(57)【要約】【課題】接触抵抗と濃度過電圧とを両立する燃料電池スタックを提供する。【解決手段】単セルを積層した積層セル１を積層方向に締め付ける締付手段６と、この締め付け手段を制御する制御手段９とを備えた燃料電池スタックにおいて、前記制御手段９は、前記積層セルが許容する締付力の範囲を設定し、この締付力範囲を複数に分割する手段（ステップ２）と、分割された締付力毎に前記積層セルを締め付けるように前記締付手段を制御する手段（ステップ２）と、各締付力で締め付けられた時の燃料電池スタックの出力電流または出力電圧を検出する手段（ステップ２）と、検出された出力電流または出力電圧の最大値を出力した締付力を算出する手段（ステップ３）とを備え、前記制御手段は、前記締付手段を制御して、最大値を出力した締付力で前記積層セル１を締め付ける（ステップ７）。【選択図】    図１
2005071627.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極複合体と、この膜電極複合体を挟持し、燃料極と酸化剤極にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するセパレータと、からなる単セルを積層した積層セルと、
この積層セルを積層方向に締め付ける締付手段と、
この締め付け手段を制御する制御手段とを備えた燃料電池スタックにおいて、
前記制御手段は、
前記積層セルが許容する締付力の範囲を設定し、この締付力範囲を複数に分割する手段と、
分割された締付力毎に前記積層セルを締め付けるように前記締付手段を制御する手段と、
各締付力で締め付けられた時の燃料電池スタックの出力電流または出力電圧を検出する手段と、
検出された出力電流または出力電圧のうち最大値を出力した締付力を算出する手段とを備え、
前記制御手段は、前記締付手段を制御して、前記最大値を出力した締付力で前記積層セルを締め付けることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記締付力の範囲を第１の所定間隔で分割する手段と、
前記最大値を出力した締付力を含む第２の締付力の範囲を設定する手段と、
この第２の締付力の範囲を前記第１の所定間隔より小さい第２の所定間隔で分割する手段とを備えた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】
前記出力電流または出力電圧を検出する第２の締付力の範囲は、前記締付力の範囲の内、高負荷ほど小さい締付力の範囲から検出を開始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４】
前記締付手段を複数設け、
前記制御手段は、前記酸化剤ガスの流れ方向で上流側ほど締付力が小さくなるように前記締付手段を制御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５】
前記制御手段は、燃料電池スタック起動時の前記積層セルの締付力を通常運転時の前記積層セルの締付力より小さくなるように前記締付手段を制御することを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記燃料電池スタックから出力する電流を制御する可変抵抗を備えたことを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
前記可変抵抗で発生した熱を燃料電池スタックの起動時に燃料電池スタックの加熱に用いることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池スタック。
【請求項８】
前記積層セルを積層方向に複数分割し、分割した積層セル毎に積層セルを締め付ける締付手段を設け、
前記制御手段は、積層方向の端部側の積層セルの締付力ほど中央側の積層セルの締付力より締付力が小さくなるように前記締付手段を制御することを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載に燃料電池スタック。
【請求項９】
