JP4533604B2 - Low temperature startup method for fuel cells - Google Patents
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Description
本発明は、固体高分子電解質膜を一対の電極間に配設した電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される固体高分子型燃料電池を、氷点下の温度で起動させるための燃料電池の低温起動方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell for starting a polymer electrolyte fuel cell in which an electrolyte membrane / electrode structure having a solid polymer electrolyte membrane disposed between a pair of electrodes and a separator are laminated at a temperature below freezing point. Relates to the cold start method.
一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜(固体高分子電解質膜)からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持している。この種の燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ交互に積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。 Generally, a polymer electrolyte fuel cell is an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode side electrode and a cathode side electrode are disposed on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane (solid polymer electrolyte membrane), respectively. Is sandwiched between separators. This type of fuel cell is normally used as a fuel cell stack by alternately stacking a predetermined number of electrolyte membrane / electrode structures and separators.
この燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス(以下、水素含有ガスともいう)は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気(以下、酸素含有ガスともいう)が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。 In this fuel cell, a fuel gas supplied to the anode side electrode, for example, a gas mainly containing hydrogen (hereinafter also referred to as a hydrogen-containing gas) is ionized with hydrogen on an electrode catalyst, and is cathoded through an electrolyte membrane. Move to the side electrode side. Electrons generated during that time are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy. The cathode side electrode is supplied with an oxidant gas, for example, a gas mainly containing oxygen or air (hereinafter also referred to as an oxygen-containing gas). And oxygen reacts to produce water.
ところで、この種の燃料電池では、イオン導電性を維持するために、高分子イオン交換膜からなる電解質膜を適度に加湿しておく必要がある。さらに、カソード側電極では、上記のように反応による生成水が存在している。このため、燃料電池を氷点下(水の凍結温度以下)で始動させようとすると、前記燃料電池内の水分が凍結し易く、該燃料電池内で電気化学反応が行われ難いという不具合が指摘されている。 By the way, in this type of fuel cell, in order to maintain ionic conductivity, it is necessary to appropriately humidify the electrolyte membrane made of the polymer ion exchange membrane. Furthermore, water generated by the reaction is present at the cathode side electrode as described above. For this reason, it has been pointed out that if the fuel cell is started below the freezing point (below the freezing temperature of water), the water in the fuel cell is likely to be frozen and the electrochemical reaction is difficult to occur in the fuel cell. Yes.
そこで、例えば、特許文献1には、Dupont社製のNAFION(登録商標)及びDow社製の実験用膜(商品番号XUX 13204.10)のような電解質膜が、−20℃の温度であっても十分にイオン的に伝導性を有して燃料電池内で電気化学反応が可能であることが開示されている。 Therefore, for example, in Patent Document 1, an electrolyte membrane such as NAFION (registered trademark) manufactured by Dupont and an experimental membrane manufactured by Dow (product number XUX 13204.10) has a temperature of −20 ° C. It is disclosed that it is sufficiently ionically conductive to allow an electrochemical reaction in the fuel cell.
この特許文献1では、上記の電解質膜を用いることにより、水の凝固温度よりも低い温度から燃料電池電力発生装置の作動を開始するための方法を開示している。電力発生装置は、外部電気回路に対して電流を供給するために前記外部電気回路に接続可能な燃料電池堆積体を有している。堆積体は、少なくとも一つの燃料電池を有し、前記燃料電池が、正極と、負極と、これらの間に挿入された水透過性イオン交換膜とを備えた膜電極組立品を具備するとともに、前記膜電極組立品の少なくとも一部の温度が水の凝固温度より低い。そして、この方法では、膜電極組立品の一部の温度が水の凝固温度を超過するように、堆積体から外部電気回路に電流を供給する工程を含んでいる。 This Patent Document 1 discloses a method for starting the operation of the fuel cell power generator from a temperature lower than the solidification temperature of water by using the above electrolyte membrane. The power generator includes a fuel cell stack that can be connected to the external electrical circuit to supply current to the external electrical circuit. The deposit includes at least one fuel cell, and the fuel cell includes a membrane electrode assembly including a positive electrode, a negative electrode, and a water-permeable ion exchange membrane inserted therebetween, The temperature of at least a part of the membrane electrode assembly is lower than the solidification temperature of water. The method includes a step of supplying a current from the deposit to the external electric circuit so that the temperature of a part of the membrane electrode assembly exceeds the solidification temperature of water.
