(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素イオン透過性の固体高分子電解質膜と、この固体高分子電解質膜を狭持する電極と、この電極に発電に供せられるガスを接するように流通させる流路を形成したセパレータとからなる燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
前記流路は、ガスが流入する第１導入口とガスが排出する第１排出口とを備えた流路断面積の大きな大流路と、この大流路の流路途中に連通し、大流路の流路断面積より小さい流路断面積で形成される小流路とからなり、
前記小流路は、ガスが流入する第２導入口またはガスが排出される第２排出口とを備え、
前記大流路と前記小流路へのガスの流量を制御し、発電領域を制御する第１制御弁を設け、
燃料電池の温度に応じて前記第１制御弁を制御し、氷点下からの燃料電池システムの起動時に、前記大流路にガスを流通させて大流路域で発電を生じさせ、発電に伴う熱により燃料電池を解凍及び昇温し、燃料電池が所定温度以上の時に前記小流路にガスを流通させ、小流路域で発電することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
水素イオン透過性の固体高分子電解質膜と、
この固体高分子電解質膜を狭持する電極と、
この電極に発電に供せられるガスを接するように流通させる流路を形成したセパレータとからなる燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
前記流路は、ガスが流入する第１導入口とガスが排出する第１排出口とを備えた流路断面積の大きな大流路と、この大流路の流路途中に連通し、大流路の流路断面積より小さい流路断面積で形成される小流路とからなり、
前記小流路は、ガスが流入する第２導入口またはガスが排出される第２排出口とを備え、
前記大流路と前記小流路へのそれぞれのガスの流量を制御し、発電領域を制御する第１制御弁を設け、
燃料電池の温度に応じて前記第１制御弁を制御し、氷点下からの燃料電池システムの起動時に、前記大流路にガスを流通させて大流路域で発電を生じさせ、発電に伴う熱により燃料電池を解凍及び昇温し、燃料電池が所定温度以上の時に前記小流路にガスを流通させ、小流路域で発電することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
前記小流路は、前記大流路から前記ガスが導入されるように連通されるとともに前記第２排出口を備え、
前記第１制御弁は、前記大流路の第１排出口下流に設けられることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記小流路は、前記第２導入口を備えるとともに前記大流路に前記ガスを導入するように連通し、
前記第１制御弁は、前記大流路の第１導入口上流に設けられることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
水素イオン透過性の固体高分子電解質膜と、
この固体高分子電解質膜を狭持する電極と、
この電極に発電に供せられるガスを接するように流通させる流路を形成したセパレータとからなる燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
前記流路は、流路断面積の大きな大流路と、この大流路の流路途中で連通し、前記大流路の流路断面積より小さい流路断面積で形成される小流路とからなるとともに、前記流路は、複数の前記大流路とこれら大流路間を連通する前記小流路とから構成され、
少なくとも前記大流路の１つは、ガスが流入する第３導入口とガスが排出される第３排出口とを備え、他の前記大流路は、ガスが排出される第４排出口を備え、
前記第３導入口と第３排出口とを備えた前記大流路の下流にガスの流量を制御する第１制御弁を設け、
燃料電池の温度に応じて前記第１制御弁を制御し、氷点下からの燃料電池システムの起動時に、前記大流路にガスを流通させて大流路域で発電を生じさせ、発電に伴う熱により燃料電池を解凍及び昇温し、燃料電池が所定温度以上の時に前記小流路にガスを流通させ、小流路域で発電することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
前記大流路を前記電極面の内側に配置し、その両側に前記小流路を形成したことを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記小流路のガス流量を制御する第２制御弁を備えることを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記固体高分子電解質膜に対峙する２つの電極のそれぞれの電極側でガス流れ方向が逆向きであることを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記小流路のガス流れ方向に対して上流部と下流部に前記大流路を形成し、小流路の上流部と下流部で大流路と連通したことを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記第１、第２制御弁を制御するコントローラを備え、
このコントローラは、
前記第１制御弁を開放し、大流路に直接ガスを導入かつ排出する経路を構成するステップと、
前記第２制御弁を閉じて小流路のガス流入を遮蔽するステップと、
前記大流路にガスを供給するステップと、
燃料電池の温度を検出するステップと、
検出温度と燃料電池の発電と温度との特性に基づいて設定された設定温度を比較するステップと、
検出温度が設定温度以上のときにガスを小流路に供給するように第１、第２制御弁を制御するステップとからなるプログラムを記憶したことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記第１、第２制御弁を制御するコントローラを備え、
このコントローラは、
前記第１制御弁を開放し・大流路に直接ガスを導入かつ排出する経路を構成するステップと、
前記第２制御弁を閉じて小流路のガス流入を遮蔽するステップと、
前記大流路にガスを供給するステップと、
燃料電池の温度を検出するステップと、
検出温度と燃料電池の発電と温度との特性に基づいて設定された設定温度を比較するステップと、
