CN106067557B - 用于控制燃料电池堆的工作点变换的方法和燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制燃料电池堆的工作点变换的方法和燃料电池系统，该方法用于控制以阳极工作介质和以阴极工作介质运行的燃料电池堆(10)的工作点变换，在其中燃料电池堆(10)被控制成使得其从初始电功率(L1)出发产生由电负载(51)所要求的大于初始功率(L1)的目标功率(L2)。设置成，相应于预定的电流‑电压曲线(S1,S2,S3)来控制由燃料电池堆(10)所产生的电功率，使得在燃料电池堆(10)处存在的电压从与初始功率(L1)相应的初始电压(U1)出发经历局部的最低电压(Umin)并且然后上升直至与目标功率(L2)相应的最终电压。

Description

用于控制燃料电池堆的工作点变换的方法和燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种用于控制以阳极工作介质和阴极工作介质运行的燃料电池堆的工作点变换的方法，在其中燃料电池堆被控制成使得其从初始电功率出发产生所要求的大于初始功率的目标功率。本发明此外涉及一种设立用于实施该方法的燃料电池系统以及一种具有这样的燃料电池系统的车辆。
背景技术
燃料电池利用燃料与氧气化学转变成水来产生电能。为此，燃料电池作为核心部件包含所谓的薄膜-电极单元(薄膜电极组件MEA)，其是由传导离子的(通常传导质子的)薄膜和相应布置在薄膜两侧的催化电极(阳极和阴极)组成的结构。电极大多包括所携带的贵金属，尤其铂。此外，气体扩散层(GDL)可在薄膜-电极单元两侧布置在电极的背对薄膜的侧面处。燃料电池通常由多个布置成堆(stack)的MEA形成，其电功率相加。在各个薄膜-电极单元之间通常布置有双极板(也称流场板)，其保证给单电池供应工作介质(即反应物)并且通常还用于冷却。此外，双极板负责与薄膜-电极单元的导电接触。
在燃料电池的运行中，将燃料(尤其氢气H2或含氢的气体混合物)通过双极板的阳极侧的敞开的流场输送给阳极，在那里在发出电子的情况下发生H2电化学氧化成H+。通过电解质或薄膜(其使反应室气密地彼此隔开并且电绝缘)实现质子H+从阳极室(结合水地或无水地)运输到阴极室中。在阳极处提供的电子通过电线被引向阴极。通过双极板的阴极侧的敞开的流场给阴极输送氧气或含氧的气体混合物(例如空气)，从而在吸收电子的情况下将O2还原成2O2-。同时在阴极室中氧负离子与经由薄膜运输的质子在形成水的情况下发生反应。
在燃料电池堆在低负荷范围中运行的情况下，如例如对于燃料电池车辆尤其在城市交通中发生的那样，经常经历相应于高于0.8伏的单电池电压的负荷点。在这样的高电压下造成催化材料、尤其阴极电极的氧化，其中，例如铂反应变成氧化铂，其比金属铂对于催化氧还原反应性明显更低。此外，在所述电压下造成微量的铂溶解，其阳离子性地进入溶液中。因此，燃料电池的高的单电池电压总体导致催化活性和可用的催化剂表面的损失且因此导致燃料电池的效率损失。
为了抵抗该现象，在当前的燃料电池车辆中尝试通过几千瓦的持久的低负荷要求来避免存在相应于大于0.85伏的单电池电压的堆电压。然而表现出，在实际运行中在整个运行范围中所达到的电压然而还是常常高于所规定的电压值并且因此处于不利范围中。
由文件JP 2013-243047 A已知避免可引起电极催化剂受损的燃料电池的高输出电压。如果相应于所要求的功率所要求的电压超过了电压上限并且还随时间升高，将输出电压限制在电压上限之下并且以多余的电流给蓄电池充电。
根据文件JP 2008-130424 A，在功率要求升高的情况下检查是否其会损坏催化剂地起作用。如果是该情况，将燃料电池控制成使得使输出功率以比所要求的慢的梯度上升而通过蓄电池来补充缺少的功率。
文件WO 2008/111654 A1(=DE 11 2008 597 B4)说明了一种用于使燃料电池催化剂活化的方法，在其中使燃料电池的输出电压下降到发生电极催化剂的所形成的氧化物的还原的水平。该方法在静态的运行情况中来执行，在该运行情况中整个系统所需的功率量较小并且不将燃料电池的功率直接提供到牵引马达处并且不操纵车辆的油门踏板。由于电压下降而产生的多余的功率优选地被用于给蓄电池充电或供给车辆的电气的辅助负载。
发明内容
