(57)【要約】【課題】再始動時における発電効率の低下を防止できる燃料電池スタックを提供する。【解決手段】複数の燃料電池２を積層させてなる積層体３を、電気ヒータ５を介装した一対のエンドプレート４で挟持してなり、前記燃料電池２の発電停止時に電気ヒータ５を作動させる処理と、前記燃料電池２に滞留する水を排出する処理とを行うＥＣＵ６を設けた。【選択図】　　　図１
2004111200.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料電池を積層させた積層体を、一対のエンドプレートで挟持し、
前記積層体の端部またはエンドプレート部近傍に電気ヒータを設けてなり、
前記燃料電池の発電停止時に電気ヒータを作動させる処理と、
前記燃料電池に滞留する水を排出する処理とを行う制御手段を設けたことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記制御手段は、
前記電気ヒータを作動させる処理開始から所定時間後に、前記水を排出する処理を行う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】
前記制御手段は、
前記電気ヒータを作動させる処理と、前記水を排出する処理とを並行して行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の燃料電池を積層させた積層体を、一対のエンドプレートで挟持してなる燃料電池スタックに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード電極とカソード電極を対設して構成された膜電極構造体を、一対のセパレータによって挟持してなる燃料電池を積層することにより構成されている。この固体高分子型燃料電池は、通常、燃料電池を所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この種の燃料電池スタックにおいて、アノード電極に供給された燃料ガス（例えば水素ガス）は、触媒電極上でイオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。カソード電極には、酸化剤ガス（例えば酸素を含む空気）が供給されているために、このカソード電極において、前記水素イオン、前記電子および酸化剤ガスが反応して水が生成される（以下、この水を適宜「生成水」という）。従って、燃料電池での発電を継続させると、燃料電池内に滞留する水は増加していく。
また、上述した燃料電池の発電反応は発熱を伴うため、発電を継続させると、燃料電池の温度は上昇していく。この燃料電池の温度を適正範囲に保つため、燃料電池に冷却媒体を供給する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
前記特許文献１には、前記冷却媒体を加熱する電気ヒータを備え、発電中に燃料電池の温度が低下した場合に電気ヒータを作動させて、該電気ヒータにより加熱した冷却媒体を各燃料電池に供給することで、燃料電池全体の加温を行う技術が提案されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭６４−２７１６４号公報（第２−３頁、第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記燃料電池スタックの端部側に位置する燃料電池は、中央側に位置する燃料電池よりも、外部からの温度の影響を受け易い。従って、加熱した冷却媒体を核燃料電池に供給しても、各燃料電池の温度バラツキは解消できず、発電を停止して発熱を停止した場合に、端部側の燃料電池は、中央側の燃料電池よりも温度が低くなってしまう。したがって、各燃料電池の発電電力が略等しく略同量の生成水が生じた場合であっても、端部側の燃料電池の温度が中央側より低いため、端部側の燃料電池の相対湿度が中央側より高くなってしまい、端部側の燃料電池内に残存する水分の量は中央側よりも多くなってしまう。このため、特に端部側の燃料電池内に残存する水分が低温下で氷結する虞がある。この氷結が発生すると、発電のための反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）を燃料電池に供給しても、燃料電池内で凍結した水が障害となって燃料電池のアノード電極またはカソード電極に反応ガスが十分行き渡らず、これにより発電効率が低下する虞があるという問題があった。
