(57)【要約】【課題】  本発明は燃料電池スタックに関し、低温起動時における出力の低下を抑制しつつセルの劣化も防止できるようにする。【解決手段】  セルの積層方向の端部に位置する端セル２ａの外側に通常時用集電体４を設け、この通常時用集電体の内側にセル２ａを挟んで低温時用集電体６を設ける。これら通常時用集電体４と低温時用集電体８は、切換手段１０，２０によって出力端子８に選択的に接続可能であり、燃料電池スタックの起動時、セル２の温度が所定温度以下の際は出力端子８を低温時用集電体６に接続する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセルが積層された燃料電池スタックにおいて、
前記セルの積層方向の端部に位置する端セルの外側に設けられた通常時用集電体と、
前記通常時用集電体の内側に一又は複数のセルを挟んで設けられた一又は複数の低温時用集電体と、
前記通常時用集電体と前記一又は複数の低温時用集電体のうち何れか一つの集電体に選択的に接続しうる出力端子と、
前記出力端子の接続先を切り換える切換手段とを備え、
前記切換手段は、前記燃料電池スタックの起動時、前記セルの温度が所定温度以下の際に前記出力端子を前記低温時用集電体に接続することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記低温時用集電体は前記通常時用集電体の内側に一つのみ設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記出力端子が接続されている集電体とその内側に隣接する集電体との間の電圧を測定する電圧モニタを備え、
前記切換手段は、前記電圧モニタの測定値に基づいて前記出力端子の接続先を切り換えることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記低温時用集電体が複数設けられ、
前記切換手段は、前記燃料電池スタックの起動後、前記電圧モニタの測定値が所定値よりも低くなったら、現時点で前記出力端子が接続されている集電体からその内側に隣接する集電体に前記出力端子の接続先を切り換えることで、外側の集電板から内側の集電板へ前記出力端子の接続先を順次切り換えていき、
前記電圧モニタの測定値が所定値以上に維持されるようになった場合、或いは、前記出力端子が最も内側の集電板に接続された場合には、現時点で前記出力端子が接続されている集電体からその外側に隣接する集電体に前記出力端子の接続先を一時的に切り換え、その際に前記電圧モニタの測定値が上昇傾向にあれば、前記出力端子の接続先を前記外側に隣接する集電体に切り換えることで、前記出力端子の接続先を内側の集電板から外側の集電板へ順次切り換えていくことを特徴とする請求項３記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記出力端子が接続されている集電体の内側に隣接するセルの電圧を測定する電圧モニタを備え、
前記切換手段は、前記電圧モニタの測定値に基づいて前記出力端子の接続先を切り換えることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記低温時用集電体が複数設けられ、
前記切換手段は、前記燃料電池スタックの起動後、前記電圧モニタの測定値が上昇傾向にあれば、現時点で前記出力端子が接続されている集電体からその外側に隣接する集電体に前記出力端子の接続先を切り換えることで、内側の集電板から外側の集電板へ前記出力端子の接続先を順次切り換えていくことを特徴とする請求項５記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
前記集電体は内側の集電体より外側の集電体の厚さを厚く形成されていることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のセルが積層された燃料電池スタックに係り、特に、氷点以下での極低温からの起動性を向上させるのに有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、プロトン伝導性の電解質膜が一対の電極（アノードとカソード）で挟まれ、さらにその両側を一対のセパレータによって挟まれた構造を有している。アノードに水素を含む燃料ガスが供給され、カソードに酸素を含む酸化ガスが供給されることで、両電極で電気化学反応が起こり、起電力が発生する。通常、燃料電池は、上記の構造を一つのセルとして、複数のセルが積層された燃料電池スタックとして使用される。図１３は、一般的な燃料電池スタックの概略構成を示す図である。この図に示すように、燃料電池スタックは、複数のセル２が積層されることで構成され、積層方向両端の端セル２ａの外側に設けられた集電板４から電流が取り出されるようになっている。
【０００３】
ところで、電気自動車等の車載用燃料電池スタックの場合、寒冷地等、使用環境によっては氷点下までセル２の温度が低下することがありえる。セル２のカソードでは電解質膜を透過してきた水素イオンと酸化ガス中の酸素との化学反応によって水が生成されるが、氷点下で起動されたときにはこの水は凍結し氷となる。氷はカソードへの酸素供給を阻害し、セル２の電圧を低下させる。ただし、上記化学反応により水と同時に反応熱も発生するため、この反応熱によりセルの温度が氷点以上まで昇温すれば、氷は融解し、カソードへの酸素供給は回復する。
【０００４】
しかしながら、端セル２ａは熱容量・熱伝導率の大きな集電板４に接しているために集電板４に大量の熱を奪われ、他のセル２と比べて昇温が遅い。このため、他のセル２が正常に発電していても、氷の融解の遅れによって端セル２ａのみが酸素不足状態となり、一時的に端セル２ａの両極の電位差が負になってしまうことがある。端セル２ａの電圧が負となることで、集電板４から取り出される燃料電池スタック全体の出力が低下することとなり、最悪の場合には運転が停止してしまう可能性がある。また、このような状態においては端セル２ａの内部で異常な化学反応が起こっていると考えられるが、この異常な化学反応によって端セル２ａの構成物質が排気となって持ち去られたり、端セル２ａの劣化が進んだりしてしまう
【０００５】
低温起動時における端セル２ａの性能劣化を防止する技術としては、特許文献１に記載の技術が知られている。この技術では、例えば、凹溝や貫通穴からなる空気室を形成した導電プレートを集電板（ターミナルプレート）４と端セル２ａとの間に配置することで、空気室を断熱層として機能させ、端セル２ａから集電板４への伝熱を阻害して端セル２ａの温度低下を抑制するようにしている。
【特許文献１】特開２００２−１８４４４９号公報
【特許文献２】特開２００２−３１３３９１号公報
【特許文献３】特開２０００−１１３８９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の従来技術では、断熱層を設けることにより端セル２ａの温度低下を抑制しているものの、断熱層だけでは端セル２ａからの放熱を完全には防止することができない。このため、極めて低温時には端セル２ａ内での氷の融解が遅れ、端セル２ａの電圧の低下によって燃料電池スタック全体の出力が低下してしまったり、異常な化学反応によって端セル２ａの劣化が進んでしまったりする可能性は依然として残っている。
