JP2002313393A

JP2002313393A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2002313393A
Application number: JP2001118195A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Hayashi; 勝美林; Hideo Kato; 英男加藤; Yasushi Kanai; 靖司金井; Yosuke Fujii; 洋介藤井
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2001-04-17
Filing date: 2001-04-17
Publication date: 2002-10-25
Anticipated expiration: 2021-04-17
Also published as: JP4954383B2

Abstract

(57)【要約】【課題】短時間で自己発熱による加熱ができ、かつ、
反応ガスを燃焼用として使用する必要なく低温始動性を
向上させることができる燃料電池を提供する。【解決手段】アノード電極とカソード電極が固体高分
子電解質膜の両側に配置された膜・電極構造体をセパレ
ータ（例えば、実施形態におけるセパレータで挟持した
燃料電池１において、前記膜・電極構造体と各セパレー
タとの間に反応ガス流路Ｃ，Ａを設け、反応ガス流路
Ｃ，Ａの一部に反応ガスを供給して発電を行うための起
動時用反応ガス流路系と、全反応ガス流路に反応ガスを
供給して発電を行うための通常時用反応ガス流路系とを
備え、前記起動時用反応ガス流路系と通常時用反応ガス
流路系とを切換可能にしたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、燃料電池の低温
起動技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池の中には、固体高分子電解質膜
をアノード電極とカソード電極とで挟持して、膜・電極
構造体を形成し、この膜・電極構造体を一対のセパレー
タで挟持したものがある。この燃料電池は、アノード電
極の発電面に燃料ガス（例えば、水素ガス）を、カソー
ド電極の発電面に酸化剤ガス（例えば、酸素を含む空
気）供給して化学反応を行い、この間に生じた電子が外
部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用
される。カソード電極においては酸化剤ガス（例えば、
酸素を含む空気）が供給されているため、水素イオン、
電子、及び酸素が反応して水が生成される。したがっ
て、環境に与える影響が少ないため車両の駆動源として
注目されている。

【０００３】一般に、この種の燃料電池の作動温度は７
０℃〜８０℃程度とされているが、低温時においては発
電効率が低下するため低温時における始動性が大きな課
題となっている。したがって、燃料電池を車両用として
用いた場合に、外気温が低い状態、例えば、氷点下で起
動しようとすると始動までに時間がかかるという問題が
ある。これに対して、例えば、特表２０００−５１２０
６８号公報に記載されているように、燃料電池の外部負
荷に電力を供給することで反応を促進し、自己発熱によ
り温度を上昇させて始動性を向上させるものがある。ま
た、米国特許第６１０３４１０号公報に示されているよ
うに、反応ガスである水素の一部を空気に混ぜること
で、カソード側の触媒により反応を起こし燃焼熱を発生
させ始動性を向上させるものもある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の
自己発熱を用いた技術では、例えば、起動時に燃料電池
が氷点下となっているような場合に、熱容量の大きい燃
料電池全体を自己発熱により加熱するためにはある程度
長い時間が必要となってしまうという問題がある。ま
た、後者の水素の一部を燃焼させる技術では、発電用と
して搭載している水素の他に始動用としての水素が必要
となるため、その分だけ水素タンクが大型化し、周辺機
能部品の配置スペースに制約を与えてしまうという問題
がある。そこで、この発明は、短時間で自己発熱による
加熱ができ、かつ、反応ガスを燃焼用として使用する必
要なく低温始動性を向上させることができる燃料電池を
提供するものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１に記載した発明は、アノード電極（例え
ば、実施形態におけるアノード電極２）とカソード電極
（例えば、実施形態におけるカソード電極３）が固体高
分子電解質膜（例えば、実施形態における固体高分子電
解質膜４）の両側に配置された膜・電極構造体（例え
ば、実施形態における膜・電極構造体５）をセパレータ
（例えば、実施形態におけるセパレータ６，７）で挟持
した燃料電池において、前記膜・電極構造体と各セパレ
ータとの間に反応ガス流路（例えば、実施形態における
反応ガス流路Ｃ，Ａ）を設け、反応ガス流路の一部に反
応ガスを供給して発電を行うための起動時用反応ガス流
路系と、全反応ガス流路に反応ガスを供給して発電を行
うための通常時用反応ガス流路系とを備え、前記起動時
用反応ガス流路系と通常時用反応ガス流路系とを切換可
能にしたことを特徴とする。

【０００６】このように構成することで、例えば、低温
起動時に起動時用反応ガス流路系に切り換えて運転を行
えば、通常時用反応ガス流路系に供給されるのと同量の
反応ガスが、流路長が実質的に短くなった反応ガス流路
の一部に集中的に供給される。このとき、反応ガス流路
は、実質的に流路長が短くなった分だけ通過抵抗が小さ
くなりそのため流速が高まる。したがって、これに対応
して膜・電極構造体の発電面の一部で局所的な発電を行
なうことができる。その結果、当該部位で自己発熱を集
中的に行って温度を速やかに高め、この高温度部位を発
電面全体に拡大して燃料電池の温度を高めること可能と
なる。

【０００７】請求項２に記載した発明は、前記起動時用
反応ガス流路系と通常時用反応ガス流路系との切換は、
膜・電極構造体の発電面の温度に基づいて行われること
を特徴とする。このように構成することで、例えば、発
電面の温度が所定値（例えば、０℃）以下の場合は、起
動時用反応ガス流路系に切り換え、例えば、温度が所定
値（例えば、０℃）を越える場合は通常時用反応ガス流
路系に切り換えて運転を行うことができる。

