CN101946352A - 燃料电池系统及燃料电池系统的控制方法 - Google Patents

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Abstract

在由燃料电池组(100)进行的发电停止后，当判断为在发电中因氢和氧的电化学反应而产生的生成水在燃料电池组(100)具备的膜电极接合体中会冻结时，以使膜电极接合体的温度比隔板的温度相对变高的方式进行微弱的发电(温度梯度形成控制)。并且，该温度梯度形成控制仅在直至在膜电极接合体和隔板之间形成温度梯度为止的期间进行，在膜电极接合体和隔板之间形成温度梯度后迅速停止。由此，在具备燃料电池的燃料电池系统中，能够抑制燃料电池系统的能量效率的降低，并且能够提高低温起动性。

Description

燃料电池系统及燃料电池系统的控制方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统及燃料电池系统的控制方法。
背景技术
以往，利用燃料气体(例如氢)和氧化剂气体(例如氧)之间的电化学反应进行发电的燃料电池作为能量源受到关注。该燃料电池通过利用隔板夹持膜电极接合体而构成，所述膜电极接合体为在具有质子传导性的电解质膜的两面上分别接合阳极及阴极而构成。并且，在膜电极接合体的阴极，发电时因阴极反应而产生水(生成水)。
在具备这样的燃料电池的燃料电池系统中，在燃料电池的发电停止后，如果燃料电池的温度变为冰点以下，则包含在膜电极接合体中的生成水会冻结。然后，若在该状态下起动燃料电池系统，则因冻结的生成水而妨碍燃料气体向膜电极接合体的阳极的供给及氧化剂气体向阴极的供给，燃料电池的发电性能降低。
因此，以往，在燃料电池系统中，提出了用于抑制发电停止中的燃料电池内部的生成水的冻结的各种技术。
专利文献1：日本特开2004-22198号公报
专利文献2：日本特开2006-107901号公报
专利文献3：日本特开2004-327101号公报
专利文献4：日本特开2005-322527号公报
发明内容
但是，在上述专利文献记载的技术中，或进行使残留在燃料电池内部的生成水排出至燃料电池的外部的运转，或进行将燃料电池的温度维持在比冻结温度高的温度的运转，因此在进行这些运转时，消耗能量，导致燃料电池系统的能量效率降低。
本发明是为了解决上述课题而创立的，其目的在于，在具备燃料电池的燃料电池系统中，抑制燃料电池系统的能量效率的降低，并且提高低温起动性。
本发明为了解决上述课题的至少一部分，可作为以下的方式或实施例实现。
[实施例1]
一种燃料电池系统，具备：燃料电池，由隔板夹持膜电极接合体而构成，所述膜电极接合体通过在电解质膜的两面分别接合阳极及阴极而构成；燃料气体供给部，向所述阳极供给燃料气体；氧化剂气体供给部，向所述阴极供给氧化剂气体；冷却介质循环部，使用于冷却所述燃料电池的冷却介质循环到形成于所述隔板内的冷却介质流路；及控制所述各部的控制部，所述控制部在所述燃料电池的发电停止后，在预测为在发电中因所述燃料气体和所述氧化剂气体之间的电化学反应生成的生成水在所述膜电极接合体中会冻结时，进行如下的温度梯度形成控制：起动所述燃料气体供给部、所述氧化剂气体供给部、及所述冷却介质循环部中的至少一个，以使所述膜电极接合体的温度比所述隔板的温度相对变高的方式在所述膜电极接合体和所述隔板之间形成温度梯度，在所述膜电极接合体和所述隔板之间形成所述温度梯度之后，停止所述温度梯度形成控制。
在实施例1的燃料电池系统中，在燃料电池的发电停止后，当预测为在发电中因燃料气体和氧化剂气体的电化学反应生成的生成水在膜电极接合体中会冻结时，进行如下的温度梯度形成控制：起动燃料气体供给部、氧化剂气体供给部、及所述冷却介质循环部中的至少一个，以使膜电极接合体的温度比隔板的温度相对变高的方式在膜电极接合体和隔板之间形成温度梯度。由此，在膜电极接合体和隔板之间生成蒸气压梯度，对膜电极接合体中包含的生成水作用从蒸气压高的膜电极接合体侧向蒸气压低的隔板侧移动的驱动力。因此，能够使膜电极接合体中包含的生成水向隔板侧移动，能够抑制冰点以下的低温环境下膜电极接合体中的生成水的冻结。其结果，能够提高燃料电池系统的低温起动性。
