JP4140355B2

JP4140355B2 - Fuel cell, fuel cell system, and fuel cell heating method

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Publication number: JP4140355B2
Application number: JP2002341079A
Authority: JP
Inventors: 弘康工藤; 齋藤　　友宏; 利幸河合
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-01-30
Filing date: 2002-11-25
Publication date: 2008-08-27
Anticipated expiration: 2022-11-25
Also published as: DE10303761A1; JP2004165101A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば車両に用いて好適な燃料電池、燃料電池システム、および燃料電池の加温方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
氷点下の気候で燃料電池の起動をするためには、発電時に発生する生成水が凍結しないように予め燃料電池を暖機しておく必要がある。しかしながら、例えば車両用燃料電池では、該燃料電池を構成する、複数の単電池の積層体（以下燃料電池スタックと称する）の出力を大きくしなければならないため、該燃料電池スタックの熱容量も大きくなる。
【０００３】
このため、燃料電池スタックを数分割し、初めに第１のスタックを暖機した後発電させ、発電時の熱ロスや発電時の電力を活用しながら第２のスタックを連鎖的に暖機していく方法が提案されている（例えば特許文献１および２参照）。
【０００４】
この方法は、燃料電池スタックを数分割することで、初めにヒータで暖めなければならない燃料電池スタックの熱容量も数分割されるため、小型のヒータで実現できる利点がある。
【０００５】
【先行技術文献１】
特開２０００−２９４２６３号公報（第１頁要約参照）
【先行技術文献２】
特開２００１−２２９９５０号公報（第１頁要約参照）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、燃料電池スタックを数分割し、発電するスタックと発電しないスタックとが混在することは、電気負荷への電力供給源を切り替えなければいけないため、電力切り替え器（ブレーカなど）を必要としていた。
【０００７】
一般に車両用燃料電池は高出力を出すため発電電流も数１００Ａとなることが多く、電力切り替え器の容量も数１００Ａを保証しなければいけないためサイズが大型になる。また燃料電池スタックの分割数も多くするほど、連鎖的な暖機が有利になるため、電力切り替え器も数が多くなる傾向にあった。また、発電するスタックと発電しないスタックへのガス供給を切り替えるバルブが必要であった。
【０００８】
一方、例えば車両の場合、走行条件に応じた電力を供給することが必要となるが、燃料電池の電力供給遅れをＤＣ／ＤＣコンバータ等の電圧変換器を介した２次電池を搭載して保証している。また、ガスを供給する供給機器も電力で作動し、その電力供給源としても２次電池を活用している。従って、複数に分割された第１のスタックを起動した後は、起動した電圧が低くなった第１のスタックで電気負荷をまかなわなければならないため、大きな電流が必要となる。このため、燃料電池スタックと２次電池との間にある電圧変換器は高電流で作動させるべく、より大型化する傾向にあった。
【０００９】
本発明は、保存環境が氷点下になるような使われ方をする燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックを分割するなどのシステムの変更を無くし、小容量の加温手段（例えば電気ヒータ）で短時間に燃料電池を暖機することが可能な燃料電池、燃料電池システム、および燃料電池の加温方法を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明の構成を採用した。即ち、請求項１に記載の発明においては、燃料ガスの導入により発電する燃料電池において、その燃料電池に、互いに独立した複数の熱交換媒体循環通路を内蔵せしめたものである。
【００１１】
この請求項１に記載の発明によれば、複数の独立した通路内に熱交換媒体を循環させる構成であるため、その複数の通路の選択により、燃料電池内における熱交換媒体の循環領域を選択することができるので、例えば暖機時には燃料電池内の一部の領域に熱交換媒体を循環させて該一部の領域を暖機することができ、従って該一部の領域は当然、熱容量も小さいので、熱交換媒体を加温するための加温手段が小容量であっても短時間に該一部の領域を暖機することができる。そして、この一部の領域が暖機されれば、該一部の領域にて発電が開始されることになる。
【００１２】
また、燃料電池そのものに独立した上記通路を内蔵させたから、例えば上記従来技術のように燃料電池スタックを数分割して各スタックを暖機する必要がないため、該スタックを数分割して配置するためのスペースが必要ないし、各スタックから電気負荷への電力供給を切り替える必要もない。
【００１３】
燃料電池は通常は、単電池を複数積層して構成（いわゆる上記燃料電池スタック）されており、このような構成においては、請求項２に記載の発明のように、上記通路は各単電池のうち該単電池の積層方向と交差する方向における面内に互いに独立かつ並列配置し、また該各通路は単電池の隣り合う間において、その列毎に単電池の積層方向で並列接続することができる。
【００１６】
請求項１に記載の発明においては、複数の各単電池の発電面に対応する部位に熱交換媒体が循環する複数の熱交換媒体循環通路が並列配置されており、該通路の一端側は共通の入口部、該通路の他端側は個別の出口部に連通するか、または該通路の一端側は個別の入口部、該通路の他端側は共通の出口部に連通しており、かつ単電池の隣り合う間において各通路が該単電池の積層方向で並列接続されるように、前記各通路の前記入口部どうし、前記各通路の出口部どうしが連結されている。この請求項１に記載の発明によれば、各熱交換媒体循環通路は共通の入口部または共通の出口部にて連通しているため、各通路にて発生する発電に伴う熱量が冷却水を介して他の通路にも伝達させることが可能となり、燃料電池の早期および効果的な昇温が期待できる。
【００２０】
また、請求項２に記載の発明のように、温度センサと制御部との組合せにより、自動的に燃料電池内部の一部の領域から順次全体の領域に前記加温された熱交換媒体を循環させることができる。この場合、請求項４に記載の発明のように、料電池内部の一部の領域から順次全体の領域に熱交換媒体が循環するように、循環手段は各通路に対応した複数の開放手段および循環ポンプを備えるようにすることがよい。即ち、この請求項４に記載の発明によれば、暖機時には燃料電池内の一部の領域に熱交換媒体を循環させて該一部の領域を暖機し、その後、該一部の領域の暖機が行われたら、順次他の領域の暖機を行うことができるため、請求項１に記載の発明と同様に、従来のように燃料電池スタックを分割することなく燃料電池の内部を複数の領域に分割してその領域を順次暖機することができる。なお、開放手段としては、請求項５、６に記載のようなバルブ、ポンプを採用することができる。
【００２１】
請求項７に記載の発明のように、燃料電池の通路の一部の領域に熱交換媒体を循環させた後に他の領域に熱交換媒体を循環させる際には、その一部の領域に対応するバルブの開度を調整するように該バルブを調整することにより、燃料電池全体の昇温を早くすることができる。
【００２２】
請求項８に記載の発明のように、単電池の面の面積を調整することが望ましい。これにより、暖機中においても電気負荷の駆動を行う電力を発生させることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１〜図５は第１実施形態を示すものである。この第１実施形態において、図１は燃料電池を構成する単電池の積層状態を示している。図２は図１の単電池を積層した状態における熱交換媒体の循環経路を説明するものである。図３は図１のＡ−Ａ断面図である。図１〜図３において、各単電池１００は公知のように固体電解質シート（図示しない）の両端にセパレータ２００を介在し、一方のセパレータ２００と固体電解質シートとの間には燃料ガスである水素を、他方のセパレータ２００と固体電解質シートとの間には燃料ガスである酸素（空気）をそれぞれ循環させる燃料ガス通路が形成されている。また、各セパレータ２００のうち燃料ガス通路が形成されている側とは反対側には熱交換媒体としての冷却水を循環させる通路部分および燃料ガスの入口および出口が形成されている。
【００２５】
図１にはその冷却水を循環させるための通路部分および燃料ガスの入口および出口が示されている。
【００２６】
即ち、図１において、２００ａ〜２００ｎは各単電池１００の冷却水面が示されている。例えば一つの単電池１００を例に挙げると、冷却水面２００ａは各単電池１００の積層方向と交差する方向の拡大面をなしており、この冷却水面２００ａには上記積層方向と直交する方向に伸びる形状を有する複数の独立した冷却水通路２０１が並列的に配置されている。
【００２７】
