燃料电池系统及其控制方法

专利名称：燃料电池系统及其控制方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池。
背景技术：
燃料电池通常具有叠层结构，其中，层叠多个用作发电体的电池单体(singlecell)。反应气体经由相应的歧管流入对于各个电池单体设置的气流通道，并被供至每个电池单体的发电部分。然而，如果电池单体的部分的气流通道被冻结的水分或类似物阻塞，被供至电池单体的该部分的反应气体的量变得不充分，故电池单体的该部分可能产生负电压。这样，当燃料电池的运行在电池单体的部分产生负电压的状态下持续时，不仅燃料电池的发电性能整体退化，而且，这些电池单体的电极可能劣化。目前为止，已经提出了多种用于抑制由于这种负电压导致的燃料电池发电性能退化或燃料电池劣化的技术(参见日本 专利申请公开 No. 2006-179389 (JP-A-2006-179389)、日本专利申请公开 No. 2007-035516(JP-A-2007-035516)等)。

发明内容
本发明提供了一种用于抑制由于负电压导致的燃料电池的劣化和性能退化的技术。本发明预期解决上述问题的至少部分问题，并且可以被实现为下述实施例或替代性实施例。本发明的一个方面提供了一种燃料电池系统，其输出响应于来自外部负载的请求而产生的电力。燃料电池系统包括燃料电池，其具有至少一个发电体；负电压检测单元，其被配置为检测所述至少一个发电体中的负电压；控制单元，其被配置为控制从燃料电池输出的电力；以及，累积电流值测量单元，其被配置为测量通过对来自燃料电池的电流输出进行时间积分而获得的累积电流值，其中，所述控制单元被配置为预先存储在所述至少一个发电体中产生负电压的时间段中容许的累积电流值与在该时间段中容许的电流密度之间的相互关系，并且，当已经在所述至少一个发电体中检测到负电压时，控制单元被配置为执行这样的输出限制处理将来自燃料电池的电力输出限制为落入由所述相互关系的容许累积电流值和容许电流密度限定的运行容许范围内。这里，本发明的发明人发现，在产生负电压的发电体中，可以通过在产生负电压的时间段中来自燃料电池的电流输出和通过对电流进行时间积分获得的累积电流值来限定电极氧化开始且发电性能开始降低的时刻。使用这样构成的燃料电池系统，当产生负电压时，将从燃料电池输出的电力限制为落入由容许累积电流值和容许电流密度限定的预设运行容许范围内。因此，通过预先设置不导致产生负电压的发电体性能退化的运行容许范围，可以抑制由于负电压导致的燃料电池的性能退化，并抑制电极的氧化(电极的劣化)。另外，在燃料电池系统中，当通过第一轴表示燃料电池的累积电流值且第二轴表示燃料电池的电流密度的图形示出该相互关系时，该相互关系可被示为向下凸出的曲线，其中，容许电流密度随着容许累积电流值的增大而减小。通过上述燃料电池系统，在存储在控制单元中的累积电流值与电流密度之间的相互关系中，可以将运行容许范围设置在不导致产生负电压的发电体性能退化的适当的范围内。从而，可以进一步适当地抑制由于负电压导致的燃料电池的性能退化和劣化。另外，在燃料电池系统中，在输出限制处理中，控制单元可被配置为，随着累积电流值的增大，沿着指示出容许电流密度的最大值的向下凸出的曲线，减小燃料电池的电流密度。通过上述燃料电池系统，当产生负电压时，可以沿着运行容许范围的边界值(容许限制值)来限制来自燃料电池的电力输出。从而，可以在抑制对从燃料电池输出的电力的过度限制的同时，抑制由于负电压导致的燃料电池的性能退化和劣化。另外，燃料电池系统还可以包括运行状态调节单元，其被配置为包括加湿单元和制冷剂供给单元中的至少一个，加湿单元控制供到燃料电池的反应气体的加湿量，以便调节燃料电池内的湿润状态，制冷剂供给单元控制供到燃料电池的制冷剂的流速，以便调节燃料电池的运行温度；以及，相互关系改变单元，其被配置为响应于燃料电池内部的湿润状 态和燃料电池的运行温度中的至少一个来改变相互关系，其中，当在所述至少一个发电体中产生负电压的时间段中与从外部负载要求的输出电流对应的电流密度大于预定值时，控制单元可被配置为使得运行状态调节单元调节燃料电池内部的湿润状态与燃料电池的运行温度中的至少一个，从而以通过相互关系改变单元改变相互关系的方式来扩展运行容许范围。这里，在产生负电压的时间段中对于燃料电池能够容许的累积电流值与电流密度之间的相互关系依赖于燃料电池内部的湿润状态或燃料电池的运行温度而变化。通过这样构成的燃料电池系统，即使对于燃料电池需要的电流落在燃料电池的运行容许范围之外，可以以这样的方式使得要求的电流被引入运行容许范围之内调节燃料电池内的湿润状态和燃料电池的运行温度中的至少一个，以扩展运行容许范围。另外，在燃料电池系统中，当输出限制处理完成时，控制单元可被配置为，非易失性地存储在输出限制处理中来自燃料电池的电流输出的累积电流值，并且，当输出限制处理重新开始时，控制单元可被配置为使用总累积电流值来执行输出限制处理，该总累积电流值通过将存储的累积电流值与在重新开始输出限制处理之后来自燃料电池的电流输出的累积电流值相加而获得。通过上述燃料电池系统，即使在重启燃料电池系统之后，记录累积电流值。因此，即使在重启燃料电池系统之后再次执行电流限制处理时，使用从所记录的累积电流值累积的总累积电流值来执行电流限制处理。另外，燃料电池系统还可以包括警报单元，其被配置为向用户警报燃料电池的劣化，其中，控制单元可被配置为预先存储燃料电池的电流密度的下限值，并且，当燃料电池的电流密度低于输出限制处理的下限值时，控制单元可被配置为使得警报单元向用户警报燃料电池的劣化。通过上述燃料电池系统，在输出限制处理期间，当燃料电池尚未从负电压恢复但是燃料电池的电流密度的预设下限值已被达到时，对用户警报燃料电池的劣化。从而，用户能够适当地获知燃料电池应被维护的时刻。另外，燃料电池系统还可以包括制冷剂供给单元，其被配置为对燃料电池供给制冷剂以控制燃料电池的温度；温度测量单元，其被配置为测量燃料电池的运行温度，其中，在输出限制处理中，控制单元可被配置为获得推定的发热值，该发热值为当使得燃料电池以基于至燃料电池的电流密度命令值的电流密度输出电力时的燃料电池的发热值；基于通过温度测量单元测量的运行温度和推定的发热值控制通过制冷剂供给单元供到燃料电池的制冷剂的量。通过上述燃料电池系统，即使在从燃料电池输出的电力通过执行输出限制处理而受到限制时，所供给的制冷剂的流速仍被适当地控制，从而促进在执行输出限制处理时的燃料电池的运行温度的上升。从而，燃料电池从负电压状态恢复的可能性较高。在燃料电池系统中，在输出限制处理中，控制单元可被配置为，使用推定的发热值和通过温度测量单元测量的运行温度，计算在燃料电池被供给制冷剂的同时使得燃料电池以预定时间段输出电力时的燃料电池的推定温升，并且，当推定的温度上升小于或等于预设的阈值时，控制单元可被配置为使得燃料电池在这样的状态下产生电力其中，使得制冷剂供给单元停止向燃料电池供给制冷剂。通过上述燃料电池系统，当由于通过输出限制处理限制从燃料电池输出的电力而难于将燃料电池的运行温度引至目标值时，停止到燃料电池的制冷剂供给。从而，促进了在执行输出限制处理时的燃料电池的温度上升，从而使得燃料电池从负电压状态恢复的可能性较高。另外，在燃料电池系统中，在输出限制处理中，当燃料电池的运行温度的上升速率 低于预设阈值时，控制单元可被配置为使得燃料电池在这样的状态下产生电力其中，使得制冷剂供给单元停止向燃料电池供给制冷剂。通过上述燃料电池系统，在执行输出限制处理的同时，当燃料电池的温度的上升速率尚未达到根据燃料电池的实际测量的运行温度的目标值时，停止对燃料电池供给制冷剂。从而，促进了在执行输出限制处理时的燃料电池的温度上升，从而使得燃料电池从负电压状态恢复的可能性较高。本发明的另一方面提供了用于燃料电池系统的控制方法，所述燃料电池系统输出响应于来自外部负载的请求由具有至少一个发电体的燃料电池产生的电力。该控制方法包括检测所述至少一个发电体中的负电压；测量通过在所述至少一个发电体产生负电压的时间段中对从燃料电池输出的电流进行时间积分获得的累积电流值；查阅在所述至少一个发电体中产生负电压的时间段中能够容许的累积电流值与在所述时间段中能够容许的电流密度之间的预设的相互关系；以及，执行输出限制处理，所述输出限制处理将从燃料电池输出的电力限制为落入由所述相互关系的容许累积电流值和容许电流密度限定的运行容许范围内。本发明的另一方面提供了一种燃料电池系统，其输出响应于来自外部负载的请求产生的电力。燃料电池系统包括燃料电池，其具有至少一个发电体；控制单元，其被配置为控制从燃料电池输出的电力；以及，累积电流值测量单元，其被配置为测量通过对从燃料电池输出的电流进行时间积分获得的累积电流值，其中，控制单元被配置为，预先存储在所述至少一个发电体中产生负电压的时间段中能够容许的累积电流值与在所述时间段中能够容许的电流密度之间的相互关系，并且，当满足指示产生负电压的可能性的预设的环境条件时，所述控制单元被配置为，判定在所述至少一个发电体中产生负电压，然后，执行输出限制处理，该处理将从燃料电池输出的电力限制为落入由所述相互关系的容许累积电流值和容许电流密度限定的运行容许范围中。通过这样配置的燃料电池系统，即使在没有产生负电压但是在环境条件被根据经验或在实验上推测为产生负电压的可能性较高的情况时，执行输出限制处理。从而，可以进一步可靠地抑制燃料电池的性能退化和劣化。另外，在燃料电池系统中，当相互关系通过第一轴表示燃料电池的累积电流值且第二轴表示燃料电池的电流密度的图形示出时，可将相互关系示为向下凸出的曲线，其中，容许电流密度随着容许累积电流值的增大而减小。通过上述燃料电池系统，在存储在控制单元中的累积电流值与电流密度之间的相互关系中，可以将运行容许范围设置在不导致产生负电压的发电体性能退化的适当的范围中。从而，可以进一步适当地抑制由于负电压导致的燃料电池的性能退化和劣化。另外，在燃料电池系统中，在输出限制处理中，控制单元可被配置为，随着累积电流值的增大，沿着指示容许电流密度的最大值的向下凸出的曲线，减小燃料电池的电流密度。通过上述燃料电池系统，当产生负电压时，可以沿着运行容许范围的容许限制值限制从燃料电池输出的电力。因此，可以在抑制对从燃料电池输出的电力的过度限制的同时，抑制由于负电压导致的燃料电池的性能退化和劣化。另外，燃料电池系统还可以包括运行状态调节单元，其被配置为包括加湿单元与 制冷剂供给单元中的至少一个，加湿单元控制被供给到燃料电池的反应气体的加湿量，以调节燃料电池内的湿润状态，制冷剂供给单元控制供到燃料电池的制冷剂的流速，以调节燃料电池的运行温度；以及，相互关系改变单元，其被配置为响应于燃料电池内的湿润状态和燃料电池的运行温度中的至少一个来改变相互关系，其中，当在所述至少一个发电体中产生负电压的时间段中与从外部负载要求的输出电流对应的电流密度大于预定值时，控制单元可被配置为，使得运行状态调节单元调节燃料电池内的湿润状态与燃料电池的运行温度中的至少一个，从而以这样的方式扩展运行容许范围使得相互关系被相互关系改变单元所改变。