(57)【要約】【課題】燃料電池に関連する技術分野において、周囲が氷点下温度に到達しても燃料電池に含まれる水分が凍結することを防止して、寒冷地で使用しても発電特性の劣化を抑制する燃料電池の凍結防止技術を提供することを課題にする。【解決手段】アノードガス及びカソードガスを導入して発電する燃料電池スタック(10)において、静磁場を付与する静磁場発生手段(12)と、電磁波を付与する電磁波発生手段とを備えて、前記課題の解決手段とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードガス及びカソードガスを導入して発電する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに、静磁場を付与する静磁場発生手段と、
前記燃料電池スタックに、電磁波を付与する電磁波発生手段と、を備えることを特徴とする燃料電池の凍結防止装置。
【請求項２】
前記燃料電池スタックは、電解質膜がアノード極及びカソード極に狭持されてなる単セルの複数が積層して構成され、
前記静磁場発生手段は、前記単セルを貫くように前記静磁場を発生する磁石から構成され、
前記電磁波発生手段は、前記発電の出力回路に対して並列に設けられる交流信号付与手段から構成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の凍結防止装置。
【請求項３】
前記交流信号付与手段に対して直列に、かつ前記出力回路に対して並列に接続するコンデンサを、備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の凍結防止装置。
【請求項４】
前記磁石は、一対の磁石が前記単セルの両端面に配置されてなることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の燃料電池の凍結防止装置。
【請求項５】
前記一対の磁石は、磁路形成部材により連結されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池の凍結防止装置。
【請求項６】
前記磁石は、前記単セルの両端面を挟むように構成される磁路形成部材上に配置されていることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の燃料電池の凍結防止装置。
【請求項７】
前記一対の磁石は、前記単セルにおける長辺及び短辺からなる矩形形状の、前記長辺側に配置されていることを特徴とする請求項２から請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池の凍結防止装置。
【請求項８】
前記電磁波の周波数を掃引させる周波数掃引手段を備えることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池の凍結防止装置。
【請求項９】
静磁場が付与されている燃料電池スタックにラーモア周波数で発振する電磁波を付与することにより、この燃料電池スタックの凍結を防止することを特徴とする燃料電池の凍結防止方法。
【請求項１０】
前記静磁場は、前記燃料電池スタックを構成する単セルが長辺及び短辺を有する矩形形状であるときは、前記長辺側から付与されていることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池の凍結防止方法。
【請求項１１】
前記燃料電池スタックが氷点下温度に近づくと前記電磁波が付与されることを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載の燃料電池の凍結防止方法。
【請求項１２】
前記燃料電池スタックが氷点下温度より高くなると前記電磁波が停止することを特徴とする請求項９から請求項１１のいずれか１項に記載の燃料電池の凍結防止方法。
【請求項１３】
前記電磁波を付与しつつ前記燃料電池スタックを加熱して、氷点下温度よりも高温になったところで前記電磁波を停止して、発電を開始することを特徴とする請求項９から請求項１２のいずれか１項に記載の燃料電池の凍結防止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関連する技術分野において、特に、発電していないときに氷点下温度におかれても、含まれる水分の凍結が防止される燃料電池の凍結防止技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料であるアノードガス（水素）と酸化剤であるカソードガス（空気）とを電気化学反応させて発電する際に、副産物として水分を生成するものである。この生成した水分は、燃料電池が発電を休止しているときに周囲が氷点下温度に達すると、凍結してアノードガスやカソードガスが通流する配管をつまらせて、発電を再開するときに障害を引き起こすものである。
