JP2007188774A - 燃料電池セル - Google Patents

Abstract

【課題】氷点下環境での拡散層及び膜−電極アッセンブリ内の残留水の凍結を少ないエネルギで防止する燃料電池セルを提供する。
【解決手段】電解質膜１０を挟持するように少なくとも一対の電極を設けた膜−電極アッセンブリ２８を有し、膜−電極アッセンブリ２８が拡散層１６、１８とガス流路２４、２６が形成されたセパレータ２０、２２とにより挟持される燃料電池セル１であって、ガス流路内のガス温度が氷点下環境となった際に、拡散層１６、１８を加熱して拡散層表面温度を０度以上として、ガス流路内のガス温度が０度以下になるように拡散層１６、１８の加熱を制御することにより、燃料電池セル１の発電停止中に、膜−電極アッセンブリ及び拡散層１６、１８の残留水の凍結を防止して、残留水をガス流路内に霜柱状に凍結させる加熱機構２と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池セルに関し、特に燃料電池の凍結対策に関する。

環境問題や資源問題への対策の一つとして、酸素や空気等の酸化性ガスと、水素やメタン等の還元性ガス（燃料ガス）あるいはメタノール等の液体燃料等とを原料として電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換して発電する燃料電池が注目されている。一般的に、固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）とセパレータとを積層したものから構成される。膜−電極アッセンブリは高分子イオン交換膜からなる高分子電解質膜の両側に、それぞれ水素極（アノード極）及び空気極（カソード極）を対設した構造をとる。

固体高分子型燃料電池の発電時では、水素極側では、水素ガスを燃料ガス（アノードガス）として供給し、水素イオンと電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中を空気極側に移動し、電子は外部回路を通じて空気極に到達する。空気極側では、酸素ガスあるいは空気を酸化剤ガス（カソードガス）として供給し、水素イオン、電子及び酸素が反応して水を生成する反応が行われる。

ところで、前記固体高分子形燃料電池は、イオン伝導性を維持するために、前記電解質膜を適度に加湿しておく必要があることから、水素ガス及び酸素ガスは予め加湿した状態で燃料電池に供給されるため、燃料電池内部に水が存在する。燃料電池内部に水が存在すると氷点下環境では、燃料電池の停止状態の際に、燃料電池内の水が凍結することでガス閉塞を引き起こす問題がある。ガス閉塞を引き起こしたまま燃料電池を始動させようとしても水素極及び空気極に原料ガスの供給が不十分なために、燃料電池の始動性を悪化させる。

例えば燃料電池を車両用として用いる場合には、あらゆる環境下における始動性が重要となるため、燃料電池内部の水の凍結を防止するため以下の技術が提案されている。

特許文献1には、燃料電池発電停止後、水素ガス経路あるいは酸素ガス経路の少なくとも一方に乾燥ガスを供給し、乾燥ガスに燃料電池内の残留水分を含有させて燃料電池から排出する方法が提案されている。

また、特許文献２には、冷却水循環経路、反応生成水または排ガス中の水分を回収する経路、またはこれらの循環経路との間を循環させる相互循環経路のいずれかにヒータを備え、前記循環経路内の水温が規定温度以下である場合、前記ヒータによって、前記循環経路内の水を加熱し、循環させることで燃料電池の凍結を抑制する方法が提案されている。

また、特許文献３には、燃料電池の拡散層を加熱するヒータを備え、拡散層内の温度が規定温度以下である場合、燃料電池の始動時に前記ヒータを加熱することにより、燃料電池内の凍結した水を解凍する方法が記載されている。

特開２００２−２０８４２２号公報 特開２００３−２８２１０６号公報 特開２００３−１６３０２０号公報

しかし、特許文献１の方法では燃料電池の発電停止時の燃料電池温度が十分に高ければ短時間で燃料電池内の残留水分を排出することが出来るが、発電停止時の燃料電池温度が低いと残留水を減らすための排出に長時間を要してしまい、燃料電池を搭載した車両の運転を停止するために長時間を要してしまう。

