JP2003197240A - 燃料電池システム - Google Patents
燃料電池システムInfo
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- JP2003197240A JP2003197240A JP2001396579A JP2001396579A JP2003197240A JP 2003197240 A JP2003197240 A JP 2003197240A JP 2001396579 A JP2001396579 A JP 2001396579A JP 2001396579 A JP2001396579 A JP 2001396579A JP 2003197240 A JP2003197240 A JP 2003197240A
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 氷点下からの燃料電池システムの起動性を改
良する。 【解決手段】 固体高分子電解質膜（８）と、この固体
高分子電解質膜を狭持するように配置された燃料極と酸
化剤極を備えた単セル（１）を積層して形成される第１
燃料電池スタック（２）を備えた燃料電池システムにお
いて、前記第１燃料電池スタック（２）は、燃料電池ス
タック内の温度が氷点下からの燃料電池システム起動時
に、前記各単セル（１）の燃料極をプラス極、酸化剤極
をマイナス極として電極間に電圧を印加して加熱するこ
とを特徴とする。
良する。 【解決手段】 固体高分子電解質膜（８）と、この固体
高分子電解質膜を狭持するように配置された燃料極と酸
化剤極を備えた単セル（１）を積層して形成される第１
燃料電池スタック（２）を備えた燃料電池システムにお
いて、前記第１燃料電池スタック（２）は、燃料電池ス
タック内の温度が氷点下からの燃料電池システム起動時
に、前記各単セル（１）の燃料極をプラス極、酸化剤極
をマイナス極として電極間に電圧を印加して加熱するこ
とを特徴とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は燃料電池システ
ム、特に氷点下からのシステム起動性を改良する燃料電
池システムに関する。
ム、特に氷点下からのシステム起動性を改良する燃料電
池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の固体高分子型燃料電池において
は、水素イオン（Ｈ+）が固体高分子電解質膜を透過す
るためには、その電解質膜が常に湿潤状態を維持するこ
とが必要となる。しかしながら、電解質膜を湿潤状態に
維持するために水分を補給する構成を燃料電池システム
中に有すると、氷点下の温度域で水分が凍結し、この状
態から燃料電池システムを起動するには、まず凍結した
水分を解凍する必要が生じ、時間が掛かり始動性が著し
く悪い。
は、水素イオン（Ｈ+）が固体高分子電解質膜を透過す
るためには、その電解質膜が常に湿潤状態を維持するこ
とが必要となる。しかしながら、電解質膜を湿潤状態に
維持するために水分を補給する構成を燃料電池システム
中に有すると、氷点下の温度域で水分が凍結し、この状
態から燃料電池システムを起動するには、まず凍結した
水分を解凍する必要が生じ、時間が掛かり始動性が著し
く悪い。
【０００３】このような起動性の課題を解決する技術と
して、特開２０００−３１５５１４号公報には、外部か
ら高温のガスを燃料電池システムに供給し、凍結した水
分を解凍する技術が開示されている。
して、特開２０００−３１５５１４号公報には、外部か
ら高温のガスを燃料電池システムに供給し、凍結した水
分を解凍する技術が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来技術においても特に氷点下２０℃以下の気温では、供
給された高温のガスが電解質膜と触媒と電極から構成さ
れる膜電極接合体、いわゆるＭＥＡに到達するまでに、
そのガスの熱を配管やセパレータを加熱することに消費
され、熱効率が悪く、また熱量が減少するためにＭＥＡ
の解凍に時間が掛かり、起動時間が長いということにな
る。
来技術においても特に氷点下２０℃以下の気温では、供
給された高温のガスが電解質膜と触媒と電極から構成さ
れる膜電極接合体、いわゆるＭＥＡに到達するまでに、
そのガスの熱を配管やセパレータを加熱することに消費
され、熱効率が悪く、また熱量が減少するためにＭＥＡ
の解凍に時間が掛かり、起動時間が長いということにな
る。
【０００５】そこで本発明は、このような課題に鑑み、
電圧を燃料電池スタックに印加して電力を供給すること
によりＭＥＡ、ガス拡散層、セパレータを直接的に解凍
することで、起動性を向上し、課題を解決するものであ
る。
電圧を燃料電池スタックに印加して電力を供給すること
によりＭＥＡ、ガス拡散層、セパレータを直接的に解凍
