(57)【要約】【課題】  発電条件や外気条件に応じた最適な温度でシステムを動作させて、電池性能の低下を回避し、低温環境下での起動性を向上することを課題とする。【解決手段】  燃料ガスと酸化剤ガスとの反応ガスを化学反応させて発電を行う燃料電池セルが複数積層されてなる燃料電池スタックを備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック１００は、外側の燃料電池スタック１００ａと内側の燃料電池スタック１００ｂとからなり、外側の燃料電池スタック１００ａには、内部に中空状の空間が形成され、この中空状の空間に内側の燃料電池スタック１００ｂが収納配置されて構成される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの反応ガスを化学反応させて発電を行う燃料電池セルが複数積層されてなる燃料電池スタックを備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックは、第１の燃料電池スタックと第２の燃料電池スタックとからなり、前記第１の燃料電池スタックは前記第２の燃料電池スタックに囲まれて配置されている
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記第２の燃料電池スタックには、内部に中空状の空間が形成され、この中空状の空間に前記第１の燃料電池スタックが収納配置されている
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記第１の燃料電池スタックは、断熱部材で覆われている
ことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第１の燃料電池スタックは、前記第１の燃料電池スタックを加熱して保温する加熱手段を備えている
ことを特徴とする請求項１，２及び３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記第１の燃料電池スタックと前記第２の燃料電池スタックとは、それぞれ独立して反応ガスが供給される
ことを特徴とする請求項１，２，３及び４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記第１の燃料電池スタックと前記第２の燃料電池スタックとのエンドプレートは共通化されている
ことを特徴とする請求項１，２，３，４及び５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記第１の燃料電池スタックに接続される配管は、電気絶縁性の材料で構成されている
ことを特徴とする請求項１，２，３，４，５及び６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記第１の燃料電池スタックに接続される電気配線は、電気絶縁性の材料で被覆されている
ことを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６及び７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
燃料ガスと酸化剤ガスとの反応ガスを化学反応させて発電を行う燃料電池セルが複数積層されてなる燃料電池スタックを備えた燃料電池システムを制御する燃料電池システムの制御方法において、
前記燃料電池スタックは、第１の燃料電池スタックと第２の燃料電池スタックとからなり、前記第１の燃料電池スタックは前記第２の燃料電池スタックに囲まれて配置され、
前記第１の燃料電池スタックを加熱する加熱手段と、
前記第１の燃料電池スタックの温度を計測する温度計測手段とを有し、
前記加熱手段により前記第１の燃料電池スタックを加熱して保温し、前記第１の燃料電池スタックの温度が氷点下にならないように制御する
ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項１０】
前記燃料電池システムの起動時に、前記第１の燃料電池スタックを発電させて所定時間が経過した後、もしくは前記第１の燃料電池スタックの温度が所定温度以上に達した時に、前記第２の燃料電池スタックの発電を開始する
ことを特徴とする請求項９記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの反応ガスを化学反応させて発電を行う燃料電池セルが複数積層されてなる燃料電池スタックを備えた燃料電池システムを制御する燃料電池システムの制御方法において、
前記燃料電池スタックは、第１の燃料電池スタックと第２の燃料電池スタックとからなり、前記第１の燃料電池スタックは前記第２の燃料電池スタックに囲まれて配置され、
