(57)【要約】【課題】燃料電池セルの温度を均一化するためのヒータを備えた、システムの停止により反応ガス濃度が不均一な状態になっている各燃料電池セルに電流が流れることにより、各燃料電池セルの性能が劣化してしまうことがない燃料電池システムを、提供できる。【解決手段】燃料電池システムを、燃料電池セル１１の温度を均一化するための２つ（或いは１つ）のヒータ１３を備えた燃料電池スタック１０と、常時開路接点を有する２つ（或いは１つ）のリレー１７とを備え、燃料電池スタック１０の出力電圧をヒータ１３にリレー１７を介して印可するための回路が形成されているシステムとしておく。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料電池セルを積層した積層体と、前記積層体を前記燃料電池セルの積層方向の側面側から加熱できるように配置されたヒータと、前記積層体が発生した電圧を外部に出力するための２つの出力端子とを含む燃料電池スタックと、
常時開路接点を有するリレー手段と、
前記常時開路接点が閉じるように前記リレー手段を制御する制御手段と
を備え、
前記リレー手段と前記燃料電池スタックの前記２つの出力端子と前記ヒータとが、前記リレー手段の前記常時開路接点が閉じている場合にのみ、前記２つの出力端子からの電圧が前記ヒータに印加されるように、電気的に接続されている
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池スタックが、
前記積層体を前記燃料電池セルの積層方向の各側面側から加熱できるように配置された第１及び第２のヒータを含むものであり、
前記リレー手段が、
第１及び第２の常時開路接点を有する手段であり、
前記制御手段が、
前記第１及び第２の常時開路接点の双方が閉じるように前記リレー手段を制御する手段であり、
前記燃料電池スタックの２つの出力端子間に、前記第１のヒータと前記リレー手段の前記第１の常時開路接点とを直列接続したものと、前記第２のヒータと前記リレー手段の前記第２の常時開路接点とを直列接続したものとが、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】
複数の燃料電池セルを積層した積層体と、前記燃料電池セルの積層方向の側面側から前記積層体を加熱できるように配置されたヒータと、前記積層体が発生した電圧を外部に出力するための２つの主出力端子と、前記積層体内の特定の燃料電池セル間に設けられている副出力端子とを含む燃料電池スタックと、
常時開路接点を有するリレー手段と、
前記常時開路接点が閉じるように前記リレー手段を制御する制御手段と
を備え、
前記リレー手段と前記燃料電池スタックの一方の主出力端子と前記副出力端子と前記第１及び第２のヒータとが、前記リレー手段の前記常時開路接点が閉じている場合にのみ、当該一方の主出力端子と前記副出力端子からの電圧が前記第１及び第２のヒータに印加されるように、電気的に接続されている
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池スタックが、
前記積層体を前記燃料電池セルの積層方向の各側面側から加熱できるように配置された第１及び第２のヒータを含むものであり、
前記リレー手段が、
第１及び第２の常時開路接点を有する手段であり、
前記制御手段が、
前記第１及び第２の常時開路接点の双方が閉じるように前記リレー手段を制御する手段であり、
前記燃料電池スタックの前記一方の主出力端子と前記副出力端子との間に、前記第１のヒータと前記リレー手段の前記第１の常時開路接点とを直列接続したものと、前記第２のヒータと前記リレー手段の前記第２の常時開路接点とを直列接続したものとが、接続され
ている
ことを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックを備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックは、燃料電池セルを積層したもの（以下、積層体と表記する）の各積層方向端にエンドプレート等を設けた構成を有している。そのため、燃料電池スタックは、積層体の端部側に位置している各燃料電池セルの温度が低くなりやすいものとなっている。そして、一部の燃料電池セルの温度が低くなると、燃料電池スタックの発電性能が劣化してしまうことになるため、温度が低くなりやすい燃料電池セルの近傍（積層体の，積層方向と直交する側面側）に、燃料電池スタックの発電電圧に基づき機能するヒータを設けることが提案さている。
【０００３】
具体的には、図３に示した燃料電池システム（特許文献１参照。）が提案されている。この燃料電池システムが備える燃料電池スタック５１は、燃料電池セルの積層体である複数個の燃料電池列５３が、隣接する２つの燃料電池列５３の極性が異なるように配置されたものである。また、燃料電池スタック５１は、図における左側からの放熱量がさほど大きくないものとなっている。
