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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022111434
(43)【公開日】2022-08-01
(54)【発明の名称】燃料電池システム
(51)【国際特許分類】
H01M 8/04701 20160101AFI20220725BHJP
H01M 8/0267 20160101ALI20220725BHJP
H01M 8/0258 20160101ALI20220725BHJP
H01M 8/04 20160101ALI20220725BHJP
H01M 8/1009 20160101ALI20220725BHJP
H01M 8/10 20160101ALN20220725BHJP
【ＦＩ】
H01M8/04701
H01M8/0267
H01M8/0258
H01M8/04 Z
H01M8/1009
H01M8/10 101
【審査請求】未請求
【請求項の数】9
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021006852
(22)【出願日】2021-01-20
(71)【出願人】
【識別番号】000001247
【氏名又は名称】株式会社ジェイテクト
(74)【代理人】
【識別番号】110000648
【氏名又は名称】特許業務法人あいち国際特許事務所
(74)【代理人】
【識別番号】110000604
【氏名又は名称】弁理士法人 共立特許事務所
(71)【出願人】
【識別番号】504160781
【氏名又は名称】国立大学法人金沢大学
(74)【代理人】
【識別番号】110000604
【氏名又は名称】弁理士法人 共立特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】辻口 拓也
(72)【発明者】
【氏名】河内 達磨
(72)【発明者】
【氏名】中井 基生
(72)【発明者】
【氏名】齊藤 利幸
(72)【発明者】
【氏名】久保 厚
(72)【発明者】
【氏名】武田 恭英
(72)【発明者】
【氏名】古橋 資丈
(72)【発明者】
【氏名】仲曽根 歩
(72)【発明者】
【氏名】中根 淳志
【テーマコード（参考）】
5H126
5H127
【Ｆターム（参考）】
5H126AA10
5H126BB06
5H126BB08
5H126DD02
5H126DD05
5H126EE11
5H126EE24
5H127AA08
5H127AC15
5H127BA01
5H127BA03
5H127BA21
5H127BA57
5H127BB02
5H127BB12
5H127BB37
5H127DC06
(57)【要約】
【課題】電極構造体における電極反応に適した温度域となるように、液体燃料の温度を制御することができる燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】燃料電池システムは、アノード側セパレータ１０の燃料供給流路１１において液体燃料を加熱するヒータ５０を備える。ヒータ５０は、燃料供給流路１１に沿って、第一ヒータ５１（第一高温ヒータ５１ａ及び第一低温ヒータ５１ｂ）と、第二ヒータ５２（第二高温ヒータ５２ａ及び第二低温ヒータ５２ｂ）と、第三ヒータ５３とに分割される。第一ヒータ５１、第二ヒータ５２及び第三ヒータ５３は、燃料供給流路１１に対する液体燃料の燃料供給口１２側における液体燃料の温度が電極反応に適する温度になるように入熱量が制御され、燃料供給流路１１を流れる液体燃料を加熱する。
【選択図】図９
【解決手段】燃料電池システムは、アノード側セパレータ１０の燃料供給流路１１において液体燃料を加熱するヒータ５０を備える。ヒータ５０は、燃料供給流路１１に沿って、第一ヒータ５１（第一高温ヒータ５１ａ及び第一低温ヒータ５１ｂ）と、第二ヒータ５２（第二高温ヒータ５２ａ及び第二低温ヒータ５２ｂ）と、第三ヒータ５３とに分割される。第一ヒータ５１、第二ヒータ５２及び第三ヒータ５３は、燃料供給流路１１に対する液体燃料の燃料供給口１２側における液体燃料の温度が電極反応に適する温度になるように入熱量が制御され、燃料供給流路１１を流れる液体燃料を加熱する。
【選択図】図９
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電解質膜、アノード電極及びカソード電極を有する電極構造体と、
前記アノード電極に液体燃料を供給する燃料供給流路を有するアノード側セパレータと、
前記カソード電極に酸化剤を供給する酸化剤供給流路を有するカソード側セパレータと、を有して、一対の前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータの間に前記電極構造体が配置された単セルを形成し、前記電極構造体における電極反応によって発電する燃料電池と、
前記アノード側セパレータの前記燃料供給流路において前記液体燃料を加熱するヒータと、
前記ヒータの作動を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記燃料供給流路に対する前記液体燃料の供給側における前記液体燃料の温度が前記電極反応に適する温度域になるように前記ヒータによる加熱を制御し、前記ヒータが前記燃料供給流路を流れる前記液体燃料を加熱する、燃料電池システム。
前記アノード電極に液体燃料を供給する燃料供給流路を有するアノード側セパレータと、
前記カソード電極に酸化剤を供給する酸化剤供給流路を有するカソード側セパレータと、を有して、一対の前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータの間に前記電極構造体が配置された単セルを形成し、前記電極構造体における電極反応によって発電する燃料電池と、
前記アノード側セパレータの前記燃料供給流路において前記液体燃料を加熱するヒータと、
前記ヒータの作動を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記燃料供給流路に対する前記液体燃料の供給側における前記液体燃料の温度が前記電極反応に適する温度域になるように前記ヒータによる加熱を制御し、前記ヒータが前記燃料供給流路を流れる前記液体燃料を加熱する、燃料電池システム。
【請求項2】
前記ヒータは、前記燃料供給流路において分割して配置され、
前記制御装置は、
前記供給側における前記液体燃料の温度が前記電極反応に適する温度域に加熱されて前記燃料供給流路を流れる場合、
前記燃料供給流路における前記供給側から前記液体燃料の排出側に沿って、前記ヒータから前記液体燃料に対する単位面積当たりの入熱量が徐々に小さくなるように、前記ヒータの作動を制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
前記制御装置は、
前記供給側における前記液体燃料の温度が前記電極反応に適する温度域に加熱されて前記燃料供給流路を流れる場合、
前記燃料供給流路における前記供給側から前記液体燃料の排出側に沿って、前記ヒータから前記液体燃料に対する単位面積当たりの入熱量が徐々に小さくなるように、前記ヒータの作動を制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項3】
前記燃料供給流路は、直線部と屈曲部とを有する蛇行形状に形成されており、
前記ヒータは、前記燃料供給流路における屈曲部ごとに分割される、請求項２に記載の燃料電池システム。
前記ヒータは、前記燃料供給流路における屈曲部ごとに分割される、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項4】
前記屈曲部は、前記燃料供給流路における直線部に対して、前記液体燃料の流れる方向を９０度以上変更する、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項5】
