(57)【要約】【課題】燃料電池の起動性を改善すると共に、効率的な発電が可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて電力を発電する複数の燃料電池セル（６、７）を並設して積層した積層構造体２００と、積層構造体２００の積層方向両端部にそれぞれ配置されるエンドプレート３と、エンドプレート３と積層構造体２００との間にそれぞれ配設され、積層構造体２００の発電した電力を取り出す主集電板５と、によって構成された燃料電池スタック１００を有する燃料電池システムにおいて、積層構造体２００の積層方向両端部のうち、少なくとも一方の端部の主集電板５とエンドプレート３との間に配設する抵抗体８と、抵抗体８とエンドプレート３との間に配設する補助集電板９と、一方の端部の主集電板３と補助集電板９との間で、積層構造体２００の発電した電力の取り出しを切り換える切り換え手段１０と、を有する。【選択図】      図１
2005174600.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて電力を発電する複数の燃料電池セルを並設して積層した積層構造体と、
前記積層構造体の積層方向両端部にそれぞれ配置されるエンドプレートと、
前記エンドプレートと前記積層構造体との間にそれぞれ配設され、前記積層構造体の発電した電力を取り出す主集電板と、
によって構成された燃料電池スタックを有する燃料電池システムにおいて、
前記積層構造体の積層方向両端部のうち、少なくとも一方の端部の前記主集電板と前記エンドプレートとの間に配置する抵抗体と、
前記抵抗体と前記エンドプレートとの間に配置する補助集電板と、
前記一方の端部の主集電板と補助集電板との間で、前記積層構造体の発電した電力の取り出しを切り換える切り換え手段と、を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記一方の端部には、複数の抵抗体及び補助集電板を有し、
前記切り換え手段は、前記燃料電池スタックの発電する電力の取り出しを、前記主集電板と前記複数の補助集電板のいずれか一つから切り換えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記積層構造体に温度センサを有し、
前記温度センサの出力に応じて、前記切り換え手段の切り換えが行われることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記抵抗体及び補助集電板が分割構造であり、分割した一方の抵抗体及び補助集電板と、分割した他方の抵抗体及び補助集電体との間を絶縁する絶縁手段が配設されており、
前記切り換え手段は、前記燃料電池スタックの発電する電力の取り出しを、前記主集電板から行うか、分割された前記補助集電板のいずれか一つから行うかを切り換え可能であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記分割された抵抗体及び補助集電板の少なくとも一つは、酸化剤ガスの流路の近傍に配設されてい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】
前記分割された抵抗体及び補助集電板の少なくとも一つは、酸化剤ガスの流路の下流側の近傍に配設されてい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７】
前記抵抗体は、前記主集電板の表面に設けられた嵌め込み部に嵌め込まれ、
前記主集電板表面において、前記抵抗体が前記補助集電板に接する部位以外は、前記主集電板の表面と前記補助集電板の表面との間を絶縁する絶縁部が配設されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記主集電板、前記抵抗体、及び補助集電板は、電気絶縁性の断熱材で覆われていることを特徴とする請求項１から６に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記切り換え手段は、前記積層構造体の起動時に前記補助集電板より電力を取り出すことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記切り換え手段は、温度センサの検出値が所定値よりも低い時に前記補助集電板より電力を取り出すことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池の起動性を改善すると共に、効率的な発電が可能な燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電解質膜の両側に燃料極及び酸化剤極に相当する二つのガス拡散電極を配置した膜電極複合体を挟持し前記燃料極及び酸化剤極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するためのセパレータから構成される単位電池（セル）を並設して積層した燃料電池スタックにおいて、各セルが燃料及び酸化剤の供給を受けて発電を行う際に、発電の電力量と同等の熱が生成する。
