(57)【要約】【課題】低温始動時には温度上昇を促進できるようにしながら、通常運転時には電力ロスを抑制できるようにする。【解決手段】燃料電池端部に隣接配置される電流取り出し板８，９を、面方向に少なくとも二つに分割又は絶縁された分割電流取り出し板８ａ，８ｂ、９ａ，９ｂで構成し、コントロールユニットの制御によって、負荷に接続させる電流取り出し板を、これら分割電流取り出し板８ａ，８ｂ、９ａ，９ｂから選択できるようにする。そして、システム起動時に燃料電池の温度が低い間は、小面積の分割電流取り出し板８ａ，９ａのみを負荷に接続し、セパレータ６，７面内に電流を流して発熱させることで温度上昇を促進させ、燃料電池の温度が昇温された後は、より大面積、或いは全ての分割電流取り出し板８ａ，８ｂ、９ａ，９ｂを負荷に接続して、セパレータ６，７での発熱による電力ロスを抑制する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極と酸化剤極とで固体高分子電解質膜が挟持されてなる単位セルが、当該単位セルに反応ガスを供給するための反応ガス流路が形成されたセパレータを介して複数積層されてなる固体高分子電解質型の燃料電池と、当該燃料電池に隣接配置された電流取り出し板とを有し、前記燃料電池から前記電流取り出し板を介して取り出した電流を負荷に供給する燃料電池システムにおいて、
前記電流取り出し板による前記燃料電池からの電流取り出し面積が可変とされていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
燃料極と酸化剤極とで固体高分子電解質膜が挟持されてなる単位セルが、当該単位セルに反応ガスを供給するための反応ガス流路が形成されたセパレータを介して複数積層されてなる固体高分子電解質型の燃料電池を有し、当該燃料電池から取り出した電流を負荷に供給する燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池から電流を取り出す媒体として前記燃料電池に隣接配置され、面方向に少なくとも二つに分割又は絶縁された電流取り出し板と、
負荷に接続される電流取り出し板を前記分割又は絶縁された取り出し板の一部或いは全部から選択する電流取り出し制御手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
前記分割又は絶縁された電流取り出し板の少なくとも一片が、前記燃料電池における反応ガス流路下流側に位置するように配置されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記分割又は絶縁された電流取り出し板の少なくとも一片が、前記燃料電池における発電有効面の外周部に位置するように配置されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記電流取り出し制御手段は、システムの起動状況に応じて、負荷に接続される電流取り出し板を変更することを特徴とする請求項２乃至４の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池の温度又は周囲の環境温度を検出する温度検出手段を備え、
前記電流取り出し制御手段は、前記温度検出手段の検出値に基づいて、負荷に接続される電流取り出し板を変更することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記温度検出手段は、前記燃料電池の端部近傍における温度を検出することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記電流取り出し制御手段は、前記温度検出手段の検出値が所定の値に達するまでの間は、前記電流取り出し板の一部のみを負荷に接続させて前記燃料電池からの電流取り出しを行うことを特徴とする請求項６又は７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池の出力電圧を検出する出力電圧検出手段を備え、
前記電流取り出し制御手段は、前記出力電圧検出手段の検出値に基づいて、負荷に接続される電流取り出し板を変更することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記出力電圧検出手段は、前記燃料電池の端部近傍に位置する少なくとも１つの単位セルの出力電圧を検出することを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記電流取り出し制御手段は、前記出力電圧検出手段の検出値が所定の値に達するまでの間は、前記電流取り出し板の一部のみを負荷に接続させて前記燃料電池からの電流取り出しを行うことを特徴とする請求項９又は１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
システム起動開始時からの経過時間を計測するタイマを備え、
