專利名稱：燃料電池系統(tǒng)及燃料電池系統(tǒng)的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)及燃料電池系統(tǒng)的控制方法。
背景技術(shù)：
以往，利用燃料氣體(例如氫)和氧化劑氣體(例如氧)之間的電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行發(fā) 電的燃料電池作為能量源受到關(guān)注。該燃料電池通過利用隔板夾持膜電極接合體而構(gòu)成， 所述膜電極接合體為在具有質(zhì)子傳導(dǎo)性的電解質(zhì)膜的兩面上分別接合陽極及陰極而構(gòu)成。 并且，在膜電極接合體的陰極，發(fā)電時因陰極反應(yīng)而產(chǎn)生水(生成水)。在具備這樣的燃料電池的燃料電池系統(tǒng)中，在燃料電池的發(fā)電停止后，如果燃料 電池的溫度變?yōu)楸c以下，則包含在膜電極接合體中的生成水會凍結(jié)。然后，若在該狀態(tài)下 起動燃料電池系統(tǒng)，則因凍結(jié)的生成水而妨礙燃料氣體向膜電極接合體的陽極的供給及氧 化劑氣體向陰極的供給，燃料電池的發(fā)電性能降低。因此，以往，在燃料電池系統(tǒng)中，提出了用于抑制發(fā)電停止中的燃料電池內(nèi)部的生 成水的凍結(jié)的各種技術(shù)。專利文獻(xiàn)1 日本特開2004-22198號公報專利文獻(xiàn)2 日本特開2006-107901號公報專利文獻(xiàn)3 日本特開2004-327101號公報專利文獻(xiàn)4 日本特開2005-322527號公報

發(fā)明內(nèi)容
但是，在上述專利文獻(xiàn)記載的技術(shù)中，或進(jìn)行使殘留在燃料電池內(nèi)部的生成水排 出至燃料電池的外部的運轉(zhuǎn)，或進(jìn)行將燃料電池的溫度維持在比凍結(jié)溫度高的溫度的運 轉(zhuǎn)，因此在進(jìn)行這些運轉(zhuǎn)時，消耗能量，導(dǎo)致燃料電池系統(tǒng)的能量效率降低。本發(fā)明是為了解決上述課題而創(chuàng)立的，其目的在于，在具備燃料電池的燃料電池 系統(tǒng)中，抑制燃料電池系統(tǒng)的能量效率的降低，并且提高低溫起動性。本發(fā)明為了解決上述課題的至少一部分，可作為以下的方式或?qū)嵤├龑崿F(xiàn)。[實施例1]一種燃料電池系統(tǒng)，具備燃料電池，由隔板夾持膜電極接合體而構(gòu)成，所述膜電 極接合體通過在電解質(zhì)膜的兩面分別接合陽極及陰極而構(gòu)成；燃料氣體供給部，向所述陽 極供給燃料氣體；氧化劑氣體供給部，向所述陰極供給氧化劑氣體；冷卻介質(zhì)循環(huán)部，使用 于冷卻所述燃料電池的冷卻介質(zhì)循環(huán)到形成于所述隔板內(nèi)的冷卻介質(zhì)流路；及控制所述各 部的控制部，所述控制部在所述燃料電池的發(fā)電停止后，在預(yù)測為在發(fā)電中因所述燃料氣 體和所述氧化劑氣體之間的電化學(xué)反應(yīng)生成的生成水在所述膜電極接合體中會凍結(jié)時，進(jìn) 行如下的溫度梯度形成控制起動所述燃料氣體供給部、所述氧化劑氣體供給部、及所述冷 卻介質(zhì)循環(huán)部中的至少一個，以使所述膜電極接合體的溫度比所述隔板的溫度相對變高的 方式在所述膜電極接合體和所述隔板之間形成溫度梯度，在所述膜電極接合體和所述隔板之間形成所述溫度梯度之后，停止所述溫度梯度形成控制。在實施例1的燃料電池系統(tǒng)中，在燃料電池的發(fā)電停止后，當(dāng)預(yù)測為在發(fā)電中因 燃料氣體和氧化劑氣體的電化學(xué)反應(yīng)生成的生成水在膜電極接合體中會凍結(jié)時，進(jìn)行如下 的溫度梯度形成控制起動燃料氣體供給部、氧化劑氣體供給部、及所述冷卻介質(zhì)循環(huán)部中 的至少一個，以使膜電極接合體的溫度比隔板的溫度相對變高的方式在膜電極接合體和隔 板之間形成溫度梯度。