通过上述燃料电池系统，即使是在对于燃料电池需要的电流落在燃料电池的运行容许范围之外时，所要求的电流可以以这样的方式落在运行容许范围内调节燃料电池内的湿润状态和燃料电池的运行温度中的至少一个，以扩展运行容许范围。另外，在燃料电池系统中，当输出限制处理完成时，控制单元可被配置为非易失性地存储在输出限制处理中从燃料电池输出的电流的累积电流值，并且，当输出限制处理重新开始时，控制单元可被配置为使用总累积电流值执行输出限制处理，总累积电流值通过将存储的累积电流值与在重新开始输出限制处理之后从燃料电池输出的电流的累积电流值相加获得。通过上述燃料电池系统，即使在重启燃料电池系统之后再次执行电流限制处理时，使用从记录的累积电流值累积的总累积电流值执行电流限制处理。另外，燃料电池系统还可以包括警报单元，其被配置为向用户警报燃料电池的劣化，其中，控制单元可被配置为预先存储燃料电池的电流密度的下限值，并且，在输出限制处理中，当燃料电池的电流密度低于下限值时，控制单元可被配置为使得警报单元向用户警报燃料电池的劣化。通过上述燃料电池系统，在输出限制处理期间，当燃料电池尚未从负电压恢复，但是燃料电池的电流密度的预设下限值已经达到时，向用户警报燃料电池的劣化。从而，用户能够适当地获知燃料电池应被维护的时刻。另外，燃料电池系统还可以包括制冷剂供给单元，其被配置为向燃料电池供给制冷剂，以控制燃料电池的温度；以及，温度测量单元，其被配置为测量燃料电池的运行温度，其中，在输出限制处理中，控制单元可被配置为获得推定的发热值，该发热值为当使得燃料电池以基于至燃料电池的电流密度命令值的电流密度输出电力时的燃料电池的发热值；以及，基于通过温度测量单元测量的运行温度和推定的发热值，控制通过制冷剂供给单元供到燃料电池的制冷剂的量。通过上述燃料电池系统，即使是在通过执行输出限制处理限制从燃料电池输出的电力时，供给的制冷剂的流速仍被适当地控制，从而促进在执行输出限制处理时的燃料电池的运行温度的上升。因此，燃料电池从负电压状态恢复的可能性较闻。另外，在燃料电池系统中，在输出限制处理中，控制单元可被配置为使用推定的发热值和通过温度测量单元测量的运行温度来计算当在燃料电池被供给制冷剂的同时使得燃料电池以预定时间段输出电力时的推定的燃料电池的温度上升，并且，当推定的温度上升小于或等于预设阈值时，控制单元可被配置为使得燃料电池在使得制冷剂供给单元停止向燃料电池供给制冷剂的状态中产生电力。通过上述燃料电池系统，当由于通过输出限制处理限制从燃料电池输出的电力而难以将燃料电池的运行温度引入目标值时，停止向燃料电池供给制冷剂。因此，促进了在执行输出限制处理的同时的燃料电池的温度上升，从而使得燃料电池从负电压状态恢复的可能性较高。另外，在燃料电池系统中，在输出限制处理中，当燃料电池的运行温度的上升速率低于预设的阈值时，控制单元可被配置为使得燃料电池在使制冷剂供给单元停止向燃料电池供给制冷剂的状态中产生电力。通过上述燃料电池系统，在执行输出限制处理时，当燃料 电池的温度的上升速率尚未达到根据测量得到的燃料电池运行温度的目标值时，停止对燃料电池供给制冷剂。从而，促进了在执行输出限制处理时的燃料电池的温度上升，从而使得燃料电池从负电压状态恢复的可能性较高。本发明的另一方面提供了用于燃料电池系统的控制方法，所述燃料电池系统输出响应于来自外部负载的请求由具有至少一个发电体的燃料电池产生的电力。该控制方法包括测量通过在满足指示负电压在所述至少一个发电体中产生的可能性的预设环境条件的时间段中对从燃料电池输出的电流进行时间积分获得的累积电流值；查阅在所述至少一个发电体中产生负电压的时间段中能够容许的累积电流值与在所述时间段中能够容许的电流密度之间的预设的相互关系；以及，执行输出限制处理，该处理将从燃料电池输出的电力限制为落入由所述相互关系的容许累积电流值和容许电流密度限定的运行容许范围内。注意，本发明的各个方面可以以多种形式实现，例如，可以实现为诸如以下的形式燃料电池系统、装有该燃料电池系统的车辆、用于该燃料电池系统的控制方法、用于实现这些系统的功能的计算机程序、车辆和控制方法以及记录所述计算机程序的记录介质。


下面将参考附图描述本发明的示例实施例的特征、优点以及技术和工业重要性，其中，相同的标号表示相同的元件，且其中图I示意示出根据本发明第一实施例的燃料电池系统的结构；图2示意示出根据本发明第一实施例的燃料电池系统的电结构；图3A和图3B为示出在根据本发明第一实施例的燃料电池系统的燃料电池上的输出控制的图表；图4A、图4B和图4C为示出由于因为燃料电池系统中的不良氢气供给产生的负电压导致的燃料电池的性能退化的图表；图5为示出燃料电池系统中的负电压恢复处理的过程的流程图；图6为示出在燃料电池系统中发生的负电压从电力产生容许级别转变到性能退化级别的时刻的图表；
图7为示出在燃料电池系统中通过实验限定的燃料电池的运行容许范围的图表；图8A、图8B和图8C为示出燃料电池系统中的电流限制处理的图表；图9示意示出根据第一实施例的第一替代实施例的燃料电池系统的电结构；图10为示出根据第一实施例的第一替代实施例的负电压恢复处理的过程的流程图；图11示意示出根据第一实施例的第二替代实施例的燃料电池系统的电结构；图12为示出根据第一实施例的第二替代实施例的负电压恢复处理的过程的流程图；图13为示出根据第二实施例的负电压恢复处理的过程的流程图； 图14为示出根据第二实施例的电流限制处理的图表；图15示意示出根据第三实施例的燃料电池系统的电结构；图16是示出根据第三实施例的负电压恢复处理的过程的流程图；图17为示出根据第三实施例的由燃料电池内的湿度状态的改变导致的运行容许范围的改变的图表；图18为示出根据第三实施例的容许范围改变处理的过程的流程图；图19为示出根据第三实施例的用于确定燃料电池内的目标湿度的湿度确定映射图的实例的图表；图20A、图20B和图20C为示出根据第三实施例的使用湿度确定映射图的用于确定燃料电池内的目标湿度的确定处理和用于改变容许范围映射图的改变处理的图表；图21A和图21B为示出根据第四实施例的燃料电池系统中的容许范围改变处理的图表；图22为示出根据第五实施例的负电压恢复处理的过程的流程图；图23为示出根据第五实施例的制冷剂控制处理的过程的流程图；图24为示出根据第六实施例的负电压恢复处理的过程的流程图；图25A和图25B为分别示出根据第六实施例的第一和第二制冷剂控制处理的流程图；以及图26A和图26B为示出根据本发明的参考实例的在低温环境下的负电压单体电池的单体电池温度的时间变化的图表。
具体实施例方式图I示意示出根据本发明第一实施例的燃料电池系统的结构。燃料电池系统100包括燃料电池10、控制单元20、阴极气体供给单元30、阴极气体排出单元40、阳极气体供给单元50、阳极气体循环排出单元以及制冷剂供给单元70。燃料电池10是聚合物电解质燃料电池，其被供给作为反应气体的氢气(阳极气体)和空气(阴极气体)以生成电力。燃料电池10具有叠层结构，其中，层叠多个发电体11，即所谓的电池单体。每个发电体11包括膜电极组件(未示出)和两个隔离件(未示出)。膜电极组件是这样的发电体其中，将电极设置在电解质膜的两个表面上。两个隔离件将膜电极组件夹直在其中。这里，可以以在湿润状态中表现有利的质子传导性的固体聚合物薄膜形成电解质膜。另外，可以以碳(C)形成每个电极。注意，与电解质膜相对的电极的表面支撑用于促进发电反应的催化剂(例如，钼(Pt))。对每个发电体11提供用于反应气体和制冷剂的歧管(未示出)。经对每个发电体11提供的相应的气流通道将歧管中的反应气体供给到每个发电体11的发电部分。控制单元20由包括中央处理单元和主存储装置的微型计算机形成。控制单元20接收来自外部负载200的输出电力请求。响应于该请求，控制单元20控制下述的燃料电池系统100的结构单元以使得燃料电池10产生电力。阴极气体供给单元30包括阴极气体线(line)31、空气压缩机32、空气流量计33、开关阀34以及加湿单元35。阴极气体线31与燃料电池10的阴极连接。空气压缩机32经阴极气体线31与燃料电池10连接。空气压缩机32吸入并压缩外部空气，并将压缩的空气供给到燃料电池10，作为阴极气体。空气流量计33在空气压缩机32上游的部分测量通过空气压缩机32吸入的外部空气的流速，然后将测量的流速发送到控制单元20。控制单元20基于测量的流速驱动空气 压缩机32，以控制被供给到燃料电池10的空气量。开关阀34被设置在空气压缩机32与燃料电池10之间。响应于在阴极气体线31中供给的空气的流动，开关阀34打开或关闭。具体而言，开关阀34通常关闭，并在从空气压缩机32向阴极气体线31供给具有预定压力的空气时打开。加湿单元35对从空气压缩机32泵抽的高压空气进行加湿。为了保持电解质膜的湿润状态以获得有利的质子传导性，控制单元20使用加湿单元35以控制被供给到燃料电池10的空气的加湿量，从而调节燃料电池10内部的湿润状态。阴极气体排出单元40包括阴极废气线41、气压调节阀43以及气压测量单元44。阴极废气线41与燃料电池10的阴极连接，并将阴极废气排出到燃料电池系统100的外面。气压调节阀43调节阴极废气线41中的阴极废气的气压(燃料电池10的后部气压(backpressure))。气压测量单元44被设置在气压调节阀43的上游的部分。气压测量单元44测量阴极废气的气压，然后，将测量的气压传输给控制单元20。控制单元20基于通过气压测量单元44测量的气压来调节气压调节阀43的打开度。阳极气体供给单元50包括阳极气体线51、氢气罐52、开关阀53、调节器54、喷射器55以及两个气压测量单元56u和56d。氢气罐52经阳极气体线51与燃料电池的阳极连接、并将罐中充入的氢气供给到燃料电池10。注意，燃料电池系统100可以包括重整(reforming)单元来代替氢气罐52,作为氢气供给源。重整单元对基于烃(hydrocarbon)的燃料进行重整以生成氢气。开关阀53、调节器54、第一气压测量单元56u、喷射器55和第二气压测量单元56d以该顺序从上游侧(与氢气罐52相邻的一侧)被设置在阳极气体线51中。开关阀53响应于来自控制单兀20的命令打开或关闭。开关阀53控制氢气从氢气罐52向喷射器55的上游侧的流动。调节器54为气压减小阀，其在喷射器55的上游的部分调节氢气的气压。通过控制单元20控制调节器54的打开度。喷射器55是电磁驱动的开关阀，其阀元件根据通过控制单元20设置的驱动间隔或阀打开持续时间而被电磁驱动。