JP2002313391A - Fuel cell - Google Patents

Fuel cell

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JP2002313391A
JP2002313391A JP2001115382A JP2001115382A JP2002313391A JP 2002313391 A JP2002313391 A JP 2002313391A JP 2001115382 A JP2001115382 A JP 2001115382A JP 2001115382 A JP2001115382 A JP 2001115382A JP 2002313391 A JP2002313391 A JP 2002313391A
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勝美 林
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To increase the low temperature startability of a fuel cell. SOLUTION: Anode electrodes 2 and cathode electrodes 3 are installed on both sides of solid polymer electrolyte membranes 4, and reaction gas passages A1, A2, C1 and C2 are provided on the outside of the electrodes to form a cell 5. Electric heaters 33 are installed in coolant passages R in the partial areas of the power generating surfaces of the cell 5. When the fuel cell is started at a low temperature, the electric heaters 33 are turned ON to locally heat the cell 5 for local power generation.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、固体高分子電解
質膜を備えた燃料電池に関し、特に、低温起動性に優れ
た燃料電池に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell having a solid polymer electrolyte membrane, and more particularly to a fuel cell having excellent low-temperature startability.

【0002】[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。
2. Description of the Related Art In a fuel cell, a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode to form a membrane-electrode structure, and the membrane-electrode structure is sandwiched between a pair of separators. There is something. In this fuel cell, a fuel gas (for example, hydrogen gas) is supplied to a power generation surface of an anode electrode, and an oxidant gas (for example, air containing oxygen) is supplied to a power generation surface of a cathode electrode to perform a chemical reaction. Electrons are taken out to an external circuit and used as DC electric energy. At the cathode electrode, an oxidizing gas (for example,
Hydrogen-containing air)
The electrons and oxygen react to produce water. Therefore, it has attracted attention as a driving source for vehicles because it has little effect on the environment.

【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。
Generally, the operating temperature of this type of fuel cell is 7
Although the temperature is set to about 0 ° C. to 80 ° C., the power generation efficiency is reduced at low temperatures, so that the startability at low temperatures is a major problem. Therefore, when the fuel cell is used for a vehicle, there is a problem that it takes a long time to start when the outside air temperature is low, for example, when the fuel cell is started below freezing. On the other hand, for example, JP-T-2000-5120
As described in JP-A-68-68, there is a fuel cell in which the reaction is promoted by supplying electric power to an external load of the fuel cell, and the temperature is raised by self-heating to improve the startability.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
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だけで加熱するにはある程度長い
時間が必要となってしまうという問題がある。また、燃
料電池を暖機するために燃料電池を発電させているので
あるが、燃料電池の自己発熱だけでは熱量が不足し、暖
機中に燃料電池で生じた生成水が凍結する虞もあった。
そこで、この発明は、燃料電池の発電面の一部を加熱手
段により局所的に加熱することによって自己発熱を促進
し、短時間で燃料電池を温度上昇可能にして低温起動性
に優れた燃料電池を提供するものである。
However, in the conventional technique using self-heating, for example, when the fuel cell is below freezing at startup, the entire fuel cell having a large heat capacity is heated only by self-heating. There is a problem that it takes a long time to do so. In addition, although the fuel cell is generating power in order to warm up the fuel cell, the amount of heat generated by the fuel cell itself is insufficient due to the self-heating of the fuel cell. Was.
Accordingly, the present invention provides a fuel cell which has a low temperature start-up property by promoting self-heating by locally heating a part of the power generation surface of the fuel cell by a heating means, enabling the temperature of the fuel cell to rise in a short time. Is provided.

【0005】[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、固体高分子電解質膜
(例えば、後述する各実施の形態における固体高分子電
解質膜4)の両側にアノード電極(例えば、後述する各
実施の形態におけるアノード電極2)とカソード電極
(例えば、後述する各実施の形態におけるカソード電極
3)が設けられ、さらに前記各電極の外側にそれぞれ反
応ガス通路(例えば、後述する各実施の形態における燃
料ガス通路A1,A2、空気通路C1,C2)が設けら
れてなるセル(例えば、後述する各実施の形態における
セル5)を備えた燃料電池(例えば、後述する各実施の
形態における燃料電池1)において、前記セルにおける
発電面の一部の領域に加熱手段(例えば、後述する第1
の実施の形態における電気ヒーター33、第2の実施の
形態における電気ヒーター53、第3の実施の形態にお
ける触媒65、第4の実施の形態における酸化・還元剤
72)を備えることを特徴とする。
Means for Solving the Problems In order to solve the above-mentioned problems, the invention described in claim 1 is based on both sides of a solid polymer electrolyte membrane (for example, a solid polymer electrolyte membrane 4 in each embodiment described later). Are provided with an anode electrode (for example, an anode electrode 2 in each embodiment described later) and a cathode electrode (for example, a cathode electrode 3 in each embodiment described later), and a reaction gas passage ( For example, a fuel cell (for example, a cell 5 in each embodiment described later) provided with a cell (for example, a cell 5 in each embodiment described later) provided with fuel gas passages A1 and A2 and air passages C1 and C2 in each embodiment described later. In the fuel cell 1 according to each embodiment described above, a heating unit (for example, a first unit to be described later)
, The electric heater 53 according to the second embodiment, the catalyst 65 according to the third embodiment, and the oxidizing / reducing agent 72 according to the fourth embodiment. .

【0006】このように構成することにより、燃料電池
の低温起動時に、加熱手段によって発電面の前記一部の
領域を迅速に加熱することができ、この領域における固
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領域の温
度を速やかに高め、この高温度領域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。
[0006] With this configuration, when the fuel cell is started at a low temperature, the heating means can quickly heat the partial area of the power generation surface, and the ion passing resistance of the solid polymer electrolyte membrane in this area can be increased. To increase the power generation efficiency, thereby promoting self-heating and quickly raising the temperature of the area. This high temperature area can be extended over the entire power generation surface to increase the temperature of the fuel cell.

【0007】請求項2に記載した発明は、請求項1に記
載の発明において、前記加熱手段は電気ヒーター(例え
ば、後述する第1の実施の形態における電気ヒーター3
3、第2の実施の形態における電気ヒーター53)であ
ることを特徴とする。このように構成することにより、
加熱手段を電気エネルギーで作動することが可能にな
る。
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the heating means is an electric heater (for example, an electric heater 3 in a first embodiment described later).
3. The electric heater 53 according to the second embodiment. With this configuration,
The heating means can be operated with electric energy.

【0008】請求項3に記載した発明は、請求項2に記
載の発明において、前記セルは冷却液通路(例えば、後
述する第1の実施の形態における冷却液通路R)を備
え、この冷却液通路に前記電気ヒーター(例えば、後述
する第1の実施の形態における電気ヒーター33)が設
けられていることを特徴とする。このように構成するこ
とにより、電気ヒーターをセルに容易に取り付け可能に
なる。
According to a third aspect of the present invention, in the second aspect of the present invention, the cell includes a coolant passage (for example, a coolant passage R in a first embodiment described later). The passage is provided with the electric heater (for example, an electric heater 33 in a first embodiment described later). With this configuration, the electric heater can be easily attached to the cell.

【0009】請求項4に記載した発明は、請求項2に記
載の発明において、前記燃料電池は前記セルを複数積層
してなり、積層した前記セルを締結する締め付けボルト
(例えば、後述する第2の実施の形態におけるスタッド
ボルト40A)に前記電気ヒーター(例えば、後述する
第2の実施の形態における電気ヒーター53)が内蔵さ
れていることを特徴とする。このように構成することに
より、前記締め付けボルトの周囲を局所的に加熱するこ
とが可能になる。
According to a fourth aspect of the present invention, in the second aspect of the present invention, the fuel cell comprises a plurality of the cells stacked, and a fastening bolt (for example, a second bolt described later) for fastening the stacked cells. The electric heater (for example, an electric heater 53 according to a second embodiment described later) is built in the stud bolt 40A according to the embodiment. With this configuration, it is possible to locally heat the periphery of the fastening bolt.

【0010】請求項5に記載した発明は、請求項1に記
載の発明において、前記加熱手段は触媒燃焼器(例え
ば、後述する第3の実施の形態における触媒65)であ
ることを特徴とする。このように構成することにより、
触媒燃焼器に酸化ガス(例えば、酸素や空気)と還元ガ
ス(例えば、水素)を供給するだけでこれらガスを迅速
に燃焼させ、発電面の一部を迅速に加熱することが可能
になる。
According to a fifth aspect of the present invention, in the first aspect, the heating means is a catalytic combustor (for example, a catalyst 65 in a third embodiment described later). . With this configuration,
Only by supplying an oxidizing gas (for example, oxygen or air) and a reducing gas (for example, hydrogen) to the catalytic combustor, these gases can be rapidly burned, and a part of the power generation surface can be quickly heated.

【0011】請求項6に記載した発明は、請求項1に記
載の発明において、前記加熱手段は、酸化・還元剤(例
えば、後述する第4の実施の形態における酸化・還元剤
72)が酸化するときの発熱を利用するものであること
を特徴とする。このように構成することにより、酸化ガ
ス(例えば、酸素や空気)を供給するだけで発電面の一
部を迅速に加熱することが可能になる。
According to a sixth aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the heating means includes an oxidizing / reducing agent (for example, an oxidizing / reducing agent 72 in a fourth embodiment described later) which is oxidized. It is characterized by utilizing heat generated at the time of the operation. With this configuration, it is possible to quickly heat a part of the power generation surface only by supplying the oxidizing gas (for example, oxygen or air).

【0012】請求項7に記載した発明は、請求項1に記
載の発明において、前記燃料電池の温度に応じて前記加
熱手段の作動を制御することを特徴とする。このように
構成することにより、燃料電池の温度が低いときだけ加
熱手段を作動してセルの発電面の一部を局所的に加熱
し、燃料電池の温度が高いときは加熱手段の作動を停止
してセルの局所的な加熱を停止することが可能になる。
According to a seventh aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the operation of the heating means is controlled in accordance with the temperature of the fuel cell. With this configuration, the heating unit is operated only when the temperature of the fuel cell is low to locally heat a part of the power generation surface of the cell, and the operation of the heating unit is stopped when the temperature of the fuel cell is high. As a result, local heating of the cell can be stopped.

【0013】請求項8に記載した発明は、請求項1に記
載の発明において、前記燃料電池の出力電圧に応じて前
記加熱手段の作動を制御することを特徴とする。このよ
うに構成することにより、燃料電池の出力電圧が低いと
きだけ加熱手段を作動してセルの発電面の一部を局所的
に加熱し、燃料電池の出力電圧が高いときは加熱手段の
作動を停止してセルの局所的な加熱を停止することが可
能になる。
According to an eighth aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the operation of the heating means is controlled in accordance with the output voltage of the fuel cell. With this configuration, the heating unit is operated only when the output voltage of the fuel cell is low to locally heat a part of the power generation surface of the cell, and when the output voltage of the fuel cell is high, the heating unit is operated. To stop the local heating of the cell.

