JP2004030979A

JP2004030979A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2004030979A
Application number: JP2002181791A
Authority: JP
Inventors: Koji Kobayashi; 小林　康二; Masao Ando; 安藤　正夫; Munehisa Horiguchi; 堀口　宗久; Koichi Shiraishi; 白石　剛一
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2002-06-21
Filing date: 2002-06-21
Publication date: 2004-01-29

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of conducting a self-warm-up. <P>SOLUTION: The system is provided with an air supply fan 113 supplying air to an oxygen electrode of the fuel cell, a temperature sensor S11 detecting temperature of a fuel cell stack 1 at a start-up, and a control part 74 for setting an air supply volume from the air supply fan 113 at less than that at a normal power generation when a detected temperature of the temperature sensor S11 is below a set value. At a generation start-up, when a temperature of the fuel cell stack 1 is low, the fuel cell is warmed up by increasing a heat-radiating volume due to an oxygen supply shortage. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池システムにかかり、詳しくは、低温下での始動を容易とする燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池では、最も効率良く発電することができる温度領域が、５０℃から８０℃ぐらいの間であるとされている。また、これらの温度領域より低い温度では、発電効率が極端に低くなるという特性を有している。従って、燃料電池を作動させてから、十分な電力を燃料電池から得るためには、温度が高効率領域に達するまで暖機が必要となり、燃料電池から電力を得て負荷全体を始動させるまでに長時間を要する。
【０００３】
一方、燃料電池の温度が氷点下である場合には、発電反応によって生じた生成水が電極表面で凍結し、酸素の供給が妨げられ、発電反応を抑制してしまうという問題がある。
そこで、従来では、例えば、特開平７−９４２０２号に記載されているように、燃料電池の発電開始前に、燃料電池自体を暖機するための暖機システムを備えたものが提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような燃料電池の暖機システムは、暖機のためのエネルギーを必要とし、システムの全体のエネルギー効率を悪化させるという問題点があった。
さらに、暖機システムを燃料電池システムに組み込むために、燃料電池システムの大型化を招いていた。
また、車両等の移動体に搭載される移動型燃料電池については、搭載スペースが狭く、系外からのエネルギーの供給が図れない環境にあり、上記欠点は、一層不利な要素となる。
この発明は、自立暖機が可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
以上のような目的は、以下の本発明によって達成される。
（１）　水素と酸素を反応させることにより電流を発生させる燃料電池と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する供給装置と、
燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
前記供給装置による酸化剤ガス供給量を調節する供給量調整手段と、
温度検出手段によって検出された燃料電池の検出温度が凍結温度であるか否かを判定する凍結判定手段とを備え、
前記供給量調整手段は、検出温度が凍結温度より低い場合には、同一の負荷に対して高い温度である場合よりも、前記供給装置による酸化剤ガス供給量を少なくして発熱量がより増加するように設定する燃料電池システム。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池システム１００について、添付図面に基づき詳細に説明する。図１は、本発明の燃料電池システム１００の有する燃料電池スタック１の全体斜視図、図２は燃料電池スタック１の部分断面側面図、図３は、燃料電池スタック１の平面断面である。本発明の、燃料電池スタック１は、単位セル２と、セパレータ３とを有する発電部６１を備えている。単位セル２は、酸素極２１と燃料極２２とで固体高分子電解質膜２３を挟持した構成となっている。セパレータ３は、酸素極２１と燃料極２２にそれぞれ接触して電流を外部に取り出すための集電部材３１、３２とを有している。図２及び図３に示されているように、単位セル２とセパレータ３とが交互に積層されて発電部６１が構成される。
【０００７】
集電部材３１、３２は、それぞれ、導電性と耐蝕性を有する材料で構成される。例えば、集電部材３１、３２は、金属材料で構成されている。この構成金属は、集電部材としての機能を果たすために、導電性を有しているもので、かつ、通電状態となることから耐蝕性を有するものが用いられる。例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金等に耐蝕導電処理を施したもの等が挙げられる。ここで、耐蝕導電処理とは、例えば、金メッキ等が挙げられる。また、集電部材３１、３２の構成材料は、金属の他、カーボンブラック等の導電性と耐食性を備えた材料を用いてもよい。集電部材３１、３２を金属板とし、これをプレス加工により薄型に形成することによって、セパレータ３を薄く形成することができるので、燃料電池スタック１自体の大きさを小型化でき、かつ、熱容量を少なくすることができるので、このことによっても燃料電池スタック１を温まりやすい構成とすることができる。
【０００８】
集電部材３１は、酸素極２１に接触し、集電部材３２は、燃料極２２に接触する。図２及び図３に示されているように、集電部材３１の、酸素極２１に接触する面には、直線状に連続して隆起した凸部３１１が等間隔で複数形成され、該凸部３１１の間には、溝３１２がそれぞれ形成される。つまり、凸部３１１と溝３１２は、交互に配置された形状となっている。凸部３１１は、最も突出した峰の平面部が酸素極２１に接触する接触部３１３となっており、この接触部３１３を介して酸素極２１と通電可能となる。溝３１２と、酸素極２１の表面とによって、酸化剤ガスとしての空気が流通する空気流通路３１５が形成される。
【０００９】
凸部３１１の両端には、凸部３１１に直交する方向に溝３１４、３１４が形成され、この溝３１４と酸素極２１の表面とによって、空気流路３１６が形成される。複数の空気流通路３１５は、両端部で空気流路３１６にそれぞれ連通した構成となっており、複数の空気流通路３１５と一対の空気流路３１６とによって、酸素極２１へ酸素を供給する空気保持部が構成される。
