JP4533604B2 - Low temperature start-up method of the fuel cell - Google Patents

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英男 加藤
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本田技研工業株式会社
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Description

本発明は、固体高分子電解質膜を一対の電極間に配設した電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される固体高分子型燃料電池を、氷点下の温度で起動させるための燃料電池の低温起動方法に関する。 The present invention includes a membrane electrode assembly which is disposed a solid polymer electrolyte membrane between a pair of electrodes, a polymer electrolyte fuel cell and a separator are stacked, a fuel cell for activating at sub-zero temperatures of on the low-temperature start-up method.

一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜(固体高分子電解質膜)からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持している。 Generally, polymer electrolyte fuel cell, on both sides of the electrolyte membrane is a polymer ion exchange membrane (polymer electrolyte membrane), the membrane electrode assembly was interposed between an anode and a cathode electrode respectively and it is interposed between separators. この種の燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ交互に積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。 The fuel cell for generating, by laminating alternately membrane electrode structures and separators predetermined number, is used as a fuel cell stack.

この燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス(以下、水素含有ガスともいう)は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。 In this fuel cell, the fuel gas supplied to the anode, such as a gas chiefly containing hydrogen (hereinafter, also referred to as a hydrogen-containing gas), hydrogen is ionized on the electrode catalyst, with an electrolyte membrane a cathode It moved to the side electrode side. その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。 Electrons reaction flow through an external circuit and used as direct current electrical energy. なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気(以下、酸素含有ガスともいう)が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。 Note that the cathode, the oxidant gas, for example, primarily gas or air containing oxygen to (hereinafter also referred to as the oxygen-containing gas) is supplied, in the cathode electrode, hydrogen ions, electrons and oxygen react to produce water.

ところで、この種の燃料電池では、イオン導電性を維持するために、高分子イオン交換膜からなる電解質膜を適度に加湿しておく必要がある。 Meanwhile, in the fuel cell of this type, in order to maintain the ion conductivity, it is necessary to appropriately humidify the electrolyte membrane is a polymer ion exchange membrane. さらに、カソード側電極では、上記のように反応による生成水が存在している。 Further, in the cathode, there are produced water by the reaction as described above. このため、燃料電池を氷点下(水の凍結温度以下)で始動させようとすると、前記燃料電池内の水分が凍結し易く、該燃料電池内で電気化学反応が行われ難いという不具合が指摘されている。 Therefore, if an attempt to start the fuel cell below freezing point (freezing temperature of water or less), the water tends to freeze in the fuel cell, and a problem that hardly electrochemical reaction takes place in the fuel cell has been pointed out there.

そこで、例えば、特許文献1には、Dupont社製のNAFION(登録商標)及びDow社製の実験用膜(商品番号XUX 13204.10)のような電解質膜が、−20℃の温度であっても十分にイオン的に伝導性を有して燃料電池内で電気化学反応が可能であることが開示されている。 Therefore, for example, Patent Document 1, the electrolyte membrane, such as Dupont Co. NAFION (registered trademark) and Dow Corporation laboratory film (product number XUX 13,204.10) is a temperature of -20 ° C. discloses that also is capable of sufficiently electrochemical reaction in the fuel cell has an ionically conductive.

この特許文献1では、上記の電解質膜を用いることにより、水の凝固温度よりも低い温度から燃料電池電力発生装置の作動を開始するための方法を開示している。 In Patent Document 1, by using the above electrolyte membrane, discloses a method for initiating operation of the fuel cell power generation apparatus from a lower temperature than the freezing temperature of water. 電力発生装置は、外部電気回路に対して電流を供給するために前記外部電気回路に接続可能な燃料電池堆積体を有している。 Power generating device has the external electrical circuit that can be connected to the fuel cell stack to supply a current to an external electrical circuit. 堆積体は、少なくとも一つの燃料電池を有し、前記燃料電池が、正極と、負極と、これらの間に挿入された水透過性イオン交換膜とを備えた膜電極組立品を具備するとともに、前記膜電極組立品の少なくとも一部の温度が水の凝固温度より低い。 Stack has at least one fuel cell, the fuel cell, a positive electrode and a negative electrode, as well as provided with a membrane electrode assembly comprising an insertion water permeable ion exchange membrane between them, at least part of the temperature of the membrane electrode assembly is lower than the freezing temperature of water. そして、この方法では、膜電極組立品の一部の温度が水の凝固温度を超過するように、堆積体から外部電気回路に電流を供給する工程を含んでいる。 Then, in this method, the temperature of the portion of the membrane electrode assembly is to exceed the solidification temperature of the water, and includes a step of supplying a current to an external electrical circuit from the deposition material.

特表2000−512068号公報(図3) Kohyo 2000-512068 JP (FIG. 3)

しかしながら、上記の特許文献1では、水の凝固温度以下であっても燃料電池の作動が可能になるものの、所定の温度以下で起動すると、電解質膜のイオン導電性が著しく低下して、所望の始動状態に迅速に移行することが困難であるという問題がある。 However, Patent Document 1 described above, although even less water freezing temperature to allow operation of the fuel cell, starting at a predetermined temperature or lower, and significantly reduced the ionic conductivity of the electrolyte membrane, the desired there is a problem that it is difficult to quickly transition to the starting state.

具体的に詳述すると、通常、固体高分子型燃料電池に使用される固体高分子電解質膜のイオン導電性には、温度特性が存在しており、プロトン伝達を司るクラスター内部の水は、例えば、−10℃〜−30℃の範囲で凍結し、前記固体高分子電解質膜のイオン導電性が著しく低下することが確認されている。 Specifically detail, typically, the ion conductivity of the solid polymer electrolyte membrane used in polymer electrolyte fuel cells, there are temperature characteristics, the clusters inside the water responsible for proton transfer, e.g. , frozen in a range of -10 ℃ ~-30 ℃, the solid ion conductive polymer electrolyte membrane that is significantly reduced has been confirmed. このため、クラスター内部の水が凍結し始める温度以下から燃料電池を起動する際には、前記燃料電池を暖機するために必要な電流を該燃料電池自体から取り出すことができないという問題がある。 Therefore, when starting the fuel cell from below the temperature at which water inside the cluster starts to freeze, it is impossible to retrieve the current required to warm up the fuel cell from the fuel cell itself.

一方、燃料電池は、発電によって水を生成しており、前記燃料電池の内部には、常に水が存在している。 On the other hand, a fuel cell, power generation is to produce water by the interior of the fuel cell, is always present water. そこで、燃料電池の運転停止後に内部温度が低下して、電極触媒層の近傍に存在する水が凍結すると、触媒有効面積が低下して印加可能な電流が減少してしまう。 Therefore, the internal temperature decreased after the operation of the fuel cell is stopped, the water present in the vicinity of the electrode catalyst layer is frozen, the catalyst effective area capable of applying reduced current is reduced. その際、電極触媒層等の極小細孔内に存在する水は、その細孔径によって凍結温度が0℃以下に変動することが知られている。 At that time, the water present in the minimum pores of the electrode catalyst layer or the like, it is known that freezing temperature by the pore size varies 0 ℃ below. 従って、この凍結温度以下から燃料電池を起動する際に、前記燃料電池の暖機に必要な電流を該燃料電池自体から取り出せないおそれがある。 Therefore, when starting the fuel cell from the freezing temperature or less, it may not be extracted from the fuel cell itself current required for warm-up of the fuel cell.