控制单元20控制喷射器55的驱动间隔或阀打开持续时间，以控制被供给到燃料电池10的氢气量。第一和第二气压测量单元56u和56d分别测量在喷射器55的上游的部分的氢气的气压和在喷射器55的下游的部分的氢气的气压，然后，将测量的气压传输给控制单元20。控制单元20使用这些测量的气压来确定喷射器55的驱动间隔或阀打开持续时间。阳极气体循环排出单元60包括阳极废气线61、气液分离单元62、阳极气体循环线63、氢气循环泵64、阳极泄排线65以及泄排阀66。阳极废气线61将燃料电池10的阳极的出口连接到气液分离单兀62。阳极废气线61将包括未用于发电反应中的未反应的气体(氢气、氮气等)的阳极废气引导到气液分离单元62。气液分离单元62与阳极气体循环线63和阳极泄排线65连接。气液分离单元62分离阳极废气中包含的气体成分和水分。气液分离单71 62将气体成分引导入阳极气体循环线63，并将水分引导入阳极泄排线65。阳极气体循环线63与在喷射器55的下游的部分的阳极气体线51连接。氢气循环泵64被设置在阳极气体循环线63中。通过氢气循环泵64将通过气液分离单元62分离的气体成分中包含的氢气泵送到阳极气体线51。这样，在燃料电池系统100中，将阳极废气 中包含的氢气再次循环和供给到燃料电池10，从而改善氢气的使用效率。阳极泄排线65用于将通过气液分离单元62分离的水分泄排到燃料电池系统100的外面。泄排阀66被设置在阳极泄排线65中。泄排阀66响应于来自控制单元20的命令打开或关闭。在燃料电池系统100运行期间，控制单元20通常关闭泄排阀66，而在预先设置的预定泄排时刻或排出阳极废气中包含的惰性气体的时刻打开泄排阀66。制冷剂供给单元70包括制冷剂线71、散热器72、制冷剂循环泵73和两个制冷剂温度测量单元74和75。制冷剂线71将制冷剂入口歧管连接到制冷剂出口歧管。对于燃料电池10设置制冷剂入口歧管和制冷剂出口歧管。制冷剂线71循环用于冷却燃料电池10的制冷剂。散热器72被设置在制冷剂线71中。散热器72在制冷剂线71中流动的制冷剂与外面的空气之间交换热量，从而冷却制冷剂。制冷剂循环泵73在散热器72的下游的部分(与燃料电池10的制冷剂入口相邻)被设置在制冷剂线71中。制冷剂循环泵73将通过散热器72冷却的制冷剂泵送到燃料电池10中。两个制冷剂温度测量单元74和75分别被设置在制冷剂线71中的燃料电池10的制冷剂出口附近和燃料电池10的制冷剂入口附近。两个制冷剂温度测量单元74和75分别将测量的温度传输到控制单元20。控制单元20根据在通过两个制冷剂温度测量单元74和75测量的各个温度之间的差检测燃料电池10的运行温度，然后基于检测的运行温度控制通过制冷剂循环泵73泵送的制冷剂量，从而调节燃料电池10的运行温度。图2示意示出了燃料电池系统100的电结构。燃料电池系统100包括二次电池81、DC/DC转换器82和DC/AC逆变器83。另外，燃料电池系统100包括电池单体电压测量单元91、电流测量单元92、阻抗测量单元93以及充电状态检测单元94。燃料电池10经直流电力供给线DCL与DC/AC逆变器83连接。二次电池81经DC/DC转换器82与直流电力供给线DCL连接。DC/AC逆变器83与外部负载200连接。注意，在燃料电池系统100中，从燃料电池10和二次电池81输出的电力的部分被用于驱动构成燃料电池系统100的辅助设备；然而，未示出对辅助设备的布线并省略对其的描述。二次电池81用作燃料电池10的辅助电源。二次电池81可以例如由可充电且可放电的锂离子电池形成。DC/DC转换器82用作充电/放电控制单元，其控制对二次电池81的充电/放电。DC/DC转换器82响应于来自控制单元20的命令可变地调节直流电力供给线DCL的电压的水平。如果从燃料电池10输出的电力对于来自外部负载200的输出请求是不足够的，则控制单元20指示DC/DC转换器82对二次电池81放电以补偿不足的电力。DC/AC逆变器83将从燃料电池10和二次电池81获得的直流电力转换成交流电力，然后，将交流电力供给到外部负载200。注意，当在外部负载200中产生再生电力时，通过DC/AC逆变器83将再生电力转换成直流电力，然后通过DC/DC转换器82以直流电力对二次电池81充电。电池单体电压测量单元91与燃料电池10的每个发电体11连接，以测量每个发电体11的电压(电池单体电压)。电池单体电压测量单元91将测量的电池单体电压传输到控制单元20。注意，电池单体电压测量单元91可以仅仅将测量的电池单体电压中的最低电池单体电压传输到控制单元20。电流测量单元92与直流电力供给线DCL连接。电流测量单元92测量从燃料电池 10输出的电流，然后将测量的电流传输到控制单元20。充电状态检测单元94与二次电池81连接。充电状态检测单元94检测二次电池81的充电状态(S0C)，然后，将检测的SOC传输到控制单元20。阻抗测量单元93与燃料电池10连接。阻抗测量单元93将交流电加到燃料电池，从而测量燃料电池10的阻抗。这里，已知燃料电池10的阻抗随着燃料电池10内存在的水分的量变化。即，预先获得燃料电池10的阻抗与燃料电池10内部的水分的量(湿度)之间的相互关系，然后测量燃料电池10的阻抗，从而使得可以获得燃料电池10内部的水分的量(湿度)。顺便提及，在根据第一实施例的燃料电池系统100中，控制单元20还用作累积电流值测量单元21。累积电流值测量单元21关于预定时间段的时间对由电流测量单元92测量的从燃料电池10输出的电流进行积分，从而计算指示从燃料电池10输出的电荷的累积电流值。控制单元20使用累积电流值以执行电流限制处理，从而抑制发电体11的发电性能的退化，其具体描述将在下文进行描述。图3A和图3B为示出在燃料电池系统100的燃料电池10上的输出控制的图表。图3A为一图表，其示出了燃料电池10的W-I特性，其中，纵轴表示燃料电池10的电力，横轴表示燃料电池10的电流。通常，燃料电池的W-I特性通过上凸曲线示出。图3B为一图表，其示出了燃料电池10的V-I特性，其中，纵轴表示燃料电池10的电压，横轴表示燃料电池10的电流。通常，通过随着电流的增加而减小的水平S形曲线示出燃料电池的V-I特性。注意，在图3A和图3B中，各个图形的横轴互相对应。控制单元20预先存储燃料电池10的这些W-I特性和V-I特性。控制单元20使用W-I特性以获取对于从外部负载200要求的电力Pt应从燃料电池10输出的目标电流It。另外，控制单元20使用V-I特性以确定燃料电池10的目标电压Vt，以用于输出从E-I特性获得的目标电流It。控制单元20在DC/DC转换器82中设置目标电压Vt，以使得DC/DC转换器82调节直流电力供给线DCL的电压。另外，如上所述，在燃料电池10中，反应气体从歧管流入每个发电体11的气流通道。然而，每个发电体11的气流通道可能被在燃料电池10中生成的水分等阻塞。如果在发电体11的部分的气体通道被阻塞的状态中使得燃料电池10持续发电，由于在发电体11的部分中不充分地供给反应气体，发电反应被抑制。另一方面，其他发电体11持续发电，从而，发电体11的该部分用作燃料电池10中的电阻，从而产生负电压。下面，在说明书中，将产生负电压的发电体11称为“负电压电池单体11”。已经知道，当每个负电压电池单体11的负电压状态持续时，进一步发生每个负电压电池单体11的电极的劣化，然后，燃料电池10的发电性能退化。这里，由于通过抑制对阳极供给氢气导致的差的氢气供给，或者由于通过抑制对阴极供给氧气导致的差的氧气供给，而产生负电压。在由于差的对阳极的氢气供给而产生负电压的情况下，燃料电池10的性能如下所述根据负电压的水平而退化。图4A和图4C为示出在发电体11的任一个中由于通过不良氢气供给产生的负电压导致的燃料电池10的性能退化的图表。图4A示出当在发电体11的任一个中产生负电压时电池单体电压中的变化。在图4A中，纵轴表示电池单体电压，横轴表示时间。
在该图中，在时刻h产生负电压，并且电池单体电压基本垂直于电压V1减小。之后，电池单体电压在电压V1附近保持不变，在时刻再次基本垂直于电压V2地减小，然后，在电压V2基本保持不变。这样，通过通过差的氢气供给产生的负电压的水平在基本为台阶状的方式的两阶段中随着时间的过去而减小。这里，在每个负电压电池单体11的阳极中，通过下面的化学反应产生质子，以补偿差的氢气供给。即，在从时刻h到时刻h的时间段期间通过由下面的反应公式(I)表示的水分解反应而产生质子，并且在时刻t2之后通过由下面的反应公式(2)表示的对构成电极(阳极)的碳的氧化反应而产生质子。2H20 — 02+4H++e (I)C+2H20 — C02+4H.+4e_ (2)图4B示出在从时刻h到时刻h的时间段期间每个负电压电池单体11的发电性能。图4C示出在时刻h之后每个负电压电池单体11的发电性能。图4B和图4各自包括示出每个负电压电池单体11的I-V特性的图形，其中，横轴表示电流密度，纵轴表示电池单体电压；示出每个负电压电池单体11的I-R特性的图形Gm，其中，横轴表示电流密度，纵轴表示电阻。注意，为了示出特性的变化，在图4C中，以虚线表示在图4B中示出的图形G1^v和G1+并示出表示各个图形偏移的方向的箭头。这样，如果如同在从时刻h到时刻h的时间段期间的情况在每个负电压电池单体11的阳极中发生水分解反应，燃料电池10的发电性能的退化被相对抑制(图4B)。注意，在图4B的情况中，其中未产生负电压的每个发电体11的I-V特性与每个负电压电池单体11的I-V特性基本一致。另一方面，如果如同在时刻A之后的情况中在每个负电压电池单体11的阳极中产生碳氧化反应，每个负电压电池单体11的I-V特性减小，并且每个负电压电池单体11的内阻增大(图4C)。注意，由于每个负电压电池单体11的性能退化，燃料电池10的发电性能退化。另外，如果如同在时刻h之后的情况中电极的碳被氧化，即使在重启燃料电池10之后也难于恢复每个负电压电池单体11的发电性能。下面，在说明书中，将这样的负电压水平称为“发电容许水平”:在该负电压水平上，当如同在从时刻h到时刻h的时间段期间的情况通过在每个负电压电池单体11的阳极中的水分解反应抑制燃料电池10的发电性能的退化的同时，发电可以继续。另外，将这样的负电压水平称为“性能退化水平”:在该负电压水平上，如同在时刻之后的情况，发生每个负电压电池单体11的电极的劣化，并且燃料电池10的发电性能退化。在根据第一实施例的燃料电池系统100中，当在燃料电池10的发电体11的任一个中已经检测到负电压时，通过下述的负电压恢复处理对负电压状态进行恢复。注意，在负电压恢复处理中，当确定负电压是由于差的氢气供给时，执行用于抑制负电压水平达到性能退化水平的输出控制，从而从负电压恢复，同时，避免负电压电池单体11的电极的劣化。