(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池から発電する方法および燃料電池を提供する。【解決手段】本燃料電池システムは、燃料電池スタックの両端に配置された集電体および燃料電池スタックの中間位置に配置された２つの集電体により、アノード側サブスタック、中央サブスタック、およびカソード側サブスタックに分割された燃料電池スタックを備えている。集電体スイッチは、前記アノード側サブスタックおよび前記カソード側サブスタックが発電し始める前に前記中央サブスタックが発電するように前記集電体スイッチ制御手段を用いて制御される。前記集電体スイッチは、前記燃料電池スタック温度測定手段により所定の温度以上の温度が測定されるときに前記アノード側サブスタック、前記カソード側サブスタック、および前記中央サブスタックによって電気が発生されるように、前記集電体スイッチ制御手段を用いて制御される。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックであり、当該燃料電池スタックの両端に配置された集電体および当該燃料電池スタックの中間位置に配置された２つの集電体により、アノード側サブスタック、中央サブスタック、およびカソード側サブスタックに分割された燃料電池スタックと、該燃料電池スタックの両端に配置された前記集電体および中間位置の前記集電体を負荷に接続する集電体スイッチと、集電体スイッチ制御手段と、燃料電池スタック温度測定手段とを備える燃料電池システムを設け、
前記アノード側サブスタックおよび前記カソード側サブスタックが発電し始める前に前記中央サブスタックが発電するように前記集電体スイッチ制御手段を用いて前記集電体スイッチを制御し、
前記温度測定手段を用いて前記燃料電池スタックの温度を測定し、
前記燃料電池スタック温度測定手段により所定の温度以上の温度が測定されるときに前記アノード側サブスタック、前記カソード側サブスタック、および前記中央サブスタックによって電気が発生されるように、前記集電体スイッチ制御手段を用いて前記集電体スイッチを制御することを含む、燃料電池システムから発電する方法。
【請求項２】
前記所定の温度が０℃である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記集電体スイッチ制御手段は、前記燃料電池スタック温度測定手段により所定の温度以上の温度が測定されるときに前記アノード側およびカソード側サブスタックが直ちに発電し始めるように前記集電体スイッチを制御する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記燃料電池スタック温度測定手段が、前記中央サブスタックの表面または内部の温度と、前記カソード側サブスタックまたは前記アノード側サブスタックのどちらかの、表面または内部のうちの少なくとも一方の温度とを測定する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記燃料電池システムが、前記燃料電池スタックに燃料ガスと酸化剤ガスとを供給することにより発電し、発電中に前記燃料電池スタックにより発生された熱が、冷却液の作用により取り去られ、前記燃料電池スタック温度測定手段が、前記燃料ガス、前記酸化剤ガス、または前記燃料電池スタックから排出される前記冷却液のうちの少なくとも１つの温度を測定する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
燃料電池スタックであり、当該燃料電池スタックの両端に配置された集電体および当該燃料電池スタックの中間位置に配置された２つの集電体により、アノード側サブスタック、中央サブスタック、およびカソード側サブスタックに分割された燃料電池スタックと、該燃料電池スタックの両端に配置された前記集電体および中間位置の前記集電体を負荷に接続する集電体スイッチと、集電体スイッチ制御手段と、周囲温度測定手段とを備える燃料電池システムを設け、
前記アノード側サブスタックおよび前記カソード側サブスタックが発電し始める前に前記中央サブスタックが発電するように前記集電体スイッチ制御手段を用いて前記集電体スイッチを制御し、
前記周囲温度測定手段を用いて前記燃料電池スタック付近の周囲温度を測定し、
前記周囲温度測定手段により所定の温度以上の温度が測定されるときに前記アノード側サブスタック、前記カソード側サブスタック、および前記中央サブスタックによって電気が発生されるように、前記集電体スイッチ制御手段を用いて前記集電体スイッチを制御することを含む、燃料電池システムから発電する方法。
【請求項７】