【０００３】
燃料電池スタックでは、積層方法中間に配置された単位セルは、両側とも隣接しているセルが存在する。これに対して、積層方向端部に配置されている単位セル（以下、「端部セル」と呼ぶ）は、隣接しているセルは片側しか存在せず、もう一方の片側は、集電板等の熱伝導率の高い金属部材等が隣接している。端部セルは、この金属部材を伝わって外部に放熱が起こるため、中間に配設された単位セルに比べて温度低下が惹起され易い。この温度低下によって、端部セルの発電性能が低下する場合がある他、結露が発生して生成水の排出性が低下し、特に高電流側でセル電圧が低下するという不具合が指摘されている。燃料電池スタック内部の温度と外気温度との差が大きくなればなるほど、特に端部セルの温度低下が著しいものとなる。さらに、氷点下雰囲気での起動に際して、端部セルでは発電と同時に生成水が発生し、この端部セルが氷点下以下に冷やされることにより前記生成水が凍って反応ガス流路（酸化剤ガス流路及び／又は燃料ガス流路）又は電解質膜の多孔質カーボンが閉塞されるおそれがある。従って、反応ガス流路又は多孔質カーボンの閉塞による反応ガス不足に起因して、端部セルの電圧が低下し、燃料電池スタック全体が順調に起動できないという問題がある。
【０００４】
この問題に対して、単位燃料電池の積層体の少なくとも両端末に位置するセパレータの外側面に当接されている集電板の部位に、固体高分子電解質型燃料電池が出力する電流によって加熱される発熱体が形成されており、これによって端部セルの冷やし過ぎを阻止することができる固体高分子電解質型燃料電池が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。しかし、発熱体が集電板と単電池（単位セル）との間に設けられており、この発熱体を介して、常に、固体高分子電解質型燃料電池が出力する電力を消費している。従って、定常状態の運転時のように端部セルの加熱が不要である際にも、電力を無駄に消費することになり、燃料電池スタック全体の発電効率が低下してしまう。
【０００５】
そこで、この問題点を解決するため、単位セルの積層方向両端に設けられたアノード側集電板及びカソード側集電板の少なくともいずれか一方の外側に、電力取り出し端子を設けた発熱体が配設され、積層方向端部側に配設されている前記単位セルの温度低下等が発生した際には、前記発熱体から電力の取り出しを行うことによって、該発熱体自体を発熱させる固体高分子電解質型燃料電池が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。この場合、燃料電池スタックが定常運転状態にある際には、発熱体からの電力の取り出しが行われず、前記発熱体による電力の消費を阻止して効率的な発電が確実に遂行可能になる。
【特許文献１】特開平８−１６７４２４号公報
【特許文献２】特開２００３−４５４６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記特許文献２に開示された発明の構成は、導電性の高い集電板の外側に電力取り出し端子を設けた導電性の低い発熱体を配設するので、集電板に流された電流は発熱体に均等に流れることができず、ほとんどの電流が発熱体の電力の取り出し端子を設けた部分の近傍に集中してしまう。従って、発熱体の発熱部が局所的になるため、端部セルのへの加熱も局所的をなり、端部セル自身、ひいては燃料電池スタック全体の信頼性と性能などに問題があった。
【０００７】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、簡単な構成及び運転方法で端部単位セルをより均一に加熱し、各単位セルの発電性能を向上させ、燃料電池スタックの起動性を改善すると共に、効率的な発電が可能な燃料電池システム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】
本発明は、燃料電池スタックを備えた燃料電池システムにおいて、積層構造体の積層方向両端部のうち少なくとも一方の端部の主集電板とエンドプレートとの間に配設する抵抗体と、抵抗体とエンドプレートとの間に配設する補助集電板と、一方の端部の主集電板と補助集電板との間で、積層構造体の発電した電力の取り出しを切り換える切り換え手段と、を有する。
【発明の効果】
【０００９】
