JP2020102420A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池の発電性能を回復する回復処理の実行に伴う発電量と発熱量とを低減できる燃料電池システムを提供することを目的とする。【解決手段】燃料電池と、前記燃料電池に供給されるカソードガスの流量を調整する供給装置と、前記燃料電池の出力電圧を目標値にまで低下させることにより前記燃料電池の発電性能を回復させる回復処理を実行可能な制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記回復処理の実行要求がある場合に、前記燃料電池の発電が休止した状態で前記カソードガスの流量が制御されることにより前記燃料電池の開放電圧が前記目標値よりも高い閾値以下に低下した際に、前記燃料電池の発電を再開して、前記燃料電池の出力電流値をアイドル運転時の前記燃料電池の出力電流値であるアイドル電流値未満に制御しつつ前記回復処理を実行する、燃料電池システム。【選択図】図６

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
燃料電池の電圧を所定の目標値にまで低下させることにより、燃料電池の発電性能を回復する回復処理が実行される場合がある（例えば特許文献１参照）。
特開２００８−１３０４０２号
上記のように燃料電池の電圧を目標値にまで低下させる過程では、燃料電池は発電と発熱とが継続されるため、発電量と発熱量とが増大する。このため、余剰電力が増大し、燃料電池が高温化する場合もある。
そこで、発電量及び発熱量を低減しつつ燃料電池の発電性能を回復する回復処理を実行できる燃料電池システムを提供することを目的とする。
上記目的は、燃料電池と、前記燃料電池に供給されるカソードガスの流量を調整する供給装置と、前記燃料電池の出力電圧を目標値にまで低下させることにより前記燃料電池の発電性能を回復させる回復処理を実行可能な制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記回復処理の実行要求がある場合に、前記燃料電池の発電が休止した状態で前記カソードガスの流量が制御されることにより前記燃料電池の開放電圧が前記目標値よりも高い閾値以下に低下した際に、前記燃料電池の発電を再開して、前記燃料電池の出力電流値をアイドル運転時の前記燃料電池の出力電流値であるアイドル電流値未満に制御しつつ前記回復処理を実行する、燃料電池システムによって達成できる。
開放電圧が閾値以下に低下した際に発電を再開して回復処理を実行するため、少ない発電量及び発熱量で出力電圧を目標値にまで低下させることができる。更に、燃料電池の出力電流値をアイドル電流値未満に制御して回復処理を実行するため、少ない発電量及び発熱量で出力電圧を目標値にまで低下させることができる。
前記閾値に対応した前記燃料電池の電流‐電圧特性により定められる、前記目標値に対応した前記燃料電池の出力電流値は、前記アイドル電流値未満であってもよい。
前記制御装置は、前記燃料電池の発電を再開して前記燃料電池の出力電流を前記アイドル電流値未満となる範囲で一旦増大させ、その後に低下させることにより前記回復処理を実行してもよい。
前記制御装置は、前記カソードガスの流量を前記開放電圧が低下するカソードガスの流量以下に制限しつつ前記回復処理を実行してもよい。
前記制御装置は、前記カソードガスの流量をゼロにしつつ前記回復処理を実行してもよい。
前記制御装置は、前記燃料電池への要求出力が所定値以下の場合には、前記燃料電池の発電を休止して前記カソードガスの流量を増減制御することにより前記開放電圧が目標範囲内に収束させる間欠運転を実行し、前記閾値は、前記目標範囲以内に含まれ、前記制御装置は、前記回復処理の実行要求があり前記間欠運転中の場合には、前記開放電圧が前記閾値以下に低下した際に、前記間欠運転を停止して前記回復処理を実行してもよい。
前記制御装置は、前記燃料電池への要求出力が所定値以下の場合には、前記燃料電池の発電を休止して前記カソードガスの流量を増減制御することにより前記開放電圧が目標範囲内に収束させる間欠運転を実行し、前記閾値は、前記目標範囲の下限値未満であり、前記制御装置は、前記回復処理の実行要求があり前記間欠運転中の場合には、前記開放電圧が前記下限値にまで低下しても、前記開放電圧が上昇するように前記カソードガスの流量を増大させずに前記開放電圧が前記閾値以下に低下した際に、前記間欠運転を停止して前記回復処理を実行してもよい。
前記供給装置は、前記燃料電池に前記カソードガスを供給するコンプレッサと、前記コンプレッサからの前記カソードガスが前記燃料電池に供給される供給状態から前記燃料電池を迂回して前記燃料電池の外部へ排出される迂回状態に切り替え可能な切替機構と、を含み、前記制御装置は、車両に搭載された発電機の回生電力量が所定値以上の場合に、前記発電機の回生電力を前記コンプレッサの駆動により消費しつつ前記燃料電池の発電を休止して前記供給状態から前記迂回状態に切替える回生運転を実行し、前記回復処理の実行要求があり前記回生運転中の場合には、前記開放電圧が閾値以下に低下した際に前記回生運転を継続しながら前記回復処理を実行してもよい。
発電量及び発熱量を低減しつつ燃料電池の発電性能を回復する回復処理を実行できる燃料電池システムを提供できる。
図１は、車両に搭載された燃料電池システムの構成図である。 図２は、燃料電池のＩＶ曲線を示したグラフである。 図３Ａ〜図３Ｄは、比較例での回復処理の説明図である。 図４Ａ及び図４Ｂは、本実施例の回復処理の説明図である。 図５は、本実施例の制御の一例を示したフローチャートである。 図６は、間欠運転中に回復処理が実行される場合でのタイミングチャートである。 図７は、回生運転中に回復処理が実行される場合でのタイミングチャートである。 図８は、第１変形例の回復処理の説明図である。 図９は、間欠運転中に第１変形例の回復処理が実行される場合のタイミングチャートである。 図１０は、第２変形例の回復処理の説明図である。 図１１は、間欠運転中に第２変形例の回復処理が実行される場合のタイミングチャートである。
［燃料電池システムの構成］
