(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池単位セルと、該単位セル間を区画するとともに該単位セルを電気的に直列に接続する板状のセパレータとを交互に積層した発電部と、
前記発電部の単位セルとセパレータの積層方向における両端にそれぞれ配置された板状の集電体と、
前記各集電体と、発電部端部のセパレータとの間にそれぞれ配置され、発電部から出力される電流の通電により発熱する板状の発熱体と、
前記発熱体を介して発電部と負荷とを接続する発熱体回路と、
発電部と負荷とを直接接続する負荷接続回路と、
負荷接続回路を通電状態と非通電状態とに切換える負荷接続スイッチとを備えた燃料電池スタック。
【請求項２】
発熱体回路を通電状態と非通電状態とに切換える発熱体接続スイッチを備え、前記負荷接続スイッチが通電状態の場合には、前記発熱体接続スイッチを非通電状態とし、前記負荷接続スイッチが非通電状態の場合には、前記発熱体接続スイッチを通電状態とするスイッチ制御手段を備えた請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
発電部の温度を検出する温度検出手段を備え、前記スイッチ制御手段は、前記温度検出手段によって検出された発電部の温度に応じて、前記負荷接続スイッチと前記発熱体接続スイッチの切換えを行う請求項２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記温度検出手段は、発電部の端部近傍の温度を検出する請求項３に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記発電部の一部の出力電圧を検出する電圧検出手段を備え、前記スイッチ制御手段は、前記電圧検出手段によって検出された発電部の出力電圧に応じて、前記負荷接続スイッチと前記発熱体接続スイッチの切換えを行う請求項２に記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記電圧検出手段は、発電部の端部近傍の1つ又は直列に接続された複数の単位セルにおける電圧を検出する請求項５に記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
前記セパレータは、金属で構成されている請求項１〜６のいずれか１に記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池スタックにかかり、詳しくは、氷点下での始動を容易とする燃料電池スタックに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池には、高分子イオン交換樹脂膜を介して水素と酸素を反応させて、電子と水を生成するものがある。その際、反応熱が発生する。また、燃料電池が能力を発揮するためには高分子イオン交換樹脂膜を湿潤に保つ必要がある。このため、発電の際には、高分子イオン交換樹脂膜の湿潤を維持するために、ガスの加湿と冷却を行っている。また、燃料電池が最も効率良く運転することができるのが、５０℃から８０℃ぐらいの間である。しかし、発電に最適な温度をはるかに超えた温度となる場合には、冷却を必要とする。そこで、燃料電池を冷却するためにスタック内に冷却流路を配設し、冷却材を通流させる技術がある。冷却材には氷点下の起動時のこともふまえて不凍液が用いられている技術が提案されている。
【０００３】
ところで、燃料電池装置において水が必要になるのは、燃料電池の温度が高い状態の場合であり、低温で始動する場合には冷却は必要ない。更に氷点下の起動時には、発電反応によって生成された水が電極表面で凍結し、酸素の供給を妨げられてしまう。そこで、生成水の凍結によって酸素の供給を妨げないようにするために、特開平７−９４２０２号に記載されているように、低温始動時には外部装置によって燃料電池を暖機するものや、燃料電池自体の反応熱によって燃料電池周囲を徐々に暖機するものが提案されている。
また、氷点下の状態であっても、生成水が凍結しガスの供給が妨げられるまでの間は、発電可能であり、その間に燃料電池の温度が０℃以上に暖機されれば、氷点下の状態からでも燃料電池は始動できる。
【０００４】
燃料電池を複数直列に積層した燃料電池スタックの場合、燃料電池スタックの両端のセパレータは電極間に挟まれている中央のセパレータに比べ、熱容量の大きなターミナル（集電板）に隣接するため熱が奪われ易く、また、発熱体（電極）が片側にないなどの理由により温度の上昇が遅く、生成水凍結が発生しやすい。
【０００５】
つまり、端部のセルをのぞく中央部のセルは氷点下の状態から始動できるポテンシャルがあるにもかかわらず、端部セルの生成水凍結を防止するため、低温から始動できない。また、このような端部セルの生成水凍結を抑制するために、特開平８−１６７４２４号に記載されているように、燃料電池スタック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公知である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のように電気抵抗材料を用いた発熱体を設けると、低温始動時は、端部セルを昇温するのに有効だが、通常運転中は、発熱体があることによって、電力が消費され、ロスが生じる。
