JP2004139940A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】低温環境下にて、燃料電池内部の一部の部位を加熱し、その一部の部位にて発電を可能にさせ、さらにその一部の部位での発電に伴う反応熱を他の部位へ移動させることで、燃料電池の内部を暖気して燃料電池を起動させる燃料電池システムにおいて、起動時間を短縮させることを目的とする。
【解決手段】熱伝導率が低いセパレータ２に対して、電解質膜及び電極側の表面のうち、一部の部位４１ａを除く領域４１ｂに、金属ペースト８などを塗布または貼り付ける。これにより、熱伝導率が低いセパレータを用いた燃料電池と比較して、セパレータ２の一部の部位４１ａの加熱では、発電までにかかる時間はそのままで、反応熱を他の部位４１ｂに拡散させるときでは、早く熱を拡散させることができる。この結果、燃料電池の起動時間を短縮することができる。
【選択図】　　　　図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素と酸素との化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は電解質膜及び電極を有し、電解質膜及び電極における水素と酸素との反応を利用して発電する。そして、燃料電池は発電の際、水を生成する。このため、氷点下という低温環境下では、生成水が燃料電池内に保持されたまま運転停止をした場合、触媒層及び拡散層からなる電極、電解質膜の近傍が凍結し起動不可となるという問題がある。
【０００３】
そこで、低温環境下にて燃料電池を早期に起動させる方法として、例えば本発明者らが先に出願した特願２００２−１８４９４８にて提案する方法がある。これは、外部ヒータからの熱を用いて、燃料電池を構成する複数のセルうち、それら全てのセルにおける一部の部位を加熱することで、その加熱部分での発電を可能にさせる（以下では、このときの加熱を局部加熱と呼ぶ）。そして、その発電による熱を利用して、残りの加熱されなかった部分もさらに加熱する（以下では、このときの加熱を連鎖加熱と呼ぶ）ことで、燃料電池全体を起動させる方法である。これにより、凍結しているセルを早期に解凍し、燃料電池を早期に起動させることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した方法において、燃料電池をより早期に起動させるためには、局部加熱にかかる時間（以下では、単に局部加熱時間と呼ぶ）と連鎖加熱にかかる時間（以下では、単に連鎖加熱時間と呼ぶ）の両方、またはどちらか一方を短縮させる方法が考えられる。
【０００５】
しかし、次の理由により起動時間を短縮することは困難である。上述した方法は外部ヒータの熱をセパレータを介して電解質膜及び電極を加熱する方法である。このため、局部加熱時間を短縮させるには、各セルのうち最初に加熱する一部の部位において、熱が篭もりやすく、周囲に熱が拡散し難いようにセパレータの熱伝導率を低くする必要がある。一方、連鎖加熱時間を短縮させるには、他の部位にて熱が拡散しやすいようにセパレータの熱伝導率を大きくする必要がある。
【０００６】
このことから、局部加熱時間を短縮させるために熱伝導率が低いセパレータを用いても、連鎖加熱時間が増加するため、結果として、起動時間全体を短縮させることができない。同様に、連鎖加熱時間を短縮させるために熱伝導率が高いセパレータを用いても、局部加熱時間が増加してしまうため、起動時間全体を短縮させることができない。
【０００７】
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、低温環境下にて、燃料電池内部の一部の部位を加熱し、その一部の部位にて発電を可能にさせ、さらにその発電に伴う反応熱を他の部位へ移動させることで、燃料電池の内部を解凍して燃料電池を起動させる燃料電池システムにおいて、起動時間を短縮させることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明では、セルはセパレータ（２）を有し、セパレータは、一部の部位（４１ａ、４２ａ、４３ａ）では熱が篭もりやすく、他の部位（４１ｂ、４２ｂ、４３ｂ）では熱が拡散しやすいように、一部の部位の方が熱伝導率が低く、他の部位の方が熱伝導率が高いことを特徴としている。
【０００９】
本発明によれば、セパレータの一部の部位は他の部位よりも熱伝導率が低いことから、一部の部位から周囲に対して熱が拡散し難く、この一部の部位において、熱を篭もりやすくすることができる。また、他の部位では、一部の部位よりも熱伝導率が高いことから、一部の部位から他の部位に熱が移動したとき、この他の部位にて熱を拡散しやすくすることができる。
【００１０】
これにより、熱伝導率が低い材料のみからセパレータが構成されている場合と比較して、局部加熱時間の増加を抑制しつつ、連鎖加熱時間を短縮させることができる。このため、起動時間全体を短縮させることができる。
【００１１】
また、熱伝導率が高い材料のみからセパレータが構成されている場合と比較しても、連鎖加熱時間の増加を抑制しつつ、局部加熱時間を短縮させることができる。このため、起動時間全体を短縮させることができる。
【００１２】
なお、燃料電池システムは通常、燃料電池を冷却するために熱媒体として冷却水を用いる冷却システムを備えている。これは、各セルが有する冷却水の入り口から冷却水の出口の間に冷却水を流し、セル全域を冷却水にて冷却するものある。そこで、セルの一部を加熱する手段としては、例えばこの冷却水を利用して燃料電池を加熱することができる。具体的には、ヒータ等の冷却水を加熱するための手段と、バイパス経路等の冷却水を各セルの冷却水の入り口にのみ循環させる手段とを設ける。これにより、燃料電池を加熱するとき、この加熱手段により冷却水を加熱し、この冷却水を例えば各セルが有する冷却水入り口にのみ循環させることで、各セルにおける冷却水の入り口近傍を加熱することができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明では、セパレータ（２）は、他の部位のうち、氷結量が少ない部位（４２ｂ、４３ｂ）における熱伝導率が、一部の部位の熱伝導率よりも高いことを特徴としている。このように連鎖加熱を行う部位の全域における熱伝導率が、局部加熱を行う一部の部位の熱伝導率より高くなくてもよい。
