JP4533604B2 - 燃料電池の低温起動方法 - Google Patents

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。

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。

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。

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。

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。

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。

特表２０００−５１２０６８号公報（図３）

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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、
ΔＴ_f（融点降下度）＝２Ｖ_mＴ_f ⁰σ／（ΔＨ_fｒ）
ｒ：キャピラリー半径
Ｖ_m：水のモル体積（１８ｃｍ³／ｍｏｌ）
Ｔ_f ⁰：バルク水の凝固点（２７３Ｋ）
σ：氷−水の界面自由エネルギ
ΔＨ_f：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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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の概略構成説明図である。 前記低温起動方法を説明するフローチャートである。 前記燃料電池の内部温度と印加可能電流との関係説明図である。 前記燃料電池の内部温度と抵抗過電圧の関係説明図である。 固体高分子電解質膜の熱特性の説明図である。 熱容量の違いによる昇温特性の説明図である。 本発明に係る燃料電池の低温起動方法を説明する第２の実施形態のフローチャートである。 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の概略構成説明図である。 前記燃料電池システムを構成するヒートプレート及びヒータ加熱部の一部斜視説明図である。 複数の発電セル毎に前記ヒートプレートが配置された状態の説明図である。 積層方向両端の前記発電セルに対応して前記ヒートプレートが配置された状態の説明図である。 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の概略構成説明図である。 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の概略構成説明図である。

符号の説明

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

Claims (17)

1. 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であって、
   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。
2. 請求項１記載の低温起動方法において、前記第１の昇温工程では、前記燃料電池の発電を停止した状態で、前記外部熱源のみによる加熱を行うことを特徴とする燃料電池の低温起動方法。
3. 請求項１記載の低温起動方法において、前記第１の昇温工程では、前記燃料電池の発電を行いながら、前記外部熱源による加熱を行うことを特徴とする燃料電池の低温起動方法。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の低温起動方法において、前記基準温度は、前記固体高分子電解質膜の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を特徴とする燃料電池の低温起動方法。
5. 請求項１記載の低温起動方法において、前記燃料電池は、複数の発電セルを積層して構成されるとともに、前記外部熱源により前記各発電セル毎に加熱することを特徴とする燃料電池の低温起動方法。
6. 請求項１記載の低温起動方法において、前記燃料電池は、複数の発電セルを積層して構成されるとともに、前記外部熱源により２以上の前記発電セル毎に加熱することを特徴とする燃料電池の低温起動方法。
7. 請求項１記載の低温起動方法において、前記燃料電池は、複数の発電セルを積層して構成されるとともに、前記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することを特徴とする燃料電池の低温起動方法。
8. 請求項１記載の低温起動方法において、前記外部熱源により加熱された冷却媒体を前記燃料電池内に供給して該燃料電池を加熱することを特徴とする燃料電池の低温起動方法。
9. 請求項１記載の低温起動方法において、前記外部熱源である電気ヒータにより前記燃料電池を加熱することを特徴とする燃料電池の低温起動方法。
10. 請求項９記載の低温起動方法において、前記電気ヒータには、前記燃料電池から電力が供給されることを特徴とする燃料電池の低温起動方法。
11. 請求項９記載の低温起動方法において、前記電気ヒータには、バッテリから電力が供給されることを特徴とする燃料電池の低温起動方法。
12. 請求項９記載の低温起動方法において、前記電気ヒータには、キャパシタから電力が供給されることを特徴とする燃料電池の低温起動方法。
13. 請求項１記載の低温起動方法において、前記外部熱源である加熱プレートにより前記燃料電池を加熱することを特徴とする燃料電池の低温起動方法。
14. 請求項１記載の低温起動方法において、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を特徴とする燃料電池の低温起動方法。
15. 請求項１記載の低温起動方法において、前記燃料電池の温度は、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得られることを特徴とする燃料電池の低温起動方法。
16. 請求項１記載の低温起動方法において、前記燃料電池の温度は、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ことを特徴とする燃料電池の低温起動方法。
17. 請求項１記載の低温起動方法において、前記燃料電池内には、該燃料電池の温度を測定する温度計が内装されることを特徴とする燃料電池の低温起動方法。

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