することで、起動性を向上し、課題を解決するものであ
る。
【０００６】
【課題を解決するための手段】第１の発明は、固体高分
子電解質膜と、この固体高分子電解質膜を狭持するよう
に配置された燃料極と酸化剤極を備えた単セルを積層し
て形成される第１燃料電池スタックを備えた燃料電池シ
ステムにおいて、前記第１燃料電池スタックは、燃料電
池スタック内の温度が氷点下からの燃料電池システム起
動時に、前記各単セルの燃料極をプラス極、酸化剤極を
マイナス極として電極間に電圧を印加して加熱すること
を特徴とする。
子電解質膜と、この固体高分子電解質膜を狭持するよう
に配置された燃料極と酸化剤極を備えた単セルを積層し
て形成される第１燃料電池スタックを備えた燃料電池シ
ステムにおいて、前記第１燃料電池スタックは、燃料電
池スタック内の温度が氷点下からの燃料電池システム起
動時に、前記各単セルの燃料極をプラス極、酸化剤極を
マイナス極として電極間に電圧を印加して加熱すること
を特徴とする。
【０００７】第２の発明は、第１の発明において、前記
各単セルの電極間に印加する電圧は、水の電気分解に必
要な電圧と、前記単セル内の抵抗や触媒の分散度合いに
応じて必要となる過電圧を加算した電圧とすることを特
徴とする。
各単セルの電極間に印加する電圧は、水の電気分解に必
要な電圧と、前記単セル内の抵抗や触媒の分散度合いに
応じて必要となる過電圧を加算した電圧とすることを特
徴とする。
【０００８】第３の発明は、第１または２の発明におい
て、前記各単セルの電極間に電圧を印加することによ
り、燃料極に生成された酸素が燃料極に供給された水素
と反応して水を生じるときの反応熱と、酸化剤極に生成
された水素が酸化剤極に供給された酸素と反応して水を
生じるときの反応熱の少なくとも一方を用いて前記第１
燃料電池スタックを加熱することを特徴とする。
て、前記各単セルの電極間に電圧を印加することによ
り、燃料極に生成された酸素が燃料極に供給された水素
と反応して水を生じるときの反応熱と、酸化剤極に生成
された水素が酸化剤極に供給された酸素と反応して水を
生じるときの反応熱の少なくとも一方を用いて前記第１
燃料電池スタックを加熱することを特徴とする。
【０００９】第４の発明は、第１から３のいずれか一つ
の発明において、前記各単セルの電極間に電圧を印加す
る２次電池を備えたことを特徴とする。
の発明において、前記各単セルの電極間に電圧を印加す
る２次電池を備えたことを特徴とする。
【００１０】第５の発明は、第１から４のいずれか一つ
の発明において、前記各単セルの電極間に電圧が印加さ
れる前記第１の燃料電池スタックに接続される第２燃料
電池スタックを備え、この第２燃料電池スタックは、前
記第１燃料電池スタックによって発電された電気によっ
て加熱されることを特徴とする。
の発明において、前記各単セルの電極間に電圧が印加さ
れる前記第１の燃料電池スタックに接続される第２燃料
電池スタックを備え、この第２燃料電池スタックは、前
記第１燃料電池スタックによって発電された電気によっ
て加熱されることを特徴とする。
【００１１】
【発明の効果】第１の発明は、氷点下に置かれた第１燃
料電池スタックを起動するときに、前記第１燃料電池ス
タックの各単セルの燃料極をプラス極、酸化剤極をマイ
ナス極として電極間に電圧を印加して加熱するようにし
たので、単セル内に熱を発生させ、第１燃料電池スタッ
ク内の氷を解凍し、燃料電池システムの起動性を向上す
ることができる。
料電池スタックを起動するときに、前記第１燃料電池ス
タックの各単セルの燃料極をプラス極、酸化剤極をマイ
ナス極として電極間に電圧を印加して加熱するようにし
たので、単セル内に熱を発生させ、第１燃料電池スタッ
ク内の氷を解凍し、燃料電池システムの起動性を向上す
ることができる。
【００１２】第２の発明は、前記各単セルの電極間に印
加する電圧は、水の電気分解に必要な電圧と、前記単セ
ル内の抵抗や触媒の分散度合いに応じて必要となる過電
圧を加算した電圧としたので、過電圧によるジュール熱
や触媒部で発生する熱によって燃料電池スタック内の氷
を解凍することができる。
加する電圧は、水の電気分解に必要な電圧と、前記単セ
ル内の抵抗や触媒の分散度合いに応じて必要となる過電
圧を加算した電圧としたので、過電圧によるジュール熱
や触媒部で発生する熱によって燃料電池スタック内の氷
を解凍することができる。
【００１３】第３の発明は、前記各単セルの電極間に電
圧を印加することにより、燃料極に生成された酸素が燃
料極に供給された水素と反応して水を生じるときの反応
熱と、酸化剤極に生成された水素が酸化剤極に供給され
た酸素と反応して水を生じるときの反応熱の少なくとも
一方を用いて前記第１燃料電池スタックを加熱するの
で、水の生成時に生じる反応熱を氷の解凍に用いること
により氷の解凍を一層促進できる。
圧を印加することにより、燃料極に生成された酸素が燃
