(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックと該燃料電池スタックに並列に接続された抵抗性加熱素子とを備え、該抵抗性加熱素子は該燃料電池スタックの端電池を加熱するように適合され、該燃料電池スタックの動作時、該燃料電池スタックからの電流が該抵抗性加熱素子に自動的に送られる、燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池スタックの前記端電池に関連するエンドプレートをさらに備え、前記抵抗性加熱素子を該エンドプレートと該燃料電池スタックの端電池との間に配置した、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記抵抗性加熱素子がフィルムヒータである、請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記フィルムヒータが該フィルムヒータ全体にわたって可変抵抗領域を有する、請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池スタックが固体高分子電解質燃料電池スタックである、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記端電池の温度が外部温度調節システムによって調節されていない、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１記載の燃料電池システムを搭載した自動車。
【請求項８】
燃料電池スタックの端電池を加熱する方法であって、該燃料電池スタックと、該燃料電池スタックの端電池を加熱するように適合され、該燃料電池スタックに並列に接続された抵抗性加熱素子とを備えた燃料電池システムを動作させることを包含し、
これによって該燃料電池スタック電圧の増加に伴い該抵抗性加熱素子の熱出力が増大し、該燃料電池スタック電圧の低下に伴い該抵抗性加熱素子の熱出力が減少し、該燃料電池スタックからの電流が該抵抗性加熱素子に自動的に送られる、方法。
【請求項９】
前記燃料電池システムが前記燃料電池スタックの前記端電池に関連するエンドプレートを備え、前記抵抗性加熱素子を該燃料電池スタックの該エンドプレートと該端電池の間に配置した、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記抵抗性加熱素子がフィルムヒータである、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記フィルムヒータが該フィルムヒータ全体にわたって可変抵抗領域を有する、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記燃料電池スタックが固体高分子電解質燃料電池スタックである、請求項８記載の方法。
【請求項１３】
前記端電池の温度が外部温度制御システムによって調節されていない、請求項８記載の方法。
【請求項１４】
燃料電池スタックの該端電池の劣化を低減する方法であって、該端電池は、該燃料電池スタックの動作時、該燃料電池スタックの他の燃料電池より温度が低く、該方法は、燃料電池スタックと、該燃料電池スタックの端電池を加熱するように適合され、該燃料電池スタックに並列に接続された抵抗性加熱素子とを備えた燃料電池システムを動作させることを包含し、これによって該燃料電池スタック電圧の増加に伴い該抵抗性加熱素子の熱出力が増大し、該燃料電池スタック電圧の低下に伴い該抵抗性加熱素子の熱出力が減少し、該燃料電池スタックからの電流が該抵抗性加熱素子に自動的に送られる、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルスタックの端電池の加熱とそれに関連するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、２つの反応物質すなわち燃料（水素等）と酸化物（空気中の酸素等）の間で化学反応を促進して、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。燃料電池の一般的な形が、カソード板（電極）、アノード板（電極）、およびカソード板とアノード板の間に配置された膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を備える固体高分子電解質燃料電池である。ＭＥＡは、第１つまりアノード触媒および第２つまりカソード触媒の間に、固体高分子電解質、通常水素交換膜（ＰＥＭ）を備えている。各々の板は、入力、出力、および入力を出力に接続する開放チャネルを有し、ＭＥＡへ反応物質を供給またはＭＥＡから生成物質を除去する。
