JP5345662B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

この発明は、燃料電池システムに関する。
従来、例えば、燃料電池の広範な出力電力範囲に亘って反応ガスの供給不足を燃料電池の出力直流電圧の低下により検出して燃料電池の保護停止を実行したり、燃料電池の出力直流電圧が所定の制限電圧値よりも高くなった場合に、燃料電池の負荷上昇の変化速度を規制する燃料電池発電装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、従来、例えば、予め作成された燃料電池の動作温度に応じた電流−電圧特性を記憶し、要求出力に対応する電流−電圧特性上の最良動作点と、実際の動作点との乖離度合いを演算し、この乖離度合いが許容値を超えないように要求出力を規制する燃料電池発電制御システムが知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開平９−５５２１９号公報 特開２００４−２６５６８３号公報
ところで、上記従来技術に係る燃料電池発電装置および燃料電池発電制御システムによれば、燃料電池の出力が規制されることに伴って出力が急激に低下する場合があり、例えば燃料電池を電源として搭載する車両の運転者などに対して出力変動に伴う違和感を与えてしまう虞がある。
また、燃料電池の運転状態に応じて頻繁に出力が規制されると、燃料電池の出力応答が鈍くなり、例えば燃料電池を電源として搭載する車両のドライバビリティが悪化する虞がある。
また、例えば燃料電池の出力の低下に伴い、燃料電池特性が変化していくなか、出力電流が低下傾向に変化するとして出力の規制を行なうだけでは、燃料電池を最適な条件で運転することができない場合があり、運転効率を向上させることができない虞がある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、燃料電池に対する要求出力を確保しつつ燃料電池の運転効率を向上させることが可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。
上記課題を解決して係る目的を達成するために、本発明の請求項１に係る燃料電池システムは、動力手段（例えば、実施の形態での走行駆動用のモータＭ）を備える移動体（例えば、実施の形態での車両１）に搭載され、前記動力手段に電力を供給する燃料電池（例えば、実施の形態での燃料電池スタック１１）を備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池の温度を検知して検知結果を出力する温度検知手段（例えば、実施の形態での温度取得部３２）と、前記燃料電池の温度、電流、および出力の対応関係から何れか１つを予測して予測結果を出力する予測手段（例えば、実施の形態での出力状態マップ検索部３３および出力設定部３７）と、前記燃料電池の温度および電流に応じて運転状態量を設定する運転状態量設定手段（例えば、実施の形態での運転状態量マップ検索部３９と、ストイキ設定部４０と、空気圧力設定部４１と、加湿量設定部４２と、冷却水量設定部４３）と、前記動力手段に対する動力要求に応じて前記動力手段の動作を指示する指令値を出力する制御手段（例えば、実施の形態での制御装置２４）と、を備え、前記制御手段は、現在の前記動力要求に応じて前記燃料電池に必要とされる正味出力を設定して、該正味出力と前記温度検知手段から出力された前記検知結果の温度とに応じた電流を前記予測手段に予測させ、前記予測手段から出力された前記予測結果の電流と前記温度検知手段から出力された前記検知結果の温度とに応じた運転状態量を前記運転状態量設定手段に設定させる。
さらに、本発明の請求項２に係る燃料電池システムでは、前記予測手段は、予め設定された所定の出力状態マップを記憶しており、該出力状態マップは、前記燃料電池の温度および電流と出力状態との関係を示すマップである。
さらに、本発明の請求項３に係る燃料電池システムでは、前記運転状態量設定手段は、予め設定された所定の運転状態量マップを記憶しており、該運転状態量マップは、前記燃料電池の温度および電流と運転状態量との関係を示すマップであり、前記運転状態量は、前記燃料電池のカソード極に供給される空気の空気供給口（例えば、実施の形態での空気供給口１１ａ）での圧力と、前記カソード極での前記空気の利用率と、前記燃料電池を冷却する冷却媒体の流量と、前記空気供給口での前記空気の湿度とのうち、少なくとも何れか１つである。