【０００８】請求項３に記載した発明は、アノード電極
とカソード電極が固体高分子電解質膜の両側に配置され
た膜・電極構造体をセパレータで挟持した燃料電池にお
いて、前記膜・電極構造体と各セパレータとの間に反応
ガス流路を設け、該反応ガス流路のガス供給口（例え
ば、実施形態における入口側酸化剤ガス連通孔１０）に
ガス供給路（例えば、実施形態におけるガス供給路１
６）を接続すると共に、前記反応ガス流路のガス排出口
（例えば、実施形態における出口側酸化剤ガス連通孔１
１）にガス排出路（例えば、実施形態におけるガス排出
路１７）を接続し、これらガス供給路とガス排出路のい
ずれか一方にガス供給路あるいはガス排出路に替えて反
応ガスを供給・排出可能な分岐通路（例えば、実施形態
における分岐通路１２）を接続し、この分岐通路の分岐
端（例えば、実施形態における分岐端１３）を前記反応
ガス流路の途中に接続したことを特徴とする。

【０００９】このように構成することで、例えば、ガス
供給路（ガス排出路）に替えて反応ガスを供給（排出）
する分岐通路を設けた場合に、該分岐通路から反応ガス
を供給（排出）するようにすると、反応ガスは分岐管の
分岐端から供給（排出）される。そのため、反応ガス
は、流路長が実質的に短くなった反応ガス流路の一部に
集中的に供給される。このとき、反応ガス流路は、実質
的に流路長が短くなった分だけ通過抵抗が小さくなりそ
のため流速が高まる。したがって、これに対応して膜・
電極構造体の発電面の一部で局所的な発電を行なうこと
ができる。その結果、当該部位で自己発熱を集中的に行
って温度を速やかに高め、この高温度部位を発電面全体
に拡大して燃料電池の温度を高めること可能となる。

【００１０】請求項４に記載した発明は、アノード電極
とカソード電極が固体高分子電解質膜の両側に配置され
た膜・電極構造体をセパレータで挟持した燃料電池にお
いて、前記膜・電極構造体と各セパレータとの間に複数
の通路（例えば、実施形態における通路ＣＣ）から成る
反応ガス流路を設け、該反応ガス流路のガス供給口にガ
ス供給路を接続すると共に、前記反応ガス流路の排出口
にガス排出路を接続し、前記反応ガス流路の隣接する通
路を一部で連通させるバイパス部（例えば、実施形態に
おけるバイパス部２３）を設け、前記ガス供給路に該ガ
ス供給路に替えて反応ガスを供給可能なガス供給側分岐
通路を接続し、前記ガス排出路に該ガス排出路に替えて
反応済みガスを排出可能なガス排出側分岐通路を接続
し、これら各分岐通路の分岐端を前記バイパス部を跨い
で隣接する前記各通路に接続したことを特徴とする。

【００１１】このように構成することで、ガス供給路を
ガス供給側分岐通路に切り換え、ガス排出路をガス排出
側分岐通路に切り換えた状態で、反応ガスを供給する
と、供給された反応ガスは、ガス供給側分岐通路の分岐
端から反応ガス流路の通路に供給される。ここで該通路
は反応ガス流路よりも小さい断面積であるので、供給さ
れた反応ガスの流速は高まり、この反応ガスはバイパス
部を通過して、もう一方の通路に流過する。そして、こ
の通路に流れ込んだ反応ガスはガス排出側分岐通路の分
岐端からガス排出側分岐通路を経て排出される。そのた
め、供給された反応ガスは反応ガス流路を構成する隣接
する通路を増速された状態で、かつ、短縮された経路を
流れて反応に供され、したがって、短縮された反応ガス
流路に対応した膜・電極構造体の発電面の一部で局所的
な発電を行なうことができる。その結果、当該部位で自
己発熱を集中的に行って温度を速やかに高め、この高温
度部位を発電面全体に拡大して燃料電池の温度を高める
こと可能となる。尚、上記請求項４に記載した発明の中
には以下のような構成を含めることができる。即ち、ア
ノード電極とカソード電極が固体高分子電解質膜の両側
に配置された膜・電極構造体をセパレータで挟持した燃
料電池において、前記膜・電極構造体と各セパレータと
の間に複数の通路から成る反応ガス流路を設け、該反応
ガス流路のガス供給口にガス供給路を接続すると共に、
前記反応ガス流路のガス排出口（例えば、実施形態にお
ける出口側酸化剤ガス連通孔１１２，１１３）を２つに
分割して各々にガス排出路を接続し、該ガス排出口のい
ずれか一方に該ガス排出路を閉鎖するバルブ（例えば、
実施形態におけるバルブＶＣ）を設け、前記ガス供給路
に該ガス供給路に替えてガスを供給可能な分岐通路を接
続し、該分岐通路の分岐端を前記バルブを設けたガス排
出路であって該バルブとガス排出口との間に接続し、前
記ガス流路のガス排出口の近傍に、前記反応ガス流路の
隣接する通路を一部で連通させるバイパス部を設けたこ
とを特徴とする。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施形態を図面
と共に説明する。図１はこの発明の実施形態の車両用の
燃料電池システムのブロック図である。燃料電池１は酸
化剤ガスである空気と燃料ガスである水素ガスが供給さ
れることで発電を行う。燃料電池１は蓄電装置として機
能するキャパシタ（バッテリでもよい）１００と共に電
流制限器２００に並列に接続され、電流制限器２００に
は、空気を供給するスーパーチャージャーＳ／Ｃ（負
荷）や走行モータ負荷（その他の負荷を含む）が負荷Ｆ
として接続されている。電流制限器２００は、燃料電池
１の状態（発電電圧、ガス供給状態）が異常になった時
に、燃料電池１の発電電力（取出し電力）を制限して燃
料電池１を保護するためのもので、通常は燃料電池１と
電気負荷の間を電気的に直結状態にしている。３００は
ＥＣＵを示し、このＥＣＵ３００は、アクセルペダル４
００のアクセル開度（走行意志）によって走行モータを
駆動すると共に、該走行モータの電力、スーパーチャー
ジャーＳ／Ｃ、及びその他の電力負荷の電力の加算値で
ある燃料電池１の要求発電電力に従って、該要求発電電
力を満たすようにスーパーチャージャーＳ／Ｃの回転数
を制御する。