由此，在膜電極接合體和隔板之間生成蒸氣壓梯度，對膜電極接合體 中包含的生成水作用從蒸氣壓高的膜電極接合體側(cè)向蒸氣壓低的隔板側(cè)移動的驅(qū)動力。因 此，能夠使膜電極接合體中包含的生成水向隔板側(cè)移動，能夠抑制冰點以下的低溫環(huán)境下 膜電極接合體中的生成水的凍結(jié)。其結(jié)果，能夠提高燃料電池系統(tǒng)的低溫起動性。另外，所述溫度梯度形成控制僅在直至在膜電極接合體和隔板之間進(jìn)行形成希望 的溫度梯度為止的期間進(jìn)行，在形成該溫度梯度后迅速停止。因此，與如前說明的現(xiàn)有技術(shù) 即將在燃料電池內(nèi)部殘留的生成水排出至燃料電池外部的運轉(zhuǎn)、將燃料電池的溫度維持在 比凍結(jié)溫度高的溫度的運轉(zhuǎn)相比較，能夠抑制燃料電池系統(tǒng)的能量效率的降低。對所述生成水在膜電極接合體中是否會凍結(jié)的預(yù)測可適用各種方法。例如，在燃 料電池中設(shè)置溫度傳感器，利用該溫度傳感器適當(dāng)檢測燃料電池的溫度，能夠基于檢測出 的溫度、溫度變化率來判斷所述生成水在膜電極接合體中是否會凍結(jié)。另外，也可以基于燃 料電池的外部的環(huán)境溫度、環(huán)境溫度變化率、冷卻介質(zhì)的溫度、冷卻介質(zhì)的溫度變化率中的 至少一部分來判斷所述生成水在膜電極接合體中是否會凍結(jié)。[實施例2]在實施例1所述的燃料電池系統(tǒng)中，作為所述溫度梯度形成控制，所述控制部起 動所述燃料氣體供給部及所述氧化劑氣體供給部而進(jìn)行所述燃料電池的發(fā)電，從而使所述 膜電極接合體的溫度比所述隔板的溫度高。根據(jù)實施例2的燃料電池系統(tǒng)，能夠使膜電極接合體的溫度比隔板的溫度高。溫 度梯度形成控制中的發(fā)電由于只要在膜電極接合體和隔板之間形成溫度梯度即可，因此可 以是比穩(wěn)定發(fā)電微弱的發(fā)電。[實施例3]在實施例1記載的燃料電池系統(tǒng)中，作為所述溫度梯度形成控制，所述控制部起 動所述冷卻介質(zhì)循環(huán)部而使所述冷卻介質(zhì)循環(huán)到所述隔板，從而使所述隔板的溫度比所述 膜電極接合體的溫度低。根據(jù)實施例3的燃料電池系統(tǒng)，能夠使膜電極接合體的溫度比隔板的溫度高。[實施例4]在實施例1記載的燃料電池系統(tǒng)中，所述陽極及陰極包含用于促進(jìn)所述燃料氣體 和所述氧化劑氣體之間的反應(yīng)的催化劑，所述燃料電池系統(tǒng)還具備混合氣體供給部，所述 混合氣體供給部向所述陽極及所述陰極中的至少一方供給所述燃料氣體和所述氧化劑氣 體的混合氣體，作為所述溫度梯度形成控制，所述控制部起動所述混合氣體供給部而在所 述催化劑的作用下使所述混合氣體燃燒，從而使所述膜電極接合體的溫度比所述隔板的溫 度尚。根據(jù)實施例4的燃料電池系統(tǒng)，能夠使膜電極接合體的溫度比隔板的溫度高。本發(fā)明能夠適當(dāng)組合上述各種特征的一部分而構(gòu)成。另外，本發(fā)明除了作為上述燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成外，也可以作為燃料電池系統(tǒng)的控制方法的發(fā)明構(gòu)成。另外，可通過實 現(xiàn)它們的計算機(jī)程序、存儲該程序的存儲介質(zhì)、包含該程序而在輸送波內(nèi)具體化的數(shù)據(jù)信 號等各種方式實現(xiàn)。在各方式中，可適用先前展示的各種附加要素。將本發(fā)明作為計算機(jī)程序或存儲該程序的存儲介質(zhì)等構(gòu)成的情況下，也可以作為 控制燃料電池系統(tǒng)的動作的程序整體構(gòu)成，也可以構(gòu)成僅發(fā)揮本發(fā)明的功能的部分。另外， 作為存儲介質(zhì)，可利用軟磁盤、CD-ROM、DVD-ROM、光磁盤、IC卡、ROM卡盒、穿孔卡、印刷有條 形碼等符號的印刷物、計算機(jī)的內(nèi)部存儲裝置(RAM、R0M等存儲器)及外部存儲裝置等計算 機(jī)可讀的各種介質(zhì)。


