(57)【要約】      （修正有）【課題】高分子電解質型燃料電池システムの暖機にかかる時間を短縮等することが可能な高分子電解質型燃料電池システムとその運転方法を提供する。【解決手段】スタック８と、セパレータを並列に接続し電圧を印加する加熱用回路１５と、隣接するセパレータ同士を短絡させる短絡用回路１６と、一対の集電板１２，１２間を起動停止用可変抵抗Ｒ２を介して短絡させる起動停止用回路１７と、セパレータの一端と加熱用回路１５あるいは短絡用回路１６との接続と遮断を行う第１開閉手段ＳＷ１と、セパレータの他端と加熱用回路１５との接続と遮断を行う第２開閉手段ＳＷ２と、集電板間と起動停止用回路１７あるいは出力回路１８との接続と遮断を行う第３開閉手段ＳＷ３と、集電板間の電圧検出手段Ｔ１と、集電板間の電流検出手段Ｔ２と、スタック８の温度検出手段Ｔ３と、それらに基づいて、起動停止用可変抵抗Ｒ２等を制御する制御装置３０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】
高分子電解質膜が一対の電極間に挟まれてなるＭＥＡと、前記ＭＥＡが一対の導電性のセパレータ間に挟まれてなるセルと、複数の前記セルが積層されてなるスタックとを備え、
前記複数のセパレータを主面に平行な方向にそれぞれ通電可能なように構成された、高分子電解質型燃料電池システム。
【請求項２】
前記通電のための電源として二次電池を備えた、請求項１記載の高分子電解質型燃料電池システム。
【請求項３】
前記セパレータが矩形の板状であって、互いに対向する端面それぞれのほぼ全長にわたって、凸部がそれぞれ形成され、前記凸部に嵌合するコネクタを介して前記通電が行われる、請求項１記載の高分子電解質型燃料電池システム。
【請求項４】
前記積層された複数のセパレータの縁部に該セパレータより厚みが薄い凸部がそれぞれ形成され、
前記積層の方向に前記凸部に沿って往復動可能に移動棒が配設され、
前記移動棒に、導体接触子が前記積層されたセパレータの隣接する凸部の間にそれぞれ位置するように配設され、
前記移動棒の往復動により、全ての前記凸部と前記導体接触子との接触状態が、接触又は非接触に、切り換わる、請求項１記載の高分子電解質型燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１記載の高分子電解質型燃料電池システムであって、
さらに、全ての隣接する前記セパレータ同士を抵抗を介して短絡可能なように構成された、高分子電解質型燃料電池システム。
【請求項６】
前記積層された複数のセパレータの縁部に該セパレータより厚みが薄い凸部がそれぞれ形成され、
前記積層の方向に前記凸部に沿って往復動可能に移動棒が配設され、
前記移動棒に、導体接触子と抵抗体接触子との対が前記積層されたセパレータの隣接する凸部の間にそれぞれ位置するように配設され、
前記移動棒の往復動により、全ての前記凸部の前記導体接触子及び前記抵抗体接触子との接触状態が、前記導体接触子と接触、前記抵抗体接触子と接触、又は前記導体接触子及び前記抵抗体接触子のいずれとも非接触、に切り換わる、請求項５記載の高分子電解質型燃料電池システム。
【請求項７】
高分子電解質膜が一対の電極間に挟まれてなるＭＥＡと、
前記ＭＥＡが一対の導電性のセパレータ間に挟まれてなるセルと、
前記セルの積層体が一対の集電板の間に挟まれてなるスタックと、
全ての前記セパレータを並列に接続し、かつ前記セパレータの主面に平行な方向に電圧を印加する加熱用回路と、
前記セパレータと前記加熱用回路との間の接続あるいは遮断を、全ての前記セパレータについて行う開閉手段と、
前記スタックの温度を検出するための温度検出手段とを備え、
前記高分子電解質型燃料電池システムの暖機時に、前記温度検出手段によって検出される温度が所定の温度以上に達するまで、前記開閉手段によって全ての前記セパレータが前記加熱用回路に接続される、高分子電解質型燃料電池システム。
【請求項８】
高分子電解質膜が一対の電極間に挟まれてなるＭＥＡと、
前記ＭＥＡが一対の導電性のセパレータ間に挟まれてなるセルと、
前記セルの積層体が一対の集電板の間に挟まれてなるスタックと、
前記一対の集電板間を起動停止用可変抵抗を介して短絡させる起動停止用回路と、
前記一対の集電板間と前記起動停止用回路あるいは外部負荷につながる出力回路との接続あるいは遮断を行う開閉手段と、
前記一対の集電板間の電圧を検出する電圧検出手段とを備え、
前記高分子電解質型燃料電池システムの起動時あるいは停止時に、前記開閉手段によって前記一対の集電板間が起動停止用回路に接続され、前記電圧検出手段によって検出される電圧が所定の電圧以下になるように前記起動停止用可変抵抗が調整される、高分子電解質型燃料電池システム。
【請求項９】
高分子電解質膜が一対の電極間に挟まれてなるＭＥＡと、
前記ＭＥＡが一対の導電性のセパレータ間に挟まれてなるセルと、
前記セルの積層体が一対の集電板の間に挟まれてなるスタックと、
全ての隣接する前記セパレータ同士を抵抗を介して短絡させる短絡用回路と、
前記セパレータと前記短絡用回路との間の接続あるいは遮断を、全ての前記セパレータについて行う短絡用開閉手段と、
前記一対の集電板間を起動停止用可変抵抗を介して短絡させる起動停止用回路と、
前記一対の集電板間と前記起動停止用回路あるいは外部負荷につながる出力回路との接続あるいは遮断を行う起動停止用開閉手段と、
前記一対の集電板間の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記一対の集電板間の電流を検出する電流検出手段とを備え、
前記高分子電解質型燃料電池システムの停止時に、前記起動停止用開閉手段によって前記一対の集電板間が前記起動停止用回路に接続され、前記電圧検出手段によって検出される電圧が所定の電圧以下になるように前記起動停止用可変抵抗が調整され、その後、前記電流検出手段によって検出される電流が所定の電流以下になった後に、前記短絡用開閉手段によって全ての前記セパレータが前記短絡用回路に接続される、高分子電解質型燃料電池システム。
【請求項１０】
高分子電解質膜が一対の電極間に挟まれてなるＭＥＡと、
前記ＭＥＡが一対の導電性のセパレータ間に挟まれてなるセルと、
前記セルの積層体が一対の集電板の間に挟まれてなるスタックと、
全ての前記セパレータを並列に接続し、かつ前記セパレータの主面に平行な方向に電圧を印加する加熱用回路と、
前記セパレータと前記加熱用回路との間の接続あるいは遮断を、全ての前記セパレータについて行う開閉手段と、
前記スタックの温度を検出するための温度検出手段とを備え、
前記高分子電解質型燃料電池システムの待機時に、前記温度検出手段によって検出される温度が所定の温度以下において、前記開閉手段によって全ての前記セパレータが前記加熱用回路に接続される、高分子電解質型燃料電池システム。
【請求項１１】
高分子電解質膜が一対の電極間に挟まれてなるＭＥＡと、
前記ＭＥＡが一対の導電性のセパレータ間に挟まれてなるセルと、
前記セルの積層体が一対の集電板の間に挟まれてなるスタックと、
全ての前記セパレータを並列に接続し、かつ前記セパレータの主面に平行な方向に電圧を印加する加熱用回路と、
前記セパレータと前記加熱用回路との間の接続あるいは遮断を、全ての前記セパレータについて行う開閉手段と、
前記スタックの温度を検出するための温度検出手段とを備える高分子電解質型燃料電池システムの運転方法であって、
前記高分子電解質型燃料電池システムの暖機時に、前記温度検出手段によって検出される温度が所定の温度以上に達するまで、前記開閉手段によって全ての前記セパレータが前記加熱用回路に接続される、高分子電解質型燃料電池システムの運転方法。
【請求項１２】
高分子電解質膜が一対の電極間に挟まれてなるＭＥＡと、
前記ＭＥＡが一対の導電性のセパレータ間に挟まれてなるセルと、
前記セルの積層体が一対の集電板の間に挟まれてなるスタックと、
前記一対の集電板間を起動停止用可変抵抗を介して短絡させる起動停止用回路と、
前記一対の集電板間と前記起動停止用回路あるいは外部負荷につながる出力回路との接続あるいは遮断を行う開閉手段と、
前記一対の集電板間の電圧を検出するための電圧検出手段とを備える高分子電解質型燃料電池システムの運転方法であって、
前記高分子電解質型燃料電池システムの起動時あるいは停止時に、前記開閉手段によって前記一対の集電板間が起動停止用回路に接続され、前記電圧検出手段によって検出される電圧が所定の電圧以下になるように前記起動停止用可変抵抗が調整される、高分子電解質型燃料電池システムの運転方法。
【請求項１３】
高分子電解質膜が一対の電極間に挟まれてなるＭＥＡと、
前記ＭＥＡが一対の導電性のセパレータ間に挟まれてなるセルと、
前記セルの積層体が一対の集電板の間に挟まれてなるスタックと、
隣接する前記セパレータ同士を短絡用抵抗を介して短絡させる短絡用回路と、
前記セパレータと前記短絡用回路との間の接続あるいは遮断を、全ての前記セパレータについて行う短絡用開閉手段と、
前記一対の集電板間を起動停止用可変抵抗を介して短絡させる起動停止用回路と、
前記一対の集電板間と前記起動停止用回路あるいは外部負荷につながる出力回路との接続あるいは遮断を行う起動停止用開閉手段と、
前記一対の集電板間の電圧を検出するための電圧検出手段と、
前記一対の集電板間の電流を検出するための電流検出手段とを備える高分子電解質型燃料電池システムの運転方法であって、
前記高分子電解質型燃料電池システムの停止時に、前記起動停止用開閉手段によって前記一対の集電板間が前記起動停止用回路に接続され、前記電圧検出手段によって検出される電圧が所定の電圧以下になるように前記起動停止用可変抵抗が調整され、その後、前記電流検出手段によって検出される電流が所定の電流以下になった後に、前記短絡用開閉手段によって全ての前記セパレータが前記短絡用回路に接続される、高分子電解質型燃料電池システムの運転方法。
