(57)【要約】【課題】  低温条件下における燃料電池の起動性を向上させる。【解決手段】  燃料電池システム１０は、単セルを複数積層した積層体２２の端部に配設され、ヒータ６０と、ヒータ６０上に担持される燃焼触媒とを備えると共に、ヒータ６０上に設けられた空間である燃焼用ガス流路６２が形成された加熱用セル２０と、加熱用セル２０のさらに外側に配設されたエンドプレート２４と、を備える燃料電池１５を有する。さらに、燃料電池システム１０は、ヒータ６０に対して電力を供給する電力供給部（２次電池３４）と、燃焼用ガス流路６２に対して、水素及び酸素を含有するガスを供給するガス供給部（燃料ガス供給部３０およびブロワ３２）と、燃料電池１５の発電開始時に、電力供給部およびガス供給部を駆動して、ヒータ６０による発熱および燃焼触媒に対するガスの供給を行なわせる加熱制御部（制御部３６）と、を備える。【選択図】  図１
2007035392.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
単セルを複数積層した積層体の端部に配設された、ヒータと、前記ヒータ上に担持される燃焼触媒とを備えると共に、前記ヒータ上に設けられた空間である燃焼用ガス流路が形成された加熱用セルと、前記加熱用セルのさらに外側に配設されたエンドプレートと、を備える燃料電池と、
前記ヒータに対して電力を供給する電力供給部と、
前記燃焼用ガス流路に対して、水素及び酸素を含有するガスを供給するガス供給部と、
前記燃料電池の発電開始時に、前記電力供給部および前記ガス供給部を駆動して、前記ヒータによる発熱および前記燃焼触媒に対する前記ガスの供給を行なわせる加熱制御部と
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池の発電開始時に、外気温を取得する外気温取得部を備え、
前記加熱制御部は、前記燃料電池の発電開始時であって、さらに前記外気温が所定値以下のときに、前記電力供給部および前記ガス供給部を駆動する
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記積層体の端部に配設された単セルの温度に係る単セル温度情報を取得する端部温度取得部と、
前記加熱制御部によって前記電力供給部および前記ガス供給部が駆動された後に、前記単セル温度情報に基づいて、前記単セルの温度が所定の温度に達したと判断されるときには、前記電力供給部および前記ガス供給部の駆動を停止する加熱停止制御部と
を備える燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１または２記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃焼触媒の温度に係る触媒温度情報を取得する燃焼触媒温度取得部と、
前記加熱制御部によって前記電力供給部および前記ガス供給部が駆動された後に、前記触媒温度情報に基づいて、前記燃焼触媒の温度が第１の所定の温度に達したと判断されるときには、前記電力供給部の駆動を停止するヒータ駆動停止部と
を備える燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記積層体の端部に配設された単セルの温度に係る単セル温度情報を取得する端部温度取得部と、
前記加熱制御部によって前記ガス供給部が駆動された後に、前記端部温度取得部が取得した前記単セル温度情報に基づいて、前記単セル温度が第２の所定の温度に達したと判断されるときには、前記ガス供給部の駆動を停止するガス供給停止部と
を備える燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１ないし５いずれか記載の燃料電池システムであって、
前記ヒータは、薄板状部材を加工して凹凸を形成した凹凸部材から成ると共に、前記凹凸によって、前記積層体または前記エンドプレートと接する前記加熱用セルの２つの壁面と接触し、
前記燃焼用ガス流路は、前記ヒータと、前記２つの壁面との間に形成される空間である
燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６記載の燃料電池システムであって、
前記エンドプレートは、前記燃料電池が発電した電力を取り出すための端子を有し、
前記２つの壁面は、導電性材料によって形成され、
前記ヒータは、前記２つの壁面と接する接触部を含む表面において、絶縁性皮膜を備え、
前記加熱用セルは、さらに、前記２つの壁面の間を電気的に接続する導電部を備える  燃料電池システム。
【請求項８】
燃料電池システムであって、
単セルを複数積層した積層体の端部に配設される加熱用セルと、前記加熱用セルのさらに外側に配設されたエンドプレートと、を備える燃料電池と、
前記ヒータに対して電力を供給する電力供給部と、
前記加熱用セル内へと、水素及び酸素を含有するガスを供給するガス供給部と、を備え、
前記加熱用セルは、
前記積層体または前記エンドプレートと接すると共に、導電性材料によって形成される２つの壁面と、
凹凸を有すると共に、前記凹凸によって、絶縁性被膜を介して前記２つの壁面と接するヒータと、
前記ヒータ上に備えられた燃焼触媒と、
前記積層体と前記エンドプレートとの間を電気的に接続する導電部と、
を備えると共に、前記ヒータと前記２つの壁面との間に、前記ガス供給部から供給された前記ガスが流れる空間である燃焼用ガス流路が形成されている
燃料電池システム。
【請求項９】
単セルを複数積層した積層体を備える燃料電池であって、該燃料電池の両端部に、前記積層体の積層方向に平行であって前記積層体の内側へと向かう力を加えられるエンドプレートを有する燃料電池を備えた燃料電池システムの起動方法であって、
前記燃料電池システムの起動の指示を取得する第１の工程と、
前記起動の指示を取得したときの外気温度を取得する第２の工程と、