また、特許文献２の方法では、循環経路内の水を加熱し拡散層内の水分の凍結を確実に防ぐために使用させるヒータは大きなエネルギが必要とされる。

また、特許文献３の方法では、燃料電池の発電の際に拡散層部分で凍結した水を解凍するためには、拡散層内部に大きなエネルギを必要とするヒータを備える必要があり、前記ヒータが拡散層内の原料ガスの拡散を妨害し、通常の燃料電池の発電を阻害してしまう。

本発明は、燃料電池の運転停止後において、氷点下環境下での拡散層及び膜−電極アッセンブリ内の残留水の凍結を少ないエネルギで防止する燃料電池セルを提供する。

本発明は、電解質膜を挟持するように少なくとも一対の電極を設けた膜−電極アッセンブリを有し、前記膜−電極アッセンブリが拡散層とガス流路が形成されたセパレータとにより挟持される燃料電池セルであって、前記ガス流路内のガス温度が氷点下環境となった際に、前記拡散層を加熱して前記拡散層表面温度を０度以上として、前記ガス流路内のガス温度が０度以下になるように前記拡散層の加熱を制御することにより、前記燃料電池セルの発電停止中に、前記膜−電極アッセンブリ及び前記拡散層の残留水の凍結を防止して、前記残留水を前記ガス流路内に霜柱状に凍結させる加熱機構と、を有する。

また、前記燃料電池セルであって、前記加熱機構に電熱材料を有し、前記拡散層の加熱が前記電熱材料により行われることが好ましい。

また、前記燃料電池セルであって、前記拡散層の加熱が、前記燃料電池セルの電池反応により行われることが好ましい。

また、前記燃料電池セルであって、氷点下環境下において前記燃料電池セルの発電を停止する際に、前記ガス流路内に外気を取り込むことによって前記ガス流路内の温度を０度以下にさせる吸入機構をさらに有することが好ましい。

また、本発明は、電解質膜を挟持するように少なくとも一対の電極を設けた膜−電極アッセンブリを有し、前記膜−電極アッセンブリが拡散層とガス流路が形成されたセパレータとにより挟持される燃料電池セルの凍結防止方法であって、前記ガス流路内のガス温度が氷点下環境となった際に、前記拡散層を加熱して前記拡散層表面温度を０度以上として、前記ガス流路内のガス温度が０度以下になるように前記拡散層の加熱を制御することにより、前記燃料電池セルの発電停止中に、前記膜−電極アッセンブリ及び前記拡散層の残留水の凍結を防止して、前記残留水を前記ガス流路内に霜柱状に凍結させる工程と、を有する。

本発明に係る燃料電池セルでは、氷点下環境となった際に拡散層を加熱して拡散層表面温度を０度以上として、ガス流路内のガス温度が０度以下になるように拡散層の加熱を制御することにより、氷点下環境での拡散層及び膜−電極アッセンブリ内の残留水の凍結を少ないエネルギで防止することが出来る。

本発明の実施の形態について以下説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池セルの構成の一例を示す。図１に示すように燃料電池セル１は、電解質膜１０と水素極１２と空気極１４とを有する膜−電極アッセンブリ２８（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）と、水素極拡散層１６と、空気極拡散層１８と、水素極セパレータ２０と、空気極セパレータ２２と、水素極ガス流路２４と、空気極ガス流路２６と、ＭＥＡ２８及び各拡散層１６，１８の残留水の凍結を防止して残留水を各ガス流路２４，２６内に霜柱状に凍結させる加熱機構２とを有する。

また、図１に示すように燃料電池セル１に備えられる加熱機構２は、水素極ヒータ３０と、空気極ヒータ３２と、水素極拡散層温度センサ３４と、空気極拡散層温度センサ３６と、水素極ガス流路温度センサ３８と、空気極ガス流路温度センサ４０と、電源４２と、出力制御部４４とを有する。

加熱機構２は、各拡散層１６，１８を加熱して各拡散層１６，１８の表面温度を０度以上に加熱する水素極ヒータ３０と空気極ヒータ３２とを有する加熱手段と、各ガス流路２４，２６内のガス温度が０度以下になるように各拡散層１６，１８の加熱を制御する電源４２と出力制御部４４とを有する制御手段と、各拡散層１６，１８の表面温度と各ガス流路２４，２６内のガス温度を検出する水素極拡散層温度センサ３４と空気極拡散層温度センサ３６と水素極ガス流路温度センサ３８と空気極ガス流路温度センサ４０とを有する温度検出手段とを有している。

