JP4987194B2 - 燃料電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、固体高分子電解質膜を備えた燃料電池に関し、特に、低温起動性に優れた燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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たものがある。この燃料電池は、アノード電極の発電面に燃料ガス（例えば、水素ガス）を、カソード電極の発電面に酸化剤ガス（例えば、酸素を含む空気）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。カソード電極においては酸化剤ガス（例えば、酸素を含む空気）が供給されているため、水素イオン、電子、及び酸素が反応して水が生成される。したがって、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。
【０００３】
一般に、この種の燃料電池の作動温度は７０℃〜８０℃程度とされているが、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始動性が大きな課題となっている。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、例えば、氷点下で起動しようとすると始動までに時間がかかるという問題がある。これに対して、例えば、特表２０００−５１２０６８号公報に記載されているように、燃料電池の外部負荷に電力を供給することで反応を促進し、自己発熱により温度を上昇させて始動性を向上させるものがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の自己発熱を用いた技術では、例えば、起動時に燃料電池が氷点下となっているような場合に、熱容量の大きい燃料電池全体を自己発熱だけで加熱するにはある程度長い時間が必要となってしまうという問題がある。また、燃料電池を暖機するために燃料電池を発電させているのであるが、燃料電池の自己発熱だけでは熱量が不足し、暖機中に燃料電池で生じた生成水が凍結する虞もあった。
そこで、この発明は、燃料電池の発電面の一部を加熱手段により局所的に加熱することによって自己発熱を促進し、短時間で燃料電池を温度上昇可能にして低温起動性に優れた燃料電池を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、固体高分子電解質膜（例えば、後述する実施の形態における固体高分子電解質膜４）の両側にアノード電極（例えば、後述する実施の形態におけるアノード電極２）とカソード電極（例えば、後述する実施の形態におけるカソード電極３）が設けられ、さらに前記各電極の外側にそれぞれ反応ガス通路（例えば、後述する実施の形態における燃料ガス通路Ａ１，Ａ２、空気通路Ｃ１，Ｃ２）が設けられてなるセル（例えば、後述する実施の形態におけるセル５）を備えた燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池１）において、前記セルにおける発電面の一部の領域を加熱する加熱手段（例えば、後述する実施の形態における電気ヒーター３３、電気ヒーター５３、触媒６５、酸化・還元剤７２）を備え、前記燃料電池は前記セルを複数積層してなり、隣接する少なくとも１組のセル同士は、前記加熱手段が、発電面を正面から見たときに発電面上において異なる位置にそれぞれ設けられていることを特徴とする。
【０００６】
このように構成することにより、燃料電池の低温起動時に、加熱手段によって発電面の前記一部の領域を迅速に加熱することができ、この領域における固体高分子電解質膜のイオン通過抵抗を低下させて発電効率を高め、これにより自己発熱を促進して当該領域の温度を速やかに高め、この高温度領域を発電面全体に拡大して燃料電池の温度を高めることが可能となる。また、前記セル間を電流が流れるときにセルの積層方向と垂直な方向に電流が流れるようになり、その電流の通路が電気抵抗を有することからジュール熱が発生し、燃料電池を加熱する。
【０００７】
請求項２に記載した発明は、請求項１に記載の発明において、前記加熱手段は電気ヒーター（例えば、後述する実施の形態における電気ヒーター３３、電気ヒーター５３）であることを特徴とする。このように構成することにより、加熱手段を電気エネルギーで作動することが可能になる。
【０００８】
請求項３に記載した発明は、請求項２に記載の発明において、前記セルは冷却液通路（例えば、後述する実施の形態における冷却液通路Ｒ）を備え、この冷却液通路に前記電気ヒーター（例えば、後述する実施の形態における電気ヒーター３３）が設けられていることを特徴とする。このように構成することにより、電気ヒーターをセルに容易に取り付け可能になる。
【０００９】
【００１０】
請求項４に記載した発明は、請求項１に記載の発明において、前記加熱手段は触媒燃焼器（例えば、後述する実施の形態における触媒６５）であることを特徴とする。このように構成することにより、触媒燃焼器に酸化ガス（例えば、酸素や空気）と還元ガス（例えば、水素）を供給するだけでこれらガスを迅速に燃焼させ、発電面の一部を迅速に加熱することが可能になる。
【００１１】
請求項５に記載した発明は、請求項１に記載の発明において、前記加熱手段は、酸化・還元剤（例えば、後述する実施の形態における酸化・還元剤７２）が酸化するときの発熱を利用するものであることを特徴とする。このように構成することにより、酸化ガス（例えば、酸素や空気）を供給するだけで発電面の一部を迅速に加熱することが可能になる。
【００１２】
請求項６に記載した発明は、請求項１に記載の発明において、前記燃料電池の温度に応じて前記加熱手段の作動を制御することを特徴とする。このように構成することにより、燃料電池の温度が低いときだけ加熱手段を作動してセルの発電面の一部を局所的に加熱し、燃料電池の温度が高いときは加熱手段の作動を停止してセルの局所的な加熱を停止することが可能になる。
【００１３】
請求項７に記載した発明は、請求項１に記載の発明において、前記燃料電池の出力電圧に応じて前記加熱手段の作動を制御することを特徴とする。このように構成することにより、燃料電池の出力電圧が低いときだけ加熱手段を作動してセルの発電面の一部を局所的に加熱し、燃料電池の出力電圧が高いときは加熱手段の作動を停止してセルの局所的な加熱を停止することが可能になる。
【００１４】
請求項８に記載した発明は、請求項１に記載の発明において、前記各セルの温度に応じて前記加熱手段の作動を制御することを特徴とする。このように構成することにより、各セルの温度状態に応じて加熱手段を作動したり停止したりすることが可能になる。
【００１５】
請求項９に記載した発明は、請求項１に記載の発明において、前記各セルの出力電圧に応じて前記加熱手段の作動を制御することを特徴とする。このように構成することにより、各セルの出力電圧の状態に応じて加熱手段を作動したり停止したりすることが可能になる。
【００１６】
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る燃料電池の実施の形態を図１４および図１５の図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態および参考例における燃料電池は燃料電池自動車に搭載される態様である。
【００１８】
〔参考例１〕
初めに、この発明に係る燃料電池の前提となる技術の参考例１を図１から図６の図面を参照して説明する。図２は燃料電池１の一部における縦断面図である。燃料電池１は、固体高分子電解質膜４をアノード電極２とカソード電極３とで挟持し、さらにその外側を一対のセパレータ６，７で挟持してなるセル（単位燃料電池）１５を水平方向に複数積層して構成されており、図示しないスタッドボルトにより締め付けられて、例えば、車両用の燃料電池スタックが構成される。尚、この参考例１では説明の都合上、単一のセル５を例にして説明する。
【００１９】
前記固体高分子電解質膜４は、例えば、パーフルオロスルホン酸ポリマー等を用いている。また、アノード電極２、カソード電極３は白金Ｐｔを主体としたものであって、多孔質カーボンクロス又は多孔質カーボンペーパーからなる拡散層に配設されている。セパレータ６，７は緻密質カーボン製や金属製のもので、これらセパレータ６，７から電力を取り出す。
【００２０】
図１はカソード側のセパレータ７を膜・電極構造体５に対向する側から見た正面図である。このカソード側のセパレータ７は上半部と下半部とに区画された反応ガス通路Ｃ１，Ｃ２を備えている。ここで、緻密質カーボン製のセパレータの場合は反応ガス通路は複数の溝で構成され、金属製のセパレータの場合はプレス成形により形成された複数の溝部やシール材で仕切られて形成された通路で構成されている。また、反応ガス通路Ｃ１，Ｃ２としては、蛇行した通路や、Ｕ字の通路など様々な形状の通路を採用することができる。尚、図示都合上アノード側のセパレータ６の反応ガス通路を鎖線で併記する。
【００２１】
カソード側のセパレータ７の上半部の反応ガス通路Ｃ１は、該カソード側のセパレータ７の右側辺部の下部に形成された入口側酸化剤ガス連通孔１０に端を発し、対角方向に配置された出口側酸化剤ガス連通孔１１で終端している。同様にして、カソード側のセパレータ７の下半部にも上半部と同様の構成の反応ガス通路Ｃ２、及び入口側酸化剤ガス連通孔１０、出口側酸化剤ガス連通孔１１が形成されている。ここで、前記各入口側酸化剤ガス連通孔１０は、供給配管（供給路）１３を介してスーパーチャージャーＳ／Ｃに接続され、モータｍにより駆動するスーパーチャージャーＳ／Ｃから酸化剤ガスである空気が供給されるようになっているが、下半部側の供給配管１３には空気の供給を遮断するバルブ１４が介装されている。
【００２２】
一方、アノード側のセパレータ６も、カソード側のセパレータ７に対応して上半部と下半部とに区画された反応ガス通路Ａ１，Ａ２を備えている。つまり、カソード側の反応ガス通路Ｃ１，Ｃ２に交叉するように、アノード側のセパレータ６の左側辺部の下部に形成された入口側燃料ガス連通孔２０に端を発し、対角方向に配置された出口側燃料ガス連通孔２１で終端した反応ガス通路Ａ１，Ａ２が上半部と下半部に各々形成されている。ここで、前記各入口側燃料ガス連通孔２０は、供給配管２３を介して水素タンクＨ２に接続されているが、下半部の供給配管２３には水素ガスの供給を遮断するバルブ２４が介装されている。尚、水素タンクＨ２に替えて、改質装置を備えたメタノールタンクを使用してもよい。
【００２３】
そして、アノード側のセパレータ６、及びカソード側のセパレータ７の下側辺部には一対の入口側冷却液連通孔３０，３０が、アノード側のセパレータ６、カソード側のセパレータ７の上側辺部には一対の出口側冷却液連通孔３１，３１が形成されている。そして、アノード側のセパレータ６に、対向する前記各冷却液連通孔３０，３１同志を結ぶ冷却液通路Ｒが形成されている。この冷却液通路Ｒは図示しない冷却系配管に接続されている。
【００２４】
