JP4139199B2

JP4139199B2 - Fuel cell with start-up warm-up mechanism

Info

Publication number: JP4139199B2
Application number: JP2002343212A
Authority: JP
Inventors: 雅章坂野; 義典割石; 猛松原
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-11-27
Filing date: 2002-11-27
Publication date: 2008-08-27
Anticipated expiration: 2022-11-27
Also published as: JP2004178950A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、始動暖機機構付きの燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、低温時や氷点下での燃料電池の始動暖機方法として、燃料電池スタックの周辺に電気ヒータを設けるケースや、作動ガスの代わりに水素や可燃物の燃焼ガスを流すケースなど、外部から燃料電池を加熱する方法が知られている。この種の対策の一例として、特許文献１が知られている（例えば、特許文献１参照）。図５は、従来の燃料電池発電システムを示す構成図である。図５に示すように、燃料電池発電システムは、原燃料ガスの脱硫を行う脱硫器Ａ、原燃料を改質して水素リッチガスを生成する改質器Ｂ、この改質器Ｂから燃料ガスを流通させてＣＯに変成させるＣＯ変成器Ｃ、ＣＯ除去器Ｄ、アノード極とカソード極と冷却装置からなる燃料電池Ｅ、空気供給装置Ｆ等からなり、その１つであるＣＯ変成器Ｃの下部には、スチーム発生により暖機するための高周波発生装置が備えられている。
【０００３】
図６はＣＯ変成器Ｃの構成を示す断面模式図である。図６に示すように、ＣＯ変成器Ｃは上部と下部に分かれており、上部にはＣｕ−Ｚｎ系の触媒１２が収容され、下部にはスチーム発生部１３が設けられている。そして、このスチーム発生部１３は上部と連通している。スチーム発生部１３は、内部に伝熱面積が大きい伝熱促進材１４が設けられ、この伝熱促進材１４は、例えば金属製の網、整流板、ハニカム構造板、平板又は突起物の付いた平板等である。このスチーム発生部１３は、高周波又はマイクロ波加熱を利用できる金属、ガラス又はセラミックのうちいずれか又はこれらの組み合わせにより構成されている。この高周波発生装置１５は、加熱手段としての高周波発生装置１５がスチーム発生部１３の外周にリング状に配設され、高周波又はマイクロ波を発振する発振器（図略）を有している。
【０００４】
このように構成されたＣＯ変成器Ｃは、燃料電池発電システムにおける改質器ＢとＣＯ除去器Ｄとの間に配置され、改質器Ｂで改質された燃料ガス（水素リッチガス）を供給するガス供給経路Ｈがスチーム発生部１３に接続され、且つガス供給経路Ｈには水供給経路Ｊが接続されている。
【０００５】
したがって、燃料電池発電システムの起動時には、先ず第１ステップにて高周波発生装置１５からスチーム発生部１３に所要の高周波又はマイクロ波を発振し、所定の温度まで加熱し、次いで、第２ステップにて水供給経路Ｊからスチーム発生部１３へ水調節手段Ｖ１を通じて所定量の水を供給し、スチームを発生させ、その顕熱でＣＯ変成器Ｃを昇温する。この後、第３ステップにて改質器Ｂがバーナにより所定温度まで昇温した後、原燃料ガスを供給し、ＣＯ濃度１０数パーセントに改質した水素リッチの燃料ガスを発生させ、これをＣＯ変成器Ｃに供給するようになっている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−２１０３４９号公報（図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、固体高分子型燃料電池の動作温度は、一般的に７０〜８０°Ｃであるため、起動時は燃料電池（ＦＣ）スタック本体を室温（大気温度）から動作温度まで加熱する必要があり、この加熱の熱源としては、燃料電池自体が発熱する時に発生する熱源として、空気供給コンプレッサが気体を圧縮した時に発生する断熱圧縮熱があるが、外気温が低い場合や急激に起動したい場合は、外部から電気ヒータあるいは燃焼ヒータで加熱する必要がある。特に外気温が氷点下では、氷の融解熱が必要なため、始動暖機に必要な外部加熱エネルギーは大きく、又始動暖機に投入したエネルギーは電気エネルギーとして回収不可能であるため、始動時の発熱効率は大幅に低下するという問題があった。
また、スチームの発生による暖機方法では外部加熱であるため、表面の温度が先に上昇し、内部へは熱伝導によって熱が伝わるため、燃料電池の中心が完全に暖まるまでに時間がかかるという問題があった。また、加熱時間を短縮しようとしてスチームの発生量を増加した場合、傾向として抵抗の少ない中央部の温度が上昇し、周辺と内部の温度分布が不均一になるという問題があった。さらに、外部加熱では放熱により周囲に熱が逃げるため、エネルギー効率が低い。
【０００８】
