JP4842519B2 - 燃料電池の暖機方法 - Google Patents

Description

本発明は、電解質膜の両側にそれぞれ電極を設けた電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体を挟持する一対のセパレータとを積層する燃料電池の暖機方法に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持している。この種の燃料電池は、通常、所定の数の燃料電池を積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

この燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。

ところで、この種の燃料電池では、イオン導電性を維持するために、高分子イオン交換膜からなる電解質膜を適度に加湿しておく必要がある。さらに、カソード側電極では、上記のように反応による生成水が存在している。このため、燃料電池を氷点下（水の凍結温度以下）で始動させようとすると、前記燃料電池内の水分が凍結し易く、該燃料電池内で電気化学反応が行われ難いという不具合が指摘されている。

そこで、例えば、特許文献１には、燃料電池を低温始動させる際に、前記燃料電池の酸化剤ガス流路に対して、空気（酸化剤ガス）と水素との混合ガスを供給することによって発熱させ、該燃料電池を加熱する技術が開示されている。

また、特許文献２では、図１２に示すように、セパレータ１の左右両側に、空気供給マニホールド２と空気排出マニホールド３とが設けられるとともに、前記空気供給マニホールド２を構成する各供給口２ａには、各々バルブ４を介してエアコンプレッサ５が連通自在である。空気排出マニホールド３を構成する各排出口３ａは、各々バルブ５を介して大気に開放自在である。

セパレータ１の面内には、空気供給マニホールド２と空気排出マニホールド３とに連通するガス流路７が形成されている。各バルブ４、６は、ＥＣＵ８を有する制御装置９により駆動制御されている。

このような構成において、制御装置９は、燃料電池の冷間始動の際に放熱損出の小さな部位、すなわち、ガス流路７の中央部のみに空気を供給するために、バルブ４ａ、６ａを開放する。従って、エアコンプレッサ５から供給される空気は、バルブ４ａの開放作用下にガス流路７の中央部のみに供給され、この中央部で発電を行った後、バルブ６ａの開放作用下に排気される。

次いで、ガス流路７の中央部に水分の凍結が発生したら、隣の領域のガス流路７にガスを供給し、さらに該隣の領域に水分の凍結が生じたら、さらに隣の領域のガス流路７にガスの供給先を変更している。そして、上記の操作を繰り返すことによってセル温度が上昇した後、ガス流路７の全面に空気の供給が行われる。

米国特許第６，１０３，４１０号公報（図１） 特開２００３−３４６８５３号公報（図１）

しかしながら、上記の特許文献１では、低温始動時に空気中に水素を４ｖｏｌ％以下、好適には、２ｖｏｌ％の割合で混合した混合ガスを、単一の連通孔からカソード流路に供給するため、前記連通孔近傍の触媒層で酸化反応が局所的に行われる。従って、昇温が部分的に進行するため、燃料電池全体を均一に暖めることが困難である。しかも、触媒層では、酸化反応が局所的に進行しており、酸化反応部分で触媒の劣化が集中するという問題がある。

一方、上記の特許文献２では、空気供給マニホールド２の複数の供給口２ａからガス流路７に空気を選択的に供給することにより、部分的な自己発熱を繰り返し行っている。しかしながら、特に氷点下での始動時には、燃料電池全体を凍結しない温度まで自己発熱により昇温させるまでに、相当な時間がかかってしまうという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、特に低温時に、触媒での酸化反応を広範囲で行うことができ、短時間且つ確実に燃料電池全体を良好に暖機することが可能な燃料電池の暖機方法を提供することを目的とする。

本発明は、電解質膜の両側にそれぞれ電極を設けた電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体を挟持する一対のセパレータとを積層するとともに、前記電極の発電面に沿って一方の反応ガスを流動させる一方の反応ガス流路及び他方の反応ガスを流動させる他方の反応ガス流路と、積層方向に設けられて前記一方の反応ガス流路の入口に連通する複数の一方の反応ガス連通孔、前記一方の反応ガス流路の出口に連通する複数の一方の反応ガス連通孔、前記他方の反応ガス流路の入口に連通する複数の他方の反応ガス連通孔及び前記他方の反応ガス流路の出口に連通する複数の他方の反応ガス連通孔とを設けた燃料電池の暖機方法である。

そこで、一方の反応ガスに他方の反応ガスを所定の割合で一方の混合バルブにより混合した混合ガスと、前記他方の反応ガスに前記一方の反応ガスを所定の割合で他方の混合バルブにより混合した混合ガスとが、それぞれ複数の一方の反応ガス連通孔から一方の反応ガス流路と、複数の他方の反応ガス連通孔から他方の反応ガス流路とに、同時に供給されることにより、それぞれの電極の触媒で酸化反応により燃料電池の暖機が行われる。