另外，所述温度梯度形成控制仅在直至在膜电极接合体和隔板之间进行形成希望的温度梯度为止的期间进行，在形成该温度梯度后迅速停止。因此，与如前说明的现有技术即将在燃料电池内部残留的生成水排出至燃料电池外部的运转、将燃料电池的温度维持在比冻结温度高的温度的运转相比较，能够抑制燃料电池系统的能量效率的降低。
对所述生成水在膜电极接合体中是否会冻结的预测可适用各种方法。例如，在燃料电池中设置温度传感器，利用该温度传感器适当检测燃料电池的温度，能够基于检测出的温度、温度变化率来判断所述生成水在膜电极接合体中是否会冻结。另外，也可以基于燃料电池的外部的环境温度、环境温度变化率、冷却介质的温度、冷却介质的温度变化率中的至少一部分来判断所述生成水在膜电极接合体中是否会冻结。
[实施例2]
在实施例1所述的燃料电池系统中，作为所述温度梯度形成控制，所述控制部起动所述燃料气体供给部及所述氧化剂气体供给部而进行所述燃料电池的发电，从而使所述膜电极接合体的温度比所述隔板的温度高。
根据实施例2的燃料电池系统，能够使膜电极接合体的温度比隔板的温度高。温度梯度形成控制中的发电由于只要在膜电极接合体和隔板之间形成温度梯度即可，因此可以是比稳定发电微弱的发电。
[实施例3]
在实施例1记载的燃料电池系统中，作为所述温度梯度形成控制，所述控制部起动所述冷却介质循环部而使所述冷却介质循环到所述隔板，从而使所述隔板的温度比所述膜电极接合体的温度低。
根据实施例3的燃料电池系统，能够使膜电极接合体的温度比隔板的温度高。
[实施例4]
在实施例1记载的燃料电池系统中，所述阳极及阴极包含用于促进所述燃料气体和所述氧化剂气体之间的反应的催化剂，所述燃料电池系统还具备混合气体供给部，所述混合气体供给部向所述阳极及所述阴极中的至少一方供给所述燃料气体和所述氧化剂气体的混合气体，作为所述温度梯度形成控制，所述控制部起动所述混合气体供给部而在所述催化剂的作用下使所述混合气体燃烧，从而使所述膜电极接合体的温度比所述隔板的温度高。
根据实施例4的燃料电池系统，能够使膜电极接合体的温度比隔板的温度高。
本发明能够适当组合上述各种特征的一部分而构成。另外，本发明除了作为上述燃料电池系统的构成外，也可以作为燃料电池系统的控制方法的发明构成。另外，可通过实现它们的计算机程序、存储该程序的存储介质、包含该程序而在输送波内具体化的数据信号等各种方式实现。在各方式中，可适用先前展示的各种附加要素。
将本发明作为计算机程序或存储该程序的存储介质等构成的情况下，也可以作为控制燃料电池系统的动作的程序整体构成，也可以构成仅发挥本发明的功能的部分。另外，作为存储介质，可利用软磁盘、CD-ROM、DVD-ROM、光磁盘、IC卡、ROM卡盒、穿孔卡、印刷有条形码等符号的印刷物、计算机的内部存储装置(RAM、ROM等存储器)及外部存储装置等计算机可读的各种介质。
附图说明
图1是表示作为本发明的第一实施例的燃料电池系统1000的概略构成的说明图。
图2是表示第一实施例的燃料电池组100的发电停止后的运转控制处理的流程的流程图。
图3是表示发电停止后的运转控制处理的作用/效果的说明图。
图4是表示第二实施例的燃料电池组100的发电停止后的运转控制处理的流程的流程图。
图5是表示作为本发明的第三实施例的燃料电池系统1000A的概略构成的说明图。
图6是表示第三实施例的燃料电池组100的发电停止后的运转控制处理的流程的流程图。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明的实施方式进行说明。
A.第一实施例
A1.燃料电池系统的构成
图1是表示作为本发明的第一实施例的燃料电池系统1000的概略构成的说明图。
