CN113809371A - 燃料电池系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及燃料电池系统及其控制方法。燃料电池系统的控制装置在满足由控制装置计算出的阀开度指令值不足指令值阈值的第1条件并且满足由空气阀开度传感器测定出的阀开度测定值不足测定值阈值的第2条件的情况下，不实施空气阀的反馈控制，在不满足第1条件或者第2条件的情况下，实施空气阀的反馈控制。

Description

燃料电池系统及其控制方法
技术领域
本公开涉及燃料电池系统及其控制方法。
背景技术
日本特开2008-88925公开有：以使在发动机启动后的怠速时怠速转速稳定的方式实施电子节气门的全闭学习而高精度地控制阀开度。
另外，在燃料电池系统中，为了谋求设置于空气供给系统、氢气供给系统的阀在驱动停止期间的密封性，通常在阀芯与阀体(缸孔)之间设置有橡胶等密封构件。在这种情况下，在阀为全闭状态时阀芯成为与密封构件紧贴的状态而将流路密封。
此处，有时由于环境、制造偏差导致上述的阀芯与密封构件之间所产生的压力(张紧力)产生偏差。因此，若将日本特开2008-88925等记载的以往的阀开度控制方法应用于燃料电池系统的阀的控制，则由于上述的张紧力的偏差，在系统起动时阀开度的反馈控制变得不稳定，存在产生极端地超过目标值的超调的可能性。
发明内容
本公开提供能够稳定地进行阀开度的控制的燃料电池系统。
本发明的一方式提供燃料电池系统。该燃料电池系统具备：阀，其配置构成为供向燃料电池供给的反应气体流通的流路；阀开度测定部，其构成为对上述阀的阀开度测定值进行测定；以及控制装置，其构成为基于根据上述燃料电池的目标发电量计算出的上述反应气体的流量对上述阀的阀开度指令值进行计算，并基于上述阀开度指令值以及上述阀开度测定值对上述阀的动作进行反馈控制。上述控制装置构成为，在满足上述阀开度指令值不足指令值阈值的第1条件并且满足上述阀开度测定值不足测定值阈值的第2条件的情况下，不实施上述阀的上述反馈控制，在不满足上述第1条件或者上述第2条件的情况下，实施上述阀的上述反馈控制。
在上述方式的燃料电池系统中，也可以是，上述流路为与上述燃料电池的阴极的出口连接的放出流路，也可以是，上述阀为配置于上述放出流路的排出流量调整阀。
在上述方式的燃料电池系统中，也可以是，上述阀具备：阀主体；阀芯，其构成为通过以阀杆为轴进行旋转来开闭上述阀主体的内部流路；以及密封构件，其配置于上述阀芯与上述阀主体的上述内部流路之间。
本发明的其他方式提供燃料电池系统的控制方法，上述燃料电池系统具备阀，上述阀配置于供向燃料电池供给的反应气体流通的流路。该控制方法具备如下步骤：通过阀开度测定部，对上述阀的阀开度测定值进行测定；通过控制装置，基于根据上述燃料电池的目标发电量计算出的上述反应气体的流量对上述阀的阀开度指令值进行计算；以及通过上述控制装置，基于上述阀开度指令值以及上述阀开度测定值对上述阀的动作进行反馈控制。通过上述控制装置，在满足上述阀开度指令值不足指令值阈值的第1条件并且满足上述阀开度测定值不足测定值阈值的第2条件的情况下，不实施上述阀的上述反馈控制，在不满足上述第1条件或者上述第2条件的情况下，实施上述阀的上述反馈控制。
根据本公开，能够提供能够稳定地进行阀开度的控制的燃料电池系统及其控制方法。
下面将参照附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，其中相同的附图标记表示相同的元件。
附图说明
图1是表示实施方式所涉及的燃料电池系统的概略结构的图。
图2是图1中的控制装置的功能框图。
图3是表示排出流量调整阀的概略结构的示意图。
图4是燃料电池系统起动时的阀控制的流程图。
图5是燃料电池系统起动时的时序图。
图6是燃料电池系统再起动时的时序图。
具体实施方式
以下，参照附图对实施方式进行说明。为了容易理解说明，在各附图中尽量对相同的构成要素标注相同的附图标记，并省略重复的说明。
图1是表示实施方式所涉及的燃料电池系统10的概略结构的图。燃料电池系统10例如搭载于车辆(燃料电池车辆)，并根据来自驾驶员的要求，输出成为车辆的动力源的电力。燃料电池系统10具备燃料电池(Fuel Cell：FC)100、空气供给系统200、氢气供给系统300、未图示的冷却系统、控制装置600。
