JP4412999B2 - 燃料電池の起動方法及び燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、電解質膜を一対の電極間に配設した電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層され、積層方向に貫通して反応ガス供給連通孔、反応ガス排出連通孔、冷却媒体供給連通孔及び冷却媒体排出連通孔が形成されるとともに、前記冷却媒体供給連通孔と前記冷却媒体排出連通孔とに連通し前記電解質膜・電極構造体の面方向に沿って冷却媒体を供給する冷却媒体流路が形成される燃料電池を起動させるための燃料電池の起動方法、及び前記燃料電池を備える燃料電池システムに関する。

一般的に、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配設した電解質膜・電極構造体を、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、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ交互に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、Ｄｕｐｏｎｔ社製のＮＡＦＩＯＮ（登録商標）及びＤｏｗ社製の実験用膜（商品番号ＸＵＸ １３２０４．１０）のような電解質膜が、−２０℃の温度であっても十分にイオン的に伝導性を有して燃料電池内で電気化学反応が可能であることが開示されている。

この特許文献１では、上記の電解質膜を用いることにより、水の凝固温度よりも低い温度から燃料電池電力発生装置の作動を開始するための方法を開示している。電力発生装置は、外部電気回路に対して電流を供給するために前記外部電気回路に接続可能な燃料電池堆積体を有している。堆積体は、少なくとも一つの燃料電池を有し、前記燃料電池が、正極と、負極と、これらの間に挿入された水透過性イオン交換膜とを備えた膜電極組立品を具備するとともに、前記膜電極組立品の少なくとも一部の温度が水の凝固温度より低い。そして、この方法では、膜電極組立品の一部の温度が水の凝固温度を超過するように、堆積体から外部電気回路に電流を供給する工程を含んでいる。

特表２０００−５１２０６８号公報（図３）

しかしながら、上記の特許文献１では、水の凝固温度以下であっても燃料電池の作動が可能になるものの、所定の温度以下で起動すると、電解質膜のイオン導電性が著しく低下して、所望の始動状態に迅速に移行することが困難であるという問題がある。

詳述すると、通常、固体高分子型燃料電池に使用される固体高分子電解質膜のイオン導電性には、温度特性が存在しており、プロトン伝達を司るクラスター内部の水は、例えば、−１０℃〜−３０℃の範囲で凍結し、前記固体高分子電解質膜のイオン導電性が著しく低下することが確認されている。このため、クラスター内部の水が凍結し始める温度以下から燃料電池を起動する際には、前記燃料電池を暖機するために必要な電流を該燃料電池自体から取り出すことができないという問題がある。

一方、燃料電池は、発電によって水を生成しており、前記燃料電池の内部には、常に水が存在している。そこで、燃料電池の運転停止後に内部温度が低下して、電極触媒層の近傍に存在する水が凍結すると、触媒有効面積が低下して印加可能な電流が減少してしまう。その際、電極触媒層等の極小細孔内に存在する水は、その細孔径によって凍結温度が０℃以下に変動することが知られている。従って、この凍結温度以下から燃料電池を起動する際に、前記燃料電池の暖機に必要な電流を該燃料電池自体から取り出せないおそれがある。

さらにまた、クラスター内部の水の凍結温度及び電極細孔内の水の凍結温度の双方よりも高い温度であれば、初期負荷印加が可能であるものの、発電が進行するのに従って、生成水が電極拡散層内で凍結し易い。これにより、ガス拡散性が低下してセル電圧の降下を招来するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、水の凍結温度以下の環境でも迅速且つ確実な始動が遂行されるとともに、燃料消費量を有効に低減して効率的な運転が可能な燃料電池の起動方法及び燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、電解質膜を一対の電極間に配設した電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層され、積層方向に貫通して反応ガス供給連通孔、反応ガス排出連通孔、冷却媒体供給連通孔及び冷却媒体排出連通孔が形成されるとともに、前記冷却媒体供給連通孔と前記冷却媒体排出連通孔とに連通し前記電解質膜・電極構造体の面方向に沿って冷却媒体を供給する冷却媒体流路が形成され、前記冷却媒体流路は、複数の溝部と前記溝部の両側に位置する複数の突起部とを設ける燃料電池を起動させるための起動方法である。

