KR20040015029A - 연료 전지 시스템 및 이 시스템의 정지 방법 - Google Patents

연료 전지 시스템 및 이 시스템의 정지 방법 Download PDF

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닛산 지도우샤 가부시키가이샤
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Abstract

연료 전지 시스템이 정지될 때, 컨트롤러(3)는, 연료 전지(11)로의 냉각수 유량을 감소시키고, 연료 전지(1)의 냉각 성능을 감소시키고 연료 전지(1)의 운전을 계속하며, 연료 전지에서의 전기화학 반응에 의해 발생되는 열을 이용하여 연료 전지(1)의 온도가 상승되는 승온 운전을 수행한다. 연료 전지(11)의 온도가 소정의 고온에 도달한 후에, 연료 전지(11)의 운전은 정지된다.

Description

연료 전지 시스템 및 이 시스템의 정지 방법{FUEL CELL SYSTEM AND METHOD OF STOPPING THE SYSTEM}
수소와 산소간의 화학 반응에 의해 발생되는 에너지를 이용하여 발전(發電)하는 폴리머 전해질형 연료 전지 등의 연료 전지에서는, 이 연료 전지를 가습하여 연료 전지가 기능하게 하는 것이 필요하다. 연료 전지는 발전시 자체 발열하여, 냉각수 등에 의해 연료 전지를 냉각시키는 냉각 시스템이 필요하게 된다.
물을 이용하는 연료 전지를 포함하고 있는 연료 전지 시스템에서는, 시스템 정지시 시스템이 어는점 이하로 방치되면, 전지의 물 또는 냉각수가 동결하여 피해를 입히거나 또는 연료 전지 시스템의 재개를 방해할 수 있다. 일본국 특허청에 의해 공개된 JP7-169475A/1995 및 JP11-214025A 공보에서는 연료 전지의 동결 방지 방법을 제안하고 있다.
본 발명은, 연료 전지 시스템 및 이 시스템의 정지 방법에 관한 것이며, 연료 전지의 동결 방지에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 연료 전지 시스템을 포함하는 차량의 개략도,
도 2는 연료 전지 시스템의 개략도,
도 3은 연료 전지의 승온 운전의 상세한 것을 도시하는 플로 차트,
도 4는 시스템 정지 후의 연료 전지 온도 변동을 도시하는 타임 차트이다.
그러나, 종래 방법에 의하면, 연료 전지의 온도가 하강되거나 또는 외부 공기 온도가 하강될 때, 연료 전지는 외부로부터 버너 등에 의해 가열되거나 또는 자동적으로 재개된다. 운전자의 의도와 상관없이 정지 중에 이러한 종류의 처리가 자동적으로 수행되면, 안전성 등의 관점에서 매우 바람직하지 못하다.
따라서 본 발명의 목적은 시스템 정지 중에 연료 전지를 가열시키고 가열 또는 재개할 필요없이 연료 전지의 동결을 방지하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은, 전기화학 반응에 의해 발전하는 연료 전지, 연료 전지를 냉각시키는 냉각 메커니즘, 및 시스템이 정지될 때 냉각 메커니즘의 냉각 성능을 감소시키고 연료 전지를 계속 운전시켜 전기화학 반응의 열을 이용하여 연료 전지의 온도를 상승시키고, 연료 전지의 온도가 상승한 후에 연료 전지의 운전을 정지시키도록 기능하는 컨트롤러를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공하고 있다.
본 발명의 특징에 의하면, 본 발명은, 전기화학 반응에 의해 발전하는 연료 전지 및 연료 전지를 냉각시키는 냉각 시스템이 구비되며, 연료 전지의 냉각 장치의 냉각 성능을 감소시키고 시스템이 정지하기 전에 연료 전지를 계속 운전시키는 것과, 연료 전지의 전기화학 반응에 의해 발생되는 열을 이용하여 연료 전지의 온도를 상승시키는 것을 포함하는 연료 전지 시스템의 정지 방법을 제공하고 있다.
본 발명의 상세한 것 및 그 밖의 특징이 명세서의 나머지 부분에서 설명되며 첨부 도면에 도시되어 있다.