そして、該各通路２０１の一端側には入口２０２、２０４、２０６、２０８が、他端側には出口２０３、２０５、２０７、２０９がそれぞれ接続されている。これら通路２０１、は単電池１００の一構成をなすセパレータの表面を凹状に加工することにより形成されている。また、入口２０２、出口２０３はセパレータを貫通させて形成されており、各単電池１００の入口どうし、出口どうしは互いに連通している。
【００２８】
上記各単電池１００の各通路２０１は、図１から明らかなように、その列毎に各単電池１００の積層方向にて隣り合うように位置しており、その結果、各通路２０１は各単電池１００を積層した状態では各入口および出口を介して並列接続されている（図２参照）。
【００２９】
各単電池１００には上記の燃料ガスの入口および出口が形成されている。即ち、図１に示したように、２１０、２１１はそれぞれ大気（酸素）の入口、出口を、２１２、２１３はそれぞれ水素の入口、出口を表している。従って、単電池１００を積層した状態では、これら入口、出口を介して上述の燃料ガス通路が並列的に接続されることになる。
【００３０】
なお、図１において、最終の単電池１００には側板３００が固定されており、該側板３００には他の単電池と同様に通路３０１が形成されている。該通路３０１の両側には各単電池１００の冷却水入口、出口と接続される凹部３０２が形成されている。なお、各単電池１００の燃料ガス通路と接続される凹部３０３も形成されている。
【００３１】
図４は単電池１００を積層して燃料電池として構成した場合における冷却水の循環の仕方を示している。燃料電池の一方向から冷却水を導入し、最終の単電池の反対側を図１のように側板３００により止めておけば、導入された冷却水は単電池１００内を並列的に流れ、最終的に燃料電池の一方向から取り出すことができる。この際、入口２０２から導入した冷却水は出口２０３で、入口２０４から導入した冷却水は出口２０５で取り出される。他の入口、出口も同様である。
【００３２】
図５は冷却システムを含めた燃料電池システムを示したものである。冷却システム内を循環する冷却水は、氷点下以下の温度、例えばマイナス３０℃程度でも凍結しないように不凍液を含んでいる。
【００３３】
図５において、５０１は水素、化石燃料等を燃料とするヒータ、或いは電気ヒータ等の加温手段であり、本実施形態では電気ヒータを用いている。５０２は冷却水を循環させる循環ポンプ、５０３、５０４、５０５は冷却水の流れを止めることのできる開閉バルブである。以上の循環ポンプおよびバルブにて熱交換媒体循環手段を構成している。５０６は制御部、Ｔ２０３は燃料電池の最上部における冷却水出口２０３側に配設した温度センサを示しており、該出口２０３の冷却水温度を検出するためのものである。
【００３４】
上記制御部５０６は温度センサＴ２０３からの電気信号に応じて上記電気ヒータ５０１、上記循環ポンプ５０２、バルブ５０３〜５０５の作動を制御するためのものである。また、制御部５０６は冷却水出口２０３の温度が初回に０℃に到達すると、燃料電池の一方の入口２１０に大気を、他方の位置口２１２に水素を供給する信号をこれらの供給源（図示しない）に対して発する。
【００３５】
そして、制御部５０６は温度センサＴ２０３にて検出された冷却水温が氷点下以下の温度範囲では上記電気ヒータ５０１、循環ポンプ５０２を作動させ、バルブ５０３〜５０５は閉じるよう作動する。次に、氷点下以下の温度から冷却水温が上昇したと制御部５０６が判断した場合は、その上昇の程度に応じてバルブ５０３〜５０５を順次開くよう作動する。
【００３６】
具体的に説明すると、図７のフローチャートにおいて、スタート時にはバルブ５０３〜５０５の閉を確認する。次に、電気ヒータ５０１および循環ポンプ５０２を作動する。これにより、電気ヒータ５０１で加温された冷却水は循環ポンプ５０２の作動により燃料電池の冷却水入口２０２、通路２０１、冷却水出口２０３を循環する。つまり、図６に示すように、燃料電池の領域Ａに加温された冷却水が循環する。そして、冷却水の循環により、図８に示すように、該領域Ａの温度が−３０℃から立ち上がり、所定時間ｔ１後に出口２０３からの冷却水温度が０℃に達すると、燃料電池に対して水素および空気の燃料ガスを供給し、発電させる。これにより、燃料電池の領域Ａが発電を開始し、同時に該領域Ａにて反応熱が発生し、この反応熱は該領域Ａを循環する冷却水に放熱される。このため、該領域Ａを循環する冷却水の温度は上昇し、所定時間ｔ２後に冷却水出口２０３からの冷却水の温度がＴ１以上に到達すると、バルブ５０３を開放する。
【００３７】
バルブ５０３の開放により、冷却水の一部はバイパスして冷却水入口２０４から通路２０１を通って出口２０５に至る領域Ｂを循環することになる。このため、該領域Ｂを循環する冷却水の温度は−３０℃と低いので、この出口２０５からの冷却水と出口２０３からの冷却水との合流により領域Ａの出口２０３からの冷却水温度はＴ１から低下し、所定時間ｔ３経過後は０℃程度になる。しかし一方で、領域Ｂでは冷却水入口２０４から温水が投入されるため、領域Ｂは暖機昇温する。従って領域Ｂからも発電が可能となり、発電に伴う発熱が領域Ｂを循環する冷却水にも伝わり暖機が加速される。所定時間ｔ４経過後に出口２０３からの冷却水温度がＴ２以上に到達するとバルブ５０４を開放する。そして、バルブ５０４の開放により、冷却水が燃料電池の領域Ｃを循環することになる。
【００３８】
次に、バルブ５０４の開放により該領域Ｃを通過する冷却水が合流するため、出口２０３の温度は所定時間ｔ５経過後０℃程度まで下降するが、領域Ｃでの発電による発熱に伴って冷却水温度が再び上昇することになる。
【００３９】
そして、所定時間ｔ６経過後に出口２０３の冷却水温度がＴ３以上となると、バルブ５０５を開放させ、燃料電池の領域Ｄに冷却水を循環させ、該領域Ｄの温度を上昇させ、該領域Ｄを発電させる。該領域Ｄを循環する冷却水の温度は−３０℃と低いので、この出口２０９からの冷却水が合流することにより領域Ａの出口２０３からの冷却水温度はＴ１から低下し、所定時間ｔ７経過後は０℃程度になる。しかし、領域Ｄでの発電に伴う発熱により領域Ｄを循環する冷却水の温度は上昇することになる。
【００４０】
ここで、所定時間ｔ３、ｔ５、ｔ７経過後に０℃とするのは、一旦暖めた領域Ａ、Ｂ、Ｃが再び０℃以下になって再び凍結で発電が阻害されないようにするためで、０℃以上を維持していればよい。そのためには温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３の温度は予め実験或いは計算等によって求めておく必要がある。
【００４１】
なお、図９のように、燃料電池の発電電力が所定電力Ｘ（ＫＷ）を上回ると、電気ヒータ５０１への通電を停止させる。
【００４２】
このような制御により図４〜図６から理解されるように、燃料電池の一部の領域Ａから順次全体の領域（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）に、電気ヒータ５０１により加温された冷却水を循環させ、かつ発電させることが可能となる（図６は燃料電池の領域Ａ〜Ｃまでの暖機状態を示している）。また、以上説明したように、発電しながらバルブ５０３、５０４、５０５を順次開放するため、発電による熱源が加速度的に次々と増加し、燃料電池全体の暖機時間を短縮することができる。
【００４３】
燃料電池は、発電によって水素エネルギを電力の他に熱にも変換するため、発電させながら得られる熱も使ってその全体を暖機する方が有利である。
【００４４】
例えば車両用など大出力の燃料電池は、複数個の単電池で構成されるため、熱容量が大きくなる傾向にある。また、電気的に直列に接続しているため、仮にある一部の単電池群だけを暖機したとしても、暖機されていない単電池群の発電ができないため、全体としても発電を行うことができない。そこで、小容量の加温手段（例えば電気ヒータ）で短時間に発電できるようにするためには、燃料電池の一部を単電池間で均等になるように暖機することが有効である。
【００４５】
凍結しない温度を０℃とし、そのときの燃料電池全体の出力が、例えば１００Ｗ得られるとすれば、燃料電池の１０％の面積を凍結しない温度まで暖機すると、約１０Ｗの出力が得ることができる。燃料電池を構成する複数個の単電池がそれぞれ１０％暖機できれば、１０Ｗ×単電池枚数の出力が得ることが可能となる。
【００４６】
発電を行うためには、水素と空気を供給する必要があり、各種補機を稼働させる必要である。発電を行う前には、これら補機の動力を燃料電池スタック以外でまかなう必要があるため、車両においては、バッテリがその有効な手段となっている。しかしながらバッテリの温度も低温であり、その放電能力が低下してしまう傾向がある。従って、発電直後の燃料電池出力（Ｐｆ）、バッテリ出力（Ｐｂａｔ）、初期の暖機と発電に必要な補機動力（Ｐｈ）の関係は、
（数１）
Ｐｆ＞Ｐｂａｔ＞Ｐｈ
を成立させる必要がある。即ち、発電前はバッテリで補機の動力を賄うが、燃料電池の発電が開始されると、直ちに補機動力を燃料電池が賄いかつバッテリにも充電できるようにしなければならない。
【００４７】
これらのことから、燃料電池の初期暖機を（数１）が成立するように燃料電池の暖機面積を決定する必要がある。具体的には、燃料電池の１〜３０％程度の単電池群を初期暖機すれば、通常のシステムで（数１）が成立する。
【００４８】
（第２実施形態）
図１０は燃料電池の領域Ａの冷却水入口に入口温度センサＴ２０２、領域Ｂ、Ｃ、Ｄの冷却水出口に出口温度センサＴ２０３、Ｔ２０５、Ｔ２０７、Ｔ２０９を設置し、これら温度センサＴ２０２、Ｔ２０３、Ｔ２０５、Ｔ２０７、Ｔ２０９にてバルブ５０３〜５０５の開度を調整するようにした実施形態を示すものである。
【００４９】
