JP2007317680A - Starting method of fuel cell stack below freezing point - Google Patents
Starting method of fuel cell stack below freezing point Download PDFInfo
- Publication number
- JP2007317680A JP2007317680A JP2007228223A JP2007228223A JP2007317680A JP 2007317680 A JP2007317680 A JP 2007317680A JP 2007228223 A JP2007228223 A JP 2007228223A JP 2007228223 A JP2007228223 A JP 2007228223A JP 2007317680 A JP2007317680 A JP 2007317680A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel cell
- cell stack
- temperature
- power generation
- heat capacity
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- 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
Abstract
Description
この発明は、燃料電池スタックの氷点下起動方法に関するものである。 The present invention relates to a below-freezing start method for a fuel cell stack.
燃料電池の中には、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟持して、膜電極構造体を形成し、この膜電極構造体を一対のセパレータで挟持して単セル(単位燃料電池)とするものがあり、この種の燃料電池では、一般に、単セルを複数積層して燃料電池スタックとして用いる。 In a fuel cell, a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode to form a membrane electrode structure, and this membrane electrode structure is sandwiched between a pair of separators to form a single cell (unit fuel). In this type of fuel cell, a plurality of single cells are generally stacked and used as a fuel cell stack.
この燃料電池は、アノード電極の発電面に燃料ガス(例えば、水素ガス)を、カソード電極の発電面に酸化剤ガス(例えば、酸素を含む空気)を供給して化学反応を行い、この間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。カソード電極においては酸化剤ガス(例えば、酸素を含む空気)が供給されているため、水素イオン、電子、および酸素が反応して水が生成される。このように燃料電池は環境に与える影響が少ないため車両の駆動源として注目されている。 This fuel cell performs a chemical reaction by supplying a fuel gas (for example, hydrogen gas) to the power generation surface of the anode electrode and supplying an oxidant gas (for example, air containing oxygen) to the power generation surface of the cathode electrode. Electrons are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy. Since an oxidant gas (for example, air containing oxygen) is supplied to the cathode electrode, hydrogen ions, electrons, and oxygen react to generate water. Thus, since the fuel cell has little influence on the environment, it is attracting attention as a drive source for the vehicle.
また、一般に、この種の燃料電池の作動温度は70℃〜80℃程度とされており、発電に伴う発熱により燃料電池が前記作動温度を超えないように、前記セパレータに設けられた冷媒通路に冷媒を流通させて温度制御を行っている。 In general, the operating temperature of this type of fuel cell is about 70 ° C. to 80 ° C., so that the fuel cell does not exceed the operating temperature due to heat generated by power generation. The temperature is controlled by circulating a refrigerant.
ところで、この種の燃料電池は、低温時においては発電効率が低下するため低温時における始動性が大きな課題となっている。したがって、燃料電池を車両用として用いた場合に、外気温が低い状態、例えば、氷点下で起動しようとすると始動までに時間がかかるという問題がある。
この低温始動対策として、例えば、特許文献1に記載されているように、燃料電池の外部負荷に電力を供給することで反応を促進し、自己発熱により温度を上昇させて始動性を向上させるものがある。
As a countermeasure against this low temperature start, for example, as described in
このように自己発熱により燃料電池スタックを暖機する場合に、暖機時間を短縮するために燃料電池スタックに大電流を流して発熱を促進する方法がある。
しかしながら、暖機時間の短縮を図って出力電流を増大させると、発熱量が増大すると同時に、発電に伴ってセル内部で発生する生成水の量も増加し、この生成水が拡散電極層、触媒層内で凍結する結果、反応ガスが固体高分子電解質膜に到達できなくなって急激な電圧降下を招き、結果的に電圧降下を早めるという問題がある。
つまり、いくら出力電流を増大したとしても、自己発熱による温度上昇よりも生成水の凍結の方が速いと、燃料電池スタックが温度上昇する前にセル内の生成水凍結により発電不能になってしまい、目的を達成することはできない。
また、いくら出力電流を増大させようとしても、燃料電池を構成する膜電極構造体には出力可能な最大電流密度が温度に応じて決まっており、それ以上流すことができない。
When the fuel cell stack is warmed up by self-heating as described above, there is a method of promoting heat generation by flowing a large current through the fuel cell stack in order to shorten the warm-up time.
However, if the warm-up time is shortened and the output current is increased, the amount of heat generated increases, and at the same time, the amount of generated water generated inside the cell increases with power generation. As a result of freezing in the layer, there is a problem that the reaction gas cannot reach the solid polymer electrolyte membrane, causing a rapid voltage drop and consequently a rapid voltage drop.
In other words, no matter how much the output current is increased, if the generated water freezes faster than the temperature rise due to self-heating, it becomes impossible to generate power due to the freezing of the produced water in the cell before the temperature of the fuel cell stack rises. , Can not achieve the purpose.
In addition, no matter how much the output current is increased, the maximum current density that can be output is determined in accordance with the temperature in the membrane electrode structure constituting the fuel cell, and no further flow is possible.
そして、拡散電極層および触媒層において生成水の凍結が生じ、起動に失敗した場合、再び起動動作を行うのは非常に難しい。一般に、燃料電池停止時には、ガスを流すなどのパージが行われており、生成水が拡散電極層等に残らないようになっている。したがって、氷点下であっても、初回の起動時には反応ガスを燃料電池スタックに供給することにより、燃料電池スタックから一時的に電力を取出すことが可能である。しかしながら、一度、生成水の凍結により、拡散電極層および触媒層の空孔が閉塞し、反応ガスが通過できなくなった場合には、反応ガスを燃料電池スタックに供給しても、反応ガスが固体高分子電解質膜に到達せず、燃料電池スタックから電力を取出すことが出来ない。燃料電池スタックから電力を取出すことができなければ、燃料電池スタックの自己発熱により暖機することができない。したがって、燃料電池スタックを氷点下から起動する場合は、初回の起動動作が非常に重要であり、初回の起動動作において暖機に失敗すると、燃料電池スタックは再起動不能の状態に陥る場合がある。 When the generated water freezes in the diffusion electrode layer and the catalyst layer and the activation fails, it is very difficult to perform the activation operation again. In general, when the fuel cell is stopped, purging such as flowing gas is performed so that generated water does not remain in the diffusion electrode layer or the like. Therefore, even when the temperature is below freezing, it is possible to temporarily take out the electric power from the fuel cell stack by supplying the reaction gas to the fuel cell stack at the first startup. However, if the reaction gas cannot be passed through once the pores of the diffusion electrode layer and the catalyst layer are blocked by the freezing of the generated water, the reaction gas is solid even if the reaction gas is supplied to the fuel cell stack. The polymer electrolyte membrane is not reached, and power cannot be extracted from the fuel cell stack. If the electric power cannot be taken out from the fuel cell stack, the fuel cell stack cannot warm up due to self-heating. Therefore, when starting the fuel cell stack from below freezing point, the initial startup operation is very important, and if the warm-up fails in the initial startup operation, the fuel cell stack may be unable to restart.
そこで、この発明は、生成水凍結による電圧降下が発生する前に速やかに暖機を行うことができる燃料電池スタックの氷点下起動方法を提供するものである。 Therefore, the present invention provides a method for starting below the freezing point of a fuel cell stack that can quickly warm up before a voltage drop due to freezing of generated water occurs.
上記課題を解決するために、請求項1に係る発明は、固体高分子電解質膜(例えば、後述する実施例における固体高分子電解質膜51)および電極(例えば、後述する実施例におけるアノード電極52、カソード電極53)を備えた膜電極構造体(例えば、後述する実施例における膜電極構造体54)とセパレータ(例えば、後述する実施例におけるセパレータ55,56,64)とを複数積層してなる固体高分子型燃料電池スタック(例えば、後述する実施例における燃料電池スタック1)の氷点下における起動方法であって、前記セパレータが金属製で断面波形構造をなし、少なくとも一部の前記セパレータと該セパレータに隣接して設置されたセパレータによって挟まれた空間が冷媒通路(例えば、後述する実施例における冷媒通路60)にされた固体高分子型燃料電池スタックを用い、氷点下において前記冷媒通路に冷媒が充填された状態で前記燃料電池スタックに反応ガスを供給し、燃料電池スタックの発電に伴う自己発熱により前記燃料電池スタックを昇温することを特徴とする燃料電池スタックの氷点下起動方法である。
このように構成することにより、金属製のセパレータは熱容量が小さいので、燃料電池スタックが暖まり易くなり、氷点下起動時の暖機時間を短縮することができる。
ここで、断面波形構造とは、金属板をプレス加工により成形した場合のように、セパレータの表裏で凹凸が対応している構造を意味する。セパレータの表裏で凹凸が対応していれば、断面形状が曲線の場合には限られず、略直角に曲げた矩形の場合も含まれる。
In order to solve the above problems, the invention according to
With this configuration, the metal separator has a small heat capacity, so the fuel cell stack is likely to be warmed, and the warm-up time at the time of starting below freezing can be shortened.
Here, the cross-sectional corrugated structure means a structure in which irregularities correspond to the front and back of the separator as in the case where a metal plate is formed by press working. If the unevenness corresponds to the front and back of the separator, the cross-sectional shape is not limited to a curve, and includes a rectangular shape bent at a substantially right angle.
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の発明において、前記燃料電池スタックの昇温を、燃料電池スタックの発電に伴う自己発熱のみにより行うことを特徴とする。
The invention according to claim 2 is characterized in that, in the invention according to
請求項1または請求項2に係る燃料電池スタックの氷点下起動方法の発明によれば、熱容量の小さい金属製のセパレータを採用したことにより、氷点下起動時の暖機時間を短縮することができる。
また、燃料電池スタックを氷点下で起動したときにも、膜電極構造体が発電不能となる前に該膜電極構造体の温度を0°C以上にすることができるので、生成水の凍結に起因して燃料電池スタックが発電不能の状態に陥るのを防止することができ、燃料電池スタックの発電を維持し続けることができる。
According to the invention of the fuel cell stack sub-freezing start method according to
In addition, even when the fuel cell stack is started below freezing point, the temperature of the membrane electrode structure can be set to 0 ° C. or more before the membrane electrode structure becomes unable to generate power. Thus, the fuel cell stack can be prevented from falling into a power generation disabled state, and the power generation of the fuel cell stack can be maintained.
以下、この発明に係る燃料電池スタックの氷点下起動方法の実施例を図1から図25の図面を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of a sub-freezing start method for a fuel cell stack according to the present invention will be described with reference to the drawings of FIGS.
図1は燃料電池スタックの氷点下起動システムの概略構成図であり、図2は燃料電池スタック1の積層構造を説明するための断面図である。なお、この実施例における燃料電池スタックは、燃料電池車両に搭載された態様である。
初めに、図2を参照して燃料電池スタック1について説明する。燃料電池スタック1は固体高分子型の燃料電池であり、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜51をアノード電極52とカソード電極53とで両側から挟み込んで膜電極構造体54を形成し、膜電極構造体54の両側にセパレータ55,56を配置して単セル(単位燃料電池)57を構成し、この単セル57を複数積層して燃料電池スタック1が構成されている。なお、図1では、膜電極構造体を「MEA」と略記し、セパレータ55,56を一つにまとめて「セパレータ」と記している。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell stack sub-freezing start system, and FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining a stacked structure of the
First, the
この燃料電池スタック1ではセパレータ55,56に金属製のセパレータを採用している。詳述すると、セパレータ55,56は金属板をプレス成形して製造されたものであり、第1平坦部55a,56aと第2平坦部55b,56bを交互に有する断面波形をなしている。セパレータ55,56は、セパレータ55の第1平坦部55aを膜電極構造体54のアノード電極52に当接させ、セパレータ56の第1平坦部56aを膜電極構造体54のカソード電極53に当接させ、互いに隣接して配置されたセパレータ55,56の第2平坦部55b,56b同士を当接させて、積層されている。
金属製のセパレータは、カーボン製のセパレータよりも薄くでき燃料電池スタック1の積層方向寸法を短くすることができるとともに、カーボン製のセパレータよりも熱容量が小さくでき暖め易いという特徴を有している。金属製セパレータの材質としては、プレス加工に適する種々の金属を用いることができ、より好ましくは、耐食性と接触抵抗を向上させるために表面処理を施したステンレス系材料を用いる。
In the
The metal separator can be made thinner than the carbon separator, can reduce the dimension in the stacking direction of the
このように単セル57を複数積層してなる燃料電池スタック1においては、セパレータ55とアノード電極52との間に形成される空間は水素ガス(アノードガス、反応ガス)が流通する燃料通路(反応ガス通路)58とされ、セパレータ56とカソード電極53との間に形成される空間は空気(カソードガス、反応ガス)が流通する空気通路(反応ガス通路)59とされ、互いに隣接して配置された両セパレータ55,56間に形成される空間は冷媒が流通する冷媒通路60とされている。
つまり、セパレータ55,56は、アノードガスとカソードガスを分離する機能を有するとともに、反応ガス通路と冷媒通路とを分離する機能を有している。
Thus, in the
That is, the
したがって、燃料電池スタック1は、固体高分子電解質膜51および電極52,53を備えた膜電極構造体54と、セパレータ55,56とを複数積層してなる固体高分子型燃料電池スタックということができる。
また、燃料電池スタック1は、固体高分子電解質膜51および電極52,53を備えた膜電極構造体54と、断面波形構造の金属製のセパレータ55,56とを複数積層してなり、少なくとも一部の前記セパレータと該セパレータに隣接して設置されたセパレータによって挟まれた空間が冷媒通路60にされている燃料電池スタックということができる。
さらに、燃料電池スタック1は、固体高分子電解質膜51および電極52,53を備えた膜電極構造体54と、隣接する膜電極構造体54間に設置されるセパレータ55,56とを複数積層してなる燃料電池スタックということができる。
Therefore, the
The
Further, the
この燃料電池スタック1では、アノード電極52で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜51を透過してカソード電極53まで移動し、カソード電極53で酸素と電気化学反応を起こして発電する。この発電に伴う発熱により燃料電池スタック1が作動温度を越えないように、冷媒通路60を流れる冷媒で熱を奪い冷却する。
In this
また、この燃料電池スタック1においては、各単セル57の出力電圧を検出するための電圧センサ21が各単セル55のセパレータ55,56に接続されており、電圧センサ21の出力信号は電子制御装置(以下、ECUと略す)20に入力される。なお、図2では、図示の都合上、一つの電圧センサ21を図示するに留めている。
さらに、この燃料電池スタック1においては、複数ある単セル57の代表とされる一つの単セル57に、膜電極構造体54の温度を検出するための温度センサ22が設けられており(図1参照)、温度センサ22の出力信号はECU20に入力される。
Further, in the
Furthermore, in this
次に、図1を参照して、燃料電池システムについて説明する。
空気はコンプレッサ2によって加圧されて燃料電池スタック1の空気通路59(図2参照)に供給され、この空気中の酸素が酸化剤として発電に供された後、燃料電池スタック1からカソードオフガスとして排出され、圧力制御弁4を介して大気に放出される。コンプレッサ2は、燃料電池スタック1に要求されている出力に応じた質量の空気が燃料電池スタック1に供給されるようにECU20によって回転数制御され、また、圧力制御弁4は、燃料電池スタック1への空気の供給圧が燃料電池スタック1の運転状態に応じた圧力値となるようにECU20によって開度制御される。
Next, the fuel cell system will be described with reference to FIG.
