JP2006147452A - Fuel cell system - Google Patents

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JP2006147452A
JP2006147452A JP2004338782A JP2004338782A JP2006147452A JP 2006147452 A JP2006147452 A JP 2006147452A JP 2004338782 A JP2004338782 A JP 2004338782A JP 2004338782 A JP2004338782 A JP 2004338782A JP 2006147452 A JP2006147452 A JP 2006147452A
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Kazumine Kimura
和峰 木村
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Toyota Motor Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To restrain a catalyst layer, a gas diffusion layer, an electrolyte membrane or an MEA composed by joining them integrally with one another from being damaged or deteriorated by growth of a crystal of ice, even when moisture included in a fuel cell has frozen up. <P>SOLUTION: A control unit 30 rapidly refrigerates the fuel cell 10 to about -10°C using a radiator 21 or a forced cooler 22 when foreseeing the freeze of moisture in the fuel cell 10. Thereby, the maximum ice crystal generation temperature zone where the growth of ice is most accelerated can be passed in a short time, whereby the catalyst layer, the gas diffusion layer, the electrolyte membrane or an interfacial structure thereof constituting the MEA can be restrained from being deteriorated or damaged by the growth of ice. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、詳しくは、燃料電池内の水分が凍結した場合の弊害を抑制する技術に関する。   The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a technique for suppressing adverse effects caused when water in a fuel cell is frozen.

近年、電気自動車用の電力源として固体高分子型燃料電池が多く用いられている。固体高分子型燃料電池は、電解質膜を挟んで触媒層やガス拡散層、セパレータが配設された構造を採っている。このような固体高分子型燃料電池において発電を行う際には、プロトン伝導性を向上させるため、電解質膜を加湿することが必要である。下記特許文献１には、燃料電池システムを短期間に起動させるために、システムの停止時において電解質膜に微量の水分を残存させる技術が開示されている。   In recent years, polymer electrolyte fuel cells have been frequently used as power sources for electric vehicles. The polymer electrolyte fuel cell has a structure in which a catalyst layer, a gas diffusion layer, and a separator are disposed with an electrolyte membrane interposed therebetween. When generating power in such a polymer electrolyte fuel cell, it is necessary to humidify the electrolyte membrane in order to improve proton conductivity. Patent Document 1 below discloses a technique for leaving a trace amount of moisture in an electrolyte membrane when the system is stopped in order to start the fuel cell system in a short period of time.

しかしながら、燃料電池システムが低温環境下に放置され、燃料電池内の温度が０℃以下になると、電解質膜や触媒層、ガス拡散層に含まれる水分が凍結してしまうおそれがあった。特に、外気温が図５に示す最大氷結晶生成温度帯（概ね０℃から−５℃の範囲内）にある場合には、この温度帯にさらされる時間が長いほど氷の結晶が大きくなり、電解質膜や触媒層、ガス拡散層の内部構造や界面構造が損傷、劣化してしまう可能性が高くなる。   However, when the fuel cell system is left in a low temperature environment and the temperature inside the fuel cell becomes 0 ° C. or lower, the water contained in the electrolyte membrane, the catalyst layer, and the gas diffusion layer may be frozen. In particular, when the outside air temperature is in the maximum ice crystal formation temperature zone shown in FIG. 5 (approximately in the range of 0 ° C. to −5 ° C.), the longer the time of exposure to this temperature zone, the larger the ice crystals, There is a high possibility that the internal structure and interface structure of the electrolyte membrane, the catalyst layer, and the gas diffusion layer will be damaged or deteriorated.

特開２００４−１１１１９６号公報JP 2004-111196 A 特開２００３−１５１５９５号公報JP 2003-151595 A 特開２００３−２８８９２８号公報JP 2003-288289 A

本発明は、このような課題に考慮してなされたものであり、燃料電池内に含まれる水分が凍結した場合であっても、氷の結晶の成長によって触媒層やガス拡散層、電解質膜、あるいはこれらを一体的に接合したＭＥＡ（膜電極接合体）が損傷、劣化してしまうことを抑制することを目的としている。   The present invention has been made in view of such problems, and even when the moisture contained in the fuel cell is frozen, the catalyst layer, the gas diffusion layer, the electrolyte membrane, Or it aims at suppressing that MEA (membrane electrode assembly) which joined these integrally is damaged and deteriorated.

上記目的を踏まえ、本発明の燃料電池システムは、
固体高分子型の燃料電池と、
前記燃料電池内の水分が、該燃料電池による発電停止後に凍結するか否かを予測する凍結予測手段と、
前記凍結予測手段によって前記水分が凍結すると予測された場合に、前記燃料電池の発電停止後に、０℃以下の温度であって氷の結晶の成長が抑制可能な温度まで前記燃料電池を冷却する冷却手段と
を備えることを要旨とする。 Based on the above object, the fuel cell system of the present invention is
A polymer electrolyte fuel cell;
Freezing prediction means for predicting whether or not the moisture in the fuel cell freezes after power generation is stopped by the fuel cell;
Cooling for cooling the fuel cell to a temperature of 0 ° C. or lower and capable of suppressing the growth of ice crystals after the fuel cell power generation is stopped by the freeze prediction means And a means.

