JP5262125B2 - Fuel cell system and fuel cell operating method - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池の運転方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell system and a fuel cell operating method.

燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率が実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。特に、固体高分子型燃料電池は、各種の燃料電池の中でも比較的低温で作動することから、良好な起動性を有する。そのため、多方面における実用化のために盛んに研究がなされている。   A fuel cell is a device that generally obtains electric energy using hydrogen and oxygen as fuel. This fuel cell is environmentally superior and can realize high energy efficiency, and therefore has been widely developed as a future energy supply system. In particular, since the polymer electrolyte fuel cell operates at a relatively low temperature among various types of fuel cells, it has a good startability. For this reason, research has been actively conducted for practical application in various fields.

固体高分子型燃料電池は、プロトン伝導性を有する固体高分子型電解質からなる電解質膜の両側に、それぞれアノードおよびカソードが設けられた膜−電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が、セパレータによって挟持された構造を有している。   A polymer electrolyte fuel cell has a membrane-electrode assembly (MEA) in which an anode and a cathode are provided on both sides of an electrolyte membrane made of a solid polymer electrolyte having proton conductivity, respectively, by means of a separator. It has a sandwiched structure.

この燃料電池を氷点下において始動させると、カソードで生成された水が凍結して、有効発電面積が減少することがある。そこで、氷点下始動時において、冷媒を間欠的に流して燃料電池を徐々に暖機する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。   When this fuel cell is started below freezing point, the water generated at the cathode may freeze, reducing the effective power generation area. Therefore, a technique for gradually warming up the fuel cell by intermittently flowing a refrigerant at the time of starting below sub-freezing is disclosed (for example, see Patent Document 1).

特開２００５−２７６５６８号公報JP 2005-276568 A

しかしながら、特許文献１の技術では、燃料電池の発電電極が全体的に凍結して有効発電面積が減少し、起動までの時間が長くなるおそれがある。   However, in the technique of Patent Document 1, the power generation electrode of the fuel cell is frozen as a whole, the effective power generation area is reduced, and there is a possibility that the time until startup becomes longer.

本発明は、氷点下始動時において燃料電池を効率よく起動することができる燃料電池システムおよび燃料電池の運転方法を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a fuel cell system and a fuel cell operating method that can efficiently start a fuel cell at the time of starting below freezing.

本発明に係る燃料電池システムは、固体高分子型の燃料電池を複数積層した燃料電池スタック内に設けられた冷媒流路の入口から冷媒を供給するとともに冷媒流路の出口から冷媒を回収して入口に循環させる循環手段と、燃料電池スタックの平均温度が０℃未満である場合に燃料電池スタックに発電を開始させて循環手段に冷媒を循環させ、発電中の燃料電池スタックの平均温度が０℃を超える前から０℃を超えるまでの所定の期間において冷媒により燃料電池から持ち去られる熱量が低下するように循環手段を制御する制御手段と、を備えることを特徴とするものである。 A fuel cell system according to the present invention supplies a refrigerant from an inlet of a refrigerant channel provided in a fuel cell stack in which a plurality of polymer electrolyte fuel cells are stacked and collects the refrigerant from an outlet of the refrigerant channel. and circulation means for circulating the inlet, when the average temperature of a fuel cell stack is less than 0 ℃ by start power generation in the fuel cell stack coolant is circulated through the circulating means, the average temperature of a fuel cell stack in the power generation 0 And a control means for controlling the circulation means so that the amount of heat removed from the fuel cell by the refrigerant in a predetermined period from before exceeding 0 ° C. to exceeding 0 ° C. is provided.

本発明に係る燃料電池システムにおいては、発電中の燃料電池の平均温度が氷点下から０℃を超えるまでの期間において冷媒による熱の持ち去り量を低下させることによって、カソード触媒層の温度を効率よく０℃を上回らせることができる。それにより、凍結水分を融解させて有効発電面積を確保することができる。その結果、燃料電池を効率よく起動し、起動後の出力を早期に回復することができる。   In the fuel cell system according to the present invention, the temperature of the cathode catalyst layer is efficiently reduced by reducing the amount of heat removed by the refrigerant during the period from the freezing point to the average temperature of the fuel cell during power generation exceeding 0 ° C. Can exceed 0 ° C. Thereby, frozen moisture can be thawed and an effective power generation area can be secured. As a result, the fuel cell can be started up efficiently and the output after startup can be recovered early.

