JP2005243570A

JP2005243570A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2005243570A
Application number: JP2004054924A
Authority: JP
Inventors: Kazuaki Ezaka; 和明江坂; Seiji Sano; 誠治佐野; Takashi Kajiwara; ▲隆▼ 梶原; Shogo Goto; 荘吾後藤
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 2004-02-27
Filing date: 2004-02-27
Publication date: 2005-09-08

Abstract

【課題】起動後直ちに発電を開始することができるとともに、触媒の劣化を抑制することが可能であり、さらにフラッディングの発生を抑制することも可能な燃料電池を提供する。
【解決手段】電解質の両側をアノードとカソードとで挟み、さらにこれらの外側にそれぞれセパレータが配設された燃料電池において、セパレータのカソードとの当接面には、エアを流通させるための、互いに交わることのない複数の流路を配設して、起動時には複数の流路の一部に暖機のための流体を供給し、他部にはエアを流通させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料電池の主な構成要素は、燃料極（「アノード」ともいう。）と、電解質膜と、空気極（「カソード」ともいう。）と、セパレータ等である。電解質膜として高分子のイオン交換膜を使用する燃料電池を、固体高分子型燃料電池（以下において、「ＰＥＦＣ（ＰｏｌｙｍｅｒＥｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅＦｕｅｌＣｅｌｌ）」と記述する。）という。ＰＥＦＣの電解質膜に使用される高分子は、７０〜９０℃でイオン導電性を示すため、他の種類の燃料電池よりも低温領域における運転が可能である他、５０〜６０％のエネルギー変換効率を持ち、通常の環境のもとでは起動時間が短く、システムが小型・軽量である等の特徴を有している。これらの特徴を有することから、ＰＥＦＣは、自動車用の動力源や携帯用電源等として注目を集めている。
燃料電池における電気発生の源となる電気化学反応は、以下の工程で進行する。まず、セパレータに形成された溝を通して燃料極へと届けられた水素は、触媒の存在下、水素イオンと電子とに分解される。
燃料極（アノード）側：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ （式１）
そして、発生した水素イオンは、イオン伝導体である電解質膜を通過して空気極へと移動する。電解質膜はイオンのみを通過させる性質を有するため、発生した電子は電解質膜を通過することができず、外部の回路を通って空気極へと移動する。燃料電池においては、かかる電子の移動により、電気が発生する。一方で、空気極へと届けられた酸素が、空気極へと移動してきた水素イオン及び電子と反応することにより、水が生成される。
空気極（カソード）側：２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ (式２)

電気自動車の用途に対して、燃料電池は、起動後直ちに電気エネルギーを発生することが要求される。通常の生活温度（例えば約１５℃）では、燃料電池は、電流を直ちに引き出すことができるので、相応の時間で起動させ、次いで、その好ましい作動温度（約８０℃）まで、燃料電池の内部抵抗を利用した加熱（以下において「ＩＲ加熱」という。）により迅速に昇温させることが可能である。しかし、寒冷の条件（例えば０℃以下の低温度）下では、急速な起動は困難になる。かかる低温においては、ＭＥＡ（膜電極アセンブリ）で生じる上記（式１）、及び（式２）で表される電気化学反応の発生する率が大幅に減少する。これによって、燃料電池から引き出すことができる電流の量が減少して、燃料電池に導入することができるＩＲ加熱を制限してしまうからである。この反応率が減少する原因は正確には解明されていない。固体高分子電解質のＨ⁺イオンの伝導が、低い温度で非常に乏しくなるため、あるいは、Ｈ₂及び／又はＯ₂を電気化学的にイオン化するための触媒効率がこれらの温度で非常に乏しくなるため、有意な量の電流をスタックから引き出すことができなくなり、さらにこれに対応するＩＲ加熱も生じなくなるため、のいずれかであると考えられている。

またさらに、このような低温の環境下では、燃料電池全体が冷え切ってしまうため、上記電気化学的反応により多少の反応熱が発生し、あるいは多少のＩＲ加熱が生じる程度では、前回運転停止時からの残留水分、あるいは上記反応で新たに生成される水が結露・凍結して、空気極のガス流路や、拡散層の微細なガス透過孔が閉塞されてしまうという問題もある。