【００１４】
本発明は、氷が少ない領域において、局部加熱された部分にて発電が可能となり、その発電に伴う熱を氷が少ない領域全体に拡散させることで、この領域を優先的に加熱するものである。その領域では氷を溶かすのに必要な熱量が少なく、早くその領域を発電可能な状態にすることができる。
【００１５】
このようにしても、セパレータが熱伝導率が低い材料のみにより構成されている場合と比較して、起動時間を短縮することができる。
【００１６】
氷が少ない領域としては、例えば請求項３に示すように、燃料電池（１）の重力方向軸に対し、セパレータ（２）の中央よりも上側の領域（４２）や、請求項４に示すように、セパレータ（２）のうち、中央よりも空気若しくは燃料供給入り口（４ａ、５ａ）側の領域（４２、４３）がある。このような領域における熱伝導率を高くするのが好ましい。
【００１７】
請求項５に記載の発明では、セパレータ（２）は、他の部位における表面上にセパレータよりも熱伝導率が高い材料（８）を備えていることを特徴としている。具体的には、カーボンセパレータを用い、このセパレータの表面上に金属ペーストを塗布または貼り付けることでこのようなセパレータが得られる。
【００１８】
本発明によれば、セパレータが熱伝導率が低い材料のみから構成されている場合と比較して、セパレータの一部の部位が加熱され、その部位にて発電し、発電に伴う熱が残りの他の部位に移動したとき、残りの他の部位において、熱伝導率が高い材料中に熱を拡散させることで、熱を早く拡散させることができる。これにより、局部加熱時間の増加を抑制しつつ、連鎖加熱時間を短縮させることができる。このため、起動時間全体を短縮させることができる。
【００１９】
なお、熱伝導率が高い材料をセパレータの電解質膜側の面、冷却水路が設けられている面のどちらの面上に配置しても良く、また、両方の面上に配置することもできる。
【００２０】
請求項６に記載の発明では、セパレータ（２）は、厚さ方向における熱伝導率の方が厚さ方向と垂直な方向における熱伝導率よりも高いことを特徴としている。
【００２１】
セパレータの表面にセパレータよりも熱伝導率が高い材料を備えているとき、本発明によれば、各セルにおける一部の部位で発電し、その発電に伴う熱が他の部位に拡散するとき、セパレータ中では熱が熱伝導率の高い材料に移動しやすくなる。熱伝導率の高い材料の方がセパレータよりも熱拡散が早いので、連鎖加熱時間をより短縮することができる。
【００２２】
請求項７に記載の発明では、セルはセパレータ（２）を有し、セパレータは、一部の部位（４４、４６ａ、４８ａ）では熱が篭もりやすく、他の部位（４５、４６ｂ、４８ｂ）では熱が拡散しやすいように、一部の部位と他の部位との間に熱抵抗（９）を有することを特徴としている。
【００２３】
熱伝導率が高い材料のみからセパレータが構成されている場合、セルの一部の部位を加熱しても、熱が全体に拡散してしまうため、加熱した一部の部位では熱が篭もり難く、セルの一部の部位が発電するまでに長い時間を要する。
【００２４】
これに対して、本発明では、セパレータのセルの一部の部位と他の部位との間に熱抵抗を設けていることから、セルの一部の部位から他の部位への熱拡散を小さくすることができる。これにより、熱伝導率が高い材料のみからセパレータが構成されている場合と比較して、セパレータの一部の部位に熱を篭もりやすくすることができ、局部加熱時間を短縮させることができる。また、本発明はセパレータの一部に熱抵抗を設けるものであり、セパレータ自身の熱伝導率はそのままなので、他の部位における熱拡散時間の増加を抑制できる。この結果、起動時間全体を短縮させることができる。
【００２５】
請求項８は一部の部位は、セルのうち、氷結量が少ない部位（４６、４８）の少なくとも一部であることを特徴としている。このように熱抵抗（９）を配置することもできる。本発明は、氷が少ない領域を優先的に加熱するものである。この領域では氷を溶かすのに必要な熱量が少なく、早くその領域を発電可能な状態にすることができる。
【００２６】
このようにしても、セパレータが熱伝導率が高い材料のみにより構成されている場合と比較して、起動時間を短縮することができる。
【００２７】
氷結量が少ない部位としては、例えば請求項９に示すように、燃料電池（１）の重力方向軸に対し、セパレータ（２）の中央よりも上側の領域（４６）や、請求項１０に示すように、セパレータ（２）のうち、中央よりも空気若しくは燃料供給入り口（４ａ、５ａ）側の領域（４６、４８）がある。
【００２８】
請求項１１に記載の発明では、燃料電池（１）の出力電力が燃料電池（１）自身を動作させるために必要な補機動力となるように、一部の部位の面積が決められていることを特徴としている。
【００２９】
このように、局部加熱を行う部位の面積が必要最小限とすることで、局部加熱時間を短くすることができる。
【００３０】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００３１】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本発明を適用した第１実施形態における燃料電池システムの全体構成を図１に示す。本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用したものである。
【００３２】
