專利名稱：燃料電池系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池。
背景技術(shù)：
燃料電池通常具有疊層結(jié)構(gòu)，其中，層疊多個用作發(fā)電體的電池單體(singlecell)。反應(yīng)氣體經(jīng)由相應(yīng)的歧管流入對于各個電池單體設(shè)置的氣流通道，并被供至每個電池單體的發(fā)電部分。然而，如果電池單體的部分的氣流通道被凍結(jié)的水分或類似物阻塞，被供至電池單體的該部分的反應(yīng)氣體的量變得不充分，故電池單體的該部分可能產(chǎn)生負電壓。這樣，當(dāng)燃料電池的運行在電池單體的部分產(chǎn)生負電壓的狀態(tài)下持續(xù)時，不僅燃料電池的發(fā)電性能整體退化，而且，這些電池單體的電極可能劣化。目前為止，已經(jīng)提出了多種用于抑制由于這種負電壓導(dǎo)致的燃料電池發(fā)電性能退化或燃料電池劣化的技術(shù)(參見日本 專利申請公開 No. 2006-179389 (JP-A-2006-179389)、日本專利申請公開 No. 2007-035516(JP-A-2007-035516)等)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種用于抑制由于負電壓導(dǎo)致的燃料電池的劣化和性能退化的技術(shù)。本發(fā)明預(yù)期解決上述問題的至少部分問題，并且可以被實現(xiàn)為下述實施例或替代性實施例。本發(fā)明的一個方面提供了一種燃料電池系統(tǒng)，其輸出響應(yīng)于來自外部負載的請求而產(chǎn)生的電力。燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池，其具有至少一個發(fā)電體；負電壓檢測單元，其被配置為檢測所述至少一個發(fā)電體中的負電壓；控制單元，其被配置為控制從燃料電池輸出的電力；以及，累積電流值測量單元，其被配置為測量通過對來自燃料電池的電流輸出進行時間積分而獲得的累積電流值，其中，所述控制單元被配置為預(yù)先存儲在所述至少一個發(fā)電體中產(chǎn)生負電壓的時間段中容許的累積電流值與在該時間段中容許的電流密度之間的相互關(guān)系，并且，當(dāng)已經(jīng)在所述至少一個發(fā)電體中檢測到負電壓時，控制單元被配置為執(zhí)行這樣的輸出限制處理將來自燃料電池的電力輸出限制為落入由所述相互關(guān)系的容許累積電流值和容許電流密度限定的運行容許范圍內(nèi)。這里，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在產(chǎn)生負電壓的發(fā)電體中，可以通過在產(chǎn)生負電壓的時間段中來自燃料電池的電流輸出和通過對電流進行時間積分獲得的累積電流值來限定電極氧化開始且發(fā)電性能開始降低的時刻。使用這樣構(gòu)成的燃料電池系統(tǒng)，當(dāng)產(chǎn)生負電壓時，將從燃料電池輸出的電力限制為落入由容許累積電流值和容許電流密度限定的預(yù)設(shè)運行容許范圍內(nèi)。因此，通過預(yù)先設(shè)置不導(dǎo)致產(chǎn)生負電壓的發(fā)電體性能退化的運行容許范圍，可以抑制由于負電壓導(dǎo)致的燃料電池的性能退化，并抑制電極的氧化(電極的劣化)。另外，在燃料電池系統(tǒng)中，當(dāng)通過第一軸表示燃料電池的累積電流值且第二軸表示燃料電池的電流密度的圖形示出該相互關(guān)系時，該相互關(guān)系可被示為向下凸出的曲線，其中，容許電流密度隨著容許累積電流值的增大而減小。通過上述燃料電池系統(tǒng)，在存儲在控制單元中的累積電流值與電流密度之間的相互關(guān)系中，可以將運行容許范圍設(shè)置在不導(dǎo)致產(chǎn)生負電壓的發(fā)電體性能退化的適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。從而，可以進一步適當(dāng)?shù)匾种朴捎谪撾妷簩?dǎo)致的燃料電池的性能退化和劣化。另外，在燃料電池系統(tǒng)中，在輸出限制處理中，控制單元可被配置為，隨著累積電流值的增大，沿著指示出容許電流密度的最大值的向下凸出的曲線，減小燃料電池的電流密度。通過上述燃料電池系統(tǒng)，當(dāng)產(chǎn)生負電壓時，可以沿著運行容許范圍的邊界值(容許限制值)來限制來自燃料電池的電力輸出。從而，可以在抑制對從燃料電池輸出的電力的過度限制的同時，抑制由于負電壓導(dǎo)致的燃料電池的性能退化和劣化。另外，燃料電池系統(tǒng)還可以包括運行狀態(tài)調(diào)節(jié)單元，其被配置為包括加濕單元和制冷劑供給單元中的至少一個，加濕單元控制供到燃料電池的反應(yīng)氣體的加濕量，以便調(diào)節(jié)燃料電池內(nèi)的濕潤狀態(tài)，制冷劑供給單元控制供到燃料電池的制冷劑的流速，以便調(diào)節(jié)燃料電池的運行溫度；以及，相互關(guān)系改變單元，其被配置為響應(yīng)于燃料電池內(nèi)部的濕潤狀 態(tài)和燃料電池的運行溫度中的至少一個來改變相互關(guān)系，其中，當(dāng)在所述至少一個發(fā)電體中產(chǎn)生負電壓的時間段中與從外部負載要求的輸出電流對應(yīng)的電流密度大于預(yù)定值時，控制單元可被配置為使得運行狀態(tài)調(diào)節(jié)單元調(diào)節(jié)燃料電池內(nèi)部的濕潤狀態(tài)與燃料電池的運行溫度中的至少一個，從而以通過相互關(guān)系改變單元改變相互關(guān)系的方式來擴展運行容許范圍。這里，在產(chǎn)生負電壓的時間段中對于燃料電池能夠容許的累積電流值與電流密度之間的相互關(guān)系依賴于燃料電池內(nèi)部的濕潤狀態(tài)或燃料電池的運行溫度而變化。通過這樣構(gòu)成的燃料電池系統(tǒng)，即使對于燃料電池需要的電流落在燃料電池的運行容許范圍之外，可以以這樣的方式使得要求的電流被引入運行容許范圍之內(nèi)調(diào)節(jié)燃料電池內(nèi)的濕潤狀態(tài)和燃料電池的運行溫度中的至少一個，以擴展運行容許范圍。另外，在燃料電池系統(tǒng)中，當(dāng)輸出限制處理完成時，控制單元可被配置為，非易失性地存儲在輸出限制處理中來自燃料電池的電流輸出的累積電流值，并且，當(dāng)輸出限制處理重新開始時，控制單元可被配置為使用總累積電流值來執(zhí)行輸出限制處理，該總累積電流值通過將存儲的累積電流值與在重新開始輸出限制處理之后來自燃料電池的電流輸出的累積電流值相加而獲得。通過上述燃料電池系統(tǒng)，即使在重啟燃料電池系統(tǒng)之后，記錄累積電流值。因此，即使在重啟燃料電池系統(tǒng)之后再次執(zhí)行電流限制處理時，使用從所記錄的累積電流值累積的總累積電流值來執(zhí)行電流限制處理。另外，燃料電池系統(tǒng)還可以包括警報單元，其被配置為向用戶警報燃料電池的劣化，其中，控制單元可被配置為預(yù)先存儲燃料電池的電流密度的下限值，并且，當(dāng)燃料電池的電流密度低于輸出限制處理的下限值時，控制單元可被配置為使得警報單元向用戶警報燃料電池的劣化。通過上述燃料電池系統(tǒng)，在輸出限制處理期間，當(dāng)燃料電池尚未從負電壓恢復(fù)但是燃料電池的電流密度的預(yù)設(shè)下限值已被達到時，對用戶警報燃料電池的劣化。從而，用戶能夠適當(dāng)?shù)孬@知燃料電池應(yīng)被維護的時刻。另外，燃料電池系統(tǒng)還可以包括制冷劑供給單元，其被配置為對燃料電池供給制冷劑以控制燃料電池的溫度；溫度測量單元，其被配置為測量燃料電池的運行溫度，其中，在輸出限制處理中，控制單元可被配置為獲得推定的發(fā)熱值，該發(fā)熱值為當(dāng)使得燃料電池以基于至燃料電池的電流密度命令值的電流密度輸出電力時的燃料電池的發(fā)熱值；基于通過溫度測量單元測量的運行溫度和推定的發(fā)熱值控制通過制冷劑供給單元供到燃料電池的制冷劑的量。通過上述燃料電池系統(tǒng)，即使在從燃料電池輸出的電力通過執(zhí)行輸出限制處理而受到限制時，所供給的制冷劑的流速仍被適當(dāng)?shù)乜刂疲瑥亩龠M在執(zhí)行輸出限制處理時的燃料電池的運行溫度的上升。從而，燃料電池從負電壓狀態(tài)恢復(fù)的可能性較高。在燃料電池系統(tǒng)中，在輸出限制處理中，控制單元可被配置為，使用推定的發(fā)熱值和通過溫度測量單元測量的運行溫度，計算在燃料電池被供給制冷劑的同時使得燃料電池以預(yù)定時間段輸出電力時的燃料電池的推定溫升，并且，當(dāng)推定的溫度上升小于或等于預(yù)設(shè)的閾值時，控制單元可被配置為使得燃料電池在這樣的狀態(tài)下產(chǎn)生電力其中，使得制冷劑供給單元停止向燃料電池供給制冷劑。通過上述燃料電池系統(tǒng)，當(dāng)由于通過輸出限制處理限制從燃料電池輸出的電力而難于將燃料電池的運行溫度引至目標(biāo)值時，停止到燃料電池的制冷劑供給。從而，促進了在執(zhí)行輸出限制處理時的燃料電池的溫度上升，從而使得燃料電池從負電壓狀態(tài)恢復(fù)的可能性較高。另外，在燃料電池系統(tǒng)中，在輸出限制處理中，當(dāng)燃料電池的運行溫度的上升速率 低于預(yù)設(shè)閾值時，控制單元可被配置為使得燃料電池在這樣的狀態(tài)下產(chǎn)生電力其中，使得制冷劑供給單元停止向燃料電池供給制冷劑。通過上述燃料電池系統(tǒng)，在執(zhí)行輸出限制處理的同時，當(dāng)燃料電池的溫度的上升速率尚未達到根據(jù)燃料電池的實際測量的運行溫度的目標(biāo)值時，停止對燃料電池供給制冷劑。從而，促進了在執(zhí)行輸出限制處理時的燃料電池的溫度上升，從而使得燃料電池從負電壓狀態(tài)恢復(fù)的可能性較高。本發(fā)明的另一方面提供了用于燃料電池系統(tǒng)的控制方法，所述燃料電池系統(tǒng)輸出響應(yīng)于來自外部負載的請求由具有至少一個發(fā)電體的燃料電池產(chǎn)生的電力。該控制方法包括檢測所述至少一個發(fā)電體中的負電壓；測量通過在所述至少一個發(fā)電體產(chǎn)生負電壓的時間段中對從燃料電池輸出的電流進行時間積分獲得的累積電流值；查閱在所述至少一個發(fā)電體中產(chǎn)生負電壓的時間段中能夠容許的累積電流值與在所述時間段中能夠容許的電流密度之間的預(yù)設(shè)的相互關(guān)系；以及，執(zhí)行輸出限制處理，所述輸出限制處理將從燃料電池輸出的電力限制為落入由所述相互關(guān)系的容許累積電流值和容許電流密度限定的運行容許范圍內(nèi)。本發(fā)明的另一方面提供了一種燃料電池系統(tǒng)，其輸出響應(yīng)于來自外部負載的請求產(chǎn)生的電力。燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池，其具有至少一個發(fā)電體；控制單元，其被配置為控制從燃料電池輸出的電力；以及，累積電流值測量單元，其被配置為測量通過對從燃料電池輸出的電流進行時間積分獲得的累積電流值，其中，控制單元被配置為，預(yù)先存儲在所述至少一個發(fā)電體中產(chǎn)生負電壓的時間段中能夠容許的累積電流值與在所述時間段中能夠容許的電流密度之間的相互關(guān)系，并且，當(dāng)滿足指示產(chǎn)生負電壓的可能性的預(yù)設(shè)的環(huán)境條件時，所述控制單元被配置為，判定在所述至少一個發(fā)電體中產(chǎn)生負電壓，然后，執(zhí)行輸出限制處理，該處理將從燃料電池輸出的電力限制為落入由所述相互關(guān)系的容許累積電流值和容許電流密度限定的運行容許范圍中。通過這樣配置的燃料電池系統(tǒng)，即使在沒有產(chǎn)生負電壓但是在環(huán)境條件被根據(jù)經(jīng)驗或在實驗上推測為產(chǎn)生負電壓的可能性較高的情況時，執(zhí)行輸出限制處理。從而，可以進一步可靠地抑制燃料電池的性能退化和劣化。另外，在燃料電池系統(tǒng)中，當(dāng)相互關(guān)系通過第一軸表示燃料電池的累積電流值且第二軸表示燃料電池的電流密度的圖形示出時，可將相互關(guān)系示為向下凸出的曲線，其中，容許電流密度隨著容許累積電流值的增大而減小。通過上述燃料電池系統(tǒng)，在存儲在控制單元中的累積電流值與電流密度之間的相互關(guān)系中，可以將運行容許范圍設(shè)置在不導(dǎo)致產(chǎn)生負電壓的發(fā)電體性能退化的適當(dāng)?shù)姆秶小亩?，可以進一步適當(dāng)?shù)匾种朴捎谪撾妷簩?dǎo)致的燃料電池的性能退化和劣化。另外，在燃料電池系統(tǒng)中，在輸出限制處理中，控制單元可被配置為，隨著累積電流值的增大，沿著指示容許電流密度的最大值的向下凸出的曲線，減小燃料電池的電流密度。通過上述燃料電池系統(tǒng)，當(dāng)產(chǎn)生負電壓時，可以沿著運行容許范圍的容許限制值限制從燃料電池輸出的電力。因此，可以在抑制對從燃料電池輸出的電力的過度限制的同時，抑制由于負電壓導(dǎo)致的燃料電池的性能退化和劣化。