JP2002305014A

JP2002305014A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2002305014A
Application number: JP2001108330A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Hayashi; 勝美林; Hideo Kato; 英男加藤; Yosuke Fujii; 洋介藤井; Yasushi Kanai; 靖司金井
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2001-04-06
Filing date: 2001-04-06
Publication date: 2002-10-18

Abstract

(57)【要約】【課題】短時間で自己発熱による加熱ができ、かつ、
反応ガスを燃焼用として使用する必要なく低温始動性を
向上させることができる燃料電池を提供する。【解決手段】アノード電極２とカソード電極３が固体
高分子電解質膜４の両側に配置された膜・電極構造体５
をセパレータ６，７で挟持した燃料電池において、前記
膜・電極構造体５の発電面の一部を反応ガスを供給して
電力を取り出す局所発電領域Ｋとして構成したことを特
徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、燃料電池の低温
起動技術に関する。

【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７
０℃〜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２０００−５１２０
６８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。ま
た、米国特許第６１０３４１０号公報に示されているよ
うに、反応ガスである水素の一部を空気に混ぜること
で、カソード側の触媒により反応を起こし燃焼熱を発生
させ始動性を向上させるものもある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の
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により加熱するためにはある程度
長い時間が必要となってしまうという問題がある。ま
た、後者の水素の一部を燃焼させる技術では、発電用と
して搭載している水素の他に始動用としての水素が必要
となるため、その分だけ水素タンクが大型化し、周辺機
能部品の配置スペースに制約を与えてしまうという問題
がある。そこで、この発明は、短時間で自己発熱による
加熱ができ、かつ、反応ガスを燃焼用として使用する必
要なく低温始動性を向上させることができる燃料電池を
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、アノード電極（例え
ば、実施形態におけるアノード電極２）とカソード電極
（例えば、実施形態におけるカソード電極３）が固体高
分子電解質膜（例えば、実施形態における固体高分子電
解質膜４）の両側に配置された膜・電極構造体（例え
ば、実施形態における膜・電極構造体５）をセパレータ
（例えば、実施形態におけるセパレータ６，７）で挟持
した燃料電池において、前記膜・電極構造体の発電面の
少なくとも一部を、反応ガスを供給して電力を取り出す
局所発電領域（例えば、実施形態における局所発電領域
Ｋ）として構成したことを特徴とする。このように構成
することで、例えば、低温起動時に膜・電極構造体の発
電面の一部で局所的な発電を行い、当該部位で自己発熱
を集中的に行って温度を速やかに高め、この高温度部位
を発電面全体に拡大して燃料電池の温度を高めること可
能となる。

【０００６】請求項２に記載した発明は、前記膜・電極
構造体と各セパレータとの間に形成された反応ガス流路
の一部を前記局所発電領域として構成される起動時用反
応ガス流路（例えば、実施形態における起動時用反応ガ
ス流路Ｃ１，Ａ１）として区画し、この起動時用反応ガ
ス流路に、反応ガスの供給路（例えば、実施形態におけ
る供給配管１３，２３）を接続可能に構成したことを特
徴とする。このように構成することで、反応ガスの供給
路から供給される定格量の反応ガスを起動時用反応ガス
流路に集中的に供給して発電を行い、この部位において
見かけの反応ガス供給量が増加した分だけ自己発熱を集
中的に行い温度を速やかに高め、この高温度部位を発電
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。

【０００７】請求項３に記載した発明は、前記局所発電
領域を、加熱手段により加熱される部分加熱領域（例え
ば、実施形態における部分加熱領域Ｂ）として区画した
ことを特徴とする。このように構成することで、発電面
の一部に区画された部分加熱領域を加熱手段により加熱
することによりこの部位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部位の温度を速やかに高め、
この高温度部位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。

【０００８】請求項４に記載した発明は、前記局所発電
領域を、独立して電力の取り出しを行うことができる起
動時用電力取出領域（例えば、実施形態における起動時
用電力取出領域Ｄ）として区画したことを特徴とする。
このように構成することで、発電面の一部に区画された
起動時用電力取出領域から集中的に電力を取り出すこと
で、この部位を集中的に自己発熱させて当該部位の温度
を速やかに高め、この高温度部位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。

