JP4987194B2

JP4987194B2 - Fuel cell

Info

Publication number: JP4987194B2
Application number: JP2001115382A
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: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2021-04-13
Also published as: JP2002313391A

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。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来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。
そこで、この発明は、燃料電池の発電面の一部を加熱手段により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。
【０００５】
【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、後述する実施の形態における固体高分子電解質膜４）の両側にアノード電極（例えば、後述する実施の形態におけるアノード電極２）とカソード電極（例えば、後述する実施の形態におけるカソード電極３）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、後述する実施の形態における燃料ガス通路Ａ１，Ａ２、空気通路Ｃ１，Ｃ２）が設けられてなるセル（例えば、後述する実施の形態におけるセル５）を備えた燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池１）において、前記セルにおける発電面の一部の領域を加熱する加熱手段（例えば、後述する実施の形態における電気ヒーター３３、電気ヒーター５３、触媒６５、酸化・還元剤７２）を備え、前記燃料電池は前記セルを複数積層してなり、隣接する少なくとも１組のセル同士は、前記加熱手段が、発電面を正面から見たときに発電面上において異なる位置にそれぞれ設けられていることを特徴とする。
【０００６】
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、加熱手段によって発電面の前記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。また、前記セル間を電流が流れるときにセルの積層方向と垂直な方向に電流が流れるようになり、その電流の通路が電気抵抗を有することからジュール熱が発生し、燃料電池を加熱する。
【０００７】
請求項２に記載した発明は、請求項１に記載の発明において、前記加熱手段は電気ヒーター（例えば、後述する実施の形態における電気ヒーター３３、電気ヒーター５３）であることを特徴とする。このように構成することにより、加熱手段を電気エネルギーで作動することが可能になる。
【０００８】
請求項３に記載した発明は、請求項２に記載の発明において、前記セルは冷却液通路（例えば、後述する実施の形態における冷却液通路Ｒ）を備え、この冷却液通路に前記電気ヒーター（例えば、後述する実施の形態における電気ヒーター３３）が設けら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、電気ヒーターをセルに容易に取り付け可能になる。
【０００９】
【００１０】
請求項４に記載した発明は、請求項１に記載の発明において、前記加熱手段は触媒燃焼器（例えば、後述する実施の形態における触媒６５）であることを特徴とする。このように構成することにより、触媒燃焼器に酸化ガス（例えば、酸素や空気）と還元ガス（例えば、水素）を供給するだけでこれらガスを迅速に燃焼させ、発電面の一部を迅速に加熱することが可能になる。
【００１１】
請求項５に記載した発明は、請求項１に記載の発明において、前記加熱手段は、酸化・還元剤（例えば、後述する実施の形態における酸化・還元剤７２）が酸化するときの発熱を利用するものであることを特徴とする。このように構成することにより、酸化ガス（例えば、酸素や空気）を供給するだけで発電面の一部を迅速に加熱することが可能になる。
【００１２】
請求項６に記載した発明は、請求項１に記載の発明において、前記燃料電池の温度に応じて前記加熱手段の作動を制御することを特徴とする。このように構成することにより、燃料電池の温度が低いときだけ加熱手段を作動してセルの発電面の一部を局所的に加熱し、燃料電池の温度が高いときは加熱手段の作動を停止してセルの局所的な加熱を停止することが可能になる。
【００１３】
請求項７に記載した発明は、請求項１に記載の発明において、前記燃料電池の出力電圧に応じて前記加熱手段の作動を制御することを特徴とする。このように構成することにより、燃料電池の出力電圧が低いときだけ加熱手段を作動してセルの発電面の一部を局所的に加熱し、燃料電池の出力電圧が高いときは加熱手段の作動を停止してセルの局所的な加熱を停止することが可能になる。
【００１４】
請求項８に記載した発明は、請求項１に記載の発明において、前記各セルの温度に応じて前記加熱手段の作動を制御することを特徴とする。このように構成することにより、各セルの温度状態に応じて加熱手段を作動したり停止したりすることが可能になる。
【００１５】
請求項９に記載した発明は、請求項１に記載の発明において、前記各セルの出力電圧に応じて前記加熱手段の作動を制御することを特徴とする。このように構成することにより、各セルの出力電圧の状態に応じて加熱手段を作動したり停止したりすることが可能になる。
【００１６】
【００１７】
【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１４および図１５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。
【００１８】
〔参考例１〕
初めに、この発明に係る燃料電池の前提となる技術の参考例１を図１から図６の図面を参照して説明する。図２は燃料電池１の一部における縦断面図である。燃料電池１は、固体高分子電解質膜４をアノード電極２とカソード電極３とで挟持し、さらにその外側を一対のセパレータ６，７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１では説明の都合上、単一のセル５を例にして説明する。
【００１９】
前記固体高分子電解質膜４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２、カソード電極３は白金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６，７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６，７から電力を取り出す。
【００２０】
図１はカソード側のセパレータ７を膜・電極構造体５に対向する側から見た正面図である。このカソード側のセパレータ７は上半部と下半部とに区画された反応ガス通路Ｃ１，Ｃ２を備えている。ここで、緻密質カーボン製のセパレータの場合は反応ガス通路は複数の溝で構成され、金属製のセパレータの場合はプレス成形により形成された複数の溝部やシール材で仕切られて形成された通路で構成されている。また、反応ガス通路Ｃ１，Ｃ２としては、蛇行した通路や、Ｕ字の通路など様々な形状の通路を採用することができる。尚、図示都合上アノード側のセパレータ６の反応ガス通路を鎖線で併記する。
【００２１】
カソード側のセパレータ７の上半部の反応ガス通路Ｃ１は、該カソード側のセパレータ７の右側辺部の下部に形成された入口側酸化剤ガス連通孔１０に端を発し、対角方向に配置された出口側酸化剤ガス連通孔１１で終端している。同様にして、カソード側のセパレータ７の下半部にも上半部と同様の構成の反応ガス通路Ｃ２、及び入口側酸化剤ガス連通孔１０、出口側酸化剤ガス連通孔１１が形成されている。ここで、前記各入口側酸化剤ガス連通孔１０は、供給配管（供給路）１３を介してスーパーチャージャーＳ／Ｃに接続され、モータｍにより駆動するスーパーチャージャーＳ／Ｃから酸化剤ガスである空気が供給されるようになっているが、下半部側の供給配管１３には空気の供給を遮断するバルブ１４が介装されている。
【００２２】
一方、アノード側のセパレータ６も、カソード側のセパレータ７に対応して上半部と下半部とに区画された反応ガス通路Ａ１，Ａ２を備えている。つまり、カソード側の反応ガス通路Ｃ１，Ｃ２に交叉するように、アノード側のセパレータ６の左側辺部の下部に形成された入口側燃料ガス連通孔２０に端を発し、対角方向に配置された出口側燃料ガス連通孔２１で終端した反応ガス通路Ａ１，Ａ２が上半部と下半部に各々形成されている。ここで、前記各入口側燃料ガス連通孔２０は、供給配管２３を介して水素タンクＨ２に接続されているが、下半部の供給配管２３には水素ガスの供給を遮断するバルブ２４が介装されている。尚、水素タンクＨ２に替えて、改質装置を備えたメタノールタンクを使用してもよい。
【００２３】
そして、アノード側のセパレータ６、及びカソード側のセパレータ７の下側辺部には一対の入口側冷却液連通孔３０，３０が、アノード側のセパレータ６、カソード側のセパレータ７の上側辺部には一対の出口側冷却液連通孔３１，３１が形成されている。そして、アノード側のセパレータ６に、対向する前記各冷却液連通孔３０，３１同志を結ぶ冷却液通路Ｒが形成されている。この冷却液通路Ｒは図示しない冷却系配管に接続されている。
【００２４】
上記カソード側のセパレータ７及びアノード側のセパレータ６の上半部に対応するカソード電極３及びアノード電極２の発電面（すなわち、図１において反応ガス通路Ｃ１の存在する部分）が、局所発電領域（図３において破線で示す領域）Ｓ１として構成されており、この領域Ｓ１における両冷却液通路Ｒには、図２に示すように電気ヒーター（加熱手段）３３が設けられている。この電気ヒーター３３はいわゆる薄膜ヒーターで構成されており、セパレータ７において反応ガス通路Ｃ１，Ｃ２が形成されていない側の表面であって前記領域Ｓ1の両冷却液通路Ｒ，Ｒに対応する部位に、印刷あるいは蒸着等の適宜手段により形成される。
【００２５】
このように構成されたセル５を多数積層してなる燃料電池１においては、一方の最外側のカソード側のセパレータ７と、他方の最外側のアノード側のセパレータ６の端子部材（図示せず）によって、燃料電池１から出力を取り出す閉回路が形成され、燃料電池１の出力電力により走行用モータＭや外部負荷Ｆ（後述する実施形態の電気ヒーターも含む）を駆動させるようになっている。
【００２６】
また、図２に示すように、複数あるセル５のうちの一つのセル５のセパレータ７には、前記領域Ｓ1内の所定部位（例えば、領域Ｓ1の中央部）に、燃料電池１の代表温度を検出する温度センサ３４が設けられている。温度センサ３４は例えばサーミスタ等で構成されており、この温度センサ３４の出力信号は燃料電池制御用のＥＣＵ５０に入力される。さらに、この燃料電池１においては、各セル５の出力電圧を検出するために、各セル５のセパレータ６，７に電圧センサ３６が接続されており、電圧センサ３６の出力信号はＥＣＵ５０に入力される。
【００２７】
また、ＥＣＵ５０は、前記水素タンクＨ２、スーパーチャージャーＳ／Ｃのモータｍ、前記水素タンクＨ２に接続された供給配管のバルブ２４、スーパーチャージャーＳ／Ｃに接続された供給配管１３のバルブ１４に接続されている。ＥＣＵ５０は燃料電池１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。
【００２８】
このように構成された燃料電池１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、上下二系列ある反応ガス通路Ａ１，Ａ２および反応ガス通路Ｃ１，Ｃ２の両方に水素ガスおよび空気を流し、左右二系列ある冷却液通路Ｒ，Ｒの両方に冷却液を流す。すなわち、入口側燃料ガス連通孔２０に水素ガスを供給して反応ガス通路Ａ１，Ａ２に水素ガスを流し、出口側燃料ガス連通孔２１に排出する。また、スーパーチャージャＳ／Ｃを駆動して入口側酸化剤ガス連通孔１０に空気を供給し反応ガス通路Ｃ１，Ｃ２に空気を流し、出口側酸化剤ガス連通孔１１に排出する。さらに、入口側冷却液連通孔３０に冷却液を供給して冷却液通路Ｒ，Ｒに冷却液を上向きに流し、出口側冷却液連通孔３１に排出する。これにより、全セル５の発電面全面で発電が行われる。
【００２９】
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１内の生成水は反応ガス通路Ｃ１，Ｃ２，Ａ１，Ａ２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１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１の温度上昇に時間が長くかかってしまう。
【００３０】