【０００３】
図５に、燃料電池におけるこのような障害を回避するための従来技術であって本発明の背景となる技術を示す。
ここで、アノードガス循環路５７は、エゼクタ５３を介して燃料源５２から供給されるアノードガス（水素）を、電解質膜５１ａが備えられる燃料電池スタック５１に供給するものである。このアノードガス（水素）は、その一部が電気化学反応に消費された後に、エゼクタ５３の機能により再循環することになっている。
そして、前記した副産物である水分は、その一部が電解質膜５１ａの湿潤性を保つために残留して、水素イオンの伝導性を維持して電気化学反応を進めるのに必要な水分として利用される。一方、副産物である水分のうち、その他の余分な水分は、カソードガス（空気）とともに外界に排出されたり、アノードガス循環路５７の経路内に蓄積されたりする。
そこで、従来においては、発電時に酸化剤供給源５４から燃料電池スタック５１に供給されるカソードガス（空気）を、第１弁５５を開放することにより、アノードガス循環路５７に導入し、さらに第２弁５６を開放することにより、蓄積した余分な水分を外界に排出することにしている。
従来技術においては、このようにして、周囲が氷点下温度に達すると凝固して配管をつまらせる余分な水分を適時外界に排出することにより、燃料電池を障害から回避させていた。
【０００４】
次に、図６に、燃料電池に関連しない他の技術分野における背景技術を示す。図６に示される冷凍庫１は、断熱材２と、冷凍装置４と、静磁場発生装置５と、電磁波発生装置６とから構成されている。このような構成を冷凍庫１が有することにより、空間３に配置される被冷凍物（図示せず）は、発生する静磁場及び電磁波にさらされて被冷凍物に含まれる水分子を構成する水素原子核に核磁気共鳴が生じることになる。
このように、核磁気共鳴によるエネルギーが与えられているために、この冷凍庫１では、被冷凍物を氷点下温度まで冷却しても、凍結させることがない（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−３２５０６２号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、図５に示される従来技術によれば、蓄積した余分な水分を外界に排出したとしても、周囲が氷点下温度に達した場合、電解質膜５１ａに残留した必要な水分の凍結が回避されるわけではない。このため、このような残留した水分が凍結すると、その凍結時の凝固膨張により、電解質膜５１ａをはじめとする燃料電池スタック５１の構成要素の構造が損傷を受けて、燃料電池の発電性能が劣化するという問題がある。また、図６に示される背景技術においても、開示されている冷凍方法及び冷凍庫１を燃料電池に適用して、その発電性能の劣化を抑制させるような技術にまでは到達していない問題がある。
【０００６】
本発明は、このような問題を解決することを課題とし、周囲が氷点下温度に到達しても燃料電池に含まれる必要な水分が凍結することを防止して、寒冷地で使用しても発電特性の劣化を抑制する燃料電池の凍結防止装置、及び凍結防止方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以上説明した課題を解決するために、請求項１に記載する燃料電池の凍結防止装置の発明は、アノードガス及びカソードガスを導入して発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに静磁場を付与する静磁場発生手段と、前記燃料電池スタックに電磁波を付与する電磁波発生手段と、を手段として備えることを特徴とする。
係る手段により発明が構成されることにより、燃料電池スタックは、付与される静磁場及び電磁波にさらされて、この燃料電池スタックに含まれる水分子を構成する水素原子核に核磁気共鳴が生じることになる。これにより、核磁気共鳴によるエネルギーが与えられるために、燃料電池スタックが氷点下温度に到達しても凍結することがない。
【０００８】
そして、請求項２に記載の燃料電池の凍結防止装置は、請求項１に記載の発明の構成において、前記燃料電池スタックは電解質膜がアノード極及びカソード極に狭持されてなる単セルの複数が積層して構成され、前記静磁場発生手段は前記単セルを貫くように前記静磁場を発生する磁石から構成され、前記電磁波発生手段は、前記発電の出力回路に対して並列に設けられる交流信号付与手段から構成されることを特徴とする。