【００１３】つまり、ＥＣＵ３００からの要求出力信号
に基づいて電流制限器２００に制限された範囲内で、要
求された電力が燃料電池１から各電気負荷に供給され
る。したがって、例えば始動時にＥＣＵ３００から一定
の要求値が入力されると、アイドル出力に応じてスーパ
ーチャージャーＳ／Ｃが駆動し一定量の空気を燃料電池
１に供給し、これに対応する量の水素ガスが燃料電池１
に供給される。ここで、このようにアイドル出力が要求
されている際に、後述する燃料電池１の反応ガス流路の
経路の一部分に、反応ガス流路の全経路を使用した場合
と同様な反応ガス量を供給することで、自己発熱をこの
部位に集中させるようにしている。つまり、全発電面で
発電する場合と同量の反応ガス量が供給され、消費され
る反応ガス量、即ち同一の電力が取り出されるため、発
熱が小さな発電面積に集中する分だけ自己発熱が集中す
るのである。

【００１４】図２、図３はこの発明の第１実施形態の要
部を示している。図３に示すように、燃料電池１は、ア
ノード電極２とカソード電極３が固体高分子電解質膜４
の両側に配置された膜・電極構造体５を備えている。膜
・電極構造体５はアノード側のセパレータ６とカソード
側のセパレータ７により挟持され、これらが複数組積層
されて、例えば、車両用の燃料電池スタックが構成され
る。尚、この実施形態では説明の都合上、膜・電極構造
体５と一対のセパレータ６，７とで構成される単位燃料
電池を例にして説明する。

【００１５】前記固体高分子電解質膜４は、例えば、パ
ーフルオロスルホン酸ポリマーを用いている。また、ア
ノード電極２、カソード電極３は白金Ｐｔを主体とした
ものであって、多孔質カーボンクロス又は多孔質カーボ
ンペーパーからなる拡散層に配設されている。セパレー
タ６，７は緻密質カーボン製や金属製のもので、これら
セパレータ６，７から電力を取り出す。

【００１６】図２はカソード側のセパレータ７を膜・電
極構造体５に対向する側から見た平面図である。このカ
ソード側のセパレータ７は蛇行した反応ガス流路Ｃを備
えている。ここで、緻密質カーボン製のセパレータの場
合は反応ガス流路は複数の溝で構成され、金属製のセパ
レータの場合はプレス成形により形成された複数の溝部
やシール材で仕切られて形成された通路で構成されてい
る。また、反応ガス流路Ｃとしては、蛇行した流路の他
にＵ字の流路など様々な形状の流路を採用することがで
きる。カソード側のセパレータ７の反応ガス流路Ｃ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
である左側辺部の上部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。

【００１７】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に対応して蛇行した反応ガス流路
Ａ（鎖線で示す）を備えている。つまり、この反応ガス
流路Ａは、カソード側の反応ガス流路Ｃ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
である右側辺部の上部に配置された出口側燃料ガス連通
孔２１で終端している。アノード側のセパレータ６、及
びカソード側のセパレータ７の下側辺部には一対の入口
側冷却水連通孔３０，３０が、アノード側のセパレータ
６、カソード側のセパレータ７の上側辺部には一対の出
口側冷却水連通孔３１，３１が形成されている。アノー
ド側のセパレータ６に、対向する前記各冷却水連通孔３
０，３１同志を結ぶ冷却水流路Ｒが形成されている。こ
の冷却水流路Ｒは図示しない冷却系配管に接続されてい
る。

【００１８】図３は図２のＸ−Ｘ線に沿う断面図であ
る。図３に示すように、上述のように構成された燃料電
池１のカソード側のセパレータ７とアノード側のセパレ
ータ６の端子部材（図示せず）によって、燃料電池１か
ら出力を取り出す閉回路４０が形成され、燃料電池１の
出力電力により走行用モータＭや負荷Ｆを駆動させるよ
うになっている。前記カソード側のセパレータ７の反応
ガス流路Ｃの出口側酸化剤ガス連通孔１１の近傍には、
後述する分岐通路１２の分岐端１３を接続する補助ガス
供給口１４が形成されている。アノード側のセパレータ
６の反応ガス流路Ａにも、同様の構成の分岐通路の分岐
端を接続する補助ガス供給口１５が対象となる位置に形
成されている。各補助ガス供給口１４（１５）と、出口
側燃料ガス連通孔２１、出口側酸化剤ガス連通孔１１と
の間が局所発電用反応ガス流路（反応ガス流路の一部）
Ｃ１（Ａ１）を構成している。また、局所発電用反応ガ
ス流路Ｃ１（Ａ１）に対応する膜・電極構造体５の発電
面（楕円部で示す部分）が後述する局所発電領域Ｋとし
て構成される。ここで、各局所発電用反応ガス流路Ｃ
１，Ａ１は互いに重なり合う部分が生ずるように、前記
各補助ガス供給口１４（１５）が設定されている。

【００１９】図４は、この発明の第１実施形態を示して
いる。尚、この図においては前記燃料電池１は模式化さ
れた状態で示す。同図においてカソード側のセパレータ
７の入口側酸化剤ガス連通孔１０にガス供給路１６が接
続されると共に前記出口側酸化剤ガス連通孔１１にガス
排出路１７が接続されている。また、ガス供給路１６に
分岐通路１２が接続され、この分岐通路１２の分岐端１
３が前記反応ガス流路Ｃの途中に形成された前記補助ガ
ス供給口１４に接続されている。前記ガス供給路１６に
はバルブＶＢが介装され、分岐通路１２にはバルブＶＡ
が介装されている。バルブＶＡ，ＶＢを開閉すること
で、ガス供給路１６に替えて分岐通路１２から、酸化剤
ガスである空気を反応ガス流路Ｃの途中に設けられた補
助ガス供給口１４に供給できるようになっている。

