(57)【要約】【課題】燃料電池２内部の湿潤状態を均一にすることができ、燃料電池凍結後の零下起動時において酸化剤ガスの流れ方向の下流側の早期凍結を防止する。【解決手段】燃料電池は、発電した電流を取り出す電極面の対3a,3bを備える。燃料電池システムは、電極面の対にそれぞれ接続された第１の電流端子の対A+,A-と、第１の電流端子の対よりも酸化剤ガスの流れの下流側で電極面の対に接続された第２の電流端子の対B+,B-と、電流取出端子として、第１の電流端子の対と第２の電流端子の対とを切り替える手段４とを備える。通常の発電を行っている時に第１の電流端子の対から電流を取り出し、発電を停止する前に発電を行う乾燥運転時に第２の電流端子の対から電流を取り出す。【選択図】図１
2007242338.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとの電気化学的反応により発電する燃料電池であって、発電した電流を取り出す電極面の対を備える燃料電池と、
前記電極面の対にそれぞれ接続された第１の電流端子の対と、
前記第１の電流端子の対よりも前記酸化剤ガスの流れの下流側において、前記電極面の対にそれぞれ接続された第２の電流端子の対と、
発電した電流を取り出す電極端子として、前記第１の電流端子の対と前記第２の電流端子の対とを切り替える切替手段と、
通常の発電を行っている時に前記第１の電流端子の対から電流を取り出し、発電を停止する前に発電を行う乾燥運転時に前記第２の電流端子の対から電流を取り出すように前記切替手段を制御する制御部と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記第２の電流端子の対は、前記燃料電池から前記酸化剤ガスが排出される排出口付近の前記電極面の対にそれぞれ接続されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御部は、前記乾燥運転時に、前記第２の電流端子の対から電流を取り出した後、発電を停止し、前記燃料電池の内部における前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスの流路の少なくとも一方をパージすることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御部は、前記酸化剤ガスを用いて前記パージを実施することを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御部は、前記乾燥運転時に、前記燃料電池の温度がしきい温度未満の場合、前記第１の電流端子の対から電流を取り出し、前記燃料電池の温度が前記しきい温度以上の場合、前記第２の電流端子の対から電流を取り出すように制御することを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項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とは、前記燃料電池を冷却する冷却媒体の前記燃料電池の排出口における温度であることを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御部は、前記乾燥運転時に、前記燃料電池の温度がしきい温度未満の場合、前記第１の電流端子の対から電流を取り出し、当該第１の電流端子の対からの電流の取り出しを開始してから一定時間が経過した後に、前記第２の電流端子の対から電流を取り出すように制御することを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記一定時間は、前記乾燥運転時の前記燃料電池の温度及び前記第１の電流端子の対から電流を取り出す時の電流値の少なくとも一方に基づいて決定されることを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項９】
水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとの電気化学的反応により発電し、発電した電流を取り出す電極面の対を有する燃料電池を備える燃料電池システムの運転停止方法であって、
通常の発電を行っている時、前記電極面の対にそれぞれ接続された第１の電流端子の対から電流を取り出す段階と、
発電を停止する前に発電を行う乾燥運転時、前記第１の電流端子の対よりも前記酸化剤ガスの流れの下流側において、前記電極面の対にそれぞれ接続された第２の電流端子の対から電流を取り出す段階と
を備えることを特徴とする燃料電池の運転停止方法。
【請求項１０】
前記乾燥運転時に前記第２の電流端子の対から電流を取り出した後に、
発電を停止する段階と、
前記燃料電池の内部における前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスの流路の少なくとも一方をパージする段階と
を更に備えることを特徴とする請求項９記載の燃料電池の運転停止方法。
【請求項１１】
前記乾燥運転時に前記第２の電流端子の対から電流を取り出す段階は、
前記燃料電池の温度がしきい温度未満の場合、前記第１の電流端子の対から電流を取り出す行為と、
前記燃料電池の温度が前記しきい温度以上の場合、前記第２の電流端子の対から電流を取り出す行為と
