(57)【要約】【課題】停止時に必要となる燃料ガス及び酸化剤ガスの除去を、コンパクトな構造で実現するとともに、発生する熱を適切に処理する。【解決手段】燃料電池スタックは複数の燃料電池２２と複数のセパレータ２１とを具備する。セパレータ２１は、導電体で形成されたセパレータ本体２４と、内部に絶縁されて設けられた抵抗部Ｒ１、Ｒ２とを備える。セパレータ本体２４は第１端子部３３と第２端子部３７とを含む。抵抗部Ｒ１、Ｒ２は、第３端子部３４と第４端子部３５、３６とを含む。第１端子部３３と第３端子部３４とが接続されている。複数のセパレータ２１のうちの隣り合う第１セパレータ２１−１と第２セパレータ２１−２とは、第１セパレータ２２−１の第４端子部３５、３６と、第２セパレータ２２−２の第２端子部３７とが接続されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料電池と、
前記複数の燃料電池の両端及び隣り合う燃料電池間に設けられた複数のセパレータと
を具備し、
前記複数のセパレータの各々は、
導電体で形成されたセパレータ本体と、
前記セパレータ本体の内部に絶縁されて設けられた抵抗部と
を備え、
前記セパレータ本体は、
第１端子部と、
前記第１端子部と離れて設けられた第２端子部と
を含み、
前記抵抗部は、
一端に設けられた第３端子部と、
他端に設けられた第４端子部と
を含み、
前記第１端子部と前記第３端子部とが接続され、
前記複数のセパレータのうちの隣り合う第１セパレータと第２セパレータとは、前記第１セパレータの前記第４端子部と、前記第２セパレータの前記第２端子部とが接続される
燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記第１セパレータの前記第４端子部と、前記第２セパレータの前記第２端子部との接続を制御するスイッチ部を更に具備する
燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記抵抗部は、
第１抵抗素子と、
前記第１抵抗素子と並列に設けられた第２抵抗素子と
を備え、
前記第４端子部は、
第１抵抗端子と、
前記第１抵抗端子とは異なる第２抵抗端子と
を備え、
前記第１抵抗素子の一端は前記第３端子部に、他端は前記第１抵抗端子にそれぞれ接続され、
前記第２抵抗素子の一端は前記第３端子部に、他端は前記第２抵抗端子にそれぞれ接続される
燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記第１セパレータの前記第１抵抗端子と、前記第２セパレータの前記第２端子部との接続を制御する第１スイッチ部と、
前記第１セパレータの前記第２抵抗端子と、前記第２セパレータの前記第２端子部との接続を制御する第２スイッチ部と
を更に具備する
燃料電池スタック。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記抵抗部は、前記セパレータ本体における第１面の複数での流路溝を有する領域と、前記第１面に対向する第２面での複数の流路溝を有する領域との間に設けられている
燃料電池スタック。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記複数の燃料電池及び前記複数のセパレータに冷媒を流通させて冷却する冷却部を更に具備する
燃料電池スタック。
【請求項７】
燃料電池スタックの動作方法であって、
ここで、前記燃料電池スタックは、
複数の燃料電池と、
前記複数の燃料電池の両端及び隣り合う燃料電池間に設けられた複数のセパレータと
を具備し、
前記複数のセパレータの各々は、
導電体で形成されたセパレータ本体と、
前記セパレータ本体の内部に絶縁されて設けられた抵抗部と
を備え、
前記セパレータ本体は、
第１端子部と、
前記第１端子部と離れて設けられた第２端子部と
を含み、
前記抵抗部は、
第１抵抗端子と、
前記第１抵抗端子とは異なる第２抵抗端子と、
前記第１抵抗素子及び前記第２抵抗素子の一端に設けられた第３端子部と、
前記第１抵抗素子の他端に設けられた第１抵抗端子と、
前記第２抵抗素子の他端に設けられた第２抵抗端子と
を含み、
前記第１端子部と前記第３端子部とが接続され、
前記複数のセパレータのうちの隣り合う第１セパレータと第２セパレータとは、前記第１セパレータの前記第１抵抗端子及び前記第２抵抗端子と、前記第２セパレータの前記第２端子部とが第１スイッチ部及び第２スイッチを介してそれぞれ接続され、
前記燃料電池スタックの動作方法は、前記燃料電池スタックを停止するとき、
前記複数の燃料電池の各々の電圧を計測するステップと、
前記電圧が閾値電圧より小さいとき、前記第１スイッチ部をオンに、前記第２スイッチ部をオフにそれぞれするステップと、
前記電圧が閾値電圧以上のとき、前記第１スイッチ部をオンに、前記第２スイッチ部をオンにそれぞれするステップと
を具備する
燃料電池スタックの動作方法。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池スタックの動作方法において、
前記燃料電池スタックを起動するとき、
前記複数の燃料電池の各々の温度を計測するステップと、
前記温度が閾値温度以下のとき、前記複数の燃料電池の各々の第１電圧を計測するステップと、
前記第１電圧が第１閾値電圧以上のとき、前記第１スイッチ部をオンに、前記第２スイッチ部をオンそれぞれするステップと、
前記第１電圧が第１閾値電圧より小さいとき、前記第１スイッチ部をオンに、前記第２スイッチ部をオフにそれぞれするステップと
を更に具備する