特許文献１には、燃料電池の起動時に燃料電池が所定温度になるまで、水素をカソードのエアに混ぜて、あるいは酸素をアノードの水素に混ぜて供給する技術が開示されている。また、特許文献２には、起動時にカソードの排ガスを再びカソードに供給する技術が開示されている。
特開２００１−１８９１６４号公報特開平９−２６６００２号公報

しかし、特許文献１に開示された技術では、所定温度に至るまで、燃料電池内に混合ガスが供給されるので、その間は発電ができないという問題があった。また、混合ガスはカソード、あるいはアノードの触媒上で燃焼するため、触媒が劣化するおそれがあるという問題もあった。

また、特許文献２に開示された技術では、起動時には燃料電池は低温であるため、水分を含んだ排ガスを再び供給することで、フラッディングが起きるおそれがあるという問題があった。

そこで本発明は、起動後直ちに発電を開始することができるとともに、触媒の劣化を抑制することが可能であり、さらにフラッディングの発生を抑制することも可能な燃料電池を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
請求項１に記載の発明は、電解質の両側をアノードとカソードとで挟み、さらにこれらの外側にそれぞれセパレータが配設された燃料電池であって、セパレータのカソードとの当接面には、エアを流通させるための、互いに交わることのない複数の流路が配設され、起動時には複数の流路の一部に暖機のための流体を供給し、他部にはエアを流通させることを特徴とする燃料電池を提供して前記課題を解決する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池において、流体は水素含有ガスとエアとの混合ガスであることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池において、流体はカソードから排出されたカソード排ガスであることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池において、流体は加温手段により加温されたエアであることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１、２、及び４のいずれか１項に記載の燃料電池において、暖機に使用された流体をその後酸化ガスとして使用することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、複数流路のうち一部の流路を暖機用に、他の流路を燃料電池本来の発電用に使用することができるので、起動後直ちに発電が可能である。また、流路の一部のみに燃料電池の温度を上昇させる流体を流通させるため、温度上昇による触媒の劣化を抑制することができる。

請求項２に記載の発明によれば、暖機の熱源として、水素と酸素との化学反応による熱を利用することができる。

請求項３に記載の発明によれば、温度上昇したカソード排ガスを再びカソードに導入するので、エネルギー効率の高い燃料電池を構成することができる。また再導入される排ガスは既に水分を十分に含んでいるので加湿機を省略するこが可能である。さらに、再導入されるカソードは既に発電により所定量昇温されているので、フラッディングが抑制される。

請求項４に記載の発明によれば、エアを加熱する手段を付加すれば足りるので、簡易な方法にて暖機可能な燃料電池を構成することができる。

請求項５に記載の発明によれば、カソードの暖機に使用された後とはいえ、外気と比較すれば十分に温度の高い流体を酸化ガスとして使用するので、燃料電池の暖機時間をさらに短縮することが可能となる。さらに、暖機の熱源として水素と酸素との化学反応を利用した場合、暖機に使用された流体には水が含まれているので、カソードに酸化ガスとして供給する際の加湿を省略、あるいは軽減化することが可能となる。

以下に図面を参照しつつ本発明の燃料電池を構成するセパレータに形成された流路、及び各実施形態の燃料電池についてさらに具体的に説明する。

図１は、本発明の燃料電池の、ＭＥＡとその両側に配置されたセパレータとに設けられた、流体流路を概念的に示す分解斜視図である。図では、中央に配置されたＭＥＡ１０の手前側にアノード側セパレータ２０、奥側にカソード側セパレータ３０が配置されている。各セパレータ２０、３０は説明の便宜上、厚みのある直方体のように表されているが、実際の形状は図示の形態より厚みが薄い板状である。

ＭＥＡ１０は、中央の電解質膜を挟んで紙面手前側にはアノード、紙面奥側にはカソードが配置されている。アノード及びカソードはそれぞれ電解質膜側に触媒層、その外側に拡散層を備えている。そしてこれら拡散層の外側面にそれぞれアノード側セパレータ２０、及びカソード側セパレータ３０が当接されている。なお、図では電解質膜、触媒層、拡散層の図示は省略し、これらが一体となったＭＥＡ（膜／電極接合体）１０として表されている。

