(57)【要約】【課題】燃料電池の暖機時間を短縮する。【解決手段】燃料電池スタック２６の温度を温度センサＴ１で検出し、燃料電池スタック２６の温度が、通常発電温度領域に達していない場合には、電磁弁５５２を閉じたままに、かつ、ポンプ５６を停止させた状態に維持し、空気マニホールド５４のノズル５５から直噴水の噴射を行わない。直噴水が供給されない状態で、燃料電池スタック２６は暖機が効率良く行われ、暖機時間が短くなり、燃料電池スタック２６の温度が、通常発電温度領域に達した時点、直噴水の供給を開始する。【選択図】図１
2004031175.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の単位セルと、該単位セル間を電気的に接続するセパレータとを積層して構成された燃料電池スタックと、
セパレータの、酸素極との接触面側に形成され、酸素極表面との間に空気が流通する空気流路と、
前記セパレータの内部に形成され、空気が流通する中空部と、
燃料供給開始時における燃料電池スタックの温度を検出する温度検出手段と、
前記空気流路と中空部とに水を供給する水供給手段と、
検出された温度に応じて水供給手段を、供給状態と、供給停止状態とに切換える制御手段とを備えた燃料電池システム。
【請求項２】
制御手段は、燃料電池スタックの温度が、発電反応時に生ずる生成水が凍結する温度である時には、供給停止状態とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
制御手段は、燃料電池スタックの温度が、発電効率が最も高くなる温度領域に含まれる温度に到達したときに、水の供給を開始するものである請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記セパレータは、金属板で構成されている請求項１〜３のいずれか１に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は燃料電池システムに係り、詳しくは暖機時間が短い燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池では、最も効率良く発電することができる温度領域が、５０℃から８０℃ぐらいの間であるとされている。また、これらの温度領域より低い温度では、発電効率が極端に低くなるという特性を有している。従って、燃料電池を作動させてから、十分な電力を燃料電池から得るためには、温度が高効率領域に達するまで暖機が必要となり、燃料電池から電力を得て負荷全体を始動させるまでに長時間を要する。
【０００３】
一方、燃料電池の温度が氷点下である場合には、発電反応によって生じた生成水が電極表面で凍結し、酸素の供給が妨げられ、発電反応を抑制してしまうという問題がある。
そこで、従来では、例えば、特開平７−９４２０２号に記載されているように、燃料電池の発電開始前に、燃料電池自体を暖機するための暖機システムを備えたものが提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような燃料電池の暖機システムは、暖機のためのエネルギーを必要とし、システムの全体のエネルギー効率を悪化させるという問題点があった。さらに、暖機システムを燃料電池システムに組み込むために、燃料電池システムの大型化を招いていた。
また、車両等の移動体に搭載される移動型燃料電池については、搭載スペースが狭く、系外からのエネルギーの供給が図れない環境にあり、上記欠点は、一層不利な要素となる。
【０００５】
さらに、固体高分子型燃料電池では、燃料電池の発熱反応による過熱を防止する目的と、酸素極に水分を供給する目的で、直噴水を空気流路に供給する構成が採られているが、発電始動時に暖機する際には、直噴水の供給によって熱が奪われ、直噴水が暖機の妨げとなる問題がある。
この発明の目的は、自立暖機をおこなう燃料電池において、暖機時間を短縮することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
以上のような目的は、以下の本発明によって達成される。