【０００７】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、再始動時における発電効率の低下を防止できる燃料電池スタックを提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた本発明の請求項１に係る発明は、複数の燃料電池を積層させた積層体を、一対のエンドプレートで挟持し、前記積層体の端部（例えば、実施の形態におけるターミナルプレート１４内）またはエンドプレート部近傍（例えば、実施の形態におけるターミナルプレート２５とインシュレータ１５の間、エンドプレート２６内）に電気ヒータを設けてなり、前記燃料電池の発電停止時に電気ヒータを作動させる処理と、前記燃料電池に滞留する水を排出する処理とを行う制御手段（例えば、実施の形態におけるＥＣＵ６）を設けたことを特徴とする燃料電池スタックである。
【０００９】
この発明によれば、前記制御手段により電気ヒータを作動させて、燃料電池スタックの端部側の燃料電池に加温させることで、発電停止時における端部側の燃料電池の温度低下を防止することができる。これにより、発電停止時における各燃料電池の温度の均一化することができ、各燃料電池の相対湿度を均一化させることができる。そして、各燃料電池に滞留する水を排出する処理を行うことにより、各燃料電池から略均一に水を排出することが可能となる。したがって、端部側の燃料電池に過剰な水分が残存することを防止でき、再始動時の発電効率を高めることがが可能となる。
【００１０】
本発明の請求項２に係る発明は、請求項１に記載のものであって、前記制御手段は、前記電気ヒータを作動させる処理開始から所定時間後に、前記水を排出する処理を行うことを特徴とする燃料電池スタックである。
【００１１】
この発明によれば、前記水を排出する処理を行う際には、各燃料電池の湿度を略均一に調整することができるので、各燃料電池内に残存する水をより確実に排出することができる。
【００１２】
本発明の請求項３に係る発明は、請求項１に記載のものであって、前記制御手段は、前記電気ヒータを作動させる処理と、前記水を排出する処理とを並行して行うことを特徴とする燃料電池スタックである。
【００１３】
この発明によれば、発電停止時において、前記電気ヒータを作動させて端部側の燃料電池を加温する処理と、各燃料電池に滞留する水を排出する処理とを並行して行うため、各燃料電池から水を排出し終えるのに必要な時間を低減することができ、より早く燃料電池の発電を停止することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の実施の形態における燃料電池スタックを示す概略構成図である。この燃料電池スタック１は、その外形を略矩形状に形成された燃料電池２を複数積層させた略直方体形状の積層体３を備えている。
【００１５】
前記燃料電池２は、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟み込んだ膜電極構造体を一対のセパレータで挟持したものである。固体高分子電解質膜としては、ペルフルオロスルホン酸ポリマーに水を含浸させたもの等が用いられる。また、アノード電極およびカソード電極は、カーボンペーパー等からなるガス拡散層の表面に、白金等の電極触媒層を設けた構成とされ、該電極触媒層同士が固体高分子電解質膜を介して対向するように該固体高分子電解質膜に接合されている。
【００１６】
なお、積層体３を構成する各燃料電池２のセパレータには、反応ガスである燃料ガス、酸化剤ガスを供給・排出するための連通孔がそれぞれ設けられ、端部の燃料電池２ｅの連通孔には反応ガスを供給・排出するための機構が接続されている。これらについては詳細を略す。
【００１７】
図２は前記燃料電池スタック１の側面図である。同図に示したように、前記燃料電池２が積層された積層体３は、その両端部を、ターミナルプレート１４（１４ａ、１４ｂ）、インシュレータ１５（１５ａ、１５ｂ）を介して一対のエンドプレート４（４ａ、４ｂ）で挟持されている。
