JP2001015140A - 固体高分子型燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 起動時や起動完了後の運転中における燃料電
池本体の発電特性を向上できる固体高分子型燃料電池を
提供する。 【解決手段】 アノード、固体高分子電解質膜、及びカ
ソードが積層されて構成される燃料電池本体１１を備
え、アノードに供給された水素とカソードに供給された
酸素とを、加湿された固体高分子電解質膜を通じて電気
化学反応させ、電力を発生させる固体高分子型燃料電池
１において、燃料電池の起動時、燃料電池本体１１の温
度が所定温度以下であるときには、冷却加湿水供給系１
４の水ポンプ５２を間欠的に作動させ、また、起動完了
後の運転中には、燃料電池本体１１で発生する電力の電
圧が所定電圧以下であるときには水ポンプ５２を間欠的
に作動させる制御装置１７を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アノードに供給さ
れた水素とカソードに供給された酸素を固体高分子電解
質膜を通じて電気化学反応させて電力を発生させる固体
高分子型燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、アノード、固体高分子電解質
膜、及びカソードが積層されて構成される燃料電池本体
を備え、アノードに供給された水素とカソードに供給さ
れた酸素とを、加湿水によって加湿された固体高分子電
解質膜を通じて電気化学反応させて、電力を発生させる
固体高分子型燃料電池が知られている。

【０００３】この種の固体高分子型燃料電池では、燃料
電池本体内部に、アノードに水素を供給するためのアノ
ード側流路とカソードに空気（酸素）を供給するための
カソード側流路とを設け、アノード側流路を通じて加湿
水を固体高分子電解質膜に供給するものが提案されてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た固体高分子型燃料電池では、燃料電池本体内のアノー
ド側流路を通じて加湿水が導出されるので、例えば起動
時を含めて、外気温度が低くて電池温度が低いときに
は、アノード側流路における加湿水の排水性が低下して
アノード側流路の出口等を塞ぎ、燃料電池本体内に水素
を供給しにくくなり、発電特性が低下するという問題が
ある。

【０００５】また、固体高分子型燃料電池を長期間停止
させた場合には、燃料電池本体内に空気が流入して固体
高分子電解質膜が乾燥し、この乾燥状態で燃料電池を起
動させると燃料電池本体で発生する電力の電圧が極端に
小さくなり、発電特性が低下するという問題がある。

【０００６】また、固体高分子型燃料電池の運転停止後
直ちに起動する場合には、起動時に固体高分子電解質膜
が既に十分加湿された状態で起動されるので、例えば電
気化学反応により生じた水がカソード側流路に染み出
し、この染み出した水が空気の流れを妨げ、発電特性が
低下するという問題がある。

【０００７】本発明の目的は、上述の事情を考慮してな
されたものであり、起動時や起動完了後の運転中におけ
る燃料電池本体の発電特性を向上できる固体高分子型燃
料電池を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
アノード、固体高分子電解質膜、及びカソードが積層さ
れて構成される燃料電池本体を備え、前記アノードに供
給された水素と前記カソードに供給された酸素とを、加
湿水供給手段からの加湿水で加湿された前記固体高分子
電解質膜を通じて電気化学反応させ、電力を発生させる
固体高分子型燃料電池において、当該燃料電池の起動開
始時、前記燃料電池本体で発生する電力の電圧が所定電
圧以上に至るまで前記加湿水供給手段を作動させる制御
手段を備えたことを特徴とするものである。

【０００９】この発明によれば、燃料電池の起動開始
時、燃料電池本体で発生する電力の電圧が所定電圧以上
に至るまで加湿水供給手段を作動させる制御手段を備え
るので、例えば燃料電池本体の固体高分子電解質膜が乾
燥していても加湿水によって固体高分子電解質膜が十分
に加湿されて、起動開始時の燃料電池の電圧低下を防止
できる。

【００１０】請求項２記載の発明は、アノード、固体高
分子電解質膜、及びカソードが積層されて構成される燃
料電池本体を備え、水素供給手段から前記アノードに供
給された水素と前記カソードに供給された酸素とを、加
湿された前記固体高分子電解質膜を通じて電気化学反応
させ、電力を発生させる固体高分子型燃料電池におい
て、当該燃料電池の起動開始時、前記燃料電池本体で発
生する電力の電圧が所定電圧以上に至るまで前記水素供
給手段を作動させる制御手段を備えたことを特徴とする
ものである。

【００１１】この発明によれば、燃料電池の起動開始
時、燃料電池本体で発生する電力の電圧が所定電圧以上
に至るまで水素供給手段を作動させる制御手段を備える
ので、例えば起動開始時にアノード側に空気が侵入して
いたとしても、当該空気が水素に置換されて燃料電池本
体の発電が可能となる。

