JP4996814B2 - 燃料電池の低温起動方法 - Google Patents

Description

本発明は、電解質を一対の電極間に配設した電解質・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池を、水の凍結温度以下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（陽イオン交換膜）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）のような電解質膜は、−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、図６）

上記の特許文献１において、コア温度が−２３℃で４個の堆積体が作動を開始した積層体電圧と時間（分）との関係（プロットＸ）と、堆積体コア温度と時間（分）との関係（プロットＹ）とが、図７に示されている。

しかしながら、上記の特許文献１では、作動開始後の約４分間、水素の流れる通路が水又は氷により塞がれてしまい、水素の流れが適切に行われていないという問題がある。さらに、４分後に５０アンペアの負荷に接続されると、約４５アンペアの出力が得られたものの、出力電流は約８秒で約１５アンペアまで低下してしまう。これは、生成水が凍結したからである。

このように、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、氷や生成水の凍結によっ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。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、特に水の凍結温度以下の環境で、迅速な始動が確実に遂行され、通常運転に効率的に移行すること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。

本発明では、燃料電池の温度が水の凍結温度以下であることが検出された際、前記燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力制御マップが、氷点下起動用制御マップに変更される。

このように、氷点下起動に際し、専用の制御マップに沿って燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力制御が行われている。次いで、燃料電池の温度が凍結温度を超過していることが検出されると、氷点下起動用制御マップから通常起動用制御マップに変更される。

また、氷点下起動用制御マップのガス圧力は、通常起動用制御マップのガス圧力よりも大きく設定されている。

ここで、水の凍結温度以下の環境において、図１に示すように、特定の電圧下で出力電流がガス圧力によって変動し、電圧降下を惹起することがなく、安定して最大電流を取り出すことができることを見出した。その際、ガス圧力が高くなるのに比例して、取り出される出力電流が向上した。

さらに、水の凍結温度以下の環境において、特定の電圧下で、ガス圧力の高低と限界負荷とが、図２に示す関係を有し、前記ガス圧力が通常運転条件のガス圧力より高く設定されると、安定して取り出すことができる限界負荷（最大出力電流）が大きくなるという特質が得られることを見出した。

すなわち、氷点下起動に際し、残留水が電極触媒やガス拡散層に凍結した状態で存在していると、電極反応面積が低下して反応ガスの拡散性が著しく低下する。ところが、供給する反応ガスのガス圧力を高めることにより、電極反応が起こる反応部位に反応ガスを確実に供給することができ、取り出し可能な出力電流が向上するものと考えられる。しかも、氷点下起動の環境において、反応ガスのガス圧力を高めることは、通常運転状態で反応ガスのガス圧力を高めるよりも、発電特性を向上させる効果が大きい。

また、燃料電池の温度が凍結温度以下であることが検出された際、少なくとも酸化剤ガスの流量制御マップを、氷点下起動用制御マップに変更することが好ましい。

さらに、氷点下起動用制御マップのガス流量は、通常起動用制御マップのガス流量よりも大きく設定されることが好ましい。

さらにまた、酸化剤ガスは、圧縮機により加圧されるとともに、燃料電池の発電電力によって前記圧縮機を駆動することが好ましい。自己発熱が促進されて昇温が迅速に行われるからである。

また、燃料電池に供給されて該燃料電池から排出された燃料ガスは、前記燃料電池に循環供給されることが好ましい。排ガス（燃料ガス）の熱量を利用して昇温が迅速に行われるからである。

本発明によれば、燃料電池の温度が水の凍結温度以下であることが検出された際、燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力制御マップが、氷点下起動用制御マップに変更される。このため、水の凍結温度以下の環境において、高負荷の電流を速やかに印加することができ、燃料電池内での生成水の凍結等を阻止して前記燃料電池を迅速に温めることが可能になる。

次いで、燃料電池の温度が凍結温度を超過していることが検出されると、氷点下起動用制御マップから通常起動用制御マップに変更される。従って、燃料ガス及び酸化剤ガスを効率的に使用して、燃料電池を良好に通常起動状態に移行させることができる。

また、ガス圧力を高く設定することにより、氷点下起動時に発生する触媒活性の低下や、生成水の凍結によるガス拡散性能の低下を補うことができ、氷点下起動時に高負荷を確実に印加することが可能になる。このため、高負荷を印加することによって燃料電池の発熱量が増大し、前記燃料電池は、水の凍結温度を超過する温度まで迅速に昇温することができる。

しかも、ガス圧力が高くなるため、ポンプ等の補器類の消費電力が増大して燃料電池に対する要求負荷が増加し、前記燃料電池がより一層発熱して昇温速度が速くなる。従って、燃料電池は、短時間で凍結温度を超過する温度に迅速に昇温され、氷点下起動が効率的に遂行されて安定した運転に速やかに移行することが可能になる。