【０００９】請求項５に記載した発明は、前記反応ガス
流路の入口側を局所発電領域として設定したことを特徴
とする。このように構成することで、反応ガスを確実に
発電に供することが可能となる。

【００１０】請求項６に記載した発明は、前記加熱手段
の加熱量を、生成水の再氷結を防止する量に制御するこ
とを特徴とする。このように構成することで、加熱手段
により効果的に加熱することができる。

【００１１】請求項７に記載した発明は、膜・電極構造
体の発電面の温度に応じて、局所発電と全面発電とを切
り換えて制御することを特徴とする。このように構成す
ることで、膜・電極構造体の発電面の温度状態に応じて
的確に運転制御を行うことが可能となる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施形態を図面
と共に説明する。図１、図２はこの発明の第１実施形態
を示している。図２に示すように、燃料電池１は、アノ
ード電極２とカソード電極３が固体高分子電解質膜４の
両側に配置された膜・電極構造体５を備えている。膜・
電極構造体５はアノード側のセパレータ６とカソード側
のセパレータ７により挟持され、これらが複数組積層さ
れて、例えば、車両用の燃料電池スタックが構成され
る。尚、この実施形態では説明の都合上、膜・電極構造
体５と一対のセパレータ６，７とで構成される単位燃料
電池を例にして説明する。

【００１３】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。

【００１４】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平面図である。このカ
ソード側のセパレータ７は上半部と下半分とに区画され
た反応ガス流路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流路は複数
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、反応ガス流路
Ｃ１，Ｃ２としては、蛇行した流路や、Ｕ字の流路など
様々な形状の流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の反応ガス流路を鎖線で
併記する。

【００１５】カソード側のセパレータ７の上半部の反応
ガス流路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流路
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。

【００１６】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分とに区
画された反応ガス流路Ａ１，Ａ２を備えている。つま
り、カソード側の反応ガス流路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
応ガス流路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（供給路）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。

【００１７】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
冷却水連通孔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
口側冷却水連通孔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
水連通孔３０，３１同志を結ぶ冷却水流路Ｒが形成され
ている。この冷却水流路Ｒは図示しない冷却系配管に接
続されている。

【００１８】図２は図１のＡ−Ａ線に沿う断面図であ
る。図２に示すように、上述のように構成された燃料電
池１のカソード側のセパレータ７と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４０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。図１中、５０はＥＣＵを示し、このＥＣＵ５
０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、及び燃料電池１内の温
度センサＴに接続されている。

【００１９】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の発電面が、局所発電領域Ｋとして
構成され、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の上半部の反応ガス流路Ｃ１，Ａ１が
起動時用反応ガス流路として構成されている。

【００２０】次に、第１実施形態の作用について説明す
る。先ず、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流路Ｃ１，Ｃ２，
Ａ１，Ａ２の溝の一部で凍結している場合が多い。

【００２１】したがって、燃料電池１の始動に際して
は、前記温度センサＳの検出温度に基づいてＥＣＵ５０
により燃料電池１の温度（冷却水温あるいはセパレータ
の温度）が所定温度（例えば、０℃）以下であることが
検出されると前記両バルブ１４，２４が閉作動される。
これにより、各セパレータ６，７の上半部側の各反応ガ
ス流路Ｃ１，Ａ１のみが酸化剤ガスと燃料ガスの供給対
象となる。

【００２２】この状態で、図示しな補機用バッテリによ
り各種補機類を作動させ、図示しないキャパシタ（バッ
テリでもよい）によりスーパーチャージャーＳ／Ｃを作
動させて、スーパーチャージャーＳ／Ｃから空気を、水
素タンクＨ２から水素ガスを供給配管１３，２３を介し
て供給する。するとこれら定格量（局所発電運転ではな
い全面発電運転のときの流量）の空気及び水素ガスが起
動時用反応ガス流路である上半部の反応ガス流路Ｃ１，
Ａ１に集中して供給されるため、一部連通している反応
ガス流路を各反応ガスが流れることにより局所発電が行
われる。このとき前記スーパーチャージャーＳ／Ｃを含
む外部負荷Ｆにより電気エネルギーが取り出されるため
反応により発電面の上半分のみが集中的に自己発熱す
る。このとき、生成水の凍結部分では各反応ガス流路Ｃ
１，Ａ１の閉塞が効果的に解消される。

