CN102947993B - 燃料电池 - Google Patents

燃料电池 Download PDF

Info

Publication number
CN102947993B
CN102947993B CN201080067453.6A CN201080067453A CN102947993B CN 102947993 B CN102947993 B CN 102947993B CN 201080067453 A CN201080067453 A CN 201080067453A CN 102947993 B CN102947993 B CN 102947993B
Authority
CN
China
Prior art keywords
fuel cell
catalyst layer
oxidizing gas
moisture
cathode catalyst
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201080067453.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102947993A (zh
Inventor
宇佐美祥
荒木康
柴田和则
川原周也
小川朋宏
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Publication of CN102947993A publication Critical patent/CN102947993A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102947993B publication Critical patent/CN102947993B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04029—Heat exchange using liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0267—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors having heating or cooling means, e.g. heaters or coolant flow channels
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04225—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during start-up
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04253—Means for solving freezing problems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H01M8/04302—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during start-up
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2483—Details of groupings of fuel cells characterised by internal manifolds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

燃料电池系统（10）在使燃料电池（20）起动之后（步骤S110），在向燃料电池（20）送出冷却水之前（步骤S160），将滞留在燃料电池（20）的阴极催化剂层（217）中的水分除去（步骤S140）。

Description

燃料电池
技术领域
本发明涉及利用氢与氧的电化学反应进行发电的燃料电池，尤其是涉及在寒冷环境下使燃料电池运转的技术。
背景技术
作为燃料电池，已知有将在电解质膜的两面接合有电极层的多个膜电极接合体（MembraneElectrodeAssembly，以下，也称为“MEA”）与将这些膜电极接合体各自之间隔离的隔板交替层叠而成的结构。在这种燃料电池的隔板上形成有使氢气向MEA的阳极侧流动的流路、使氧化气体向MEA的阴极侧流动的流路、使对燃料电池进行冷却的冷却介质流动的流路。当执行由燃料电池进行的发电时，伴随着氢与氧的电化学反应而在MEA的阴极侧产生生成水。在寒冷环境下，在MEA产生的生成水有时会冻结，从而使MEA显著劣化。
以往，提出了一种如下所述的技术：在寒冷环境下使燃料电池起动时，在燃料电池的温度上升之前，停止冷却水向燃料电池的的送出，从而防止冷却水引起的燃料电池的过度的温度下降（例如，专利文献1）。
【在先技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本特开2003-36874号公报
发明内容
然而，即使在寒冷环境下在燃料电池的温度上升之前停止冷却水的送出的情况下，若冷却水的送出开始，则已经上升的燃料电池的温度暂时下降至冰点区域，仍存在MEA的生成水有时会发生冻结这样的问题。
本发明立足于上述课题，其目的在于提供一种能够抑制在寒冷环境下的燃料电池的劣化的技术。
本发明为了解决上述的课题的至少一部分而作出，可以作为以下的方式或适用例来实现。
（适用例1）适用例1的燃料电池系统的特征在于，使利用氢与氧的电化学反应进行发电的燃料电池运转，所述燃料电池系统具备：冷却泵，向所述燃料电池送出冷却介质；及除水部，在所述燃料电池起动后且所述冷却泵送出所述冷却介质之前，除去形成于所述燃料电池的电解质膜的阴极侧的阴极催化剂层中滞留的水分。根据适用例1的燃料电池系统，在向燃料电池送出冷却介质之前，将滞留在燃料电池的阴极催化剂层中的水分除去，因此即使在寒冷环境下开始冷却介质的送出的情况下，也能够抑制燃料电池的阴极催化剂层中的冻结。其结果是，能够抑制在寒冷环境下的燃料电池的劣化。
（适用例2）在适用例1的燃料电池系统中，也可以是，所述燃料电池包括使氧化气体向所述电解质膜的所述阴极侧流动的阴极流路，所述除水部在所述燃料电池起动之后且在所述冷却泵送出所述冷却介质之前，在使所述燃料电池的电流停止的状态下，向所述阴极流路导入氧化气体，由此将滞留在所述阴极催化剂层中的水分除去。根据适用例2的燃料电池系统，利用向燃料电池供给氧化气体的结构，能够将阴极催化剂层的水分除去。
在适用例2的燃料电池系统中，也可以是，由所述燃料电池进行的发电中，所述阴极流路的流动方向是重力方向向上方向，所述除水部在所述燃料电池起动之后且在所述冷却泵送出所述冷却介质之前，在使所述燃料电池的电流停止的状态下，在重力方向向下方向的流动方向上向所述阴极流路导入氧化气体，将滞留在所述阴极催化剂层中的水分除去。由此，能够利用重力而将阴极催化剂层的水分高效率地除去。
（适用例3）在适用例1或适用例2的燃料电池系统中，也可以是，还具备对在所述阴极催化剂层中冻结了的水分的融化进行检测的融化检测部，所述除水部在所述燃料电池起动之后且在所述冷却泵送出所述冷却介质之前，在所述融化检测部检测到所述水分的融化的情况下，开始除去滞留在所述阴极催化剂层中的水分。根据适用例3的燃料电池系统，能够将燃料电池的起动时冻结了的阴极催化剂层的水分高效率地除去。