このような構成の燃料電池システムによれば、氷の結晶の成長が促進される最大氷結晶生成温度帯よりもさらに低温まで燃料電池を冷却することができるので、氷の結晶の成長によって触媒層やガス拡散層、電解質膜、ＭＥＡ、あるいは、これらの界面構造等が損傷、劣化してしまうことを抑制することができる。氷の結晶成長が抑制可能な温度としては、−５℃よりも低い温度であればよく、例えば、−１０℃と設定することができる。   According to the fuel cell system having such a configuration, the fuel cell can be cooled to a temperature lower than the maximum ice crystal generation temperature range in which the growth of ice crystals is promoted. It is possible to suppress damage and deterioration of the gas diffusion layer, the electrolyte membrane, the MEA, or the interface structure thereof. The temperature at which ice crystal growth can be suppressed may be any temperature lower than −5 ° C., and can be set to −10 ° C., for example.

上記構成の燃料電池システムにおいて、
前記冷却手段は、外気温が、０℃以下の温度であって氷の結晶の成長が抑制可能な温度よりも低いときに、外気と熱交換する冷却媒体を前記燃料電池内に循環させることにより冷却を行う手段であるものとしてもよい。 In the fuel cell system configured as described above,
The cooling means circulates a cooling medium that exchanges heat with the outside air in the fuel cell when the outside air temperature is lower than 0 ° C. and lower than the temperature at which the growth of ice crystals can be suppressed. It may be a means for cooling.

燃料電池システムには、通常、燃料電池の運転温度の上昇を抑制するために、冷却媒体を燃料電池内に循環させて外気と熱交換を行うラジエータ等の冷却装置が備えられている。そのため、外気温が−５℃よりも低い温度まで低下すれば、かかる冷却装置を利用することにより、簡易な構成で、燃料電池の温度を氷の結晶成長が抑制可能な温度まで冷却することができる。   In order to suppress an increase in operating temperature of the fuel cell, the fuel cell system is usually provided with a cooling device such as a radiator that circulates a cooling medium in the fuel cell and exchanges heat with the outside air. Therefore, if the outside air temperature is lowered to a temperature lower than −5 ° C., the temperature of the fuel cell can be cooled to a temperature at which ice crystal growth can be suppressed with a simple configuration by using such a cooling device. it can.

また、上記構成の燃料電池システムにおいて、更に、
前記凍結予測手段によって前記水分が凍結すると予測され、かつ、氷の結晶の成長が抑制可能な温度よりも外気温が高い場合に、前記燃料電池の発電停止後に、前記冷却媒体を強制的に０℃以下の温度であって氷の結晶の成長が抑制可能な温度まで冷却する第２の冷却手段を備えるものとしてもよい。 In the fuel cell system configured as described above,
When the outside air temperature is higher than the temperature at which the moisture prediction is predicted to be frozen by the freezing prediction means and the growth of ice crystals can be suppressed, the cooling medium is forcibly set to 0 after the power generation of the fuel cell is stopped. It is good also as what has the 2nd cooling means cooled to the temperature which is the temperature below degrees C and can suppress the growth of an ice crystal.

このような構成であれば、外気温が十分に低くなくても、燃料電池を最大氷結晶生成温度帯以下まで積極的に冷却することができる。第２の冷却手段としては、例えば、ヒートポンプやペルチェ素子を用いた冷却装置を用いることができる。   With such a configuration, even if the outside air temperature is not sufficiently low, the fuel cell can be actively cooled below the maximum ice crystal generation temperature zone. As the second cooling means, for example, a cooling device using a heat pump or a Peltier element can be used.

また、上記構成の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池は、外部に対して断熱構造を有するものであるものとしてもよい。 In the fuel cell system configured as described above,
The fuel cell may have a heat insulating structure with respect to the outside.

このような構成であれば、低温環境下でシステムが停止されても燃料電池の温度は徐々に低下することになるため、次回の運転再開までに燃料電池内の水分が凍結してしまうことを抑制することができる。また、このような構成であれば、燃料電池内の温度が０℃になる時点では、外気と熱交換を行う冷却媒体は既にそれ以下の温度になっていることが多く、この温度差を利用することで、燃料電池の温度を急速に低下させることができる。   With such a configuration, even if the system is stopped in a low temperature environment, the temperature of the fuel cell gradually decreases, so that the moisture in the fuel cell will freeze before the next restart of operation. Can be suppressed. Further, with such a configuration, when the temperature in the fuel cell reaches 0 ° C., the cooling medium that exchanges heat with the outside air is often already at a temperature lower than that, and this temperature difference is utilized. By doing so, the temperature of the fuel cell can be rapidly reduced.

また、本発明は、燃料電池システムとしての構成以外にも、例えば、燃料電池システムの制御方法などとしても構成することができる。   In addition to the configuration as a fuel cell system, the present invention can be configured as a control method for a fuel cell system, for example.