さらに、本発明の請求項４に係る燃料電池システムは、前記燃料電池の劣化状態を検知して検知結果を出力する劣化状態検知手段（例えば、実施の形態での劣化検出部３４）を備え、前記予測手段は、前記劣化状態検知手段から出力された前記検知結果の劣化状態に応じて前記出力状態マップを修正する。
さらに、本発明の請求項５に係る燃料電池システムは、前記空気を加湿する加湿手段（例えば、実施の形態での加湿器１３）を備え、前記運転状態量設定手段は、前記空気供給口での前記空気の温度と、前記加湿手段に導入される前記空気の空気導入口（例えば、実施の形態での空気導入口１３ａ）での温度と、前記加湿手段による前記空気の加湿量とのうち、少なくとも何れか１つに応じて前記運転状態量マップを修正する。
さらに、本発明の請求項６に係る燃料電池システムは、前記燃料電池のアノード極およびカソード極および電解質からなる膜電極接合体の含水状態を検知して検知結果を出力する含水状態検知手段（例えば、実施の形態での湿潤状態取得部３８）を備え、前記運転状態量設定手段は、前記含水状態検知手段から出力された前記検知結果の含水状態に応じて前記運転状態量マップを修正する。
本発明の請求項１に係る燃料電池システムによれば、動力要求に応じた必要燃料電池出力に対応する電流を事前に予測することができ、この予測による電流に応じた運転状態量を設定することから、動力手段の出力の変動を抑制しつつ、動力要求に応じた必要燃料電池出力を確保し、燃料電池を最適効率で運転することができる。
本発明の請求項２に係る燃料電池システムによれば、所定の出力状態マップを用いることにより燃料電池の電流を事前に容易に予測することができる。
本発明の請求項３に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の運転効率に対する寄与が大きい運転状態量である、燃料電池のカソード極に供給される空気の空気供給口での圧力と、カソード極での空気の利用率と、燃料電池を冷却する冷却媒体の流量と、空気供給口での空気の湿度とのうち、少なくとも何れか１つを、動力要求に応じて事前に予測された電流と温度とに応じて制御することができ、燃料電池を最適効率で運転することができる。
例えば、燃料電池の負荷や外気温などに応じて燃料電池の温度が変化する場合であっても、この温度と事前に予測された電流とに応じて、燃料電池の負荷や外気温にかかわらずに、燃料電池を最適効率で運転することができる。
本発明の請求項４に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の劣化にかかわりなく、常に燃料電池を最適効率で運転することができる。
本発明の請求項５に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の湿潤状態に対する寄与が大きいパラメータである、空気供給口での空気の温度と、加湿手段に導入される空気の空気導入口での温度と、加湿手段による空気の加湿量とのうち、少なくとも何れか１つに応じて、運転状態量を適切に制御することができる。
本発明の請求項６に係る燃料電池システムによれば、膜電極接合体の含水状態に応じて、運転状態量を適切に制御することができる。
本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの構成図である。 図１に示す制御装置の構成図である。 本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの出力状態マップの一例を示す図である。 本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの運転状態量マップの一例を示す図である。
以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムについて添付図面を参照しながら説明する。
本実施の形態による燃料電池システム１０は、例えば走行駆動用のモータＭを備える車両１に電源として搭載され、図１に示すように、燃料電池スタック１１と、空気供給装置１２と、加湿器１３と、空気供給封止弁１４と、空気排出封止弁１５と、水素供給タンク１６と、水素供給弁１７と、循環ポンプ１８と、気液分離器１９と、パージ弁２０と、掃気出口弁２１と、ドレイン弁２２と、希釈器２３と、制御装置２４とを備えて構成されている。