（适用例4）在适用例3的燃料电池系统中，也可以是，所述融化检测部基于所述燃料电池的内部电阻来检测在所述阴极催化剂层中冻结了的水分的融化。根据适用例4的燃料电池系统，与在阴极催化剂层的各部设置温度传感器相比，能够以简单的结构来检测阴极催化剂层中的水分的融化。
（适用例5）在适用例1至适用例4中的任一个燃料电池系统中，也可以是，还具备对所述阴极催化剂层中的残余水量进行检测的残余水检测部，所述除水部基于由所述残余水检测部检测到的残余水量，结束滞留在所述阴极催化剂层中的水分的除去。根据适用例5的燃料电池系统，能够防止在从阴极催化剂层的水分的除去不充分的状态下向燃料电池送出冷却介质的情况。
（适用例6）在适用例5的燃料电池系统中，也可以是，所述燃料电池包括使氧化气体向所述电解质膜的所述阴极侧流动的阴极流路，所述残余水检测部基于在所述阴极流路中流动的氧化气体的压力损失，来检测所述阴极催化剂层中的残余水量。根据适用例6的燃料电池系统，与在阴极催化剂层217的各部设置水分传感器相比，能够以简单的结构来检测阴极催化剂层中的残余水量。
（适用例7）在适用例5的燃料电池系统中，也可以是，所述残余水检测部基于所述燃料电池的内部电阻，来检测所述阴极催化剂层中的残余水量。根据适用例7的燃料电池系统，与使用水分传感器相比，能够以简单的结构来检测阴极催化剂层中的残余水量。
（适用例8）在适用例1至适用例7中的任一个燃料电池系统中，也可以是，所述燃料电池包括：在所述电解质膜的阳极侧形成的阳极催化剂层；及使氢气向所述电解质膜的所述阳极侧流动的阳极流路，所述除水部使在所述阳极流路中流动的氢气的化学计量比及温度中的至少一方上升，使从所述阴极催化剂层向所述阳极催化剂层移动的水分量增加，由此将滞留在所述阴极催化剂层中的水分除去。根据适用例8的燃料电池系统，利用向燃料电池供给氢气的结构，能够继续发电并将阴极催化剂层的水分除去。
（适用例9）在适用例1至适用例8中的任一个燃料电池系统中，也可以是，所述燃料电池包括：将氧化气体向沿着所述电解质膜的面方向形成的阴极流路导入的氧化气体导入部；设置在与所述氧化气体导入部相对的位置并从所述阴极流路排出氧化气体的氧化气体排出部；设置在与所述氧化气体排出部对应的一侧并将冷却介质向沿着所述电解质膜的面方向形成的冷却流路导入的冷却导入部；及设置在与所述氧化气体导入部对应的一侧并从所述冷却流路排出冷却介质的冷却排出部，所述燃料电池系统还具备氧化气体减少部，该氧化气体减少部在所述燃料电池起动之后且在所述冷却泵送出所述冷却介质之前，使向所述氧化气体导入部导入的氧化气体的流量比所述冷却泵工作时减少。根据适用例9的燃料电池系统，避开伴随着冷却介质的送出而成为比冷却排出部侧低温的冷却导入部侧，使电化学反应集中于冷却排出部侧并使生成水集中，从而能够进一步抑制燃料电池的阴极催化剂层中的冻结。
（适用例10）在适用例1至适用例8中的任一个燃料电池系统中，也可以是，所述燃料电池包括：将氧化气体向沿着所述电解质膜的面方向形成的阴极流路导入的氧化气体导入部；设置在与所述氧化气体导入部相对的位置并从所述阴极流路排出氧化气体的氧化气体排出部；设置在与所述氧化气体导入部对应的一侧并将冷却介质向沿着所述电解质膜的面方向形成的冷却流路导入的冷却导入部；及设置在与所述氧化气体排出部对应的一侧并从所述冷却流路排出冷却介质的冷却排出部，所述燃料电池系统还具备氧化气体增加部，该氧化气体增加部在所述燃料电池起动之后且在所述冷却泵送出所述冷却介质之前，使向所述氧化气体导入部导入的氧化气体的流量比所述冷却泵工作时增加。根据适用例10的燃料电池系统，在伴随着冷却介质的送出而成为比冷却排出部侧低温的冷却导入部侧的氧化气体所带来的水分的蒸发得到促进，并使电化学反应集中于冷却排出部侧而使生成水集中，由此能够进一步抑制燃料电池的阴极催化剂层中的冻结。
（适用例11）在适用例1至适用例10中的任一个燃料电池系统中，也可以是，还具备电流抑制部，该电流抑制部在所述燃料电池起动之后所述冷却泵送出所述冷却介质时，将所述燃料电池的电流抑制成向所述电解质膜的所述阴极侧移动的水分量比向所述电解质膜的阳极侧移动的水分量减少的电流值。根据适用例11的燃料电池系统，在向燃料电池送出冷却介质时，抑制滞留在燃料电池的阴极催化剂层中的水分量而进行发电，因此能够进一步抑制燃料电池的阴极催化剂层中的冻结。
（适用例12）适用例12的燃料电池的运转方法中，所述燃料电池使利用氢与氧的电化学反应进行发电的燃料电池运转，其特征在于，在所述燃料电池起动后且向所述燃料电池送出冷却介质之前，除去形成于所述燃料电池的电解质膜的阴极侧的阴极催化剂层中滞留的水分。根据适用例12的燃料电池的运转方法，在向燃料电池送出冷却介质之前，将滞留在燃料电池的阴极催化剂层中的水分除去，因此即使在寒冷环境下开始冷却介质的送出的情况下，也能够抑制燃料电池的阴极催化剂层中的冻结。其结果是，能够抑制在寒冷环境下的燃料电池的劣化。
本发明的方式并不局限于燃料电池，例如，在利用燃料电池的电力进行行驶的车辆、供给燃料电池的电力的发电系统、燃料电池的制造方法等各种方式中也能够适用。而且，本发明并未对所述方式作任何限定，在不脱离本发明的宗旨的范围内当然能以各种方式来实施。
附图说明
图1是表示燃料电池系统的结构的说明图。
图2是表示燃料电池中的单电池的结构的说明图。
图3是表示运转控制部执行的燃料电池起动处理的流程图。
图4是表示阴极催化剂层温度与电池内部电阻之间的关系的说明图。
图5是表示除水处理的详细情况的流程图。
图6是表示除水处理中的阳极压力损失、阴极压力损失及电池内部电阻的变化的说明图。
图7是表示燃料电池起动处理的燃料电池的温度变化的说明图。
图8是表示在第二实施例中反应气体的流动的方向的说明图。
图9是表示第三实施例的除水处理的详细情况的流程图。
图10是表示第三实施例的除水处理的情况的说明图。
图11是表示第四实施例的氢气供给排出部的说明图。
图12是表示第四实施例的除水处理的详细情况的流程图。
图13是表示第五实施例的从层叠方向观察的单电池的说明图。
图14是表示第五实施例的燃料电池起动处理的流程图。
图15是表示第六实施例的从层叠方向观察的单电池的说明图。
图16是表示第六实施例的燃料电池起动处理的流程图。
图17是表示第七实施例的燃料电池起动处理的流程图。
图18是表示冰点以下区域的MEA的电流密度与阴极催化剂层的损伤时间之间的关系的说明图。
图19是表示在MEA中水分移动的情况的说明图。
图20是表示第七实施例的燃料电池的温度变化的说明图。
具体实施方式
为了更加明确以上说明的本发明的结构及作用，以下，对适用了本发明的燃料电池进行说明。
A.第一实施例：
A-1.燃料电池系统的结构：
图1是表示燃料电池系统10的结构的说明图。燃料电池系统10具备利用反应气体的电化学反应进行发电的燃料电池20，为了向燃料电池系统10的外部供给电力而使燃料电池20运转。在本实施例中，燃料电池系统10的燃料电池20是固体高分子型的燃料电池，使用含氢的燃料气体及含氧的氧化气体作为反应气体。在本实施例中，燃料电池系统10是搭载在利用由燃料电池20发电的电力来进行行驶的车辆上的系统，但作为另一实施方式，也可以适用于作为住宅、设施的电源而设置的系统，还可以适用于作为电源而搭载在利用电力进行动作的电气机械设备上的系统。
燃料电池20具备构成从反应气体直接取出电力的基本结构的多个单电池25，这多个单电池25电串联层叠。图2是表示燃料电池20的单电池25的结构的说明图。燃料电池20的单电池25具备膜电极接合体（MEA）210、阳极隔板230、及阴极隔板240。在单电池25中，MEA210被夹持在阳极隔板230及阴极隔板240之间。