制御手段は、所定の期間において、冷媒の流量が小さくなるように循環手段を制御してもよい。また、制御手段は、所定の期間において、冷媒の循環が停止するように循環手段を制御してもよい。   The control means may control the circulation means so that the flow rate of the refrigerant decreases during a predetermined period. Further, the control means may control the circulation means so that the circulation of the refrigerant stops in a predetermined period.

本発明に係る燃料電池の運転方法は、固体高分子型の燃料電池を複数積層した燃料電池スタックの平均温度が０℃未満である場合に燃料電池スタックに発電を開示させて、燃料電池スタック内に設けられた冷媒流路の入口から冷媒を供給するとともに冷媒流路の出口から冷媒を回収して入口に循環させる循環ステップと、発電中の燃料電池スタックの平均温度が０℃を超える前から０℃を超えるまでの所定の期間において冷媒により燃料電池から持ち去られる熱量を低下させる低下ステップと、を含むことを特徴とするものである。 The fuel cell operating method according to the present invention includes a fuel cell stack in which power generation is disclosed when the average temperature of a fuel cell stack in which a plurality of polymer electrolyte fuel cells are stacked is less than 0 ° C. A circulation step of supplying the refrigerant from the inlet of the refrigerant channel provided in the refrigerant, collecting the refrigerant from the outlet of the refrigerant channel and circulating it to the inlet, and before the average temperature of the fuel cell stack during power generation exceeds 0 ° C. And a reduction step for reducing the amount of heat removed from the fuel cell by the refrigerant in a predetermined period until the temperature exceeds 0 ° C.

本発明に係る燃料電池の運転方法においては、燃料電池の平均温度が氷点下から０℃を超えるまでの期間において冷媒による熱の持ち去り量を低下させることによって、カソード触媒層の温度を効率よく０℃を上回らせることができる。それにより、凍結水分を融解させて有効発電面積を確保することができる。その結果、燃料電池を効率よく起動することができる。   In the method of operating a fuel cell according to the present invention, the temperature of the cathode catalyst layer is effectively reduced to 0 by reducing the amount of heat taken away by the refrigerant in the period from the average temperature of the fuel cell to below 0 ° C. and above 0 ° C. It is possible to exceed ℃. Thereby, frozen moisture can be thawed and an effective power generation area can be secured. As a result, the fuel cell can be started up efficiently.

低下ステップは、所定の期間において、冷媒の流量を小さくするステップであってもよい。また、低下ステップは、所定の期間において、冷媒の循環を停止するステップであってもよい。   The reduction step may be a step of reducing the flow rate of the refrigerant in a predetermined period. Further, the reduction step may be a step of stopping the circulation of the refrigerant in a predetermined period.

本発明によれば、氷点下始動時において燃料電池を効率よく起動することができる。   According to the present invention, the fuel cell can be efficiently started at the time of starting below freezing.

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described.

図１は、本発明の第１実施例に係る燃料電池システム１００を説明するための図である。図１（ａ）は、燃料電池システム１００の全体構成を示す模式図である。図１（ｂ）は、後述する燃料電池１１の模式的断面図である。図１（ａ）に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０、燃料ガス供給手段２０、酸化剤ガス供給手段３０、冷媒循環手段４０、制御手段５０等を備える。   FIG. 1 is a diagram for explaining a fuel cell system 100 according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1A is a schematic diagram showing the overall configuration of the fuel cell system 100. FIG. 1B is a schematic cross-sectional view of a fuel cell 11 to be described later. As shown in FIG. 1A, the fuel cell system 100 includes a fuel cell stack 10, a fuel gas supply means 20, an oxidant gas supply means 30, a refrigerant circulation means 40, a control means 50, and the like.

燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池１１が積層された構造を有する。図１（ｂ）に示すように、燃料電池１１は、膜−電極接合体１１０がセパレータ１２０およびセパレータ１３０によって挟持された構造を有する。膜−電極接合体１１０は、電解質膜１１１のセパレータ１２０側にアノード触媒層１１２およびガス拡散層１１３が順に接合され、電解質膜１１１のセパレータ１３０側にカソード触媒層１１４およびガス拡散層１１５が順に接合された構造を有する。電解質膜１１１は、プロトン伝導性を有するパーフルオロスルフォン酸型ポリマー等の固体高分子電解質からなる。   The fuel cell stack 10 has a structure in which a plurality of fuel cells 11 are stacked. As shown in FIG. 1B, the fuel cell 11 has a structure in which the membrane-electrode assembly 110 is sandwiched between the separator 120 and the separator 130. In the membrane-electrode assembly 110, the anode catalyst layer 112 and the gas diffusion layer 113 are sequentially bonded to the separator 120 side of the electrolyte membrane 111, and the cathode catalyst layer 114 and the gas diffusion layer 115 are sequentially bonded to the separator 130 side of the electrolyte membrane 111. Has a structured. The electrolyte membrane 111 is made of a solid polymer electrolyte such as a perfluorosulfonic acid type polymer having proton conductivity.

