CN104205454A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

一种抑制燃料电池组的干燥或濡湿过度而能够确保燃料电池组的耐久性的燃料电池系统。该燃料电池系统在电池组的电压下降速度比阈值速度快时对氧化剂气体减少每单位时间的流量且进行长时间供给，在电压下降速度比阈值速度慢时，对氧化剂气体增大每单位时间的流量且进行短时间供给。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池系统。
背景技术
构成燃料电池系统的燃料电池组通过电化学过程使燃料氧化，由此将伴随氧化反应而放出的能量直接转换成电能。燃料电池组具有膜电极组件，该膜电极组件为利用由多孔材料构成的一对电极将用于选择性地输送氢离子的高分子电解质膜的两侧面夹持而成。一对电极分别具有：以载持铂系的金属催化剂的碳粉末为主成分，且与高分子电解质膜相接的催化剂层；形成在催化剂层的表面，同时具有通气性和电子导电性的气体扩散层。
在搭载该燃料电池系统作为电力源的燃料电池车辆中，进行如下的运转控制：在发电效率良好的高输出区域，使燃料电池组发电，从燃料电池组和二次电池这双方或仅从燃料电池组向牵引马达供给电力，而在发电效率差的低输出区域，使燃料电池组的发电暂时停止，仅从二次电池向牵引马达供给电力。这样，将在燃料电池系统的发电效率低的低负载区域中使燃料电池组的运转暂时停止的情况称为间歇运转。在燃料电池系统的发电效率低的低负载区域中，通过实施间歇运转，能够使燃料电池组在能量转换效率高的范围内运转，能够提高燃料电池系统整体的效率。
而且，关于进行这样的间歇运转的燃料电池系统，已知有在对燃料电池组的要求负载为规定值以下时实施间歇运转的情况。该燃料电池系统在因实施间歇运转而向发电停止状态转移的燃料电池组的单电池电压低于规定值时，驱动空气压缩机，向燃料电池组供给氧气，消除燃料电池组的阴极处的氧不足而使单电池电压恢复，改善对发电要求的响应延迟。
然而，在上述的间歇运转中，停止向燃料电池组的反应气体供给，并将与燃料电池组的输出端子并联连接的DC/DC转换器的指令电压设定为开路端电压，将燃料电池组的输出端子电压控制成比开路端电压(OCV)小的高电位回避电压。通过将燃料电池组的输出端子电压维持成比开路端电压小的高电位回避电压，能够控制在间歇运转中从燃料电池组流出的电流。
在以往的间歇运转中，为了将燃料电池组的输出端子电压维持成高电位回避电压以下并确保输出响应性能，进行当输出端子电压成为阈值以下时驱动空气压缩机而大量地输送空气的空气流动控制。然而，当进行该空气流动控制时，输出端子电压上升而超过开路端电压(OCV)，因此需要驱动DC/DC转换器使燃料电池组进行发电来抑制电压上升。该发电是用于将输出端子电压维持成高电位回避电压以下的发电，因此从燃料电池系统整体的效率来看，更优选不进行。因此，在间歇运转时能够进行高电位回避控制并能够抑制燃料电池组的无用的发电的燃料电池系统记载于下述专利文献1中。
专利文献1记载的燃料电池系统具备：向阳极供给燃料气体的燃料气体供给单元；向阴极供给氧化剂气体的氧化剂气体供给单元；以及控制燃料气体供给单元及氧化剂气体供给单元，使燃料电池组进行与要求电力对应的发电的控制单元。控制单元在间歇运转时如下进行控制：以使燃料电池组的输出端子电压成为间歇运转时的上限电压以下且下限电压以上的方式进行监视，基于该监视的结果，少量且连续地供给氧化剂气体。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010-244937号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而，在燃料电池系统的简化、低成本化的过程中，需要应对高温、无加湿，且电解质膜处于薄膜倾向。而且，由于来自外部的水分补给消失，因此基于自发电的加湿的必要性增大。由此，在要求准确的水分管理的燃料电池系统中，间歇运转中的燃料电池组的干燥或濡湿过度成为从间歇运转向通常运转复原后的输出确保的阻碍要因。
本发明鉴于这样的课题而作出，其目的在于提供一种抑制燃料电池组的干燥或濡湿过度，能够确保燃料电池组的耐久性的燃料电池系统。
用于解决课题的方案