燃料電池スタックの動作方法。
【請求項９】
燃料電池に用いるセパレータであって、
導電体で形成されたセパレータ本体と、
前記セパレータ本体の内部に絶縁されて設けられた抵抗部と
を具備し、
前記セパレータ本体は、
第１端子部と、
前記第１端子部と離れて設けられた第２端子部と
を備え、
前記抵抗部は、
一端に設けられた第３端子部と、
他端に設けられた第４端子部と
を備え、
燃料電池での使用時に、
前記第１端子部と前記第３端子部とが接続され、
前記第４端子部は、他のセパレータ本体の第２端子部と電気的に接続される
セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタック及びその動作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
酸化剤ガス（酸素）と燃料ガス（水素）とから電力を生成する燃料電池が知られている。燃料電池では、起動のとき及び停止のとき、負荷に接続されない状態で、アノード側に燃料ガスが存在し、カソード側に酸化剤ガスが存在する。そのため、起動時及び停止時の無負荷状態では、燃料電池の両端に開放電圧ＯＣＶが発生している。この開放電圧ＯＣＶは電圧が高く、燃料電池の電解質膜やアノード及びカソードの触媒を劣化させるおそれがある。
【０００３】
特に、宇宙船や潜水艦に用いられる燃料電池システムでは、搭載できる機器の大きさや重さに限りがあるため、システム全体の大きさや重さをできるだけ小さくする必要がある。そのため、酸化剤ガス（酸素）や燃料ガス（水素）の置換用に用いられる不活性ガス（窒素）の量をできるだけ少なくし、不活性ガスの搭載量をできるだけ少なくすることが好ましい。したがって、起動・停止時に流す不活性ガスの量はできるだけ少なくすることが求められる。
【０００４】
不揮発性ガスを用いずに、高電圧の開放電圧ＯＣＶを防止する方法として、例えば、燃料電池に電流を流し、燃料ガス及び酸化剤ガスを消費することにより電圧を低下させる方法が知られている。
【０００５】
例えば、特許第３８９５９６０号公報（特許文献１：対応米国特許７６９１５０６（Ｂ２））に燃料電池スタックが開示されている。この燃料電池スタックは、複数個の単位燃料電池を、セパレータを介して積層してなる。この燃料電池スタックにおいて、各単位燃料電池に微小電流を流すことができる外部抵抗が接続されている。各セパレータの外周に設けられた突起状端子が前記燃料電池スタックに取り付けられた電圧測定装置の電圧取得用端子と個々の端子部材を介して接続している。個々の端子部材は複数の仕切りを有する絶縁性ケーシングの個々の仕切りにより絶縁状態で支持されている。また、前記外部抵抗に直列にスイッチが取り付けられていてもよい。
【０００６】
また、特開２００９−２８９５４７号公報（特許文献２）に燃料電池スタックが開示されている。この燃料電池スタックは、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に設けられたアノード電極と、前記電解質膜の他方の面に設けられたカソード電極と、前記アノード電極及び前記カソード電極の表面にそれぞれ設けられ、各電極に反応ガスを供給するセパレータとを含む単セルを複数重ね合わせている。この燃料電池スタックは、外部抵抗用端子と、第１通電路と、外部抵抗と、電圧計用端子と、第２通電路と、電圧計とを備えている。外部抵抗用端子は、少なくとも２つ以上の前記セパレータに取り付けられている。第１通電路は、前記外部抵抗用端子同士を電気的に接続する。外部抵抗は、前記第１通電路に設けられている。電圧計用端子は、少なくとも２つ以上の前記セパレータに取り付けられ、前記外部抵抗用端子とは異なる。第２通電路は、前記電圧計用端子同士を電気的に接続する。電圧計は、前記第２通電路に設けられている。
【０００７】
また、関連する技術として、特開２００９−２１１８３７号公報（特許文献３）に燃料電池およびその運転方法が開示されている。この燃料電池は、燃料および酸化剤によって発電が行われる燃料電池本体を備えている。該燃料電池本体の発電を停止させる際に前記燃料および前記酸化剤を外部へと排出せずに停止する停止動作をする。前記燃料電池本体に連通しかつ前記燃料が存在し得る燃料空間内の前記停止動作の開始時における燃料残存量と、前記燃料電池本体に連通しかつ前記酸化剤が存在し得る酸化剤空間内の前記停止動作の開始時における酸化剤残存量の比が、前記燃料と前記酸化剤との反応における当量比とされるように、前記燃料空間および／または前記酸化剤空間の容積、圧力および温度の少なくとも一つが設定されている。これにより、停止時に残存する水素及び酸素を、発電によって除去することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第３８９５９６０号公報
【特許文献２】特開２００９−２８９５４７号公報
【特許文献３】特開２００９−２１１８３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述のように、燃料電池に電流を流す方法では、抵抗素子及びスイッチを有する電路を燃料電池に設け、制御装置からの指令に基づいてそのスイッチを開閉する。その場合、スイッチを閉じたとき、電路と燃料電池とにより閉回路が構成される。その結果、その閉回路に電流を流すことができる。しかし、上記各方法では、いずれも外部抵抗素子を設ける必要がある。そのため、その外部抵抗素子を設置するためのスペースが必要になる。加えて、その外部抵抗素子が発する熱が大きく、その熱の処理が問題となる。
【００１０】
