JP2002313392A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池の低温起動性を向上する。 【解決手段】 固体高分子電解質膜の両側にアノード電
極とカソード電極を設け、さらに前記各電極の外側にそ
れぞれ燃料ガス通路と空気通路を設け、さらにこれら燃
料ガス通路および空気通路から離隔して冷却液通路２０
ａ，２０ｂを設けてセルを構成し、前記セルにおける発
電面の一部の領域には、前記冷却液通路２０ａ，２０ｂ
から独立して第２冷却液通路３６を設け、この第２冷却
液通路３６に接続された冷却液配管５４に電気ヒーター
５５を設けて、低温起動時に加熱した冷却液を第２冷却
液通路３６に供給可能にする。

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、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。

【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。
一方、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。

【０００５】そこで、この発明は、燃料電池の低温起動
時に燃料電池の一部に加熱した冷却液を流通させて発電
部の一部を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。

【０００６】

【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１２）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１３）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１４）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１８ａ，１８ｂ、空気通路１９ａ，１９
ｂ）が設けられ前記反応ガス通路から離隔して冷却液通
路（例えば、後述する各実施の形態における２０ａ，２
０ｂ）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１５）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１１）におい
て、前記セルにおける発電面の一部の領域には、前記冷
却液通路から独立して第２冷却液通路（例えば、後述す
る各実施の形態における冷却液通路３６）が設けられ、
この第２冷却液通路に、前記セルの外部に設けられた加
熱手段（例えば、後述する各実施の形態における電気ヒ
ーター５５，６５）により加熱した冷却液を供給・停止
可能にしたことを特徴とする。

【０００７】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、第２冷却液通路に加熱した冷却液を供
給することで前記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。

【０００８】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、前記冷却液通路は第１冷却液循環回
路（例えば、後述する第１の実施の形態における第１冷
却液循環回路５１）に接続され、前記第２冷却液通路は
前記加熱手段（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５５）を備えた第２冷却液循環回路
（例えば、後述する第１の実施の形態における冷却液配
管５３，５４）を介して前記冷却液通路に対し並列的に
前記第１冷却液循環回路に接続されており、前記冷却液
通路への冷却液の流通を許容および阻止する流路切り替
え手段（例えば、後述する第１の実施の形態における制
御バルブＶ１，Ｖ２）を備えることを特徴とする。

【０００９】このように構成することにより、流路切り
替え手段によって冷却液通路への冷却液の流通を阻止す
ると、第１冷却液循環回路の冷却液を第２冷却液循環回
路を介して第２冷却液通路にだけ流すことが可能にな
り、しかも、第２冷却液循環回路に設けた加熱手段によ
って加熱した冷却液を第２冷却液通路に流すことが可能
になる。一方、流路切り替え手段によって冷却液通路へ
の冷却液の流通を許容すると、第１冷却液循環回路の冷
却液を冷却液通路に流すことが可能になる。

【００１０】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、前記流路切り替え手段を燃料電池の
温度に応じて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、燃料電池の温度が所定温度よりも低
いときには前記流路切り替え手段により冷却液通路への
冷却液の流通を阻止し、燃料電池の温度が所定温度以上
のときには前記流路切り替え手段により冷却液通路への
冷却液の流通を許容することが可能になる。

【００１１】請求項４に記載した発明は、請求項１に記
載の発明において、前記冷却液通路は第１冷却液循環回
路（例えば、後述する第２の実施の形態における第１冷
却液循環回路６１）に接続され、前記第２冷却液通路は
前記加熱手段（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６５）を備えた第３冷却液循環回路
（例えば、後述する第２の実施の形態における第３冷却
液循環回路６２）に接続されており、前記第１冷却液循
環回路と前記第３冷却液循環回路が互いに独立している
ことを特徴とする。このように構成することにより、第
３冷却液循環回路における冷却液保有量を少なくするこ
とが可能になる。

【００１２】

【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１０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。

【００１３】〔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８の図面を参照して説明
する。図２は燃料電池１１の一部における縦断面図であ
る。燃料電池１１は、固体高分子電解質膜１２をアノー
ド電極１３とカソード電極１４とで挟持し、さらにその
外側を一対のセパレータ１６，１７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。