そこで、本発明は、低温時（氷点下を含む）の燃料電池の始動暖機時間を短縮させ、内部の温度分布が均一になり、かつ始動暖機に必要なエネルギーを低減させた始動暖機機構付き燃料電池を提供することを課題とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載された発明は、シート状の端面に供給ガスを通す複数のリブが設けられたセパレータと、高分子電解質膜及び触媒及び拡散層からなるＭＥＡと、シート状の端面に空気を通す複数のリブが設けられたセパレータとが重ね合わされたセルがさらに重畳状に集積された燃料電池において、前記燃料電池にマイクロ波を照射し、前記高分子電解質膜及び前記高分子電解質膜に保水された水分を選択的に加熱して始動時の暖機をするための内部加熱手段を有することを特徴とする。
【００１８】
請求項１に記載された発明によれば、高周波に換えてマイクロ波を照射することにより、高分子電解質膜や前記高分子電解質膜に保水された水分を選択的に加熱することができることから、内部の温度分布を均一に上昇させることができ、しかも、始動暖機時間の短縮と始動暖機に要するエネルギーを低減することができる。また、マイクロ波加熱および赤外線加熱によって加熱しながらの発電も可能である。
【００１９】
請求項２に記載された発明は、請求項１に記載の始動暖機機構付き燃料電池であって、前記マイクロ波の導波管として、燃料電池のガス流路を用いたことを特徴とする。
【００２０】
請求項２に記載された発明によれば、マイクロ波による加熱では、マグネトロンで発生した電磁波を導波管によって被加熱物である高分子電解質膜に誘導する。また、導波管の代わりにアノードおよびカソードのガス流路を流用することができる。これにより、マイクロ波によって高分子電解質膜内の水分子の極性が交互に反転し振動する際、摩擦熱により均一に加熱することができる。
【００２１】
請求項３に記載された発明は、請求項１又は請求項２に記載の始動暖機機構付き燃料電池であって、マイクロ波の周波数が１０〜３００ＧＨｚであることを特徴とする。
【００２２】
請求項３に記載された発明によれば、マイクロ波は、周波数が０．３〜３００ＧＨｚであるが、１０ＧＨｚ以上であれば周波数が高いほど小さい隙間にマイクロ波が侵入しやすくなることから、より均一な加熱が為される。
【００２３】
請求項４に記載された発明は、シート状の端面に供給ガスを通す複数のリブが設けられたセパレータと、高分子電解質膜及び触媒及び拡散層からなるＭＥＡと、シート状の端面に空気を通す複数のリブが設けられたセパレータとが重ね合わされたセルがさらに重畳状に集積された燃料電池において、前記燃料電池に赤外線を照射し、前記高分子電解質膜及び前記高分子電解質膜に保水された水分を選択的に加熱して始動時の暖機をするための内部加熱手段を有することを特徴とする。
【００２４】
請求項４に記載された発明によれば、赤外線を燃料電池に容易に照射することにより、内部の温度分布を均一に上昇させることができ、しかも、始動暖機時間の短縮と始動暖機に要するエネルギーを低減することができる。
【００２５】
請求項５に記載された発明は、請求項４に記載の始動暖機機構付き燃料電池であって、前記赤外線の導波管として、燃料電池のガス流路を用いたことを特徴とする。
【００２６】
請求項５に記載された発明によれば、流路幅が１ｍｍ以下のセパレータを持つ燃料電池には、赤外線が好適であり、赤外線を燃料電池に照射することにより、内部の温度分布を容易に、均一に上昇させることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の始動暖機機構付き燃料電池の各実施形態( 参考実施形態を含む )を、図面に基づいて詳細に説明する。
＜第１実施の形態＞( 参考実施形態 )
図１は、始動暖機機構付き燃料電池１の構成を示し、図１（ａ）は、高周波印加電極兼セパレータ仕様の高周波誘導加熱による始動暖機機構付き燃料電池１の断面模式図であり、図１（ｂ）は、高周波印加電極兼エンドプレート仕様の高周波誘導加熱による始動暖機機構付き燃料電池１´の断面模式図である。図１（ａ）に示すように、燃料電池（ＦＣ）スタック１は、両端にエンドプレート７，７、セパレータ４，４…、ＭＥＡ５、５…（高分子電解質膜と触媒とガス拡散層を挟んだもの）で構成され、この間を作動ガスや冷却水６、６…が通過するようになっており、電源は、金属製のエンドプレート７に接続されている。発電時に温度を上げる必要があるのはＭＥＡ５、５…のみであり、セパレータ４、４…は低温のままでも大きな問題にはならない。誘導加熱や電磁波加熱では誘電率の高い物質ほど加熱されやすいため、高分子電解質膜や水分を選択的に加熱することができる。また、セパレータ４，４…や周囲の物を直接加熱しないため、加熱エネルギーはＭＥＡ５、５…の加熱に要する量、つまり必要最小限で済ませることができる。
【００２８】
また、高周波加熱では、交流電源さえあれば燃料電池のセパレータ４，４…や電極を高周波の印加電極として流用することができるため、燃料電池スタック１の容積を新たに増加する必要がない。また、加熱は交流成分であるため、燃料電池が昇温すると同時に、徐々に直流発電を行うことができるため、燃料電池の発熱を利用して始動暖機時間を短縮すると共に、バッテリ容量を小さくすることができる。このように、図１（ａ）に示す金属製エンドプレート、（ｂ）に示す金属製セパレータに高周波電圧を印加することで、燃料電池スタック内部（各セル）に高周波電界が生じて分子が加熱される。これにより、燃料電池の高分子電解質膜や水分子が選択的に加熱され、始動暖機時間の短縮と始動暖機に要するエネルギーを低減することができる。