したがって、本発明の目的は、省スペースで、停止時に燃料及び酸化剤を外部へ放出せずに停止する停止動作が可能な燃料電池スタック及びその動作方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、発生する熱を適切に処理でき、停止時に燃料及び酸化剤を外部へ放出せずに停止する停止動作が可能な燃料電池スタック及びその動作方法を提供することにある。
【００１１】
この発明のこれらの目的とそれ以外の目的と利益とは以下の説明と添付図面とによって容易に確認することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
以下に、発明を実施するための形態で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための形態との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、特許請求の範囲に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１３】
本発明の燃料電池スタックは、複数の燃料電池（２２）と、複数の燃料電池（２２）の両端及び隣り合う燃料電池間に設けられた複数のセパレータ（２１）とを具備している。複数のセパレータ（２１）の各々は、導電体で形成されたセパレータ本体（２４）と、セパレータ本体（２４）の内部に絶縁されて設けられた抵抗部（Ｒ１、Ｒ２）とを備えている。セパレータ本体（２４）は、第１端子部（３３）と、第１端子部（３３）と離れて設けられた第２端子部（３７）とを含んでいる。抵抗部（Ｒ１、Ｒ２）は、一端に設けられた第３端子部（３４）と、他端に設けられた第４端子部（３５、３６）とを含んでいる。第１端子部（３３）と第３端子部（３４）とが接続されている。複数のセパレータ（２１）のうちの隣り合う第１セパレータ（２１−１）と第２セパレータ（２１−２）とは、第１セパレータ（２２−１）の第４端子部（３５、３６）と、第２セパレータ（２２−２）の第２端子部（３７）とが接続されている。
【００１４】
上記の燃料電池スタックにおいて、第１セパレータ（２２−１）の第４端子部（３５、３６）と、第２セパレータ（２２−２）の第２端子部（３７）との接続を制御するスイッチ部（ＳＷ１、ＳＷ２）を更に具備していることが好ましい。
【００１５】
上記の燃料電池スタックにおいて、抵抗部（Ｒ１、Ｒ２）は、第１抵抗素子（Ｒ１）と、第１抵抗素子（Ｒ１）と並列に設けられた第２抵抗素子（Ｒ２）とを備えていることが好ましい。第４端子部（３５、３６）は、第１抵抗端子（３５）と、第１抵抗端子（３５）とは異なる第２抵抗端子（３６）とを備えていることが好ましい。第１抵抗素子（Ｒ１）の一端は第３端子部（３４）に、他端は第１抵抗端子（３５）にそれぞれ接続されていることが好ましい。第２抵抗素子（Ｒ２）の一端は第３端子部（３４）に、他端は第２抵抗端子（３６）にそれぞれ接続されていることが好ましい。
【００１６】
上記の燃料電池スタックにおいて、第１セパレータ（２２−１）の第１抵抗端子（３５）と、第２セパレータ（２２−２）の第２端子部（３７）との接続を制御する第１スイッチ部（ＳＷ１）と、第１セパレータ（２２−１）の第２抵抗端子（３６）と、第２セパレータ（２２−２）の第２端子部（３７）との接続を制御する第２スイッチ部（ＳＷ２）とを更に具備していることが好ましい。
【００１７】
上記の燃料電池スタックにおいて、抵抗部（Ｒ１、Ｒ２）は、セパレータ本体（２４）における第１面の複数での流路溝を有する領域と、第１面に対向する第２面での複数の流路溝を有する領域との間に設けられていることが好ましい。
【００１８】
上記の燃料電池スタックにおいて、複数の燃料電池（２２）及び複数のセパレータ（２１）に冷媒を流通させて冷却する冷却部（４２−４４）を更に具備していることが好ましい。
【００１９】
本発明の燃料電池スタックの動作方法において、ここで、燃料電池スタックは、複数の燃料電池（２２）と、複数の燃料電池（２２）の両端及び隣り合う燃料電池間に設けられた複数のセパレータ（２１）とを具備している。複数のセパレータ（２１）の各々は、導電体で形成されたセパレータ本体（２４）と、セパレータ本体（２４）の内部に絶縁されて設けられた抵抗部（Ｒ１、Ｒ２）とを備えている。セパレータ本体（２４）は、第１端子部（３３）と、第１端子部（３３）と離れて設けられた第２端子部（３７）とを含んでいる。抵抗部（Ｒ１、Ｒ２）は、第１抵抗端子（３５）と、第１抵抗端子（３５）とは異なる第２抵抗端子（３６）と、第１抵抗素子（Ｒ１）及び第２抵抗素子（Ｒ２）の一端に設けられた第３端子部（３４）と、第１抵抗素子（Ｒ１）の他端に設けられた第１抵抗端子（３５）と、第２抵抗素子（Ｒ２）の他端に設けられた第２抵抗端子（３６）とを含んでいる。第１端子部（３３）と第３端子部（３４）とが接続されている。複数のセパレータ（２１）のうちの隣り合う第１セパレータ（２１−１）と第２セパレータ（２１−２）とは、第１セパレータ（２２−１）の第１抵抗端子（３５）及び第２抵抗端子（３６）と、第２セパレータ（２２−２）の第２端子部（３７）とが第１スイッチ部（ＳＷ１）及び第２スイッチ（ＳＷ２）を介してそれぞれ接続されている。
燃料電池スタックの動作方法は、燃料電池スタックを停止するとき、複数の燃料電池の各々の電圧を計測するステップと（Ｓ０２）、電圧が閾値電圧より小さいとき、第１スイッチ部（ＳＷ１）をオンに、第２スイッチ部（ＳＷ２）をオフにそれぞれするステップと（Ｓ０４）、電圧が閾値電圧以上のとき、第１スイッチ部（ＳＷ１）をオンに、第２スイッチ部（ＳＷ２）をオンにそれぞれするステップと（Ｓ０３）を具備している。