これについて説明すると、スタート時にはバルブ５０３〜５０５の閉を確認後、電気ヒータ５０１および循環ポンプ５０２を作動させる。これにより、加温された冷却水が燃料電池の領域Ａを循環し、該領域Ａが暖機され、時間ｔ１の経過後、冷却水出口２０３の温度が０℃以上に到達すると、燃料ガスを燃料電池に供給する。燃料ガスの供給により、領域Ａでの発電が開始される。
【００５０】
発電が開始した後は、領域Ａの冷却水入口２０２の温度が０℃になるように、バルブ５０３の開度を調整する。これにより、冷却水の一部が燃料電池の領域Ｂに循環するが、その循環量は領域Ａの冷却水入口２０２の温度が０℃になるように調量される。この操作によって、ヒータ５０１と領域Ａで得た熱量は全て領域Ｂに投入されるため、無駄なく領域Ｂの暖機が可能となる。
【００５１】
領域Ｂへの冷却水の循環により該領域Ｂが暖機され、該領域Ｂにて発電されるため、その発熱が冷却水に放熱される結果、領域Ｂの冷却水出口２０５の温度が遅れて上昇することになる。そして、温度センサＴ２０５により検出された温度が０℃以上に到達すると、バルブ５０３を全開にする。
【００５２】
次に、時間ｔ２経過後、領域Ａの冷却水入口２０２の温度が０℃になるように、バルブ５０４の開度を調整する。これにより、冷却水の一部が燃料電池の領域Ｃに循環するが、その循環量は領域Ａの冷却水入口２０２の温度が０℃になるように調量される。
【００５３】
領域Ｃへの冷却水の循環により該領域Ｃが暖機され、該領域Ｃにて発電されるため、その発熱が冷却水に放熱される結果、領域Ｃの冷却水出口２０７の温度が上昇することになる。そして、温度センサＴ２０７により検出された温度が０℃以上に到達すると、バルブ５０４を全開にする。
【００５４】
次に、時間ｔ３経過後、領域Ａの冷却水入口２０２の温度が０℃になるように、バルブ５０５の開度を調整する。これにより、冷却水の一部が燃料電池の領域Ｄに循環するが、その循環量は領域Ａの冷却水入口２０２の温度が０℃になるように調量される。
【００５５】
領域Ｄへの冷却水の循環により該領域Ｄが暖機され、該領域Ｄにて発電されるため、その発熱が冷却水に放熱される結果、領域Ｄの冷却水出口２０９の温度が上昇することになる。そして、温度センサＴ２０９により検出された温度が０℃以上に到達すると、バルブ５０５全開にする。
【００５６】
以上の作動による燃料電池の温度と電力との関係を図１２に示す。
【００５７】
本実施形態２によれば、各温度センサＴ２０３、２０５、２０７、２０９により各領域Ａ〜Ｄの出口側の冷却水温度をダイレクトに検出して各バルブ５０３〜５０５の開度を調整し、各領域Ａ〜Ｄへの冷却水流量を調整できる結果、実施形態１に比較して各領域Ａ〜Ｄの暖機を素早く行うことができ、従って燃料電池として発電できるまでの時間を短縮することができるという利点がある。
【００５８】
（第３実施形態）
図１３は上記第２実施形態における開度調整式バルブに代えて流量可変ポンプ６０１〜６０３を採用したものであり、作動は実施形態２と同じである。
【００５９】
（第４実施形態）
図１４は上記第３実施形態における流量可変ポンプを各領域Ｂ〜Ｄの入口側に設置することに代えて出口側に設置したものであり、作動は実施形態２と同じである。
【００６０】
（第５実施形態）
上記各第１実施形態１〜３は、何れも各単電池の積層方向と交差する方向における拡大面内（発電面）に各通路２０１を独立して配置した例を示しているが、本第５実施形態ではこれら通路の入口側を共通とし、出口側は各通路に対応させて独立させるようにしたものである。
【００６１】
具体的に説明すると、図１５および図１５のＡ−Ａ断面を示す図１６において、各単電池１００の各通路２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄの熱交換媒体入口側を共通の１つの入口２０２に連通させ、各通路の出口側はそれぞれ出口２０３〜２０９に連通させたものである。
【００６２】
図１５の積層タイプの単電池で構成される燃料電池システムを図１７に示す。この燃料電池システムの作動フローチャートを図１８に示す。
【００６３】
図１８において、図１７を参照しながら作動を説明する。
【００６４】
ステップＳ１においては、バルブ５０３−１が開、その他のバルブ５０３、５０４、５０５が閉であることを確認する。
【００６５】
ステップＳ２においては、電気ヒータ５０１を作動させ、ステップＳ３において循環ポンプ５０２を作動させる。これにより、燃料電池の通路２０１ａのみに加温された冷却水が循環する経路が形成されるため、燃料電池の一部（２０１ａ）のみが昇温することになる。
【００６６】
次に、ステップＳ４において、通路２０１ａの出口２０３の冷却水温度が０℃を超えているか否かを判断する。温度は出口２０３側の循環路に配置した温度センサＴ２０３にて求める。そして、ステップＳ４で０℃を下回っている場合は、戻る。０℃を超えている場合はステップＳ５に進み、燃料ガス（水素、空気）を燃料電池に供給する。これにより、燃料電池の一部（図７の領域Ａ）での発電が開始される。
【００６７】
ステップＳ６では、通路２０１ａの出口２０３の冷却水温度Ｔ１が所定値Ｔ１（０℃以上）を超えているか否かを判断する。出口２０３の冷却水温度Ｔ１が所定値Ｔ１を下回っていると判断された場合は、ステップＳ６に戻る。
【００６８】
ステップＳ６で出口２０３の冷却水温度Ｔ１が所定値Ｔ１を超えていると判断されると、通路２０１ｂの出口のバルブ５０３を開き、通路２０１ｂ内にも冷却水を循環させる。これにより、通路２０１ｂ内への冷却水の循環により通路２０１ａの出口２０３の冷却水温度が低下するので、ステップＳ７では、出口２０３の冷却水温度が所定範囲内Ｒ（０℃以上の範囲内）に収まるようにバルブ５０３−１の開度を調整する。
【００６９】
ステップＳ８においては、通路２０１ｂの出口２０５の冷却水温度Ｔ２が目標設定温度Ｔ２を超えているか否かを判断する。温度は出口２０５側の循環路に配置した温度センサＴ２０５にて求める。ステップＳ７に基き、バルブ５０３が開放されると、通路２０１ｂ内に冷却水が循環し、該通路２０１ｂが昇温される。そして、通路２０１ｂの出口２０５の冷却水温度が目標設定温度Ｔ２を超えたと判断された場合は、ステップＳ９に進む。目標設定温度Ｔ２を下回ると判断された場合はステップＳ８に戻る。
【００７０】
ステップＳ９においては通路２０１ｃの出口２０７のバルブ５０４を開き、同時に出口２０３の冷却水温度が所定範囲内Ｒ（０℃以上の範囲内）に収まるようにバルブ５０３−１の開度を調整する。バルブ５０４の開放により、冷却水は通路２０１ｃにも循環し、該通路２０１ｃに対応する個所が昇温する。
【００７１】
次に、ステップＳ１０に進み、バルブ５０４の出口２０７の冷却水温度が目標温度Ｔ３を超えているか否かを判断する。温度は出口２０７側の循環路に配置した温度センサＴ２０７にて求める。通路２０１ｃの出口２０７の冷却水温度が目標設定温度Ｔ３を超えたと判断された場合は、ステップＳ１１に進む。目標設定温度Ｔ３を下回ると判断された場合はステップＳ１０に戻る。
【００７２】
ステップＳ１１においては通路２０１ｄの出口２０９のバルブ５０５を開き、同時に出口２０３の冷却水温度が所定範囲内Ｒ（０℃以上の範囲内）に収まるようにバルブ５０３−１の開度を調整する。バルブ５０５の開放により、冷却水は通路２０１ｄにも循環し、該通路２０１ｄに対応する個所が昇温する。
【００７３】
以上のようにして、燃料電池の全体が昇温されることになる。
【００７４】
このように、本第５実施形態によれば、各通路２０１ａ〜２０１ｄにより形成される通路は入口側（符号２０２）にて連通しているため、各通路にて発生する発電に伴う熱量が冷却水を介して他の拡大面にも伝達させることが可能となり、燃料電池の早期および効果的な昇温が期待できる。
【００７５】
（第６実施形態）
図１９〜図２１は第５実施形態の変形例である第６実施形態を示すものである。この第６実施形態によれば、単電池の通路を３つとしたものであり、作動は第５実施形態と同じである。
【００７６】
（第７実施形態）
図２２〜図２４は第５実施形態の変形例である第７実施形態を示すものである。この第７実施形態によれば、単電池の通路を２つとしたものであり、作動は第５実施形態と同じである。
【００７７】
（第８実施形態）
図２５〜図２７は第８実施形態を示すものである。この実施形態８は第５実施形態が各通路の入口側を共通とし、出口側を独立としたのに対して、通路の出口側を共通とし、入口側を独立としたものである。
【００７８】
具体的に説明すると、図２５において、各単電池１００の各通路２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄの熱交換媒体出口側を共通の１つの出口２０９に連通させ、各通路の入口側はそれぞれ入口２０２、２０４、２０６、２０８に連通させたものである。
【００７９】
図２５の積層タイプの単電池で構成される燃料電池システムを図２６に示す。この燃料電池システムの作動フローチャートを図２７に示す。
【００８０】
図２７において、図２６を参照しながら作動を説明する。
【００８１】
ステップＳ１においては、バルブ５０３−１が開、その他のバルブ５０３、５０４、５０５が閉であることを確認する。
【００８２】
ステップＳ２においては、電気ヒータ５０１を作動させ、ステップＳ３において循環ポンプ５０２を作動させる。これにより、燃料電池の通路２０１ａのみに加温された冷却水が循環する経路が形成されるため、燃料電池の一部（２０１ａ）のみが昇温することになる。
【００８３】