도면들 중 도 1을 참조하면, 본 발명에 의한 연료 전지 시스템(1)을 구비한 차량은, 연료 전지 시스템(1)을 제어하는 컨트롤러(3), 연료 전지 시스템(1)에 의해 발생되는 전력에 의해 충전되는 배터리(12), 및 스위치(5, 6)를 포함한다. 이 연료 전지 시스템(1)은 부하(4)에 접속되어 있다.
연료 전지 시스템(1)은, 폴리머 전해질형 연료 전지(PEFC)(또는 인산형 연료 전지(PAFC))이며, 운전 중에 가습이 필요한 연료 전지이다. 컨트롤러(3)는, 하나, 둘 또는 그 이상의 마이크로프로세서, 메모리, 및 입/출력 포트를 포함한다. 연료 전지 시스템(1)이 정지될 때, 컨트롤러(3)는 후술되는 연료 전지 시스템(1)의 승온 운전을 수행한다.
부하(4)는 연료 전지 시스템(1)으로부터 전력을 수신하여 구동력을 발생시키는 모터이다. 모터의 구동력은 차량 샤프트를 통해 차량의 구동휠로 전달된다.
연료 전지 시스템(1)은 스위치(5, 6)를 통해 부하(4) 및 배터리(2)에 접속될 수 있다. 시스템 운전시, 연료 전지 시스템(1)과 부하(4)가 접속되고, 연료 전지 시스템(1)이 정지될 때 수행되는 승온 운전 중에, 연료 전지 시스템(1)과 배터리가 접속된다. 배터리(2)는 니켈카드뮴 배터리, 리튬 배터리 또는 니켈수소 배터리 등의 충전 가능한 2차 전지이다.
도 2는 연료 전지 시스템(1)의 개략적인 구성을 도시한다. 연료 전지 시스템(1)의 연료 전지(11)는 복수의 전지가 적층되는 스택 구조를 갖는다. 연료 전지(11)에서는, 수소 등의 연료 가스가 음극으로 공급되고, 공기, 산소 등의 산화제 가스가 양극으로 공급된다. 연료 전지(11)는 다음의 화학 반응에 의해 기전력을 얻는다.
H2→2H++ 2e-…(1)
(1/2)O2+ 2H++ 2e-→H2O…(2)
H2+ (1/2)O2→H2O…(3)
식 (1)은 양극 반응이고, 식 (2)는 음극 반응이다. 식 (3)은 연료 전지(11) 전체를 통해 발생하는 화학 반응이다.
연료 전지 시스템(1)은, 연료 가스를 공급하는 파이프(12), 산화제 가스를 공급하는 파이프(13), 냉각수(coolant)를 공급하는 파이프(14), 냉각수와 외부 공기간의 열교환을 수행하는 열교환기(16), 냉각수 탱크(17), 냉각수의 유량을 조절하는 밸브(15), 냉각수를 순환시키는 펌프(18), 연료 전지(11)의 온도를 검출하는 온도 센서(19), 및 파이프 선택 밸브(20)를 더 포함하고 있다.
연료 전지 시스템(1)이 정지되면, 연료 전지(11)의 냉각 기능이 감소되고, 상기 전기화학 반응이 계속되며, 연료 전지(11)의 온도는 연료 전지(11)에 의해 발생되는 열에 기인하여 상승한다. PEFC에 사용되는 막 전극, 가스 확산층, 및 세퍼레이터는 일정 온도까지 내열성을 가지므로, 연료 전지(11)는 내열 온도까지 가열될 수 있다.
열 교환기(16)는, 연료 전지(11)를 통과하는 냉각수의 온도를 낮추는 기능을 가지지만, 연료 전지(11)의 온도가 상승되고 있으면, 냉각수의 순환 유량을 낮춤으로써 냉각 기능이 감소될 수 있다. 또한, 파이프 선택 밸브(20)를 변환시킴으로써 냉각수가 열 교환기(16)를 통과하지 않도록 되어도 되고, 이 경우에, 연료 전지(11)의 냉각 기능은 더욱 감소되어 연료 전지(11)의 승온 효과는 향상된다. 승온시 연료 전지(11)에 증기가 축적된다는 것을 고려하여, 연료 전지(11)에 가스 퍼지 배출구가 설치되어도 된다.
다음에, 도 3에 도시하고 있는 플로 차트를 참조하여 연료 전지 시스템(1)이 정지될 때 수행되는 연료 전지(11)의 승온 운전이 설명된다. 이 플로 차트는 연료 전지 시스템(1)이 정지될 때 컨트롤러(3)에 의해 실행된다.