以上説明した本発明の作用・効果を一層明らかにするため、本発明の実施の形態を実施例に基づき次の順序で説明する。
Ａ．燃料電池システムの構成：
Ｂ．燃料電池を構成する単セルの構造：
Ｃ．冷却処理：
Ｄ．変形例： In order to further clarify the operations and effects of the present invention described above, the embodiments of the present invention will be described in the following order based on the examples.
A. Configuration of fuel cell system:
B. Structure of single cell constituting fuel cell:
C. Cooling process:
D. Variations:

Ａ．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の実施例としての燃料電池システム１００の構成を概略的に示す説明図である。燃料電池システム１００は、電気自動車の電力源として用いられるシステムである。図示するように、燃料電池システム１００は、燃料電池１０や冷却システム２０、制御ユニット３０等を備えている。 A. Configuration of fuel cell system:
FIG. 1 is an explanatory diagram schematically showing the configuration of a fuel cell system 100 as an embodiment of the present invention. The fuel cell system 100 is a system used as a power source for an electric vehicle. As shown in the figure, the fuel cell system 100 includes a fuel cell 10, a cooling system 20, a control unit 30, and the like.

燃料電池１０は、水素タンク１１から供給される水素と、ブロア１２から供給される空気中の酸素との電気化学反応によって発電する固体高分子型燃料電池である。燃料電池１０は、単セルが複数積層されたスタック構造を有している。燃料電池１０には、モータ４０と二次電池５０とが接続されている。モータ４０は車軸を駆動する動力源として用いられ、二次電池５０は、後述する冷却システム２０や制御ユニット３０を作動させる電力源として用いられる。燃料電池１０は、低温環境下にさらされても急激に温度が低下しないように断熱容器１３によって外部から真空断熱されている。   The fuel cell 10 is a solid polymer fuel cell that generates electric power by an electrochemical reaction between hydrogen supplied from a hydrogen tank 11 and oxygen in air supplied from a blower 12. The fuel cell 10 has a stack structure in which a plurality of single cells are stacked. A motor 40 and a secondary battery 50 are connected to the fuel cell 10. The motor 40 is used as a power source for driving the axle, and the secondary battery 50 is used as a power source for operating a cooling system 20 and a control unit 30 described later. The fuel cell 10 is thermally insulated from the outside by a heat insulating container 13 so that the temperature does not drop rapidly even when exposed to a low temperature environment.

冷却システム２０は、不凍液などの冷却媒体を燃料電池１０内に循環させて燃料電池１０の冷却を行うシステムである。この冷却システム２０は、ラジエータ２１と、強制冷却器２２と、ポンプ２３と、シャットバルブ２４，２５と、三方弁２６，２７と、冷却媒体循環路２８とによって構成されている。ラジエータ２１は、外気との熱交換によって冷却媒体を冷却する装置である。強制冷却器２２は、外気温に関わらず冷却媒体を強制的に−１０℃以下まで冷却するための装置である。強制冷却器２２としては、例えば、ヒートポンプやペルチェ素子を用いた冷却装置等を適用することができる。シャットバルブ２４，２５は、冷却媒体を循環させるか否かを切り換えるための開閉弁である。シャットバルブ２４，２５は、閉弁時に断熱容器１３内の熱を外部に逃さないように、断熱可能な構造となっている。   The cooling system 20 is a system that cools the fuel cell 10 by circulating a cooling medium such as antifreeze into the fuel cell 10. The cooling system 20 includes a radiator 21, a forced cooler 22, a pump 23, shut valves 24 and 25, three-way valves 26 and 27, and a cooling medium circulation path 28. The radiator 21 is a device that cools the cooling medium by exchanging heat with the outside air. The forced cooler 22 is a device for forcibly cooling the cooling medium to −10 ° C. or lower regardless of the outside air temperature. As the forced cooler 22, for example, a cooling device using a heat pump or a Peltier element can be applied. The shut valves 24 and 25 are open / close valves for switching whether or not to circulate the cooling medium. The shut valves 24 and 25 have a heat insulating structure so that the heat in the heat insulating container 13 is not released outside when the shut valves 24 are closed.

ポンプ２３によって冷却媒体循環路２８内を圧送された冷却媒体は、燃料電池１０内を通ることで燃料電池１０の熱を吸収し、ラジエータ２１もしくは強制冷却器２２によって冷却される。冷却媒体の冷却をラジエータ２１および強制冷却器２２のいずれによって行うかは、三方弁２６，２７によって切り換えることができる。   The cooling medium pumped through the cooling medium circulation path 28 by the pump 23 absorbs the heat of the fuel cell 10 by passing through the fuel cell 10 and is cooled by the radiator 21 or the forced cooler 22. Whether the cooling medium is cooled by the radiator 21 or the forced cooler 22 can be switched by the three-way valves 26 and 27.

