(57)【要約】      （修正有）【課題】起動時の発電効率を向上する燃料電池スタックを提供する。【解決手段】水素を含有する燃料ガスと空気を含有する酸化剤ガスとを用いて電気化学反応により起電力を得るセルを積層した積層セル部４ａと、この積層セル部を積層方向に挟持するエンドプレート４ｂ、４ｃと、このエンドプレートを介して前記積層セル部を積層方向に所定圧力で締め付ける締付部材２０、２１とからなる燃料電池スタックにおいて、前記積層セル部を温度制御する温度調整媒体が流通する第１流路４ｆと、前記エンドプレートを温度制御する温度調整媒体が流通する第２流路４ｄと、燃料電池スタックに流入する前記温度調整媒体の温度に基づいて、前記第１流路と前記第２流路のいずれかに温度調整媒体を供給する切換手段２５、２６とを備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含有する燃料ガスと空気を含有する酸化剤ガスとを用いて電気化学反応により起電力を得るセルを積層した積層セル部と、
この積層セル部を積層方向に挟持するエンドプレートと、
このエンドプレートを介して前記積層セル部を積層方向に所定圧力で締め付ける締付部材とからなる燃料電池スタックにおいて、
前記積層セル部を温度制御する温度調整媒体が流通する第１流路と、
前記エンドプレートを温度制御する温度調整媒体が流通する第２流路と、
燃料電池スタックに流入する前記温度調整媒体の温度に基づいて、前記第１流路と前記第２流路のいずれかに温度調整媒体を供給する切換手段とを備えたことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記切換手段は、前記温度調整媒体の温度が所定温度を越える場合に前記第１流路に温度調整媒体を供給す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】
前記切換手段は、前記温度調整媒体の温度が所定温度以下の場合に前記第２流路に温度調整媒体を供給することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記切換手段は、サーモスタットまたはバイメタルを用いて前記流路を切り換える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スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックの改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池スタックに流通する温度調節媒体の流路構成としてバイパス流路を備えたものがある（特許文献１参照。）。このバイパス流路は、燃料電池スタックの外部に設けられ、温度調節媒体の温度が燃料電池に劣化を生じさせない所定温度に達するまで温度調節媒体を燃料電池スタックに流通させないようにするための流路であり、従来技術は、温度調節媒体の温度が所定温度に達した後に媒体を燃料電池スタックに供給し、燃料電池スタックを始動する技術である。
【特許文献１】特開２００１−１４３７３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記従来技術では、燃料電池スタック始動後の温度変化が部分的に異なってしまう。すなわち、熱容量の小さい燃料電池スタックの中央部のセルでは、発電による熱により速やかに昇温されるが、スタックを積層方向に締め付けるエンドプレート近傍のセルでは、発電の熱が熱容量の大きいエンドプレートの加熱に消費され、中央部のセルに対してエンドプレート近傍のセルの温度の上昇に時間がかかることになる。
【０００４】
このように燃料電池スタックの位置により温度が異なるため熱歪みが生じ、セルの発電効率が低下する恐れが生じる。さらにセル温度が低い状態では、セルの電気抵抗が大きく、発電効率が低下するとともに、セル温度が低い状態での起動を繰り返すことでセル自体の劣化が生じるという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記の問題点を解決することを目的として成されたものであって、システム始動時の燃料電池スタックの温度差を抑制して、発電効率の良好な燃料電池システムを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、燃料電池セルを積層した積層セル部の温度制御する温度調整媒体が流通する第１流路とエンドプレートの温度制御する温度調整媒体が流通する第２流路とをそれぞれ設け、燃料電池スタックに流入