(57)【要約】【課題】燃料電池の低温起動性を向上させることのできる燃料電池、および燃料電池システムを提供する。【解決手段】複数の単位セル１０を積層した構造を有し、反応ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池において、単位セル１０は、電解質膜の両面に電極が配置されたＭＥＡ２０と、反応ガスとしての酸化ガスが、ＭＥＡ２０の面に沿って流れるように設けられた多孔体流路１４と、ＭＥＡ２０と多孔体流路１４との間における、カソード上流領域に配置されたプレート４２と、を有する。プレート４２は、燃料電池の低温時に前記燃料電池の積層方向に広がるように構成された平板として構成されている。好ましくは、プレート４２には、燃料電池が氷点下である場合に、燃料電池の積層方向に広がるように組成された形状記憶合金が使用される。【選択図】図３
2008282580.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単位セルを積層した構造を有し、反応ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池において、
前記単位セルは、
電解質膜の両面に電極が配置された膜電極接合体と、
前記反応ガスとしての酸化ガスが、前記膜電極接合体の面に沿って流れるように設けられた酸化ガス流路と、
前記膜電極接合体と前記酸化ガス流路との間における、前記酸化ガス流路の上流側に対応する領域に配置されたプレートと、を有し、
前記プレートは、前記燃料電池の低温時に前記燃料電池の積層方向に広がるように構成された平板であることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記プレートは、前記燃料電池が氷点下である場合に、前記燃料電池の積層方向に広がるように組成された形状記憶合金であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記酸化ガス流路は、前記膜電極接合体と対向する面に配置されたガス拡散層を含むことを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記プレートは、複数の貫通孔を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の燃料電池。
【請求項５】
電解質膜の両面に電極が配置された膜電極接合体と、前記反応ガスとしての酸化ガスが、前記膜電極接合体のカソード面に沿って流れるように設けられた酸化ガス流路と、前記反応ガスとしての燃料ガスが、前記膜電極接合体のアノード面に沿って流れるように設けられた燃料ガス流路と、を有する単位セルを複数した燃料電池と、
前記膜電極接合体における接触抵抗を、所定領域毎に制御する接触抵抗制御手段と、
を備え、
前記接触抵抗制御手段は、前記燃料電池の低温始動時に、前記膜電極接合体における前記酸化ガス流路の上流側に対応する領域の接触抵抗を大きくすることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池の温度を取得する温度取得手段を更に備え、
前記接触抵抗制御手段は、前記燃料電池の温度が氷点下である場合に、前記膜電極接合体における前記酸化ガス流路の上流側に対応する領域の接触抵抗を大きくすることを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池の末端に配置され、前記酸化ガス流路におけるガスの流れ方向に沿って複数に分断されたターミナルを更に備え、
前記接触抵抗制御手段は、
前記各ターミナルの外側面から前記燃料電池をそれぞれ加圧する加圧手段を含み、
前記燃料電池の低温始動時に、前記燃料電池における前記酸化ガス流路の上流側に対応する領域の面圧が、前記酸化ガス流路の下流側に対応する領域の面圧に比して小さくなるように、前記加圧手段を制御することを特徴とする請求項５または６記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池および燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、複数枚の燃料電池セル（以下、「単位セル」と称す）が積層された燃料電池スタックとして使用される。単位セル自体も平面状の部材の積層体であり、電解質膜をアノードおよびカソードで挟んで構成された膜電極接合体（ＭＥＡ;Membrane Electrode Assembly）を有し、該ＭＥＡをその両側からセパレータで挟むことで構成されている。