【００１０】
空気保持部には、空気供給孔３１８と空気排出孔３１７とが形成され、空気は空気供給孔３１８から空気保持部内に流入し、空気排出孔３１７から流出する。
このように、空気保持部内の空気は、常時入れ替わる構成となっている。この実施形態では、集電部材３１は、矩形であり、空気供給孔３１８と空気排出孔３１７は、集電部材３１の平面視における図心を中心として点対称の位置に（対角線方向）に、それぞれ配置されている。図２には、空気排出孔３１７が示されている。また、図３には、空気供給孔３１８が示されている。
【００１１】
集電部材３２の、水素極２２に接触する面には、直線状に連続して隆起した凸部３２１が等間隔で複数形成され、該凸部３２１の間には、溝３２２がそれぞれ形成される。つまり、凸部３２１と溝３２２は、交互に配置された形状となっている。凸部３２１は、最も突出した峰の平面部が水素極２２の表面に接触する接触部３２３となっており、この接触部３２３を介して水素極２２と通電可能となる。溝３２２と、水素極２２の表面とによって、水素が流通する水素流通路３２５が形成される。
【００１２】
凸部３２１の両端には、凸部３２１に直交する方向に溝３２４、３２４が形成され、この溝３２４と水素極２２の表面とによって、水素流路３２６が形成される。複数の水素流通路３２５は、両端部で水素流路３２６にそれぞれ連通した構成となっており、複数の水素流通路３２５と一対の水素流路３２６とによって、水素極２２へ水素を供給する水素保持部が構成される。
【００１３】
水素保持部には、水素供給孔と水素排出孔３２７とが形成され、水素は、水素供給孔から水素保持部内に流入し、水素排出孔３２７から流出する。このように、水素保持部内の水素は、常時入れ替わる構成となっている。この実施形態では、集電部材３２は、矩形であり、水素供給孔と水素排出孔３２７は、集電部材３２の平面視における図心を中心として点対称の位置に（対角線方向）に、それぞれ配置されている。図２には、水素排出孔３２７が示されている。
【００１４】
集電部材３２の、水素極２２に対して反対側の面には、直線状に連続して隆起した凸部４２１が等間隔で複数形成され、該凸部４２１の間には、溝４２２がそれぞれ形成される。つまり、凸部４２１と溝４２２は、交互に配置された形状となっている。凸部４２１は、最も突出した峰の平面部が集電部材３１の表面に接触する接触部４２３となっており、この接触部４２３を介して隣接する単位セル２の水素極２２と酸素極２１が電気的に接続される。溝４２２と、集電部材３１の平面とによって、水が流通する水流通路４２５が形成される。
【００１５】
凸部４２１の両端には、凸部４２１に直交する方向に溝４２４、４２４が形成れ、この溝４２４と集電部材３１の平面とによって、水流路４２６が形成される。複数の水流通路４２５は、両端部で水流路４２６にそれぞれ連通した構成となっており、複数の水流通路４２５と一対の水流路４２６とによって、冷却部が構成される。
【００１６】
この冷却部には、水供給孔と水排出孔４２７とが形成され、冷媒である水は、水供給孔から冷却部内に流入し、水排出孔４２７から流出する。このように、冷却部内の水は、入れ替わることができる構成となっている。この実施形態では、集電部材３２は、矩形であり、水供給孔と水排出孔４２７は、集電部材３２の平面視における図心を中心として点対称の位置に（対角線方向）に、それぞれ配置されている。このような位置に、水供給孔と水排出孔４２７が設けられていることによって、冷却部内の水を均一に交換することができる。図２と図３には、水排出孔４２７が示されている。なお、冷却媒体は、水の他、不凍液を用いることもできる。
【００１７】
燃料電池スタック１内には、セパレータ３の積層方向に、空気と水素と水を導通させる導通路が形成されている。導通路は、それぞれ供給用の導通路と、排出用の導通路とを有している。図１に示されているように、供給用の空気導通路５１、水素導通路５３、水導通路５５は、燃料電池スタック１の片側にまとめて配置され、排出用の空気導通路５２、水素導通路５４、水導通路５６は、供給用の導通路が配置された側に対して、反対側に配置され、その間に、空気保持部、水素保持部、冷却部を挟むように構成されている。
【００１８】
従って、排出用の空気導通路５２は各空気保持部の空気排出孔３１７にそれぞれ連通し、供給用の空気導通路５１は、各空気保持部の空気供給孔にそれぞれ連通している。このように、供給用の空気導通路５１は、各空気保持部に空気を分配する空気マニホールドとして機能する。
また、排出用の水素導通路５４は各水素保持部の水素排出孔３２７にそれぞれ連通し、供給用の水素導通路５３は、各水素保持部の水素供給孔にそれぞれ連通している。このように、供給用の水素導通路５３は、各水素保持部に水素を分配する水素マニホールドとして機能する。
さらに、排出用の水導通路５６は各冷却部の水排出孔４２７にそれぞれ連通し、供給用の水導通路５５は、各水保持部の水供給孔にそれぞれ連通している。このように、供給用の水導通路５５は、各水保持部に水を分配する水マニホールドとして機能する。
【００１９】
以上のように構成された発電部６１の両端には、セパレータ３と単位セル２の積層方向において、端部セパレータ３から外側へ向けて、集電体６３ａ、６３ｂ、絶縁部材６４ａ、６４ｂ、エンドプレート６５ａ、６５ｂが、それぞれが両側に接続されている。これらの積層された各部材と、発電部６１は、対向する側面に付設された保持部材６６によって一体として保持される。また、集電体６３ａ、６３ｂには、燃料電池スタック１の端子として端子６７ａ、６７ｂが設けられている。
【００２０】
片方のエンドプレート６５ａには、後述する空気供給系１１、水素供給系１２、冷却系１３の各経路が接続されている。詳しくは、空気供給系１１の空気供給路１１０は供給用の空気導通路５１に、空気排出路１１１は排出用の空気導通路５２にそれぞれ接続され、水素供給系１２の供給路１２２は供給用の水素導通路５３に、排出路１２３は排出用の水素導通路５４にそれぞれ接続され、冷却系１３の冷却液供給路１３３は供給用の水導通路５５に、冷却液排出路１３１は排出用の水導通路５６にそれぞれ接続されている。
【００２１】
次に、燃料電池スタック１を用いた燃料電池システム１００の構成について、説明する。図４は、燃料電池システム１００の構成を示す模式図である。燃料電池システム１００は、移動体のひとつである電気自動車に搭載されるものであり、後述する負荷系の蓄電手段（キャパシタ等）１４６とともに駆動モータ１４３の電源を構成している。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１へ対して、空気を供給する空気供給系１１と、同じく、水素を供給する水素供給系１２と、同じく冷却液を供給する冷却系１３と、負荷系１４と、酸素供給系１１に水分を供給する加湿系１５とを備えている。
【００２２】
空気供給系１１は、空気供給路１１０と、空気排出路１１１を備えている。空気供給路１１０には、上流側から順に、外気の粉塵などの不純物を除去するフィルタ１１２、外気温度センサＳ１、空気の供給量を調整する空気供給ファン１１３、供給する空気を加湿する加湿器１５１が接続され、最終的に燃料電池スタック１の供給用空気導通路５１が接続されている。
【００２３】
空気排出路１１１の上流側端は、燃料電池スタック１の排出用空気導通路５２に接続され、下流へ向けて順に、燃料電池スタックの代表温度を測るための空気出口温度センサＳ３、空気供給系からの空気流が酸素極２１から持ち去った水を回収する凝縮器１５２、外気から不純物が逆流して燃料電池スタックに進入するのを防止するフィルタ１１５が接続され、最終的に系の外部に空気を排出する。