アノード触媒層１１２は、触媒を担持する導電性材料等から構成される。アノード触媒層１１２における触媒は、水素のプロトン化を促進するための触媒である。例えば、アノード触媒層１１２は白金担持カーボンからなる。ガス拡散層１１３は、カーボンペーパ、カーボンクロス等のガス透過性を有する導電性材料からなる。   The anode catalyst layer 112 is made of a conductive material or the like that supports the catalyst. The catalyst in the anode catalyst layer 112 is a catalyst for promoting protonation of hydrogen. For example, the anode catalyst layer 112 is made of platinum-supported carbon. The gas diffusion layer 113 is made of a conductive material having gas permeability such as carbon paper or carbon cloth.

カソード触媒層１１４は、触媒を担持する導電性材料等から構成される。カソード触媒層１１４は、プロトンと酸素との反応を促進するための触媒である。例えば、カソード触媒層１１４は、白金担持カーボンからなる。ガス拡散層１１５は、カーボンペーパ、カーボンクロス等のガス透過性を有する導電性材料からなる。   The cathode catalyst layer 114 is made of a conductive material or the like that supports the catalyst. The cathode catalyst layer 114 is a catalyst for promoting the reaction between protons and oxygen. For example, the cathode catalyst layer 114 is made of platinum-supported carbon. The gas diffusion layer 115 is made of a conductive material having gas permeability such as carbon paper or carbon cloth.

セパレータ１２０，１３０は、ステンレス等の導電性材料から構成される。セパレータ１２０の膜−電極接合体１１０側の面には、燃料ガスが流動するための燃料ガス流路１２１が形成されている。また、セパレータ１２０の膜−電極接合体１１０と反対側の面には、冷媒が流動するための冷媒流路１２２が形成されている。セパレータ１３０の膜−電極接合体１１０側の面には、酸化剤ガスが流動するための酸化剤ガス流路１３１が形成されている。また、セパレータ１３０の膜−電極接合体１１０と反対側の面には、冷媒が流動するための冷媒流路１３２が形成されている。例えば、燃料ガス流路１２１、酸化剤ガス流路１３１および冷媒流路１２２，１３２は、セパレータの表面に形成された凹部からなる。   Separator 120,130 is comprised from electroconductive materials, such as stainless steel. On the surface of the separator 120 on the membrane-electrode assembly 110 side, a fuel gas flow path 121 for flowing the fuel gas is formed. In addition, a coolant channel 122 for allowing the coolant to flow is formed on the surface of the separator 120 opposite to the membrane-electrode assembly 110. On the surface of the separator 130 on the membrane-electrode assembly 110 side, an oxidant gas flow path 131 is formed for the oxidant gas to flow. In addition, a coolant channel 132 for allowing the coolant to flow is formed on the surface of the separator 130 opposite to the membrane-electrode assembly 110. For example, the fuel gas flow path 121, the oxidant gas flow path 131, and the refrigerant flow paths 122 and 132 are formed of recesses formed on the surface of the separator.

燃料ガス供給手段２０は、燃料電池スタック１０の燃料ガス入口を介して燃料ガス流路１２１に、水素を含有する燃料ガスを供給する装置である。燃料ガス供給手段２０は、例えば、水素ボンベ、改質器等からなる。酸化剤ガス供給手段３０は、燃料電池スタック１０の酸化剤ガス入口を介して酸化剤ガス流路１３１に、酸素を含有する酸化剤ガスを供給する装置である。酸化剤ガス供給手段３０は、エアポンプ等からなる。   The fuel gas supply means 20 is a device that supplies a fuel gas containing hydrogen to the fuel gas passage 121 via the fuel gas inlet of the fuel cell stack 10. The fuel gas supply unit 20 includes, for example, a hydrogen cylinder, a reformer, and the like. The oxidant gas supply means 30 is a device that supplies an oxidant gas containing oxygen to the oxidant gas flow path 131 via the oxidant gas inlet of the fuel cell stack 10. The oxidant gas supply means 30 includes an air pump or the like.

