JP2003257460A

JP2003257460A - 燃料電池スタック

Info

Publication number: JP2003257460A
Application number: JP2002054697A
Authority: JP
Inventors: Koichi Shiraishi; 剛一白石; Masao Ando; 正夫安藤; Munehisa Horiguchi; 宗久堀口
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2002-02-28
Filing date: 2002-02-28
Publication date: 2003-09-12
Anticipated expiration: 2022-02-28
Also published as: DE60320880D1; US20030162066A1; JP4131110B2; US7309538B2; EP1343214A1; EP1343214B1

Abstract

(57)【要約】【課題】低温下における燃料電池の起動を容易とする【解決手段】燃料電池スタック１の冷却系１３の冷媒で
ある不凍液を、低温環境下における発電始動時におい
て、一旦タンク１３６へ回収して燃料電池スタック１の
熱容量を減少させた後、発電始動を開始する。発電によ
る反応熱により、通常運転時の温度に回復した後、再度
不凍液を充填し、冷却系１３を駆動させ、冷却手段とし
て機能させる。

Description

【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、燃料電池では、発電時に、反応熱
と生成水が発生する。通常の発電状態では、反応熱によ
る燃料電池の温度が必要以上に上昇することを防ぐた
め、冷却装置が設けられている。しかし、氷点下におい
て発電を開始する場合には、一定の温度に達していなけ
れば、発電効率が悪化することが知られている。

【０００３】これは、氷点下では、発電反応によって生
成された水が、電極の表面で凍結し、電極への酸素の供
給を妨げるためである。このような生成水の凍結は、発
電時に発生する反応熱が燃料電池のセパレータに吸収さ
れてしまうことに起因する。そこで、従来では、特開平
７−９４２０２号に記載されているように、ヒータ等の
発熱手段を別個に設け、燃料電池を暖めた後に発電を開
始するものや、特表２０００−５１２０６８号に記載さ
れているように、発電開始時の発電量を小さくし、徐々
に発電量を上げていくことにより生成水の凍結を防ぐも
のなどが提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記発熱手段
を別個に設けるものでは、電力を余分に消費するという
欠点があり、また、発熱手段が設けられているために、
装置が大型化するなどの問題があった。また、発電量を
徐々に上げて行くものでは、通常発電状態に達するまで
に長時間を要するといった問題がある。

【０００５】この発明の目的は、氷点下における燃料電
池の起動を容易とすることにある。

【０００６】

【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）燃料電池の単位セルと、前記単位セル間を接続
するセパレータとを備えた燃料電池スタックにおいて、
該燃料電池スタックの熱容量を、停止時と始動時とで変
更する熱容量変更手段を備えた燃料電池スタック。

【０００７】（２）燃料電池の単位セルと、前記単位
セル間を接続するセパレータと、該燃料電池スタックの
熱容量を変更する熱容量変更手段とを備え、前記熱容量
変更手段は、停止時と始動時とで燃料電池スタックから
の放熱量を変更することを特徴とする燃料電池スタッ
ク。

【０００８】（３）前記熱容量変更手段は、燃料電池
スタックのセパレータ内の冷却水を抜き入れするもので
ある上記（１）または（２）に記載の燃料電池スタッ
ク。

【０００９】（４）前記熱容量変更手段は、燃料電池
スタックの構成物を比熱の小さな媒体に置換するもので
ある上記（１）又は（２）に記載の燃料電池スタック。

【００１０】（５）燃料電池の単位セルと、前記単位
セル間を接続するセパレータとを備えた燃料電池スタッ
クであって、前記セパレータは、冷却用の不凍液を保持
する保持部を有し、始動時には前記保持部から不凍液を
排出する排出制御手段を有する燃料電池スタック。

【００１１】（６）前記セパレータよりも重力位置で
下方に位置する不凍液タンクと、始動時には、前記保持
部から前記不凍液タンクへ前記不凍液を排出する排出路
を備えた上記（５）に記載の燃料電池スタック。

【００１２】（７）燃料電池の単位セルと、前記単位
セル間を接続するセパレータと燃料電池スタックであっ
て、単位セルから発電時に発せられる反応熱の熱伝導経
路を、低温始動時と停止時とで変更する熱伝導経路変更
手段を備えた燃料電池スタック。

【００１３】（８）セパレータは、金属板で構成され
ている上記（１）〜（７）のいずれか１に記載の燃料電
池スタック。

【００１４】（９）燃料電池スタックの温度を検出す
る温度検出手段と、検出された温度が所定値以下である
場合に、前記熱容量変更手段により、熱容量を減少させ
る制御手段とを有する上記（１）〜（４）のいずれかに
記載の燃料電池スタック。

【００１５】

【発明の実施の形態】

【００１６】

【実施の形態】以下、本発明の燃料電池スタック１につ
いて、添付図面に基づき詳細に説明する。図１は、燃料
電池スタック１の部分断面側面図、図２は部分断面斜視
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、各集電部材３１、３２の
周端部に重ねられるガスケット３３、３４、３５とを有
している。