The air is pressurized by the compressor 2 and supplied to the air passage 59 (see FIG. 2) of the
なお、燃料電池スタック1へ供給される空気は、燃料電池スタック1の要求発電量が大きいほど、燃料電池スタック1への空気供給量が多くなるように制御されるとともに、空気供給圧が大きくなるように制御される。
The air supplied to the
一方、図示しない高圧水素タンクから放出された水素ガスは燃料供給制御弁5により減圧された後、エゼクタ6を通り、燃料電池スタック1の燃料通路58(図2参照)に供給される。燃料電池スタック1において発電に供されなかった水素ガス、すなわち未反応の水素ガスは燃料電池スタック1からアノードオフガスとして排出され、アノードオフガス回収通路8を通ってエゼクタ6に吸引され、前記高圧水素タンクから供給される水素ガスと合流して再び燃料電池スタック1に供給されるようになっている。
On the other hand, hydrogen gas released from a high-pressure hydrogen tank (not shown) is decompressed by the fuel supply control valve 5, passes through the ejector 6, and is supplied to the fuel passage 58 (see FIG. 2) of the
燃料供給制御弁5は、例えば空気式の比例圧力制御弁からなり、コンプレッサ2から供給される空気の圧力を信号圧(基準圧力)として空気信号導入路9を介して入力され、燃料供給制御弁5出口の水素ガスの圧力が前記信号圧に応じた所定圧力範囲となるように制御する。なお、燃料電池スタック1への供給空気は、前述したように、燃料電池スタック1の要求電力が大きいほど空気供給圧が大きくなるように制御されるので、この空気供給圧を基準圧力として制御される水素ガスも、燃料電池スタック1の要求電力が大きいほど水素ガス供給圧が大きくなるように制御されるとともに、水素ガス供給量が多くなるように制御されることとなる。
The fuel supply control valve 5 is composed of, for example, a pneumatic proportional pressure control valve, and is input via the air
また、燃料電池スタック1を冷却するための冷媒は、ウォーターポンプ11によって昇圧されてラジエータ12に供給され、ラジエータ12において外部に放熱することにより冷媒は冷却され、その後、燃料電池スタック1に供給され、燃料電池スタック1内の冷媒通路60(図2参照)を通る際に燃料電池スタック1から熱を奪って燃料電池スタック1を冷却し、これにより熱せられた冷媒はウォーターポンプ11を介して再びラジエータ12に戻り冷却される。ECU20は、燃料電池スタック1の運転状態に応じた冷媒流量となるようにウォータポンプ11の作動を制御し、また、冷媒が所定温度よりも低い場合にはウォーターポンプ11を停止する。
The refrigerant for cooling the
燃料電池スタック1には外部負荷31を備えた電気回路30が接続されている。外部負荷31は可変であり、電気回路30は、燃料電池スタック1の出力電流(すなわち、取出電流)を検出するための電流センサ32と、燃料電池スタック1の端子電圧(以下、スタック電圧と略す)を検出するための電圧センサ33とを備えている。電流センサ32と電圧センサ33の出力信号はECU20に入力される。
なお、図示を省略するが、燃料電池スタック1の発電により得られた電力は補助バッテリーにも充電可能になっており、コンプレッサ2やウォータポンプ11等の燃料電池スタック1を作動するために必要な補機類は、燃料電池スタック1または前記補助バッテリーから電力供給されるように構成されている。
An
Although illustration is omitted, the electric power obtained by the power generation of the
この燃料電池スタック1の氷点下起動システムにおいては、氷点下での起動時にも燃料電池スタック1を確実且つ迅速に起動することができるように、燃料電池スタック1の発電部における熱容量を所定に設定するとともに、燃料電池スタック1の発電状態を所定に制御する。以下、これらについて詳述する。
In this sub-freezing start system for the
初めに、燃料電池スタック1の発電部における熱容量について説明する。
まず、燃料電池スタック1の発電部について定義する。燃料電池スタック1の発電部50とは実質的に発電が行われている範囲をいい、具体的には、電極52,53を積層方向に重ねてできる立体の範囲をいう。図3に示すように、燃料電池スタック1は、電極52,53を積層方向に重ねてできる立体の範囲である発電部50の周囲にヘッダー部70を備えており、このヘッダー部70に、燃料分配通路71、アノードオフガス集合通路72、空気分配通路73、カソードオフガス集合通路74、冷媒分配通路75、冷媒集合通路76がそれぞれ各単セル57の積層方向に貫通して設けられ、ヘッダー部70に貫通して取り付けたスタッドボルト(図示せず)によって単セル57の積層状態を維持している。つまり、この出願において、燃料電池スタック1の発電部50という場合にはヘッダー部70を除いた部分をいう。
なお、燃料分配通路71とアノードオフガス集合通路72は各単セル57の燃料通路58に連通し、空気分配通路73とカソードオフガス集合通路74は各単セル57の空気通路59に連通し、冷媒分配通路75と冷媒集合通路76は各単セル57の冷媒通路60に連通している。
First, the heat capacity in the power generation unit of the
First, the power generation unit of the
The
固体高分子型の燃料電池スタック1では、固体高分子電解質膜51の材料であるイオン導電を司る電解質材料の温度特性から、安定して発電できる電流密度(以下、最大取出可能電流密度という)がセル内部温度に応じて決まっている。図4は、最大取出可能電流密度特性の一例を示しており、この例の場合では、例えば、セル内部温度が−30°C付近の条件下では、最大取出可能電流密度は0.1A/cm2程度である。
In the polymer electrolyte
また、図2では図示を省略しているが、膜電極構造体54は電極52,53の外側に反応ガスを拡散させるための多孔質な拡散層を備えている。この拡散層の空孔(以下、膜電極構造体54の空孔と略す)の大きさは、通常作動条件でのセル電圧や、氷点下の起動開始温度から発電を開始した時に電圧降下が起こるまでの時間(以下、起動制限時間と称す)に影響を及ぼすことが、発明者の実験により判明した。
Although not shown in FIG. 2, the
表1は、セル内部温度70°C、電流密度0.5A/cm2を通常作動条件としたときの、膜電極構造体の空孔の大きさとセル電圧の関係を示した一例である。表1の場合には、膜電極構造体54の空孔の大きさが「小」〜「大」の単セルは実用上十分なセル電圧を得られるが、空孔の大きさが「極小」の単セルはセル電圧が小さ過ぎて実用的でない。
Table 1 shows an example of the relationship between the cell size and the pore size of the membrane electrode structure when the cell internal temperature is 70 ° C. and the current density is 0.5 A / cm 2 . In the case of Table 1, a single cell having a pore size of “small” to “large” in the
表2は、表1の場合と同じ空孔の大きさの膜電極構造体54を備えた単セルに対して、起動開始温度を−30°Cとし、該起動開始温度での最大取出可能電流密度(0.1A/cm2)で定電流発電したときの、膜電極構造体54の空孔の大きさと起動制限時間との関係を示した一例である。ただし、空孔の大きさが「極小」の膜電極構造体54は通常作動条件でのセル電圧が小さ過ぎて実用的でないので、省略している。
Table 2 shows the maximum current that can be taken out at a starting start temperature of −30 ° C. for a single cell having a
表2から、膜電極構造体54の空孔の大きさが小さいほど起動制限時間が短くなり、空孔の大きさが大きいほど起動制限時間が長くなることがわかる。この理由は、空孔に付着した反応生成水が凍結して空孔を塞ぐと、固体高分子電解質膜51に反応ガスが到達できなくなるため発電不能になるが、空孔が小さいほど凍結による閉塞が起こるのが速く、反対に空孔が大きいほど凍結による閉塞が起こりにくいからと推測される。
このように、膜電極構造体54の空孔の大きさによって起動開始温度に応じた起動制限時間が決定される。換言すると、膜電極構造体54は起動開始温度に応じた固有の起動制限時間を有している。
From Table 2, it can be seen that the smaller the pore size of the
As described above, the activation time limit corresponding to the activation start temperature is determined by the size of the pores of the
次に、単セル57の発電部50における熱容量が膜電極構造体54の温度上昇に与える影響について考察する。
図5は、表2において空孔の大きさが「大」の膜電極構造体54を備えた単セルであって発電部50における単位面積当たりの熱容量が異なる単セル57に対して、起動開始温度を−30°Cとして発電を行ったときの膜電極構造体54の温度特性を実験的に求めた結果をグラフ化したものである。なお、図中、「CCモード」は定電流発電モードの略であり、「CVモード」は定電圧発電モードの略である。比較した単セル57の単位面積当たりの熱容量は、熱容量A=0.092J/K・cm2、熱容量B=0.33J/K・cm2、熱容量C=0.55J/K・cm2、熱容量D=1.32J/K・cm2、熱容量E=1.94J/K・cm2であった(A<B<C<D<E)。熱容量B〜Eの単セル57については、起動開始温度(−30°C)での最大取出可能電流密度(0.1A/cm2)で定電流発電を行った結果であり、熱容量Aの単セル57については起動開始温度(−30°C)から定電圧発電を行った結果である。
Next, the influence of the heat capacity in the
FIG. 5 shows a start-up operation for a
この温度特性から次のことが言える。
(1)膜電極構造体54の昇温速度は単セル57の発電部50における熱容量と相関があり、発電部50の単位面積当たりの熱容量が小さいほど昇温速度が速く、発電部50の単位面積当たりの熱容量が大きいほど昇温速度が遅い。これは、発電条件が同じ熱容量B〜Eの単セル57の比較から明らかであり、この中で単位面積当たりの熱容量が一番小さい熱容量Bの昇温速度が一番速く、一番大きい熱容量Eの昇温速度が一番遅い。
(2)発電部50の単位面積当たりの熱容量には、起動制限時間内に膜電極構造体54を0°C以上に昇温してその後の発電を維持させるための上限値(以下、最大熱容量という)が存在する。これは、発電条件が同じ熱容量D,Eの単セル57の比較から明らかである。図5の例では、熱容量Dの単セル57は、起動制限時間の経過と同時に膜電極構造体54の温度が0°Cとなり、熱容量Dよりも大きい熱容量Eの単セル57では、起動制限時間が経過しても膜電極構造体54の温度が0°Cに達するどころか、温度低下していく。この場合、熱容量Dが最大熱容量となる。
したがって、発電に伴う自己発熱だけで発電維持可能にするためには、単セル57の発電部50における単位面積当たりの熱容量を前記最大熱容量以下に設定する必要がある。なお、この最大熱容量は、起動開始温度や使用する膜電極構造体によって特定される。
The following can be said from this temperature characteristic.