【００２３】ここで、前記局所発電が行われる部位にお
いては、発電が行われると生成水が新たに発生するた
め、この生成水の氷結を防止しながら、自己発熱を生じ
させるために以下のような関係式を満足させる必要があ
る。生成水凍結阻止熱量＋放熱量＜反応熱量（自己発熱量）・・・・式（１）そして、この関係を満たすような反応熱量（自己発熱
量）を発生させれば、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局所発電領域Ｋの温
度を所定温度（例えば、０℃）を越える温度にすること
ができる。したがって、他の部分が所定温度（例えば、
０℃）以下であっても燃料電池１は発電を維持すること
ができるのである。

【００２４】また、上半部の各反応ガス流路Ｃ１，Ａ１
では、反応ガス供給量が局所発電領域Ｋに集中（全発電
面の１／２の面積に集中）するので見かけの反応ガス供
給量が増加（２倍となる）した分だけ上記自己発熱が更
に集中的に行われ、例えば、図３に示す一部の発電面
（例えば、図３の破線部参照）の温度は速やかに高まり
高温度部位が発生する。そして、一旦高温度部が生じる
と熱伝導によりその部位は徐々に広がってゆき、生成水
の凍結は更に解消され反応ガス流路Ｃ１，Ａ１は徐々に
確保される。そして、この高温度部が上半部全体に広が
り（図４の破線部参照）、更に下半部にまで広がり、最
終的に燃料電池１の発電面全体に及ぶ（図５の破線部参
照）。

【００２５】そして、温度センサＴにより燃料電池１の
温度が所定温度（例えば、５℃）になったことが検出さ
れると、ＥＣＵ５０により局所発電運転の終了が判定さ
れるため、ＥＣＵ５０は両方のバルブ１４，２４を開
く。これにより供給配管１３，２３から、上半部と下半
部の両方の反応ガス流路Ｃ１，Ａ１、Ｃ２，Ａ２に水素
ガスと空気が供給され局所発電運転から全面発電運転に
移行する。これにより、燃料電池１の全反応ガス流路Ｃ
１，Ｃ２，Ａ１，Ａ２に反応ガスが供給されることによ
って局所発電運転を終了した燃料電池１から通常の出力
電力を得ることができる。このようにして、膜・電極構
造体５の発電面の温度に応じて、ＥＣＵ５０を介して局
所発電運転（局所発電による燃料電池の運転）と全面発
電運転（全面発電運転による燃料電池の運転）とを切り
換えて制御することにより、膜・電極構造体５の発電面
の温度状態に応じて的確な運転制御を行うことができ
る。よって、常に最適な出力を得ることができ、エネル
ギーマネージメント上有利となる。

【００２６】したがって、第１実施形態によれば、スー
パーチャージャーＳ／Ｃから供給される定格量の反応ガ
スを起動時用反応ガス流路である上半部の各反応ガス流
路Ｃ１，Ａ１に集中的に供給して発電を行い、この部位
において見かけの反応ガス供給量が増加した分だけ自己
発熱を集中的に行い温度を速やかに高め、この高温度部
位を発電面全体に拡大して燃料電池１の温度を高めるこ
とができる。したがって、燃料電池１の起動当初から全
反応ガス流路に反応ガスを供給し発電面全体で発電を行
い発熱部分が分散してしまう場合に比較して、自己発熱
部分を集中することができる分だけ始動時間を短縮して
始動性能を高めることができる。

【００２７】そして、局所発電により、例えば、スーパ
ーチャージャーＳ／Ｃや他の補機類の電力が確保できる
ため、始動時におけるエネルギーマネージメント上で支
障をきたすことはない。また、起動時用の反応ガス流路
Ｃ１，Ａ１に定格量の反応ガスが流れることで、反応ガ
ス流路内流速が増加して流路内に溜まった生成水を速や
かに排出できる。更に、発電密度を高めることにより放
熱量を最小限に抑えることができることからも発熱量を
増大することができ短時間で暖機を行うことができる。