する温度調整媒体の温度に基づいて前記第１流路と前記第２流路のいずれかに温度調整媒体を供給する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、温度調整媒体の温度に基づいて前記第１流路と前記第２流路のいずれかに温度調整媒体を供給するため、温度調整媒体の温度が所定温度以下では前記第２流路にのみ温度調整媒体を供給してエンドプレートを加熱し、燃料電池スタック発電開始時のエンドプレートとセルと温度差を縮小し、熱歪みやセルの劣化を防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１に示す本発明の燃料改質システムの概略図を用いて、以下、説明する。
【０００９】
本発明の燃料電池システムは、改質触媒を充填し、改質ガスを生成する燃料改質器１と、改質ガス中のＣＯ濃度を低減するシフト反応器２と一酸化炭素（以下、ＣＯと示す。）選択酸化反応器３と、改質ガスを用いて電気化学反応により発電する燃料電池４及び燃料電池から排出されたガスを燃焼する燃焼器５により構成されている。なお、燃料改質器１とシフト反応器２とＣＯ選択酸化反応器３とを合わせて、燃料改質システムという。
【００１０】
燃料改質器１には燃料供給源６から燃料が、また空気供給源７から空気が供給される。またシフト反応器２とＣＯ選択酸化反応器３には、それぞれ第１、第２熱交換器８、９が備えられており、水供給源１０からの水を改質器１から排出された改質ガスの熱によって気化し、水蒸気を改質器１に供給する。
【００１１】
ＣＯ選択酸化反応器３にはさらに、別の空気供給源１１から空気が供給され、ＣＯ選択部３で改質ガス中のＣＯを所定濃度まで低減した後、燃料電池４に供給する。
【００１２】
燃料電池４では、燃料極にＣＯ選択反応部３から排出された改質ガスが、一方、空気極にはさらに別の空気供給源１２からの空気が供給され、燃料電池４で発電が行われ、発電した電力は図示しない電力消費部または電力充電部に送られる。燃料電池４から排出された排ガスには水素を含む未燃燃料が含まれており、この排ガスは燃焼器５に送られて、空気と混合されて未燃燃量等を燃焼し、外部に放出される。
【００１３】
バイパス流路１４は、燃料電池４と燃焼器５とを結ぶガス流路（排ガス流路）１３の途中から分岐し、排ガスを燃料改質器１に供給するため流路であり、この分岐点に改質ガスの供給先を制御するための三方切換弁１５を設置する。バイパス流路１４には、燃料改質器１に排ガスを供給する供給源としてのポンプ１６と、このバイパス流路１４を流通する排ガス流量を制御する制御弁１７とを設置する。
【００１４】
水供給源１０から燃料電池４の温度を制御するための温度調整媒体（例えば、水）が供給され、燃料電池４は通常運転時に所定温度に制御される。なお、燃料電池に温度調整媒体を供給する供給源は独立して設置してもよい。
【００１５】
図２、図３は、本発明の特徴的な構成である燃料電池の温度調整媒体の流路を説明するための図である。
【００１６】
本発明は、燃料電池１のエンドプレート内に温度調整媒体が流通する流路を形成し、温度調整媒体の温度が燃料電池１に供給するには低すぎる場合にエンドプレートに供給して、燃料電池の発電開始前に温度調整媒体の熱を用いてエンドプレートを加熱しておくことを特徴とする。
【００１７】
燃料電池４は、燃料電池セルを積層状にした積層セル部４ａと、この積層セル部４ａを積層方向に挟持するエンドプレート４ｂ、４ｃ、積層セル部４ａをエンドプレート４ｂ、４ｃを介して積層方向に所定圧力で締め付ける４本のボルト２０および４個のナット２１から構成される。エンドプレート間には温度調整媒体が流通する２本の外部流路２２、２３がボルト２０と平行に、かつ積層セル部２ａと離れて設置される。
【００１８】
図４に示すようにエンドプレート４ｂ、４ｃの内部には温度調整媒体が流通する流路４ｄ、４ｅが例えばサーペンタイン形に形成される。温度調整媒体の流れ方向上流側に位置するエンドプレート４ｂの流路４ｄの入口には、温度調整媒体を水供給源１０からエンドプレート４ｂに供給する温度調整媒体供給流路２４が三方切換弁２５を介して接続され、流路４ｄの出口に前述の流路２２が接続する。一方、温度調整媒体の流れ方向下流側に位置するエンドプレート４ｃに形成された流路４ｅの入口に流路２２が接続される。流路４ｅの出口は、流路２３に接続し、温度調整媒体は流路２３に接続する三方切換弁２６を介して温度調整媒体排出流路２７から水供給源１０に排出される。
【００１９】
