(57)【要約】      （修正有）【課題】  低温環境下における起動時間を短縮することを課題とする。【解決手段】  燃料電池スタック１０１を構成する全セルの内、燃料電池スタック１０１の両端部の所定の数のエンドセルは、多孔質プレートを介して加湿用水分が水素ガスならびに空気ガスに与えられるセルで構成され、他のセルのセンターセルは、ソリッドプレートが使用されたセルで構成されている。【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い、発電により発生した熱を除去する冷却媒体が流通する流路を備えた複数のセルが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を構成する全セルの内、前記燃料電池スタックの両端部の所定の数のエンドセルは、多孔質プレートを介して加湿用水分が反応ガスに与えられるセルで構成され、前記燃料電池スタックの他のセルは、ソリッドプレートが使用されたセルで構成されている
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記冷却媒体を加熱する加熱手段と、
前記加熱手段で加熱された冷却媒体を前記エンドセルに選択的に供給制御する冷却媒体供給手段を備え、
低温環境下での前記燃料電池システムの起動時に、前記加熱手段で加熱された冷却媒体を、前記冷却媒体供給手段により前記エンドセルにのみ選択的に供給し、加熱された冷却媒体で前記エンドセル内の凍結水を解凍し、解凍後直ちに前記燃料電池スタックの全セルの発電を開始する
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】
前記エンドセルは、冷却媒体が流通する流路が形成されたクーラープレートがアノード側とカソード側とにそれぞれ挿入されている
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低温起動時に加熱した媒体を燃料電池本体に供給することで、低温環境下での起動性を改善した燃料電池システムに関する。
【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）。この文献には、加熱ヒータで加熱された冷却水が、燃料電池の各セルを通過するように配置された熱媒体循環路を介して循環して燃料電池を昇温する一方、燃料電池の両端部あるいは燃料電池の両端部の近傍に設けられた熱媒体バイパス経路に、加熱ヒータで加熱された冷却水を集中的に循環させ、燃料電池の両端部を優先的に加熱する技術が記載されている。燃料電池の両端部を加熱することで、締結具等による熱損失で燃料電池の両端部の熱が奪われることを防止でき、燃料電池全体を平均的に昇温させることができる。
【０００３】
このように、加熱された冷却水を燃料電池に循環させることにより、凍結していた燃料電池内部の水が融解し、燃料電池が発電可能な状態になると、燃料電池に水素および空気の供給を開始し、燃料電池で発電を開始する。この時に、燃料電池の両端部のセルを優先的に加熱しているので、燃料電池の両端部の発電出力が低下することを防止し、各セルの出力を安定化させるようにしている。
【特許文献１】特開２００３−３３１８８６
【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、低温起動時には、燃料電池の両端部のセルを優先的に加熱することで、燃料電池の両端部のセルの温度が他の部位のセルに比べて低くなることを回避し、燃料電池全体が平均的に昇温するようにしていた。
【０００５】
しかし、凍結していた燃料電池内部の水が完全に解凍し、燃料電池が発電可能状態になった後に、燃料電池の発電を開始していた。このため、燃料電池の両端部を優先的に加熱したからといって、燃料電池内部の凍結していた水をすべて解凍するには、長い時間がかかかるので、氷点下におけるシステムの起動時間が長くなるといった問題を招いていた。
【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、低温環境下における起動時間を短縮した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】
