(57)【要約】【課題】  燃料電池の昇温方法において、燃料電池の昇温をより効率良く行うとともに、コストアップを抑えることにある。【解決手段】  電解質膜１５を一対の電極としてのアノード１６とカソード１７とで挟み込み、アノード１６に水素を供給するとともにカソード１７に酸素を供給することで発電する燃料電池１１を昇温させる昇温方法であって、アノード１６とカソード１７との間に所定電圧Ｖｄを加えることで、アノード１６からカソード１７へプロトンを強制的に移動させてカソード１７でプロトン、酸素及び電子を結合させ、水を生成するときの発熱反応によって燃料電池１１を昇温させる。【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を一対の電極としてのアノードとカソードとで挟み込み、前記アノードに水素を供給するとともに前記カソードに酸素を供給することで発電する燃料電池を昇温させる昇温方法であって、
前記アノードと前記カソードとの間に所定電圧を加えることで、アノードからカソードへプロトンを強制的に移動させてカソードで前記プロトン、前記酸素及び電子を結合させ、水を生成するときの発熱反応によって燃料電池を昇温させることを特徴とする燃料電池の昇温方法。
【請求項２】
前記所定電圧は、電気分解の際の分解電圧に等しいか、又は分解電圧を下回ることを特徴とする請求項１記載の燃料電池の昇温方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の、特に低温始動時の昇温方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池の昇温方法として、燃料電池の起動時に、昇温用の循環水をガス流路に導入するものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開平１１−１８５７８８号公報
【０００３】
特許文献１の図１を以下の図４で説明する。なお、符号は振り直した。
図４は従来の燃料電池の昇温方法を説明する構成図であり、固体高分子電解質膜１０１をアノード１０２とカソード１０３とで挟み込んだセルユニット１０４に燃料ガスを供給する燃料室１０６、酸化剤ガスを供給する酸化剤室１０７及び冷却用の循環水が流通する冷却室１０８を設け、燃料室１０６に切替手段１０９を介してガス流路１１１を接続し、酸化剤室１０７にガス流路１１２を接続し、切替手段１０９に連通路１１４を接続し、この連通路１１４に前述の冷却室１０８及び水通路１１６を接続した固体高分子電解質型燃料電池１２０を示す。なお、１２２は水通路１１６に設けた加熱器である。
【０００４】
燃料電池１２０の起動時には、切替手段１０９を、図中の（ａ）にも示すように、第１の位置とする、即ち、ガス流路１１１を閉じるとともに連通路１１４と燃料室１０６とを連通させ、水通路１１６を循環する循環水を加熱器１２２で加熱して燃料室１０６に流入させることで、燃料電池１２０を昇温させる。
【０００５】
また、燃料電池１２０の発電時には、切替手段１０９を、図中の（ｂ）にも示すように、第２の位置とする、即ち、連通路１１４を閉じるとともにガス流路１１１と燃料室１０６とを連通させ、ガス流路１１１から燃料室１０６に燃料ガスを供給する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
加熱器１２２で加熱した循環水を燃料室１０６へ流して燃料電池１２０の昇温を行う場合、加熱器１２２を燃料電池１２０の外部に配置すると、加熱器１２２と燃料室１０６との間の水通路１１６及び水通路１１４では、熱が外部に逃げることは避けられず、昇温の効率が低下するため、効率の良い昇温方法が望まれる。
【０００７】
また、燃料電池１２０を昇温するために特別に加熱器１２２を設けるので、大きなコストアップを伴う。
更に、昇温するときには、切替手段１０９での切替及び加熱器１２２のオンオフを制御する必要があり、制御手段が複雑になるために、更なるコストアップを招く。
【０００８】