料極に供給された水素と反応して水を生じるときの反応
熱と、酸化剤極に生成された水素が酸化剤極に供給され
た酸素と反応して水を生じるときの反応熱の少なくとも
一方を用いて前記第１燃料電池スタックを加熱するの
で、水の生成時に生じる反応熱を氷の解凍に用いること
により氷の解凍を一層促進できる。
【００１４】第４の発明は、前記各単セルの電極間に電
圧を印加する２次電池を備えたので氷点下でも確実に単
セルに確実に電圧を印加することができる。
圧を印加する２次電池を備えたので氷点下でも確実に単
セルに確実に電圧を印加することができる。
【００１５】第５の発明は、前記各単セルの電極間に電
圧が印加される前記第１の燃料電池スタックに接続され
る第２燃料電池スタックを備え、この第２燃料電池スタ
ックは、前記第１燃料電池スタックによって発電された
電気によって加熱されるので、バッテリ等の外部電源の
負荷を低減することができ、システムの効率向上を図る
ことができる。
圧が印加される前記第１の燃料電池スタックに接続され
る第２燃料電池スタックを備え、この第２燃料電池スタ
ックは、前記第１燃料電池スタックによって発電された
電気によって加熱されるので、バッテリ等の外部電源の
負荷を低減することができ、システムの効率向上を図る
ことができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】図１に本発明の燃料電池システム
の構成の一例を示す。
の構成の一例を示す。
【００１７】単セル１が積層して構成される燃料電池ス
タック２には、コンプレッサ３から酸化剤（酸素）が圧
力調整弁４を介して供給されるとともに、水素ボンベ５
から圧力調整弁６を介して燃料としての水素が各セルに
供給される。また水素の圧力を調整する圧力調整弁６と
燃料電池スタック２との間にはエゼクタ７が設けられて
いる。
タック２には、コンプレッサ３から酸化剤（酸素）が圧
力調整弁４を介して供給されるとともに、水素ボンベ５
から圧力調整弁６を介して燃料としての水素が各セルに
供給される。また水素の圧力を調整する圧力調整弁６と
燃料電池スタック２との間にはエゼクタ７が設けられて
いる。
【００１８】燃料電池スタック２では発電のための電気
化学反応に供せられた水素と酸素は、排ガスとして大気
中に放出されるが、排水素ガスの一部はエゼクタ７の作
用によって燃料電池スタック２に再供給される。
化学反応に供せられた水素と酸素は、排ガスとして大気
中に放出されるが、排水素ガスの一部はエゼクタ７の作
用によって燃料電池スタック２に再供給される。
【００１９】燃料電池スタック２を構成する単セル１
は、固体高分子電解質膜（以下、単に高分子膜とい
う。）８と、高分子膜８を両側から狭持するようにガス
拡散層と触媒を担持した電極（水素極と酸素極）とさら
に高分子膜８と触媒と燃料ガス（水素または酸素）とで
形成される３層界面とが混在する層９と、その層９の外
側に燃料ガスが流通する流路１０を形成したセパレータ
１１とから形成されている。
は、固体高分子電解質膜（以下、単に高分子膜とい
う。）８と、高分子膜８を両側から狭持するようにガス
拡散層と触媒を担持した電極（水素極と酸素極）とさら
に高分子膜８と触媒と燃料ガス（水素または酸素）とで
形成される３層界面とが混在する層９と、その層９の外
側に燃料ガスが流通する流路１０を形成したセパレータ
１１とから形成されている。
【００２０】高分子膜８は、パーフルオロスルホン酸イ
オン交換膜、たとえば、ＤｕＰｏｎｔ社製Ｎａｆｉｏｎ
１１２を用いて形成され、ガス拡散層はカーボンペーパ
を用い、各電極は触媒としてＰｔを担持したカーボンブ
ラックを前記Ｎａｆｉｏｎと混合してカーボンペーパに
塗布して形成する。したがって、化学反応サイトである
３相界面を高分子膜８近傍に形成することができる。
オン交換膜、たとえば、ＤｕＰｏｎｔ社製Ｎａｆｉｏｎ
１１２を用いて形成され、ガス拡散層はカーボンペーパ
を用い、各電極は触媒としてＰｔを担持したカーボンブ
ラックを前記Ｎａｆｉｏｎと混合してカーボンペーパに
塗布して形成する。したがって、化学反応サイトである
３相界面を高分子膜８近傍に形成することができる。
【００２１】燃料電池スタック２には、制御回路１２が
接続されており、制御回路１２は２次電池（バッテリ）
を電源１３として燃料電池スタック２の単セルの各電極
間に氷点下時でも確実に電圧を印加する。このとき水素
極をプラス極、酸素極をマイナス極とする。電流を一定
化するための定電流回路１４が、制御回路１２と燃料電
池スタック２との間に設置される。例えば、この実施例
での高分子膜の発電面積を２５ｃｍ2とすると高分子膜
８内を流れる電流が１Ａ／ｃｍ2となるようにするに
は、電極間に流れる電流は、２５Ａの電流が必要とされ
る。各電極間に電圧を印加することにより、水素極には
酸素が、酸素極には水素が発生する。この状態で水素極