另外，燃料電池系統(tǒng)還可以包括運行狀態(tài)調(diào)節(jié)單元，其被配置為包括加濕單元與 制冷劑供給單元中的至少一個，加濕單元控制被供給到燃料電池的反應(yīng)氣體的加濕量，以調(diào)節(jié)燃料電池內(nèi)的濕潤狀態(tài)，制冷劑供給單元控制供到燃料電池的制冷劑的流速，以調(diào)節(jié)燃料電池的運行溫度；以及，相互關(guān)系改變單元，其被配置為響應(yīng)于燃料電池內(nèi)的濕潤狀態(tài)和燃料電池的運行溫度中的至少一個來改變相互關(guān)系，其中，當(dāng)在所述至少一個發(fā)電體中產(chǎn)生負電壓的時間段中與從外部負載要求的輸出電流對應(yīng)的電流密度大于預(yù)定值時，控制單元可被配置為，使得運行狀態(tài)調(diào)節(jié)單元調(diào)節(jié)燃料電池內(nèi)的濕潤狀態(tài)與燃料電池的運行溫度中的至少一個，從而以這樣的方式擴展運行容許范圍使得相互關(guān)系被相互關(guān)系改變單元所改變。通過上述燃料電池系統(tǒng)，即使是在對于燃料電池需要的電流落在燃料電池的運行容許范圍之外時，所要求的電流可以以這樣的方式落在運行容許范圍內(nèi)調(diào)節(jié)燃料電池內(nèi)的濕潤狀態(tài)和燃料電池的運行溫度中的至少一個，以擴展運行容許范圍。另外，在燃料電池系統(tǒng)中，當(dāng)輸出限制處理完成時，控制單元可被配置為非易失性地存儲在輸出限制處理中從燃料電池輸出的電流的累積電流值，并且，當(dāng)輸出限制處理重新開始時，控制單元可被配置為使用總累積電流值執(zhí)行輸出限制處理，總累積電流值通過將存儲的累積電流值與在重新開始輸出限制處理之后從燃料電池輸出的電流的累積電流值相加獲得。通過上述燃料電池系統(tǒng)，即使在重啟燃料電池系統(tǒng)之后再次執(zhí)行電流限制處理時，使用從記錄的累積電流值累積的總累積電流值執(zhí)行電流限制處理。另外，燃料電池系統(tǒng)還可以包括警報單元，其被配置為向用戶警報燃料電池的劣化，其中，控制單元可被配置為預(yù)先存儲燃料電池的電流密度的下限值，并且，在輸出限制處理中，當(dāng)燃料電池的電流密度低于下限值時，控制單元可被配置為使得警報單元向用戶警報燃料電池的劣化。通過上述燃料電池系統(tǒng)，在輸出限制處理期間，當(dāng)燃料電池尚未從負電壓恢復(fù)，但是燃料電池的電流密度的預(yù)設(shè)下限值已經(jīng)達到時，向用戶警報燃料電池的劣化。從而，用戶能夠適當(dāng)?shù)孬@知燃料電池應(yīng)被維護的時刻。另外，燃料電池系統(tǒng)還可以包括制冷劑供給單元，其被配置為向燃料電池供給制冷劑，以控制燃料電池的溫度；以及，溫度測量單元，其被配置為測量燃料電池的運行溫度，其中，在輸出限制處理中，控制單元可被配置為獲得推定的發(fā)熱值，該發(fā)熱值為當(dāng)使得燃料電池以基于至燃料電池的電流密度命令值的電流密度輸出電力時的燃料電池的發(fā)熱值；以及，基于通過溫度測量單元測量的運行溫度和推定的發(fā)熱值，控制通過制冷劑供給單元供到燃料電池的制冷劑的量。通過上述燃料電池系統(tǒng)，即使是在通過執(zhí)行輸出限制處理限制從燃料電池輸出的電力時，供給的制冷劑的流速仍被適當(dāng)?shù)乜刂?，從而促進在執(zhí)行輸出限制處理時的燃料電池的運行溫度的上升。因此，燃料電池從負電壓狀態(tài)恢復(fù)的可能性較聞。另外，在燃料電池系統(tǒng)中，在輸出限制處理中，控制單元可被配置為使用推定的發(fā)熱值和通過溫度測量單元測量的運行溫度來計算當(dāng)在燃料電池被供給制冷劑的同時使得燃料電池以預(yù)定時間段輸出電力時的推定的燃料電池的溫度上升，并且，當(dāng)推定的溫度上升小于或等于預(yù)設(shè)閾值時，控制單元可被配置為使得燃料電池在使得制冷劑供給單元停止向燃料電池供給制冷劑的狀態(tài)中產(chǎn)生電力。通過上述燃料電池系統(tǒng)，當(dāng)由于通過輸出限制處理限制從燃料電池輸出的電力而難以將燃料電池的運行溫度引入目標(biāo)值時，停止向燃料電池供給制冷劑。因此，促進了在執(zhí)行輸出限制處理的同時的燃料電池的溫度上升，從而使得燃料電池從負電壓狀態(tài)恢復(fù)的可能性較高。另外，在燃料電池系統(tǒng)中，在輸出限制處理中，當(dāng)燃料電池的運行溫度的上升速率低于預(yù)設(shè)的閾值時，控制單元可被配置為使得燃料電池在使制冷劑供給單元停止向燃料電池供給制冷劑的狀態(tài)中產(chǎn)生電力。通過上述燃料電池系統(tǒng)，在執(zhí)行輸出限制處理時，當(dāng)燃料 電池的溫度的上升速率尚未達到根據(jù)測量得到的燃料電池運行溫度的目標(biāo)值時，停止對燃料電池供給制冷劑。從而，促進了在執(zhí)行輸出限制處理時的燃料電池的溫度上升，從而使得燃料電池從負電壓狀態(tài)恢復(fù)的可能性較高。本發(fā)明的另一方面提供了用于燃料電池系統(tǒng)的控制方法，所述燃料電池系統(tǒng)輸出響應(yīng)于來自外部負載的請求由具有至少一個發(fā)電體的燃料電池產(chǎn)生的電力。該控制方法包括測量通過在滿足指示負電壓在所述至少一個發(fā)電體中產(chǎn)生的可能性的預(yù)設(shè)環(huán)境條件的時間段中對從燃料電池輸出的電流進行時間積分獲得的累積電流值；查閱在所述至少一個發(fā)電體中產(chǎn)生負電壓的時間段中能夠容許的累積電流值與在所述時間段中能夠容許的電流密度之間的預(yù)設(shè)的相互關(guān)系；以及，執(zhí)行輸出限制處理，該處理將從燃料電池輸出的電力限制為落入由所述相互關(guān)系的容許累積電流值和容許電流密度限定的運行容許范圍內(nèi)。注意，本發(fā)明的各個方面可以以多種形式實現(xiàn)，例如，可以實現(xiàn)為諸如以下的形式燃料電池系統(tǒng)、裝有該燃料電池系統(tǒng)的車輛、用于該燃料電池系統(tǒng)的控制方法、用于實現(xiàn)這些系統(tǒng)的功能的計算機程序、車輛和控制方法以及記錄所述計算機程序的記錄介質(zhì)。


下面將參考附圖描述本發(fā)明的示例實施例的特征、優(yōu)點以及技術(shù)和工業(yè)重要性，其中，相同的標(biāo)號表示相同的元件，且其中圖I示意示出根據(jù)本發(fā)明第一實施例的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；圖2示意示出根據(jù)本發(fā)明第一實施例的燃料電池系統(tǒng)的電結(jié)構(gòu)；圖3A和圖3B為示出在根據(jù)本發(fā)明第一實施例的燃料電池系統(tǒng)的燃料電池上的輸出控制的圖表；圖4A、圖4B和圖4C為示出由于因為燃料電池系統(tǒng)中的不良氫氣供給產(chǎn)生的負電壓導(dǎo)致的燃料電池的性能退化的圖表；圖5為示出燃料電池系統(tǒng)中的負電壓恢復(fù)處理的過程的流程圖；圖6為示出在燃料電池系統(tǒng)中發(fā)生的負電壓從電力產(chǎn)生容許級別轉(zhuǎn)變到性能退化級別的時刻的圖表；
圖7為示出在燃料電池系統(tǒng)中通過實驗限定的燃料電池的運行容許范圍的圖表；圖8A、圖8B和圖8C為示出燃料電池系統(tǒng)中的電流限制處理的圖表；圖9示意示出根據(jù)第一實施例的第一替代實施例的燃料電池系統(tǒng)的電結(jié)構(gòu)；圖10為示出根據(jù)第一實施例的第一替代實施例的負電壓恢復(fù)處理的過程的流程圖；圖11示意示出根據(jù)第一實施例的第二替代實施例的燃料電池系統(tǒng)的電結(jié)構(gòu)；圖12為示出根據(jù)第一實施例的第二替代實施例的負電壓恢復(fù)處理的過程的流程圖；圖13為示出根據(jù)第二實施例的負電壓恢復(fù)處理的過程的流程圖； 圖14為示出根據(jù)第二實施例的電流限制處理的圖表；圖15示意示出根據(jù)第三實施例的燃料電池系統(tǒng)的電結(jié)構(gòu)；圖16是示出根據(jù)第三實施例的負電壓恢復(fù)處理的過程的流程圖；圖17為示出根據(jù)第三實施例的由燃料電池內(nèi)的濕度狀態(tài)的改變導(dǎo)致的運行容許范圍的改變的圖表；圖18為示出根據(jù)第三實施例的容許范圍改變處理的過程的流程圖；圖19為示出根據(jù)第三實施例的用于確定燃料電池內(nèi)的目標(biāo)濕度的濕度確定映射圖的實例的圖表；圖20A、圖20B和圖20C為示出根據(jù)第三實施例的使用濕度確定映射圖的用于確定燃料電池內(nèi)的目標(biāo)濕度的確定處理和用于改變?nèi)菰S范圍映射圖的改變處理的圖表；圖21A和圖21B為示出根據(jù)第四實施例的燃料電池系統(tǒng)中的容許范圍改變處理的圖表；圖22為示出根據(jù)第五實施例的負電壓恢復(fù)處理的過程的流程圖；圖23為示出根據(jù)第五實施例的制冷劑控制處理的過程的流程圖；圖24為示出根據(jù)第六實施例的負電壓恢復(fù)處理的過程的流程圖；圖25A和圖25B為分別示出根據(jù)第六實施例的第一和第二制冷劑控制處理的流程圖；以及圖26A和圖26B為示出根據(jù)本發(fā)明的參考實例的在低溫環(huán)境下的負電壓單體電池的單體電池溫度的時間變化的圖表。
具體實施例方式圖I示意示出根據(jù)本發(fā)明第一實施例的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。燃料電池系統(tǒng)100包括燃料電池10、控制單元20、陰極氣體供給單元30、陰極氣體排出單元40、陽極氣體供給單元50、陽極氣體循環(huán)排出單元以及制冷劑供給單元70。燃料電池10是聚合物電解質(zhì)燃料電池，其被供給作為反應(yīng)氣體的氫氣(陽極氣體)和空氣(陰極氣體)以生成電力。燃料電池10具有疊層結(jié)構(gòu)，其中，層疊多個發(fā)電體11，即所謂的電池單體。每個發(fā)電體11包括膜電極組件(未示出)和兩個隔離件(未示出)。膜電極組件是這樣的發(fā)電體其中，將電極設(shè)置在電解質(zhì)膜的兩個表面上。兩個隔離件將膜電極組件夾直在其中。這里，可以以在濕潤狀態(tài)中表現(xiàn)有利的質(zhì)子傳導(dǎo)性的固體聚合物薄膜形成電解質(zhì)膜。另外，可以以碳(C)形成每個電極。注意，與電解質(zhì)膜相對的電極的表面支撐用于促進發(fā)電反應(yīng)的催化劑(例如，鉬(Pt))。對每個發(fā)電體11提供用于反應(yīng)氣體和制冷劑的歧管(未示出)。經(jīng)對每個發(fā)電體11提供的相應(yīng)的氣流通道將歧管中的反應(yīng)氣體供給到每個發(fā)電體11的發(fā)電部分。控制單元20由包括中央處理單元和主存儲裝置的微型計算機形成?？刂茊卧?0接收來自外部負載200的輸出電力請求。響應(yīng)于該請求，控制單元20控制下述的燃料電池系統(tǒng)100的結(jié)構(gòu)單元以使得燃料電池10產(chǎn)生電力。陰極氣體供給單元30包括陰極氣體線(line)31、空氣壓縮機32、空氣流量計33、開關(guān)閥34以及加濕單元35。陰極氣體線31與燃料電池10的陰極連接。空氣壓縮機32經(jīng)陰極氣體線31與燃料電池10連接?？諝鈮嚎s機32吸入并壓縮外部空氣，并將壓縮的空氣供給到燃料電池10，作為陰極氣體?？諝饬髁坑?3在空氣壓縮機32上游的部分測量通過空氣壓縮機32吸入的外部空氣的流速，然后將測量的流速發(fā)送到控制單元20?？刂茊卧?0基于測量的流速驅(qū)動空氣 壓縮機32，以控制被供給到燃料電池10的空氣量。開關(guān)閥34被設(shè)置在空氣壓縮機32與燃料電池10之間。響應(yīng)于在陰極氣體線31中供給的空氣的流動，開關(guān)閥34打開或關(guān)閉。具體而言，開關(guān)閥34通常關(guān)閉，并在從空氣壓縮機32向陰極氣體線31供給具有預(yù)定壓力的空氣時打開。加濕單元35對從空氣壓縮機32泵抽的高壓空氣進行加濕。為了保持電解質(zhì)膜的濕潤狀態(tài)以獲得有利的質(zhì)子傳導(dǎo)性，控制單元20使用加濕單元35以控制被供給到燃料電池10的空氣的加濕量，從而調(diào)節(jié)燃料電池10內(nèi)部的濕潤狀態(tài)。陰極氣體排出單元40包括陰極廢氣線41、氣壓調(diào)節(jié)閥43以及氣壓測量單元44。陰極廢氣線41與燃料電池10的陰極連接，并將陰極廢氣排出到燃料電池系統(tǒng)100的外面。氣壓調(diào)節(jié)閥43調(diào)節(jié)陰極廢氣線41中的陰極廢氣的氣壓(燃料電池10的后部氣壓(backpressure))。氣壓測量單元44被設(shè)置在氣壓調(diào)節(jié)閥43的上游的部分。氣壓測量單元44測量陰極廢氣的氣壓，然后，將測量的氣壓傳輸給控制單元20。控制單元20基于通過氣壓測量單元44測量的氣壓來調(diào)節(jié)氣壓調(diào)節(jié)閥43的打開度。陽極氣體供給單元50包括陽極氣體線51、氫氣罐52、開關(guān)閥53、調(diào)節(jié)器54、噴射器55以及兩個氣壓測量單元56u和56d。