係る手段により発明が構成されることで、単セルの複数が直列又は並列に接続されることで燃料電池スタックは発電容量を増加させることができる。そして、静磁場発生手段により複数の前記単セルの両端面を貫くようにして静磁場が付与されるので、前記単セルの全体に静磁場が付与されることになる。また、電磁波発生手段は、発電の出力回路に対して並列に設けられる交流信号付与手段であることから、電磁波のエネルギーを無駄なく燃料電池スタックに付与させることができることになる。
【０００９】
また、請求項３に記載の燃料電池の凍結防止装置は、請求項２に記載の発明の構成において、前記交流信号付与手段に対して直列に、かつ前記出力回路に対して並列に接続するコンデンサを、さらに手段として備えることを特徴とする。
係る手段により発明が構成されることにより、燃料電池スタックが発電して出力した直流電流は出力回路を通流することになるが、交流信号付与手段へ進入することはない。しかし、交流信号付与手段が発生した交流信号はこのコンデンサを通過して、燃料電池スタックに電磁波を付与させることが可能になる。
【００１０】
そして、請求項４に記載の燃料電池の凍結防止装置は、請求項２又は請求項３に記載の発明の構成において、前記磁石は、一対の磁石が前記単セルの両端面に配置されてなることを特徴とする。
係る手段により発明が構成されることにより、一対の磁石に挟まれる部分には均一な静磁場が形成される。このため、そこに配置される複数の単セルの全体は、均一な磁場が付与されることになる。
【００１１】
また、請求項５に記載の燃料電池の凍結防止装置は、請求項４に記載の発明の構成において、前記一対の磁石は、磁路形成部材により連結されていることを特徴とする。
係る手段により発明が構成されることにより、磁気的な閉回路が形成され一対の磁石に挟まれる部分に形成される静磁場の強度が向上する。これにより、核磁気共鳴により大きな電磁波エネルギーが単セルに供給されることになる。
【００１２】
そして、請求項６に記載の燃料電池の凍結防止装置は、請求項２又は請求項３に記載の発明の構成において、前記磁石は、前記単セルの両端面を挟むように構成される磁路形成部材上に配置されていることを特徴とするに記載の燃料電池の凍結防止装置。
係る手段により発明が構成されることにより、少なくとも１個の磁石により磁気的な閉回路を形成さることができ、高強度の静磁場を単セルに付与することができる。
【００１３】
また、請求項７に記載の燃料電池の凍結防止装置は、請求項２から請求項６のいずれか１項に記載の発明の構成において、前記一対の磁石は、前記単セルにおける長辺及び短辺からなる矩形形状の、前記長辺側に配置されていることを特徴とする。
係る手段により発明が構成されることにより、対峙する一対の磁石の間隔が狭くなり、一対の磁石に挟まれる部分には高強度の静磁場が形成される。
【００１４】
そして、請求項８に記載の燃料電池の凍結防止装置は、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の発明の構成において、前記電磁波の周波数を掃引させる周波数掃引手段を、さらに手段として備えることを特徴とする。
係る手段により発明が構成されることにより、複数の単セルに付与される静磁場の強度が不均一であっても、電磁波の周波数が掃引されるので、一様にラーモアの式に従う核磁気共鳴現象を発現させることができる。
【００１５】
また、請求項９に記載する燃料電池の凍結防止方法の発明は、静磁場が付与されている燃料電池スタックにラーモア周波数で発振する電磁波を付与する手段をとることにより、この燃料電池スタックの凍結を防止することを特徴とする。
係る手段を発明がとることにより、燃料電池スタックは、付与される静磁場及び電磁波にさらされて、この燃料電池スタックに含まれる水分子を構成する水素原子核に核磁気共鳴が生じることになる。これにより、核磁気共鳴によるエネルギーが与えられるために、燃料電池スタックが氷点下温度に到達しても凍結することがない。
【００１６】
そして、請求項１０に記載の燃料電池の凍結防止方法は、請求項９に記載の発明の構成において、前記静磁場は、前記燃料電池スタックを構成する単セルが長辺及び短辺を有する矩形形状であるときは、前記長辺側から付与されていることを特徴とする。
係る手段を発明がとることにより、単セルに付与されることになる静磁場のエネルギーは大きくなる。
【００１７】
また、請求項１１に記載の燃料電池の凍結防止方法は、請求項９又は請求項１０に記載の発明の構成において、前記燃料電池スタックが氷点下温度に近づくと前記電磁波が付与される手段をとることを特徴とする。