【００１２】請求項３記載の発明は、アノード、固体高
分子電解質膜、及びカソードが積層されて構成される燃
料電池本体を備え、前記アノードに供給された水素と前
記カソードに供給された酸素とを、加湿水供給手段から
の加湿水で加湿された前記固体高分子電解質膜を通じて
電気化学反応させ、電力を発生させる固体高分子型燃料
電池において、当該燃料電池の起動時、前記燃料電池本
体の温度が所定温度以下であるときに前記加湿水供給手
段を間欠的に作動させる制御手段を備えたことを特徴と
するものである。

【００１３】この発明によれば、燃料電池の起動時、燃
料電池本体の温度が所定温度以下であるときに加湿水供
給手段を間欠的に作動させる制御手段を備えるので、加
湿水の供給と停止が実施されて燃料電池本体内で圧力変
動が起こり、加湿水の排水性を向上させることができ
る。

【００１４】請求項４記載の発明は、アノード、固体高
分子電解質膜、及びカソードが積層されて構成される燃
料電池本体を備え、前記アノードに供給された水素と酸
素供給手段から前記カソードに供給された酸素とを、加
湿された前記固体高分子電解質膜を通じて電気化学反応
させ、電力を発生させる固体高分子型燃料電池におい
て、当該燃料電池の起動時に前記酸素供給手段を最大出
力で作動させる制御手段を備えたことを特徴とするもの
である。

【００１５】この発明によれば、燃料電池の起動時に酸
素供給手段を最大出力で作動させる制御手段を備えるの
で、例えば電気化学反応によってカソード側に染み出し
た水が吹き飛ばされ、燃料電池本体内の水の排水性を向
上させることができる。

【００１６】請求項５記載の発明は、アノード、固体高
分子電解質膜、及びカソードが積層されて構成される燃
料電池本体を備え、前記アノードに供給された水素と前
記カソードに供給された酸素とを、加湿水供給手段から
の加湿水で加湿された前記固体高分子電解質膜を通じて
電気化学反応させ、電力を発生させる固体高分子型燃料
電池において、当該燃料電池の起動完了後の運転中に、
前記燃料電池本体で発生する電力の電圧が所定電圧以下
であるときには前記加湿水供給手段を間欠的に作動させ
る制御手段を備えたことを特徴とするものである。

【００１７】この発明によれば、燃料電池の起動完了後
の運転中に、燃料電池本体で発生する電力の電圧が所定
電圧以下であるときには加湿水供給手段を間欠的に作動
させる制御手段を備えるので、加湿水の供給と停止が実
施されて燃料電池本体内で圧力変動が起こり、加湿水の
排水性を向上させることができる。

【００１８】請求項６記載の発明は、請求項５記載の発
明において、前記燃料電池本体で発生する電力の電圧
は、当該燃料電池本体を構成する複数のセルを任意の個
数ずつ区分して複数のセルブロックを形成し、このセル
ブロックで発生する電力の電圧であることを特徴とする
ものである。

【００１９】この発明によれば、燃料電池本体を構成す
る複数のセルを任意の個数ずつ区分して複数のセルブロ
ックを形成し、このセルブロックで発生する電力の電圧
を測定するだけでよいので、各セルごとに発生する電力
の電圧を測定する必要がなく、構成が簡略化されて燃料
電池の製造コストを低減できる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を、図面
に基づき説明する。

【００２１】図１において、符号１は本発明に係る固体
高分子型燃料電池を示す。この固体高分子型燃料電池１
は、水素と空気中の酸素とを電気化学反応させて直流電
力を発生する燃料電池本体１１を備え、この燃料電池本
体１１には、水素供給手段としての水素供給系１２、酸
素供給手段としての空気（酸素）供給系１３、加湿水供
給手段としての冷却加湿水供給系１４、ガス排出系１
５、及び電力出力系１６が接続されて構成される。符号
１７は制御手段としての制御装置である。

【００２２】燃料電池本体１１は、図２に示すセル（単
電池）２１が複数積層してモジュールとして構成された
ものである。各セル２１は、高分子イオン交換膜などの
固体高分子電解質膜２２と、この固体高分子電解質膜２
２の対向面にそれぞれ接合されたアノード（水素極）２
３、カソード（酸素極）２４と、アノード２３に接して
配置されたアノード基材２５と、カソード２４に接して
配置されたカソード基材２６とを有して構成される。

