(57)【要約】【課題】  低温時において燃料電池の起動性を向上させる燃料電池の起動方法を提供すること。【解決手段】  固体高分子電解質膜５１、アノード５２及びカソード５３を備えた膜電極構造体５４をセパレータ５５，５６で挟持してこれらを複数積層し、セパレータ５５，５６間に冷媒通路６０を形成した燃料電池スタック１の起動方法であって、燃料電池スタック１の停止時に冷媒通路６０から冷媒を排出し、燃料電池スタック１の起動前に冷媒通路６０内に熱媒を導入することを特徴とする。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜および電極を備えた膜電極構造体をセパレータで挟持してこれらを複数積層し、前記セパレータ間に冷媒通路を形成した燃料電池スタックの起動方法であって、
前記燃料電池スタックの停止時に前記冷媒通路から冷媒を除去し、前記燃料電池スタックの起動前に前記冷媒通路内に熱媒を導入することを特徴とする燃料電池スタックの起動方法。
【請求項２】
前記燃料電池スタックの発電電流値が所定値以上となったときに、前記冷媒通路に冷媒を導入することを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタックの起動方法。
【請求項３】
前記燃料電池スタックの運転温度が所定値以上となったときに、前記冷媒通路に冷媒を導入することを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタックの起動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックの起動方法に関し、特に、低温時における燃料電池スタックの起動方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の中には、固体高分子電解質膜をアノード（電極）とカソード（電極）とで挟持して、膜電極構造体を形成し、この膜電極構造体を一対のセパレータで挟持して単セル（単位燃料電池）とするものがある。この種の燃料電池では、一般に、単セルを複数積層して燃料電池スタックとして用いる。
【０００３】
この燃料電池は、アノードの発電面に燃料ガス（例えば、水素ガス）を、カソードの発電面に酸化剤ガス（例えば、酸素を含む空気）を供給して化学反応を行い、この間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。カソードにおいては酸化剤ガスが供給されているため、水素イオン、電子、および酸素が反応して水が生成される。このように燃料電池は環境に与える影響が少ないため車両の駆動源として注目されている。
【０００４】
また、一般に、この種の燃料電池の作動温度は７０℃〜８０℃程度とされており、発電に伴う発熱により燃料電池が作動温度を超えないように、セパレータに設けられた冷媒通路に冷媒を流通させて温度制御を行っている。この冷媒通路は、内部を冷媒が循環する冷媒循環通路に含まれている。
【０００５】
ところで、この種の燃料電池は、低温時においては発電効率が低下するため低温時における起動性が大きな課題となっている。すなわち、燃料電池は化学反応を利用した発電装置であるため、外部に仕事を取り出すには、温度を上げて反応を促進させることが重要である。そのためには、燃料電池を特定の温度以上に上げることが必要となる。しかし、燃料電池自体の熱マスは非常に大きく、温度を上げるためには相当量のエネルギーや加熱時間を要している。
したがって、燃料電池を車両用として用いた場合に、外気温が低い状態で起動しようとすると起動までに時間がかかるという問題がある。
この低温起動対策として、例えば、特許文献１に記載されているように、燃料電池スタックの作動停止時に、燃料電池スタックを通る冷媒循環路内の冷媒を冷媒循環路から抜き取り、また、燃料電池の起動時に、抜き取られた冷媒を冷媒循環路内に戻すことによって、冷媒の凍結を防止するものがある。