そして、請求項１２に記載の燃料電池の凍結防止方法は、請求項９から請求項１１のいずれか１項に記載の発明の構成において、前記燃料電池スタックが氷点下温度より高くなると前記電磁波が停止する手段をとることを特徴とする。
係る手段を発明がとることにより、氷点下温度より高い温度では燃料電池スタックに含まれる水分は凍結することがないので、そのような期間は電磁波を付与しないことにして、電磁波の付与に伴う消費電力を節約することができる。
【００１８】
また、請求項１３に記載の燃料電池の凍結防止方法は、請求項９から請求項１２のいずれか１項に記載の発明の構成において、前記電磁波を付与しつつ前記燃料電池スタックを加熱して、氷点下温度よりも高温になったところで前記電磁波を停止して、発電を開始する手段をとることを特徴とする。
係る手段を発明がとることにより、燃料電池スタックに含まれる水分が過冷却状態にあっても、発電の開始と同時にこれら水分が凍結することがない。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、周囲が氷点下温度に到達しても燃料電池に含まれる必要な水分が凍結することを防止して、寒冷地で使用しても発電特性の劣化を抑制する燃料電池の凍結防止装置、及び凍結防止方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照して本発明の実施形態に係る燃料電池の凍結防止装置、及び凍結防止方法について説明する。まず最初に、図１を参照して実施形態に係る燃料電池の凍結防止装置に適用される燃料電池スタックについて説明を行う。ここで、図１（ａ）は本実施形態の燃料電池スタックを構成する単セルの分解斜視図であり、図１（ｂ）は本実施形態の燃料電池スタックの分解斜視図であり、図１（ｃ）は本実施形態の燃料電池スタックの全体斜視図である。なお、図１に示されるようなＸＹＺ座標軸をとり、以降において、この座標軸を基準にして断面を特定して説明をする場合がある。
【００２１】
燃料電池スタック１０は、図１（ｂ）に示されるように、積層して相互に電気的に接続された複数の単セル１１と、静磁場発生手段１２と、磁路形成部材１３とから構成されている。このように構成されることにより燃料電池スタック１０は、モータ等の外部負荷２１（図３参照）を動作させるのに必要な電力を供給するために発電することが可能になる。ところで、この燃料電池スタック１０は、構成要素である単セル１１（図１（ａ）参照）が後記するように一つのコンデンサとみなすことができるので、この燃料電池スタック１０も全体として多数のコンデンサが接続された集合体とみなすことができる。
【００２２】
単セル１１は、図１（ａ）に示されるように、電解質膜Ｍの両面にアノード極Ａ及びカソード極Ｃが配置され、ＭＥＡを構成し、さらにその外側にセパレータＳが位置するように構成されている。このように単セル１１が構成されて、両極にアノードガス（水素）及びカソードガス（空気）の供給を受けて発電が行われる基本単位となる。ところで、電解質膜Ｍは絶縁体であり、その両面に導電体であるアノード極Ａ、カソード極Ｃ及びセパレータＳが配置されていることから、単セル１１は、全体として一つのコンデンサとみなすことができる。
【００２３】
アノード極Ａは、水素の供給を受けると、次の第（１）式の反応に示されるように水素分子を水素イオンに変換する。そして、この水素イオンが電解質膜Ｍの中を伝導してカソード極Ｃに到達すると、次の第（２）式の反応に示されるように酸素イオンと反応して水を生成（以下、生成水という）する。このような、電気化学反応に基づき、単セル１１の両電極間に電位差が発生（発電）する。
アノード反応  Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ-               （１）
カソード反応  ２Ｈ+＋２ｅ-＋１／２Ｏ2 → Ｈ2Ｏ  （２）
【００２４】
このような発電に伴い生成した生成水の大部分は、余分な水分として後記するカソードオフガスとともに外部に排出される。そして、その他の生成水の一部は、電解質膜Ｍを通過して後記するアノードオフガスに取り込まれる。また、残りの生成水は、必要な水分として電解質膜Ｍに残留し、この電解質膜Ｍを湿潤させて水素イオンの伝導性の維持に寄与することになる。
【００２５】