そこで、起動時には、冷却媒体供給連通孔及び冷却媒体排出連通孔とは個別に設けられる冷却媒体導入口から冷却媒体流路の一方の突起部に、加温された冷却媒体が供給される。このため、加温された冷却媒体は、冷却媒体流路の一方の突起部を流動して暖機を行った後、冷却媒体排出連通孔に排出される。

また、セパレータの端縁部に、反応ガス排出連通孔である酸化剤ガス排出連通孔を挟んで、冷却媒体排出連通孔及び冷却媒体導入口が配設され、前記冷却媒体導入口から冷却媒体流路に供給される加温された冷却媒体が、前記冷却媒体流路の一方の前記突起部を通過して前記冷却媒体排出連通孔に排出されることが好ましい。

さらに、本発明は、電解質膜を一対の電極間に配設した電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層され、積層方向に貫通して反応ガス供給連通孔、反応ガス排出連通孔、冷却媒体供給連通孔及び冷却媒体排出連通孔が形成されるとともに、前記冷却媒体供給連通孔と前記冷却媒体排出連通孔とに連通し前記電解質膜・電極構造体の面方向に沿って冷却媒体を供給する冷却媒体流路が形成される燃料電池を備える燃料電池システムである。

この燃料電池システムは、冷却媒体供給連通孔及び冷却媒体排出連通孔とは個別に設けられ、冷却媒体流路に連通する冷却媒体導入口と、前記冷却媒体導入口から前記冷却媒体流路に供給されて前記冷却媒体排出連通孔に排出される冷却媒体を、燃料電池の外部で加温する加熱部とを備える。

さらにまた、セパレータの端縁部には、反応ガス排出連通孔である酸化剤ガス排出連通孔と、前記酸化剤ガス排出連通孔を挟んで、冷却媒体排出連通孔及び冷却媒体導入口とが配設されることが好ましい。

また、燃料電池の外部には、冷却媒体供給連通孔と冷却媒体排出連通孔とに連通する冷却媒体供給機構が配設されるとともに、前記冷却媒体供給機構は、主流路から切換手段を介して分岐し冷却媒体導入口に連通する始動暖機流路と、前記始動暖機流路に配設されて冷却媒体を加温する加熱部であるヒータとを備えることが好ましい。

本発明によれば、加温された冷却媒体が、冷却媒体導入口から冷却媒体流路に供給されて暖機が行われるため、特に氷点下起動時に、発電生成水の凍結を阻止することができ、燃料電池を迅速且つ確実に始動させることが可能になる。

しかも、冷却媒体導入口が冷却媒体供給連通孔とは個別に設けられており、この冷却媒体供給連通孔に供給される冷却媒体全体を加温する必要がない。これにより、加温される冷却媒体を暖機に必要な供給量に設定することができ、外部熱源による消費熱量が大幅に削減されて経済的である。

さらに、酸化剤ガス排出連通孔の近傍から温度が上昇するため、この酸化剤ガス排出連通孔の近傍が発電の起点となり、生成水が速やかに前記酸化剤ガス排出連通孔に排出される。これにより、特に氷点下起動時の面内流路の凍結閉塞が阻止される。

図１は、本発明に係る燃料電池の起動方法に用いられる第１の実施形態の燃料電池システム１０の概略構成説明図である。

燃料電池システム１０は、例えば、自動車等の車両に搭載されており、固体高分子型燃料電池スタック１２を備える。この燃料電池スタック１２は、複数の単セル１４を矢印Ａ方向に積層するとともに、積層方向両端にターミナルプレート１６ａ、１６ｂ、絶縁プレート１８ａ、１８ｂ及びエンドプレート２０ａ、２０ｂが配設されており、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂ間には、所定の締め付け荷重が付与されている。