前記燃料電池システムの起動時に、前記第１の燃料電池スタックを発電させて所定時間が経過した後、もしくは前記第１の燃料電池スタックの温度が所定温度以上に達した時に、前記第２の燃料電池スタックの発電を開始する
ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項１２】
前記燃料電池システムの外気の温度を計測する外気温度計測手段と、
前記第１の燃料電池スタックの温度を計測する温度計測手段とを有し、
前記燃料電池システムの起動時に、氷点付近の所定温度以下である場合に前記制御方法を実行する
ことを特徴とする請求項１０又は１１記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１３】
前記燃料電池システムから取り出す電流量が所定電流以下である場合は、前記第１の燃料電池スタックのみを発電させ、取り出す電流量が前記所定電流以上である場合には、前記第１の燃料電池スタックならびに前記第２の燃料電池スタックの双方を発電させる
ことを特徴とする請求項９記載の燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックの温度調節を行った燃料電池システム及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の技術としては、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている（特許文献１参照）。この文献に記載された技術では、燃料電池スタックを構成する積層方向の両端に位置する単セルの外側に、冷媒隔離用及び断熱用の導電プレート（断熱プレート）が各単セルの端面に接触して配設されている。この導電プレートは、その一方の端面に該端面に接触して配設されるターミナルプレートに閉塞されることによって空気室（断熱層）を構成する、止まり穴状の丸溝が略全面にわたって多数形成されている。
【０００３】
この空気室が断熱層として機能することで、単セルからターミナルプレートへの伝熱が空気室によって阻害され、ターミナルプレートから外部への放熱量が減少するので、単セルの温度低下は抑制される。これにより、単セルにおける反応温度の低下及び結露水の生成を原因とする性能低下を有効に防止できる。 
【特許文献１】特開２００２−１８４４４９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
以上説明したように、上記従来の燃料電池システムにおいては、導電プレートに形成された空気室によって燃料電池スタックの断熱効果を高めている。したがって、システムの起動時等燃料電池スタックの温度を高めたいときには有効である。
【０００５】
しかしその反面、システムの起動後発電が定常的に行われている時には、燃料電池スタックでは発電にともなって発熱が生じているため、生じた熱が放熱しにくくなっていた。このため、燃料電池スタックが過熱し、電池性能の低下や、燃料電池スタックの劣化が促進されるといった不具合を招いていた。
【０００６】
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、発電条件や外気条件に応じた最適な温度でシステムを動作させて、電池性能の低下を回避し、低温環境下での起動性を向上した燃料電池システム及びその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応ガスを化学反応させて発電を行う燃料電池セルが複数積層されてなる燃料電池スタックを備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックは、第１の燃料電池スタックと第２の燃料電池スタックとからなり、前記第１の燃料電池スタックは前記第２の燃料電池スタックに囲まれて配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、発電条件や外気条件により最適な運転方法を選択することが可能となる。これにより、電池性能の低下を防止し、低温環境下での起動性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１ならびに図２は本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図であり、図２は図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図１に示す実施例１のシステムでは、燃料ガスの例えば水素と酸化剤ガスの例えば空気とを化学反応させて発電を行う燃料電池セルが積層されてなる燃料電池スタック１００は、外側の燃料電池スタック１００ａと内側の燃料電池スタック１００ｂとに分割されて構成されている。外側の燃料電池スタック１００ａは、その断面すなわち各燃料電池セルが図２に示すように矩形の「回」の字状に構成され、その周辺部に後述するセル構造が形成されている一方、中央部にはセル構造が形成されておらず空間となっている。