を備えることを特徴とする請求項９又は１０記載の燃料電池の運転停止方法。
【請求項１２】
前記乾燥運転時に前記第２の電流端子の対から電流を取り出す段階は、
前記燃料電池の温度がしきい温度未満の場合、前記第１の電流端子の対から電流を取り出す行為と、
当該第１の電流端子の対からの電流の取り出しを開始してから一定時間が経過した後に、前記第２の電流端子の対から電流を取り出す行為と
を備えることを特徴とする請求項９又は１０記載の燃料電池の運転停止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池から発電電流を取り出すための電流端子の対を複数備える燃料電池システム及びこれらの電流端子の対を切り替える燃料電池の運転停止方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池は、反応ガスである水素などの燃料ガスと空気などの酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。
【０００３】
燃料電池は、上記の電気化学的反応において水（Ｈ2Ｏ）を生成する。よって、燃料電池内部に水分が残留した状態で氷点下から発電を開始する際に、燃料電池内部で起動前にすでに水分が凍結してしまい、上記の電気化学的反応が阻害され、発電できなくなる。例えば、燃料電池を自動車の動力源として使用する場合、零下からの起動が問題となる。
【０００４】
そこで、凍結する前に燃料電池の内部の燃料ガス及び酸化剤ガスの流路にガスを流してパージすることより、燃料電池の内部に残留する水分を排出して、燃料電池の凍結を回避している。例えば、特許文献１では、燃料電池システムの運転停止する前にパージを行う時には、加湿器をバイパスさせることで、乾燥したパージガスを燃料電池スタックに供給して、燃料電池スタック内部の水分を排出している。また、特許文献２では、燃料電池システムの運転停止時にドライコンディションで発電させることで、燃料電池スタック内部の水分を排出している。
【特許文献１】特開２００２−３４３３９８号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２００２／０００９６２３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１の乾燥したパージガスは燃料電池内部を一定方向に流れながら水分を持ち去っていくため、流れ方向に向ってパージガスに含まれる水分量は徐々に増大していく。よって、パージガスが水分を排出できる量は上流側に比べて下流側の方が少なくなり、上記のガス流路の下流側で、より多くの水分が残留してしまう。よって、流れの下流側では、燃料電池内部を十分に乾燥させることができない。
【０００６】
また、特許文献２では、運転停止する際に発電させており、発電の際の電力を消費する必要があるため、車両搭載を考慮した場合には実現性に乏しい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとの電気化学的反応により発電する燃料電池を備える燃料電池システムに関する。燃料電池は、発電した電流を取り出す電極面の対を備える。燃料電池システムは、電極面の対にそれぞれ接続された第１の電流端子の対と、第１の電流端子の対よりも酸化剤ガスの流れの下流側において電極面の対にそれぞれ接続された第２の電流端子の対と、発電した電流を取り出す電極端子として、第１の電流端子の対と第２の電流端子の対とを切り替える切替手段と、切替手段を制御する制御部とを備える。制御部は、通常の発電を行っている時に第１の電流端子の対から電流を取り出し、発電を停止する前に通常の発電に比べて流量の多い酸化剤ガスを燃料電池へ供給して発電を行う乾燥運転時に第２の電流端子の対から電流を取り出すように切替手段を制御する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、乾燥運転時に第２の電流端子の対から電流を取り出すことにより、酸化剤ガスの流れの下流側における電流値を多くして、下流側の温度を高めて下流側の乾燥を促進させることができる。よって、燃料電池内部の湿潤状態を均一にすることができ、燃料電池スタックの零下起動時において酸化剤ガスの流れ方向の下流側の早期凍結を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一の部分には同一な符号を付している。
【００１０】
（第１の実施の形態）
＜燃料電池システム＞
図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係わる燃料電池システム１の構成を説明する。燃料電池システム１は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとの電気化学的反応により発電する燃料電池スタック２（燃料電池）を備える。
【００１１】