前記積層セルの許容締付力の範囲は、燃料電池の各セル間の締付力を維持するため、または、最低気密性を維持するための締付力である最小締付力と、それ以上の締付力が負荷されると燃料電池セルに悪影響を及ぼす可能性のある締付力である最大締付力との間の締付力であ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１０】
膜電極複合体と、この膜電極複合体を挟持し、燃料極と酸化剤極にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するセパレータと、からなる単セルを積層した積層セルを積層方向に締め付けて構成される燃料電池スタックにおいて、
前記積層セルが許容する締付力の範囲を設定するとともに、この締付力範囲を複数に分割し、
分割された締付力毎に前記積層セルを締め付け、
各締付力で締め付けられた時の燃料電池スタックの出力電流または出力電圧を検出し、
検出された出力電流または出力電圧の最大値を出力した締付力により前記積層セルを締め付けることを特徴とする燃料電池スタックの締付方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池スタックとその締付方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池においては、燃料電池内の気密を維持すると共に、燃料電池を構成する部材間の接触抵抗を小さくしてセルの発電効率を高めるように、セルの積層方向に締付力を作用させた状態に燃料電池スタックを組み付けて、以後、燃料電池スタックは、その初期組み付け状態を保持していた。
【０００３】
セル積層体を初期組み付け状態に組み付ける構造としては、例えば、燃料電池スタックに、セル及び流路形成部材の並設方向に貫通する貫通孔を形成して、その貫通孔にボルトを挿通して、ナットにて締め付ける構造や、燃料電池スタックにおける前記積層方向の両端にガイド板を設け、それら両ガイド板にボルトを挿通して、ナットにて燃料電池スタックを締め付ける構造がある。これらの締め付け構造は一旦締まると一定の締付力が維持される。しかしながら、燃料電池の発電効率の観点からは燃料電池スタックを締め付ける締付力は、変化した運転条件、負荷条件に対応して変化させることが望ましい。
【０００４】
この締付力を調節する技術として、締付力を調節できる装置を燃料電池に設けて、燃料電池の組み付け作業が終了して定常運転状態に入った後、付勢手段による押圧力を変動させることにより、燃料電池セルの温度変化等、種々の条件の変化に応じた最適な締付力を付与する技術（特許文献１参照。）や、燃料電池スタックを押し付ける押付力を調節できる装置を設け、運転時には、押付力を作用させ、停止時には、押付力を緩める技術がある（特許文献２参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−７３９１４号公報
【特許文献２】
特開２００２−１１７８８９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、燃料電池スタックの締付力は、最小締付力Ｐｍｉｎと最大締付力Ｐｍａｘと間で制御される必要がある。最小締付力Ｐｍｉｎは、燃料電池の各セル間の最小締付力を維持するため、または、最低気密性を維持するために必要十分な締付力であり、最大締付力Ｐｍａｘは、それ以上の圧力が負荷されると燃料電池セルに悪影響を及ぼす可能性のある圧力を生じる締付力である。最小と最大の締付力間の、最適な締付力を決めるのには下記の二つの相反する要求を同時に考慮する必要がある。
（１）燃料電池内の接触抵抗を減らす要求から、締付力は大きい方が良い（図１５参照。）。
（２）燃料電池のガス拡散層の細孔サイズを確保し、ガス拡散を促進する観点からは締付力は小さい方が良い（図１６参照。）。
【０００７】
燃料電池の種々の運転条件で、上記（１）と（２）の二つの要求のトレードオフによって最適な締付力Ｐｏｐｔが存在する。低負荷で運転する場合には、まだガスの拡散性の低さが過電圧の要因になっていないので、締付力を大きくして、接触抵抗を減らした方が全体の過電圧が小さくなる。一方、高負荷で運転する場合には、ガスの拡散性の良さが重要となるので、締付力を緩めて、濃度過電圧を減らした方が全体の過電圧が小さくなる（図１７参照。）。つまり、低負荷時での最適な締付力は、大きい締付力となり、高負荷時での最適な締付力は、低負荷時より小さい締付力となる傾向がある。
【０００８】
