(57)【要約】【課題】電圧変換器における電圧変換効率の向上を図ることができる燃料電池および燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池用セル１０１を複数積層してなるスタック５０と、スタック５０の積層方向における一端部に位置する第１集電体１０２Ａと、スタック５０の積層方向における他端部に位置する第２集電体１０２Ｂと、スタック５０の積層方向において第１集電体１０２Ａと第２集電体１０２Ｂとの間に位置する第３集電体１０２Ｃと、を備える構成とする。これにより、第１集電体１０２Ａおよび第２集電体１０２Ｂを用いて第１電圧の電力を取り出すとともに、第２集電体１０２Ｂおよび第３集電体１０２Ｃを用いて前記第１電圧より小さい第２電圧の電力を取り出すことができる。従って、電圧変換器による電圧変換効率の向上を図ることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用セルを複数積層してなるスタックと、
前記スタックの積層方向における一端部に位置する第１集電体と、
前記スタックの積層方向における他端部に位置する第２集電体と、
前記スタックの積層方向において前記第１集電体と前記第２集電体との間に位置する第３集電体と、を備えることを特徴とする、燃料電池。
【請求項２】
前記第１集電体と前記第２集電体とは対であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記スタックの積層方向において前記第２集電体と前記第３集電体との間に位置する第４集電体をさらに備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記第３集電体と前記第４集電体とは対であることを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
燃料電池用セルを複数積層してなるスタックと、
前記スタックから第１電圧の電力を取り出す第１および第２集電体と、
前記スタックから前記第１電圧より小さい第２電圧の電力を取り出すための第３集電体と、を備えることを特徴とする、燃料電池。
【請求項６】
前記第３集電体と協働して、前記スタックから前記第１電圧より小さい第２電圧の電力を取り出すための第４集電体をさらに備えることを特徴とする、請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記燃料電池用セルは、一対の電極および電解質膜を含んでなる膜電極接合体と、該膜電極接合体の各電極にカソードガスあるいはアノードガスを供給するための流路を有する導電性セパレータと、を備えており、
前記各集電体の少なくとも一つは、前記導電性セパレータにより構成されることを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載の燃料電池と、前記燃料電池における発電電力により作動する補機を備えることを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池における前記第３集電体は、該第３集電体を用いて取り出す電力の電圧が前記補機の作動電圧以上で且つ前記燃料電池から取り出される電力の最大電圧未満となるように位置することを特徴とする、請求項８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、燃料電池および燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムとして、水素及び酸素用いて電力を発生する複数の電池セルが積層された燃料電池スタックと、積層された複数の電池セルの両端部に配設された一対の集電体と、集電体を介して供給された直流の発電電力を交流に変換するインバータを備えるものが知られている（例えば、特許文献１）。このような燃料電池システムでは、水素製造装置のバーナに空気を供給する空気ポンプ、燃料電池に空気を供給するカソードポンプなどの補機を備えている。