図２に示すように、単セル１４は、電解質膜・電極構造体２２と、前記電解質膜・電極構造体２２を挟持する第１及び第２セパレータ２４、２６とを備える。第１及び第２セパレータ２４、２６は、例えば、それぞれ１枚の金属プレートで形成されているが、カーボンプレート等で形成してもよい。

単セル１４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、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔（反応ガス供給連通孔）３０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３２ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔（反応ガス排出連通孔）３４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

単セル１４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、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔（反応ガス供給連通孔）３４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３２ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔（反応ガス排出連通孔）３０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

単セル１４の下部には、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂの下方に位置してドレン機能を有する冷却媒体導入口３５が形成されるとともに、燃料ガス排出連通孔３４ｂの下方に位置してドレン孔３５ａが形成される。

電解質膜・電極構造体２２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の両面に設けられるアノード側電極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を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布した電極触媒層とをそれぞれ有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３６の両面に接合されている。

第１セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２２に向かう面２４ａには、燃料ガス供給連通孔３４ａと燃料ガス排出連通孔３４ｂとに連通する燃料ガス流路４６が形成される。第１セパレータ２４の面２４ａとは反対の面２４ｂと第２セパレータ２６の面２６ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔３２ａと冷却媒体排出連通孔３２ｂとに連通する冷却媒体流路４８が形成される。この冷却媒体流路４８は、冷却媒体導入口３５及びドレン孔３５ａに連通する。

燃料ガス流路４６と冷却媒体流路４８とは、第１セパレータ２４をプレス加工することによって表裏に一体的に形成される。具体的には、例えば、第１セパレータ２４を波形状に成形することにより、面２４ａに燃料ガス流路４６を構成する複数の溝部４６ａを設けるとともに、面２４ｂに冷却媒体流路４８を構成する複数の溝部４８ａを設ける。複数の溝部４６ａ、４８ａは、矢印Ｂ方向に略直線状に延在し、その矢印Ｂ方向両側に位置して複数の突起部４６ｂ、４８ｂが、例えば、エンボス加工によりそれぞれ面２４ａ、２４ｂ側に突出して設けられる。

第２セパレータ２６の電解質膜・電極構造体２２に向かう面２６ａには、酸化剤ガス供給連通孔３０ａと酸化剤ガス排出連通孔３０ｂとに連通する酸化剤ガス流路５０が設けられる。酸化剤ガス流路５０と冷却媒体流路４８とは、第２セパレータ２６をプレス加工することによって表裏に一体的に形成される。酸化剤ガス流路５０は、矢印Ｂ方向に略直線状に延在する複数の溝部５０ａを有するとともに、前記複数の溝部５０ａの矢印Ｂ方向両側に位置して複数の突起部５０ｂが、例えば、エンボス加工により設けられる。

図１に示すように、燃料電池スタック１２の外部には、冷却媒体流路４８に連通する冷却媒体供給機構６０が配設される。冷却媒体供給機構６０は、冷却媒体供給連通孔３２ａと冷却媒体排出連通孔３２ｂとに連通する主流路である循環流路６２を備える。循環流路６２には、冷却媒体循環用のポンプ６４と、ラジエータ６６と、サーモスタット６８とが接続されるとともに、このサーモスタット６８には、前記ラジエータ６６を迂回するバイパス流路７０が接続される。

ポンプ６４の下流では、切換手段、例えば、三方切換弁７２を介して始動暖機流路７４が分岐される。この始動暖機流路７４には、冷却媒体を加温するためのヒータ（加熱部）７６が接続されるとともに、前記始動暖機流路７４が冷却媒体導入口３５に連通する。冷却媒体導入口３５及びドレン孔３５ａには、それぞれドレン弁７８が接続されている。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。