现在，本发明目的在于提出一种用于控制燃料电池堆的工作点变换的方法，其至少部分地消除现有技术的问题。尤其应在燃料电池系统的尽可能大的运行范围上减少或甚至阻止催化材料的退化。
该目的通过一种根据本发明的用于控制燃料电池堆的工作点变换的方法和一种相应设立的燃料电池系统以及一种相应的车辆来实现。
因此，本发明的第一方面涉及一种用于控制燃料电池堆的工作点变换的方法，燃料电池堆以阳极工作介质和以阴极工作介质来运行。在此，燃料电池堆被控制成使得其从初始电功率出发产生由电负载(例如电动车辆的牵引马达)所要求的大于初始功率的目标功率。根据本发明，根据预定的电流-电压曲线来控制由燃料电池堆所产生的电功率，使得电池电压从与初始功率相应的初始电压出发经历局部的最低电压并且然后上升直至与目标功率相应的最终电压。
因此根据本发明，燃料电池堆的动态运行、尤其对燃料电池堆的正的负荷要求被用以经历临时的较低的堆电压和因此较低的单电池电压。具体而言，在堆电压或单电池电压较低的情况下即引起催化电极、尤其阴极的溶解的催化材料的再分离和再结晶。此外，较低的电压在恢复初始金属形式的情况下引起催化材料的所形成的氧化物的还原。利用工作点变换以引起催化材料的这样的再生导致在例如燃料电池车辆的整个工作范围中频繁执行再生。此外，利用正的负荷要求以针对性地引起低的电池电压具有该优点，即由低的电压的起动所产生的多余的电流量可直接由主要电负载和辅助电负载或电蓄能器接收。在利用静态工作点以使催化材料再生的情况下，如在现有技术中所述，始终需要通过蓄电池或车载电网来接收所产生的电流量。然而，这两者通常不具有相应的功率或能量吸收或者说蓄电池须具有相应低的充电状态(SOC：state of charge)以便能够接收电流。根据本发明利用动态工作状态主动引起低的电池电压以使催化剂电极再生因此一方面实现燃料电池系统的根据要求的动态性并且另一方面实现有效的催化剂再生且因此在负荷点变换损害少的同时实现更高的燃料电池效率。
在根据本发明的方法的优选的实施方案中，局部的最低电压相应于最高0.7伏、尤其最高0.6伏的单电池电压。应注意的是，低于这些值造成融化的催化材料的显著的再结晶以及造成其还原。特别优选地，局部的最低电压处于最高0.5伏、尤其最高0.4伏的单电池电压。
优选地，燃料电池堆的在工作点变换期间、尤其在经历局部的最低电压期间所产生的电功率直接由电负载、尤其由车辆的电气牵引马达接收。如果在该方法中产生了超过由电负载当前的功率要求的能量、尤其在经历局部的最低电压或最大功率期间，则将其优选地存储在相应的蓄能器(如车辆电池、高电压电池或电容器)中。
优选地，在工作点变换期间根据预定的电流-电压曲线通过改变燃料电池堆的阳极工作介质和/或阴极工作介质的质量流量实现电功率的控制。通过针对性地干预质量流量实现离开燃料电池的电流-电压特征线(参见图3)并且实际上在短时间内驶到在电流-电压特性场中的任何工作点。这允许针对性地示出所期望的暂时的最低电压。附加地，该控制优选地通过从燃料电池中电流提取的变化实现，即受电流控制。
本发明包括用于控制电功率的三个可能的策略。根据第一策略设置成，根据预定的电流-电压曲线来控制所产生的电能，该电流-电压曲线短暂经历高于目标功率或高于与目标功率相应的电压的电流强度和/或功率。因此，在该实施方案中，有意地短暂过调待驶到的工作点。在此所产生的多余的功率(即超过由电负载、尤其牵引马达所要求的功率)被存储在电蓄能器(其优选地是高电压电池或电容器、例如所谓的超级电容)中。备选地或附加地，多余的电流可由其它电负载接收，例如由联接在车载电网处的电负载。
在本发明的备选的第二策略中设置成，根据电流-电压曲线将所产生的电功率控制成使得电压首先连续减小直至与目标功率相应的电流强度并且接着电压在电流强度基本恒定的情况下快速或突变式增大直至达到与目标功率相应的电压。优选地，电压的下降通过减少燃料电池的反应物、尤其阴极工作介质的质量流量实现。在此造成在阴极处所供给的氧化剂(其大多是氧气)的贫化。如果达到了目标电流强度，可通过突变式提高阴极工作介质的质量流量将电压突变式提升到目标工作点上。
根据备选的第三策略，根据电流-电压曲线将所产生的电功率控制成使得使电压首先突变式下降直到局部的最低电压并且接着又突变式升高并且然后电流强度增加直至达到与目标功率相应的电流强度。优选地使电压首先下降到0伏，即燃料电池堆被短暂关断并且然后又快速起动。这优选地通过快速切断阴极工作介质来实现。该策略的优点是实现特别低的单电池电压和因此催化电极材料的特别好的再生效应。此外，在该策略中可造成阳极工作介质、燃料增多地溢到阴极侧上。由此辅助离子铂由燃料、例如氢气还原。