次に、ステップＳ４において、通路２０１ａを循環して出口２０９から排出された冷却水温度を出口２０９側の循環路に配置した温度センサＴ２０５−１にて検出し、その冷却水温度が０℃を超えているか否かを判断する。０℃を下回っている場合は、戻る。０℃を超えている場合はステップＳ５に進み、燃料ガス（水素、空気）を燃料電池に供給する。これにより、燃料電池の一部（図７の領域Ａ）での発電が開始される。
【００８４】
ステップＳ６では、通路２０１ｂの入口側のバルブ５０３を全開する。
【００８５】
ステップＳ７では通路２０１ｂに冷却水が循環することにより、出口２０９の冷却水温度が変化するので、これを検出して出口２０９の温度が０℃を超えているか否かを判断する。
【００８６】
ステップＳ７で０℃を下回っていると判断された場合は、ステップＳ８に進み、通路２０１ｂの入口側のバルブ５０３の開度を調整し、通路２０１ｂを循環する冷却水量を調整する。
【００８７】
次にステップＳ９にて出口２０９の温度が０℃を超えているか否かを判断し、０℃を下回っている場合は、ステップＳ８に戻る。０℃を超えている場合は、ステップＳ６に進む。
【００８８】
ステップＳ７で出口２０９の温度が０℃を超えていると判断された場合は、ステップ１０に進み、入口２０６のバルブ５０４を全開にし、通路２０１ｃにも冷却水を循環させる。
【００８９】
ステップＳ１１では通路２０１ｃに冷却水が循環することにより、出口２０９の冷却水温度が変化するので、これを検出して出口２０９の温度が０℃を超えているか否かを判断する。ステップＳ１１で０℃を下回っていると判断された場合は、ステップＳ１２に進み、通路２０１ｃの入口側のバルブ５０４の開度を調整し、通路２０１ｃを循環する冷却水量を調整する。
【００９０】
次にステップＳ１３にて出口２０９の温度が０℃を超えているか否かを判断し、０℃を下回っている場合は、ステップＳ１２に戻る。０℃を超えている場合は、ステップＳ１０に進む。
【００９１】
ステップＳ１１で出口２０９の温度が０℃を超えていると判断された場合は、ステップ１４に進み、入口２０８のバルブ５０５を全開にし、通路２０１ｄにも冷却水を循環させる。
【００９２】
ステップＳ１５では通路２０１ｄに冷却水が循環することにより、出口２０９の冷却水温度が変化するので、これを検出して出口２０９の温度が０℃を超えているか否かを判断する。ステップＳ１５で０℃を下回っていると判断された場合は、ステップＳ１６に進み、通路２０１ｄの入口側のバルブ５０５の開度を調整し、通路２０１ｄを循環する冷却水量を調整する。
【００９３】
次にステップＳ１７にて出口２０９の温度が０℃を超えているか否かを判断し、０℃を下回っている場合は、ステップＳ１６に戻る。０℃を超えている場合は、ステップＳ１４に進む。
【００９４】
以上が第８実施形態の作動である。
【００９５】
（第９実施形態）
図２８〜図３０は第８実施形態の変形例である第９実施形態を示すものである。この第９実施形態によれば、単電池の通路を３つとしたものであり、作動は第８実施形態と同じである。
【００９６】
（第１０実施形態）
図３１〜図３３は第８実施形態の変形例である第１０実施形態を示すものである。この第１０実施形態によれば、単電池の通路を２つとしたものであり、作動は第８実施形態と同じである。
【００９７】
（その他の実施形態）
上記第１実施形態〜第１０実施形態では何れも燃料電池への燃料ガスの供給は一定量であるが、例えば燃料電池の各領域Ａ〜Ｄに対する熱交換媒体の循環の仕方にリンクさせて燃料ガスの供給量を順次増大させる制御を採用することができる。これにより、暖機された各領域Ａ〜Ｄでの発電に見合った燃料ガス供給量となるため、領域Ａでの発電を行う際に領域Ｂ〜Ｄまでの領域分も含めた容量の燃料ガスを供給する場合に比較して消費されずに排出される燃料ガス量を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態における単電池と冷却水の通路、入口、出口の関係を示す斜視図である。
【図２】冷却水の循環経路を説明する図である。
【図３】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図４】第１実施形態における単電池の積層状態を示す斜視図である。
【図５】第１実施形態における燃料電池システムを示す図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は燃料電池の各領域の暖機状態を示す斜視図である。
【図７】第１実施形態における作動フローを説明するフローチャートである。
【図８】第１実施形態における燃料電池の温度と電力との関係を示す特性図である。
【図９】第１実施形態のおける暖機工程終了の作動フローを説明するフローチャートである。
【図１０】第２実施形態における燃料電池システムを示す図である。
【図１１】第２実施形態における作動フローを説明するフローチャートである。
【図１２】第２実施形態における燃料電池の温度と電力との関係を示す特性図である。
【図１３】第３実施形態における燃料電池システムを示す図である。
【図１４】第４実施形態における燃料電池システムを示す図である。
【図１５】第５実施形態における単電池の積層状態を示す図である。
【図１６】図１５のＡ−Ａ断面図である。
【図１７】第５実施形態における燃料電池システムを示す図である。
【図１８】第５実施形態作動フローを説明するフローチャートである。
【図１９】第６実施形態における単電池の積層状態を示す図である。
【図２０】第６実施形態における燃料電池システムを示す図である。
【図２１】第６実施形態作動フローを説明するフローチャートである。
【図２２】第７実施形態における単電池の積層状態を示す図である。
【図２３】第７実施形態における燃料電池システムを示す図である。
【図２４】第７実施形態作動フローを説明するフローチャートである。
【図２５】第８実施形態における単電池の積層状態を示す図である。
【図２６】第８実施形態における燃料電池システムを示す図である。
【図２７】第８実施形態作動フローを説明するフローチャートである。
【図２８】第９実施形態における単電池の積層状態を示す図である。
【図２９】第９実施形態における燃料電池システムを示す図である。
【図３０】第９実施形態作動フローを説明するフローチャートである。
【図３１】第１０実施形態における単電池の積層状態を示す図である。
【図３２】第１０実施形態における燃料電池システムを示す図である。
【図３３】第１０実施形態作動フローを説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１００単電池
２０１２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄ通路
２０２、２０４、２０６、２０８入口
２０３、２０５、２０７、２０９出口
５０１電気ヒータ
５０２循環ポンプ
５０３、５０４、５０５バルブ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell, a fuel cell system, and a fuel cell heating method suitable for use in, for example, a vehicle.
[0002]
[Prior art]
In order to start the fuel cell in a sub-freezing climate, it is necessary to warm up the fuel cell in advance so that the generated water generated during power generation does not freeze. However, for example, in a fuel cell for a vehicle, since the output of a stack of a plurality of single cells (hereinafter referred to as a fuel cell stack) constituting the fuel cell must be increased, the heat capacity of the fuel cell stack is also increased. .
[0003]
For this reason, the fuel cell stack is divided into several parts, the first stack is first warmed up and then power is generated, and the second stack is warmed up in a chain while utilizing the heat loss and power generated during power generation. Have been proposed (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
[0004]
This method has an advantage that can be realized with a small heater because the heat capacity of the fuel cell stack that must first be heated by the heater is also divided into several parts by dividing the fuel cell stack into several parts.