（１）　燃料電池の単位セルと、該単位セル間を電気的に接続するセパレータとを積層して構成された燃料電池スタックと、
セパレータの、酸素極との接触面側に形成され、酸素極表面との間に空気が流通する空気流路と、
前記セパレータの内部に形成され、空気が流通する中空部と、
燃料供給開始時における燃料電池スタックの温度を検出する温度検出手段と、
前記空気流路と中空部とに水を供給する水供給手段と、
検出された温度に応じて水供給手段を、供給状態と、供給停止状態とに切換える制御手段とを備えた燃料電池システム。
【０００７】
（２）　制御手段は、燃料電池スタックの温度が、発電反応時に生ずる生成水が凍結する温度である時には、供給停止状態とする上記（１）に記載の燃料電池システム。
【０００８】
（３）　制御手段は、燃料電池スタックの温度が、発電効率が最も高くなる温度領域に含まれる温度に到達したときに、水の供給を開始するものである上記（１）に記載の燃料電池システム。
【０００９】
（４）　前記セパレータは、金属板で構成されている上記（１）〜（３）のいずれか１に記載の燃料電池システム。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次にこの発明の好適実施形態について説明する。この実施形態は、電気自動車に搭載される燃料電池システム１００である。図１は、この発明の燃料電池システム１００の構成を示すシステム構成図である。
燃料電池システム１００は燃料電池スタック２６、水素供給手段としての高圧水素容器１１を含む燃料供給系１０、空気供給系１２、水供給系５０及び負荷系７０から大略構成される。
【００１１】
最初に、燃料電池スタック２６の構成について説明する。図２は、燃料電池用セパレータ１を示す全体正面図、図３は、燃料電池セパレータ１で構成された燃料電池スタック２６の部分断面平面図（図２におけるＡ‐Ａ断面図）、図４は、同じく部分断面側面図（図２及び図３におけるＢ−Ｂ断面図）、図５は、燃料電池セパレータ１の部分断面側面図（図２及び図３におけるＣ−Ｃ断面図）、図６は、燃料電池用セパレータ１の全体背面図である。
【００１２】
セパレータ１は、単位セル１５の電極に接触して電流を外部に取り出すための集電部材３、４と、各集電部材３、４の周端部に外装される枠体８、９とを備えている。
集電部材３、４は金属板で構成されている。構成金属は、導電性と耐食性を備えた金属で、例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金等に耐蝕導電処理を施したもの等が挙げられる。
【００１３】
集電部材３は、単位セル１５の燃料極に接触し、集電部材４は酸素極に接触する。集電部材３は、矩形の板材から成り、プレス加工によって、複数の凸状部３２が形成されている。凸状部３２は、板材の短辺に平行に直線状に連続して形成されており、等間隔で配置されている。凸状部３２の間には、相対的に凹となり溝が形成される。凸状部３２の間の隙間３００に単位セル１５の燃料極が重ねられることによって、燃料である水素が流通する水素流路３０１が形成される。この凸状部３２の頂点部分の面は、燃料極が接触する当接部３２１となっている。また、凸状部３２の裏側は、溝３３となっており、この溝３３の両端は、図６に示されているように、板材の端辺部まで及ばず、閉塞された状態となっている。集電部材３の両端部には、孔３５が形成され、セパレータ１を積層した場合に、この孔３５によって水素供給路が構成される。
【００１４】
集電部材４は、矩形の板材から成り、プレス加工によって、複数の凸状部４２が形成されている。凸状部４２は、板材の短辺に平行に直線状に連続して形成されており、等間隔で配置されている。図３及び図５に示されているように、凸状部４２の間は、相対的に凹となり溝が形成される。隣接する凸状部４２の間の隙間４００に単位セル１５の酸素極が重ねられることにより、空気が流通する空気流路４０が形成されている。つまり、空気流路４０の内壁の一部は、酸素極で構成される。
【００１５】