本发明的另一方面涉及一种燃料电池系统，其包括燃料电池堆和用于该燃料电池堆的控制装置，该控制装置设立成实施根据本发明的方法。为了该目的，控制装置具有计算机可读的、实施该方法的程序算法。控制装置此外可具有特征线和/或特性场，由其根据输入值来测定相应的输出值、例如用于操控燃料电池系统的不同部件的控制值。
本发明的另一方面涉及一种具有这样的燃料电池系统的车辆。在此优选地涉及一种具有电动机作为牵引马达(单独利用其或与内燃机相组合来驱动车辆)的车辆。
本发明的另外的优选的设计方案在接下来的说明书中提出。
只要未特殊另外实施，本发明的在本申请中所提到的不同实施方式可有利地相互组合。
附图说明
下面在实施例中根据所属的附图来阐述本发明。其中：
图1示出了根据本发明的一优选的设计方案的燃料电池系统的方框图；
图2示出了根据本发明的一优选的设计方案的具有燃料电池系统和电子部件的车辆的方框图；
图3示出了在不同的反应物质量流量和反应物压力的情况下燃料电池堆的电流-电压特征线，以及
图4示出了根据不同策略来控制的燃料电池堆的电流-电压曲线。
附图标记清单
100 燃料电池系统
200 车辆
10 燃料电池堆
11 单电池
12 阳极室
13 阴极室
14 聚合物电解质膜
15 双极板
20 阳极供给部
21 阳极供给路径
22 阳极排气路径
23 燃料箱
24 调节器件
25 燃料循环管路
26 调节器件
30 阴极供给部
31 阴极供给路径
32 阴极排气路径
33 压缩机
34 电动机
35 功率电子设备
36 涡轮
37 排废门管路
38 调节器件
39 加湿器模块
40 电气功率系统
41 电压传感器
42 电流传感器
43 逆变器
44 蓄能器/蓄电池
45 直流变换器
50 驱动系统
51 牵引马达
52 驱动轴
53 驱动轮
60 控制装置。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的一优选的设计方案的、整体以100表示的燃料电池系统。燃料电池系统100是未进一步示出的车辆、尤其电动车辆(其具有通过燃料电池系统100来供应以电能的牵引电动机)的部分。
燃料电池系统100作为核心部件包括燃料电池堆10，其具有多个成堆形布置的单电池11。每个单电池11分别包括阳极室12以及阴极室13，其由可传导离子的聚合物电解质膜14彼此分开(参见细节截段)。阳极室12和阴极室13相应包括催化电极、阳极或阴极(未示出)，其催化燃料电池反应的相应的子反应。阳极电极和阴极电极具有催化材料、例如铂，其被承载地存在于较大的比表面积的能导电的载体材料(例如碳基材料)上。在两个这样的薄膜-电极单元之间此外相应布置有以15表示的双极板，其用于将工作介质输送到阳极室12和阴极室13中并且此外在各个燃料电池11之间建立电连接。
为了给燃料电池堆10供应工作气体，燃料电池系统100一侧具有阳极供给部20而另一侧具有阴极供给部30。
阳极供给部20包括阳极供给路径21，其用于将阳极工作介质(燃料)、例如氢气输送到燃料电池堆10的阳极室12中。为了该目的，阳极供给路径21将燃料存储器23与燃料电池堆10的阳极入口相连接。阳极供给部20此外包括阳极排气路径22，其将阳极废气从阳极室12通过燃料电池堆10的阳极出口导出。在燃料电池堆10的阳极侧12上的阳极工作压力可通过在阳极供给路径21中的调节器件24调节。此外，阳极供给部20可如所示出的那样具有燃料循环管路25，其将阳极排气路径22与阳极供给路径21相连接。燃料的再循环是常见的，以便将大多过化学计量使用的燃料引回给堆并且加以利用。在燃料循环管路25中布置有另一调节器件26，利用其可调节再循环率。
阴极供给部30包括阴极供给路径31，其将含氧的阴极工作介质(尤其从环境吸入的空气)输送给燃料电池堆10的阴极室13。阴极供给部30此外包括阴极排气路径32，其将阴极废气(尤其排出空气)从燃料电池堆10的阴极室13导出且必要时将该废气输送给未示出的排气设备。
为了运输和压缩阴极工作介质，在阴极供给路径31中布置有压缩机33。在所示出的实施例中，压缩机33设计为主要电动驱动的压缩机，其运行通过配备有相应的功率电子设备35的电动机34实现。压缩机33此外可由布置在阴极排气路径32中的涡轮36(必要时具有可变的涡轮几何结构)支持地经由共同的轴(未示出)来驱动。涡轮36是膨胀器，其引起阴极废气的膨胀和因此阴极废气的压力的降低。