前記ヒータは、前記燃料供給流路において分割して配置され、
前記制御装置は、
分割された前記ヒータの各々の前記燃料供給流路に対する位置と、前記電極構造体における前記電極反応による発電に伴って発生する発生電流量に応じたジュール熱とに基づいて、分割された前記ヒータの各々の作動を制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
前記制御装置は、
分割された前記ヒータの各々の前記燃料供給流路に対する位置と、前記電極構造体における前記電極反応による発電に伴って発生する発生電流量に応じたジュール熱とに基づいて、分割された前記ヒータの各々の作動を制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項6】
前記制御装置は、
分割された前記ヒータの各々に供給される作動電流を制御するものであり、
分割された前記ヒータの各々の面積における前記ジュール熱の大きさに応じて、各々の前記ヒータに供給される前記作動電流を増減させて決定する、請求項５に記載の燃料電池システム。
分割された前記ヒータの各々に供給される作動電流を制御するものであり、
分割された前記ヒータの各々の面積における前記ジュール熱の大きさに応じて、各々の前記ヒータに供給される前記作動電流を増減させて決定する、請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項7】
前記制御装置は、更に、
前記燃料供給流路における所定位置を流れる前記液体燃料の温度を参照し、
参照した前記温度に応じて前記作動電流を決定する、請求項６に記載の燃料電池システム。
前記燃料供給流路における所定位置を流れる前記液体燃料の温度を参照し、
参照した前記温度に応じて前記作動電流を決定する、請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項8】
前記ヒータは、前記アノード側セパレータに設けられる、請求項１－７の何れか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項9】
前記液体燃料は、ギ酸（ＨＣＯＯＨ）である、請求項１－８の何れか一項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【0002】
燃料電池、特に、固体高分子型燃料電池は、一般に、電解質膜の一面側に形成されたアノード電極と、他面側に形成されたカソード電極とからなる電極構造体を備えている。そして、固体高分子型燃料電池においては、アノード電極に燃料が供給され且つカソード電極に酸化剤が外部から供給されることにより、電極構造体にて電極反応が生じて発電される。
【0003】
近年、アノード電極に供給される燃料として、メタノールやギ酸等の液体燃料を直接用いる直接型の燃料電池が開発されている。液体燃料を用いる場合、水素ガスを燃料として用いる場合に比べて、取り扱いが容易であり、体積当たりのエネルギー密度が高く、極めて有用である。
【0004】
液体燃料を直接用いる燃料電池においては、発電動作を通じて、電極構造体のアノード電極側が電極反応に適した温度域に維持されることが必要である。このため、従来から、例えば、特許文献１には、燃料電池と燃料収容部の温度を適切に制御可能な燃料電池システムの構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２０１４－４９３４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
直接型の燃料電池においては、電極構造体における電極反応を促進して効率良く発電を行うために、アノード電極に対して電極反応に適した温度域とした液体燃料を供給することが好ましい。この場合、例えば、液体燃料を貯留する供給タンクにおいて、電極反応に適した温度域まで液体燃料を予め加熱して供給することが考えられる。しかし、供給タンクにて液体燃料を加熱してアノード電極に供給する場合、供給の途中において温度変化が生じると共に、多量の液体燃料を加熱して温度を維持するために多くのエネルギーが必要になる。
【0007】
又、電極構造体における電極反応によって発電された場合、発電に伴って発生した電流によってジュール熱が生じ、その結果、電極構造体の温度が高まる。従って、燃料電池においては、電極反応に適した温度域を維持するために、生じたジュール熱に応じてアノード電極に供給される液体燃料の温度を調整することが必要になる。
【0008】
本発明は、電極構造体における電極反応に適した温度域となるように、液体燃料の温度を制御することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
燃料電池システムは、電解質膜、アノード電極及びカソード電極を有する電極構造体と、アノード電極に液体燃料を供給する燃料供給流路を有するアノード側セパレータと、カソード電極に酸化剤を供給する酸化剤供給流路を有するカソード側セパレータと、を有して、一対のアノード側セパレータ及びカソード側セパレータの間に電極構造体が配置された単セルを形成し、電極構造体における電極反応によって発電する燃料電池と、アノード側セパレータの燃料供給流路において液体燃料を加熱するヒータと、ヒータの作動を制御する制御装置と、を備え、制御装置は、燃料供給流路に対する液体燃料の供給側における液体燃料の温度が電極反応に適する温度になるようにヒータによる加熱を制御し、ヒータが燃料供給流路を流れる液体燃料を加熱する。
【0010】
これによれば、燃料電池システムは、制御装置によって制御されて、アノード側セパレータの燃料供給流路において液体燃料を加熱するヒータを備えることができる。従って、制御装置がヒータを制御することにより、燃料供給流路を流れる液体燃料を加熱して、電極反応に適した温度域に液体燃料の温度を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】燃料電池システムの構成を示す図である。
【図2】積層された単セルによって形成された燃料電池スタックの構成を示す図である。
【図3】アノード側セパレータの構成を示す図である。
【図4】カソード側セパレータの対向面側の構成を示す図である。
【図5】シール部材の構成を示す図である。
【図6】ＭＥＡの構成を示す図である。
【図8】ヒータの構成を示す図である。
【図9】ヒータの作動を説明するための断面図である。
【図10】第一別例に係り、燃料供給流路の位置に対する電流発生量の関係を説明するための図である。
【図11】第二別例に係るヒータの構成を示す図である。
【図12】第三別例に係る燃料供給流路を説明するための図である。
【図13】第三別例に係るヒータの構成を示す図である。
【図14】第三別例に係るヒータの他の構成を示す図である。
【図15】第三別例に係るヒータの他の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
（１．燃料電池システムの概要）
本例においては、燃料電池として固体高分子型燃料電池を例示する。即ち、本例の燃料電池は、電解質膜の一面側にアノード電極が形成され、電解質膜の他面側にカソード電極が形成される。ここで、電解質膜、アノード電極及びカソード電極は、電極構造体であるＭＥＡ(Membrane-Electrode-Assembly：膜―電極接合体)を形成する。
本例においては、燃料電池として固体高分子型燃料電池を例示する。即ち、本例の燃料電池は、電解質膜の一面側にアノード電極が形成され、電解質膜の他面側にカソード電極が形成される。ここで、電解質膜、アノード電極及びカソード電極は、電極構造体であるＭＥＡ(Membrane-Electrode-Assembly：膜―電極接合体)を形成する。
【0013】