凸状部４２の頂点部分の面は、酸素極が接触する当接部４２１となっている。また、凸状部４２の裏側は溝状の中空部となっており、この中空部によって冷却流路４１が形成されている。空気流路４０と、冷却流路４１は、板材の端部まで達し、両端は、板材の端辺部で開口する開口部を備えている。集電部材４の両端部には、孔４８が形成され、セパレータ１を積層した場合に、この孔４８によって水素供給路が構成される。
【００１６】
以上のような集電部材３、４は、各凸状部３２、４２が外側となるように重ね合わされて固定される。このとき、水素流路３０１の裏側面３４と空気流路４０の裏側面４０３が当接した状態となり、相互に通電可能な状態となる。また、集電部材３、４を重ね合わせることによって、図４に示されているように、冷却流路４１が形成され、溝３３は冷却流路４１の一部を構成する。また、空気流路４０から、単位セル１５の酸素極に酸素と水が供給される。
【００１７】
空気流路４０の一端側開口部は、空気と水が流入する導入口４３となり、他端の開口部は、空気と水が流出する導出口４４となっている。また、冷却流路４１の一端側開口部は、空気と水が流入する流入開放口４５となり、他端の開口部は、空気と水が流出する流出開放口４６となっている。以上のような構成において、空気流路４０と冷却流路４１は、交互に平行に配置され、相互に側壁４７を挟んで隣接した構成となっている。このため、導入口４３と流入開放口４５も交互に配置され、導出口４４と流出開放口４６も交互に配置される。また、空気と水は、側壁４７に沿って流れるため、側壁４７は、冷却フィンとしての作用も発揮する。
空気流路４０と冷却流路４１が交互に、かつ平行に配置されることで、燃料電池の冷却効率が向上し、均一な冷却が可能となる。
【００１８】
集電部材３、４には、枠体８、９がそれぞれ重ねられる。図２に示されているように、集電部材３に重ねられる枠体８は、集電部材３と同じ大きさに構成され、中央には、凸状部３２を収納する窓８１が形成されている。また、両端部近傍には、集電部材３の孔３５に合致する位置に孔８３が形成されており、この孔８３と窓８１との間には、集電部材３に接触する側の平面に凹部が形成され、水素流通経路８４が設けられている。また、集電部材３に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓８１に沿って形成された凹部が形成され、単位セル１５が収納される収納部８２が設けられている。
【００１９】
図２、図４及び図５に示されているように、凸状部３２の端部と、枠体８の窓８１の端辺内壁との間には隙間があり、この隙間によって、集電部材３の長辺方向に沿った水素流路３０２が構成されている。この水素流路３０２によって、各水素流路３０１へ水素が供給される。また、水素流路３０２においても、燃料極へ水素の供給が行われる。
【００２０】
集電部材４に重ねられる枠体９は、枠体８と同じ大きさに構成され、中央には、凸状部４２を収納する窓９１が形成されている。また、両端部近傍には、枠体８の孔８３に合致する位置に孔９３が形成されている。枠体８の集電部材４が重ねられる側の面には、枠体８の対向する一対の長辺に沿って溝が形成され、集電部材３、４に重ねることによって、空気流通路９４、９５が構成される構造となっている。空気流通路９４の一端は、枠体８の長辺側の端面に形成された開口９４１に接続され、他端は空気流路４０の導入口４３と冷却流路４１の流入開放口４５とに接続されている。
【００２１】
上流側の空気流通路９４は、開口９４１側から空気流路４０側へ向けて横断面積が漸減するように、端部内壁がテーパー面９４２となっており、後述する空気マニホールド５４から噴射される霧状水の取り入れを容易としている。一方、下流側の空気流通路９５の一端は、空気流路４０の導出口４４と冷却流路４１の流出開放口４６とに接続され、他端は、枠体８の長辺側端面に形成された開口９５１に接続されている。空気流通路９５は、開口９５１側から空気流路４０側へ向けて横断面積が漸減するように、端部内壁がテーパー面９５２となっている。燃料電池スタック２６が傾いた際にも、このテーパー面９５２によって、水の排出が維持される。