前記ターミナルプレート１４は、端部の燃料電池２ｅに当接して導通し電力を取り出すものであり、電気伝導率の高い金属（例えば銅）を材料とし、燃料電池２の積層方向から見て前記燃料電池２と略同一の大きさの平板状に形成されている。また、インシュレータ１５は、ターミナルプレート１４とエンドプレート４との絶縁を行うためのものであり、樹脂などの絶縁材を材料とし、前記ターミナルプレート１４と同じかまたは若干大きい平板状に形成されている。
【００１８】
また、前記一対のエンドプレート４は、前記ターミナルプレート１４やインシュレータ１５よりもさらに大きい寸法の直方体形状に形成されている。双方のエンドプレート４には、互いに対向する四隅部に貫通孔が穿設されている。その貫通孔には連結用のロッド２３が挿入され、該ロッド２３を締結部材であるナット１３にてエンドプレート４に固着させている。これにより、前記エンドプレート４は、各燃料電池２に適度な加圧力を付与した状態で積層体３を挟持している。なお、エンドプレート４で積層体を挟持させる構造としては、これに限らず、一対のエンドプレート４で積層体３を挟持した状態でこれらを囲繞するケース（図示せず）を設けてもよい。
【００１９】
図７は前記燃料電池スタック１の要部断面図である。同図に示したように、前記ターミナルプレート１４には、その略中央部から略垂直方向、つまり前記燃料電池２の積層方向外側に向かって突出する突起部１７が形成されている。前記突起部１７は、内部が中空の略円筒状に形成され、ターミナルプレート１４と接触する金属製のターミナルジョイント２４と、その外周を覆って短絡を防止するための絶縁チューブ１９とを備えている。このターミナルジョイント２４の先端部には、負荷１６に接続された導線１８が接続され、燃料電池２の電力を外部の負荷１６に供給できるようにしている。
【００２０】
本実施の形態においては、前記ターミナルプレート１４内に電気ヒータ５を介装している。図８は、電気ヒータ５とこれを備えるターミナルプレート１４の平面図である。前記ターミナルプレート１４には、略円柱状に形成された複数本の電気ヒータ５が、所定間隔をあけた状態で挿入配置されている。これにより、前記電気ヒータ５を備えるターミナルプレート１４に対向する燃料電池２ｅの全面を前記電気ヒータ５により均一に加温することができる。
【００２１】
また、前記燃料電池スタック１は、パージ用ガスを圧送するためのコンプレッサ７を備えている。前記コンプレッサ７は、該パージガス供給経路８を介して前記積層体３を構成する各燃料電池２の反応ガス流路（図示せず）の一端側に接続され、該反応ガス流路にパージ用ガスを圧送する。
【００２２】
そして、前記反応ガス流路の他端側にはパージガス排出経路９が接続され、該パージガス排出経路９を介して反応ガス流路に供給されたパージ用ガスを外部に排出する。また、前記パージガス排出経路９にはパージバルブ１０が設けられ、該パージバルブ１０を開閉することにより、前記排出経路９が開放・遮断される。前記パージ用ガスとしては、空気や不活性ガスなどを用いることができる。なお、パージ用ガスとして空気を用いる場合には、前記コンプレッサ７を酸化剤ガス（反応ガス）を各燃料電池２に供給するコンプレッサと共用させることができる。
【００２３】
前記電気ヒータ５や前記コンプレッサ７、パージバルブ１０は、ＥＣＵ（制御装置）６に接続されている。前記ＥＣＵ６は、前記電気ヒータ５の作動・停止制御、コンプレッサ７の作動・停止制御、パージバルブ１０の開閉制御をそれぞれ行うものである。また、ＥＣＵ６は、端部側の燃料電池２ｔの温度を検知する端部側温度センサ１１と、中央側の燃料電池２ｍの温度を検知する中央側温度センサ１２とに接続され、それぞれのセンサ１１，１２で検知した燃料電池２ｍ、２ｔの温度に基づいて、電気ヒータ５の制御を行えるようにしている。
【００２４】
上記のようにして構成された燃料電池スタック１に対し、積層体３を構成する各燃料電池２に反応ガスが供給されることにより、各燃料電池２において発電が行われる。