そこで、この燃料電池１では、このような低温起動時には、燃料電池１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１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、両冷却液通路Ｒ，Ｒに冷却液を流さず、水素供給系のバルブ２４を閉弁することにより水素ガスは上半部側の反応ガス通路Ａ１だけに流して下半部側の反応ガス通路Ａ２には流さず、空気供給系のバルブ１４を閉弁することにより空気は上半部側の反応ガス通路Ｃ１だけに流して下半部側の反応ガス通路Ｃ２には流さず、さらに電気ヒーター３３をＯＮにする。このようにすると、各セル５において上半部側の局所発電領域Ｓ1だけが発電面となり、各セル５の下半部側は発電に寄与しなくすることができる。
【００３１】
そして、電気ヒーター３３に電流を流すことにより、電気ヒーター３３が発熱し、その熱がセパレータ６，７を介してアノード電極２，カソード電極３，固体高分子電解質膜４に伝熱し、これらを迅速に加熱する。その結果、領域Ｓ1において局所的な発電が迅速に行われることとなる。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、電気ヒーター３３による加熱と自己発熱により局所発電領域Ｓ1の温度が速やかに高まる。
【００３２】
ここで、発電の際の反応熱量と電気ヒーター３３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３３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１が運転停止する前に（すなわち、燃料電池１の出力電圧が運転限界電圧まで降下する前に）、各セル５の局所発電領域Ｓ1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Ｓ1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５の下側半分）が氷点下であっても燃料電池１全体としては発電を持続することができるようになる。
【００３３】
また、局所発電領域Ｓ1における局所発電による自己発熱と電気ヒーター３３の発熱によって生じた熱が、局所発電領域Ｓ1の周囲へも伝熱していき、図４に示すように、各セル５の下半部側も徐々に加熱されるようになり、燃料電池１を早期に加熱することができる。
【００３４】
さらに、局所発電領域Ｓ1の発電を持続することができることにより、燃料電池１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１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Ｓ1だけを発電できる状態に保てばよいので、電気ヒーター３３でセル５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。
【００３５】
さらに、低温起動前に事前処理（例えば、反応ガス通路Ｃ１，Ｃ２内のパージや起動前の電気ヒーター３３による予備加熱など）を行う場合も、局所発電領域Ｓ1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。
【００３６】
次に、燃料電池１の起動制御の一例を図５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。
【００３７】
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、温度センサ３４で検出した燃料電池１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。
【００３８】
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、両冷却液通路Ｒ，Ｒに冷却液を流さず、全セル５の電気ヒーター３３をＯＮにして局所発電領域Ｓ1を加熱し、各セル５の上半部側の反応ガス通路Ａ１、反応ガス通路Ｃ１にだけ水素ガスおよび空気を供給することにより局所発電領域Ｓ1における局所発電を実行する。
【００３９】
そして、ステップＳ１０８において、燃料電池１の内部代表温度が０゜Ｃ以上の設定温度（例えば、２゜Ｃ）より低いか否か判定し、判定結果が「ＹＥＳ」（２゜Ｃ未満）である場合はステップＳ１０７に戻り、判定結果が「ＮＯ」（２゜Ｃ以上）である場合はステップＳ１０６に進む。すなわち、燃料電池１の内部代表温度が前記設定温度（２゜Ｃ）未満の間は局所発電モードによる燃料電池１の運転を継続し、燃料電池１の内部代表温度が前記設定温度（２゜Ｃ）以上に昇温し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３３をＯＦＦにする。
【００４０】
ステップＳ１０６の全面発電モードでは、前述したように、両冷却液通路Ｒ，Ｒに冷却液を流し、各セル５の両反応ガス通路Ａ１，Ａ２に水素ガスを流し、両反応ガス通路Ｃ１，Ｃ２に空気を流して、全セル５の発電面全面を使って発電を実行する。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。
【００４１】
なお、前記起動制御では、燃料電池１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および全面発電モードに移行するか否かを判定しているが、これに代えて、燃料電池１の総出力電圧に基づいて局所発電モードに進むか否かおよび全面発電モードに移行するか否かを判定するようにしてもよい。
【００４２】
また、前記起動制御では、局所発電モードに進んだときには全てのセル５の電気ヒーター３３をＯＮにし、全セル５の局所発電領域Ｓ1を加熱するようにしているが、本発明においては、各セル５毎に該セル５の電気ヒーター３３をＯＮするか否かを判定してもよいし、あるいは複数のセル５を１モジュールとして各モジュール毎に該モジュールの電気ヒーター３３をＯＮするか否かを判定してもよい。このようにすると、電気ヒーター３３による加熱が必要なセル５を絞り込むことができるので、局所発電モードにおいて消費されるエネルギーを低減することができる。
【００４３】
各セル５毎に電気ヒーター３３をＯＮするか否かを判定する場合には、例えば、各セル５毎に温度センサ３４を設けておき、局所発電領域Ｓ1の温度が０゜Ｃ未満であると判定されたセル５についてだけ該セル５の電気ヒーター３３をＯＮにし、該セル５の局所発電領域Ｓ1の温度が２゜Ｃ以上になったときに該電気ヒーター３３をＯＦＦにする。
【００４４】
また、各モジュール毎に電気ヒーター３３をＯＮするか否かを判定する場合には、例えば、各モジュール毎に温度センサ３４を設けておき、局所発電領域Ｓ1の温度が０゜Ｃ未満であると判定されたモジュールについてだけ該モジュールの全てのセル５の電気ヒーター３３をＯＮにし、該モジュールの局所発電領域Ｓ1の温度が２゜Ｃ以上になったときに該モジュールの電気ヒーター３３をＯＦＦにする。
【００４５】
さらに、このように各セル５毎あるいは各モジュール毎に温度センサ３４を設けた場合には、バッテリー（図示せず）の電力残量に応じて以下のような節電モードで電気ヒーター３３のＯＮ−ＯＦＦ制御を行ってもよい。まず、局所発電モードに移行したときに、全ての電気ヒーター３３をＯＮしても燃料電池１の運転を維持可能なだけの電力がバッテリー（図示せず）に残っているか否かを判定し、残っている場合には電気ヒーター３３を通常の制御方法で制御し、残っていない場合には電気ヒーター３３を節電モードで制御する。
【００４６】
節電モードでは、例えば各セル５毎に電圧低下率を算出する。そして、各セル５毎に制御する場合には、電圧低下率が正（電圧低下している）のセル５の電気ヒーター３３だけをＯＮにし、電圧低下率が負（電圧低下が生じていない）のセル５の電気ヒーター３３はＯＦＦにする。また、モジュール毎に制御する場合には、電圧低下率が正（電圧低下している）のセル５を一つでも有するモジュールについては該モジュールの全てのセル５の電気ヒーター３３をＯＮにし、モジュールの全てのセル５の電圧低下率が正であるモジュールについては該モジュールの全てのセル５の電気ヒーター３３をＯＦＦにする。このようにすると、局所発電モードにおいて消費されるエネルギーをさらに低減することができる。
【００４７】
また、前記燃料電池１では、両冷却液通路Ｒ，Ｒにおいて反応ガス通路Ａ１と反応ガス通路Ｃ１とが重複する部分に対応する領域の全てに電気ヒーター３３を設けて局所発電領域Ｓ1としたが、前記重複する部分に対応する領域の一部（例えば、中央部）だけに電気ヒーター３３を設けて、この一部だけを局所発電領域とすることも可能である。また、電気ヒーター３３の設置位置は冷却液通路Ｒに限定されるものではなく、各通路セパレータ６，７の内部に埋め込んでも構わない。
【００４８】
また、前述の参考例１では、局所発電モードのときには、上半部側の反応ガス通路Ａ１，Ｃ１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反応ガス通路Ａ１，Ａ２に水素ガスを流し、上下両方の反応ガス通路Ｃ１，Ｃ２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、電気ヒーター３３により温度上昇した上半部側の局所発電領域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電気ヒーター３３の加熱による熱が下半部側の発電面に広がって下半部側も温度上昇するにしたがって、下半部側の発電面においても発電を開始するようになる。
【００４９】
さらに、前述の参考例１では、反応ガス通路Ａ１，Ａ２，Ｃ１，Ｃ２をそれぞれ水平方向に延びる直線通路としているが、これら反応ガス通路Ａ１，Ａ２，Ｃ１，Ｃ２は直線通路に限るものではなく、例えば、図６に示すように、入口側酸化剤ガス連通孔１０を左側辺部上部に、出口側酸化剤ガス連通孔１１を右側辺部下部に、入口側燃料ガス連通孔２０を右側辺部上部に、出口側燃料ガス連通孔２１を左側辺部下部に位置させて、反応ガス通路Ａ１，Ｃ１を蛇行させてもよい。この場合には、反応ガスは反応ガス通路Ａ１，Ｃ１を蛇行しながら下降するように流れることとなる。
【００５０】
そして、この場合、両冷却液通路Ｒ，Ｒにおいて電気ヒーター３３を設ける領域、すなわち局所発電領域Ｓ1を、例えば図６において二点鎖線で示すように、反応ガス通路Ａ１，Ｃ１の最上段の水平部が重複する部位に対応する領域に設定することができる。なお、局所発電領域Ｓ1の設定はこれに限るものではなく、もっと広範囲な領域に設定することもできるし、もっと狭小な範囲に設定することもできる。このようにしても、前述と同様の作用・効果を得ることができる。
【００５１】
〔参考例２〕
次に、この発明に係る燃料電池に関連する技術の参考例２を図７および図８の図面を参照して説明する。参考例２の燃料電池が参考例１のものと相違する点は電気ヒーターの設置場所にある。参考例１では電気ヒーター３３を冷却液通路Ｒの一部に設けたが、この参考例２では、冷却液通路Ｒには電気ヒーターを設置せず、積層された多数のセルを締め付けるスタッドボルトに電気ヒーターを内蔵させている。
【００５２】
詳述すると、図７はカソード側のセパレータ７の正面図であり、参考例１と同一態様部分には同一符号を付してある。この参考例２の燃料電池１においては、上部３カ所と下部３カ所に配置されたスタッドボルト（締め付けボルト）４０によって、積層された全てのセルが締め付けられている。この６本のスタッドボルト４０のうち上部中央に配置されたスタッドボルト４０Ａだけに電気ヒーターが内蔵されている。
【００５３】
図８はスタッドボルト４０Ａの断面図であり、スタッドボルト４０Ａの基材５１の外周には絶縁層５２が設けられ、この絶縁層５２の外周に電気ヒーター（加熱手段）５３が設けられ、電気ヒーター５３の外周に絶縁層５４が設けられている。絶縁層５２，５４は、電気ヒーター５３と基材５１および外部（燃料電池１など）との絶縁性を確保するとともに耐久性を持たせるために、ガラス繊維をベースとしたテフロン(登録商標)樹脂等で形成されている。また、外側の絶縁層５４には温度センサ５５が埋め込まれている。温度センサ５５と電気ヒーター５３は温度調節器５６に接続されており、温度調節器５６は、スタッドボルト４０Ａの表面温度、すなわち絶縁層５４の表面温度が常に所定温度範囲（例えば、５０〜７０゜Ｃ）になるように、電気ヒーター５３を制御する。
【００５４】
この参考例２においては、局所発電モードのときにスタッドボルト４０Ａの電気ヒーター５３をＯＮにしてスタッドボルト４０Ａを加熱することにより、各セル５におけるスタッドボルト４０Ａの周囲を加熱し、このスタッドボルト４０Ａの近傍領域を局所発電領域Ｓ2とすることができる。この参考例２の場合には、電気ヒーター５３によって局所発電領域Ｓ２の発電面の温度が迅速に高まり高温度部位が発生し、この局所発電領域Ｓ２から局所発電が始まり、さらに、この高温度部位が熱伝導によって徐々に上半部側の発電面の全体に広がって、上半部側の発電面の全体で局所発電が行われるようになる。したがって、この参考例２の燃料電池１においても、参考例１のものと同様の作用・効果を得ることができる。
【００５５】
この参考例２の燃料電池１は、上述した例に限られるものではなく、例えば、スタッドボルト４０の総本数や配置によって、電気ヒーター５３を内蔵したスタッドボルト４０Ａの本数を２本以上に設定してもよいし、スタッドボルト４０Ａの位置を適宜に設定することが可能である。また、この参考例２の燃料電池１においても、反応ガス通路の通路形態は水平直線状以外の通路形態（例えば、図６に示す蛇行通路）とすることが可能である。
【００５６】
〔参考例３〕