图5为示出由控制单元20执行的负电压恢复处理的过程的流程图。在开始燃料电池10的正常运行(步骤S5)之后，当通过电池单体电压测量单元91在至少一个发电体11中检测到负电压时，控制单元20开始在步骤S20和之后的步骤中的处理(步骤S10)。在步骤S20中，控制单元20使得累积电流值测量单元21开始测量用于电流限制处理(将在下文描述)中的累积电流值。这里，在已经在步骤SlO中检测到负电压的阶段，未确定产生负电压的原因是由于对阳极的差的氢气供给还是对阴极的差的氧气供给。然后，在步骤S30，控制单元首先增 加空气压缩机32的旋转速度以增加供给到燃料电池10的空气量。如果由于对阴极的差的氧气供给而产生负电压，该操作消除不充分的空气供给，并且还清除阻塞阴极侧气流通道的水分，以使得可以除去阻塞。如果在增大供给空气的量之后负电压电池单体11的电压升高，则控制单元20确定负电压电池单体11已经从负电压恢复，然后，回到对燃料电池10的正常运行控制(步骤S40)。另一方面，如果即使通过增加供给空气的量而负电压电池单体11仍未从负电压恢复，则控制单元20确定产生负电压的原因是因为差的氢气供给，然后，开始电流限制处理，以用于在步骤S50和后面的步骤中避免电极劣化和发电性能退化。在步骤S50，控制单元20基于在产生负电压期间的时间段中从燃料电池输出的电流从累积电流值测量单元21获取累积电流值。在步骤S60和步骤S70，控制单元20使用在步骤S50获取的累积电流值以获得从燃料电池10输出的电力的限值，然后，使得燃料电池10输出在限制范围内的电力。通过这样，抑制了每个负电压电池单体11的电极的劣化和燃料电池10的发电性能的退化。这里，在描述步骤S60和S70中的具体操作之前，将描述通过本发明的发明人的实验获得的、用于避免由于负电压导致的电极的氧化和发电性能的退化的累积电流值与从燃料电池10输出的电力的限值之间的相互关系。图6为示出由本发明的发明人进行的用于研究负电压从发电容许水平过渡到性能退化水平的时刻的图表。在实验中，对于选择的一个发电体11，在阳极侧气流通道被阻塞的状态中，以恒定时间间隔间歇地进行五次这样的发电在恒定的运行温度下，以恒定的反应气体的流速，使得燃料电池10输出恒定电流。图6示出了在每一轮发电中负电压随时间的变化。在第一至第三次发电中，测量时间在负电压达到发电容许水平之前结束。然而，在第四次发电期间，电池单体电压在测量过程中减小到性能退化水平。然后，在第五次发电中，电池单体电压在开始发电之后立即减小到性能退化水平。本发明的发明人重复了具有从燃料电池10输出的不同电流的类似的实验，并且发现，负电压从发电容许水平过渡到性能退化水平的累积时间对于每个电流密度是基本恒定的，即使在产生负电压之后重复停止发电和重启发电。这可能是因为即使在停止发电时，通过水分解反应在负电压电池单体11的阳极上形成的氧化膜强到足够保留。
然后，可以推测，在从产生负电压至负电压达到性能退化水平的时间段期间可以输出的电荷对于每个电流密度是基本恒定的，并且在该期间(during then)输出的电荷保持为在该期间的发电的历史。通过这些发现，本发明的发明人发现，可以由在产生发电容许水平的负电压期间的时间段中的燃料电池10的电流密度和在该期间的燃料电池10的累积电流值来限定在负电压过渡到性能退化水平之前对于燃料电池10容许的运行条件。图7示出本发明的发明人进行的用于限定在产生发电容许水平的负电压期间的时间段中燃料电池10的容许运行条件的实验的结果。在该实验中，发电体11的任一个的阳极侧气流通道被阻塞，然后，测量从产生负电压时到负电压达到性能退化水平时使得燃料电池10持续发电时的累积电流值。然后，在燃料电池10的不同电流密度下多次测量累积电流值以获得对于每个电流密度的电流累积值。注意，在该实验中，供给到燃料电池10的反应气体的流速和燃料电池10的运行温度是恒定的。
图7的图形是以这样的方式获得的图形纵轴表示累积电流值，横轴表示电流密度，并且绘制上述实验的测量结果。这样，通过向下凸出的下降曲线示出燃料电池10的在产生发电容许水平的负电压的时间段中的电流密度与在该期间燃料电池10的容许累积电流值之间的相互关系。即，当燃料电池10的在产生发电容许水平的负电压的时间段(下文也称为“发电容许时间段”)中的电流密度增大时，在该期间的燃料电池10的容许累积电流值减小。累积电流值基本随着电流密度的增大而指数减小。这里，在图7中，在向下凸出的曲线下面的阴影范围可以理解为包括在发电容许时间段期间燃料电池10容许的累积电流值和电流密度的组合的范围。下文中，将该范围称为“运行容许范围”。即，在由于差的氢气供给产生负电压的情况中，当使得燃料电池10输出落入该运行范围的累积电流值和电流密度的组合时，燃料电池10可以持续发电而避免负电压达到性能退化水平。注意，如可以从图形的纵轴是累积电流值的事实理解的是，在产生负电压之后，运行容许范围随着燃料电池10的发电持续时间的增大而减小。在根据第一实施例的燃料电池系统100中，控制单元200将如图7所示的在产生负电压的时间段中燃料电池10容许的累积电流值和燃料电池10容许的电流密度之间的相互关系预先存储为映射图。然后，将该映射图(下文称为容许范围映射图)用于执行步骤S60和S70中的电流限制处理(图5)。图8A至图8C示意示出步骤S60和S70中的处理。在图8A至图8C中，通过这样的图形示出上述容许范围映射图Mpa:在所述图形中，纵轴表示累积电流值，横轴表示电流密度。在图8A和图SB的容许范围映射图Mpa*，运行容许范围以阴影示出。这里，在根据第一实施例的燃料电池系统100中，设置应从燃料电池10输出的下限电流密度ilim (也称为“最小电流密度ilim”)，以便使得控制单元20继续燃料电池系统100的运行。因此，处于或低于最小电流密度iliD1的范围未被包括在运行容许范围中。在步骤S60，对于通过累积电流值测量单元21获取的累积电流值Qe1，控制单元20获取电流密度I1 (图8A)。下面，也将使用容许范围映射图Mpa获取的电流密度称为“限制电流密度”。注意，基于在步骤S20至S60的处理期间从燃料电池10输出的电流获得此时的累积电流值Qe115在步骤S70中，控制单元20将在步骤S60中获得的限制电流密度I1设为当前燃料电池10容许的电流密度，然后，使得燃料电池10以小于限制电流密度I1的电流密度ilc(也称为“约束电流密度ilc;”)产生电力。具体而言，控制单元20可以从限制电流密度I1减去预设值Ai以计算约束电流密度ilc; (ilc=irAi)0注意，预设值Ai可以根据限制电流密度变化。具体而言，还可行的是，随着限制电流密度减小，值Ai增大。容许范围映射图Mpa中的运行容许范围通过纵轴方向中的累积电流值Qe1而减小，从而，在步骤S70中，当在小于限制电流密度I1的约束电流密度I1。处开始发电时，从燃料电池10输出的电力落入运行容许范围中。从而，可以持续燃料电池10的运行而避免电极的劣化。这里，控制单元20开始用于在步骤S80中从差的氢气供给恢复的处理，同时，电流受到约束，以便能够继续燃料电池10的运行。具体而言，可应用的是，通过调节喷射器55的驱动间隔或或阀打开持续时间、增加氢气循环泵64的旋转速度等，增加供给到燃料电池10的氢气的流速,从而增大燃料电池10中的氢气的气压。
注意，当将燃料电池系统100置于低温环境下时，阳极的气流通道可能被冻结的水分阻塞。从而，在该情况中，可以执行用于升高燃料电池10的温度的处理，例如，降低制冷剂循环泵73的旋转速度。在开始步骤S80中的差氢气供给恢复处理之后，当负电压电池单体11仍未从负电压恢复时，控制单元20再次重复步骤S50至S70中的电流约束处理(步骤S90)。在步骤S50中，如同前面的情况，基于在从已经检测到负电压时到当前时刻的时间段中从燃料电池10输出的电流，控制单元20获取累积电流值Qe2 (步骤S50)。然后，使用容许范围映射图Mpa来获取对应于累积电流值Qe2的限制电流密度i2 (图8B)。在步骤S70中，控制单元20使得燃料电池10以小于限制电流密度i2的约束电流密度i2。生成电力。图SC示意示出了在电流约束处理中的限制电流密度的变化。重复执行在步骤S50至步骤S80中的电流约束处理，直到负电压电池单体11从负电压恢复(步骤S90)。在重复电流约束处理期间，随着累积电流值的增加，限制电流密度沿着图中所示的曲线(图中的箭头)以阶梯状的方式减小。另外，如同在限制电流密度的变化的情况，从燃料电池10输出的电流沿着图中所示的曲线以阶梯状方式减小。注意，当在步骤S60中获取的约束电流密度小于或等于最小电流密度i-时，控制单元20确定负电压电池单体11未从负电压恢复，并且不能获得燃料电池10的最小电力，然后，执行燃料电池10的重启处理。这样，通过根据第一实施例的燃料电池系统100，当在负电压恢复处理中确定为产生负电压的原因是由于差的氢气供给时，通过电流约束处理，继续进行发电，同时，抑制负电压到性能退化水平的减小。然后，在电流约束处理期间，执行用于从负电压恢复的处理。从而，可以抑制由于负电压导致的燃料电池10的发电性能的退化和燃料电池10的电极的劣化。下面，将描述第一实施例的第一替代实施例。图9示意示出了根据本发明第一实施例的第一替代实施例的燃料电池系统IOOa的电结构。图9与图2基本相同，不同之处在于增加了累积电流值记录单元23。注意，在该结构实例中的燃料电池系统IOOa的其他结构与根据第一实施例的燃料电池系统(图I)相似。燃料电池系统IOOa的累积电流值记录单元23 (图9)由数据可擦除和可重写的非易失性存储器形成，诸如可擦除可编程只读存储器(EPROM)0图10为示出通过燃料电池系统IOOa执行的负电压恢复处理的过程的流程图。图10与图5基本相同，不同之处在于在步骤S90之后增加步骤S100。在燃料电池系统IOOa中，当已经在燃料电池10中检测到负电压时，如同在根据第一实施例的燃料电池系统100的情况中执行负电压恢复处理。然后，在负电压恢复处理中，当确定产生负电压的原因是由于差的氢气供给时，执行与在第一实施例中所述的类似的电流约束处理(步骤S50至步骤S90)。当在电流约束处理期间负电压电池单体11已经从负电压恢复时，控制单元20在累积电流值记录单元23中记录用于电流约束处理的累积电流值(步骤·S100)。这里，假设负电压电池单体11已经通过电流约束处理从负电压恢复。同样在这样的情况中，除非对已经产生负电压的负电压电池单体11进行维护，否则，再次在发电体11中产生负电压，然后，在开始电流约束处理时的运行容许范围将为在先前的电流约束处理结束时的运行容许范围。然后，在步骤SlOO中，在准备下一个电流约束处理中，控制单元20非易失性地记录累积电流值。这里，控制单元20在负电压发生时识别产生负电压的发电体11(负电压电池单体11)，并对于对应的负电压电池单体11在累积电流值记录单元23中记录累积电流值。