【００２０】上記入口側酸化剤ガス連通孔１０に取り付
られたガス供給路１６には主としてスーパーチャージャ
ーＳ／Ｃなどのガス供給系８０が設けられ、出口側酸化
剤ガス連通孔１１に取り付けられたガス排出路１７には
排ガス処理系９０が接続されている。上記ガス供給系８
０と排ガス処理系９０とバルブＶＡ，ＶＢとが前記ＥＣ
Ｕ３００に接続されている。尚、燃料電池内温度を検出
する温度センサＴもＥＣＵ３００に接続されている。こ
のようにして、局所発電用反応ガス流路Ｃ１に反応ガス
を供給して発電を行うための起動時用反応ガス流路系
と、全反応ガス流路に反応ガスを供給して発電を行うた
めの通常時用反応ガス流路系とが、バルブＶＡ，ＶＢに
より切換可能に構成されている。

【００２１】ここで、この実施形態ではバルブＶＢと入
口側酸化剤ガス連通孔１０との間のガス供給路１６と、
ガス排出路１７との間にバルブＶＣを備えた連通管１８
が介装されている。尚、このバルブＶＣも前記ＥＣＵ３
００に接続されている。尚、前記アノード側ではガス供
給系が水素タンク等であり、ガス供給路は入口側燃料ガ
ス連通孔２０に接続され、ガス排出路は出口側燃料ガス
連通孔２１に接続され、補助ガス供給口１５に分岐通路
の分岐端が取り付けられているが、前記カソード側と同
様の構成であるので説明は省略する。

【００２２】次に、第１実施形態の作用について図５の
フローチャートと共に説明する。図５のステップＳ０１
において、イグニッションがＯＮされると所定のバルブ
制御ルーチンが行われる。具体的には、図示しないパー
ジバルブによる生成水のパージ等の運転準備動作のため
のバルブ操作がなされる。ステップＳ０３で温度センサ
Ｔにより検出した燃料電池内部温度ｔが０℃を越えてい
るか否かを判定する。判定結果が「ＹＥＳ」である場合
はステップＳ０４に進み、判定結果が「ＮＯ」である場
合はステップＳ０６に進み、後述する低温起動モードに
移行してステップＳ０８に進む。ステップＳ０８におい
ては、温度センサＴにより検出した燃料電池内部温度ｔ
が０℃を越えているか否かを判定する。判定結果が「Ｙ
ＥＳ」である場合はステップＳ０４に進み、判定結果が
「ＮＯ」である場合はステップＳ０６に進み、低温起動
モードを維持する。ここで、ステップＳ０８において、
燃料電池に対する負荷が高負荷であるか低負荷であるか
によりこのステップにおける判定閾値を持ち替えること
もできる。例えば、高負荷である場合には燃料電池内部
の温度が０℃を越えたら、ステップＳ０４に進むが、低
負荷の場合には燃料電池内部の温度が５℃を越えるのを
待ってステップＳ０４に進むようにしてもよい。高負荷
に比較して低負荷の場合には発熱量が少ないので、ある
程度温度が上がってから通常発電モードに移行すること
が望ましいからである。

【００２３】ステップＳ０４において、外部トリガがＯ
ＦＦか否かを判定する。この外部トリガは、停止シーケ
ンスモードへ移行するための操作ボタンである。判定結
果が「ＹＥＳ」、つまり操作ボタンが押されていない場
合はステップＳ０５の通常発電モードに進み、さらにス
テップＳ０４の判定を繰り返す。また、ステップＳ０４
における判定結果が「ＮＯ」、つまり操作ボタンが押さ
れた場合にはステップＳ０７に進み、後述する停止シー
ケンスモードに移行して制御を終了する。

【００２４】次に、各モードを図４に基づいて説明す
る。前記ステップＳ０５の通常発電モードでは、バルブ
ＶＡ、バルブＶＣは閉じ、バルブＶＢは開く。したがっ
て、ガス供給系８０から供給された空気は、ガス供給路
１６、入口側酸化剤ガス連通孔１０を経て全反応ガス流
路Ｃに供給され、同様に図示しないアノード側の反応ガ
ス流路Ａに供給された水素ガスと反応して、膜・電極構
造体５の発電面の全面で発電を行い電気エネルギーを発
生する。そして、この電気エネルギーは、図３に示す閉
回路４０から負荷Ｆや走行モータＭに供給される。そし
て、反応済みガスは出口側酸化剤ガス連通孔１１を経て
ガス排出路１７から排出され排ガス処理系９０に送られ
る。

【００２５】前記ステップＳ０６の低温起動モードで
は、バルブＶＡを開き、バルブＶＢ、バルブＶＣを閉じ
る。したがって、ガス供給系８０から供給された空気
は、分岐通路１２、補助ガス供給口１４を経て局所発電
用反応ガス流路Ｃ１に供給され、同様に図示しないアノ
ード側の局所発電用反応ガス流路Ａ１に供給された水素
ガスと反応して、膜・電極構造体５の発電面の一部で局
所発電を行い電気エネルギーを発生する。そして、この
電気エネルギーは、図３に示す閉回路４０からアイドル
時に必要なスーパーチャージャーＳ／Ｃのモータなどの
各種負荷Ｆに供給される。そして、反応済みガスは出口
側酸化剤ガス連通孔１１からガス排出路１７を経て排出
され排ガス処理系９０に送られる。

