(57)【要約】      （修正有）【課題】簡単且つ経済的な構成で、端部セルの昇温遅れによる電圧低下を有効に阻止し、特に低温始動特性を向上させることを可能にする。【解決手段】燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１２を積層した積層体１４を備え、前記積層体１４の積層方向両端には、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂを介装して短絡セル１８が配設される。反応ガス供給機構６０は、各発電セル１２に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段６４と、短絡セル１８に前記発電セル１２とは独立して燃料ガスを供給するための短絡セル用燃料ガス供給手段６６と、前記発電セル１２及び前記短絡セル１８に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段６８とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両側にアノード電極とカソード電極を設けた電解質・電極構造体が、セパレータにより挟持された発電セルを設け、前記発電セルが複数積層されて第１及び第２反応ガスが供給されることにより電力を外部回路に出力可能な積層体を備える燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに前記第１及び第２反応ガスを供給する反応ガス供給機構とを備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックは、アノード電極とカソード電極とが短絡された少なくとも１つの短絡セルを有するとともに、
前記反応ガス供給機構は、前記短絡セルに供給される前記第１及び第２反応ガスの中、少なくとも前記第１反応ガスの供給量が、前記発電セルに供給される前記第１反応ガスの供給量とは異なる供給量となるように制御可能な短絡セル用反応ガス供給手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記短絡セルは、前記積層体の積層方向の少なくとも一方の端部に設けられることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記反応ガス供給機構は、前記発電セルに前記第１反応ガスを供給する第１反応ガス供給手段と、
前記短絡セルに前記発電セルとは個別の配管で前記第１反応ガスを供給する前記短絡セル用反応ガス供給手段と、
前記発電セル及び前記短絡セルに同一配管で前記第２反応ガスを供給する第２反応ガス供給手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記反応ガス供給機構は、前記短絡セル及び前記発電セルに供給される前記第２反応ガスの供給量を一体的に制御するとともに、前記短絡セルに供給される前記第１反応ガスの供給量を、前記発電セルに供給される前記第１反応ガスの供給量とは個別に制御可能な制御部を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記第１反応ガスは燃料ガスであり、前記第２反応ガスは酸化剤ガスであることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記発電セルの電力を前記外部回路に出力するためのターミナルプレートを備え、
前記ターミナルプレートは、前記発電セルが積層された前記積層体と前記短絡セルとの間に配設されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
電解質の両側にアノード電極とカソード電極を設けた電解質・電極構造体が、セパレータにより挟持された発電セルを設け、前記発電セルが複数積層されて第１及び第２反応ガスが供給されることにより電力を外部回路に出力可能な積層体を備える燃料電池スタックであって、
前記積層体の積層方向の少なくとも一方の端部に設けられ、前記第１及び第２反応ガスが供給されるとともに、アノード電極とカソード電極とが短絡された少なくとも１つの短絡セルと、
前記第１反応ガスを前記発電セルに供給する第１反応ガス供給路と、
前記第２反応ガスを前記発電セルに供給する第２反応ガス供給路と、
少なくとも前記第１反応ガスを、前記第１反応ガス流路とは異なる供給量で前記短絡セルに供給可能な短絡セル用反応ガス流路と、
を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質の両側にアノード電極とカソード電極を設けた電解質・電極構造体が、セパレータにより挟持された発電セルを設け、前記発電セルが複数積層されて第１及び第２反応ガスが供給されることにより電力を外部回路に出力可能な積層体を備える燃料電池スタック、及び前記燃料電池スタックに第１及び第２反応ガスを供給する反応ガス供給機構を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜（電解質）の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を設けた電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）を、セパレータによって挟持した発電セルを備える。