又、本例の燃料電池は、アノード電極に燃料を供給するアノード側セパレータ（コレクタ（集電機能）を含む）及びカソード電極に酸化剤（酸化剤ガス）を供給するカソード側セパレータ（コレクタ（集電機能）を含む）が設けられる。そして、本例の燃料電池は、ＭＥＡ、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータを含む１つのセル（以下、単セルと称呼する。）が形成され、単セルが複数積層されることによって燃料電池スタックが形成される。
【0014】
本例においては、燃料電池のアノード電極に対して供給される燃料としては、ギ酸（ＨＣＯＯＨ）、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）、エタノール（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）等の液体燃料を例示することができる。ここで、以下に説明する燃料電池においては、供給される液体燃料として、ギ酸を直接用いる場合を例示する。即ち、本例の燃料電池は、固体高分子型燃料電池であって、直接ギ酸型燃料電池（ＤＦＡＦＣ）を例示する。又、本例においては、燃料電池のカソード電極に対して供給される酸化剤（酸化剤ガス）としては、酸素（Ｏ２）ガス、空気等を例示することができる。ここで、以下に説明する燃料電池においては、供給される気体の酸化剤即ち酸化剤ガスとして、空気を用いる場合を例示する。
【0015】
直接ギ酸型燃料電池の場合、ＭＥＡのアノード電極に液体燃料であるギ酸が直接供給され、ＭＥＡのカソード電極に酸化剤（酸化剤ガス）である空気（Ｏ２）が供給されると、ＭＥＡにて電極反応が生じて発電する。この場合、ＭＥＡにおける電極反応は、ＭＥＡのアノード電極に供給される液体燃料であるギ酸の温度が電極反応に適した温度域に維持されることによって促進され、その結果、効率よく発電することができる。
【0016】
そこで、本例の燃料電池システムは、アノード電極に供給される液体燃料であるギ酸の温度を、電極反応に適した温度域に加熱して維持するため、アノード側セパレータに形成された燃料供給流路に沿って配置されて、燃料供給流路を流れる液体燃料を加熱するヒータを備える。
【0017】
本例のヒータは、燃料供給流路に対するギ酸の供給側におけるギ酸の温度が電極反応に適する温度域になるように作動が制御され、燃料供給流路を流れるギ酸を加熱する。又、本例のヒータは、燃料供給流路において分割して配置され、燃料供給流路のギ酸の供給側からギ酸の排出側に沿って、ギ酸に対する単位面積当たりの入熱量が徐々に小さくなるように制御される。従って、ＭＥＡのアノード電極に供給されるギ酸の温度が電極反応に適した温度域に加熱されて維持されるため、ＭＥＡにおける電極反応が促進され、効率良く発電することが可能となる。
【0018】
（２．直接ギ酸型燃料電池ＦＣの構成の詳細）
以下、本例の直接ギ酸型燃料電池ＦＣ（以下、単に「燃料電池ＦＣ」と称呼する。）の構成について、図面を参照しながら説明する。図１に示すように、本例の燃料電池ＦＣは、燃料電池スタックＳを形成する。燃料電池スタックＳは、複数の単セルＵが積層された状態とされ、積層された複数の単セルＵがホルダＨ及びボルトＢによって保持される。本例の燃料電池スタックＳは、鉛直方向に配置した複数の単セルＵを水平方向に沿って積層した横置きとされる。
以下、本例の直接ギ酸型燃料電池ＦＣ（以下、単に「燃料電池ＦＣ」と称呼する。）の構成について、図面を参照しながら説明する。図１に示すように、本例の燃料電池ＦＣは、燃料電池スタックＳを形成する。燃料電池スタックＳは、複数の単セルＵが積層された状態とされ、積層された複数の単セルＵがホルダＨ及びボルトＢによって保持される。本例の燃料電池スタックＳは、鉛直方向に配置した複数の単セルＵを水平方向に沿って積層した横置きとされる。
【0019】
燃料電池スタックＳには、供給タンクＴに貯留された液体燃料であるギ酸を加圧して供給する燃料ポンプＰ１が配管（図示省略）を介して接続部Ｋ１に接続される。又、燃料電池スタックＳには、酸化剤（酸化剤ガス）として空気を加圧して供給するブロアＰ２（加圧ポンプ）が配管（図示省略）を介して接続部Ｋ２に接続される。
【0020】
単セルＵは、図２に示すように、アノード側セパレータ１０及びカソード側セパレータ２０を備える。そして、本例の単セルＵは、アノード側セパレータ１０及びカソード側セパレータ２０の間に配置されて積層されるシール部材３０及びＭＥＡ４０を含んで構成される。
【0021】
又、本例の単セルＵは、アノード側セパレータ１０に対して液体燃料であるギ酸を加熱するためのヒータ５０が組み付けられる。尚、本例においては、ヒータ５０をアノード側セパレータ１０とホルダＨ（図１を参照）との間に配置する場合を例示する。しかし、ギ酸を電極反応に適した温度域に加熱することが可能であれば、ヒータ５０の配置は限定されず、例えば、ホルダＨのアノード側セパレータ１０と対向する面の反対面にヒータ５０を配置することも可能である。
【0022】
アノード側セパレータ１０は、図３に示すように、板状に形成される。そして、本例のアノード側セパレータ１０は、ＭＥＡ４０における電極反応によって発電された電気を集電する集電機能（所謂、コレクタ）を有しており、金属製の素材、例えば、ＳＵＳ３１６等のステンレスの薄板等に対して金メッキ等の導電処理が施される。尚、本例においては、アノード側セパレータ１０を金属製の素材を用いて形成するが、導電性を有する非金属材料（例えば、カーボン或いはカーボンとの複合材等）を素材にして形成することも可能である。
【0023】
アノード側セパレータ１０の中央部分、即ち、ＭＥＡ４０（より詳しくは、後述するアノード電極であるアノード電極層ＡＥ）に対向する位置には、液体燃料であるギ酸をアノード電極層ＡＥに供給するための燃料供給流路１１が形成される。本例の燃料供給流路１１は、図３に示すように、屈曲部１１ａ及び直線部１１ｂを有して、蛇行するように形成される場合を例示する。ここで、屈曲部１１ａは、燃料供給流路１１を流れる液体燃料であるギ酸の流れる方向を９０度以上（本例においては、１８０度）変更する。
【0024】
又、アノード側セパレータ１０の周縁部分には、燃料供給流路１１にギ酸を供給するための燃料供給口１２と、燃料供給流路１１を通過したギ酸を排出するための燃料排出口１３が設けられる。
【0025】
燃料供給口１２は、燃料供給流路１１に対する液体燃料であるギ酸の供給側に対応し、燃料電池スタックＳの外部に設けられた燃料ポンプＰ１（図１を参照）によって加圧されたギ酸が供給される。燃料ポンプＰ１は、供給タンクＴ（図１を参照）に貯留されたギ酸を加圧して供給する。燃料排出口１３は、燃料供給流路１１における液体燃料であるギ酸の排出側に対応し、燃料電池スタックＳの外部に設けられた図示省略の回収タンクに接続されており、排出されたギ酸を回収タンクに排出する。尚、本例のアノード側セパレータは、燃料電池スタックＳが設置された状態において、鉛直方向にて上方側に燃料供給口１２設け、鉛直方向にて下方側に燃料排出口１３を設ける場合を例示する。但し、必要に応じて、鉛直方向にて下方側に燃料供給口１２設け、鉛直方向にて上方側に燃料排出口１３を設けても良い。
【0026】
これにより、本例の単セルＵにおいては、供給タンクＴから燃料ポンプＰ１によって加圧されたギ酸が燃料供給口１２から燃料供給流路１１に供給され、燃料供給流路１１を流れるギ酸はアノード電極層ＡＥに接触しながら燃料排出口１３に到達する。即ち、本例においては、燃料供給口１２から供給されたギ酸は、燃料供給流路１１を鉛直方向にて上方側から下方側に向けて流れ、燃料排出口１３に到達する。そして、燃料排出口１３に到達した、即ち、未反応のギ酸は、回収タンクに回収される。
【0027】
又、アノード側セパレータ１０の周縁部分には、単セルＵを構成するカソード側セパレータ２０に空気を供給すると共に未反応の空気を排出するための貫通孔１４及び貫通孔１５が設けられる。尚、貫通孔１４，１５は、燃料供給口１２及び燃料排出口１３に対して、例えば、９０度ずれた位置に設けられる。更に、アノード側セパレータ１０の周縁部分には、ホルダＨのボルトＢを挿通するための大径の挿通孔１６が複数（図３においては、８箇所）設けられると共に、外部に電気を取り出すための電極部１７が設けられる。尚、電極部１７については、燃料電池スタックＳの形成時において、例えば、端部に位置する単セルＵを構成するアノード側セパレータ１０にのみ設けることも可能である。