前記所定の温度が０℃である、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記集電体スイッチ制御手段は、前記周囲温度測定手段により所定の温度以上の温度が測定されるときに前記アノード側およびカソード側サブスタックが直ちに発電し始めるように前記集電体スイッチを制御する、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
燃料電池スタックであり、当該燃料電池スタックの両端に配置された集電体および当該燃料電池スタックの中間位置に配置された２つの集電体により、アノード側サブスタック、中央サブスタック、およびカソード側サブスタックに分割された燃料電池スタックと、該燃料電池スタックの両端に配置された前記集電体および中間位置の前記集電体を負荷に接続する集電体スイッチと、集電体スイッチ制御手段と、タイマーとを備える燃料電池システムを設け、
前記アノード側サブスタックおよび前記カソード側サブスタックが発電し始める前に前記中央サブスタックが発電するように前記集電体スイッチ制御手段を用いて前記集電体スイッチを制御し、
前記タイマーを用いて前記中央サブスタックによる発電の開始からの時間を計測し、
前記タイマーが所定の時間を計測したときに前記アノード側サブスタック、前記カソード側サブスタック、および前記中央サブスタックによって電気が発生されるように、前記集電体スイッチ制御手段を用いて前記集電体スイッチを制御することを含む、燃料電池システムから発電する方法。
【請求項１０】
燃料電池スタックであり、当該燃料電池スタックの両端に配置された集電体および当該燃料電池スタックの中間位置に配置された２つの集電体により、アノード側サブスタック、中央サブスタック、およびカソード側サブスタックに分割された燃料電池スタックと、該燃料電池スタックの両端に配置された前記集電体および中間位置の前記集電体を負荷に接続する集電体スイッチと、集電体スイッチ制御手段と、中央サブスタック電圧測定手段とを備える燃料電池システムを設け、
前記アノード側サブスタックおよび前記カソード側サブスタックが発電し始める前に前記中央サブスタックが発電するように前記集電体スイッチ制御手段を用いて前記集電体スイッチを制御し、
前記電圧測定手段を用いて前記中央サブスタックの電圧を測定し、
前記電圧測定手段によって所定の電圧以上の電圧が測定されるときに前記アノード側サブスタック、前記カソード側サブスタック、および前記中央サブスタックによって電気が発生されるように、前記集電体スイッチ制御手段を用いて前記集電体スイッチを制御することを含む、燃料電池システムから発電する方法。
【請求項１１】
燃料電池スタックであり、当該燃料電池スタックの両端に配置された集電体および当該燃料電池スタックの中間位置に配置された２つの集電体により、アノード側サブスタック、中央サブスタック、およびカソード側サブスタックに分割されており、前記アノード側サブスタック、前記中央サブスタック、および前記カソード側サブスタックのそれぞれが複数の単位セルを備える燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの両端に配置された前記集電体および中間位置の前記集電体を負荷に接続する集電体スイッチと、
前記アノード側サブスタックおよび前記カソード側サブスタックが発電し始める前に前記中央サブスタックが発電するように、前記集電体スイッチを制御する集電体スイッチ制御手段と、
複数の燃料電池スタック温度測定手段であり、当該複数の燃料電池スタック温度測定手段のうちの１つが前記中央サブスタック上またはその内部に配置されており、当該複数の燃料電池スタック温度測定手段のうちの別のものが前記アノード側またはカソード側サブスタック上またはその内部に配置されている、複数の燃料電池スタック温度測定手段とを備える発電用燃料電池システム。
【請求項１２】
前記アノード側サブスタックおよび前記カソード側サブスタックが、それぞれ少なくとも３つの単位セルを備える、請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
さらに燃料電池スタック制御手段を備え、前記集電体スイッチ制御手段が前記燃料電池スタック制御手段と通信し、前記燃料電池スタック制御手段が前記燃料電池スタックと通信する、請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
請求項１１に記載の燃料電池システムを備える自動車両。
【請求項１５】
前記自動車両が自動車である、請求項１４に記載の自動車両。
【請求項１６】
燃料電池スタックであり、当該燃料電池スタックの両端に配置された集電体および当該燃料電池スタックの中間位置に配置された２つの集電体により、アノード側サブスタック、中央サブスタック、およびカソード側サブスタックに分割されており、前記アノード側サブスタック、前記中央サブスタック、および前記カソード側サブスタックのそれぞれが複数の単位セルを備える燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの両端に配置された前記集電体および中間位置の前記集電体を負荷に接続する集電体スイッチと、
