CN103597642B - 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

本发明提供一种燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法，所述燃料电池系统在冰点以下启动时提高燃料电池内的排水性，从而实现燃料电池的输出的提高、发电效率的提高。在供给燃料气体和氧化剂气体并实施发电的燃料电池系统中，在冰点以下启动后的燃料电池的温度超过了零度的阶段，对燃料电池的输出进行测量，并在该输出在基准输出值以下的情况下对阴极附加压力脉动，从而排出存积于燃料电池内的水。

Description

燃料电池系统及燃料电池系统的控制方法
技术领域
本发明涉及一种具有接受反应气体的供给并进行发电的燃料电池组的燃料电池系统及燃料电池系统的控制方法。
背景技术
燃料电池由层叠了多个燃料电池单元(单个单元)的燃料电池组构成，各个单个单元具有在电解质膜的一个面上配置阳极而在另一个面上配置阴极从而形成的膜-电极接合体，并被构成为，通过气体流道层和分离器而对该膜-电极接合体进行夹持。阳极中被供给含有氢气的燃料气体，且氢气通过下式(1)所示的氧化反应而从燃料气体中生成质子。所生成的质子穿过电解质膜而向阴极移动。在另一方的阴极中被供给含有氧气的氧化剂气体，且氧气与从阳极移动来的质子发生反应，从而通过下式(2)所示的还原反应而生成水。作为燃料电池单元整体而成为式(3)的起电反应，利用在这一对电极结构体的电解质膜侧的表面上所发生的电化学反应从而从电极获得电能。
H2→2H++2e－...(1)
(1/2)O2+2H++2e－→H2O...(2)
H2+(1/2)O2→H2O...(3)
如上所述，由于燃料电池生成水(在图1中将生成水表示为符号30)，因此，存在如下的可能性，即，在冰点以下等的低温环境下，存在于燃料电池内的生成水冻结，并且暂时冻结的生成水通过燃料电池的驱动热量而融解，并再次作为水而存积于燃料电池内。当以这种方式而发生燃料电池内的水的冻结和存积时，反应气体流道将被堵塞而阻碍气体扩散，从而引起燃料电池的输出降低。鉴于上述问题，在日本特开2005-44795号公报中，公开了一种如下的技术，即，通过将在冰点以下启动时被供给至燃料电池组的反应气体的压力控制为高于正常运行压力，从而提高发电特性。通过提高反应气体的供给压力而将气体强行地供给至反应面，从而补偿了气体扩散性的降低。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2005-44795号公报
发明内容
发明所要解决的课题
专利文献1为，通过与通常时相比而较多地供给反应气体来抑制气体扩散性的降低，从而能够充分地向反应面供给气体的技术，其在燃料电池温度为冰点以下的情况下发挥效果。但是，在燃料电池温度超过了零度的阶段中冻结了的冰解冻而急剧地产生了生成水的情况下，由于生成水将堵塞气体流道，因此无法充分地排出生成水，从而存在向反应面被供给的气体量降低的可能性。此外，在冰点以下启动时存在于燃料电池内的冰不仅存在于气体流道内，还存在于膜-电极接合体内、催化剂层内，由于这些冰在超过了零度的时间点会一起融解，因此将产生急剧的输出降低。在专利文献1的技术中，即使通过提高反应气体的供给压力，从而能够在某种程度上排出气体入口附近的生成水，但是也难以充分地实施自燃料电池单元内部、特别是自膜-电极接合体内及催化剂层内的排水、以及自包括气体出口附近在内的燃料电池单元整体的排水。在膜-电极接合体内及催化剂层内存积有生成水的情况下，由于生成水而阻碍了反应气体的供给，因而妨碍了燃料电池反应，从而抑制了燃料电池温度的上升。由于当燃料电池温度的上升被抑制时会降低生成水的蒸发、流动效率，因此阻碍了反应气体的扩散，从而妨碍了燃料电池的发电反应。即，在燃料电池温度为低温、且在膜-电极接合体内及催化剂层内存积有生成水的情况下，在气体扩散性与燃料电池温度之间将引起恶性循环，从而存在妨碍燃料电池的发电反应的进行并引起输出降低的可能性。
本发明的目的在于，提供一种燃料电池系统及燃料电池系统的控制方法，所述燃料电池系统在低温环境下启动的燃料电池中，能够良好地排出由于冻结的冰融解而生成的水，从而提高燃料电池的输出。