しかしながら、上記の特許文献1では、水の凝固温度以下であっても燃料電池の作動が可能になるものの、所定の温度以下で起動すると、電解質膜のイオン導電性が著しく低下して、所望の始動状態に迅速に移行することが困難であるという問題がある。 However, in Patent Document 1 described above, although the fuel cell can be operated even when the temperature is below the solidification temperature of water, the ionic conductivity of the electrolyte membrane is remarkably lowered when the fuel cell is started at a predetermined temperature or lower, and the desired value is obtained. There is a problem that it is difficult to quickly shift to the starting state.
具体的に詳述すると、通常、固体高分子型燃料電池に使用される固体高分子電解質膜のイオン導電性には、温度特性が存在しており、プロトン伝達を司るクラスター内部の水は、例えば、−10℃〜−30℃の範囲で凍結し、前記固体高分子電解質膜のイオン導電性が著しく低下することが確認されている。このため、クラスター内部の水が凍結し始める温度以下から燃料電池を起動する際には、前記燃料電池を暖機するために必要な電流を該燃料電池自体から取り出すことができないという問題がある。 More specifically, there is a temperature characteristic in the ionic conductivity of a solid polymer electrolyte membrane usually used in a polymer electrolyte fuel cell, and the water inside the cluster responsible for proton transfer is, for example, It is confirmed that the ionic conductivity of the solid polymer electrolyte membrane is remarkably lowered by freezing in the range of -10 ° C to -30 ° C. For this reason, when starting the fuel cell from a temperature below the temperature at which the water inside the cluster starts to freeze, there is a problem that the current necessary for warming up the fuel cell cannot be taken out from the fuel cell itself.
一方、燃料電池は、発電によって水を生成しており、前記燃料電池の内部には、常に水が存在している。そこで、燃料電池の運転停止後に内部温度が低下して、電極触媒層の近傍に存在する水が凍結すると、触媒有効面積が低下して印加可能な電流が減少してしまう。その際、電極触媒層等の極小細孔内に存在する水は、その細孔径によって凍結温度が0℃以下に変動することが知られている。従って、この凍結温度以下から燃料電池を起動する際に、前記燃料電池の暖機に必要な電流を該燃料電池自体から取り出せないおそれがある。 On the other hand, the fuel cell generates water by power generation, and water is always present inside the fuel cell. Therefore, when the internal temperature is lowered after the fuel cell is stopped and the water existing in the vicinity of the electrode catalyst layer is frozen, the effective area of the catalyst is lowered and the applicable current is reduced. At that time, it is known that the freezing temperature of water present in the extremely small pores such as the electrode catalyst layer fluctuates to 0 ° C. or less depending on the pore diameter. Therefore, when starting the fuel cell from below this freezing temperature, there is a possibility that the current required for warming up the fuel cell cannot be taken out from the fuel cell itself.
さらにまた、クラスター内部の水の凍結温度及び電極細孔内の水の凍結温度の双方よりも高い温度であれば、初期負荷印加が可能であるものの、発電が進行するのに従って、生成水が電極拡散層内で凍結し易い。これにより、ガス拡散性が低下してセル電圧の降下を招来するという問題がある。 Furthermore, if the temperature is higher than both the freezing temperature of the water inside the cluster and the freezing temperature of the water in the electrode pores, an initial load can be applied, but as the power generation proceeds, the generated water becomes the electrode. Easily freezes in the diffusion layer. As a result, there is a problem that the gas diffusibility is lowered and the cell voltage is lowered.
本発明はこの種の問題を解決するものであり、水の凍結温度以下の環境でも迅速且つ確実な始動が遂行されるとともに、燃料消費量を有効に低減して効率的な運転が可能な燃料電池の低温起動方法を提供することを目的とする。 The present invention solves this type of problem, and can perform a quick and reliable start even in an environment below the freezing temperature of water, and can effectively reduce the fuel consumption to enable efficient operation. It is an object of the present invention to provide a method for starting a battery at a low temperature.
本発明に係る燃料電池の低温起動方法では、燃料電池の温度が氷点下で且つ基準温度以下であることが検出された際、外部熱源を用いて前記燃料電池が加熱される。ここで、基準温度とは、固体高分子電解質膜のクラスター内部の水の凍結や、電極触媒層内の水の凍結や、電極拡散層内の水の凍結等が発生し易く、燃料電池自体の発電による自己暖機が困難になる温度をいう。そして、燃料電池の温度が上記の基準温度以下である際には、外部熱源により前記燃料電池を外部から加熱することによって、該燃料電池を昇温させる。 In the low temperature start-up method for a fuel cell according to the present invention, when it is detected that the temperature of the fuel cell is below freezing and below the reference temperature, the fuel cell is heated using an external heat source. Here, the reference temperature means that freezing of water inside the cluster of the solid polymer electrolyte membrane, freezing of water in the electrode catalyst layer, freezing of water in the electrode diffusion layer, etc. is likely to occur. The temperature at which self-warming by power generation becomes difficult. When the temperature of the fuel cell is equal to or lower than the reference temperature, the temperature of the fuel cell is increased by heating the fuel cell from the outside with an external heat source.