図１は、車両に搭載された燃料電池システム１の構成図である。燃料電池システム１は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）３、燃料電池（以下、ＦＣと称する）４、二次電池（以下、ＢＡＴと称する）８、カソードガス供給系１０、アノードガス供給系２０、電力制御系３０、及び冷却系４０を含む。尚、燃料電池システム１は、ＦＣ４に冷却水を循環させて冷却する不図示の冷却系を含む。また、車両には、走行用のモータ５０や、車輪５、アクセル開度センサ６を備えている。ＦＣ４は、カソードガスとアノードガスの供給を受けて発電する燃料電池であり、固体高分子電解質型の単セルを複数積層して構成されている。
カソードガス供給系１０は、カソードガスとして酸素を含む空気をＦＣ４に供給し、供給管１１、排出管１２、バイパス管１３、エアコンプレッサ１４、バイパス弁１５、インタークーラ１６、及び背圧弁１７を含む。供給管１１は、ＦＣ４のカソード入口マニホールドに接続されている。排出管１２は、ＦＣ４のカソード出口マニホールドに接続されている。バイパス管１３は供給管１１及び排出管１２を連通している。バイパス弁１５は、供給管１１とバイパス管１３との接続部分に設けられている。バイパス弁１５は供給管１１とバイパス管１３との連通状態を切り替える。エアコンプレッサ１４、バイパス弁１５、及びインタークーラ１６は、供給管１１上に上流側から順に配置されている。背圧弁１７は、排出管１２上であって、排出管１２とバイパス管１３との接続部分よりも上流側に配置されている。エアコンプレッサ１４は、カソードガスとして酸素を含む空気を、供給管１１を介してＦＣ４に供給する。ＦＣ４に供給されたカソードガスは、排出管１２を介して排出される。インタークーラ１６は、ＦＣ４に供給されるカソードガスを冷却する。背圧弁１７は、ＦＣ４のカソード側の背圧を調整する。エアコンプレッサ１４、バイパス弁１５、及び背圧弁１７の駆動は、ＥＣＵ３により制御される。
また、ＦＣ４の通常発電時では、バイパス弁１５及び背圧弁１７の開度を調整することにより、エアコンプレッサ１４からのカソードガスがＦＣ４に供給される供給状態に制御される。供給状態では、バイパス弁１５は、少なくとも供給管１１のバイパス弁１５よりも上流側と下流側とを連通し、背圧弁１７は少なくとも排出管１２を全閉以外の開いた状態に調整する。また、詳しくは後述するが、ＦＣ４の発電が休止した状態では、バイパス弁１５及び背圧弁１７により、ＦＣ４にカソードガスが供給されずにＦＣ４を迂回して外部へと排出される迂回状態に制御される。迂回状態では、背圧弁１７は排出管１２を全閉にし、バイパス弁１５は供給管１１のバイパス弁１５よりも上流側と下流側とを遮断しつつ、バイパス弁１５よりも上流側の供給管１１とバイパス管１３とを連通する。このように、カソードガス供給系１０は、供給状態から迂回状態に切替え可能な切替機構の一例である。
アノードガス供給系２０は、アノードガスとして水素ガスをＦＣ４に供給し、タンク２０Ｔ、供給管２１、排出管２２、循環管２３、タンク弁２４、調圧弁２５、インジェクタ（以下、ＩＮＪと称する）２６、気液分離器２７、排水弁２８、及び水素循環ポンプ（以下、ＨＰと称する）２９を含む。タンク２０ＴとＦＣ４のアノード入口マニホールドは、供給管２１により接続されている。タンク２０Ｔには、アノードガスである水素ガスが貯留されている。排出管２２は、ＦＣ４のアノード出口マニホールドに接続されている。循環管２３は、気液分離器２７と供給管２１とを連通している。タンク弁２４、調圧弁２５、及びＩＮＪ２６は、供給管２１の上流側から順に配置されている。タンク弁２４が開いた状態で、調圧弁２５の開度が調整され、ＩＮＪ２６がアノードガスを噴射する。これにより、ＦＣ４にアノードガスが供給される。排出管２２には、気液分離器２７及び排水弁２８が、上流側から順に配置されている。気液分離器２７は、ＦＣ４から排出されたアノードガスから水分を分離して貯留する。気液分離器２７に貯留された水は、排水弁２８が開くことにより、排出管２２を介して燃料電池システム１の外部へと排出される。循環管２３は、アノードガスをＦＣ４へ還流させるため配管であり、上流側の端部が気液分離器２７に接続され、ＨＰ２９が配置されている。ＦＣ４から排出されたアノードガスは、ＨＰ２９によって適度に加圧され、供給管２１へ導かれる。タンク弁２４、調圧弁２５、及びＩＮＪ２６、排水弁２８、及びＨＰ２９の駆動は、ＥＣＵ３により制御される。
電力制御系３０は、ＦＣ４の放電及びＢＡＴ８の充放電を制御する。電力制御系３０は、燃料電池ＤＣ／ＤＣコンバータ（以下、ＦＤＣと称する）３２、バッテリＤＣ／ＤＣコンバータ（以下、ＢＤＣと称する）３４、モータインバータ（以下、ＭＩＮＶと称する）３８、補機インバータ（以下、ＡＩＮＶと称する）３９を含む。ＦＤＣ３２は、ＥＣＵ３から送信される要求電流値に基づきＦＣ４による出力電流を制御すると共に、ＦＣ４からの直流電力を調整してＭＩＮＶ３８やＡＩＮＶ３９に出力する。ＢＤＣ３４は、ＢＡＴ８からの直流電力を調整してＭＩＮＶ３８やＡＩＮＶ３９に出力する。ＦＣ４の発電電力は、ＢＡＴ８に蓄電可能である。ＭＩＮＶ３８は、入力された直流電力を三相交流電力に変換してモータ５０へ供給する。モータ５０は、車輪５を駆動して車両を走行させる。また、モータ５０は、車両の減速時や降坂時には、車輪５から入力される運動エネルギーに基づいて発電する発電機として機能する。ＦＣ４及びＢＡＴ８の電力は、ＡＩＮＶ３９を介してモータ５０以外の負荷装置に供給可能である。ここで負荷装置は、モータ５０に加えて、ＦＣ４用の補機と、車両用の補機とを含む。ＦＣ４用の補機とは、上述したエアコンプレッサ１４、バイパス弁１５、背圧弁１７、タンク弁２４、調圧弁２５、ＩＮＪ２６、排水弁２８、ＨＰ２９を含む。車両用の補機は、例えば空調設備や、照明装置、ハザードランプ等を含む。
冷却系４０は、冷却水を所定の経路を経て循環させることによりＦＣ４を冷却し、供給管４１、排出管４２、バイパス管４３、ラジエータ４４、バイパス弁４５、及びウォータポンプ（以下、ＷＰと称する）４６を含む。供給管４１は、ＦＣ４の冷却水入口マニホールドに接続されている。排出管４２は、ＦＣ４の冷却水出口マニホールドに接続されている。バイパス管４３は供給管４１及び排出管４２を連通している。バイパス弁４５は、供給管４１とバイパス管４３との接続部分に設けられている。バイパス弁４５は供給管４１とバイパス管４３との連通状態を切り替える。ラジエータ４４は、供給管４１と排出管４２とに接続されている。バイパス弁４５及びＷＰ４６は、供給管４１上に上流側から順に配置されている。ＷＰ４６は、冷媒としての冷却水を、供給管４１及び排出管４２を介してＦＣ４とラジエータ４４との間で循環させる。ラジエータ４４は、ＦＣ４から排出された冷却水を外気と熱交換することにより冷却する。バイパス弁４５、及びＷＰ４６の駆動は、ＥＣＵ３により制御される。