【００２０】
上記の燃料電池スタックの動作方法において、前記燃料電池スタックを起動するとき、複数の燃料電池の各々の温度を計測するステップと（Ｓ１１）、温度が閾値温度以下のとき、複数の燃料電池の各々の第１電圧を計測するステップと（Ｓ１２）、第１電圧が第１閾値電圧以上のとき、第１スイッチ部（ＳＷ１）をオンに、第２スイッチ部（ＳＷ２）をオンそれぞれするステップと（Ｓ１４）、第１電圧が第１閾値電圧より小さいとき、第１スイッチ部（ＳＷ１）をオンに、前記第２スイッチ部（ＳＷ２）をオフにそれぞれするステップと（Ｓ１５）を更に具備している。
【００２１】
本発明の燃料電池に用いるセパレータ（２１）は、導電体で形成されたセパレータ本体（２４）と、セパレータ本体（２４）の内部に絶縁されて設けられた抵抗部（Ｒ１、Ｒ２）とを具備している。セパレータ本体（２４）は、第１端子部（３３）と、第１端子部（３３）と離れて設けられた第２端子部（３７）とを備えている。抵抗部（Ｒ１、Ｒ２）は、一端に設けられた第３端子部（３４）と、他端に設けられた第４端子部（３５、３６）とを備えている。燃料電池での使用時に、第１端子部（３３）と第３端子部（３４）とが接続されている。第４端子部（３５、３６）は、他のセパレータ本体（２４）の第２端子部（３７）と電気的に接続される。
【発明の効果】
【００２２】
本発明により、省スペースで、停止時に燃料及び酸化剤を外部へ放出せずに停止する停止動作が可能となる。また、本発明により、発生する熱を適切に処理でき、停止時に燃料及び酸化剤を外部へ放出せずに停止する停止動作が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本発明の実施に係る燃料電池スタックを含む燃料電池システムの構成例を模式的に示すブロック図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の実施に係る燃料電池スタックに含まれるセパレータの構成例を模式的に示す斜視図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明の実施に係る燃料電池スタックに含まれるセパレータの構成例を模式的に示す斜視図である。
【図３】図３は、本発明の実施に係る燃料電池スタックの構成例を模式的に示すブロック図である。
【図４】図４は、本発明の実施に係る燃料電池スタックの構成例を模式的に示す等価回路図である。
【図５】図５は、本発明の実施に係る燃料電池スタックを含む燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【図６】図６は、本発明の実施に係る燃料電池スタックを含む燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態に係る燃料電池スタック及びその動作方法に関して、添付図面を参照して説明する。
【００２５】
まず、本発明の実施の形態に係る燃料電池スタックを含む燃料電池システムの構成について説明する。図１は、本発明の実施に係る燃料電池スタックを含む燃料電池システムの構成例を模式的に示すブロック図である。燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、スタック制御部４０と、燃料供給部２と、燃料調圧弁３と、燃料加湿部４と、燃料気液分離部５と、燃料ブロア６と、酸化剤供給部１２と、酸化剤調圧弁１３と、酸化剤加湿部１４と、酸化剤気液分離部１５と、酸化剤ブロア１６と、冷却水タンク４２と、冷却水ポンプ４３と、熱交換器４４と、制御部６０とを具備している。
【００２６】
燃料電池スタック１０は、燃料ガス（例示：水素）と酸化剤ガス（例示：酸素）とを供給されて電力を発生する。複数の燃料電池（単セル）と、複数のセパレータとを備えている。燃料電池は、発電の基本単位（単セル）であり、電解質膜と、アノードと、カソードとを備えている。電解質膜は、固体高分子電解質膜であり、パーフルオロスルホン酸膜のようなフッ素系電解質膜に例示される。アノードは、電解質膜の一方の面に設けられている。カソードは、電解質膜の他方の面に設けられている。アノード及びカソードは、その電解質膜に適した公知の材料を用いることができる。複数のセパレータは、複数の燃料電池を直接に接続している。複数の燃料電池の両端及び隣り合う燃料電池間に設けられている。セパレータは、単セルで発電した電気の一部を消費可能な抵抗部を内部に含んでいる。セパレータの詳細は後述される。なお、ここでは、燃料電池スタック１０が発電した電力を外部に取り出す構成は省略している。
【００２７】
スタック制御部４０は、単セルで発電した電気の一部を抵抗部で消費するか否かを制御する。スタック制御部４０は、スイッチ部を備えている。スイッチ部は、隣り合うセパレータ間において、一方のセパレータの内部に含まれる抵抗体と他方のセパレータとの接続を制御する。スイッチ部のＯＮ／ＯＦＦは、制御部６０に制御される。スタック制御部４０は燃料電池スタック１０の一部とみることができる。スタック制御部４０の詳細は後述される。
【００２８】