また、燃料電池システムでは、補機の作動電圧に供給電圧を変換するコンバータを備えており、電圧変換された電力がポンプなどの補機類に供給されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３０８８６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の特許文献１に記載の技術では、熱容量の大きい集電体近傍に配置された端部側の電池セルの方が、中央側の電池セルと比較して放熱が大きいため、端部側の電池セルの温度が相対的に低温になる傾向があった。すなわち、特許文献１の燃料電池スタックでは、端部側の電池セルにおいて電圧低下が起こり易い傾向であった。また、燃料電池スタックによる発電電力は、インバータの効率を高めるために可能な限り大きい電圧（例えば２００Ｖ以上）に設定することが望まれている。一方、ポンプなど一般的な補機の作動電圧は、燃料電池スタックにおける発電電圧よりも低い電圧（例えば２４Ｖ）であるため、コンバータによって電圧変換されることで利用可能とされている。コンバータへの入力電圧と出力電圧との差が大きいほど電圧変換効率が低下するため、改善が望まれている。
【０００５】
そこで、本発明は、電圧変換器における電圧変換効率の向上を図ることができる燃料電池および燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る燃料電池は、燃料電池用セルを複数積層してなるスタックと、当該スタックの積層方向における一端部に位置する第１集電体と、スタックの積層方向における他端部に位置する第２集電体と、スタックの積層方向において第１集電体と第２集電体との間に位置する第３集電体と、を備えることを特徴としている。
【０００７】
本発明に係る燃料電池では、例えば第１集電体および第２集電体を用いて第１電圧の電力を取り出すとともに、第２集電体および第３集電体を用いて前記第１電圧より小さい第２電圧の電力を取り出すことができる。つまり、本燃料電池では、第１電圧と所望電圧との差が大きい（電圧変換器による電圧変換が相対的に大きい）場合に、第１電圧に比べて所望電圧との差が小さい（電圧変換器による電圧変換が相対的に小さい）第２電圧で電圧変換器（コンバータ）に入力することが可能となる。したがって、本燃料電池では、電圧変換器による電圧変換効率の向上を図ることができる。また、本燃料電池では、スタックの積層方向における端部に位置する燃料電池用セルでの電流密度を低減することができるため、該積層方向の中央部と比較して相対的に電圧低下し易い端部に位置する燃料電池用セルでの電圧低下を抑制することができる。
【０００８】
また、第１集電体と第２集電体とは対であることが好ましい。本構成の燃料電池では、両端部に位置する第１集電体および第２集電体を用いて電力を取り出すことができるため、より高い電圧の電力を取り出すうえで好適である。
【０００９】
また、スタックの積層方向において第２集電体と第３集電体との間に位置する第４集電体をさらに備えることを特徴としている。本構成の燃料電池では、例えば第１集電体および第２集電体を用いて第１電圧の電力を取り出すとともに、第３集電体および第４集電体を用いて前記第１電圧より小さい第２電圧の電力を取り出すことができる。つまり、本構成の燃料電池では、スタックの積層方向における両端部に位置する燃料電池用セルでの電流密度を低減することができるため、該積層方向の中央部と比較して相対的に電圧低下し易い両端部に位置する燃料電池用セルでの電圧低下を抑制することができる。
【００１０】
また、第３集電体と第４集電体とは対であることが好適である。本構成の燃料電池では、例えば第１集電体および第２集電体を用いて第１電圧の電力を取り出すとともに、第３集電体および第４集電体を用いて前記第１電圧より小さい第２電圧の電力を取り出すことができる。つまり、本構成の燃料電池では、スタックの積層方向における両端部に位置する燃料電池用セルでの電流密度を低減することができるため、該積層方向の中央部と比較して相対的に電圧低下し易い両端部に位置する燃料電池用セルでの電圧低下を抑制することができる。
【００１１】
また、本発明に係る燃料電池では、燃料電池用セルを複数積層してなるスタックと、スタックから第１電圧の電力を取り出す第１および第２集電体と、スタックから第１電圧より小さい第２電圧の電力を取り出すための第３集電体と、を備えることを特徴としている。
【００１２】