検出温度が設定温度以上のときに固体高分子電解質膜に対峙する２つの電極のそれぞれの電極側でガス流れ方向を逆向きとしてガスを小流路に供給するステップとからなるプログラムを記憶したことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記コントローラは、
前記燃料電池からの電力の供給を停止するステップと、
電力供給停止後小流路にガスを供給するステップと、
小流路へのガスの供給を停止し、大流路へ直接ガスを供給し、排出されるように第１、２制御弁を制御するステップと、
大流路へのガスを停止するステップとからなるプログラムを記憶したことを特徴とする請求項７または１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
発電のために供給されるガスの一部は、低湿度状態で供給されることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
発電のために供給されるガスの一部は、外部で加湿されることなく供給されることを特徴とする請求項１から１３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
水素イオン透過性の固体高分子電解質膜と、
この固体高分子電解質膜を狭持する電極と、
この電極に発電に供せられるガスを接するように流通させる流路を形成したセパレータとからなる燃料電池を備えた燃料電池車両において、
セパレータに形成されたガスが流通する流路は、ガスが流入してから排出されるまでを通じて流路断面積の大きな大流路と、この大流路に連通する大流路の断面積より小さい断面積で形成される小流路とからなり、
大流路と小流路には、それぞれの流路の流量を制御する第１、第２制御弁が設けられ、燃料電池の温度に応じて第１、第２制御弁を制御し、氷点下からの燃料電池システムの起動時に、大流路にガスを流通させて大流路域で発電を生じさせ、発電に伴う熱により燃料電池を解凍及び昇温し、燃料電池が所定温度以上の時に小流路にガスを流通させ、小流路域で発電することを特徴とする燃料電池車両。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子電解質型燃料電池を備える固体高分子電解質型燃料電池発電システムに係り、特に寒冷地での使用を可能にする始動性向上の技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、燃料電池は、反応ガスである水素などの燃料ガスと空気などの酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。この燃料電池は、電解質の違いなどによりさまざまなタイプのものに分類されるが、その一つとして、電解質に固体高分子電解質を用いる固体高分子電解質型燃料電池が知られている。
【０００３】
このときの燃料極、酸化剤極の両電極において進行する電極反応は、以下の反応式の通りである。
【０００４】
燃料（アノード）極    ：      ２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−          …(１)
酸化剤（カソード）極  ：      ４Ｈ＋＋４ｅ−＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ    …(２)
そして、燃料極に水素ガスが供給されると、燃料極では(１)の反応式が進行して水素イオンが生成する。この生成した水素イオンが水和状態で固体高分子電解質膜を透過（拡散）して酸化剤極に至り、この酸化剤極に供給される酸素含有ガス、例えば空気中の酸素を伴って、(２)の反応式が進行する。この(１)、(２)の電極反応が各極で進行することで、燃料電池は起電力を生じることとなる。
【０００５】
この燃料電池での発電では、燃料の持つ化学エネルギーのうち電気エネルギーに変換できない分を熱として放出する。当該反応を円滑に進行させるため放出された熱を冷却する必要があるが、自然冷却だけでは冷却力が小さいので、循環する冷却水で強制的に燃料電池を冷却することが広く行われている(例えば、特開平５−１９０１９３号公報)。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
固体高分子電解質型燃料電池においては、高分子電解質膜のプロトン導電性が反応ガスの湿度に著しく依存するので、反応ガスの湿度が低すぎると、高分子電解質膜が乾燥して膜抵抗が増大し、燃料電池発電特性の低下を引き起こすこととなる。このため、一般的には電極の湿潤状態を適切に保持するために、反応ガスを加湿器等の加湿手段により加湿して供給する方式が検討されている。しかし、ガス流路や膜電極接合体付近の水分量が多くなると、凝縮した水が電極や拡散層の細孔に浸透する、いわゆる“電極の濡れ＝フラッディング“が生じ、ガス拡散性が低下して発電特性の低下を引き起こす恐れがある。
【０００７】
また、上記の式（２）に示されるように、カソード極では発電に際して水が生成するため、更にフラッディングが生じやすく、“電極の濡れ＝フラッディング”を発生させないための制御も必要となる。
【０００８】
このため、反応ガスを加湿しないで固体高分子電解質形燃料電池を運転する無加湿運転が試みられており、例えば高分子電解質膜を薄膜化する方法、あるいはアノードとカソードに供給する反応ガスを互いに反対方向に流通させる、いわゆる対向流とする方法等が試みられている（たとえば特開２００１−１８５１７２号公報や特開２００１−６６９８号公報）。
しかしながら、供給するガスへの外部からの加湿をいくら抑制しても、式（２）に見られるように上記の反応においてはカソード極で水が生成するので、燃料電池の運転停止時にはガス流路内に気液混合物が残存することとなる。冬期の寒冷地等のような低温となる場所で使用した場合、この残存する水が運転停止中に凍結することがあるので、次の起動の際にはこれらの凍結物がガスの流通の妨げとなり、速やかに燃料電池システムを起動することが困難になる。特に、高分子電解質形燃料電池の発電効率が望ましい６０℃〜９０℃の運転温度へ急速に上げることは困難であった。
【０００９】
このため、寒冷地での停止した燃料電池の運転始動においては、燃料電池を所定の温度まで暖める試みが多くなされている（たとえば、電気ヒーターで加温を行う方法（特開平７−２９５８５）、バーナーを用いる方法（特開平８−１６２１３７）など）。