燃料供給部２は、制御部６０の制御に基づいて、燃料電池スタック１０用の燃料ガスを供給する。燃料ガスは、水素に例示される。燃料ガスは、配管７−１を介して燃料加湿部４に送出される。燃料調圧弁３は、制御部６０の制御に基づいて、燃料ガスの圧力を調整する。この燃料調圧弁３は、配管７−１の途中に設けられている。燃料加湿部４は、制御部６０の制御に基づいて、燃料ガスを加湿する。加湿前の燃料ガスは、燃料供給部２からの新規な燃料ガスと燃料気液分離部５からの再利用の燃料ガスとのいずれか一方又は両方を含む。加湿後の燃料ガスは、配管７−２を介して燃料電池スタック１０の各単セルのアノードへ供給される。燃料気液分離部５は、燃料電池スタック１０から排出された気液分離前の排燃料ガスを気液分離する。この気液分離前の排燃料ガスは、配管７−３を介して燃料気液分離部５に供給される。燃料ブロア６は、制御部６０の制御に基づいて、燃料気液分離部５によって水分が除去された燃料ガスを燃料加湿部４に送出する。この燃料ブロア６は、配管７−４の途中に設けられている。燃料気液分離部５によって水分が除去された燃料ガスは、配管７−４を介して燃料加湿部４に送出される。燃料気液分離部５には燃料ガスや水を取り出し可能な弁８が設けられている。
【００２９】
酸化剤供給部１２は、制御部６０の制御に基づいて、燃料電池スタック１０用の酸化剤ガスを供給する。酸化剤ガスは、酸素に例示される。酸化剤ガスは、配管１７−１を介して酸化剤加湿部１４に送出される。酸化剤調圧弁１３は、制御部６０の制御に基づいて、酸化剤ガスの圧力を調整する。この酸化剤調圧弁１３は、配管１７−１の途中に設けられている。酸化剤加湿部１４は、制御部６０の制御に基づいて、酸化剤ガスを加湿する。加湿前の酸化剤ガスは、酸化剤供給部１２からの新規な酸化剤ガスと酸化剤気液分離部１５からの再利用の酸化剤ガスとのいずれか一方又は両方を含む。加湿後の酸化剤ガスは、配管１７−２を介して燃料電池スタック１０の各単セルのカソードへ供給される。酸化剤気液分離部１５は、燃料電池スタック１０から排出された気液分離前の排酸化剤ガスを気液分離する。この気液分離前の排酸化剤ガスは、配管１７−３を介して酸化剤気液分離部１５に供給される。酸化剤ブロア１６は、制御部６０の制御に基づいて、酸化剤気液分離部１５によって水分が除去された酸化剤ガスを酸化剤加湿部１４に送出する。この酸化剤ブロア１６は、配管１７−４の途中に設けられている。酸化剤気液分離部１５によって水分が除去された酸化剤ガスは、配管１７−４を介して酸化剤加湿部１４に送出される。酸化剤気液分離部１５には酸化剤ガスや水を取り出し可能な弁１８が設けられている。
【００３０】
冷却水タンク４２は、燃料電池スタック１０用の冷却水（例示：純水）を貯蔵している。冷却水ポンプ４３は、制御部６０の制御に基づいて、冷却水の供給（循環）を行う。冷却水は、配管４５−１を介して燃料電池スタック１０に送出され、燃料電池スタック１０を冷却する。冷却に使用された冷却水は、配管４５−２を介して冷却水タンク４２へ戻る。熱交換器４４は、配管４５−２の途中に設けられている。冷却に使用された冷却水を熱交換により冷却する。したがって、冷却水タンク４２へ戻る冷却水は冷却されている。これら冷却水タンク４２と、冷却水ポンプ４３と、熱交換器４４とは、燃料電池スタック１０を冷却する冷却機構（冷却装置）と見ることができる。
【００３１】
制御部６０は、燃料電池システム１に含まれる各構成の運転動作や停止動作などを制御する情報処理装置であり、コンピュータに例示される。コンピュータのＣＰＵは、例えば記憶媒体からインターフェースを介してＨＤＤに読み込まれた、本実施の形態に係る燃料電池スタックの動作方法のコンピュータプログラムをＲＡＭに展開する。そして、展開されたコンピュータプログラムを実行し、必要に応じて記憶装置や入出力装置や燃料電池システム１に含まれる各構成のようなハードウエアを制御して、当該コンピュータプログラムの情報処理を実現する。
【００３２】
次に、セパレータの構成について説明する。図２Ａ及び図２Ｂは、本発明の実施に係る燃料電池スタックに含まれるセパレータの構成例を模式的に示す斜視図である。本実施の形態においては、セパレータ２１が第１部材２１ａと第２部材２１ｂとを備えている。ただし、セパレータ２１の構造は、この例に限定されるものではなく、一方の面と他方の面に流路溝３２を有し、内部に抵抗部（第１抵抗素子Ｒ１、第２抵抗素子Ｒ２、など）を有していれば、必ずしも第１部材２１ａと第２部材２１ｂとを有している必要はない。
【００３３】
第１部材２１ａは、導電性を有し、平板形状を有している。一方の面にガス（燃料ガス又は酸化剤ガス）及び水が流通する複数の流路溝３２を有している。他方の面は例えば平面である。第２部材２１ｂは、導電性を有し、平板形状を有している。一方の面にはガス（酸化剤ガス又は燃料ガス）及び水が流通する複数の流路溝３２を有している。他方の面には抵抗部が設けられている。セパレータ２１は、このような第１部材２１ａの上記他方の面と、このような第２部材２１ｂの上記他方の面とが結合された構造を有している。
【００３４】
第２部材２１ｂは、図２Ｂに示すように、第１面２１ｂ１と第２面２１ｂ２と第３面２１ｂ３と第４面２１ｂ４とを有している。第１面２１ｂ１は、上記他方の面である。第２面２１ｂ２は、上記一方の面である。すなわち、第１面２１ｂ１と第２面２１ｂ２とは、表面と裏面の関係にある。第３面２１ｂ３は、第１面２１ｂ１と第２面２１ｂ２との間にあり、それらと垂直に交わる。第４面２１ｂ４は、第１面２１ｂ１と第２面２１ｂ２との間にあり、それらと垂直に交わると共に、第３面２１ｂ３の反対側の面に位置する。
【００３５】
第２部材２１ｂは、上記抵抗部としての第１抵抗素子Ｒ１及び第２抵抗素子Ｒ２と、その配線としての第１配線３１ａ及び第２配線３１ｂとを含んでいる。第１抵抗素子Ｒ１、第２抵抗素子Ｒ２、第１配線３１ａ及び第２配線３１ｂは、それぞれ、第１面２１ｂ１の表面領域に、第１面２１ｂ１と略平行に埋め込まれている。第１抵抗素子Ｒ１、第２抵抗素子Ｒ２、第１配線３１ａ及び第２配線３１ｂは、それぞれ外側を絶縁性の材料で覆われている。したがって、第１抵抗素子Ｒ１、第２抵抗素子Ｒ２、第１配線３１ａ及び第２配線３１ｂは、第２部材２１ｂ及び第１部材２１ａと電気的に絶縁されている。
