JP2003308863A

JP2003308863A - 燃料電池スタック

Info

Publication number: JP2003308863A
Application number: JP2002111221A
Authority: JP
Inventors: Koichi Shiraishi; 剛一白石; Kiyoshi Kawamoto; 清河本; Shingo Ishida; 真吾石田
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2002-04-12
Filing date: 2002-04-12
Publication date: 2003-10-31
Anticipated expiration: 2022-04-12
Also published as: JP4465945B2

Abstract

(57)【要約】【課題】常温下におれる電力損失を抑制しつつ、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の端部に発熱体６２を
設け、発熱体６２を経由する回路と、発熱体６２をバイ
パスして直接負荷と接続される負荷接続回路とを設け、
通常発電時には負荷接続回路を通電状態とするスイッチ
ＳＷ1、ＳＷ2を負荷接続回路に設ける。燃料電池スタッ
ク１の温度を検出する温度センサＳ１１ａで燃料電池ス
タック１の温度を検出し、設定温度以下の時にはスイッ
チＳＷ1、ＳＷ2をオフし、発熱体６２を通電状態として
暖機する。設定温度に達した場合には、スイッチＳＷ
1、ＳＷ2をオフし、発熱体６２による電力損失を抑制す
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、燃料電池には、高分子イオン交換
樹脂膜を介して水素と酸素を反応させて、電子と水を生
成するものがある。その際、反応熱が発生する。また、
燃料電池が能力を発揮するためには高分子イオン交換樹
脂膜を湿潤に保つ必要がある。このため、発電の際に
は、高分子イオン交換樹脂膜の湿潤を維持するために、
ガスの加湿と冷却を行っている。また、燃料電池が最も
効率良く運転することができるのが、５０℃から８０℃
ぐらいの間である。しかし、発電に最適な温度をはるか
に超えた温度となる場合には、冷却を必要とする。そこ
で、燃料電池を冷却するためにスタック内に冷却流路を
配設し、冷却材を通流させる技術がある。冷却材には氷
点下の起動時のこともふまえて不凍液が用いられている
技術が提案されている。

【０００３】ところで、燃料電池装置において水が必要
になるのは、燃料電池の温度が高い状態の場合であり、
低温で始動する場合には冷却は必要ない。更に氷点下の
起動時には、発電反応によって生成された水が電極表面
で凍結し、酸素の供給を妨げられてしまう。そこで、生
成水の凍結によって酸素の供給を妨げないようにするた
めに、特開平７−９４２０２号に記載されているよう
に、低温始動時には外部装置によって燃料電池を暖機す
るものや、燃料電池自体の反応熱によって燃料電池周囲
を徐々に暖機するものが提案されている。また、氷点下
の状態であっても、生成水が凍結しガスの供給が妨げら
れるまでの間は、発電可能であり、その間に燃料電池の
温度が０℃以上に暖機されれば、氷点下の状態からでも
燃料電池は始動できる。

【０００４】燃料電池を複数直列に積層した燃料電池ス
タックの場合、燃料電池スタックの両端のセパレータは
電極間に挟まれている中央のセパレータに比べ、熱容量
の大きなターミナル（集電板）に隣接するため熱が奪わ
れ易く、また、発熱体（電極）が片側にないなどの理由
により温度の上昇が遅く、生成水凍結が発生しやすい。

【０００５】つまり、端部のセルをのぞく中央部のセル
は氷点下の状態から始動できるポテンシャルがあるにも
かかわらず、端部セルの生成水凍結を防止するため、低
温から始動できない。また、このような端部セルの生成
水凍結を抑制するために、特開平８−１６７４２４号に
記載されているように、燃料電池スタック端部に電気抵
抗材料を用いた発熱体を設ける構成のものが公知であ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のように
電気抵抗材料を用いた発熱体を設けると、低温始動時
は、端部セルを昇温するのに有効だが、通常運転中は、
発熱体があることによって、電力が消費され、ロスが生
じる。この発明の目的は、常温下における電力損失を抑
制しつつ、低温下における燃料電池の起動を容易とした
燃料電池スタックを提供することにある。

【０００７】

【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）燃料電池単位セルと、該単位セル間を区画する
とともに該単位セルを電気的に直列に接続するセパレー
タとを交互に積層した発電部と、前記発電部の単位セル
とセパレータの積層方向における両端にそれぞれ配置さ
れた集電体と、前記各集電体と、発電部端部のセパレー
タとの間にそれぞれ配置され、発電部の発電によって発
熱する発熱体と、前記発熱体を介して発電部と負荷とを
接続する発熱体回路と、発電部と負荷とを直接接続する
負荷接続回路と、負荷接続回路を通電状態と非通電状態
とに切換える負荷接続スイッチとを備えた燃料電池スタ
ック。