ところで、特許文献１と２に開示した技術は、接触抵抗と締付力との関係だけに着目していて、電圧が所定電圧より小さいか、または下がると判断されると、締付力はＰｍａｘ以内であれば締付力を増加するというものである。こうした制御方法が有効かどうかはセルに現在付与された締付力Ｐに強く依存する。もし締付力Ｐが最適締付力Ｐｏｐｔより大きければ、締付力Ｐをさらに大きくすると、燃料電池の電圧が下がるので、最適締付力Ｐｏｐｔを見つけることができない。
【０００９】
したがって、本発明は、上記の課題を鑑みて、燃料電池の運転状態に応じた最適な締付力で燃料電池スタックを締め付けることのできる燃料電池システムとその制御方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、単セルを積層した積層セルを積層方向に締め付ける締付手段と、この締め付け手段を制御する制御手段とを備えた燃料電池スタックにおいて、制御手段は、積層セルが許容する締付力の範囲を設定するとともに、この締付力範囲を複数に分割し、分割された締付力毎に積層セルを締め付けるように締付手段を制御する。そして、各締付力で締め付けられた時の燃料電池スタックの出力電流または出力電圧を検出し、検出された出力電流または出力電圧の最大値を出力した締付力を算出し、最大値を出力した締付力で積層セルを締め付ける。
【００１１】
【発明の効果】
本発明によれば、締付手段により、積層セルの許容締付力の範囲を分割して順番に積層セルを締め付け、各締付力での電流あるいは電圧を検出し、最も高い出力を得た締付力を最適な締付力として積層セルを締め付ける。このような制御方法により、最初に燃料電池スタックに付与された締付力の値が最適な締付力より大きいか、小さいかに依存しないので、確実に、燃料電池スタックの締付力は最適な締付力の近くに収束する。したがって、接触抵抗と濃度過電圧とを最適に両立する最適締付力を容易に設定することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の燃料電池スタックの構成とその締付方法を説明する構成図である。
【００１３】
燃料電池スタック１００の単セルを積層状に構成して形成される積層セル１は、その積層方向の両端部に、発電した電力を外部に出力するための電流取出し板２を設置し、その外側からエンドプレート３ａ、３ｂにより挟持される。一方のエンドプレート３ａには積層方向に延出する締付バー４が固定され、この締付バー４は他方のエンドプレート３ｂを貫通する。図１には、単セルを締め付け方向にガイドする締付バー４が２本設けられるが、本数はこれに限られない。なお、積層セルを構成する単セルは、電解質膜を挟んで設置される燃料極および酸化剤極に相当する２枚のガス拡散電極からなる膜電極複合体と、この膜電極複合体を挟持し、前記ガス拡散層に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するためのセパレータとから構成される。
【００１４】
締付バー４には、エンドプレート３ｂを挟んでストッパ５ａ、５ｂが固定される。このストッパは、ストッパ５ａが燃料電池スタックの最大締付力Ｐｍａｘを制限するもので、ストッパ５ｂが最小締付力Ｐｍｉｎを制限するものである。
【００１５】
また、エンドプレート３ｂを介して燃料電池スタック１００を積層方向に締め付ける油圧シリンダ６が設置され、油圧シリンダ６を制御することで燃料電池スタック１００の締付力が調整できる。
【００１６】
さらに電流取出し板２から発電した電流が供給される外部負荷（例えば、車両駆動用モータ）７と、外部負荷７の負荷を検知する負荷検知部８と、検出された負荷に応じて燃料電池スタック１００の発電量とそれに応じた締付力を算出し、油圧シリンダ６を制御するコントローラ９とを備える。
【００１７】
図２のフローチャートは、コントローラ９が実施する燃料電池スタック１００の締付力制御の内容を説明するためのものである。この制御は、燃料電池スタック１００の運転条件が変更になる度に実施される。またこの制御中、燃料電池スタック１００の締付力Ｐは、前述のストッパ５ａ、５ｂにより所定の範囲内に制限される。つまり、最適締付力Ｐｏｐｔが、この所定の範囲を越える時には、最大締付力Ｐｍａｘを最適締付力とし、所定の範囲に達しない時には最小締付力Ｐｍｉｎを最適締付力とする。