圖1是表示作為本發(fā)明的第一實施例的燃料電池系統(tǒng)1000的概略構(gòu)成的說明圖。圖2是表示第一實施例的燃料電池組100的發(fā)電停止后的運轉(zhuǎn)控制處理的流程的 流程圖。圖3是表示發(fā)電停止后的運轉(zhuǎn)控制處理的作用/效果的說明圖。圖4是表示第二實施例的燃料電池組100的發(fā)電停止后的運轉(zhuǎn)控制處理的流程的 流程圖。圖5是表示作為本發(fā)明的第三實施例的燃料電池系統(tǒng)1000A的概略構(gòu)成的說明圖。圖6是表示第三實施例的燃料電池組100的發(fā)電停止后的運轉(zhuǎn)控制處理的流程的 流程圖。
具體實施例方式以下基于實施例對本發(fā)明的實施方式進(jìn)行說明。A.第一實施例A1.燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成圖1是表示作為本發(fā)明的第一實施例的燃料電池系統(tǒng)1000的概略構(gòu)成的說明圖。燃料電池組100具有層疊多個通過氫和氧的電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行發(fā)電的單電池40而 成的電池組構(gòu)造。各單電池40大致為利用隔板夾持膜電極接合體的構(gòu)成，所述膜電極接合 體是在具有質(zhì)子傳導(dǎo)性的電解質(zhì)膜的兩面上分別接合陽極和陰極而成。陽極及陰極分別具 備與電解質(zhì)膜的各表面接合的催化劑層和與該催化劑層的表面接合的氣體擴(kuò)散層。在本實 施例中，作為電解質(zhì)膜，使用Nafion(注冊商標(biāo))等的固體高分子膜。作為電解質(zhì)膜，也可 以使用固體氧化物等其他的電解質(zhì)膜。在各隔板上形成有作為應(yīng)向陽極供給的燃料氣體的 氫的流路、作為應(yīng)向陰極供給的氧化劑氣體的空氣的流路、冷卻介質(zhì)(水、乙二醇等)的流 路。單電池40的層疊數(shù)可根據(jù)燃料電池組100所要求的輸出而任意地設(shè)定。燃料電池組100通過從一端依次層疊端板10a、絕緣板20a、集電板30a、多個單電 池40、集電板30b、絕緣板20b、端板10b而構(gòu)成。在它們上設(shè)置有用于使氫、空氣、冷卻介 質(zhì)流到燃料電池組100內(nèi)的供給口、排出口。另外，在燃料電池組100內(nèi)部形成有供給歧 管(氫供給歧管、空氣供給歧管、冷卻介質(zhì)供給歧管)，用于將氫、空氣、冷卻介質(zhì)分別分配 供給至各單電池40 ；及排出歧管(陽極廢氣排出歧管、陰極廢氣排出歧管、冷卻介質(zhì)排出歧管)，用于使從各單電池40的陽極及陰極分別排出的陽極廢氣及陰極廢氣、冷卻介質(zhì)集中 而將它們排出至燃料電池組100的外部。另外，在燃料電池組100中設(shè)有用于檢測單電池40的溫度的溫度傳感器90。如圖 所示，在本實施例中，溫度傳感器90設(shè)置在因放熱溫度容易降低的、配置于多個單電池40 的層疊方向的端部的單電池40上。為了確保剛性，端板10a、10b由鋼等金屬形成。絕緣板20a、20b由橡膠、樹脂等絕 緣性部件形成。集電板30a、30b由致密質(zhì)碳、銅板等氣體不透過的導(dǎo)電性部件形成。在集 電板30a、30b上分別設(shè)置有未圖示的輸出端子，可輸出由燃料電池組100發(fā)電的電力。另外，雖然省略圖示，但燃料電池組100中，為了抑制電池組構(gòu)造中任意一個部位 的接觸電阻的增加等造成的電池性能的降低或抑制氣體泄漏，以在電池組構(gòu)造的層疊方向 上施加規(guī)定的連接載荷的狀態(tài)利用連接部件進(jìn)行連接。從貯存高壓氫的氫罐50經(jīng)由配管53向燃料電池組100的陽極供給作為燃料氣體 的氫。也可以代替氫罐50而通過以乙醇、烴、乙醛等為原料的改性反應(yīng)來生成富氫的氣體， 并供給至陽極。