【００２８】次に、図６に基づいて第２実施形態につい
て説明する。図６はカソード側のセパレータ７を膜・電
極構造体に対向する側から見た平面図である。このカソ
ード側のセパレータ７も前記実施形態と同様に上半部と
下半部とに区画された反応ガス流路Ｃ１，Ｃ２を備え、
各反応ガス流路Ｃ１，Ｃ２は図示しないアノード側のセ
パレータの上半部と下半部に各々形成された反応ガス流
路Ａ１，Ａ２に対応して形成されている。尚、前記第１
実施形態の図２を一部援用し、前記第１実施形態と同一
態様部分には同一符号を付して説明する。

【００２９】ここで、発電面の上半部、つまり上半部の
反応ガス流路Ｃ１，Ａ１の配置部位が、部分的に加熱さ
れる部分加熱領域（破線で示す）Ｂ、つまり、局所発電
領域Ｋとして設定されている。この部分加熱量域Ｂに合
わせて図示しない薄膜ヒーターなどの電気ヒーター（加
熱手段）が設けられている。この電気ヒーターには、電
源（バッテリ６０）から電力が供給されているが、燃料
電池の発電電力から電力を供給してもよい。尚、電気ヒ
ーターに替えて温風を発生する送風装置により温風を吹
き付けるようにしてもよい。ここで、前述実施形態と同
様の構成の各入口側酸化剤ガス連通孔１０は、供給配管
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均等に各反応ガス流路Ｃ１，
Ｃ２に供給されるようになっている。また、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、水素タンクＨ２からの水素ガスは、上
半部と下半部の各反応ガス流路Ａ１，Ａ２に供給される
ようになっている。そして、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、加熱装置６０、及
び燃料電池１内の温度センサＴがＥＣＵ５０に接続され
ている。

【００３０】次に、第２実施形態の作用について説明す
る。燃料電池１の起動時に、温度センサＴにより燃料電
池１の温度が所定温度（例えば、０℃）以下であること
が検出されると、ＥＣＵ５０により電気ヒーターがＯＮ
作動され、燃料電池１の上半部は加熱される。この状態
で、補機用バッテリにより各種補機類を作動させ、スー
パーチャージャーＳ／Ｃから空気を、水素タンクＨ２か
ら水素ガスを各々の供給配管１３，２３を介して各反応
ガス流路Ｃ１，Ｃ２、Ａ１，Ａ２に供給する。

【００３１】このように上半部が電気ヒーターにより集
中的に加熱されると、この部位における固体高分子電解
質膜が加熱され、同時にアノード電極、カソード電極の
触媒が活性化するので発電効率が高まる。これにより部
分加熱領域Ｂにおいて局所的な発電が迅速に行われる。
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、前記電気ヒーターによる加熱と自己発
熱により当該部位の温度が速やかに高まり、この高温度
部位を発電面全体に拡大して燃料電池１全体の温度が高
まる。ここで、前記局所発電が行われる部位において
は、発電が行われると生成水が新たに発生するため、こ
の生成水の再氷結を防止しながら、電気ヒーターによる
加熱を行いつつ自己発熱を生じさせるためには以下のよ
うな関係式を満足させる必要がある。生成水凍結阻止熱量＋放熱量＜反応熱量（自己発熱量）＋加熱量・・式（２）ただし、加熱量は電気ヒーターによる加熱量

【００３２】そして、温度センサＴが所定温度（例え
ば、５℃）になったことを検出すると、ＥＣＵ５０によ
り局所発電運転が終了したと判定されるため、ＥＣＵ５
０は電気ヒーターを停止し、局所発電運転から全面発電
運転に移行する。これにより、電気ヒーターを使用しな
い全面発電運転において燃料電池１から通常の出力電力
を得ることができる。