当再次执行电流约束处理时，控制单元20加载对应于每个负电压电池单体11并被记录在累积电流值记录单元23中的累积电流值，作为累积电流值的初始值，然后，在步骤S20中开始测量累积电流值。即，控制单元20使用通过将记录在累积电流值记录单元23中的累积电流值与在重新开始电流限制处理之后从燃料电池10输出的电流的累积电流值相加获得的总累积电流值执行电流限制处理。注意，当维护使得产生负电压的发电体11时，可以初始化记录在累积电流值记录单元23中的被维护的发电体11的累积电流值。接着，将描述第一实施例的第二替代实施例。图11示意示出根据本发明第一实施例的第二替代实施例的燃料电池系统IOOb的结构。图11与图9基本相同，不同在于，增加了警报单元25。注意，该结构实例中的燃料电池系统IOOb的其他结构与第一替代实施例中的燃料电池系统IOOa (图9)相似。燃料电池系统IOOb的警报单元25 (图11)响应于来自控制单元20的命令对燃料电池系统IOOb的用户视觉地或听觉地警报对燃料电池10的维护。警报单元25可以例如由可由用户识别的显示器或发光单元形成，或者可以由扬声器或蜂鸣器形成。图12为示出通过燃料电池系统IOOb执行的负电压恢复处理的过程的流程图。图12与图10基本相同，不同在于，增加了步骤S62和步骤S63。在根据该结构实例的通过燃料电池系统IOOb执行的负电压恢复处理中，使用容许范围映射图Mpa (图8A至图8C)来在步骤S60中获得限制电流密度，然后，在步骤S62中确定限制电流密度是否低于或等于预定阈值。这里，预定阈值可以例如是用于获得可以继续燃料电池系统IOOb的运行的电力所要求的电流密度。当在步骤S62中确定限制电流密度低于预定阈值时，控制单元20确定为，除非对燃料电池10进行维护，否则难于继续燃料电池系统IOOb的运行，于是，使得警报单元25执行警报处理(步骤S63)。具体而言，在警报处理中，可应用的是，停止燃料电池系统IOOb的运行，并且对用户通知促使替换负电压电池单体11的消息。这样，通过根据该结构实例的燃料电池系统100b，通过警报单元25对系统的用户提供在电流约束处理中从燃料电池10输出的电力受到限制并且难于持续燃料电池系统IOOb的运行的信息。从而，用户能够获知应该进行对燃料电池10的维护的状态。注意，可行的是，当在步骤SlOO中记录累积电流值时或者进行电流约束处理时累积电流值大于或等于预定阈值时，控制单元20通过警报单元25对用户通知该情况。下面将描述第二实施例。图13为示出根据本发明第二实施例的负电压恢复处理的过程的流程图。图13与图5基本相同，不同在于，提供步骤S61和S71代替步骤S60和S70并增加步骤S91。注意，根据第二实施例的燃料电池系统的结构与在第一实施例中描述的燃料电池系统100(图I和图2)相似。在根据第二实施例的燃料电池系统中，在步骤S50至S91中，获得对于燃料电池10容许的累积电流值，然后，基于累积电流值进行电流约束处理。图14示出根据第二实施例的电流约束处理，并且示出与第一实施例中所述相似的容许范围映射图Mpa。在步骤S61中，控制单元20获取对应于在步骤S50中获取的累积电流值Qe1的限制电流密度h。然后，确定比限制电流密度I1小预设值的约束电流密度ilc;，作为对燃料电池10的输出命令值，然后，使得燃料电池10以约束电流密度I1。产生电力。 在步骤S71，控制单元20再次使用容许范围映射图Mpa以获取对应于作为对燃料电池10的命令值的约束电流密度ile的累积电流值Qe2。控制单元20将比累积电流值Qe2小预定值的值设置为对于燃料电池10容许的累积电流值(下文也称为“限制累积电流值”)。然后，控制单元20在步骤S80中执行用于从差氢气供给恢复的处理，然后，在步骤S90中确定负电压电池单体11是否已从负电压恢复。当负电压电池单体11已经从负电压恢复时，控制单元20恢复正常的运行控制(步骤S5)。另外，当负电压电池单体11未从负电压恢复时，控制单元20在产生负电压的时间段从累积电流值测量单元21获取累积电流值，然后，确定累积电流值是否已经达到在步骤S71中获取的限制累积电流值(步骤S91)。在当前累积电流值未达到限制累积电流值时，控制单元20重复步骤S80和S90的处理。当在步骤S91中当前累积电流值已经达到限制累积电流值时，控制单元20返回到步骤S61，然后，将比已经被设置为命令值的约束电流密度I1。小预设值的电流密度i2。设置为对燃料电池10的新命令值。在步骤S71中，使用容许范围映射图Mpa以获取对应于电流密度i2。的累积电流值Qe2,然后,基于累积电流值Qe2确定限制累积电流值。通过这种方式，在根据第二实施例的电流约束处理中，控制单元20使用容许范围映射图MPA以获得对应于被设置为到燃料电池10的命令值的电流密度的限制累积电流值。然后，直到累积电流值接近限制累积电流值，使燃料电池10以被设置为命令值的电流密度继续发电。当累积电流值接近限制累积电流值时，控制单元20减小作为命令值的电流密度，并且再次获取对应于减小的命令值的限制累积电流值，以从而使得燃料电池10持续发电。通过这样，如图14中的箭头所示，燃料电池10的电流密度随着累积电流值的增大以阶状方式沿着图中所示的曲线减小。同样通过根据第二实施例的燃料电池系统，如同根据第一实施例的燃料电池系统100的情况，可以抑制由于负电压导致的燃料电池10的发电性能的退化和燃料电池10的电极的劣化。注意，还可行的是，控制单元20基于从容许范围映射图Mpa获取的限制累积电流值计算在以作为命令值的电流密度的可用发电持续时间，然后，基于发电持续时间控制作为命令值的电流密度减小的时刻。
下面将描述第三实施例。图15示意示出根据本发明第三实施例的燃料电池系统100B的电结构。图15与图2基本相同，不同在于，在直流电力供给线DCL中增加打开-关闭开关84，并且在控制单元20中增加容许范围改变单元22。注意，燃料电池系统100B的其它结构与第一实施例中描述的结构(图I)相似。然而，在根据第三实施例的燃料电池系统100B中，燃料电池10以恒定运行温度运行。打开-关闭开关84被设置在DC/DC转换器82与燃料电池10之间。打开-关闭开关84响应于来自控制单元20的命令断开或闭合。当打开-关闭开关84闭合时，燃料电池10与外部负载200电连接；而当打开-关闭开关84断开时，燃料电池10与外部负载200电隔离。注意，当燃料电池10与外部负载200隔离时，二次电池81能够输出供给到外部负载200的电力。在根据第三实施例的燃料电池系统100B中，控制单元20还用作容许范围改变单元22。容许范围改变单元22在负电压恢复处理的电流约束处理中执行用于改变燃料电池10的运行容许范围的处理。下文将对该处理进行具体描述。 图16为示出根据第三实施例的负电压恢复处理的过程的流程图。图16与图5基本相同，不同在于增加了步骤S65。在根据第三实施例的燃料电池系统100B中，如同在根据第一实施例的燃料电池系统100的情况，执行负电压恢复处理。然后，在负电压恢复处理中，当确定由于不良氢气供给而产生负电压时，执行电流约束处理和不良氢气供给恢复处理。这里，在电流约束处理中，当燃料电池10容许的电流可观地小于用于供给由外部负载200所要求的电力的燃料电池10的目标电流时，存在这样的可能性，即，即使通过二次电池81，可能未补偿不充分的电流。然后，在根据第三实施例的燃料电池系统100B中，当在步骤S60中获取的限制电流密度与用于输出燃料电池10的目标电流的电流密度之差大于预定值时，使得容许范围改变单元22执行容许范围改变处理(步骤S65)。图17示出由于燃料电池10内部的湿度变化导致的运行容许范围的改变。通过在燃料电池10内的湿度减小的状态中进行与用于获得图7的图形的实验类似的实验，获得图17所示的图形。注意，在图17中，如同在图7中的情况，图中曲线下方的运行容许范围以阴影示出。另外，在图17的图形中，为了方便，示出表示图7中所示的曲线的虚线和表示从虚线曲线的变化的箭头。本发明的发明人发现，通过减小燃料电池10内部的湿度，示出在发电容许范围时间段中的累积电流值与电流密度之间的相互关系的曲线向上偏移，并且运行容许范围扩展。运行容许范围扩展的原因是因为下面的原因。已知，在发电容许时间段中，通过上述反应公式(I)表示的反应和通过下面的反应公式(3)表示的反应在负电压电池单体11的阳极中进行，从而使催化剂钝化(deactivate)。Pt+2H20 — Pt02+4H++4e (3)当燃料电池10中的湿度减小时，阳极中的水分(膜电极组件的水分)的量减少，故上述反应温和进行，并且对催化剂的钝化受到抑制。从而，运行容许范围以对催化剂的钝化的进行可被延迟的量扩展。S卩，通过减小燃料电池10内部的湿度，可以扩展电流约束处理中的燃料电池10的运行容许范围，从而可以增加对于燃料电池10容许的电流密度。于是，在根据第三实施例的燃料电池系统100B中，在下文的容许范围改变处理中，减小燃料电池10内部的湿度以扩展运行容许范围。图18为示出通过容许范围改变单元22执行的容许范围改变处理的过程的流程图。在步骤SllO中，容许范围改变单元22断开打开-关闭开关84，以将燃料电池10与外部负载200电隔离。然后，从二次电池81向外部负载200供给电力。容许范围改变单元22使得燃料电池10将发电停止一次，以便由此使得可以容易地调节燃料电池10内部的湿度。在步骤S120中，获取用于扩展运行容许范围的燃料电池10内部的目标湿度。图19示出用于在步骤S120中确定燃料电池10内部的目标湿度的由容许范围改变单元22使用的湿度确定映射图Mhd的实例。当纵轴表示累积电流值，且横轴表示湿度时，将湿度确定映射图MHD示出为向下凸出的下降曲线。以这样的方式获得湿度确定映射图Miro :对于燃料电池10内部的每个湿度进行与图7所示类似的实验，以获得测量值，然后，使用该测量值以绘制用于燃料电池10的每个电流密度的湿度和累积电流值的组合。 图20A和图20B示出在步骤S120中使用湿度确定映射图Mhd确定燃料电池10内部的目标湿度的处理。图20A示出用于图16的步骤S60中的容许范围映射图Mpa。这里，假设在步骤S60中，已经测量了累积电流值Qea,已经从容许范围映射图仏4确定限制电流密度ia，并且外部负载200获取在燃料电池10的运行容许范围之外的电流密度it。此时，容许范围改变单元22如下确定燃料电池10内部的目标湿度。容许范围改变单元22确定累积电流值Qet作为扩展的运行容许氛围的边界值，该累积电流值Qet比当前测量的累积电流值Qea高出预设的预定值。然后，从针对各个电流密度准备的湿度确定映射图Mhd中选择对应于要求的电流密度的湿度确定映射图Mhd，然后，使用选择的湿度确定映射图Mhd来获取对应于累积电流值Qet的湿度h，作为目标湿度(图20B)。在步骤S130中(图18)，容许范围改变单元22执行控制以使得燃料电池10内部的湿度与在步骤S120中获取的目标湿度一致。具体而言，容许范围改变单元22增加阴极气体供给单元30的空气压缩机32的旋转速度(图1)，以增加供给到燃料电池10的空气的量，并减少通过加湿单元35的对供给的空气的加湿量。通过这样，可通过供给湿度减小的空气而清除燃料电池10的内部，并且可以减小燃料电池10的内部的湿度。注意，容许范围改变单元22基于通过阻抗测量单元93测量的值确定燃料电池10内部的湿度是否达到目标湿度。图20C示出步骤S140中的改变容许范围映射图仏八的处理。图20C示出改变的容许范围映射图Mpa。注意，在图20C中，通过虚线示出表示预先改变的容许范围映射图Mpa的曲线，并且运行容许范围以阴影示出。这里，在根据第三实施例的燃料电池系统100B中，预先准备用于燃料电池10内部的每个湿度的容许范围映射图Mpa并将其存储在控制单元20中。容许范围改变单元22从用于各个湿度的容许范围映射图Mpa中选择对应于在步骤S120中获取的目标湿度的容许范围映射图Mpa，作为新的容许范围映射图Mpa。在已经减小燃料电池10内部的湿度之后的电流约束处理中，使用选择的新的容许范围映射图Mpa。注意，选择的新容许范围映射图1^具有扩展的运行容许范围，故从外部负载200要求的电流密度it被包含在运行容许范围中。