貯存在氫罐50中的高壓氫通過設(shè)置于氫罐50的出口的斷流閥51、調(diào)節(jié)器52來調(diào) 整壓力及供給量，經(jīng)由氫供給歧管供給至各單電池40的陽極。從各單電池40排出的陽極 廢氣能夠經(jīng)由與陽極廢氣排出歧管連接的排出配管56排出至燃料電池組100的外部。將 陽極廢氣向燃料電池組100的外部排出時，包含在陽極廢氣中的氫利用未圖示的稀釋器等處理。另外，配管53及排出配管56上連接有用于使陽極廢氣再循環(huán)到配管53的循環(huán)配 管54。并且，在排出配管56的與循環(huán)配管54的連接部的下游側(cè)設(shè)有排氣閥57。另外，在 循環(huán)配管54上設(shè)置有泵55。通過控制泵55及排氣閥57的驅(qū)動，能夠適當(dāng)?shù)貙κ龟枠O廢氣 向外部排出或使其循環(huán)到配管53進(jìn)行切換。通過使陽極廢氣再循環(huán)到配管53，能夠高效地 利用包含在陽極廢氣中的未消耗的氫。經(jīng)由配管61將利用壓縮機(jī)60壓縮后的壓縮空氣作為含有氧的氧化劑氣體向燃料 電池組100的陰極供給。并且，該壓縮空氣經(jīng)由與配管61連接的空氣供給歧管而被供給至 各單電池40的陰極。從各單電池40的陰極排出的陰極廢氣經(jīng)由與陰極廢氣排出歧管連接 的排出配管62被排出至燃料電池組100的外部。從排出配管62排出陰極廢氣并且還排出 在燃料電池組100的陰極因氫和氧的電化學(xué)反應(yīng)生成的生成水。燃料電池組100因上述的電化學(xué)反應(yīng)而發(fā)熱，因此也向燃料電池組100供給用于 冷卻燃料電池組100的冷卻介質(zhì)。該冷卻介質(zhì)通過泵70流過配管72，并被散熱器71冷卻， 供給至燃料電池組100。雖然省略圖示，但為了在冰點以下的低溫環(huán)境下抑制燃料電池組100內(nèi)部的生成 水的凍結(jié)，燃料電池組100被收容于具有隔熱性的箱體內(nèi)。燃料電池系統(tǒng)1000的運轉(zhuǎn)被控制單元80控制?？刂茊卧?0作為在內(nèi)部具有CPU、 RAM、ROM、計時器等的微機(jī)而構(gòu)成，根據(jù)存儲于ROM中的程序，例如控制各種閥、泵的驅(qū)動等 系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)。另外，在本實施例的燃料電池系統(tǒng)1000中，控制單元80在由燃料電池組100 進(jìn)行的發(fā)電停止后，進(jìn)行以下說明的運轉(zhuǎn)控制處理。A2.發(fā)電停止后的運轉(zhuǎn)控制處理
圖2是表示第一實施例的燃料電池組100的發(fā)電停止后的運轉(zhuǎn)控制處理的流程的 流程圖。該處理是控制單元80的CPU執(zhí)行的處理。首先，CPU利用溫度傳感器90以規(guī)定周期檢測燃料電池組100的溫度(步驟 S100)。在本實施例中，設(shè)為以一小時的周期檢測燃料電池組100的溫度。上述規(guī)定周期可 以任意地設(shè)定。另外，也可以根據(jù)由溫度傳感器90檢測出的溫度來改變?nèi)剂想姵亟M100的 溫度檢測周期。例如，也可以在發(fā)電停止后的初期，設(shè)燃料電池組100的溫度檢測周期為1 小時，在燃料電池組100的溫度變?yōu)橐?guī)定溫度(例如10(°C ))以下時，將燃料電池組100的 溫度檢測周期五等分。然后，CPU計算出燃料電池組100的溫度的變化率(降低率)，基于燃料電池組100 的溫度和燃料電池組100的溫度變化率來預(yù)測燃料電池組100內(nèi)的膜電極接合體中的生成 水的凍結(jié)(步驟S110)。并且，在判斷為在膜電極接合體中生成水不會凍結(jié)的情況下(步驟 S120 否)，返回步驟S100。在由燃料電池組100進(jìn)行的發(fā)電停止后經(jīng)過相當(dāng)時間之后，構(gòu) 成燃料電池組100的膜電極接合體和隔板的溫度大致相等。