前記起動の指示を取得した場合であって、前記外気温度が所定値以下のときには、前記積層体と前記エンドプレートとの間に配設されて表面に燃焼触媒を備えるヒータに対して電力を供給すると共に、前記ヒータと前記積層体及び前記エンドプレートとの間の空間に対して、水素及び酸素を含有するガスを供給する第３の工程と
を備える燃料電池システムの起動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電気化学反応の進行に伴って水が生じるという性質を有している。そのため、０℃以下の温度条件下では、生じた水が凍結する可能性がある。特に、電解質層上の触媒電極層で生じた水が、そのまま触媒電極層上で凍結した場合には、触媒電極層に対する反応ガス（水素を含有する燃料ガスや酸素を含有する酸化ガス）の供給が阻害されて、触媒電極層表面が凍結した領域では、電気化学反応が停止してしまう。これにより、燃料電池の性能低下が引き起こされる。
【０００３】
燃料電池では、発電に伴って熱が生じるため、燃料電池が定常状態で発電を行なっている際には凍結の問題は生じ難いが、低温条件下で燃料電池を起動する際には、上記した低温に起因する問題がとりわけ問題となる。燃料電池は一般に、単セルを複数積層したスタックを備えているが、上記凍結の問題は、特に、スタックの端部に配設された単セルにおいて生じやすい。これは、燃料電池のスタックの両端にエンドプレートが配設されていることに起因する。エンドプレートは、スタックの両端部において、スタックの積層方向に平行であってスタックの内部へ向かう力を加えられる部材であり、一般に、比較的大きな熱容量を有している。そのため、低温条件下で燃料電池を起動すると、電気化学反応に伴って発熱が起こっても、スタック端部の単セルでは、生じた熱はエンドプレートに吸収されてしまい、温度が上昇し難い状態になる。そのため、電気化学反応が開始されたときに生じた水が触媒電極層上および拡散層で凍結し、上記問題が生じる。
【０００４】
そのため、触媒電極層の凍結を防止して低温環境下での起動性を向上させるために、エンドプレート内に流体流路を形成してエンドプレートの熱容量を低下させたり、さらに、上記流体流路に燃焼触媒を備えさせ、上記流体流路内で燃焼反応を進行させる構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３２７３６６号公報
【特許文献２】特開２００４−１１１２００号公報
【特許文献３】特開平９−４５３５３号公報
【特許文献４】特開２００５−９３１１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、エンドプレート内の流路に燃焼触媒を設けて、この流路内で燃焼反応を起こさせる場合にも、反応に伴って水が生じるため、燃焼反応を利用した加熱の効果が充分に得られなくなる可能性があった。すなわち、低温条件下で燃焼反応を行なわせると、燃焼触媒周辺が充分に昇温する前に、燃焼反応で生じた水が燃焼触媒上で凍結する場合がある。このように燃焼触媒上で水が凍結すると、燃焼反応が阻害されるため、燃焼反応を利用した加熱の効果が充分に得られなくなる。
【０００７】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、低温条件下における燃料電池の起動性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の第１の燃料電池システムは、
単セルを複数積層した積層体の端部に配設された、ヒータと、前記ヒータ上に担持される燃焼触媒とを備えると共に、前記ヒータ上に設けられた空間である燃焼用ガス流路が形成された加熱用セルと、前記加熱用セルのさらに外側に配設されたエンドプレートと、を備える燃料電池と、
前記ヒータに対して電力を供給する電力供給部と、
前記燃焼用ガス流路に対して、水素及び酸素を含有するガスを供給するガス供給部と、
前記燃料電池の発電開始時に、前記電力供給部および前記ガス供給部を駆動して、前記ヒータによる発熱および前記燃焼触媒に対する前記ガスの供給を行なわせる加熱制御部と
を備えることを要旨とする。
【０００９】
以上のように構成された本発明の第１の燃料電池システムによれば、ヒータと燃焼触媒とを有する加熱用セルを備え、燃料電池の発電開始時に、ヒータによる発熱を行わせると共に、燃焼触媒に対して水素および酸素を含有するガスを供給するため、低温環境下で燃料電池を起動する場合であっても、燃焼反応で生じた水が、燃焼触媒上で凍結することがない。したがって、燃料電池が配設される環境温度が低い場合であっても、燃料電池の内部で生じた水が凍結して燃料電池の起動が妨げられることがなく、ヒータで生じる熱と、燃焼反応で生じる熱とを利用して、燃料電池を速やかに起動することができる。
【００１０】
本発明の第１の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記燃料電池の発電開始時に、外気温を取得する外気温取得部を備え、
前記加熱制御部は、前記燃料電池の発電開始時であって、さらに前記外気温が所定値以下のときに、前記電力供給部および前記ガス供給部を駆動することとしても良い。
【００１１】
このような構成とすれば、外気温が所定値以下のときには、加熱用セルを用いた加熱を行うため、燃料電池内における生成水の凍結を防止することができる。また、外気温が所定値を超えるときには加熱用セルによる加熱を行なわないため、生成水の凍結の可能性が低いときには、加熱用セルによる加熱に起因するシステム効率の低下を抑制することができる。
【００１２】
本発明の第１の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記積層体の端部に配設された単セルの温度に係る単セル温度情報を取得する端部温度取得部と、
前記加熱制御部によって前記電力供給部および前記ガス供給部が駆動された後に、前記単セル温度情報に基づいて、前記単セルの温度が所定の温度に達したと判断されるときには、前記電力供給部および前記ガス供給部の駆動を停止する加熱停止制御部と