【００１７】集電部材３１、３２は、それぞれ金属板で
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。

【００１８】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３は、図１に
おけるＡ−Ａ断面図である。集電部材３１は、矩形の板
材から成り、表面に設けられた酸素極接触部３１２と、
酸素極接触部３１２の周囲に形成された平面部３１１と
を備えている。酸素極接触部３１２は、酸素極２１側に
突出して形成された、複数の凸状部３１３を有してい
る。凸状部３１３は、平面部３１１の表面から隆起し、
直線状に連続して形成されており、集電部材３１の短辺
方向に沿って設けられている。このように形成された複
数の凸状部３１３は、集電部材３１の長辺に沿って等間
隔で配置されている。凸状部３１３の突出方向における
先端の部分は、酸素極２１に対して平行に、かつ直線状
に形成され、酸素極２１に接触する接触端部３１４とな
っており、集電部として作用する。集電部材３１が単位
セル２に重ねられると、複数の接触端部３１４が、それ
ぞれ酸素極２１の表面に接触する。

【００１９】凸状部３１３の間には、溝３１５が形成さ
れる。溝３１５の底面は平面部３１１と同一平面上に位
置する。集電部材３１と単位セル２が重ねられると、溝
３１５と酸素極２１とによって、酸素が流通する酸素流
通路４１１が形成される。集電部材３１の裏面には、凸
状部３１３の形成部分は凹部となり、複数の溝３１６が
形成される。従って、この溝３１６も、集電部材３１の
短辺に平行に、直線状に形成され、長辺方向に沿って等
間隔に配置されている。

【００２０】また、集電部材３１の長辺方向に両端部近
傍には、酸素流出孔５１１ａ、水素流出孔５２１ａ、冷
却液流出孔５３１ａが形成され、他方の端部には、酸素
流入孔５１２ａ、水素流入孔５２２ａ、冷却液流入孔５
３２ａが形成されている。酸素流出孔５１１ａと酸素流
入孔５１２ａ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
配置されており、他の水素流出孔５２１ａと水素流入孔
５２２ａや、冷却液流出孔５３１ａと冷却液流入孔５３
２ａも、同様の位置関係で配置されている。このような
配置することで、セパレータ３内に形成された各空間内
に流入する流体が、該空間内をより均一に通過すること
ができる。

【００２１】一方、図４は、図１におけるＢ−Ｂ断面図
である。集電部材３２は、矩形の板材から成り、表面に
設けられた燃料極接触部３２２と、燃料極接触部３２２
の周囲に形成された平面部３２１とを備えている。燃料
極接触部３２２は、燃料極２２側に突出して形成され
た、複数の表凸状部３２３を有している。表凸状部３２
３は、平面部３２１の表面から隆起し、直線状に連続し
て形成されており、集電部材３２の短辺方向に沿って設
けられている。このように形成された複数の表凸状部３
２３は、集電部材３２の長辺に沿って等間隔で配置され
ている。表凸状部３２３の突出方向における先端の部分
は、燃料極２２に対して平行に、かつ直線状に形成さ
れ、燃料極２２に接触する接触端部３２４となってお
り、集電部として作用する。集電部材３２が単位セル２
に重ねられると、複数の接触端部３２４が、それぞれ燃
料極２２の表面に接触する。表凸状部３２３の間には、
溝３２５が形成される。集電部材３２と単位セル２が重
ねられると、溝３２５と燃料極２２とによって、水素ガ
スが流通する水素流通路４２１が形成される。

【００２２】図５は、図１のＣ−Ｃ断面図である。集電
部材３２の裏面には、平面部３２１の裏側面から突出し
た裏凸状部３２６が形成され、その間には、溝３２７が
形成されている。表凸状部３２３と裏凸状部３２６と
は、表裏の関係にあり、表凸状部３２３の裏側が溝３２
７となり、裏凸状部３２６の表側が溝３２５となる。集
電部材３２の横断面形状は、燃料極接触部３２２におい
ては、表側（燃料極側）と裏側とに同様に、凸状部３２
３、３２６が突出した波型となっている。従って、裏凸
状部３２６は、表凸状部３２３と同様に、直線状に連続
して形成されており、集電部材３２の短辺方向に沿って
設けられている。このように形成された複数の裏凸状部
３２６は、集電部材３２の長辺に沿って等間隔で配置さ
れている。裏凸状部３２６の突出方向における先端の部
分は、上記集電部材３１の裏面に接触する当接面３２８
となっている。集電部材３２には、集電部材３１と同じ
位置に、酸素流出孔５１１ｂ、水素流出孔５２１ｂ、冷
却液流出孔５３１ｂ、酸素流入孔５１２ｂ、水素流入孔
５２２ｂ、冷却液流入孔５３２ｂがそれぞれ形成されて
いる。