根据所示出的实施例，阴极供给部30此外可具有排废门管路37，其将阴极供给管路31与阴极排气管路32相连接、即是燃料电池堆10的旁路。排废门管路37允许在燃料电池堆10中短暂地减小阴极工作介质的工作压力，而不使压缩机33停下。布置在排废门管路37中的调节器件38允许控制绕过燃料电池堆10的阴极工作介质的量。燃料电池系统100的所有调节器件24、26、38可构造为可调节的或不可调节的阀或活门。相应的另外的调节器件可布置在管路21、22、31和32中，以便能够将燃料电池堆10与周围环境隔绝。
燃料电池系统100此外具有加湿器模块39。加湿器模块39一方面在阴极供给路径31中布置成使得其可由阴极工作气体流经。加湿器模块另一方面在阴极排气路径32中布置成使得其可由阴极废气流经。加湿器39典型地具有多个可渗透水蒸气的薄膜，其面状地或者以空心纤维的形式来构造。在此，薄膜的一侧被比较干燥的阴极工作气体(空气)而另一侧被比较潮湿的阴极废气(废气)流过。通过在阴极废气中水蒸气的较高分压力来运行，造成水蒸气穿过薄膜进入阴极工作气体中，阴极工作气体以该方式被润湿。
出于清楚性原因，在简化的图1中未示出阳极供给部20和阴极供给部30的不同的另外的细节。如此可在阳极排气路径22和/或阴极排气路径32中安装脱水器，以便冷凝和导出由燃料电池反应产生的产物水。最后，阳极排气管路22可通到阴极排气管路32中，使得阳极废气和阴极废气通过共同的排气设备被导出。
图2示出了总体以200表示的车辆，其具有图1中的燃料电池系统100、电气的功率系统40、车辆驱动系统50以及电子控制装置60。
电子功率系统40包括用于检测由燃料电池堆10所产生的电压的电压传感器41以及用于检测由燃料电池堆10所产生的电流的电流传感器42。电子功率系统40此外包括蓄能器44、例如高电压电池或电容器。蓄能器44通过变换器45、尤其高电压-直流变换器与电网相连接。燃料电池系统本身、其电负载例如压缩机33的电动机34(参见图1)或车辆的其它电负载(例如用于空调设备的压缩器等)可以相同或相似的方式与电网相连接。
驱动系统50包括电动机51，其用作车辆200的牵引马达。对此，电动机51驱动带有布置在此处的驱动轮53的驱动轴52。牵引马达51通过逆变器43与燃料电池系统100的电子功率系统40相连接并且是系统的主要电负载。
电子控制装置60控制燃料电池系统100的运行，尤其其阳极供给部20和阴极供给部30、其电气功率系统40以及牵引马达51。为了该目的，控制装置60获得不同输入信号，例如燃料电池10的利用电压传感器41所检测的电压U、燃料电池10的利用电流传感器42所检测的电流I、关于燃料电池10的温度T的信息、在阳极室12和/或阴极室13中的压力p、蓄能器44的充电状态SOC、牵引马达51的转速n以及另外的输入参数。作为另外的输入参数尤其还输入由车辆200的驾驶员所要求的行驶功率PW。行驶功率尤其由这里未示出的加速踏板的操纵的强度通过踏板位置传感器来检测。此外，车辆200的另外的电负载的所要求的功率Paux可输入控制装置60中。
根据输入参数，尤其由所要求的行驶功率PW和通过辅助负载所要求的功率Paux的总和，控制装置60测定燃料电池堆10的总共所要求的功率。由此，控制装置由计算或相应存储的特性场测定阳极-和阴极工作介质的需要的质量流量或工作压力并且操控燃料电池系统100的压缩机33的电动机34以及调节器件24、26、38等。此外，控制装置60控制逆变器43以便给牵引马达51供能，以及控制变换器45和其它变换器以便给蓄能器44充电或放电且给联接到电网处的负载供能。
图3对于阳极-或阴极工作介质的不同的质量流量或工作压力p示出了燃料电池堆的电流电压特征线KL。可识别出，在质量流量或工作压力恒定的情况下电池电压U随着电流强度I的增加而降低。此外，如果提高阳极-或阴极工作介质的质量流量或工作压力，不仅电池的功率(也就是说，在电流恒定的情况下电压或在电压恒定的情况下电流强度)升高。在车辆的另一运行范围上，在燃料电池堆中受电流控制地实现电流提取，其中，使所供给的工作介质流量根据规定的化学计量(也就是说规定的物质的量比)变化。通过所供给的工作介质(尤其空气)的化学计量的变化，可在电流-电压特性场内在一定的界限中驶到任何工作点。