【0028】
カソード側セパレータ２０は、図４に示すように、板状に形成される。そして、本例のカソード側セパレータ２０も、ＭＥＡ４０における電極反応によって発電された電気を集電する集電機能（所謂、コレクタ）を有しており、金属製の素材、例えば、ＳＵＳ３１６等のステンレスの薄板等に対して金メッキ等の導電処理が施される。尚、本例においては、カソード側セパレータ２０も、アノード側セパレータ１０と同様に、金属製の素材を用いて形成するが、導電性を有する非金属材料（例えば、カーボン或いはカーボンとの複合材等）を素材にして形成することも可能である。
【0029】
カソード側セパレータ２０は、中央部分において、酸化剤（酸化剤ガス）である空気をカソード電極層ＣＥに供給するための酸化剤供給流路２１が形成される。本例の酸化剤供給流路２１は、図４に示すように、蛇行形状として形成される場合を例示する。
【0030】
又、カソード側セパレータ２０の周縁部分には、酸化剤供給流路２１に空気即ち酸素（Ｏ２）を供給するための酸化剤供給口２２と、酸化剤供給流路２１を通過した空気を排出するための酸化剤排出口２３が設けられる。酸化剤供給口２２は、燃料電池スタックＳの外部に設けられたブロアＰ２（図１を参照）によって加圧された空気が供給される。尚、本例においては、燃料電池ＦＣがブロアＰ２を備え、空気をブロアＰ２によって加圧して供給するようにする。しかし、必要に応じて、ブロアＰ２を省略することも可能である。
【0031】
酸化剤排出口２３は、排出された空気を燃料電池スタックＳの外部に排出する。これにより、本例の単セルＵにおいては、ブロアＰ２によって加圧された空気即ち酸素（Ｏ２）が酸化剤供給口２２から酸化剤供給流路２１に供給され、酸化剤供給流路２１を流れる空気即ち酸素（Ｏ２）はカソード電極層ＣＥに接触しながら酸化剤排出口２３に到達する。そして、酸化剤排出口２３に到達した、即ち、未反応の空気（酸素（Ｏ２））は、燃料電池スタックＳの外部に排出される。
【0032】
又、カソード側セパレータ２０の周縁部分には、単セルＵを構成するアノード側セパレータ１０にギ酸を供給すると共に未反応のギ酸を排出するための貫通孔２４及び貫通孔２５が設けられる。尚、貫通孔２４，２５は、酸化剤供給口２２及び酸化剤排出口２３に対して、例えば、９０度ずれた位置に設けられる。
【0033】
更に、カソード側セパレータ２０の周縁部分にも、ホルダＨのボルトＢを挿通するための大径の挿通孔２６が複数（図４及び図５においては、８箇所）設けられると共に、外部に電気を取り出すための電極部２７が設けられる。尚、電極部２７については、燃料電池スタックＳの形成時において、例えば、端部に位置する単セルＵを構成するカソード側セパレータ２０にのみ設けることが可能である。
【0034】
ここで、アノード側セパレータ１０の燃料供給口１２はカソード側セパレータ２０の貫通孔２４と連通可能とされ、アノード側セパレータ１０の燃料排出口１３はカソード側セパレータ２０の貫通孔２５と連通可能とされる。又、カソード側セパレータ２０の酸化剤供給口２２はアノード側セパレータ１０の貫通孔１４と連通可能とされ、カソード側セパレータ２０の酸化剤排出口２３はアノード側セパレータ１０の貫通孔１５と連通可能とされる。即ち、アノード側セパレータ１０の貫通孔１４，１５はカソード側セパレータ２０の酸化剤供給口２２及び酸化剤排出口２３に対応して形成され、カソード側セパレータ２０の貫通孔２４，２５はアノード側セパレータ１０の燃料供給口１２及び燃料排出口１３に対応して形成される。
【0035】
シール部材３０は、図５に示すように、板状に形成されている。ここで、シール部材３０は、弾性材料、例えば、ＥＰＤＭ等のゴム材料やエラストマー材料等から形成される。シール部材３０は、２枚一対で用いられ、各々のシール部材３０がＭＥＡ４０を挟持すると共にアノード側セパレータ１０及びカソード側セパレータ２０によって挟持される。
【0036】
シール部材３０は、中央部分にＭＥＡ４０のアノード電極層ＡＥ及びカソード電極層ＣＥを収容するように貫通した収容部３１を有する。これにより、シール部材３０がＭＥＡ４０を挟持した状態において、アノード側セパレータ１０の燃料供給流路１１を介して供給されたギ酸は、収容部３１の内部を流れることにより、アノード電極層ＡＥに供給される。又、シール部材３０がＭＥＡ４０を挟持した状態において、カソード側セパレータ２０の酸化剤供給流路２１を介して供給された空気は、収容部３１の内部を流れることにより、カソード電極層ＣＥに供給される。
【0037】
又、シール部材３０の周縁部分には、単セルＵを形成した状態で、アノード側セパレータ１０に設けられた燃料供給口１２（カソード側セパレータ２０の貫通孔２４に対応）、及び、燃料排出口１３（カソード側セパレータ２０の貫通孔２５に対応）に対応する位置に貫通孔３２，３３が形成される。これにより、単セルＵを形成した状態で、燃料供給口１２（貫通孔２４）は貫通孔３２と連通し、燃料排出口１３（貫通孔２５）は貫通孔３３と連通する。
【0038】
又、シール部材３０の周縁部分には、単セルＵを形成した状態で、カソード側セパレータ２０に設けられた酸化剤供給口２２（アノード側セパレータ１０の貫通孔１４に対応）及び酸化剤排出口２３（アノード側セパレータ１０の貫通孔１５に対応）に対応する位置に貫通孔３４，３５が形成される。これにより、単セルＵを形成した状態で、酸化剤供給口２２（貫通孔１４）は貫通孔３４と連通し、酸化剤排出口２３（貫通孔１５）は貫通孔３５と連通する。更に、シール部材３０の周縁部分には、ホルダＨのボルトＢを挿通するように形成された挿通孔３６が形成される。
【0039】
電極構造体としてのＭＥＡ４０は、図６及び図７に示すように、電解質膜ＥＦと、電解質膜ＥＦ上にて所定の触媒を層状に積層することにより形成されて、ギ酸が供給されるアノード電極としてのアノード電極層ＡＥと、空気が供給されるカソード電極としてのカソード電極層ＣＥとを主要構成部品としている。尚、これら電解質膜ＥＦ、アノード電極層ＡＥ及びカソード電極層ＣＥの電極反応については、広く知られているため、以下の記載においてその詳細な説明を省略する。
【0040】
本例の電解質膜ＥＦは、カチオン（より具体的には、水素イオン（Ｈ＋））を選択的に透過するイオン交換膜（例えば、デュポン社製の「ナフィオン（登録商標）」や、旭硝子株式会社製の「Ｆｌｅｍｉｏｎ（登録商標）」及び「Ａｃｉｐｌｅｘ（登録商標）」、ゴア社製の「Ｇｏｒｅ Ｓｅｌｅｃｔ（登録商標）」等）から形成される。そして、電解質膜ＥＦの周縁部分には、図６に示すように、単セルＵを形成した状態で、アノード側セパレータ１０に設けられた燃料供給口１２（カソード側セパレータ２０の貫通孔２４に対応）、燃料排出口１３（カソード側セパレータ２０の貫通孔２５に対応）及びシール部材３０の貫通孔３２，３３に対応する位置に貫通孔４１，４２が形成される。これにより、単セルＵを形成した状態で、燃料供給口１２（貫通孔２４，３２）は貫通孔４１と連通し、燃料排出口１３（貫通孔２５，３３）は貫通孔４２と連通する。
【0041】
又、電解質膜ＥＦの周縁部分には、単セルＵを形成した状態で、カソード側セパレータ２０に設けられた酸化剤供給口２２（アノード側セパレータ１０の貫通孔１４に対応）、酸化剤排出口２３（アノード側セパレータ１０の貫通孔１５に対応）及びシール部材３０の貫通孔３４，３５に対応する位置に貫通孔４３，４４が形成される。これにより、単セルＵを形成した状態で、酸化剤供給口２２（貫通孔１４，３４）は貫通孔４３と連通し、酸化剤排出口２３（貫通孔１５，３５）は貫通孔４４と連通する。更に、電解質膜ＥＦの周縁部分には、ホルダＨのボルトＢを挿通するように形成された挿通孔４５が形成される。
【0042】