【特許文献１】特開平６−２２３８５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載された燃料電池スタックの起動時における冷媒の凍結防止のみでは、停止時における冷媒の凍結を防止することができるが、再起動時に再び冷えた冷媒を燃料電池スタックに戻すため、燃料電池スタックが発電可能となるまでに時間がかかっていた。したがって、燃料電池スタックを暖機する時間を短縮することで低温時における燃料電池スタックの起動性をさらに向上させるような燃料電池の起動方法が望まれている。
【０００７】
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、低温時において燃料電池スタックの起動性を向上させる燃料電池スタックの起動方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。すなわち、請求項１に記載した発明は、固体高分子電解質膜（例えば実施形態における固体高分子電解質膜５１）および電極（例えば実施形態におけるアノード５２，カソード５３）を備えた膜電極構造体（例えば実施形態における膜電極構造体５４）をセパレータ（例えば実施形態における５５，５６）で挟持してこれらを複数積層し、前記セパレータ間に冷媒通路（例えば実施形態における冷媒通路６０）を形成した燃料電池スタック（例えば実施形態における燃料電池スタック１）の起動方法であって、前記燃料電池スタックの停止時に前記冷媒通路から冷媒を除去し、前記燃料電池スタックの起動前に前記冷媒通路内に熱媒を導入することを特徴とする。
燃料電池スタックを停止させた後、冷媒通路から冷媒を除去することで、冷媒の冷媒通路内での凍結を防止する。また、燃料電池スタックを起動させる前に、冷媒が排出された冷媒通路内に熱媒を導入することで、熱媒の熱が燃料電池スタック全体に伝達される。したがって、冷媒通路内に熱媒を導入してから迅速に燃料電池スタックが暖機される。
また、セパレータ間に形成された冷媒通路内に熱媒を導入するため、熱媒は膜電極構造体に直接接しない。したがって、膜電極構造体が熱媒の熱によって受けるダメージを回避できる。
【０００９】
請求項２に記載した発明は、燃料電池スタックの起動方法であって、前記燃料電池スタックの発電電流値が所定値以上となったときに、前記冷媒通路に冷媒を導入することを特徴とする。
燃料電池スタックが発電を開始すると、発電による自己発熱によって燃料電池スタックの温度が上昇するため、燃料電池スタックを外部から熱を導入して暖機する必要が生じなくなる。一方、燃料電池スタックが発電して燃料電池スタックの温度がある程度上昇すると、燃料電池スタックを冷却する必要が生じることとなる。そこで、燃料電池スタックを冷却する必要が生じる所定の電流値を設定しておき、燃料電池スタックが発電を開始してから燃料電池スタックの発電電流値を検知し、その発電電流値が所定値以上となったときに冷媒通路に冷媒を導入する。それによって、燃料電池スタックを冷却する必要が生じてから燃料電池スタックが冷却されることとなる。
【００１０】
請求項３に記載した発明は、燃料電池スタックの起動方法であって、前記燃料電池スタックの運転温度（例えば実施形態におけるセパレータ５５，５６の温度）が所定値以上となったときに、前記冷媒通路に冷媒を導入することを特徴とする。
燃料電池スタックが発電を開始すると、発電による自己発熱によって燃料電池スタックの温度が上昇するため、燃料電池スタックを外部から熱を導入して暖機する必要が生じなくなる。一方、燃料電池スタックが発電して燃料電池スタックの温度がある程度上昇すると、燃料電池スタックを冷却する必要が生じることとなる。そこで、燃料電池スタックを冷却する必要が生じる所定の温度を設定しておき、燃料電池スタックが発電を開始してから燃料電池スタックの温度を検知し、その温度が所定値以上となったときに冷媒通路に冷媒を導入する。それによって、燃料電池スタックを冷却する必要が生じてから燃料電池スタックが冷却されることとなる。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に記載した発明によれば、冷媒通路内に熱媒を導入してから燃料電池スタックが暖機されるまでの時間が短いので、低温時における燃料電池スタックの起動性を向上させることができる。また、熱媒は膜電極構造体に直接接しないので、膜電極構造体が熱媒の熱によって受けるダメージを回避することができる。
【００１２】