次に、この発明に係る燃料電池の前提となる技術の参考例３を図９および図１０の図面を参照して説明する。参考例３の燃料電池が参考例１のものと相違する点は、セル５を局所的に加熱するための手段にある。前述した参考例１の場合には、冷却液通路Ｒの一部に電気ヒーター３３を設け、この電気ヒーター３３に電流を流すことによりセル５を局所的に加熱したが、参考例３では、冷却液通路Ｒに電気ヒーターを設ける代わりに、セル５の所定部位に触媒燃焼器を設け、この触媒燃焼器において水素と空気中の酸素とを触媒燃焼させることにより、セル５における触媒燃焼器近傍を局所的に加熱するようにした。以下、これについて詳述する。
【００５７】
図９は参考例３における燃料電池１の一部における縦断面図であり、参考例１における図２に対応する図である。燃料電池１の基本的な構成は、参考例３のものも参考例１と同じであり、図９では同一態様部分に同一符号を付してある。また、図１０はアノード側のセパレータ６を冷却液通路Ｒが形成されている側から見た正面図である。
【００５８】
燃料電池１には、参考例１の燃料電池１と同様に、入口側酸化剤ガス連通孔１０，出口側酸化剤ガス連通孔１１，入口側燃料ガス連通孔２０，出口側燃料ガス連通孔２１，入口側冷却液連通孔３０，出口側冷却液連通孔３１が設けられており、セパレータ６の一方の面には冷却液通路Ｒ，Ｒが設けられている。なお、図１０には図示していないが、セパレータ６の他方の面に反応ガス通路Ａ１，Ａ２が設けられており、セパレータ７に反応ガス通路Ｃ１，Ｃ２が設けられている点は、参考例１と同様である。
【００５９】
参考例３の燃料電池１においては、さらに、出口側燃料冷却液連通孔３１，３１の間に２つの連通孔がセル５を貫通して設けられ、入口側冷却液連通孔３０，３０の間に１つの連通孔がセル５を貫通して設けられている。上部に設けられた前記２つの連通孔のうち一方は水素ガスを供給するための水素ガス連通孔６１であり、他方は空気を供給するための空気連通孔６２である。また、下部に設けられた前記１つの連通孔は燃焼ガスを排出するための排気連通孔６３である。
【００６０】
さらに、各セル５におけるセパレータ６には、冷却液通路Ｒ，Ｒが設けられている面と同一面であって冷却液通路Ｒ，Ｒの間に、水素ガス連通孔６１と空気連通孔６２と排気連通孔６３を接続するガス通路６４が設けられている。ガス通路６４は、水素ガス連通孔６１に連なるガス通路と空気連通孔６２に連なるガス通路が合流し、合流後のガス通路が排気通路６３に連なるように構成されており、合流部（図１０においてハッチング部分）の壁面には、水素と空気中の酸素とを反応をさせる触媒（触媒燃焼器、加熱手段）６５が付着されている。また、複数あるセパレータ７のうちの一つには、触媒６５を付着させた部位近傍に対応する位置に、燃料電池１の代表温度を検出する温度センサ６９が設けられている。温度センサ６９は例えばサーミスタ等で構成されており、この温度センサ６９の出力信号は燃料電池制御用のＥＣＵ５０に入力される。
【００６１】
水素ガス連通孔６１は制御弁６６を介して水素供給装置６７に接続され、空気連通孔６２は空気供給装置６８に接続されており、制御弁６６，水素供給装置６７，空気供給装置６８は燃料電池制御用ＥＣＵ５０によって制御される。前述した参考例１では低温起動時の局所発電モードにおいて電気ヒーター３３をＯＮすることによりセル５を局所的に加熱したが、この参考例３の燃料電池１では、低温起動時の局所発電モードにおいて、水素供給装置６７から水素ガス連通孔６１に水素ガスを供給し、空気供給装置６８から空気連通孔６２に空気を供給して、各連通孔６１，６２から各セル５のガス通路６４に流入した水素ガスと空気中の酸素を合流部における触媒６５によって反応させ、この反応熱で合流部を中心とする近傍を局所的に加熱する。これによって、参考例３においても、各セル５に局所発電領域Ｓ3を形成することが可能になり、参考例１と同様の作用・効果を得ることができることとなる。
【００６２】
しかも、この参考例３の燃料電池１では、水素ガスと空気中の酸素を触媒燃焼させているので大きな熱エネルギーを得ることができるとともに温度上昇の立ち上がりが早く、その結果、電気ヒーター３３よりも迅速な加熱が可能となる。また、水素は燃料電池１の燃料でもあるので、燃料の一元化が可能となり、装置構成が容易になるという利点もある。
【００６３】
次に、参考例３における燃料電池１の起動制御の一例を図１１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１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。この参考例３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、水素供給装置６７からの水素ガス連通孔６１への燃焼用水素の供給を停止するとともに、空気供給装置６８からの空気連通孔６２への空気の供給を停止する。そして、両冷却液通路Ｒ，Ｒに冷却液を流し、各セル５の反応ガス通路Ａ１，Ａ２に水素ガスを流し、反応ガス通路Ｃ１，Ｃ２に空気を流して、全セル５の発電面全面を使って発電を実行する。
【００６４】
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、冷却液通路Ｒ，Ｒに冷却液を流さず、各セル５の上半部側の反応ガス通路Ａ１，Ｃ１にだけ水素ガスおよび空気を供給する。さらに、空気供給装置６８から空気連通孔６２に燃焼用の空気を供給するとともに、水素供給装置６７から水素ガス連通孔６１に燃焼用の水素ガスを供給することにより、局所発電領域Ｓ3における局所発電を実行する。なお、燃焼用水素の供給量は、予め用意しておいたマップを参照して、燃料電池１の内部代表温度に応じてＥＣＵ５０が決定し、これに基づきＥＣＵ５０は制御弁６６による流量制御を実行する。
【００６５】
そして、ステップＳ２０８において、燃料電池１の内部代表温度が０゜Ｃ以上の設定温度（例えば、２゜Ｃ）より低いか否か判定し、判定結果が「ＹＥＳ」（２゜Ｃ未満）である場合はステップＳ２０７に戻って局所発電モードを継続し、判定結果が「ＮＯ」（２゜Ｃ以上）である場合はステップＳ２０６の全面発電モードに進む。
【００６６】
なお、前記起動制御では、燃料電池１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および全面発電モードに移行するか否かを判定しているが、これに代えて、燃料電池１の総出力電圧に基づいて局所発電モードに進むか否かおよび全面発電モードに移行するか否かを判定するようにしてもよい。また、前記起動制御では、燃料電池１の内部代表温度が０゜Ｃよりも高い場合には全面発電モードに移行するようにしたが、燃料電池１の内部代表温度が０゜Ｃ以上であっても、その温度が比較的に低い温度域（例えば、１５゜Ｃ以下）である場合には、微量の燃焼用水素と燃焼用空気をガス通路６４に供給することにより微暖機を実行して、燃料電池１の温度上昇を促進させることも可能である。さらに、前記微暖機の実行条件に、いずれかのセル５に電圧低下があることを加重させてもよい。
【００６７】
また、この参考例３では、局所発電モードのときには、上半部側の反応ガス通路Ａ１，Ｃ１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反応ガス通路Ａ１，Ａ２に水素ガスを流し、上下両方の反応ガス通路Ｃ１，Ｃ２に空気を流すようにしても構わないのは、参考例１と同様である。また、この参考例３の燃料電池１においても、参考例１の場合と同様に、反応ガス通路の通路形態は水平直線状以外の通路形態（例えば、図６に示す蛇行通路）とすることが可能である。
【００６８】
〔参考例４〕
次に、この発明に係る燃料電池の前提となる技術の参考例４を図１２および図１３の図面を参照して説明する。参考例４の燃料電池の構成は、参考例３のものと極めて近似している。参考例３では、セル５の所定部位に触媒燃焼器を設け、この触媒燃焼器において水素と空気中の酸素とを触媒燃焼させてセル５を局所的に加熱するようにしたが、この参考例４は、セル５の所定部位に酸化・還元剤を設け、この酸化・還元剤が酸素によって酸化される時の発熱を利用してセル５を局所的に加熱するようにしている。
【００６９】
図１２は参考例４における燃料電池１の一部における縦断面図であって、参考例３における図９に対応する図であり、図９と同一態様部分には同一符号を付してある。また、図１３は参考例４におけるセパレータ６を冷却液通路Ｒが形成されている側から見た正面図であって、参考例３における図１０に対応する図であり、図１０と同一態様部分には同一符号を付してある。
【００７０】
参考例４における燃料電池１では、出口側冷却液連通孔３１，３１の間にセル５を貫通して設けた連通孔は一つであり、この連通孔（以下、ガス連通孔という）７０に水素供給装置６７と空気供給装置６８が接続されている。また、セパレータ６には冷却液通路Ｒ，Ｒの間に、ガス連通孔７０と排気連通孔６３を接続するガス通路７１が設けられており、ガス通路７１の上流部分（すなわち、ガス連通孔７０に近い部分）の壁面には、図１３においてハッチングで示すように酸化・還元剤（加熱手段）７２が付着されている。
【００７１】
前述した参考例３では低温起動時の局所発電モードにおいて、水素ガスと空気を同時にガス通路６４に供給し、合流部における触媒６５によって水素ガスと空気中の酸素を反応させ、その反応熱によってセル５を局所的に加熱した。しかしながら、この参考例４では、低温起動時の局所発電モードにおいて、ガス連通孔７０には空気供給装置６８から空気だけを供給し、水素ガスは供給しない。このようにすると、ガス通路７０に供給された空気が各セル５のガス通路７１に流入し、ガス通路７１の上流部分の酸化・還元剤７２が空気中の酸素と反応して酸化する時に発熱し、この反応熱がガス通路７１の上流部分を中心とする近傍を局所的に加熱する。これによって、参考例４においても、各セル５に局所発電領域Ｓ4を形成することが可能になり、参考例３と同様の作用・効果を得ることができることとなる。
【００７２】
そして、この参考例４では、局所発電モードの終了とともにガス連通孔７０への空気の供給を停止し、水素供給装置６７からガス連通孔７０に所定量の水素ガスを供給する。これにより、酸化・還元剤７２は水素と反応して還元されて元に戻り、このときに吸熱する。
【００７３】
〔発明の実施の形態〕
次に、この発明に係る燃料電池の実施の形態を図１４および図１５の図面を参照して説明する。前述した各参考例では、燃料電池１を構成する全てのセル５においてその発電面の正面から見て同じ位置に局所発電領域Ｓ1〜Ｓ4を設けていた。これに対して、この発明の実施の形態では、図１４，図１５に示すように、隣接するセル５同士において局所発電領域Ｓの位置を発電面において異なった位置に設ける。このようにすると、局所発電モードにおいてセル５，５間を電流が流れるときに、セパレータ６，７においては図１５において矢印で示すようにセル５の積層方向に対して垂直な方向に電流が流れるようになり、セパレータ６，７の電気抵抗分の損失によりジュール熱が発生し、燃料電池１の暖機をより促進させることができる。
【００７４】
なお、この実施の形態において局所発電領域Ｓの形成方法は特に限定はないが、前述した参考例１の如くセパレータの一部（冷却液通路など）に電気ヒーターを設ける方法が特に好適であり、また、参考例３および参考例４の如くセル５に触媒燃焼器や酸化・還元剤を設ける方法も可能である。また、隣接する全てのセル５同士の局所発電領域Ｓの位置を異ならせてもよいし、モジュール毎に局所発電領域Ｓの位置を異ならせるようにしてもよい。
【００７５】
【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、加熱手段によって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。
さらに、請求項１に記載した発明によれば、加熱手段が異なった位置に設けられているセル間を電流が流れるときに、セルの積層方向と垂直な方向に電流が流れるようになり、その電流の通路が電気抵抗を有することからジュール熱が発生し、このジュール熱によっても燃料電池が加熱されるので、燃料電池の温度上昇をさらに早めることが可能になり、燃料電池の低温起動性をさらに高めることができるという効果がある。
【００７６】
請求項２に記載した発明によれば、加熱手段を電気エネルギーで作動することができるという効果がある。
請求項３に記載した発明によれば、電気ヒーターをセルに容易に取り付けることができるという効果がある。
【００７７】
請求項４に記載した発明によれば、触媒燃焼器に酸化ガスと還元ガスを供給するだけでこれらガスを迅速に燃焼させて発電面の一部を迅速に加熱することが可能であるので、加熱手段の構成が簡単になるという効果がある。また、迅速な加熱を実現できるので、燃料電池の温度上昇をさらに早めることが可能になり、燃料電池の低温起動性をより高めることができるという効果がある。
【００７８】
請求項５に記載した発明によれば、酸化ガスの供給だけで発電面の一部を迅速に加熱することが可能になるので、加熱手段の構成が簡単になるという効果がある。また、迅速な加熱を実現できるので、燃料電池の温度上昇をさらに早めることが可能になり、燃料電池の低温起動性をより高めることができるという効果がある。
【００７９】
請求項６に記載した発明によれば、燃料電池の温度が低いときだけ加熱手段を作動してセルを局所的に加熱し、燃料電池の温度が高いときは加熱手段の作動を停止してセルの局所加熱を停止することが可能になるので、エネルギー消費を低減することができるという効果がある。