燃料電池スタック１１は、陽イオン交換膜などからなる固体高分子電解質膜を、アノード触媒およびガス拡散層からなる燃料極（アノード）と、カソード触媒およびガス拡散層からなる酸素極（カソード）とで挟持してなる電解質電極構造体を、更に一対のセパレータで挟持してなる燃料電池セルを多数組積層して構成され、燃料電池セルの積層体は一対のエンドプレートによって積層方向の両側から挟み込まれている。
燃料電池スタック１１のカソードには、酸素を含む酸化剤ガス（反応ガス）である空気が供給され、アノードには、水素からなる燃料ガス（反応ガス）が供給される。
そして、アノードのアノード触媒上で触媒反応によりイオン化された水素は、適度に加湿された固体高分子電解質膜を介してカソードへと移動し、この移動に伴って発生する電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。
このとき、カソードにおいては、水素イオンと電子と酸素が反応して水が生成され、燃料電池スタック１１のカソードを通過して空気排出口１１ｂから排出された排出ガスは湿潤状態になっている。
空気供給装置１２は、例えば制御装置２４により駆動制御されるエアーコンプレッサーなどを備え、外部から空気を取り込んで圧縮し、この圧縮後の空気を排出する。
空気供給装置１２から排出された空気は、順次、加湿器１３と、制御装置２４により開閉制御される空気供給封止弁１４とを流通した後に、燃料電池スタック１１のカソードに供給される。
加湿器１３は、例えば中空糸膜などの水透過膜を備えて構成され、燃料電池スタック１１の空気排出口１１ｂから排出された排出ガスを加湿用のガスとして用いて、空気供給装置１２から供給された空気を加湿する。
すなわち、加湿器１３は、空気供給装置１２から供給された空気と燃料電池スタック１１の空気排出口１１ｂから排出された排出ガスとを水透過膜を介して接触させることで、排出ガスに含まれる水分（特に、水蒸気）のうち水透過膜の膜穴を透過した水分を空気に添加する。
なお、燃料電池スタック１１のカソードを通過して空気排出口１１ｂから排出された排出ガスは、制御装置２４により開閉制御される空気排出封止弁１５を流通した後に、加湿器１３に供給される。
さらに、加湿器１３において加湿用のガスとして用いられた排出ガスは、加湿器１３を通過した後に希釈器２３に供給される。
水素供給タンク１６は高圧の水素を貯留しており、水素供給タンク１６から排出されたガス状の水素は、順次、制御装置２４により開閉制御される水素供給弁１７と、循環ポンプ１８とを流通した後に、燃料電池スタック１１の水素供給口１１ｃおよびアノードに供給される。
水素供給弁１７は、例えば空気式の比例圧力制御弁であって、空気供給装置１２から供給された空気の圧力を信号圧として、この信号圧に応じた所定範囲の圧力で水素を排出する。
循環ポンプ１８は、燃料電池スタック１１のアノードを通過して水素排出口１１ｄから排出された未反応の排出ガスの一部を、水素供給タンク１６から供給された水素に混合して、燃料電池スタック１１のアノードに再び供給する。
気液分離器１９は、燃料電池スタック１１のアノードを通過して水素排出口１１ｄから排出された排出ガスに含まれる水分を分離し、この分離後の排出ガスをガス排出口１９ａから排出し、分離後の水分を水分排出口１９ｂから排出する。
気液分離器１９のガス排出口１９ａから排出された排出ガスは、循環ポンプ１８または制御装置２４により開閉制御されるパージ弁２０、あるいは制御装置２４により開閉制御される掃気出口弁２１に供給される。そして、パージ弁２０または掃気出口弁２１を通過した排出ガスは希釈器２３に供給される。
また、気液分離器１９の水分排出口１９ｂから排出された水分は、制御装置２４により開閉制御されるドレイン弁２２に供給され、このドレイン弁２２を通過した水分は希釈器２３に供給される。
希釈器２３は、パージ弁２０または掃気出口弁２１から共給された排出ガスの水素濃度を加湿器１３から供給された排出ガスにより希釈し、この希釈後の水素濃度が所定濃度以下に低減された排出ガスを、制御装置２４により開閉制御される背圧弁などを介して外部（例えば、大気中など）に排出する。
制御装置２４は、車両１に搭載された走行駆動用のモータＭやファンなどのように、燃料電池スタック１１から電力が供給される各種の動力源の出力に対して設定される動力要求に応じて、各動力源の動作を指示する指令値を出力する。
