(57)【要約】【課題】  燃料電池の始動時間の短縮を簡単な構成でかつ経済的に達成し得る燃料電池システムを提供する。【解決手段】  燃料電池システム１０は、複数個の燃料電池セル２１を積層した積層体２２に線状部材２３を巻き掛けることによって積層体を締め付けてなる燃料電池スタック２０と、線状部材に通電して生じさせた熱によって燃料電池スタックを加温する加温手段４０と、加温手段の作動を制御するためのコントローラ（制御手段）５２と、を有する。コントローラは、燃料電池始動時に加温手段を作動させる。線状部材は、ニクロム電熱線、鉄クロム電熱線、またはカンタル電熱線から形成されている。【選択図】図１
2006156174.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個の燃料電池セルを積層した積層体に線状部材を巻き掛けることによって前記積層体を締め付けてなる燃料電池スタックと、
前記線状部材に通電して生じさせた熱によって前記燃料電池スタックを加温する加温手段と、
前記加温手段の作動を制御するための制御手段と、を有し、
前記制御手段は、燃料電池始動時に前記加温手段を作動させてなる燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池スタックおよび前記線状部材の両者に電気的に接続される２次電池をさらに有し、
前記制御手段は、燃料電池が稼動しているときに発電量の一部を前記２次電池に充電させ、燃料電池始動時に前記加温手段を作動させるときに前記２次電池から前記線状部材に放電させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記線状部材は、ニクロム電熱線、鉄クロム電熱線、またはカンタル電熱線から形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記加温手段は、前記積層体の外側部分に付与する熱量が、中央部分に付与する熱量よりも多いことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記線状部材は、当該線状部材の引回し方向を転換させる部位に配置したローラ部材に巻き掛けられていることを特徴とする請求項１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、燃料電池スタックを有する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックは、複数個の燃料電池セルを積層した積層体を締め付けて構成されている。燃料電池セルは、例えば、触媒反応層を有する一対の電極により高分子電解質膜を挟み込み、さらに、一方の電極側には燃料ガスを供給する導電性セパレータを配置し、他方の電極側には酸化剤ガスを供給する導電性セパレータを配置して構成されている。
【０００３】
燃料電池の始動時には、燃料電池スタックの温度が適正な温度に至っていないため、効率よく発電することができない。燃料電池始動時における上記問題を改善するために、燃料電池セル内にヒータ線を配設し、燃料電池の始動時間の短縮を図ることが提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】国際公開第０１／８６７４４号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載された技術にあっては、燃料電池セルの構成要素とは別のヒータ線を配設する構成であるため、燃料電池セルの設計や製造が困難であり、経済的な解決策となっていない。
【０００５】
本発明の目的は、燃料電池の始動時間の短縮を簡単な構成でかつ経済的に達成し得る燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的は下記の手段により達成される。
【０００７】
複数個の燃料電池セルを積層した積層体に線状部材を巻き掛けることによって前記積層体を締め付けてなる燃料電池スタックと、
前記線状部材に通電して生じさせた熱によって前記燃料電池スタックを加温する加温手段と、
前記加温手段の作動を制御するための制御手段と、を有し、
前記制御手段は、燃料電池始動時に前記加温手段を作動させてなる燃料電池システムである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、燃料電池の始動時間の短縮を簡単な構成でかつ経済的に達成することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。
