JP2005203133A - 燃料電池と燃料電池スタックおよび燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池スタックの凍結防止および始動性向上を図る。
【解決手段】 固体高分子電解質膜を一対の電極で挟持した膜電極構造体の前記各電極に供給された反応ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１に前記反応ガスを供給する水素供給装置２および空気供給装置６と、燃料電池スタック１の冷却液出口温度を検出する水温センサ１６と、燃料電池スタック１に設けられた冷媒流路に冷却液を循環させる冷媒循環路１８と、を備えた燃料電池システムにおいて、冷媒流路は予測される前記膜電極構造体内の水分分布に応じて複数の領域に分割され各領域毎に独立した分割冷媒流路６０Ａ，６０Ｂにされており、各分割冷媒流路６０Ａ，６０Ｂに流れる冷却液の流量を調整する流量制御弁１５と、水温センサ１６によって検出された温度に基づいて流量制御弁１５を制御するＥＣＵ２０と、を備える。
【選択図】 図１

Description

この発明は、燃料電池と燃料電池スタックおよび燃料電池システムに関するものである。

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てセル（単位燃料電池）とするものがあり、この種の燃料電池では、一般に、セルを複数積層して燃料電池スタックとして用いる。

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）を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。このとき、カソード電極において、水素イオン、電子、および酸素が反応して水が生成される。この燃料電池は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。

また、一般に、この種の燃料電池の作動温度は７０℃〜８０℃程度とされており、発電に伴う発熱により燃料電池が前記作動温度を超えないように、冷媒通路に冷媒（例えば冷却液）を循環させて温度制御を行っている。

ところで、この種の燃料電池は氷点下環境での始動性が課題となっている。つまり、氷点下環境で燃料電池を始動した場合、発電に伴う自己発熱によるセルの温度上昇が間に合わず、発電に伴ってセル内に生じる生成水が凍結してしまい、セル内の生成水凍結により発電不能に陥る虞がある。
この氷点下環境での始動性を向上させる方法として、氷点下始動時に前記冷却液の循環を停止することにより、発電に伴う自己発熱で発生した熱が冷却液を介して持ち去られるのを阻止し、セルの温度上昇を速めて、生成水の凍結防止を図る方法が考えられている。また、同様の趣旨から、氷点下始動時にスタックから前記冷却液を抜き取る方法も考えられている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
特開平６−２２３８５５号公報 特表２００３−５００８２４号公報

しかしながら、氷点下始動時に冷却液の循環を停止したり冷却液を抜き取ってしまうと、セル内部の温度が過剰に上昇して膜電極構造体の性能劣化を引き起こし、経時的にスタック電圧が低下していくという問題がある。図２１は、氷点下始動時に冷却液の循環を停止させた場合のスタック電圧の経時変化の傾向を示している。

一方、冷却液を循環させながら燃料電池を氷点下始動すると、前述したように生成水の凍結により発電不能になる虞があるだけでなく、発電不能に陥らない場合であっても、発電に伴う自己発熱による熱が冷却液に持ち去られるので、セル内部あるいはスタックの昇温が遅くなり、その結果、印加可能な負荷電流の増加速度が遅くなって、始動性を悪化させてしまう。氷点下始動時に印加可能な負荷電流の時間的変化について、冷却液循環の有無で比較すると図２２に示すようになる。
そこで、この発明は、凍結を確実に防止することができて始動性を向上することができる燃料電池と燃料電池スタックおよび燃料電池システムを提供するものである。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、固体高分子電解質膜（例えば、後述する実施例における固体高分子電解質膜５１）を一対の電極（例えば、後述する実施例におけるカソード電極５２、アノード電極５３）で挟持した膜電極構造体（例えば、後述する実施例における膜電極構造体５４）の前記各電極の外側にそれぞれ反応ガス流路（例えば、後述する実施例における空気流路３３，５８、燃料流路３４，５９）が設けられ前記反応ガス流路から離隔して前記膜電極構造体の面方向に沿って冷媒流路（例えば、後述する実施例における冷媒流路３５，６０）が設けられている燃料電池（例えば、後述する実施例におけるセル３０，５０）において、前記冷媒流路は、予測される前記膜電極構造体内の水分分布に応じて複数の領域に分割され、各領域毎に独立した分割冷媒流路（例えば、後述する実施例における第１分割冷媒流路３５Ａ，６０Ａ，６１Ａ、第２分割冷媒流路３５Ｂ，６０Ｂ，６１Ｂ、第３分割冷媒流路６０Ｃ）に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、分割冷媒流路毎に冷媒の流量を変えることが可能となり、水分分布に応じて冷却の程度を変えることが可能になる。

請求項２に係る発明は、固体高分子電解質膜（例えば、後述する実施例における固体高分子電解質膜５１）を一対の電極（例えば、後述する実施例におけるカソード電極５２、アノード電極５３）で挟持した膜電極構造体（例えば、後述する実施例における膜電極構造体５４）をセパレータ（例えば、後述する実施例におけるセパレータ３１，３２，５５，５６）を介して複数個積層した燃料電池スタック（例えば、後述する実施例における燃料電池スタック１）において、前記セパレータのうち少なくとも一部のセパレータ（例えば、後述する実施例におけるカソード側セパレータ３１，５５）は、前記膜電極構造体に当接する側の面に設けられた反応ガス流路（例えば、後述する実施例における空気流路３３，５８）と、前記反応ガス流路に反応ガスを導入または排出するための反応ガス開口部（例えば、後述する実施例における空気供給開口３７，７５，空気排出開口３８、７４）と、前記反応ガス流路が設けられた面とは反対側の面に設けられ予測される膜電極構造体内部の水分分布に応じて複数の領域に分割された分割冷媒流路（例えば、後述する実施例における第１分割冷媒流路３５Ａ，６０Ａ，６１Ａ、第２分割冷媒流路３５Ｂ，６０Ｂ，６１Ｂ、第３分割冷媒流路６０Ｃ）と、前記分割冷媒流路に冷媒を導入または排出するための開口部であって導入側または排出側の開口部の少なくとも一方が複数個設けられた冷媒開口部（例えば、後述する実施例における第１冷媒供給開口４１，７６，８１、第１冷媒排出開口７２、第２冷媒供給開口４２，７７，８２、第２冷媒排出開口７３、第３冷媒排出開口８３、冷媒供給開口８０、冷媒排出開口４３，７９）と、を備えることを特徴とする。
このように構成することにより、分割冷媒流路毎に冷媒の流量を変えることが可能となり、水分分布に応じて冷却の程度を変えることが可能になる。