例えば、制御装置２４は、走行駆動用のモータＭを制御するパワードライブユニット（ＰＤＵに対して所定の指令値を出力する。
また、制御装置２４は、例えば図２に示すように、要求出力取得部３１と、温度取得部３２と、出力状態マップ検索部３３と、劣化検出部３４と、電流センサ３５と、電圧センサ３６と、出力設定部３７と、湿潤状態取得部３８と、運転状態量マップ検索部３９と、ストイキ設定部４０と、空気圧力設定部４１と、加湿量設定部４２と、冷却水量設定部４３とを備えて構成されている。
要求出力取得部３１は、例えば車両１に搭載された走行駆動用のモータＭやファンなどのように、燃料電池スタック１１から電力が供給される各種の動力源の出力に対して設定される動力要求を取得する。そして、動力要求に応じて必要とされる燃料電池スタック１１の出力（要求出力）を設定する。
温度取得部３２は、例えば燃料電池スタック１１を冷却する冷却媒体の温度を検出する温度センサ３２ａから出力される検出結果の信号などに基づき、燃料電池スタック１１の温度を検出し、検出結果の信号を出力する。
出力状態マップ検索部３３は、予め作成された所定の出力状態マップ、例えば燃料電池スタック１１の温度および電流と出力状態（例えば、エアーコンプレッサーやポンプなどの各種の補機の消費電力を燃料電池スタック１１の発電電力から差し引いて得られる正味の出力など）との対応関係を示すマップを記憶している。
そして、この出力状態マップに対して、要求出力取得部３１により設定された要求出力と温度取得部３２から出力された燃料電池スタック１１の温度の検出結果とに応じたマップ検索を実行し、動力要求および燃料電池スタック１１の温度に応じた電流を検索し、検索結果の信号を出力する。
例えば図３に示す出力状態マップでは、燃料電池スタック１１の温度および電流の増大に伴い、燃料電池スタック１１の出力（例えば、正味の出力の設計値）が所定の上限値まで増大傾向に変化し、さらに、この上限値に到達した状態から温度および電流が増大すると、出力が低下傾向に変化するようになっている。
また、出力状態マップ検索部３３は、劣化検出部３４から出力される燃料電池スタック１１の劣化状態の検出結果の信号に基づき、記憶している所定の出力状態マップを修正する。
例えば、出力状態マップ検索部３３は、劣化検出部３４から出力される燃料電池スタック１１の劣化度合いの増大に伴い、燃料電池スタック１１の発電電力が所定の低下傾向に変化するとして、予め記憶している所定の出力状態マップにおいて燃料電池スタック１１の出力（例えば、正味の出力の設計値）を低下させるように修正する。
劣化検出部３４は、例えば、燃料電池スタック１１の電流を検出する電流センサ３５から出力される検出結果の信号と、燃料電池スタック１１の出力電圧を検出する電圧センサ３６から出力される検出結果の信号とに基づき、燃料電池スタック１１の劣化状態（例えば、同一電流での出力電圧の低下度合いに応じた劣化度合いなど）を検出し、検出結果の信号を出力する。
出力設定部３７は、出力状態マップ検索部３３から出力された燃料電池スタック１１の電流の検索結果を電流の予測結果として設定する。
湿潤状態取得部３８は、例えば加湿器１３から排出された空気の湿度を検出する湿度センサ（図示略）から出力される検出結果の信号に基づき、加湿器１３による空気の加湿量を検知し、検知結果の信号を出力する。
また、湿潤状態取得部３８は、例えば燃料電池スタック１１の空気排出口１１ｂから排出された排出ガスの湿度を検出する湿度センサ（図示略）から出力される検出結果の信号や、例えば燃料電池スタック１１に所定電流を印加した際に電圧センサ３６から出力される出力電圧の検出結果の信号や燃料電池スタック１１の負荷の大きさなどに基づき、膜電極接合体の含水状態を推定し、推定結果の信号を出力する。
運転状態量マップ検索部３９は、予め作成された所定の運転状態量マップ、例えば燃料電池スタック１１の温度および電流と各種の運転状態量（例えば、燃料電池スタック１１に加えて、エアーコンプレッサーやポンプなどの各種の補機の運転を考慮した正味の運転効率を最大化するのに要する最適な運転状態量）との対応関係を示すマップを記憶している。
なお、各種の運転状態量は、例えば、燃料電池スタック１１のカソード極に供給される空気の空気供給口１１ａでの圧力と、カソード極での空気の利用率と、燃料電池スタック１１を冷却する冷却媒体の流量と、燃料電池スタック１１の空気供給口１１ａでの空気の湿度とのうち、少なくとも何れか１つなどである。