燃料電池セル１は、電解質膜１０の一方の表面に第１触媒層である水素極１２が、もう一方の表面に第２触媒層である空気極１４が電解質膜１０を挟んでそれぞれ対向するように形成されたＭＥＡ２８（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）と、ＭＥＡ２８を挟んで両面に設けられた水素極拡散層１６及び空気極拡散層１８と、前記拡散層１６，１８の両外側を挟持する櫛型状の水素極セパレータ２０及び空気極セパレータ２２とを備える。櫛型状の各セパレータ２０，２２の空洞部は、水素極１２及び空気極１４にそれぞれ水素ガス、空気等の原料を供給するための水素極ガス流路２４、空気極ガス流路２６となっている。

また、燃料電池セル１に備えられる加熱機構２において、水素極ヒータ３０が水素極拡散層１６内を加熱するために水素極拡散層１６内に埋め込まれ、水素極拡散層温度センサ３４は水素極拡散層１６の表面温度を検出するために水素極拡散層１６の例えば表面に設置され、また水素極ガス流路温度センサ３８は水素極セパレータ２０内の水素極ガス流路２４内のガス温度を検出するために水素極ガス流路２４内に設置される。一方、空気極１４側も同様に空気極ヒータ３２が空気極拡散層１８内を加熱するために空気極拡散層１８内に埋め込まれ、空気極拡散層温度センサ３６は空気極拡散層１８の表面温度を検出するために空気極拡散層１８の例えば表面に設置され、また空気極ガス流路温度センサ４０は空気極セパレータ２２内の空気極ガス流路２６内のガス温度を検出するために空気極ガス流路２６内に設置される。電源４２は水素極ヒータ３０と空気極ヒータ３２に電力を供給するためのものであり、負荷ケーブルにより接続されている。出力制御部４４は各温度センサ３４，３６，３８，４０の温度検出に基づいて電源４２の出力を制御するものであり、制御ケーブルにより接続されている。

本実施形態に係る燃料電池セル１の発電の際に、電解質膜１０の水素イオン伝導性を高めるために、水分を含有させた水素ガスが燃料電池セル１に供給される。水分を含有した水素ガスは水素極ガス流路２４を通り水素極拡散層１６によりガス拡散して水素極１２に供給される。この際に、水素ガスに含有された水分が水素極拡散層１６中に滞留する。一方空気ガスも同様な流れで空気極１４に供給されるため、空気ガスに含有された水分が空気極拡散層１８中に滞留する。また燃料電池セル１の発電によって水が生成するため、ＭＥＡ２８内に生成した水分が滞留する。このようにして前記拡散層１６，１８及びＭＥＡ２８内に滞留した水分の凍結を防止する手段、特に前記拡散層１６，１８内で滞留する水の凍結を防止する手段について以下に説明する。

図２は、本発明の実施形態に係る燃料電池セルの加熱機構による温度制御フローである。燃料電池セル１の発電停止後に、ステップＳ１２で水素極ガス流路温度センサ３８により水素極ガス流路２４内の温度が検出され０度以下と判定されたときに、Ｓ１４で電源４２から水素極ヒータ３０に電力が供給され、水素極拡散層１６が加熱される。次にＳ１６で水素極拡散層温度センサ３４により水素極拡散層１６の表面温度が検出され、水素極拡散層１６の表面温度が０度以下の状態であれば、Ｓ１４で電源４２から水素極ヒータ３０に電力の供給が継続される。一方、Ｓ１６で水素極拡散層１６の表面温度が０度を超えたときは、Ｓ１８で水素極ガス流路温度センサ３８により水素極ガス流路２４内の温度が検出され、水素極ガス流路２４内の温度が０度より高い温度状態になる場合には、Ｓ２０で出力制御部４４により電源４２から水素極ヒータ３０への電力の供給が行われないように制御される。その後Ｓ２２で水素極拡散層温度センサ３４により水素極拡散層１６の表面温度が検出され、水素極拡散層１６の表面温度が０度以下の状態であれば、再度Ｓ１４で電源４２から水素極ヒータ３０に電力が供給され、水素極拡散層１６の加熱が開始される。またＳ１８で水素極ガス流路温度センサ３８により水素極ガス流路２４内の温度が検出され、水素極ガス流路２４内の温度が０度以下の状態であれば、Ｓ１４で電源４２から水素極ヒータ３０に電力の供給が継続される。このようにして水素極拡散層１６の表面温度が０度より高い温度でかつ、水素極ガス流路２４内のガス温度が０度以下の状態に保たれるようにする。