この種の発電セルは、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ交互に積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この発電セルにおいて、アノード電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう。）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう。）が供給されているために、このカソード電極において、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、燃料電池スタックでは、外部への放熱により他の発電セルに比べて温度低下が引き起こされ易い発電セルが存在している。例えば、積層方向端部に配置されている発電セル（以下、端部セルともいう。）は、例えば、各発電セルによって発電された電荷を集める電力取り出し用ターミナルプレート（集電板）や、積層された発電セルを保持するために設けられたエンドプレート等からの放熱が多く、上記の温度低下が顕著になっている。
【０００５】
この温度低下によって、端部セルでは、燃料電池スタックの中央部分の発電セルに比べて結露が発生し易く、生成水の排出性能が低下し発電性能が低下するという不具合が指摘されている。特に、燃料電池スタックを氷点下環境で始動する際、端部セルで発生した生成水が凍結してしまい、前記端部セルを有効に昇温させることができず、電圧低下が引き起こされるという問題がある。
【０００６】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている固体高分子電解質型燃料電池は、図５に示すように、端部セル１を備えている。この端部セル１は、電解質膜・電極構造体２をセパレータ３、４で挟持している。電解質膜・電極構造体２は、ＰＥ（Polymer Electrolyte）膜２ａの両面に燃料電極２ｂと酸化剤電極２ｃとを設けている。セパレータ３は、燃料電極２ｂに向かう面に燃料ガス用の溝３ａを設ける一方、この面とは反対の面に冷却流体用の溝３ｂを設けている。
【０００７】
端部セル１を構成する外側のセパレータ４は、燃料電極２ｂに向かう面に酸化剤ガス用の溝４ａが設けられる一方、この面とは反対の面には、冷却流体用の溝が形成されていない。これにより、セパレータ４は、冷却流体により冷却され過ぎない構造を採用し、端部セル１の冷やし過ぎを防止している。
【０００８】
【特許文献１】特開平８−１３００２８号公報（段落［００５３］〜［００５５］、図９）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記のように、特許文献１は、端部セル１が冷却流体により冷却され過ぎることを阻止することによって、端部セル１内の結露を防止しながら、発電に伴う燃料電池の自己発熱により発電部全体を加熱して暖機する構造に関するものである。
【００１０】
しかしながら、特に氷点下環境で起動を行う場合は、生成水が凍結しない温度までセル温度を一挙に昇温させなければならず、上記の特許文献１では対応することができないという問題がある。
【００１１】
すなわち、氷点下環境での起動において、生成水の凍結による反応ガス流路の閉塞は、電解質膜・電極構造体を構成する電極内部で発生し易く、反応ガス拡散経路が閉塞されてセル電圧降下が引き起こされる。このため、電極を迅速に０℃以上に昇温させる必要があるが、上記の特許文献１では、前記電極を０℃以上に維持することができない。これにより、端部セル１が急激な電圧降下を引き起こしてしまい、結果的に自己暖機が遂行されないという問題がある。
【００１２】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、発電セルの昇温遅れによる電圧低下を有効に阻止し、特に低温始動特性に優れる燃料電池システム及び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】
【００１３】
本発明の燃料電池システムでは、電解質の両側にアノード電極とカソード電極を設けた電解質・電極構造体が、セパレータにより挟持された発電セルを設け、前記発電セルが複数積層されて第１及び第２反応ガスが供給されることにより電力を外部回路に出力可能な積層体を備える燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに前記第１及び第２反応ガスを供給する反応ガス供給機構とを備えている。
【００１４】
そして、燃料電池スタックは、アノード電極とカソード電極とが短絡された少なくとも１つの短絡セルを有するとともに、反応ガス供給機構は、前記短絡セルに供給される第１及び第２反応ガスの中、少なくとも前記第１反応ガスの供給量が、発電セルに供給される前記第１反応ガスの供給量とは異なる供給量となるように制御可能な短絡セル用反応ガス供給手段を備えている。
【００１５】
また、短絡セルは、積層体の積層方向の少なくとも一方の端部に設けられることが好ましい。積層体の端部からの放熱量が最も大きいため、換言すれば、端部セルが最も冷却され易いため、発熱する短絡セルを介して該端部セルを良好に加温することができる。