に水素を、酸素極に酸素を供給することで、発生した水
素と供給された酸素または酸素と供給された水素とが反
応を生じ、水を生成される。この水を生成する際に生じ
る反応熱の少なくとも一方は、後述するように氷点下時
に凍結した燃料電池スタック２内の氷を解凍するために
使用することができる。この状態を模式的に示したのが
図２である。
接続されており、制御回路１２は２次電池（バッテリ）
を電源１３として燃料電池スタック２の単セルの各電極
間に氷点下時でも確実に電圧を印加する。このとき水素
極をプラス極、酸素極をマイナス極とする。電流を一定
化するための定電流回路１４が、制御回路１２と燃料電
池スタック２との間に設置される。例えば、この実施例
での高分子膜の発電面積を２５ｃｍ2とすると高分子膜
８内を流れる電流が１Ａ／ｃｍ2となるようにするに
は、電極間に流れる電流は、２５Ａの電流が必要とされ
る。各電極間に電圧を印加することにより、水素極には
酸素が、酸素極には水素が発生する。この状態で水素極
に水素を、酸素極に酸素を供給することで、発生した水
素と供給された酸素または酸素と供給された水素とが反
応を生じ、水を生成される。この水を生成する際に生じ
る反応熱の少なくとも一方は、後述するように氷点下時
に凍結した燃料電池スタック２内の氷を解凍するために
使用することができる。この状態を模式的に示したのが
図２である。
【００２２】制御回路１２は電源１３の他に、通常運転
時に接続する負荷（例えば、モータ）１５と始動時に接
続可能な他の燃料電池スタック１６と接続可能に構成さ
れる。制御回路１２とこれら構成との接続の切り換え
は、制御装置１７によって制御される。更に制御装置１
７には図示しないが、燃料電池スタック２内の温度を検
出するための温度センサからの出力が入力される。
時に接続する負荷（例えば、モータ）１５と始動時に接
続可能な他の燃料電池スタック１６と接続可能に構成さ
れる。制御回路１２とこれら構成との接続の切り換え
は、制御装置１７によって制御される。更に制御装置１
７には図示しないが、燃料電池スタック２内の温度を検
出するための温度センサからの出力が入力される。
【００２３】このように構成される燃料電池システムが
氷点下３０℃の環境に設置された場合を考える。この環
境下では、高分子膜８のイオン導電率は約０．００５Ｓ
／ｃｍであるので、高分子膜８の電圧降下は約０．６Ｖ
である。また触媒活性過電圧は約０．３Ｖ、ガス拡散層
とセパレータ１１との接触抵抗は約０．２Ｖであり、水
の電気分解電圧である約１．２Ｖと合わせると各電極に
印加する電圧は約２．３Ｖ必要となる。
氷点下３０℃の環境に設置された場合を考える。この環
境下では、高分子膜８のイオン導電率は約０．００５Ｓ
／ｃｍであるので、高分子膜８の電圧降下は約０．６Ｖ
である。また触媒活性過電圧は約０．３Ｖ、ガス拡散層
とセパレータ１１との接触抵抗は約０．２Ｖであり、水
の電気分解電圧である約１．２Ｖと合わせると各電極に
印加する電圧は約２．３Ｖ必要となる。
【００２４】印加した２．３Ｖのうち、高分子膜８の電
圧降下分（抵抗分）の約０．６Ｖと触媒活性化抵抗分の
約０．３Ｖとガス拡散層とセパレータ１１との接触抵抗
分の約０．２Ｖを合わせた約１．１Ｖが熱に変換され
て、凍結した水の解凍に用いられる。この電圧による発
熱量は、単セル１に１Ａ／ｃｍ2の電流を流すようにす
ると、１．２Ｗ／ｃｍ2程度の発熱量となる。この発熱
量を用いることで、氷点下３０度という極寒の環境にお
いても燃料電池スタック２の凍結を短時間に解凍するこ
とができ、システムの起動性を向上することができる。
圧降下分（抵抗分）の約０．６Ｖと触媒活性化抵抗分の
約０．３Ｖとガス拡散層とセパレータ１１との接触抵抗
分の約０．２Ｖを合わせた約１．１Ｖが熱に変換され
て、凍結した水の解凍に用いられる。この電圧による発
熱量は、単セル１に１Ａ／ｃｍ2の電流を流すようにす
ると、１．２Ｗ／ｃｍ2程度の発熱量となる。この発熱
量を用いることで、氷点下３０度という極寒の環境にお
いても燃料電池スタック２の凍結を短時間に解凍するこ
とができ、システムの起動性を向上することができる。
【００２５】さらに水の電気分解電圧である約１．２Ｖ
についても、この電圧による水の分解により生成された
酸素と水素とが外部より供給された水素と酸素と反応す
る際に生じる反応熱を解凍に用いることが可能である。
についても、この電圧による水の分解により生成された
酸素と水素とが外部より供給された水素と酸素と反応す
る際に生じる反応熱を解凍に用いることが可能である。
【００２６】つまり、電圧の印加の開始直後は、水素ま
たは酸素を供給するためのガス拡散層等が凍結してお
り、外部から水素または酸素を単セル１内に供給するこ
とはできないが、電圧の印加が継続され、氷の解凍が進
むに連れて、外部からの酸素または水素が単セル１内に