請求項３に係る発明は、固体高分子電解質膜（例えば、後述する実施例における固体高分子電解質膜５１）を一対の電極（例えば、後述する実施例におけるカソード電極５２、アノード電極５３）で挟持した膜電極構造体（例えば、後述する実施例における膜電極構造体５４）の前記各電極に供給された反応ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池スタック（例えば、後述する実施例における燃料電池スタック１）と、前記燃料電池スタックに前記反応ガスを供給する反応ガス供給手段（例えば、後述する実施例における水素供給装置２、空気供給装置６）と、前記燃料電池スタックの温度を検出する温度検出手段（例えば、後述する実施例における水温センサ１６）と、前記燃料電池スタックの冷媒流路（例えば、後述する実施例における冷媒流路３５，６０）に冷媒を循環させる冷媒循環路（例えば、後述する実施例における冷媒循環路１８）と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記冷媒流路は予測される前記膜電極構造体内の水分分布に応じて複数の領域に分割され各領域毎に独立した分割冷媒流路（例えば、後述する実施例における第１分割冷媒流路３５Ａ，６０Ａ，６１Ａ、第２分割冷媒流路３５Ｂ，６０Ｂ，６１Ｂ、第３分割冷媒流路６０Ｃ）にされており、前記各分割冷媒流路に流れる冷媒の流量を調整する流量調整手段（例えば、後述する実施例における流量制御弁１５）と、前記温度検出手段によって検出された温度に基づいて前記流量調整手段を制御する制御手段（例えば、後述する実施例におけるＥＣＵ２０）と、を備えることを特徴とする。
このように構成することにより、燃料電池スタックの温度に基づいて、分割冷媒流路毎に冷媒の流量を最適流量に制御することが可能となる。

請求項４に係る発明は、請求項３に記載の発明において、前記制御手段は、前記温度検出手段によって検出された温度に基づいて氷点下環境であるか否かを判定する環境判定手段（例えば、後述する実施例におけるステップＳ１１）と、前記環境判定手段によって氷点下環境であると判定された場合に、前記分割冷媒流路のうち膜電極構造体内の水分量の少ない領域に対応する分割冷媒流路にのみ冷媒を流すべく前記流量調整手段を動作させ、前記温度検出手段によって検出された温度が予め設定された所定温度以上になったときに他の分割冷媒流路にも冷媒を流すべく前記流量調整手段を動作させる冷媒循環処理手段（例えば、後述する実施例におけるステップＳ１３〜Ｓ１５）と、を備えることを特徴とする。
このように構成することにより、氷点下環境の始動直後は、膜電極構造体内の水分量の少ない領域に対応する分割冷媒流路にのみ冷媒を流し、水分量の多い領域に対応する分割冷媒流路に冷媒を流さないようにすることができ、その後、燃料電池スタックの温度が予め設定された所定温度以上になったときに水分量の多い領域に対応する分割冷媒流路にも冷媒を流すことができる。

氷点下環境での燃料電池スタックの始動において、膜電極構造体の温度上昇は膜電極構造体内に残留する水分量に依存する。したがって、氷点下環境での燃料電池スタックの始動時に、水分量の多い領域に冷却液を流通させると、この領域における膜電極構造体の温度上昇が遅くなって水の凍結が起こり、この凍結により始動時のガス拡散性が阻害されて発電能力が低下してしまう。あるいは、凍結後の氷から水への状態変化に伴う熱の吸収が発生して、前記領域における温度上昇が水分量の少ない領域に比較して遅れてしまう。請求項４に係る発明では、氷点下環境での始動直後は、水分量の多い領域に冷媒を流さないことにより、この領域の温度上昇を促進して、水の凍結を確実に防止するとともに、印加可能な負荷電流の増加速度を速める。

一方、氷点下環境での燃料電池スタックの始動時に、水分量の少ない領域についても冷媒の流通を停止してしまうと、この領域における膜電極構造体の温度上昇が速くなって、膜電極構造体の温度が過剰に上昇し、性能劣化を起こす虞があるので、水分量の少ない領域については、氷点下環境での始動時であっても冷媒を流通させて、膜電極構造体の過剰な温度上昇を防止し、性能劣化を防止する。

請求項１に係る発明の燃料電池によれば、分割冷媒流路毎に冷媒の流量を変えることが可能となり、水分分布に応じて冷却の程度を変えることができる。
請求項２に係る発明の燃料電池スタックによれば、分割冷媒流路毎に冷媒の流量を変えることが可能となり、水分分布に応じて冷却の程度を変えることができる。
請求項３に係る発明の燃料電池システムによれば、燃料電池スタックの温度に基づいて、分割冷媒流路毎に冷媒の流量を最適流量に制御することができる。

請求項４に係る発明によれば、氷点下環境の始動直後は、水分量の多い領域に対応する分割冷媒流路に冷媒を流さないので、水分量の多い領域の始動直後の温度上昇を促進することができ、水の凍結を確実に防止できるとともに、印加可能な負荷電流の増加速度を速めることができる。また、氷点下環境の始動直後は、膜電極構造体内の水分量の少ない領域に対応する分割冷媒流路にのみ冷媒を流すので、水分量の少ない領域の過剰な温度上昇を防止することができ、性能劣化を防止することができる。したがって、氷点下環境の始動性が向上する。