上記カソード側のセパレータ７及びアノード側のセパレータ６の上半部に対応するカソード電極３及びアノード電極２の発電面（すなわち、図１において反応ガス通路Ｃ１の存在する部分）が、局所発電領域（図３において破線で示す領域）Ｓ１として構成されており、この領域Ｓ１における両冷却液通路Ｒには、図２に示すように電気ヒーター（加熱手段）３３が設けられている。この電気ヒーター３３はいわゆる薄膜ヒーターで構成されており、セパレータ７において反応ガス通路Ｃ１，Ｃ２が形成されていない側の表面であって前記領域Ｓ1の両冷却液通路Ｒ，Ｒに対応する部位に、印刷あるいは蒸着等の適宜手段により形成される。
【００２５】
このように構成されたセル５を多数積層してなる燃料電池１においては、一方の最外側のカソード側のセパレータ７と、他方の最外側のアノード側のセパレータ６の端子部材（図示せず）によって、燃料電池１から出力を取り出す閉回路が形成され、燃料電池１の出力電力により走行用モータＭや外部負荷Ｆ（後述する実施形態の電気ヒーターも含む）を駆動させるようになっている。
【００２６】
また、図２に示すように、複数あるセル５のうちの一つのセル５のセパレータ７には、前記領域Ｓ1内の所定部位（例えば、領域Ｓ1の中央部）に、燃料電池１の代表温度を検出する温度センサ３４が設けられている。温度センサ３４は例えばサーミスタ等で構成されており、この温度センサ３４の出力信号は燃料電池制御用のＥＣＵ５０に入力される。さらに、この燃料電池１においては、各セル５の出力電圧を検出するために、各セル５のセパレータ６，７に電圧センサ３６が接続されており、電圧センサ３６の出力信号はＥＣＵ５０に入力される。
【００２７】
また、ＥＣＵ５０は、前記水素タンクＨ２、スーパーチャージャーＳ／Ｃのモータｍ、前記水素タンクＨ２に接続された供給配管のバルブ２４、スーパーチャージャーＳ／Ｃに接続された供給配管１３のバルブ１４に接続されている。ＥＣＵ５０は燃料電池１の起動時には図示しないバッテリーに蓄電されている電力により作動される。
【００２８】
このように構成された燃料電池１は、全面発電モードにおいて次のように動作する。全面発電モードでは、上下二系列ある反応ガス通路Ａ１，Ａ２および反応ガス通路Ｃ１，Ｃ２の両方に水素ガスおよび空気を流し、左右二系列ある冷却液通路Ｒ，Ｒの両方に冷却液を流す。すなわち、入口側燃料ガス連通孔２０に水素ガスを供給して反応ガス通路Ａ１，Ａ２に水素ガスを流し、出口側燃料ガス連通孔２１に排出する。また、スーパーチャージャＳ／Ｃを駆動して入口側酸化剤ガス連通孔１０に空気を供給し反応ガス通路Ｃ１，Ｃ２に空気を流し、出口側酸化剤ガス連通孔１１に排出する。さらに、入口側冷却液連通孔３０に冷却液を供給して冷却液通路Ｒ，Ｒに冷却液を上向きに流し、出口側冷却液連通孔３１に排出する。これにより、全セル５の発電面全面で発電が行われる。
【００２９】
ところで、固体高分子電解質膜を備えた燃料電池は、温度が低いと発電効率が低下することは前述した通りである。また、外気温が氷点下（例えば−１０℃）となるような低温時においては、停止時において除去しきれなかった燃料電池１内の生成水は反応ガス通路Ｃ１，Ｃ２，Ａ１，Ａ２の溝の一部で凍結している場合が多い。このような条件下で燃料電池１を起動する場合に前記全面発電モードで起動したのでは、燃料電池１の温度上昇に時間が長くかかってしまう。
【００３０】
そこで、この燃料電池１では、このような低温起動時には、燃料電池１を迅速に温度上昇させるために局所発電モードで動作するようにし、局所発電モードでの運転により燃料電池１の温度が上昇してから、全面発電モードに移行するようにしている。局所発電モードでは、両冷却液通路Ｒ，Ｒに冷却液を流さず、水素供給系のバルブ２４を閉弁することにより水素ガスは上半部側の反応ガス通路Ａ１だけに流して下半部側の反応ガス通路Ａ２には流さず、空気供給系のバルブ１４を閉弁することにより空気は上半部側の反応ガス通路Ｃ１だけに流して下半部側の反応ガス通路Ｃ２には流さず、さらに電気ヒーター３３をＯＮにする。このようにすると、各セル５において上半部側の局所発電領域Ｓ1だけが発電面となり、各セル５の下半部側は発電に寄与しなくすることができる。
【００３１】
そして、電気ヒーター３３に電流を流すことにより、電気ヒーター３３が発熱し、その熱がセパレータ６，７を介してアノード電極２，カソード電極３，固体高分子電解質膜４に伝熱し、これらを迅速に加熱する。その結果、領域Ｓ1において局所的な発電が迅速に行われることとなる。また、迅速に発電が行われることにより反応による自己発熱が促進され、電気ヒーター３３による加熱と自己発熱により局所発電領域Ｓ1の温度が速やかに高まる。
【００３２】
ここで、発電の際の反応熱量と電気ヒーター３３による外部アシスト熱量の和が、発電により生じる生成水の凍結防止に必要な熱量と放熱量の和よりも大きくなるように、電気ヒーター３３の発熱量を制御することにより、生成水の凍結を阻止することができる。換言すれば、生成水凍結に起因した電圧低下により燃料電池１が運転停止する前に（すなわち、燃料電池１の出力電圧が運転限界電圧まで降下する前に）、各セル５の局所発電領域Ｓ1の温度を０゜Ｃ以上に昇温することができる。これによって、局所発電領域Ｓ1における発電を持続させることができ、他の部分（例えば、セル５の下側半分）が氷点下であっても燃料電池１全体としては発電を持続することができるようになる。
【００３３】
また、局所発電領域Ｓ1における局所発電による自己発熱と電気ヒーター３３の発熱によって生じた熱が、局所発電領域Ｓ1の周囲へも伝熱していき、図４に示すように、各セル５の下半部側も徐々に加熱されるようになり、燃料電池１を早期に加熱することができる。
【００３４】
さらに、局所発電領域Ｓ1の発電を持続することができることにより、燃料電池１の運転に最小限必要なエネルギー（すなわち、スーパーチャージャ等の補機の運転に必要な電力）を燃料電池１の発電によって確保することが可能になる。また、局所発電モードでは、局所発電領域Ｓ1だけを発電できる状態に保てばよいので、電気ヒーター３３でセル５の全面を加熱するようにした場合に比較して小さなエネルギーで済み、局所発電モードにおける消費電力を抑制することができる。
【００３５】
さらに、低温起動前に事前処理（例えば、反応ガス通路Ｃ１，Ｃ２内のパージや起動前の電気ヒーター３３による予備加熱など）を行う場合も、局所発電領域Ｓ1だけを起動可能な状態にすればいいので、この事前処理のためのエネルギー消費を低減することができる。
【００３６】
次に、燃料電池１の起動制御の一例を図５のフローチャートを参照して説明する。まず、ステップＳ１０１において、イグニッションスイッチがＯＮか否か判定する。ステップＳ１０１の判定結果が「ＹＥＳ」（イグニッションスイッチＯＮ）である場合はステップＳ１０２に進み、ステップＳ１０１の判定結果が「ＮＯ」（イグニッションスイッチＯＦＦ）である場合は本ルーチンの実行を一旦終了する。
【００３７】
ステップＳ１０２においてシステムチェックを行った後、ステップＳ１０３に進み、システムに異常がないか否か判定する。ステップＳ１０３の判定結果が「ＹＥＳ」（異常なし）である場合はステップＳ１０４に進み、ステップＳ１０３の判定結果が「ＮＯ」（異常あり）である場合はステップＳ１０５に進む。ステップＳ１０４においては、温度センサ３４で検出した燃料電池１の内部代表温度が０゜Ｃよりも低いか否か判定する。ステップＳ１０４の判定結果が「ＮＯ」（０゜Ｃ以上）である場合はステップＳ１０６に進み、全面発電モードに移行する。ステップＳ１０４の判定結果が「ＹＥＳ」（０゜Ｃ未満）である場合はステップＳ１０７に進み、局所発電モードに移行する。
【００３８】
ステップＳ１０７における局所発電モードでは、前述したように、両冷却液通路Ｒ，Ｒに冷却液を流さず、全セル５の電気ヒーター３３をＯＮにして局所発電領域Ｓ1を加熱し、各セル５の上半部側の反応ガス通路Ａ１、反応ガス通路Ｃ１にだけ水素ガスおよび空気を供給することにより局所発電領域Ｓ1における局所発電を実行する。
【００３９】
そして、ステップＳ１０８において、燃料電池１の内部代表温度が０゜Ｃ以上の設定温度（例えば、２゜Ｃ）より低いか否か判定し、判定結果が「ＹＥＳ」（２゜Ｃ未満）である場合はステップＳ１０７に戻り、判定結果が「ＮＯ」（２゜Ｃ以上）である場合はステップＳ１０６に進む。すなわち、燃料電池１の内部代表温度が前記設定温度（２゜Ｃ）未満の間は局所発電モードによる燃料電池１の運転を継続し、燃料電池１の内部代表温度が前記設定温度（２゜Ｃ）以上に昇温したならば局所発電モードを終了して全面発電モードに移行することとなる。局所発電モードの終了により、電気ヒーター３３をＯＦＦにする。
【００４０】
ステップＳ１０６の全面発電モードでは、前述したように、両冷却液通路Ｒ，Ｒに冷却液を流し、各セル５の両反応ガス通路Ａ１，Ａ２に水素ガスを流し、両反応ガス通路Ｃ１，Ｃ２に空気を流して、全セル５の発電面全面を使って発電を実行する。なお、ステップＳ１０５に進んだ場合は異常処理モードに移行して、本ルーチンの実行を一旦終了する。
【００４１】
なお、前記起動制御では、燃料電池１の内部代表温度に基づいて局所発電モードに進むか否かおよび全面発電モードに移行するか否かを判定しているが、これに代えて、燃料電池１の総出力電圧に基づいて局所発電モードに進むか否かおよび全面発電モードに移行するか否かを判定するようにしてもよい。
【００４２】
また、前記起動制御では、局所発電モードに進んだときには全てのセル５の電気ヒーター３３をＯＮにし、全セル５の局所発電領域Ｓ1を加熱するようにしているが、本発明においては、各セル５毎に該セル５の電気ヒーター３３をＯＮするか否かを判定してもよいし、あるいは複数のセル５を１モジュールとして各モジュール毎に該モジュールの電気ヒーター３３をＯＮするか否かを判定してもよい。このようにすると、電気ヒーター３３による加熱が必要なセル５を絞り込むことができるので、局所発電モードにおいて消費されるエネルギーを低減することができる。
【００４３】
各セル５毎に電気ヒーター３３をＯＮするか否かを判定する場合には、例えば、各セル５毎に温度センサ３４を設けておき、局所発電領域Ｓ1の温度が０゜Ｃ未満であると判定されたセル５についてだけ該セル５の電気ヒーター３３をＯＮにし、該セル５の局所発電領域Ｓ1の温度が２゜Ｃ以上になったときに該電気ヒーター３３をＯＦＦにする。
【００４４】
また、各モジュール毎に電気ヒーター３３をＯＮするか否かを判定する場合には、例えば、各モジュール毎に温度センサ３４を設けておき、局所発電領域Ｓ1の温度が０゜Ｃ未満であると判定されたモジュールについてだけ該モジュールの全てのセル５の電気ヒーター３３をＯＮにし、該モジュールの局所発電領域Ｓ1の温度が２゜Ｃ以上になったときに該モジュールの電気ヒーター３３をＯＦＦにする。
【００４５】
さらに、このように各セル５毎あるいは各モジュール毎に温度センサ３４を設けた場合には、バッテリー（図示せず）の電力残量に応じて以下のような節電モードで電気ヒーター３３のＯＮ−ＯＦＦ制御を行ってもよい。まず、局所発電モードに移行したときに、全ての電気ヒーター３３をＯＮしても燃料電池１の運転を維持可能なだけの電力がバッテリー（図示せず）に残っているか否かを判定し、残っている場合には電気ヒーター３３を通常の制御方法で制御し、残っていない場合には電気ヒーター３３を節電モードで制御する。
【００４６】
節電モードでは、例えば各セル５毎に電圧低下率を算出する。そして、各セル５毎に制御する場合には、電圧低下率が正（電圧低下している）のセル５の電気ヒーター３３だけをＯＮにし、電圧低下率が負（電圧低下が生じていない）のセル５の電気ヒーター３３はＯＦＦにする。また、モジュール毎に制御する場合には、電圧低下率が正（電圧低下している）のセル５を一つでも有するモジュールについては該モジュールの全てのセル５の電気ヒーター３３をＯＮにし、モジュールの全てのセル５の電圧低下率が正であるモジュールについては該モジュールの全てのセル５の電気ヒーター３３をＯＦＦにする。このようにすると、局所発電モードにおいて消費されるエネルギーをさらに低減することができる。