单电池25的MEA210具备电解质膜211、阳极电极213、及阴极电极216。MEA210的阳极电极213包括阳极催化剂层214和阳极扩散层215，MEA210的阴极电极216包括阴极催化剂层217和阴极扩散层218。在电解质膜211的一个面上依次层叠阳极催化剂层214、阳极扩散层215而接合阳极电极213。在电解质膜211的另一个面上依次层叠阴极催化剂层217、阴极扩散层218而接合阴极电极216。
MEA210的电解质膜211是具有质子传导性的质子传导体，在本实施例中，是使用了离聚物树脂的全氟磺酸离子交换膜。MEA210的阳极催化剂层214及阴极催化剂层217具有气体透过性、导电性，由载持有促进氢与氧的电化学反应的催化剂（例如，铂、铂合金）的材料形成，在本实施例中，由载持有铂系催化剂的碳载体形成。MEA210的阳极扩散层215及阴极扩散层218由具有气体透过性、导电性的材料形成，例如可以由碳制的多孔体即碳布或碳纸形成。
燃料电池20的阳极隔板230在MEA210的阳极扩散层215的面上形成有供燃料气体流动的多个阳极流路235，燃料电池20的阴极隔板240在MEA210的阴极扩散层218的面上形成有供氧化气体流动的多个阴极流路245。阳极隔板230及阴极隔板240对于由MEA210产生的电力的集电具有充分的导电性，并且对于使反应气体向MEA210流动具有充分的耐久性、耐热性及气体不透过性。在本实施例中，利用碳树脂形成了阳极隔板230及阴极隔板240，但在其他的实施方式中，也可以由不锈钢、钛、钛合金、导电性陶瓷形成。在本实施例中，作为在与MEA210之间形成的空隙而构成阳极流路235及阴极流路245，但在其他的实施方式中，也可以由具有连续的多个孔的多孔体构成。在本实施例中，分别构成了阳极隔板230和阴极隔板240，但在其他的实施方式中，也可以将阳极隔板230与阴极隔板240一体构成。
返回图1的说明，燃料电池系统10具备氢气供给排出部30、氧化气体供给排出部40、冷却循环部50、电力控制部60、主控制部90作为用于使燃料电池20运转的结构。
燃料电池系统10的氢气供给排出部30基于主控制部90的指示而进行动作，将氢气向燃料电池20供给，并回收从燃料电池20排出的使用完的氢气。在本实施例中，氢气供给排出部30从压缩而积存氢的罐供给氢气，但在其他的实施方式中，也可以从贮存氢的氢贮存合金供给氢气，还可以从对天然气体、甲醇、汽油等烃系燃料进行改性而取出氢的改性器供给氢气。在本实施例中，氢气供给排出部30将在燃料电池20中使用完的氢气循环而再利用。
燃料电池系统10的氧化气体供给排出部40基于主控制部90的指示而动作，将氧化气体向燃料电池20供给，并回收从燃料电池20排出的使用完的氧化气体。在本实施例中，氧化气体供给排出部40将从大气中取入的空气作为氧化气体向燃料电池20供给。
燃料电池系统10的冷却循环部50通过使作为冷却介质的冷却水（不冻液）在燃料电池20的内部循环而对燃料电池20进行冷却。冷却循环部50具备冷却泵540和散热器560。冷却循环部50的散热器560是将从燃料电池20回收的冷却水的热量释放到大气中的散热器。冷却循环部50的冷却泵540基于主控制部90的指示而动作，是将由散热器560处理过的冷却水向燃料电池20送出的泵。关于燃料电池20的起动时的冷却泵540的动作的详细情况在后面叙述。
燃料电池系统10的电力控制部60被称为功率控制单元，基于主控制部90的指示而进行动作，通断燃料电池20与电力的负载之间的连接，并控制从燃料电池20向电力的负载输出的电力。在本实施例中，电力控制部60具备使来自燃料电池20的直流电力的电压升压的升压转换器和将升压后的直流电力转换成交流电力的逆变器。
燃料电池系统10具备交流阻抗传感器810、温度传感器820、阳极压力传感器830、阴极压力传感器840作为用于检测燃料电池20的状态的各种传感器。所述传感器与主控制部90电连接，来自传感器的输出信号向主控制部90传递。
燃料电池系统10的交流阻抗传感器810设置于燃料电池20，来检测单电池25的内部电阻（交流阻抗）即电池内部电阻。燃料电池系统10的温度传感器820设置于燃料电池20，来检测燃料电池20的温度。燃料电池系统10的阳极压力传感器830设置于燃料电池20，来检测氢气的供给压力与排出压力之间的差压即阳极压力损失。燃料电池系统10的阴极压力传感器840设置于燃料电池20，来检测氧化气体的供给压力与排出压力之间的差压即阴极压力损失。
燃料电池系统10的主控制部90对燃料电池系统10的各部进行控制。主控制部90具备：进行使燃料电池20运转的控制的运转控制部910；存储各种程序、数据的存储部920；及与燃料电池系统10的各部之间电连接的接口930。
主控制部90的运转控制部910具备除水控制部912、融化检测部913、残余水检测部914。在本实施例中，运转控制部910具备的各部的功能通过运转控制部910的中央处理单元（CentralProcessingUnit，CPU）基于存储于存储部920的控制程序922动作来实现，但在其他的实施方式中，运转控制部910的至少一部分的功能也可以通过使运转控制部910的电路基于其物理性的电路结构进行动作而实现。
运转控制部910的除水控制部912在使燃料电池20起动之后且在利用冷却泵540将冷却水向燃料电池20送出之前，执行将滞留于燃料电池20的阴极催化剂层217中的水分除去的控制。在本实施例中，为了将滞留于阴极催化剂层217的水分除去，而除水控制部912在将燃料电池20从电气负载切离而使燃料电池20的电流停止的状态下，执行向燃料电池20的阳极流路235及阴极流路245导入反应气体的控制。
运转控制部910的融化检测部913检测在燃料电池20的阴极催化剂层217中冻结了的水分的融化。在本实施例中，融化检测部913基于来自交流阻抗传感器810的输出信号所表示的电池内部电阻来检测在阴极催化剂层217中冻结了的水分的融化。在另一实施方式中，融化检测部913也可以基于来自温度传感器820的输出信号所表示的燃料电池20的温度来检测在阴极催化剂层217中冻结了的水分的融化。
运转控制部910的残余水检测部914检测在燃料电池20的阴极催化剂层217中残留的残余水量。在本实施例中，残余水检测部914基于来自阴极压力传感器840的输出信号所表示的阴极压力损失，来检测阴极催化剂层217的残余水量。在另一实施方式中，残余水检测部914也可以基于来自交流阻抗传感器810的输出信号所表示的电池内部电阻来检测阴极催化剂层217的残余水量。而且，在另一实施方式中，残余水检测部914也可以基于来自阳极压力传感器830的输出信号所表示的阳极压力损失来检测阴极催化剂层217的残余水量。而且，在另一实施方式中，残余水检测部914还可以基于来自设置在阴极催化剂层217上的水分传感器的输出信号所表示的水分量来检测阴极催化剂层217的残余水量。
A-2.燃料电池系统的动作：
图3是表示运转控制部910执行的燃料电池起动处理（步骤S10）的流程图。在本实施例中，运转控制部910在使燃料电池20起动时开始燃料电池起动处理（步骤S10）。
当燃料电池起动处理（步骤S10）开始后，运转控制部910向电力控制部60指示电气负载相对于燃料电池20的连接，并向氢气供给排出部30及氧化气体供给排出部40指示氢气及氧化气体向燃料电池20的供给，由此使燃料电池20起动（步骤S110）。当燃料电池20起动时，在燃料电池20中，氢与氧的电化学反应产生的发电开始，由于与该电化学反应相伴的反应热而燃料电池20的温度上升。