【０００３】
このような燃料電池においては、低温起動される際に発電効率が大幅に低下するため、所望の発電状態に至るまでに相当の時間を要することが問題とされている。そこで、例えば、特開２００４−１０３４７７号公報には、燃料電池における低温起動を迅速に行うことのできる燃料電池が開示されている。この燃料電池によれば、ＭＥＡの中央部分における熱伝導性が、他の部分に比して低くなるように構成されている。このような構成によれば、低温起動される場合に該ＭＥＡ中央部から外部に伝播する熱量が抑制されるため、該ＭＥＡ中央部において発電反応を活発に行われる。このため、当該発電反応による反応熱を周囲に伝播させることによりＭＥＡを所望の温度まで迅速に加熱することができる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１０３４７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、燃料電池において発電反応が行われると、ＭＥＡのカソード側では、供給された酸素と電解質膜内を移動したプロトンとが反応することにより水が生成される。つまり、上記従来の燃料電池においては、低温起動時にＭＥＡ中央部において水が生成されることとなる。このため、これらの生成水がカソード流路の下流へ向かって流通すると、未だ発電反応が行われていない低温領域において当該水分が結露あるいは凍結し、発電効率が低下するおそれがあった。このように、発電により生成される水分の流れを考慮していない上記従来の燃料電池では、低温起動を良好に行うために未だ改善の余地を残すものであった。
【０００６】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、低温起動性を向上させることのできる燃料電池、および燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池であって、
複数の単位セルを積層した構造を有し、反応ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池において、
前記単位セルは、
電解質膜の両面に電極が配置された膜電極接合体と、
前記反応ガスとしての酸化ガスが、前記膜電極接合体の面に沿って流れるように設けられた酸化ガス流路と、
前記膜電極接合体と前記酸化ガス流路との間における、前記酸化ガス流路の上流側に対応する領域に配置されたプレートと、を有し、
前記プレートは、前記燃料電池の低温時に前記燃料電池の積層方向に広がるように構成された平板であることを特徴とする。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、
前記プレートは、前記燃料電池が氷点下である場合に、前記燃料電池の積層方向に広がるように組成された形状記憶合金であることを特徴とする。
【０００９】
第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記酸化ガス流路は、前記膜電極接合体と対向する面に配置されたガス拡散層を含むことを特徴とする。
【００１０】
第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、
前記プレートは、複数の貫通孔を有することを特徴とする。
【００１１】
第５の発明は、第１の発明において、燃料電池システムであって、
電解質膜の両面に電極が配置された膜電極接合体と、前記反応ガスとしての酸化ガスが、前記膜電極接合体のカソード面に沿って流れるように設けられた酸化ガス流路と、前記反応ガスとしての燃料ガスが、前記膜電極接合体のアノード面に沿って流れるように設けられた燃料ガス流路と、を有する単位セルを複数した燃料電池と、
前記膜電極接合体における接触抵抗を、所定領域毎に制御する接触抵抗制御手段と、
を備え、
前記接触抵抗制御手段は、前記燃料電池の低温始動時に、前記膜電極接合体における前記酸化ガス流路の上流側に対応する領域の接触抵抗を大きくすることを特徴とする。
【００１２】
第６の発明は、第５の発明において、