また、枠体９の、集電部材４に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓９１に沿って形成された凹部が形成され、単位セル１５が収納される収納部９２が設けられている。
【００２２】
図７は単位セル１５の拡大断面図である。単位セル１５は、固体高分子電解質膜１５ａと、該固体高分子電解質膜１５ａの両側面にそれぞれ重ねられた酸化剤極である酸素極１５ｂと燃料極１５ｃとを備えている。固体高分子電解質膜１５ａは、収納部８２、９２に合致した大きさに形成され、酸素極１５ｂと燃料極１５ｃは、窓９１、８１に合致した大きさに形成されている。単位セル１５の厚さは、枠体８、９や集電部材３、４の厚さに比べると極めて薄いので、図面では、一体の部材として表示されている。
【００２３】
空気流路４０及び冷却流路４１の内壁には、親水性処理が施されている。内壁表面と水の接触角が４０°以下、好ましくは３０°以下となるように表面処理が施されているとよい。処理方法としては、親水処理剤を、表面に塗布する方法が取られる。塗布される処理剤としては、ポリアクリルアミド、ポリウレタン系樹脂、酸化チタン（Ｔｉ　Ｏ２）等が挙げられる。この他の親水性処理としては、金属表面を粗さを粗化する処理が挙げられる。例えば、プラズマ処理などが挙げられる。
【００２４】
親水性処理は、最も温度が高くなる部位に施すことが、好ましく、例えば、単位セル１５に接触している当接部４２１の裏側の冷却流路内壁４１１、空気流路側壁４０２と冷却流路側壁４１２、空気流路底面４０１順位で、優先的に処理されていることが望ましい。さらに、冷却流路４１の一部を構成する溝３３の内壁にも親水化処理を施してもよい。親水性処理を施すことにより、内壁面の濡れが促進され、水の潜熱冷却による効果が向上する。
【００２５】
以上のように構成された枠体８、９によって集電部材３、４を保持してセパレータ１が構成され、セパレータ１と単位セル１５を交互に積層して、燃料電池スタック２６が構成される。図８は燃料電池スタック２６の部分平面図である。燃料電池スタック２６の上面には、多数の導入口４３と流入開放口４５が交互に開口し、この導入口４３と流入開放口４５に、後述するように、空気マニホールド５４から空気が流入するとともに、ノズル５５から噴射された水が同時に流入する。側壁４７は、空気の流通経路に配置され冷却フィンとしても作用する。
【００２６】
セパレータを薄く構成し凸状部４２の内側に空間（４１）を設けると、発熱している単位セル１５に接触している部分と、単位セル１５から離れた部分との間に温度差が大きくなる。このため、空気流路内においても、飽和状態となるために必要な水蒸気量について、部分的に差が生じる。例えば、温度の高い電極側の部分が、電極から離れた部分よりも、飽和状態となるための水蒸気量を、より多く必要とする。このような温度差は、酸素極の乾燥を招く恐れがあるが、冷却流路４１によって、セパレータ全体を均一に冷却することにより、部分的な温度差の発生を抑制し、空気流路４０内を均一に飽和状態に保つことができ、結果として、酸素極を湿潤状態に維持することができる。
【００２７】
導入口４３と流入開放口４５から流入した空気と水は、空気流路４０内で酸素極に酸素を供給するとともに、潜熱冷却により集電部材３、４を冷却する。また、流入開放口４５から流入した空気と水は、同様に潜熱冷却により集電部材３、４を冷却する。ここで、冷却流路４１では、内壁４１１が最も電極に近く、熱を発するところであるが、冷却流路４１に空気と水を流すことにより、この部分を効率良く冷却することができる。また、溝３３が冷却流路４１の一部を構成しているので、水素極に接触している当接面３２１についても、裏側から直接冷却することができ、水素極側からも冷却できるので、一層冷却効率が向上する。
【００２８】