【0014】請求項9に記載した発明は、請求項1に記
載の発明において、前記燃料電池は前記セルを複数積層
してなり、各セルの温度に応じて前記加熱手段の作動を
制御することを特徴とする。このように構成することに
より、各セルの温度状態に応じて加熱手段を作動したり
停止したりすることが可能になる。
According to a ninth aspect of the present invention, in the first aspect, the fuel cell includes a plurality of the stacked cells, and controls the operation of the heating means according to the temperature of each cell. It is characterized by. With this configuration, it is possible to operate or stop the heating means according to the temperature state of each cell.

【0015】請求項10に記載した発明は、請求項1に
記載の発明において、前記燃料電池は前記セルを複数積
層してなり、各セルの出力電圧に応じて前記加熱手段の
作動を制御することを特徴とする。このように構成する
ことにより、各セルの出力電圧の状態に応じて加熱手段
を作動したり停止したりすることが可能になる。
According to a tenth aspect of the present invention, in the first aspect, the fuel cell includes a plurality of the stacked cells, and controls the operation of the heating means in accordance with the output voltage of each cell. It is characterized by the following. With this configuration, the heating unit can be operated or stopped according to the state of the output voltage of each cell.

【0016】請求項11に記載した発明は、請求項1に
記載の発明において、前記燃料電池は前記セルを複数積
層してなり、隣接する少なくとも1組のセル同士は、前
記加熱手段が発電面上において異なった位置に設けられ
ていることを特徴とする。このように構成することによ
り、前記セル間を電流が流れるときにセルの積層方向と
垂直な方向に電流が流れるようになり、その電流の通路
が電気抵抗を有することからジュール熱が発生し、燃料
電池を加熱する。
According to an eleventh aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the fuel cell includes a plurality of the stacked cells. It is characterized in that it is provided at a different position above. With this configuration, when current flows between the cells, current flows in a direction perpendicular to the cell stacking direction, and since the current path has electric resistance, Joule heat is generated, Heat the fuel cell.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】以下、この発明に係る燃料電池の
実施の形態を図1から図15の図面を参照して説明す
る。なお、以下に説明する実施の形態における燃料電池
は燃料電池自動車に搭載される態様である。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of a fuel cell according to the present invention will be described below with reference to FIGS. Note that the fuel cell in the embodiment described below is an embodiment mounted on a fuel cell vehicle.

【0018】〔第1の実施の形態〕初めに、この発明の
第1の実施の形態を図1から図6の図面を参照して説明
する。図2は燃料電池1の一部における縦断面図であ
る。燃料電池1は、固体高分子電解質膜4をアノード電
極2とカソード電極3とで挟持し、さらにその外側を一
対のセパレータ6,7で挟持してなるセル(単位燃料電
池)15を水平方向に複数積層して構成されており、図
示しないスタッドボルトにより締め付けられて、例え
ば、車両用の燃料電池スタックが構成される。尚、この
実施の形態では説明の都合上、単一のセル5を例にして
説明する。
[First Embodiment] First, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 6. FIG. FIG. 2 is a longitudinal sectional view of a part of the fuel cell 1. The fuel cell 1 has a cell (unit fuel cell) 15 in which a solid polymer electrolyte membrane 4 is sandwiched between an anode electrode 2 and a cathode electrode 3 and the outside thereof is sandwiched between a pair of separators 6 and 7. A plurality of fuel cells are stacked and fastened with stud bolts (not shown) to form, for example, a fuel cell stack for a vehicle. In this embodiment, a single cell 5 will be described as an example for convenience of explanation.

【0019】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等を用いている。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。
The solid polymer electrolyte membrane 4 uses, for example, a perfluorosulfonic acid polymer or the like. Also,
The anode electrode 2 and the cathode electrode 3 are mainly composed of platinum Pt, and are disposed on a diffusion layer made of porous carbon cloth or porous carbon paper. The separators 6 and 7 are made of dense carbon or metal, and electric power is extracted from these separators 6 and 7.

【0020】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正面図である。このカ
ソード側のセパレータ7は上半部と下半部とに区画され
た反応ガス通路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通路は複数
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、反応ガス通路
C1,C2としては、蛇行した通路や、U字の通路など
様々な形状の通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の反応ガス通路を鎖線で
併記する。
FIG. 1 is a front view of the cathode-side separator 7 as viewed from the side facing the membrane electrode assembly 5. The cathode-side separator 7 has reaction gas passages C1 and C2 partitioned into an upper half and a lower half. Here, in the case of a dense carbon separator, the reaction gas passage is constituted by a plurality of grooves. It is composed of As the reaction gas passages C1 and C2, various shapes such as a meandering passage and a U-shaped passage can be adopted. For convenience of illustration, the reaction gas passage of the separator 6 on the anode side is also indicated by a chain line.

【0021】カソード側のセパレータ7の上半部の反応
ガス通路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通路
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。
The reaction gas passage C1 in the upper half of the separator 7 on the cathode side originates from an inlet-side oxidant gas communication hole 10 formed in the lower part of the right side of the separator 7 on the cathode side, and has a diagonal corner. It terminates in the outlet-side oxidant gas communication hole 11 arranged in the direction. Similarly, a reaction gas passage C2, an inlet-side oxidizing gas communication hole 10, and an outlet-side oxidizing gas communication hole 11 having the same configuration as the upper half are formed in the lower half of the separator 7 on the cathode side. I have. Here, each of the inlet-side oxidant gas communication holes 10 is connected to a supercharger S / C via a supply pipe (supply path) 13 and is an oxidant gas from the supercharger S / C driven by the motor m. Although air is supplied, a supply pipe 13 on the lower half side is provided with a valve 14 for shutting off the supply of air.

【0022】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部とに区
画された反応ガス通路A1,A2を備えている。つま
り、カソード側の反応ガス通路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
応ガス通路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。
On the other hand, the separator 6 on the anode side also has reaction gas passages A1, A2 divided into an upper half and a lower half corresponding to the separator 7 on the cathode side. In other words, the fuel gas passages C1 and C2 on the cathode side start at the inlet-side fuel gas communication holes 20 formed in the lower part of the left side of the separator 6 on the anode side, and are arranged diagonally. Reactive gas passages A1 and A2 terminated by the outlet side fuel gas communication holes 21 are formed in the upper half and the lower half, respectively. Here, each of the inlet side fuel gas communication holes 20 is
Although connected to the hydrogen tank H2 via the supply pipe 23, the lower supply pipe 23 is provided with a valve 24 for shutting off the supply of hydrogen gas. Note that, instead of the hydrogen tank H2, a methanol tank equipped with a reformer may be used.

【0023】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
冷却液連通孔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
口側冷却液連通孔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
液連通孔30,31同志を結ぶ冷却液通路Rが形成され
ている。この冷却液通路Rは図示しない冷却系配管に接
続されている。
A pair of inlet-side coolant communication holes 30, 30 are provided on the lower sides of the anode-side separator 6 and the cathode-side separator 7, respectively. A pair of outlet-side coolant communication holes 31, 31 are formed in the sides. In the separator 6 on the anode side, a coolant passage R connecting the opposed coolant communication holes 30 and 31 is formed. The cooling liquid passage R is connected to a cooling system pipe (not shown).

【0024】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(すなわち、図1において
反応ガス通路C1の存在する部分)が、局所発電領域
(図3において破線で示す領域)S1として構成されて
おり、この領域S1における両冷却液通路Rには、図2
に示すように電気ヒーター(加熱手段)33が設けられ
ている。この電気ヒーター33はいわゆる薄膜ヒーター
で構成されており、セパレータ7において反応ガス通路
C1,C2が形成されていない側の表面であって前記領
域S1の両冷却液通路R,Rに対応する部位に、印刷あ
るいは蒸着等の適宜手段により形成される。
The cathode electrode 3 corresponding to the upper half of the cathode-side separator 7 and the anode-side separator 6
A power generation surface of the anode electrode 2 (that is, a portion where the reaction gas passage C1 exists in FIG. 1) is configured as a local power generation region (a region indicated by a broken line in FIG. 3) S1 and both coolants in this region S1 As shown in FIG.
An electric heater (heating means) 33 is provided as shown in FIG. The electric heater 33 is constituted by a so-called thin film heater. The electric heater 33 is provided on the surface of the separator 7 on the side where the reaction gas passages C1 and C2 are not formed and at a position corresponding to the two cooling liquid passages R and R in the region S1. It is formed by appropriate means such as printing or vapor deposition.

【0025】このように構成されたセル5を多数積層し
てなる燃料電池1においては、一方の最外側のカソード
側のセパレータ7と、他方の最外側のアノード側のセパ
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。
In the fuel cell 1 formed by stacking a large number of cells 5 having the above-described structure, terminal members of one outermost cathode-side separator 7 and the other outermost anode-side separator 6 (see FIG. Fuel cell 1 (not shown)
A closed circuit for extracting an output from the fuel cell 1 is formed, and the driving motor M and the external load F (including an electric heater of an embodiment described later) are driven by the output power of the fuel cell 1.

【0026】また、図2に示すように、複数あるセル5
のうちの一つのセル5のセパレータ7には、前記領域S
1内の所定部位(例えば、領域S1の中央部)に、燃料電
池1の代表温度を検出する温度センサ34が設けられて
いる。温度センサ34は例えばサーミスタ等で構成され
ており、この温度センサ34の出力信号は燃料電池制御
用のECU50に入力される。さらに、この燃料電池1
においては、各セル5の出力電圧を検出するために、各
セル5のセパレータ6,7に電圧センサ36が接続され
ており、電圧センサ36の出力信号はECU50に入力
される。
As shown in FIG. 2, a plurality of cells 5
The separator 7 of one of the cells 5 has the area S
A temperature sensor 34 for detecting a representative temperature of the fuel cell 1 is provided at a predetermined portion (for example, at the center of the region S1) in 1. The temperature sensor 34 is composed of, for example, a thermistor, and an output signal of the temperature sensor 34 is input to the fuel cell control ECU 50. Furthermore, this fuel cell 1
In, in order to detect the output voltage of each cell 5, a voltage sensor 36 is connected to the separators 6, 7 of each cell 5, and an output signal of the voltage sensor 36 is input to the ECU 50.

【0027】また、ECU50は、前記水素タンクH
2、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に接続されている。ECU50は燃料電池1の起
動時には図示しないバッテリーに蓄電されている電力に
より作動される。
The ECU 50 is provided with the hydrogen tank H
2. The motor m of the supercharger S / C, the valve 24 of the supply pipe connected to the hydrogen tank H2, and the valve 14 of the supply pipe 13 connected to the supercharger S / C. The ECU 50 is operated by electric power stored in a battery (not shown) when the fuel cell 1 is started.