さらに、カソード側電極では、酸化剤ガスのガス流量が、通常起動時の酸化剤ガスのガス流量よりも大きく設定されている。このカソード側電極では、特に反応により生成水が生成されるため、酸化剤ガスのガス流量が増加することによって、前記生成水を燃料電池の外部に確実に排出することができ、該生成水の凍結によるガス拡散性能の低下等を良好に抑制することが可能になる。

図３は、本発明の実施形態に係る燃料電池の低温起動方法を実施するため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、燃料電池スタック１２を備える。この燃料電池スタック１２は、複数の発電セル（燃料電池）１４を矢印Ａ方向に積層するとともに、積層方向両端にエンドプレート１６ａ、１６ｂが配置されており、前記エンドプレート１６ａ、１６ｂが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、例えば、固体高分子電解質膜１８ａの両側にアノード側電極１８ｂとカソード側電極１８ｃとを配置した電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１８と、前記電解質膜・電極構造体１８を挟持する一対のセパレータ２０、２２とを備える。アノード側電極１８ｂには、燃料ガスとして、例えば、水素ガスが供給される一方、カソード側電極１８ｃ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。

エンドプレート１６ａには、各発電セル１４に水素ガスを供給するための水素供給口２４ａと、前記発電セル１４に空気を供給するための空気供給口２６ａとが設けられる。エンドプレート１６ｂには、発電セル１４から排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを排出するための水素排出口２４ｂと、前記発電セル１４から排出される未使用の酸素を含む空気を排出するための空気排出口２６ｂとが設けられる。

燃料電池システム１０は、燃料ガス供給系２８と、酸化剤ガス供給系３０と、図示しない冷却媒体供給系とを備える。燃料ガス供給系２８は、燃料電池スタック１２に水素ガスを供給する水素供給流路３２と、前記燃料電池スタック１２から未使用の水素ガスを含む排ガスを排出する水素排出流路３３と、前記排ガスを前記水素供給流路３２の途上に戻して該燃料電池スタック１２に供給するための水素循環流路３４とを備える。

水素供給流路３２には、高圧水素を貯留する水素タンク３６と、前記水素タンク３６から供給される水素ガスの圧力を減圧するレギュレータ３８と、減圧された前記水素ガスを燃料電池スタック１２に供給するとともに、水素循環流路３４から排ガスを吸引して前記燃料電池スタック１２に戻すためのエゼクタ４０と、燃料電池スタック１２に供給される水素ガスの圧力を検出する圧力計４２とが配設される。

水素排出流路３３には、燃料電池スタック１２から排出される排ガスを廃棄するためのパージバルブ４４が配設される一方、水素循環流路３４には、前記燃料電池スタック１２に供給される水素ガスの流量を制御するためのポンプ４６が配設される。

酸化剤ガス供給系３０は、燃料電池スタック１２に空気を供給する空気供給流路４８と、前記燃料電池スタック１２から排出される未使用の空気を含む排ガスを外部に廃棄するための空気排出流路５０とを備える。

空気供給流路４８には、空気を圧縮して供給するためにスーパーチャージャ（又はコンプレッサ）５２と、燃料電池スタック１２に供給される空気の圧力を検出する圧力計５４とが設けられる。空気排出流路５０には、燃料電池スタック１２の空気出口温度を検出する温度計５６と、前記燃料電池スタック１２に供給される空気の圧力を制御するための圧力調整バルブ５８とが設けられる。

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４に示すフローチャートに沿って以下に説明する。

燃料電池システム１０は、ＣＰＵ（central processing unit）６０を介して駆動制御されており、先ず、このＣＰＵ６０に駆動信号が入力される。このため、燃料電池システム１０の駆動が開始されるとともに、温度計５６を介して燃料電池スタック１２の空気出口温度が検出される（ステップＳ１）。この空気出口温度に基づいて、環境温度が水の凍結温度以下（０℃以下）であると判定されると（ステップＳ１中、ＹＥＳ）、ステップＳ２に進んで、氷点下起動用制御マップに変更される。

なお、燃料電池スタック１２の空気出口温度を検出する代わりに、前記燃料電池スタック１２の冷却媒体出口温度を検出したり、電解質膜・電極構造体１８に熱電対を設けて前記電解質膜・電極構造体１８の温度を直接検出したりしてもよい。

氷点下起動用制御マップは、燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力制御マップと、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの流量制御マップとを有する。圧力制御マップは、図５に示すように、通常起動条件（０℃以上の通常起動制御条件）に比べて、ガス圧力が大きく設定される。氷点下起動時には、図１に示すように、ガス圧力と出力電流とが比例しており、できるだけ高い負荷を印加するためには、前記ガス圧力を可能な限り高く設定する必要があるからである。