【００１４】固体高分子電解質膜７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９およびカソード電極１１は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１６，１７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１６，１７から電力を取り出す。

【００１５】アノード電極１３と、これに隣接するセパ
レータ１６との間には、燃料ガスとしての水素ガスを流
通させる燃料ガス通路（反応ガス通路）１８ａ，１８ｂ
が形成されている。また、カソード電極１４と、これに
隣接するセパレータ１７との間には、酸化剤ガスとして
の空気を流通させる空気通路（反応ガス通路）１９ａ，
１９ｂが形成されている。さらに、各セパレータ１６，
１７の背面間には、燃料電池１５を冷却するための冷却
液（純水やエチレングリコールやオイル等）を流通させ
る冷却液通路２０ａ，２０ｂおよび第２冷却液通路３６
が形成されている。

【００１６】図１はアノード側のセパレータ１６を冷却
液通路２０ａ，２０ｂおよび第２冷却液通路３６が形成
されている側から見た正面図であり、図３はセパレータ
１６を燃料ガス通路１８ａ，１８ｂが形成されている側
から見た正面図である。なお、説明の都合上、図１には
冷却液回路および制御構成を併記しており、図３にはカ
ソード側のセパレータ１７に形成されている空気通路１
９ａ，１９ｂを破線で併記している。燃料電池１１は、
左右両側にそれぞれ４つの通路２１，２２，２３，２
４，２５，２６，２７，２８を備え、上下両側にそれぞ
れ３つの通路２９，３０，３７，３１，３２，３８を有
しており、これら通路２１〜３２，３７，３８はセル１
５の積層方向に貫通して設けられている。

【００１７】初めに、燃料ガス通路および空気通路につ
いて説明すると、この第１の実施の形態における燃料電
池１１においては、燃料ガス通路および空気通路が上下
二系列に分割されている。左側上から１番目と３番目の
通路は水素ガスを供給するための燃料ガス通路２１，２
３であり、右側上から２番目と下から１番目の通路は水
素ガスを排出するための燃料ガス通路２６，２８であ
り、燃料ガス通路２１を流通する水素ガスは上側の燃料
ガス通路１８ａを通って燃料ガス通路２６に排出され、
一方、燃料ガス通路２３を流通する水素ガスは下側の燃
料ガス通路１８ｂを通って燃料ガス通路２８に排出され
る。

【００１８】また、セパレータ１７には、上側の燃料ガ
ス通路１８ａに対応する位置に上側の空気通路１９ａが
形成されており、下側の燃料ガス通路１８ｂに対応する
位置に下側の空気通路１９ｂが形成されている。右側上
から１番目と３番目の通路は空気を供給するための空気
通路２５，２７であり、左側上から２番目と下から１番
目の通路は空気を排出するための空気通路２２，２４で
あり、空気通路２５を流通する空気は上側の空気通路１
９ａを通って空気通路２２に排出され、一方、空気通路
２７を流通する空気は下側の空気通路１９ｂを通って空
気通路２４に排出される。

【００１９】次に、冷却液通路２０ａ，２０ｂおよび第
２冷却液通路３６について説明すると、この第１の実施
の形態における燃料電池１１においては、冷却液通路が
左右および中央の三系列に分割されている。下側の冷却
液通路３１，３２，３８は冷却液が供給される冷却液通
路であり、上側の冷却液通路２９，３０，３７は冷却液
を排出するための冷却液通路であり、冷却液通路３１に
供給された冷却液は冷却液通路２０ａを通って冷却液通
路２９に排出され、冷却液通路３２に供給された冷却液
は冷却液通路２０ｂを通って冷却液通路３０に排出さ
れ、冷却液通路３８に供給された冷却液は第２冷却液通
路３６を通って冷却液通路３７に排出される。