を備えることとしても良い。
【００１３】
このような構成とすれば、積層体の端部に配設された単セルの温度が所定の温度に達するまでは加熱用セルによる加熱を行うため、積層体の端部に配設された単セルにおいて、発電に伴って生じた水の凍結を抑制することができる。また、端部に配設された単セルの温度が所定の温度に達すると、加熱用セルによる加熱が停止されるため、生成水の凍結の可能性が低いときは、加熱用セルによる加熱に起因するシステム効率の低下を抑制することができる。
【００１４】
あるいは、本発明の第１の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記燃焼触媒の温度に係る触媒温度情報を取得する燃焼触媒温度取得部と、
前記加熱制御部によって前記電力供給部および前記ガス供給部が駆動された後に、前記触媒温度情報に基づいて、前記燃焼触媒の温度が第１の所定の温度に達したと判断されるときには、前記電力供給部の駆動を停止するヒータ駆動停止部と
を備えることとしても良い。
【００１５】
このような構成とすれば、燃焼触媒の温度が第１の所定の温度に達するまでは、電力供給を受けるヒータが発熱するため、燃焼反応により生じた水の凍結を防止することができる。また、燃焼触媒の温度が第１の所定の温度に達したときには、ヒータによる加熱を停止するため、生成水の凍結の可能性が低いときには、ヒータによる加熱に起因するシステム効率の低下を抑制することができる。
【００１６】
このような本発明の第１の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記積層体の端部に配設された単セルの温度に係る単セル温度情報を取得する端部温度取得部と、
前記加熱制御部によって前記ガス供給部が駆動された後に、前記端部温度取得部が取得した前記単セル温度情報に基づいて、前記単セル温度が第２の所定の温度に達したと判断されるときには、前記ガス供給部の駆動を停止するガス供給停止部と
を備えることとしても良い。
【００１７】
このような構成とすれば、積層体の端部に配設された単セルの温度が第２の所定の温度に達するまでは、加熱用セル内で燃焼反応を行うため、積層体の端部に配設された単セルにおいて、発電に伴って生じた水の凍結を抑制することができる。また、端部に配設された単セルの温度が第２の所定の温度に達したときは、燃焼反応を停止させるため、生成水の凍結の可能性が低いときには、水素と酸素の消費量、および、水素と酸素を供給するために要するエネルギを削減することができる。
【００１８】
本発明の第１の燃料電池システムにおいて、
前記ヒータは、薄板状部材を加工して凹凸を形成した凹凸部材から成ると共に、前記凹凸によって、前記積層体または前記エンドプレートと接する前記加熱用セルの２つの壁面と接触し、
前記燃焼用ガス流路は、前記ヒータと、前記２つの壁面との間に形成される空間であることとしても良い。
【００１９】
加熱用セルが、上記凹凸形状のヒータを内部に備える中空構造を有する場合には、エンドプレートに比べて、加熱用セルの熱容量を、より小さくすることができる。したがって、このような加熱用セルを設ければ、燃料電池の発電開始時に加熱用セルによる加熱を行っていない場合であっても、積層体とエンドプレートとが接する場合に比べて積層体から奪われる熱量を抑制することができ、燃料電池をより早く昇温させることが可能になる。
【００２０】
このような本発明の第１の燃料電池システムにおいて、
前記エンドプレートは、前記燃料電池が発電した電力を取り出すための端子を有し、
前記２つの壁面は、導電性材料によって形成され、
前記ヒータは、前記２つの壁面と接する接触部を含む表面において、絶縁性皮膜を備え、
前記加熱用セルは、さらに、前記２つの壁面の間を電気的に接続する導電部を備えることとしても良い。
【００２１】
このような構成とすれば、ヒータと上記した２つの壁面との間が絶縁されているため、ヒータに対する通電が燃料電池における電気の流れに影響することがない。また、このように上記２つの壁面と、２つの壁面間に配設されるヒータとの間が絶縁されていても、導電部を設けることによって上記２つの壁面が電気的に接続されるため、燃料電池における内部抵抗の上昇を抑えることができる。
【００２２】
本発明の第２の燃料電池システムは、
単セルを複数積層した積層体の端部に配設される加熱用セルと、前記加熱用セルのさらに外側に配設されたエンドプレートと、を備える燃料電池と、
前記ヒータに対して電力を供給する電力供給部と、
前記加熱用セル内へと、水素及び酸素を含有するガスを供給するガス供給部と、を備え、
前記加熱用セルは、
前記積層体または前記エンドプレートと接すると共に、導電性材料によって形成される２つの壁面と、
凹凸を有すると共に、前記凹凸によって、絶縁性被膜を介して前記２つの壁面と接するヒータと、
前記ヒータ上に備えられた燃焼触媒と、
前記積層体と前記エンドプレートとの間を電気的に接続する導電部と、
を備えると共に、前記ヒータと前記２つの壁面との間に、前記ガス供給部から供給された前記ガスが流れる空間である燃焼用ガス流路が形成されていることを要旨とする。
【００２３】
以上のように構成された本発明の第２の燃料電池システムによれば、ヒータと燃焼触媒とを有する加熱用セルを備えるため、低温条件下で燃料電池を起動する際には、ヒータによる発熱を行わせると共に、燃焼触媒に対して水素および酸素を含有するガスを供給すればよく、これによって、燃料電池システムの起動性を向上させることができる。このとき、ヒータ上に燃焼触媒を備えるため、燃焼反応で生じた水が燃焼触媒上で凍結することがない。また、本発明の第２の燃料電池システムによれば、加熱用セルが、内部にヒータを備える中空構造を有するため、エンドプレートに比べて、加熱用セルの熱容量が、より小さくなる。したがって、このような加熱用セルを設けることによって、積層体とエンドプレートとが接する場合に比べて積層体から奪われる熱量を抑制することができ、燃料電池の発電開始時に加熱用セルによる加熱を行っていない場合であっても、燃料電池をより早く昇温させることが可能になる。さらに、本発明の第２の燃料電池システムによれば、加熱用セルにおける上記した２つの壁面とヒータとの間が絶縁されているため、ヒータに対する通電が燃料電池における電気の流れに影響することがない。また、このように上記２つの壁面と、２つの壁面間に配設されるヒータとの間が絶縁されていても、導電部を設けることによって上記２つの壁面が電気的に接続されるため、燃料電池における内部抵抗の上昇を抑えることができる。