本発明に係る燃料電池では、例えば第１集電体および第２集電体を用いて第１電圧の電力を取り出すとともに、第２集電体および第３集電体を用いて前記第１電圧より小さい第２電圧の電力を取り出すことができる。つまり、本燃料電池では、第１電圧と所望電圧との差が大きい（電圧変換器による電圧変換が相対的に大きい）場合に、第１電圧に比べて所望電圧との差が小さい（電圧変換器による電圧変換が相対的に小さい）第２電圧で電圧変換器（コンバータ）に入力することが可能となる。したがって、本燃料電池では、電圧変換器による電圧変換効率の向上を図ることができる。また、本燃料電池では、スタックの積層方向における端部に位置する燃料電池用セルでの電流密度を低減することができるため、該積層方向の中央部と比較して相対的に電圧低下し易い端部に位置する燃料電池用セルでの電圧低下を抑制することができる。
【００１３】
また、第３集電体と協動して、スタックから第１電圧より小さい第２電圧の電力を取り出すための第４集電体をさらに備えることが好ましい。本構成の燃料電池では、例えば第１集電体および第２集電体を用いて第１電圧の電力を取り出すとともに、第３集電体および第４集電体を用いて前記第１電圧より小さい第２電圧の電力を取り出すことができる。つまり、本構成の燃料電池では、スタックの積層方向における両端部に位置する燃料電池用セルでの電流密度を低減することができるため、該積層方向の中央部と比較して相対的に電圧低下し易い両端部に位置する燃料電池用セルでの電圧低下を抑制することができる。
【００１４】
また、燃料電池用セルは、一対の電極および電解質膜を含んでなる膜電極接合体と、該膜電極接合体の各電極にカソードガスあるいはアノードガスを供給するための流路を有する導電性セパレータと、を備えており、各集電体の少なくとも一つは、導電性セパレータにより構成されることが好適である。このように、セルを構成するセパレータが導電性を有している場合、積層されるセルとは別に集電体を設けなくても、導電性セパレータを用いて電力を取り出すことができる。これにより、装置構成の簡略化を図ることができる。
【００１５】
また、本発明の燃料電池システムは、上記の燃料電池と、当該燃料電池における発電電力により作動する補機を備えることを特徴としている。このような燃料電池システムによる燃料電池によれば、例えば第１集電体および第２集電体を用いて第１電圧の電力を取り出すとともに、第２集電体および第３集電体を用いて前記第１電圧より小さい第２電圧の電力を取り出すことができる。つまり、本燃料電池では、第１電圧と所望電圧との差が大きい（電圧変換器による電圧変換が相対的に大きい）場合に、第１電圧に比べて所望電圧との差が小さい（電圧変換器による電圧変換が相対的に小さい）第２電圧で電圧変換器（コンバータ）に入力することが可能となる。したがって、本燃料電池では、電圧変換器による電圧変換効率の向上を図ることができる。また、本燃料電池では、スタックの積層方向における端部に位置する燃料電池用セルでの電流密度を低減することができるため、該積層方向の中央部と比較して相対的に電圧低下し易い端部に位置する燃料電池用セルでの電圧低下を抑制することができる。
【００１６】
また、燃料電池における第３集電体は、該第３集電体を用いて取り出す電力の電圧が補機の作動電圧以上で且つ燃料電池から取り出される電力の最大電圧未満となるように位置することが好ましい。これにより、所定の電圧を確保することができるので、昇圧することなく、補機への電力供給を行うことができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の燃料電池および燃料電池システムによれば、電圧変換器における電圧変換効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】図１中の燃料電池スタックの斜視図である。
【図３】セルを積層方向に切断した図である。
【図４】燃料電池スタックの変形例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態に係る燃料電池および燃料電池システムを詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付す。
【００２０】
図１は、実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図１に示すように、燃料電池システム１は、原料供給装置１０、Fuel Processor System（ＦＰＳ）２０、燃料供給装置３０、酸素含有ガス供給装置４０、燃料電池スタック５０、システム制御機構６０、Power Conditioning System（ＰＣＳ）７０、及びカソードガス供給装置８０を備えている。