ＥＣＵ３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）を含む。ＥＣＵ３は、アクセル開度センサ６、イグニッションスイッチ７、エアコンプレッサ１４、バイパス弁１５及び４５、背圧弁１７、タンク弁２４、調圧弁２５、ＩＮＪ２６、排水弁２８、ＨＰ２９、ＦＤＣ３２、ＢＤＣ３４、及びＷＰ４６が電気的に接続されている。ＥＣＵ３は、アクセル開度センサ６の検出値や上述した車両用の補機及びＦＣ４用の補機の駆動状態、ＢＡＴ８の蓄電電力等に基づいて、ＦＣ４への要求出力を算出する。また、ＥＣＵ３は、ＦＣ４への要求出力に応じたＦＣ４の目標電流値を算出し、ＦＣ４の出力電流値が目標電流値となるように、エアコンプレッサ１４やＩＮＪ２６によりＦＣ４に供給されるカソードガス及びアノードガスの流量を制御しつつＦＤＣ３２を制御する。また、ＥＣＵ３は、後述する回復処理を実行する制御装置の一例である。
また、ＥＣＵ３は、ＦＣ４への要求出力に応じて、ＦＣ４の発電を休止又は再開させる。ＦＣ４の発電の休止は、ＥＣＵ３が目標電流値をゼロに設定してＦＣ４から掃引される電流値をゼロとなるようにＦＤＣ３２を制御すること、又はＦＤＣ３２内部に設けられたスイッチによりＦＣ４と負荷装置との電気的な接続を遮断することにより実現される。また、ＦＣ４の発電の再開は、ＥＣＵ３が目標電流値をゼロより大きい値に設定してＦＣ４から掃引される電流値をゼロより大きい値となるようにＦＤＣ３２を制御すること、又はＦＤＣ３２内部に設けられたスイッチによりＦＣ４と負荷装置とを電気的に接続することにより実現される。また、ＥＣＵ３は、以下に説明する間欠運転及び回生運転を実行する。
［間欠運転］
ＥＣＵ３は、ＦＣ４への要求出力が予め定められた所定値以下となった場合には、ＦＣ４の発電を一時的に休止してＦＣ４の開放電圧を目標範囲内に維持する間欠運転を実行する。ＦＣ４への要求出力が所定値以下となる場合とは、例えば車両が停車中であって、車両用の補機が要求する電力量も小さい場合である。間欠運転では、具体的には、一旦アノードガスがＦＣ４に十分に供給されてからアノードガスの供給が停止され、ＦＣ４のカソード極での酸素濃度が通常発電時よりも低くなるようにＦＣ４へ供給されるカソードガスの流量が調整される。この状態では、所謂クロスリークによりＦＣ４のカソード極の酸素濃度が時間経過と共に徐々に低下して、ＦＣ４の開放電圧も徐々に低下する。クロスリークとは、水素がアノード極側から電解質膜を介してカソード極側に透過する現象であり、これによりカソード極側で水素と酸素とが反応して水が生成され、カソード極側での酸素濃度が低下する。カソード極側での酸素濃度が低下すると、ＦＣ４の開放電圧は低下する。開放電圧が目標範囲の下限値以下となると、ＦＣ４へ供給されるカソードガスの流量が増大され、ＦＣ４のカソード極での酸素濃度が上昇して開放電圧も上昇する。開放電圧が目標範囲の上限値以上となると、ＦＣ４へ供給されるカソードガスの流量が再び減少され、ＦＣ４の開放電圧は低下する。
以上のように、ＦＣ４へのカソードガスの流量が増減を繰り替えし切り替えられることにより、ＦＣ４の開放電圧は目標範囲内に収束される。このようにＦＣ４の開放電圧の大きさは、ＦＣ４内のカソード極での酸素濃度の高さに比例する。このため、発電が休止した状態で開放電圧を目標範囲内に維持することにより、ＦＣ４内でのカソード極での酸素濃度を所定範囲内に維持することができ、要求出力が所定値以上にまで増大してＦＣ４の発電を再開する際に、直ちにＦＣ４の出力を増大させることができる。
尚、開放電圧が目標範囲の上限値以上となった場合でのカソードガスの目標流量は、クロスリークを加味しても開放電圧が増大しない程度の低流量に設定される。クロスリークに起因する酸素濃度の低下速度は、ＦＣ４の使用環境や使用時間により変化するものであり、予め想定することが困難だからである。また、開放電圧が目標範囲の下限値以下となった場合でのカソードガスの目標流量は、クロスリークによる酸素濃度の低下分を加味しても開放電圧が増大する程度の流量に設定されている。本実施例では、開放電圧が目標範囲の上限値以上となった場合に設定されるカソードガスの目標流量はゼロであるが、これに限定されず、開放電圧が低下する流量であればよい。
カソードガスの流量の切り替えは、上述したようにバイパス弁１５及び背圧弁１７の開度を調整することにより制御される。例えば、カソードガスの流量をゼロに切り換える場合には、エアコンプレッサ１４の回転速度を最低回転速度で回転を継続した状態で、上述した迂回状態に制御される。また、カソードガスの流量を増大させる場合には、背圧弁１７が排出管１２を開き、バイパス弁１５によりバイパス弁１５よりも供給管１１の上流側と下流側とを連通させる。尚、カソードガスの流量の制御は、これに限定されず、例えばＦＣ４へカソードガスが供給され得る供給状態で、エアコンプレッサ１４の駆動を停止することによりＦＣ４へのカソードガスの流量をゼロに制御してもよい。尚、間欠運転中では、アノードガスは、ＦＣ４内に十分に充填された状態でその供給が停止されている。
［回生運転］
ＥＣＵ３は、車両の減速時や降坂時には、モータ５０は発電機として運転して車両への制動力を得ると共に、発生した回生電力の少なくとも一部をＢＡＴ８に充電する。ここで、回生電力が所定値以上の場合には、ＥＣＵ３は、ＦＣ４の発電は一時的に休止すると共にＦＣ４へ供給されるカソードガスの流量を制限した状態で、回生電力の少なくとも一部をエアコンプレッサ１４の駆動により消費する、回生運転を実行する。具体的には、上述したようにバイパス弁１５及び背圧弁１７の開度を制御してカソードガスがＦＣ４に供給されずに外部へと排出されるようにしつつ、エアコンプレッサ１４の回転速度を最大回転速度に設定する。これにより、余剰電力をエアコンプレッサ１４により消費して、ＢＡＴ８に充電される回生電力が大きすぎることに伴うＢＡＴ８の過充電を防止できる。尚、回生運転の実行中においても、ＦＣ４の発電が休止されてカソードガスは供給されないため、上述したクロスリークにより開放電圧は徐々に低下する。