【請求項１４】
高分子電解質膜が一対の電極間に挟まれてなるＭＥＡと、
前記ＭＥＡが一対の導電性のセパレータ間に挟まれてなるセルと、
前記セルの積層体が一対の集電板の間に挟まれてなるスタックと、
全ての前記セパレータを並列に接続し、かつ前記セパレータの主面に平行な方向に電圧を印加する加熱用回路と、
前記セパレータと前記加熱用回路との接続あるいは遮断を、全ての前記セパレータについて行う開閉手段と、
前記スタックの温度を検出するための温度検出手段とを備える高分子電解質型燃料電池システムの運転方法であって、
前記高分子電解質型燃料電池システムの待機時に、前記温度検出手段によって検出される温度が所定の温度以下において、前記開閉手段によって全ての前記セパレータが前記加熱用回路に接続される、高分子電解質型燃料電池システムの運転方法。
【請求項１５】
高分子電解質膜が一対の電極間に挟まれてなるＭＥＡと、
前記ＭＥＡが一対の導電性のセパレータ間に挟まれてなるセルと、
前記セルの積層体が一対の集電板の間に挟まれてなるスタックと、
全ての前記セパレータを並列に接続し、かつ前記セパレータの主面に平行な方向に電圧を印加する加熱用回路と、
全ての隣接する前記セパレータ同士を抵抗を介して短絡させる短絡用回路と、
前記一対の集電板間を起動停止用可変抵抗を介して短絡させる起動停止用回路と、
前記セパレータの一端と前記加熱用回路あるいは前記短絡用回路との接続あるいは遮断を、全ての前記セパレータについて行う第１開閉手段と、
前記セパレータの一端とは前記セパレータ主面を挟んで互いに対向する位置の前記セパレータの他端と前記加熱用回路との接続あるいは遮断を、全ての前記セパレータについて行う第２開閉手段と、
前記一対の集電板間と前記起動停止用回路あるいは外部負荷につながる出力回路との接続あるいは遮断を行う第３開閉手段と、
前記一対の集電板間の電圧を検出するための電圧検出手段と、
前記一対の集電板間の電流を検出するための電流検出手段と、
前記スタックの温度を検出するための温度検出手段と、
前記電圧検出手段によって検出された電圧、前記電流検出手段によって検出された電流、あるいは前記温度検出手段によって検出された温度が所定の値に達したか否かを判定し、その結果、前記起動停止用可変抵抗、前記第１開閉手段、前記第２開閉手段あるいは前記第３開閉手段を適宜制御する制御装置とを備える、高分子電解質型燃料電池システム。
【請求項１６】
前記加熱用回路の電源として二次電池を備えた、請求項１５記載の高分子電解質型燃料電池システム。
【請求項１７】
前記第１開閉手段が、前記積層された複数のセパレータの縁部に該セパレータより厚みが薄い凸部がそれぞれ形成され、
前記積層の方向に前記凸部に沿って往復動可能に移動棒が配設され、
前記移動棒に、導体接触子と抵抗体接触子との対が前記積層されたセパレータの隣接する凸部の間にそれぞれ位置するように配設され、
前記移動棒の往復動により、全ての前記凸部の前記導体接触子及び前記抵抗体接触子との接触状態が、前記導体接触子と接触、前記抵抗体接触子と接触、又は前記導体接触子及び前記抵抗体接触子のいずれとも非接触、に切り換わる、機械式スイッチ機構を備える請求項１５記載の高分子電解質型燃料電池システム。
【請求項１８】
前記第２開閉手段が、前記積層された複数のセパレータの縁部に該セパレータより厚みが薄い凸部がそれぞれ形成され、
前記積層の方向に前記凸部に沿って往復動可能に移動棒が配設され、
前記移動棒に、導体接触子が前記積層されたセパレータの隣接する凸部の間にそれぞれ位置するように配設され、
前記移動棒の往復動により、全ての前記凸部と前記導体接触子との接触状態が、接触又は非接触に、切り換わる、機械式スイッチ機構を備える請求項１５記載の高分子電解質型燃料電池システム。
【請求項１９】
前記制御装置が、前記高分子電解質型燃料電池システムの暖機時において、
前記温度検出手段によって検出される温度が所定の温度以上に達するまで、前記第１開閉手段及び前記第２開閉手段によって全ての前記セパレータを前記加熱用回路に接続するように制御する請求項１５記載の高分子電解質型燃料電池システム
【請求項２０】
前記制御装置が、前記高分子電解質型燃料電池システムの起動時あるいは停止時において、前記第１開閉手段及び第２開閉手段によって、前記加熱用回路及び前記短絡用回路を遮断し、かつ前記第３開閉手段によって、前記一対の集電板間を起動停止用回路に接続し、
その後、前記電圧検出手段によって検出される電圧が所定の電圧以下になるように前記可変抵抗を制御する請求項１５記載の高分子電解質型燃料電池システム。
【請求項２１】
前記制御装置が、前記高分子電解質型燃料電池システムの停止時において、
前記第１開閉手段及び第２開閉手段によって、前記加熱用回路及び前記短絡用回路を遮断し、かつ前記第３開閉手段によって、前記一対の集電板間を起動停止用回路に接続し、
その後、前記電圧検出手段によって検出される電圧が所定の電圧以下になるように前記可変抵抗を制御し、
その後、前記電流検出手段によって検出される電流が所定の電流以下になった後に、前記第１開閉手段によって全ての前記セパレータを前記短絡用回路に接続するように制御する請求項１５記載の高分子電解質型燃料電池システム。
【請求項２２】
前記制御装置が、前記高分子電解質型燃料電池システムの待機時において、前記温度検出手段によって検出される温度が所定の温度以下において、前記第１開閉手段及び前記第２開閉手段によって全ての前記セパレータを前記加熱用回路に接続するように制御する請求項１５記載の高分子電解質型燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子電解質型燃料電池システム及びその運転方法に関し、特に高分子電解質型燃料電池システムの暖機時、起動時、停止時及び待機時における高分子電解質型燃料電池システムの構造及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質型燃料電池システムの発電の基本原理は、触媒を介して電池反応用ガスの成分がイオン化し、高分子電解質膜越しにイオン交換が行われることで、電気化学反応が発生するものである。
【０００３】
この電気化学反応に用いられる前記触媒は、従来、白金族金属触媒が用いられている。この白金属金属触媒が触媒作用を発揮する適温は概ね６０℃から８０℃であることから、高分子電解質型燃料電池システムでは起動前に前記触媒層が適温になるまで暖機が行われている。
【０００４】
従来の高分子電解質型燃料電池システムの暖機方法としては、高分子電解質型燃料電池システム冷却用の冷却水を加熱して高分子電解質型燃料電池システムの暖機に応用したり、高分子電解質型燃料電池システムのスタックに備え付けたヒータを用いる方法が一般的である（例えば特許文献１あるいは特許文献２参照）。また、金属性セパレータを発熱体とする提案もなされている。（特許文献３参照）。
【０００５】
また、高分子電解質型燃料電池の起動時には、電気化学反応が定常状態に到達しておらず、電圧が不安定である。こうした電圧の不安定化は、燃料電池の高分子電解質膜や触媒を損傷したり、燃料電池に接続されている電気機器を損傷するおそれがある。このため、燃料電池においては、接続する電気機器の保護を目的として、燃料電池の起動時には模擬の負荷や二次電池に接続しておいて、電圧が安定してから本来の電気機器に接続を切換えるという燃料電池の起動方法が提案されている（特許文献４及び特許文献５参照）。
【０００６】
また、高分子電解質型燃料電池の停止時には、電気機器など外部負荷との接続遮断は、燃料電池の電圧の不安定化を招く。また、残留する燃料ガス等によって燃料電池内では電気化学反応が継続し、燃料電池の電極の転極を招来するなど電池寿命に影響を及ぼす。このため、燃料ガスの供給停止後は、窒素等の不活性ガスを用いて燃料電池内から燃料ガス等をパージする停止方法が一般的に行われている（特許文献６参照）。
【０００７】
また、高分子電解質型燃料電池システムでは、冷却には一般的には水が用いられ、さらに、電気化学反応によって水が生成されることから、寒冷地等では待機中の高分子電解質型燃料電池システム内部が水の凍結によって破損するおそれがある。このため、寒冷地等での燃料電池待機時には、高分子電解質型燃料電池システムの冷却水を加熱するなどにより凍結を防止する待機方法が一般的に行われている（特許文献７あるいは特許文献８参照）。
【特許文献１】特開２０００−２８５９４２号公報
【特許文献２】特開平９−４５３５３号公報
【特許文献３】特開２００１−４３８７７号公報
【特許文献４】特開２００２−６３９２５号公報
【特許文献５】特開平６−２６０２０１号公報
【特許文献６】特開平７−１８３０３９号公報
【特許文献７】特開２００１−１６７７７９号公報
【特許文献８】特開２００３−１００３２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記のような従来の高分子電解質型燃料電池システムにおいては、高分子電解質型燃料電池システムの暖機時には、暖機にかかる時間を短縮し、消費エネルギーを軽減したいという課題があった。高分子電解質型燃料電池システムの起動時には、高分子電解質型燃料電池システムの性能低下のおそれを回避したいという課題があった。高分子電解質型燃料電池システムの停止時には、高分子電解質型燃料電池システムの性能低下のおそれを回避するとともに、残留ガスの排除にかかる時間を短縮したいという課題があった。高分子電解質型燃料電池システムの待機時には、凍結防止にかかる消費エネルギーを軽減したいという課題があった。