用于解决课题的方法
本发明为一种燃料电池系统，其具备向阳极供给燃料气体而向阴极供给氧化剂气体并进行发电的燃料电池组，所述燃料电池系统的特征在于，具备：温度传感器，其对所述燃料电池组内的温度进行测量；压力传感器，其对所述阴极的压力进行测量；压力调节器，其对所述阴极的压力进行调节；压力控制部，其在冰点以下启动后由所述温度传感器测量出的所述燃料电池组内的温度超过了零度的情况下，以对所述阴极的压力附加脉动的方式而对所述压力调节器进行控制。
根据上述结构的燃料电池系统，在冰点以下启动后在燃料电池内冻结的水被解冻时，通过对阴极侧的压力附加脉动，从而能够有效地排出存积的水。由于能够不仅仅使气体流动，还能够利用压力的梯度来实施气体流动，因此，能够切实地将在膜-电极接合体内及催化剂层内堵塞气体流道的水与存积于气体流道内的水一起排出。此外，由于随着压力上升而燃料电池单元内的温度也将上升，因此，还能够获得燃料电池单元的暖机效果。另外，本发明中的压力的脉动是指，使压力的增减瞬时性地变化的情况。
在上述结构的燃料电池系统中，优选为，所述压力控制部在通过所述压力调节器而使阴极的入口压力暂时上升之后，使压力以不低于基准压力值的程度而下降从而对压力附加脉动。
通过使阴极的入口压力上升或下降从而能够优先地排出存积于入口附近的水，进而能够增加被供给到阴极的气体量。此外，由于在基准压力值以上附加压力脉动，因此即使在使压力降低时也能够抑制输出降低的情况。
并且，优选为，具备对所述燃料电池组的输出进行测量的输出测量器，在判断为由所述输出测量器测量出的所述燃料电池组的输出在要求输出值以下的情况下，所述压力控制部对所述压力调节器进行控制。另外，要求输出值表示运行所需的输出值、且为能够任意地进行设定的值。
通过仅在冰点以下启动后由于冻结了的水解冻而导致输出降低的情况下实施压力脉动、并且附加输出恢复所需的最小限度的脉动，从而能够有效地排出燃料电池内的水，并抑制过度地附加压力脉动而使输出降低的情况。由此，能够提前使压力脉动实施后的压力状态及气体流动状态稳定。
此外，本发明为一种燃料电池系统的控制方法，所述燃料电池系统包括向阳极供给燃料气体而向阴极供给氧化剂气体并进行发电的燃料电池，所述燃料电池系统的控制方法的特征在于，具有：对在启动时所述燃料电池的温度是否在冰点以下的基准温度以下进行判断的步骤；在所述燃料电池的温度为所述基准温度以下的情况下执行冰点以下启动控制的步骤；对所述冰点以下启动控制执行后的所述燃料电池的温度是否超过了零度进行判断的步骤；在所述冰点以下启动控制执行后的所述燃料电池的温度超过了零度的情况下对所述燃料电池的所述阴极的压力附加脉动的步骤。
并且，在所述控制方法中，优选为，还具有：在所述冰点以下启动控制执行后的所述燃料电池的温度超过了零度的情况下对所述燃料电池的输出值与预定的输出要求值进行比较的步骤；在所述燃料电池的输出值低于输出要求值的情况下根据两者之差而对压力变动幅度进行计算的步骤，在对所述阴极的压力附加脉动的步骤中，根据所计算出的压力变动幅度而对所述阴极的压力附加脉动。
根据上述结构的燃料电池系统的控制方法，在冰点以下启动时执行冰点以下启动控制，之后，通过在判断为冰已解冻的时间点对阴极附加压力脉动，从而能够排除存积于燃料电池内的水。
发明效果
根据本发明，提供了一种燃料电池系统及燃料电池系统的控制方法，所述燃料电池系统在低温环境下启动的燃料电池中，能够良好地排出由于冻结的冰融解而生成的水，从而提高燃料电池的输出。
附图说明
图1为表示本发明的实施方式中的燃料电池单元的图。
图2为表示本发明的实施方式中的燃料电池系统的结构的图。
图3为表示图2所示的燃料电池系统中的氧化剂气体供给的运行控制处理的流程图。
图4为表示压力变动与输出恢复之间的关系的图。
图5为表示由压力脉动而导致的输出变动及温度变动的图。
图6为表示冰点以下启动控制时的控制映射的图。
具体实施方式