在燃料电池20起动之后（步骤S110），运转控制部910判断燃料电池20是否被放置在残留于阴极催化剂层217的水分发生冻结的程度的寒冷环境（步骤S120）。在本实施例中，运转控制部910基于来自温度传感器820的输出信号所表示的燃料电池20的温度来判断是否为寒冷环境。
在判断为不在寒冷环境时（步骤S110为“否”），运转控制部910通过对冷却泵540指示冷却水的送出开始，而使冷却泵540起动（步骤S160）。然后，运转控制部910结束燃料电池起动处理（步骤S10），根据要求电力来执行燃料电池20的运转控制。
另一方面，判断为寒冷环境时（步骤S110为“是”），运转控制部910使由燃料电池20进行的发电继续，并作为融化检测部913进行动作，由此判断在燃料电池20的阴极催化剂层217中冻结了的水分是否融化（步骤S130）。在本实施例中，运转控制部910基于来自交流阻抗传感器810的输出信号所表示的单电池25的内部电阻，来检测在阴极催化剂层217中冻结了的水分的融化。
图4是表示阴极催化剂层温度与电池内部电阻之间的关系的说明图。在图4中，将温度设定为横轴并将内部电阻设定为纵轴，图示了阴极催化剂层217的温度即阴极催化剂层温度与单电池25的内部电阻即电池内部电阻之间的关系。如图4所示，在阴极催化剂层温度比0℃低的温度范围中，电池内部电阻对应于阴极催化剂层温度的上升而下降。当阴极催化剂层温度直接继续上升而成为0℃附近时，电池内部电阻急剧下降至基准值Thz1，然后，电池内部电阻的下降量缓慢地推移。该0℃附近的电池内部电阻的急减考虑为由于阴极催化剂层217附近的冰融化而质子的移动阻力减少而引起的。在本实施例中，从图4所示的燃料电池20的特性出发，运转控制部910在寒冷环境下使燃料电池20起动之后，在来自交流阻抗传感器810的输出信号所表示的电池内部电阻成为基准值Thz1以下时，判断为在阴极催化剂层217中冻结了的水分发生了融化。
返回图3的说明，当检测到阴极催化剂层217的水分的融化时（步骤S130为“是”），运转控制部910作为除水控制部912而动作，由此执行将滞留于阴极催化剂层217的水分除去的除水处理（步骤S140）。
图5是表示除水处理（步骤S140）的详细情况的流程图。当除水处理（步骤S140）开始时，运转控制部910执行清洗处理（步骤S145）。在清洗处理（步骤S145）中，运转控制部910对电力控制部60指示从燃料电池20将电气负载暂时切离，而使燃料电池20的电流暂时停止。在燃料电池20的电流暂时停止的期间也继续地，运转控制部910向氢气供给排出部30及氧化气体供给排出部40指示反应气体向燃料电池20的供给，向阳极流路235导入氢气，并向阴极流路245导入氧化气体。
在清洗处理（步骤S145）中，在与发电相伴的生成水的产生暂时停止的状态下，阳极流路235的水分由氢气去除，并且阴极流路245的水分由氧化气体去除。如此，随着从阳极流路235及阴极流路245去除水分，从而能够将滞留于阴极催化剂层217的水分除去。
在本实施例中，在清洗处理（步骤S145）期间，由燃料电池20进行的发电也间歇地实施，因此由于反应热而燃料电池20的温度继续上升。在本实施例中，在清洗处理（步骤S145）中将氢气及氧化气体这双方导入，但在另一实施方式中，也可以将氢气及氧化气体中的一方导入。
在除水处理（步骤S140）中，运转控制部910作为残余水检测部914而动作，由此判断在燃料电池20的阴极催化剂层217中残留的残余水量是否为基准值以下（步骤S148）。在本实施例中，运转控制部910基于来自阴极压力传感器840的输出信号所表示的氧化气体的压力损失，来检测阴极催化剂层217的残余水量。运转控制部910在阴极催化剂层217的残余水量不为基准值以下时（步骤S148为“否”），继续除水处理（步骤S140），并在阴极催化剂层217的残余水量为基准值以下时（步骤S148为“是”），结束除水处理（步骤S140）。
图6是表示除水处理（步骤S140）中的阳极压力损失、阴极压力损失及电池内部电阻的变化的说明图。在图6中，将时间设定为横轴，并将压力损失及内部电阻设定为纵轴，分别图示了阳极流路235的压力损失即阳极压力损失的时间变化、阴极流路245的压力损失即阴极压力损失的时间变化、以及单电池25的内部电阻即电池内部电阻的时间变化。
如图6所示，阴极压力损失由于滞留于阴极流路245的水分的影响，而从氧化气体的供给开始起上升而成为最大值，伴随着滞留于阴极流路245的水分量的减少而下降。然后，当从阴极流路245的除水完成后，开始通过了阴极流路245的从阴极电极216的除水，阴极压力损失伴随着滞留于阴极电极216的水分量的减少而缓慢下降。然后，当到阴极电极216中的阴极催化剂层217的除水完成后，阴极压力损失在基准值Thc稳定。在本实施例中，根据图6所示的燃料电池20的特性，运转控制部910在来自阴极压力传感器840的输出信号所表示的氧化气体的压力损失在基准值Thc稳定时，判断为残留于阴极催化剂层217的残余水量成为了基准值以下。
如图6所示，阳极压力损失由于滞留于阳极流路235的水分的影响，从氢气的供给开始起上升而成为最大值，伴随着滞留于阳极流路235的水分量的减少而下降。然后，在从阴极流路245的除水完成之后，经由阳极电极213及电解质膜211而从阴极电极216的除水开始，阳极压力损失伴随着滞留于阴极电极216的水分量的减少而缓慢下降。然后，当到阴极电极216的阴极催化剂层217的除水完成后，阳极压力损失在基准值Tha稳定。在另一实施方式中，根据图6所示的燃料电池20的特性，运转控制部910也可以在来自阳极压力传感器830的输出信号所表示的氢气的压力损失在基准值Tha稳定时，判断为在阴极催化剂层217中残留的残余水量成为了基准值以下。如图6所示，与阳极压力损失相比，阴极压力损失相对于阴极电极216的水分量的变化比例大，因此在阴极电极216的水分量的判断中优选利用阴极压力损失。
如图6所示，电池内部电阻在阴极催化剂层217中发生了冻结的水分融化之后，到从阴极电极216开始除水为止，由于残留于MEA210的水分的影响而在一定值稳定。然后，当从阴极电极216的除水开始后，电池内部电阻伴随着滞留在阴极电极216中的水分量的减少而急剧上升。电池内部电阻在到阴极电极216中的阴极催化剂层217的除水完成的时刻成为基准值Thz2，然后，伴随着MEA210中的水分量的减少而缓慢上升。在另一实施方式中，根据图6所示的燃料电池20的特性，运转控制部910也可以在来自交流阻抗传感器810的输出信号所表示的电池内部电阻成为了基准值Thz2以上时，判断为残留在阴极催化剂层217中的残余水量成为了基准值以下。而且，在另一实施方式中，也可以基于阳极压力损失、阴极压力损失及电池内部电阻中的至少两个来检测阴极催化剂层217的残余水量。
返回图3的说明，在除水处理（步骤S140）之后，运转控制部910判断燃料电池20的温度是否为基准值以上（步骤S150）。在本实施例中，在来自温度传感器820的输出信号所表示的燃料电池20的温度是能够避免与冷却水的送出相伴的MEA210的再冻结的温度时，运转控制部910判断为燃料电池20的温度为基准值以上。在燃料电池20的温度小于基准值时（步骤S150为“否”），运转控制部910再次执行除水处理（步骤S140）。在燃料电池20的温度为基准值以上时（步骤S150为“是”），运转控制部910使冷却泵540起动（步骤S160）。然后，运转控制部910使燃料电池起动处理（步骤S10）结束，根据要求电力而执行燃料电池20的运转控制。
