(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のガス拡散層部を加熱するヒータを備え、燃料電池内が凍結している低温条件下で運転を行う際に前記ヒータを作動させてガス拡散層部を加熱するようにした燃料電池装置であって、
前記ガス拡散層部で生成した水分が再び凍結を起こさない最低温度よりも高く、かつ燃料電池の定格温度よりも低い温度を第１の所定値として設定し、ガス拡散層部の温度が前記第１の所定値まで上昇した後、当該第１の所定値を維持するように前記ヒータの作動を制御するようにしたことを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記ヒータの作動制御は、ガス拡散層部の温度が前記第１の所定値に達したとき、それ以後第１の所定値が維持されるようにヒータの通電量を増減する制御である請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記ヒータの作動制御は、前記第１の所定値よりも高い温度であって、ヒータへの通電を停止した後のガス拡散層の温度が前記第１の所定値に維持されるように設定した温度を第２の所定値として、ガス拡散層部の温度が前記第２の所定値に達した後、ヒータへの通電を停止する制御である請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記第２の所定値を外気温に応じて補正する請求項３に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記ヒータを通電により発熱する電気式ヒータで構成すると共に、前記ガス拡散層部の温度を当該ヒータの電気抵抗値から算出するようにした請求項１から請求項４の何れかに記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池に関し、特にその低温始動性の改善に関する。
【０００２】
【従来の技術と解決すべき課題】
プロトン透過膜型燃料電池等においては、水素と酸素の反応により水が生成される一方、イオンの輸送のために電解質が湿潤していなければならないことから、燃料電池内部に水が存在する。このため、気温が低い環境において非作動状態で放置された場合には燃料電池内の水が凍結し、燃料電池の始動時の動作に支障を来たす。これを回避する一手段として、燃料電池を凍結状態のまま低出力で作動させ、それ自身の発熱により氷を解凍し、その後定格で運転するようにしたものが知られている（第３８回日本伝熱シンポジウム講演論文集第883頁「低温環境下におけるPEFCの凍結挙動と自立運転」を参照）。
【０００３】
しかしながら、燃料電池を内部が凍結したままで運転する場合には、発電量を多くしょうとすると起動後すぐに発電しなくなってしまう。これは燃料電池内部の生成水への反応熱による加熱よりも生成水から周囲への放熱の方が大きく、生成水がガス拡散層（以下「GDL」という。）の部分で凍結してGDL部を塞いでしまうため、燃料や酸化剤が触媒層に輸送されなくなるためである。これを避けようとすれば、凍結してもGDL部を塞がない程度の量の水しか生成されない非常に少ない発電量、すなわち非常に少ない発熱量でしか運転が行なえず、結果的に解凍に長時間を要してしまうという問題が生じる。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、燃料電池のGDL部を加熱するヒータを備え、燃料電池内が凍結している低温条件下で運転を行う際に前記ヒータを作動させてGDL部を加熱するようにした燃料電池装置である。
【０００５】
前記ヒータは、GDL部で生成した水分が再び凍結を起こさない最低温度よりも高く、かつ燃料電池の定格温度よりも低い温度を第１の所定値として設定し、GDL部の温度が前記第１の所定値まで上昇した後、当該第１の所定値を維持するようにその作動を制御する。
【０００６】
第２の発明は、第１の発明において、GDL部の温度が前記第１の所定値に達したとき、それ以後第１の所定値が維持されるようにヒータの通電量を増減する。
【０００７】
