JP4864225B2

JP4864225B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP4864225B2
Application number: JP2001115383A
Authority: JP
Inventors: 勝美林; 英男加藤
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2001-04-13
Filing date: 2001-04-13
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2021-04-13
Also published as: JP2002313392A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、固体高分子電解質膜を備えた燃料電池に関し、特に、低温起動性に優れた燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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たものがある。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）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。カソード電極においては酸化剤ガス（例えば、酸素を含む空気）が供給されているため、水素イオン、電子、及び酸素が反応して水が生成される。したがって、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。
【０００３】
一般に、この種の燃料電池の作動温度は７０℃〜８０℃程度とされているが、低温時においては発電効率が低下するため低温時における始動性が大きな課題となっている。したがって、燃料電池を車両用として用いた場合に、外気温が低い状態、例えば、氷点下で起動しようとすると始動までに時間がかかるという問題がある。
これに対して、例えば、特表２０００−５１２０６８号公報に記載されているように、燃料電池の外部負荷に電力を供給することで反応を促進し、自己発熱により温度を上昇させて始動性を向上させるものがある。
また、米国特許第６１０３４１０号公報に示されているように、反応ガスである水素の一部を空気に混ぜることで、カソード側の触媒により反応を起こし燃焼熱を発生させ始動性を向上させるものもある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前者の自己発熱を用いた技術では、例えば、起動時に燃料電池が氷点下となっているような場合に、熱容量の大きい燃料電池全体を自己発熱だけで加熱するにはある程度長い時間が必要となってしまうという問題がある。また、燃料電池を暖機するために燃料電池を発電させているのであるが、燃料電池の自己発熱だけでは熱量が不足し、暖機中に燃料電池で生じた生成水が凍結する虞もあった。
一方、後者の水素の一部を燃焼させる技術では、発電用として搭載している水素の他に始動用としての水素が必要となるため、その分だけ水素タンクが大型化し、周辺機能部品の配置スペースに制約を与えてしまうという問題がある。
【０００５】
そこで、この発明は、燃料電池の低温起動時に燃料電池の一部に加熱した冷却液を流通させて発電部の一部を局所的に加熱することによって自己発熱を促進し、短時間で燃料電池を温度上昇可能にして低温起動性に優れた燃料電池を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、固体高分子電解質膜（例えば、後述する第１の実施の形態における固体高分子電解質膜１２）の両側にアノード電極（例えば、後述する第１の実施の形態におけるアノード電極１３）とカソード電極（例えば、後述する第１の実施の形態におけるカソード電極１４）が設けられさらに前記各電極の外側にそれぞれ反応ガス通路（例えば、後述する第１の実施の形態における燃料ガス通路１８ａ，１８ｂ、空気通路１９ａ，１９ｂ）が設けられ前記反応ガス通路から離隔して冷却液通路（例えば、後述する第１の実施の形態における２０ａ，２０ｂ）が設けられてなるセル（例えば、後述する第１の実施の形態におけるセル１５）を備えた燃料電池（例えば、後述する第１の実施の形態における燃料