この発明の目的は、常温下における電力損失を抑制しつつ、低温下における燃料電池の起動を容易とした燃料電池スタックを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
以上のような目的は、以下の本発明により達成される。
（１）燃料電池単位セルと、該単位セル間を区画するとともに該単位セルを電気的に直列に接続する板状のセパレータとを交互に積層した発電部と、
前記発電部の単位セルとセパレータの積層方向における両端にそれぞれ配置された板状の集電体と、
前記各集電体と、発電部端部のセパレータとの間にそれぞれ配置され、発電部から出力される電流の通電により発熱する板状の発熱体と、
前記発熱体を介して発電部と負荷とを接続する発熱体回路と、
発電部と負荷とを直接接続する負荷接続回路と、
負荷接続回路を通電状態と非通電状態とに切換える負荷接続スイッチとを備えた燃料電池スタック。
【０００８】
（２）  発熱体回路を通電状態と非通電状態とに切換える発熱体接続スイッチを備え、前記負荷接続スイッチが通電状態の場合には、前記発熱体接続スイッチを非通電状態とし、前記負荷接続スイッチが非通電状態の場合には、前記発熱体接続スイッチを通電状態とするスイッチ制御手段を備えた上記（１）に記載の燃料電池スタック。
【０００９】
（３）  発電部の温度を検出する温度検出手段を備え、
前記スイッチ制御手段は、前記温度検出手段によって検出された発電部の温度に応じて、前記負荷接続スイッチと前記発熱体接続スイッチの切換えを行う上記（２）に記載の燃料電池スタック。
【００１０】
（４）  前記温度検出手段は、発電部の端部近傍の温度を検出する上記（３）に記載の燃料電池スタック。
【００１１】
（５）  前記発電部の一部の出力電圧を検出する電圧検出手段を備え、
前記スイッチ制御手段は、前記電圧検出手段によって検出された発電部の出力電圧に応じて、前記負荷接続スイッチと前記発熱体接続スイッチの切換えを行う上記（２）に記載の燃料電池スタック。
【００１２】
（６）  前記電圧検出手段は、発電部の端部近傍の1つ又は直列に接続された複数の単位セルにおける電圧を検出する上記（５）に記載の燃料電池スタック。
【００１３】
（７）  前記セパレータは、金属で構成されている上記（１）〜（６）のいずれか１に記載の燃料電池スタック。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池スタックについて、添付図面に基づき詳細に説明する。図１は、本発明の燃料電池スタック１の全体斜視図、図２は燃料電池スタック１の部分断面図、図３は、燃料電池スタック１の平面断面と、切換スイッチを示した模式図である。本発明の、燃料電池スタック１は、単位セル２と、セパレータ３とを有する発電部６１を備えている。単位セル２は、酸素極２１と燃料極２２とで固体高分子電解質膜２３を挟持した構成となっている。セパレータ３は、酸素極２１と燃料極２２にそれぞれ接触して電流を外部に取り出すための集電部材３１、３２とを有している。図２及び図３に示されているように、単位セル２とセパレータ３とが交互に積層されて発電部６１が構成される。
【００１５】
集電部材３１、３２は、それぞれ金属材料で構成されている。この構成金属は、集電部材としての機能を果たすために、導電性を有しているもので、かつ、通電状態となることから耐蝕性を有するものが用いられる。例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金等に耐蝕導電処理を施したもの等が挙げられる。ここで、耐蝕導電処理とは、例えば、金メッキ等が挙げられる。また、集電部材３１、３２の構成材料は、金属の他、カーボンブラック等の導電性と耐食性を備えた材料を用いてもよい。金属は、カーボンや樹脂と比較して熱伝導性が高いので、外側（発熱体）から供給された熱が、内部に伝わる速度が速く、燃料電池スタック１全体の温度が上がりやすくなる。また、全体の温度が均一に成りやすい。また、金属板をプレス加工により形成することによって、セパレータ３を薄く形成することができるので、燃料電池スタック１自体の大きさを小型化でき、かつ、熱容量を少なくすることができるので、このことによっても燃料電池スタック１を温まりやすい構成とすることができる。
【００１６】
集電部材３１は、酸素極２１に接触し、集電部材３２は、燃料極２２に接触する。図２及び図３に示されているように、集電部材３１の、酸素極２１に接触する面には、直線状に連続して隆起した凸部３１１が等間隔で複数形成され、該凸部３１１の間には、溝３１２がそれぞれ形成される。つまり、凸部３１１と溝３１２は、交互に配置された形状となっている。凸部３１１は、最も突出した峰の平面部が酸素極２１に接触する接触部３１３となっており、この接触部３１３を介して酸素極２１と通電可能となる。溝３１２と、酸素極２１の表面とによって、空気が流通する空気流通路３１５が形成される。
【００１７】
凸部３１１の両端には、凸部３１１に直交する方向に溝３１４、３１４が形成され、この溝３１４と酸素極２１の表面とによって、空気流路３１６が形成される。複数の空気流通路３１５は、両端部で空気流路３１６にそれぞれ連通した構成となっており、複数の空気流通路３１５と一対の空気流路３１６とによって、酸素極２１へ酸素を供給する空気保持部が構成される。
【００１８】