つまり、高周波加熱方式は、高分子電解質膜や水分の分子を振動させて、選択的に加熱することができるため、高分子電解質膜及び触媒及び拡散層からなるＭＥＡを瞬時に加熱することができる。
【００２９】
ここで、第１実施の形態の実施例を説明する。高周波電圧は、最外部のセパレータに印加することで、交流用電極を新たに設けることなく、スタック全体に高周波電界を印加することができる。高周波による誘導加熱の単位体積当たりの熱出力Ｐは、式（１）に示される。
Ｐ＝５/９×１０^-10ｆＥεｔａｎδ［Ｗ/ｍ³］ …（１）
交流電界Ｅ［Ｖ/ｍ］が強いほど、また周波数ｆ［Ｈｚ］が高いほど発熱量が大きくなる。比誘電率εおよび誘電体損失角ｔａｎδは、被加熱物の物性値で、水や高分子などが高い値を示すため、燃料電池の高分子電解質膜や水分を選択的に加熱することができる。さらに、交流電源の電圧もしくは周波数を変更することで加熱量の制御を行うことができる。また、均一に加熱するために、交流電源の周波数は、式（２）に示す値を用いるとよい。
ｆ＜３００００/Ｌ［Ｈｚ］ …（２）
ただし、Ｌ［ｍ］は、電極の最大長さである。
また、式（２）で示される周波数が商用周波数と重なる場合は、電極を分割して周波数を高くすることも可能である。
したがって、燃料電池の温度が氷点以上であり、燃料電池は低出力であれば発電が可能であるので、燃料ガスと空気をカソード、アノードから導入して交流電界をかけたまま発電を行うこともできる。この場合、発電した電力を暖機用電力として使用することもできるし、また、燃料電池自体が発熱するため、より早く定格温度に到達し、最大出力で燃料電池を運転することができる。さらに、始動暖機に使用するバッテリの電力軽減をすることができる。
高分子電解質膜を用いた燃料電池は、ある程度加湿された状態でないと運転できないが、本発明の誘電加熱や電磁波加熱では、発熱体である水分子が減少すると加熱効率が低下するため、万一加熱し過ぎた場合であっても、完全乾燥状態に陥ることがないという大きな特徴を併せ持っている。
【００３０】
＜第２実施の形態＞
図２は、マイクロ波加熱による始動暖機機構付き燃料電池２の断面模式図である。マイクロ波とは、電波の一部であり、波長が１ｍｍ〜１ｍの範囲の電磁波をいう。図２に示すように、電磁波発生器であるマグネトロンＭＧをカソード流路、あるいはアノード流路もしくはその両方に設置してガス流路を電磁波の導波管として利用し、反射電磁波を遮断するアイソレータ８を燃料電池スタック２とマグネトロンＭＧの間に設けている。電磁波は、金属面で反射するため導波管（マニホールド）は金属で覆い、またアノードおよびカソード流路の出入り口は、電磁波の波長より短いピッチの金属メッシュで覆い、電磁波が外部に漏れないようにする必要がある。燃料電池スタックには、電極セパレータがあるので、電磁波が外部に漏れる心配はない。電磁波は導波管（マニホールド）やセパレータ４、４…の導電面で反射しながらスタック内部に進入することができる。また、反射した電磁波がマグネトロンＭＧを再加熱しないように反射電磁波を遮断するアイソレータ８を燃料電池スタック２とマグネトロンＭＧの間に設ける必要がある。
【００３１】
マイクロ波加熱では、マグネトロンＭＧで発生した電磁波を、通路として導波管によって被加熱物である高分子電解質膜まで誘導しなければならないが、導波管の代わりにアノードおよびカソードの金属製のガス流路を流用することができる。ただし、流路幅以上の波長を持つ電磁波は、流路内を伝搬することができないため、流路幅が１ｍｍ以下の流路を備えるセパレータ４を持つ燃料電池にはマイクロ波の代わりに、赤外線を利用する必要がある。なお、マイクロ波加熱を行いながらの発電は可能である。
つまり、マイクロ波加熱方式は、電子レンジに使用されているように、周波数が２５４０ＭＨｚのマイクロ波によって組織内の水分子を振動させ、その振動による摩擦熱によって高分子電解質膜が加熱される。
【００３２】
＜第３実施の形態＞
図３は、赤外線加熱による始動暖機機構付き燃料電池３の断面模式図である。マグネトロンＭＧの代わりに赤外線発生装置を設置したものである。赤外線とは、マイクロ波に隣接する電磁波であり、波長は１ｍｍ〜０．７７μｍの領域のものをいい、赤外線はさらに遠赤外線（１ｍｍ〜２５μｍ）、赤外線（２５〜２．５μｍ）、近赤外線（２．５〜０．７７μｍ）の３つに区分されており、ここでは、遠赤外線を使用する。赤外線加熱を行いながらの発電も可能である。つまり、赤外線加熱方式は強い赤外線を使用した電気コンロが知られているように、赤外線が導波管を通って内部にある高分子電解質膜の成分や水の分子と反応し励起させて加熱する。詳細の説明は図２と同様であるため、図３の説明は省略するが、導波管の内部は、メッキを施した鏡面仕上げが好ましい。
【００３３】
燃焼による始動暖機方式の場合では、内部の温度が均一になるように外部から加熱する方式では、相当複雑な構造となるのに対し、本願発明の始動暖機機構付き燃料電池は、複雑な構造を採らなくても均一に加熱ができる点が大きな特徴である。このように、熱分布を均一にすることにより、高分子電解質膜の寿命に及ぼす影響も少なくなり、寿命が長くなる。
【００３４】
図４は、周波数（Freqency）を縦軸にとり、波長（Wave length）を横軸にとって赤外線とマイクロ波の領域を示すグラフである。
マイクロ波は、波長が１〜１０００ｍｍまでの電磁波をいい、赤外線は、マイクロ波に隣接する領域に位置し、波長は１ｍｍ〜０．７７μｍの領域の電磁波をいう。
【００３５】