【００２３】上記集電部材３１、３２は、金属板で構成
されているので、それぞれの集電部材３１、３２に形成
さている凸状部３１３、表凸状部３２３、裏凸状部３２
６は、例えばプレス加工等によって容易に形成すること
ができ、また、酸素流出孔５１１ａ等の孔も、打ち抜き
加工により安価に形成できるので、全体の製造コストの
低減を図ることができる。また、板材であるため、薄型
に形成できる。

【００２４】以上のように構成された集電部材３１、３
２は、同じ大きさで、同じ形状の矩形に形成されてお
り、相互の裏面を対向させた状態で重ねられる。当接面
３２８と集電部材３１の裏面とが接触することにより、
セパレータ３は、隣接する単位セル２の酸素極と燃料極
とを通電可能状態に接続できる構成となる。また、集電
部材３１、３２の間には、冷却液ガスケット３４が介挿
され、また、集電部材３１と単位セル２との間には、酸
素ガスケット３３が介挿され、集電部材３２と単位セル
２との間には、水素ガスケット３５が介挿される。

【００２５】各ガスケット３３、３４、３５の外形の形
状はいずれも矩形に形成され、集電部材３１、３２と同
一の形状に構成されている。また、各ガスケット３３、
３４、３５は、集電部材３１、３２の周端に沿って枠状
に形成され、各集電部材３１、３２に形成された酸素流
出孔５１１ａ（ｂ）、水素流出孔５２１ａ（ｂ）、冷却
液流出孔５３１ａ（ｂ）、酸素流入孔５１２ａ（ｂ）、
水素流入孔５２２ａ（ｂ）、冷却液流入孔５３２ａ
（ｂ）と同じ位置に、同様の孔が形成されている。ま
た、各ガスケット３３、３４、３５は絶縁材料で構成さ
れている。

【００２６】酸素ガスケット３３は、集電部材３１の凸
状部３１３の突出高さと、単位セル２の酸素極２１の厚
さとを合わせた厚さに形成されている。集電部材３１と
酸素ガスケット３３と単位セル２を重ねた状態で、集電
部材３１の表面と、酸素極２１の表面と、酸素ガスケッ
ト３３の内周端面３３１によって空間が形成され、この
空間が、酸素が充填される酸素保持部４１となる。ま
た、酸素ガスケット３３は、酸素流出孔５１１ａと酸素
保持部４１とを連通するための通路３３２と、酸素流入
孔５１２ａと酸素保持部４１とを連通するための通路３
３３とを備えており、酸素保持部４１に臨む端部は、酸
素流出口３３４と酸素流入口３３５がそれぞれの通路３
３２、３３３に形成される。

【００２７】水素ガスケット３５は、集電部材３２の表
凸状部３２３の突出高さと、単位セル２の燃料極２２の
厚さとを合わせた厚さに形成されている。集電部材３２
と水素ガスケット３５と単位セル２を重ねた状態で、集
電部材３２の表面と、燃料極２２の表面と、水素ガスケ
ット３５の内周端面３５１によって空間が形成され、こ
の空間が、水素が充填される水素保持部４２となる。ま
た、水素ガスケット３５は、水素流出孔５２１ｂと水素
保持部４２とを連通するための通路３５２と、水素流入
孔５２２ｂと水素保持部４２とを連通するための通路３
５３とを備えており、水素保持部４２に臨む端部は、水
素流出口３５４と水素流入口３５５がそれぞれの通路３
５２、３５３に形成される。

【００２８】冷却液ガスケット３４は、集電部材３２の
裏凸状部３２６の突出高さと同じ厚さに形成されてい
る。集電部材３１の裏面と集電部材３２の裏面と、間に
挟まれた冷却液ガスケット３４の内周端面３４１とによ
って空間が形成され、この空間が、冷却液が充填される
冷却液保持部４３となる。冷却液保持部４３は、集電部
材３１の裏面に形成された複数の溝３１６と、集電部材
３２の裏面に形成された複数の溝３２７によって、冷却
液を保持する容量を可能な限り大きくするように設定さ
れている。つまり、各凸状部３１３、３２３の裏側に形
成された空間（溝３１６、３２７）を利用して冷却液の
保持容量を可能な限り確保し、セパレータの厚さを薄く
維持しつつも、冷却効率を向上させている。

【００２９】また、溝３１６と溝３２７は、相互に直交
した状態に配置されているので、冷却液保持部３６を流
通する冷却液には、溝３１６に沿って鉛直方向に流れる
流れと、溝３２７に沿って水平方向に流れる流れとが生
じ、これらの流れが相互に交差する。このような流れが
生じることで、冷却液は、単純に流入口から流出口へ向
かう一元的な流れとならず、流通時に適度な抵抗を受け
ることとなり、冷却液はセパレータ３内の隅々に均一に
広がり、セパレータ３の各部を一層均等に冷却すること
ができる。また、冷却液ガスケット３４は、冷却液流出
孔５３１ｂと冷却液保持部４３とを連通するための通路
３４２と、冷却液流入孔５３２ｂと冷却液保持部４３と
を連通するための通路３４３とを備えており、冷却液保
持部４３に臨む端部は、冷却液流出口３４４と冷却液流
入口３４５がそれぞれの通路３４２、３４３に形成され
る。