【００１６】
さらに、反応ガス供給機構は、発電セルに第１反応ガスを供給する第１反応ガス供給手段と、短絡セルに前記発電セルとは個別の配管で前記第１反応ガスを供給する短絡セル用反応ガス供給手段と、前記発電セル及び前記短絡セルに同一配管で第２反応ガスを供給する第２反応ガス供給手段とを備えることが好ましい。発電セル及び短絡セルに供給される第２反応ガスは、専用の配管が１つでよく、構成の簡素化が図られる。
【００１７】
さらにまた、反応ガス供給機構は、短絡セル及び発電セルに供給される第２反応ガスの供給量を一体的に制御するとともに、前記短絡セルに供給される第１反応ガスの供給量を、前記発電セルに供給される前記第１反応ガスの供給量とは個別に制御可能な制御部を備えることが好ましい。このため、短絡セルに供給される第１反応ガスの供給量を、例えば外気温等に対応してきめ細かに制御することができる。
【００１８】
また、第１反応ガスは燃料ガスであり、前記第２反応ガスは酸化剤ガスであることが好ましい。これにより、燃料電池システムに設けられている空気の供給量制御系、例えばコンプレッサの台数が増加することがなく、経済性に優れる。
【００１９】
さらに、発電セルの電力を外部回路に出力するためのターミナルプレートを備え、前記ターミナルプレートは、前記発電セルが積層された積層体と短絡セルとの間に配設されることが好ましい。最も放熱の大きいターミナルプレートが短絡セルにより暖められるので、前記ターミナルプレートに接続されている発電セル（端部セル）の凍結を回避することができる。
【００２０】
さらにまた、本発明の燃料電池スタックでは、電解質の両側にアノード電極とカソード電極を設けた電解質・電極構造体が、セパレータにより挟持された発電セルを設け、前記発電セルが複数積層されて第１及び第２反応ガスが供給されることにより電力を外部回路に出力可能な積層体を備えている。
【００２１】
燃料電池スタックは、積層体の積層方向の少なくとも一方の端部に設けられ、第１及び第２反応ガスが供給されるとともに、アノード電極とカソード電極とが短絡された少なくとも１つの短絡セルと、前記第１反応ガスを発電セルに供給する第１反応ガス供給路と、前記第２反応ガスを前記発電セルに供給する第２反応ガス供給路と、少なくとも前記第１反応ガスを、前記第１反応ガス流路とは異なる供給量で前記短絡セルに供給可能な短絡セル用第１反応ガス流路とを備えている。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、短絡セルに供給される第１及び第２反応ガスの中、少なくとも第１反応ガスの供給量を、該短絡セルを除く発電セルに供給される第１反応ガスとは異なる供給量に設定することができる。このため、短絡セルは、供給される第１及び第２反応ガスの供給量に応じて発熱を制御することが可能になり、この短絡セルの発熱を利用して低温始動特性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０を組み込む燃料電池システム１１の概略構成説明図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の概略断面図である。
【００２４】
燃料電池スタック１０は、発電セル１２を備え、複数の発電セル１２を矢印Ａ方向に積層して積層体１４が構成される。積層体１４の両端部に配設される発電セル１２は、以下、端部セル１２ａともいう。
【００２５】
積層体１４の積層方向両端部には、負極側ターミナルプレート１６ａ及び正極側ターミナルプレート１６ｂが配設されるとともに、前記ターミナルプレート１６ａ又は前記ターミナルプレート１６ｂの少なくとも一方、本実施形態では、両方に、短絡セル１８が配設される。各短絡セル１８の外方には、絶縁プレート１９ａ、１９ｂとエンドプレート２０ａ、２０ｂとが、順次、設けられる。エンドプレート２０ａ、２０ｂが図示しないタイロッド等によって締め付けられることにより、燃料電池スタック１０が組み付けられる。
【００２６】
図３に示すように、発電セル１２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）２２と、この電解質膜・電極構造体２２を挟持する第１及び第２金属セパレータ２４、２６とを備える。第１及び第２金属セパレータ２４、２６には、後述する連通孔の周囲及び電極面（発電面）の外周を覆って、シール材が一体成形されている。
【００２７】
発電セル１２の矢印Ｂ方向の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔３０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３２ｂ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２８】
発電セル１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを短絡セル１８にのみ供給するための短絡セル用燃料ガス供給連通孔３５、前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３２ａ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２９】