【００２６】このとき、通常時に反応ガス流路系に供給
されるのと同量の反応ガスが、流路長が実質的に短くな
った局所発電用反応ガス流路Ｃ１に集中的に供給され
る。つまり、全発電面で発電する場合と同量の反応ガス
量が供給され、消費される反応ガス量、即ち同一の電力
が取り出されるため、発熱が小さな発電面積に集中する
分だけ自己発熱が集中するのである。このとき、反応ガ
ス流路は、実質的に流路長が短くなった分だけ通過抵抗
が小さくなりそのため流速が高まる。したがって、これ
に対応して膜・電極構造体５の発電面の一部で局所的な
発電を行なうことができるのである。その結果、当該部
位で自己発熱を集中的に行って温度を速やかに高め、こ
の高温度部位を発電面全体に拡大して燃料電池１の温度
を高めること可能となる。

【００２７】そして、温度センサＴにより検出される燃
料電池１の温度が上昇して所定値（例えば、０℃）を越
えると（ステップＳ０３，Ｓ０８において「ＹＥ
Ｓ」）、前記通常発電モードに移行する。ここで、前記
通常発電モードに移行する場合に、バルブＶＣを少し開
き、前記補助ガス供給路１４の上流側に位置する反応ガ
ス流路内に反応ガスを供給して、この部分で解凍した生
成水を排出することができる。

【００２８】前記ステップＳ０７の停止シーケンスモー
ドでは、停止後の始動性を良くするため、燃料電池１の
運転を停止するのに先だって、反応ガス流路Ｃ内に溜ま
った生成水を排出する。このモードでは、バルブＶＡを
開き、バルブＶＢは閉じるか絞り気味にする。バルブＶ
Ｃは閉じる。これにより、前記局所発電用反応ガス流路
Ｃ１における流速が増加し、生成水の排水性が高まる。
したがって、局所発電用反応ガス流路Ｃ１における生成
水の凍結を確実に防止できる。また、バルブＶＢの開度
調整により局所発電用反応ガス流路Ｃ１における反応ガ
スの流速を調整できると共に、バルブＶＢを絞り気味に
して開くことで膜・電極構造体５の発電面の下部側の生
成水を排出できる。

【００２９】上記第１実施形態によれば、低温起動時に
おいて、通常時用反応ガス流路系に反応ガスを供給して
発電面全体で発電を行った場合のように、発熱部分が分
散することがないため、始動時間を短縮して始動性能を
高めることができる。とりわけ、起動時用反応ガス流路
系で運転をする場合には、反応ガスは流路長の短い局所
発電用反応ガス流路Ｃ１（Ａ１）に供給される。よっ
て、通常発電モードと同量の反応ガス量が供給され、消
費される反応ガス量、即ち同一の電力が面積の小さな発
電面から取り出されるためその分だけ自己発熱が集中す
るのである。このとき、流路長の短い局所発電用反応ガ
ス流路Ｃ１（Ａ１）に反応ガスが供給されるので、通過
抵抗が減少する分だけ流速が高くなり、生成水の排出性
が高まると共に、反応ガス流路長が短くなるため生成水
が停滞する時間が短くなり再氷結する余地をなくすこと
ができる。

【００３０】よって、燃焼用ガス自体を燃焼させて燃料
電池を加熱する場合のように、燃焼用ガスのタンクを大
型化する必要がなくなり周辺機能部品の配置スペースに
制約を与えることがなくなる。また、例えば、燃料電池
１の温度が所定値（例えば、０℃）以下の場合は、起動
時用反応ガス流路系に切り換え、例えば、温度が所定値
（例えば、０℃）を越える場合は通常時用反応ガス流路
系に切り換えて運転を行うことができるため、温度に応
じて常に最適な出力を得ることができ、エネルギーマネ
ージメント上有利となる。そして、この実施形態では、
分岐管１２を用いると共にこの分岐管１２の分岐端１３
を補助ガス供給口１４に接続するという簡単な構成で局
所発電を行うことができるため、製造が容易である。
尚、この実施形態では局所発電用反応ガス流路Ｃ１（Ａ
１）が、膜・電極構造体５の上側に設けられているた
め、生成水が溜まりやすい下側に設けた場合に比較して
生成水の凍結箇所が少ない点で有利である。

【００３１】次に、この発明の第２実施形態を説明す
る。図６は、この発明の第２実施形態を模式的に示して
いる。尚、この実施形態でもカソード側のセパレータ７
を用いて説明するため、アノード側のセパレータについ
ては説明を省略する。また、第１実施形態と同一部分に
は同一符号を付して説明する。この実施形態のカソード
側のセパレータ７は、互いに隣接した複数（例えば、２
つ）の通路ＣＣからなる反応ガス流路Ｃを有している。
前述実施形態と同様にカソード側のセパレータ７の入口
側酸化剤ガス連通孔１０にガス供給路１６が接続されて
いる。前記ガス供給路１６にはバルブＶＡを備えた分岐
通路１２が接続されている。尚、ガス供給路１６には主
としてスーパーチャージャーＳ／Ｃなどのガス供給系８
０が設けられている。

【００３２】前記出口側酸化剤ガス連通孔１１２、１１
３は前記通路ＣＣに対応して２つ形成され、ここに各々
ガス排出路１７、１７が接続されている。各ガス排出路
１７は合流管１９を介して排ガス処理系９０に接続さ
れ、合流部分にはバルブＶＣが介装されている。また、
前記分岐通路１２の分岐端１３が、前記バルブＶＣと上
側の出口側酸化剤ガス連通孔１１２との間のガス排出路
１７に接続されている。そして、前記反応ガス流路Ｃの
出口側酸化剤ガス連通孔１１２、１１３の近傍に、前記
反応ガス流路Ｃの隣接する通路ＣＣを一部で連通させる
バイパス部２３が設けられている。したがって、２つの
出口側酸化剤ガス連通孔１１２，１１３とバイパス部２
３との間にＵ字状の局所発電用反応ガス流路ＣＣ１が形
成され、この局所発電用反応ガス流路ＣＣ１に反応ガス
を供給して発電を行うための起動時用反応ガス流路系
と、全反応ガス流路Ｃに反応ガスを供給して発電を行う
ための通常時用反応ガス流路系とが、バルブＶＡ，Ｖ
Ｂ，ＶＣにより切換可能に構成されている。よって、局
所発電用反応ガス流路ＣＣ１に対応する膜・電極構造体
５の発電面（楕円部で示す部分）が局所発電領域Ｋとし
て構成される。尚、前記アノード側も同様の構成である
ので前述実施形態と同様に説明は省略する。