【０００７】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、低温起動時における出力の低下を抑制しつつセルの劣化も防止できるようにした燃料電池スタック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】
【０００８】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、複数のセルが積層された燃料電池スタックにおいて、
前記セルの積層方向の端部に位置する端セルの外側に設けられた通常時用集電体と、
前記通常時用集電体の内側に一又は複数のセルを挟んで設けられた一又は複数の低温時用集電体と、
前記通常時用集電体と前記一又は複数の低温時用集電体のうち何れか一つの集電体に選択的に接続しうる出力端子と、
前記出力端子の接続先を切り換える切換手段とを備え、
前記切換手段は、前記燃料電池スタックの起動時、前記セルの温度が所定温度以下の際に前記出力端子を前記低温時用集電体に接続することを特徴としている。
【０００９】
また、第２の発明は、第１の発明において、前記低温時用集電体は前記通常時用集電体の内側に一つのみ設けられていることを特徴としている。
【００１０】
また、第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記出力端子が接続されている集電体とその内側に隣接する集電体との間の電圧を測定する電圧モニタを備え、
前記切換手段は、前記電圧モニタの測定値に基づいて前記出力端子の接続先を切り換えることを特徴としている。
【００１１】
また、第４の発明は、第３の発明において、前記低温時用集電体が複数設けられ、
前記切換手段は、前記燃料電池スタックの起動後、前記電圧モニタの測定値が所定値よりも低くなったら、現時点で前記出力端子が接続されている集電体からその内側に隣接する集電体に前記出力端子の接続先を切り換えることで、外側の集電板から内側の集電板へ前記出力端子の接続先を順次切り換えていき、
前記電圧モニタの測定値が所定値以上に維持されるようになった場合、或いは、前記出力端子が最も内側の集電板に接続された場合には、現時点で前記出力端子が接続されている集電体からその外側に隣接する集電体に前記出力端子の接続先を一時的に切り換え、その際に前記電圧モニタの測定値が上昇傾向にあれば、前記出力端子の接続先を前記外側に隣接する集電体に切り換えることで、前記出力端子の接続先を内側の集電板から外側の集電板へ順次切り換えていくことを特徴としている。
【００１２】
また、第５の発明は、第１又は第２の発明において、前記出力端子が接続されている集電体の内側に隣接するセルの電圧を測定する電圧モニタを備え、
前記切換手段は、前記電圧モニタの測定値に基づいて前記出力端子の接続先を切り換えることを特徴としている。
【００１３】
また、第６の発明は、第５の発明において、前記低温時用集電体が複数設けられ、
前記切換手段は、前記燃料電池スタックの起動後、前記電圧モニタの測定値が上昇傾向にあれば、現時点で前記出力端子が接続されている集電体からその外側に隣接する集電体に前記出力端子の接続先を切り換えることで、内側の集電板から外側の集電板へ前記出力端子の接続先を順次切り換えていくことを特徴としている。
【００１４】
また、第７の発明は、第１乃至第６の何れか一つの発明において、前記集電体は内側の集電体より外側の集電体の厚さを厚く形成されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１５】
燃料電池スタックの起動時、セルの温度は化学反応に伴う反応熱によって上昇していくが、端側のセルほど放熱量が大きく温度上昇が遅れる。このため、氷点下での起動時に端セルの外側に設けられた通常時用集電体から出力しようとすると、端側のセルではカソードでの化学反応によって生成された水が凍って氷となり、氷が酸素供給を阻害することで当該セルの出力は低下してしまう。この点において、第１の発明によれば、セルの温度が所定温度以下となる時には、端セルよりも内側の低温時用集電体から出力することができるので、当該低温時用集電体より外側にある温度上昇が遅いセルには電圧をかけることなく、燃料電池スタックを起動することができる。これにより、端側のセルで負電圧が発生して燃料電池スタック全体の出力が低下することや、異常化学反応によって当該セルが劣化してしまうことを防止できる。
【００１６】
第２の発明によれば、低温時用集電体を通常時用集電体の内側に一つのみ設けることで、構造を簡単にすることができ、また、出力端子の接続先を切り換える切換制御も簡単にすることができる。
【００１７】
セルが正常に機能している否かはセルの電圧によって判断することができる。第３の発明によれば、出力端子が接続されている集電体とその内側に隣接する集電体との間の電圧に基づいて出力端子の接続先を切り換えることで、最適なタイミングで出力端子の接続先を切り換えることが可能になる。
【００１８】
特に、第４の発明によれば、上記のような切換制御が行われることで、酸素供給不足に起因する出力低下や各セルの劣化を回避できる範囲で各セルを最大限に作動させることができる。これにより、総発熱量が増加して全体の昇温速度が速くなり、全セルが作動可能になるまでの時間を短縮することができる。
【００１９】
また、第５の発明によれば、出力端子が接続されている集電体の内側に隣接するセルの電圧に基づいて出力端子の接続先を切り換えることで、最適なタイミングで出力端子の接続先を切り換えることが可能になる。
【００２０】
特に、第６の発明によれば、上記のような切換制御が行われることで、セル内での氷の生成が抑制されるので、氷を解かすのに用いる熱量を最小限に抑えることができる。これにより、作動中のセルが発生する熱を効率よく低温のセルの昇温に用いることができ、より低温からの起動が可能になる。
【００２１】
集電体の厚さは、薄くすることで抵抗を増加させて発熱量を大きくすることができる一方、取り出すことができる電流は小さくなる。逆に、厚くすることで発熱量は小さくなるものの、取り出すことができる電流は大きくなる。第７の発明によれば、内側の集電体より外側の集電体の厚さを厚く形成することで、低温時、内側の集電体が選択されるときには集電体の発熱量を大きくして早期の昇温を可能にし、暖気後に外側の集電体が選択されるときには大きな電流を取り出すことが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
実施の形態１．
以下、図１を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。
図１は、本発明の実施の形態１としての燃料電池スタックの概略構成図である。本燃料電池スタックは、車載用の燃料電池スタックであり、図１中、従来の燃料電池スタックと同一の要素については同一の符号を付している。
【００２３】