［回復処理］
ＥＣＵ３は、触媒の性能が低下することによるＦＣ４の発電性能の低下から回復させるための回復処理を実行可能である。回復処理は、ＥＣＵ３のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭにより機能的に実現される。回復処理は、ＦＣ４の電圧を、ＦＣ４の電極触媒に還元反応が生じる電圧値である目標値にまで低下させることにより、ＦＣ４の触媒の付着した被毒物や酸化被膜を除去してＦＣ４の発電性能を回復させる処理である。詳しくは後述するが、回復処理では、ＦＣ４に供給されるカソードガスの流量が制限されつつＦＣ４の電圧が目標値にまで低下される。
［ＩＶ特性］
ＥＣＵ３は、ＦＣ４に供給されるカソードガスの流量を制御することにより、ＦＣ４の電流−電圧特性（以下、ＩＶ特性と称する）を変更することができる。詳細には、ＦＣ４に供給されるカソードガスの流量を変更することによりカソードストイキ比を変更でき、この結果、ＦＣ４のＩＶ特性を変更できる。「ストイキ比」は、要求される発電量に基づく理論上の反応ガス量に対する供給される反応ガス量の比を示す。通常発電状態では、カソードストイキ比及びアノードストイキ比は共に十分高い状態となるようにカソードガス及びアノードガスの流量が調整され、高い効率で発電がなされる。アノードガスの流量は、所謂水素欠が発生しないように、カソードストイキ比の大きさに関わらずにアノードストイキ比が十分に高い状態に維持されるように制御されている。
図２は、ＦＣ４のＩＶ曲線Ｃ１〜Ｃ４を示したグラフである。ＩＶ曲線Ｃ１〜Ｃ４の順に、アノードストイキ比が十分に高い状態でカソードストイキ比のみを低下した場合でのＩＶ曲線を示しており、発電効率はこの順に低下している。ＩＶ曲線Ｃ１は、カソードストイキ比が十分に高い状態でのＩＶ曲線であり、通常発電状態でのＦＣ４のＩＶ特性を示している。また、図２には、動作点Ｄ１〜Ｄ４及びＥ１〜Ｅ４、理論起電圧Ｅ０、目標値α、閾値β、アイドル電流値Ａ１、及び電流値Ａ４を示している。尚、図示したＦＣ４の動作点への移行は、ＥＣＵ３は、水素欠とならない程度にＦＣ４に供給されるアノードガスの流量を制御しつつカソードガスの流量を制御し、且つＦＣ４からの掃引電流値が目標電流値に到達することにようにＦＤＣ３２を制御することにより実現される。
動作点Ｄ１〜Ｄ４は、それぞれＩＶ曲線Ｃ１〜Ｃ４上の動作点である。ＦＣ４の理論起電圧Ｅ０は、単セルの理論起電圧にＦＣ４の単セルの積層枚数を乗算することにより得られる。動作点Ｅ１〜Ｅ４は、ＩＶ曲線Ｃ１〜Ｃ４上で電流がゼロとなる場合での動作点である。目標値αは、上述した回復処理の目標値である。閾値βは、動作点Ｅ４での開放電圧値であり、目標値αよりも高い値である。閾値βは、通常発電状態でのＩＶ特性を示すＩＶ曲線Ｃ１上の動作点Ｅ１での開放電圧値よりも小さい値である。閾値βは、例えば０．６ＶにＦＣ４の単セルの積層枚数を乗算して得られる値に設定される。アイドル電流値Ａ１は、ＦＣ４がアイドル運転時での出力電流値である。電流値Ａ４は、ＩＶ曲線Ｃ４上で電圧が目標値αとなる場合での電流値である。電流値Ａ４はアイドル電流値Ａ１よりも小さい値である。
尚、アイドル運転時のＦＣ４とは、例えば車両が一時停止中であって、ＦＣ４の発電を継続するのに最低限必要となるＦＣ４用の補機に消費される電力相当分だけを発電している状態である。動作点Ｄ１は、アイドル運転状態でのＩＶ曲線Ｃ１上での動作点を示している。動作点Ｄ４は、電圧が目標値αとなる場合でのＩＶ曲線Ｃ４上での動作点を示している。動作点Ｄ２及びＤ３については後述する。
図２に示すように、ＦＣ４の出力電流が増大するほど出力電圧は低下する。ここで、ＦＣ４の発電量は、ＦＣ４の出力電流値に出力電圧値を乗算して得ることができ、一般的に出力電流が増大するほど発電量も増大する。例えばＩＶ曲線Ｃ１に示すようにＦＣ４の発電効率が高い場合に、ＦＣ４の出力電圧を回復処理の目標値αまで低下させるためには、ＦＣ４の出力電流を大きく増大させる必要があり、即ち、ＦＣ４の出力電力を大きく増大させる必要がある。しかしながら、例えばＣ４に示すようにＦＣ４の発電効率が低い場合にＦＣ４の出力電圧を目標値αまで低下させるためには、ＦＣ４の出力電流は小さくて済み、即ち、ＦＣ４の出力電力を大きく増大させる必要はない。このため、例えばＦＣ４への要求出力が小さい場合に発電効率を低下させながら回復処理を実行することにより、回復処理の実行に伴うＦＣ４の発電量の増大を抑制でき、余剰電力の増大やＦＣ４の高温化等を防止できる。以下に説明する比較例では、ＦＣ４の発電効率を低下させながら、動作点Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４の順に移行することにより回復処理が実行される。
［比較例での回復処理］
図３Ａ〜図３Ｄは、比較例での回復処理の説明図である。比較例の回復処理では、アイドル運転状態にある動作点Ｄ１から、ＦＣ４の発電を継続しながらカソードガスの流量を低下させることによりカソードストイキ比を低下させ、動作点Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４の順に移行する。掃引する電流値は、アイドル電流値Ａ１から電流値Ａ４へと徐々に低下させている。図３Ａ〜図３Ｄのそれぞれは、動作点Ｄ１〜Ｄ４でのＦＣ４の発電量Ｈ１及び発熱量Ｈ２を示している。動作点Ｄ１での発電量Ｈ１は、動作点Ｄ１でのアイドル電流値Ａ１と電圧値とを乗算して得ることができる。動作点Ｄ１での発熱量Ｈ２は、理論起電圧Ｅ０から動作点Ｄ１での電圧値を減算した値に、動作点Ｄ１での電流値を乗算して得ることができる。同様に、動作点Ｄ２での発電量Ｈ１は、動作点Ｄ２での電流値と電圧値とを乗算して得ることができる。動作点Ｄ２での発熱量Ｈ２は、理論起電圧Ｅ０から動作点Ｄ２での電圧値を減算した値に、動作点Ｄ２での電流値を乗算して得ることができる。動作点Ｄ３での発電量Ｈ１は、動作点Ｄ３での電流値と電圧値とを乗算して得ることができる。動作点Ｄ３での発熱量Ｈ２は、理論起電圧Ｅ０から動作点Ｄ３での電圧値を減算した値に、動作点Ｄ３での電流値を乗算して得ることができる。動作点Ｄ４での発電量Ｈ１は、動作点Ｄ４での電流値と電圧値とを乗算して得ることができる。動作点Ｄ４での発熱量Ｈ２は、理論起電圧Ｅ０から動作点Ｄ４での電圧値を減算した値に、動作点Ｄ４での電流値を乗算して得ることができる。