【００３０】図６は、燃料電池スタック１の、図３にお
けるＤ−Ｄ断面図である。上記単位セル２とセパレータ
３を積層すると、図６に示されているように、それぞれ
同じ位置に形成された、酸素流出孔５１１ａ（ｂ）、水
素流出孔５２１ａ（ｂ）、冷却液流出孔５３１ａ
（ｂ）、酸素流入孔５１２ａ（ｂ）、水素流入孔５２２
ａ（ｂ）、冷却液入出孔５３２ａ（ｂ）によって、酸素
排出通路５１１、水素排出通路５２１、冷却液排出通路
５３１、酸素供給通路５１２、水素供給通路５２２、冷
却液供給通路５３２が形成される。酸素供給通路５１２
には、酸素保持部４１に連通する通路３３３が連通し、
水素供給通路５２２には、水素保持部４２に連通する通
路３５３が連し、冷却液供給通路５３２には、冷却液保
持部４３に連通する通路３４３が連通する。この酸素供
給通路５１２と複数の通路３３３によって酸素マニホー
ルドが構成され、水素供給通路５２２と複数の通路３５
３によって水素マニホールドが構成され、冷却液供給通
路５３２と通路３４３によって冷却液マニホールドが構
成される。同様に酸素排出通路５１１、水素排出通路５
２１、冷却液排出通路５３１は、それぞれ通路３３２、
３５２、３４２に連通している。

【００３１】図７は、燃料電池スタック１の全体斜視図
である。図７に示されているように、以上のように構成
された、単位セル２とセパレータ３は交互に積層され、
発電部６１が構成される。発電部６１の両端には、外側
へ向けて、熱伝導性調整部材６２ａ、６２ｂ、集電体６
３ａ、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お
り、対向する側面には、積層されたこれらの部材を一体
として保持するための保持部材６６が、それぞれ一対ず
つ設けられている。

【００３２】図８は、熱伝導性調整部材６２ａの構造を
示すもので、燃料電池スタック１の部分断面側面図であ
る。この熱伝導性調整部材６２ａは、セパレータ３と集
電体６３ａとを電気的に接続する。集電体６３ａは、銅
などの電気導電性の良い金属が用いられる。熱伝導性調
整部材６２ａは導電性材料から成り、横断面形状が波型
に形成され、波状の頂点部６２１が、セパレータ３の集
電部材３２に接続され、谷部６２２が集電体６３ａに接
続された構成となっている。

【００３３】また、熱伝導性調整部材６２ａは、燃料電
池スタック１の最も端に位置する集電部材３２から外部
への熱伝導を抑制する作用を有するものである。また、
熱伝導性調整部材６２ａは、集電部材３２と集電体６３
ａとを電気的に接続するために電気伝導性材料（例え
ば、金属）が用いられる。さらに、熱伝導性を抑制する
ために、熱の移動経路を小さくするとともに、発電部６
１から奪う熱量を少なくするため、熱伝導性調整部材６
２ａ自体の熱容量を小さくするべく、体積を小さく設定
することを目的として、板材を波型に形成した構成とな
っている。このような構造とすることで、集電部材３２
と集電体６３ａを電気的に接続するとともに、集電部材
３２から集電体６３ａへの熱伝導量を少なくしている。
本実施形態では、波型形状を例に挙げているが、集電部
材３２から集電体６３ａへの熱の移動を抑制する作用を
もつものであれば他の構造とすることができる。例え
ば、多孔質の導電材料である発泡金属や多孔質炭素材又
は導電性樹脂などを用いてもよい。なお、発電部６１の
反対側に設けられた熱伝導性調整部材６２ｂは、集電部
材３１に接続され、その他は熱伝導性調整部材６２ａと
同様の構成となっている。

【００３４】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９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。

【００３５】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Ｓ
2が接続され、最終的に燃料電池スタック１の酸素供給
通路５１２が接続されている。

【００３６】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。

【００３７】空気排出路１１１の上流側端は、燃料電池
スタック１の酸素排出通路５１１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酸素保持部４１に
空気を送り込み、空気中の酸素を酸素極２１に供給す
る。

【００３８】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１５
１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１
５６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。

【００３９】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
水素供給通路５２２へ水素を供給する供給路１２２と、
燃料電池スタック１の水素排出路５２１から外部へ水素
を排出する排出路１２３とを備えている。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、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。

【００４０】負荷系１４は、接続端子６７ａ、６７ｂに
接続されたコード１４７から、燃料電池スタック１の出
力を、インバータ１４２を介して外部に取り出す。この
出力によって、モータ１４３等の負荷が駆動される。こ
の負荷系１４には、逆電流を防止するダイオード１４８
と、スイッチとしてのリレー１４４が設けられている。
また、負荷系１４には、リレー１４４とインバータ１４
２の間に、出力制御回路１４５を介してバッテリ１４６
が接続されている。バッテリ１４６は、モータ１４３の
回生電流を蓄積し、また、燃料電池の出力が不足してい
る場合には、出力を補う。バッテリ１４６は、キャパシ
タ等の他の蓄電装置であってもよい。