以上のように、空気供給系１１は、燃料電池スタック１内に設けられている空気保持部に空気を送り込み、空気中の酸素を酸素極２１に供給する。供給装置は、空気供給路１１０と、空気供給ファン１１３により構成される。酸素の供給量の調整は、空気供給ファン１１３からの吐出量を調整することにより行われる。吐出量の調整は、羽根の回転数を調整することによりなされる。
【００２４】
加湿系１５は、燃料電池スタック１に供給される空気に湿度を加える加湿器１５１と、排出された空気から水分を回収する凝縮器１５２と、加湿水タンク１５０と、加湿水タンク１５０から加湿水を加湿器１５１へ供給する水供給路１５３と、加湿水を加湿器１５１に送り出す加湿水ポンプ１５４と、加湿水ポンプ１５４の下流側に設けられ、電磁弁１５５と、凝縮器１５２で回収された水を加湿水タンク１５０へ回収する回収路１５６と、回収した水を加湿水タンク１５０へ送る回収ポンプ１５７と、加湿水タンク１５０内に設けられた凍結防止用ヒータ１５０ａと、加湿水タンク１５０内の加湿水の温度を検出する加湿水温度センサＳ４、同じく水位を検出する加湿水水位センサＳ５を備えている。また、水供給路１５３と回収路１５６とには、それぞれ不純物を除去するフィルタ１５８、１５９が設けられている。電磁弁１５５は、ポンプ１５４非駆動時には閉状態となり、経路内の水の流動を防止する。加湿系１５は、燃料電池スタック１へ送られる空気を加湿するために設けられる。この加湿系１５の加湿器１５１によって加湿された空気は、燃料電池スタック１の酸素極２１を湿潤状態（水分で潤った状態）に維持する。
【００２５】
水素供給系１２は、水素貯蔵タンク１２１と、水素貯蔵タンク１２１から、燃料電池スタック１の供給用水素導通路５３へ水素を供給する水素供給路１２２と、燃料電池スタック１の排出用水素導通路５４から外部へ水素を排出する水素排出路１２３とを備えている。水素供給路１２２には、水素を外部の水素源から水素貯蔵タンク１２１に充填するための水素充鎮口１２４が接続され、水素貯蔵タンク１２１内の水素圧を測るための水素１次圧センサＳ６が接続され、燃料極に供給する水素の圧力（量）を調整するための水素調圧弁１２５と、水素の供給量を制御する水素供給電磁弁１２６と、燃料極にかかる水素圧を測定する水素２次圧センサＳ７が、下流へ向けて、それぞれ順に接続されている。水素調圧弁１２５と、水素供給電磁弁１２６は、水素２次圧センサＳ７の検出値に基づき制御される。さらに、水素排出路１２３には、下流へ向けて順に、逆流を防止する逆止弁１２７、水素の排出をコントロールする水素排気電磁弁１２８が接続されている。水素は運転中、連続して供給されてもよいし、間欠的に供給されてもよい。
【００２６】
冷却系１３は、燃料電池スタック１が高温でヒートアップしてしまうのを防止するために配設されていて、燃料電池スタック１内に冷却媒体である冷却液を流通させ、これを循環させることにより冷却する。この実施形態では、冷却液として不凍液が用いられ、例えばエチレングリコール水溶液が使用される。この他、冷却液としては、水やその他の熱媒体を用いることもできる。燃料電池スタック１の温度は、例えば燃料電池スタック１に取り付けられた温度センサＳ１１で検出することができる。燃料電池スタック１の温度を検出するセンサＳ１１が、燃料電池の温度を検出する温度検出手段として機能する。
【００２７】
冷却系１３は燃料電池スタック１の排出側水導通路５６に接続された冷却液排出路１３１と、ラジエター１３２と、冷却液供給路１３３を基本として構成され、冷却液は、前記冷却液供給路１３３に配設された循環ポンプ１３４によって燃料電池スタック１の供給側水導通路５５に送り込まれる。また、冷却液排出路１３１と冷却液供給路１３３との間には、ラジエター１３２をバイパスするラジエターバイパス路１３５が接続されている。
【００２８】
冷却液排出路１３１、冷却液供給路１３３にそれぞれ配設された冷却液出口温度センサＳ９、冷却液入口温度センサＳ１０によって検出された冷却液の温度に応じて電磁弁ＳＶ１、ＳＶ３の開閉を制御して、冷却系１３における冷却液の流れを制御する。ラジエター１３２にはファン１３２ａが設けられており、ファンの風量を調節することにより、冷却能力を調整することができる。
【００２９】
以上のように冷却系１３は、燃料電池の通常発電時においては、燃料電池の反応熱によるオーバーヒートを防止するため作動する。この場合、冷却系１３は、冷却液排出路１３１と、ラジエター１３２と、冷却液供給路１３３と、冷却液供給路１３３に配設された循環ポンプ１３４によって構成される循環系が用いられる。従って、この場合には、電磁バルブＳＶ１が開、電磁バルブＳＶ３は閉状態となっている。冷却液は、冷却液供給路１３３から、燃料電池スタック１の供給側水導通路５５、各セパレータ３の冷却部、排出側水導通路５６を経て、熱交換された冷却液は、冷却液排出路１３１から、ラジエター１３２へ到達し、ラジエター１３２で冷やされ、電磁弁ＳＶ１を経て、循環ポンプ１３４へ戻る。冷却液入口温度センサＳ１０で検出される冷却液の温度と、冷却液出口温度センサＳ９で検出された排出冷却液の温度との差に応じて、ラジエター１３２の冷却能力を調整し、また、循環ポンプ１３４の吐出量を調整し、燃料電池スタック１を適正な温度に維持する。
【００３０】
負荷系１４は、燃料電池スタック１に接続されている。負荷系１４の出力コード１４７は、端子６７ａ、６７ｂにそれぞれ接続され、出力コード１４７は、負荷への電力の供給、遮断を行う出力リレー１４４、インバータ１４２を介してモータ１４３に電力を供給する。また、出力コード１４７には、逆電流を防止するダイオード１４８と電流センサＳ２が設けられている。出力リレー１４４とインバータ１４２との間には補助電源１４６が出力制御回路１４５を介して接続されている。さらに、出力コード１４７には、燃料電池スタック１の総出力を検出するための電圧センサＳ８が並列に接続されている。補助電源は例えば、バッテリやキャパシタなどの蓄電装置であり、車両低速時にはモータ１４３の回生電力を貯蔵し、加速時や高負荷時などにおいて、燃料電池スタックからの出力では不足する場合には、負荷に電力を供給する。出力制御回路１４５は、モータ１４３へ供給する電力について、燃料電池スタック１と補助電源１４６の出力の割合を制御する。
【００３１】
図５は、燃料電池システム１００の発電開始時の制御を行う制御回路を示すブロック図である。供給量調整手段としての制御部７４は、発電開始時において、温度センサＳ１１で取得した燃料電池スタック１の温度に基いて空気供給ファン１１３の吐出量を制御する。制御部７４には、その他、電流センサＳ２、電圧センサＳ８の検出値が供給される。さらに、制御部７４は、水素供給電磁弁１２６の開閉と、リレー１４４のオン・オフを制御する。
【００３２】
制御部７４は、発電開始時において、燃料電池スタック１の自立暖機を行うために、通常の発電反応時の供給量に比較して、供給する酸素の量を少なくする制御を行うものである。図６は、燃料電池の出力電流に対する、燃料電池の出力電圧、出力電力、発電反応によって発生する発熱量のそれぞれの関係を示すグラフである。このグラフにおいては、通常発電時における酸素供給量を供給した場合の、電流・電圧曲線ＬＶ、電流・電力曲線ＬＰ、電流・発熱量曲線ＬＴと、通常発電時における供給量よりも少ない酸素供給量とした場合の、電流・電圧曲線ｌＶ、電流・電力曲線ｌＰ、電流・発熱量曲線ｌＴを示した。
【００３３】
以下、図６に示されているグラフに基いて説明する。空気供給ファン１１３などの補機を駆動させるため必要な最低限の出力電力（要求負荷電力Ｐ１）を得るためには、通常の空気供給量では、出力電力は点ＱＰ１で、電流Ｉ１となり、電圧は点ＱＶ１で電圧Ｖ１となる。この状態で、空気供給ファン１１３は、通常状態で駆動しており、発熱量は点ＱＴ１となる。一方、要求負荷電力Ｐ１が得られる最低の空気供給量まで、供給量を減らすと、出力電力は点ＱＰ２となり、この時、電流Ｉ２で、電圧は点ＱＶ２で電圧Ｖ２となる。また、この時、発熱量は点ＱＴ２となる。