燃料电池100具有层叠有多个作为发电体的单电池110的堆叠结构。单电池110由使阳极和阴极的两电极在电解质膜的两侧接合的膜电极接合体(Membrane ElectrodeAssembly：MEA)及从膜电极接合体的阳极和阴极的两侧夹持的两个隔板构成。燃料电池100通过从后述的氢气供给系统300供给于阳极的作为燃料气体的氢气和从空气供给系统200供给于阴极的空气中所含的作为氧化气体的氧气的电化学反应来发电，并通过该发电电力对驱动用马达等负荷进行驱动。
空气供给系统200对燃料电池100的阴极供给包括作为氧化气体的氧气的空气。空气供给系统200具备氧供给流路210、放出流路220、压缩机230、排出流量调整阀240。氧供给流路210的一端与燃料电池100的阴极的入口连接，另一端成为开口端。压缩机230设置于氧供给流路210。放出流路220的一端与燃料电池的阴极的出口连接。排出流量调整阀240设置于放出流路220。空气供给系统200将从氧供给流路210的开口端获取到的空气在由压缩机230进行了流量调整之后向燃料电池100的阴极供给。另外，空气供给系统200以由放出流路220的排出流量调整阀240调整后的流量，将从阴极的出口排出的包括未消耗的氧气的空气(阴极废气)释放到大气中。空气供给系统200的动作通过压缩机230以及排出流量调整阀240由后述的控制装置600控制来执行。此外，在本实施方式的以下的说明中，参照图3等，列举排出流量调整阀240作为后述的阀控制的控制对象的“在供向燃料电池供给的反应气体流通的流路配置的阀”而进行说明。另外，排出流量调整阀240有时记载为“FC出口空气阀”、“空气出口阀”、“空气阀”等。
氢气供给系统300将用于燃料电池100的发电的燃料气体亦即氢气向燃料电池100的阳极供给。氢气供给系统300具备：作为燃料箱的氢气罐310、作为燃料气体供给流路的氢气供给路320、回流通路330、开闭阀340、调压阀350、作为燃料气体供给装置的喷射器360、压力传感器321、322、安全阀323、氢气泵370、气液分离器380、排出阀395、放出流路390。此外，放出流路390与放出流路220连接。
氢气罐310储藏高压的氢气。氢气罐310经由氢气供给路320与燃料电池100的阳极的入口连接。在氢气供给路320，从氢气罐310侧依次设置有开闭阀340、调压阀350、压力传感器321、喷射器360、安全阀323、压力传感器322。开闭阀340使来自氢气罐310的阳极气体的供给接通、断开。调压阀350对向喷射器360供给的氢气的压力进行调整。喷射器360使从调压阀350供给的氢气经由氢气供给路320朝向燃料电池100的阳极，以要求的负荷对应的周期进行喷射，并对氢气向燃料电池100的供给量进行调整。喷射器360的上游侧的压力由压力传感器321检测，喷射器360的下游侧的压力由压力传感器322检测。安全阀323在超过了预先设定的压力时工作(开阀)，从安全阀323的放出口放出在喷射器360的下游侧的氢气供给路320流动的氢气。作为其结果，安全阀323动作，以防止喷射器360的下游侧的氢气供给路320的压力超过设定压力。在与安全阀323的放出口连接的放出配管325的端部即在紧邻安全阀323的下游设置有热流传感器324。热流传感器324如后述那样，对由于安全阀323开阀时氢气开始从放出口放出而产生的热流束的变化进行检测。
经由氢气供给路320供给至燃料电池100的氢气在通过多个单电池110的层叠而构成的供给侧的氢气流通路(未图示)流通，并向各单电池110供给。包含各单电池中没有使用的未使用的氢气的阳极废气在通过多个单电池110的层叠而构成的排出侧的氢气流通路流通，并向回流通路330排出。该阳极废气包含通过各单电池110的发电而生成的液态水、从阴极侧透过了阳极侧的氮气等杂质气体。即，阳极废气是包括氢气和氮气等杂质气体的混合气体。
回流通路330与燃料电池100的阳极的出口以及比压力传感器322靠燃料电池100侧的氢气供给路320的部分连接，并使从燃料电池100排出的阳极废气向氢气供给路320回流。在回流通路330设置有气液分离器380和氢气泵370。气液分离器380由从燃料电池100排出的混有液态水的阳极废气分离出液态水。由气液分离器380分离出液态水的阳极废气通过氢气泵370，经由回流通路330向氢气供给路320回流，阳极废气所含的氢气向燃料电池100循环供给。因此，向燃料电池100供给的阳极气体(燃料气体)实际上是包括氢气以及杂质气体的混合气体。