なお、本発明はその技術思想の範囲内で種々の改造、変更が可能であり、本発明はこの改造、変更された発明にも及ぶことは当然である。たとえば、赤外線発生装置は、セラミックヒータや赤外線ランプ、ハロゲンランプ、電気ヒータ（ニクロム線など）であってもよいし、水素を燃焼させて波長変換物質（セラミック）を加熱し、赤外線を発生させても構わない。
【００４０】
【発明の効果】
請求項１に記載された発明によれば、高分子電解質膜や前記高分子電解質膜に保水された水分を選択的に加熱することができることから、内部の温度分布を均一に上昇させることができる。また、始動暖機時間の短縮と始動暖機に要するエネルギーを低減することができる。しかも、マイクロ波加熱および赤外線加熱によって加熱しながらの発電も可能である。
【００４１】
請求項２に記載された発明によれば、マイクロ波による加熱では、マグネトロンで発生した電磁波を導波管によって被加熱物である高分子電解質膜に誘導する。また、導波管の代わりにアノードおよびカソードのガス流路を流用することができる。これにより、マイクロ波によって高分子電解質膜内の水分子の極性が交互に反転し振動する際、摩擦熱により均一に加熱することができる。
【００４２】
請求項３に記載された発明によれば、マイクロ波は、周波数が０．３〜３００ＧＨｚであるが、１０ＧＨｚ以上であれば周波数が高いほど小さい隙間にマイクロ波が侵入しやすくなることから、より均一な加熱が為される。
【００４３】
請求項４に記載された発明によれば、赤外線を燃料電池に容易に照射することにより、内部の温度分布を均一に上昇させることができる。しかも、始動暖機時間の短縮と始動暖機に要するエネルギーを低減することができる。
【００４４】
請求項５に記載された発明によれば、赤外線を燃料電池に照射することにより、内部の温度分布を容易に、均一に上昇させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１実施の形態の始動暖機機構付き燃料電池の構成を示し、（ａ）は、高周波印加電極兼セパレータ仕様の高周波誘導加熱による始動暖機機構付き燃料電池１の断面模式図であり、（ｂ）は、高周波印加電極兼エンドプレート仕様の高周波誘導加熱による始動暖機機構付き燃料電池の断面模式図である。
【図２】本発明に係る第２実施の形態のマイクロ波加熱による始動暖機機構付き燃料電池の断面模式図である。
【図３】本発明に係る第３実施の形態の赤外線加熱による始動暖機機構付き燃料電池の断面模式図である。
【図４】赤外線とマイクロ波について周波数と波長の関係を示すグラフである。
【図５】従来の燃料電池発電システムを示す構成図である。
【図６】従来のＣＯ変成器の構成を示す断面模式図である。
【符号の説明】
１、１´、２、３始動暖機機構付き燃料電池
４セパレータ
５ＭＥＡ
６冷却水
７エンドプレート
８アイソレータ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell with a start warm-up mechanism.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a method of starting and warming up a fuel cell at low temperatures or below freezing, fuel is supplied from the outside, such as a case where an electric heater is provided around the fuel cell stack, or a case where hydrogen or a combustible combustion gas is used instead of working gas. A method for heating a battery is known. As an example of this type of countermeasure, Patent Document 1 is known (see, for example, Patent Document 1). FIG. 5 is a block diagram showing a conventional fuel cell power generation system. As shown in FIG. 5, the fuel cell power generation system includes a desulfurizer A that desulfurizes raw fuel gas, a reformer B that reforms the raw fuel to generate a hydrogen-rich gas, and fuel gas from the reformer B. It consists of a CO converter C, a CO remover D, a fuel cell E composed of an anode electrode, a cathode electrode, and a cooling device, an air supply device F, and the like. Is equipped with a high-frequency generator for warming up by steam generation.