【００３４】
空気の供給量を減らすと、通常時（定格出力時）に比べて発熱量がＴｓだけ大きくなる。この増加した発熱量を自立暖機のための熱量として用いる。このように、発電反応時の発熱を暖機に用いれば、冷媒等を介して燃料電池スタック１を暖機する場合に比較して、燃料電池自身が発熱する点で熱損失が少なく、熱効率が格段に向上する。また、供給量を減らすので、空気供給ファン１１３を駆動させる電力も少なくできる。
【００３５】
以上のように構成された燃料電池システム１００において、発電始動する場合の作用について、図７に示されているフローチャートに基づき説明する。
【００３６】
燃料電池システム１００の始動時、つまり発電運転を開始する場合、まずシステム全体の状態をチェックし、異常が検知されなかった場合、空気供給を開始する（ステップＳ１０１）。空気供給は、空気供給ファン１１３を駆動させることにより開始される。空気供給ファン１１３の作動によって、空気供給系１１から燃料電池スタック１に空気が供給される。
【００３７】
次に、水素供給が開始される（ステップＳ１０３）。水素供給電磁弁１２６の開閉を制御することによって、水素調圧弁１２５によって調圧された水素圧の水素ガスが燃料電池スタック１に供給される。このステップＳ１０１とステップＳ１０３とによって、燃料電池スタック１に水素と、空気中の酸素が供給され、燃料電池スタック１では、水素と酸素が発電可能な状態となる。
【００３８】
リレー１４４をオンする（ステップＳ１０５）。これにより、燃料電池スタック１は、負荷系１４に電気的に接続され、発電が開始される。発電の開始とともに、発電時の反応熱により、各単位セル２から熱が発生する。電流センサＳ２と電圧センサＳ８により燃料電池スタック１からの出力電流の値と、出力電圧の値の検出が可能となる。リレー１４４をオンした時の燃料電池出力電流値Ｉｆｃを電流センサＳ２から取得し、また、このときの燃料電池スタック１の温度Ｔｆｃを、温度検出手段としての温度センサＳ１１から取得する（ステップＳ１０７）。
【００３９】
燃料電池温度Ｔｆｃが所定の設定温度Ｔａより高いか判断する（ステップＳ１０９）。凍結判定手段は、ステップＳ１０９により構成される。設定温度Ｔａは、発電反応によって生ずる生成水が、電極付近で凍結する温度の範囲の中で、上限の値に設定されている。例えば、この実施形態では、摂氏５度に設定されている。生成水の凍結が生じると、固体高分子電解質膜２３への酸素の供給が、凍結した生成水によって妨げられ、発電しなくなる（又は、出力が極端に低下してしまう。）。このため、凍結が起こる温度範囲内で、この発明のシステムを作用させることが最も効果的である。設定温度Ｔａは、燃料電池から定格出力が得られる温度範囲の下限値に設定されていてもよい。この場合には、定格出力が得られる温度領域まで、燃料電池スタックの温度が到達する時間が短縮される。また、設定温度Ｔａは、燃料電池から定格出力が得られる温度範囲の下限値と、凍結が起こる温度範囲の上限値の間の値に設定されていてもよい。
【００４０】
燃料電池温度Ｔｆｃが設定温度Ｔａより高い場合には、図８に示されている電流密度と最適空気供給量の関係を示すマップにより、空気供給量を決定する（ステップＳ１１１）。図８は、燃料電池から出力される電流密度と、燃料電池に供給される空気供給量の関係を示すグラフである。電流密度・空気供給量曲線Ａは、最も発電効率の良い空気供給量を示す曲線である。燃料電池の発電効率は、電圧が高いほど良い。通常、燃料電池は、運転温度や電極の湿潤状態及び反応ガスの供給量などを調整して、発電効率が高くなるように制御される。ところが、出力電圧を高くするために、空気供給量を上げ過ぎると、空気を供給するために駆動している空気供給ファンなどの補機の消費電力が増大し、燃料電池システム全体の効率が低下する。そこで、最適な空気供給量が示されているのが、電流密度・空気供給量曲線Ａである。電流密度・空気供給量曲線Ｂは、燃料電池出力を空気供給ファン１１３等の補機に供給できる電圧を確保した上で、発熱量がより多く得られる空気供給量を示す曲線である。空気供給量は、発電反応必要量（ストイキ比１）に、設定空気ストイキ比を乗じて算出される。ここで、空気ストイキ比とは、燃料電池の発電に必要最低限の空気量を１とした場合の比である。
【００４１】
このように、ステップＳ１１１では、ステップＳ１０７で取得した燃料電池出力電流値Ｉｆｃと、電流密度・空気供給量曲線Ａから、空気供給量を決定する。
燃料電池温度Ｔｆｃが設定温度Ｔａより低い場合には、図８に示されているマップの電流密度・空気供給量曲線Ｂと、ステップＳ１０７で取得した燃料電池出力電流値Ｉｆｃとから、高い発熱量が得られる空気供給量を決定する（ステップＳ１１３）。燃料電池に対して同一の負荷電力が要求されている場合、低温状態では、空気供給量を低下し、効率を悪化させ発熱量を大きくする。
【００４２】
このような空気供給量とすることにより、燃料電池スタック１の温度が早期に上昇し、生成水の凍結が抑制される。なお、空気供給量の調節は、空気供給ファン１１３の吐出量を調整することにより行われる。燃料電池スタック１に送り込まれる空気の流量の低下は、燃料電池スタック１から流出する空気による排熱を抑制するので、このことによっても燃料電池スタック１の暖機が促進される。供給量調整手段は、ステップＳ１１３により構成される。
停止要求があったか判断する（ステップＳ１１５）。停止要求がない場合には、ステップＳ１０７からステップＳ１１３を実行する。停止要求があった場合には、停止処理ルーチンを実行する。
【００４３】
以上のような本発明の燃料電池システム１００は、暖機のための装置が不要であり、通常発電時に駆動している空気供給ファン１１３の吐出量を調整するのみで、暖機が可能となる。従って、搭載スペースの少ない車両等の移動体の電源として特に有用である。
尚、セパレータを金属で構成することによって、燃料電池スタック全体の熱容量が減少し、自立暖機が一層容易となるとともに、金属は、熱伝導率も高いため、燃料電池スタック全体を均一に暖め易くなるという利点がある。このような金属製セパレータを用いることで、本発明の効果が一層確実に発揮される。
【００４４】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、自立暖機が可能となるので、暖機のための装置を別個に設けることなく、生成水の凍結を抑制することができる。また、燃料電池自体が発熱することにより暖機が行われるので、全体を均一に温めることができ、熱媒体を介して暖機する従来の構成に比較して熱効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池スタックの全体斜視図である。
【図２】本発明の燃料電池スタックの部分断面側面図である。
【図３】燃料電池スタックの平面断面図である。
【図４】燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図５】燃料電池システムの発電開始時の制御を行う制御回路を示すブロック図である。
【図６】燃料電池の出力電流に対する、燃料電池の出力電圧、出力電力、発電反応によって発生する発熱量のそれぞれの関係を示すグラフである。
【図７】フローチャートである。
【図８】
電流密度と最適空気供給量の関係を示すマップである。
【符号の説明】
１００　燃料電池システム
１　燃料電池スタック
１１３　空気供給ファン
２　単位セル
３　セパレータ
３１　集電部材
３２　集電部材
６１　発電部
６３　集電体
６４　絶縁部材
６５　エンドプレート
Ｓ１１　温度センサ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a fuel cell system that facilitates starting at a low temperature.