上記のように水素極拡散層１６の表面温度を０度より高い温度でかつ、水素極ガス流路２４内のガス温度を０度以下の状態に保たれることによって、水素極ガス流路２４と水素極拡散層１６との界面において、前記界面に近い水素極拡散層１６内の残留水が毛細管現象により水素極ガス流路２４側に吸い上げられ、０度以下の状態に保たれた水素極ガス流路２４内で凍結する。これにより前記界面に近い水素極拡散層１６内の残留水の濃度が減少するため、その濃度勾配により水素極拡散層１６内の残留水が前記界面の方に移動し、前記同様に水素極ガス流路２４内で凍結する。このようにして水素極拡散層１６の残留水を、燃料電池セル１の発電停止中に水素極ガス流路２４内で霜柱状に結晶成長させることができる。水素極ガス流路２４の容積は水素極拡散層１６の残留水量に対して充分大きな容積であるため、水素極ガス流路２４内に霜柱状に結晶成長させても、燃料電池セル１の氷点下発電時に致命的なガス閉塞を引き起こすことはない。一方、空気極１４側でも同様にして空気極ガス流路２６内で霜柱状に結晶成長させることができる。さらに各拡散層１６，１８内の残留水の濃度の減少が進行することに伴い、ＭＥＡ２８内の残留水も濃度勾配により前記界面の方に移動し各ガス流路２４，２６内で霜柱状に結晶成長させることができる。

従来は、燃料電池セル１の発電の際に、各拡散層１６，１８内で凍結した水を解凍するために大きな容量を持つ各ヒータ３０，３２を各拡散層１６，１８内に備える必要があり、大きな容量を持つ各ヒータ３０，３２が拡散層内の原料ガスの拡散を妨害し、通常の燃料電池の発電を阻害してしまうのに対して、本発明の実施形態においては、各ヒータ３０，３２は各拡散層１６，１８内の表面温度を０度より高い温度に保つだけの容量を備えていれば良いので、各ヒータ３０，３２は小型のものでよい。従って通常の燃料電池セル１の発電時に水素極１２、空気極１４に供給される原料ガスの拡散を各ヒータ３０，３２が阻害することはほとんどない。

さらに、本実施形態に係る燃料電池セル１を搭載した車両の運転停止時に乾燥ガスを供給して燃料電池内の残留水を排除する場合でも、上記のような制御手段を有することによって、各拡散層１６，１８内の残留水を乾燥ガスにより排除する必要はなく、水素極ガス流路２４、空気極ガス流路２６内の残留水を排除する程度のみの時間でよいため、車両の運転停止時間を早くすることが出来る。

加熱機構２に用いられる水素極ヒータ３０、空気極ヒータ３２は、水素極拡散層１６、空気極拡散層１８の表面温度を０度以上として水素極ガス流路２４、空気極ガス流路２６内のガス温度を０度以下の状態に保つことが出来るものであれば特に制限はないが、ニッケルクロム、銅ニッケル、銅マンガン、ニッケル等の電熱材料であることが好ましい。また電熱材料と各拡散層１６，１８との絶縁性と、電熱材料の耐食性を確保するために電熱材料の周りにシリコーン、ガラス繊維、テフロン（登録商標）等によりコーティングされていることが好ましい。また水素極拡散層１６、空気極拡散層１８の表面温度を０度以上として水素極ガス流路２４、空気極ガス流路２６内のガス温度を０度以下の状態に保つように制御できるのであれば、水素極ヒータ３０、空気極ヒータ３２の設置場所は特に制限されるものではない。