本発明の燃料電池は、単セル、複数セルの区別をするものではなく、単セル、複数セルのいずれであってもよい。ＰＥＦＣのユニットセルにおける理論起電力は、１．２３Ｖであるので、通常は、使用に必要な十分な電力を得るため以下の構造をとっている。すなわち、ＭＥＡ１０とセパレータ２０、３０とを交互にかつ直列に繰り返し積層させることにより、モジュールを構成する。モジュールを積層してモジュール積層体とし、さらに、このモジュール積層体におけるモジュール積層方向の両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置することによりスタックを構成する。スタックをモジュール積層方向に締め付け、また、さらに、モジュール積層体の外側においてモジュール積層方向に延びる締結部材によりスタックを固定した構成を有するＰＥＦＣとする。このようにすることにより、必要な電圧及び電力を得ている。以下の説明において、本発明の燃料電池は上記スタック構造を備えていることを前提に説明する。

図１において、アノード側セパレータ２０の紙面手前側面２０Ａは隣接するユニットセルのカソード側セパレータに接している。一方、アノード側セパレータ２０の紙面奥側の面（以下において「電極側面２０Ｂ」という。）は、実際には紙面手前側の方向からは見えないものであるが説明の便宜上、あたかもアノード側セパレータ２０が透明であるかのように、背面側を透かして見た状態で表されている。電極側面２０Ｂは、ＭＥＡ１０のアノード側に当接されている。

カソード側セパレータ３０の紙面手前側面３０Ａは、ＭＥＡ１０のカソード側に当接されている。一方、カソード側セパレータ３０の紙面奥側の面（以下において「電極側背面３０Ｂ」という。）は、実際には紙面手前側の方向からは見えないものであるが、上記電極側面２０Ｂと同様に、説明の便宜上、背面側を透かして見た状態で表されている。電極側背面３０Ｂは、隣接するユニットセルのアノード側セパレータに接している。

なお、以下の説明においてアノード側セパレータ２０の電極側面２０Ｂ、及びカソード側セパレータの電極側背面３０Ｂは特に断りがない限り、上記のように表されたものとして説明する。

図２は、アノード側セパレータ２０の電極側面２０Ｂを示す図である。セパレータ２０の左右側部には紙面厚さ方向に複数の貫通孔が設けられている。向かって左側部には、上からエア供給孔２１、冷却水供給孔２２、流体排出孔２３、及び水素供給孔２４が設けられている。一方セパレータ２０の右側部には上から流体供給孔２５、冷却水排出孔２６、エア排出孔２７、及び水素排出孔２８が設けられている。

アノード側セパレータ２０の電極側面２０Ｂには、水素供給孔２４から水素排出孔２８へと通じる水素流路２９が形成されている。水素流路２９は、水素供給孔２４の開口部からセパレータ２０の電極側面２０Ｂ上のセパレータ中央寄りに設けられた入口流路２９ａから６本の流路２９ｂ〜２９ｇに分岐してセパレータ面上を図の左側から右方向へと延設され、セパレータ２０の右下部に設けられた出口流路２９ｈに至り、再び一本の流路に合流されている。出口流路２９ｈは水素排出孔２８へと通じている。

図３は、カソード側セパレータ３０のカソードに当接する側の面３０Ａを示す図である。また、図４は、図３のセパレータ３０の背面側３０Ｂを透視して見た図である。以下に図３、及び図４を参照しつつカソード側セパレータ３０の構造について説明する。なお、必要に応じて図１も参照されたい。

セパレータ３０の左右側部にも紙面厚さ方向に複数の貫通孔が設けられている。向かって左側部には、上からエア供給孔２１、冷却水供給孔２２、流体排出孔２３、及び水素供給孔２４が設けられている。一方セパレータ３０の右側部にも上から流体供給孔２５、冷却水排出孔２６、エア排出孔２７、及び水素排出孔２８が設けられている。

カソード側セパレータ３０の電極側面３０Ａには、エア供給孔２１からエアをセパレータ３０の電極側面上に流通させるエア流路４０Ａが形成されている。流体流路４０Ａは、エア供給孔２１の開口部からセパレータ３０の電極側面３０Ａ上のセパレータ中央寄りに設けられた入口流路４９から３本の流路４１〜４３に分岐してセパレータ面上を図の左側から右方向へと延設されている。そして各分岐された流路４１〜４３の先端部は、セパレータ３０を厚さ方向に貫通する孔４４〜４６にそれぞれ連通されている。これらの孔４４〜４６のセパレータ３０の背面３０Ｂにおける開口位置は図４において同一参照符号４４〜４６により表されている。そしてこれらはセパレータ３０の背面３０Ｂに形成された流路４０Ｂで一本の流路となってエア排出孔２７へと導かれている。

