JP2004178950A - 始動暖機機構付き燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】低温時（氷点下を含む）の燃料電池の始動暖機時間を短縮させ、内部の温度分布が均一になり、かつ始動暖機に必要なエネルギーを低減させる。
【解決手段】シート状の端面に供給ガスを通す複数のリブが設けられたセパレータ４と、高分子電解質膜及び触媒及び拡散層からなるＭＥＡ５と、シート状の端面に空気を通す複数のリブが設けられたセパレータ４とが重ね合わされたセルがさらに重畳状に集積された燃料電池１、１´において、
燃料電池１に所定高周波の電圧を印加する高周波電源により、高分子電解質膜及び高分子電解質膜に保水された水分とセパレータとを選択的に誘導加熱して始動時の暖機をするための内部加熱手段を有することを特徴とする。
【選択図】 図１
【解決手段】シート状の端面に供給ガスを通す複数のリブが設けられたセパレータ４と、高分子電解質膜及び触媒及び拡散層からなるＭＥＡ５と、シート状の端面に空気を通す複数のリブが設けられたセパレータ４とが重ね合わされたセルがさらに重畳状に集積された燃料電池１、１´において、
燃料電池１に所定高周波の電圧を印加する高周波電源により、高分子電解質膜及び高分子電解質膜に保水された水分とセパレータとを選択的に誘導加熱して始動時の暖機をするための内部加熱手段を有することを特徴とする。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、始動暖機機構付きの燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、低温時や氷点下での燃料電池の始動暖機方法として、燃料電池スタックの周辺に電気ヒータを設けるケースや、作動ガスの代わりに水素や可燃物の燃焼ガスを流すケースなど、外部から燃料電池を加熱する方法が知られている。この種の対策の一例として、特許文献１が知られている（例えば、特許文献１参照）。図５は、従来の燃料電池発電システムを示す構成図である。図５に示すように、燃料電池発電システムは、原燃料ガスの脱硫を行う脱硫器Ａ、原燃料を改質して水素リッチガスを生成する改質器Ｂ、この改質器Ｂから燃料ガスを流通させてＣＯに変成させるＣＯ変成器Ｃ、ＣＯ除去器Ｄ、アノード極とカソード極と冷却装置からなる燃料電池Ｅ、空気供給装置Ｆ等からなり、その１つであるＣＯ変成器Ｃの下部には、スチーム発生により暖機するための高周波発生装置が備えられている。
【０００３】
図６はＣＯ変成器Ｃの構成を示す断面模式図である。図６に示すように、ＣＯ変成器Ｃは上部と下部に分かれており、上部にはＣｕ−Ｚｎ系の触媒１２が収容され、下部にはスチーム発生部１３が設けられている。そして、このスチーム発生部１３は上部と連通している。スチーム発生部１３は、内部に伝熱面積が大きい伝熱促進材１４が設けられ、この伝熱促進材１４は、例えば金属製の網、整流板、ハニカム構造板、平板又は突起物の付いた平板等である。このスチーム発生部１３は、高周波又はマイクロ波加熱を利用できる金属、ガラス又はセラミックのうちいずれか又はこれらの組み合わせにより構成されている。この高周波発生装置１５は、加熱手段としての高周波発生装置１５がスチーム発生部１３の外周にリング状に配設され、高周波又はマイクロ波を発振する発振器（図略）を有している。
【０００４】
このように構成されたＣＯ変成器Ｃは、燃料電池発電システムにおける改質器ＢとＣＯ除去器Ｄとの間に配置され、改質器Ｂで改質された燃料ガス（水素リッチガス）を供給するガス供給経路Ｈがスチーム発生部１３に接続され、且つガス供給経路Ｈには水供給経路Ｊが接続されている。
【０００５】
したがって、燃料電池発電システムの起動時には、先ず第１ステップにて高周波発生装置１５からスチーム発生部１３に所要の高周波又はマイクロ波を発振し、所定の温度まで加熱し、次いで、第２ステップにて水供給経路Ｊからスチーム発生部１３へ水調節手段Ｖ１を通じて所定量の水を供給し、スチームを発生させ、その顕熱でＣＯ変成器Ｃを昇温する。この後、第３ステップにて改質器Ｂがバーナにより所定温度まで昇温した後、原燃料ガスを供給し、ＣＯ濃度１０数パーセントに改質した水素リッチの燃料ガスを発生させ、これをＣＯ変成器Ｃに供給するようになっている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−２１０３４９号公報（図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、固体高分子型燃料電池の動作温度は、一般的に７０〜８０°Ｃであるため、起動時は燃料電池（ＦＣ）スタック本体を室温（大気温度）から動作温度まで加熱する必要があり、この加熱の熱源としては、燃料電池自体が発熱する時に発生する熱源として、空気供給コンプレッサが気体を圧縮した時に発生する断熱圧縮熱があるが、外気温が低い場合や急激に起動したい場合は、外部から電気ヒータあるいは燃焼ヒータで加熱する必要がある。特に外気温が氷点下では、氷の融解熱が必要なため、始動暖機に必要な外部加熱エネルギーは大きく、又始動暖機に投入したエネルギーは電気エネルギーとして回収不可能であるため、始動時の発熱効率は大幅に低下するという問題があった。
また、スチームの発生による暖機方法では外部加熱であるため、表面の温度が先に上昇し、内部へは熱伝導によって熱が伝わるため、燃料電池の中心が完全に暖まるまでに時間がかかるという問題があった。また、加熱時間を短縮しようとしてスチームの発生量を増加した場合、傾向として抵抗の少ない中央部の温度が上昇し、周辺と内部の温度分布が不均一になるという問題があった。さらに、外部加熱では放熱により周囲に熱が逃げるため、エネルギー効率が低い。
【０００８】
そこで、本発明は、低温時（氷点下を含む）の燃料電池の始動暖機時間を短縮させ、内部の温度分布が均一になり、かつ始動暖機に必要なエネルギーを低減させた始動暖機機構付き燃料電池を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載された始動暖機機構付き燃料電池は、シート状の端面に供給ガスを通す複数のリブが設けられたセパレータと、高分子電解質膜及び触媒及び拡散層からなるＭＥＡと、シート状の端面に空気を通す複数のリブが設けられたセパレータとが重ね合わされたセルがさらに重畳状に集積された燃料電池において、前記燃料電池に所定高周波の電圧を印加する高周波電源により、前記高分子電解質膜及び前記高分子電解質膜に保水された水分と前記セパレータとを選択的に誘導加熱して始動時の暖機をするための内部加熱手段を有することを特徴とする。