燃料電池スタック２は、発電した電流を取り出すための電極面の対３ａ、３ｂを備える。電極面の対３ａ、３ｂには、第１の電流端子の対Ａ+、Ａ-と、第２の電流端子の対Ｂ+、Ｂ-とが接続されている。第１の電流端子Ａ+、Ａ-と第２の電流端子Ｂ+、Ｂ-は、電極面３ａ、３ｂ内の異なる位置に接続されている。端子の接続位置について図２を参照して後述する。第１の電流端子の対Ａ+、Ａ-と第２の電流端子の対Ｂ+、Ｂ-は、負荷制御ユニット４（切替手段）に接続されている。負荷制御ユニット４は、発電した電流を取り出す電極端子の対として、第１の電流端子の対Ａ+、Ａ-と第２の電流端子の対Ｂ+、Ｂ-とを切り替える。つまり、発電した電流を取り出す電極端子を第１の電流端子の対Ａ+、Ａ-とするか、第２の電流端子の対Ｂ+、Ｂ-とするかを選択する。
【００１２】
燃料電池スタック２には、燃料供給配管５、燃料排出配管６、酸化剤供給配管７、及び酸化剤排出配管８が接続されている。燃料ガスは燃料供給配管５を通って燃料電池スタック２へ供給され、燃料排出配管６を通って排出される。同様に、酸化剤ガスは酸化剤供給配管７を通って燃料電池スタック２へ供給され、酸化剤排出配管８を通って排出される。燃料供給配管５及び酸化剤供給配管７のそれぞれは、その途中で２つの流路に分岐されて再び合流している。分岐した一方の流路上にのみ、加湿ユニット９、１０がそれぞれ設置されている。加湿ユニット９、１０は、流路内を流れる燃料ガス及び酸化剤ガスを加湿する。分岐点及び合流点には、三方弁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂがそれぞれ配置されている。三方弁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂは、配管内を流れる燃料ガス及び酸化剤ガスの流路を切り替える。つまり、三方弁は、燃料ガス及び酸化剤ガスが流れる流路として、加湿ユニット９、１０が設置された流路と加湿ユニット９、１０が設置されていない流路とを切り替える。換言すれば、燃料電池システムは、加湿ユニット９、１０を迂回させて、加湿していない（乾燥した）燃料ガスおよび酸化剤ガスを燃料電池スタック２に供給することができる。
【００１３】
燃料電池システム１は、システム全体を制御するコントロールユニット１４（制御部）を更に備え、コントロールユニット１４は、ここでは特に、負荷制御ユニット４及び三方弁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂの切替動作を制御する。
【００１４】
図２を参照して、図１の燃料電池スタック２の構造、第１及び第２の電流端子の対（Ａ+、Ａ-、Ｂ+、Ｂ-）の接続位置を説明する。
【００１５】
燃料電池スタック２は、積層した複数の燃料電池セル２３1、２３2、・・・と、複数の燃料電池セル２３1、２３2、・・・の両端に電気的に接続された電極面の対３ａ、３ｂとを備える。燃料電池セル２３は、膜状の形状を有し、上記の電気化学的反応を起こして発電する単位セルである。複数の燃料電池セル２３1、２３2、・・・が直列に接続され、積層方向の両端の燃料電池セル２３に電極面の対３ａ、３ｂが接続されている。電極面の対３ａ、３ｂは、通常、集電板と呼ばれ、電極面の対３ａ、３ｂは、互いに向き合って配置されている。電極面の対３ａ、３ｂから燃料電池スタック２が発電した電流を取り出すことができる。
【００１６】
電極面の対３ａ、３ｂには、第１の電流端子の対Ａ+、Ａ-と、第２の電流端子の対Ｂ+、Ｂ-とがそれぞれ接続されている。
【００１７】
燃料ガス及び酸化剤ガスは、燃料電池スタックの内部において、図１の供給配管５、７に接続されたガス供給口から図１の排出配管６、８に接続されたガス排出口へ向って流れる。通常、燃料電池セル全体に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するために、ガス供給口とガス排出口はそれぞれ図２の上流側と下流側にそれぞれ設置される。よって、電極面３ａ、３ｂの面内においてガスが流れる方向が存在する。例えば、ガス供給口を上流側に設置しガス排出口を下流側に設置した場合、電極面内でのガスが流れる方向は、図２の上流側から下流側へ向く。なお、流れる方向は、ガス供給口及びガス排出口の設置位置及び燃料電池スタック２内の流路形状などに応じて定まる。
【００１８】
第２の電流端子の対Ｂ+、Ｂ-は、第１の電流端子の対Ａ+、Ａ-よりも燃料ガス又は酸化剤ガスの流れの下流側において電極面の対３ａ、３ｂにそれぞれ接続されている。上流側に正極端子Ａ+と負極端子Ａ-、下流側に正極端子Ｂ+と負極端子Ｂ-を備える。このように、燃料電池システムは、燃料電池スタック２から電流を取り出す電流取り出し端子を燃料ガス又は酸化剤ガスの流れ方向に沿って少なくとも２組備える。上流側の電流端子の対Ａ+、Ａ-は、通常の発電において使用し、下流側の電流端子の対Ｂ+、Ｂ-は、発電を停止する際に使用する。なお、図２には、電極面の対３ａ、３ｂのうち＋極面（カソード）のみを示し、−極面（アノード）を省略している。
【００１９】
図１の負荷制御ユニット４は、酸化剤ガスの流れ方向の上流側に配置される端子Ａ+、Ａ-から電流を取り出す場合と、酸化剤ガスの流れ方向の下流側に配置される端子Ｂ+、Ｂ-から電流を取り出す場合との間で切替を行う。
【００２０】
なお、これに限らず、負荷制御ユニット４は、正／負極それぞれ２つの端子（Ａ+、Ａ-、Ｂ+、Ｂ-）から電流を取り出す場合と、酸化剤ガスの流れ方向の下流側に配置される端子Ｂ+、Ｂ-から電流を取り出す場合とを切り替えてもよい。つまり、電流を取り出す位置を、通常の電流を取り出す位置と酸化剤ガスの流れ方向の下流側位置とで切り替えても構わない。