本発明の目的は、燃料電池の昇温方法を改良することで、燃料電池の昇温をより効率良く行うとともに、コストアップを抑えることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に係る発明は、固体高分子電解質膜を一対の電極としてのアノードとカソードとで挟み込み、アノードに水素を供給するとともにカソードに酸素を供給することで発電する燃料電池を昇温させる昇温方法であって、アノードとカソードとの間に所定電圧を加えることで、アノードからカソードへプロトンを強制的に移動させてカソードでプロトン、酸素及び電子を結合させ、水を生成するときの発熱反応によって燃料電池を昇温させることを特徴とする。
【００１０】
例えば、アノードにバッテリの正極を接続し、カソードにバッテリの負極を接続することで、アノードに供給した水素がプロトンと電子とに乖離するのを促進させるとともに、カソードに供給した酸素と、上記のプロトン、電子との結合による水の生成反応を促進させて、より多くの熱を発生させる。
【００１１】
このように、燃料電池自体の発熱反応によって昇温させるから、燃料電池に加熱器等の特別な昇温装置を必要としない。更に、従来のように、昇温時に加熱器を作動させたり切替手段を切り替えたりするような複雑な制御も必要としない。
【００１２】
請求項２に係る発明は、所定電圧を、電気分解の際の分解電圧に等しいか、又は分解電圧を下回るようにしたことを特徴とする。
分解電圧は電気分解が始まるのに必要な電圧であるが、実際には、分解電圧になっても、電気分解によって生じた水素及び酸素を電極の表面から放出せず、電気分解がほとんど進行しない。電気分解を進行させるためには、上記の水素及び酸素を電極表面から放出するための電圧（過電圧）を更に加える必要がある。
従って、所定電圧を、分解電圧又は分解電圧を下回るものとすれば、電気分解の進行を抑えることができる。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に係る発明では、燃料電池のアノードとカソードとの間に所定電圧を加えることで、燃料電池をそれ自体の発熱反応によって昇温させることができ、昇温効率をより高めることができて、昇温に要するエネルギーをより小さくすることができる。また、燃料電池に加熱器等の特別な昇温装置を必要とせず、部品数の増加を抑えることができ、コストアップを抑えることができる。更に、従来のように、昇温時に加熱器を作動させたり切替手段を切り替えたりするような複雑な制御が必要なく、コストアップを更に抑えることができる。
【００１４】
請求項２に係る発明では、所定電圧を、分解電圧に等しいか、又は分解電圧を下回るようにすることで、電気分解の進行を抑えることができ、固体高分子電解質膜中の水をほとんど消費しないために、燃料電池の発電性能を安定させることができるとともに長期に渡って発電性能を維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明に係る昇温方法を採用した燃料電池システムの構成図であり、燃料電池システム１０は、燃料電池１１と、この燃料電池１１に接続した負荷１２と、この負荷１２に並列に接続した給電装置１３とからなる。
【００１６】
燃料電池１１は、図では１つのセルを表すが、このようなセルを多数積層した燃料電池スタックであり、固体高分子電解質膜１５（以下、単に「電解質膜１５」と記す。）と、この電解質膜１５を挟むように接合した電極としてのアノード１６（負極である。）及びカソード１７（正極である。）と、これらのアノード１６及びカソード１７のそれぞれの外側に配置することで隣り合うセルと隔てるためのセパレータ２１，２２とからなる。なお、２４，２５は燃料電池１１内を外部と遮断するシール材である。
上記の電解質膜１５、アノード１６及びカソード１７は、膜・電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）２６を構成するものである。
【００１７】
負荷１２は、電流を一定方向に流すダイオード２７を介して燃料電池１１に接続したものである。
給電装置１３は、燃料電池１１に強制的に給電するものであり、バッテリ３１と、このバッテリ３１に直列に接続したスイッチ３２とをからなる。
【００１８】
以上に述べた燃料電池システム１０の作用を次に説明する。