【００３３】次に、第２実施形態の作用について説明す
る。この実施形態では、前記実施形態の図５に示すフロ
ーチャートと同様の手順により通常発電モード、低温起
動モード、停止シーケンスモードの選択がなされるため
フローチャートの説明は省略する。

【００３４】次に、各モードを図６に基づき説明する。
尚、図３を援用して説明する。前記通常発電モードで
は、バルブＶＡを閉じ、バルブＶＢ、バルブＶＣを開
く。したがって、ガス供給系８０から供給された空気
は、ガス供給路１６、入口側酸化剤ガス連通孔１０を経
て全反応ガス流路Ｃに供給され、同様に図示しないアノ
ード側の反応ガス流路に供給された水素ガスと反応し
て、膜・電極構造体５の発電面の全面で発電を行い電気
エネルギーを発生する。そして、この電気エネルギー
は、図３に示す閉回路４０から負荷Ｆや走行モータＭに
供給される。そして、反応済みガスは各出口側酸化剤ガ
ス連通孔１１２，１１３を経て２つのガス排出路１７，
１７から排出され排ガス処理系９０に送られる。

【００３５】前記低温起動モードでは、バルブＶＡを開
き、バルブＶＢ、バルブＶＣを閉じる。したがって、ガ
ス供給系８０から供給された空気は、分岐通路１２、上
側のガス排出路１７、上側の出口側酸化剤ガス連通孔１
１２を経てＵ字状の局所発電用反応ガス流路ＣＣ１に供
給され、同様に図示しないアノード側の局所発電用反応
ガス流路に供給された水素ガスと反応して、膜・電極構
造体５の発電面の一部で局所発電を行い電気エネルギー
を発生する。そして、この電気エネルギーは、図３に示
す閉回路４０からアイドル時に必要なスーパーチャージ
ャーＳ／Ｃのモータなどの各種負荷Ｆに供給される。そ
して、反応済みガスは下側の出口側酸化剤ガス連通孔１
１３を経て下側のガス排出路１７から排出され排ガス処
理系９０に送られる。

【００３６】このとき、通常時に反応ガス流路系に供給
されるのと同量の反応ガスが流路長が実質的に短くなっ
た局所発電用反応ガス流路ＣＣ１に集中的に供給され
る。つまり、全発電面で発電する場合と同量の反応ガス
量が供給され、消費される反応ガス量、即ち同一の電力
が取り出されるため、発熱が小さな発電面積に集中する
分だけ自己発熱が集中するのである。このとき、反応ガ
ス流路は、実質的に流路長が短くなった分だけ通過抵抗
が小さくなりそのためその流速が高まる。したがって、
これに対応して膜・電極構造体５の発電面の一部で局所
的な発電を行なうことができるのである。その結果、当
該部位で自己発熱を集中的に行って温度を速やかに高
め、この高温度部位を発電面全体に拡大して燃料電池１
の温度を高めること可能となる。とりわけ、この実施形
態では、断面積が小さくなったＵ字状の通路ＣＣを局所
発電用反応ガス流路ＣＣ１としているため、反応ガスの
流速を更に高められる。

【００３７】そして、温度センサＴにより検出される燃
料電池１の温度が上昇して所定値（例えば、０℃）を越
えると、前記通常発電モードに移行する。ここで、前記
通常発電モードに移行する場合に、バルブＶＢを少し開
き、前記バイパス部２３よりも上流側に位置する反応ガ
ス流路Ｃ内に反応ガスを供給して、この部分の解凍した
生成水を排出することができる。

【００３８】前記停止シーケンスモードは、この実施形
態では、バルブＶＡを開き、バルブＶＢは閉じるか絞り
気味にする。バルブＶＣは閉じる。これにより、前記局
所発電用反応ガス流路ＣＣ１における流速が増加し、生
成水の排水性が高まる。したがって、局所発電用反応ガ
ス流路ＣＣ１における生成水の凍結を確実に防止でき
る。また、バルブＶＢの開度調整により局所発電用反応
ガス流路ＣＣ１における反応ガスの流速を調整できると
共に、バルブＶＢを絞り気味にして開くことで膜・電極
構造体５の発電面の下部側の生成水を排出できる。

【００３９】上記第２実施形態によれば、上記第１実施
形態と同様に、局所発電用反応ガス流路ＣＣ１は、バイ
パス部２３により隣接した通路ＣＣに形成されたＵ字状
の断面積の通路であり、この通路は当然のことながら反
応ガス流路Ｃよりも断面積が小さい。そして、この小さ
な発電面に、全発電面で発電する場合と同量の反応ガス
量が供給され、消費される反応ガス量、即ち同一の電力
が取り出されるため、発熱が小さな発電面積に集中する
分だけ自己発熱が集中するのである。このとき、低温起
動モード時においては、反応ガスは増速されてこの局部
発電用反応ガス流路ＣＣ１を増速された状態で、かつ、
短縮された経路を流れて反応に供される。したがって、
より一層効果的に前記局所発電用反応ガス流路ＣＣ１に
対応する膜・電極構造体５の発電面の一部で局所的な発
電を行なうことができる。その結果、当該部位で自己発
熱を集中的に行って温度を速やかに高め、この高温度部
位を発電面全体に拡大して燃料電池１の温度を高めるこ
と可能となる。