为了解决上述课题，本发明的燃料电池系统具备：燃料电池组，具有多个具有阳极和阴极的单电池；燃料气体供给单元，向阳极供给燃料气体；氧化剂气体供给单元，向阴极供给氧化剂气体；状态检测单元，检测单电池的干湿状态；及控制单元，控制燃料气体供给单元及氧化剂气体供给单元，使燃料电池组进行与要求电力对应的发电，并且基于状态检测单元的检测结果来控制所述燃料气体供给单元及所述氧化剂气体供给单元。控制单元构成为，在要求电力为规定值以下且抑制燃料电池组的发电的间歇运转时，以燃料电池组的输出端子电压成为间歇运转时的上限电压以下且下限电压以上的方式进行监视，基于该监视的结果来供给氧化剂气体，并且，能够执行如下进行控制的输出确保模式：在判断为单电池为湿润状态的情况下，减少氧化剂气体的每单位时间的流量且长时间供给氧化剂气体，在判断为单电池为干燥状态的情况下，增大氧化剂气体的每单位时间的流量且短时间供给氧化剂气体。
在本发明中，利用燃料电池组的电压下降速度表示构成单电池的阳极的濡湿状态的情况。当阳极濡湿时，构成阳极及阴极的高分子膜松缓，容易发生交叉泄漏(クロスリーク)。因此，在判断为单电池是湿润状态时，减少氧化剂气体的每单位时间的流量且进行长时间供给，由此从湿润状态向干燥状态转变，在判断为单电池是干燥状态时，增大氧化剂气体的每单位时间的流量且进行短时间供给，由此从干燥状态向湿润状态转变。
另外，在本发明的燃料电池系统中，优选的是，状态检测单元通过测定因缺氧而输出端子电压从上限电压朝向下限电压下降的电压下降速度，来检测单电池的干湿状态，控制单元在电压下降速度为下限阈值速度以下的情况下，判断为单电池为干燥状态，在电压下降速度为上限阈值速度以上的情况下，判断为单电池为湿润状态。
当上述的交叉泄漏发展时，阴极侧的氧被消耗，因此电压下降速度升高。因此，若电压下降速度过高，则表示阳极濡湿过度，若电压下降速度过低，则表示阳极干燥过度。因此，在该优选的方式中，在电压下降速度比上限阈值速度快时，判断为阳极的濡湿进展，对氧化剂气体减少每单位时间的流量且进行长时间供给，由此使高分子膜干燥。
另外，在本发明的燃料电池系统中，优选的是，氧化剂气体供给单元具有空气压缩机，控制单元在单电池处于湿润状态的情况下，延长空气压缩机的惯性旋转的时间，在单电池处于干燥状态的情况下，强制地使空气压缩机停止。
在该优选的方式中，通过使空气压缩机的旋转方式变化，而使向单电池送入的氧化剂气体的流量变化，因此能够形成与单电池的湿润状态一致的适当的气体流。
另外，在本发明的燃料电池系统中，优选的是，控制单元学习间歇运转后的燃料电池组的产生输出与电压下降速度之间的关系，改变电压下降速度的阈值速度。
在该优选的方式中，学习运转中的产生输出与电压下降速度的关系来改变阈值速度，因此与燃料电池组的时效变化对应的阈值速度的设定变得容易。
另外，在本发明的燃料电池系统中，优选的是，控制单元在输出确保模式的执行开始后监视电压下降速度的转变，在电压下降速度不上升的情况下，对上限阈值向下方进行修正。
在该优选的方式中，在电压下降速度不上升时，对上限电压向下方进行修正，由此能够使燃料电池组为湿润状态。
为了解决上述课题，本发明的燃料电池系统具备：燃料电池组，具有多个具有阳极和阴极的单电池；燃料气体供给单元，向阳极供给燃料气体；氧化剂气体供给单元，向阴极供给氧化剂气体；及控制单元，控制燃料气体供给单元及氧化剂气体供给单元，使燃料电池组进行与要求电力对应的发电。控制单元在要求电力为规定值以下且抑制燃料电池组的发电的间歇运转时，以燃料电池组的输出端子电压成为间歇运转时的上限电压以下且下限电压以上的方式进行监视，基于该监视的结果来供给氧化剂气体，控制单元测定因缺氧而输出端子电压从上限电压朝向下限电压的电压下降速度，控制单元在电压下降速度为上限阈值速度以上的情况下，减少氧化剂气体的每单位时间的流量且长时间供给氧化剂气体，在电压下降速度为下限阈值速度以下的情况下，增大氧化剂气体的每单位时间的流量且短时间供给氧化剂气体。
在本发明中，利用燃料电池组的电压下降速度表示构成单电池的阳极的濡湿状态的情况。当阳极濡湿时，构成阳极及阴极的高分子膜松缓，容易发生交叉泄漏。当交叉泄漏发展时，阴极侧的氧被消耗，因此电压下降速度升高。因此，若电压下降速度过高，则表示阳极濡湿过度，若电压下降速度过低，则表示阳极干燥过度。因此，在本发明中，在电压下降速度比上限阈值速度快时，判断为阳极的濡湿进展，对氧化剂气体减少每单位时间的流量且进行长时间供给，由此使高分子膜干燥。另一方面，在电压下降速度比下限阈值速度慢时，判断为阳极的干燥进展，对氧化剂气体增大每单位时间的流量且进行短时间供给，由此促进高分子膜的濡湿。
发明效果