[0003]
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the CO transformer C. As shown in FIG. 6, the CO converter C is divided into an upper part and a lower part, a Cu—Zn-based catalyst 12 is accommodated in the upper part, and a steam generating part 13 is provided in the lower part. The steam generating unit 13 communicates with the upper part. The steam generating unit 13 is provided with a heat transfer promoting material 14 having a large heat transfer area inside, and the heat transfer promoting material 14 has, for example, a metal net, a current plate, a honeycomb structure plate, a flat plate, or a protrusion. Flat plate or the like. The steam generating unit 13 is configured by any one of metal, glass, ceramic, or a combination thereof that can use high-frequency or microwave heating. The high-frequency generator 15 includes an oscillator (not shown) that oscillates high-frequency or microwaves, with the high-frequency generator 15 serving as a heating means disposed in a ring shape on the outer periphery of the steam generator 13.
[0004]
The CO converter C configured as described above is disposed between the reformer B and the CO remover D in the fuel cell power generation system, and supplies the fuel gas (hydrogen rich gas) reformed by the reformer B. The gas supply path H to be connected is connected to the steam generator 13, and the water supply path J is connected to the gas supply path H.
[0005]
Therefore, at the start of the fuel cell power generation system, first, in the first step, the required high frequency or microwave is oscillated from the high frequency generator 15 to the steam generator 13 and heated to a predetermined temperature, and then in the second step. A predetermined amount of water is supplied from the water supply path J to the steam generating unit 13 through the water adjusting means V1, steam is generated, and the CO transformer C is heated by the sensible heat. Thereafter, in the third step, the reformer B is heated to a predetermined temperature by the burner, and then the raw fuel gas is supplied to generate the hydrogen-rich fuel gas reformed to a CO concentration of several tens percent. The CO transformer C is supplied.
[0006]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2001-210349 (FIG. 1)
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the operating temperature of a polymer electrolyte fuel cell is generally 70 to 80 ° C., it is necessary to heat the fuel cell (FC) stack body from room temperature (atmospheric temperature) to the operating temperature during startup. As a heat source for this heating, there is adiabatic compression heat generated when the air supply compressor compresses gas as a heat source generated when the fuel cell itself generates heat, but when the outside air temperature is low or if you want to start suddenly It is necessary to heat from the outside with an electric heater or a combustion heater. Especially when the outside air temperature is below the freezing point, the heat of melting ice is required, so the external heating energy required for starting warm-up is large, and the energy input to starting warm-up cannot be recovered as electric energy. There was a problem that the heat generation efficiency was greatly reduced.
Also, because the warming-up method by the generation of steam is external heating, the surface temperature rises first, and heat is transferred to the inside by heat conduction, so it takes time for the center of the fuel cell to fully warm up There was a problem. Further, when the amount of steam generated is increased in order to shorten the heating time, there is a problem that the temperature of the central portion with a low resistance rises as a tendency, and the temperature distribution in the periphery and the interior becomes uneven. Further, in external heating, heat escapes to the surroundings due to heat radiation, so energy efficiency is low.
[0008]
Therefore, the present invention provides a start warm-up mechanism that shortens the start warm-up time of the fuel cell at low temperatures (including below freezing point), makes the internal temperature distribution uniform, and reduces the energy required for start warm-up. It is an object to provide a fuel cell with a battery.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
The invention described in claim 1 includes a separator provided with a plurality of ribs through which a supply gas is passed through a sheet-like end face, an MEA composed of a polymer electrolyte membrane, a catalyst, and a diffusion layer, and air is supplied to the sheet-like end face. In a fuel cell in which a cell in which a separator provided with a plurality of ribs to be passed is overlapped is further accumulated in a superposed manner, the fuel cell is irradiated with microwaves, and the polymer electrolyte membrane and the polymer electrolyte membrane are water-retained It is characterized by having an internal heating means for selectively heating the generated moisture and warming up at the time of starting.