セパレータＳは、アノード極Ａに接する面に、複数の流路（図示せず）が形成されている。そして、この流路を介して、水素タンク２５（図３参照）から供給された水素が、アノード極Ａに供給されることになる。また、セパレータＳのカソード極Ｃに接する面に、複数の流路（図示せず）が形成されており、この流路を介して、エアコンプレッサ２７（図３参照）から供給された空気が、カソード極Ｃに供給されることになる。さらに、このセパレータＳは、導電性を有しているので隣接する単セル１１同士を電気的に接続している。このようにして、前記した第（１）（２）式に示されるような電気化学反応が各単セル１１毎に発生し、燃料電池スタック１０から大きな電力が出力回路２１ａ（図３参照）に出力されることになる。
【００２６】
静磁場発生手段１２は、図１に示すように燃料電池スタック１０に静磁場を形成するものであって、積層されている複数の単セル１１の両端面を挟むようにして配置される一対の磁石（第１磁石１２ａ、及び第２磁石１２ｂ）から構成される。そして、燃料電池スタック１０のＹＺ断面を示す図２（ａ）に示されるように、静磁場発生手段１２は、第１磁石１２ａ及び第２磁石１２ｂが異極を対向させて配置されているので、その間に紙面の奥行き方向に積層された複数の単セル１１は、強度Ｂが均一な静磁場が付与されることになる。
さらに、第１磁石１２ａ及び第２磁石１２ｂは、単セル１１が、長辺及び短辺を有する矩形形状であれば、長辺側に配置されていることとする。これにより、第１磁石１２ａ及び第２磁石１２ｂの間隔が小さくなり、単セル１１に付与される静磁場の強度Ｂが大きくなる。なお、磁石の極性（Ｓ，Ｎ）は図と逆向きであってもよい。
【００２７】
磁路形成部材１３は、純鉄等の飽和磁束密度が高い軟磁性材料からなるものである。そして、磁路形成部材１３は、図２（ａ）に示すように、対向する第１磁石１２ａ及び第２磁石１２ｂの外側面を互いに磁気的に結合させるものである。このように、磁路形成部材１３が配置されて、第１磁石１２ａ及び第２磁石１２ｂが、磁気的に閉回路を構成することにより、磁束の外部漏洩が防止されて、複数の単セル１１を挟む部分の静磁場の強度Ｂが向上することになる。
図２（ｂ）は燃料電池スタック１０のＹＺ断面の他の実施形態を示す断面図である。図２（ｂ）では、磁路形成部材１３´が、第１磁石１２ａ及び第２磁石１２ｂの外周を取り囲むように配置されているので、静磁場発生手段１２の外側を貫く磁束が通る断面を太くしたことになる。これにより、磁束の外部漏洩がさらに防止されて、複数の単セル１１を挟む部分の静磁場の強度Ｂがさらに向上することになる。
【００２８】
図２（ｃ）は燃料電池スタック１０のＹＺ断面の他の実施形態を示す断面図である。図２（ｃ）では、少なくとも１個の磁石１０が、複数の単セル１１の一端面に配置され、さらに磁路形成部材１３が複数の単セル１１の両端面を挟むように構成されている。このように磁石１２が配置されても、複数の単セル１１を貫く磁気的な閉回路が形成されることになる。
なお図２（ａ）〜（ｃ）において磁石１０は、複数の単セル１１の一端面に配置されるとともに磁路形成部材１３の端部に配置される形態が示されている。しかし、発明の保護される範囲はこのような形態に限定されるものではなく、磁石１２が配置される位置は、単セル１１の両端面を挟むように構成される磁路形成部材１３上の任意の位置となり得る。
【００２９】
このようにして、磁路形成部材１３が形成されていることにより、第１磁石１２ａ及び第２磁石１２ｂに挟まれる単セル１１の積層体は、その全体に均一でかつ高強度の静磁場が形成されることになる。このため、後記する核磁気共鳴現象を利用して、単セル１１を構成する電解質膜等に含まれる水分の水素原子に吸収させる電磁波エネルギーを大きくすることができ、この水分の凍結を効果的に防止することができる。
【００３０】
次に、図３を参照して、本発明に係る燃料電池の凍結防止装置の実施形態について説明する。図３に示すように、本実施形態に係る燃料電池の凍結防止装置２０は、燃料電池スタック１０と、外部負荷２１と、交流信号付与手段（電磁波発生手段）２２と、周波数掃引手段２３と、コンデンサ２４と、水素タンク２５と、エアコンプレッサ２７と、ヒータ２８と、液媒循環手段２９と、ＥＣＵ３０と、外部温度センサ３１と、内部温度センサ３２と、から構成される。
【００３１】
交流信号付与手段（電磁波発生手段）２２は、燃料電池スタック１０に、電磁波を付与するものであって、図３に示されるように、出力回路２１ａに対して燃料電池スタック１０と並列に設けられている。そして、交流信号付与手段２２は、ＥＣＵ３０の制御信号Ｓ３に基づき、燃料電池スタック１０が氷点下温度に近づくと前記電磁波を付与するように動作して、燃料電池スタック１０が氷点下温度より高くなると電磁波の付与を停止するように動作するものである。