【００２０】第２冷却液通路３６は、冷却液通路２０ａ
と冷却液通路２０ｂの間に配置されており、排出側の冷
却液通路３７に近い位置において渦巻き状の迷路部３６
ａを備えている。この迷路部３６ａはこの部位における
流路長さを長くして冷却液の滞留時間を稼ぐために設け
られており、上側の燃料ガス通路１８ａおよび空気通路
１９ａに対応する位置に配置されている。これら冷却液
通路２０ａ，２０ｂおよび第２冷却液通路３６は、燃料
ガス通路１８ａ，１８ｂと空気通路１９ａ，１９ｂが重
複する部分（この部分が発電面となる）のほぼ全域をカ
バーしている。

【００２１】また、この実施の形態の燃料電池１１で
は、連続して積層された所定数のセル１５を単位モジュ
ールとして、各モジュールに対して１つの温度センサ３
４が設けられている。温度センサ３４は、図２に示すよ
うに各モジュールにおいて代表する１つのセパレータ１
７に設けられ、且つ、図１に示すように第２冷却液通路
３６の迷路部３６ａの近傍に対応する位置に配置されて
おり、各モジュールにおける迷路部３６ａ近傍の温度を
検出することができるようになっている。この温度セン
サ３４の出力信号は燃料電池制御用のＥＣＵ３５に入力
される。ＥＣＵ３５は燃料電池１１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。

【００２２】供給側の冷却液通路３１，３２は第１冷却
液循環回路５１を介して排出側の冷却液通路２９，３０
に接続されており、第１冷却液循環回路５１は、ポンプ
５２と、ポンプ５２の上流側および下流側に設置された
制御バルブＶ１，Ｖ２と、制御バルブＶ２と冷却液通路
２９，３０との間に設けられたラジエータ５７を備えて
いる。制御バルブＶ１，Ｖ２は冷却液の流路を制御する
ための流路切り替え手段であり、制御バルブＶ１，Ｖ２
を開くと冷却液通路２９，３０，３１，３２への冷却液
の流通が許容され、その結果、冷却液通路２０ａ，２０
ｂに冷却液が流れ、制御バルブＶ１，Ｖ２を閉じると冷
却液通路２９，３０，３１，３２への冷却液の流通が阻
止され、その結果、冷却液通路２０ａ，２０ｂに冷却液
が流れなくなる。

【００２３】また、排出側の冷却液通路３７は、第１冷
却液循環回路５１におけるポンプ５２と制御バルブＶ１
との間に、冷却液配管５３を介して接続されており、供
給側の冷却液通路３８は、第１冷却液循環回路５１にお
けるポンプ５２と制御バルブＶ２との間に、冷却液配管
５４を介して接続されている。これにより、第２冷却液
通路３６は、冷却液通路３７，３８および冷却液配管５
３，５４を介して、冷却液通路２０ａ，２０ｂに対し並
列的に第１冷却液循環回路５１に接続されている。この
冷却液配管５３，５４は制御バルブＶ１，Ｖ２の開閉状
態にかかわらず常に冷却液が流通可能であり、したがっ
て、ポンプ５２が駆動されているときには冷却液通路３
７，３８および第２冷却液通路３６に冷却液が流れる。
なお、この実施の形態において、冷却液配管５３，５４
は第２冷却液循環回路を構成する。

【００２４】供給側の冷却液配管５４には電気ヒーター
（加熱手段）５５が設けられており、電気ヒーター５５
をＯＮすることによって冷却液配管５４を流れる冷却液
を加熱することができるようになっている。この電気ヒ
ーター５５はＥＣＵ３５によって制御され、冷却液配管
５４を流れる冷却液の温度を制御することができるよう
になっている。また、この冷却液配管５４には、電気ヒ
ーター５５と供給側の冷却液通路３８との間に、冷却液
配管５４を流れる冷却液の温度を検出するための温度セ
ンサ５６が設けられており、温度センサ５６の出力信号
はＥＣＵ３５に入力される。