【００２４】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池システムにおける起動方法などの形態で実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．装置の全体構成：
Ｂ．燃料電池の構成：
Ｃ．低温起動時の動作：
Ｄ．変形例：
【００２６】
Ａ．装置の全体構成：
図１は、本発明の実施例としての燃料電池システム１０の構成の概略を現わすブロック図である。燃料電池システム１０は、発電の本体である燃料電池１５と、燃料ガス供給部３０と、ブロワ３２と、２次電池３４と、制御部３６とを備えている。
【００２７】
燃料電池１５は、単セル４０を複数積層した積層体２２と、積層体２２の両端部にさらに積層して設けられ、積層体２２を挟持する１対の加熱用セル２０と、各々の加熱用セル２０のさらに外側に設けられたエンドプレート２４とを備える。燃料電池１５においては、図示しない所定の締め付け部材によって、エンドプレート２４の外側から、積層体２２の積層方向に平行であって積層体の内部へ向かう力が加えられる。したがって、板状部材であるエンドプレート２４は、充分な剛性を有する部材、例えばステンレス鋼によって形成されている。加熱用セル２０は、その内部に、所定の凹凸形状を有する金属部材から成ると共に、表面に燃焼触媒を担持したヒータ６０を備えている。また、加熱用セル２０の内部には、上記所定の凹凸形状を有するヒータ６０が配設される空間として、燃焼用ガス流路６２が形成されている。このような加熱用セル２０を備える燃料電池１５の構成については、後にさらに詳しく説明する。
【００２８】
燃料ガス供給部３０は、水素を含有するガスを供給する装置である。燃料ガス供給部３０としては、例えば、水素ガスを供給する水素ボンベや、水素吸蔵合金を備える水素タンクを用いることができる。あるいは、燃料ガス供給部３０は、炭化水素やアルコールなどの炭化水素系燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器を備え、改質ガスを供給する装置としても良い。
【００２９】
燃料ガス供給部３０と燃料電池１５とは燃料ガス流路５０によって接続されており、燃料ガス流路５０を介して、上記水素を含有するガスが、燃料ガスとして、燃料電池１５へと供給される。燃料電池１５内に供給された燃料ガスは、燃料電池１５を構成する各単セル４０のアノードへと分配される。また、燃料電池システム１０においては、燃料ガス流路５０から分岐して、燃焼用ガス導入路５１が設けられている。この燃焼用ガス導入路５１は、さらに、２つの燃焼用ガス分岐路５２，５３に分岐している。２つの燃焼用ガス分岐路５２，５３は、それぞれ、一方の加熱用セル２０内に設けられた燃焼用ガス流路６２へと接続されている。また、燃焼用ガス導入路５１には、バルブ３１が設けられている。このバルブ３１を開状態にすることによって、燃焼用ガス分岐路５２，５３を介して、各々の加熱用セル２０内の燃焼用ガス流路６２へと、水素含有ガスが供給可能になる。
【００３０】
ブロワ３２と燃料電池１５とは、空気ガス流路５４によって接続されており、この空気ガス流路５４を介して、ブロワ３２によって取り込まれた空気が、反応ガスとして、燃料電池１５へと供給される。燃料電池１５内に供給された酸化ガスは、燃料電池１５を構成する各単セル４０のカソードへと分配される。また、燃料電池システム１０においては、空気ガス流路５４から分岐して、酸化ガス導入路５５が設けられている。この酸化ガス導入路５５は、さらに、２つの酸化ガス分岐路５６，５７に分岐している。２つの酸化ガス分岐路５６，５７は、それぞれ、一方の加熱用セル２０内に設けられた燃焼用ガス流路６２へと接続されている。また、酸化ガス導入路５５には、バルブ３３が設けられている。このバルブ３３を開状態にすることによって、酸化ガス分岐路５６，５７を介して、各々の加熱用セル２０内の燃焼用ガス流路６２へと、空気が供給可能になる。なお、加熱用セル２０へと導入された水素含有ガスおよび空気は、燃焼用ガス流路６２を通過した後、燃焼ガス排出路５８へと排出される。
【００３１】
２次電池３４は、各々の加熱用セルが備えるヒータ６０に接続されており、各ヒータ６０に電力を供給する電源として機能する。２次電池３４と各ヒータ６０とを接続する配線にはスイッチ３５が設けられており、このスイッチ３５を閉状態にすることにより、各ヒータ６０に対して電力が供給される。
【００３２】
制御部３６は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵと、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭと、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭと、各種の信号を入出力する入出力ポート等を備える。この制御部３６は、燃料電池システム１０の各部を制御しており、例えば、既述した燃料ガス供給部３０、ブロワ３２、バルブ３１，３３、スイッチ３５に対して駆動信号を出力する。また、制御部３６は、燃料電池システム１０の制御に関わる種々の信号を取得しており、例えば、燃料電池システム１０の起動の指示が入力される起動スイッチ３７や、外気温を検出する外気温センサ３８や、積層体２２の両端部に配設された単セル内の温度を検出する温度センサ３９
からの検出信号を取得する。
【００３３】
Ｂ．燃料電池の構成：