冷媒循環手段４０は、燃料電池スタック１０の冷媒入口を介して冷媒流路１２２，１３２に冷媒を供給するとともに、燃料電池スタック１０の冷媒出口から冷媒を回収して上記冷媒入口に循環させる装置である。冷媒循環手段４０は、冷媒ポンプ等からなる。冷媒として、例えば、エチレングリコール等を用いることができる。また、燃料電池スタック１０の冷媒出口付近に、冷媒の温度を検出する温度センサ４１が設けられている。   The refrigerant circulation means 40 is an apparatus that supplies refrigerant to the refrigerant flow paths 122 and 132 via the refrigerant inlet of the fuel cell stack 10 and collects the refrigerant from the refrigerant outlet of the fuel cell stack 10 and circulates it to the refrigerant inlet. is there. The refrigerant circulating means 40 includes a refrigerant pump or the like. For example, ethylene glycol or the like can be used as the refrigerant. A temperature sensor 41 that detects the temperature of the refrigerant is provided near the refrigerant outlet of the fuel cell stack 10.

制御手段５０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等から構成され、燃料電池システム１００の各部の制御を行う手段である。   The control means 50 is composed of a CPU (Central Processing Unit), ROM (Read Only Memory), RAM (Random Access Memory), etc., and is a means for controlling each part of the fuel cell system 100.

（通常発電）
続いて、図１（ａ）および図１（ｂ）を参照しつつ、通常発電時の燃料電池システム１００の動作について説明する。まず、制御手段５０は、燃料ガス流路１２１に燃料ガスが供給されるように、燃料ガス供給手段２０を制御する。この燃料ガスは、ガス拡散層１１３を透過してアノード触媒層１１２に到達する。燃料ガスに含まれる水素は、アノード触媒層１１２の触媒を介してプロトンと電子とに解離する。プロトンは、電解質膜１１１を伝導してカソード触媒層１１４に到達する。 (Normal power generation)
Next, the operation of the fuel cell system 100 during normal power generation will be described with reference to FIGS. 1 (a) and 1 (b). First, the control unit 50 controls the fuel gas supply unit 20 so that the fuel gas is supplied to the fuel gas channel 121. The fuel gas passes through the gas diffusion layer 113 and reaches the anode catalyst layer 112. Hydrogen contained in the fuel gas is dissociated into protons and electrons via the catalyst of the anode catalyst layer 112. The protons conduct through the electrolyte membrane 111 and reach the cathode catalyst layer 114.

また、制御手段５０は、酸化剤ガス流路１３１に酸化剤ガスが供給されるように、酸化剤ガス供給手段３０を制御する。この酸化剤ガスは、ガス拡散層１１５を透過してカソード触媒層１１４に到達する。カソード触媒層１１４においては、触媒を介してプロトンと酸素とが反応する。それにより、電力が発生するとともに、水が生成される。生成された水は、酸化剤ガス流路１３１を通って排出される。   Further, the control means 50 controls the oxidant gas supply means 30 so that the oxidant gas flow path 131 is supplied with the oxidant gas. The oxidant gas passes through the gas diffusion layer 115 and reaches the cathode catalyst layer 114. In the cathode catalyst layer 114, protons and oxygen react via the catalyst. Thereby, electric power is generated and water is generated. The generated water is discharged through the oxidant gas channel 131.

また、制御手段５０は、冷媒流路１２２，１３２に冷媒が供給されるように、冷媒循環手段４０を制御する。この冷媒の循環によって、燃料電池スタック１０の温度が所定の温度に調整される。燃料電池スタック１０の冷媒出口から排出される冷媒の温度は、燃料電池スタック１０の平均温度にほぼ等しくなる。したがって、温度センサ４１は、冷媒の温度を検出しつつ、燃料電池スタック１０の平均温度を検出している。   The control means 50 controls the refrigerant circulation means 40 so that the refrigerant is supplied to the refrigerant flow paths 122 and 132. By the circulation of the refrigerant, the temperature of the fuel cell stack 10 is adjusted to a predetermined temperature. The temperature of the refrigerant discharged from the refrigerant outlet of the fuel cell stack 10 is approximately equal to the average temperature of the fuel cell stack 10. Therefore, the temperature sensor 41 detects the average temperature of the fuel cell stack 10 while detecting the temperature of the refrigerant.