氫氣罐52經(jīng)陽極氣體線51與燃料電池的陽極連接、并將罐中充入的氫氣供給到燃料電池10。注意，燃料電池系統(tǒng)100可以包括重整(reforming)單元來代替氫氣罐52,作為氫氣供給源。重整單元對基于烴(hydrocarbon)的燃料進行重整以生成氫氣。開關(guān)閥53、調(diào)節(jié)器54、第一氣壓測量單元56u、噴射器55和第二氣壓測量單元56d以該順序從上游側(cè)(與氫氣罐52相鄰的一側(cè))被設(shè)置在陽極氣體線51中。開關(guān)閥53響應(yīng)于來自控制單兀20的命令打開或關(guān)閉。開關(guān)閥53控制氫氣從氫氣罐52向噴射器55的上游側(cè)的流動。調(diào)節(jié)器54為氣壓減小閥，其在噴射器55的上游的部分調(diào)節(jié)氫氣的氣壓。通過控制單元20控制調(diào)節(jié)器54的打開度。噴射器55是電磁驅(qū)動的開關(guān)閥，其閥元件根據(jù)通過控制單元20設(shè)置的驅(qū)動間隔或閥打開持續(xù)時間而被電磁驅(qū)動?？刂茊卧?0控制噴射器55的驅(qū)動間隔或閥打開持續(xù)時間，以控制被供給到燃料電池10的氫氣量。第一和第二氣壓測量單元56u和56d分別測量在噴射器55的上游的部分的氫氣的氣壓和在噴射器55的下游的部分的氫氣的氣壓，然后，將測量的氣壓傳輸給控制單元20。控制單元20使用這些測量的氣壓來確定噴射器55的驅(qū)動間隔或閥打開持續(xù)時間。陽極氣體循環(huán)排出單元60包括陽極廢氣線61、氣液分離單元62、陽極氣體循環(huán)線63、氫氣循環(huán)泵64、陽極泄排線65以及泄排閥66。陽極廢氣線61將燃料電池10的陽極的出口連接到氣液分離單兀62。陽極廢氣線61將包括未用于發(fā)電反應(yīng)中的未反應(yīng)的氣體(氫氣、氮氣等)的陽極廢氣引導(dǎo)到氣液分離單元62。氣液分離單元62與陽極氣體循環(huán)線63和陽極泄排線65連接。氣液分離單元62分離陽極廢氣中包含的氣體成分和水分。氣液分離單71 62將氣體成分引導(dǎo)入陽極氣體循環(huán)線63，并將水分引導(dǎo)入陽極泄排線65。陽極氣體循環(huán)線63與在噴射器55的下游的部分的陽極氣體線51連接。氫氣循環(huán)泵64被設(shè)置在陽極氣體循環(huán)線63中。通過氫氣循環(huán)泵64將通過氣液分離單元62分離的氣體成分中包含的氫氣泵送到陽極氣體線51。這樣，在燃料電池系統(tǒng)100中，將陽極廢氣 中包含的氫氣再次循環(huán)和供給到燃料電池10，從而改善氫氣的使用效率。陽極泄排線65用于將通過氣液分離單元62分離的水分泄排到燃料電池系統(tǒng)100的外面。泄排閥66被設(shè)置在陽極泄排線65中。泄排閥66響應(yīng)于來自控制單元20的命令打開或關(guān)閉。在燃料電池系統(tǒng)100運行期間，控制單元20通常關(guān)閉泄排閥66，而在預(yù)先設(shè)置的預(yù)定泄排時刻或排出陽極廢氣中包含的惰性氣體的時刻打開泄排閥66。制冷劑供給單元70包括制冷劑線71、散熱器72、制冷劑循環(huán)泵73和兩個制冷劑溫度測量單元74和75。制冷劑線71將制冷劑入口歧管連接到制冷劑出口歧管。對于燃料電池10設(shè)置制冷劑入口歧管和制冷劑出口歧管。制冷劑線71循環(huán)用于冷卻燃料電池10的制冷劑。散熱器72被設(shè)置在制冷劑線71中。散熱器72在制冷劑線71中流動的制冷劑與外面的空氣之間交換熱量，從而冷卻制冷劑。制冷劑循環(huán)泵73在散熱器72的下游的部分(與燃料電池10的制冷劑入口相鄰)被設(shè)置在制冷劑線71中。制冷劑循環(huán)泵73將通過散熱器72冷卻的制冷劑泵送到燃料電池10中。兩個制冷劑溫度測量單元74和75分別被設(shè)置在制冷劑線71中的燃料電池10的制冷劑出口附近和燃料電池10的制冷劑入口附近。兩個制冷劑溫度測量單元74和75分別將測量的溫度傳輸?shù)娇刂茊卧?0?？刂茊卧?0根據(jù)在通過兩個制冷劑溫度測量單元74和75測量的各個溫度之間的差檢測燃料電池10的運行溫度，然后基于檢測的運行溫度控制通過制冷劑循環(huán)泵73泵送的制冷劑量，從而調(diào)節(jié)燃料電池10的運行溫度。圖2示意示出了燃料電池系統(tǒng)100的電結(jié)構(gòu)。燃料電池系統(tǒng)100包括二次電池81、DC/DC轉(zhuǎn)換器82和DC/AC逆變器83。另外，燃料電池系統(tǒng)100包括電池單體電壓測量單元91、電流測量單元92、阻抗測量單元93以及充電狀態(tài)檢測單元94。燃料電池10經(jīng)直流電力供給線DCL與DC/AC逆變器83連接。二次電池81經(jīng)DC/DC轉(zhuǎn)換器82與直流電力供給線DCL連接。DC/AC逆變器83與外部負載200連接。注意，在燃料電池系統(tǒng)100中，從燃料電池10和二次電池81輸出的電力的部分被用于驅(qū)動構(gòu)成燃料電池系統(tǒng)100的輔助設(shè)備；然而，未示出對輔助設(shè)備的布線并省略對其的描述。二次電池81用作燃料電池10的輔助電源。二次電池81可以例如由可充電且可放電的鋰離子電池形成。DC/DC轉(zhuǎn)換器82用作充電/放電控制單元，其控制對二次電池81的充電/放電。DC/DC轉(zhuǎn)換器82響應(yīng)于來自控制單元20的命令可變地調(diào)節(jié)直流電力供給線DCL的電壓的水平。如果從燃料電池10輸出的電力對于來自外部負載200的輸出請求是不足夠的，則控制單元20指示DC/DC轉(zhuǎn)換器82對二次電池81放電以補償不足的電力。DC/AC逆變器83將從燃料電池10和二次電池81獲得的直流電力轉(zhuǎn)換成交流電力，然后，將交流電力供給到外部負載200。注意，當(dāng)在外部負載200中產(chǎn)生再生電力時，通過DC/AC逆變器83將再生電力轉(zhuǎn)換成直流電力，然后通過DC/DC轉(zhuǎn)換器82以直流電力對二次電池81充電。電池單體電壓測量單元91與燃料電池10的每個發(fā)電體11連接，以測量每個發(fā)電體11的電壓(電池單體電壓)。電池單體電壓測量單元91將測量的電池單體電壓傳輸?shù)娇刂茊卧?0。注意，電池單體電壓測量單元91可以僅僅將測量的電池單體電壓中的最低電池單體電壓傳輸?shù)娇刂茊卧?0。電流測量單元92與直流電力供給線DCL連接。電流測量單元92測量從燃料電池 10輸出的電流，然后將測量的電流傳輸?shù)娇刂茊卧?0。充電狀態(tài)檢測單元94與二次電池81連接。充電狀態(tài)檢測單元94檢測二次電池81的充電狀態(tài)(S0C)，然后，將檢測的SOC傳輸?shù)娇刂茊卧?0。阻抗測量單元93與燃料電池10連接。阻抗測量單元93將交流電加到燃料電池，從而測量燃料電池10的阻抗。這里，已知燃料電池10的阻抗隨著燃料電池10內(nèi)存在的水分的量變化。即，預(yù)先獲得燃料電池10的阻抗與燃料電池10內(nèi)部的水分的量(濕度)之間的相互關(guān)系，然后測量燃料電池10的阻抗，從而使得可以獲得燃料電池10內(nèi)部的水分的量(濕度)。順便提及，在根據(jù)第一實施例的燃料電池系統(tǒng)100中，控制單元20還用作累積電流值測量單元21。累積電流值測量單元21關(guān)于預(yù)定時間段的時間對由電流測量單元92測量的從燃料電池10輸出的電流進行積分，從而計算指示從燃料電池10輸出的電荷的累積電流值?？刂茊卧?0使用累積電流值以執(zhí)行電流限制處理，從而抑制發(fā)電體11的發(fā)電性能的退化，其具體描述將在下文進行描述。圖3A和圖3B為示出在燃料電池系統(tǒng)100的燃料電池10上的輸出控制的圖表。圖3A為一圖表，其示出了燃料電池10的W-I特性，其中，縱軸表示燃料電池10的電力，橫軸表示燃料電池10的電流。通常，燃料電池的W-I特性通過上凸曲線示出。圖3B為一圖表，其示出了燃料電池10的V-I特性，其中，縱軸表示燃料電池10的電壓，橫軸表示燃料電池10的電流。通常，通過隨著電流的增加而減小的水平S形曲線示出燃料電池的V-I特性。注意，在圖3A和圖3B中，各個圖形的橫軸互相對應(yīng)?？刂茊卧?0預(yù)先存儲燃料電池10的這些W-I特性和V-I特性?？刂茊卧?0使用W-I特性以獲取對于從外部負載200要求的電力Pt應(yīng)從燃料電池10輸出的目標(biāo)電流It。另外，控制單元20使用V-I特性以確定燃料電池10的目標(biāo)電壓Vt，以用于輸出從E-I特性獲得的目標(biāo)電流It?？刂茊卧?0在DC/DC轉(zhuǎn)換器82中設(shè)置目標(biāo)電壓Vt，以使得DC/DC轉(zhuǎn)換器82調(diào)節(jié)直流電力供給線DCL的電壓。另外，如上所述，在燃料電池10中，反應(yīng)氣體從歧管流入每個發(fā)電體11的氣流通道。然而，每個發(fā)電體11的氣流通道可能被在燃料電池10中生成的水分等阻塞。如果在發(fā)電體11的部分的氣體通道被阻塞的狀態(tài)中使得燃料電池10持續(xù)發(fā)電，由于在發(fā)電體11的部分中不充分地供給反應(yīng)氣體，發(fā)電反應(yīng)被抑制。另一方面，其他發(fā)電體11持續(xù)發(fā)電，從而，發(fā)電體11的該部分用作燃料電池10中的電阻，從而產(chǎn)生負電壓。下面，在說明書中，將產(chǎn)生負電壓的發(fā)電體11稱為“負電壓電池單體11”。已經(jīng)知道，當(dāng)每個負電壓電池單體11的負電壓狀態(tài)持續(xù)時，進一步發(fā)生每個負電壓電池單體11的電極的劣化，然后，燃料電池10的發(fā)電性能退化。這里，由于通過抑制對陽極供給氫氣導(dǎo)致的差的氫氣供給，或者由于通過抑制對陰極供給氧氣導(dǎo)致的差的氧氣供給，而產(chǎn)生負電壓。在由于差的對陽極的氫氣供給而產(chǎn)生負電壓的情況下，燃料電池10的性能如下所述根據(jù)負電壓的水平而退化。圖4A和圖4C為示出在發(fā)電體11的任一個中由于通過不良氫氣供給產(chǎn)生的負電壓導(dǎo)致的燃料電池10的性能退化的圖表。圖4A示出當(dāng)在發(fā)電體11的任一個中產(chǎn)生負電壓時電池單體電壓中的變化。在圖4A中，縱軸表示電池單體電壓，橫軸表示時間。
在該圖中，在時刻h產(chǎn)生負電壓，并且電池單體電壓基本垂直于電壓V1減小。之后，電池單體電壓在電壓V1附近保持不變，在時刻再次基本垂直于電壓V2地減小，然后，在電壓V2基本保持不變。這樣，通過通過差的氫氣供給產(chǎn)生的負電壓的水平在基本為臺階狀的方式的兩階段中隨著時間的過去而減小。這里，在每個負電壓電池單體11的陽極中，通過下面的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生質(zhì)子，以補償差的氫氣供給。即，在從時刻h到時刻h的時間段期間通過由下面的反應(yīng)公式(I)表示的水分解反應(yīng)而產(chǎn)生質(zhì)子，并且在時刻t2之后通過由下面的反應(yīng)公式(2)表示的對構(gòu)成電極(陽極)的碳的氧化反應(yīng)而產(chǎn)生質(zhì)子。2H20 — 02+4H++e (I)C+2H20 — C02+4H.+4e_ (2)圖4B示出在從時刻h到時刻h的時間段期間每個負電壓電池單體11的發(fā)電性能。圖4C示出在時刻h之后每個負電壓電池單體11的發(fā)電性能。圖4B和圖4各自包括示出每個負電壓電池單體11的I-V特性的圖形，其中，橫軸表示電流密度，縱軸表示電池單體電壓；示出每個負電壓電池單體11的I-R特性的圖形Gm，其中，橫軸表示電流密度，縱軸表示電阻。注意，為了示出特性的變化，在圖4C中，以虛線表示在圖4B中示出的圖形G1^v和G1+并示出表示各個圖形偏移的方向的箭頭。這樣，如果如同在從時刻h到時刻h的時間段期間的情況在每個負電壓電池單體11的陽極中發(fā)生水分解反應(yīng)，燃料電池10的發(fā)電性能的退化被相對抑制(圖4B)。注意，在圖4B的情況中，其中未產(chǎn)生負電壓的每個發(fā)電體11的I-V特性與每個負電壓電池單體11的I-V特性基本一致。另一方面，如果如同在時刻A之后的情況中在每個負電壓電池單體11的陽極中產(chǎn)生碳氧化反應(yīng)，每個負電壓電池單體11的I-V特性減小，并且每個負電壓電池單體11的內(nèi)阻增大(圖4C)。注意，由于每個負電壓電池單體11的性能退化，燃料電池10的發(fā)電性能退化。另外，如果如同在時刻h之后的情況中電極的碳被氧化，即使在重啟燃料電池10之后也難于恢復(fù)每個負電壓電池單體11的發(fā)電性能。下面，在說明書中，將這樣的負電壓水平稱為“發(fā)電容許水平”:在該負電壓水平上，當(dāng)如同在從時刻h到時刻h的時間段期間的情況通過在每個負電壓電池單體11的陽極中的水分解反應(yīng)抑制燃料電池10的發(fā)電性能的退化的同時，發(fā)電可以繼續(xù)。另外，將這樣的負電壓水平稱為“性能退化水平”:在該負電壓水平上，如同在時刻之后的情況，發(fā)生每個負電壓電池單體11的電極的劣化，并且燃料電池10的發(fā)電性能退化。