【００４７】
また、前記燃料電池１では、両冷却液通路Ｒ，Ｒにおいて反応ガス通路Ａ１と反応ガス通路Ｃ１とが重複する部分に対応する領域の全てに電気ヒーター３３を設けて局所発電領域Ｓ1としたが、前記重複する部分に対応する領域の一部（例えば、中央部）だけに電気ヒーター３３を設けて、この一部だけを局所発電領域とすることも可能である。また、電気ヒーター３３の設置位置は冷却液通路Ｒに限定されるものではなく、各通路セパレータ６，７の内部に埋め込んでも構わない。
【００４８】
また、前述の参考例１では、局所発電モードのときには、上半部側の反応ガス通路Ａ１，Ｃ１にだけ水素ガスと空気を流すようにしているが、局所発電モードのときに上下両方の反応ガス通路Ａ１，Ａ２に水素ガスを流し、上下両方の反応ガス通路Ｃ１，Ｃ２に空気を流すようにしても構わない。このように、発電面の全体に反応ガスを供給した場合には、まず、電気ヒーター３３により温度上昇した上半部側の局所発電領域Ｓ１において発電が始まり、この発電による自己発熱および電気ヒーター３３の加熱による熱が下半部側の発電面に広がって下半部側も温度上昇するにしたがって、下半部側の発電面においても発電を開始するようになる。
【００４９】
さらに、前述の参考例１では、反応ガス通路Ａ１，Ａ２，Ｃ１，Ｃ２をそれぞれ水平方向に延びる直線通路としているが、これら反応ガス通路Ａ１，Ａ２，Ｃ１，Ｃ２は直線通路に限るものではなく、例えば、図６に示すように、入口側酸化剤ガス連通孔１０を左側辺部上部に、出口側酸化剤ガス連通孔１１を右側辺部下部に、入口側燃料ガス連通孔２０を右側辺部上部に、出口側燃料ガス連通孔２１を左側辺部下部に位置させて、反応ガス通路Ａ１，Ｃ１を蛇行させてもよい。この場合には、反応ガスは反応ガス通路Ａ１，Ｃ１を蛇行しながら下降するように流れることとなる。
【００５０】
そして、この場合、両冷却液通路Ｒ，Ｒにおいて電気ヒーター３３を設ける領域、すなわち局所発電領域Ｓ1を、例えば図６において二点鎖線で示すように、反応ガス通路Ａ１，Ｃ１の最上段の水平部が重複する部位に対応する領域に設定することができる。なお、局所発電領域Ｓ1の設定はこれに限るものではなく、もっと広範囲な領域に設定することもできるし、もっと狭小な範囲に設定することもできる。このようにしても、前述と同様の作用・効果を得ることができる。
【００５１】
〔参考例２〕
次に、この発明に係る燃料電池に関連する技術の参考例２を図７および図８の図面を参照して説明する。参考例２の燃料電池が参考例１のものと相違する点は電気ヒーターの設置場所にある。参考例１では電気ヒーター３３を冷却液通路Ｒの一部に設けたが、この参考例２では、冷却液通路Ｒには電気ヒーターを設置せず、積層された多数のセルを締め付けるスタッドボルトに電気ヒーターを内蔵させている。
【００５２】
詳述すると、図７はカソード側のセパレータ７の正面図であり、参考例１と同一態様部分には同一符号を付してある。この参考例２の燃料電池１においては、上部３カ所と下部３カ所に配置されたスタッドボルト（締め付けボルト）４０によって、積層された全てのセルが締め付けられている。この６本のスタッドボルト４０のうち上部中央に配置されたスタッドボルト４０Ａだけに電気ヒーターが内蔵されている。
【００５３】
図８はスタッドボルト４０Ａの断面図であり、スタッドボルト４０Ａの基材５１の外周には絶縁層５２が設けられ、この絶縁層５２の外周に電気ヒーター（加熱手段）５３が設けられ、電気ヒーター５３の外周に絶縁層５４が設けられている。絶縁層５２，５４は、電気ヒーター５３と基材５１および外部（燃料電池１など）との絶縁性を確保するとともに耐久性を持たせるために、ガラス繊維をベースとしたテフロン(登録商標)樹脂等で形成されている。また、外側の絶縁層５４には温度センサ５５が埋め込まれている。温度センサ５５と電気ヒーター５３は温度調節器５６に接続されており、温度調節器５６は、スタッドボルト４０Ａの表面温度、すなわち絶縁層５４の表面温度が常に所定温度範囲（例えば、５０〜７０゜Ｃ）になるように、電気ヒーター５３を制御する。
【００５４】
この参考例２においては、局所発電モードのときにスタッドボルト４０Ａの電気ヒーター５３をＯＮにしてスタッドボルト４０Ａを加熱することにより、各セル５におけるスタッドボルト４０Ａの周囲を加熱し、このスタッドボルト４０Ａの近傍領域を局所発電領域Ｓ2とすることができる。この参考例２の場合には、電気ヒーター５３によって局所発電領域Ｓ２の発電面の温度が迅速に高まり高温度部位が発生し、この局所発電領域Ｓ２から局所発電が始まり、さらに、この高温度部位が熱伝導によって徐々に上半部側の発電面の全体に広がって、上半部側の発電面の全体で局所発電が行われるようになる。したがって、この参考例２の燃料電池１においても、参考例１のものと同様の作用・効果を得ることができる。
【００５５】
この参考例２の燃料電池１は、上述した例に限られるものではなく、例えば、スタッドボルト４０の総本数や配置によって、電気ヒーター５３を内蔵したスタッドボルト４０Ａの本数を２本以上に設定してもよいし、スタッドボルト４０Ａの位置を適宜に設定することが可能である。また、この参考例２の燃料電池１においても、反応ガス通路の通路形態は水平直線状以外の通路形態（例えば、図６に示す蛇行通路）とすることが可能である。
【００５６】
〔参考例３〕
次に、この発明に係る燃料電池の前提となる技術の参考例３を図９および図１０の図面を参照して説明する。参考例３の燃料電池が参考例１のものと相違する点は、セル５を局所的に加熱するための手段にある。前述した参考例１の場合には、冷却液通路Ｒの一部に電気ヒーター３３を設け、この電気ヒーター３３に電流を流すことによりセル５を局所的に加熱したが、参考例３では、冷却液通路Ｒに電気ヒーターを設ける代わりに、セル５の所定部位に触媒燃焼器を設け、この触媒燃焼器において水素と空気中の酸素とを触媒燃焼させることにより、セル５における触媒燃焼器近傍を局所的に加熱するようにした。以下、これについて詳述する。
【００５７】
図９は参考例３における燃料電池１の一部における縦断面図であり、参考例１における図２に対応する図である。燃料電池１の基本的な構成は、参考例３のものも参考例１と同じであり、図９では同一態様部分に同一符号を付してある。また、図１０はアノード側のセパレータ６を冷却液通路Ｒが形成されている側から見た正面図である。
【００５８】
燃料電池１には、参考例１の燃料電池１と同様に、入口側酸化剤ガス連通孔１０，出口側酸化剤ガス連通孔１１，入口側燃料ガス連通孔２０，出口側燃料ガス連通孔２１，入口側冷却液連通孔３０，出口側冷却液連通孔３１が設けられており、セパレータ６の一方の面には冷却液通路Ｒ，Ｒが設けられている。なお、図１０には図示していないが、セパレータ６の他方の面に反応ガス通路Ａ１，Ａ２が設けられており、セパレータ７に反応ガス通路Ｃ１，Ｃ２が設けられている点は、参考例１と同様である。
【００５９】
参考例３の燃料電池１においては、さらに、出口側燃料冷却液連通孔３１，３１の間に２つの連通孔がセル５を貫通して設けられ、入口側冷却液連通孔３０，３０の間に１つの連通孔がセル５を貫通して設けられている。上部に設けられた前記２つの連通孔のうち一方は水素ガスを供給するための水素ガス連通孔６１であり、他方は空気を供給するための空気連通孔６２である。また、下部に設けられた前記１つの連通孔は燃焼ガスを排出するための排気連通孔６３である。
【００６０】
さらに、各セル５におけるセパレータ６には、冷却液通路Ｒ，Ｒが設けられている面と同一面であって冷却液通路Ｒ，Ｒの間に、水素ガス連通孔６１と空気連通孔６２と排気連通孔６３を接続するガス通路６４が設けられている。ガス通路６４は、水素ガス連通孔６１に連なるガス通路と空気連通孔６２に連なるガス通路が合流し、合流後のガス通路が排気通路６３に連なるように構成されており、合流部（図１０においてハッチング部分）の壁面には、水素と空気中の酸素とを反応をさせる触媒（触媒燃焼器、加熱手段）６５が付着されている。また、複数あるセパレータ７のうちの一つには、触媒６５を付着させた部位近傍に対応する位置に、燃料電池１の代表温度を検出する温度センサ６９が設けられている。温度センサ６９は例えばサーミスタ等で構成されており、この温度センサ６９の出力信号は燃料電池制御用のＥＣＵ５０に入力される。
【００６１】
水素ガス連通孔６１は制御弁６６を介して水素供給装置６７に接続され、空気連通孔６２は空気供給装置６８に接続されており、制御弁６６，水素供給装置６７，空気供給装置６８は燃料電池制御用ＥＣＵ５０によって制御される。前述した参考例１では低温起動時の局所発電モードにおいて電気ヒーター３３をＯＮすることによりセル５を局所的に加熱したが、この参考例３の燃料電池１では、低温起動時の局所発電モードにおいて、水素供給装置６７から水素ガス連通孔６１に水素ガスを供給し、空気供給装置６８から空気連通孔６２に空気を供給して、各連通孔６１，６２から各セル５のガス通路６４に流入した水素ガスと空気中の酸素を合流部における触媒６５によって反応させ、この反応熱で合流部を中心とする近傍を局所的に加熱する。これによって、参考例３においても、各セル５に局所発電領域Ｓ3を形成することが可能になり、参考例１と同様の作用・効果を得ることができることとなる。
【００６２】
しかも、この参考例３の燃料電池１では、水素ガスと空気中の酸素を触媒燃焼させているので大きな熱エネルギーを得ることができるとともに温度上昇の立ち上がりが早く、その結果、電気ヒーター３３よりも迅速な加熱が可能となる。また、水素は燃料電池１の燃料でもあるので、燃料の一元化が可能となり、装置構成が容易になるという利点もある。
【００６３】
次に、参考例３における燃料電池１の起動制御の一例を図１１のフローチャートを参照して説明する。ステップＳ２０１〜ステップＳ２０５については、参考例１の起動制御におけるステップＳ１０１〜ステップＳ１０５と同じであるので説明を省略する。この参考例３において、ステップＳ２０４で否定判定してステップＳ２０６に進み全面発電モードとなった場合には、水素供給装置６７からの水素ガス連通孔６１への燃焼用水素の供給を停止するとともに、空気供給装置６８からの空気連通孔６２への空気の供給を停止する。そして、両冷却液通路Ｒ，Ｒに冷却液を流し、各セル５の反応ガス通路Ａ１，Ａ２に水素ガスを流し、反応ガス通路Ｃ１，Ｃ２に空気を流して、全セル５の発電面全面を使って発電を実行する。
【００６４】
一方、ステップＳ２０４で肯定判定してステップＳ２０７に進み局所発電モードとなった場合には、冷却液通路Ｒ，Ｒに冷却液を流さず、各セル５の上半部側の反応ガス通路Ａ１，Ｃ１にだけ水素ガスおよび空気を供給する。さらに、空気供給装置６８から空気連通孔６２に燃焼用の空気を供給するとともに、水素供給装置６７から水素ガス連通孔６１に燃焼用の水素ガスを供給することにより、局所発電領域Ｓ3における局所発電を実行する。なお、燃焼用水素の供給量は、予め用意しておいたマップを参照して、燃料電池１の内部代表温度に応じてＥＣＵ５０が決定し、これに基づきＥＣＵ５０は制御弁６６による流量制御を実行する。
【００６５】