以上説明した、集電部材３、４の凸状部３２、４２は、いずれも等間隔に設けられ、従って、空気流路４０、冷却流路４１や水素流路３０１も等間隔に設けられているが、このような構成に限らず、空気の流れる分布等に応じて適宜配置間隔を変更してもよい。また、これら空気流路４０や水素流路３０１の配置方向も、必ずしも平行に設ける必要もなく、気体の流れる向きに沿って、放射方向配置するなど、任意の方向に変更してもよい。例えば、噴射ノズルから水を供給する場合には、噴射ノズルの噴出し口を中心として、放射方向に水が噴射されるから、その噴射方向に沿って、ノズルの先端を放射の中心とした場合の放射方向に沿って凸状部４２を配置してもよい。あるいは、噴射ノズルに近い位置では、凸状部４２の間隔を狭く（空気流路の幅を狭く）、噴射ノズルから離れた位置の間隔を広く（空気流路の幅を広く）した構成としてもよい。
【００２９】
次に、燃料供給系１０について説明する。燃料供給系１０では、水素供給路２０を介して高圧水素容器１１から放出された水素を燃料電池の各燃料電池スタック２の水素通路１７ａへ送る。水素供給路２０には、水素吸蔵合金１１側から燃料電池スタック２６側へ向けて、水素一次圧センサ２５ｂ、水素調圧弁２１、水素供給電磁弁２３、水素二次圧センサ２５ａが設けられている。水素一次圧センサ２５ｂによって高圧水素容器１１側の水素圧がモニターされている。水素調圧弁２１によって、燃料電池スタック２６へ供給するために適した圧力に調整される。また水素供給電磁弁２３の開閉によって、水素の燃料電池スタック２６への供給が電気的に制御され、水素ガスの供給を行わない場合には、この電磁弁２３が閉じられ、水素ガスの供給が止められる。また、水素二次圧センサ２５ａによって、燃料電池スタック２６に供給される直前の水素ガス圧がモニターされる。
【００３０】
燃料電池スタック２６では、図２及び図３に示されているように、水素通路１７ａから孔８３ａを介して、水素ガスが水素流通経路８４ａへ流入し、さらに、水素流通経路８４ａから水素流路３０２へ流入する。水素流路３０１、３０２において、燃料極へ水素が供給され、残った水素ガスは、水素流通経路８４ｂから孔８３ｂを介して水素通路１７ｂへ流入する。
【００３１】
燃料供給系１０において、燃料電池スタック２６の水素通路１７ｂから排出される水素ガスは水素排気路２７を介して大気へ放出される。水素排気路２７には逆止弁２８と電磁弁２９が設けられている。逆止弁２８は水素排気路２７を介して空気が燃料電池スタック２６の燃料極に進入することを防止する。電磁弁２９は間欠的に駆動される。
【００３２】
次に、水供給系５０について説明する。タンク５３の水はポンプ５６により空気マニホールド５４内に配設されたノズル５５へ圧送され、ここから空気マニホールド５４内で連続的若しくは間欠的に噴出される。この水は燃料電池スタック２６の開口９４１を介して空気流路４０と冷却流路４１に送られる。ここにおいて優先的に水分から潜熱を奪うので、酸素極１５ｂ側の電解質膜１５ａからの水分の蒸発が防止される。従って、電解質膜１５ａはその酸素極１５ｂ側で乾燥することなく、生成水により常に均一な湿潤状態を維持する。また、酸素極１５ｂの表面に供給された水は酸素極１５ｂ自体からも熱を奪いこれを冷却し、さらに冷却流路４１に流入した水も熱を奪う。これにより燃料電池スタック２６の温度を制御できる。
【００３３】
即ち、燃料電池スタック２６へ特に冷却水系を付加しなくても当該燃料電池スタック２６を充分に冷却することができる。なお、排気温度センサＴ３で検出された排出空気の温度に対応してポンプ５６の出力を制御し、燃料電池スタック２６の温度を所望の温度に維持する。ノズル５５とポンプ５６の間には、フィルタ５５１と電磁弁５５２が設けられており、電磁弁５５２によって、ノズル５５からの噴射量や供給の有無（供給状態／供給停止状態）が制御される。
タンク５３の水は、空気マニホールド５４内に配設されたノズル５５から霧状となって酸素極１５ｂの表面に供給され、この水は、水凝縮器５１で回収され、ポンプ５８により、タンク５３に戻される。タンク５３の水温は、水温センサＴ２でモニターされ、水位は水位センサ５７でモニターされている。
【００３４】