【００２５】このように構成された燃料電池１１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、上下二系列ある燃料ガス通路１８ａ，１８ｂ
の両方に水素ガスを流し、空気通路１９ａ，１９ｂの両
方に空気を流し、左右中央三系列ある冷却液通路２０
ａ，２０ｂおよび第２冷却液通路３６の全てに冷却液を
流す。すなわち、燃料ガス通路２１，２３に水素ガスを
供給して燃料ガス通路１８ａ，１８ｂに水素ガスを流
し、燃料ガス通路２６，２８に排出する。また、図示し
ないスーパーチャージャーを駆動して空気通路２５，２
７に空気を供給し、空気通路１９ａ，１９ｂに空気を流
し、空気通路２２，２４に排出する。さらに、ポンプ５
２を駆動するとともに制御バルブＶ１，Ｖ２を開いて冷
却液通路３１，３２，３８に冷却液を供給し、冷却液通
路２０ａ，２０ｂおよび第２冷却液通路３６に冷却液を
上向きに流し、冷却液通路２９，３０，３７に排出す
る。これにより、全セル１５の発電面全面で発電が行わ
れ、発電面全面が冷却液により冷却される。なお、この
全面発電モードにおいては、第１冷却液循環回路５１に
設けられている図示しないラジエータを駆動して冷却液
を冷却し、電気ヒーター５５はＯＦＦにして冷却液配管
５４を流れる冷却液を加熱しない。

【００２６】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１１内の生成水は反応ガス通
路１８ａ，１８ｂ１９ａ，１９ｂ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１１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１１の温度上昇に時間が長くかかってしまう。

【００２７】そこで、この燃料電池１１では、このよう
な低温起動時には、燃料電池１１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１１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、水素ガスは上側の燃料ガス通路１８ａだ
けに流して下側の燃料ガス通路１８ｂには流さず、空気
は上側の空気通路１９ａだけに流して下側の空気通路１
９ｂには流さないようにする。このようにすると、各セ
ル１５において上側半分だけを発電面とすることがで
き、各セル１５の下側半分は発電に寄与しなくすること
ができる。

【００２８】また、局所発電モードでは、ポンプ５２を
駆動するとともに制御バルブＶ１，Ｖ２を閉じ、冷却液
通路２９，３０，３１，３２の冷却液の流通を阻止して
冷却液通路２０ａ，２０ｂに冷却液を流さないようにす
る。これにより、第１冷却液循環回路５１の冷却液は、
ポンプ５２→第１冷却液循環回路５１→冷却液配管５４
→冷却液通路３８→第２冷却液通路３６→冷却液通路３
７→冷却液配管５３→第１冷却液循環回路５１→ポンプ
５２という閉回路を循環することとなる。したがって、
このときには、冷却液はラジエータ５７には流れないの
で冷却されないこととなる。さらに、局所発電モードで
は、電気ヒーター５５をＯＮにして冷却液配管５４を流
れる冷却液を加熱する。

【００２９】これにより、電気ヒーター５５によって加
熱された冷却液は第２冷却液通路３６だけを上向きに流
れることとなり、冷却液の滞留時間が長い迷路部３６ａ
近傍を集中的に加熱する。そして、その熱がセパレータ
１６，１７を介してアノード電極１３，カソード電極１
４，固体高分子電解質膜１２に伝熱し、これらを迅速に
加熱する。その結果、図１および図４に示すように、迷
路部３６ａ近傍の領域Ｓにおいて局所的な発電が迅速に
行われるようになる（以下、この領域Ｓを局所発電領域
Ｓという）。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、冷却液による加熱と自己
発熱により局所発電領域Ｓの温度が速やかに高まる。

【００３０】ここで、発電の際の反応熱量と電気ヒータ
ー５５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５５による冷却液の加熱
量（すなわち、電気ヒーター５５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１１が運転停止する前に（すなわち、燃料電池１１の
出力電圧が運転限界電圧まで降下する前に）、各セル１
５の局所発電領域Ｓ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Ｓ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１５
の下側半分）が氷点下であっても燃料電池１１全体とし
ては発電を持続することができるようになる。

【００３１】また、領域Ｓにおける局所発電による自己
発熱と迷路部３６ａにおける冷却液の熱が、局所発電領
域Ｓの周囲へも伝熱していき、図５および図６に示すよ
うに、各セル１５の上側全体および下側半分も徐々に加
熱されるようになり、発電可能な領域が拡大していき、
燃料電池１１を早期に暖機することができる。

【００３２】さらに、局所発電領域Ｓの発電を持続する
ことができることにより、燃料電池１１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１１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Ｓだけを発電できる状態に保てばよい
ので、加熱した冷却液を冷却液通路２０ａ，２０ｂに流
してセル１５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。