そして、ステップＳ２０８において、燃料電池１の内部代表温度が０゜Ｃ以上の設定温度（例えば、２゜Ｃ）より低いか否か判定し、判定結果が「ＹＥＳ」（２゜Ｃ未満）である場合はステップＳ２０７に戻って局所発電モードを継続し、判定結果が「ＮＯ」（２゜Ｃ以上）である場合はステップＳ２０６の全面発電モードに進む。
【００６６】
なお、前記起動制御では、燃料電池１の内部代表温度に基づいて局所発電モードに進むか否かおよび全面発電モードに移行するか否かを判定しているが、これに代えて、燃料電池１の総出力電圧に基づいて局所発電モードに進むか否かおよび全面発電モードに移行するか否かを判定するようにしてもよい。また、前記起動制御では、燃料電池１の内部代表温度が０゜Ｃよりも高い場合には全面発電モードに移行するようにしたが、燃料電池１の内部代表温度が０゜Ｃ以上であっても、その温度が比較的に低い温度域（例えば、１５゜Ｃ以下）である場合には、微量の燃焼用水素と燃焼用空気をガス通路６４に供給することにより微暖機を実行して、燃料電池１の温度上昇を促進させることも可能である。さらに、前記微暖機の実行条件に、いずれかのセル５に電圧低下があることを加重させてもよい。
【００６７】
また、この参考例３では、局所発電モードのときには、上半部側の反応ガス通路Ａ１，Ｃ１にだけ水素ガスと空気を流すようにしているが、局所発電モードのときに上下両方の反応ガス通路Ａ１，Ａ２に水素ガスを流し、上下両方の反応ガス通路Ｃ１，Ｃ２に空気を流すようにしても構わないのは、参考例１と同様である。また、この参考例３の燃料電池１においても、参考例１の場合と同様に、反応ガス通路の通路形態は水平直線状以外の通路形態（例えば、図６に示す蛇行通路）とすることが可能である。
【００６８】
〔参考例４〕
次に、この発明に係る燃料電池の前提となる技術の参考例４を図１２および図１３の図面を参照して説明する。参考例４の燃料電池の構成は、参考例３のものと極めて近似している。参考例３では、セル５の所定部位に触媒燃焼器を設け、この触媒燃焼器において水素と空気中の酸素とを触媒燃焼させてセル５を局所的に加熱するようにしたが、この参考例４は、セル５の所定部位に酸化・還元剤を設け、この酸化・還元剤が酸素によって酸化される時の発熱を利用してセル５を局所的に加熱するようにしている。
【００６９】
図１２は参考例４における燃料電池１の一部における縦断面図であって、参考例３における図９に対応する図であり、図９と同一態様部分には同一符号を付してある。また、図１３は参考例４におけるセパレータ６を冷却液通路Ｒが形成されている側から見た正面図であって、参考例３における図１０に対応する図であり、図１０と同一態様部分には同一符号を付してある。
【００７０】
参考例４における燃料電池１では、出口側冷却液連通孔３１，３１の間にセル５を貫通して設けた連通孔は一つであり、この連通孔（以下、ガス連通孔という）７０に水素供給装置６７と空気供給装置６８が接続されている。また、セパレータ６には冷却液通路Ｒ，Ｒの間に、ガス連通孔７０と排気連通孔６３を接続するガス通路７１が設けられており、ガス通路７１の上流部分（すなわち、ガス連通孔７０に近い部分）の壁面には、図１３においてハッチングで示すように酸化・還元剤（加熱手段）７２が付着されている。
【００７１】
前述した参考例３では低温起動時の局所発電モードにおいて、水素ガスと空気を同時にガス通路６４に供給し、合流部における触媒６５によって水素ガスと空気中の酸素を反応させ、その反応熱によってセル５を局所的に加熱した。しかしながら、この参考例４では、低温起動時の局所発電モードにおいて、ガス連通孔７０には空気供給装置６８から空気だけを供給し、水素ガスは供給しない。このようにすると、ガス通路７０に供給された空気が各セル５のガス通路７１に流入し、ガス通路７１の上流部分の酸化・還元剤７２が空気中の酸素と反応して酸化する時に発熱し、この反応熱がガス通路７１の上流部分を中心とする近傍を局所的に加熱する。これによって、参考例４においても、各セル５に局所発電領域Ｓ4を形成することが可能になり、参考例３と同様の作用・効果を得ることができることとなる。
【００７２】
そして、この参考例４では、局所発電モードの終了とともにガス連通孔７０への空気の供給を停止し、水素供給装置６７からガス連通孔７０に所定量の水素ガスを供給する。これにより、酸化・還元剤７２は水素と反応して還元されて元に戻り、このときに吸熱する。
【００７３】
〔発明の実施の形態〕
次に、この発明に係る燃料電池の実施の形態を図１４および図１５の図面を参照して説明する。前述した各参考例では、燃料電池１を構成する全てのセル５においてその発電面の正面から見て同じ位置に局所発電領域Ｓ1〜Ｓ4を設けていた。これに対して、この発明の実施の形態では、図１４，図１５に示すように、隣接するセル５同士において局所発電領域Ｓの位置を発電面において異なった位置に設ける。このようにすると、局所発電モードにおいてセル５，５間を電流が流れるときに、セパレータ６，７においては図１５において矢印で示すようにセル５の積層方向に対して垂直な方向に電流が流れるようになり、セパレータ６，７の電気抵抗分の損失によりジュール熱が発生し、燃料電池１の暖機をより促進させることができる。
【００７４】
なお、この実施の形態において局所発電領域Ｓの形成方法は特に限定はないが、前述した参考例１の如くセパレータの一部（冷却液通路など）に電気ヒーターを設ける方法が特に好適であり、また、参考例３および参考例４の如くセル５に触媒燃焼器や酸化・還元剤を設ける方法も可能である。また、隣接する全てのセル５同士の局所発電領域Ｓの位置を異ならせてもよいし、モジュール毎に局所発電領域Ｓの位置を異ならせるようにしてもよい。
【００７５】
【発明の効果】
以上説明するように、請求項１に記載した発明によれば、燃料電池の低温起動時に、加熱手段によって発電面の一部の領域を迅速に加熱することができ、この領域における固体高分子電解質膜のイオン通過抵抗を低下させて発電効率を高め、これにより自己発熱を促進して当該領域の温度を速やかに高め、この高温度領域を発電面全体に拡大して燃料電池の温度を高めることが可能となるので、発電面全体を自己発熱により加熱した場合よりも起動時間を短縮することができ、燃料電池の低温起動性を高めることができるという効果がある。
さらに、請求項１に記載した発明によれば、加熱手段が異なった位置に設けられているセル間を電流が流れるときに、セルの積層方向と垂直な方向に電流が流れるようになり、その電流の通路が電気抵抗を有することからジュール熱が発生し、このジュール熱によっても燃料電池が加熱されるので、燃料電池の温度上昇をさらに早めることが可能になり、燃料電池の低温起動性をさらに高めることができるという効果がある。
【００７６】
請求項２に記載した発明によれば、加熱手段を電気エネルギーで作動することができるという効果がある。
請求項３に記載した発明によれば、電気ヒーターをセルに容易に取り付けることができるという効果がある。
【００７７】
請求項４に記載した発明によれば、触媒燃焼器に酸化ガスと還元ガスを供給するだけでこれらガスを迅速に燃焼させて発電面の一部を迅速に加熱することが可能であるので、加熱手段の構成が簡単になるという効果がある。また、迅速な加熱を実現できるので、燃料電池の温度上昇をさらに早めることが可能になり、燃料電池の低温起動性をより高めることができるという効果がある。
【００７８】
請求項５に記載した発明によれば、酸化ガスの供給だけで発電面の一部を迅速に加熱することが可能になるので、加熱手段の構成が簡単になるという効果がある。また、迅速な加熱を実現できるので、燃料電池の温度上昇をさらに早めることが可能になり、燃料電池の低温起動性をより高めることができるという効果がある。
【００７９】
請求項６に記載した発明によれば、燃料電池の温度が低いときだけ加熱手段を作動してセルを局所的に加熱し、燃料電池の温度が高いときは加熱手段の作動を停止してセルの局所加熱を停止することが可能になるので、エネルギー消費を低減することができるという効果がある。
【００８０】
請求項７に記載した発明によれば、燃料電池の出力電圧が低いときだけ加熱手段を作動してセルを局所的に加熱し、燃料電池の出力電圧が高いときは加熱手段の作動を停止してセルの局所加熱を停止することが可能になるので、エネルギー消費を低減することができるという効果がある。
【００８１】
請求項８に記載した発明によれば、各セルの温度状態に応じて加熱手段を作動したり停止したりすることが可能になるので、エネルギー消費を低減することができるという効果がある。
請求項９に記載した発明によれば、各セルの出力電圧の状態に応じて加熱手段を作動したり停止したりすることが可能になるので、エネルギー消費を低減することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る燃料電池の前提となる技術の参考例１におけるセパレータの正面図である。
【図２】前記参考例１の燃料電池の縦断面図である。
【図３】前記参考例１の燃料電池において加熱部分が広がる様子を示す図である。
【図４】前記参考例１の燃料電池において加熱部分が広がる様子を示す図である。
【図５】前記参考例１の燃料電池における起動制御の一例を示すフローチャートである。
【図６】前記参考例１の燃料電池の変形例におけるセパレータの正面図である。
【図７】この発明に係る燃料電池に関連する技術の参考例２におけるセパレータの正面図である。
【図８】前記参考例２の燃料電池におけるスタッドボルトの断面図である。
【図９】この発明に係る燃料電池の前提となる技術の参考例３における縦断面図である。
【図１０】前記参考例３の燃料電池におけるセパレータの正面図である。
【図１１】前記参考例３の燃料電池における起動制御の一例を示すフローチャートである。
【図１２】この発明に係る燃料電池の前提となる技術の参考例４における縦断面図である。
【図１３】前記参考例４の燃料電池におけるセパレータの正面図である。
【図１４】この発明に係る燃料電池の実施の形態において、隣接するセル間の局所発電領域Ｓの位置関係を示す正面図ある。
【図１５】前記実施の形態において、隣接するセル間を流れる電流の状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ アノード電極
３ カソード電極
４ 固体高分子電解質膜
５ セル
Ａ１，Ａ２，Ｃ１，Ｃ２ 反応ガス通路
Ｒ，Ｒ 冷却液通路
３３ 電気ヒーター（加熱手段）
５３ 電気ヒーター（加熱手段）
６５ 触媒（触媒燃焼器，加熱手段）
７２ 酸化・還元剤（加熱手段）
【発明の属する技術分野】
この発明は、固体高分子電解質膜を備えた燃料電池に関し、特に、低温起動性に優れた燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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たものがある。この燃料電池は、アノード電極の発電面に燃料ガス（例えば、水素ガス）を、カソード電極の発電面に酸化剤ガス（例えば、酸素を含む空気）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。カソード電極においては酸化剤ガス（例えば、酸素を含む空気）が供給されているため、水素イオン、電子、及び酸素が反応して水が生成される。したがって、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。
【０００３】
