(57)【要約】【課題】氷点下からの起動性を向上する。【解決手段】燃料電池の単セルを積層した積層セル２を積層方向から均一に締め付けるとともにセルで発電された電流を取出す電流取出し部３を備えた燃料電池スタックにおいて、前記電流取出し部３の少なくとも一方に流体を流通あるい密封可能な流体の通路３ａを形成し、電流取出し部の熱容量を小さくする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の単セルを積層した積層セルを積層方向から均一に締め付けるとともにセルで発電された電流を取出す電流取出し部を備えた燃料電池スタックにおいて、
前記電流取出し部の少なくとも一方に流体を流通あるい密封可能な流体の通路を形成し、電流取出し部の熱容量を小さくしたことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記電流取出し部は、発電した電流を取出す電流取出し板と、積層セルを均一に締め付けるエンドプレートとからなり、
電流取出し板とエンドプレートの間で前記通路が形成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記電流取出し部は、発電した電流を取出す電流取出し板と、積層セルを均一に締め付けるエンドプレートとからなり、
電流取出し板とエンドプレートとの少なくとも一方の内部に前記通路が形成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記流体の通路を加熱する加熱手段を備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記加熱手段は、前記流体との間で燃焼反応を生じる前記通路の塗布された触媒であることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記加熱手段は、前記流体を加熱して前記通路に供給する手段であることを特徴とする請求項４または５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記加熱手段は、前記通路内で前記流体を燃焼して前記通路を加熱する手段であることを特徴とする請求項４または５に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記流体を燃焼させるための着火手段を備えたことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記加熱手段は、前記燃料電池スタック起動時に前記電流取出し部を加熱することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記加熱手段は、前記燃料電池スタックのカソードガスを燃焼して前記電流取出し部を加熱することを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記加熱手段は、前記燃料電池スタックのカソードガスとアソードガスとの混合ガスを燃焼して前記電流取出し部を加熱することを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記加熱手段は、前記燃料電池スタックのカソードガスを前記電流取出し部に供給した後、燃料電池スタックのアノードガスを前記電流取出し部に供給して、アノードガスとカソードガスの混合ガスを燃焼して前記電流取出し部を加熱することを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記アノードガスは前記燃料電池スタックから排出されたアノードガスであることを特徴とする請求項１１または１２に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池スタックおよびその燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池を氷点下から起動する際には、発電時に生成された水分が燃料電池内に存在し、凍結しているため、燃料ガスを供給しても反応面が氷に覆われているため燃料ガスが反応面に十分供給されず、目的の発電量を取り出すことができない。そこで氷点下からの起動性を向上するための技術として、アノードまたはカソードに空気または水素を少量流してセル内で燃焼を生じさせてその発熱を利用して氷を解凍する技術や、カソードへの水素ガスの混合と触媒燃焼との併用により、高温ガスを燃料電池内に供給し、氷の解凍を促進する技術がある（特許文献１と２を参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