图7是表示燃料电池起动处理（步骤S10）中的燃料电池20的温度变化的说明图。在图7中，将时间设定为横轴并将温度设定为纵轴，图示了燃料电池20中的温度的时间变化。在寒冷环境下开始燃料电池起动处理（步骤S10）后（图7的时间t0），燃料电池20的温度由于与发电相伴的反应热而从冰点以下区域开始上升。在燃料电池20的温度突破0℃（图7的时间t1）并对应于阴极催化剂层217中的冰的融化而开始了除水处理（步骤S140）之后，燃料电池20的温度继续上升。燃料电池20的温度超过基准值Tht（图7的时间t2）而冷却泵540起动后，在寒冷环境下变冷的冷却水在燃料电池20的内部循环，因此燃料电池20的温度再次急剧下降至冰点以下区域（图7的时间t3）。然后，燃料电池20的温度由于与发电相伴的反应热而再次从冰点以下区域上升（图7的时间t4）。
A-3.第一实施例的效果：
根据以上说明的第一实施例的燃料电池系统10，在向燃料电池20送出冷却水之前，将滞留在燃料电池20的阴极催化剂层217中的水分除去，因此即使在寒冷环境下开始冷却水的送出的情况下，也能够抑制燃料电池20的阴极催化剂层217中的冻结。其结果是，能够抑制在寒冷环境下的燃料电池20的劣化。
另外，在除水处理（步骤S140）中，将氢气向阳极流路235导入，并将氧化气体向阴极流路245导入，由此从阴极催化剂层217除去水分（步骤S145），因此利用向燃料电池20供给反应气体的结构，而能够将阴极催化剂层217的水分除去。
另外，检测在阴极催化剂层217中发生了冻结的水分的融化（步骤S130），开始除水处理（步骤S140），因此能够高效率地除去在燃料电池20的起动时冻结了的阴极催化剂层217的水分。而且，基于燃料电池20的内部电阻，来检测在阴极催化剂层217中发生了冻结的水分的融化，因此与在阴极催化剂层217的各部设置温度传感器相比，能够以简单的结构来检测阴极催化剂层217中的水分的融化。
另外，检测阴极催化剂层217的残余水量（步骤S145），结束除水处理（步骤S140），因此能够防止在从阴极催化剂层217的水分的除去不充分的状态下向燃料电池20送出冷却水的情况。而且，基于在阴极流路245中流动的氧化气体的压力损失，来检测阴极催化剂层217的残余水量，因此与在阴极催化剂层217的各部设置水分传感器相比，能够以简单的结构来检测阴极催化剂层217中的残余水量。
B.第二实施例：
第二实施例的燃料电池系统10除了在清洗处理（步骤S145）中氧化气体向阴极流路245流动的方向不同这一点之外，与第一实施例相同。图8是表示在第二实施例中反应气体流动的方向的说明图。图8图示了在通常发电时反应气体流动的方向和在清洗处理（步骤S145）中反应气体流动的方向。在由燃料电池20进行的发电中，氢气向阳极流路235流动的方向是朝向重力方向G的重力方向向下方向，氧化气体向阴极流路245流动的方向是朝向与重力方向G相反的重力方向向上方向。在第二实施例中，在清洗处理（步骤S145）中，氢气向阳极流路235流动的方向保持为重力方向向下方向，将氧化气体向阴极流路245流动的方向切换成重力方向向下方向。在本实施例中，通过切换连接氧化气体供给排出部40与燃料电池20的配管，而将氧化气体向阴极流路245流动的方向切换成重力方向向下方向。
根据以上说明的第二实施例中的燃料电池系统10，与第一实施例同样地，能够抑制在寒冷环境下的燃料电池20的劣化。而且，在清洗处理（步骤S145）中氧化气体向重力方向向下方向流动，因此能够利用重力而将阴极催化剂层217的水分高效率地除去。
C.第三实施例：
第三实施例的燃料电池系统10除了除水处理（步骤S140）的动作不同这一点之外，与第一实施例相同。图9是表示第三实施例中的除水处理（步骤S140）的详细情况的流程图。第三实施例的除水处理（步骤S140）除了从阴极催化剂层217除去水分的方法不同这一点之外，与第一实施例相同。当除水处理（步骤S140）开始后，运转控制部910使由燃料电池20进行的发电继续，并向氢气供给排出部30指示氢气的化学计量比的上升，由此使从阴极催化剂层217向阳极催化剂层214移动的水分量增加（步骤S146）。需要说明的是，氢气的化学计量比是指实际供给的气体量相对于发电量所需的最小的气体量的比率，化学计量比越变大，表示供给越过大。
图10是表示第三实施例中的除水处理（步骤S140）的情况的说明图。图10图示了除水处理前及除水处理中的电解质膜211附近。阳极催化剂层214由催化剂担持碳224形成，在催化剂担持碳224彼此之间形成有间隙。阴极催化剂层217也与阳极催化剂层214同样地，由催化剂担持碳227形成，在催化剂担持碳227彼此之间形成有间隙。在阳极催化剂层214的催化剂担持碳227产生与发电相伴的生成水。
如图10所示，在除水处理前，为在阳极催化剂层214中的催化剂担持碳227彼此的间隙滞留有水分的状态。当除水处理（步骤S140）开始后，氢气的化学计量比上升而氢气的流量增加，因此氢气从阳极催化剂层214夺取的水分量也增加。伴随于此，滞留于阴极催化剂层217的水分透过电解质膜211而向阳极催化剂层214移动。
根据以上说明的第三实施例的燃料电池系统10，与第一实施例同样地，能够抑制在寒冷环境下的燃料电池20的劣化。而且，在除水处理（步骤S140）中，使氢气的化学计量比上升，使从阴极催化剂层217向阳极催化剂层214移动的水分量增加，由此从阴极催化剂层217除去水分（步骤S146），因此利用向燃料电池20供给氢气的结构，能够继续发电并除去阴极催化剂层217的水分。
D.第四实施例：
第四实施例的燃料电池系统10除了与氢气供给排出部30相关的结构、及除水处理（步骤S140）的动作不同这些方面之外，与第一实施例相同。图11是表示第四实施例中的氢气供给排出部30的说明图。第四实施例的燃料电池系统10的结构除了具备对从氢气供给排出部30向燃料电池20供给的氢气进行加热的加热部370这一点之外，与第一实施例相同。在本实施例中，加热部370是配置在供给氢气的配管的周围的电热器，基于来自运转控制部910的指示而进行动作。
图12是表示第四实施例中的除水处理（步骤S140）的详细情况的流程图。第四实施例的除水处理（步骤S140）除了从阴极催化剂层217除去水分的方法这一点之外，与第一实施例相同。当开始除水处理（步骤S140）后，运转控制部910使由燃料电池20进行的发电继续并向加热部370指示进行氢气的加热，从而使从阴极催化剂层217向阳极催化剂层214移动的水分量增加（步骤S147）。当除水处理（步骤S140）开始后，氢气的温度上升而氢气的饱和蒸气分压增加，因此氢气从阳极催化剂层214夺取的水分量也增加。伴随于此，与图10所示的第三实施例同样地，滞留于阴极催化剂层217的水分透过电解质膜211而向阳极催化剂层214移动。
根据以上说明的第四实施例的燃料电池系统10，与第一实施例同样地，能够抑制在寒冷环境下的燃料电池20的劣化。而且，在除水处理（步骤S140）中，使氢气的温度上升，使从阴极催化剂层217向阳极催化剂层214移动的水分量增加，由此从阴极催化剂层217除去水分（步骤S147），因此利用向燃料电池20供给氢气的结构，能够使发电继续并将阴极催化剂层217的水分除去。
E.第五实施例：
第五实施例的燃料电池系统10除了氧化气体相对于MEA20的流动方式不同这一点之外，与第一实施例相同。图13是表示从第五实施例中的层叠方向观察到的单电池25的说明图。单电池25具备分别形成有沿着层叠方向贯通的孔的六个孔部261~266。孔部261、262、263沿着长方形的单电池25中的一方的短边设置，孔部264、265、266沿着长方形的单电池25中的另一方的短边设置。