このように、交流信号付与手段２２が動作することにより、燃料電池スタック１０に含まれる水分は凍結することがない高温状態では電磁波が付与されないこととなり、電磁波の付与に伴う消費電力を節約することができる。
【００３２】
ところで、この交流信号付与手段２２が出力する交流信号は、所定の周波数ωの交流電圧となっている。この交流電圧の振幅値は、最終的に燃料電池スタック１０に含まれる水分に印加される電圧が水の電気分解電圧（１．２３Ｖ）を超えないように設定される必要がある。そして、この周波数ωは、次の第（３）式により与えられるラーモアの式を満たすように設定される（以下、第（３）式を満たす周波数をラーモア周波数ともいう）。ここでＹは、核種に固有の磁気回転比を示し（核種が水素陽子の場合、４２．５８ [ＭＨｚ／Ｔ]）、Ｂは静磁場発生手段１２（図２参照）により燃料電池スタック１０に付与されている静磁場の強度を示している（単位は[Ｔ：テスラ]）。
ω＝Ｙ・Ｂ    （３）
【００３３】
ここで、図３に戻って、このように交流信号付与手段２２が、ラーモア周波数ωで発振することにより、前記したように燃料電池スタック１０はコンデンサの集合体とみなせることから、この燃料電池スタック１０にはこのラーモア周波数ωの交流電場が付与されることとなる。そして、この交流電場に誘導されて同じラーモア周波数ωの交流磁場が発生し、燃料電池スタック１０に付与されることとなる。このような交流信号付与手段２２の動作により、ラーモア周波数ωで発振する電磁波が燃料電池スタック１０に付与されることになる。
【００３４】
ところで、本実施形態においては、燃料電池スタック１０に電磁波を付与させる電磁波発生手段として、出力回路２１ａに対して並列に設けられる交流信号付与手段２２を一例として示している。しかし、本発明はこのような形態に限定されるわけでなく、例えば、出力回路２１ａや燃料電池スタック１０とは、別個に分離独立して設けられた電磁波発生手段を構成として含む場合もある。
【００３５】
そして、燃料電池スタック１０は、静磁場発生手段１２と、この静磁場の強度Ｂにより定められるラーモア周波数ωで発振する交流信号付与手段（電磁波発生手段）２２との作用により、含まれる水分の水素原子が核磁気共鳴現象を起こすことになる。このように核磁気共鳴現象が生じると、付与された電磁波エネルギーが吸収されて励起状態に遷移し、水分は氷点下温度に達しても液状を維持し過冷却状態となる。なお、交流信号付与手段（電磁波発生手段）２２により燃料電池スタック１０に付与される電磁波は、連続的であっても間欠的であってもよい。これにより、燃料電池スタック１０の温度が水の凍結する氷点下温度まで低下しても、凍結を防止する効果が得られることになる。
【００３６】
周波数掃引手段２３は、交流信号付与手段（電磁波発生手段）２２により発生する電磁波の周波数を連続的に変化させる（掃引（sweep）する）ものである。この周波数掃引手段２３が設置されることによって、燃料電池スタック１０を構成する複数の単セル１１に付与される静磁場の強度Ｂが不均一であっても、一様に第（３）式に示すラーモアの式の関係を満足させることができ、核磁気共鳴現象を発現させることができる。
すなわち、各単セル１１に付与される静磁場の強度Ｂの分布に幅（Ｂn〜Ｂm）がある場合は、前記した第（３）式で導かれるωにも幅（ωn〜ωm）の分布をもたせることにする。そして、周波数掃引手段２３は、交流信号付与手段２２が発振する周波数をωn〜ωmの間で連続的に変化するように掃引動作させる。
【００３７】
コンデンサ２４は、交流信号付与手段２２に対して直列に、かつ前記出力回路２１ａ上の燃料電池スタック１０に対して並列に接続するように設けられている。このようにコンデンサ２４が配置されることにより、燃料電池スタック１０が発電した直流電流は、出力回路２１ａを通流することになるが、交流信号付与手段２２へ進入することはない。さらに、交流信号付与手段２２が発生した交流信号は、このコンデンサ２４を通過して燃料電池スタック１０に付与されることが可能になる。
【００３８】
水素タンク２５は、その内部に貯蔵されている水素を減圧させた後に、図示しないエゼクタに供給するものである。このエゼクタは、供給された水素をアノード極Ａ（図１（ａ）参照）に輸送させるとともに、このアノード極Ａで消費されなかったアノードオフガスを戻して再びアノード極Ａに輸送させるものである（この水素の循環を示す線は、図３において記載が省略されている）。
このように水素タンク２５及びエゼクタは動作して、ＥＣＵ３０が発する信号Ｓ１に基づき、燃料電池の発電に伴い消費される燃料である水素を燃料電池スタック１０に供給するものである。
【００３９】