制御ユニット３０は、ＣＰＵやＲＡＭ、ＲＯＭを備えている。ＣＰＵはＲＡＭを作業領域として用いつつＲＯＭに記録された制御プログラムを実行することで燃料電池システム１００の運転制御を行う。この制御ユニット３０には、燃料電池１０の温度Ｔ１を検出するためのＦＣ温度センサ３１や、冷却媒体の温度Ｔ２を検出するための冷媒温度センサ３２、システムの起動や停止を行うための起動スイッチ３３などが接続されている。制御ユニット３０は、これらのセンサ等から入力した信号に基づき、強制冷却器２２やポンプ２３、シャットバルブ２４，２５、三方弁２６，２７の作動を制御する。   The control unit 30 includes a CPU, a RAM, and a ROM. The CPU performs operation control of the fuel cell system 100 by executing a control program recorded in the ROM while using the RAM as a work area. The control unit 30 includes an FC temperature sensor 31 for detecting the temperature T1 of the fuel cell 10, a refrigerant temperature sensor 32 for detecting the temperature T2 of the cooling medium, and an activation switch for starting and stopping the system. 33 etc. are connected. The control unit 30 controls the operation of the forced cooler 22, the pump 23, the shut valves 24 and 25, and the three-way valves 26 and 27 based on signals input from these sensors and the like.

Ｂ．燃料電池を構成する単セルの構造：
図２は、燃料電池１０を構成する単セルの概略構造を示す説明図である。図示するように、各単セルは、電解質膜７０の両面に触媒層７１ａ，７１ｂとガス拡散層７２ａ，７２ｂとが積層されたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）７３を、２枚のセパレータ７４ａ，７４ｂによって狭持する構造を採っている。２枚のセパレータ７４ａ，７４ｂには、それぞれ、水素流路７５と酸素流路７６とが形成されている。水素流路７５側の触媒層７１ａとガス拡散層７２ａとをアノードといい、酸素流路７６側の触媒層７１ｂとガス拡散層７２ｂとをカソードという。水素流路７５に水素タンク１１から供給される水素を流すと、触媒層７１ａにおいて下記式（１）の反応が生じ、プロトン（Ｈ+）と電子（ｅ−）とが生成される。 B. Structure of single cell constituting fuel cell:
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a schematic structure of a single cell constituting the fuel cell 10. As shown in the figure, each single cell has two MEA (Membrane Electrode Assembly) 73 in which catalyst layers 71 a and 71 b and gas diffusion layers 72 a and 72 b are laminated on both surfaces of an electrolyte membrane 70. A structure sandwiched between the separators 74a and 74b is adopted. A hydrogen channel 75 and an oxygen channel 76 are formed in the two separators 74a and 74b, respectively. The catalyst layer 71a and the gas diffusion layer 72a on the hydrogen channel 75 side are referred to as an anode, and the catalyst layer 71b and the gas diffusion layer 72b on the oxygen channel 76 side are referred to as a cathode. When hydrogen supplied from the hydrogen tank 11 is caused to flow into the hydrogen flow path 75, the reaction of the following formula (1) occurs in the catalyst layer 71a, and protons (H +) and electrons (e-) are generated.

Ｈ２→ ２Ｈ+＋２ｅ− ...（１） H 2 → 2H + + 2e − (1)

かかる反応によって生成されたプロトンは電解質膜７０中を移動し、電子は、モータ４０や二次電池５０等の外部回路を通ってカソード側に移動する。カソードでは、こうしてアノード側から移動してきたプロトンおよび電子と、ブロア１２から酸素流路７６に供給された空気中の酸素とによって、下記式（２）に示す反応が起き、水が生成されることになる。生成された水の一部は、カソードオフガスと共にシステム外部に排出され、一部は、ＭＥＡ７３内に保持されてプロトンの伝導に供されることになる。   Protons generated by this reaction move in the electrolyte membrane 70, and electrons move to the cathode side through external circuits such as the motor 40 and the secondary battery 50. In the cathode, the reaction shown in the following formula (2) occurs by the protons and electrons thus moving from the anode side and the oxygen in the air supplied from the blower 12 to the oxygen flow path 76 to generate water. become. Part of the generated water is discharged to the outside of the system together with the cathode off gas, and part of the water is held in the MEA 73 to be used for proton conduction.

２Ｈ+＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２ → Ｈ２Ｏ ...（２） 2H + + 2e − + (1/2) O 2 → H 2 O (2)

Ｃ．冷却処理：
次に、図３および図４を参照しつつ、制御ユニット３０が実行する冷却処理について説明する。図３は、燃料電池システムの運転中に実行される運転中冷却処理のフローチャートである。かかる運転中冷却処理は、燃料電池１０の運転温度の上昇を抑制するために実行される処理である。一方、図４は、燃料電池システムの停止後に実行される停止中冷却処理のフローチャートである。かかる停止中冷却処理は、システム停止後に、燃料電池１０内の水分が凍結して氷の結晶が成長することを抑制するために実行される処理である。なお、本実施例において「システムが停止」とは、起動スイッチ３３がオフにされ、燃料電池１０による発電が停止された状態を言うものとする。 C. Cooling process:
Next, the cooling process performed by the control unit 30 will be described with reference to FIGS. 3 and 4. FIG. 3 is a flowchart of an in-operation cooling process executed during operation of the fuel cell system. Such an in-operation cooling process is a process executed to suppress an increase in the operating temperature of the fuel cell 10. On the other hand, FIG. 4 is a flowchart of the cooling process during stop executed after the fuel cell system is stopped. The cooling process during stop is a process executed to prevent the water in the fuel cell 10 from freezing and growing ice crystals after the system is stopped. In the present embodiment, “system stopped” refers to a state in which the start switch 33 is turned off and power generation by the fuel cell 10 is stopped.