そして、この運転状態量マップに対して、出力設定部３７から出力された電流の予測結果と温度取得部３２から出力された燃料電池スタック１１の温度の検出結果とに応じたマップ検索を実行し、燃料電池スタック１１の電流および温度に応じた各種の運転状態量を検索し、検索結果の信号を出力する。
例えば図４に示す運転状態量マップでは、燃料電池スタック１１の温度および電流の増大に伴い、燃料電池スタック１１のカソード極に供給される空気の空気供給口１１ａでの圧力が増大傾向に変化するようになっている。
また、運転状態量マップ検索部３９は、例えば、例えば燃料電池スタック１１の空気供給口１１ａでの空気の温度を検出する温度センサ（図示略）から出力される検出結果の信号と、加湿器１３に導入される空気の空気導入口１３ａでの温度を検出する温度センサ（図示略）から出力される検出結果の信号と、湿潤状態取得部３８から出力される加湿器１３による空気の加湿量の検知結果の信号と、湿潤状態取得部３８から出力される膜電極接合体の含水状態の推定結果の信号とのうち、少なくとも何れか１つに応じて運転状態量マップを修正する。
ストイキ設定部４０は、運転状態量マップ検索部３９から出力された運転状態量の検索結果に応じて、カソード極での空気の利用率の逆数に相当するストイキ（つまり空気の循環量）を設定する。
空気圧力設定部４１は、運転状態量マップ検索部３９から出力された運転状態量の検索結果に応じて、燃料電池スタック１１のカソード極に供給される空気の空気供給口１１ａでの圧力を設定する。
加湿量設定部４２は、運転状態量マップ検索部３９から出力された運転状態量の検索結果に応じて、加湿器１３による空気の加湿量あるいは燃料電池スタック１１のカソード極に供給される空気の空気供給口１１ａでの湿度を設定する。
冷却水量設定部４３は、運転状態量マップ検索部３９から出力された運転状態量の検索結果に応じて、燃料電池スタック１１を冷却する冷却媒体（例えば、冷却水）の流量を設定する。
上述したように、本実施の形態による燃料電池システム１０によれば、動力要求に応じて必要とされる燃料電池スタック１１の出力に対応する電流を事前に予測することができ、この予測による電流に応じた運転状態量を設定することから、燃料電池スタック１１を保護しつつ動力源の出力の変動を抑制して、車両１の運転者に違和感を与えること無しに、動力要求に応じた出力を確保し、燃料電池スタック１１を最適効率で運転することができる。
さらに、燃料電池スタック１１の出力特性に対して密接に関連する燃料電池スタック１１の温度および電流による所定の出力状態マップを用いることにより、動力要求に応じて増減する燃料電池スタック１１の出力に対して、電流を事前に容易かつ適切に予測することができる。
さらに、燃料電池スタック１１の運転効率に対する寄与が大きい運転状態量である、燃料電池スタック１１のカソード極に供給される空気の空気供給口１１ａでの圧力と、カソード極での空気の利用率と、燃料電池スタック１１を冷却する冷却媒体の流量と、空気供給口１１ａでの空気の湿度とのうち、少なくとも何れか１つを、動力要求に応じて事前に予測された電流と温度とに応じて制御することができ、燃料電池スタック１１を最適効率で運転することができる。
例えば、燃料電池スタック１１の負荷や外気温などに応じて、冷却媒体のラジエータの放熱量が変化することに伴って、燃料電池スタック１１の温度が変化する場合であっても、この温度と事前に予測された電流とに応じて、燃料電池スタック１１の負荷や外気温にかかわらずに、燃料電池スタック１１を最適効率で運転することができる。
さらに、燃料電池スタック１１の劣化状態に応じて出力状態マップを修正することから、燃料電池スタック１１の経時劣化などにかかわりなく、常に燃料電池スタック１１を最適効率で運転することができる。
さらに、燃料電池スタック１１の湿潤状態に対する寄与が大きいパラメータである、空気供給口１１ａでの空気の温度と、加湿器１３に導入される空気の空気導入口１３ａでの温度と、加湿器１３による空気の加湿量とのうち、少なくとも何れか１つに応じて運転状態量マップを修正することから、運転状態量を適切に制御することができる。
さらに、膜電極接合体の含水状態に応じて運転状態量マップを修正することから、適度な湿潤状態を確保して、運転状態量を適切に制御することができる。
以上、説明した本実施形態は、本発明を実施するうえでの一例を示すものであり、本発明が前記した実施形態に限定して解釈されるものではないことは言うまでもない。