図１に示すように、本燃料電池スタックは、複数のセル２が一方向に積層されて構成されている。各セル２は、電解質膜（例えば固体高分子膜）をアノード極とカソード極で挟まれ、さらにその両側を一対のセパレータによって挟まれた構造を有している。なお、以下では、積層方向両端にある端セルを他のセルから区別する場合には、特に端セル２ａと表記する。
【００２４】
各端セル２ａの外側と内側にはそれぞれ集電板４，６が設けられている。このうち、端セル２ａの外側に設けられた集電板４は、従来の燃料電池スタックでも設けられている集電板であり、ここでは通常時用集電板４と呼ぶ。一方、端セル２ａの内側に設けられた集電板６は、本実施形態の燃料電池スタックに特有の集電板であり、後述するように低温起動時に用いられる。以下では、この集電板６を低温時用集電板６と呼ぶ。低温時用集電板６は、通常時用集電板４よりも薄く作られている。例えば、通常時用集電板４の厚さを２ｍｍとした場合、低温時用集電板６は０．２ｍｍの厚さに作られる。セル２と集電板４，６とはその積層方向に直列に接続されている。
【００２５】
本燃料電池スタックでは、出力端子８との接続を通常時用集電板４と低温時用集電板６との間でスイッチ１０により切り換えることができるようになっている。スイッチ１０の切り換えはスイッチ制御装置２０によって行われる。本実施形態では、スイッチ１０とスイッチ制御装置２０とにより、第１の発明の「切換手段」が構成されている。スイッチ制御装置２０は、燃料電池スタックの起動時に端セル２ａの温度を検出し、端セル２ａの温度に応じて出力端子８の接続先を２つの集電板４，６の間で切り換える。具体的には、端セル２ａの温度が所定の判定温度（例えば氷点）よりも高い場合には、出力端子８を通常時用集電板４に接続する。一方、端セル２ａの温度が判定温度以下の場合には、出力端子８を低温時用集電板６に接続し、端セル２ａの温度が所定の切換温度（判定温度以上の温度）を超えたら、出力端子８の接続先を低温時用集電板６から通常時用集電板４に切り換える。
【００２６】
このように出力端子８の接続先となる集電板４，６が端セル２ａの温度に応じて切り換えられることで、本燃料電池スタックによれば以下のような作用及び効果が得られる。
【００２７】
出力端子８が通常時用集電体４に接続されるときには、端セル２ａを含めて全てのセル２に電圧がかかるため、端セル２ａでは発電に伴う化学反応によって水が生成される。燃料電池スタックの起動時、セル２の温度は化学反応に伴う反応熱によって上昇していくが、端セル２ａは熱容量の大きい通常時用集電板４に接続されているために放熱量が大きく、温度上昇が遅れる。このため、端セル２ａが極低温のときに出力端子８の接続先を通常時用集電体４とすると、端セル２ａでは化学反応によって生成された水が凍って氷になってしまう。氷によって酸素供給が阻害された状態で発電を行うと、端セル２ａの電圧の低下によって燃料電池スタック全体の出力が低下し、また、異常な化学反応によって端セル２ａの劣化が進んでしまう。
【００２８】
この点に関し、本燃料電池スタックでは、上記のように端セル２ａの温度が判定温度以下の場合には、出力端子８は低温時用集電板６に接続される。これにより、低温時用集電板６よりも内側のセル２のみに電圧がかかり、発電は低温時用集電板６よりも内側のセル２のみで行われる。このとき端セル２ａが断熱層として機能するとともに、薄い低温時用集電板６は通常時用集電板４に比較して電気抵抗が大きく発熱量が大きいため、内側のセル２の温度は自身の反応熱と低温時用集電板６からの熱によって速やかに上昇する。このため、内側のセル２内では氷が生成されないか、或いは氷が生成されたとしても温度上昇に伴い速やかに融け、氷の生成に伴う酸素供給不足が生じることはない。
【００２９】
また、本燃料電池スタックでは、端セル２ａの温度が切換温度を超えたら、出力端子８の接続先は低温時用集電板６から通常時用集電板４に切り換えられる。通常時用集電板４に切り換えられるまで端セル２ａでは発電が行われていなかったため、端セル２ａ内では化学反応に伴う氷は生成されていない。したがって、出力端子８の接続先を通常時用集電板４に切り換えたときには、端セル２ａを含めた全セル２で通常の発電が行われ、通常時用集電板４からは全セル２で発電される電力が取り出される。
【００３０】
以上のように、本燃料電池スタックによれば、低温起動時には出力端子８が低温時用集電板６に接続されるので、酸素供給不足に起因する出力低下や端セル２ａの劣化を回避することができる。また、端セル２ａの温度が上昇したときには出力端子８の接続先が通常時用集電板４に切り換えられるので、端セル２ａを含む全セル２を機能させて大出力を得ることができる。つまり、本燃料電池スタックによれば、端セル２ａの温度に応じた効率的な運転が可能になる。
【００３１】
なお、上述の実施の形態１では、低温時用集電板６を端セル２ａの内側に設けているが、端セル２ａよりも所定枚数内側のセルの内側に設けてもよい。つまり、通常時用集電板４と低温時用集電板６との間に挟まれるセル２の数に限定はなく、燃料スタックが使用される温度条件に応じて決定すればよい。例えば、各セル２の温度が氷点を超えるまでの時間は起動時温度が低いほど長くなるため、極低温時には端セル２ａの内側の第２セルにおいても氷が生成されてしまう可能性がある。このような場合には、第２セルの内側に低温時用集電板６を設けることで、酸素供給不足に起因する出力低下や第２セルの劣化を回避することができる。
【００３２】
実施の形態２．
次に、図２及び図３を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
図２は、本発明の実施の形態２としての燃料電池スタックの概略構成図である。図２中、実施の形態１の燃料電池スタックと同一の要素については同一の符号を付している。本燃料電池スタックは、実施の形態１の燃料電池スタックと同様に、積層方向に対称に構成されているので、図２では片方の端部の構成のみを示している。
【００３３】
本燃料電池スタックと実施の形態１の燃料電池スタックとの相違点は、スイッチ制御装置２０によるスイッチ１０の切換制御にある。実施の形態１では、スイッチ制御装置２０は端セル２ａの温度に応じてスイッチ１０を制御していたが、本実施形態では、端セル２ａの電圧に基づいてスイッチ１０を制御する。このため、本燃料電池スタックは、端セル２ａの電圧、すなわち、端セル２ａを挟んで設けられた通常時用集電板４と低温時用集電板６との電位差を検出するための電圧モニタ１２を備えている。
【００３４】
ここで、図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃは、低温起動時における端セル（最外セル）２ａの電圧の時間変化と第２セル２ｂの電圧の時間変化とを併せて示したグラフである。以下では、端セル２ａよりも一つ内側のセルを第２セルと呼び、他のセルから区別する場合には、特に第２セル２ｂと表記する。これらの図のうち、図３Ａは、出力端子８を通常時用集電板４に接続して起動した場合、すなわち、従来の燃料電池スタックにおける起動時の状態を示している。この図に示すように、端セル２ａ、第２セル２ｂともに起動直後は氷の生成によって電圧は低下していくが、特に端セル２ａの電圧は氷の生成に伴う酸素供給不足によって大きく低下し、一時的に負電圧になる。
【００３５】