Ｃ−１．運転中冷却処理：
最初に、図３に示した運転中冷却処理について説明する。まず、制御ユニット３０は、ＦＣ温度センサ３１を用いて燃料電池１０の温度Ｔ１を測定する（ステップＳ１００）。そして、測定した温度Ｔ１が４０℃以上であれば（ステップＳ１１０：Ｙｅｓ）、シャットバルブ２４，２５を開弁し、三方弁２６，２７をラジエータ２１側に切り換え、ポンプ２３を作動させることでラジエータ２１を用いて燃料電池１０の冷却を行う（ステップＳ１２０）。なお、このとき、燃料電池１０の運転温度に応じて燃料電池１０内に循環させる冷却媒体の流量を調整することにより、運転温度に応じた冷却を行うものとしてもよい。 C-1. Cooling during operation:
First, the cooling process during operation shown in FIG. 3 will be described. First, the control unit 30 measures the temperature T1 of the fuel cell 10 using the FC temperature sensor 31 (step S100). If the measured temperature T1 is equal to or higher than 40 ° C. (step S110: Yes), the shut valves 24 and 25 are opened, the three-way valves 26 and 27 are switched to the radiator 21 side, and the pump 23 is operated to thereby turn on the radiator. 21 is used to cool the fuel cell 10 (step S120). At this time, the cooling according to the operating temperature may be performed by adjusting the flow rate of the cooling medium circulated in the fuel cell 10 according to the operating temperature of the fuel cell 10.

上記ステップＳ１００において測定した温度Ｔ１が４０℃未満であれば（ステップＳ１１０：Ｎｏ）、十分に運転温度は低く、燃料電池１０の冷却を行う必要がないため、上述したステップＳ１２０の処理は行わない。   If the temperature T1 measured in step S100 is less than 40 ° C. (step S110: No), the operation temperature is sufficiently low and the fuel cell 10 does not need to be cooled, and thus the process in step S120 described above is not performed. .

次に、制御ユニット３０は、起動スイッチ３３から受信した信号に基づき、燃料電池システム１００が停止されたか否かを判断する（ステップＳ１３０）。燃料電池システム１００が停止されていない場合には（ステップＳ１３０：Ｎｏ）、上記ステップＳ１００に処理を戻し、引き続き、燃料電池１０の運転温度の制御を行う。一方、燃料電池システム１００が停止された場合には（ステップＳ１３０：Ｙｅｓ）、次に説明する停止中冷却処理に処理を移行する。   Next, the control unit 30 determines whether the fuel cell system 100 is stopped based on the signal received from the start switch 33 (step S130). When the fuel cell system 100 is not stopped (step S130: No), the process is returned to step S100, and the operation temperature of the fuel cell 10 is subsequently controlled. On the other hand, when the fuel cell system 100 is stopped (step S130: Yes), the process is shifted to a cooling process during stop as described below.

Ｃ−２．停止中冷却処理：
次に、図４に示した停止中冷却処理について説明する。制御ユニット３０は、システムの停止後、まず、シャットバルブ２４，２５を閉じ、ポンプ２３を停止することで、燃料電池１０を断熱状態にする（ステップＳ２００）。こうすることで、システムを低温環境下で停止させた場合であっても、燃料電池１０の温度が急激に低下して凍結してしまうことを抑制することができる。 C-2. Cooling during stop:
Next, the cooling process during stop shown in FIG. 4 will be described. After the system is stopped, the control unit 30 first closes the shut valves 24 and 25 and stops the pump 23 to bring the fuel cell 10 into an adiabatic state (step S200). By doing so, even when the system is stopped in a low temperature environment, it is possible to prevent the temperature of the fuel cell 10 from rapidly decreasing and freezing.

次に、制御ユニット３０は、燃料電池１０の温度Ｔ１を測定する（ステップＳ２１０）。そして、この測定温度Ｔ１に基づき、燃料電池１０内の水分が凍結するか否かを予測する（ステップＳ２２０）。例えば、測定した温度Ｔ１が、０℃を超える温度から０℃に到達した場合に、凍結すると予測することができる。この時、冷却媒体の温度や、外気温の変化などを総合的に考慮して凍結するか否かを判断するものとしてもよい。   Next, the control unit 30 measures the temperature T1 of the fuel cell 10 (step S210). Based on this measured temperature T1, it is predicted whether or not the water in the fuel cell 10 will freeze (step S220). For example, when the measured temperature T1 reaches 0 ° C. from a temperature exceeding 0 ° C., it can be predicted to freeze. At this time, whether or not to freeze may be determined by comprehensively considering the temperature of the cooling medium, changes in the outside air temperature, and the like.