前記燃料電池の温度を取得する温度取得手段を更に備え、
前記接触抵抗制御手段は、前記燃料電池の温度が氷点下である場合に、前記膜電極接合体における前記酸化ガス流路の上流側に対応する領域の接触抵抗を大きくすることを特徴とする。
【００１３】
第７の発明は、第５または第６の発明において、
前記燃料電池の末端に配置され、前記酸化ガス流路におけるガスの流れ方向に沿って複数に分断されたターミナルを更に備え、
前記接触抵抗制御手段は、
前記各ターミナルの外側面から前記燃料電池をそれぞれ加圧する加圧手段を含み、
前記燃料電池の低温始動時に、前記燃料電池における前記酸化ガス流路の上流側に対応する領域の面圧が、前記酸化ガス流路の下流側に対応する領域の面圧に比して小さくなるように、前記加圧手段を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
第１の発明によれば、燃料電池を構成する各単位セルにおける膜電極接合体（ＭＥＡ）と酸化ガス流路との間には、酸化ガス流路の上流側に対応する領域（以下、「カソード上流領域」と称す）にプレートが配置されている。プレートは、燃料電池の低温起動時において該燃料電地の積層方向に広がる材料により構成されている。プレートが燃料電池の積層方向に広がると、膜電極接合体におけるカソード上流領域の接触抵抗が大きくなる。このため、本発明によれば、燃料電池の低温起動時に酸化ガス流路の下流に対応する領域（以下、「カソード下流領域」と称す）に発電反応を集中させることができるので、発電反応により生成された水分を、未だ発電が活発に行われていない低温領域を流通させずに外部に排出することができる。これにより、当該生成水が流路内で結露あるいは凍結することにより、該燃料電池の発電効率が低下する事態を効果的に抑制し、低温起動性を効果的に向上させることができる。
【００１５】
第２の発明によれば、当該プレートは、氷点下において該燃料電池の積層方向に広がるように変形し、氷点下を脱すると平板形状に変形するように組成された形状記憶合金により構成されている。このため、本発明によれば、燃料電池の温度が氷点下である場合には発電反応を効果的にカソード下流領域に集中させ、氷点下を脱した場合には、ＭＥＡ全面において発電反応を行うことができる。
【００１６】
第３の発明によれば、当該プレートは、ＭＥＡとガス拡散層との間に配置される。このため、本発明によれば、燃料電池の低温起動時に、カソード上流領域におけるＭＥＡとガス拡散層との接触抵抗を大きくすることができ、かかる領域における発電反応を効率よく抑制することができる。
【００１７】
第４の発明によれば、当該プレートには、反応ガスおよび水分が通過するための複数の貫通孔が形成されている。このため、本発明によれば、プレートが配置された領域であっても、膜電極接合体へのガスの供給、および生成水の排出を問題なく行うことができる。
【００１８】
第５の発明によれば、膜電極接合体における接触抵抗を領域毎に制御することができるシステムにおいて、燃料電池の低温起動時にカソード上流領域における接触抵抗を大きくすることができる。このため、本発明によれば、燃料電池の低温起動時にカソード下流領域に発電反応を集中させることができるので、発電反応により生成された水分を、未だ発電が活発に行われていない低温領域を流通させずに外部に排出することができる。これにより、当該生成水が流路内で結露あるいは凍結することにより、該燃料電池の発電効率が低下する事態を効果的に抑制し、低温起動性を効果的に向上させることができる。
【００１９】
第６の発明によれば、燃料電池の温度が氷点下である場合に、カソード上流領域における接触抵抗が大きくされる。このため、本発明によれば、燃料電池の低温起動時にカソード下流領域に発電反応を集中させることができ、生成された水分が排出される前に凍結してしまう事態を効果的に抑制することができる。
【００２０】
第７の発明によれば、燃料電池の末端に配置されたターミナルは、酸化ガス流路に沿って複数に分断されており、各ターミナルを外部から加圧することにより、膜電極接合体における接触抵抗が領域毎に制御される。このため、本発明によれば、燃料電池の低温起動時において、カソード上流領域に対応するターミナルの加圧量を、カソード下流領域に対応するターミナルの加圧量に比して小さくすることにより、カソード上流領域における接触抵抗を効果的に大きくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面に基づいてこの発明のいくつかの実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００２２】