さらにまた、クラスター内部の水の凍結温度及び電極細孔内の水の凍結温度の双方よりも高い温度であれば、初期負荷印加が可能であるものの、発電が進行するのに従って、生成水が電極拡散層内で凍結し易い。 Furthermore, if a higher temperature than both the freezing temperature of water in the freezing temperature and the electrode pores water inside the cluster, although it is possible to preload applied, as the power generation progresses, product water electrode easy to freeze in the diffusion layer. これにより、ガス拡散性が低下してセル電圧の降下を招来するという問題がある。 Thus, there is a problem that the gas diffusion property is lead to drop in the cell voltage decreases.

本発明はこの種の問題を解決するものであり、水の凍結温度以下の環境でも迅速且つ確実な始動が遂行されるとともに、燃料消費量を有効に低減して効率的な運転が可能な燃料電池の低温起動方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve this type of problem, with even faster and reliable starting at below freezing temperatures of the environment of the water is performed, capable of efficient operation by effectively reducing fuel consumption fuel and to provide a cold start process of the battery.

本発明に係る燃料電池の低温起動方法では、燃料電池の温度が氷点下で且つ基準温度以下であることが検出された際、外部熱源を用いて前記燃料電池が加熱される。 The cold start method for a fuel cell according to the present invention, when the temperature of the fuel cell is detected to be at and reference temperature or less below the freezing point, the fuel cell is heated using an external heat source. ここで、基準温度とは、固体高分子電解質膜のクラスター内部の水の凍結や、電極触媒層内の水の凍結や、電極拡散層内の水の凍結等が発生し易く、燃料電池自体の発電による自己暖機が困難になる温度をいう。 Here, the reference temperature and the water freezing and clusters inside the solid polymer electrolyte membrane, frozen and water electrode catalyst layer, easy freezing, etc. of the water of the electrode diffusion layer is generated, the fuel cell itself It refers to the temperature at which the self-warm-up becomes difficult by the power generation. そして、燃料電池の温度が上記の基準温度以下である際には、外部熱源により前記燃料電池を外部から加熱することによって、該燃料電池を昇温させる。 Then, when the temperature of the fuel cell is less than the reference temperature, by heating the fuel cell by an external heat source from the outside, it raises the temperature of the fuel cell.

次いで、燃料電池の温度が基準温度に達した際、外部熱源による加熱を停止して前記燃料電池自体の発電のみにより該燃料電池が加熱される。 Then, when the temperature of the fuel cell has reached the reference temperature, the fuel cell is heated by only the power generation of the fuel cell itself by stopping heating by the external heat source. 従って、基準温度から燃料電池の自己暖機のみが行われ、例えば、前記燃料電池が車載用として使用される際に、0℃以下からの走行が開始される。 Therefore, only the self-warming up of the fuel cell from the reference temperature is performed, for example, when the fuel cell is used in vehicles, running from 0 ℃ less is started. 燃料電池自体の発電により得られる出力(電力)を、走行用モータに供給することが可能になるからである。 Output obtained by the power generation of the fuel cell itself (power), because it becomes possible to supply to the traction motor.

また、第1の昇温工程では、燃料電池の発電を停止した状態で、外部熱源のみによる加熱を行ってもよく、あるいは、前記燃料電池の発電を行いながら、外部熱源による加熱を行ってもよい。 In the first heating step, in a state of stopping power generation of the fuel cell, may be subjected to heat only by an external heat source, or while the power generation of the fuel cell, be heated by an external heat source good.

さらに、基準温度は、電解質膜・電極構造体を構成するクラスター内に貯蔵される水の凍結温度、前記電解質膜・電極構造体を構成する電極触媒層の細孔内の水の凍結温度、及び燃料電池の熱容量と前記電解質膜・電極構造体の生成水保持容量とによって決定される水の凍結温度の中、最も高い温度に設定されることが好ましい。 Furthermore, the reference temperature, the freezing temperature of the water stored in the cluster of the membrane electrode assembly, the freezing temperature of water in the pores of the electrode catalyst layer of the membrane electrode assembly, and among the freezing temperature of the water is determined by the product water retention capacity of the heat capacity and the membrane electrode assembly of a fuel cell, it is preferable to set the highest temperature.

さらにまた、外部熱源により燃料電池全体を加熱することが好ましい。 Furthermore, it is preferable to heat the entire fuel cell by an external heat source. 具体的には、燃料電池は、複数の発電セルを積層して構成されるとともに、外部熱源により前記各発電セル毎に加熱する、あるいは、2以上の前記発電セル毎に加熱する。 Specifically, fuel cells, while being formed by stacking a plurality of power generation cells are heated to each of said power generation cell by an external heat source, or heated to every two or more of the power generation cell. また、燃料電池は、複数の発電セルを積層して構成されるとともに、外部熱源により積層方向両端部に配置される前記発電セルを加熱してもよい。 Further, fuel cells, while being formed by stacking a plurality of power generation cells may be heated the generator cells disposed in the stacking direction at both ends by an external heat source.

さらに、外部熱源により加熱された冷却媒体を燃料電池に供給することにより、前記燃料電池を加熱することが好ましい。 Further, by supplying the cooling medium heated by an external heat source to the fuel cell, it is preferable to heat the fuel cell. さらにまた、外部熱源である電気ヒータにより燃料電池を加熱するとともに、前記電気ヒータには、前記燃料電池から電力が供給され、バッテリから電力が供給され、あるいは、キャパシタから電力が供給されることが好ましい。 Furthermore, while heating the fuel cell by the electric heater is an external heat source, the electric heater is supplied with electric power from the fuel cell, electric power from the battery is supplied, or that the power from the capacitor is supplied preferable.

また、外部熱源である加熱プレートにより燃料電池を加熱し、あるいは、前記外部熱源である水素燃焼触媒により前記燃料電池を加熱することが好ましい。 Also, heating the fuel cell by the heating plate is external heat source, or, it is preferable to heat the fuel cell by the hydrogen combustion catalyst which is the external heat source. 加熱プレートは、例えば、内部に液状加熱媒体を封入した構成や、内部に燃焼触媒を収容した構成等が採用可能である。 Heating plate, for example, configuration and enclosing a liquid heating medium therein, configuration and the like accommodated inside the combustion catalyst can be employed.

さらに、燃料電池の温度は、該燃料電池の冷却媒体出口温度又は冷却媒体入口温度を測定して、あるいは、該燃料電池の酸化剤ガス出口温度又は酸化剤ガス入口温度を測定して得られるとともに、前記燃料電池内には、該燃料電池の温度を測定する1以上の温度計が内装されることが好ましい。 Furthermore, the temperature of the fuel cell measures the coolant outlet temperature or coolant inlet temperature of the fuel cell, or, together with the obtained by measuring the oxidant gas outlet temperature or oxidant gas inlet temperature of the fuel cell , inside the fuel cell, it is preferable that one or more thermometers for measuring the temperature of the fuel cell is furnished.

本発明によれば、燃料電池の温度が、氷点下で且つ基準温度以下であることが検出された際、外部熱源を用いて前記燃料電池が加熱される。 According to the present invention, the temperature of the fuel cell, and when it is lower than or equal to the reference temperature is detected in sub-zero temperatures, the fuel cell is heated using an external heat source. このため、燃料電池は、水の凍結を防止しながら基準温度を超える温度に迅速且つ確実に昇温される。 Therefore, the fuel cell is rapidly and reliably heated to a temperature exceeding the reference temperature while preventing the freezing of water.

次いで、燃料電池の温度が基準温度に達した際、外部熱源による加熱を停止して、前記燃料電池自体の発電のみにより該燃料電池が加熱される。 Then, when the temperature of the fuel cell has reached the reference temperature, and stops the heating by the external heat source, the fuel cell is heated by only the power generation of the fuel cell itself. 従って、基準温度から燃料電池の自己暖機のみが行われるため、外部熱源による消費熱量が大幅に削減されて経済的である。 Therefore, since only the self-warming up of the fuel cell from the reference temperature it takes place, the amount of heat consumed by the external heat source is economical been significantly reduced. しかも、外部熱源を小型化且つ軽量化することが容易に行われ、効率的な低温起動が遂行可能になる。 Moreover, it is easily performed to reduce the size and weight of the external heat source, efficient cold start becomes possible execution.