【００１０】
請求項１に記載された発明によれば、内部加熱手段は、高周波による誘導加熱による電磁波加熱であって、その原理は、強い交流電磁場により被加熱物の分子の極性が交互に反転する際の、分子間の振動による摩擦熱により発熱する。したがって、誘電率の高い物質ほど加熱されやすいため、被加熱物自体が発熱し、外部加熱のように熱伝導による遅れが少ないため、加熱時間を大幅に短縮することができる。また、高周波加熱であれば、燃料電池のセパレータや電極を高周波の印加電極として流用することができ、燃料電池スタックの容積を新たに増加する必要がなく、また、加熱は交流成分であるため、燃料電池が温度上昇すると同時に、徐々に直流発電を行うことができ、燃料電池の発熱を利用して始動暖機時間を短縮することができる。さらに、加熱効率が高いので暖機に必要な電気エネルギーを蓄えるバッテリの容量を小さくすることができる。
また、本発明は、燃料電池の高分子電解質膜や水分子を選択的に内部加熱することにより、内部の温度分布を均一に上昇させることができ、しかも、始動暖機時間の短縮と始動暖機に要するエネルギーを低減することができる。
ただし、高周波電源とは、電流の周波数が１ＭＨｚ〜３００ＭＨｚの高周波の電源をいう。
【００１１】
請求項２に記載された発明は、請求項１に記載の始動暖機機構付き燃料電池であって、前記燃料電池のセパレータを金属セパレータとし、電極に利用して高周波電界を燃料電池に印加することを特徴とする。
【００１２】
この請求項２に記載された発明によれば、燃料電池のセパレータを電極として利用することにより、新たに高周波電極を設けることなく容易に高周波電界を燃料電池に印加することができることから、コンパクトかつ内部の温度分布を均一に上昇させることができ、しかも、始動暖機時間の短縮と始動暖機に要するエネルギーを低減することができる。
【００１３】
請求項３に記載された発明は、請求項１に記載の始動暖機機構付き燃料電池であって、前記燃料電池のエンドプレートを金属エンドプレートとし、電極に利用して高周波電界を燃料電池に印加することを特徴とする。
【００１４】
この請求項３に記載された発明によれば、燃料電池のエンドプレートを電極として利用することにより、新たに高周波電極を設けることなく容易に高周波電界を燃料電池に印加することができることから、コンパクトかつ内部の温度分布を均一に上昇させることができる。しかも、始動暖機時間の短縮と始動暖機に要するエネルギーを低減することができる。
【００１５】
請求項４に記載された発明は、請求項１又は請求項３のいずれか１項に記載の始動暖機機構付き燃料電池であって、前記燃料電池で発電しながら、始動暖機を行うことを特徴とする。
【００１６】
この請求項４に記載された発明によれば、燃料電池で直流発電をしながら、始動暖機を行うことにより、低温時（氷点下を含む）の燃料電池の始動暖機時間を短縮させ、かつ始動暖機に必要なエネルギーを低減させることができる。
【００１７】
請求項５に記載された発明は、シート状の端面に供給ガスを通す複数のリブが設けられたセパレータと、高分子電解質膜及び触媒及び拡散層からなるＭＥＡと、シート状の端面に空気を通す複数のリブが設けられたセパレータとが重ね合わされたセルがさらに重畳状に集積された燃料電池において、前記燃料電池にマイクロ波を照射し、前記高分子電解質膜及び前記高分子電解質膜に保水された水分を選択的に加熱して始動時の暖機をするための内部加熱手段を有することを特徴とする。
【００１８】
請求項５に記載された発明によれば、高周波に換えてマイクロ波を照射することにより、高分子電解質膜や前記高分子電解質膜に保水された水分を選択的に加熱することができることから、内部の温度分布を均一に上昇させることができ、しかも、始動暖機時間の短縮と始動暖機に要するエネルギーを低減することができる。また、マイクロ波加熱および赤外線加熱によって加熱しながらの発電も可能である。
【００１９】
請求項６に記載された発明は、請求項５に記載の始動暖機機構付き燃料電池であって、前記マイクロ波の導波管として、燃料電池のガス流路を用いたことを特徴とする。
【００２０】
請求項６に記載された発明によれば、マイクロ波による加熱では、マグネトロンで発生した電磁波を導波管によって被加熱物である高分子電解質膜に誘導する。また、導波管の代わりにアノードおよびカソードのガス流路を流用することができる。これにより、マイクロ波によって高分子電解質膜内の水分子の極性が交互に反転し振動する際、摩擦熱により均一に加熱することができる。
【００２１】
請求項７に記載された発明は、請求項５又は請求項６に記載の始動暖機機構付き燃料電池であって、マイクロ波の周波数が１０〜３００ＧＨｚであることを特徴とする。
【００２２】
請求項７に記載された発明によれば、マイクロ波は、周波数が０．３〜３００ＧＨｚであるが、１０ＧＨｚ以上であれば周波数が高いほど小さい隙間にマイクロ波が侵入しやすくなることから、より均一な加熱が為される。
【００２３】
請求項８に記載された発明は、シート状の端面に供給ガスを通す複数のリブが設けられたセパレータと、高分子電解質膜及び触媒及び拡散層からなるＭＥＡと、シート状の端面に空気を通す複数のリブが設けられたセパレータとが重ね合わされたセルがさらに重畳状に集積された燃料電池において、前記燃料電池に赤外線を照射し、前記高分子電解質膜及び前記高分子電解質膜に保水された水分を選択的に加熱して始動時の暖機をするための内部加熱手段を有することを特徴とする。
【００２４】
請求項８に記載された発明によれば、赤外線を燃料電池に容易に照射することにより、内部の温度分布を均一に上昇させることができ、しかも、始動暖機時間の短縮と始動暖機に要するエネルギーを低減することができる。
【００２５】
請求項９に記載された発明は、請求項８に記載の始動暖機機構付き燃料電池であって、前記赤外線の導波管として、燃料電池のガス流路を用いたことを特徴とする。
【００２６】