【０００３】
アノード電解質は、アノード反応物質と反応して、アノード中間産物へアノード反応物質の変換を触媒する。反応中間産物は、カチオン（例えば、陽子）と電子を含む。アノード反応物質が水素ガスである場合、アノード触媒は、水素ガスを陽子と電子（Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ-）に分離する。カチオンがＰＥＭのカソード側に移動している間、電解質はＰＥＭのアノード側からカソード側への電子の流れに対する障壁を提供する。代わりに、電子がＰＥＭのアノード側から外部負荷を通ってＰＥＭのカソード側へ流れる（これにより、利用可能な電子の流れを提供する）。
【０００４】
ＰＥＭのカソード側において、カソード触媒は、カソード反応物質と反応中間性物質と反応して、燃料電池反応の化学産物へのカソード反応物質を触媒する。より具体的に言うと、カソード触媒は、ＰＥＭを通過したカチオンと、外部負荷を介してＰＥＭの周囲を移動した電子であるカソード反応物質と反応する。水素と酸素が、アノード反応物質とカソード反応物質としてそれぞれ使用されたとき、カソード触媒が、陽子および電子と酸素との反応を助け水を生成する（１/２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ）。
【０００５】
水等の化学生成物質の形成に加えて、燃料電池反応は熱も発生する。このため、アノード板および/またはカソード板に隣接して配置された１つ以上の冷却板も備えることができる。上記の冷却板は、入力、出力、および入力と出力の間で流体の交換をするチャネルを備えている。冷却液は入力で冷却板に流れ込み、チャネルを通って冷却液が出力に流れ出る。冷却液が冷却板を通って流れるので、燃料電池内で発生した熱を吸収し、燃料電池から流れ出ると、燃料電池から熱を除去する。
【０００６】
出力電圧を増加させるには、燃料電池を通常直列に配置して、燃料電池スタックを構成する。上記の実施例において、板の一方の側が、スタック内の１つの燃料電池に対してアノード板として機能し、一方、同じ板の反対側が、スタック内の隣接する燃料電池に対してカソート板として機能する（つまり、バイポーラプレート）。周知の各種バスプレート、端部板ハードウェアおよびその他の構成要素が当該技術分野において周知であるので、例えばバスプレートおよび/またはカソード冷却板と他の板も備えることができる。
【０００７】
動作時、燃料電池スタックは、特に、燃料電池スタックの端部において、環境への熱損失を受けやすい（例えば、装着ハードウェアによる伝導熱損失）。この熱損失の結果、燃料電池の温度が、その全体に沿って不均一になり、その結果、燃料電池のスタックの端部が所定の動作温度に維持されなくなる。例えば、燃料電池スタックの端部電池（エンドセル）の温度は、燃料電池スタックの残りの電池の温度よりも比較的低くなる。水を含む比較的温度の高い反応物質や生成物質が、端部電極を通して延びる入力と出力を通って燃料電池スタックに入って温度を低下させ、反応物や生成物からの水は、燃料電池セルの温度の低い領域で凝縮する。例えば、改質器からの水素は比較的熱く、水に飽和しているため、燃料電池スタックの固体高分子電解質の乾燥を防ぐのに上記の飽和は望ましい。状況によっては、この同じ目的のために、別のステップ（例えば、予備吸湿）において反応物に水を加えてもよい。この熱く、水に飽和した水素が燃料電池スタックに入るので、燃料電池スタックの端部で、比較的冷たいセルで凝縮する。
【０００８】
例えば、水がフローチャネルを阻止し、燃料電池に流れることができるので、燃料電池スタックの端部の燃料電池内で水が凝縮することは問題である。上記のフローにより、影響を受けた燃料電池の電圧が低下し、燃料電池スタックの全体的な性能が低下する。また、上記のフローにより、部分的または完全な燃料枯渇状態になる可能性もあり、このことが、影響を受けた燃料電池の電極の１つまたは両方を侵食することになる。