[0005]
[Prior Art Document 1]
Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-294263 (see abstract on page 1)
[Prior Art Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 2001-229950 (see the summary on page 1)
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the fuel cell stack is divided into several parts and the stack that generates power and the stack that does not generate power coexist, it is necessary to switch the power supply source to the electric load, and thus a power switch (breaker or the like) is required.
[0007]
In general, a vehicular fuel cell often has a power generation current of several hundreds A in order to produce a high output, and the capacity of the power switch must be guaranteed to be several hundreds A, so the size becomes large. In addition, as the number of divisions of the fuel cell stack is increased, the chain warm-up is more advantageous, and the number of power switching devices tends to increase. In addition, a valve that switches the gas supply to the stack that generates power and the stack that does not generate power is required.
[0008]
On the other hand, for example, in the case of a vehicle, it is necessary to supply electric power according to driving conditions. However, a delay in power supply of the fuel cell is guaranteed by installing a secondary battery via a voltage converter such as a DC / DC converter. is doing. In addition, a supply device that supplies gas operates with electric power, and a secondary battery is also used as the power supply source. Therefore, after starting the first stack divided into a plurality of parts, it is necessary to cover the electrical load with the first stack whose starting voltage is low, so that a large current is required. For this reason, the voltage converter between the fuel cell stack and the secondary battery tends to be larger in order to operate at a high current.
[0009]
The present invention eliminates system changes such as dividing the fuel cell stack in a fuel cell system that is used in such a way that the storage environment is below freezing point, and uses a small capacity heating means (for example, an electric heater) for a short time. It is another object of the present invention to provide a fuel cell, a fuel cell system, and a fuel cell heating method capable of warming up the fuel cell.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention employs the configuration of the invention described in claim 1. That is, according to the first aspect of the present invention, in the fuel cell that generates electric power by introducing the fuel gas, the fuel cell includes a plurality of independent heat exchange medium circulation passages.
[0011]
According to the first aspect of the present invention, since the heat exchange medium is circulated in a plurality of independent passages, the circulation region of the heat exchange medium in the fuel cell is selected by selecting the plurality of passages. For example, when warming up, the heat exchange medium can be circulated through a part of the area in the fuel cell to warm up the part of the area. Since it is small, even if the heating means for heating the heat exchange medium has a small capacity, the partial area can be warmed up in a short time. And if this partial area | region is warmed up, electric power generation will be started in this partial area | region.
[0012]
Further, since the independent passage is built in the fuel cell itself, it is not necessary to warm up each stack by dividing the fuel cell stack into several parts as in the prior art, for example, so the stack is arranged in several parts. Space is not required, and there is no need to switch the power supply from each stack to the electrical load.
[0013]
A fuel cell is usually configured by stacking a plurality of unit cells (so-called fuel cell stack), and in such a configuration, the passage is provided for each unit cell as in the invention described in claim 2. Of these, the passages may be arranged independently and in parallel in a plane in a direction crossing the stacking direction of the unit cells, and the passages may be connected in parallel in the stacking direction of the unit cells for each row between adjacent unit cells. it can.
[0016]
Claim 1 In the invention described in the above, a plurality of heat exchange medium circulation passages through which the heat exchange medium circulates are arranged in parallel at portions corresponding to the power generation surfaces of the plurality of single cells, One end of the passage communicates with a common inlet, the other end of the passage communicates with an individual outlet, or one end of the passage is an individual inlet, and the other end of the passage is a common outlet. Communicated with In addition, the inlet portions of the passages are connected to the outlet portions of the passages so that the passages are connected in parallel in the stacking direction of the unit cells between adjacent unit cells. this Claim 1 According to the invention described in the above, since each heat exchange medium circulation passage communicates with a common inlet or a common outlet, the amount of heat generated by the power generation in each passage is different from that of the other through the cooling water. It can be transmitted to the passage, and an early and effective temperature rise of the fuel cell can be expected.
[0020]
Also, Claim 2 As described in the invention described above, by the combination of the temperature sensor and the control unit, the heated heat exchange medium can be automatically circulated sequentially from a partial area inside the fuel cell to the entire area. in this case, Claim 4 As in the invention described in (1), the circulation means includes a plurality of opening means and circulation pumps corresponding to each passage so that the heat exchange medium circulates sequentially from a partial area inside the battery to the entire area. It is good to do. That is, this Claim 4 According to the invention described in (4), when warming up, the heat exchange medium is circulated through a part of the region in the fuel cell to warm up the part of the region, and then the part of the region is warmed up. Then, since the other regions can be sequentially warmed up, the interior of the fuel cell is divided into a plurality of regions without dividing the fuel cell stack as in the prior art. The area can be warmed up sequentially. As an opening means, Claims 5 and 6 It is possible to employ valves and pumps as described in 1.
[0021]
Claim 7 When the heat exchange medium is circulated in another area after the heat exchange medium is circulated in a partial area of the fuel cell passage as in the invention described in the above, the valve corresponding to the partial area By adjusting the valve so as to adjust the opening degree, the temperature rise of the entire fuel cell can be accelerated.
[0022]
Claim 8 As in the invention described in (1), it is desirable to adjust the area of the surface of the unit cell. Thereby, electric power for driving the electric load can be generated even during warm-up.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
1 to 5 show a first embodiment. In the first embodiment, FIG. 1 shows a stacked state of unit cells constituting a fuel cell. FIG. 2 illustrates a circulation path of the heat exchange medium in a state where the single cells of FIG. 1 are stacked. 3 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 1 to 3, each cell 100 has a separator 200 interposed between both ends of a solid electrolyte sheet (not shown) as is well known, and hydrogen, which is a fuel gas, between one separator 200 and the solid electrolyte sheet. Between the other separator 200 and the solid electrolyte sheet, a fuel gas passage for circulating oxygen (air) as a fuel gas is formed. Further, a passage portion for circulating cooling water as a heat exchange medium and an inlet and an outlet for fuel gas are formed on the side of each separator 200 opposite to the side where the fuel gas passage is formed.
[0025]
FIG. 1 shows a passage portion for circulating the cooling water and fuel gas inlets and outlets.
[0026]
That is, in FIG. 1, 200a-200n shows the cooling water surface of each cell 100. For example, taking one unit cell 100 as an example, the cooling water surface 200a forms an enlarged surface that intersects the stacking direction of each unit cell 100, and extends to the cooling water surface 200a in a direction orthogonal to the stacking direction. A plurality of independent cooling water passages 201 having a shape are arranged in parallel.
[0027]
In addition, inlets 202, 204, 206, 208 are connected to one end side of each passage 201, and outlets 203, 205, 207, 209 are connected to the other end side, respectively. These passages 201 are formed by processing the surface of a separator constituting one unit of the unit cell 100 into a concave shape. The inlet 202 and the outlet 203 are formed by penetrating the separator, and the inlets and outlets of each unit cell 100 communicate with each other.
[0028]
As is apparent from FIG. 1, the passages 201 of the unit cells 100 are located adjacent to each other in the stacking direction of the unit cells 100 for each column. In the state where the batteries 100 are stacked, they are connected in parallel through the respective inlets and outlets (see FIG. 2).
[0029]
Each unit cell 100 has an inlet and an outlet for the fuel gas. That is, as shown in FIG. 1, reference numerals 210 and 211 denote an atmospheric air (oxygen) inlet and outlet, and 212 and 213 denote an hydrogen inlet and outlet, respectively. Therefore, in the state where the unit cells 100 are stacked, the above-described fuel gas passages are connected in parallel through these inlets and outlets.
[0030]
In FIG. 1, a side plate 300 is fixed to the final unit cell 100, and a passage 301 is formed in the side plate 300 like other unit cells. Concave portions 302 connected to the cooling water inlet and outlet of each unit cell 100 are formed on both sides of the passage 301. A recess 303 connected to the fuel gas passage of each unit cell 100 is also formed.
[0031]
FIG. 4 shows how the cooling water circulates when the unit cells 100 are stacked to form a fuel cell. If cooling water is introduced from one direction of the fuel cell and the opposite side of the final unit cell is stopped by the side plate 300 as shown in FIG. 1, the introduced cooling water flows in parallel in the unit cell 100, and finally Thus, the fuel cell can be taken out from one direction. At this time, the cooling water introduced from the inlet 202 is taken out at the outlet 203 and the cooling water introduced from the inlet 204 is taken out at the outlet 205. The same applies to other inlets and outlets.
[0032]
FIG. 5 shows a fuel cell system including a cooling system. The cooling water circulating in the cooling system contains antifreeze so as not to freeze even at a temperature below the freezing point, for example, about minus 30 ° C.
[0033]
In FIG. 5, reference numeral 501 denotes a heater using hydrogen, fossil fuel, or the like, or a heating means such as an electric heater. In this embodiment, an electric heater is used. Reference numeral 502 denotes a circulation pump that circulates the cooling water, and reference numerals 503, 504, and 505 denote open / close valves that can stop the flow of the cooling water. The above circulation pump and valve constitute a heat exchange medium circulation means. Reference numeral 506 denotes a control unit, and T203 denotes a temperature sensor disposed on the cooling water outlet 203 side at the uppermost part of the fuel cell, and detects the cooling water temperature at the outlet 203.