空気保持部には、空気供給孔３１８と空気排出孔３１７とが形成され、空気は空気供給孔３１８から空気保持部内に流入し、空気排出孔３１７から流出する。このように、空気保持部内の空気は、常時入れ替わる構成となっている。この実施形態では、集電部材３１は、矩形であり、空気供給孔３１８と空気排出孔３１７は、集電部材３１の平面視における図心を中心として点対称の位置に（対角線方向）に、それぞれ配置されている。図２には、空気排出孔３１７が示されている。また、図３には、空気供給孔３１８が示されている。
【００１９】
集電部材３２の、水素極２２に接触する面には、直線状に連続して隆起した凸部３２１が等間隔で複数形成され、該凸部３２１の間には、溝３２２がそれぞれ形成される。つまり、凸部３２１と溝３２２は、交互に配置された形状となっている。凸部３２１は、最も突出した峰の平面部が水素極２２に接触する接触部３２３となっており、この接触部３２３を介して水素極２２と通電可能となる。溝３２２と、水素極２２の表面とによって、水素が流通する水素流通路３２５が形成される。
【００２０】
凸部３２１の両端には、凸部３２１に直交する方向に溝３２４、３２４が形成され、この溝３２４と水素極２２の表面とによって、水素流路３２６が形成される。複数の水素流通路３２５は、両端部で水素流路３２６にそれぞれ連通した構成となっており、複数の水素流通路３２５と一対の水素流路３２６とによって、水素極２２へ水素を供給する水素保持部が構成される。
【００２１】
水素保持部には、水素供給孔と水素排出孔３２７とが形成され、水素は、水素供給孔から水素保持部内に流入し、水素排出孔３２７から流出する。このように、水素保持部内の水素は、常時入れ替わる構成となっている。この実施形態では、集電部材３２は、矩形であり、水素供給孔と水素排出孔３２７は、集電部材３２の平面視における図心を中心として点対称の位置に（対角線方向）に、それぞれ配置されている。図２には、水素排出孔３２７が示されている。
【００２２】
集電部材３２の、水素極２２に対して反対側の面には、直線状に連続して隆起した凸部４２１が等間隔で複数形成され、該凸部４２１の間には、溝４２２がそれぞれ形成される。つまり、凸部４２１と溝４２２は、交互に配置された形状となっている。凸部４２１は、最も突出した峰の平面部が集電部材３１の平面に接触する接触部４２３となっており、この接触部４２３を介して隣接する単位セル２の水素極２２と酸素極２１が電気的に接続される。溝４２２と、集電部材３１の平面とによって、水が流通する水流通路４２５が形成される。
【００２３】
凸部４２１の両端には、凸部４２１に直交する方向に溝４２４、４２４が形成れ、この溝４２４と集電部材３１の平面とによって、水流路４２６が形成される。複数の水流通路４２５は、両端部で水流路４２６にそれぞれ連通した構成となっており、複数の水流通路４２５と一対の水流路４２６とによって、冷却部が構成される。
【００２４】
この冷却部には、水供給孔と水排出孔４２７とが形成され、冷媒である水は、水供給孔から冷却部内に流入し、水排出孔４２７から流出する。このように、冷却部内の水は、入れ替わることができる構成となっている。この実施形態では、集電部材３２は、矩形であり、水供給孔と水排出孔４２７は、集電部材３２の平面視における図心を中心として点対称の位置に（対角線方向）に、それぞれ配置されている。このような位置に、水供給孔と水排出孔４２７が設けられていることによって、冷却部内の水を均一に交換することができる。図２と図３には、水排出孔４２７が示されている。なお、冷却媒体は、水の他、不凍液を用いることもできる。
【００２５】
燃料電池スタック１内には、セパレータ３の積層方向に、空気と水素と水を導通させる導通路が形成されている。導通路は、それぞれ供給用の導通路と、排出用の導通路とを有している。図１に示されているように、供給用の空気導通路５１、水素導通路５３、水導通路５５は、燃料電池スタック１の片側にまとめて配置され、排出用の空気導通路５２、水素導通路５４、水導通路５６は、供給用の導通路が配置された側に対して、反対側に配置され、その間に、空気保持部、水素保持部、冷却部を挟むように構成されている。
【００２６】
従って、排出用の空気導通路５２は各空気保持部の空気排出孔３１７にそれぞれ連通し、供給用の空気導通路５１は、各空気保持部の空気供給孔にそれぞれ連通している。このように、供給用の空気導通路５１は、各空気保持部に空気を分配する空気マニホールドとして機能する。
また、排出用の水素導通路５４は各水素保持部の水素排出孔３２７にそれぞれ連通し、供給用の水素導通路５３は、各水素保持部の水素供給孔にそれぞれ連通している。このように、供給用の水素導通路５３は、各水素保持部に水素を分配する水素マニホールドとして機能する。
さらに、排出用の水導通路５６は各冷却部の水排出孔４２７にそれぞれ連通し、供給用の水導通路５５は、各水保持部の水供給孔にそれぞれ連通している。このように、供給用の水導通路５５は、各水保持部に水を分配する水マニホールドとして機能する。
【００２７】
以上のように構成された発電部６１の両端には、セパレータ３と単位セル２の積層方向において、端部セパレータ３から外側へ向けて、発熱体６２ａ、６２ｂ、集電体６３ａ、６３ｂ、絶縁部材６４ａ、６４ｂ、エンドプレート６５ａ、６５ｂが、それぞれが両側に接続されている。これらの積層された各部材と、発電部６１は、対向する側面に付設された保持部材６６によって一体として保持される。
【００２８】