次いで、燃料電池の温度が基準温度に達した際、外部熱源による加熱を停止して前記燃料電池自体の発電のみにより該燃料電池が加熱される。従って、基準温度から燃料電池の自己暖機のみが行われ、例えば、前記燃料電池が車載用として使用される際に、0℃以下からの走行が開始される。燃料電池自体の発電により得られる出力(電力)を、走行用モータに供給することが可能になるからである。 Next, when the temperature of the fuel cell reaches the reference temperature, the heating by the external heat source is stopped and the fuel cell is heated only by the power generation of the fuel cell itself. Therefore, only the self-warming of the fuel cell is performed from the reference temperature. For example, when the fuel cell is used for in-vehicle use, traveling from 0 ° C. or less is started. This is because the output (electric power) obtained by the power generation of the fuel cell itself can be supplied to the traveling motor.
また、第1の昇温工程では、燃料電池の発電を停止した状態で、外部熱源のみによる加熱を行ってもよく、あるいは、前記燃料電池の発電を行いながら、外部熱源による加熱を行ってもよい。 Further, in the first temperature raising step, heating with only an external heat source may be performed in a state where power generation of the fuel cell is stopped, or heating with an external heat source may be performed while generating power with the fuel cell. Good.
さらに、基準温度は、電解質膜・電極構造体を構成するクラスター内に貯蔵される水の凍結温度、前記電解質膜・電極構造体を構成する電極触媒層の細孔内の水の凍結温度、及び燃料電池の熱容量と前記電解質膜・電極構造体の生成水保持容量とによって決定される水の凍結温度の中、最も高い温度に設定されることが好ましい。 Further, the reference temperature is the freezing temperature of water stored in the cluster constituting the electrolyte membrane / electrode structure, the freezing temperature of water in the pores of the electrode catalyst layer constituting the electrolyte membrane / electrode structure, and It is preferable that the temperature is set to the highest temperature among the freezing temperatures of water determined by the heat capacity of the fuel cell and the generated water retention capacity of the electrolyte membrane / electrode structure.
さらにまた、外部熱源により燃料電池全体を加熱することが好ましい。具体的には、燃料電池は、複数の発電セルを積層して構成されるとともに、外部熱源により前記各発電セル毎に加熱する、あるいは、2以上の前記発電セル毎に加熱する。また、燃料電池は、複数の発電セルを積層して構成されるとともに、外部熱源により積層方向両端部に配置される前記発電セルを加熱してもよい。 Furthermore, it is preferable to heat the entire fuel cell with an external heat source. Specifically, the fuel cell is configured by stacking a plurality of power generation cells, and is heated for each of the power generation cells by an external heat source, or is heated for each of the two or more power generation cells. The fuel cell may be configured by stacking a plurality of power generation cells, and may heat the power generation cells disposed at both ends in the stacking direction by an external heat source.
さらに、外部熱源により加熱された冷却媒体を燃料電池に供給することにより、前記燃料電池を加熱することが好ましい。さらにまた、外部熱源である電気ヒータにより燃料電池を加熱するとともに、前記電気ヒータには、前記燃料電池から電力が供給され、バッテリから電力が供給され、あるいは、キャパシタから電力が供給されることが好ましい。 Furthermore, it is preferable to heat the fuel cell by supplying a cooling medium heated by an external heat source to the fuel cell. Furthermore, the fuel cell is heated by an electric heater that is an external heat source, and the electric heater is supplied with electric power from the fuel cell, supplied with electric power from a battery, or supplied with electric power from a capacitor. preferable.
また、外部熱源である加熱プレートにより燃料電池を加熱し、あるいは、前記外部熱源である水素燃焼触媒により前記燃料電池を加熱することが好ましい。加熱プレートは、例えば、内部に液状加熱媒体を封入した構成や、内部に燃焼触媒を収容した構成等が採用可能である。 Moreover, it is preferable to heat a fuel cell with the heating plate which is an external heat source, or to heat the fuel cell with the hydrogen combustion catalyst which is the external heat source. As the heating plate, for example, a configuration in which a liquid heating medium is sealed inside, a configuration in which a combustion catalyst is accommodated, or the like can be adopted.