上述したように、燃料電池２で発電すると生成水が生じるため、発電を継続されると、燃料電池２内に滞留する水が増加していく。また、各燃料電池２は、発電により発熱するため外部よりも高温になっているが、矢印Ｐのように外部に放熱するため、端部側の燃料電池２ｔは、中央側の燃料電池２ｍよりも温度が低下してしまう（図５参照）。
【００２５】
このため、各燃料電池の発電電力が略等しく略同量の生成水が生じた場合には、端部側の燃料電池２ｔは、中央側の燃料電池２ｍよりも相対湿度が上昇している（図６参照）。この状態で各燃料電池２のパージ処理を行っても、端部側の燃料電池２ｔに残存する水分の量は中央側の燃料電池２ｍよりも多くなってしまう。
【００２６】
そこで、本実施の形態においては、前記パージ処理を行う前に、ＥＣＵ６により電気ヒータ５を制御して、端部側の燃料電池２ｔを加温するようにしている。以下、この処理について説明する。
【００２７】
図３は前記燃料電池スタック１の発電停止時における処理を示すフローチャートである。ステップＳ１０で、燃料電池２の発電停止指令が出された時に、直ちに発電を停止させるのではなく、ステップＳ１２で、ＥＣＵ６により電気ヒータ５を作動させて矢印Ｑのように端部側の燃料電池２ｔの加温を行わせる。ここで、ＥＣＵ６は、端部側温度センサ１１で検知した端部側の燃料電池２ｔの温度と、中央側温度センサ１２で検知した中央側の燃料電池２ｍの温度との差分に基づいて、電気ヒータ５の温度制御を行う。そして、ステップＳ１４で、ＥＣＵ６は前記電気ヒータ５を作動させるための電力を発電させるように各燃料電池２を制御する。
【００２８】
ステップＳ１６で、端部側の燃料電池２ｔが中央側の燃料電池２ｍと略同じ温度に上昇するのに必要な所定時間が経過したことをＥＣＵ６にて検知すると、ステップＳ１８で、電気ヒータ５を停止させる。このとき、端部側の燃料電池２ｔの温度が矢印Ａ（図５参照）のように上昇して中央側の燃料電池２ｍと略同じ温度となっているため、端部側の燃料電池２ｔの相対湿度が矢印Ｂ（図６参照）のように低下して中央側の燃料電池２ｍと略同じ相対湿度となっている。よって、各燃料電池２において、滞留する水の量は略等しくなっている。そして、ステップＳ２０で、各燃料電池２に滞留する水をパージ処理により排出する。ここで、パージ用ガスを圧送するのコンプレッサ７を駆動するための電力は、各燃料電池２により供給する。ステップＳ２２で、パージ処理が完了する所定時間を経過したことをＥＣＵ６にて検知すると、ステップＳ２４で発電処理を停止して、一連の処理を終了する。
【００２９】
このように、各燃料電池２に滞留する水の量を略等しくすることにより、パージ処理で略均一に水を排出することが可能となる。したがって、パージ処理後に端部側の燃料電池２ｔに過剰な水分が残存することを防止でき、再始動時の発電効率を高めることがが可能となる。
さらに、本実施の形態においては、まず電気ヒータを作動させる処理を行い、端部側の燃料電池２ｔが中央側の燃料電池２ｍと略同じ温度に上昇するのに必要な所定時間経過後に、前記水を排出する処理を行っている。このため、前記水を排出する処理を行う際には、各燃料電池２の湿度を略均一に調整することができるので、各燃料電池２内に残存する水をより確実に排出することができる。
【００３０】
また、図４は、前記燃料電池スタック１の発電停止時における処理の変形例を示すフローチャートである。ここで、図３と同一の処理については同一の番号を付して適宜その説明を略す。この場合には、ステップＳ１２のように、電気ヒータ５を作動させて端部側の燃料電池２ｔを加温している時に、ステップＳ２６のようにパージ処理を行って各燃料電池２に滞留する水を外部に排出する。そして、ステップＳ２８で端部側の燃料電池２ｔの温度が中央側の燃料電池２ｍの温度まで上昇し、パージ処理が完了する所定時間を経過したことを検知すると、ステップＳ２４でシステムを停止する。
このように、加温処理とパージ処理とを並行して行うことにより、加温処理を終了するまでパージ処理を行わない場合に比べて、各燃料電池２から水を排出し終えるのに必要な時間を低減することができ、より早く燃料電池の発電を停止することができる。
【００３１】