前記アノード側サブスタックおよび前記カソード側サブスタックが発電し始める前に前記中央サブスタックが発電するように、前記集電体スイッチを制御する集電体スイッチ制御手段と、
前記中央サブスタックによる発電の開始からの時間を計測するための、前記集電体スイッチ制御手段と通信するタイマーとを備える発電用燃料電池システム。
【請求項１７】
前記アノード側サブスタックおよび前記カソード側サブスタックが、それぞれ少なくとも３つの単位セルを備える、請求項１６に記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
さらに燃料電池スタック制御手段を備え、前記集電体スイッチ制御手段が前記燃料電池スタック制御手段と通信し、前記燃料電池スタック制御手段が前記燃料電池スタックおよび前記タイマーと通信する、請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１９】
請求項１６に記載の燃料電池システムを備える自動車両。
【請求項２０】
前記自動車両が自動車である、請求項１６に記載の自動車両。
【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、特には自動車両用途で用いる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池が、電気車両等の自動車両用の代替電源として開発されてきた。燃料電池は、燃料電池の両端に課された負荷に応じて燃料電池が動作する、デマンド型電力系統である。通常、例えばガソリン、メタノール、ディーゼル油、ナフサ等の液体の水素含有燃料が、該燃料が水素を含むガス流に変換されたのち、燃料電池の燃料供給の働きをする。ガス流への変換は、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、水蒸気、酸素、および未燃燃料等の他のガスを通常含む水素ガス流へと液体燃料を変換するために燃料を燃料改質器に通すことで通常は達成される。そしてこの水素は、車両のための発電における燃料として燃料電池に用いられる。
【０００３】
高分子電解質膜型燃料電池は、概して、電極そしてガス拡散層の間で囲まれ、さらに燃料ガスおよび酸化剤ガス用の流路を有するセパレータの間で囲まれた高分子電解質膜を備える単位セルのスタックからなる。スタックはエンドプレートによって固定されている。集電体をエンドプレートとスタックとの間に設けてもよいし、またはエンドプレート自体が集電体として機能してもよい。燃料ガスとして水素を用い、酸化剤ガスとして酸素を用いる場合、化学反応によって電子が放出され、水が次の反応により副生成物として形成される。
【０００４】
Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ
したがって、燃料電池は、地球環境になんらの悪影響もないエネルギー源であり、近年、自動車で用いるための多くの研究の的であった。
【０００５】
反応生成物である水は環境に害はないが、大量の水反応生成物が燃料電池内にたまると、ガス流路とガス拡散層とをふさぎ、発電効率の低下を引き起こす。さらに、燃料電池が０℃以下の温度にさらされると、これは中高緯度地域においてよくあることであるが、たまった水が燃料電池内で凍結してガス流路をふさいでしまう。ガス流路が氷で詰まっているときには、凍結した燃料電池からの発電は不可能である。ヒーターを用いてこの氷を溶かしたとしても、氷を溶かすのには時間がかかり、したがって、電気車両の迅速な始動は、凍結した燃料電池を用いては不可能である。
【０００６】
それゆえ、氷点下の環境における発電を容易にするよう、スタックが凍結する前に燃料電池スタック内の水の量を減らすために各方法が試されてきた。そのような方法の一つは、たまった水を発電終了後に流路外に吹き出すために燃料ガスおよび酸化剤ガスの流量を増加させることである。別の方法は、流路を真空乾燥することである。しかし、これらの方法は、燃料電池を許容レベルまで乾燥させるのにかなりの時間がかかる。これはおそらく、ガスパージや真空乾燥によって燃料電池を乾燥させようとする際に、ガス拡散層そして電極内の小さな穴から水を除くことが難しいからである。
【０００７】
燃料電池スタックが低温で発電するとき、温度はスタックを通して均一には上昇しない。積重ね方向に沿って、スタックの中央部分における温度は、スタックの端に近接する燃料電池スタックの部分よりも迅速にかつより高く上昇する傾向があり、なぜなら、中央部分は周囲空気からより隔てられているからである。反対に、燃料電池スタックの端の温度はゆっくり上昇するが、これは、そこが周囲空気により近いからである。結果として、燃料電池スタックの端で電気を発生させるときに生成される水は、スタック内で凝縮または凍結することが知られており、スタックの端に近接する燃料電池からの連続した発電を妨げる。
