(57)【要約】【課題】スタックの端部周辺に配置されたセルを、所望の温度まですばやく昇温できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】電解質と、該電解質の両側にそれぞれ形成された電極層と、該電極層の外側にそれぞれ配置された２つのセパレータ２ａ及び２ｂとを有するセル１００が複数積層された燃料電池１０と、該燃料電池の少なくとも端部に位置するセルが有する２つのセパレータの各々に設けられた複数の端子であって、該２つのセパレータの間の電圧を測定する電圧モニタに接続される複数の端子３ａ及び３ｂと、該複数の端子３ａ及び３ｂを介して、該セパレータに電流を供給する電源装置１２とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質と、該電解質の両側にそれぞれ形成された電極層と、該電極層の外側にそれぞれ配置された２つのセパレータとを有する構造体が複数積層された燃料電池と、
前記燃料電池の少なくとも端部に位置する前記構造体が有する前記２つのセパレータの各々に設けられた複数の端子であって、前記２つのセパレータ間の電圧を測定する電圧測定手段に接続される複数の端子と、
前記複数の端子を介して、前記セパレータに電流を供給する電源装置と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記電源装置の動作を制御する制御手段をさらに備える請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記複数の端子の内、前記２つのセパレータにそれぞれ設けられた端子に接続されることにより、前記２つのセパレータ間の電圧を測定する電圧測定手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記電圧測定手段の測定結果に基づいて、前記電源装置の動作を制御する、請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池を循環する冷却水の温度を測定する温度測定手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記温度測定手段の測定結果に基づいて、前記電源装置の動作を制御する、請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記構造体の温度を測定する温度測定手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記温度測定手段の測定結果に基づいて、前記電源装置の動作を制御する、請求項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、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素と酸素との電気化学反応を利用して発電する燃料電池がエネルギー源として注目されている。例えば、燃料電池の一種である固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜を、アノード電極（燃料極）とカソード電極（酸素極）とで両側から挟み込んだＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜−電極接合体）によって形成されている。また、実用的な燃料電池においては、必要な電圧を得るために、ＭＥＡの両側にセパレータを配置したセルを複数積層することにより、スタック（燃料電池スタック）が形成される。
【０００３】
ところで、このような燃料電池においては、電気化学反応を促進する触媒（例えば、白金や白金合金）を十分に作用させるために、各セルを適切な温度の範囲に保つことが重要となっている。ところが、スタックの両端付近に位置するセルは、放熱により温度が低下し易いので、発電効率があまり良くないという問題が生じている。特に、低温の環境下で燃料電池を始動させた場合には、両端付近のセルの温度を上昇させることは困難である。また、セルの温度が低い場合には、水マネジメント（発電時の電気化学反応によって生成される水の流れの制御）が不調となり、低温の環境下では凍結してしまうという問題も生じている。さらに、セルの温度が低い場合には、発電時の生成水（水蒸気）が凝結してスタック内に溜まり、燃料ガスや酸素ガスの拡散を阻害するので、やはり発電効率が低下してしまう。これらの理由から、現状では、スタック全体として性能を十分に発揮させることが困難である。
【０００４】
関連する技術として、特許文献１には、導電性のセパレータに外部電源を接続して通電することにより、セパレータを加熱することが開示されている。しかしながら、特許文献１においては、セパレータに凸部を形成し、この凸部に嵌合するコネクタを介して通電を行っているため、構成が複雑であり、製造に手間がかかってしまう。