以下、燃料電池スタック１の変形例について説明する。図９は本発明の燃料電池スタックの変形例を示す断面図である。図１０は、図９に示した電気ヒータ２０とこれを備えるターミナルプレート２５の平面図である。この変形例においては、電気ヒータ２０を前記ターミナルプレート２５よりも若干小さな略矩形状に形成し、前記ターミナルプレート２５とインシュレータ１５との間に挿入配置した点が、実施の形態における燃料電池スタック１と異なっている。
【００３２】
また、図１１は本発明の燃料電池スタックの他の変形例を示す断面図である。図１１は、図１０に示した電気ヒータ２１とこれを備えるエンドプレート２６の平面図である。この変形例においては、略蛇行形状に形成された電気ヒータ２１をエンドプレート２６内に挿入した点が、実施の形態における燃料電池スタック１と異なっている。
このように、電気ヒータの配置位置は、ターミナルプレート内に限らず、ターミナルプレートとインシュレータ間や、エンドプレート内であってもよい。
【００３３】
以上のように、本発明における燃料電池スタックを、上述した実施の形態において説明したが、本発明はこの内容に限定されず、様々な変更が可能である。例えば、実施の形態においては、電気ヒータ５を作動させる電力を各燃料電池２で発電した電力から供給したが、他の蓄電装置（バッテリやコンデンサ）等により供給してもよい。また、実施の形態においては、電気ヒータ５の加温制御を、温度センサ１１，１２で検知した温度により行ったが、これに限らず、電気ヒータ５の加温時間と端部側の燃料電池２ｔの温度上昇との関係を予め算出したマップから、電気ヒータ５を所定時間作動させるような制御を行ってもよい。また、電気ヒータの形状や取り付け位置は上述した実施の形態や変形例に限らず、これらの内容を適宜変形してもよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の発明によれば、発電停止時における各燃料電池の温度の均一化することができ、各燃料電池の相対湿度を均一化させることができる。よって、端部側の燃料電池に過剰な水分が残存することを防止でき、再始動時の発電効率を高めることがが可能となる。
請求項２に記載の発明によれば、パージ処理による滞留水排出効果を高めることができる。
請求項３に記載の発明によれば、各燃料電池から水を排出し終えるのに必要な時間を低減することができ、より早く燃料電池の発電を停止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池スタックを示す概略構成図である。
【図２】前記燃料電池スタックの側面図である。
【図３】前記燃料電池スタックの各燃料電池に滞留する水を排出する処理を示すフローチャートである。
【図４】前記燃料電池スタックの各燃料電池に滞留する水を排出する処理の変形例を示すフローチャートである。
【図５】前記燃料電池スタックの各燃料電池と温度との関係を示すグラフである。
【図６】前記燃料電池スタックの各燃料電池と湿度との関係を示すグラフである。
【図７】前記燃料電池スタックの要部断面図である。
【図８】図７に示した電気ヒータとこれを備えるターミナルプレートの平面図である。
【図９】燃料電池スタックの変形例を示す断面図である。
【図１０】図９に示した電気ヒータとこれを備えるターミナルプレートの平面図である。
【図１１】燃料電池スタックの変形例を示す断面図である。
【図１２】図１１に示した電気ヒータとこれを備えるエンドプレートの平面図である。
【符号の説明】
１　燃料電池スタック
２　燃料電池
３　積層体
４　エンドプレート
５　電気ヒータ
６　ＥＣＵ
【図１】
2004111200.tif 000003
【図２】
2004111200.tif 000004
【図３】
2004111200.tif 000005
【図４】
2004111200.tif 000006
【図５】
2004111200.tif 000007
【図６】
2004111200.tif 000008
【図７】
2004111200.tif 000009
【図８】
2004111200.tif 000010
【図９】
2004111200.tif 000011
【図１０】
2004111200.tif 000012
【図１１】
2004111200.tif 000013
【図１２】
2004111200.tif 000014