請求項９に記載された発明によれば、流路幅が１ｍｍ以下のセパレータを持つ燃料電池には、赤外線が好適であり、赤外線を燃料電池に照射することにより、内部の温度分布を容易に、均一に上昇させることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の始動暖機機構付き燃料電池の各実施形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
＜第１実施の形態＞
図１は、始動暖機機構付き燃料電池１の構成を示し、図１（ａ）は、高周波印加電極兼セパレータ仕様の高周波誘導加熱による始動暖機機構付き燃料電池１の断面模式図であり、図１（ｂ）は、高周波印加電極兼エンドプレート仕様の高周波誘導加熱による始動暖機機構付き燃料電池１´の断面模式図である。図１（ａ）に示すように、燃料電池（ＦＣ）スタック１は、両端にエンドプレート７，７、セパレータ４，４…、ＭＥＡ５、５…（高分子電解質膜と触媒とガス拡散層を挟んだもの）で構成され、この間を作動ガスや冷却水６、６…が通過するようになっており、電源は、金属製のエンドプレート７に接続されている。発電時に温度を上げる必要があるのはＭＥＡ５、５…のみであり、セパレータ４、４…は低温のままでも大きな問題にはならない。誘導加熱や電磁波加熱では誘電率の高い物質ほど加熱されやすいため、高分子電解質膜や水分を選択的に加熱することができる。また、セパレータ４，４…や周囲の物を直接加熱しないため、加熱エネルギーはＭＥＡ５、５…の加熱に要する量、つまり必要最小限で済ませることができる。
【００２８】
また、高周波加熱では、交流電源さえあれば燃料電池のセパレータ４，４…や電極を高周波の印加電極として流用することができるため、燃料電池スタック１の容積を新たに増加する必要がない。また、加熱は交流成分であるため、燃料電池が昇温すると同時に、徐々に直流発電を行うことができるため、燃料電池の発熱を利用して始動暖機時間を短縮すると共に、バッテリ容量を小さくすることができる。このように、図１（ａ）に示す金属製エンドプレート、（ｂ）に示す金属製セパレータに高周波電圧を印加することで、燃料電池スタック内部（各セル）に高周波電界が生じて分子が加熱される。これにより、燃料電池の高分子電解質膜や水分子が選択的に加熱され、始動暖機時間の短縮と始動暖機に要するエネルギーを低減することができる。
つまり、高周波加熱方式は、高分子電解質膜や水分の分子を振動させて、選択的に加熱することができるため、高分子電解質膜及び触媒及び拡散層からなるＭＥＡを瞬時に加熱することができる。
【００２９】
ここで、第１実施の形態の実施例を説明する。高周波電圧は、最外部のセパレータに印加することで、交流用電極を新たに設けることなく、スタック全体に高周波電界を印加することができる。高周波による誘導加熱の単位体積当たりの熱出力Ｐは、式（１）に示される。
Ｐ＝５／９×１０−１０ｆＥεｔａｎδ［Ｗ／ｍ３］ …（１）
交流電界Ｅ［Ｖ／ｍ］が強いほど、また周波数ｆ［Ｈｚ］が高いほど発熱量が大きくなる。比誘電率εおよび誘電体損失角ｔａｎδは、被加熱物の物性値で、水や高分子などが高い値を示すため、燃料電池の高分子電解質膜や水分を選択的に加熱することができる。さらに、交流電源の電圧もしくは周波数を変更することで加熱量の制御を行うことができる。また、均一に加熱するために、交流電源の周波数は、式（２）に示す値を用いるとよい。
ｆ＜３００００／Ｌ［Ｈｚ］ …（２）
ただし、Ｌ［ｍ］は、電極の最大長さである。
また、式（２）で示される周波数が商用周波数と重なる場合は、電極を分割して周波数を高くすることも可能である。
したがって、燃料電池の温度が氷点以上であり、燃料電池は低出力であれば発電が可能であるので、燃料ガスと空気をカソード、アノードから導入して交流電界をかけたまま発電を行うこともできる。この場合、発電した電力を暖機用電力として使用することもできるし、また、燃料電池自体が発熱するため、より早く定格温度に到達し、最大出力で燃料電池を運転することができる。さらに、始動暖機に使用するバッテリの電力軽減をすることができる。
高分子電解質膜を用いた燃料電池は、ある程度加湿された状態でないと運転できないが、本発明の誘電加熱や電磁波加熱では、発熱体である水分子が減少すると加熱効率が低下するため、万一加熱し過ぎた場合であっても、完全乾燥状態に陥ることがないという大きな特徴を併せ持っている。
【００３０】
＜第２実施の形態＞
図２は、マイクロ波加熱による始動暖機機構付き燃料電池２の断面模式図である。マイクロ波とは、電波の一部であり、波長が１ｍｍ〜１ｍの範囲の電磁波をいう。図２に示すように、電磁波発生器であるマグネトロンＭＧをカソード流路、あるいはアノード流路もしくはその両方に設置してガス流路を電磁波の導波管として利用し、反射電磁波を遮断するアイソレータ８を燃料電池スタック２とマグネトロンＭＧの間に設けている。電磁波は、金属面で反射するため導波管（マニホールド）は金属で覆い、またアノードおよびカソード流路の出入り口は、電磁波の波長より短いピッチの金属メッシュで覆い、電磁波が外部に漏れないようにする必要がある。燃料電池スタックには、電極セパレータがあるので、電磁波が外部に漏れる心配はない。電磁波は導波管（マニホールド）やセパレータ４、４…の導電面で反射しながらスタック内部に進入することができる。また、反射した電磁波がマグネトロンＭＧを再加熱しないように反射電磁波を遮断するアイソレータ８を燃料電池スタック２とマグネトロンＭＧの間に設ける必要がある。
【００３１】
マイクロ波加熱では、マグネトロンＭＧで発生した電磁波を、通路として導波管によって被加熱物である高分子電解質膜まで誘導しなければならないが、導波管の代わりにアノードおよびカソードの金属製のガス流路を流用することができる。ただし、流路幅以上の波長を持つ電磁波は、流路内を伝搬することができないため、流路幅が１ｍｍ以下の流路を備えるセパレータ４を持つ燃料電池にはマイクロ波の代わりに、赤外線を利用する必要がある。なお、マイクロ波加熱を行いながらの発電は可能である。
つまり、マイクロ波加熱方式は、電子レンジに使用されているように、周波数が２５４０ＭＨｚのマイクロ波によって組織内の水分子を振動させ、その振動による摩擦熱によって高分子電解質膜が加熱される。
【００３２】
＜第３実施の形態＞