【０００８】
自動車用途において燃料電池を乾燥または加熱する時間のかかる方法は適当ではなく、なぜなら、迅速な始動が要求されており、燃料電池は頻繁に動作状態と停止状態とを繰り返すからである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
燃料電池技術においては、燃料電池スタックの端部から凝縮および凍結した水を除く必要性が存在する。燃料電池技術においては、迅速かつ効率的な低温での発電開始に対する必要性が存在する。
【００１０】
電気車両技術においては、必要時に迅速かつ効率的に発電する燃料電池により電力が供給される電気車両に対する必要性が存在する。電気車両技術においては、ガス流路およびガス拡散層をふさぐ凍結水による発電開始の遅れをこうむらない燃料電池により電力が供給される電気車両に対する必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
これらおよび他の必要性は、本発明のある実施形態によって満たされ、これらは、燃料電池システムを設けるステップを含む燃料電池システムから発電する方法を提供するものである。この燃料電池システムは、燃料電池スタックの両端に配置された集電体および燃料電池スタックの中間位置に配置された２つの集電体により、アノード側サブスタック、中央サブスタック、およびカソード側サブスタックに分割された燃料電池スタックを備えている。集電体スイッチが、前記燃料電池スタックの両端に配置された前記集電体および中間位置の前記集電体を負荷に接続する。前記燃料電池システムはさらに、集電体スイッチ制御手段と、燃料電池スタック温度測定手段とを備えている。前記集電体スイッチは、前記アノード側サブスタックおよび前記カソード側サブスタックが発電し始める前に前記中央サブスタックが発電するように前記集電体スイッチ制御手段を用いて制御される。前記燃料電池スタックの温度が、前記温度測定手段を用いて測定される。前記集電体スイッチは、前記燃料電池スタック温度測定手段により所定の温度以上の温度が測定されるときに前記アノード側サブスタック、前記カソード側サブスタック、および前記中央サブスタックによって電気が発生されるように、前記集電体スイッチ制御手段を用いて制御される。
【００１２】
上記の必要性は、本発明のある実施形態によっても満たされ、これらは、燃料電池システムを設けるステップを含む燃料電池システムから発電する方法を提供するものである。この燃料電池システムは、燃料電池スタックの両端に配置された集電体および燃料電池スタックの中間位置に配置された２つの集電体により、アノード側サブスタック、中央サブスタック、およびカソード側サブスタックに分割された燃料電池スタックを備えている。集電体スイッチが、前記燃料電池スタックの両端に配置された前記集電体および中間位置の前記集電体を負荷に接続する。前記燃料電池システムはさらに、集電体スイッチ制御手段と、周囲温度測定手段とを備えている。前記集電体スイッチは、前記アノード側サブスタックおよび前記カソード側サブスタックが発電し始める前に前記中央サブスタックが発電するように前記集電体スイッチ制御手段を用いて制御される。前記燃料電池スタック付近の周囲温度が、前記周囲温度測定手段を用いて測定される。前記集電体スイッチは、前記周囲温度測定手段により所定の温度以上の温度が測定されるときに前記アノード側サブスタック、前記カソード側サブスタック、および前記中央サブスタックによって電気が発生されるように、前記集電体スイッチ制御手段を用いて制御される。
【００１３】
上記の必要性は、本発明のある実施形態によっても満たされ、これらは、燃料電池システムを設けるステップを含む燃料電池システムから発電する方法を提供するものである。この燃料電池システムは、燃料電池スタックの両端に配置された集電体および燃料電池スタックの中間位置に配置された２つの集電体により、アノード側サブスタック、中央サブスタック、およびカソード側サブスタックに分割された燃料電池スタックを備えている。集電体スイッチが、前記燃料電池スタックの両端に配置された前記集電体および中間位置の前記集電体を負荷に接続する。前記燃料電池システムはさらに、集電体スイッチ制御手段と、タイマーとを備えている。前記集電体スイッチは、前記アノード側サブスタックおよび前記カソード側サブスタックが発電し始める前に前記中央サブスタックが発電するように前記集電体スイッチ制御手段を用いて制御される。前記中央サブスタックによる発電の開始からの時間が、前記タイマーを用いて計測される。前記集電体スイッチは、前記タイマーが所定の時間を計測したときに前記アノード側サブスタック、前記カソード側サブスタック、および前記中央サブスタックによって電気が発生されるように、前記集電体スイッチ制御手段を用いて制御される。
