的量的气体量增加处理；而当所述电压变化落在所述预定的许可范围之外时，所述控制单元执行所述气体量增加处理，而不执行所述输出限制处理。
4.根据权利要求2或3所述的燃料电池系统，所述燃料电池系统还包括：
控制开关，所述控制开关用于控制所述燃料电池和所述外部负载之间的电连接，其中
在所述输出限制处理中，当对应于所述氧气生成速度的所述电流密度低于预设值时，所述控制单元中断所述外部负载和所述燃料电池之间的电连接，然后执行将所述燃料电池再次电连接到所述外部负载的重新连接处理，并且
在所述重新连接处理中，所述控制单元根据所述氧气生成期间的累计电流值，设定从中断所述燃料电池和所述外部负载之间的电连接时到将所述燃料电池再次连接到所述外部负载时的间隔时间。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，所述燃料电池系统还包括：
负电压检测单元，所述负电压检测单元测量所述至少一个发电元件的电压，以检测所述至少一个发电元件中的负电压；和
操作状态检测单元，所述操作状态检测单元包括湿度系数检测单元和操作温度测量单元中的至少一个，所述湿度系数检测单元检测所述燃料电池内部的润湿状态，所述操作温度测量单元检测所述燃料电池的操作温度，其中
所述累计电流值测量单元测量氧气生成期间的累计电流值，在所述氧气生成期间，在所述至少一个发电元件中产生负电压，并且在所述至少一个发电元件的阳极中通过水分解反应产生氧气，
所述第一对应关系是为所述氧气生成期间的每个累计电流值所准备的对应关系，并且是由所述湿度系数检测单元检测到的润湿状态和由所述操作温度测量单元检测到的操作温度中的至少一个和氧气消耗速度之间的对应关系，其中在产生负电压的所述至少一个发电元件的阳极中，氧气以所述氧气消耗速度与氢气重新结合以被消耗，并且
当已经在所述至少一个发电元件中检测到负电压时，所述控制单元使用对应于所述氧气生成期间的累计电流值的所述第一对应关系来获得对应于由所述湿度系数检测单元检测到的润湿状态和由所述操作温度测量单元检测到的操作温度中的所述至少一个的氧气消耗速度，并且所述控制单元使用所述第二对应关系来获得对应于与通过所述第一对应关系获得的所述氧气消耗速度相等的氧气生成速度的电流密度，并且所述控制单元执行输出限制处理，以使所述燃料电池以比所获得的对应于所述氧气生成速度的电流密度低的电流密度输出电力。
6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中
所述累计电流值测量单元测量氧气生成期间的累计电流值，在所述氧气生成期间，所述燃料电池在满足预设的环境条件的状态下操作，所述预设的环境条件为在所述至少一个发电元件中产生负电压并且在所述至少一个发电元件的阳极中通过水分解反应产生氧气，
所述第一对应关系是氧气消耗速度和所述氧气生成期间的累计电流值之间的对应关系，其中，在产生负电压的所述至少一个发电元件的阳极中，氧气以所述氧气消耗速度与氢气重新结合以被消耗，并且
当所述燃料电池在所述氧气生成期间操作时，所述控制单元使用所述第一对应关系来获得对应于所述氧气生成期间的累计电流值的氧气消耗速度，并且使用所述第二对应关系来获得对应于与通过所述第一对应关系获得的所述氧气消耗速度相等的氧气生成速度的电流密度，并且所述控制单元执行输出限制处理，以使所述燃料电池以比所获得的对应于所述氧气生成速度的电流密度低的电流密度输出电力。
7.一种燃料电池系统，所述燃料电池系统响应外部负载的请求输出电力，其特征在于，所述燃料电池系统包括：
燃料电池，所述燃料电池具有至少一个发电元件；
反应气体供应单元，所述反应气体供应单元向所述燃料电池供应反应气体；
负电压检测单元，所述负电压检测单元检测所述至少一个发电元件中的负电压；
控制单元，所述控制单元控制从所述燃料电池输出的电力；以及
累计电流值测量单元，所述累计电流值测量单元测量通过从所述燃料电池输出的电流的时间积分获得的累计电流值，其中
当在所述至少一个发电元件中产生负电压时，所述控制单元执行增加反应气体的供应量的恢复处理，以从所述负电压恢复，
所述控制单元预存储电流密度和负电压产生期间的累计电流值之间的对应关系，在所述负电压产生期间在所述至少一个发电元件中产生所述负电压，在所述电流密度或低于所述电流密度时，所述至少一个发电元件能够通过所述恢复处理从所述负电压恢复，并且
当已经在所述至少一个发电元件中检测到负电压时，所述控制单元使用所述对应关系来执行输出限制处理，以使所述燃料电池以低于或等于对应于所述负电压产生期间的累计电流值获得的电流密度的电流密度输出电力。
8.一种燃料电池系统，所述燃料电池系统响应外部负载的请求输出电力，其特征在于，所述燃料电池系统包括：