次に、図３Ｂは、実施の形態１にかかるスイッチ１０の切換制御を行った場合を示している。この場合は、端セル２ａの温度が所定の切換温度に達するまでは出力端子８は低温時用集電板６に接続され、この間は第２セル２ｂを含む端セル２ａよりも内側のセル２で発電された電力が低温時用集電板６から取り出される。そして、端セル２ａの温度が所定温度に達したら出力端子８は通常時用集電板４に接続され、端セル２ａを含む全セル２で発電された電力が通常時用集電板４から取り出されるようになる。
【００３６】
実施の形態１にかかるスイッチ１０の切換制御によれば、端セル２ａが負電圧になる可能性がなくなるまで端セル２ａを電気回路から切り離すことができる。しかしながら、図３Ａから分かるように、端セル２ａの電圧が負になるのは起動後暫くしてからであり、それまでの電圧が正である間は、端セル２ａからも電力を得ることができる。また、実施の形態１では端セル２ａの温度が切換温度以上になったらスイッチ１０が切り換えられるが、切換温度は氷が十分に融けて端セル２ａの電圧が十分に回復できる程度の温度に設定されている。このため、端セル２ａの電圧が回復してからスイッチ１０が低温時用集電板６側に切り換えられるまでには余裕があり、その分、端セル２ａから取り出せるはずの電力を損している。
【００３７】
そこで、本燃料電池スタックでは、スイッチ制御装置２０は電圧モニタ１２により端セル２ａの電圧をモニタリングし、その電圧の測定値に基づいてスイッチ１０の切換制御を行う。以下、図３Ｃを参照しながら、本燃料電池スタックにかかるスイッチ１０の切換制御について説明する。
【００３８】
まず、起動時には、スイッチ制御装置２０は、出力端子８を通常時用集電板４に接続するようにスイッチ１０を切り換える。これにより、端セル２ａでも発電が行われ、その発電電圧が電圧モニタ１２により測定される。端セル２ａでは氷の生成によって酸素供給が不足していくため、電圧モニタ１２により測定される電圧は低下していく。スイッチ制御装置２０は、電圧モニタ１２の測定値が所定値に達した時点（時点ｔ1）で、出力端子８を低温時用集電板６に接続するようにスイッチ１０を切り換える。出力端子８が低温時用集電板６に接続されることで、端セル２ａは非作動状態になる。
【００３９】
スイッチ１０の低温時用集電板６側への切り換え後、スイッチ制御装置２０は、次の操作を実施する。まず、スイッチ制御装置２０は、低温時用集電板６への切り換えから所定時間が経過したら（時点ｔ2）、再び出力端子８を通常時用集電板４に切り換える。そして、所定の微小時間Δｔの間、電圧モニタ１２により端セル２ａの電圧を測定し、その測定結果に基づいたスイッチ１０の切換判定を行う。判定は電圧が正電圧か負電圧か、そして、電圧変化が負であるか正であるかについて行われ、電圧が負電圧である場合や、電圧変化が負である場合にはスイッチ１０は再び低温時用集電板６側に切り換えられる。図３Ｃでは、上記の判定処理がさらに二回行われ、スイッチ１０の低温時用集電板６側から通常時用集電板４側への切り換えが二回（時点ｔ3,ｔ4）繰り返されている。このスイッチ１０の切り換え操作は、端セル２ａの電圧が正電圧となり、且つ、電圧変化が正になるまで行われ、条件が満たされた場合には出力端子８の通常時用集電板４への接続が維持される。出力端子８の通常時用集電板４への接続が維持されることで、端セル２ａは再び作動状態になる。
【００４０】
上記のように電圧の測定値に基づいてスイッチ１０の切換制御を行うことで、端セル２ａの非作動時間を可能な限り短くすることができる。したがって、本燃料電池スタックによれば、酸素供給不足に起因する出力低下や端セル２ａの劣化を回避できる範囲で端セル２ａを最大限に作動させることができ、最大限に電力を取り出すことができる。つまり、本燃料電池スタックによれば、実施の形態１の装置に比較して、より効率的な運転が可能になる。なお、図３Ｃでは、図３Ａと異なり端セル２ａの電圧は負電圧になっていない。これは、図３Ｃの場合、連続的な発電が行われないために化学反応に伴う水の生成量が少なく、氷によって酸素供給を阻害される程度が低いためである。
【００４１】
実施の形態３．
次に、図４を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。
図４は、本発明の実施の形態３としての燃料電池スタックの概略構成図である。図４中、実施の形態１の燃料電池スタックと同一の要素については同一の符号を付している。本燃料電池スタックは、実施の形態１の燃料電池スタックと同様に、積層方向に対称に構成されているので、図４では片方の端部の構成のみを示している。
【００４２】
本燃料電池スタックと実施の形態１の燃料電池スタックとの相違点は、低温時用集電板６の設置枚数にある。実施の形態１では、端セル２ａの内側にのみ低温時用集電板６を設けていたが、本燃料電池スタックでは、より内側のセル２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ間にも低温時用集電板６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅを設けている。以下では、端セル２ａの内側にあるセルを端セル２ａに近い側から順に第２セル、第３セル、第４セル、第５セル、第６セル等と呼び、これらを他のセルから区別する場合には、第２セル２ｂ、第３セル２ｃ、第４セル２ｄ、第５セル２ｅ、第６セル２ｆと表記する。また、低温時用集電板６については、個々を区別する場合には、通常時用集電板４から近い順に第１低温時用集電板６ａ、第２低温時用集電板６ｂ、第３低温時用集電板６ｃ、第４低温時用集電板６ｄ、第５低温時用集電板６ｅと表記する。
【００４３】
本燃料電池スタックが複数の低温時用集電板６（６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ）を備えるのは以下の理由による。
【００４４】
氷点下での起動時、各セル２の温度が氷点を超えるまでの時間は起動時温度が低いほど長くなる。このため、起動時温度が極めて低温のときには、端セル２ａより内側の第２セル２ｂでも氷の生成が進み、端セル２ａのみならず第２セル２ｂも酸素供給不足に陥る可能性がある。同様に起動時温度がさらに低温になった時には、より内側のセルまでも酸素供給不足に陥る可能性がある。したがって、低温起動時の出力低下とセル２の劣化を防止する観点からは、低温時用集電板６はセル２の積層方向の内側（中央側）に配置するのが好ましい。しかしながら、極低温時を想定して低温時用集電板６を内側に配置すると、起動時温度が氷点以下であるが想定した温度よりも高い場合には、正常作動が可能なセル２までも起動対象から除外されてしまい、その分、取り出せるはずの電力を損してしまう。また、除外したセル２の分だけ全体の発熱量は低下するため、その分、燃料電池スタック全体の暖機に時間がかかることなり、全てのセル２が正常に作動して本来の電力が取り出せるまでに時間を要してしまう。
【００４５】
そこで、本燃料電池スタックでは上記のように複数の低温時用集電板６を備え、起動時温度に応じて、出力端子８の接続先となる低温時用集電板６を適宜切り換えられるようにしている。出力端子８と複数の低温時用集電板６との間での接続の切り換えはスイッチ１０によって行うことができ、スイッチ１０の切り換え操作はスイッチ制御装置２０によって行われる。