【００１１】
外側の燃料電池スタック１００ａは、図２に示すように、矩形の一辺に水素を各燃料電池セルに分配供給する水素入口マニホールド２００ａが配置され、水素入口マニホールド２００ａが配置された一辺に対向する他辺には、各燃料電池セルから排出された未使用の水素を収集して燃料電池スタック外に導出する水素出口マニホールド２０１ａが配置されている。また、外側の燃料電池スタック１００ａは、図２に示すように、矩形の一辺に空気を各燃料電池セルに分配供給する空気入口マニホールド２０２ａが配置され、空気入口マニホールド２０２ａが配置された一辺に対向する他辺には、各燃料電池セルから排出された未使用の空気を収集して燃料電池スタック外に導出する空気出口マニホールド２０３ａが配置されている。
【００１２】
外側の燃料電池スタック１００ａは、複数の上記「回」の字状の燃料電池セルを積層することで、中央部に直方体状の中空空間が形成され、その中空空間に図２に示すように燃料電池スタック１００ｂが配置され、この内側の燃料電池スタック１００ｂと外側の燃料電池スタック１００ａとの間には断熱材１０１が設けられている。この断熱材１０１は、例えばポリフッ化エチレン（またはポリテトラフルオロエチレン）（ＰＴＦＥ、商標名テフロン）を用いたが、断熱材１０１に代えて、外側の燃料電池スタック１００ａと内側の燃料電池スタック１００ｂとの間の隙間に不活性ガスを密封して、内側の燃料電池スタック１００ｂを断熱するようにしてもよい。
【００１３】
内側の燃料電池スタック１００ｂは、矩形状の燃料電池セルが複数積層されて構成され、図２に示すように、矩形の一辺に水素を各燃料電池セルに分配供給する水素入口マニホールド２００ｂが配置され、水素入口マニホールド２００ｂが配置された一辺に対向する他辺には、各燃料電池セルから排出された未使用の水素を収集して燃料電池スタック外に導出する水素出口マニホールド２０１ｂが配置されている。また、内側の燃料電池スタック１００ｂは、図２に示すように、矩形の一辺に空気を各燃料電池セルに分配供給する空気入口マニホールド２０２ｂが配置され、空気入口マニホールド２０２ｂが配置された一辺に対向する他辺には、各燃料電池セルから排出された未使用の空気を収集して燃料電池スタック外に導出する空気出口マニホールド２０３ｂが配置されている。
【００１４】
外側の燃料電池スタック１００ａとその中空空間に配置された内側の燃料電池スタック１００ｂとは、その両端部に両スタックに共通化されたエンドプレート１０２が設けられ、両エンドプレート１０２を締め付けボルト１０３により締め付けて各燃料電池セルならびに断熱材１０１が一体化されて燃料電池スタックが構成される。外側の燃料電池スタック１００ａには、その両端部にヒータ１０４が取り付けられており、このヒータ１０４で外部の燃料電池スタック１００ａは加熱されて昇温される。内側の燃料電池スタック１００ｂにも、その両端部にヒータ１０５が取り付けられており、このヒータ１０５で内側の燃料電池スタック１００ｂは加熱されて保温される。
【００１５】
外側の燃料電池スタック１００ａと内側の燃料電池スタック１００ｂとは、それぞれ独立して反応ガスが供給される。すなわち、外側の燃料電池スタック１００ａでは、水素が貯蔵された水素ボンベ１０６から圧力調整弁１０７ａならびに開閉バルブ１０８ａを介して水素が供給される。外側の燃料電池スタック１００ａに供給される水素は、供給／停止が開閉バルブ１０８ａの開閉により制御され、流量が圧力調整弁１０７ａで調整されて、水素入口配管を介して導入される。外側の燃料電池スタック１００ａに導入された水素は、水素入口マニホールド２００ａを通して各燃料電池セルに分配される。
【００１６】
また、外側の燃料電池スタック１００ａでは、空気を圧縮するコンプレッサ１０９から圧力調整弁１１０ａならびに開閉バルブ１１１ａを介して空気が供給される。外側の燃料電池スタック１００ａに供給される空気は、供給／停止が開閉バルブ１１１ａの開閉により制御され、流量が圧力調整弁１１０ａで調整されて、空気入口配管を介して導入される。外側の燃料電池スタック１００ａに導入された空気は、空気入口マニホールド２０２ａを通して各燃料電池セルに分配される。
【００１７】
