(57)【要約】【課題】低温時の開回路電圧を良好に低下させるとともに、反応ガスの洩れの有無を確実に検出しながら燃料電池の始動を行うことを可能にする。【解決手段】開回路電圧が所定の値となる温度を設定温度とし、燃料電池スタック１２の温度がこの設定温度以下である際に、バイメタル５２が閉じられる。このため、外部負荷１７に電流が流れない状態で、各発電セル１４の出力電圧（開回路電圧）が所定の値に低下する。その際、いずれかの発電セル１４において、多量のクロスリークが発生すると、前記発電セル１４の出力電圧が低下するため、反応ガスの洩れが発生している発電セル１４は、正常な発電セル１４に比べて相対的に出力電圧値が低くなる。【選択図】図１
2005100705.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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燃料電池を始動するための燃料電池の始動方法であって、
前記燃料電池の内部又は外部の温度を検出する工程と、
前記検出された温度に基づいて、前記燃料電池に接続される電気抵抗値を設定する工程と、
前記電気抵抗値が設定された後、前記燃料電池に反応ガスを供給して開回路電圧を測定する工程と、
前記測定された開回路電圧に基づいて、前記反応ガスの洩れの有無を判定する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池の始動方法。
【請求項２】
請求項１記載の始動方法において、
前記検出された温度が設定温度以下である際に、前記燃料電池に電気抵抗を電気的に接続する一方、
前記検出された温度が設定温度を超える際に、前記燃料電池から前記電気抵抗を電気的に遮断することを特徴とする燃料電池の始動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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燃料電池を始動するための燃料電池の始動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード側電極およびカソード側電極を配置した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持している。この種の燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体およびセパレータを所定数だけ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。
【０００３】
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、水素含有ガスは、電極触媒上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード側電極へと移動し、その移動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。カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、空気等の酸素含有ガス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、電子および酸素ガスが反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、上記の固体高分子電解質膜では、発電条件によって微少量であるが水素分子の透過、いわゆる、クロスリークが惹起する場合がある。しかも、固体高分子電解質膜の薄肉化や劣化等によって、水素の透過量が増大すると、空気中の酸素と透過した水素とが反応して発熱するおそれがある。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献１に開示されているように、アノードに供給する燃料ガスの圧力をカソードに供給する酸化剤ガスの圧力よりも高く維持した状態で、活性化過電圧領域で出力電圧を測定し、前記出力電圧が所定の電圧値以下であった場合にガスが洩れていると判定する方法が知られている。
【０００６】
活性化過電圧領域は、電流を流さない状態で測定されるアノードとカソードとの間の電位差、いわゆる、開回路電圧（ＯＣＶ）を含む。この活性化過電圧領域では、水素分子の透過量の増大に対する電圧低下の割合が大きいため、高感度にガス漏れを検知することができる。
【０００７】
ところが、氷点下等の低温で燃料電池を始動する際には、反応ガスを供給した直後に開回路電圧が非常に高い値になることが知られている。一般的な開回路電圧が１Ｖ近傍であるのに対し、例えば、−３０℃の始動時に１．３５Ｖの開回路電圧が発生する場合がある。従って、低温時の開回路電圧に対応して電装回路の耐電圧を高く設定する必要があり、燃料電池システム全体のコストが高騰してしまう。
【０００８】
このため、例えば、特許文献２では、複数の単位燃料電池をセパレータを介して積層した燃料電池において、各単位燃料電池に微少電流を流すことができる外部抵抗が接続されている。これにより、各単位燃料電池に発生した開回路電圧を、それぞれの外部抵抗で低減することができ、単位燃料電池の損傷や腐食を防止することが可能になる。
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−４５４６６号公報（図３）