【特許文献１】特開２００５−９３２８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明は、スタックの端部周辺に配置されたセルを、簡単な構成で所望の温度まで速やかに昇温させることができる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】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明の１つの観点に係る燃料電池システムは、電解質と、該電解質の両側にそれぞれ形成された電極層と、該電極層の外側にそれぞれ配置された２つのセパレータとを有する構造体が複数積層された燃料電池と、前記燃料電池の少なくとも端部に位置する前記構造体が有する前記２つのセパレータの各々に設けられた複数の端子であって、前記２つのセパレータの間の電圧を測定する電圧測定手段に接続される複数の端子と、前記複数の端子を介して、前記セパレータに電流を供給する電源装置とを備える。
【０００７】
かかる構成とすることにより、前記セパレータが前記電源装置から電流の供給を受けることにより発熱するので、少なくとも燃料電池の端部に位置する構造体を所望の温度まで速やかに上昇させることができる。それにより、放熱により温度が低下し易いセルにおいても電気化学反応を十分に生じさせることが可能となる。また、各セパレータに設けられた端子を介して通電するので、セパレータの構成や配線が複雑化することもない。さらに、電圧測定手段接続用の端子と、電源装置接続用の端子とを兼用するので、各セパレータにおける端子配設のためのスペースを抑えることができる。
【０００８】
また、前記燃料電池システムは、前記電源装置の動作を制御する制御手段をさらに備えることにより、必要に応じてセルを発熱させたり、発熱を停止させたりすることができる。
【０００９】
ここで、前記燃料電池システムは、前記複数の端子の内、前記２つのセパレータにそれぞれ設けられた端子に接続されることにより前記２つのセパレータ間の電圧を測定する電圧測定手段をさらに備え、前記制御手段は、前記電圧測定手段の測定結果に基づいて前記電源装置の動作を制御しても良い。それにより、セルの発生電圧に応じて、そのセルの温度を適切な範囲に調節することができる。
【００１０】
また、前記燃料電池システムは、前記燃料電池を循環する冷却水の温度を測定する温度測定手段をさらに備え、前記制御手段は、前記温度測定手段の測定結果に基づいて前記電源装置の動作を制御しても良い。それにより、燃料電池の内部の温度に応じて、セルの温度を調節することが可能になる。また、温度測定手段を燃料電池に直接接続する必要がないので、システムの構成が簡単になる。
【００１１】
さらに、前記燃料電池システムは、前記構造体の温度を測定する温度測定手段をさらに備え、前記制御手段は、前記温度測定手段の測定結果に基づいて前記電源装置の動作を制御しても良い。それにより、セルの温度をより高い精度で調節することが可能になる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、セパレータの構造や配線を複雑化することなく、各セパレータに通電することができ、それにより、各セル（特に端部のセル）の温度を適切な範囲に保って発電効率を向上させることが可能になる。従って、設計コストや製造コストの大幅な上昇を招くことなく、燃料電池システム全体の性能を高めることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図である。この燃料電池システムは、燃料電池自動車の車載発電システムや、船舶、航空機、電車あるいは歩行ロボット等のあらゆる移動体用の発電システム、さらには、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システム等に適用可能であるが、本実施形態においては自動車用となっている。
【００１４】
図１に示す燃料電池システムは、複数のＭＥＡ（膜−電極接合体）１と、各ＭＥＡ１の両側にそれぞれ配置されたセパレータ２ａ及び２ｂとを含む燃料電池１０と、各セパレータ２ａ及び２ｂに設けられた複数の端子３ａ及び３ｂとを含んでいる。これらの端子３ａ及び３ｂには、１つのＭＥＡ１を挟んで対向する２つのセパレータ２ａ及び２ｂ間の電圧を測定する電圧モニタ１１と、制御部１３の制御の下でセパレータ２ａ及び２ｂに電流を供給する電源装置１２とが接続されている。
【００１５】
図２及び図３は、図１に示す燃料電池１０の構造を説明するための図である。図１に示す燃料電池１０は、ＭＥＡ１と、セパレータ２ａと、セパレータ２ｂとを含む構造体（セル１００）を１単位として、これを複数積層することにより形成されている。
【００１６】
ＭＥＡ１は、イオン交換機能を有する電解質と、その両側にそれぞれ配置されたアノード電極（水素極）及びカソード電極（酸素極）とを含む複合体である。これらの各電極は、好ましくは白金又は白金合金を含む触媒層と、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）に対する透過性及び導電性を有する拡散層とから構成される。このようなＭＥＡ１に燃料ガス及び酸化ガスを供給することにより電気化学反応が生じて電気が発生する。
【００１７】