一方、内側の燃料電池スタック１００ｂでは、水素が貯蔵された水素ボンベ１０６から圧力調整弁１０７ｂならびに開閉バルブ１０８ｂを介して水素が供給される。外側の燃料電池スタック１００ｂに供給される水素は、供給／停止が開閉バルブ１０８ｂの開閉により制御され、流量が圧力調整弁１０７ｂで調整されて、水素入口配管を介して導入される。内側の燃料電池スタック１００ｂに導入された水素は、水素入口マニホールド２００ｂを通して各燃料電池セルに分配される。
【００１８】
また、内側の燃料電池スタック１００ｂでは、空気を圧縮するコンプレッサ１０９から圧力調整弁１１０ｂならびに開閉バルブ１１１ｂを介して空気が供給される。外側の燃料電池スタック１００ｂに供給される空気は、供給／停止が開閉バルブ１１１ｂの開閉により制御され、流量が圧力調整弁１１０ｂで調整されて、空気入口配管を介して導入される。外側の燃料電池スタック１００ｂに導入された空気は、空気入口マニホールド２０２ｂを通して各燃料電池セルに分配される。
【００１９】
内側の燃料電池スタック１００ｂに供給された水素と空気の反応ガスは、電解質膜（図示せず）で化学反応して消費される。消費されなかった未使用の水素と空気の未反応ガス、
ならびに反応にともなって生成される水蒸気は、対応する水素出口マニホールド２０１ａ、空気出口マニホールド２０３ａに集まり、それぞれの水素出口配管、空気出口配管から排出される。
【００２０】
内側の燃料電池スタック１００ｂの空気出口配管には、水トラップ装置１１２が設置され、この水トラップ装置１１２で内側の燃料電池スタック１００ｂから排出された水分をトラップする。内側の燃料電池スタック１００ｂと水トラップ装置１１２とを連結する空気出口配管には、リボンヒータ１１３が取り付けられており、このリボンヒータ１１３で配管を加熱して配管内の水分の凍結を回避している。
【００２１】
内側の燃料電池スタック１００ｂでは、反応ガスを導入／導出する配管類は、電気絶縁性の例えばポリフッ化エチレン（またはポリテトラフルオロエチレン）（ＰＴＦＥ、商標名テフロン）を用い、また電気配線類は同様のポリフッ化エチレンで被覆された銅線を用いている。
【００２２】
外側の燃料電池スタック１００ａならびに内側の燃料電池スタック１００ｂの発電で得られた電力は、電流切替・結合器１１４に与えられる。電流切替・結合器１１４は、外側の燃料電池スタック１００ａ、内側の燃料電池スタック１００ｂから与えられた電流を選択し、選択した電流をそのままあるいは結合してインバータ１１５に与える。すなわち電流切替・結合器１１４は、外側の燃料電池スタック１００ａ及び内側の燃料電池スタック１００ｂのいずれか一方で発電が行われている場合には、発電が行われている側から与えられた電流を選択する一方、外側の燃料電池スタック１００ａと内側の燃料電池スタック１００ｂの双方で発電が行われている場合には、双方から与えられる電流を選択し、選択した電流を結合する。インバータ１１５は、電流切替・結合器１１４から与えられた直流の電力を交流に変換した後、負荷１１６の例えばモータに供給する。
【００２３】
燃料電池システムは、外気温度を計測する外気温度計１１７を備え、外側の燃料電池スタック１００ａには、スタックの温度を計測する温度計１１８が設けられ、内側の燃料電池スタック１００ｂには、スタックの温度を計測する温度計１１９が設けられいる。これらの温度計で計測された各温度は、コントロールユニット（図示せず）に与えられて、燃料電池スタックの運転状態をモニタするために使用される。
【００２４】
コントロールユニットは、本システムの運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。コントロールユニットは、本システムにおける外気温度計１１７，温度計１１８，１１９を含む各センサ（図示せず）からの信号を読み込み、読み込んだ各種信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、弁やバルブを含む本システムの各構成要素に指令を送り、以下に説明する起動時の動作を含む本システムの運転／停止に必要なすべての動作を統括管理して制御する。
【００２５】
図３は外側の燃料電池スタック１００ａならびに内側の燃料電池スタック１００ｂを構成する燃料電池セルの構造を示す図である。図３において、燃料電池セルは、導電性のカーボングラファイトのプレートで構成され、その一方面に空気ガス流路３００となる溝と、他方面に水素ガス流路３０１となる溝が形成されたセパレータ３０２と、このセパレータ３０２の間に挟まれるように配置されて発電部として機能するＭＥＡ３０３を含んで構成されている。
【００２６】
ＭＥＡ３０３は、電解質膜（パーフルオロスルホン酸ポリマー、ナフィオン１１１）３０４を挟んだ両側の触媒層（白金担持カーボンブラック）３０５、さらにその外側に撥水処理したカーボンブラックのカーボン層３０９、ならびにガス拡散層（ＧＤＬ、カーボンペーパ）３０６が配置されて構成される。