さらに水素極ヒータ３０、空気極ヒータ３２の代替に、燃料電池セル１の発電による発熱反応を利用してもよい。上記で説明したように、図２のＳ１２で、各ガス流路温度センサ３８，４０で各ガス流路２４，２６内の温度が検出され０度以下と判定されたときに、Ｓ１４で電源４２から各ヒータ３０，３２に電力が供給され、各拡散層１６，１８が加熱される代わりに、燃料電池セル１に水素ガスと酸素ガスが供給され、燃料電池セル１の発電による発熱を利用し、ＭＥＡ２８が加熱される。次にＳ１６で各拡散層温度センサ３４，３６により各拡散層１６，１８の表面温度が検出され、各拡散層１６，１８の表面温度が０度以下の状態であれば、Ｓ１４で燃料電池セル１の発電が継続される。一方、Ｓ１６で各拡散層１６，１８の表面温度が０度を超えたときは、Ｓ１８で各ガス流路温度センサ３８，４０により各ガス流路２４，２６の温度が検出され、各ガス流路２４，２６の温度が０度より高い温度状態になる場合には、Ｓ２０で出力制御部４４、例えば負荷装置（可変抵抗）により燃料電池セル１の発電が行われないように制御される。その後Ｓ２２で各拡散層温度センサ３４，３６により各拡散層１６，１８の表面温度が検出され、０度以下の状態であれば、再度Ｓ１４で燃料電池セル１の発電が行われ、ＭＥＡ２８の加熱が開始される。またＳ１８で各ガス流路温度センサ３８，４０により各ガス流路２４，２６の温度が検出され、各ガス流路２４，２６の温度が０度以下の状態であれば、Ｓ１４で燃料電池セル１の発電が継続される。このようにして各拡散層１６，１８の表面温度が０度より高い温度でかつ、各ガス流路２４，２６のガス温度が０度以下の状態に保たれるようにする。

このように各拡散層１６，１８の加熱を燃料電池セル１の電池反応を利用することにより、各ヒータ３０，３２を必要としないため、低温凍結防止対策としての燃料電池セル１の部品点数を減らすことが出来るため、製造が容易であり、コストを削減することが出来る。

加熱機構２に用いられる水素極拡散層温度センサ３４、水素極拡散層温度センサ３６は各拡散層１６，１８内の表面温度を検出することができる場所であれば、水素極拡散層温度センサ３４、水素極拡散層温度センサ３６の設置場所は特に制限されるものではない。また水素極ガス流路温度センサ３８、空気極ガス流路温度センサ４０も、各ガス流路２４，２６内のガス温度を検出することができる場所であれば、水素極拡散層温度センサ３８、水素極拡散層温度センサ４０の設置場所は特に制限されるものではない。

加熱機構２に用いられる出力制御部４４は、各温度センサ３４，３６，３８，４０により検出した温度により電源４２の出力を制御するものであれば、特に制限されるものではない。また出力制御部４４に一定の閾値を設定することにより、各拡散層１６，１８内の水が消失したことによる無駄な各ヒータ３０，３２の通電を行わない機構をさらに備えるものでもよい。具体的には、電源４２の出力と各拡散層１６，１８内の温度との関係が、急激に変わると、各拡散層１６，１８内の水分が消失したことを示す機構である。

加熱機構２に用いられる電源４２は、各ヒータ３０，３２を通電させるための電源であれば特に制限させるものではない。また電源４２にタイマーを設置することにより、各拡散層１６，１８内の水が消失したことによる無駄な各ヒータ３０，３２の通電を行わない機構をさらに備えるものでもよい。さらにタイマーを設置した場合でも、各拡散層１６，１８内の水が消失したことによる無駄な各ヒータ３０，３２の通電を行わないために、前記一定の閾値を設定した場合の出力制御部４４と併用してもよい。

燃料電池セル１に用いられる電解質膜１０は、特に制限はないが、パーフルオロスルホン酸系や炭化水素系等の固体高分子電解質膜が好ましい。具体的には、ジャパンゴアテックス（株）のゴアセレクト（Ｇｏｒｅｓｅｌｅｃｔ、登録商標）、デュポン社（Ｄｕ Ｐｏｎｔ社）のナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ、登録商標）、旭化成（株）のアシプレックス（Ａｃｉｐｌｅｘ、登録商標）、旭硝子（株）のフレミオン（Ｆｌｅｍｉｏｎ、登録商標）等のパーフルオロスルホン酸系固体高分子電解質膜を使用することが出来る。燃料電池セル１に用いられる電解質膜１０の膜厚は例えば、５μｍ〜１５０μｍ、好ましくは１０μｍ〜５０μｍの範囲である。