在根據(jù)第一實施例的燃料電池系統(tǒng)100中，當(dāng)在燃料電池10的發(fā)電體11的任一個中已經(jīng)檢測到負電壓時，通過下述的負電壓恢復(fù)處理對負電壓狀態(tài)進行恢復(fù)。注意，在負電壓恢復(fù)處理中，當(dāng)確定負電壓是由于差的氫氣供給時，執(zhí)行用于抑制負電壓水平達到性能退化水平的輸出控制，從而從負電壓恢復(fù)，同時，避免負電壓電池單體11的電極的劣化。圖5為示出由控制單元20執(zhí)行的負電壓恢復(fù)處理的過程的流程圖。在開始燃料電池10的正常運行(步驟S5)之后，當(dāng)通過電池單體電壓測量單元91在至少一個發(fā)電體11中檢測到負電壓時，控制單元20開始在步驟S20和之后的步驟中的處理(步驟S10)。在步驟S20中，控制單元20使得累積電流值測量單元21開始測量用于電流限制處理(將在下文描述)中的累積電流值。這里，在已經(jīng)在步驟SlO中檢測到負電壓的階段，未確定產(chǎn)生負電壓的原因是由于對陽極的差的氫氣供給還是對陰極的差的氧氣供給。然后，在步驟S30，控制單元首先增 加空氣壓縮機32的旋轉(zhuǎn)速度以增加供給到燃料電池10的空氣量。如果由于對陰極的差的氧氣供給而產(chǎn)生負電壓，該操作消除不充分的空氣供給，并且還清除阻塞陰極側(cè)氣流通道的水分，以使得可以除去阻塞。如果在增大供給空氣的量之后負電壓電池單體11的電壓升高，則控制單元20確定負電壓電池單體11已經(jīng)從負電壓恢復(fù)，然后，回到對燃料電池10的正常運行控制(步驟S40)。另一方面，如果即使通過增加供給空氣的量而負電壓電池單體11仍未從負電壓恢復(fù)，則控制單元20確定產(chǎn)生負電壓的原因是因為差的氫氣供給，然后，開始電流限制處理，以用于在步驟S50和后面的步驟中避免電極劣化和發(fā)電性能退化。在步驟S50，控制單元20基于在產(chǎn)生負電壓期間的時間段中從燃料電池輸出的電流從累積電流值測量單元21獲取累積電流值。在步驟S60和步驟S70，控制單元20使用在步驟S50獲取的累積電流值以獲得從燃料電池10輸出的電力的限值，然后，使得燃料電池10輸出在限制范圍內(nèi)的電力。通過這樣，抑制了每個負電壓電池單體11的電極的劣化和燃料電池10的發(fā)電性能的退化。這里，在描述步驟S60和S70中的具體操作之前，將描述通過本發(fā)明的發(fā)明人的實驗獲得的、用于避免由于負電壓導(dǎo)致的電極的氧化和發(fā)電性能的退化的累積電流值與從燃料電池10輸出的電力的限值之間的相互關(guān)系。圖6為示出由本發(fā)明的發(fā)明人進行的用于研究負電壓從發(fā)電容許水平過渡到性能退化水平的時刻的圖表。在實驗中，對于選擇的一個發(fā)電體11，在陽極側(cè)氣流通道被阻塞的狀態(tài)中，以恒定時間間隔間歇地進行五次這樣的發(fā)電在恒定的運行溫度下，以恒定的反應(yīng)氣體的流速，使得燃料電池10輸出恒定電流。圖6示出了在每一輪發(fā)電中負電壓隨時間的變化。在第一至第三次發(fā)電中，測量時間在負電壓達到發(fā)電容許水平之前結(jié)束。然而，在第四次發(fā)電期間，電池單體電壓在測量過程中減小到性能退化水平。然后，在第五次發(fā)電中，電池單體電壓在開始發(fā)電之后立即減小到性能退化水平。本發(fā)明的發(fā)明人重復(fù)了具有從燃料電池10輸出的不同電流的類似的實驗，并且發(fā)現(xiàn)，負電壓從發(fā)電容許水平過渡到性能退化水平的累積時間對于每個電流密度是基本恒定的，即使在產(chǎn)生負電壓之后重復(fù)停止發(fā)電和重啟發(fā)電。這可能是因為即使在停止發(fā)電時，通過水分解反應(yīng)在負電壓電池單體11的陽極上形成的氧化膜強到足夠保留。
然后，可以推測，在從產(chǎn)生負電壓至負電壓達到性能退化水平的時間段期間可以輸出的電荷對于每個電流密度是基本恒定的，并且在該期間(during then)輸出的電荷保持為在該期間的發(fā)電的歷史。通過這些發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，可以由在產(chǎn)生發(fā)電容許水平的負電壓期間的時間段中的燃料電池10的電流密度和在該期間的燃料電池10的累積電流值來限定在負電壓過渡到性能退化水平之前對于燃料電池10容許的運行條件。圖7示出本發(fā)明的發(fā)明人進行的用于限定在產(chǎn)生發(fā)電容許水平的負電壓期間的時間段中燃料電池10的容許運行條件的實驗的結(jié)果。在該實驗中，發(fā)電體11的任一個的陽極側(cè)氣流通道被阻塞，然后，測量從產(chǎn)生負電壓時到負電壓達到性能退化水平時使得燃料電池10持續(xù)發(fā)電時的累積電流值。然后，在燃料電池10的不同電流密度下多次測量累積電流值以獲得對于每個電流密度的電流累積值。注意，在該實驗中，供給到燃料電池10的反應(yīng)氣體的流速和燃料電池10的運行溫度是恒定的。
圖7的圖形是以這樣的方式獲得的圖形縱軸表示累積電流值，橫軸表示電流密度，并且繪制上述實驗的測量結(jié)果。這樣，通過向下凸出的下降曲線示出燃料電池10的在產(chǎn)生發(fā)電容許水平的負電壓的時間段中的電流密度與在該期間燃料電池10的容許累積電流值之間的相互關(guān)系。即，當(dāng)燃料電池10的在產(chǎn)生發(fā)電容許水平的負電壓的時間段(下文也稱為“發(fā)電容許時間段”)中的電流密度增大時，在該期間的燃料電池10的容許累積電流值減小。累積電流值基本隨著電流密度的增大而指數(shù)減小。這里，在圖7中，在向下凸出的曲線下面的陰影范圍可以理解為包括在發(fā)電容許時間段期間燃料電池10容許的累積電流值和電流密度的組合的范圍。下文中，將該范圍稱為“運行容許范圍”。即，在由于差的氫氣供給產(chǎn)生負電壓的情況中，當(dāng)使得燃料電池10輸出落入該運行范圍的累積電流值和電流密度的組合時，燃料電池10可以持續(xù)發(fā)電而避免負電壓達到性能退化水平。注意，如可以從圖形的縱軸是累積電流值的事實理解的是，在產(chǎn)生負電壓之后，運行容許范圍隨著燃料電池10的發(fā)電持續(xù)時間的增大而減小。在根據(jù)第一實施例的燃料電池系統(tǒng)100中，控制單元200將如圖7所示的在產(chǎn)生負電壓的時間段中燃料電池10容許的累積電流值和燃料電池10容許的電流密度之間的相互關(guān)系預(yù)先存儲為映射圖。然后，將該映射圖(下文稱為容許范圍映射圖)用于執(zhí)行步驟S60和S70中的電流限制處理(圖5)。圖8A至圖8C示意示出步驟S60和S70中的處理。在圖8A至圖8C中，通過這樣的圖形示出上述容許范圍映射圖Mpa:在所述圖形中，縱軸表示累積電流值，橫軸表示電流密度。在圖8A和圖SB的容許范圍映射圖Mpa*，運行容許范圍以陰影示出。這里，在根據(jù)第一實施例的燃料電池系統(tǒng)100中，設(shè)置應(yīng)從燃料電池10輸出的下限電流密度ilim (也稱為“最小電流密度ilim”)，以便使得控制單元20繼續(xù)燃料電池系統(tǒng)100的運行。因此，處于或低于最小電流密度iliD1的范圍未被包括在運行容許范圍中。在步驟S60，對于通過累積電流值測量單元21獲取的累積電流值Qe1，控制單元20獲取電流密度I1 (圖8A)。下面，也將使用容許范圍映射圖Mpa獲取的電流密度稱為“限制電流密度”。注意，基于在步驟S20至S60的處理期間從燃料電池10輸出的電流獲得此時的累積電流值Qe115在步驟S70中，控制單元20將在步驟S60中獲得的限制電流密度I1設(shè)為當(dāng)前燃料電池10容許的電流密度，然后，使得燃料電池10以小于限制電流密度I1的電流密度ilc(也稱為“約束電流密度ilc;”)產(chǎn)生電力。具體而言，控制單元20可以從限制電流密度I1減去預(yù)設(shè)值A(chǔ)i以計算約束電流密度ilc; (ilc=irAi)0注意，預(yù)設(shè)值A(chǔ)i可以根據(jù)限制電流密度變化。具體而言，還可行的是，隨著限制電流密度減小，值A(chǔ)i增大。容許范圍映射圖Mpa中的運行容許范圍通過縱軸方向中的累積電流值Qe1而減小，從而，在步驟S70中，當(dāng)在小于限制電流密度I1的約束電流密度I1。處開始發(fā)電時，從燃料電池10輸出的電力落入運行容許范圍中。從而，可以持續(xù)燃料電池10的運行而避免電極的劣化。這里，控制單元20開始用于在步驟S80中從差的氫氣供給恢復(fù)的處理，同時，電流受到約束，以便能夠繼續(xù)燃料電池10的運行。具體而言，可應(yīng)用的是，通過調(diào)節(jié)噴射器55的驅(qū)動間隔或或閥打開持續(xù)時間、增加氫氣循環(huán)泵64的旋轉(zhuǎn)速度等，增加供給到燃料電池10的氫氣的流速,從而增大燃料電池10中的氫氣的氣壓。
注意，當(dāng)將燃料電池系統(tǒng)100置于低溫環(huán)境下時，陽極的氣流通道可能被凍結(jié)的水分阻塞。從而，在該情況中，可以執(zhí)行用于升高燃料電池10的溫度的處理，例如，降低制冷劑循環(huán)泵73的旋轉(zhuǎn)速度。在開始步驟S80中的差氫氣供給恢復(fù)處理之后，當(dāng)負電壓電池單體11仍未從負電壓恢復(fù)時，控制單元20再次重復(fù)步驟S50至S70中的電流約束處理(步驟S90)。在步驟S50中，如同前面的情況，基于在從已經(jīng)檢測到負電壓時到當(dāng)前時刻的時間段中從燃料電池10輸出的電流，控制單元20獲取累積電流值Qe2 (步驟S50)。然后，使用容許范圍映射圖Mpa來獲取對應(yīng)于累積電流值Qe2的限制電流密度i2 (圖8B)。在步驟S70中，控制單元20使得燃料電池10以小于限制電流密度i2的約束電流密度i2。生成電力。圖SC示意示出了在電流約束處理中的限制電流密度的變化。重復(fù)執(zhí)行在步驟S50至步驟S80中的電流約束處理，直到負電壓電池單體11從負電壓恢復(fù)(步驟S90)。在重復(fù)電流約束處理期間，隨著累積電流值的增加，限制電流密度沿著圖中所示的曲線(圖中的箭頭)以階梯狀的方式減小。另外，如同在限制電流密度的變化的情況，從燃料電池10輸出的電流沿著圖中所示的曲線以階梯狀方式減小。注意，當(dāng)在步驟S60中獲取的約束電流密度小于或等于最小電流密度i-時，控制單元20確定負電壓電池單體11未從負電壓恢復(fù)，并且不能獲得燃料電池10的最小電力，然后，執(zhí)行燃料電池10的重啟處理。這樣，通過根據(jù)第一實施例的燃料電池系統(tǒng)100，當(dāng)在負電壓恢復(fù)處理中確定為產(chǎn)生負電壓的原因是由于差的氫氣供給時，通過電流約束處理，繼續(xù)進行發(fā)電，同時，抑制負電壓到性能退化水平的減小。然后，在電流約束處理期間，執(zhí)行用于從負電壓恢復(fù)的處理。從而，可以抑制由于負電壓導(dǎo)致的燃料電池10的發(fā)電性能的退化和燃料電池10的電極的劣化。下面，將描述第一實施例的第一替代實施例。圖9示意示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的第一替代實施例的燃料電池系統(tǒng)IOOa的電結(jié)構(gòu)。圖9與圖2基本相同，不同之處在于增加了累積電流值記錄單元23。注意，在該結(jié)構(gòu)實例中的燃料電池系統(tǒng)IOOa的其他結(jié)構(gòu)與根據(jù)第一實施例的燃料電池系統(tǒng)(圖I)相似。燃料電池系統(tǒng)IOOa的累積電流值記錄單元23 (圖9)由數(shù)據(jù)可擦除和可重寫的非易失性存儲器形成，諸如可擦除可編程只讀存儲器(EPROM)0圖10為示出通過燃料電池系統(tǒng)IOOa執(zhí)行的負電壓恢復(fù)處理的過程的流程圖。圖10與圖5基本相同，不同之處在于在步驟S90之后增加步驟S100。在燃料電池系統(tǒng)IOOa中，當(dāng)已經(jīng)在燃料電池10中檢測到負電壓時，如同在根據(jù)第一實施例的燃料電池系統(tǒng)100的情況中執(zhí)行負電壓恢復(fù)處理。然后，在負電壓恢復(fù)處理中，當(dāng)確定產(chǎn)生負電壓的原因是由于差的氫氣供給時，執(zhí)行與在第一實施例中所述的類似的電流約束處理(步驟S50至步驟S90)。當(dāng)在電流約束處理期間負電壓電池單體11已經(jīng)從負電壓恢復(fù)時，控制單元20在累積電流值記錄單元23中記錄用于電流約束處理的累積電流值(步驟·S100)。這里，假設(shè)負電壓電池單體11已經(jīng)通過電流約束處理從負電壓恢復(fù)。同樣在這樣的情況中，除非對已經(jīng)產(chǎn)生負電壓的負電壓電池單體11進行維護，否則，再次在發(fā)電體11中產(chǎn)生負電壓，然后，在開始電流約束處理時的運行容許范圍將為在先前的電流約束處理結(jié)束時的運行容許范圍。然后，在步驟SlOO中，在準(zhǔn)備下一個電流約束處理中，控制單元20非易失性地記錄累積電流值。這里，控制單元20在負電壓發(fā)生時識別產(chǎn)生負電壓的發(fā)電體11(負電壓電池單體11)，并對于對應(yīng)的負電壓電池單體11在累積電流值記錄單元23中記錄累積電流值。