在步骤S150中(图18)，容许范围改变单元22启动燃料电池10，并闭合打开-关闭开关84 (即接通打开-关闭开关84)以将燃料电池10与外部负载200电连接。在步骤S160中，当停止燃料电池10时，确定负电压电池单体11是否从负电压恢复。当负电压电池单体11已经从负电压恢复时，恢复对燃料电池10的正常运行控制(图16的步骤S5)。另一方面，当负电压电池单体11未从负电压恢复时，处理返回到步骤S50，然后，使用选择的和改变的新容许范围映射图Mpa开始电流约束处理。这样，根据第三实施例的燃料电池系统100B能够通过调节燃料电池10内部的湿度而在电流约束处理中扩展燃料电池10的运行容许范围。从而，通过根据第三实施例的燃料电池系统100B，可以进一步可靠地供给对应于来自外部负载200的请求的电力，同时，抑制由于负电压导致的燃料电池的性能退化和劣化。下面将描述第四实施例。图21A和图21B示出了根据本发明第四实施例的燃料电池系统中的容许范围改变处理。注意，根据第四实施例的燃料电池系统的结构与根据第三实施例的燃料电池系统相似。然而，在根据第四实施例的燃料电池系统中，燃料电池10在 燃料电池10内部的湿度保持恒定的状态中运行。如同图17的情况，图21A示出当燃料电池10的温度改变时在发电容许时间段中的累积电流值与电流密度之间的相互关系的变化。以这样的方式获得图21A中的实线，即，在燃料电池10的温度降低的状态中，进行与用于获得图7的图形而进行的实验相似的实验。示出累积电流值与电流密度之间的相互关系的该曲线在燃料电池10的温度下降时向上偏移。这是因为，由第三实施例中的反应公式(3)表示的反应的进行由于燃料电池10的温度的下降而变得温和。这样，通过降低燃料电池10的运行温度，如同在第三实施例中描述的情况，可以在电流限制处理中扩展燃料电池10的运行容许范围。这里，以燃料电池10的不同运行温度进行与图7所示的相似的实验，并且预先对燃料电池10的每个运行温度获得累积电流值与电流密度之间的相互关系，从而使得可以获得用于燃料电池10的每个运行温度的容许范围映射图mpa。另外，可以基于实验数据获得用于每个电流密度的运行温度确定映射图Mtd，所述运行温度确定映射图Mtd示出燃料电池10的累积电流值与运行温度之间的相互关系。图21B在纵轴表示累积电流值、横轴表示燃料电池10的运行温度的图表中示出了在电流密度处的运行温度确定映射图的实例Mtd。在根据第四实施例的燃料电池系统中，在控制单元20中预先存储用于燃料电池10的每个运行温度的容许范围映射图Mr^P用于每个电流密度的运行温度确定映射图Mtd。然后，通过以调节燃料电池10的运行温度来代替调节燃料电池10内部的湿度，使用这些映射图Mpa和Mtd来执行在第三实施例中所述的容许范围改变处理。注意，可以以这样的方式调节燃料电池10的运行温度，即，控制制冷剂供给单元70的制冷剂循环泵73的旋转速度，以改变制冷剂的冷却效率。通过这种方式，用根据第四实施例的燃料电池系统，如同根据第三实施例的燃料电池系统的情况，可以进一步可靠地供给对应于来自外部负载200的请求的电力，同时，抑制由于负电压导致的燃料电池10的性能退化和劣化。下面描述第五实施例。图22为示出在根据本发明第五实施例的燃料电池系统中执行的负电压恢复处理的过程的流程图。图22与图12基本相同，不同在于，增加了步骤S68的制冷剂控制处理。注意，根据第五实施例的燃料电池系统的结构与根据第一实施例的第二替代实施例的燃料电池系统IOOb (图1，图11)相似。注意，在根据第五实施例的燃料电池系统中，当燃料电池10的温度或外部空气温度低于零时，或者当系统启动时，以抑制燃料电池10的劣化的最小恒定流速从制冷剂供给单元70向燃料电池10供给制冷剂。这里，为了从由于在燃料电池10的反应气体流动通道中的冻结而产生的负电压的状态恢复，期望的是使得燃料电池10的运行温度达到高于零以消除冻结状态。然而，当执行电流约束处理时，燃料电池10的热产生受到燃料电池10的输出电流被限制的量的抑制(Joule定律)。从而，在该情况中，难于增加燃料电池10的运行温度。然后，在根据第五实施例的燃料电池系统中，当在低温环境(诸如低于零度)中执行电流约束处理时，执行步骤S68的制冷剂控制处理，以促进燃料电池10的运行温度的上升。图23为示出步骤S68的制冷剂控制处理的过程的流程图。每当启动燃料电池系·统时在执行电流限制处理时，可执行制冷剂控制处理。另外，制冷剂控制处理可以在燃料电池10的运行温度(其基于通过制冷剂温度测量单元74和75测量的值获得)低于零度或者外部空气温度低于零度时执行。在步骤S200中，控制单元20获取当使得燃料电池10以从限制电流密度获得的约束电流密度在预定发电持续时间t (例如约10至30秒)上产生电力时的推定发热值(下文称为“推定发热值Qe”)。具体而言，控制单元20可以使用基于Joule定律的数学公式(4)计算推定发热值Qe。Qe=I2XRXt (4)这里，I是约束电流密度，R是基于燃料电池10的内阻预设的常数。注意，控制单元20可以基于代替上述数学公式(4)的通过实验等预先获得的映射图或表获取对应于约束电流密度的推定发热值。在步骤S210中，当通过制冷剂供给单元70在燃料电池10中循环制冷剂时，控制单元20获取燃料电池10的假定热容Ce。这里，“燃料电池10的假定热容Ce”是对应于燃料电池10的温度被提高rc时的热量的值。另外，当在燃料电池10中循环制冷剂时，用于提高燃料电池10的温度所需的热量根据燃料电池10的温度或制冷剂的温度和流速而变化。如上所述，在根据第五实施例的燃料电池系统中，以预设最小恒定流速将制冷剂供给到燃料电池10。然后，在根据第五实施例的燃料电池系统中，控制单元20预存映射图或表，该映射图或表能够唯一确定对应于制冷剂的温度和燃料电池10的温度的假定热容Ce，并且使用该映射图或表以获取假定热容Ce。在步骤S220中，控制单元20使用在步骤S200中获取的推定发热值Qe和在步骤S210中获取的燃料电池10的假定热容Ce，以计算推定温度Te，所述推定温度Te是在预定发电持续时间t之后的燃料电池10的预测温度。具体而言，可以使用下面的算术公式(5)计算推定温度Te。Qe=CcX (Te-Tm) (5)这里，Tm是燃料电池10的当前测量的运行温度。在步骤S230，控制单元20确定在步骤S220中计算的推定温度Te是否低于或等于预定阈值，这里，可以将预定阈值设置为燃料电池10的反应气体流动通道中的冻结状态开始消除的温度(例如0°c)。
在预定发电持续时间t中，假设燃料电池10的运行温度达到目标值，当推定温度Te高于预定阈值时，控制单元20执行电流约束处理的步骤S70和后面的步骤中的处理(图22)，同时持续向燃料电池10供给制冷剂。另一方面，当推定温度Te低于或等于预定阈值时，控制单元停止向燃料电池供给并循环制冷剂，以在该预定发电持续时间t中促进燃料电池10的温度的上升(步骤S240)。这里，在根据第五实施例的燃料电池系统中，如上所述，即使燃料电池10的温度较低时，例如在系统启动时，仍向燃料电池10供给制冷剂。这是因为下面的原因。即，在系统启动等时刻，因为燃料电池10内的气流通道的阻塞，非常可能的是，在燃料电池10的发电体11或每个发电体11的发电区域中，产生的电力的量变得不均匀。当在燃料电池10内的功率产生分布不均匀时而停止对燃料电池10供给制冷剂时，由于从功率产生导致的热量的产生，产生较大量的电力的发电体11或区域可能局部劣化。为了避免由于发热值的不均匀的量导致的燃料电池10的局部劣化，即使燃料电池10的温度较低，仍期望向燃料电池10供给制冷剂。 然而，当执行电流限制处理时，限制燃料电池10的发热值，从而在燃料电池10的产生的电力的量局部增大的部分，发热值较小。从而，如同在步骤S240的情况，即使在电流限制处理期间停止向燃料电池10供给制冷剂，不大可能如上所述由于不均匀的发热值发生燃料电池10的劣化。从而，通过停止制冷剂的供给，可以促进燃料电池10的温度上升而不会导致燃料电池10的劣化。当在步骤S240中停止向燃料电池10供给制冷剂之后，控制单元20执行电流限制处理的步骤S70和后面的步骤的处理(图22)。注意，当负电压电池单体11已经从负电压恢复，并且恢复燃料电池的正常运行时，控制单元20重新开始向燃料电池10供给制冷剂。这样，通过根据第五实施例的燃料电池系统，即使在燃料电池10中发生负电压并且执行电流限制处理，适当地控制向燃料电池10的制冷剂供给，以促进燃料电池10的运行温度的上升。从而，以燃料电池10的温度的上升促进从负电压状态的恢复。下面将描述第六实施例。图24为示出在根据本发明第六实施例的燃料电池系统中执行的负电压恢复处理的过程的流程图。图24与图22基本相同，不同在于，提供步骤S68F代替步骤S68。注意，根据第六实施例的燃料电池系统的结构与在第五实施例中所述的燃料电池系统的结构(图I、图11)相似。注意，在根据第六实施例的燃料电池系统中，控制单元20周期性地(例如，以一秒的间隔)测量并记录燃料电池10的运行温度。在根据第六实施例的燃料电池系统中，当在系统启动或燃料电池10的温度较低(例如，温度处于或低于0°C)时执行电流限制处理时，在步骤S62之后执行第一或第二制冷剂控制处理(步骤S68F)。