再び図３２戻り説明を続ける。カソード側セパレータ３０の電極側面３０Ａには、上記エア流路４０Ａが形成されると同時に、流体供給孔２５から流体をセパレータ３０の電極側面上に流通させる流体流路５０Ａが形成されている。流体流路５０Ａは、流体供給孔２５の開口部からセパレータ３０の電極側面３０Ａ上のセパレータ中央寄りに設けられた入口流路５９から３本の流路５１〜５３に分岐してセパレータ面上を図の右側から左方向へと延設されている。そして各分岐された流路５１〜５３の先端部は、セパレータ３０を厚さ方向に貫通する孔５４〜５６にそれぞれ連通されている。これらの孔５４〜５６のセパレータ３０の背面３０Ｂにおける開口位置は図４において同一参照符号５４〜５６により表されている。そしてこれらはセパレータ３０の背面３０Ｂに形成された流路５０Ｂで一本の流路となって流体排出孔２３へと導かれている。

上記のように、セパレータ３０の電極側の面３０Ａに形成されている２つの流路（エア流路４０Ａ、流体流路５０Ａ）は、セパレータ３０の厚さ方向に形成されている貫通孔４４〜４６、５４〜５６により裏面３０Ｂ側に導かれ裏面側よりそれぞれの排出孔２７、２３へと通じる構造となっている。したがって２つの流路は互いに交わることなく、セパレータの面上に互い違いに形成されることが可能である。また、流路をストレートに形成することができるので、流路に流通させるエア・流体の流速を高めることが容易となる。

ここで、流体流路５１〜５３に流通させる流体について説明しておく。通常発電時には、流体流路５１〜５３にはエアが流通され、通常の電気化学反応の酸化剤としての使用に供される。一方、所定の低温環境における燃料電池の起動時には、流体流路５１〜５３には、燃料電池を暖機するための流体が流通される。これに関する詳細については後述する。

再び図４に戻り、セパレータ３０の背面３０Ｂ側に形成された他の流路について簡単に説明する。セパレータ３０の背面３０Ｂ側には、さらに冷却水流路６０が形成されている。冷却水流路６０は、冷却水供給孔２２から、上記流体流路５０Ｂを迂回するようにセパレータ中央部に導かれ、そこで６本の流路に分岐した後、再び一つの流路にまとめられて、エア流路４０Ｂを迂回しながら冷却水排出孔２６へと導かれている。かかる冷却水流路６０は、定常運転状態において発熱する燃料電池を最適な温度（例えば約８０℃）に保つため、冷却水を流通するために使用される。

図５、及び図６は、第１実施形態の燃料電池を示す図である。ここに図示される燃料電池５００は、説明の便宜のためカソード側セパレータ３０の電極面側３０Ａのみが示されているが、上述したアノード側セパレータ２０、電解質、電極等燃料電池５００を構成するために必要な他の部材を備えていることはいうまでもない。後述する燃料電池７００、及び９００についても同様である。

図示の燃料電池５００は、水素貯蔵手段１０００から加湿モジュール１０３を経て水素供給孔２４へと水素を供給する水素供給通路２００を備えている。また、燃料電池５００は、外気（エア）を導入可能なコンプレッサ１０１から加湿モジュール１０２を経てエア供給孔２１、及び流体供給孔２５へとエアを供給するエア供給通路１００を備えている。さらに燃料電池５００は、水素エア混合器１０４を備えている。水素エア混合器１０４には、水素貯蔵手段１０００から水素供給通路１１０が、コンプレッサ１０１からはエア供給通路１２０が導かれている。そして水素エア混合器１０４から流体供給孔２５へと混合気通路１３０が導かれている。