【０００４】
そして、この燃料電池システムは、そのような燃料電池スタック５１内の２つの燃料電池列５３毎に、それらの端部を加熱するためのヒータ（抵抗性加熱素子）５４を設けたものであると共に、ヒータ５４用の電源を不要とするために、ヒータ５４（及びヒューズ）を、２つの燃料電池列５３の出力端子に接続したものとなっている。
【０００５】
このような構成を採用しておけば、燃料電池スタック（燃料電池列５３）内の各燃料電池セルの温度をほぼ同温度に制御できることになる。ただし、上記構成をそのまま採用したのでは、燃料電池システムの停止後に、システムの停止により反応ガス濃度が不均一な状態になっている各燃料電池セルに電流が流れてしまい、その結果として、各燃料電池セルの性能が劣化してしまうことがあることになる。
【０００６】
なお、燃料電池スタックに関しては、上記技術の他にも、その停止時に燃料電池スタックを放電させるための技術（例えば、特許文献２参照。）や、低温からの始動を短時間で行えるようにするために、ヒータを用いる技術（例えば、特許文献３〜５参照。）が知られている。
【０００７】
【特許文献１】特表２００６−５１３５３４号公報
【特許文献２】特開２００２−３５２８４０号公報
【特許文献３】特開２００５−９３２８２号公報
【特許文献４】特開２００６−１７２９６７号公報
【特許文献５】特開２００３−４５４６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、本発明の課題は、燃料電池セルの温度を均一化するためのヒータを備えた、システムの停止により反応ガス濃度が不均一な状態になっている各燃料電池セルに電流が流れることにより、各燃料電池セルの性能が劣化してしまうことがない燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様の燃料電池システムは、複数の燃料電池セルを積層した積層体と、積層体を燃料電池セルの積層方向の側面側から加熱できるように配置されたヒータと、積層体が発生した電圧を外部に出力するための２つの出力端子とを含む燃料電池スタックと、常時開路接点を有するリレー手段と、常時開路接点が閉じるようにリレー手段を制御する制御手段とを備え、リレー手段と燃料電池スタックの２つの出力端子とヒータとが、リレー手段の常時開路接点が閉じている場合にのみ、２つの出力端子からの電圧がヒータに印加されるように、電気的に接続された構成を有する。
【００１０】
すなわち、本発明の第１の態様の燃料電池システムは、燃料電池セルの温度を均一化するためのヒータ（積層体を燃料電池セルの積層方向の側面側から加熱できるように配置されたヒータ）に、燃料電池スタック（積層体）の出力電圧が、常時開路接点を有するリレー手段を介して印可される構成を有している。そして、常時開路接点を有するリレー手段は、システムの停止時には必ず開放状態となるものである。従って、この燃料電池システムは、燃料電池セルの温度を均一化するためのヒータを備えた、システムの停止により反応ガス濃度が不均一な状態になっている各燃料電池セルに電流が流れることにより、各燃料電池セルの性能が劣化してしまうことがないシステムであることになる。
【００１１】
本発明の第１の態様の燃料電池システムを実現するに際しては、燃料電池スタックとして、積層体を燃料電池セルの積層方向の各側面側から加熱できるように配置された第１及び第２のヒータを含むものを採用した上で、それらのヒータとリレー手段と燃料電池スタック（積層体）とを数珠繋ぎに接続しておくことも出来る。ただし、そのような構成を採用した場合には、一方のヒータが切れた場合に、他方のヒータの機能も停止することになる。そして、ヒータによる加熱が全くなされていない状態よりも、片方のヒータによる加熱がなされている状態の方が、燃料電池スタックの発電効率は良いのであるから、上記構成の燃料電池スタックを採用する場合には、リレー手段として、第１及び第２の常時開路接点を有する手段を採用し、制御手段として、第１及び第２の常時開路接点の双方が閉じるようにリレー手段を制御する手段を採用し、燃料電池スタックの２つの出力端子間に、第１のヒータとリレー手段の第１の常時開路接点とを直列接続したものと、第２のヒータとリレー手段の第２の常時開路接点とを直列接続したものとを接続しておくことが、望ましい。
【００１２】
また、本発明の第２の態様の燃料電池システムは、複数の燃料電池セルを積層した積層体と、燃料電池セルの積層方向の側面側から積層体を加熱できるように配置されたヒータと、積層体が発生した電圧を外部に出力するための２つの主出力端子と、積層体内の特定の燃料電池セル間に設けられている副出力端子とを含む燃料電池スタックと、常時開路接点を有するリレー手段と、常時開路接点が閉じるようにリレー手段を制御する制御手段とを備え、リレー手段と燃料電池スタックの一方の主出力端子と副出力端子と第１及び第２のヒータとが、リレー手段の常時開路接点が閉じている場合にのみ、当該一方の主出力端子と副出力端子からの電圧が第１及び第２のヒータに印加されるように、電気的に接続されている構成を有する。