図２は、燃料電池１５の概略構成を表す断面模式図である。既述したように、燃料電池１５は、積層体２２と、積層体２２の両端部に配設された加熱用セル２０と、加熱用セル２０のさらに外側に配設されたエンドプレート２４とを備えている。
【００３４】
積層体１７を構成する単セル４０は、電解質−電極接合体（以下、ＭＥＧＡ４１と呼ぶ）と、アノード側セパレータ７０およびカソード側セパレータ７１を備えている。ＭＥＧＡ４１は、表面に触媒電極層を備える電解質膜４２と、電解質膜４２を両側から狭持するガス拡散層４３，４４とによって構成される。本実施例の燃料電池１５は固体高分子型燃料電池であり、電解質膜４２は、例えば、湿潤状態でプロトン伝導性を示し、パーフルオロスルホン酸基を備えるフッ素系樹脂によって形成される。触媒電極層が備える触媒としては、例えば白金を用いることができ、触媒電極層は、白金担持カーボンから成るペーストを、電解質膜４２上に塗布することにより形成できる。ガス拡散層４３，４４は、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロス、あるいは金属メッシュ、金属多孔体によって形成することができる。アノード側セパレータ７０およびカソード側セパレータ７１は、ガス不透過な導電性部材、例えば圧縮カーボンやステンレス鋼から成る部材によって形成される。
【００３５】
アノード側セパレータ７０およびカソード側セパレータ７１は、それぞれ所定の凹凸形状を有している。この凹凸形状によって、アノード側セパレータ７０とガス拡散層４３との間には、既述した燃料ガス供給部３０から供給される燃料ガスが分配される単セル内燃料ガス流路７２が形成されている。また、上記凹凸形状によって、カソード側セパレータ７１とガス拡散層４４との間には、既述したブロワ３２から供給される酸化ガスが分配される単セル内酸化ガス流路７３が形成されている。
【００３６】
なお、隣接する２つの単セル４０間では、一方の単セルが備えるアノード側セパレータ７０と、他方の単セルが備えるカソード側セパレータ７１との間に、冷媒流路７４が形成されている。発電に伴って燃料電池が発熱する際には、この冷媒流路７４を流れる冷媒によって燃料電池が冷却され、燃料電池の運転温度が所定の温度範囲に維持される。
【００３７】
積層体１７の両端に配設された加熱用セル２０は、導電性を有する中空の板状部材である。以下、この加熱用セル２０の構成についてさらに詳しく説明する。図３は、加熱用セル２０の概略構成を表す平面図であり、図４は、図３における４−４断面を表す断面図であり、図５は、加熱用セル２０の内部構成の概略を表わす斜視図である。なお、図５では、加熱用セル２０の内部構成を破線で表わすと共に、ヒータ６０の記載は省略している。
【００３８】
図３ないし図５では、２つの加熱用セル２０のうち、燃焼用ガス分岐路５２および酸化ガス分岐路５６が接続されている加熱用セル２０を表わしている。図３ないし図５に示すように、加熱用セル２０は、その内部に、ヒータ６０に加えて、導電部６４と仕切り部６６とをさらに備えている。
【００３９】
ヒータ６０は、金属、例えばステンレス鋼によって形成された細長い薄板状部材において、例えばプレス成形によって、波形の凹凸形状を形成させたものである。本実施例の加熱用セル２０では、図３に示すように、波形の凹凸形状を有する細長いヒータ６０として、６つのヒータ６０ａ〜６０ｆを備えており、これらのヒータ６０ａ〜６０ｆは、加熱用セル２０内で、ヒータ６０ａ〜６０ｆの順に互いに平行に配設されている。これら６つのヒータ６０ａ〜６０ｆのうち、最も外側に配設されたヒータ６０ａおよびヒータ６０ｆは、それぞれ、一方の端部において加熱用セル２０の外部に突出するヒータ端子６１を備えている。また、ヒータ６０ａ〜６０ｆの各々は、隣り合うヒータとの間を接続部６３によって電気的に接続されている。具体的には、ヒータ６０ａの他方の端部とヒータ６０ｂの一方の端部との間は、接続部６３ａによって接続されており、ヒータ６０ｂの他方の端部とヒータ６０ｃの一方の端部との間は、接続部６３ｂによって接続されている。同様にして、接続部６３ｃ〜６３ｅによって、ヒータ６０ｃからヒータ６０ｆまでの間が接続されており、ヒータ６０ａ〜６０ｆは、全体として直列に接続されている。
【００４０】
ここで、各ヒータ端子６１は、既述した２次電池３４に接続されているため、スイッチ３５を閉状態とすることにより、６つのヒータ６０ａ〜６０ｆが通電されて発熱する。なお、ヒータの数や、各ヒータを配設する向き、あるいはヒータを構成する薄板状部材の幅や、各ヒータに形成する凹凸の数、あるいは各ヒータ間の接続方法など、ヒータ６０にかかる形状は、加熱用セル２０の大きさや、燃料電池１５における温度分布の状態に応じて適宜定めればよい。
【００４１】
また、金属製の薄板状部材であるヒータ６０は、その表面に、図示しない絶縁性被膜が形成されている。絶縁性被膜は、燃料電池１５が発熱する際の温度条件下でも安定な被膜であればよい。例えば、ヒータ６０として用いるステンレス鋼製の薄板状部材に対して、５００〜６００℃程度で酸化処理を施すことによって、ヒータ６０の表面に、ステンレス鋼中のケイ素が酸化されて成る酸化ケイ素（ＳｉＯ2）の被膜を形成させて、上記絶縁性被膜とすればよい。ここで、波形の凹凸形状を有するヒータ６０は、中空の板状部材である加熱用セル２０の内部において、積層体２２と接する加熱用セル２０の壁面と、エンドプレート２４と接する加熱用セル２０の壁面との両方と接している。しかしながら、ヒータ６０の表面には絶縁性被膜が形成されているため、ヒータ６０に対して２次電池３４から電力が供給されても、ヒータ６０内の電気の流れが、燃料電池１５における発電に影響することはない。
【００４２】
さらに、ヒータ６０は、上記絶縁性被膜の上に、燃焼触媒を担持している。燃焼触媒としては、例えば、白金を用いることができる。絶縁性皮膜の上に燃焼触媒を担持させるには、例えば、ヒータ６０が備える絶縁性被膜上に、さらにアルミナ層を形成し、アルミナ層を形成したヒータ６０を白金含有溶液中に浸してアルミナ層中に白金を含浸させ、これを乾燥、焼成すればよい。