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池１、インバータ１１、水素供給装置１２、空気供給装置１３、加熱冷却システム２０〜２２、３０〜３４を備えている。
【００３３】
燃料電池（ＦＣスタック）１は、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生するものである。本実施形態では燃料電池１として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となるセル１ａが複数積層されて構成されている。
【００３４】
図２に１つのセル１ａを示す。図２（ａ）は１つのセル１ａの側面側を見たときの外観斜視図であり、（ｂ）は１つのセル１ａを上から見たときの平面図である。また、図３（ａ）に図２（ｂ）中のＡ−Ａ線方向断面図を示し、図３（ｂ）、（ｃ）にそれぞれ図３（ａ）中のＢ−Ｂ線方向断面図、Ｃ−Ｃ線方向断面図を示す。
【００３５】
セル１ａは図示しないが電解質膜が一対の電極で挟まれ、さらにカーボンにより構成されたセパレータ２ａ、２ｂによって狭持された構成となっている。セパレータ２ａ、２ｂは、流入側及び流出側の冷却水ポート３ａ、３ｂ、ガスポート４ａ、４ｂ、空気ポート５ａ、５ｂとを有している。また、セパレータ２ａ、２ｂの表面には冷却水路や水素ガス、空気の供給経路としての溝６、７が形成されている。
【００３６】
具体的には、セパレータ２ｂはその表面のうち、図３（ａ）に示すように、電解質膜側の面に空気の供給通路としての縦方向の溝７を有し、この反対側の面に図３（ｂ）に示すように冷却水路としての横方向の溝６を有している。なお、セパレータ２ａもセパレータ２ｂと同様に電解質膜側の面に水素ガスの供給通路としての縦方向の溝を有し、この反対側の面には冷却水路としての横方向の溝６を有している。
【００３７】
図４に図３に示されているセパレータ２のうち、溝が形成された部分のみを示す。図４（ａ）は図２（ｂ）中のＡ−Ａ線方向断面図であり、図４（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ図３（ａ）中のＢ−Ｂ線方向断面図、Ｃ−Ｃ線方向断面図である。なお、図４では、セル２つ分のセパレータを示している。
【００３８】
本実施形態では、図４に示すように、セパレータ２の空気、水素ガス供給経路としての溝を有する面上に、セパレータ２よりも熱伝導率が高い高熱伝導率膜８を備えている。なお、図４（ａ）中の斜線領域が高熱伝導率膜８である。
【００３９】
この高熱伝導率膜８は、例えば銅やアルミ等のペースト材を塗布または貼り付けることで形成され、銅の場合、熱伝導率は例えば２５０Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１であり、アルミの場合では例えば４００Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１である。なお、セパレータ２の熱伝導率は例えば１００Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１であり、電解質膜の熱伝導率は例えば０．３Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１である。また、高熱伝導率膜８は薄く、空気経路やガス経路にて、空気、水素ガスの供給に影響がない程度の厚さである。
【００４０】
高熱伝導率膜８はセパレータ２の表面のうち、冷却水の入り口（図３中の流入側の冷却水ポート３ａ）の近傍を除く領域４１ｂの全面に配置されている。冷却水の入り口近傍の領域４１ａは、例えばセパレータ２の溝が形成されている領域全体の１０％の大きさとなっている。セパレータ２のうち、冷却水の入り口の近傍を除く領域４１ｂは、高熱伝導率膜８が配置されていることから、冷却水の入り口近傍の領域４１ａよりも熱伝導率が高くなっている。
【００４１】
このような構造のセル１ａを複数有する燃料電池１に対して、冷却水、水素ガス及び空気が供給されたとき、これらは各セル１ａの流入側の冷却水ポート３ａ、ガスポート４ａ及び空気ポート５ａ（図２、３参照）を通って各セルに供給される。そして、図４に示すように、各セル１ａの内部において、冷却水はセパレータ２の冷却水ポートの流入側から流出側に向かって、溝６に沿って流れる。空気は空気ポートの流入側から流出側に向かって、溝７に沿って流れる。水素ガスは図示しないが、ガスポートの流入側から流出側に向かって溝に沿って流れる。その後、各セルの流出側の各ポート３ｂ、４ｂ、５ｂ（図２、３参照）を通って、冷却水、未反応の水素ガス及び空気が燃料電池１の外部に排出される。
【００４２】
燃料電池１では、水素および空気（酸素）が供給されることにより、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。
（水素極側）Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
（酸素極側）２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２　＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
燃料電池１には、発電した電力を取り出すための電極１ｂ、１ｃが設けられている。発電した電力は、図１に示すように、インバータ（電力変換手段）１１を介して図示しない走行用モータを駆動するための負荷電力、あるいは図示しない２次電池の充電等に用いられる。
【００４３】
燃料電池１には、水素供給装置１２より水素が供給され、空気供給装置１３から酸素を含んだ空気が供給されるように構成されている。水素供給装置１２としては、例えば改質装置あるいは水素貯蔵タンクを用いることができ、空気供給装置１３としては、例えば断熱圧縮機であるエアコンプレッサを用いることができる。燃料電池１に供給された空気のうち反応に用いられなかった未反応空気は、排ガスとして燃料電池１より排出される。燃料電池１に供給された水素のうち反応に用いられなかった未反応水素は、図示を省略しているが、循環され再利用される。