また、複数の一方の反応ガス連通孔又は複数の他方の反応ガス連通孔の中、任意の２以上を反応ガス供給口として、順次、切り替えながら、混合ガスを前記２以上の反応ガス供給口から反応ガス流路に同時に供給して暖機を行うことが好ましい。

さらに、本発明は、複数の一方の反応ガス連通孔又は複数の他方の反応ガス連通孔の中、任意の反応ガス連通孔を反応ガス供給口として、順次、切り替えながら、一方の反応ガスに他方の反応ガスを所定の割合で一方の混合バルブにより混合した混合ガスと、前記他方の反応ガスに前記一方の反応ガスを所定の割合で他方の混合バルブにより混合した混合ガスとが、それぞれ１以上の前記一方の反応ガス連通孔から前記一方の反応ガス流路と、１以上の前記他方の反応ガス連通孔から前記他方の反応ガス流路とに、同時に供給されることにより、それぞれの電極の触媒で酸化反応により燃料電池の暖機が行われる。

さらにまた、一方の反応ガス流路は、酸化剤ガス流路であるとともに、一方の反応ガス連通孔は、酸化剤ガス連通孔であり、一方の反応ガスである酸化剤ガスに、他方の反応ガスである燃料ガスを一方の混合バルブにより混合した混合ガスが、反応ガス供給口である酸化剤ガス供給口から前記酸化剤ガス流路に供給されることが好ましい。

また、他方の反応ガス流路は、燃料ガス流路であるとともに、他方の反応ガス連通孔は、燃料ガス連通孔であり、他方の反応ガスである燃料ガスに、一方の反応ガスである酸化剤ガスを他方の混合バルブにより混合した混合ガスが、反応ガス供給口である燃料ガス供給口から前記燃料ガス流路に供給されることが好ましい。

本発明によれば、混合ガスが、複数の反応ガス連通孔から反応ガス流路に同時に供給されるため、触媒での酸化反応の領域が拡大され、燃料電池全体を迅速に昇温させることができる。これにより、特に、低温始動時の暖機時間が有効に短縮されるとともに、自己発熱に代えて触媒での酸化反応を採用することによって、氷点下での始動が容易且つ確実に遂行可能になる。しかも、触媒での酸化反応が局部的に発生することがなく、触媒の局所的な劣化を良好に阻止することができ、該触媒の耐久性が向上する。

また、本発明では、任意の反応ガス連通孔が、反応ガス供給口として、順次、切り替えられながら、前記反応ガス供給口に混合ガスが供給されるため、触媒での酸化反応の領域が有効に拡大される。従って、触媒の局所的な劣化を阻止するとともに、燃料電池全体を均一且つ迅速に暖機させることが可能になる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る暖機方法を実施するための燃料電池１０を組み込む燃料電池システム１２の概略構成図である。

複数の燃料電池１０が鉛直方向（矢印Ａ方向）に積層されて燃料電池スタック１４を構成する。この燃料電池スタック１４には、酸化剤ガス、例えば、空気等の酸素含有ガスを供給及び排出するカソード側制御部１６と、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給及び排出するアノード側制御部１８と、純水やエチレングリコール等の冷却媒体を供給及び排出する冷却側制御部２０とが装着される。

図２に示すように、燃料電池１０は、略正方形状の電解質膜・電極構造体２４と、前記電解質膜・電極構造体２４を挟持する略正方形状の金属製第１及び第２セパレータ２６、２８とを備える。なお、第１及び第２セパレータ２６、２８には、シール機能及び絶縁機能を有する樹脂シールが一体化されている。

燃料電池１０の矢印Ｂ方向の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸素含有ガスを流すための第１酸化剤ガス連通孔３０ａ、冷却媒体を流すための第１冷却媒体連通孔３２ａ、及び水素含有ガスを流すための第１燃料ガス連通孔３４ａが、矢印Ｃ方向に順次設けられる。

燃料電池１０の矢印Ｃ方向の上端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、第２燃料ガス連通孔３４ｂ、第２冷却媒体連通孔３２ｂ及び第２酸化剤ガス連通孔３０ｂが、矢印Ｂ方向に順次設けられる。

燃料電池１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、第３酸化剤ガス連通孔３０ｃ、第３冷却媒体連通孔３２ｃ及び第３燃料ガス連通孔３４ｃが、矢印Ｃ方向に順次設けられる。燃料電池１０の矢印Ｃ方向の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、第４酸化剤ガス連通孔３０ｄ、第４冷却媒体連通孔３２ｄ及び第４燃料ガス連通孔３４ｄが、矢印Ｂ方向に順次設けられる。