セパレータ２ａ及び２ｂは、反応ガスに対する透過性が小さく、且つ、導電性を有する材料によって形成されている。具体的には、カーボン等の炭素質材料や、ステンレス鋼等の金属材料が用いられる。
【００１８】
図３に示すように、セパレータ２ａのＭＥＡ１側の面１０１には、ＭＥＡ１のアノード電極に供給される燃料ガス（例えば、水素ガス）の流路２１が形成されており、その反対側の面には、冷却水を循環させる流路２２が形成されている。一方、セパレータ２ｂのＭＥＡ１側の面１０２には、ＭＥＡ１のカソード電極に供給される酸化ガス（例えば、空気）の流路２３が形成されており、その反対側の面には、冷却水を循環させる流路２２が形成されている。
【００１９】
再び図２を参照すると、各セパレータ２ａ及び２ｂには、複数の端子３ａ及び３ｂが設けられている。１つのＭＥＡ１を挟む２つのセパレータ２ａ及び２ｂは、各々に設けられた端子の内のいずれか（例えば、セパレータ２ａの端子３ａと、セパレータ２ｂの端子３ａ）を介して、電圧モニタ１１に接続されている。それにより、それらのセパレータ間の電圧、即ち、ＭＥＡ１による発生電圧が測定される。
【００２０】
また、セパレータ２ａ及び２ｂの少なくとも一方（図２においては、セパレータ２ａ）は、そこに設けられた端子３ａ及び３ｂを介して、電源装置１２に接続されている。電源装置１２は、制御部１３の制御の下でセパレータ２ａに電流を供給して発熱させることにより、ＭＥＡ１を含むセル１００全体を加熱する。それにより、燃料電池１０の端部付近に位置する放熱し易いセル１００であっても、ＭＥＡ１において電気化学反応を生じさせるのに適切な温度（例えば、６０℃〜８０℃程度）まで速やかに昇温させ、その温度範囲に維持することができる。その結果、端部のセル１００における発電効率を向上させることが可能になる。
【００２１】
さらに、本実施形態においては、各セパレータ２ａ及び２ｂに複数の端子３ａ及び３ｂを設け、いずれかの端子（例えば、端子３ａ）を電圧モニタ１１接続用と電源装置１２接続用とに兼用する。それにより、各機器の専用端子の配設スペースを各セパレータに確保する必要がなくなると共に、専用端子を取り付ける手間を省略することができるので、セパレータ２ａ及び２ｂの設計及び製造工程を簡単にすることが可能になる。
【００２２】
ここで、電源装置１２に接続されるセパレータ２ａ及び２ｂは、燃料電池１０に含まれる全てのセパレータであっても良いし、所定のセパレータのみであっても良い。前者の場合には、例えば、低温の環境下において燃料電池システムを動作させる際に、全てのセルを適切な温度まで速やかに温度上昇させることが可能になる。
【００２３】
また、後者の場合には、燃料電池１０の端部に位置するセパレータ２ａ及び２ｂのみを電源装置１２に接続しても良いし、両端から所定の範囲内（例えば、全積層数の１／４）のセパレータ２ａ及び２ｂを接続しても良い。また、ＭＥＡ１の両側のセパレータ２ａ及び２ｂを電源装置１２に接続しても良いし、片側のセパレータ２ａ又は２ｂのみを接続しても良い。
【００２４】
或いは、全てのセパレータ２ａ及び２ｂを電源装置１２に接続しておいて、使用環境に応じて所定のセパレータのみに電流が供給されるように、スイッチで切り替えるようにしても良い。この場合には、制御部１３（図１）によってスイッチの動作を制御するようにしても良い。
【００２５】
次に、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムについて、図４を参照しながら説明する。
本実施形態において、制御部１３は、電圧モニタ１１による電圧測定結果に基づいて、電源装置１２の動作を制御する。その他の構成については、第１の実施形態におけるものと同様である。
【００２６】
電圧モニタ１１は、燃料電池１０の端部に位置するセル１００における発生電圧を測定し、その測定結果を制御部１３に出力する。
ここで、セル１００の温度が低い場合（例えば、６０℃未満）には、ＭＥＡ１において電気化学反応が十分に生じないので、発生電圧が低下してしまう。そこで、制御部１３は、電圧モニタ１１から出力された電圧値が所定の値（例えば、設計値）よりも小さい場合に、セル１００の温度が十分に上昇していないと判断し、電源装置１２に対してセパレータ２ａへの電流の供給を開始させる。それによりセパレータ２ａが発熱し、セル１００全体が加熱される。その結果、ＭＥＡ１において電気化学反応が十分に生じるようになり、発電効率が向上する。
【００２７】
また、制御部１３は、セル１００における発生電圧が適切な値となった場合に、電源装置１２に対してセパレータ２ａへの電流供給を一旦停止させることにより、セル１００の温度が上昇し過ぎないように制御しても良い。
【００２８】
ここで、図４において、電圧モニタ１１は、燃料電池１０の端部のセル１００のみの電圧を測定しているが、複数箇所のセル１００の電圧を測定するようにしても良い。例えば、燃料電池１０の端部付近及び中央部付近にそれぞれ位置するセル１００の電圧を測定した結果、両者の電圧値の差が所定の値よりも大きい場合には、端部における発電効率の低下は温度に起因している可能性が高いので、そのような場合に電源装置１２を動作させるようにしても良い。
【００２９】