電解質膜・電極構造体２２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３６と、該固体高分子電解質膜３６を挟持して保持するアノード電極３８及びカソード電極４０とを備える（図２及び図３参照）。
【００３０】
アノード電極３８及びカソード電極４０は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に支持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布した電極触媒層とをそれぞれ有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３６の両面に接合されている。
【００３１】
図３に示すように、第１金属セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２２に向かう面２４ａには、酸化剤ガス供給連通孔３０ａと酸化剤ガス排出連通孔３０ｂとに連通する酸化剤ガス流路４６が設けられる。酸化剤ガス流路４６は、例えば、矢印Ｂ方向に延びて存在する複数の溝部とカソード電極４０との間に形成される。
【００３２】
第２金属セパレータ２６の電解質膜・電極構造体２２に向かう面２６ａには、燃料ガス供給連通孔３４ａと燃料ガス排出連通孔３４ｂとに連通する燃料ガス流路４８が形成される。この燃料ガス流路４８は、例えば、矢印Ｂ方向に延びて存在する複数の溝部とアノード電極３８との間に形成される。
【００３３】
第１金属セパレータ２４の面２４ｂと第２金属セパレータ２６の面２６ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔３２ａと冷却媒体排出連通孔３２ｂとに連通する冷却媒体流路５０が形成される。この冷却媒体流路５０は、第１金属セパレータ２４に設けられる複数の溝部と、第２金属セパレータ２６に設けられる複数の溝部とを重ね合わせることにより、矢印Ｂ方向に延びて存在し一体的に構成される。
【００３４】
短絡セル１６は、図２及び図４に示すように、電解質膜・電極構造体２２と、前記電解質膜・電極構造体２２を挟持する第１及び第２金属セパレータ５４、５６とを備える。第１金属セパレータ５４は、発電セル１２を構成する第１金属セパレータ２４と同一に構成されている。
【００３５】
第２金属セパレータ５６の電解質膜・電極構造体２２に向かう面５６ａには、短絡セル用燃料ガス供給連通孔３５と燃料ガス排出連通孔３４ｂとに連通する燃料ガス流路４８ａが形成される。この燃料ガス流路４８ａは、例えば、矢印Ｂ方向に延びて存在する複数の溝部とアノード電極３８との間に形成される。
【００３６】
図２に示すように、第１及び第２金属セパレータ５４、５６は、導電部材５８を介して電気的に接続される。この導電部材５８は、第１及び第２金属セパレータ５４、５６間に、電解質膜・電極構造体２２を周回し、あるいは、所定の長さにわたって複数設けられている。
【００３７】
図１に示すように、燃料電池システム１１は、燃料電池スタック１０に接続される反応ガス供給機構６０及び冷却媒体供給機構６２を備える。反応ガス供給機構６０は、各発電セル１２に燃料ガス（第１反応ガス）を供給するための燃料ガス供給手段（第１反応ガス供給手段）６４と、短絡セル１８に前記発電セル１２とは独立して燃料ガスを供給するための短絡セル用燃料ガス供給手段（短絡セル用反応ガス供給手段）６６と、前記発電セル１２及び前記短絡セル１８に酸化剤ガス（第２反応ガス）を供給する酸化剤ガス供給手段（第２反応ガス供給手段）６８とを備える。
【００３８】
燃料ガス供給手段６４は、燃料電池スタック１０に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路７０と、前記燃料電池スタック１０から未使用の燃料ガスを含む排ガスを排出し、前記排ガスを前記燃料ガス供給流路７０の途上に戻して該燃料電池スタック１０に供給するための燃料ガス循環流路７２とを備える。燃料ガス供給流路７０は、燃料電池スタック１０内の燃料ガス供給連通孔３４ａに連通する一方、燃料ガス循環流路７２は、前記燃料電池スタック１０内の燃料ガス排出連通孔３４ｂに連通する。
【００３９】
燃料ガス供給流路７０には、高圧水素を貯留する燃料タンク（水素タンク）７４と、前記燃料タンク７４から供給される燃料ガスの圧力を減圧するレギュレータ７６と、減圧された前記燃料ガスを燃料電池スタック１０に供給するとともに、燃料ガス循環流路７２から排ガスを吸引して前記燃料電池スタック１０に戻すためのイジェクタ７８とが配設される。燃料ガス循環流路７２には、燃料電池スタック１０に供給される燃料ガスの流量を制御するためのポンプ８０が配設される。
【００４０】
短絡セル用燃料ガス供給手段６６は、燃料ガス供給流路７０から分岐される分岐流路８２を備える。この分岐流路８２には、燃料ガス流量を調整するために、例えば、ガス流量バルブ（又はレギュレータ）８４が設けられるとともに、前記分岐流路８２は、燃料電池スタック１０内の短絡セル用燃料ガス供給連通孔３５に連通する。
【００４１】