図３は、赤外線加熱による始動暖機機構付き燃料電池３の断面模式図である。マグネトロンＭＧの代わりに赤外線発生装置を設置したものである。赤外線とは、マイクロ波に隣接する電磁波であり、波長は１ｍｍ〜０．７７μｍの領域のものをいい、赤外線はさらに遠赤外線（１ｍｍ〜２５μｍ）、赤外線（２５〜２．５μｍ）、近赤外線（２．５〜０．７７μｍ）の３つに区分されており、ここでは、遠赤外線を使用する。赤外線加熱を行いながらの発電も可能である。つまり、赤外線加熱方式は強い赤外線を使用した電気コンロが知られているように、赤外線が導波管を通って内部にある高分子電解質膜の成分や水の分子と反応し励起させて加熱する。詳細の説明は図２と同様であるため、図３の説明は省略するが、導波管の内部は、メッキを施した鏡面仕上げが好ましい。
【００３３】
燃焼による始動暖機方式の場合では、内部の温度が均一になるように外部から加熱する方式では、相当複雑な構造となるのに対し、本願発明の始動暖機機構付き燃料電池は、複雑な構造を採らなくても均一に加熱ができる点が大きな特徴である。このように、熱分布を均一にすることにより、高分子電解質膜の寿命に及ぼす影響も少なくなり、寿命が長くなる。
【００３４】
図４は、周波数（Ｆｒｅｑｅｎｃｙ）を縦軸にとり、波長（Ｗａｖｅ ｌｅｎｇｔｈ）を横軸にとって赤外線とマイクロ波の領域を示すグラフである。
マイクロ波は、波長が１〜１０００ｍｍまでの電磁波をいい、赤外線は、マイクロ波に隣接する領域に位置し、波長は１ｍｍ〜０．７７μｍの領域の電磁波をいう。
【００３５】
なお、本発明はその技術思想の範囲内で種々の改造、変更が可能であり、本発明はこの改造、変更された発明にも及ぶことは当然である。たとえば、赤外線発生装置は、セラミックヒータや赤外線ランプ、ハロゲンランプ、電気ヒータ（ニクロム線など）であってもよいし、水素を燃焼させて波長変換物質（セラミック）を加熱し、赤外線を発生させても構わない。
【００３６】
【発明の効果】
請求項１に記載された発明によれば、燃料電池の高分子電解質膜や水分子を選択的に内部加熱することにより、内部の温度分布を均一に上昇させることができ、しかも、始動暖機時間の短縮と始動暖機に要するエネルギーを低減することができる。
【００３７】
請求項２に記載された発明によれば、燃料電池のセパレータを電極として利用することにより、新たに高周波電極を設けることなく容易に高周波電界を燃料電池に印加することができることから、コンパクトかつ内部の温度分布を均一に上昇させることができ、しかも、始動暖機時間の短縮と始動暖機に要するエネルギーを低減することができる。
【００３８】
請求項３に記載された発明によれば、燃料電池のエンドプレートを電極として利用することにより、新たに高周波電極を設けることなく容易に高周波電界を燃料電池に印加することができることから、コンパクトかつ内部の温度分布を均一に上昇させることができる。しかも、始動暖機時間の短縮と始動暖機に要するエネルギーを低減することができる。
【００３９】
請求項４に記載された発明によれば、燃料電池で直流発電をしながら、始動暖機を行うことにより、低温時（氷点下を含む）の燃料電池の始動暖機時間を短縮させ、かつ始動暖機に必要なエネルギーを低減させることができる。
【００４０】
請求項５に記載された発明によれば、高分子電解質膜や前記高分子電解質膜に保水された水分を選択的に加熱することができることから、内部の温度分布を均一に上昇させることができる。また、始動暖機時間の短縮と始動暖機に要するエネルギーを低減することができる。しかも、マイクロ波加熱および赤外線加熱によって加熱しながらの発電も可能である。
【００４１】
請求項６に記載された発明によれば、マイクロ波による加熱では、マグネトロンで発生した電磁波を導波管によって被加熱物である高分子電解質膜に誘導する。また、導波管の代わりにアノードおよびカソードのガス流路を流用することができる。これにより、マイクロ波によって高分子電解質膜内の水分子の極性が交互に反転し振動する際、摩擦熱により均一に加熱することができる。
【００４２】
請求項７に記載された発明によれば、マイクロ波は、周波数が０．３〜３００ＧＨｚであるが、１０ＧＨｚ以上であれば周波数が高いほど小さい隙間にマイクロ波が侵入しやすくなることから、より均一な加熱が為される。
【００４３】
請求項８に記載された発明によれば、赤外線を燃料電池に容易に照射することにより、内部の温度分布を均一に上昇させることができる。しかも、始動暖機時間の短縮と始動暖機に要するエネルギーを低減することができる。
【００４４】
請求項９に記載された発明によれば、赤外線を燃料電池に照射することにより、内部の温度分布を容易に、均一に上昇させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１実施の形態の始動暖機機構付き燃料電池の構成を示し、（ａ）は、高周波印加電極兼セパレータ仕様の高周波誘導加熱による始動暖機機構付き燃料電池１の断面模式図であり、（ｂ）は、高周波印加電極兼エンドプレート仕様の高周波誘導加熱による始動暖機機構付き燃料電池の断面模式図である。
【図２】本発明に係る第２実施の形態のマイクロ波加熱による始動暖機機構付き燃料電池の断面模式図である。
【図３】本発明に係る第３実施の形態の赤外線加熱による始動暖機機構付き燃料電池の断面模式図である。
【図４】赤外線とマイクロ波について周波数と波長の関係を示すグラフである。
【図５】従来の燃料電池発電システムを示す構成図である。
【図６】従来のＣＯ変成器の構成を示す断面模式図である。
【符号の説明】
１、１´、２、３ 始動暖機機構付き燃料電池
４ セパレータ
５ ＭＥＡ
６ 冷却水
７ エンドプレート
８ アイソレータ
【発明の属する技術分野】
本発明は、始動暖機機構付きの燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、低温時や氷点下での燃料電池の始動暖機方法として、燃料電池スタックの周辺に電気ヒータを設けるケースや、作動ガスの代わりに水素や可燃物の燃焼ガスを流すケースなど、外部から燃料電池を加熱する方法が知られている。この種の対策の一例として、特許文献１が知られている（例えば、特許文献１参照）。図５は、従来の燃料電池発電システムを示す構成図である。図５に示すように、燃料電池発電システムは、原燃料ガスの脱硫を行う脱硫器Ａ、原燃料を改質して水素リッチガスを生成する改質器Ｂ、この改質器Ｂから燃料ガスを流通させてＣＯに変成させるＣＯ変成器Ｃ、ＣＯ除去器Ｄ、アノード極とカソード極と冷却装置からなる燃料電池Ｅ、空気供給装置Ｆ等からなり、その１つであるＣＯ変成器Ｃの下部には、スチーム発生により暖機するための高周波発生装置が備えられている。