【００２３】アノード２３およびカソード２４は、白金
を担持したカーボンを主成分とし、ガスまたは水を拡散
可能な拡散経路を有する。また、アノード基材２５に
は、アノード２３に接する側に、アノード側ガスとして
の水素を流動させるアノード側流路２７が形成される。
また、カソード基材２６には、カソード２４に接する側
にカソード側ガスとしての空気（酸素）を流動させるカ
ソード側流路２８が形成される。これらのアノード基材
２５及びカソード基材２６は、多孔質の例えば炭素材に
て形成され、ガスまたは水を透過可能に構成される。

【００２４】このように構成されたセル２１において、
アノード基材２５のアノード側流路２７を経てアノード
２３内に導入された水素は、このアノード２３内で酸化
してプロトン（Ｈ⁺）となり、このプロトンは固体高分
子電解質膜２２中を移動してカソード２４へ至り、この
カソード２４内でカソード基材２６のカソード側流路２
８を経て導入された空気中の酸素と電気化学反応して還
元され、水に変化する。この電気化学反応に伴い、アノ
ード２３とカソード２４間に直流電力が発生する。

【００２５】一般に、固体高分子型燃料電池では、燃料
電池本体内の固体高分子電解質膜が適度に加湿され且つ
燃料電池本体の温度が所定の温度帯（例えば７０〜８０
℃）であるときに、安定した発電が可能となる。

【００２６】前記水素供給系１２は、図１に示すよう
に、水素ボンベ３１、開閉弁３２、減圧弁３３及び水素
供給電磁弁３４が順次配設して構成され、水素供給電磁
弁３４が燃料電池本体１１に接続される。この水素供給
系１２における開閉弁３２及び水素供給電磁弁３４の開
操作により、燃料電池本体１１の各セル２１におけるア
ノード基材２５のアノード側流路２７へ水素が供給され
る。この水素は、減圧弁３３により減圧された水素圧力
と、ガス排出系１５の絞り弁６３（後述）の弁開度によ
り、燃料電池本体１１への供給流量が調整される。

【００２７】前記空気供給系１３は、空気供給ファン４
１が燃料電池本体１１に接続されたものである。空気供
給ファン４１の回転速度の調整により、燃料電池本体１
１の各セル２１におけるカソード基材２６のカソード側
流路２８へ空気が適宜流量供給される。

【００２８】前記冷却加湿水供給系１４は、メイン水タ
ンク５１に接続された水ポンプ５２と上記メイン水タン
ク５１とが燃料電池本体１１に接続され、メイン水タン
ク５１に給水電磁弁５３、給水ポンプ５４及びサブ水タ
ンク５５が順次接続されて構成される。燃料電池本体１
１の各セル２１において、固体高分子電解質膜２２内を
プロトン（Ｈ⁺）が移動するためには、この固体高分子
電解質膜２２が水により湿潤状態とされる必要がある。
冷却加湿水供給系１４は、メイン水タンク５１内の冷却
加湿水を水ポンプ５２から、燃料電池本体１１の各セル
２１におけるアノード基材２５のアノード側流路２７へ
直接供給し、この冷却加湿水をアノード２３を透過させ
て固体高分子電解質膜２２に供給し、この固体高分子電
解質膜２２を加湿して良好な湿潤状態に維持する。

【００２９】メイン水タンク５１は、燃料電池本体１１
の各セル２１におけるカソード基材２６を拡散して透過
した、カソード２４にて生成された水と、固体高分子電
解質膜２２に供給された過剰な冷却加湿水とを集水す
る。また、メイン水タンク５１は、燃料電池本体１１の
カソード２４から固体高分子電解質膜２２を経てアノー
ド２３へ逆拡散しアノード基材２５を透過した水を集水
する。更に、メイン水タンク５１内には、このメイン水
タンク５１内に貯留された水が不足したときに、給水電
磁弁５３が開操作され、給水ポンプ５４が作動されて、
サブ水タンク５５内の水が補給される。メイン水タンク
５１にて集水された水及びサブ水タンク５５から補給さ
れた水が水ポンプ５２により取り込まれ、冷却加湿水及
び冷却水として上述の如く各セル２１のアノード側流路
２７へ直接供給される。

【００３０】尚、符号５６は、固体高分子型燃料電池１
のメンテナンス時などに開操作されて、メイン水タンク
５１内の水を排出する排水コックである。

【００３１】前記ガス排出系１５は、未使用水素排出ラ
イン６１と排出空気ライン６２とを有してなる。未使用
水素排出ライン６１は、一端が燃料電池本体１１のアノ
ード２３出口に接続され、前記メイン水タンク５１及び
絞り弁６３を備えると共に、他端が排気ダクト６４に接
続される。また、排出空気ライン６２は、一端が燃料電
池本体１１のカソード２４出口に接続されると共に、他
端が上記排気ダクト６４に接続される。更に、この排出
空気ライン６２は排気ファン６５を備える。