【００１３】
すなわち、この燃料電池システムは、燃料電池セルの積層方向の側面側から積層体を加熱できるように配置されたヒータに、燃料電池スタック（積層体）の出力電圧の何割かが、常時開路接点を有するリレー手段を介して印可される構成を有している。従って、この燃料電池システムも、燃料電池セルの温度を均一化するためのヒータを備えた、システムの停止により反応ガス濃度が不均一な状態になっている各燃料電池セルに電流が流れることにより、各燃料電池セルの性能が劣化してしまうことがないシステムとなっていることになる。また、リレー手段（常時開路接点）に、燃料電池スタックの出力電圧がそのままかからないシステムであるため、この燃料電池システムは、リレー手段として安価なもの
を使用できるシステム／リレー手段の耐久性を向上できるシステムとなっていることにもなる。
【００１４】
本発明の第２の態様の燃料電池システムを実現するに際しても、燃料電池スタックとして、積層体を燃料電池セルの積層方向の各側面側から加熱できるように配置された第１及び第２のヒータを含むものを採用した上で、それらのヒータとリレー手段と積層体の一部（一方の主出力端子と副出力端子とにより発電電圧を取り出せる部分）とを数珠繋ぎに接続しておくことが出来る。ただし、既に説明した理由により、そのような構成の燃料電池スタックを採用する場合には、リレー手段として、第１及び第２の常時開路接点を有する手段を採用し、制御手段として、第１及び第２の常時開路接点の双方が閉じるようにリレー手段を制御する手段を採用し、燃料電池スタックの一方の主出力端子と副出力端子との間に、第１のヒータとリレー手段の第１の常時開路接点とを直列接続したものと、第２のヒータとリレー手段の第２の常時開路接点とを直列接続したものとを接続しておくことが、望ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、燃料電池セルの温度を均一化するためのヒータを備えた、システムの停止により反応ガス濃度が不均一な状態になっている各燃料電池セルに電流が流れることにより、各燃料電池セルの性能が劣化してしまうことがない燃料電池システムを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
《第１実施形態》
以下、図１を用いて、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成及び動作を説明する。なお、本実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池自動車用の燃料電池システム（車両モータ用の電源システム）として開発されたものである。
【００１８】
図示してあるように、本実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池スタック１０、２つのリレー１７及び２つのヒューズ１８で構成された燃料電池スタック部と、ガス・冷却水供給機構２０と、ＥＣＵ(electronic control unit)３０とを、備えている。
【００１９】
まず、燃料電池スタック部の構成及び機能を、説明する。
【００２０】
燃料電池スタック部に用いられている各リレー１７は、常時開路接点を有する機械式リレーである。なお、常時開路接点とは、平常時は開放状態にあり、動作時（コイルの励磁時、外部から制御が行われた時）に閉成状態となる接点組（メーク接点、ａ接点等とも呼ばれているもの）のことである。
【００２１】
燃料電池スタック１０は、高電圧を得ることが出来るように複数の燃料電池セル１１を直列に接続した積層体１２の各積層方向側面に、ターミナル１６、ヒータ１３、インシュレータ１４及びエンドプレート１５を取り付けたユニットである。すなわち、燃料電池スタック１０は、一般的な構成の燃料電池スタックに、２つのヒータ１３（仕様は後述）を追加した構成を有するものとなっている。
【００２２】
図示してあるように、この燃料電池スタック１０内の各ヒータ１３の一方の電源端子は、燃料電池スタック１０の一方のターミナル１６と接続されている。また、各ヒータ１３の他方の電源端子と燃料電池スタック１０の他方のターミナル１６とは、リレー１７及びヒューズ１８を介して（リレー１７及びヒューズ１８を直列接続したものにより）、接続
されている。
【００２３】
要するに、燃料電池スタック部は、各ヒューズ１８が溶断しておらず、かつ、各リレー１７が動作している状態で、燃料電池スタック１０に発電動作を行わせれば、各ヒータ１３に、燃料電池スタック１０（積層体１２）の出力電圧（２つのターミナル１６間の電圧）が印可されるように、各構成要素間を結線したものとなっている。
【００２４】