発熱体６２ａ、６２ｂは、通電によって発熱する材料で構成される。発熱体を構成する材料としては、例えば、以下のようなものが挙げられる。図４に示されているように、断熱材６２１で構成された材料の厚さ方向（セパレータ３や集電体６３の積層方向）に、導電材６２２を挿入して構成された発熱体がある。導電材６２２は、断熱材６２１の一方の面から他方の面に連通し、積層状態では、端部セパレータ３に一端が接触し、集電体６３に他端が接触する。そして、通電時には、この導電材６２２が発熱する。導電６２２の構成材料としては、電気伝導性の高い材料で、通電時に発熱する材料が挙げられ、例えば、銅、アルミニウム、鉄、ステンレス、炭素などがある。また、断熱材としては、ポリエチレン（ＰＥ）樹脂、ポリプロピレン（ＰＰ）樹脂、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）樹脂、四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）樹脂などか挙げられる。その他、断熱材の例としては、アルミナ、酸化ケイ素などの金属酸化物、多孔質セラミック等が挙げられる。上記のように、発熱する材料に加えて、断熱材を用いることで、発生した熱の外部への放出が抑制され、燃料電池スタック１の端部付近の温度を短時間で上昇させることができる。
【００２９】
他の発熱体６２の構成例としては、多孔質金属が挙げられ、例えば、発泡ニッケルなどの発泡金属がある。このような構成の発熱体も、構成する金属自体が導電性を有するとともに、通電時には発熱し、燃料電池スタック１に外部から熱を与える作用を有する。さらに、多孔質であるため、孔内の空気によって断熱作用が発揮され、熱の放出が抑制される。
また、発熱体６２の他の構成例としては、導電性樹脂が挙げられる。これは、既述の樹脂材料に、炭素、金属等の導電性を有する材料の粉末を所定の割合で混合して構成される。これら粉末の樹脂に対する割合を調整することで、発熱量を調整することも可能である。
以上のように構成された発熱体６２には、電気的に接触する部分、例えば、燃料電池スタックの端に位置するセパレータと接触する面及び集電体６３と接触する面に、通電時における接触部分の電気抵抗を低減するために、表面処理を施すことが好ましい。表面処理の例としては、例えば、金メッキやカーボン蒸着などが挙げられる。
【００３０】
片方のエンドプレート６５ａには、後述する空気供給系１１、水素供給系１２、冷却系１３の各経路が接続されている。詳しくは、空気供給系１１の空気供給路１１０は供給用の空気導通路５１に、空気排出路１１１は排出用の空気導通路５２にそれぞれ接続され、水素供給系１２の供給路１２２は供給用の水素導通路５３に、排出路１２３は排出用の水素導通路５４にそれぞれ接続され、冷却系１３の冷却液供給路１３３は供給用の水導通路５５に、冷却液排出路１３１は排出用の水導通路５６にそれぞれ接続されている。
【００３１】
また、図１および図３に示されているように、発熱体６２ａ、６２ｂ、集電体６３ａ、６３ｂ、絶縁部材６４ａ、６４ｂ、エンドプレート６５ａ、６５ｂの中心部には、これらの部材を同時に貫通する孔６８１ａ、６８１ｂが形成されており、この孔６８１ａ、６８１ｂには端子６８ａ、６８ｂが挿通している。端子６８ａは、発電部６１の一方の端に位置する集電部材３１に電気的に接続され、端子６８ｂは、発電部６１の他方の端に位置する集電部材３２´に電気的に接続されている。端子６８ａには、コード７１ａを介してスイッチＳＷ1の一方の端子が接続され、スイッチＳＷ1の他方の端子には、負荷系１４が接続される。端子６８ｂには、コード７１ｂを介してスイッチＳＷ2の一方の端子が接続され、スイッチＳＷ2の他方の端子には、負荷系１４が接続される。
【００３２】
次に、燃料電池スタック１を用いた燃料電池システム１００の構成について、説明する。図５は、燃料電池システム１００の構成を示す模式図である。燃料電池システム１００は、電気自動車に搭載されるものであり、後述する負荷系のバッテリ１４６とともに駆動モータ１４３の電源を構成している。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１へ対して、空気を供給する空気供給系１１と、同じく、水素を供給する水素供給系１２と、同じく冷却液を供給する冷却系１３と、負荷系１４と、酸素供給系１１に水分を供給する加湿系１５とを備えている。
【００３３】
空気供給系１１は、空気供給路１１０と、空気排出路１１１を備えている。空気供給路１１０には、上流側から順に、外気の粉塵などの不純物を除去するフィルタ１１２、外気温度センサＳ1空気の供給量を調整する空気供給ファン１１３、供給する空気を加湿する加湿器１５１、ヒータ１１４、空気入口温度センサＳ2が接続され、最終的に燃料電池スタック１の供給用空気導通路５１が接続されている。
【００３４】
外気温度センサＳ1は、供給される空気の温度を検出し、この温度が所定温度より低い場合には、ヒータ１１４で供給される空気を昇温することができる。つまり、ヒータ１１４は、空気入口温度センタＳ１の出力値によって制御される。
【００３５】
空気排出路１１１の上流側端は、燃料電池スタック１の排出用空気導通路５２に接続され、下流へ向けて順に、燃料電池スタックの代表温度を測るための空気出口温度センサＳ3、空気供給系からの空気流が酸素極２１から持ち去った水を回収する凝縮器１５２、外気から不純物が逆流して燃料電池スタックに進入するのを防止するフィルタ１１５が接続され、最終的に系の外部に空気を排出する。以上のように、空気供給系１１は、燃料電池スタック１内に設けられている空気保持部に空気を送り込み、空気中の酸素を酸素極２１に供給する。