另一方面，在判斷為在膜電極接合體中生成水會凍結(jié)的情況下(步驟S120 是)， CPU在膜電極接合體的溫度變?yōu)楸c以下的緊前時刻，打開斷流閥51、調(diào)節(jié)器52、排氣閥 57，并且起動壓縮機(jī)60，向膜電極接合體的陽極及陰極分別供給氫及空氣(步驟S130)，在 規(guī)定期間，通過燃料電池組100進(jìn)行比穩(wěn)定發(fā)電微弱的發(fā)電，通過由該發(fā)電引起的膜電極 接合體的發(fā)熱，在膜電極接合體和隔板之間形成溫度梯度。該處理相當(dāng)于本發(fā)明的溫度梯 度形成控制。上述規(guī)定期間可在膜電極接合體和隔板之間形成希望的溫度梯度的范圍內(nèi)任 意地設(shè)定。其后，CPU關(guān)閉斷流閥51、調(diào)節(jié)器52、排氣閥57，并且停止壓縮機(jī)60，停止向膜 電極接合體的陽極及陰極供給氫及空氣(步驟S140)，結(jié)束該處理。A3.作用/效果圖3是表示上述發(fā)電停止后的運轉(zhuǎn)控制處理的作用/效果的說明圖。在上述運轉(zhuǎn) 控制處理的步驟S130中，在規(guī)定期間進(jìn)行燃料電池組100的發(fā)電，如圖3(b)所示，在膜電 極接合體(MEA-Membrane Electrode Assembly)和隔板之間形成溫度梯度即蒸氣壓梯度。 這樣，通過該蒸氣壓梯度，向膜電極接合體中包含的生成水作用從蒸氣壓較高的膜電極接 合體側(cè)向蒸氣壓較低的隔板側(cè)移動的驅(qū)動力，因此如圖3(a)所示，膜電極接合體中包含的 生成水從膜電極接合體側(cè)向隔板側(cè)移動。由此，能夠減少膜電極接合體中包含的生成水的 量。根據(jù)以上說明的第一實施例的燃料電池系統(tǒng)1000，通過上述運轉(zhuǎn)控制，能夠在膜 電極接合體中包含的生成水凍結(jié)的緊前時刻使該生成水從膜電極接合體向隔板側(cè)移動，因 此能夠抑制在冰點以下的低溫環(huán)境下膜電極接合體中的生成水的凍結(jié)，能夠提高燃料電池 系統(tǒng)1000的低溫起動性。另外，在上述運轉(zhuǎn)控制中，燃料電池組100的發(fā)電(圖2的步驟 S130)僅在直至在膜電極接合體和隔板之間形成溫度梯度為止的期間進(jìn)行，其后，迅速停 止，因此，與之前說明的現(xiàn)有技術(shù)即將在燃料電池內(nèi)部殘留的生成水排出至燃料電池外部 的運轉(zhuǎn)、將燃料電池的溫度維持在比凍結(jié)溫度高的溫度的運轉(zhuǎn)相比，能夠抑制燃料電池系 統(tǒng)1000的能量效率的降低。B.第二實施例第二實施例的燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成與第一實施例的燃料電池系統(tǒng)1000的構(gòu)成相同。但是，燃料電池組100的發(fā)電停止后的運轉(zhuǎn)控制處理與第一實施例不同。以下，對在第 二實施例的燃料電池系統(tǒng)中燃料電池組100的發(fā)電停止后的運轉(zhuǎn)控制處理進(jìn)行說明。圖4是表示第二實施例的燃料電池組100的發(fā)電停止后的運轉(zhuǎn)控制處理的流程的 流程圖。該處理是控制單元80的CPU執(zhí)行的處理。首先，CPU利用溫度傳感器90以規(guī)定周期檢測燃料電池組100的溫度(步驟 S200)。這與第一實施例的運轉(zhuǎn)控制處理的步驟S100相同。然后，CPU計算燃料電池組100的溫度的變化率(降低率)，基于燃料電池組100 的溫度和燃料電池組100的溫度變化率來預(yù)測燃料電池組100內(nèi)的膜電極接合體中的生成 水的凍結(jié)(步驟S210)。并且，在判斷為在膜電極接合體中生成水不會凍結(jié)的情況下(步驟 S220 否)，返回步驟S200。另一方面，在判斷為在膜電極接合體中生成水會凍結(jié)的情況下(步驟S220.是)， CPU在膜電極接合體的溫度變?yōu)楸c以下的緊前時刻起動用于使冷卻介質(zhì)循環(huán)的泵70及 散熱器71，使冷卻介質(zhì)向燃料電池組100循環(huán)(步驟S230)，在規(guī)定期間冷卻隔板，在膜電 極接合體和隔板之間形成溫度梯度。