請求項２に記載した発明によれば、燃料電池スタックの電流値が所定値以上となったとき冷媒通路に冷媒を導入することで、冷却する必要が生じてから燃料電池スタックを冷却するので、低温時において燃料電池スタックの起動性を向上させた後、燃料電池スタック作動時に行われている燃料電池スタックの冷却を行うことができる。
【００１３】
請求項３に記載した発明によれば、燃料電池スタックの運転温度が所定値以上となったとき冷媒通路に冷媒を導入することで、冷却する必要が生じてから燃料電池スタックを冷却するので、低温時において燃料電池スタックの起動性を向上させた後、燃料電池スタック作動時に行われている燃料電池スタックの冷却を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は燃料電池システムの概略構成図であり、図２は燃料電池スタックの積層構造を説明するための断面図である。なお、この実施形態における燃料電池スタックは、燃料電池車両に搭載された態様である。
初めに、図２を参照して燃料電池スタック１について説明する。燃料電池スタック１は固体高分子型の燃料電池であり、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜５１をアノード（電極）５２とカソード（電極）５３とで両側から挟み込んで膜電極構造体５４を形成し、膜電極構造体５４の両側にセパレータ５５，５６を配置して単セル（単位燃料電池）５７を構成し、この単セル５７を複数積層して燃料電池スタック１が構成されている。なお、図１では、膜電極構造体５４を「ＭＥＡ」と略記し、隣接するセパレータ５５，５６を一つにまとめて「セパレータ」と記している。
【００１５】
この燃料電池スタック１ではセパレータ５５，５６に金属製のセパレータを採用している。詳述すると、セパレータ５５，５６は金属板をプレス成形して製造されたものであり、第１平坦部５５ａ，５６ａと第２平坦部５５ｂ，５６ｂを交互に有する断面波形をなしている。セパレータ５５，５６は、セパレータ５５の第１平坦部５５ａを膜電極構造体５４のアノード５２に当接させ、セパレータ５６の第１平坦部５６ａを膜電極構造体５４のカソード５３に当接させ、互いに隣接して配置されたセパレータ５５，５６の第２平坦部５５ｂ，５６ｂ同士を当接させて、積層されている。
金属製のセパレータは、カーボン製のセパレータよりも薄くでき燃料電池スタック１の積層方向寸法を短くすることができるとともに、カーボン製のセパレータよりも熱容量が小さくでき暖め易いという特徴を有している。金属製セパレータの材質としては、プレス加工に適する種々の金属を用いることができ、より好ましくは、耐食性と接触抵抗を向上させるために表面処理を施したステンレス系材料を用いる。
【００１６】
このように単セル５７を複数積層してなる燃料電池スタック１においては、セパレータ５５とアノード５２との間に形成される空間は水素ガス（燃料ガス、反応ガス）が流通する燃料通路（反応ガス通路）５８とされ、セパレータ５６とカソード５３との間に形成される空間は空気（酸化剤ガス、反応ガス）が流通する空気通路（反応ガス通路）５９とされ、互いに隣接して配置された両セパレータ５５，５６間に形成される空間は冷媒が流通する冷媒通路６０とされている。
つまり、セパレータ５５，５６は、燃料ガスと酸化剤ガスを分離する機能を有するとともに、反応ガス通路と冷媒通路とを分離する機能を有している。
【００１７】
したがって、燃料電池スタック１は、固体高分子電解質膜５１、アノード５２およびカソード５３を備えた膜電極構造体５４と、セパレータ５５，５６とを複数積層してなる固体高分子型燃料電池スタックということができる。
また、燃料電池スタック１は、固体高分子電解質膜５１、アノード５２およびカソード５３を備えた膜電極構造体５４と、断面波形構造の金属製のセパレータ５５，５６とを複数積層してなり、少なくとも一部の前記セパレータと該セパレータに隣接して設置されたセパレータによって挟まれた空間が冷媒通路６０にされている燃料電池スタックということができる。
さらに、燃料電池スタック１は、固体高分子電解質膜５１、アノード５２およびカソード５３を備えた膜電極構造体５４と、隣接する膜電極構造体５４間に設置されるセパレータ５５，５６とを複数積層してなる燃料電池スタックということができる。