【００２１】
原料供給装置１０は、ＦＰＳ２０において処理される原料を供給するためのものである。原料としては、炭素および水素を含んでなる化合物（例えば、メタンおよびプロパンなどの炭化水素類、メタノールおよびエタノールなどのアルコール類、ジメチルエーテルなどのエーテル類など）が挙げられる。中でも、入手容易性の観点からは、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、メタン、天然ガス、都市ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油などが好ましく、特に、取扱い性にも優れた灯油はより好ましい。
【００２２】
ＦＰＳ２０は、原料供給装置１０から供給される原料を処理して水素含有ガスを生成するものであり、本実施形態においては改質部２１、シフト部２２、および選択酸化部２３を含んで構成されている。
【００２３】
改質部２１は、改質触媒を用いて原料供給装置１０から供給される原料を改質し、水素含有ガスである改質ガスを生成する部位である。改質触媒は、担体と、該担体に担持される金属を含んで構成される。担体の構成材料としては、例えば酸化アルミニウム（アルミナ）および二酸化ジルコニウム（ジルコニア）が挙げられる。担持される金属としては、例えばニッケル、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、パラジウム、白金、レニウム、およびコバルトが挙げられる。なお、改質手法としては、水蒸気改質および自己熱交換改質などが挙げられる。
【００２４】
改質部２１には、バーナ２１ａが設けられている。バーナ２１ａは、改質部２１における改質に要する熱を供給するためのものであり、燃料供給装置３０から供給される燃料および酸素含有ガス供給装置４０から供給される酸素含有ガスを用いて燃焼を行うことにより熱を発生する構成を有している。
【００２５】
シフト部２２は、シフト触媒を用いて改質部２１から供給される改質ガスに含まれる一酸化炭素を除去する部位である。シフト触媒は、Ｆｅ−Ｃｒの混合酸化物、Ｚｎ−Ｃｕの混合酸化物、白金、ルテニウム、イリジウムなど貴金属を含有する触媒で構成される。なお、シフト部２２を経た改質ガス中の一酸化炭素濃度は、例えば１００００ｐｐｍ以下である。
【００２６】
選択酸化部２３は、選択酸化触媒を用いてシフト部２２から供給される改質ガスに含まれる一酸化炭素を除去する部位である。選択酸化触媒は、担体と、該担体に担持される金属を含んで構成される。担体の構成材料としては、例えば酸化アルミニウム（アルミナ）および二酸化ジルコニウム（ジルコニア）が挙げられる。担持される金属としては、例えば白金およびルテニウムが挙げられる。なお、選択酸化部２３を経た改質ガス中の一酸化炭素濃度は、例えば１００ｐｐｍ以下である。
【００２７】
酸素含有ガス供給装置４０は、バーナ２１ａでの燃料の燃焼に使用される酸素含有ガスを該バーナ２１ａに供給するためのものであり、例えばポンプ、ファン、およびブロワが挙げられる。酸素含有ガスとしては、例えば純酸素ガス、酸素富化空気、および空気が挙げられるが、中でも取扱容易性およびコストの観点から空気が好ましい。
【００２８】
図２に示すように、本実施形態における燃料電池スタック５０は、複数の燃料電池用セル１０１、第１集電体１０２Ａ、第２集電体１０２Ｂ、第３集電体１０２Ｃ、第４集電体１０２Ｄおよびエンドプレート１０３を備えている。なお、本実施形態では、燃料電池として固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）を用いて説明するが、これには限られず、例えば固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、および溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）を採用してもよい。
【００２９】