【０００９】
この問題を解決する従来の試みは、主として、電気ヒータを燃料電池スタックへ設けることを含む。例えば、日本特許公報第８-１６７４２４号は、燃料電池に直列に接続され、燃料電池と燃料電池スタック端部への隣接する収集電極板の間に設けられた抵抗性加熱素子を開示している。燃料電池から冷却液が、抵抗性ヒータを通って送られ、これにより燃料電池スタックからの電流出力の増加に応じて、燃料電池スタック端部での燃料電池の熱が増加する結果となる。よって、燃料電池スタックからの電流出力が大きい条件下では加熱が最大になる。
【００１０】
同様に、米国公開第２００１/００３６５６８Ａ１号は、燃料電池スタックのエンドプレートを加熱する加熱素子（例えば、抵抗性ヒータ）を有する燃料電池スタックアセンブリに関するものである。温度センサが、燃料電池スタック端部の燃料電池の温度を検出し、コントローラへ信号を供給して、抵抗性ヒータへの電源供給を制御するコントローラへ信号を供給する。ある所定の温度条件で、燃料電池の端部の燃料電池の温度が極端に低いことをコントローラが検出し、電源に適切な信号を送り、こうすることで抵抗性ヒータをオンにする。本特許公開公報は、相互にやり取りして燃料電池システムの１つ以上の動作パラメータを検出する１つまたは複数のセンサを使用することを開示している。全ての上記の検出したパラメータがコントローラに入力して、燃料電池スタックの適切な加熱を制御できる。
【００１１】
当該分野において利点があるが、燃料電池スタック内の燃料電池の温度を上昇または維持するシステムおよび方法を含む、改良された燃料電池システムへの需要がまだある。本願はこれらおよび/または他の需要を満たし、さらなる関連する利点を提供する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１２】
（発明の要約）
要するに、端電池または燃料電池スタック内の他の燃料電池セルよりも低温の燃料電池スタック内のセルを加熱する本願のシステムおよび方法を提供する。
【００１３】
一実施形態において、燃料電池スタックと燃料電池スタックに並列に接続された抵抗性加熱（ｈｅｓｔａｂｌｅ）素子とを備え、抵抗性加熱素子を燃料電池スタックの端電池を加熱するために適合されたシステムおよび方法が提供される。抵抗性加熱素子が、燃料電池スタックに並列に接続されているので、燃料電池スタックの電圧の増大に伴いおよび燃料電池スタックの負荷の減少に伴い加熱が増大する。このように、燃料電池スタックの負荷が小さい条件下で、端電池の加熱が最大となる。このことは、熱損失と非均一温度分布により、端電池の劣化を低減するのに上記の加熱が必要かも知れないときに見出される。
【００１４】
別の実施形態において、燃料電池スタックの端電池を加熱する方法を提供する。この方法は、燃料電池スタックと、燃料電池スタックの端電池を加熱するように適合され、燃料電池スタックに並列に接続された抵抗性加熱素子とを備えた燃料電池システムを動作させることを含み、これによって燃料電池スタックの電圧の増加に伴い抵抗性加熱素子の熱出力が増加し、燃料電池スタックの電圧の低下に伴い抵抗性加熱素子の熱出力が低下する方法を含む。
【００１５】
上記の燃料電池システムの動作時、燃料電池スタックからの電流が抵抗性加熱素子により自動的に送られる。このように、センサ、コントローラ、電源、および端電池を加熱する電気ヒータ等の構成要素を備える外部温度調節システムを使用する必要はない。さらに、特にゼロに近い負荷で抵抗性加熱ヒータにより電流を送ると、可変電源に問題があるアプリケーションにおいて燃料電池スタックの電圧を平坦化する。また、燃料電池スタックの停止中（つまり、このように、少量の電流を引き込み、燃料電池スタックに残っている過剰な水素を「ブリード（ｂｌｅｅｄ）」つまり消費する）に、抵抗性加熱素子がブリード抵抗としての役割を果たす。
【００１６】