根据本发明，提供一种能抑制燃料电池组的干燥或濡湿过度而能够确保燃料电池组的耐久性的燃料电池系统。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的燃料电池系统的结构的概略结构图。
图2是用于说明图1所示的燃料电池系统的运转状态的时间图。
图3是表示应维持的电压下降速度与间歇输出的关系的坐标图。
图4是表示间歇中的空气投入量与间歇中的电压下降速度的关系的坐标图。
具体实施方式
以下，参照附图，说明本发明的实施方式。为了便于理解说明，在各附图中，对同一结构要素尽量标注同一标号，并省略重复的说明。
首先，参照图1，说明搭载在作为本发明的实施方式的燃料电池车辆上的燃料电池系统FS。图1是表示作为燃料电池车辆的车载电源系统发挥功能的燃料电池系统FS的系统结构的图。燃料电池系统FS搭载在燃料电池机动车(FCHV)、电动机动车、混合动力机动车等车辆上。
燃料电池系统FS具备燃料电池FC、氧化气体供给系统ASS、燃料气体供给系统FSS、驱动系统HVS、冷却系统CS。
氧化气体供给系统ASS是用于将作为氧化气体的空气向燃料电池FC供给的系统。燃料气体供给系统FSS是用于将作为燃料气体的氢气向燃料电池FC供给的系统。驱动系统HVS是向驱动马达DMa供给电力而进行驱动的系统，是构成混合动力系统的系统。冷却系统CS是用于对燃料电池FC进行冷却的系统。驱动马达DMa是对车轮92、92进行驱动的马达。
对燃料电池系统FCS进行说明。燃料电池系统FCS包含的燃料电池FC构成作为将多个单电池CE(具备阳极、阴极及电解质的单一电池(发电体))直列层叠而成的固体高分子电解质型的单电池组。在燃料电池FC中，在通常的运转中，在阳极处发生(1)式的氧化反应，在阴极处发生(2)式的还原反应。作为燃料电池FC整体而发生(3)式的起电反应。
H2→2H++2e-    (1)
(1/2)O2+2H++2e-→H2O  (2)
H2+(1/2)O2→H2O   (3)
而且，燃料电池系统FCS在将燃料电池FC与燃料气体供给系统FSS相连的区域具有氢泵HPa和排气排水阀EVc。
向燃料电池FC供给的燃料气体在燃料电池FC的内部参与起电反应，作为废气而从燃料电池FC排出。从燃料电池FC排出的燃料废气的一部分通过氢泵HPa而回流，与从燃料气体供给系统FSS供给的燃料气体一起向燃料电池FC再供给。而且，燃料废气的一部分借助排气排水阀EVc的工作而通过燃料废气流路FS2，与氧化废气一起排出。
排气排水阀EVc是用于按照来自控制器ECU的指令而工作，由此将循环流路内的包含杂质的燃料废气和水分向外部排出的阀。由于排气排水阀EVc的开阀，循环流路内的燃料废气中的杂质的浓度下降，能够提高在循环系统内循环的燃料废气中的氢浓度。
经由排气排水阀EVc排出的燃料废气与在氧化废气流路AS2中流动的氧化废气混合，由稀释器(在图1中未明示)稀释并向消音器(在图1中未明示)供给。
接着，说明燃料气体供给系统FSS。燃料气体供给系统FSS具有高压氢罐FS1和电磁阀DVa。
高压氢罐FS1是储藏高压(例如，35MPa～70MPa)的氢气的结构。
电磁阀DVa是调整燃料气体的对燃料电池FC的供给压力并调整燃料气体向燃料电池FC的供给、停止的阀。燃料气体由电磁阀DVa减压至例如200kPa左右，向燃料电池FC供给。
接着，说明氧化气体供给系统ASS。氧化气体供给系统ASS具备空气压缩机62、FC入口三通阀TVa、统合阀DVb。氧化气体供给系统ASS具有向燃料电池FC的阴极供给的作为氧化气体的空气所流动的氧化气体流路AS1和从燃料电池FC排出的氧化废气所流动的氧化废气流路AS2。
空气压缩机62和FC入口三通阀TVa从氧化气体流路AS1的入口侧朝向燃料电池FC依次配置。统合阀DVb配置于氧化废气流路AS2。统合阀DVb作为背压调整阀发挥功能。
FC入口三通阀TVa是用于对在氧化气体流路AS1中流向燃料电池FC侧的空气、流向将氧化气体流路AS1与氧化废气流路AS2连结的旁通流路69的空气进行调整的阀。在燃料电池FC侧需要较多的空气时，以向燃料电池FC侧流动较多的空气的方式调整开度，在燃料电池FC侧不需要较多的空气时，以向旁通流路69侧流动较多的空气的方式调整开度。在燃料电池FC与统合阀DVb之间设有压力传感器Pt。
接着，说明驱动系统HVS。驱动系统HVS具备燃料电池升压部、动力控制单元、二次电池BTa。燃料电池升压部具有燃料电池升压转换器(输出供给部)、继电器。燃料电池升压转换器对燃料电池FC发电的直流电力进行升压后向动力控制单元供给。通过该升压转换器进行的电压转换控制，来控制燃料电池FC的运转点(输出端子电压、输出电流)。