【０００３】
図６はＣＯ変成器Ｃの構成を示す断面模式図である。図６に示すように、ＣＯ変成器Ｃは上部と下部に分かれており、上部にはＣｕ−Ｚｎ系の触媒１２が収容され、下部にはスチーム発生部１３が設けられている。そして、このスチーム発生部１３は上部と連通している。スチーム発生部１３は、内部に伝熱面積が大きい伝熱促進材１４が設けられ、この伝熱促進材１４は、例えば金属製の網、整流板、ハニカム構造板、平板又は突起物の付いた平板等である。このスチーム発生部１３は、高周波又はマイクロ波加熱を利用できる金属、ガラス又はセラミックのうちいずれか又はこれらの組み合わせにより構成されている。この高周波発生装置１５は、加熱手段としての高周波発生装置１５がスチーム発生部１３の外周にリング状に配設され、高周波又はマイクロ波を発振する発振器（図略）を有している。
【０００４】
このように構成されたＣＯ変成器Ｃは、燃料電池発電システムにおける改質器ＢとＣＯ除去器Ｄとの間に配置され、改質器Ｂで改質された燃料ガス（水素リッチガス）を供給するガス供給経路Ｈがスチーム発生部１３に接続され、且つガス供給経路Ｈには水供給経路Ｊが接続されている。
【０００５】
したがって、燃料電池発電システムの起動時には、先ず第１ステップにて高周波発生装置１５からスチーム発生部１３に所要の高周波又はマイクロ波を発振し、所定の温度まで加熱し、次いで、第２ステップにて水供給経路Ｊからスチーム発生部１３へ水調節手段Ｖ１を通じて所定量の水を供給し、スチームを発生させ、その顕熱でＣＯ変成器Ｃを昇温する。この後、第３ステップにて改質器Ｂがバーナにより所定温度まで昇温した後、原燃料ガスを供給し、ＣＯ濃度１０数パーセントに改質した水素リッチの燃料ガスを発生させ、これをＣＯ変成器Ｃに供給するようになっている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−２１０３４９号公報（図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、固体高分子型燃料電池の動作温度は、一般的に７０〜８０°Ｃであるため、起動時は燃料電池（ＦＣ）スタック本体を室温（大気温度）から動作温度まで加熱する必要があり、この加熱の熱源としては、燃料電池自体が発熱する時に発生する熱源として、空気供給コンプレッサが気体を圧縮した時に発生する断熱圧縮熱があるが、外気温が低い場合や急激に起動したい場合は、外部から電気ヒータあるいは燃焼ヒータで加熱する必要がある。特に外気温が氷点下では、氷の融解熱が必要なため、始動暖機に必要な外部加熱エネルギーは大きく、又始動暖機に投入したエネルギーは電気エネルギーとして回収不可能であるため、始動時の発熱効率は大幅に低下するという問題があった。
また、スチームの発生による暖機方法では外部加熱であるため、表面の温度が先に上昇し、内部へは熱伝導によって熱が伝わるため、燃料電池の中心が完全に暖まるまでに時間がかかるという問題があった。また、加熱時間を短縮しようとしてスチームの発生量を増加した場合、傾向として抵抗の少ない中央部の温度が上昇し、周辺と内部の温度分布が不均一になるという問題があった。さらに、外部加熱では放熱により周囲に熱が逃げるため、エネルギー効率が低い。
【０００８】
そこで、本発明は、低温時（氷点下を含む）の燃料電池の始動暖機時間を短縮させ、内部の温度分布が均一になり、かつ始動暖機に必要なエネルギーを低減させた始動暖機機構付き燃料電池を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載された始動暖機機構付き燃料電池は、シート状の端面に供給ガスを通す複数のリブが設けられたセパレータと、高分子電解質膜及び触媒及び拡散層からなるＭＥＡと、シート状の端面に空気を通す複数のリブが設けられたセパレータとが重ね合わされたセルがさらに重畳状に集積された燃料電池において、前記燃料電池に所定高周波の電圧を印加する高周波電源により、前記高分子電解質膜及び前記高分子電解質膜に保水された水分と前記セパレータとを選択的に誘導加熱して始動時の暖機をするための内部加熱手段を有することを特徴とする。
【００１０】
請求項１に記載された発明によれば、内部加熱手段は、高周波による誘導加熱による電磁波加熱であって、その原理は、強い交流電磁場により被加熱物の分子の極性が交互に反転する際の、分子間の振動による摩擦熱により発熱する。したがって、誘電率の高い物質ほど加熱されやすいため、被加熱物自体が発熱し、外部加熱のように熱伝導による遅れが少ないため、加熱時間を大幅に短縮することができる。また、高周波加熱であれば、燃料電池のセパレータや電極を高周波の印加電極として流用することができ、燃料電池スタックの容積を新たに増加する必要がなく、また、加熱は交流成分であるため、燃料電池が温度上昇すると同時に、徐々に直流発電を行うことができ、燃料電池の発熱を利用して始動暖機時間を短縮することができる。さらに、加熱効率が高いので暖機に必要な電気エネルギーを蓄えるバッテリの容量を小さくすることができる。
また、本発明は、燃料電池の高分子電解質膜や水分子を選択的に内部加熱することにより、内部の温度分布を均一に上昇させることができ、しかも、始動暖機時間の短縮と始動暖機に要するエネルギーを低減することができる。
ただし、高周波電源とは、電流の周波数が１ＭＨｚ〜３００ＭＨｚの高周波の電源をいう。
【００１１】
請求項２に記載された発明は、請求項１に記載の始動暖機機構付き燃料電池であって、前記燃料電池のセパレータを金属セパレータとし、電極に利用して高周波電界を燃料電池に印加することを特徴とする。
【００１２】
この請求項２に記載された発明によれば、燃料電池のセパレータを電極として利用することにより、新たに高周波電極を設けることなく容易に高周波電界を燃料電池に印加することができることから、コンパクトかつ内部の温度分布を均一に上昇させることができ、しかも、始動暖機時間の短縮と始動暖機に要するエネルギーを低減することができる。