(1) The temperature increase rate of the
(2) The heat capacity per unit area of the
Therefore, in order to be able to maintain power generation only by self-heating due to power generation, it is necessary to set the heat capacity per unit area in the
表3は、前記熱容量A〜Eの各単セル57における各部の寸法データであり、金属製セパレータ55,56の厚さ(即ち、板厚)と、膜電極構造体54の厚さと、冷媒通路60の深さ(図2における「h」)を比較している。表3における冷媒通路60の深さの欄で「無し」と記されているのは、冷媒通路60から冷媒を抜き取って空気と置換した場合を表している。表3の結果から、単セル57の発電部50における熱容量は、冷媒通路60の高さによる影響が極めて大きく、すなわち単セル57における冷媒の保有量が発電部50の熱容量に大きく影響することがわかる。そこで、単セル57の発電部50における単位面積当たりの熱容量を小さく設定するには、冷媒通路60の容量をいかに小さくして単セル57を設計するかが重要なポイントとなる。
Table 3 shows dimensional data of each part in each
ここで、この実施例における氷点下起動システムに好適な燃料電池スタック1の設計方法をまとめると次のようになる。
図24に示す燃料電池スタック1の設計工程図にしたがって説明すると、まず初めに、第1の工程S101において、氷点下の所定温度(例えば、−30°C)を起動開始温度として設定する。起動開始温度は設計基準となる温度であり適宜に設定可能である。
次に、第2の工程S102において、使用される膜電極構造体54の最大取出可能電流密度特性(図4参照)に基づいて、前記起動開始温度における最大取出可能電流密度を求め、燃料電池スタック1の発電部50の大きさから該起動開始温度における最大取出可能電流を決定する。
Here, the design method of the
Describing according to the design process diagram of the
Next, in the second step S102, based on the maximum extractable current density characteristic (see FIG. 4) of the
次に、第3の工程S103において、使用される膜電極構造体54の起動制限時間を算出する。すなわち、使用される膜電極構造体54を備えた単セルに対して、第1の工程S101で設定した起動開始温度から該起動開始温度での最大取出可能電流密度で定電流発電したときの起動制限時間を、予め収集しておいた実験データ等を参照して算出する。
次に、第4の工程S104において、第1の工程S101で設定した起動開始温度と、第3の工程S103で算出した起動制限時間に基づき、燃料電池スタック1の発電部50における単セル当たり単位面積当たりの最大熱容量を算出する。これから、燃料電池スタック1の発電部50における最大熱容量を算出する。
ここで、「単セル当たり」とは、電極部分を積層方向に重ねて出きる立体部分(すなわち、発電部50)の熱容量を、膜電極接合体54の積層数で割ることを意味する。こうして得られた単セル当たりの熱容量を、さらに電極部分(発電部50)の面積で割ることにより「単セル当たり単位面積当たりの熱容量」を得ることができる。
Next, in the third step S103, the activation time limit of the
Next, in the fourth step S104, the unit per unit cell in the
Here, “per unit cell” means that the heat capacity of the three-dimensional portion (that is, the power generation unit 50) that comes out by overlapping the electrode portions in the stacking direction is divided by the number of stacks of the
ここで、単セル当たり単位面積当たりの最大熱容量を算出する際には、発電部50における発熱量と、発電部50からヘッダ部70に放熱される放熱量を考慮し、発熱量から放熱量を差し引いた熱量が発電部50の昇温に実質的に使用される熱量として算出する。発電部50における発熱量は、起動開始温度から該起動開始温度に応じた最大取出可能電流密度で定電流発電して0°Cまで昇温したときに発生する熱量として算出することができ、放熱量は実験的(または経験的)に算出することができる。なお、起動時に冷媒を循環させる場合には、冷媒通路の冷媒に奪われる熱量を放熱量に含める。
Here, when calculating the maximum heat capacity per unit area per unit cell, the heat generation amount in the
次に、第5の工程S105において、第4の工程S104で算出した単セル当たり単位面積当たりの最大熱容量以下となるように、金属製のセパレータ55,56を用いた単セル57の細部の設計を行う。前述したように、冷媒の保有量が発電部50の熱容量に大きな影響を及ぼすので、冷媒通路60に冷媒が保有されている状態で燃料電池スタック1を起動することを前提とする場合には、冷媒の保有量が少なくなるように単セル57を設計することは、単セル当たり単位面積当たりの熱容量を小さくするのに極めて効果的である。
Next, in the fifth step S105, the detailed design of the
このようにして燃料電池スタック1を設計すると、燃料電池スタック1の熱容量を、予め設定した起動開始温度における最大取出可能電流を維持して発電をしたときの自己発熱により燃料電池スタック1を昇温した場合に、膜電極構造体54が発電不能となる前に膜電極構造体54の温度が0°C以上となる熱容量に設定することができる。
なお、起動開始温度が−30°Cのときにも3分以内に暖機を完了させる設計条件とする場合には、単セル当たり単位面積当たりの熱容量を0.04〜0.33J/Kcm2にするのが望ましい。
When the
In addition, when it is set as the design conditions for completing warm-up within 3 minutes even when the start-up temperature is −30 ° C., the heat capacity per unit area per unit cell is 0.04 to 0.33 J / Kcm 2. It is desirable to make it.
冷媒の保有量を減少するための燃料電池スタック1の設計方法は種々考えられるが、以下の方法を例示することができる。
(1) 図2に示す例のように、セパレータ55,56は、短寸法の第1平坦部55a,56aと長寸法の第2平坦部55b,56bを交互に有する断面形状とし、セパレータ55の第1平坦部55aを膜電極構造体54のアノード電極52に当接させ、セパレータ56の第1平坦部56aを膜電極構造体54のカソード電極53に当接させ、互いに隣接して配置されたセパレータ55,56の第2平坦部55b,56b同士を当接させることにより、燃料通路58や空気通路59に比較して冷媒通路60の断面積を小さくし、これにより冷媒の保有量を少なくする。
Various methods of designing the
(1) As in the example illustrated in FIG. 2, the
(2) 図6に示す例のように、セパレータ55,56には特に細工をせず、互いに隣接して配置されたセパレータ55,56の間に形成される空間にインナー61を設け、セパレータ55,56とインナー61との間に形成される空間を冷媒通路60とすることにより、冷媒通路60の断面積を小さくし、これにより冷媒の保有量を少なくする。なお、冷媒保有量が少なくなっても、冷媒通路60を流通する冷媒が直接にセパレータ55,56と接触するので、膜電極構造体54に対する冷却能力は十分に確保することができる。なお、インナー61は図6に示すような中空パイプ状のものであってもよいし、あるいは中実棒状のものであってもよく、いずれの形態のものを採用する場合であっても、冷媒が染み込まず軽量で熱容量が小さい材料で形成する。金属は重量が大きくなり結果的に熱容量が大きくなるため、インナー61の素材としては好ましくない。また、インナー61はセパレータ55,56に対して移動不能に取り付けるものとする。
(2) As in the example shown in FIG. 6, the
(3) 図7に示す例のように、互いに隣接して配置されたセパレータ55,56の間に形成される空間を総て冷媒通路60としないで、例えば一つおきに冷媒通路60として、冷媒通路60としないセパレータ55,56間の空間を空気層62とすることにより、燃料電池スタック1全体としての冷媒通路60の断面積を小さくし、燃料電池スタック1全体としての冷媒の保有量を少なくする。
すなわち、この燃料電池スタック1においては、膜電極構造体54とセパレータ55,56との間に形成される空間が反応ガス通路(燃料通路58,空気通路59)とされ、互いに隣接して配置されたセパレータ55,56の間に形成される複数の空間のうち一部は冷媒通路60とされ、他は空気層62とされる。
なお、このように冷媒通路60を間引いて配置し空気層62を設ける場合にも、同じ断面形状のセパレータ55,56を用いて冷媒通路60および空気層62を区画することができるので、部品の共通化を図ってコストダウンを実現することができる。
(3) As in the example shown in FIG. 7, the spaces formed between the
That is, in this
Even when the
(4) 図8に示す例のように、互いに隣接する膜電極構造体54,54の間に一対のセパレータ55,56が積層されてなる第1流体通路部63と、互いに隣接する膜電極構造体54,54の間に単一のセパレータ64を配置してなる第2流体通路部65とを交互に形成し、第1流体通路部63では、膜電極構造体54とセパレータ55との間に形成される空間を燃料通路58とし、膜電極構造体54とセパレータ56との間に形成される空間を空気通路59とし、両セパレータ55,56の間に形成される空間を冷媒通路60とし、また、第2流体通路部65では、膜電極構造体54のカソード電極53とセパレータ64との間に形成される空間を空気通路59とし、膜電極構造体54のアノード電極52とセパレータ64との間に形成される空間を燃料通路58とする。
つまり、冷媒通路60を有する第1流体通路部63と冷媒通路60を有さない第2流体通路部65を交互に設けることにより、燃料電池スタック1全体としての冷媒の保有量を少なくする。
なお、この場合には、セパレータ55,56,64の第1平坦部55a,56a,64aと第2平坦部55b,56b,64bを同一寸法に設定し、セパレータ55の第1平坦部55aとセパレータ64の第1平坦部64aとを膜電極構造体54を挟んで突き合わせ、セパレータ56の第1平坦部56aとセパレータ64の第2平坦部64bとを膜電極構造体54を挟んで突き合わせるように配置すると、膜電極構造体54に剪断力が発生し難くすることができるので好ましい。
(4) As in the example shown in FIG. 8, the first
That is, the first
In this case, the first
(5) 図9に示す例のように、セパレータ55,56の高さHを低く設定することにより冷媒通路60の深さhを低減し、これにより冷媒通路60の断面積を小さくして、冷媒の保有量を少なくする。
なお、(1)〜(5)以外の方法で冷媒通路60の断面積を小さくし、冷媒の保有量を減少させても構わない。
(5) As in the example shown in FIG. 9, the depth h of the
In addition, the cross-sectional area of the
次に、単セル57の熱容量を前記最大熱容量以下に設定したときの、起動開始温度と取出電流密度と起動制限時間との関係について考察する。
図10は、起動開始温度を−30°Cと設定し、該起動開始温度における最大取出可能電流密度が0.1A/cm2の膜電極構造体54を用いて、前記最大取出可能電流密度で定電流発電を行ったときの起動制限時間が例えば3分である単セル57の昇温特性を示す。この単セル57の発電部50における単位面積当たりの最大熱容量が0.33J/K・cm2であるとすると、最大熱容量よりも小さい熱容量(例えは、0.29J/K・cm2)の単セル57の場合には昇温速度が最大熱容量のものよりも速くなる。
このときの昇温特性を基準にして、これら熱容量の単セル57を用いて取出電流密度や起動開始温度を変えたときの昇温特性を調べた。
Next, the relationship among the start start temperature, the extraction current density, and the start limit time when the heat capacity of the
FIG. 10 shows a case where the starting start temperature is set to −30 ° C. and the maximum extractable current density is set using the
Based on the temperature rise characteristics at this time, the temperature rise characteristics when the extraction current density and the start-up start temperature were changed using the
起動開始温度は−30°Cで同じにし、図11に示すように、取出電流密度を最大取出可能電流密度よりも小さく(例えば0.05A/cm2)して定電流発電を行った場合には、昇温特性は図12に示すようになる。
すなわち、取出電流密度を小さくすると単セル57の発熱量は少なくなるので、最大取出可能電流密度で定電流発電を行ったとき(すなわち、図10に示す温度特性のとき)よりも発電部50の昇温速度は遅くなるが、取出電流密度を小さくすると発電により生じる生成水の量が少なくなるため、最大取出可能電流密度で定電流発電を行ったとき(すなわち、図10に示す温度特性のとき)よりも起動制限時間が延びる。その結果、最大熱容量(0.33J/K・cm2)に設定した単セル57の場合も、あるいは、最大熱容量よりも小さい熱容量(0.29J/K・cm2)に設定した単セル57の場合も、延長された起動制限時間内に膜電極構造体54の発電部50を0゜C以上に昇温することができる。
When the start-up temperature is the same at −30 ° C. and constant current power generation is performed with the extraction current density smaller than the maximum extraction current density (for example, 0.05 A / cm 2 ) as shown in FIG. The temperature rise characteristics are as shown in FIG.
That is, since the calorific value of the
また、起動開始温度は−30°Cで同じにし、図13に示すように、取出電流密度を最大取出可能電流密度よりも大きく(例えば0.2A/cm2)して定電流発電を行った場合には、昇温特性は図14に示すようになる。
すなわち、取出電流密度を大きくすると単セル57の発熱量は多くなるので、最大取出可能電流密度で定電流発電を行ったとき(すなわち、図10に示す温度特性のとき)よりも発電部50の昇温速度は速くなるが、取出電流密度を大きくすると発電により生じる生成水の量が多くなるため、最大取出可能電流密度で定電流発電を行ったとき(すなわち、図10に示す温度特性のとき)よりも起動制限時間が短くなる。その結果、最大熱容量(0.33J/K・cm2)に設定した単セル57の場合も、あるいは、最大熱容量よりも小さい熱容量(0.29J/K・cm2)に設定した単セル57の場合も、短縮された起動制限時間内に膜電極構造体54の発電部50を0゜C以上に昇温することができる。
The start-up temperature was the same at −30 ° C., and constant current power generation was performed with the extraction current density larger than the maximum extraction current density (for example, 0.2 A / cm 2 ) as shown in FIG. In this case, the temperature rise characteristic is as shown in FIG.
That is, when the extraction current density is increased, the calorific value of the
また、起動開始温度を−30°Cよりも高くし(例えば−15゜C)、取出電流密度は最大取出可能電流密度として定電流発電を行った場合には、昇温特性は図15に示すようになる。
すなわち、取出電流密度を最大取出可能電流密度としているので、起動制限時間は図10の温度特性の場合と同じになり、また、単セル57の発熱量も同じであるので発電部50の昇温速度も図10の温度特性の場合と同じになる。つまり、図15の温度特性は、ちょうど図10の温度特性を温度の高い側に平行移動したようになる。
したがって、最大熱容量(0.33J/K・cm2)に設定した単セル57の場合も、あるいは、最大熱容量よりも小さい熱容量(0.29J/K・cm2)に設定した単セル57の場合も、起動制限時間内に膜電極構造体54の発電部50を0゜C以上に昇温することができる。
Further, when the start-up temperature is set higher than −30 ° C. (for example, −15 ° C.) and constant current power generation is performed with the extraction current density set to the maximum extractable current density, the temperature rise characteristics are shown in FIG. It becomes like this.