为了高效地进行基于燃料电池100的发电，不优选使杂质气体的浓度高、氢气的浓度低。因此，在阳极废气所含的杂质气体的浓度高、氢气的浓度低的情况下，进行打开排出阀395而从气液分离器380向放出流路390排出阳极废气的控制。另外，此时，通过从喷射器360喷射氢气，能够进行使杂质气体的浓度低且氢气的浓度高的控制。
通过由后述的控制装置600控制开闭阀340、调压阀350、喷射器360、氢气泵370以及排出阀395来执行氢气供给系统300的各种动作。
控制装置600由具备执行逻辑运算的CPU、ROM、RAM等的所谓的微型计算机构成。控制装置600接受压力传感器321、322、热流传感器324、后述的空气阀开度传感器63(参照图2)、未图示的各种传感器等的传感器输入，进行压缩机230、喷射器360、调压阀350、开闭阀340、排出阀395、排出流量调整阀240等燃料电池100内的各构成要素的各种控制。
另外，控制装置600控制空气供给系统200、氢气供给系统300等来控制燃料电池100的动作。另外，基于压力传感器321、322的检测结果的变化量，对包括气体泄漏、安全阀323的工作(开阀)的故障、各种阀的故障等进行检测。
另外，控制装置600能够使用PID控制等反馈控制方法，控制排出流量调整阀240等各种阀的阀开度。PID控制的控制参数例如能够通过预先的模拟、实验等而预先获取。而且特别是在本实施方式中，在排出流量调整阀240的控制中，能够根据后述的规定条件判定可否实施PID控制并进行切换。
图2是图1中的控制装置600的功能框图。在控制装置600连接有空气阀开度传感器63(阀开度测定部)和排出流量调整阀240。空气阀开度传感器63对设置于空气供给系统200的排出流量调整阀240的开度(阀开度测定值)θm进行测定。
控制装置600基于从空气阀开度传感器63等输入的系统的各种信息，对排出流量调整阀240等系统的各要素的动作进行控制。
控制装置600特别是关于上述的功能，例如图2所示，具备阀开度决定部61和空气阀控制部62。
阀开度决定部61对排出流量调整阀240的开度的指令值θd进行计算。阀开度指令值θd例如基于根据燃料电池100的目标发电量计算出的反应气体的流量来计算。
空气阀控制部62基于由阀开度决定部61计算出的阀开度指令值θd，对排出流量调整阀240的动作进行控制。空气阀控制部62进行PID控制等反馈控制，以使得例如排出流量调整阀240的阀开度(由空气阀开度传感器63计测出的阀开度测定值θm)追随于阀开度指令值θd。
另外，空气阀控制部62基于由空气阀开度传感器63计测出的阀开度测定值θm和由阀开度决定部61计算出的阀开度指令值θd，来决定可否实施PID控制。
此处，参照图3对设置于燃料电池系统10的阀的概略结构和以往的问题点进行说明。图3是表示作为设置于燃料电池系统10的阀的一个例子的排出流量调整阀240的概略结构的示意图。
如图3所示，排出流量调整阀240是例如在阀主体241的内部的流路(缸孔)中通过圆板状的盘(阀芯)242以杆(阀杆)246为轴旋转约90度而进行开闭的结构的阀即所谓蝶阀。排出流量调整阀240通过马达243输出的驱动力f1以阀杆246为中心而转动。另外，在阀杆246连接有弹簧244等施力单元，在阀芯242成为全闭状态的方向上附加有作用力f2。换句话说，排出流量调整阀240是在向阀的通电被切断、没有附加有基于马达243的驱动力f1的情况下通过弹簧244的作用力f2维持全闭状态的阀即所谓常闭阀。在开阀时，通过马达243输出关闭方向的作用力f2的相反的扭矩来实现开阀动作。
另外，对于在燃料电池系统10的空气供给系统200的放出流路220设置的FC出口空气阀(排出流量调整阀240)而言，由于排气气体所含的氢浓度存在上限，所以谋求非通电时的阀动作的停止期间(全闭状态)的密封性。因此，如图3所示，构成为，在阀芯242与阀主体241的缸孔之间的密封部设置橡胶唇245(密封构件)，在阀为全闭状态时成为阀芯242紧贴于橡胶唇245的状态，能够提高密封性。