酸化剤ガス供給手段６８は、燃料電池スタック１０に空気（酸化剤ガス）を供給する空気供給流路８６と、前記燃料電池スタック１０から排出される未使用の空気を含む排ガスを外部に廃棄するための空気排出流路８８とを備える。空気供給流路８６は、燃料電池スタック１０内の酸化剤ガス供給連通孔３０ａに連通する一方、空気排出流路８８は、前記燃料電池スタック１０内の酸化剤ガス排出連通孔３０ｂに連通する。
【００４２】
空気供給流路８６には、空気を圧縮して供給するためにコンプレッサ（又はスーパーチャージャ）９０が設けられるとともに、前記空気供給流路８６には、加湿器９２がバルブ９４を介して接続自在である。空気排出流路８８には、温度検出器９６が接続され、燃料電池スタック１０から排出される排ガス（空気）の温度が検出される。
【００４３】
冷却媒体供給機構６２は、燃料電池スタック１０に冷却媒体を供給する冷却媒体供給流路９８と、前記燃料電池スタック１０から排出される冷却媒体を前記冷却媒体供給流路９８に戻して該燃料電池スタック１０に供給するための冷却媒体循環流路１００とを備える。冷却媒体供給流路９８は、燃料電池スタック１０内の冷却媒体供給連通孔３２ａに連通する一方、冷却媒体循環流路１００は、前記燃料電池スタック１０内の冷却媒体排出連通孔３２ｂに連通する。
【００４４】
冷却媒体供給流路９８には、冷却媒体を循環させるためのポンプ１０２が設けられるとともに、前記冷却媒体を強制的に冷却するためのラジエータ１０４がバルブ１０６を介して接続可能である。
【００４５】
燃料電池システム１１は、制御部１０８を備える。この制御部１０８には、燃料電池スタック１０に発生する電圧を検出する電圧検出器１１０及び温度検出器９６からそれぞれの検出信号が入力される一方、レギュレータ７６及びガス流量バルブ８４の制御等を行う。
【００４６】
このように構成される燃料電池システム１１の動作について、燃料電池スタック１０との関連で以下に説明する。
【００４７】
図２に示すように、燃料電池スタック１０内では、複数の発電セル１２が積層された積層体１４に対して、水素含有ガス等の燃料ガス、空気等の酸素含有ガスである酸化剤ガス、及び純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体が供給される。
【００４８】
具体的には、図１に示すように、燃料ガス供給手段６４を構成する燃料タンク７４から燃料ガス供給流路７０に供給される燃料ガスは、レギュレータ７６を介して所定の圧力に調整された後、イジェクタ７８を通って燃料電池スタック１０の燃料ガス供給連通孔３４ａに供給される。
【００４９】
一方、酸化剤ガス供給手段６８を構成するコンプレッサ９０の作用下に、空気供給流路８６に空気が供給されると、この空気は、必要に応じて加湿器９２に送られた後、燃料電池スタック１０の酸化剤ガス供給連通孔３０ａに供給される。また、冷却媒体供給機構６２では、ポンプ１０２の作用下に、冷却媒体供給流路９８から燃料電池スタック１０の冷却媒体供給連通孔３２ａに冷却媒体が供給される。
【００５０】
このため、図３に示すように、各発電セル１２では、燃料ガス供給連通孔３４ａから第２金属セパレータ２６の燃料ガス流路４８に燃料ガスが導入され、電解質膜・電極構造体２２を構成するアノード電極３８に沿って移動する。一方、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔３０ａから第１金属セパレータ２４の酸化剤ガス流路４６に導入され、電解質膜・電極構造体２２を構成するカソード電極４０に沿って移動する。
【００５１】
従って、電解質膜・電極構造体２２では、アノード電極３８に供給される燃料ガスと、カソード電極４０に供給される酸化剤ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００５２】
次いで、アノード電極３８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出され、燃料ガス循環流路７２を通って燃料ガス供給流路７０に戻される（図１参照）。同様に、カソード電極４０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出された後、空気排出流路８８に送られる。
【００５３】
さらに、図３に示すように、冷却媒体供給連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２金属セパレータ２４、２６間の冷却媒体流路５０に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２２を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３２ｂから冷却媒体循環流路１００に排出される（図１参照）。
【００５４】
ところで、本実施形態では、図１に示すように、温度検出器９６を介して燃料電池スタック１０の空気出口温度が検出され、その検出結果が制御部１０８に送られる。制御部１０８では、この空気出口温度に基づいて、環境温度が水の凍結温度以下（０℃以下）であると判定されると、氷点下起動用制御が行われる。
【００５５】