燃料电池组100具有层叠多个通过氢和氧的电化学反应进行发电的单电池40而成的电池组构造。各单电池40大致为利用隔板夹持膜电极接合体的构成，所述膜电极接合体是在具有质子传导性的电解质膜的两面上分别接合阳极和阴极而成。阳极及阴极分别具备与电解质膜的各表面接合的催化剂层和与该催化剂层的表面接合的气体扩散层。在本实施例中，作为电解质膜，使用Nafion(注册商标)等的固体高分子膜。作为电解质膜，也可以使用固体氧化物等其他的电解质膜。在各隔板上形成有作为应向阳极供给的燃料气体的氢的流路、作为应向阴极供给的氧化剂气体的空气的流路、冷却介质(水、乙二醇等)的流路。单电池40的层叠数可根据燃料电池组100所要求的输出而任意地设定。
燃料电池组100通过从一端依次层叠端板10a、绝缘板20a、集电板30a、多个单电池40、集电板30b、绝缘板20b、端板10b而构成。在它们上设置有用于使氢、空气、冷却介质流到燃料电池组100内的供给口、排出口。另外，在燃料电池组100内部形成有：供给歧管(氢供给歧管、空气供给歧管、冷却介质供给歧管)，用于将氢、空气、冷却介质分别分配供给至各单电池40；及排出歧管(阳极废气排出歧管、阴极废气排出歧管、冷却介质排出歧管)，用于使从各单电池40的阳极及阴极分别排出的阳极废气及阴极废气、冷却介质集中而将它们排出至燃料电池组100的外部。
另外，在燃料电池组100中设有用于检测单电池40的温度的温度传感器90。如图所示，在本实施例中，温度传感器90设置在因放热温度容易降低的、配置于多个单电池40的层叠方向的端部的单电池40上。
为了确保刚性，端板10a、10b由钢等金属形成。绝缘板20a、20b由橡胶、树脂等绝缘性部件形成。集电板30a、30b由致密质碳、铜板等气体不透过的导电性部件形成。在集电板30a、30b上分别设置有未图示的输出端子，可输出由燃料电池组100发电的电力。
另外，虽然省略图示，但燃料电池组100中，为了抑制电池组构造中任意一个部位的接触电阻的增加等造成的电池性能的降低或抑制气体泄漏，以在电池组构造的层叠方向上施加规定的连接载荷的状态利用连接部件进行连接。
从贮存高压氢的氢罐50经由配管53向燃料电池组100的阳极供给作为燃料气体的氢。也可以代替氢罐50而通过以乙醇、烃、乙醛等为原料的改性反应来生成富氢的气体，并供给至阳极。
贮存在氢罐50中的高压氢通过设置于氢罐50的出口的断流阀51、调节器52来调整压力及供给量，经由氢供给歧管供给至各单电池40的阳极。从各单电池40排出的阳极废气能够经由与阳极废气排出歧管连接的排出配管56排出至燃料电池组100的外部。将阳极废气向燃料电池组100的外部排出时，包含在阳极废气中的氢利用未图示的稀释器等处理。
另外，配管53及排出配管56上连接有用于使阳极废气再循环到配管53的循环配管54。并且，在排出配管56的与循环配管54的连接部的下游侧设有排气阀57。另外，在循环配管54上设置有泵55。通过控制泵55及排气阀57的驱动，能够适当地对使阳极废气向外部排出或使其循环到配管53进行切换。通过使阳极废气再循环到配管53，能够高效地利用包含在阳极废气中的未消耗的氢。
经由配管61将利用压缩机60压缩后的压缩空气作为含有氧的氧化剂气体向燃料电池组100的阴极供给。并且，该压缩空气经由与配管61连接的空气供给歧管而被供给至各单电池40的阴极。从各单电池40的阴极排出的阴极废气经由与阴极废气排出歧管连接的排出配管62被排出至燃料电池组100的外部。从排出配管62排出阴极废气并且还排出在燃料电池组100的阴极因氢和氧的电化学反应生成的生成水。
燃料电池组100因上述的电化学反应而发热，因此也向燃料电池组100供给用于冷却燃料电池组100的冷却介质。该冷却介质通过泵70流过配管72，并被散热器71冷却，供给至燃料电池组100。
虽然省略图示，但为了在冰点以下的低温环境下抑制燃料电池组100内部的生成水的冻结，燃料电池组100被收容于具有隔热性的箱体内。
燃料电池系统1000的运转被控制单元80控制。控制单元80作为在内部具有CPU、RAM、ROM、计时器等的微机而构成，根据存储于ROM中的程序，例如控制各种阀、泵的驱动等系统的运转。另外，在本实施例的燃料电池系统1000中，控制单元80在由燃料电池组100进行的发电停止后，进行以下说明的运转控制处理。
A2.发电停止后的运转控制处理
图2是表示第一实施例的燃料电池组100的发电停止后的运转控制处理的流程的流程图。该处理是控制单元80的CPU执行的处理。