そして、本実施形態に係る燃料電池スタック部は、上記構成を有するものであると共に、各ヒータ１３として、上記状態で、燃料電池スタック１０に所定電圧（本実施形態では、燃料電池スタック１０の最大出力電圧）を出力させ続けたときに、各燃料電池セル１１の温度がほぼ等しくなる仕様のヒータを採用したものとなっている。また、燃料電池スタック部は、各リレー１７として、耐電圧が、燃料電池スタック１０の最大出力電圧よりも高いものを採用し、各ヒューズ１８として、ヒータ１３内でショートが生じた場合に溶断する、定格電圧が燃料電池スタック１０の最大出力電圧よりも高いヒューズを採用したものともなっている。
【００２５】
次に、本実施形態に係る燃料電池システムが備えるガス・冷却水供給機構２０、ＥＣＵ３０の構成及び機能を、説明する。
【００２６】
ガス・冷却水供給機構２０は、アノードガス（水素ガス）、カソードガス（空気）及び冷却水を燃料電池スタック１０に供給するための機構である。このガス・冷却水供給機構２０は、一般的なガス・冷却水供給機構と同様に、水素タンク、エアーコンプレッサ、気液分離器、冷却水循環ポンプ、冷却器、各種のバルブ等で構成されたものとなっている。
【００２７】
ＥＣＵ３０は、基本的には、既存のＥＣＵ（燃料電池制御用のもの）と同機能、同構成のユニットである。すなわち、ＥＣＵ３０は、燃料電池スタック１０の出力電圧（ターミナル１６間の電圧）が目標電圧となるように、ガス・冷却水供給機構２０内の各部（バルブ等）を制御するユニットとなっている。また、ＥＣＵ３０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等で構成されたユニットであると共に、図示せぬイグニッションスイッチを介して図示せぬバッテリから、その動作に必要な電力が供給されるユニット（イグニッションスイッチをＯＦＦにすると、動作を停止するユニット）となっている。
【００２８】
ただし、ＥＣＵ３０は、ガス・冷却水供給機構２０の制御を開始する際（燃料電池スタック１０に発電動作を開始させる際）に、各リレー１７の動作を開始させ、ガス・冷却水供給機構２０の制御を終了する（燃料電池スタック１０に発電動作を終了させる際）に、各リレー１７の動作を終了させるユニットとして構成されている。より具体的には、ＥＣＵ３０は、各リレー１７のコイルと接続されるリレー制御用端子３０ａを備え、当該リレー制御用端子３０ａの電圧レベルを上記タイミングで変更するユニットとなっている。
【００２９】
以上、説明したように、本実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池セル１１の温度を均一化するための各ヒータ１３に、燃料電池スタック１０（積層体１２）の出力電圧が、常時開路接点を有するリレー１７を介して印可される構成を有している。そして、常時開路接点を有するリレー１７は、システムの停止時には必ず開放状態となるのであるから、本実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池セル１１の温度を均一化するためのヒータ１３を備えた、システムの停止により反応ガス濃度が不均一な状態になっている各燃料電池セル１１に電流が流れることにより、各燃料電池セル１１の性能が劣化してしまうことがないシステムであることになる。
【００３０】
《第２実施形態》
以下、図２を用いて、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの構成及び機能を
説明する。なお、本実施形態に係る燃料電池システムの、第１実施形態に係る燃料電池システムと同一の各構成要素（同一の参照符号を付してある各構成要素）については、その詳細説明を省略することにする。
【００３１】
図示してあるように、本実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池スタック１０′、２つのリレー１７′及び２つのヒューズ１８′で構成された燃料電池スタック部を備えている。
【００３２】
この燃料電池スタック部に用いられている各リレー１７′は、上記したリレー１７と同様に、常時開路接点を有する機械式リレーである。ただし、各リレー１７′は、リレー１７よりも耐電圧が低いもの（詳細は後述）となっている。
【００３３】
燃料電池スタック１０′は、積層体１２の各積層方向側面に、ターミナル１６、ヒータ１３′、インシュレータ１４及びエンドプレート１５を取り付けたユニットである。この燃料電池スタック１０′に用いられているヒータ１３′は、ヒータ１３よりも電源端子間の抵抗値が小さなもの（詳細は後述）となっている。
【００３４】
さらに、燃料電池スタック１０′は、積層体１２内の特定の２つの燃料電池セル１１の間に、積層体１２内の一部の燃料電池セル１１群による発電電圧を取り出すためのサブターミナル１９を取り付けたユニットとなっている。以下、このサブターミナル１９と図における左側のターミナル１６とにより取り出せる電圧のことを、ヒータ加熱用電圧と表記する。
【００３５】