さらに、燃料電池の温度は、該燃料電池の冷却媒体出口温度又は冷却媒体入口温度を測定して、あるいは、該燃料電池の酸化剤ガス出口温度又は酸化剤ガス入口温度を測定して得られるとともに、前記燃料電池内には、該燃料電池の温度を測定する1以上の温度計が内装されることが好ましい。 Further, the temperature of the fuel cell is obtained by measuring the coolant outlet temperature or coolant inlet temperature of the fuel cell, or by measuring the oxidant gas outlet temperature or oxidant gas inlet temperature of the fuel cell. In the fuel cell, one or more thermometers for measuring the temperature of the fuel cell are preferably incorporated.
本発明によれば、燃料電池の温度が、氷点下で且つ基準温度以下であることが検出された際、外部熱源を用いて前記燃料電池が加熱される。このため、燃料電池は、水の凍結を防止しながら基準温度を超える温度に迅速且つ確実に昇温される。 According to the present invention, when it is detected that the temperature of the fuel cell is below the freezing point and below the reference temperature, the fuel cell is heated using the external heat source. For this reason, the fuel cell is quickly and reliably heated to a temperature exceeding the reference temperature while preventing freezing of water.
次いで、燃料電池の温度が基準温度に達した際、外部熱源による加熱を停止して、前記燃料電池自体の発電のみにより該燃料電池が加熱される。従って、基準温度から燃料電池の自己暖機のみが行われるため、外部熱源による消費熱量が大幅に削減されて経済的である。しかも、外部熱源を小型化且つ軽量化することが容易に行われ、効率的な低温起動が遂行可能になる。 Next, when the temperature of the fuel cell reaches the reference temperature, heating by the external heat source is stopped, and the fuel cell is heated only by power generation of the fuel cell itself. Therefore, since only the fuel cell is self-warmed from the reference temperature, the amount of heat consumed by the external heat source is greatly reduced, which is economical. In addition, the external heat source can be easily reduced in size and weight, and efficient low-temperature startup can be performed.
さらに、燃料電池の温度が基準温度に達した段階で、外部熱源による加熱が停止されるため、前記燃料電池が車載用として使用される際に、該燃料電池の温度が0℃以下であっても、走行を開始することができる。これにより、低温起動直後に、迅速に走行を開始することが可能になる。 Furthermore, since the heating by the external heat source is stopped when the temperature of the fuel cell reaches the reference temperature, when the fuel cell is used for in-vehicle use, the temperature of the fuel cell is 0 ° C. or less. Can also start running. As a result, it is possible to start traveling immediately after the low temperature startup.
図1は、本発明に係る燃料電池の低温起動方法に用いられる第1の実施形態の燃料電池システム10の概略構成説明図である。
FIG. 1 is an explanatory diagram of a schematic configuration of a
燃料電池システム10は、例えば、自動車等の車両に搭載されており、固体高分子型燃料電池12を備える。この燃料電池12は、複数の発電セル14を矢印A方向に積層するとともに、積層方向両端にターミナルプレート15a、15bを介装してエンドプレート16a、16bが配置されている。エンドプレート16a、16bは、図示しない締め付けボルトにより積層方向に締め付けられている。
The
発電セル14は、固体高分子電解質膜18の両側にカソード側電極20とアノード側電極22とを配置した電解質膜・電極構造体24と、前記電解質膜・電極構造体24を挟持する一対のセパレータ26、28とを備える。セパレータ26には、カソード側電極20に酸化剤ガスとして、例えば、酸素を含む空気を供給するための酸化剤ガス流路30が形成される。セパレータ28の一方の面には、アノード側電極22に燃料ガスとして、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス流路32が形成されるとともに、他方の面には、発電セル14間に冷却媒体を供給するための冷却媒体流路34が形成される。
The
冷却媒体流路34は、冷却媒体供給系36に連通する。この冷却媒体供給系36は、冷却媒体を貯留する冷媒タンク38と、循環路40とを備え、この循環路40は、前記冷媒タンク38と燃料電池12の冷却媒体流路34とに連通して前記冷却媒体を循環させる。冷媒タンク38には、冷却媒体を加熱するための電気ヒータ(外部熱源)42が装着される。