【００３６】
加湿系１５は、燃料電池スタック１に供給される空気に湿度を加える加湿器１５１と、排出された空気から水分を回収する凝縮器１５２と、加湿水タンク１５０と、加湿水タンク１５０から加湿水を加湿器１５１へ供給する水供給路１５３と、加湿水を加湿器１５１に送り出す加湿水ポンプ１５４と、加湿水ポンプ１５４の下流側に設けられ、電磁弁１５５と、凝縮器１５２で回収された水を加湿水タンク１５０へ回収する回収路１５６と、回収した水を加湿水タンク１５０へ送る回収ポンプ１５７と、加湿水タンク１５０内に設けられた凍結防止用ヒータ１５０ａと、加湿水タンク１５０内の加湿水の温度を検出する加湿水温度センサＳ４、同じく水位を検出する加湿水水位センサＳ５を備えている。また、水供給路１５３と回収路１５６とには、それぞれ不純物を除去するフィルタ１５８、１５９が設けられている。電磁弁１５５は、ポンプ１５４非駆動時には閉状態となり、経路内の水の流動を防止する。加湿系１５は、燃料電池スタック１へ送られる空気を加湿するために設けられる。この加湿系１５の加湿器１５１によって加湿された空気は、燃料電池スタック１の酸素極２１を湿潤状態（水分で潤った状態）に維持する。
【００３７】
水素供給系１２は、水素貯蔵タンク１２１と、水素貯蔵タンク１２１から、燃料電池スタック１の供給用水素導通路５３へ水素を供給する水素供給路１２２と、燃料電池スタック１の排出用水素導通路５４から外部へ水素を排出する水素排出路１２３とを備えている。水素供給路１２２には、水素を外部の水素源から水素貯蔵タンク１２１に充填するための水素充鎮口１２４が接続され、水素貯蔵タンク１２１内の水素圧を測るための水素１次圧センサＳ６が接続され、燃料極に供給する水素の圧力（量）を調整するための水素調圧弁１２５と、水素の供給量を制御する水素供給電磁弁１２６と、燃料極にかかる水素圧を測定する水素２次圧センサＳ７が、下流へ向けて、それぞれ順に接続されている。水素調圧弁１２５と、水素供給電磁弁１２６は、水素２次圧センサＳ７の検出値に基づき制御される。さらに、水素排出路１２３には、下流へ向けて順に、逆流を防止する逆止弁１２７、水素の排出をコントロールする水素排気電磁弁１２８が接続されている。水素は運転中、連続して供給されてもよいし、間欠的に供給されてもよい。
【００３８】
冷却系１３は、燃料電池スタック１が高温でヒートアップしてしまうのを防止するために配設されていて、燃料電池スタック１内に冷却媒体である冷却液を流通させ、これを循環させることにより冷却する。この実施形態では、冷却液として不凍液が用いられ、例えばエチレングリコール水溶液が使用される。この他、冷却液としては、水やその他の熱媒体を用いることもできる。燃料電池スタック１の温度は、例えば燃料電池スタック１に取り付けられた温度センサＳ１１で検出することができる。燃料電池スタック１の温度を検出するセンサＳ１１は、図３に示されているように、発電部６１の両端部の温度をそれぞれ検出する温度センサＳ１１ａ、Ｓ１１ｂと、中央部の温度を検出する温度センサＳ１１ｃとを備えている。燃料電池スタック1の温度を検出する場合には、温度センサＳ１１の検出値として、各温度センサＳ１１ａ、Ｓ１１ｂ、Ｓ１１ｃのいずれかの検出値を採用すればよく、又は、３つのセンサ検出値の平均値、或いは温度センサＳ１１ｃと温度センサＳ１１ａ又はＳ１１ｂの一方の値との平均を採ってもよい。
【００３９】
冷却系１３は燃料電池スタック１の排出側水導通路５６に接続された冷却液排出路１３１と、ラジエター１３２と、冷却液供給路１３３を基本として構成され、冷却液は、前記冷却液供給路１３３に配設された循環ポンプ１３４によって燃料電池スタック１の供給側水導通路５５に送り込まれる。また、冷却液排出路１３１と冷却液供給路１３３との間には、ラジエター１３２をバイパスするラジエターバイパス路１３５が接続されている。
【００４０】
冷却液排出路１３１、冷却液供給路１３３にそれぞれ配設された冷却液出口温度センサＳ９、冷却液入口温度センサＳ１０によって検出された冷却液の温度に応じて電磁弁ＳＶ１、ＳＶ３の開閉を制御して、冷却系１３における冷却液の流れを制御する。ラジエター１３２にはファン１３２ａが設けられており、ファンの風量を調節することにより、冷却能力を調整することができる。
【００４１】
以上のように冷却系１３は、燃料電池の通常発電時においては、燃料電池の反応熱によるオーバーヒートを防止するため作動する。この場合、冷却系１３は、冷却液排出路１３１と、ラジエター１３２と、冷却液供給路１３３と、冷却液供給路１３３に配設された循環ポンプ１３４によって構成される循環系が用いられる。従って、この場合には、電磁バルブＳＶ１が開、電磁バルブＳＶ３は閉状態となっている。冷却液は、冷却液供給路１３３から、燃料電池スタック１の供給側水導通路５５、各セパレータ３の冷却部、排出側水導通路５６を経て、熱交換された冷却液は、冷却液排出路１３１から、ラジエター１３２へ到達し、ラジエター１３２で冷やされ、電磁弁ＳＶ１を経て、循環ポンプ１３４へ戻る。冷却液入口温度センサＳ１０で検出される冷却液の温度と、冷却液出口温度センサＳ９で検出された排出冷却液の温度との差に応じて、ラジエター１３２の冷却能力を調整し、また、循環ポンプ１３４の吐出量を調整し、燃料電池スタック1を適正な温度に維持する。