本願のこれらおよびその他の局面は、添付した図面と以下の詳細な説明を参照することで明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下の記載において、本発明の種々の実施形態の完全な理解を提供するために、特定の詳細について示す。しかしながら、当業者は、これらの詳細なしに本発明が実行され得るということを理解し得る。別の局面において、燃料電池スタックに関連した周知の構造（例えば、エンドプレート、バスプレート、および供給マニフォールド）、センサー、発電制御システム、および燃料電池システムについては、不必要に本発明の実施形態の記載を不明確にすることを避けるために、詳細には記載しない。本明細書および添付の特許請求の範囲の全体にわたって、文脈からそうでない場合を除いて、用語「備える」およびその変化したもの（例えば、「備える」および「備えている」）は、オープンな、包含的な意味で構成されている。すなわち、「含んでいるが、それに限定されない」という意味である。さらに、本明細書の種々の部分において、明確にすることを目的として、基本的な情報が提供されている。しかしながら、記載された理論に縛られることを意図してはいない。
【００１８】
本発明のシステムおよび方法は、端電池、または燃料電池スタックにおいて他の燃料電池よりも低い温度である、燃料電池スタック内のセルの加熱を提供する。
【００１９】
図１は例示的な燃料電池スタックを示す。図１に示されるように、燃料電池スタック１は、複数の燃料電池３を備えている。各燃料電池３は、ＭＥＡ（明確に図示していない）により分離されたアノード流動域（ｆｌｏｗ  ｆｉｅｌｄ）プレート（明確に図示していない）と、カソード流動域プレート（明確に図示していない）とを備えている。燃料流動域チャンネル（明確に図示していない）および酸化体流動域チャンネル（明確に図示していない）はそれぞれ、各ＭＥＡに燃料および酸化体を供給する。図１に示されるように、流動域プレートの片側が、燃料電池スタック１内の１つの燃料電池アセンブリ３に対してアノード流動域プレートとしての機能を果たし得て、その一方で、同じ流動域プレートの反対側が、隣接した燃料電池３に対してカソード流動域プレートとしての機能を果たすように、燃料電池３は直列に配置されている。さらに、図１に示されるように、燃料電池の列５の極性が各列で交互になるように（図１に示されている）、燃料電池３は燃料電池スタック１内において複数の燃料電池の列５に配置されている。
【００２０】
図１に示されるように、燃料電池スタック１は、複数のエンドプレートアセンブリ７をさらに備えており、エンドプレートアセンブリ７のそれぞれは、エンドプレート（明確に図示していない）と、絶縁プレート（明確に図示していない）と、バスプレート（明確に図示していない）とを備えている。図１において、スプリングアセンブリおよび別の圧縮機器（ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ  ｈａｒｄｗａｒｅ）９は燃料電池スタック１の一端に示されており、供給マニフォールド１１は燃料電池スタック１のもう一方の端に示されている。供給マニフォールド１１は、適切な流動域チャンネルに反応体の流れを配向させるように適合されている。図１において、動作中における個々のセルの電圧をモニターするために用いられる電圧モニタリングユニット１３も示されている。
【００２１】
上述したように、動作中において、燃料電池スタック１は、各燃料電池の列５の端における環境への熱の損失の影響を受けやすい（特に、エンドプレートアセンブリ７に近接している燃料電池３において）。これは、エンドプレートアセンブリ７ａ、７ｂ、７ｃおよび７ｄに近接している燃料電池３において特に問題となる。そのような燃料電池において、動作中に熱が生成されるカソード側が、それぞれのエンドプレートアセンブリの反対側に向く（すなわち、アノード側がそれぞれのエンドプレートアセンブリに向く）。その結果、エンドプレートアセンブリ７ａ、７ｂ、７ｃ、および７ｄに隣接している燃料電池３のアノード側は、燃料電池が逆向き場合には供給される加熱が供給されない。しかしながら、供給マニフォールド１１は、図示された実施形態において熱絶縁体の機能を果たす傾向にある。従って、供給マニフォールド１１に隣接している、エンドプレートアセンブリ７ａおよび７ｃに近接した燃料電池３は、周囲環境に面しているエンドプレートアセンブリ７ｂおよび７ｄに近接した燃料電池３よりも熱の損失の影響を受けない。実際には、図１の実施形態において、エンドプレートアセンブリ７ｂおよび７ｄに近接した燃料電池３の性能は、概して良くない。従って、燃料電池スタック１の他の燃料電池と比べて劣化および初期故障を著しく起こしやすい。