【００１８】
まずステップ１で、燃料電池スタック１００の運転状態が変化したかどうかを判定する。この判定は、例えば、外部負荷７の負荷変動に基づいて判定する。続くステップ２で、前述の締付力の第１の所定範囲（例えば、最大締付力Ｐｍａｘから最小締付力Ｐｍｉｎまで）を一定間隔ΔＰ１で区切り、区切られた各締付力毎に燃料電池スタック１００の出力が安定するまで維持して、出力電流あるいは出力電圧を検出する。この検出結果をすべての締付力について入力して、ステップ３で、入力された電流あるいは電圧の最も大きい出力を得た締付力を最適締付力Ｐｏｐｔ１と設定する。あるいは締付力と燃料電池スタック１００の発電性能とのカーブフィッティングによって演算された締付力を最適締付力Ｐｏｐｔ１と設定してもよい。
【００１９】
ステップ４では、ステップ３で設定した最適締付力Ｐｏｐｔ１を含む締付力の第２の所定範囲を設定する。この第２の所定範囲は前述の第１の所定範囲より小さい範囲として設定される。この範囲内を間隔ΔＰ１より小さい間隔ΔＰ２で一定間隔で区切り、区切られた各締付力毎に燃料電池スタック１００の出力が安定するまで維持して、出力電流あるいは出力電圧を検出する。この検出結果をすべての締付力について入力して、ステップ５で、入力された電流あるいは電圧の内、最も大きい出力を得た締付力を最適締付力Ｐｏｐｔ２と設定する。
【００２０】
そしてステップ６で設定されたＰｏｐｔ１とＰｏｐｔ２との差が所定差ΔＰより小さいかどうかを判定する。ΔＰより小さければ最適締付力ＰｏｐｔとしてＰｏｐｔ２を設定し、ステップ７でこのＰｏｐｔ２に基づいて燃料電池スタック１００を油圧シリンダ６により締め付ける。ΔＰ以上であれば、ステップ８に進みＰｏｐｔ２をＰｏｐｔ１として、ステップ４に戻る。
【００２１】
このように本発明は、燃料電池スタック１００の運転条件が変化した後、油圧シリンダ６により、最小締付力Ｐｍｉｎと最大締付力Ｐｍａｘの間を一定間隔（ΔＰ１）で順番に燃料電池スタック１００を締め付け、各締付力での電流あるいは電圧を検出し、最も高い出力を得た締付力を最適な締付力とする。このような制御方法は、最初に燃料電池スタック１００に負荷された締付力の値が最適な締付力より大きいか、小さいかに依存しないので、確実に、燃料電池スタック１００の締付力は最適な締付力の近くに収束する。また、複数の締付力の燃料電池スタック１００の発電効率への影響についての情報を利用しているので、制御信号の精度が高く、制御が収束するまでの時間も短縮できる。
【００２２】
また、１回目の制御プロセスで得た最適締付力Ｐｏｐｔ１を中心として、さらに前回より締付力の間隔を小さくした締付力の範囲（第２の所定範囲）で、再びより前回の締付力の間隔（ΔＰ１）より小さい間隔（ΔＰ２）で区切った複数の締付力で燃料電池スタック１００を締め付け、前記のプロセスを繰り返すことで、最適締付力Ｐｏｐｔの設定をより精度よく行い、燃料電池スタック１００の発電効率が更に高めることができる。また、本発明では、第２の所定範囲を前回の締付力の範囲より小さく設定することで、最適締付力Ｐｏｐｔの設定をより精度よく行う際に要する時間を短縮することができる。本実施形態では最適締付力の算出を２回繰り返し実施したが、繰り返す回数を増やすほどより最適な締付力を得られることはいうまでもない。
【００２３】
なお、燃料電池スタック１００の出力を検出する締付力の第２の所定範囲の設定は、燃料電池スタック１００の負荷条件に応じて設定され、図１７に示したように高負荷時は、低負荷時に比べて低い締付力の範囲を設定する。また、予め設定した複数の負荷条件での最適締付力を実験等により算出して記憶しておき、燃料電池スタック１００の運転時には、これら記憶した最適締付力を運転状態に応じて初期値として設定し、この初期値を中心として締付力の範囲を設定する。
【００２４】
このように、負荷（電流値）の変化に応じて、締付力を変更することにより、接触抵抗と濃度過電圧のトレードオフを調節することができるので、負荷が変わっても、燃料電池スタック１００が最良の性能を発揮する適正な締付力で締め付けられる。また予め複数の負荷条件で最適な締付力を検出して記憶しておくことで、実際の制御時にそれらの値を最適締付力の初期値として使用すれば、演算時間を短縮することができる。
【００２５】