首先，CPU利用温度传感器90以规定周期检测燃料电池组100的温度(步骤S100)。在本实施例中，设为以一小时的周期检测燃料电池组100的温度。上述规定周期可以任意地设定。另外，也可以根据由温度传感器90检测出的温度来改变燃料电池组100的温度检测周期。例如，也可以在发电停止后的初期，设燃料电池组100的温度检测周期为1小时，在燃料电池组100的温度变为规定温度(例如10(℃))以下时，将燃料电池组100的温度检测周期五等分。
然后，CPU计算出燃料电池组100的温度的变化率(降低率)，基于燃料电池组100的温度和燃料电池组100的温度变化率来预测燃料电池组100内的膜电极接合体中的生成水的冻结(步骤S110)。并且，在判断为在膜电极接合体中生成水不会冻结的情况下(步骤S120：否)，返回步骤S100。在由燃料电池组100进行的发电停止后经过相当时间之后，构成燃料电池组100的膜电极接合体和隔板的温度大致相等。
另一方面，在判断为在膜电极接合体中生成水会冻结的情况下(步骤S120：是)，CPU在膜电极接合体的温度变为冰点以下的紧前时刻，打开断流阀51、调节器52、排气阀57，并且起动压缩机60，向膜电极接合体的阳极及阴极分别供给氢及空气(步骤S130)，在规定期间，通过燃料电池组100进行比稳定发电微弱的发电，通过由该发电引起的膜电极接合体的发热，在膜电极接合体和隔板之间形成温度梯度。该处理相当于本发明的温度梯度形成控制。上述规定期间可在膜电极接合体和隔板之间形成希望的温度梯度的范围内任意地设定。其后，CPU关闭断流阀51、调节器52、排气阀57，并且停止压缩机60，停止向膜电极接合体的阳极及阴极供给氢及空气(步骤S140)，结束该处理。
A3.作用/效果
图3是表示上述发电停止后的运转控制处理的作用/效果的说明图。在上述运转控制处理的步骤S130中，在规定期间进行燃料电池组100的发电，如图3(b)所示，在膜电极接合体(MEA：Membrane Electrode Assembly)和隔板之间形成温度梯度即蒸气压梯度。这样，通过该蒸气压梯度，向膜电极接合体中包含的生成水作用从蒸气压较高的膜电极接合体侧向蒸气压较低的隔板侧移动的驱动力，因此如图3(a)所示，膜电极接合体中包含的生成水从膜电极接合体侧向隔板侧移动。由此，能够减少膜电极接合体中包含的生成水的量。
根据以上说明的第一实施例的燃料电池系统1000，通过上述运转控制，能够在膜电极接合体中包含的生成水冻结的紧前时刻使该生成水从膜电极接合体向隔板侧移动，因此能够抑制在冰点以下的低温环境下膜电极接合体中的生成水的冻结，能够提高燃料电池系统1000的低温起动性。另外，在上述运转控制中，燃料电池组100的发电(图2的步骤S130)仅在直至在膜电极接合体和隔板之间形成温度梯度为止的期间进行，其后，迅速停止，因此，与之前说明的现有技术即将在燃料电池内部残留的生成水排出至燃料电池外部的运转、将燃料电池的温度维持在比冻结温度高的温度的运转相比，能够抑制燃料电池系统1000的能量效率的降低。
B.第二实施例
第二实施例的燃料电池系统的构成与第一实施例的燃料电池系统1000的构成相同。但是，燃料电池组100的发电停止后的运转控制处理与第一实施例不同。以下，对在第二实施例的燃料电池系统中燃料电池组100的发电停止后的运转控制处理进行说明。
图4是表示第二实施例的燃料电池组100的发电停止后的运转控制处理的流程的流程图。该处理是控制单元80的CPU执行的处理。
首先，CPU利用温度传感器90以规定周期检测燃料电池组100的温度(步骤S200)。这与第一实施例的运转控制处理的步骤S100相同。
然后，CPU计算燃料电池组100的温度的变化率(降低率)，基于燃料电池组100的温度和燃料电池组100的温度变化率来预测燃料电池组100内的膜电极接合体中的生成水的冻结(步骤S210)。并且，在判断为在膜电极接合体中生成水不会冻结的情况下(步骤S220：否)，返回步骤S200。