さらに、燃料電池の温度が基準温度に達した段階で、外部熱源による加熱が停止されるため、前記燃料電池が車載用として使用される際に、該燃料電池の温度が0℃以下であっても、走行を開始することができる。 Furthermore, at the stage where the temperature of the fuel cell has reached the reference temperature, since the heating by the external heat source is stopped, when the fuel cell is used in vehicles, the temperature of the fuel cell is not more 0 ℃ less also, it is possible to start traveling. これにより、低温起動直後に、迅速に走行を開始することが可能になる。 Thus, it is possible to start immediately after the cold start, a quick travel.

図1は、本発明に係る燃料電池の低温起動方法に用いられる第1の実施形態の燃料電池システム10の概略構成説明図である。 Figure 1 is a view schematically showing a fuel cell system 10 of the first embodiment used in the cold start method of the fuel cell according to the present invention.

燃料電池システム10は、例えば、自動車等の車両に搭載されており、固体高分子型燃料電池12を備える。 The fuel cell system 10, for example, is mounted on a vehicle such as an automobile, comprising a polymer electrolyte fuel cell 12. この燃料電池12は、複数の発電セル14を矢印A方向に積層するとともに、積層方向両端にターミナルプレート15a、15bを介装してエンドプレート16a、16bが配置されている。 The fuel cell 12 is configured to stack a plurality of the power generation cell 14 in the direction of arrow A, a terminal plate 15a opposite ends in the stacking direction, and interposed 15b end plates 16a, 16b are arranged. エンドプレート16a、16bは、図示しない締め付けボルトにより積層方向に締め付けられている。 End plates 16a, 16b are fastened in the stacking direction by the tightening bolt not shown.

発電セル14は、固体高分子電解質膜18の両側にカソード側電極20とアノード側電極22とを配置した電解質膜・電極構造体24と、前記電解質膜・電極構造体24を挟持する一対のセパレータ26、28とを備える。 Power generation cell 14 includes a cathode 20 and an anode-side electrode 22 and the membrane electrode assembly 24 which is arranged on both sides of the solid polymer electrolyte membrane 18, a pair of separators sandwiching the membrane electrode assembly 24 and a 26 and 28. セパレータ26には、カソード側電極20に酸化剤ガスとして、例えば、酸素を含む空気を供給するための酸化剤ガス流路30が形成される。 The separator 26, as an oxidant gas to the cathode 20, for example, oxygen-containing gas flow field 30 for supplying the air containing oxygen is formed. セパレータ28の一方の面には、アノード側電極22に燃料ガスとして、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス流路32が形成されるとともに、他方の面には、発電セル14間に冷却媒体を供給するための冷却媒体流路34が形成される。 On one surface of the separator 28, as a fuel gas to the anode 22, for example, a fuel gas flow path 32 for supplying a hydrogen-containing gas is formed on the other surface, between the power generation cells 14 coolant flow 34 for supplying a coolant is formed.

冷却媒体流路34は、冷却媒体供給系36に連通する。 Coolant flow 34 is in communication with the coolant supply system 36. この冷却媒体供給系36は、冷却媒体を貯留する冷媒タンク38と、循環路40とを備え、この循環路40は、前記冷媒タンク38と燃料電池12の冷却媒体流路34とに連通して前記冷却媒体を循環させる。 The coolant supply system 36 includes a refrigerant tank 38 for storing the cooling medium, and a circulation path 40, the circulation path 40 is communicated with a cooling medium passage 34 of the refrigerant tank 38 and the fuel cell 12 circulating said cooling medium. 冷媒タンク38には、冷却媒体を加熱するための電気ヒータ(外部熱源)42が装着される。 The refrigerant tank 38, an electric heater (external heat source) for heating the cooling medium 42 is mounted.

燃料電池12を構成するターミナルプレート15a、15bには、電源部44が電気的に接続される。 Terminal plate 15a of the fuel cell 12, the 15b, the power supply unit 44 are electrically connected. この電源部44は、例えば、負荷、バッテリ又はキャパシタ等を備えており、電気ヒータ42に電気的に接続される。 The power supply unit 44, for example, the load comprises a battery or a capacitor or the like, is electrically connected to the electric heater 42. 電源部44及び電気ヒータ42は、コントローラ46に接続されるとともに、前記コントローラ46には、燃料電池12に内装される第1温度計48、及び冷媒タンク38内に配設される第2温度計50からそれぞれの温度検出信号が入力される。 Power supply unit 44 and the electric heater 42 is connected to the controller 46, the controller 46 first thermometer 48 is furnished to the fuel cell 12, and the second thermometer is disposed in the refrigerant tank 38 each of the temperature detection signal from 50 is input.

第1温度計48は、発電セル14の積層方向に沿って複数配設されており、燃料電池12の冷却媒体出口温度、冷却媒体入口温度、酸化剤ガス出口温度、あるいは、酸化剤ガス入口温度を測定する。 The first thermometer 48 is more arranged along the stacking direction of the power generation cell 14, coolant outlet temperature of the fuel cell 12, the coolant inlet temperature, oxidant gas outlet temperature, or the oxidant gas inlet temperature to measure. 各第1温度計48により検出された温度の中、最低温度が燃料電池12の内部温度として検出される。 Among the temperatures detected by the first thermometer 48, the minimum temperature is detected as the internal temperature of the fuel cell 12.

燃料電池12には、図示していないが、酸化剤ガス流路30に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給系と、燃料ガス流路32に燃料ガスを供給する燃料ガス供給系とが接続されている。 The fuel cell 12, although not shown, an oxidant gas supply system for supplying an oxygen-containing gas, a fuel gas supply system for supplying fuel gas to the fuel gas passage 32 is connected to the oxidizing gas channel 30 It is.

このように構成される燃料電池システム10の動作について、図2に示すフローチャートに沿って以下に説明する。 Operation of the fuel cell system 10 will be described with reference to a flowchart shown in FIG.

先ず、コントローラ46に駆動信号が入力されると(ステップS1)、ステップS2に進んで、第1温度計48を介して燃料電池(FC)12の内部温度が計測される。 First, a driving signal is input to the controller 46 (step S1), the process proceeds to step S2, the internal temperature of the fuel cell (FC) 12 is measured via a first thermometer 48. コントローラ46には、複数の第1温度計48からそれぞれの温度検出信号が入力されており、このコントローラ46は、各第1温度計48により検出された温度の中、最低温度を用いて燃料電池12の内部温度を演算する(ステップS3)。 The controller 46, each of the temperature detection signal from a plurality of first thermometer 48 is input, the controller 46, in the temperature detected by the first thermometer 48, fuel cells using a minimum temperature It calculates the internal temperature of 12 (step S3).

次いで、演算された内部温度が氷点(1気圧で0℃)下であるか否か、すなわち、燃料電池12の内部温度が水の凝固点を下回る環境下で、前記燃料電池12を起動するか否かが判断される(ステップS4)。 Then, whether the calculated internal temperature is below (0 ° C. at one atmosphere) freezing point, i.e., in an environment in which the internal temperature of the fuel cell 12 falls below the freezing point of water, or to start the fuel cell 12 not or not is judged (step S4). 内部温度が氷点下であると(ステップS4中、YES)、ステップS5に進んで、この内部温度が基準温度よりも低温であるか否かが判断される。 Internal temperature is below the freezing point (in step S4, YES), the process proceeds to step S5, whether a low temperature is determined than the internal temperature reference temperature.