切り換え手段によって燃料電池スタックからの電力の取り出しを補助集電板に切り換えた場合には、抵抗体に電流が流れることによって抵抗体に熱が発生する。この抵抗体の発熱が、端部セルを加熱するので、端部セルの温度上昇が促進され、効率の良い発電が行える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
【００１１】
図１は、本発明の第１の実施の形態の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【００１２】
燃料電池ユニット１００は、制御ユニット３００からの指示によって、図示しない酸化剤ガスユニット、燃料ガスユニット、及び、冷却水ユニットから、燃料ガス（例えば、水素）、酸化剤ガス（例えば、空気）、及び、冷却水の供給を受けて電力を発電する。
【００１３】
この燃料電池ユニット１００は、電解質膜の両側に燃料極及び酸化剤極に相当する二つのガス拡散電極を配置した膜電極複合体を挟持し前記燃料極及び酸化剤極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するためのセパレータから構成される単位電池（セル）を並設して積層した積層構造体がエンドプレート３によって挟み込まれている。この積層構造体の端部には、各セルによって発電された電力を取り出すための主集電板５、電流を流すことで温度を上昇させるために抵抗体８、抵抗体８に電流を導通させると共に発電された電力を取り出すための補助集電板９、及び、絶縁板４、が備えられている。主集電板５、抵抗体８、補助集電板９は、各々が板状に構成されており、積層構造体の積層方向に密着して配設されている。これらの部品は、締め付け部品２によって積層方向に締め付けられており、各部品によって燃料電池スタック２００が構成される。
【００１４】
また、燃料電池スタック２００は、燃料電池スタック装着箱１に収納されている。燃料電池スタック装着箱１は、燃料電池スタック２００の周囲、特に、主集電板５、抵抗体８及び補助集電板の周囲を電気絶縁性の断熱材で覆うように構成されている。
【００１５】
燃料電池ユニット１００の主集電板５ａ、５ｂ及び補助集電板９ａ、９ｂには、それぞれが電気的な切り換え手段である切り換えスイッチ１０ａ、１０ｂが接続されている。この切り換えスイッチ１０ａ、１０ｂを切り換えることで、燃料電池ユニット１００が発電した電力を主集電板５ａ、５ｂから取り出すか、補助集電板９ａ、９ｂから取り出すかを選択することができる。
【００１６】
切り換えスイッチ１０ａと１０ｂとの間にはモータ等の負荷が接続されており、制御ユニット３００からの指示によって燃料電池ユニット１００の発電する電力を消費する。また、切り換えスイッチ１０ａと１０ｂとの間には電圧計が備えられており、燃料電池ユニット１００の出力する電圧値を取得できる。
【００１７】
次に、本発明の第１の実施の形態の燃料電池システムの動作を説明する。
【００１８】
図２は、制御ユニット３００が行う、燃料電池システムの起動プロセスの動作のフローチャートである。
【００１９】
まず、燃料電池システムが起動プロセスを開始すると、制御ユニット３００は、酸化剤ガス供給ユニット及び酸化剤ガス排出ユニット、燃料ガス供給ユニット及び燃料ガス排出ユニット、冷却水供給ユニット及び冷却水排出ユニット、にそれぞれ信号を送り、燃料電池スタック２００に反応ガス（水素及び酸素）、及び冷却水を供給する（ステップ１００１）。この反応ガスの供給を受けて燃料電池スタック２００が発電を開始する。
【００２０】
次に、電力を取り出すための切り換えスイッチ１０ａ及び１０ｂに信号を送り、切り換えスイッチ１０ａ、１０ｂを補助集電板９ａ及び９ｂ側に接続する（ステップ１００２）。こうすることで、燃料電池ユニット１００と負荷とが電気的に接続され、負荷が定負荷モードで作動を開始する（ステップ１００３）。
【００２１】
このとき、燃料電池スタック２００では電力を発電すると共に熱が発生する。また、補助集電板９ａ、９ｂから電力を取り出しているので、抵抗体８ａ、８ｂに電流が流れることで抵抗体が熱を発し、端部セル７周辺の温度を上昇させる。そして、燃料電池スタック２００両側の電圧、負荷に流される電流が増加し、燃料電池スタック２００の電圧が安定したか否か（又は、負荷に流される電流が安定したか否か）を判定する（ステップ１００４）。燃料電池スタック２００両端の電圧が安定したと判定すると起動プロセスが成功と判断し、制御ユニット３００は、電力取り出しの切り換えスイッチ１０ａ及び１０ｂに信号を送り、切り換えスイッチ１０ａ、１０ｂを主集電板５ａ及び５ｂ側に接続する（ステップ１００５）。主集電板５ａ、５ｂに切り換えることで、抵抗体８ａ、８ｂに電流は流れなくなり、抵抗体８ａ、８ｂは熱を発生しなくなる。
【００２２】
以上で、起動プロセスが完了とする。
【００２３】