米国特許ＵＳ６，３５８，６３８Ｂ１
【特許文献２】
米国特許ＵＳ６，１０３，４１０
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらこれら従来技術では、燃料電池の起動直後の燃料電池スタックの両端に位置するエンドセルを加熱するための熱がスタックの端部に配置された電流取出し板やエンドプレートの加熱に消費されてエンドセルを十分に加熱することができずエンドセルの発電性能が他の位置のセルより著しく劣ることが課題となっている。
【０００５】
したがって、本発明は、エンドセルの氷点下からの起動性を向上して燃料電池としての氷点下からの起動性を向上する燃料電池を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料電池スタックの電流取出し部の少なくとも一方に流体を流通あるい密封可能な流体の通路を形成し、電流取出し部の熱容量を小さくした。
【０００７】
【発明の効果】
本発明によれば、氷点下からの起動時においても電流取出し部への放熱を抑えることができ、また、電流取出し部からの伝熱によりエンドセルを速やかに昇温することができる。エンドセルを速やかに昇温できることで燃料電池スタック全体の温度を均等として発電効率を向上することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の燃料電池スタックの構成を説明する概略図である。
【０００９】
燃料電池スタック１は、固体高分子電解質膜とアノードおよびカソードとしてのガス拡散電極とからなる膜電極接合体とアノードまたはカソードに水素または酸素を供給するための流路を形成したセパレータとからなるセルを積層して構成した積層セル２と、積層セル２を積層方向に挟持する電流取出し部３とから構成される。
【００１０】
電流取出し部３は、燃料電池スタック１で発電した電流を外部に取出すための電流取出し板と積層セル２を積層方向に均一に締結するためのエンドプレートからなるが、電流取出し板とエンドプレートの双方の機能を持たせた一体構成としても良く、本実施形態では一体の構成として説明する。
【００１１】
なお、エンドプレートはガス供給配管や冷媒配管のコネクタを接続するプレートとして使用してもよく、また絶縁材として機能させることも可能である。また、電流取出し部とエンドプレートを別部品として設け、熱伝導性の異なる材料を用いる（エンドプレートの材料の熱伝導性が低い）ことで通常運転時の熱伝導性を向上することができる。
【００１２】
本実施形態の電流取出し部３は、熱媒体、例えば空気や水素等のガスを流通させるための通路としての一面に凹部３ａが形成され、開口側が積層セル２に面して設置される。熱媒体としては、上記ガスのほか燃料電池スタック１を冷却するための冷却水等液体でもよい。
【００１３】
このように電流取出し部３にガスを流通させる構成とすることで、電流取出し部３の熱容量を小さくし、氷点下からの起動時に熱が電流取出し部３に奪われることを抑制し、積層セル２の端部に位置するセルであるエンドセルをより迅速に昇温でき、氷点下からの起動時の燃料電池スタックの発電性能を向上することができる。
【００１４】
図２は、第２の実施形態の燃料電池スタック１の構成を示し、電流取出し部の構成が第１の実施形態と異なる。
【００１５】
この実施形態の電流取出し部４は、電流取出し部４の内部にガスが流通する通路４ａを有するものである。このような構成とすることで第１の実施形態の効果に加えて、電流取出し部４の内部に通路４ａを形成することで、電流取出し部の剛性を確保でき、積層セル２の締付け特性が安定する。また通路４ａのシール性も向上する。
【００１６】
図３は、第３の実施形態の燃料電池スタック１の構成を示し、電流取出し部５の構成は、電流取出し板５ａとエンドプレート５ｂとから構成される。電流取出し板５ａは、一面が積層セル２の積層方向の端面に固定されるとともに、他面にはガスを流通させるための凹部５ｃが形成され、その開口部をエンドプレート５ｂが遮蔽するように構成される。このようにして凹部５ｃ内にガスを流通させることができる。このような構成とすることでガス流通される通路を容易に形成することができる。