【００４１】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。

【００４２】冷却系１３は燃料電池スタック１００の冷
却液排出通路５３１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
００の冷却液供給通路５３２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１
３５が接続されている。また、循環ポンプ１３４には、
冷却液が溜められているタンク１３６が、電磁弁ＳＶ４
を介して接続されている。

【００４３】また、特に低温始動時等に冷却液を一時的
にタンク１３６に回収する冷却液回収路（排出路）１３
７が接続されている。また、冷却系にはタンク１３６に
冷却液を回収する際、外気の導入路を開閉するための外
気導入バルブＳＶ２と、導入された外気から不純物を除
くフィルタ１３８が接続されている。外気導入電磁弁Ｓ
Ｖ２は、燃料電池スタック１よりも重力方向において、
高い位置に配置されている、このような位置に設けるこ
とによって、電磁弁ＳＶ２を開放すると、容易に外気が
排出路１３１内に導入される。タンク１３６は、燃料電
池スタック１よりも重力方向において下方に位置してい
る。さらに、循環ポンプ１３４は、タンク１３６に収容
された冷却液の液面よりも、重力方向において低い位置
に位置している。

【００４４】以上のような構成とすることで、外気導入
バルブＳＶ２を開放することによって、外気が燃料電池
スタック１の冷却液保持部４３に導入され、冷却液保持
部４３内の冷却液は、自重によってタンク１３６まで流
れ落ち、回収するためのポンプ等の装着が不要となる。
冷却液は、冷却液保持部４３内において最下端部に位置
する冷却液流入口３４５から流出し、冷却液供給通路５
３２、冷却液供給路１３３、冷却液回収路１３７を通っ
て、タンク１３６に回収される。冷却液を回収する場合
の、冷却液の上記経路は、上記順序で、重力方向で下方
又は同じ位置に位置するように配置されている。

【００４５】また、タンク１３６には冷却液が回収され
たか否か、また、冷却液が供給されたかどうかを判断す
る水位センサＳ８と、フィルタを備えた通気管１３９が
設置されている。冷却液排出路１３１、冷却液供給路１
３３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、ＳＶ２、ＳＶ３、ＳＶ
４、ＳＶ５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１３
２ａ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。

【００４６】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ＳＶ２〜５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の冷却液
供給通路５３２、各セパレータ３の冷却液保持部４３、
冷却液排出通路５３１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１３
４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。

【００４７】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。
燃料電池スタック１の温度センサＳ１１により、燃料電
池の温度が設定温度１よりも低いか否かを判断する（ス
テップＳ１０１）。ここで、設定温度１とは、燃料電池
が最適に運転できる温度よりも低い温度、例えば発電運
転において冷却が必要になる温度で５０℃とすることが
できる。また、燃料電池の温度は、温度センサ１１の
他、空気排出路９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。ここで、燃料電池の温
度が設定温度１以上である場合、Ｓ１０３に進み通常運
転の処理をされる。また、燃料電池の温度が設定温度１
より小さい場合には、電磁弁ＳＶ２、ＳＶ３は開かれ
（ステップＳ１０５）、電磁弁ＳＶ１、ＳＶ４、ＳＶ５
は閉じられる（ステップＳ１０７）。また、循環ポンプ
１３４は停止される（ステップＳ１０９）。これらのス
テップＳ１０５〜１０９の動作により、燃料電池スタッ
ク１内の冷却液は、自重により燃料電池スタック１から
流れ出て、タンク１３６内へ流れ込む。この結果、セパ
レータ３内の冷却液保持部４３内に充填されていた冷却
液は、排出されて空となり、燃料電池スタック１全体の
熱容量は、冷却液の排出量に相当する分量が減少する。
換言すると、冷却液保持部４３内の冷却液は、より比熱
の小さい空気と置換されたことになる。

【００４８】この場合、燃料電池の発電始動する時間的
前の状態、即ち、燃料電池が停止状態にある場合には、
燃料電池スタックには、冷却液が充填されており、発電
始動する場合に、この冷却液を排出する。これは、燃料
電池の凍結防止が、発電始動時に問題となるので、発電
を開始することが決まってから、冷却液を排出すれば足
るからである。仮に、停止時に冷却液を排出するとすれ
ば、次回の発電始動時に、果たして、発電始動に困難を
生じる場合かどうか不明であるので、本実施例では、燃
料電池停止時に、冷却液を排出しない。したがって、本
実施形態では、燃料電池スタックの熱容量は、燃料電池
が発電を停止した状態（あるいは、発電を休止している
状態、又は、長時間発電することを予定せず放置されて
いる状態、あるいは、燃料電池車の場合には、運転者が
車両から離れて運転を予定していない状態）である場合
よりも、燃料電池が発電始動する場合（寒冷時始動する
場合、又は燃料電池車の場合は、例えば、イグニッショ
ンキー相当部材により車両の発電を行おうとした場合）
には、燃料電池スタックの熱容量が小さく変更されてい
ることになる。