実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
本発明の実施の形態としての燃料電池は、図７に示すような発電システム（燃料電池システム）に使用される。図７は、本発明にかかる燃料電池を使用可能な燃料電池システムの全体を示す概略構成図である。この燃料電池システムは、燃料電池自動車に搭載される車両用燃料電池システムとして好適である。尚、他の用途の燃料電池システムへの適用も勿論可能である。
【００２３】
図７に示す燃料電池システムでは、燃料ガスとしての水素（以下、「アノードガス」とも称す）が燃料電池１００に供給される。燃料電池１００に供給される水素は高圧の水素タンク１１４に貯蔵されている。水素タンク１１４と燃料電池１００のアノードとは水素供給管１１０によって接続され、水素供給管１１０の途中にはシャットバルブ１１６および調圧バルブ１１８が配置されている。また、燃料電池１００のアノードには、アノードオフガスを排出するためのオフガス排出管１１２が接続されている。オフガス排出管１１２は、水素供給管１１０における調圧バルブ１１８の下流側に接続され、水素供給管１１０と共に水素の循環系を構成している。オフガス排出管１１２の途中には、循環系内で水素を循環させるための循環ポンプ１２０が配置されている。
【００２４】
このシステムでは、酸化ガスとしての空気（以下、「カソードガス」とも称す）が燃料電池１００に供給される。燃料電池１００に供給される空気は、コンプレッサ１３４によって大気から取り込まれる。コンプレッサ１３４と燃料電池１００のカソードとは空気供給管１３０によって接続されている。また、燃料電池１００のカソードには、カソードオフガスを排出するためのオフガス排出管１３２が接続されている。オフガス排出管１３２は大気開放され、その管路の途中には空気圧を調整する為の調圧バルブ１３６が設けられている。
【００２５】
更に、このシステムでは、上記の反応ガス（燃料ガスおよび酸化ガス）とは別に、燃料電池１００を冷却するための冷媒（水、不凍液或いは空気等）が燃料電池１００に供給される。燃料電池１００には冷媒を供給するための冷媒供給管１４０と冷媒を排出するための冷媒排出管１４２とが接続されている。冷媒供給管１４０と冷媒排出管１４２はともにラジエータ１４６に接続され、冷媒はラジエータ１４６を通って冷媒排出管１４２から冷媒供給管１４０へ循環するようになっている。冷媒排出管１４２の途中には、循環系内で冷媒を循環させるための循環ポンプ１４８が配置されている。
【００２６】
本実施の形態の燃料電池１００は、図１に示すような構成を有している。図１は、本実施の形態の燃料電池１００の構成を模式的に示す断面図である。図１に示すとおり、燃料電池スタック（以下、「ＦＣスタック」とも称す）１００は単位セル１０を複数積層したスタック構造を有している。単位セル１０は、発電体１２、カソードガスおよびアノードガスが流れる多孔体流路１４および１６、隣接する発電体１２を隔離するセパレータ１８によって構成されている。発電体１２は、電解質膜を挟んでアノードとカソードが配置された膜電極接合体（ＭＥＡ）２０の外側に、図示しないガス拡散層をシールガスケットで囲んで一体として形成されている。
【００２７】
多孔体流路１４および１６は、ステンレス鋼やチタン、或いはチタン合金などの発砲焼結金属や、金属メッシュなどの内部に多数の細孔を備えた多孔体によって形成されている。多孔体流路１４および１６は所定方向へ反応ガスを流すことを主目的としているため、反応ガスの流れの圧力損失を抑え、排水性を構造させるように、比較的気孔率の大きい多孔体が使用される。当該多孔体流路１４および１６に導入された反応ガスは内部の細孔を通過しＭＥＡ５０のアノードおよびカソードに供給される。
【００２８】
図１に示すとおり、燃料電池セル１０には空間が形成されており、これらが単位セル１０の積層方向に延在することにより、カソード系入口マニホールド３０、およびカソード系出口マニホールド３２が形成されている。上述した多孔体流路１４は、上記カソード系入口マニホールド３０とカソード系出口マニホールド３２との間に介在するように設けられている。同様に、ＦＣスタック１００には、図示しないアノード系入口マニホールド、およびアノード系出口マニホールドが形成されている。そして、上述した多孔体流路１６は、上記アノード系入口マニホールドとアノード系出口マニホールドとの間に介在するように設けられている。