図２（ａ），（ｂ）は本発明に係る燃料電池システムの作用を示す作用図であり、燃料電池１１の昇温方法を説明する。（ａ）は燃料電池１１の通常の発電方法を示し、（ｂ）は燃料電池１１の強制的な昇温方法を示す。
（ａ）の［通常発電］では、水素をアノード１６に供給し、空気（即ち、酸素である。）をカソード１７に供給すると、アノード１６では、水素は、アノード１６に含まれる触媒によって水素イオンになるとともに電子を放出する。そして、水素イオンは電解質膜１５中をカソード１７側に移動し、電子はアノード１６から負荷１２を通ってカソード１７に移動する、即ち負荷１２に電流ｉ１が流れる。
【００１９】
カソード１７では、アノード１６側から移動した水素イオン及び電子と、カソード１７の周囲の酸素とによって、発熱反応を伴いながら水が出来る。そして、この水と、反応しなかった空気とが外部に排出される。
上記の各電極での反応式は、アノード１６では、Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−、カソード１７では、２Ｈ＋＋（１／２）Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏとなる。
【００２０】
（ｂ）の［強制昇温］では、給電装置１３のスイッチ３２をオンにして、アノード１６、カソード１７間に所定電圧Ｖｄを加える。このようにして、アノード１６では、触媒の作用に加え、所定電圧Ｖｄの作用によって、水素を、より多くの水素イオンと、より多くの電子とに変え、そして、水素イオン、即ちプロトン（陽子である。）を電解質膜１５中で強制的にカソード１７側へ移動させる。このとき、電子は、アノード１６から負荷１２を通ってカソード１７に移動する、即ち、電流ｉ２が流れる。
【００２１】
ここで、「強制」とは、（ａ）に示した通常発電の場合に水素イオンの移動が自然的であることに対して、水素イオン（プロトン）を移動させるために外部から電気エネルギーを加えることをいう。
【００２２】
この場合も、アノード１６及びカソード１７では、（ａ）に示したのと同様な反応が起こって発熱するが、上記したプロトンの強制移動によって、（ａ）の場合よりも多くの水素が消費されるため、より多くの熱が発生する。（アノード１６及びカソード１７の反応の反応式は省略する。図中の太線は昇温に関係する回路である。）
【００２３】
この強制昇温での、燃料電池スタック全体の発熱量をＱとすると、発熱量Ｑは図示した式で求められる。即ち、スタック全体の発熱量＝水素１ｍｏｌ当りの発熱量×スタック全体への水素供給量である。
【００２４】
例えば、セル数４４０、出力５０ｋＷの燃料電池に、外部から電流１６Ａを流すと、各セルの電圧は０．１Ｖとなり、燃料電池に外部から投入する電力は、０．１Ｖ×４４０×１６Ａ＝７０４Ｗとなって、このときの発熱量Ｑは１０．０ｋＷとなる。
【００２５】
上記した所定電圧Ｖｄは、電気分解を始めるに必要な電圧（１．２Ｖ）であり、これを分解電圧という。
但し、実際の電気分解では、上記の分解電圧Ｖｄになっても、分解によって発生した水素及び酸素が電極から放出するためにエネルギー、即ち電圧（これを過電圧という。）が必要であり、分解電圧Ｖｄに上記の過電圧を加えたある一定の電圧（約１．７Ｖ）にならないと、ほとんど電流が流れない、即ち電気分解がほとんど進行しない。
【００２６】
従って、アノード１６、カソード１７間に上記の分解電圧Ｖｄ、あるいは分解電圧Ｖｄを下回る電圧を加えておけば、燃料電池１１内の水の電気分解がほとんど進行せず、水の消費を抑えることができる。
【００２７】
図３は本発明に係る燃料電池システムの効果を示すグラフであり、燃料電池の内部温度と時間との関係を示す。縦軸は内部温度Ｔｉ、横軸は時間ｔを表す。
「通常発電１」と示したように、燃料電池が常温から発電を開始すると、破線で示すように、時間の経過とともに内部温度Ｔｉが上昇し、時間ｔがｔ１で作動温度範囲に達する。作動温度範囲とは、燃料電池内で水素が水素イオンと電子とへ乖離するのがスムーズに行われて燃料電池の発電が安定して効率よく行われる温度範囲（約７０℃〜約９０℃）で、温度が高いほど発電の効率は大きくなるが、高分子電解質膜の耐熱温度によって作動温度範囲の上限が決まる。