ここで、基準温度は、以下に説明する要件に基づいて、氷点下の所定の温度に設定される。 Here, the reference temperature on the basis of the requirements described below, is set to a sub-zero predetermined temperature. 先ず、燃料電池12の内部温度と、発電により前記燃料電池12から取り出すことができる電流値との関係は、図3に示されている。 First, the relationship between the internal temperature of the fuel cell 12, a current value can be extracted from the fuel cell 12 by the power generation is shown in FIG. これにより、燃料電池12の内部温度が低下するのに伴って電流値が低下し、氷点下のある温度で前記電流値が急激に低下するという温度特性がある。 Thus, the internal temperature of the fuel cell 12 along with being reduced to decrease the current value, there is a temperature characteristic that the current value at a temperature of below the freezing point decreases rapidly. この氷点下のある温度が基準温度であり、燃料電池12を安定して使用するには、前記燃料電池12の内部温度を前記基準温度以上に昇温する必要がある。 Temperature with the sub-zero is the reference temperature, in order to use the fuel cell 12 stably, it is necessary to raise the temperature of the internal temperature of the fuel cell 12 than the reference temperature.

次に、上記の基準温度を設定する際には、固体高分子電解質膜18のイオン導電性、電解質膜・電極構造体24のガス拡散性及び燃料電池12の熱容量が考慮される。 Next, when setting the reference temperature, the ion conductivity of the solid polymer electrolyte membrane 18, the heat capacity of the gas diffusion property and the fuel cell 12 of the membrane electrode assembly 24 are contemplated.

固体高分子電解質膜18では、図4に示すように、燃料電池12の内部温度が氷点下のある温度(基準温度)に至ると、抵抗過電圧が急激に上昇して発電が困難となってしまう。 In the solid polymer electrolyte membrane 18, as shown in FIG. 4, the internal temperature of the fuel cell 12 reaches the temperature (reference temperature) with a sub-zero, resistance overvoltage becomes difficult rapidly rises and power generation. これは、図5に示すように、固体高分子電解質膜18のクラスター内部の水が、氷点下の限界温度(基準温度)、例えば、−10℃〜−30℃の範囲で吸熱量のピークが発生し、前記固体高分子電解質膜18に取り込まれた水が凍結してイオン導電性が著しく低下するからである。 This is because, as shown in FIG. 5, clusters the water inside of the solid polymer electrolyte membrane 18, freezing limit temperature (reference temperature), for example, the peak of the endotherm occurs in the range of -10 ℃ ~-30 ℃ and, the water taken into the solid polymer electrolyte membrane 18 is because ion conductivity decreases markedly freezing.

一方、電解質膜・電極構造体24の内部には、燃料電池12の発電により生成される水が存在しており、電極触媒層に存在する水が凍結すると、触媒有効面積が著しく低下してガス拡散性が低下する。 On the other hand, inside of the membrane electrode assembly 24, there are water generated by power generation of the fuel cell 12, the water present in the electrode catalyst layer is frozen, the catalyst effective area is severely degraded to the gas diffusion resistance is lowered. その際、電極触媒層等の微小細孔内に存在する水は、その細孔径によって凍結温度が0℃以下に変動する。 At that time, the water present in the micropores of the electrode catalyst layer or the like, the freezing temperature by the pore size varies 0 ℃ below. これは、 this is,
ΔT f (融点降下度)=2V mf 0 σ/(ΔH f r) [Delta] T f (melting point drop rate) = 2V m T f 0 σ / (ΔH f r)
r:キャピラリー半径 V m :水のモル体積(18cm 3 /mol) r: capillary radius V m: water molar volume (18cm 3 / mol)
f 0 :バルク水の凝固点(273K) T f 0: the bulk water freezing point (273K)
σ:氷−水の界面自由エネルギ ΔH f :氷の融解熱(79.4cal/g=6000J/mol) sigma: Ice - surface free energy [Delta] H f of water: ice melting heat (79.4cal / g = 6000J / mol )
の関係から得られ、この水の凍結温度以下では、ガス拡散性が著しく低下してしまう。 Obtained from the relationship, in this freezing temperature of water below the gas diffusion resistance decreases significantly.

さらに、燃料電池12の熱容量の違いによる昇温特性は、図6に示される関係を有している。 Further, Atsushi Nobori characteristics due to the difference in the heat capacity of the fuel cell 12 has a relationship shown in FIG. 燃料電池12の熱容量が大きい場合には、生成水の凍結によって自己暖機が困難となってしまう。 If the heat capacity of the fuel cell 12 is large, self-warming up becomes difficult by the generated water freezing. 換言すれば、発電セル14の熱容量と電解質膜・電極構造体24の生成水保持容量とによって決まる限界温度より低い温度では、燃料電池12の自己暖機が困難である。 In other words, at a temperature lower than the determined limit temperature by the generated water holding capacity of the heat capacity of the power generation cell 14 and the membrane electrode assembly 24, the fuel cell 12 self warming up is difficult.

従って、上記のように、固体高分子電解質膜18のクラスター内部の水凍結温度、電解質膜・電極構造体24の電極触媒層内の細孔内の水凍結温度、及び発電セル14の熱容量と前記電解質膜・電極構造体24の生成水保持容量とによって決定される水凍結温度の中、最も高い温度が、基準温度として設定される。 Therefore, as described above, clusters inside the water freezing temperature of the solid polymer electrolyte membrane 18, the water freezing temperature in the pores of the membrane electrode assembly 24 of the electrode catalyst layer, and the heat capacity of the power generation cell 14 the the water freezing temperature is determined by the product water retention capacity of the membrane electrode assembly 24, the highest temperature is set as the reference temperature.

そこで、図2に示すように、燃料電池12の内部温度が基準温度以下であると判断されると(ステップS5中、YES)、ステップS6に進んで、外部暖機モードに移行する。 Therefore, as shown in FIG. 2, the internal temperature of the fuel cell 12 is determined to be a reference temperature or less (in step S5, YES), the process proceeds to step S6, the process proceeds to the external warm-up mode. この外部暖機モードでは、図1に示すように、電源部44を構成するバッテリ又はキャパシタ等から電気ヒータ42に電力が供給され、この電気ヒータ42が加熱される。 This external warm-up mode, as shown in FIG. 1, the electric heater 42 power is supplied from the battery or capacitor or the like constituting the power unit 44, the electric heater 42 is heated.

このため、冷媒タンク38に貯留されている冷却媒体が昇温され、この冷却媒体が循環路40を介して燃料電池12を構成する各発電セル14間の冷却媒体流路34に供給される。 Therefore, the cooling medium accumulated in the refrigerant tank 38 is heated, the cooling medium is supplied to the coolant passages 34 between the power generation cells 14 constituting the fuel cell 12 through the circulation path 40. 従って、各発電セル14は、加温されている冷却媒体によって昇温され、コントローラ46では、前記発電セル14の温度が第1温度計48を介して検出される(ステップS2)。 Therefore, the power generation cells 14 are heated by the cooling medium which is heated, in the controller 46, the temperature of the power generation cell 14 is detected via the first thermometer 48 (Step S2).