以下、この発明に係る燃料電池、燃料電池スタック、燃料電池システムの実施例を図１から図２０の図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施例における燃料電池スタックおよび燃料電池システムは燃料電池車両に搭載された態様であり、燃料電池の燃料として水素、酸化剤として空気中の酸素が使用される態様である。

この発明の実施例１を図１から図１２の図面を参照して説明する。
初めに、図２から図７の図面を参照して燃料電池スタック１について説明する。燃料電池スタック１は固体高分子型の燃料電池であり、図２および図３に示すように、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜５１をカソード電極５２とアノード電極５３とで両側から挟み込んで膜電極構造体５４を形成し、膜電極構造体５４の両側にセパレータ５５，５６を配置してセル（単位燃料電池）５０を構成し、このセル５０を複数積層して燃料電池スタック１が構成されている。

セパレータ５５，５６はカーボン製や金属製が採用可能であるが、この実施例では金属製のセパレータを採用している。詳述すると、セパレータ５５，５６は金属板をプレス成形して製造されたものであり、第１平坦部５５ａ，５６ａと第２平坦部５５ｂ，５６ｂを交互に有する断面波形をなしている。セパレータ５５，５６は、セパレータ５５の第１平坦部５５ａを膜電極構造体５４のカソード電極５２に当接させ、セパレータ５６の第１平坦部５６ａを膜電極構造体５４のアノード電極５３に当接させ、互いに隣接して配置されたセパレータ５５，５６の第２平坦部５５ｂ，５６ｂ同士を当接させて、積層されている。
金属製のセパレータは、カーボン製のセパレータよりも薄くでき燃料電池スタック１の積層方向寸法を短くすることができるとともに、カーボン製のセパレータよりも熱容量が小さくでき暖め易いという特徴を有している。

このようにセル５０を複数積層してなる燃料電池スタック１においては、セパレータ５５とカソード電極５２との間に形成される空間は空気（カソードガス、反応ガス）が流通する空気流路（反応ガス流路）５８とされ、セパレータ５６とアノード電極５３との間に形成される空間は水素ガス（アノードガス、反応ガス）が流通する燃料流路（反応ガス流路）５９とされ、互いに隣接して配置された両セパレータ５５，５６間に形成される空間は冷却液（冷媒）が流通する冷媒流路６０とされている。つまり、セパレータ５５，５６は、アノードガスとカソードガスと冷却液を分離する機能を有する。
なお、以下の説明では、空気流路５８と燃料流路５９を総称して反応ガス流路５８，５９と記載する場合があり、また、必要に応じて、セパレータ５５，５６を、カソード側セパレータ５５、アノード側セパレータ５６として区別する。

このように構成されたセル５０および燃料電池スタック１は、固体高分子電解質膜５１を一対の電極５２，５３で挟持した膜電極構造体５４の各電極５２，５３の外側にそれぞれ反応ガス流路５８，５９が設けられ、反応ガス流路５８，５９から離隔して膜電極構造体５４の面方向に沿って冷媒流路６０が設けられている燃料電池ということができる。
さらに、燃料電池スタック１は、固体高分子電解質膜５１を一対の電極５２，５３で挟持した膜電極構造体５４をセパレータ５２，５３を介して複数個積層した燃料電池スタックということができる。
なお、この実施例では、互いに隣接して配置されたセパレータ５５，５６間に形成される空間を総て冷媒流路６０としたが、必ずしもそのようにする必要はなく、例えば、ある一つの膜電極構造体５４に対して一方の側に形成されるセパレータ５５，５６間の空間は冷媒流路６０とし、他方の側に形成されるセパレータ５５，５６間の空間には冷媒を流さないようにしてもよい。つまり、冷媒流路６０は間引いて設けてもよい

また、図２に示すように、膜電極構造体５４は、固体高分子電解質膜５１の周縁部に電極５２，５３を有さない領域（以下、電極５２，５３を有する領域を「発電部」、有さない領域を「非発電部」と称す）を有し、この非発電部における左端部に４つの開口７１，７２，７３，７４が設けられ、右端部に４つの開口７５，７６、７７，７８が設けられている。
セパレータ５５，５６の反応ガス流路５８，５９および冷媒流路６０は膜電極構造体５４における電極５２，５３に対応する領域（すなわち、発電部）に形成されており、セパレータ５５，５６の左右端部には膜電極構造体５４と同様に開口７１〜７８が設けられている。これら開口７１〜７８は膜電極構造体５４とセパレータ５５，５６を積層した状態（すなわち、燃料電池スタック１として組み立てられた状態）においてシール材（図示略）を介して各開口毎にそれぞれ１本の管の如く連通し、分配流路もしくは集合流路として機能する。

ここで、左端部側の開口は上から順に、燃料供給開口７１，第１冷媒排出開口（冷媒開口部）７２、第２冷媒排出開口（冷媒開口部）７３、空気排出開口（反応ガス開口部）７４とされており、右端部側の開口は上から順に、空気供給開口（反応ガス開口部）７５、第１冷媒供給開口（冷媒開口部）７６、第２冷媒供給開口（冷媒開口部）７７、燃料排出開口７８とされている。そして、燃料供給開口７１同士が連通して燃料分配流路７１Ａを構成し、第１冷媒排出開口７２同士が連通して第１冷媒集合流路７２Ａを構成し、第２冷媒排出開口７３同士が連通して第２冷媒集合流路７３Ａを構成し、空気排出開口７４同士が連通して空気集合流路７４Ａを構成し、空気供給開口７５同士が連通して空気分配流路７５Ａを構成し、第１冷媒供給開口７６同士が連通して第１冷媒分配流路７６Ａを構成し、第２冷媒供給開口７７同士が連通して第２冷媒分配流路７７Ａを構成し、燃料排出開口７８同士が連通して燃料集合流路７８Ａを構成する。