【００２１】
図３を参照して、図２の燃料電池セルの構造を説明する。燃料電池セル２３は、電解質膜３１と、電解質膜３１を挟持するように電解質膜３１の両面に配設される燃料極３２ａ及び酸化剤極３２ｂと、燃料極３２ａ及び酸化剤極３２ｂに接するガス拡散層（燃料極拡散層３３ａ及び酸化剤極拡散層３３ｂ）と、燃料ガスおよび酸化剤ガスをガス拡散層へ供給するガス流路（燃料ガス流路３５ａ及び酸化剤ガス流路３５ｂ）が形成されたセパレータ３４ａ、３４ｂとを備える。
【００２２】
燃料電池セル２３は、電解質膜３１の違いなどによりさまざまなタイプのものに分類されるが、その一つとして、電解質膜３１に固体高分子電解質膜を用いる固体高分子電解質形燃料電池が知られている。電解質膜３１は、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。燃料極３２ａと酸化剤極３２ｂは、白金または、白金とその他の金属からなる触媒層を備え、触媒の存在する面が電解質膜３１と接触するように形成されている。セパレータ３４ａ、３４ｂは、ガス不透過である緻密性カーボン材等が片面または両面に配置された多数のリブにより形成されている。酸化剤ガス、燃料ガスはそれぞれ、燃料電池スタック２のガス供給口から供給され、燃料ガス流路３５ａ及び酸化剤ガス流路３５ｂを流れて、燃料電池スタック２のガス排出口から排出される。
【００２３】
発電時に燃料極３２ａ及び酸化剤極３２ｂの両電極において進行する電気化学的反応は、以下の通りである。
【００２４】
燃料極    ：      ２Ｈ2 →４Ｈ+ ＋４ｅ-            …(１)
酸化剤極  ：      ４Ｈ+ ＋４ｅ- ＋Ｏ2 →２Ｈ2Ｏ    …(２)
燃料極３２ａに燃料ガスが供給されると、燃料極３２ａでは(１)の反応式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膜３１を透過／拡散して酸化剤極３２ｂに至る。酸化剤極３２ｂ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３２ｂでは(２)の反応式が進行する。この(１)、(２) 式の電極反応（電気化学的反応）が各極３２ａ、３２ｂで進行することで、燃料電池セル２３は起電力を生じることとなる。従来、燃料電池スタック２の零下からの起動において、酸化剤極３２ｂで生成された水分が凍結してしまい、（２）式の反応が阻害され、酸化剤ガスの流れ方向の下流側ではほとんど発電できなかった。
【００２５】
＜燃料電池の運転停止方法＞
図１の燃料電池システムにおいて燃料電池スタック２の運転（発電）を停止する方法を説明する。
【００２６】
燃料電池が通常の発電を行っている時（以後、「通常運転時」という）、電極面の対３ａ、３ｂにそれぞれ接続された第１の電流端子の対Ａ+、Ａ-から電流を取り出す。つまり、コントロールユニット１４は、通常運転時に、電流を取り出す電流端子として、端子Ａ+、Ａ-を選択するように負荷制御ユニット４を制御する。
【００２７】
これに対して、イグニションスイッチがオフさせる等により車両の運行が停止されると、燃料電池システムは、発電を停止する所定の指示を受ける。このとき、燃料電池システムは、即座に燃料電池スタック２の発電を停止せずに、燃料電池スタック２内部の水分を排出するために発電を継続する場合がある。この場合を「乾燥運転時」と呼ぶ。つまり、乾燥運転とは、燃料電池システム１を停止する時に、燃料電池スタック２内部の水分を排出させるために燃料電池スタック２から電流を取り出す操作を示す。この乾燥運転時において、第２の電流端子の対Ｂ+、Ｂ-から電流を取り出す。つまり、コントロールユニット１４は、乾燥運転時に、電流を取り出す電流端子として、端子Ｂ+、Ｂ-を選択するように負荷制御ユニット４を制御する。
【００２８】
なお、通常運転時において、湿潤な燃料ガス又は酸化剤ガスを燃料電池スタック２へ供給して発電を行い、乾燥運転時において、通常運転時に比べて乾燥した燃料ガス又は酸化剤ガスを燃料電池スタック２へ供給して発電を行うことが望ましい。例えば、コントロールユニット１４が、通常運転時において加湿ユニット９、１０が設置された側の流路を燃料ガス又は酸化剤ガスが流れるように三方弁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂを制御し、乾燥運転時において加湿ユニット９、１０が設置されていない側の流路を燃料ガス又は酸化剤ガスが流れるように三方弁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂを制御すればよい。或いは、コントロールユニット１４が、通常運転時において加湿ユニット９、１０を駆動して燃料ガス又は酸化剤ガスを過湿し、乾燥運転時において加湿ユニット９、１０の運転を停止して燃料ガス又は酸化剤ガスを過湿しないように制御しても構わない。
【００２９】
また、通常運転時には、燃料ガスと酸化剤ガスとを加湿ユニット９、１０を通して燃料電池スタック２に供給するとともに、正極側はＡ+とＢ+、負極側はＡ-とＢ-から同時に電流を取り出す。つまり、通常運転時に、電流を取り出す電流端子として、端子Ａ+とＢ+、Ａ-とＢ-を同時に選択する。これに対し、乾燥運転時には、酸化剤ガスの流量を上げ、燃料ガスおよび酸化剤ガスを、加湿ユニットを迂回させて燃料電池スタックに供給し、正極側は端子Ｂ+、負極側は端子Ｂ-から電流を取り出しても構わない。