【００８０】
請求項７に記載した発明によれば、燃料電池の出力電圧が低いときだけ加熱手段を作動してセルを局所的に加熱し、燃料電池の出力電圧が高いときは加熱手段の作動を停止してセルの局所加熱を停止することが可能になるので、エネルギー消費を低減することができるという効果がある。
【００８１】
請求項８に記載した発明によれば、各セルの温度状態に応じて加熱手段を作動したり停止したりすることが可能になるので、エネルギー消費を低減することができるという効果がある。
請求項９に記載した発明によれば、各セルの出力電圧の状態に応じて加熱手段を作動したり停止したりすることが可能になるので、エネルギー消費を低減す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の前提となる技術の参考例１におけるセパレータの正面図である。
【図２】前記参考例１の燃料電池の縦断面図である。
【図３】前記参考例１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４】前記参考例１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１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６】前記参考例１の燃料電池の変形例におけるセパレータの正面図である。
【図７】この発明に係る燃料電池に関連する技術の参考例２におけるセパレータの正面図である。
【図８】前記参考例２の燃料電池におけるスタッドボルトの断面図である。
【図９】この発明に係る燃料電池の前提となる技術の参考例３における縦断面図である。
【図１０】前記参考例３の燃料電池におけるセパレータの正面図である。
【図１１】前記参考例３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１２】この発明に係る燃料電池の前提となる技術の参考例４における縦断面図である。
【図１３】前記参考例４の燃料電池におけるセパレータの正面図である。
【図１４】この発明に係る燃料電池の実施の形態において、隣接するセル間の局所発電領域Ｓの位置関係を示す正面図ある。
【図１５】前記実施の形態において、隣接するセル間を流れる電流の状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１燃料電池
２アノード電極
３カソード電極
４固体高分子電解質膜
５セル
Ａ１，Ａ２，Ｃ１，Ｃ２反応ガス通路
Ｒ，Ｒ冷却液通路
３３電気ヒーター（加熱手段）
５３電気ヒーター（加熱手段）
６５触媒（触媒燃焼器，加熱手段）
７２酸化・還元剤（加熱手段）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a fuel cell provided with a solid polymer electrolyte membrane, and particularly to a fuel cell excellent in low-temperature startability.
[0002]
[Prior art]
  In some fuel cells, a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode to form a membrane / electrode structure, and the membrane / electrode structure is sandwiched between a pair of separators. In this fuel cell, a fuel gas (for example, hydrogen gas) is supplied to the power generation surface of the anode electrode, and an oxidant gas (for example, air containing oxygen) is supplied to the power generation surface of the cathode electrode to perform a chemical reaction. Electrons are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy. Since an oxidant gas (for example, air containing oxygen) is supplied to the cathode electrode, hydrogen ions, electrons, and oxygen react to generate water. Therefore, since it has little influence on the environment, it has been attracting attention as a vehicle drive source.
[0003]
  Generally, the operating temperature of this type of fuel cell is about 70 ° C. to 80 ° C. However, since the power generation efficiency decreases at low temperatures, startability at low temperatures is a major issue. Therefore, when the fuel cell is used for a vehicle, there is a problem that it takes a long time to start when the outside air temperature is low, for example, when the fuel cell is started below freezing point. On the other hand, for example, as described in Japanese Patent Publication No. 2000-512068, the reaction is promoted by supplying power to the external load of the fuel cell, and the temperature is raised by self-heating to improve the startability. There is something to improve.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
  However, in the conventional technology using self-heating, for example, when the fuel cell is below freezing at start-up, it takes a certain amount of time to heat the entire fuel cell having a large heat capacity only by self-heating. There is a problem of becoming. In addition, the fuel cell is generating electricity to warm up the fuel cell, but the amount of heat is insufficient only by the self-heating of the fuel cell, and the water produced in the fuel cell may freeze during warm-up. It was.
  Therefore, the present invention promotes self-heating by locally heating a part of the power generation surface of the fuel cell by a heating means, and makes it possible to raise the temperature of the fuel cell in a short time, and is excellent in low temperature startability. Is to provide.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
  In order to solve the above-mentioned problems, the invention described in claim 1 is characterized in that an anode electrode (for example, an implementation described later) is provided on both sides of a solid polymer electrolyte membrane (for example, a solid polymer electrolyte membrane 4 in an embodiment to be described later). An anode electrode 2) and a cathode electrode (for example, a cathode electrode 3 in an embodiment described later), and a reaction gas passage (for example, a fuel gas passage A1 in an embodiment described later) outside each of the electrodes. , A2, air passages C1, C2) in a fuel cell (for example, a fuel cell 1 in an embodiment described later) provided with a cell (for example, a cell 5 in an embodiment described later) Heating means for heating a partial region of the power generation surface (for example, the electric heater 33, the electric heater 53, and the touch in the embodiments described later) 65, an oxidizing / reducing agent 72), and the fuel cell is formed by laminating a plurality of the cells, and at least one pair of adjacent cells is a power generating surface when the heating means views the power generating surface from the front. UpEach in a different positionIt is provided.
[0006]
  With this configuration, when the fuel cell is started at a low temperature, the partial region of the power generation surface can be rapidly heated by the heating means, and the ion passage resistance of the solid polymer electrolyte membrane in this region is reduced. Thus, it is possible to increase the power generation efficiency, thereby promoting self-heating and quickly increasing the temperature of the region, and expanding the high temperature region over the entire power generation surface to increase the temperature of the fuel cell.Further, when a current flows between the cells, a current flows in a direction perpendicular to the cell stacking direction, and since the current path has an electrical resistance, Joule heat is generated and the fuel cell is heated.