水素極１２、空気極１４は白金（Ｐｔ）等を担持したカーボン等の触媒担持粒子とナフィオン（登録商標）等の固体高分子電解質とを含む電極触媒である。水素極１２、空気極１４の膜厚は例えば、０．１μｍ〜５０μｍ、好ましくは１μｍ〜２０μｍの範囲である。

水素極１２、空気極１４は、例えば電極触媒をエタノール、プロピレングリコール等の溶媒に分散させたインクを用いて、湿式塗布により電解質膜１０上あるいは水素極拡散層１６、空気極拡散層１８上に形成し、塗布膜形成後、水素極１２、空気極１４を電解質膜１０あるいは水素極拡散層１６、空気極拡散層１８上に形成した後、加熱、圧着して、燃料極１２、空気極１４と電解質膜１０あるいは拡散層１６との接合面を強固にして定着させ、燃料電池セル１の外部に水素と空気が漏れ出さないようにシール構造がとられている。

水素極拡散層１６、空気極拡散層１８としては、導電性が高く、燃料及び空気等の原料ガスの拡散性が高い材料であれば特に制限はないが、多孔質導電体材料であることが好ましい。導電性の高い材料としては、例えば、金属板、金属フィルム、導電性高分子、カーボン材料等が挙げられ、カーボンクロス、カーボンペーパ、ガラス状カーボン等のカーボン材料が好ましく、カーボンクロス、カーボンペーパ等の多孔質カーボン材料であることがより好ましい。各拡散層１６，１８の膜厚は例えば、５０μｍ〜５００μｍ、好ましくは１００μｍ〜３００μｍの範囲である。

また、水素極拡散層１６、空気極拡散層１８内の残留水をアノード極ガス流路、カソード極ガス流路に移行しやすくするために、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の撥水性樹脂溶液である撥水ペーストにより撥水処理がされてもよい。

水素極セパレータ２０、空気極セパレータ２２は、耐食処理が施された金属板または焼成カーボン等のカーボン系材料等で構成され、櫛形形状である。櫛型形状のセパレータ２０，２２の空洞部は、水素極１２及び空気極１４にそれぞれ水素ガス、空気等の原料を供給するための水素極ガス流路２４、空気極ガス流路２６を形成している。

本発明に係る他の実施形態について以下に説明する。

図３は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す。燃料電池セル３は、上記実施形態に係る燃料電池セル１の構成に加え、各ガス流路２４及び２６内に外気を取り込むことによって各ガス流路２４及び２６内の温度を０度以下にさせる吸入機構４をさらに有する。

図３に示すように燃料電池セル３に備えられる吸入機構４は、ファン４６と配管部４８とを有し、ファン４６は配管部４８によって、水素極ガス流路２４、空気極ガス流路２６に接続されている。ファン４６は燃料電池の発電を停止する際に、配管部４８を通して外気をアノード極ガス流路２４、カソード極ガス流路２６に供給するためのものである。

図４は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池の加熱機構と吸入機構とによる温度制御フローである。氷点下環境の際、燃料電池セル３の発電停止後に、Ｓ２４でファン４６が作動され、外気が水素極ガス流路２４、空気極ガス流路２６に導入される。導入される外気は０度以下であるため、水素極ガス流路２４、空気極ガス流路２６内の温度を早期に０度以下とすることが出来る。Ｓ２６で水素極ガス流路温度センサ３８及び空気極ガス流路温度センサ４０により水素極ガス流路２４、空気極ガス流路２６内の温度が検出され０度以下と判定された際に、Ｓ２８で電源４２から水素極ヒータ３０、空気極ヒータ３２に電力が供給され、水素極拡散層１６、空気極拡散層１８が加熱される。その後図２で示した前記実施例と同様に行い（図４では、Ｓ３０〜３６）、水素極拡散層１６、空気極拡散層１８の表面温度が０度以上でかつ、水素極ガス流路２４、空気極ガス流路２６のガス温度が０度以下の状態に保たれることよって、水素極拡散層１６、空気極拡散層１８内の残留水を水素極ガス流路２４、空気極ガス流路２６内に霜柱状に凍結させることができる。