【0028】このように構成された燃料電池1は、全面
発電モードにおいて次のように動作する。全面発電モー
ドでは、上下二系列ある反応ガス通路A1,A2および
反応ガス通路C1,C2の両方に水素ガスおよび空気を
流し、左右二系列ある冷却液通路R,Rの両方に冷却液
を流す。すなわち、入口側燃料ガス連通孔20に水素ガ
スを供給して反応ガス通路A1,A2に水素ガスを流
し、出口側燃料ガス連通孔21に排出する。また、スー
パーチャージャS/Cを駆動して入口側酸化剤ガス連通
孔10に空気を供給し反応ガス通路C1,C2に空気を
流し、出口側酸化剤ガス連通孔11に排出する。さら
に、入口側冷却液連通孔30に冷却液を供給して冷却液
通路R,Rに冷却液を上向きに流し、出口側冷却液連通
孔31に排出する。これにより、全セル5の発電面全面
で発電が行われる。
The fuel cell 1 thus configured operates as follows in the full power generation mode. In the full power generation mode, hydrogen gas and air flow through both the upper and lower reaction gas passages A1 and A2 and the reaction gas passages C1 and C2, and the coolant flows through both the left and right cooling liquid passages R and R. That is, hydrogen gas is supplied to the inlet side fuel gas communication hole 20 to flow the hydrogen gas through the reaction gas passages A1 and A2, and is discharged to the outlet side fuel gas communication hole 21. In addition, the supercharger S / C is driven to supply air to the inlet-side oxidant gas communication hole 10, flow air through the reaction gas passages C1 and C2, and discharge the air to the outlet-side oxidant gas communication hole 11. Further, the coolant is supplied to the inlet-side coolant communication hole 30 to flow the coolant upward through the coolant passages R, R, and is discharged to the outlet-side coolant communication hole 31. As a result, power is generated on the entire power generation surface of all the cells 5.

【0029】ところで、固体高分子電解質膜を備えた燃
料電池は、温度が低いと発電効率が低下することは前述
した通りである。また、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通路
C1,C2,A1,A2の溝の一部で凍結している場合
が多い。このような条件下で燃料電池1を起動する場合
に前記全面発電モードで起動したのでは、燃料電池1の
温度上昇に時間が長くかかってしまう。
As described above, in a fuel cell provided with a solid polymer electrolyte membrane, the power generation efficiency is reduced when the temperature is low, as described above. In addition, if the outside air temperature is below freezing (for example, -10
At low temperatures such as (.degree. C.), the water generated in the fuel cell 1 that could not be completely removed at the time of shutdown is often frozen in a part of the grooves of the reaction gas passages C1, C2, A1, and A2. . If the fuel cell 1 is started in the full power generation mode when the fuel cell 1 is started under such conditions, it takes a long time for the temperature of the fuel cell 1 to rise.

【0030】そこで、この燃料電池1では、このような
低温起動時には、燃料電池1を迅速に温度上昇させるた
めに局所発電モードで動作するようにし、局所発電モー
ドでの運転により燃料電池1の温度が上昇してから、全
面発電モードに移行するようにしている。局所発電モー
ドでは、両冷却液通路R,Rに冷却液を流さず、水素供
給系のバルブ24を閉弁することにより水素ガスは上半
部側の反応ガス通路A1だけに流して下半部側の反応ガ
ス通路A2には流さず、空気供給系のバルブ14を閉弁
することにより空気は上半部側の反応ガス通路C1だけ
に流して下半部側の反応ガス通路C2には流さず、さら
に電気ヒーター33をONにする。このようにすると、
各セル5において上半部側の局所発電領域S1だけが発
電面となり、各セル5の下半部側は発電に寄与しなくす
ることができる。
Therefore, when the fuel cell 1 is started at such a low temperature, the fuel cell 1 is operated in the local power generation mode in order to raise the temperature of the fuel cell 1 quickly. Is shifted to the full power generation mode. In the local power generation mode, the cooling liquid does not flow through the two cooling liquid passages R, and the hydrogen gas flows only through the upper half side reaction gas passage A1 by closing the valve 24 of the hydrogen supply system. When the valve 14 of the air supply system is closed, air flows only into the upper half-side reaction gas passage C1 and does not flow into the lower half-side reaction gas passage C2. Then, the electric heater 33 is turned on. This way,
In each cell 5, only the local power generation area S1 on the upper half side serves as a power generation surface, and the lower half side of each cell 5 can be prevented from contributing to power generation.

【0031】そして、電気ヒーター33に電流を流すこ
とにより、電気ヒーター33が発熱し、その熱がセパレ
ータ6,7を介してアノード電極2,カソード電極3,
固体高分子電解質膜4に伝熱し、これらを迅速に加熱す
る。その結果、領域S1において局所的な発電が迅速に
行われることとなる。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、電気ヒーター3
3による加熱と自己発熱により局所発電領域S1の温度
が速やかに高まる。
Then, when an electric current is applied to the electric heater 33, the electric heater 33 generates heat, and the heat is passed through the separators 6, 7 to the anode electrode 2, the cathode electrode 3,
Heat is transferred to the solid polymer electrolyte membrane 4 and these are quickly heated. As a result, local power generation is rapidly performed in the region S1. In addition, the rapid generation of electricity promotes self-heating due to the reaction, and the electric heater 3
3, the temperature of the local power generation region S1 is quickly increased by the self-heating.

【0032】ここで、発電の際の反応熱量と電気ヒータ
ー33による外部アシスト熱量の和が、発電により生じ
る生成水の凍結防止に必要な熱量と放熱量の和よりも大
きくなるように、電気ヒーター33の発熱量を制御する
ことにより、生成水の凍結を阻止することができる。換
言すれば、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(すなわち、燃料電池1の出力
電圧が運転限界電圧まで降下する前に)、各セル5の局
所発電領域S1の温度を0゜C以上に昇温することがで
きる。これによって、局所発電領域S1における発電を
持続させることができ、他の部分(例えば、セル5の下
側半分)が氷点下であっても燃料電池1全体としては発
電を持続することができるようになる。
Here, the electric heater is set so that the sum of the heat of reaction at the time of power generation and the heat of external assist by the electric heater 33 is larger than the sum of the heat and heat radiation required for preventing freezing of generated water generated by power generation. By controlling the calorific value of 33, freezing of the generated water can be prevented. In other words, before the operation of the fuel cell 1 is stopped due to a voltage drop due to the freezing of the generated water (that is, before the output voltage of the fuel cell 1 drops to the operation limit voltage), the local power generation region S1 of each cell 5 Can be raised to 0 ° C. or higher. As a result, power generation in the local power generation region S1 can be continued, and power generation can be continued as a whole of the fuel cell 1 even when other parts (for example, the lower half of the cell 5) are below freezing. Become.

【0033】また、局所発電領域S1における局所発電
による自己発熱と電気ヒーター33の発熱によって生じ
た熱が、局所発電領域S1の周囲へも伝熱していき、図
4に示すように、各セル5の下半部側も徐々に加熱され
るようになり、燃料電池1を早期に加熱することができ
る。
Further, the heat generated by the local heat generation in the local power generation region S1 and the heat generated by the electric heater 33 also transfers to the periphery of the local power generation region S1, and as shown in FIG. The lower half of the fuel cell 1 is also gradually heated, so that the fuel cell 1 can be heated earlier.

【0034】さらに、局所発電領域S1の発電を持続す
ることができることにより、燃料電池1の運転に最小限
必要なエネルギー(すなわち、スーパーチャージャ等の
補機の運転に必要な電力)を燃料電池1の発電によって
確保することが可能になる。また、局所発電モードで
は、局所発電領域S1だけを発電できる状態に保てばよ
いので、電気ヒーター33でセル5の全面を加熱するよ
うにした場合に比較して小さなエネルギーで済み、局所
発電モードにおける消費電力を抑制することができる。
Further, since the power generation in the local power generation region S1 can be maintained, the minimum energy required for the operation of the fuel cell 1 (that is, the electric power required for the operation of auxiliary equipment such as a supercharger) is saved. Power generation. In the local power generation mode, only the local power generation region S1 needs to be kept in a state where power can be generated. Therefore, compared to a case where the entire surface of the cell 5 is heated by the electric heater 33, only a small energy is required. , Power consumption in the device can be suppressed.

【0035】さらに、低温起動前に事前処理(例えば、
反応ガス通路C1,C2内のパージや起動前の電気ヒー
ター33による予備加熱など)を行う場合も、局所発電
領域S1だけを起動可能な状態にすればいいので、この
事前処理のためのエネルギー消費を低減することができ
る。
Further, before starting at low temperature, a pre-processing (for example,
When performing purging in the reaction gas passages C1 and C2 and preheating by the electric heater 33 before the start-up, etc., only the local power generation region S1 needs to be in a startable state. Can be reduced.

【0036】次に、燃料電池1の起動制御の一例を図5
のフローチャートを参照して説明する。まず、ステップ
S101において、イグニッションスイッチがONか否
か判定する。ステップS101の判定結果が「YES」
(イグニッションスイッチON)である場合はステップ
S102に進み、ステップS101の判定結果が「N
O」(イグニッションスイッチOFF)である場合は本
ルーチンの実行を一旦終了する。
Next, an example of the startup control of the fuel cell 1 is shown in FIG.
This will be described with reference to the flowchart of FIG. First, in step S101, it is determined whether or not the ignition switch is ON. The determination result of step S101 is “YES”
If it is (ignition switch ON), the process proceeds to step S102, and the determination result of step S101 is “N”.
If it is "O" (ignition switch OFF), the execution of this routine is temporarily ended.

【0037】ステップS102においてシステムチェッ
クを行った後、ステップS103に進み、システムに異
常がないか否か判定する。ステップS103の判定結果
が「YES」(異常なし)である場合はステップS10
4に進み、ステップS103の判定結果が「NO」(異
常あり)である場合はステップS105に進む。ステッ
プS104においては、温度センサ34で検出した燃料
電池1の内部代表温度が0゜Cよりも低いか否か判定す
る。ステップS104の判定結果が「NO」(0゜C以
上)である場合はステップS106に進み、全面発電モ
ードに移行する。ステップS104の判定結果が「YE
S」(0゜C未満)である場合はステップS107に進
み、局所発電モードに移行する。
After performing a system check in step S102, the flow advances to step S103 to determine whether there is any abnormality in the system. If the determination result of step S103 is “YES” (no abnormality), step S10
The process proceeds to step S4, and when the result of the determination in step S103 is "NO" (abnormal), the process proceeds to step S105. In step S104, it is determined whether or not the internal representative temperature of the fuel cell 1 detected by the temperature sensor 34 is lower than 0 ° C. If the determination result in step S104 is “NO” (0 ° C. or more), the process proceeds to step S106, and shifts to the full power generation mode. If the determination result of step S104 is “YE
S ”(less than 0 ° C.), the process proceeds to step S107, and shifts to the local power generation mode.

【0038】ステップS107における局所発電モード
では、前述したように、両冷却液通路R,Rに冷却液を
流さず、全セル5の電気ヒーター33をONにして局所
発電領域S1を加熱し、各セル5の上半部側の反応ガス
通路A1、反応ガス通路C1にだけ水素ガスおよび空気
を供給することにより局所発電領域S1における局所発
電を実行する。
In the local power generation mode in step S107, as described above, the coolant is not supplied to the two coolant passages R, and the electric heaters 33 of all the cells 5 are turned on to heat the local power generation region S1. The local power generation in the local power generation region S1 is performed by supplying hydrogen gas and air only to the reaction gas passage A1 and the reaction gas passage C1 on the upper half side of the cell 5.