【００１４】
上記の必要性は、さらに本発明のある実施形態によっても満たされ、これらは、燃料電池システムを設けるステップを含む燃料電池システムから発電する方法を提供するものである。この燃料電池システムは、燃料電池スタックの両端に配置された集電体および燃料電池スタックの中間位置に配置された２つの集電体により、アノード側サブスタック、中央サブスタック、およびカソード側サブスタックに分割された燃料電池スタックを備えている。集電体スイッチが、前記燃料電池スタックの両端に配置された前記集電体および中間位置の前記集電体を負荷に接続する。前記燃料電池システムはさらに、集電体スイッチ制御手段と、中央サブスタック電圧測定手段とを備えている。前記集電体スイッチは、前記アノード側サブスタックおよび前記カソード側サブスタックが発電し始める前に前記中央サブスタックが発電するように前記集電体スイッチ制御手段を用いて制御される。前記中央サブスタックの電圧が、前記電圧測定手段を用いて測定される。前記集電体スイッチは、前記電圧測定手段によって所定の電圧以上の電圧が測定されるときに前記アノード側サブスタック、前記カソード側サブスタック、および前記中央サブスタックによって電気が発生されるように、前記集電体スイッチ制御手段を用いて制御される。
【００１５】
さらに、上記の必要性は、本発明のある実施形態によって満たされ、これらは、発電用燃料電池システムを提供するものである。この燃料電池システムは、燃料電池スタックの両端に配置された集電体および燃料電池スタックの中間位置に配置された２つの集電体により、アノード側サブスタック、中央サブスタック、およびカソード側サブスタックに分割された燃料電池スタックを備えている。前記アノード側サブスタック、前記中央サブスタック、および前記カソード側サブスタックのそれぞれが複数の単位セルを備えている。集電体スイッチが、前記燃料電池スタックの両端に配置された前記集電体および中間位置の前記集電体を負荷に接続する。集電体スイッチ制御手段は、前記アノード側サブスタックおよび前記カソード側サブスタックが発電し始める前に前記中央サブスタックが発電するように、前記集電体スイッチを制御する。前記燃料電池システムはさらに、複数の燃料電池スタック温度測定手段であり、当該燃料電池スタック温度測定手段のうちの１つが前記中央サブスタック上またはその内部に配置されており、当該複数の燃料電池スタック温度測定手段のうちの別のものが前記アノード側またはカソード側サブスタック上またはその内部に配置されている、複数の燃料電池スタック温度測定手段を備えている。
【００１６】
くわえて、上記の必要性は、本発明のある実施形態によって満たされ、これらは、発電用燃料電池システムを提供するものである。この燃料電池システムは、燃料電池スタックの両端に配置された集電体および燃料電池スタックの中間位置に配置された２つの集電体により、アノード側サブスタック、中央サブスタック、およびカソード側サブスタックに分割された燃料電池スタックを備えている。前記アノード側サブスタック、前記中央サブスタック、および前記カソード側サブスタックのそれぞれが複数の単位セルを備えている。集電体スイッチが、前記燃料電池スタックの両端に配置された前記集電体および中間位置の前記集電体を負荷に接続する。集電体スイッチ制御手段は、前記アノード側サブスタックおよび前記カソード側サブスタックが発電し始める前に前記中央サブスタックが発電するように、前記集電体スイッチを制御する。前記集電体スイッチ制御手段と通信するタイマーが、前記中央サブスタックによる発電の開始からの時間を計測する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、氷点下の温度で迅速かつ効率的に発電する燃料電池システムに対する必要性に応えるものである。本発明はさらに、氷点下の温度で燃料電池システムを迅速かつ効率的に起動する方法に対する必要性に応えるものである。本発明はまた、氷点下の環境において迅速かつ効率的に始動する燃料電池システムを有する自動車両に対する必要性に応えるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の上記および他の特徴、態様および利点は、添付の図面と併せて解釈すれば、本発明の以下の詳細な説明において明らかとなるであろう。
【００１９】