ファン４６を有することによって、積極的に外気を導入し、水素極ガス流路２４、空気極ガス流路２６内のガス温度を早期に０度以下にすることができるため、燃料電池セル３の発電停止後の水素極拡散層１６、空気極拡散層１８内の残留水を短時間で水素極ガス流路２４、空気極ガス流路２６内に移行させ結晶成長させることができる。

ファン４６は、外気を水素極ガス流路２４、空気極ガス流路２６に導入するものであれば特に制限されるものではない。また代替物として、一般的に燃料電池セル３の空気極１４に酸素を導入するために用いられるエアブロアであってもよい。

上記これらの実施形態に係る燃料電池セルを複数積層した燃料電池積層体として用いることも出来る。

また、上記これらの実施形態に係る燃料電池セルは、例えば、携帯電話、携帯用パソコン等のモバイル機器用小型電源、自動車用電源、家庭用電源等として用いることが出来る。

本発明の実施形態に係る燃料電池セルの構成の一例を示す概略図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池セルの加熱機構による温度制御フローである。 本発明の他の実施形態に係る燃料電池セルの構成の一例を示す概略図である。 本発明の他の施形態に係る燃料電池セルの加熱機構及び吸入機構による温度制御フローである。

符号の説明

１，３ 燃料電池セル、２ 加熱機構、４ 吸入機構、１０ 電解質膜、１２ 水素極、１４ 空気極、１６ 水素極拡散層、１８ 空気極拡散層、２０ 水素極セパレータ、２２ 空気極セパレータ、２４ 水素極ガス流路、２６ 空気極ガス流路、２８ 膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ）、３０ 水素極ヒータ、３２ 空気極ヒータ、３４ 水素極拡散層温度センサ、３６ 空気極拡散層温度センサ、３８ 水素極ガス流路温度センサ、４０ 空気極ガス流路温度センサ、４２ 電源、４４ 出力制御部、４６ ファン、４８ 配管部。

Claims (5)

1. 電解質膜を挟持するように少なくとも一対の電極を設けた膜−電極アッセンブリを有し、前記膜−電極アッセンブリが拡散層とガス流路が形成されたセパレータとにより挟持される燃料電池セルであって、
   前記ガス流路内のガス温度が氷点下環境となった際に、前記拡散層を加熱して前記拡散層表面温度を０度以上として、前記ガス流路内のガス温度が０度以下になるように前記拡散層の加熱を制御することにより、前記燃料電池セルの発電停止中に、前記膜−電極アッセンブリ及び前記拡散層の残留水の凍結を防止して、前記残留水を前記ガス流路内に霜柱状に凍結させる加熱機構と、
   を有することを特徴とする燃料電池セル。
2. 請求項１記載の燃料電池セルであって、前記加熱機構に電熱材料を有し、前記拡散層の加熱が前記電熱材料により行われることを特徴とする燃料電池セル。
3. 請求項１記載の燃料電池セルであって、前記拡散層の加熱が、前記燃料電池セルの電池反応により行われることを特徴とする燃料電池セル。
4. 請求項１記載の燃料電池セルであって、氷点下環境下において前記燃料電池セルの発電を停止する際に、前記ガス流路内に外気を取り込むことによって前記ガス流路内の温度を０度以下にさせる吸入機構をさらに有することを特徴とする燃料電池セル。
5. 電解質膜を挟持するように少なくとも一対の電極を設けた膜−電極アッセンブリを有し、前記膜−電極アッセンブリが拡散層とガス流路が形成されたセパレータとにより挟持される燃料電池セルの凍結防止方法であって、
   前記ガス流路内のガス温度が氷点下環境となった際に、前記拡散層を加熱して前記拡散層表面温度を０度以上として、前記ガス流路内のガス温度が０度以下になるように前記拡散層の加熱を制御することにより、前記燃料電池セルの発電停止中に、前記膜−電極アッセンブリ及び前記拡散層の残留水の凍結を防止して、前記残留水を前記ガス流路内に霜柱状に凍結させる工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池セル凍結防止方法。

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