前記電流取り出し制御手段は、前記タイマの計測値に基づいて、負荷に接続される電流取り出し板を変更することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記電流取り出し制御手段は、前記タイマの計測値が所定の値に達するまでの間は、前記電流取り出し板の一部のみを負荷に接続させて前記燃料電池からの電流取り出しを行うことを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記電流取り出し制御手段は、前記電流取り出し板の一部のみを負荷に接続させる場合、前記反応ガス流路の下流側に位置する電流取り出し板を負荷に接続させることを特徴とする請求項８、１１、１３の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記燃料電池の端部近傍に位置するセパレータが、他の部分に位置するセパレータに比べて高電気抵抗であることを特徴とする請求項２乃至１４の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記燃料電池の端部近傍に位置するセパレータが、他の部分に位置するセパレータより低い電気伝導度を持つ材料で構成されていることを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記燃料電池の端部近傍に位置するセパレータの厚さが、他の部分に位置するセパレータの厚さに比べて薄くされていることを特徴とする請求項１５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、固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子電解質型の燃料電池を備えて構成される燃料電池システムに関するものであり、特に車両、船舶及びポータブル発電機等の移動体に適用して有効な燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料電池の燃料極に水素などの燃料ガスを供給すると共に酸化剤極に空気などの酸化剤ガスを供給することで、燃料電池でこれら燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応を生じさせて発電電力を得るものである。このときの燃料極、酸化剤極の両電極において進行する電極反応は、以下の通りである。
【０００３】
燃料極    ：  ２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−  ・・・（１）
酸化剤極  ：  ４Ｈ＋＋４ｅ−＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ  ・・・（２）
燃料電池では、燃料極に水素を含む燃料ガスが供給されると、燃料極において（１）の反応が進行して水素イオンが生成する。この生成した水素イオンが水和状態で電解質を透過（拡散）して酸化剤極に至り、この酸化剤極に酸素含有ガス、例えば空気が供給されていると、酸化剤極において（２）の反応が進行する。この（１）、（２）の電極反応が各極で進行することで、燃料電池は起電力を生じることとなる。
【０００４】
ところで、燃料電池は電解質の違いなどにより様々なタイプのものに分類されるが、その一つとして、電解質に固体高分子膜を用いる固体高分子電解質型の燃料電池が知られている。固体高分子電解質型の燃料電池は、低コストでコンパクト化が容易であり、しかも高い出力密度を有することから、例えば車両等の移動体用電源としての用途が期待されている。
【０００５】
このような固体高分子電解質型の燃料電池は、一般に、固体高分子電解質膜を燃料極と酸化剤極とで挟持して発電単位である単位セルを構成し、複数の単位セルを、各単位セルに反応ガス（燃料ガスや酸化剤ガス）を供給するための反応ガス流路が形成されたセパレータを介して積層したスタック構造とされて使用される。そして、このようなスタック構造の固体高分子電解質型燃料電池を備える燃料電池システムでは、一般的に７０℃前後の運転条件が想定されているが、システム起動時には燃料電池が周囲温度と等しい状態から昇温されるため、スタック構造の燃料電池ではその中央部に位置する単位セルの温度は上昇しやすいのに対し、端部近傍に位置する単位セルでは放熱により温度が上昇しにくい。このため、端部近傍に位置する単位セルでは中央部に位置する単位セルに比べ温度が低く、飽和蒸気圧が小さく、液体状態の水が残留して反応ガスの触媒層への供給を妨げるフラッディングと呼ばれる現象が生じやすい。
【０００６】
特に、車両等の移動体用電源として用いられる燃料電池システムでは、移動体が氷点下のような極低温の温度環境にさらされる状況もあり、発電時に燃料電池内部に残留した水分が凍結することも想定される。その場合、凍結した水分が反応ガスの供給を完全に妨げてしまうといった事態を生じさせるばかりでなく、水分の体積膨張により燃料電池に構造的な破壊をもたらすといった事態も懸念される。
【０００７】
以上のような問題を回避するために、燃料電池システム、特に中央部に位置する単位セルと端部近傍に位置する単位セルとで温度差の生じやすいスタック構造の燃料電池を備える燃料電池システムでは、燃料電池の温度が運転に好適な温度に上昇するまでの間、燃料電池の端部からの放熱を抑えて、温度上昇を促進させることが要求される。
【０００８】
このような観点から、従来より、燃料電池端部の放熱を減少させる方法が種々提案されている（例えば、特許文献１や特許文献２等を参照）。例えば特許文献１には、燃料電池端部に電気抵抗材料を用いた発熱体を設ける構成のものが開示されている。また、特許文献２では、燃料電池端部に発熱体を設け、始動時には電流が発熱体を流れる回路を形成し、温度が十分に上昇した後には発熱体をバイパスする回路を形成して発熱体による電力のロスを防ぐ、という方策が提案されている。
【特許文献１】特開平８−１６７４２４号公報
【特許文献２】特開２００３−３０８８６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１記載の発明のように、燃料電池端部に電気抵抗材料を用いた発熱体を設けると、低温始動時に端部セルを昇温するには有効であるが、通常運転中には、発熱体があることによって電力が消費され、電力ロスが生じるという問題点があった。
【００１０】