電極層としてのアノード電極層ＡＥ及びカソード電極層ＣＥは、触媒粒子を担持したカーボン（担持カーボン）を主成分とするものであり、図７に示すように、電解質膜ＥＦの中央部分における表面に対して層状に形成される。ここで、触媒粒子としては、例えば、白金（Ｐｔ）、白金合金、非白金係金属化合物等を挙げることができる。尚、白金合金としては、例えば、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、イリジウム（Ｉｒ）、鉄（Ｆｅ）等からなる群から選択される少なくとも一種の金属と白金との合金等を挙げることができる。
【0043】
ここで、層状に形成されるアノード電極層ＡＥ及びカソード電極層ＣＥは、厚みがシール部材３０の厚みに比べて僅かに大きくなるように形成される。又、層状に形成されるアノード電極層ＡＥ及びカソード電極層ＣＥは、シール部材３０の収容部３１の大きさに比べて僅かに小さい外形寸法とされている。
【0044】
又、アノード電極層ＡＥ及びカソード電極層ＣＥは、図７に示すように、各々の表面側が導電性を有する繊維から形成された拡散層としてのカーボンクロス（又はカーボンペーパー）ＣＣで覆われる。カーボンクロスＣＣは、アノード電極層ＡＥに供給されるギ酸及びカソード電極層ＣＥに供給される空気を拡散させると共に、電極反応によって発電された電気をアノード側セパレータ１０及びカソード側セパレータ２０に効率良く供給するものである。
【0045】
即ち、カーボンクロスＣＣは繊維状であるため、繊維間を導通することによって、供給されたギ酸及び空気は一様に拡散される。又、カーボンクロスＣＣは導電性を有しているため、発電された電気を効率良くアノード側セパレータ１０及びカソード側セパレータ２０に流すことができる。
【0046】
ヒータ５０は、図２に示すように、アノード側セパレータ１０の燃料供給流路１１の形成面とは反対の面に組み付けられており、制御装置１００によって作動が制御されてアノード側セパレータ１０の燃料供給流路１１を流れる液体燃料であるギ酸を加熱する。本例のヒータ５０は、図８に示すように、蛇行する燃料供給流路１１の上流部、中流部及び下流部に配置され、燃料供給口１２から燃料排出口１３に向けて流れるギ酸を加熱する。これにより、ＭＥＡ４０のアノード電極層ＡＥにギ酸を供給する際には、燃料供給流路１１を流れるギ酸の温度が電極反応に適した温度域まで加熱されて維持されており、ＭＥＡ４０における電極反応を促進、換言すれば、発電効率を向上させることができる。
【0047】
ヒータ５０は、例えば、面状ヒータであり、燃料供給流路１１に沿って分割されている。具体的に、ヒータ５０は、燃料供給流路１１の屈曲部１１ａごと、つまり、燃料供給流路１１における直線部１１ｂに対してギ酸の流れる方向を９０度以上（本例においては、１８０度）変更する屈曲部１１ａごとに分割される。
【0048】
ヒータ５０は、燃料供給流路１１の上流部に対応して配置された第一ヒータ５１と、燃料供給流路１１の中流部に対応して配置された第二ヒータ５２と、燃料供給流路１１の下流部に対応して配置された第三ヒータ５３とに分割される。ヒータ５０を形成する第一ヒータ５１、第二ヒータ５２及び第三ヒータ５３は、燃料供給流路１１の燃料供給口１２側から燃料排出口１３に沿って、ギ酸に対する単位面積当たりの入熱量が徐々に小さくなるように配置される。
【0049】
このため、第一ヒータ５１は、制御装置１００により、ギ酸に対する単位面積当たりの入熱量がヒータ５０のうちで最も大きくなるように作動が制御される。第二ヒータ５２は、制御装置１００により、第一ヒータ５１よりも入熱量が小さくなるように作動が制御される。第三ヒータ５３は、制御装置１００により、入熱量がヒータ５０のうちで最も小さくなるように作動が制御される。
【0050】
これにより、本例においては、第一ヒータ５１は、燃料供給流路１１の上流部において、供給タンクＴから供給される低温のギ酸を最も大きな入熱量により加熱する。第二ヒータ５２は、燃料供給流路１１の中流部において、第一ヒータ５１によって加熱されて温度上昇したギ酸を中程度の入熱量により加熱する。第三ヒータ５３は、燃料供給流路１１の下流部において、第一ヒータ５１及び第二ヒータ５２によって加熱されて更に温度上昇したギ酸を最も小さな入熱量により加熱する。
【0051】
ここで、上流部に供給されるギ酸は、上述したように、供給タンクＴから供給されるため、電極反応に適した温度域に対して低温である。そして、中流部及び下流部の順に、供給されるギ酸の温度は上昇する。このため、燃料供給流路１１の上流部に対向するＭＥＡ４０にて早期に電極反応を促進するためには、早期にギ酸を電極反応に適した温度域となるように、ギ酸を加熱して早期の温度を上昇させる必要がある。
【0052】
そこで、本例の第一ヒータ５１は、図８に示すように、最上流に配置された第一高温ヒータ５１ａと最上流よりも下流に配置された第一低温ヒータ５１ｂとを有する。第一高温ヒータ５１ａは、燃料供給口１２に最も近接した位置に配置されており、供給タンクＴから供給される低温のギ酸を早期に加熱するために、制御装置１００によって最も入熱量が大きくなるように制御される。又、第一低温ヒータ５１ｂは、第一高温ヒータ５１ａの入熱量よりも小さく且つ第二ヒータ５２の入熱量よりもが大きくなるように、制御装置１００によって入熱量が制御される。
【0053】
又、中流部においては、上流部の第一ヒータ５１によって加熱されたギ酸が、上流部と中流部を繋ぐ屈曲部１１ａ（上流側の屈曲部１１ａ）を通過し、中流部の直線部１１ｂを介して中流部と下流部を繋ぐ屈曲部１１ａ（下流側の屈曲部１１ａ）を通過する。即ち、中流部を流れるギ酸は、上流側の屈曲部１１ａ及び下流側の屈曲部１１ａにて発生する圧損の影響を受ける。このため、中流部を流れるギ酸の流速は、相対的に低下する傾向を有する。
【0054】
このため、中流部を流れるギ酸においては、例えば、アノード側セパレータ１０に向けた熱移動が生じやすくなる。従って、中流部を流れるギ酸の温度を、電極反応に適した温度域に維持するためには、中流部の上流と下流とで入熱量を異ならせることができる。
【0055】
具体的に、本例の第二ヒータ５２は、図８に示すように、中流部の上流に配置された第二高温ヒータ５２ａと下流に配置された第二低温ヒータ５２ｂとを有する。第二高温ヒータ５２ａは、上流側の屈曲部１１ａに近接した位置に配置されており、上流側の屈曲部１１ａを介して上流部から供給されるギ酸を加熱するために、制御装置１００によって入熱量が大きくなるように制御される。又、第二低温ヒータ５２ｂは、下流側の屈曲部１１ａに近接した位置に配置されている。そして、第二低温ヒータ５２ｂは、第二高温ヒータ５２ａの入熱量よりも小さく且つ第三ヒータ５３の入熱量よりも大きくなるように、制御装置１００によって入熱量が制御される。
【0056】
制御装置１００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、インターフェース等を主要構成部品とするマイクロコンピュータである。制御装置１００は、主に、ヒータ５０、即ち、第一ヒータ５１、第二ヒータ５２及び第三ヒータ５３の各々の作動を制御する。具体的に、制御装置１００は、第一ヒータ５１、第二ヒータ５２及び第三ヒータ５３の各々に供給する作動電流Ｉを制御する（図１を参照）。
【0057】
本例の単セルＵは、図２に示すように、ヒータ５０が組み付けられたアノード側セパレータ１０、シール部材３０、ＭＥＡ４０、シール部材３０、及び、カソード側セパレータ２０を水平方向にて順次積層することによって形成される。ここで、単セルＵを形成する場合には、必要に応じて、各部材同士を、例えば、導電性接着剤等を用いて気密的に接着することが可能である。
【0058】
形成された単セルＵは、要求出力に応じて複数積層されることにより、燃料電池スタックＳを構成する。このように構成された燃料電池スタックＳにおいては、積層された単セルＵ間で各々のアノード側セパレータ１０の燃料供給口１２及び燃料排出口１３がカソード側セパレータ２０の貫通孔２４，２５等を介して連通した状態になる。又、燃料電池スタックＳにおいては、積層された単セルＵ間で各々のカソード側セパレータ２０の酸化剤供給口２２及び酸化剤排出口２３がアノード側セパレータ１０の貫通孔１４，１５等を介して連通した状態になる。