【００４０】尚、この実施形態では、２つの出口側酸化
剤ガス連通孔１１２、１１３を、局所発電用反応ガス流
路ＣＣ１に対して反応ガスを供給・排出する開口部とし
て有効利用しているため、それだけ部品点数が少なくな
る点で有利であるが、他の実施形態として、前記バイパ
ス部２３を跨いで隣接する通路ＣＣに図６に破線で示す
ように開口部２４を設け、一方の開口部２４に、ガス供
給路１６に接続された分岐管を接続し、他の開口部２４
に、ガス排出路の合流管１９に接続された分岐管の各分
岐端を接続すれば、局所発電用反応ガス流路を形成する
ことができる。つまり、第２実施形態は、上述した他の
実施形態の開口部２４と出口側酸化剤ガス連通孔１１
２，１１３を一致させたものである。

【００４１】図７はこの発明の第３実施形態の要部であ
るカソード側のセパレータ６７の模式図を示している。
この実施形態においても前記実施形態と同一部分には同
一符号を付して説明する。このカソード側のセパレータ
６７はクランク状に形成された反応ガス流路Ｃを備えて
いる。そして、反応ガス流路Ｃは複数の通路ＣＣにより
形成されている。カソード側のセパレータ６７の反応ガ
ス流路Ｃは、該カソード側のセパレータ６７の右側辺部
の上部に形成された入口側酸化剤ガス連通孔１０に端を
発し、対角方向である左側辺部の下部に配置された出口
側酸化剤ガス連通孔１１で終端している。

【００４２】一方、アノード側のセパレータも図示はし
ないがカソード側のセパレータ６７に対応してクランク
状の複数の通路から成る反応ガス流路を備えている。つ
まり、この反応ガス流路は、カソード側の反応ガス流路
Ｃに交叉するように、アノード側のセパレータの左側辺
部の上部に形成された入口側燃料ガス連通孔２０に端を
発し、対角方向である右側辺部の下部に配置された出口
側燃料ガス連通孔２１で終端している。尚、冷却水系、
ガス供給系、排ガス処理系等については図示を省略す
る。

【００４３】ここで、反応ガス流路Ｃには、通路ＣＣの
中途部に各通路ＣＣを連通させる連結路８８が設けら
れ、この連結路８８は出口側酸化剤ガス連通孔１１と入
口側燃料ガス連通孔１０の間の開口部８９（アノード側
では開口部９１）に連通している。この連通孔８９と入
口側酸化剤ガス連通孔１０との間が局所発電用反応ガス
流路ＣＣ１となっている。そして、前記入口側酸化剤ガ
ス連通孔１０と入口側燃料ガス連通孔２０にガス供給路
１６が各々接続されると共に前記出口側酸化剤ガス連通
孔１１と出口側燃料ガス連通孔２１にガス排出路１７が
各々接続されている。また、各ガス排出路１７に分岐通
路１２が接続され、この分岐通路１２の分岐端１３が前
記各開口部８９，９１に接続されている。ここで、各ガ
ス排出路１７の分岐部分には、各通路を選択的に切り換
える切換バルブＣＶが設けられている。尚、Ｐは圧力計
を示す。

【００４４】次に、第３実施形態の作用について説明す
る。低温起動時に燃料電池の温度が所定値（例えば、０
℃）以下である場合は切換バルブＣＶを開口部８９，９
１が連通するように切り換える。この状態で、カソード
側でガス供給路１６から反応ガスを供給すると、反応ガ
スは入口側酸化剤ガス連通孔１０から反応ガス流路Ｃに
流れるが、出口側酸化剤ガス連通孔１１には至らず、連
通路８８から開口部８９を経てガス排出路１７から排出
される。そのため、反応ガスは、流路長が実質的に短く
なった反応ガス流路の一部、つまり局所発電用反応ガス
流路ＣＣ１に集中的に供給され、下側の部分には流れな
い。このとき、反応ガス流路は、実質的に流路長が短く
なった分だけ通過抵抗が小さくなり、これにより流速が
高くなる。したがって、これに対応して膜・電極構造体
の発電面の一部で局所的な発電を行なうことができる。
その結果、当該部位で自己発熱を集中的に行って温度を
速やかに高め、この高温度部位を発電面全体に拡大して
燃料電池１の温度を高めることが可能となる。

【００４５】このようにして、運転を行いながら図示し
ない温度センサにより燃料電池１内の温度が、所定値
（例えば、０℃）を越えると、前記切換バルブＣＶを今
度は開口部８９を閉塞するように切り換える。すると、
反応ガスは、全反応ガス流路Ｃを流れる通常運転モード
となる。尚、この実施形態では圧力計Ｐを使用してガス
供給路１６とガス排出路１７との圧力損失を検出するこ
とで前記下側の部位の生成水の凍結状態を把握すること
ができる。

【００４６】したがって、この実施形態では、上述した
各実施形態の効果に加え、下側に位置する出口側酸化剤
ガス連通孔１１と出口側燃料ガス連通孔２１を用いない
で、局所発電用反応ガス流路ＣＣ１を確保でき、かつ、
生成水が発生し難い上流側で局所発電用反応ガス流路Ｃ
Ｃ１を確保できるため、図において鎖線で示すような生
成水凍結の可能性が高い部位と局所発電用反応ガス流路
ＣＣ１とが一致しなくなる。その結果、低温起動時にお
いて局所発電用反応ガス流路ＣＣ１において生成水が凍
結している可能性が低くくなり信頼性が高い点で極めて
有利となる。