【０００９】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、高分子電解質型燃料電池システムの暖機時、起動時、停止時及び待機時における諸課題を統合的に、かつコンパクトな構造によって解決することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、上記課題を解決するために、本発明に係る高分子電解質型燃料電池システムは、高分子電解質膜が一対の電極間に挟まれてなるＭＥＡと、前記ＭＥＡが一対の導電性のセパレータ間に挟まれてなるセルと、複数の前記セルが積層されてなるスタックとを備え、前記複数のセパレータを主面に平行な方向にそれぞれ通電可能なように構成される。
【００１１】
このような構成とすると、セパレータの主面に平行な方向に通電することによって、セパレータが好適な容量の発熱体として機能することができる。
【００１２】
前記通電のための電源として二次電池を備えてもよい。
【００１３】
このような構成とすると、容易に低電圧で大きな電流の通電が実現できる。
【００１４】
前記セパレータが矩形の板状であって、互いに対向する端面それぞれのほぼ全長にわたって、凸部がそれぞれ形成され、前記凸部に嵌合するコネクタを介して前記通電が行われてもよい。
【００１５】
このような構成とすると、より大きな電流をセパレータに通電することができる。
【００１６】
前記積層された複数のセパレータの縁部に該セパレータより厚みが薄い凸部がそれぞれ形成され、前記積層の方向に前記凸部に沿って往復動可能に移動棒が配設され、前記移動棒に、導体接触子が前記積層されたセパレータの隣接する凸部の間にそれぞれ位置するように配設され、前記移動棒の往復動により、全ての前記凸部と前記導体接触子との接触状態が、接触又は非接触に、切り換わってもよい。
【００１７】
このような構成とすると、コンパクトな構造によって、複数のセパレータへの通電を選択的に行うことができる。
【００１８】
前記高分子電解質型燃料電池システムであって、さらに、全ての隣接する前記セパレータ同士を抵抗を介して短絡可能なように構成してもよい。
【００１９】
このような構成とすると、高分子電解質型燃料電池の停止時等において、ＭＥＡに生じる高電圧を低減し、高分子電解質膜や触媒への損傷を軽減することができる。
【００２０】
前記積層された複数のセパレータの縁部に該セパレータより厚みが薄い凸部がそれぞれ形成され、前記積層の方向に前記凸部に沿って往復動可能に移動棒が配設され、前記移動棒に、導体接触子と抵抗体接触子との対が前記積層されたセパレータの隣接する凸部の間にそれぞれ位置するように配設され、前記移動棒の往復動により、全ての前記凸部の前記導体接触子及び前記抵抗体接触子との接触状態が、前記導体接触子と接触、前記抵抗体接触子と接触、又は前記導体接触子及び前記抵抗体接触子のいずれとも非接触、に切り換わってもよい。
【００２１】
このような構成とすると、コンパクトな構造によって、複数のセパレータへの通電、あるいは抵抗を介したセパレータ間の短絡を選択的に行うことができる。
【００２２】
また、本発明に係る高分子電解質型燃料電池システム及びその運転方法は、高分子電解質膜が一対の電極間に挟まれてなるＭＥＡと、前記ＭＥＡが一対の導電性のセパレータ間に挟まれてなるセルと、前記セルの積層体が一対の集電板の間に挟まれてなるスタックと、全ての前記セパレータを並列に接続しかつ前記セパレータの主面に平行な方向に電圧を印加する加熱用回路と、前記セパレータと前記加熱用回路との間の接続あるいは遮断を全ての前記セパレータについて行う開閉手段と、前記スタックの温度を検出するための温度検出手段とを備え、前記高分子電解質型燃料電池システムの暖機時に、前記温度検出手段によって検出される温度が所定の温度以上に達するまで、前記開閉手段によって全ての前記セパレータが前記加熱用回路に接続される。
【００２３】
このような構成とすると、ＭＥＡの隣接部材であるセパレータを直接的に加熱することで、高分子電解質型燃料電池システムの暖機を時間面及びエネルギー消費面で効率化することができる。また、高電圧による高分子電解質膜や触媒の損傷を回避でき、高分子電解質型燃料電池システムの性能低下のおそれを回避することができる。
【００２４】
また、本発明に係る高分子電解質型燃料電池システム及びその運転方法は、高分子電解質膜が一対の電極間に挟まれてなるＭＥＡと、前記ＭＥＡが一対の導電性のセパレータ間に挟まれてなるセルと、前記セルの積層体が一対の集電板の間に挟まれてなるスタックと、前記一対の集電板間を起動停止用可変抵抗を介して短絡させる起動停止用回路と、前記一対の集電板間と前記起動停止用回路あるいは外部負荷につながる出力回路との接続あるいは遮断を行う開閉手段と、前記一対の集電板間の電圧を検出する電圧検出手段とを備え、前記高分子電解質型燃料電池システムの起動時あるいは停止時に、前記開閉手段によって前記一対の集電板間が起動停止用回路に接続され、前記電圧検出手段によって検出される電圧が所定の電圧以下になるように前記起動停止用可変抵抗が調整される。
【００２５】
このような構成とすると、高分子電解質型燃料電池システムの起動時においては、高電圧による高分子電解質膜や触媒の損傷を回避でき、高分子電解質型燃料電池システムの性能低下のおそれを回避することができる。また、高分子電解質型燃料電池の停止時においても、高電圧による高分子電解質膜や触媒の損傷を回避して高分子電解質型燃料電池システムの性能低下のおそれを回避しつつ、残留ガスの排除を促進することができる。
【００２６】
また、本発明に係る高分子電解質型燃料電池システム及びその運転方法は、高分子電解質膜が一対の電極間に挟まれてなるＭＥＡと、前記ＭＥＡが一対の導電性のセパレータ間に挟まれてなるセルと、前記セルの積層体が一対の集電板の間に挟まれてなるスタックと、全ての隣接する前記セパレータ同士を抵抗を介して短絡させる短絡用回路と、前記セパレータと前記短絡用回路との間の接続あるいは遮断を全ての前記セパレータについて行う短絡用開閉手段と、前記一対の集電板間を起動停止用可変抵抗を介して短絡させる起動停止用回路と、前記一対の集電板間と前記起動停止用回路あるいは外部負荷につながる出力回路との接続あるいは遮断を行う起動停止用開閉手段と、前記一対の集電板間の電圧を検出する電圧検出手段と、前記一対の集電板間の電流を検出する電流検出手段とを備え、前記高分子電解質型燃料電池システムの停止時に、前記起動停止用開閉手段によって前記一対の集電板間が前記起動停止用回路に接続され、前記電圧検出手段によって検出される電圧が所定の電圧以下になるように前記起動停止用可変抵抗が調整され、その後、前記電流検出手段によって検出される電流が所定の電流以下になった後に、前記短絡用開閉手段によって全ての前記セパレータが前記短絡用回路に接続される。
【００２７】
このような構成とすると、高分子電解質型燃料電池システムの停止時において、残留ガスの排除を促進するとともに、高電圧による高分子電解質膜や触媒の損傷を回避でき、ＭＥＡに高分子電解質型燃料電池システムの性能低下を防止することができる。
【００２８】
また、本発明に係る高分子電解質型燃料電池システム及びその運転方法は、高分子電解質膜が一対の電極間に挟まれてなるＭＥＡと、前記ＭＥＡが一対の導電性のセパレータ間に挟まれてなるセルと、前記セルの積層体が一対の集電板の間に挟まれてなるスタックと、全ての前記セパレータを並列に接続しかつ前記セパレータの主面に平行な方向に電圧を印加する加熱用回路と、前記セパレータと前記加熱用回路との間の接続あるいは遮断を全ての前記セパレータについて行う開閉手段と、前記スタックの温度を検出するための温度検出手段とを備え、前記高分子電解質型燃料電池システムの待機時に、前記温度検出手段によって検出される温度が所定の温度以下において、前記開閉手段によって全ての前記セパレータが前記加熱用回路に接続される。
【００２９】
このような構成とすると、ＭＥＡの隣接部材であるセパレータを直接的に加熱することで、高分子電解質型燃料電池システムの凍結防止を時間面及びエネルギー消費面で効率化することができる。
【００３０】
また、本発明に係る高分子電解質型燃料電池システムは、高分子電解質膜が一対の電極間に挟まれてなるＭＥＡと、前記ＭＥＡが一対の導電性のセパレータ間に挟まれてなるセルと、前記セルの積層体が一対の集電板の間に挟まれてなるスタックと、全ての前記セパレータを並列に接続しかつ前記セパレータの主面に平行な方向に電圧を印加する加熱用回路と、全ての隣接する前記セパレータ同士を抵抗を介して短絡させる短絡用回路と、前記一対の集電板間を起動停止用可変抵抗を介して短絡させる起動停止用回路と、前記セパレータの一端と前記加熱用回路あるいは前記短絡用回路との接続あるいは遮断を全ての前記セパレータについて行う第１開閉手段と、前記セパレータの一端とは前記セパレータ主面を挟んで互いに対向する位置の前記セパレータの他端と前記加熱用回路との接続あるいは遮断を、全ての前記セパレータについて行う第２開閉手段と、前記一対の集電板間と前記起動停止用回路あるいは外部負荷につながる出力回路との接続あるいは遮断を行う第３開閉手段と、前記一対の集電板間の電圧を検出するための電圧検出手段と、前記一対の集電板間の電流を検出するための電流検出手段と、前記スタックの温度を検出するための温度検出手段と、前記電圧検出手段によって検出された電圧、前記電流検出手段によって検出された電流、あるいは前記温度検出手段によって検出された温度が所定の値に達したか否かを判定し、その結果、前記起動停止用可変抵抗、前記第１開閉手段、前記第２開閉手段あるいは前記第３開閉手段を適宜制御する制御装置とを備える。
【００３１】
このような構成とすると、高分子電解質型燃料電池システムの暖機時、起動時、停止時及び待機時における諸課題を統合的に解決でき、高分子電解質型燃料電池システムの構成もコンパクトになる。
【００３２】
前記加熱用回路の電源として二次電池を備えてもよい。
【００３３】
このような構成とすると、容易に低電圧で大きな電流の通電が実現できる。
【００３４】