【００２９】
セパレータ１８は、ステンレス鋼、チタンなどの導電性の金属の薄板を積層して形成される三層積層型のセパレータである。より具体的には、多孔体流路１４と接触するカソードプレート２２と、多孔体流路１６と接触するアノードプレート２４と、これらのプレートの中間に挟まれた中間プレート２６とから構成されている。図１に示すとおり、中間プレート２６には複数の溝が形成されている。これにより、セパレータ１８内部に複数の冷媒流路２８が形成されている。
【００３０】
図２は、図１に示すＦＣスタック１００の積層方向からみた単位セル１０の内部構造を示す模式図である。図２に示すとおり、単位セル１０には、上述した入口マニホールド３０および出口マニホールド３２としての空間が形成されている。入口マニホールド３０に導入されたカソードガスは、多孔体流路１４の内部を出口マニホールド３２に向かって流通する。また、同様に、単位セル１０には、アノード系入口マニホールド３４、アノード系出口マニホールド３６、冷却系入口マニホールド３８、および冷却系出口マニホールド４０、としての空間が形成されている。
【００３１】
ここで、単位セル１０におけるカソード上流領域には、プレート４２が配置されている。図３は、図２に示す単位セル１０におけるIII−III断面の一部を詳細に示す摸式図である。この図に示すとおり、ＭＥＡ２０と多孔体流路１４、１６との間には、拡散層４４、４６が設けられており、当該プレート４２は、ＭＥＡ２０と拡散層４６との間に配置されている。プレート４２は、氷点下においてスタックの積層方向へ広がる形状記憶合金であり、例えば、変態点が０℃近傍となるように組成されたＮｉ−Ｔｉ系合金が使用される。また、プレート４２には、反応ガスや水分が通過するための孔が複数設けられている。
【００３２】
［実施の形態１における動作］
次に、図４乃至図６を参照して、本実施の形態の動作について説明する。燃料電池における氷点下からの始動性を向上させるためには、発電反応を一部領域に集中させて、局所を逸早く氷点突破させることが重要となる。このため、「発明が解決しようとする課題」において上述した従来のシステムでは、単位セルの中央部における発電反応が活発に行われるように、当該中央部の熱伝導性を他の領域に比して低く設定し、外周部への放熱を抑制することとしている。
【００３３】
図４は、ＭＥＡ２０中央部において局部的に氷点下発電が開始された場合のスタック内部の状態を説明するための図である。この図に示すとおり、氷点下の燃料電池において発電反応が開始されると、熱伝導性の低いＭＥＡ２０の中央部において温度が上昇し、局部的に氷点突破される。これにより、該中央部において発電反応が活発に行われ、発生した反応熱が周囲に伝播されることにより、効率よく発電範囲が拡大される。
【００３４】
ここで、発電反応が行われると、ＭＥＡ２０のカソード側において水が生成される。生成された水分はＭＥＡ２０の加湿のために使用されるが、余剰な水分は反応後のオフガスとともに多孔体流路１４内を流通して出口マニホールド３２から排出される。このため、生成された水分が氷点を突破していない範囲に流通すると、当該生成水が多孔体流路１４内で結露あるいは凍結してしまうおそれがある。かかる事態が発生すると、多孔体流路１４が閉塞してしまい、発電効率が低下してしまう。
【００３５】
そこで、本実施の形態においては、プレート４２が配置された単位セル１０が使用される。図５は、プレート４２を有する単位セル１０において、氷点下発電が開始された場合のスタック内部の状態を説明するための図である。上述したとおり、プレート４２は、氷点下においてスタック積層方向に広がり、氷点下を突破すると略平面形状となる形状記憶合金として構成されている。つまり、氷点下においては、プレート４２が配置された領域においてＭＥＡ２０と拡散層４４との接触抵抗を大きくすることができ、当該領域における発電反応を抑制することができる。
【００３６】