【００３２】燃料電池本体１１にて反応に供されなかっ
た微量の未使用水素は、燃料電池本体１１のアノード２
３から未使用水素排出ライン６１内を流れ、メイン水タ
ンク５１及び絞り弁６３を経て排気ダクト６４に導かれ
る。また、燃料電池本体１１にて酸素が消費された空気
は排出空気となり、且つ、燃料電池本体１１にて発生し
た水を水蒸気として多量に含む。この排出空気は、燃料
電池本体１１のカソード２４から排出空気ライン６２内
を流れて排気ダクト６４に導入される。未使用水素排出
ライン６１により排気ダクト６４に導入された未使用水
素は、排出空気ライン６２により排気ダクト６４内に導
かれた上記排出空気と、排気ファン６５により排気ダク
ト６４内に導入された空気（外気）とにより混合され希
釈されて、排気ダクト６４から外気中へ排出される。

【００３３】前記電力出力系１６は、ＤＣ／ＡＣインバ
ータ７１、ＤＣ／ＤＣコンバータ７２、充電回路７３及
び充電器７４を備えて構成される。

【００３４】ＤＣ／ＡＣインバータ７１は、燃料電池本
体１１にて発生した直流電力（２４〜５０Ｖ）を交流電
力（例えば１００Ｖ）に変換し、出力端４８へ出力可能
とする。このＤＣ／ＡＣインバータ７１は、変換する交
流電力の周波数を５０Ｈｚ、６０Ｈｚに変換可能とす
る。また、上記ＤＣ／ＤＣコンバータ７２は、燃料電池
本体１１にて発生した直流電力を所定電圧（例えば２４
Ｖ）の直流電力に変換し、水ポンプ５２、給水ポンプ５
４、空気供給ファン４１、排気ファン６５、減圧弁３
３、水素供給電磁弁３４、給水電磁弁５３及び絞り弁６
３等の補機部品、制御装置１７並びに充電回路７３へ供
給する。この充電回路７３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７
２にて供給された直流電力を２次電池７５に充電可能と
する。

【００３５】また、上記充電器７４は、２次電池７５
を、ＤＣ／ＤＣコンバータ７２からの直流電力ではな
く、商用交流電力（例えば１００Ｖ）を用いて充電させ
るときに使用されるものである。

【００３６】前記制御装置１７は、固体高分子型燃料電
池１の各種制御を実施する。つまり、制御装置１７は、
燃料電池本体１１、減圧弁３３、水素供給電磁弁３４、
空気供給ファン４１、水ポンプ５２、給水電磁弁５３、
給水ポンプ５４、絞り弁６３、排気ファン６５、ＤＣ／
ＡＣインバータ７１及びＤＣ／ＤＣコンバータ７２等と
の間で電気信号を送受信して、これらの各種機器を制御
する。例えば、制御装置１７は、燃料電池本体１１から
異常信号を受信したときに、水素供給電磁弁３４を閉弁
操作して、燃料電池本体１１への水素の供給を停止し、
燃料電池本体１１の運転を停止させる。

【００３７】制御装置１７による固体高分子型燃料電池
１の運転制御を更に説明する。

【００３８】（１）起動時の運転制御 図３に示すように、運転スイッチ（図示せず）がオンさ
れる（Ｓ１）と、制御装置１７が、水素供給電磁弁３４
を開弁し、空気供給ファン４１の連続運転を出力１００
％（最大出力）で開始し、水ポンプ５２の連続運転を出
力１１％で開始する（Ｓ２）。

【００３９】水素供給電磁弁３４が開かれると、水素が
燃料電池本体１１のアノード側流路２７を通じてアノー
ド２３に供給される。固体高分子型燃料電池１では起動
前の運転停止中に燃料電池本体１１のアノード側流路２
７に空気が侵入すると、この空気によってアノード２３
への水素の供給が妨げられて発電が不可能な状態となる
が、このアノード側流路２７に侵入した空気が水素に置
換されて、燃料電池本体１１の発電が可能になる。特
に、低外気温下での起動の際に電池温度を早く上昇さ
せ、固体高分子型燃料電池１の始動性を向上させること
ができる。

【００４０】空気供給ファン４１の最大出力での連続運
転が開始されると、空気（酸素）が燃料電池本体１１の
カソード側流路２８を通じてカソード２４に供給され
る。これにより、燃料電池本体１１のカソード側流路２
８内に染み出した水が空気供給ファン４１からの空気に
よって吹き飛ばされて、カソード側流路２８内に水が滞
留することが防止される。