一方、流体排出孔２３からは流体排出通路３００が導出されるとともに、エア排出孔２７からはエア排出通路３１０が導出されこれら両排出通路はその先端側で合流している。

水素供給通路２００において、水素貯蔵手段１０００からエア供給通路１１０に分岐されるまでの間に開閉手段２０１が、さらにその分岐から加湿モジュール１０３に至る間には開閉手段２０２が設けられている。エア供給通路１００は、エア供給孔２１、及び流体供給孔２５へと分岐されており各分岐路には開閉手段２１１、２１２が設けられている。さらに、エア供給通路１１０には開閉手段２３１が、エア供給通路１２０には開閉手段２３２が、混合気通路１３０には開閉手段２１５が、流体排出通路３００には開閉手段２４１が、エア排出流路３１０には開閉手段２２１がそれぞれに設けられている。

図５は、燃料電池５００の通常発電時の状態を示す図である。通常発電時においては、水素供給通路２００の開閉手段２０１、２０２、エア供給通路１００の開閉手段２１１、２１２、及び流体排出通路３００、エア排出通路３１０の開閉手段２４１、２２１が開放され、その他の開閉手段は全て閉鎖されている。かかる状態においては、水素貯蔵手段１０００に貯蔵されている水素は、加湿モジュール１０３により加湿されて、水素供給通路２００を経て水素供給孔２４に導かれ、さらにアノードに供給されて、燃料電池５００の発電のための燃料として使用される（図２参照）。使用後の排気は水素排出孔２８を経て系外に排出される。

一方、コンプレッサ１０１から取り入れられたエアは加湿モジュール１０２により加湿されて、エア供給通路１００を経て、エア供給孔２１、及び流体供給孔２５へと導かれ、カソードに供給されて、燃料電池５００の発電における酸化剤として使用に供される。発電に供されたエアは流体排出孔２３、エア排出孔２７から流体排出通路３００、エア排出通路３１０をそれぞれに経て合流の上、系外へと排出される。

すなわち通常の発電状態においては、カソードセパレータ３０に形成された流体流路５０Ａ、５０Ｂ（図３、図４参照）は、エア流路として使用に供されている。

図６は、第１実施形態の燃料電池５００の、低温起動時の作動状態を示す図である。燃料電池５００は、低温起動時には、カソード側セパレータ３０に形成された２つの流路４０Ａ、４０Ｂ；５０Ａ、５０Ｂのうち、一方の流路には空気を流通させて通常の発電を行い、他の一方の流路には、水素含有ガスとエアとの混合ガスを流通させて、水素の酸化（燃焼）反応により、燃料電池５００の昇温をはかるものである。低温起動時においては、水素供給通路２００の開閉手段２０１、２０２、エア供給通路１００の開閉手段２１１のみ、水素供給通路１１０の開閉手段２３１、エア供給通路１２０の開閉手段２３２、混合気通路１３０の開閉手段２１５、及び流体排出通路３００、エア排出通路３１０の開閉手段２４１、２２１が開放され、その他の開閉手段は全て閉鎖されている。かかる状態においては、水素貯蔵手段１０００に貯蔵されている水素は、加湿モジュール１０３により加湿されて、水素供給通路２００を経て水素供給孔２４に導かれ、さらにアノードに供給されて、燃料電池５００の発電のための燃料として使用される（図２参照）。使用後の排気は水素排出孔２８を経て外部に排出される。さらに一部の水素は水素供給通路１１０を介して水素エア混合器１０４へと供給される。

一方、コンプレッサ１０１から取り入れられたエアは加湿モジュール１０２により加湿されて、エア供給通路１００を経て、エア供給孔２１へと導かれ、カソードに供給されて、燃料電池５００の発電における酸化剤として使用に供される。さらに一部のエアは加湿モジュール１０２を経ずにエア供給通路１２０を介して水素エア混合器１０４へと導かれる。水素エア混合器１０４では、供給された水素、及びエアが混合されて水素エア混合気が生成される。この水素エア混合気は混合気通路１３０を介して流体供給孔２５へと導かれる。

前述した通り、流体供給孔２５はセパレータ３０のカソード側面３０Ａに設けられた流路５０Ａに導かれている。上記水素エア混合気は、流路５０Ａに供給されることにより、燃料電池５００の触媒層の働きにより、下記水素燃焼反応に供される。
２Ｈ_２＋Ｏ_２→２Ｈ_２Ｏ