在车辆的运行中，如例如在图2中所示，常常出现可引起高于0.8伏的单电池电压的燃料电池堆的电压。
在这样的电压下，可在阴极催化剂(在此铂)处通过氧化过程来形成氧化铂，其对于在阴极处的氧还原比金属铂反应性明显更小。因此，氧化铂的存在限制了燃料电池的效率，这在所要求的电流下表现出更低的单电池电压。此外，高于0.8伏的单电池电压导致铂金属的溶解，在其中微小量以Pt2+的形式进入溶液中。如果将所溶解的铂从系统排出，该退化现象不可逆并且导致效率的降低。如果铂再结晶，出现另外的不可逆的现象，因为Pt2+加强地积聚在较大的、而不是较小的颗粒处(所谓的奥斯特瓦尔德熟化(Oswald Ripening))，由此丧失有效的催化表面。
为了抵抗电极催化剂的退化，根据本发明，将从初始电功率到由电负载、尤其牵引马达51所要求的大于初始功率的目标功率上的工作点变换用来引起催化剂材料的再生。例如利用电动车辆的驾驶员操纵油门踏板以使车辆加速的情况。为了该目的，从初始功率出发，根据预定的电流-电压曲线来控制由燃料电池堆10所产生的电功率，该曲线表现出存在于燃料电池堆10处的电压首先经历局部的最低电压，以便然后上升直至与所要求的目标功率相应的最终电压。为了该目的，根据本发明可运用具有在图4中示出的不同的电流-电压曲线的不同策略。
图4首先示出了在至燃料电池堆的反应物供给恒定的情况下(参考图3)的电流-电压特征线KL。工作点L1在此表示与初始功率相应的工作点而L2表示与所要求的目标功率相应的工作点。在常规控制中，会使电流提取沿着特征线上升，以便直至来到目标功率L2。
按照图4中的电流-电压曲线S1来阐述根据本发明的第一策略。从相应于初始功率的工作点L1出发，在化学计量恒定或最多略微减小(也就是说，空气中的氧相对于燃料在化学计量上略微不足)的情况下将从燃料电池堆中的电流提取提高超过目标负荷点。由于被氧化的催化剂颗粒仅缓慢地还原，电压根据曲线S1下降、必要时略微下降到特征线KL之下。使该过程持续直至比由牵引马达51所要求的电流强度更大的电流强度，其中，电压进一步下降。接着使从燃料电池堆中的电流提取返回直至所要求的电流强度I2。曲线S1的具有最高电流强度的点相应于局部最小值Umin,1。通过经历相对于特征线KL更小的电池电压，在阴极处获得铂催化剂的一定程度的再生，由此提高燃料电池的效率。这导致，在目标电流强度I2下与特征线引导的电流提取相比存在更高的电压和因此更高的瞬时功率。以该方式减小催化剂老化。
利用图4中的电流-电压曲线S2来描绘根据本发明的第二策略。在此从初始的工作点L1出发，提高电流，而不相应地快速匹配燃料电池的阴极的空气供给。这导致化学计量的减小(即氧气贫乏)和因此电压的扰动。如果达到了所追求的电压阈值或局部的最低电压Umin,2，例如在0.5伏的单电池电压下，使电流和化学计量与目标功率L2匹配，从而引起电池电压的突然上升。通过较低的所经历的电压值引起阴极电极的催化材料的再生，由此改善电池的效率，这可通过在目标负荷点处所达到的更高的电压识别出。
在图4中按照电流-电压曲线S3示出根据本发明的第三策略。根据该策略，在确定由牵引马达51的功率要求时，短暂关断燃料电池堆10(例如通过切断至阴极的空气供给和/或由DC/DC转换器降低电压)，从而电池电压下降到大约0伏。在此期间不从堆提取电流。在短暂关断之后，通过又将空气供给提高到初始的质量流量或初始的阴极工作压力，立即又使堆10加速。然后，在电池电压仅略微降低的情况下将电流供给提高到所要求的水平上。在短暂关断燃料电池堆时所经历的低电压(Umin,3=0伏)尤其还导致非常明显的再生效应，因为在阴极处的强烈的氧气贫乏造成氢气通过薄膜扩散到阴极侧上。
根据在本发明的范围中的有利的附加的措施，可在燃料电池堆10的短暂的关断期间通过相应的从阳极供给路径21引导到阴极供给路径31中的管路直接将氢气引导到燃料电池堆10的阴极侧上。以该方式还可进一步加快被氧化的铂还原成金属铂。利用曲线S3示出的策略引起在此期间的给牵引马达51供能的功率空缺，在其中牵引马达51优选地由蓄能器44供能。出于该原因可设置成首先检查蓄能器44的充电状态SOC并且仅当SOC超过预定的阈值时那么才运用策略S3。

Claims (12)