図５に示すとおり、プレート４２を有する燃料電池において氷点下発電が開始されると、接触抵抗の小さい範囲、すなわち該プレート４２が配置されていないカソード下流領域において発電反応が局部的に開始される。発電反応により生成された水分は、多孔体流路１４における氷点下の範囲を流通することなく、出口マニホールド３２へ排出される。このため、生成水が多孔体流路１４内で結露あるいは凍結することによりガス流路が閉塞する事態を効果的に回避することができる。これにより、燃料電池における発電効率の低下を抑制し、低温起動性を効果的に向上させることができる。
【００３７】
図６は、プレート４２を有する単位セル１０において、氷点下を脱した場合のスタック内部の状態を説明するための図である。図６に示すとおり、カソード下流領域における発電反応により発生した反応熱が周囲に伝播されると、氷点突破範囲がカソード上流領域に拡大される。プレート４２は、氷点を突破すると略平面形状に変形してＭＥＡ２０の接触抵抗を低下させる。このため、プレート４２における氷点を突破した範囲から徐々に発電範囲が拡大される。
【００３８】
以上説明したとおり、本実施の形態の燃料電池によれば、カソード上流領域に配置されたプレート４２は、氷点下において該燃料電池の積層方向に広がるように構成されている。このため、氷点下起動時においてＭＥＡ２０のカソード上流領域の接触抵抗を効果的に増大させることができる。これにより、発電反応をカソード下流領域における局部に集中させることができるので、当該発電反応による反応熱が周囲に伝播されることにより、効果的に低温起動性を向上させることができる。
【００３９】
また、発電反応をカソード下流領域に集中させると、当該発電反応により生成される水分を、低温領域を通過させることなく外部に排出することができる。このため、かかる生成水が流路内で結露あるいは凍結し、発電効率が低下する事態を効果的に回避することができる。
【００４０】
ところで、上述した実施の形態１においては、プレート４２を、単位セル１０におけるＭＥＡ２０と拡散層４６との間に配置することとしているが、当該プレート４２の配置はこれに限られない。すなわち、ＭＥＡ２０面における接触抵抗を変化させることができるのであれば、拡散層４６と多孔体流路１４との間に配置することとしてもよい。また、拡散層４４を有しない燃料電池、あるいは拡散層４４がＭＥＡ２０と一体として形成されている場合には、該ＭＥＡ２０と多孔体流路１４との間に配置することとしてもよい。
【００４１】
また、上述した実施の形態１においては、プレート４２は、形状記憶合金を使用することとしているが、使用する材料はこれに限られない。すなわち、０℃近傍において温度に基づいて変形する材料であれば、例えば、バイメタル等を使用することとしてもよい。
【００４２】
尚、上述した実施の形態１においては、多孔体流路１４が前記第１の発明における「酸化ガス流路」に、拡散層４６が前記第３の発明における「ガス拡散層」に、それぞれ相当している。
【００４３】
実施の形態２．
［実施の形態２の構成］
次に、図８乃至図１２を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。図８は、本実施の形態２におけるＦＣスタック２００が搭載された燃料電池システムの全体を示す概略構成図である。尚、図８に示す燃料電池システムにおいて、図７に示す燃料電池システムと共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００４４】
図８に示す燃料電池システムでは、ＦＣスタック２００に面圧可変機構５２が配置されている。面圧可変機構５２は、後述するように、ＦＣスタック２００の面圧を所定領域毎に制御することのできる機構を備えている。また、冷媒排出管１４２には温度センサ６２が配置されている。温度センサ６２は、ＦＣスタック２００から排出された冷媒の温度を取得する。
【００４５】
また、本実施の形態のシステムは、図８に示すとおり、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)６０を備えている。上述した温度センサ６２の出力等はＥＣＵ６０に供給されている。ＥＣＵ６０はこれらのセンサ出力に基づいて、面圧可変機構５２の制御等の処理を行う。
【００４６】
図９は、ＦＣスタック２００およびその周辺機器の内部構造を模式的に示す図である。尚、図９に示す燃料電池において、図３に示す燃料電池と共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００４７】