【００４３】
導電部６４は、加熱用セル２０の内部を厚み方向に貫通するように、導電性材料（例えばステンレス鋼）によって形成された部材である。すなわち、導電部６４は、積層体２２と接する加熱用セル２０の壁面と、エンドプレート２４と接する加熱用セル２０の壁面との間を、加熱用セル２０の内部において電気的に接続している。したがって、積層体２２とエンドプレート２４とは、加熱用セル２０を構成する導電性を有する壁面と共に、加熱用セル２０の内部に設けられた導電部６４によって接続されている。本実施例の加熱用セル２０は、その内部に９つの導電部６４を備えている。これらの導電部６４は、ヒータ６０ａとヒータ６０ｂとの間、ヒータ６０ｃとヒータ６０ｄとの間、およびヒータ６０ｅとヒータ６０ｆとの間において、各ヒータと平行となるように、３つずつ所定の間隔で設けられている。このような導電部６４を設ける位置および設ける数は、燃料電池１５の大きさや、エンドプレート２４を介して燃料電池１５を締め付ける力の強さなどに応じて、適宜設定すればよい。
【００４４】
仕切り部６６は、上記した互いに平行に配設されたヒータ６０の間において、ヒータ６０に平行に設けられ、加熱用セル２０の内部の空間を部分的に仕切り、内部を流れるガスを導くための構造である。具体的には、本実施例では、ヒータ６０ｂとヒータ６０ｃとの間に、仕切り部６６ａが設けられており、ヒータ６０ｄとヒータ６０ｅとの間に、仕切り部６６ｂが設けられている。
【００４５】
上記のように構成された加熱用セル２０に対して、燃焼用ガス分岐路５２を介して水素含有ガスが供給されると共に、酸化ガス分岐路５６を介して空気が供給されると、上記水素含有ガスおよび空気は混合されて混合ガスとなる。そして、混合ガスは、加熱用セル２０内に形成される空間である燃焼用ガス流路６２を、燃焼ガス排出路５８に向かって流れる。このとき、上記混合ガスは、まず、加熱用セル２０の内壁面と仕切り部６６ａとに導かれて、ヒータ６０ａ，６０ｂが配設された空間内を通過する。その後、上記混合ガスは、加熱用セル２０の内壁面に当接して流れの向きを１８０°変え、仕切り部６６ａと仕切り部６６ｂとに導かれて、ヒータ６０ｃ、６０ｄが配設された空間内を通過する。そして、上記混合ガスは、加熱用セル２０の内壁面に当接して流れの向きをもう一度１８０°変え、仕切り部６６ｂと加熱用セル２０の内壁面とに導かれて、ヒータ６０ｅ，６０ｆが配設された空間内を通過して、燃焼ガス排出路５８へと排出される。このように、上記混合ガスが燃焼用ガス流路６２内を流れる際には、ヒータ６０上に担持された燃焼触媒では、混合ガス中の水素および酸素を利用して、燃焼反応が進行する。なお、混合ガスが、加熱用セル２０の内壁面に当接して流れの向きを変える様子を、図５中に矢印で示す。
【００４６】
また、図３ないし図５に示した加熱用セル２０には、燃焼用ガス分岐路５２および酸化ガス分岐路５６が別々に接続されているが、予め燃焼用ガス分岐路５２と酸化ガス分岐路５６とを合流させて、加熱用セル２０に接続しても良い。この場合には、水素含有ガスと空気とを予め混合させた状態で、加熱用セル２０に供給することができる。
【００４７】
Ｃ．低温起動時の動作：
図６は、本実施例の燃料電池システム１０の起動時に進行する起動時処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、燃料電池システム１０において、使用者から起動スイッチ３７を介してシステム起動の指示が入力されたときに、制御部３６において実行される。本ルーチンが起動されると、制御部３６は、外気温センサ３８から外気温に係る情報を取得する（ステップＳ１００）。次に制御部３６は、取得した外気温と所定の基準値Ｔ1とを比較する（ステップＳ１１０）。
【００４８】
このステップＳ１１０で用いる基準値Ｔ1は、このまま燃料電池１５における発電を開始すると、燃料電池１５を構成する単セル４０の触媒電極層において、電気化学反応の進行に伴って生じた生成水が凍結する可能性がある温度として予め設定された温度である。ここで、一般に燃料電池システム１０の起動時には、燃料電池１５を始めとする燃料電池システム１０を構成する各部分は外気温と略等しい温度となっている。このような状態で燃料電池１５の発電を開始すると、発電に伴って熱が生じることにより燃料電池１５の内部は昇温し始める。しかしながら、燃料電池１５の両端部には、熱容量の大きなエンドプレート２４が配設されているため、起動時の外気温が低い場合には、積層体２２の両端部近傍に設けられた単セル４０では、発電に伴って生じた熱がエンドプレート２４によって吸収されてしまう。したがって、積層体２２の両端部近傍の単セル４０は、発電を開始しても昇温し難い状態となる。このときに、外気温が低く、積層体２２の両端部近傍の単セル４０の温度が０℃以上に昇温することができなければ、積層体２２の両端部近傍の単セル４０では、発電の開始と共に生じた生成水が、触媒電極層上で凍結してしまうことになる。触媒電極層上で生成水が凍結すると、触媒電極層を構成する触媒に対してガスが供給されなくなり、凍結した部分では良好に電気化学反応を進行することができなくなる。ステップＳ１１０で用いる基準値Ｔ1は、燃料電池１５の発電を開始した場合に燃料電池１５内部で生成水が凍結する可能性があるか否かを判断するために設けられた温度である。なお、この基準値Ｔ1は、エンドプレート２４の熱容量などに応じて適宜設定すればよい。
【００４９】
ステップＳ１１０において、外気温が基準値Ｔ1未満であると判断されると、制御部３６は、スイッチ３５に対して駆動信号を出力して、スイッチ３５を閉状態にする（ステップＳ１２０）。これにより、２次電池３４からヒータ６０に対する電力供給が開始されて、ヒータ６０が発熱し始める。
【００５０】