That is, since the extraction current density is set to the maximum extractable current density, the start-up limit time is the same as that in the case of the temperature characteristic of FIG. 10, and the heating value of the
Therefore, in the case of the
また、起動開始温度を−30°Cよりも高くし(例えば−15゜C)、図11に示すように、取出電流密度を最大取出可能電流密度よりも小さく(例えば0.05A/cm2)して定電流発電を行った場合には、昇温特性は図16に示すようになる。
すなわち、取出電流密度を小さくすると単セル57の発熱量は少なくなるので、最大取出可能電流密度で定電流発電を行ったとき(すなわち、図15に示す温度特性のとき)よりも発電部50の昇温速度は遅くなるが、取出電流密度を小さくすると発電により生じる生成水の量が少なくなるため、最大取出可能電流密度で定電流発電を行ったとき(すなわち、図15に示す温度特性のとき)よりも起動制限時間が延びる。その結果、最大熱容量(0.33J/K・cm2)に設定した単セル57の場合も、あるいは、最大熱容量よりも小さい熱容量(0.29J/K・cm2)に設定した単セル57の場合も、延長された起動制限時間内に膜電極構造体54の発電部50を0゜C以上に昇温することができる。
Further, the starting start temperature is set higher than −30 ° C. (for example, −15 ° C.), and the extraction current density is smaller than the maximum extractable current density (for example, 0.05 A / cm 2 ) as shown in FIG. When the constant current power generation is performed, the temperature rise characteristic is as shown in FIG.
That is, since the calorific value of the
また、起動開始温度を−30°Cよりも高くし(例えば−15゜C)、図13に示すように取出電流密度を最大取出可能電流密度よりも大きく(例えば0.2A/cm2)して定電流発電を行った場合には、昇温特性は図17に示すようになる。
すなわち、取出電流密度を大きくすると単セル57の発熱量は多くなるので、最大取出可能電流密度で定電流発電を行ったとき(すなわち、図15に示す温度特性のとき)よりも発電部50の昇温速度は速くなるが、取出電流密度を大きくすると発電により生じる生成水の量が多くなるため、最大取出可能電流密度で定電流発電を行ったとき(すなわち、図15に示す温度特性のとき)よりも起動制限時間が短くなる。その結果、最大熱容量(0.33J/K・cm2)に設定した単セル57の場合も、あるいは、最大熱容量よりも小さい熱容量(0.29J/K・cm2)に設定した単セル57の場合も、短縮された起動制限時間内に膜電極構造体54の発電部50を0゜C以上に昇温することができる。
Further, the starting start temperature is set higher than −30 ° C. (for example, −15 ° C.), and the extraction current density is set higher than the maximum extractable current density as shown in FIG. 13 (for example, 0.2 A / cm 2 ). When constant current power generation is performed, the temperature rise characteristics are as shown in FIG.
That is, since the calorific value of the
このように、単セル57の発電部50における単位面積当たり熱容量を最大熱容量以下に設定しておけば、熱容量を決定する際に予め設定した起動開始温度を下回らない限り、取出電流密度を最大取出可能電流密度に対して増減させても、単セル57における膜電極構造体54の発電部50を起動制限時間内に0°C以上に昇温させることができる。
In this way, if the heat capacity per unit area in the
ただし、取出電流密度を小さくし過ぎると、発電部50からヘッダ部70および外部に放熱される放熱量が発電部50における発熱量を上回り、膜電極構造体54を起動制限時間内に0°C以上に昇温させることができなくなり、発電を維持することができなくなるので、放熱分を補うため最低限必要な電流密度を取出電流密度の下限値とすべきであり、取出電流密度をこの下限値以上に保持するように制御しなければならない。
そこで、前述の如く発電部50の熱容量を最大熱容量以下に設定された燃料電池スタック1を氷点下起動する場合においても、燃料電池スタック1の出力電流が放熱分を補うために必要な最低必要電流以上となるように燃料電池スタック1の出力を制御することにした。
However, if the extraction current density is too small, the amount of heat dissipated from the
Therefore, even when the
図18は、燃料電池スタック1を氷点下で起動させたときの取出電流制御の具体例を示したものである。図18において縦軸は燃料電池スタック1の取出電流を示し、取出電流を発電部50の面積で除した値が取出電流密度である。また、図18において一点鎖線は、昇温過程の温度における最大取出可能電流を結んだ線であり、燃料電池スタック1をどのように運転したとしても取出電流がこれを越えることはない。さらに、図18において二点鎖線は、放熱分を補うために最低限必要な電流値(すなわち、最低必要電流)の平均を示し、図18において破線は、単セル57の最大熱容量を設定する際に基準とした起動開始温度(例えば−30°C)における最大取出可能電流密度に対応する最大取出可能電流を示す。
FIG. 18 shows a specific example of the extraction current control when the
図18において(a)〜(f)は燃料電池スタック1の氷点下起動に好適な取出電流の制御例を示している。
(a)〜(c)に示す取出電流の制御例は、いずれも設計基準の起動開始温度(−30°C)から燃料電池スタック1の起動を開始した場合であって、取出電流を最低必要電流以上の所定の定電流に維持する制御方法を採用した例を示す。以下、この制御方法を定電流発電と称す。
(d)に示す取出電流の制御例は、設計基準の起動開始温度(−30°C)よりも高い温度(例えば−15゜C)を起動開始温度として燃料電池スタック1の起動を開始して、取出電流を最低必要電流以上に設定して定電流発電を行う制御方法を採用した例を示す。
18A to 18F show control examples of extraction currents suitable for starting below the freezing point of the
The control examples of the extraction current shown in (a) to (c) are all cases where the start of the
The control example of the extraction current shown in (d) is that the start of the
(e)に示す取出電流の制御例は、取出電流が一時的に短期間だけ最低必要電流を下回ったときに、直ぐに最低必要電流以上に回復させるように制御した例を示している。この場合には、最低必要電流を下回っている間に放熱により膜電極構造体54が温度低下しても、取出電流が最低必要電流以上に回復した後の発熱量を急増させることで、膜電極構造体54の温度回復が可能であり、起動制限時間内に膜電極構造体54を0゜C以上に昇温することが可能である。
The control example of the extraction current shown in (e) shows an example in which when the extraction current temporarily falls below the minimum required current for a short period of time, control is performed so that the recovery is immediately made to recover to the minimum required current or more. In this case, even if the temperature of the
(f)に示す取出電流の制御例は、燃料電池スタック1の出力電圧を所定の電圧値に維持する制御方法を採用した例を示す。以下、この制御方法を定電圧発電と称す。なお、この(f)に示す取出電流の制御例は、取出電流が昇温過程における各温度での最大取出可能電流に近い値を採るように制御した例を示している。
The control example of the extraction current shown in (f) shows an example in which a control method for maintaining the output voltage of the
これに対して、図18において(g)に示すように起動開始から取出電流を最低必要電流以下に維持し続けた場合や、(h)に示すように起動開始からしばらくは取出電流を最低必要電流以上に維持しているが、ある時点以降については最低必要電流以下に維持した場合には、膜電極構造体54の発電部50を起動制限時間内に0゜C以上に昇温することができず、燃料電池スタック1は発電不能となってしまう。したがって、氷点下起動する場合には、取出電流が(g)や(h)に示すように推移する燃料電池スタック1の運転は避けるべきである。
On the other hand, when the extraction current is kept below the minimum required current from the start of startup as shown in FIG. 18 (g), or at the minimum required for a while after the start of startup as shown in (h). If the current is maintained at or above the current, but is maintained below the minimum required current after a certain point in time, the
次に、燃料電池スタック1を氷点下起動する場合の制御例を、図19の制御ブロック図と図20〜図22のフローチャートに従って具体的に説明する。なお、以下に説明する制御例において、「燃料電池スタック1の出力電流」とは、前述した「燃料電池スタック1からの取出電流」と同義である。
Next, a control example in the case where the
初めに、図19の制御ブロック図を参照して氷点下起動制御の概要を説明する。
燃料電池スタック1は低温起動制御手段100を備え、低温起動制御手段100は温度検出手段110と、発電モード判別手段120と、低温起動時出力制御手段130とを備えて構成されている。
温度検出手段110は、温度センサ22の出力信号に基づいて燃料電池スタック1の内部温度(膜電極構造体54の温度)を検出し、発電モード判別手段120は、検出された燃料電池スタック1の内部温度に基づいて通常発電モードで起動すべきか低温起動発電モードで起動すべきかを判定する。
First, the outline of below-freezing start control will be described with reference to the control block diagram of FIG.
The
The temperature detection means 110 detects the internal temperature of the fuel cell stack 1 (the temperature of the membrane electrode structure 54) based on the output signal of the
そして、発電モード判別手段120が低温起動発電モードで起動すべきと判定した場合には、低温起動時出力制御手段130は、電流センサ32から入力される燃料電池スタック1の出力電流と、電圧センサ33から入力されるスタック電圧を監視しながら、以下に詳述するいずれかの制御方法により、燃料電池スタック1の出力電流が放熱分を補うために必要な最低必要電流以上となるように燃料電池スタック1の出力を制御する。燃料電池スタック1の出力制御は、圧力制御弁4の開度とコンプレッサ2の作動の少なくともいずれか一方を制御して反応ガス(水素ガスと空気)の供給を制御するとともに、外部負荷31の負荷量を制御することにより行う。
したがって、低温起動制御手段100は、燃料電池スタック1に導入する反応ガスの流量と圧力の少なくともいずれか一方と、燃料電池スタック1の出力電流と出力電圧の少なくともいずれか一方とを制御しつつ燃料電池スタック1を氷点下の起動開始温度から昇温する制御手段である。
以下、氷点下起動制御について具体例を挙げて説明する。
When the power generation mode determination unit 120 determines that the low temperature startup power generation mode should be started, the low temperature startup
Therefore, the low temperature activation control means 100 controls the fuel while controlling at least one of the flow rate and pressure of the reaction gas introduced into the
Hereinafter, the below-freezing start control will be described with a specific example.
<制御例1:定電流発電>
図20に示すフローチャートは、氷点下時に燃料電池スタック1を前述した定電流発電で起動する場合の起動制御ルーチンを示すものであり、この起動制御ルーチンはECU20によって実行される。
<Control example 1: constant current power generation>
The flowchart shown in FIG. 20 shows a startup control routine in the case where the
まず、燃料電池車両のイグニッションスイッチがONされると(ステップS201)、燃料電池スタック1に反応ガスを供給する(ステップS202)。すなわち、コンプレッサ2を作動するとともに圧力制御弁4と燃料供給制御弁5を開いて、燃料電池スタック1の各単セル57の空気通路59に空気を供給するとともに燃料通路58に水素ガスを供給する。
次に、各電圧センサ21により各単セル57のセル電圧を検出し(ステップS203)、検出されたセル電圧のなかで最も低いセル電圧(最低セル電圧)が予め設定された第1の閾値電圧V1よりも大きいか否かを判定する(ステップS204)。ここで、第1の閾値電圧V1は、反応ガスが各単セル57における膜電極構造体54の電極52,53に行き渡ったと判断される開回路電圧値に設定する。
First, when the ignition switch of the fuel cell vehicle is turned on (step S201), the reaction gas is supplied to the fuel cell stack 1 (step S202). That is, the compressor 2 is operated and the
Next, the cell voltage of each
ステップS204における判定結果が「NO」(最低セル電圧≦V1)である場合は、反応ガスが未だ各単セル57における膜電極構造体54の電極52,53に行き渡っていないので、所定の時間ΔTを保持した後(ステップS205)、ステップS203に戻る。つまり、最低セル電圧が第1の閾値電圧V1を越えるまでステップS203〜S205の処理を繰り返し実行する。
なお、ステップS205における所定の時間ΔT、および、後述するステップS211における所定の時間ΔTは、いずれも制御可能な範囲でできるだけ短い時間に設定するのが望ましい。
When the determination result in step S204 is “NO” (minimum cell voltage ≦ V1), the reaction gas has not yet spread to the
It should be noted that both the predetermined time ΔT in step S205 and the predetermined time ΔT in step S211 to be described later are preferably set to the shortest possible time within a controllable range.