以下，根据图1至图3，对本发明的实施方式进行说明。图1表示燃料电池单元10。燃料电池单元10由电解质膜12、阳极催化剂层14、阴极催化剂层16、阳极扩散层18、阴极扩散层20构成。电解质膜12由离子交换膜构成，并具有质子传导性。阳极催化剂层14和阴极催化剂层16被配置在电解质膜12的两侧，并且在阳极催化剂层14的与电解质膜12相反的一侧配置有阳极扩散层18，而在阴极催化剂层16的与电解质膜12相反的一侧配置有阴极扩散层20，从而形成了膜电极接合体22。而且，在膜电极接合体22的两侧配置有分离器25，从而形成了燃料电池单元10，通过层叠多个燃料电池单元10，从而形成了燃料电池组1。从单元10外部被供给的燃料气体穿过燃料气体流道26而向阳极扩散层18、阳极催化剂层14被供给，氧化剂气体穿过氧化剂气体流道28而向阴极扩散层20、阴极催化剂层16被供给。
图2为，表示本发明的实施方式中的燃料电池系统的结构的图。在燃料电池系统40中，压缩空气作为氧化剂气体而被供给至燃料电池组1的阴极(燃料电池单元的阴极侧的室)。即，从过滤器32吸入的空气在被压缩机41压缩之后，从配管51向燃料电池组1被供给。空气的供给压力通过压力传感器42而被检测，并被控制为例如150kPa等预定的基准压力。来自阴极(燃料电池组的阴极侧的室)的排气通过配管52及稀释器43而被排出到外部。空气的供给压力通过设置于配管51上的压力传感器42而被检测，并通过背压阀45而进行调节。当增大背压阀45的开度时出口压力将降低，从而在入口压力与出口压力之差中产生差压。
储藏于氢气罐46中的氢气通过配管53而被供给至燃料电池组1的阳极。以高压而被储藏于氢气罐46中的氢气通过设置于出口处的节流阀47、调节器48、阀49而被调节了压力及供给量，并被供给至阳极。来自阳极的排气流出到配管54中，并在中途被分成两路。一路与用于向外部排出氢气的配管55、稀释器43相连接，并在被空气稀释之后被向外部排出。另一路经由加压泵50而与配管56相连接并再次被循环至燃料电池组1。
对燃料电池组1进行冷却的冷却水通过泵60而在冷却用的配管61中流动，在散热器62中被冷却并被供给至燃料电池组1。在燃料电池组1的冷却水出口处，设置有用于对冷却水温度进行检测的温度传感器64。由于冷却水在燃料电池组1内进行循环，因此，由温度传感器64测量出的冷却水温度能够作为燃料电池温度而使用。另外，也可以将温度传感器直接安装在燃料电池组上而对燃料电池温度进行检测。
在燃料电池系统40中，设置有实施燃料电池系统40的控制的控制部(ECU)66。压力传感器42及温度传感器64等的检测信号被输入至控制部66，并向背压阀45及阀49、压缩机41等供给控制信号。由电池单元监控器70检测出的电压值及电流值也被输入至控制部66。此外，在控制部66上，连接有点火开关68，并输入有点火导通、点火断开的信号。另外，在附图中用虚线来表示相对于控制部66而被输入输出的信号的一部分。
接下来，根据图3对燃料电池系统的控制方法进行说明。图3为，表示图2所示的燃料电池系统的控制的处理内容的流程图。首先，当点火开关68从断开被切换为导通时，输入运行开始信号(IG-导通)，并进入到步骤S101。
在步骤S101中，通过温度传感器64而对燃料电池组1内的温度T1进行测量，并向控制部66输入。在控制部66中对温度T1是否在零度以上进行判断，在温度T1大于零度的情况下，进入到步骤S109，并实施常温启动控制。而在温度T1在零度以下的情况下，进入到步骤S102，并实施冰点以下用启动控制。
在此，对冰点以下启动控制进行叙述。众所周知，冰点以下启动控制与常温启动控制相比实施低效率发电，并且，在使燃料电池组的温度上升的同时进行启动。低效率发电是指，被供给至燃料电池的反应气体、特别是氧化剂气体与通常发电时相比而较少，由此使得电力损失较大的发电。例如，与常温启动控制时相比在将空气化学计量空燃比收敛于1.0附近的状态下使燃料电池进行运行。如此，通过将电力损失设定得较大，从而能够快速地对燃料电池进行暖机。另外，在常温启动控制时，例如，在设定为化学计量空燃比在1.5以上的状态下使燃料电池进行运行，以抑制电力损失并获得较高的发电效率。