另一方面，在判断为在膜电极接合体中生成水会冻结的情况下(步骤S220.是)，CPU在膜电极接合体的温度变为冰点以下的紧前时刻起动用于使冷却介质循环的泵70及散热器71，使冷却介质向燃料电池组100循环(步骤S230)，在规定期间冷却隔板，在膜电极接合体和隔板之间形成温度梯度。如之前所说明的，燃料电池组100收容在具有隔热性的箱体内，由于泵70、散热器71等冷却装置配置在箱体外，因此冷却介质的温度比隔板的温度低。因此，通过使冷却介质向燃料电池组100循环，能够使隔板的温度降低。该处理相当于本发明的温度梯度形成控制。其后，CPU停止泵70及散热器71，停止冷却介质的循环(步骤S240)，结束该处理。
根据以上说明的第二实施例的燃料电池系统1000，也与第一实施例的燃料电池系统1000同样，能够在膜电极接合体中包含的生成水冻结的紧前时刻在膜电极接合体和隔板之间形成温度梯度，使该生成水从膜电极接合体向隔板侧移动，因此能够抑制在冰点以下的低温环境下膜电极接合体中的生成水的冻结，能够提高燃料电池系统1000的低温起动性。另外，在上述运转控制中，冷却水的循环(图4的步骤S230)仅在直至在膜电极接合体和隔板之间形成温度梯度为止的期间进行，其后，迅速停止，因此与第一实施例同样，与之前说明的现有技术即将残留在燃料电池内部的生成水排出至燃料电池外部的运转、将燃料电池的温度维持在比冻结温度高的温度的运转相比，能够抑制燃料电池系统1000的能量效率的降低。
C.第三实施例
C1.燃料电池系统的构成
图5是表示作为本发明的第三实施例的燃料电池系统1000A的概略构成的说明图。该燃料电池系统1000A的构成与第一实施例及第二实施例的燃料电池系统1000的构成大致相同。但是，第三实施例的燃料电池系统1000A如图所示，具备：配管58，用于使氢从配管53流向配管61；及三通阀59，进行切换以使氢流向燃料电池组100或流向配管58。然后，驱动压缩机60而使空气流向配管61，并且控制三通阀59，使氢流向配管61，从而能够使氢和空气的混合气体流向燃料电池组100的阴极。另外，燃料电池系统1000A具备控制单元80A而代替控制单元80。
C2.发电停止后的运转控制处理
图6是表示第三实施例的燃料电池组100的发电停止后的运转控制处理的流程的流程图。该处理是控制单元80A的CPU执行的处理。
首先，CPU利用温度传感器90以规定周期检测燃料电池组100的温度(步骤S300)。这与第一实施例的运转控制处理的步骤S100相同。
然后，CPU计算出燃料电池组100的温度的变化率(降低率)，基于燃料电池组100的温度和燃料电池组100的温度变化率来预测燃料电池组100内的膜电极接合体中的生成水的冻结(步骤S310)。然后，在判断为在膜电极接合体中生成水不会冻结的情况下(步骤S320：否)，返回步骤S300。
另一方面，在判断为在膜电极接合体中生成水会冻结的情况下(步骤S320：是)，CPU在膜电极接合体的温度变为冰点以下的紧前时刻打开断流阀51、调节器52，另外，控制三通阀59以使氢从配管53流向配管58，并且起动压缩机60，在规定期间向膜电极接合体的阴极供给氢和空气的混合气体(步骤S330)。这样，通过膜电极接合体的阴极的催化剂层中包含的催化剂，氢和空气中所包含的氧燃烧，利用该燃烧引起的膜电极接合体(催化剂层)的发热，在膜电极接合体和隔板之间形成温度梯度。该处理相当于本发明的温度梯度形成控制。其后，CPU关闭断流阀51、调节器52，使三通阀59的状态复原，并且停止压缩机60，停止向膜电极接合体的阴极供给混合气体(步骤S340)，结束该处理。
根据以上说明的第三实施例的燃料电池系统1000A，也与第一实施例1000同样，能够在膜电极接合体中包含的生成水冻结的紧前时刻在膜电极接合体和隔板之间形成温度梯度，使该生成水从膜电极接合体向隔板侧移动，因此能够抑制在冰点下的低温环境下膜电极接合体中的生成水的冻结，能够提高燃料电池系统1000的低温起动性。另外，在上述运转控制中，混合气体向膜电极接合体的阴极的供给(图6的步骤S330)仅在直至在膜电极接合体和隔板之间形成温度梯度为止的期间进行，其后，迅速停止，因此与第一实施例同样，与之前说明的现有技术即将在燃料电池内部残留的生成水向燃料电池外部排出的运转、将燃料电池的温度维持在比冻结温度高的温度的运转相比，能够抑制燃料电池系统1000A的能量效率的降低。