【００４４】
燃料電池１では、発電の際の化学反応により水分および熱が発生する。燃料電池１は発電効率のために運転中一定温度（例えば８０℃程度）に維持する必要がある。このため、燃料電池システムには、熱媒体を用いて燃料電池１で発生した熱を系外に放出する冷却システム２０〜２２が設けられている。なお、本実施形態では、熱媒体として低温環境下で凍結しない不凍液冷却水を用いている。
【００４５】
冷却システムには、冷却水を燃料電池１に循環させるための熱媒体循環経路２０、冷却水を冷却するための熱交換手段であるラジエータ２１が設けられている。また、冷却水を循環させる熱媒体循環手段としてのウォーターポンプ（Ｗ／Ｐ）２２が設けられている。燃料電池１を通過した冷却水は熱媒体流路２０を介してラジエータ２１に循環し、ここで外気（大気）と熱交換され冷却される。
【００４６】
さらに、本実施形態の燃料電池システムでは、低温環境下における燃料電池１の早期始動のために燃料電池１を昇温させる昇温システム（加熱手段）３０〜３３が上記冷却システムと一体的に設けられている。
【００４７】
主経路である熱媒体循環経路２０には、冷却水を積層されたセル１ａの全てにおける流入側の冷却水ポート３ａのみを循環させるためのバイパス経路３０が設けられている。バイパス経路３０には、バイパス経路３０を開閉する流路制御弁３１が設けられている。流路制御弁３１の開度を制御することで、バイパス経路３０に流れる冷却水量を調整することができる。
【００４８】
また、熱媒体経路２０における燃料電池１の上流側に冷却水を加熱するためのヒータ３２が設けられている。ヒータ３２は電気式ヒータあるいは燃焼式ヒータ等を用いることができる。バイパス経路３０における燃料電池１出口近傍には、燃料電池１を通過した冷却水の温度を検出する温度センサ３３が設けられている。この温度センサ３３により冷却水温度を検出することで、燃料電池１のうち加熱された冷却水にて昇温された部位の温度を間接的に検出する。この検出結果により、ヒータ３２による加熱量や、ウォーターポンプ２２による冷却水流量を調整することができる。
【００４９】
次に、このように構成された燃料電池システムにおいて、０℃以下の低温環境下にて燃料電池１を起動させるまでの作動を説明する。
【００５０】
ヒータ３２により冷却水を加熱する。ウォーターポンプ２２及び流路制御弁３１を制御することで、図１に示すように、加熱された冷却水を燃料電池１の流入側の冷却水ポート３ａ（図２、３参照）とバイパス経路３０において循環させる。これにより、図３、４に示すように、冷却水の熱はセパレータ２の流入側の冷却水ポート３ａ近傍４１ａに移動し、セパレータ２を介して、電解質膜や電極に移動する。このようにして、各セル１ａにおける流入側の冷却水ポート３ａの近傍の領域４１ａを集中的に加熱する。この加熱が局部加熱である。
【００５１】
局部加熱により、流入側の冷却水ポート３ａ近傍の領域４１ａの温度が上昇して、電解質膜や電極付近の氷が融解し、この領域４１ａにて発電可能な状態となる。水素供給装置１２から水素ガスを供給し、空気供給装置１３から空気を供給することで、その領域４１ａにて発電を開始させる。燃料電池１は発電した部位で発熱することから、この発電により発生した熱が、電解質膜、電極、セパレータ２中を拡散することで、各セル１ａのうち、領域４１ａを除く他の領域４１ｂが加熱される。この加熱が連鎖加熱である。このようにして、各セル１ａ全体を加熱する。これにより、凍結しているセル１ａを解凍し、燃料電池１を起動させることができる。
【００５２】
なお、本明細書でいう起動とは、燃料電池１が発電し、その出力値が所定の出力値以上になることである。また、本実施形態では領域４１ａが特許請求の範囲に記載の一部の部位に相当し、領域４１ｂが他の部位に相当する。
【００５３】
本実施形態では、熱伝導率が低いセパレータ２を用いている。このため、セパレータ２に温度分布が生じ、流入側の冷却水ポート３ａ近傍の領域４１ａの温度が他の領域４１ｂよりも温度が高くなる、つまり領域４１ａにて熱が篭もりやすくなる。また、セパレータ２の表面のうち、領域４１ａを除く領域４１ｂに、高熱伝導率膜８を備えている。したがって、セル１ａの領域４１ａにて発電したときに発生した熱は、セパレータ２を介して、高熱伝導率膜８に伝わり、高熱伝導率膜８中を拡散する。
【００５４】
このため、熱伝導率が低い材料のみからセパレータが構成されている場合と比較して、領域４１ａでの発電に伴う熱を、領域４１ｂにて早く拡散させることができる。これにより、熱伝導率が低い材料のみからセパレータが構成されている場合と比較して、連鎖加熱時間を短縮させることができる。
【００５５】
また、セパレータ２が熱伝導率が低い材料のみから構成されているとき、セパレータ２の局部加熱を行う領域４１ａでは熱が篭もるため、必要以上の温度、すなわち、氷が融解する温度以上（例えば１０〜３０℃）になってしまう。このため、領域４１ａにて発電が開始されたとき、この余剰分の熱と発電に伴う熱により、高分子膜の温度がその耐熱温度を超え、高分子膜が電解質膜として機能しなくなる恐れがある。
【００５６】
これに対して、本実施形態によれば、領域４１ａにおける冷却水により加熱された熱の余剰分を、各セル１ａの高熱伝導率膜８が配置されている領域４１ｂにて早く拡散させることで、減少させることができる。これにより、高分子膜に対して安全に加熱を行うことができる。
【００５７】