【００４６】
スイッチ制御装置２０は、燃料電池スタックの起動時に、セル２の温度を検出し、セル温度に応じて出力端子８の接続先を６枚の集電板４，６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅの間で切り換える。具体的には、セル温度が所定の判定温度（例えば氷点）よりも高い場合には、出力端子８を通常時用集電板４に接続する。一方、セル温度が判定温度以下の場合には、出力端子８を低温時用集電板６に接続する。５枚の低温時用集電板６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅのうち何れの低温時用集電板６に接続するかはセル温度に応じて決定され、セル温度が低温であるほど、より内側の低温時用集電板６に出力端子８が接続される。また、セル温度は、各セル２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆについて検出され、内側のセル２からの熱供給によって外側のセル２の温度も上昇してきたときには、順次外側の低温時用集電板６に切り換えられていき、最終的には通常時用集電板４に切り換えられる。
【００４７】
したがって、本燃料電池スタックによれば、セル温度が極低温の場合には、出力端子８は内側の低温時用集電板６に接続される。これにより、放熱量が少なく氷の生成速度が遅い内側のセル２のみを作動させることができるので、セル２が酸素供給不足に陥ることを回避することができ、低温起動時の出力低下とセル２の劣化を防止することが可能になる。また、セル温度が比較的高温の場合には、出力端子８は外側の低温時用集電板６に接続される。これにより、正常作動が可能なセル２を無駄なく作動させることができ、高出力を得ることが可能になるとともに、発熱量が増えることで燃料電池スタック全体を早期に暖機することも可能になる。
【００４８】
なお、上述の実施の形態４では、１枚のセル２を挟んで各低温時用集電板６を設けているが、複数枚のセル２を挟んで各低温時用集電板６を設けてもよい。また、通常時用集電板４と第１低温時用集電板６ａとの間、及び、隣接する低温時用集電板６，６間に挟むセル２の枚数は同一枚数でなくてもよく、例えば、燃料電池スタックの端部からの距離に応じて異ならせるようにしてもよい。
【００４９】
実施の形態４．
次に、図５乃至図７を参照して、本発明の実施の形態４について説明する。
図５は、本発明の実施の形態４としての燃料電池スタックの概略構成図である。図５中、実施の形態３の燃料電池スタックと同一の要素については同一の符号を付している。
【００５０】
本燃料電池スタックと実施の形態３の燃料電池スタックとの相違点は、スイッチ制御装置２０によるスイッチ１０の切換制御にある。実施の形態３では、スイッチ制御装置２０はセル２の温度に応じてスイッチ１０を制御していたが、本実施形態では、セル２の電圧に基づいてスイッチ１０を制御する。このため、本燃料電池スタックは、端セル２ａから第６セル２ｆまでの各セル２（２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ）に電圧モニタ１２（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ）を備えている。
【００５１】
以下、図６に示すフローチャートを参照しながら、スイッチ制御装置２０が行う低温起動時のスイッチ切換制御の流れについて説明する。図６はスイッチ制御装置２０が行うスイッチ切換制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。以下では、スイッチ１０により出力端子８の接続先を通常時用集電板４に切り換えることをスイッチ（０）に切り換えるといい、最外の第１低温時用集電板６ａに切り換えることをスイッチ（１）に切り換えるという。同様に、外からｎ番目の低温時用集電板６に切り換えることをスイッチ（ｎ）に切り換えるという。また、端セル２ａを含めて外側ｎ番目のセル２の電圧を測定する電圧モニタ１２を、電圧モニタ（ｎ）と表すものとする。
【００５２】
先ず、図６のフローチャートに示す最初のステップ１００では、変数Ａ，Ｂがそれぞれ０にリセットされる。変数Ａは０から所定の最大値Ａmaxまでの整数であり、この変数Ａの値によって、切り換えるスイッチ（Ａ）と電圧測定する電圧モニタ（Ａ）が特定されるようになっている。ここでは、低温時用集電板６は５枚であるので、変数Ａの最大値Ａmaxは５となる。変数Ｂはカウンタ変数である。ステップ１０２では、現在の変数Ａの値に従ってスイッチ１０の切換状態がスイッチ（Ａ）に切り換えられる。ステップ１０２の初処理では、ステップ１００において変数Ａは０にリセットされているので、スイッチ（０）に切り換えられることになる。つまり、起動直後は、出力端子８は通常時用集電板４に接続される。
【００５３】
ステップ１０２でのスイッチ（Ａ）への切換後は、所定の待機時間Δｔ0の間、そのままの状態に保持される（ステップ１０４）。そして、所定の待機時間Δｔ0の経過後、ステップ１０６において電圧モニタ（Ａ）が示す電圧値が所定値Ｖ0以上か否か判定される。電圧モニタ（Ａ）が示す電圧値はスイッチ（Ａ）に対応する集電板６（又は４）の内側に接するセル２の電圧値であり、ステップ１０６の初処理では端セル２ａの電圧値を指す。
【００５４】
ステップ１０６の判定の結果、電圧値が所定値Ｖ0未満と判定されたときには、ステップ１０８において変数Ａの値が１つ加算される。ステップ１０８の処理の後は、再びステップ１０２の処理に戻るようになっており、次回のステップ１０２では、出力端子８は現在接続されている集電板６（又は４）の一つ内側の集電板６に接続先を切り換えられる。したがって、現在、通常時用集電板４に接続されている場合には、出力端子８の接続先は一つ内側の低温時用集電板６ａに切り換えられることになる。
【００５５】
ただし、セル２の電圧低下は、セル２の作動による化学反応によって水が生成され、その水が凍って酸素供給を阻害することにより起きるため、起動後に端セル２ａの電圧が所定値Ｖ0を下回るまでには時間を要する。このため、起動後暫くの間は、ステップ１０６の判定において電圧値が所定値Ｖ0以上と判定される状態が続く。ステップ１０６で電圧値が所定値Ｖ0以上と判定される場合には、ステップ１１０以降の処理が行われる。ステップ１１０以降の処理内容の詳細については後述するが、変数Ａが０の場合には、ステップ１１２或いはステップ１１６の判定の結果として再びステップ１０４の処理に戻される。
【００５６】
やがて、端セル２ａの電圧が所定値Ｖ0を下回り、ステップ１０２からステップ１０８までの一連の処理が繰り返し行われることで、出力端子８が接続される集電板６（又は４）は通常時用集電板４から内側の低温時用集電板６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅに順次切り換えられていき、現時点で正常に作動可能な最外のセル２の外側に隣接する集電板６が選択される。セル２が正常に作動可能であるか否かは、ステップ１０６で実施する判定のとおり、当該セル２の電圧値が所定値Ｖ0以上になっているか否かで判定することができる。