【００３３】さらに、低温起動前に事前処理（例えば、
起動前の予備加熱など）を行う場合も、局所発電領域Ｓ
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。ま
た、この第１の実施の形態においては、ポンプ５２が一
台で済むので、部品点数が増えることがなく、コストア
ップを抑えることができる。

【００３４】次に、燃料電池１１の起動制御の一例を図
７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「ＹＥ
Ｓ」（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
「ＮＯ」（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。

【００３５】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、各モジュールの温度センサ３４
のうちの一つの温度センサ３４によって検出された温度
Ｔｊを局所発電領域Ｓにおける内部代表温度として、こ
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「ＹＥＳ」
（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。

【００３６】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、各セル１５の上側の燃料ガス通
路１８ａ、空気通路１９ａにだけ水素ガスおよび空気を
供給し、また、制御バルブＶ１，Ｖ２を閉じて冷却液通
路１９ａ，１９ｂに冷却液が流れないようにして第２冷
却液通路３６にだけ冷却液が流れるようにするととも
に、電気ヒーター５５をＯＮして冷却液を加熱し、加熱
した冷却液を第２冷却液通路３６に循環させるようにす
る。これにより、局所発電領域Ｓにおける局所発電を実
行する。また、電気ヒーター５５の出力は、第２冷却液
通路３６に供給される冷却液の温度が所定温度（例え
ば、７０゜Ｃ）以下となるように、ＥＣＵ３５によって
制御する。

【００３７】そして、ステップＳ１０８において、温度
センサ５６によって検出される冷却液の温度Ｔ0と、温
度センサ３４によって検出される各モジュールの局所発
電領域Ｓの温度Ｔｊを読み込み、ステップＳ１０９に進
む。ステップＳ１０９において、各モジュールの局所発
電領域Ｓの温度Ｔｊが冷却液の温度Ｔ0よりも小さいか
否か判定し、判定結果が「ＹＥＳ」（Ｔｊ＜Ｔ0）であ
る場合はステップＳ１０７に戻り、判定結果が「ＮＯ」
（Ｔｊ≧Ｔ0）である場合はステップＳ１０６に進む。
すなわち、各モジュールの局所発電領域Ｓの温度Ｔｊが
第２冷却液通路３６を流れる冷却液の温度Ｔ0に達する
までは局所発電モードによる燃料電池１１の暖機運転を
継続し、各モジュールの局所発電領域Ｓの温度Ｔｊが第
２冷却液通路３６を流れる冷却液の温度Ｔ0以上となっ
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５５をＯＦＦにし、制御バルブＶ１，Ｖ２を開
く。

【００３８】ステップＳ１０６の全面発電モードでは、
前述したように、制御バルブＶ１，Ｖ２を開くことによ
り冷却液通路２０ａ，２０ｂおよび第２冷却液通路３６
に冷却液を流し、各セル１５の両燃料ガス通路１８ａ，
１８ｂに水素ガスを流し、両空気通路１９ａ，１９ｂに
空気を流して、全セル１５の発電面全面を使って発電を
実行する。この時には電気ヒーター５５はＯＦＦにす
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。

【００３９】なお、前記起動制御では、燃料電池１１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を
判定しているが、これに代えて、燃料電池１１の総出力
電圧に基づいて局所発電モードに進むか否かを判定する
ようにしてもよい。

【００４０】また、前記起動制御では、各モジュールの
局所発電領域Ｓの温度Ｔｊが冷却液の温度Ｔ0よりも小
さいか否かによって、局所発電モードを継続するか全面
発電モードに移行するかを判定しているが、燃料電池１
１の代表温度が所定温度を超えたか否かによって局所発
電モードを継続するか全面発電モードに移行するかを判
定するようにしてもよい。さらに、各セル１５に温度セ
ンサ３４を設けて、各セル１５の局所発電領域Ｓの温度
が所定温度（例えば、冷却液の温度Ｔ0や他の所定温
度）よりも小さいか否かによって、局所発電モードを継
続するか全面発電モードに移行するかを判定してもよ
い。