上記ステップＳ２２０における予測の結果、燃料電池１０内の水分が凍結すると予測されなかった場合には（ステップＳ２３０：Ｎｏ）、上記ステップＳ２１０に処理を戻し、引き続き、燃料電池１０内の水分が凍結するか否かの予測を継続して行う。一方、凍結すると予測された場合には（ステップＳ２３０：Ｙｅｓ）、制御ユニット３０は、更に、燃料電池１０の温度Ｔ１が、−１０℃以下であるかを判断する（ステップＳ２４０）。かかる判断の結果、温度Ｔ１が−１０℃以下であれば（ステップＳ２４０：Ｙｅｓ）、燃料電池１０の温度は既に最大氷結晶生成温度帯を下回る温度であり、以降で説明する処理によって燃料電池１０を強制的に冷却する必要がないため、停止中冷却処理を終了する。   As a result of the prediction in step S220, when it is not predicted that the water in the fuel cell 10 will be frozen (step S230: No), the process is returned to step S210, and the water in the fuel cell 10 is subsequently frozen. Continue to predict whether or not. On the other hand, when predicted to freeze (step S230: Yes), the control unit 30 further determines whether the temperature T1 of the fuel cell 10 is −10 ° C. or lower (step S240). As a result of the determination, if the temperature T1 is −10 ° C. or lower (step S240: Yes), the temperature of the fuel cell 10 is already lower than the maximum ice crystal generation temperature zone, and the fuel cell 10 is processed by the processing described below. Since it is not necessary to forcibly cool the cooling, the cooling process during the stop is terminated.

上記ステップＳ２４０における判断の結果、燃料電池１０の温度Ｔ１が−１０℃よりも高ければ（ステップＳ２４０：Ｎｏ）、制御ユニット３０は、冷媒温度センサ３２を用いて、冷却媒体の温度Ｔ２を測定する（ステップＳ２５０）。そして、この温度Ｔ２が−１０℃以下であるか否かを判断する（ステップＳ２６０）。温度Ｔ２が−１０℃以下であれば（ステップＳ２６０：Ｙｅｓ）、外気温が十分低いと判断できるため、三方弁２６，２７をラジエータ２１側に切り換え、シャットバルブ２４，２５を開弁し、ポンプ２３を作動させることにより（ステップＳ２７０）、ラジエータ２１によって燃料電池１０を−１０℃程度まで冷却する（ステップＳ２８０）。こうすることで、燃料電池１０は急速に冷却されることになる。一方、冷却媒体の温度が、−１０℃よりも高ければ（ステップＳ２６０：Ｎｏ）、三方弁２６，２７を強制冷却器２２側に切り換え、シャットバルブ２４，２５を開弁し、ポンプ２３および強制冷却器２２を作動させることで（ステップＳ２９０）、強制冷却器２２によって燃料電池１０を−１０℃程度まで冷却する（ステップＳ３００）。こうすることにより、外気温が十分に低くない場合（−１０℃〜０℃）であっても、燃料電池１０を急速に冷却することができる。なお、上記ステップＳ２６０では、冷媒温度センサ３２を用いるものとしたが、これに替えて、外気温を測定するセンサを用いるものとしてもよい。   If the result of determination in step S240 is that the temperature T1 of the fuel cell 10 is higher than −10 ° C. (step S240: No), the control unit 30 uses the refrigerant temperature sensor 32 to measure the temperature T2 of the cooling medium. (Step S250). And it is judged whether this temperature T2 is -10 degrees C or less (step S260). If the temperature T2 is −10 ° C. or lower (step S260: Yes), it can be determined that the outside air temperature is sufficiently low. Therefore, the three-way valves 26 and 27 are switched to the radiator 21 side, the shut valves 24 and 25 are opened, and the pump 23 is operated (step S270), and the fuel cell 10 is cooled to about −10 ° C. by the radiator 21 (step S280). By doing so, the fuel cell 10 is rapidly cooled. On the other hand, if the temperature of the cooling medium is higher than −10 ° C. (step S260: No), the three-way valves 26 and 27 are switched to the forced cooler 22 side, the shut valves 24 and 25 are opened, the pump 23 and the forced By operating the cooler 22 (step S290), the forced cooler 22 cools the fuel cell 10 to about −10 ° C. (step S300). By doing so, the fuel cell 10 can be rapidly cooled even when the outside air temperature is not sufficiently low (−10 ° C. to 0 ° C.). In step S260, the refrigerant temperature sensor 32 is used. Instead, a sensor that measures the outside air temperature may be used.

上記ステップＳ２８０もしくはステップＳ３００によって、燃料電池１０を冷却した後には、制御ユニット３０は、ポンプ２３を停止させ、シャットバルブ２４，２５を閉じ、燃料電池１０を断熱状態にする（ステップＳ３１０）。以上の処理により停止中冷却処理は終了する。なお、この停止中冷却処理の実行中において、起動スイッチ３３によってシステムが起動された場合には、制御ユニット３０は、停止中冷却処理を速やかに終了し、図３で示した運転中冷却処理に処理を移行する。また、この停止中冷却処理は、システムの停止中常時実行されるものとしてもよいが、例えば、数秒あるいは数分に一度ＣＰＵを起動させることにより、間欠的に実行するものとすれば、二次電池に蓄えられた電力の消費を低減することができる。   After the fuel cell 10 is cooled by the above step S280 or step S300, the control unit 30 stops the pump 23, closes the shut valves 24 and 25, and puts the fuel cell 10 into an adiabatic state (step S310). The cooling process during stop is completed by the above process. When the system is activated by the start switch 33 during the execution of the cooling process during stop, the control unit 30 immediately ends the cooling process during stop and performs the cooling process during operation shown in FIG. Migrate processing. In addition, this cooling process during stoppage may be executed constantly while the system is stopped. For example, if the CPU is started once every few seconds or minutes, the secondary cooling process Power consumption stored in the battery can be reduced.