【００３３】したがって、第２実施形態によれば、第１
実施形態の効果に加え、燃料電池１の自己発熱を電気ヒ
ーターにより加熱アシストして、部分加熱領域Ｂの温度
を速やかに高め、この高温度部位を発電面全体に拡大し
て燃料電池１の温度を高めることが可能となる。よっ
て、発電面全体を加熱した場合に比較して自己発熱部分
を集中することができる分だけ始動時間を短縮して始動
性能を高めることができる。とりわけ、電気ヒーターの
加熱量を、生成水の再氷結を防止する量に制御すること
で、効果的に加熱することができる。よって、氷結によ
る反応ガスの流路の閉塞を徐々に解消して、始動時間を
短縮できる。

【００３４】次に、図７、図８に基づいて第３実施形態
について説明する。図７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平面図である。
この実施形態は、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が上半部と下半部とで絶縁材７０
を介して電気的に絶縁され、上半部からのみ独立して電
力を取り出せるようにしたものである。つまり、前記上
半部が起動時用電力取出部Ｄとして区画されている。図
７に示すように、このカソード側のセパレータ７も前記
実施形態と同様に上半部と下半部とに区画された反応ガ
ス流路Ｃ１，Ｃ２を備え、各反応ガス流路Ｃ１，Ｃ２は
図示しないアノード側のセパレータ６の上半部と下半部
に各々形成された反応ガス流路Ａ１，Ａ２に対応して形
成されている。尚、前記第１実施形態と同一態様部分に
は同一符号を付して説明する。

【００３５】そして、発電面の上半部、つまり上半部の
反応ガス流路Ｃ１，Ａ１の配置部位が、前述した起動時
用電力取出部（局所発電領域Ｋ）Ｄとして設定されてい
る。尚、図８は図７のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。同
図に示すように、上述のように構成された燃料電池１の
カソード側のセパレータ７とアノード側のセパレータ６
の上半部と下半部とに端子部材（図示せず）が設けら
れ、この端子部材によって、各々燃料電池１から出力電
力を取り出す閉回路４１，４２が形成されている。この
燃料電池１の出力電力により走行用モータＭ、補機用バ
ッテリへの給電が行われ、スーパーチャージャーＳ／Ｃ
のモータｍを初めとする外部負荷Ｆを駆動させるように
なっている。そして、前記下半部側の閉回路４２には、
この閉回路４２を遮断するスイッチ４３が設けられてい
る。

【００３６】ここで、前述実施形態と同様の構成の各入
口側酸化剤ガス連通孔１０は、供給配管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
ある空気が均等に反応ガス流路Ｃ１，Ｃ２に供給される
ようになっている。また、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、
水素タンクＨ２からの水素ガスは、上半部と下半部の各
反応ガス流路Ａ１，Ａ２に供給されるようになってい
る。そして、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、燃料電池１内の温度センサＴ、及
び下半部側のスイッチ４３がＥＣＵ５０に接続されてい
る。

【００３７】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の下側辺部には入口側冷却水
連通孔３０とこれに連通する出口側冷却水連通孔３１が
形成され、アノード側のセパレータ６の下半部にＵ字状
の冷却水流路Ｒが形成されている。また、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の上側辺
部にも入口側冷却水連通孔３０とこれに連通する出口側
冷却水連通孔３１が形成され、アノード側のセパレータ
６の上半部にＵ字状の冷却水流路Ｒが形成されている。
つまり、前記絶縁材７０により各セパレータ６，７が２
つに区画されている関係で、導通性のある冷却水流路Ｒ
も独立して形成されている。尚、各冷却水流路Ｒは図示
しない冷却系配管に接続されている。

【００３８】次に、第３実施形態の作用について説明す
る。燃料電池１の起動時に、温度センサＴにより燃料電
池１の温度が所定温度（例えば、０℃）以下であること
を検出すると、ＥＣＵ５０によりスイッチ４３がＯＦＦ
作動され、各セパレータ６，７の下半部の閉回路４２は
遮断される。これにより、電力の取り出しは各セパレー
タ６，７の上半部側の閉回路４１のみにより行われるこ
ととなる。この状態で、補機用バッテリにより各種補機
類を作動させ、スーパーチャージャーＳ／Ｃから空気
を、水素タンクＨ２から水素ガスを各々の供給配管１
３，２３を介して各反応ガス流路Ｃ１，Ｃ２、Ａ１，Ａ
２に供給する。