図３に示すように、燃料電池用セル１０１は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly（以下、ＭＥＡとする））１１０、アノード側セパレータ１２０、およびカソード側セパレータ１３０を備えている。ＭＥＡ１１０は、電解質膜１１１、アノード５１、およびカソード５２を含んで構成される。
【００３０】
電解質膜１１１は、一対の電極（アノード５１およびカソード５２）によって挟まれＭＥＡ１１０を構成する。電解質膜１１１は、水素イオンを選択的に透過させる高分子電解質膜によって形成されている。高分子電解質膜としては、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸を使用することができる。
【００３１】
アノード５１は、電気化学的酸化反応が起きる状態にある電極層であり、カソード５２は、電気化学的還元反応が起きる状態にある電極層である。これらのアノード５１およびカソード５２は、電界質膜１１１の表面側に形成された触媒層、およびこの触媒層の外面に配置されたガス拡散層を備えている。触媒層は、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とするものである。ガス拡散層は、通気性および電気導電性を有するものである。
【００３２】
アノード側セパレータ１２０は、導電性を有するカーボン板によって形成されており、複数の溝部１２１によって、水素含有ガスが通過するガス流路１２２が形成されている。溝部１２１は、ＭＥＡ１１０のアノード５１との接触面１２０ｂに形成されている。従って、ガス流路１２２を通過する水素含有ガスがアノード５１に供給される。
【００３３】
カソード側セパレータ１３０は、導電性を有するカーボン板によって形成されており、複数の溝部１３１によって、酸素含有ガスが通過するガス流路１３２が形成されている。溝部１３１は、ＭＥＡ１１０のカソード５２との接触面１３０ｂに形成されている。従って、ガス流路１３２を通過する酸素含有ガスがカソード５２に供給される。
【００３４】
そして、燃料電池用セル１０１は、アノードガスとしての水素含有ガス中の水素と、カソードガスとしての酸素とを用いて電力を発生させる。水素含有ガスとしては、上述の改質ガスなどが挙げられる。酸素含有ガスとしては、例えば純酸素ガス、酸素富化空気、および空気が挙げられるが、中でも取扱容易性およびコストの観点から空気が好ましい。本実施形態では、アノードガスとして、ＦＰＳ２０から改質ガスが供給され、カソードガスとして、後述のカソードガス供給装置８０を介して空気が供給される。
【００３５】
燃料電池スタック５０は、複数の燃料電池用セル１０１が積層され直列に接続され、積層方向の一方の端部に第１集電体１０２Ａが配置され、積層方向の他方の端部に第２集電体１０２Ｂが配置されている。第１集電体１０２Ａおよび第２集電体１０２Ｂは、例えば銅板によって形成され、隣接する燃料電池用セル１０１と電気的に接続されている。
【００３６】
第１集電体１０２Ａと第２集電体１０２Ｂとは対であり、燃料電池スタック５０から電力を取り出すものである。また、第１集電体１０２Ａおよび第２集電体１０２Ｂには、外方に張り出す接続端子１０２ｔが設けられており、この接続端子１０２ｔを介してＰＣＳ７０と電気的に接続されている。そして、第１集電体１０２Ａと第２集電体１０２Ｂとによって取り出された電力は、ＰＣＳ７０供給される。なお、第１集電体１０２Ａと第２集電体１０２Ｂとによって、取り出された電力の電圧を第１電圧とする。
【００３７】
第３集電体１０２Ｃは、燃料電池用セル１０１の積層方向において第１集電体１０２Ａと第２集電体１０２Ｂとの間に配置されている。第３集電体１０２Ｃは、例えば、上述のセパレータ１２０，１３０によって構成され、隣接する燃料電池用セル１０１と電気的に接続されている。
【００３８】
第４集電体１０２Ｄは、燃料電池用セル１０１の積層方向において第２集電体１０２Ｂと第３集電体１０２Ｃとの間に配置されている。第４集電体１０２Ｄは、例えば、上述のセパレータ１２０，１３０によって構成され、隣接する燃料電池用セル１０１と電気的に接続されている。
【００３９】
なお、複数の燃料電池用セル１０１のうち、「第３集電体１０２Ｃと第４集電体１０２Ｄとに挟まれた燃料電池用セル」を「内部セル」と称する。また、複数の燃料電池用セル１０１のうち、「第１集電体１０２Ａと第３集電体１０２Ｃとに挟まれた燃料電池セル」、および「第２集電体１０２Ｂと第３集電体１０２Ｄとに挟まれた燃料電池セル」を「端部セル」と称する。