【００４２】
図６は、負荷系１４の構成を詳細に示した回路図である。負荷系１４は、発熱体回路と、この発熱体回路に並列に接続されている負荷接続回路とを介して、燃料電池スタック１に接続されている。
図１及び図３に示されているように、発熱体回路は、燃料電池スタック１の端部セパレータに密着して通電可能に付設された発熱体６２ａ、６２ｂと、発熱体６２ａ、６２ｂの外側に通電可能に重ねられた集電体６３ａ、６３ｂと、集電体６３ａ、６３ｂの接続端子６７ａ、６７ｂに通電可能に接続されたコード７３ａ、７３ｂとを備えている。また、負荷接続回路は、バイパス端子６８ａ、６８ｂと、バイパス端子６８ａ、６８ｂに、コード７１ａ、７１ｂを介して通電可能に接続されたスイッチＳＷ1、ＳＷ2とを備え、スイッチＳＷ1、ＳＷ2は、コード７３ａ、７３ｂに接続されている。このような構成において、スイッチＳＷ1、ＳＷ2は同時に作動し、両スイッチＳＷ1、ＳＷ2は、ともに常時同じ状態となる用に制御される。つまり、スイッチＳＷ1がオン状態のときは、スイッチＳＷ2もオンであり、スイッチＳＷ1がオフ状態のときは、スイッチＳＷ2もオフとなる。上記、燃料電池スタック１と、発熱体回路、負荷接続回路、及びスイッチＳＷ1、ＳＷ2で構成された回路には、燃料電池スタック１の総出力を検出するための電圧センサＳ８が並列に接続されている。
【００４３】
コード７３ａ、７３ｂには、出力コード１４７ａ、１４７ｂがそれぞれ接続されている。出力コード１４７は、負荷への電力の供給、遮断を行う出力リレー１４４、インバータ１４２を介してモータ１４３に電力を供給する。また、出力コード１４７には、逆電流を防止するダイオード１４８が設けられている。出力リレー１４４とインバータ１４２との間には補助電源１４６が出力制御回路１４５を介して接続されている。補助電源は例えば、バッテリやキャパシタなどの蓄電装置であり、車両低速時にはモータ１４３の回生電力を貯蔵し、加速時や高負荷時などにおいて、燃料電池スタックからの出力では不足する場合には、負荷に電力を供給する。出力制御回路１４５は、モータ１４３へ供給する電力について、燃料電池スタック１と補助電源１４６の出力の割合を制御する。さらに、燃料電池スタック１の出力と補助電源出力の一部は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７５により補機作動電圧（１２Ｖ、２４Ｖ等）に調整され、補機コントローラ７６に供給される。補機コントローラ７６は、燃料電池を発電させるために必要な空気や水を供給するためのポンプ、バルブ、センサ等の燃料電池補機へ電力を供給する。
【００４４】
燃料電池システム制御装置７４は、補機コントローラ７６、出力制御回路１４５、スイッチＳＷ1、ＳＷ2の切換えを制御する。燃料電池システム制御装置７４は、補機コントローラ７６を介して、ポンプ、バルブ等の燃料電池補機の動作を制御する。また、出力制御回路１４５を介して燃料電池スタック出力と補助電源出力の調整をする。さらに、燃料電池システム制御装置７４は、燃料電池スタックの総電圧を検出する電圧センサＳ8で検出された電圧値や、燃料電池スタック１の温度を検出する温度センサＳ１１ａ、Ｓ１１ｂで検出された温度に基き、スイッチＳＷ1、ＳＷ2を切換制御する。
【００４５】
以上のように構成された燃料電池システム１００において、発電始動する場合の作用について、図７に示されているフローチャートに基づき説明する。
燃料電池システム１００の始動時、つまり発電運転を開始する場合、まずシステム全体の状態をチェックし、異常が検知されなかった場合、空気供給を開始する（ステップＳ１０１）。空気供給は、空気供給ファン１１３を駆動させることにより開始される。空気供給ファン１１３の作動によって、空気供給系１１から燃料電池スタック１に空気が供給される。
【００４６】
次に、水素供給が開始される（ステップＳ１０３）。水素供給電磁弁１２６と、水素排気電磁弁１２８の開閉を制御することによって、水素調圧弁１２５によって調圧された水素圧の水素ガスが燃料電池スタック１に供給される。このステップＳ１０１とステップＳ１０３とによって、燃料電池スタック１に水素と、空気中の酸素が供給され、燃料電池スタック１では、発電が開始される。発電の開始とともに、発電時の反応熱により、各単位セル２から熱が発生する。燃料電池スタック１の中央部分は、両側に発熱する単位セル２が存在するため、反応熱による昇温速度が速いが、両端部に位置する単位セル２は、発熱量が同じであっても、積層された集電体６３、絶縁部材６４、エンドプレート６５などに熱を奪われるため、昇温速度が遅くなる傾向がある。従って、起動時の燃料電池スタック１は、中央部の温度に比較して、両端部の温度が低くなっている。
【００４７】
そこで、低温始動時においては、燃料電池スタック１の全体が、最適運転温度に達しているかを判定するには、端部の温度を検出することが望ましい。そこで、燃料電池スタック１の端部に設けられている温度センサＳ１１ａ、Ｓ１１ｂの検出温度を測定する（ステップＳ１０５）。
【００４８】
次に、検出された温度が、設定温度よりも高いか判断する（ステップＳ１０７）。
ここで、設定温度は燃料電池の最適運転温度より低く、例えば０℃から５０℃までの間であり、より好ましくは５℃から１０℃である。