【００４１】水ポンプ５２の連続運転が開始されると、
冷却加湿水が燃料電池本体１１のアノード側流路２７及
びアノード２３を通じて固体高分子電解質膜２２に供給
される。その結果、燃料電池本体１１の固体高分子電解
質膜２２がたとえ乾燥していても前記冷却加湿水の供給
によって固体高分子電解質膜２２が十分に加湿される。

【００４２】このように、水素供給電磁弁３４、空気供
給ファン４１、水ポンプ５２を作動させて、アノード２
３に供給された水素とカソード２４に供給された酸素と
が加湿された固体高分子電解質膜２２を通じて電気化学
反応が行われ、発電が開始される。

【００４３】ステップＳ２の動作は所定の運転時間ＴＭ
１継続される（Ｓ３）。その後、所定の運転時間ＴＭ１
が経過したら、オープン電圧をチェックする（Ｓ４）。
このオープン電圧とは、起動時に燃料電池本体１１の各
セル２１で発生する電力の合計電圧である。次に、制御
装置１７は、オープン電圧が所定の基準電圧Ｖ１以上で
あるか否かを判定する（Ｓ５）。オープン電圧が所定の
基準電圧Ｖ１より小さい場合には、制御装置１７は、オ
ープン電圧と所定の基準電圧Ｖ１との比較を所定の比較
時間ＴＭ２繰り返し（Ｓ６）、この間の水ポンプ５２の
継続運転により、燃料電池本体１１の固体高分子電解質
膜２２を十分に加湿する。この所定の比較時間ＴＭ２が
経過するまでにオープン電圧が所定の基準電圧Ｖ１以上
に上昇すれば、制御装置１７は、燃料電池本体１１内の
乾燥等の理由によりオープン電圧の上昇が遅れただけで
あると判断し、燃料電池本体１１が正常であると判断し
て後述のステップＳ８へ移行する。しかしながら、所定
の比較時間ＴＭ２が経過してもオープン電圧が所定の基
準電圧Ｖ１以上に上昇しないときには、制御装置１７
は、固体高分子型燃料電池１自体に異常があると判断
し、固体高分子型燃料電池１を非常停止させる（Ｓ
７）。

【００４４】制御装置１７は、オープン電圧が所定の基
準電圧Ｖ１以上に上昇した場合には、ＤＣ／ＡＣインバ
ータ７１を起動し、起動時の水ポンプ制御を開始する
（Ｓ８）。また、前述した水素供給電磁弁３４の開弁と
水ポンプ５２の連続運転は、オープン電圧が所定の基準
電圧Ｖ１に上昇するまで実施される。

【００４５】この起動時の水ポンプ制御では、制御装置
１７は、図４に示すように、電池電流（燃料電池本体１
１から電力出力系１６に流れる電流）が所定の基準電流
Ａ１以上であるか否かを判定する（Ｓ２１）。電池電流
が所定の基準電流Ａ１より小さく負荷が小さい場合に
は、例えば出力１１％で水ポンプ５２を連続運転させる
（Ｓ２２）。この連続運転は電池温度に関係なく実施さ
れる。

【００４６】ステップＳ２１で、電池電流が所定の基準
電流Ａ１以上で負荷が大きい場合には、制御装置１７
は、電池温度（燃料電池本体１１の温度）が所定の基準
温度Ｔ１以上であるか否かを判定する（Ｓ２３）。電池
温度が所定の基準温度Ｔ１℃以上で燃料電池本体１１が
ある程度安定した状態に達している場合には、制御装置
１７は、例えば出力１１％で水ポンプ５２を連続運転さ
せる。電池温度が所定の基準温度Ｔ１℃より小さく燃料
電池本体１１がまだ安定した温度まで上昇していない場
合には、制御装置１７は、水ポンプ５２を所定の運転時
間ＴＭ３作動させた後、所定の停止時間ＴＭ４停止させ
る間欠運転を実行する（Ｓ２４）。この間欠運転は、電
池電流が所定の基準電流Ａ１以上であり且つ電池温度が
所定の基準温度Ｔ１より小さい状態である限り継続され
る。そして、制御装置１７は、ステップＳ２４の間欠運
転によって電池温度が所定の基準温度Ｔ１以上に上昇し
たときに、水ポンプ５２を間欠運転から例えば出力１１
％の連続運転に切り替え、冷却加湿水を連続的に燃料電
池本体１１に供給する（Ｓ２５）。