次に空気供給系１２について説明する。空気供給系１２は、燃料電池スタック２６に空気を送り込む空気導入路１２１と、燃料電池スタック２６から排出された空気を外部に導く空気導出路１２２とを備えている。空気導入路１２１は、空気取入口１２ＩＮ側から順に、フィルタ１２３、空気供給ファン１２４、ヒータ１２５、空気マニホールド５４が設けられている。空気導出路１２２には、燃料電池スタック２６側から空気排出口１２ＯＵＴへ向けて、排気温度センサＴ３、凝縮器５１、フィルタ１２６が順に設けられている。フィルタ１２３は、空気取入口１２ＩＮで取り入れた空気を不純物を除去し、空気供給ファン１２４は、外部空気を空気取入口１２ＩＮから吸入し、燃料電池スタック２６へ送り込む。
【００３５】
ヒータ１２５では、燃料電池スタック２６に送られる空気を必要に応じて暖める。空気マニホールド５４は、空気供給ファン１２４によって送られてきた空気を、燃料電池スタック２６の各開口９４１に分配する。空気マニホールド５４内には、既述の通り、ノズル５５が設けられており、ノズル５５から霧状に噴射された水は、空気マニホールド５４内で、空気と混合され、空気と共に各開口９４１に分配される。各開口９４１に分配された空気と水は、さらに各空気流路４０と各冷却流路４１とにそれぞれ分配される。
【００３６】
空気流路４０内では、空気は酸素極に酸素を供給し、また水は、既述の通り、酸素極を湿潤状態に維持し、また冷却作用を発揮する。燃料電池スタック２６の排出側の開口９５１から排出された空気と水は、水凝縮器５１で空気と水が分離され、空気はフィルタ１２６で不純物が除かれて、空気排出口１２ＯＵＴから外部に排出される。なお、燃料電池スタック２６から排出された空気は、排出側開口９５１近傍に設けられた排気温センサＴ３によって、温度が検出される。
このように、空気流路４０と冷却流路４１とが、空気の同じ流通経路に配置されているので、両流路４０、４１に空気と水を同時に流通させることができるので、冷却効率が一層向上し、冷却装置を別に設ける必要がない。
【００３７】
次に負荷系７０について説明する。負荷系７０は燃料電池スタック２６の出力を、インバータ７８を介して外部に取り出し、モータ７７等の負荷を駆動させる。この負荷系７０にはスイッチのためのリレー７１が設けられている。また、負荷系７０には、リレー７１とインバータ７８の間に、キャパシタ又はバッテリ等の蓄電池で構成された補助電源７２が接続されている。このバッテリ７２は、モータ７７の回生電流を蓄積し、また、燃料電池の出力が不足している場合には、出力を補う。
【００３８】
図９は、制御回路の構成を示すブロック図である。制御手段としての制御装置６１には、燃料電池スタックの温度を直接検出する温度センサＴ１、水温センサＴ２、排気温センサＴ３の各検出値が入力される。また、制御装置６１は、温度センサＴ１又は排気温センサＴ３の検出値に基いて、ポンプ５６の駆動と、電磁弁５５２の開閉を制御する。さらに、制御装置６１は、空気供給ファン１２４の駆動、水素供給電磁弁２３の開閉、リレー７１のオン／オフについても制御する。
【００３９】
以下、図１０に示されているフローチャートに基いて、制御回路における水噴射制御の内容について説明する。燃料電池システム１００において、燃料電池スタック２６による発電を開始する際に、まずシステム全体の状態をチェックし、異常が検知されなかった場合、空気供給と水素供給が開始される（ステップＳ１０１）。空気供給は、空気供給ファン１２４を駆動させることにより開始される。空気供給ファン１２４の作動によって、燃料電池スタック２６に空気流路４０に空気が流入し、酸素極に酸素が供給される。また、水素供給は、水素供給電磁弁２３を開放することにより開始される。これにより、燃料電池スタック２６の水素流路３０１、３０２に水素が流入し、燃料極に水素が供給される。このとき、ノズル５５から水の噴射は行われない。
【００４０】
次にリレー７１がオンされる（ステップＳ１０３）。負荷系７０が燃料電池スタック２６に電気的に接続され、燃料電池スタック２６の出力が負荷系７０に供給される。温度センサＴ１の検出値が、即ち燃料電池スタック２６の温度が、設定温度Ｂより高いか判断する（ステップＳ１０５）。設定温度Ｂより低い場合には、現状を維持する。即ち、燃料電池スタック２６に空気と水素を供給し、発電状態を維持しつつ、直噴水の供給は行わない。そして、繰り返しステップＳ１０５が実行され、燃料電池スタック２６の温度が設定温度Ｂより大きくなった場合には、この温度領域に燃料電池温度を維持する必要から、冷却が必要となるので、ポンプ５６の駆動を開始し、かつ電磁弁５５２を開き、ノズル５５からの水噴射を開始する（ステップＳ１０７）。