孔部261是向单电池25导入冷却水的冷却水导入部，并且构成用于向燃料电池20中的多个单电池25分别导入的冷却水所流过的流路的一部分。孔部262是从单电池25排出氧化气体的氧化气体排出部，并且构成从燃料电池20中的多个单电池25分别排出的氧化气体所流过的流路的一部分。孔部263是向单电池25导入氢气的氢气导入部，并且构成用于向燃料电池20中的多个单电池25分别导入的氢气所流过的流路的一部分。
孔部264是从单电池25排出氢气的氢气排出部，并且构成从燃料电池20中的多个单电池25分别排出的氢气所流过的流路的一部分。孔部265是向单电池25导入氧化气体的氧化气体导入部，并且构成用于向燃料电池20中的多个单电池25分别导入的氧化气体所流过的流路的一部分。孔部266是从单电池25排出冷却水的冷却水排出部，并且构成从燃料电池20中的多个单电池25分别排出的冷却水所流过的流路的一部分。
在本实施例中，氢气的流动与氧化气体的流动相对，从单电池25的氢气上游部271向氢气下游部272流动。图13使用空心的箭头图示了氧化气体的流动，并使用曲线图示了冷却水的流动。如图13所示，氧化气体与氢气的流动相对而从氢气下游部272向氢气上游部271流动，冷却水与氧化气体的流动相对而从氢气上游部271向氢气下游部272流动。
图14是表示第五实施例中的燃料电池起动处理（步骤S10）的流程图。第五实施例的燃料电池起动处理（步骤S10）除了在检测到阴极催化剂层217中的水分的融化后（步骤S130为“是”）将燃料电池20的发电时的氧化气体的流量设定为比通常发电时少的流量这方面（步骤S135）之外，与第一实施例相同。由此，使氢与氧的电化学反应不在冷却水流入的氢气上游部271侧，而向氢气下游部272侧集中，从而能够使与发电相伴的生成水集中于氢气下游部272侧。
根据以上说明的第五实施例的燃料电池系统10，与第一实施例同样地，能够抑制在寒冷环境下的燃料电池20的劣化。而且，避开伴随着冷却水的送出而成为比氢气下游部272侧低温的氢气上游部271侧，使电化学反应在氢气下游部272侧集中并使生成水集中，因此能够进一步抑制燃料电池20的阴极催化剂层217中的冻结。
F.第六实施例：
第六实施例的燃料电池系统10除了氧化气体及冷却水相对于MEA20的流动方式不同这一点之外，与第五实施例相同。图15是表示第六实施例的从层叠方向观察到的单电池25的说明图。单电池25的结构除了冷却水流动的方向与第五实施例相反这一点之外，与第五实施例相同。在第六实施例中，孔部261是从单电池25排出冷却水的冷却水排出部，孔部266是向单电池25导入冷却水的冷却水导入部。在第六实施例中，氢气及氧化气体的流动方向与第五实施例相同，冷却水与氧化气体的流动同样地从氢气下游部272向氢气上游部271流动。
图16是表示第六实施例的燃料电池起动处理（步骤S10）的流程图。第六实施例的燃料电池起动处理（步骤S10）除了在检测到阴极催化剂层217中的水分的融化后（步骤S130为“是”）将由燃料电池20进行发电时的氧化气体的流量设定成比通常发电时多的流量这一点（步骤S136）之外，与第一实施例相同。由此，在冷却水流入的氢气下游部272侧的基于氧化气体的水分的蒸发得到促进，并能够使氢与氧的电化学反应集中于氢气上游部271侧。
根据以上说明的第六实施例的燃料电池系统10，与第一实施例同样地，能够抑制在寒冷环境下的燃料电池20的劣化。而且，在伴随着冷却水的送出而成为比氢气上游部271侧低温的氢气下游部272侧的基于氧化气体的水分的蒸发得到促进，并且使电化学反应集中于氢气上游部271侧并使生成水集中，因此能够进一步抑制燃料电池20的阴极催化剂层217的冻结。
G.第七实施例：
第七实施例的燃料电池系统10除了燃料电池起动处理（步骤S10）的动作不同这一点之外，与第一实施例同样。图17是表示第七实施例中的燃料电池起动处理（步骤S10）的流程图。在第七实施例中，在使冷却泵540起动时（步骤S160），运转控制部910通过向电力控制部60指示，而将燃料电池20的电流抑制成电流值Thi（步骤S160）。电流值Thi是向阴极电极216侧移动的水分量比向阳极电极213侧移动的水分量减少的电流值。
图18是表示冰点以下区域的MEA210的电流密度与阴极催化剂层217的损伤时间之间的关系的说明图。在图18中，将电流密度设定为横轴并将时间设定为纵轴，图示了冰点以下区域的MEA210的电流密度与阴极催化剂层217的损伤时间之间的关系。如图18所示，到阴极催化剂层217损伤为止的时间随着MEA210的电流密度减少而延长，当MEA210的电流密度比基准值CD1减少时，飞跃性地延伸。
图19是表示在MEA210中水分移动的情况的说明图。图19图示了MEA210的电流密度为基准值CD1时的状态和MEA210的电流密度为比基准值CD1大的基准值CD2时的状态。图19所示的电渗透水W1是在电解质膜211中从阳极催化剂层214侧向阴极催化剂层217侧与质子一起移动的水分，随着MEA210的电流密度的增加而增加。图19所示的逆扩散水W2是借助水蒸气分压差而在电解质膜211中从阴极催化剂层217侧向阳极催化剂层214侧移动的水分。
如图19所示，在MEA210的电流密度为基准值CD1时，电渗透水W1比逆扩散水W2少。由此，考虑抑制向阴极催化剂层217移动而冻结的水分量，而延长到阴极催化剂层217损伤为止的时间。在MEA210的电流密度为基准值CD1时，电渗透水W1比逆扩散水W2多。因此，认为向阴极催化剂层217移动的水分逐渐在阴极催化剂层217中冻结，从而促进阴极催化剂层217的损伤。
图20是表示第七实施例中的燃料电池20的温度变化的说明图。在图20中，将时间设定为横轴并将温度及电流设定为纵轴，图示了燃料电池20中的温度及电流的时间变化。在图20中，燃料电池20的温度由实线图示，燃料电池20的电流由单点划线图示。燃料电池20的温度变化与图7所示的第一实施例相同。
如图20所示，当在寒冷环境下开始燃料电池起动处理（步骤S10）后（图20的时间t0），燃料电池20的电流开始上升。然后，在冷却泵540起动时（图20的时间t2），燃料电池20的电流由于燃料电池20的电流抑制（步骤S160），而将MEA210的电流密度抑制成作为基准值CD1的电流值Thi。燃料电池20的执行电流抑制（步骤S160）的时间只要在伴随着冷却水的送出而燃料电池20的温度再次下降至冰点以下区域的时间（图20的时间t3）之前即可，在本实施例中，是执行冷却泵540的起动（步骤S160）之前，但在其他的实施方式中，也可以是执行冷却泵540的起动（步骤S160）之后。当燃料电池起动处理（步骤S10）结束后，燃料电池20的电流向与要求电力对应的电流值上升。
根据以上说明的第七实施例的燃料电池系统10，与第一实施例同样地，能够抑制在寒冷环境下的燃料电池20的劣化。而且，在向燃料电池20送出冷却水时，抑制滞留在燃料电池20的阴极催化剂层217中的水分量而进行发电，因此能够进一步抑制燃料电池20的阴极催化剂层217中的冻结。
H.其他的实施方式：
以上，说明了本发明的实施方式，但本发明并未限定为这样的实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内当然能以各种方式来实施。例如，也可以将第一实施例至第七实施例中的至少两个实施例适当组合来应用。而且，在上述的实施例中，除水处理（步骤S140）在检测到阴极催化剂层217中冻结了的水分的融化之后（步骤S130）开始，但在其他的实施方式中，也可以不等待在阴极催化剂层217中发生了冻结的水分的融化而对应于燃料电池20的起动而开始除水处理（步骤S140）。由此，能够提前除去在燃料电池20的起动后产生的生成水。