【００２２】
図２は、燃料電池スタックを加熱する例示的な燃料電池システムの簡易化された模式図である。図２に示されるように、燃料電池システム１９は燃料電池スタック２１を備えており、燃料電池スタック２１は、直列に配置された複数の燃料電池２３を備えている。各燃料電池２３は、ＭＥＡ２９により分離されたアノード流動域プレート２５とカソード流動域プレート２７とを備えている。燃料電池スタック２１の反対の端にある燃料電池２３ａおよび２３ｂを除いて、隣接した燃料電池におけるアノードおよびカソード流動域プレートは、単一の二極性プレートに一体化される。図２にさらに示されるように、燃料電池スタック２１は、燃料電池スタック２１の両端にバスプレート３１と、絶縁プレート３３とエンドプレート３５とを備えている。絶縁プレート３３は、エンドプレート３５および圧縮機器（図示していない）を燃料電池スタック２１と電気的に絶縁するために供給されている。図示を目的としているため、燃料電池スタック２１は図２において単一の燃料電池の列として示されているが、図１に示されている燃料電池スタック１と同様に、燃料電池スタック２１が複数の燃料電池の列を備え得るということは理解される。
【００２３】
図２に示されるように、燃料電池システム１９は、燃料電池スタック２１の一端において、絶縁プレート３３とエンドプレート３５との間に配置された抵抗性加熱素子３７をさらに備えている。抵抗性加熱素子３７は、燃料電池システム１９における１つまたは複数の端部燃料電池２３ａおよび２３ｂを加熱するように適合されている。さらに、抵抗性加熱素子３７は、様々な可変抵抗ゾーンを有するように配置され得て、このようにして、その全長に沿って可変な熱出力を有し得る。このようにして、端部燃料電２３ａおよび２３ｂに沿った温度勾配を良く補償することができる。適切に長さを変化させ抵抗性加熱素子３７の断面の大きさを変えることにより、可変抵抗ゾーンは生成され得る。図２において、抵抗性加熱素子３７は長方形であり、絶縁プレート３３およびエンドプレート３５と大きさが釣り合っているが、抵抗性加熱素子３７の形状および大きさは本発明のシステムおよび方法には重要ではなく、当業者は所与の用途に適する抵抗性加熱素子３７を容易に選択し得る。同様に、フィルムヒーター（換言すると、抵抗材料からなる薄いストリップ）は燃料電池システム１９における使用に適した抵抗性加熱素子３７であり得るが、抵抗性加熱素子３７の種類は本発明のシステムおよび方法には重要ではない。
【００２４】
図２に示される実施形態において、抵抗性加熱素子３７は、絶縁プレート３３と、アノード側が周囲環境に向いている、端部燃料電池２３ａに隣接しているエンドプレート３５との間に配置されている。このようにして、抵抗性加熱素子３７は、環境への熱の損失の影響を最も受けやすい端部燃料電池２３ａなどのエンド燃料電池を加熱するために用いられ得る。同様に、燃料電池スタック２１が図１に示されるように複数の燃料電池の列を備えている実施形態において、１つまたは複数の抵抗性加熱素子３７が、絶縁プレートと、エンドプレートアセンブリ７ｂおよび７ｄのエンドプレートとの間に配置され得る。
【００２５】
図２にさらに示されるように、抵抗性加熱素子３７は、燃料電池スタック２１に並列に、かつ、燃料電池スタック２１のカソード端子３９とアノード端子４１との間に電気接続されている。その結果生じた並列回路は、ショートが起きるかまたは加熱が失敗したときに燃料電池スタック２１を保護するために、ヒューズ４３をさらに備えている。燃料電池スタック２１が複数の燃料電池の列を備えている実施形態において、抵抗性加熱素子３７はセルの１つの列のカソード端子とセルの別の列のアノード端子との間に接続され得る。
【００２６】