[0002]
[Prior art]
In a polymer electrolyte fuel cell, the temperature range in which power can be generated most efficiently is between about 50 ° C. and about 80 ° C. At temperatures lower than these temperature ranges, the power generation efficiency is extremely low. Therefore, in order to obtain sufficient electric power from the fuel cell after operating the fuel cell, it is necessary to warm up the fuel cell until the temperature reaches the high-efficiency region. It takes a long time.
[0003]
On the other hand, when the temperature of the fuel cell is below the freezing point, there is a problem that water generated by the power generation reaction freezes on the electrode surface, and the supply of oxygen is hindered, thereby suppressing the power generation reaction.
Therefore, conventionally, as described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. H7-94202, a system provided with a warm-up system for warming up the fuel cell itself before starting power generation of the fuel cell has been proposed. .
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, such a fuel cell warm-up system requires energy for warm-up, and has a problem in that the overall energy efficiency of the system is deteriorated.
Further, incorporation of the warm-up system into the fuel cell system has led to an increase in the size of the fuel cell system.
Further, the mobile fuel cell mounted on a moving body such as a vehicle has a small mounting space and is in an environment where energy cannot be supplied from outside the system, and the above-mentioned drawback is a more disadvantageous factor.
An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of autonomous warm-up.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The above objects are achieved by the present invention described below.
(1) a fuel cell that generates an electric current by reacting hydrogen and oxygen;
A supply device for supplying an oxidizing gas to the fuel cell,
Temperature detection means for detecting the temperature of the fuel cell;
Supply amount adjusting means for adjusting the oxidant gas supply amount by the supply device,
Freezing determining means for determining whether the detected temperature of the fuel cell detected by the temperature detecting means is a freezing temperature,
When the detected temperature is lower than the freezing temperature, the supply amount adjusting unit reduces the amount of the oxidizing gas supplied by the supply device and increases the calorific value more than when the detected load is at a higher temperature for the same load. Fuel cell system set to be.
[0006]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the fuel cell system 100 of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is an overall perspective view of a fuel cell stack 1 included in the fuel cell system 100 of the present invention, FIG. 2 is a partial cross-sectional side view of the fuel cell stack 1, and FIG. The fuel cell stack 1 of the present invention includes a power generation unit 61 having a unit cell 2 and a separator 3. The unit cell 2 has a configuration in which a solid polymer electrolyte membrane 23 is sandwiched between an oxygen electrode 21 and a fuel electrode 22. The separator 3 has current collecting members 31 and 32 for contacting the oxygen electrode 21 and the fuel electrode 22, respectively, and for extracting current to the outside. As shown in FIGS. 2 and 3, the power generation unit 61 is configured by alternately stacking the unit cells 2 and the separators 3.
[0007]
Each of the current collecting members 31 and 32 is made of a material having conductivity and corrosion resistance. For example, the current collecting members 31 and 32 are made of a metal material. As the constituent metal, a conductive metal is used in order to fulfill the function as a current collecting member, and a metal having corrosion resistance since it is in an energized state is used. For example, those obtained by subjecting stainless steel, nickel alloy, titanium alloy, and the like to a corrosion-resistant conductive treatment and the like can be given. Here, the corrosion-resistant conductive treatment includes, for example, gold plating. Further, as a constituent material of the current collecting members 31 and 32, a material having conductivity and corrosion resistance such as carbon black may be used in addition to metal. By forming the current collecting members 31 and 32 as metal plates and forming them thin by pressing, the separator 3 can be formed thin, so that the size of the fuel cell stack 1 itself can be reduced in size and the heat capacity can be reduced. Therefore, the fuel cell stack 1 can be configured to be easily heated.
[0008]
The current collecting member 31 contacts the oxygen electrode 21, and the current collecting member 32 contacts the fuel electrode 22. As shown in FIGS. 2 and 3, a plurality of linearly and continuously raised convex portions 311 are formed at regular intervals on the surface of the current collecting member 31 that contacts the oxygen electrode 21. A groove 312 is formed between the portions 311. That is, the convex portions 311 and the grooves 312 have a shape that is alternately arranged. The protruding portion 311 has a contact portion 313 in which the flat portion of the most protruding peak contacts the oxygen electrode 21, and it is possible to conduct electricity with the oxygen electrode 21 via the contact portion 313. The groove 312 and the surface of the oxygen electrode 21 form an air flow passage 315 through which air as an oxidizing gas flows.
[0009]
Grooves 314 and 314 are formed at both ends of the protrusion 311 in a direction orthogonal to the protrusion 311, and an air flow path 316 is formed by the groove 314 and the surface of the oxygen electrode 21. The plurality of air flow passages 315 are configured to communicate with the air flow passages 316 at both ends, respectively, and the air for supplying oxygen to the oxygen electrode 21 is provided by the plurality of air flow passages 315 and the pair of air flow passages 316. A holding unit is configured.
[0010]
An air supply hole 318 and an air discharge hole 317 are formed in the air holding portion, and air flows into the air holding portion from the air supply hole 318 and flows out from the air discharge hole 317.
Thus, the air in the air holding unit is configured to be constantly replaced. In this embodiment, the current collecting member 31 is rectangular, and the air supply holes 318 and the air discharge holes 317 are located at point-symmetrical positions (diagonal directions) around the centroid of the current collecting member 31 in plan view. Each is arranged. FIG. 2 shows the air discharge holes 317. FIG. 3 shows an air supply hole 318.
[0011]
On the surface of the current collecting member 32 that is in contact with the hydrogen electrode 22, a plurality of linearly and continuously raised protrusions 321 are formed at regular intervals, and grooves 322 are formed between the protrusions 321. You. That is, the convex portions 321 and the grooves 322 have a shape arranged alternately. The protruding portion 321 has a contact portion 323 in which the most protruding flat surface portion comes into contact with the surface of the hydrogen electrode 22, and it is possible to conduct electricity with the hydrogen electrode 22 via the contact portion 323. The groove 322 and the surface of the hydrogen electrode 22 form a hydrogen flow passage 325 through which hydrogen flows.
[0012]
Grooves 324, 324 are formed at both ends of the protrusion 321 in a direction orthogonal to the protrusion 321, and a hydrogen flow path 326 is formed by the groove 324 and the surface of the hydrogen electrode 22. The plurality of hydrogen flow paths 325 are configured to communicate with the hydrogen flow path 326 at both ends, respectively, and hydrogen is supplied to the hydrogen electrode 22 through the plurality of hydrogen flow paths 325 and the pair of hydrogen flow paths 326. A holding unit is configured.
[0013]
A hydrogen supply hole and a hydrogen discharge hole 327 are formed in the hydrogen storage unit, and hydrogen flows into the hydrogen storage unit from the hydrogen supply hole and flows out from the hydrogen discharge hole 327. As described above, the hydrogen in the hydrogen holding unit is constantly replaced. In this embodiment, the current collecting member 32 is rectangular, and the hydrogen supply hole and the hydrogen discharge hole 327 are respectively set at point-symmetrical positions (diagonal directions) with respect to the centroid of the current collecting member 32 in plan view. Are located. FIG. 2 shows a hydrogen discharge hole 327.