供給されるようになると、前述したように、また図２に
示したように水の分解電圧分による反応熱により解凍が
可能となり、解凍を一層促進することができる。
たは酸素を供給するためのガス拡散層等が凍結してお
り、外部から水素または酸素を単セル１内に供給するこ
とはできないが、電圧の印加が継続され、氷の解凍が進
むに連れて、外部からの酸素または水素が単セル１内に
供給されるようになると、前述したように、また図２に
示したように水の分解電圧分による反応熱により解凍が
可能となり、解凍を一層促進することができる。
【００２７】次に燃料電池スタックの単セルの各電極間
への電圧の印加により生じる熱について説明する。
への電圧の印加により生じる熱について説明する。
【００２８】一定以上の電圧を印加すると次の化学式で
表される電気分解が生じる。
表される電気分解が生じる。
【００２９】
【数１】
【００３０】印加下電圧から下記式２で示されるネルン
スト平衡電圧式より算出される約１．２３Ｖ（大気圧
時）を差し引いた電圧の差から生じるエネルギ差の大半
が熱に変換され、凍結した水を解凍することになる。こ
の熱の内訳としては、主に高分子膜、ガス拡散層、セパ
レータ内部で発生するジュール熱と、ガス拡散層とセパ
レータとの接触面で発生する熱、触媒付近で発生する熱
がある。
スト平衡電圧式より算出される約１．２３Ｖ（大気圧
時）を差し引いた電圧の差から生じるエネルギ差の大半
が熱に変換され、凍結した水を解凍することになる。こ
の熱の内訳としては、主に高分子膜、ガス拡散層、セパ
レータ内部で発生するジュール熱と、ガス拡散層とセパ
レータとの接触面で発生する熱、触媒付近で発生する熱
がある。
【００３１】
【数２】
【００３２】ここで、Ｅｒ：平衡電圧、Ｒ：気体定数、
Ｆ：ファラデー定数、Ｔ：温度、ｐ：それぞれのガスの
分圧を示す。
Ｆ：ファラデー定数、Ｔ：温度、ｐ：それぞれのガスの
分圧を示す。
【００３３】まずジュール熱については、各電極に電圧
を印加することで単セル１の構成である高分子膜８、セ
パレータ１１、ガス拡散層内で単位面積当たりｉ×Ｒ2
（ここでｉ＝電流密度、Ｒ＝それぞれの抵抗、とする）
の発熱が生じる。またガス拡散層とセパレータとの接触
面では、一般に両者の内部よりも電子が通過可能な面積
が小さくなるために抵抗が大きくなる。触媒付近では、
式１で示す化学反応を促進するために必要な過電圧に相
当するエネルギの大半が熱になる。これらの熱を凍結し
た水の解凍に用いることができる。
を印加することで単セル１の構成である高分子膜８、セ
パレータ１１、ガス拡散層内で単位面積当たりｉ×Ｒ2
（ここでｉ＝電流密度、Ｒ＝それぞれの抵抗、とする）
の発熱が生じる。またガス拡散層とセパレータとの接触
面では、一般に両者の内部よりも電子が通過可能な面積
が小さくなるために抵抗が大きくなる。触媒付近では、
式１で示す化学反応を促進するために必要な過電圧に相
当するエネルギの大半が熱になる。これらの熱を凍結し
た水の解凍に用いることができる。
【００３４】さらに水の電気分解によって水素極に生成
された酸素と、酸素極に生成された水素とが外部から供
給された水素または酸素と化学反応し、水を生成すると
きに生じる反応熱が氷の解凍に用いられることは前述し
た通りである。
された酸素と、酸素極に生成された水素とが外部から供
給された水素または酸素と化学反応し、水を生成すると
きに生じる反応熱が氷の解凍に用いられることは前述し
た通りである。
【００３５】図３は、凍結した燃料電池スタック２を本
発明を用いて実際に解凍したときの単セルの温度変化を
示す図である。
発明を用いて実際に解凍したときの単セルの温度変化を
示す図である。
【００３６】まず燃料電池スタック２内の温度が氷点下
３０度の状態で各セルの電極間に電圧の印加を開始す
る。電圧の印加により単セル内でジュール熱が発生し、
単セルの温度が上昇する。氷点下２０℃で温度の上昇が
一次的に停止するが、これは、高分子膜８中に存在する
半結合水が解凍していることを示している。
３０度の状態で各セルの電極間に電圧の印加を開始す
る。電圧の印加により単セル内でジュール熱が発生し、
単セルの温度が上昇する。氷点下２０℃で温度の上昇が
一次的に停止するが、これは、高分子膜８中に存在する
半結合水が解凍していることを示している。
【００３７】ここで高分子膜８中に存在する水について
説明すると、高分子膜８中にはスルホン酸基に結合した
凍結しない結合水と、結合せずに約０℃で凍結する自由
水と、氷点下約２０℃で凍結する半結合水とが混在して
いる。氷点下２０℃で温度の上昇が停止しているのは、
半結合水の解凍に熱が消費されていることを示してい
る。
説明すると、高分子膜８中にはスルホン酸基に結合した
凍結しない結合水と、結合せずに約０℃で凍結する自由
水と、氷点下約２０℃で凍結する半結合水とが混在して
いる。氷点下２０℃で温度の上昇が停止しているのは、