【0059】
尚、以下の説明においては、アノード側セパレータ１０の燃料供給口１２及びカソード側セパレータ２０の貫通孔２４等によって形成されて、ギ酸が流れる連通路を「燃料側マニホールド」と称呼する。又、カソード側セパレータ２０の酸化剤供給口２２及びアノード側セパレータ１０の貫通孔１４等によって形成されて、空気が流れる連通路を「酸化剤側マニホールド」と称呼する。
【0060】
（３．燃料電池システム１の作動）
次に、上述した燃料電池システム１の作動を説明する。燃料電池システム１においては、供給タンクＴから燃料ポンプＰ１によって加圧されたギ酸は、燃料側マニホールドを介して各々の単セルＵのアノード電極層ＡＥに供給される。又、燃料電池ＦＣにおいては、ブロアＰ２からの空気は、酸化剤側マニホールドを介して各々の単セルＵのカソード電極層ＣＥに供給される。
次に、上述した燃料電池システム１の作動を説明する。燃料電池システム１においては、供給タンクＴから燃料ポンプＰ１によって加圧されたギ酸は、燃料側マニホールドを介して各々の単セルＵのアノード電極層ＡＥに供給される。又、燃料電池ＦＣにおいては、ブロアＰ２からの空気は、酸化剤側マニホールドを介して各々の単セルＵのカソード電極層ＣＥに供給される。
【0061】
即ち、各々の単セルＵにおいては、アノード側セパレータ１０の燃料供給口１２を介して供給されたギ酸が燃料供給流路１１を燃料排出口１３に向けて流れる。これにより、液体燃料であるギ酸は、ＭＥＡ４０のアノード電極層ＡＥに供給される。又、各々の単セルＵにおいては、カソード側セパレータ２０の酸化剤供給口２２を介して供給された空気は、酸化剤供給流路２１を酸化剤排出口２３に向けて流れる。これにより、酸化剤供給流路２１を流れる酸化剤（酸化剤ガス）である空気は、ＭＥＡ４０のカソード電極層ＣＥに供給される。
【0062】
ところで、各々の単セルＵのＭＥＡ４０は、周知の通り、ギ酸（ＨＣＯＯＨ）と空気（酸素（Ｏ２））とを用いた電極反応が生じることによって発電する。具体的に、本例においては、ＭＥＡ４０の電解質膜ＥＦがカチオンを選択的に透過するイオン交換膜から形成されている。このため、ＭＥＡ４０においては、下記化学反応式１，２に従い、電極反応が生じる。
アノード電極層ＡＥ：ＨＣＯＯＨ→２Ｈ＋＋２ｅ－＋ＣＯ２ …化学反応式１
カソード電極層ＣＥ：２Ｈ＋＋２ｅ－＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ …化学反応式２
アノード電極層ＡＥ：ＨＣＯＯＨ→２Ｈ＋＋２ｅ－＋ＣＯ２ …化学反応式１
カソード電極層ＣＥ：２Ｈ＋＋２ｅ－＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ …化学反応式２
【0063】
ここで、本例の燃料電池システム１においては、制御装置１００がアノード側セパレータ１０に組み付けられたヒータ５０、即ち、アノード側セパレータ１０の燃料供給流路１１の上流部に対応して配置された第一ヒータ５１、中流部に対応して配置された第二ヒータ５２、及び、下流部に対応して配置された第三ヒータ５３の各々の入熱量を制御する。より詳しく、制御装置１００は、図９に示すように、第一ヒータ５１を形成する第一高温ヒータ５１ａ、第一低温ヒータ５１ｂ、第二ヒータ５２を形成する第二高温ヒータ５２ａ、第二低温ヒータ５２ｂ、第三ヒータ５３の順で徐々に小さくなるように、各々の入熱量を制御する。尚、図９においては、梨地の濃さが薄くなる程、入熱量が小さくなることを示す。
【0064】
即ち、制御装置１００は、燃料供給流路１１に沿って、換言すれば、燃料供給口１２から燃料排出口１３に向けたギ酸の流れる方向にて、第一高温ヒータ５１ａ、第一低温ヒータ５１ｂ、第二高温ヒータ５２ａ、第二低温ヒータ５２ｂ、第三ヒータ５３の順で小さくなるように、各々に供給する作動電流Ｉの大きさを制御する。これにより、供給タンクＴから燃料供給口１２を介して燃料供給流路１１に到達した低温のギ酸は、先ず、最も入熱量の大きい第一高温ヒータ５１ａによって早期に電極反応に適した温度域まで加熱（昇温）される。
【0065】
続いて、燃料供給流路１１を流れるギ酸の温度は、以下、順に入熱量が小さくなる第一低温ヒータ５１ｂ、第二高温ヒータ５２ａ、第二低温ヒータ５２ｂによって加熱されることにより、電極反応に適した温度域に維持される。そして、燃料供給流路１１の下流部まで流れたギ酸の温度は、最も入熱量の小さい、換言すれば、最も供給される電流の小さい第三ヒータ５３によって加熱されることにより、電極反応に適した温度域に維持され、燃料排出口１３から回収タンクに排出される。
【0066】
このように、燃料電池システム１においては、供給タンクＴからアノード側セパレータ１０の燃料供給流路１１に供給される液体燃料であるギ酸は、ヒータ５０によって、ＭＥＡ４０における電極反応に適した温度域に維持される。従って、ＭＥＡ４０のアノード電極、即ち、アノード電極層ＡＥにおいては、燃料供給流路１１の上流部、中流部及び下流部に対向する全面で上記化学反応式１に従う電極反応が均一に生じる。その結果、燃料電池システム１の燃料電池スタックＳは、電力を効率良く発電することができる。
【0067】
以上の説明からも理解できるように、本例の燃料電池システム１によれば、制御装置１００によって制御されて、アノード側セパレータ１０の燃料供給流路１１においてギ酸を加熱するヒータ５０を備えることができる。従って、制御装置１００がヒータ５０に供給する作動電流Ｉを制御することにより、燃料供給流路１１を流れるギ酸を加熱して、ＭＥＡ４０における電極反応に適した温度域にギ酸の温度を加熱して維持することができる。
【0068】
又、燃料電池システム１においては、ヒータ５０を、第一ヒータ５１（第一高温ヒータ５１ａ及び第一低温ヒータ５１ｂ）と、第二ヒータ５２（第二高温ヒータ５２ａ及び第二低温ヒータ５２ｂ）と、第三ヒータ５３とに分割し、燃料供給流路１１に沿って配置することができる。そして、制御装置１００は、燃料供給口１２から燃料排出口１３に向けて配置された各々について、入熱量が徐々に小さくなるように、作動電流Ｉを制御することができる。
【0069】
これにより、効率良く燃料供給流路１１を流れるギ酸の温度を電極反応に適した温度域まで加熱して維持することができるため、無駄な電力の消費を抑制できる。又、ギ酸の温度を電極反応に適した温度域に加熱して維持することができるため、ＭＥＡ４０において、電極反応を促進することができると共に、均一な電極反応を生じさせることができる。従って、燃料電池システム１においては、効率良く電力を発電することが可能となる。
【0070】
（４．第一別例）
上述した本例においては、制御装置１００は、ヒータ５０、即ち、アノード側セパレータ１０の燃料供給流路１１の燃料供給口１２（上流側）から燃料排出口１３（下流側）に沿って順に配置された第一ヒータ５１、第二ヒータ５２及び第三ヒータ５３に供給する作動電流Ｉが順に小さくなるように制御するようにした。これにより、燃料供給口１２に最も近い第一ヒータ５１は、最も大きな入熱量によりギ酸の温度をＭＥＡ４０における電極反応に適した温度まで加熱するようにした。又、入熱量が徐々に小さくなる第二ヒータ５２及び第三ヒータ５３は、ギ酸の温度を電極反応に適した温度域に維持するようにした。
上述した本例においては、制御装置１００は、ヒータ５０、即ち、アノード側セパレータ１０の燃料供給流路１１の燃料供給口１２（上流側）から燃料排出口１３（下流側）に沿って順に配置された第一ヒータ５１、第二ヒータ５２及び第三ヒータ５３に供給する作動電流Ｉが順に小さくなるように制御するようにした。これにより、燃料供給口１２に最も近い第一ヒータ５１は、最も大きな入熱量によりギ酸の温度をＭＥＡ４０における電極反応に適した温度まで加熱するようにした。又、入熱量が徐々に小さくなる第二ヒータ５２及び第三ヒータ５３は、ギ酸の温度を電極反応に適した温度域に維持するようにした。
【0071】