1.一种用于控制以阳极工作介质和以阴极工作介质运行的燃料电池堆(10)的工作点变换的方法，在其中所述燃料电池堆(10)被控制成使得所述燃料电池堆从初始电功率(L1)出发产生由电负载(51)所要求的大于初始功率(L1)的目标功率(L2)，其中，相应于预定的电流-电压曲线(S1, S2, S3)来控制由所述燃料电池堆(10)所产生的电功率，使得在所述燃料电池堆(10)处存在的电压从相应于所述初始功率(L1)的初始电压(U1)出发经历局部的最低电压(Umin)并且然后上升直至与所述目标功率(L2)相应的最终电压。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，局部的所述最低电压(Umin)相应于最高0.7伏的单电池电压。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，局部的所述最低电压(Umin)相应于最高0.6伏的单电池电压。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，在工作点变换期间所产生的电功率直接由所述电负载接收。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述电负载是牵引马达(51)。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，相应于所述电流-电压曲线(S1, S2, S3)控制所产生的电功率通过改变所述阳极工作介质和/或所述阴极工作介质的化学计量实现。
7.根据上述权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，相应于电流-电压曲线(S1)来控制所产生的电功率，所述电流-电压曲线(S1)短暂经历高于所述目标功率(L2)的电流强度和/或功率，并且多余的功率被存储在电蓄能器(44)中。
8.根据上述权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，相应于电流-电压曲线(S2)将所产生的电功率控制成使得电压首先连续减小直至与所述目标功率(L2)相应的电流强度并且接着在电流强度基本恒定的情况下电压快速增大直至达到与所述目标功率(L2)相应的电压。
9.根据上述权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，相应于电流-电压曲线(S3)将所产生的电功率控制成使得使电压首先突变式下降直至局部的最低电压(Umin)且接着又突变式升高并且然后电流强度增大直至达到与所述目标功率(L2)相应的电流强度。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，使电压首先突变式下降直至大约0伏。
11.一种燃料电池系统(100)，其包括燃料电池堆(10)和控制装置(60)，所述控制装置设立成实施根据权利要求1至10中任一项所述的方法。
12.一种车辆(200)，其具有根据权利要求11所述的燃料电池系统(100)。
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Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6642463B2 (ja) * 2017-01-19 2020-02-05 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
DE102018201233A1 (de) 2017-04-18 2018-10-18 Ford Global Technologies, Llc Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzelle
JP6919555B2 (ja) * 2017-12-25 2021-08-18 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システムおよび車両
DE102018201106A1 (de) * 2018-01-24 2019-07-25 Volkswagen Ag Verfahren zur Reduktion von Alterungseffekten bei Brennstoffzellensystemen
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