【００５７】
ステップ１０２からステップ１０８までの一連の処理により、現時点で正常に作動可能な最外セル２に対応するスイッチ（Ａ）に切り換えられると、ステップ１０６のＹｅｓルートに進んでステップ１１０以降の処理が行われる。ステップ１１０以降の処理は、出力端子８が接続される集電板６（又は４）を最外の通常時用集電板４まで順次切り換えていくための処理である。ステップ１１０ではカウンタ変数Ｂの値が１つ加算され、続くステップ１１２ではカウンタ変数Ｂの値が所定値以上か否か判定される。カウンタ変数Ｂの値が所定値Ｂ0未満の場合には、ステップ１１２のＮｏルートに進み、再びステップ１０４の処理に戻される。ステップ１０４の処理に戻されることで、所定の待機時間Δｔ0、スイッチ（Ａ）の切り換え状態は現在の状態に保持される。
【００５８】
ステップ１０４からステップ１１２までの一連の処理の繰り返しにより、やがてカウンタ変数Ｂの値が所定値Ｂ0に達すると、ステップ１１２からステップ１１４に進み、カウンタ変数Ｂが０にリセットされる。続くステップ１１６では変数Ａが０か否か判定される。変数Ａが０の場合には、上述のように再びステップ１０４の処理に戻されるが、変数Ａが１以上になっている場合、すなわち、出力端子８が何れかの低温時用集電板６に接続されている場合には、ステップ１１８の処理が実行される。
【００５９】
ステップ１１８では、一時的にスイッチ（Ａ）からスイッチ（Ａ−１）に切り換えられ、電圧モニタ（Ａ−１）の電圧値が測定される。例えば、現在、出力端子８が外から４番目の第４低温時用集電板６ｄに接続されているとすると、一時的に外から３番目の第３低温時用集電板６ｃに切り換えられ、この第３低温時用集電板６ｃの内側に接する第４セル２ｄの電圧値が測定されることになる。
【００６０】
続くステップ１２０では、測定された電圧値が上昇しているか、具体的には、電圧が正電圧であり、且つ、電圧変化が正であるか否かが判定される。判定の結果、電圧値が未だ上昇していない場合には、ステップ１０４の処理に戻される。そして、ステップ１０４からステップ１１２までの一連の処理の繰り返しによりＢ0×Δｔ0の時間が経過したら、ステップ１１８の処理によって再び一時的にスイッチ（Ａ）からスイッチ（Ａ−１）に切り換えられ、電圧モニタ（Ａ−１）の電圧値が測定される。なお、所定値Ｂ0は、ステップ１１８，１２０の処理を実施する頻度を調整するための定数である。この所定値Ｂ0の設定によって、ステップ１１８，１２０の処理を実施する時間間隔Ｂ0×Δｔ0を適宜に調整することができる。
【００６１】
ステップ１２０での判定の結果、電圧値が上昇している場合には、ステップ１２２において変数Ａの値が１つ加算される。ステップ１２２の処理の後は、再びステップ１０２の処理に戻るようになっており、次回のステップ１０２では、現在接続されている集電板６の一つ外側の集電板６（又は４）に接続先を切り換えられる。したがって、現在、例えば、外から４番目の第４低温時用集電板６ｄに接続されているときには、外から３番目の第３低温時用集電板６ｃに切り換えられることになる。
【００６２】
以上の一連の処理が繰り返し行われることにより、最終的には変数Ａの値が０に戻され、出力端子８の接続先は通常時用集電板４に切り換えられる。スイッチ制御装置２０は、通常時用集電板４への切り換えの完了と所定の制御終了条件の成立後、低温起動時のスイッチ切換制御を終了する。
【００６３】
図７のタイムチャートは、上述のスイッチ切換制御による制御結果の一例を燃料電池スタック出力（或いは発熱量）の時間変化によって示したものである。図７のタイムチャートにおいて、時間軸とともに表示している数字（０，１，２，３，４，５）は、その時点において選択されているスイッチ（Ａ）の番号を記したものである。図６のフローに従えば、最初にスイッチ（０）が選択される。これにより、出力端子８は通常時用集電板４に接続され、全てのセル２が作動状態になる。スイッチ（０）の選択は、凍結による端セル２ａの電圧低下が確認されるまで、すなわち、電圧モニタ（０）の電圧値が所定値Ｖ0を下回るまで継続される（期間tt1）。この間は、全セル２を作動させることで高い出力（及び発熱量）を得ることができる。
【００６４】
端セル２ａの電圧値が所定値Ｖ0を下回ると、スイッチ（０）が一つ内側のスイッチ（１）に切り換えられる。そして、所定時間Δｔ0の経過後、電圧モニタ（１）の電圧値、すなわち、第２セル２ｂの電圧値が測定され、その測定値が所定値Ｖ0未満の時にはスイッチ（１）がさらに一つ内側のスイッチ（２）に切り換えられる。こうして、電圧モニタ（Ａ）が所定値Ｖ0以上の値を示すまで、所定時間Δｔ0毎に電圧モニタ（Ａ）の電圧値の測定とスイッチ（Ａ）の切り換えが繰り返し実施される（期間tt2）。スイッチ（Ａ）の内側への切り換えによって作動セル数は減少していくため、出力（及び発熱量）も作動セル数に応じて減少していく。各セル２の状態が同じだとすれば、この時点で氷点下のセル２は全て電圧が低下しており、内側に位置するすでに氷点を突破したセル２のみが正常に作動することができる。ここでは、第６セル２ｆが現時点で正常に作動可能な最外セル２であり、図７では最終的に第６セル２ｆに対応するスイッチ（５）が選択される。
【００６５】
スイッチ（５）が選択されることで、出力端子８は第５低温時用集電板６ｅに接続され、第６セル２ｆを含む第５低温時用集電板６ｅよりも内側のセル２によって発電が行われる。発電に伴い発生する熱は第５低温時用集電板６ｅを介して第５低温時用集電板６ｅの外側に接する第５セル２ｄに伝えられ、第５セル２ｄの温度を上昇させる。やがて、第５セル２ｄの温度が氷点を突破すると、電圧モニタ（４）で測定される第５セル２ｄの電圧値は所定値Ｖ0を超え、スイッチ（５）は一つ外側のスイッチ（４）に切り換えられる。こうして、現時点のスイッチ（Ａ）に対応する集電板の外側に接するセルの温度が氷点を突破してその電圧値が所定値Ｖ0を超える毎に、スイッチ（Ａ）は一つ外側のスイッチ（Ａ−１）に順次切り換えられていく（期間tt3）。そして、最終的には、スイッチ（０）が選択されて出力端子８は通常時集電板４に接続され、再び全てのセル２が作動状態になる。
【００６６】
以上のように、本燃料電池スタックによれば、電圧モニタ１２により測定される各セル２の電圧値に基づいてスイッチ１０の切換制御を行うことで、酸素供給不足に起因する出力低下や各セル２の劣化を回避できる範囲で各セル２を最大限に作動させることができ、最大限に電力を取り出すことができる。そして、各セル２を最大限に作動させることで総発熱量が増加するため、全体の昇温速度が速くなり、より短時間で全セル２を起動させることができる。つまり、本燃料電池スタックによれば、実施の形態３の装置に比較してより効率的な運転が可能であり、全セル２が作動可能になるまでの時間（起動時間）を最短にすることができる。
【００６７】
なお、上述の実施の形態４では、１枚のセル２を挟んで各低温時用集電板６を設けているが、複数枚のセル２を挟んで各低温時用集電板６を設けてもよい。また、通常時用集電板４と第１低温時用集電板６ａとの間、及び、隣接する低温時用集電板６，６間に挟むセル２の枚数は同一枚数でなくてもよく、例えば、燃料電池スタックの端部からの距離に応じて異ならせるようにしてもよい。その場合、電圧モニタ１２は、通常時用集電板４と第１低温時用集電板６ａとの間、及び、隣接する低温時用集電板６，６間の電圧を測定するように設ければよい。