図９に示すとおり、単位セル５０が積層されたＦＣスタック２００の末端には、カソード上流領域においてターミナル５４ａが、カソード下流領域においてターミナル５４ｂが、それぞれ配置されている（以下、これらを特に区別しないときは、「ターミナル５４」と称す）。また、ターミナル５４ａ、５４ｂには、面圧可変機構５２として、コイルスプリング５６ａ、５６ｂ（以下、これらを特に区別しないときは、「コイルスプリング５６」と称す）がそれぞれ配置されている。コイルスプリング５６の他端には、コイルスプリング５６の変位量をそれぞれ制御するための制御装置（図示せず）が接続されている。
【００４８】
［実施の形態２の特徴的動作］
次に、図１０および図１１を参照して、本実施の形態２における特徴的動作について説明する。図１０は、ＦＣスタック２００において、氷点下発電が開始された場合のスタック内部の状態を説明するための図である。この図に示すとおり、氷点下において発電反応が開始されると、カソード上流領域のコイルスプリング５６ａの圧縮変位量がコイルスプリング５６ｂの圧縮変異量よりも小さく設定される。圧縮変位量が小さく設定されるとスタックの内部の面圧が低下するため、カソード上流領域の接触抵抗がカソード下流領域に比して大きくなる。これにより、氷点下起動時の発電反応をカソード下流領域に集中させることができるので、発電反応により生成された水分を効果的に外部に排出し、氷点下からの起動性を向上させることができる。
【００４９】
ＦＣスタック２００の温度が反応熱により徐々に上昇すると、発電可能範囲が拡大する。図１１は、ＦＣスタック２００が氷点下状態を脱した場合のスタック内部の状態を説明するための図である。この図に示すとおり、カソード下流領域における発電反応により発生した反応熱が周囲に伝播され、カソード上流領域が氷点下を脱すると、カソード上流領域のコイルスプリング５６ａの圧縮変位量がコイルスプリング５６ｂの圧縮変異量と同等に設定される。カソード上流領域における接触抵抗が低下すると、発電範囲がＭＥＡ２０の全面に拡大される。このように、氷点下発電時に面圧可変機構５２を制御することにより、ＭＥＡ２０面において、発電反応が活発に行われる範囲を制限することができる。
【００５０】
［実施の形態２の具体的処理］
次に、図１２を参照して、本実施の形態の具体的処理について説明する。図１２は、この発明の実施の形態２において、ＥＣＵ６０がＦＣスタック５０の氷点下始動を実施するために実行するルーチンのフローチャートである。図１２に示すルーチンでは、先ず、冷媒温度Twが検出される（ステップ１００）。冷媒はＦＣスタック２００内の熱を吸収するため、冷媒温度TwはＦＣスタック２００の内部温度として使用される。ここでは、具体的には、冷媒排出管１４２に設けられた温度センサ６２の出力信号に基づいて、ＦＣスタック５０から排出された冷媒の温度が取得される。
【００５１】
次に、上記ステップ１００において取得された冷媒温度Twが０℃より低いか否かが判定される（ステップ１０２）。その結果、Tw＜０℃の成立が認められた場合には、スタック内が氷点下の状態であると判断され、次のステップに移行し、カソード上流領域における面圧が、カソード下流領域に比して小さくなるように、面圧可変機構５２が制御される（ステップ１０４）。ここでは、具体的には、コイルスプリング５６ａの圧縮変位量がコイルスプリング５６ｂの圧縮変位量よりも小さくなるように制御される。
【００５２】
一方、上記ステップ１０２において、Tw＜０℃の成立が認められた場合には、既にスタック内部が氷点下の状態を脱していると判断され、次のステップに移行し、カソード上流領域、およびカソード下流領域における面圧が、ともに通常運転面圧となるように制御される（ステップ１０６）。
【００５３】
以上説明したとおり、本実施の形態２の燃料電池システムによれば、氷点下における起動を実行する場合に、カソード上流領域におけるスタック面圧がカソード下流領域に比して低く設定される。スタック面圧の低い領域は接触抵抗が増大される。このため、発電領域をカソード下流領域に集中させることができ、発電反応により生成された水分を効果的に出口マニホールド３２から排出することができる。これにより、生成された水分が氷点下領域において結露あるいは凍結してカソード経路を閉塞する事態を効果的に回避することができる。
【００５４】