図４は、アノード側セパレータ５６を燃料流路５９が形成される側から見た正面図である。燃料流路５９は所定本数平行に配列されていて、逆Ｓ字状に蛇行して形成されており、図中左上部分に位置する燃料流路５９の始端が燃料供給開口７１に連通し、図中右下部分に位置する燃料流路５９の終端が燃料排出開口７８に連通している。したがって、水素ガスは、燃料分配流路７１Ａから燃料供給開口７１を介して燃料流路５９に導入され、アノード側セパレータ５６と膜電極構造体５４との間で逆Ｓ字状に流通した後、燃料排出開口７８を介して燃料集合流路７８Ａに排出される。

図５は、カソード側セパレータ５５を冷媒流路６０が形成される側から見た正面図であり、このセパレータ５５の裏面側に空気流路５８が形成される。
空気流路５８は、燃料流路５９と同本数だけ平行に配列されていて、Ｓ字状に蛇行して形成されており、図中右上部分に位置する空気流路５８の始端が空気供給開口７５に連通し、図中左下部分に位置する空気流路５８の終端が空気排出開口７４に連通している。したがって、空気は、空気分配流路７５Ａから空気供給開口７５を介して空気流路５８に導入され、カソード側セパレータ５５と膜電極構造体５４との間でＳ字状に流通した後、空気排出開口７４を介して空気集合流路７４Ａに排出される。

図６は、カソード側セパレータ５５とアノード側セパレータ５６を重ね合わせたときに形成される冷媒流路６０を示している。ここで、セパレータ５５，５６が波板状をなしていることから、空気流路５８の折り返し部に対応する部分と燃料流路５９の折り返し部に対応する部分が重なる左右二つの領域Ｇにおいて、冷却液は冷媒流路６０を水平方向および上下方向に自由に流通することができることとなる。一方、前記領域Ｇを除いた領域Ｈでは冷媒流路６０は総て水平方向にのみ流通可能である。

また、この実施例では、前記領域Ｇにおいてカソード側セパレータ５５の平坦部５５ａ，５５ｂとアノード側セパレータ５６の平坦部５６ａ，５６ｂの長手方向がともに鉛直方向に配置されて重なる部分に、図７に示すように、冷却液の鉛直方向への流通を阻止するための閉塞片６５が設置されている。このように閉塞片６５を設置することにより、冷媒流路６０は左右の閉塞片６５よりも上側に位置する領域と下側に位置する領域に分割される。以下、前記上側の領域の冷媒流路６０を第１分割冷媒流路６０Ａ、前記下側の領域の冷媒流路６０を第２分割冷媒流路６０Ｂと称す。第１分割冷媒流路６０Ａと第２分割冷媒流路６０Ｂは互いに独立しており、冷却液が相互に流通することはない。

そして、第１分割冷媒流路６０Ａの右端部が第１冷媒供給開口７６に連通し、第１分割冷媒流路６０Ａの左端部が第１冷媒排出開口７２に連通している。したがって、冷却液は、第１冷媒分配流路７６Ａから第１冷媒供給開口７６を介して第１分割冷媒流路６０Ａに導入され、第１分割冷媒流路６０Ａを水平方向に流通した後、第１冷媒排出開口７２を介して第１冷媒集合流路７２Ａに排出される。
また、第２分割冷媒流路６０Ｂの右端部が第２冷媒供給開口７７に連通し、第２分割冷媒流路６０Ｂの左端部が第２冷媒排出開口７３に連通している。したがって、冷却液は、第２冷媒分配流路７７Ａから第２冷媒供給開口７７を介して第２分割冷媒流路６０Ｂに導入され、第２分割冷媒流路６０Ｂを水平方向に流通した後、第２冷媒排出開口７３を介して第２冷媒集合流路７３Ａに排出される。
なお、図９は、燃料電池スタック１内における冷却液の流れを模式的に示したものである。

次に、図１を参照して、前記燃料電池スタック１が組み込まれた燃料電池システムについて説明する。
水素ガスは、水素供給装置２から燃料供給流路３、エゼクタ４を通って燃料電池スタック１の燃料分配流路７１Ａに供給され、各セル５０の燃料流路５９に導入されて発電に供される。発電に供されなかった水素ガス、すなわち未反応の水素ガスはアノードオフガスとして燃料集合流路７８Ａに排出され、アノードオフガス回収流路５を通ってエゼクタ４に吸引され、水素供給装置２から供給される新鮮な水素ガスと合流して再び燃料電池スタック１に供給されるようになっている。
空気は空気供給装置６から空気供給流路７を通って燃料電池スタック１の空気分配流路７５Ａに供給され、各セル５０の空気流路５８に導入されて発電に供される。空気は、空気中の酸素が酸化剤として発電に供された後、カソードオフガスとして空気集合流路７４Ａに排出され、アノードオフガス流路８、圧力制御弁９を介して大気に放出される。

また、燃料電池スタック１を冷却するための冷却液は、ＥＣＵ２０によって運転制御されるウォーターポンプ１０によって昇圧され、燃料電池スタック１の第１分割冷媒流路６０Ａおよび第２分割冷媒流路６０Ｂに接続された冷媒循環路１８を循環する。詳述すると、ウォーターポンプ１０によって昇圧された冷却液は、ラジエータ１７を通り、第１冷媒供給流路１１、第２冷媒供給流路１２を介して、燃料電池スタック１の第１冷媒分配流路７６Ａ、第２冷媒分配流路７７Ａに供給され、第１分割冷媒流路６０Ａ、第２分割冷媒流路６０Ｂに導入される。第１分割冷媒流路６０Ａ、第２分割冷媒流路６０Ｂを流通した冷却液はそれぞれ第１冷媒集合流路７２Ａ、第２冷媒集合流路７３Ａを介して燃料電池スタック１から排出され、それぞれ第１冷媒排出流路１３、第２冷媒排出流路１４を通ってウォーターポンプ１０に戻る。第２冷媒供給流路１２の途中には、電子制御装置（以下、ＥＣＵと略す）２０によって開閉制御される流量制御弁（流量調整手段）１５が設けられている。また、第１冷媒排出流路１３には、第１冷媒集合流路７２Ａから排出される冷却液の温度を検出するための水温センサ１６が設けられており、水温センサ１６の出力信号はＥＣＵ２０に入力される。