此处，如上述那样，在通过PID控制等反馈控制进行排出流量调整阀240的阀开度的控制的情况下，用于PID控制的控制参数多使用例如通过预先的模拟、实验等预先获取到的控制参数。但是，由于各个阀的使用环境的不同、制造偏差等，有时阀芯242与橡胶唇245之间所产生的压力(张紧力)产生偏差。因此，若由于该张紧力的偏差而使阀芯242与橡胶唇245之间的压力与参数获取时的情况不同，则例如在系统起动时的空转状态等接近全闭状态的低开度的状态时，阀开度的反馈控制不稳定而无法维持该开度，有时引起阀开度极端地超过目标值而增加的超调。
因此，在本实施方式中，控制装置600的空气阀控制部62构成为，在满足包括系统起动紧后的状态的阀开度指令值θd不足指令值阈值θt1的条件(第1条件)的情况下，不实施PID控制(通电切断)，由此，能够抑制系统起动时的阀开度的超调的产生。
但是，若使PID控制的实施中止的条件仅为上述的第1条件，则恐怕在除系统起动时以外的状况下产生不良状况。具体而言，在停止处理中的阀的阀芯242向关闭方向加速时进行了再起动的情况下，为了满足第1条件，将向阀的通电切断，由此，阀的驱动马达243的制动力丧失，存在导致阀芯242以部件的耐久性以上的速度关闭的情况。
因此，在本实施方式中，在除了满足上述的第1条件之外，还满足阀实际开度(阀开度测定值θm)不足测定值阈值θt2这一条件(第2条件)的情况下，控制装置600的空气阀控制部62不实施PID控制(通电切断)。换言之，尽管在如系统再起动时那样阀开度指令值θd不足指令值阈值θt1的情况下，却在阀实际开度大于测定值阈值θt2的情况下实施PID控制。由此，防止系统再起动时阀芯242以高速向阀主体241侧碰撞，能够保护部件。
换句话说，在本实施方式中，对于控制装置600的空气阀控制部62而言，仅在满足上述的第1条件和第2条件双方的情况下，不实施阀开度的PID控制，在不满足第1条件或者第2条件的至少一方的情况下实施PID控制。由此，本实施方式的燃料电池系统10能够抑制系统起动时的超调产生，并且也能够防止系统再起动时的阀芯242的碰撞，因此，能够稳定地进行阀开度的控制。
参照图4～图6对本实施方式的作用效果进一步进行说明。图4是燃料电池系统10起动时的阀控制的流程图。图4的流程图的各处理通过控制装置600来实施。
在步骤S1中，发出FC电池组(燃料电池100)的发电准备的指示，在步骤S2中，允许空气出口阀(排出流量调整阀240)的通电。
在步骤S3中，通过空气阀控制部62，判定是否满足用于判断可否实施排出流量调整阀240的阀开度的PID控制的下述的两个条件。
第1条件：阀开度指令值θd不足指令值阈值θt1。
第2条件：阀开度测定值θm不足测定值阈值θt2。
此处，通过阀开度决定部61，例如根据燃料电池100的发电量来计算阀开度指令值θd。阀开度测定值θm通过空气阀开度传感器63来计测。指令值阈值θt1和测定值阈值θt2能够单独设定。指令值阈值θt1例如为3(deg)，测定值阈值θt2例如为2.5(deg)。
作为步骤S3的判定的结果，在满足第1条件以及第2条件双方的情况下(步骤S3的是)，进入步骤S4，在满足该条件的期间不实施PID控制。
另一方面，在不满足第1条件或者第2条件的至少一方的情况下(步骤S3的否)，进入步骤S5，开始阀驱动的PID控制运算，实施PID控制。
在步骤S4、S5的处理实施后返回步骤S3的判定块，重复PID控制的实施可否判定。
图5是燃料电池系统10起动时的时序图。图5示出点火装置(IG)、空气阀(排出流量调整阀240)的驱动允许信号、阀开度指令值θd、阀开度测定值θm、空气压缩机(ACP)的转速、PID允许信号的时间推移。另外，对于阀开度测定值θm而言，应用了本实施方式时的动作由实线表示，以往(驱动允许后立即开始PID控制的情况下)的动作由虚线表示。同样，对于PID允许信号而言，也在本实施方式的情况下由实线表示，在以往的情况下由虚线表示。
若在时刻T1切换为点火装置接通，则执行图4的流程图的步骤S1、S2的处理，在时刻T2，驱动允许信号上升。