図３は、第２の実施形態の燃料電池スタックの構成とその締付方法を説明する構成図である。この実施形態の構成は、第１の実施形態の構成に対して油圧シリンダの構成のみが変更された構成である。本実施形態の油圧シリンダは、複数の油圧シリンダ（図では３本）１０ａ〜１０ｃで構成され、各油圧シリンダが独立してコントローラ９により制御される。したがって、積層したセルをいくつかの領域に分割して領域毎に締付力を変更することができる。
【００２６】
ここで、最適締付力は、各セルの場所によっても異なる。具体的には、セルに供給されるカソード（酸化剤）ガスの流れ方向に沿って異なり、上流側の最適締付力は、下流側の最適締付力より大きくなる。
【００２７】
場所によって最適締付力が異なる場合の最適締付力の算出には、大別して直列的な方法と並列的な方法とがある。直列的な方法とは、各締付部の最適締付力を順番に算出して行くもので、一方、並列的な方法とは、すべての締付箇所の締付力を順番に、かつ段階的に調整していき、最適締付力を算出していく方法である。直列的な方法では、最適締付力を演算する方法が早く、並列的な方法では最適締付力の算出精度が高いという効果がある。なお、小さい締付力でも気密性が保たれる気密方法を採用すれば、最小締付力Ｐｍｉｎを小さく設定することができ、締付力の調節可能な範囲が増加し、前述の効果がさらに増大する。
【００２８】
カソードガスとして空気を流通させる場合には、セル内での電気化学反応のためカソードガス流路下流側ほど反応ガスの濃度が低くて、濃度過電圧が上流より大きいので、下流側の締付力を上流より小さくすると、下流側のガスの拡散性が向上し、生成水の蒸発も促進し、セル全体の効率を向上させる。
【００２９】
燃料電池を正常運転する際、電気化学反応に伴ったエンタルピー変化量のうち、過電圧と燃料電池スタック内部の発熱量の割合をできるだけ抑えて、外部に取り出せる仕事の割合をできるだけ増やす一方、起動する際には、暖機促進のため、燃料電池スタック内部の発熱率をできるだけ多くすることが望まれる。
【００３０】
電流Ｉで、反応に伴ったエンタルピー変化率はΔＨＩ／２Ｆで、外部に取り出した出力は（Ｅ−η）Ｉなので、燃料電池スタック内部の発熱率は次の式で表すことができる。
【００３１】
【数１】
2005071627.tif 000003
【００３２】
ただし、ΔＨは単位モール反応のエンタルピー変化量、Ｅは平衡電位、Ｆはファラデー常数で、過電圧ηは、
【００３３】
【数２】
2005071627.tif 000004
【００３４】
で示される。
【００３５】
ただし、ｉは電流密度で、Ｒは抵抗で、ａ、ｂはタフェルと濃度過電圧定数である。
【００３６】
図４には反応に伴ったエンタルピー変化率または燃料電池スタック１００の出力と電流の関係が示されている。エンタルピー変化率とスタックの出力の差はセル内の発熱率となる。また、図５にはセル内の発熱率と電流の関係が示されている。この関係は電流が高いほど、セル内の発熱率が高い。起動する際にセル内の発熱量を稼ぐためには、大電流で運転すればよいが、前述したスタック正常に発電する前の初期状況とスタックの耐久性から見ると、より小さい電流でも、同等時間に燃料電池を起動させられる制御方法が必要である（電流を大きくしないで起動する方法が必要である）。
【００３７】
図６は、前述のより小さい電流で燃料電池を起動する、本発明の第３の実施形態の構成を示す構成図である。この実施形態は、第１の実施形態の構成に対して電流取出し板２と接続する可変抵抗１１を外部負荷７と並列に設けた点が異なる。図７は、第３の実施形態での起動時の制御内容を説明する図であり、コントローラ９により実施される。
【００３８】
ステップ１１で起動信号から起動モードを開始する。起動信号は、例えば、燃料電池車両に備えられたキースイッチのオン信号を用いる。
【００３９】
次にステップ１２で燃料電池スタック１００の締付力を最小締付力Ｐｍｉｎ近傍に調節し、ステップ１３で外部負荷７の負荷を開放し、かつ可変抵抗１１の抵抗を最大に設定する。
【００４０】