第３の発明は、第１の発明において、前記第１の所定値よりも高い温度であって、ヒータへの通電を停止した後のGDL部の温度が前記第１の所定値に維持されるように設定した温度を第２の所定値として、GDL部の温度が前記第２の所定値に達した後、ヒータへの通電を停止する制御を行う。
【０００８】
第４の発明は、第３の発明において、第２の所定値を外気温に応じて補正する。
【０００９】
第５の発明は、前記各発明において、ヒータを通電により発熱する電気式ヒータで構成すると共に、前記GDL部の温度を当該ヒータの電気抵抗値から算出する。
【００１０】
【作用・効果】
前記第１の発明以下の各発明によれば、GDL部を優先的に加熱することが可能なので、GDL部の解凍をその他の部位も含めて解凍を行う場合に比べて少ないエネルギ消費により短時間で行うことができる。すなわち、生成水等がGDL内部で凍結するのを抑制して、効率の良い発電状態を持続できるようになる。
【００１１】
特に本発明によれば、ヒータによる加熱後の温度が燃料電池の凍結温度よりも高く、かつ定格温度よりも低い温度である第１の所定値（例えば５℃〜２０℃）を維持するようにしたので、燃料電池自体の発電に伴う発熱を効果的に利用して、少ないエネルギで効率よく燃料電池の解凍および暖機を行うことができる。もしガス拡散層部の温度が定格温度またはそれ以上になると、そのような温度域では燃料電池自体の効率が良いため放出される熱量が減少し、それだけヒータの負担が大きくなるため加熱の効率が低下してしまうのである。
【００１２】
第２の発明によれば、GDL部の温度が第１の所定値を維持するようにヒータへの通電量を増減するので、GDL部の温度を第１の所定値に相当する温度に精度良く制御することができ、これにより燃料電池の起動をより効率よく短時間に行うことが可能になる。
【００１３】
第３の発明によれば、ヒータへの通電停止後も第１の所定値が維持されるように、いったんより高い第２の所定値までGDL部の温度を高めてからヒータへの通電を停止する。したがって、燃料電池の起動をより促進できると共に、そのための制御をより簡略化することができる。
【００１４】
第４の発明によれば、前記第３の発明において第２の所定値を外気温に応じて設定するようにしたので、外気の温度条件に応じてより適切に燃料電池の起動を行うことができる。
【００１５】
第５の発明によれば、温度センサ等を設けることなくGDL部の温度を検出できるので、燃料電池の制御を低コストな制御システムにより実現することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１はPEFC（プロトン透過膜型燃料電池）の断面構造を示している。１はセパレータ、２はプロトン透過膜、３は触媒層、４はGDL、５はGDLに埋め込まれた電気式のヒータである。また、６は前記GDL４またはその近傍の温度を測定するための温度センサ、７はヒ一タ５へ電力を供給する電源、８はその出力を制御するためのコントローラである。コントローラ８はCPUおよびその周辺装置からなるマイクロコンピュータで構成されており、センサ４からの温度検出信号に基づいてヒータ５への供給電流を制御する。
【００１７】
前記ヒータ５は、GDL４を優先的に加熱することが可能なものであれば図示したような形態のものに限られない。例えばGDL４の表面に接するように配置されたヒータや、伝熱部をGDL４の内部または近傍に配置した燃焼式ヒータ、GDL４が選択的に吸収する波長を用いたマイクロ波ヒータ等を適用することができる。
【００１８】
次に、前記コントローラ８による燃料電池起動時のヒータ制御につき、流れ図に沿って説明する。以下に示す各流れ図は前記コントローラ８により周期的に実行される処理ルーチンを表しており、図中および以下の説明中で符号Ｓを付した数字は処理ステップ番号を表している。
【００１９】