図１に示すように、燃料電池スタック１２内には、空気等の酸素含有ガスである酸化剤ガス、水素含有ガス等の燃料ガス、及び純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。このため、図２に示すように、酸化剤ガス供給連通孔３０ａから第２セパレータ２６の酸化剤ガス流路５０に酸化剤ガスが導入され、この酸化剤ガスが電解質膜・電極構造体２２を構成するカソード側電極４０に沿って移動する。

また、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３４ａから第１セパレータ２４の燃料ガス流路４６に導入され、電解質膜・電極構造体２２を構成するアノード側電極３８に沿って移動する。従って、電解質膜・電極構造体２２では、カソード側電極４０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３８に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

カソード側電極４０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード側電極３８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

さらに、冷却媒体供給機構６０では、ポンプ６４の駆動作用下に循環流路６２を介して冷却媒体が冷却媒体供給連通孔３２ａに供給される（図１参照）。この冷却媒体は、第１及び第２セパレータ２４、２６間の冷却媒体流路４８に導入された後、図２中、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２２を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３２ｂから循環流路６２に戻され、この循環流路６２を介して、再度、冷却媒体供給連通孔３２ａに供給される。

その際、冷却媒体の温度が設定温度以上になると、サーモスタット６８が作動する。従って、冷却媒体は、ラジエータ６６に送られて強制的に冷却された後、冷却媒体供給連通孔３２ａに供給される。

ところで、燃料電池システム１０を低温、例えば、氷点下の環境で始動させる際、冷却媒体供給機構６０では、三方切換弁７２を切り換えてポンプ６４が始動暖機流路７４に接続される。このため、冷却媒体排出連通孔３２ｂと冷却媒体導入口３５との間には、外部循環流路が構成される。また、ヒータ７６が付勢されることにより、始動暖機流路７４の冷却媒体が加温される。

次いで、図３に示すように、ポンプ６４が駆動されると、ヒータ７６により加温された冷却媒体が、始動暖機流路７４を介して冷却媒体導入口３５に供給される。冷却媒体導入口３５に供給された冷却媒体は、冷却媒体流路４８に導入されて、複数の突起部４８ｂ間に沿って移動しながら暖機を行い、冷却媒体排出連通孔３２ｂに排出される。

その際、第１の実施形態では、冷却媒体導入口３５が、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂの下方に設けられるとともに、この酸化剤ガス排出連通孔３０ｂの上方には、冷却媒体排出連通孔３２ｂが設けられている。従って、加温された冷却媒体は、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂの近傍に集中して流れるため、前記酸化剤ガス排出連通孔３０ｂの近傍から温度が上昇する。このため、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂの近傍が発電の起点となり、生成水が速やかに前記酸化剤ガス排出連通孔３０ｂに排出される。

これにより、特に氷点下起動時に、発電生成水による酸化剤ガス流路５０の凍結閉塞を阻止することができ、極低温始動の暖機時における発電安定性が有効に向上する。しかも、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂの近傍に発電が集中するため、暖機が短時間で良好に行われるとともに、単セル１４全体を暖機する場合に比べて暖機用熱量が大幅に削減される。従って、省エネを図りながら、各単セル１４を迅速且つ確実に始動させることが可能になるという効果が得られる。

さらに、冷却媒体導入口３５は、冷却媒体供給連通孔３２ａとは個別に設けられており、この冷却媒体供給連通孔３２ａに供給される冷却媒体全体を加温する必要がない。これにより、加温される冷却媒体を暖機に必要な供給量に設定することができ、外部熱源であるヒータ７６による消費熱量が大幅に削減されて経済的である。

各単セル１４は、加熱された冷却媒体及び該単セル１４の発電に伴う自己発熱によって暖機される。そして、燃料電池スタック１２の温度が所定温度以上に達した際に、三方切換弁７２を切り換えてポンプ６４が循環流路６２に接続される一方、ヒータ７６が滅勢される。該所定温度は、前述したサーモスタット６８が作動して循環流路６２がラジエータ６６に切り換わる設定温度よりも低温に設定されることが好ましい。これにより、三方切換弁７２を切り換えた際に、ヒータ７６によって加熱されていない冷却媒体が燃料電池スタック１２に導入されることによる急激な温度変化を防止することができる。