如之前所說明的，燃料電池組100收容在具有隔熱性 的箱體內(nèi)，由于泵70、散熱器71等冷卻裝置配置在箱體外，因此冷卻介質(zhì)的溫度比隔板的 溫度低。因此，通過使冷卻介質(zhì)向燃料電池組100循環(huán)，能夠使隔板的溫度降低。該處理相 當(dāng)于本發(fā)明的溫度梯度形成控制。其后，CPU停止泵70及散熱器71，停止冷卻介質(zhì)的循環(huán) (步驟S240)，結(jié)束該處理。根據(jù)以上說明的第二實施例的燃料電池系統(tǒng)1000，也與第一實施例的燃料電池系 統(tǒng)1000同樣，能夠在膜電極接合體中包含的生成水凍結(jié)的緊前時刻在膜電極接合體和隔 板之間形成溫度梯度，使該生成水從膜電極接合體向隔板側(cè)移動，因此能夠抑制在冰點以 下的低溫環(huán)境下膜電極接合體中的生成水的凍結(jié)，能夠提高燃料電池系統(tǒng)1000的低溫起 動性。另外，在上述運轉(zhuǎn)控制中，冷卻水的循環(huán)(圖4的步驟S230)僅在直至在膜電極接合 體和隔板之間形成溫度梯度為止的期間進(jìn)行，其后，迅速停止，因此與第一實施例同樣，與 之前說明的現(xiàn)有技術(shù)即將殘留在燃料電池內(nèi)部的生成水排出至燃料電池外部的運轉(zhuǎn)、將燃 料電池的溫度維持在比凍結(jié)溫度高的溫度的運轉(zhuǎn)相比，能夠抑制燃料電池系統(tǒng)1000的能 量效率的降低。C.第三實施例C1.燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成圖5是表示作為本發(fā)明的第三實施例的燃料電池系統(tǒng)1000A的概略構(gòu)成的說明 圖。該燃料電池系統(tǒng)1000A的構(gòu)成與第一實施例及第二實施例的燃料電池系統(tǒng)1000的構(gòu) 成大致相同。但是，第三實施例的燃料電池系統(tǒng)1000A如圖所示，具備配管58，用于使氫 從配管53流向配管61 ；及三通閥59，進(jìn)行切換以使氫流向燃料電池組100或流向配管58。 然后，驅(qū)動壓縮機(jī)60而使空氣流向配管61，并且控制三通閥59，使氫流向配管61，從而能夠 使氫和空氣的混合氣體流向燃料電池組100的陰極。另外，燃料電池系統(tǒng)1000A具備控制 單元80A而代替控制單元80。C2.發(fā)電停止后的運轉(zhuǎn)控制處理圖6是表示第三實施例的燃料電池組100的發(fā)電停止后的運轉(zhuǎn)控制處理的流程的 流程圖。該處理是控制單元80A的CPU執(zhí)行的處理。
首先，CPU利用溫度傳感器90以規(guī)定周期檢測燃料電池組100的溫度(步驟 S300)。這與第一實施例的運轉(zhuǎn)控制處理的步驟S100相同。然后，CPU計算出燃料電池組100的溫度的變化率(降低率)，基于燃料電池組100 的溫度和燃料電池組100的溫度變化率來預(yù)測燃料電池組100內(nèi)的膜電極接合體中的生成 水的凍結(jié)(步驟S310)。然后，在判斷為在膜電極接合體中生成水不會凍結(jié)的情況下(步驟 S320 否)，返回步驟S300。另一方面，在判斷為在膜電極接合體中生成水會凍結(jié)的情況下(步驟S320 是)， CPU在膜電極接合體的溫度變?yōu)楸c以下的緊前時刻打開斷流閥51、調(diào)節(jié)器52，另外，控制 三通閥59以使氫從配管53流向配管58，并且起動壓縮機(jī)60，在規(guī)定期間向膜電極接合體 的陰極供給氫和空氣的混合氣體(步驟S330)。這樣，通過膜電極接合體的陰極的催化劑層 中包含的催化劑，氫和空氣中所包含的氧燃燒，利用該燃燒引起的膜電極接合體(催化劑 層)的發(fā)熱，在膜電極接合體和隔板之間形成溫度梯度。該處理相當(dāng)于本發(fā)明的溫度梯度 形成控制。