この燃料電池スタック１では、アノード電極５３で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜５１を透過してカソード電極５２まで移動し、カソード電極５２で酸素と電気化学反応を起こして発電し、その際に水を生成する。このこの発電に伴う発熱により燃料電池スタック１が所定の作動温度を越えないように、第１分割冷媒流路６０Ａ、第２分割冷媒流路６０Ｂを流れる冷却液で熱を奪い冷却する。

ところで、この燃料電池システムでは、発電停止時に燃料電池スタック１の反応ガス流路５８，５９に乾燥ガスを流して反応ガス流路５８，５９内の水分を排出する処理（以下、パージという）を行うが、このパージが不十分な場合には、重力方向下側に水が残り、この残留水が発電停止中に凍結して、その後の始動時に反応ガス流路５８，５９の下流領域へのガス供給が阻害される場合がある。
また、発電停止時のパージが十分に行われている場合であっても、始動時に発電に伴って生じる生成水が凍結して反応ガス流路５８，５９のガス供給が阻害される部分が生じる場合がある。この場合のガス供給が阻害される部分は、反応ガス流路の形状、反応ガスの流し方（対向流、並向流等）によってかわる。
この実施例では、いずれの場合であるかを問わず、図８に示すように下側領域で水分量が多くなると想定される場合を例にとって説明する。前述した第１分割冷媒流路６０Ａと第２分割冷媒流路６０Ｂも、この水分分布の予測に基づいて分割されている。

氷点下環境での燃料電池スタック１の始動において、セル５０の発電部における温度上昇は、膜電極構造体５４内の発電部に残留する水分量に依存する。したがって、氷点下環境での燃料電池スタック１の始動時に、水分量の多い下側領域に冷却液を流通させると、下側領域における発電部の温度上昇が遅くなって水の凍結が起こり、この凍結により始動時のガス拡散性が阻害されて発電能力が低下する虞がある。あるいは、凍結後の氷から水への状態変化に伴う熱の吸収が発生して、下側領域における温度上昇が上側領域に比較して遅れてしまう。そこで、この燃料電池システムでは、氷点下環境での始動直後は、水分量の多い下側領域では冷却液の循環を停止することにより、下側領域の温度上昇を促進して、水の凍結を確実に防止するとともに、印加可能な負荷電流の増加速度を速めて始動性の向上を図る。

一方、氷点下環境での燃料電池スタック１の始動時に、水分量の少ない上側領域についても冷却液の循環を停止してしまうと、上側領域における発電部の温度上昇が速くなって、セル５０内部の温度が過剰に上昇し、膜電極構造体５４の性能劣化を起こす虞があるので、水分量の少ない上側領域については、氷点下環境での始動時であっても冷却液の循環を行って、膜電極構造体５４の過剰な温度上昇を防止し、膜電極構造体５４の性能劣化を防止するようにした。
これにより、氷点下環境での燃料電池スタック１の始動性が向上し、燃料電池スタック１の性能を長期に亘って良好な状態に保持することができる。

次に、この実施例における冷却液循環制御について、図１０のフローチャートに従って説明する。
まず、ステップＳ１１において、水温センサ１６で検出された冷却液温度が予め設定された第１の規定温度（例えば、０゜Ｃ）を超えているか否かを判定する。
ステップＳ１１における判定結果が「ＮＯ」（冷却液温度≦第１の規定温度）である場合は、燃料電池スタック１が氷点下環境における始動ではないと判断して、ステップＳ１２に進み、水素供給装置２および空気供給装置６から水素ガスおよび空気を燃料電池スタック１に供給して発電を開始するとともに、冷却液ポンプ１０を運転し流量制御弁１５を開いて、第１分割冷媒流路６０Ａおよび第２分割冷媒流路６０Ｂの両方に冷却液を循環する。その後、ステップＳ１６に進んで通常の発電を行う。

一方、ステップＳ１１における判定結果が「ＹＥＳ」（冷却液温度＞第１の規定温度）である場合は、燃料電池スタック１が氷点下環境における始動であると判断して、ステップＳ１３に進み、水素供給装置２および空気供給装置６から水素ガスおよび空気を燃料電池スタック１に供給して発電を開始するとともに、流量制御弁１５を閉じて冷却液ポンプ１０を運転し、発電部の上側領域に対応する第１分割冷媒流路６０Ａにのみ冷却液を循環させ、発電部の下側領域に対応する第２分割冷媒流路６０Ｂには冷却液を循環させない。

そして、ステップＳ１３からステップＳ１４に進み、水温センサ１６で検出された冷却液温度が予め設定された第２の規定温度（例えば、０゜Ｃ）以上か否かを判定する。
ステップＳ１４における判定結果が「ＮＯ」（冷却液温度＜第２の規定温度）である場合は、第１分割冷媒流路６０Ａのみでの冷却液循環を継続する。
ステップＳ１４における判定結果が「ＹＥＳ」（冷却液温度≧第２の規定温度）である場合は、ステップＳ１５に進み、流量制御弁１５を開いて、第２分割冷媒流路６０Ｂにも冷却液を流通させ、第１分割冷媒流路６０Ａおよび第２分割冷媒流路６０Ｂの両方で冷却液を循環する。その後、ステップＳ１６に進んで通常の発電を行う。