エアコンプレッサ２７は、エアコンプレッサにより空気（カソードガス）を、ＥＣＵ３０が発する信号Ｓ２に基づき、カソード極Ｃ（図１（ａ））に供給するものである。図３において、空気が通流する経路は略示されているが、この空気は、燃料電池スタック１０に配置される全てのカソード極Ｃにいきわたった後、カソードオフガスとして外部に排出される。
このようにして、水素と空気とが供給されると、燃料電池スタック１０は発電して、出力回路２１ａを介して電力を外部負荷２１に出力することになる。
【００４０】
ヒータ２８は、液媒循環手段２９により循環する液媒（不凍液）を加熱するものである。このように加熱された液媒（不凍液）は、燃料電池スタック１０を経由して、氷点下温度よりも高い温度（前記した第（１）（２）式で示される電気化学反応が起こるのに最適な温度）に燃料電池スタック１０を設定するものである。
【００４１】
ＥＣＵ３０は、予め登録されている情報を基にして、燃料電池の凍結防止装置２０を構成する要素品の動作を制御して、発電電力の出力量の調節や、凍結防止の手順に関連して装置全体をコントロールするものである。
具体的には、外部負荷２１における消費電力が多くなれば、燃料電池スタック１０の供給電力を増強させるために、水素タンク２５に信号Ｓ１を、エアコンプレッサ２７に信号Ｓ２を送って、それらの出力を調整する。
そして、後に詳述するが、燃料電池スタック１０の凍結を防止するためにＥＣＵ３０は、外気温度Ｔ１及び内部温度Ｔ２のデータに基づき、周波数掃引手段２３及びヒータ２８に対して信号Ｓ３，Ｓ４を送ってそれらの動作制御を行う。
【００４２】
外部温度センサ３１は、燃料電池スタック１０が配置されている周囲の外気温度Ｔ１を計測するものである。この計測された外気温度Ｔ１のデータは、外部温度センサ３１からＥＣＵ３０へ転送されることになる。
内部温度センサ３２は、燃料電池スタック１０の内部温度Ｔ２を計測するものである。この計測された内部温度Ｔ２のデータは、内部温度センサ３２からＥＣＵ３０へ転送されることになる。
【００４３】
＜動作説明＞
次に、図３及び図４を参照して、本発明の燃料電池の凍結防止方法に係る実施形態を示す。ここで、図４（ａ）は、燃料電池の発電停止時における凍結防止手段の設定フローを示すフローチャートを示し、図４（ｂ）は燃料電池の発電開始時における凍結防止手段の解除フローを示すフローチャートを示している。
【００４４】
まず、図３と図４（ａ）とを参照して、凍結防止手段の設定フローについて説明する。
まず、イグニッションＯＦＦによる発電停止の命令（ステップＳ１１、以下、Ｓ１１のように略記する）をＥＣＵ３０が受けると、ＥＣＵ３０は、外部負荷２１に対する電力の供給を停止し、水素タンク２５及びエアコンプレッサ２７に動作停止を指示する信号Ｓ１，Ｓ２を送る。そして、外気温度Ｔ１を計測したデータがＥＣＵ３０に送られる（Ｓ１２）。
【００４５】
ここで、外気温度Ｔ１が所定温度（ここでは４℃）よりも高い場合は（Ｓ１３：Ｎｏ）、燃料電池スタック１０は、凍結する恐れがないので凍結防止手段の設定は何もなされずに、そのまま外気温度Ｔ１の計測が継続される（Ｓ１２）。そして、外気温度Ｔ１が所定温度（ここでは４℃）以下になった場合は（Ｓ１３：Ｙｅｓ）、燃料電池スタック１０の内部温度Ｔ２を計測したデータがＥＣＵ３０に送られる（Ｓ１４）。
【００４６】
ここで、内部温度Ｔ２が設定温度Ｔ０よりも高い場合（Ｓ１５：Ｎｏ）は、凍結する恐れがないので凍結防止手段の設定は何もなされずに、外気温度Ｔ１の計測に戻る（Ｓ１２）。ここで、設定温度Ｔ０とは、氷点下温度よりやや高めの温度とする。そして、内部温度Ｔ２が設定温度Ｔ０以下になった場合は（Ｓ１５：Ｙｅｓ）、しばらくすれば氷点下温度に到達して燃料電池スタック１０が凍結する可能性が生じる。そこで、ＥＣＵ３０は、燃料電池スタック１０に電磁波を付与（Ｓ１６）するために、周波数掃引手段２３に信号Ｓ３を送り交流信号付与手段２２を動作させる。
【００４７】
このように、燃料電池スタック１０に電磁波が付与されている間は（Ｓ１６）、燃料電池スタック１０の内部温度Ｔ２が氷点下温度に達しても、水分は過冷却状態となり液状に維持される。そして、燃料電池スタック１０の内部温度Ｔ２が設定温度Ｔ０より低い間は（Ｓ１７：Ｎｏ）、電磁波は燃料電池スタック１０に付与され続けることとなり、その凍結防止手段が設定されることとなる。そして、外気温度Ｔ１が上昇したりして燃料電池スタック１０の内部温度Ｔ２が設定温度Ｔ０以上になれば（Ｓ１７：Ｙｅｓ）、もはや燃料電池スタック１０の水分は凍結することはないので、ＥＣＵ３０は、電磁波の停止（Ｓ１８）をさせる信号Ｓ３を周波数掃引手段２３に送る。それとともに、動作フローは、外気温度Ｔ１の計測（Ｓ１２）に戻り、再び前記した動作内容が同様に繰り返される。これにより、交流信号付与手段（電磁波発生手段）２２は、凍結の恐れがある期間のみ駆動しそれ以外は休止しているので動作させるのに必要なエネルギーの節約が図られる。