１ 車両
１０ 燃料電池システム
１１ 燃料電池スタック
１１ａ 空気供給口
１３ 加湿器（加湿手段）
１３ａ 空気導入口
２４ 制御装置（制御手段）
３２ 温度取得部（温度検知手段）
３３ 出力状態マップ検索部（予測手段）
３４ 劣化検出部（劣化状態検知手段）
３７ 出力設定部（予測手段）
３８ 湿潤状態取得部（含水状態検知手段）
３９ 運転状態量マップ検索部（運転状態量設定手段）
４０ ストイキ設定部（運転状態量設定手段）
４１ 空気圧力設定部（運転状態量設定手段）
４２ 加湿量設定部（運転状態量設定手段）
４３ 冷却水量設定部（運転状態量設定手段）

Claims (6)

  1. 動力手段を備える移動体に搭載され、前記動力手段に電力を供給する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
    前記燃料電池の温度を検知して検知結果を出力する温度検知手段と、
    前記燃料電池の温度、電流、および出力の対応関係から何れか１つを予測して予測結果を出力する予測手段と、
    前記燃料電池の温度および電流に応じて運転状態量を設定する運転状態量設定手段と、
    前記動力手段に対する動力要求に応じて前記動力手段の動作を指示する指令値を出力する制御手段と、を備え、
    前記制御手段は、
    現在の前記動力要求に応じて前記燃料電池に必要とされる正味出力を設定して、該正味出力と前記温度検知手段から出力された前記検知結果の温度とに応じた電流を前記予測手段に予測させ、
    前記予測手段から出力された前記予測結果の電流と前記温度検知手段から出力された前記検知結果の温度とに応じた運転状態量を前記運転状態量設定手段に設定させることを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記予測手段は、予め設定された所定の出力状態マップを記憶しており、
    該出力状態マップは、前記燃料電池の温度および電流と出力状態との関係を示すマップであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記運転状態量設定手段は、予め設定された所定の運転状態量マップを記憶しており、
    該運転状態量マップは、前記燃料電池の温度および電流と運転状態量との関係を示すマップであり、
    前記運転状態量は、前記燃料電池のカソード極に供給される空気の空気供給口での圧力と、前記カソード極での前記空気の利用率と、前記燃料電池を冷却する冷却媒体の流量と、前記空気供給口での前記空気の湿度とのうち、少なくとも何れか１つであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記燃料電池の劣化状態を検知して検知結果を出力する劣化状態検知手段を備え、
    前記予測手段は、前記劣化状態検知手段から出力された前記検知結果の劣化状態に応じて前記出力状態マップを修正することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
  5. 前記空気を加湿する加湿手段を備え、
    前記運転状態量設定手段は、前記空気供給口での前記空気の温度と、前記加湿手段に導入される前記空気の空気導入口での温度と、前記加湿手段による前記空気の加湿量とのうち、少なくとも何れか１つに応じて前記運転状態量マップを修正することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
  6. 前記燃料電池のアノード極およびカソード極および電解質からなる膜電極接合体の含水状態を検知して検知結果を出力する含水状態検知手段を備え、
    前記運転状態量設定手段は、前記含水状態検知手段から出力された前記検知結果の含水状態に応じて前記運転状態量マップを修正することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101611123B1 (ko) 2015-02-16 2016-04-08 현대자동차주식회사 연료전지 출력 추정방법
KR101897329B1 (ko) 2016-04-26 2018-09-11 현대자동차주식회사 연료전지 차량의 공기압축기 제어방법 및 시스템
WO2019150839A1 (ja) 2018-02-05 2019-08-08 株式会社指月電機製作所 フィルムコンデンサ