また、制御部３６は、バルブ３１，３３に対して駆動信号を出力してこれらのバルブを開状態にすると共に、燃料ガス供給部３０およびブロワ３２に対して駆動信号を出力して、燃料電池１５に対する水素含有ガスおよび空気の供給を開始させる（ステップＳ１３０）。これにより、燃料ガス供給部３０から供給される水素含有ガスは、燃料ガス流路５０を介して燃料電池１５を構成する各単セル４０のアノードに供給されると共に、燃焼用ガス導入路５１を介して、加熱用セル２０内の燃焼用ガス流路６２内に供給される。また、ブロワ３２から供給される空気は、空気ガス流路５４を介して燃料電池１５を構成する各単セル４０のカソードに供給されると共に、酸化ガス導入路５５を介して、加熱用セル２０内の燃焼用ガス流路６２内に供給される。このように、燃料ガスおよび酸化ガスが各単セル４０へと供給されることで、燃料電池１５では発電が開始される。また、水素含有ガスおよび空気が燃焼用ガス流路６２へと供給されることで、これらのガス中の水素および酸素を用いて、ヒータ６０上に担持された燃焼触媒では、燃焼反応が開始される。このように、加熱用セル２０内で、ヒータ６０が発熱すると共に燃焼反応が進行することで、積層体２２の両端部およびエンドプレート２４が温められる。
【００５１】
その後、制御部３６は、積層体２２の両端部の単セルの温度を検出する温度センサ３９から検出信号を取得して、取得した端部セルの温度と所定の基準値Ｔ2とを比較する（ステップＳ１４０）。このステップＳ１４０で用いる基準値Ｔ2は、積層体２２の端部温度が充分に昇温しており、ヒータ６０や燃焼反応による加熱を行わなくても、積層体２２の両端部の単セルにおいて、発電に伴って生じた生成水が凍結するおそれがないと判断するために予め設定された温度である。基準値Ｔ2は、例えば０℃とすることができる。
【００５２】
ステップＳ１４０において、端部セルの温度が基準値Ｔ2以上であると判断されると、制御部３６は、バルブ３１，３３に対して駆動信号を出力してこれらのバルブを閉状態にすると共に、スイッチ３５に対して駆動信号を出力して、これを開状態にして（ステップＳ１５０）、本ルーチンを終了する。バルブ３１，３３が閉じられることで、加熱用セル２０内の燃焼用ガス流路６２に対する水素含有ガスおよび空気の供給が停止されるため、燃焼触媒上での燃焼反応が停止される。また、スイッチ３５における接続が切断されることで、ヒータ６０に対する電力供給が停止され、ヒータ６０は発熱を停止する。ステップＳ１５０において、加熱用セル２０による加熱が停止された後は、燃料ガス供給部３０が供給する水素含有ガスおよびブロワ３２が供給する空気は、燃料電池１５における電気化学反応でのみ用いられることになる。
【００５３】
ステップＳ１４０において、端部セルの温度が基準値Ｔ2未満であると判断されたときには制御部３６は、端部セルの温度が基準値Ｔ2以上となるまで、端部セルの温度を取得して基準値Ｔ2と比較する動作を繰り返す。
【００５４】
また、ステップＳ１１０において、外気温が基準値Ｔ1以上であると判断されたときには、制御部３６は、燃料ガス供給部３０およびブロワ３２に対して駆動信号を出力して、燃料電池１５に対する水素含有ガスおよび空気の供給を開始させ（ステップＳ１６０）、本ルーチンを終了する。ここで、システム起動時にはバルブ３１，３３は閉状態となっているため、水素含有ガスおよび空気は、加熱用セル２０内の燃焼用ガス流路６２に供給されることはない。したがって、燃料ガス供給部３０から供給される水素含有ガス及びブロワ３２から供給される空気は、電気化学反応でのみ利用されて、発電が開始される。また、システム起動時にはスイッチ３５は開状態となっているため、ヒータ６０に対して２次電池３４から電力供給されることはない。
【００５５】
なお、燃料電池１５の発電中に起動スイッチ３７がオフにされてシステム停止が指示されると、燃料電池１５に対する燃料ガスおよび酸化ガスの供給が停止されるが、本実施例の燃料電池システム１０では、ガス供給の停止の際に、単セル内ガス流路からの排水を行っている。具体的には、例えば発電に伴って水が生じる酸化ガス流路側では、充分に高い圧力の空気をブロワ３２から各単セル内部に供給して、単セル内の酸化ガスが流れる流路から水を排出させている。なお、このような排水の動作は、燃料電池１５の内部温度が充分に高く、内部の飽和蒸気圧が充分に高い間に行うことが望ましい。これにより、より充分に単セル内から水を排出することができる。このように、本実施例の燃料電池システム１０では、発電停止時に燃料電池１５内部から水を排出させる動作を行うことで、システム停止中に外気温が低下することによる燃料電池１５内部での水の凍結を防止している。
【００５６】
以上のように構成された本実施例の燃料電池システム１０によれば、積層体２２とエンドプレート２４との間に、燃焼触媒を担持したヒータ６０を備えているため、低温起動時、すなわち、外気温が０℃に達していない低温条件下で燃料電池の発電を開始する際には、ヒータ６０による発熱と燃焼反応による発熱との両方を利用して、積層体２２およびエンドプレートを加熱し、速やかに燃料電池１５を昇温させることができる。
【００５７】
また、本実施例の燃料電池システム１０によれば、燃料電池１５の発電を開始する際には、上記低温条件下であっても、ヒータ６０による発熱が行なわれることにより、燃焼反応で生じた水が凍結してしまうことがない。そのため、燃焼触媒表面が氷で覆われて燃焼反応が阻害されることがなく、加熱セル２０による積層体の加熱を良好に継続することができる。これにより、低温条件下であっても、燃料電池において発電を開始したときに、発電に伴って触媒電極層で生じた水が凍結して電気化学反応を妨げることがない。したがって、電気化学反応を良好に継続させて、燃料電池１５の起動性を向上させることができる。
【００５８】
ここで、積層体２２が発電により発熱する時には、生じた熱は積層体２２に隣接する部材へと伝えられる。したがって、積層体２２とエンドプレートとが接している場合には、上記低温条件下では、電気化学反応で生じた熱はエンドプレートによって吸収されてしまい、積層体２２は、昇温し難い状態になる。しかしながら本実施例では、凍結が生じることなく燃焼反応が進行する加熱用セル２０によって積層体１５が積極的に加熱されるため、積層体２２内部を０℃以上に維持することができ、燃料電池の起動性を向上させることができる。