電池１１）において、前記セルにおける発電面の一部の領域に対応する位置に、前記冷却液通路から独立して第２冷却液通路（例えば、後述する第１の実施の形態における冷却液通路３６）が設けられ、前記冷却液通路は第１冷却液循環回路（例えば、後述する第１の実施の形態における第１冷却液循環回路６１）に接続され、前記第２冷却液通路は前記セルの外部に設けられた加熱手段（例えば、後述する各実施の形態における電気ヒーター６５）を備えた第３冷却液循環回路（例えば、後述する第１の実施の形態における第３冷却液循環回路６２）に接続されており、前記第１冷却液循環回路と前記第３冷却液循環回路が互いに独立していて、前記第２冷却液通路に、前記加熱手段により加熱した冷却液を供給・停止可能にしたことを特徴とする。
【０００７】
このように構成することにより、燃料電池の低温起動時に、第２冷却液通路に加熱した冷却液を供給することで前記発電面の一部の領域を迅速に加熱することができ、この領域における固体高分子電解質膜のイオン通過抵抗を低下させて発電効率を高め、これにより自己発熱を促進して当該領域の温度を速やかに高め、この高温度領域を発電面全体に拡大して燃料電池の温度を高めることが可能となる。
【００１１】
また、第３冷却液循環回路における冷却液保有量を少なくすることが可能になる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る燃料電池の実施の形態を図９および図１０の図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態および参考例における燃料電池は燃料電池自動車に搭載される態様である。
【００１３】
〔参考例〕
初めに、この発明に係る燃料電池に関連する技術の参考例を図１から図８の図面を参照して説明する。図２は燃料電池１１の一部における縦断面図である。燃料電池１１は、固体高分子電解質膜１２をアノード電極１３とカソード電極１４とで挟持し、さらにその外側を一対のセパレータ１６，１７で挟持してなるセル（単位燃料電池）１５を水平方向に複数積層して構成されており、図示しないスタッドボルトにより締め付けられて、例えば、車両用の燃料電池スタックが構成される。尚、この参考例では説明の都合上、単一のセル５を例にして説明する。
【００１４】
固体高分子電解質膜７は、例えば、パーフルオロスルホン酸ポリマー等を用いている。また、アノード電極９およびカソード電極１１はＰｔを主体としたものであって、多孔質カーボンクロス又は多孔質カーボンペーパーからなる拡散層に配設されている。セパレータ１６，１７は緻密質カーボン製や金属製のもので、これらセパレータ１６，１７から電力を取り出す。
【００１５】
アノード電極１３と、これに隣接するセパレータ１６との間には、燃料ガスとしての水素ガスを流通させる燃料ガス通路（反応ガス通路）１８ａ，１８ｂが形成されている。また、カソード電極１４と、これに隣接するセパレータ１７との間には、酸化剤ガスとしての空気を流通させる空気通路（反応ガス通路）１９ａ，１９ｂが形成されている。
さらに、各セパレータ１６，１７の背面間には、燃料電池１５を冷却するための冷却液（純水やエチレングリコールやオイル等）を流通させる冷却液通路２０ａ，２０ｂおよび第２冷却液通路３６が形成されている。
【００１６】
図１はアノード側のセパレータ１６を冷却液通路２０ａ，２０ｂおよび第２冷却液通路３６が形成されている側から見た正面図であり、図３はセパレータ１６を燃料ガス通路１８ａ，１８ｂが形成されている側から見た正面図である。なお、説明の都合上、図１には冷却液回路および制御構成を併記しており、図３にはカソード側のセパレータ１７に形成されている空気通路１９ａ，１９ｂを破線で併記している。
燃料電池１１は、左右両側にそれぞれ４つの通路２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８を備え、上下両側にそれぞれ３つの通路２９，３０，３７，３１，３２，３８を有しており、これら通路２１〜３２，３７，３８はセル１５の積層方向に貫通して設けられている。
【００１７】
初めに、燃料ガス通路および空気通路について説明すると、この参考例における燃料電池１１においては、燃料ガス通路および空気通路が上下二系列に分割されている。左側上から１番目と３番目の通路は水素ガスを供給するための燃料ガス通路２１，２３であり、右側上から２番目と下から１番目の通路は水素ガスを排出するための燃料ガス通路２６，２８であり、燃料ガス通路２１を流通する水素ガスは上側の燃料ガス通路１８ａを通って燃料ガス通路２６に排出され、一方、燃料ガス通路２３を流通する水素ガスは下側の燃料ガス通路１８ｂを通って燃料ガス通路２８に排出される。