本発明は、氷点下の温度中での発電方法を提供する。本発明はまた、氷点下の温度中で迅速かつ効率的に発電する燃料電池システムをも提供する。本発明は、さらに、氷点下の環境において迅速かつ効率的に始動する燃料電池システムを有する自動車両をも提供する。これらの利益は、燃料電池スタックの両端と、燃料電池スタックに沿って中間の位置とに配置された集電体によって、アノード側サブスタック、中央サブスタック、およびカソード側サブスタックに分割された燃料電池スタックを有する燃料電池システムを提供することによりもたらされる。
【００２０】
本発明のある実施形態においては、燃料電池スタックは３つのサブスタックに分割されており、すなわち、アノード側サブスタック、中央サブスタック、およびカソード側サブスタックである。この燃料電池スタックは、燃料電池スタックの両端の集電体と、少なくとも２つの中間集電体とによって分割されている。集電体スイッチによって、燃料電池スタックの端の集電体および中間の集電体が負荷に接続される。集電体スイッチ制御手段が設けられており、この集電体スイッチ制御手段は、アノード側サブスタックおよびカソード側サブスタックが発電し始める前に中央サブスタックが発電するように、集電体スイッチを制御する。
【００２１】
本発明の、単一のサブスタックのみを用いても、複数のサブスタックを用いても、または全体の燃料電池スタックを用いても電気を発生することができる。燃料電池スタックの端のサブスタックは、そこでは生成された水が凝縮または凍結する可能性がより高いが、スタックの端のサブスタックが０℃以下のような低い周囲温度では発電しないように制御することができる。低温での燃料電池システムの始動の間、電気は燃料電池スタックの中央部分で発生され、そこでは水が凝縮または凍結する可能性がより低い。燃料電池の設計最大出力は低温始動時には燃料電池スタックから得ることはできないが、電力を燃料電池スタックの起動と同時にすぐに得ることができる。
【００２２】
本発明のある実施形態においては、燃料電池スタックは、３つ以上の中間集電体によって４つ以上の部分に分割することができる。しかし、低い環境温度によって不利に影響されるセルは燃料電池スタックのアノード側およびカソード側のセルであるため、燃料電池スタックをさらに分割する必要はない。３つのサブスタック、すなわち、アノード側サブスタック、カソード側サブスタック、および中央サブスタックを用いれば、有害な低温での動作を避けるには十分である。さらに、サブスタックの数の増加によって燃料電池スタックの構成および制御はより複雑になり、中間の集電体の増加によって燃料電池の全体としての抵抗損失が増加する。したがって、スタックを４つ以上のサブスタックに分割することは望ましくはない。
【００２３】
本発明のある実施形態においては、アノード側サブスタックおよびカソード側サブスタックは、それぞれ少なくとも３つの単位セルから構成されている。本発明のある実施形態においては、アノード側サブスタックおよびカソード側サブスタックは、それぞれ５つの単位セルを備えている。
【００２４】
本発明のある実施形態においては、燃料電池スタックの温度測定手段が設けられている。燃料電池スタックの温度測定手段が、燃料電池スタックが発電し始める前に０℃よりも高ければ、集電体スイッチ制御手段は、燃料電池スタック全体が直ちに発電し始めるように、集電体スイッチを制御する。これは、燃料電池スタックの通常動作状態を示しており、燃料電池スタック内で生成される水は、どの単位セルにおいても凝縮も凍結もしない。
【００２５】
本発明のある実施形態においては、燃料電池スタックの温度測定手段が、中央サブスタックと、カソード側サブスタックまたはアノード側サブスタックの少なくともいずれか一方との表面または内部の温度を測定する。したがって、燃料電池スタック全体における発電開始を、アノード側サブスタックまたはカソード側サブスタックの温度に基づいて制御することができる。
【００２６】
本発明のある実施形態においては、燃料電池スタックの温度測定手段が、燃料ガス、酸化剤ガス、または燃料電池スタックから排出される冷却液のうちの少なくとも１つの温度を測定する。したがって、燃料電池スタック全体での発電開始を、燃料電池スタックのさまざまな温度指示に基づいて制御することができる。
【００２７】
本発明のある実施形態においては、燃料電池スタック付近の周囲温度を測定する手段が設けられている。周囲温度測定手段によって０℃よりも高い温度が測定されると、中央サブスタックが発電し始めた直後に燃料電池スタック全体が発電し始めるように、集電体スイッチ制御手段が集電体スイッチを制御する。したがって、燃料電池スタック内で生成された水が凝縮も凍結もしない条件で燃料電池システムが始動した直後に、通常の燃料電池システムの発電が始まる。
【００２８】
本発明のある実施形態においては、燃料電池スタック温度測定手段が設けられている。集電体スイッチ制御手段は、燃料電池スタックの温度が所定の温度に達したときに燃料電池スタック全体が発電するように、集電体スイッチを制御する。したがって、アノード側サブスタックおよびカソード側サブスタックを含む燃料電池スタック全体は、燃料電池スタック内で生成された水が凝縮または凍結しうるといういかなる危険性ももはや存在しないときに発電し始める。