【０００８】（２）発熱体回路を通電状態と非通電状
態とに切換える発熱体接続スイッチを備え、前記負荷接
続スイッチが通電状態の場合には、前記発熱体接続スイ
ッチを非通電状態とし、前記負荷接続スイッチが非通電
状態の場合には、前記発熱体接続スイッチを通電状態と
するスイッチ制御手段を備えた上記（１）に記載の燃料
電池スタック。

【０００９】（３）発電部の温度を検出する温度検出
手段を備え、前記スイッチ制御手段は、前記温度検出手
段によって検出された発電部の温度に応じて、前記負荷
接続スイッチと前記発熱体接続スイッチの切換えを行う
上記（２）に記載の燃料電池スタック。

【００１０】（４）前記温度検出手段は、発電部の端
部近傍の温度を検出する上記（３）に記載の燃料電池ス
タック。

【００１１】（５）前記発電部の一部の出力電圧を検
出する電圧検出手段を備え、前記スイッチ制御手段は、
前記電圧検出手段によって検出された発電部の出力電圧
に応じて、前記負荷接続スイッチと前記発熱体接続スイ
ッチの切換えを行う上記（２）に記載の燃料電池スタッ
ク。

【００１２】（６）前記電圧検出手段は、発電部の端
部近傍の1つ又は直列に接続された複数の単位セルにお
ける電圧を検出する上記（５）に記載の燃料電池スタッ
ク。

【００１３】（７）前記セパレータは、金属で構成さ
れている上記（１）〜（６）のいずれか１に記載の燃料
電池スタック。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の燃料電池スタック
について、添付図面に基づき詳細に説明する。図１は、
本発明の燃料電池スタック１の全体斜視図、図２は燃料
電池スタック１の部分断面図、図３は、燃料電池スタッ
ク１の平面断面と、切換スイッチを示した模式図であ
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とを有する発電部６１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
質膜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とを有してい
る。図２及び図３に示されているように、単位セル２と
セパレータ３とが交互に積層されて発電部６１が構成さ
れる。

【００１５】集電部材３１、３２は、それぞれ金属材料
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。また、集電部材３１、３２の構成材料は、金属の
他、カーボンブラック等の導電性と耐食性を備えた材料
を用いてもよい。金属は、カーボンや樹脂と比較して熱
伝導性が高いので、外側（発熱体）から供給された熱
が、内部に伝わる速度が速く、燃料電池スタック１全体
の温度が上がりやすくなる。また、全体の温度が均一に
成りやすい。また、金属板をプレス加工により形成する
ことによって、セパレータ３を薄く形成することができ
るので、燃料電池スタック１自体の大きさを小型化で
き、かつ、熱容量を少なくすることができるので、この
ことによっても燃料電池スタック１を温まりやすい構成
とすることができる。

【００１６】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２及び図３に
示されているように、集電部材３１の、酸素極２１に接
触する面には、直線状に連続して隆起した凸部３１１が
等間隔で複数形成され、該凸部３１１の間には、溝３１
２がそれぞれ形成される。つまり、凸部３１１と溝３１
２は、交互に配置された形状となっている。凸部３１１
は、最も突出した峰の平面部が酸素極２１に接触する接
触部３１３となっており、この接触部３１３を介して酸
素極２１と通電可能となる。溝３１２と、酸素極２１の
表面とによって、空気が流通する空気流通路３１５が形
成される。

【００１７】凸部３１１の両端には、凸部３１１に直交
する方向に溝３１４、３１４が形成され、この溝３１４
と酸素極２１の表面とによって、空気流路３１６が形成
される。複数の空気流通路３１５は、両端部で空気流路
３１６にそれぞれ連通した構成となっており、複数の空
気流通路３１５と一対の空気流路３１６とによって、酸
素極２１へ酸素を供給する空気保持部が構成される。

【００１８】空気保持部には、空気供給孔３１８と空気
排出孔３１７とが形成され、空気は空気供給孔３１８か
ら空気保持部内に流入し、空気排出孔３１７から流出す
る。このように、空気保持部内の空気は、常時入れ替わ
る構成となっている。この実施形態では、集電部材３１
は、矩形であり、空気供給孔３１８と空気排出孔３１７
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い
る。図２には、空気排出孔３１７が示されている。ま
た、図３には、空気供給孔３１８が示されている。