前記第１開閉手段が、前記積層された複数のセパレータの縁部に該セパレータより厚みが薄い凸部がそれぞれ形成され、前記積層の方向に前記凸部に沿って往復動可能に移動棒が配設され、前記移動棒に、導体接触子と抵抗体接触子との対が前記積層されたセパレータの隣接する凸部の間にそれぞれ位置するように配設され、前記移動棒の往復動により、全ての前記凸部の前記導体接触子及び前記抵抗体接触子との接触状態が、前記導体接触子と接触、前記抵抗体接触子と接触、又は前記導体接触子及び前記抵抗体接触子のいずれとも非接触、に切り換わる、機械式スイッチ機構を備えてもよい。
【００３５】
このような構成とすると、コンパクトな構造によって、複数のセパレータへの通電、あるいは抵抗を介したセパレータ間の短絡を選択的に行うことができる。
【００３６】
前記第２開閉手段が、前記積層された複数のセパレータの縁部に該セパレータより厚みが薄い凸部がそれぞれ形成され、前記積層の方向に前記凸部に沿って往復動可能に移動棒が配設され、前記移動棒に、導体接触子が前記積層されたセパレータの隣接する凸部の間にそれぞれ位置するように配設され、前記移動棒の往復動により、全ての前記凸部と前記導体接触子との接触状態が、接触又は非接触に、切り換わる、機械式スイッチ機構を備えてもよい。
【００３７】
このような構成とすると、コンパクトな構造によって、複数のセパレータへの通電を選択的に行うことができる。
【００３８】
前記制御装置が、前記高分子電解質型燃料電池システムの暖機時において、前記温度検出手段によって検出される温度が所定の温度以上に達するまで、前記第１開閉手段及び前記第２開閉手段によって全ての前記セパレータを前記加熱用回路に接続するように制御してもよい。
【００３９】
このような構成とすると、ＭＥＡの隣接部材であるセパレータを直接的に加熱することで、高分子電解質型燃料電池システムの暖機を時間面及びエネルギー消費面で効率化することができる。また、高電圧による高分子電解質膜や触媒の損傷を回避でき、高分子電解質型燃料電池システムの性能低下のおそれを回避することができる。
【００４０】
前記制御装置が、前記高分子電解質型燃料電池システムの起動時あるいは停止時において、前記第１開閉手段及び第２開閉手段によって、前記加熱用回路及び前記短絡用回路を遮断し、かつ前記第３開閉手段によって、前記一対の集電板間を起動停止用回路に接続し、その後、前記電圧検出手段によって検出される電圧が所定の電圧以下になるように前記可変抵抗を制御してもよい。
【００４１】
このような構成とすると、高分子電解質型燃料電池システムの起動時においては、高電圧による高分子電解質膜や触媒の損傷を回避でき、高分子電解質型燃料電池システムの性能低下のおそれを回避することができる。また、高分子電解質型燃料電池の停止時においても、高電圧による高分子電解質膜や触媒の損傷を回避して高分子電解質型燃料電池システムの性能低下のおそれを回避しつつ、残留ガスの排除を促進することができる。
【００４２】
前記制御装置が、前記高分子電解質型燃料電池システムの停止時において、前記第１開閉手段及び第２開閉手段によって、前記加熱用回路及び前記短絡用回路を遮断し、かつ前記第３開閉手段によって、前記一対の集電板間を起動停止用回路に接続し、その後、前記電圧検出手段によって検出される電圧が所定の電圧以下になるように前記可変抵抗を制御し、その後、前記電流検出手段によって検出される電流が所定の電流以下になった後に、前記第１開閉手段によって全ての前記セパレータを前記短絡用回路に接続するように制御してもよい。
【００４３】
このような構成とすると、高分子電解質型燃料電池システムの停止時において、残留ガスの排除を促進するとともに、高電圧による高分子電解質膜や触媒の損傷を回避でき、ＭＥＡに高分子電解質型燃料電池システムの性能低下を防止することができる。
【００４４】
前記制御装置が、前記高分子電解質型燃料電池システムの待機時において、前記温度検出手段によって検出される温度が所定の温度以下において、前記第１開閉手段及び前記第２開閉手段によって全ての前記セパレータを前記加熱用回路に接続するように制御してもよい。
【００４５】
このような構成とすると、ＭＥＡの隣接部材であるセパレータを直接的に加熱することで、高分子電解質型燃料電池システムの凍結防止を時間面及びエネルギー消費面で効率化することができる。
【発明の効果】
【００４６】
以上のように、本発明は、高分子電解質型燃料電池システムの暖機時、起動時、停止時及び待機時における諸課題を統合的かつコンパクトな構造によって解決するという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態に係る高分子電解質型燃料電池システムのスタック８の機械的構成を示す斜視図である。図２は、図１のII−II線断面の断面図とその要部拡大図である。図３は、本実施の形態に係る高分子電解質型燃料電池システムの構成を示す模式図である。図２においては、説明の便宜上、高分子電解質型燃料電池システムの積層構造の一部を分解して示している。また、図１及び図２においては、説明の都合上、電気的構成を省略して示している。
【００４８】
図１において、スタック８は、セル５が積層され、集電板１２，１２、及び絶縁板１３，１３を介して端板１４，１４で挟まれ、端板１４，１４間が締結ボルト１４ａで両側から締結されている。
【００４９】
図３に示すように、集電板１２，１２は、出力回路１８によって、電気機器等の外部負荷と接続される。スタック８には、電池反応に供される水素などの燃料ガス及び空気などの酸化剤ガスが（燃料ガス及び酸化剤ガスを電池反応用ガスと総称する）、それぞれ電池反応用ガス供給マニフォールド９Ａ，１１Ａからスタック８内に供給され、水などの冷却剤が冷却剤供給マニフォールド１０Ａからスタック８内に流通される。そして、セル５において電気化学反応が始まり、集電板１２，１２間に電圧が発生する。また、余剰の電池反応用ガスと電気化学反応により生成された水は電池反応用ガス排出マニフォールド９Ｂ、１１Ｂからそれぞれ排出される。冷却剤は冷却剤排出マニフォールド１０Ｂから排出される。
【００５０】
図２に示すように、セル５は、高分子電解質膜１、高分子電解質膜１を両側から挟む一対の触媒層（図示せず）、及び一対の触媒層の外面に配設された一対のガス拡散電極２，２を有する高分子電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ（Membrane-Electrode-Assembly）と呼ぶ）３、並びにＭＥＡ３の両面の周縁部に配設された一対のガスケット６，６と、ＭＥＡ３と前記一対のガスケット６，６とを挟むように配設された一対の板状の導電性セパレータ４，４とを有している。セパレータ４には、内面に燃料ガスあるいは酸化剤ガスの流路（これらを電池反応用ガス流路９と呼ぶ）が形成され、外面に冷却剤流路１０が形成されている。そして、セル５は、Ｏリング７を挟むようにして積層される。ここで、電池反応用ガスは、ガスケット６により電池反応用ガスが外部に漏出しないようシールされ、冷却剤は、Ｏリング７によって外部に漏出しないようシールされている。
【００５１】
次に本発明を特徴付ける高分子電解質型燃料電池システムの電気的構成を説明する。
【００５２】
図４は図３のＺ部拡大図、図５は図３のＹ部拡大図である。図６は、本実施の形態に係る高分子電解質型燃料電池システムのセパレータ４の表裏の平面図、側面図及びVIｄ−VIｄ線断面の断面図である。なお、本実施の形態に係る要部は全てのセパレータ４に共通であることから、セパレータ４の種別毎の図面は省略した。図７は、本実施の形態に係る高分子電解質型燃料電池システムのスタック８の要部断面と加熱用回路１５及び短絡用回路１６の概略構成を示す回路図である。
【００５３】
図３乃至図５に示すように、本実施の形態に係る高分子電解質型燃料電池システムは、スタック８と、全てのセパレータ４を並列に接続し、かつセパレータ４の主面に平行な方向（以下、面方向という）の両端に電圧を印加する加熱用回路１５と、隣接するセパレータ４，４間に短絡用抵抗Ｒ１が介在するようにして、全てのセパレータ４，４間を短絡する短絡用回路１６と、スタック８の集電板１２，１２間、より具体的には出力端子１２ａ，１２ａ間を起動停止用可変抵抗Ｒ２を介して短絡させる起動停止用回路１７と、セパレータ４の一端と加熱用回路１５あるいは短絡用回路１６との接続あるいは遮断を、全てのセパレータ４について行う短絡加熱用スイッチ機構（開閉手段）ＳＷ１と、セパレータ４の前記一端に対向する端（以下、他端という）と加熱用回路１５との接続あるいは遮断を、全てのセパレータ４について行う加熱用スイッチ機構（開閉手段）ＳＷ２と、集電板１２，１２間に起動停止用回路１７と外部負荷３１につながる出力回路１８とを選択的に接続あるいは遮断を行う起動停止用スイッチ（開閉手段）ＳＷ３と、集電板１２，１２間の電圧を検出するための電圧検出手段Ｔ１と、集電板１２，１２間の電流を検出するための電流検出手段Ｔ２と、スタック８の温度を検出するための温度検出手段Ｔ３と、これらの検出手段Ｔ１乃至Ｔ３によって検出された電圧、電流、あるいは温度が所定の値に達したか否かを判定し、その結果判定に基づいて、起動停止用可変抵抗Ｒ２、短絡加熱用スイッチ機構ＳＷ１、加熱用スイッチ機構ＳＷ２及び起動停止用スイッチＳＷ３を制御する制御装置３０とを有する。
【００５４】
短絡加熱用スイッチ機構ＳＷ１は、図４に示すように、全てのセパレータ４の面方向の一端それぞれに配設される短絡加熱用スイッチＳＷ１’を有する。そして、短絡加熱用スイッチＳＷ１’は、加熱用回路１５との接続、短絡用回路１６との接続、及び遮断を選択的に行うことができるように構成されている。
【００５５】
加熱用スイッチ機構ＳＷ２は、図５に示すように、セパレータ４の他端において、短絡加熱用スイッチ機構ＳＷ１と同様に、全てのセパレータ４それぞれに配設される加熱用スイッチＳＷ２’を有する。そして、加熱用スイッチＳＷ２’は、加熱用回路１５との接続及び遮断を選択的に行うことができるように構成されている。