すなわち、ガス流量バルブ８４が操作されて、分岐流路８２に所定量の燃料ガスが供給される。このため、燃料ガスは、分岐流路８２から燃料電池スタック１０内の短絡セル用燃料ガス供給連通孔３５に供給される。図３に示すように、短絡セル用燃料ガス供給連通孔３５は、各発電セル１２に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３４ａとは別個の配管を構成しており、前記短絡セル用燃料ガス供給連通孔３５に供給された燃料ガスは、前記発電セル１２に供給されることがなく、短絡セル１８に送られる。
【００５６】
短絡セル１８では、図４に示すように、第２金属セパレータ５６の燃料ガス流路４８ａが短絡セル用燃料ガス供給連通孔３５に連通しており、前記短絡セル用燃料ガス供給連通孔３５から前記燃料ガス流路４８ａに所定量の燃料ガスが供給される。一方、第１金属セパレータ５４では、発電セル１２と同様に、酸化剤ガス供給連通孔３０ａから酸化剤ガス流路４６に酸化剤ガスが供給される。従って、短絡セル１８を構成する電解質膜・電極構造体２２で反応が生じる。
【００５７】
その際、短絡セル１８では、図２に示すように、第１及び第２金属セパレータ５４、５６が、導電部材５８を介して電気的に接続されている。これにより、短絡セル１８は、供給される燃料ガスの供給量に応じて発熱が制御され、この短絡セル１８の発熱を利用して燃料電池スタック１０が昇温される。すなわち、短絡セル１８は、燃料ガスの供給量で熱量が制御されるヒータとしての機能を有し、燃料電池スタック１０を迅速に昇温させることができる。
【００５８】
しかも、短絡セル１８は、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの外側に配設されている。このため、短絡セル１８は、供給される燃料ガスの供給量に応じて発熱し、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂを良好に昇温させることができる。これにより、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの内側に配設されて放熱量が最も大きい端部セル１２ａから前記ターミナルプレート１６ａ、１６ｂへの放熱が抑制される。
【００５９】
従って、本実施形態では、環境温度が低い時に運転を行う場合にも、端部セル１２ａの温度低下を阻止することが可能になり、前記端部セル１２ａの電圧低下を防止して、燃料電池スタック１０の低温始動特性が有効に向上するという効果が得られる。
【００６０】
また、短絡セル１８では、酸化剤ガスの供給用配管として、発電セル１２の酸化剤ガス供給連通孔３０ａと同一の酸化剤ガス供給連通孔３０ａが使用されている。このため、配管構成が簡素化されるとともに、酸化剤ガス供給手段６８を構成するコンプレッサ９０を介し、発電セル１２への酸化剤ガスの供給と短絡セル１８への酸化剤ガスの供給とを行うことができる。これにより、酸化剤ガス供給手段６８全体をコンパクト且つ経済的に構成することが可能になる。
【００６１】
なお、本実施形態では、燃料電池スタック１０内に短絡セル用燃料ガス供給連通孔３５が設けられているが、これに限定されるものではなく、例えば、短絡セル１８に、直接、外部配管を接続してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックを組み込む燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図２】前記燃料電池スタックの概略断面図である。
【図３】前記燃料電池スタックを構成する発電セルの分解斜視説明図である。
【図４】前記燃料電池スタックを構成する短絡セルの分解斜視説明図である。
【図５】特許文献１に開示されている固体高分子電解質型燃料電池の一部断面図である。
【符号の説明】
【００６３】
１０…燃料電池スタック              １２…発電セル
１２ａ…端部セル                    １４…積層体
１６ａ、１６ｂ…ターミナルプレート  １８…短絡セル
２０ａ、２０ｂ…エンドプレート      ２２…電解質膜・電極構造体
２４、２６、５４、５６…金属セパレータ
３０ａ…酸化剤ガス供給連通孔        ３０ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
３２ａ…冷却媒体供給連通孔          ３２ｂ…冷却媒体排出連通孔
３４ａ…燃料ガス供給連通孔          ３４ｂ…燃料ガス排出連通孔
３５…短絡セル用燃料ガス供給連通孔  ３６…固体高分子電解質膜
３８…アノード電極                  ４０…カソード電極
４６…酸化剤ガス流路                ４８、４８ａ…燃料ガス流路
５０…冷却媒体流路                  ６０…反応ガス供給機構
６２…冷却媒体供給機構              ６４…燃料ガス供給手段
６６…短絡セル用燃料ガス供給手段    ６８…酸化剤ガス供給手段
７０…燃料ガス供給流路              ７２…燃料ガス循環流路
７４…燃料タンク                    ７８…イジェクタ
８２…分岐流路                      ８４…ガス流量バルブ
【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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