D.变形例
以上，对本发明的几个实施方式进行了说明，但本发明丝毫不受限于这些实施方式，可在不脱离其主旨的范围内以各种方式实施。例如，可进行以下的变形。
D1.变形例1
也可以组合上述第一至第三实施例的内容。例如，也可以组合第一实施例的燃料电池组100的发电停止后的运转控制处理和第二实施例的燃料电池组100的发电停止后的运转控制处理，当预测为在燃料电池组100的膜电极接合体中生成水会冻结时，进行发电，并且使冷却介质循环。另外，也可以在第三实施例的燃料电池系统1000A中，组合燃料电池组100的发电停止后的运转控制处理和第二实施例的燃料电池组100的发电停止后的运转控制处理，当预测为在燃料电池组100的膜电极接合体中生成水会冻结时，通过膜电极接合体的阴极的催化剂层中包含的催化剂使混合气体燃烧，并且使冷却介质循环。
D2.变形例2
在上述第三实施例中，燃料电池系统1000A具备配管58和三通阀59，在燃料电池组100的发电停止后的运转控制处理中，向膜电极接合体的阴极供给上述混合气体，通过阴极的催化剂层中包含的催化剂使氢和氧燃烧，但是本发明不限于此。向膜电极接合体的阳极及阴极中的至少一方供给上述混合气体，通过催化剂层中包含的催化剂使氢和氧燃烧即可。
D3.变形例3
在上述实施例中，在燃料电池组100的发电停止后的运转控制处理中，基于燃料电池组100的温度和燃料电池组100的温度变化率来预测燃料电池组100内的膜电极接合体中的生成水的冻结，但是本发明不限于此。例如，也可以检测或计算出燃料电池组100的外部的环境温度、环境温度的变化率、冷却介质的温度、冷却介质的温度变化率，基于它们中的至少一个来预测燃料电池组100内的膜电极接合体中的生成水的冻结。

Claims (5)

1.一种燃料电池系统，具备：
燃料电池，由隔板夹持膜电极接合体而形成，所述膜电极接合体通过在电解质膜的两面分别接合阳极及阴极而构成；
燃料气体供给部，向所述阳极供给燃料气体；
氧化剂气体供给部，向所述阴极供给氧化剂气体；
冷却介质循环部，使用于冷却所述燃料电池的冷却介质循环到形成于所述隔板内的冷却介质流路；及
控制部，
所述控制部在所述燃料电池的发电停止后，在预测为在发电中因所述燃料气体和所述氧化剂气体之间的电化学反应生成的生成水在所述膜电极接合体中会冻结时，进行如下的温度梯度形成控制：起动所述燃料气体供给部、所述氧化剂气体供给部、及所述冷却介质循环部中的至少一个，以使所述膜电极接合体的温度比所述隔板的温度相对变高的方式在所述膜电极接合体和所述隔板之间形成温度梯度，在所述膜电极接合体和所述隔板之间形成所述温度梯度之后，停止所述温度梯度形成控制。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，
作为所述温度梯度形成控制，所述控制部起动所述燃料气体供给部及所述氧化剂气体供给部而进行所述燃料电池的发电，从而使所述膜电极接合体的温度比所述隔板的温度高。
3.如权利要求1所述的燃料电池系统，
作为所述温度梯度形成控制，所述控制部起动所述冷却介质循环部而使所述冷却介质循环到所述隔板，从而使所述隔板的温度比所述膜电极接合体的温度低。
4.如权利要求1所述的燃料电池系统，
所述阳极及阴极包含用于促进所述燃料气体和所述氧化剂气体之间的反应的催化剂，
所述燃料电池系统还具备混合气体供给部，所述混合气体供给部向所述阳极及所述阴极中的至少一方供给所述燃料气体和所述氧化剂气体的混合气体，
作为所述温度梯度形成控制，所述控制部起动所述混合气体供给部而在所述催化剂的作用下使所述混合气体燃烧，从而使所述膜电极接合体的温度比所述隔板的温度高。
5.一种燃料电池系统的控制方法，
所述燃料电池系统具备：
燃料电池，由隔板夹持膜电极接合体而形成，所述膜电极接合体通过在电解质膜的两面分别接合阳极及阴极而构成；
燃料气体供给部，向所述阳极供给燃料气体；
氧化剂气体供给部，向所述阴极供给氧化剂气体；及
冷却介质循环部，使用于冷却所述燃料电池的冷却介质循环到形成于所述隔板内的冷却介质流路，