【００１８】
また、セパレータ１７には、上側の燃料ガス通路１８ａに対応する位置に上側の空気通路１９ａが形成されており、下側の燃料ガス通路１８ｂに対応する位置に下側の空気通路１９ｂが形成されている。右側上から１番目と３番目の通路は空気を供給するための空気通路２５，２７であり、左側上から２番目と下から１番目の通路は空気を排出するための空気通路２２，２４であり、空気通路２５を流通する空気は上側の空気通路１９ａを通って空気通路２２に排出され、一方、空気通路２７を流通する空気は下側の空気通路１９ｂを通って空気通路２４に排出される。
【００１９】
次に、冷却液通路２０ａ，２０ｂおよび第２冷却液通路３６について説明すると、この参考例における燃料電池１１においては、冷却液通路が左右および中央の三系列に分割されている。下側の冷却液通路３１，３２，３８は冷却液が供給される冷却液通路であり、上側の冷却液通路２９，３０，３７は冷却液を排出するための冷却液通路であり、冷却液通路３１に供給された冷却液は冷却液通路２０ａを通って冷却液通路２９に排出され、冷却液通路３２に供給された冷却液は冷却液通路２０ｂを通って冷却液通路３０に排出され、冷却液通路３８に供給された冷却液は第２冷却液通路３６を通って冷却液通路３７に排出される。
【００２０】
第２冷却液通路３６は、冷却液通路２０ａと冷却液通路２０ｂの間に配置されており、排出側の冷却液通路３７に近い位置において渦巻き状の迷路部３６ａを備えている。この迷路部３６ａはこの部位における流路長さを長くして冷却液の滞留時間を稼ぐために設けられており、上側の燃料ガス通路１８ａおよび空気通路１９ａに対応する位置に配置されている。
これら冷却液通路２０ａ，２０ｂおよび第２冷却液通路３６は、燃料ガス通路１８ａ，１８ｂと空気通路１９ａ，１９ｂが重複する部分（この部分が発電面となる）のほぼ全域をカバーしている。
【００２１】
また、この参考例の燃料電池１１では、連続して積層された所定数のセル１５を単位モジュールとして、各モジュールに対して１つの温度センサ３４が設けられている。温度センサ３４は、図２に示すように各モジュールにおいて代表する１つのセパレータ１７に設けられ、且つ、図１に示すように第２冷却液通路３６の迷路部３６ａの近傍に対応する位置に配置されており、各モジュールにおける迷路部３６ａ近傍の温度を検出することができるようになっている。この温度センサ３４の出力信号は燃料電池制御用のＥＣＵ３５に入力される。ＥＣＵ３５は燃料電池１１の起動時には図示しないバッテリーに蓄電されている電力により作動される。
【００２２】
供給側の冷却液通路３１，３２は第１冷却液循環回路５１を介して排出側の冷却液通路２９，３０に接続されており、第１冷却液循環回路５１は、ポンプ５２と、ポンプ５２の上流側および下流側に設置された制御バルブＶ１，Ｖ２と、制御バルブＶ２と冷却液通路２９，３０との間に設けられたラジエータ５７を備えている。制御バルブＶ１，Ｖ２は冷却液の流路を制御するための流路切り替え手段であり、制御バルブＶ１，Ｖ２を開くと冷却液通路２９，３０，３１，３２への冷却液の流通が許容され、その結果、冷却液通路２０ａ，２０ｂに冷却液が流れ、制御バルブＶ１，Ｖ２を閉じると冷却液通路２９，３０，３１，３２への冷却液の流通が阻止され、その結果、冷却液通路２０ａ，２０ｂに冷却液が流れなくなる。
【００２３】
また、排出側の冷却液通路３７は、第１冷却液循環回路５１におけるポンプ５２と制御バルブＶ１との間に、冷却液配管５３を介して接続されており、供給側の冷却液通路３８は、第１冷却液循環回路５１におけるポンプ５２と制御バルブＶ２との間に、冷却液配管５４を介して接続されている。これにより、第２冷却液通路３６は、冷却液通路３７，３８および冷却液配管５３，５４を介して、冷却液通路２０ａ，２０ｂに対し並列的に第１冷却液循環回路５１に接続されている。この冷却液配管５３，５４は制御バルブＶ１，Ｖ２の開閉状態にかかわらず常に冷却液が流通可能であり、したがって、ポンプ５２が駆動されているときには冷却液通路３７，３８および第２冷却液通路３６に冷却液が流れる。なお、この参考例において、冷却液配管５３，５４は第２冷却液循環回路を構成する。