[0014]
On the surface of the current collecting member 32 on the side opposite to the hydrogen electrode 22, a plurality of convex portions 421 protruding linearly and continuously are formed at equal intervals, and a groove 422 is formed between the convex portions 421. Each is formed. That is, the convex portions 421 and the grooves 422 have a shape arranged alternately. The convex portion 421 has a contact portion 423 in which a flat portion of the most protruding peak contacts the surface of the current collecting member 31, and the hydrogen electrode 22 and the oxygen electrode 21 of the adjacent unit cell 2 via the contact portion 423. Are electrically connected. A water flow passage 425 through which water flows is formed by the groove 422 and the plane of the current collecting member 31.
[0015]
Grooves 424, 424 are formed at both ends of the protrusion 421 in a direction orthogonal to the protrusion 421, and a water flow path 426 is formed by the groove 424 and the plane of the current collecting member 31. The plurality of water flow passages 425 are configured to communicate with the water flow passages 426 at both ends, and the plurality of water flow passages 425 and the pair of water flow passages 426 form a cooling unit.
[0016]
A water supply hole and a water discharge hole 427 are formed in the cooling unit, and water as a coolant flows into the cooling unit from the water supply hole and flows out from the water discharge hole 427. Thus, the water in the cooling unit is configured to be interchangeable. In this embodiment, the current collecting member 32 is rectangular, and the water supply hole and the water discharge hole 427 are respectively set at point-symmetrical positions (diagonal directions) with respect to the centroid of the current collecting member 32 in plan view. Are located. Since the water supply hole and the water discharge hole 427 are provided at such positions, the water in the cooling unit can be exchanged uniformly. 2 and 3 show a water discharge hole 427. In addition, as a cooling medium, an antifreeze can be used in addition to water.
[0017]
In the fuel cell stack 1, a conduction path for conducting air, hydrogen, and water is formed in the stacking direction of the separator 3. Each of the conductive paths has a supply conductive path and a discharge conductive path. As shown in FIG. 1, the supply air passage 51, the hydrogen passage 53, and the water passage 55 are collectively arranged on one side of the fuel cell stack 1, and the discharge air passage 52, hydrogen The conduction path 54 and the water conduction path 56 are arranged on the opposite side to the side on which the supply conduction path is arranged, and are configured to sandwich the air holding unit, the hydrogen holding unit, and the cooling unit therebetween. I have.
[0018]
Therefore, the discharge air passage 52 communicates with the air discharge hole 317 of each air holding unit, and the supply air passage 51 communicates with the air supply hole of each air holding unit. As described above, the supply air passage 51 functions as an air manifold that distributes air to each air holding unit.
Further, the discharge hydrogen passage 54 communicates with the hydrogen discharge hole 327 of each hydrogen holding unit, and the supply hydrogen passage 53 communicates with the hydrogen supply hole of each hydrogen holding unit. As described above, the supply hydrogen passage 53 functions as a hydrogen manifold that distributes hydrogen to each hydrogen holding unit.
Further, the discharge water passage 56 communicates with the water discharge hole 427 of each cooling unit, and the supply water passage 55 communicates with the water supply hole of each water holding unit. As described above, the supply water passage 55 functions as a water manifold that distributes water to each water holding unit.
[0019]
At both ends of the power generation unit 61 configured as described above, current collectors 63a and 63b, insulating members 64a and 64b, end members are disposed outward from the end separator 3 in the stacking direction of the separator 3 and the unit cell 2. Plates 65a and 65b are respectively connected to both sides. These stacked members and the power generation unit 61 are integrally held by a holding member 66 attached to the opposing side surface. The current collectors 63 a and 63 b are provided with terminals 67 a and 67 b as terminals of the fuel cell stack 1.
[0020]
Each path of an air supply system 11, a hydrogen supply system 12, and a cooling system 13, which will be described later, is connected to one end plate 65a. Specifically, the air supply passage 110 of the air supply system 11 is connected to the supply air passage 51, the air discharge passage 111 is connected to the discharge air passage 52, and the supply passage 122 of the hydrogen supply system 12 is connected to the supply air passage 52. , The discharge path 123 is connected to the discharge hydrogen path 54, the coolant supply path 133 of the cooling system 13 is connected to the supply water path 55, and the coolant discharge path 131 is connected to the discharge path 131. Are connected to the respective water conducting paths 56.
[0021]
Next, the configuration of the fuel cell system 100 using the fuel cell stack 1 will be described. FIG. 4 is a schematic diagram showing a configuration of the fuel cell system 100. The fuel cell system 100 is mounted on an electric vehicle, which is one of the moving objects, and constitutes a power source of a drive motor 143 together with a load storage means (capacitor or the like) 146 described later. The fuel cell system 100 includes an air supply system 11 for supplying air, a hydrogen supply system 12 for supplying hydrogen, a cooling system 13 for supplying a coolant, and a load system 14 for the fuel cell stack 1. And a humidification system 15 for supplying moisture to the oxygen supply system 11.
[0022]
The air supply system 11 includes an air supply path 110 and an air discharge path 111. The air supply passage 110 includes, in order from the upstream side, a filter 112 for removing impurities such as dust from the outside air, an outside air temperature sensor S1, an air supply fan 113 for adjusting the supply amount of air, and a humidifier 151 for humidifying the supplied air. Are connected, and finally the supply air passage 51 of the fuel cell stack 1 is connected.
[0023]
The upstream end of the air discharge path 111 is connected to the discharge air conduction path 52 of the fuel cell stack 1, and an air outlet temperature sensor S <b> 3 for measuring a representative temperature of the fuel cell stack in order toward the downstream, an air supply system. A condenser 152 for collecting water carried away from the oxygen electrode 21 by the air flow from the air conditioner, a filter 115 for preventing impurities from flowing back from the outside air and entering the fuel cell stack are connected, and finally the air flows to the outside of the system. Discharge.
As described above, the air supply system 11 supplies air to the air holding unit provided in the fuel cell stack 1 and supplies oxygen in the air to the oxygen electrode 21. The supply device includes an air supply passage 110 and an air supply fan 113. The adjustment of the supply amount of oxygen is performed by adjusting the discharge amount from the air supply fan 113. The discharge amount is adjusted by adjusting the rotation speed of the blade.
[0024]
The humidification system 15 includes a humidifier 151 for adding humidity to the air supplied to the fuel cell stack 1, a condenser 152 for collecting moisture from the discharged air, a humidification water tank 150, and humidification water from the humidification water tank 150. , A humidifying water pump 154 for sending humidifying water to the humidifier 151, and a humidifying water pump 154 provided downstream of the humidifying water pump 154. A collection path 156 for collecting water into the humidification water tank 150, a collection pump 157 for sending the collected water to the humidification water tank 150, an anti-freezing heater 150 a provided in the humidification water tank 150, A humidification water temperature sensor S4 for detecting the temperature of the humidification water, and a humidification water level sensor S5 for detecting the water level. The water supply path 153 and the recovery path 156 are provided with filters 158 and 159 for removing impurities, respectively. The solenoid valve 155 is closed when the pump 154 is not driven, and prevents the flow of water in the path. The humidification system 15 is provided to humidify the air sent to the fuel cell stack 1. The air humidified by the humidifier 151 of the humidification system 15 keeps the oxygen electrode 21 of the fuel cell stack 1 in a wet state (a state moist with water).