此时，阀开度指令值θd成为接近全闭状态的低开度θ1(例如0.5度)。以往，在驱动允许信号上升的同时，PID允许信号上升，开始阀开度的反馈控制，但如上述那样闭阀状态的阀芯242与橡胶唇245之间的张紧力存在个体差，因此，无法顺利地实施低开度的反馈控制，例如图5的阀开度测定值θm的项目中虚线所示的那样，有时导致反馈向开阀方向作用的不必要的超调产生。
相对于此，在本实施方式中，执行图4的流程图的步骤S3和步骤S4的处理，如上述的第1条件那样，在阀开度指令值θd不足规定的指令值阈值θt1的情况下，不实施PID控制。因此，能够抑制在起动紧后产生空气阀240的超调的情况。
而且，若在时刻T3，发出发电指令，开始对燃料电池100的电池组供给空气，则阀开度指令值θd增加至指令值阈值θt1以上。此时，不满足第1条件，因此，执行图4的流程图的步骤S3和步骤S5的处理，PID允许信号上升而开始PID控制，以后，通过PID控制使阀开度测定值θm追随于阀开度指令值θd而增加。
这样，根据本实施方式，能够抑制燃料电池系统10起动时的空气阀240的超调产生。
图6是燃料电池系统10再起动时的时序图。图6示出阀指令开度(阀开度指令值θd)、阀实际开度(阀开度测定值θm)、马达扭矩、PID允许信号的时间推移。马达扭矩是驱动空气阀240的马达243(参照图3)输出的扭矩。图6也与图5相同，对于阀开度测定值θm、PID允许信号以及马达扭矩而言，应用了本实施方式时的动作由实线示出，以往(再起动后立即停止PID控制的情况下)的动作由虚线示出。
在图6所示的再起动时，控制装置600也进行与图4的流程图的步骤S3～S5相同的可否实施PID控制的处理，从而能够防止不良状况的产生。
若在时刻T4燃料电池停止，则由于使空气阀240成为全闭状态，所以阀开度指令值θd线性地单调减少。阀开度测定值θm相对于阀开度指令值θd的变化存在时间延迟，并且以追随于阀开度指令值θd的方式转为减少。
若在时刻T5开始再起动，则以往再起动时PID允许信号无条件地切换为断开，不实施PID控制。因此，在向空气阀240关闭的方向移动期间并且阀实际开度θm在至全闭状态为止仍具有很大的开度的情况下，若停止PID控制，则如图6的马达扭矩栏中虚线所示那样，马达扭矩成为0，不产生制动侧的扭矩，因此，通过作为常闭阀的空气阀240的弹簧244(参照图3)的作用力f2，使空气阀240一下子转变为全闭状态。由此，如图6的阀开度测定值θm的项目中虚线所示那样，引起阀芯242迅速抵接于阀主体241侧或者空气阀240的阀芯242弹回的动作。
另一方面，在本实施方式中，通过控制装置600进行图4的流程图的步骤S3的判断，从而能够避免该问题。即，由于不满足阀开度测定值θm不足测定值阈值θt2的第2条件，所以执行图4的流程图的步骤S3和步骤S5的处理，PID允许信号维持接通状态而继续实施PID控制。由此，在再起动后，如图6的马达扭矩栏中实线所示那样，产生制动侧的扭矩，因此，能够如图6的阀实际开度θm栏所示那样，一边空气阀240减速，一边阀实际开度θm推移至阀开度指令值θ1。作为其结果，能够防止空气阀240的阀芯242与阀主体241侧碰撞，能够抑制空气阀240的部件的消耗。
在时刻T6阀开度测定值θm不足测定值阈值θt2之后，满足阀开度测定值θm不足测定值阈值θt2的第2条件，因此，执行图4的流程图的步骤S3和步骤S4的处理，PID允许信号切换为断开，不实施PID控制。
如参照图4～图6说明的那样，根据本实施方式的燃料电池系统10，控制装置600通过构成为在满足上述的第1条件以及第2条件双方的情况下不实施空气阀(排出流量调整阀240)的阀开度的PID控制，从而能够抑制系统起动时阀芯242向打开方向的超调，并且能够防止系统再起动时阀芯242以高速向阀主体241碰撞，因此，能够稳定地进行排出流量调整阀240的阀开度的控制。
以上，参照具体例针对本实施方式进行了说明。但是，本公开不限定于这些具体例。本领域技术人员对这些具体例适当地施加了设计变更的方式只要具备本公开的特征，则也包含于本公开的范围。前述的各具体例所具备的各要素及其配置、条件、形状等不限定于例示的情况，能够适当地变更。前述的各具体例所具备的各要素只要在技术上不矛盾，则能够适当地改变组合。
在上述实施方式中，作为判断可否实施PID控制(反馈控制)的阀的一个例子，列举排出流量调整阀240进行了说明，但控制对象的阀不限定于排出流量调整阀240，只要是在供向燃料电池100供给的反应气体流通的流路(空气供给系统200、氢气供给系统300)配置的阀则也能够应用其他阀。