【００４１】また、前記燃料電池１１では、第２冷却液
通路３６をセル１５の幅方向の中央に配置したが、第２
冷却液通路３６の設置位置は他の位置であってもよく、
反応ガス（この実施の形態では水素ガスや空気）の流路
形態等に基づいて適宜の位置に配置することが可能であ
る。

【００４２】また、前述の実施の形態では、局所発電モ
ードのときには、上側の燃料ガス通路１８ａと上側の空
気通路１９ａ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燃料ガス通路
１８ａ，１８ｂに水素ガスを流し、上下両方の空気通路
１９ａ，１９ｂ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、加熱された冷却液により温度上昇した局所発
電領域Ｓ１において発電が始まり、この発電による自己
発熱および加熱冷却液の加熱による熱が上下の発電面全
体に広がっていきく。そして、発電面全が温度上昇する
にしたがって、発電面全面においても発電を開始するよ
うになる。

【００４３】さらに、前述の実施の形態では、燃料ガス
通路１８ａ，１８ｂと空気通路１９ａ，１９ｂをそれぞ
れ水平方向に延びる直線流路としているが、これら燃料
ガス通路および空気通路は直線流路に限るものではな
く、例えば、図８に示すように、水素ガス供給用の燃料
ガス通路４１を左側上方に設け、水素ガス排出用の燃料
ガス通路４２を右側下方に設け、空気供給用の空気通路
４３を右側上方に設け、空気排出用の空気通路４４を左
側下方に設けて、燃料ガス通路４１，４２を接続する燃
料ガス通路４５を逆Ｓ字状に蛇行させ、空気通路４３，
４４を接続する空気通路４６をＳ字状に蛇行させてもよ
い。この場合には、水素ガスおよび空気はそれぞれ燃料
ガス通路４５，空気通路４６を蛇行しながら下降するよ
うに流れることになる。

【００４４】そして、この場合、第２冷却液通路３６の
迷路部３６ａを設ける部位を、例えば、図８において燃
料ガス通路４５の最上段の水平部と空気通路４６の最上
段の水平部とが重複する領域の中央に対応する部位に設
定すると、図８において二点鎖線で示す領域を局所発電
領域Ｓとすることができる。なお、この場合も、迷路部
３６ａの位置を他の位置に設定することにより、局所発
電領域Ｓを当該他の部位に設定することが可能である。
この燃料電池１１においても、前述の燃料電池１１の場
合と同様の作用・効果を得ることができる。

【００４５】〔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９および図１０の図
面を参照して説明する。燃料電池１１の基本的な構成
は、第２の実施の形態も第１の実施の形態と同じであ
り、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、燃料電池を局所発電するための冷
却液循環回路を第１冷却液循環回路から独立して設けた
点にある。以下、この相違点について詳述する。図９
は、アノード側のセパレータ１６を冷却液通路２０ａ，
２０ｂおよび第２冷却液通路３６が形成されている側か
ら見た正面図に、冷却液回路および制御構成を併記して
示した図であり、第１の実施の形態における図１に対応
する図である。

【００４６】供給側の冷却液通路３１，３２は第１冷却
液循環回路６１を介して排出側の冷却液通路２９，３０
に接続されており、第１冷却液循環回路６１はポンプ
（Ｐ１）６３とラジエータ６７を備えている。一方、供
給側の冷却液通路３８は第３冷却液循環回路６２を介し
て排出側の冷却液通路３７に接続されており、第３冷却
液循環回路６２はポンプ（Ｐ２）６４を備えている。こ
れら第１，第３冷却液循環回路６１，６２はそれぞれ独
立しており、第１，第３冷却液循環回路６１，６２の間
では冷却液の流通はない。

【００４７】第３冷却液循環回路６２には、この第３冷
却液循環回路６２を流れる冷却液を加熱するための電気
ヒーター（加熱手段）６５と、第３冷却液循環回路６２
を流れる冷却液の温度を検出するための温度センサ６６
が設けられている。これらは第１の実施の形態における
電気ヒーター５５、温度センサ５６に対応する。そし
て、第２の実施の形態では、第１，第３冷却液循環回路
６１，６２をそれぞれ独立した回路とし、それぞれにポ
ンプ６３，６４を設けているので、第１の実施の形態に
おける制御バルブＶ１，Ｖ２はない。その他の構成につ
いては第１の実施の形態のものと同じであり、同一態様
部分に同一符号を付して説明を省略する。