當(dāng)再次執(zhí)行電流約束處理時，控制單元20加載對應(yīng)于每個負電壓電池單體11并被記錄在累積電流值記錄單元23中的累積電流值，作為累積電流值的初始值，然后，在步驟S20中開始測量累積電流值。即，控制單元20使用通過將記錄在累積電流值記錄單元23中的累積電流值與在重新開始電流限制處理之后從燃料電池10輸出的電流的累積電流值相加獲得的總累積電流值執(zhí)行電流限制處理。注意，當(dāng)維護使得產(chǎn)生負電壓的發(fā)電體11時，可以初始化記錄在累積電流值記錄單元23中的被維護的發(fā)電體11的累積電流值。接著，將描述第一實施例的第二替代實施例。圖11示意示出根據(jù)本發(fā)明第一實施例的第二替代實施例的燃料電池系統(tǒng)IOOb的結(jié)構(gòu)。圖11與圖9基本相同，不同在于，增加了警報單元25。注意，該結(jié)構(gòu)實例中的燃料電池系統(tǒng)IOOb的其他結(jié)構(gòu)與第一替代實施例中的燃料電池系統(tǒng)IOOa (圖9)相似。燃料電池系統(tǒng)IOOb的警報單元25 (圖11)響應(yīng)于來自控制單元20的命令對燃料電池系統(tǒng)IOOb的用戶視覺地或聽覺地警報對燃料電池10的維護。警報單元25可以例如由可由用戶識別的顯示器或發(fā)光單元形成，或者可以由揚聲器或蜂鳴器形成。圖12為示出通過燃料電池系統(tǒng)IOOb執(zhí)行的負電壓恢復(fù)處理的過程的流程圖。圖12與圖10基本相同，不同在于，增加了步驟S62和步驟S63。在根據(jù)該結(jié)構(gòu)實例的通過燃料電池系統(tǒng)IOOb執(zhí)行的負電壓恢復(fù)處理中，使用容許范圍映射圖Mpa (圖8A至圖8C)來在步驟S60中獲得限制電流密度，然后，在步驟S62中確定限制電流密度是否低于或等于預(yù)定閾值。這里，預(yù)定閾值可以例如是用于獲得可以繼續(xù)燃料電池系統(tǒng)IOOb的運行的電力所要求的電流密度。當(dāng)在步驟S62中確定限制電流密度低于預(yù)定閾值時，控制單元20確定為，除非對燃料電池10進行維護，否則難于繼續(xù)燃料電池系統(tǒng)IOOb的運行，于是，使得警報單元25執(zhí)行警報處理(步驟S63)。具體而言，在警報處理中，可應(yīng)用的是，停止燃料電池系統(tǒng)IOOb的運行，并且對用戶通知促使替換負電壓電池單體11的消息。這樣，通過根據(jù)該結(jié)構(gòu)實例的燃料電池系統(tǒng)100b，通過警報單元25對系統(tǒng)的用戶提供在電流約束處理中從燃料電池10輸出的電力受到限制并且難于持續(xù)燃料電池系統(tǒng)IOOb的運行的信息。從而，用戶能夠獲知應(yīng)該進行對燃料電池10的維護的狀態(tài)。注意，可行的是，當(dāng)在步驟SlOO中記錄累積電流值時或者進行電流約束處理時累積電流值大于或等于預(yù)定閾值時，控制單元20通過警報單元25對用戶通知該情況。下面將描述第二實施例。圖13為示出根據(jù)本發(fā)明第二實施例的負電壓恢復(fù)處理的過程的流程圖。圖13與圖5基本相同，不同在于，提供步驟S61和S71代替步驟S60和S70并增加步驟S91。注意，根據(jù)第二實施例的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與在第一實施例中描述的燃料電池系統(tǒng)100(圖I和圖2)相似。在根據(jù)第二實施例的燃料電池系統(tǒng)中，在步驟S50至S91中，獲得對于燃料電池10容許的累積電流值，然后，基于累積電流值進行電流約束處理。圖14示出根據(jù)第二實施例的電流約束處理，并且示出與第一實施例中所述相似的容許范圍映射圖Mpa。在步驟S61中，控制單元20獲取對應(yīng)于在步驟S50中獲取的累積電流值Qe1的限制電流密度h。然后，確定比限制電流密度I1小預(yù)設(shè)值的約束電流密度ilc;，作為對燃料電池10的輸出命令值，然后，使得燃料電池10以約束電流密度I1。產(chǎn)生電力。 在步驟S71，控制單元20再次使用容許范圍映射圖Mpa以獲取對應(yīng)于作為對燃料電池10的命令值的約束電流密度ile的累積電流值Qe2?？刂茊卧?0將比累積電流值Qe2小預(yù)定值的值設(shè)置為對于燃料電池10容許的累積電流值(下文也稱為“限制累積電流值”)。然后，控制單元20在步驟S80中執(zhí)行用于從差氫氣供給恢復(fù)的處理，然后，在步驟S90中確定負電壓電池單體11是否已從負電壓恢復(fù)。當(dāng)負電壓電池單體11已經(jīng)從負電壓恢復(fù)時，控制單元20恢復(fù)正常的運行控制(步驟S5)。另外，當(dāng)負電壓電池單體11未從負電壓恢復(fù)時，控制單元20在產(chǎn)生負電壓的時間段從累積電流值測量單元21獲取累積電流值，然后，確定累積電流值是否已經(jīng)達到在步驟S71中獲取的限制累積電流值(步驟S91)。在當(dāng)前累積電流值未達到限制累積電流值時，控制單元20重復(fù)步驟S80和S90的處理。當(dāng)在步驟S91中當(dāng)前累積電流值已經(jīng)達到限制累積電流值時，控制單元20返回到步驟S61，然后，將比已經(jīng)被設(shè)置為命令值的約束電流密度I1。小預(yù)設(shè)值的電流密度i2。設(shè)置為對燃料電池10的新命令值。在步驟S71中，使用容許范圍映射圖Mpa以獲取對應(yīng)于電流密度i2。的累積電流值Qe2,然后,基于累積電流值Qe2確定限制累積電流值。通過這種方式，在根據(jù)第二實施例的電流約束處理中，控制單元20使用容許范圍映射圖MPA以獲得對應(yīng)于被設(shè)置為到燃料電池10的命令值的電流密度的限制累積電流值。然后，直到累積電流值接近限制累積電流值，使燃料電池10以被設(shè)置為命令值的電流密度繼續(xù)發(fā)電。當(dāng)累積電流值接近限制累積電流值時，控制單元20減小作為命令值的電流密度，并且再次獲取對應(yīng)于減小的命令值的限制累積電流值，以從而使得燃料電池10持續(xù)發(fā)電。通過這樣，如圖14中的箭頭所示，燃料電池10的電流密度隨著累積電流值的增大以階狀方式沿著圖中所示的曲線減小。同樣通過根據(jù)第二實施例的燃料電池系統(tǒng)，如同根據(jù)第一實施例的燃料電池系統(tǒng)100的情況，可以抑制由于負電壓導(dǎo)致的燃料電池10的發(fā)電性能的退化和燃料電池10的電極的劣化。注意，還可行的是，控制單元20基于從容許范圍映射圖Mpa獲取的限制累積電流值計算在以作為命令值的電流密度的可用發(fā)電持續(xù)時間，然后，基于發(fā)電持續(xù)時間控制作為命令值的電流密度減小的時刻。
下面將描述第三實施例。圖15示意示出根據(jù)本發(fā)明第三實施例的燃料電池系統(tǒng)100B的電結(jié)構(gòu)。圖15與圖2基本相同，不同在于，在直流電力供給線DCL中增加打開-關(guān)閉開關(guān)84，并且在控制單元20中增加容許范圍改變單元22。注意，燃料電池系統(tǒng)100B的其它結(jié)構(gòu)與第一實施例中描述的結(jié)構(gòu)(圖I)相似。然而，在根據(jù)第三實施例的燃料電池系統(tǒng)100B中，燃料電池10以恒定運行溫度運行。打開-關(guān)閉開關(guān)84被設(shè)置在DC/DC轉(zhuǎn)換器82與燃料電池10之間。打開-關(guān)閉開關(guān)84響應(yīng)于來自控制單元20的命令斷開或閉合。當(dāng)打開-關(guān)閉開關(guān)84閉合時，燃料電池10與外部負載200電連接；而當(dāng)打開-關(guān)閉開關(guān)84斷開時，燃料電池10與外部負載200電隔離。注意，當(dāng)燃料電池10與外部負載200隔離時，二次電池81能夠輸出供給到外部負載200的電力。在根據(jù)第三實施例的燃料電池系統(tǒng)100B中，控制單元20還用作容許范圍改變單元22。容許范圍改變單元22在負電壓恢復(fù)處理的電流約束處理中執(zhí)行用于改變?nèi)剂想姵?0的運行容許范圍的處理。下文將對該處理進行具體描述。 圖16為示出根據(jù)第三實施例的負電壓恢復(fù)處理的過程的流程圖。圖16與圖5基本相同，不同在于增加了步驟S65。在根據(jù)第三實施例的燃料電池系統(tǒng)100B中，如同在根據(jù)第一實施例的燃料電池系統(tǒng)100的情況，執(zhí)行負電壓恢復(fù)處理。然后，在負電壓恢復(fù)處理中，當(dāng)確定由于不良氫氣供給而產(chǎn)生負電壓時，執(zhí)行電流約束處理和不良氫氣供給恢復(fù)處理。這里，在電流約束處理中，當(dāng)燃料電池10容許的電流可觀地小于用于供給由外部負載200所要求的電力的燃料電池10的目標(biāo)電流時，存在這樣的可能性，即，即使通過二次電池81，可能未補償不充分的電流。然后，在根據(jù)第三實施例的燃料電池系統(tǒng)100B中，當(dāng)在步驟S60中獲取的限制電流密度與用于輸出燃料電池10的目標(biāo)電流的電流密度之差大于預(yù)定值時，使得容許范圍改變單元22執(zhí)行容許范圍改變處理(步驟S65)。圖17示出由于燃料電池10內(nèi)部的濕度變化導(dǎo)致的運行容許范圍的改變。通過在燃料電池10內(nèi)的濕度減小的狀態(tài)中進行與用于獲得圖7的圖形的實驗類似的實驗，獲得圖17所示的圖形。注意，在圖17中，如同在圖7中的情況，圖中曲線下方的運行容許范圍以陰影示出。另外，在圖17的圖形中，為了方便，示出表示圖7中所示的曲線的虛線和表示從虛線曲線的變化的箭頭。本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，通過減小燃料電池10內(nèi)部的濕度，示出在發(fā)電容許范圍時間段中的累積電流值與電流密度之間的相互關(guān)系的曲線向上偏移，并且運行容許范圍擴展。運行容許范圍擴展的原因是因為下面的原因。已知，在發(fā)電容許時間段中，通過上述反應(yīng)公式(I)表示的反應(yīng)和通過下面的反應(yīng)公式(3)表示的反應(yīng)在負電壓電池單體11的陽極中進行，從而使催化劑鈍化(deactivate)。Pt+2H20 — Pt02+4H++4e (3)當(dāng)燃料電池10中的濕度減小時，陽極中的水分(膜電極組件的水分)的量減少，故上述反應(yīng)溫和進行，并且對催化劑的鈍化受到抑制。從而，運行容許范圍以對催化劑的鈍化的進行可被延遲的量擴展。S卩，通過減小燃料電池10內(nèi)部的濕度，可以擴展電流約束處理中的燃料電池10的運行容許范圍，從而可以增加對于燃料電池10容許的電流密度。于是，在根據(jù)第三實施例的燃料電池系統(tǒng)100B中，在下文的容許范圍改變處理中，減小燃料電池10內(nèi)部的濕度以擴展運行容許范圍。圖18為示出通過容許范圍改變單元22執(zhí)行的容許范圍改變處理的過程的流程圖。在步驟SllO中，容許范圍改變單元22斷開打開-關(guān)閉開關(guān)84，以將燃料電池10與外部負載200電隔離。然后，從二次電池81向外部負載200供給電力。容許范圍改變單元22使得燃料電池10將發(fā)電停止一次，以便由此使得可以容易地調(diào)節(jié)燃料電池10內(nèi)部的濕度。在步驟S120中，獲取用于擴展運行容許范圍的燃料電池10內(nèi)部的目標(biāo)濕度。圖19示出用于在步驟S120中確定燃料電池10內(nèi)部的目標(biāo)濕度的由容許范圍改變單元22使用的濕度確定映射圖Mhd的實例。當(dāng)縱軸表示累積電流值，且橫軸表示濕度時，將濕度確定映射圖MHD示出為向下凸出的下降曲線。以這樣的方式獲得濕度確定映射圖Miro :對于燃料電池10內(nèi)部的每個濕度進行與圖7所示類似的實驗，以獲得測量值，然后，使用該測量值以繪制用于燃料電池10的每個電流密度的濕度和累積電流值的組合。 圖20A和圖20B示出在步驟S120中使用濕度確定映射圖Mhd確定燃料電池10內(nèi)部的目標(biāo)濕度的處理。圖20A示出用于圖16的步驟S60中的容許范圍映射圖Mpa。這里，假設(shè)在步驟S60中，已經(jīng)測量了累積電流值Qea,已經(jīng)從容許范圍映射圖仏4確定限制電流密度ia，并且外部負載200獲取在燃料電池10的運行容許范圍之外的電流密度it。此時，容許范圍改變單元22如下確定燃料電池10內(nèi)部的目標(biāo)濕度。容許范圍改變單元22確定累積電流值Qet作為擴展的運行容許氛圍的邊界值，該累積電流值Qet比當(dāng)前測量的累積電流值Qea高出預(yù)設(shè)的預(yù)定值。然后，從針對各個電流密度準(zhǔn)備的濕度確定映射圖Mhd中選擇對應(yīng)于要求的電流密度的濕度確定映射圖Mhd，然后，使用選擇的濕度確定映射圖Mhd來獲取對應(yīng)于累積電流值Qet的濕度h，作為目標(biāo)濕度(圖20B)。在步驟S130中(圖18)，容許范圍改變單元22執(zhí)行控制以使得燃料電池10內(nèi)部的濕度與在步驟S120中獲取的目標(biāo)濕度一致。具體而言，容許范圍改變單元22增加陰極氣體供給單元30的空氣壓縮機32的旋轉(zhuǎn)速度(圖1)，以增加供給到燃料電池10的空氣的量，并減少通過加濕單元35的對供給的空氣的加濕量。通過這樣，可通過供給濕度減小的空氣而清除燃料電池10的內(nèi)部，并且可以減小燃料電池10的內(nèi)部的濕度。注意，容許范圍改變單元22基于通過阻抗測量單元93測量的值確定燃料電池10內(nèi)部的濕度是否達到目標(biāo)濕度。圖20C示出步驟S140中的改變?nèi)菰S范圍映射圖仏八的處理。圖20C示出改變的容許范圍映射圖Mpa。注意，在圖20C中，通過虛線示出表示預(yù)先改變的容許范圍映射圖Mpa的曲線，并且運行容許范圍以陰影示出。這里，在根據(jù)第三實施例的燃料電池系統(tǒng)100B中，預(yù)先準(zhǔn)備用于燃料電池10內(nèi)部的每個濕度的容許范圍映射圖Mpa并將其存儲在控制單元20中。容許范圍改變單元22從用于各個濕度的容許范圍映射圖Mpa中選擇對應(yīng)于在步驟S120中獲取的目標(biāo)濕度的容許范圍映射圖Mpa，作為新的容許范圍映射圖Mpa。在已經(jīng)減小燃料電池10內(nèi)部的濕度之后的電流約束處理中，使用選擇的新的容許范圍映射圖Mpa。注意，選擇的新容許范圍映射圖1^具有擴展的運行容許范圍，故從外部負載200要求的電流密度it被包含在運行容許范圍中。