【００１０】
ところが、燃料電池を外部から暖める場合は、加温に必要な手段を別に備えることを必要とするため燃料電池システムが大きくなってしまい、例えば空間の限られた燃料電池自動車へ搭載するレイアウトに制限を及ぼしてしまう。
【００１１】
このため、外部に加温装置を備えずに燃料電池を加温する方法として、低温時から燃料電池の運転を行って、自己発電で発生する熱を利用する試みもなされている（ＦＹ２０００  Ｐｒｏｇｒｅｓｓ  Ｒｅｐｏｒｔ  Ｐ．８５  “Ｃｏｌｄ−Ｓｔａｒｔ  Ｄｙｎａｍｉｃｓ  ｏｆ  ａ  ＰＥＭ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔａｃｋ．”）。
【００１２】
しかしながら、氷点下以下での燃料電池の発電を試みる場合、式（２）に記したように稼動時にはカソードで水が発生するため、この生成水がガス流路で凍結してガス流通を妨げてしまい、結果として発電を困難にしてしまうことがある。
【００１３】
本発明は、上記の如き現状の課題を考慮してなされたもので、その目的は、寒冷地で使用したとしても速やかに起動することができる燃料電池システムを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、水素イオン透過性の固体高分子電解質膜と、この固体高分子電解質膜を狭持する電極と、この電極に発電に供せられるガスを接するように流通させる流路を形成したセパレータとからなる燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、前記流路は、ガスが流入する第１導入口とガスが排出する第１排出口とを備えた流路断面積の大きな大流路と、この大流路の流路途中に連通し、大流路の流路断面積より小さい流路断面積で形成される小流路とからなり、前記小流路は、ガスが流入する第２導入口またはガスが排出される第２排出口とを備え、前記大流路と前記小流路へのガスの流量を制御し、発電領域を制御する第１制御弁を設け、燃料電池の温度に応じて前記第１制御弁を制御し、氷点下からの燃料電池システムの起動時に、前記大流路にガスを流通させて大流路域で発電を生じさせ、発電に伴う熱により燃料電池を解凍及び昇温し、燃料電池が所定温度以上の時に前記小流路にガスを流通させ、小流路域で発電する。
【００１５】
第２の発明は、水素イオン透過性の固体高分子電解質膜と、この固体高分子電解質膜を狭持する電極と、この電極に発電に供せられるガスを接するように流通させる流路を形成したセパレータとからなる燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、前記流路は、ガスが流入する第１導入口とガスが排出する第１排出口とを備えた流路断面積の大きな大流路と、この大流路の流路途中に連通し、大流路の流路断面積より小さい流路断面積で形成される小流路とからなり、前記小流路は、ガスが流入する第２導入口またはガスが排出される第２排出口とを備え、前記大流路と前記小流路へのそれぞれのガスの流量を制御し、発電領域を制御する第１制御弁を設け、燃料電池の温度に応じて前記第１制御弁を制御し、氷点下からの燃料電池システムの起動時に、前記大流路にガスを流通させて大流路域で発電を生じさせ、発電に伴う熱により燃料電池を解凍及び昇温し、燃料電池が所定温度以上の時に前記小流路にガスを流通させ、小流路域で発電する。
【００１６】
第３の発明は、第１または２の発明において、前記小流路は、前記大流路から前記ガスが導入されるように連通されるとともに前記第２排出口を備え、前記第１制御弁は、前記大流路の第１排出口下流に設けられる。
【００１７】
第４の発明は、第１または２の発明において、前記小流路は、前記第２導入口を備えるとともに前記大流路に前記ガスを導入するように連通し、前記第１制御弁は、前記大流路の第１導入口上流に設けられる。
【００１８】
第５の発明は、水素イオン透過性の固体高分子電解質膜と、この固体高分子電解質膜を狭持する電極と、この電極に発電に供せられるガスを接するように流通させる流路を形成したセパレータとからなる燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、前記流路は、流路断面積の大きな大流路と、この大流路の流路途中で連通し、前記大流路の流路断面積より小さい流路断面積で形成される小流路とからなるとともに、前記流路は、複数の前記大流路とこれら大流路間を連通する前記小流路とから構成され、少なくとも前記大流路の１つは、ガスが流入する第３導入口とガスが排出される第３排出口とを備え、他の前記大流路は、ガスが排出される第４排出口を備え、前記第３導入口と第３排出口とを備えた前記大流路の下流にガスの流量を制御する第１制御弁を設け、燃料電池の温度に応じて前記第１制御弁を制御し、氷点下からの燃料電池システムの起動時に、前記大流路にガスを流通させて大流路域で発電を生じさせ、発電に伴う熱により燃料電池を解凍及び昇温し、燃料電池が所定温度以上の時に前記小流路にガスを流通させ、小流路域で発電する。
【００２３】
第６の発明は、第１から５のいずれか一つの発明において、前記大流路を前記電極面の内側に配置し、その両側に前記小流路を形成した。
【００２４】
第７の発明は、第１から６のいずれか一つの発明において、前記小流路のガス流量を制御する第２制御弁を備える。
【００２５】
第８の発明は、第１から７のいずれか一つの発明において、前記固体高分子電解質膜に対峙する２つの電極のそれぞれの電極側でガス流れ方向が逆向きである。
【００２６】
第９の発明は、第１から８のいずれか一つの発明において、前記小流路のガス流れ方向に対して上流部と下流部に前記大流路を形成し、小流路の上流部と下流部で大流路と連通した。
【００２７】
第１０の発明は、第７の発明において、前記第１、第２制御弁を制御するコントローラを備え、このコントローラは、前記第１制御弁を開放し、大流路に直接ガスを導入かつ排出する経路を構成するステップと、前記第２制御弁を閉じて小流路のガス流入を遮蔽するステップと、前記大流路にガスを供給するステップと、燃料電池の温度を検出するステップと、検出温度と燃料電池の発電と温度との特性に基づいて設定された設定温度を比較するステップと、検出温度が設定温度以上のときにガスを小流路に供給するように第１、第２制御弁を制御するステップとからなるプログラムを記憶したことを特徴とする。
【００２８】