【００３６】
第１抵抗素子Ｒ１は、第１面２１ｂ１の中央部を通り、第４面２１ｂ４から第３面２１ｂ３に向かう方向に設けられている。第２抵抗素子Ｒ２は、第１抵抗素子Ｒ１から離れた場所を通り、第４面２１ｂ４から第３面２１ｂ３に向かう方向に設けられている。すなわち、第１抵抗素子Ｒ１と第２抵抗素子Ｒ２とは、互いに平行に、互いに離れて設けられている。互いに離れていることは、電流が流れて加熱された第１抵抗素子Ｒ１及び第２抵抗素子Ｒ２の熱を逃がすために好ましい。
【００３７】
第１抵抗素子Ｒ１の一方の端は、第２部材２１ｂ内において、第１配線３１ａの途中に接続されている。第１抵抗素子Ｒ１の他方の端は、第３面２１ｂ３の表面に達し、第１抵抗端子３５を構成している。第２抵抗素子Ｒ２の一方の端は、第２部材２１ｂ内において、第１配線３１ａの一方の端に接続されている。第２抵抗素子Ｒ２の他方の端は、第３面２１ｂ３の表面に達し、第２抵抗端子３６を構成している。第１配線３１ａは、第１抵抗素子Ｒ１及び第２抵抗素子Ｒ２と略直角な、第４面２１ｂ４の面と平行な方向に伸びている。第１配線３１ａの他方の端は、第２部材２１ｂ内において、第２配線３１ｂの一方の端に接続されている。第２配線３１ｂは、第１配線３１ａと略直角な、第１抵抗素子Ｒ１及び第２抵抗素子Ｒ２と平行な方向に伸びている。第２配線３１ｂの一方の端は、第３面２１ｂ３の表面に達し、第３端子部３４を構成している。
【００３８】
第２部材２１ｂは更に、第１端子部３３と第２端子部３７とを有している。第１端子部３３は第３面２１ｂ３の長手方向の一方の端に設けられ、第２端子部３７は第３面２１ｂ３の長手方向の他方の端に設けられている。第１端子部３３は、使用時に、第３端子部３４に接続される。それにより、第１抵抗素子Ｒ１及び第２抵抗素子Ｒ２の一端と、セパレータ２１の第１端子部３３とが接続される。また、第２端子部３７は、使用時に、燃料電池を介して隣り合うセパレータ２１の第１抵抗端子３５及び第２抵抗端子３６に接続される。
【００３９】
なお、抵抗部は、図２Ｂに示すような第１抵抗素子Ｒ１及び第２抵抗素子Ｒ２の二個に限定されるものではない。例えば、一個でも良いし、三個以上であっても良い。また、第１抵抗素子Ｒ１及び第２抵抗素子Ｒ２の配置の仕方も、図２Ｂの例に示すような構造に限定されるものではない。例えば、図２Ｂから９０度回転していたり、蛇行したり、渦巻き型であったりなどその他の配置であっても良い。更に、第１抵抗素子Ｒ１及び第２抵抗素子Ｒ２のような各抵抗素子は、同じ抵抗値を有している必要はない。例えば、第１抵抗素子Ｒ１の抵抗値が相対的に大きく、第２抵抗素子Ｒ２の抵抗値が相対的に小さいというように、異なっていても良い。更に、配線３１ａ、３１ｂについてもその本数や配置について、この例に限定されるものではない。同様に第１端子部３３と第２端子部３７の配置も、この例に限定されるものではなく、たとえば、第１部材２１ａに配置してもよい。
【００４０】
次に、本発明の実施に係る燃料電池スタックの構成について説明する。図３は、本発明の実施に係る燃料電池スタックの構成例を模式的に示すブロック図である。燃料電池スタック１０は、図２Ａで説明されたセパレータ２１と燃料電池（単セル）２２とが交互に配置されている。この図の例では、セパレータ２１−１、単セル２２−１、セパレータ２１−２、単セル２２−２、セパレータ２１−３、…のように配置されている。セパレータ２１は、いずれもセパレータ本体２４、第１抵抗素子Ｒ１及び第２抵抗素子Ｒ２を備えている。単セル２２は、いずれもアノード２６、電解質膜２５及びカソード２７を備えている。
【００４１】
ここで、セパレータ２１−１／単セル２２−１／セパレータ２１−２について説明する。
セパレータ２１−１において、第１端子部３３は第３端子部３４に接続される。それにより、セパレータ２１−１と、第１抵抗素子Ｒ１及び第２抵抗素子Ｒ２の一端とが、第１端子部３３、第３端子部３４、第２配線３１ｂ及び第１配線３１ａを介して接続される。また、第１抵抗端子３５は、スタック制御部４０の第１スイッチ部ＳＷ１を介して、単セル２２−１を介して隣り合うセパレータ２１−２の第２端子部３７に接続される。第２抵抗端子３６は、スタック制御部４０の第２スイッチ部ＳＷ２を介して、単セル２２−１を介して隣り合うセパレータ２１−２の第２端子部３７に接続される。それにより、第１抵抗素子Ｒ１及び第２抵抗素子Ｒ２の他端と、セパレータ２１−２とが、第１抵抗端子３５、第２抵抗端子３６、第１スイッチ部ＳＷ１、第２スイッチ部ＳＷ２及び第２端子部３７を介して接続される。なお、セパレータ２１−１の第２端子部３７とセパレータ２１−２の第２端子部３７との間に、スタック制御部４０の電圧計４９が接続され、単セル２２−１の電圧を計測している。他のセパレータ２１／単セル２２／セパレータ２１についても同様である。また、図示されないが、セパレータ２１又は単セル２２には、その温度を計測する温度センサ（例示：熱電対）も設けられている。スタック制御部４０は、その温度センサにより、セパレータ２１又は単セル２２の温度を計測する。それらの温度は、燃料電池スタック１０の温度と見ることもできる。
【００４２】