在步驟S150中(圖18)，容許范圍改變單元22啟動燃料電池10，并閉合打開-關(guān)閉開關(guān)84 (即接通打開-關(guān)閉開關(guān)84)以將燃料電池10與外部負載200電連接。在步驟S160中，當(dāng)停止燃料電池10時，確定負電壓電池單體11是否從負電壓恢復(fù)。當(dāng)負電壓電池單體11已經(jīng)從負電壓恢復(fù)時，恢復(fù)對燃料電池10的正常運行控制(圖16的步驟S5)。另一方面，當(dāng)負電壓電池單體11未從負電壓恢復(fù)時，處理返回到步驟S50，然后，使用選擇的和改變的新容許范圍映射圖Mpa開始電流約束處理。這樣，根據(jù)第三實施例的燃料電池系統(tǒng)100B能夠通過調(diào)節(jié)燃料電池10內(nèi)部的濕度而在電流約束處理中擴展燃料電池10的運行容許范圍。從而，通過根據(jù)第三實施例的燃料電池系統(tǒng)100B，可以進一步可靠地供給對應(yīng)于來自外部負載200的請求的電力，同時，抑制由于負電壓導(dǎo)致的燃料電池的性能退化和劣化。下面將描述第四實施例。圖21A和圖21B示出了根據(jù)本發(fā)明第四實施例的燃料電池系統(tǒng)中的容許范圍改變處理。注意，根據(jù)第四實施例的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與根據(jù)第三實施例的燃料電池系統(tǒng)相似。然而，在根據(jù)第四實施例的燃料電池系統(tǒng)中，燃料電池10在 燃料電池10內(nèi)部的濕度保持恒定的狀態(tài)中運行。如同圖17的情況，圖21A示出當(dāng)燃料電池10的溫度改變時在發(fā)電容許時間段中的累積電流值與電流密度之間的相互關(guān)系的變化。以這樣的方式獲得圖21A中的實線，即，在燃料電池10的溫度降低的狀態(tài)中，進行與用于獲得圖7的圖形而進行的實驗相似的實驗。示出累積電流值與電流密度之間的相互關(guān)系的該曲線在燃料電池10的溫度下降時向上偏移。這是因為，由第三實施例中的反應(yīng)公式(3)表示的反應(yīng)的進行由于燃料電池10的溫度的下降而變得溫和。這樣，通過降低燃料電池10的運行溫度，如同在第三實施例中描述的情況，可以在電流限制處理中擴展燃料電池10的運行容許范圍。這里，以燃料電池10的不同運行溫度進行與圖7所示的相似的實驗，并且預(yù)先對燃料電池10的每個運行溫度獲得累積電流值與電流密度之間的相互關(guān)系，從而使得可以獲得用于燃料電池10的每個運行溫度的容許范圍映射圖mpa。另外，可以基于實驗數(shù)據(jù)獲得用于每個電流密度的運行溫度確定映射圖Mtd，所述運行溫度確定映射圖Mtd示出燃料電池10的累積電流值與運行溫度之間的相互關(guān)系。圖21B在縱軸表示累積電流值、橫軸表示燃料電池10的運行溫度的圖表中示出了在電流密度處的運行溫度確定映射圖的實例Mtd。在根據(jù)第四實施例的燃料電池系統(tǒng)中，在控制單元20中預(yù)先存儲用于燃料電池10的每個運行溫度的容許范圍映射圖Mr^P用于每個電流密度的運行溫度確定映射圖Mtd。然后，通過以調(diào)節(jié)燃料電池10的運行溫度來代替調(diào)節(jié)燃料電池10內(nèi)部的濕度，使用這些映射圖Mpa和Mtd來執(zhí)行在第三實施例中所述的容許范圍改變處理。注意，可以以這樣的方式調(diào)節(jié)燃料電池10的運行溫度，即，控制制冷劑供給單元70的制冷劑循環(huán)泵73的旋轉(zhuǎn)速度，以改變制冷劑的冷卻效率。通過這種方式，用根據(jù)第四實施例的燃料電池系統(tǒng)，如同根據(jù)第三實施例的燃料電池系統(tǒng)的情況，可以進一步可靠地供給對應(yīng)于來自外部負載200的請求的電力，同時，抑制由于負電壓導(dǎo)致的燃料電池10的性能退化和劣化。下面描述第五實施例。圖22為示出在根據(jù)本發(fā)明第五實施例的燃料電池系統(tǒng)中執(zhí)行的負電壓恢復(fù)處理的過程的流程圖。圖22與圖12基本相同，不同在于，增加了步驟S68的制冷劑控制處理。注意，根據(jù)第五實施例的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與根據(jù)第一實施例的第二替代實施例的燃料電池系統(tǒng)IOOb (圖1，圖11)相似。注意，在根據(jù)第五實施例的燃料電池系統(tǒng)中，當(dāng)燃料電池10的溫度或外部空氣溫度低于零時，或者當(dāng)系統(tǒng)啟動時，以抑制燃料電池10的劣化的最小恒定流速從制冷劑供給單元70向燃料電池10供給制冷劑。這里，為了從由于在燃料電池10的反應(yīng)氣體流動通道中的凍結(jié)而產(chǎn)生的負電壓的狀態(tài)恢復(fù)，期望的是使得燃料電池10的運行溫度達到高于零以消除凍結(jié)狀態(tài)。然而，當(dāng)執(zhí)行電流約束處理時，燃料電池10的熱產(chǎn)生受到燃料電池10的輸出電流被限制的量的抑制(Joule定律)。從而，在該情況中，難于增加燃料電池10的運行溫度。然后，在根據(jù)第五實施例的燃料電池系統(tǒng)中，當(dāng)在低溫環(huán)境(諸如低于零度)中執(zhí)行電流約束處理時，執(zhí)行步驟S68的制冷劑控制處理，以促進燃料電池10的運行溫度的上升。圖23為示出步驟S68的制冷劑控制處理的過程的流程圖。每當(dāng)啟動燃料電池系·統(tǒng)時在執(zhí)行電流限制處理時，可執(zhí)行制冷劑控制處理。另外，制冷劑控制處理可以在燃料電池10的運行溫度(其基于通過制冷劑溫度測量單元74和75測量的值獲得)低于零度或者外部空氣溫度低于零度時執(zhí)行。在步驟S200中，控制單元20獲取當(dāng)使得燃料電池10以從限制電流密度獲得的約束電流密度在預(yù)定發(fā)電持續(xù)時間t (例如約10至30秒)上產(chǎn)生電力時的推定發(fā)熱值(下文稱為“推定發(fā)熱值Qe”)。具體而言，控制單元20可以使用基于Joule定律的數(shù)學(xué)公式(4)計算推定發(fā)熱值Qe。Qe=I2XRXt (4)這里，I是約束電流密度，R是基于燃料電池10的內(nèi)阻預(yù)設(shè)的常數(shù)。注意，控制單元20可以基于代替上述數(shù)學(xué)公式(4)的通過實驗等預(yù)先獲得的映射圖或表獲取對應(yīng)于約束電流密度的推定發(fā)熱值。在步驟S210中，當(dāng)通過制冷劑供給單元70在燃料電池10中循環(huán)制冷劑時，控制單元20獲取燃料電池10的假定熱容Ce。這里，“燃料電池10的假定熱容Ce”是對應(yīng)于燃料電池10的溫度被提高rc時的熱量的值。另外，當(dāng)在燃料電池10中循環(huán)制冷劑時，用于提高燃料電池10的溫度所需的熱量根據(jù)燃料電池10的溫度或制冷劑的溫度和流速而變化。如上所述，在根據(jù)第五實施例的燃料電池系統(tǒng)中，以預(yù)設(shè)最小恒定流速將制冷劑供給到燃料電池10。然后，在根據(jù)第五實施例的燃料電池系統(tǒng)中，控制單元20預(yù)存映射圖或表，該映射圖或表能夠唯一確定對應(yīng)于制冷劑的溫度和燃料電池10的溫度的假定熱容Ce，并且使用該映射圖或表以獲取假定熱容Ce。在步驟S220中，控制單元20使用在步驟S200中獲取的推定發(fā)熱值Qe和在步驟S210中獲取的燃料電池10的假定熱容Ce，以計算推定溫度Te，所述推定溫度Te是在預(yù)定發(fā)電持續(xù)時間t之后的燃料電池10的預(yù)測溫度。具體而言，可以使用下面的算術(shù)公式(5)計算推定溫度Te。Qe=CcX (Te-Tm) (5)這里，Tm是燃料電池10的當(dāng)前測量的運行溫度。在步驟S230，控制單元20確定在步驟S220中計算的推定溫度Te是否低于或等于預(yù)定閾值，這里，可以將預(yù)定閾值設(shè)置為燃料電池10的反應(yīng)氣體流動通道中的凍結(jié)狀態(tài)開始消除的溫度(例如0°c)。
在預(yù)定發(fā)電持續(xù)時間t中，假設(shè)燃料電池10的運行溫度達到目標(biāo)值，當(dāng)推定溫度Te高于預(yù)定閾值時，控制單元20執(zhí)行電流約束處理的步驟S70和后面的步驟中的處理(圖22)，同時持續(xù)向燃料電池10供給制冷劑。另一方面，當(dāng)推定溫度Te低于或等于預(yù)定閾值時，控制單元停止向燃料電池供給并循環(huán)制冷劑，以在該預(yù)定發(fā)電持續(xù)時間t中促進燃料電池10的溫度的上升(步驟S240)。這里，在根據(jù)第五實施例的燃料電池系統(tǒng)中，如上所述，即使燃料電池10的溫度較低時，例如在系統(tǒng)啟動時，仍向燃料電池10供給制冷劑。這是因為下面的原因。即，在系統(tǒng)啟動等時刻，因為燃料電池10內(nèi)的氣流通道的阻塞，非常可能的是，在燃料電池10的發(fā)電體11或每個發(fā)電體11的發(fā)電區(qū)域中，產(chǎn)生的電力的量變得不均勻。當(dāng)在燃料電池10內(nèi)的功率產(chǎn)生分布不均勻時而停止對燃料電池10供給制冷劑時，由于從功率產(chǎn)生導(dǎo)致的熱量的產(chǎn)生，產(chǎn)生較大量的電力的發(fā)電體11或區(qū)域可能局部劣化。為了避免由于發(fā)熱值的不均勻的量導(dǎo)致的燃料電池10的局部劣化，即使燃料電池10的溫度較低，仍期望向燃料電池10供給制冷劑。 然而，當(dāng)執(zhí)行電流限制處理時，限制燃料電池10的發(fā)熱值，從而在燃料電池10的產(chǎn)生的電力的量局部增大的部分，發(fā)熱值較小。從而，如同在步驟S240的情況，即使在電流限制處理期間停止向燃料電池10供給制冷劑，不大可能如上所述由于不均勻的發(fā)熱值發(fā)生燃料電池10的劣化。從而，通過停止制冷劑的供給，可以促進燃料電池10的溫度上升而不會導(dǎo)致燃料電池10的劣化。當(dāng)在步驟S240中停止向燃料電池10供給制冷劑之后，控制單元20執(zhí)行電流限制處理的步驟S70和后面的步驟的處理(圖22)。注意，當(dāng)負電壓電池單體11已經(jīng)從負電壓恢復(fù)，并且恢復(fù)燃料電池的正常運行時，控制單元20重新開始向燃料電池10供給制冷劑。這樣，通過根據(jù)第五實施例的燃料電池系統(tǒng)，即使在燃料電池10中發(fā)生負電壓并且執(zhí)行電流限制處理，適當(dāng)?shù)乜刂葡蛉剂想姵?0的制冷劑供給，以促進燃料電池10的運行溫度的上升。從而，以燃料電池10的溫度的上升促進從負電壓狀態(tài)的恢復(fù)。下面將描述第六實施例。圖24為示出在根據(jù)本發(fā)明第六實施例的燃料電池系統(tǒng)中執(zhí)行的負電壓恢復(fù)處理的過程的流程圖。圖24與圖22基本相同，不同在于，提供步驟S68F代替步驟S68。注意，根據(jù)第六實施例的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與在第五實施例中所述的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)(圖I、圖11)相似。注意，在根據(jù)第六實施例的燃料電池系統(tǒng)中，控制單元20周期性地(例如，以一秒的間隔)測量并記錄燃料電池10的運行溫度。在根據(jù)第六實施例的燃料電池系統(tǒng)中，當(dāng)在系統(tǒng)啟動或燃料電池10的溫度較低(例如，溫度處于或低于0°C)時執(zhí)行電流限制處理時，在步驟S62之后執(zhí)行第一或第二制冷劑控制處理(步驟S68F)。具體而言，在電流限制處理開始之后的步驟S68F中，執(zhí)行第一制冷劑控制處理。