図３は、図１に示されている燃料電池スタックにおいてエンドプレートアセンブリ７ｂおよび７ｄに近接した問題のある燃料電池を加熱するに適した受動端電池ヒーターを備えている例示的な燃料電池システムの電気配置をさらに示している模式図を示す。図３に示されている受動端電池ヒーターを備えている燃料電池システム５０は、図２の燃料電池スタック２１が複数の燃料電池の列を備えている上述した実施形態と類似する。図３に示されるように、燃料電池システム５０は燃料電池スタック５１を備えており、燃料電池スタック５１は４つの燃料電池の列５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、および５３ｄを備えている。燃料電池の列はそれぞれ、直列に配置された複数の燃料電池アセンブリ（明確に図示していない）を備えている。燃料電池の列５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、および５３ｄの極性は図３に示されている。明確に図示はしていないが、燃料電池スタック５１が複数のエンドプレートアセンブリをさらに備え、各エンドプレートアセンブリがエンドプレートと絶縁プレートとバスプレートとを備えているということは理解される。
【００２７】
図３に示されるように、燃料電池システム５０は、燃料電池スタック５１に並列に電気接続されている２つの抵抗性加熱素子５４ａおよび５４ｂを備えている。抵抗性加熱素子５４ａは、燃料電池の列５３ａのカソード端子と、燃料電池の列５３ｂのアノード端子との間に接続されている。同様に、抵抗性加熱素子５４ｂは、燃料電池の列５３ｃのカソード端子と、燃料電池の列５３ｄのアノード端子との間に接続されている。その結果生じた並列回路の各々は、ショートが起きるか、または加熱が失敗したときに燃料電池スタック５１を保護するためにヒューズ５５をさらに備えている。
【００２８】
明確には図示していないが、抵抗性加熱素子５４ａおよび５４ｂは絶縁プレートと燃料電池の列５３ｂおよび５３ｄのエンドプレートとの間に配置され得るが、燃料電池の列５３ｂおよび５３ｄのエンドプレートはともに、対応するエンドプレートアセンブリと逆向きのカソード流動域プレートを有している（明確に図示していない）ということは理解される。上述したように、それらの燃料電池アセンブリは、環境への熱の損失の影響を最も受けやすい。
【００２９】
燃料電池システム５０の動作中において、燃料電池スタック５１からの電流は、抵抗性加熱素子５４ａおよび５４ｂを介して自動的に指向される。このようにして、センサー、コントローラ、電源、および端電池または燃料電池スタック５１内のセルを加熱する電気ヒーターなどの要素を備えている外部温度調節システムを用いる必要がない。従って、図２および３に示されている本システムの実施形態は、上記の外部温度調節システムを備えていない。さらに、抵抗性加熱素子５４ａおよび５４ｂが燃料電池スタック５１に並列に接続されているため、燃料電池スタック５１の電圧が上昇するにつれ、および、燃料電池スタック５１への電気負荷が減少するにつれ、加熱量が増加する。従って、燃料セルシステム５０の動作により、燃料電池スタック５１の電圧が上昇するにつれ、および、燃料電池スタック５１への電気負荷が減少するにつれ、燃料電池スタック５１の端の燃料電池の加熱量が増加する。このようにして、加熱量は低い負荷の条件下で最大になり、低い負荷の条件とは、以下に記載するが、上記の加熱が最も必要とされ得る場合、および、熱の損失および不均一な温度分布が原因の個々の燃料電池アセンブリの不安定が最も起こりやすい場合である。
【００３０】
以下の実施例は、本発明の異なる実施形態および局面を示すために含まれるが、何らかの制限をするものとして構成されるべきではない。
【００３１】
全ての場合において、図１に示されたものと類似したＭａｒｋ  ９０２  ＰＥＭ燃料電池電力モジュール、または、そのような電力モジュールからのセルの列（アノード側は自由端において外側に向いている）を用いて計測を行った。Ｍａｒｋ  ９０２燃料電池電力モジュールは、４つの燃料電池の列を備えている燃料電池スタックを有し、各列が１１０個の単一の燃料電池を備えている。Ｍａｒｋ  ９０２電力モジュールは、周囲の環境が室温（約２０℃）であり、名目上８０℃において作動され、加湿された水素ガスと空気とを反応体として供給した。
（実施例１）
図４は、例示的な燃料電池スタックの特定の端電池（エンドセル）のセル電圧への可変負荷の影響を時間に対して示すグラフである。より詳しくは、図４は、Ｍａｒｋ  ９０２電力モジュールにおける第１の燃料電池の列の端に最近接した３３個の燃料電池の各々における、セル電圧の時間に対するプロットを示す。
【００３２】