（氷点下始動）
続いて、図２を参照しつつ、燃料電池スタック１０の氷点下始動の際の燃料電池システム１００の動作について説明する。図２は、始動後の経過時間と各部の温度との関係を示す図である。図２において、横軸は始動後の経過時間を示し、左側の縦軸は温度を示し、右側の縦軸は流量を示す。 (Start below freezing point)
Next, the operation of the fuel cell system 100 when the fuel cell stack 10 is started below the freezing point will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the elapsed time after startup and the temperature of each part. In FIG. 2, the horizontal axis indicates the elapsed time after startup, the left vertical axis indicates the temperature, and the right vertical axis indicates the flow rate.

制御手段５０は、燃料ガス流路１２１に燃料ガスが供給されるように燃料ガス供給手段２０を制御し、酸化剤ガス流路１３１に酸化剤ガスが供給されるように酸化剤ガス供給手段３０を制御し、冷媒流路１２２，１３２に冷媒が供給されるように冷媒循環手段４０を制御する。それにより、各燃料電池１１において発電が行われる。その結果、発電に伴って発生する熱によって、各燃料電池１１の平均温度が上昇する。   The control unit 50 controls the fuel gas supply unit 20 so that the fuel gas is supplied to the fuel gas channel 121, and the oxidant gas supply unit 30 so that the oxidant gas is supplied to the oxidant gas channel 131. And the refrigerant circulation means 40 is controlled so that the refrigerant is supplied to the refrigerant flow paths 122 and 132. Thereby, power generation is performed in each fuel cell 11. As a result, the average temperature of each fuel cell 11 rises due to the heat generated with power generation.

燃料電池１１の平均温度が所定の温度（例えば、−１０℃）に到達した場合、制御手段５０は、冷媒の循環が停止するように循環手段４０を制御する。この場合、燃料電池１１から持ち去られる熱量が低下する。それにより、発電反応が継続されるカソード触媒層１１４の温度上昇率が増加し、カソード触媒層１１４の温度が０℃を超えやすくなる。その結果、発電に伴う生成水の再氷結が抑制されるとともに凍結した水分が融解し、有効発電面積が確保される。   When the average temperature of the fuel cell 11 reaches a predetermined temperature (for example, −10 ° C.), the control unit 50 controls the circulation unit 40 so that the circulation of the refrigerant stops. In this case, the amount of heat removed from the fuel cell 11 decreases. As a result, the rate of temperature increase of the cathode catalyst layer 114 where the power generation reaction is continued increases, and the temperature of the cathode catalyst layer 114 tends to exceed 0 ° C. As a result, re-freezing of generated water accompanying power generation is suppressed and frozen water is melted to secure an effective power generation area.

カソード触媒層１１４の温度が０℃を超えた後、制御手段５０は、冷媒の循環が再開されるように循環手段４０を制御する。この場合、燃料電池１１の平均温度は、冷媒の循環によって一時的に低下するが、すぐに上昇する。有効発電面積が確保されているからである。   After the temperature of the cathode catalyst layer 114 exceeds 0 ° C., the control means 50 controls the circulation means 40 so that the circulation of the refrigerant is resumed. In this case, the average temperature of the fuel cell 11 temporarily decreases due to the circulation of the refrigerant, but immediately increases. This is because an effective power generation area is secured.

本実施例のように、燃料電池の平均温度が氷点下から０℃を超えるまでの所定期間において冷媒による熱の持ち去り量を低下させることによって、カソード触媒層の温度を効率よく０℃を上回らせることができる。それにより、凍結水分を融解させて有効発電面積を確保することができる。その結果、燃料電池を効率よく起動することができる。   As in this embodiment, the temperature of the cathode catalyst layer is efficiently exceeded above 0 ° C. by reducing the amount of heat taken away by the refrigerant in a predetermined period from the average temperature of the fuel cell to below 0 ° C. and exceeding 0 ° C. be able to. Thereby, frozen moisture can be thawed and an effective power generation area can be secured. As a result, the fuel cell can be started up efficiently.

なお、カソード触媒層１１４の温度が０℃を上回っていることを推定する方法は特に限定されないが、以下のような手法を用いることができる。例えば、冷媒の循環停止後、予め定めておいた規定時間を超えた場合に、カソード触媒層１１４の温度が０℃を上回っていると推定することができる。また、燃料オフガスおよび酸化剤オフガスの少なくとも一方の温度が０℃を上回った場合に、カソード触媒層１１４の温度が０℃を上回っていると推定することができる。時間差を考慮して、燃料オフガスおよび酸化剤オフガスの少なくとも一方の温度が０℃を上回ってから所定時間経過後に、カソード触媒層１１４の温度が０℃を上回ったと推定してもよい。   The method for estimating that the temperature of the cathode catalyst layer 114 exceeds 0 ° C. is not particularly limited, but the following method can be used. For example, it can be estimated that the temperature of the cathode catalyst layer 114 is higher than 0 ° C. when a predetermined time exceeds a predetermined time after the circulation of the refrigerant is stopped. Further, when the temperature of at least one of the fuel off-gas and the oxidant off-gas exceeds 0 ° C., it can be estimated that the temperature of the cathode catalyst layer 114 exceeds 0 ° C. In consideration of the time difference, it may be estimated that the temperature of the cathode catalyst layer 114 has exceeded 0 ° C. after a predetermined time has elapsed since the temperature of at least one of the fuel off-gas and the oxidant off-gas has exceeded 0 ° C.