【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い、発電により発生した熱を除去する冷却媒体が流通する流路を備えた複数のセルが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を構成する全セルの内、前記燃料電池スタックの両端部の所定の数のエンドセルは、多孔質プレートを介して加湿用水分が反応ガスに与えられるセルで構成され、前記燃料電池スタックの他のセルは、ソリッドプレートが使用されたセルで構成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、エンドセルに多孔質プレートを使用し、他のセルでは水分の保有量が少ないソリッドプレートを使用することで、エンドセルが解凍された時点で全セルの発電を開始することが可能となる。これにより、低温環境下でのシステムの起動時間を短縮することができる。
【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る。図１に示す実施例１のシステムは、燃料電池スタック１０１、エンドプレートヒータ１０２、冷却水ポンプ１０３、純水ポンプ１０４、純水タンク１０５、燃焼器熱交換器１０６、ラジエータ１０７、シャットバルブ１０８，１０９、三方バルブ１１０、温度計１１１，１１２，１１３、ならびに図示しないがコントロールユニットを備えている。
【００１１】
燃料電池スタック１０１は、加湿された燃料ガスの水素と酸化剤ガスの空気との化学反応により発電を行い、図２に示すように構成されている。
【００１２】
図２において、燃料電池スタック１０１は、複数枚のセルが積層されて構成されている。積層された複数枚のセルの内、燃料電池スタック１０１の両端部側の各エンドセル２０１は、水分透過性の多孔質プレートに形成された流路（溝）を介して加湿用の純水が反応ガスの水素ならびに空気に与えられる。これに対して、燃料電池スタック１０１のエンドセル２０１を除く他のセル（以下、センターセル２０２と呼ぶ）は、反応ガスを透過しないソリッドタイプのソリッドプレートのセパレータに形成された流路（溝）を介して反応ガスの水素ならびに空気が発電部に与えられる。
【００１３】
エンドセル２０１の総枚数は、少なくとも２枚（片端部１枚ずつ）、もしくは燃料電池スタック１０１を構成するセルの総枚数の例えば１％程度〜１０％程度の範囲内で、システムの要求定格出力（セルの総枚数、セル面積によるスタックのサイズで規定される）、ならびにシステムの氷点下からの起動の頻度等に基づいて、適宜選択される。
【００１４】
燃料電池スタック１０１は、その両端部にエンドプレートヒータ１０２が設けられている。このエンドプレートヒータ１０２は、電気ヒータで構成され、低温起動時に２次電池（図示せず）から給電されてエンドセル２０１を加熱し、エンドセル２０１の昇温を補助促進させる。
【００１５】
エンドセル２０１は、図３に示すように構成されている。図３において、エンドセル２０１は、発電部として機能する膜電極接合体（ＭＥＡ：  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）３０１、このＭＥＡ３０１を挟み込んで配置された一対の多孔質プレート３０２、この一対の多孔質プレート３０２を挟み込んで配置された一対のクーラープレート３０３、ならびに一対のクーラープレート３０３を挟み込んで配置され、隣接するエンドセルを分離する一対のセパレータ３０４を備えて構成されている。
【００１６】
ＭＥＡ３０１は、電解質膜（図示せず）の両側を触媒層（図示せず）で挟み、さらにその外側にカーボン層（図示せず）、ならびにガス拡散層（ＧＤＬ、図示せず）が配置されて構成される。ＭＥＡ３０１は、加湿された反応ガスの水素と空気を化学反応させて発電し、発電により得られた電力が取り出されて外部の回路に供給される。
【００１７】
一対の多孔質プレート３０２は、一方がアノード側となり、他方がカソード側となる。アノード側の多孔質プレート３０２、例えば図３においてＭＥＡ３０１の左側に配置された多孔質プレート３０２とすると、ＭＥＡ３０１に隣接する側には、水素の流路３０５となる溝が形成され、この流路３０５を水素が流通し、流通する水素が隣接するＭＥＡ３０１に与えられる。また、アノード側の多孔質プレート３０２には、水素の流路３０５となる溝に対向して加湿用の純水の流路３０６となる溝が形成され、この流路３０６に加湿用の純水が流通し、流通する純水が多孔質プレート３０２を介して流路３０５を流通する水素に与えられて水素が加湿される。したがって、アノード側の多孔質プレート３０２は、加湿用の純水を透過させることで水分を保有することになる。