【特許文献２】特開２００３−１１５３０５号公報（段落［００１１］、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、この種の技術に関連してなされたものであり、低温時の開回路電圧を良好に低下させるとともに、反応ガスの洩れの有無を確実に検出しながら効率的な始動を行うことが可能な燃料電池の始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】
【００１１】
本発明の燃料電池の始動方法では、燃料電池の内部又は外部の温度が検出されると、この検出された温度に基づいて、前記燃料電池に接続される電気抵抗値が設定される。例えば、電気抵抗を電気的に接続、遮断又は可変することにより、電気抵抗値が設定される。次いで、燃料電池に反応ガスを供給するとともに、電流を流さない状態に維持して開回路電圧が測定される。さらに、測定された開回路電圧に基づいて、反応ガスの洩れ（クロスリークを含む）の有無が判定される。
【００１２】
また、本発明の始動方法では、検出された温度が設定温度以下である際に、燃料電池に電気抵抗を電気的に接続する一方、前記検出された温度が設定温度を超える際に、前記燃料電池から前記電気抵抗を電気的に遮断する。具体的には、温度によって自動的に切り換え操作されるスイッチ、例えば、バイメタルが使用される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、外気温度が低下して燃料電池が低温になると、前記燃料電池に電気抵抗が接続されるため、低温時における開回路電圧が低下する。従って、低温時の開回路電圧に対応して電装回路の耐電圧を高く設定する必要がなく、燃料電池全体を経済的に構成することができる。しかも、反応ガスの洩れの有無を確実に検出しながら、燃料電池の始動が効率的に遂行可能になる。
【００１４】
さらに、検出された温度に基づいて、燃料電池と電気抵抗とが電気的に接続及び遮断される。これにより、簡単な制御で、反応ガスの洩れの有無を検出しながら、燃料電池の始動が良好に行われる。その上、設定温度を超える温度では、燃料電池から電気抵抗が電気的に遮断されるため、開回路電圧を正確に検出するとともに、不要な電力消費を抑制することができ、効率的な発電が遂行可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池の始動方法が実施される燃料電池システム１０の概略構成図である。
【００１６】
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、燃料電池スタック１２を備える。この燃料電池スタック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が配置される。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る一方、ターミナルプレート１５ａ、１５ｂは、モータ等の外部負荷１７に電気的に接続される。
【００１７】
発電セル１４は、例えば、各固体高分子電解質膜１８ａの両側にアノード側電極１８ｂとカソード側電極１８ｃとを配置した電解質膜・電極構造体１８と、前記電解質膜・電極構造体１８を挟持する一対のセパレータ２０、２２とを備える。アノード側電極１８ｂには、燃料ガスとして、例えば、水素ガスが供給される一方、カソード側電極１８ｃ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。
【００１８】
エンドプレート１６ａには、各発電セル１４に水素ガスを供給するための水素供給口２４ａと、前記発電セル１４から排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを燃料電池スタック１２から排出するための水素排出口２４ｂとが設けられる。エンドプレート１６ｂには、各発電セル１４に空気を供給するための空気供給口２６ａと、前記発電セル１４から排出される未使用の酸素を含む空気を燃料電池スタック１２から排出するための空気排出口２６ｂとが設けられる。
【００１９】
燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２に水素ガスを供給する水素供給部２８と、前記燃料電池スタック１２に空気を供給する空気供給部３０とを備える。水素供給部２８は、水素タンク３２から供給される水素ガス（燃料ガス）を燃料電池スタック１２に供給する水素供給流路３４と、前記燃料電池スタック１２から排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを、前記水素供給流路３４の途上に戻して該燃料電池スタック１２に供給するための水素循環流路３６と備える。
【００２０】
水素供給流路３４には、水素タンク３２から供給される水素ガスを燃料電池スタック１２に供給するとともに、水素循環流路３６から排ガスを吸引して前記燃料電池スタック１２に戻すためのエゼクタ３８が配設される。水素循環流路３６には、排ガスを水素供給流路３４に戻す経路とパージ流路（図示せず）に排出する経路とに選択的に送り出すための弁４０が配設される。
【００２１】
空気供給部３０は、燃料電池スタック１２に空気を供給する空気供給流路４２と、前記燃料電池スタック１２から排出される未使用の空気を含む排ガスを、外部に廃棄するための空気排出流路４４とを備える。空気供給流路４２には、空気を圧縮して供給するためにスーパーチャージャ（又はポンプ）４６が設けられる。
【００２２】
本実施形態では、燃料電池スタック１２を構成する各発電セル１４には、電圧計４８が取り付けられるとともに、前記電圧計４８と並列に電気抵抗５０が接続される。各電気抵抗５０には、温度によって自動的に切り換え操作されるスイッチ、例えば、バイメタル５２が直列に接続される。電気抵抗５０は、例えば、固定抵抗を発電セル１４中に設けて該発電セル１４を加熱するヒータを使用することができる。各バイメタル５２は、各発電セル１４の近傍、特に電解質膜・電極構造体１８の近傍に配設される。