[0007]
  According to a second aspect of the invention, in the invention of the first aspect, the heating means is an electric heater (for example, described later).FruitElectric heater 33 in the embodiment, ElectricIt is an air heater 53). With this configuration, the heating means can be operated with electric energy.
[0008]
  According to a third aspect of the present invention, in the second aspect of the present invention, the cell has a coolant passage (for example, described later).FruitThe coolant passage R in the embodiment is provided, and the electric heater (for example, described later) is provided in the coolant passage.FruitAn electric heater 33) according to the embodiment is provided. By comprising in this way, an electric heater can be easily attached to a cell.
[0009]
[0010]
  Claim4In the invention described in claim 1, in the invention described in claim 1, the heating means is a catalytic combustor (for example, described later).FruitIt is a catalyst 65) in the embodiment. By configuring in this way, simply supplying an oxidizing gas (for example, oxygen or air) and a reducing gas (for example, hydrogen) to the catalytic combustor, these gases can be burned quickly, and part of the power generation surface can be quickly It becomes possible to heat.
[0011]
  Claim5In the invention described in claim 1, in the invention described in claim 1, the heating means is an oxidizing / reducing agent (for example, described later).FruitThe oxidation / reduction agent 72) in the embodiment uses heat generated when it is oxidized. With this configuration, it is possible to quickly heat a part of the power generation surface only by supplying an oxidizing gas (for example, oxygen or air).
[0012]
  Claim6The invention described in item 1 is characterized in that in the invention described in item 1, the operation of the heating means is controlled in accordance with the temperature of the fuel cell. By configuring in this way, the heating means is operated only when the temperature of the fuel cell is low to locally heat a part of the power generation surface of the cell, and when the temperature of the fuel cell is high, the operation of the heating means is stopped. Thus, the local heating of the cell can be stopped.
[0013]
  Claim7The invention described in item 1 is characterized in that in the invention described in item 1, the operation of the heating means is controlled in accordance with the output voltage of the fuel cell. By configuring in this way, the heating means is operated only when the output voltage of the fuel cell is low to locally heat a part of the power generation surface of the cell, and when the output voltage of the fuel cell is high, the heating means is operated. To stop the local heating of the cell.
[0014]
  Claim8The invention described in claim 1 is the invention according to claim 1,EachThe operation of the heating means is controlled according to the temperature of the cell. By comprising in this way, it becomes possible to actuate or stop a heating means according to the temperature state of each cell.
[0015]
  Claim9The invention described in claim 1 is the invention according to claim 1,EachThe operation of the heating means is controlled according to the output voltage of the cell. By configuring in this way, it becomes possible to operate and stop the heating means according to the state of the output voltage of each cell.
[0016]
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  Hereinafter, embodiments of the fuel cell according to the present invention will be described.14 and 15This will be described with reference to the drawings. The embodiment described belowAnd reference examplesThe fuel cell is mounted on a fuel cell vehicle.
[0018]
[Reference example 1]
  First, this inventionExample 1 of the technology that is the premise of the fuel cellWill be described with reference to the drawings of FIGS. FIG. 2 is a longitudinal sectional view of a part of the fuel cell 1. The fuel cell 1 has a cell (unit fuel cell) 15 in which a solid polymer electrolyte membrane 4 is sandwiched between an anode electrode 2 and a cathode electrode 3 and the outside is sandwiched between a pair of separators 6 and 7 in a horizontal direction. For example, a fuel cell stack for a vehicle is configured by being stacked by a plurality of layers and tightened by a stud bolt (not shown). In addition, thisReference example 1For convenience of explanation, a single cell 5 will be described as an example.
[0019]
  The solid polymer electrolyte membrane 4 uses, for example, a perfluorosulfonic acid polymer. The anode electrode 2 and the cathode electrode 3 are mainly composed of platinum Pt, and are arranged in a diffusion layer made of porous carbon cloth or porous carbon paper. The separators 6 and 7 are made of dense carbon or metal, and electric power is taken out from these separators 6 and 7.
[0020]
  FIG. 1 is a front view of the cathode-side separator 7 as viewed from the side facing the membrane / electrode structure 5. The cathode-side separator 7 includes reaction gas passages C1 and C2 divided into an upper half and a lower half. Here, in the case of a dense carbon separator, the reaction gas passage is composed of a plurality of grooves, and in the case of a metal separator, the passage is formed by partitioning with a plurality of grooves formed by press molding or a sealing material. It consists of Further, as the reactive gas passages C1 and C2, various shapes of passages such as a meandering passage and a U-shaped passage can be adopted. For convenience of illustration, the reaction gas passage of the separator 6 on the anode side is also shown with a chain line.
[0021]
  The reaction gas passage C1 in the upper half of the cathode-side separator 7 starts from the inlet-side oxidant gas communication hole 10 formed in the lower part of the right side of the cathode-side separator 7 and is arranged diagonally. The exit-side oxidant gas communication hole 11 is terminated. Similarly, the reaction gas passage C2, the inlet-side oxidant gas communication hole 10, and the outlet-side oxidant gas communication hole 11 having the same structure as the upper half are formed in the lower half of the cathode-side separator 7 as well. Yes. Here, each inlet-side oxidant gas communication hole 10 is connected to a supercharger S / C via a supply pipe (supply path) 13 and is oxidant gas from a supercharger S / C driven by a motor m. Although air is supplied, a valve 14 for interrupting the supply of air is interposed in the supply pipe 13 on the lower half side.
[0022]
  On the other hand, the anode-side separator 6 also includes reaction gas passages A1 and A2 that are divided into an upper half and a lower half corresponding to the cathode-side separator 7. In other words, the inlet side fuel gas communication hole 20 formed at the lower portion of the left side portion of the anode side separator 6 crosses the cathode side reaction gas passages C1 and C2, and is arranged diagonally. Reactive gas passages A1, A2 terminated at the outlet side fuel gas communication hole 21 are formed in the upper half and the lower half, respectively. Here, each inlet-side fuel gas communication hole 20 is connected to the hydrogen tank H2 via a supply pipe 23, but a valve 24 for shutting off the supply of hydrogen gas is connected to the lower half supply pipe 23. It is disguised. A methanol tank equipped with a reformer may be used instead of the hydrogen tank H2.
[0023]
  A pair of inlet side coolant communication holes 30, 30 are formed on the lower side portion of the anode side separator 6 and the cathode side separator 7, and on the upper side portion of the anode side separator 6 and the cathode side separator 7. Are formed with a pair of outlet side coolant communication holes 31, 31. The anode separator 6 is formed with a coolant passage R that connects the coolant communication holes 30 and 31 facing each other. The coolant passage R is connected to a cooling system pipe (not shown).
[0024]
  The power generation surfaces of the cathode electrode 3 and the anode electrode 2 corresponding to the upper half of the cathode side separator 7 and the anode side separator 6 (that is, the portion where the reaction gas passage C1 exists in FIG. 3 is configured as a region S1 indicated by a broken line, and an electric heater (heating means) 33 is provided in each of the coolant passages R in this region S1, as shown in FIG. The electric heater 33 is formed of a so-called thin film heater, and is a surface of the separator 7 on the side where the reaction gas passages C1 and C2 are not formed, and at a portion corresponding to both the coolant passages R and R in the region S1. It is formed by appropriate means such as printing or vapor deposition.
[0025]
  In the fuel cell 1 formed by stacking a large number of cells 5 configured in this manner, terminal members (not shown) of one outermost cathode-side separator 7 and the other outermost anode-side separator 6 are provided. Thus, a closed circuit for taking out the output from the fuel cell 1 is formed, and the traveling motor M and the external load F (including an electric heater of an embodiment described later) are driven by the output power of the fuel cell 1.
[0026]
  As shown in FIG. 2, the separator 7 of one of the plurality of cells 5 has a representative temperature of the fuel cell 1 at a predetermined site in the region S1 (for example, the central portion of the region S1). Is provided. The temperature sensor 34 is composed of, for example, a thermistor, and an output signal of the temperature sensor 34 is input to the ECU 50 for fuel cell control. Furthermore, in this fuel cell 1, in order to detect the output voltage of each cell 5, the voltage sensor 36 is connected to the separators 6 and 7 of each cell 5, and the output signal of the voltage sensor 36 is input to the ECU 50. The
[0027]
  The ECU 50 is connected to the hydrogen tank H2, the motor m of the supercharger S / C, the valve 24 of the supply pipe connected to the hydrogen tank H2, and the valve 14 of the supply pipe 13 connected to the supercharger S / C. Has been. The ECU 50 is operated by electric power stored in a battery (not shown) when the fuel cell 1 is started.
[0028]
  The fuel cell 1 configured as described above operates as follows in the full power generation mode. In the full power generation mode, hydrogen gas and air are supplied to both the upper and lower two series of reaction gas passages A1 and A2 and the reaction gas passages C1 and C2, and the coolant is supplied to both the left and right two series of coolant passages R and R. That is, hydrogen gas is supplied to the inlet side fuel gas communication hole 20, hydrogen gas is caused to flow through the reaction gas passages A 1 and A 2, and is discharged to the outlet side fuel gas communication hole 21. Further, the supercharger S / C is driven to supply air to the inlet side oxidant gas communication hole 10, to flow air through the reaction gas passages C 1 and C 2, and to discharge to the outlet side oxidant gas communication hole 11. Further, the coolant is supplied to the inlet-side coolant communication hole 30 to flow the coolant upward in the coolant passages R and R, and is discharged to the outlet-side coolant communication hole 31. Thereby, power generation is performed on the entire power generation surface of all the cells 5.
[0029]
  By the way, as described above, in the fuel cell including the solid polymer electrolyte membrane, the power generation efficiency decreases when the temperature is low. In addition, when the outside air temperature is below freezing point (for example, −10 ° C.), the generated water in the fuel cell 1 that could not be removed at the time of stoppage is generated in the grooves of the reaction gas passages C1, C2, A1, and A2. Most of them are frozen. When the fuel cell 1 is started under such conditions, if it is started in the full power generation mode, it takes a long time for the temperature of the fuel cell 1 to rise.