【００４７】一方、図３に示すように、制御装置１７
は、ステップＳ８を開始してから所定の運転時間ＴＭ５
経過後には（Ｓ９）、起動時の水ポンプ５２制御におい
てたとえ間欠運転を実施していても、固体高分子型燃料
電池１が出力可能状態になったと判断し（Ｓ１０）、固
体高分子型燃料電池１の起動を完了させる。

【００４８】また、前述した空気供給ファン４１の最大
出力での連続運転は、前記ステップＳ２からこの起動完
了時まで（図４に示される起動時の水ポンプ制御を含
む）実施される。

【００４９】以上の起動時の運転制御では、次の〜
の効果を奏する。

【００５０】起動開始から燃料電池本体１１のオープ
ン電圧が所定の基準電圧Ｖ１に上昇するまで水ポンプ５
２を駆動して燃料電池本体１１へ冷却加湿水を供給する
ので、燃料電池本体１１の固体高分子電解質膜２２がた
とえ乾燥していても前記冷却加湿水の供給によって固体
高分子電解質膜２２が十分に加湿される。このため、燃
料電池本体１１の電圧低下が防止され、起動時の燃料電
池本体１１の発電特性を向上させることができる。

【００５１】起動開始から燃料電池本体１１のオープ
ン電圧が所定の基準電圧Ｖ１に上昇するまでアノード側
流路２７に水素を供給するので、例えば起動開始時にア
ノード側流路２７に空気が侵入していたとしても、当該
空気が水素に置換されて、燃料電池本体１１の発電が実
施される。このため、燃料電池本体１１の電圧低下が防
止され、起動時の燃料電池本体１１の発電特性を向上さ
せることができる。特に、低外気温下での起動の際に電
池温度を早く上昇させ、固体高分子型燃料電池１の始動
性を向上させることができる。

【００５２】燃料電池本体１１の温度が所定の基準温
度Ｔ１以下であるときには、制御装置１７が水ポンプ５
２を間欠的に作動させるので、燃料電池本体１１への冷
却水としての冷却加湿水の供給量が減少して燃料電池本
体１１の温度を強制的に上昇させることができる。この
結果、燃料電池本体１１が安定した状態へ迅速に導か
れ、起動時における燃料電池本体１１の発電特性を向上
させることができる。

【００５３】燃料電池本体１１の温度が所定の基準温
度Ｔ１以下であるときには、制御装置１７が水ポンプ５
２を間欠的に作動させるので、冷却加湿水の供給と停止
が実行されて燃料電池１１内で圧力変動が起こり、アノ
ード側流路２７における冷却加湿水の排水性が向上す
る。従って、この冷却加湿水によってアノード側流路２
７への水素の導入が妨げられず、燃料電池本体１１の発
電特性を向上させることができる。

【００５４】例えば固体高分子型燃料電池１の運転停
止後直ちに運転を開始させる場合には、燃料電池本体１
１のカソード側流路２８に電気化学反応により生じた水
等が染み出す場合がある。しかし、本実施形態では、起
動時に制御装置１７が空気供給ファン４１を最大出力で
作動させるので、カソード側流路２８に染み出した水が
吹き飛ばされ、カソード側流路２８における水の排水性
を向上させることができる。従って、このカソード側流
路２８への空気の導入が妨げられず、燃料電池本体１１
の発電特性を向上させることができる。

【００５５】（２）起動完了後の運転制御 制御装置１７は、固体高分子型燃料電池１の起動が完了
すると、まず、図５に示すように、最低ブロック電圧が
所定の基準電圧Ｖ２以下であるか否かを判定する（Ｓ３
１）。この「最低ブロック電圧」とは、燃料電池本体１
１が備える例えば５２個のセルを４個のセルごとに１３
個のセルブロックに分け、各セルブロックの電圧のうち
最低のものをいう。最低ブロック電圧が所定の基準電圧
Ｖ２より大きい場合には、固体高分子型燃料電池１が正
常であると判断し、水ポンプ５２の運転を継続する（Ｓ
３２）。

【００５６】制御装置１７は、ステップＳ３１で最低ブ
ロック電圧が所定の基準電圧Ｖ２以下である場合には、
例えば燃料電池本体１１内部において冷却加湿水の排水
性の不良等が生じていると判断し、水ポンプ５２の駆動
を停止し（Ｓ３３）、この水ポンプ５２の停止状態を所
定の停止時間ＴＭ６継続させる（Ｓ３４）。そして、制
御装置１７は、所定の停止時間ＴＭ６経過後に、最低ブ
ロック電圧が所定の基準電圧Ｖ２以下であるか否かを再
度判定し（Ｓ３５）、最低ブロック電圧が所定の基準電
圧Ｖ２以下であれば、固体高分子型燃料電池１自体に異
常があると判断し、固体高分子型燃料電池１を非常停止
する（Ｓ３６）。