図２は、ヒータ制御に関する第１の実施形態の制御フローである。燃料電池の起動時にＳ１にてGDL４部の温度Tgdlをセンサ６により検出し、これをＳ２にて所定値Tgdl#sと比較する。Tgdl＜Tgdl#sのときにはＳ３にてヒータ５に通電し、Tgdl≧Tgdl#sの状態ではヒータ５への通電を行わない。この実施形態では、GDL４自体の温度を測定し、GDL４で生成した水分が再び凍結を起こさない最低温度よりも高く、かつ燃料電池の定格温度よりも低く設定した所定値Tgdl#s（本発明における第１の所定値。例えばTgdl#s＝５℃〜２０℃）になるようにすることで、GDL４で生成した水分が再び凍結を起こさないようにすることができる。特に、GDL４そのものの温度を測定して制御しているので、GDL４部で生成した水分が再び凍結を起こさない温度に、より少ないエネルギでかつ的確に制御できる。
【００２０】
また、この実施形態では、前記第１の所定値を燃料電池が凍結を起こさない最低温度よりも高く、かつ燃料電池の定格温度よりも低い温度に設定したことにより、燃料電池の作動に伴う発熱を有効利用してヒータへの通電電力を節約し、効率よく燃料電池の起動を行うことができる。燃料電池は定格点では熱効率が良いために、放出される熱量が減少する。なお、温度の所定値が低すぎると、プロトンの伝導率が低下する等の理由から反応量が減少するために、やはり放出される熱量が減少する。
【００２１】
図３は、ヒータ制御に関する第２の実施形態である。この制御では、燃料電池の低温起動の当初にヒータ出力を最大とし、その後GDL温度が設定値Tgdl#s（本発明における第１の所定値。）に達したのちはその温度を維持するようにヒータ出力を段階的に増減する。まず燃料電池起動時にＳ１にてヒータ出力状態を示すフラグFlagを０に初期化し、次いでＳ２にてGDL温度Tgdlを測定し、Ｓ３でFlagの状態を調べる。制御開始時はFlag＝０であるので、Ｓ４に進み、Tgdlを基準値（０℃）と比較して低温起動時か否かを判定する。ここでTgdl＜０℃であれば低温起動時であると判定して次のＳ５にてヒータ５の出力を最大にするとともに、Flagを１に設定する。Ｓ１２は終了判定であり、Flagが１のときはＳ２に戻る。Ｓ４にてTgdl≧０℃であれば、Flagは０のままであるので、Ｓ１２のフラグ判定に基づき何もせずに今回の処理は終了する。
【００２２】
Ｓ２にてFlag＝１と判定されたときは、以下のＳ６〜Ｓ９の処理により、Tgdlを設定値Tgdl#sと比較しながら、TgdlがTgdl#s付近の温度に維持されるようにヒータ出力を段階的に増減する。すなわち、Tgdl＜Tgdl#sであればヒータ出力を１段階増大し（ただし最大出力を限度とする）、Tgdl＞Tgdl#sであればヒータ出力を１段階減少させる。前記の制御の結果としてヒータ出力が０となった時点でＳ１０によりこれを判定してＳ１１にてFlagを０に設定し、ヒータ制御を終了する。すなわち、GDL温度をTgdl#s付近に維持している間に燃料電池自体が反応熱を発して、ヒータ５による加熱を要せずにGDL温度がTgdl#s以上に保たれるようになるので、その時点で加熱制御を停止する（図４参照）。
【００２３】
この実施形態によれば、GDL自体の温度を測定し、GDL部で生成した水分が再び凍結を起こさない最低温度よりも高くかつ燃料電池の定格温度よりも低い第１の所定値を保つように制御することで、GDLで生成した水分が再び凍結を起こさないようにすることができる。このとき、前記第１の所定値を保つようにヒータの通電電力を抑えるので、ヒータの消費電力を最小限に抑えることができる。
【００２４】
図５は、ヒータ制御に関する第３の実施形態である。この制御では、燃料電池の低温起動時に、燃料電池がある程度発電が可能となるようなある設定値Tgdl#s（本発明における第２の所定値）にまで十分にGDL４部を加熱してからヒータ５を停止させるようにしたものである。まず燃料電池起動時にＳ１にてヒータ出力状態を示すフラグFlagを０に初期化し、次いでＳ２にてGDL温度Tgdlを測定し、Ｓ３でFlagの状態を調べる。制御開始時はFlag＝０であるので、Ｓ４に進み、Tgdlを基準値（０℃）と比較して低温起動時か否かを判定する。ここでTgdl＜０℃であれば低温起動時であると判定して次のＳ５にてヒータ５の出力を最大にするとともに、Flagを１に設定する。Ｓ９は終了判定であり、Flagが１のときはＳ２に戻る。Ｓ４にてTgdl≧０℃であれば、Flagは０のままであるので、Ｓ９のフラグ判定に基づき何もせずに今回の処理は終了する。
【００２５】