动力控制单元具有蓄电池升压转换器、牵引逆变器。从燃料电池升压转换器供给的电力向蓄电池升压转换器及牵引逆变器供给。
蓄电池升压转换器具有：对从二次电池BTa供给的直流电力进行升压后向牵引逆变器输出的功能；对燃料电池FC发电的直流电力、通过再生制动而驱动马达DMa回收的再生电力进行降压后向二次电池BTa充电的功能。
二次电池BTa作为剩余电力的贮藏源、再生制动时的再生能量贮藏源、与燃料电池车辆的加速或减速相伴的负载变动时的能量缓冲器发挥功能。作为二次电池BTa，优选例如镍铬蓄电池、镍氢蓄电池、锂二次电池等二次电池。在二次电池BTa设有对充电率进行测定的SOC传感器Tg。
牵引逆变器与驱动马达DMa相连。牵引逆变器是例如通过脉冲宽度调制方式来驱动的PWM逆变器。牵引逆变器按照来自控制器ECU的控制指令，将从燃料电池FC或二次电池BTa输出的直流电压转换成三相交流电压，对驱动马达DMa的旋转转矩进行控制。驱动马达DMa例如是三相交流马达，构成燃料电池车辆的动力源。
接着，说明冷却系统CS。冷却系统CS具有主散热器RMa和水泵WPa。
在主散热器RMa设有主散热器风扇。主散热器RMa对用于冷却燃料电池FC的冷却液进行散热而将其冷却。
水泵WPa是用于使冷却液在燃料电池FC与主散热器RMa之间循环的泵。通过水泵WPa的工作，冷却液从主散热器RMa向燃料电池FC通过冷却液往路而流动。
该燃料电池系统FS具备作为统合性的控制单元的控制器ECU(输出供给部)。控制器ECU是具备CPU、ROM、RAM及输入输出接口的计算机系统，对燃料电池系统FS的各部进行控制。例如，控制器ECU当接收到从点火开关输出的起动信号IG时，开始燃料电池系统FS的运转。然后，控制器ECU以从油门传感器输出的油门开度信号ACC、从车速传感器输出的车速信号VC等为基础，求出燃料电池系统FS整体的要求电力。燃料电池系统FS整体的要求电力是车辆行驶电力与辅机电力的合计值。
在此，辅机电力包括由车载辅机类(加湿器、空气压缩机、氢泵及冷却水循环泵等)消耗的电力、由车辆行驶所需的装置(变速器、车轮控制装置、转向装置及悬架装置等)消耗的电力、由配置在乘坐人员空间内的装置(空调装置、照明器具及音响设备等)消耗的电力等。
并且，控制器ECU决定燃料电池FC与二次电池BTa的各自的输出电力的分配。控制器ECU以使燃料电池FC的发电量与目标电力一致的方式控制氧化气体供给系统ASS及燃料气体供给系统FSS，并控制FC升压部FDC来控制燃料电池FC的运转点(输出电压、输出电流)。
控制器ECU以能得到与油门开度对应的目标转矩的方式，例如，将U相、V相及W相的各交流电压指令值作为开关指令向牵引逆变器输出，来控制驱动马达DMa的输出转矩及转速。而且，控制器ECU控制冷却系统CS，以燃料电池FC成为适当的温度的方式进行控制。
在本实施方式的燃料电池系统FS中，控制器ECU进行要求电力与规定值X的比较，决定应设为间歇运转还是应设为通常运转。规定值X是以避免燃料电池系统FS的发电效率恶化的方式确定的阈值。在该比较的结果是要求电力为规定值X以下时，设定间歇运转模式，在要求电力超过规定值X时，设定通常运转模式。
间歇运转模式是停止燃料电池系统FS的发电而仅通过二次电池BTa对驱动马达DMa进行驱动的模式。通常运转模式是通过燃料电池系统FS进行发电并使用该电力对驱动马达DMa进行驱动的模式。需要说明的是，在通常运转模式中，也可以并用二次电池BTa。
在间歇运转模式中，控制器ECU进行图2所示的控制。控制器ECU对燃料电池FC的输出端子电压进行监视。在通常运转模式中，燃料电池FC的输出端子电压被以粘附(張り付く)于作为高电位回避电压的上限电压VU的方式进行控制。当切换为间歇运转模式时，控制燃料电池FC的输出端子电压从作为高电位回避电压的上限电压VU开始逐渐下降。计测此时的朝向下方的电压的斜率作为电压下降速度。
控制器ECU在电压下降速度比阈值速度快时，减少作为氧化剂气体的空气的每单位时间的流量且进行长时间供给，因此以进行图2中的实线所示那样的行为的方式进行延长空气压缩机62的惯性旋转的时间的控制。当进行这样的控制时，燃料电池FC的单电池内干燥，电压下降速度降低。具体而言，不进行再生制动等，而执行空气压缩机62的制动控制，由此与进行再生制动等的情况相比，空气压缩机62以惯性进行旋转的时间变长。