【００１８】
この燃料電池スタック１では、アノード５２で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜５１を透過してカソード５３まで移動し、カソード５３で酸素と電気化学反応を起こして発電する。この発電に伴う発熱により燃料電池スタック１が作動温度を越えないように、冷媒通路６０を流れる冷媒で熱を奪い冷却する。
【００１９】
また、この燃料電池スタック１においては、各単セル５７の出力電圧を検出するための電圧センサ２１が各単セル５７のセパレータ５５，５６に接続されており、電圧センサ２１の出力信号は電子制御装置（以下、ＥＣＵと略す）２０に入力される。なお、図２では、図示の都合上、一つの電圧センサ２１を図示するに留めている。
さらに、この燃料電池スタック１においては、複数ある単セル５７の代表とされる一つの単セル５７に、膜電極構造体５４の温度を検出するための温度センサ２２が設けられており（図１参照）、温度センサ２２の出力信号はＥＣＵ２０に入力される。
【００２０】
次に、図１を参照して、燃料電池システムについて説明する。
空気は、空気循環通路２ａを通ってスーパーチャージャ２によって加圧されインタークーラ３によって冷却された後、加湿器４によって加湿されて燃料電池スタック１の空気通路５９（図２参照）に供給される。なお、空気循環通路２ａには、制御弁３ｂを有してインタークーラ３をバイパスするバイパス通路３ａが設けられている。空気の冷却を必要としない場合には、制御弁３ｂを開放して空気がバイパス通路３ａを通過できるようになっている。また、空気循環通路２ａには、制御弁４ｂを有して加湿器４をバイパスするバイパス通路４ａが設けられている。空気の加湿を必要としない場合には、空気がバイパス通路４ａを通過できるようになっている。
【００２１】
この空気中の酸素が酸化剤として発電に供された後、燃料電池スタック１からカソードオフガスとして排出され、圧力制御されて加湿器４を介して大気に放出される。排出されたカソードオフガスの一部は、加湿器４によって加湿されて空気と合流して再び空気通路５９に供給される。
また、スーパーチャージャ２は、燃料電池スタック１に要求されている出力に応じた質量の空気が燃料電池スタック１に供給されるようにＥＣＵ２０によって回転数制御される。
なお、燃料電池スタック１へ供給される空気は、燃料電池スタック１の要求発電量が大きいほど、燃料電池スタック１への空気供給量が多くなるように制御されるとともに、空気供給圧が大きくなるように制御される。
【００２２】
一方、高圧水素タンク５から放出された水素ガスは、燃料供給制御弁６により減圧された後、エゼクタ７を通り、燃料電池スタック１の燃料通路５８（図２参照）に供給される。燃料電池スタック１において発電に供されなかった水素ガス、すなわち未反応の水素ガスは燃料電池スタック１からアノードオフガスとして排出され、アノードオフガス回収通路８を通ってエゼクタ７に吸引され、高圧水素タンク５から供給される水素ガスと合流して再び燃料電池スタック１に供給可能となっている。
また、アノードオフガスは、燃料排出制御弁８ａを閉じた状態でアノードオフガス回収通路８を通過できるようになっているが、燃料排出制御弁８ａを開くことによって外部に排出可能となっている。
【００２３】
燃料供給制御弁６は、例えば空気式の比例圧力制御弁からなり、スーパーチャージャ２から供給される空気の圧力を信号圧（基準圧力）として空気信号導入路９を介して入力され、燃料供給制御弁６出口の水素ガスの圧力が前記信号圧に応じた所定圧力範囲となるように制御する。なお、燃料電池スタック１への供給空気は、前述したように、燃料電池スタック１の要求電力が大きいほど空気供給圧が大きくなるように制御されるので、この空気供給圧を基準圧力として制御される水素ガスも、燃料電池スタック１の要求電力が大きいほど水素ガス供給圧が大きくなるように制御されるとともに、水素ガス供給量が多くなるように制御されることとなる。
【００２４】