ステップS204における判定結果が「YES」(最低セル電圧>V1)である場合は、ステップS206に進んで、燃料電池スタック1の内部温度を検出する。ここで、燃料電池スタック1の内部温度とは、温度センサ22により検出される単セル57における膜電極構造体54の温度である。
そして、ステップS206で検出した燃料電池スタック1の内部温度が予め設定された基準温度よりも小さいか否かを判定する(ステップS207)。この基準温度は、燃料電池スタック1が通常モードマップに基づいて設定される反応ガス流量・圧力で安定して発電が可能な温度(すなわち、暖機完了温度)に設定しておく。
When the determination result in step S204 is “YES” (minimum cell voltage> V1), the process proceeds to step S206, and the internal temperature of the
Then, it is determined whether or not the internal temperature of the
ステップS207における判定結果が「NO」(スタック内部温度≧基準温度)である場合は、通常発電モードでの起動が可能であるので、通常モードマップに基づいて要求電力に応じた反応ガス流量・圧力を設定し(ステップS208)、設定した反応ガス流量・圧力となるようにコンプレッサ2の回転数と圧力制御弁4の開度の少なくともいずれか一方を制御して、本ルーチンの実行を一旦終了する。
When the determination result in step S207 is “NO” (stack internal temperature ≧ reference temperature), it is possible to start in the normal power generation mode, and accordingly, the reaction gas flow rate / pressure corresponding to the required power based on the normal mode map. Is set (step S208), and at least one of the rotational speed of the compressor 2 and the opening degree of the
一方、ステップS207における判定結果が「YES」(スタック内部温度<基準温度)である場合は、低温起動発電モードでの起動を行う必要があるので、燃料電池スタック1からの出力電流を一定値に設定した後(ステップS209)、低温モードマップに基づいて反応ガス流量・圧力を設定し(ステップS210)、設定した反応ガス流量・圧力となるようにコンプレッサ2の回転数と圧力制御弁4の開度の少なくともいずれか一方を制御する。なお、ステップS209で設定される一定電流値は前記最低必要電流以上とし、起動開始温度にかかわらず常に一定値に設定するようにしてもよいし、起動開始温度に応じて一定電流値を変更するようにしてもよい。起動開始温度に応じて一定電流値を変更すると図18において(d)に示すような制御が可能になる。また、低温モードマップは、同一要求電力で比較した場合、通常モードマップよりも反応ガス流量および圧力が大きく設定されている。
On the other hand, if the determination result in step S207 is “YES” (stack internal temperature <reference temperature), it is necessary to perform startup in the low temperature startup power generation mode, so the output current from the
次に、ステップS210で設定した反応ガス流量・圧力での運転を所定の時間ΔT保持した後(ステップS211)、各電圧センサ21により各単セル57のセル電圧を検出し(ステップS212)、検出されたセル電圧のなかで最も低いセル電圧(最低セル電圧)が予め設定された第2の閾値電圧V2よりも小さいか否かを判定する(ステップS213)。ここで、第2の閾値電圧V2は、この電圧を下回ると膜電極構造体54にダメージが加わる電圧(セル電圧下限値)に設定する。
Next, after the operation at the reaction gas flow rate and pressure set in step S210 is held for a predetermined time ΔT (step S211), the cell voltage of each
ステップS213における判定結果が「YES」(最低セル電圧<V2)である場合は、出力電流IをΔIだけ減少させた後(ステップS214)、ステップS211に戻る。出力電流Iを減少させることにより電圧を増加させることができる。そして、最低セル電圧が第2の閾値電圧V2よりも小さいときには、最低セル電圧が第2の閾値電圧V2以上になるまでステップS211〜S214の処理を繰り返し実行することとなる。 If the determination result in step S213 is “YES” (minimum cell voltage <V2), the output current I is decreased by ΔI (step S214), and the process returns to step S211. The voltage can be increased by reducing the output current I. When the lowest cell voltage is smaller than the second threshold voltage V2, the processes of steps S211 to S214 are repeatedly executed until the lowest cell voltage becomes equal to or higher than the second threshold voltage V2.
ステップS213における判定結果が「NO」(最低セル電圧≧V2)である場合は、出力電流Iを増減することなく、ステップS206に戻る。つまり、燃料電池スタック1の内部温度が基準温度以上になるまで、ステップS206,S207,S209〜S214の処理を繰り返し実行する。
If the determination result in step S213 is “NO” (minimum cell voltage ≧ V2), the process returns to step S206 without increasing or decreasing the output current I. That is, the processes in steps S206, S207, and S209 to S214 are repeatedly executed until the internal temperature of the
このように制御することにより、氷点下起動時には、燃料電池スタック1からの出力電流IをステップS209で設定した電流値にほぼ一定させて燃料電池スタック1を運転することができる。ここで、出力電流Iは最低必要電流以上に設定しているので、燃料電池スタック1からの放熱分を補うことができ、燃料電池スタック1の発電に伴う自己発熱だけで発電部50を起動制限時間内に0°C以上に確実に昇温することができ、発電を維持しながら通常発電モードに確実に移行させることができる。したがって、生成水の凍結に起因して起動途中で燃料電池スタック1が発電不能に陥るのを阻止することができ、燃料電池スタックの発電を維持し続けることができる。
By controlling in this way, at the time of starting below freezing, the
なお、この制御例1においては、温度センサ22およびECU20がステップS206の処理を実行することにより温度検出手段110が構成され、ECU20がステップS207の処理を実行することにより発電モード判別手段120が実現され、ECU20がステップS209〜S211の処理を実行することにより低温起動時出力制御手段130が実現される。そして、制御例1において、温度検出手段110と発電モード判別手段120と低温起動時出力制御手段130は、燃料電池スタック1に導入する反応ガスの流量と圧力の少なくともいずれか一方と、燃料電池スタック1の出力電流とを制御しつつ燃料電池スタック1を氷点下の起動開始温度から昇温する低温起動制御手段100を構成する。
In this control example 1, the temperature detection unit 110 is configured by the
<制御例2>
図21に示すフローチャートは、氷点下時に燃料電池スタック1の出力電流を最低必要電流から最大取出可能電流の間で設定した適宜の電流値で制御して起動する場合の起動制御ルーチンを示すものであり、この起動制御ルーチンはECU20によって実行される。
図21に示すフローチャートは基本的に図20に示すフローチャートと同じであり、相違点は図20のフローチャートにおけるステップS209に対応するステップS219だけである。制御例3において制御例1と同じ処理については同一ステップ番号を付して説明を省略し、ステップS219についてだけ説明する。
<Control example 2>
The flowchart shown in FIG. 21 shows a start control routine in the case of starting by controlling the output current of the
The flowchart shown in FIG. 21 is basically the same as the flowchart shown in FIG. 20, and the only difference is step S219 corresponding to step S209 in the flowchart of FIG. In the control example 3, the same processes as those in the control example 1 are denoted by the same step numbers and the description thereof is omitted, and only step S219 is described.
この制御例2では、ステップS219において、例えば燃料電池スタック1の内部温度をパラメータとする出力電流マップ(図示せず)を参照して、燃料電池スタック1の出力電流を設定する。なお、出力電流マップは実験データ等に基づいて予め作成しておく。出力電流マップは、出力電流がステップ的に増大するように設定してもよく、マップの作り方によっては、出力電流を、昇温過程中の温度における最大取出可能電流に近い値で推移させることも可能である。
In this control example 2, in step S219, the output current of the
この制御例2の場合には、氷点下起動時に、予め作成しておいた出力電流マップにしたがって出力電流を変化させながら燃料電池スタック1を運転することができ、出力電流マップにおいて出力電流をステップ的に増大するように設定しておくと、制御例1の定電流発電よりも迅速に発電部50を昇温させることができる。
In the case of this control example 2, when starting below freezing, the
なお、この制御例2においては、温度センサ22およびECU20がステップS206の処理を実行することにより温度検出手段110が構成され、ECU20がステップS207の処理を実行することにより発電モード判別手段120が実現され、ECU20がステップS219、S210、S211の処理を実行することにより低温起動時出力制御手段130が実現される。そして、制御例2において、温度検出手段110と発電モード判別手段120と低温起動時出力制御手段130は、燃料電池スタック1に導入する反応ガスの流量と圧力の少なくともいずれか一方と、燃料電池スタック1の出力電流を制御しつつ燃料電池スタック1を氷点下の起動開始温度から昇温する低温起動制御手段100を構成する。
In this control example 2, the
<制御例3:定電圧発電>
図22に示すフローチャートは、氷点下時に燃料電池スタック1を前述した定電圧発電で起動する場合の起動制御ルーチンを示すものであり、この起動制御ルーチンはECU20によって実行される。
<Control example 3: constant voltage power generation>
The flowchart shown in FIG. 22 shows a start control routine when the
まず、燃料電池車両のイグニッションスイッチがONされると(ステップS301)、燃料電池スタック1に反応ガスを供給する(ステップS303)。すなわち、コンプレッサ2を作動するとともに圧力制御弁4と燃料供給制御弁5を開いて、燃料電池スタック1の各単セル57の空気通路59に空気を供給するとともに燃料通路58に水素ガスを供給する。
次に、各電圧センサ21により各単セル57のセル電圧を検出し(ステップS303)、検出されたセル電圧のなかで最も低いセル電圧(最低セル電圧)が予め設定された第1の閾値電圧V1よりも大きいか否かを判定する(ステップS304)。ここで、第1の閾値電圧V1は、反応ガスが各単セル57における膜電極構造体54の電極52,53に行き渡ったと判断される開回路電圧値に設定する。
First, when the ignition switch of the fuel cell vehicle is turned on (step S301), the reaction gas is supplied to the fuel cell stack 1 (step S303). That is, the compressor 2 is operated and the
Next, the cell voltage of each
ステップS304における判定結果が「NO」(最低セル電圧≦V1)である場合は、反応ガスが未だ各単セル57における膜電極構造体54の電極52,53に行き渡っていないので、所定の時間ΔTを保持した後(ステップS305)、ステップS303に戻る。つまり、最低セル電圧が第1の閾値電圧V1を越えるまでステップS303〜S305の処理を繰り返し実行する。
なお、ステップS305における所定の時間ΔT、および、後述するステップS311における所定の時間ΔTは、いずれも制御可能な範囲でできるだけ短い時間に設定するのが望ましい。
If the determination result in step S304 is “NO” (minimum cell voltage ≦ V1), the reaction gas has not yet spread to the
It should be noted that both the predetermined time ΔT in step S305 and the predetermined time ΔT in step S311 to be described later are desirably set as short as possible within the controllable range.
ステップS304における判定結果が「YES」(最低セル電圧>V1)である場合は、燃料電池スタック1の出力電流IにΔIを設定し(ステップS306)、燃料電池スタック1の内部温度を検出する(ステップS307)。燃料電池スタック1の内部温度とは、温度センサ22により検出される単セル57における膜電極構造体54の温度である。
そして、ステップS307で検出した燃料電池スタック1の内部温度が予め設定された基準温度よりも小さいか否かを判定する(ステップS308)。この基準温度は、燃料電池スタック1が通常モードマップに基づいて設定される反応ガス流量・圧力で安定して発電が可能な温度(すなわち、暖機完了温度)に設定しておく。
If the determination result in step S304 is “YES” (minimum cell voltage> V1), ΔI is set to the output current I of the fuel cell stack 1 (step S306), and the internal temperature of the
Then, it is determined whether or not the internal temperature of the
ステップS308における判定結果が「NO」(スタック内部温度≧基準温度)である場合は、通常発電モードでの起動が可能であるので、通常モードマップに基づいて要求電力に応じた反応ガス流量・圧力を設定し(ステップS309)、設定した反応ガス流量・圧力となるようにコンプレッサ2の回転数と圧力制御弁4の開度の少なくともいずれか一方を制御して、本ルーチンの実行を一旦終了する。
If the determination result in step S308 is “NO” (stack internal temperature ≧ reference temperature), it is possible to start in the normal power generation mode, so that the reaction gas flow rate and pressure corresponding to the required power based on the normal mode map Is set (step S309), and at least one of the rotational speed of the compressor 2 and the opening degree of the
一方、ステップS308における判定結果が「YES」(スタック内部温度<基準温度)である場合は、低温起動発電モードでの起動を行う必要があるので、低温モードマップに基づいて反応ガス流量および反応ガス圧力を設定し(ステップS310)、設定した反応ガス流量・圧力となるようにコンプレッサ2の回転数と圧力制御弁4の開度の少なくともいずれか一方を制御する。低温モードマップは、同一要求電力で比較した場合、通常モードマップよりも反応ガス流量および圧力が大きく設定されている。
On the other hand, if the determination result in step S308 is “YES” (stack internal temperature <reference temperature), it is necessary to start in the low-temperature start-up power generation mode, so the reaction gas flow rate and reaction gas are based on the low-temperature mode map. The pressure is set (step S310), and at least one of the rotation speed of the compressor 2 and the opening degree of the
次に、ステップS310で設定した反応ガス流量・圧力での運転を所定の時間ΔT保持した後(ステップS311)、各電圧センサ21により各単セル57のセル電圧を検出し(ステップS312)、検出されたセル電圧のなかで最も低いセル電圧(最低セル電圧)が予め設定された第2の閾値電圧V2よりも小さいか否かを判定する(ステップS313)。ここで、第2の閾値電圧V2は、この電圧を下回ると膜電極構造体54にダメージが加わる電圧(セル電圧下限値)に設定する。
Next, after the operation at the reaction gas flow rate and pressure set in step S310 is held for a predetermined time ΔT (step S311), the cell voltage of each
ステップS313における判定結果が「YES」(最低セル電圧<V2)である場合は、出力電流IをΔIだけ減少させた後(ステップS314)、ステップS310に戻る。出力電流Iを減少させることにより電圧を増加させることができる。そして、最低セル電圧が第2の閾値電圧V2よりも小さいときには、最低セル電圧が第2の閾値電圧V2以上になるまでステップS310〜S314の処理を繰り返し実行することとなる。 If the determination result in step S313 is “YES” (minimum cell voltage <V2), the output current I is decreased by ΔI (step S314), and the process returns to step S310. The voltage can be increased by reducing the output current I. When the lowest cell voltage is smaller than the second threshold voltage V2, the processes of steps S310 to S314 are repeatedly executed until the lowest cell voltage becomes equal to or higher than the second threshold voltage V2.