比較例の回復処理では、動作点Ｄ１から動作点Ｄ４に移行する過程でＦＣ４が常に発電しているため、常に発電量Ｈ１及び発熱量Ｈ２が発生している。このため、比較例の回復処理においても、更なる余剰電力の低減やＦＣ４の高温化を抑制することが望まれる。
［本実施例の回復処理］
図４Ａ及び図４Ｂは、本実施例の回復処理の説明図である。本実施例では、ＦＣ４の発電が休止した状態である動作点Ｅ１から、ＦＣ４へ供給されるカソードガスの流量を制御することによりＩＶ特性を低下させて、動作点Ｅ４で発電を再開して動作点Ｄ４へ移行する。動作点Ｅ１から動作点Ｅ４への移行は、ＦＣ４の発電が休止された状態でカソードガスの流量を低減することによって生じる上述したクロスリークにより実現できる。ここで、ＦＣ４の発電が休止した状態では、当然に発電量Ｈ１及び発熱量Ｈ２は発生しない。図４Ｂに示すように、ＦＣ４の開放電圧が動作点Ｅ４での閾値β以下となると、ＦＣ４の発電が再開されて動作点Ｅ４から動作点Ｄ４へと移行する。本実施例の回復処理では、動作点Ｄ４では発電量Ｈ１及び発熱量Ｈ２が発生する。本実施例においても、回復処理の実行に伴う発電電力は、ＢＡＴ８に充電される。
ここで、動作点Ｄ４での出力電流値Ａ４は、アイドル電流値Ａ１未満である。即ち、閾値βに対応したＩＶ曲線Ｃ４により定められる、目標値αに対応したＦＣ４の出力電流値Ａ４は、アイドル電流値Ａ１未満である。閾値βは、開放電圧が閾値βとなった時点でＦＣ４の発電を再開した場合、カソードガスの流量が増大されない限り、出力電圧値が目標値αに到達する前に出力電流値がアイドル電流値Ａ１以上とはならないように、予め実験結果により定められている。
このように本実施例では、ＦＣ４の発電が休止した状態で開放電圧が閾値β以下にまで低下してから回復処理が実行されるため、比較例のように発電を継続したまま回復処理が実行される場合よりも、発電量Ｈ１及び発熱量Ｈ２が低減されている。発電量Ｈ１が少ないため、回復処理の実行に伴う余剰電力を低減でき、ＢＡＴ８が余剰電力を充電することによって過充電となることも抑制できる。更に発熱量Ｈ２も少ないため、ＦＣ４の高温化を抑制できる。特に車両が停車中の場合にはラジエータ４４に走行風は当たらずにＦＣ４の冷却水の温度を十分に低下させることはできないが、このような場合にもＦＣ４の高温化が抑制される。
［ＥＣＵ３が実行する制御］
次に、ＥＣＵ３が実行する制御について具体的に説明する。図５は、本実施例の制御の一例を示したフローチャートである。この制御は、繰り返し実行される。最初に、ＥＣＵ３は、回復処理の実行要求（以下、回復要求と称する）があるか否かを判定する（ステップＳ１）。例えば、ＦＣ４の所定の電流密度における電圧値が閾値未満の場合や、前回の回復処理の実行からの経過時間が所定時間以上の場合、前回の回復処理の実行からのＦＣ４の運転時間が所定時間以上の場合、前回の回復処理の実行からの車両の走行距離が所定の距離以上の場合、の少なくとも一つを満たす場合に、回復要求があると判断される。ステップＳ１でＮｏの場合には、本制御は終了する。
ステップＳ１でＹｅｓの場合、ＥＣＵ３は間欠運転中であるか否かを判定する（ステップＳ３）。ステップＳ３でＮｏの場合、ＥＣＵ３は回生運転中であるか否かを判定する（ステップＳ５）。ステップＳ５でＮｏの場合、回復処理は実行されずに本制御を終了する。
ステップＳ３でＹｅｓ、又はステップＳ５でＹｅｓの場合、ＥＣＵ３はＦＣ４の開放電圧が閾値β以下であるか否かを判定する（ステップＳ７）。閾値βは、予め実験により取得されＥＣＵ３のＲＯＭに記憶されている。ステップＳ７でＮｏの場合には、本制御は終了する。ステップＳ７でＹｅｓの場合、ＥＣＵ３は回復処理を実行する（ステップＳ９）。具体的には、上述した方法によりＦＣ４の発電が再開されて、ＦＣ４の掃引電流値は電流値Ａ４に制御される。ＦＣ４の電圧が目標値α以下となることにより、ＦＣ４の発電性能が回復する。尚、回復処理の完了後は、ＥＣＵ３は、要求される運転状態に応じて、ＦＣ４の発電状態を制御する。
尚、ステップＳ３及びＳ５は、何れもＦＣ４の発電が休止中であるか否かを判定するための処理である。従って、間欠運転や回生運転以外でＦＣ４の発電が休止される状態に制御され得る場合には、ステップＳ３及びＳ５の代わりに、ＦＣ４の発電が休止中であるか否かを判定してもよい。
［間欠運転中に実行される回復処理］
図６は、間欠運転中に回復処理が実行される場合でのタイミングチャートである。図６には、ＦＣ４への要求出力、間欠運転の実行状態、ＦＣ４へ供給されるカソードガスの流量、ＦＣ４の電圧及び電流、回復処理の実行状態を示している。また、図６には、間欠運転による開放電圧の目標範囲の上限値Ｖ１及び下限値Ｖ２を示している。
ＦＣ４が発電状態でＦＣ４へ要求出力が低下し始めると（時刻ｔ０）、ＥＣＵ３はＦＣ４に供給されるカソードガスの流量を徐々に低減し、ＦＣ４の出力電力が低下するようにＦＣ４の出力電流は低下し出力電圧は上昇する。ＦＣ４への要求出力が予め定められた所定値Ｐ以下になると、通常運転から間欠運転に切り換えられる（時刻ｔ１）。
ここで、上述した閾値βは、上限値Ｖ１より小さく下限値Ｖ２より大きい値に設定されている。このため、回復要求がある場合には、開放電圧が下限値Ｖ２にまで低下する前に閾値β以下となって、間欠運転が一時的に中止されて回復処理が実行される（時刻ｔ２）。回復処理が実行されると、間欠運転時に制御されていたカソードガスの流量をゼロに制限したまま、ＦＣ４の発電が再開されてＦＣ４の掃引電流値が電流値Ａ４に制御され、出力電圧は目標値α以下にまで低下する。出力電圧が目標値αとなると、掃引される電流値は再びゼロに制御されて回復処理は完了する（時刻ｔ３）。尚、回復処理の完了後に要求出力が所定値Ｐよりも大きくなると、カソードガスの流量が増大されてＦＣ４の発電が再開される。
図６の例では、回復処理の完了後に電流値がゼロに制御されても開放電圧は上昇しない場合を示している。この理由は、回復処理の実行、即ち発電の再開によりＦＣ４内の酸素が消費されて酸素濃度が低下し、回復処理完了後では回復処理開始直前よりも酸素濃度が低くなっており、開放電圧も上昇しないからである。また、回復要求が無い場合での間欠運転中は、開放電圧と閾値βとの大小関係に関わらず、上限値Ｖ１及び下限値Ｖ２の間で維持される。
［回生運転中に実行される回復処理］