【0039】そして、ステップS108において、燃料
電池1の内部代表温度が0゜C以上の設定温度(例え
ば、2゜C)より低いか否か判定し、判定結果が「YE
S」(2゜C未満)である場合はステップS107に戻
り、判定結果が「NO」(2゜C以上)である場合はス
テップS106に進む。すなわち、燃料電池1の内部代
表温度が前記設定温度(2゜C)未満の間は局所発電モ
ードによる燃料電池1の運転を継続し、燃料電池1の内
部代表温度が前記設定温度(2゜C)以上に昇温したな
らば局所発電モードを終了して全面発電モードに移行す
ることとなる。局所発電モードの終了により、電気ヒー
ター33をOFFにする。
Then, in step S108, it is determined whether or not the internal representative temperature of the fuel cell 1 is lower than a set temperature of 0 ° C. or more (for example, 2 ° C.).
If it is “S” (less than 2 ° C.), the process returns to step S107. If the determination result is “NO” (2 ° C. or more), the process proceeds to step S106. That is, while the internal representative temperature of the fuel cell 1 is lower than the set temperature (2 ° C.), the operation of the fuel cell 1 in the local power generation mode is continued, and the internal representative temperature of the fuel cell 1 becomes the set temperature (2 ° C.). If the temperature rises above, the local power generation mode is terminated and the mode shifts to the full power generation mode. Upon termination of the local power generation mode, the electric heater 33 is turned off.

【0040】ステップS106の全面発電モードでは、
前述したように、両冷却液通路R,Rに冷却液を流し、
各セル5の両反応ガス通路A1,A2に水素ガスを流
し、両反応ガス通路C1,C2に空気を流して、全セル
5の発電面全面を使って発電を実行する。なお、ステッ
プS105に進んだ場合は異常処理モードに移行して、
本ルーチンの実行を一旦終了する。
In the full power generation mode in step S106,
As described above, the coolant flows through both coolant passages R, R,
Hydrogen gas flows through both reaction gas passages A1 and A2 of each cell 5 and air flows through both reaction gas passages C1 and C2, and power generation is performed using the entire power generation surface of all cells 5. When the process proceeds to step S105, the process proceeds to the abnormality processing mode, and
The execution of this routine ends once.

【0041】なお、前記起動制御では、燃料電池1の内
部代表温度に基づいて局所発電モードに進むか否かおよ
び全面発電モードに移行するか否かを判定しているが、
これに代えて、燃料電池1の総出力電圧に基づいて局所
発電モードに進むか否かおよび全面発電モードに移行す
るか否かを判定するようにしてもよい。
In the start control, it is determined whether to proceed to the local power generation mode and to shift to the full power generation mode based on the internal representative temperature of the fuel cell 1.
Instead of this, it may be determined whether to proceed to the local power generation mode or to transition to the full power generation mode based on the total output voltage of the fuel cell 1.

【0042】また、前記起動制御では、局所発電モード
に進んだときには全てのセル5の電気ヒーター33をO
Nにし、全セル5の局所発電領域S1を加熱するように
しているが、本発明においては、各セル5毎に該セル5
の電気ヒーター33をONするか否かを判定してもよい
し、あるいは複数のセル5を1モジュールとして各モジ
ュール毎に該モジュールの電気ヒーター33をONする
か否かを判定してもよい。このようにすると、電気ヒー
ター33による加熱が必要なセル5を絞り込むことがで
きるので、局所発電モードにおいて消費されるエネルギ
ーを低減することができる。
In the start-up control, when the operation proceeds to the local power generation mode, the electric heaters 33 of all the cells 5 are turned off.
N, the local power generation region S1 of all the cells 5 is heated, but in the present invention, each cell 5 is
It may be determined whether or not the electric heater 33 of the module is turned on, or whether or not the electric heater 33 of the module is turned on for each module with a plurality of cells 5 as one module. By doing so, the cells 5 that need to be heated by the electric heater 33 can be narrowed down, so that the energy consumed in the local power generation mode can be reduced.

【0043】各セル5毎に電気ヒーター33をONする
か否かを判定する場合には、例えば、各セル5毎に温度
センサ34を設けておき、局所発電領域S1の温度が0
゜C未満であると判定されたセル5についてだけ該セル
5の電気ヒーター33をONにし、該セル5の局所発電
領域S1の温度が2゜C以上になったときに該電気ヒー
ター33をOFFにする。
To determine whether or not to turn on the electric heater 33 for each cell 5, for example, a temperature sensor 34 is provided for each cell 5 and the temperature of the local power generation region S1 is set to 0.
The electric heater 33 of the cell 5 is turned ON only for the cell 5 determined to be lower than ゜ C, and the electric heater 33 is turned OFF when the temperature of the local power generation region S1 of the cell 5 becomes 2 ° C or more. To

【0044】また、各モジュール毎に電気ヒーター33
をONするか否かを判定する場合には、例えば、各モジ
ュール毎に温度センサ34を設けておき、局所発電領域
S1の温度が0゜C未満であると判定されたモジュール
についてだけ該モジュールの全てのセル5の電気ヒータ
ー33をONにし、該モジュールの局所発電領域S1の
温度が2゜C以上になったときに該モジュールの電気ヒ
ーター33をOFFにする。
The electric heater 33 is provided for each module.
When it is determined whether or not to turn ON, for example, a temperature sensor 34 is provided for each module, and only the module for which the temperature of the local power generation region S1 is determined to be less than 0 ° C. The electric heaters 33 of all the cells 5 are turned on, and the electric heaters 33 of the modules are turned off when the temperature of the local power generation region S1 of the module becomes 2 ° C. or more.

【0045】さらに、このように各セル5毎あるいは各
モジュール毎に温度センサ34を設けた場合には、バッ
テリー(図示せず)の電力残量に応じて以下のような節
電モードで電気ヒーター33のON−OFF制御を行っ
てもよい。まず、局所発電モードに移行したときに、全
ての電気ヒーター33をONしても燃料電池1の運転を
維持可能なだけの電力がバッテリー(図示せず)に残っ
ているか否かを判定し、残っている場合には電気ヒータ
ー33を通常の制御方法で制御し、残っていない場合に
は電気ヒーター33を節電モードで制御する。
Further, when the temperature sensor 34 is provided for each cell 5 or each module as described above, the electric heater 33 is operated in the following power saving mode in accordance with the remaining power of the battery (not shown). May be performed. First, when the mode is shifted to the local power generation mode, it is determined whether or not enough power remaining in the battery (not shown) to maintain the operation of the fuel cell 1 even when all the electric heaters 33 are turned on, If the electric heater 33 remains, the electric heater 33 is controlled by the normal control method. If the electric heater 33 does not remain, the electric heater 33 is controlled in the power saving mode.

【0046】節電モードでは、例えば各セル5毎に電圧
低下率を算出する。そして、各セル5毎に制御する場合
には、電圧低下率が正(電圧低下している)のセル5の
電気ヒーター33だけをONにし、電圧低下率が負(電
圧低下が生じていない)のセル5の電気ヒーター33は
OFFにする。また、モジュール毎に制御する場合に
は、電圧低下率が正(電圧低下している)のセル5を一
つでも有するモジュールについては該モジュールの全て
のセル5の電気ヒーター33をONにし、モジュールの
全てのセル5の電圧低下率が正であるモジュールについ
ては該モジュールの全てのセル5の電気ヒーター33を
OFFにする。このようにすると、局所発電モードにお
いて消費されるエネルギーをさらに低減することができ
る。
In the power saving mode, for example, a voltage drop rate is calculated for each cell 5. When the control is performed for each cell 5, only the electric heater 33 of the cell 5 whose voltage drop rate is positive (voltage drop) is turned on, and the voltage drop rate is negative (voltage drop does not occur). The electric heater 33 of the cell 5 is turned off. When the control is performed for each module, for a module having at least one cell 5 whose voltage drop rate is positive (voltage drop), the electric heaters 33 of all the cells 5 of the module are turned on, and the module is turned on. For the module whose voltage drop rate of all the cells 5 is positive, the electric heaters 33 of all the cells 5 of the module are turned off. With this configuration, the energy consumed in the local power generation mode can be further reduced.

【0047】また、前記燃料電池1では、両冷却液通路
R,Rにおいて反応ガス通路A1と反応ガス通路C1と
が重複する部分に対応する領域の全てに電気ヒーター3
3を設けて局所発電領域S1としたが、前記重複する部
分に対応する領域の一部(例えば、中央部)だけに電気
ヒーター33を設けて、この一部だけを局所発電領域と
することも可能である。また、電気ヒーター33の設置
位置は冷却液通路Rに限定されるものではなく、各通路
セパレータ6,7の内部に埋め込んでも構わない。
In the fuel cell 1, the electric heaters 3 are provided in all of the regions corresponding to the overlapping portions of the reaction gas passages A1 and C1 in the two coolant passages R, R.
3 is provided as the local power generation region S1, but the electric heater 33 may be provided only in a part (for example, the center) of the region corresponding to the overlapping portion, and only this part may be used as the local power generation region. It is possible. Further, the installation position of the electric heater 33 is not limited to the coolant passage R, but may be embedded in each passage separator 6, 7.

【0048】また、前述の実施の形態では、局所発電モ
ードのときには、上半部側の反応ガス通路A1,C1に
だけ水素ガスと空気を流すようにしているが、局所発電
モードのときに上下両方の反応ガス通路A1,A2に水
素ガスを流し、上下両方の反応ガス通路C1,C2に空
気を流すようにしても構わない。このように、発電面の
全体に反応ガスを供給した場合には、まず、電気ヒータ
ー33により温度上昇した上半部側の局所発電領域S1
において発電が始まり、この発電による自己発熱および
電気ヒーター33の加熱による熱が下半部側の発電面に
広がって下半部側も温度上昇するにしたがって、下半部
側の発電面においても発電を開始するようになる。
Further, in the above-described embodiment, in the local power generation mode, the hydrogen gas and the air are allowed to flow only through the reaction gas passages A1 and C1 on the upper half side. The hydrogen gas may flow through both the reaction gas passages A1 and A2, and the air may flow through both the upper and lower reaction gas passages C1 and C2. As described above, when the reaction gas is supplied to the entire power generation surface, first, the local power generation region S1 on the upper half side whose temperature has been increased by the electric heater 33 is used.
As the self-generated heat generated by this power generation and the heat generated by the heating of the electric heater 33 spread to the power generation surface in the lower half and the temperature in the lower half also rises, power generation also occurs in the power generation surface in the lower half. To start.

【0049】さらに、前述の実施の形態では、反応ガス
通路A1,A2,C1,C2をそれぞれ水平方向に延び
る直線通路としているが、これら反応ガス通路A1,A
2,C1,C2は直線通路に限るものではなく、例え
ば、図6に示すように、入口側酸化剤ガス連通孔10を
左側辺部上部に、出口側酸化剤ガス連通孔11を右側辺
部下部に、入口側燃料ガス連通孔20を右側辺部上部
に、出口側燃料ガス連通孔21を左側辺部下部に位置さ
せて、反応ガス通路A1,C1を蛇行させてもよい。こ
の場合には、反応ガスは反応ガス通路A1,C1を蛇行
しながら下降するように流れることとなる。
Further, in the above-described embodiment, the reaction gas passages A1, A2, C1, and C2 are linear passages extending in the horizontal direction, respectively.
2, C1 and C2 are not limited to straight passages. For example, as shown in FIG. 6, the inlet-side oxidant gas communication hole 10 is located on the upper left side, and the outlet-side oxidant gas communication hole 11 is located on the right side. The reactant gas passages A1 and C1 may be meandered with the inlet side fuel gas communication hole 20 positioned at the upper right side and the outlet side fuel gas communication hole 21 positioned at the lower left side. In this case, the reaction gas flows so as to descend while meandering in the reaction gas passages A1 and C1.