【００１７】
図４は、第４の実施形態の燃料電池スタック１の構成を示し、電流取出し部６の構成は、電流取出し板６ａとエンドプレート６ｂとから構成される。電流取出し板６ａは、積層セル２に固定されるとともに、平板状に形成され、エンドプレート６ｂにはその一面にガスを流通させるための凹部６ｃが構成される。この凹部６ｃはその開口部が電流取出し板６ａにより遮蔽される。このようにして凹部６ｃ内にガスを流通させることができる。このような構成で、第３の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００１８】
図５は、第５の実施形態の燃料電池スタック１を示し、電流取出し部７の構成は、電流取出し板７ａとエンドプレート７ｂとから構成される。この実施形態では、電流取出し部７は電流取出し板７ａとエンドプレート７ｂとの双方に凹部を形成し、双方の開口部が対面するように形成する。そしてこの開口部により形成された空間７ｃにガスが流通する。このような構成で、第３および第４の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００１９】
図６は、第６の実施形態の燃料電池スタック１を示し、電流取出し部８の構成は、電流取出し板８ａとエンドプレート８ｂとから構成される。ここで、電流取出し板８ａは、その内部にガスが流通する通路８ｃを備えており、一方、エンドプレート８ｂは平板状に構成される。電流取出し板８ａの内部に通路８ｃを形成することにより、第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、電流取出し部８の構成を電流取出し板８ａとエンドプレート８ｂとから構成するため、エンドプレートの材料として電流取出し板の材料より熱伝導性の低い材料を用いることで、断熱性を向上できる。さらにエンドプレート８ｂの材料として絶縁材料を用いることで絶縁性を高めることができる。
【００２０】
図７は、第７の実施形態の燃料電池スタック１を示し、電流取出し部９の構成は、電流取出し板９ａとエンドプレート９ｂとから構成される。ここで、電流取出し板９ａは、平板状に構成され、一方、エンドプレート９ｂ内部にガスが流通する通路９ｃを備える。この構成により、第６の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００２１】
図８は、第８の実施形態の燃料電池スタック１を示し、電流取出し部１０の構成は、電流取出し板１０ａとエンドプレート１０ｂとから構成される。ここで、電流取出し板１０ａとエンドプレート１０ｂのそれぞれの内部にガスが流通する通路１０ｃ、１０ｄを備える。この構成により、第６と第７の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００２２】
第３から第８の実施形態に示したように電力取出し板とエンドプレートからなる電流取出し部にガスを流通させる構成とすることで、第１と第２の実施形態と同様に、電流取出し部の熱容量を小さくし、氷点下からの起動時に熱が電量取出し部に奪われることを抑制し、エンドセルをより迅速に昇温でき、氷点下からの起動時の燃料電池スタックの発電性能を向上することができる。なお、本実施形態では、ガスを流通するように構成したが、ガスを密封するような構成であってもよく、この場合、ガスは減圧された状態で密封されることが望ましい。
【００２３】
図９は、第９の実施形態としての本発明の燃料電池スタック１を適用した燃料電池システムの構成図である。燃料電池スタック１の構成は第２の実施形態の構成としたが、他の実施形態の構成であっても良いことは言うまでもない。
【００２４】
図９において、２０はアノード入口配管で燃料電池スタック１の各セルのアノードに水素を供給し、２１はアノード出口配管は燃料電池スタック１の各セルから排出された排水素を外部に排出する。２２はカソード入口配管で各セルのアノードに空気（酸素）を供給し、２３はカソード出口配管で各セルから排出された排空気を外部に排出する。
【００２５】