所述控制方法包括：
冻结预测工序，在所述燃料电池的发电停止后，对在发电中因所述燃料气体和所述氧化剂气体之间的电化学反应生成的生成水在所述膜电极接合体中是否会冻结进行预测；
温度梯度形成工序，在由所述冻结预测工序预测为所述生成水在所述膜电极接合体中会冻结时，起动所述燃料气体供给部、所述氧化剂气体供给部、及所述冷却介质循环部中的至少一个，以使所述膜电极接合体的温度比所述隔板的温度相对变高的方式在所述膜电极接合体和所述隔板之间形成温度梯度；及
在通过所述温度梯度形成工序在所述膜电极接合体和所述隔板之间形成所述温度梯度后，停止所述温度梯度形成工序的工序。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106716697A (zh) * 2014-11-28 2017-05-24 宝马股份公司 用于预测性运行具有燃料电池系统的机动车的方法
CN109841877A (zh) * 2017-11-28 2019-06-04 丰田自动车工程及制造北美公司 冷却系统基于dT/dt的控制

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101240979B1 (ko) * 2010-11-17 2013-03-11 현대자동차주식회사 연료전지의 냉시동성 개선을 위한 직접 가열 퍼징 장치 및 방법
KR101592391B1 (ko) 2013-12-30 2016-02-05 현대자동차주식회사 연료 전지 스택의 수소 공급 장치
JP6274149B2 (ja) * 2015-04-24 2018-02-07 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システムの制御方法
DE102015215821A1 (de) 2015-08-19 2017-02-23 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Brennstoffzellenvorrichtung und Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzellenvorrichtung

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001189164A (ja) * 1999-12-22 2001-07-10 General Motors Corp <Gm> Ｐｅｍ燃料電池の低温始動
US20020146610A1 (en) * 2001-04-06 2002-10-10 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Fuel cell employing local power generation when starting at low temperature
JP2004353992A (ja) * 2003-05-30 2004-12-16 Osaka Industrial Promotion Organization 乾燥装置および乾燥方法
JP2006107901A (ja) * 2004-10-05 2006-04-20 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2007305334A (ja) * 2006-05-09 2007-11-22 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
WO2008072755A1 (ja) * 2006-12-12 2008-06-19 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha 燃料電池システム、その制御方法、および移動体