第１１の発明は、第７の発明において、前記第１、第２制御弁を制御するコントローラを備え、このコントローラは、前記第１制御弁を開放し、大流路に直接ガスを導入かつ排出する経路を構成するステップと、前記第２制御弁を閉じて小流路のガス流入を遮蔽するステップと、前記大流路にガスを供給するステップと、燃料電池の温度を検出するステップと、検出温度と燃料電池の発電と温度との特性に基づいて設定された設定温度を比較するステップと、検出温度が設定温度以上のときに固体高分子電解質膜に対峙する２つの電極のそれぞれの電極側でガス流れ方向を逆向きとしてガスを小流路に供給するステップとからなるプログラムを記憶したことを特徴とする。
【００２９】
第１２の発明は、第７から１１のいずれか一つの発明において、前記コントローラは、前記燃料電池からの電力の供給を停止するステップと、電力供給停止後小流路にガスを供給するステップと、小流路へのガスの供給を停止し、大流路へ直接ガスを供給し、排出されるように第１、２制御弁を制御するステップと、大流路へのガスを停止するステップとからなるプログラムを記憶したことを特徴とする。
【００３１】
第１３の発明は、第１から１２のいずれか一つの発明において、発電のために供給されるガスの一部は、低湿度状態で供給されることを特徴とする。
【００３２】
第１４の発明は、第１から１３のいずれか一つの発明において、発電のために供給されるガスの一部は、外部で加湿されることなく供給されることを特徴とする。
【００３３】
第１５の発明は、水素イオン透過性の固体高分子電解質膜と、この固体高分子電解質膜を狭持する電極と、この電極に発電に供せられるガスを接するように流通させる流路を形成したセパレータとからなる燃料電池を備えた燃料電池車両において、セパレータに形成されたガスが流通する流路は、ガスが流入してから排出されるまでを通じて流路断面積の大きな大流路と、この大流路に連通する大流路の断面積より小さい断面積で形成される小流路とからなり、大流路と小流路には、それぞれの流路の流量を制御する第１、第２制御弁が設けられ、燃料電池の温度に応じて第１、第２制御弁を制御し、氷点下からの燃料電池システムの起動時に、大流路にガスを流通させて大流路域で発電を生じさせ、発電に伴う熱により燃料電池を解凍及び昇温し、燃料電池が所定温度以上の時に小流路にガスを流通させ、小流路域で発電する。
【００３４】
【発明の効果】
第１または２の発明は、ガスが流入してから排出されるまでを通して流路断面積が大きな流路（大流路）をセパレータに構成したので、流路内の水分が凍結するような低温度においても流路の閉塞を大流路によって避けることができる。従って低温環境においても大流路による発電を継続することができ、自己発熱による燃料電池の昇温を確実に得られるようになる。一方、凍結の恐れがない温度においては発電に適した効率の良い流路断面を持つ流路（小流路）を使って発電することができる。
また大流路と前記小流路へのガスの流量を制御する第１制御弁を備えたので、燃料電池が暖機された後、大流路から直接排出されるガスを遮断あるいは減少させて小流路のガス利用率を高めることができる。また昇温中においても大流路に直接導入かつ排出されるガス量の制御により大流路と小流路のガス分配を適正化することができる。
また、燃料電池の温度に応じて第１制御弁を制御し、氷点下からの燃料電池システムの起動時に、氷点下状態でもガスの流通可能な断面積を有する大流路にガスを流通させて大流路域で発電を生じさせ、発電に伴う熱により燃料電池を解凍および昇温し、燃料電池が所定温度以上の通常運転時に小流路にガスを流通させ、小流路域で発電する。したがって、氷点下時においては大流路域での発電が可能であり、この発電時に生じる熱により小流路等燃料電池内を解凍および昇温でき、燃料電池が所定温度となったときに小流路での発電が可能と判断してガスを小流路に流通させて、小流路域での発電を開始し、解凍と昇温を促進し、燃料電池の起動性を向上できる。この燃料電池を車両に搭載することで、外部からの加温手段を用いることなく、継続的に安定して運転することが可能となる。
【００３５】
第３の発明では、小流路は、大流路からガスが導入されるように連通されるとともに第２排出口を備え、第１制御弁は、大流路の第１排出口下流に設けられるので、小流路が閉塞している場合には第１制御弁を開き、大流路のみで発電し発電による熱で小流路内を解氷することができる。
【００３６】
第４の発明では、小流路は、第２導入口を備えるとともに大流路に前記ガスを導入するように連通し、第１制御弁は、大流路の第１導入口上流に設けられるので、小流路が閉塞している場合には第１制御弁を開き、大流路のみで発電し発電による熱で小流路内を解氷することができる。
【００３７】
第５の発明では、流路は、流路断面積の大きな大流路と、この大流路の流路途中で連通し、大流路の流路断面積より小さい流路断面積で形成される小流路とからなるとともに、流路は、複数の大流路とこれら大流路間を連通する小流路とから構成され、少なくとも大流路の１つは、ガスが流入する第３導入口とガスが排出される第３排出口とを備え、他の大流路は、ガスが排出される第４排出口を備え、第３導入口と第３排出口とを備えた大流路の下流にガスの流量を制御する第１制御弁を設けたので、第３導入口と第３排出口を備えた大流路で生じた熱を逃すことなく、より効率よく小流路の加熱に利用することができる。
また、燃料電池の温度に応じて第１制御弁を制御し、氷点下からの燃料電池システムの起動時に、氷点下状態でもガスの流通可能な断面積を有する大流路にガスを流通させて大流路域で発電を生じさせ、発電に伴う熱により燃料電池を解凍および昇温し、燃料電池が所定温度以上の通常運転時に小流路にガスを流通させ、小流路域で発電する。したがって、氷点下時においては大流路域での発電が可能であり、この発電時に生じる熱により小流路等燃料電池内を解凍および昇温でき、燃料電池が所定温度となったときに小流路での発電が可能と判断してガスを小流路に流通させて、小流路域での発電を開始し、解凍と昇温を促進し、燃料電池の起動性を向上できる。この燃料電池を車両に搭載することで、外部からの加温手段を用いることなく、継続的に安定して運転することが可能となる。
【００４２】
第６の発明は、大流路を電極面の内部に配置し、その両側に小流路を形成したので、大流路の発生する熱を外部に逃すことなく小流路を昇温することができる。
【００４３】