其后，CPU關(guān)閉斷流閥51、調(diào)節(jié)器52，使三通閥59的狀態(tài)復(fù)原，并且停止壓縮機(jī) 60，停止向膜電極接合體的陰極供給混合氣體(步驟S340)，結(jié)束該處理。根據(jù)以上說明的第三實施例的燃料電池系統(tǒng)1000A，也與第一實施例1000同樣， 能夠在膜電極接合體中包含的生成水凍結(jié)的緊前時刻在膜電極接合體和隔板之間形成溫 度梯度，使該生成水從膜電極接合體向隔板側(cè)移動，因此能夠抑制在冰點下的低溫環(huán)境下 膜電極接合體中的生成水的凍結(jié)，能夠提高燃料電池系統(tǒng)1000的低溫起動性。另外，在上 述運轉(zhuǎn)控制中，混合氣體向膜電極接合體的陰極的供給(圖6的步驟S330)僅在直至在膜 電極接合體和隔板之間形成溫度梯度為止的期間進(jìn)行，其后，迅速停止，因此與第一實施例 同樣，與之前說明的現(xiàn)有技術(shù)即將在燃料電池內(nèi)部殘留的生成水向燃料電池外部排出的 運轉(zhuǎn)、將燃料電池的溫度維持在比凍結(jié)溫度高的溫度的運轉(zhuǎn)相比，能夠抑制燃料電池系統(tǒng) 1000A的能量效率的降低。D.變形例以上，對本發(fā)明的幾個實施方式進(jìn)行了說明，但本發(fā)明絲毫不受限于這些實施方 式，可在不脫離其主旨的范圍內(nèi)以各種方式實施。例如，可進(jìn)行以下的變形。D1.變形例 1也可以組合上述第一至第三實施例的內(nèi)容。例如，也可以組合第一實施例的燃料 電池組100的發(fā)電停止后的運轉(zhuǎn)控制處理和第二實施例的燃料電池組100的發(fā)電停止后的 運轉(zhuǎn)控制處理，當(dāng)預(yù)測為在燃料電池組100的膜電極接合體中生成水會凍結(jié)時，進(jìn)行發(fā)電， 并且使冷卻介質(zhì)循環(huán)。另外，也可以在第三實施例的燃料電池系統(tǒng)1000A中，組合燃料電池 組100的發(fā)電停止后的運轉(zhuǎn)控制處理和第二實施例的燃料電池組100的發(fā)電停止后的運轉(zhuǎn) 控制處理，當(dāng)預(yù)測為在燃料電池組100的膜電極接合體中生成水會凍結(jié)時，通過膜電極接 合體的陰極的催化劑層中包含的催化劑使混合氣體燃燒，并且使冷卻介質(zhì)循環(huán)。D2.變形例 2在上述第三實施例中，燃料電池系統(tǒng)1000A具備配管58和三通閥59，在燃料電池 組100的發(fā)電停止后的運轉(zhuǎn)控制處理中，向膜電極接合體的陰極供給上述混合氣體，通過 陰極的催化劑層中包含的催化劑使氫和氧燃燒，但是本發(fā)明不限于此。向膜電極接合體的 陽極及陰極中的至少一方供給上述混合氣體，通過催化劑層中包含的催化劑使氫和氧燃燒即可。D3.變形例 3在上述實施例中，在燃料電池組100的發(fā)電停止后的運轉(zhuǎn)控制處理中，基于燃料 電池組100的溫度和燃料電池組100的溫度變化率來預(yù)測燃料電池組100內(nèi)的膜電極接合 體中的生成水的凍結(jié)，但是本發(fā)明不限于此。例如，也可以檢測或計算出燃料電池組100的 外部的環(huán)境溫度、環(huán)境溫度的變化率、冷卻介質(zhì)的溫度、冷卻介質(zhì)的溫度變化率，基于它們 中的至少一個來預(yù)測燃料電池組100內(nèi)的膜電極接合體中的生成水的凍結(jié)。
權(quán)利要求
一種燃料電池系統(tǒng)，具備燃料電池，由隔板夾持膜電極接合體而形成，所述膜電極接合體通過在電解質(zhì)膜的兩面分別接合陽極及陰極而構(gòu)成；燃料氣體供給部，向所述陽極供給燃料氣體；氧化劑氣體供給部，向所述陰極供給氧化劑氣體；冷卻介質(zhì)循環(huán)部，使用于冷卻所述燃料電池的冷卻介質(zhì)循環(huán)到形成于所述隔板內(nèi)的冷卻介質(zhì)流路；及控制部，所述控制部在所述燃料電池的發(fā)電停止后，在預(yù)測為在發(fā)電中因所述燃料氣體和所述氧化劑氣體之間的電化學(xué)反應(yīng)生成的生成水在所述膜電極接合體中會凍結(jié)時，進(jìn)行如下的溫度梯度形成控制起動所述燃料氣體供給部、所述氧化劑氣體供給部、及所述冷卻介質(zhì)循環(huán)部中的至少一個，以使所述膜電極接合體的溫度比所述隔板的溫度相對變高的方式在所述膜電極接合體和所述隔板之間形成溫度梯度，在所述膜電極接合體和所述隔板之間形成所述溫度梯度之后，停止所述溫度梯度形成控制。