図４は、本発明の実施に係る燃料電池スタックの構成例を模式的に示す等価回路図である。図３を模式的な等価回路で示している。この図において、セパレータ２１内の破線で囲まれた領域は、セパレータ本体２４と電気的に絶縁されている領域を示している。図３のような構成により、図４に示すように、単セル２２−１のアノード（２６）に接したセパレータ２１−１と、カソード（２７）に接したセパレータ２１−２との間に、負荷としての第１抵抗素子Ｒ１及び第２抵抗素子Ｒ２が接続された状態になる。接続のオン／オフの制御は、スタック制御部４０の第１スイッチ部ＳＷ１及び第２スイッチ部ＳＷ２で行われる。第１抵抗素子Ｒ１及び第２抵抗素子Ｒ２は、第１端子部３３及び第２端子部３７でセパレータ２１と接続されている以外は、セパレータ２１と絶縁されている。例えば、セパレータ２１−１に含まれている第１抵抗素子Ｒ１及び第２抵抗素子Ｒ２は、第１端子部３３でセパレータ２１−１と接続され、第２端子部３７でセパレータ２１−２と接続されている以外は、セパレータ２１−１、２１−２と絶縁されている。
【００４３】
このような構成を有することにより、隣り合うセパレータ２１間の単セル２２で発電された電力を、セパレータ２１内の第１抵抗素子Ｒ１及び第２抵抗素子Ｒ２に供給することができる。それにより、燃料電池（単セル）を負荷となる抵抗素子に接続された状態にすることができる。その結果、停止時での外部負荷が無くなる場合でも、任意に負荷となる抵抗素子を接続することが可能であり、内部に残存する燃料ガス及び酸化剤ガスを消費することができる。
【００４４】
また、第１抵抗素子Ｒ１及び第２抵抗素子Ｒ２がセパレータ２１内に設けられているので、従来の技術の場合に必要であった外部抵抗素子を設置するためのスペースが、本実施の形態の燃料電池スタック１０では不要になる。すなわち、本実施の形態の燃料電池スタック１０は、極めて省スペースである。更に、第１抵抗素子Ｒ１及び第２抵抗素子Ｒ２に電流が流れ発熱しても、従来から存在する燃料電池スタック１０を冷却するための冷却機構を用いて容易にセパレータ２１を冷却することができる。そのため、その第１抵抗素子Ｒ１及び第２抵抗素子Ｒ２が発する熱を容易に処理することができる。更に、起動時にこの抵抗を接続することによって、この抵抗を燃料電池昇温用ヒータとして使用することが出来るため、低温時の起動特性を改善する効果も期待できる。これは、燃料電池スタック１０を冷却する冷却機構と本抵抗とがセパレータ内で近接し、熱的に結合していることから得られる効果である。
【００４５】
次に、本発明の実施の形態に係る燃料電池スタックを含む燃料電池システムの動作について説明する。図５及び図６は、本発明の実施に係る燃料電池スタックを含む燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。図５及び図６は、それぞれ燃料電池スタック１０の運転を停止及び起動するときのフローを示している。
【００４６】
まず、図５を参照して燃料電池スタック１０の運転の停止について説明する。
既述のように、燃料電池スタック１０の運転が停止された直後は、アノード側に燃料ガスが存在し、カソード側に酸化剤ガスが存在する。安全に停止させるためには、残存する燃料ガス及び酸化剤ガスを排除しなければならない。そのため、本実施の形態では、その後に、スタック制御部４０は、制御部６０の制御により、第１スイッチ部ＳＷ１を閉じる（ステップＳ０１）。それにより、第１抵抗素子Ｒ１が負荷として各燃料電池（単セル）２２に接続される。この場合、第１抵抗素子Ｒ１が負荷として各燃料電池（単セル）２２に接続されているので、燃料ガス及び酸化剤ガスの消費は継続し、その残存量は低下していく。
【００４７】
次に、スタック制御部４０は、制御部６０の制御により、電圧計４９で各燃料電池（単セル）２２の電圧Ｖを測定する。電圧Ｖが所定の閾値電圧Ｖｔｈ以上の場合（ステップＳ０２：Ｙｅｓ）、単セル２２近傍での燃料ガス及び酸化剤ガスの残存量が多いと考えられ、より大きな電流を流せるので、更に第２スイッチ部ＳＷ２を閉じる。すなわち、第１スイッチ部ＳＷ１と第２スイッチ部ＳＷ２を閉じた状態とする（ステップＳ０３）。それにより、より速く燃料ガス及び酸化剤ガスを消費することができる。一方、電圧Ｖが所定の閾値電圧Ｖｔｈより小さい場合（ステップＳ０２：Ｎｏ）、単セル２２の起電力が弱く、大きな電流を流せないので、第１スイッチ部ＳＷ１のみ閉じた状態を維持する（ステップＳ０４）。
【００４８】
この後、単セル２２の電圧Ｖがゼロ（０）になっていない場合（ステップＳ０５:Ｎｏ）、その単セル２２のアノード側の燃料ガス及びカソード側の酸化剤ガスがまだ存在しているので、ステップＳ０２に戻り、動作が継続される。一方、単セル２２の電圧Ｖがゼロ（０）になった場合（ステップＳ０５:Ｙｅｓ）、その単セル２２のアノード側の燃料ガス及びカソード側の酸化剤ガスが無くなった、もしくは起電力が落ち、接続されている抵抗により流れうる電流が限界電流に達したことになる。そこで、一旦、第１スイッチ部ＳＷ１及び第２スイッチ部ＳＷ２を開放し（ステップＳ０６）、そのときの電圧を計測する。スイッチを開放した状態であっても電圧がゼロ（０）であったら（ステップＳ０７：Ｙｅｓ）、その動作を終了する。電圧が回復するようであったら、燃料ガス及び酸化剤ガスが残存することとなるので、ステップＳ０２に戻り動作が継続される。なお、冷却機構の停止は、セパレータ２１の発熱を考慮してステップＳ０７の終了後が好ましい。
【００４９】
図６を参照して燃料電池スタック１０の起動について説明する。燃料電池スタック１０を低温時に起動するときのフローは以下のようになる。
まず、制御部６０は、冷却機構を起動し（この場合、冷却というより熱の分配機構となる）、燃料ガス及び酸化剤ガスを十分供給する。
【００５０】