図７は、回生運転中に回復処理が実行される場合でのタイミングチャートである。図７には、車速、回生発電量、回生運転の実行状態、ＦＣ４へ供給されるカソードガスの流量、ＦＣ４の電圧及び電流、回復処理の実行状態を示している。
例えば、降坂時に車速が上昇してモータ５０の回生発電量が上昇し始め、図示はしていないがＦＣ４への要求出力も低下してＦＣ４に供給されるカソードガスの流量も徐々に低減され、ＦＣ４の出力電流は低下し出力電圧は上昇する。回生発電量が、ＢＡＴ８が充電可能な充電限界値Ｌよりも所定のマージン分だけ小さい閾値Ｇを上回ると、通常運転から回生運転に切り換えられる（時刻ｔ１１）。回生運転に切り換えられると、上述したように、バイパス弁１５及び背圧弁１７によりカソードガスがＦＣ４に供給されない状態に切替えられ、かつモータ５０の回生電力によりエアコンプレッサ１４を駆動する。これにより、回生電力を消費することができ、回生電力がＢＡＴ８の充電限界値Ｌを超えて充電されることが抑制される。また、エアコンプレッサ１４からのカソードガスはＦＣ４に供給されずに外部へと排出される。このため、開放電圧は徐々に低下して閾値β以下となって回復処理が実行される（時刻ｔ１２）。その後に、開放電圧が目標値α以下となると回復処理は完了する（時刻ｔ１３）。このように回生運転が継続されながら回復処理が実行される。
［第１変形例の回復処理］
次に、回復処理の複数の変形例について説明する。図８は、第１変形例の回復処理の説明図である。図８には、ＩＶ曲線Ｃ５、動作点Ｅ５及びＤ５、閾値βａ、及び出力電流値Ａ５を示している。ＩＶ曲線Ｃ５は、ＩＶ曲線Ｃ４よりも更に発電効率が低下したＩＶ曲線である。動作点Ｅ５は、出力電流値がゼロの場合でのＩＶ曲線Ｃ５上の動作点を示している。動作点Ｄ５は、出力電圧が目標値αとなる場合でのＩＶ曲線Ｃ５上の動作点を示している。出力電流値Ａ５は、ＩＶ曲線Ｃ５に基づいて定まる、出力電圧が目標値αの場合での出力電流値である。閾値βａは、動作点Ｅ５での開放電圧値であり、上述した閾値βよりも小さい値である。第１変形例では、動作点Ｅ１からＥ５に移行して、開放電圧が閾値βａ以下に低下してから、発電が再開されて動作点Ｄ５に移行して回復処理が実行される。このため、本実施例よりも第１変形例の方が、発電量Ｈ１及び発熱量Ｈ２を低減できる。
図９は、間欠運転中に第１変形例の回復処理が実行される場合のタイミングチャートである。閾値βａは、間欠運転時での開放電圧の目標範囲の下限値Ｖ２未満に設定されている。回復要求がある場合には、開放電圧が下限値Ｖ２以下となってもカソードガスの流量は増大されず、開放電圧が閾値βａ以下となった場合に回復処理が実行される（時刻ｔ２ａ）。即ち、カソード極の酸素濃度が十分に低下してからＦＣ４の発電が再開されて回復処理が実行される。このため、発電が再開されてから短期間でＦＣ４の出力電圧が目標値α以下にまで低下し、回復処理は短期間で完了する（時刻ｔ３ａ）。
また、閾値βａは下限値Ｖ２以下であるため、下限値Ｖ２をより高い値に設定してもよい。下限値Ｖ２をより高い値に設定することにより、回復要求がない場合では、開放電圧を比較的高い値で維持することができる。このため、通常発電の再開時に、ＦＣ４の出力の応答性を確保することができる。
第１変形例においては、動作点Ｅ１から動作点Ｅ５にまで開放電圧が十分に低下した後に回復処理が実行される。これに対して上述した本実施例では、図３に示したように、動作点Ｅ１から動作点Ｅ４にまで開放電圧が低下した後に回復処理が実行される。このため、第１変形例の方が、本実施例よりも発電量Ｈ１及び発熱量Ｈ２を低減できるが、ＦＣ４の発電が再開されるまでに時間を要し、即ち回復処理が実行されるまでに時間を要する。このため、発電量Ｈ１及び発熱量Ｈ２の低減の効果と、回復処理が実行されるまでの期間とを比較考慮して、回復処理を実行するための閾値を適宜定めることが好ましい。尚、図９では、紙面の制約上、図６と比較して間欠運転による開放電圧の低下速度が大きく示しているが、実際には略同じである。
［第２変形例の回復処理］
次に、第２変形例の回復処理について説明する。図１０は、第２変形例の回復処理の説明図である。第２変形例では、閾値βｂは、上述した閾値βよりも大きい値に設定されており、動作点Ｅ２での開放電圧と同じ値に設定されている。第２変形例では、動作点Ｅ１、Ｅ２、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４の順に移行する。動作点Ｅ２から動作点Ｄ２への移行は、ＦＣ４の発電を再開してＦＣ４への掃引電流をアイドル電流値Ａ１未満の範囲で一旦増大させることにより実現できる。動作点Ｄ２から動作点Ｄ４への移行は、ＦＣ４への掃引電流を徐々に低下させることにより実現できる。第２変形例においても、ＦＣ４の発電が休止した状態でＩＶ特性を低下させるため、図３に示した比較例よりも、発電量Ｈ１及び発熱量Ｈ２を低減できる。
図１１は、間欠運転中に第２変形例の回復処理が実行される場合のタイミングチャートである。閾値βｂは、間欠運転の上限値Ｖ１より小さく下限値Ｖ２よりも大きい点では、上述した閾値βと同じであるが、閾値βｂは、より上限値Ｖ１に近い値である。このため、間欠運転が実行されてから短期間でＦＣ４の発電が再開されて回復処理が実行され（時刻ｔ２ｂ）、出力電圧を目標値αまで低下させることができる（時刻ｔ３ｂ）。
図４に示した本実施例と第２変形例とを比較すると、本実施例の方が発電量Ｈ１及び発熱量Ｈ２を低減できる。しかしながら、カソードガスの流量が同じ条件下で制限されている場合には、第２変形例で動作点Ｅ１から動作点Ｄ４へ移行に要する時間は、本実施例での回復処理で動作点Ｅ１から動作点Ｄ４に移行に要する時間よりも短い。例えば、図１１に示した時刻ｔ１から時刻ｔ３ｂまでの期間は、図６に示した時刻ｔ１から時刻ｔ３までの期間よりも短い。本実施例及び第２変形例の何れも動作点Ｅ１から動作点Ｅ２への移行の期間は同じであり、本実施例の動作点Ｅ４から動作点Ｄ４への移行の期間と第２変形例での動作点Ｅ２から動作点Ｄ２への移行の期間ともほぼ同じと考えられる。しかしながら、第２変形例での動作点Ｄ２から動作点Ｄ４への電圧の低下は、ＦＣ４の発電によるカソードガス中の酸素の消費により実現される。これに対し、本実施例での動作点Ｅ２から動作点Ｅ４への開放電圧の低下は、クロスリークによる酸素の消費により実現される。ここで、一般的に発電による酸素の消費速度の方が、クロスリークによる酸素の消費速度よりも速い。従って、第２変形例では、本実施例よりも発電量Ｈ１及び発熱量Ｈ２の低減の効果は小さいが、本実施例よりも回復処理が完了するまでの時間を短縮化できる。従って、発電量Ｈ１及び発熱量Ｈ２の低減の効果と、回復処理が完了するまでの期間とを比較考慮して、回復処理を実行するための閾値を適宜定めることが好ましい。