また、特許文献２記載の発明のように、温度が十分に上昇した後に燃料電池端部に設けた発熱体をバイパスする回路を形成する方法では、スタックシステムの体積が増大するのみならず、発熱体をバイパスする回路を形成するために電流取り出し部の面積が小さくなって、これに起因して、通常運転時の電力ロスが生じてしまうという問題点があった。
【００１１】
本発明は、このような従来技術の有する欠点を解消すべく提案されたものであって、低温始動時には温度上昇を促進することができ、しかも、通常運転時には電力ロスを極力抑えることができる燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の燃料電池システムでは、固体高分子型の燃料電池に電流取り出し板を隣接配置して、燃料電池から電流取り出し板を介して取り出した電流を負荷に供給する燃料電池システムにおいて、電流取り出し板による燃料電池からの電流取り出し面積を可変にすることで、前記目的を達成している。具体的構成としては、前記電流取り出し板として、面方向に少なくとも二つに分割又は絶縁された電流取り出し板を備え、また、負荷に接続される電流取り出し板を前記分割又は絶縁された取り出し板の一部或いは全部から選択する電流取り出し制御手段とを備える構成とした。
【００１３】
以上のように構成される燃料電池システムでは、電流取り出し板の一部のみが負荷と接続された状態、すなわち電流取り出し板による燃料電池からの電流取り出し面積を減少させた状態で発電を行うと、燃料電池における発電有効面の全域で生じた電流は、一部の電流取り出し板から外部に取り出されるために、セパレータ内部を面内方向に流れることになる。ここで、セパレータは、通常黒鉛等を材料として製造されており、一般的に金属で構成される電流取り出し板に比べて電気抵抗が高い。したがって、セパレータ内部を面内方向に流れる電流の多くが、その過程で熱エネルギへと変換されることになる。
【００１４】
一方、電流取り出し板の一部ではなく多数或いは全部を負荷に接続した場合、すなわち電流取り出し板による燃料電池からの電流取り出し面積を増加させた場合には、燃料電池における発電有効面で生じた電流の殆どが最寄の電流取り出し板へと流れ込むため、セパレータ面内を流れて熱エネルギへと変換される電流量は少なく、その分、電力のロスが抑えられることになる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の燃料電池システムによれば、低温始動時には、電流取り出し板による燃料電池からの電流取り出し面積を減少させることで温度上昇を促進することができ、しかも、通常運転時には、電流取り出し板による燃料電池からの電流取り出し面積を増加させることで、電力ロスを極力抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を適用した燃料電池システムの実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１７】
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態の燃料電池システムが備える固体高分子電解質型燃料電池の単位セルの構造を示す断面図である。固体高分子電解質型燃料電池の単位セルは、固体高分子膜からなる電解質膜１と、この電解質膜１を挟持するように電解質膜１の両面に配設される二つの電極（燃料極２及び酸化剤極３）とにより構成され、燃料極２側に燃料ガスが流れるガス流路４、酸化剤極３側に酸化剤ガスが流れるガス流路５がそれぞれ接するようになっている。
【００１８】
電解質膜１は、例えばフッ素系樹脂等の固体高分子材料によりプロトン伝導性の膜として形成されている。この電解質膜１の両面に配設される二つの電極２，３は、白金または、白金とその他の金属からなる触媒層２ａ，３ａとガス拡散層２ｂ，３ｂからなり、触媒の存在する面が電解質膜１と接触するように形成されている。ガス流路４，５は、ガス不透過である緻密性カーボン材等からなるセパレータの片面、または両面に配置された多数のリブ間の間隙として形成され、燃料ガスや酸化剤ガスはそれぞれのセパレータに形成されたガス入口から供給され、ガス出口から排出される。
【００１９】
固体高分子電解質型燃料電池は、通常、以上のような単位セルが複数積層されたスタック構造とされている。すなわち、各単位セルの両側には、図２に示すようにセパレータ６，７が配され、これらセパレータ６，７を介して隣り合う単位セル同士が積層されている。そして、積層方向端部に位置するセパレータ６，７に接するようにして、固体高分子電解質型燃料電池から電流を取り出すための電流取り出し板８，９が配置されている。
【００２０】
ここで、固体高分子電解質型燃料電池から電流を取り出すための電流取り出し板は、通常、各極それぞれ１枚の単一部材として構成されているが、本実施形態では、この電流取り出し板８，９が、ガス流路４，５の下流域に位置する分割された分割電流取り出し板８ａ，９ａと、その他の領域に位置するより大面積の分割電流取り出し板８ｂ，９ｂの各極２枚で構成されている。なお、ガス流路４，５における反応ガス（燃料ガスや酸化剤ガス）の流れ方向は、図２中、矢印Ａで示してある。また、図２では、電流取り出し板９の分割位置がセパレータ７に隠れているために分割電流取り出し板９ａが図示されていないが、電流取り出し板９も電流取り出し板８と同様の形状で分割されている。
【００２１】
なお、低温起動時の昇温効果を高めるためには、以上のように、固体高分子電解質型燃料電池の両端部に配置される各極の電流取り出し板８，９の双方を分割することが好ましいが、必ずしもこれに限らず、何れか一方の電流取り出し板のみを分割するようにしてもよい。また、各分割電流取り出し板８ａ，８ｂ、９ａ，９ｂは、互いに分離した構造とする必要はなく、分割電流取り出し板８ａ，８ｂ、９ａ，９ｂ間の絶縁性が確保されていれば、これらを一体に構成してもよい。