また、燃料電池スタック１を冷却するためにタンク１０に貯溜された冷媒は、冷媒循環通路１３を通ってウォータポンプ１１によって昇圧されてラジエータ１２に供給される。その冷媒は、ラジエータ１２において外部に放熱することにより冷却され、その後、燃料電池スタック１に供給され、燃料電池スタック１内の冷媒通路６０（図２参照）を通る際に燃料電池スタック１から熱を奪って燃料電池スタック１を冷却する。これにより熱せられた冷媒は、一旦タンク１０に戻された後、ウォータポンプ１１を介して再びラジエータ１２に戻り冷却される。このとき、ＥＣＵ２０は、燃料電池スタック１の運転状態に応じた冷媒流量となるようにウォータポンプ１１の作動を制御し、また、冷媒が所定温度よりも低い場合にはウォータポンプ１１を停止する。
【００２５】
なお、冷媒循環通路１３には、制御弁１２ａを有してラジエータ１２をバイパスするバイパス通路１２ａが設けられている。冷媒の放熱を必要としない場合には、制御弁１２ａを開放して冷媒がバイパス通路１２ａを通過できるようになっている。
また、空気循環通路２ａから冷媒循環通路１３に空気が送られるように、空気導入制御弁４１が取付けられた空気導入通路４１ａが設けられている。この空気導入制御弁４１は、ＥＣＵ２０によって開閉を制御されるようになっている。
【００２６】
燃料電池スタック１には外部負荷３１を備えた電気回路３０が接続されている。外部負荷３１は可変であり、電気回路３０は、燃料電池スタック１の端子電圧（以下、スタック電圧と略す）を検出するための電圧センサ３２と、燃料電池スタック１の出力電流（すなわち、取出電流）を検出するための電流センサ３３とを備えている。電圧センサ３２と電流センサ３３との出力信号はＥＣＵ２０に入力される。
なお、図示を省略するが、燃料電池スタック１の発電により得られた電力は補助バッテリーにも充電可能になっており、スーパーチャージャ２やウォータポンプ１１等の燃料電池スタック１を作動するために必要な補機類は、燃料電池スタック１または前記補助バッテリーから電力供給されるように構成されている。
【００２７】
上記の構成からなる燃料電池システムを用いた燃料電池の起動方法について、図３に示すフローチャートを用いて説明する。
燃料電池スタック１を停止させた後（ステップＳ１）、図示しないドレン排出弁を開放して冷媒通路６０から冷媒を除去する（ステップＳ２）。
その後、燃料電池スタック１を起動する際、イグニッションキーをＯＮし（ステップＳ３）、温度センサ２２を用いてセパレータ５５，５６の温度を測定する（ステップＳ４）。セパレータ５５，５６の温度が所定の温度、例えば冷媒の凍結が解凍されたと判断できる０℃以上であるか否かを判断し（ステップＳ５）、セパレータ５５，５６の温度が０℃より小さい場合、ＥＣＵ２０から指示を出して空気導入制御弁４１を開放するとともにスーパーチャージャ２を回転起動させる。そして、スーパーチャージャ２によって圧縮された熱媒としての高温ガスを空気循環通路２ａに導入して、空気導入通路４１ａを経由して冷媒循環通路１３に送り出し、燃料電池スタック１内の冷媒通路６０内に送り出す（ステップＳ６）。このとき、この高温ガスが冷却されずかつ加湿されないように、バイパス通路３ａ，４ａを開放しておく。また、この高温ガスが放熱しないように、バイパス通路１２ａも開放しておく。以上により、燃料電池スタック１には１００〜１５０℃の高温ガスが導入される。
【００２８】
セパレータ５５，５６の温度が０℃以上になるまで高温ガスを燃料電池スタック１内の冷媒通路６０内に送り出し、セパレータ５５，５６の温度が０℃以上になったときに燃料電池スタック１を起動する（ステップＳ７）。そして、燃料電池スタック１の燃料通路５８に燃料ガスを、空気通路５９に酸化剤ガスをそれぞれ導入する（ステップＳ８）。
その後、電圧センサ３２で電圧を検出しながら燃料電池スタック１から外部負荷３１に電圧を印加する（ステップＳ９）。
【００２９】
燃料電池スタック１が起動によって発熱し、燃料電池スタック１の温度が上昇するため、後述のように、電流値が例えば１００Ａとなったときを基準として（ステップＳ１０）、ウォータポンプ１１を起動してタンク１０から冷媒を汲み出し、冷媒を冷媒循環通路１３に導入して、ラジエータ１２で冷媒を放熱させながら冷媒を冷媒通路６０内に導入する（ステップＳ１１）。そして、冷媒の冷媒通路６０内への導入が完了することで全工程が終了する（ステップＳ１２）。