[0030]
  Therefore, in this fuel cell 1, during such low temperature startup, the fuel cell 1 is operated in the local power generation mode in order to quickly increase the temperature of the fuel cell 1, and the temperature of the fuel cell 1 is increased by the operation in the local power generation mode. After that, it is going to shift to the full power generation mode. In the local power generation mode, the coolant does not flow through the coolant passages R and R, and the valve 24 of the hydrogen supply system is closed, so that the hydrogen gas flows only into the reaction gas passage A1 on the upper half side and flows into the lower half. Instead of flowing into the reaction gas passage A2 on the side, air is flowed only into the reaction gas passage C1 on the upper half side by closing the valve 14 of the air supply system, and flows into the reaction gas passage C2 on the lower half side. In addition, the electric heater 33 is further turned on. In this way, only the local power generation region S1 on the upper half side in each cell 5 becomes the power generation surface, and the lower half side of each cell 5 can be prevented from contributing to power generation.
[0031]
  Then, by passing an electric current through the electric heater 33, the electric heater 33 generates heat, and the heat is transferred to the anode electrode 2, the cathode electrode 3, and the solid polymer electrolyte membrane 4 through the separators 6 and 7, and these are quickly transferred. Heat to. As a result, local power generation is quickly performed in the region S1. In addition, the rapid generation of electricity promotes the self-heating due to the reaction, and the temperature of the local power generation region S1 quickly increases due to the heating by the electric heater 33 and the self-heating.
[0032]
  Here, the heat generation of the electric heater 33 is such that the sum of the reaction heat amount during power generation and the external assist heat amount generated by the electric heater 33 is larger than the sum of heat amount and heat release amount necessary for preventing freezing of the generated water generated by power generation. By controlling the amount, freezing of the produced water can be prevented. In other words, the local power generation region S1 of each cell 5 before the operation of the fuel cell 1 is stopped due to the voltage drop caused by the freezing of the generated water (that is, before the output voltage of the fuel cell 1 drops to the operation limit voltage). Can be raised to 0 ° C. or higher. As a result, the power generation in the local power generation region S1 can be continued, and the power generation of the fuel cell 1 as a whole can be continued even when other portions (for example, the lower half of the cell 5) are below freezing point. Become.
[0033]
  Further, the heat generated by the local power generation in the local power generation region S1 and the heat generated by the electric heater 33 is also transferred to the periphery of the local power generation region S1, and as shown in FIG. The part side is also gradually heated, and the fuel cell 1 can be heated early.
[0034]
  Furthermore, since the power generation in the local power generation region S1 can be sustained, the energy necessary for the operation of the fuel cell 1 (that is, the power required for the operation of the auxiliary device such as the supercharger) is generated by the power generation of the fuel cell 1. It becomes possible to secure. In the local power generation mode, only the local power generation region S1 needs to be kept in a state where power can be generated. Therefore, less energy is required as compared with the case where the entire surface of the cell 5 is heated by the electric heater 33. The power consumption in can be suppressed.
[0035]
  Furthermore, even when pre-processing (for example, purging in the reaction gas passages C1 and C2 or preheating by the electric heater 33 before activation) is performed before starting at low temperature, only the local power generation region S1 can be activated. Since it is good, the energy consumption for this pre-processing can be reduced.
[0036]
  Next, an example of startup control of the fuel cell 1 will be described with reference to the flowchart of FIG. First, in step S101, it is determined whether or not the ignition switch is ON. If the determination result in step S101 is “YES” (ignition switch ON), the process proceeds to step S102. If the determination result in step S101 is “NO” (ignition switch OFF), the execution of this routine is temporarily terminated.
[0037]
  After performing a system check in step S102, the process proceeds to step S103 to determine whether or not there is any abnormality in the system. If the determination result in step S103 is “YES” (no abnormality), the process proceeds to step S104. If the determination result in step S103 is “NO” (abnormal), the process proceeds to step S105. In step S104, it is determined whether the internal representative temperature of the fuel cell 1 detected by the temperature sensor 34 is lower than 0 ° C. If the determination result in step S104 is “NO” (0 ° C. or higher), the process proceeds to step S106, and the full power generation mode is entered. If the determination result in step S104 is “YES” (less than 0 ° C.), the process proceeds to step S107, and the local power generation mode is entered.
[0038]
  In the local power generation mode in step S107, as described above, the coolant does not flow through both the coolant passages R and R, the electric heaters 33 of all the cells 5 are turned on, and the local power generation region S1 is heated. Local power generation in the local power generation region S1 is performed by supplying hydrogen gas and air only to the reaction gas passage A1 and the reaction gas passage C1 on the upper half side.
[0039]
  In step S108, it is determined whether or not the internal representative temperature of the fuel cell 1 is lower than a set temperature (for example, 2 ° C.) of 0 ° C. or higher, and the determination result is “YES” (less than 2 ° C.). In this case, the process returns to step S107. If the determination result is “NO” (2 ° C. or more), the process proceeds to step S106. That is, while the internal representative temperature of the fuel cell 1 is lower than the set temperature (2 ° C.), the operation of the fuel cell 1 in the local power generation mode is continued, and the internal representative temperature of the fuel cell 1 is set to the set temperature (2 ° C.). ) If the temperature is raised above, the local power generation mode is terminated and the full power generation mode is entered. When the local power generation mode ends, the electric heater 33 is turned off.
[0040]
  In the full power generation mode of step S106, as described above, the coolant flows through the coolant passages R, R, the hydrogen gas flows through the reaction gas passages A1, A2 of each cell 5, and the reaction gas passages C1, C2 Then, power is generated using the entire power generation surface of all the cells 5. When the process proceeds to step S105, the process shifts to an abnormal process mode and the execution of this routine is temporarily terminated.
[0041]
  In the start-up control, whether or not to proceed to the local power generation mode and whether to shift to the full power generation mode is determined based on the internal representative temperature of the fuel cell 1, but instead of this, the fuel cell 1 Whether to proceed to the local power generation mode and whether to shift to the full power generation mode may be determined based on the total output voltage.
[0042]
  In the start-up control, the electric heaters 33 of all the cells 5 are turned on when the operation proceeds to the local power generation mode, and the local power generation regions S1 of all the cells 5 are heated. It may be determined whether or not the electric heater 33 of the cell 5 is turned on every 5 or whether or not the electric heater 33 of the module is turned on for each module with a plurality of cells 5 as one module. You may judge. In this way, since the cells 5 that need to be heated by the electric heater 33 can be narrowed down, the energy consumed in the local power generation mode can be reduced.
[0043]
  When determining whether or not to turn on the electric heater 33 for each cell 5, for example, a temperature sensor 34 is provided for each cell 5, and the temperature of the local power generation region S1 is less than 0 ° C. Only for the determined cell 5, the electric heater 33 of the cell 5 is turned ON, and when the temperature of the local power generation region S 1 of the cell 5 becomes 2 ° C. or higher, the electric heater 33 is turned OFF.
[0044]
  When determining whether or not to turn on the electric heater 33 for each module, for example, a temperature sensor 34 is provided for each module, and the temperature of the local power generation region S1 is less than 0 ° C. Only for the determined module, the electric heaters 33 of all the cells 5 of the module are turned ON, and the electric heater 33 of the module is turned OFF when the temperature of the local power generation region S1 of the module becomes 2 ° C or higher. .
[0045]
  Further, when the temperature sensor 34 is provided for each cell 5 or each module as described above, the electric heater 33 is turned on in the following power saving mode according to the remaining power of the battery (not shown). You may perform OFF control. First, when shifting to the local power generation mode, it is determined whether or not the battery (not shown) has enough power to maintain the operation of the fuel cell 1 even if all the electric heaters 33 are turned on. When it remains, the electric heater 33 is controlled by a normal control method, and when it does not remain, the electric heater 33 is controlled in the power saving mode.
[0046]
  In the power saving mode, for example, the voltage drop rate is calculated for each cell 5. And when controlling for every cell 5, only the electric heater 33 of the cell 5 with a positive voltage drop rate (voltage drop) is turned ON, and the voltage drop rate is negative (no voltage drop has occurred). The electric heater 33 of the cell 5 is turned off. Further, in the case of controlling for each module, for a module having at least one cell 5 having a positive voltage drop rate (voltage drop), the electric heaters 33 of all the cells 5 of the module are turned on, and the module For the modules in which the voltage drop rates of all the cells 5 are positive, the electric heaters 33 of all the cells 5 of the module are turned off. In this way, the energy consumed in the local power generation mode can be further reduced.
[0047]
  Further, in the fuel cell 1, the electric heater 33 is provided in all the regions corresponding to the portions where the reaction gas passage A1 and the reaction gas passage C1 overlap in both the coolant passages R and R, thereby forming the local power generation region S1. It is also possible to provide the electric heater 33 only in a part (for example, the central part) of the region corresponding to the overlapping part and to make only this part a local power generation region. Further, the installation position of the electric heater 33 is not limited to the coolant passage R, and may be embedded in the passage separators 6 and 7.
[0048]
  Also mentioned aboveReference example 1In the local power generation mode, hydrogen gas and air are allowed to flow only in the upper half reaction gas passages A1 and C1, but in the local power generation mode, hydrogen gas is supplied to both the upper and lower reaction gas passages A1 and A2. Gas may be flown, and air may be flowed through both the upper and lower reaction gas passages C1 and C2. As described above, when the reaction gas is supplied to the entire power generation surface, first, power generation starts in the local power generation region S1 on the upper half side where the temperature is increased by the electric heater 33. As the heat generated by the heat spreads to the power generation surface on the lower half side and the temperature of the lower half side also rises, power generation starts on the power generation surface on the lower half side.
[0049]
  In addition, the aforementionedReference example 1In FIG. 6, the reaction gas passages A1, A2, C1, and C2 are straight passages extending in the horizontal direction. However, the reaction gas passages A1, A2, C1, and C2 are not limited to the straight passages. For example, as shown in FIG. Thus, the inlet side oxidant gas communication hole 10 is on the left side upper part, the outlet side oxidant gas communication hole 11 is on the lower right side part, and the inlet side fuel gas communication hole 20 is on the right side part upper part. The gas communication hole 21 may be positioned at the lower part of the left side, and the reaction gas passages A1 and C1 may be meandered. In this case, the reaction gas flows so as to descend while meandering through the reaction gas passages A1 and C1.
[0050]
  In this case, the region where the electric heater 33 is provided in both the coolant passages R, R, that is, the local power generation region S1, is shown in FIG. It can be set to a region corresponding to a portion where the parts overlap. Note that the setting of the local power generation region S1 is not limited to this, and can be set to a wider range or a narrower range. Even if it does in this way, the effect | action and effect similar to the above-mentioned can be acquired.