[0025]
The hydrogen supply system 12 includes a hydrogen storage tank 121, a hydrogen supply path 122 that supplies hydrogen from the hydrogen storage tank 121 to the supply hydrogen conduction path 53 of the fuel cell stack 1, and a discharge hydrogen conduction path of the fuel cell stack 1. And a hydrogen discharge path 123 for discharging hydrogen from the outside to the outside. A hydrogen charging / discharging port 124 for filling the hydrogen storage tank 121 with hydrogen from an external hydrogen source is connected to the hydrogen supply path 122, and a hydrogen primary pressure sensor S6 for measuring the hydrogen pressure in the hydrogen storage tank 121 is provided. Are connected, a hydrogen pressure regulating valve 125 for adjusting the pressure (amount) of hydrogen supplied to the fuel electrode, a hydrogen supply solenoid valve 126 for controlling the supply amount of hydrogen, and hydrogen for measuring the hydrogen pressure applied to the fuel electrode. The secondary pressure sensors S7 are sequentially connected downstream, respectively. The hydrogen pressure regulating valve 125 and the hydrogen supply solenoid valve 126 are controlled based on the detection value of the hydrogen secondary pressure sensor S7. Further, a check valve 127 for preventing backflow and a hydrogen discharge electromagnetic valve 128 for controlling discharge of hydrogen are connected to the hydrogen discharge passage 123 in order toward the downstream. Hydrogen may be supplied continuously during operation, or may be supplied intermittently.
[0026]
The cooling system 13 is provided to prevent the fuel cell stack 1 from heating up at a high temperature. The cooling system 13 circulates a coolant as a cooling medium in the fuel cell stack 1 and circulates the same. To cool. In this embodiment, an antifreeze is used as the cooling liquid, for example, an ethylene glycol aqueous solution. In addition, water or another heat medium can be used as the cooling liquid. The temperature of the fuel cell stack 1 can be detected by, for example, a temperature sensor S11 attached to the fuel cell stack 1. The sensor S11 for detecting the temperature of the fuel cell stack 1 functions as temperature detecting means for detecting the temperature of the fuel cell.
[0027]
The cooling system 13 is basically composed of a coolant discharge passage 131 connected to the discharge water passage 56 of the fuel cell stack 1, a radiator 132, and a coolant supply passage 133. The fuel is fed into the supply-side water passage 55 of the fuel cell stack 1 by the circulation pump 134 disposed at 133. A radiator bypass 135 that bypasses the radiator 132 is connected between the coolant discharge passage 131 and the coolant supply passage 133.
[0028]
The opening / closing of the solenoid valves SV1 and SV3 is controlled in accordance with the coolant temperature detected by the coolant outlet temperature sensor S9 and the coolant inlet temperature sensor S10 provided in the coolant outlet passage 131 and the coolant supply passage 133, respectively. Thus, the flow of the cooling liquid in the cooling system 13 is controlled. The radiator 132 is provided with a fan 132a, and the cooling capacity can be adjusted by adjusting the air volume of the fan.
[0029]
As described above, during normal power generation of the fuel cell, the cooling system 13 operates to prevent overheating due to reaction heat of the fuel cell. In this case, as the cooling system 13, a circulation system configured by a cooling liquid discharge path 131, a radiator 132, a cooling liquid supply path 133, and a circulation pump 134 provided in the cooling liquid supply path 133 is used. Therefore, in this case, the solenoid valve SV1 is open and the solenoid valve SV3 is closed. The coolant passes through the coolant supply passage 133 through the supply water passage 55 of the fuel cell stack 1, the cooling section of each separator 3, and the discharge water passage 56. From the path 131, it reaches the radiator 132, is cooled by the radiator 132, and returns to the circulation pump 134 via the solenoid valve SV1. The cooling capacity of the radiator 132 is adjusted and circulated according to the difference between the temperature of the coolant detected by the coolant inlet temperature sensor S10 and the temperature of the discharged coolant detected by the coolant outlet temperature sensor S9. The discharge amount of the pump 134 is adjusted to maintain the fuel cell stack 1 at an appropriate temperature.
[0030]
The load system 14 is connected to the fuel cell stack 1. The output cord 147 of the load system 14 is connected to the terminals 67a and 67b, respectively. The output cord 147 supplies power to the motor 143 via an output relay 144 for supplying and shutting off power to the load and an inverter 142. The output code 147 is provided with a diode 148 for preventing reverse current and a current sensor S2. An auxiliary power supply 146 is connected between the output relay 144 and the inverter 142 via an output control circuit 145. Further, a voltage sensor S8 for detecting the total output of the fuel cell stack 1 is connected in parallel to the output code 147. The auxiliary power supply is, for example, a power storage device such as a battery or a capacitor. The auxiliary power supply stores the regenerative electric power of the motor 143 when the vehicle is running at a low speed, and when the output from the fuel cell stack is insufficient at the time of acceleration or high load. To supply power. The output control circuit 145 controls the ratio of the output of the fuel cell stack 1 and the output of the auxiliary power supply 146 to the power supplied to the motor 143.
[0031]
FIG. 5 is a block diagram showing a control circuit for controlling the fuel cell system 100 at the start of power generation. The control unit 74 as a supply amount adjusting unit controls the discharge amount of the air supply fan 113 based on the temperature of the fuel cell stack 1 acquired by the temperature sensor S11 at the start of power generation. In addition, the detection values of the current sensor S2 and the voltage sensor S8 are supplied to the control unit 74. Further, the control unit 74 controls opening and closing of the hydrogen supply solenoid valve 126 and ON / OFF of the relay 144.
[0032]
At the start of power generation, the control unit 74 performs control to reduce the amount of supplied oxygen as compared with the supply amount during a normal power generation reaction in order to perform self-sustaining warm-up of the fuel cell stack 1. . FIG. 6 is a graph showing the relationship between the output current of the fuel cell, the output voltage of the fuel cell, the output power, and the amount of heat generated by the power generation reaction. In this graph, a current / voltage curve LV, a current / power curve LP, a current / heat generation curve LT, and an oxygen supply amount smaller than the supply amount during normal power generation when the oxygen supply amount during normal power generation is supplied. In this case, the current / voltage curve IV, the current / power curve IP, and the current / heat generation curve IT are shown.
[0033]
Hereinafter, description will be made based on the graph shown in FIG. In order to obtain the minimum output power (required load power P1) necessary to drive the auxiliary equipment such as the air supply fan 113, the output power becomes the current I1 at the point QP1 and the voltage at the normal air supply amount. Becomes the voltage V1 at the point QV1. In this state, the air supply fan 113 is driven in the normal state, and the amount of heat generated is the point QT1. On the other hand, when the supply amount is reduced to the minimum air supply amount at which the required load power P1 can be obtained, the output power becomes the point QP2, and at this time, the voltage becomes the voltage V2 at the current I2 and the point QV2. Also, at this time, the heat value is point QT2.
[0034]
When the supply amount of air is reduced, the calorific value increases by Ts as compared with normal time (at the time of rated output). The increased heat value is used as the heat value for the self-sustaining warm-up. As described above, when the heat generated during the power generation reaction is used for warming up, the heat loss of the fuel cell itself is small and the heat efficiency is reduced, as compared with the case where the fuel cell stack 1 is warmed up via a refrigerant or the like. Dramatically improved. Further, since the supply amount is reduced, the electric power for driving the air supply fan 113 can be reduced.