［本実施例、第１変形例、及び第２変形例の回復処理の切り替えについて］
状況に応じて、実行される本実施例、第１変形例、及び第２変形例の回復処理を切り替えてもよい。例えば、上述したように回復処理の実行に伴うＦＣ４の発電電力はＢＡＴ８に充電されるが、ＢＡＴ８の充電残量が所定値未満の場合には、本実施例の回復処理を実行し、所定値以上の場合には第１変形例の回復処理を実行してもよい。このように、ＢＡＴ８の充電残量が比較的大きい場合に、第１変形例の回復処理を実行することにより、回復処理に伴う発電量をより低減して、ＢＡＴ８の過充電を防止してもよい。
また、回復要求がある状態で開放電圧が閾値β以下に至る前にＦＣ４への要求出力が所定値Ｐ以上に増大して通常発電が再開されて、回復処理が実行されない場合が起こり得る。このような事態が繰り返し発生した場合には、閾値βよりも大きい閾値βｂを用いる第２変形例の回復処理を実行してもよい。これにより、回復処理の実行の機会を確保できる。具体的には、回復要求がある状態で回復処理が実行されずに間欠運転と回生運転とが実行された回数をカウントしておき、このカウント値が所定値未満の場合には閾値βを用い、所定値以上の場合には閾値βｂを用いてもよい。また、回復要求がある状態で回復処理が実行されていない時間を計測しておき、計測時間が所定時間未満の場合には、閾値βを用い、所定時間以上の場合には閾値βｂを用いてもよい。
また、回生運転中では閾値βａを用い、間欠運転中では閾値β又はβｂを用いてもよい。回生運転中では、ＦＣ４の発電に伴う余剰電力の低減が望まれるところ、発電量が少ない本実施例の回復処理を実行することによって余剰電力を低減できるからである。また、間欠運転中では、ドライバーの運転操作によっては開放電圧が閾値βａ以下に至る前にＦＣ４への要求出力が所定値Ｐ以上にまで増大して通常発電が再開されて、回復処理の実行の機会を確保できない場合もあり得るからである。
［その他］
本実施例では、間欠運転中及び回生運転中の何れの場合にも回復処理が実行され得るが、何れか一方の場合にのみ回復処理が実行されていてもよい。
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
３ ＥＣＵ（制御装置）
４ 燃料電池
１０ カソードガス供給系
１４ エアコンプレッサ
５０ モータ（発電機）

Claims (8)

  1. 燃料電池と、
    前記燃料電池に供給されるカソードガスの流量を調整する供給装置と、
    前記燃料電池の出力電圧を目標値にまで低下させることにより前記燃料電池の発電性能を回復させる回復処理を実行可能な制御装置と、を備え、
    前記制御装置は、前記回復処理の実行要求がある場合に、前記燃料電池の発電が休止した状態で前記カソードガスの流量が制御されることにより前記燃料電池の開放電圧が前記目標値よりも高い閾値以下に低下した際に、前記燃料電池の発電を再開して、前記燃料電池の出力電流値をアイドル運転時の前記燃料電池の出力電流値であるアイドル電流値未満に制御しつつ前記回復処理を実行する、燃料電池システム。
  2. 前記閾値に対応した前記燃料電池の電流‐電圧特性により定められる、前記目標値に対応した前記燃料電池の出力電流値は、前記アイドル電流値未満である、請求項１の燃料電池システム。
  3. 前記制御装置は、前記燃料電池の発電を再開して前記燃料電池の出力電流を前記アイドル電流値未満となる範囲で一旦増大させ、その後に低下させることにより前記回復処理を実行する、請求項１の燃料電池システム。
  4. 前記制御装置は、前記カソードガスの流量を前記開放電圧が低下するカソードガスの流量以下に制限しつつ前記回復処理を実行する、請求項１乃至３の何れかの燃料電池システム。
  5. 前記制御装置は、前記カソードガスの流量をゼロにしつつ前記回復処理を実行する、請求項１乃至４の何れかの燃料電池システム。
  6. 前記制御装置は、前記燃料電池への要求出力が所定値以下の場合には、前記燃料電池の発電を休止して前記カソードガスの流量を増減制御することにより前記開放電圧が目標範囲内に収束させる間欠運転を実行し、
    前記閾値は、前記目標範囲以内に含まれ、
    前記制御装置は、前記回復処理の実行要求があり前記間欠運転中の場合には、前記開放電圧が前記閾値以下に低下した際に、前記間欠運転を停止して前記回復処理を実行する、請求項１乃至５の何れかの燃料電池システム。
  7. 前記制御装置は、前記燃料電池への要求出力が所定値以下の場合には、前記燃料電池の発電を休止して前記カソードガスの流量を増減制御することにより前記開放電圧が目標範囲内に収束させる間欠運転を実行し、
    前記閾値は、前記目標範囲の下限値未満であり、
    前記制御装置は、前記回復処理の実行要求があり前記間欠運転中の場合には、前記開放電圧が前記下限値にまで低下しても、前記開放電圧が上昇するように前記カソードガスの流量を増大させずに前記開放電圧が前記閾値以下に低下した際に、前記間欠運転を停止して前記回復処理を実行する、請求項１乃至５の何れかの燃料電池システム。
  8. 前記供給装置は、
    前記燃料電池に前記カソードガスを供給するコンプレッサと、
    前記コンプレッサからの前記カソードガスが前記燃料電池に供給される供給状態から前記燃料電池を迂回して前記燃料電池の外部へ排出される迂回状態に切り替え可能な切替機構と、を含み、
    前記制御装置は、車両に搭載された発電機の回生電力量が所定値以上の場合に、前記発電機の回生電力を前記コンプレッサの駆動により消費しつつ前記燃料電池の発電を休止して前記供給状態から前記迂回状態に切替える回生運転を実行し、前記回復処理の実行要求があり前記回生運転中の場合には、前記開放電圧が閾値以下に低下した際に前記回生運転を継続しながら前記回復処理を実行する、請求項１乃至７の何れかの燃料電池システム。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2023031954A (ja) * 2021-08-26 2023-03-09 トヨタ自動車株式会社 燃料電池車