【0050】そして、この場合、両冷却液通路R,Rに
おいて電気ヒーター33を設ける領域、すなわち局所発
電領域S1を、例えば図6において二点鎖線で示すよう
に、反応ガス通路A1,C1の最上段の水平部が重複す
る部位に対応する領域に設定することができる。なお、
局所発電領域S1の設定はこれに限るものではなく、も
っと広範囲な領域に設定することもできるし、もっと狭
小な範囲に設定することもできる。このようにしても、
前述と同様の作用・効果を得ることができる。
In this case, the area where the electric heater 33 is provided in the two coolant passages R, that is, the local power generation area S1 is, for example, as shown by a two-dot chain line in FIG. It can be set to a region corresponding to a portion where the upper horizontal portion overlaps. In addition,
The setting of the local power generation region S1 is not limited to this, and can be set to a wider range or a narrower range. Even if you do this,
The same operation and effect as described above can be obtained.

【0051】〔第2の実施の形態〕次に、この発明に係
る燃料電池の第2の実施の形態を図7および図8の図面
を参照して説明する。第2の実施の形態の燃料電池が第
1の実施の形態のものと相違する点は電気ヒーターの設
置場所にある。第1の実施の形態では電気ヒーター33
を冷却液通路Rの一部に設けたが、この第2の実施の形
態では、冷却液通路Rには電気ヒーターを設置せず、積
層された多数のセルを締め付けるスタッドボルトに電気
ヒーターを内蔵させている。
[Second Embodiment] Next, a fuel cell according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The difference between the fuel cell of the second embodiment and the fuel cell of the first embodiment lies in the installation location of the electric heater. In the first embodiment, the electric heater 33 is used.
Is provided in a part of the coolant passage R. However, in the second embodiment, an electric heater is not provided in the coolant passage R, and an electric heater is built in a stud bolt for tightening a large number of stacked cells. Let me.

【0052】詳述すると、図7はカソード側のセパレー
タ7の正面図であり、第1の実施の形態と同一態様部分
には同一符号を付してある。この第2の実施の形態の燃
料電池1においては、上部3カ所と下部3カ所に配置さ
れたスタッドボルト(締め付けボルト)40によって、
積層された全てのセルが締め付けられている。この6本
のスタッドボルト40のうち上部中央に配置されたスタ
ッドボルト40Aだけに電気ヒーターが内蔵されてい
る。
More specifically, FIG. 7 is a front view of the separator 7 on the cathode side, and the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals. In the fuel cell 1 according to the second embodiment, stud bolts (tightening bolts) 40 arranged at three places at the upper part and three places at the lower part are used.
All stacked cells are tightened. Of the six stud bolts 40, only the stud bolt 40A arranged at the upper center has an electric heater.

【0053】図8はスタッドボルト40Aの断面図であ
り、スタッドボルト40Aの基材51の外周には絶縁層
52が設けられ、この絶縁層52の外周に電気ヒーター
(加熱手段)53が設けられ、電気ヒーター53の外周
に絶縁層54が設けられている。絶縁層52,54は、
電気ヒーター53と基材51および外部(燃料電池1な
ど)との絶縁性を確保するとともに耐久性を持たせるた
めに、ガラス繊維をベースとしたテフロン(登録商標)樹
脂等で形成されている。また、外側の絶縁層54には温
度センサ55が埋め込まれている。温度センサ55と電
気ヒーター53は温度調節器56に接続されており、温
度調節器56は、スタッドボルト40Aの表面温度、す
なわち絶縁層54の表面温度が常に所定温度範囲(例え
ば、50〜70゜C)になるように、電気ヒーター53
を制御する。
FIG. 8 is a cross-sectional view of the stud bolt 40A. An insulating layer 52 is provided on the outer periphery of the base material 51 of the stud bolt 40A, and an electric heater (heating means) 53 is provided on the outer periphery of the insulating layer 52. An insulating layer 54 is provided on the outer periphery of the electric heater 53. The insulating layers 52 and 54
In order to ensure insulation between the electric heater 53 and the base material 51 and the outside (such as the fuel cell 1) and to have durability, it is made of a glass fiber based Teflon (registered trademark) resin or the like. A temperature sensor 55 is embedded in the outer insulating layer 54. The temperature sensor 55 and the electric heater 53 are connected to a temperature controller 56. The temperature controller 56 keeps the surface temperature of the stud bolt 40A, that is, the surface temperature of the insulating layer 54 always within a predetermined temperature range (for example, 50 to 70 °). C) so that the electric heater 53
Control.

【0054】この第2の実施の形態においては、局所発
電モードのときにスタッドボルト40Aの電気ヒーター
53をONにしてスタッドボルト40Aを加熱すること
により、各セル5におけるスタッドボルト40Aの周囲
を加熱し、このスタッドボルト40Aの近傍領域を局所
発電領域S2とすることができる。この第2の実施の形
態の場合には、電気ヒーター53によって局所発電領域
S2の発電面の温度が迅速に高まり高温度部位が発生
し、この局所発電領域S2から局所発電が始まり、さら
に、この高温度部位が熱伝導によって徐々に上半部側の
発電面の全体に広がって、上半部側の発電面の全体で局
所発電が行われるようになる。したがって、この第2の
実施の形態の燃料電池1においても、第1の実施の形態
のものと同様の作用・効果を得ることができる。
In the second embodiment, the electric heater 53 of the stud bolt 40A is turned on in the local power generation mode to heat the stud bolt 40A, so that the area around the stud bolt 40A in each cell 5 is heated. Then, the area near the stud bolt 40A can be set as the local power generation area S2. In the case of the second embodiment, the electric heater 53 quickly raises the temperature of the power generation surface of the local power generation region S2 to generate a high-temperature portion, and local power generation starts from the local power generation region S2. The high-temperature portion gradually spreads over the entire power generation surface on the upper half side by heat conduction, and local power generation is performed on the entire power generation surface on the upper half side. Therefore, also in the fuel cell 1 of the second embodiment, the same operation and effect as those of the first embodiment can be obtained.

【0055】この第2の実施の形態の燃料電池1は、上
述した例に限られるものではなく、例えば、スタッドボ
ルト40の総本数や配置によって、電気ヒーター53を
内蔵したスタッドボルト40Aの本数を2本以上に設定
してもよいし、スタッドボルト40Aの位置を適宜に設
定することが可能である。また、この第2の実施の形態
の燃料電池1においても、反応ガス通路の通路形態は水
平直線状以外の通路形態(例えば、図6に示す蛇行通
路)とすることが可能である。
The fuel cell 1 according to the second embodiment is not limited to the above-described example. For example, the number of stud bolts 40A including the electric heater 53 may be changed depending on the total number and arrangement of the stud bolts 40. Two or more bolts may be set, and the position of the stud bolt 40A may be set appropriately. Further, also in the fuel cell 1 of the second embodiment, the passage form of the reaction gas passage can be a passage form other than a horizontal straight line (for example, a meandering passage shown in FIG. 6).

【0056】〔第3の実施の形態〕次に、この発明に係
る燃料電池の第3の実施の形態を図9および図10の図
面を参照して説明する。第3の実施の形態の燃料電池が
第1の実施の形態のものと相違する点は、セル5を局所
的に加熱するための手段にある。前述した第1の実施の
形態の場合には、冷却液通路Rの一部に電気ヒーター3
3を設け、この電気ヒーター33に電流を流すことによ
りセル5を局所的に加熱したが、第3の実施の形態で
は、冷却液通路Rに電気ヒーターを設ける代わりに、セ
ル5の所定部位に触媒燃焼器を設け、この触媒燃焼器に
おいて水素と空気中の酸素とを触媒燃焼させることによ
り、セル5における触媒燃焼器近傍を局所的に加熱する
ようにした。以下、これについて詳述する。
[Third Embodiment] Next, a third embodiment of the fuel cell according to the present invention will be described with reference to FIGS. 9 and 10. FIG. The fuel cell of the third embodiment differs from that of the first embodiment in the means for locally heating the cells 5. In the case of the first embodiment described above, the electric heater 3
3 is provided and the cell 5 is locally heated by passing an electric current through the electric heater 33. In the third embodiment, instead of providing the electric heater in the coolant passage R, a predetermined portion of the cell 5 is provided. A catalytic combustor was provided, and the vicinity of the catalytic combustor in the cell 5 was locally heated by catalytic combustion of hydrogen and oxygen in the air in the catalytic combustor. Hereinafter, this will be described in detail.

【0057】図9は第3の実施の形態における燃料電池
1の一部における縦断面図であり、第1の実施の形態に
おける図2に対応する図である。燃料電池1の基本的な
構成は、第3の実施の形態のものも第1の実施の形態と
同じであり、図9では同一態様部分に同一符号を付して
ある。また、図10はアノード側のセパレータ6を冷却
液通路Rが形成されている側から見た正面図である。
FIG. 9 is a longitudinal sectional view of a part of the fuel cell 1 according to the third embodiment, and corresponds to FIG. 2 in the first embodiment. The basic configuration of the fuel cell 1 is the same as that of the first embodiment in the third embodiment, and the same reference numerals are given to the same parts in FIG. FIG. 10 is a front view of the anode-side separator 6 as viewed from the side where the coolant passage R is formed.

【0058】燃料電池1には、第1の実施の形態の燃料
電池1と同様に、入口側酸化剤ガス連通孔10,出口側
酸化剤ガス連通孔11,入口側燃料ガス連通孔20,出
口側燃料ガス連通孔21,入口側冷却液連通孔30,出
口側冷却液連通孔31が設けられており、セパレータ6
の一方の面には冷却液通路R,Rが設けられている。な
お、図10には図示していないが、セパレータ6の他方
の面に反応ガス通路A1,A2が設けられており、セパ
レータ7に反応ガス通路C1,C2が設けられている点
は、第1の実施の形態と同様である。
As in the fuel cell 1 of the first embodiment, the fuel cell 1 has an inlet-side oxidant gas communication hole 10, an outlet-side oxidant gas communication hole 11, an inlet-side fuel gas communication hole 20, and an outlet. The fuel gas communication hole 21, the inlet-side coolant communication hole 30, and the outlet-side coolant communication hole 31 are provided.
Are provided with coolant passages R, R on one surface thereof. Although not shown in FIG. 10, the reaction gas passages A1 and A2 are provided on the other surface of the separator 6, and the reaction gas passages C1 and C2 are provided in the separator 7. This is the same as the embodiment.