また、本実施形態では、各セル１ａの局部加熱を行う領域４１ａの面積を全体の１０％としている。この面積は、各セル１ａにおける一部を発電させたときに得られる出力電力が、燃料電池１自身を動作させる為に必要な補機動力をカバーできる出力値となるように決定したものである。この面積は１０％に限らず、全体の例えば１０〜２５％の範囲であれば良い。なお、補機動力とは、水素供給装置１２、空気供給装置１３及びウォーターポンプ２２等を動かすための動力である。これらは、通常、燃料電池１を発電させるとき、バッテリーにより動力を得ている。
【００５８】
局部加熱を行うとき、各セル１ａの加熱部分の面積が高いほど必要な熱量が多くなり、加熱部分全体にかかる局部加熱時間が長くなってしまう。したがって、局部加熱を行う領域の面積はできるだけ小さい方が好ましい。
【００５９】
そこで、本実施形態では、局部加熱を行う領域４１ａの面積を、各セル１ａにおける一部を発電させたとき、バッテリーを用いずに水素供給装置１２等を動かすことができる程度の小さな面積としている。このように、局部加熱を行う領域４１ａの面積を必要最小限とすることで、局部加熱を行う領域の面積が大きい場合と比較して、セル１ａの一部が発電するまでに必要な熱量を少なくすることができる。その結果、局部加熱時間を短縮させることができる。
【００６０】
なお、局部加熱を行う領域４１ａの面積としては、補機動力をカバーできる出力値とするためには、全体の面積の例えば１０〜２５％とすることが好ましいが、他の大きさとすることもできる。
【００６１】
また、本実施形態では冷却システムにバイパス経路３０、ヒータ３２及び流路制御弁３１等を設け、加熱された冷却水を各セル１ａの流入側の冷却水ポート３ａとバイパス経路３０において循環させ、各セル１ａの流入側の冷却水ポート３ａの近傍の領域４１ａを加熱している。
【００６２】
このような加熱方法に限らず、加熱された冷却水の循環経路を、通常の冷却システムと同様の循環経路として、本実施形態における各セル１ａの流入側の冷却水ポート３ａの近傍の領域４１ａを加熱することもできる。しかし、この場合では、局部加熱を行う領域４１ａ以外の領域４１ｂも加熱してしまうので、冷却水の熱を効率良く局部加熱を行う領域４１ａに供給できない。
【００６３】
これに対して、本実施形態では上述したように各セル１ａの流入側の冷却水ポート３ａの近傍の領域４１ａのみを加熱するようにしている。このため、ヒータ３２により吸収した熱を冷却水が無駄にすることなく、セル１ａの局部加熱を行う領域４１ａに熱を供給することができる。
【００６４】
以上説明したように、本実施形態では、局部加熱時間の増加を抑制しつつ、連鎖加熱時間を短縮させることができるので、単に熱伝導率が低い材料により構成されたセパレータを有する燃料電池と比較して、起動時間全体を短縮させることができる。
【００６５】
なお、本実施形態において、セパレータ２の厚さ方向と垂直な方向（図の左右方向）の熱伝導率はそのままで、厚さ方向の熱伝導率がその厚さ方向と垂直な方向の熱伝導率よりも高いセパレータを用いることで、以下に説明するように、起動時間全体をより短縮させることができる。ここでいう厚さ方向とは、燃料電池１を構成する複数のセルが積層されている方向である。
【００６６】
局部加熱のとき、冷却水の熱はセパレータ２中をセパレータの厚さ方向、すなわち、冷却水路側から電解質膜側に移動する。したがって、熱伝導率に異方性を有し、セパレータの厚さ方向の熱伝導率が、その方向と垂直な方向の熱伝導率よりも高いセパレータを用いることで、冷却水から電解質膜及び電極へ熱を早く移動させることができる。これにより、局部加熱時間を短縮させることができる。
【００６７】
また、連鎖加熱のときでは、各セル１ａのうち、局部加熱をした領域４１ａでの発電に伴う熱をセパレータ２中を拡散させることで、局部加熱されなかった領域４１ｂを加熱している。したがって、上述した熱伝導率に異方性を有するセパレータ２を用いることで、セパレータの表面にある高熱伝導率膜８に熱を早く移動させることができる。高熱伝導率膜８ではセパレータ２よりも熱が早く拡散することから、連鎖加熱時間を短縮することができる。この結果、熱伝導率に異方性が無いセパレータを用いる場合と比較して、起動時間全体をより短縮させることができる。
【００６８】
なお、本実施形態では、図４に示すように、ガス経路及び空気経路としての溝の方向は、重力方向（図では縦方向）であったが、他の方向とすることもできる。例えば、ガス経路及び空気経路としての溝の方向を重力方向に垂直な方向とすることもできる。
【００６９】
また、本実施形態では、図４に示すように、セパレータ２の空気、水素ガス供給経路をなす溝を有する面上に、高い高熱伝導率膜８を配置した場合を例として説明したが、その反対側の面、すなわち、セパレータ２の冷却水路が設けられている面上に高熱伝導率膜８を配置することもできる。また、これら両方の面上に高熱伝導率膜８を配置することもできる。
【００７０】
（第２実施形態）
図５に第２実施形態におけるセパレータを示す。図５は図４に対応している。なお、本実施形態では、第１実施形態での図４の構造と同じ部分は同一の符号を付すことで、説明を省略する。
【００７１】
本実施形態が第１実施形態と異なる点は、セパレータ２の局部加熱を行う領域４１ａを除く領域４１ｂにおいて、空気経路をなす溝の底部にのみ高熱伝導率膜８が配置されている点である。第１実施形態では、領域４１ｂの表面全体に高熱伝導率膜８が配置されていたが、本実施形態のように部分的に、かつ、領域４１ｂ全域にて均等に分散させるように高熱伝導率膜８を配置することもできる。このようにしても、熱伝導率が低い材料のみからセパレータが構成されている場合と比較して、領域４１ｂ全体の熱伝導率が、局部加熱を行う領域４１ａと比較して高いことから、連鎖加熱時間を短縮させることができる。
【００７２】
（第３実施形態）
第１、第２実施形態では、各セル１ａのうち、流入側の冷却水ポート３ａの近傍の領域４１ａを除く領域４１ｂの全域に、高熱伝導率膜８が配置されていた場合を例として説明したが、本実施形態では、領域４１ｂの一部にのみ高熱伝導率膜８を配置する場合を説明する。
【００７３】