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6103410A (en) * 1998-06-05 2000-08-15 International Fuel Cells Corporation Start up of frozen fuel cell
JP2001231108A (ja) * 2000-02-14 2001-08-24 Yamaha Motor Co Ltd 電動車両の充電装置
JP3835357B2 (ja) 2002-06-12 2006-10-18 株式会社デンソー 燃料電池システム
JP4461701B2 (ja) 2003-04-22 2010-05-12 トヨタ自動車株式会社 燃料電池を搭載した移動体
JP2004327366A (ja) * 2003-04-28 2004-11-18 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池スタックおよびその燃料電池システム
JP4802468B2 (ja) * 2003-09-12 2011-10-26 トヨタ自動車株式会社 燃料電池搭載装置およびそのシステム
JP4546757B2 (ja) * 2004-04-21 2010-09-15 株式会社日本自動車部品総合研究所 燃料電池
JP2005322527A (ja) 2004-05-10 2005-11-17 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2007035392A (ja) * 2005-07-26 2007-02-08 Nippon Soken Inc 燃料電池システム

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001189164A (ja) * 1999-12-22 2001-07-10 General Motors Corp <Gm> Ｐｅｍ燃料電池の低温始動
US20020146610A1 (en) * 2001-04-06 2002-10-10 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Fuel cell employing local power generation when starting at low temperature
JP2004353992A (ja) * 2003-05-30 2004-12-16 Osaka Industrial Promotion Organization 乾燥装置および乾燥方法
JP2006107901A (ja) * 2004-10-05 2006-04-20 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2007305334A (ja) * 2006-05-09 2007-11-22 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
WO2008072755A1 (ja) * 2006-12-12 2008-06-19 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha 燃料電池システム、その制御方法、および移動体

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106716697A (zh) * 2014-11-28 2017-05-24 宝马股份公司 用于预测性运行具有燃料电池系统的机动车的方法
CN106716697B (zh) * 2014-11-28 2020-04-10 宝马股份公司 用于预测性运行具有燃料电池系统的机动车的方法
CN109841877A (zh) * 2017-11-28 2019-06-04 丰田自动车工程及制造北美公司 冷却系统基于dT/dt的控制

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