연료 전지 시스템(11)이 정지될 때, 먼저, 온도 센서(19)에 의해 검출되는 연료 전지(11)의 전지 온도(이후, 연료 전지 온도)(Tcell), 및 온도 센서(22)에 의해 검출되는 외부 공기 온도(Tout)가 판독된다(단계 S1). 컨트롤러(3)에 접속되는 입력 장치(21)를 통한 입력 및 운전자에 의해 예측되는 정지 시간(te)이 판독되고(단계 S2), 이것과 외부 공기 온도(Tout)에 근거하여 연료 전지의 승온 운전이 수행되어야 하는지 아닌지를 판정한다.
구체적으로, 자연적인 열 손실에 의해 연료 전지(11)가 소정의 저온(Tlow)(예를 들면, 0℃)으로 냉각될 때까지의 시간(이후, 냉각 시간)(tc)이 추정된다(단계 S3). 따라서, 이 냉각 시간(tc)이 시스템 정지 시간(te)보다 긴지 아닌지를 판정함으로써, 승온 운전을 수행할 필요가 있는지 아닌지를 판정한다(단계 S4).
시스템 정지 시간(te)이 냉각 시간(tc)보다 짧으면, 연료 전지 온도(Tcell)는 승온 운전이 수행되지 않더라도 다음 기동시 상기 소정의 저온(Tlow)으로 하강하지 않으므로, 연료 전지(11)는 승온 운전을 수행하지 않고 정지된다(단계 S4 →S15). 이와 같이, 불필요한 승온 운전이 방지되어, 연료 소비가 억제된다. 그러나, 이 경우에도, 외부 공기 온도(Tout)의 온도 변동 이력을 참조함으로써 적절한 승온이 주어질 수 있다. 예를 들면, 외부 공기 온도(Tout)가 하강하여 연료 전지 온도(Tcell)가 소정의 저온(Tlow)으로 하강할 수 있는 것으로 판정되면, 승온 운전이 수행될 수 있다.
한편, 정지 시간(te)이 냉각 시간(tc)보다 길면, 승온 운전이 수행되며, 연료 전지 온도(Tcell)가 소정의 고온(T*)으로 상승되어 연료 전지(11)의 온도는 시스템이 재개할 때까지 동결이 발생하는 소정의 저온(Tlow)으로 하강하지 않는다(단계 S6 - S14).
여기서, 연료 전지 온도(Tcell)가 하강하는 속도가 증가할수록, 외부 공기 온도(Tout)가 낮게 되거나 또는 시스템 정지 온도(te)가 길게 되어, 소정의 고온(T*)이 더 높은 온도로 설정되고, 외부 공기 온도(Tout)가 낮게 되며 시스템 정지 시간(te)이 길게 된다(단계 S6). 또한, 소정의 고온(T*)은 외부 공기 온도(Tout)가 어는점 이하로 하강하는지 아닌지에 따라 변화될 수 있다.
시스템 정지 시간(te)이 길면, 정지 시간(te)은 냉각 시간(tc)과 비교해 너무 길므로, 승온 운전에 모든 잔류 연료량(F1)이 사용되더라도 동결을 방지하는데 필요한 온도(T*)까지 온도가 상승되지 않을 수 있다. 따라서, 이와 같은 경우에는, 연료 전지(11)의 승온이 감소되거나 또는 승온 운전이 정지된다. 연료 전지(11)의 승온을 감소시키기 위해서, 승온 운전이 짧게 되거나 또는 냉각 성능 손실이 감소되어도 된다. 이것은, 승온 운전이 수행되더라도 승온 운전이 쓸모없게 되기 때문이다. 구체적으로, 연료 전지 온도(Tcell)를 소정의 온도(T*)로 상승시키는데 필요한 잔류 연료량(F2)이 계산되고, 필요한 연료량(F2)이 단계 S5에서 판독된 잔류 연료량(F1)보다 크면, 승온 운전은 조금만 수행되거나 또는 전혀 수행되지 않는다(단계 S11 →단계 S15). 필요한 연료량(F2)은 현재의 연료 전지 온도(Tcell)에 근거하여 계산될 수 있다.