[0051]
  [Reference example 2]
  Next, the fuel cell according to the present inventionExample 2 of technology related toWill be described with reference to FIGS. 7 and 8. FIG.Reference example 2Fuel cellReference example 1The difference is that the electric heater is installed.Reference example 1Then, the electric heater 33 is provided in a part of the coolant passage R.Reference example 2Then, an electric heater is not installed in the coolant passage R, but an electric heater is built in a stud bolt for fastening a large number of stacked cells.
[0052]
  Specifically, FIG. 7 is a front view of the separator 7 on the cathode side,Reference example 1The same code | symbol is attached | subjected to the same aspect part. thisReference example 2In the fuel cell 1, all the stacked cells are fastened by stud bolts (tightening bolts) 40 arranged at the upper three places and the lower three places. Of these six stud bolts 40, only the stud bolt 40A disposed at the upper center has a built-in electric heater.
[0053]
  FIG. 8 is a cross-sectional view of the stud bolt 40A. An insulating layer 52 is provided on the outer periphery of the base material 51 of the stud bolt 40A, and an electric heater (heating means) 53 is provided on the outer periphery of the insulating layer 52. An insulating layer 54 is provided on the outer periphery of 53. The insulating layers 52 and 54 are made of Teflon (registered trademark) resin based on glass fiber in order to ensure insulation between the electric heater 53 and the base material 51 and the outside (the fuel cell 1 and the like) and to have durability. Etc. are formed. A temperature sensor 55 is embedded in the outer insulating layer 54. The temperature sensor 55 and the electric heater 53 are connected to a temperature adjuster 56. The temperature adjuster 56 is such that the surface temperature of the stud bolt 40A, that is, the surface temperature of the insulating layer 54 is always within a predetermined temperature range (for example, 50 to 70 °). The electric heater 53 is controlled so as to become C).
[0054]
  thisReference example 2In the local power generation mode, by turning on the electric heater 53 of the stud bolt 40A and heating the stud bolt 40A in the local power generation mode, the periphery of the stud bolt 40A in each cell 5 is heated. The local power generation region S2 can be set. thisReference example 2In this case, the temperature of the power generation surface of the local power generation region S2 is rapidly increased by the electric heater 53 to generate a high temperature region, and local power generation starts from the local power generation region S2. Further, this high temperature region is generated by heat conduction. It gradually spreads over the entire power generation surface on the upper half side, and local power generation is performed on the entire power generation surface on the upper half side. So thisReference example 2In the fuel cell 1 ofReference example 1The same actions and effects as those of can be obtained.
[0055]
  thisReference example 2The fuel cell 1 is not limited to the above-described example. For example, the number of stud bolts 40A including the electric heater 53 may be set to two or more depending on the total number and arrangement of the stud bolts 40. The position of the stud bolt 40A can be set as appropriate. Also thisReference example 2In the fuel cell 1 as well, the passage form of the reaction gas passage can be a passage form other than a horizontal straight line (for example, a meandering passage shown in FIG. 6).
[0056]
[Reference example 3]
  Next, the fuel cell according to the present inventionReference example 3 of the underlying technologyWill be described with reference to FIGS. 9 and 10. FIG.Reference example 3Fuel cellReference example 1The difference from this is in the means for locally heating the cell 5. Mentioned aboveReference example 1In this case, the electric heater 33 is provided in a part of the coolant passage R, and the cell 5 is locally heated by passing an electric current through the electric heater 33.Reference example 3Then, instead of providing an electric heater in the coolant passage R, a catalytic combustor is provided at a predetermined portion of the cell 5, and hydrogen and oxygen in the air are catalytically combusted in this catalytic combustor, whereby the catalytic combustion in the cell 5 is performed. The vicinity of the vessel was locally heated. This will be described in detail below.
[0057]
  Figure 9Reference example 3It is a longitudinal cross-sectional view in a part of the fuel cell 1 in FIG.Reference example 1FIG. 3 is a diagram corresponding to FIG. 2. The basic configuration of the fuel cell 1 isReference example 3AlsoReference example 1In FIG. 9, the same reference numerals are given to the same mode portions. FIG. 10 is a front view of the anode-side separator 6 as viewed from the side where the coolant passage R is formed.
[0058]
  The fuel cell 1 includesReference example 1As in the fuel cell 1, the inlet side oxidant gas communication hole 10, the outlet side oxidant gas communication hole 11, the inlet side fuel gas communication hole 20, the outlet side fuel gas communication hole 21, the inlet side coolant communication hole 30, An outlet side coolant communication hole 31 is provided, and coolant passages R, R are provided on one surface of the separator 6. Although not shown in FIG. 10, the reaction gas passages A1 and A2 are provided on the other surface of the separator 6, and the reaction gas passages C1 and C2 are provided on the separator 7.Reference example 1It is the same.
[0059]
  Reference example 3Further, in the fuel cell 1, two communication holes are provided between the outlet-side fuel coolant communication holes 31, 31 so as to penetrate the cell 5, and one between the inlet-side coolant communication holes 30, 30. A communication hole is provided through the cell 5. One of the two communication holes provided in the upper part is a hydrogen gas communication hole 61 for supplying hydrogen gas, and the other is an air communication hole 62 for supplying air. The one communication hole provided in the lower portion is an exhaust communication hole 63 for discharging combustion gas.
[0060]
  Further, the separator 6 in each cell 5 is the same surface as the surface on which the coolant passages R, R are provided, and between the coolant passages R, R, a hydrogen gas communication hole 61 and an air communication hole 62 are provided. A gas passage 64 for connecting the exhaust communication hole 63 is provided. The gas passage 64 is configured such that the gas passage connected to the hydrogen gas communication hole 61 and the gas passage connected to the air communication hole 62 are joined, and the joined gas passage is connected to the exhaust passage 63. The catalyst (catalyst combustor, heating means) 65 for reacting hydrogen and oxygen in the air is attached to the wall surface of the hatched portion. One of the plurality of separators 7 is provided with a temperature sensor 69 that detects the representative temperature of the fuel cell 1 at a position corresponding to the vicinity of the portion where the catalyst 65 is attached. The temperature sensor 69 is composed of, for example, a thermistor, and an output signal from the temperature sensor 69 is input to the ECU 50 for controlling the fuel cell.
[0061]
  The hydrogen gas communication hole 61 is connected to a hydrogen supply device 67 through a control valve 66, the air communication hole 62 is connected to an air supply device 68, and the control valve 66, the hydrogen supply device 67, and the air supply device 68 are fuel. It is controlled by the battery control ECU 50. Mentioned aboveReference example 1Then, the cell 5 was heated locally by turning on the electric heater 33 in the local power generation mode at the time of cold start.Reference example 3In a local power generation mode at low temperature startup, the fuel cell 1 supplies hydrogen gas from the hydrogen supply device 67 to the hydrogen gas communication hole 61 and supplies air from the air supply device 68 to the air communication hole 62 to communicate with each other. The hydrogen gas that has flowed into the gas passage 64 of each cell 5 from the holes 61 and 62 is reacted with oxygen in the air by the catalyst 65 at the junction, and the vicinity around the junction is locally heated by this reaction heat. by this,Reference example 3, It becomes possible to form a local power generation region S3 in each cell 5,Reference example 1The same actions and effects can be obtained.
[0062]
  And thisReference example 3In the fuel cell 1, hydrogen gas and oxygen in the air are catalytically combusted, so that large thermal energy can be obtained and the rise in temperature rises quickly. As a result, heating faster than the electric heater 33 is possible. Become. Further, since hydrogen is also the fuel of the fuel cell 1, there is an advantage that the fuel can be unified and the apparatus configuration is facilitated.
[0063]
  next,Reference example 3An example of the start-up control of the fuel cell 1 will be described with reference to the flowchart of FIG. About step S201-step S205,Reference example 1Since this is the same as step S101 to step S105 in the startup control, description thereof is omitted. thisReference example 3In step S204, if a negative determination is made and the process proceeds to step S206 and the full power generation mode is set, the supply of combustion hydrogen from the hydrogen supply device 67 to the hydrogen gas communication hole 61 is stopped and the air supply device 68 is stopped. Supply of air to the air communication hole 62 is stopped. Then, the coolant is supplied to both coolant passages R and R, the hydrogen gas is supplied to the reaction gas passages A1 and A2 of each cell 5, the air is supplied to the reaction gas passages C1 and C2, and the entire power generation surface of all the cells 5 is supplied. Execute power generation using.
[0064]
  On the other hand, if an affirmative determination is made in step S204 and the process proceeds to step S207 to enter the local power generation mode, the coolant does not flow through the coolant passages R and R, and the reaction gas passages A1 and A1 on the upper half side of each cell 5 are used. Hydrogen gas and air are supplied only to C1. Further, by supplying combustion air from the air supply device 68 to the air communication hole 62 and supplying hydrogen gas for combustion from the hydrogen supply device 67 to the hydrogen gas communication hole 61, local power generation in the local power generation region S3 is performed. Execute. The supply amount of combustion hydrogen is determined by the ECU 50 according to the internal representative temperature of the fuel cell 1 with reference to a map prepared in advance, and the ECU 50 executes flow control by the control valve 66 based on this. To do.
[0065]
  In step S208, it is determined whether or not the internal representative temperature of the fuel cell 1 is lower than a set temperature (eg, 2 ° C.) of 0 ° C. or higher, and the determination result is “YES” (less than 2 ° C.). In this case, the process returns to step S207 to continue the local power generation mode, and when the determination result is “NO” (2 ° C. or more), the process proceeds to the full power generation mode in step S206.
[0066]
  In the start-up control, whether or not to proceed to the local power generation mode and whether to shift to the full power generation mode is determined based on the internal representative temperature of the fuel cell 1, but instead of this, the fuel cell 1 Whether to proceed to the local power generation mode and whether to shift to the full power generation mode may be determined based on the total output voltage. In the start-up control, when the internal representative temperature of the fuel cell 1 is higher than 0 ° C., the full power generation mode is entered. However, the internal representative temperature of the fuel cell 1 is 0 ° C. or higher. However, if the temperature is in a relatively low temperature range (for example, 15 ° C. or less), a slight warm-up is performed by supplying a small amount of combustion hydrogen and combustion air to the gas passage 64. It is also possible to promote the temperature rise of the fuel cell 1. Furthermore, it may be weighted that there is a voltage drop in any of the cells 5 in the execution condition of the slight warm-up.