即使向燃料电池FC的空气投入量相同，瞬间性地投入大量的空气也会增大发电量，并增加生成水量。因此，瞬间性地投入大量的空气时的电压下降速度增大，持续投入空气时的电压下降速度减少。
另一方面，控制器ECU在电压下降速度比阈值速度慢时，增大作为氧化剂气体的空气的每单位时间的流量且进行短时间供给，因此以进行图2中的虚线所示的行为的方式将空气压缩机62控制成强制性地停止。具体而言，使用再生制动等，强制性地使空气压缩机62停止。当进行这样的控制时，燃料电池FC的单电池内濡湿，电压下降速度增加。
燃料电池FC的输出端子电压的上限电压及下限电压设定为用于在下一次负载要求下产生充分的输出的电压。这种情况下，预先确认电压下降速度与间歇输出的相关关系，以产生设计上必要的要求输出量的方式设定。需要说明的是，因膜劣化等也有气体透过量增大而电压下降速度变快的情况，因此也优选具有一边运转一边学习间歇后产生输出与电压下降速度的关系的功能。
另外，即便强制性地使空气压缩机62停止而电压下降速度也不快的情况下，优选使作为高电位回避电压的上限电压下降，或增大空气导入量。而且，在由于二次电池BTa的SOC上升或Win限制等而需要抑制剩余电力时，以减少间歇运转中的发电量的方式驱动空气压缩机62。需要说明的是，在二次电池BTa的SOC为上限的情况下，优选暂时提升上述的上限电压进行应对。
通过进行上述那样的控制，能够使间歇运转中的燃料电池FC的电压下降速度包含于图3所示那样的应维持的电压下降速度的范围内。如图3所示，能够使燃料电池FC的电压下降速度包含在应维持的电压下降速度的范围内即从下限速度EL到上限速度EU之间，能够避免干燥过度或濡湿过度的情况。
该应维持的电压下降速度与MEA的应维持的湿润状态近似。燃料电池FC即使MEA过度干燥，氢离子传导度也会恶化，输出下降。而且，燃料电池FC若MEA过度湿润，则催化剂层内埋于水分，气体无法到达电极催化剂，输出下降。因此，为了良好地维持间歇输出，需要维持最佳的水分状态。
间歇运转中的空气流动方法如图4所示以使其投入量成为下限阈值La与上限阈值Lb之间的方式进行。下限阈值La确定作为能够从下限电压值向上限电压值复原的极限。上限阈值Lb根据即使使空气量再增加，也仅是空气压缩机ACP的驱动损失增加的情况来确定。通常在由区域A表示那样的下限阈值La附近形成空气流动。
需要说明的是，当使燃料电池FC的温度上升时，MEA成为变干的方向，当使燃料电池FC的温度下降时，MEA成为濡湿的方向，因此优选的是，对冷却系统CS进行操作，通过燃料电池FC的温度调整来控制湿润状态。
为了确保燃料电池组的耐久性，催化剂劣化的抑制成为必须，需要维持高电位回避电压。然而，在间歇运转中，没有来自驱动马达DMa的负载要求，因此剩余的电力由二次电池BTa吸收，或由辅机损失来消耗。然而，二次电池BTa能够吸收的电力存在极限，即使驱动辅机进行消耗，其动作音有时也会过大，在可消耗的电力上仍然存在极限，因此在通过它们无法吸收时，使高电位回避电压上升，因此需要牺牲燃料电池组的耐久性。然而，在本实施方式中，能够抑制高电位回避电压的上升频度，因此能够抑制燃料电池组的干燥或濡湿过度，确保燃料电池组的耐久性。
标号说明
62     空气压缩机
69     旁通流路
92、92 车轮
AS1    氧化气体流路
AS2    氧化废气流路
ASS    氧化气体供给系统
BTa    二次电池
CE     单电池
CS     冷却系统
DMa    驱动马达
DVa    电磁阀
DVb    统合阀
ECU    控制器
EVc    排气排水阀
FC     燃料电池
FCS    燃料电池系统
FDC    升压部
FS     燃料电池系统
FS1    高压氢罐
FS2    燃料废气流路
FSS    燃料气体供给系统
HPa    氢泵
HVS    驱动系统
Pt     压力传感器
RMa    主散热器
Td     温度传感器
Tf     温度传感器
Tg     传感器
Th  温度传感器
TVa 入口三通阀
WPa 水泵

Claims (6)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，具备：
燃料电池组，具有多个具有阳极和阴极的单电池；
燃料气体供给单元，向所述阳极供给燃料气体；
氧化剂气体供给单元，向所述阴极供给氧化剂气体；
状态检测单元，检测所述单电池的干湿状态；及