[0018]
According to the invention described in claim 1 , by irradiating with microwaves instead of high frequency, it is possible to selectively heat the polymer electrolyte membrane and water retained in the polymer electrolyte membrane, The internal temperature distribution can be increased uniformly, and the start warm-up time can be shortened and the energy required for start warm-up can be reduced. Further, power generation while heating by microwave heating and infrared heating is possible.
[0019]
The invention described in claim 2 is the fuel cell with a start warm-up mechanism according to claim 1 , wherein a gas flow path of the fuel cell is used as the microwave waveguide. .
[0020]
According to the second aspect of the present invention, in the heating by the microwave, the electromagnetic wave generated by the magnetron is guided to the polymer electrolyte membrane that is the object to be heated by the waveguide. Further, anode and cathode gas flow paths can be used instead of the waveguide. Thereby, when the polarities of water molecules in the polymer electrolyte membrane are alternately reversed and vibrated by the microwave, they can be heated uniformly by frictional heat.
[0021]
The invention described in claim 3 is the fuel cell with a start warm-up mechanism according to claim 1 or 2 , wherein the microwave frequency is 10 to 300 GHz.
[0022]
According to the invention described in claim 3 , the microwave has a frequency of 0.3 to 300 GHz, but if the frequency is 10 GHz or more, the higher the frequency, the more easily the microwave enters the gap. Uniform heating is performed.
[0023]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a separator provided with a plurality of ribs through which a supply gas is passed through a sheet-like end face, an MEA comprising a polymer electrolyte membrane, a catalyst, and a diffusion layer, and air on the sheet-like end face. In a fuel cell in which a cell in which a separator provided with a plurality of ribs passing therethrough is further stacked, the fuel cell is irradiated with infrared rays, and water is retained in the polymer electrolyte membrane and the polymer electrolyte membrane. It has an internal heating means for selectively heating the water to warm up at the start.
[0024]
According to the fourth aspect of the present invention, it is possible to uniformly raise the internal temperature distribution by easily irradiating the fuel cell with infrared rays, and to reduce the start-up warm-up time and start-up warm-up. The energy required can be reduced.
[0025]
The invention described in claim 5 is a fuel cell with a start warming-up mechanism according to claim 4 , wherein a gas flow path of the fuel cell is used as the infrared waveguide.
[0026]
According to the fifth aspect of the present invention, infrared rays are suitable for a fuel cell having a separator having a flow path width of 1 mm or less. By irradiating the fuel cell with infrared rays, the internal temperature distribution can be easily achieved. , Can be raised uniformly.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, each embodiment ( including a reference embodiment ) of a fuel cell with a start warm-up mechanism of the present invention will be described in detail based on the drawings.
<First Embodiment> ( Reference Embodiment )
FIG. 1 shows a configuration of a fuel cell 1 with a start warm-up mechanism, and FIG. 1 (a) is a schematic cross-sectional view of the fuel cell 1 with a start warm-up mechanism by high-frequency induction heating with a high-frequency application electrode / separator specification. FIG. 1B is a schematic cross-sectional view of a fuel cell 1 ′ with a start-up warm-up mechanism by high-frequency induction heating with a high-frequency application electrode and end plate. As shown in FIG. 1 (a), a fuel cell (FC) stack 1 includes end plates 7, 7, separators 4, 4,..., MEA 5, 5,. The working gas and the cooling water 6, 6... Pass through this space, and the power source is connected to a metal end plate 7. Only the MEAs 5, 5... Need to raise the temperature during power generation, and the separators 4, 4,. In induction heating and electromagnetic wave heating, substances having a higher dielectric constant are more easily heated, so that the polymer electrolyte membrane and moisture can be selectively heated. In addition, since the separators 4, 4... And surrounding objects are not directly heated, the heating energy can be reduced to the amount required for heating the MEAs 5, 5,.
[0028]
Further, in high-frequency heating, as long as there is an alternating current power source, the fuel cell separators 4, 4,... In addition, since heating is an AC component, DC power generation can be performed gradually at the same time as the temperature of the fuel cell rises, so the start-up warm-up time is shortened using the heat generated by the fuel cell and the battery capacity is reduced. can do. Thus, by applying a high-frequency voltage to the metal end plate shown in FIG. 1A and the metal separator shown in FIG. 1B, a high-frequency electric field is generated inside the fuel cell stack (each cell) to heat the molecules. Is done. As a result, the polymer electrolyte membrane and water molecules of the fuel cell are selectively heated, and the start-up warm-up time can be shortened and the energy required for the start-up warm-up can be reduced.
In other words, the high-frequency heating method can selectively heat by vibrating the polymer electrolyte membrane and water molecules, so that the MEA composed of the polymer electrolyte membrane, the catalyst, and the diffusion layer can be instantaneously heated. .