【００２２】
図３は、流路下流域に位置するより小面積の分割電流取り出し板８ａ，９ａのみが負荷に接続された場合にセパレータ６，７の面内を流れる電流の様子を示す概略図である。この場合、固体高分子電解質型燃料電池の各単位セルにおける発電有効面の全域で生じた電流は、負荷に接続された電流取り出し板、すなわち分割電流取り出し板８ａ，９ａに流入するため、図３中の矢印Ｂで示すように、セパレータ６，７内を面内方向に流れることになる。そして、セパレータ６，７では、この面内方向に流れる電流が熱エネルギへと変換されて、発熱することになる。
【００２３】
固体高分子電解質型燃料電池の各単位セルにおける発電の効率は、反応ガスの分圧に依存するため、ガス流路４，５の上流域で反応ガスが発電に消費されれば、下流域では反応ガス分圧が低下し、発電量は低下する。したがって、ガス流路４，５の下流域に位置する分割電流取り出し板８ａ，９ａから電流を取り出せば、上流域で生じた大電流がセパレータ６，７の面内を通過することになり、より多くの熱エネルギを生じさせることが可能となる。また、ガス流路４，５の上流域で水蒸気を多量に含んだガスが下流域に流れ込むため、下流域では水分除去が行われにくく、水分過多となることが多い。したがって、ガス流路４，５の下流域に位置する分割電流取り出し板８ａ，９ａから電流を取り出すことで、発電有効面の全域で発電した電流がセパレータ６，７内を下流域に集中して流れ込み、下流域の温度が上昇することになる。温度上昇は飽和水蒸気圧の上昇に繋がるため、より水分が除去される結果となる。
【００２４】
図４は、本実施形態の燃料電池システムの要部構成を示す図である。本実施形態の燃料電池システムでは、固体高分子電解質型の燃料電池１１の両端部に電流取り出し板８，９が配置され、ここに負荷１２が接続されている。電流取り出し板８，９は、上述したように、それぞれガス流路下流域に位置する分割電流取り出し板８ａ，９ａと、大面積を有する分割電流取り出し板８ｂ，９ｂとから構成されており、これらが並列に負荷１２と接続された回路構成となっている。
【００２５】
ここで、大面積を有する分割電流取り出し板８ｂ，９ｂから電流を取り出すための配線には、それぞれ遮断スイッチ１３，１４が設けられており、これら遮断スイッチ１３，１４のオン、オフで、電流取り出し板８，９による燃料電池１１からの電流取り出し状態が切り替え可能となっている。具体的には、各遮断スイッチ１３，１４がオン（接続状態）のときには、分割電流取り出し板８ａ，９ａと分割電流取り出し板８ｂ，９ｂの両者からの電流取り出し状態となり、大面積での電流取り出しとなる。一方、各遮断スイッチ１３，１４がオフ（遮断状態）のときには、分割電流取り出し板８ａ，９ａのみからの電流取り出し状態となり、ガス流路下流域での限定された面積での電流取り出しとなる。
【００２６】
また、本実施形態の燃料電池システムでは、システム全体の動作制御を司るコントロールユニット１５が設けられており、このコントロールユニット１５が電流取り出し制御手段として機能するようになっている。すなわち、このコントロールユニット１５からの指示に基づいて遮断スイッチ１３，１４のオン、オフ動作が行われることで、電流取り出し板８，９による燃料電池１１からの電流取り出し状態が切り替えられることになる。また、燃料電池１１には当該燃料電池１１の温度、具体的には、例えばスタック構造の燃料電池１１の端部近傍の温度を検出するための温度センサ１６が接続されており、この温度センサ１６の検出値がコントロールユニット１５に入力されるようになっている。コントロールユニット１５は、この温度センサ１６の検出値、すなわち燃料電池１１の端部近傍の温度に基づいてシステムの起動状況を判断し、遮断スイッチ１３，１４のオン、オフを指示して、電流取り出し板８，９による燃料電池１１からの電流取り出し状態を切り替える。
【００２７】
図５は、本実施形態の燃料電池システムにおいて、システム起動時にコントロールユニット１５により実行される起動プロセスの一例を示すフローチャートである。以下、この図５を参照しながら、本実施形態の燃料電池システムの起動時における処理の流れを説明する。
【００２８】
燃料電池システムの起動初期においては、燃料電池１１の温度はシステム運転に好適な温度よりも低いため、燃料電池１１の端部近傍からの放熱を抑えて温度上昇を促進するために、コントロールユニット１５は遮断スイッチ１３，１４をオフにして、ガス流路下流域に位置する小面積の分割電流取り出し板８ａ，９ａのみを負荷１２に接続する（ステップＳ１）。そして、この状態で燃料電池１１の発電を開始させる（ステップＳ２）。これにより、燃料電池１１の端部近傍ではセパレータ６，７の面内方向に流れる電流成分が生じ、熱が生じることになる。ここで、ガス流路下流域では上流域に比べて発電効率が低く、電流の大部分は上流域に集中するが、この大電流がセパレータ６，７の面内を下流域に向かって流れるため、大きな発熱量を得ることが可能となる。
【００２９】
燃料電池１１の発電開始後、時間の経過と共に、上述した燃料電池１１の自己発熱と、外部ヒータ等を設けた場合にはその熱とによって、燃料電池１１の温度は徐々に上昇していく。そこで、コントロールユニット１５は、燃料電池１１に接続された温度センサ１６の検出値を読み込んで（ステップＳ３）、この温度センサ１６の検出値を所定の値と比較することで、システムの起動状況が通常運転に移行できる段階に達したか、すなわちシステム起動処理によって燃料電池１１が運転に好適な温度に達するに至ったかどうかを判定する（ステップＳ４）。そして、このステップＳ４の判定の結果、燃料電池１１が運転に好適な温度に達したと判断した場合（温度センサ１６の検出値が所定の値を上回った場合）に、コントロールユニット１５は、遮断スイッチ１３，１４をオンに切り替えて、より大面積を有する分割電流取り出し板８ｂ，９ｂを負荷に接続させる（ステップＳ５）。そして、この状態で通常運転へと移行し、以後はセパレータ６，７の面内を電流が流れることによるエネルギーロスを避けてシステム効率の向上を図りながら、燃料電池１１で通常の発電を行わせる（ステップＳ６）。