【0059】第3の実施の形態の燃料電池1において
は、さらに、出口側燃料冷却液連通孔31,31の間に
2つの連通孔がセル5を貫通して設けられ、入口側冷却
液連通孔30,30の間に1つの連通孔がセル5を貫通
して設けられている。上部に設けられた前記2つの連通
孔のうち一方は水素ガスを供給するための水素ガス連通
孔61であり、他方は空気を供給するための空気連通孔
62である。また、下部に設けられた前記1つの連通孔
は燃焼ガスを排出するための排気連通孔63である。
In the fuel cell 1 of the third embodiment, two communication holes are further provided between the outlet-side fuel coolant communication holes 31 and 31 through the cell 5, and the inlet-side coolant communication is provided. One communication hole is provided between the holes 30, 30 so as to penetrate the cell 5. One of the two communication holes provided in the upper portion is a hydrogen gas communication hole 61 for supplying hydrogen gas, and the other is an air communication hole 62 for supplying air. The one communication hole provided in the lower part is an exhaust communication hole 63 for discharging combustion gas.

【0060】さらに、各セル5におけるセパレータ6に
は、冷却液通路R,Rが設けられている面と同一面であ
って冷却液通路R,Rの間に、水素ガス連通孔61と空
気連通孔62と排気連通孔63を接続するガス通路64
が設けられている。ガス通路64は、水素ガス連通孔6
1に連なるガス通路と空気連通孔62に連なるガス通路
が合流し、合流後のガス通路が排気通路63に連なるよ
うに構成されており、合流部(図10においてハッチン
グ部分)の壁面には、水素と空気中の酸素とを反応をさ
せる触媒(触媒燃焼器、加熱手段)65が付着されてい
る。また、複数あるセパレータ7のうちの一つには、触
媒65を付着させた部位近傍に対応する位置に、燃料電
池1の代表温度を検出する温度センサ69が設けられて
いる。温度センサ69は例えばサーミスタ等で構成され
ており、この温度センサ69の出力信号は燃料電池制御
用のECU50に入力される。
Further, the separator 6 in each cell 5 has the same surface as the surface on which the cooling liquid passages R, R are provided, and between the cooling liquid passages R, R, the hydrogen gas communication hole 61 and the air communication. Gas passage 64 connecting hole 62 and exhaust communication hole 63
Is provided. The gas passage 64 is provided with the hydrogen gas communication hole 6.
The gas passage connected to 1 and the gas passage connected to the air communication hole 62 are merged, and the gas passage after the merge is connected to the exhaust passage 63. The wall surface of the junction (the hatched portion in FIG. 10) A catalyst (catalytic combustor, heating means) 65 for reacting hydrogen with oxygen in the air is attached. Further, one of the plurality of separators 7 is provided with a temperature sensor 69 for detecting a representative temperature of the fuel cell 1 at a position corresponding to the vicinity of the portion where the catalyst 65 is attached. The temperature sensor 69 is formed of, for example, a thermistor, and an output signal of the temperature sensor 69 is input to the fuel cell control ECU 50.

【0061】水素ガス連通孔61は制御弁66を介して
水素供給装置67に接続され、空気連通孔62は空気供
給装置68に接続されており、制御弁66,水素供給装
置67,空気供給装置68は燃料電池制御用ECU50
によって制御される。前述した第1の実施の形態では低
温起動時の局所発電モードにおいて電気ヒーター33を
ONすることによりセル5を局所的に加熱したが、この
第3の実施の形態の燃料電池1では、低温起動時の局所
発電モードにおいて、水素供給装置67から水素ガス連
通孔61に水素ガスを供給し、空気供給装置68から空
気連通孔62に空気を供給して、各連通孔61,62か
ら各セル5のガス通路64に流入した水素ガスと空気中
の酸素を合流部における触媒65によって反応させ、こ
の反応熱で合流部を中心とする近傍を局所的に加熱す
る。これによって、第3の実施の形態においても、各セ
ル5に局所発電領域S3を形成することが可能になり、
第1の実施の形態と同様の作用・効果を得ることができ
ることとなる。
The hydrogen gas communication hole 61 is connected to a hydrogen supply device 67 via a control valve 66, and the air communication hole 62 is connected to an air supply device 68. The control valve 66, the hydrogen supply device 67, the air supply device 68 is a fuel cell control ECU 50
Is controlled by In the above-described first embodiment, the cell 5 is locally heated by turning on the electric heater 33 in the local power generation mode at the time of low-temperature startup. However, in the fuel cell 1 of the third embodiment, the low-temperature startup is performed. In the local power generation mode at the time, hydrogen gas is supplied from the hydrogen supply device 67 to the hydrogen gas communication hole 61, air is supplied from the air supply device 68 to the air communication hole 62, and each cell 5 is supplied from the communication hole 61, 62. The hydrogen gas flowing into the gas passage 64 and the oxygen in the air are caused to react by the catalyst 65 at the junction, and the reaction heat locally heats the vicinity of the junction. Thus, also in the third embodiment, it is possible to form the local power generation region S3 in each cell 5,
The same operation and effect as those of the first embodiment can be obtained.

【0062】しかも、この第3の実施の形態の燃料電池
1では、水素ガスと空気中の酸素を触媒燃焼させている
ので大きな熱エネルギーを得ることができるとともに温
度上昇の立ち上がりが早く、その結果、電気ヒーター3
3よりも迅速な加熱が可能となる。また、水素は燃料電
池1の燃料でもあるので、燃料の一元化が可能となり、
装置構成が容易になるという利点もある。
Moreover, in the fuel cell 1 according to the third embodiment, since the hydrogen gas and the oxygen in the air are catalytically combusted, a large heat energy can be obtained and the temperature rise rises quickly. , Electric heater 3
Heating faster than 3 is possible. Further, since hydrogen is also a fuel of the fuel cell 1, the fuel can be unified, and
There is also an advantage that the device configuration becomes easy.

【0063】次に、第3の実施の形態における燃料電池
1の起動制御の一例を図11のフローチャートを参照し
て説明する。ステップS201〜ステップS205につ
いては、第1の実施の形態の起動制御におけるステップ
S101〜ステップS105と同じであるので説明を省
略する。この第3の実施の形態において、ステップS2
04で否定判定してステップS206に進み全面発電モ
ードとなった場合には、水素供給装置67からの水素ガ
ス連通孔61への燃焼用水素の供給を停止するととも
に、空気供給装置68からの空気連通孔62への空気の
供給を停止する。そして、両冷却液通路R,Rに冷却液
を流し、各セル5の反応ガス通路A1,A2に水素ガス
を流し、反応ガス通路C1,C2に空気を流して、全セ
ル5の発電面全面を使って発電を実行する。
Next, an example of the startup control of the fuel cell 1 according to the third embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG. Steps S201 to S205 are the same as steps S101 to S105 in the startup control according to the first embodiment, and thus description thereof is omitted. In the third embodiment, step S2
If the determination in step 04 is negative and the process proceeds to step S206 to enter the full power generation mode, the supply of combustion hydrogen from the hydrogen supply device 67 to the hydrogen gas communication hole 61 is stopped, and the air supply from the air supply device 68 is stopped. The supply of air to the communication hole 62 is stopped. Then, the coolant flows through both the coolant passages R, R, the hydrogen gas flows through the reaction gas passages A1, A2 of each cell 5, the air flows through the reaction gas passages C1, C2, and the entire power generation surface of all the cells 5 Use to generate electricity.

【0064】一方、ステップS204で肯定判定してス
テップS207に進み局所発電モードとなった場合に
は、冷却液通路R,Rに冷却液を流さず、各セル5の上
半部側の反応ガス通路A1,C1にだけ水素ガスおよび
空気を供給する。さらに、空気供給装置68から空気連
通孔62に燃焼用の空気を供給するとともに、水素供給
装置67から水素ガス連通孔61に燃焼用の水素ガスを
供給することにより、局所発電領域S3における局所発
電を実行する。なお、燃焼用水素の供給量は、予め用意
しておいたマップを参照して、燃料電池1の内部代表温
度に応じてECU50が決定し、これに基づきECU5
0は制御弁66による流量制御を実行する。
On the other hand, if the result of the determination in step S204 is affirmative and the process proceeds to step S207 and the local power generation mode is set, the coolant is not supplied to the coolant passages R, and the reactant gas in the upper half of each cell 5 is not supplied. Hydrogen gas and air are supplied only to the passages A1 and C1. Further, by supplying air for combustion from the air supply device 68 to the air communication hole 62 and supplying hydrogen gas for combustion from the hydrogen supply device 67 to the hydrogen gas communication hole 61, the local power generation in the local power generation region S3 is achieved. Execute The supply amount of the combustion hydrogen is determined by the ECU 50 according to the representative internal temperature of the fuel cell 1 with reference to a map prepared in advance.
0 executes the flow rate control by the control valve 66.

【0065】そして、ステップS208において、燃料
電池1の内部代表温度が0゜C以上の設定温度(例え
ば、2゜C)より低いか否か判定し、判定結果が「YE
S」(2゜C未満)である場合はステップS207に戻
って局所発電モードを継続し、判定結果が「NO」(2
゜C以上)である場合はステップS206の全面発電モ
ードに進む。
Then, in step S208, it is determined whether or not the internal representative temperature of the fuel cell 1 is lower than a set temperature of 0 ° C. or higher (for example, 2 ° C.), and the determination result is “YE
S ”(less than 2 ° C.), the flow returns to step S207 to continue the local power generation mode, and the determination result is“ NO ”(2
If (゜ C or more), the process proceeds to the full power generation mode in step S206.

【0066】なお、前記起動制御では、燃料電池1の内
部代表温度に基づいて局所発電モードに進むか否かおよ
び全面発電モードに移行するか否かを判定しているが、
これに代えて、燃料電池1の総出力電圧に基づいて局所
発電モードに進むか否かおよび全面発電モードに移行す
るか否かを判定するようにしてもよい。また、前記起動
制御では、燃料電池1の内部代表温度が0゜Cよりも高
い場合には全面発電モードに移行するようにしたが、燃
料電池1の内部代表温度が0゜C以上であっても、その
温度が比較的に低い温度域(例えば、15゜C以下)で
ある場合には、微量の燃焼用水素と燃焼用空気をガス通
路64に供給することにより微暖機を実行して、燃料電
池1の温度上昇を促進させることも可能である。さら
に、前記微暖機の実行条件に、いずれかのセル5に電圧
低下があることを加重させてもよい。
In the starting control, it is determined whether or not to proceed to the local power generation mode and whether to shift to the full power generation mode based on the internal representative temperature of the fuel cell 1.
Instead of this, it may be determined whether to proceed to the local power generation mode or to transition to the full power generation mode based on the total output voltage of the fuel cell 1. In the start-up control, when the internal representative temperature of the fuel cell 1 is higher than 0 ° C., the mode shifts to the full power generation mode. However, when the internal representative temperature of the fuel cell 1 is 0 ° C. or higher, However, when the temperature is in a relatively low temperature range (for example, 15 ° C. or lower), a slight warm-up is performed by supplying a small amount of combustion hydrogen and combustion air to the gas passage 64. It is also possible to promote the temperature rise of the fuel cell 1. Furthermore, the execution condition of the slight warm-up may be weighted by the fact that there is a voltage drop in any of the cells 5.