【００１０】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０を示す構成図、図２は、図１に示される燃料電池スタック２０を示す斜視図、図３は、燃料電池スタック２０の要部を示す断面図、図４は、線状部材２３の張力を調整するための機構３０を示す概略図である。
【００１１】
図１を参照して、燃料電池システム１０は、概説すれば、複数個の燃料電池セル２１を積層した積層体２２に線状部材２３を巻き掛けることによって積層体２２を締め付けてなる燃料電池スタック２０と、線状部材２３に通電して生じさせた熱によって燃料電池スタック２０を加温する加温手段４０と、加温手段４０の作動を制御するためのコントローラ５２（制御手段に相当する）と、を有している。コントローラ５２は、燃料電池始動時に加温手段４０を作動させる。本実施形態の燃料電池システム１０はさらに、燃料電池スタック２０および線状部材２３の両者に電気的に接続される２次電池５１をさらに有している。コントローラ５２は、燃料電池が稼動しているときに発電量の一部を２次電池５１に充電させ、燃料電池始動時に加温手段４０を作動させるときに２次電池５１から線状部材２３に放電させている。以下、詳述する。
【００１２】
図２を参照して、前記燃料電池スタック２０は、複数個の燃料電池セル２１を図中上下方向に積層した積層体２２と、積層体２２を図中上下両端から挟み込む一対のエンドプレート２４、２５と、積層体２２に巻き掛けて当該積層体２２を締め付けるための線状部材２３と、を有している。線状部材２３は、その一端が一方のエンドプレート２４に固定され、エンドプレート２４、２５の外側から積層体２２に複数回巻回され、他端が張力調整機構３０を介して他方のエンドプレート２５に固定されている。線状部材２３は、張力調整機構３０により調整された張力により締付けられる。これにより、積層体２２を、エンドプレート２４、２５を介して積層方向（エンドプレート２４、２５同士が互いに接近する方向）に締め付け、燃料電池セル２１におけるシール部や電極に必要な面圧を付与している。
【００１３】
線状部材２３はスタックワイヤとも指称され、本実施形態では、線状部材２３は、絶縁層が被覆された電熱線から構成されている。具体的には、ニクロム電熱線、鉄クロム電熱線、またはカンタル電熱線を用いることができる。燃料電池スタック２０を効率的に加温することが可能で、かつ、積層体２２を締め付けるのに十分な引っ張り強度を有しているからである。これらの中でも、耐久性に優れたニクロム電熱線を好適に用いることができる。
【００１４】
線状部材２３は、図３にも示すように、当該線状部材２３の引回し方向を転換させる部位に配置したローラ部材２６に巻き掛けられている。線状部材２３の引回し方向を転換させる部位は、図示例にあっては、エンドプレート２４、２５の角部近傍が相当する。ローラ部材２６は、巻き掛けられた線状部材２３を可及的に積層体２２に近接あるいは接触させる位置に配置されている。ローラ部材２６は、当該ローラ部材２６上での線状部材２３の移動を阻害しない限りにおいて非回転でもよいが、図示例では、ローラ部材２６は回転自在に設けられている。線状部材２３をローラ部材２６に巻き掛けることにより、線状部材２３がエンドプレート２４、２５の角部において鋭角的に屈曲されることがない。このため、線状部材２３は引回し方向への移動が制限されることがなく、線状部材２３に発生する張力をその線状部材２３の全長範囲において均等にすることができる。この結果、燃料電池スタック２０を構成する積層された各燃料電池セル２１に加わる面圧分布にばらつきが生じることがない。さらに、線状部材２３が積層体２２に近接あるいは接触することから、燃料電池スタック２０を加温する際の熱のロスが少なく、燃料電池スタック２０を効率的に加温することができる。
【００１５】
なお、線状部材２３をエンドプレート２４、２５の外側に巻回する形態を示したが、燃料電池セル２１よりも大きいエンドプレートを使用し、このエンドプレートに形成した貫通穴に線状部材２３を通す形態でもよい。燃料電池スタック２０を横置きに設置する場合、エンドプレートの側面を設置面に当接させることにより、線状部材２３が設置面に接触しないようにできる。
【００１６】