【００３０】
以上のように、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池１１から電流を取り出すための電流取り出し板８，９として、面内方向に分割或いは絶縁されたものを用い、システムの起動状況に応じて電流取り出し板８，９による燃料電池１１からの電流取り出し面積、すなわち、電流取り出し板８，９のうちの負荷１２に接続される分割電流取り出し板８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂを変更するようにしているので、燃料電池１１の温度が運転に好適な温度に達する前の段階では、電流取り出し板８，９による燃料電池１１からの電流取り出し面積を減少させることで温度上昇を促進することができ、しかも、通常運転時には、電流取り出し板８，９による燃料電池１１からの電流取り出し面積を増加させることで、電力ロスを極力抑えることができる。
【００３１】
すなわち、システム起動時は燃料電池１１の温度が低く、通常運転へと迅速に移行するには燃料電池１１の温度を早急に上昇させることが望まれるため、本実施形態の燃料電池システムでは、電流取り出し板８，９の一部のみを使用してセパレータ６，７の面内電流をより多く生じさせ、発熱量を増加させて燃料電池１１の温度を積極的に上昇させている。一方、システム起動状況がある段階に達した後は、セパレータ６，７内の発熱はエネルギーロスとなるので、本実施形態の燃料電池システムでは、電流取り出し板８，９のより大面積の部分、或いは分割された全ての電流取り出し板８，９を負荷１２に接続することで、セパレータ６，７内の発熱を抑え、エネルギーロスを最低限に抑えるようにしている。
【００３２】
また、本実施形態の燃料電池システムでは、このような電流取り出し板８，９の切り替えタイミングを決定するための情報として、システム起動時に温度センサ１６によって検出される検出値、すなわち燃料電池１１の端部近傍の温度の情報を用いている。これにより、システム起動時に燃料電池１１の温度が低いときにはセパレータ６，７内の発熱を利用して燃料電池１１の昇温速度を上げ、温度が十分に上昇した後にはセパレータ６，７内の発熱を抑えて電力ロスを抑制するという切り替えを適切に行うことができ、システム全体の効率向上を適切に実現することができる。なお、このように電流取り出し板８，９の切り替えタイミングを決定するための情報として燃料電池１１の温度の情報を用いる場合、温度センサ１６で直接検出した燃料電池１１の温度だけでなく、外気温から燃料電池１１の温度を推定してその情報を用いることも可能である。
【００３３】
また、本実施形態では、各極の電流取り出し板８，９をそれぞれ２枚ずつの分割電流取り出し板８ａ，８ｂ、９ａ，９ｂで構成して、負荷１２に接続する電流取り出し板をこれらの分割電流取り出し板８ａ，８ｂ、９ａ，９ｂで選択的に切り替えるようにした例を示しているが、各極の電流取り出し板８，９をそれぞれ３枚以上の分割電流取り出し板で構成して、これら３枚以上の分割電流取り出し板の中から負荷１２に接続する電流取り出し板を選択的に切り替えるようにしても、同様の効果を得ることができる。また、ここでは各極の電流取り出し板８，９をそれぞれ分割しているが、どちらか一方の極の電極取り出し板のみを分割して接続を切り替えるようにした場合でも、その極に関しては同様の効果を得ることが可能である。
【００３４】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態の燃料電池システムは、基本的なシステム構成を上述した第１の実施形態と同様とし、電流取り出し板８，９の分割の仕方が上述した第１の実施形態とは異なるものである。以下、本実施形態に特徴的な電流取り出し板８，９の分割に関する部分についてのみ、図６を参照して説明する。
【００３５】
図６は、本実施形態の燃料電池システムにおける電流取り出し板８，９の分割状態を示す概略図である。本実施形態では、電流取り出し板８，９は、燃料電池１１における発電有効面の外周部に位置する分割電流取り出し板８ｃ，９ｃと、発電有効面中央部に位置するより大きな面積を有する分割電流取り出し板８ｄ，９ｄとから構成されている。なお、図６では、電流取り出し板９の分割位置がセパレータ７に隠れているために分割電流取り出し板９ｄが図示されていないが、電流取り出し板９も電流取り出し板８と同様の形状で分割されている。
【００３６】
燃料電池１１では積層方向端部からの放熱のみでなく、外周部からの放熱も生じるため、外周部の温度は中央部に比べて低くなることが多い。そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、システム起動時に、システム起動状態が所定の状態に達するまでの間は、発電有効面の外周部に位置する分割電流取り出し板８ｃ，９ｃのみを負荷１２に接続する。これにより、図６中の矢印Ｃで示すように、セパレータ６，７の面内を内から外へと流れる電流が生じ、外周部でより大きな発熱が得られることになり、その結果、外周部からの放熱に起因する温度勾配を低減することが可能となる。