【００５６】
セパレータ４は、図６に示すように、矩形の板状の形状を有する。ここで、セパレータ４は、主に黒鉛で構成され、比抵抗ρが０．０２Ω・ｃｍ程度の比較的高い導電性を有している。このため、その厚さ方向の抵抗は極めて低いが、その面方向には、通電距離が長くなり、抵抗は大きくなることから、セパレータ４の面方向に適宜電圧を印加すれば、好適な容量の発熱体として機能する。この場合、長軸方向に電圧を印加することが好ましい。しかも、電気化学反応の場であるＭＥＡ３の隣接部材であるセパレータ４を直接的に加熱することで、高分子電解質型燃料電池システムの暖機を時間面及びエネルギー消費面の双方で効率化することができる。
【００５７】
具体的には、図６に示すように、セパレータ４の長軸方向における両側の端面には、それぞれの端面のほぼ全長にわたるように矩形の凸部からなる接触端子４ａが形成されている。接触端子４ａは、セパレータ４より薄い厚みを有している。このセパレータ４の一方の接触端子４ａに短絡加熱用スイッチＳＷ１’が接続され、他方の接触端子４ａに加熱用スイッチＳＷ２’が接続される。
【００５８】
短絡加熱用スイッチＳＷ１’及び加熱用スイッチＳＷ２’は、図６に示すように、コネクタ２１及びリード線２０を用いて、セパレータ４の接触端子４ａに接続される。コネクタ２１は、半開放の箱状の枠体２１ａと導体接触子１９とを有している。枠体２１ａは、ここでは樹脂で構成され、セパレータ４の接触端子４ａに嵌合するように形成されている。導体接触子１９は、金属板で構成され、図６（ｄ）に示すように、この金属板がＵ字状に屈曲され、さらこのＵ字状の金属板の２つの先端部１９ａが、双方共にさらに内方に折り曲げられた形状を有している。この導体接触子１９が枠体２１ａの内部空間に収納されていて、Ｕ字形状の導体接触子１９の基部から枠体２１ａを貫通してリード線２０が外部に引き出されている。コネクタ２１は、導体接触子１９の先端部１９ａが仮想線で示す自由状態たる閉じた状態からセパレータ４の接触端子４ａによって押し拡げられるようにして該接触端子４ａに差し込まれる。これより、導体接触子１９は、板バネとして、枠体２１ａの内面から反力を受けて接触端子４ａを押圧し、それにより、該接触端子４ａを狭持する。かかる構造によって、導体接触子１９のセパレータ４との接触面積は大きくなり、より大きな電流がセパレータ４に流れるようになり、セパレータ４でのジュール熱を得やすくすることができ、かつ導体接続子１９とセパレータ４との着脱を容易にすることができる。
【００５９】
加熱用回路１５は、図３及び図７に示すように、加熱用電源２９と、加熱用電源２９の一端を短絡加熱用スイッチ機構ＳＷ１に接続する配線１５ａと加熱用電源２９の他端を加熱用スイッチ機構ＳＷ２に接続する配線１５ｂとを有している。加熱用回路１５において、全てのセパレータ４は、短絡加熱用スイッチ機構ＳＷ１及び加熱用スイッチ機構ＳＷ２を介して、並列に接続される。これは、ＭＥＡ３を挟む２つのセパレータ４，４の電位に差異が生じると、間のＭＥＡ３に電圧が印加され、このＭＥＡ３の性能低下につながるおそれがあることから、隣接するセパレータ４，４間に電位差が発生しない状態、すなわち、ＭＥＡ３に電圧がかからない状態の下で、セパレータ４へ電圧を印加するためである。
【００６０】
加熱用電源２９は、ここでは、二次電池で構成されている。二次電池の例としては鉛蓄電池が挙げられる。ここで、二次電池を用いる理由について説明する。セパレータ４の加熱はセパレータ４をジュール熱で発熱させることによって行われる。そして、黒鉛からなるセパレータ４は、導電性に優れることから、セパレータ４をジュール熱によって発熱させるには、大きな電流を要する。しかしながら、一般家庭など商用電源では電気容量（３０Ａ程度）の制約がある。そこで、加熱用電源２９には、低電圧で大きな電流を流しやすい鉛蓄電池のような二次電池を用いることが好ましい。
【００６１】
短絡用回路１６は、図４に示すように、全ての隣接する短絡加熱用スイッチＳＷ１’，ＳＷ１’を、短絡用抵抗Ｒ１を介して結線するよう構成されている。
【００６２】
起動停止用可変抵抗Ｒ２は、一般的な可変抵抗を用いることができる。また、段階的な抵抗値の変更を実現できれば十分である。
【００６３】
電圧検出手段Ｔ１及び電流検出手段Ｔ２は、例えば、電圧計及び電流計で構成され、集電板１４，１４間の電圧及び集電板１４，１４間を流れる電流をそれぞれ検出するように配設される。
【００６４】
温度検出手段Ｔ３は、例えば熱電対で構成され、スタック８に配設される。
【００６５】
制御装置３０は、１００ミリセカンド程度の時間分解能の制御プログラムを有する一般的な制御系が用いられる。例えば、マイコンを用いることができる。
【００６６】
次に、以上のように構成された本実施の形態に係る高分子電解質型燃料電池システムの動作を説明する。なお、かかる動作は、電圧検出手段Ｔ１、電流検出手段Ｔ２及び温度検出手段Ｔ３の電圧、電流及び温度に基づいて、制御装置３０が短絡加熱用スイッチ機構ＳＷ１，起動停止用スイッチＳＷ３、加熱用スイッチ機構ＳＷ２及び起動停止用可変抵抗Ｒ２を制御することによって実現される。図８は、本実施の形態に係る高分子電解質型燃料電池システムの暖機時における動作を示すフローチャートである。図９は、本実施の形態に係る高分子電解質型燃料電池システムの起動時における動作を示すフローチャートである。図１０は、本実施の形態に係る高分子電解質型燃料電池システムの停止時における動作を示すフローチャートである。図１１は、本実施の形態に係る高分子電解質型燃料電池システムの待機時における動作を示すフローチャートである。
【００６７】
高分子電解質型燃料電池システムの起動前の暖機時には、図８に示すように、ステップＳ１の暖機開始後、ステップＳ２において、短絡加熱用スイッチ機構ＳＷ１及び加熱用スイッチ機構ＳＷ２によって、セパレータ４が加熱用回路１５に接続される。これにより、全てのセパレータ４間が短絡され、かつ面方向に同じ電圧がかかり、セパレータ４はジュール抵抗により発熱する。なお、セパレータ４が加熱用回路１５に接続されている時には、起動停止用スイッチＳＷ３は遮断、あるいは起動停止用可変抵抗Ｒ２の抵抗値を高く保った状態として起動停止用回路１７に接続しておくことが好ましい。そして、ステップＳ３において、温度検出手段Ｔ３によって検出されたスタック８の温度Ｔが取得され、ステップＳ４において、温度Ｔが所定の温度Ａと比較される。ここで所定の温度Ａは、高分子電解質型燃料電池システムの作動に適する温度、すなわち触媒の作動温度、例えば白金族金属触媒では６０℃乃至８０℃に設定される。温度Ｔが所定の温度Ａより低い場合は、継続してステップＳ３及び４が繰り返される。また、温度Ｔが所定の温度Ａ以上に達した場合には、ステップＳ５において、短絡加熱用スイッチ機構ＳＷ１及び加熱用スイッチ機構ＳＷ２によってセパレータ４が加熱用回路１５から遮断され、ステップＳ６において、高分子電解質型燃料電池システムの暖機が完了する。
【００６８】
高分子電解質型燃料電池システムの起動時には、図９に示すように、上述のステップＳ６において、高分子電解質型燃料電池システムの暖機が完了すると、まず、ステップＳ７に示すように、起動停止用スイッチＳＷ３によって、集電板１２，１２間に起動停止用回路１７が接続される。そして、スタック８に電池反応用ガスが供給されてスタック８で発電が開始される。その一方、ステップＳ８において、電圧検出手段Ｔ１によって検出された集電板１２，１２間の電圧Ｖが取得され、ステップＳ９において、電圧Ｖが所定の電圧値Ｂと比較される。ここで所定の電圧値Ｂは、高分子電解質型燃料電池のセルの積層数に応じて、セルの平均電圧が過電圧とならない電圧、例えば定格電圧に設定される。そして、一般的なフィードバック制御を用いて、電圧Ｖが所定電圧Ｂを下回る場合にはステップＳ８，９が遂行され、一方、電圧Ｖが所定電圧Ｂ以上である場合には起動停止用可変抵抗Ｒ２を調整するようステップＳ１２，８，９が遂行される。これにより、電圧Ｖが所定の電圧値Ｂに安定するように制御される。次に、電圧Ｖが所定の電圧値Ｂにて安定すると、ステップＳ１０において、起動停止用スイッチＳＷ３によって、集電板１２，１２間に出力回路１８が接続され、ステップＳ１１において、高分子電解質型燃料電池システムの起動が完了する。
【００６９】
なお、加熱用電源２９に二次電池が用いられる場合には、起動停止用回路１７には、起動停止用可変抵抗Ｒ２とともに、二次電池が接続されるよう構成してもよい。このように構成すると、スタック８において発生した余剰電力が加熱用電源２９の充電に有効利用される。
【００７０】
高分子電解質型燃料電池システムの停止時には、スタック８等に残留する電池反応ガスを排除する必要があるが、電気化学反応が継続することによっても、電池反応用ガスが消費され、ひいては残留ガスの排除が促進される。しかし、電気化学反応の継続には、発生電力に応じた適切な電気的負荷をかけなければ、ＭＥＡ３に高電圧が発生し、高分子電解質膜１の損傷や触媒の劣化を招くおそれがある。また、残留ガスがおおよそ消費され、高分子電解質型燃料電池システムに高電圧が発生するおそれが解消されても、スタック８等に残存する燃料ガスが枯渇するまではＭＥＡ３では電極反応が発生するおそれが残る。そこで、短絡用回路１６によって、隣接するセパレータ４，４間（正確にはセル５を構成するセパレータ４，４間）が適当な短絡用抵抗Ｒ１を介して短絡されることによって、ＭＥＡ３における高電圧の発生が防止されるとともに、残存する燃料ガスの反応が促進され、ＭＥＡ３における電圧の発生が防止される。
【００７１】