在上述实施方式中，PID控制的控制对象亦即排出流量调整阀240例示出图3所示那样的蝶阀的结构，但只要是能够调整阀开度的阀则也可以是其他类型。

Claims (4)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，包括：
阀，其配置于构成为供向燃料电池供给的反应气体流通的流路；
阀开度测定部，其构成为对所述阀的阀开度测定值进行测定；以及
控制装置，其构成为基于根据所述燃料电池的目标发电量计算出的所述反应气体的流量对所述阀的阀开度指令值进行计算，并基于所述阀开度指令值以及所述阀开度测定值对所述阀的动作进行反馈控制，
其中，所述控制装置构成为，
在满足所述阀开度指令值不足指令值阈值的第1条件并且满足所述阀开度测定值不足测定值阈值的第2条件的情况下，不实施所述阀的所述反馈控制，
在不满足所述第1条件或者所述第2条件的情况下，实施所述阀的所述反馈控制。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述流路是与所述燃料电池的阴极的出口连接的放出流路，
所述阀是配置于所述放出流路的排出流量调整阀。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述阀具备：
阀主体；
阀芯，其构成为通过以阀杆为轴进行旋转来开闭所述阀主体的内部流路；以及
密封构件，其配置于所述阀芯与所述阀主体的所述内部流路之间。
4.一种燃料电池系统的控制方法，所述燃料电池系统具备阀，所述阀配置于供向燃料电池供给的反应气体流通的流路，
所述燃料电池系统的控制方法的特征在于，具备如下步骤：
通过阀开度测定部，对所述阀的阀开度测定值进行测定；
通过控制装置，基于根据所述燃料电池的目标发电量计算出的所述反应气体的流量对所述阀的阀开度指令值进行计算；以及
通过所述控制装置，基于所述阀开度指令值以及所述阀开度测定值对所述阀的动作进行反馈控制，
其中，通过所述控制装置，在满足所述阀开度指令值不足指令值阈值的第1条件并且满足所述阀开度测定值不足测定值阈值的第2条件的情况下，不实施所述阀的所述反馈控制，在不满足所述第1条件或者所述第2条件的情况下，实施所述阀的所述反馈控制。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11967744B2 (en) * 2022-02-11 2024-04-23 Ford Global Technologies, Llc Fuel cell vehicle with bypass valve control for clearing exhaust
CN114967497A (zh) * 2022-05-24 2022-08-30 中国第一汽车股份有限公司 一种基于液压仿真模型的燃料电池空气回路流量压力解耦方法、系统、电子设备和存储介质

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0791654A (ja) * 1993-09-22 1995-04-04 Sanyo Electric Co Ltd バーナの制御装置
WO2009050952A1 (ja) * 2007-10-16 2009-04-23 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha 燃料電池システムおよびコンプレッサの回転数制御方法
JP2012104313A (ja) * 2010-11-09 2012-05-31 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム
CN105609812A (zh) * 2014-11-15 2016-05-25 丰田自动车株式会社 氧化气体的流量调整阀的控制方法及流量调整装置
DE102015216832A1 (de) * 2015-01-19 2016-07-21 Hyundai Motor Company System und Verfahren zum Steuern einer Brennstoffzelle eines Fahrzeugs