半結合水の解凍に熱が消費されていることを示してい
る。
【００３８】半結合水の解凍が電圧印加後、約５０秒で
終了し、再び単セル１内の温度が上昇する。ついで０℃
で今度は自由水の解凍に熱が消費されるために単セルの
温度上昇が一次的に停止する。自由水の解凍が終了する
ことで、セパレータやガス拡散層を遮蔽していた氷が解
凍され、外部から供給される水素と酸素が各電極に供給
可能となる。したがって、前述のように各電極で生成さ
れた水素と酸素と反応して反応熱が生じ、単セルの加熱
に用いられ、単セルの昇温度合が大きくなる（傾きが大
きくなる）ことが図からも読み取れる。また各電極に印
加する電圧は、単セルの昇温とともに減少していくこと
になる。
終了し、再び単セル１内の温度が上昇する。ついで０℃
で今度は自由水の解凍に熱が消費されるために単セルの
温度上昇が一次的に停止する。自由水の解凍が終了する
ことで、セパレータやガス拡散層を遮蔽していた氷が解
凍され、外部から供給される水素と酸素が各電極に供給
可能となる。したがって、前述のように各電極で生成さ
れた水素と酸素と反応して反応熱が生じ、単セルの加熱
に用いられ、単セルの昇温度合が大きくなる（傾きが大
きくなる）ことが図からも読み取れる。また各電極に印
加する電圧は、単セルの昇温とともに減少していくこと
になる。
【００３９】本実験結果によれば、単セルの電極に電圧
を印加後、約２分で氷の解凍が終了し、燃料電池スタッ
ク２の発電が可能な状態となることが確認できた。燃料
電池スタック２に加熱した水素や酸素、あるいは加湿し
た水素や酸素を供給すれば一層燃料電池スタック２の起
動時間を短縮できることはいうまでもない。
を印加後、約２分で氷の解凍が終了し、燃料電池スタッ
ク２の発電が可能な状態となることが確認できた。燃料
電池スタック２に加熱した水素や酸素、あるいは加湿し
た水素や酸素を供給すれば一層燃料電池スタック２の起
動時間を短縮できることはいうまでもない。
【００４０】図１において、燃料電池スタック（第１燃
料電池スタック）２が他の（第２の）燃料電池スタック
１６に制御回路１２を介して接続される構成について説
明する。これは、まず第１燃料電池スタック２が解凍さ
れて、十分な発電が行える状態となったときに、制御回
路１２を切り換え、第１燃料電池スタック２と第２燃料
電池スタック１６を接続し、第１燃料電池スタック２で
発電された電気を第２の燃料電池スタック１６に供給す
ることで第２の燃料電池スタック１６の解凍を行うため
の構成である。この構成を備えることで、バッテリ等の
外部電源の負荷を低減することができ、システムの効率
向上を図ることができる。
料電池スタック）２が他の（第２の）燃料電池スタック
１６に制御回路１２を介して接続される構成について説
明する。これは、まず第１燃料電池スタック２が解凍さ
れて、十分な発電が行える状態となったときに、制御回
路１２を切り換え、第１燃料電池スタック２と第２燃料
電池スタック１６を接続し、第１燃料電池スタック２で
発電された電気を第２の燃料電池スタック１６に供給す
ることで第２の燃料電池スタック１６の解凍を行うため
の構成である。この構成を備えることで、バッテリ等の
外部電源の負荷を低減することができ、システムの効率
向上を図ることができる。
【００４１】以上説明したように本発明では、燃料電池
スタック内の水分が凍結した氷点下状態において、スタ
ック各単セルの電極間に電圧を印加することにより、単
セル内に熱（ジュール熱と化学反応熱）を発生させ、燃
料電池スタック内の氷を解凍し、燃料電池システムの起
動性を向上することができる。
スタック内の水分が凍結した氷点下状態において、スタ
ック各単セルの電極間に電圧を印加することにより、単
セル内に熱（ジュール熱と化学反応熱）を発生させ、燃
料電池スタック内の氷を解凍し、燃料電池システムの起
動性を向上することができる。
【００４２】各セルの電極間に印加する電圧は、水の電
気分解のための電圧と、高分子膜の抵抗、ガス拡散層と
セパレータの接触抵抗、触媒活性化に伴う抵抗等の単セ
ル内の抵抗に応じた過電圧とを加えた電圧としたので、
ジュール熱など過電圧に相当するエネルギによって氷を
解凍することができる。
気分解のための電圧と、高分子膜の抵抗、ガス拡散層と
セパレータの接触抵抗、触媒活性化に伴う抵抗等の単セ
ル内の抵抗に応じた過電圧とを加えた電圧としたので、
ジュール熱など過電圧に相当するエネルギによって氷を
解凍することができる。
【００４３】また電圧を印加することで、水の電気分解
が生じ、水素極には酸素が、酸素極には水素が生成され
る。したがって、外部から各電極に水素極には水素が、
酸素極には酸素が供給されると、電気分解によって生成
された酸素、水素と反応して各極で水が生成され、この
水の生成時に生じる反応熱を氷の解凍に用いることによ
り氷の解凍を一層促進できる。