【００２７】
このような構成の燃料電池セルは、水素入口マニホールド２００ａ、２００ｂから分配された水素がセパレータ３０２の水素ガス流路３０１を通ってアノード極３０７に供給され、アノード極３０７のガス拡散層３０６において触媒層３０５へ拡散して到達し、触媒層３０５の白金上で触媒反応（Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−  ）が生じる。この反応により生じたプロトン（Ｈ＋  ）は、電解質膜３０４をアノード極３０７からカソード極３０８に向かって移動する。また、電子は電流切替・結合器１１４へ供給されて電流が取り出される。
【００２８】
一方、空気入口マニホールド２０２ａ、２０２ｂから分配された空気がセパレータ３０２の空気ガス流路３００を通ってカソード極３０８に供給され、ガス拡散層３０６において触媒層３０５へ拡散して到達し、触媒層３０５の白金上で触媒反応（１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−  →Ｈ２Ｏ ）が生じる。このように電解質膜３０４を移動したプロトンと、電流切替・結合器１１４を通過した電子と、空気中の酸素とが反応することにより水が生じる。生じた水は水蒸気又は液水のまま排気される。また、ＭＥＡ３０３とガス流路との間には、例えばシリコンゴムからなるガスシール３１０が設けられ、このガスシール３１０でガス漏れを防止している。
【００２９】
このように構成された燃料電池システムでは、図４のフローチャートに示す動作手順にしたがってシステムが起動される。図４において、発電停止後、システムを放置する際に温度計１１９で計測された内側の燃料電池スタック１００ｂの温度をモニタする（ステップＳ４０）。モニタした温度が、氷点の０℃を下まわらないように内側の燃料電池スタック１００ｂの両端のヒータ１０５を必要に応じて作動させて内側の燃料電池スタック１００ｂを保温する（ステップＳ４１）。
【００３０】
これにより、外気温度が例えば氷点下２０℃程度であっても内側の燃料電池スタック１００ｂは０℃以上に保たれる。したがって、氷点下２０℃程度で、システムが起動されて発電が指令された場合であっても（ステップＳ４２）、内側の燃料電池スタック１００ｂでは、解凍作業や昇温作業等を必要とせず直ちに発電が可能となる。
【００３１】
そこで、システムの起動後先ず内側の燃料電池スタック１００ｂで発電を開始する（ステップＳ４３）。発電が開始された内側の燃料電池スタック１００ｂでは、触媒層やＧＤＬ、セパレータ内のガス流路において、発電により生成された水分が凍結することはない。
【００３２】
また、発電量を抑えて低電流とすることで、内側の燃料電池スタック１００ｂの自己発熱量も抑制され、必要以上に過熱することは回避される。これにより、電池性能の低下や、構成の劣化を抑制することが可能となる。
【００３３】
発電により生成された水分は、空気出口マニホールド２０３ｂ、空気出口配管を通じて水トラップ装置１１２でトラップされて回収される。これにより、配管内に水分が溜まりその水分が凍結して反応ガスの流通を阻害することは回避される。
【００３４】
このように、システムの起動時に内側の燃料電池スタック１００ｂで発電した電力は、
内側の燃料電池スタック１００ｂのヒータ１０５、配管のリボンヒータ１１３に加えて、外側の燃料電池スタック１００ａのヒータ１０４に供給されてヒータ駆動用に使用される。
【００３５】
外側の燃料電池スタック１００ａのヒータ１０４が作動して外側の燃料電池スタック１００ａが加熱され（ステップＳ４４）、温度計１１８で計測された外側の燃料電池スタック１００ａの温度が所定温度、例えば０℃を越えたか否かを判別し（ステップＳ４５）、越えた時点で外側の燃料電池スタック１００ａの発電も開始し（ステップＳ４６）、システムの通常運転が始まる（ステップＳ４７）。
【００３６】
このように、外気が氷点下であっても、内側の燃料電池スタック１００ｂ内で水分が凍結してできる氷が配管内に詰まって反応ガスが触媒層へ供給できなくなったり、発電不能になる現象を防ぐことができ、発電を円滑に開始することができる。
【００３７】
なお、外側の燃料電池スタック１００ａでは、内側の燃料電池スタック１００ｂの発電が開始されてから予め設定された所定時間が経過した後に発電を開始するようにしても、同様の効果を得ることができる。
【００３８】
燃料電池には最適な運転温度があり、電解質膜として例えばパーフルオロ系の膜を使用した場合には、概ね７０℃〜８０℃程度といわれている。また、燃料電池の温度が高いほど触媒活性が高くなるが、高すぎると電解質膜中の水分が蒸発して膜が乾燥したり、水蒸気分圧の上昇により酸素、水素ガス濃度が低下したりして、電池性能が低下する。