この図４（ａ）のフローは、イグニッションＯＮされて発電開始命令がなされるまで繰り返される。
【００４８】
次に、図３と図４（ｂ）とを参照して、凍結防止手段の解除フローについて説明する。まず、イグニッションＯＮにより発電開始の命令（Ｓ２１）をＥＣＵ３０が受けると、ＥＣＵ３０は、燃料電池スタック１０の内部温度Ｔ２を計測したデータがＥＣＵ３０に送られる（Ｓ２２）。そして、この内部温度Ｔ２が設定温度Ｔ０よりも高温である場合は（Ｓ２３：Ｎｏ）、前記したＳ１７からＳ１８のフローに従い交流信号付与手段２２は停止しているので、ただちに発電開始（Ｓ２８）となる。この発電開始（Ｓ２８）とは、ＥＣＵ３０が、水素タンク２５及びエアコンプレッサ２７に信号Ｓ１，Ｓ２を送り、水素及び空気を燃料電池スタック１０に通流させることである。
【００４９】
一方、この内部温度Ｔ２が設定温度Ｔ０以下である場合は（Ｓ２３：Ｙｅｓ）、燃料電池スタック１０に含まれる水分は過冷却状態であるので、電磁波を停止すると凍結してしまう可能性が高い。そこで、交流信号付与手段２２による電磁波の付与を継続させて（Ｓ２４）、ＥＣＵ３０から、ヒータ２８及び液媒循環手段２９を動作させる信号Ｓ４，Ｓ５を送り、燃料電池スタック１０を加熱する（Ｓ２５）。
【００５０】
そして、内部温度Ｔ２が設定温度Ｔ０よりも低温のうちは、この加熱を継続する（Ｓ２６：Ｎｏ）。このようにして、内部温度Ｔ２が設定温度Ｔ０以上になって水分の凍結の可能性が無くなったところで（Ｓ２６：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ３０は、交流信号付与手段２２の動作を停止させる信号Ｓ３を周波数掃引手段２３に送り電磁波を停止（Ｓ２７）させて、発電を開始（Ｓ２８）する。
【００５１】
以上、説明したように発明が構成されるため、発電を休止しているときに燃料電池が氷点下温度に到達しても、含まれる水分には核磁気共鳴に伴うエネルギーが付与されるので、過冷却状態となり凍結することがない。また、発電を開始するときは、燃料電池が氷点下温度であっても、電磁波の付与を継続しつつ氷点下温度より高い温度に到達するまで加熱するので始動を早めることができる。
【００５２】
このように本発明の燃料電池の凍結防止装置によれば、寒冷地で燃料電池を使用しても、含まれる水分が凝固膨張して電解質膜をはじめとする燃料電池を構成要素の構造が損傷を受けることがないので、発電性能が劣化することもない。
なお、本発明は、自動車、電車、船舶をはじめとする輸送手段の動力源、家庭用、業務用として用いられる発電システム一般に適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】（ａ）は本発明に適用される燃料電池スタックを構成する単セルの一実施形態を示す分解斜視図であり、（ｂ）は燃料電池スタックの一実施形態を示す分解斜視図であり、（ｃ）は燃料電池スタックの一実施形態を示す全体斜視図である。
【図２】（ａ）は図１に示される燃料電池スタックのＹＺ断面を示し、（ｂ）及び（ｃ）はＹＺ断面の他の実施形態を示す断面図である。
【図３】本発明に係る燃料電池の凍結防止装置の一実施形態を示す概略図である。
【図４】（ａ）は本発明に係る燃料電池の凍結防止方法の設定動作を示し、（ｂ）は解除動作を示すフローチャートである。
【図５】背景技術を説明するための燃料電池のシステム構成の一部を示すブロック図である。
【図６】背景技術を説明するための冷蔵庫に適用されている凍結防止装置の一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００５４】
１０    燃料電池スタック
１１    単セル
１２（１２ａ，１２ｂ）    静磁場発生手段（第１磁石，第２磁石）
１３，１３´  磁路形成部材
２０    燃料電池の凍結防止装置
２２    交流信号付与手段（電磁波発生手段）
２３    周波数掃引手段
２４    コンデンサ
２５    水素タンク
２７    エアコンプレッサ
２８    ヒータ
【図１】
2007109513.tif 000003
【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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