ところで、上述した実施の形態２においては、ターミナル５４を２つに分割して、カソード上流領域およびカソード下流領域のスタック面圧を個別に制御することとしているが、かかる領域の区分けはこれに限られない。すなわち、カソードガスの流れ方向に沿って区分けされているのであれば、ターミナル５４を３つ以上に分割して、更に詳細にスタック面圧を制御することとしてもよい。
【００５５】
また、上述した実施の形態２においては、各ターミナル５４に設けられたスプリング５６の圧縮変位量を制御し、領域毎のスタック面圧を制御することとしているが、領域毎のスタック面圧を制御する構成はこれに限られない。すなわち、各ターミナル５４への加圧量を個別に制御できるのであれば、スプリング５６に代えて他のアクチュエータを用いる構成としてもよい。
【００５６】
尚、上述した実施の形態２においては、多孔体流路１４が前記第５の発明における「酸化ガス流路」に、面圧可変機構５２が前記第７の発明における「加圧手段」に、それぞれ相当している。
【００５７】
また、上述した実施の形態２においては、ＥＣＵ６０が、前記ステップ１０４の処理を実行することにより、前記第５の発明における「接触抵抗制御手段」が、前記ステップ１００の処理を実行することにより、前記第６の発明における「温度取得手段」が、それぞれ実行されている。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本実施の形態１のＦＣスタック１００の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】図１に示すＦＣスタック１００の積層方向からみた単位セル１０の内部構造を示す模式図である。
【図３】図２に示す単位セル１０のIII−III断面の一部を詳細に示す摸式図である。
【図４】ＭＥＡ２０の中央部において局部的に氷点下発電が開始された場合のスタック内部の状態を説明するための図である。
【図５】ＦＣスタック１００において、氷点下発電が開始された場合のスタック内部の状態を説明するための図である。
【図６】ＦＣスタック１００が氷点下状態を脱した場合のスタック内部の状態を説明するための図である。
【図７】本実施の形態１に適用可能な燃料電池システムの全体を示す概略構成図である。
【図８】本実施の形態２におけるＦＣスタック２００が搭載された燃料電池システムの全体を示す概略構成図である。
【図９】ＦＣスタック２００およびその周辺機器の内部構成を模式的に示す図である。
【図１０】ＦＣスタック２００において、氷点下発電が開始された場合のスタック内部の状態を説明するための図である。
【図１１】ＦＣスタック２００が氷点下状態を脱した場合のスタック内部の状態を説明するための図である。
【図１２】本実施の形態２において、ＥＣＵ６０がＦＣスタック２００の氷点下起動を実施するために実行するルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
【００５９】
１０  単位セル
１２  発電体
１４  多孔体流路
１６  多孔体流路
１８  セパレータ
２２  カソードプレート
２４  アノードプレート
２６  中間プレート
３０  入口マニホールド
３２  出口マニホールド
４２  プレート
４４  拡散層
４６  拡散層
５０  単位セル
５２  面圧可変機構
５４  ターミナル
５６  コイルスプリング
６０  ＥＣＵ(Electronic Control Unit)
６２  温度センサ
１００、２００  燃料電池（ＦＣ）スタック
１１０  水素供給管
１１２  オフガス排出管
１１４  水素タンク
１１６  シャットバルブ
１１８  調圧バルブ
１２０  循環ポンプ
１３０  空気供給管
１３２  オフガス排出管
１３４  コンプレッサ
１３６  調圧バルブ
１４０  冷媒供給管
１４２  冷媒排出管
１４６  ラジエータ
１４８  循環ポンプ
【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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【図１１】
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【図１２】
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