張力調整機構３０は、図４に示すように、エンドプレート２５に固定したベース３１上に回転自在に設けられたホイールギヤ３２と、ホイールギヤ３２上の軸対称位置に配置され線状部材２３が巻き掛けられる一対のローラ３３と、ホイールギヤ３２に噛み合うウォームギヤ３４と、ウォームギヤ３４を回転駆動するサーボモータ３５と、線状部材２３の端部をベース３１に固定する部分に配置したロードセル３６と、を有する。ロードセル３６は、線状部材２３に発生している張力を検出する。サーボモータ３５によりウォームギヤ３４を回転駆動し、ウォームギヤ３４の回転位置を調整することによって、ホイールギヤ３２の回転位置すなわちローラ３３の回転位置を調整し、線状部材２３の張力を調整する。ロードセル３６によって検出した張力が予め設定した範囲となるように、サーボモータ３５によりローラ３３の回転位置（ホイールギヤ３２の軸芯に対する公転位置）を調整する。
【００１７】
図１を参照して、前記加温手段４０は、上述した線状部材２３を含み、当該線状部材２３に通電して生じさせたジュール熱によって燃料電池スタック２０を加温する。加温手段４０は、積層体２２の外側部分に付与する熱量が、中央部分に付与する熱量よりも多いことが好ましい。具体的には、線状部材２３は、積層体２２の中央部分が「粗」に、外側部分が「密」に巻き掛けられている。燃料電池スタック２０は、外側部分において外気と接している面が多いので昇温し難いが、上記のような線状部材２３の掛け方によれば、積層体２２の外側部分に付与される熱量が中央部分に付与される熱量よりも多くなる。これにより、燃料電池スタック２０の全体をほぼ均一に加温でき、燃料電池スタック２０の全体をほぼ均一な温度にまで昇温させることができる。
【００１８】
前記２次電池５１は、充電可能であればその型式は限定されないが、例えば、電気自動車などにおいて使用されているリチウムイオン２次電池を用いることができる。
【００１９】
前記コントローラ５２は、ＣＰＵやメモリを主体に構成され、２次電池５１に接続された充放電回路５３の作動を制御し、燃料電池が稼動しているときには、発電量の一部を２次電池５１に充電させる回路に切り替える。一方、コントローラ５２は、燃料電池始動時に加温手段４０を作動させるときには、２次電池５１から線状部材２３に放電させる回路に切り替える。２次電池５１から線状部材２３への放電は、予め設定された時間行われる。あるいは、燃料電池スタック２０の温度を検出するセンサを設け、燃料電池スタック２０が設定温度に昇温するまで、線状部材２３への放電を継続してもよい。
【００２０】
上記のように２次電池５１およびコントローラ５２を備えることにより、燃料電池システム１０とは別系統に設けた電源から電力を供給する必要がなく、燃料電池システム１０自体の制御を簡単に行うことができるという利点がある。
【００２１】
次に、本実施形態の作用を説明する。
【００２２】
燃料電池が稼動しているときには、コントローラ５２は、充放電回路５３の作動を制御し、発電量の一部を２次電池５１に充電させる回路に切り替える。２次電池５１の充電が完了すると、コントローラ５２は、２次電池５１への充電を停止する。
【００２３】
一方、燃料電池始動時には、コントローラ５２は、充放電回路５３の作動を制御し、２次電池５１から線状部材２３に放電させる回路に切り替える。加温手段４０の線状部材２３は、通電されてジュール熱を生じる。このジュール熱は、線状部材２３が巻き掛けられた燃料電池スタック２０を加温する。このため、燃料電池スタック２０は、適正な温度に迅速に上昇し、効率のよい発電を迅速に行う。
【００２４】
ここで、線状部材２３は、積層体２２の中央部分が「粗」に、外側部分が「密」に巻き掛けられている。積層体２２の外側部分は外気への放熱量が多いが、この部分に付与される熱量が中央部分に付与される熱量よりも多くなる。このため、燃料電池スタック２０の全体がほぼ均一に加温され、燃料電池スタック２０の全体がほぼ均一な温度にまで昇温する。
【００２５】
さらに、積層体２２を締め付けて燃料電池スタック２０を構成する線状部材２３がヒータ線を兼ねているため、燃料電池スタック２０を加温するためだけの装置を設ける場合に比較して、コスト的に有利なものとなる。また、燃料電池セル２１の構成要素には変更を加えていないため、燃料電池セル２１の設計や製造を困難にすることもない。
【００２６】