소정의 고온(T*)이 연료 전지의 구성요소에 영향을 주는 고온으로 설정되면(T*> Tuplim), 이것은 연료 전지(11)의 기능 저하를 야기시키므로, 승온 운전에 기인하는 연료 전지의 승온이 감소되거나 또는 전혀 수행되지 않는다(단계 S8 →단계 S15). 상한 온도(Tuplim)는, 미리 제어 프로그램에서 판독될 수 있고, 연료 전지(11)의 구성요소의 저하에 영향을 주지 않는 범위 내로 설정될 수 있다.
단계 S5에서 판독된 잔류 연료량(F1)은, 저장된 수소가 바로 연료 전지로 공급되는 다이렉트 수소 연료 전지 시스템에서는 잔류 수소량이며, 메탄올 등의 탄화수소 연료를 개질시킴으로써 얻어지는 수소가 연료 전지로 공급되는 개질 연료 전지 시스템에서는 잔류 탄화수소 연료량이다. 이것은 예를 들면 연료 탱크에 부착된 잔류 연료량 센서(23)에 의해 검출된다. 잔류 연료량(F1)은, 탱크 충만시의 연료 소비량을 산출하여, 연료 탱크의 최대 용량에서 이 연료 소비량을 감산함으로써 산출되어도 된다.
시스템 정지 시간(te)이 냉각 시간(tc)보다 길고, 승온 운전이 연료량(F1)에 의해 허용되는 범위 내로 필요하게 되면(F1 > F2), 연료 전지(11)의 온도가 소정의 온도(T*)로 상승할 때까지 승온 운전이 수행된다(단계 S9 - 단계 S14). 승온 운전은, 밸브(15)의 개도를 감소시켜 연료 전지(11)로의 냉각수의 유량을 감소시킴으로써, 또는 펌프를 정지시켜 연료 전지(11)로의 냉각수의 공급을 정지시키고 연료 전지(11)로 연료를 공급하여 계속해서 연료 전지(11)를 운전시킴으로써 수행된다.
소정의 온도(T*)가 높고 승온 효과를 향상시키는 것이 필요하면, 파이프 선택 밸브(20)를 변화시킴으로써 냉각수는 열 교환기(16)를 통과하지 않는다. 또한, T*이 냉각수의 끊는점(Tb)보다 높고 Tb 이상으로 연료 전지 온도(Tcell)를 상승시키는 것이 필요하면, 냉각수가 연료 전지(11)로부터 배출되고, 연료 전지가 운전됨으로써, 연료 전지(11)의 온도는 상승된다(단계 S9 →단계 S10).
이 승온 운전은 온도 센서(19)에 의해 검출된 연료 전지 온도(Tcell)가 소정의 고온(T*)에 도달할 때까지 계속되고, 소정의 온도(T*)에 도달하면, 연료 전지(11)로의 연료 가스 및 산화제 가스의 공급이 정지되어 연료 전지(11)의 운전이 정지된다(단계 S15).
여기서, 승온 운전은 연료 전지 온도(Tcell)가 소정의 온도(T*)에 도달할 때까지 계속되지만, 일정 온도에서 소정의 온도로 연료 전지(11)를 가열시키는데 필요한 시간이, 예를 들면, 표 또는 맵의 형태로 컨트롤러(3)의 메모리에 미리 기억될 수 있어, 표 또는 맵을 참조함으로써 얻어진 소정의 시간에 승온 운전 시동부터 경과한 시간이 도달할 때 연료 전지 온도(Tcell)가 소정의 온도(T*)에 도달한 것으로 판정하여도 된다.
승온 운전에서 연료 전지(11)에 의해 발생되는 전력은, 배터리(2)에 의해 저장되므로, 에너지 손실이 작게 연료 전지(11)의 온도를 상승시키는 것이 가능하다. 배터리(2)에 의해 저장되는 전력은 이 후에 예를 들면 시스템을 재개시키는 전력 또는 연료 전지(11)가 정지할 때 사용되는 전력으로서 사용될 수 있다.
도 4는 본 발명에 의한 승온 운전의 효과를 조사하기 위해서 수행되는 연료 전지 온도 하강 실험의 결과를 도시한다. 이 실험에서는, 단열 재료에 의해 절연되는 10개의 전지를 포함하고 있는 연료 전지가 -10℃의 고정 온도의 일정한 온도의 방에 방치되고, 가능한 한 열 손실을 방지하기 위해서 파이프 주위에 단열재도 방치된다.