図５に示すように各セルに形成された温度調整媒体の流路４ｆも、例えばエンドプレートと同様にサーペンタイン形の流路として形成される。各セルに形成された流路４ｆの入口４ｇおよび出口４ｈのそれぞれが接続するように積層される。流路４ｆへの温度調整媒体は、前述の三方切換弁２５、２６の切換制御により供給される。
【００２０】
三方切換弁２５、２６はコントローラ３０により切換制御されており、例えば開度が０％（全閉）で温度調整媒体は図２に示すように、全量がエンドプレート内の流路４ｄ、４ｅに流入してエンドプレートを加熱した後に外部に排出され、開度１００％（全開）で温度調整媒体は図３に示すように、セル内の流路４ｆに全量が流入し、積層セル部１ａの温度調節に使用され、出口４ｈから三方切換弁２６を通じて外部に排出される。
【００２１】
このように構成されて、コントローラ３０が実施する三方切換弁２５、２６の制御内容について図６のフローチャートを用いて説明する。
【００２２】
まずステップ１で、温度センサ３１を用いてエンドプレート内の流路４ｄに流入する温度調整媒体の温度を検出する。続くステップ２で、検出した温度調整媒体の温度Ｔが所定温度Ｔｔ以下かどうかを判定する。ここで所定温度Ｔｔは燃料電池に供給しても燃料電池が劣化を生じない温度であり、予め実験等により求めておく。
【００２３】
所定温度Ｔｔ以下の場合にはステップ３に進み、温度調整媒体がエンドプレート４ｂ内の流路４ｄに流入するように三方切換弁２５、２６の開度を０％に制御する。一方、温度調整媒体の温度が所定温度Ｔｔを越えている場合にはステップ５に進み、セル内の流路４ｆに温度調整媒体を流入させるように三方切換弁２５、２６の開度を１００％に制御する。
【００２４】
このように本発明では、温度調整媒体の供給先を制御する三方切換弁２５、２６を設置し、温度調整媒体の温度が所定温度より低く、燃料電池の劣化が生じる恐れがある場合には、温度調整媒体をエンドプレート内の流路４ｄ、４ｅに供給して媒体の熱をエンドプレート４ｂ、４ｃの加熱に用いる。したがって、温度調整媒体が所定温度を超えて燃料電池セル４ａに供給可能となったとき、つまり燃料電池の発電開始時には既に熱量の大きいエンドプレート４ｂ、４ｃは昇温して所定温度に近い温度となっているため、エンドプレート４ｂ、４ｃの加熱のために消費される温度調整媒体の熱量を抑制でき、セル位置による温度のバラツキと熱歪みを低減し、発電効率の低下を抑制できる。また燃料電池システム起動時に所定温度以下の温度調整媒体がセルに導入されることがないため、セルの劣化を防止することができる。
【００２５】
なお、本発明では、温度調整媒体の供給先を切り換える三方切換弁２５、２６を設置したが、これに限らず、サーモスタットやバイメタルを用いて切り換えるようにしてもよく、この場合には三方切換弁を制御するためのコントローラや温度調整媒体の温度を検出するセンサが不要となり、構成を簡潔にすることができる。
【００２６】
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。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
燃料電池スタック発電開始時のエンドプレートとセルと温度差を縮小する流路構成としたので、熱歪みやセルの劣化を防止できるため、燃料電池スタックに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の燃料電池システムを示す構成図である。
【図２】温度調整媒体温度が所定温度以下の時の温度調整媒体の流れを説明する図である。
【図３】温度調整媒体温度が所定温度を越える時の温度調整媒体の流れを説明する図である。
【図４】エンドプレート内の流路を説明するエンドプレート断面図である。
【図５】セルの温度調整媒体の流路を説明するセル断面図である。
【図６】コントローラの制御内容を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【００２９】
４  燃料電池
４ａ  積層セル部
４ｂ  上流側エンドプレート
４ｃ  下流側エンドプレート
４ｄ  温度調整媒体流路
４ｅ  温度調整媒体流路
４ｆ  温度調整媒体流路
４ｇ  流路の入口
４ｈ  流路の出口
２０  ボルト
２１  ナット
２２  外部流路
２３  外部流路
２４  温度調整媒体供給流路
２７  温度調整媒体排出流路
３０  コントローラ
３１  温度センサ
【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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