スタック制御部４０は、制御部６０の制御により、各燃料電池（単セル）２２の温度を計測する。もしくは、制御部６０自身が、冷却機構として循環させる燃料電池スタック１０用の冷却水の温度を計測する。その温度が低く（Ｔ≦Ｔｔｈ（閾値温度）：ステップＳ１１：Ｙｅｓ）、セルが発電可能状態となり、セル電圧が十分高いときには（Ｖ≧Ｖｔｈ１（第１閾値電圧）：ステップＳ１２：Ｙｅｓ）、第１スイッチ部ＳＷ１と第２スイッチ部ＳＷ２を接続する（ステップＳ１４）。また、その温度が低いが（Ｔ≦Ｔｔｈ：ステップＳ１１：Ｙｅｓ）、セル電圧が十分でないとまでは言えないがある程度の電位を持つ場合には（Ｖｔｈ１＞Ｖ≧Ｖｔｈ２（第２閾値電圧）：ステップＳ１２：Ｎｏ且つステップＳ１３：Ｙｅｓ）、第１スイッチ部ＳＷ１のみ接続した状態とする（ステップＳ１５）。その後、必要な発熱量に応じて温度が上昇した場合（Ｔ＞Ｔｔｈ：ステップＳ１１：Ｎｏ）には第１スイッチ部ＳＷ１及び第２スイッチ部ＳＷ２は開放される（ステップＳ１７）。もしくは、セル電圧が低く、抵抗での電力消費に耐えられないと判断されるとき（Ｖ＜Ｖｔｈ２：ステップＳ１３：Ｎｏ）には第１スイッチ部ＳＷ１及び第２スイッチ部ＳＷ２は開放される（ステップＳ１６）。
【００５１】
この動作によって、供給された燃料ガス及び酸化剤ガスから発電して第１抵抗素子Ｒ１及び第２抵抗素子Ｒ２に電流を流すこととなり、発電による発熱と抵抗による発熱の両方を冷却機構へ供給することとなる。燃料電池スタック１０での発熱量は、セル電圧Ｖと接続する抵抗値とで間接的に判断することができる。冷却機構は、供給された熱を、熱交換器４４を介さないで燃料電池スタック１０自身で用いても良いし、熱交換器４４を介して燃料電池システム１の他の部分で使用しても良い。
【００５２】
なお、燃料電池スタック１０での発熱量は、上記のようなセル電圧Ｖを用いる方法ではなく、他の方法で推定しても良い。例えば、スタック温度の上昇をもって判断する方法である。これらの動作は制御部６０の制御とスタック制御部４０により実現される。
【００５３】
以上の動作により、本発明の実施の形態に係る燃料電池スタックを含む燃料電池システムが動作する。
【００５４】
このような動作により、燃料電池スタック１０が停止していない（起動している）状態において、燃料電池スタック１０が外部負荷に接続されていない状態であっても、各単セル２２をセパレータ２１内の第１抵抗素子Ｒ１及び／又は第２抵抗素子Ｒ２に接続することができる。それにより、各単セル２２を常に負荷に接続された状態にすることができる。その結果、アノード側に燃料ガスが、カソード側に酸化剤ガスがそれぞれ存在していても、各単セル２２の両端に開放電圧ＯＣＶが発生することが無くなる。それにより、燃料電池の電解質膜やアノード及びカソードの触媒の劣化を大幅に抑制することができる。
【００５５】
また、第１抵抗素子Ｒ１及び第２抵抗素子Ｒ２がセパレータ２１内に設けられているので、外部抵抗素子を設置するためのスペースが不要になる。すなわち、極めて省スペースである。更に、第１抵抗素子Ｒ１及び第２抵抗素子Ｒ２に電流が流れて発熱し、セパレータ２１の温度が上昇しても、燃料電池スタック１０を冷却するための冷却機構を用いて容易にセパレータ２１を冷却することができる。そのため、その第１抵抗素子Ｒ１及び第２抵抗素子Ｒ２が発する熱を容易に処理することができる。
【００５６】
また、上記動作では、燃料電池スタック１０の運転が停止された直後において、アノード側に残留する燃料ガス及びカソード側に残留する酸化剤ガスを、発電により積極的に消費する。それにより、それら残留ガスを、不活性ガスを用いることなく除去することができる。それにより、燃料電池システムにおける不活性ガスの消費量を大幅に低減でき、不活性ガスの貯蔵用のスペースを大幅に削減することができる。
【００５７】
本発明は上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施の形態は適宜変形又は変更され得ることは明らかである。また、各実施の形態の技術は、矛盾の発生しない限り、他の実施の形態に適用可能である。
【符号の説明】
【００５８】
１    燃料電池システム
２    燃料供給部
３    燃料調圧弁
４    燃料加湿部
５    燃料気液分離部
６    燃料ブロア
７−１〜７−４、１７−１〜１７−４、４５−１〜４５−２    配管
８、１８    弁
１０    燃料電池スタック
１２    酸化剤供給部
１３    酸化剤用調圧弁
１４    酸化剤加湿部
１５    酸化剤気液分離部
１６    酸化剤ブロア
２１、２１−１〜２１−３    セパレータ
２１ａ    第１部材
２１ｂ    第２部材
２２、２２−１、２２−２    燃料電池（単セル）
２４    セパレータ本体
３１ａ    第１配線
３１ｂ    第２配線
３３    第１端子部
３４    第３端子部
３５    第１抵抗端子
３６    第２抵抗端子
３７    第２端子部
４０    スタック制御部
４９    電圧計
４２    冷却水タンク
４３    冷却水ポンプ
４４    熱交換器
６０    制御部
Ｒ１    第１抵抗素子
Ｒ２    第２抵抗素子
ＳＷ１    第１スイッチ部
ＳＷ２    第２スイッチ部
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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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