以上のように構成された本実施例の燃料電池システム１００では、システム停止後に低温環境に放置された場合であっても、断熱容器１３による断熱効果によって燃料電池１０内の温度は、徐々に低下することになる。そのため、一晩（１０時間）程度放置されたとしても、燃料電池１０内の水分が凍結する可能性は低い。   In the fuel cell system 100 of the present embodiment configured as described above, the temperature in the fuel cell 10 gradually decreases due to the heat insulating effect of the heat insulating container 13 even when left in a low temperature environment after the system is stopped. Will do. Therefore, even if it is left overnight (10 hours), the possibility that the water in the fuel cell 10 will freeze is low.

また、それ以上の時間放置されたとしても、断熱状態の燃料電池１０の温度が０℃に到達するような状況においては、外気温は−１０℃程度以下の極めて低温まで低下していると考えられる。そうすると、ラジエータ２１および冷却媒体は、ほぼ外気温と同程度となっており、この低温の冷却媒体を燃料電池１０に循環させることで、燃料電池１０を急速に冷却することができる。また、外気温が−１０℃まで到達していなくても、強制冷却器２２によって積極的に燃料電池１０を冷却することもできる。このように、燃料電池１０を急速に冷却すれば、燃料電池１０の温度は、最大氷結晶成長温度帯を短時間で通過することになり、ＭＥＡ７３内に含まれる水分が凍結したとしても、その氷の結晶が成長することを抑制することが可能となる。この結果、ＭＥＡ７３を構成する電解質膜７０や触媒層７１ａ，７１ｂ、ガス拡散層７２ａ，７２ｂおよびこれらの界面構造が損傷、劣化することが抑制される。   In addition, even if the fuel cell 10 is left for a longer period of time, in the situation where the temperature of the fuel cell 10 in the adiabatic state reaches 0 ° C., the outside air temperature is considered to have decreased to an extremely low temperature of about −10 ° C. It is done. Then, the radiator 21 and the cooling medium are substantially the same as the outside air temperature, and the fuel cell 10 can be rapidly cooled by circulating the low-temperature cooling medium to the fuel cell 10. Further, even if the outside air temperature does not reach −10 ° C., the fuel cell 10 can be actively cooled by the forced cooler 22. Thus, if the fuel cell 10 is cooled rapidly, the temperature of the fuel cell 10 will pass through the maximum ice crystal growth temperature zone in a short time, and even if the water contained in the MEA 73 is frozen, It becomes possible to suppress the growth of ice crystals. As a result, the electrolyte membrane 70, the catalyst layers 71a and 71b, the gas diffusion layers 72a and 72b, and the interface structure thereof constituting the MEA 73 are suppressed from being damaged or deteriorated.

Ｄ．変形例：
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明はこのような実施例に何ら限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。例えば、断熱容器１３の内部にヒータを設け、システムの起動時に所定時間、このヒータを作動させるものとすれば、氷を速やかに溶かすことができ、−１０℃以下に冷却した燃料電池１０の起動性を向上させることができる。 D. Variations:
As mentioned above, although the Example of this invention was described, this invention is not limited to such an Example at all, Of course, it can implement with a various form in the range which does not deviate from the meaning. For example, if a heater is provided inside the heat insulating container 13 and this heater is operated for a predetermined time when the system is started, the ice can be melted quickly, and the fuel cell 10 that has been cooled to −10 ° C. or lower is started. Can be improved.

また、例えば、上述した実施例では、燃料電池システム１００は、ラジエータ２１と強制冷却器２２との両者を備えるものとしたが、これらのうち一方のみを備えるものとしてもよい。例えば、ラジエータ２１のみを備える構成であっても、断熱構造をとる燃料電池１０が０℃以下になる場合というのは、多くの場合、外気温が−１０℃以下の低温環境であると考えることができるため、強制冷却器２２を用いなくとも、ラジエータ２１によって燃料電池１０を急速に冷却することができる。また、ラジエータ２１のみの構成であれば、燃料電池１０の運転温度の上昇を抑制するために設けられた既存のラジエータを利用することができるため、システムの簡略化、および低コスト化を図ることができる。   Further, for example, in the above-described embodiment, the fuel cell system 100 includes both the radiator 21 and the forced cooler 22, but may include only one of them. For example, even when the configuration includes only the radiator 21, the case where the fuel cell 10 having a heat insulating structure is 0 ° C. or lower is often considered to be a low-temperature environment where the outside air temperature is −10 ° C. or lower. Therefore, the fuel cell 10 can be rapidly cooled by the radiator 21 without using the forced cooler 22. Further, if the configuration includes only the radiator 21, the existing radiator provided for suppressing the increase in the operating temperature of the fuel cell 10 can be used, so that the system can be simplified and the cost can be reduced. Can do.