【００３７】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。本実施形態の燃料電池システムは、基本的なシステム構成を上述した第１の実施形態と同様とし、システム起動状態を判断する方法が上述した第１の実施形態と異なるものである。すなわち、本実施形態の燃料電池システムでは、図７に示すように、第１の実施形態で用いた温度センサ１６の代わりに、燃料電池１の端部近傍に位置する少なくとも１つの単位セルの出力電圧を検出する電圧計１７が設置されている。そして、コントロールユニット１５が、システム起動処理を行っているときに、この電圧計１７の検出値を読み込んでシステムの起動状態を判断し、それに基づいて遮断スイッチ１３，１４のオン、オフ動作を制御して、電流取り出し板８，９による燃料電池１１からの電流取り出し状態を切り替えるようにしている。
【００３８】
以下、本実施形態に特徴的なコントロールユニット１５により実行される起動プロセスの一例について、図８のフローチャートを参照しながら説明する。
【００３９】
燃料電池システムの起動初期においては、燃料電池１１の温度はシステム運転に好適な温度よりも低く、このときの燃料電池１１の出力電圧は定格条件運転の出力電圧よりも低いことが一般的である。このとき、燃料電池１１の端部近傍からの放熱を抑え温度上昇を促進するために、コントロールユニット１５は遮断スイッチ１３，１４をオフにして、ガス流路下流域に位置する小面積の分割電流取り出し板８ａ，９ａのみを負荷１２に接続する（ステップＳ１１）。そして、この状態で燃料電池１１の発電を開始させる（ステップＳ１２）。これにより、燃料電池１１の端部近傍ではセパレータ６，７の面内方向に流れる電流成分が生じ、熱が生じることになる。ここで、ガス流路下流域では上流域に比べ発電効率が低く、電流の大部分は上流域に集中するが、この大電流がセパレータ６，７面内を下流域に向かって流れるため、大きな発熱量を得ることが可能となる。
【００４０】
燃料電池１１の発電開始後、時間の経過と共に、上述した燃料電池１１の自己発熱と、外部ヒータ等を設けた場合にはその熱とによって、燃料電池１１の温度は徐々に上昇し、これに伴い、燃料電池１１の出力電圧は定格条件のときの値に近付くことになる。そこで、コントロールユニット１５は、燃料電池１１の端部近傍に設置された電圧計１７の検出値を読み込んで（ステップＳ１３）、この電圧計１７の検出値を所定の値と比較することで、システムの起動状況が通常運転に移行できる段階に達したか、すなわちシステム起動処理によって燃料電池１１が運転に好適な温度に達するに至ったかどうかを判定する（ステップＳ１４）。そして、ステップＳ１４の判定の結果、燃料電池１１が運転に好適な温度に達したと判断した場合（電圧計１７の検出値が所定の値を上回った場合）に、コントロールユニット１５は、遮断スイッチ１３，１４をオンに切り替えて、より大面積を有する分割電流取り出し板８ｂ，９ｂを負荷に接続させる（ステップＳ１５）。そして、この状態で通常運転へと移行し、以後はセパレータ６，７の面内を電流が流れることによるエネルギーロスを避けてシステム効率の向上を図りながら、燃料電池１１で通常の発電を行わせる（ステップＳ１６）。
【００４１】
以上のように、本実施形態の燃料電池システムでは、システム起動時に燃料電池１１の温度が低く端部での発熱が望まれる状況では、燃料電池１１の出力電圧も定格値より低い値となる点に着目して、コントロールユニット１５が、燃料電池１の端部近傍に位置する少なくとも１つの単位セルの出力電圧を検出する電圧計１７の検出値を読み込んでシステム起動状況を判断し、それに応じて負荷１２に接続される分割電流取り出し板８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂを変更するようにしているので、上述した第１の実施形態と同様に、燃料電池１１の温度が運転に好適な温度に達する前の段階では、電流取り出し板８，９による燃料電池１１からの電流取り出し面積を減少させることで温度上昇を促進することができ、しかも、通常運転時には、電流取り出し板８，９による燃料電池１１からの電流取り出し面積を増加させることで、電力ロスを極力抑えることができる。
【００４２】
なお、本実施形態において電圧計１７により検出される出力電圧は燃料電池１１の端部近傍に位置する１つ、或いはいくつかの単位セルの出力電圧である。燃料電池１１の端部近傍は中央部に比べて温度が低く、それに伴って出力電圧も低下するため、端部近傍に位置する少なくとも１つの単位セルの出力電圧を検出し、その検出値に基づいて燃料電池１１の温度が十分に上昇したかを判定して、温度が十分に上昇した後には電力ロスを抑制するように切り替えを行うことで、システム全体の効率向上を適切に実現することができる。
【００４３】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。本実施形態の燃料電池システムは、基本的なシステム構成を上述した第１の実施形態と同様とし、システム起動状態を判断する方法が上述した第１の実施形態と異なるものである。すなわち、本実施形態の燃料電池システムでは、図９に示すように、第１の実施形態で用いた温度センサ１６の代わりに、当該燃料電池システムの起動開始からの経過時間を計測するタイマ１８が設置されている。そして、コントロールユニット１５が、システム起動処理を行っているときに、このタイマ１８の計測値を読み込んでシステムの起動状態を判断し、それに基づいて遮断スイッチ１３，１４のオン、オフ動作を制御して、電流取り出し板８，９による燃料電池１１からの電流取り出し状態を切り替えるようにしている。
【００４４】
以下、本実施形態に特徴的なコントロールユニット１５により実行される起動プロセスの一例について、図１０のフローチャートを参照しながら説明する。