ところで、燃料電池スタックＳを形成する単セルＵにおいては、アノード電極層ＡＥに液体燃料であるギ酸が供給されると共にカソード電極層ＣＥに空気が供給されると、上述した電極反応が生じて発電することができる。そして、発電に伴って発生した電流は、集電機能を有するアノード側セパレータ１０によって集電されて、外部に出力される。
【0072】
ここで、電極反応により発電された電流は、集電に伴ってアノード側セパレータ１０を通電する際にジュール熱を発生させる。ジュール熱は、発生した電力の大きさ（以下、「発生電流量」と称呼する）に依存し、発生電流量が大きい程、大きくなる。即ち、電極反応が顕著な場所である程、発生電流量が大きくなり、その結果、大きなジュール熱が発生する。そして、発生したジュール熱は、アノード側セパレータ１０、ひいては、燃料供給流路１１を流れるギ酸を加熱する。
【0073】
単セルＵにおける電極反応が顕著な場所、換言すれば、発生電流量が大きくなる場所については、図１０に示すように、燃料供給流路１１を流れるギ酸を加熱することなく流量を一定とした場合、アノード側セパレータ１０において燃料供給口１２に近い程発生電流量が大きく、燃料排出口１３に近い程発生電流量が小さくなる傾向を有する。つまり、電極反応が生じた場合、アノード側セパレータ１０の燃料供給流路１１の上流部においては、発生電流量が大きくなり、その結果、発生するジュール熱が大きくなる。又、燃料供給流路１１の中流部においては、発生電流量が上流部よりも小さくなり、その結果、発生するジュール熱は上流部よりも小さくなる。更に、燃料供給流路１１の下流部においては、発生電流量が中流部よりも小さくなり、その結果、発生するジュール熱は中流部よりも小さくなる。
【0074】
このため、ギ酸が積極的に加熱されることなく電極反応が継続している状態では、アノード側セパレータ１０の燃料供給流路１１を流れるギ酸は、上流部にて発生したジュール熱によって加熱され易くなる。一方、燃料供給流路１１の中流部及び下流部、特に、燃料排出口１３の近傍では発生するジュール熱が小さくなるため、ギ酸はジュール熱によっては加熱され難くなる。
【0075】
そこで、第一別例においては、制御装置１００が、燃料供給流路１１の位置、具体的には、上流部、中流部及び下流部に対応して発生するジュール熱の大きさの違いを考慮し、下記式１に従ってヒータ５０に供給する作動電流Ｉを増減して決定することによって制御する。
Ｉ＝Ｉｐ－Ｉｊ …式１
ここで、上記式１における「Ｉｐ」は、第一電流を表し、上述した本例のように、燃料供給流路１１に沿って配置される各々のヒータ５０の位置に応じて決定される電流である。即ち、第一電流Ｉｐは、燃料供給流路１１に沿って、換言すれば、燃料供給口１２から燃料排出口１３に向けたギ酸の流れる方向にて、第一高温ヒータ５１ａ、第一低温ヒータ５１ｂ、第二高温ヒータ５２ａ、第二低温ヒータ５２ｂ、第三ヒータ５３の順で小さくなるように決定される電流である。
Ｉ＝Ｉｐ－Ｉｊ …式１
ここで、上記式１における「Ｉｐ」は、第一電流を表し、上述した本例のように、燃料供給流路１１に沿って配置される各々のヒータ５０の位置に応じて決定される電流である。即ち、第一電流Ｉｐは、燃料供給流路１１に沿って、換言すれば、燃料供給口１２から燃料排出口１３に向けたギ酸の流れる方向にて、第一高温ヒータ５１ａ、第一低温ヒータ５１ｂ、第二高温ヒータ５２ａ、第二低温ヒータ５２ｂ、第三ヒータ５３の順で小さくなるように決定される電流である。
【0076】
又、上記式１における「Ｉｊ」は、第二電流を表し、発生したジュール熱に基づいて決定される電流である。第二電流Ｉｊは、更に、下記式２に示すように、液体燃料であるギ酸の温度に依存して決定される第三電流Ｉｊ１とヒータの面積のおけるジュール熱に依存して決定される第四電流Ｉｊ２とを加算して決定される。
Ｉｊ＝Ｉｊ１＋Ｉｊ２ …式２
ここで、上記式２における第三電流Ｉｊ１は、図１０に示すように、燃料供給流路１１の所定位置Ｐにおいて取得されるギ酸の温度を参照温度ＲＴとし、参照温度ＲＴに依存して決定される電流である。即ち、第三電流Ｉｊ１は、参照温度ＲＴが大きい程大きな電流として決定され、参照温度ＲＴが小さい程小さな電流として決定される。
Ｉｊ＝Ｉｊ１＋Ｉｊ２ …式２
ここで、上記式２における第三電流Ｉｊ１は、図１０に示すように、燃料供給流路１１の所定位置Ｐにおいて取得されるギ酸の温度を参照温度ＲＴとし、参照温度ＲＴに依存して決定される電流である。即ち、第三電流Ｉｊ１は、参照温度ＲＴが大きい程大きな電流として決定され、参照温度ＲＴが小さい程小さな電流として決定される。
【0077】
又、上記式２における第四電流Ｉｊ２は、燃料供給流路１１に沿って配置される、第一高温ヒータ５１ａ、第一低温ヒータ５１ｂ、第二高温ヒータ５２ａ、第二低温ヒータ５２ｂ、第三ヒータ５３の各々の面積において、例えば、発生したジュール熱を積分した値に依存して決定される電流である。即ち、面積が大きい又は発生したジュール熱が大きい程大きな電流として決定され、面積が小さい又は発生したジュール熱が小さい程小さな電流として決定される。
【0078】
従って、第一別例においては、制御装置１００は、上述した本例と同様に、第一ヒータ５１を形成する第一高温ヒータ５１ａ及び第一低温ヒータ５１ｂと、第二ヒータ５２を形成する第二高温ヒータ５２ａ及び第二低温ヒータ５２ｂと、第三ヒータ５３とについて、各々の配置に応じて順に小さくなる第一電流Ｉｐを決定する。又、制御装置１００は、参照温度ＲＴに基づく第三電流Ｉｊ１及び各々のヒータ５０の面積に応じたジュール熱に基づく第四電流Ｉｊ２を用いて第二電流Ｉｊを決定する。そして、制御装置１００は、上記式１に従い、第一電流Ｉｐから第二電流Ｉｊを減算することにより、作動電流Ｉを決定する。
【0079】
ここで、第一別例の作動について、燃料供給流路１１の最上流に配置される第一ヒータ５１の第一高温ヒータ５１ａと燃料供給流路１１の下流部に配置される第三ヒータ５３とを例に挙げて説明しておく。第一ヒータ５１の第一高温ヒータ５１ａは、上述した本例のように、供給タンクＴから供給される低温のギ酸を早期に加熱する必要がある。このため、例えば、燃料電池システム１の稼働直後においては、制御装置１００は、第一電流Ｉｐを大きな電流に決定する。一方、燃料電池システム１の稼働直後においては、例えば、電極反応が安定せず、発生するジュール熱が小さく、又、参照温度ＲＴも低い。従って、制御装置１００は、第二電流Ｉｊを小さな電流に決定する。
【0080】
従って、燃料電池システム１の稼働直後においては、制御装置１００は、上記式１に従い、大きな第一電流Ｉｐから小さな第二電流Ｉｊを減算して、第一高温ヒータ５１ａに供給する作動電流Ｉを決定する。即ち、燃料電池システム１の稼働直後においては、主に、第一電流Ｉｐが作動電流Ｉとして第一高温ヒータ５１ａに供給されるため、第一高温ヒータ５１ａは大きな入熱量でギ酸を加熱し、ギ酸の温度を電極反応に適した温度域まで昇温する。
【0081】
そして、例えば、燃料電池システム１が稼働を開始して時間が経過すると、第一高温ヒータ５１ａに対応する場所においては電極反応が顕著になる。その結果、第一高温ヒータ５１ａに対応する場所においては、大きなジュール熱が発生する。又、燃料電池システム１が稼働を開始して時間が経過すると、第一高温ヒータ５１ａからの入熱量によってギ酸が加熱され所定位置Ｐにおける参照温度ＲＴも上昇する。
【0082】
このため、上記式２に従って算出される第二電流Ｉｊは、第三電流Ｉｊ１及び第四電流Ｉｊ２が増大することによって大きな電流として決定される。これにより、制御装置１００は、上記式１に従い、第一電流Ｉｐから大きな第二電流Ｉｊを減算して作動電流Ｉを決定する。つまり、第一高温ヒータ５１ａにおいては、発生したジュール熱が大きく、ジュール熱によってギ酸が加熱されるため、入熱量を小さくすることができる。即ち、この場合には、上述した本例の場合に比べて、第一高温ヒータ５１ａに供給される作動電流Ｉを低減することができる。
【0083】