上記燃焼反応は発熱反応であり、これにより低温環境において冷え切っていた燃料電池５００の加温が行われる。したがって、低温起動時においては、燃料電池５００は、カソード側セパレータ３０に２系等の流路が設けられているので、そのうち１系統を発電に使用し、他の１系統を燃料電池５００の加温に使用することにより、発電と加温とを同時に実行することが可能となる。またかかる構成により、加温の程度を緩やかなものとするので、過剰な加温に起因する電解質の劣化を防止することができる。

発電に供された混合気は流体排出孔２３から、エアはエア排出孔２７から流体排出通路３００、エア排出通路３１０を経て合流の上、系外へと排出される。なお、流体排出孔２３から排出された排気をエア供給孔２１に導き、カソードにおける発電での酸化剤として再使用に供してもよい。またかかる場合、エア供給通路１００の開閉手段２１１を閉鎖しても良い。このように構成すれば、さらに起動時の暖機を効率的に行うことができる。

図７、及び図８は、第２実施形態の燃料電池を示す図である。図示の燃料電池７００は、水素貯蔵手段１０００から加湿モジュール１０３を経て水素供給孔２４へと水素を供給する水素供給通路２００を備えている。また、燃料電池７００は、外気（エア）を導入可能なコンプレッサ１０１から加湿モジュール１０２を経てエア供給孔２１、及び流体供給孔２５へとエアを供給するエア供給通路１００を備えている。さらに燃料電池７００は、エア排出孔２７から流体供給孔２５に通じる燃焼ガス循環通路１４０を備えている。

一方、流体排出孔２３からは流体排出通路３００が導出されるとともに、エア排出孔２７からはエア排出通路３１０が導出されこれら両排出孔はその先端側で合流している。

水素供給通路２００において、水素貯蔵手段１０００から加湿モジュール１０３に至る間には開閉手段２０１が設けられている。エア供給通路１００は、エア供給孔２１、及び流体供給孔２５へと分岐されており各分岐路には開閉手段２１１、２１２が設けられている。流体排出通路３００には開閉手段２４１が、エア排出流路３１０には開閉手段２２１が、燃焼ガス循環通路１４０には開閉手段２１３がそれぞれに設けられている。

図７は、燃料電池７００の通常発電時の状態を示す図である。通常発電時においては、水素供給通路２００の開閉手段２０１、エア供給通路１００の開閉手段２１１、２１２、流体排出通路３００の開閉手段２４１、及びエア排出通路３１０の開閉手段２２１が開放され、その他の開閉手段は全て閉鎖されている。かかる状態においては、水素貯蔵手段１０００に貯蔵されている水素は、加湿モジュール１０３により加湿されて、水素供給通路２００を経て水素供給孔２４に導かれ、さらにアノードに供給されて、燃料電池７００の発電のための燃料として使用される（図２参照）。使用後の排気は水素排出孔２８を経て系外に排出される。

一方、コンプレッサ１０１から取り入れられたエアは加湿モジュール１０２により加湿されて、エア供給通路１００を経て、エア供給孔２１、及び流体供給孔２５へと導かれ、カソードに供給されて、燃料電池７００の発電における酸化剤として使用に供される。発電に供されたエアは流体排出孔２３、エア排出孔２７から流体排出通路３００、エア排出通路３１０を経て合流の上系外へと排出される。

すなわち燃料電池７００においても、通常の発電状態においては、流体流路５０Ａ、５０Ｂ（図３、図４参照）は、エア流路として使用に供されている。

図８は、第２実施形態の燃料電池７００の、低温起動時の作動状態を示す図である。燃料電池７００は、低温起動時には、カソード側に形成された２つの流路４０Ａ、４０Ｂ；５０Ａ、５０Ｂのうち、一方の流路により発電を行った後、その排気を他の一方の流路に供給して再び発電を行い、燃料電池７００の昇温をはかるものである。低温起動時においては、水素供給通路２００の開閉手段２０１、エア供給通路１００の開閉手段２１１のみ、燃焼ガス循環通路１４０の開閉手段２１３、及び流体排出通路３００の開閉手段２４１が開放され、その他の開閉手段は全て閉鎖されている。かかる状態においては、水素貯蔵手段１０００に貯蔵されている水素は、加湿モジュール１０３により加湿されて、水素供給通路２００を経て水素供給孔２４に導かれ、さらにアノードに供給されて、燃料電池７００の発電のための燃料として使用される（図２参照）。使用後の排気は水素排出孔２８を経て系外に排出される。