アノード入口配管２０とカソード入口配管２２にはそれぞれ、加熱手段として加湿器２４が設置され、水素と空気は所定の温度に加熱された状態でセルに供給されている。カソード入口配管２２の加湿器２４下流の分岐点２５から分岐してガス流れ方向上流側の電流取出し部４ｂに接続するバイパス配管２６が形成されると共に、カソード入口配管２２の分岐点２５下流とバイパス配管２６に制御弁２７、２８が設置される。バイパス配管２６を通じて供給された空気は電流取出し部４の通路４ａを通過して、さらに配管２９を通過して下流側の電流取出し部４ｃに供給される。下流側の電流取出し部４ｃから排出された空気は外部に排出される。なお、制御弁２７、２８は図示しないコントローラにより、開閉制御される。
【００２６】
このような構成により、加湿器２４で加熱された空気が制御弁２８を通じて電流取出し部４に供給され、電流取出し部４を昇温する。一方で、制御弁２７を通じて加熱された空気がセルに供給され、また水素がセルに供給されて各セルでの発電が開始される。したがって、加熱手段２４を設けたため氷点下からに起動時に電流取出し部４に加熱された空気を流通させて昇温させ、この電流取出し部４からの伝熱により低温時の発電効率が低いエンドセルの昇温を促進する。このエンドセルの昇温により燃料電池スタック１全体の温度を均一化でき、発電効率を向上することができる。なお、制御弁２７を閉じ、制御弁２８を開き、燃料電池セルの発電開始前に加熱された空気を電流取出し部４に供給して発電前にエンドセルを昇温するようにしてもよい。
【００２７】
なお、本実施形態では、加熱手段として加湿器２４を用いたが、これに限らずコンプレッサ、燃焼器やガスヒータ等を用いても良い。電流取出し部の加熱のために高温のガスを通路に流したが、高温の液体でも良い。また、燃料電池スタックの通常運転時には、エンドセルを加熱する必要がないため、制御弁２８を閉じて、燃料電池スタックに十分な空気を供給する。また燃料電池スタックの温度が空気の温度より高温となった場合には、制御弁２８を開いて燃料電池スタックに供給される空気を制限して燃料電池スタックの温度を低下させることも可能である。
【００２８】
図１０は、第１０の実施形態の燃料電池システムの構成である。この構成を第９の実施形態の燃料電池と比較して説明する。この構成は第９の実施形態のバイパス配管２６と制御弁２７、２８を廃止し、加湿器２４の上流のアノード入口配管２０に制御弁２９を、更に加湿器２４の上流のカソード入口配管２２に制御弁３０を設置する。さらにこれら制御弁２９、３０の上流側の入口配管２０、２２から分岐して積層セル２の両端部に位置する２つの電流取出し部４ｂ、４ｃに接続して空気および空気と水素の混合ガスを電流取出し部４に供給するガス配管３２が設置され、電流取出し部４を通過した水素および空気は外部に排出される。各入口配管２０、２２から分岐したガス配管３２には制御弁３３、３４が設置される。これら制御弁２９、３０、３３、３４は図示しないコントローラにより開閉制御される。
【００２９】
また、電流取出し部４の通路４ａの壁面には触媒が塗布される。通路４ａの壁面に触媒を塗布し、水素と酸素との混合ガスを通路４ａに供給することにより、通路４ａ内で触媒反応が生じて発熱し、電流取出し部４を直接的に加熱し、電流取出し部４からの伝熱によりエンドセルを効果的に加熱することができる。
【００３０】
このシステムの制御内容としては、まず、発電前に制御弁３４を開いて毎分１０リットルの空気を電流取出し部４のみに供給して、空気の流れが安定したところで制御弁３３を開き水素を配管３２内に毎分０．４リットル供給し、配管３２から電流出し部４の通路４ａを流通するガスを水素と空気の混合ガスとする。水素を供給するタイミングは、通路４ａに塗布された触媒が所定温度（例えば、触媒活性温度）に達したときに供給を開始する。
【００３１】
水素と空気の混合ガスは配管３２から電流取出し部４に供給されて、通路４ａの触媒と反応し、その際の触媒燃焼を利用してエンドセルを加熱する。そしてエンドセルの温度が他のセルより５℃から１０℃高くなった時点で制御弁２９、３０を開き、燃料電池スタック１の発電を開始する。このような制御を行うことで、燃料電池スタック１に供給される水素と空気とからなる混合ガスを用いて電流取出し部を昇温してエンドセルを加熱でき、氷点下からの起動を確実に効率良く行うことができる。
【００３２】
通常運転時には制御弁３３を閉じて制御弁３４のみを開いた状態として、通路４ａ内に触媒反応で生じた水分を供給された空気によって排出し、氷点下時に通路４ａ内の水分が凍結することを防止し、氷点下からの起動性が低下することを防止する。
【００３３】