【００１３】
請求項３に記載された発明は、請求項１に記載の始動暖機機構付き燃料電池であって、前記燃料電池のエンドプレートを金属エンドプレートとし、電極に利用して高周波電界を燃料電池に印加することを特徴とする。
【００１４】
この請求項３に記載された発明によれば、燃料電池のエンドプレートを電極として利用することにより、新たに高周波電極を設けることなく容易に高周波電界を燃料電池に印加することができることから、コンパクトかつ内部の温度分布を均一に上昇させることができる。しかも、始動暖機時間の短縮と始動暖機に要するエネルギーを低減することができる。
【００１５】
請求項４に記載された発明は、請求項１又は請求項３のいずれか１項に記載の始動暖機機構付き燃料電池であって、前記燃料電池で発電しながら、始動暖機を行うことを特徴とする。
【００１６】
この請求項４に記載された発明によれば、燃料電池で直流発電をしながら、始動暖機を行うことにより、低温時（氷点下を含む）の燃料電池の始動暖機時間を短縮させ、かつ始動暖機に必要なエネルギーを低減させることができる。
【００１７】
請求項５に記載された発明は、シート状の端面に供給ガスを通す複数のリブが設けられたセパレータと、高分子電解質膜及び触媒及び拡散層からなるＭＥＡと、シート状の端面に空気を通す複数のリブが設けられたセパレータとが重ね合わされたセルがさらに重畳状に集積された燃料電池において、前記燃料電池にマイクロ波を照射し、前記高分子電解質膜及び前記高分子電解質膜に保水された水分を選択的に加熱して始動時の暖機をするための内部加熱手段を有することを特徴とする。
【００１８】
請求項５に記載された発明によれば、高周波に換えてマイクロ波を照射することにより、高分子電解質膜や前記高分子電解質膜に保水された水分を選択的に加熱することができることから、内部の温度分布を均一に上昇させることができ、しかも、始動暖機時間の短縮と始動暖機に要するエネルギーを低減することができる。また、マイクロ波加熱および赤外線加熱によって加熱しながらの発電も可能である。
【００１９】
請求項６に記載された発明は、請求項５に記載の始動暖機機構付き燃料電池であって、前記マイクロ波の導波管として、燃料電池のガス流路を用いたことを特徴とする。
【００２０】
請求項６に記載された発明によれば、マイクロ波による加熱では、マグネトロンで発生した電磁波を導波管によって被加熱物である高分子電解質膜に誘導する。また、導波管の代わりにアノードおよびカソードのガス流路を流用することができる。これにより、マイクロ波によって高分子電解質膜内の水分子の極性が交互に反転し振動する際、摩擦熱により均一に加熱することができる。
【００２１】
請求項７に記載された発明は、請求項５又は請求項６に記載の始動暖機機構付き燃料電池であって、マイクロ波の周波数が１０〜３００ＧＨｚであることを特徴とする。
【００２２】
請求項７に記載された発明によれば、マイクロ波は、周波数が０．３〜３００ＧＨｚであるが、１０ＧＨｚ以上であれば周波数が高いほど小さい隙間にマイクロ波が侵入しやすくなることから、より均一な加熱が為される。
【００２３】
請求項８に記載された発明は、シート状の端面に供給ガスを通す複数のリブが設けられたセパレータと、高分子電解質膜及び触媒及び拡散層からなるＭＥＡと、シート状の端面に空気を通す複数のリブが設けられたセパレータとが重ね合わされたセルがさらに重畳状に集積された燃料電池において、前記燃料電池に赤外線を照射し、前記高分子電解質膜及び前記高分子電解質膜に保水された水分を選択的に加熱して始動時の暖機をするための内部加熱手段を有することを特徴とする。
【００２４】
請求項８に記載された発明によれば、赤外線を燃料電池に容易に照射することにより、内部の温度分布を均一に上昇させることができ、しかも、始動暖機時間の短縮と始動暖機に要するエネルギーを低減することができる。
【００２５】
請求項９に記載された発明は、請求項８に記載の始動暖機機構付き燃料電池であって、前記赤外線の導波管として、燃料電池のガス流路を用いたことを特徴とする。
【００２６】
請求項９に記載された発明によれば、流路幅が１ｍｍ以下のセパレータを持つ燃料電池には、赤外線が好適であり、赤外線を燃料電池に照射することにより、内部の温度分布を容易に、均一に上昇させることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の始動暖機機構付き燃料電池の各実施形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
＜第１実施の形態＞
図１は、始動暖機機構付き燃料電池１の構成を示し、図１（ａ）は、高周波印加電極兼セパレータ仕様の高周波誘導加熱による始動暖機機構付き燃料電池１の断面模式図であり、図１（ｂ）は、高周波印加電極兼エンドプレート仕様の高周波誘導加熱による始動暖機機構付き燃料電池１´の断面模式図である。図１（ａ）に示すように、燃料電池（ＦＣ）スタック１は、両端にエンドプレート７，７、セパレータ４，４…、ＭＥＡ５、５…（高分子電解質膜と触媒とガス拡散層を挟んだもの）で構成され、この間を作動ガスや冷却水６、６…が通過するようになっており、電源は、金属製のエンドプレート７に接続されている。発電時に温度を上げる必要があるのはＭＥＡ５、５…のみであり、セパレータ４、４…は低温のままでも大きな問題にはならない。誘導加熱や電磁波加熱では誘電率の高い物質ほど加熱されやすいため、高分子電解質膜や水分を選択的に加熱することができる。また、セパレータ４，４…や周囲の物を直接加熱しないため、加熱エネルギーはＭＥＡ５、５…の加熱に要する量、つまり必要最小限で済ませることができる。
【００２８】
また、高周波加熱では、交流電源さえあれば燃料電池のセパレータ４，４…や電極を高周波の印加電極として流用することができるため、燃料電池スタック１の容積を新たに増加する必要がない。また、加熱は交流成分であるため、燃料電池が昇温すると同時に、徐々に直流発電を行うことができるため、燃料電池の発熱を利用して始動暖機時間を短縮すると共に、バッテリ容量を小さくすることができる。このように、図１（ａ）に示す金属製エンドプレート、（ｂ）に示す金属製セパレータに高周波電圧を印加することで、燃料電池スタック内部（各セル）に高周波電界が生じて分子が加熱される。これにより、燃料電池の高分子電解質膜や水分子が選択的に加熱され、始動暖機時間の短縮と始動暖機に要するエネルギーを低減することができる。