発電電流、発電電圧および発電継続時間から算出した発熱量を燃料電池１１の熱容量で除した昇温代が規定温度に達した際に、カソード触媒層１１４の温度が０℃を上回ったと推定してもよい。なぜなら、電流値は反応量と同じであり、制御電圧が決まれば発熱量が決まり、冷却水による系外への持ち去り熱量が決まれば、系内に蓄積される熱量が決まる。構造体の熱容量は予め求められるため、昇温代の推定が可能となる。また、一定電圧で燃料電池１１に発電させた場合において、発電電流値が所定値以上になった際に、カソード触媒層１１４の温度が０℃を上回ったと推定してもよい。電流値は温度の関数だからである。氷点下の発電では、温度が低いほど燃料電池の発電性能は悪化する。また、同じ温度でも、氷によりガスが触媒まで届かずに有効発電面積が減った場合も性能が悪化する。このため、燃料電池の発電状態を見て、氷点を局所的に突破したか、有効発電面積が回復したかを判断しても大きな間違いにはならないからである。   When the heating rate obtained by dividing the calorific value calculated from the generated current, generated voltage and generated duration by the heat capacity of the fuel cell 11 reaches a specified temperature, it is estimated that the temperature of the cathode catalyst layer 114 exceeds 0 ° C. Also good. This is because the current value is the same as the reaction amount, the amount of heat generated is determined if the control voltage is determined, and the amount of heat accumulated in the system is determined if the amount of heat taken away from the system by the cooling water is determined. Since the heat capacity of the structure is obtained in advance, the temperature increase allowance can be estimated. In addition, when the fuel cell 11 generates power at a constant voltage, it may be estimated that the temperature of the cathode catalyst layer 114 exceeds 0 ° C. when the generated current value exceeds a predetermined value. This is because the current value is a function of temperature. In power generation below freezing, the power generation performance of the fuel cell deteriorates as the temperature decreases. Even at the same temperature, the performance deteriorates when the effective power generation area decreases because the gas does not reach the catalyst due to ice. For this reason, it is not a big mistake to look at the power generation state of the fuel cell and determine whether the freezing point has been locally exceeded or the effective power generation area has been restored.

なお、カソード触媒層１１４の効率的な温度上昇のために、燃料電池１１の始動から冷媒の循環を停止することも考えられる。しかしながら、この場合、燃料電池１１の平均温度を検出しにくくなるため、燃料電池１１の制御が困難になるおそれがある。また、冷媒の循環を停止すると、カソード触媒層１１４において局所的に温度が上昇することになる。この場合、燃料電池１１の各部が損傷するおそれがある。したがって、冷媒はできるだけ循環していることが好ましい。本実施例においては、冷媒の循環停止が所定の期間に制限されることから、燃料電池１１の各部の損傷等を抑制しつつ、効率よく燃料電池１１を起動することができる。   In order to increase the temperature of the cathode catalyst layer 114 efficiently, it is conceivable to stop the circulation of the refrigerant from the start of the fuel cell 11. However, in this case, since it becomes difficult to detect the average temperature of the fuel cell 11, it may be difficult to control the fuel cell 11. Further, when the circulation of the refrigerant is stopped, the temperature locally increases in the cathode catalyst layer 114. In this case, each part of the fuel cell 11 may be damaged. Therefore, the refrigerant is preferably circulated as much as possible. In the present embodiment, since the circulation stop of the refrigerant is limited to a predetermined period, the fuel cell 11 can be efficiently started up while suppressing damage to each part of the fuel cell 11 and the like.