JP2016134348A (ja) * 2015-01-21 2016-07-25 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
US20170256805A1 (en) * 2016-03-04 2017-09-07 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system and control method of the same

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4609630B2 (ja) 2004-04-21 2011-01-12 トヨタ自動車株式会社 燃料電池のバルブ異常判定制御装置
US7418944B2 (en) 2006-10-04 2008-09-02 Aisan Kogyo Kabushiki Kaisha Electronic throttle control apparatus
JP4704992B2 (ja) 2006-10-04 2011-06-22 愛三工業株式会社 電子スロットル制御装置
JP5080876B2 (ja) * 2007-06-20 2012-11-21 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
JP2010146788A (ja) 2008-12-17 2010-07-01 Toyota Motor Corp 燃料電池システム、およびその起動時における開弁動作の制御方法
JP6259478B2 (ja) * 2016-02-26 2018-01-10 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
JP6642322B2 (ja) * 2016-07-26 2020-02-05 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0791654A (ja) * 1993-09-22 1995-04-04 Sanyo Electric Co Ltd バーナの制御装置
WO2009050952A1 (ja) * 2007-10-16 2009-04-23 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha 燃料電池システムおよびコンプレッサの回転数制御方法
JP2012104313A (ja) * 2010-11-09 2012-05-31 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム
CN105609812A (zh) * 2014-11-15 2016-05-25 丰田自动车株式会社 氧化气体的流量调整阀的控制方法及流量调整装置
DE102015216832A1 (de) * 2015-01-19 2016-07-21 Hyundai Motor Company System und Verfahren zum Steuern einer Brennstoffzelle eines Fahrzeugs
JP2016134348A (ja) * 2015-01-21 2016-07-25 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
US20170256805A1 (en) * 2016-03-04 2017-09-07 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system and control method of the same
CN107154507A (zh) * 2016-03-04 2017-09-12 丰田自动车株式会社 燃料电池系统及其控制方法

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