一般に、この種の燃料電池の作動温度は７０℃〜８０℃程度とされているが、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始動性が大きな課題となっている。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、例えば、氷点下で起動しようとすると始動までに時間がかかるという問題がある。これに対して、例えば、特表２０００−５１２０６８号公報に記載されているように、燃料電池の外部負荷に電力を供給することで反応を促進し、自己発熱により温度を上昇させて始動性を向上させるものがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の自己発熱を用いた技術では、例えば、起動時に燃料電池が氷点下となっているような場合に、熱容量の大きい燃料電池全体を自己発熱だけで加熱するにはある程度長い時間が必要となってしまうという問題がある。また、燃料電池を暖機するために燃料電池を発電させているのであるが、燃料電池の自己発熱だけでは熱量が不足し、暖機中に燃料電池で生じた生成水が凍結する虞もあった。
そこで、この発明は、燃料電池の発電面の一部を加熱手段により局所的に加熱することによって自己発熱を促進し、短時間で燃料電池を温度上昇可能にして低温起動性に優れた燃料電池を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、固体高分子電解質膜（例えば、後述する実施の形態における固体高分子電解質膜４）の両側にアノード電極（例えば、後述する実施の形態におけるアノード電極２）とカソード電極（例えば、後述する実施の形態におけるカソード電極３）が設けられ、さらに前記各電極の外側にそれぞれ反応ガス通路（例えば、後述する実施の形態における燃料ガス通路Ａ１，Ａ２、空気通路Ｃ１，Ｃ２）が設けられてなるセル（例えば、後述する実施の形態におけるセル５）を備えた燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池１）において、前記セルにおける発電面の一部の領域を加熱する加熱手段（例えば、後述する実施の形態における電気ヒーター３３、電気ヒーター５３、触媒６５、酸化・還元剤７２）を備え、前記燃料電池は前記セルを複数積層してなり、隣接する少なくとも１組のセル同士は、前記加熱手段が、発電面を正面から見たときに発電面上において異なる位置にそれぞれ設けられていることを特徴とする。
【０００６】
このように構成することにより、燃料電池の低温起動時に、加熱手段によって発電面の前記一部の領域を迅速に加熱することができ、この領域における固体高分子電解質膜のイオン通過抵抗を低下させて発電効率を高め、これにより自己発熱を促進して当該領域の温度を速やかに高め、この高温度領域を発電面全体に拡大して燃料電池の温度を高めることが可能となる。また、前記セル間を電流が流れるときにセルの積層方向と垂直な方向に電流が流れるようになり、その電流の通路が電気抵抗を有することからジュール熱が発生し、燃料電池を加熱する。
【０００７】
請求項２に記載した発明は、請求項１に記載の発明において、前記加熱手段は電気ヒーター（例えば、後述する実施の形態における電気ヒーター３３、電気ヒーター５３）であることを特徴とする。このように構成することにより、加熱手段を電気エネルギーで作動することが可能になる。
【０００８】
請求項３に記載した発明は、請求項２に記載の発明において、前記セルは冷却液通路（例えば、後述する実施の形態における冷却液通路Ｒ）を備え、この冷却液通路に前記電気ヒーター（例えば、後述する実施の形態における電気ヒーター３３）が設けられていることを特徴とする。このように構成することにより、電気ヒーターをセルに容易に取り付け可能になる。
【０００９】
【００１０】
請求項４に記載した発明は、請求項１に記載の発明において、前記加熱手段は触媒燃焼器（例えば、後述する実施の形態における触媒６５）であることを特徴とする。このように構成することにより、触媒燃焼器に酸化ガス（例えば、酸素や空気）と還元ガス（例えば、水素）を供給するだけでこれらガスを迅速に燃焼させ、発電面の一部を迅速に加熱することが可能になる。
【００１１】
請求項５に記載した発明は、請求項１に記載の発明において、前記加熱手段は、酸化・還元剤（例えば、後述する実施の形態における酸化・還元剤７２）が酸化するときの発熱を利用するものであることを特徴とする。このように構成することにより、酸化ガス（例えば、酸素や空気）を供給するだけで発電面の一部を迅速に加熱することが可能になる。
【００１２】
請求項６に記載した発明は、請求項１に記載の発明において、前記燃料電池の温度に応じて前記加熱手段の作動を制御することを特徴とする。このように構成することにより、燃料電池の温度が低いときだけ加熱手段を作動してセルの発電面の一部を局所的に加熱し、燃料電池の温度が高いときは加熱手段の作動を停止してセルの局所的な加熱を停止することが可能になる。
【００１３】
請求項７に記載した発明は、請求項１に記載の発明において、前記燃料電池の出力電圧に応じて前記加熱手段の作動を制御することを特徴とする。このように構成することにより、燃料電池の出力電圧が低いときだけ加熱手段を作動してセルの発電面の一部を局所的に加熱し、燃料電池の出力電圧が高いときは加熱手段の作動を停止してセルの局所的な加熱を停止することが可能になる。
【００１４】
請求項８に記載した発明は、請求項１に記載の発明において、前記各セルの温度に応じて前記加熱手段の作動を制御することを特徴とする。このように構成することにより、各セルの温度状態に応じて加熱手段を作動したり停止したりすることが可能になる。
【００１５】
請求項９に記載した発明は、請求項１に記載の発明において、前記各セルの出力電圧に応じて前記加熱手段の作動を制御することを特徴とする。このように構成することにより、各セルの出力電圧の状態に応じて加熱手段を作動したり停止したりすることが可能になる。
【００１６】
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る燃料電池の実施の形態を図１４および図１５の図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態および参考例における燃料電池は燃料電池自動車に搭載される態様である。
【００１８】
〔参考例１〕
初めに、この発明に係る燃料電池の前提となる技術の参考例１を図１から図６の図面を参照して説明する。図２は燃料電池１の一部における縦断面図である。燃料電池１は、固体高分子電解質膜４をアノード電極２とカソード電極３とで挟持し、さらにその外側を一対のセパレータ６，７で挟持してなるセル（単位燃料電池）１５を水平方向に複数積層して構成されており、図示しないスタッドボルトにより締め付けられて、例えば、車両用の燃料電池スタックが構成される。尚、この参考例１では説明の都合上、単一のセル５を例にして説明する。
【００１９】
前記固体高分子電解質膜４は、例えば、パーフルオロスルホン酸ポリマー等を用いている。また、アノード電極２、カソード電極３は白金Ｐｔを主体としたものであって、多孔質カーボンクロス又は多孔質カーボンペーパーからなる拡散層に配設されている。セパレータ６，７は緻密質カーボン製や金属製のもので、これらセパレータ６，７から電力を取り出す。
【００２０】
図１はカソード側のセパレータ７を膜・電極構造体５に対向する側から見た正面図である。このカソード側のセパレータ７は上半部と下半部とに区画された反応ガス通路Ｃ１，Ｃ２を備えている。ここで、緻密質カーボン製のセパレータの場合は反応ガス通路は複数の溝で構成され、金属製のセパレータの場合はプレス成形により形成された複数の溝部やシール材で仕切られて形成された通路で構成されている。また、反応ガス通路Ｃ１，Ｃ２としては、蛇行した通路や、Ｕ字の通路など様々な形状の通路を採用することができる。尚、図示都合上アノード側のセパレータ６の反応ガス通路を鎖線で併記する。
【００２１】
カソード側のセパレータ７の上半部の反応ガス通路Ｃ１は、該カソード側のセパレータ７の右側辺部の下部に形成された入口側酸化剤ガス連通孔１０に端を発し、対角方向に配置された出口側酸化剤ガス連通孔１１で終端している。同様にして、カソード側のセパレータ７の下半部にも上半部と同様の構成の反応ガス通路Ｃ２、及び入口側酸化剤ガス連通孔１０、出口側酸化剤ガス連通孔１１が形成されている。ここで、前記各入口側酸化剤ガス連通孔１０は、供給配管（供給路）１３を介してスーパーチャージャーＳ／Ｃに接続され、モータｍにより駆動するスーパーチャージャーＳ／Ｃから酸化剤ガスである空気が供給されるようになっているが、下半部側の供給配管１３には空気の供給を遮断するバルブ１４が介装されている。
【００２２】
一方、アノード側のセパレータ６も、カソード側のセパレータ７に対応して上半部と下半部とに区画された反応ガス通路Ａ１，Ａ２を備えている。つまり、カソード側の反応ガス通路Ｃ１，Ｃ２に交叉するように、アノード側のセパレータ６の左側辺部の下部に形成された入口側燃料ガス連通孔２０に端を発し、対角方向に配置された出口側燃料ガス連通孔２１で終端した反応ガス通路Ａ１，Ａ２が上半部と下半部に各々形成されている。ここで、前記各入口側燃料ガス連通孔２０は、供給配管２３を介して水素タンクＨ２に接続されているが、下半部の供給配管２３には水素ガスの供給を遮断するバルブ２４が介装されている。尚、水素タンクＨ２に替えて、改質装置を備えたメタノールタンクを使用してもよい。
【００２３】
そして、アノード側のセパレータ６、及びカソード側のセパレータ７の下側辺部には一対の入口側冷却液連通孔３０，３０が、アノード側のセパレータ６、カソード側のセパレータ７の上側辺部には一対の出口側冷却液連通孔３１，３１が形成されている。そして、アノード側のセパレータ６に、対向する前記各冷却液連通孔３０，３１同志を結ぶ冷却液通路Ｒが形成されている。この冷却液通路Ｒは図示しない冷却系配管に接続されている。
【００２４】
上記カソード側のセパレータ７及びアノード側のセパレータ６の上半部に対応するカソード電極３及びアノード電極２の発電面（すなわち、図１において反応ガス通路Ｃ１の存在する部分）が、局所発電領域（図３において破線で示す領域）Ｓ１として構成されており、この領域Ｓ１における両冷却液通路Ｒには、図２に示すように電気ヒーター（加熱手段）３３が設けられている。この電気ヒーター３３はいわゆる薄膜ヒーターで構成されており、セパレータ７において反応ガス通路Ｃ１，Ｃ２が形成されていない側の表面であって前記領域Ｓ1の両冷却液通路Ｒ，Ｒに対応する部位に、印刷あるいは蒸着等の適宜手段により形成される。
【００２５】
このように構成されたセル５を多数積層してなる燃料電池１においては、一方の最外側のカソード側のセパレータ７と、他方の最外側のアノード側のセパレータ６の端子部材（図示せず）によって、燃料電池１から出力を取り出す閉回路が形成され、燃料電池１の出力電力により走行用モータＭや外部負荷Ｆ（後述する実施形態の電気ヒーターも含む）を駆動させるようになっている。
【００２６】
また、図２に示すように、複数あるセル５のうちの一つのセル５のセパレータ７には、前記領域Ｓ1内の所定部位（例えば、領域Ｓ1の中央部）に、燃料電池１の代表温度を検出する温度センサ３４が設けられている。温度センサ３４は例えばサーミスタ等で構成されており、この温度センサ３４の出力信号は燃料電池制御用のＥＣＵ５０に入力される。さらに、この燃料電池１においては、各セル５の出力電圧を検出するために、各セル５のセパレータ６，７に電圧センサ３６が接続されており、電圧センサ３６の出力信号はＥＣＵ５０に入力される。