第７の発明は、小流路のガス流量を制御する第２制御弁を備えたので、低温起動時に小流路のガス流通を遮断して、ガス流通により生じる生成水が凍結して小流路が閉塞するのを防ぐことができる。
【００４４】
第８の発明は、固体高分子電解質膜に対峙する２つの電極のそれぞれの電極側でガス流れ方向が逆向きであるので、ガスの流れをいわゆる、対向流とすることができる。したがって、ガスの加湿量が抑制された、または外部からの加湿が供給されない状態でも燃料電池が安定して運転される。
【００４５】
第９の発明は、小流路のガス流れ方向に対して上流部と下流部に前記大流路を形成し、小流路の上流部と下流部で大流路と連通するようにしたので、ガスの流通方向を容易に切換選択できる。
【００４６】
第１０の発明は、第１制御弁を開放し、大流路に直接ガスを導入かつ排出する経路を構成するとともに、小流路へのガス流入を遮蔽し、大流路にガスを供給することで、大流路域での発電を開始し、流路の閉塞を起こすことなく燃料電池に発熱させることができる。続いて燃料電池の温度を検出し、検出温度と燃料電池の発電と温度との特性に基づいて設定された設定温度を比較し、検出温度が設定温度以上のときにガスを小流路に供給するように第１、第２制御弁を制御するので、燃料電池が設定温度以上であることで、小流路内をガスが流通可能であると判断し、確実に小流路域での発電を開始することができる。
【００４７】
第１１の発明は、燃料電池の検出温度が設定温度以上のときに固体高分子電解質膜に対峙する２つの電極のそれぞれの電極側でガス流れ方向を逆向きとしてガスを小流路に供給するように制御するので、流路の閉塞を伴うことなくガスを導入し、ガスの加湿量が抑制された、または外部からの加湿が供給されない状態でも発電を開始することができ、さらにいわゆる対向流とすることでガスの加湿量が抑制された、または外部からの加湿が供給されない状態でも燃料電池が安定して運転される。
【００４８】
第１２の発明は、燃料電池からの電力の供給を停止し、発電を止め、電力供給停止後小流路にガスを供給することで燃料電池が保持する電圧をガスの流通を行いながら低減し、安全に燃料電池を停止することができる。また小流路へのガスを流通を行うことで、発電によって生成した水を含有する電解質膜の乾燥を行うことができる。小流路へのガスの供給を停止し、大流路へ直接ガスを供給し、排出されるように第１、２制御弁を制御することで、大流路部分の電解質膜の乾燥を更に進めることができ、これにより次回の起動時の流路の凍結による閉塞を防止する。
【００５０】
第１３の発明は、発電のために供給されるガスの一部は、低湿度状態で供給されるので、ガスの加湿に必要な水分量を削減でき、車載性を向上できる。
【００５１】
第１４の発明は、発電のために供給されるガスの一部は、外部で加湿されることなく供給されるので、低温起動時においてもガスを加湿する加湿水の溶融ステップを経る必要がないため、燃料電池へのガスの流通を速やかに行うことができ、燃料電池システムの起動時間を短縮できる。さらに、燃料電池システムの小型化が可能となり、車載性を向上する。また加湿用の水を搭載する必要がないため、システムの軽量化に寄与する。
【００５２】
第１５の発明は、セパレータにガスが流入してから排出されるまでを通して流路断面積の大きな大流路と、この大流路に連通する大流路の断面積より小さい断面積で形成される小流路を形成し、大流路と小流路には、それぞれの流量を制御する第１、第２制御弁が設けられる。燃料電池の温度に応じて第１、第２制御弁を制御し、氷点下からの燃料電池システムの起動時に、氷点下状態でもガスの流通可能な断面積を有する大流路にガスを流通させて大流路域で発電を生じさせ、発電に伴う熱により燃料電池を解凍および昇温し、燃料電池が所定温度以上の通常運転時に小流路にガスを流通させ、小流路域で発電する。したがって、氷点下時においては大流路域での発電が可能であり、この発電時に生じる熱により小流路等燃料電池内を解凍および昇温でき、燃料電池が所定温度となったときに小流路での発電が可能と判断してガスを小流路に流通させて、小流路域での発電を開始し、解凍と昇温を促進し、燃料電池の起動性を向上できる。この燃料電池を車両に搭載することで、外部からの加温手段を用いることなく、継続的に安定して運転することが可能となる。
【００５３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池１００について、図面を参照しながら説明する。
【００５４】
図１は、本発明の燃料電池システムに用いた燃料電池１００の一実施形態の構成を示す図である。本発明の燃料電池１００は、固体高分子電解質型燃料電池を用いており、燃料電池１００を構成する積層構造体（ＭＥＡ）は、固体高分子電解質から構成される電解質膜１と、この電解質膜１を狭持するように配設され、電解質膜１との界面に触媒を担持した２つの電極、アノード極２とカソード極３とを有し、燃料電池１００は、このＭＥＡを隔壁としてのセパレータ４を介して積層上に形成して構成される。
【００５５】
電解質膜１は、プロトン伝導性を有するフッ素樹脂系の固体高分子材料からなり、２つの電極２、３は、触媒、例えば白金または白金と他の金属を担持したカーボン微粒子を塗布したカーボンペーパまたはカーボンクロスから構成される。セパレータ４は、ガス不透過性を有する緻密性カーボン材で構成され、少なくとの一面には燃料ガスや酸化性ガス、あるいは冷却媒体を流通する流路を形成するための多数のリブが形成される。アノード極２に供給された燃料ガスとカソード極３に供給された酸化剤ガスはそれぞれの流路を流通し、電気化学反応を生じて排出される。
【００５６】
図２は、燃料電池１００を用いて駆動される車両の構成を模式的に示したものである。燃料電池１００の各電極間に生じた起電力により外部負荷に電力が供給される。図２においては、タイヤ駆動用のモータ５０が外部負荷であり、モータ５０は回転力を生じてタイヤ６０を駆動する構成である。後に詳述するような低温時に起動可能な燃料電池を様々な環境に晒される車両に搭載することで、外部からの加湿手段を用いることなく、継続的に安定して運転することが可能となる。
【００５７】
図３は、第１の実施形態のカソード極３側セパレータ４の平面図であり、この図を用いて構成を説明する。なお、アノード極２側についても供給されるガスの種類が異なる点（酸化剤ガスに代わり燃料ガスが流通する）に起因する構成の違いを除いて同様の構成となる。
【００５８】