が生じ、水素極には酸素が、酸素極には水素が生成され
る。したがって、外部から各電極に水素極には水素が、
酸素極には酸素が供給されると、電気分解によって生成
された酸素、水素と反応して各極で水が生成され、この
水の生成時に生じる反応熱を氷の解凍に用いることによ
り氷の解凍を一層促進できる。
【００４４】本発明は、上記した実施形態に限定される
ものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざま
な変更がなしうることは明白である。
ものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざま
な変更がなしうることは明白である。
【図１】本発明の燃料電池システムの構成を説明するた
めの図である。
めの図である。
【図２】燃料電池セル内での化学反応熱の発生を模式的
に説明するための図である。
に説明するための図である。
【図３】燃料電池セルに電圧を印加した場合の燃料電池
セルの氷点下からの温度変化を示す図である。
セルの氷点下からの温度変化を示す図である。
１ 単セル
２ 燃料電池スタック
８ 高分子膜
１０ 流路
１１ セパレータ
１２ 制御回路
１４ 定電流回路
１７ 制御装置
Claims (5)
- 【請求項１】固体高分子電解質膜と、この固体高分子電
解質膜を狭持するように配置された燃料極と酸化剤極を
備えた単セルを積層して形成される第１燃料電池スタッ
クを備えた燃料電池システムにおいて、 前記第１燃料電池スタックは、燃料電池スタック内の温
度が氷点下からの燃料電池システム起動時に、前記各単
セルの燃料極をプラス極、酸化剤極をマイナス極として
電極間に電圧を印加して加熱することを特徴とする燃料
電池システム。 - 【請求項２】前記各単セルの電極間に印加する電圧は、
水の電気分解に必要な電圧と、前記単セル内の抵抗や触
媒の分散度合いに応じて必要となる過電圧を加算した電
圧とすることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池シ
ステム。 - 【請求項３】前記各単セルの電極間に電圧を印加するこ
とにより、燃料極に生成された酸素が燃料極に供給され
た水素と反応して水を生じるときの反応熱と、酸化剤極
に生成された水素が酸化剤極に供給された酸素と反応し
て水を生じるときの反応熱の少なくとも一方を用いて前
記第１燃料電池スタックを加熱することを特徴とする請
求項１または２に記載の燃料電池システム。 - 【請求項４】前記各単セルの電極間に電圧を印加する２
次電池を備えたことを特徴とする請求項１から３のいず
れか一つに記載の燃料電池システム。 - 【請求項５】前記各単セルの電極間に電圧が印加される
前記第１の燃料電池スタックに接続される第２燃料電池
スタックを備え、この第２燃料電池スタックは、前記第
１燃料電池スタックによって発電された電気によって加
熱されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一
つに記載の燃料電池システム。
Priority Applications (7)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001396579A JP3661643B2 (ja) | 2001-12-27 | 2001-12-27 | 燃料電池システム |
| PCT/JP2002/011767 WO2003061045A2 (en) | 2001-12-27 | 2002-11-12 | Warm-up of fuel cell power plant with polymer electrolyte |
| US10/398,022 US7108928B2 (en) | 2001-12-27 | 2002-11-12 | Warm-up of fuel cell power plant |
| CNB028028074A CN1309110C (zh) | 2001-12-27 | 2002-11-12 | 燃料电池设备的加热 |
| KR10-2003-7007745A KR100511572B1 (ko) | 2001-12-27 | 2002-11-12 | 연료전지 전력 플랜트의 예열 |
| EP02775530A EP1459404B1 (en) | 2001-12-27 | 2002-11-12 | Warm-up of fuel cell power plant with polymer electrolyte |