【００３０】
燃料電池スタック２から電流を取り出す電流取り出し端子を酸化剤ガスの流れ方向に沿って少なくとも２つ備え、そして、電流を取り出す位置を、通常の電流を取り出す位置と酸化剤ガスの流れ方向の下流側とで切り替える。つまり、電流を取り出す位置を、通常の電流を取り出す位置から酸化剤ガスの流れ方向の下流側へ切り替える。これにより、酸化剤ガスの流れ方向の下流側の電流密度を意図的に上げることができる。
【００３１】
図４に示すように、電流を取り出す端子として、下流側に位置する端子の対Ｂ+、Ｂ-を選択した場合（図４の実線：下流側位置）は、上流側に位置する端子の対Ａ+、Ａ-を選択した場合（図４の点線：通常位置）に比べて、上流側と下流側間の電流密度差が大きい。これは、燃料電池スタック２の反応面内の電流密度分布と、電流取り出し端子の位置の間には密接な関係があり、燃料電池スタック２の反応面内において、電流取り出し端子位置に近い部分の電流密度は高くなるからである。ここで、「反応面」とは、燃料電池スタックが発電する際の電気化学反応を生じる面であり、電極面３ａ、３ｂに対して略平行な面である。
【００３２】
燃料電池スタック２の反応面内の電流密度分布と、反応面内の温度分布はほぼ一致する。よって、酸化剤ガスの流れ方向の下流側から電流を取り出すことで、酸化剤ガスの流れ方向の下流側の温度を上げることができる。
【００３３】
燃料電池スタック２内部から水分を排出させる場合、水分を持ち去る媒体となるものはガスである。燃料電池スタック２のガス流路の出口側に近づくに連れてガス内に含まれる水分量が多くなる。したがって、図５に示すように、燃料電池スタック２の反応面内温度が均一である場合は、燃料電池スタック２内のガス流れの下流側に進むにつれてガスが持ち出すことができる水分量は減少し、ガス流路出口側が乾燥しにくくなる。さらに、酸化剤極３２ｂでは反応により水分が生成されるため、酸化剤ガス流路３５ｂの下流側において最も水分が残留する。
【００３４】
そこで、酸化剤ガス流路３５ｂの下流側の温度を高くすることで、図６に示すように、上流側と下流側の間におけるガスが持ち出すことができる水分量の差を低減する。これにより、燃料電池スタック２内部の水分を効果的に排出することができるため、上記操作により燃料電池スタック２の反応面の水分状態（湿潤状態）を均一にすることができる。よって、燃料電池スタック凍結後の零下起動時において、酸化剤ガスの流れ方向の下流側の早期凍結を防止することができ、零下において長時間の発電が可能となる。
【００３５】
また、酸化剤ガスの流量を増加させ、燃料ガスまたは酸化剤ガスを、加湿ユニット９、１０を迂回させて供給することにより、乾燥したガスが供給され、燃料電池スタック２内から残留水分をより効果的に排出することができる。
【００３６】
（第２の実施の形態）
図７に示すように、第２の実施の形態に係わる燃料電池システムは、図１のシステムに加えて、電極面の対３ａ、３ｂにそれぞれ接続された電流端子の対Ｃ+、Ｃ-と、電流端子の対Ｃ+、Ｃ-に接続された電流取出装置４１と、電流取出装置４１に接続された二次電池４２とを更に備える。その他の構成は、図１と同じであり、説明を省略する。
【００３７】
図８に示すように、図７の燃料電池スタック２が備えるセパレータ３４ｂには、サーペンタイン流路がガス流路３５ｂとして形成されている。方形状のセパレータ３４ｂの１角部の近くに、酸化剤ガスの供給口４４が配置され、この１角部に対向する他の角部の近くに、酸化剤ガスの排出口４５が配置されている。なお、酸化剤側のセパレータ３４ｂについて図示したが、燃料側のセパレータ３４ａについても同様な形状のガス流路３５ａ、供給口４４及び排出口４５を形成してもよい。
【００３８】
図９に示すように、電極面の対３ａ、３ｂには、電流端子の対Ａ+、Ａ-と、電流端子の対Ｂ+、Ｂ-と、電流端子の対Ｃ+、Ｃ-とがそれぞれ接続されている。燃料電池セル２３1、２３2、・・・内には、図８に示したセパレータ３４ｂが含まれている。図８の酸化剤ガスの排出口４５の近くに、電流端子の対Ｃ+、Ｃ-が配置されている。燃料電池スタック２の構成、端子の対Ａ+、Ａ-と、端子の対Ｂ+、Ｂ-の接続位置は、図２と同じであり、説明を省略する。
【００３９】
つまり、燃料電池スタック２の電極面の対３ａ、３ｂには、酸化剤ガスの流れ方向に対して、上流側に正極端子Ａ+／負極端子Ａ-と、下流側に正極端子Ｂ+／負極端子Ｂ-と、さらに酸化剤ガスの流れ方向の最下流側となる酸化剤ガスの排出口４５付近に正極端子Ｃ+／負極端子Ｃ-とが接続されている。
【００４０】
図７の負荷制御ユニット４は、通常運転時に、酸化剤ガスの流れ方向の上流側に配置される電流端子Ａ+、Ａ-及び下流側に配置される電流端子Ｂ+、Ｂ-から同時に電流を取り出す。これに対して、電流取出装置４１は、乾燥運転時に、電流端子Ｃ+、Ｃ-から電流を取り出す。このように、第２の実施の形態においては、通常運転時に選択される第１の電流端子の対は、電流端子Ａ+、Ａ-及び電流端子Ｂ+、Ｂ-に相当し、乾燥運転時に選択される第２の電流端子の対は、電流端子Ｃ+、Ｃ-に相当する。そして、これらの端子間で切替を行う切替手段は、電流取出装置４１及び負荷制御ユニット４の電流取り出し動作を制御するコントロールユニット１４に相当することになる。