【００１９】集電部材３２の、水素極２２に接触する面
には、直線状に連続して隆起した凸部３２１が等間隔で
複数形成され、該凸部３２１の間には、溝３２２がそれ
ぞれ形成される。つまり、凸部３２１と溝３２２は、交
互に配置された形状となっている。凸部３２１は、最も
突出した峰の平面部が水素極２２に接触する接触部３２
３となっており、この接触部３２３を介して水素極２２
と通電可能となる。溝３２２と、水素極２２の表面とに
よって、水素が流通する水素流通路３２５が形成され
る。

【００２０】凸部３２１の両端には、凸部３２１に直交
する方向に溝３２４、３２４が形成され、この溝３２４
と水素極２２の表面とによって、水素流路３２６が形成
される。複数の水素流通路３２５は、両端部で水素流路
３２６にそれぞれ連通した構成となっており、複数の水
素流通路３２５と一対の水素流路３２６とによって、水
素極２２へ水素を供給する水素保持部が構成される。

【００２１】水素保持部には、水素供給孔と水素排出孔
３２７とが形成され、水素は、水素供給孔から水素保持
部内に流入し、水素排出孔３２７から流出する。このよ
うに、水素保持部内の水素は、常時入れ替わる構成とな
っている。この実施形態では、集電部材３２は、矩形で
あり、水素供給孔と水素排出孔３２７は、集電部材３２
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いる。図２には、水
素排出孔３２７が示されている。

【００２２】集電部材３２の、水素極２２に対して反対
側の面には、直線状に連続して隆起した凸部４２１が等
間隔で複数形成され、該凸部４２１の間には、溝４２２
がそれぞれ形成される。つまり、凸部４２１と溝４２２
は、交互に配置された形状となっている。凸部４２１
は、最も突出した峰の平面部が集電部材３１の平面に接
触する接触部４２３となっており、この接触部４２３を
介して隣接する単位セル２の水素極２２と酸素極２１が
電気的に接続される。溝４２２と、集電部材３１の平面
とによって、水が流通する水流通路４２５が形成され
る。

【００２３】凸部４２１の両端には、凸部４２１に直交
する方向に溝４２４、４２４が形成れ、この溝４２４と
集電部材３１の平面とによって、水流路４２６が形成さ
れる。複数の水流通路４２５は、両端部で水流路４２６
にそれぞれ連通した構成となっており、複数の水流通路
４２５と一対の水流路４２６とによって、冷却部が構成
される。

【００２４】この冷却部には、水供給孔と水排出孔４２
７とが形成され、冷媒である水は、水供給孔から冷却部
内に流入し、水排出孔４２７から流出する。このよう
に、冷却部内の水は、入れ替わることができる構成とな
っている。この実施形態では、集電部材３２は、矩形で
あり、水供給孔と水排出孔４２７は、集電部材３２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いる。このような位置
に、水供給孔と水排出孔４２７が設けられていることに
よって、冷却部内の水を均一に交換することができる。
図２と図３には、水排出孔４２７が示されている。な
お、冷却媒体は、水の他、不凍液を用いることもでき
る。

【００２５】燃料電池スタック１内には、セパレータ３
の積層方向に、空気と水素と水を導通させる導通路が形
成されている。導通路は、それぞれ供給用の導通路と、
排出用の導通路とを有している。図１に示されているよ
うに、供給用の空気導通路５１、水素導通路５３、水導
通路５５は、燃料電池スタック１の片側にまとめて配置
され、排出用の空気導通路５２、水素導通路５４、水導
通路５６は、供給用の導通路が配置された側に対して、
反対側に配置され、その間に、空気保持部、水素保持
部、冷却部を挟むように構成されている。

【００２６】従って、排出用の空気導通路５２は各空気
保持部の空気排出孔３１７にそれぞれ連通し、供給用の
空気導通路５１は、各空気保持部の空気供給孔にそれぞ
れ連通している。このように、供給用の空気導通路５１
は、各空気保持部に空気を分配する空気マニホールドと
して機能する。また、排出用の水素導通路５４は各水素
保持部の水素排出孔３２７にそれぞれ連通し、供給用の
水素導通路５３は、各水素保持部の水素供給孔にそれぞ
れ連通している。このように、供給用の水素導通路５３
は、各水素保持部に水素を分配する水素マニホールドと
して機能する。さらに、排出用の水導通路５６は各冷却
部の水排出孔４２７にそれぞれ連通し、供給用の水導通
路５５は、各水保持部の水供給孔にそれぞれ連通してい
る。このように、供給用の水導通路５５は、各水保持部
に水を分配する水マニホールドとして機能する。