【００４１】
図１１は、発電始動時において、燃料電池単位セルの温度が、最高効率となる温度（摂氏５０度）となるまでの、経過時間と単位セル出力電圧、経過時間と単位セル温度との関係を示すグラフである。図１１に示されているグラフには、本発明の電圧曲線（実線）ＶＳ１と、温度曲線（実線）ＴＳ１および、発電始動時から直噴水を供給した場合の電圧曲線（破線）ＶＳ２と、温度曲線（破線）ＴＳ２が重ねて示されている。
【００４２】
測定開始から、２５秒後（ｔ０）に酸素と水素を供給し発電を開始すると、最初の出力電圧は、直噴水を供給する構成では、酸素極に水が供給され湿潤状態が維持されるので、供給しない場合（Ｖ０）よりも、出力電圧は高く（Ｖ１）なっている。さらに、発電状態が継続されると、本発明の燃料電池は、直噴水の供給がないため、酸素極に水が供給されず、出力電圧の上昇はあまり大きくない。一方、直噴水を供給する構成では、出力電圧は少しずつ上昇する。また、直噴水か供給される燃料電池の温度は、直噴水によって熱が奪われるので、温度上表率は徐々に上昇し、それに伴い、出力電圧も徐々に上昇していく。
【００４３】
一方、直噴水が供給されない燃料電池は、供給した場合の倍以上の上昇率で、温度が上昇し、短時間で発電効率が最も高くなる温度Ｂに到達する。この間、酸素極に水が供給されない状態が続くので、出力電圧の上昇は小さい。燃料電池温度が、温度Ｂに到達した時点（ｔ１）で、直噴水の供給を初めて開始すると、酸素極に水が供給されることから、出力電圧が急激に上昇し、通常発電時の電圧（Ｖ２）に、短時間で到達する。このように、燃料電池の温度が、設定温度Ｂに到達するまで直噴水を供給しないことで、暖機時間を短縮し、かつ十分な出力電圧へ短時間で到達させることができる。
【００４４】
図１２に示されているフローチャートに基いて、低温下における発電始動時の水噴射制御の内容について説明する。
燃料電池システム１００において、燃料電池スタック２６による発電を開始する際に、まずシステム全体の状態をチェックし、異常が検知されなかった場合、空気供給と水素供給が開始される（ステップＳ２０１）。空気供給は、空気供給ファン１２４を駆動させることにより開始される。空気供給ファン１２４の作動によって、燃料電池スタック２６に空気流路４０に空気が流入し、酸素極に酸素が供給される。また、水素供給は、水素供給電磁弁２３を開放することにより開始される。これにより、燃料電池スタック２６の水素流路３０１、３０２に水素が流入し、燃料極に水素が供給される。このとき、ノズル５５から水の噴射は行われない。
【００４５】
次にリレー７１がオンされる（ステップＳ２０３）。負荷系７０が燃料電池スタック２６に電気的に接続され、燃料電池スタック２６の出力が負荷系７０に供給される。温度センサＴ１の検出値が、即ち燃料電池スタック２６の温度が、設定温度Ａより高いか判断する（ステップＳ２０５）。この設定温度Ａは、燃料電池の発電反応において生成される生成水が凍結してしまう温度領域（凍結領域）の上限値であり、例えば、摂氏５度に設定される。燃料電池スタック２６の温度が、設定温度Ａより低い場合には、現状を維持する。つまり、水素と空気を燃料電池スタック２６に供給している状態を維持し、直噴水の噴射は行わない。発電反応における発熱によって、燃料電池スタック２６自体が暖機されるが、直噴水の噴射が行われないので、暖機のための熱が奪われず、燃料電池スタック２６が凍結領域より高くなるまでの時間が短縮される。
【００４６】