具体而言，在电流限制处理开始之后的步骤S68F中，执行第一制冷剂控制处理。然后，通过电流限制处理的步骤，当在再次执行步骤S68F时满足预定条件时，执行第二制冷剂控制处理。图25A为示出第一制冷剂控制处理的过程的流程图。图25A与图23基本相同。即，以与在第五实施例中所述的制冷剂控制处理相似的方式执行第一制冷剂控制处理。在第一制冷剂控制处理中，当在步骤S230中确定通过电流限制处理燃料电池10的温度难于达到目标运行温度时，停止向燃料电池10供给制冷剂(步骤S240)。图25B为示出第二制冷剂控制处理的过程的流程图。当在第一制冷剂控制处理中未停止向燃料电池10供给制冷剂时执行第二制冷剂控制处理。在步骤S250中，控制单元20基于所记录的燃料电池10的运行温度计算运行温度T的增加速率(dT/dt)，其为燃料电池10的运行温度T的时间改变速率。在步骤S260中，控制单元20基于计算的运行温度T的增加速率计算直到燃料电池10的运行温度达到目标运行温度(例如0°C)的推定时间te。在步骤S270中，控制单元20使用推定的时间te执行确定处理。当推定时间te比预定阈值(例如30秒)长时,控制单元20确定燃料电池10的运行温度在持续供给制冷剂的状态中未在预定时间段中达到目标运行温度，然后，停止向燃料电池10供给制冷剂(步骤S280)。另一方面，当推定时间te小于或等于预定阈值时，控制单元20确定燃料电池10的运行温度可以在预定时间段中达到目标运行温度，即使持续向燃料电池10供给制冷剂。然后，控制单元20在持续向燃料电池10供给制冷剂的同时连续执行电流限制处理(图22)。这里，在第一制冷剂控制处理中，即使在确定燃料电池10的运行温度即使在持续 供给制冷剂时在预定发电持续时间中达到目标温度时，由于从燃料电池10输出的电力被限制，运行温度可能不会比预测的上升。然而，通过根据第六实施例的燃料电池系统，在第二制冷剂控制处理中，基于燃料电池10的实际测量的运行温度的时间改变速率，再次确定是否持续向燃料电池10供给制冷剂。从而，当在系统重启或燃料电池10的温度较低时执行电流限制处理时，更适当地执行制冷剂供给控制，从而促进燃料电池10的温度的上升，并且促进从负电压状态的恢复。图26A和图26B示出作为本发明的参考实例由发明人进行的实验的结果。图26A和图26B示出了负电压电池单体的温度(电池单体温度)中的时间变化和当在低于零度的低温环境中使得燃料电池的电池单体之一产生负电压时的燃料电池的电流密度的时间变化。图26A示出了将从燃料电池输出的电力限制在基本恒定的低电流密度的情况。图26B示出了逐渐增大电流密度的情况。注意，图26A与图26B的纵轴和横轴的比例尺彼此相等。这里，由于停留在单体电池的部分中设置的反应气体流动通道中的水分在低温环境中冻结从而阻塞气流通道，在燃料电池的电池单体的部分中可能发生负电压。在该情况中，期望燃料电池的温度上升以解冻气流通道中的冻结的水分，从而消除差的反应气体供给，由此从负电压中恢复。如图26A和图26B所示，相比于当使得燃料电池在高于恒定低电流密度的电流密度输出电力时，当使得燃料电池在恒定低电流密度输出电力时，电池电压的温度的上升更加温和。从而，当产生负电压时，期望使得燃料电池尽可能地在较高的电流密度输出电力，从而在短时间段中提高燃料电池的运行温度。在上述实施例中描述的当产生负电压时的电流限制处理中，随着累积电流值的增力口，电流密度沿着示出容许范围映射图Mpa的向下凸出的曲线以阶状方式减小。通过这样，燃料电池10可以在运行容许范围中以接近容许限值电流密度运行，从而可以在低温环境中在更短的时间段中增加燃料电池10的温度，从而容易从负电压恢复。即，相比在产生负电压时将电流限制为恒定低电流密度，更期望根据上述实施例的电流限制处理的情况。注意，本发明内容不限于上述实例或实施例，本发明内容可以在不偏离本发明的范围下以各种形式实现。例如，下面的第一至第十三替代实施例是可行的。首先，将描述第一替代实施例。在上述实施例中，控制单元20存储在产生负电压的时间段中的燃料电池10容许的累积电流值与燃料电池10容许的电流密度之间的相互关系，作为容许范围映射图mpa。然而，不一定将相互关系存储为映射图；作为替代的是，例如，可以将相互关系存储为数学公式或函数。下面，将描述第二替代实施例。在上述实施例中，在由向下凸出的下降曲线限定的容许范围映射图Mpa*设置在产生负电压的时间段中的燃料电池10容许的累积电流值与燃料电池10容许的电流密度之间的相互关系。然而，可以在通过具有其他形状的曲线限定的容许范围映射图Mpa中设置相互关系。例如，可以在由线性下降的线性线限定的容许范围映射图Mpa中设置相互关系。然而，上述实施例中的限定容许范围映射图Mpa的向下凸出的下降曲线基于由本发明的发明人进行的实验，更优选作为限定在产生负电压的时间段中的运行容许范围的图形。下面描述第三替代实施例。在上述实施例中，在负电压恢复处理的电流限制处理 中，随着累积电流值的增加，燃料电池10的电流密度沿着限定容许范围映射图Mpa的向下凸出的曲线以阶状方式减小。然而，在电流限制处理中，燃料电池10的电流密度可以不沿着向下凸出的曲线以阶状方式减小。燃料电池10的电流密度只需要被控制为落入在容许范围映射图Mpa中限定的运行容许范围中即可。然而，如同在上述实施例的情况，更优选的是，燃料电池10的电流密度沿着向下凸出的曲线以阶状方式减小，因为可以在电流限制处理中以更接近容许限值电流密度的电流密度执行控制。下面将描述第四替代实施例。在上述实施例中，电池单体电压测量单元91测量燃料电池10的全部发电体11的电压，从而检测负电压。然而，电池单体电压测量单元91不需要测量全部发电体11的电压；电池单体电压测量单元91只需要测量至少一个发电体11的电压，从而检测负电压。例如，已知，在发电体11中，被设置在燃料电池10的端部的发电体11中非常容易发生负电压，其运行温度容易变为最低的温度。于是，电池单体电压测量单元91可以仅测量被设置在端部的发电体11的电压，以检测负电压。下面将描述第五替代实施例。在第一实施例中，在电流限制处理中将最小电流密度ilim设置为燃料电池10的最小限值电流密度，并且控制单元20使用该最小电流密度ilim作为阈值来进行对燃料电池10的重启处理。然而，可以不在控制单元20中设置最小电流密度ilim。下面将描述第六替代实施例。在第三或第四实施例中，对燃料电池10内的湿度和燃料电池10的运行温度之一进行调节，以执行扩展运行容许范围的处理。然而，可行的是，对燃料电池10内的湿度和燃料电池10的运行温度二者均进行调节，以扩展运行容许范围。在该情况中，期望的是，对于燃料电池10内的湿度和燃料电池10的运行温度的每个组合准备容许范围映射图mpa。下面将描述第七替代实施例。在第三或第四实施例中，容许范围改变单元22从对于燃料电池10内的每个湿度或燃料电池10的每个运行温度预先准备的容许范围映射图Mpa中选择对应于燃料电池10内部的湿度或燃料电池10的运行温度的映射图，以扩展运行容许范围。然而，容许范围改变单元22可以使用预设的数学公式、算法等来响应于燃料电池10内部的湿度或燃料电池10的运行温度而校正在容许范围映射图Mpa中设置的相互关系，从而扩展运行容许范围。下面将描述第八替代实施例。在上述实施例中，在容许范围映射图Mpa中设置燃料电池10的电流密度与燃料电池10的累积电流值之间的相互关系。然而，可以在容许范围映射图Mpa中设置燃料电池的代替电流密度的电流值与燃料电池10的累积电流值之间的相互关系。通过将电流密度与电极的面积相乘而获得燃料电池10的电流值，从而在燃料电池10的电流值与燃料电池10的累积电流值之间的相互关系也可以认为是燃料电池10的电流密度与燃料电池10的累积电流值之间的一种相互关系。下面描述第九替代实施例。在根据上述实施例的燃料电池系统中，当负电压电池单体在增加供给的阴极气体的量之后未从负电压恢复时，确定负电压是因为差的氢气供给而产生，然后，执行电流限制处理。然而，同样可行的是，在检测到负电压之后开始电流限制处理，而不执行通过增加供给的阴极气体的量的从负电压恢复的处理。下面描述第十替代实施例。在根据上述实施例的燃料电池系统中，当检测到负电压时启动用于从负电压恢复的处理，在该处理中执行电流约束处理。然而，同样可行的是，在燃料电池系统中，当满足示出产生负电压的可能性的预设环境条件时，即使未检测到产 生负电压，仍执行电流限制处理。例如，可以在外部空气温度处于或低于零度的环境下、在燃料电池10的温度接近处于或低于零度的温度时等执行在上述实施例中描述的电流限制处理。另外，可以执行根据电流限制处理的警报处理(图12的步骤S63)、容许范围改变处理(图16的步骤S65)或制冷剂控制处理(图22的步骤S68、图24的步骤S68F)。下面描述第i^一替代实施例。在上述第二、第三或第四实施例中，如同在第一实施例的其它结构实例中所述，可以在累积电流值记录单元23中非易失性地记录累积电流值。另外，当限值累积电流值大于或等于预定阈值时或当约束电流密度低于或等于预定阈值时，可通过警报单元25执行警报处理。下面将描述第十二替代实施例。在上述第五实施例中，基于使用假定热容Ce计算的燃料电池10的推定温度Te或推定发热值Qe确定是否持续供给制冷剂。然而，控制单元20可以基于燃料电池10的运行温度和推定发热值Qe控制供给到燃料电池10的制冷剂的流速。即，控制单元20可以在推定发热值Qe减小时减小供给到燃料电池10的制冷剂的流速，还可以在燃料电池10的运行温度上升时减小供给的制冷剂的流速的减小度。下面描述第十三替代实施例。在上述第五实施例中，控制单元20使用预先准备的映射图或表以获取对应于燃料电池10的温度和制冷剂的温度的假定热容Ce。然而，控制单元20可以具有作为常数的假定热容Ce，其与燃料电池10的温度或制冷剂的温度不相关。在该情况中，可以将假定热容Ce设置为燃料电池10的部件的热容的总CFC与燃料电池10内部存在的制冷剂的恒定量的热容CRE的总和(CFC+CRE)。
权利要求
1.一种燃料电池系统，其输出响应于来自外部负载的要求的电力，所述燃料电池系统包括 燃料电池，其具有至少一个发电体； 负电压检测单元，其被配置为检测所述至少一个发电体中的负电压； 控制单元，其被配置为控制从所述燃料电池输出的电力；以及累积电流值测量单元，其被配置为测量累积电流值，所述累积电流值是通过对从所述燃料电池输出的电流进行时间积分获得的，其中， 所述控制单元被配置为预先存储在所述至少一个发电体中产生负电压的时间段中容许的累积电流值与该时间段中容许的电流密度之间的相互关系，并且 当已经在所述至少一个发电体中检测到负电压时，所述控制单元被配置为执行输出限制处理，所述输出限制处理将从所述燃料电池输出的电力限制为落入由所述相互关系的容许累积电流值和容许电流密度限定的运行容许范围内。