【００４９】水位センサＳ８により検出されたタンク１
３６の水位が設定水位１に達しているか判断する（ステ
ップＳ１１１）。達していない場合には、ステップＳ１
０５〜１０９の状態を維持する。設定水位１は、冷却液
が燃料電池スタック１内に充填されている量に相当する
量が増えた場合の水位である。この充填量に相当する量
が増えるということは、燃料電池スタック１内から冷却
液が抜き取られたことを意味する。

【００５０】設定水位１に達した場合には、冷却液抜き
取り処理が終わったことを意味するので、燃料電池の発
電を開始する準備を開始する。即ち、空気ファン１１３
を駆動させて燃料電池スタック１への空気供給を開始す
る（ステップＳ１１３）。次に、水素供給電磁弁１２６
を開放して、燃料電池スタック１へ水素の供給を開始す
る（ステップＳ１１５）。このような動作により、燃料
電池スタック１において、酸素保持部４１に酸素を含む
空気が供給され、水素保持部４２に水素ガスが供給さ
れ、単位セル２において発電反応が開始され、燃料電池
の発電が開始される（ステップＳ１１７）。ここで、冷
却液が抜き取られているので、燃料電池スタック１の熱
容量は、通常発電時よりも減少しており、発電反応によ
って生じる熱は、冷却液に吸収されない。つまり、反応
熱は、燃料電池スタック１を暖める熱として利用され、
燃料電池スタック１の温度上昇時間を短縮することがで
きる。このため、燃料電池スタック１の温度が氷点下で
あった場合であっても、発電反応によって生成された水
は、単位セル２内で凍結することが抑制され、発電始動
時の発電効率の低下が防止される。

【００５１】また、冷却液保持部４３内には空気が充填
されており、燃料電池スタック１は、冷却液を排出する
ことで、停止時とことなり、空気（気体）と接触する表
面積が広くなっており、放熱量が液体で満たされている
場合に比較して減少した状態となっている。従って、冷
却液保持部４３内の媒体（空気や冷却液）への熱の移動
が抑えられ、さらに温度上昇時間を短縮できる。さら
に、単位セル２において発生する反応熱は、冷却液への
熱伝導経路が消滅しているので、セパレータ３のみが熱
伝導経路に変更された構成となっている。これにより、
熱の伝導が速く、一層迅速に燃料電池スタック１全体を
昇温させることが可能となる。

【００５２】次に、燃料電池スタック１の温度が設定温
度１より大きくなったか判断する（ステップＳ１１
９）。設定温度１に達していない場合には、ステップＳ
１１３〜１１７を維持する。達した場合には、燃料電池
スタック１の温度は、冷却が必要な温度まで上昇したこ
とを意味するので、冷却系１３によって冷却を開始する
ための準備を行う。即ち、燃料電池スタック１に冷却液
を充填する。電磁弁ＳＶ２、ＳＶ４が開かれ（ステップ
Ｓ１２１）、電磁弁ＳＶ１、ＳＶ３、ＳＶ５は閉じられ
る（ステップＳ１２３）。さらに、循環ポンプ１３４が
駆動される（ステップＳ１２５）。

【００５３】循環ポンプ１３４の駆動によって、冷却液
は、冷却液供給路１３３から燃料電池スタック１内へ供
給され、冷却液が冷却液保持部４３内に充填される。冷
却液の充填とともに、冷却液保持部４３内の空気は、燃
料電池スタック１の外部へ、冷却液排出通路５３１を通
って排出され、さらに電磁弁ＳＶ２を介して冷却系１３
の外へ排出される。

【００５４】タンク１３６の水位が設定水位２以下とな
ったか判断する（ステップＳ１２７）。設定水位２は、
冷却液が燃料電池スタック１の冷却液保持部４３に充填
されている時のタンク１３６内の水位である。設定水位
２以下となっていない場合には、ステップＳ１２１〜１
２５を維持する。設定水位２以下となった場合には、通
常の冷却動作を開始する。

【００５５】このように、本実施形態では、燃料電池を
始動させることが決定した段階で、冷却液を排出してい
る。本実施形態では、冷却液として、通常の水（摂氏ゼ
ロで、凍り始める）よりも低い温度で凍結する、いわゆ
る不凍液を使用している。これは、不凍液であれば、水
の凍結により、冷却系の破損が発生する可能性が低いか
らである。このため、凍結破損を考慮して、燃料電池の
停止時に冷却液を排出する必要はない。本実施形態で
は、冷却液として、不凍液を使用しているが、冷却水と
して、通常のいわゆる水を使っても、また、特に、純水
を使用することもできる。