ステップ１４で、起動モードの快速モードか耐久モードかのいずれかを選択する。ここで起動モードの快速モードとは、起動時間の短縮を優先させた起動モードであり、燃料電池スタックの電流を大きくして発熱率を高く制御する。ただし、このモードではセル面内の電流密度分布や温度分布にバラツキが生じて燃料電池スタックの耐久性の観点からは好ましくない。対して耐久モードは、燃料電池スタック１００の発熱率を抑え、燃料電池スタックの耐久性を優先させたモードであり、快速モードより起動時間が長くなるが、耐久性の低下の恐れはない。なお、本発明では、油圧シリンダ６を用いて接触抵抗を調整し、エンドセル付近での発熱率を向上できるため、従来の起動方法に比して双方ともに燃料電池スタック１００の耐久性を向上できる。
【００４１】
快速モードを選択した場合にはステップ１５に進み、可変抵抗１１の抵抗を予め設定した快速モードの抵抗に調節する。一方、耐久モードを選択した場合にはステップ１６に進み、可変抵抗１１の抵抗を耐久モードの抵抗に調節する。各モードの抵抗は、快速モードの抵抗が耐久モードの抵抗より小さくなるように設定する。起動モードの選択は、運転者の起動時間の要求と燃料電池スタックの耐久性の要求とから運転者自らが選択できる。
【００４２】
図８には、燃料電池スタック１００の起動時間と燃料電池スタック１００内の発熱率の関係が示されている。本実施形態では、燃料電池スタック１００から取り出す電流が可変抵抗１１によって、簡便かつ迅速に調節できるので、起動時間がある幅の中で、調節できる。燃料電池スタック１００の耐久性を考慮した耐久モードで起動する際、可変抵抗１１はより大きくし、燃料電池スタック１００から取り出す電流を抑え、発熱率を抑制し、燃料電池スタック１００の耐久性の低下の抑制を優先する。一方、快速モードで起動する際、可変抵抗１１は耐久モードより小さくし、燃料電池スタック１００から取り出す電流を増し、発熱率を高め、起動時間を短縮する。燃料電池スタック１００が起動した後、燃料電池スタック１００から取り出された電流の通電先が可変抵抗１１から外部負荷７に切り替えられる。
【００４３】
フローチャートの説明に戻り、ステップ１５、ステップ１６で各起動モードの抵抗に調節した後、ステップ１７に進み、各セルに水素と酸素（空気）を供給して、燃料電池スタック１００の発電を開始し、ステップ１８で燃料電池スタック１００の起動が成功したかどうかを判定する。
【００４４】
起動が成功したかどうかの判定は、起動時の燃料電池スタック１００が出力する電流、電圧、あるいは温度が所定値に達したかどうかで判定する。起動が成功した場合にはステップ１９に進み、不成功の場合にはステップ１７に戻る。
【００４５】
ステップ１９では、燃料電池スタック１００の締付力を増大し（例えば、ΔＰ１だけ増大する）、ステップ２０で可変抵抗１１の抵抗を開放し、一方、ステップ２１で外部負荷７を燃料電池スタック１に負荷する。
【００４６】
続くステップ２２で燃料電池スタック１００の目標運転状態に応じて最適締付力を検出し、通常運転に移行する。
【００４７】
図９には、低い締付力領域（最小締付力Ｐｍｉｎ近く）で、締付力だけを変化した時のスタックの出力と電流の関係が示されている。エントロピー変化率から出力を引けば、図１０のスタック内の発熱率と電流の関係になる。図を見ると分かるように、締付力を最小締付力Ｐｍｉｎ近くまで緩めると、高い接触抵抗の方が、小さい電流でも、低い接触抵抗の場合と同じ位のスタック内の発熱率を稼ぐことができる。
【００４８】
このように本実施形態では、燃料電池を起動する際、燃料電池スタック１００の締付力を小さくするによって、より低い電流で同等時間内に起動できるので、燃料電池スタック１００が正常に発電する前におけるセル面内の電流密度、水、温度などの分布が小さくて済み、また燃料電池スタック１００の耐久性も高められる。しかも、燃料電池スタック１００内の発熱量が、電気的に接触している部分に分散されて、電極と触媒付近の発熱の集中が緩和されるので、電気化学的な反応部への悪影響が更に抑えられる。
【００４９】
図１１に示す第４の実施形態の構成は、第３の実施形態に対して可変抵抗の設置場所を変更したものである。この実施形態の可変抵抗１２は、燃料電池スタック１００の両端に位置するエンドセルの近傍、図ではエンドプレート３ａ、３ｂ外側に配置される。
【００５０】
このような構成とすることにより、可変抵抗１２を燃料電池スタック１００の近く、特にエンドセル付近に設けることで、燃料電池スタック１００の起動時に生じる可変抵抗１２の発熱を燃料電池スタック１００の暖機に使用でき、電気化学反応に伴ったエントロピー変化量の全部が燃料電池スタック１００の暖機に使用されるので、燃料電池スタック１００の起動時間が短縮でき、起動効率を高めることができる。