[0035]
The operation of the fuel cell system 100 configured as described above when power generation is started will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
[0036]
When starting the fuel cell system 100, that is, when starting the power generation operation, first, the state of the entire system is checked, and if no abnormality is detected, the air supply is started (step S101). The air supply is started by driving the air supply fan 113. The operation of the air supply fan 113 supplies air from the air supply system 11 to the fuel cell stack 1.
[0037]
Next, hydrogen supply is started (step S103). By controlling the opening and closing of the hydrogen supply solenoid valve 126, the hydrogen gas of the hydrogen pressure regulated by the hydrogen regulating valve 125 is supplied to the fuel cell stack 1. By the steps S101 and S103, hydrogen and oxygen in the air are supplied to the fuel cell stack 1, and the fuel cell stack 1 is in a state where hydrogen and oxygen can generate power.
[0038]
The relay 144 is turned on (step S105). As a result, the fuel cell stack 1 is electrically connected to the load system 14, and power generation is started. At the start of power generation, heat is generated from each unit cell 2 due to reaction heat at the time of power generation. The value of the output current from the fuel cell stack 1 and the value of the output voltage can be detected by the current sensor S2 and the voltage sensor S8. The output current value Ifc of the fuel cell when the relay 144 is turned on is obtained from the current sensor S2, and the temperature Tfc of the fuel cell stack 1 at this time is obtained from the temperature sensor S11 as temperature detecting means (step S107). .
[0039]
It is determined whether the fuel cell temperature Tfc is higher than a predetermined set temperature Ta (step S109). The freeze determination means is configured by step S109. The set temperature Ta is set to an upper limit value in a temperature range in which water generated by the power generation reaction freezes near the electrode. For example, in this embodiment, it is set to 5 degrees Celsius. When the generated water freezes, the supply of oxygen to the solid polymer electrolyte membrane 23 is hindered by the frozen generated water, and power generation stops (or the output is extremely reduced). Therefore, it is most effective to operate the system of the present invention within a temperature range in which freezing occurs. The set temperature Ta may be set to a lower limit of a temperature range in which a rated output can be obtained from the fuel cell. In this case, the time required for the temperature of the fuel cell stack to reach the temperature range where the rated output can be obtained is reduced. The set temperature Ta may be set to a value between the lower limit of the temperature range in which the rated output is obtained from the fuel cell and the upper limit of the temperature range in which freezing occurs.
[0040]
If the fuel cell temperature Tfc is higher than the set temperature Ta, the air supply amount is determined according to the map shown in FIG. 8 showing the relationship between the current density and the optimum air supply amount (step S111). FIG. 8 is a graph showing the relationship between the current density output from the fuel cell and the amount of air supplied to the fuel cell. The current density / air supply amount curve A is a curve indicating the air supply amount with the highest power generation efficiency. The higher the voltage, the better the power generation efficiency of the fuel cell. Normally, the fuel cell is controlled so as to increase the power generation efficiency by adjusting the operating temperature, the wet state of the electrode, the supply amount of the reaction gas, and the like. However, if the air supply is increased too much to increase the output voltage, the power consumption of auxiliary equipment such as an air supply fan that is driven to supply air increases, and the efficiency of the entire fuel cell system decreases. I do. Therefore, the current density / air supply amount curve A indicates the optimum air supply amount. The current density / air supply amount curve B is a curve indicating an air supply amount that can generate a larger amount of heat while ensuring a voltage that can supply the output of the fuel cell to auxiliary equipment such as the air supply fan 113. The air supply amount is calculated by multiplying the required power generation reaction amount (stoichiometric ratio 1) by the set air stoichiometric ratio. Here, the air stoichiometric ratio is a ratio when the minimum air amount necessary for power generation of the fuel cell is set to 1.
[0041]
Thus, in step S111, the air supply amount is determined from the fuel cell output current value Ifc obtained in step S107 and the current density / air supply amount curve A.
When the fuel cell temperature Tfc is lower than the set temperature Ta, a high calorific value is obtained from the current density / air supply amount curve B of the map shown in FIG. 8 and the fuel cell output current value Ifc obtained in step S107. Is determined (step S113). When the same load power is required for the fuel cell, in a low temperature state, the air supply amount is reduced, the efficiency is deteriorated, and the calorific value is increased.
[0042]
With such an air supply amount, the temperature of the fuel cell stack 1 rises early, and freezing of the generated water is suppressed. The adjustment of the air supply amount is performed by adjusting the discharge amount of the air supply fan 113. The reduction in the flow rate of the air sent into the fuel cell stack 1 suppresses the exhaust heat due to the air flowing out of the fuel cell stack 1, which also promotes the warm-up of the fuel cell stack 1. The supply amount adjusting means is constituted by step S113.
It is determined whether a stop request has been made (step S115). If there is no stop request, steps S107 to S113 are executed. If there is a stop request, a stop processing routine is executed.
[0043]
The fuel cell system 100 of the present invention as described above does not require a device for warming up, and can warm up only by adjusting the discharge amount of the air supply fan 113 driven during normal power generation. . Therefore, it is particularly useful as a power source for a mobile body such as a vehicle having a small mounting space.
In addition, by configuring the separator with a metal, the heat capacity of the entire fuel cell stack is reduced, and the self-standing warm-up is further facilitated. Further, since the metal has a high thermal conductivity, it is easy to uniformly heat the entire fuel cell stack. There is an advantage that it becomes. By using such a metal separator, the effects of the present invention are more reliably exhibited.
[0044]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, autonomous warm-up can be performed, so that freezing of generated water can be suppressed without separately providing a warm-up device. Further, since the warming-up is performed by the heat generation of the fuel cell itself, it is possible to uniformly heat the whole, and the thermal efficiency is improved as compared with the conventional configuration in which the fuel cell is warmed up via a heat medium.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall perspective view of a fuel cell stack.
FIG. 2 is a partial cross-sectional side view of the fuel cell stack of the present invention.
FIG. 3 is a plan sectional view of the fuel cell stack.
FIG. 4 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system.
FIG. 5 is a block diagram showing a control circuit that performs control at the start of power generation of the fuel cell system.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the output current of the fuel cell, the output voltage of the fuel cell, the output power, and the amount of heat generated by the power generation reaction.
FIG. 7 is a flowchart.
FIG. 8
4 is a map showing a relationship between a current density and an optimal air supply amount.
[Explanation of symbols]
100 Fuel cell system
1 Fuel cell stack
113 Air supply fan
2 unit cell
3 separator
31 Current collecting member
32 current collector
61 Power generation unit
63 current collector
64 insulation material
65 End plate
S11 Temperature sensor

Claims

A fuel cell that generates an electric current by reacting hydrogen and oxygen;
A supply device for supplying an oxidizing gas to the fuel cell,
Temperature detection means for detecting the temperature of the fuel cell;
Supply amount adjusting means for adjusting the oxidant gas supply amount by the supply device,
Freezing determining means for determining whether the detected temperature of the fuel cell detected by the temperature detecting means is a freezing temperature,
When the detected temperature is lower than the freezing temperature, the supply amount adjusting unit reduces the amount of the oxidizing gas supplied by the supply device and increases the calorific value more than when the detected load is at a higher temperature for the same load. Fuel cell system set to be.