つまり、高周波加熱方式は、高分子電解質膜や水分の分子を振動させて、選択的に加熱することができるため、高分子電解質膜及び触媒及び拡散層からなるＭＥＡを瞬時に加熱することができる。
【００２９】
ここで、第１実施の形態の実施例を説明する。高周波電圧は、最外部のセパレータに印加することで、交流用電極を新たに設けることなく、スタック全体に高周波電界を印加することができる。高周波による誘導加熱の単位体積当たりの熱出力Ｐは、式（１）に示される。
Ｐ＝５／９×１０−１０ｆＥεｔａｎδ［Ｗ／ｍ３］ …（１）
交流電界Ｅ［Ｖ／ｍ］が強いほど、また周波数ｆ［Ｈｚ］が高いほど発熱量が大きくなる。比誘電率εおよび誘電体損失角ｔａｎδは、被加熱物の物性値で、水や高分子などが高い値を示すため、燃料電池の高分子電解質膜や水分を選択的に加熱することができる。さらに、交流電源の電圧もしくは周波数を変更することで加熱量の制御を行うことができる。また、均一に加熱するために、交流電源の周波数は、式（２）に示す値を用いるとよい。
ｆ＜３００００／Ｌ［Ｈｚ］ …（２）
ただし、Ｌ［ｍ］は、電極の最大長さである。
また、式（２）で示される周波数が商用周波数と重なる場合は、電極を分割して周波数を高くすることも可能である。
したがって、燃料電池の温度が氷点以上であり、燃料電池は低出力であれば発電が可能であるので、燃料ガスと空気をカソード、アノードから導入して交流電界をかけたまま発電を行うこともできる。この場合、発電した電力を暖機用電力として使用することもできるし、また、燃料電池自体が発熱するため、より早く定格温度に到達し、最大出力で燃料電池を運転することができる。さらに、始動暖機に使用するバッテリの電力軽減をすることができる。
高分子電解質膜を用いた燃料電池は、ある程度加湿された状態でないと運転できないが、本発明の誘電加熱や電磁波加熱では、発熱体である水分子が減少すると加熱効率が低下するため、万一加熱し過ぎた場合であっても、完全乾燥状態に陥ることがないという大きな特徴を併せ持っている。
【００３０】
＜第２実施の形態＞
図２は、マイクロ波加熱による始動暖機機構付き燃料電池２の断面模式図である。マイクロ波とは、電波の一部であり、波長が１ｍｍ〜１ｍの範囲の電磁波をいう。図２に示すように、電磁波発生器であるマグネトロンＭＧをカソード流路、あるいはアノード流路もしくはその両方に設置してガス流路を電磁波の導波管として利用し、反射電磁波を遮断するアイソレータ８を燃料電池スタック２とマグネトロンＭＧの間に設けている。電磁波は、金属面で反射するため導波管（マニホールド）は金属で覆い、またアノードおよびカソード流路の出入り口は、電磁波の波長より短いピッチの金属メッシュで覆い、電磁波が外部に漏れないようにする必要がある。燃料電池スタックには、電極セパレータがあるので、電磁波が外部に漏れる心配はない。電磁波は導波管（マニホールド）やセパレータ４、４…の導電面で反射しながらスタック内部に進入することができる。また、反射した電磁波がマグネトロンＭＧを再加熱しないように反射電磁波を遮断するアイソレータ８を燃料電池スタック２とマグネトロンＭＧの間に設ける必要がある。
【００３１】
マイクロ波加熱では、マグネトロンＭＧで発生した電磁波を、通路として導波管によって被加熱物である高分子電解質膜まで誘導しなければならないが、導波管の代わりにアノードおよびカソードの金属製のガス流路を流用することができる。ただし、流路幅以上の波長を持つ電磁波は、流路内を伝搬することができないため、流路幅が１ｍｍ以下の流路を備えるセパレータ４を持つ燃料電池にはマイクロ波の代わりに、赤外線を利用する必要がある。なお、マイクロ波加熱を行いながらの発電は可能である。
つまり、マイクロ波加熱方式は、電子レンジに使用されているように、周波数が２５４０ＭＨｚのマイクロ波によって組織内の水分子を振動させ、その振動による摩擦熱によって高分子電解質膜が加熱される。
【００３２】
＜第３実施の形態＞
図３は、赤外線加熱による始動暖機機構付き燃料電池３の断面模式図である。マグネトロンＭＧの代わりに赤外線発生装置を設置したものである。赤外線とは、マイクロ波に隣接する電磁波であり、波長は１ｍｍ〜０．７７μｍの領域のものをいい、赤外線はさらに遠赤外線（１ｍｍ〜２５μｍ）、赤外線（２５〜２．５μｍ）、近赤外線（２．５〜０．７７μｍ）の３つに区分されており、ここでは、遠赤外線を使用する。赤外線加熱を行いながらの発電も可能である。つまり、赤外線加熱方式は強い赤外線を使用した電気コンロが知られているように、赤外線が導波管を通って内部にある高分子電解質膜の成分や水の分子と反応し励起させて加熱する。詳細の説明は図２と同様であるため、図３の説明は省略するが、導波管の内部は、メッキを施した鏡面仕上げが好ましい。
【００３３】
燃焼による始動暖機方式の場合では、内部の温度が均一になるように外部から加熱する方式では、相当複雑な構造となるのに対し、本願発明の始動暖機機構付き燃料電池は、複雑な構造を採らなくても均一に加熱ができる点が大きな特徴である。このように、熱分布を均一にすることにより、高分子電解質膜の寿命に及ぼす影響も少なくなり、寿命が長くなる。
【００３４】
図４は、周波数（Ｆｒｅｑｅｎｃｙ）を縦軸にとり、波長（Ｗａｖｅ ｌｅｎｇｔｈ）を横軸にとって赤外線とマイクロ波の領域を示すグラフである。
マイクロ波は、波長が１〜１０００ｍｍまでの電磁波をいい、赤外線は、マイクロ波に隣接する領域に位置し、波長は１ｍｍ〜０．７７μｍの領域の電磁波をいう。
【００３５】
なお、本発明はその技術思想の範囲内で種々の改造、変更が可能であり、本発明はこの改造、変更された発明にも及ぶことは当然である。たとえば、赤外線発生装置は、セラミックヒータや赤外線ランプ、ハロゲンランプ、電気ヒータ（ニクロム線など）であってもよいし、水素を燃焼させて波長変換物質（セラミック）を加熱し、赤外線を発生させても構わない。
【００３６】
【発明の効果】
請求項１に記載された発明によれば、燃料電池の高分子電解質膜や水分子を選択的に内部加熱することにより、内部の温度分布を均一に上昇させることができ、しかも、始動暖機時間の短縮と始動暖機に要するエネルギーを低減することができる。