燃料電池スタック２６の温度が、設定温度Ａより高くなった場合には、さらに、燃料電池スタック２６の温度が直噴水温度よりも低いか判断する（ステップＳ２０７）。直噴水温度は、水温センサＴ２により検出されている。直噴水温度が燃料電池スタック２６の温度より高い場合には、ポンプ５６の駆動を開始し、かつ電磁弁５５２を開き、ノズル５５からの水噴射を開始する（ステップＳ２０９）。水の温度が、燃料電池スタック２６の温度より高いので、水によって燃料電池スタック２６が温められる。また、燃料電池スタック２６の温度は、既に凍結領域を越えているので、直噴水が凍結する恐れもない。そして、燃料電池スタック２６の温度が、直噴水の温度以上に達したか判断する（ステップＳ２１１）。達していない場合には、ステップＳ２０９、Ｓ２１１を繰り返し直噴水の供給を続ける。
【００４７】
燃料電池スタック２６の温度が、直噴水の温度以上に達した場合には、ポンプ５６の駆動を停止し、電磁弁５５２を閉じて、直噴水の供給を停止する（ステップＳ２１３）。次に、燃料電池スタック２６の温度が、設定温度Ｂより高くなったか判断する（ステップＳ２１５）。設定温度Ｂは、燃料電池スタック２６の発電効率が最も高くなる温度領域内の温度に設定されており、例えば、その温度領域の下限値（例えば、摂氏５０度）に設定されている。この他、負荷を駆動させるための出力を得るために必要な最適温度範囲内の温度であってもよい。
【００４８】
設定温度Ｂより高くなっていない場合には、設定温度Ｂを越えるまで、ステップＳ２０７からステップＳ２１３を繰り返す。設定温度Ｂを越えている場合には、この温度領域に燃料電池スタック２６の温度を維持する必要があるので、ポンプ５６の駆動を開始し、かつ電磁弁５５２を開き、ノズル５５からの水噴射を開始する。これにより、燃料電池スタック２６の発熱に対して冷却が行われ、燃料電池スタック２６の温度が一定の範囲内に維持される。
【００４９】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、加熱手段を別個に設けることなく、燃料電池スタックの温度に応じて水供給を切換えるので、燃料電池スタックの暖機時間を短縮できる。かつ、セパレータは中空部を有するので熱容量が少なく構成されており、暖機時間の一層の低下が図られる。
【００５０】
請求項２に記載の発明によれば、燃料電池スタックの温度が、発電反応によって生成される生成水が凍結する温度である場合には、水供給を停止することにより、水によって温度上昇が妨げられないので、生成水の凍結する温度を超える温度まで短時間で暖機することができる。
【００５１】
請求項３に記載の発明によれば、発電効率が最も高くなる温度領域にまで、燃料電池スタックを短時間で暖機することができる。
請求項４に記載の発明によれば、セパレータが金属板で構成されているので、熱容量が小さく、暖機時間がより一層短縮される。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池システムの構成図である。
【図２】本発明の燃料電池用セパレータを示す全体正面図である。
【図３】燃料電池セパレータで構成された燃料電池スタックの部分断面平面図（Ａ‐Ａ断面図）である。
【図４】燃料電池セパレータで構成された燃料電池スタックの部分断面側面図（Ｂ‐Ｂ断面図）でである。
【図５】燃料電池セパレータの部分断面側面図（Ｃ‐Ｃ断面図）である。
【図６】燃料電池用セパレータの全体背面図である。
【図７】単位セルの断面図である。
【図８】燃料電池スタックの部分平面図である。
【図９】制御回路の構成を示すブロック図である。
【図１０】フローチャートである。
【図１１】燃料電池単位セルの発電開始から所定時間経過するまでの出力電圧曲線と、燃料電池温度曲線を示すグラフである。
【図１２】フローチャートである。
【符号の説明】
１００　燃料電池システム
１　燃料電池用セパレータ
１５　単位セル
２６　燃料電池スタック
３　集電部材
３０１　水素流路
４　集電部材
４０　空気流路
４１　冷却流路
６１　制御装置
８　枠体
９　枠体
Ｔ１　温度センサ
Ｔ２　水温センサ
Ｔ３　排気温センサ
５６　ポンプ
５５２　電磁弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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