【００４１】
第２の実施の形態によれば、以下の作用効果が得られる。
【００４２】
一般的に、通常運転時の電流端子からは大電流を取り出される。よって、第１の実施の形態で示したように、電流端子Ａ+、Ａ-と電流端子Ｂ+、Ｂ-間で切り替えを行った場合、電流取り出しの切り替え機構が肥大化する恐れがある。そこで、通常運転時には負荷制御ユニット４が電流端子Ａ+、Ａ-、Ｂ+、Ｂ-から電流を取り出し、乾燥運転時には電流取出装置４１が電流端子Ｃ+、Ｃ-から電流を取り出す。即ち、乾燥運転時に使用する第２の電流端子の対を、燃料電池スタック２から酸化剤ガスが排出される排出口付近の電極面の対にそれぞれ接続されている電流端子Ｃ+、Ｃ-とする。これにより、酸化剤ガスの流れ方向の下流側の電流密度、即ち反応面内温度を強制的に上昇させることができる。したがって、燃料電池スタック２の反応面をより均一に乾燥させることができる。
【００４３】
このように、電流取出装置４１を新たに設けることにより、負荷制御ユニット４が通常の電流取り出しの切り替えが必要なく、負荷制御ユニット４の肥大化を避けることができる。さらに、電流端子Ｃ+とＣ-から取り出した電流を二次電池４２に貯留することで、次回起動時に必要となる、コンプレッサーなどの補器類の電力を補うことができる。
【００４４】
また、電流端子Ａ+、Ａ-、Ｂ+、Ｂ-を通常の電流取り出しに使用して、電流端子Ｃ+とＣ-を通常運転時の電流取り出し端子として使用しない。これにより、電流端子Ｃ+とＣ-の配置の自由度が広がる。電流端子Ｃ+とＣ-から電流を取り出すことで、下流側の反応面内温度を強制的に上昇させることができる。よって、電流端子Ｃ+とＣ-から取り出す電流は通常運転時の電流よりも小さくすることができる。電流端子Ｃ+とＣ-に接続されるケーブルを通常の電流を取り出す端子Ａ+、Ａ-、Ｂ+、Ｂ-に接続されるケーブルよりも細くすることできるため、燃料電池システムのレイアウトの自由度が広がる。よって、燃料電池システムのコンパクト化を促進することができる。
【００４５】
（第３の実施の形態）
図１０に示すように、第３の実施の形態に係わる燃料電池システムは、図７の燃料電池システムに加えて、酸化剤ガスを燃料電池スタック２の燃料極に供給する機構を更に備える。具体的には、燃料供給配管５と酸化剤供給配管７とを接続する接続配管と、この接続配管内のガスの流量を制御する流量弁４６と、接続配管と燃料供給配管５の接続点上に配置された三方弁４７とを更に備える。流量弁４６の開度及び三方弁４７の開方向は、コントロールユニット１４により制御される。その他の構成は、図７の燃料電池システムと同様であり説明を省略する。
【００４６】
図１１を参照して、第３の実施の形態に係わる燃料電池システムの運転停止方法を説明する。
【００４７】
（イ）Ｓ１０段階にて、イグニションスイッチがオフされるなどの車両の運行が停止されると、燃料電池システムにパージ運転の指令が発せられる。つまり、燃料電池システムは、通常運転から乾燥運転へ切り替える旨の指示を受ける。
【００４８】
（ロ）Ｓ１１段階にて、電流取り出し位置の切り替えを行う。つまり、通常運転時は電流端子Ａ+、Ａ-、Ｂ+、Ｂ-から電流を取り出していたが、乾燥運転に切り替わったので、電流端子Ｃ+、Ｃ-から電流を取り出すように切り替える。そして、Ｓ１２にて、電流端子Ｃ+、Ｃ-から電流取り出しを開始する。
【００４９】
（ハ）Ｓ１３段階にて、電流取り出し時間（Ｔｃ）が第１の所定時間（Ｔ１）以上となったら、Ｓ１４段階に進み、電流端子Ｃ+、Ｃ-からの電流取り出しを終了して、発電を停止する。なお、第１の所定時間は実験により予め決定される。
【００５０】
（ニ）その後、Ｓ１５段階に進み、酸化剤ガスによるパージを開始する。このとき、燃料電池スタック２の内部における燃料ガスまたは酸化剤ガスの流路の少なくとも一方をパージする。燃料ガスの流路をパージする場合、コントロールユニット１４は、流量弁４６を開き、三方弁４７の流路を接続配管側へ開いて、酸化剤ガスを燃料ガスの流路へ導入する。一方、酸化剤ガスの流路をパージする場合、コントロールユニット１４は、流量弁４６を閉じて、酸化剤ガスを酸化剤ガスの流路へ導入する。また、第１の実施の形態でも述べたように、乾燥運転時に、加湿ユニット９、１０をバイパスさせた酸化剤ガスでパージしても構わない。
【００５１】
（ホ）パージ時間（Ｔｐ）が所定時間（Ｔｐ０）を経過したら（Ｓ１６にてＹＥＳ）、パージを終了する（Ｓ１７）。
【００５２】
第３の実施の形態によれば、以下の作用効果が得られる。
【００５３】
通常運転を停止する際に行う乾燥運転時に、酸化剤ガスの流れ方向の最も下流側に位置する電流端子（Ｃ+、Ｃ-）のみから電流を取り出すことで、酸化剤ガスの流れ方向の下流側の温度を強制的に上昇させることで、燃料電池の反応面をより均一に乾燥させることができる。
【００５４】
酸化剤ガスの流れ方向の下流側から電流を取り出した後は、酸化剤ガスの流れ方向の下流側の温度が高くなっている。よって、さらにその後、燃料電池スタック２内部のガス流路のパージを行うことで、酸化剤ガスの流れ方向の下流側を効果的に乾燥させることができる。つまり、燃料電池スタック２の内部に残留する水分をより効果的に排出することができる。したがって、零下起動時には、燃料電池スタック２の反応面内の湿潤状態がより均一にすることができるため、酸化剤ガスの流れ方向の下流側の早期凍結を防止して、より長時間の発電が可能となる。