従来の燃料電池スタック２００では、端部セルでは、熱伝導率の大きい集電板やエンドプレートに接しているため外部への放熱が中間部セルより大きいので、端部セルの温度上昇は中間部セルと比較すると遅くなる。そのため、燃料電池が起動した直後は、端部セルの温度が燃料電池スタック２００に設定した温度より低くなり、端部セルの性能が低くなりやすい（図３参照）。
【００２４】
図４は、負荷を主集電板５に接続した場合と、負荷を補助集電板９に切り換え抵抗体８に電流を導通させた場合と、の端部セル７の温度変化を示すグラフである。図４に示すように、補助集電板９に切り換えて抵抗体８に電流を導通させた場合は、端部セル７の温度は、より速やかに設定温度に移行する。
【００２５】
本発明の第１の実施の形態の燃料電池システムによると、燃料電池スタック２００が起動する際に、燃料電池スタック２００の発電する電力を取り出すための集電板を補助集電板９に切り換え、抵抗体８に電流を導通させることで抵抗体を発熱させる。この抵抗体の発熱が端部セル７を加熱するので、中間部セル６よりも温度上昇が遅い端部セル７の温度上昇が促進され、燃料電池スタック２００の全体の起動性が高まる。
【００２６】
また、燃料電池スタック装着箱１は、燃料電池スタック２００の主集電板５、抵抗体８、補助集電板９は、電気絶縁性の断熱材で覆うように構成されているので、これらの部位から大気への放熱を低減することができ、抵抗体８の発する熱を効率よく端部セル７に伝え、燃料電池システムの発電効率を向上する。
【００２７】
なお、起動プロセス中には、電力は直接抵抗体８からではなく補助集電板９から取り出すので、抵抗体８の両側の電位差が低くなり、抵抗体８に流れる電流の面内分布はより均一になる。そのため、抵抗体に局所的に発生する熱（ホットスポット）を抑えることができ、スタックの性能と耐久性を改善する。
【００２８】
また、主集電板５と補助集電板９の電気抵抗は低いので、電流が流されても、集電板の板面内の電位差が小さい。従って、主集電板５と補助集電板９の間に挟んだ抵抗体８の厚さ方向に通過する電流は面内方向の分布がより均一になる。従って、起動する際に電流通過によって発生した熱が電力取出し線の近傍部のみ集中する欠点を改良することができ、端部セル７への加熱はより均一になり、スタックの性能と耐久性とがより向上する。
【００２９】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
【００３０】
図５は、本発明の第２の実施の形態の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。第２の実施の形態では、燃料電池スタック２００の両端部（の少なくとも一方）に位置する端部セル７に温度センサ（２１ａ及び２１ｂ）を設けたことが第１の実施の形態と相違する。なお第１の実施の形態と同一の作用を行う構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００３１】
図６は、第２の実施の形態の、制御ユニット３００が行う、燃料電池システムの起動プロセスの動作のフローチャートである。
【００３２】
ステップ２００１、ステップ２００２は、それぞれ第１の実施の形態の起動プロセス（図１のステップ１００１、１００２）と同一であるため説明を省略する。
【００３３】
燃料電池システムの起動が成功した後、燃料電池スタック２００の温度が上昇し、燃料電池スタック２００に予め設定した設定温度と温度センサ２１の測定した端部セル７の温度との差が、既定値（ΔＴ１）よりも下回ったか否かを判定する（ステップ２００３）。設定温度と端部セル７との温度差がΔＴ１よりも下回った場合、すなわち、端部セル７の温度と設定温度との差がΔＴ１よりも少なくなった場合は、端部セル７の温度が設定温度に充分近くなって起動プロセスが成功と判断する。制御ユニット３００は、電力取り出しの切り換えスイッチ１０ａ及び１０ｂに信号を送り、切り換えスイッチ１０ａ、１０ｂを主集電板５ａ及び５ｂ側に接続する（ステップ２００４）。主集電板５ａ、５ｂに切り換えることで、抵抗体８ａ、８ｂに電流は流れなくなり、抵抗体８ａ、１０ｂは熱を発生しなくなる。
【００３４】
以上で、起動プロセスが完了とする。
【００３５】
図７は、第２の実施の形態の、起動プロセス時の温度変化を示すグラフである。
【００３６】
燃料電池システムが起動を開始すると、燃料電池スタック２００の温度は徐々に上昇を始める。そして、端部セル７の温度センサ２１の値と設定温度との差がΔＴ１よりも下回った場合は、起動プロセスが成功と判断する。なお抵抗体８の発熱率によっては端部セル７の温度上昇が中間部セル６の温度上昇よりも速い場合もあれば遅い場合もあるので、適切な発熱率の抵抗体８を選択する必要がある。
【００３７】
図８は、第２の実施の形態の、制御ユニット３００が行う、運転中の動作を示すフローチャートである。
【００３８】