上記のように、電気ヒータ42により加温された冷却媒体によって各発電セル14が暖機されることにより、燃料電池12の内部温度が基準温度を超えると(ステップS5中、NO)、ステップS7に進んで、低温モード発電が開始される。 As described above, by the power generation cells 14 is warmed up by the warm cooling medium by the electric heater 42, the internal temperature of the fuel cell 12 exceeds the reference temperature (in step S5, NO), step S7 proceed to, low-temperature mode power generation is started. この低温モード発電では、燃料電池12の低温始動性を考慮した発電条件で、燃料電池12の発電が行われる。 In this low temperature mode power generation, power generation conditions in consideration of cold start of the fuel cell 12, power generation of the fuel cell 12 is performed. 具体的には、各発電セル14の酸化剤ガス流路30には、酸化剤ガスとして、例えば、酸素を含む空気が供給されるとともに、燃料ガス流路32には、燃料ガスとして、例えば、水素含有ガスが供給される。 Specifically, the oxidizing gas channel 30 of the power generation cells 14, as an oxidant gas, for example, together with air containing oxygen is supplied to the fuel gas flow path 32, as a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas is supplied.

これにより、各発電セル14では、カソード側電極20に酸素を含む空気が供給される一方、アノード側電極22に水素含有ガスが供給されて発電が行われ、前記発電セル14の積層方向両端に配置されたターミナルプレート15a、15bから電源部44に電力が供給される。 Thus, in each power generation cell 14, while air containing oxygen is supplied to the cathode 20, the hydrogen-containing gas is carried out power is supplied to the anode 22, at opposite ends in the stacking direction of the power generation cell 14 arranged terminal plate 15a, power is supplied from 15b to the power supply unit 44. その際、電源部44を構成する負荷、あるいは、図示しない走行用モータに電力が供給され、燃料電池12の自己暖機のみが行われる。 At that time, the load constitutes a power supply unit 44, or power is supplied to the traction motor, not shown, only the self-warming up of the fuel cell 12 is performed. そして、燃料電池12の内部温度が0℃以上となると(ステップS4中、NO)、通常モード発電に移行する(ステップS8)。 When the internal temperature of the fuel cell 12 becomes 0 ℃ or higher (in step S4, NO), the process proceeds to the normal mode power (step S8). この通常モード発電は、燃費等を考慮した発電条件で燃料電池12の作動が行われる。 The normal mode power generation, the operation of the fuel cell 12 is performed by the power generation condition in consideration of fuel economy and the like.

この場合、第1の実施形態では、燃料電池12の内部温度が氷点下で且つ基準温度以下であると、電源部44を用いて前記燃料電池12が加熱される。 In this case, in the first embodiment, when the internal temperature of the fuel cell 12 is at and the reference temperature below below the freezing point, the fuel cell 12 is heated using a power supply unit 44. すなわち、基準温度以下では、燃料電池12が自己発熱によって起動することが困難であるため、外部熱源による加熱付勢が行われる。 That is, the reference temperature or less, the fuel cell 12 is because it is difficult to start self-heating, biased heated by an external heat source is carried out. 従って、燃料電池12は、外部熱源である電気ヒータ42の付勢作用下に加温される冷却媒体により、水の凍結を有効に阻止しながら迅速且つ確実に昇温される。 Therefore, the fuel cell 12, the warmed is cooled medium under the biasing action of the electric heater 42 which is an external heat source is rapidly and reliably heated while effectively preventing the freezing of water.

次いで、燃料電池12の内部温度が基準温度を超えると、電気ヒータ42による加熱が停止される一方、前記燃料電池12が発電を行って該燃料電池12が自己暖機のみにより加熱される。 Then, the internal temperature of the fuel cell 12 exceeds the reference temperature, while heating by the electric heater 42 is stopped, the fuel cell 12 fuel cell 12 performs power generation is heated only by the self-warming up. これにより、燃料電池12の内部温度が氷点下で且つ基準温度以上に達した際に、この燃料電池12の自己暖機のみが行われるため、外部熱源である電気ヒータ42による消費熱量が大幅に削減され、経済的であるという効果が得られる。 Reduction Accordingly, when the internal temperature of the fuel cell 12 reaches and above the reference temperature below the freezing point, since only the self-warming up of the fuel cell 12 is performed, heat consumption is much by the electric heater 42 which is an external heat source is, effect is obtained that it is economical.

しかも、電気ヒータ42等の外部熱源を小型化且つ軽量化することが容易に行われ、効率的な低温機能が遂行可能になる。 Moreover, it is easily performed to reduce the size and weight of the external heat source such as an electric heater 42, efficient low temperature function is available performed. さらに、燃料電池12の内部温度が基準温度に達した段階で、電気ヒータ42による加熱が停止される。 Furthermore, at the stage when the inside temperature of the fuel cell 12 has reached the reference temperature, heating by the electric heater 42 is stopped. これにより、燃料電池12が車載用として使用される際に、前記燃料電池12の内部温度が0℃以下であっても走行用モータ(図示せず)に電力を確実に供給することができる。 Accordingly, when the fuel cell 12 is used for automotive, electric power to the traction motor is also the internal temperature is not more 0 ℃ less (not shown) of the fuel cell 12 can be reliably supplied. 従って、低温起動直後に、走行を開始することが可能になり、燃料電池システム10を可及的速やかに走行モードに移行させることができるという利点がある。 Thus, immediately after the cold start, it is possible to start running, there is an advantage that the fuel cell system 10 can be shifted to as soon as possible travel mode.

図7は、本発明に係る燃料電池の低温起動方法の第2の実施形態を説明するフローチャートである。 Figure 7 is a flowchart for explaining the second embodiment of the cold start method of the fuel cell according to the present invention.

この第2の実施形態では、第1の実施形態におけるステップS1〜S5と同様に、ステップS11〜S15に沿って燃料電池12の内部温度が検出され、この内部温度が氷点下で且つ基準温度以下であることが検出された際(ステップS15中、YES)、ステップS16及びステップS17に進んで、外部暖機モードと低温モード発電とが行われる。 In the second embodiment, similarly to step S1~S5 in the first embodiment, the internal temperature of the fuel cell 12 is detected in accordance with the step S11 to S15, the internal temperature and the reference temperature below below the freezing point when it is detected that there (in step S15, YES), the process proceeds to step S16 and step S17, and the external warm-up mode and the low temperature mode generating electricity.

すなわち、図1に示すように、燃料電池12に酸素を含む空気及び水素含有ガスが供給されて発電が行われるとともに、電源部44から電気ヒータ42に電力が供給され、冷却媒体の加熱が行われる。 That is, as shown in FIG. 1, together with the air and hydrogen-containing gas containing oxygen is carried out power is supplied to the fuel cell 12, electric power is supplied from the power supply unit 44 to the electric heater 42, the line heating of the cooling medium divide. 従って、燃料電池12は、外部熱源である電気ヒータ42の付勢作用下に加熱される冷却媒体を介して昇温するとともに、前記燃料電池12の発電による自己暖機が行われる。 Therefore, the fuel cell 12, while raising the temperature through the cooling medium to be heated under the biasing action of the electric heater 42 which is an external heat source, the self-warming up is carried out by the power generation of the fuel cell 12.

次いで、燃料電池12の内部温度が氷点下で且つ基準温度以上となると(ステップS15中、NO)、ステップS18に進んで、低温モード発電が行われ、外部熱源である電気ヒータ42による加熱が停止される。 Then, the internal temperature of the fuel cell 12 becomes and the reference temperature or below freezing point (in step S15, NO), the process proceeds to step S18, the low temperature mode power generation is performed, the heating by the electric heater 42 which is an external heat source is stopped that. さらに、燃料電池12の内部温度が0℃以上になると(ステップS14中、NO)、ステップS19に進んで、通常モード発電が行われる。 Furthermore, the internal temperature of the fuel cell 12 becomes equal to or higher than 0 ° C. (in step S14, NO), the process proceeds to step S19, the normal mode for generating electricity.