【００３９】ここで、各セパレータ６，７の下半部では
前記閉回路４２が遮断されているため電力の取り出しは
行われず、したがって、この部分での発電は行われな
い。一方、各セパレータ６，７の上半部では反応ガスの
供給と共に出力電力の取り出しが行われるため、この上
半部では低温時であって固体高分子電解質膜４を通過す
るイオン抵抗が大きいこともあり自己発熱が集中して行
われる。つまり、セパレータの全面から電力を取り出し
た場合のように分散することなく、集中的に各セパレー
タの上半部において自己発熱が起きるのである。このと
き、生成水の凍結部分では反応ガス流路の閉塞が効果的
に解消される。

【００４０】尚、前記局所発電が行われる部位において
は、発電が行われると生成水が新たに発生するため、こ
の生成水の凍結を防止しながら、自己発熱を生じさせる
ために以下の関係が必要であることは前記実施形態と同
様である。生成水凍結阻止熱量＋放熱量＜反応熱量（自己発熱量）・・・・・式（３）

【００４１】そして、上記自己発熱が更に集中的に行わ
れ、これによって上半部の温度は速やかに高まり高温度
部位が発生し、一旦高温度部が生じると熱伝導によりそ
の部位は徐々に広がってゆき、生成水の凍結は更に解消
され反応ガス流路Ｃ１，Ａ１は徐々に確保される。そし
て、この高温度部が上半部全体に広がり、更に下半部に
まで広がり、最終的に燃料電池１の発電面全体に及ぶ。

【００４２】そして、温度センサＴが所定温度（例え
ば、５℃）になったことを検出すると、ＥＣＵ５０によ
り局所発電運転が終了したと判定されるため、ＥＣＵ５
０はスイッチ４３をＯＮ作動して、セパレータの下半部
の閉回路４２を導通させる。これによりセパレータ６，
７の下半部からも電力の取り出しが行われて局所発電運
転から全面発電運転に移行する。これにより、燃料電池
１全体から通常の出力電力を得ることができる。したが
って、第３実施形態によれば、上記各実施形態の効果に
加え、発電面全体から電力を取り出した場合に比較して
自己発熱部分を集中することができる分だけ始動時間を
短縮して始動性能を高めることができる。

【００４３】次に、他の実施形態について説明する。図
９はカソード側のセパレータ７を膜・電極構造体に対向
する側から見た平面図である。前述した実施形態では、
反応ガス流路を区画することを前提にして、局所発電領
域を設定したが、図９に示すように、反応ガス流路を区
画することなく、局所発電領域Ｋを設定してもよい。こ
こで、図９に示すカソード側のセパレータ７は、金属製
のセパレータであってシール部材Ｇにより反応ガス流路
を形成したものである。尚、３０は入口側冷却水連通
孔、３１は出口側冷却水連通孔を示す。また、アノーソ
側のセパレータについては説明を省略する。

【００４４】カソード側のセパレータ７は右側辺部の上
部に入口側酸化剤ガス連通孔１０を下部に出口側酸化剤
ガス連通孔１１を備え、Ｕ字状の反応ガス流路Ｃが形成
される形式のものである。また、カソード側のセパレー
タ７は左側辺部の上部に入口側燃料ガス連通孔２０を下
部に出口側燃料ガス連通孔２１を備え、図示しないカソ
ード側のセパレータにＵ字状に反応ガスが流れる形式の
ものである。ここで、この実施形態では、図９に破線で
示す位置、つまり発電面の上半部の一部に電気ヒーター
が配置され、この部分が部分加熱領域Ｂであると共に局
所発電領域Ｋとして構成されている。

【００４５】したがって、この実施形態によれば、前記
実施形態の効果に加え、局所発電領域Ｋが入口側酸化剤
ガス連通孔１０及び入口側燃料ガス連通孔２０に近接し
た位置に配置されているため、反応ガスを確実に発電に
供することができる。よって、確実に自己発熱による高
温度部位を形成することができる。また、生成水は反応
ガス流路Ｃの下流側ほど溜まりやすいことから、上流側
に位置する局部発電領域Ｋでは生成水の凍結の可能性が
低くく、反応ガスの供給を確実に行うことができる点で
も有利である。