【００２７】
また、ＥＣＵ５０は、前記水素タンクＨ２、スーパーチャージャーＳ／Ｃのモータｍ、前記水素タンクＨ２に接続された供給配管のバルブ２４、スーパーチャージャーＳ／Ｃに接続された供給配管１３のバルブ１４に接続されている。ＥＣＵ５０は燃料電池１の起動時には図示しないバッテリーに蓄電されている電力により作動される。
【００２８】
このように構成された燃料電池１は、全面発電モードにおいて次のように動作する。全面発電モードでは、上下二系列ある反応ガス通路Ａ１，Ａ２および反応ガス通路Ｃ１，Ｃ２の両方に水素ガスおよび空気を流し、左右二系列ある冷却液通路Ｒ，Ｒの両方に冷却液を流す。すなわち、入口側燃料ガス連通孔２０に水素ガスを供給して反応ガス通路Ａ１，Ａ２に水素ガスを流し、出口側燃料ガス連通孔２１に排出する。また、スーパーチャージャＳ／Ｃを駆動して入口側酸化剤ガス連通孔１０に空気を供給し反応ガス通路Ｃ１，Ｃ２に空気を流し、出口側酸化剤ガス連通孔１１に排出する。さらに、入口側冷却液連通孔３０に冷却液を供給して冷却液通路Ｒ，Ｒに冷却液を上向きに流し、出口側冷却液連通孔３１に排出する。これにより、全セル５の発電面全面で発電が行われる。
【００２９】
ところで、固体高分子電解質膜を備えた燃料電池は、温度が低いと発電効率が低下することは前述した通りである。また、外気温が氷点下（例えば−１０℃）となるような低温時においては、停止時において除去しきれなかった燃料電池１内の生成水は反応ガス通路Ｃ１，Ｃ２，Ａ１，Ａ２の溝の一部で凍結している場合が多い。このような条件下で燃料電池１を起動する場合に前記全面発電モードで起動したのでは、燃料電池１の温度上昇に時間が長くかかってしまう。
【００３０】
そこで、この燃料電池１では、このような低温起動時には、燃料電池１を迅速に温度上昇させるために局所発電モードで動作するようにし、局所発電モードでの運転により燃料電池１の温度が上昇してから、全面発電モードに移行するようにしている。局所発電モードでは、両冷却液通路Ｒ，Ｒに冷却液を流さず、水素供給系のバルブ２４を閉弁することにより水素ガスは上半部側の反応ガス通路Ａ１だけに流して下半部側の反応ガス通路Ａ２には流さず、空気供給系のバルブ１４を閉弁することにより空気は上半部側の反応ガス通路Ｃ１だけに流して下半部側の反応ガス通路Ｃ２には流さず、さらに電気ヒーター３３をＯＮにする。このようにすると、各セル５において上半部側の局所発電領域Ｓ1だけが発電面となり、各セル５の下半部側は発電に寄与しなくすることができる。
【００３１】
そして、電気ヒーター３３に電流を流すことにより、電気ヒーター３３が発熱し、その熱がセパレータ６，７を介してアノード電極２，カソード電極３，固体高分子電解質膜４に伝熱し、これらを迅速に加熱する。その結果、領域Ｓ1において局所的な発電が迅速に行われることとなる。また、迅速に発電が行われることにより反応による自己発熱が促進され、電気ヒーター３３による加熱と自己発熱により局所発電領域Ｓ1の温度が速やかに高まる。
【００３２】
ここで、発電の際の反応熱量と電気ヒーター３３による外部アシスト熱量の和が、発電により生じる生成水の凍結防止に必要な熱量と放熱量の和よりも大きくなるように、電気ヒーター３３の発熱量を制御することにより、生成水の凍結を阻止することができる。換言すれば、生成水凍結に起因した電圧低下により燃料電池１が運転停止する前に（すなわち、燃料電池１の出力電圧が運転限界電圧まで降下する前に）、各セル５の局所発電領域Ｓ1の温度を０゜Ｃ以上に昇温することができる。これによって、局所発電領域Ｓ1における発電を持続させることができ、他の部分（例えば、セル５の下側半分）が氷点下であっても燃料電池１全体としては発電を持続することができるようになる。
【００３３】
また、局所発電領域Ｓ1における局所発電による自己発熱と電気ヒーター３３の発熱によって生じた熱が、局所発電領域Ｓ1の周囲へも伝熱していき、図４に示すように、各セル５の下半部側も徐々に加熱されるようになり、燃料電池１を早期に加熱することができる。
【００３４】
さらに、局所発電領域Ｓ1の発電を持続することができることにより、燃料電池１の運転に最小限必要なエネルギー（すなわち、スーパーチャージャ等の補機の運転に必要な電力）を燃料電池１の発電によって確保することが可能になる。また、局所発電モードでは、局所発電領域Ｓ1だけを発電できる状態に保てばよいので、電気ヒーター３３でセル５の全面を加熱するようにした場合に比較して小さなエネルギーで済み、局所発電モードにおける消費電力を抑制することができる。
【００３５】
さらに、低温起動前に事前処理（例えば、反応ガス通路Ｃ１，Ｃ２内のパージや起動前の電気ヒーター３３による予備加熱など）を行う場合も、局所発電領域Ｓ1だけを起動可能な状態にすればいいので、この事前処理のためのエネルギー消費を低減することができる。
【００３６】
次に、燃料電池１の起動制御の一例を図５のフローチャートを参照して説明する。まず、ステップＳ１０１において、イグニッションスイッチがＯＮか否か判定する。ステップＳ１０１の判定結果が「ＹＥＳ」（イグニッションスイッチＯＮ）である場合はステップＳ１０２に進み、ステップＳ１０１の判定結果が「ＮＯ」（イグニッションスイッチＯＦＦ）である場合は本ルーチンの実行を一旦終了する。
【００３７】
ステップＳ１０２においてシステムチェックを行った後、ステップＳ１０３に進み、システムに異常がないか否か判定する。ステップＳ１０３の判定結果が「ＹＥＳ」（異常なし）である場合はステップＳ１０４に進み、ステップＳ１０３の判定結果が「ＮＯ」（異常あり）である場合はステップＳ１０５に進む。ステップＳ１０４においては、温度センサ３４で検出した燃料電池１の内部代表温度が０゜Ｃよりも低いか否か判定する。ステップＳ１０４の判定結果が「ＮＯ」（０゜Ｃ以上）である場合はステップＳ１０６に進み、全面発電モードに移行する。ステップＳ１０４の判定結果が「ＹＥＳ」（０゜Ｃ未満）である場合はステップＳ１０７に進み、局所発電モードに移行する。
【００３８】
ステップＳ１０７における局所発電モードでは、前述したように、両冷却液通路Ｒ，Ｒに冷却液を流さず、全セル５の電気ヒーター３３をＯＮにして局所発電領域Ｓ1を加熱し、各セル５の上半部側の反応ガス通路Ａ１、反応ガス通路Ｃ１にだけ水素ガスおよび空気を供給することにより局所発電領域Ｓ1における局所発電を実行する。
【００３９】
そして、ステップＳ１０８において、燃料電池１の内部代表温度が０゜Ｃ以上の設定温度（例えば、２゜Ｃ）より低いか否か判定し、判定結果が「ＹＥＳ」（２゜Ｃ未満）である場合はステップＳ１０７に戻り、判定結果が「ＮＯ」（２゜Ｃ以上）である場合はステップＳ１０６に進む。すなわち、燃料電池１の内部代表温度が前記設定温度（２゜Ｃ）未満の間は局所発電モードによる燃料電池１の運転を継続し、燃料電池１の内部代表温度が前記設定温度（２゜Ｃ）以上に昇温したならば局所発電モードを終了して全面発電モードに移行することとなる。局所発電モードの終了により、電気ヒーター３３をＯＦＦにする。
【００４０】
ステップＳ１０６の全面発電モードでは、前述したように、両冷却液通路Ｒ，Ｒに冷却液を流し、各セル５の両反応ガス通路Ａ１，Ａ２に水素ガスを流し、両反応ガス通路Ｃ１，Ｃ２に空気を流して、全セル５の発電面全面を使って発電を実行する。なお、ステップＳ１０５に進んだ場合は異常処理モードに移行して、本ルーチンの実行を一旦終了する。
【００４１】
なお、前記起動制御では、燃料電池１の内部代表温度に基づいて局所発電モードに進むか否かおよび全面発電モードに移行するか否かを判定しているが、これに代えて、燃料電池１の総出力電圧に基づいて局所発電モードに進むか否かおよび全面発電モードに移行するか否かを判定するようにしてもよい。
【００４２】
また、前記起動制御では、局所発電モードに進んだときには全てのセル５の電気ヒーター３３をＯＮにし、全セル５の局所発電領域Ｓ1を加熱するようにしているが、本発明においては、各セル５毎に該セル５の電気ヒーター３３をＯＮするか否かを判定してもよいし、あるいは複数のセル５を１モジュールとして各モジュール毎に該モジュールの電気ヒーター３３をＯＮするか否かを判定してもよい。このようにすると、電気ヒーター３３による加熱が必要なセル５を絞り込むことができるので、局所発電モードにおいて消費されるエネルギーを低減することができる。
【００４３】
各セル５毎に電気ヒーター３３をＯＮするか否かを判定する場合には、例えば、各セル５毎に温度センサ３４を設けておき、局所発電領域Ｓ1の温度が０゜Ｃ未満であると判定されたセル５についてだけ該セル５の電気ヒーター３３をＯＮにし、該セル５の局所発電領域Ｓ1の温度が２゜Ｃ以上になったときに該電気ヒーター３３をＯＦＦにする。
【００４４】
また、各モジュール毎に電気ヒーター３３をＯＮするか否かを判定する場合には、例えば、各モジュール毎に温度センサ３４を設けておき、局所発電領域Ｓ1の温度が０゜Ｃ未満であると判定されたモジュールについてだけ該モジュールの全てのセル５の電気ヒーター３３をＯＮにし、該モジュールの局所発電領域Ｓ1の温度が２゜Ｃ以上になったときに該モジュールの電気ヒーター３３をＯＦＦにする。
【００４５】
さらに、このように各セル５毎あるいは各モジュール毎に温度センサ３４を設けた場合には、バッテリー（図示せず）の電力残量に応じて以下のような節電モードで電気ヒーター３３のＯＮ−ＯＦＦ制御を行ってもよい。まず、局所発電モードに移行したときに、全ての電気ヒーター３３をＯＮしても燃料電池１の運転を維持可能なだけの電力がバッテリー（図示せず）に残っているか否かを判定し、残っている場合には電気ヒーター３３を通常の制御方法で制御し、残っていない場合には電気ヒーター３３を節電モードで制御する。
【００４６】
節電モードでは、例えば各セル５毎に電圧低下率を算出する。そして、各セル５毎に制御する場合には、電圧低下率が正（電圧低下している）のセル５の電気ヒーター３３だけをＯＮにし、電圧低下率が負（電圧低下が生じていない）のセル５の電気ヒーター３３はＯＦＦにする。また、モジュール毎に制御する場合には、電圧低下率が正（電圧低下している）のセル５を一つでも有するモジュールについては該モジュールの全てのセル５の電気ヒーター３３をＯＮにし、モジュールの全てのセル５の電圧低下率が正であるモジュールについては該モジュールの全てのセル５の電気ヒーター３３をＯＦＦにする。このようにすると、局所発電モードにおいて消費されるエネルギーをさらに低減することができる。
【００４７】
また、前記燃料電池１では、両冷却液通路Ｒ，Ｒにおいて反応ガス通路Ａ１と反応ガス通路Ｃ１とが重複する部分に対応する領域の全てに電気ヒーター３３を設けて局所発電領域Ｓ1としたが、前記重複する部分に対応する領域の一部（例えば、中央部）だけに電気ヒーター３３を設けて、この一部だけを局所発電領域とすることも可能である。また、電気ヒーター３３の設置位置は冷却液通路Ｒに限定されるものではなく、各通路セパレータ６，７の内部に埋め込んでも構わない。
【００４８】