カソード極３側のセパレータ４は、前述したように平行に設けられた複数のリブによって形成された酸化剤ガスが流通する複数の小流路５と、それぞれの小流路５に連通する小流路より断面積の大きな入口側マニフォールド（大流路）６と出口側マニフォールド７を備える。入口側マニフォールド６は、酸化剤ガスを供給するガス導入口８、および酸化剤ガスが小流路５に流入することなく直接入口側マニフォールド６から排出される第１ガス排出口９とを備える。そして出口側マニフォールド７の酸化剤ガス流れ方向下流側には、小流路５を通過した酸化剤ガスが排出される第２排出口１０が設けられる。
【００５９】
燃料電池での発電を司る電解質膜１と各電極２、３は、セパレータ４の小流路５及び入口側マニフォールド６と対峙するように構成される。したがって、発電は小流路５の領域で生じるとともに、入口側マニフォールド６の領域でも生じさせることが可能である。
【００６０】
以上のように、入口側マニフォールド６と出口側マニフォールド７の断面積は、小流路５の断面積より大きく設定されており、このような構成によって、入口側マニフォールド６と出口側マニフォールド７は、断面積の小さな第１流路より凍結による閉塞が生じにくい。
【００６１】
さらに入口側マニフォールド６には小流路５の断面積より大きな断面積を持つガス導入口及び排出口が設けられているので、外気温度が氷点下で小流路５がたとえ氷によって閉塞された状態からの起動時であっても、断面積の大きな入口側マニフォールド６は凍結によって閉塞されることなく酸化剤ガスが流通可能となる。酸化剤ガスをガス導入口８から入口側マニフォールド６に供給し、第１排出口９から排出することにより、入口側マニフォールド６領域での発電が可能となり、発電に伴う熱によって、燃料電池（例えば、小流路５）の解氷を促進することが可能となる。
【００６２】
このように本発明においては、酸化剤ガスまたは燃料ガスを複数の小流路５に分配する入口側マニフォールド６を小流路５より大きな断面積として形成するとともに、入口側マニフォールド６に供給されたガスが小流路５に流入せずに排出される第１排出口９を設けたことにより、氷点下時においても入口側マニフォールド６が閉塞されずに発電可能で、発電による熱を用いて小流路５の氷を解氷して小流路５領域での発電を可能とし、速やかに燃料電池の起動を行うことができる。
【００６３】
また、入口側マニフォールド６の断面積を小流路５より大きくする手段としては、セパレータの厚みに影響を与える流路の深さ方向よりも、流路の幅を大きくすることが考えられるが、限られた容積の中で燃料電池を使用することを考えると、入口側マニフォールド６の幅を小流路５の幅よりも３０倍以上大きく設定すると小流路５の発電領域が大きく減少し、燃料電池としての発電効率が低下する。したがって、幅を大きくすることにより断面積を大きくする場合には、入口側マニフォールド６の幅は、小流路５の幅に対して１倍より大きく３０倍以下とすることが望ましい。
【００６４】
ここでは、カソード極側のセパレータを代表して説明したが、アノード側のセパレータもほぼ同様の構成で適用することができ、燃料電池として構成する際には、入口側マニフォールド同士を電解質膜１を挟んで対峙するように構成することで、より効率よく発電により生じる熱を解氷に用いることができる。
【００６５】
図４は、第１の実施形態における燃料電池システムの構成を説明する図である。カソード極３側の酸化剤ガスを供給するガス導入口８には、コンプレッサ１１からの酸化剤、例えば空気が所定流量に制御されて供給される。同様にしてアノード極２側の入口側セパレータに、燃料ガスとして水素あるいは改質ガスが供給される。
【００６６】
燃料電池の第１排出口９から排出される排酸化剤ガスと第２排出口１０から排出される排酸化剤ガスはそれぞれの流路に設置された第１、第２制御弁１３、１４によって所定流量に制御されて排出される。なお、第１、第２制御弁１３、１４は流路配管途中に設置されても、燃料電池内に一体的に設けられてもよい。
【００６７】
第１、第２制御弁１３、１４の開度は、コントローラ１５によって制御され、コントローラ１５は、温度検出器１６が検出する燃料電池内の温度に基づいて、第１、第２制御弁１３、１４の開度を制御する。つまり、氷点下状態では、生成水が凍結して小流路５が閉塞することがあるので小流路５のガス流通は避けて、第１排出口９からのみ排酸化剤ガスを排出するように第１制御弁１３を開き、入口側マニフォールド６領域でのみ発電を続ける。この発電の熱による解氷または昇温が進んで生成水が生じても凍結で小流路５が閉塞することがなくなれば、第２排出口１０から排酸化剤ガスが排出されるように第２制御弁１４を開き、さらに入口側マニフォールド６から直接ガスが排出されないように第１制御弁１３を遮蔽する。
【００６８】
図５のフローチャートを用いて、コントローラ１５が行う氷点下状態からの起動時の制御内容について説明する。ここでは酸化剤ガスを例にして説明するが、燃料ガスについても同様の制御が行われる。
【００６９】
まずステップ１で、第２制御弁１４を開き、一方で第１制御弁１３を遮蔽する（ステップ２）。ステップ３で、入口側マニフォールド６に酸化剤ガスを供給する。前述したように入口側マニフォールド６に酸化剤ガスが供給されることにより燃料電池が発電を開始し、熱を生じる。この時生成水の一部が凍結する可能性があるものの、ガスの導入部から排出部までを通して断面積が大きいため、流路を閉塞するまでには至らない。一方、図６に示すように氷点下状態での発電効率は著しく低く、６０℃から９０℃で最も高い効率を示す。したがって氷点下時の低い発電効率は、言い換えると、発電に寄与しない酸化剤ガスのエネルギが熱として放出されることになり、この熱を燃料電池の加熱に用いることで、迅速に解氷を行うことができる。
【００７０】
ステップ４では、温度検出器１６が検出した燃料電池の温度を入力する。そしてステップ５で、予め計測した燃料電池の温度特性に基づき設定された、小流路５に酸化剤ガスを流通可能な温度と、検出された温度とを比較する。
【００７１】
検出温度が設定温度より高いときには、ステップ６で第２制御弁１４を開く一方、ステップ７で第１制御弁１３を閉じる。検出温度が高いことは小流路５を酸化剤ガスが流通可能であることを示しており、小流路５に酸化剤を供給することで、発電を生じ、解氷を促進し、起動性を向上する。
【００７２】