【００４６】次に、図１０〜図１２に示す実施形態は、
上半部と下半部に区画された反応ガス流路の他の態様で
ある。ここで、前述実施形態と同様に以下の各実施形態
も金属製のセパレータにシール部材Ｇを取り付けて流路
を形成している。また、以下の実施形態では入口側冷却
水連通孔３０と出口側冷却連通孔３１は左右側辺部に設
けられている。これらの実施形態においても、上半部あ
るいは下半部を局所発電領域Ｋ、つまり、起動時用反応
ガス流路Ｃ１，Ａ１、部分加熱領域Ｂ、起動時用電力取
出領域Ｄとして区画することで、上記各実施形態と同様
に、始動時間を短縮して始動性を向上することができ
る。

【００４７】具体的には図１０に示すように、入口側酸
化剤ガス連通孔１０、出口側酸化剤ガス連通孔１１を両
側辺部の上方に、入口側燃料ガス連通孔２０、出口側燃
料ガス連通孔２１を下方に位置させている。この実施形
態では、上半部の反応ガス流路Ｃ１の上部側は生成水が
溜まりにくいためこの部分を使用して局部発電を効果的
に行うことができる。

【００４８】また、図１１に示すように、入口側酸化剤
ガス連通孔１０、出口側酸化剤ガス連通孔１１を右側辺
部の上下に、入口側燃料ガス連通孔２０、出口側燃料ガ
ス連通孔２１を左側辺部の上下に位置させ、図９の実施
形態のように反応ガス流路Ｃ１をＵ字状に配置してもよ
い。そして、図１２に示すように、入口側酸化剤ガス連
通孔１０、出口側酸化剤ガス連通孔１１を右側辺部上部
と左側辺部下部に、入口側燃料ガス連通孔２０、出口側
燃料ガス連通孔２１を左側辺部上部と右側辺部下部に位
置させ、蛇行する反応ガス流路Ｃ１，Ｃ２としてもよ
い。

【００４９】尚、この発明は上記実施形態では、局所発
電領域を形成する位置として主として発電面を上半部と
下半部に区画した場合を例にして説明したが、これらの
区画態様は一例であり、左右方向で区画したり、少ない
面積を部分的に区画することで局所発電領域を形成でき
る。尚、生成水が下側に溜まることを考慮すると、生成
水が溜まりにくい上側で局所発電を行うことが好まし
く、また、反応ガス通路の下流側ほど生成水が溜まりや
すいことを考慮するとできるだけ反応ガス流路の上流側
で局所発電をすることが好ましい。

【００５０】

【発明の効果】以上説明してきたように、請求項１に記
載した発明によれば、例えば、低温起動時に膜・電極構
造体の発電面の一部で局所的な発電を行い、当該部位で
自己発熱を集中的に行って温度を速やかに高め、この高
温度部位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ため、発電面全体で発電を行い発熱
部分が分散してしまう場合に比較して始動時間を短縮し
て始動性能を高めることができる効果がある。また、燃
焼用ガス自体を燃焼させて燃料電池を加熱する場合のよ
うに、燃焼用ガスのタンクを大型化する必要がなくなり
周辺機能部品の配置スペースに制約を与えることはな
い。

【００５１】請求項２に記載した発明によれば、反応ガ
スの供給路から供給される定格量の反応ガスを起動時用
反応ガス流路に集中的に供給して発電を行い、この部位
において見かけの反応ガス供給量が増加した分だけ自己
発熱を集中的に行い温度を速やかに高め、この高温度部
位を発電面全体に拡大して燃料電池の温度を高めること
が可能となるため、全反応ガス流路に反応ガスを供給し
発電面全体で発電を行い発熱部分が分散してしまう場合
に比較して、自己発熱部分を集中することができる分だ
け始動時間を短縮して始動性能を高めることができる効
果がある。また、起動時用反応ガス流路に定格量の反応
ガスが流れることで、反応ガス流路内流速が増加して流
路内に溜まった生成水の排出性能が高まる効果がある。