ステップS313における判定結果が「NO」(最低セル電圧≧V2)である場合は、出力電流Iの設定を現状維持して、電圧センサ33により燃料電池スタック1のスタック電圧を検出し(ステップS315)、検出されたスタック電圧が所定電圧V3以上で且つ「V3+ΔV」以下の範囲内であるか否かを判定する。
ここで、V3は予め設定しておいた所定の電圧値であり、燃料電池システムを作動する上で必要な最低電圧を下限値として、この下限値よりも大きい値に設定する。また、ΔVは、燃料電池スタック1の電流・電圧特性に基づき電流がΔI変化したときの電圧の変化分として設定する。
If the determination result in step S313 is “NO” (minimum cell voltage ≧ V2), the current setting of the output current I is maintained and the stack voltage of the
Here, V3 is a predetermined voltage value set in advance, and the minimum voltage necessary for operating the fuel cell system is set as a lower limit value, and is set to a value larger than the lower limit value. ΔV is set as a change in voltage when the current changes by ΔI based on the current / voltage characteristics of the
起動初期の段階では、出力電流Iが極めて小さい(ステップS306における初期設定ではI=ΔI)ので電圧が極めて大きく、スタック電圧は「V3+ΔV」よりも十分に大きくなる。したがって、起動初期には、ステップS316において「NO」と判定され、ステップS317に進む。 In the initial stage of startup, since the output current I is extremely small (I = ΔI in the initial setting in step S306), the voltage is extremely large, and the stack voltage is sufficiently larger than “V3 + ΔV”. Therefore, in the initial stage of activation, “NO” is determined in step S316, and the process proceeds to step S317.
ステップS317では、スタック電圧が「V3+ΔV」よりも大きいか否かを判定する。起動初期の段階ではスタック電圧は「V3+ΔV」よりも十分に大きいので、ステップS317において「YES」と判定される。この場合には、ステップS318に進み、出力電流IをΔIだけ増大して(I=I+ΔI)、ステップS310に戻る。
したがって、図23に示すように、起動初期において、スタック電圧が「V3+ΔV」以下に低下するまでの間は、ステップS318の処理が繰り返し実行されて、出力電流Iの増加制御が連続して行われることとなる。
In step S317, it is determined whether or not the stack voltage is larger than “V3 + ΔV”. Since the stack voltage is sufficiently larger than “V3 + ΔV” at the initial stage of startup, “YES” is determined in step S317. In this case, the process proceeds to step S318, the output current I is increased by ΔI (I = I + ΔI), and the process returns to step S310.
Therefore, as shown in FIG. 23, in the initial stage of startup, until the stack voltage drops below “V3 + ΔV”, the process of step S318 is repeatedly executed, and the increase control of the output current I is continuously performed. It will be.
そして、スタック電圧が「V3+ΔV」以下に低下し、且つ所定電圧V3以上である場合には、ステップS316において「YES」と判定される。
ステップS316における判定結果が「YES」(V3≦スタック電圧≦V3+ΔV)である場合は、スタック電圧の変化が許容範囲内であり、ほぼ一定電圧とみなすことができるので、出力電流を変化させることなくステップS307に戻る。
If the stack voltage decreases to “V3 + ΔV” or lower and is equal to or higher than the predetermined voltage V3, “YES” is determined in step S316.
If the determination result in step S316 is “YES” (V3 ≦ stack voltage ≦ V3 + ΔV), the change in the stack voltage is within the allowable range and can be regarded as a substantially constant voltage, so the output current is not changed. The process returns to step S307.
一方、スタック電圧が所定電圧V3よりも低下した場合には、ステップS316において「NO」と判定され、さらにステップS317において「NO」と判定される。
ステップS317における判定結果が「NO」である場合は、ステップS319に進み、出力電流IをΔIだけ減少して(I=I−ΔI)、ステップS310に戻る。
したがって、図23に示すように、スタック電圧が初めて「V3+ΔV」より低下した以後は、スタック電圧が「V3+ΔV」に達する毎に出力電流IをΔIずつ増加する制御が行われることになる。ただし、実際には、ΔT,ΔI,ΔVを微少に設定するため、図23に示すような階段状になることはなく、なめらかな曲線状に変化する。
On the other hand, when the stack voltage is lower than the predetermined voltage V3, “NO” is determined in step S316, and “NO” is further determined in step S317.
If the determination result in step S317 is “NO”, the process proceeds to step S319, the output current I is decreased by ΔI (I = I−ΔI), and the process returns to step S310.
Therefore, as shown in FIG. 23, after the stack voltage has dropped below “V3 + ΔV” for the first time, control is performed to increase the output current I by ΔI every time the stack voltage reaches “V3 + ΔV”. However, in practice, ΔT, ΔI, and ΔV are set to be very small, so that they do not become stepped as shown in FIG. 23, but change into a smooth curve.
このように制御することにより、氷点下起動時には、燃料電池スタック1からの出力電圧を所定電圧V3にほぼ一定させて燃料電池スタック1を運転することができる。そして、燃料電池スタック1の発電に伴う自己発熱だけで発電部50を起動制限時間内に0°C以上に確実に昇温することができ、発電を維持しながら通常発電モードに確実に移行させることができる。したがって、生成水の凍結に起因して起動途中で燃料電池スタック1が発電不能に陥るのを阻止することができ、燃料電池スタックの発電を維持し続けることができる。
By controlling in this way, the
なお、この制御例3においては、温度センサ22およびECU20がステップS307の処理を実行することにより温度検出手段110が構成され、ECU20がステップS308の処理を実行することにより発電モード判別手段120が実現され、ECU20がステップS306、S310、S311、S315、S316、S318の処理を実行することにより低温起動時出力制御手段130が実現される。そして、制御例3において、温度検出手段110と発電モード判別手段120と起動時出力制御手段130は、燃料電池スタック1に導入する反応ガスの流量と圧力の少なくともいずれか一方と、燃料電池スタック1の出力電圧を制御しつつ燃料電池スタック1を氷点下の起動開始温度から昇温する低温起動制御手段100を構成する。
In this control example 3, the
図24は、起動開始温度を同一条件としたときに前述した制御例1(定電流発電)と制御例3(定電圧発電)による氷点下起動時の燃料電池スタック1の内部温度変化を比較して示す一実験結果であり、燃料電池スタック1における発電部50の熱容量が大きい場合と小さい場合についてそれぞれの制御例で実験を行った。
この実験結果から、同一熱容量で比較すると、定電流発電による氷点下起動方法よりも定電圧発電による氷点下起動方法の方が、昇温効果(昇温速度)が大きいことがわかる。そして、その傾向は熱容量が小さい場合の方が熱容量が大きい場合よりも顕著であることもわかる。
したがって、燃料電池スタック1の氷点下起動には、発電部50の熱容量を小さくして、定電圧発電で燃料電池スタック1を運転制御するのがより好ましい。
FIG. 24 compares the internal temperature change of the
From this experimental result, it can be seen that the temperature increase effect (temperature increase rate) is greater in the below-freezing start method using constant voltage power generation than in the below freezing start method using constant current power generation when compared with the same heat capacity. It can also be seen that this tendency is more pronounced when the heat capacity is small than when the heat capacity is large.
Therefore, for starting the
ところで、今まで説明した燃料電池スタックの氷点下起動方法では、燃料電池スタック1を構成する単セル57の冷媒通路60に冷媒が充填された状態で燃料電池スタック1を起動することを前提としており、それゆえ、単セル57の発電部50における単位面積当たりの熱容量を最大熱容量以下に設定する際にも、冷媒通路60に保有される冷媒の熱容量を含んだ値として設定している。この場合、前述したように、単セル57における冷媒の保有量が発電部50の熱容量に大きく影響する。
By the way, the below-freezing start method of the fuel cell stack described so far is based on the premise that the
そこで、燃料電池スタックの氷点下起動方法として、起動時には燃料電池スタック1の冷媒通路60に冷媒がない状態にすることにより、起動時における単セル57の発電部50における単位面積当たりの熱容量を最大熱容量以下にし、この状態で、前述した各制御例1〜3と同様の制御により、燃料電池スタック1の出力電流が放熱分を補うために必要な最低必要電流以上となるように燃料電池スタック1の出力を制御して、燃料電池スタック1を起動することも可能である。
つまり、燃料電池スタック1のセパレータ55,56,64に金属製のセパレータを用い、さらに氷点下起動時に冷媒通路60から冷媒を抜き取ることにより、燃料電池スタック1の熱容量は飛躍的に小さくなる。
このように氷点下起動した場合にも、燃料電池スタック1の発電に伴う自己発熱だけで発電部50を起動制限時間内に0°C以上に確実に昇温することができ、発電を維持しながら通常発電モードに確実に移行させることができる。したがって、生成水の凍結に起因して起動途中で燃料電池スタック1が発電不能に陥るのを阻止することができ、燃料電池スタックの発電を維持し続けることができる。
Therefore, as a method for starting the fuel cell stack below freezing point, the heat capacity per unit area in the
That is, by using a metal separator as the
Thus, even when starting below freezing point, the
この場合には、起動時には燃料電池スタック1の冷媒通路60に冷媒がない状態を前提とするので、冷媒通路60に冷媒を保有していない状態での単セル57の発電部50における単位面積当たりの熱容量が最大熱容量以下であれば、冷媒通路60に冷媒を保有している状態での単セル57の発電部50における単位面積当たりの熱容量は最大熱容量を越えていてもよいので、単セル57の設計自由度が大きくなる。
In this case, since it is assumed that there is no refrigerant in the
なお、冷媒通路60から冷媒を抜き取る時期については、燃料電池システムの停止時にかぎるものではなく、外気温を検知可能にし、検知された外気温が冷媒凝固点直前になった時点で冷媒を自動的に抜き出すように燃料電池システムを構成してもよい。また、冷媒を冷媒通路60に再注入する時期については、燃料電池スタック1の内部温度やその温度上昇速度に応じて決定することが可能である。
Note that the timing of extracting the refrigerant from the
なお、前述した実施例は以下(A)〜(I)に記載する技術思想を含んでいる。
(A) 固体高分子電解質膜(例えば、前述する実施例における固体高分子電解質膜51)および電極(例えば、前述する実施例におけるアノード電極52、カソード電極53)を備えた膜電極構造体(例えば、前述する実施例における膜電極構造体54)と断面波形構造の金属製のセパレータ(例えば、前述する実施例におけるセパレータ55,56,64)とを複数積層してなり、少なくとも一部の前記セパレータと該セパレータに隣接して設置されたセパレータによって挟まれた空間が冷媒通路(例えば、前述する実施例における冷媒通路60)にされている燃料電池スタック(例えば、前述する実施例における燃料電池スタック1)を氷点下で起動する方法であって、燃料電池スタックの発電に伴う自己発熱により前記燃料電池スタックを昇温した場合に、前記膜電極構造体が発電不能となる前に該膜電極構造体の温度が0°C以上となるよう、予め設定された起動開始温度と膜電極構造体の特性に基づいて燃料電池スタックの熱容量を所定値に設定し、熱容量が前記所定値に設定された前記燃料電池スタックを用いて、前記燃料電池スタックの出力電流が放熱分を補うために必要な最低必要電流以上となるように該燃料電池スタックの出力を制御することを特徴とする燃料電池スタックの氷点下起動方法である。
In addition, the Example mentioned above includes the technical idea described to (A)-(I) below.
(A) A membrane electrode structure (for example, a solid
従来、燃料電池スタックに用いるセパレータとしては、カーボン製のセパレータと、金属製のセパレータがあった。カーボン製のセパレータの場合、冷媒通路は切削加工、或いはモールド加工により設けられるため、反応ガス通路と冷媒通路がセパレータの表裏に設けられる場合であっても、反応ガス通路の影響を受けることなく冷媒通路を形成することが可能である。したがって、カーボン製のセパレータの場合、冷媒通路は、冷却性能に合わせて必要最小限に設けることが可能であり、冷媒の熱容量が始動時暖機の特性に与える影響は小さい。しかしながら、カーボン製のセパレータの場合には、カーボン材料の比熱が大きい点と、カーボン製のセパレータの厚さが比較的厚い点とが相俟って、セパレータ自体の熱容量が大きくなるという問題がある。
一方、金属製のセパレータは、熱容量が小さいため、氷点下からの暖機を行う場合に、優れた特性を有する。
氷点下から燃料電池スタックを起動する場合、昇温速度の観点からは燃料電池スタックの熱容量は小さいほど望ましい。ところが、金属製のセパレータは、プレス加工により形成されるため、セパレータ片面に設けられる冷媒通路の形状は、反対面に設けられる反応ガス通路の形状と対応することになる。したがって、冷媒熱容量が小さくなるような冷媒流路形状を設計すると、裏面の反応ガス流路形状にも影響してしまうという問題があった。
Conventionally, as a separator used for a fuel cell stack, there are a carbon separator and a metal separator. In the case of a carbon separator, the coolant passage is provided by cutting or molding, so even if the reaction gas passage and the coolant passage are provided on the front and back of the separator, the coolant is not affected by the reaction gas passage. It is possible to form a passage. Therefore, in the case of the carbon separator, the refrigerant passage can be provided to the minimum necessary according to the cooling performance, and the influence of the heat capacity of the refrigerant on the warm-up characteristics at the start is small. However, in the case of a carbon separator, there is a problem that the heat capacity of the separator itself is increased due to the fact that the specific heat of the carbon material is large and the carbon separator is relatively thick. .