[0034]
The control unit 506 is for controlling the operation of the electric heater 501, the circulation pump 502, and the valves 503 to 505 in accordance with an electric signal from the temperature sensor T203. Further, when the temperature of the cooling water outlet 203 reaches 0 ° C. for the first time, the control unit 506 sends a signal for supplying air to one inlet 210 of the fuel cell and hydrogen to the other position inlet 212 to these supply sources (illustrated). Not).
[0035]
The control unit 506 operates the electric heater 501 and the circulation pump 502 and operates the valves 503 to 505 to close in a temperature range where the coolant temperature detected by the temperature sensor T203 is below the freezing point. Next, when the control unit 506 determines that the cooling water temperature has risen from a temperature below the freezing point, the valves 503 to 505 are sequentially opened according to the degree of the rise.
[0036]
More specifically, in the flowchart of FIG. 7, it is confirmed that the valves 503 to 505 are closed at the start. Next, the electric heater 501 and the circulation pump 502 are operated. Thereby, the cooling water heated by the electric heater 501 is circulated through the cooling water inlet 202, the passage 201, and the cooling water outlet 203 of the fuel cell by the operation of the circulation pump 502. That is, as shown in FIG. 6, the cooling water heated in the area A of the fuel cell circulates. Then, due to the circulation of the cooling water, as shown in FIG. 8, when the temperature of the region A rises from −30 ° C. and the cooling water temperature from the outlet 203 reaches 0 ° C. after a predetermined time t1, Supply hydrogen and air fuel gas to generate electricity. As a result, the region A of the fuel cell starts power generation, and at the same time, reaction heat is generated in the region A, and this reaction heat is dissipated to the cooling water circulating in the region A. For this reason, the temperature of the cooling water circulating through the region A rises, and when the temperature of the cooling water from the cooling water outlet 203 reaches T1 or more after a predetermined time t2, the valve 503 is opened.
[0037]
By opening the valve 503, a part of the cooling water is bypassed and circulated in the region B from the cooling water inlet 204 to the outlet 205 through the passage 201. For this reason, since the temperature of the cooling water circulating through the region B is as low as −30 ° C., the cooling water temperature from the outlet 203 in the region A is determined by the merge of the cooling water from the outlet 205 and the cooling water from the outlet 203. It decreases from T1 and reaches about 0 ° C. after a predetermined time t3. On the other hand, in the region B, since warm water is supplied from the cooling water inlet 204, the region B warms up. Therefore, it is possible to generate power from the region B, and heat generated by the power generation is transmitted to the cooling water circulating in the region B, so that warm-up is accelerated. When the temperature of the cooling water from the outlet 203 reaches T2 or more after the elapse of the predetermined time t4, the valve 504 is opened. When the valve 504 is opened, the cooling water circulates through the region C of the fuel cell.
[0038]
Next, since the cooling water passing through the region C joins when the valve 504 is opened, the temperature of the outlet 203 falls to about 0 ° C. after the elapse of a predetermined time t5. The water temperature will rise again.
[0039]
Then, when the cooling water temperature at the outlet 203 reaches T3 or more after the elapse of the predetermined time t6, the valve 505 is opened, the cooling water is circulated through the region D of the fuel cell, the temperature of the region D is increased, and the region D is Generate electricity. Since the temperature of the cooling water circulating in the region D is as low as −30 ° C., the cooling water temperature from the outlet 203 in the region A decreases from T1 when the cooling water from the outlet 209 joins, and a predetermined time t7 has elapsed. After that, it becomes about 0 ° C. However, the temperature of the cooling water circulating in the region D rises due to heat generated by the power generation in the region D.
[0040]
Here, the reason why the temperature is set to 0 ° C. after elapse of the predetermined times t3, t5, and t7 is to prevent the power generation from being inhibited by freezing again when the regions A, B, and C once warmed again become 0 ° C. or lower. What is necessary is just to maintain ℃ or more. For this purpose, the temperatures T1, T2, and T3 need to be obtained in advance by experiments or calculations.
[0041]
As shown in FIG. 9, when the power generated by the fuel cell exceeds the predetermined power X (KW), the energization to the electric heater 501 is stopped.
[0042]
As understood from FIGS. 4 to 6 by such control, the cooling water heated by the electric heater 501 is circulated from the partial area A of the fuel cell to the entire area (A + B + C + D) sequentially, and It is possible to generate electric power (FIG. 6 shows the warm-up state of the fuel cell regions A to C). Further, as described above, since the valves 503, 504, and 505 are sequentially opened while generating power, the heat sources generated by power generation increase one after another in an accelerated manner, and the warm-up time of the entire fuel cell can be shortened.
[0043]
Since a fuel cell converts hydrogen energy into heat in addition to electric power by power generation, it is advantageous to warm up the whole using heat obtained while generating power.
[0044]
For example, high-power fuel cells for vehicles and the like are composed of a plurality of single cells, and therefore tend to have a large heat capacity. In addition, since they are electrically connected in series, even if only a part of the cell group is warmed up, the unit cell group that is not warmed up cannot generate power. I can't. Therefore, in order to be able to generate power in a short time with a small-capacity heating means (for example, an electric heater), it is effective to warm up a part of the fuel cell so as to be uniform among the single cells.
[0045]
If the temperature at which freezing is 0 ° C. and the output of the entire fuel cell at that time is 100 W, for example, when 10% of the area of the fuel cell is warmed up to a temperature at which it is not frozen, an output of about 10 W can be obtained. it can. If each of the plurality of unit cells constituting the fuel cell can be warmed up by 10%, an output of 10 W × number of unit cells can be obtained.
[0046]
In order to generate electricity, it is necessary to supply hydrogen and air, and it is necessary to operate various auxiliary machines. Before power generation, it is necessary to provide power for these auxiliary machines other than the fuel cell stack, so a battery is an effective means in a vehicle. However, the temperature of the battery is also low, and the discharge capacity tends to decrease. Therefore, the relationship between the fuel cell output (Pf), the battery output (Pbat) immediately after power generation, the initial warm-up and the auxiliary power (Ph) required for power generation is
(Equation 1)
Pf>Pbat> Ph
Must be established. That is, the power of the auxiliary machine is covered by the battery before power generation. However, as soon as the power generation of the fuel cell is started, the auxiliary battery power must be supplied by the fuel cell and the battery can be charged.
[0047]
For these reasons, it is necessary to determine the warm-up area of the fuel cell so that the initial warm-up of the fuel cell is established (Equation 1). Specifically, if a unit cell group of about 1 to 30% of the fuel cells is initially warmed up, (Equation 1) is established in a normal system.
[0048]
(Second Embodiment)
FIG. 10 shows that an inlet temperature sensor T202 is installed at the cooling water inlet of the area A of the fuel cell, and outlet temperature sensors T203, T205, T207, T209 are installed at the cooling water outlets of the areas B, C, D, and these temperature sensors T202, T203, An embodiment in which the opening degree of the valves 503 to 505 is adjusted at T205, T207, and T209 is shown.
[0049]
Explaining this, at the start, after confirming that the valves 503 to 505 are closed, the electric heater 501 and the circulation pump 502 are operated. As a result, the heated cooling water circulates through the area A of the fuel cell, and the area A is warmed up. After the elapse of time t1, when the temperature of the cooling water outlet 203 reaches 0 ° C. or higher, the fuel gas is removed. Supply to the fuel cell. Power generation in the region A is started by supplying the fuel gas.
[0050]
After power generation starts, the opening degree of the valve 503 is adjusted so that the temperature of the cooling water inlet 202 in the region A becomes 0 ° C. Thereby, a part of the cooling water circulates in the region B of the fuel cell, and the amount of circulation is adjusted so that the temperature of the cooling water inlet 202 in the region A becomes 0 ° C. As a result of this operation, all the heat obtained in the heater 501 and the area A is input to the area B, so that the area B can be warmed up without waste.
[0051]
Since the region B is warmed up by circulation of the cooling water to the region B and power is generated in the region B, the generated heat is dissipated to the cooling water. As a result, the temperature of the cooling water outlet 205 in the region B is delayed. Will rise. When the temperature detected by the temperature sensor T205 reaches 0 ° C. or higher, the valve 503 is fully opened.
[0052]
Next, the opening degree of the valve 504 is adjusted so that the temperature of the cooling water inlet 202 in the region A becomes 0 ° C. after the elapse of time t2. Thereby, a part of the cooling water circulates in the region C of the fuel cell, and the amount of circulation is adjusted so that the temperature of the cooling water inlet 202 in the region A becomes 0 ° C.
[0053]
The region C is warmed up by circulation of the cooling water to the region C, and power is generated in the region C. As a result, the generated heat is dissipated to the cooling water, so that the temperature of the cooling water outlet 207 in the region C rises. It will be. When the temperature detected by the temperature sensor T207 reaches 0 ° C. or higher, the valve 504 is fully opened.