そして、燃料電池スタック部は、図から明らかなように、各ヒューズ１８′が溶断しておらず、かつ、各リレー１７′が動作している状態で、燃料電池スタック１０′に発電動作を行わせると、ヒータ加熱用電圧が各ヒータ１３′に印可されることになるように、各構成要素間を結線したものとなっている。
【００３６】
要するに、この燃料電池スタック部は、上記した第１実施形態に係る燃料電池スタック部よりも、各ヒータ１３′にかかる電圧が低くなるように構成したものとなっている。また、そのように構成したものであるが故に、燃料電池スタック部は、各ヒータ１３′として、各リレー１７′を動作させた状態で、燃料電池スタック１０′に所定電圧（第１実施形態と同じ電圧）を出力させ続けたときに、各燃料電池セル１１の温度がほぼ等しくなる仕様のもの（つまり、ヒータ１３よりも電源端子間の抵抗値が小さなもの）を採用したものとなっている。また、燃料電池スタック部は、各リレー１７′として、耐電圧が、ヒータ加熱用電圧よりも若干高いもの（リレー１７よりも耐電圧が低いもの）を採用し、各ヒューズ１８′として、ヒータ１３′に適した仕様のヒューズ（定格電圧、定格電流がヒューズ１８とは異なるヒューズ）を採用したものとなっている。
【００３７】
以上、説明したように、本実施形態に係る燃料電池システムも、各ヒータ１３′への電圧印可が、常時開路接点を有する各リレー１７′を介して行われる構成を有している。従って、この燃料電池システムも、燃料電池セル１１の温度を均一化するためのヒータ１３′を備えた、システムの停止により反応ガス濃度が不均一な状態になっている各燃料電池セル１１に電流が流れることにより、各燃料電池セル１１の性能が劣化してしまうことがないシステムであることになる。
【００３８】
さらに、本実施形態に係る燃料電池システムの構成は、燃料電池スタック１０′の出力電圧が、そのままリレー１７′にかからないものとなっている。従って、この燃料電池システムの構成は、リレー１７′として安価なものを使用できる構成、或いは、リレー１７′の耐久性を向上できる構成となっていると言うことが出来る。
【００３９】
《変形形態》
上記した第１、第２実施形態に係る燃料電池システムは、各種の変形を行うことが出来る。例えば、各実施形態に係る燃料電池スタック部を、燃料電池スタック１０（１０′）の２つのヒータ１３（１３′）が直列に接続されているものに変形することが出来る。
【００４０】
ただし、２つのヒータ１３（１３′）を直列接続しておいた場合、一方のヒータ１３（１３′）が切れたときに、他方のヒータ１３（１３′）も機能を停止することになる。これに対して、上記した各実施形態の構成を採用しておけば、一方のヒータ１３（１３′）が切れても、他方のヒータ１３（１３′）をそれまで通りの発熱量で機能させることが出来ることになる。そして、２つのヒータ１３（１３′）の双方が機能していない状態よりも、片方のヒータ１３（１３′）が機能している状態の方が、燃料電池スタック１０（１０′）の発電効率は良いのであるから、各実施形態の構成を採用しておくことが望ましい。
【００４１】
また、各実施形態に係る燃料電池システムを、積層体１２（１２′）の一方の積層方向側面側のみの放熱量が大きな構成を有する燃料電池スタック１０（１０′）であって、当該積層方向側面側にのみ、ヒータ１３（１３′）を設けられている燃料電池スタック１０（１０′）を備えたものに変形することも出来る。
【００４２】
各実施形態に係る燃料電池システムを、リレー１７（１７′）の制御が、ＥＣＵ３０とは別の回路により行われるシステムに変形することも出来る。また、各実施形態に係る燃料電池システムを、積層体１２の端部の燃料電池セル１１の温度と、積層体１２の中央部の燃料電池セル１１の温度とが等しくなるように、リレー１７（１７′）のＯＮ／ＯＦＦ制御を行うＥＣＵ３０を備えたシステムに変形することも出来る。また、各実施形態に係る燃料電池システムを、リレー１７（１７′）として、機械式リレーではなく半導体リレーが用いられたものや、２つのリレー１７（１７′）の代わりに２つの常時開路接点を有する１つのリレーが用いられたものに変形しても良いことなどは、当然のことである。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図３】燃料電池セルの温度を均一化するためのヒータを備えた、既存の燃料電池システムの説明図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０，１０′・・・燃料電池スタック
１１・・・燃料電池セル
１２・・・積層体
１３，１３′・・・ヒータ
１４・・・インシュレータ
１５・・・エンドプレート
１６・・・ターミナル
１７，１７′・・・リレー
１８，１８′・・・ヒューズ
１９・・・サブターミナル
２０・・・ガス・冷却水供給機構
３０ａ・・・リレー制御用端子
３０・・・ＥＣＵ
【図１】
2009238561.tif 000003
【図２】
2009238561.tif 000004
【図３】
2009238561.tif 000005