図６のプロセスによって燃料電池システムが起動した後、まず、燃料電池システムに予め設定した設定温度と端部セル７の温度との差がΔＴ２を上回ったか否かを判定する（ステップ３００１）。設定温度と端部セル７の温度との差がΔＴ２を上回った場合、すなわち、端部セル７の温度が設定温度から離れ、その差がΔＴ２になった場合は、ステップ３００２に移行する。上回っていない場合はこの処理を繰り返し、待機する。
【００３９】
ステップ３００２では、電力取り出しの切り換えスイッチ１０ａ及び１０ｂに信号を送り、切り換えスイッチ１０ａ、１０ｂを補助集電板９ａ及び９ｂ側に接続する（ステップ３００２）。こうすることで、抵抗体８ａ、８ｂに電流が流れ抵抗体が熱を発し、端部セル７周辺の温度を上昇させる。
【００４０】
次に、設定温度と端部セル７の温度との差がΔＴ１を下回ったか否かを判定する（ステップ３００３）。設定温度と端部セル７の温度との差がΔＴ１を下回った場合、すなわち、端部セル７の温度が設定温度に近づき、その差がΔＴ１になった場合は、ステップ３００４に移行する。下回っていない場合はこの処理を繰り返し、待機する。
【００４１】
ステップ３００４では、切り換えスイッチ１０ａ、１０ｂを主集電板５ａ及び５ｂ側に接続する。主集電板５ａ、５ｂに切り換えることで、抵抗体８ａ、８ｂに電流は流れなくなり、抵抗体８ａ、１０ｂは熱を発生しなくなる。
【００４２】
図９は、図７のプロセスにおいて、端部セル７の温度の変化を示すグラフである。
【００４３】
端部セル７の温度が設置温度よりも下がり、その差がΔＴ２を上回った場合には、補助集電板９に切り換えることで抵抗体８が発熱し、端部セル７の温度を上昇させる。その後、端部セルの温度が上昇し、端部セル７の温度と設定温度との差がΔＴ１よりも下回った場合には、補助集電板９から主集電板５に切り換えることで抵抗体８の発熱を停止し、端部セル７の温度の上昇は行われなくなる。
【００４４】
本発明の第２の実施の形態の燃料電池システムによれば、燃料電池スタック２００の両端部の少なく一方に位置する端部セル７に設けた温度センサ（２１ａと２１ｂ）より検知した端部セル７の温度が設定した温度より低くなると、電力取り出しは補助集電板（９ａ、９ｂ）に切り換え抵抗体８に通電することで抵抗体８が発熱し、端部セル７に熱を与える。また、端部セル７の温度が設定温度よりも高くなると、電力取り出しを主集電板（８ａ、８ｂ）に切り換え、抵抗体８の通電を止め、抵抗体８の発熱を停止するように制御する。こうするによって、燃料電池システムが起動する際、又は、起動した後の運転で、端部セル７の温度と予め設定した燃料電池スタック２００の設定温度との差が小さくなると、電力取り出しは補助集電板９に切り換え、また、端部セル７の温度と設定温度との差が大きくなると、電力取り出しは主集電板５に切り換えるように制御することができる。こうするによって、燃料電池の起動時間を短縮するだけでなく、起動時にも、運転中にも、端部セル７の温度を確実に設定温度近くなるような制御ができる。
【００４５】
次に、本発明の第３の実施の形態の燃料電池システムについて説明する。
【００４６】
第３の実施の形態では、端部セル７に加え中間部セル６にも温度センサを備えた点が第１及び第２の実施形態と相違する。なお第１及び第２の実施の形態と同一の作用を行う構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００４７】
図１０は、第３の実施の形態の、制御ユニット３００が行う、燃料電池システムの起動プロセスの動作のフローチャートである。
【００４８】
ステップ４００１、ステップ４００２は、それぞれ第１の実施の形態の起動プロセス（図１のステップ１００１、１００２）と同一であるため説明を省略する。
【００４９】
次に、端部セル７の温度と中間部セル６の温度との差がΔＴ３よりも上回っているか否かを判定する（ステップ４００３）。端部セル７の温度と中間部セル６の温度との差がΔＴ３よりも上回った場合、すなわち、端部セル７の温度が中間部セル６の温度よりも離れ、その差がΔＴ３となった場合はステップ４００６に移行し、上回っていなければステップ４００４に移行する。
【００５０】
ステップ４００４では、端部セル７の温度と設定温度との差がΔＴ１よりも下回っているか否かを判定する。端部セル７の温度と設定温度との差がΔＴ１よりも下回った場合、すなわち、端部セル７の温度が設定温度に近づき、その差がΔＴ１となった場合は、起動プロセスが成功したと判断しステップ４００５に移行し、下回っていなければステップ４００３に戻る。
【００５１】
ステップ４００５では、切り換えスイッチ１０ａ、１０ｂを主集電板５ａ及び５ｂ側に接続する。主集電板５ａ、５ｂに切り換えることで、抵抗体８ａ、８ｂに電流は流れなくなり、抵抗体８ａ、１０ｂは熱を発生しなくなる。
【００５２】
以上で、起動プロセスが完了とする。