【００２９】
本発明のある実施形態においては、集電体スイッチ制御手段は、アノード側サブスタックまたはカソード側サブスタックの表面または内部の温度が所定の温度に達したときに燃料電池スタック全体が発電するように、集電体スイッチを制御する。したがって、燃料電池スタック全体による発電への切替えは、温度が、アノード側サブスタックまたはカソード側サブスタックにおいて、生成された水が凝縮または凍結するであろう温度を超えて上昇したことを確認した後に行われる。
【００３０】
本発明のある実施形態においては、中央サブスタックによる発電開始と同期して時間を計測するタイマーが設けられている。集電体スイッチ制御手段は、タイマーが所定の時間を計測したときに燃料電池スタック全体が発電するように、集電体スイッチを制御する。したがって、アノード側サブスタックおよびカソード側サブスタックを含む燃料電池スタック全体は、燃料電池スタック内で生成された水が凝縮または凍結しうるといういかなる危険性ももはや存在しないときに発電し始める。
【００３１】
本発明のある実施形態においては、中央サブスタック電圧測定手段が設けられている。集電体スイッチ制御手段は、中央サブスタックの電圧が所定の電圧に達したときに燃料電池スタック全体が発電するように、集電体スイッチを制御する。したがって、アノード側サブスタックおよびカソード側サブスタックを含む燃料電池スタック全体は、燃料電池スタック内で生成された水が凝縮または凍結しうるといういかなる危険性ももはや存在しないときに発電し始める。
【実施例１】
【００３２】
図１は、実施例１で記述するような本発明の実施形態の概略を示している。高分子電解質膜燃料電池スタック１０は、アノード側集電体１１とカソード側集電体１４との間に挟まれた５０個の単位セルで構成されている。中間集電体（アノード側）１２および中間集電体（カソード側）１３が、それぞれ、アノード側集電体１１およびカソード側集電体１４から５つの単位セルを隔てたところに設けられている。集電体スイッチ１８は、各集電体１１，１２，１３，１４と負荷１９との間に設けられている。集電体スイッチ１８は、集電体スイッチ制御手段２０によって制御される。アノード側サブスタック温度センサ２２がアノード側サブスタック１５の表面に設けられ、カソード側サブスタック温度センサ２３がカソード側サブスタック１７の表面に設けられている。２つの温度センサ２２，２３からの情報は、集電体スイッチ制御手段２０に送られる。
【００３３】
集電体スイッチ制御手段２０は、図２に示すフローチャートに従って集電体スイッチ１８を制御する。ステップ３０で、アノード側サブスタック温度センサ２２およびカソード側サブスタック温度センサ２３からの情報に基づいて、アノード側サブスタック１５およびカソード側サブスタック１７の凍結状態が判断される。両方のサブスタックの温度が０℃を超えて上昇した場合、両方のサブスタックは凍結していないと判断され、プロセスはさらなる変更なしにステップ３４に進み、高分子電極膜燃料電池スタック１０全体が発電し始める。ステップ３０で、２つの温度センサ２２，２３のうちの少なくとも一方により０℃以下が測定された場合、集電体スイッチ１８は、ステップ３１で示すように、中央サブスタック１６のみが発電できるように設定される。集電体スイッチ制御手段２０が、燃料電池スタック制御手段２１と通信する。続いて、ステップ３２で、燃料電池スタック制御手段２１は、発電を開始せよとの命令を集電体スイッチ制御手段２０から受信する。燃料電池スタック制御手段２１が、燃料電池スタック１０と通信し、高分子電解質膜燃料電池スタック１０内に導入される水素および空気の圧力、流量、温度、および露点を制御する。ステップ３３で、アノード側サブスタック温度センサ２２およびカソード側サブスタック温度センサ２３の温度は、発電中、常に監視されており、これら２つの温度センサにより０℃を超えた温度が測定されると、集電体スイッチ１８がステップ３４で示すように設定される。この制御の結果、高分子電解質膜燃料電池スタック１０全体が発電する。
【実施例２】
【００３４】