したがって、氷点下の状態から燃料電池の起動を迅速に行うことができ、いち早く燃料電池の発電効率の高い運転を行うことができる。なお、第１制御弁１３と第２制御弁１４の切換は、オンオフ的な切換ではなく、例えば小流路５の閉塞発生と相関するガス流量値よりも少ない流量でガスを流通するよう、温度や燃料電池の出力、あるいはガスが含む湿度に応じて徐々にその開度を変化させるようにしてもよい。
【００７３】
図７に示したフローチャートは、コントローラ１５が燃料電池システム停止時に行う制御内容を説明するものである。基本的な制御は、図５に示した起動時の制御内容を逆に行うものである。図５の場合と同様に酸化剤ガスの場合を取り上げて説明するが、燃料ガスでも同様に実施することができる。
【００７４】
まずステップ１で、酸化剤ガスを供給したままで、電力の供給を停止する。次にステップ２で電力の供給停止後、所定時間の間、小流路５への酸化剤ガスの供給を継続し、燃料電池内の流路、ＭＥＡ内に存在する余分な水分を乾燥させる。ステップ３で、第１制御弁１３を開き、続くステップ４で、第２制御弁１４を閉じ、入口側マニフォールド６に酸化剤ガスが供給されるが、小流路５への酸化剤ガスの供給は停止した状態となる。そして、ステップ５で、入口側マニフォールド６内が所定の乾燥状態となったならば、酸化剤ガスの供給を停止し、燃料電池システムとしての運転を終了する。
【００７５】
このような終了方法とすることにより特に入口側マニフォールド部分の乾燥を重点的に行って、氷点下状態での長期間の燃料電池の保管であっても、燃料電池が凍結しにくく、次回起動時の水分の凍結による起動性悪化を防止することができる。
【００７６】
図８から図１４は、大流路（図３とこれまでの説明では入口側マニフォールドと称した）６と小流路５の他の位置関係とガスの流れを示す模式図である。
【００７７】
まず図８は、大流路６と小流路５のガス流れ方向を平行に配置したもので、大流路６と小流路５にはそれぞれ独立してガスが供給されるようにした構成である。図の流れ方向は同じであるが、逆向きとしても小流路５の昇温を得ることができる。この例のように大流路６と小流路５の一部を隣接させると、小流路５の全長に渡り解凍と昇温が進み、他の小流路５に先駆けてガス流通が可能となる。
【００７８】
図９は、小流路５へのガスの供給が大流路６の上流寄りから小流路５の上流側に行われるように、小流路５と大流路６が連通した構成である。このような構成では、大流路６と小流路５のガス導入部を共通化することができる。大流路６と小流路５は平行で、かつ同じ方向に流れているが、他のガスの流れ（流路形状）の組み合わせとすることもできる。
【００７９】
図１０に示す構成は、小流路５の下流側出口部が大流路６の上流部に連通した構成である。このような構成では、ガスは大流路と小流路の両流路に流れるので、ガス利用率を高めることができる。この例では大流路６、小流路５ともに折り返し部を持った１本の流路としたが、それぞれ他のガスの流れ（流路形状）としても構わない。
【００８０】
図１１は、小流路５下流側が大流路６の下流寄りと連通した構成である。この様な構成では、大流路と小流路のガス排出部を共通化することができる。大流路、小流路ともに複数の平行流を持つものとしたが、他のガスの流れ（流路形状）を組み合わせることもできる。
【００８１】
図１２に示す構成は、ガスの供給が大流路６の下流寄りから小流路５の上流側に行われるように、小流路５の上流と大流路６の下流が連通した構成である。このような構成では、大流路６で昇温したガスが小流路５に導入されるので、小流路５をガスの持つ顕熱で昇温することが可能となる。また、大流路６から小流路５に流入するガスには、大流路６で生成された水の一部が含まれるため、膜（ＭＥＡ）を湿潤化する効果もある。ここでは、大流路６内のガス流れ方向と小流路５のガス流れ方向を平行にかつ逆方向となるように配置したが、他のガスの流れ（流路形状）を組み合わせたものであっても構わない。
【００８２】
第１の実施形態のように、大流路６の発電部分において小流路５を大流路６に連通させた場合、流路レイアウト上の自由度が向上するだけでなく、図３のように大流路６を小流路５の上流に位置させることで大流路６から流出する昇温したガスを小流路５に導入すれば複数の小流路を同時に昇温し、ＭＥＡを湿潤化することができる。また、図１３のように大流路６を１つのセパレータ面上で複数形成し、燃料電池の特性から昇温が望まれる部分に大流路６を配置して、昇温の効率を高めることもできる。
【００８３】
このように本発明の構成は、小流路５と大流路６の配置やそれぞれのガスの流れ（流路形状）には影響されず、燃料電池の設計条件に応じて適宜変更することが可能である。なお、図９、図１２、あるいは前述の図３に示した小流路５の上流側に、大流路６が配置される構成にあって、外部流路配管などで流路の切り替え等を行わないのであれば、第１制御弁は大流路６から排出されるガスの流量を制御するように配置されることになる。一方、図１０、図１１に示した小流路５の下流側に、大流路６が配置される構成にあって、外部流路配管などで流路の切り替え等を行わないのであれば、第１制御弁は大流路６に供給されるガスの流量を制御するように配置されることになる。
【００８４】
例えば図８に示した構成のように大流路６に隣接するように小流路５を設置すると、大流路６での発熱を隣接する小流路５の全域の加熱のために用いることができる。小流路５の一部がガスの流通可能となることで、小流路５での発電を開始することが可能で、したがってその発電に伴う発熱により別の小流路５の解氷と昇温が促進され、連鎖的に小流路５の発電量が増大し、発熱量もまた増大する。このような場合には解氷と昇温が進むほど、小流路５に供給されるガス量を増加し、一方で、大流路６から直接排出されるガス量を減少させる。
【００８５】
このように図８から図１３に示すような流路構成でも、大流路６の断面積が小流路の断面積より大きく設定されることにより、大流路６の凍結による閉塞を防止でき、氷点下状態からの起動時においても、大流路部での発電に伴う発熱によって、燃料電池を解氷および昇温することができ、燃料電池システムの起動性を向上することができる。
【００８６】
図１４に示す第２の実施形態は、第１の実施形態に対して、電極面の内部（本例では略中央）に形成された入口側マニフォールド６（大流路）を挟んで両側に小流路に相当する流路５ａ、５ｂを形成したものである。このような構成とすることで、入口側マニフオールド６で生じた熱を逃すことなく、より効率よく流路５ａ、５ｂの加熱のために利用することができる。