【００５３】
一方、ステップ４００６では、切り換えスイッチ１０ａ、１０ｂを主集電板５ａ及び５ｂ側に接続する。主集電板５ａ、５ｂに切り換えることで、抵抗体８ａ、８ｂに電流は流れなくなり、抵抗体８ａ、１０ｂは熱を発生しなくなる。
【００５４】
次に、端部セル７の温度と中間部セル６の温度との差がΔＴ３よりも下回っているか否かを判定する（ステップ４００７）。端部セル７の温度と中間部セル６の温度との差がΔＴ３よりも上回った場合、すなわち、端部セル７の温度が中間部セル６の温度よりも離れ、その差がΔＴ３となった場合はステップ４００２に移行し、上回っていなければステップ４００８に移行する。
【００５５】
ステップ４００８では、端部セル７の温度と設定温度との差がΔＴ１よりも下回っているか否かを判定する。端部セル７の温度と設定温度との差がΔＴ１よりも下回った場合、すなわち、端部セル７の温度が設定温度に近づき、その差がΔＴ１となった場合は、起動プロセスが成功したと判断し起動プロセスが完了する。下回っていなければステップ４００７に戻る。
【００５６】
図１１は、図１０の起動プロセス時の温度変化を示すグラフである。
【００５７】
燃料電池システムが起動し、燃料電池スタック２００の温度は上昇する。このとき、抵抗体８の熱を受けて端部セル７の温度が中間部セル６の温度よりも高くなり、端部セル７の温度と中間部セル６の温度との差がΔＴ３を上回ると、切り換えスイッチ１０を切り換えて主集電板５から電力を取り出し、抵抗体８には電流を流さない。こうすることで抵抗体は熱を発しなくなり、端部セル７の温度の上昇は遅くなる。そして、端部セル７の温度と温度が中間部セル６の温度よりも低くなり、端部セル７の温度と中間部セル６の温度との差がΔＴ３を上回ると、切り換えスイッチ１０を切り換えて補助集電板９から電力を取り出し、抵抗体８に電流を流す。こうすることで抵抗体８は熱を発し、端部セル７の温度上昇が早くなる。
【００５８】
これを繰り返すことで、端部セル７の温度と中間部セル６の温度との差がΔＴ３を超えない範囲で燃料電池スタック２００を制御する。そして、最終的に端部セル７の温度と設定温度との差がΔＴ１を下回ると、起動プロセスが成功したと判断する。
【００５９】
第３の実施の形態の燃料電池システムでは、端部セル７と中間部セル６とに温度センサを設け、それぞれの温度の比較結果によって、主集電板５又は補助集電板９を切り換えることで抵抗体８の熱を発するかどうかを決定するので、端部セル７と中間部セル６との温度差を小さくすることができる。
【００６０】
特に、図８に示したように、抵抗体８の発熱率によっては、端部セル７の温度上昇速度が中間部セル６の温度上昇速度よりも速い場合もあれば遅い場合もある。起動時に発生しているセル間の温度差が大き過ぎると、セルを組成する部材の膨張の具合が変わり、最悪の場合、ガス漏れ、部材損害など、燃料電池の信頼性と耐久性に悪影響をもたらす恐れがある。第３の実施の形態の制御方法によれば、起動時に発生するセル間の温度差を小さく抑えることができ、燃料電池の信頼性と耐久性を高めることができる。
【００６１】
特に、燃料電池システムが起動する際に、電力の取り出しは補助集電板９に切り換え、温度センサ２１で示した温度が温度センサ２１より高くなり過ぎる場合、電力の取り出しは主集電板５に切り換える。二つのセンサで示された温度が近づいたら、電力の取り出しは再び補助集電板９に切り換える。この過程を燃料電池スタック２００が起動完了するまで繰り返す。こうするによって、起動する際に、端部セル７の温度上昇過程で発生する可能性がある極端なオーバーシュートを抑制することができ、燃料電池の耐久性と信頼性を高めることができる。
【００６２】
次に、本発明の第４の実施の形態の燃料電池システムについて説明する。
【００６３】
第４の実施の形態では、複数の抵抗体（８ｂ、３１、３２）及び各抵抗体に電流を流しつつ電力を取り出すための複数の補助集電板（９ｂ、３２、３４）が配置されている。なお第１乃至第３の実施の形態と同一の作用を行う構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００６４】
図１２は、本発明の第４の実施の形態の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【００６５】
切り換えスイッチ１０ｃは、主集電板５ｂ及び各補助集電板（９ｂ、３２、３４）に接続されており、切り換えスイッチ１０ｃを切り換えることで、（１）抵抗体に電流を流さない、（２）抵抗体９ｂのみに電流を流す、（３）抵抗体９ｂ及び３２に電流を流す、（４）抵抗体９ｂ、３２、及び３４全てに電流を流す、のいずれかを選択することができる。
【００６６】