【００４０】
第３集電体１０２Ｃと第４集電体１０２Ｄとは対であり、内部セル１０１ａによって発電された電力を取り出すものである。また、第３集電体１０２Ｃおよび第４集電体１０２Ｄには、外方に張り出す接続端子１０２ｔが設けられている。そして、第３集電体１０２Ｃおよび第４集電体１０２Ｄによって取り出された電力は、例えば、原料供給装置１０、燃料供給装置３０、酸素含有ガス供給装置４０、システム制御機構６０、カソードガス供給装置８０などの補機に供給可能とされている。
【００４１】
第３集電体１０２Ｃと第４集電体１０２Ｄとは、第１電圧より小さい第２電圧の電力を取り出すことが可能となるように、配置されている。すなわち、一対の集電体１０２Ｃ，Ｄ間に配置された内部セル１０１ａによる発電電圧が、補機を作動させるための電圧（補機作動電圧）となるように配置されている。例えば、内部セル１０１ａによって発電された電力の電圧が補機作動電圧（例えば２４Ｖ）より同じ（あるいは若干大きい）電圧とされていることが好ましい。
【００４２】
なお、第３集電体１０２Ｃおよび第４集電体１０２Ｄを介して取り出される第２電圧の電力は、１２Ｖ、５Ｖなどその他の電圧でもよい。また、第３集電体１０２Ｃおよび第４集電体１０２Ｄを介して取り出される第２電圧の電力は、ＰＣＳ７０介さずに補機類に供給されてもよく、燃料電池システム１以外の装置の電源として利用される場合であってもよい。また、各集電体１０２Ａ〜Ｄ間に配置される燃料電池用セル１０１の個数は、電圧変換器７１，７３の出力電圧に応じて適宜設定されることが好ましい。例えば、端部セル１０１ｂの個数は１０個ずつ、内部セル１０１ａの個数は２０個としてもよい。
【００４３】
エンドプレート１０３は、燃料電池用セル１０１の積層方向の両端部に配置された第１集電体１０２Ａおよび第２集電体１０２Ｂの外側に配置されて、複数の燃料電池用セル１０１、第１集電体１０２Ａ、第２集電体１０２Ｂを挟み、これらを両側から固定する。
【００４４】
システム制御機構６０は、燃料電池システム１の駆動を制御する駆動制御機構としての機能を有するものである。システム制御機構６０としては、例えば電子制御を行うデバイス（例えばＣＰＵ（Central  Processing  Unit）、ＲＯＭ（Read  Only  Memory）、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）、および入出力インターフェイスを含んで構成されたデバイス）が挙げられる。本実施形態におけるシステム制御機構６０は、原料供給装置１０、燃料供給装置３０、酸素含有ガス供給装置４０、カソードガス供給装置８０などの補機と電気的に接続され、これらの補機の制御をすることができる。
【００４５】
ＰＣＳ７０は、スタック５０で発生した電力の調整を行う電力調整機構としての役割をになうものであり、電圧変換器７１、直交変換器７２、補機用電圧変換器７３を有している。電圧変換器７１は、第１集電体１０２Ａおよび第２集電体１０２Ｂを介して燃料電池スタック５０から出力された直流電力の電圧を変換するものであり、例えばＤＣ／ＤＣコンバータが挙げられている。直交変換器７２は、電圧変換器７１により変圧された電力を直流から交流へ変換するものであり、例えばＤＣ／ＡＣインバータが挙げられる。補機用電圧変換器７３は、第３集電体１０２Ｃおよび第４集電体１０２Ｄを介して燃料電池スタック５０から出力された直流電力の電圧を変換するものであり、例えばＤＣ／ＤＣコンバータが挙げられる。
【００４６】
カソードガス供給装置８０は、燃料電池スタック５０のカソード５２にカソードガスを供給するためのものである。本実施形態におけるカソードガス供給装置８０は、効率低下を抑制する観点から、燃料電池スタック５０と電圧変換器７１との間から電力が供給されるように構成されていてもよく、電圧変換器７１と直交変換器７２との間、あるいは、直交変換器７２と外部電力負荷ＥＩとの間でもよい。なお、外部電力負荷ＥＩは、燃料電池システム１から供給される電力を消費するものであり、該燃料電池システム１および外部電力系統ＣＥに対して電気的に接続されている。
【００４７】