CN109542157B (zh) * 2018-11-14 2020-10-30 中国计量大学 一种燃料电池最大功率点直接计算与跟踪方法
DE102020116891A1 (de) 2020-06-26 2021-12-30 Audi Aktiengesellschaft Leistungsmoduliert und überstöchiometrisch betriebenes Brennstoffzellensystem
DE102020124579A1 (de) 2020-09-22 2022-03-24 Audi Aktiengesellschaft Brennstoffzellensystem mit lastpunktabhängiger Degradationsregeneration
DE102020124578A1 (de) 2020-09-22 2022-03-24 Audi Aktiengesellschaft Brennstoffzellensystem mit richtungsabhängigem Lastpunktwechsel
CN115775899B (zh) * 2022-11-22 2024-05-07 上海氢晨新能源科技有限公司 一种燃料电池系统动态控制方法、电子设备及储存介质
CN116364976B (zh) * 2022-12-28 2024-04-05 上海氢晨新能源科技有限公司 燃料电池系统的控制方法、装置及燃料电池系统

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101351918A (zh) * 2005-12-27 2009-01-21 日产自动车株式会社 燃料电池系统
CN102655239A (zh) * 2011-03-04 2012-09-05 本田技研工业株式会社 燃料电池系统
CN103682375A (zh) * 2012-09-12 2014-03-26 通用汽车环球科技运作有限责任公司 燃料电池电极污染物的氧化
CN104051762A (zh) * 2013-03-14 2014-09-17 福特全球技术公司 用于使燃料电池待机的设备和方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050048335A1 (en) * 2003-08-26 2005-03-03 Fields Robert E. Apparatus and method for regulating hybrid fuel cell power system output
JP5064723B2 (ja) * 2006-05-25 2012-10-31 パナソニック株式会社 燃料電池の運転方法
JP5286663B2 (ja) 2006-11-22 2013-09-11 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP4761162B2 (ja) 2007-03-07 2011-08-31 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP5817472B2 (ja) * 2011-11-28 2015-11-18 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
JP5765672B2 (ja) 2012-05-21 2015-08-19 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101351918A (zh) * 2005-12-27 2009-01-21 日产自动车株式会社 燃料电池系统
CN102655239A (zh) * 2011-03-04 2012-09-05 本田技研工业株式会社 燃料电池系统
CN103682375A (zh) * 2012-09-12 2014-03-26 通用汽车环球科技运作有限责任公司 燃料电池电极污染物的氧化
CN104051762A (zh) * 2013-03-14 2014-09-17 福特全球技术公司 用于使燃料电池待机的设备和方法

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