このように、第2の実施形態では、燃料電池12の内部温度が基準温度以下である際に、外部熱源(電気ヒータ42)による加熱と、前記燃料電池12自体の発電による自己暖機とが行われる。 Thus, in the second embodiment, when the internal temperature of the fuel cell 12 is a reference temperature or less, and heated by an external heat source (the electric heater 42), and a self-warm-up by the power generation of the fuel cell 12 itself It takes place. このため、燃料電池12の内部温度を基準温度以上に迅速に昇温することができ、燃料電池システム10の低温始動が一層効率的に遂行されるという効果が得られる。 Therefore, it is possible to rapidly increase the temperature of the internal temperature of the fuel cell 12 than the reference temperature, the effect is obtained that a cold start of the fuel cell system 10 is performed more efficiently.

図8は、本発明に係る燃料電池の低温起動方法に用いられる第3の実施形態の燃料電池システム60の概略構成説明図である。 Figure 8 is a view schematically showing a fuel cell system 60 of the third embodiment used in the cold start method of the fuel cell according to the present invention. なお、第1の実施形態の燃料電池システム10と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。 Incidentally, the fuel cell system 10 same components as in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. また、以下に説明する第4及び第5の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。 Similarly, in the fourth and fifth embodiments described below, a detailed description thereof will be omitted.

燃料電池システム60は、電源部44に接続されるヒータ加熱部62を備え、このヒータ加熱部62には、複数のヒートプレート(加熱プレート)64が連結される。 The fuel cell system 60 includes a heater unit 62 which is connected to the power supply unit 44, this heater unit 62, a plurality of heat plate (heating plate) 64 is connected. 図9に示すように、各ヒートプレート64の内部には、加熱媒体としての液体が収容されており、上下に循環する流路66が設けられる。 As shown in FIG. 9, in the interior of the heat plate 64 is accommodated a liquid as the heating medium, the flow path 66 that circulates vertically is provided. ヒートプレート64は、ヒータ加熱部62との接合部分に入熱部68aを有する一方、前記入熱部68aとは反対側の端部に放熱部68bが設けられる。 Heat plate 64, while having a heat input portion 68a to the connecting portion between the heater heating portion 62, the heat radiating portion 68b is provided at the end opposite to the entering-heat section 68a. ヒートプレート64は、各発電セル14間に配置されている。 Heat plate 64 is disposed between the power generation cells 14.

このように構成される第3の実施形態では、図2に示すフローチャート(第1の実施形態)又は図7に示すフローチャート(第2の実施形態)に沿って、低温起動が行われる。 In thus configured third embodiment, in accordance with the flowchart (second embodiment) shown in the flowchart (first embodiment) or FIG. 7 shown in FIG. 2, the cold start is performed. その際、燃料電池12の内部温度が基準温度以下である際、電源部44を介してヒータ加熱部62に電力が供給される。 At that time, when the internal temperature of the fuel cell 12 is lower than or equal to the reference temperature, power is supplied to the heater 62 via the power supply unit 44. 従って、各ヒートプレート64では、入熱部68aで内部の液体が蒸気化し、流路66を通って放熱部68bに移動し、この放熱部68bで各発電セル14に放熱される。 Thus, in each heat plate 64, the liquid inside the heat input portion 68a is vaporized through the flow path 66 moves to the heat radiating portion 68b, is radiated to the power generation cells 14 in the radiating portion 68b.

このため、発電セル14は、液体の潜熱を利用した熱伝導プレートであるヒートプレート64を介して加熱される。 Therefore, the power generation cell 14 is heated via the heat plate 64 is a heat conducting plate utilizing the latent heat of the liquid. そして、燃料電池12の内部温度が、基準温度以上となる際に、ヒータ加熱部62への電力の供給が停止される一方、前記燃料電池12の発電が行われる。 Then, the internal temperature of the fuel cell 12, when a reference temperature or higher, while the supply of power to the heater 62 is stopped, the power generation of the fuel cell 12 is performed.

これにより、燃料電池12は、水の凍結を阻止しながら基準温度を超える温度に迅速且つ確実に昇温することができるとともに、ヒータ加熱部62による消費熱量が大幅に削減されて経済的である等、第1及び第2の実施形態と同様の効果が得られる。 Thus, the fuel cell 12, it is possible to quickly and reliably heated to a temperature exceeding the reference temperature while preventing freezing of water, which is economical heat consumption by the heater unit 62 is significantly reduced etc., the same effect as the first and second embodiments can be obtained.

なお、第3の実施形態では、各発電セル14毎にヒートプレート64を介装しているが、これに限定されるものではない。 In the third embodiment, although the interposed heat plate 64 in each power generation cell 14, but is not limited thereto. 例えば、図10に示す燃料電池システム60aでは、2以上の発電セル14毎にヒートプレート64を配置しており、図11に示す燃料電池システム60bでは、積層方向両端に配置される発電セル14に接してヒートプレート64を配置している。 For example, in the fuel cell system 60a shown in FIG. 10, and place the heat plate 64 for every two or more of the power generation cell 14, the fuel cell system 60b shown in FIG. 11, the power generation cells 14 arranged at opposite ends in the stacking direction It is arranged heat plate 64 in contact.

図12は、本発明に係る燃料電池の低温起動方法に用いられる第4の実施形態の燃料電池システム70の概略構成説明図である。 Figure 12 is a view schematically showing a fuel cell system 70 of the fourth embodiment used in the cold start method of the fuel cell according to the present invention.

燃料電池システム70は、電源部44に接続される電気ヒータ(外部熱源)72を備え、この電気ヒータ72は、各発電セル14間に配置されている。 The fuel cell system 70 includes an electric heater (external heat source) 72 connected to the power supply unit 44, the electric heater 72 is disposed between the power generation cells 14. なお、電気ヒータ72は、2以上の発電セル14毎に配置してもよく、また、積層方向両端に配置される発電セル14に接して配置してもよい。 The electric heater 72 may be arranged in every two or more of the power generation cell 14, may also be placed in contact with the power generating cells 14 which are arranged at opposite ends in the stacking direction. さらに、電気ヒータ72は、バッテリ又はキャパシタ等を備える電源部44から電力を得ているが、燃料電池12から電力を得るように構成してもよい。 Further, the electric heater 72 is to obtain power from a power source unit 44 comprises a battery or a capacitor or the like, may be configured to obtain power from the fuel cell 12.

図13は、本発明に係る燃料電池の低温起動方法に用いられる第5の実施形態の燃料電池システム80の概略構成説明図である。 Figure 13 is a view schematically showing a fuel cell system 80 of the fifth embodiment used in the cold start method of the fuel cell according to the present invention.

燃料電池システム80は、燃料電池12内に介装される水素燃焼ヒータプレート82を備える。 The fuel cell system 80 includes a hydrogen combustion heater plate 82 which is interposed in the fuel cell 12. この水素燃焼ヒータプレート82は、水素燃焼触媒(図示せず)を内蔵しており、水素供給管84と空気供給管86とが同一の端部側に接続される一方、排気管88が異なる端部に接続される。 The hydrogen combustion heater plate 82 has a built-in hydrogen combustion catalyst (not shown), while the hydrogen supply pipe 84 and the air supply pipe 86 is connected to the same end side, the end of the exhaust pipe 88 different It is connected to the part. 水素燃焼ヒータプレート82は、各発電セル14毎に配置されているが、これに限定されるものではなく、2以上の前記発電セル14毎に配置してもよく、あるいは、積層方向両端部に配置される該発電セル14に接して配置してもよい。 Hydrogen combustion heater plate 82 has been arranged in each power generation cell 14, is not limited thereto, may be arranged in every two or more of the power generation cell 14, or, in the stacking direction at both ends it may be placed in contact with the power generating cells 14 are arranged.