図４は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム８０の概略構成説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３及び第４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。

燃料電池システム８０は、燃料電池スタック１２の外部に配設される冷却媒体供給機構８２を備える。冷却媒体供給機構８２は、循環流路６２にサーモスタット６８と冷却媒体供給連通孔３２ａとの間に、切換手段である三方切換弁８４を介装する。三方切換弁８４と冷却媒体導入口３５とには、始動暖機流路８６が接続されるとともに、前記始動暖機流路８６には、ヒータ（加熱部）８８が接続される。

このように構成される第２の実施形態では、燃料電池システム８０の低温始動時に、冷却媒体供給機構８２を構成する三方切換弁８４が切り換えられ、ポンプ６４が始動暖機流路８６に接続される。従って、ポンプ６４の駆動作用下に、冷却媒体排出連通孔３２ｂから循環流路６２に排出される冷却媒体は、バイパス流路７０から三方切換弁８４を介して始動暖機流路８６に送られる。さらに、冷却媒体は、始動暖機流路８６に配設されているヒータ８８を介して加温された後、冷却媒体導入口３５から冷却媒体流路４８に導入される。

これにより、氷点下起動時に、発電生成水による酸化剤ガス流路５０の凍結を阻止するとともに、各単セル１４を迅速且つ確実に始動させることができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図５は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム９０の概略構成説明図である。

燃料電池システム９０は、燃料電池スタック１２の外部に配設される冷却媒体供給機構９２を備える。冷却媒体供給機構９２では、冷却媒体排出連通孔３２ｂとポンプ６４との間に切換手段である三方切換弁９４が配設される。この三方切換弁９４と冷却媒体導入口３５とは、始動暖機流路９６を介して接続されるとともに、前記始動暖機流路９６には、副ポンプ９８とヒータ（加熱部）１００とが接続される。

このように構成される第３の実施形態では、燃料電池システム９０の低温始動時に、三方切換弁９４が切り換えられて冷却媒体排出連通孔３２ｂと冷却媒体導入口３５とが、始動暖機流路９６に接続される。そして、副ポンプ９８が駆動されると、冷却媒体排出連通孔３２ｂから排出される冷却媒体は、始動暖機流路９６に送られ、ヒータ１００を介して加温された後に冷却媒体導入口３５から冷却媒体流路４８に送られる。

従って、第３の実施形態では、氷点下起動が迅速且つ確実に遂行される等、第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。しかも、ポンプ６４に比べて消費電力が極めて小さな副ポンプ９８を使用することができ、省エネ効果が一層確実に図られる。

図６は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システムを構成する単セル１１０の分解斜視説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０を構成する単セル１４と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第５及び第６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。

単セル１１０は、電解質膜・電極構造体２２を挟持する第１及び第２セパレータ１１２、１１４を備える。第１セパレータ１１２の電解質膜・電極構造体２２に向かう面１１２ａには、複数の突起部１１６ａが、例えば、エンボス加工により形成される一方、他方の面１１２ｂには、同様に複数の突起部１１６ｂが、例えば、エンボス加工により設けられる。面１２１ａには、複数の突起部１１６ａによって燃料ガス流路４６が形成されるとともに、面１１２ｂには、複数の突起部１１６ｂによって冷却媒体流路４８が形成される。