図４に示されるように、０〜約２５分において、スタックは３００Ａの負荷で動作され、電圧走査は比較的安定であった。次いで、負荷を二度低減し、約４０分において３０Ａに再び増加させた。そのときに、はじめの４つの端電池の電圧が著しく不安定になった。約５５分において、手動で制御された端電池ヒーターが作動され、負荷は３０Ａのままであり、端電池の温度がスタックの中心のセルの温度に最も適合されるようにヒーターが調節された。図４に示されるように、ヒーターの作動の直後において（すなわち、約６０分において）、電圧走査は再び安定になった。
【００３３】
従って、図４は、低い負荷（すなわち、３０Ａ）においては、追加の従来型の加熱が必要であり、かつ有効であるが、高い負荷（すなわち、３００Ａ）においては、そのような加熱は必要とされないということを示している。
（実施例２）
図５は、３００Ａの負荷における例示的な燃料電池スタックにおける、アノード端電池の全長に沿った温度分布と、基準セルの全長に沿った温度分布とを比較するグラフである。より詳しくは、図５は、Ｍａｒｋ  ９０２電力モジュールにおけるアノード端電池および基準セル（すなわち、スタックの真中に位置したセル）に対して、温度を燃料注入口からの距離（ｍｍ単位）に対してプロットしたものを示す。
【００３４】
図５に示されるように、３００Ａの負荷におけるスタックの動作中において、アノード端電池（エンドセル）および基準セルの全長に沿った温度はともに、類似した減少を受ける。実施例１に記載したように、その条件下においては上記のセルの電圧は安定している。
【００３５】
図５と同様に、図６は、３０Ａの負荷における例示的な燃料電池スタックにおける、アノード端電池の全長に沿った温度分布と、基準セルの全長に沿った温度分布とを比較するグラフである。より詳しくは、図６は、３０Ａの負荷におけるＭａｒｋ  ９０２電力モジュールにおける、アノード端電池および基準セル（すなわち、スタックの真中に位置したセル）に対して、温度を燃料注入口からの距離（ｍｍ単位）に対してプロットしたものを示す。
【００３６】
図６に示されるように、３０Ａの負荷におけるスタックの動作中において、セルの全長に沿った温度および温度変化は、両セルともに図５と比較すると大幅に低減された（アノード端電池に対して２℃未満の変化）。実施例１に示されるように、アノード端電池の電圧はこの条件下では不安定である。さらに、図６に示されるように、ほぼ中間点におけるアノード端電池の温度にくぼみがある。このくぼみは、電気バスポストが存在するために生じる。このくぼみにより、低い負荷における動作中において、アノード端電池内では、一様でない電流分布と、さらに水が凝縮するという問題とが生じる。
【００３７】
図６は、手動で制御された２つのゾーンの端電池ヒーターが、各ゾーンが独立して基準セルの温度に最も適合するように端電池の温度を調節するような制御に用いられる場合における、アノード端電池の温度分布をプロットしたものも示す。図６に示されるように、追加の従来型の加熱を用いることにより、アノード端電池と基準セルとの温度差が低減された。
【００３８】
図５および図６は、この特定のスタックにおける容認できる性能および容認できない性能につながる温度プロファイルに関する定量的な情報を提供する。
（実施例３）
図７は、例示的な燃料電池スタックにおけるセルの電圧の平均と個々のセルの最低電圧とに対して、可変負荷が及ぼす影響を示すグラフである。より詳しくは、図７は、Ｍａｒｋ  ９０２電力モジュールにおける全４４０個のセルの電圧の平均と、複数の動作負荷における、個々のセル（セル番号およびセルの列番号により識別される）の最低電圧とを、負荷に対してプロットしたものを示す。図７に示されるように、３０Ａ以下の負荷において、個々のセルの最低電圧は、セルの電圧の平均よりも著しく低く、通常、アノード端電池またはその近傍において最低電圧になる。
【００３９】
図８は、例示的な燃料電池スタックの特定のセルにおける個々のセルの電圧に対して変動負荷が及ぼす影響を示すグラフである。より詳しくは、図８は、動作負荷が３００Ａ、１５０Ａ、１００Ａ、５０Ａ，３０Ａ、５Ａ、および０Ａにおける、Ｍａｒｋ  ９０２電力モジュールの燃料電池の第１の列における１１０個のセルの各々に対する個々のセルの電圧を示す。図８に示されるように、低い動作負荷において（換言すると、３０Ａ以下において）、燃料電池の第一の列の端に近接したセルの電圧は、残りのセルと比較して低く、好ましくない。
【００４０】