このように構成される第5の実施形態では、第1〜第4の実施形態と同様に、燃料電池12の内部温度が基準温度以下であると判断されると、外部熱源である水素燃焼ヒータプレート82により発電セル14の加熱が行われる。 In thus configured fifth embodiment, similarly to the first to fourth embodiments, the internal temperature of the fuel cell 12 is determined to be a reference temperature or less, the hydrogen combustion heater is an external heat source heating of the power generation cell 14 is performed by the plate 82. 具体的には、水素供給管84から各水素燃焼ヒータプレート82内に水素が供給されるとともに、空気供給管86から前記水素燃焼ヒータプレート82内に空気が供給される。 More specifically, the hydrogen is supplied from the hydrogen supply pipe 84 in each of the hydrogen combustion heater plate 82, air is supplied from the air supply pipe 86 to the hydrogen combustion heater plate 82. このため、水素燃焼ヒータプレート82内では、水素燃焼触媒を介して水素の燃焼反応が惹起し、前記水素燃焼ヒータプレート82自体が昇温して各発電セル14が昇温される。 Therefore, in the hydrogen combustion heater plate within 82, the combustion reaction of hydrogen elicited through hydrogen combustion catalyst, said hydrogen combustion heater plate 82 itself the power generation cells 14 was heated are heated.

これにより、燃料電池12は、水の凍結を阻止しながら基準温度以上に迅速且つ確実に昇温されるとともに、この燃料電池12の発電による自己暖機のみによって0℃まで昇温され、第1〜第4の実施形態と同様の効果が得られる。 Thus, the fuel cell 12, while being rapidly and reliably heated to above the reference temperature while preventing freezing of water, is heated to 0 ℃ by only self warmed up by the power generation of the fuel cell 12, the first the same effect as to the fourth embodiment can be obtained.

本発明に係る燃料電池の低温起動方法に用いられる第1の実施形態の燃料電池システムの概略構成説明図である。 It is a view schematically showing a fuel cell system of the first embodiment used in the cold start method of the fuel cell according to the present invention. 前記低温起動方法を説明するフローチャートである。 Is a flowchart illustrating the cold start method. 前記燃料電池の内部温度と印加可能電流との関係説明図である。 It is a relationship diagram between the internal temperature and the applied available current of the fuel cell. 前記燃料電池の内部温度と抵抗過電圧の関係説明図である。 It is a relationship diagram of the internal temperature and resistance overvoltage of the fuel cell. 固体高分子電解質膜の熱特性の説明図である。 It is an explanatory view of the thermal properties of the solid polymer electrolyte membrane. 熱容量の違いによる昇温特性の説明図である。 It is an explanatory view of a Atsushi Nobori characteristics due to the difference in thermal capacity. 本発明に係る燃料電池の低温起動方法を説明する第2の実施形態のフローチャートである。 Is a flowchart of the second embodiment described a cold start process of the fuel cell according to the present invention. 本発明に係る燃料電池の低温起動方法に用いられる第3の実施形態の燃料電池システムの概略構成説明図である。 It is a view schematically showing a fuel cell system of the third embodiment used in the cold start method of the fuel cell according to the present invention. 前記燃料電池システムを構成するヒートプレート及びヒータ加熱部の一部斜視説明図である。 It is a partial perspective explanatory view of the heat plate and the heater unit of the fuel cell system. 複数の発電セル毎に前記ヒートプレートが配置された状態の説明図である。 The heat plate is an explanatory view of the arrangement state for each of a plurality of power generation cells. 積層方向両端の前記発電セルに対応して前記ヒートプレートが配置された状態の説明図である。 In response to the power generation cell in the stacking direction at both ends is an explanatory view of a state where the heat plate is arranged. 本発明に係る燃料電池の低温起動方法に用いられる第4の実施形態の燃料電池システムの概略構成説明図である。 It is a view schematically showing a fuel cell system of the fourth embodiment used in the cold start method of the fuel cell according to the present invention. 本発明に係る燃料電池の低温起動方法に用いられる第5の実施形態の燃料電池システムの概略構成説明図である。 It is a view schematically showing a fuel cell system of the fifth embodiment used in the cold start method of the fuel cell according to the present invention.

符号の説明 DESCRIPTION OF SYMBOLS

10、60、60a、60b、70、80…燃料電池システム 12…燃料電池 14…発電セル 15a、15b…ターミナルプレート 16a、16b…エンドプレート 18…固体高分子電解質膜 20…カソード側電極 22…アノード側電極 24…電解質膜・電極構造体 26、28…セパレータ 30…酸化剤ガス流路 32…燃料ガス流路 34…冷却媒体流路 36…冷却媒体供給系 38…冷媒タンク 40…循環路 42、72…電気ヒータ 44…電源部 46…コントローラ 48、50…温度計 62…ヒータ加熱部 64…ヒートプレート 66…流路 82…水素燃焼ヒータプレート 84…水素供給管 86…空気供給管 88…排気管 10,60,60a, 60b, 70,80 ... fuel cell system 12: fuel cell 14 ... power generation cells 15a, 15b ... terminal plates 16a, 16b ... end plates 18 ... solid polymer electrolyte membrane 20 ... cathode 22: anode side electrode 24 ... membrane electrode assembly 26, 28 ... separator 30 ... oxidizing gas channel 32 ... fuel gas flow field 34 ... coolant flow 36 ... cooling medium supply system 38 ... refrigerant tank 40 ... circulation path 42, 72 ... electric heater 44 ... power supply unit 46 ... controller 48 ... thermometer 62 ... heater 64 ... heat plate 66 ... flow path 82 ... pyrogenic heater plate 84 ... hydrogen supply pipe 86 ... air supply pipe 88 ... exhaust pipe

Claims (17)