図２及び図３に示すように、電解質膜・電極構造体２４は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３６と、該固体高分子電解質膜３６を挟持するアノード側電極３８及びカソード側電極４０とを備える。アノード側電極３８及びカソード側電極４０は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布された電極触媒層とをそれぞれ有する。

第１セパレータ２６のカソード側電極４０に対向する面２６ａには、第１〜第４酸化剤ガス連通孔３０ａ、３０ｂ、３０ｃ及び３０ｄに連通可能な酸化剤ガス流路（反応ガス流路）４２が設けられる。酸化剤ガス流路４２は、複数のエンボス４４により形成される。

図２及び図４に示すように、第２セパレータ２８のアノード側電極３８に向かう面２８ａには、第１〜第４燃料ガス連通孔３４ａ、３４ｂ、３４ｃ及び３４ｄに連通可能な燃料ガス流路（反応ガス流路）４６が設けられる。この燃料ガス流路４６は、複数のエンボス４８により形成される。

図２に示すように、第２セパレータ２８の面２８ａとは反対の面２８ｂには、冷却媒体流路５０が設けられる。冷却媒体流路５０は、複数のエンボス５２により形成されるとともに、前記エンボス５２はエンボス４８よりも小径に設定される。

図５に示すように、カソード側制御部１６は、酸化剤ガスとして、例えば、空気を供給するためのコンプレッサ６０を備え、このコンプレッサ６０が供給管６２を介して第１スイッチング機構６４に連結される。この第１スイッチング機構６４は、例えば、ロータリ式であり、燃料電池スタック１４の供給側に装着されるとともに、第１アクチュエータ６６を介して切り替えられる。

第１アクチュエータ６６には、機械式、電気式、電磁石式、空気圧式又は油圧式等を用いることができ、この第１アクチュエータ６６を介して第１スイッチング機構６４が切り替え制御されることにより、供給管６２が第１〜第４酸化剤ガス連通孔３０ａ〜３０ｄに選択的又は同時に連通する。

なお、第１スイッチング機構６４は、ロータリ式に代替して、例えば、第１〜第４電磁切り替え弁（図示せず）を用い、第１〜第４酸化剤ガス連通孔３０ａ〜３０ｄを供給管６２に個別に連通させるように構成してもよい。

燃料電池スタック１４の排出側には、第２スイッチング機構６８が第２アクチュエータ７０を介して切り替え可能に装着される。第２スイッチング機構６８は、上記の第１スイッチング機構６４と同様に、第１〜第４酸化剤ガス連通孔３０ａ〜３０ｄを排出管７２に選択的又は同時に連通可能である。

第１及び第２アクチュエータ６６、７０は、コンピュータ７４を介してコントローラ７６により駆動制御されるとともに、このコンピュータ７４には、燃料電池スタック１４に装着されたセンサ７８からの検出信号が入力される。このセンサ７８としては、例えば、酸化剤ガスである空気の入口側又は出口側の湿度検出センサ又は温度検出センサの他、電極面内の生成水量検出センサや、電流密度検出センサ等が用いられる。また、センサ７８に代替して、タイマにより定期的な間隔で切り替え制御を行うこともできる。

第１及び第２スイッチング機構６４、６８の駆動により第１〜第４酸化剤ガス連通孔３０ａ〜３０ｄを、酸化剤ガス供給口（反応ガス供給口）及び／又は酸化剤ガス排出口（反応ガス排出口）として切り替える操作が行われる。

図１に示すように、アノード側制御部１８は、上記のカソード側制御部１６と同様に構成されており、図示しない燃料ガスタンクに連結されて燃料電池スタック１４の供給側に供給管７９を介して装着される第１スイッチング機構８０と、前記燃料電池スタック１４の排出側に排出管８１を介して連結される第２スイッチング機構８２とを備えている。第１及び第２スイッチング機構８０、８２を介して、第１〜第４燃料ガス連通孔３４ａ〜３４ｄは、供給管７９及び排出管８１に選択的又は同時に連通可能である。

冷却側制御部２０は、上記のカソード側制御部１６及びアノード側制御部１８と同様に構成されており、図示しない冷却媒体タンクに連結されて燃料電池スタック１４の供給側に供給管８３を介して装着される第１スイッチング機構８４と、前記燃料電池スタック１４の排出側に排出管８５を介して連結される第２スイッチング機構８６とを備える。第１及び第２スイッチング機構８４、８６を介して、第１〜第４冷却媒体連通孔３２ａ〜３２ｄは、供給管８３及び排出管８５に選択的又は同時に連通可能である。