一方、コンプレッサ１０１から取り入れられたエアは加湿モジュール１０２により加湿されて、エア供給通路１００を経て、エア供給孔２１へと導かれ、カソードに供給されて、燃料電池７００の発電における酸化剤として使用に供される。発電後のエアは、エア排出孔２７から燃焼ガス循環通路１４０を経て、流体供給孔２５へと導かれる。上記発電後のエアは、発電が低温で行われるため、まだ十分に酸素を含んでおり、また、発電に供されたことにより外部のエアより十分に温度が高い。かかる発電後のエアを再び流体供給孔２５に供給することにより、エア供給孔２１に導入されるエアより温度の高いエアを使用して発電を行うことができる。これにより低温環境において冷え切っていた燃料電池７００の加温が促進される。したがって、低温起動時においては、燃料電池７００は、カソード側セパレータ３０に２系等の流路を設け、その一方に一度発電に供して加温されたエアを供給するので、冷え切った燃料電池７００の起動時に効率的に発電と加温とを同時に実行することが可能となる。またかかる構成により、加温の程度を緩やかなのもとし、かつ面内の温度分布が１つの流路が設けられている場合に比べてより均一なものとなるので、過剰な加温に起因する電解質の劣化を防止することができる。

２度の発電に供されたエアは流体排出孔２３から流体排出通路３００を経て系外へと排出される。

図９、及び図１０は、第３実施形態の燃料電池を示す図である。図示の燃料電池９００は、水素貯蔵手段１０００から加湿モジュール１０３を経て水素供給孔２４へと水素を供給する水素供給通路２００を備えている。また、燃料電池９００は、外気（エア）を導入可能なコンプレッサ１０１から加湿モジュール１０２、及び加温手段１０５を経てエア供給孔２１、及び流体供給孔２５へとエアを供給するエア供給通路１００を備えている。さらに燃料電池９００は、流体排出孔２３からエア供給孔２１に通じるエア循環通路１５０を備えている。一方、流体排出孔２３からは流体排出通路３００、エア排出孔２７からはエア排出通路３１０が導出され両者は合流の上系外に導かれている。

水素供給通路２００において、水素貯蔵手段１０００から加湿モジュール１０３に至る間には開閉手段２０１が設けられている。エア供給通路１００は、エア供給孔２１、及び流体供給孔２５へと分岐されており各分岐路には開閉手段２１１、２１２が設けられている。エア循環通路１５０には開閉手段２５１が、流体排出通路３００には開閉手段２４１が、エア排出流路３１０には開閉手段２２１がそれぞれに設けられている。

図９は、燃料電池９００の通常発電時の状態を示す図である。通常発電時においては、水素供給通路２００の開閉手段２０１、エア供給通路１００の開閉手段２１１、２１２、流体排出通路３００の開閉手段２４１、及びエア排出通路３１０の開閉手段２２１が開放され、その他の開閉手段は全て閉鎖されている。かかる状態においては、水素貯蔵手段１０００に貯蔵されている水素は、加湿モジュール１０３により加湿されて、水素供給通路２００を経て水素供給孔２４に導かれ、さらにアノードに供給されて、燃料電池９００の発電のための燃料として使用される（図２参照）。使用後の排気は水素排出孔２８を経て系外に排出される。

一方、コンプレッサ１０１から取り入れられたエアは、加湿モジュール１０２により加湿され、エア供給通路１００を経て、エア供給孔２１、及び流体供給孔２５へと導かれ、カソードに供給されて、燃料電池９００の発電における酸化剤として使用に供される。発電に供されたエアは流体排出孔２３、エア排出孔２７から流体排出通路３００、エア排出通路３１０を経て合流の上系外へと排出される。