【００３９】
そこで、このような不具合を回避するために、燃料電池スタックの温度を調節をする必要がある。温度調節は、加熱用のヒータや冷却用のファンを燃料電池スタック内や周辺に取り付けて作動させたり、燃料電池スタック内に冷却水を供給したりするが、発電中は発電に伴う熱が燃料電池スタック内のＭＥＡ部分から発生するので、この熱も含めて温度調節をすることになる。このときに、燃料電池スタックの構造を考慮して無駄なエネルギーを使わずに、また最適温度で動作するようにすべきである。
【００４０】
図１ならびに図２に示す上記実施例１の構成では、内側の燃料電池スタック１００ｂは外側の燃料電池スタック１００ａに囲まれて配置されているため、発電時に発熱した熱が逃げにくく、暖まりやすい一方、一度暖まると冷えにくい。しかし、発電量を抑えて取り出す電流量を少なくすることで、過熱を抑えることは可能である。
【００４１】
一方、外側の燃料電池スタック１００ａは、外気に晒されているため冷却されやすく、ファンで冷却風を当てることで冷却しやすくなる。これにより、発電条件や外気条件に応じて外側の燃料電池スタック１００ａと内側の燃料電池スタック１００ｂの上記した特性を生かして、外側の燃料電池スタック１００ａと内側の燃料電池スタック１００ｂのいずれか一方又は双方を適宜選択して発電を行うことで、最適な温度でシステムを運転することが可能となる。故に、電池性能の低下や構成の劣化を招くことなく、低温環境下であってもシステムの起動後円滑に発電を開始することができる。
【００４２】
外側の燃料電池スタック１００ａの中空空間に内側の燃料電池スタック１００ｂを収納配置することで、最適な温度でシステムを運転できる構成を簡便に実現することができる。内側の燃料電池スタック１００ｂの周りを断熱材やガス（特に不活性ガス）で覆うことにより、保温効果を高めることができる。これにより、システム停止後に再度起動する際に、内側の燃料電池スタック１００ｂの温度が保温されているのでより迅速に最適な温度にすることができる。また、外気温度が氷点下になっても、しばらくの間は内側の燃料電池スタック１００ｂを氷点以上の温度に保つことができるので、氷点下からシステムを起動する際に内側の燃料電池スタック１００ｂの発電で生成された水分を凍結させることなく、円滑に発電を行うことができる。
【００４３】
内側の燃料電池スタック１００ｂにヒータ１０５を設けることで、例えばシステムの運転を停止して放置している時に、ヒータ１０５で内側の燃料電池スタック１００ｂを暖めておくことにより、氷点以上の温度に内側の燃料電池スタック１００ｂを保つことができる。これにより、氷点下からシステムを起動する際に内側の燃料電池スタック１００ｂのみを発電すると、発電に伴って発生する生成水を凍結させることなく、円滑に発電させることができる。
【００４４】
外側の燃料電池スタック１００ａと内側の燃料電池スタック１００ｂの圧損がそれぞれ異なるので、それぞれ別々に反応ガスの水素と空気を供給することにより、システムの起動、発電時の制御が容易になる。また、内側の燃料電池スタック１００ｂのみを発電させる場合には、外側の燃料電池スタック１００ａに反応ガスを供給する必要がなくなる。
【００４５】
外側の燃料電池スタック１００ａと内側の燃料電池スタック１００ｂのエンドプレート１０２を共通化することで、燃料電池スタック全体の容量を小型化することができる。内側の燃料電池スタック１００ｂに接続される配管ならびに電気配線は、電気絶縁性の材料を使用することで、内側の燃料電池スタック１００ｂと外側の燃料電池スタック１００ａとの電気的な短絡、熱的な伝熱を防ぐことができる。
【００４６】
システムの起動時に、先ず内側の燃料電池スタック１００ｂを発電した後、外側の燃料電池スタック１００ａを発電することで、内側の燃料電池スタック１００ｂの発電による自己発熱で外側の燃料電池スタック１００ａを昇温することができるので、外気に晒された外側の燃料電池スタック１００ａの温度を迅速に上げることができる。
【００４７】
さらに、氷点下からの起動時には、なるべく短時間に燃料電池スタックの温度を氷点以上に上げることが重要となる。したがって、先ず内側の燃料電池スタック１００ｂのみを発電すると放熱を抑えられるので、内側の燃料電池スタック１００ｂの発電が継続できる温度まで迅速に上げることができる。これにより、生成水の氷結により発電不能になることが防止できる。
【実施例２】
【００４８】