設定温度より小さい場合には（ステップＳ１０７：Ｎ）、燃料電池スタック１全体を均一に効率良く機能させるため、燃料電池スタック１の端部を暖める必要があり、スイッチＳＷ1、ＳＷ2をオフ状態とする（ステップＳ１０９）。スイッチＳＷ1、ＳＷ2のオフによって、発熱体６２ａ、６２ｂが通電状態となり、発熱体６２ａ、６２ｂが発熱する。この発熱によって、燃料電池スタック１の端部の温度が通常の始動時に比較して早く昇温する。燃料電池スタック１の端部の温度が、設定温度より大きくなるまで、ステップＳ１０７とステップＳ１０９が繰り返される。
【００４９】
ステップＳ１０７で、燃料電池スタック１の端部温度が、設定温度より大きい場合（ステップＳ１０７：Ｙ）には、スイッチＳＷ1、ＳＷ2がオンされる（ステップＳ１１１）。燃料電池スタック１の端部温度が設定温度に達した場合には、燃料電池スタック１全体の温度が均一に上昇し、通常発電が可能となった状態を意味するので、スイッチＳＷ1、ＳＷ2のオンによって、負荷接続回路が導通する。これにより、燃料電池スタック１から出力される電流は、主として負荷接続回路を流れ、発熱体６２ａ、６２ｂの通電により発熱は終了する。
【００５０】
なお、この実施形態では、燃料電池スタック１の端部温度が設定温度に達したかを判断して、スイッチの切換えを行っているが、この他、燃料電池スタック１の中央部の温度をセンサＳ１１ｃで検出し、温度センサＳ１１ａ、Ｓ１１ｂの検出温度と、温度センサＳ１１ｃの検出温度が等しくなったときに（つまり、燃料電池スタック１の端部の温度と中央部の温度が等しくなったとき）スイッチを切換える構成としてもよい。或いは、端部温度の上昇と、温度センサＳ１１ａとＳ１１ｃの検出温度の差とを同時にモニターし、設定温度に到達し、かつ中央部と端部との温度差が少なくなった場合には、スイッチを切換える構成としてもよい。この場合には、外気温の影響による判断誤差を抑制することができる。
また、燃料電池スタック１の温度は、温度センサＳ１１の他、空気排出路１１１に設けられた空気出口温度センサＳ３によって検出することもできる。この場合の検出値は、燃料電池スタック１の平均的な温度として利用することができる。
【００５１】
図８は、他の実施形態の構成を示す燃料電池スタック１と、発熱体回路、負荷接続回路の構成を示す模式図、図９は、負荷系１４の構成を詳細に示した回路図である。この実施形態では、発熱体回路にスイッチＳＷ3、ＳＷ4が設けられている点である（図１に想像線で示す）。スイッチＳＷ3、ＳＷ4は、常に同じ状態を維持する。例えば、スイッチＳＷ3がオンの場合には、スイッチＳＷ4はオンであり、スイッチＳＷ3がオフの場合には、スイッチＳＷ4はオフとなる。また、スイッチＳＷ1、ＳＷ2とスイッチＳＷ3、ＳＷ4は相互に異なる状態を維持し、スイッチＳＷ1、ＳＷ2がオンの場合には、スイッチＳＷ3、ＳＷ4はオフとなり、スイッチＳＷ1、ＳＷ2がオフの場合には、スイッチＳＷ3、ＳＷ4はオンとなる。発熱体回路にスイッチＳＷ3、ＳＷ4を設け、この通常発電時には、このスイッチＳＷ3、ＳＷ4をオフとすることで、発熱体によって消費される電力をゼロにし、燃料電池スタック１の発電効率を上げることができる。
【００５２】
また、燃料電池スタック１の温度検出は行わず、燃料電池スタック１の両端部と中央部に、単位セルの出力電圧を検出する電圧センサＳ１２ａ、Ｓ１２ｂ、Ｓ１２ｃを設け、各部の単位セル出力電圧を検出し、燃料電池スタック１の中央部と端部の温度を間接的に検出する構成である。燃料電池の単位セルの出力は、始動時には、その温度上昇と出力電圧の上昇が略比例するので、温度を検出することなく電圧を検出してもよい。
電圧の検出は、単位セル単独の電圧のほか、直列に接続された複数の単位セルの電圧値を検出してもよい。
【００５３】
以上のように構成された燃料電池システム１００において、発電始動する場合の作用について、図１０に示されているフローチャートに基づき説明する。
燃料電池システム１００の始動時、つまり発電運転を開始する場合、まずシステム全体の状態をチェックし、異常が検知されなかった場合、空気供給を開始する（ステップＳ２０１）。空気供給は、空気供給ファン１１３を駆動させることにより開始される。空気供給ファン１１３の作動によって、空気供給系１１から燃料電池スタック１に空気が供給される。
【００５４】
次に、水素供給が開始される（ステップＳ2 ０３）。水素供給電磁弁１２６と、水素排気電磁弁１２８の開閉を制御することによって、水素調圧弁１２５によって調圧された水素圧の水素ガスが燃料電池スタック１に供給される。このステップＳ２０１とステップＳ２０３とによって、燃料電池スタック１に水素と、空気中の酸素が供給され、燃料電池スタック１では、発電が開始される。発電の開始とともに、出力電圧が発生する。燃料電池スタック１の中央部分は、両側に発熱する単位セル２が存在するため、反応熱による昇温速度が速く、同時に出力電圧が上昇する。両端部に位置する単位セル２は、発熱量が同じであっても、積層された集電体６３、絶縁部材６４、エンドプレート６５などに熱を奪われるため、昇温速度が遅くなる傾向があり同様に出力電圧値の上昇も鈍くなる。従って、起動時の燃料電池スタック１は、中央部の出力電圧に比較して、両端部の出力電圧が低くなっている。
【００５５】