なお、この実施例１においては、ＥＣＵ２０によって制御手段が実現され、ＥＣＵ２０がステップＳ１１の処理を実行することにより環境判定手段が実現され、ＥＣＵ２０がステップＳ１３〜Ｓ１５の一連の処理を実行することにより冷媒循環処理手段が実現される。

なお、第２の規定温度は、膜電極構造体５４の性能劣化特性に基づいて設定される温度である。また、第１の規定温度と第２の規定温度は同一温度に設定してもよいし、あるいは異なる温度に設定してもよい。
また、この実施例では冷却液温度を燃料電池スタック１を代表する温度として、これを第１の規定温度、第２の規定温度と比較しているが、第１の規定温度、第２の規定温度と比較すべき燃料電池スタック１の代表温度は冷却液温度に限るものではなく、例えば、燃料電池スタック１の膜電極構造体５４の発電部の温度をセンサで検出し、これを燃料電池スタック１の代表温度として用いてもよい。

また、この実施例では、第１分割冷媒流路６０Ａ、第２分割冷媒流路６０Ｂに対してそれぞれ１つずつ冷媒供給開口７５または７６、冷媒排出開口７２または７３を設けているが、図１１に示すように、２つの冷媒排出開口７２，７３を一つにまとめて冷媒排出開口７９としてもよいし、あるいは、図１２に示すように、２つの冷媒供給開口７５，７６を一つにまとめて冷媒供給開口８０としてもよい。なお、冷媒供給開口７５，７６を一つにまとめて冷媒供給開口８０とする場合には、第２冷媒供給流路１２に流量制御弁１５を設ける代わりに、第２冷媒出口流路１４に流量制御弁１５を設ける。

次に、この発明の実施例２を図１３から図１６の図面を参照して説明する。実施例２の燃料電池スタック１が実施例１のものと相違する点は、冷媒流路６０が上下方向に３分割されている点にある。
図１３はアノード側セパレータ５６を燃料流路５９が形成される側から見た正面図、図１４はカソード側セパレータ５５を冷媒流路６０が形成される側から見た正面図、図１５はカソード側セパレータ５５を冷媒５とアノード側セパレータ５６を重ね合わせたときに形成される冷媒流路６０を示している。実施例２のセパレータ５５，５６は、閉塞片の設置位置だけを異にした実施例１のものと同じ構成のセパレータ５５，５６が用いられている。

実施例２のセパレータ５５，５６では、カソード側セパレータ５５の平坦部５５ａ，５５ｂの長手方向とアノード側セパレータ５６の平坦部５６ａ，５６ｂの長手方向が互いに直交して配置されて重なる部分の上下左右４箇所に、図１６に示すように、冷却液の鉛直方向への流通を阻止するための閉塞片６６が設置されている。このように閉塞片６６を設置することにより、冷媒流路６０は、左右上側の閉塞片６６よりも上側に位置する上部領域と、左右上側の閉塞片６６より下側で左右下側の閉塞片６６よりも上側に位置する中間領域と、左右下側の閉塞片６６より下側に位置する下部領域に分割される。以下、前記上部領域の冷媒流路６０を第１分割冷媒流路６１Ａ、前記中間領域の冷媒流路６０を第２分割冷媒流路６１Ｂ、前記下部領域の冷媒流路６０を第３分割冷媒流路６１Ｃと称す。各分割冷媒流路６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃは互いに独立しており、冷却液が相互に流通することはない。

そして、膜電極構造体５４、セパレータ５５，５６の非発電部における左側には、燃料供給開口７１と空気排出開口（反応ガス開口部）７４との間に冷媒排出開口（冷媒開口部）７９が一つだけ設けられ、非発電部における右側には、空気供給開口（反応ガス開口部）７５と燃料排出開口７８との間に第１冷媒供給開口（冷媒開口部）８１、第２冷媒供給開口（冷媒開口部）８２、第３冷媒供給開口（冷媒開口部）８３が設けられている。

第１分割冷媒流路６１Ａの右端部は第１冷媒供給開口８１に連通し、第２分割冷媒流路６１Ｂの右端部は第２冷媒供給開口８２に連通し、第３分割冷媒流路６１Ｃの右端部は第３冷媒供給開口８３に連通しており、これら３つの分割冷媒流路６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃの各左端部はいずれも冷媒排出開口７９に連通している。したがって、冷却液は第１冷媒供給開口８１から第１分割冷媒流路６１Ａに導入され、第１分割冷媒流路６１Ａを水平方向に流通した後、冷媒排出開口７９を介して排出される。また、冷却液は第２冷媒供給開口８２から第１分割冷媒流路６１Ｂに導入され、第２分割冷媒流路６１Ｂを水平方向に流通した後、冷媒排出開口７９を介して排出される。また、冷却液は第３冷媒供給開口８３から第３分割冷媒流路６１Ｃに導入され、第３分割冷媒流路６１Ｃを水平方向に流通した後、冷媒排出開口７９を介して排出される。

このように冷媒流路６０を上下方向に３分割にした場合には、氷点下環境の始動時における冷却液循環をより細かく制御することができる。例えば、氷点下環境の始動直後は第２，第３の分割冷媒流路６１Ｂ，６１Ｃには冷却液循環を停止して第１分割冷媒流路６１Ａにのみ冷却液循環を行い、燃料電池スタック１が若干暖まってきたときに第２分割冷媒流路６１Ｂにも冷却液循環を開始し、燃料電池スタック１がさらに暖まってきたときに第３分割冷媒流路６１Ｃにも冷却液循環を開始するようにすることができる。