【００５７】制御装置１７は、ステップＳ３５で最低ブ
ロック電圧が所定の基準電圧Ｖ２より大きくなった場合
には、水ポンプ５２の停止を更に所定の停止時間ＴＭ７
継続させ（Ｓ３７）、その後水ポンプ５２の駆動を開始
する（Ｓ３８）。制御装置１７は、上記のステップＳ３
１〜Ｓ３８の動作を繰り返す。

【００５８】起動完了後の運転制御では、次の〜の
効果を奏する。

【００５９】制御装置１７は、最低ブロック電圧が所
定の基準電圧Ｖ２以下であるときに、水ポンプ５２を間
欠的に作動させるので、燃料電池本体１１への冷却水と
しての冷却加湿水の供給量を減少させて燃料電池本体１
１の温度を強制的に上昇させることができる。この結
果、燃料電池本体１１を安定した状態へ迅速に導き、起
動完了後の燃料電池本体１１の発電特性を向上させるこ
とができる。

【００６０】制御装置１７は、上述の如く水ポンプ５
２を間欠的に作動させるので燃料電池本体１１への冷却
加湿水の供給と停止が行われて燃料電池本体１１内で圧
力変動が起こり、例えば燃料電池本体１１のアノード側
流路２７（特にアノード側流路２７の出口）に冷却加湿
水の排水性を向上させることができる。従って、アノー
ド側流路２７内での水素の流れが良好となって、燃料電
池本体１１の発電特性を向上させることができる。

【００６１】例えば５２個のセル２１を備えた燃料電
池本体１１の電圧を測定するとき、例えば４個のセル２
１にて構成されるセルブロックの発生電圧を測定すれば
よいので、各セル２１ごとの発生電圧を測定する必要が
なく、構成が簡略化されて固体高分子型燃料電池１１の
製造コストを低減できる。

【００６２】以上、本発明を上記実施の形態に基づいて
説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
本実施形態ではアノード側流路２７に冷却加湿水を供給
する構成としているが、例えばカソード側流路２８に冷
却加湿水を供給する場合にも本実施形態の適用は可能で
ある。

【００６３】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、燃料電池
の起動開始時、燃料電池本体で発生する電力の電圧が所
定電圧以上に至るまで加湿水供給手段を作動させる制御
手段を備えるので、例えば燃料電池本体の固体高分子電
解質膜が乾燥していても加湿水によって固体高分子電解
質膜が十分に加湿されて、燃料電池本体の発生電圧低下
が防止され、起動時の発電特性を向上させることができ
る。

【００６４】請求項２記載の発明によれば、燃料電池の
起動開始時、燃料電池本体で発生する電力の電圧が所定
電圧以上に至るまで水素供給手段を作動させる制御手段
を備えるので、例えば起動開始時にアノード側に空気が
侵入していたとしても、当該空気が水素に置換されて燃
料電池本体の発電が可能となる。従って、燃料電池本体
の発生電圧の低下が防止され、起動時の発電特性を向上
させることができる。

【００６５】請求項３記載の発明によれば、燃料電池の
起動時、燃料電池本体の温度が所定温度以下であるとき
に加湿水供給手段を間欠的に作動させる制御手段を備え
るので、加湿水の供給と停止が実施されて燃料電池本体
内で圧力変動が起こり、加湿水の排水性を向上させるこ
とができる。その結果、例えばアノード側に加湿水を供
給する場合には、アノード側への水素の供給が妨げられ
ず、起動時の発電特性を向上させることができる。

【００６６】請求項４記載の発明によれば、燃料電池の
起動時に酸素供給手段を最大出力で作動させる制御手段
を備えるので、例えば電気化学反応によってカソード側
に染み出した水が吹き飛ばされ、燃料電池本体内の水の
排水性を向上させることができる。従って、カソードへ
の酸素の供給が妨げられず、燃料電池本体の発電特性を
向上させることができる。

【００６７】請求項５記載の発明によれば、燃料電池の
起動完了後の運転中に、燃料電池本体で発生する電力の
電圧が所定電圧以下であるときには加湿水供給手段を間
欠的に作動させる制御手段を備えるので、加湿水の供給
と停止が実施されて燃料電池本体内で圧力変動が起こ
り、加湿水の排水性を向上させることができる。その結
果、例えばアノード側から加湿水を供給する場合には、
アノード側への水素の供給が妨げられず、起動完了後の
運転時における発電特性を向上させることができる。