カソード側制御部１６を構成する供給管６２には、空気中にアノード側制御部１８から燃料ガスを低割合で混在させるための第１混合バルブ８８ａが設けられるとともに、前記アノード側制御部１８を構成する供給管７９には、燃料ガス中に前記カソード側制御部１６から空気を低割合で混在させるための第２混合バルブ８８ｂが設けられる。燃料ガスは、空気中に４ｖｏｌ％以下、好適には、２ｖｏｌ％の割合で混合される。

このように構成される燃料電池システム１２の動作について、第１の実施形態に係る燃料電池の暖機方法との関連で以下に説明する。

先ず、燃料電池システム１２が氷点下等の低温時始動を行う際には、例えば、第１混合バルブ８８ａが操作される。このため、カソード側制御部１６を構成する供給管６２には、アノード側制御部１８を構成する供給管７９を介して所定量の燃料ガスが供給される。供給管６２には、図５に示すように、コンプレッサ６０を介して空気（酸化剤ガス）が供給され、この空気中に燃料ガスが所定の割合、例えば、２Ｖｏｌ％だけ混在される。

そこで、カソード側制御部１６では、第１スイッチング機構６４が制御されて、第１及び第２酸化剤ガス連通孔３０ａ、３０ｂが酸化剤ガス供給口に設定される一方、第３及び第４酸化剤ガス連通孔３０ｃ、３０ｄが酸化剤ガス排出口としてに設定される。

従って、図２及び図６に示すように、酸化剤ガス流路４２には、第１及び第２酸化剤ガス連通孔３０ａ、３０ｂから空気中に燃料ガスが所定の割合で混合された混合ガス（以下、混合酸化剤ガスともいう）が同時に供給される。これにより、電解質膜・電極構造体２４を構成するカソード側電極４０では、空気中に混在している燃料ガスによって触媒での酸化反応が発生し、前記カソード側電極４０の昇温が開始される。

一方、アノード側制御部１８では、第１スイッチング機構８０及び第２スイッチング機構８２が操作されて、図２及び図７に示すように、第１及び第４燃料ガス連通孔３４ａ、３４ｄが燃料ガス供給口に設定されるとともに、第２及び第３燃料ガス連通孔３４ｂ、３４ｃが燃料ガス排出口に設定される。

そして、図１に示すように、第２混合バルブ８８ｂが操作されることにより、供給管７９を介して燃料電池スタック１４に供給される燃料ガスには、カソード側制御部１６を介して空気が所定の低割合で混合され、混合ガスが得られる（以下、混合燃料ガスともいう）。このため、混合燃料ガスは、第１及び第４燃料ガス連通孔３４ａ、３４ｄから燃料ガス流路４６に同時に供給される（図２及び図７参照）。従って、電解質膜・電極構造体２４を構成するアノード側電極３８には、触媒での酸化反応が惹起されて、このアノード側電極３８の昇温が開始される。

この場合、第１の実施形態では、図６に示すように、混合酸化剤ガスが第１及び第２酸化剤ガス連通孔３０ａ、３０ｂから酸化剤ガス流路４２に同時に供給されている。このため、カソード側電極４０では、第１及び第２酸化剤ガス連通孔３０ａ、３０ｂの近傍に酸化反応部位９０ａ、９０ｂが発生し、前記カソード側電極４０が昇温される。

従って、単一の酸化剤ガス連通孔から混合酸化剤ガスが供給される従来の方式に比べ、カソード側電極４０における触媒燃料の領域が大幅に拡大され、前記カソード側電極４０を迅速に昇温させることが可能になる。これにより、特に氷点下等の低温始動時において、暖機時間が有効に短縮されるとともに、自己発熱に替えて触媒での酸化反応を採用することによって、低温始動が容易且つ確実に遂行可能になるという効果が得られる。しかも、触媒での酸化反応が局部的に発生することがなく、触媒の局所的な劣化を良好に阻止することができ、該触媒の耐久性が向上するという利点がある。

一方、アノード側電極３８では、図７に示すように、混合燃料ガスが第１及び第４燃料ガス連通孔３４ａ、３４ｄから燃料ガス流路４６に同時に供給されている。このため、アノード側電極３８では、第１及び第４燃料ガス連通孔３４ａ、３４ｄの近傍に触媒での酸化反応が惹起し、燃料部位９２ａ、９２ｂが発生する。従って、アノード側電極３８の触媒での酸化反応の領域が拡大されるとともに、該触媒での酸化反応が局部的に発生することがなく、低温始動が良好且つ迅速に遂行されるという効果が得られる。

なお、第１の実施形態では、低温始動に際して、混合酸化剤ガスが第１及び第２酸化剤ガス連通孔３０ａ、３０ｂから同時に供給される一方、混合燃料ガスが第１及び第４燃料ガス連通孔３４ａ、３４ｄから同時に供給されているが、これに限定されるものではない。例えば、混合酸化剤ガスと燃料ガス、又は空気と混合燃料ガスとを用いてもよい。