[0067]
  Also thisReference example 3In the local power generation mode, hydrogen gas and air are allowed to flow only in the upper half reaction gas passages A1 and C1, but in the local power generation mode, hydrogen gas is supplied to both the upper and lower reaction gas passages A1 and A2. It is possible to flow gas and flow air to both the upper and lower reaction gas passages C1 and C2.Reference example 1It is the same. Also thisReference example 3In the fuel cell 1 ofReference example 1As in the case of, the passage form of the reaction gas passage may be a passage form other than a horizontal straight line (for example, a meandering passage shown in FIG. 6).
[0068]
[Reference example 4]
  Next, the fuel cell according to the present inventionReference example 4 of the underlying technologyWill be described with reference to FIGS. 12 and 13.Reference example 4The fuel cell configuration ofReference example 3Is very close toReference example 3Then, a catalytic combustor is provided at a predetermined portion of the cell 5, and in this catalytic combustor, hydrogen and oxygen in the air are subjected to catalytic combustion to locally heat the cell 5, but thisReference example 4Provides an oxidizing / reducing agent at a predetermined portion of the cell 5 and locally heats the cell 5 using heat generated when the oxidizing / reducing agent is oxidized by oxygen.
[0069]
  FIG.Reference example 4It is a longitudinal cross-sectional view in a part of the fuel cell 1 in FIG.Reference example 3FIG. 9 corresponds to FIG. 9, and the same reference numerals are given to the same aspects as those in FIG. 9. In addition, FIG.Reference example 4Is a front view of the separator 6 from the side where the coolant passage R is formed,Reference example 3FIG. 11 corresponds to FIG. 10, and the same reference numerals are given to the same aspect portions as FIG. 10.
[0070]
  Reference example 4In the fuel cell 1, there is one communication hole provided through the cell 5 between the outlet side coolant communication holes 31, 31, and a hydrogen supply device is connected to this communication hole (hereinafter referred to as a gas communication hole) 70. 67 and an air supply device 68 are connected. Further, the separator 6 is provided with a gas passage 71 connecting the gas communication hole 70 and the exhaust communication hole 63 between the coolant passages R and R, and an upstream portion of the gas passage 71 (that is, the gas communication hole 70). As shown by hatching in FIG. 13, an oxidizing / reducing agent (heating means) 72 is attached to the wall surface of the portion close to ().
[0071]
  Mentioned aboveReference example 3Then, in the local power generation mode at the time of low temperature startup, hydrogen gas and air are simultaneously supplied to the gas passage 64, the hydrogen gas and oxygen in the air are reacted by the catalyst 65 at the junction, and the cell 5 is locally generated by the reaction heat. Heated. However, thisReference example 4Then, in the local power generation mode at the time of cold start, only air is supplied from the air supply device 68 to the gas communication hole 70, and hydrogen gas is not supplied. In this way, the air supplied to the gas passages 70 flows into the gas passages 71 of the respective cells 5 and generates heat when the oxidizing / reducing agent 72 in the upstream portion of the gas passages 71 reacts with oxygen in the air and oxidizes. The reaction heat locally heats the vicinity centering on the upstream portion of the gas passage 71. by this,Reference example 4, It becomes possible to form a local power generation region S4 in each cell 5,Reference example 3The same actions and effects can be obtained.
[0072]
  And thisReference example 4Then, with the end of the local power generation mode, the supply of air to the gas communication hole 70 is stopped, and a predetermined amount of hydrogen gas is supplied from the hydrogen supply device 67 to the gas communication hole 70. As a result, the oxidizing / reducing agent 72 reacts with hydrogen to be reduced and returns to its original state, and absorbs heat at this time.
[0073]
[inventionEmbodiment of
  Next, the fuel cell according to the present inventionPond fruitThe embodiment will be described with reference to FIGS. 14 and 15. FIG. Each of the aboveReference exampleThen, in all the cells 5 constituting the fuel cell 1, the local power generation regions S1 to S4 are provided at the same position when viewed from the front of the power generation surface. On the contrary,This inventionIn the embodiment, as shown in FIGS. 14 and 15, the positions of the local power generation regions S are provided at different positions on the power generation surface between the adjacent cells 5. In this manner, when current flows between the cells 5 and 5 in the local power generation mode, current flows in a direction perpendicular to the stacking direction of the cells 5 in the separators 6 and 7 as indicated by arrows in FIG. As a result, Joule heat is generated by the loss of the electrical resistance of the separators 6 and 7, and the warm-up of the fuel cell 1 can be further promoted.
[0074]
  In addition,thisIn the embodiment, the method for forming the local power generation region S is not particularly limited.Reference example 1A method of providing an electric heater in a part of the separator (such as a coolant passage) as shown in FIG.Reference example 3andReference example 4A method of providing a catalytic combustor or an oxidizing / reducing agent in the cell 5 as described above is also possible. Further, the positions of the local power generation regions S of all adjacent cells 5 may be made different, or the positions of the local power generation regions S may be made different for each module.
[0075]
【The invention's effect】
  As described above, according to the first aspect of the present invention, when the fuel cell is started at a low temperature, a part of the power generation surface can be rapidly heated by the heating means, and the solid polymer electrolyte in this region can be heated. Decrease the ion passage resistance of the membrane to increase power generation efficiency, thereby promoting self-heating and quickly increasing the temperature of the region, and expanding this high temperature region over the entire power generation surface to increase the temperature of the fuel cell Therefore, the start-up time can be shortened compared with the case where the entire power generation surface is heated by self-heating, and the low-temperature startability of the fuel cell can be improved.
  Further, according to the invention described in claim 1, when a current flows between cells provided with heating means at different positions, the current flows in a direction perpendicular to the stacking direction of the cells. Since the current path has electrical resistance, Joule heat is generated, and the fuel cell is also heated by this Joule heat. Therefore, the temperature rise of the fuel cell can be further accelerated, and the low temperature startability of the fuel cell can be improved. There is an effect that it can be further increased.
[0076]
  According to the invention described in claim 2, there is an effect that the heating means can be operated by electric energy.
  According to the invention described in claim 3, there is an effect that the electric heater can be easily attached to the cell.The
[0077]
  Claim4According to the invention described in the above, since it is possible to quickly burn a part of the power generation surface by simply supplying the oxidizing gas and the reducing gas to the catalytic combustor and to quickly heat a part of the power generation surface, There is an effect that the configuration becomes simple. In addition, since rapid heating can be realized, the temperature rise of the fuel cell can be further accelerated, and the low-temperature startability of the fuel cell can be further improved.
[0078]
  Claim5According to the invention described in (1), it is possible to quickly heat a part of the power generation surface only by supplying the oxidizing gas, so that there is an effect that the configuration of the heating means is simplified. In addition, since rapid heating can be realized, the temperature rise of the fuel cell can be further accelerated, and the low-temperature startability of the fuel cell can be further improved.
[0079]
  Claim6According to the invention described above, the heating means is operated only when the temperature of the fuel cell is low to locally heat the cell, and when the temperature of the fuel cell is high, the operation of the heating means is stopped to locally heat the cell. This makes it possible to reduce energy consumption.
[0080]
  Claim7According to the invention described above, the heating means is operated only when the output voltage of the fuel cell is low to locally heat the cell, and when the output voltage of the fuel cell is high, the operation of the heating means is stopped to Since local heating can be stopped, energy consumption can be reduced.
[0081]
  Claim8According to the invention described in, since it becomes possible to operate and stop the heating means according to the temperature state of each cell, there is an effect that energy consumption can be reduced.
  Claim9According to the invention described in, since it becomes possible to operate and stop the heating means according to the state of the output voltage of each cell, there is an effect that energy consumption can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a fuel cell according to the present invention.Reference example 1 of the underlying technologyIt is a front view of the separator in.
FIG. 2Reference example 1It is a longitudinal cross-sectional view of this fuel cell.
FIG. 3Reference example 1It is a figure which shows a mode that a heating part spreads in the fuel cell of.
FIG. 4Reference example 1It is a figure which shows a mode that a heating part spreads in the fuel cell of.
FIG. 5Reference example 1It is a flowchart which shows an example of starting control in the fuel cell.
FIG. 6Reference example 1It is a front view of the separator in the modification of this fuel cell.
FIG. 7 shows a fuel cell according to the present invention.Example 2 of technology related toIt is a front view of the separator in.
FIG. 8Reference example 2It is sectional drawing of the stud bolt in the fuel cell of.
FIG. 9 shows a fuel cell according to the present invention.Reference example 3 of the underlying technologyFIG.
FIG. 10Reference example 3It is a front view of the separator in the fuel cell.
FIG. 11Reference example 3It is a flowchart which shows an example of starting control in the fuel cell.
FIG. 12 shows a fuel cell according to the present invention.Reference example 4 of the underlying technologyFIG.
FIG. 13Reference example 4It is a front view of the separator in the fuel cell.
FIG. 14 shows a fuel cell according to the present invention.Pond fruitIn embodiment, it is a front view which shows the positional relationship of the local electric power generation area | region S between adjacent cells.
FIG. 15RealIn embodiment, it is sectional drawing which shows the state of the electric current which flows between adjacent cells.
[Explanation of symbols]
1 Fuel cell
2 Anode electrode
3 Cathode electrode
4 Solid polymer electrolyte membrane
5 cells
A1, A2, C1, C2 Reaction gas passage
R, R Coolant passage
33 Electric heater (heating means)
53 Electric heater (heating means)
65 Catalyst (catalyst combustor, heating means)
72 Oxidizing / reducing agent (heating means)

Claims

In a fuel cell including a cell in which an anode electrode and a cathode electrode are provided on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, and a reaction gas passage is further provided outside each of the electrodes,
Comprising heating means for heating a partial region of the power generation surface in the cell;
The fuel cell is formed by laminating a plurality of the cells, and at least one pair of adjacent cells are provided at different positions on the power generation surface when the heating means is viewed from the front. A fuel cell.

2. The fuel cell according to claim 1, wherein the heating means is an electric heater.

The fuel cell according to claim 2, wherein the cell includes a coolant passage, and the electric heater is provided in the coolant passage.

The fuel cell according to claim 1 , wherein the heating unit is a catalytic combustor .

2. The fuel cell according to claim 1, wherein the heating means uses heat generated when the oxidizing / reducing agent is oxidized .

The fuel cell according to claim 1, wherein the operation of the heating unit is controlled in accordance with the temperature of the fuel cell.

The fuel cell according to claim 1, wherein the operation of the heating unit is controlled in accordance with an output voltage of the fuel cell.

The fuel cell according to claim 1, wherein the operation of the heating unit is controlled in accordance with the temperature of each cell .

The fuel cell according to claim 1, wherein the operation of the heating unit is controlled in accordance with an output voltage of each cell .