第２セパレータ１１４の電解質膜・電極構造体２２に向かう面１１４ａと他方の面１１４ｂとには、それぞれ複数の突起部１１８ａ、１１８ｂが、例えば、エンボス加工により突出形成される。複数の突起部１１８ａを介して酸化剤ガス流路５０が形成されるとともに、複数の突起部１１８ｂと第１セパレータ１１２の複数の突起部１１６ｂとを介して冷却媒体流路４８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、低温始動時に、冷却媒体導入口３５から冷却媒体流路４８に供給される加温された冷却媒体は、複数の突起部１１６ｂ、１１８ｂ間に沿って移動し、冷却媒体排出連通孔３２ｂに排出される。これにより、加温された冷却媒体は、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂの近傍に集中して流動し、前記酸化剤ガス排出連通孔３０ｂの近傍を起点にして発電が開始される。

図７は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池システムを構成する単セル１２０の分解斜視説明図である。

単セル１２０は、電解質膜・電極構造体２２を挟持する第１及び第２セパレータ１２２、１２４を備える。第１セパレータ１２２の電解質膜・電極構造体２２に向かう面１２２ａとは反対の面１２２ｂには、冷却媒体導入口３５から冷却媒体排出連通孔３２ｂに冷却媒体を案内するためのガイド用突起部１２６が複数形成される。各ガイド用突起部１２６は、楕円乃至長円状を有し、冷却媒体導入口３５から冷却媒体排出連通孔３２ｂに至る流路を構成している。

第２セパレータ１２４には、同様に冷却媒体流路４８を形成する面に冷却媒体導入口３５から冷却媒体排出連通孔３２ｂに至る流路を形成するための複数のガイド用突起部１２８が形成される。

このように構成される第５の実施形態では、冷却媒体流路４８にガイド用突起部１２６、１２８を介して冷却媒体導入口３５から冷却媒体排出連通孔３２ｂに至る加温された冷却媒体用の通路が形成されている。このため、低温始動時に、冷却媒体導入口３５から冷却媒体流路４８に供給される加温された冷却媒体は、ガイド用突起部１２６、１２８の案内作用下に、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂの近傍を通って冷却媒体排出連通孔３２ｂに確実に流動する。従って、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂの近傍を起点にして確実な発電が開始されるという効果が得られる。

図８は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池システムを構成する単セル１３０の分解斜視説明図である。

単セル１３０は、電解質膜・電極構造体２２を挟持する第１及び第２セパレータ１３２、１３４を備える。第１セパータ１３２の冷却媒体流路４８を形成する面には、複数の突起部１１６ｂが形成されるとともに、冷却媒体導入口３５から冷却媒体排出連通孔３２ｂに至る流路を形成するための複数のガイド用突起部１２６が形成される。第２セパレータ１３４の冷却媒体流路４８を形成する面には、複数の突起部１１８ｂが形成されるとともに、冷却媒体導入口３５から冷却媒体排出連通孔３２ｂに至る流路を形成するための複数のガイド用突起部１２８が形成される。

これにより、低温始動時に、冷却媒体導入口３５に供給される加温された冷却媒体は、ガイド用突起部１２６、１２８を介して冷却媒体排出連通孔３２ｂに円滑且つ確実に流動することができる。

本発明に係る燃料電池の起動方法に用いられる第１の実施形態の燃料電池システムの概略構成説明図である。 前記燃料電池を構成する単セルの分解斜視図である。 前記単セルを構成する第１セパレータの冷却媒体導入口に加温された冷却媒体が供給される際の動作説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システムを構成する単セルの分解斜視説明図である。 本発明の第５の実施形態に係る燃料電池システムを構成する単セルの分解斜視説明図である。 本発明の第６の実施形態に係る燃料電池システムを構成する単セルの分解斜視説明図である。