次に、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の暖機方法について、図８を参照しながら以下に説明する。

この第２の実施形態では、例えば、第１〜第４酸化剤ガス連通孔３０ａ〜３０ｄが、第１連通位置Ｐ１、第２連通位置Ｐ２、第３連通位置Ｐ３及び第４連通位置Ｐ４に、順次、切り替え操作されて、酸化剤ガス流路４２における空気の流れ方向が、順次、変動される。

具体的には、第１連通位置Ｐ１は、第１の実施形態と同様に、第１及び第２酸化剤ガス連通孔３０ａ、３０ｂが酸化剤ガス供給位置に設定される一方、第３及び第４酸化剤ガス連通孔３０ｃ、３０ｄが酸化剤ガス排出口に設定されている。第２連通位置Ｐ２は、第２及び第３酸化剤ガス連通孔３０ｂ、３０ｃが酸化剤ガス供給口に設定される一方、第４及び第１酸化剤ガス連通孔３０ｄ、３０ａが酸化剤ガス排出口に設定されている。

第３連通位置Ｐ３では、第３及び第４酸化剤ガス連通孔３０ｃ、３０ｄが酸化剤ガス供給口に設定される一方、第１及び第２酸化剤ガス連通孔３０ａ、３０ｂが酸化剤ガス排出口に設定されている。さらに、第４連通位置Ｐ４では、第４及び第１酸化剤ガス連通孔３０ｄ、３０ａが酸化剤ガス供給口に設定される一方、第２及び第３酸化剤ガス連通孔３０ｂ、３０ｃが酸化剤ガス排出口に設定されている。

そこで、低温始動時には、第１〜第４酸化剤ガス連通孔３０ａ〜３０ｄが、第１〜第４連通位置Ｐ１〜Ｐ４に、順次、切り替え制御されながら、混合酸化剤ガスが、２つの酸化剤ガス供給口から酸化剤ガス流路４２に同時に供給されている。

このように、第２の実施形態では、混合酸化剤ガスが、２つの酸化剤ガス供給口から酸化剤ガス流路４２に同時に供給されるとともに、前記２つの酸化剤ガス供給口が、順次、切り替えられている。このため、カソード側電極４０における触媒での酸化反応の領域が一層拡大され、触媒での酸化反応が局部的に発生することを確実に阻止することができる。従って、燃料電池１０全体を均一且つ確実に暖機させることが可能になるという効果が得られる。

なお、第２の実施形態では、第１〜第４酸化剤ガス連通孔３０ａ〜３０ｄについて説明したが、第１〜第４燃料ガス連通孔３４ａ〜３４ｄにおいても同様であり、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３〜第５の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

図９は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の暖機方法の説明図である。この第３の実施形態では、第１〜第４酸化剤ガス連通孔３０ａ〜３０ｄが第１〜第４連通位置Ｐ１１〜Ｐ１４に、順次、切り替えられることにより、酸化剤ガス流路４２に供給される混合酸化剤ガスの供給方向が、順次、変更されている。すなわち、第１連通位置Ｐ１１では、混合酸化剤ガスが第１酸化剤ガス連通孔３０ａから酸化剤ガス流路４２に供給されて、前記第１酸化剤ガス連通孔３０ａの近傍に触媒での酸化反応が発生する。

第２連通位置Ｐ１２では、混合酸化剤ガスが第２酸化剤ガス連通孔３０ｂから酸化剤ガス流路４２に供給されて、前記第２酸化剤ガス連通孔３０ｂの近傍に触媒燃料が発生する。さらに、第３連通位置Ｐ１３では、混合酸化剤ガスが第３酸化剤ガス連通孔３０ｃから酸化剤ガス流路４２に供給され、前記第３酸化剤ガス連通孔３０ｃの近傍に触媒燃料が発生する。さらにまた、第４連通位置Ｐ１４では、混合酸化剤ガスが第４酸化剤ガス連通孔３０ｄから酸化剤ガス流路４２に供給され、前記第４酸化剤ガス連通孔３０ｄの近傍に触媒での酸化反応が発生する。

このように、第３の実施形態では、酸化剤ガス供給口が第１〜第４酸化剤ガス連通孔３０ａ〜３０ｄに、順次、切り替えられることにより、カソード側電極４０には局部的な触媒での酸化反応が発生することがない。これにより、カソード側電極４０の外周円部近傍にわたって触媒での酸化反応の領域が拡大し、燃料電池１０全体を均一且つ確実に暖機することができる等、第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