図６に第３実施形態におけるセパレータを示す。図６は図４に対応しており、図６（ａ）は図２（ｂ）中のＡ−Ａ線方向断面図であり、図６（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ図３（ａ）中のＢ−Ｂ線方向断面図、Ｃ−Ｃ線方向断面図である。なお、本実施形態では、第１実施形態での図４の構造と同じ部分は同一の符号を付すことで、説明を省略する。
【００７４】
図６に示すように、セパレータ２に形成されたガス経路及び空気経路としての溝７が重力方向に形成されている場合、燃料電池１の発電時に生成された水は、セパレータ２のガス経路及び空気経路７に沿って重力方向に滴る。
【００７５】
また、燃料電池１にはエアーコンプレッサ等の空気制御装置１３により、圧縮された空気が供給されている。したがって、燃料電池１の発電時に供給される空気は例えば２０〜３０℃であり、また、飽和蒸気圧も高い。このため、本実施形態のように、セパレータ２の上側に流入側の空気ポート５ａ（図３参照）が設置されている場合では、セパレータ２の溝が形成されている部分のうち、中央より上側の領域は、乾いた状態になりやすい。
【００７６】
本実施形態では、これらのことから、燃料電池が氷点下に放置された場合、各セル１ａの重力方向下側の領域５０は氷結量が多く、燃料電池の重力方向上側の領域４２は氷結量が少ない。
【００７７】
そこで、本実施形態では、セパレータ２の半分より上側の領域４２の表面に高熱伝導率膜８を配置している。具体的には、例えば、図６に示すように、セパレータ２の上側の領域４２のうち、冷却水入り口（図３（ａ）に示す流入側の冷却水ポート３ａ）近傍４２ａを除く領域４２ｂにのみ高熱伝導率膜８を配置している。
【００７８】
本実施形態では、第１実施形態と同様に、各セル１ａの冷却水近傍の領域４１ａを局部加熱する。このとき、領域４１ａのうち、まず上側の領域４２ａが発電可能な状態となるので、その暖まった部分から発電を開始させる。そして、連鎖加熱では、発電に伴う反応熱を、高熱伝導率膜８中に拡散させ、まず各セル１ａの上側の領域を加熱する。
【００７９】
第１実施形態のように、連鎖加熱のとき、各セル１ａの領域４１ｂ全体に一度に熱を拡散させる場合では、各セル１ａの下側の領域５０は氷結量が多いため氷を溶かすのに多くの熱を必要とする。これに対して、本実施形態では、各セル１ａの上側の領域４２ｂに熱が優先的に拡散するようになっており、各セル１ａの上側では氷結量が少ないことから、氷を溶かすために必要な熱量（顕熱、潜熱分）が少ない。このため、各セル１ａの上側の領域４２ｂを早く発電可能な状態とすることができる。
【００８０】
このようにして、各セル１ａの重力方向上側の領域４２を早期に発電させ、この発電に伴う反応熱を各セル１ａの残りの領域に拡散させる。また、各セル１ａの冷却水近傍の領域４１ａにおいても発電可能な状態となり次第発電させ、残りの領域に熱を拡散させる。このようにして、燃料電池１を構成する各セル１ａ全体を加熱し、燃料電池１を起動させることもできる。
【００８１】
このようにしても、セパレータが高熱伝導率膜を有していない燃料電池１と比較して、各セル１ａの上側の領域４２ｂにて発電を早く開始させることができる。さらにこれらの領域４２ａ、４２ｂにおける発電時に発生する熱を利用して、各セル１ａの全体を加熱することからも、連鎖加熱時間を短縮することができる。この結果、起動時間全体を短縮させることができる。
【００８２】
（第４実施形態）
第３実施形態では、セパレータ２の上側の領域４２に高熱伝導率膜８を配置した場合を説明したが、必ずしもセパレータ２の上側の領域４２に限らず、セパレータ２のうち、氷結量が少ない領域であれば、他の領域に高熱伝導率膜８を配置することができる。例えば、図示しないが、流入側の空気ポート５ａが、セパレータ２の横側端部や下側端部に配置されている場合、その近傍であって、かつ、流入側の冷却水ポート３ａ近傍を除く領域に高熱伝導率膜８を配置することができる。このようにしても、上述した理由により、第２実施形態と同様の効果を有する。
【００８３】
また、図７に示すように、セパレータ２のうち、流入側のガスポート４ａ（図２、３参照）の近傍に高熱伝導率膜８を配置することもできる。なお、図７（ａ）は、図２（ｂ）中のＡ−Ａ線において、矢印の反対方向から見たときのセパレータ２の断面図である。図７（ｂ）、（ｃ）はセパレータ２を横方向から見たときの図であり、図３（ｂ）、（ｃ）にそれぞれ対応している。
【００８４】
セパレータ２のうち、流入側のガスポート４ａの近傍の領域４３では、第３実施形態にて説明した流入側の空気ポート５ａと同様に、乾きやすい状態となる。したがって、低温環境下では、各セル１ａにおける領域４３を除く領域５１では氷結量が多い。このことから、図７（ａ）に示すように、セパレータ２の半分より下側の領域４３のうち、流入側の冷却水ポート３ａ近傍の領域４３ａを除く領域４３ｂにのみ高熱伝導率膜８を配置している。このようにしても、第３実施形態と同様の効果を有する。
【００８５】
（第５実施形態）
上記した各実施形態では、セパレータとして熱伝導率が低いものを用いた場合を説明してきたが、本実施形態では、セパレータとして熱伝導率が高いものを用いた場合を説明する。
【００８６】
図８に第５実施形態におけるセパレータを示す。図８（ａ）は図３（ａ）に対応しており、図３（ａ）に示すセパレータのうち、溝が形成された部分のみを示した図である。図８（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ図３（ａ）中のＢ−Ｂ線方向断面図、Ｃ−Ｃ線方向断面図である。本実施形態では、第１実施形態での図４の構造と同じ部分は同一の符号を付すことで、説明を省略する。
【００８７】
熱伝導率が高いセパレータを用いた場合において、局部加熱の際、熱伝導率が低いセパレータを用いた場合と比較して、熱がセパレータ全体に早く拡散するため、局部加熱により加熱したい領域での温度上昇が遅くなり、局部加熱時間が長くなってしまう。