然后，通過電流限制處理的步驟，當(dāng)在再次執(zhí)行步驟S68F時滿足預(yù)定條件時，執(zhí)行第二制冷劑控制處理。圖25A為示出第一制冷劑控制處理的過程的流程圖。圖25A與圖23基本相同。即，以與在第五實施例中所述的制冷劑控制處理相似的方式執(zhí)行第一制冷劑控制處理。在第一制冷劑控制處理中，當(dāng)在步驟S230中確定通過電流限制處理燃料電池10的溫度難于達到目標(biāo)運行溫度時，停止向燃料電池10供給制冷劑(步驟S240)。圖25B為示出第二制冷劑控制處理的過程的流程圖。當(dāng)在第一制冷劑控制處理中未停止向燃料電池10供給制冷劑時執(zhí)行第二制冷劑控制處理。在步驟S250中，控制單元20基于所記錄的燃料電池10的運行溫度計算運行溫度T的增加速率(dT/dt)，其為燃料電池10的運行溫度T的時間改變速率。在步驟S260中，控制單元20基于計算的運行溫度T的增加速率計算直到燃料電池10的運行溫度達到目標(biāo)運行溫度(例如0°C)的推定時間te。在步驟S270中，控制單元20使用推定的時間te執(zhí)行確定處理。當(dāng)推定時間te比預(yù)定閾值(例如30秒)長時,控制單元20確定燃料電池10的運行溫度在持續(xù)供給制冷劑的狀態(tài)中未在預(yù)定時間段中達到目標(biāo)運行溫度，然后，停止向燃料電池10供給制冷劑(步驟S280)。另一方面，當(dāng)推定時間te小于或等于預(yù)定閾值時，控制單元20確定燃料電池10的運行溫度可以在預(yù)定時間段中達到目標(biāo)運行溫度，即使持續(xù)向燃料電池10供給制冷劑。然后，控制單元20在持續(xù)向燃料電池10供給制冷劑的同時連續(xù)執(zhí)行電流限制處理(圖22)。這里，在第一制冷劑控制處理中，即使在確定燃料電池10的運行溫度即使在持續(xù) 供給制冷劑時在預(yù)定發(fā)電持續(xù)時間中達到目標(biāo)溫度時，由于從燃料電池10輸出的電力被限制，運行溫度可能不會比預(yù)測的上升。然而，通過根據(jù)第六實施例的燃料電池系統(tǒng)，在第二制冷劑控制處理中，基于燃料電池10的實際測量的運行溫度的時間改變速率，再次確定是否持續(xù)向燃料電池10供給制冷劑。從而，當(dāng)在系統(tǒng)重啟或燃料電池10的溫度較低時執(zhí)行電流限制處理時，更適當(dāng)?shù)貓?zhí)行制冷劑供給控制，從而促進燃料電池10的溫度的上升，并且促進從負電壓狀態(tài)的恢復(fù)。圖26A和圖26B示出作為本發(fā)明的參考實例由發(fā)明人進行的實驗的結(jié)果。圖26A和圖26B示出了負電壓電池單體的溫度(電池單體溫度)中的時間變化和當(dāng)在低于零度的低溫環(huán)境中使得燃料電池的電池單體之一產(chǎn)生負電壓時的燃料電池的電流密度的時間變化。圖26A示出了將從燃料電池輸出的電力限制在基本恒定的低電流密度的情況。圖26B示出了逐漸增大電流密度的情況。注意，圖26A與圖26B的縱軸和橫軸的比例尺彼此相等。這里，由于停留在單體電池的部分中設(shè)置的反應(yīng)氣體流動通道中的水分在低溫環(huán)境中凍結(jié)從而阻塞氣流通道，在燃料電池的電池單體的部分中可能發(fā)生負電壓。在該情況中，期望燃料電池的溫度上升以解凍氣流通道中的凍結(jié)的水分，從而消除差的反應(yīng)氣體供給，由此從負電壓中恢復(fù)。如圖26A和圖26B所示，相比于當(dāng)使得燃料電池在高于恒定低電流密度的電流密度輸出電力時，當(dāng)使得燃料電池在恒定低電流密度輸出電力時，電池電壓的溫度的上升更加溫和。從而，當(dāng)產(chǎn)生負電壓時，期望使得燃料電池盡可能地在較高的電流密度輸出電力，從而在短時間段中提高燃料電池的運行溫度。在上述實施例中描述的當(dāng)產(chǎn)生負電壓時的電流限制處理中，隨著累積電流值的增力口，電流密度沿著示出容許范圍映射圖Mpa的向下凸出的曲線以階狀方式減小。通過這樣，燃料電池10可以在運行容許范圍中以接近容許限值電流密度運行，從而可以在低溫環(huán)境中在更短的時間段中增加燃料電池10的溫度，從而容易從負電壓恢復(fù)。即，相比在產(chǎn)生負電壓時將電流限制為恒定低電流密度，更期望根據(jù)上述實施例的電流限制處理的情況。注意，本發(fā)明內(nèi)容不限于上述實例或?qū)嵤├景l(fā)明內(nèi)容可以在不偏離本發(fā)明的范圍下以各種形式實現(xiàn)。例如，下面的第一至第十三替代實施例是可行的。首先，將描述第一替代實施例。在上述實施例中，控制單元20存儲在產(chǎn)生負電壓的時間段中的燃料電池10容許的累積電流值與燃料電池10容許的電流密度之間的相互關(guān)系，作為容許范圍映射圖mpa。然而，不一定將相互關(guān)系存儲為映射圖；作為替代的是，例如，可以將相互關(guān)系存儲為數(shù)學(xué)公式或函數(shù)。下面，將描述第二替代實施例。在上述實施例中，在由向下凸出的下降曲線限定的容許范圍映射圖Mpa*設(shè)置在產(chǎn)生負電壓的時間段中的燃料電池10容許的累積電流值與燃料電池10容許的電流密度之間的相互關(guān)系。然而，可以在通過具有其他形狀的曲線限定的容許范圍映射圖Mpa中設(shè)置相互關(guān)系。例如，可以在由線性下降的線性線限定的容許范圍映射圖Mpa中設(shè)置相互關(guān)系。然而，上述實施例中的限定容許范圍映射圖Mpa的向下凸出的下降曲線基于由本發(fā)明的發(fā)明人進行的實驗，更優(yōu)選作為限定在產(chǎn)生負電壓的時間段中的運行容許范圍的圖形。下面描述第三替代實施例。在上述實施例中，在負電壓恢復(fù)處理的電流限制處理 中，隨著累積電流值的增加，燃料電池10的電流密度沿著限定容許范圍映射圖Mpa的向下凸出的曲線以階狀方式減小。然而，在電流限制處理中，燃料電池10的電流密度可以不沿著向下凸出的曲線以階狀方式減小。燃料電池10的電流密度只需要被控制為落入在容許范圍映射圖Mpa中限定的運行容許范圍中即可。然而，如同在上述實施例的情況，更優(yōu)選的是，燃料電池10的電流密度沿著向下凸出的曲線以階狀方式減小，因為可以在電流限制處理中以更接近容許限值電流密度的電流密度執(zhí)行控制。下面將描述第四替代實施例。在上述實施例中，電池單體電壓測量單元91測量燃料電池10的全部發(fā)電體11的電壓，從而檢測負電壓。然而，電池單體電壓測量單元91不需要測量全部發(fā)電體11的電壓；電池單體電壓測量單元91只需要測量至少一個發(fā)電體11的電壓，從而檢測負電壓。例如，已知，在發(fā)電體11中，被設(shè)置在燃料電池10的端部的發(fā)電體11中非常容易發(fā)生負電壓，其運行溫度容易變?yōu)樽畹偷臏囟?。于是，電池單體電壓測量單元91可以僅測量被設(shè)置在端部的發(fā)電體11的電壓，以檢測負電壓。下面將描述第五替代實施例。在第一實施例中，在電流限制處理中將最小電流密度ilim設(shè)置為燃料電池10的最小限值電流密度，并且控制單元20使用該最小電流密度ilim作為閾值來進行對燃料電池10的重啟處理。然而，可以不在控制單元20中設(shè)置最小電流密度ilim。下面將描述第六替代實施例。在第三或第四實施例中，對燃料電池10內(nèi)的濕度和燃料電池10的運行溫度之一進行調(diào)節(jié)，以執(zhí)行擴展運行容許范圍的處理。然而，可行的是，對燃料電池10內(nèi)的濕度和燃料電池10的運行溫度二者均進行調(diào)節(jié)，以擴展運行容許范圍。在該情況中，期望的是，對于燃料電池10內(nèi)的濕度和燃料電池10的運行溫度的每個組合準(zhǔn)備容許范圍映射圖mpa。下面將描述第七替代實施例。在第三或第四實施例中，容許范圍改變單元22從對于燃料電池10內(nèi)的每個濕度或燃料電池10的每個運行溫度預(yù)先準(zhǔn)備的容許范圍映射圖Mpa中選擇對應(yīng)于燃料電池10內(nèi)部的濕度或燃料電池10的運行溫度的映射圖，以擴展運行容許范圍。然而，容許范圍改變單元22可以使用預(yù)設(shè)的數(shù)學(xué)公式、算法等來響應(yīng)于燃料電池10內(nèi)部的濕度或燃料電池10的運行溫度而校正在容許范圍映射圖Mpa中設(shè)置的相互關(guān)系，從而擴展運行容許范圍。下面將描述第八替代實施例。在上述實施例中，在容許范圍映射圖Mpa中設(shè)置燃料電池10的電流密度與燃料電池10的累積電流值之間的相互關(guān)系。然而，可以在容許范圍映射圖Mpa中設(shè)置燃料電池的代替電流密度的電流值與燃料電池10的累積電流值之間的相互關(guān)系。通過將電流密度與電極的面積相乘而獲得燃料電池10的電流值，從而在燃料電池10的電流值與燃料電池10的累積電流值之間的相互關(guān)系也可以認(rèn)為是燃料電池10的電流密度與燃料電池10的累積電流值之間的一種相互關(guān)系。下面描述第九替代實施例。在根據(jù)上述實施例的燃料電池系統(tǒng)中，當(dāng)負電壓電池單體在增加供給的陰極氣體的量之后未從負電壓恢復(fù)時，確定負電壓是因為差的氫氣供給而產(chǎn)生，然后，執(zhí)行電流限制處理。然而，同樣可行的是，在檢測到負電壓之后開始電流限制處理，而不執(zhí)行通過增加供給的陰極氣體的量的從負電壓恢復(fù)的處理。下面描述第十替代實施例。在根據(jù)上述實施例的燃料電池系統(tǒng)中，當(dāng)檢測到負電壓時啟動用于從負電壓恢復(fù)的處理，在該處理中執(zhí)行電流約束處理。然而，同樣可行的是，在燃料電池系統(tǒng)中，當(dāng)滿足示出產(chǎn)生負電壓的可能性的預(yù)設(shè)環(huán)境條件時，即使未檢測到產(chǎn) 生負電壓，仍執(zhí)行電流限制處理。例如，可以在外部空氣溫度處于或低于零度的環(huán)境下、在燃料電池10的溫度接近處于或低于零度的溫度時等執(zhí)行在上述實施例中描述的電流限制處理。另外，可以執(zhí)行根據(jù)電流限制處理的警報處理(圖12的步驟S63)、容許范圍改變處理(圖16的步驟S65)或制冷劑控制處理(圖22的步驟S68、圖24的步驟S68F)。下面描述第i^一替代實施例。在上述第二、第三或第四實施例中，如同在第一實施例的其它結(jié)構(gòu)實例中所述，可以在累積電流值記錄單元23中非易失性地記錄累積電流值。另外，當(dāng)限值累積電流值大于或等于預(yù)定閾值時或當(dāng)約束電流密度低于或等于預(yù)定閾值時，可通過警報單元25執(zhí)行警報處理。下面將描述第十二替代實施例。在上述第五實施例中，基于使用假定熱容Ce計算的燃料電池10的推定溫度Te或推定發(fā)熱值Qe確定是否持續(xù)供給制冷劑。然而，控制單元20可以基于燃料電池10的運行溫度和推定發(fā)熱值Qe控制供給到燃料電池10的制冷劑的流速。即，控制單元20可以在推定發(fā)熱值Qe減小時減小供給到燃料電池10的制冷劑的流速，還可以在燃料電池10的運行溫度上升時減小供給的制冷劑的流速的減小度。下面描述第十三替代實施例。在上述第五實施例中，控制單元20使用預(yù)先準(zhǔn)備的映射圖或表以獲取對應(yīng)于燃料電池10的溫度和制冷劑的溫度的假定熱容Ce。然而，控制單元20可以具有作為常數(shù)的假定熱容Ce，其與燃料電池10的溫度或制冷劑的溫度不相關(guān)。在該情況中，可以將假定熱容Ce設(shè)置為燃料電池10的部件的熱容的總CFC與燃料電池10內(nèi)部存在的制冷劑的恒定量的熱容CRE的總和(CFC+CRE)。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，其輸出響應(yīng)于來自外部負載的要求的電力，所述燃料電池系統(tǒng)包括 燃料電池，其具有至少一個發(fā)電體； 負電壓檢測單元，其被配置為檢測所述至少一個發(fā)電體中的負電壓； 控制單元，其被配置為控制從所述燃料電池輸出的電力；以及累積電流值測量單元，其被配置為測量累積電流值，所述累積電流值是通過對從所述燃料電池輸出的電流進行時間積分獲得的，其中， 所述控制單元被配置為預(yù)先存儲在所述至少一個發(fā)電體中產(chǎn)生負電壓的時間段中容許的累積電流值與該時間段中容許的電流密度之間的相互關(guān)系，并且 當(dāng)已經(jīng)在所述至少一個發(fā)電體中檢測到負電壓時，所述控制單元被配置為執(zhí)行輸出限制處理，所述輸出限制處理將從所述燃料電池輸出的電力限制為落入由所述相互關(guān)系的容許累積電流值和容許電流密度限定的運行容許范圍內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的燃料電池系統(tǒng)，其中， 當(dāng)通過第一軸代表所述燃料電池的累積電流值且第二軸代表所述燃料電池的電流密度的圖形示出所述相互關(guān)系時，所述相互關(guān)系被示為向下凸出的曲線，在該曲線中，所述容許電流密度隨著所述容許累積電流值的增大而減小。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的燃料電池系統(tǒng)，其中， 在所述輸出限制處理中，所述控制單元被配置為，隨著累積電流值的增大，沿著指示所述容許電流密度的最大值的所述向下凸出的曲線，減小所述燃料電池的電流密度。