【0067】また、この第3の実施の形態では、局所発
電モードのときには、上半部側の反応ガス通路A1,C
1にだけ水素ガスと空気を流すようにしているが、局所
発電モードのときに上下両方の反応ガス通路A1,A2
に水素ガスを流し、上下両方の反応ガス通路C1,C2
に空気を流すようにしても構わないのは、第1の実施の
形態と同様である。また、この第3の実施の形態の燃料
電池1においても、第1の実施の形態の場合と同様に、
反応ガス通路の通路形態は水平直線状以外の通路形態
(例えば、図6に示す蛇行通路)とすることが可能であ
る。
In the third embodiment, when in the local power generation mode, the upper half reaction gas passages A1, C
1, the hydrogen gas and the air flow only in the first and second reaction gas passages A1 and A2 in the local power generation mode.
Hydrogen gas through the upper and lower reaction gas passages C1 and C2.
It is the same as in the first embodiment that the air may be supplied to the air. Also in the fuel cell 1 of the third embodiment, as in the case of the first embodiment,
The passage form of the reaction gas passage can be a passage form other than a horizontal straight line (for example, a meandering passage shown in FIG. 6).

【0068】〔第4の実施の形態〕次に、この発明に係
る燃料電池の第4の実施の形態を図12および図13の
図面を参照して説明する。第4の実施の形態の燃料電池
の構成は、第3の実施の形態のものと極めて近似してい
る。第3の実施の形態では、セル5の所定部位に触媒燃
焼器を設け、この触媒燃焼器において水素と空気中の酸
素とを触媒燃焼させてセル5を局所的に加熱するように
したが、この第4の実施の形態は、セル5の所定部位に
酸化・還元剤を設け、この酸化・還元剤が酸素によって
酸化される時の発熱を利用してセル5を局所的に加熱す
るようにしている。
[Fourth Embodiment] Next, a fuel cell according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The configuration of the fuel cell according to the fourth embodiment is very similar to that of the third embodiment. In the third embodiment, a catalytic combustor is provided at a predetermined portion of the cell 5, and in this catalytic combustor, the cell 5 is locally heated by catalytic combustion of hydrogen and oxygen in the air. In the fourth embodiment, an oxidizing / reducing agent is provided at a predetermined portion of the cell 5, and the cell 5 is locally heated by utilizing heat generated when the oxidizing / reducing agent is oxidized by oxygen. ing.

【0069】図12は第4の実施の形態における燃料電
池1の一部における縦断面図であって、第3の実施の形
態における図9に対応する図であり、図9と同一態様部
分には同一符号を付してある。また、図13は第4の実
施の形態におけるセパレータ6を冷却液通路Rが形成さ
れている側から見た正面図であって、第3の実施の形態
における図10に対応する図であり、図10と同一態様
部分には同一符号を付してある。
FIG. 12 is a longitudinal sectional view of a part of the fuel cell 1 according to the fourth embodiment, and is a view corresponding to FIG. 9 in the third embodiment. Are denoted by the same reference numerals. FIG. 13 is a front view of the separator 6 in the fourth embodiment as viewed from the side where the coolant passage R is formed, and is a view corresponding to FIG. 10 in the third embodiment. The same parts as those in FIG. 10 are denoted by the same reference numerals.

【0070】第4の実施の形態における燃料電池1で
は、出口側冷却液連通孔31,31の間にセル5を貫通
して設けた連通孔は一つであり、この連通孔(以下、ガ
ス連通孔という)70に水素供給装置67と空気供給装
置68が接続されている。また、セパレータ6には冷却
液通路R,Rの間に、ガス連通孔70と排気連通孔63
を接続するガス通路71が設けられており、ガス通路7
1の上流部分(すなわち、ガス連通孔70に近い部分)
の壁面には、図13においてハッチングで示すように酸
化・還元剤(加熱手段)72が付着されている。
In the fuel cell 1 according to the fourth embodiment, one communication hole is provided between the outlet side coolant communication holes 31 and 31 so as to penetrate the cell 5. A hydrogen supply device 67 and an air supply device 68 are connected to a communication hole 70. The separator 6 has a gas communication hole 70 and an exhaust communication hole 63 between the coolant passages R, R.
Is provided, and a gas passage 71 is provided.
1 upstream part (that is, a part close to the gas communication hole 70)
As shown by hatching in FIG. 13, an oxidizing / reducing agent (heating means) 72 is attached to the wall surface.

【0071】前述した第3の実施の形態では低温起動時
の局所発電モードにおいて、水素ガスと空気を同時にガ
ス通路64に供給し、合流部における触媒65によって
水素ガスと空気中の酸素を反応させ、その反応熱によっ
てセル5を局所的に加熱した。しかしながら、この第4
の実施の形態では、低温起動時の局所発電モードにおい
て、ガス連通孔70には空気供給装置68から空気だけ
を供給し、水素ガスは供給しない。このようにすると、
ガス通路70に供給された空気が各セル5のガス通路7
1に流入し、ガス通路71の上流部分の酸化・還元剤7
2が空気中の酸素と反応して酸化する時に発熱し、この
反応熱がガス通路71の上流部分を中心とする近傍を局
所的に加熱する。これによって、第4の実施の形態にお
いても、各セル5に局所発電領域S4を形成することが
可能になり、第3の実施の形態と同様の作用・効果を得
ることができることとなる。
In the above-described third embodiment, in the local power generation mode at the time of low-temperature start-up, hydrogen gas and air are simultaneously supplied to the gas passage 64, and the hydrogen gas and oxygen in the air are reacted by the catalyst 65 at the junction. The cell 5 was locally heated by the reaction heat. However, this fourth
In the embodiment, only the air is supplied from the air supply device 68 to the gas communication hole 70 and the hydrogen gas is not supplied to the gas communication hole 70 in the local power generation mode at the time of low temperature startup. This way,
The air supplied to the gas passage 70 is supplied to the gas passage 7 of each cell 5.
1 and the oxidizing / reducing agent 7 in the upstream portion of the gas passage 71.
2 generates heat when it oxidizes by reacting with oxygen in the air, and this reaction heat locally heats the vicinity of the upstream portion of the gas passage 71. Thus, also in the fourth embodiment, the local power generation region S4 can be formed in each cell 5, and the same operation and effect as in the third embodiment can be obtained.

【0072】そして、この第4の実施の形態では、局所
発電モードの終了とともにガス連通孔70への空気の供
給を停止し、水素供給装置67からガス連通孔70に所
定量の水素ガスを供給する。これにより、酸化・還元剤
72は水素と反応して還元されて元に戻り、このときに
吸熱する。
In the fourth embodiment, the supply of air to the gas communication holes 70 is stopped when the local power generation mode ends, and a predetermined amount of hydrogen gas is supplied from the hydrogen supply device 67 to the gas communication holes 70. I do. As a result, the oxidizing / reducing agent 72 reacts with hydrogen, is reduced and returns to its original state, and absorbs heat at this time.

【0073】〔第5の実施の形態〕次に、この発明に係
る燃料電池の第5の実施の形態を図14および図15の
図面を参照して説明する。前述した各実施の形態では、
燃料電池1を構成する全てのセル5においてその発電面
の正面から見て同じ位置に局所発電領域S1〜S4を設け
ていた。これに対して、第5の実施の形態では、図1
4,図15に示すように、隣接するセル5同士において
局所発電領域Sの位置を発電面において異なった位置に
設ける。このようにすると、局所発電モードにおいてセ
ル5,5間を電流が流れるときに、セパレータ6,7に
おいては図15において矢印で示すようにセル5の積層
方向に対して垂直な方向に電流が流れるようになり、セ
パレータ6,7の電気抵抗分の損失によりジュール熱が
発生し、燃料電池1の暖機をより促進させることができ
る。
[Fifth Embodiment] Next, a fuel cell according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 14 and 15. FIG. In each of the embodiments described above,
In all the cells 5 constituting the fuel cell 1, the local power generation regions S1 to S4 are provided at the same position when viewed from the front of the power generation surface. On the other hand, in the fifth embodiment, FIG.
4. As shown in FIG. 15, the position of the local power generation region S is provided at a different position on the power generation surface between the adjacent cells 5. In this way, when a current flows between the cells 5 and 5 in the local power generation mode, a current flows in the separators 6 and 7 in a direction perpendicular to the stacking direction of the cells 5 as indicated by arrows in FIG. As a result, Joule heat is generated due to the loss of the electrical resistance of the separators 6 and 7, and the warm-up of the fuel cell 1 can be further promoted.

【0074】なお、第5の実施の形態において局所発電
領域Sの形成方法は特に限定はないが、前述した第1の
実施の形態の如くセパレータの一部(冷却液通路など)
に電気ヒーターを設ける方法が特に好適であり、また、
第3および第4の実施の形態の如くセル5に触媒燃焼器
や酸化・還元剤を設ける方法も可能である。また、隣接
する全てのセル5同士の局所発電領域Sの位置を異なら
せてもよいし、モジュール毎に局所発電領域Sの位置を
異ならせるようにしてもよい。
Although the method of forming the local power generation region S in the fifth embodiment is not particularly limited, a part of the separator (such as a coolant passage) as in the first embodiment described above.
A method of providing an electric heater is particularly preferable, and
As in the third and fourth embodiments, a method in which a catalytic combustor or an oxidizing / reducing agent is provided in the cell 5 is also possible. Further, the positions of the local power generation regions S of all the adjacent cells 5 may be different, or the positions of the local power generation regions S may be different for each module.

【0075】[0075]

【発明の効果】以上説明するように、請求項1に記載し
た発明によれば、燃料電池の低温起動時に、加熱手段に
よって発電面の一部の領域を迅速に加熱することがで
き、この領域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
を促進して当該領域の温度を速やかに高め、この高温度
領域を発電面全体に拡大して燃料電池の温度を高めるこ
とが可能となるので、発電面全体を自己発熱により加熱
した場合よりも起動時間を短縮することができ、燃料電
池の低温起動性を高めることができるという効果があ
る。
As described above, according to the first aspect of the present invention, when the fuel cell is started at a low temperature, a part of the power generation surface can be quickly heated by the heating means. In order to increase the power generation efficiency by lowering the ion passing resistance of the solid polymer electrolyte membrane in the above, the self-heating is promoted and the temperature of the region concerned is quickly raised, and this high temperature region is expanded to the entire power generation surface, and the fuel cell Since the temperature of the fuel cell can be increased, the start-up time can be shortened as compared with the case where the entire power generation surface is heated by self-heating, and there is an effect that the low-temperature startability of the fuel cell can be improved.

【0076】請求項2に記載した発明によれば、加熱手
段を電気エネルギーで作動することができるという効果
がある。請求項3に記載した発明によれば、電気ヒータ
ーをセルに容易に取り付けることができるという効果が
ある。請求項4に記載した発明によれば、前記締め付け
ボルトの周囲を局所的な発電部とすることができる。
According to the second aspect of the invention, there is an effect that the heating means can be operated by electric energy. According to the invention described in claim 3, there is an effect that the electric heater can be easily attached to the cell. According to the invention described in claim 4, the periphery of the fastening bolt can be a local power generation unit.