[0054]
Next, after the elapse of time t3, the opening degree of the valve 505 is adjusted so that the temperature of the cooling water inlet 202 in the region A becomes 0 ° C. Thereby, a part of the cooling water circulates in the region D of the fuel cell, and the circulation amount is adjusted so that the temperature of the cooling water inlet 202 in the region A becomes 0 ° C.
[0055]
The region D is warmed by circulation of the cooling water to the region D, and power is generated in the region D. As a result, the generated heat is dissipated to the cooling water, so that the temperature of the cooling water outlet 209 in the region D rises. It will be. When the temperature detected by the temperature sensor T209 reaches 0 ° C. or higher, the valve 505 is fully opened.
[0056]
FIG. 12 shows the relationship between the temperature and power of the fuel cell by the above operation.
[0057]
According to the second embodiment, each temperature sensor T203, 205, 207, 209 directly detects the coolant temperature on the outlet side of each region A to D, adjusts the opening degree of each valve 503 to 505, As a result of adjusting the cooling water flow rate to the regions A to D, it is possible to quickly warm up each of the regions A to D as compared with the first embodiment, and therefore, it is possible to shorten the time until the fuel cell can generate power. There is an advantage that you can.
[0058]
(Third embodiment)
FIG. 13 employs variable flow rate pumps 601 to 603 in place of the opening adjustment type valve in the second embodiment, and the operation is the same as in the second embodiment.
[0059]
(Fourth embodiment)
FIG. 14 shows that the variable flow rate pump according to the third embodiment is installed on the outlet side instead of being installed on the inlet side of each of the regions B to D, and the operation is the same as that of the second embodiment.
[0060]
(Fifth embodiment)
Although each said 1st Embodiment 1-3 has shown the example which has arrange | positioned each channel | path 201 independently in the expansion surface (electric power generation surface) in the direction which cross | intersects the lamination direction of each single cell, In the fifth embodiment, the entrance sides of these passages are made common, and the exit side is made independent corresponding to each passage.
[0061]
More specifically, in FIG. 16 showing the AA cross section of FIG. 15 and FIG. 15, the heat exchange medium inlet side of each passage 201a, 201b, 201c, 201d of each unit cell 100 is made into one common inlet 202. The outlet side of each passage is connected to outlets 203 to 209, respectively.
[0062]
FIG. 17 shows a fuel cell system including the stacked type single cells of FIG. An operation flowchart of this fuel cell system is shown in FIG.
[0063]
In FIG. 18, the operation will be described with reference to FIG.
[0064]
In step S1, it is confirmed that the valve 503-1 is open and the other valves 503, 504, and 505 are closed.
[0065]
In step S2, the electric heater 501 is operated, and in step S3, the circulation pump 502 is operated. As a result, a path for circulating the heated cooling water is formed only in the fuel cell passage 201a, so that only a part of the fuel cell (201a) is heated.
[0066]
Next, in step S4, it is determined whether or not the coolant temperature at the outlet 203 of the passage 201a exceeds 0 ° C. The temperature is obtained by a temperature sensor T203 arranged in the circulation path on the outlet 203 side. And when it is less than 0 degreeC by step S4, it returns. If the temperature exceeds 0 ° C., the process proceeds to step S5, and fuel gas (hydrogen, air) is supplied to the fuel cell. As a result, power generation is started in a part of the fuel cell (region A in FIG. 7).
[0067]
In step S6, it is determined whether or not the coolant temperature T1 at the outlet 203 of the passage 201a exceeds a predetermined value T1 (0 ° C. or higher). If it is determined that the coolant temperature T1 at the outlet 203 is below the predetermined value T1, the process returns to step S6.
[0068]
If it is determined in step S6 that the cooling water temperature T1 at the outlet 203 exceeds the predetermined value T1, the valve 503 at the outlet of the passage 201b is opened, and the cooling water is circulated in the passage 201b. As a result, the cooling water temperature at the outlet 203 of the passage 201a decreases due to the circulation of the cooling water into the passage 201b. Therefore, in step S7, the cooling water temperature at the outlet 203 is within a predetermined range R (within a range of 0 ° C. or more). To adjust the opening of the valve 503-1.
[0069]
In step S8, it is determined whether or not the coolant temperature T2 at the outlet 205 of the passage 201b exceeds the target set temperature T2. The temperature is obtained by a temperature sensor T205 disposed in the circulation path on the outlet 205 side. When the valve 503 is opened based on step S7, cooling water circulates in the passage 201b and the temperature of the passage 201b is increased. If it is determined that the coolant temperature at the outlet 205 of the passage 201b has exceeded the target set temperature T2, the process proceeds to step S9. If it is determined that the temperature is lower than the target set temperature T2, the process returns to step S8.
[0070]
In step S9, the valve 504 at the outlet 207 of the passage 201c is opened, and at the same time, the opening degree of the valve 503-1 is adjusted so that the cooling water temperature at the outlet 203 is within a predetermined range R (within 0 ° C. or more). When the valve 504 is opened, the cooling water also circulates in the passage 201c, and the portion corresponding to the passage 201c rises in temperature.
[0071]
Next, it progresses to step S10 and it is judged whether the cooling water temperature of the exit 207 of the valve | bulb 504 has exceeded target temperature T3. The temperature is obtained by a temperature sensor T207 disposed in the circulation path on the outlet 207 side. If it is determined that the coolant temperature at the outlet 207 of the passage 201c has exceeded the target set temperature T3, the process proceeds to step S11. If it is determined that the temperature is lower than the target set temperature T3, the process returns to step S10.
[0072]
In step S11, the valve 505 at the outlet 209 of the passage 201d is opened, and at the same time, the opening degree of the valve 503-1 is adjusted so that the cooling water temperature at the outlet 203 falls within a predetermined range R (within 0 ° C. or more). When the valve 505 is opened, the cooling water also circulates in the passage 201d, and the portion corresponding to the passage 201d rises in temperature.
[0073]
As described above, the temperature of the entire fuel cell is increased.
[0074]
Thus, according to the fifth embodiment, since the passage formed by the passages 201a to 201d communicates with the inlet side (reference numeral 202), the amount of heat generated by the power generation in each passage is cooled. It can be transmitted to other enlarged surfaces via water, and an early and effective temperature increase of the fuel cell can be expected.
[0075]
(Sixth embodiment)
19 to 21 show a sixth embodiment which is a modification of the fifth embodiment. According to the sixth embodiment, the unit cell has three passages, and the operation is the same as that of the fifth embodiment.
[0076]
(Seventh embodiment)
22 to 24 show a seventh embodiment which is a modification of the fifth embodiment. According to the seventh embodiment, the cell has two passages, and the operation is the same as that of the fifth embodiment.
[0077]
(Eighth embodiment)
25 to 27 show an eighth embodiment. In the eighth embodiment, the inlet side of each passage is made common and the outlet side is made independent, whereas the outlet side of the passage is made common and the inlet side is made independent.
[0078]
Specifically, in FIG. 25, the heat exchange medium outlet side of each passage 201a, 201b, 201c, 201d of each unit cell 100 is connected to one common outlet 209, and the inlet side of each passage is the inlet 202, respectively. , 204, 206, 208 are communicated.
[0079]
FIG. 26 shows a fuel cell system including the stacked type single cells of FIG. An operation flowchart of this fuel cell system is shown in FIG.
[0080]
In FIG. 27, the operation will be described with reference to FIG.
[0081]
In step S1, it is confirmed that the valve 503-1 is open and the other valves 503, 504, and 505 are closed.
[0082]
In step S2, the electric heater 501 is operated, and in step S3, the circulation pump 502 is operated. As a result, a path for circulating the heated cooling water is formed only in the fuel cell passage 201a, so that only a part of the fuel cell (201a) is heated.
[0083]
Next, in step S4, the temperature of the cooling water circulated through the passage 201a and discharged from the outlet 209 is detected by a temperature sensor T205-1 disposed in the circulation path on the outlet 209 side. Determine whether it has exceeded. Return below 0 ° C. If the temperature exceeds 0 ° C., the process proceeds to step S5, and fuel gas (hydrogen, air) is supplied to the fuel cell. As a result, power generation is started in a part of the fuel cell (region A in FIG. 7).
[0084]
In step S6, the valve 503 on the inlet side of the passage 201b is fully opened.
[0085]
In step S7, the coolant temperature circulates in the passage 201b, so that the coolant temperature at the outlet 209 changes. This is detected to determine whether the temperature of the outlet 209 exceeds 0 ° C.
[0086]
If it is determined in step S7 that the temperature is below 0 ° C., the process proceeds to step S8, the opening degree of the valve 503 on the inlet side of the passage 201b is adjusted, and the amount of cooling water circulating in the passage 201b is adjusted.
[0087]
Next, in step S9, it is determined whether or not the temperature of the outlet 209 exceeds 0 ° C. If the temperature is lower than 0 ° C, the process returns to step S8. If it exceeds 0 ° C., the process proceeds to step S6.