ただし、ガス圧力は、燃料電池スタック１２の通常運転時のガス圧力の上限（ガス耐圧限界）を超えない範囲に設定されるとともに、スーパーチャージャ５２等の補器の仕様限界を超えないことが必要である。また、流量制御マップは、少なくとも酸化剤ガスの流量を増加させればよく、燃料ガスの流量は、必ずしも増加させる必要はない。

上記のように変更された氷点下起動用制御マップに沿って、燃料電池スタック１２の氷点下起動が行われる（ステップＳ３）。具体的には、図３に示すように、水素タンク３６から水素供給流路３２に供給される水素ガスは、レギュレータ３８を介して所定の圧力に調整され、エゼクタ４０を通って燃料電池スタック１２の水素供給口２４ａに供給される。

水素供給口２４ａに供給された水素ガスは、各発電セル１４を構成するアノード側電極１８ｂに沿って移動した後、未使用の水素ガスを含む排ガスは、水素排出口２４ｂから水素排出流路３３に排出されて水素循環流路３４に送られる。水素循環流路３４に排出された排ガスは、エゼクタ４０の吸引作用下に、水素供給流路３２の途上に戻された後、再度、燃料電池スタック１２内に燃料ガスとして供給される。その際、温まった排ガスが循環されることにより、この排ガスの熱量を始動時に有効に利用することができる。

一方、空気は、スーパーチャージャ５２を介して空気供給流路４８に供給される。この空気は、空気供給口２６ａから各発電セル１４のカソード側電極１８ｃに供給され、未使用の空気を含む排ガスが、空気排出口２６ｂから空気排出流路５０に排出される。

これにより、各発電セル１４では、アノード側電極１８ｂに供給される水素ガスと、カソード側電極１８ｃに供給される空気中の酸素とが反応して発電が行われる。

この場合、燃料ガス供給系２８では、水素ガスのガス圧力がレギュレータ３８を介して所定の圧力に調整されるとともに、前記水素ガスのガス流量が水素循環流路３４に配置されたポンプ４６を介して所定の流量に調整されている。従って、水素ガスは、ガス圧力及びガス流量が通常起動時のガス圧力及びガス流量よりも大きく設定されて燃料電池スタック１２に供給される。

一方、酸化剤ガス供給系３０では、酸化剤ガスのガス圧力が圧力調整バルブ５８を介して所定の圧力に調整されるとともに、前記酸化剤ガスのガス流量がスーパーチャージャ５２の回転数制御によって所定の流量に調整される。このため、酸化剤ガスは、ガス圧力及びガス流量が通常起動時のガス圧力及びガス流量よりも大きく設定されて燃料電池スタック１２に供給される。

このように、燃料電池スタック１２に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスのガス圧力を、通常起動時に比べて高く設定することにより、氷点下起動時に発生する触媒活性の低下や、生成水の凍結によるガス拡散性能の低下を補うことができ、氷点下起動時に高負荷を確実に印加することが可能になる。従って、高負荷を印加することにより各発電セル１４の発熱量が増大し、前記発電セル１４は、水の凍結温度を超過する温度まで迅速に昇温することができる。

しかも、ガス圧力が高くなるため、スーパーチャージャ５２等の補器類の消費電力が増大して燃料電池スタック１２に対する要求負荷が増加し、前記燃料電池スタック１２がより一層発熱して昇温速度が速くなる。その上、燃料ガス及び酸化剤ガスは、断熱圧縮の効果によりガス自体の温度も上昇する。このため、燃料電池スタック１２は、短時間で水の凍結温度を超過する温度に迅速に昇温され、氷点下起動が効率的に遂行されて水の凍結温度を超過する温度に速やかに移行することが可能になるという効果が得られる。

さらに、カソード側電極１８ｃでは、酸化剤ガスのガス流量が、通常起動時の酸化剤ガスのガス流量よりも大きく設定されている。このカソード側電極１８ｃでは、特に反応により生成水が生成されるため、酸化剤ガスのガス流量が増加することによって、前記生成水を燃料電池スタック１２の外部に確実に排出することができ、該生成水の凍結によるガス拡散性能の低下を抑制することが可能になる。

図６には、燃料ガス及び酸化剤ガスのガス圧力の高低とガス流量の増量の有無とを組み合わせた際、出力電流と電圧との関係がラインＡ〜ラインＤに示されている。図６から了解されるように、燃料ガス及び酸化剤ガスのガス流量が増量しても、ガス圧力が低く設定されている場合には、取り出すことができる出力電流が小さくなってしまう（ラインＢ参照）。