【００１８】
一方、カソード側の多孔質プレート３０２、例えば図３においてＭＥＡ３０１の右側に配置された多孔質プレート３０２とすると、ＭＥＡ３０１に隣接する側には、空気の流路３０７となる溝が形成され、この流路３０７を空気が流通し、流通する空気が隣接するＭＥＡ３０１に与えられる。また、アノード側の多孔質プレート３０２には、空気の流路３０７となる溝に対向して加湿用の純水の流路３０８となる溝が形成され、この流路３０８に加湿用の純水が流通し、流通する純水が多孔質プレート３０２を介して流路３０８を流通する空気に与えられて空気が加湿される。したがって、カソード側の多孔質プレート３０２にあっても、加湿用の純水を透過させることで水分を保有することになる。
【００１９】
クーラープレート３０３は、セパレータ３０４に隣接する側に、冷却水の流路３０９となる溝が形成され、この流路３０９を冷却水が流通し、流通する冷却水でセルが冷却又は加熱される。すなわち、流路３０９を流通する冷却水を冷却することで、化学反応により発熱したエンドセル２０１は冷却される一方、流路を流通する冷却水を加熱することで、エンドセル２０１は加熱される。
【００２０】
図１に戻って、冷却水ポンプ１０３は、燃料電池スタック１０１の全セルに、一般的な不凍液（ＬＬＣ）の冷却水を供給するポンプであり、純水ポンプ１０４は、多孔質プレート３０２に加湿用の純水を供給するポンプである。
【００２１】
純水タンク１０５は、純水ポンプ１０４により多孔質プレート３０２に供給される加湿用の純水を貯蔵する。なお、多孔質プレート３０２を使用したエンドセルの枚数が少ない場合には、加湿用の純水を予め純水タンク１０５に貯蔵せず、発電開始後に生成される水分で賄うようにしてもよい。この場合には、純水タンク１０５、純水ポンプ１０４ならびに加湿用純水をエンドセル２０１に導く配管等の純水供給用の構成が不要となる。
【００２２】
燃焼器熱交換器１０６は、燃料電池スタック１０１、冷却水ポンプ１０３を循環流通する冷却水の循環経路に配置され、各セルに供給される冷却水を加熱する。なお、冷却水の加熱は、この燃焼器熱交換器１０６に代えて電気ヒータで行ってもよい。
【００２３】
燃焼器熱交換器１０６、燃料電池スタック１０１、冷却水ポンプ１０３を含む冷却水の循環経路において、燃焼器熱交換器１０６ならびに冷却水ポンプ１０３の上流側の配管の一部は、純水タンク１０５を貫通して配置されている。これにより、純水タンク１０５内の純水が凍結した場合に、加熱された冷却水が純水タンク１０５を通過することで、凍結した純水の解凍を促進するようにしている。
【００２４】
ラジエータ１０７は、燃料電池スタック１０１から排出されて温めされた冷却水が流入し、流入した冷却水と外気との間で熱交換して、冷却水を冷却する。ラジエータ１０７で冷却された冷却水は、冷却水ポンプ１０３に流入する。
【００２５】
シャットバルブ１０８は、冷却水ポンプ１０３と燃料電池スタック１０１へ供給される冷却水の入口側との間に設けられ、シャットバルブ１０９は、燃料電池スタック１０１から排出される冷却水の出口側と三方バルブ１１０との間に設けられ、両バルブは冷却水を燃料電池スタック１０１のセンターセル２０２に選択的に供給制御する。すなわち、双方のシャットバルブ１０８、１０９を開放することで、冷却水が燃料電池スタック１０１の全セルに供給され、双方のシャットバルブ１０８，１０９を閉じることで、冷却水の燃料電池スタック１０１のセンターセル２０２への供給が遮断され、エンドセル２０１にのみ冷却水が供給される。
【００２６】
三方バルブ１１０は、燃料電池スタック１０１から排出された冷却水を、燃焼器熱交換器１０６側のバイパス流路又はラジエータ１０７側へ選択的に切り替える。すなわち、三方バルブ１１０は、冷却水を冷却する場合にはラジエータ１０７側に切り替えられ、燃料電池スタック１０１から排出された冷却水をラジエータ１０７に流通させる一方、冷却水を加熱する場合には燃焼器熱交換器１０６側に切り替えられ、冷却水を燃焼器熱交換器１０６に流通させる。
【００２７】
温度計１１１，１１２は、燃料電池スタック１０１の対応したエンドセル２０１から排出された冷却水の温度を計測し、計測した温度はコントロールユニットに与えられて、計測された温度に基づいて低温環境下でのエンドセル２０１内の水分の解凍状況が把握される。
【００２８】
温度計１１３は、純水タンク１０５に貯蔵された純水の温度を計測し、計測された温度はコントロールユニットに与えられて、計測された温度に基づいて低温環境下での純水タンク１０５に貯蔵された純水の解凍状況が把握される。
【００２９】
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温度計１１１，１１２，１１３を含む各センサ（図示せず）からの信号を読み込み、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、
冷却水ポンプ１０３，純水ポンプ１０４、燃焼器熱交換器１０６、シャットバルブ１０８，１０９、三方バルブ１１０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、低温環境下でのシステムの起動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。
【００３０】
なお、燃料電池スタック１０１のセンターセル２０２における反応ガスの加湿において、カソ−ド側の空気は、図示されていないが公知のＷＲＤ（Ｗａｔｅｒ・Ｒｅｃｏｖｅｒｙ・Ｄｅｖｉｃｅ）を用いて、燃料電池スタック１０１から排出されたオフガスの空気に含まれる発電で生成された水分を回収し、回収した水分を入口側に戻すことで加湿される。一方、アノード側の水素は、燃料電池スタック１０１から排出されたオフガスの水素を入口側に戻して水素を循環させることで、オフガスの水素に含まれる水分により加湿される。したがって、センターセル２０２のアノード側には、加湿用の純水を供給する構成は設けられていない。
【００３１】
このような構成においては、図４のフローチャートに示す手順にしたがって、低温環境下で本システムが起動されて発電が開始される。
【００３２】
図４において、外気温が氷点下で、システムの起動を開始すると（ステップＳ４０）、先ず燃料電池スタック１０１のエンドプレートヒータ１０２に通電し、エンドプレートヒータ１０２で発生した熱で燃料電池スタック１０１のエンドセル２０１を加熱する（ステップＳ４１）。続いて、コントロールユニットから与えられる指令に基づいてシャットバルブ１０８，１０９を閉弁し、かつ冷却水の循環経路がラジエータ１０７をバイパスする燃焼器熱交換器１０６側となるように三方バルブ１１０を切り替える。
【００３３】
その後、コントロールユニットから与えられる指令に基づいて、冷却水ポンプ１０３ならびに燃焼器熱交換器１０６を作動する（ステップＳ４３）。これにより、燃焼器熱交換器１０６で加熱されて冷却水ポンプ１０３により送り出された冷却水は、燃料電池スタック１０１のエンドセル２０１にのみ供給される。したがって、燃料電池スタック１０１のエンドセル２０１は、エンドプレートヒータ１０２ならびに加熱された冷却水で集中的に加熱されて昇温される。この結果、エンドセル２０１では、凍結した水分が迅速に解凍される。
【００３４】
その後、エンドセル２０１から排出された冷却水の温度を、エンドセル２０１の冷却水の出口側に設けられた温度計１１１，１１２で計測し、計測された冷却水の温度が、予め設定された規定温度以上、例えば５℃以上になったか否かを判別する（ステップＳ４４）。判別の結果、冷却水の温度が規定温度以上になった場合には、シャットバルブ１０８，１０９を開弁し、それまでエンドセル２０１にのみ供給されていた加熱された冷却水をエンドセル２０１に加えてセンターセル２０２にも供給し始める。これと同時に、コントロールユニットからの指令に基づいて燃料電池スタック１０１の全セルに反応ガスを供給して発電を開始する（ステップＳ４５）。
【００３５】
ここで、燃料電池スタック１０１のセンターセル２０２では、ソリッドプレートのセパレータを使用しているため、システム停止時のパージ処理により水滴程度の水分しか残留しておらず、エンドセル２０１に比べて水分の保有量が極めて少ない。また、発電を開始すると、エンドセル２０１で自己発熱し、両端のエンドセル２０１からセンターセル２０２に向けて放熱される。これにより、エンドセル２０１の解凍が終了して、加熱された冷却水をセンターセル２０２に供給すると同時に発電を開始するようにしても、センターセル２０２では急速に解凍が進み、直ちに発電が可能な状態となる。
【００３６】
また、エンドセル２０１の枚数がセンターセル２０２の枚数に比べて少なく、したがってエンドセル２０１の多孔質プレート３０２の数も少ないので、発電の際にエンドセル２０１の多孔質プレート３０２で必要とされる加湿用純水の純水タンク１０５内に保有される量は、少なくて済む。このため、加熱された冷却水を燃料電池スタック１０１に供給する際に、加熱冷却水を純水タンク１０５内を通過させて、純水タンク１０５の凍結した純水を解凍するには、それ程多くの時間はかからない。したがって、発電開始前に純水タンク１０５内の純水の一部又は全部の解凍が終了している可能性が高く、発電開始当初から、加湿用純水を燃料電池スタック１０１に供給することが可能となる。
【００３７】
しかし、エンドセル２０１の多孔質プレート３０２には、発電前であっても前回の発電時に供給された水分が含まれているため、必ずしも発電開始時に純水タンク１０５内の純水の解凍が終了している必要はない。すなわち、発電当初は多孔質プレート３０２に含まれていた水分が加湿用の水分と使用される。
【００３８】
発電が開始された後、温度計１１３で計測された純水タンク１０５内の純水の温度が、予め設定された規定温度以上、例えば５℃以上になったか否かを判別する（ステップＳ４６）。判別の結果、純水の温度が規定温度以上になった場合には、純水ポンプ１０４を作動し（ステップＳ４７）、エンドセル２０１の多孔質プレート３０２に加湿用の純水を供給し、発電が継続して行われる。
【００３９】
以上説明したように、この実施例１では、燃料電池スタック１０１におけるエンドセル２０１の数セルに多孔質プレートを使用し、センターセル２０２ではソリッドプレートを使用することにより、氷点下での起動時にエンドセル２０１が解凍された時点で発電を開始することが可能となり、氷点下からのシステムの起動時間を短縮することができる。
【００４０】
また、エンドセル２０１に多孔質プレートを使用することにより、通常運転時にエンドセル２０１のフラッディングを防止することができる。
【００４１】
さらに、外気温度が氷点下の場合には、一旦解凍後のセルであっても、発電開始時にセルの触媒層で水のフラッディングが生じて再凍結し、これにより性能が低下して恒久劣化のおそれがあった。しかし、上記実施例１では、エンドセル２０１に多孔質プレートを採用することにより、上記不具合を防止することができる。
【００４２】
また、氷点下からの起動時に、加熱された冷却水をエンドセル２０１にのみ供給することで、エンドセル２０１を迅速に解凍することができる。したがって、エンドセル２０１の解凍後、全てのセルの発電を開始することで、低温環境下におけるシステムの起動時間を、全セルの解凍を待って発電を開始する従来に比べて大幅に短縮することができる。
【００４３】
また、エンドセル２０１にのみ、冷却水をエンドセル２０１に流すクーラープレート３０３を２枚挿入することにより、氷点下からの起動時に、クーラープレート３０３を１枚
にする場合に比べてエンドセル２０１の解凍時間を短縮することができる。
【００４４】
なお、例えばセンターセル２０２に多孔質プレートを使用する場合には、クーラープレートは１枚のみでよい。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【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に示す燃料電池スタックの構成を示す図である。
【図３】図２に示すエンドセルの構成を示す図である。
【図４】本発明の実施例１に係るシステムの起動手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４６】
１０１…燃料電池スタック
１０２…エンドプレートヒータ
１０３…冷却水ポンプ
１０４…純水ポンプ
１０５…純水タンク
１０６…燃焼器熱交換器
１０７…ラジエータ
１０８，１０９…シャットバルブ
１１０…三方バルブ
１１１，１１２，１１３…温度計
２０１…エンドセル
２０２…センターセル
３０１…ＭＥＡ
３０２…多孔質プレート
３０３…クーラープレート
３０４…セパレータ
３０５，３０６，３０７，３０８，３０９…流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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