【００４８】このように構成された燃料電池１１におい
ては、全面発電モードでは、電気ヒーター６５をＯＦＦ
にし、両ポンプ６３，６４を駆動して冷却液を第１，第
３冷却液循環回路６１，６２に循環させて冷却液通路２
０ａ，２０ｂおよび第２冷却液通路３６に冷却液を流
し、発電面全体を冷却する。一方、局所発電モードで
は、電気ヒーター６５をＯＮにし、一方のポンプ６４だ
けを駆動して第３冷却液循環回路６２に冷却液を循環さ
せ、他方のポンプ６３は停止させて第１冷却液循環回路
６１には冷却液を循環させないようにする。これによ
り、局所発電モードでは、冷却液通路２０ａ，２０ｂに
は冷却液が流れず、電気ヒーター６５によって加熱され
た冷却液が第２冷却液通路３６にだけ流れるようにな
り、第１の実施の形態の場合と同様に迷路部３６ａ近傍
を集中的に加熱することができ、その結果、局所発電領
域Ｓを形成することができることとなる。

【００４９】したがって、この第２の実施の形態の燃料
電池１１においても、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。その上、この第２の実施の形
態の燃料電池１１の場合には、第１冷却液循環回路６１
を第３冷却液循環回路６２から独立させているので、局
所発電モードにおける冷却液の保有液量を少なくするこ
とができ、したがって、第２冷却液通路３６に供給する
冷却液を迅速に加熱することができ、ひいては局所発電
を早期に実現することができる。

【００５０】次に、第２の実施の形態における燃料電池
１１の起動制御の一例を図１０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。

【００５１】この第２の実施の形態において、ステップ
Ｓ２０４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、ポンプ６３，６４の両方を
駆動することにより冷却液通路２０ａ，２０ｂおよび第
２冷却液通路３６に冷却液を流し、各セル１５の両燃料
ガス通路１８ａ，１８ｂに水素ガスを流し、両空気通路
１９ａ，１９ｂに空気を流して、全セル１５の発電面全
面を使って発電する。この時には、第１冷却液循環回路
６１を流れる冷却水がラジエータ６７によって冷却され
る。また、電気ヒーター６５をＯＦＦにし、第３冷却液
循環回路６２を流れる冷却液を加熱しない。

【００５２】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、各セル１５の上側の燃料ガス通路１８ａ、空気通路
１９ａにだけ水素ガスおよび空気を供給し、また、ポン
プ６３を停止して冷却液通路１９ａ，１９ｂに冷却液が
流れないようにし、且つ、ポンプ６４を駆動して第２冷
却液通路３６にだけ冷却液が流れるようにするととも
に、電気ヒーター６５をＯＮにして冷却液を加熱し、加
熱した冷却液を第２冷却液通路３６に循環させるように
する。これにより、局所発電領域Ｓにおける局所発電を
実行する。この時、電気ヒーター６５の出力は、第２冷
却液通路３６に供給される冷却液の温度が所定温度（例
えば、７０゜Ｃ）以下となるように、ＥＣＵ３５によっ
て制御する。

【００５３】そして、ステップＳ２０８において、温度
センサ６６によって検出される冷却液の温度Ｔ0と、温
度センサ３４によって検出される各モジュールの局所発
電領域Ｓの温度Ｔｊを読み込み、ステップＳ２０９に進
んで、各モジュールの局所発電領域Ｓの温度Ｔｊが冷却
液の温度Ｔ0よりも小さいか否か判定する。ステップＳ
２０９における判定結果が「ＹＥＳ」（Ｔｊ＜Ｔ0）で
ある場合はステップＳ２０７に戻って、局所発電モード
による暖機運転を継続し、判定結果が「ＮＯ」（Ｔｊ≧
Ｔ0）である場合はステップＳ２０６に進み、全面発電
モードに移行する。局所発電モードから全面発電モード
への移行に伴い、電気ヒーター６５をＯＦＦにし、ポン
プ６３，６４を駆動する。なお、この第２の実施の形態
の燃料電池１１においても、燃料ガス通路および空気通
路の流路形態は水平直線状以外の流路形態（例えば、図
８に示す蛇行流路）とすることが可能である。