| DE60215700T DE60215700T2 (de) | 2001-12-27 | 2002-11-12 | Aufwärmung einer brennstoffzellenkraftanlage mit polymerelektrolyten |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001396579A JP3661643B2 (ja) | 2001-12-27 | 2001-12-27 | 燃料電池システム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003197240A true JP2003197240A (ja) | 2003-07-11 |
| JP3661643B2 JP3661643B2 (ja) | 2005-06-15 |
Family
ID=27602627
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001396579A Expired - Fee Related JP3661643B2 (ja) | 2001-12-27 | 2001-12-27 | 燃料電池システム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3661643B2 (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005050749A (ja) * | 2003-07-31 | 2005-02-24 | Equos Research Co Ltd | 燃料電池システム |
| JP2007018992A (ja) * | 2005-06-07 | 2007-01-25 | Ricoh Co Ltd | 燃料電池システム及び燃料電池システムの稼動制御方法 |
| JP2008293695A (ja) * | 2007-05-22 | 2008-12-04 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池システム及びその始動方法 |
| JP2010287439A (ja) * | 2009-06-11 | 2010-12-24 | Toyota Motor Corp | 燃料電池とその制御方法 |
| JP2017195021A (ja) * | 2016-04-18 | 2017-10-26 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池システム |
-
2001
- 2001-12-27 JP JP2001396579A patent/JP3661643B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005050749A (ja) * | 2003-07-31 | 2005-02-24 | Equos Research Co Ltd | 燃料電池システム |
| JP2007018992A (ja) * | 2005-06-07 | 2007-01-25 | Ricoh Co Ltd | 燃料電池システム及び燃料電池システムの稼動制御方法 |
| JP2008293695A (ja) * | 2007-05-22 | 2008-12-04 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池システム及びその始動方法 |
| JP4516093B2 (ja) * | 2007-05-22 | 2010-08-04 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池システム及びその始動方法 |
| US7816884B2 (en) | 2007-05-22 | 2010-10-19 | Honda Motor Co., Ltd. | Fuel cell system and method of starting operation of fuel cell system having an energy storage by reducing an amount of electrical energy in the energy storage prior to starting power generation |
| JP2010287439A (ja) * | 2009-06-11 | 2010-12-24 | Toyota Motor Corp | 燃料電池とその制御方法 |
| JP2017195021A (ja) * | 2016-04-18 | 2017-10-26 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池システム |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3661643B2 (ja) | 2005-06-15 |
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