次に、本実施形態に係る燃料電池システム１の動作の一例について説明する。まず、酸素含有ガス供給装置４０、カソードガス供給装置８０、燃料供給装置３０などの補機を外部電力系統ＣＥからの電力を用いて駆動することにより、燃料電池システム１の起動を開始する。このとき、外部電力系統ＣＥからの電力は、図示しないＡＣ／ＤＣコンバータによって交流から直流に変換したうえで補機に供給される。
【００４８】
次に、燃料供給装置３０を介してバーナ２１ａに燃料を供給するとともに、酸素含有ガス供給装置４０を介してバーナ２１ａに酸素含有ガスを供給し、バーナ２１ａにおける燃焼を開始する。この燃焼により発生する熱は改質部２１における改質に利用される。次に、バーナ２１ａでの燃焼熱により所定温度まで改質部２１の改質触媒が加熱された後、原料供給装置１０を介して改質部２１に原料が供給される。改質部２１に供給された原料は改質され、水素含有ガス（改質ガス）が生成される。生成された改質ガスは、シフト部２２および選択酸化部２３を介して一酸化炭素が所定濃度まで低減されたうえで、燃料電池５０のアノード５１に供給される。
【００４９】
燃料電池スタック５０では、ＦＰＳ２０から供給された改質ガス（水素）及び、カソードガス供給装置８０から供給された酸素含有ガス（酸素）を用いて発電が行われる。燃料電池スタック５０で発生した電力のうち、第１集電体１０２Ａおよび第２集電体１０２Ｂを介して取り出された電力は、ＰＣＳ７０に供給され、電圧変換器７１によって電圧を変換したうえで、直交変換器７２によって直流から交流に変換される。そして、交流に変換された電力は、外部電力負荷ＥＩに供給されて消費される。また、電圧変換器７１によって電圧を変換した直流電力は、上述した補機にも一部が供給される。
【００５０】
一方、燃料電池スタック５０で発生した電力のうち、一対の集電体１０２Ｃ，Ｄを介して取り出された電力は、補機作動電圧変換用の電圧変換器７３に供給される。補機作動電圧変換用の電圧変換器７３によって、電圧が変換された直流（例えば２４Ｖ）の電力は、補機を駆動させるために利用される。
【００５１】
このような燃料電池システム１によれば、内部セル１０１を挟むようにして配置された一対の集電体１０２Ｃ，Ｄを介して、内部セル１０１によって発電した電力を取り出すことができるので、燃料電池スタック５０から取り出す電力の電圧を、電圧変換器７３によって変換される電力に応じて低く設定することができる。これにより、電圧変換器７３への入力電圧を低下させることができるので、電圧変換器７３における電圧変換効率の向上を図ることができる。
【００５２】
一般に、燃料電池スタック５０は、出力電圧が高くなれば、発電効率が低下する傾向にある。本実施形態の燃料電池システム１では、内部セル１０１によって発電された電力を出力することにより、燃料電池スタック５０全体の出力電圧を適宜抑制することが可能であるため、電圧変換器７１，７３における電圧変換効率を向上させることができる。このように燃料電池スタック５０における出力電圧を全体的に低く設定することで、燃料電池用セル１０１の性能低下を抑制することができる。その結果、燃料電池用セル１０１における発電効率を向上させることができる。
【００５３】
また、燃料電池システム１では、一対の集電体１０２Ｃ，Ｄ介して内部セル１０１ａから電力を取り出すことで、端部セル１０１ｂにおける電流密度を低減することができる。そのため、積層方向の中央に配置された内部セル１０１ａと比較して相対的に電圧低下し易い端部セル１０１ｂにおける電圧低下を抑制することができる。その結果、端部セル１０１ｂにおけるフラッディングを抑制することができるので、端部セル１０１ｂ内におけるガス流（アノードガスおよびカソードガスの流量）を増加させて、発電効率を向上させることが可能となる。
【００５４】
（変形例）
次に、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の変形例について、図４を参照して説明する。図４は、燃料電池システムの燃料電池スタックの変形例を示す斜視図である。図４に示す燃料電池スタック５０Ｂが、図２に示す燃料電池スタック５０と違う点は、第４集電体１０２Ｄを備えていない点である。なお、複数の燃料電池用セル１０１のうち、「第１集電体１０２Ａと第３集電体１０２Ｃとに挟まれた燃料電池用セル１０１」を「端部セル１０１ｂ」と称し、複数の燃料電池用セル１０１のうち、「第３集電体１０２Ｃと第２集電体１０２Ｂとに挟まれた燃料電池用セル１０１」を「セル１０１ｃ」と称する。
【００５５】