控制单元，控制所述燃料气体供给单元及所述氧化剂气体供给单元，使所述燃料电池组进行与要求电力对应的发电，并且基于所述状态检测单元的检测结果来控制所述燃料气体供给单元及所述氧化剂气体供给单元，
所述控制单元构成为，在要求电力为规定值以下且抑制所述燃料电池组的发电的间歇运转时，以所述燃料电池组的输出端子电压成为间歇运转时的上限电压以下且下限电压以上的方式进行监视，基于该监视的结果来供给氧化剂气体，并且，能够执行如下进行控制的输出确保模式：在判断为所述单电池为湿润状态的情况下，减少所述氧化剂气体的每单位时间的流量且长时间供给所述氧化剂气体，在判断为所述单电池为干燥状态的情况下，增大所述氧化剂气体的每单位时间的流量且短时间供给所述氧化剂气体。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述状态检测单元通过测定因缺氧而所述输出端子电压从所述上限电压朝向所述下限电压下降的电压下降速度，来检测所述单电池的干湿状态，
所述控制单元在所述电压下降速度为下限阈值速度以下的情况下，判断为所述单电池为干燥状态，在所述电压下降速度为上限阈值速度以上的情况下，判断为所述单电池为湿润状态。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述氧化剂气体供给单元具有空气压缩机，
所述控制单元在所述单电池处于湿润状态的情况下，延长所述空气压缩机的惯性旋转的时间，在所述单电池处于干燥状态的情况下，强制地使所述空气压缩机停止。
4.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述控制单元学习所述间歇运转后的所述燃料电池组的产生输出与所述电压下降速度之间的关系，改变所述电压下降速度的所述阈值速度。
5.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述控制单元在所述输出确保模式的执行开始后监视所述电压下降速度的转变，在所述电压下降速度不上升的情况下，对所述上限阈值向下方进行修正。
6.一种燃料电池系统，其特征在于，具备：
燃料电池组，具有多个具有阳极和阴极的单电池；
燃料气体供给单元，向所述阳极供给燃料气体；
氧化剂气体供给单元，向所述阴极供给氧化剂气体；及
控制单元，控制所述燃料气体供给单元及所述氧化剂气体供给单元，使所述燃料电池组进行与要求电力对应的发电，
所述控制单元在要求电力为规定值以下且抑制所述燃料电池组的发电的间歇运转时，以所述燃料电池组的输出端子电压成为间歇运转时的上限电压以下且下限电压以上的方式进行监视，基于该监视的结果来供给氧化剂气体，
所述控制单元测定因缺氧而所述输出端子电压从上限电压朝向下限电压下降的电压下降速度，
所述控制单元在所述电压下降速度为上限阈值速度以上的情况下，减少所述氧化剂气体的每单位时间的流量且长时间供给所述氧化剂气体，在所述电压下降速度为下限阈值速度以下的情况下，增大所述氧化剂气体的每单位时间的流量且短时间供给所述氧化剂气体。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109075360A (zh) * 2016-03-15 2018-12-21 日产自动车株式会社 燃料电池系统的湿润状态控制方法以及湿润状态控制装置
CN109256573A (zh) * 2018-10-24 2019-01-22 天津中德应用技术大学 用于质子交换膜氢燃料电池堆的空气流量调节方法及装置
CN109768305A (zh) * 2017-11-09 2019-05-17 丰田自动车株式会社 燃料电池系统和控制燃料电池系统的方法
CN109768303A (zh) * 2017-11-09 2019-05-17 丰田自动车株式会社 燃料电池系统和控制燃料电池系统的方法
CN114962268A (zh) * 2021-02-24 2022-08-30 丰田自动车株式会社 燃料电池系统、控制装置以及移动体

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5746962B2 (ja) * 2011-12-20 2015-07-08 株式会社神戸製鋼所 ガス供給方法およびガス供給装置
WO2017098783A1 (ja) * 2015-12-10 2017-06-15 日産自動車株式会社 燃料電池システムの制御方法及び燃料電池システム