【００４５】
燃料電池システムの起動初期においては、燃料電池１１の温度がシステム運転に好適な温度よりも低いので、燃料電池１１の温度上昇を促すために、コントロールユニット１５は遮断スイッチ１３，１４をオフにして、ガス流路下流域に位置する小面積の分割電流取り出し板８ａ，９ａのみを負荷１２に接続する（ステップＳ２１）。そして、この状態で燃料電池１１の発電を開始させる（ステップＳ２２）。これにより、燃料電池１１の端部近傍ではセパレータ６，７の面内方向に流れる電流成分が生じ、熱が生じることになる。ここで、ガス流路下流域では上流域に比べ発電効率が低く、電流の大部分は上流域に集中するが、この大電流がセパレータ６，７面内を下流域に向かって流れるため、大きな発熱量を得ることが可能となる。
【００４６】
燃料電池１１の温度は時間の経過と共に徐々に上昇することになるので、タイマ１８によってシステム起動開始からの経過時間を計測しておく。そして、コントロールユニット１５は、このタイマ１８の計測値を読み込んで（ステップＳ２３）、タイマ１８の計測値を所定の値と比較することで、システムの起動状況が通常運転に移行できる段階に達したか、すなわちシステム起動処理によって燃料電池１１が運転に好適な温度に達するに至ったかどうかを判定する（ステップＳ２４）。そして、ステップＳ２４の判定の結果、燃料電池１１が運転に好適な温度に達したと判断した場合（タイマ１８の計測値が所定の値を上回った場合）に、コントロールユニット１５は、遮断スイッチ１３，１４をオンに切り替えて、より大面積を有する分割電流取り出し板８ｂ，９ｂを負荷に接続させる（ステップＳ１５）。そして、この状態で通常運転へと移行し、以後はセパレータ６，７の面内を電流が流れることによるエネルギーロスを避けてシステム効率の向上を図りながら、燃料電池１１で通常の発電を行わせる（ステップＳ２６）。
【００４７】
以上のように、本実施形態の燃料電池システムでは、システム起動時からの経過時間をタイマ１８で計測し、コントロールユニット１５が、タイマ１８の計測値を読み込んでシステム起動状況を判断し、それに応じて負荷１２に接続される分割電流取り出し板８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂを変更するようにしているので、上述した第１の実施形態と同様に、燃料電池１１の温度が運転に好適な温度に達する前の段階では、電流取り出し板８，９による燃料電池１１からの電流取り出し面積を減少させることで温度上昇を促進することができ、しかも、通常運転時には、電流取り出し板８，９による燃料電池１１からの電流取り出し面積を増加させることで、電力ロスを極力抑えることができる。
【００４８】
（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。本実施形態の燃料電池システムは、基本的なシステム構成を上述した第１の実施形態と同様とし、燃料電池１１のセパレータの構成が上述した第１の実施形態とは異なるものである。以下、本実施形態に特徴的な燃料電池１１のセパレータに関する部分についてのみ、図１１を参照して説明する。
【００４９】
図１１は、本実施形態の燃料電池システムにおける燃料電池１１の構造を示す概略図である。本実施形態では、燃料電池１１を構成する多数の単位セルの積層方向に並ぶセパレータ２１のうち、積層方向の端部近傍に位置するセパレータ２１ａ，２１ｃが、他のセパレータ２１ｂよりも電気伝導度の低い材料を使用して形成され、高電気抵抗を有する構成とされている。
【００５０】
燃料電池１１のセパレータ２１内の発熱量は、セパレータ２１の面内を流れる電流が等しい場合にはその電気抵抗に比例し、電気抵抗が高いほど発熱量が大きくなる。そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池１１を構成する多数の単位セルの積層方向に並ぶセパレータ２１のうち、積層方向の端部近傍に位置するセパレータ２１ａ，２１ｃが高電気抵抗を有する構成とすることで、放熱によって温度低下が生じやすい燃料電池１１の端部近傍での発熱量を増加させるようにしている。その結果、システム起動時における燃料電池１１の温度上昇をより急速に行うことが可能となる。
【００５１】
（第６の実施形態）
次に、本発明の第６の実施形態について説明する。本実施形態の燃料電池システムは、上述した第５の実施形態の変形例に相当するものであり、燃料電池１１のセパレータの構成に特徴を有するものである。以下、本実施形態に特徴的な燃料電池１１のセパレータに関する部分についてのみ、図１２を参照して説明する。
【００５２】
図１２は、本実施形態の燃料電池システムにおける燃料電池１１の構造を示す概略図である。本実施形態では、燃料電池１１を構成する多数の単位セルの積層方向に並ぶセパレータ３１のうち、積層方向の端部近傍に位置するセパレータ３１ａ，３１ｃの厚さが、他のセパレータ３１ｂの厚さに比べて薄く形成されて、高電気抵抗を有する構成とされている。このように、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池１１を構成する多数の単位セルの積層方向に並ぶセパレータ３１のうち、積層方向の端部近傍に位置するセパレータ３１ａ，３１ｃの厚さを薄くして高電気抵抗を有する構成とすることで、放熱によって温度低下が生じやすい燃料電池１１の端部近傍での発熱量を増加させるようにしている。その結果、上述した第５の実施形態と同様に、システム起動時における燃料電池１１の温度上昇をより急速に行うことが可能となる。
【００５３】
（第７の実施形態）