本発明の第４の実施の形態によると、抵抗体からの発熱量はその抵抗値に比例するので、燃料電池システムを起動する際には、外気温度の高低に応じて通電させる抵抗体の数を選択するので、燃料電池スタック２００の起動速度を調節することができる。特に、外気温度が低いときにはより多くの抵抗体を通電させるによってより多くの発熱量が得られ、より燃料電池スタック２００の起動を早くすることができる。
【００６７】
次に、本発明の第５の実施の形態の燃料電池システムについて説明する。
【００６８】
第５の実施の形態では、フラーディングの発生を抑制するために、抵抗体の発する熱を利用する。なお第１乃至第４の実施の形態と同一の作用を行う構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００６９】
図１３は、第５の実施の形態の燃料電池システムの、燃料電池スタック２００端部の詳細を示す説明図である。
【００７０】
燃料電池スタックの端部セル７の端面であるセパレータ３７には酸化剤ガス流路３６が形成されており、図示するように、セル内部に鎖線の矢印方向に酸化剤ガスが流れる。エンドプレート４３には図示しない酸化剤ガス排出口が備えられている。抵抗体（３９、４０）は分割して備えられており、一方の抵抗体４０は酸化剤ガス流路の排出口側に設けられている。補助集電板（４１、４２）は抵抗体と同じく分割されており、一方の補助集電板４２は酸化剤ガス排出口側に設けられている。この抵抗体３９と４０及び補助集電板４１と４２は、それぞれ絶縁手段によって電気的に絶縁されており、例えば、抵抗体３９と４０及び補助集電板４１と４２の分割の間に絶縁体が配設されている。
【００７１】
端部セルフラーディング検出手段４００は、端部セル７に設置され、例えば、酸化剤ガス流路の圧損検知センサや、端部セル７の電圧センサなどによって構成され、運転条件が一定であっても圧損やセル電圧の変動が大きくなった場合にフラーディングと判断し、制御ユニット３００にその情報を送る。また、燃料電池システム運転状態検知手段５００は、燃料電池システムの状態、例えば、システムが起動中であるか定常運転中であるか等を検知して、制御ユニット３００にその情報を送る。
【００７２】
切り換えスイッチＳ１は、主集電板３８から電力を取り出すか否かをスイッチのＯＮ／ＯＦＦにより選択できる。切り換えスイッチＳ２は、補助集電板４２から電力を取り出すか否かをスイッチのＯＮ／ＯＦＦにより選択できる。切り換えスイッチＳ３は、補助集電板４１から電力を取り出すか否かをスイッチのＯＮ／ＯＦＦにより選択できる。すなわち、切り換えスイッチＳ２をＯＮにすることにより、補助集電板４２から電力を取り出すと共に、抵抗体４０に電流が流れることによって抵抗体４０が熱を発する。同様に、切り換えスイッチＳ３をＯＮにすることにより、補助集電板４１から電力を取り出すと共に、抵抗体３９に電流が流れることによって抵抗体４０が熱を発する。
【００７３】
図１４は、燃料電池システムの起動時、正常運転時及びフラーディング発生時における、各切り換えスイッチの状態を示す表である。
【００７４】
燃料電池システムの起動時には、前述した第１乃至第４の実施の形態と同様に、端部セル温度が低い場合には、切り換えスイッチＳ１を開にし、切り換えスイッチＳ２及びＳ３を閉にすることによって、補助集電板４１及び４２から電力を取り出し、抵抗体３９及び４０に電流を流すことにより端部セルを加熱する。システムの起動プロセスが終了した後、正常運転時には、切り換えスイッチＳ１を閉にし、切り換えスイッチＳ２及びＳ３を開にして、主集電板３８から電力を取り出す。
【００７５】
さらに、端部セルフラーディング検出手段が、端部セルの酸化剤ガス流路３６にフラーディングが発生していると判定した場合は、制御ユニット３００は、切り換えスイッチＳ１及びＳ３を開にし、切り換えスイッチＳ２のみを閉にする。この場合は、補助集電板４２から電力を取り出すので、抵抗体４０に電流を流すことで抵抗体４０から熱を発する。この熱によって流路やガス拡散層に蓄積した液体水を蒸発させることができ、フラーディングを抑制する。
【００７６】
本発明の第５の実施の形態では、端部セルフラーディング検出手段が、端部セルの酸化剤ガス流路３６にフラーディングが発生していると判定した場合は、切り換えスイッチＳ２のみを閉にし、抵抗体４０で発生した熱によって、フラーディングが発生しやすい場所、すなわち、酸化剤ガス流路の下流側を加熱するので、抵抗体の発熱を、酸化剤ガス流路やガス拡散層に蓄積した液体水を蒸発させるのに有効に利用することができ、より少ないエネルギー損失で、フラーディングの発生を抑制することができる
また、抵抗体及び補助集電板を分割することによって、流路やガス拡散層に蓄積した液体水を蒸発させることが必要な部分の抵抗体のみ発熱させることができるので、より少ないエネルギー損失で、適切な部分のみを発熱することができ、よりフラーディングが発生しやすい場所のフラーディングの発生を抑制することができる。