燃料电池，所述燃料电池具有至少一个发电元件；
负电压检测单元，所述负电压检测单元检测所述至少一个发电元件中的负电压；
控制单元，所述控制单元控制从所述燃料电池输出的电力；以及
累计电流值测量单元，所述累计电流值测量单元测量通过从所述燃料电池输出的电流的时间积分获得的累计电流值，其中
当已经在所述至少一个发电元件中检测到负电压时，所述控制单元中断所述外部负载和所述燃料电池之间的电连接，然后执行使所述燃料电池再次电连接到所述外部负载的重新连接处理，并且
在所述重新连接处理中，所述控制单元根据氧气生成期间的累计电流值，设定从中断所述燃料电池和所述外部负载之间的电连接时到使所述燃料电池再次连接到所述外部负载时的间隔时间，其中在所述氧气生成期间，在所述至少一个发电元件中产生负电压，并且在所述至少一个发电元件的阳极中通过水分解反应产生氧气。
9.一种燃料电池系统，所述燃料电池系统响应外部负载的请求输出电力，其特征在于，所述燃料电池系统包括：
燃料电池，所述燃料电池具有至少一个发电元件；
负电压检测单元，所述负电压检测单元测量所述至少一个发电元件中的电压，以检测负电压；
控制单元，所述控制单元控制从所述燃料电池输出的电力；以及
累计电流值测量单元，所述累计电流值测量单元测量通过从所述燃料电池输出的电流的时间积分获得的累计电流值；和
反应气体供应单元，所述反应气体供应单元向所述燃料电池供应反应气体；其中
当已经在所述至少一个发电元件中检测到负电压时，所述控制单元在预设范围内减小所述燃料电池的电流密度，并且在所述电流密度减小之前和之后检测产生负电压的所述至少一个发电元件的电压变化，当所述电压变化落入预定的许可范围内时，所述控制单元进一步减小所述燃料电池的所述电流密度，并且增加供应到所述燃料电池的反应气体的量；而当所述电压变化落在所述预定的许可范围之外时，所述控制单元增加供应到所述燃料电池的反应气体的量，而不减小所述燃料电池的所述电流密度。
10.一种用于燃料电池系统的控制方法，所述燃料电池系统具有燃料电池，所述燃料电池具有至少一个发电元件，其特征在于，所述控制方法包括：
确定是否可能在所述至少一个发电元件中产生负电压；
测量氧气生成期间的累计电流值，在所述氧气生成期间，可能在所述至少一个发电元件中产生负电压，并且可能在所述至少一个发电元件的阳极中通过水分解反应产生氧气；
参考氧气消耗速度和基于所述氧气生成期间的累计电流值的预定值之间的预设的第一对应关系，以及参考氧气生成速度和所述氧气生成期间的所述燃料电池的电流密度之间的预设的第二对应关系，其中，在产生负电压的所述至少一个发电元件的阳极中，氧气以所述氧气消耗速度与氢气重新结合以被消耗；在所述氧气生成期间，在产生负电压的所述至少一个发电元件的阳极中以所述氧气生成速度生成氧气；以及
使用所述第一对应关系获得氧气消耗速度，并且使用所述第二对应关系获得电流密度，所述电流密度对应于与通过所述第一对应关系获得的所述氧气消耗速度相等的氧气生成速度，并且执行输出限制处理，以使所述燃料电池以比所获得的对应于所述氧气生成速度的电流密度低的电流密度输出电力。
11.根据权利要求10所述的控制方法，其中
使用检测单元检测所述至少一个发电元件中的负电压，
所述第一对应关系是氧气消耗速度和所述氧气生成期间的累计电流值之间的预设的对应关系，在产生负电压的所述至少一个发电元件的阳极中，氧气以所述氧气消耗速度与氢气重新结合以被消耗，并且
使用所述第一对应关系获得与所述氧气生成期间的累计电流值对应的氧气消耗速度，使用所述第二对应关系获得对应于等于通过所述第一对应关系获得的氧气消耗速度的氧气生成速度的电流密度，并且执行输出限制处理，以使所述燃料电池以比所获得的对应于所述氧气生成速度的电流密度低的电流密度输出电力。
12.根据权利要求10所述的控制方法，其中
测量氧气生成期间的累计电流值，在所述氧气生成期间，所述燃料电池在满足预设的环境条件的状态下操作，所述预设的环境条件是在所述至少一个发电元件中产生负电压并且在所述至少一个发电元件的阳极中通过水分解反应产生氧气，
所述第一对应关系是氧气消耗速度和所述氧气生成期间的累计电流值之间的预设的对应关系，其中在产生负电压的所述至少一个发电元件的阳极中，氧气以所述氧气消耗速度与氢气重新结合以被消耗，并且
使用所述第一对应关系获得对应于所述氧气生成期间的累计电流值的氧气消耗速度，并且使用所述第二对应关系获得对应于等于通过所述第一对应关系获得的所述氧气消耗速度的氧气生成速度的电流密度，并且执行输出限制处理，以使所述燃料电池以比所获得的对应于所述氧气生成速度的电流密度低的电流密度输出电力。
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