On the other hand, since a metal separator has a small heat capacity, it has excellent characteristics when warming up from below freezing point.
When starting the fuel cell stack from below freezing point, it is desirable that the heat capacity of the fuel cell stack is smaller from the viewpoint of the rate of temperature increase. However, since the metal separator is formed by pressing, the shape of the refrigerant passage provided on one side of the separator corresponds to the shape of the reaction gas passage provided on the opposite surface. Therefore, if the refrigerant flow path shape is designed so that the refrigerant heat capacity is small, there is a problem that the reaction gas flow path shape on the back surface is also affected.
本願発明者は、実験を繰り返し、拡散電極層および触媒層の空孔が、生成水の凍結によって閉塞するまでの起動制限時間、燃料電池発電による発熱量、燃料電池から外部への放熱量、および燃料電池スタックの熱容量の間に一定の関係があることを見出し、上記(A)の構成を完成させた。
上記(A)では、予め設定された起動開始温度と膜電極構造体の特性に基づいて、燃料電池スタックが再起動不能状態に陥らないための熱容量を設定している。起動成功のために要求される最大熱容量よりも小さい熱容量のスタックを用いると、昇温速度の観点からは有利であるが、冷媒熱容量を過度に小さくすることになり、反応ガス流路の設計の自由度を制限し、延いては、暖機終了後の定常運転時の性能にも影響を与えてしまう。一方、スタックの熱容量が最大熱容量を超えていると、発電不能状態となり、さらに再起動もできない状態に陥る。
上記(A)の構成により、氷点下起動時に陥り易かった再起動不能状態を回避し、さらに、反応ガス流路設計の自由度を最大限確保できる氷点下起動方法を提供する。
The inventor of the present application repeated the experiment, the start-up time limit until the pores of the diffusion electrode layer and the catalyst layer were blocked by the freezing of the generated water, the amount of heat generated by the fuel cell power generation, the amount of heat released from the fuel cell, and The present inventors have found that there is a certain relationship between the heat capacities of the fuel cell stack, and completed the configuration (A).
In (A) above, the heat capacity is set so that the fuel cell stack does not fall into a non-restartable state based on the preset start start temperature and the characteristics of the membrane electrode structure. Using a stack with a heat capacity smaller than the maximum heat capacity required for successful start-up is advantageous from the viewpoint of the rate of temperature increase, but the heat capacity of the refrigerant will be excessively reduced, and the reaction gas flow path design will be reduced. The degree of freedom is limited, and consequently, the performance during steady operation after the warm-up ends is also affected. On the other hand, when the heat capacity of the stack exceeds the maximum heat capacity, the power generation is disabled, and further restart is impossible.
According to the configuration of (A), there is provided a sub-freezing start method that avoids a non-restartable state that easily falls during sub-freezing start and further ensures the maximum degree of freedom in designing the reaction gas flow path.
(B) 燃料電池スタックの熱容量は、電極部分を積層方向に重ねてできる立体の範囲において単セル当たり単位面積当たり、0.04〜0.33J/Kcm2である。
ここで、「単セル当たり」とは、電極部分を積層方向に重ねて出きる立体部分の熱容量を、膜電極接合体の積層数で割ることを意味する。こうして得られた単セル当たりの熱容量を、さらに電極部分の面積で割ることにより上記数値を得る。
電極部分を積層方向に重ねて出きる立体の範囲において、単セル当たり単位面積当たりの熱容量が0.04から0.33J/K・cm2とされた燃料電池スタックを用いることにより、氷点下起動時に陥る可能性のある再起動不能状態を確実に回避することが可能となる。
(B) The heat capacity of the fuel cell stack is 0.04 to 0.33 J / Kcm 2 per unit area per unit cell in a three-dimensional range formed by stacking electrode portions in the stacking direction.
Here, “per unit cell” means to divide the heat capacity of the three-dimensional portion that is produced by overlapping the electrode portions in the stacking direction by the number of stacked membrane electrode assemblies. The above numerical value is obtained by dividing the heat capacity per unit cell thus obtained by the area of the electrode portion.
By using a fuel cell stack in which the heat capacity per unit area is 0.04 to 0.33 J / K · cm 2 in a three-dimensional range where electrodes are stacked in the stacking direction, It becomes possible to reliably avoid a restart impossible state that may fall.
上記(A)または(B)の構成を採用することにより、燃料電池スタックを氷点下で起動したときにも、膜電極構造体が発電不能となる前に該膜電極構造体の温度を0°C以上にすることができるので、生成水の凍結に起因して燃料電池スタックが発電不能の状態に陥るのを防止することができ、燃料電池スタックの発電を維持し続けることができるとともに、反応ガス流路設計の自由度も最大限確保することができるという優れた効果が奏される。 By adopting the above configuration (A) or (B), even when the fuel cell stack is started below freezing point, the temperature of the membrane electrode structure is reduced to 0 ° C. before the membrane electrode structure becomes unable to generate power. As described above, the fuel cell stack can be prevented from falling into a power generation disabled state due to the freezing of the generated water, the power generation of the fuel cell stack can be maintained, and the reaction gas can be maintained. There is an excellent effect that the degree of freedom in designing the flow path can be ensured to the maximum.
(C) 固体高分子電解質膜(例えば、前述する実施例における固体高分子電解質膜51)および電極(例えば、前述する実施例におけるアノード電極52、カソード電極53)を備えた膜電極構造体(例えば、前述する実施例における膜電極構造体54)と断面波形構造の金属製のセパレータ(例えば、前述する実施例におけるセパレータ55,56,64)とを複数積層してなり、少なくとも一部の前記セパレータと該セパレータに隣接して設置されたセパレータによって挟まれた空間が冷媒通路(例えば、前述する実施例における冷媒通路60)にされている燃料電池スタック(例えば、前述する実施例における燃料電池スタック1)を氷点下で起動する方法であって、前記冷媒通路に冷媒がない状態で前記燃料電池スタックを起動し、前記燃料電池スタックの出力電流が放熱分を補うために必要な最低必要電流以上となるように該燃料電池スタックの出力を制御することを特徴とする燃料電池スタックの氷点下起動方法である。
金属製のセパレータを用い、さらに氷点下起動時に冷媒を抜き取ることにより、燃料電池スタックの熱容量は飛躍的に小さくなる。
カーボン製セパレータの場合、切削加工若しくはモールド加工により、冷媒通路が形成されるため、冷媒通路は比較的小さく形成される。そのため、カーボーン製セパレータにおいて、冷媒を抜き取っても燃料電池スタックの熱容量低減効果は少なかった。これに対し、プレス加工により形成された断面波形構造の金属製セパレータを用いると、セパレータ自体の熱容量がもともと小さいこと、および断面波形構造であるため、冷媒通路も大きく設けられており、冷媒の熱容量が大きく影響することから、冷媒除去により、燃料電池スタックの熱容量が飛躍的に小さくなる。
したがって、上記(C)の構成を採用することにより、氷点下起動時における膜電極接合体の昇温速度が著しく速くなり、生成水の凍結に起因して燃料電池スタックが再起動不能に陥るのを防止することができ、燃料電池スタックの発電を維持し続けることができる。
(C) A membrane electrode structure (for example, a solid
The heat capacity of the fuel cell stack is drastically reduced by using a metal separator and extracting the refrigerant when starting below freezing.
In the case of a carbon separator, the coolant passage is formed by cutting or molding, so that the coolant passage is relatively small. Therefore, in the carbon separator, the effect of reducing the heat capacity of the fuel cell stack was small even if the refrigerant was extracted. On the other hand, when a metal separator having a corrugated cross-sectional structure formed by pressing is used, the heat capacity of the separator itself is originally small, and since the corrugated structure is cross-sectional, the refrigerant passage is also provided with a large heat capacity of the refrigerant. Greatly affects the heat capacity of the fuel cell stack due to the removal of the refrigerant.
Therefore, by adopting the above configuration (C), the temperature increase rate of the membrane electrode assembly at the time of starting below freezing point is remarkably increased, and the fuel cell stack cannot be restarted due to freezing of the generated water. This can prevent the fuel cell stack from generating electricity.
つまり、上記(C)の構成を採用することにより、燃料電池スタックの熱容量が著しく小さくなり、氷点下起動時における膜電極接合体の昇温速度が著しく速くなるので、生成水の凍結に起因して燃料電池スタックが再起動不能に陥るのを防止することができ、燃料電池スタックの発電を維持し続けることができるという効果がある。 That is, by adopting the configuration (C), the heat capacity of the fuel cell stack is remarkably reduced, and the temperature rise rate of the membrane electrode assembly at the time of starting below freezing point is remarkably increased. It is possible to prevent the fuel cell stack from being unable to be restarted and to maintain the power generation of the fuel cell stack.
(D) 前記燃料電池スタックの出力電圧が所定の値に維持されるように制御する。
燃料電池の出力電流を所定値に維持する場合と、燃料電池の出力電圧を所定値に維持する場合とでは、熱容量の違いによる昇温速度の違いが異なっている。燃料電池の出力電圧を所定値に維持する制御を行い、さらに燃料電池スタックの熱容量を低減することにより、燃料電池スタックの昇温速度を著しく速くすることができ、暖機時間を短縮することができる。
(D) Control so that the output voltage of the fuel cell stack is maintained at a predetermined value.
The difference in the rate of temperature rise due to the difference in heat capacity differs between the case where the output current of the fuel cell is maintained at a predetermined value and the case where the output voltage of the fuel cell is maintained at a predetermined value. By controlling the output voltage of the fuel cell to a predetermined value and further reducing the heat capacity of the fuel cell stack, the temperature increase rate of the fuel cell stack can be significantly increased, and the warm-up time can be shortened. it can.
つまり、上記(D)の構成を採用し、燃料電池スタックの出力電圧が所定の値に維持されるように制御するとともに、燃料電池スタックの熱容量を低減することにより、氷点下起動時における燃料電池スタックの昇温速度をより速めることができ、暖機時間を短縮することができるという効果がある。 That is, the fuel cell stack at the time of starting below the freezing point is adopted by adopting the configuration (D) and controlling the output voltage of the fuel cell stack to be maintained at a predetermined value and reducing the heat capacity of the fuel cell stack. As a result, it is possible to increase the temperature rising rate of the battery and to shorten the warm-up time.
(E) 固体高分子電解質膜(例えば、前述する実施例における固体高分子電解質膜51)および電極(例えば、前述する実施例におけるアノード電極52、カソード電極53)を備えた膜電極構造体(例えば、前述する実施例における膜電極構造体54)と断面波形構造の金属製セパレータ(例えば、前述する実施例におけるセパレータ55,56,64)とを複数積層してなる燃料電池スタック(例えば、前述する実施例における燃料電池スタック1)と、燃料電池スタックに導入する反応ガスの流量と圧力の少なくともいずれか一方と、燃料電池スタックの出力電流と出力電圧の少なくともいずれか一方とを制御しつつ燃料電池スタックを氷点下の起動開始温度から昇温する低温起動制御手段(例えば、前述する実施例における低温起動制御手段100)と、を備えた燃料電池スタック(例えば、前述する実施例における燃料電池スタック1)の氷点下起動システムにおいて、前記起動制御手段は、前記膜電極構造体の温度を検出する温度検出手段(例えば、前述する実施例における温度検出手段110)と、前記温度検出手段によって検出された温度に基づいて低温起動発電モードか通常発電モードかを判別する発電モード判別手段(例えば、前述する実施例における発電モード判別手段120)と、前記発電モード判別手段により低温起動発電モードであると判別された場合に前記燃料電池スタックの出力電流が放熱分を補うために必要な最低必要電流以上となるように該燃料電池スタックの出力を制御する低温起動時出力制御手段(例えば、前述する実施例における低温起動時出力制御手段130)とを備え、前記燃料電池スタックの熱容量は、燃料電池スタックの発電に伴う自己発熱により前記燃料電池スタックを昇温した場合に、前記膜電極構造体が発電不能となる前に該膜電極構造体の温度が0°C以上となるように、予め設定された起動開始温度と膜電極構造体の特性に基づいて所定の値に設定されていることを特徴とする燃料電池スタックの氷点下起動システムである。
このように構成することにより、氷点下起動時に陥り易かった再起動不能状態を回避することができ、さらに、反応ガス流路設計の自由度も最大限確保することができる。
(E) Membrane electrode structure (for example, solid
By configuring in this way, it is possible to avoid a state incapable of restarting that easily falls when starting below freezing point, and it is possible to secure the maximum degree of freedom in designing the reaction gas flow path.