【００８８】
そこで、本実施形態では、図８に示すように、セパレータ２の流入側の冷却水ポート３ａ近傍の局部加熱を行う領域４４と、連鎖加熱を行う領域４５との間にて、上側端部から下側端部に渡って熱抵抗９を設けている。なお、セパレータ２は例えばアルミにより構成されており、熱伝導率は例えば２３０Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１である。熱抵抗９は、例えば、セパレータ２の内部に形成した空洞や溝などである。つまり、本実施形態では、熱抵抗９としてセパレータ２の内部に空気層を設けている。
【００８９】
このように構成されたセパレータ２を有する燃料電池１に対して、低温環境下では上記した各実施形態と同様に加熱を行う。
【００９０】
本実施形態では、熱抵抗９を設けることで、セパレータ２の断面積を減らすことができる。このため、局部加熱を行う領域４４から連鎖加熱を行う領域４５への熱の移動を抑制することができる。
【００９１】
これにより、局部加熱のとき、セパレータ２のうち、局部加熱を行う領域４４に熱を篭もり易くすることができ、局部加熱時間を短縮することができる。そして、セパレータ２のうち、連鎖加熱を行う領域４５の熱伝導率は高いので、局部加熱を行う領域４４から連鎖加熱を行う領域４５に熱が移動したとき、早く熱を拡散させることができる。これにより、連鎖加熱時間の増加を抑制しつつ、局部加熱時間を短縮させることができるため、起動時間全体を短縮させることができる。
【００９２】
なお、熱抵抗９としては、空気層の代わりに、断熱材等のセパレータ２よりも熱伝導率が低い材料を用いることができる。つまり、セパレータ２に形成された空洞や溝等にこのような材料を充填することもできる。
【００９３】
（第６実施形態）
図９に第６実施形態におけるセパレータを示す。図９に示すセパレータは図８に示すセパレータに対応しており、本実施形態は熱抵抗９の配置が第５実施形態と異なるものである。
【００９４】
第５実施形態では、図８に示すようにセパレータ２の上側端部から下側端部に至って、熱抵抗９が形成されていた。これに対して、本実施形態では、セパレータ２のうち、左上側の領域４６ａを囲むように熱抵抗９を配置している。これは、第３実施形態にて説明したように、セパレータ２の重力方向上側や、流入側の空気ポート５ａ（図３参照）の近傍の領域４６は氷結量が少なく、重力方向下側の領域５０では氷結量が多い。したがって、図８中の領域４４のうち、中央よりも上側の領域４６ａを囲むように熱抵抗９を配置することで、氷結量が少ない領域４６ａを優先的に局部加熱できるようにする。
【００９５】
これにより、第５実施形態と同様に、領域４４を冷却水により局部加熱したとき、領域４６ａは、他の領域よりも熱が篭もりやすく、氷結量も少ないので、早期に発電可能な状態にすることができる。その後、領域４６ａにおける発電に伴う熱を他の領域４６ｂ、５０に拡散させる。また、領域４６ａを除く局所加熱部４４が発電可能な状態となったとき、この領域における発電に伴う熱も他の領域に拡散させる。このようにして、各セル１ａを加熱することもできる。
【００９６】
このようにしても、セパレータが熱伝導率が高い材料にのみ構成されている場合と比較して、起動時間を短縮することができる。
【００９７】
（第７実施形態）
第６実施形態では、熱抵抗９をセパレータ２の重力方向上側の領域に配置していたが、熱抵抗９の位置はセパレータ２の重力方向上側の領域に限らず、セパレータ２のうち、氷結量が少ない領域であれば、他の領域に配置することができる。例えば、流入側の空気ポート５ａが、セパレータ２の横側端部や下側端部に配置されている場合、その近傍の領域において局部加熱する領域とその周りの領域とを分けるように配置する。このようにしても、第６実施形態と同様の効果を有する。
【００９８】
また、図１０に本実施形態におけるセパレータの一例を示す。第４実施形態にて説明したように、セルのうち、流入側のガスポート４ａの近傍の領域４８は氷結量が少なく、領域４８を除く領域５１では氷結量が多い。したがって、セパレータ２のうち、流入側のガスポート４ａの近傍の領域４８において局部加熱を行う領域４８ａとその周りの領域４８ｂ、４９とを分けるように配置することもできる。このようにしても第６実施形態と同様の効果を有する。
【００９９】
（他の実施形態）
第１〜第３実施形態では、セパレータ２の表面上に高熱伝導率膜８を設ける場合を説明したが、これに限らず以下に示す手段等により、セパレータ２において、連鎖加熱を行う部位での熱伝導率が、局部加熱を行う部位での熱伝導率よりも高い構造とすることもできる。
【０１００】
例えば、図４に示すセパレータ２において、局部加熱を行う部位４１ａの全部と連鎖加熱を行う他の部位の全部とを異なる材質により構成し、局部加熱を行う部位４１ａの熱伝導率の方が低く、他の部位の熱伝導率の方が高い構造とすることもできる。また、セパレータ２の他の部位４１ｂの全部ではなく、一部を熱伝導率が高い材料にて構成することもできる。例えばセパレータ２の他の部位の全域において、電解質膜及び電極側の表面側部分をセパレータ２を主に構成する材料よりも熱伝導率が高い材質により構成することもできる。
【０１０１】
また、上記した各実施形態では、図２（ａ）に示すように、冷却水路は、左右方向に形成された溝が複数並列に配置された構成であったが、冷却水路の形状はこれに限らず、他の形状とすることもできる。例えば、流入側の冷却水ポート３ａから流出側の冷却水ポート３ｂにかけて、セル内部を蛇行するように形成することもできる。
【０１０２】
また、上記した各実施形態では、冷却水を用いて加熱する場合を例として説明したが、燃料電池の加熱手段はこれに限らず、他の加熱手段を用いることもできる。例えば、電気式ヒータ等の加熱手段を用いて、燃料電池を構成する複数のセルの全てにおける一部の部位を直接的に加熱することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。