KR101786332B1 (ko) * 2016-04-20 2017-11-16 현대자동차주식회사 연료전지 차량의 전력 분배 방법 및 시스템
EP3252268A1 (en) * 2016-06-02 2017-12-06 Welltec A/S Downhole power supply device
US11362354B2 (en) * 2016-08-12 2022-06-14 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system and fuel cell system control method
US20180219267A1 (en) * 2017-01-27 2018-08-02 Ford Global Technologies, Llc High-efficiency hydrogen-powered motor vehicle
JP6992605B2 (ja) * 2018-03-07 2022-01-13 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP7156085B2 (ja) * 2019-02-27 2022-10-19 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法
JP7294238B2 (ja) * 2020-05-26 2023-06-20 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
AT523992B1 (de) * 2020-07-05 2022-06-15 Avl List Gmbh Verfahren zur Regelung einer Feuchtigkeit eines PEM-Brennstoffzellensystems eines Kraftfahrzeuges
CN114824366B (zh) * 2022-05-24 2024-01-26 重庆交通大学绿色航空技术研究院 一种空冷型氢燃料电池系统及排放的控制方法

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003045467A (ja) * 2001-07-27 2003-02-14 Honda Motor Co Ltd 燃料電池の異常検出方法
JP2003051329A (ja) * 2001-08-08 2003-02-21 Fuji Electric Co Ltd 固体高分子形燃料電池の運転方法
JP2006351506A (ja) * 2005-05-17 2006-12-28 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2009016170A (ja) * 2007-07-04 2009-01-22 Toyota Motor Corp 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御装置
JP2009037762A (ja) * 2007-07-31 2009-02-19 Toyota Motor Corp 燃料電池システムの制御装置
JP2010135341A (ja) * 2007-11-08 2010-06-17 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2010153079A (ja) * 2008-12-24 2010-07-08 Toyota Motor Corp 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法
JP2010244937A (ja) * 2009-04-08 2010-10-28 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
CN101981736A (zh) * 2007-07-18 2011-02-23 丰田自动车株式会社 燃料电池系统以及对燃料电池的控制方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7670700B2 (en) * 2003-09-05 2010-03-02 Denso Corporation Fuel cell system, related method and current measuring device for fuel cell system