図９は、本発明の燃料電池スタックを加熱するシステムおよび方法を用いた例示的な燃料電池スタックに対する、セルの電圧の平均と、個々のセルの最低電圧とに及ぼす可変負荷の影響を示すグラフである。より詳しくは、図９は、図３に示されるような、燃料電池の列をまたぎ並列に接続された、エッチングされた箔のカプトンフィルムヒーターを用いたＭａｒｋ  ９０２電力モジュールの全４４０個のセルに対して、セルの電圧の平均を負荷に対してプロットしたものと、同じシステムにおける複数の動作負荷に対する個々のセル（セル番号Ｃおよびセルの列番号ＣＲにより識別される）の最低電圧をプロットしたものを示す。
【００４１】
図１０は、本発明の燃料電池スタックを加熱するシステムおよび方法を用いた例示的な燃料電池スタックの特定のセルにおける個々のセルの電圧に対して可変負荷が及ぼす影響を示すグラフである。より詳しくは、図１０は、動作負荷が３００Ａ、１５０Ａ、１００Ａ、５０Ａ、３０Ａ、５Ａ、および０Ａにおける、エッチングされた箔のカプトンフィルムヒーターを用いたＭａｒｋ  ９０２電力モジュールの燃料電池の第１の列における１１０個のセルの各々に対する個々のセルの電圧を示す。図１０に示されるように、フィルムヒーターを用いることにより、全てのセルの電圧が容認できる範囲内に収まる。
【００４２】
比較を目的として、以下の表１は、実施例２において用いた、従来型の２つのゾーンの手動で制御された端電池ヒーターの電力消費と、実施例３の本発明の受動フィルムヒーターの電力消費とを比較する。
【００４３】
【表１】
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表１に示されるように、端電池の温度を残りのセルの温度に最も適合させるに必要な電力（従来のヒーターパワーにより示される）は、負荷が減少するにつれ増加する。本発明の受動フィルムヒーターの電力消費は、制御された従来型のヒーターの電力消費とよく適合しており、全負荷範囲にわたって常に適切であるが過剰ではなく、適切に端電池を加熱する。
【００４４】
従って、図７〜１０は、本発明の燃料電池スタックを加熱するシステムおよび方法が動作負荷の範囲にわたって有効であるということを示している。
【００４５】
説明を目的として、本発明の方法および装置の特定の要素と、実施形態と、適用について示し、説明してきたが、種々の修正が本発明の精神および範囲からそれることなくなされ得る。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲を除いて制限されない。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】例示的な燃料電池スタックを示す。
【図２】受動端電池ヒーターを備えた燃料電池スタックを備えている例示的な燃料電池システムの模式図を示す。
【図３】受動端電池ヒーターを備えた燃料電池スタックを備えている例示的な燃料電池システムの電気配置をさらに示す模式図を示す。
【図４】例示的な燃料電池スタックの特定の端電池に対して可変負荷が及ぼす影響を時間に対して示しているグラフである。
【図５】３００Ａの負荷における、アノード端電池の全長に沿った温度分布と例示的な燃料電池スタックの基準セルの全長に沿った温度分布とを比較するグラフである。
【図６】３０Ａの負荷における、アノード端電池の全長に沿った温度分布と例示的な燃料電池スタックの基準セルの全長に沿った温度分布とを比較するグラフである。
【図７】例示的な燃料電池スタックにおける、セルの電圧の平均と個々のセルの最低電圧とに対して可変負荷が及ぼす影響を示しているグラフである。
【図８】例示的な燃料電池スタックの特定のセルにおける個々のセルの電圧に対して可変負荷が及ぼす影響を示しているグラフである。
【図９】本発明のシステムおよび方法を用いた例示的な燃料電池スタックにおける、セルの電圧の平均と個々のセルの最低電圧とに対して可変負荷が及ぼす影響を示しているグラフである。
【図１０】本発明のシステムおよび方法を用いた例示的な燃料電池スタックの特定のセルにおける個々のセルの電圧に対して可変負荷が及ぼす影響を示しているグラフである。
【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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