【００２４】
供給側の冷却液配管５４には電気ヒーター（加熱手段）５５が設けられており、電気ヒーター５５をＯＮすることによって冷却液配管５４を流れる冷却液を加熱することができるようになっている。この電気ヒーター５５はＥＣＵ３５によって制御され、冷却液配管５４を流れる冷却液の温度を制御することができるようになっている。
また、この冷却液配管５４には、電気ヒーター５５と供給側の冷却液通路３８との間に、冷却液配管５４を流れる冷却液の温度を検出するための温度センサ５６が設けられており、温度センサ５６の出力信号はＥＣＵ３５に入力される。
【００２５】
このように構成された燃料電池１１は、全面発電モードにおいて次のように動作する。
全面発電モードでは、上下二系列ある燃料ガス通路１８ａ，１８ｂの両方に水素ガスを流し、空気通路１９ａ，１９ｂの両方に空気を流し、左右中央三系列ある冷却液通路２０ａ，２０ｂおよび第２冷却液通路３６の全てに冷却液を流す。すなわち、燃料ガス通路２１，２３に水素ガスを供給して燃料ガス通路１８ａ，１８ｂに水素ガスを流し、燃料ガス通路２６，２８に排出する。また、図示しないスーパーチャージャーを駆動して空気通路２５，２７に空気を供給し、空気通路１９ａ，１９ｂに空気を流し、空気通路２２，２４に排出する。さらに、ポンプ５２を駆動するとともに制御バルブＶ１，Ｖ２を開いて冷却液通路３１，３２，３８に冷却液を供給し、冷却液通路２０ａ，２０ｂおよび第２冷却液通路３６に冷却液を上向きに流し、冷却液通路２９，３０，３７に排出する。これにより、全セル１５の発電面全面で発電が行われ、発電面全面が冷却液により冷却される。
なお、この全面発電モードにおいては、第１冷却液循環回路５１に設けられている図示しないラジエータを駆動して冷却液を冷却し、電気ヒーター５５はＯＦＦにして冷却液配管５４を流れる冷却液を加熱しない。
【００２６】
ところで、固体高分子電解質膜を備えた燃料電池は、温度が低いと発電効率が低下することは前述した通りである。また、外気温が氷点下（例えば−１０℃）となるような低温時においては、停止時において除去しきれなかった燃料電池１１内の生成水は反応ガス通路１８ａ，１８ｂ１９ａ，１９ｂの溝の一部で凍結している場合が多い。このような条件下で燃料電池１１を起動する場合に前記全面発電モードで起動したのでは、燃料電池１１の温度上昇に時間が長くかかってしまう。
【００２７】
そこで、この燃料電池１１では、このような低温起動時には、燃料電池１１を迅速に温度上昇させるために局所発電モードで動作するようにし、局所発電モードでの運転により燃料電池１１の温度が上昇してから、全面発電モードに移行するようにしている。
局所発電モードでは、水素ガスは上側の燃料ガス通路１８ａだけに流して下側の燃料ガス通路１８ｂには流さず、空気は上側の空気通路１９ａだけに流して下側の空気通路１９ｂには流さないようにする。このようにすると、各セル１５において上側半分だけを発電面とすることができ、各セル１５の下側半分は発電に寄与しなくすることができる。
【００２８】
また、局所発電モードでは、ポンプ５２を駆動するとともに制御バルブＶ１，Ｖ２を閉じ、冷却液通路２９，３０，３１，３２の冷却液の流通を阻止して冷却液通路２０ａ，２０ｂに冷却液を流さないようにする。これにより、第１冷却液循環回路５１の冷却液は、ポンプ５２→第１冷却液循環回路５１→冷却液配管５４→冷却液通路３８→第２冷却液通路３６→冷却液通路３７→冷却液配管５３→第１冷却液循環回路５１→ポンプ５２という閉回路を循環することとなる。したがって、このときには、冷却液はラジエータ５７には流れないので冷却されないこととなる。さらに、局所発電モードでは、電気ヒーター５５をＯＮにして冷却液配管５４を流れる冷却液を加熱する。
【００２９】
これにより、電気ヒーター５５によって加熱された冷却液は第２冷却液通路３６だけを上向きに流れることとなり、冷却液の滞留時間が長い迷路部３６ａ近傍を集中的に加熱する。そして、その熱がセパレータ１６，１７を介してアノード電極１３，カソード電極１４，固体高分子電解質膜１２に伝熱し、これらを迅速に加熱する。その結果、図１および図４に示すように、迷路部３６ａ近傍の領域Ｓにおいて局所的な発電が迅速に行われるようになる（以下、この領域Ｓを局所発電領域Ｓという）。また、迅速に発電が行われることにより反応による自己発熱が促進され、冷却液による加熱と自己発熱により局所発電領域Ｓの温度が速やかに高まる。