【００５５】
さらに、パージには酸化剤ガスを用いているため、パージに使用するガスを別途備える必要がなく、燃料電池システムをコンパクト化および簡素化することができる。
【００５６】
（第４の実施の形態）
図１２に示すように、第４の実施の形態に係わる燃料電池システムは、図１０の燃料電池システムに加えて、燃料電池スタック２を冷却する冷却媒体の、燃料電池スタック２の排出口における温度を検知する機構を備える。具体的には、燃料電池スタック２に、燃料電池スタック２へ冷却媒体を供給する冷却媒体供給配管４９と、燃料電池スタック２から冷却媒体を排出する冷却媒体排出配管５０とが接続され、冷却媒体排出配管５０上に燃料電池スタック２内を通過した冷却媒体の温度を測定する温度センサ４８が配置されている。その他の構成は、図１０の燃料電池システムと同様であり説明を省略する。
【００５７】
図１３を参照して、第４の実施の形態に係わる燃料電池システムの運転停止方法を説明する。
【００５８】
（イ）Ｓ２０段階にて、イグニションスイッチがオフされるなどの車両の運行が停止されると、燃料電池システムは、通常運転から乾燥運転へ切り替える旨の指示を受ける。
【００５９】
（ロ）Ｓ２１段階にて、温度センサ４８を用いて冷却媒体の温度を検知して、これを燃料電池スタック２の温度（以後、「スタック温度」という）Ｔstackと近似する。
【００６０】
（ハ）Ｓ２２段階にて、スタック温度Ｔstackがしきい温度よりも大きいか否かを判断する。スタック温度Ｔstackがしきい温度Ｔemp未満の場合（Ｓ２２にてＮＯ）、第１の電流端子の対（電流端子Ａ+、Ａ-、Ｂ+、Ｂ-）から電流を取り出す通常運転を継続する（Ｓ２３）。一方、スタック温度Ｔstackがしきい温度Ｔemp以上の場合（Ｓ２２にてＹＥＳ）、Ｓ２６段階に進み、電流取り出しの位置を、第２の電流端子の対から第２の電流端子の対（電流端子Ｃ+、Ｃ-）へ切り替える。つまり、通常運転から乾燥運転へ移行して、電流端子Ｃ+、Ｃ-から電流を取り出すように制御する。
【００６１】
（ニ）通常運転を継続することにより、スタック温度Ｔstackがしきい温度Ｔemp以上となった場合（Ｓ２４にてＹＥＳ）、第１の電流端子の対からの電流取出しを終了して（Ｓ２５）、電流取り出し位置を切り替える（Ｓ２６）。
【００６２】
（ホ）以後、Ｓ２７〜Ｓ３２段階では、図１１のＳ１２〜Ｓ１７段階と同じ処理を行う。つまり、電流取り出し位置切り替え後に電流取り出しを開始し（Ｓ２７）、電流取り出し時間Ｔｃが第１の所定時間Ｔ１以上となったら（Ｓ２８）、電流取り出しを終了する（Ｓ２９）。その後、酸化剤ガスによるパージを開始し（Ｓ３０）、パージ時間Ｔｐが所定時間Ｔｐ０を経過したら（Ｓ３１）、パージを終了する（Ｓ３２）。
【００６３】
第４の実施の形態によれば、以下の作用効果が得られる。
【００６４】
通常運転から乾燥運転に切り替わる時に、燃料電池スタック２の温度が第１の所定値未満の場合、通常の電流を取り出す位置から電流を取り出すことで、燃料電池スタック２の反応面全体の温度を上昇させることができる。その後、酸化剤ガスの流れ方向の下流側から電流を取り出すことで、酸化剤ガスの流れ方向の下流側の温度を上昇させることができる。このように、燃料電池スタック２の反応面全体の温度を上げてから、さらに酸化剤ガスの流れ方向の下流側の温度をあげることで、燃料電池スタック２の反応面の湿潤状態を均一にすることができる。
【００６５】
燃料電池システムの運転停止時の、燃料電池スタック２の温度が低い場合、酸化剤ガスの流れ方向の下流側から電流を取り出す操作をしても、燃料電池スタック２の反応面全体から持ち去ることができる水分量は少なく、上記操作による乾燥効果は低い。したがって、上記手順を実施することで、燃料電池システムの停止時において燃料電池スタック２の温度が低い場合でも、零下においての長時間の発電が可能となる。
【００６６】
また、燃料電池スタック２の温度を、燃料電池スタック２を冷却する冷却媒体の、燃料電池スタック２の出口（排出口）で検知しているため、燃料電池スタック２の温度を簡易的に評価することができ、燃料電池システムの簡素化を促進することができる。
【００６７】
（第５の実施の形態）
第５の実施の形態では、図１３のフローチャートに示す運転停止方法の変形例を説明する。図１４に示す第５の実施の形態に係わる運転停止方法では、図１３におけるＳ２４段階の代りに、Ｓ４４段階を実施する。
【００６８】
つまり、スタック温度Ｔstackがしきい温度Ｔemp未満の場合（Ｓ４２にてＮＯ）、第１の電流端子の対（電流端子Ａ+、Ａ-、Ｂ+、Ｂ-）から電流を取り出す通常運転を継続する（Ｓ４３）。Ｓ４４段階において、電流取り出し時間Ｔｃが第２の所定時間Ｔ２以上となったら（Ｓ４４にてＹＥＳ）、第１の電流端子の対からの電流取出しを終了して（Ｓ４５）、電流取り出し位置を切り替える（Ｓ４６）。
【００６９】
この他、図１３と図１４では同じ処理を実施する。
【００７０】