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，作為所述溫度梯度形成控制，所述控制部起動所述燃料氣體供給部及所述氧化劑氣 體供給部而進(jìn)行所述燃料電池的發(fā)電，從而使所述膜電極接合體的溫度比所述隔板的溫度高。
3.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，作為所述溫度梯度形成控制，所述控制部起動所述冷卻介質(zhì)循環(huán)部而使所述冷卻介質(zhì) 循環(huán)到所述隔板，從而使所述隔板的溫度比所述膜電極接合體的溫度低。
4.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，所述陽極及陰極包含用于促進(jìn)所述燃料氣體和所述氧化劑氣體之間的反應(yīng)的催化劑， 所述燃料電池系統(tǒng)還具備混合氣體供給部，所述混合氣體供給部向所述陽極及所述陰 極中的至少一方供給所述燃料氣體和所述氧化劑氣體的混合氣體，作為所述溫度梯度形成控制，所述控制部起動所述混合氣體供給部而在所述催化劑的 作用下使所述混合氣體燃燒，從而使所述膜電極接合體的溫度比所述隔板的溫度高。
5.一種燃料電池系統(tǒng)的控制方法， 所述燃料電池系統(tǒng)具備燃料電池，由隔板夾持膜電極接合體而形成，所述膜電極接合體通過在電解質(zhì)膜的兩 面分別接合陽極及陰極而構(gòu)成；燃料氣體供給部，向所述陽極供給燃料氣體； 氧化劑氣體供給部，向所述陰極供給氧化劑氣體；及冷卻介質(zhì)循環(huán)部，使用于冷卻所述燃料電池的冷卻介質(zhì)循環(huán)到形成于所述隔板內(nèi)的冷 卻介質(zhì)流路，所述控制方法包括凍結(jié)預(yù)測工序，在所述燃料電池的發(fā)電停止后，對在發(fā)電中因所述燃料氣體和所述氧 化劑氣體之間的電化學(xué)反應(yīng)生成的生成水在所述膜電極接合體中是否會凍結(jié)進(jìn)行預(yù)測； 溫度梯度形成工序，在由所述凍結(jié)預(yù)測工序預(yù)測為所述生成水在所述膜電極接合體中會凍結(jié)時，起動所述燃料氣體供給部、所述氧化劑氣體供給部、及所述冷卻介質(zhì)循環(huán)部中的 至少一個，以使所述膜電極接合體的溫度比所述隔板的溫度相對變高的方式在所述膜電極 接合體和所述隔板之間形成溫度梯度；及在通過所述溫度梯度形成工序在所述膜電極接合體和所述隔板之間形成所述溫度梯 度后，停止所述溫度梯度形成工序的工序。
全文摘要
在由燃料電池組(100)進(jìn)行的發(fā)電停止后，當(dāng)判斷為在發(fā)電中因氫和氧的電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的生成水在燃料電池組(100)具備的膜電極接合體中會凍結(jié)時，以使膜電極接合體的溫度比隔板的溫度相對變高的方式進(jìn)行微弱的發(fā)電(溫度梯度形成控制)。并且，該溫度梯度形成控制僅在直至在膜電極接合體和隔板之間形成溫度梯度為止的期間進(jìn)行，在膜電極接合體和隔板之間形成溫度梯度后迅速停止。由此，在具備燃料電池的燃料電池系統(tǒng)中，能夠抑制燃料電池系統(tǒng)的能量效率的降低，并且能夠提高低溫起動性。
文檔編號H01M8/10GK101946352SQ20098010569
公開日2011年1月12日 申請日期2009年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月19日
發(fā)明者手島剛, 近藤俊行 申請人:豐田自動車株式會社