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003045467A (ja) * 2001-07-27 2003-02-14 Honda Motor Co Ltd 燃料電池の異常検出方法
JP2003051329A (ja) * 2001-08-08 2003-02-21 Fuji Electric Co Ltd 固体高分子形燃料電池の運転方法
JP2006351506A (ja) * 2005-05-17 2006-12-28 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2009016170A (ja) * 2007-07-04 2009-01-22 Toyota Motor Corp 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御装置
CN101981736A (zh) * 2007-07-18 2011-02-23 丰田自动车株式会社 燃料电池系统以及对燃料电池的控制方法
JP2009037762A (ja) * 2007-07-31 2009-02-19 Toyota Motor Corp 燃料電池システムの制御装置
JP2010135341A (ja) * 2007-11-08 2010-06-17 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2010153079A (ja) * 2008-12-24 2010-07-08 Toyota Motor Corp 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法
JP2010244937A (ja) * 2009-04-08 2010-10-28 Toyota Motor Corp 燃料電池システム

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109075360A (zh) * 2016-03-15 2018-12-21 日产自动车株式会社 燃料电池系统的湿润状态控制方法以及湿润状态控制装置
CN109768305A (zh) * 2017-11-09 2019-05-17 丰田自动车株式会社 燃料电池系统和控制燃料电池系统的方法
CN109768303A (zh) * 2017-11-09 2019-05-17 丰田自动车株式会社 燃料电池系统和控制燃料电池系统的方法
CN109768303B (zh) * 2017-11-09 2022-03-01 丰田自动车株式会社 燃料电池系统和控制燃料电池系统的方法
CN109768305B (zh) * 2017-11-09 2022-08-09 丰田自动车株式会社 燃料电池系统和控制燃料电池系统的方法
CN109256573A (zh) * 2018-10-24 2019-01-22 天津中德应用技术大学 用于质子交换膜氢燃料电池堆的空气流量调节方法及装置
CN109256573B (zh) * 2018-10-24 2023-05-26 天津中德应用技术大学 用于质子交换膜氢燃料电池堆的空气流量调节方法及装置
CN114962268A (zh) * 2021-02-24 2022-08-30 丰田自动车株式会社 燃料电池系统、控制装置以及移动体

Also Published As

Publication number Publication date
US20150171444A1 (en) 2015-06-18
JP5783324B2 (ja) 2015-09-24
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US9793558B2 (en) 2017-10-17
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WO2013150651A1 (ja) 2013-10-10

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