この変形例にかかる燃料電池スタック５０Ｂでは、一対の集電体（第２集電体および第３集電体）１０２Ｂ，Ｃ間に配置されたセル１０１ｃによる発電電圧が、補機を作動させるための電圧となるように配置されている。例えば、セル１０１ｃによって発電された電力の電圧が補機作動電圧以上で且つ燃料電池スタック５０Ｂから取り出される電力の最大電圧未満となる位置に、第３集電体１０２Ｃが配置されている。そして、第２集電体１０２Ｂおよび第３集電体１０２Ｃによって取り出された電力は、例えば、原料供給装置１０、燃料供給装置３０、酸素含有ガス供給装置４０、システム制御機構６０、カソードガス供給装置８０などの補機に供給可能とされている。セル１０１ｃによって発電された電力は、補機用電圧変換器７３で所定の電圧に変換されて、補機類に各々供給されて使用される。これにより、所定の電圧を確保することができるので、昇圧することなく、補機への電力力供給を行うことができる。
【００５６】
なお、第２集電体１０２Ｂおよび第３集電体１０２Ｃを介して取り出される電力は、１２Ｖ、５Ｖなどその他の電圧でもよい。また、第２集電体１０２Ｂおよび第３集電体１０２Ｃを介して取り出される電力は、ＰＣＳ７０介さずに補機類に供給されてもよく、燃料電池システム１以外の装置の電源として利用される場合であってもよい。また、各集電体１０２Ａ〜Ｃ間に配置される燃料電池用セル１０１の個数は、電圧変換器７１，７３の出力電圧に応じて適宜設定されることが好ましい。例えば、端部セル１０１ｂの個数は１０個、セル１０１ｃの個数は３０個としてもよい。
【００５７】
このような変形例に係る燃料電池システム１によれば、一対の集電体１０２Ｂ，Ｃを介して、セル１０１ｃによって発電された電力を取り出すことができるので、燃料電池スタック５０Ｂから取り出される電力を、電圧変換器７３によって変換される電力に応じて低く設定することができる。これにより、電圧変換器７３への入力電圧を低下させることができるので、電圧変換器７３における電圧変換効率の向上を図ることができる。
【００５８】
本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、上述の実施形態では、第３集電体１０２Ｃを１枚備える構成とされているが、複数の第３集電体１０２Ｃを備える構成でもよい。同様に、第４集電体１０２Ｄを複数枚備える構成としてもよい。また、第１集電体１０２Ａと第２集電体１０２Ｂとは対でなくてもよい。
【００５９】
また、燃料電池スタック５０，５０Ｂから取り出される電力を、切替可能な制御手段を備える構成としてもよい。例えば、補機の稼動状況、負荷の変動に応じて電力が取り出される集電体１０２Ａ〜Ｄを変更するように制御してもよい。また、端部セル１０１ｂのフラッディングの状況に応じて、電力が取り出される集電体１０２Ａ〜Ｄを変更するように制御してもよい。また、第１集電体１０２Ａ及び第３集電体１０２Ｃ間に配置された端部セル１０１ｂによって発電された電力を取り出して、利用してもよい。
【００６０】
また、燃料電池スタック５０は、導電性セパレータ（アノード側セパレータ１２０、カソード側セパレータ１３０）によって構成された集電体１０２Ａ〜Ｄを備える構成としてもよく、導電性セパレータとは別体である集電体１０２Ａ〜Ｄを備える構成としてもよい。
【符号の説明】
【００６１】
１…燃料電池システム、１０…原料供給装置、２０…ＦＰＳ、２１…改質部、２１ａ…バーナ、３０…燃料供給装置、４０…酸素含有ガス供給装置、５０…燃料電池スタック、５１…アノード（電極）、５２…カソード（電極）、６０…システム制御機構、７０…ＰＣＳ（電力調整機構）、７１…電圧変換器、７２…直交変換器、７３…補機用電圧変換器、８０…カソードガス供給装置、１０１…燃料電池用セル、１０１ａ…内部セル、１０１ｂ…端部セル、１０１ｃ…セル、１０２Ａ…第１集電体、１０２Ｂ…第２集電体、１０２Ｃ…第３集電体、１０２Ｄ…第４集電体、１０２ｔ…接続端子、１１０…ＭＥＡ（膜電極接合体）、１１１…電解質膜、１２０…アノード側セパレータ、１２１…溝部、１２２…ガス流路、１３０…カソード側セパレータ、１３１…溝部、１３２…ガス流路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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