【００３０】
この燃料電池システムを用いた燃料電池の起動方法において、燃料電池スタック１を停止させた後、冷媒通路６０から冷媒を排出することで、冷媒の冷媒通路６０内での凍結を防止する。また、燃料電池スタック１を起動させる前に、冷媒が排出された冷媒通路６０内に冷媒としての高温ガスを導入することで、高温ガスの熱が冷媒通路６０に伝達され、さらに冷媒通路６０から燃料電池スタック１全体に熱が伝達される。さらに、冷媒通路６０からは冷媒が排出されていることから、燃料電池スタックの熱マスを低減することができるので、冷媒通路６０内に高温ガスを導入してから迅速に燃料電池スタック１が暖機される。
【００３１】
また、セパレータ５５，５６の外側に形成された冷媒通路６０内に高温ガスを導入するため、高温ガスは膜電極構造体５１に直接接しない。したがって、膜電極構造体５４が高温ガスの熱によって受けるダメージを回避できる。
また、燃料電池スタック１が発電を開始すると、発電による自己発熱によって燃料電池スタック１の温度が上昇するため、燃料電池スタック１を外部から高温ガスによって暖機する必要が生じなくなる。一方、燃料電池スタック１が発電して燃料電池スタック１の温度がある程度上昇すると、燃料電池スタック１を冷却する必要が生じることとなる。そこで、燃料電池スタック１を冷却する必要が生じる所定の電流値を例えば１００Ａに設定しておき、燃料電池スタック１が発電を開始してから燃料電池スタック１の電流値を検知し、その電流値が１００Ａ以上となったとき冷媒通路６０に冷媒を導入する。それによって、燃料電池スタック１を冷却する必要が生じてから燃料電池スタック１が冷却されることとなる。
ここで、燃料電池スタック１に対し冷媒を戻すタイミングを、燃料電池スタック１から１００Ａの電流値としたが、その基準は燃料電池スタック１の温度でもよい。具体的には、燃料電池スタック１のセパレータ５５，５６の温度が所定値以上、例えば５０℃以上となったときには、燃料電池スタック１の発電は十分行える、すなわち暖機が完了したと判定し、冷媒を冷媒通路６０に戻すようにしてもよい。
【００３２】
上記の構成における燃料電池システムを用いた燃料電池の起動方法によれば、冷媒通路６０内に高温ガスを導入してから燃料電池スタック１が暖機されるまでの時間が短いので、低温時における燃料電池スタック１の起動性を向上させることができる。また、高温ガスは膜電極構造体５４に直接接しないので、膜電極構造体５４が高温ガスの熱によって受けるダメージを回避することができる。
また、燃料電池スタック１の電流値が１００Ａ以上となったとき冷媒通路６０に冷媒を導入することで、冷却する必要が生じてから燃料電池スタック１を冷却するので、低温時において燃料電池スタック１の起動性を向上させた後、燃料電池スタック１の作動時に行われている燃料電池スタック１の冷却を行うことができる。
【００３３】
なお、この発明は前述した実施の形態に限られるものではない。
例えば、セパレータの断面波形は前述した実施の形態において示した形状に限るものではなく、曲線状の波形であってもよいし、略直角に曲げた矩形断面形であってもよい。
また、冷媒としては高温ガスに限定されることはなく、例えば冷媒の一部を加熱して冷媒通路６０に戻してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明における燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】燃料電池システムに使用される燃料電池スタックの単セルの積層状態を示す断面図である。
【図３】燃料電池スタックの起動方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３５】
１  燃料電池スタック
２２  温度センサ
５１  固体高分子電解質膜
５２  アノード（電極）
５３  カソード（電極）
５４  膜電極構造体
５５，５６  セパレータ
５７  単セル
５８  燃料通路
５９  空気通路
６０  冷媒通路
【図１】
2005183198.tif 000003
【図２】
2005183198.tif 000004
【図３】
2005183198.tif 000005