[0088]
If it is determined in step S7 that the temperature of the outlet 209 exceeds 0 ° C., the process proceeds to step 10, the valve 504 of the inlet 206 is fully opened, and the cooling water is circulated also in the passage 201c.
[0089]
In step S11, the cooling water temperature in the outlet 209 changes as the cooling water circulates in the passage 201c. This is detected to determine whether the temperature of the outlet 209 exceeds 0 ° C. If it is determined in step S11 that the temperature is below 0 ° C., the process proceeds to step S12, the opening of the valve 504 on the inlet side of the passage 201c is adjusted, and the amount of cooling water circulating in the passage 201c is adjusted.
[0090]
Next, in step S13, it is determined whether or not the temperature of the outlet 209 exceeds 0 ° C. If the temperature is lower than 0 ° C, the process returns to step S12. If it exceeds 0 ° C., the process proceeds to step S10.
[0091]
If it is determined in step S11 that the temperature of the outlet 209 exceeds 0 ° C., the process proceeds to step 14, where the valve 505 of the inlet 208 is fully opened, and the cooling water is circulated also in the passage 201d.
[0092]
In step S15, the coolant temperature circulates in the passage 201d, so that the coolant temperature at the outlet 209 changes. This is detected to determine whether the temperature of the outlet 209 exceeds 0 ° C. If it is determined in step S15 that the temperature is below 0 ° C., the process proceeds to step S16, the opening of the valve 505 on the inlet side of the passage 201d is adjusted, and the amount of cooling water circulating in the passage 201d is adjusted.
[0093]
Next, in step S17, it is determined whether or not the temperature of the outlet 209 exceeds 0 ° C. If the temperature is below 0 ° C, the process returns to step S16. If it exceeds 0 ° C., the process proceeds to step S14.
[0094]
The above is the operation of the eighth embodiment.
[0095]
(Ninth embodiment)
28 to 30 show a ninth embodiment which is a modification of the eighth embodiment. According to the ninth embodiment, the unit cell has three passages, and the operation is the same as in the eighth embodiment.
[0096]
(10th Embodiment)
FIGS. 31 to 33 show a tenth embodiment which is a modification of the eighth embodiment. According to the tenth embodiment, the cell has two passages, and the operation is the same as in the eighth embodiment.
[0097]
(Other embodiments)
In all of the first to tenth embodiments, the supply of fuel gas to the fuel cell is a fixed amount. For example, the fuel gas is linked to the manner of circulation of the heat exchange medium for each region A to D of the fuel cell. It is possible to employ control for sequentially increasing the gas supply amount. As a result, the amount of fuel gas supplied commensurate with the power generation in each of the regions A to D that has been warmed up is obtained, so that when the power generation in the region A is performed, the fuel gas having a capacity including the regions from the regions B to D is included. It is possible to reduce the amount of fuel gas discharged without being consumed as compared with the case of supplying the fuel.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing the relationship between a unit cell and a passage of cooling water, an inlet, and an outlet in the first embodiment.
FIG. 2 is a diagram illustrating a circulation path of cooling water.
3 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.
FIG. 4 is a perspective view showing a stacked state of unit cells in the first embodiment.
FIG. 5 is a diagram showing a fuel cell system according to the first embodiment.
FIGS. 6A, 6B, and 6C are perspective views showing a warm-up state of each region of the fuel cell.
FIG. 7 is a flowchart illustrating an operation flow according to the first embodiment.
FIG. 8 is a characteristic diagram showing the relationship between the temperature and power of the fuel cell in the first embodiment.
FIG. 9 is a flowchart illustrating an operation flow at the end of the warm-up process in the first embodiment.
FIG. 10 is a diagram showing a fuel cell system according to a second embodiment.
FIG. 11 is a flowchart illustrating an operation flow in the second embodiment.
FIG. 12 is a characteristic diagram showing the relationship between the temperature and power of the fuel cell in the second embodiment.
FIG. 13 is a diagram showing a fuel cell system according to a third embodiment.
FIG. 14 is a diagram showing a fuel cell system according to a fourth embodiment.
FIG. 15 is a diagram showing a stacked state of unit cells in the fifth embodiment.
16 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.
FIG. 17 is a diagram showing a fuel cell system according to a fifth embodiment.
FIG. 18 is a flowchart illustrating an operation flow of the fifth embodiment.
FIG. 19 is a diagram showing a stacking state of unit cells in the sixth embodiment.
FIG. 20 is a diagram showing a fuel cell system in a sixth embodiment.
FIG. 21 is a flowchart illustrating an operation flow of a sixth embodiment.
FIG. 22 is a diagram showing a stacked state of unit cells in the seventh embodiment.
FIG. 23 is a diagram showing a fuel cell system according to a seventh embodiment.
FIG. 24 is a flowchart illustrating an operation flow according to a seventh embodiment.
FIG. 25 is a view showing a stacked state of unit cells in the eighth embodiment.
FIG. 26 is a diagram showing a fuel cell system according to an eighth embodiment.
FIG. 27 is a flowchart illustrating an operation flow according to an eighth embodiment.
FIG. 28 is a diagram showing a stacked state of unit cells in the ninth embodiment.
FIG. 29 is a diagram showing a fuel cell system according to a ninth embodiment.
FIG. 30 is a flowchart illustrating an operation flow according to the ninth embodiment.
FIG. 31 is a diagram showing a stacked state of unit cells in the tenth embodiment.
FIG. 32 is a diagram showing a fuel cell system according to a tenth embodiment.
FIG. 33 is a flowchart for explaining the operation flow of the tenth embodiment.
[Explanation of symbols]
100 cells
201 201a, 201b, 201c, 201d passage
202, 204, 206, 208 Entrance
203, 205, 207, 209 Exit
501 Electric heater
502 Circulation pump
503, 504, 505 Valve

Claims

In a fuel cell configured by stacking a plurality of unit cells and generating power by introducing fuel gas, a plurality of heat exchange medium circulation passages through which the heat exchange medium circulates in a portion corresponding to the power generation surface of each unit cell. One end of the passage communicates with a common inlet and the other end of the passage communicates with an individual outlet. Alternatively, one end of the passage is a separate inlet and the other end of the passage is common. Between the inlet portions of the passages and the outlets of the passages so that the passages are connected in parallel in the stacking direction of the unit cells between the unit cells adjacent to each other. A fuel cell characterized in that the parts are connected to each other.

2. A fuel cell system in which a heated heat exchange medium is circulated inside a fuel cell that generates electric power by introducing fuel gas, and the fuel cell having the configuration according to claim 1 and heat exchange in the passage. Based on the heat exchange medium circulating means for circulating the medium, the heating means for heating the heat exchange medium, the sensor for detecting the temperature of the heat exchange medium, and the temperature of the heat exchange medium detected by the sensor A control unit that controls the operation of the circulating means, and when it is determined that the temperature of the heat exchange medium detected by the temperature sensor is below the freezing point in the control unit, the control unit wherein said fuel cell inside the grant actuation signal to said circulation means to circulate the warmed heat exchange medium in a partial region of the passageway, which is detected by the temperature sensor in the control unit Wherein the entire area sequentially said passageway from said partial region of said passageway inside said fuel cell when the temperature of the exchange medium was judged to be raised from the freezing point below the temperature according to the degree of the increase An operation signal is given to the circulation means so as to circulate the heated heat exchange medium.

The fuel cell system according to claim 2, wherein the temperature below the freezing point is -30 ° C.

2. A fuel cell system in which a heated heat exchange medium is circulated inside a fuel cell that generates electric power by introducing fuel gas, and the fuel cell having the configuration according to claim 1 and heat exchange in the passage. A heat exchanging medium circulating means for circulating the medium; and a heating means for heating the heat exchanging medium, the circulating means starting from a partial region of the passage inside the fuel cell in order of the passage. A plurality of opening means and circulation pumps corresponding to the respective passages are provided so as to open the other passages sequentially from one passage among the plurality of passages so that the heat exchange medium circulates in the entire region. Fuel cell system.

The fuel cell system according to claim 4, wherein the opening means is a valve.

The fuel cell system according to claim 4 or 5, wherein the opening means is a pump.

The temperature sensor and the valve are disposed on the outlet side of the fuel cell of the heat exchange medium, and the whole is sequentially formed after opening the valve corresponding to the partial area of the passage inside the fuel cell. When opening the valve corresponding to the region and circulating the heated heat exchange medium, the valve is controlled to adjust the opening of the valve corresponding to the partial region. The fuel cell system according to claim 5, wherein:

When the area of the surface of the unit cell is such that the heat exchange medium is circulated in the partial area of the passage inside the fuel cell, the generated electric power is generated in the partial area of the electric load. The fuel cell system according to any one of claims 2 to 7, wherein the fuel cell system has a size that is equal to or greater than electric power required for driving.