【００３０】
ここで、発電の際の反応熱量と電気ヒーター５５による外部アシスト熱量の和が、発電により生じる生成水の凍結防止に必要な熱量と放熱量の和よりも大きくなるように、電気ヒーター５５による冷却液の加熱量（すなわち、電気ヒーター５５の発熱量）を制御することにより、生成水の凍結を阻止することができる。換言すれば、生成水凍結に起因した電圧低下により燃料電池１１が運転停止する前に（すなわち、燃料電池１１の出力電圧が運転限界電圧まで降下する前に）、各セル１５の局所発電領域Ｓの温度を０゜Ｃ以上に昇温することができる。これによって、局所発電領域Ｓにおける発電を持続させることができ、他の部分（例えば、セル１５の下側半分）が氷点下であっても燃料電池１１全体としては発電を持続することができるようになる。
【００３１】
また、領域Ｓにおける局所発電による自己発熱と迷路部３６ａにおける冷却液の熱が、局所発電領域Ｓの周囲へも伝熱していき、図５および図６に示すように、各セル１５の上側全体および下側半分も徐々に加熱されるようになり、発電可能な領域が拡大していき、燃料電池１１を早期に暖機することができる。
【００３２】
さらに、局所発電領域Ｓの発電を持続することができることにより、燃料電池１１の運転に最小限必要なエネルギー（すなわち、スーパーチャージャ等の補機の運転に必要な電力）を燃料電池１１の発電によって確保することが可能になる。
また、局所発電モードでは、局所発電領域Ｓだけを発電できる状態に保てばよいので、加熱した冷却液を冷却液通路２０ａ，２０ｂに流してセル１５の全面を加熱するようにした場合に比較して小さなエネルギーで済み、局所発電モードにおける消費電力を抑制することができる。
【００３３】
さらに、低温起動前に事前処理（例えば、起動前の予備加熱など）を行う場合も、局所発電領域Ｓだけを起動可能な状態にすればいいので、この事前処理のためのエネルギー消費を低減することができる。また、この参考例においては、ポンプ５２が一台で済むので、部品点数が増えることがなく、コストアップを抑えることができる。
【００３４】
次に、燃料電池１１の起動制御の一例を図７のフローチャートを参照して説明する。
まず、ステップＳ１０１において、イグニッションスイッチがＯＮか否か判定する。ステップＳ１０１の判定結果が「ＹＥＳ」（イグニッションスイッチＯＮ）である場合はステップＳ１０２に進み、ステップＳ１０１の判定結果が「ＮＯ」（イグニッションスイッチＯＦＦ）である場合は本ルーチンの実行を一旦終了する。
【００３５】
ステップＳ１０２においてシステムチェックを行った後、ステップＳ１０３に進み、システムに異常がないか否か判定する。ステップＳ１０３の判定結果が「ＹＥＳ」（異常なし）である場合はステップＳ１０４に進み、ステップＳ１０３の判定結果が「ＮＯ」（異常あり）である場合はステップＳ１０５に進む。
ステップＳ１０４においては、各モジュールの温度センサ３４のうちの一つの温度センサ３４によって検出された温度Ｔｊを局所発電領域Ｓにおける内部代表温度として、この内部代表温度が０゜Ｃよりも低いか否か判定する。ステップＳ１０４の判定結果が「ＮＯ」（０゜Ｃ以上）である場合はステップＳ１０６に進み、全面発電モードに移行する。ステップＳ１０４の判定結果が「ＹＥＳ」（０゜Ｃ未満）である場合はステップＳ１０７に進み、局所発電モードに移行する。
【００３６】
ステップＳ１０７における局所発電モードでは、前述したように、各セル１５の上側の燃料ガス通路１８ａ、空気通路１９ａにだけ水素ガスおよび空気を供給し、また、制御バルブＶ１，Ｖ２を閉じて冷却液通路１９ａ，１９ｂに冷却液が流れないようにして第２冷却液通路３６にだけ冷却液が流れるようにするとともに、電気ヒーター５５をＯＮして冷却液を加熱し、加熱した冷却液を第２冷却液通路３６に循環させるようにする。これにより、局所発電領域Ｓにおける局所発電を実行する。また、電気ヒーター５５の出力は、第２冷却液通路３６に供給される冷却液の温度が所定温度（例えば、７０゜Ｃ）以下となるように、ＥＣＵ３５によって制御する。
【００３７】
そして、ステップＳ１０８において、温度センサ５６によって検出される冷却液の温度Ｔ0と、温度センサ３４によって検出される各モジュールの局所発電領域Ｓの温度Ｔｊを読み込み、ステップＳ１０９に進む。