The cooling medium flow path 34 communicates with the cooling
燃料電池12を構成するターミナルプレート15a、15bには、電源部44が電気的に接続される。この電源部44は、例えば、負荷、バッテリ又はキャパシタ等を備えており、電気ヒータ42に電気的に接続される。電源部44及び電気ヒータ42は、コントローラ46に接続されるとともに、前記コントローラ46には、燃料電池12に内装される第1温度計48、及び冷媒タンク38内に配設される第2温度計50からそれぞれの温度検出信号が入力される。
A
第1温度計48は、発電セル14の積層方向に沿って複数配設されており、燃料電池12の冷却媒体出口温度、冷却媒体入口温度、酸化剤ガス出口温度、あるいは、酸化剤ガス入口温度を測定する。各第1温度計48により検出された温度の中、最低温度が燃料電池12の内部温度として検出される。
A plurality of the
燃料電池12には、図示していないが、酸化剤ガス流路30に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給系と、燃料ガス流路32に燃料ガスを供給する燃料ガス供給系とが接続されている。
Although not shown, the
このように構成される燃料電池システム10の動作について、図2に示すフローチャートに沿って以下に説明する。
The operation of the
先ず、コントローラ46に駆動信号が入力されると(ステップS1)、ステップS2に進んで、第1温度計48を介して燃料電池(FC)12の内部温度が計測される。コントローラ46には、複数の第1温度計48からそれぞれの温度検出信号が入力されており、このコントローラ46は、各第1温度計48により検出された温度の中、最低温度を用いて燃料電池12の内部温度を演算する(ステップS3)。
First, when a drive signal is input to the controller 46 (step S1), the process proceeds to step S2, and the internal temperature of the fuel cell (FC) 12 is measured via the
次いで、演算された内部温度が氷点(1気圧で0℃)下であるか否か、すなわち、燃料電池12の内部温度が水の凝固点を下回る環境下で、前記燃料電池12を起動するか否かが判断される(ステップS4)。内部温度が氷点下であると(ステップS4中、YES)、ステップS5に進んで、この内部温度が基準温度よりも低温であるか否かが判断される。
Next, whether the calculated internal temperature is below a freezing point (0 ° C. at 1 atm), that is, whether the
ここで、基準温度は、以下に説明する要件に基づいて、氷点下の所定の温度に設定される。先ず、燃料電池12の内部温度と、発電により前記燃料電池12から取り出すことができる電流値との関係は、図3に示されている。これにより、燃料電池12の内部温度が低下するのに伴って電流値が低下し、氷点下のある温度で前記電流値が急激に低下するという温度特性がある。この氷点下のある温度が基準温度であり、燃料電池12を安定して使用するには、前記燃料電池12の内部温度を前記基準温度以上に昇温する必要がある。
Here, the reference temperature is set to a predetermined temperature below the freezing point based on the requirements described below. First, the relationship between the internal temperature of the
次に、上記の基準温度を設定する際には、固体高分子電解質膜18のイオン導電性、電解質膜・電極構造体24のガス拡散性及び燃料電池12の熱容量が考慮される。
Next, when setting the reference temperature, the ionic conductivity of the solid
固体高分子電解質膜18では、図4に示すように、燃料電池12の内部温度が氷点下のある温度(基準温度)に至ると、抵抗過電圧が急激に上昇して発電が困難となってしまう。これは、図5に示すように、固体高分子電解質膜18のクラスター内部の水が、氷点下の限界温度(基準温度)、例えば、−10℃〜−30℃の範囲で吸熱量のピークが発生し、前記固体高分子電解質膜18に取り込まれた水が凍結してイオン導電性が著しく低下するからである。
In the solid
一方、電解質膜・電極構造体24の内部には、燃料電池12の発電により生成される水が存在しており、電極触媒層に存在する水が凍結すると、触媒有効面積が著しく低下してガス拡散性が低下する。その際、電極触媒層等の微小細孔内に存在する水は、その細孔径によって凍結温度が0℃以下に変動する。これは、
ΔTf(融点降下度)=2VmTf 0σ/(ΔHfr)
r:キャピラリー半径
Vm:水のモル体積(18cm3/mol)
Tf 0:バルク水の凝固点(273K)
σ:氷−水の界面自由エネルギ
ΔHf:氷の融解熱(79.4cal/g=6000J/mol)
の関係から得られ、この水の凍結温度以下では、ガス拡散性が著しく低下してしまう。
On the other hand, water generated by power generation of the
[Delta] T f (melting point drop rate) = 2V m T f 0 σ / (ΔH f r)
r: capillary radius V m : molar volume of water (18 cm 3 / mol)
T f 0 : Freezing point of bulk water (273K)
σ: Ice-water interface free energy ΔH f : Ice melting heat (79.4 cal / g = 6000 J / mol)
From this relationship, the gas diffusivity is significantly reduced below the freezing temperature of water.