したがって、本実施形態の燃料電池システム１０によれば、燃料電池の始動時間の短縮を、簡単な構成でかつ経済的に達成することが可能となる。特に、寒冷地における燃料電池の始動時間を著しく短縮することができる。
【００２７】
燃料電池スタック２０に関し、線状部材２３は当該線状部材２３の引回し方向を転換させる部位に配置したローラ部材２６に巻き掛けられているので、線状部材２３はローラ部材２６に案内されて引回し方向に円滑に移動する。線状部材２３に発生する張力をその線状部材２３の全長範囲において均等にすることができる結果、各燃料電池セル２１に加わる面圧分布にばらつきが生じることがない。さらに、線状部材２３が積層体２２に近接あるいは接触することから、燃料電池スタック２０を加温する際の熱のロスが少なく、燃料電池スタック２０を効率的に加温することもできる。
【００２８】
また、張力調整機構３０は線状部材２３に生ずる張力を予め設定した張力範囲に調整するため、各燃料電池セル２１に加わる面圧は、常時調整されている。外気温度や燃料電池の運転に伴って発生する反応熱によって、積層体２２が積層方向に膨張し、線状部材２３に発生する張力が増加することがある。このような場合において、ロードセル３６により検出される張力が予め設定した張力範囲を超えたときには、サーボモータ３５によりローラ３３の位置を調整することによって、線状部材２３の張力は、設定した張力範囲になるまで低下される。このような線状部材２３の張力の調整動作は、加温手段４０により燃料電池スタック２０を加温する際にも行われる。
【００２９】
逆に、外気温度の低下や運転停止などによって燃料電池の温度が低下すると、積層体２２が収縮し、線状部材２３に発生する張力が低下することがある。このような場合において、ロードセル３６により検出される張力が予め設定した張力範囲未満となるときには、サーボモータ３５によりローラ３３の位置を調整することによって、線状部材２３の張力は、設定した張力範囲になるまで増加される。
【００３０】
また、燃料電池の長期にわたる使用により、線状部材２３に伸びが生じ、燃料電池スタック２０に作用させる締め付け力が低下する場合がある。このような場合においても、線状部材２３に発生する張力が、張力調整機構３０によって常に設定範囲に調整されるため、燃料電池スタック２０に加える締め付け力が低下することも防止することができる。
【００３１】
（変形例）
加温手段４０に、積層体２２および線状部材２３を外側から覆うように断熱材を設け、加温時の熱のロスを低減し、燃料電池の始動時間をさらに短縮してもよい。
【００３２】
１本かつ１種類の線状部材２３を螺旋状に積層体２２に巻き掛ける形態を説明したが、２本以上の線状部材または径や材質が異なる２種以上の線状部材を、締付け範囲を分けて巻き掛けてもよい。また、線状部材２３が重ならない１重巻きの例を示したが、線状部材が重なる多重巻きを採用することもできる。
【００３３】
積層体２２の外側部分は外気への放熱量が多いことを考慮して、線状部材２３の巻き密度を異ならせた形態について説明したが、積層体２２の外側部分に付与する熱量を中央部分に付与する熱量よりも多くし得る限りにおいて、他の手段を講じることができる。例えば、２本以上の線状部材を、締付け範囲を分けて、巻き密度が同じとなるように巻き掛けする。そして、積層体２２の外側部分に巻き掛けした線状部材に供給する電力を、中央部分に巻き掛けした線状部材に供給する電力よりも多くすればよい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムを示す構成図である。
【図２】図１に示される燃料電池スタックを示す斜視図である。
【図３】燃料電池スタックの要部を示す断面図である。
【図４】線状部材の張力を調整するための機構を示す概略図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０    燃料電池システム、
２０    燃料電池スタック、
２１    燃料電池セル、
２２    積層体、
２３    線状部材、
２４、２５    エンドプレート、
２６    ローラ部材、
３０    張力調整機構、
３６    ロードセル、
４０    加温手段、
５１    ２次電池、
５２    コントローラ（制御手段）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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