具体的には、高分子電解質型燃料電池システムの停止時においては、電池反応用のガスの供給が停止されるとともに、図１０に示すように、ステップ１３において停止開始後、ステップＳ１４において、起動停止用スイッチＳＷ３によって、集電板１２，１２間に起動停止用回路１７が接続される。次いで、ステップＳ１５において、電圧検出手段Ｔ１によって検出された集電板１２，１２間の電圧Ｖが取得され、ステップＳ１６において、電圧Ｖが所定の電圧値Ｂと比較される。そして、一般的なフィードバック制御を用いて、ステップＳ２１、１５、１６を遂行することにより、電圧Ｖが安定するように起動停止用可変抵抗Ｒ２が調整される。前述した起動時の動作と同様である。一方、スタック８において、残留する電池反応用ガスの減少により、電圧Ｖが所定の電圧値Ｂを下回り始めると、ステップＳ１７において、電流検出手段Ｔ２によって集電板１２，１２間に流れる電流Ｘが検出され、ステップＳ１８において、電流Ｘが所定の電流値Ｃと比較される。ここで所定の電流値Ｃは、定格電流の１／１００程度に設定することが好ましい。電流Ｘが所定の電流値Ｃ以上である場合は、ステップＳ１７，１８が繰り返される。電流Ｘが所定の電流値Ｃ未満に低下すると、ステップＳ１９において、短絡加熱用スイッチ機構ＳＷ１によって、セパレータ４が短絡用回路１６に接続され、これにより、ステップＳ２０において、高分子電解質型燃料電池システムの停止が完了する。この状態を高分子電解質型燃料電池システム再起動時まで保つことによって、高分子電解質膜や触媒に損傷を与えるおそれのない高分子電解質型燃料電池システムの停止状態を維持することが実現できる。
【００７２】
なお、加熱用電源２９に二次電池が用いられる場合には、起動停止用回路１７に、起動停止用可変抵抗Ｒ２とともに、二次電池が接続されるよう構成することが好ましい。このように構成すると、スタック８で発生する余剰電力が加熱用電源２９の充電に有効利用される。
【００７３】
高分子電解質型燃料電池システムの待機時には、図１１に示すように、ステップＳ２０において高分子電解質型燃料電池システムの停止が完了すると、ステップＳ３１において、温度検出手段Ｔ３によって検出されたスタック８の温度Ｔが取得され、ステップＳ３２に示すように、温度Ｔが所定の温度Ｄと比較される。ここで所定の温度Ｄは、スタック８内部の凍結のおそれがある温度、すなわち、１℃乃至２℃程度に設定することが好ましい。温度Ｔが所定の温度Ｄより高い場合には、ステップＳ３１，３２が繰り返される。温度Ｔが所定の温度Ｄ以下になった場合には、ステップＳ３３及びステップＳ３４において、短絡加熱用スイッチ機構ＳＷ１及び加熱用スイッチ機構ＳＷ２によって、セパレータ４が加熱用回路１５に接続される。そして、ステップＳ３５において、温度検出手段Ｔ３によって検出されたスタック８の温度Ｔが取得され、ステップＳ３６において、温度Ｔが所定の温度Ｅと比較される。ここで所定の温度Ｅは、所定の温度Ｄよりも数度高い温度に設定することが好ましい。温度Ｔが所定の温度Ｅ未満である場合には、ステップＳ３５，３６が繰り返される。温度Ｔが所定の温度Ｅ以上になった場合には、ステップＳ３７及びステップＳ３８において、短絡加熱用スイッチ機構ＳＷ１及び加熱用スイッチ機構ＳＷ２が遮断され、かつ短絡加熱用スイッチ機構ＳＷ１によって、セパレータ４が短絡用回路１６に接続される。
【００７４】
次いで、ステップＳ３１に戻り、それ以降のステップが繰り返されることにより、待機状態が継続する。これによって、寒冷地など周囲温度が低い（０℃以下）場合においても、スタック８内部の温度が０℃を下回らないように凍結防止を図る高分子電解質型燃料電池システムの待機状態を維持することができる。
［実施例１］
本実施の形態の実施例として以下のような高分子電解質型燃料電池システムを作製した。
【００７５】
短絡加熱用スイッチ機構ＳＷ１及び加熱用スイッチ機構ＳＷ２には、一般的なリレーを用いた。
【００７６】
短絡用抵抗Ｒ１には、３Ωのシャント抵抗を用いた。
【００７７】
加熱用電源２９には、６Ｖ−５００ＷＨｒの鉛蓄電池（松下電池工業株式会社試作品）を用いた。
【００７８】
スタック８には、セルを６０個積層し、出力電流密度０．１８Ａ／ｃｍ２、電気出力約１．２ＫＷの高分子電解質型燃料電池システムとした。主材料はフェノール樹脂（約２５％）と黒鉛であり、熱間プレス成形法により製作した。
【００７９】
セパレータ４には、図６の形状のものを使用した。電極面積は１５０ｃｍ２（１００×１５０ｍｍ）、加熱用回路１５あるいは短絡用回路１６の接続部を除く外寸は１４０×２５０ｍｍ×厚さ２．５ｍｍ、加熱用回路１５あるいは短絡用回路１６の接続部は１２０×２５ｍｍ×厚さ０．８ｍｍとした。重量は約１３０ｇであった。ここで、セパレータ４の一部を切り出して１０ｍｍ×２．５ｍｍのテストピースとし、この面方向の抵抗値を測定すると５．３８ｍΩであった。下記（１）式より、抵抗定数ρ＝０．００２１５２Ω・ｍｍが得られた。また、比熱を測定すると０．２２Ｋｃａｌ／℃・ｋｇであった。
【００８０】
抵抗値（Ω）＝抵抗定数ρ（Ω・ｍｍ）×（長さ（ｍｍ）/面積（ｍｍ２））・・・（１）
したがって、仮に、セパレータ４が単純な平板であれば、理論上の抵抗値は、０．００２１５２×（２５０／（１４０×２．５））＝０．１５４Ωとなる。しかし、図６のようにセパレータ４の両端に導体接触子１９，１９を接続し、リード線２０，２０間の抵抗値を測定すると、０．４６Ωであった。セパレータ４の両端の形状、各種のマニフォールド９Ａ、９Ｂ、１０Ａ、１０Ｂ、１１Ａ、１１Ｂなどの形状効果により、抵抗値が高まったものと推察される。
【００８１】
以上より、加熱用電源２９を用いて、セパレータ４を発熱体とした場合の発熱体容量は、下記（２）式のとおり、約７８Ｗとなる。
【００８２】
セパレータ発熱体容量＝電圧×電流＝電圧×電圧/抵抗
＝６×６／０．４６＝７８Ｗ・・・（２）
スタック８の全てのセパレータ数は１２０枚であることから、スタック８の発熱体容量は、下記（３）式のとおり、約９．３ＫＷとなる。
【００８３】
スタック発熱容量＝７８Ｗ×１２０枚＝９．３ＫＷ・・・（３）
室温（２０℃）から高分子電解質型燃料電池システム動作温度（７０℃）までの昇温にかかる時間は、下記（４）式乃至（８）式のとおり、約１分半となる。
【００８４】
セパレータ４の１枚１分間当たりの発熱量
＝０．０７８ＫＷ×８６０（Ｋｃａｌ／ＫＷ）／６０
＝１．１１８Ｋｃａｌ／ｍｉｎ・・・（４）
セパレータ４の熱容量＝
０．２２Ｋｃａｌ／℃・ｋｇ×０．１３０ｋｇ＝０．０２８６Ｋｃａｌ／℃・・・（５）
セパレータ４に付着しうる水の熱容量
＝１５０ｃｍ２／２（溝面積）×０．０８ｃｍ（溝深さ）
＝６ｃｍ３＝０．００６Ｋｃａｌ／℃・・・（６）
セパレータ４の温度上昇速度
＝１．１１８（Ｋｃａｌ／ｍｉｎ）／（０．０２８６＋０．００６）（Ｋｃａｌ／℃）＝３２．３℃／ｍｉｎ・・・（７）
昇温の所要時間＝（７０℃−２０℃）／３２℃／ｍｉｎ＝１．５５ｍｉｎ・・・（８）
以上のような高分子電解質型燃料電池システムを用いて、本実施の形態に係る高分子電解質型燃料電池システムの暖機から定格運転、そして停止に至るまでの運転試験を行った。
【００８５】
起動時の起動停止用可変抵抗Ｒ２は、スタック８のセル平均電圧が、燃料ガス（水素）を流してから０．７８Ｖを維持するような制御を行った。また、冷却剤は、スタック８の昇温を早めるべく、最初は流量を絞り、徐々に定格流量に上げていく制御を行った。また、停止時の起動停止用可変抵抗Ｒ２は、スタック８のセル平均電圧が、燃料ガス（水素）の供給停止から０．７８Ｖを維持するような制御を行った。そして、高分子電解質型燃料電池システム出力の電流量が定格の１／１００に達した時点で起動停止用スイッチＳＷ３によって、集電板１２，１２間と起動停止用回路１７とを遮断するとともに、短絡加熱用スイッチ機構ＳＷ１によってセパレータ４を短絡用回路１６に接続して、全てのセパレータ４を、短絡用抵抗Ｒ１を介した短絡状態においた。
【００８６】
なお、本実施の形態に係る高分子電解質型燃料電池システムの待機方法については、温度検出手段Ｔ３によって検出される温度に基づいて、短絡加熱用スイッチ機構ＳＷ１と加熱用スイッチ機構ＳＷ２とを制御する。前述の高分子電解質型燃料電池システムの暖機時と同様の動作であることから、動作試験は省略した。
［比較例１］
他方、比較例１として、従来の構造の高分子電解質型燃料電池システムを作製し、
従来の方法による暖機、起動及び停止の運転を行った。
【００８７】
高分子電解質型燃料電池システムの暖機方法は、冷却水を加熱するという方法を採用した。比較例１に係る高分子電解質型燃料電池システムの暖機の所要時間は以下の通りと計算できる。セパレータ４の重量は、スタック８の熱容量は３．４Ｋｃａｌ／℃（＝０．０２８６Ｋｃａｌ／℃×１２０枚）である。また、冷却水量（出願人の２００２年度試作機）は約２リットル程度、熱容量にして２Ｋｃａｌ／℃である。したがって、比較例１に係る高分子電解質型燃料電池システムの熱容量は５．４Ｋｃａｌ／℃となる。また、冷却水ヒータの容量を約１ＫＷ（＝８６０Ｋｃａｌ）とした。熱効率を１００％と仮定しても、昇温にかかる時間は約１５分（＝５．４Ｋｃａｌ／℃×（７０℃−２０℃）／８６０Ｋｃａｌ×６０ｍｉｎ）要することになる。しかしながら、実際には熱交換器、配管などスタック以外の熱容量や各構成要素からの放熱があるため、倍近くの時間を必要とするのが通常である。また、高分子電解質型燃料電池システムの停止方法は不活性ガス（窒素）により燃料ガスをパージするという従来の停止方法を採用した。
【００８８】
図１２は、実施例１に係る高分子電解質型燃料電池システムの室温からの暖機と起動の特性を示す。また、図１３は、比較例１に係る高分子電解質型燃料電池システムの室温からの暖機と起動の特性を示す。
【００８９】
実施例１の高分子電解質型燃料電池システムの暖機にかかる時間は、図１２に示すように、約２分であった。（８）式の計算結果より若干遅いが、これはスタック外への放熱等の影響であるものと推察できる。他方、比較例１の高分子電解質型燃料電池システムの暖機にかかる時間は、図１３に示すように３０分弱であった。このように、本発明によって、高分子電解質型燃料電池システムの暖機に係る時間を大幅に短縮することができた。