【００６８】請求項６記載の発明によれば、燃料電池本
体を構成する複数のセルを任意の個数ずつ区分して複数
のセルブロックを形成し、このセルブロックで発生する
電力の電圧を測定するだけでよいので、各セルごとに発
生する電力の電圧を測定する必要がなく、構成が簡略化
されて燃料電池の製造コストを低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る固体高分子型燃料電池の一実施形
態を示す系統図である。

【図２】図１の燃料電池本体のセルを示す断面図であ
る。

【図３】固体高分子型燃料電池の動作を示すフローチャ
ートである。

【図４】起動開始から起動完了までの水ポンプの動作を
示すフローチャートである。

【図５】起動完了後の運転時の水ポンプの動作を示すフ
ローチャートである。

【符号の説明】 １ 固体高分子型燃料電池 １１ 燃料電池本体 １２ 水素供給系 １３ 空気（酸素）供給系 １４ 冷却加湿水供給系 １７ 制御装置 ２１ セル ２２ 固体高分子電解質膜 ２３ アノード ２４ カソード ２７ アノード側流路 ２８ カソード側流路 ５２ 水ポンプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉田 晶一 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 前田 秀雄 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC03 5H027 AA06 BA13 CC06 DD03 KK46 KK54 MM16

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アノード、固体高分子電解質膜、及びカ
   ソードが積層されて構成される燃料電池本体を備え、前
   記アノードに供給された水素と前記カソードに供給され
   た酸素とを、加湿水供給手段からの加湿水で加湿された
   前記固体高分子電解質膜を通じて電気化学反応させ、電
   力を発生させる固体高分子型燃料電池において、 当該燃料電池の起動開始時、前記燃料電池本体で発生す
   る電力の電圧が所定電圧以上に至るまで前記加湿水供給
   手段を作動させる制御手段を備えたことを特徴とする固
   体高分子型燃料電池。
2. 【請求項２】 アノード、固体高分子電解質膜、及びカ
   ソードが積層されて構成される燃料電池本体を備え、水
   素供給手段から前記アノードに供給された水素と前記カ
   ソードに供給された酸素とを、加湿された前記固体高分
   子電解質膜を通じて電気化学反応させ、電力を発生させ
   る固体高分子型燃料電池において、 当該燃料電池の起動開始時、前記燃料電池本体で発生す
   る電力の電圧が所定電圧以上に至るまで前記水素供給手
   段を作動させる制御手段を備えたことを特徴とする固体
   高分子型燃料電池。
3. 【請求項３】 アノード、固体高分子電解質膜、及びカ
   ソードが積層されて構成される燃料電池本体を備え、前
   記アノードに供給された水素と前記カソードに供給され
   た酸素とを、加湿水供給手段からの加湿水で加湿された
   前記固体高分子電解質膜を通じて電気化学反応させ、電
   力を発生させる固体高分子型燃料電池において、 当該燃料電池の起動時、前記燃料電池本体の温度が所定
   温度以下であるときに前記加湿水供給手段を間欠的に作
   動させる制御手段を備えたことを特徴とする固体高分子
   型燃料電池。
4. 【請求項４】 アノード、固体高分子電解質膜、及びカ
   ソードが積層されて構成される燃料電池本体を備え、前
   記アノードに供給された水素と酸素供給手段から前記カ
   ソードに供給された酸素とを、加湿された前記固体高分
   子電解質膜を通じて電気化学反応させ、電力を発生させ
   る固体高分子型燃料電池において、当該燃料電池の起動
   時に前記酸素供給手段を最大出力で作動させる制御手段
   を備えたことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
5. 【請求項５】 アノード、固体高分子電解質膜、及びカ
   ソードが積層されて構成される燃料電池本体を備え、前
   記アノードに供給された水素と前記カソードに供給され
   た酸素とを、加湿水供給手段からの加湿水で加湿された
   前記固体高分子電解質膜を通じて電気化学反応させ、電
   力を発生させる固体高分子型燃料電池において、 当該燃料電池の起動完了後の運転中に、前記燃料電池本
   体で発生する電力の電圧が所定電圧以下であるときには
   前記加湿水供給手段を間欠的に作動させる制御手段を備
   えたことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
6. 【請求項６】 前記燃料電池本体で発生する電力の電圧
   は、当該燃料電池本体を構成する複数のセルを任意の個
   数ずつ区分して複数のセルブロックを形成し、このセル
   ブロックで発生する電力の電圧であることを特徴とする
   請求項５記載の固体高分子型燃料電池。