図３は、氷点下始動時のフローチャートの一例を示す図である。図３に示すように、制御手段５０は、温度センサ４１の検出結果を取得する（ステップＳ１）。次に、制御手段５０は、温度センサ４１の検出温度が０℃未満であるか否かを判定する（ステップＳ２）。ステップＳ２において温度センサ４１の検出温度が０℃未満であると判定されなかった場合、制御手段５０は、フローチャートの実行を終了する。   FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a flowchart at the time of starting below freezing. As shown in FIG. 3, the control means 50 acquires the detection result of the temperature sensor 41 (step S1). Next, the control means 50 determines whether or not the temperature detected by the temperature sensor 41 is less than 0 ° C. (step S2). If it is not determined in step S2 that the temperature detected by the temperature sensor 41 is less than 0 ° C., the control unit 50 ends the execution of the flowchart.

ステップＳ２において温度センサ４１の検出温度が０℃未満であると判定された場合、制御手段５０は、燃料ガス流路１２１に燃料ガスが供給されるように燃料ガス供給手段２０を制御し、酸化剤ガス流路１３１に酸化剤ガスが供給されるように酸化剤ガス供給手段３０を制御し、冷媒流路１２２，１３２に冷媒が供給されるように冷媒循環手段４０を制御する（ステップＳ３）。   When it is determined in step S <b> 2 that the temperature detected by the temperature sensor 41 is less than 0 ° C., the control unit 50 controls the fuel gas supply unit 20 so that the fuel gas is supplied to the fuel gas channel 121, and the oxidation is performed. The oxidant gas supply means 30 is controlled so that the oxidant gas is supplied to the agent gas flow path 131, and the refrigerant circulation means 40 is controlled so that the refrigerant is supplied to the refrigerant flow paths 122 and 132 (step S3). .

次に、制御手段５０は、温度センサ４１の検出結果を取得する（ステップＳ４）。次いで、制御手段５０は、温度センサ４１の検出温度が−１０℃以上であるか否かを判定する（ステップＳ５）。ステップＳ５において温度センサ４１の検出温度が−１０℃以上であると判定されなかった場合、制御手段５０は待機する。ステップＳ５において温度センサ４１の検出温度が−１０℃以上であると判定された場合、制御手段５０は、冷媒の循環が停止されるように冷媒循環手段４０を制御する（ステップＳ６）。   Next, the control means 50 acquires the detection result of the temperature sensor 41 (step S4). Next, the control means 50 determines whether or not the temperature detected by the temperature sensor 41 is −10 ° C. or higher (step S5). When it is not determined in step S5 that the temperature detected by the temperature sensor 41 is equal to or higher than −10 ° C., the control unit 50 stands by. When it is determined in step S5 that the temperature detected by the temperature sensor 41 is −10 ° C. or higher, the control means 50 controls the refrigerant circulation means 40 so that the refrigerant circulation is stopped (step S6).

次いで、制御手段５０は、規定時間が経過するまで待機する（ステップＳ７）。次に、制御手段５０は、冷媒の循環が再開されるように冷媒循環手段４０を制御する（ステップＳ８）。その後、制御手段５０は、フローチャートの実行を終了する。   Next, the control means 50 waits until the specified time has elapsed (step S7). Next, the control means 50 controls the refrigerant circulation means 40 so that the refrigerant circulation is resumed (step S8). Thereafter, the control unit 50 ends the execution of the flowchart.

このフローチャートに従えば、燃料電池１１の平均温度が−１０℃を超えた後に燃料電池１１から持ち去られる熱量が低下する。それにより、有効発電面積が確保される。その結果、効率よく起動することができる。なお、ステップＳ７においては、他の手法を用いてカソード触媒層１１４の温度が０℃を上回っていると推定してもよい。   According to this flowchart, the amount of heat removed from the fuel cell 11 after the average temperature of the fuel cell 11 exceeds −10 ° C. decreases. Thereby, an effective power generation area is secured. As a result, it can start up efficiently. In step S7, it may be estimated that the temperature of the cathode catalyst layer 114 is higher than 0 ° C. using another method.

なお、冷媒循環停止を判定するための温度しきい値を−１０℃としているが、氷点下であれば特に限定されるものではない。また、冷媒循環を停止することによってカソード触媒層１１４の温度を効率よく上昇させているが、必ずしも停止させる必要はない。例えば、冷媒循環量を低下させることによって、カソード触媒層１１４の温度を上昇させてもよい。   In addition, although the temperature threshold value for determining a refrigerant | coolant circulation stop is -10 degreeC, if it is below freezing point, it will not specifically limit. Further, although the temperature of the cathode catalyst layer 114 is efficiently increased by stopping the refrigerant circulation, it is not always necessary to stop the temperature. For example, the temperature of the cathode catalyst layer 114 may be increased by reducing the refrigerant circulation rate.