さらに、燃料電池12の熱容量の違いによる昇温特性は、図6に示される関係を有している。燃料電池12の熱容量が大きい場合には、生成水の凍結によって自己暖機が困難となってしまう。換言すれば、発電セル14の熱容量と電解質膜・電極構造体24の生成水保持容量とによって決まる限界温度より低い温度では、燃料電池12の自己暖機が困難である。
Furthermore, the temperature rise characteristic due to the difference in the heat capacity of the
従って、上記のように、固体高分子電解質膜18のクラスター内部の水凍結温度、電解質膜・電極構造体24の電極触媒層内の細孔内の水凍結温度、及び発電セル14の熱容量と前記電解質膜・電極構造体24の生成水保持容量とによって決定される水凍結温度の中、最も高い温度が、基準温度として設定される。
Therefore, as described above, the water freezing temperature inside the cluster of the solid
そこで、図2に示すように、燃料電池12の内部温度が基準温度以下であると判断されると(ステップS5中、YES)、ステップS6に進んで、外部暖機モードに移行する。この外部暖機モードでは、図1に示すように、電源部44を構成するバッテリ又はキャパシタ等から電気ヒータ42に電力が供給され、この電気ヒータ42が加熱される。
Therefore, as shown in FIG. 2, when it is determined that the internal temperature of the
このため、冷媒タンク38に貯留されている冷却媒体が昇温され、この冷却媒体が循環路40を介して燃料電池12を構成する各発電セル14間の冷却媒体流路34に供給される。従って、各発電セル14は、加温されている冷却媒体によって昇温され、コントローラ46では、前記発電セル14の温度が第1温度計48を介して検出される(ステップS2)。
For this reason, the temperature of the cooling medium stored in the
上記のように、電気ヒータ42により加温された冷却媒体によって各発電セル14が暖機されることにより、燃料電池12の内部温度が基準温度を超えると(ステップS5中、NO)、ステップS7に進んで、低温モード発電が開始される。この低温モード発電では、燃料電池12の低温始動性を考慮した発電条件で、燃料電池12の発電が行われる。具体的には、各発電セル14の酸化剤ガス流路30には、酸化剤ガスとして、例えば、酸素を含む空気が供給されるとともに、燃料ガス流路32には、燃料ガスとして、例えば、水素含有ガスが供給される。
As described above, when each
これにより、各発電セル14では、カソード側電極20に酸素を含む空気が供給される一方、アノード側電極22に水素含有ガスが供給されて発電が行われ、前記発電セル14の積層方向両端に配置されたターミナルプレート15a、15bから電源部44に電力が供給される。その際、電源部44を構成する負荷、あるいは、図示しない走行用モータに電力が供給され、燃料電池12の自己暖機のみが行われる。そして、燃料電池12の内部温度が0℃以上となると(ステップS4中、NO)、通常モード発電に移行する(ステップS8)。この通常モード発電は、燃費等を考慮した発電条件で燃料電池12の作動が行われる。
Thus, in each
この場合、第1の実施形態では、燃料電池12の内部温度が氷点下で且つ基準温度以下であると、電源部44を用いて前記燃料電池12が加熱される。すなわち、基準温度以下では、燃料電池12が自己発熱によって起動することが困難であるため、外部熱源による加熱付勢が行われる。従って、燃料電池12は、外部熱源である電気ヒータ42の付勢作用下に加温される冷却媒体により、水の凍結を有効に阻止しながら迅速且つ確実に昇温される。
In this case, in the first embodiment, when the internal temperature of the
次いで、燃料電池12の内部温度が基準温度を超えると、電気ヒータ42による加熱が停止される一方、前記燃料電池12が発電を行って該燃料電池12が自己暖機のみにより加熱される。これにより、燃料電池12の内部温度が氷点下で且つ基準温度以上に達した際に、この燃料電池12の自己暖機のみが行われるため、外部熱源である電気ヒータ42による消費熱量が大幅に削減され、経済的であるという効果が得られる。
Next, when the internal temperature of the
しかも、電気ヒータ42等の外部熱源を小型化且つ軽量化することが容易に行われ、効率的な低温機能が遂行可能になる。さらに、燃料電池12の内部温度が基準温度に達した段階で、電気ヒータ42による加熱が停止される。これにより、燃料電池12が車載用として使用される際に、前記燃料電池12の内部温度が0℃以下であっても走行用モータ(図示せず)に電力を確実に供給することができる。従って、低温起動直後に、走行を開始することが可能になり、燃料電池システム10を可及的速やかに走行モードに移行させることができるという利点がある。
In addition, an external heat source such as the
図7は、本発明に係る燃料電池の低温起動方法の第2の実施形態を説明するフローチャートである。 FIG. 7 is a flowchart for explaining a second embodiment of the fuel cell low-temperature startup method according to the present invention.