次に、この発明の実施例３を図１７から図２０の図面を参照して説明する。実施例３の燃料電池スタック１が実施例１のものと相違する点は、セパレータがカーボン製である点と、燃料電池スタック１内の水分量が右側で多くなっていると予測される場合を例に挙げている点と、冷媒流路が左右方向に２分割されている点にある。
図１７の断面図に示すように、実施例３の燃料電池スタック１も、膜電極構造体５４の両側にセパレータ３１，３２を配置してなるセル３０を複数積層して構成されている。膜電極構造体５４については実施例１のものと全く同じ構成であるので、同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。
膜電極構造体５４のアノード電極５３に当接して配置されるアノード側セパレータ３２には、アノード電極５３と対向する面に燃料流路３４を構成する多数の溝が形成されている。図１８はアノード側セパレータ３２を燃料流路３４が形成される側から見た正面図であり、燃料流路３４は発電面のほぼ全域に亘って水平方向に直線状に設けられている。

膜電極構造体５４のカソード電極５２に当接して配置されるカソード側セパレータ３１には、カソード電極５２と対向する面に空気流路３３を構成する多数の溝が形成されており、反対側の面（すなわち、アノード側セパレータ３２に対向する面）に冷媒流路３５を構成する多数の溝が形成されている。図１９はカソード側セパレータ３１を空気流路３３が形成される側から見た正面図であり、空気流路３３は発電面のほぼ全域に亘って水平方向に直線状に設けられている。また、図２０はカソード側セパレータ３１を冷媒流路３５が形成される側から見た正面図であり、冷媒流路３５は発電面のほぼ全域に亘って鉛直方向に直線状に設けられていて、左右２つの領域に分割されている。以下、左側の領域に配置された冷媒流路３５を第１分割冷媒流路３５Ａ、右側の領域に配置された冷媒流路３５を第２分割冷媒流路３５Ｂとして区別する。第１分割冷媒流路３５Ａと第２分割冷媒流路３５Ｂは互いに独立しており、冷却液が相互に流通することはない。

膜電極構造体５４と両セパレータ３１，３２の非発電部には、左側上部に燃料供給開口３６が設けられ、左側下部に空気供給開口（冷媒開口部）３７が設けられ、右側上部に空気排出開口（反応ガス開口部）３８が設けられ、右側下部に燃料排出開口３９が設けられ、上側に左右一対の第１冷媒供給開口（冷媒開口部）４１と第２冷媒供給開口（冷媒開口部）４２が設けられ、下側に冷媒排出開口（冷媒開口部）４３が設けられている。なお、図１８，図２０と図１９は表裏の関係にあるため、図１９では図中左側に空気排出開口３８と燃料排出開口３９が記載され、図中右側に燃料供給開口３６と空気供給開口３７が記載されている。

燃料供給開口３６と燃料排出開口３９は燃料流路３４に連通しており、水素ガスは燃料供給開口３６から燃料流路３４に導入され、燃料流路３４を水平方向に流通した後、燃料排出開口３９に排出される。
空気供給開口３７と空気排出開口３８は空気流路３３に連通しており、空気は空気供給開口３７から空気流路３３に導入され、空気流路３３を水平方向に流通した後、空気排出開口３８に排出される。なお、この実施例３では、水素ガスと空気は並向流となる。
第１冷媒供給開口４１は第１分割冷媒流路３５Ａに連通し、第２冷媒供給開口４２は第２分割冷媒流路３５Ｂに連通し、冷媒排出開口４３は第１分割冷媒流路３５Ａと第２分割冷媒流路３５Ｂに連通している。したがって、冷却液は、第１冷媒供給開口４１あるいは第２冷媒供給開口４２から第１分割冷媒流路３５Ａあるいは第２分割冷媒流路６０Ｂに導入され、第１分割冷媒流路３５Ａあるいは第２分割冷媒流路６０Ｂを上から下に流通した後、冷媒排出開口４３に排出される。

この実施例の場合、発電部における左側領域よりも右側領域の方が水分量が多くなると予測されている。前述した第１分割冷媒流路３５Ａと第２分割冷媒流路３５Ｂは、この水分分布の予測に基づいて分割されている。

そこで、この燃料電池システムでは、氷点下環境での始動直後は、水分量の多い右側領域に配置された第２分割冷媒流路３５Ｂに対し冷却液の循環を停止することにより、右側領域の温度上昇を促進して、水の凍結を確実に防止するとともに、印加可能な負荷電流の増加速度を速めて始動性の向上を図る。
一方、水分量の少ない左側領域に配置された第１分割冷媒流路３５Ａについては、氷点下環境での始動直後から冷却液の循環を行って、膜電極構造体５４の過剰な温度上昇を防止し、膜電極構造体５４の性能劣化を防止する。
これにより、氷点下環境での燃料電池スタック１の始動性が向上し、燃料電池スタック１の性能を長期に亘って良好な状態に保持することができる。

〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、冷媒流路の分割数は４つ以上であってもよい。 また、冷媒流路の分割は予測される水分分布に応じて適宜に設定することができ、前述した実施例の分割形態に限定されるものではない。
また、前述した実施例では、氷点下環境での燃料電池スタックの始動時に、水分量の多い領域への冷媒の流通を完全に停止したが、必ずしも完全に停止させる必要はなく、例えば、水分量の多い領域に流通させる冷媒の流量を、水分量の少ない領域に流通させる冷媒の流量よりも十分に小さくすることによっても本発明は成立する。

また、前述した実施例では、水分量の多い領域への冷媒の流通を停止するのにバルブを用いているが、これに代えて例えば、水分量の多い領域の冷媒流路の流路抵抗を、水分量の少ない領域の冷媒流路の流路抵抗よりも大きくしておき、冷媒の流量を所定に減少させると、水分量の少ない領域の冷媒流路にのみ冷媒が流れ、水分量の多い流域の冷媒流路に冷媒が流れなくなるという現象を利用してもよい。
また、燃料電池スタックおよび燃料電池システムは車両搭載用に限らず、車両以外の移動体に搭載してもよいし、あるいは定置式としてもよい。