【００６８】
実施の形態５．
次に、図８及び図９を参照して、本発明の実施の形態５について説明する。
本実施形態の燃料電池スタックは、実施の形態４において、スイッチ制御装置２０に、図６のルーチンに代えて図８のルーチンを実行させることにより実現することができる。図８は、本燃料電池スタックにおいてスイッチ制御装置２０が行うスイッチ切換制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。実施の形態４は、燃料電池スタックの起動時間を最短にすることをその特徴としているが、本実施形態は、燃料電池スタックの起動温度を最大限に低くすることを特徴としている。このため、図６のルーチンが起動時間優先型のアルゴリズムであるのに対し、図８のルーチンは起動限界温度優先型のアルゴリズムとされている。
【００６９】
以下、図８に示すフローチャートを参照しながら、スイッチ制御装置２０が行う低温起動時のスイッチ切換制御の流れについて説明する。なお、以下における変数Ａ、スイッチ（Ａ）、及び電圧モニタ（Ａ）の意味については実施の形態４において説明したとおりである。
【００７０】
先ず、図６のフローチャートに示す最初のステップ２００では、変数Ａが最大値Ａmaxにセットされる。ここでは、最大値Ａmaxは５である。ステップ２０２では、現在の変数Ａの値に従ってスイッチ１０の切換状態がスイッチ（Ａ）に切り換えられる。ステップ２０２の初処理では、ステップ２００において変数Ａは最大値Ａmaxである５にセットされているので、スイッチ（５）に切り換えられることになる。つまり、本燃料電池スタックでは、起動直後は、出力端子８は最も内側の第５低温時用集電板６ｅに接続される。
【００７１】
ステップ２０２でのスイッチ（Ａ）への切換後は、所定の待機時間Δｔ0の間、そのままの状態に保持される（ステップ２０４）。そして、所定の待機時間Δｔ0の経過後、ステップ２０６において電圧モニタ（Ａ）が示す電圧値が上昇しているか否か判定される。電圧モニタ（Ａ）が示す電圧値はスイッチ（Ａ）に対応する集電板の内側に接するセルの電圧値であり、ステップ２０６の初処理では第６セル２ｆの電圧値を指す。
【００７２】
ステップ２０６の判定の結果、電圧値が上昇していると判定されるまではステップ２０４に戻され、ステップ２０４，２０６の一連の処理が繰り返し実施される。出力端子８が第５低温時用集電板６ｅに接続されることで、第５低温時用集電板６ｅよりも内側のセル２は作動状態になるが、極低温の場合、最も外側に位置する第６セル２ｆでは発電に伴い生成された水が凍結する。しかし、より内側のセル２から熱の供給を受けることで、第６セル２ｆの温度は次第に上昇していきやがて氷点を突破する。そして、温度が氷点を突破することで、第６セル２ｆの電圧値は上昇に転じる。
【００７３】
ステップ２０６の判定の結果、電圧値が上昇していると判定されたときには、ステップ２０８において変数Ａの値が１つ減算される。ステップ２０８の処理の後は、ステップ２１０において変数Ａの値が０になっているか判定され、変数Ａの値が０になるまでは再びステップ２０２の処理に戻る。次回のステップ２０２では、出力端子８は現在接続されている集電板６の一つ外側の集電板６に接続先を切り換えられる。したがって、現在、第５低温時用集電板６ｅに接続されている場合には、出力端子８の接続先は一つ外側の第４低温時用集電板６ｄに切り換えられることになる。なお、ここでは、電圧値が上昇に転じたらスイッチ（Ａ）を切り換えるようにしているが、起動開始から凍結による反応停止まではある程度時間があるので、経験的にその時間がわかっているならば、当該セル２の電圧値が下降状態であっても、早めにスイッチ１０を外側に切り換えるようにしてもよい。
【００７４】
ステップ２０２からステップ２１０までの一連の処理に繰り返しにより、出力端子８が接続される集電板６は第５低温時用集電板６ｅから外側の低温時用集電板６ｄ，６ｃ，６ｂ，６ａに順次切り換えられていく。そして、ステップ２０８で変数Ａの値が０に設定され、ステップ２１０の条件が成立すると、出力端子８の接続先は通常時用集電板４に切り換えられる。スイッチ制御装置２０は、通常時用集電板４への切り換えの完了後、低温起動時のスイッチ切換制御を終了する（以上、ステップ２１２）。
【００７５】
図９のタイムチャートは、上述のスイッチ切換制御による制御結果の一例を燃料電池スタック出力（或いは発熱量）の時間変化によって示したものである。図９のタイムチャートにおいて、時間軸とともに表示している数字（０，１，２，３，４，５）は、その時点において選択されているスイッチ（Ａ）の番号を記したものである。図８のフローに従えば、最初にスイッチ（５）が選択される。これにより、出力端子８は最も内側の第５低温時用集電板６ｅに接続され、第５低温時用集電板６ｅよりも内側のセル２が作動状態になる。スイッチ（５）の選択は、第６セル２ｆの電圧値の上昇が確認されるまで継続される（期間tt1）。
【００７６】
第６セル２ｆの電圧値が上昇に転じると、スイッチ（５）が一つ外側のスイッチ（４）に切り換えられる。そして、所定時間Δｔ0の経過後毎に、電圧モニタ（４）の電圧値、すなわち、第５セル２ｄの電圧値が測定され、その測定値が上昇に転じるとスイッチ（４）がさらに一つ外側のスイッチ（３）に切り換えられる。こうして、最も外側のスイッチ（０）が選択されるまで、所定時間Δｔ0毎の電圧モニタ（Ａ）による電圧測定と、電圧値が上昇に転じたときのスイッチ（Ａ）の切り換えが繰り返し実施される（期間tt2）。最終的には、スイッチ（０）が選択されることで出力端子８は通常時集電板４に接続され、再び全てのセル２が作動状態になる。
【００７７】
以上のように、本燃料電池スタックでは、最も内側の第５低温時用集電板６ｅから通常時集電板４へ一つづつ順に出力端子８の接続先が切り換えられていき、各セル２は内側から順に作動していく。このとき、作動中のセル２が発生する熱は、低温のセル２の昇温とセル２の作動に伴い生成された氷の融解に用いられる。実施の形態４では、最初に通常時集電板４から内側に向けて出力端子８の接続先を切り換えるため、全てのセル２が一旦、作動状態になり氷が生成される。これに対し、本燃料電池スタックでは、出力端子８が接続される集電板６の外側のセル２は非作動状態であるために氷は生成されない。このため、氷を解かすのに用いる熱量を最小限に抑えることができ、作動中のセル２が発生する熱を効率よく低温のセル２の昇温に用いることができる。したがって、本燃料電池スタックによれば、第４実施形態の装置に比較して、起動時間は長くなる反面、より低温からの起動が可能になる。
【００７８】
なお、上述の実施の形態５では、１枚のセル２を挟んで各低温時用集電板６を設けているが、複数枚のセル２を挟んで各低温時用集電板６を設けてもよい。また、通常時用集電板４と第１低温時用集電板６ａとの間、及び、隣接する低温時用集電板６，６間に挟むセル２の枚数は同一枚数でなくてもよく、例えば、燃料電池スタックの端部からの距離に応じて異ならせるようにしてもよい。その場合、電圧モニタ１２は、各集電板４，６の内側に接触するセル２の電圧を測定するように設ければよい。