도면의 실선은, 본 발명이 적용되지 않을 때, 즉, 전지 온도와 순환 냉각수의 온도가 일정(333K)할 때까지 1A/㎠의 전류 밀도로 연료 전지가 계속 운전되고, 이 연료 전지가 정지된 다음에, 그대로 방치되는 연료 전지 온도 변동을 나타내고있다. 한편, 도면의 파선은, 본 발명이 적용될 때, 즉, 냉각수 순환 유량이 제어되어 연료 전지의 온도를 상승시키고, 전지 온도가 368K에 도달할 때 연료 전지가 정지된 다음에, 그대로 방치되는 연료 전지 온도 변동을 나타내고 있다. 두 경우 모두, 연료 전지가 방치될 될 때의 개시 시간을 0으로 한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 연료 전지가 정지하게 될 때 연료 전지 온도가 상승되면, 연료 전지가 정지한 후에 연료 전지 온도는 높게 유지되어, 도면의 화살표 X로 도시된 바와 같이 연료 전지가 동결하기 시작하는 시간이 지연될 수 있다. 본 발명에 의하면, 외부 공기 온도에 따라 연료 전지가 정지하기 전에 연료 전지 온도가 충분히 증가되므로, 연료 전지가 동결하기 전에 연료 전지는 재개될 수 있어, 연료 전지의 동결이 방지된다.
본 실시예와 같이 연료 전지와 외부간에 적절한 단열재를 채용함으로써 동결 온도에 도달할 때까지의 시간이 더욱 연장될 수 있다는 것에 유의한다.
여기에 일본국 특허 출원 P2001-347337(2001년 11월 13일 출원)의 전체 내용이 참조를 위해 포함되어 있다.
본 발명이 본 발명의 어느 실시예를 참조하여 설명되었지만, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않는다. 당해 기술분야의 숙련된 자에게는 상기 가설에 비추어 상술한 실시예의 변형 및 변화가 가능하다. 본 발명의 범위는 다음의 특허청구범위를 참조하여 한정된다.
본 발명은, 차량에 사용되는 것을 포함하는 각종 연료 전지에 적용될 수 있으며, 어는점 이하의 환경에서 연료 전지 시스템이 정지될 때의 동결을 방지하는데 효과적이다. 특히, 시스템이 정지될 때 버너가 자동적으로 동작되지 않고 시스템이 자동적으로 재개되지 않으므로, 차량의 연료 전지 시스템에 적용시 차량의 안정성이 향상될 수 있다.

Claims (15)

  1. 연료 전지 시스템에 있어서,
    전기화학 반응에 의해 발전하는 연료 전지(11),
    상기 연료 전지(11)를 냉각시키는 냉각 메커니즘(15-18), 및
    시스템이 정지될 때,
    상기 냉각 메커니즘(15-18)의 냉각 성능을 감소시키고 상기 연료 전지(11)를 계속 운전시켜 전기화학 반응의 열을 이용하여 상기 연료 전지(11)의 온도를 상승시키고,
    상기 연료 전지(11)의 온도가 상승한 후에 연료 전지의 운전을 정지시키도록 기능하는 컨트롤러(3)를 포함하는 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 연료 전지(11)의 온도를 검출하는 센서(19)를 더 포함하고, 상기 컨트롤러(3)는 상기 연료 전지(11)의 온도가 소정의 온도에 도달할 때 승온 운전을 정지시키도록 더 기능하는 연료 전지 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤러(3)는 승온 운전이 계속되는 시간에 근거하여 상기 연료 전지(11)의 온도가 소정의 온도에 도달된 것으로 판정되었을 때 승온 운전을 정지시키도록 더 기능하는 연료 전지 시스템.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 연료 전지(11)의 외부 공기 온도를 검출하는 센서(22)를 더 포함하고, 상기 컨트롤러(3)는 외부 공기 온도가 낮을수록 상기 소정의 온도를 높게 설정하도록 더 기능하는 연료 전지 시스템.
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서, 다음에 시스템이 재개될 때까지 시스템이 정지한 후에 정지 시간을 입력하는 입력 장치(21)를 더 포함하고, 상기 컨트롤러(3)는 정지 시간이 길수록 소정의 온도를 높게 설정하도록 더 기능하는 연료 전지 시스템.