Claims (20)

1.一种燃料电池系统，使利用氢与氧的电化学反应进行发电的燃料电池运转，所述燃料电池系统具备：
冷却泵，向所述燃料电池送出冷却介质；
运转控制部，判断在所述燃料电池起动时所述燃料电池是否被放置在残留于阴极催化剂层的水分会发生冻结的寒冷环境下，所述阴极催化剂层形成于所述燃料电池中的电解质膜的阴极侧；及
除水部，在所述运转控制部判断为处于所述寒冷环境下时，在所述燃料电池起动后且所述冷却泵送出所述冷却介质之前，除去所述阴极催化剂层中滞留的水分，
所述燃料电池系统还具备对在所述阴极催化剂层中冻结了的水分的融化进行检测的融化检测部，
所述除水部在所述燃料电池起动之后且在所述冷却泵送出所述冷却介质之前，在所述融化检测部检测到所述水分的融化的情况下，开始除去滞留在所述阴极催化剂层中的水分。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
所述融化检测部基于所述燃料电池的内部电阻来检测在所述阴极催化剂层中冻结了的水分的融化。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
所述燃料电池系统还具备对所述阴极催化剂层中的残余水量进行检测的残余水检测部，
所述除水部基于由所述残余水检测部检测到的残余水量，结束滞留在所述阴极催化剂层中的水分的除去。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其中，
所述燃料电池包括使氧化气体向所述电解质膜的所述阴极侧流动的阴极流路，
所述残余水检测部基于在所述阴极流路中流动的氧化气体的压力损失，来检测所述阴极催化剂层中的残余水量。
5.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其中，
所述残余水检测部基于所述燃料电池的内部电阻，来检测所述阴极催化剂层中的残余水量。
6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
所述燃料电池包括：
在所述电解质膜的阳极侧形成的阳极催化剂层；及
使氢气向所述电解质膜的所述阳极侧流动的阳极流路，
所述除水部使在所述阳极流路中流动的氢气的化学计量比及温度中的至少一方上升，使从所述阴极催化剂层向所述阳极催化剂层移动的水分量增加，由此将滞留在所述阴极催化剂层中的水分除去。
7.一种燃料电池系统，使利用氢与氧的电化学反应进行发电的燃料电池运转，所述燃料电池系统具备：
冷却泵，向所述燃料电池送出冷却介质；
运转控制部，判断在所述燃料电池起动时所述燃料电池是否被放置在残留于阴极催化剂层的水分会发生冻结的寒冷环境下，所述阴极催化剂层形成于所述燃料电池中的电解质膜的阴极侧；及
除水部，在所述运转控制部判断为处于所述寒冷环境下时，在所述燃料电池起动后且所述冷却泵送出所述冷却介质之前，除去所述阴极催化剂层中滞留的水分，
所述燃料电池包括：
将氧化气体向沿着所述电解质膜的面方向形成的阴极流路导入的氧化气体导入部；
设置在与所述氧化气体导入部相对的位置并从所述阴极流路排出氧化气体的氧化气体排出部；
设置在与所述氧化气体排出部对应的一侧并将冷却介质向沿着所述电解质膜的面方向形成的冷却流路导入的冷却导入部；及
设置在与所述氧化气体导入部对应的一侧并从所述冷却流路排出冷却介质的冷却排出部，
所述燃料电池系统还具备氧化气体减少部，该氧化气体减少部在所述燃料电池起动之后且在所述冷却泵送出所述冷却介质之前，使向所述氧化气体导入部导入的氧化气体的流量比所述冷却泵工作时减少。
8.一种燃料电池系统，使利用氢与氧的电化学反应进行发电的燃料电池运转，所述燃料电池系统具备：
冷却泵，向所述燃料电池送出冷却介质；
运转控制部，判断在所述燃料电池起动时所述燃料电池是否被放置在残留于阴极催化剂层的水分会发生冻结的寒冷环境下，所述阴极催化剂层形成于所述燃料电池中的电解质膜的阴极侧；及
除水部，在所述运转控制部判断为处于所述寒冷环境下时，在所述燃料电池起动后且所述冷却泵送出所述冷却介质之前，除去所述阴极催化剂层中滞留的水分，
所述燃料电池包括：
将氧化气体向沿着所述电解质膜的面方向形成的阴极流路导入的氧化气体导入部；
设置在与所述氧化气体导入部相对的位置并从所述阴极流路排出氧化气体的氧化气体排出部；
设置在与所述氧化气体导入部对应的一侧并将冷却介质向沿着所述电解质膜的面方向形成的冷却流路导入的冷却导入部；及
设置在与所述氧化气体排出部对应的一侧并从所述冷却流路排出冷却介质的冷却排出部，
所述燃料电池系统还具备氧化气体增加部，该氧化气体增加部在所述燃料电池起动之后且在所述冷却泵送出所述冷却介质之前，使向所述氧化气体导入部导入的氧化气体的流量比所述冷却泵工作时增加。
9.一种燃料电池系统，使利用氢与氧的电化学反应进行发电的燃料电池运转，所述燃料电池系统具备：
冷却泵，向所述燃料电池送出冷却介质；
运转控制部，判断在所述燃料电池起动时所述燃料电池是否被放置在残留于阴极催化剂层的水分会发生冻结的寒冷环境下，所述阴极催化剂层形成于所述燃料电池中的电解质膜的阴极侧；及
除水部，在所述运转控制部判断为处于所述寒冷环境下时，在所述燃料电池起动后且所述冷却泵送出所述冷却介质之前，除去所述阴极催化剂层中滞留的水分，
所述燃料电池系统还具备电流抑制部，该电流抑制部在所述燃料电池起动之后所述冷却泵送出所述冷却介质时，将所述燃料电池的电流抑制成向所述电解质膜的所述阴极侧移动的水分量比向所述电解质膜的阳极侧移动的水分量减少的电流值。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的燃料电池系统，其中，
所述燃料电池包括使氧化气体向所述电解质膜的所述阴极侧流动的阴极流路，
所述除水部在所述燃料电池起动之后且在所述冷却泵送出所述冷却介质之前，在使所述燃料电池的电流停止的状态下，向所述阴极流路导入氧化气体，由此将滞留在所述阴极催化剂层中的水分除去。
11.一种燃料电池的运转方法，使利用氢与氧的电化学反应进行发电的燃料电池运转，所述燃料电池的运转方法具备如下工序：
判断工序，判断在所述燃料电池起动时所述燃料电池是否被放置在残留于阴极催化剂层的水分会发生冻结的寒冷环境下，所述阴极催化剂层形成于所述燃料电池中的电解质膜的阴极侧；及
除水工序，在判断为处于所述寒冷环境下时，在所述燃料电池起动后且向所述燃料电池送出冷却介质之前，除去所述阴极催化剂层中滞留的水分，
所述燃料电池的运转方法还具备对在所述阴极催化剂层中冻结了的水分的融化进行检测的融化检测工序，
所述除水工序是如下所述的工序：在所述燃料电池起动之后且在向所述燃料电池送出所述冷却介质之前，在所述融化检测工序检测到所述水分的融化的情况下，开始除去滞留在所述阴极催化剂层中的水分。
12.根据权利要求11所述的燃料电池的运转方法，其中，
所述融化检测工序包括如下所述的工序：基于所述燃料电池的内部电阻来检测在所述阴极催化剂层中冻结了的水分的融化。
13.根据权利要求11所述的燃料电池的运转方法，其中，
所述燃料电池的运转方法还具备对所述阴极催化剂层中的残余水量进行检测的残余水检测工序，
所述除水工序包括如下所述的工序：基于由所述残余水检测工序检测到的残余水量，结束滞留在所述阴极催化剂层中的水分的除去。
14.根据权利要求13所述的燃料电池的运转方法，其中，
所述残余水检测工序包括如下所述的工序：基于在用于使氧化气体向所述电解质膜的所述阴极侧流动的阴极流路中流动的氧化气体的压力损失，来检测所述阴极催化剂层中的残余水量。
15.根据权利要求13所述的燃料电池的运转方法，其中，
所述残余水检测工序包括如下所述的工序：基于所述燃料电池的内部电阻，来检测所述阴极催化剂层中的残余水量。
16.根据权利要求11所述的燃料电池的运转方法，其中，
所述燃料电池包括：
在所述电解质膜的阳极侧形成的阳极催化剂层；及
使氢气向所述电解质膜的所述阳极侧流动的阳极流路，
所述除水工序包括如下所述的工序：使在所述阳极流路中流动的氢气的化学计量比及温度中的至少一方上升，使从所述阴极催化剂层向所述阳极催化剂层移动的水分量增加，由此将滞留在所述阴极催化剂层中的水分除去。
17.一种燃料电池的运转方法，使利用氢与氧的电化学反应进行发电的燃料电池运转，所述燃料电池的运转方法具备如下工序：
判断工序，判断在所述燃料电池起动时所述燃料电池是否被放置在残留于阴极催化剂层的水分会发生冻结的寒冷环境下，所述阴极催化剂层形成于所述燃料电池中的电解质膜的阴极侧；及
除水工序，在判断为处于所述寒冷环境下时，在所述燃料电池起动后且向所述燃料电池送出冷却介质之前，除去所述阴极催化剂层中滞留的水分，
所述燃料电池包括：
将氧化气体向沿着所述电解质膜的面方向形成的阴极流路导入的氧化气体导入部；
设置在与所述氧化气体导入部相对的位置并从所述阴极流路排出氧化气体的氧化气体排出部；
设置在与所述氧化气体排出部对应的一侧并将冷却介质向沿着所述电解质膜的面方向形成的冷却流路导入的冷却导入部；及
设置在与所述氧化气体导入部对应的一侧并从所述冷却流路排出冷却介质的冷却排出部，
所述燃料电池的运转方法还具备氧化气体减少工序，该氧化气体减少工序在所述燃料电池起动之后且在向所述燃料电池送出所述冷却介质之前，使向所述氧化气体导入部导入的氧化气体的流量比所述冷却泵工作时减少。
18.一种燃料电池的运转方法，使利用氢与氧的电化学反应进行发电的燃料电池运转，所述燃料电池的运转方法具备如下工序：
判断工序，判断在所述燃料电池起动时所述燃料电池是否被放置在残留于阴极催化剂层的水分会发生冻结的寒冷环境下，所述阴极催化剂层形成于所述燃料电池中的电解质膜的阴极侧；及
除水工序，在判断为处于所述寒冷环境下时，在所述燃料电池起动后且向所述燃料电池送出冷却介质之前，除去所述阴极催化剂层中滞留的水分，
所述燃料电池包括：
将氧化气体向沿着所述电解质膜的面方向形成的阴极流路导入的氧化气体导入部；
设置在与所述氧化气体导入部相对的位置并从所述阴极流路排出氧化气体的氧化气体排出部；
设置在与所述氧化气体导入部对应的一侧并将冷却介质向沿着所述电解质膜的面方向形成的冷却流路导入的冷却导入部；及
设置在与所述氧化气体排出部对应的一侧并从所述冷却流路排出冷却介质的冷却排出部，
所述燃料电池的运转方法还具备氧化气体增加工序，该氧化气体增加工序在所述燃料电池起动之后且在向所述燃料电池送出所述冷却介质之前，使向所述氧化气体导入部导入的氧化气体的流量比所述冷却泵工作时增加。
19.一种燃料电池的运转方法，使利用氢与氧的电化学反应进行发电的燃料电池运转，所述燃料电池的运转方法具备如下工序：
判断工序，判断在所述燃料电池起动时所述燃料电池是否被放置在残留于阴极催化剂层的水分会发生冻结的寒冷环境下，所述阴极催化剂层形成于所述燃料电池中的电解质膜的阴极侧；及
除水工序，在判断为处于所述寒冷环境下时，在所述燃料电池起动后且向所述燃料电池送出冷却介质之前，除去所述阴极催化剂层中滞留的水分，
所述燃料电池的运转方法还具备电流抑制工序，该电流抑制工序在所述燃料电池起动之后向所述燃料电池送出所述冷却介质时，将所述燃料电池的电流抑制成向所述电解质膜的所述阴极侧移动的水分量比向所述电解质膜的阳极侧移动的水分量减少的电流值。
20.根据权利要求11～19中任一项所述的燃料电池的运转方法，其中，
所述除水工序包括如下所述的工序：在所述燃料电池起动之后且在向所述燃料电池送出所述冷却介质之前，在使所述燃料电池的电流停止的状态下，向用于使氧化气体向所述电解质膜的所述阴极侧流动的所述阴极流路导入氧化气体，由此将滞留在所述阴极催化剂层中的水分除去。
CN201080067453.6A 2010-06-17 2010-06-17 燃料电池 Active CN102947993B (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2010/004036 WO2011158295A1 (ja) 2010-06-17 2010-06-17 燃料電池