この第2の実施形態では、第1の実施形態におけるステップS1〜S5と同様に、ステップS11〜S15に沿って燃料電池12の内部温度が検出され、この内部温度が氷点下で且つ基準温度以下であることが検出された際(ステップS15中、YES)、ステップS16及びステップS17に進んで、外部暖機モードと低温モード発電とが行われる。
In this second embodiment, as in steps S1 to S5 in the first embodiment, the internal temperature of the
すなわち、図1に示すように、燃料電池12に酸素を含む空気及び水素含有ガスが供給されて発電が行われるとともに、電源部44から電気ヒータ42に電力が供給され、冷却媒体の加熱が行われる。従って、燃料電池12は、外部熱源である電気ヒータ42の付勢作用下に加熱される冷却媒体を介して昇温するとともに、前記燃料電池12の発電による自己暖機が行われる。
That is, as shown in FIG. 1, air containing oxygen and a hydrogen-containing gas are supplied to the
次いで、燃料電池12の内部温度が氷点下で且つ基準温度以上となると(ステップS15中、NO)、ステップS18に進んで、低温モード発電が行われ、外部熱源である電気ヒータ42による加熱が停止される。さらに、燃料電池12の内部温度が0℃以上になると(ステップS14中、NO)、ステップS19に進んで、通常モード発電が行われる。
Next, when the internal temperature of the
このように、第2の実施形態では、燃料電池12の内部温度が基準温度以下である際に、外部熱源(電気ヒータ42)による加熱と、前記燃料電池12自体の発電による自己暖機とが行われる。このため、燃料電池12の内部温度を基準温度以上に迅速に昇温することができ、燃料電池システム10の低温始動が一層効率的に遂行されるという効果が得られる。
As described above, in the second embodiment, when the internal temperature of the
図8は、本発明に係る燃料電池の低温起動方法に用いられる第3の実施形態の燃料電池システム60の概略構成説明図である。なお、第1の実施形態の燃料電池システム10と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第4及び第5の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
FIG. 8 is an explanatory diagram of a schematic configuration of the
燃料電池システム60は、電源部44に接続されるヒータ加熱部62を備え、このヒータ加熱部62には、複数のヒートプレート(加熱プレート)64が連結される。図9に示すように、各ヒートプレート64の内部には、加熱媒体としての液体が収容されており、上下に循環する流路66が設けられる。ヒートプレート64は、ヒータ加熱部62との接合部分に入熱部68aを有する一方、前記入熱部68aとは反対側の端部に放熱部68bが設けられる。ヒートプレート64は、各発電セル14間に配置されている。
The
このように構成される第3の実施形態では、図2に示すフローチャート(第1の実施形態)又は図7に示すフローチャート(第2の実施形態)に沿って、低温起動が行われる。その際、燃料電池12の内部温度が基準温度以下である際、電源部44を介してヒータ加熱部62に電力が供給される。従って、各ヒートプレート64では、入熱部68aで内部の液体が蒸気化し、流路66を通って放熱部68bに移動し、この放熱部68bで各発電セル14に放熱される。
In the third embodiment configured as described above, the low-temperature startup is performed according to the flowchart shown in FIG. 2 (first embodiment) or the flowchart shown in FIG. 7 (second embodiment). At that time, when the internal temperature of the
このため、発電セル14は、液体の潜熱を利用した熱伝導プレートであるヒートプレート64を介して加熱される。そして、燃料電池12の内部温度が、基準温度以上となる際に、ヒータ加熱部62への電力の供給が停止される一方、前記燃料電池12の発電が行われる。
For this reason, the
これにより、燃料電池12は、水の凍結を阻止しながら基準温度を超える温度に迅速且つ確実に昇温することができるとともに、ヒータ加熱部62による消費熱量が大幅に削減されて経済的である等、第1及び第2の実施形態と同様の効果が得られる。
As a result, the
なお、第3の実施形態では、各発電セル14毎にヒートプレート64を介装しているが、これに限定されるものではない。例えば、図10に示す燃料電池システム60aでは、2以上の発電セル14毎にヒートプレート64を配置しており、図11に示す燃料電池システム60bでは、積層方向両端に配置される発電セル14に接してヒートプレート64を配置している。
In addition, in 3rd Embodiment, although the
図12は、本発明に係る燃料電池の低温起動方法に用いられる第4の実施形態の燃料電池システム70の概略構成説明図である。
FIG. 12 is an explanatory diagram of a schematic configuration of a