すなわち燃料電池９００においても、通常の発電状態においては、流体流路５０Ａ、５０Ｂ（図３、図４参照）は、エア流路として使用に供されている。

図１０は、第３実施形態の燃料電池９００の、低温起動時の作動状態を示す図である。燃料電池９００は、低温起動時には、カソード側に形成された２つの流路のうち、一方の流路には加温手段により温度を上昇させた空気を流通させて通常の発電を行い、その排気を他の一方の流路に再び供給して発電に供し、かかる構成にて燃料電池９００の昇温をはかるものである。低温起動時においては、水素供給通路２００の開閉手段２０１、エア供給通路１００の開閉手段２１２のみ、エア循環通路１５０の開閉手段２５１、及びエア排出通路３１０の開閉手段２２１が開放され、その他の開閉手段は全て閉鎖されている。かかる状態においては、水素貯蔵手段１０００に貯蔵されている水素は、加湿モジュール１０３により加湿されて、水素供給通路２００を経て水素供給孔２４に導かれ、さらにアノードに供給されて、燃料電池９００の発電のための燃料として使用される（図２参照）。使用後の排気は水素排出孔２８を経て系外に排出される。

一方、コンプレッサ１０１から取り入れられたエアは加湿モジュール１０２により加湿されるとともに、加温手段１０５によって所定の温度まで昇温される。さらに昇温されたエアは、エア供給通路１００を経て、流体供給孔２５へと導かれ、カソードに供給されて、燃料電池９００の発電における酸化剤として使用に供される。発電後のエアは、流体排出孔２３からエア循環通路１５０を経て、エア供給孔２１へと導かれる。上記流体排出孔２３から排出されるエアは、燃料電池カソード内に流通されて冷え切った燃料電池９００を暖めたものではあるが、いまだ系外の低温エアより温度が高い。かかるエアを再びエア供給孔２１に供給することにより、直接低温の外気（エア）を導入するより、温度の高いエアを使用して発電を行うことができる。これにより低温環境において冷え切っていた燃料電池９００の加温が促進される。したがって、低温起動時においては、燃料電池９００は、カソード側セパレータ３０に２系等の流路を設け、その一方に暖機用エアを、他の一方には一度暖機に供していまだ外気より温度の高いエアを供給するので、冷え切った燃料電池９００の起動時に効率的に発電と加温とを同時に実行することが可能となる。またかかる構成により、加温の程度を緩やかなものとするので、過剰な加温に起因する電解質の劣化を防止することができる。

発電に供されたエアはエア排出孔２７からエア排出通路３１０を経て系外へと排出される。

本発明の燃料電池の、ＭＥＡとその両側に配置されたセパレータとに設けられた、流体流路を概念的に示す分解斜視図である。アノード側のセパレータを背面側から透視して見た図である。カソード側セパレータのカソードに当接する側の面を示す図である。図３のセパレータの背面側を透視して見た図である。第１実施形態の燃料電池の、通常発電時の発電状態を示す図である。第１実施形態の燃料電池の、低温起動時の発電状態を示す図である。第１実施形態の燃料電池の、通常発電時の発電状態を示す図である。第１実施形態の燃料電池の、低温起動時の発電状態を示す図である。第１実施形態の燃料電池の、通常発電時の発電状態を示す図である。第１実施形態の燃料電池の、低温起動時の発電状態を示す図である。

符号の説明

１０ＭＥＡ
２０アノード側セパレータ
２１エア供給孔
２２冷却水供給孔
２３流体排出孔
２４水素供給孔
２５流体供給孔
２６冷却水排出孔
２７エア排出孔
２８水素排出孔
４０Ａ、４０Ｂエア流路
５０Ａ、５０Ｂ流体流路
３０カソード側セパレータ
３０Ａカソード側セパレータの電極側の面
３０Ｂカソード側セパレータの背面
１０１コンプレッサ
１０２、１０３加湿モジュール
１０４水素エア混合器
１０５加温手段
５００、７００、９００燃料電池

Claims

電解質の両側をアノードとカソードとで挟み、さらにこれらの外側にそれぞれセパレータが配設された燃料電池であって、
前記セパレータの前記カソードとの当接面には、エアを流通させるための、互いに交わることのない複数の流路が配設され、
起動時には前記複数の流路の一部に暖機のための流体を供給し、他部にはエアを流通させることを特徴とする燃料電池。
前記流体は、水素含有ガスとエアとの混合ガスであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記流体は、前記カソードから排出されたカソード排ガスであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記流体は加温手段により加温されたエアであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記暖機に使用された流体を、その後酸化ガスとして使用することを特徴とする請求項１、２、及び４のいずれか一項に記載の燃料電池。