ステップＳ１０９において、各モジュールの局所発電領域Ｓの温度Ｔｊが冷却液の温度Ｔ0よりも小さいか否か判定し、判定結果が「ＹＥＳ」（Ｔｊ＜Ｔ0）である場合はステップＳ１０７に戻り、判定結果が「ＮＯ」（Ｔｊ≧Ｔ0）である場合はステップＳ１０６に進む。すなわち、各モジュールの局所発電領域Ｓの温度Ｔｊが第２冷却液通路３６を流れる冷却液の温度Ｔ0に達するまでは局所発電モードによる燃料電池１１の暖機運転を継続し、各モジュールの局所発電領域Ｓの温度Ｔｊが第２冷却液通路３６を流れる冷却液の温度Ｔ0以上となったならば局所発電モードを終了して全面発電モードに移行することとなる。局所発電モードの終了により、電気ヒーター５５をＯＦＦにし、制御バルブＶ１，Ｖ２を開く。
【００３８】
ステップＳ１０６の全面発電モードでは、前述したように、制御バルブＶ１，Ｖ２を開くことにより冷却液通路２０ａ，２０ｂおよび第２冷却液通路３６に冷却液を流し、各セル１５の両燃料ガス通路１８ａ，１８ｂに水素ガスを流し、両空気通路１９ａ，１９ｂに空気を流して、全セル１５の発電面全面を使って発電を実行する。この時には電気ヒーター５５はＯＦＦにする。
なお、ステップＳ１０５に進んだ場合は異常処理モードに移行して、本ルーチンの実行を一旦終了する。
【００３９】
なお、前記起動制御では、燃料電池１１の内部代表温度に基づいて局所発電モードに進むか否かを判定しているが、これに代えて、燃料電池１１の総出力電圧に基づいて局所発電モードに進むか否かを判定するようにしてもよい。
【００４０】
また、前記起動制御では、各モジュールの局所発電領域Ｓの温度Ｔｊが冷却液の温度Ｔ0よりも小さいか否かによって、局所発電モードを継続するか全面発電モードに移行するかを判定しているが、燃料電池１１の代表温度が所定温度を超えたか否かによって局所発電モードを継続するか全面発電モードに移行するかを判定するようにしてもよい。さらに、各セル１５に温度センサ３４を設けて、各セル１５の局所発電領域Ｓの温度が所定温度（例えば、冷却液の温度Ｔ0や他の所定温度）よりも小さいか否かによって、局所発電モードを継続するか全面発電モードに移行するかを判定してもよい。
【００４１】
また、前記燃料電池１１では、第２冷却液通路３６をセル１５の幅方向の中央に配置したが、第２冷却液通路３６の設置位置は他の位置であってもよく、反応ガス（この参考例では水素ガスや空気）の流路形態等に基づいて適宜の位置に配置することが可能である。
【００４２】
また、前述の参考例では、局所発電モードのときには、上側の燃料ガス通路１８ａと上側の空気通路１９ａにだけ水素ガスと空気を流すようにしているが、局所発電モードのときに上下両方の燃料ガス通路１８ａ，１８ｂに水素ガスを流し、上下両方の空気通路１９ａ，１９ｂに空気を流すようにしても構わない。このように、発電面の全体に反応ガスを供給した場合には、まず、加熱された冷却液により温度上昇した局所発電領域Ｓ１において発電が始まり、この発電による自己発熱および加熱冷却液の加熱による熱が上下の発電面全体に広がっていきく。そして、発電面全が温度上昇するにしたがって、発電面全面においても発電を開始するようになる。
【００４３】
さらに、前述の参考例では、燃料ガス通路１８ａ，１８ｂと空気通路１９ａ，１９ｂをそれぞれ水平方向に延びる直線流路としているが、これら燃料ガス通路および空気通路は直線流路に限るものではなく、例えば、図８に示すように、水素ガス供給用の燃料ガス通路４１を左側上方に設け、水素ガス排出用の燃料ガス通路４２を右側下方に設け、空気供給用の空気通路４３を右側上方に設け、空気排出用の空気通路４４を左側下方に設けて、燃料ガス通路４１，４２を接続する燃料ガス通路４５を逆Ｓ字状に蛇行させ、空気通路４３，４４を接続する空気通路４６をＳ字状に蛇行させてもよい。この場合には、水素ガスおよび空気はそれぞれ燃料ガス通路４５，空気通路４６を蛇行しながら下降するように流れることになる。
【００４４】
そして、この場合、第２冷却液通路３６の迷路部３６ａを設ける部位を、例えば、図８において燃料ガス通路４５の最上段の水平部と空気通路４６の最上段の水平部とが重複する領域の中央に対応する部位に設定すると、図８において二点鎖線で示す領域を局所発電領域Ｓとすることができる。なお、この場合も、迷路部３６ａの位置を他の位置に設定することにより、局所発電領域Ｓを当該他の部位に設定することが可能である。この燃料電池１１においても、前述の燃料電池１１の場合と同様の作用・効果を得ることができる。
【００４５】
〔第１の実施の形態〕