【００３７】
請求項２に記載された発明によれば、燃料電池のセパレータを電極として利用することにより、新たに高周波電極を設けることなく容易に高周波電界を燃料電池に印加することができることから、コンパクトかつ内部の温度分布を均一に上昇させることができ、しかも、始動暖機時間の短縮と始動暖機に要するエネルギーを低減することができる。
【００３８】
請求項３に記載された発明によれば、燃料電池のエンドプレートを電極として利用することにより、新たに高周波電極を設けることなく容易に高周波電界を燃料電池に印加することができることから、コンパクトかつ内部の温度分布を均一に上昇させることができる。しかも、始動暖機時間の短縮と始動暖機に要するエネルギーを低減することができる。
【００３９】
請求項４に記載された発明によれば、燃料電池で直流発電をしながら、始動暖機を行うことにより、低温時（氷点下を含む）の燃料電池の始動暖機時間を短縮させ、かつ始動暖機に必要なエネルギーを低減させることができる。
【００４０】
請求項５に記載された発明によれば、高分子電解質膜や前記高分子電解質膜に保水された水分を選択的に加熱することができることから、内部の温度分布を均一に上昇させることができる。また、始動暖機時間の短縮と始動暖機に要するエネルギーを低減することができる。しかも、マイクロ波加熱および赤外線加熱によって加熱しながらの発電も可能である。
【００４１】
請求項６に記載された発明によれば、マイクロ波による加熱では、マグネトロンで発生した電磁波を導波管によって被加熱物である高分子電解質膜に誘導する。また、導波管の代わりにアノードおよびカソードのガス流路を流用することができる。これにより、マイクロ波によって高分子電解質膜内の水分子の極性が交互に反転し振動する際、摩擦熱により均一に加熱することができる。
【００４２】
請求項７に記載された発明によれば、マイクロ波は、周波数が０．３〜３００ＧＨｚであるが、１０ＧＨｚ以上であれば周波数が高いほど小さい隙間にマイクロ波が侵入しやすくなることから、より均一な加熱が為される。
【００４３】
請求項８に記載された発明によれば、赤外線を燃料電池に容易に照射することにより、内部の温度分布を均一に上昇させることができる。しかも、始動暖機時間の短縮と始動暖機に要するエネルギーを低減することができる。
【００４４】
請求項９に記載された発明によれば、赤外線を燃料電池に照射することにより、内部の温度分布を容易に、均一に上昇させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１実施の形態の始動暖機機構付き燃料電池の構成を示し、（ａ）は、高周波印加電極兼セパレータ仕様の高周波誘導加熱による始動暖機機構付き燃料電池１の断面模式図であり、（ｂ）は、高周波印加電極兼エンドプレート仕様の高周波誘導加熱による始動暖機機構付き燃料電池の断面模式図である。
【図２】本発明に係る第２実施の形態のマイクロ波加熱による始動暖機機構付き燃料電池の断面模式図である。
【図３】本発明に係る第３実施の形態の赤外線加熱による始動暖機機構付き燃料電池の断面模式図である。
【図４】赤外線とマイクロ波について周波数と波長の関係を示すグラフである。
【図５】従来の燃料電池発電システムを示す構成図である。
【図６】従来のＣＯ変成器の構成を示す断面模式図である。
【符号の説明】
１、１´、２、３ 始動暖機機構付き燃料電池
４ セパレータ
５ ＭＥＡ
６ 冷却水
７ エンドプレート
８ アイソレータ
Claims (9)
- シート状の端面に供給ガスを通す複数のリブが設けられたセパレータと、高分子電解質膜及び触媒及び拡散層からなるＭＥＡと、シート状の端面に空気を通す複数のリブが設けられたセパレータとが重ね合わされたセルがさらに重畳状に集積された燃料電池において、
前記燃料電池に所定高周波の電圧を印加する高周波電源により、前記高分子電解質膜及び前記高分子電解質膜に保水された水分と前記セパレータとを選択的に誘導加熱して始動時の暖機をするための内部加熱手段を有することを特徴とする始動暖機機構付き燃料電池。 - 前記燃料電池のセパレータは金属セパレータとし、電極に利用して高周波電界を燃料電池に印加することを特徴とする請求項１に記載の始動暖機機構付き燃料電池。
- 前記燃料電池のエンドプレートは金属エンドプレートとし、電極に利用して高周波電界を燃料電池に印加することを特徴とする請求項１に記載の始動暖機機構付き燃料電池。
- 前記燃料電池で発電しながら、始動暖機を行うことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の始動暖機機構付き燃料電池。
- シート状の端面に供給ガスを通す複数のリブが設けられたセパレータと、高分子電解質膜及び触媒及び拡散層からなるＭＥＡと、シート状の端面に空気を通す複数のリブが設けられたセパレータとが重ね合わされたセルがさらに重畳状に集積された燃料電池において、
前記燃料電池にマイクロ波を照射し、前記高分子電解質膜及び前記高分子電解質膜に保水された水分を選択的に加熱して始動時の暖機をするための内部加熱手段を有することを特徴とする始動暖機機構付き燃料電池。 - 前記マイクロ波の導波管として、燃料電池のガス流路を用いたことを特徴とする請求項５に記載の始動暖機機構付き燃料電池。
- マイクロ波の周波数が１０〜３００ＧＨｚであることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の始動暖機機構付き燃料電池。
- シート状の端面に供給ガスを通す複数のリブが設けられたセパレータと、高分子電解質膜及び触媒及び拡散層からなるＭＥＡと、シート状の端面に空気を通す複数のリブが設けられたセパレータとが重ね合わされたセルがさらに重畳状に集積された燃料電池において、
前記燃料電池に赤外線を照射し、前記高分子電解質膜及び前記高分子電解質膜に保水された水分を選択的に加熱して始動時の暖機をするための内部加熱手段を有することを特徴とする始動暖機機構付き燃料電池。 - 前記赤外線の導波管として、燃料電池のガス流路を用いたことを特徴とする請求項８に記載の始動暖機機構付き燃料電池。
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