また、前述の参考例１では、局所発電モードのときには、上半部側の反応ガス通路Ａ１，Ｃ１にだけ水素ガスと空気を流すようにしているが、局所発電モードのときに上下両方の反応ガス通路Ａ１，Ａ２に水素ガスを流し、上下両方の反応ガス通路Ｃ１，Ｃ２に空気を流すようにしても構わない。このように、発電面の全体に反応ガスを供給した場合には、まず、電気ヒーター３３により温度上昇した上半部側の局所発電領域Ｓ１において発電が始まり、この発電による自己発熱および電気ヒーター３３の加熱による熱が下半部側の発電面に広がって下半部側も温度上昇するにしたがって、下半部側の発電面においても発電を開始するようになる。
【００４９】
さらに、前述の参考例１では、反応ガス通路Ａ１，Ａ２，Ｃ１，Ｃ２をそれぞれ水平方向に延びる直線通路としているが、これら反応ガス通路Ａ１，Ａ２，Ｃ１，Ｃ２は直線通路に限るものではなく、例えば、図６に示すように、入口側酸化剤ガス連通孔１０を左側辺部上部に、出口側酸化剤ガス連通孔１１を右側辺部下部に、入口側燃料ガス連通孔２０を右側辺部上部に、出口側燃料ガス連通孔２１を左側辺部下部に位置させて、反応ガス通路Ａ１，Ｃ１を蛇行させてもよい。この場合には、反応ガスは反応ガス通路Ａ１，Ｃ１を蛇行しながら下降するように流れることとなる。
【００５０】
そして、この場合、両冷却液通路Ｒ，Ｒにおいて電気ヒーター３３を設ける領域、すなわち局所発電領域Ｓ1を、例えば図６において二点鎖線で示すように、反応ガス通路Ａ１，Ｃ１の最上段の水平部が重複する部位に対応する領域に設定することができる。なお、局所発電領域Ｓ1の設定はこれに限るものではなく、もっと広範囲な領域に設定することもできるし、もっと狭小な範囲に設定することもできる。このようにしても、前述と同様の作用・効果を得ることができる。
【００５１】
〔参考例２〕
次に、この発明に係る燃料電池に関連する技術の参考例２を図７および図８の図面を参照して説明する。参考例２の燃料電池が参考例１のものと相違する点は電気ヒーターの設置場所にある。参考例１では電気ヒーター３３を冷却液通路Ｒの一部に設けたが、この参考例２では、冷却液通路Ｒには電気ヒーターを設置せず、積層された多数のセルを締め付けるスタッドボルトに電気ヒーターを内蔵させている。
【００５２】
詳述すると、図７はカソード側のセパレータ７の正面図であり、参考例１と同一態様部分には同一符号を付してある。この参考例２の燃料電池１においては、上部３カ所と下部３カ所に配置されたスタッドボルト（締め付けボルト）４０によって、積層された全てのセルが締め付けられている。この６本のスタッドボルト４０のうち上部中央に配置されたスタッドボルト４０Ａだけに電気ヒーターが内蔵されている。
【００５３】
図８はスタッドボルト４０Ａの断面図であり、スタッドボルト４０Ａの基材５１の外周には絶縁層５２が設けられ、この絶縁層５２の外周に電気ヒーター（加熱手段）５３が設けられ、電気ヒーター５３の外周に絶縁層５４が設けられている。絶縁層５２，５４は、電気ヒーター５３と基材５１および外部（燃料電池１など）との絶縁性を確保するとともに耐久性を持たせるために、ガラス繊維をベースとしたテフロン(登録商標)樹脂等で形成されている。また、外側の絶縁層５４には温度センサ５５が埋め込まれている。温度センサ５５と電気ヒーター５３は温度調節器５６に接続されており、温度調節器５６は、スタッドボルト４０Ａの表面温度、すなわち絶縁層５４の表面温度が常に所定温度範囲（例えば、５０〜７０゜Ｃ）になるように、電気ヒーター５３を制御する。
【００５４】
この参考例２においては、局所発電モードのときにスタッドボルト４０Ａの電気ヒーター５３をＯＮにしてスタッドボルト４０Ａを加熱することにより、各セル５におけるスタッドボルト４０Ａの周囲を加熱し、このスタッドボルト４０Ａの近傍領域を局所発電領域Ｓ2とすることができる。この参考例２の場合には、電気ヒーター５３によって局所発電領域Ｓ２の発電面の温度が迅速に高まり高温度部位が発生し、この局所発電領域Ｓ２から局所発電が始まり、さらに、この高温度部位が熱伝導によって徐々に上半部側の発電面の全体に広がって、上半部側の発電面の全体で局所発電が行われるようになる。したがって、この参考例２の燃料電池１においても、参考例１のものと同様の作用・効果を得ることができる。
【００５５】
この参考例２の燃料電池１は、上述した例に限られるものではなく、例えば、スタッドボルト４０の総本数や配置によって、電気ヒーター５３を内蔵したスタッドボルト４０Ａの本数を２本以上に設定してもよいし、スタッドボルト４０Ａの位置を適宜に設定することが可能である。また、この参考例２の燃料電池１においても、反応ガス通路の通路形態は水平直線状以外の通路形態（例えば、図６に示す蛇行通路）とすることが可能である。
【００５６】
〔参考例３〕
次に、この発明に係る燃料電池の前提となる技術の参考例３を図９および図１０の図面を参照して説明する。参考例３の燃料電池が参考例１のものと相違する点は、セル５を局所的に加熱するための手段にある。前述した参考例１の場合には、冷却液通路Ｒの一部に電気ヒーター３３を設け、この電気ヒーター３３に電流を流すことによりセル５を局所的に加熱したが、参考例３では、冷却液通路Ｒに電気ヒーターを設ける代わりに、セル５の所定部位に触媒燃焼器を設け、この触媒燃焼器において水素と空気中の酸素とを触媒燃焼させることにより、セル５における触媒燃焼器近傍を局所的に加熱するようにした。以下、これについて詳述する。
【００５７】
図９は参考例３における燃料電池１の一部における縦断面図であり、参考例１における図２に対応する図である。燃料電池１の基本的な構成は、参考例３のものも参考例１と同じであり、図９では同一態様部分に同一符号を付してある。また、図１０はアノード側のセパレータ６を冷却液通路Ｒが形成されている側から見た正面図である。
【００５８】
燃料電池１には、参考例１の燃料電池１と同様に、入口側酸化剤ガス連通孔１０，出口側酸化剤ガス連通孔１１，入口側燃料ガス連通孔２０，出口側燃料ガス連通孔２１，入口側冷却液連通孔３０，出口側冷却液連通孔３１が設けられており、セパレータ６の一方の面には冷却液通路Ｒ，Ｒが設けられている。なお、図１０には図示していないが、セパレータ６の他方の面に反応ガス通路Ａ１，Ａ２が設けられており、セパレータ７に反応ガス通路Ｃ１，Ｃ２が設けられている点は、参考例１と同様である。
【００５９】
参考例３の燃料電池１においては、さらに、出口側燃料冷却液連通孔３１，３１の間に２つの連通孔がセル５を貫通して設けられ、入口側冷却液連通孔３０，３０の間に１つの連通孔がセル５を貫通して設けられている。上部に設けられた前記２つの連通孔のうち一方は水素ガスを供給するための水素ガス連通孔６１であり、他方は空気を供給するための空気連通孔６２である。また、下部に設けられた前記１つの連通孔は燃焼ガスを排出するための排気連通孔６３である。
【００６０】
さらに、各セル５におけるセパレータ６には、冷却液通路Ｒ，Ｒが設けられている面と同一面であって冷却液通路Ｒ，Ｒの間に、水素ガス連通孔６１と空気連通孔６２と排気連通孔６３を接続するガス通路６４が設けられている。ガス通路６４は、水素ガス連通孔６１に連なるガス通路と空気連通孔６２に連なるガス通路が合流し、合流後のガス通路が排気通路６３に連なるように構成されており、合流部（図１０においてハッチング部分）の壁面には、水素と空気中の酸素とを反応をさせる触媒（触媒燃焼器、加熱手段）６５が付着されている。また、複数あるセパレータ７のうちの一つには、触媒６５を付着させた部位近傍に対応する位置に、燃料電池１の代表温度を検出する温度センサ６９が設けられている。温度センサ６９は例えばサーミスタ等で構成されており、この温度センサ６９の出力信号は燃料電池制御用のＥＣＵ５０に入力される。
【００６１】
水素ガス連通孔６１は制御弁６６を介して水素供給装置６７に接続され、空気連通孔６２は空気供給装置６８に接続されており、制御弁６６，水素供給装置６７，空気供給装置６８は燃料電池制御用ＥＣＵ５０によって制御される。前述した参考例１では低温起動時の局所発電モードにおいて電気ヒーター３３をＯＮすることによりセル５を局所的に加熱したが、この参考例３の燃料電池１では、低温起動時の局所発電モードにおいて、水素供給装置６７から水素ガス連通孔６１に水素ガスを供給し、空気供給装置６８から空気連通孔６２に空気を供給して、各連通孔６１，６２から各セル５のガス通路６４に流入した水素ガスと空気中の酸素を合流部における触媒６５によって反応させ、この反応熱で合流部を中心とする近傍を局所的に加熱する。これによって、参考例３においても、各セル５に局所発電領域Ｓ3を形成することが可能になり、参考例１と同様の作用・効果を得ることができることとなる。
【００６２】
しかも、この参考例３の燃料電池１では、水素ガスと空気中の酸素を触媒燃焼させているので大きな熱エネルギーを得ることができるとともに温度上昇の立ち上がりが早く、その結果、電気ヒーター３３よりも迅速な加熱が可能となる。また、水素は燃料電池１の燃料でもあるので、燃料の一元化が可能となり、装置構成が容易になるという利点もある。
【００６３】
次に、参考例３における燃料電池１の起動制御の一例を図１１のフローチャートを参照して説明する。ステップＳ２０１〜ステップＳ２０５については、参考例１の起動制御におけるステップＳ１０１〜ステップＳ１０５と同じであるので説明を省略する。この参考例３において、ステップＳ２０４で否定判定してステップＳ２０６に進み全面発電モードとなった場合には、水素供給装置６７からの水素ガス連通孔６１への燃焼用水素の供給を停止するとともに、空気供給装置６８からの空気連通孔６２への空気の供給を停止する。そして、両冷却液通路Ｒ，Ｒに冷却液を流し、各セル５の反応ガス通路Ａ１，Ａ２に水素ガスを流し、反応ガス通路Ｃ１，Ｃ２に空気を流して、全セル５の発電面全面を使って発電を実行する。
【００６４】
一方、ステップＳ２０４で肯定判定してステップＳ２０７に進み局所発電モードとなった場合には、冷却液通路Ｒ，Ｒに冷却液を流さず、各セル５の上半部側の反応ガス通路Ａ１，Ｃ１にだけ水素ガスおよび空気を供給する。さらに、空気供給装置６８から空気連通孔６２に燃焼用の空気を供給するとともに、水素供給装置６７から水素ガス連通孔６１に燃焼用の水素ガスを供給することにより、局所発電領域Ｓ3における局所発電を実行する。なお、燃焼用水素の供給量は、予め用意しておいたマップを参照して、燃料電池１の内部代表温度に応じてＥＣＵ５０が決定し、これに基づきＥＣＵ５０は制御弁６６による流量制御を実行する。
【００６５】
そして、ステップＳ２０８において、燃料電池１の内部代表温度が０゜Ｃ以上の設定温度（例えば、２゜Ｃ）より低いか否か判定し、判定結果が「ＹＥＳ」（２゜Ｃ未満）である場合はステップＳ２０７に戻って局所発電モードを継続し、判定結果が「ＮＯ」（２゜Ｃ以上）である場合はステップＳ２０６の全面発電モードに進む。
【００６６】
なお、前記起動制御では、燃料電池１の内部代表温度に基づいて局所発電モードに進むか否かおよび全面発電モードに移行するか否かを判定しているが、これに代えて、燃料電池１の総出力電圧に基づいて局所発電モードに進むか否かおよび全面発電モードに移行するか否かを判定するようにしてもよい。また、前記起動制御では、燃料電池１の内部代表温度が０゜Ｃよりも高い場合には全面発電モードに移行するようにしたが、燃料電池１の内部代表温度が０゜Ｃ以上であっても、その温度が比較的に低い温度域（例えば、１５゜Ｃ以下）である場合には、微量の燃焼用水素と燃焼用空気をガス通路６４に供給することにより微暖機を実行して、燃料電池１の温度上昇を促進させることも可能である。さらに、前記微暖機の実行条件に、いずれかのセル５に電圧低下があることを加重させてもよい。