【００８７】
図１５に示す第３の実施形態は、第１の実施形態の出口側マニフォールド７に酸化剤ガスを供給する第２ガス導入口１７を設け、この第２ガス導入口１７から供給された酸化剤ガスが、直接第２排出口１０から排出されるように構成したものである。このような構成とすることで、入口側マニフォールド６（上流に位置する大流路）での発熱に加えて、出口側マニフォールド７（下流に位置する大流路）での発熱によって、小流路５の氷を解氷することができ、より起動性を向上することができる。
【００８８】
図１６は、第３の実施形態の構成を説明するための図である。図４に示した第１の実施形態の構成に対して出口側マニフォールド７にもコンプレッサ１１から空気が供給されるように構成される。入口側マニフォールド６に供給される空気の流量が第３制御弁１８によって制御される。出口側マニフォールド７に供給される空気の流量が第４制御弁１９によって制御される。なお本実施形態では、コントローラ１５は、第１の実施形態の機能に加味して第３制御弁１８と第４制御弁１９の開閉を制御する。
【００８９】
図１７は、第３の実施形態のコントローラ１５が氷点下状態からの起動時に実施する制御内容を説明するためのフローチャートである。
【００９０】
まずステップ１で、入口側マニフォールド６と出口側マニフォールド７に空気を供給し、直接排出するために第１、第２制御弁１３、１４を開く。供給される空気の流量は、第３、第４制御弁１８、１９によって制御される。次にステップ２でコンプレッサ１１を運転して空気を入口側マニフォールド６と出口側マニフォールド７に空気を供給する。
【００９１】
ステップ３で、温度検出器１６によって燃料電池の温度を測定し、ステップ４で、予め計測した燃料電池の温度特性に基づき設定された、小流路５に酸化剤ガスを流通可能な温度と、検出された温度とを比較する。
【００９２】
検出温度が設定温度より高いときには、ステップ５で第１制御弁１３を閉じる。続くステップ６で第４制御弁１９を閉じる。このようにして小流路５に酸化剤ガスの流通が開始され、小流路５領域での発電が開始される。
【００９３】
各マニフォールドのガス流通を行う際、入口側マニフォールド６と下流側マニフォールド７におけるガスの供給圧力差をほとんどなくすことで、小流路５へのガス流通を抑制することができる。しかし、氷点下からの発電に伴う自己発熱による加温を行うことを考えると、発電領域は広いほうが好ましいので、あえて両マニフォールド間に圧力差を設けて小流路にガス流通を行ってもかまわない。
【００９４】
さらに、図１５に示すような構造をとることで、ＭＥＡを介して相対して配設される（入口側と出口側の）二つのマニフォールドのみにガス流通を行っている状態から、小流路ヘガス流通を切り換える際、アノード極２とカソード極３に供給するガスの流通方向を互いに反対方向に流通させる、いわゆる対向流とすることが容易となる。つまり昇温が完了して小流路のガス流通に切り換える際に、この様な構成では、入口側とするマニフォールドではガス導入用のガス導入口（制御弁）を開いたままガス排出用の排出口（制御弁）を閉じる一方、出口側とするマニフォールドではガス排出用のガス流通口を開いたままガス導入用の流通口を閉じるだけで良いので、どちらを上流とし下流とするかはどの流通口を開閉するかにより容易に選択することができる。第１の実施形態の構成においてガス流通方向を切り替えるには、例えば外部ガス配管において構成される切り換え手段を用いる等の追加の施策が必要である。カソード極とアノード極のガスを対向流とすることで、カソード極側下流で生成水が累積することで多く存在する水を、濃度差を利用して電解質膜を透過させてアノード極側の上流に供給することができるようになり、ガスの加湿量が抑制された、または外部からの加湿が全く無い状態であっても燃料電池内部の水バランスを維持して燃料電池を安定して稼動することが可能となる。また切り換えを必要とせず、対向流とするかしないかがあらかじめ一定に決まっている場合、図１６の構成から上流側となるマニフォールドの第３制御弁１８と下流側となるマニフォールドの第２制御弁１４を省略することができる。
【００９５】
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の燃料電池の構成を示す図である。
【図２】  燃料電池を用いた車両の構成を示す図である。
【図３】  第１の実施形態としての酸化剤ガスが流通する流路の構成を説明する図である。
【図４】  第１の実施形態の燃料電池システムの構成を示す図である。
【図５】  第１の実施形態の氷点下からの起動時にコントローラが実施する制御内容を説明するフローチャートである。
【図６】  燃料電池の温度と発電効率の関係を示す図である。
【図７】  第１の実施形態の通常運転からの停止時にコントローラが実施する制御内容を説明するフローチャートである。
【図８】  他の大流路と第１流路との構成を示す図である。
【図９】  他の大流路と第１流路との構成を示す図である。
【図１０】  他の大流路と第１流路との構成を示す図である。
【図１１】  他の大流路と第１流路との構成を示す図である。
【図１２】  他の大流路と第１流路との構成を示す図である。
【図１３】  他の大流路と第１流路との構成を示す図である。
【図１４】  第２の実施形態としての酸化剤ガスが流通する流路の構成を説明する図である。
【図１５】  第３の実施形態としての酸化剤ガスが流通する流路の構成を説明する図である。
【図１６】  第３の実施形態の燃料電池システムの構成を示す図である。
【図１７】  第３の実施形態の氷点下からの起動時にコントローラが実施する制御内容を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１  電解質膜
２  アノード極
３  カソード極
４  セパレータ
５  第１流路
６  入口側マニフォールド
７  出口側マニフォールド
８  ガス導入口
９  第１排出口
１０  第２排出口
１１  コンプレッサ
１３  第１制御弁
１４  第２制御弁
１５  コントローラ
１６  温度センサ
１７  ガス導入口
１８  第３制御弁
１９  第４制御弁
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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