WO2020121495A1 (ja) * 2018-12-13 2020-06-18 本田技研工業株式会社 制御装置、電力供給装置、作業機械、制御方法及びプログラム
CN113258101B (zh) * 2021-06-25 2021-09-28 北京亿华通科技股份有限公司 一种燃料电池系统及其运行控制方法
KR20230082228A (ko) * 2021-12-01 2023-06-08 엘지전자 주식회사 연료전지 장치
JP7411000B2 (ja) * 2022-03-31 2024-01-10 本田技研工業株式会社 情報処理装置、及び車両

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0955219A (ja) 1995-08-14 1997-02-25 Toshiba Corp 燃料電池発電装置およびその運転方法
DE19540824C2 (de) 1995-11-02 2001-02-22 Xcellsis Gmbh Verfahren zur dynamischen Einstellung der Leistung für ein Fahrzeug mit Brennstoffzelle
JP2002034103A (ja) * 2000-07-17 2002-01-31 Yamaha Motor Co Ltd 電動車両の電力制御方法
JP3662872B2 (ja) 2000-11-17 2005-06-22 本田技研工業株式会社 燃料電池電源装置
JP5017760B2 (ja) * 2000-11-28 2012-09-05 トヨタ自動車株式会社 燃料電池の出力特性推定装置および出力特性推定方法、燃料電池システムおよびこれを搭載する車両、燃料電池出力制御方法並びに記憶媒体
JP4686957B2 (ja) 2003-02-28 2011-05-25 日産自動車株式会社 燃料電池発電制御システム
JP4561058B2 (ja) * 2003-07-22 2010-10-13 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP4426892B2 (ja) * 2004-04-13 2010-03-03 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
TWI281763B (en) 2005-05-23 2007-05-21 Antig Tech Co Ltd Method for calculating the fuel concentration used in a direct methanol fuel cell
JP4972943B2 (ja) * 2006-01-31 2012-07-11 日産自動車株式会社 燃料電池システムの制御装置及び燃料電池システムの制御方法
JP5146639B2 (ja) * 2007-05-10 2013-02-20 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP5358947B2 (ja) * 2007-12-28 2013-12-04 日産自動車株式会社 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法
JP2009283282A (ja) * 2008-05-22 2009-12-03 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2010009878A (ja) * 2008-06-25 2010-01-14 Aisin Seiki Co Ltd 燃料電池システム
DE102010002163A1 (de) 2010-02-19 2011-08-25 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., 51147 Verfahren zum Betreiben eines Hochtemperatur-Brennstoffzellensystems und Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem

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