図１０は、本発明の第４の実施形態に係る暖機方法を実施するための燃料電池１６０の要部分解斜視図である。

燃料電池１６０は、略円盤状の電解質膜・電極構造体１６２と、前記電解質膜・電極構造体１６２を挟持する略円盤状の金属製第１及び第２セパレータ１６４、１６６とを備える。燃料電池１６０の外周縁部には、アノード側電極３８及びカソード側電極４０の外方に位置して第１酸化剤ガス連通孔１６８ａ、第２酸化剤ガス連通孔１６８ｂ、第３酸化剤ガス連通孔１６８ｃ、第４酸化剤ガス連通孔１６８ｄ及び第５酸化剤ガス連通孔１６８ｅが所定角度間隔ずつ離間して矢印Ａ方向に貫通形成される。

第１及び第２酸化剤ガス連通孔１６８ａ、１６８ｂ間には、第１燃料ガス連通孔１７０ａと第１冷却媒体連通孔１７２ａとが形成される。第２及び第３酸化剤ガス連通孔１６８ｂ、１６８ｃ間には、第２燃料ガス連通孔１７０ｂと第２冷却媒体連通孔１７２ｂとが設けられ、第３及び第４酸化剤ガス連通孔１６８ｃ、１６８ｄ間には、第３燃料ガス連通孔１７０ｃと第３冷却媒体連通孔１７２ｃとが形成される。

第４酸化剤ガス連通孔１６８ｄと第５酸化剤ガス連通孔１６８ｅとの間には、第４燃料ガス連通孔１７０ｄ及び第４冷却媒体連通孔１７２ｄが設けられる。第５及び第１酸化剤ガス連通孔１６８ｅ、１６８ａ間には、第５燃料ガス連通孔１７０ｅ及び第５冷却媒体連通孔１７２ｅが形成される。

このように構成される第４の実施形態では、第１〜第５酸化剤ガス連通孔１６８ａ〜１６８ｅにおいて、例えば、第１〜第３酸化剤ガス連通孔１６８ａ〜１６８ｃが酸化剤ガス供給口に設定される一方、第４及び第５酸化剤ガス連通孔１６８ｄ、１６８ｅが酸化剤ガス排出口に設定されている。

また、第１〜第５燃料ガス連通孔１７０ａ〜１７０ｅにおいて、例えば、第１及び第２燃料ガス連通孔１７０ａ、１７０ｂが燃料ガス排出口に設定される一方、第３〜第５燃料ガス連通孔１７０ｃ〜１７０ｅが燃料ガス供給口に設定されている。第１〜第５冷却媒体連通孔１７２ａ〜１７２ｅでは、任意の１つ以上の冷却媒体供給口に設定される一方、任意の１つ以上が冷却媒体排出口に設定されている。

この場合、第４の実施形態では、第１〜第３酸化剤ガス連通孔１６８ａ〜１６８ｃが酸化剤ガス供給口に設定されており、混合酸化剤ガスが前記第１〜第３酸化剤ガス連通孔１６８ａ〜１６８ｃから酸化剤ガス流路４２に同時に供給されている。従って、カソード側電極４０には、部分的な触媒での酸化反応が惹起することがなく、触媒での酸化反応領域が有効に拡大されるとともに、燃料電池１６０全体を迅速に昇温させることができる。

これにより、第４の実施形態では、触媒の局所的な劣化を有効に阻止し、特に低温始動時の暖機時間が有効に短縮される等、第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、第４の実施形態では、第２の実施形態と同様に、第１〜第５酸化剤ガス連通孔１６８ａ〜１６８ｅの任意の２つ以上を酸化剤ガス供給口として、順次、切り替えながら、混合酸化剤ガスを前記２以上の酸化剤ガス供給口から酸化剤ガス流路４２に同時に供給して、発電を行うことができる。

さらにまた、第３の実施形態と同様に、第１〜第５酸化剤ガス連通孔１６８ａ〜１６８ｅの任意の１つを酸化剤ガス供給口として、順次、切替ながら、混合酸化剤ガスを１つの酸化剤ガス供給口から酸化剤ガス流路４２に供給して、発動を行うことも可能である。

図１１は、本発明の第５の実施形態に係る暖機方法を実施するための燃料電池２００の要部分解斜視図である。

燃料電池２００は、電解質膜・電極構造体２０２と、前記電解質膜・電極構造体２０２を挟持する略正方形状の金属製第１及び第２セパレータ２０４、２０６とを備える。

燃料電池２００の矢印Ｂ方向の一端縁部には、矢印Ｃ方向に長尺な第１酸化剤ガス連通孔２０８ａが形成されるとともに、この第１酸化剤ガス連通孔２０８ａの上下には、第１冷却媒体連通孔２１０ａと第２冷却媒体連通孔２１０ｂとが設けられる。燃料電池２００の矢印Ｂ方向略中央部には、第１酸化剤ガス連通孔２０８ａと平行して、矢印Ｃ方向に長尺な第２酸化剤ガス連通孔２０８ｂが形成される。