【００５６】以上のような冷却系１３の他、発電始動時
に燃料電池スタック１を加熱する加熱手段を設けた構成
としてもよい。図１１は、ヒータＨが設けられた冷却系
１３の構成を示す模式図である。ヒータＨは冷却液供給
路１３３に設けられ、循環ポンプ１３４と燃料電池スタ
ック１の間に位置している。その他の構成は、図９に示
されている第１の実施形態と同様であるので説明を省略
する。ヒータＨは、冷却液供給路１３３を流れる冷却液
を加熱する作用を有する。加熱された冷却液は、燃料電
池スタック１内の各セパレータ３に設けられた冷却液保
持部４３を通過し、これにより、燃料電池スタック１の
温度を上昇させる。

【００５７】以下、上記第２実施形態の冷却系の作用に
ついて、図１１及び図１２のフローチャートに基づいて
説明する。本実施形態は、自立始動可能温度以下の場合
は、ヒータＨを駆動し、冷却液を暖めて循環させること
によって自立始動可能温度まで燃料電池を昇温する。自
立始動可能温度以上になった場合は、第１実施形態と同
様の動作を行う。

【００５８】起動時において、燃料電池スタック１の温
度を測定する温度センサＳ１１の検出値が、設定温度１
よりも低いか判断する（ステップＳ２０１）。ここで、
設定温度１とは、燃料電池が最適に運転できる温度より
も低い温度、例えば発電運転において冷却が必要になる
温度で５０℃とすることができる。燃料電池の温度は、
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。ここで、燃料電池の温
度が設定温度１以上である場合、ステップＳ２０３に進
み通常運転の処理をされる。設定温度１未満である場合
には、燃料電池の温度が設定温度２よりも低いか否かを
判断する（ステップＳ２０５）。ここで設定温度２と
は、燃料電池の自立始動可能温度、例えば−１５℃であ
る。例えて説明すれば、ヒータによる暖機なしで最適電
力の発電まで立ち上がることができる温度である。ここ
で、自立始動可能温度以上の場合は、第１実施形態と同
様の処理（ステップＳ１０５以降）に進む。

【００５９】ここで、燃料電池の温度が設定温度２未満
であった場合には、ＳＶ１、ＳＶ２、ＳＶ３、ＳＶ４を
閉じ（ステップＳ２０７）、ＳＶ５を開き（ステップＳ
２０９）更に循環ポンプ５６を駆動し（ステップＳ２１
１）、ヒータＨをＯＮする（ステップＳ２１３）。この
状態では、ラジエター１３２はバイパスされ、ヒータＨ
で暖められた冷却液が、燃料電池スタック１内を通って
循環し、燃料電池の温度が設定温度２以上になるまで、
この状態が維持される。燃料電池スタック１が設定温度
２以上に達したか判断し（ステップＳ２１５）、設定温
度２以上に達した場合には、ヒータＨをＯＦＦにする
（ステップＳ２１７）。その後の処理は第１実施形態の
ステップＳ１０５以降と同様であるので、説明を省略す
る。このようにすることによって、この実施形態では、
自立始動可能温度以下であっても速やかに自立始動可能
温度まで昇温することができ、その後、第1実施形態と
同様に始動することができる。

【００６０】なお、第２実施形態のように、最初に加熱
手段で燃料電池スタック１を加熱する方法としては、冷
却液を加熱する方法の他、燃料電池スタック１の本体を
直接加熱する加熱装置を設けてもよく、或いは、空気供
給路１１０から供給される空気を、ヒータ１１４で加熱
して、燃料電池スタック１に送り込む方法を採っても良
い。この場合には、予めステップＳ１０５〜１１１の処
理を完了し、冷却液を燃料電池スック１から抜き取った
後に加熱することが好ましい。このようにすれば、燃料
電池スタック１の熱容量が減少しているので、加熱効率
が良くまた、加熱のためのエネルギー消費量も軽減され
る。

【００６１】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、停止時
と始動時に燃料電池の熱容量を変更することができるの
で、始動時には、熱容量をより小さなものとすることが
できる。このため、熱容量が大きい場合の燃料電池に比
較して、燃料電池の反応熱を有効に利用することができ
るので、速やかに単位セルの燃料電池温度が上昇するこ
とが可能で生成水の凍結を抑制することができる。

【００６２】また、暖機のために外部加熱手段を用いた
場合でも、外部加熱手段から供給された熱を、温度上昇
のためにより有効に利用できるので、必要な温度に燃料
電池を暖機するために必要な熱量も少量ですむ。

【００６３】請求項2に記載の発明によれば、停止時と
始動時で、燃料電池スタックからの放熱量を変更し、停
止時に比較して始動時の放熱量を低減することにより、
燃料電池の昇温を効率的に行うことができる。このた
め、例えば、反応熱により、燃料電池の温度が速やかに
上昇するため、燃料電池の始動が容易になり、又、生成
水の凍結を抑制することができる。