【００７９】
実施の形態６．
次に、図１０を参照して、本発明の実施の形態６について説明する。
図１０は、本発明の実施の形態６としての燃料電池スタックの概略構成図である。図１０中、実施の形態３の燃料電池スタックと同一の要素については同一の符号を付している。本燃料電池スタックは、実施の形態３の燃料電池スタックと同様に、積層方向に対称に構成されているので、図１０では片方の端部の構成のみを示している。
【００８０】
本燃料電池スタックと実施の形態３の燃料電池スタックとの相違点は、各低温時用集電板６の厚さにある。実施の形態３では、全ての低温時用集電板６は等しい厚さにされていたが、本燃料電池スタックでは、内側の低温時用集電板６は薄くされ、外側の低温時用集電板６は厚くされている。ただし、最も厚い最外の第１低温時用集電板６ａでも通常時用集電板４よりは薄くされている。
【００８１】
低温時用集電板６は、通常時用集電板４よりも薄くすることで熱容量を小さくするとともに、抵抗を大きくして発熱量を増大させている。低温時用集電板６の厚さは、より薄くすることで発熱量を増大させることができる一方、抵抗の増大に伴い取り出すことができる電流は小さくなる。逆に、厚くすることで発熱量は小さくなるものの、取り出すことができる電流は大きくなる。本燃料電池スタックでは、起動時温度が低い場合には内側の低温時用集電板６に出力端子８が接続されるが、この場合にはより多数のセル２を作動可能にするためにスタック全体の早期の昇温が望まれる一方で、作動可能なセル２の数が少ないために発電電力は小さい。このため、低温時用集電板６としては取り出せる電流が小さくても発熱量が高いものが望まれる。一方、起動時温度が高い場合、或いは起動後にセル２の温度が上昇したときには外側の低温時用集電板６に出力端子８が接続されるが、この場合には作動可能なセル２の数が多くなるために発電電力は増大し、さらにセル自身の反応熱による昇温が進む。このため、低温時用集電板６としては発熱量が低くても大電流を取り出せるものが望まれる。
【００８２】
本燃料電池スタックでは、上述のように内側の低温時用集電板６は薄くされ、外側の低温時用集電板６は厚くされている。したがって、本燃料電池スタックによれば、低温時、内側の低温時用集電板６が選択されるときには、低温時用集電板６からの熱によってセル２の早期の昇温が可能となる。また、暖気後に外側の低温時用集電板６が選択されるときには、低温時用集電板６から大きな電流を取り出すことが可能になる。
【００８３】
その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。
【００８４】
図１１は上述の実施の形態の何れにも適用できる変形例の概略構成図である。この変形例では、端セル２ａから冷却水を除去している。図１２は端セル２ａの構造を示す断面図である。この図に示すように、端セル２ａはＭＥＡ（Membrane electrode assembly）４０の両側をガス拡散層４１，４１で挟み、さらにその両側を複数の溝が形成されたセパレータ４２，４２で挟んだ構造を有している。ガス拡散層４１とセパレータ４２とで囲まれる隙間４３が燃料ガスや酸化ガスが流れるガス流路であり、セパレータ４２と集電板４との隙間４４、及び、セパレータ４２と隣接する第２セル２のセパレータ４６との隙間４５が冷却水流路である。本変形例では、運転中も停止中も冷却水流路４４，４５への冷却水の供給は行わないことで、端セル２ａから冷却水を除去している。
【００８５】
冷却水流路４４，４５から冷却水を除去することで、端セル２ａの熱容量は除去された冷却水の分だけ低下し、その分、昇温速度が上昇することになる。したがって、本変形例の構成を上述の実施の形態に適用する場合には、スタック全体の昇温速度を上昇させて、より早期に全てのセル２を正常に作動させることが可能になる。なお、このように冷却水を除去することで通常運転時の冷却性能が低下する可能性があるが、元々端セル２ａは集電板４を通じての放熱があるため、通常運転時であっても発電性能の低下や劣化を引き起こす程の温度上昇は起こらない。また、温度上昇が許容範囲であるならば、端セル２ａよりも内側のセル２からも冷却水を除去してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明の実施の形態１としての燃料電池スタックの概略構成図である。
【図２】本発明の実施の形態２としての燃料電池スタックの概略構成図である。
【図３Ａ】従来の燃料電池スタックにおける低温起動時の端セル電圧の時間変化と第２セル電圧の時間変化とを併せて示したグラフである。
【図３Ｂ】実施の形態１の燃料電池スタックにおける低温起動時の端セル電圧の時間変化と第２セル電圧の時間変化とを併せて示したグラフである。
【図３Ｃ】実施の形態２の燃料電池スタックにおける低温起動時の端セル電圧の時間変化と第２セル電圧の時間変化とを併せて示したグラフである。
【図４】本発明の実施の形態３としての燃料電池スタックの概略構成図である。
【図５】本発明の実施の形態４としての燃料電池スタックの概略構成図である。
【図６】本発明の実施の形態４において実行されるスイッチ切換制御ルーチンのフローチャートである。
【図７】図６のルーチンによる制御結果を示すタイムチャートである。
【図８】本発明の実施の形態５において実行されるスイッチ切換制御ルーチンのフローチャートである。
【図９】図８のルーチンによる制御結果を示すタイムチャートである。
【図１０】本発明の実施の形態６としての燃料電池スタックの概略構成図である。
【図１１】本発明の変形例としての燃料電池スタックの概略構成図である。
【図１２】図１１の燃料電池スタックの端セルの構造を示す断面図である。
【図１３】従来の燃料電池スタックの概略構成図である。
【符号の説明】
【００８７】
２，２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ  セル
４  通常時用集電板
６，６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ  低温時用集電板
８  出力端子
１０  スイッチ
１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ  電圧モニタ
２０  スイッチ切換制御装置
【図１】
2005183047.tif 000003
【図２】
2005183047.tif 000004
【図３Ａ】
2005183047.tif 000005
【図３Ｂ】
2005183047.tif 000006
【図３Ｃ】
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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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【図１３】
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