次に、本発明の第７の実施形態について説明する。本実施形態の燃料電池システムは、基本的なシステム構成を上述した第１の実施形態と同様とし、電流取り出し板８，９の分割の仕方が上述した第１の実施形態とは異なるものである。以下、本実施形態に特徴的な電流取り出し板８，９の分割に関する部分についてのみ、図１３を参照して説明する。
【００５４】
図１３は、本実施形態の燃料電池システムにおける電流取り出し板８，９の分割状態を示す概略図である。本実施形態では、両極の電流取り出し板８，９がそれぞれ６つに分割された分割電流取り出し板８ｅ〜８ｊ，９ｅ〜９ｊで構成されている。そして、システム起動時には、コントロールユニット１５によって、負荷１２に接続される分割電流取り出し板を順に切り替えることで、セパレータ６，７の面内での発熱を分散させ、温度勾配が生じるのを防ぐようにしている。
【００５５】
すなわち、セパレータ６，７の面内における各領域を流れる電流は、面内電流の流線に沿って徐々に増加していくため、負荷１２に接続された分割電流取り出し板の近傍では大電流が流れて発熱も大きいが、負荷１２に接続された分割電流取り出し板から離れるに従って電流値が小さく、発熱量も少なくなる。したがって、１つの分割電流取り出し板のみを負荷１２に接続した状態を継続させると、その分割電流取り出し板の周辺部のみが昇温し、セパレータ６，７の面内に温度勾配が生じる結果となる。
【００５６】
それを避けるため、本実施形態では、電流取り出し板８，９をそれぞれ６つの分割電流取り出し板８ｅ〜８ｊ，９ｅ〜９ｊに分割し、これら分割電流取り出し板８ｅ〜８ｊ，９ｅ〜９ｊを順番に負荷１２に接続させて、電流取り出し位置を順に変更することにより、セパレータ６，７面内での発熱を分散させて、セパレータ６，７の面内に温度勾配が生じるのを防ぐようにしている。
【００５７】
負荷１２に接続する分割電流取り出し板の切り替え判断としては、所定の時間毎に変更するようにしてもよいし、また、各領域毎にその領域の温度を検出できるようにして、負荷１２に接続された分割電流取り出し板近傍の温度が所定の値になった時点で別の分割電流取り出し板に接続変更するようにしてもよい。また、各領域の温度情報から温度差を計算し、所定の温度差になった時点で接続変更することも可能である。
【００５８】
また、負荷１２に接続する分割電流取り出し板の順序としては、予め決められた順に従って接続を切り替えていくようにしてもよいし、また、得られた各領域の温度情報から次に接続する分割電流取り出し板を決定するようにしてもよい。
【００５９】
なお、本実施形態においても、燃料電池１１の温度が所定の運転条件を満足する温度にまで昇温された後には、分割電流取り出し板８ｅ〜８ｊ，９ｅ〜９ｊの全てを負荷１２に接続することで、発熱による電力ロスを極力抑えることが可能となることは、他の実施形態の場合と同様である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明を適用した燃料電池システムが備える固体高分子型燃料電池の単位セルの構造を示す断面図である。
【図２】分割された電流取り出し板の一例を示す斜視図である。
【図３】一部の分割電流取り出し板が負荷に接続された場合にセパレータ面内を流れる電流の様子を模式的に示す斜視図である。
【図４】第１実施形態の燃料電池システムの要部構成を示す概略図である。
【図５】第１の実施形態の燃料電池システムにおいて、システム起動時にコントロールユニットにより実行される起動プロセスの一例を示すフローチャートである。
【図６】第２の実施形態の燃料電池システムを説明する図であり、電流取り出し板の分割状態の他の例を示す斜視図である。
【図７】第３の実施形態の燃料電池システムの要部構成を示す概略図である。
【図８】第３の実施形態の燃料電池システムにおいて、システム起動時にコントロールユニットにより実行される起動プロセスの一例を示すフローチャートである。
【図９】第４の実施形態の燃料電池システムの要部構成を示す概略図である。
【図１０】第４の実施形態の燃料電池システムにおいて、システム起動時にコントロールユニットにより実行される起動プロセスの一例を示すフローチャートである。
【図１１】第５の実施形態の燃料電池システムを説明する図であり、燃料電池の構造の他の例を示す概略図である。
【図１２】第６の実施形態の燃料電池システムを説明する図であり、燃料電池の構造の更に他の例を示す概略図である。
【図１３】第７の実施形態の燃料電池システムを説明する図であり、電流取り出し板の分割状態の更に他の例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００６１】
１  電解質膜
２  燃料極
３  酸化剤極
４，５  ガス流路
６，７  セパレータ
８，９  電流取り出し板
８ａ〜８ｊ，９ａ〜９ｊ  分割電流取り出し板
１１  燃料電池
１２  負荷
１３，１４  遮断スイッチ
１５  コントロールユニット
１６  温度センサ
１７  電圧計
１８  タイマ
２１ａ〜２１ｃ  セパレータ
３１ａ〜３１ｃ  セパレータ
【図１】
2005293928.tif 000003
【図２】
2005293928.tif 000004
【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】
2005293928.tif 000009
【図８】
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【図９】
2005293928.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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