在冰点以下启动控制中也存在各种各样的方法，以下列举具体的一个示例。根据启动时的燃料电池温度与燃料电池内的剩余水量之间的关系，而将燃料电池状态划分为三个阶段，并根据燃料电池状态而实施三个阶段的控制。在图6中，图示了根据启动时的燃料电池温度和剩余水量而将燃料电池状态划分为三个阶段的图。根据该映射图，分成如下三种情况而实施控制，即，(I)燃料电池温度较高且剩余水量较少的情况，(II)燃料电池温度较低且剩余水量较多的情况，(III)上述以外的情况，即燃料电池温度较低且剩余水量较少的情况、以及燃料电池温度较高且剩余水量较多的情况。在燃料电池温度较高且剩余水量较少的情况(I)下，在使冷却水循环的同时增加反应气体的供给量，从而实施快速暖机。在燃料电池温度较低且剩余水量较多的情况(II)下，不使冷却水循环，并在降低反应气体的供给量的状态下实施快速暖机。在燃料电池温度较低且剩余水量较多的情况、以及燃料电池温度较高且剩余水量较少的情况(III)下，在使冷却水及反应气体进行循环的同时实施快速暖机。如此，通过根据燃料电池组的温度与存积于内部的水分量的均衡而使循环的冷却水量发生变化，从而能够良好地启动燃料电池。
在步骤S102中实施了冰点以下用启动控制之后，进入到步骤S103，再次通过温度传感器64而对燃料电池组1内的温度T2进行测量。与步骤S101同样地，所测量出的温度T2被向控制部66输入，控制部66对温度T2是否在零度以上进行判断。在温度T2大于零度的情况下，进入到步骤S104，而在温度T2在零度以下的情况下，返回到步骤S102并继续实施冰点以下用启动控制。即，实施步骤S102的冰点以下启动控制，直到燃料电池组1的温度T2超过零度为止，在温度T2超过了零度的情况下，结束冰点以下启动控制。
在步骤S104中，控制部66根据由电池单元监控器70检测出的电压值V及电流值I而对输出值W进行计算，并对输出值W是否大于要求输出值W0进行判断。即，根据该输出而对燃料电池组1中的各个燃料电池单元是否实施了充分的发电进行判断。在输出值W大于要求输出值W0的情况下，判断为实施了充分的发电，并进入到步骤S109，从而切换为常温启动控制。另一方面，在输出值W在要求输出值W0以下的情况下，判断为因温度超过了零度而产生水，且该水存积在了燃料电池单元内，并进入到步骤S105。要求输出值W0为能够任意地进行设定的值，并被设定为，能够流畅地从低温启动控制顺利切换为常温启动控制的单元状态下的输出值，在本实施方式所涉及的燃料电池组1中，被设定为例如1.5kW等。
在步骤S105中，通过压力传感器42而测量出阴极的入口侧压力P1，并向控制部66被输入。
在步骤S106中，控制部66使对阴极的出口侧压力进行调节的背压阀45闭阀，从而使阴极的压力上升。
在步骤S107中，对闭阀后的阴极入口侧压力P2进行测量，并被向控制部66输入。控制部66对闭阀前的压力P1与闭阀后的压力P2之间的压力变动幅度α进行比较，并对是否满足P2＞P1+α进行判断。即，对P2是否从闭阀前的压力P1上升了αkPa进行判断。如果满足P2＞P1+α则进入到步骤S108，如果不满足则反复执行步骤S107，直到P2＞P1+α为止。在此，α能够任意地进行设定，由于根据燃料电池组1的结构等而有所不同，因此，对于作为对象的燃料电池组1，优选为进行实验以确定适当的值。
此外，如图4(a)所示，也可以预先对压力变动幅度α与输出恢复量之间的关系进行测量并映射化，从而根据输出量的不足量(W0－W)和该映射而对所需的压力变动幅度α进行计算。即，在输出的不足量较大时，通过增大压力变动幅度α，从而能够实现水的有效排出。
在步骤S108中，控制部66使背压阀45开阀，从而释放阴极的压力。此时，控制部66以使阴极的压力降低至基准压力值P以下的方式对背压阀45进行控制。即，在维持基准压力值P以上的状态下，通过对背压阀45进行开闭，从而对阴极附加压力脉动。另外，基准压力值P是指，为了向燃料电池单元内部供给固定的反应气体而所需的压力值，其能够任意地进行设定。
如图所示，在燃料电池组1的阴极的出口处设置有压力传感器，并以使阴极的出口处的压力不会成为基准压力值P以下的方式而对背压阀45的开阀进行控制。但是，优选为，急剧地实施开阀，以对阴极处的气体压力附加预定的脉动。
在此，在存积有较多水的情况下，为了实现输出恢复，而存在希望给予尽可能大的压力变化的要求。但是，阴极中的气体压力无法过度提高。因此，在获得较大的压力变化幅度的情况下，将成为下限压力的基准压力值P设定得较低。为了在燃料电池单元中产生充分的反应，需要充足的反应气体，且优选为设定为较高的压力。