次に、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムについて、図５を参照しながら説明する。
本実施形態に係る燃料電池システムは、図１に示す構成に加えて、温度測定部１４をさらに備えており、制御部１３は、温度測定部１４の測定結果に基づいて、電源装置１２の動作を制御する。
【００３０】
温度測定部１４は、セパレータ２ａ及び２ｂによって形成される流路２２（図３参照）を循環する冷却水の温度を測定し、その測定結果を制御部１３に出力する。また、制御部１３は、温度測定部１４の出力結果に基づいて、冷却水の温度が所定の温度よりも低い場合（例えば、６０℃未満）に、電源装置１２に対してセパレータ２ａへの電流の供給を開始させる。それによりセパレータ２ａが発熱し、セル１００全体が加熱される。その結果、ＭＥＡ１において電気化学反応が十分に生じるようになり、発電効率が向上する。
また、制御部１３は、冷却水の温度が所定の値に至った場合に、電源装置１２に対してセパレータ２ａへの電流供給を一旦停止させることにより、セル１００の温度が上昇し過ぎないように制御しても良い。
【００３１】
次に、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システムについて、図６を参照しながら説明する。
本実施形態に係る燃料電池システムは、図１に示す構成に加えて、温度測定部１５をさらに備えており、制御部１３は、温度測定部１５の測定結果に基づいて、電源装置１２の動作を制御する。
【００３２】
温度測定部１５は、燃料電池１０の端部に位置するセル１００の温度を測定し、その測定結果を制御部１３に出力する。また、制御部１３は、温度測定部１５の出力結果に基づいて、端部のセル１００の温度が所定の温度よりも低い場合（例えば、６０℃未満）に、電源装置１２に対してセパレータ２ａへの電流の供給を開始させる。それによりセパレータ２ａが発熱し、セル１００全体が加熱される。その結果、ＭＥＡ１において電気化学反応が十分に生じるようになる、発電効率が向上する。
また、制御部１３は、冷却水の温度が所定の値に至った場合に、電源装置１２に対してセパレータ２ａへの電流供給を一旦停止させることにより、セル１００の温度が上昇し過ぎないように制御しても良い。
【００３３】
なお、図６において、温度測定部１５は、燃料電池１０の端部のセル１００のみの温度を測定しているが、複数箇所のセル１００の温度を測定するようにしても良い。例えば、燃料電池１０の端部付近及び中央部付近にそれぞれ位置するセル１００の温度を測定し、両者の温度差が所定の値よりも大きい場合に、電源装置１２を動作させるようにしても良い。
【００３４】
次に、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。
本実施形態においては、第１〜第４の実施形態のように、電源装置１２を用いて端部のセル１００を加熱する代わりに、セル１００に自己発熱させる。即ち、セル１００のセパレータ２ａ及び２ｂにそれぞれ設けられた電圧モニタ用の２つの端子３ａ（図２参照）を短絡させて接続する。それにより、セル１００自体が発生した電流によって、セル１００の温度が上昇する。
【００３５】
この場合には、セパレータ２ａ及び２ｂに設けられた端子３ａと電圧モニタ１１（図１参照）の対応する端子とをそれぞれ接続する２つの配線を、スイッチを介して互いに接続する。このスイッチは、第２〜第４の実施形態（図４〜図６）と同様に、セル１００の発生電圧や、セル１００を循環した冷却水の温度や、セル１００自体の温度に応じて、制御部１３の制御の下で動作させても良い。或いは、スイッチとして、それ自体の温度に応じてオン／オフが切り替えられる温度スイッチを用いても良い。なお、電圧モニタ１１の測定結果に基づいてスイッチの動作を制御する場合には、スイッチを所定の時間間隔でオフにすることにより、セル１００の電圧を随時測定することが望ましい。
【００３６】
以上説明した第１〜第５の実施形態においては、発電システムとしてＭＥＡを用いたが、電解質の形態は必ずしも膜状である必要はなく、イオン交換機能を有し、一方の電極層から他方の電極層にイオンを移動させることができれば、いかなる形態であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図である。
【図２】図１に示す燃料電池の構成を説明するための図である。
【図３】図１に示す燃料電池を示す断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図である。
【図６】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図である。
【符号の説明】
【００３８】
１…ＭＥＡ、２ａ、２ｂ…セパレータ、３ａ、３ｂ…端子、１０…燃料電池、１１…電圧モニタ、１２…電源装置、１３…制御部、１４、１５…温度測定部、１００…セル
【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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