【００５９】
また、本実施例において、積層体２２とエンドプレート２４との間に配設した加熱用セル２０は、内部に薄い波板状のヒータを備える中空の部材であるため、エンドプレート２４に比べてはるかに熱容量が小さい。したがって、加熱用セル２０を配設することにより、積層体に直接エンドプレート２４を隣接させる場合に比べて、低温起動時に積層体から奪われる熱量を削減することができる。そのため、加熱用セル２０を設けることによって、加熱用セル２０による加熱を停止した後にも、積層体２２の昇温をより速める効果を得ることができる。また、ステップＳ１１０において外気温が基準値Ｔ1以上であると判断されて、起動時に加熱用セル２０による加熱を行わない場合であっても、発電によって生じた熱が積層体２２の端部から奪われる程度を抑え、より速やかに燃料電池１５を昇温させることができる。
【００６０】
Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００６１】
Ｄ１．変形例１：
実施例では、ステップＳ１４０において、端部セルの温度が充分に昇温したか否かの判断をするために、温度センサ３９を用いて端部セルの温度を直接検出しているが、異なる構成としても良い。例えば、起動時の外気温に応じて、端部セルが充分に昇温するのに要する温度を予め記憶しておき、加熱用セル２０による加熱を開始してからの経過時間と比較することによって、上記判断を行なっても良い。
【００６２】
Ｄ２．変形例２：
また、実施例では、ステップＳ１３０において、加熱用セル２０に対するガス供給と、燃料電池１５に対する燃料ガス及び酸化ガスの供給とを同時に開始しているが、異なる構成としても良い。例えば、加熱用セル２０に対するガス供給を先に開始して、積層体２２を加熱し始めてから、燃料電池１５に対する燃料ガス及び酸化ガスの供給を開始しても良い。このような構成とすれば、発電開始時における電気化学反応の活性をより高くすることができる。
【００６３】
Ｄ３．変形例３：
実施例では、ステップＳ１５０において、加熱用セル２０内の燃焼用ガス流路６２に対するガス供給と、ヒータ６０に対する電力供給とを、同時に停止しているが、いずれかを先に停止しても良い。たとえば、加熱用セル２０内にも温度センサを設けておき、燃焼反応で生じた水が凍結するおそれがない程度に加熱用セル２０が昇温したと判断された時にヒータ６０への電力供給を停止し、その後、端部セル温度が基準値Ｔ2以上になったときに、燃焼用ガス流路６２に対するガス供給を停止することができる。
【００６４】
Ｄ４．変形例４：
また、実施例では、ヒータ６０の電源として２次電池３４を用いているが、他の電源を用いても良い。例えば、燃料電池システム１０の起動時に、燃料電池１５が発電した電力を用いて、ヒータ６０による加熱を行なうこととしても良い。
【００６５】
Ｄ５．変形例５：
また、実施例では、電気化学反応に供する燃料ガス及び酸化ガスと同じガスを、加熱用セル２０の燃焼用ガス流路６２に対して供給しているが、異なる構成としても良い。ただし、低温時に燃焼触媒上でより高い効率で燃焼反応を進行させるためには、水素を含有するガスを用いることが望ましい。例えば、燃料ガス供給部３０から供給される水素含有ガスに代えて、燃料電池１５から排出されるアノードオフガスを用いることができる。このような構成とすれば、消費される水素量を削減して、システム全体のエネルギ効率を向上させることができる。また、ブロワ３２から供給される空気に代えて、燃料電池１５から排出されるカソードオフガスを用いることができる。このような構成とすれば、ブロワ３２における消費電力を削減することができる。
【００６６】
Ｄ６．変形例６：
実施例では、積層体２２の両方の端部に加熱用セル２０を配設したが、燃料電池１５の設置場所の環境に応じて、いずれか一方だけに配設することとしても良い。例えば、燃料電池１５の一方の端部が、燃料電池１５の起動に先立って昇温される改質器近傍に配置されることにより、外気温が０℃未満であっても、上記一方の端部近傍の単セル４０の内部温度が０℃以下にならないと考えられる場合には、他方の端部にのみ加熱用セル２０を設けることとしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】実施例の燃料電池システムの概略構成を現わすブロック図である。
【図２】実施例の燃料電池の概略構成を表す断面模式図である。
【図３】加熱用セルの概略構成を表す平面図である。
【図４】加熱用セルの概略構成を表す断面図である。
【図５】加熱用セルの内部構成の概略を表わす斜視図である。
【図６】起動時処理ルーチンを表すフローチャートである。
【符号の説明】
【００６８】
１０…燃料電池システム
１５…燃料電池
１７…積層体
２０…加熱用セル
２２…積層体
２４…エンドプレート
３０…燃料ガス供給部
３１，３３…バルブ
３２…ブロワ
３５…スイッチ
３６…制御部
３７…起動スイッチ
３８…外気温センサ
３９…温度センサ
４０…単セル
４１…ＭＥＧＡ
４２…触媒電極層を備えた電解質膜
４３，４４…ガス拡散層
５０…燃料ガス流路
５１…燃焼用ガス導入路
５２，５３…燃焼用ガス分岐路
５４…空気ガス流路
５５…酸化ガス導入路
５６，５７…酸化ガス分岐路
５８…燃焼ガス排出路
６０，６０ａ〜６０ｆ…ヒータ
６１…ヒータ端子
６２…燃焼用ガス流路
６３，６３ａ〜６３ｅ…接続部
６４…導電部
６６，６６ａ，６６ｂ…仕切り部
７０…アノード側セパレータ
７１…カソード側セパレータ
７２…単セル内燃料ガス流路
７３…単セル内酸化ガス流路
７４…冷媒流路
【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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