また運転停止中に電流取出し部４に水素と空気の混合ガスを継続して供給し続けるようにしてもよく、このように混合ガスを供給することで、運転停止中に外気温が氷点下となっても燃料電池スタック１の温度が氷点下とならないようにすることができ、起動性をさらに向上することができる。
【００３４】
なお、氷点下からの起動時に制御弁２９、３０、３３、３４を同時に開くようにして起動性をさらに向上することもできる。
【００３５】
図１１に示す第１１の実施形態について説明する。第１の実施形態と同様にアノード入口配管２０、アノード出口配管２１、カソード入口配管２２、カソード出口配管２３、加湿器２４を備える。加湿器２４上流の各入口配管には制御弁２９、３０が設置される。カソード入口配管２２に設置された制御弁３０の上流の配管２２から分岐する配管３５とアノード出口配管２１から分岐する配管３６が合流し、合流した配管３７は再び配管３８と配管３９に分かれてそれぞれの配管３８、３９は積層セル２の両端部に位置する電流取出し部４ｂ、４ｃにそれぞれ接続する。配管３５には制御弁４０が設置され、配管３６にも制御弁４１が設置される。制御弁４０、４１は図示しないコントローラにより開閉制御される。
【００３６】
このようにして氷点下からの起動時には制御弁２９、３０、４０を開き、水素と空気が燃料電池スタック１に供給されて発電が開始されると共に空気が配管３５、３７、３８、３９を通じて電流取出し部４に供給される。例えば毎分１０リットルの空気が安定的に供給されるようになったら、制御弁４１を開いて積層スタック２のアノードから排出された排水素を配管３６から配管３７内に供給して空気と混合して混合ガスを電流取出し部４に供給する。このときの水素の供給量は毎分０．４リットル程度である。混合ガスが電流取出し部４に供給されて、電流取出し部４の通路４ａ内に塗布された触媒と反応して発熱し、エンドセルを加熱する。このようにすることで第１０の実施形態の効果を有するとともに排水素を有効に利用することができる。
【００３７】
また通常運転時には、制御弁４１を閉じ、制御弁４０を開いたままとすることで、電流取出し部４に生じた水分を外部に排出することができ、通路４ａ存在する水分は氷点下で凍結し、通路４ａに塗布した触媒の触媒反応を抑制することを防止できる。
【００３８】
更に混合ガスを燃焼するための着火プラグ等の着火手段を設けて水素と空気とを燃焼させ、燃焼ガスを電流取出し部４に供給して燃焼熱によりエンドセルを加熱するようにしても良い。この場合には電流取出し部４の通路４ａ内に触媒を塗布しなくてもよい。着火手段を設けることで、電流取出し部４の昇温を迅速に行うことができ、また触媒の活性温度に達するまでの昇温時間を短縮することができる。
【００３９】
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の燃料電池スタックの断面図である。
【図２】第２の実施形態の燃料電池スタックの断面図である。
【図３】第３の実施形態の燃料電池スタックの断面図である。
【図４】第４の実施形態の燃料電池スタックの断面図である。
【図５】第５の実施形態の燃料電池スタックの断面図である。
【図６】第６の実施形態の燃料電池スタックの断面図である。
【図７】第７の実施形態の燃料電池スタックの断面図である。
【図８】第８の実施形態の燃料電池スタックの断面図である。
【図９】第９の実施形態の燃料電池システムの構成図である。
【図１０】第１０の実施形態の燃料電池システムの構成図である。
【図１１】第１１の実施形態の燃料電池システムの構成図である。
【符号の説明】
１  燃料電池スタック
２  積層セル
３から１０  電流取出し部
３ａ、４ａ  通路
５ａから１０ａ  電流取出し板
５ｂから１０ｂ  エンドプレート
５ｃから１０ｃ  通路
１０ｄ  通路
２０  アノード入口通路
２１  アノード出口通路
２２  カソード入口通路
２３  カソード出口通路
２４  加湿器
２６  バイパス通路
２７から３０、３３、３４、４０、４１  制御弁
【図１】
2004327366.tif 000003
【図２】
2004327366.tif 000004
【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】
2004327366.tif 000009
【図８】
2004327366.tif 000010
【図９】
2004327366.tif 000011
【図１０】
2004327366.tif 000012
【図１１】
2004327366.tif 000013