JP5262125B2 - 燃料電池システムおよび燃料電池の運転方法 - Google Patents

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。

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。

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。

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）。

特開２００５−２７６５６８号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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）。

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。

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。

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。

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。 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。 氷点下始動時のフローチャートの一例を示す図である。

符号の説明

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

Claims (6)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。

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