【0077】請求項5に記載した発明によれば、触媒燃
焼器に酸化ガスと還元ガスを供給するだけでこれらガス
を迅速に燃焼させて発電面の一部を迅速に加熱すること
が可能であるので、加熱手段の構成が簡単になるという
効果がある。また、迅速な加熱を実現できるので、燃料
電池の温度上昇をさらに早めることが可能になり、燃料
電池の低温起動性をより高めることができるという効果
がある。
According to the fifth aspect of the present invention, it is possible to quickly burn these gases by simply supplying the oxidizing gas and the reducing gas to the catalytic combustor and quickly heat a part of the power generation surface. This has the effect of simplifying the configuration of the heating means. In addition, since rapid heating can be realized, the temperature rise of the fuel cell can be further accelerated, and there is an effect that the low-temperature startability of the fuel cell can be further improved.

【0078】請求項6に記載した発明によれば、酸化ガ
スの供給だけで発電面の一部を迅速に加熱することが可
能になるので、加熱手段の構成が簡単になるという効果
がある。また、迅速な加熱を実現できるので、燃料電池
の温度上昇をさらに早めることが可能になり、燃料電池
の低温起動性をより高めることができるという効果があ
る。
According to the sixth aspect of the present invention, it is possible to quickly heat a part of the power generation surface only by supplying the oxidizing gas, so that the structure of the heating means is simplified. In addition, since rapid heating can be realized, the temperature rise of the fuel cell can be further accelerated, and there is an effect that the low-temperature startability of the fuel cell can be further improved.

【0079】請求項7に記載した発明によれば、燃料電
池の温度が低いときだけ加熱手段を作動してセルを局所
的に加熱し、燃料電池の温度が高いときは加熱手段の作
動を停止してセルの局所加熱を停止することが可能にな
るので、エネルギー消費を低減することができるという
効果がある。
According to the invention described in claim 7, the heating means is operated only when the temperature of the fuel cell is low to locally heat the cell, and when the temperature of the fuel cell is high, the operation of the heating means is stopped. As a result, the local heating of the cell can be stopped, so that there is an effect that energy consumption can be reduced.

【0080】請求項8に記載した発明によれば、燃料電
池の出力電圧が低いときだけ加熱手段を作動してセルを
局所的に加熱し、燃料電池の出力電圧が高いときは加熱
手段の作動を停止してセルの局所加熱を停止することが
可能になるので、エネルギー消費を低減することができ
るという効果がある。
According to the present invention, the heating means is operated only when the output voltage of the fuel cell is low to locally heat the cell, and when the output voltage of the fuel cell is high, the heating means is operated. Can be stopped to stop local heating of the cell, so that there is an effect that energy consumption can be reduced.

【0081】請求項9に記載した発明によれば、各セル
の温度状態に応じて加熱手段を作動したり停止したりす
ることが可能になるので、エネルギー消費を低減するこ
とができるという効果がある。請求項10に記載した発
明によれば、各セルの出力電圧の状態に応じて加熱手段
を作動したり停止したりすることが可能になるので、エ
ネルギー消費を低減することができるという効果があ
る。
According to the ninth aspect of the present invention, since the heating means can be activated or deactivated according to the temperature condition of each cell, the effect of reducing energy consumption can be obtained. is there. According to the tenth aspect of the present invention, since the heating means can be operated or stopped according to the state of the output voltage of each cell, there is an effect that energy consumption can be reduced. .

【0082】請求項11に記載した発明によれば、加熱
手段が異なった位置に設けられているセル間を電流が流
れるときに、セルの積層方向と垂直な方向に電流が流れ
るようになり、その電流の通路が電気抵抗を有すること
からジュール熱が発生し、このジュール熱によっても燃
料電池が加熱されるので、燃料電池の温度上昇をさらに
早めることが可能になり、燃料電池の低温起動性をさら
に高めることができるという効果がある。
According to the eleventh aspect of the present invention, when a current flows between cells provided with different heating means, a current flows in a direction perpendicular to the cell stacking direction. Since the current path has electric resistance, Joule heat is generated, and the fuel cell is also heated by the Joule heat, so that the temperature rise of the fuel cell can be further accelerated, and the low-temperature startability of the fuel cell can be improved. Has the effect of being able to further increase

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 この発明に係る燃料電池の第1の実施の形態
におけるセパレータの正面図である。
FIG. 1 is a front view of a separator in a first embodiment of a fuel cell according to the present invention.

【図2】 前記第1の実施の形態の燃料電池の縦断面図
である。
FIG. 2 is a longitudinal sectional view of the fuel cell according to the first embodiment.

【図3】 前記第1の実施の形態の燃料電池において加
熱部分が広がる様子を示す図である。
FIG. 3 is a view showing a state in which a heating portion is expanded in the fuel cell according to the first embodiment.

【図4】 前記第1の実施の形態の燃料電池において加
熱部分が広がる様子を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a state in which a heating portion is expanded in the fuel cell according to the first embodiment.

【図5】 前記第1の実施の形態の燃料電池における起
動制御の一例を示すフローチャートである。
FIG. 5 is a flowchart illustrating an example of start control in the fuel cell according to the first embodiment.

【図6】 前記第1の実施の形態の燃料電池の変形例に
おけるセパレータの正面図である。
FIG. 6 is a front view of a separator in a modification of the fuel cell according to the first embodiment.

【図7】 この発明に係る燃料電池の第2の実施の形態
におけるセパレータの正面図である。
FIG. 7 is a front view of a separator in a second embodiment of the fuel cell according to the present invention.

【図8】 前記第2の実施の形態の燃料電池におけるス
タッドボルトの断面図である。
FIG. 8 is a sectional view of a stud bolt in the fuel cell according to the second embodiment.

【図9】 この発明に係る燃料電池の第3の実施の形態
における縦断面図である。
FIG. 9 is a longitudinal sectional view of a fuel cell according to a third embodiment of the present invention.

【図10】 前記第3の実施の形態の燃料電池における
セパレータの正面図である。
FIG. 10 is a front view of a separator in the fuel cell according to the third embodiment.

【図11】 前記第3の実施の形態の燃料電池における
起動制御の一例を示すフローチャートである。
FIG. 11 is a flowchart illustrating an example of start control in the fuel cell according to the third embodiment.

【図12】 この発明に係る燃料電池の第4の実施の形
態における縦断面図である。
FIG. 12 is a longitudinal sectional view of a fuel cell according to a fourth embodiment of the present invention.

【図13】 前記第4の実施の形態の燃料電池における
セパレータの正面図である。
FIG. 13 is a front view of a separator in the fuel cell according to the fourth embodiment.

【図14】 この発明に係る燃料電池の第5の実施の形
態において、隣接するセル間の局所発電領域Sの位置関
係を示す正面図ある。
FIG. 14 is a front view showing a positional relationship of a local power generation region S between adjacent cells in a fifth embodiment of the fuel cell according to the present invention.

【図15】 前記第5の実施の形態において、隣接する
セル間を流れる電流の状態を示す断面図である。
FIG. 15 is a cross-sectional view showing a state of a current flowing between adjacent cells in the fifth embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 燃料電池 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 セル A1,A2,C1,C2 反応ガス通路 R,R 冷却液通路 33 電気ヒーター(加熱手段) 40A スタッドボルト(締め付けボルト) 53 電気ヒーター(加熱手段) 65 触媒(触媒燃焼器,加熱手段) 72 酸化・還元剤(加熱手段) DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell 2 Anode electrode 3 Cathode electrode 4 Solid polymer electrolyte membrane 5 Cell A1, A2, C1, C2 Reaction gas passage R, R Coolant passage 33 Electric heater (heating means) 40A Stud bolt (tightening bolt) 53 Electric heater (Heating means) 65 Catalyst (Catalyst combustor, heating means) 72 Oxidizing / reducing agent (Heating means)

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 8/24 8/24 Z Fターム(参考) 5H026 AA06 CC03 CV00 5H027 AA06 CC00 CC06 CC11 KK46 KK54 MM00 MM16 MM21 Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat II (Reference) H01M 8/10 H01M 8/10 8/24 8/24 Z F-term (Reference) 5H026 AA06 CC03 CV00 5H027 AA06 CC00 CC06 CC11 KK46 KK54 MM00 MM16 MM21

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 固体高分子電解質膜の両側にアノード電
極とカソード電極が設けられ、さらに前記各電極の外側
にそれぞれ反応ガス通路が設けられてなるセルを備えた
燃料電池において、前記セルにおける発電面の一部の領
域に加熱手段を備えることを特徴とする燃料電池。
1. A fuel cell comprising a cell in which an anode electrode and a cathode electrode are provided on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, and a reaction gas passage is provided outside each of the electrodes. A fuel cell comprising a heating means in a partial area of a surface.
【請求項2】 前記加熱手段は電気ヒーターであること
を特徴とする請求項1に記載の燃料電池。
2. The fuel cell according to claim 1, wherein said heating means is an electric heater.
【請求項3】 前記セルは冷却液通路を備え、この冷却
液通路に前記電気ヒーターが設けられていることを特徴
とする請求項2に記載の燃料電池。
3. The fuel cell according to claim 2, wherein the cell has a coolant passage, and the electric heater is provided in the coolant passage.
【請求項4】 前記燃料電池は前記セルを複数積層して
なり、積層した前記セルを締結する締め付けボルトに前
記電気ヒーターが内蔵されていることを特徴とする請求
項2に記載の燃料電池。
4. The fuel cell according to claim 2, wherein the fuel cell is formed by laminating a plurality of the cells, and the electric heater is built in a fastening bolt for fastening the laminated cells.
【請求項5】 前記加熱手段は触媒燃焼器であることを
特徴とする請求項1に記載の燃料電池。
5. The fuel cell according to claim 1, wherein said heating means is a catalytic combustor.
【請求項6】 前記加熱手段は、酸化・還元剤が酸化す
るときの発熱を利用するものであることを特徴とする請
求項1に記載の燃料電池。
6. The fuel cell according to claim 1, wherein the heating means uses heat generated when the oxidizing / reducing agent is oxidized.
【請求項7】 前記燃料電池の温度に応じて前記加熱手
段の作動を制御することを特徴とする請求項1に記載の
燃料電池。
7. The fuel cell according to claim 1, wherein the operation of the heating unit is controlled according to the temperature of the fuel cell.
【請求項8】 前記燃料電池の出力電圧に応じて前記加
熱手段の作動を制御することを特徴とする請求項1に記
載の燃料電池。
8. The fuel cell according to claim 1, wherein the operation of the heating means is controlled according to the output voltage of the fuel cell.
【請求項9】 前記燃料電池は前記セルを複数積層して
なり、各セルの温度に応じて前記加熱手段の作動を制御
することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。
9. The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell is formed by stacking a plurality of the cells, and controls the operation of the heating unit according to the temperature of each cell.
【請求項10】 前記燃料電池は前記セルを複数積層し
てなり、各セルの出力電圧に応じて前記加熱手段の作動
を制御することを特徴とする請求項1に記載の燃料電
池。
10. The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell is formed by stacking a plurality of the cells, and controls the operation of the heating means according to the output voltage of each cell.
【請求項11】 前記燃料電池は前記セルを複数積層し
てなり、隣接する少なくとも1組のセル同士は、前記加
熱手段が発電面上において異なった位置に設けられてい
ることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。
11. The fuel cell according to claim 1, wherein a plurality of the cells are stacked, and in at least one pair of adjacent cells, the heating means are provided at different positions on a power generation surface. Item 2. The fuel cell according to Item 1,
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