つまり、上記(E)の構成を採用することにより、燃料電池スタックを氷点下で起動したときにも、膜電極構造体が発電不能となる前に該膜電極構造体の温度を0°C以上にすることができるので、生成水の凍結に起因して燃料電池スタックが発電不能の状態に陥るのを防止することができ、燃料電池スタックの発電を維持し続けることができるとともに、反応ガス流路設計の自由度も最大限確保することができるいう優れた効果が奏される。 That is, by adopting the configuration (E) above, even when the fuel cell stack is started below freezing point, the temperature of the membrane electrode structure is set to 0 ° C. or more before the membrane electrode structure becomes unable to generate power. Therefore, it is possible to prevent the fuel cell stack from falling into a power generation disabled state due to freezing of the generated water, and to continue to maintain power generation of the fuel cell stack, An excellent effect that the maximum degree of design freedom can be ensured is achieved.
(F)・・・原出願の[0018],[0025](原出願の請求項7に対応)
前記燃料電池スタックの冷媒通路(例えば、前述する実施例における冷媒通路60)の断面積は、反応ガス通路(例えば、前述する実施例における燃料通路58、空気通路59)の断面積よりも小さい。
このように構成することにより、氷点下起動時における燃料電池スタック内部の冷媒保有量を少なくすることができ、燃料電池スタックの熱容量を低減することができる。
(F) ... [0018], [0025] of the original application (corresponding to claim 7 of the original application)
The cross-sectional area of the refrigerant passage (for example, the
With this configuration, the amount of refrigerant retained in the fuel cell stack at the time of starting below freezing can be reduced, and the heat capacity of the fuel cell stack can be reduced.
(G) 前記燃料電池スタックは、前記膜電極構造体と前記セパレータとの間に形成される空間が反応ガス通路(例えば、前述する実施例における燃料通路58、空気通路59)とされ、互いに隣接して配置された前記セパレータ同士の間に形成される複数の空間のうち一部は冷媒通路(例えば、前述する実施例における冷媒通路60)とされ、他は空気層(例えば、前述する実施例における空気層62)とされている。
このように構成することにより、氷点下起動時における燃料電池スタック内部の冷媒保有量を少なくすることができ、燃料電池スタックの熱容量を低減することができる。
(G) In the fuel cell stack, a space formed between the membrane electrode structure and the separator serves as a reaction gas passage (for example, the
With this configuration, the amount of refrigerant retained in the fuel cell stack at the time of starting below freezing can be reduced, and the heat capacity of the fuel cell stack can be reduced.
(H) 前記燃料電池スタックは、互いに隣接する膜電極構造体の間に複数のセパレータ(例えば、前述する実施例におけるセパレータ55,56)を積層してなる第1流体通路部(例えば、前述する実施例における第1流体通路部63)と、互いに隣接する膜電極構造体の間に単一のセパレータ(例えば、前述する実施例におけるセパレータ64)を配置してなる第2流体通路部(例えば、前述する実施例における第2流体通路部65)とを有し、前記第1流体通路部および第2流体通路部において前記膜電極構造体と前記セパレータとの間に形成される空間は反応ガス通路(例えば、前述する実施例における燃料通路58、空気通路59)とされ、前記第1流体通路部において積層されたセパレータ間に形成される空間は冷媒通路(例えば、前述する実施例における冷媒通路60)とされている。
このように構成することにより、前記第2流体通路部には冷媒通路が存在しないので、氷点下起動時における燃料電池スタック内部の冷媒保有量を少なくすることができ、燃料電池スタックの熱容量を低減することができる。
(H) The fuel cell stack includes a first fluid passage portion (for example, as described above) in which a plurality of separators (for example, the
With this configuration, since there is no refrigerant passage in the second fluid passage portion, the amount of refrigerant retained in the fuel cell stack at the time of starting below freezing can be reduced, and the heat capacity of the fuel cell stack is reduced. be able to.
(I) 固体高分子電解質膜(例えば、前述する実施例における固体高分子電解質膜51)および電極(例えば、前述する実施例におけるアノード電極52、カソード電極53)を備えた膜電極構造体(例えば、前述する実施例における膜電極構造体54)と、隣接する膜電極構造体の間に設置されるセパレータ(例えば、前述する実施例におけるセパレータ55,56,64)とを複数積層してなり、氷点下においても使用可能な燃料電池スタック(例えば、前述する実施例における燃料電池スタック1)を設計する方法であって、
氷点下の温度を起動開始温度として設定する工程と、
前記起動開始温度と取出電流から、膜電極構造体が発電不能となる起動制限時間を算出する工程と、
前記起動開始温度と前記起動制限時間から前記燃料電池スタックの最大熱容量を算出する工程と、
前記最大熱容量以下の燃料電池スタックとなるように金属製のセパレータを用いて燃料電池スタックを設計する工程と、
を備える。
このように構成することにより、氷点下起動時に陥り易かった再起動不能状態を回避することができ、さらに、反応ガス流路設計の自由度も最大限確保することができる。
(I) Membrane electrode structure (for example, solid
Setting the temperature below freezing point as the start temperature,
From the starting start temperature and the extraction current, calculating a start time limit when the membrane electrode structure is unable to generate power; and
Calculating a maximum heat capacity of the fuel cell stack from the start start temperature and the start time limit;
Designing a fuel cell stack using a metal separator so that the fuel cell stack has a maximum heat capacity or less;
Is provided.
By configuring in this way, it is possible to avoid a state incapable of restarting that easily falls when starting below freezing point, and it is possible to secure the maximum degree of freedom in designing the reaction gas flow path.
つまり、上記(I)の構成を採用することにより、燃料電池スタックの発電部の熱容量を、燃料電池スタックの発電に伴う自己発熱により前記燃料電池スタックを昇温した場合に前記膜電極構造体が発電不能となる前に該膜電極構造体の温度が0°C以上となる熱容量に容易に設定することができるという優れた効果が奏される。 That is, by adopting the configuration of (I) above, when the temperature of the fuel cell stack is raised by self-heating due to power generation of the fuel cell stack, the membrane electrode structure is There is an excellent effect that the temperature of the membrane electrode structure can be easily set to a heat capacity of 0 ° C. or more before power generation becomes impossible.
〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、セパレータの断面波形は前述した実施例の形状に限るものではなく、曲線状の波形であってもよいし、略直角に曲げた矩形断面形であってもよい。
また、前述した実施例は、自己発熱による燃料電池スタックの昇温を中心に説明してきたが、起動時にヒータ等の外部加熱を併用することを妨げるものではない。
[Other Examples]
The present invention is not limited to the embodiment described above.
For example, the cross-sectional waveform of the separator is not limited to the shape of the above-described embodiment, but may be a curved waveform or a rectangular cross-sectional shape bent substantially at a right angle.
Further, although the above-described embodiment has been described mainly with respect to the temperature rise of the fuel cell stack by self-heating, it does not preclude the use of external heating such as a heater at the time of startup.
本発明は、車両等の移動体に搭載される燃料電池や定置式の燃料電池等に利用が可能である。 The present invention can be used for a fuel cell mounted on a moving body such as a vehicle or a stationary fuel cell.
1 燃料電池スタック
22 温度センサ(温度検出手段)
51 固体高分子電解質膜
52 アノード電極
53 カソード電極
54 膜電極構造体
55,56,64 セパレータ
57 単セル
58 燃料通路(反応ガス通路)
59 空気通路(反応ガス通路)
60 冷媒通路
62 空気層
63 第1流体通路部
65 第2流体通路部
100 低温起動制御手段
110 温度検出手段
120 発電モード判別手段
130 低温起動時出力制御手段
1
51 Solid
59 Air passage (reaction gas passage)
60
Claims (2)
前記セパレータが金属製で断面波形構造をなし、少なくとも一部の前記セパレータと該セパレータに隣接して設置されたセパレータによって挟まれた空間が冷媒通路にされた固体高分子型燃料電池スタックを用い、
氷点下において前記冷媒通路に冷媒が充填された状態で前記燃料電池スタックに反応ガスを供給し、燃料電池スタックの発電に伴う自己発熱により前記燃料電池スタックを昇温することを特徴とする燃料電池スタックの氷点下起動方法。 A starting method under a freezing point of a polymer electrolyte fuel cell stack formed by laminating a plurality of membrane electrode structures including a polymer electrolyte membrane and an electrode and a separator,
The separator is made of metal and has a corrugated cross section, and a solid polymer fuel cell stack in which a space sandwiched between at least a part of the separator and a separator installed adjacent to the separator is used as a refrigerant passage,
A fuel cell stack, wherein a reaction gas is supplied to the fuel cell stack in a state where the refrigerant passage is filled with a refrigerant below freezing point, and the temperature of the fuel cell stack is increased by self-heating due to power generation of the fuel cell stack. How to start below the freezing point.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007228223A JP2007317680A (en) | 2007-09-03 | 2007-09-03 | Starting method of fuel cell stack below freezing point |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007228223A JP2007317680A (en) | 2007-09-03 | 2007-09-03 | Starting method of fuel cell stack below freezing point |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2003315725A Division JP5000073B2 (en) | 2003-09-08 | 2003-09-08 | Fuel cell stack below freezing start method, fuel cell stack below freezing start system, and fuel cell stack designing method |
Related Child Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2012149381A Division JP5437446B2 (en) | 2012-07-03 | 2012-07-03 | Sub-freezing start method for vehicle fuel cell system and sub-freezing start system for vehicle fuel cell system |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2007317680A true JP2007317680A (en) | 2007-12-06 |
Family
ID=38851324
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2007228223A Pending JP2007317680A (en) | 2007-09-03 | 2007-09-03 | Starting method of fuel cell stack below freezing point |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2007317680A (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2010150337A1 (en) * | 2009-06-22 | 2010-12-29 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell system and start timing control method for the fuel cell system |
JP2014022299A (en) * | 2012-07-23 | 2014-02-03 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel cell system |
JP2015179620A (en) * | 2014-03-19 | 2015-10-08 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell system, and control method for fuel cell |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH11273704A (en) * | 1998-03-20 | 1999-10-08 | Sanyo Electric Co Ltd | Fuel cell apparatus |
JP2000208153A (en) * | 1999-01-18 | 2000-07-28 | Fuji Electric Co Ltd | Solid polymer electrolyte fuel cell |
JP2003036874A (en) * | 2001-07-19 | 2003-02-07 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system |
JP2005085578A (en) * | 2003-09-08 | 2005-03-31 | Honda Motor Co Ltd | Method for starting fuel cell stack below freezing point, system for starting fuel cell stack below freezing point, and design method of fuel cell stack |
-
2007
- 2007-09-03 JP JP2007228223A patent/JP2007317680A/en active Pending
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH11273704A (en) * | 1998-03-20 | 1999-10-08 | Sanyo Electric Co Ltd | Fuel cell apparatus |
JP2000208153A (en) * | 1999-01-18 | 2000-07-28 | Fuji Electric Co Ltd | Solid polymer electrolyte fuel cell |
JP2003036874A (en) * | 2001-07-19 | 2003-02-07 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system |
JP2005085578A (en) * | 2003-09-08 | 2005-03-31 | Honda Motor Co Ltd | Method for starting fuel cell stack below freezing point, system for starting fuel cell stack below freezing point, and design method of fuel cell stack |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2010150337A1 (en) * | 2009-06-22 | 2010-12-29 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell system and start timing control method for the fuel cell system |
CN102804469A (en) * | 2009-06-22 | 2012-11-28 | 丰田自动车株式会社 | Fuel cell system and start timing control method for the fuel cell system |
JP5273415B2 (en) * | 2009-06-22 | 2013-08-28 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell system and start-up control method in fuel cell system |
US9337502B2 (en) | 2009-06-22 | 2016-05-10 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system and control method at starting in the fuel cell system |
JP2014022299A (en) * | 2012-07-23 | 2014-02-03 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel cell system |
JP2015179620A (en) * | 2014-03-19 | 2015-10-08 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell system, and control method for fuel cell |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5000073B2 (en) | Fuel cell stack below freezing start method, fuel cell stack below freezing start system, and fuel cell stack designing method | |
JP2003036874A (en) | Fuel cell system | |
JP6001830B2 (en) | Method for starting fuel cell system for vehicle | |
JP5437446B2 (en) | Sub-freezing start method for vehicle fuel cell system and sub-freezing start system for vehicle fuel cell system | |
JP2005228637A (en) | Fuel cell system | |
JP2005044795A (en) | Low-temperature starting method for fuel cell | |
JP5215582B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2007317680A (en) | Starting method of fuel cell stack below freezing point | |
JP2009199751A (en) | Fuel cell system, and method of controlling the same | |
JP2009016082A (en) | Fuel cell system | |
JP2006164680A (en) | Fuel cell system | |
JP4803996B2 (en) | Low temperature startup method for fuel cell and fuel cell system | |
JP5145778B2 (en) | FUEL CELL SYSTEM AND METHOD FOR OPERATING FUEL CELL SYSTEM | |
JP4533604B2 (en) | Low temperature startup method for fuel cells | |
JP2006253035A (en) | Fuel cell stack and fuel cell system | |
JP2005293928A (en) | Fuel cell system | |
JP2010086933A (en) | Fuel cell system | |
JP2006286484A (en) | Fuel cell system | |
JP4361360B2 (en) | Fuel cell stack | |
JP2005174600A (en) | Fuel cell system | |
JP2006147336A (en) | Fuel cell system | |
JP2007026784A (en) | Fuel cell, fuel cell system and operation method for fuel cell system | |
JP2013218923A (en) | Fuel cell system and fuel cell system activation method | |
JP2005203133A (en) | Fuel cell, fuel cell stack and fuel cell system | |
JP2007273374A (en) | Fuel cell system |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20070903 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20110607 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20110804 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20120403 |