因此，优选为，对输出恢复所需的压力变动幅度进行计算，并在该压力变动幅度较大时，使用较高的上限压力、较低的下限压力，从而增大压力变动幅度，而在输出所需的压力变动幅度较小时，提高基准压力值P，从而减小压力变动幅度。此外，当输出所需的压力变动幅度较小时，也可以变更为，降低上限压力，并提高下限压力。
通过采用这种方式，当对阴极附加脉动时，能够抑制反应气体的量的减少，从而将阴极中的反应维持为充分的状态。
另外，在作为对象的系统中，当关闭了背压阀45时，能够通过实验来推断出压力上升多少。因此，也可以将S107中的处理设为是否经过了固定时间的处理。
总之，通过周期性地对背压阀45进行开闭以使阴极的压力周期性地上升下降，从而能够有效地排出存积于阴极中的水。
在图4(b)中，图示了从步骤S106至步骤S108中的压力变动的情况。从闭阀前的大气开放状态起，通过在步骤S106中使背压阀45闭阀，从而使压力上升。在上升了压力变动幅度αkPa的量之后，通过在步骤S108中使背压阀45开阀，从而使压力下降，但此时优选为，使压力以不低于基准压力值P的程度而下降。在冰点以下启动后、且在超过了零度时使压力下降至基准压力值P以下的情况下，由于单元内部的反应气体量下降，因此存在输出恢复变得不充分，从而引起性能降低的可能性。通过即使在压力下降时也以不低于基准压力值P的方式对压力附加脉动，从而能够实现有效的输出恢复。
在通过步骤S105至S108而实施了输出恢复控制之后，返回到步骤S104。在输出值W小于要求输出值W0的情况下，反复实施输出恢复控制(步骤S105至S108)，在步骤S104中，在输出W超过了要求输出值W0的时间点上，转移至步骤S109的常温启动控制。
在图5中，对具备本发明的实施方式中的燃料电池系统并实施了该燃料电池系统的控制方法的情况(实施时)、与未实施的情况(未实施时)进行比较，并在曲线图中图示了燃料电池的输出值及温度。在冰点以下启动开始后，当经过A秒时燃料电池温度将超过零度。在该时间点上，在燃料电池的输出值W在要求输出值W0以下的情况下，实施前文叙述的输出恢复控制(图3中的步骤S105至S108)。可以看出，在经过A秒之后，与未实施本发明的控制的情况相比，在实施了本发明的控制的情况下输出及温度急剧上升，并格外提高了之后的恢复情况。在实施了实施方式所涉及的控制的情况(将步骤S105至S108的输出恢复控制实施了一个循环的情况)下，与未实施的情况相比，确认到输出提高时间及温度上升时间能够缩短大约20％。
此外，作为改变例，在通过步骤S106至S108而使阴极的压力发生变化时，也可以通过对压缩机41进行调节而使空气的压缩率发生变化。通过使压缩机41的转速发生变化，并在超过零度之后急剧地增减氧化剂气体的流量，也能够与背压阀45的开闭时同样地附加压力脉动，从而能够获得提高排水性、提高输出、提高燃料电池单元的温度等的效果。另外，还可以与背压阀45一起对压缩机41进行控制从而使阴极入口侧的压力上升，通过对阴极的入口侧与出口侧的压力增减量及增减时间、时刻进行调节，从而能够更有效地附加压力脉动，从而实现输出、排水性、温度的提高。
以上，根据本实施方式的燃料电池系统及燃料电池系统的控制方法，能够在解冻阶段迅速排出在冰点以下启动时在燃料电池内部冻结着的水。通过在超过了零度的时间点对压力进行增减而附加脉动，从而不仅能够使气体流动，还将利用压力的梯度来有效地实施气体流动。由此，能够切实地将存积于催化剂层内、扩散层内并堵塞了气体流道的水与存积在气体流道内的水一起排出。此外，由于燃料电池单元内的温度随着气体压力的增加而上升，因此还能够获得暖机效果。本发明所实现的效果并不限于压力脉动时，还能够获得之后的燃料电池工作时的排水性能、电池单元温度及输出的提高，从而能够实现短时间内的性能恢复。
符号说明