【００２３】
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、以下に説明する。
【００２４】
先ず、燃料電池スタック１２の温度と開回路電圧（ＯＣＶ）とは、図２に示す関係を有している。そこで、開回路電圧が所定の値（閾値）Ｖ１となる温度を設定温度Ｔとし、燃料電池スタック１２の温度がこの設定温度Ｔ以下である際には、バイメタル５２が閉じられるように設定されている。
【００２５】
次いで、燃料電池スタック１２を始動する際には、この燃料電池スタック１２が外部負荷１７から電気的に遮断された状態で、前記燃料電池スタック１２に反応ガスである水素ガス及び空気が供給される。具体的には、図１に示すように、水素タンク３２から水素供給流路３４に供給される水素ガスは、エゼクタ３８を通って燃料電池スタック１２の水素供給口２４ａに供給される。
【００２６】
水素供給口２４ａに供給された水素は、各発電セル１４を構成するアノード側電極１８ｂに沿って移動した後、未使用の水素を含む排ガスが、水素排出口２４ｂから水素循環流路３６に排出される。
【００２７】
一方、スーパーチャージャ４６を介して空気供給流路４２に空気が供給される。この空気は、空気供給口２６ａから各発電セル１４のカソード側電極１８ｃに供給され、未使用の空気を含む排ガスが、空気排出口２６ｂから空気排出流路４４に排出される。これにより、各発電セル１４では、アノード側電極１８ｂに供給される水素と、カソード側電極１８ｃに供給される空気中の酸素とが反応して発電が行われる。
【００２８】
この場合、本実施形態では、燃料電池スタック１２の温度が設定温度Ｔ以下である際に、各バイメタル５２が閉じられる。このため、各発電セル１４は、電気抵抗５０に電気的に接続されてそれぞれの抵抗値が増加する。従って、外部負荷１７に電流が流れない状態で、各発電セル１４の出力電圧（ＯＣＶ）が所定の値に低下する。
【００２９】
各発電セル１４には、電圧計４８が接続されており、前記発電セル１４毎に開回路電圧が検出される。その際、いずれかの発電セル１４において、水素分子が固体高分子電解質膜１８ａを透過する、いわゆる、クロスリークが比較的多量に発生すると、前記発電セル１４の出力電圧が低下する。このため、各発電セル１４の出力電圧を比較すれば、反応ガスの洩れが多量に発生している発電セル１４は、正常な発電セル１４に比べて相対的に出力電圧値が低くなる。これにより、発電セル１４に反応ガスの洩れが発生しているか否かの判定が容易且つ確実に遂行される。
【００３０】
従って、本実施形態では、燃料電池スタック１２が低温（設定温度Ｔ以下）になると、各発電セル１４に電気抵抗５０が接続されるため、低温時における開回路電圧が低下する。このため、低温時の高い開回路電圧に対応して電装回路の耐電圧を高く設定する必要がなく、燃料電池システム１０全体を経済的に構成することができる。しかも、反応ガスの洩れの有無を確実に検出しながら、燃料電池スタック１２の始動が効率的に遂行可能になる。
【００３１】
さらに、電気抵抗５０として、ヒータを使用すれば、特に低温始動時の燃料電池スタック１２は、前記ヒータの加熱作用下に迅速に昇温される。これにより、燃料電池スタック１２を通常運転に迅速に移行させることができる。
【００３２】
さらにまた、検出された温度に基づいて、各発電セル１４と電気抵抗５０とが接続及び遮断される。これにより、簡単な制御で、水素ガスの洩れの有無を検出しながら、燃料電池スタック１２の始動が良好に行われるという効果が得られる。その上、設定温度Ｔを超える温度では、発電セル１４から電気抵抗５０が電気的に遮断されるため、開回路電圧を正確に検出するとともに、不要な電力消費を抑制することができ、効率的な発電が遂行可能になる。
【００３３】
なお、本実施形態では、各発電セル１４毎に電気抵抗５０及びバイメタル５２を設けているが、図３に示すように、燃料電池スタック１２全体として単一の電気抵抗５０及びバイメタル５２を設けてもよい。その際、電気抵抗５０及びバイメタル５２は、燃料電池スタック１２の近傍に配置されており、例えば、前記燃料電池スタック１２全体が箱状ケーシング内に収容される際には、この箱状ケーシング内に前記電気抵抗５０及びバイメタル５２を配置すればよい。
【００３４】
また、本実施形態では、温度によって自動的に切り換え操作されるスイッチとして、バイメタル５２が使用されているが、これに限定されるものではない。例えば、図示していないが、温度センサと該温度センサの検出結果に基づいて開閉されるスイッチとを採用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池の始動方法が実施される燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】前記燃料電池システムを構成する燃料電池スタックの温度と開回路電圧との関係説明図である。
【図３】前記燃料電池システムとは異なる構成の燃料電池システムの概略構成図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０…燃料電池システム          １２…燃料電池スタック
１４…発電セル                  １７…外部負荷
１８ａ…固体高分子電解質膜      １８ｂ…アノード側電極
１８ｃ…カソード側電極          ２８…水素供給部
３０…空気供給部                ４８…電圧計
５０…電気抵抗                  ５２…バイメタル
【図１】
2005100705.tif 000003
【図２】
2005100705.tif 000004
【図３】
2005100705.tif 000005