【００５４】

【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、第２冷却液
通路に加熱した冷却液を供給することで前記発電面の一
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。

【００５５】請求項２に記載した発明によれば、流路切
り替え手段によって冷却液通路への冷却液の流通を阻止
すると、第１冷却液循環回路の冷却液を第２冷却液循環
回路を介して第２冷却液通路にだけ流すことが可能にな
り、一方、流路切り替え手段によって冷却液通路への冷
却液の流通を許容すると、第１冷却液循環回路の冷却液
を冷却液通路に流すことが可能になるので、第２冷却液
通路に温水を供給したり冷却液通路に冷却液を供給した
りするためのポンプ等の供給手段を共有することがで
き、部品点数を減らすことができ、コストアップを抑え
ることができるという効果がある。

【００５６】請求項３に記載した発明によれば、燃料電
池の温度が所定温度よりも低いときには前記流路切り替
え手段により冷却液通路への冷却液の流通を阻止し、燃
料電池の温度が所定温度以上のときには前記流路切り替
え手段により冷却液通路への冷却液の流通を許容するこ
とが可能になるので、全面発電運転と局所発電運転の切
り替えが容易にできるという効果がある。

【００５７】請求項４に記載した発明によれば、第３冷
却液循環回路における冷却液保有量を少なくすることが
可能になるので、冷却液を迅速に加熱することができ、
ひいては燃料電池を早期に温度上昇させることができる
という効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明に係る燃料電池の第１の実施の形態
におけるアノード側のセパレータの正面図である。

【図２】 前記第１の実施の形態における燃料電池の縦
断面図である。

【図３】 前記アノード側のセパレータの背面図であ
る。

【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。

【図５】 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。

【図６】 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。

【図７】 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。

【図８】 前記第１の実施の形態の燃料電池の変形例に
おけるアノード側のセパレータの背面図である。

【図９】 この発明に係る燃料電池の第２の実施の形態
におけるアノード側のセパレータの正面図である。

【図１０】 前記第２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。

【符号の説明】

１１ 燃料電池 １２ 固体高分子電解質膜 １３ アノード電極 １４ カソード電極 １５ セル １８ａ，１８ｂ 燃料ガス通路（反応ガス通路） １９ａ，１９ｂ 空気通路（反応ガス通路） ２０ａ，２０ｂ 冷却液通路 ３６ 第２冷却液通路 ５１ 第１冷却液循環回路 ５３，５４ 冷却液配管（第２冷却液循環回路） ５５，６５ 電気ヒーター（加熱手段） ６１ 第１冷却液循環回路 ６２ 第３冷却液循環回路 Ｖ１，Ｖ２ 制御バルブ（流路切り替え手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC03 5H027 AA06 CC06 KK46 MM16

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【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前記反応ガス通路から
   離隔して冷却液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は、前記冷却液
   通路から独立して第２冷却液通路が設けられ、この第２
   冷却液通路に、前記セルの外部に設けられた加熱手段に
   より加熱した冷却液を供給・停止可能にしたことを特徴
   とする燃料電池。
2. 【請求項２】 前記冷却液通路は第１冷却液循環回路に
   接続され、前記第２冷却液通路は前記加熱手段を備えた
   第２冷却液循環回路を介して前記冷却液通路に対し並列
   的に前記第１冷却液循環回路に接続されており、前記冷
   却液通路への冷却液の流通を許容および阻止する流路切
   り替え手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の
   燃料電池。
3. 【請求項３】 前記流路切り替え手段を燃料電池の温度
   に応じて制御することを特徴とする請求項２に記載の燃
   料電池。
4. 【請求項４】 前記冷却液通路は第１冷却液循環回路に
   接続され、前記第２冷却液通路は前記加熱手段を備えた
   第３冷却液循環回路に接続されており、前記第１冷却液
   循環回路と前記第３冷却液循環回路が互いに独立してい
   ることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。