そこで、低温始動時においては、燃料電池スタック１の全体が、最適運転温度に達しているかを判定するには、端部の単位セルの出力電圧を検出することが望ましい。そこで、燃料電池スタック１の端部に設けられている電圧センサＳ１２ａ、Ｓ１２ｂの検出温度を測定する（ステップＳ２０５）。
【００５６】
次に、検出された電圧値が、設定電圧値よりも高いか判断する（ステップＳ２０７）。ここで、設定電圧値は燃料電池の温度が、例えば０℃から５０℃までの範囲にある時の電圧値であり、より好ましくは５℃から１０℃である時の電圧値である。
設定電圧値より小さい場合には（ステップＳ２０７：Ｎ）、燃料電池スタック１全体を均一に効率良く機能させるため、燃料電池スタック１の端部を暖める必要があり、スイッチＳＷ3、ＳＷ4をオン状態とする（ステップＳ２０９）。さらに、スイッチＳＷ1、ＳＷ2をオフとする（ステップＳ２１１）。
【００５７】
この動作によって、発熱体６２ａ、６２ｂが通電状態となり、発熱体６２ａ、６２ｂが発熱する。この発熱によって、燃料電池スタック１の端部の温度が通常の始動時に比較して早く昇温する。この温度上昇により端部セルの出力電圧が上昇する。端部セルの出力電圧値が、設定電圧値温度より大きくなるまで、ステップＳ２０７〜ステップＳ２１１が繰り返される。
【００５８】
ステップＳ２０７で、燃料電池スタック１の端部電圧値が、設定電圧値より大きい場合（ステップＳ２０７：Ｙ）には、スイッチＳＷ1、ＳＷ2がオンされる（ステップＳ２１３）。燃料電池スタック１の端部電圧値が設定電圧値に達した場合には、燃料電池スタック１全体の温度が均一に上昇し、各単位セルが均一に電圧を出力している状態となった状態を意味するので、スイッチＳＷ1、ＳＷ2のオンによって、負荷接続回路が導通する。これにより、燃料電池スタック１から出力される電流は、負荷接続回路を流れ、発熱体６２ａ、６２ｂは通電しない。これにより、発熱体６２ａ、６２ｂが通電することによる電力損失が防止される。
【００５９】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、負荷接続スイッチにより負荷に直接電力が供給されるので、発熱体による電力損失が抑制される。
請求項2に記載の発明によれば、さらに発熱体接続スイッチを設け、通常発電時にこれをオフとすることで、発熱体の通電による電力損失を防止することができる。
請求項３に記載の発明によれば、発電部の温度を検出し、この検出値に基づいて負荷接続スイッチの切換えを行うことで、適正なタイミングでスイッチ切換えを行うことができ、燃料電池スタックの過度の暖機を防止できる。
【００６０】
請求項４に記載の発明によれば、温度上昇の鈍い、燃料電池スタックの端部温度を検出すれば、他の部位の温度は検出値以上であることが予測できるので、この検出値に基づいて、燃料電池スタック全体の温度を予測することができる。
請求項５に記載の発明によれば、発電部の一部の出力電圧を検出し、この検出値に基づいて負荷接続スイッチの切換えを行うことで、適正なタイミングでスイッチ切換えを行うことができ、燃料電池スタックの過度の暖機を防止できる。特に、出力電圧を直接測定するので、燃料電池スタックの状態を直接的に把握でき、より精密なタイミングでスイッチ切換えが可能となる。
【００６１】
請求項６に記載の発明によれば、出力上昇の鈍い、燃料電池スタックの端部電圧を検出すれば、他の部位の出力電圧は該検出値以上であることが予測できるので、この検出値に基づいて、燃料電池スタック全体の出力を予測することができる。
請求項７に記載の発明によれば、セパレータを金属で構成すれば、セパレータを薄く形成することができるので、燃料電池スタック全体の熱容量が小さくなり、温度の上昇速度が速くなる。これにより、発熱体による暖機時間が短くなるので、発熱体での電力損失量も抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池スタックの全体斜視図である。
【図２】本発明の燃料電池スタックの部分断面図である。
【図３】燃料電池スタックの平面断面と切換スイッチを示した模式図である。
【図４】発熱体の全体斜視図である。
【図５】燃料電池システム１００の構成を示す模式図である。
【図６】負荷系の構成を詳細に示した回路図である。
【図７】燃料電池システムにおいて、発電始動時の作用について示したフローチャートである。
【図８】他の実施形態の構成を示す燃料電池スタックと、発熱体回路、負荷接続回路の構成を示す模式図である。
【図９】負荷系の構成を詳細に示した回路図である。
【図１０】燃料電池システムにおいて、発電始動時の作用について示したフローチャートである。
【符号の説明】
１  燃料電池スタック
２  単位セル
３  セパレータ
３１  集電部材
３２  集電部材
６１  発電部
６２  発熱体
６３  集電体
６４  絶縁部材
６５  エンドプレート
１００  燃料電池システム
【図１】
0004465945.tif 000002
【図２】
0004465945.tif 000003
【図３】
0004465945.tif 000004
【図４】
0004465945.tif 000005
【図５】
0004465945.tif 000006
【図６】
0004465945.tif 000007
【図７】
0004465945.tif 000008
【図８】
0004465945.tif 000009
【図９】
0004465945.tif 000010
【図１０】
0004465945.tif 000011