  6. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    다음에 시스템이 재개될 때까지 시스템이 정지한 후에 정지 시간을 입력하는 입력 장치(21),
    연료 전지(11)의 온도를 검출하는 센서(19), 및
    연료 전지(11)의 외부 공기 온도를 검출하는 센서(22)를 더 포함하고, 상기 컨트롤러(3)는, 정지 시간, 연료 전지 온도, 및 외부 공기 온도에 근거하여 소정의 온도를 설정하도록 더 기능하는 연료 전지 시스템.
  7. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 컨트롤러(3)는, 승온 운전에 모든 잔류 연료가 사용되더라도 연료 전지(11)의 온도가 소정의 온도로 상승될 수 없을 때 승온 운전을 수행하지 않도록더 기능하는 연료 전지 시스템.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    시스템 정지시부터 다음 시스템 재개시까지의 정지 시간을 입력하는 입력 장치(21)를 더 포함하고, 상기 컨트롤러(3)는,
    연료 전지(11)의 온도와 외부 공기 온도에 근거하여 시스템 정지시부터 연료 전지(11) 동결시까지의 시간을 추정하고,
    추정된 동결 시간보다 정지 시간이 짧으면 승온 운전을 수행하지 않도록 더 기능하는 연료 전지 시스템.
  9. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 컨트롤러(3)는, 설정된 소정의 온도가 연료 전지(11)의 구성요소의 특성에 따라 결정되는 임계 온도보다 높을 때, 승온 운전 중에 연료 전지(11)의 승온을 감소시키도록 더 기능하는 연료 전지 시스템.
  10. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 컨트롤러(3)는, 설정된 소정의 온도가 연료 전지(11)의 구성요소의 특성에 따라 결정되는 임계 온도보다 높을 때, 승온 운전을 수행하지 않도록 더 기능하는 연료 전지 시스템.
  11. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 냉각 메커니즘(15-18)은 연료 전지(11)에 냉각수를 공급함으로써 연료 전지(11)를 냉각시키고, 상기 컨트롤러(3)는,
    설정된 소정의 온도가 냉각수의 끊는점 온도를 초과할 때 냉각수가 연료 전지(11)로부터 배출된 후에 연료 전지(11)의 승온 운전을 수행하도록 더 기능하는 연료 전지 시스템.
  12. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 충전 기능을 갖는 2차 전지(2)를 더 포함하고, 상기 컨트롤러(3)는 승온 운전에서 연료 전지(11)에 의해 발생되는 전력에 의해 2차 전지(2)를 충전하도록 더 기능하는 연료 전지 시스템.
  13. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 전지(11)는 폴리머 전해질형 연료 전지와 인산형 연료 전지 중의 어느 하나인 연료 전지 시스템.
  14. 전기화학 반응에 의해 발전하는 연료 전지(11) 및 이 연료 전지(11)를 냉각시키는 냉각 시스템(15-18)을 구비한 연료 전지 시스템의 정지 방법에 있어서,
    연료 전지(11)의 냉각 장치(15-18)의 냉각 성능을 감소시키고 시스템이 정지하기 전에 연료 전지(11)를 계속 운전시키는 것과,
    연료 전지(11)의 전기화학 반응에 의해 발생되는 열을 이용하여 연료 전지(11)의 온도를 상승시키는 것을 포함하는 연료 전지 시스템의 정지 방법.
  15. 제14항에 있어서, 연료 전지(11)의 온도가 상승한 후에 연료 전지(11)의 운전을 정지시키는 것을 더 포함하는 연료 전지 시스템의 정지 방법.