次に、この発明に係る燃料電池の第１の実施の形態を図９および図１０の図面を参照して説明する。燃料電池１１の基本的な構成は、第１の実施の形態も前述の参考例と同じであり、第１の実施の形態の燃料電池が参考例のものと相違する点は、燃料電池を局所発電するための冷却液循環回路を第１冷却液循環回路から独立して設けた点にある。以下、この相違点について詳述する。図９は、アノード側のセパレータ１６を冷却液通路２０ａ，２０ｂおよび第２冷却液通路３６が形成されている側から見た正面図に、冷却液回路および制御構成を併記して示した図であり、参考例における図１に対応する図である。
【００４６】
供給側の冷却液通路３１，３２は第１冷却液循環回路６１を介して排出側の冷却液通路２９，３０に接続されており、第１冷却液循環回路６１はポンプ（Ｐ１）６３とラジエータ６７を備えている。一方、供給側の冷却液通路３８は第３冷却液循環回路６２を介して排出側の冷却液通路３７に接続されており、第３冷却液循環回路６２はポンプ（Ｐ２）６４を備えている。これら第１，第３冷却液循環回路６１，６２はそれぞれ独立しており、第１，第３冷却液循環回路６１，６２の間では冷却液の流通はない。
【００４７】
第３冷却液循環回路６２には、この第３冷却液循環回路６２を流れる冷却液を加熱するための電気ヒーター（加熱手段）６５と、第３冷却液循環回路６２を流れる冷却液の温度を検出するための温度センサ６６が設けられている。これらは参考例における電気ヒーター５５、温度センサ５６に対応する。そして、第１の実施の形態では、第１，第３冷却液循環回路６１，６２をそれぞれ独立した回路とし、それぞれにポンプ６３，６４を設けているので、参考例における制御バルブＶ１，Ｖ２はない。その他の構成については参考例のものと同じであり、同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００４８】
このように構成された燃料電池１１においては、全面発電モードでは、電気ヒーター６５をＯＦＦにし、両ポンプ６３，６４を駆動して冷却液を第１，第３冷却液循環回路６１，６２に循環させて冷却液通路２０ａ，２０ｂおよび第２冷却液通路３６に冷却液を流し、発電面全体を冷却する。一方、局所発電モードでは、電気ヒーター６５をＯＮにし、一方のポンプ６４だけを駆動して第３冷却液循環回路６２に冷却液を循環させ、他方のポンプ６３は停止させて第１冷却液循環回路６１には冷却液を循環させないようにする。これにより、局所発電モードでは、冷却液通路２０ａ，２０ｂには冷却液が流れず、電気ヒーター６５によって加熱された冷却液が第２冷却液通路３６にだけ流れるようになり、参考例の場合と同様に迷路部３６ａ近傍を集中的に加熱することができ、その結果、局所発電領域Ｓを形成することができることとなる。
【００４９】
したがって、この第１の実施の形態の燃料電池１１においても、参考例と同様の作用・効果を得ることができる。その上、この第１の実施の形態の燃料電池１１の場合には、第１冷却液循環回路６１を第３冷却液循環回路６２から独立させているので、局所発電モードにおける冷却液の保有液量を少なくすることができ、したがって、第２冷却液通路３６に供給する冷却液を迅速に加熱することができ、ひいては局所発電を早期に実現することができる。
【００５０】
次に、第１の実施の形態における燃料電池１１の起動制御の一例を図１０のフローチャートを参照して説明する。ステップＳ２０１〜ステップＳ２０５については、参考例の起動制御におけるステップＳ１０１〜ステップＳ１０５と同じであるので説明を省略する。
【００５１】
この第１の実施の形態において、ステップＳ２０４で否定判定してステップＳ２０６に進み全面発電モードとなった場合には、ポンプ６３，６４の両方を駆動することにより冷却液通路２０ａ，２０ｂおよび第２冷却液通路３６に冷却液を流し、各セル１５の両燃料ガス通路１８ａ，１８ｂに水素ガスを流し、両空気通路１９ａ，１９ｂに空気を流して、全セル１５の発電面全面を使って発電する。この時には、第１冷却液循環回路６１を流れる冷却水がラジエータ６７によって冷却される。また、電気ヒーター６５をＯＦＦにし、第３冷却液循環回路６２を流れる冷却液を加熱しない。
【００５２】