【００５１】
図１２に示す第５の実施形態は、第１の実施形態の構成に対して、燃料電池スタック１００を両側から締め付けるように油圧シリンダ１３ａ、１３ｂを設置し、また積層セルを中央部セル１ａと左部セル１ｂと右部セル１ｃの３分割として中央部セル１ａを締め付ける締付プレート１４を左右部セル１ｂ、１ｂとの境界に設置したものである。このような構成とすることで、中央部セル１ａの締付力を左右部セル１ｂ、１ｃより大きく設定することができる。
【００５２】
燃料電池スタック１００が起動する際、エンドセルはエンドプレート３ａ、３ｂから熱を奪われるので、燃料電池スタック１００の中央付近のセルより、温度上昇が遅いという現象がある（図１３参照のこと）。特に、氷点下に置かれたスタックは中央付近のセルが順調に起動できても、両側のエンドプレート付近のエンドセルで生成水が凍結し、燃料ガス等が流通できず、燃料電池スタック全体が起動できなくなる恐れがある。この実施形態によれば、燃料電池スタック１００の締め付けが多重構造になっているので、燃料電池スタック１が起動する際、両側のエンドプレート３ａ、３ｂ付近のセルに負荷する締付力を中央付近のセルより小さくでき、同じ電流で両側のエンドセルでの発熱率を中央部のセルの発熱率より高めることができる。よって、エンドセルの温度上昇の遅れを改善することができ、燃料電池スタック１００の各セルはより均一な条件で起動することができる。
【００５３】
図１４は、第６の実施形態の構成を示しており、この実施形態は第５の実施形態に、第１の実施形態と同様に可変抵抗１５を設置した構成である。この実施形態によれば第５の実施形態の効果を保ちつつ、第３の実施形態と同様に、燃料電池の起動時間や起動モードの選択自由度を高めることができる。
【００５４】
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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池スタックの構成図とその締結方法を示す図である。
【図２】燃料電池スタックの制御内容を説明するフローチャートである。
【図３】第２の実施形態の燃料電池スタックの構成図である。
【図４】電流に対するエンタルピ変化率と出力の関係を示す図である。
【図５】電流に対する燃料電池スタック内の発熱率を示す図である。
【図６】第３の実施形態の燃料電池スタックの構成図とその締結方法を示す図である。
【図７】同じく燃料電池スタックの制御内容を説明するフローチャートである。
【図８】電流に対する出力の関係を示す図である。
【図９】電流に対する燃料電池スタック内の発熱率を示す図である。
【図１０】燃料電池の発熱率と起動時間の関係を示す図である。
【図１１】第４の実施形態の燃料電池スタックの構成図とその締結方法を示す図である。
【図１２】第５の実施形態の燃料電池スタックの構成図とその締結方法を示す図である。
【図１３】セル位置と温度の関係を示す図である。
【図１４】第６の実施形態の燃料電池スタックの構成図とその締結方法を示す図である。
【図１５】締付力と接触抵抗との関係を示す図である。
【図１６】締付力とガス拡散層内ガス拡散性との関係を示す図である。
【図１７】負荷による締付力とスタック電圧との関係を示す図である。
【符号の説明】
１  燃料電池スタック
２  電流取出し板
３ａ、３ｂ  エンドプレート
４  締付バー
５ａ、５ｂ  ストッパ
６  油圧シリンダ
７  外部負荷
８  負荷検知部
９  コントローラ
１０ａ〜１０ｃ  油圧シリンダ
１１  可変抵抗
１２  可変抵抗
１３ａ、１３ｂ  油圧シリンダ
１４  可変抵抗
【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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【図１６】
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【図１７】
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