これに対して、ガス圧力が高く設定されている場合には、燃料ガス又は酸化剤ガスの一方のみのガス流量が増量されていても、比較的に大きな出力電流が得られる（ラインＣ及びＤ参照）。特に、酸化剤ガスのガス流量を増量することによって、相当に大きな出力電流が得られ、効率的な氷点下起動が遂行可能になる（ラインＣ参照）。

次いで、燃料電池スタック１２の温度が、凍結温度を超過する温度（０℃を超える温度）になったことが検出されると（ステップＳ４中、ＹＥＳ）、ステップＳ５に進んで、通常起動用制御マップに変更される。この通常起動用制御マップでは、燃料ガス及び酸化剤ガスのガス圧力とガス流量とが、氷点下起動時に比べて低く設定されている。

ガス圧力を下げることによって、燃料ガス及び酸化剤ガスの体積流量が増加し、各発電セル１４内の図示しない燃料ガス流路内及び酸化剤ガス流路内でのガス流速が速くなる。従って、燃料ガス流路内及び酸化剤ガス流路内でフラッディングが発生することを阻止できる。

これにより、ガス圧力及びガス流量が低くなって負荷が減少し、燃料電池システム１０全体の効率が有効に向上して燃料電池スタック１２の通常起動処理が経済的に遂行される（ステップＳ６）。

上記の通常起動処理が継続されることにより、燃料電池スタック１２の温度が所定の温度Ｔ℃を超えると（ステップＳ７中、ＹＥＳ）、ステップＳ８に進んで、通常運転用制御マップに変更される。そして、燃料電池スタック１２は、低温起動が終了して通常運転に移行する。

水の凍結温度以下の環境における出力電流とガス圧力との関係図である。 水の凍結温度以下の環境におけるガス圧力の高低と限界負荷との関係図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池の低温起動方法を実施するための燃料電池システムの概略構成説明図である。 前記低温起動方法のフローチャートである。 ガス圧力制御マップの説明図である。 ガス圧力の高低とガス流量の増量の有無とを組み合わせた際、出力電流と電圧との関係図である。 特許文献１の低温起動の説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１４…発電セル １６ａ、１６ｂエンドプレート
１８…電解質膜・電極構造体 １８ａ…固体高分子電解質膜
１８ｂ…アノード側電極 １８ｃ…カソード側電極
２０、２２…セパレータ ２８…燃料ガス供給系
３０…酸化剤ガス供給系 ３２…水素供給流路
３３…水素排出流路 ３４…水素循環流路
３６…水素タンク ３８…レギュレータ
４０…エゼクタ ４２、５４…圧力計
４４…パージバルブ ４６…ポンプ
４８…空気供給流路 ５０…空気排出流路
５２…スーパーチャージャ ５６…温度計
５８…圧力調整バルブ ６０…ＣＰＵ

Claims (3)

1. 電解質を一対の電極間に配設した電解質・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池を、水の凍結温度以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、
   氷点下起動用制御マップと通常起動用制御マップとを、それぞれ個別に有し、
   前記氷点下起動用制御マップと前記通常起動用制御マップとは、それぞれ電流に対する燃料ガス及び酸化剤ガスのガス圧力の関係を示す圧力制御マップと、それぞれ電流に対する燃料ガス及び酸化剤ガスのガス流量の関係を示す流量制御マップとを有するとともに、前記氷点下起動用制御マップの前記圧力制御マップは、前記通常起動用制御マップの前記圧力制御マップよりも前記ガス圧力が大きく設定され、且つ、前記氷点下起動用制御マップの前記流量制御マップは、前記通常起動用制御マップの前記流量制御マップよりも前記ガス流量が大きく設定され、
   前記燃料電池の温度が前記凍結温度以下であることが検出された際、前記燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの前記圧力制御マップを、前記通常起動用制御マップの前記圧力制御マップから前記氷点下起動用制御マップの前記圧力制御マップに変更する一方、少なくとも酸化剤ガスの前記流量制御マップを、前記通常起動用制御マップの前記流量制御マップから前記氷点下起動用制御マップの前記流量制御マップに変更する工程と、
   前記氷点下起動用制御マップの前記圧力制御マップ及び前記流量制御マップに沿って前記燃料電池の起動を行う工程と、
   前記燃料電池の温度が前記凍結温度を超過していることが検出された際、前記氷点下起動用制御マップの前記圧力制御マップを前記通常起動用制御マップの前記圧力制御マップに変更する一方、前記氷点下起動用制御マップの前記流量制御マップを前記通常起動用制御マップの前記流量制御マップに変更する工程と、
   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、前記酸化剤ガスは、圧縮機により加圧されるとともに、前記燃料電池の発電電力によって前記圧縮機を駆動することを特徴とする燃料電池の低温起動方法。
3. 請求項１又は２記載の低温起動方法において、前記燃料電池に供給されて該燃料電池から排出された燃料ガスは、前記燃料電池に循環供給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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