【００４７】

【発明の効果】以上説明してきたように、請求項１に記
載した発明によれば、低温起動時において、通常時用反
応ガス流路系に反応ガスを供給して発電面全体で発電を
行った場合のように、発熱部分が分散することがないた
め、始動時間を短縮して始動性能を高めることができる
効果がある。とりわけ、起動時用反応ガス流路系で運転
をする場合には、反応ガスが流過する反応ガス流路長が
短くなるため、通過抵抗が減少する分だけ流速が高くな
り、したがって、生成水の排出性が高まると共に、反応
ガス流路長が短くなるため生成水が停滞する時間が短く
なり再氷結する余地をなくすことができる。また、燃焼
用ガス自体を燃焼させて燃料電池を加熱する場合のよう
に、燃焼用ガスのタンクを大型化する必要がなくなり周
辺機能部品の配置スペースに制約を与えることはない。

【００４８】請求項２に記載した発明によれば、温度が
所定値（例えば、０℃）以下の場合は、起動時用反応ガ
ス流路系に切り換え、温度が所定値（例えば、０℃）を
越える場合は通常時用反応ガス流路系に切り換えて運転
を行うことができるため、温度に応じて常に最適な出力
を得ることができ、エネルギーマネージメント上有利と
なるという効果がある。

【００４９】請求項３に記載した発明によれば、請求項
１の効果に加え、分岐通路を用いるという簡単な構成で
局所発電を行うことができるため、製造が容易である。
とりわけ、分岐通路の分岐端を反応ガス流路の途中に接
続したことにより、反応ガスが流過する反応ガス流路長
が短くなるため、通過抵抗が減少する分だけ流速が高く
なり、したがって、生成水の排出性が高まると共に、反
応ガス流路長が短くなるため生成水が停滞する時間が短
くなり再氷結する余地をなくすことができる。また、燃
焼用ガス自体を燃焼させて燃料電池を加熱する場合のよ
うに、燃焼用ガスのタンクを大型化する必要がなくなり
周辺機能部品の配置スペースに制約を与えることはな
い。

【００５０】請求項４に記載した発明によれば、反応ガ
ス流路が複数の通路で構成されていることを有効利用
し、反応ガスの流速を高めた状態で反応ガスを集中的に
反応に供することができるので、生成水の排出性、再氷
結防止性能を高めつつ自己発熱により速やかに燃料電池
の温度を高めることができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施形態の燃料電池システムのブ
ロック図である。

【図２】この発明の第１実施形態の要部平面図であ
る。

【図３】図２のＸ−Ｘに沿う断面図である。

【図４】この発明の第１実施形態の全体構成図であ
る。

【図５】この発明の第１実施形態のフローチャート図
である。

【図６】この発明の第２実施形態の全体構成図であ
る。

【図７】この発明の第３実施形態の全体構成図であ
る。

【符号の説明】

２アノード電極３カソード電極４固体高分子電解質膜５膜・電極構造体６アノード側のセパレータ７カソード側のセパレータ１０入口側酸化剤ガス連通孔（ガス供給口）１１、１１２、１１３出口側酸化剤ガス連通孔（ガス
排出口）１２分岐通路１３分岐端１６ガス供給路１７ガス排出路２３バイパス部Ｃ，Ａ反応ガス流路ＣＣ通路ＶＣバルブ

フロントページの続き (72)発明者金井靖司埼玉県和光市中央１丁目４番１号株式会社本田技術研究所内 (72)発明者藤井洋介埼玉県和光市中央１丁目４番１号株式会社本田技術研究所内Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC01 CC03 CC08 EE02 EE05 EE19 5H027 AA06 BA13 BA20 CC06 DD03 KK46 MM03 MM09

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アノード電極とカソード電極が固体高分
子電解質膜の両側に配置された膜・電極構造体をセパレ
ータで挟持した燃料電池において、前記膜・電極構造体
と各セパレータとの間に反応ガス流路を設け、反応ガス
流路の一部に反応ガスを供給して発電を行うための起動
時用反応ガス流路系と、全反応ガス流路に反応ガスを供
給して発電を行うための通常時用反応ガス流路系とを備
え、前記起動時用反応ガス流路系と通常時用反応ガス流
路系とを切換可能にしたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】前記起動時用反応ガス流路系と通常時用
反応ガス流路系との切換は、膜・電極構造体の発電面の
温度に基づいて行われることを特徴とする請求項１に記
載の燃料電池。
【請求項３】アノード電極とカソード電極が固体高分
子電解質膜の両側に配置された膜・電極構造体をセパレ
ータで挟持した燃料電池において、前記膜・電極構造体
と各セパレータとの間に反応ガス流路を設け、該反応ガ
ス流路のガス供給口にガス供給路を接続すると共に、前
記反応ガス流路のガス排出口にガス排出路を接続し、こ
れらガス供給路とガス排出路のいずれか一方にガス供給
路あるいはガス排出路に替えて反応ガスを供給・排出可
能な分岐通路を接続し、この分岐通路の分岐端を前記反
応ガス流路の途中に接続したことを特徴とする燃料電
池。
【請求項４】アノード電極とカソード電極が固体高分
子電解質膜の両側に配置された膜・電極構造体をセパレ
ータで挟持した燃料電池において、前記膜・電極構造体
と各セパレータとの間に複数の通路から成る反応ガス流
路を設け、該反応ガス流路のガス供給口にガス供給路を
接続すると共に、前記反応ガス流路の排出口にガス排出
路を接続し、前記反応ガス流路の隣接する通路を一部で
連通させるバイパス部を設け、前記ガス供給路に該ガス
供給路に替えて反応ガスを供給可能なガス供給側分岐通
路を接続し、前記ガス排出路に該ガス排出路に替えて反
応済みガスを排出可能なガス排出側分岐通路を接続し、
これら各分岐通路の分岐端を前記バイパス部を跨いで隣
接する前記各通路に接続したことを特徴とする燃料電
池。