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Families Citing this family (37)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3801111B2 (ja) 2002-07-05 2006-07-26 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP3879635B2 (ja) * 2002-09-06 2007-02-14 日産自動車株式会社 移動体用燃料電池パワープラントシステム
JP4421178B2 (ja) * 2002-09-18 2010-02-24 本田技研工業株式会社 燃料電池スタック
JP2004311277A (ja) * 2003-04-09 2004-11-04 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP4654569B2 (ja) * 2003-06-23 2011-03-23 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システムおよびその制御方法
JP4525008B2 (ja) 2003-07-02 2010-08-18 トヨタ自動車株式会社 エネルギ出力装置およびエネルギ出力装置の制御方法
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
JP2005228637A (ja) * 2004-02-13 2005-08-25 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
US7270903B2 (en) * 2004-02-27 2007-09-18 Ford Motor Company Temperature-based vehicle wakeup strategy to initiate fuel cell freeze protection
JP4993240B2 (ja) * 2004-03-17 2012-08-08 トヨタ自動車株式会社 制御装置
JP4582392B2 (ja) * 2004-04-26 2010-11-17 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP4823502B2 (ja) * 2004-10-14 2011-11-24 本田技研工業株式会社 燃料電池の停止方法及び燃料電池システム
JP4887619B2 (ja) * 2004-11-29 2012-02-29 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP2006156084A (ja) * 2004-11-29 2006-06-15 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP5162808B2 (ja) * 2005-01-12 2013-03-13 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP4225281B2 (ja) 2005-02-09 2009-02-18 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP4929600B2 (ja) * 2005-03-04 2012-05-09 日産自動車株式会社 燃料電池システム及び燃料電池システムの停止方法
JP5013305B2 (ja) * 2005-04-06 2012-08-29 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
US20060292406A1 (en) * 2005-06-23 2006-12-28 Bruce Lin Thermal control of fuel cell for improved cold start
JP4796361B2 (ja) * 2005-09-07 2011-10-19 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
JP4951925B2 (ja) * 2005-10-11 2012-06-13 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用ガスセパレータおよび燃料電池
JP5002955B2 (ja) * 2005-12-13 2012-08-15 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システムとその運転停止方法
JP4926762B2 (ja) * 2006-08-03 2012-05-09 シチズン電子株式会社 発光シートモジュール
JP5350668B2 (ja) * 2007-04-24 2013-11-27 ヤマハ発動機株式会社 燃料電池システムおよび輸送機器
DE102007023417A1 (de) * 2007-05-18 2008-11-20 Daimler Ag Heizvorrichtung für Kondensatableiter
EP2416416B1 (en) 2009-04-01 2018-07-25 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Fuel cell system
JP4525837B2 (ja) * 2009-08-31 2010-08-18 トヨタ自動車株式会社 エネルギ出力装置およびエネルギ出力装置の制御方法
US8906575B2 (en) * 2011-03-03 2014-12-09 Los Alamos National Security, Llc Minimizing electrode contamination in an electrochemical cell
JP5293783B2 (ja) * 2011-08-01 2013-09-18 日産自動車株式会社 燃料電池システム
DE102011109602A1 (de) 2011-08-05 2013-02-07 Daimler Ag Brennstoffzellensystem
JP6145683B2 (ja) * 2011-12-14 2017-06-14 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 燃料電池発電システム
JP6191133B2 (ja) * 2012-12-27 2017-09-06 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JPWO2015129277A1 (ja) * 2014-02-26 2017-03-30 京セラ株式会社 燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法及び燃料電池制御装置
JP6315715B2 (ja) * 2016-02-29 2018-04-25 本田技研工業株式会社 燃料電池システムの発電停止方法
JP6982787B2 (ja) * 2017-02-20 2021-12-17 トヨタ自動車株式会社 燃料電池制御装置およびその制御方法、燃料電池自動車
JP6955565B2 (ja) * 2017-07-28 2021-10-27 京セラ株式会社 燃料電池システム、設備管理方法、管理装置及び設備管理システム
DE102018211815A1 (de) * 2018-07-17 2020-01-23 Audi Ag Elektrisches Energiesystem mit Brennstoffzellen

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5973858A (ja) * 1982-10-20 1984-04-26 Sanyo Electric Co Ltd 燃料電池発電システムの作動方式
JPS62131478A (ja) * 1985-12-02 1987-06-13 Fuji Electric Co Ltd 燃料電池の保温装置
JPH07169476A (ja) 1993-12-17 1995-07-04 Toshiba Corp 燃料電池の保温方法
JPH07169475A (ja) 1993-12-17 1995-07-04 Toshiba Corp 燃料電池発電プラントのリン酸凍結防止方法
JPH11214025A (ja) * 1998-01-21 1999-08-06 Sanyo Electric Co Ltd 燃料電池装置
JP2001143736A (ja) 1999-11-10 2001-05-25 Toshiba Corp 電源システム
US6358637B1 (en) 1999-12-13 2002-03-19 General Motors Corporation Freeze-protecting a fuel cell by vacuum drying
JP4072707B2 (ja) 2000-05-24 2008-04-09 富士電機ホールディングス株式会社 固体高分子電解質型燃料電池発電装置とその運転方法

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