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200138475A (ko) * 2019-05-29 2020-12-10 현대자동차주식회사 연료전지 회복 제어 시스템 및 방법
CN112356678B (zh) * 2020-11-10 2022-04-19 长城汽车股份有限公司 滑行扭矩的获取方法、装置、存储介质及计算机程序
JP7359791B2 (ja) * 2021-01-25 2023-10-11 本田技研工業株式会社 燃料電池システム

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011014465A (ja) * 2009-07-03 2011-01-20 Toyota Motor Corp 移動体用燃料電池システムおよびその制御方法
JP2014212018A (ja) * 2013-04-18 2014-11-13 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム、方法

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6399231B1 (en) * 2000-06-22 2002-06-04 Utc Fuel Cells, Llc Method and apparatus for regenerating the performance of a PEM fuel cell
JP5093555B2 (ja) * 2006-08-22 2012-12-12 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及び移動体
JP5190749B2 (ja) 2006-11-22 2013-04-24 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
WO2010144850A1 (en) * 2009-06-12 2010-12-16 Idatech, Llc Systems and methods for independently controlling the operation of fuel cell stacks and fuel cell systems incorporating the same
WO2012115605A1 (en) * 2011-02-25 2012-08-30 Utc Power Corporation Controlling pem fuel cell voltage during power transitions and idling
JP5617696B2 (ja) 2011-03-04 2014-11-05 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及び燃料電池の触媒性能回復方法
JP5395116B2 (ja) * 2011-05-24 2014-01-22 本田技研工業株式会社 燃料電池システムおよびその制御方法
JP5769083B2 (ja) * 2011-11-14 2015-08-26 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及び燃料電池車両
JP5867360B2 (ja) * 2012-10-10 2016-02-24 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システムおよび方法
CN103137992B (zh) * 2013-03-19 2015-09-23 中国东方电气集团有限公司 燃料电池系统的控制方法和装置
CN107078320B (zh) * 2014-04-30 2018-12-21 日产自动车株式会社 燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法
KR101601443B1 (ko) * 2014-07-02 2016-03-22 현대자동차주식회사 연료전지 시스템의 운전 제어 방법
JP2016096019A (ja) * 2014-11-14 2016-05-26 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システムおよびそのセル電圧の復帰方法
JP6292405B2 (ja) * 2014-11-14 2018-03-14 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及び燃料電池システムの運転制御方法
JP6164199B2 (ja) * 2014-11-15 2017-07-19 トヨタ自動車株式会社 電源システムおよび燃料電池の電圧制御方法
JP6229642B2 (ja) * 2014-11-15 2017-11-15 トヨタ自動車株式会社 電源システムおよび燃料電池の電圧制御方法
US10199668B2 (en) * 2015-10-08 2019-02-05 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system and performance improvement method of fuel cell system

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011014465A (ja) * 2009-07-03 2011-01-20 Toyota Motor Corp 移動体用燃料電池システムおよびその制御方法
JP2014212018A (ja) * 2013-04-18 2014-11-13 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム、方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2023031954A (ja) * 2021-08-26 2023-03-09 トヨタ自動車株式会社 燃料電池車

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