図３は、実施例２で記述するような本発明の実施形態の概略を示している。集電体スイッチ制御手段４０は、図４に示すフローチャートに従って集電体スイッチ１８を制御する。集電体スイッチ１８がステップ５０で示すように設定されるため、中央サブスタック１６のみが発電することができる。集電体スイッチ制御手段４０が、燃料電池スタック制御手段２１と通信する。続いて、ステップ５１で、燃料電池スタック制御手段２１は、発電せよとの命令を集電体スイッチ制御手段４０から受け取る。燃料電池スタック制御手段２１が、燃料電池スタック１０と通信し、燃料電池スタック制御手段２１が、高分子電解質膜燃料電池スタック１０内に導入される水素および空気の圧力、流量、温度、および露点を制御する。高分子電極膜燃料電池スタック１０がステップ５１で発電し始めると、燃料電池スタック制御手段２１がタイマー４１と通信し、タイマー４１はステップ５２で時間を計測し始める。タイマー４１が、集電体スイッチ制御手段４０と通信する。タイマー４１が発電開始から１５分間を計測すると、集電体スイッチ制御手段４０が、ステップ５３で示すように集電体スイッチ１８を設定する。１５分という時間は、高分子電解質膜燃料電池スタック１０がアノード側サブスタック１５およびカソード側サブスタック１７を０℃を超えて暖めるのに十分な、実験により定められる期間である。結果として、集電体スイッチ１８がステップ５３に示すように設定されると、高分子電解質膜燃料電池スタック１０全体が発電することができる。
【実施例３】
【００３５】
図５は、実施例３で記述するような本発明の実施形態の概略を示している。冷却液出口温度センサ６０が、高分子電解質膜燃料電池スタック１０の冷却液出口管６２内に設けられている。冷却液出口温度センサ６０により測定された温度が０℃以下である場合、集電体スイッチ制御手段６１は、高分子電解質膜燃料電池スタック１０の内部の水が凍結していると判断し、中央サブスタック１６のみが発電しうるように集電体スイッチ１８を制御する。その後、発電が始まり、冷却液出口温度センサ６０により０℃を超える温度が測定されると、集電体スイッチ制御手段６１は、高分子電解質膜燃料電池スタック１０の内部が解凍されたと判断し、高分子電解質膜燃料電池スタック１０全体が発電しうるように集電体スイッチ１８を制御する。
【実施例４】
【００３６】
図６は、実施例４で記述するような本発明の実施形態の概略を示している。電圧計７０が負荷１９の両端に接続されている。この電圧計が、集電体スイッチ制御手段７１と通信する。集電体スイッチ制御手段と通信する周囲温度センサ７２も、高分子電解質膜燃料電池スタック１０に近接して設けられている。
【００３７】
周囲温度センサ７２が０℃以下の温度を測定した場合、集電体スイッチ制御手段７１は、水が高分子電解質膜燃料電池スタック１０の内部で凍結していると判断し、中央サブスタック１６のみが発電しうるように集電体スイッチ１８を制御する。発電が始まり、電圧計７０が所定の電圧を測定したあとに、集電体スイッチ制御手段７１は、高分子電解質膜燃料電池スタック１０の内部が解凍されたと判断し、高分子電解質膜燃料電池スタック１０全体が発電しうるように集電体スイッチ１８を制御する。所定の電圧は実験により定められる。
【００３８】
本発明のある実施形態においては、図７に示すような、自動車１３０等の自動車両が提供され、本明細書において前述のような燃料電池システムのいずれかを備えている。自動車１３０は、発電するのに燃料電池１３４が必要とする燃料を蓄えるために燃料タンク１３２を備えている。燃料電池１３４によって発生された電気は、１つ以上のバッテリー１３６に蓄えられる。燃料電池によって発生された電気、および／または１つ以上の二次電池１３６に蓄えられた電気を利用してモーター１３８を動かす。そして今度はモーター１３８により、自動車１３０を動かす車輪１４０が回転される。
【００３９】
本開示において示した各実施形態は実例のためのものである。それらは特許請求の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。記述した燃料電池システムは、自動車のような電気車両に特に好適であるが、本燃料電池システムは、自動二輪車、バス、トラック、レクリエーション用車両、農業用および工業用機器を含む、本特許請求の範囲内に包まれる多種多様の自動車両に好適である。当業者には明らかなように、本開示は、本明細書中で具体的に示されていない多種多様な実施形態を包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施形態による燃料電池システムの断面を概略的に示している。
【図２】燃料電池スタックの温度に応じて集電体スイッチを制御する手段の動作を示すフローチャートである。
【図３】本発明の別の実施形態による燃料電池システムの断面を概略的に示している。
【図４】タイマーに合わせて集電体スイッチを制御する手段の動作を示すフローチャートである。
【図５】本発明の別の実施形態による燃料電池システムの断面を概略的に示している。
【図６】本発明の別の実施形態による燃料電池システムの断面を概略的に示している。
【図７】本発明の一実施形態による燃料電池システムを有する自動車を示している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【外国語明細書】
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