[0029]
Here, an example of the first embodiment will be described. By applying the high frequency voltage to the outermost separator, a high frequency electric field can be applied to the entire stack without newly providing an AC electrode. The heat output P per unit volume of induction heating by high frequency is shown in the formula (1).
P = 5/9 × 10 ⁻¹⁰ fEεtan δ [W / m ³ ] (1)
The higher the AC electric field E [V / m] and the higher the frequency f [Hz], the greater the amount of heat generation. The relative dielectric constant ε and the dielectric loss angle tan δ are physical properties of the object to be heated, and water and polymer have high values, so that the polymer electrolyte membrane and moisture of the fuel cell can be selectively heated. . Furthermore, the amount of heating can be controlled by changing the voltage or frequency of the AC power supply. Moreover, in order to heat uniformly, it is good to use the value shown to Formula (2) for the frequency of AC power supply.
f <30000 / L [Hz] (2)
However, L [m] is the maximum length of the electrode.
Moreover, when the frequency shown by Formula (2) overlaps with a commercial frequency, it is also possible to divide an electrode and make a frequency high.
Therefore, power generation is possible if the temperature of the fuel cell is above the freezing point and the fuel cell has a low output. Therefore, it is also possible to generate power while applying an AC electric field by introducing fuel gas and air from the cathode and anode. it can. In this case, the generated power can be used as warm-up power, and the fuel cell itself generates heat, so that the rated temperature can be reached earlier and the fuel cell can be operated at the maximum output. Furthermore, it is possible to reduce the power of the battery used for starting warm-up.
A fuel cell using a polymer electrolyte membrane cannot be operated unless it is humidified to some extent. However, in the case of dielectric heating or electromagnetic wave heating according to the present invention, if water molecules as a heating element decrease, the heating efficiency decreases. Even when heated too much, it has the great feature that it does not fall into a completely dry state.
[0030]
<Second Embodiment>
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the fuel cell 2 with a startup warm-up mechanism by microwave heating. A microwave is a part of a radio wave and refers to an electromagnetic wave having a wavelength in a range of 1 mm to 1 m. As shown in FIG. 2, an isolator 8 that shields reflected electromagnetic waves by installing a magnetron MG, which is an electromagnetic wave generator, in a cathode flow path and / or an anode flow path and using the gas flow path as an electromagnetic wave waveguide. Is provided between the fuel cell stack 2 and the magnetron MG. Electromagnetic waves are reflected on the metal surface, so the waveguide (manifold) is covered with metal, and the entrance and exit of the anode and cathode channels are covered with a metal mesh with a pitch shorter than the wavelength of the electromagnetic waves so that the electromagnetic waves do not leak outside. There is a need to. Since there is an electrode separator in the fuel cell stack, there is no risk of electromagnetic waves leaking outside. The electromagnetic waves can enter the stack while being reflected by the conductive surfaces of the waveguide (manifold) and the separators 4, 4. Further, it is necessary to provide an isolator 8 between the fuel cell stack 2 and the magnetron MG so that the reflected electromagnetic waves do not reheat the magnetron MG.
[0031]
In microwave heating, electromagnetic waves generated by the magnetron MG must be guided to a polymer electrolyte membrane, which is an object to be heated, by a waveguide as a passage. Instead of the waveguide, metal gases of anode and cathode are used. The flow path can be diverted. However, since an electromagnetic wave having a wavelength longer than the channel width cannot propagate in the channel, the fuel cell having the separator 4 provided with a channel having a channel width of 1 mm or less has an infrared ray instead of a microwave. It is necessary to use. It is possible to generate power while performing microwave heating.
That is, in the microwave heating method, as used in a microwave oven, water molecules in the tissue are vibrated by microwaves having a frequency of 2540 MHz, and the polymer electrolyte membrane is heated by frictional heat due to the vibrations.
[0032]
<Third Embodiment>
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the fuel cell 3 with a start warm-up mechanism by infrared heating. An infrared generator is installed in place of the magnetron MG. Infrared rays are electromagnetic waves adjacent to microwaves and have a wavelength of 1 mm to 0.77 μm. Infrared rays are far infrared rays (1 mm to 25 μm), infrared rays (25 to 2.5 μm), near infrared rays ( 2.5 to 0.77 μm), and far infrared rays are used here. Power generation with infrared heating is also possible. In other words, the infrared heating system is heated by reacting with the components of the polymer electrolyte membrane and water molecules inside and passing through the waveguide, as is known for electric stoves using strong infrared rays. . Since the detailed description is the same as FIG. 2, the description of FIG. 3 is omitted, but the inside of the waveguide preferably has a mirror finish with plating.