第２の所定時間Ｔ２は、運転停止指示（Ｓ４０）時のスタック温度Ｔstack及び通常の電流取り出し位置（Ａ+、Ａ-、Ｂ+、Ｂ-）から電流取り出すときの電流密度の少なくとも一方によって決定される。図１５（ａ）に示すようにスタック温度Ｔstackが低いほど第２の所定時間Ｔ２は長くなる。また、図１５（ｂ）に示すように、通常の電流取り出し位置から電流取り出すときの電流密度が低いほど、第２の所定時間Ｔ２は長くなる。
【００７１】
第５の実施の形態によれば、以下の作用効果が得られる。
【００７２】
燃料電池システムの停止時の乾燥運転において、燃料電池スタック２の温度Ｔstackが所定温度以下の場合は、通常の前記電流を取り出す位置から電流を取り出す。この通常電流取り出し時間Ｔｃが、第１の所定時間Ｔ１とは異なる第２の所定時間Ｔ２経過した後に、電流を取り出す位置を酸化剤ガスの流れ方向の下流側とする。つまり、電流取り出し位置切り替え前の、通常の電流取り出しを時間で管理する。これにより、電流を取り出す位置の切り替えのタイミングを、燃料電池スタック２の温度をモニターすることなく決定することができるので、燃料電池システムの簡素化を促進することができる。
【００７３】
第２の所定時間Ｔ２は、燃料電池システムの停止時の、燃料電池スタック２の温度と、通常の電流取り出し時の電流値のうち少なくとも一方により決定される。これにより、電流を取り出す位置の切り替えのタイミングを適切に決定することができる。よって、燃料電池システムのスムーズな制御が可能となる。
【００７４】
上記のように、本発明は、５つの実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】図１の燃料電池スタックの構造、第１及び第２の電流端子の対の接続位置を示す斜視図である。
【図３】図２の燃料電池セルの構造を示す断面図である。
【図４】第１の電流端子の対と第２の電流端子の対をそれぞれ選択した場合におけるガス流れ方向の電流密度分布を示すグラフである。
【図５】第１の電流端子を選択した場合におけるパージガスによる持ち出し水分量及び燃料電池スタック内に残留する水分量のガス流れ方向の分布を示すグラフである。
【図６】第２の電流端子を選択した場合におけるパージガスによる持ち出し水分量及び燃料電池スタック内に残留する水分量のガス流れ方向の分布を示すグラフである。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係わる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図８】図７の燃料電池スタックが有するセパレータ内のガス流路の形状を示す平面図であって、燃料電池セルの反応面に平行な平面における流路形状を示す。
【図９】図７の燃料電池スタックの構造、電流端子の対（Ａ+、Ａ-、Ｂ+、Ｂ-、Ｃ+、Ｃ-）の接続位置を示す斜視図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態に係わる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図１１】第３の実施の形態に係わる燃料電池システムの運転停止方法を示すフローチャートである。
【図１２】本発明の第４の実施の形態に係わる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図１３】第４の実施の形態に係わる燃料電池システムの運転停止方法を示すフローチャートである。
【図１４】第５の実施の形態に係わる燃料電池システムの運転停止方法を示すフローチャートである。
【図１５】図１５（ａ）は運転停止指示（Ｓ４０）時のスタック温度Ｔstackと第２の所定時間Ｔ２との関係を示すグラフであり、図１５（ｂ）は通常の電流取り出し位置（Ａ+、Ａ-、Ｂ+、Ｂ-）から電流取り出すときの電流密度と第２の所定時間Ｔ２との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００７６】
１…燃料電池システム
２…燃料電池スタック（燃料電池）
3a,3b…電極面対
４…負荷制御ユニット（切替手段）
５…燃料供給配管
６…燃料排出配管
７…酸化剤供給配管
８…酸化剤排出配管
９、１０…加湿ユニット
１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ、４７…三方弁
１４…コントロールユニット（制御手段）
２３…燃料電池セル
３１…電解質膜
３２ａ…燃料極
３２ｂ…酸化剤極
３３ａ…燃料極拡散層
３３ｂ…酸化剤極拡散層
３４ａ、３４ｂ…セパレータ
３５ａ…燃料ガス流路
３５ｂ…酸化剤ガス流路
４１…電流取出装置
４２…二次電池
４４…供給口
４５…排出口
４６…流量弁
４８…温度センサ
４９…冷却媒体供給配管
５０…冷却媒体排出配管
【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】
2007242338.tif 000012
【図１１】
2007242338.tif 000013
【図１２】
2007242338.tif 000014
【図１３】
2007242338.tif 000015
【図１４】
2007242338.tif 000016
【図１５】
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