【００６７】
また、この参考例３では、局所発電モードのときには、上半部側の反応ガス通路Ａ１，Ｃ１にだけ水素ガスと空気を流すようにしているが、局所発電モードのときに上下両方の反応ガス通路Ａ１，Ａ２に水素ガスを流し、上下両方の反応ガス通路Ｃ１，Ｃ２に空気を流すようにしても構わないのは、参考例１と同様である。また、この参考例３の燃料電池１においても、参考例１の場合と同様に、反応ガス通路の通路形態は水平直線状以外の通路形態（例えば、図６に示す蛇行通路）とすることが可能である。
【００６８】
〔参考例４〕
次に、この発明に係る燃料電池の前提となる技術の参考例４を図１２および図１３の図面を参照して説明する。参考例４の燃料電池の構成は、参考例３のものと極めて近似している。参考例３では、セル５の所定部位に触媒燃焼器を設け、この触媒燃焼器において水素と空気中の酸素とを触媒燃焼させてセル５を局所的に加熱するようにしたが、この参考例４は、セル５の所定部位に酸化・還元剤を設け、この酸化・還元剤が酸素によって酸化される時の発熱を利用してセル５を局所的に加熱するようにしている。
【００６９】
図１２は参考例４における燃料電池１の一部における縦断面図であって、参考例３における図９に対応する図であり、図９と同一態様部分には同一符号を付してある。また、図１３は参考例４におけるセパレータ６を冷却液通路Ｒが形成されている側から見た正面図であって、参考例３における図１０に対応する図であり、図１０と同一態様部分には同一符号を付してある。
【００７０】
参考例４における燃料電池１では、出口側冷却液連通孔３１，３１の間にセル５を貫通して設けた連通孔は一つであり、この連通孔（以下、ガス連通孔という）７０に水素供給装置６７と空気供給装置６８が接続されている。また、セパレータ６には冷却液通路Ｒ，Ｒの間に、ガス連通孔７０と排気連通孔６３を接続するガス通路７１が設けられており、ガス通路７１の上流部分（すなわち、ガス連通孔７０に近い部分）の壁面には、図１３においてハッチングで示すように酸化・還元剤（加熱手段）７２が付着されている。
【００７１】
前述した参考例３では低温起動時の局所発電モードにおいて、水素ガスと空気を同時にガス通路６４に供給し、合流部における触媒６５によって水素ガスと空気中の酸素を反応させ、その反応熱によってセル５を局所的に加熱した。しかしながら、この参考例４では、低温起動時の局所発電モードにおいて、ガス連通孔７０には空気供給装置６８から空気だけを供給し、水素ガスは供給しない。このようにすると、ガス通路７０に供給された空気が各セル５のガス通路７１に流入し、ガス通路７１の上流部分の酸化・還元剤７２が空気中の酸素と反応して酸化する時に発熱し、この反応熱がガス通路７１の上流部分を中心とする近傍を局所的に加熱する。これによって、参考例４においても、各セル５に局所発電領域Ｓ4を形成することが可能になり、参考例３と同様の作用・効果を得ることができることとなる。
【００７２】
そして、この参考例４では、局所発電モードの終了とともにガス連通孔７０への空気の供給を停止し、水素供給装置６７からガス連通孔７０に所定量の水素ガスを供給する。これにより、酸化・還元剤７２は水素と反応して還元されて元に戻り、このときに吸熱する。
【００７３】
〔発明の実施の形態〕
次に、この発明に係る燃料電池の実施の形態を図１４および図１５の図面を参照して説明する。前述した各参考例では、燃料電池１を構成する全てのセル５においてその発電面の正面から見て同じ位置に局所発電領域Ｓ1〜Ｓ4を設けていた。これに対して、この発明の実施の形態では、図１４，図１５に示すように、隣接するセル５同士において局所発電領域Ｓの位置を発電面において異なった位置に設ける。このようにすると、局所発電モードにおいてセル５，５間を電流が流れるときに、セパレータ６，７においては図１５において矢印で示すようにセル５の積層方向に対して垂直な方向に電流が流れるようになり、セパレータ６，７の電気抵抗分の損失によりジュール熱が発生し、燃料電池１の暖機をより促進させることができる。
【００７４】
なお、この実施の形態において局所発電領域Ｓの形成方法は特に限定はないが、前述した参考例１の如くセパレータの一部（冷却液通路など）に電気ヒーターを設ける方法が特に好適であり、また、参考例３および参考例４の如くセル５に触媒燃焼器や酸化・還元剤を設ける方法も可能である。また、隣接する全てのセル５同士の局所発電領域Ｓの位置を異ならせてもよいし、モジュール毎に局所発電領域Ｓの位置を異ならせるようにしてもよい。
【００７５】
【発明の効果】
以上説明するように、請求項１に記載した発明によれば、燃料電池の低温起動時に、加熱手段によって発電面の一部の領域を迅速に加熱することができ、この領域における固体高分子電解質膜のイオン通過抵抗を低下させて発電効率を高め、これにより自己発熱を促進して当該領域の温度を速やかに高め、この高温度領域を発電面全体に拡大して燃料電池の温度を高めることが可能となるので、発電面全体を自己発熱により加熱した場合よりも起動時間を短縮することができ、燃料電池の低温起動性を高めることができるという効果がある。
さらに、請求項１に記載した発明によれば、加熱手段が異なった位置に設けられているセル間を電流が流れるときに、セルの積層方向と垂直な方向に電流が流れるようになり、その電流の通路が電気抵抗を有することからジュール熱が発生し、このジュール熱によっても燃料電池が加熱されるので、燃料電池の温度上昇をさらに早めることが可能になり、燃料電池の低温起動性をさらに高めることができるという効果がある。
【００７６】
請求項２に記載した発明によれば、加熱手段を電気エネルギーで作動することができるという効果がある。
請求項３に記載した発明によれば、電気ヒーターをセルに容易に取り付けることができるという効果がある。
【００７７】
請求項４に記載した発明によれば、触媒燃焼器に酸化ガスと還元ガスを供給するだけでこれらガスを迅速に燃焼させて発電面の一部を迅速に加熱することが可能であるので、加熱手段の構成が簡単になるという効果がある。また、迅速な加熱を実現できるので、燃料電池の温度上昇をさらに早めることが可能になり、燃料電池の低温起動性をより高めることができるという効果がある。
【００７８】
請求項５に記載した発明によれば、酸化ガスの供給だけで発電面の一部を迅速に加熱することが可能になるので、加熱手段の構成が簡単になるという効果がある。また、迅速な加熱を実現できるので、燃料電池の温度上昇をさらに早めることが可能になり、燃料電池の低温起動性をより高めることができるという効果がある。
【００７９】
請求項６に記載した発明によれば、燃料電池の温度が低いときだけ加熱手段を作動してセルを局所的に加熱し、燃料電池の温度が高いときは加熱手段の作動を停止してセルの局所加熱を停止することが可能になるので、エネルギー消費を低減することができるという効果がある。
【００８０】
請求項７に記載した発明によれば、燃料電池の出力電圧が低いときだけ加熱手段を作動してセルを局所的に加熱し、燃料電池の出力電圧が高いときは加熱手段の作動を停止してセルの局所加熱を停止することが可能になるので、エネルギー消費を低減することができるという効果がある。
【００８１】
請求項８に記載した発明によれば、各セルの温度状態に応じて加熱手段を作動したり停止したりすることが可能になるので、エネルギー消費を低減することができるという効果がある。
請求項９に記載した発明によれば、各セルの出力電圧の状態に応じて加熱手段を作動したり停止したりすることが可能になるので、エネルギー消費を低減することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る燃料電池の前提となる技術の参考例１におけるセパレータの正面図である。
【図２】前記参考例１の燃料電池の縦断面図である。
【図３】前記参考例１の燃料電池において加熱部分が広がる様子を示す図である。
【図４】前記参考例１の燃料電池において加熱部分が広がる様子を示す図である。
【図５】前記参考例１の燃料電池における起動制御の一例を示すフローチャートである。
【図６】前記参考例１の燃料電池の変形例におけるセパレータの正面図である。
【図７】この発明に係る燃料電池に関連する技術の参考例２におけるセパレータの正面図である。
【図８】前記参考例２の燃料電池におけるスタッドボルトの断面図である。
【図９】この発明に係る燃料電池の前提となる技術の参考例３における縦断面図である。
【図１０】前記参考例３の燃料電池におけるセパレータの正面図である。
【図１１】前記参考例３の燃料電池における起動制御の一例を示すフローチャートである。
【図１２】この発明に係る燃料電池の前提となる技術の参考例４における縦断面図である。
【図１３】前記参考例４の燃料電池におけるセパレータの正面図である。
【図１４】この発明に係る燃料電池の実施の形態において、隣接するセル間の局所発電領域Ｓの位置関係を示す正面図ある。
【図１５】前記実施の形態において、隣接するセル間を流れる電流の状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ アノード電極
３ カソード電極
４ 固体高分子電解質膜
５ セル
Ａ１，Ａ２，Ｃ１，Ｃ２ 反応ガス通路
Ｒ，Ｒ 冷却液通路
３３ 電気ヒーター（加熱手段）
５３ 電気ヒーター（加熱手段）
６５ 触媒（触媒燃焼器，加熱手段）
７２ 酸化・還元剤（加熱手段）
Claims (9)
- 固体高分子電解質膜の両側にアノード電極とカソード電極が設けられ、さらに前記各電極の外側にそれぞれ反応ガス通路が設けられてなるセルを備えた燃料電池において、
前記セルにおける発電面の一部の領域を加熱する加熱手段を備え、
前記燃料電池は前記セルを複数積層してなり、隣接する少なくとも１組のセル同士は、前記加熱手段が、発電面を正面から見たときに発電面上において異なる位置にそれぞれ設けられていることを特徴とする燃料電池。 - 前記加熱手段は電気ヒーターであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
- 前記セルは冷却液通路を備え、この冷却液通路に前記電気ヒーターが設けられていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
- 前記加熱手段は触媒燃焼器であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
- 前記加熱手段は、酸化・還元剤が酸化するときの発熱を利用するものであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
- 前記燃料電池の温度に応じて前記加熱手段の作動を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
- 前記燃料電池の出力電圧に応じて前記加熱手段の作動を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
- 前記各セルの温度に応じて前記加熱手段の作動を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
- 前記各セルの出力電圧に応じて前記加熱手段の作動を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
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