【００２８】
「強制昇温１」と示したように、燃料電池に常温から通電すると、実線で示したように、時間の経過に伴い、内部温度Ｔｉは急激に上昇し、時間ｔがｔ１よりも早いｔ２で作動温度範囲に達し、その後、内部温度Ｔｉはほぼ一定の値に収束する。
このように、燃料電池に常温から通電すれば、燃料電池を早期に効率良く発電開始可能とすることができる。
【００２９】
また、例えば、寒冷地では、気温が氷点近く、あるいは氷点下になると、燃料電池の高分子電解質膜に含まれる水分が凍る。
グラフ中の「通常発電２」と示したように、燃料電池が氷点近くから発電を開始すると、二点鎖線で示したように、時間ｔの経過につれて、内部温度Ｔｉは緩慢に上昇する。
【００３０】
これに対して、「強制昇温２」と示したように、燃料電池に氷点近くから通電すると、通電初期、即ち凍結した水分が完全に溶けるまでは、時間ｔの経過に対する内部温度Ｔｉの上昇率は小さいが、水分が完全に溶けた後は、時間が経過するにつれて、内部温度Ｔｉの上昇率が急激に大きくなり、時間ｔ３で作動温度範囲に達し、その後、内部温度Ｔｉはほぼ一定の値に収束する。
【００３１】
以上の図２（ａ），（ｂ）で説明したように、本発明は第１に、電解質膜１５を一対の電極としてのアノード１６とカソード１７とで挟み込み、アノード１６に水素を供給するとともにカソード１７に酸素を供給することで発電する燃料電池１１を昇温させる昇温方法であって、アノード１６とカソード１７との間に所定電圧Ｖｄを加えることで、アノード１６からカソード１７へプロトンを強制的に移動させてカソード１７でプロトン、酸素及び電子を結合させ、水を生成するときの発熱反応によって燃料電池１１を昇温させることを特徴とする。
【００３２】
燃料電池１１のアノード１６とカソード１７との間に所定電圧Ｖｄを加えることで、燃料電池１１をそれ自体の発熱反応によって昇温させることができ、昇温効率をより高めることができて、昇温に要するエネルギーをより小さくすることができる。また、燃料電池１１に加熱器等の特別な昇温装置を必要とせず、部品数の増加を抑えることができ、コストアップを抑えることができる。更に、従来のように、昇温時に加熱器を作動させたり切替手段を切り替えたりするような複雑な制御が必要なく、コストアップを更に抑えることができる。
【００３３】
本発明は第２に、所定電圧Ｖｄを、電気分解の際の分解電圧に等しいか、又は分解電圧を下回るようにしたことを特徴とする。
所定電圧Ｖｄを、分解電圧に等しいか、又は分解電圧を下回るようにすることで、電気分解の進行を抑えることができ、電解質膜１５中の水をほとんど消費しないために、燃料電池１１の発電性能を安定させることができるとともに長期に渡って発電性能を維持することができる。
【００３４】
尚、本発明の昇温方法は、固体高分子電解質膜型燃料電池の他に、例えば、リン酸型燃料電池に採用してもよい。
また、本発明では、固体高分子電解質膜型燃料電池の各電極間に所定電圧を加えてプロトンを強制移動させたが、これに限らず、他の形式の燃料電池の各電極間に所定電圧を加えてプロトン以外のイオンを強制移動させてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明の昇温方法は、燃料電池の、特に低温始動時に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係る昇温方法を採用した燃料電池システムの構成図である。
【図２】本発明に係る燃料電池システムの作用を示す作用図である。
【図３】本発明に係る燃料電池システムの効果を示すグラフである。
【図４】従来の燃料電池の昇温方法を説明する構成図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０…燃料電池システム、１１…燃料電池、１２…負荷、１３…給電装置、１５…固体高分子電解質膜、１６…アノード、１７…カソード、Ｖｄ…所定電圧。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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