1燃料电池组；10燃料电池单元；12电解质膜；14阳极催化剂层；16阴极催化剂层；18阳极扩散层；20阴极扩散层；21、23箭头标记；22膜电极接合体；25分离器；26燃料气体流道；28氧化剂气体流道；30生成水；32过滤器；40燃料电池系统；41压缩机；42压力传感器；43稀释器；45背压阀；46氢气罐；47节流阀；48调节器；49阀；50加压泵；51、52、53、54、55、56配管；60泵；62散热器；64温度传感器；66控制部；68点火开关；70电池单元监控器。

Claims (4)

1.一种燃料电池系统，其具备向阳极供给燃料气体而向阴极供给氧化剂气体并进行发电的燃料电池组(1)，所述燃料电池系统的特征在于，
具备：
温度传感器(64)，其对所述燃料电池组内的温度进行测量；
压力传感器(42)，其对所述阴极的压力进行测量；
压力调节器(45)，其对所述阴极的压力进行调节；
压力控制部(66)，其在冰点以下启动后由所述温度传感器测量出的所述燃料电池组内的温度超过了零度的情况下，以对所述阴极的压力附加脉动的方式而对所述压力调节器进行控制；
压力计算部，其根据燃料电池的输出值与要求输出值之差，并利用所述差与所需的压力变动幅度之间的预先求出的关系，而对输出恢复所需的压力变动幅度进行计算，
所述压力控制部(66)根据由所述压力计算部计算出的压力变动幅度而以所述脉动中的压力的变动成为所述压力变动幅度的方式对所述压力调节器(45)进行控制。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
所述压力控制部(66)在通过所述压力调节器(45)而使阴极的入口压力暂时上升之后，使压力以不低于基准压力值的程度而下降从而对压力附加脉动。
3.如权利要求1或权利要求2所述的燃料电池系统，还具备对所述燃料电池组的输出进行测量的输出测量器(70)，其中，
在判断为由所述输出测量器测量出的所述燃料电池组的输出在要求输出值以下的情况下，所述压力控制部(66)对所述压力调节器(45)进行控制。
4.一种燃料电池系统的控制方法，所述燃料电池系统包括向阳极供给燃料气体而向阴极供给氧化剂气体并进行发电的燃料电池，所述燃料电池系统的控制方法的特征在于，
包括如下内容：
对在启动时所述燃料电池的温度是否在冰点以下的基准温度以下进行判断(S101)；
在所述燃料电池的温度为所述基准温度以下的情况下执行冰点以下启动控制(S102)；
对所述冰点以下启动控制执行后的所述燃料电池的温度是否超过了零度进行判断(S103)；
在所述冰点以下启动控制执行后的所述燃料电池的温度超过了零度的情况下对所述燃料电池的所述阴极的压力附加脉动(S106、S107、S108)；
在所述冰点以下启动控制执行后的所述燃料电池的温度超过了零度的情况下对所述燃料电池的输出值与预定的要求输出值进行比较(S104)；
在所述燃料电池的输出值低于要求输出值的情况下，根据燃料电池的输出值和要求输出值之差，并利用所述差与所需的压力变动幅度之间的预先求出的关系，而对输出恢复所需的压力变动幅度进行计算(S107)，
其中，
在对所述阴极的压力附加脉动时，根据所计算出的压力变动幅度而对所述阴极的压力附加脉动(S106、S107、S108)，
在所述燃料电池的输出值不低于要求输出值的情况下，不对所述阴极的压力附加脉动。
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Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014009851A1 (de) 2014-07-03 2016-01-07 Daimler Ag Verfahren zum Starten einer Brennstoffzelle
KR101641779B1 (ko) * 2014-10-13 2016-07-22 현대제철 주식회사 외부 응축수 유입에 의한 연료전지 스택의 성능 감소 회복 방법
JP6102882B2 (ja) * 2014-10-16 2017-03-29 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
FR3036230A1 (fr) * 2015-05-15 2016-11-18 Commissariat Energie Atomique Pile a combustible a membrane d’echange de protons presentant une duree de vie accrue