この発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成図である。 この発明に係る燃料電池スタックの実施例１における分解斜視図である。 前記実施例１における燃料電池スタックの断面図である。 前記実施例１における燃料電池スタックのアノード側セパレータの正面図である。 前記実施例１における燃料電池スタックのカソード側セパレータの正面図である。 前記実施例１における燃料電池スタックのアノード側セパレータとカソード側セパレータを重ねたときに形成される冷媒流路の正面図である。 前記実施例１における冷媒流路分割部を示す断面図である。 前記実施例１における膜電極構造体内部の水分分布を説明するための図である。 前記実施例１における冷媒の流れを模式的に示した図である。 前記実施例１における冷媒循環制御を示すフローチャートである。 前記実施例１の変形例における冷媒の流れを模式的に示した図である。 前記実施例１の別の変形例における冷媒の流れを模式的に示した図である。 この発明に係る燃料電池スタックの実施例２におけるアノード側セパレータの正面図である。 前記実施例２における燃料電池スタックのカソード側セパレータの正面図である。 前記実施例２における燃料電池スタックのアノード側セパレータとカソード側セパレータを重ねたときに形成される冷媒流路の正面図である。 前記実施例２における冷媒流路分割部を示す断面図である。 この発明に係る燃料電池スタックの実施例３における断面図である。 前記実施例３における燃料電池スタックのアノード側セパレータの正面図である。 前記実施例３における燃料電池スタックのカソード側セパレータの背面図である。 前記実施例３における燃料電池スタックのカソード側セパレータの正面図である。 氷点下始動時に冷却液の循環を停止させた場合のスタック電圧の経時変化を示す図である。 氷点下始動時に印加可能な負荷電流の時間的変化について、冷却液循環の有無で比較した図である。

符号の説明

１ 燃料電池スタック
２ 水素供給装置（反応ガス供給手段）
６ 空気供給手段（反応ガス供給手段）
１５ 流量制御弁（流量調整手段）
１６ 水温センサ（温度検出手段）
１８ 冷媒循環路
２０ ＥＣＵ（制御手段）
３１，５５ カソード側セパレータ
３２，５６ アノード側セパレータ
５１ 固体高分子電解質膜
５２ カソード電極
５３ アノード電極
５４ 膜電極構造体
３３，５８ 空気流路（反応ガス流路）
３４，５９ 燃料流路（反応ガス流路）
３５，６０ 冷媒流路
３５Ａ，，６０Ａ，６１Ａ 第１分割冷媒流路
３５Ｂ，６０Ｂ，６１Ｂ 第２分割冷媒流路
６１Ｃ 第３分割冷媒流路
３６，７１ 燃料供給開口
３７，７５ 空気供給開口（反応ガス開口部）
３８，７４ 空気排出開口（反応ガス開口部）
３９，７８ 燃料排出開口
４１，７６ 第１冷媒供給開口（冷媒開口部）
４２，７７ 第２冷媒供給開口（冷媒開口部）
４３， 冷媒排出開口（冷媒開口部）
７２ 第１冷媒排出開口（冷媒開口部）
７３ 第２冷媒排出開口（冷媒開口部）
７９ 冷媒排出開口（冷媒開口部）
８０ 冷媒供給開口（冷媒開口部）
８１ 第１冷媒供給開口（冷媒開口部）
８２ 第２冷媒供給開口（冷媒開口部）
８３ 第３冷媒供給開口（冷媒開口部）

Claims (4)

1. 固体高分子電解質膜を一対の電極で挟持した膜電極構造体の前記各電極の外側にそれぞれ反応ガス流路が設けられ前記反応ガス流路から離隔して前記膜電極構造体の面方向に沿って冷媒流路が設けられている燃料電池において、
   前記冷媒流路は、予測される前記膜電極構造体内の水分分布に応じて複数の領域に分割され、各領域毎に独立した分割冷媒流路にされていることを特徴とする燃料電池。
2. 固体高分子電解質膜を一対の電極で挟持した膜電極構造体をセパレータを介して複数個積層した燃料電池スタックにおいて、
   前記セパレータのうち少なくとも一部のセパレータは、前記膜電極構造体に当接する側の面に設けられた反応ガス流路と、前記反応ガス流路に反応ガスを導入または排出するための反応ガス開口部と、前記反応ガス流路が設けられた面とは反対側の面に設けられ予測される膜電極構造体内部の水分分布に応じて複数の領域に分割された分割冷媒流路と、前記分割冷媒流路に冷媒を導入または排出するための開口部であって導入側または排出側の開口部の少なくとも一方が複数個設けられた冷媒開口部と、を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
3. 固体高分子電解質膜を一対の電極で挟持した膜電極構造体の前記各電極に供給された反応ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに前記反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、前記燃料電池スタックの温度を検出する温度検出手段と、前記燃料電池スタックの冷媒流路に冷媒を循環させる冷媒循環路と、を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記冷媒流路は予測される前記膜電極構造体内の水分分布に応じて複数の領域に分割され各領域毎に独立した分割冷媒流路にされており、
   前記各分割冷媒流路に流れる冷媒の流量を調整する流量調整手段と、
   前記温度検出手段によって検出された温度に基づいて前記流量調整手段を制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
4. 前記制御手段は、
   前記温度検出手段によって検出された温度に基づいて氷点下環境であるか否かを判定する環境判定手段と、
   前記環境判定手段によって氷点下環境であると判定された場合に、前記分割冷媒流路のうち膜電極構造体内の水分量の少ない領域に対応する分割冷媒流路にのみ冷媒を流すべく前記流量調整手段を動作させ、前記温度検出手段によって検出された温度が予め設定された所定温度以上になったときに他の分割冷媒流路にも冷媒を流すべく前記流量調整手段を動作させる冷媒循環処理手段と、
   を備えることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
   

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