【００６４】請求項３に記載の発明によれば、燃料電池
スタックから冷却水を除去して熱容量を変更する構成と
することで、熱容量の変更が容易かつ迅速にできるとい
った利点がある。また、各単位セルの間に設けられたセ
パレータの熱容量を変更することで、燃料電池スタック
全体の熱容量を均一に変更することができる。請求項４
に記載の発明によれば、比熱の小さい媒体で置換するこ
とによって熱容量が減少するので、燃料電池の反応熱に
より、単位セルの温度を上昇させることが容易となり、
生成水の凍結を抑制することができる。

【００６５】請求項５の発明によれば、燃料電池始動の
際、冷却用の不凍液を保持する保持部に不凍液を保持し
ないよう構成されるので、不凍液があるために、燃料電
池の温度上昇が制限されることが防止される。このた
め、低温始動に特に有利であり、また、生成水の凍結を
防止することができる。請求項６に記載の発明によれ
ば、不凍液タンクをセパレータより重力位置で下方に設
けたので、自重により排出させることができ、回収のた
めの特別な駆動装置が不要となる。

【００６６】請求項７の発明によれば、停止時と始動時
で、反応熱の熱伝導経路を変更するので、この停止時に
比較して始動時の熱伝導経路を燃料電池セルの昇温に適
した経路に変更することができる。このため、例えば、
反応熱により、燃料電池の温度が速やかに上昇するた
め、燃料電池の始動が容易になり、又、生成水の凍結を
抑制することができる。請求項８に記載の発明によれ
は、セパレータを金属で構成することにより、一層熱容
量を低減することができる。請求項９に記載の発明によ
れば、燃料電池スタックの温度を検出し、検出した温度
に応じて熱容量を変更する構成としたので、熱容量の変
更の要・不要の確認が不要となり、燃料電池の始動操作
を簡略化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池スタックの部分断面側面図で
ある。

【図２】本発明の燃料電池スタックの部分断面斜視図で
ある。

【図３】図１におけるＡ−Ａ断面図である。

【図４】図１におけるＢ−Ｂ断面図である。

【図５】図１におけるＣ−Ｃ断面図である。

【図６】図３におけるＤ−Ｄ断面図である。

【図７】燃料電池スタックを示す全体斜視図である。

【図８】燃料電池スタックの部分断面平面図である。

【図９】燃料電池システムの構成を示す模式図である。

【図１０】発電始動時の冷却系の動作を示すフローチャ
ートである。

【図１１】冷却系の他の実施形態を示す模式図である。

【図１２】発電始動時の冷却系の動作を示すフローチャ
ートである。

【図１３】発電始動時の冷却系の動作を示すフローチャ
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４１酸素保持部４２水素保持部４３冷却液保持部１００燃料電池システム１３冷却系１３６タンク１３７冷却液回収路

フロントページの続き (72)発明者堀口宗久東京都千代田区外神田２丁目19番12号株式会社エクォス・リサーチ内Ｆターム(参考） 5H026 AA02 CC03 CC08 EE02 5H027 AA02 BA13 CC06 DD03 KK46 MM16

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料電池の単位セルと、前記単位セル間を接続するセパレータとを備えた燃料電
池スタックにおいて、該燃料電池スタックの熱容量を、停止時と始動時とで変
更する熱容量変更手段を備えた燃料電池スタック。
【請求項２】燃料電池の単位セルと、前記単位セル間を接続するセパレータと、該燃料電池スタックの熱容量を変更する熱容量変更手段
とを備え、前記熱容量変更手段は、停止時と始動時とで燃料電池ス
タックからの放熱量を変更することを特徴とする燃料電
池スタック。
【請求項３】前記熱容量変更手段は、燃料電池スタッ
クのセパレータ内の冷却水を抜き入れするものである請
求項１または２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】前記熱容量変更手段は、燃料電池スタッ
クの構成物を比熱の小さな媒体に置換するものである請
求項１又は２に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】燃料電池の単位セルと、前記単位セル間を接続するセパレータとを備えた燃料電
池スタックであって、前記セパレータは、冷却用の不凍液を保持する保持部を
有し、始動の際、前記保持部に不凍液を保持しない状態とする
非保持制御手段を有する燃料電池スタック。
【請求項６】前記セパレータよりも重力位置で下方に
位置する不凍液タンクと、始動時には、前記保持部から前記不凍液タンクへ前記不
凍液を排出する排出路を備えた請求項５に記載の燃料電
池スタック。
【請求項７】燃料電池の単位セルと、前記単位セル間を接続するセパレータと燃料電池スタッ
クであって、単位セルから発電時に発せられる反応熱の熱伝導経路
を、低温始動時と停止時とで変更する熱伝導経路変更手
段を備えた燃料電池スタック。
【請求項８】セパレータは、金属板で構成されている
請求項１〜７のいずれか１に記載の燃料電池スタック。
【請求項９】燃料電池スタックの温度を検出する温度
検出手段と、検出された温度が所定値以下である場合に、前記熱容量
変更手段により、熱容量を減少させる制御手段とを有す
る請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池スタック。