Ｓ２にてFlag＝１と判定されたときは、Ｓ６以下の処理により、Tgdlを設定値Tgdl#sと比較しながら、TgdlがTgdl#sに達するまでヒータ５を最大出力で作動させる。TgdlがTgdl#sに達したらＳ７にてヒータ５を停止させ、Ｓ８にてFlagを０に設定してヒータ制御を終了する（図６参照）。
【００２６】
本実施形態における前記所定値Tgdl#sは、前述したようにヒータ５の作動を止めても反応による発熱だけでGDL４部での水の凍結が起こらない最低温度以上が保てるような値を予め実験等により求めて設定しておく。このTgdl#sは、PEFCの高分子膜２が変性または溶損したり、触媒３と高分子膜２の結合構造が破壊されたりしない限度で高く設定することが、解凍時間ないし起動時間を短縮するためには望ましい。
【００２７】
この実施形態によれば、ヒータ５を最初に一気に暖めておいて、所定温度Tgdl#sになったらヒータ５への通電を停止するようにしたことから、燃料電池の起動をより早めることができる。また、ヒータ５への通電制御も簡略化できる。このとき、所定値Tgdl#sは、ヒータ５への通電を切ってもGDL４部で生成した水分が再び凍結を起こさないで燃料電池が自己発熱を行える温度であるので、燃料電池を外部から燃焼ガスやヒータで加熱する場合に比べて、暖機時のエネルギ損失をより低く抑えることができる。
【００２８】
図７は、前記第４の実施形態によるヒータ制御に適用可能な、設定値Tgdl#sの設定手法を示している。ここではＳ１にて外気温度代表値として燃料電池起動開始時のGDL温度Tgdlを測定し、この結果に基づいてＳ２にて図８に示したように予め設定されたテーブルを参照し、Ｓ３にて所定値Tgdl#sを設定する。このテーブルは、図示したように外気温（当初のTgdl#s）が低下するほど、所定値Tgdl#sが高くなるように設定されている。これにより、外気温によらず、燃料電池の反応により生成される水や燃料電池内を通過するガス中の水分のGDL４部での凍結防止を最短時間で行うことが可能となる。
【００２９】
図９は、前記各実施形態によるヒータ制御に適用可能な、GDL温度Tgdlの測定手法を、図１０はこの測定手法を実施するための回路構成を、それぞれ示している。図１０において、５はヒータ、７は電源、９は電圧センサ、１０は電流センサである。この実施形態では、図９のＳ１〜Ｓ５の処理により、前記電圧センサ９と電流センサ１０の測定値からヒータ5の抵抗値を算出する。GDL４部の温度とほぼ等しいヒータ５の温度は、ヒータ５の抵抗値に対して図１１に示したような関係にあり、ヒータ５の抵抗値から図１１のように予め構成したテーブルを参照することにより、GDL４部の温度Tgdlを知ることができる。本実施形態によれば、既存の電流、電圧センサ類を温度センサとして使用することが可能であり、これにより、低コストな制御システムとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態による燃料電池の概略断面図。
【図２】  本発明によるヒータ制御に関する第１の実施形態を示す流れ図。
【図３】  本発明によるヒータ制御に関する第２の実施形態を示す流れ図。
【図４】  前記第２の実施形態による温度制御特性を示す特性線図。
【図５】  本発明によるヒータ制御に関する第３の実施形態を示す流れ図。
【図６】  前記第３の実施形態による温度制御特性を示す特性線図。
【図７】  前記実施例における温度所定値の設定手法例を示す流れ図。
【図８】  図７の設定手法で用いる外気温と所定値との関係を表すテーブルの説明図。
【図９】  前記実施例における温度検出手法例を示す流れ図。
【図１０】  図９の手法の前提となる回路構成の説明図。
【図１１】  図９の設定手法で用いる抵抗値と温度との関係を表すテーブルの説明図。
【符号の説明】
１    セパレータ
２    プロトン透過膜
３    触媒層
４    ＧＤＬ
５    ヒータ
６    温度センサ
７    電源
８    コントローラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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