【００９０】
また、図１２及び図１３において、符号Ａは、燃料ガス（水素）の供給開始時を示し、符号Ｂは、電気機器などの外部負荷の開始時を示す。図１２に示すように、実施例１の高分子電解質型燃料電池システム起動時においては、高分子電解質型燃料電池システムが高電圧出力にはならずに電圧が安定している。他方、図１３に示すように、比較例１の高分子電解質型燃料電池システム起動時においては、１Ｖ程度までの高電圧出力を生じている。本発明によって、高分子電解質型燃料電池システムのセル５に生じる高電圧を回避することができた。
【００９１】
また、比較例１においては、燃料ガス（水素）供給開始時Ａの直後に大きな負荷を与えた場合には、電気機器など外部の負荷の損傷や高分子電解質型燃料電池システムの電極の転極が生じるので、1分内外の待機時間を置いてから外部の負荷と接続する方法が一般的となる。結局、高分子電解質型燃料電池システムの暖機開始後、外部の電気機器を稼働させることができるのは、比較例１においては３０分程度かかるのに対し、実施例１では５分強であり、高分子電解質型燃料電池システムの起動までに要する時間を大幅に短縮できた。
【００９２】
また、図１４は、実施例１に係る高分子電解質型燃料電池システムの停止時の特性を示す。図において符号Ｃは実施例１の停止操作開始時を示す。燃料ガス（水素）の供給を停止するとともに、起動停止用スイッチＳＷ３によって、集電板１２，１２間を起動停止用回路１７に接続した。図中Ｄは、短絡加熱用スイッチ機構ＳＷ１によって、セパレータ４を短絡用回路１６に接続した時期を示す。また、図１５は、比較例１に係る高分子電解質型燃料電池システムの停止特性を示す。図中Ｅは比較例１の停止操作開始時であり、集電板１２，１２間と出力回路１８との接続を遮断し、高分子電解質型燃料電池システム内の燃料ガスのパージを開始した。図中Ｆは、燃料ガスのパージを停止した時期を示す。
【００９３】
図１４に示すように、実施例１においては、停止操作開始時Ｃである燃料ガス（水素）の供給停止時以後も、残留する燃料ガスの電気化学反応によって生じる電圧が一定になるように起動停止用可変抵抗Ｒ２を制御した。そして、停止操作開始時Ｃの約３分後には、短絡加熱用スイッチ機構ＳＷ１によって、セパレータ４を短絡用回路１６に接続し、隣接するセパレータ４，４間に短絡用抵抗Ｒ１を介しながら、全てのセパレータ４を短絡させた。かかる短絡の時期Ｄは、電流検出手段Ｔ２の電流値が定格値（電流密度０．１８Ａ／ｃｍ２×電極面積１５０ｃｍ２＝２７Ａ）の１／１００（０．２７Ａ）になった時点とした。停止操作開始時Ｃから停止操作の完了までは４分弱であった。他方、比較例１においては、図１５に示すように、燃料ガスのパージによっても高分子電解質型燃料電池システムの電圧が充分に落ちるには数十分かかった。しかも、ガスパージの停止時Ｆ以後には、ＭＥＡ３内部などに吸着してパージできなかった燃料ガスによるものと推察される電圧の発生が見られたことから、高電圧による電池性能の劣化の悪影響が懸念された。
【００９４】
実施例１と比較例１において、起動、定格運転４時間そして停止のサイクルを１００回繰り返し、セル平均電圧の低下を計測したところ、実施例１においては１３．３μＶ／サイクルであったのに対し、比較例１においては１５６μＶ／サイクルであった。本発明によって、高分子電解質型燃料電池システムの性能劣化の改善を実現することができた。
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る高分子電解質型燃料電池システムは、実施の形態１における起動停止用スイッチＳＷ３及び起動停止用可変抵抗Ｒ２の構成と、制御装置３０の制御対象を除いて、実施の形態１と同様である。したがって、本実施の形態では、起動停止用スイッチＳＷ３及び起動停止用可変抵抗Ｒ２の構成と、制御装置３０の制御対象について、実施の形態１との相違部分を説明する。
【００９５】
図１６は、本実施の形態に係る起動停止用スイッチ機構ＳＷ３’と起動停止用可変抵抗Ｒ２の構成を示す模式図である。
【００９６】
図１６に示すように、起動停止用スイッチ機構ＳＷ３’は、複数の起動停止用スイッチＳＷ３−０乃至３−１０を有する。そして、起動停止用スイッチＳＷ３−１乃至ＳＷ３−１０にはそれぞれ抵抗Ｒ２−１乃至Ｒ２−１０が接続されている。つまり、起動停止用回路１７は、起動停止用スイッチＳＷ３−１乃至ＳＷ３−１０と抵抗Ｒ２−１乃至Ｒ２−１０とを有するそれぞれの回路が並列に結線されている構成となっている。そして、制御装置３０によって、起動停止用スイッチＳＷ３−０乃至ＳＷ３−１０の開閉を制御することによって、起動停止用回路１７に繋がれる抵抗が変化する。これによって、起動停止用回路１７の段階的な抵抗値の可変を実現することができる。また、外部負荷につながる出力回路１８との接続あるいは遮断は、起動停止用スイッチＳＷ３−０によって行われる。
【００９７】
したがって、制御装置３０は、起動停止用回路１７と出力回路１８との切換については、起動停止用スイッチＳＷ３−０を制御し、起動停止用可変抵抗Ｒ２の制御の代わりに、起動停止用スイッチＳＷ３−１乃至ＳＷ３−１０の接続を適宜制御する。
【００９８】
この起動停止用スイッチＳＷ３−０乃至ＳＷ３−１０には、一般的に用いられるスイッチング機器を用いることができる。
【００９９】
また、以上のように構成された本実施の形態に係る高分子電解質型燃料電池システムの動作についても、実施の形態１との相違部分である、起動停止用スイッチ機構ＳＷ３’を制御する部分、すなわち高分子電解質型燃料電池システムの起動時と停止時における動作を説明する。かかる動作は制御装置３０によって制御することができる。
【０１００】
高分子電解質型燃料電池の起動時には、図１６においては、起動停止用スイッチＳＷ３−０によって、集電板１２，１２間に起動停止用回路１７を接続する。そして、電圧検出手段Ｔ１の電圧に基づいて、複数の起動停止用スイッチＳＷ３−１乃至ＳＷ３−１０を逐次開閉し、起動停止用回路１７の抵抗値を変化させ、定格電圧で安定した時点で起動停止用スイッチＳＷ３−０によって、集電板１２，１２間に出力回路１８を接続する。高分子電解質型燃料電池の停止時においても、同様に、起動停止用スイッチＳＷ３−０によって、集電板１２，１２間に起動停止用回路１７を接続し、電圧検出手段Ｔ１によって検出される電圧に基づいて、複数の起動停止用スイッチＳＷ３−１乃至ＳＷ３−１０を逐次開閉し、起動停止用回路１７の抵抗値を変化させる。
（実施の形態３）
本実施の形態に係る高分子電解質型燃料電池システムは、短絡加熱用スイッチ機構ＳＷ１及び加熱用スイッチ機構ＳＷ２の構造を除いて、実施の形態１と同様である。したがって、本実施の形態では、実施の形態１との相違部分である短絡加熱用スイッチ機構ＳＷ１及び加熱用スイッチ機構ＳＷ２について説明する。
【０１０１】
図１７ａ乃至図１７ｃは、本実施の形態に係るスタック８と短絡加熱用スイッチ機構ＳＷ１との構成を示す断面図である。図１７ａは遮断時の状態を示す。図１７ｂは加熱用回路１５との接続状態を示す。図１７ｃは短絡用回路１６との接続状態を示す。図１８ａ及び図１８ｂは、本実施の形態に係るスタック８と加熱用スイッチ機構ＳＷ２との構成を示す断面図である。図１８ａは遮断時の状態を示す。図１８ｂは接続時の状態を示す。図１７ａ乃至図１７ｃにおいて、図２及び図７と同一又は相当する部分には同一符号を付してその説明を省略する。
【０１０２】
図１７ａ乃至図１７ｃに示すように、本実施形態のスタック８では、セパレータ４の一端側に、該セパレータ４の配列方向に延びるように直線状の案内枠２４が配設されている。案内枠２４は、ここでは樹脂で構成されている。案内枠２４には、セパレータ４の導体接触子４ａとの間に位置し、かつ該案内枠２４の延在方向（図１７ａ乃至図１７ｃの矢印方向）に摺動自在なように金属製のスライドバー２２が取り付けられている。スライドバー２２には、複数対の導体接触子２３と半導体接触子２５が、各対の導体接触子２３及び半導体接触子２５が隣接するセパレータ４の接触端子４ａの間に位置するようにして配設されている。導体接触子２３と半導体接触子２５は、各対において同じ順序で配置され、スライドバー２２が基準位置にあるとき、図１７ａに示すように、導体接触子２３と半導体接触子２５とは共に、セパレータ４の接触端子４ａに接触せず、スライドバー２２が一方の方向に所定距離移動すると、図１７ｂに示すように、導体接触子２３がその対向するセパレータ４の接触端子４ａと接触し、スライドバー２２が他方の方向に所定距離移動すると、図１７ｃに示すように、半導体接触子２５がその対向するセパレータ４の接触端子４ａと接触するよう配置されている。この案内枠２４、スライドバー２２、導体接触子２３、及び半導体接触子２５が短絡加熱用スイッチ機構ＳＷ１を構成している。
【０１０３】
スライドバー２２は加熱用回路１５に接続されている。また、半導体接触子２５は、金属板に半導体薄膜を形成することによって構成されている。かかる半導体薄膜の膜厚等の調整によって、スライドバー２２とセパレータ４との間の電気抵抗が調整され、短絡用回路１６に好適な短絡用抵抗Ｒ１を実現することができる。このようにして、短絡用抵抗Ｒ１は短絡加熱用スイッチ機構ＳＷ１の接触子の電気抵抗として一体化されることとなり、かつスライドバー２２自体が短絡用回路１６となることで、高分子電解質型燃料電池システムの構成をコンパクト化することができる。
【０１０４】