燃料電池２００の矢印Ｂ方向の他端縁部には、第１及び第２酸化剤ガス連通孔２０８ａ、２０８ｂと平行し且つ矢印Ｃ方向に長尺な第３酸化剤ガス連通孔２０８ｃが形成される。この第３酸化剤ガス連通孔２０８ｃの上下には、第３冷却媒体連通孔２１０ｃと第４冷却媒体連通孔２１０ｄとが形成される。燃料電池２００の矢印Ｃ方向両端には、第１燃料ガス連通孔２１２ａと第２燃料ガス連通孔２１２ｂとが形成される。

電解質膜・電極構造体２０２は、第１〜第３酸化剤ガス連通孔２０８ａ〜２０８ｃの間に位置して、アノード側電極３８ａ、３８ｂと、カソード側電極４０ａ、４０ｂとが設けられる。

第１セパレータ２０４には、カソード側電極４０ａ、４０ｂに対応して酸化剤ガス流路４２ａ、４２ｂが分割形成されるとともに、第２セパレータ２０６には、アノード側電極３８ａ、３８ｂに対応して燃料ガス流路４６ａ、４６ｂが分割形成される。第２セパレータ２０６には、燃料ガス流路４６ａ、４６ｂとは反対の面に、冷却媒体流路５０ａ、５０ｂが分割形成される。

このように構成される燃料電池２００では、第１及び第２酸化剤ガス連通孔２０８ａ、２０８ｂが酸化剤ガス供給口に設定される一方、第３酸化剤ガス連通孔２０８ｃが酸化剤ガス排出口に設定される。また、第１燃料ガス連通孔２１２ａが燃料ガス供給口に設定されるとともに、第２燃料ガス連通孔２１２ｂが燃料ガス排出口に設定される。さらに、第１及び第３冷却媒体連通孔２１０ａ、２１０ｃが冷却媒体供給口に設定され、第２及び第４冷却媒体連通孔２１０ｂ、２１０ｄが冷却媒体排出口に設定される。

この場合、第５の実施形態では、燃料電池２００の低温始動時に、第１及び第２酸化剤ガス連通孔２０８ａ、２０８ｂに混合酸化剤ガスが供給され、この混合酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４２ａ、４２ｂに各々供給された後、第３酸化剤ガス連通孔２０８ｃから排出される。

このため、カソード側電極４０ａ、４０ｂでは、各々混合酸化剤ガスが供給されて触媒での酸化反応が惹起され、該触媒での酸化反応が局所的に行われることを阻止することができる。これにより、特に低温始動時の暖機時間が有効に短縮されるとともに、触媒の耐久性が向上する等、第１〜第４の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、第１燃料ガス連通孔２１２ａに供給された燃料ガスは、アノード側電極３８ａ、３８ｂに沿って鉛直上方向に移動した後、第２燃料ガス連通孔２１２ｂから排出される。一方、第１及び第４冷却媒体連通孔２１０ａ、２１０ｄに供給された冷却媒体は、各々冷却媒体流路５０ａ、５０ｂに沿って下降しながら電解質膜・電極構造体２０２を冷却した後、第２及び第４冷却媒体連通孔２１０ｂ、２１０ｄから排出される。

本発明の第１の実施形態に係る暖機方法を実施するための燃料電池を組み込む燃料電池システムの概略構成図である。 前記燃料電池の要部分解斜視図である。 前記燃料電池の要部断面説明図である。 前記燃料電池を構成する第２セパレータの正面説明図である。 前記燃料電池システムを構成するカソード側制御部の説明図である。 混合酸化剤ガスが酸化剤ガス流路に供給される際の説明図である。 混合燃料ガスが燃料ガス流路に供給される際の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る暖機方法の説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る暖機方法の説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る暖機方法を実施するための燃料電池の要部分解斜視図である。 本発明の第５の実施形態に係る暖機方法を実施するための燃料電池の要部分解斜視図である。 特許文献２の概略説明図である。