  1. 固体高分子電解質膜を一対の電極間に配設した電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される固体高分子型燃料電池を、氷点下の温度で起動させるための燃料電池の低温起動方法であって、 A membrane electrode assembly which is disposed a solid polymer electrolyte membrane between a pair of electrodes, a polymer electrolyte fuel cell and a separator are stacked, cold start method of the fuel cell for activating at sub-zero temperatures there is,
    前記燃料電池の温度が前記氷点下であること、及び氷点より低い基準温度以下であることが検出された際、外部熱源を用いて前記燃料電池を加熱する第1の昇温工程と、 When the temperature of the fuel cell is said below freezing, and it is detected it is lower than the reference temperature below the freezing point, the first heating step of heating the fuel cell with an external heat source,
    前記燃料電池の温度が前記基準温度に達した際、前記外部熱源による加熱を停止して前記燃料電池自体の発電のみにより該燃料電池を加熱する第2の昇温工程と、 When the temperature of the fuel cell has reached the reference temperature, a second heating step of heating the fuel cell stops the heating by the external heat source only by the power generation of the fuel cell itself,
    を有することを特徴とする燃料電池の低温起動方法。 Cold start method for a fuel cell characterized by having.
  2. 請求項1記載の低温起動方法において、前記第1の昇温工程では、前記燃料電池の発電を停止した状態で、前記外部熱源のみによる加熱を行うことを特徴とする燃料電池の低温起動方法。 In cold start method according to claim 1, wherein in the first heating step, after stopping the power generation of the fuel cell, the cold start method for a fuel cell which is characterized in that only heating by the external heat source.
  3. 請求項1記載の低温起動方法において、前記第1の昇温工程では、前記燃料電池の発電を行いながら、前記外部熱源による加熱を行うことを特徴とする燃料電池の低温起動方法。 In cold start method according to claim 1, wherein in the first heating step, while the power generation of the fuel cell, the cold start method for a fuel cell characterized by performing the heating by the external heat source.
  4. 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の低温起動方法において、前記基準温度は、前記固体高分子電解質膜のクラスター内に貯蔵される水の凍結温度、前記電解質膜・電極構造体を構成する電極触媒層の細孔内の水の凍結温度、及び燃料電池の熱容量と前記電解質膜・電極構造体の生成水保持容量とによって決定される水の凍結温度の中、最も高い温度に設定されることを特徴とする燃料電池の低温起動方法。 Configured in a cold start method according to any one of claims 1 to 3, wherein the reference temperature, the freezing temperature of the water stored in the cluster of the solid polymer electrolyte membrane, the membrane electrode assembly freezing of the water in the pores of the electrode catalyst layer temperature, and in the freezing temperature of the water is determined by the product water retention capacity of the heat capacity and the membrane electrode assembly of the fuel cell is set to the highest temperature cold start method for a fuel cell characterized by Rukoto.
  5. 請求項記載の低温起動方法において、前記燃料電池は、複数の発電セルを積層して構成されるとともに、前記外部熱源により前記各発電セル毎に加熱することを特徴とする燃料電池の低温起動方法。 In cold start method according to claim 1, wherein said fuel cell is a low temperature startup of the fuel cell, characterized in that while being formed by stacking a plurality of power generation cells are heated to each of said power generation cell by the external heat source Method.
  6. 請求項記載の低温起動方法において、前記燃料電池は、複数の発電セルを積層して構成されるとともに、前記外部熱源により2以上の前記発電セル毎に加熱することを特徴とする燃料電池の低温起動方法。 In cold start method according to claim 1, wherein the fuel cell, while being constituted by stacking a plurality of power generation cells, a fuel cell, which comprises heating every two or more of the power generation cell by the external heat source low temperature start-up method.
  7. 請求項1記載の低温起動方法において、前記燃料電池は、複数の発電セルを積層して構成されるとともに、前記外部熱源により積層方向両端部に配置される前記発電セルを加熱することを特徴とする燃料電池の低温起動方法。 In cold start method according to claim 1, wherein said fuel cell is a characterized in that while being formed by stacking a plurality of power generation cells, heating the power generating cells arranged in the stacking direction at both ends by the external heat source cold start method of the fuel cell to.
  8. 請求項1記載の低温起動方法において、前記外部熱源により加熱された冷却媒体を前記燃料電池内に供給して該燃料電池を加熱することを特徴とする燃料電池の低温起動方法。 In cold start method according to claim 1, wherein the cold start method for a fuel cell, characterized in that the cooling medium heated by the external heat source for heating the fuel cell is supplied into the fuel cell.
  9. 請求項1記載の低温起動方法において、前記外部熱源である電気ヒータにより前記燃料電池を加熱することを特徴とする燃料電池の低温起動方法。 In cold start method according to claim 1, wherein the cold start method for a fuel cell, characterized by heating the fuel cell by the electric heater is the external heat source.
  10. 請求項記載の低温起動方法において、前記電気ヒータには、前記燃料電池から電力が供給されることを特徴とする燃料電池の低温起動方法。 In cold start method of claim 9, in the electric heater, the cold start method for a fuel cell, characterized in that power is supplied from the fuel cell.
  11. 請求項記載の低温起動方法において、前記電気ヒータには、バッテリから電力が供給されることを特徴とする燃料電池の低温起動方法。 In cold start method of claim 9, in the electric heater, the cold start method for a fuel cell, characterized in that the power from the battery is supplied.
  12. 請求項記載の低温起動方法において、前記電気ヒータには、キャパシタから電力が供給されることを特徴とする燃料電池の低温起動方法。 In cold start method of claim 9, in the electric heater, the cold start method for a fuel cell, characterized in that the power from the capacitor is supplied.
  13. 請求項1記載の低温起動方法において、前記外部熱源である加熱プレートにより前記燃料電池を加熱することを特徴とする燃料電池の低温起動方法。 In cold start method according to claim 1, wherein the cold start method for a fuel cell, characterized by heating the fuel cell by the heating plate which is the external heat source.
  14. 請求項1記載の低温起動方法において、前記外部熱源である水素燃焼触媒により前記燃料電池を加熱することを特徴とする燃料電池の低温起動方法。 In cold start method according to claim 1, wherein the cold start method for a fuel cell, characterized by heating the fuel cell by the hydrogen combustion catalyst which is the external heat source.
  15. 請求項1記載の低温起動方法において、前記燃料電池の温度は、該燃料電池の冷却媒体出口温度又は冷却媒体入口温度を測定して得られることを特徴とする燃料電池の低温起動方法。 In cold start method according to claim 1, wherein the temperature of the fuel cell, cold start method for a fuel cell, characterized in that it is obtained by measuring a coolant outlet temperature or coolant inlet temperature of the fuel cell.
  16. 請求項1記載の低温起動方法において、前記燃料電池の温度は、該燃料電池の酸化剤ガス出口温度又は酸化剤ガス入口温度を測定して得られることを特徴とする燃料電池の低温起動方法。 In cold start method according to claim 1, wherein the temperature of the fuel cell, cold start method for a fuel cell, characterized in that it is obtained by measuring the oxidant gas outlet temperature or oxidant gas inlet temperature of the fuel cell.
  17. 請求項1記載の低温起動方法において、前記燃料電池内には、該燃料電池の温度を測定する温度計が内装されることを特徴とする燃料電池の低温起動方法。 In cold start method according to claim 1, wherein the fuel cell, the cold start method of the fuel cell thermometer for measuring the temperature of the fuel cell is characterized in that it is furnished.
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4945938B2 (en) * 2005-07-04 2012-06-06 日産自動車株式会社 The fuel cell system
KR100974717B1 (en) 2007-12-04 2010-08-06 현대자동차주식회사 Heater with Cathode Oxygen Depletion fuction for fuel cell vehicle
KR101084078B1 (en) * 2009-03-20 2011-11-16 삼성에스디아이 주식회사 Fuel cell system and driving method the same
JP5475318B2 (en) * 2009-05-12 2014-04-16 学校法人大同学園 Solid polymer electrolyte fuel cell
JP5570508B2 (en) 2009-06-19 2014-08-13 トヨタ自動車株式会社 The fuel cell system
DE102014009851A1 (en) 2014-07-03 2016-01-07 Daimler Ag A method of starting a fuel cell

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6220466U (en) * 1985-07-22 1987-02-06
JP2001236978A (en) * 2000-02-21 2001-08-31 Denso Corp Fuel cell system
JP2002313387A (en) * 2001-04-06 2002-10-25 Honda Motor Co Ltd Fuel cell warm-up device
JP2002313391A (en) * 2001-04-13 2002-10-25 Honda Motor Co Ltd Fuel cell
JP2003045462A (en) * 2001-07-30 2003-02-14 Honda Motor Co Ltd Fuel cell stack and its operation method
JP2003163020A (en) * 2001-11-28 2003-06-06 Nissan Motor Co Ltd Fuel cell equipment

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6220466U (en) * 1985-07-22 1987-02-06
JP2001236978A (en) * 2000-02-21 2001-08-31 Denso Corp Fuel cell system
JP2002313387A (en) * 2001-04-06 2002-10-25 Honda Motor Co Ltd Fuel cell warm-up device
JP2002313391A (en) * 2001-04-13 2002-10-25 Honda Motor Co Ltd Fuel cell
JP2003045462A (en) * 2001-07-30 2003-02-14 Honda Motor Co Ltd Fuel cell stack and its operation method
JP2003163020A (en) * 2001-11-28 2003-06-06 Nissan Motor Co Ltd Fuel cell equipment

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