燃料電池システム１００の構成を概略的に示す説明図である。1 is an explanatory diagram schematically showing a configuration of a fuel cell system 100. FIG. 単セルの概略構造を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of a single cell. 運転中冷却処理のフローチャートである。It is a flowchart of a cooling process during operation. 停止中冷却処理のフローチャートである。It is a flowchart of a cooling process during a stop. 最大氷結晶生成温度帯を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the maximum ice crystal production | generation temperature range.

符号の説明Explanation of symbols

１００...燃料電池システム
１０...燃料電池
１１...水素タンク
１２...ブロア
１３...断熱容器
２０...冷却システム
２１...ラジエータ
２２...強制冷却器
２３...ポンプ
２４，２５...シャットバルブ
２６，２７...三方弁
２８...冷却媒体循環路
３０...制御ユニット
３１...ＦＣ温度センサ
３２...冷媒温度センサ
３３...起動スイッチ
４０...モータ
５０...二次電池
７０...電解質膜
７１ａ，７１ｂ...触媒層
７２ａ，７２ｂ...ガス拡散層
７３...ＭＥＡ
７４ａ，７４ｂ...セパレータ
７５...水素流路
７６...酸素流路 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Fuel cell system 10 ... Fuel cell 11 ... Hydrogen tank 12 ... Blower 13 ... Thermal insulation container 20 ... Cooling system 21 ... Radiator 22 ... Forced cooler 23. .. Pump 24, 25 ... Shut valve 26, 27 ... Three-way valve 28 ... Cooling medium circuit 30 ... Control unit 31 ... FC temperature sensor 32 ... Refrigerant temperature sensor 33 .. Start switch 40 ... Motor 50 ... Secondary battery 70 ... Electrolyte membrane 71a, 71b ... Catalyst layer 72a, 72b ... Gas diffusion layer 73 ... MEA
74a, 74b ... Separator 75 ... Hydrogen channel 76 ... Oxygen channel

Claims (5)

燃料電池システムであって、
固体高分子型の燃料電池と、
前記燃料電池内の水分が、該燃料電池による発電停止後に凍結するか否かを予測する凍結予測手段と、
前記凍結予測手段によって前記水分が凍結すると予測された場合に、前記燃料電池の発電停止後に、０℃以下の温度であって氷の結晶の成長が抑制可能な温度まで前記燃料電池を冷却する冷却手段と
を備える燃料電池システム。 A fuel cell system,
A polymer electrolyte fuel cell;
Freezing prediction means for predicting whether or not the moisture in the fuel cell freezes after power generation is stopped by the fuel cell;
Cooling for cooling the fuel cell to a temperature of 0 ° C. or lower and capable of suppressing the growth of ice crystals after the fuel cell power generation is stopped by the freeze prediction means And a fuel cell system. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記冷却手段は、外気温が、０℃以下の温度であって氷の結晶の成長が抑制可能な温度よりも低いときに、外気と熱交換する冷却媒体を前記燃料電池内に循環させることにより冷却を行う手段である
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1,
The cooling means circulates a cooling medium that exchanges heat with the outside air in the fuel cell when the outside air temperature is lower than 0 ° C. and lower than the temperature at which the growth of ice crystals can be suppressed. A fuel cell system that is a means for cooling. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、更に、
前記凍結予測手段によって前記水分が凍結すると予測され、かつ、氷の結晶の成長が抑制可能な温度よりも外気温が高い場合に、前記燃料電池の発電停止後に、前記冷却媒体を強制的に０℃以下の温度であって氷の結晶の成長が抑制可能な温度まで冷却する第２の冷却手段
を備える燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 2, further comprising:
When the outside air temperature is higher than the temperature at which the moisture prediction is predicted to be frozen by the freezing prediction means and the growth of ice crystals can be suppressed, the cooling medium is forcibly set to 0 after the power generation of the fuel cell is stopped. A fuel cell system comprising a second cooling means that cools to a temperature that is not higher than ° C and that can suppress the growth of ice crystals. 請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、外部に対して断熱構造を有するものである
燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3,
The fuel cell has a heat insulating structure with respect to the outside. 固体高分子型の燃料電池を有する燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池内の水分が、該燃料電池による発電停止後に凍結するか否かを予測し、
前記水分が凍結すると予測された場合に、前記燃料電池の発電停止後に、０℃以下の温度であって氷の結晶の成長が抑制可能な温度まで前記燃料電池を冷却する
制御方法。 A control method of a fuel cell system having a polymer electrolyte fuel cell,
Predicting whether water in the fuel cell will freeze after power generation by the fuel cell is stopped;
A control method for cooling the fuel cell to a temperature of 0 ° C. or lower and capable of suppressing the growth of ice crystals when the moisture is predicted to freeze.
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