符号の説明

１０、１６０、２００…燃料電池 １２…燃料電池システム
１４…燃料電池スタック １６…カソード側制御部
１８…アノード側制御部 ２０…冷却側制御部
２４、１６２、２０２…電解質膜・電極構造体
２６、２８、１６４、１６６、２０４、２０６…セパレータ
３０ａ〜３０ｄ、１６８ａ〜１６８ｅ、２０８ａ〜２０８ｃ…酸化剤ガス連通孔
３２ａ〜３２ｄ、１７２ａ〜１７２ｅ、２１０ａ〜２１０ｄ…冷却媒体連通孔
３４ａ〜３４ｄ、１７０ａ〜１７０ｅ、２１２ａ、２１２ｂ…燃料ガス連通孔
３６…固体高分子電解質膜
３８、３８ａ、３８ｂ…アノード側電極
４０、４０ａ、４０ｂ…カソード側電極
４２、４２ａ、４２ｂ…酸化剤ガス流路
４６、４６ａ、４６ｂ…燃料ガス流路
５０、５０ａ、５０ｂ…冷却媒体流路 ６０…コンプレッサ
６４、６８、８０、８２、８４、８６…スイッチング機構
８８ａ、８８ｂ…混合バルブ

Claims (5)

1. 電解質膜の両側にそれぞれ電極を設けた電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体を挟持する一対のセパレータとを積層するとともに、前記電極の発電面に沿って一方の反応ガスを流動させる一方の反応ガス流路及び他方の反応ガスを流動させる他方の反応ガス流路と、積層方向に設けられて前記一方の反応ガス流路の入口に連通する複数の一方の反応ガス連通孔、前記一方の反応ガス流路の出口に連通する複数の一方の反応ガス連通孔、前記他方の反応ガス流路の入口に連通する複数の他方の反応ガス連通孔及び前記他方の反応ガス流路の出口に連通する複数の他方の反応ガス連通孔とを設けた燃料電池の暖機方法であって、
   前記一方の反応ガスに前記他方の反応ガスを所定の割合で一方の混合バルブにより混合した混合ガスと、前記他方の反応ガスに前記一方の反応ガスを所定の割合で他方の混合バルブにより混合した混合ガスとを、それぞれ前記複数の一方の反応ガス連通孔から前記一方の反応ガス流路と、前記複数の他方の反応ガス連通孔から前記他方の反応ガス流路とに、同時に供給し、それぞれの前記電極の触媒で酸化反応により暖機を行うことを特徴とする燃料電池の暖機方法。
2. 請求項１記載の暖機方法において、前記複数の一方の反応ガス連通孔又は前記複数の他方の反応ガス連通孔の中、任意の２以上を反応ガス供給口として、順次、切り替えながら、前記混合ガスを前記２以上の反応ガス供給口から前記反応ガス流路に同時に供給して発電を開始することを特徴とする燃料電池の暖機方法。
3. 電解質膜の両側にそれぞれ電極を設けた電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体を挟持する一対のセパレータとを積層するとともに、前記電極の発電面に沿って一方の反応ガスを流動させる一方の反応ガス流路及び他方の反応ガスを流動させる他方の反応ガス流路と、積層方向に設けられて前記一方の反応ガス流路の入口に連通する複数の一方の反応ガス連通孔、前記一方の反応ガス流路の出口に連通する複数の一方の反応ガス連通孔、前記他方の反応ガス流路の入口に連通する複数の他方の反応ガス連通孔及び前記他方の反応ガス流路の出口に連通する複数の他方の反応ガス連通孔とを設けた燃料電池の暖機方法であって、
   前記複数の一方の反応ガス連通孔又は前記複数の他方の反応ガス連通孔の中、任意の反応ガス連通孔を反応ガス供給口として、順次、切り替えながら、前記一方の反応ガスに前記他方の反応ガスを所定の割合で一方の混合バルブにより混合した混合ガスと、前記他方の反応ガスに前記一方の反応ガスを所定の割合で他方の混合バルブにより混合した混合ガスとを、それぞれ１以上の前記一方の反応ガス連通孔から前記一方の反応ガス流路と、１以上の前記他方の反応ガス連通孔から前記他方の反応ガス流路とに、同時に供給し、それぞれの前記電極の触媒で酸化反応により暖機を行うことを特徴とする燃料電池の暖機方法。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の暖機方法において、前記一方の反応ガス流路は、酸化剤ガス流路であるとともに、前記一方の反応ガス連通孔は、酸化剤ガス連通孔であり、
   前記一方の反応ガスである酸化剤ガスに、前記他方の反応ガスである燃料ガスを前記一方の混合バルブにより混合した混合ガスを、前記反応ガス供給口である酸化剤ガス供給口から前記酸化剤ガス流路に供給することを特徴とする燃料電池の暖機方法。
5. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の暖機方法において、前記他方の反応ガス流路は、燃料ガス流路であるとともに、前記他方の反応ガス連通孔は、燃料ガス連通孔であり、
   前記他方の反応ガスである燃料ガスに、前記一方の反応ガスである酸化剤ガスを前記他方の混合バルブにより混合した混合ガスを、前記反応ガス供給口である燃料ガス供給口から前記燃料ガス流路に供給することを特徴とする燃料電池の暖機方法。

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