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102947993A CN102947993A (zh) 2013-02-27
CN102947993B true CN102947993B (zh) 2015-11-25

Family

ID=45347727

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201080067453.6A Active CN102947993B (zh) 2010-06-17 2010-06-17 燃料电池

Country Status (5)

Country Link
US (1) US8980486B2 (zh)
EP (1) EP2584637B1 (zh)
JP (1) JP5423892B2 (zh)
CN (1) CN102947993B (zh)
WO (1) WO2011158295A1 (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6217521B2 (ja) * 2014-05-21 2017-10-25 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及びその制御方法
JP6258378B2 (ja) * 2016-02-26 2018-01-10 本田技研工業株式会社 燃料電池システムの制御方法
CN106876751B (zh) * 2017-02-14 2020-11-10 北京东方华氢科技有限公司 一种氢氧燃料电池
JP6996430B2 (ja) * 2018-06-12 2022-02-04 トヨタ自動車株式会社 燃料電池セルおよび燃料電池スタック
JP7115430B2 (ja) * 2019-07-16 2022-08-09 株式会社デンソー 燃料電池システム

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101473479A (zh) * 2006-05-09 2009-07-01 丰田自动车株式会社 燃料电池系统
CN101496210A (zh) * 2006-12-12 2009-07-29 丰田自动车株式会社 燃料电池系统、其控制方法及移动体

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09259913A (ja) 1996-03-22 1997-10-03 Toshiba Corp 燃料電池発電装置およびその運転方法
US5798186A (en) 1996-06-07 1998-08-25 Ballard Power Systems Inc. Method and apparatus for commencing operation of a fuel cell electric power generation system below the freezing temperature of water
JP4867094B2 (ja) 2001-07-19 2012-02-01 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
US6673481B1 (en) * 2002-07-01 2004-01-06 Utc Fuel Cells, Llc Initiating operation of an electric vehicle or other load powered by a fuel cell at sub-freezing temperature
JP4701600B2 (ja) 2003-10-27 2011-06-15 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP4823485B2 (ja) 2004-03-24 2011-11-24 本田技研工業株式会社 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法
JP2006080027A (ja) * 2004-09-13 2006-03-23 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP4630040B2 (ja) 2004-11-04 2011-02-09 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
JP4030063B2 (ja) * 2004-12-28 2008-01-09 本田技研工業株式会社 燃料電池システムおよび燃料電池システムの起動方法
JP2006286573A (ja) 2005-04-05 2006-10-19 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池制御装置
JP2007012564A (ja) 2005-07-04 2007-01-18 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池の低温起動方法
JP2007172962A (ja) 2005-12-21 2007-07-05 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP5145778B2 (ja) 2007-06-08 2013-02-20 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法
JP2009110684A (ja) 2007-10-26 2009-05-21 Nippon Soken Inc 燃料電池システム
US8168343B2 (en) * 2008-08-01 2012-05-01 GM Global Technology Operations LLC Humidification control during shutdown of a fuel cell system
JP5045735B2 (ja) 2009-11-26 2012-10-10 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及びその制御方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101473479A (zh) * 2006-05-09 2009-07-01 丰田自动车株式会社 燃料电池系统
CN101496210A (zh) * 2006-12-12 2009-07-29 丰田自动车株式会社 燃料电池系统、其控制方法及移动体

Also Published As

Publication number Publication date
JPWO2011158295A1 (ja) 2013-08-15
EP2584637B1 (en) 2015-07-22
JP5423892B2 (ja) 2014-02-19
CN102947993A (zh) 2013-02-27
US8980486B2 (en) 2015-03-17
US20130089798A1 (en) 2013-04-11
EP2584637A4 (en) 2014-06-25
EP2584637A1 (en) 2013-04-24
WO2011158295A1 (ja) 2011-12-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3999498B2 (ja) 燃料電池システム及びその停止方法
CN102947993B (zh) 燃料电池
JP4801703B2 (ja) 燃料電池システム
JP2006024559A (ja) サブトラックに分割された燃料電池スタックを備える燃料電池システムから発電する方法および燃料電池システム
CN111180758B (zh) 一种燃料电池系统低温启动装置及方法
CN102237538A (zh) 检测没有冷却剂流入燃料电池系统的方法
WO2009104368A1 (ja) 燃料電池システム、および、燃料電池システムの制御方法
US8877397B2 (en) Method to thaw frozen coolant in a fuel cell system
JP4533604B2 (ja) 燃料電池の低温起動方法
JP4764109B2 (ja) 燃料電池システム
JP2008171601A (ja) 燃料電池システム
JP5262125B2 (ja) 燃料電池システムおよび燃料電池の運転方法
JP7238849B2 (ja) 燃料電池システム
JP7035982B2 (ja) 燃料電池システム
JP2004152681A (ja) 燃料電池システムの暖機方法
JP3661643B2 (ja) 燃料電池システム
CN109390595B (zh) 燃料电池系统的控制装置
JP2007149511A (ja) 燃料電池システム及びその起動方法
JP3659225B2 (ja) 燃料電池システム
JP2004235009A (ja) 燃料電池システムおよび移動装置
KR101558343B1 (ko) 연료전지 관리방법
KR101084078B1 (ko) 연료 전지 시스템 및 그 구동 방법
JP5120404B2 (ja) 燃料電池システム、および、燃料電池システムの制御方法
JP2010009822A (ja) 燃料電池システム
JP2008277075A (ja) 燃料電池システム

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant