(57)【要約】【課題】燃料電池モジュールの発電性能を安定化する。【解決手段】複数の出力端子２０ａ，２０ｂを離間した位置に有し、燃料電池スタックの正極側の単一の単位セル１６に接するように設けられた集電板１８ａ、又は、複数の出力端子２２ａ，２２ｂを離間した位置に有し、燃料電池スタックの負極側の単一の単位セル１６に接するように設けられた集電板１８ｂを備える単位セル１６を直列に積層した燃料電池スタック１０により上記課題を解決することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一のセルを含む燃料電池であって、
複数の出力端子を離間した位置に有し、燃料電池の正極側又は負極側の単一のセルに接するように設けられた集電板を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記出力端子は、前記燃料電池へ酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給口又は前記燃料電池から酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出口の近傍に配置されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記出力端子は、前記燃料電池へ燃料ガスを供給するための燃料ガス供給口又は前記燃料電池から燃料ガスを排出するための燃料ガス排出口の近傍に配置されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１つに記載の燃料電池において、
前記複数の出力端子は、前記集電板に対して空間的に対称な位置に配置されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載の燃料電池において、
前記集電板は、絶縁体によって複数の領域に電気的に分割されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１つに記載の燃料電池において、
前記出力端子毎に燃料電池の発電状態を検出するセンサが設けられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１つに記載の燃料電池において、
前記セルの少なくとも１つに当該セルの出力状態を測定するセルモニタ用センサを備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
請求項１〜５のいずれか１つに記載の燃料電池と、
切替信号に応じて前記複数の出力端子のいずれか１つを選択する切替スイッチと、
前記切替スイッチに対して切替信号を出力する制御部と、
を備えることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記制御部は、予め定められた切替スケジュールに応じて経時的に前記切替スイッチを切り替えさせる切替信号を出力することを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項１０】
請求項６に記載の燃料電池と、
切替信号に応じて前記複数の出力端子のいずれか１つを選択する切替スイッチと、
前記センサからの出力値に応じて前記切替スイッチに対して切替信号を出力する制御部と、
を備えることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項１１】
請求項７に記載の燃料電池と、
切替信号に応じて前記複数の出力端子のいずれか１つを選択する切替スイッチと、
前記セルモニタ用センサからの出力値に応じて前記切替スイッチに対して切替信号を出力する制御部と、
を備えることを特徴とする燃料電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料流体を用いて電力を発生させる燃料電池及び燃料電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の発電セルを積層してなる燃料電池スタックにおいて、複数の単位セルのそれぞれに正極端子と負極端子とをそれぞれ１つずつ設け、接続端子間の電気的な接続関係を柔軟かつ容易に切り替えることを可能とした燃料電池モジュールが開示されている（特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１１５３１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の一般的な燃料電池スタックでは、発電セルの端面における正極及び負極の集電板の面内において、電流の取り出し部となる出力端子がそれぞれ１つ設けられている。上記特許文献１に記載の燃料電池スタックにおいても、積層される各単位セルには正極と負極においてそれぞれ１つの出力端子が設けられることに変わりはない。
【０００５】
しかしながら、正極及び負極の一箇所のみに出力端子を設けた場合、発電セル内のガス流路、発電セルの構成部材のレイアウト、ガス濃度（酸素濃度）の分布等と共に、出力端子の配設位置によって集電板面内において発電の不均一な分布が生ずる。これによって、燃料電池スタック内において生成される水の濃度が不均一となり、発電セルの性能の安定性が損なわれる問題が生ずる。また、出力端子が配置された位置の周辺に発電が集中し、発電セルの一部分のみに負荷の集中が断続的に起こり、発電セル及び集電板の耐久性においても好ましくなかった。これらの問題は、積層される各単位セルの正極と負極においてそれぞれ１つの出力端子が設けられた上記特許文献１の発電セルにおいても同様である。
【０００６】
そこで、本発明は、上記課題の少なくとも一つを解決することができる燃料電池及び燃料電池モジュール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】
【０００７】
本発明は、少なくとも一のセルを含む燃料電池であって、複数の出力端子を離間した位置に有し、燃料電池の正極側又は負極側の単一のセルに接するように設けられた集電板を備えることを特徴とする。
【０００８】
燃料電池モジュールは、上記燃料電池と、切替信号に応じて前記複数の出力端子のいずれか１つを選択する切替スイッチと、前記センサからの出力値に応じて切替スイッチに対して切替信号を出力する制御部と、を備えるものとする。例えば、前記制御部は、予め定められた切替スケジュールに応じて経時的に前記切替スイッチを切り替えさせる。
【０００９】
このように単一の電解質膜にて生成された電力を出力するために設けられた集電板に複数の出力端子を設けることによって、経時的に出力端子を切り替えて燃料電池内における発電が集中する領域を経時的に移動させることができる。すなわち、発電領域を空間的に均等化させることができる。すなわち、燃料電池内において生成される水の濃度が従来よりも均一化され、セルの性能の安定性が向上する。また、セル及び集電板の耐久性が向上する。
【００１０】
ここで、前記出力端子は、前記燃料電池へ酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給口又は前記燃料電池から酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出口の近傍に配置されていることが好適である。また、前記出力端子は、前記燃料電池へ燃料ガスを供給するための燃料ガス供給口又は前記燃料電池から燃料ガスを排出するための燃料ガス排出口の近傍に配置されていることも好適である。
【００１１】
酸化剤ガス供給口、酸化剤ガス排出口、燃料ガス供給口、燃料ガス排出口の近傍領域では反応が他の領域よりも活発となり易い。そこで、出力端子をこれらの領域付近に設け、経時的に出力端子を切り替えて電力を取り出すことによって、燃料電池の発電領域の均等化をより効果的に行うことができる。
【００１２】
また、前記複数の出力端子は、前記集電板に対して空間的に対称な位置に配置されていることが好適である。この場合も、経時的に出力端子を切り替えて電力を取り出すことによって、燃料電池の発電領域の均等化がより顕著となる。
【００１３】
また、前記集電板は、互いに異なる位置に出力端子を有する複数の集電板の集合体であっても良い。例えば、絶縁体や空隙によって複数の領域に電気的に分割されていることが好適である。より具体的には、前記集電板を前記出力端子毎に独立した領域に分割する。前記集電板を互いに絶縁された複数の領域に分割することによって、前記出力端子を切り替えて電力を取り出した場合に燃料電池に影響が及ぶ領域をより限定することができる。これによって、燃料電池の発電領域を空間的により均等化させることができる。
【００１４】
また、燃料電池における発電分布及び水分分布の少なくとも一方を推定し、その推定結果に応じて出力端子を選択する構成とすることも好適である。例えば、複数の出力端子の少なくとも２つに対応付けて複数のセンサを配置することによって、制御部は燃料電池における発電分布や水分分布を取得することができる。制御部は、センサからの出力信号に応じて、各センサに対応する発電領域の発電状態や水分量を推定し、その推定値に基づいて出力端子を選択することができる。
【００１５】
例えば、前記出力端子毎に燃料電池の発電状態を検出するセンサが設けられていることが好適である。センサは、電圧センサ、電流センサ、及びそれらを組み合わせた電力センサとすることができる。この場合、燃料電池モジュールは、燃料電池と、切替信号に応じて前記複数の出力端子のいずれか１つを選択する切替スイッチと、前記センサからの出力値に応じて前記切替スイッチに対して切替信号を出力する制御部と、を備える。
【００１６】
また、前記セルの少なくとも１つに当該単位セルの出力状態を測定するセルモニタ用センサを備えることも好適である。この場合、燃料電池モジュールは、燃料電池と、切替信号に応じて前記複数の出力端子のいずれか１つを選択する切替スイッチと、前記セルモニタ用センサからの出力値に応じて前記切替スイッチに対して切替信号を出力する制御部と、を備える。
【００１７】
このようにセンサを設けることによって、燃料電池の発電状況に応じて前記出力端子を切り替えて電力を取り出すことができる。したがって、燃料電池内の発電の集中具合に応じて、燃料電池の発電領域を空間的に均等化させることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、燃料電池モジュールの発電性能を安定化することができる。または、燃料電池モジュールの耐久性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
＜第１の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態における燃料電池モジュール１００は、図１に示すように、燃料電池スタック１０、端子切替スイッチ１２ａ，１２ｂ及び制御部１４を含んで構成される。また、燃料電池スタック１０は、図２に示すように、単位セル１６、集電板１８ａ，１８ｂ、正極出力端子２０ａ，２０ｂ、負極出力端子２２ａ，２２ｂ及びエンドプレート２４を備える。
【００２０】
燃料電池スタック１０は、複数の単位セル１６を備えて構成される。なお、以下の説明では複数の単位セル１６を備えた燃料電池スタック１０を用いる構成を説明するが、燃料電池スタック１０を単一の単位セルからなる燃料電池に置き換えてもよい。複数の単位セル１６を備える場合には、単位セル１６を矢印Ａの方向に積層して構成される。通常、２００個程度の単位セル１６が直列に積層され、燃料電池スタック１０全体として３００〜４００Ｖの出力電圧が得られるように構成される。単位セル１６は、図３に示すように、セパレータ３０、正極側電極板３２、固体高分子の電解質膜３４、負極側電極板３６、セパレータ３８を順に積層した構造を有する。正極側電極板３２及び負極側電極板３６は、貴金属系の触媒電極を多孔質である多孔質カーボンペーパ等のガス拡散体に接合して構成される。
【００２１】
単位セル１６には、酸化剤ガス用穴４０及び燃料ガス用穴４２が設けられる。単位セル１６を積層した燃料電池スタック１０では、これら酸化剤ガス用穴４０及び燃料ガス用穴４２を通じて酸素ガス等の酸化剤ガス及び水素ガス等の燃料ガスが単位セル１６の各々に供給される。したがって、単位セル１６を積層する際には、隣り合って配置される単位セル１６間において酸化剤ガス及び燃料ガスが漏れないようにガスケット等のシール部材を用いて酸化剤ガス用穴４０及び燃料ガス用穴４２を結合する。
【００２２】
また、単位セル１６には、冷却媒体用穴４４を設けても良い。冷却媒体用穴４４を設けた場合には、冷却媒体用穴４４を通じて冷媒を供給して燃料電池スタック１０を冷却することができる。
【００２３】
図２及び図３に示すように、燃料電池スタック１０における単位セル１６の積層体の両端面には、単位セル１６の積層体を挟み込むように集電板１８ａ，１８ｂが設けられる。一方の最端部の単位セル１６の正極側のセパレータ３０及び他方の最端部の単位セル１６の負極側のセパレータ３８に接するように正極側の集電板１８ａと負極側の集電板１８ｂがそれぞれ配設される。集電板１８ａ，１８ｂは、例えば、金メッキされた銅等の高導電率の金属板で構成される。
【００２４】
正極側の集電板１８ａには、図２及び図３に示すように、空間的に互いに離間した位置において燃料電池スタック１０の外周部から突出するように正極出力端子２０ａ，２０ｂが設けられる。同様に、負極側の集電板１８ｂにも、図２に示すように、空間的に互いに離間した位置において燃料電池スタック１０の外周部から突出するように負極出力端子２２ａ，２２ｂが設けられる。負極出力端子２２ａ，２２ｂは、正極出力端子２０ａ，２０ｂと対称の位置に配設することが好ましい。本実施の形態では、単位セル１６の集積体を挟んで正極出力端子２０ａと負極出力端子２２ａ、正極出力端子２０ｂと負極出力端子２２ｂとが面対称となるように配設されている。
【００２５】
なお、本実施の形態では、正極側の集電板１８ａ及び負極側の集電板１８ｂにそれぞれ複数の出力端子を備える構成としているが、正極側の集電板１８ａ及び負極側の集電板１８ｂのいずれか一方に複数の出力端子を備える構成でも発明の効果を得ることが可能である。
【００２６】
正極側の集電板１８ａの外側には、エンドプレート２４が設けられる。エンドプレート２４の集電板１８ａ側の面には絶縁層が設けられる。この絶縁層により燃料電池スタック１０と外部との電気的な接触を防ぐことが出来る。同様に、負極側の集電板１８ｂの外側にも、エンドプレート２４が設けられる。エンドプレート２４の集電板１８ｂ側の面には絶縁層が設けられる。この絶縁層により燃料電池スタック１０と外部との電気的な接触を防ぐことが出来る。
【００２７】
また、エンドプレート２４には、単位セル１６へ酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給口２４ａ，単位セル１６から酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出口２４ｂ、単位セル１６へ燃料ガスを供給するための燃料ガス供給口２４ｃ及び単位セル１６から燃料ガスを排出するための燃料ガス排出口２４ｄが設けられる。
【００２８】
燃料電池スタック１０に含まれる各単位セル１６には、酸化剤ガス供給口２４ａから各単位セルの酸化剤ガス用穴４０を通じて酸化剤ガスが供給され、酸化剤ガス排出口２４ｂから未反応の酸化剤ガスが排出される。また、燃料電池スタック１０に含まれる各単位セル１６には、燃料ガス供給口２４ｃから各単位セルの燃料ガス用穴４２を通じて燃料ガスが供給され、燃料ガス排出口２４ｄから未反応の燃料ガスが排出される。なお、未反応の燃料ガスを再度燃料ガス供給口２４ｃから供給できる再循環経路を備えてもよい。したがって、酸化剤ガスが漏れないように、一方の最端部の単位セル１６の酸化剤ガス用穴４０にはガスケット等のシール部材を用いて酸化剤ガス供給口２４ａが結合され、他方の最端部の単位セル１６の酸化剤ガス用穴４０にはガスケット等のシール部材を用いて酸化剤ガス排出口２４ｂが結合される。また、燃料ガスが漏れないように、一方の最端部の単位セル１６の燃料ガス用穴４２にはガスケット等のシール部材を用いて燃料ガス供給口２４ｃが結合され、他方の最端部の単位セル１６の燃料ガス用穴４２にはガスケット等のシール部材を用いて燃料ガス排出口２４ｄが結合される。
【００２９】
また、単位セル１６に冷却媒体用穴４４を設けた場合、エンドプレート２４に燃料電池スタック１０を冷却する冷却媒体を供給するための冷却媒体供給口２４ｅ、及び、燃料電池スタック１０を冷却する冷却媒体を排出するための冷却媒体排出口２４ｆを設けることが好ましい。
【００３０】
このように構成された燃料電池スタック１０は、図１に示すように、端子切替スイッチ１２ａ，１２ｂを介して負荷に接続される。正極側の端子切替スイッチ１２ａ及び負極側の端子切替スイッチ１２ｂは、それぞれ集電板１８ａ，１８ｂに設けられた正極出力端子２０の数及び負極出力端子２２の数に対応する複数の入力端子を備える。例えば、図１に示すように、正極側の端子切替スイッチ１２ａは正極出力端子２０ａ，２０ｂに対応する２つの入力端子を備え、各入力端子はそれぞれ正極出力端子２０ａ，２０ｂのいずれか一方に接続される。同様に、負極側の端子切替スイッチ１２ｂは負極出力端子２２ａ，２２ｂに対応する２つの入力端子を備え、各入力端子はそれぞれ負極出力端子２２ａ，２２ｂのいずれか一方に接続される。
【００３１】
端子切替スイッチ１２ａ，１２ｂは、制御部１４からの制御信号に応じてそれぞれ複数の入力端子の一部又は全部を選択して出力端子に接続する。正極側の集電板１８ａに設けられた正極出力端子２０ａ，２０ｂは端子切替スイッチ１２ａを介して負荷に接続される。負極側の集電板１８ｂに設けられた負極出力端子２２ａ，２２ｂは端子切替スイッチ１２ｂを介して負荷に接続される。
【００３２】
端子切替スイッチ１２ａ，１２ｂは制御部１４に接続される。制御部１４は、マイクロコンピュータで構成することができる。制御部１４は、端子切替スイッチ１２ａ，１２ｂに対してスイッチの切り替えを指示する制御信号を出力する。本実施の形態では、制御部１４は、内部に備えた記憶部に予め格納・保持された制御用マップに基づいて時系的に端子切替スイッチ１２ａ，１２ｂの切り替えを実行させる。
【００３３】
発電時においては、燃料電池スタック１０に対して、酸化剤ガス供給口２４ａから酸素等の酸化剤ガスが供給され、燃料ガス供給口２４ｃから水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。これによって、酸化剤ガスと燃料ガスとが触媒層において電気化学反応を起こし、発電が行われる。未反応の酸化剤ガスは酸化剤ガス排出口２４ｂから排出され、未反応の燃料ガスは燃料ガス排出口２４ｄから排出される。なお、必要に応じて冷却媒体供給口２４ｅから純水やエチレングリコール等の冷却媒体を供給し、冷却媒体排出口２４ｆから排出させることによって、燃料電池スタック１０の温度を調整することもできる。
【００３４】
本実施の形態では、所定の条件に基づいて端子切替スイッチ１２ａ，１２ｂを切り替えて、出力端子を経時的に変更しつつ燃料電池スタック１０から電力を取り出す。例えば、制御部１４から所定の時間間隔毎に切替信号を端子切替スイッチ１２ａ，１２ｂへ出力させる。これによって、端子切替スイッチ１２ａが正極出力端子２０ａ，２０ｂのいずか一方に切り替えられ、端子切替スイッチ１２ｂが負極出力端子２２ａ，２２ｂのいずれか一方に切り替えられる。
【００３５】
図４（ａ）は、正極出力端子２０ａを選択した場合における集電板１８ａ上の出力電力の面内分布を示す模式図である。図４（ｂ）は、正極出力端子２０ｂを選択した場合における集電板１８ａ上の出力電力の面内分布を示す模式図である。なお、負極側の集電板１８ｂでも同様の面内分布となる。図４に示すように、所定の時間毎に出力端子２０ａ，２０ｂを切り替えることによって、集電板１８ａの面内において発電が集中して起こる領域を移動させることができる。同様に、所定の時間毎に出力端子２２ａ，２２ｂを切り替えることによって、集電板１８ｂの面内において発電が集中して起こる領域を移動させることができる。すなわち、従来に比べて、燃料電池スタック１０内において発電が均等に行われることとなる。したがって、燃料電池スタック１０内において生成される水の濃度が不均一となることを抑制することができる。その結果、発電セルの性能の安定性を向上させることができる。また、燃料電池スタック１０の一部分のみに負荷の集中が起こることが避けられ、燃料電池スタック１０及び集電板１８ａ，１８ｂの耐久性を向上させることができる。
【００３６】
なお、本実施の形態では、集電板１８（１８ａ，１８ｂ）に設ける正極出力端子２０及び負極出力端子２２をそれぞれ２つとしたが、これに限定されるものではない。図５に示すように、３つ以上の出力端子２０（２２）を集電板１８にそれぞれ設けてもよい。出力端子２０（２２）の数を増加させることによって、出力端子２０（２２）を切り替えつつ発電を行う際に燃料電池スタック１０内での発電をより均等化することができる。
【００３７】
このとき、集電板１８の面内において出力端子２０（２２）を空間的に対称となる位置に設けることが好適である。図５（ａ）では、出力端子２０（２２）は集電板１８の中央Ａを中心に点対象に配置されている。また、図５（ｂ）では、出力端子２０（２２）は集電板１８の中央線Ｂを中心に線対象に配置されている。このように、出力端子２０（２２）を空間的に対象性を持たせて配置することによって、出力端子２０（２２）を切り替えつつ発電を行う際に燃料電池スタック１０内での発電をより均等化することができる。
【００３８】
また、集電板１８の面内において所定の面積を有する領域毎に出力端子２０（２２）を設けることが好適である。例えば、図５（ｃ）では、集電板１８を８等分した領域毎に出力端子２０（２２）を配設している。このように、出力端子２０（２２）を空間的に均等に設けることによって、出力端子２０（２２）を切り替えつつ発電を行う際に燃料電池スタック１０内での発電をより均等化することができる。
【００３９】
また、出力端子２０（２２）は、酸化剤ガス供給口２４ａ、酸化剤ガス排出口２４ｂ、燃料ガス供給口２４ｃ及び燃料ガス排出口２４ｄのいずれかの近傍に振り分けて設けられることが好適である。燃料電池スタック１０における発電では、酸化剤ガス供給口２４ａ、酸化剤ガス排出口２４ｂ、燃料ガス供給口２４ｃ及び燃料ガス排出口２４ｄ付近において反応がより顕著となり、反応が集中して生じ易い。そこで、出力端子２０（２２）を、酸化剤ガス供給口２４ａ、酸化剤ガス排出口２４ｂ、燃料ガス供給口２４ｃ、燃料ガス排出口２４ｄに振り分けて設けることによって、燃料電池スタック１０内において反応が集中する領域を空間的に均等化することができる。
【００４０】
また、図２又は図５に示すように、出力端子２０（２２）は集電板１８の縁から突出させた形状とすると、集電板１８を打ち抜き加工等により容易に形成することができると共に、燃料電池スタック１０の積層方向Ａのサイズを小さくすることができる点で好ましい。一方、図６に示すように、出力端子２０（２２）を集電板１８の面上に突出させた形状としてもよい。この場合、集電板１８の外側に設けられるエンドプレート２４の出力端子２０（２２）に対応する位置に出力端子２０（２２）を通す貫通孔を設けることが好適である。これにより、出力端子２０（２２）を集電板１８を分割した各領域の中央に配置することができる。したがって、出力端子２０（２２）が割り当てられた領域の中央付近から電力を取り出すことができ、燃料電池スタック１０内での発電をより均等化することができる。
【００４１】
また、図７に示すように、複数の燃料電池スタック１０を並列に配置した構成とすることもできる。燃料電池スタック１０ａは各単位セル１６の正極側電極板３２が前面に向くように構成される。燃料電池スタック１０ａの前面側の最端部に配置された単位セル１６の正極側のセパレータ３０に接するように正極側の集電板１８ａを配置する。一方、燃料電池スタック１０ｂは各単位セル１６の負極側電極板３６が前面に向くように構成される。燃料電池スタック１０ｂの前面側の最端部に配置された単位セル１６の負極側のセパレータ３８に接するように負極側の集電板１８ｂを配置する。さらに、燃料電池スタック１０ａの背面側の最端部に配置された単位セル１６の負極側電極板３６及び燃料電池スタック１０ｂの背面側の最端部に配置された単位セル１６の正極側電極板３２とを電気的に接続する背面プレート４６が設けられる。
【００４２】
ここで、背面プレート４６における燃料電池スタック間の接続部を複数の経路に分割し、制御部１４からの切替信号に基づいていずれかの経路を選択的に接続する切替スイッチとして構成することが好適である。例えば、図８の模式図に示すように、背面プレート４６における燃料電池スタック１０ａと燃料電池スタック１０ｂとの接続部を経路Ａと経路Ｂとに分割し、いずれか１つの経路を選択する端子切替スイッチ１２ｃを構成する。制御部１４は、所定の条件に基づいて端子切替スイッチ１２ｃを切り替えて、燃料電池スタック１０ａと燃料電池スタック１０ｂとを繋ぐ経路を経時的に変更する。
【００４３】
このように複数の燃料電池スタックを繋ぐ背面プレートに設けられた複数の経路を切替可能とすることによって、並置された燃料電池スタック内において反応が集中する領域を均等化することができる。また、背面プレートの耐久性を向上させることができる。
【００４４】
＜第２の実施の形態＞
第１の実施の形態では集電板１８ａ，１８ｂはそれぞれ一枚の導電性の薄板により構成したが、集電板１８ａ，１８ｂは互いに異なる位置に出力端子を有する複数の集電板の集合体であっても良い。本発明の第２の実施の形態では燃料電池スタックに設けられる集電板を絶縁体や空隙で複数の領域に区画する点に特徴を有する。
【００４５】
図９に、本実施の形態における集電板１８の一例を示す。図９のように、集電板１８を絶縁体５０により分割して、出力端子２０（２２）が設けられた導電性の領域Ａ，Ｂを区画する。この集電板１８を、第１の実施の形態と同様に、単位セル１６の積層体の両端に配置して燃料電池スタック１０を構成する。
【００４６】
このように、集電板１８を絶縁体５０で区画することによって、各出力端子２０（２２）を選択した場合に燃料電池スタック１０内において発電が集中する領域をより制限することができる。したがって、出力端子２０（２２）を経時的に切り替えた場合に燃料電池スタック１０内における発電に関わる領域をより限定して制御することができる。
【００４７】
なお、第２の実施の形態においても、出力端子２０（２２）は、第１の実施の形態と同様に空間的な対象性、面積の均等性、ガス供給口・ガス排出口の位置等を考慮して配置することが好適である。また、出力端子２０（２２）は、集電板１８の外周辺から突出させても良いし、集電板１８の面内から突出させても良い。
【００４８】
＜第３の実施の形態＞
本実施の形態では、燃料電池スタック１０の発電状態を適宜測定して、その発電状態を制御部１４にフィードバックすることによって出力端子２０（２２）の切り替えを行う。例えば、燃料電池スタック１０における発電分布及び水分分布の少なくとも一方を推定し、その推定結果に応じて出力端子２０（２２）を選択する構成とする。出力端子２０（２２）の少なくとも２つに対応付けて複数のセンサを配置することによって、制御部１４は燃料電池スタック１０における発電分布や水分分布を求めることができる。制御部１４は、センサからの出力信号に応じて、各センサに対応する発電領域の発電状態や水分量を推定し、その推定値に基づいて出力端子２０（２２）を選択する。
【００４９】
図１０に、本実施の形態における集電板１８の一例を示す。集電板１８に設けられた各出力端子２０（２２）の近傍にはそれぞれ電圧センサ５２が設けられる。電圧センサ５２の出力は制御部１４に入力される。制御部１４は、アナログ／デジタル変換器を備えたマイクロコンピュータとする。
【００５０】
制御部１４は、各電圧センサ５２で測定された電圧値に応じて端子切替スイッチ１２ａ，１２ｂの切り替えの制御を行う。例えば、選択された出力端子２０（２２）の近傍の電圧値が他の出力端子２０（２２）の近傍の電圧値よりも高い状態が所定時間だけ継続した場合に最も低い電圧値の電圧センサ５２に対応する出力端子２０（２２）に切り替える。また、各電圧センサ５２において、最も高い電圧値となった期間の累積時間が均等となるように出力端子２０（２２）の切り替えを制御してもよい。
【００５１】
また、電圧センサの代わりに、又は、電圧センサと共に、出力端子２０（２２）毎に電流センサを設けることも好適である。電流センサの出力は制御部１４にフィードバックされる。この場合、制御部１４は、各電流センサで測定された電流値に応じて端子切替スイッチ１２ａ，１２ｂの切り替えの制御を行う。
【００５２】
例えば、選択された出力端子２０（２２）からの電流値が他の出力端子２０（２２）からの電流値よりも高い状態が所定時間だけ継続した場合に最も低い電流値の電流センサに対応する出力端子２０（２２）に切り替える制御を行う。また、各電流センサにおいて、最も高い電流値となった期間の累積時間が均等となるように出力端子２０（２２）の切り替えを制御してもよい。
【００５３】
さらに、電圧センサと電流センサとを共に設けた場合、電圧センサと対応する電流センサとの積から電力を求め、選択された出力端子２０（２２）から出力される電力が他の出力端子２０（２２）から出力される電力よりも高い状態が所定時間だけ継続した場合に最も低い電力値に対応する出力端子２０（２２）に切り替える制御を行うこともできる。また、電力値が最も高い値となった期間の累積時間が均等となるように出力端子２０（２２）の切り替えを制御してもよい。
【００５４】
また、燃料電池スタック１０を構成する単位セル１６のいずれかの正極側電極板３２又は負極側電極板３６に各セルの出力電圧を測定するセルモニタ用のセンサを設け、その測定値に応じて出力端子２０（２２）へ出力を切り替える制御を行うことも好適である。セルモニタ用のセンサは電圧センサ又は電流センサとすることができる。セルモニタ用のセンサは複数の単位セル１６に設けることも好適である。セルモニタ用のセンサの出力は制御部１４にフィードバックされる。制御部１４は、セルモニタ用のセンサの測定値に応じて端子切替スイッチ１２ａ，１２ｂの切り替えの制御を行う。
【００５５】
本実施の形態のように、センサを設けることによって、燃料電池スタックの発電の分布を測定し、その分布状態に応じて出力端子を切り替えて電力を取り出すことができる。したがって、燃料電池スタック内の発電の集中具合に応じて、燃料電池スタックの発電領域を空間的に均等化させることができる。
【００５６】
なお、第１〜第３の実施の形態において説明した構成は互いに組み合わせて実施することもできる。複数の異なる形態を組み合わせることによって、それぞれの効果を相乗的に奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の実施の形態における燃料電池モジュールの構成を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態における燃料電池スタックの内部構成を示す分解斜視図である。
【図４】出力端子を切り替えた場合における発電の集中する領域の変化を示す模式図である。
【図５】本発明の実施の形態における集電板に設けられる出力端子の配置を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態における集電板に設けられる出力端子の別例を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態における燃料電池スタックを並列に配置した構成を示す斜視図である。
【図８】本発明の実施の形態における背面プレートにおける経路の切替スイッチを示す模式図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態における絶縁体により分割された集電板を示す斜視図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態におけるセンサを設けた集電板を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００５８】
１０（１０ａ，１０ｂ）  燃料電池スタック、１２（１２ａ〜１２ｃ）  端子切替スイッチ、１４  制御部、１６  単位セル、１８（１８ａ，１８ｂ）  集電板、２０（２０ａ，２０ｂ），２２（２２ａ，２２ｂ）  出力端子、２４  エンドプレート、２４ａ  酸化剤ガス供給口、２４ｂ  酸化剤ガス排出口、２４ｃ  燃料ガス供給口、２４ｄ  燃料ガス排出口、２４ｅ  冷却媒体供給口、２４ｆ  冷却媒体排出口、３０  セパレータ、３２  正極側電極板、３４  電解質膜、３６  負極側電極板、３８  セパレータ、４０  酸化剤ガス用穴、４２  燃料ガス用穴、４４  冷却媒体用穴、４６  背面プレート、５０  絶縁体、５２  電圧センサ、１００  燃料電池モジュール。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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