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括 運行狀態(tài)調(diào)節(jié)單元，其被配置為包括加濕單元和制冷劑供給單元中的至少一者，所述加濕單元對被供到所述燃料電池的反應(yīng)氣體的加濕量進行控制，以便調(diào)節(jié)所述燃料電池內(nèi)的濕潤狀態(tài)，所述制冷劑供給單元對被供到所述燃料電池的制冷劑的流速進行控制，以便調(diào)節(jié)所述燃料電池的運行溫度；以及 相互關(guān)系改變單元，其被配置為，響應(yīng)于所述燃料電池內(nèi)的濕潤狀態(tài)和所述燃料電池的運行溫度中的至少一者，改變所述相互關(guān)系，其中， 當(dāng)在所述至少一個發(fā)電體中產(chǎn)生負電壓的時間段中與從所述外部負載要求的輸出電流對應(yīng)的電流密度大于預(yù)定值時，所述控制單元被配置為，使得所述運行狀態(tài)調(diào)節(jié)單元對所述燃料電池內(nèi)的濕潤狀態(tài)與所述燃料電池的運行溫度中的至少一者進行調(diào)節(jié)，以便以通過所述相互關(guān)系改變單元改變所述相互關(guān)系的方式對所述運行容許范圍進行擴展。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其中， 當(dāng)所述輸出限制處理完成時，所述控制單元被配置為對在所述輸出限制處理中從所述燃料電池輸出的電流的累積電流值進行非易失性的存儲，并且，當(dāng)所述輸出限制處理重新開始時，所述控制單元被配置為使用總累積電流值來執(zhí)行所述輸出限制處理，所述總累積電流值是通過將所存儲的累積電流值與在所述輸出限制處理重新開始之后從所述燃料電池輸出的電流的累積電流值相加而獲得的。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至5中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括 警報單元，其被配置為向用戶警報所述燃料電池的劣化，其中， 所述控制單元被配置為預(yù)先存儲所述燃料電池的電流密度的下限值，并且，在所述輸出限制處理中，當(dāng)所述燃料電池的電流密度低于所述下限值時，所述控制單元被配置為使得所述警報單元向用戶警報所述燃料電池的劣化。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至6中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括 制冷劑供給單元，其被配置為向所述燃料電池供給制冷劑，由此控制所述燃料電池的溫度；以及 溫度測量單元，其被配置為測量所述燃料電池的運行溫度，其中， 在所述輸出限制處理中，所述控制單元被配置為獲得推定發(fā)熱值，所述推定發(fā)熱值為當(dāng)使得所述燃料電池以基于到所述燃料電池的電流密度命令值的電流密度輸出電力時的所述燃料電池的發(fā)熱值；以及，基于由所述溫度測量單元測量的運行溫度和所述推定發(fā)熱值，控制由所述制冷劑供給單元供到所述燃料電池的制冷劑的量。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，其中， 在所述輸出限制處理中，所述控制單元被配置為使用所述推定發(fā)熱值和由所述溫度測量單元測量的運行溫度，計算在所述燃料電池被供以制冷劑的同時使得所述燃料電池輸出電力持續(xù)達預(yù)定時間段時的所述燃料電池的推定溫升，并且，當(dāng)所述推定溫升小于或等于預(yù)設(shè)的閾值時，所述控制單元被配置為，在使所述制冷劑供給單元停止向所述燃料電池供給制冷劑的狀態(tài)下，使得所述燃料電池產(chǎn)生電力。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃料電池系統(tǒng)，其中， 在所述輸出限制處理中，當(dāng)所述燃料電池的運行溫度的上升速率低于預(yù)設(shè)的閾值時，所述控制單元被配置為，在使所述制冷劑供給單元停止向所述燃料電池供給制冷劑的狀態(tài)下，使得所述燃料電池產(chǎn)生電力。
10.一種用于燃料電池系統(tǒng)的控制方法，所述燃料電池系統(tǒng)輸出響應(yīng)于來自外部負載的要求而由具有至少一個發(fā)電體的燃料電池產(chǎn)生的電力，該控制方法包括 檢測所述至少一個發(fā)電體中的負電壓； 測量累積電流值，所述累積電流值是通過在所述至少一個發(fā)電體中產(chǎn)生負電壓的時間段中對從所述燃料電池輸出的電流進行時間積分而獲得的； 參照在所述至少一個發(fā)電體中產(chǎn)生負電壓的時間段中容許的累積電流值與在該時間段中容許的電流密度之間的預(yù)設(shè)的相互關(guān)系；以及 執(zhí)行輸出限制處理，所述輸出限制處理將從所述燃料電池輸出的電力限制為落入由所述相互關(guān)系的容許累積電流值和容許電流密度限定的運行容許范圍內(nèi)。
11.一種燃料電池系統(tǒng)，其輸出響應(yīng)于來自外部負載的要求而產(chǎn)生的電力，包括 燃料電池，其具有至少一個發(fā)電體； 控制單元，其被配置為對從所述燃料電池輸出的電力進行控制；以及累積電流值測量單元，其被配置為測量累積電流值，所述累積電流值是通過對從所述燃料電池輸出的電流進行時間積分而獲得的，其中， 所述控制單元被配置為預(yù)先存儲在所述至少一個發(fā)電體中產(chǎn)生負電壓的時間段中容許的累積電流值與在該時間段中容許的電流密度之間的相互關(guān)系，以及 當(dāng)指示產(chǎn)生負電壓的可能性的預(yù)設(shè)的環(huán)境條件滿足時，所述控制單元被配置為，判斷為負電壓在所述至少一個發(fā)電體中產(chǎn)生，接著，執(zhí)行輸出限制處理，所述輸出限制處理將從所述燃料電池輸出的電力限制為落入由所述相互關(guān)系的容許累積電流值和容許電流密度限定的運行容許范圍內(nèi)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的燃料電池系統(tǒng)，其中， 當(dāng)通過第一軸代表所述燃料電池的累積電流值且第二軸代表所述燃料電池的電流密度的圖形示出所述相互關(guān)系時，所述相互關(guān)系被示為向下凸出的曲線，在該曲線中，所述容許電流密度隨著所述容許累積電流值的增大而減小。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的燃料電池系統(tǒng)，其中， 在所述輸出限制處理中，所述控制單元(20 )被配置為，隨著累積電流值的增大，沿著指示所述容許電流密度的最大值的所述向下凸出的曲線，減小所述燃料電池的電流密度。
14.根據(jù)權(quán)利要求11至13中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括 運行狀態(tài)調(diào)節(jié)單元，其被配置為包括加濕單元和制冷劑供給單元中的至少一者，所述加濕單元對被供到所述燃料電池的反應(yīng)氣體的加濕量進行控制，以便調(diào)節(jié)所述燃料電池內(nèi)的濕潤狀態(tài)，所述制冷劑供給單元對被供到所述燃料電池的制冷劑的流速進行控制，以便調(diào)節(jié)所述燃料電池的運行溫度；以及 相互關(guān)系改變單元，其被配置為，響應(yīng)于所述燃料電池內(nèi)的濕潤狀態(tài)和所述燃料電池的運行溫度中的至少一者，改變所述相互關(guān)系，其中， 當(dāng)在所述至少一個發(fā)電體中產(chǎn)生負電壓的時間段中與從所述外部負載要求的輸出電流對應(yīng)的電流密度大于預(yù)定值時，所述控制單元被配置為，使得所述運行狀態(tài)調(diào)節(jié)單元對所述燃料電池內(nèi)的濕潤狀態(tài)以及所述燃料電池的運行溫度中的至少一者進行調(diào)節(jié)，以便以通過所述相互關(guān)系改變單元改變所述相互關(guān)系的方式來對所述運行容許范圍進行擴展。
15.根據(jù)權(quán)利要求11至14中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其中， 當(dāng)所述輸出限制處理完成時，所述控制單元被配置為對在所述輸出限制處理中從所述燃料電池輸出的電流的累積電流值進行非易失性的存儲，并且，當(dāng)所述輸出限制處理重新開始時，所述控制單元被配置為使用總累積電流值來執(zhí)行所述輸出限制處理，所述總累積電流值是通過將所存儲的累積電流值與在所述輸出限制處理重新開始之后從所述燃料電池輸出的電流的累積電流值相加而獲得的。
16.根據(jù)權(quán)利要求11至15中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括 警報單元，其被配置為向用戶警報所述燃料電池的劣化，其中， 所述控制單元被配置為預(yù)先存儲所述燃料電池的電流密度的下限值，并且，在所述輸出限制處理中，當(dāng)所述燃料電池的電流密度低于所述下限值時，所述控制單元被配置為使得所述警報單元向用戶警報所述燃料電池的劣化。
17.根據(jù)權(quán)利要求11至16中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括 制冷劑供給單元，其被配置為向所述燃料電池供給制冷劑，由此控制所述燃料電池的溫度；以及 溫度測量單元，其被配置為測量所述燃料電池的運行溫度，其中， 在所述輸出限制處理中，所述控制單元被配置為獲得推定發(fā)熱值，所述推定發(fā)熱值為當(dāng)使得所述燃料電池以基于到所述燃料電池的電流密度命令值的電流密度輸出電力時的所述燃料電池的發(fā)熱值；以及，基于由所述溫度測量單元測量的運行溫度以及所述推定發(fā)熱值，對由所述制冷劑供給單元供到所述燃料電池的制冷劑的量進行控制。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，在所述輸出限制處理中，所述控制單元被配置為，使用所述推定發(fā)熱值和由所述溫度測量單元測量的運行溫度，計算在所述燃料電池被供以制冷劑的同時使得所述燃料電池輸出電力持續(xù)達預(yù)定時間段時的所述燃料電池的推定溫升，并且，當(dāng)所述推定溫升小于或等于預(yù)設(shè)的閾值時，所述控制單元被配置為，在使所述制冷劑供給單元停止向所述燃料電池供給制冷劑的狀態(tài)下，使得所述燃料電池產(chǎn)生電力。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的燃料電池系統(tǒng)，其中， 在所述輸出限制處理中，當(dāng)所述燃料電池的運行溫度的上升速率低于預(yù)設(shè)的閾值時，所述控制單元被配置為，在使所述制冷劑供給單元停止向所述燃料電池供給制冷劑的狀態(tài)下，使得所述燃料電池產(chǎn)生電力。
20.一種用于燃料電池系統(tǒng)的控制方法，所述燃料電池系統(tǒng)輸出響應(yīng)于來自外部負載的要求而由具有至少一個發(fā)電體的燃料電池產(chǎn)生的電力，該控制方法包括 測量累積電流值，所述累積電流值是通過在這樣的時間段中對從所述燃料電池輸出的電流進行時間積分而獲得的在該時間段中，滿足指示在所述至少一個發(fā)電體中產(chǎn)生負電壓的可能性的預(yù)設(shè)的環(huán)境條件； 參照在所述至少一個發(fā)電體中產(chǎn)生負電壓的時間段中容許的累積電流值與在該時間段中容許的電流密度之間的預(yù)設(shè)的相互關(guān)系；以及 執(zhí)行輸出限制處理，所述輸出限制處理將從所述燃料電池輸出的電力限制為落入由所述相互關(guān)系的容許累積電流值和容許電流密度限定的運行容許范圍內(nèi)。
全文摘要
提供了一種燃料電池系統(tǒng)及其控制方法。燃料電池系統(tǒng)(100)包括燃料電池(10)，其由多個層疊發(fā)電體(11)形成；電池單體電壓測量單元(91)，其檢測任一發(fā)電體(11)中的負電壓；控制單元(20)，其控制從燃料電池(10)輸出的電力；以及，累積電流值測量單元(21)，其測量通過對從燃料電池輸出的電流進行時間積分獲得的累積電流值?？刂茊卧?20)預(yù)先存儲在產(chǎn)生負電壓的時間段中對于燃料電池(10)容許的累積電流值與電流密度之間的相互關(guān)系。當(dāng)檢測到負電壓時，控制單元(20)執(zhí)行輸出限制處理，該處理將從燃料電池(10)輸出的電力限制為落入由所述相互關(guān)系的累積電流值和電流密度限定的運行容許范圍中。
文檔編號H01M8/04GK102986071SQ201180025658
公開日2013年3月20日 申請日期2011年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月25日
發(fā)明者川原周也, 加藤學(xué), 久米井秀之 申請人:豐田自動車株式會社