【００５２】請求項３に記載した発明によれば、発電面
の一部に区画された部分加熱領域を加熱することにより
この部位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
進して当該部位の温度を速やかに高め、この高温度部位
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
可能となるため、発電面全体を加熱した場合に比較して
自己発熱部分を集中することができる分だけ始動時間を
短縮して始動性能を高めることができる効果がある。

【００５３】請求項４に記載した発明によれば、発電面
の一部に区画された起動時用電力取出領域から集中的に
電力を取り出すことで、この部位を集中的に自己発熱さ
せて当該部位の温度を速やかに高め、この高温度部位を
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
能となるため、発電面全体から電力を取り出した場合に
比較して自己発熱部分を集中することができる分だけ始
動時間を短縮して始動性能を高めることができる効果が
ある。

【００５４】請求項５に記載した発明によれば、反応ガ
スを確実に発電に供することが可能となるため、確実に
自己発熱による高温度部位を形成することができる効果
がある。

【００５５】請求項６に記載した発明によれば、生成水
の再氷結を防止しながら加熱手段により効果的に加熱す
ることができるため、氷結による反応ガスの流路の閉塞
を徐々に解消して、始動時間を短縮できる効果がある。

【００５６】請求項７に記載した発明によれば、膜・電
極構造体の発電面の温度状態に応じて的確に運転制御を
行うことが可能となるため、常に最適な出力を得ること
ができ、エネルギーマネージメント上有利となるという
効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施形態の平面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

【図３】加熱部分が広がる様子を示す説明図である。

【図４】加熱部分が広がる様子を示す説明図である。

【図５】加熱部分が広がる様子を示す説明図である。

【図６】この発明の第２実施形態の平面図である。

【図７】この発明の第３実施形態の平面図である。

【図８】図７のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。

【図９】この発明の他の実施形態の平面図である。

【図１０】この発明の更に他の実施形態の平面図であ
る。

【図１１】この発明の別の実施形態の平面図である。

【図１２】この発明の更に別の実施形態の平面図であ
る。

【符号の説明】

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膜・電極構造体６アノード側のセパレータ７カソード側のセパレータ１３，２３供給配管（供給路）Ａ１，Ｃ１起動時用反応ガス流路（局所発電領域Ｋ）Ｂ部分加熱領域（局所発電領域Ｋ）Ｄ起動時用電力取出領域（局所発電領域Ｋ）

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｍ 8/10 Ｈ０１Ｍ 8/10 // Ｈ０１Ｍ 8/00 8/00 Ｚ (72)発明者藤井洋介埼玉県和光市中央１丁目４番１号株式会社本田技術研究所内 (72)発明者金井靖司埼玉県和光市中央１丁目４番１号株式会社本田技術研究所内Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC03 CX05 5H027 AA06 CC00 CC11 DD00 KK46 MM02 MM21

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アノード電極とカソード電極が固体高分
子電解質膜の両側に配置された膜・電極構造体をセパレ
ータで挟持した燃料電池において、前記膜・電極構造体
の発電面の少なくとも一部を、反応ガスを供給して電力
を取り出す局所発電領域として構成したことを特徴とす
る燃料電池。
【請求項２】前記膜・電極構造体と各セパレータとの
間に形成された反応ガス流路の一部を前記局所発電領域
として構成される起動時用反応ガス流路として区画し、
この起動時用反応ガス流路に、反応ガスの供給路を接続
可能に構成したことを特徴とする請求項１に記載の燃料
電池。
【請求項３】前記局所発電領域を、加熱手段により加
熱される部分加熱領域として区画したことを特徴とする
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】前記局所発電領域を、独立して電力の取
り出しを行うことができる起動時用電力取出領域として
区画したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載
の燃料電池。
【請求項５】前記反応ガス流路の入口側を局所発電領
域として設定したことを特徴とする請求項２に記載の燃
料電池。
【請求項６】前記加熱手段の加熱量を、生成水の再氷
結を防止する量に制御することを特徴とする請求項３に
記載の燃料電池。
【請求項７】膜・電極構造体の発電面の温度に応じ
て、局所発電と全面発電とを切り換えて制御することを
特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の燃料
電池。