一方、第三ヒータ５３については、上述した本例のように、第一ヒータ５１及び第二ヒータ５２によってギ酸が加熱されているため、必要な入熱量は小さい。しかしながら、燃料供給流路１１の下流部においては、例えば、燃料電池システム１の稼働直後及び稼働を開始して時間が経過した場合であっても、上流部に比べて相対的に電極反応が顕著ではないため、発生するジュール熱は小さい。即ち、第三ヒータ５３については、例えば、第一高温ヒータ５１ａの面積よりも大きな面積を有していても、発生するジュール熱が小さいため、上記式２に従って決定される第二電流Ｉｊは小さい。
【0084】
従って、制御装置１００は、上記式１に従い、上述した本例と同様に決定された第一電流Ｉｐから小さな第二電流Ｉｊを減算して、第三ヒータ５３に供給する作動電流Ｉを決定する。即ち、燃料供給流路１１の下流部に配置された第三ヒータ５３については、主に、第一電流Ｉｐが作動電流Ｉとして供給されるため、上述した本例と同等の入熱量でギ酸を加熱し、ギ酸の温度を電極反応に適した温度域を維持する。即ち、第一別例においては、第三ヒータ５３に供給される作動電流Ｉは、上述した本例に比べて、若干低減することができる。
【0085】
従って、第一別例の場合においては、発生するジュール熱の影響を考慮することができるため、発生したジュール熱に応じて作動電流Ｉを低減することができて省エネルギーを実現することができる。そして、第一別例においても、上述した本例と同様に、ヒータ５０が無駄な電力を消費することを防止することができる。又、第一別例の場合においても、アノード電極層ＡＥに供給される液体燃料であるギ酸を電極反応に適した温度域に維持することができるため、燃料電池ＦＣは効率よく発電することができる。
【0086】
（５．第二別例）
上述した本例及び第一別例においては、ヒータ５０を、アノード側セパレータ１０に形成された燃料供給流路１１に沿って、上流部に第一ヒータ５１、中流部に第二ヒータ５２及び下流部に第三ヒータ５３を配置するようにした。ところで、ヒータ５０を分割する場合、燃料供給流路１１の上流部、中流部及び下流部に応じて分割することに限られず、例えば、図１１に示すように、燃料供給流路１１の屈曲部１１ａにおいて、曲率の大きい箇所ごとにヒータ５０を分割することも可能である。
上述した本例及び第一別例においては、ヒータ５０を、アノード側セパレータ１０に形成された燃料供給流路１１に沿って、上流部に第一ヒータ５１、中流部に第二ヒータ５２及び下流部に第三ヒータ５３を配置するようにした。ところで、ヒータ５０を分割する場合、燃料供給流路１１の上流部、中流部及び下流部に応じて分割することに限られず、例えば、図１１に示すように、燃料供給流路１１の屈曲部１１ａにおいて、曲率の大きい箇所ごとにヒータ５０を分割することも可能である。
【0087】
（６．第三別例）
上述した本例、第一別例及び第二別例においては、アノード側セパレータ１０に形成された燃料供給流路１１が燃料供給口１２から燃料排出口１３まで均一の流路幅を有するようにした。しかしながら、図１２に示すように、アノード側セパレータ１０に形成された燃料供給流路１８は、燃料供給口１２から燃料排出口１３までの間で、流路幅が変化する流路幅変化部１８ｃを有することができる。又、燃料供給流路１８は、複数の流路に分岐する分岐部１８ｄを有することができる。尚、燃料供給流路１８も、蛇行形状に形成されており、屈曲部１８ａ及び直線部１８ｂを有する。
上述した本例、第一別例及び第二別例においては、アノード側セパレータ１０に形成された燃料供給流路１１が燃料供給口１２から燃料排出口１３まで均一の流路幅を有するようにした。しかしながら、図１２に示すように、アノード側セパレータ１０に形成された燃料供給流路１８は、燃料供給口１２から燃料排出口１３までの間で、流路幅が変化する流路幅変化部１８ｃを有することができる。又、燃料供給流路１８は、複数の流路に分岐する分岐部１８ｄを有することができる。尚、燃料供給流路１８も、蛇行形状に形成されており、屈曲部１８ａ及び直線部１８ｂを有する。
【0088】
そして、流路幅変化部１８ｃを有する燃料供給流路１８の場合には、図１３に示すように、ヒータ６０を、流路幅変化部１８ｃに基づいて、分割することが可能である。この場合、燃料供給流路１８の上流部に配置された第一ヒータ６１と、中流部において流路幅変化部１８ｃよりも上流（流路幅が大きい側）に配置された第二ヒータ６２と、流路幅変化部１８ｃよりも下流（流路幅が小さい側）に配置された第三ヒータ６３と、燃料供給流路１８の下流部に配置された第四ヒータ６４とに分割される。尚、図１３においても、梨地の濃さが薄くなる程、入熱量が小さくなることを示している。従って、制御装置１００は、上述した本例及び第一別例におけるヒータ５０の場合と同様に、燃料供給流路１８に沿った必要な入熱量に応じてヒータ６０の作動（より詳しくは、作動電流Ｉ）を制御する。
【0089】
ここで、アノード側セパレータ１０に燃料供給流路１８が形成される場合、図１４に示すように、ヒータ７０を、分岐部１８ｄに基づいて、分割することも可能である。この場合、燃料供給流路１８の燃料供給口１２近傍（図１４において右側）にて分岐部１８ｄに対応して配置された第一ヒータ７１と、第一ヒータ７１に隣接して配置された第二ヒータ７２と、燃料供給流路１８の燃料排出口１３近傍（図１４において左側）にて分岐部１８ｄに対応して配置された第三ヒータ７３とに分割される。尚、図１４においても、梨地の濃さが薄くなる程、入熱量が小さくなることを示している。従って、制御装置１００は、上述した本例及び第一別例におけるヒータ５０の場合と同様に、燃料供給流路１８に沿った必要な入熱量に応じてヒータ７０の作動（より詳しくは、作動電流Ｉ）を制御する。
【0090】
更に、アノード側セパレータ１０に燃料供給流路１８が形成される場合、図１５に示すように、燃料供給口１２からの距離Ｌ１に応じて燃料供給流路１８の上流部に配置された第一ヒータ８１と、燃料供給流路１８の上流部から下流部まで配置された第二ヒータ８２と、燃料排出口１３からの距離Ｌ１に応じて燃料供給流路１８の下流部に配置された第三ヒータ８３とに分割することも可能である。尚、図１５においても、梨地の濃さが薄くなる程、入熱量が小さくなることを示している。従って、この場合においても、制御装置１００は、上述した本例及び第一別例におけるヒータ５０の場合と同様に、燃料供給流路１８に沿った必要な入熱量に応じてヒータ８０の作動（より詳しくは、作動電流Ｉ）を制御する。
【符号の説明】
【0091】
１…燃料電池システム、１０…アノード側セパレータ、１１…燃料供給流路、１１ａ…屈曲部、１１ｂ…直線部、１２…燃料供給口、１３…燃料排出口、１４，１５…貫通孔、１６…挿通孔、１７…電極部、１８…燃料供給流路、１８ａ…屈曲部、１８ｂ…直線部、１８ｃ…流路幅変化部、１８ｄ…分岐部、２０…カソード側セパレータ、２０ａ…対向面、２０ｂ…裏面、２０ｃ…排出部、２１…酸化剤供給流路、２２…酸化剤供給口、２３…酸化剤排出口、２４，２５…貫通孔、２６…挿通孔、２７…電極部、３０…シール部材、３１…収容部、３２～３５…貫通孔、３６…挿通孔、４０…ＭＥＡ（電極構造体）、４１…貫通孔、４１～４４…貫通孔、４５…挿通孔、５０…ヒータ、５１…第一ヒータ、５１ａ…第一高温ヒータ、５１ｂ…第一低温ヒータ、５２…第二ヒータ、５２ａ…第二高温ヒータ、５２ｂ…第二低温ヒータ、５３…第三ヒータ、６０…ヒータ、６１…第一ヒータ、６２…第二ヒータ、６３…第三ヒータ、６４…第四ヒータ、７０…ヒータ、７１…第一ヒータ、７２…第二ヒータ、７３…第三ヒータ、８０…ヒータ、８１…第一ヒータ、８２…第二ヒータ、８３…第三ヒータ、ＡＥ…アノード電極層、ＣＥ…カソード電極層、ＥＦ…電解質膜、ＣＣ…カーボンクロス、ＦＣ…直接ギ酸型燃料電池（燃料電池）、Ｓ…燃料電池スタック、Ｕ…単セル、Ｈ…ホルダ、Ｂ…ボルト、Ｐ１…燃料ポンプ、Ｐ２…ブロア、Ｔ…供給タンク、Ｌ１…（燃料供給口からの）距離、Ｌ２…（燃料排出口からの）距離、Ｐ…所定位置、ＲＴ…参照温度
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