【００７７】
次に、本発明の第６の実施の形態の燃料電池システムについて説明する。
【００７８】
第６の実施の形態は、前記第１乃至第５の燃料電池システムと比較すると、集電板及び抵抗体の構成が異なる。なお第１乃至第５の実施の形態と同一の作用を行う構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００７９】
図１５は、第６の実施の形態の燃料システムの、主集電板、抵抗体、補助集電板の詳細な構成を示す説明図である。なお、図１５（ａ）側面図、図１５（ｂ）は抵抗体５３周辺の拡大図、図１５（ｃ）は図１５（ａ）のＡ−Ａ断面図を示す。
【００８０】
端部セル５１に隣接した主集電板５２の表面には絶縁体５５が備えられ、主集電板５２は絶縁体５５を介して補助集電板５４に接している。この主集電板５２は、抵抗体５３を嵌め込むための部位である凹状の孔が複数配設されており、該凹状の孔に抵抗体５３が嵌め込まれることで電気的に導通可能に勘合される。また、抵抗体５３は、補助集電板５４にも電気的に導通可能に接している。
【００８１】
本発明の第６の実施の形態では、燃料電池スタック２００の端部は、第１の実施の形態の構成例（図１）のような三層構造ではなく、抵抗体５３が主集電板５２に嵌め込まれ、主集電板５２、補助集電板５４の二層構造となるので、燃料電池スタック２００の体積を減少することができ、燃料電池スタック２００の出力密度を向上することができる。
【００８２】
なお、以上のように説明した本発明の実施の形態では、設定値と現在値との差を演算して行う制御を例示したが、これを他の方法（例えば、ＰＩＤ法）による制御を行っても、本発明の本質は変わらない。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明の第１の実施の形態の、燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態の、燃料電池システムの起動プロセスの動作のフローチャートである。
【図３】従来の燃料電池システムの起動時の温度変化を示すグラフである。
【図４】本発明の第１の実施の形態の、端部セル７の温度変化を示すグラフである。
【図５】本発明の第２の実施の形態の、燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態の、燃料電池システムの起動プロセスの動作のフローチャートである。
【図７】本発明の第２の実施の形態の、起動プロセス時の温度変化を示すグラフである。
【図８】本発明の第２の実施の形態の、燃料電池システムの運転中の動作を示すフローチャートである。
【図９】本発明の第２の実施の形態の、運転中の温度変化を示すグラフである。
【図１０】本発明の第３の実施の形態の、燃料電池システムの起動プロセスの動作のフローチャートである。
【図１１】本発明の第３の実施の形態の、起動プロセス時の温度の変化を示すグラフである。
【図１２】本発明の第４の実施の形態の、燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図１３】本発明の第５の実施の形態の、燃料電池スタック２００端部の詳細を示す説明図である。
【図１４】本発明の第５の実施の形態の、各切り換えスイッチの状態を示す表である。
【図１５】本発明の第６の実施の形態の燃料システムの、主集電板、抵抗体、補助集電板の詳細な構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【００８４】
１  装着箱
２  締め付け部品
３  エンドプレート
４  絶縁板
５ａ、５ｂ  主集電板
６  中間部セル
７  端部セル
８ａ、８ｂ、３１、３３  抵抗体
９ａ、９ｂ、３２、３４  補助集電板
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ切り換えスイッチ
２１ａ、２１ｂ  温度センサ
３６  酸化剤流路
３７  セパレータ
３８  主集電板
３９、４０  抵抗体
４１、４２  補助集電板
４３  エンドプレート
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３  切り換えスイッチ
５１  端部セル
５２  主集電板
５３  抵抗体
５４  補助集電板
５５  絶縁体
１００  燃料電池ユニット
２００  燃料電池スタック
３００  制御ユニット
４００  端部セルフラーディング検出手段
５００  燃料電池システム運転状態検知手段
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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