次に、本発明の実施例２について説明する。実施例２の特徴とするところは、先の実施例１の構成に比べて、外側の燃料電池スタック１００ａに冷却風を送風する冷却ファン（図示せず）を設け、この冷却ファンにより必要に応じて外側の燃料電池スタック１００ａを冷却し、さらに燃料電池スタックから取り出す電流量に応じて、外側の燃料電池スタック１００ａと内側の燃料電池スタック１００ｂの発電を選択するようにしたことにあり、他は先の実施例１と同様である。ここで、外側の燃料電池スタック１００ａの燃料電池セルの電極面積を３５０ｃｍ２ 程度とし、内側の燃料電池スタック１００ｂの燃料電池セルの電極面積を５０ｃｍ２ 程度とし、この電極面積に応じてそれぞれの燃料電池スタックの発電量が設定される。
【００４９】
このような構成において、コントロールユニットの制御の下に負荷要求に応じた電流を取り出すが、取り出し電流が、内側の燃料電池スタック１００ｂの電極面積に応じて賄える程度の所定電流、例えば３０Ａ程度以下（低電流）の場合は、内側の燃料電池スタック１００ｂのみを発電させて、内側の燃料電池スタック１００ｂのみから電流を取り出す。これに対して、取り出し電流が３０Ａ程度以上（大電流）の場合には、内側の燃料電池スタック１００ｂならびに外側の燃料電池スタック１００ａの双方を発電する。
【００５０】
これにより、燃料電池スタックの発熱量が小さい低電流の場合は、内側の燃料電池スタック１００ｂのみを発電させることで燃料電池スタック１００ｂを保温することができる一方、発熱量がそれほど多くないので許容以上に過熱することは回避される。これに対して、燃料電池スタック全体の発熱量が大きい大電流の場合には、内側の燃料電池スタック１００ｂに加えて外側の燃料電池スタック１００ａも発電することで、外側の燃料電池スタック１００ａの発電により発生した熱は外気に放熱されるので、許容以上に過熱することは回避できる。このような運転制御を行うことで、ヒータや冷却ファンを動作させるために消費させる電力を削減することができ、低消費電力化を図ることができる。
【００５１】
なお、取り出し電流量によっては、システムが定常運転になった際に、システムの起動当初に発電を行った内側の燃料電池スタック１００ｂの発電を停止し、外側の燃料電池スタック１００ａのみを発電させるようにしてもよい。
【００５２】
また、内側の燃料電池スタック１００ｂのみを発電する場合には、外側の燃料電池スタック１００ａに対応した開閉バルブ１０８ａ，１１１ａを閉じて外側の燃料電池スタック１００ａへの反応ガスの供給を停止する。これにより、燃料電池セルの電解質膜に接する反応ガスの面積が減少するので、電解質膜を透過する空気、水素の漏れ（クロスリーク）が抑えられ、無駄な反応ガスの消費を抑制することができる。
【００５３】
このように、上記実施例２では、取り出し電流が低電流密度のときには、燃料電池スタックからの発熱量が小さいので、発生した熱を逃がさない方が外部からのヒータ電力を抑えて最適温度に調節することができるので、内側の燃料電池スタック１００ｂのみを発電させる。一方、高電流密度のときは、燃料電池スタックからの発熱量が大きいので、外側の燃料電池スタック１００ａも発電させることで、発生した熱を逃がすために冷却ファンや冷却水を流すための電力を抑えて最適温度に調節することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿った断面構成を示す図である。
【図３】燃料電池セルの内部構成を示す図である。
【図４】実施例１の運転手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００５５】
１００…燃料電池スタック
１００ａ…外側の燃料電池スタック
１００ｂ…内側の燃料電池スタック
１０１…断熱材
１０２…エンドプレート
１０３…ボルト
１０４，１０５…ヒータ
１０６…水素ボンベ
１０７ａ，１０７ａ、１１０ａ，１１０ｂ…圧力調整弁
１０８ａ…開閉バルブ
１０８ａ，１０８ｂ，１１１ａ，１１１ｂ…開閉バルブ
１１２…水トラップ装置
１１３…リボンヒータ
１１４…電流切替・結合器
１１５…インバータ
１１６…負荷
１１７…外気温度計
１１８…温度計
１１８，１１９…温度計
２００ａ，２０２ｂ…水素入口マニホールド
２０１ａ，２０１ｂ…水素出口マニホールド
２０２ａ，２０２ｂ…空気入口マニホールド
２０３ａ，２０３ｂ…空気出口マニホールド
３００…空気ガス流路
３０１…水素ガス流路
３０２…セパレータ
３０３…ＭＥＡ
３０４…電解質膜
３０５…触媒層
３０６…ガス拡散層
３０７…アノード極
３０８…カソード極
３０９…カーボン層
３１０…ガスシール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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