また、図１８ａ及び図１８ｂに示すように、本実施形態のスタック８では、スライドバー２２とはセパレータ４の他端側に、該セパレータ４の配列方向に延びるように直線状の案内枠２８が配設されている。案内枠２８は、ここでは樹脂で構成されている。案内枠２８には、セパレータ４の導体接触子４ａとの間に位置しかつ該案内枠２８の延在方向（図１８ａ及び図１８ｂの矢印方向）に摺動自在なように金属製のスライドバー２６が取り付けられている。スライドバー２６には、複数の導体接触子２７が、隣接するセパレータ４の接触端子４ａの間に位置するようにして配設されている。導体接触子２７は、スライドバー２６が基準位置にあるとき、図１８ａに示すように、導体接触子２７はセパレータ４の接触端子４ａに接触せず、スライドバー２７が一方の方向に所定距離移動すると、図１８ｂに示すように、導体接触子２７がその対向するセパレータ４の接触端子４ａと接触するよう配置されている。そして、スライドバー２６は加熱用回路１５に接続されている。
【０１０５】
この案内枠２８、スライドバー２６、及び導体接触子２７が加熱用スイッチ機構ＳＷ２を構成している。
【０１０６】
次に、以上のように構成された本実施の形態に係る高分子電解質型燃料電池システムの動作についても、実施の形態１との相違部分である短絡加熱用スイッチ機構ＳＷ１及び加熱用スイッチ機構ＳＷ２の動作について説明する。かかる動作は制御装置３０によって制御される。
【０１０７】
高分子電解質型燃料電池システムの暖機時には、短絡加熱用スイッチ機構ＳＷ１では、図１７ｂに示すように、一斉に、導体接触子２３とセパレータ４の接触端子４ａが接触し、スライドバー２２を介して、全てのセパレータ４は短絡している。また、加熱用スイッチ機構ＳＷ２では、図１８ｂに示すように、一斉に、導体接触子２７とセパレータ４の接触端子４ａが接触し、スライドバー２６を介して、全てのセパレータが短絡している。そして、加熱用回路１５及びスライドバー２２，２６を通じて、加熱用電源２９によって、全てのセパレータ４の面方向両端間に電圧がかかり、セパレータ４はジュール熱により発熱する。
【０１０８】
高分子電解質型燃料電池システムの起動時には、短絡加熱用スイッチ機構ＳＷ１は、図１７ａに示すように、スライドバー２２がスライドされ、全てのセパレータ４について、一斉に、導体接触子２３及び半導体接触子２５ともに非接触、すなわち遮断状態となり、加熱用スイッチ機構ＳＷ２も同様に、図１８ａに示すように、スライドバー２６がスライドされ、全てのセパレータ４について、一斉に、導体接触子２７を非接触、すなわち遮断状態となる。
【０１０９】
高分子電解質型燃料電池システムの停止時には、電流検出手段Ｔ２の電流が所定値以下になった後には、短絡加熱用スイッチ機構ＳＷ１は、スライドバー２２がスライドされ、一斉に、半導体接触子２５とセパレータ４の接触端子４ａが接触し、スライドバー２２を介して、全てのセパレータ４が短絡される。これによって、隣接するセパレータ４，４間は、半導体接触子２５の電気抵抗と、スライドバー２２を介して短絡され、ＭＥＡ３における高電圧の発生は防止されるとともに、残存する燃料ガスの反応が促進される。なお、加熱用スイッチ機構ＳＷ２が遮断状態のままにされる。
【０１１０】
［実施例３］
スライドバー２２，２６及び導体接触子２３，２７はそれぞれ厚み３ｍｍ及び０．２ｍｍの銅板（ＪＩＳ−Ｃ２８０４）で構成した。スライドバー２２，２６には導体接触子２３，２７がロウ付けされた。
【０１１１】
また、半導体接触子２５は導体接触子２３に厚み１５０ｎｍのチタン酸バリウムをスパッタリングにより製膜することによって製作された。半導体接触子２５によるセパレータ４との電気抵抗は約２．９Ωであって、実施例1で用いた短絡用抵抗Ｒ１とほぼ同じ抵抗値が得られた。なお、抵抗値自体は、スパッタするチタン酸バリウムの厚みをかえることによって任意に調整可能である。また、スパッタする半導体種、あるいは製膜方法は、上記のものに限られるものではない。
【０１１２】
また、スライドバー２２，２６をソレノイド型マグネット型開閉スイッチでスライド駆動することにより、コンパクトな構成で、簡便かつ容易に短絡加熱用スイッチ機構ＳＷ１及び加熱用スイッチ機構ＳＷ２を実現できた。
【産業上の利用可能性】
【０１１３】
高分子電解質型燃料電池システムの暖機にかかる時間を短縮等することが可能な高分子電解質型燃料電池システム等として有用である。また、高分子電解質型燃料電池システムの暖機にかかる時間を短縮等することが可能な高分子電解質型燃料電池システムの運転方法等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】実施の形態１に係る高分子電解質型燃料電池システムのスタック斜視図である。
【図２】図１のII−II線断面の断面図及びその要部拡大図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る高分子電解質型燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図４】図３のＺ部拡大図である。
【図５】図３のＹ部拡大図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係る高分子電解質型燃料電池システムのセパレータの表裏の平面図、側面図及びVIｄ−VIｄ線断面の断面図である。
【図７】本発明の実施の形態１に係る高分子電解質型燃料電池システムのスタック要部断面と加熱用回路及び短絡用回路の概略構成図である。
【図８】本発明の実施の形態１に係る高分子電解質型燃料電池システムの暖機時における動作を示すフローチャートである。
【図９】本発明の実施の形態１に係る高分子電解質型燃料電池システムの起動時における動作を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の実施の形態１に係る高分子電解質型燃料電池システムの停止時における動作を示すフローチャートである。
【図１１】本発明の実施の形態１に係る高分子電解質型燃料電池システムの待機時における動作を示すフローチャートである。
【図１２】実施例１に係る高分子電解質型燃料電池システムの室温からの暖機と起動の特性である。
【図１３】比較例１に係る高分子電解質型燃料電池システムの室温からの暖機と起動の特性である。
【図１４】実施例１に係る高分子電解質型燃料電池システムの停止時の特性である。
【図１５】比較例１に係る高分子電解質型燃料電池システムの停止時の特性である。
【図１６】本発明の実施の形態２に係る高分子電解質型燃料電池システムの起動停止用スイッチ機構と起動停止用可変抵抗の構成を示す模式図である。
【図１７ａ】本発明の実施の形態３に係るスタックと短絡加熱用スイッチ機構との遮断時における構成を示す断面図である。
【図１７ｂ】本発明の実施の形態３に係るスタックと短絡加熱用スイッチ機構との加熱用回路接続時における構成を示す断面図である。
【図１７ｃ】本発明の実施の形態３に係るスタックと短絡加熱用スイッチ機構との短絡用回路接続時における構成を示す断面図である。
【図１８ａ】本発明の実施の形態３に係るスタックと加熱用スイッチ機構との遮断時における構成を示す断面図である。
【図１８ｂ】本発明の実施の形態３に係るスタックと加熱用スイッチ機構との接続時における構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１１５】
１  高分子電解質膜
２  ガス拡散電極
３  ＭＥＡ
４  セパレータ
４ａ  接触端子
５  セル
６  ガスケット
７  Ｏリング
８  スタック
９Ａ  電池反応用ガス供給マニフォールド
９  電池反応用ガス流路
９Ｂ  電池反応用ガス排出マニフォールド
１０Ａ  冷却剤供給マニフォールド
１０  冷却剤流路
１０Ｂ  冷却剤排出マニフォールド
１１Ａ  電池反応用ガス供給マニフォールド
１１Ｂ  電池反応用ガス排出マニフォールド
１２  集電板
１２ａ  出力端子
１３  絶縁板
１４  端板
１４ａ  締結ボルト
１５  加熱用回路
１５ａ  配線
１５ｂ  配線
１６  短絡用回路
１７  起動停止用回路
１８  出力回路
１９  導体接触子
２０  リード線
２１  樹脂枠体
２２  スライドバー
２３  導体接触子
２４  案内枠
２５  半導体接触子
２６  スライドバー
２７  導体接触子
２８  案内枠
２９  加熱用電源
３０  制御装置
３１  外部負荷
ＳＷ１  短絡加熱用スイッチ機構
ＳＷ１’  短絡加熱用スイッチ
ＳＷ２  加熱用スイッチ機構
ＳＷ２’  加熱用スイッチ
ＳＷ３  起動停止用スイッチ
ＳＷ３’  起動停止用スイッチ機構
Ｒ１  短絡用抵抗
Ｒ２  起動停止用可変抵抗
Ｔ１  電圧検出手段
Ｔ２  電流検出手段
Ｔ３  温度検出手段
【図１】
2005093282.tif 000003
【図２】
2005093282.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】
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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】
2005093282.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
2005093282.tif 000017
【図１６】
2005093282.tif 000018
【図１７ａ】
2005093282.tif 000019
【図１７ｂ】
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【図１７ｃ】
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【図１８ａ】
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【図１８ｂ】
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