KR101724846B1 (ko) 2015-06-01 2017-04-07 현대자동차주식회사 연료전지 시스템의 운전 제어 방법
KR101856290B1 (ko) 2015-08-21 2018-05-09 현대자동차주식회사 연료전지 시스템의 스택 성능 개선 장치
KR101838510B1 (ko) * 2016-03-11 2018-03-14 현대자동차주식회사 증발냉각식의 연료 전지 시스템과 그것을 위한 냉각 제어 방법
US10693161B2 (en) 2016-09-07 2020-06-23 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system and method for controlling same
DE102017220353B4 (de) * 2017-11-15 2020-10-08 Audi Ag Brennstoffzellenanordnung und Einheitszelle für einen Brennstoffzellenstapel
JP6596057B2 (ja) * 2017-11-27 2019-10-23 本田技研工業株式会社 流量調整構造体及び流量調整方法
KR102614135B1 (ko) 2018-05-24 2023-12-13 현대자동차주식회사 연료전지의 공기 공급 제어방법 및 제어시스템
CN108630975B (zh) * 2018-06-29 2023-12-15 张家港氢云新能源研究院有限公司 能实现-40℃以下超低温冷启动的质子交换膜燃料电池电堆
DE102019206119A1 (de) * 2019-04-29 2020-10-29 Audi Ag Verfahren zum Starten einer Brennstoffzellenvorrichtung unter Froststartbedingungen sowie Brennstoffzellenvorrichtung und Kraftfahrzeug
DE102019207310A1 (de) * 2019-05-20 2020-11-26 Audi Ag Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems bei Vorliegen von Froststartbedingungen
DE102019217877A1 (de) 2019-11-20 2021-05-20 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellensystem mit einem Schwingungsgenerator und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einem Schwingungsgenerator
CN110911721B (zh) * 2019-11-28 2022-11-25 东风汽车集团有限公司 一种燃料电池控制方法及燃料电池控制装置
DE102021200148A1 (de) * 2021-01-11 2022-07-14 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Brennstoffzellensystem mit Vereisungsschutz
CN115224317A (zh) * 2021-05-31 2022-10-21 广州汽车集团股份有限公司 燃料电池系统的管理方法、燃料电池系统及存储介质

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1194474A (zh) * 1997-03-25 1998-09-30 松下电器产业株式会社 固体高分子型燃料电池