[0033]
In the case of the start warm-up method by combustion, the method of heating from the outside so that the internal temperature becomes uniform has a considerably complicated structure, whereas the fuel cell with the start warm-up mechanism of the present invention has a complicated structure. A major feature is that heating can be performed uniformly without adopting a structure. Thus, by making the heat distribution uniform, the influence on the life of the polymer electrolyte membrane is reduced and the life is extended.
[0034]
FIG. 4 is a graph showing infrared and microwave regions with the frequency (Freqency) on the vertical axis and the wavelength (Wave length) on the horizontal axis.
Microwave refers to electromagnetic waves having a wavelength of 1 to 1000 mm, and infrared light refers to electromagnetic waves located in a region adjacent to the microwave and having a wavelength of 1 mm to 0.77 μm.
[0035]
The present invention can be variously modified and changed within the scope of the technical idea, and the present invention naturally extends to the modified and changed invention. For example, the infrared generator may be a ceramic heater, an infrared lamp, a halogen lamp, or an electric heater (such as nichrome wire), or burns hydrogen to heat a wavelength converting substance (ceramic) to generate infrared rays. It doesn't matter.
[0040]
【The invention's effect】
According to the invention described in claim 1 , since the polymer electrolyte membrane and the water retained in the polymer electrolyte membrane can be selectively heated, the internal temperature distribution can be increased uniformly. . Further, the start warm-up time can be shortened and the energy required for the start warm-up can be reduced. Moreover, power generation while heating by microwave heating and infrared heating is also possible.
[0041]
According to the second aspect of the present invention, in the heating by the microwave, the electromagnetic wave generated by the magnetron is guided to the polymer electrolyte membrane that is the object to be heated by the waveguide. Further, anode and cathode gas flow paths can be used instead of the waveguide. Thereby, when the polarities of water molecules in the polymer electrolyte membrane are alternately reversed and vibrated by the microwave, they can be heated uniformly by frictional heat.
[0042]
According to the invention described in claim 3 , the microwave has a frequency of 0.3 to 300 GHz, but if the frequency is 10 GHz or more, the higher the frequency, the more easily the microwave enters the gap. Uniform heating is performed.
[0043]
According to the invention described in claim 4 , the internal temperature distribution can be uniformly increased by easily irradiating the fuel cell with infrared rays. In addition, the start warm-up time can be shortened and the energy required for the start warm-up can be reduced.
[0044]
According to the fifth aspect of the present invention, the internal temperature distribution can be easily and uniformly raised by irradiating the fuel cell with infrared rays.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows the configuration of a fuel cell with a start warm-up mechanism according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1 (a) shows a fuel cell 1 with a start warm-up mechanism by high-frequency induction heating using a high-frequency application electrode / separator specification. (B) is a schematic cross-sectional view of a fuel cell with a start-up warm-up mechanism by high-frequency induction heating of a high-frequency application electrode and end plate specification.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a fuel cell with a startup warm-up mechanism by microwave heating according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic sectional view of a fuel cell with a start-up warm-up mechanism by infrared heating according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between frequency and wavelength for infrared rays and microwaves.
FIG. 5 is a block diagram showing a conventional fuel cell power generation system.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a conventional CO transformer.
[Explanation of symbols]
1, 1 ′, 2, 3 Fuel cell with start-up warm-up mechanism 4 Separator 5 MEA
6 Cooling water 7 End plate 8 Isolator

Claims

A separator provided with a plurality of ribs for passing a supply gas on a sheet-like end face; an MEA comprising a polymer electrolyte membrane, a catalyst and a diffusion layer; and a separator provided with a plurality of ribs for passing air on a sheet-like end face; In a fuel cell in which cells stacked with each other are further accumulated in a superimposed manner,
An internal heating means for irradiating the fuel cell with microwaves and selectively heating the polymer electrolyte membrane and water retained in the polymer electrolyte membrane to warm up at the time of start-up A fuel cell with a starting warm-up mechanism.

The fuel cell with a start warm-up mechanism according to claim 1, wherein a gas flow path of a fuel cell is used as the microwave waveguide.

The fuel cell with a start warm-up mechanism according to claim 1 or 2, wherein the frequency of the microwave is 10 to 300 GHz.

A separator provided with a plurality of ribs for passing a supply gas on a sheet-like end face; an MEA comprising a polymer electrolyte membrane, a catalyst and a diffusion layer; and a separator provided with a plurality of ribs for passing air on a sheet-like end face; In a fuel cell in which cells stacked with each other are further accumulated in a superimposed manner,
It has an internal heating means for irradiating the fuel cell with infrared rays and selectively heating the polymer electrolyte membrane and the water retained in the polymer electrolyte membrane to warm up at the time of starting. A fuel cell with a starting warm-up mechanism.

The fuel cell with a start warm-up mechanism according to claim 4, wherein a gas flow path of a fuel cell is used as the infrared waveguide.