符号の説明

１０、８０、９０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１４、１１０、１２０、１３０…単セル ２２…電解質膜・電極構造体
２４、２６、１１２、１１４、１２２、１２４、１３２、１３４…セパレータ
３０ａ…酸化剤ガス供給連通孔 ３０ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
３２ａ…冷却媒体供給連通孔 ３２ｂ…冷却媒体排出連通孔
３４ａ…燃料ガス供給連通孔 ３４ｂ…燃料ガス排出連通孔
３５…冷却媒体導入口 ３５ａ…ドレン孔
３６…固体高分子電解質膜 ３８…アノード側電極
４０…カソード側電極 ４６…燃料ガス流路
４８…冷却媒体流路 ４６ａ、４８ａ、５０ａ…溝部
４６ｂ、４８ｂ、５０ｂ、１１６ａ、１１６ｂ、１１８ａ、１１８ｂ…突起部
５０…酸化剤ガス流路 ６０、８２、９２…冷却媒体供給機構
６２…循環流路 ６４、９８…ポンプ
６６…ラジエータ ６８…サーモスタット
７０…バイパス流路 ７２、８４、９４…三方切換弁
７４、８６、９６…始動暖機流路 ７６、８８、１００…ヒータ
１２６、１２８…ガイド用突起部

Claims (5)

1. 電解質膜を一対の電極間に配設した電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層され、積層方向に貫通して反応ガス供給連通孔、反応ガス排出連通孔、冷却媒体供給連通孔及び冷却媒体排出連通孔が形成されるとともに、前記冷却媒体供給連通孔と前記冷却媒体排出連通孔とに連通し前記電解質膜・電極構造体の面方向に沿って冷却媒体を供給する冷却媒体流路が形成され、前記冷却媒体流路は、複数の溝部と前記溝部の両側に位置する複数の突起部とを設ける燃料電池を起動させるための燃料電池の起動方法であって、
   前記冷却媒体供給連通孔及び前記冷却媒体排出連通孔とは個別に設けられる冷却媒体導入口から前記冷却媒体流路の一方の前記突起部に、加温された冷却媒体を供給し、さらに前記加温された冷却媒体を前記冷却媒体流路の一方の前記突起部から前記冷却媒体排出連通孔に排出することを特徴とする燃料電池の起動方法。
2. 請求項１記載の起動方法において、前記セパレータの端縁部に、前記反応ガス排出連通孔である酸化剤ガス排出連通孔を挟んで、前記冷却媒体排出連通孔及び前記冷却媒体導入口が配設され、
   前記冷却媒体導入口から前記冷却媒体流路に供給される前記加温された冷却媒体が、前記冷却媒体流路の一方の前記突起部を通過して前記冷却媒体排出連通孔に排出されることを特徴とする燃料電池の起動方法。
3. 電解質膜を一対の電極間に配設した電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層され、積層方向に貫通して反応ガス供給連通孔、反応ガス排出連通孔、冷却媒体供給連通孔及び冷却媒体排出連通孔が形成されるとともに、前記冷却媒体供給連通孔と前記冷却媒体排出連通孔とに連通し前記電解質膜・電極構造体の面方向に沿って冷却媒体を供給する冷却媒体流路が形成される燃料電池を備える燃料電池システムであって、
   前記冷却媒体供給連通孔及び前記冷却媒体排出連通孔とは個別に設けられ、前記冷却媒体流路に連通する冷却媒体導入口と、
   前記冷却媒体導入口から前記冷却媒体流路に供給されて前記冷却媒体排出連通孔に排出される冷却媒体を、前記燃料電池の外部で加温する加熱部と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項３記載の燃料電池システムにおいて、前記セパレータの端縁部には、前記反応ガス排出連通孔である酸化剤ガス排出連通孔と、
   前記酸化剤ガス排出連通孔を挟んで、前記冷却媒体排出連通孔及び前記冷却媒体導入口と、
   が配設されることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項３又は４記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の外部には、前記冷却媒体供給連通孔と前記冷却媒体排出連通孔とに連通する冷却媒体供給機構が配設されるとともに、
   前記冷却媒体供給機構は、主流路から切換手段を介して分岐し前記冷却媒体導入口に連通する始動暖機流路と、
   前記始動暖機流路に配設されて前記冷却媒体を加温する前記加熱部であるヒータと、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。

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