CN100382372C (zh) * 2003-05-16 2008-04-16 丰田自动车株式会社 燃料电池系统的运转控制

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3485243B2 (ja) * 1997-03-25 2004-01-13 松下電器産業株式会社 固体高分子型燃料電池
KR100388161B1 (ko) * 1998-07-08 2003-06-25 도요다 지도샤 가부시끼가이샤 연료개질장치
JP4996814B2 (ja) 2003-07-09 2012-08-08 本田技研工業株式会社 燃料電池の低温起動方法
CA2473213C (en) * 2003-07-09 2011-02-08 Honda Motor Co., Ltd. Method of starting up operation of fuel cell at low temperature
JP2005174645A (ja) * 2003-12-09 2005-06-30 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2006032171A (ja) 2004-07-16 2006-02-02 Toyota Motor Corp 燃料電池の制御装置
US7662495B2 (en) * 2004-11-05 2010-02-16 Gm Global Technologies Operations, Inc. Passive restriction pathways in fuel cell water drainage
JP4818605B2 (ja) 2004-11-16 2011-11-16 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制御方法
JP2007157375A (ja) * 2005-12-01 2007-06-21 Toyota Motor Corp 燃料電池システム及びその運転方法並びに移動体
JP4881027B2 (ja) * 2006-02-07 2012-02-22 本田技研工業株式会社 燃料電池システム及び燃料電池の低温下起動方法
US8389167B2 (en) * 2006-08-28 2013-03-05 GM Global Technology Operations LLC Detection of cell-to-cell variability in water holdup using pattern recognition techniques
JP5200414B2 (ja) * 2007-04-26 2013-06-05 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP4460601B2 (ja) 2007-11-26 2010-05-12 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
US20100196743A1 (en) 2009-02-02 2010-08-05 Hyundai Motor Company Apparatus and method for purging residual water and hydrogen during shutdown of fuel cell
JP5417917B2 (ja) * 2009-03-17 2014-02-19 アイシン精機株式会社 燃料電池システム

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1194474A (zh) * 1997-03-25 1998-09-30 松下电器产业株式会社 固体高分子型燃料电池
CN100382372C (zh) * 2003-05-16 2008-04-16 丰田自动车株式会社 燃料电池系统的运转控制

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