燃料電池システム70は、電源部44に接続される電気ヒータ(外部熱源)72を備え、この電気ヒータ72は、各発電セル14間に配置されている。なお、電気ヒータ72は、2以上の発電セル14毎に配置してもよく、また、積層方向両端に配置される発電セル14に接して配置してもよい。さらに、電気ヒータ72は、バッテリ又はキャパシタ等を備える電源部44から電力を得ているが、燃料電池12から電力を得るように構成してもよい。
The
図13は、本発明に係る燃料電池の低温起動方法に用いられる第5の実施形態の燃料電池システム80の概略構成説明図である。
FIG. 13 is an explanatory diagram of a schematic configuration of a
燃料電池システム80は、燃料電池12内に介装される水素燃焼ヒータプレート82を備える。この水素燃焼ヒータプレート82は、水素燃焼触媒(図示せず)を内蔵しており、水素供給管84と空気供給管86とが同一の端部側に接続される一方、排気管88が異なる端部に接続される。水素燃焼ヒータプレート82は、各発電セル14毎に配置されているが、これに限定されるものではなく、2以上の前記発電セル14毎に配置してもよく、あるいは、積層方向両端部に配置される該発電セル14に接して配置してもよい。
The
このように構成される第5の実施形態では、第1〜第4の実施形態と同様に、燃料電池12の内部温度が基準温度以下であると判断されると、外部熱源である水素燃焼ヒータプレート82により発電セル14の加熱が行われる。具体的には、水素供給管84から各水素燃焼ヒータプレート82内に水素が供給されるとともに、空気供給管86から前記水素燃焼ヒータプレート82内に空気が供給される。このため、水素燃焼ヒータプレート82内では、水素燃焼触媒を介して水素の燃焼反応が惹起し、前記水素燃焼ヒータプレート82自体が昇温して各発電セル14が昇温される。
In the fifth embodiment configured as described above, as in the first to fourth embodiments, when it is determined that the internal temperature of the
これにより、燃料電池12は、水の凍結を阻止しながら基準温度以上に迅速且つ確実に昇温されるとともに、この燃料電池12の発電による自己暖機のみによって0℃まで昇温され、第1〜第4の実施形態と同様の効果が得られる。
As a result, the
10、60、60a、60b、70、80…燃料電池システム
12…燃料電池 14…発電セル
15a、15b…ターミナルプレート 16a、16b…エンドプレート
18…固体高分子電解質膜 20…カソード側電極
22…アノード側電極 24…電解質膜・電極構造体
26、28…セパレータ 30…酸化剤ガス流路
32…燃料ガス流路 34…冷却媒体流路
36…冷却媒体供給系 38…冷媒タンク
40…循環路 42、72…電気ヒータ
44…電源部 46…コントローラ
48、50…温度計 62…ヒータ加熱部
64…ヒートプレート 66…流路
82…水素燃焼ヒータプレート 84…水素供給管
86…空気供給管 88…排気管
DESCRIPTION OF
Claims (17)
前記燃料電池の温度が前記氷点下であること、及び氷点より低い基準温度以下であることが検出された際、外部熱源を用いて前記燃料電池を加熱する第1の昇温工程と、
前記燃料電池の温度が前記基準温度に達した際、前記外部熱源による加熱を停止して前記燃料電池自体の発電のみにより該燃料電池を加熱する第2の昇温工程と、
を有することを特徴とする燃料電池の低温起動方法。 Low temperature start-up method of a fuel cell for starting a polymer electrolyte fuel cell in which an electrolyte membrane / electrode structure having a solid polymer electrolyte membrane disposed between a pair of electrodes and a separator are laminated at a temperature below freezing point Because
A first temperature raising step of heating the fuel cell using an external heat source when it is detected that the temperature of the fuel cell is below the freezing point and below a reference temperature lower than the freezing point ;
When the temperature of the fuel cell reaches the reference temperature, a second temperature raising step of stopping heating by the external heat source and heating the fuel cell only by power generation of the fuel cell itself;
A method for starting a fuel cell at a low temperature, comprising:
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