本発明の第１実施例に係る燃料電池システムを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the fuel cell system which concerns on 1st Example of this invention. 始動後の経過時間と燃料電池の各部の温度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the elapsed time after starting, and the temperature of each part of a fuel cell. 氷点下始動時のフローチャートの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the flowchart at the time of a sub freezing start.

符号の説明Explanation of symbols

１０ 燃料電池スタック
１１ 燃料電池
２０ 燃料ガス供給手段
３０ 酸化剤ガス供給手段
４０ 冷媒循環手段
４１ 温度センサ
５０ 制御手段
１００ 燃料電池システム
１１０ 膜−電極接合体
１１１ 電解質膜
１１４ カソード触媒層
１２２，１３２ 冷媒流路 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell stack 11 Fuel cell 20 Fuel gas supply means 30 Oxidant gas supply means 40 Refrigerant circulation means 41 Temperature sensor 50 Control means 100 Fuel cell system 110 Membrane-electrode assembly 111 Electrolyte membrane 114 Cathode catalyst layer 122,132 Refrigerant flow Road

Claims (6)

固体高分子型の燃料電池を複数積層した燃料電池スタック内に設けられた冷媒流路の入口から冷媒を供給するとともに、前記冷媒流路の出口から冷媒を回収して前記入口に循環させる循環手段と、
前記燃料電池スタックの平均温度が０℃未満である場合に前記燃料電池スタックに発電を開始させて前記循環手段に前記冷媒を循環させ、発電中の前記燃料電池スタックの平均温度が０℃を超える前から０℃を超えるまでの所定の期間において、前記冷媒により前記燃料電池から持ち去られる熱量が低下するように前記循環手段を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。 Circulating means for supplying a refrigerant from an inlet of a refrigerant channel provided in a fuel cell stack in which a plurality of polymer electrolyte fuel cells are stacked, and collecting the refrigerant from the outlet of the refrigerant channel and circulating it to the inlet When,
When the average temperature of the fuel cell stack is less than 0 ° C., the fuel cell stack starts power generation and the circulation means circulates the refrigerant, and the average temperature of the fuel cell stack during power generation exceeds 0 ° C. A fuel cell system comprising: control means for controlling the circulation means so that the amount of heat carried away from the fuel cell by the refrigerant decreases for a predetermined period from before to over 0 ° C. 前記制御手段は、前記所定の期間において、前記冷媒の流量が小さくなるように前記循環手段を制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。   2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the control unit controls the circulation unit so that the flow rate of the refrigerant decreases during the predetermined period. 前記制御手段は、前記所定の期間において、前記冷媒の循環が停止するように前記循環手段を制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 1, wherein the control unit controls the circulation unit so that the circulation of the refrigerant stops in the predetermined period. 固体高分子型の燃料電池を複数積層した燃料電池スタックの平均温度が０℃未満である場合に前記燃料電池スタックに発電を開始させて、前記燃料電池スタック内に設けられた冷媒流路の入口から冷媒を供給するとともに、前記冷媒流路の出口から冷媒を回収して前記入口に循環させる循環ステップと、
発電中の前記燃料電池スタックの平均温度が０℃を超える前から０℃を超えるまでの所定の期間において、前記冷媒により前記燃料電池から持ち去られる熱量を低下させる低下ステップと、を含むことを特徴とする燃料電池の運転方法。 When an average temperature of a fuel cell stack in which a plurality of polymer electrolyte fuel cells are stacked is less than 0 ° C., the fuel cell stack starts power generation, and an inlet of a refrigerant flow path provided in the fuel cell stack A circulation step of supplying the refrigerant from the refrigerant flow path and collecting the refrigerant from the outlet of the refrigerant flow path and circulating it to the inlet;
A reduction step of reducing the amount of heat removed from the fuel cell by the refrigerant in a predetermined period from before the average temperature of the fuel cell stack during power generation exceeds 0 ° C. until it exceeds 0 ° C. A fuel cell operating method. 前記低下ステップは、前記所定の期間において、前記冷媒の流量を小さくするステップであることを特徴とする請求項４記載の燃料電池の運転方法。   The method of operating a fuel cell according to claim 4, wherein the decreasing step is a step of reducing the flow rate of the refrigerant in the predetermined period. 前記低下ステップは、前記所定の期間において、前記冷媒の循環を停止するステップであることを特徴とする請求項４記載の燃料電池の運転方法。   The method of operating a fuel cell according to claim 4, wherein the lowering step is a step of stopping circulation of the refrigerant in the predetermined period.
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