一方、ステップＳ２０４で肯定判定してステップＳ２０７に進み局所発電モードとなった場合には、各セル１５の上側の燃料ガス通路１８ａ、空気通路１９ａにだけ水素ガスおよび空気を供給し、また、ポンプ６３を停止して冷却液通路１９ａ，１９ｂに冷却液が流れないようにし、且つ、ポンプ６４を駆動して第２冷却液通路３６にだけ冷却液が流れるようにするとともに、電気ヒーター６５をＯＮにして冷却液を加熱し、加熱した冷却液を第２冷却液通路３６に循環させるようにする。これにより、局所発電領域Ｓにおける局所発電を実行する。この時、電気ヒーター６５の出力は、第２冷却液通路３６に供給される冷却液の温度が所定温度（例えば、７０゜Ｃ）以下となるように、ＥＣＵ３５によって制御する。
【００５３】
そして、ステップＳ２０８において、温度センサ６６によって検出される冷却液の温度Ｔ0と、温度センサ３４によって検出される各モジュールの局所発電領域Ｓの温度Ｔｊを読み込み、ステップＳ２０９に進んで、各モジュールの局所発電領域Ｓの温度Ｔｊが冷却液の温度Ｔ0よりも小さいか否か判定する。ステップＳ２０９における判定結果が「ＹＥＳ」（Ｔｊ＜Ｔ0）である場合はステップＳ２０７に戻って、局所発電モードによる暖機運転を継続し、判定結果が「ＮＯ」（Ｔｊ≧Ｔ0）である場合はステップＳ２０６に進み、全面発電モードに移行する。局所発電モードから全面発電モードへの移行に伴い、電気ヒーター６５をＯＦＦにし、ポンプ６３，６４を駆動する。なお、この第１の実施の形態の燃料電池１１においても、燃料ガス通路および空気通路の流路形態は水平直線状以外の流路形態（例えば、図８に示す蛇行流路）とすることが可能である。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明するように、請求項１に記載した発明によれば、
燃料電池の低温起動時に、第２冷却液通路に加熱した冷却液を供給することで前記発電面の一部の領域を迅速に加熱することができ、この領域における固体高分子電解質膜のイオン通過抵抗を低下させて発電効率を高め、これにより自己発熱を促進して当該領域の温度を速やかに高め、この高温度領域を発電面全体に拡大して燃料電池の温度を高めることが可能となるので、発電面全体を自己発熱により加熱した場合よりも起動時間を短縮することができ、燃料電池の低温起動性を高めることができるという効果がある。
【００５７】
また、請求項１に記載した発明によれば、第３冷却液循環回路における冷却液保有量を少なくすることが可能になるので、冷却液を迅速に加熱することができ、ひいては燃料電池を早期に温度上昇させることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る燃料電池に関連する技術の参考例におけるアノード側のセパレータの正面図である。
【図２】前記参考例における燃料電池の縦断面図である。
【図３】前記アノード側のセパレータの背面図である。
【図４】前記参考例の燃料電池において加熱部分が広がる様子を示す図である。
【図５】前記参考例の燃料電池において加熱部分が広がる様子を示す図である。
【図６】前記参考例の燃料電池において加熱部分が広がる様子を示す図である。
【図７】前記参考例の燃料電池における起動制御の一例を示すフローチャートである。
【図８】前記参考例の燃料電池の変形例におけるアノード側のセパレータの背面図である。
【図９】この発明に係る燃料電池の第１の実施の形態におけるアノード側のセパレータの正面図である。
【図１０】前記第１の実施の形態の燃料電池における起動制御の一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１１燃料電池
１２固体高分子電解質膜
１３アノード電極
１４カソード電極
１５セル
１８ａ，１８ｂ燃料ガス通路（反応ガス通路）
１９ａ，１９ｂ空気通路（反応ガス通路）
２０ａ，２０ｂ冷却液通路
３６第２冷却液通路
６５電気ヒーター（加熱手段）
６１第１冷却液循環回路
６２第３冷却液循環回路

Claims

固体高分子電解質膜の両側にアノード電極とカソード電極が設けられさらに前記各電極の外側にそれぞれ反応ガス通路が設けられ前記反応ガス通路から離隔して冷却液通路が設けられてなるセルを備えた燃料電池において、
前記セルにおける発電面の一部の領域に対応する位置に、前記冷却液通路から独立して第２冷却液通路が設けられ、前記冷却液通路は第１冷却液循環回路に接続され、前記第２冷却液通路は前記セルの外部に設けられた加熱手段を備えた第３冷却液循環回路に接続されており、前記第１冷却液循環回路と前記第３冷却液循環回路が互いに独立していて、前記第２冷却液通路に、前記加熱手段により加熱した冷却液を供給・停止可能にしたことを特徴とする燃料電池。