【図２】図１中のセルの外観を示す図である。（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）においてセルを上方向から見たときの平面図である。
【図３】（ａ）は図２（ｂ）中におけるＡ−Ａ線方向断面図であり、（ｂ）は（ａ）中におけるＢ−Ｂ線方向断面図であり、（ｃ）は（ａ）中におけるＣ−Ｃ線方向断面図である。
【図４】図３に示すセルのセパレータのうち、溝が形成されている部分を示す図である。
【図５】第２実施形態におけるセパレータのうち、溝が形成されている部分を示す図である。
【図６】第３実施形態におけるセパレータのうち、溝が形成されている部分を示す図である。
【図７】第４実施形態におけるセパレータのうち、溝が形成されている部分を示す図である。
【図８】第５実施形態におけるセパレータのうち、溝が形成されている部分を示す図である。
【図９】第６実施形態におけるセパレータのうち、溝が形成されている部分を示す図である。
【図１０】第７実施形態におけるセパレータのうち、溝が形成されている部分を示す図である。
【符号の説明】
１…燃料電池、２…セパレータ、３…冷却水ポート、４…ガスポート、
５…空気ポート、６…冷却水路、７…空気経路、８…高熱伝導率膜、
９…熱抵抗、１０…、１１…インバータ、１２…水素供給装置、
１３…空気供給装置、２０…熱媒体循環経路、２１…ラジエータ、
２２…ウォーターポンプ、３０…バイパス経路、３１…流路制御弁、
３２…ヒータ、３３…温度センサ。

Claims (11)

1. 複数のセル（１ａ）を有して構成された燃料電池（１）と、前記燃料電池を加熱するための加熱手段（３０、３１、３２、３３）とを有し、前記加熱手段により前記複数のセルの全てにおける一部の部位（４１ａ、４２ａ、４３ａ）を加熱し、前記一部の部位で発電させ、該発電のときに発生する熱を前記複数のセルの全てにおける前記一部の部位を除いた他の部位（４１ｂ、４２ｂ、４３ｂ）に拡散させることで、前記燃料電池を加熱する燃料電池システムであって、
   前記セルはセパレータ（２）を有し、前記セパレータは、前記一部の部位では熱が篭もりやすく、前記他の部位では熱が拡散しやすいように、前記一部の部位の方が熱伝導率が低く、前記他の部位の方が熱伝導率が高いことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記セパレータ（２）は、前記他の部位のうち、少なくとも氷結量が少ない部位（４２ｂ、４３ｂ）における熱伝導率が、前記一部の部位における熱伝導率よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記氷結量が少ない部分は、前記燃料電池（１）の重力方向軸に対し、前記セパレータ（２）の中央よりも上側の領域（４２）であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記セパレータは空気及び燃料供給入り口（４ａ、５ａ）を有しており、
   前記氷結量が少ない部分は、前記セパレータ（２）のうち、中央よりも空気若しくは燃料供給入り口（４ａ、５ａ）側の領域（４２、４３）であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
5. 前記セパレータ（２）は、前記他の部位の表面上に前記セパレータよりも熱伝導率が高い材料（８）を備えていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
6. 前記セパレータ（２）は、厚さ方向における熱伝導率の方が厚さ方向と垂直な方向における熱伝導率よりも高いことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 複数のセル（１ａ）を有して構成された燃料電池（１）と、前記燃料電池（１）を加熱するための加熱手段（３０、３１、３２、３３）とを有し、前記加熱手段により前記複数のセルの全てにおける一部の部位（４４、４６ａ、４８ａ）を加熱し、前記一部の部位で発電させ、発電のときに発生する熱を前記複数のセルの全てにおける他の部位（４５、４６ｂ、４８ｂ）に拡散させることで、前記燃料電池を加熱する燃料電池システムであって、
   前記セルはセパレータ（２）を有し、前記セパレータは、前記一部の部位では熱が篭もりやすく、前記他の部位では熱が拡散しやすいように、前記一部の部位と前記他の部位との間に熱抵抗（９）を有することを特徴とする燃料電池システム。
8. 前記一部の部位は、前記セルのうち、氷結量が少ない部位（４６、４８）の少なくとも一部であることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 前記氷結量が少ない部位は、前記燃料電池（１）の重力方向軸に対し、前記セパレータの中央よりも上側の領域（４６）であることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記氷結量が少ない部位は、前記セパレータのうち、中央よりも空気若しくは燃料供給入り口（４ａ、５ａ）側の領域（４６、４８）であることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
11. 前記燃料電池（１）の出力電力が燃料電池（１）自身を動作させるために必要な補機動力となるように、前記一部の部位の面積が決められていることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の燃料電池システム。

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