2.根据权利要求I的燃料电池系统，其中， 当通过第一轴代表所述燃料电池的累积电流值且第二轴代表所述燃料电池的电流密度的图形示出所述相互关系时，所述相互关系被示为向下凸出的曲线，在该曲线中，所述容许电流密度随着所述容许累积电流值的增大而减小。
3.根据权利要求2的燃料电池系统，其中， 在所述输出限制处理中，所述控制单元被配置为，随着累积电流值的增大，沿着指示所述容许电流密度的最大值的所述向下凸出的曲线，减小所述燃料电池的电流密度。
4.根据权利要求I至3中任一项所述的燃料电池系统，还包括 运行状态调节单元，其被配置为包括加湿单元和制冷剂供给单元中的至少一者，所述加湿单元对被供到所述燃料电池的反应气体的加湿量进行控制，以便调节所述燃料电池内的湿润状态，所述制冷剂供给单元对被供到所述燃料电池的制冷剂的流速进行控制，以便调节所述燃料电池的运行温度；以及 相互关系改变单元，其被配置为，响应于所述燃料电池内的湿润状态和所述燃料电池的运行温度中的至少一者，改变所述相互关系，其中， 当在所述至少一个发电体中产生负电压的时间段中与从所述外部负载要求的输出电流对应的电流密度大于预定值时，所述控制单元被配置为，使得所述运行状态调节单元对所述燃料电池内的湿润状态与所述燃料电池的运行温度中的至少一者进行调节，以便以通过所述相互关系改变单元改变所述相互关系的方式对所述运行容许范围进行扩展。
5.根据权利要求I至4中任一项所述的燃料电池系统，其中， 当所述输出限制处理完成时，所述控制单元被配置为对在所述输出限制处理中从所述燃料电池输出的电流的累积电流值进行非易失性的存储，并且，当所述输出限制处理重新开始时，所述控制单元被配置为使用总累积电流值来执行所述输出限制处理，所述总累积电流值是通过将所存储的累积电流值与在所述输出限制处理重新开始之后从所述燃料电池输出的电流的累积电流值相加而获得的。
6.根据权利要求I至5中任一项所述的燃料电池系统，还包括 警报单元，其被配置为向用户警报所述燃料电池的劣化，其中， 所述控制单元被配置为预先存储所述燃料电池的电流密度的下限值，并且，在所述输出限制处理中，当所述燃料电池的电流密度低于所述下限值时，所述控制单元被配置为使得所述警报单元向用户警报所述燃料电池的劣化。
7.根据权利要求I至6中任一项所述的燃料电池系统，还包括 制冷剂供给单元，其被配置为向所述燃料电池供给制冷剂，由此控制所述燃料电池的温度；以及 温度测量单元，其被配置为测量所述燃料电池的运行温度，其中， 在所述输出限制处理中，所述控制单元被配置为获得推定发热值，所述推定发热值为当使得所述燃料电池以基于到所述燃料电池的电流密度命令值的电流密度输出电力时的所述燃料电池的发热值；以及，基于由所述温度测量单元测量的运行温度和所述推定发热值，控制由所述制冷剂供给单元供到所述燃料电池的制冷剂的量。
8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其中， 在所述输出限制处理中，所述控制单元被配置为使用所述推定发热值和由所述温度测量单元测量的运行温度，计算在所述燃料电池被供以制冷剂的同时使得所述燃料电池输出电力持续达预定时间段时的所述燃料电池的推定温升，并且，当所述推定温升小于或等于预设的阈值时，所述控制单元被配置为，在使所述制冷剂供给单元停止向所述燃料电池供给制冷剂的状态下，使得所述燃料电池产生电力。
9.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其中， 在所述输出限制处理中，当所述燃料电池的运行温度的上升速率低于预设的阈值时，所述控制单元被配置为，在使所述制冷剂供给单元停止向所述燃料电池供给制冷剂的状态下，使得所述燃料电池产生电力。
10.一种用于燃料电池系统的控制方法，所述燃料电池系统输出响应于来自外部负载的要求而由具有至少一个发电体的燃料电池产生的电力，该控制方法包括 检测所述至少一个发电体中的负电压； 测量累积电流值，所述累积电流值是通过在所述至少一个发电体中产生负电压的时间段中对从所述燃料电池输出的电流进行时间积分而获得的； 参照在所述至少一个发电体中产生负电压的时间段中容许的累积电流值与在该时间段中容许的电流密度之间的预设的相互关系；以及 执行输出限制处理，所述输出限制处理将从所述燃料电池输出的电力限制为落入由所述相互关系的容许累积电流值和容许电流密度限定的运行容许范围内。
11.一种燃料电池系统，其输出响应于来自外部负载的要求而产生的电力，包括 燃料电池，其具有至少一个发电体； 控制单元，其被配置为对从所述燃料电池输出的电力进行控制；以及累积电流值测量单元，其被配置为测量累积电流值，所述累积电流值是通过对从所述燃料电池输出的电流进行时间积分而获得的，其中， 所述控制单元被配置为预先存储在所述至少一个发电体中产生负电压的时间段中容许的累积电流值与在该时间段中容许的电流密度之间的相互关系，以及 当指示产生负电压的可能性的预设的环境条件满足时，所述控制单元被配置为，判断为负电压在所述至少一个发电体中产生，接着，执行输出限制处理，所述输出限制处理将从所述燃料电池输出的电力限制为落入由所述相互关系的容许累积电流值和容许电流密度限定的运行容许范围内。
12.根据权利要求11所述的燃料电池系统，其中， 当通过第一轴代表所述燃料电池的累积电流值且第二轴代表所述燃料电池的电流密度的图形示出所述相互关系时，所述相互关系被示为向下凸出的曲线，在该曲线中，所述容许电流密度随着所述容许累积电流值的增大而减小。
13.根据权利要求12所述的燃料电池系统，其中， 在所述输出限制处理中，所述控制单元(20 )被配置为，随着累积电流值的增大，沿着指示所述容许电流密度的最大值的所述向下凸出的曲线，减小所述燃料电池的电流密度。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的燃料电池系统，还包括 运行状态调节单元，其被配置为包括加湿单元和制冷剂供给单元中的至少一者，所述加湿单元对被供到所述燃料电池的反应气体的加湿量进行控制，以便调节所述燃料电池内的湿润状态，所述制冷剂供给单元对被供到所述燃料电池的制冷剂的流速进行控制，以便调节所述燃料电池的运行温度；以及 相互关系改变单元，其被配置为，响应于所述燃料电池内的湿润状态和所述燃料电池的运行温度中的至少一者，改变所述相互关系，其中， 当在所述至少一个发电体中产生负电压的时间段中与从所述外部负载要求的输出电流对应的电流密度大于预定值时，所述控制单元被配置为，使得所述运行状态调节单元对所述燃料电池内的湿润状态以及所述燃料电池的运行温度中的至少一者进行调节，以便以通过所述相互关系改变单元改变所述相互关系的方式来对所述运行容许范围进行扩展。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的燃料电池系统，其中， 当所述输出限制处理完成时，所述控制单元被配置为对在所述输出限制处理中从所述燃料电池输出的电流的累积电流值进行非易失性的存储，并且，当所述输出限制处理重新开始时，所述控制单元被配置为使用总累积电流值来执行所述输出限制处理，所述总累积电流值是通过将所存储的累积电流值与在所述输出限制处理重新开始之后从所述燃料电池输出的电流的累积电流值相加而获得的。
16.根据权利要求11至15中任一项所述的燃料电池系统，还包括 警报单元，其被配置为向用户警报所述燃料电池的劣化，其中， 所述控制单元被配置为预先存储所述燃料电池的电流密度的下限值，并且，在所述输出限制处理中，当所述燃料电池的电流密度低于所述下限值时，所述控制单元被配置为使得所述警报单元向用户警报所述燃料电池的劣化。
17.根据权利要求11至16中任一项所述的燃料电池系统，还包括 制冷剂供给单元，其被配置为向所述燃料电池供给制冷剂，由此控制所述燃料电池的温度；以及 温度测量单元，其被配置为测量所述燃料电池的运行温度，其中， 在所述输出限制处理中，所述控制单元被配置为获得推定发热值，所述推定发热值为当使得所述燃料电池以基于到所述燃料电池的电流密度命令值的电流密度输出电力时的所述燃料电池的发热值；以及，基于由所述温度测量单元测量的运行温度以及所述推定发热值，对由所述制冷剂供给单元供到所述燃料电池的制冷剂的量进行控制。
18.根据权利要求17所述的燃料电池系统，其中，在所述输出限制处理中，所述控制单元被配置为，使用所述推定发热值和由所述温度测量单元测量的运行温度，计算在所述燃料电池被供以制冷剂的同时使得所述燃料电池输出电力持续达预定时间段时的所述燃料电池的推定温升，并且，当所述推定温升小于或等于预设的阈值时，所述控制单元被配置为，在使所述制冷剂供给单元停止向所述燃料电池供给制冷剂的状态下，使得所述燃料电池产生电力。
19.根据权利要求18所述的燃料电池系统，其中， 在所述输出限制处理中，当所述燃料电池的运行温度的上升速率低于预设的阈值时，所述控制单元被配置为，在使所述制冷剂供给单元停止向所述燃料电池供给制冷剂的状态下，使得所述燃料电池产生电力。
20.一种用于燃料电池系统的控制方法，所述燃料电池系统输出响应于来自外部负载的要求而由具有至少一个发电体的燃料电池产生的电力，该控制方法包括 测量累积电流值，所述累积电流值是通过在这样的时间段中对从所述燃料电池输出的电流进行时间积分而获得的在该时间段中，满足指示在所述至少一个发电体中产生负电压的可能性的预设的环境条件； 参照在所述至少一个发电体中产生负电压的时间段中容许的累积电流值与在该时间段中容许的电流密度之间的预设的相互关系；以及 执行输出限制处理，所述输出限制处理将从所述燃料电池输出的电力限制为落入由所述相互关系的容许累积电流值和容许电流密度限定的运行容许范围内。
全文摘要
提供了一种燃料电池系统及其控制方法。燃料电池系统(100)包括燃料电池(10)，其由多个层叠发电体(11)形成；电池单体电压测量单元(91)，其检测任一发电体(11)中的负电压；控制单元(20)，其控制从燃料电池(10)输出的电力；以及，累积电流值测量单元(21)，其测量通过对从燃料电池输出的电流进行时间积分获得的累积电流值。控制单元(20)预先存储在产生负电压的时间段中对于燃料电池(10)容许的累积电流值与电流密度之间的相互关系。当检测到负电压时，控制单元(20)执行输出限制处理，该处理将从燃料电池(10)输出的电力限制为落入由所述相互关系的累积电流值和电流密度限定的运行容许范围中。
文档编号H01M8/04GK102986071SQ201180025658
公开日2013年3月20日 申请日期2011年5月25日 优先权日2010年5月25日
发明者川原周也, 加藤学, 久米井秀之 申请人:丰田自动车株式会社