【００２７】以上のように構成された発電部６１の両端
には、セパレータ３と単位セル２の積層方向において、
端部セパレータ３から外側へ向けて、発熱体６２ａ、６
２ｂ、集電体６３ａ、６３ｂ、絶縁部材６４ａ、６４
ｂ、エンドプレート６５ａ、６５ｂが、それぞれが両側
に接続されている。これらの積層された各部材と、発電
部６１は、対向する側面に付設された保持部材６６によ
って一体として保持される。

【００２８】発熱体６２ａ、６２ｂは、通電によって発
熱する材料で構成される。発熱体を構成する材料として
は、例えば、以下のようなものが挙げられる。図４に示
されているように、断熱材６２１で構成された材料の厚
さ方向（セパレータ３や集電体６３の積層方向）に、導
電材６２２を挿入して構成された発熱体がある。導電材
６２２は、断熱材６２１の一方の面から他方の面に連通
し、積層状態では、端部セパレータ３に一端が接触し、
集電体６３に他端が接触する。そして、通電時には、こ
の導電材６２２が発熱する。導電６２２の構成材料とし
ては、電気伝導性の高い材料で、通電時に発熱する材料
が挙げられ、例えば、銅、アルミニウム、鉄、ステンレ
ス、炭素などがある。また、断熱材としては、ポリエチ
レン（ＰＥ）樹脂、ポリプロピレン（ＰＰ）樹脂、アク
リロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）樹脂、ポリ
カーボネート（ＰＣ）樹脂、四フッ化エチレン（ＰＴＦ
Ｅ）樹脂などか挙げられる。その他、断熱材の例として
は、アルミナ、酸化ケイ素などの金属酸化物、多孔質セ
ラミック等が挙げられる。上記のように、発熱する材料
に加えて、断熱材を用いることで、発生した熱の外部へ
の放出が抑制され、燃料電池スタック１の端部付近の温
度を短時間で上昇させることができる。

【００２９】他の発熱体６２の構成例としては、多孔質
金属が挙げられ、例えば、発泡ニッケルなどの発泡金属
がある。このような構成の発熱体も、構成する金属自体
が導電性を有するとともに、通電時には発熱し、燃料電
池スタック１に外部から熱を与える作用を有する。さら
に、多孔質であるため、孔内の空気によって断熱作用が
発揮され、熱の放出が抑制される。また、発熱体６２の
他の構成例としては、導電性樹脂が挙げられる。これ
は、既述の樹脂材料に、炭素、金属等の導電性を有する
材料の粉末を所定の割合で混合して構成される。これら
粉末の樹脂に対する割合を調整することで、発熱量を調
整することも可能である。以上のように構成された発熱
体６２には、電気的に接触する部分、例えば、燃料電池
スタックの端に位置するセパレータと接触する面及び集
電体６３と接触する面に、通電時における接触部分の電
気抵抗を低減するために、表面処理を施すことが好まし
い。表面処理の例としては、例えば、金メッキやカーボ
ン蒸着などが挙げられる。

【００３０】片方のエンドプレート６５ａには、後述す
る空気供給系１１、水素供給系１２、冷却系１３の各経
路が接続されている。詳しくは、空気供給系１１の空気
供給路１１０は供給用の空気導通路５１に、空気排出路
１１１は排出用の空気導通路５２にそれぞれ接続され、
水素供給系１２の供給路１２２は供給用の水素導通路５
３に、排出路１２３は排出用の水素導通路５４にそれぞ
れ接続され、冷却系１３の冷却液供給路１３３は供給用
の水導通路５５に、冷却液排出路１３１は排出用の水導
通路５６にそれぞれ接続されている。

【００３１】また、図１および図３に示されているよう
に、発熱体６２ａ、６２ｂ、集電体６３ａ、６３ｂ、絶
縁部材６４ａ、６４ｂ、エンドプレート６５ａ、６５ｂ
の中心部には、これらの部材を同時に貫通する孔６８１
ａ、６８１ｂが形成されており、この孔６８１ａ、６８
１ｂには端子６８ａ、６８ｂが挿通している。端子６８
ａは、発電部６１の一方の端に位置する集電部材３１に
電気的に接続され、端子６８ｂは、発電部６１の他方の
端に位置する集電部材３２´に電気的に接続されてい
る。端子６８ａには、コード７１ａを介してスイッチＳ
Ｗ1の一方の端子が接続され、スイッチＳＷ1の他方の端
子には、負荷系１４が接続される。端子６８ｂには、コ
ード７１ｂを介してスイッチＳＷ2の一方の端子が接続
され、スイッチＳＷ2の他方の端子には、負荷系１４が
接続される。

【００３２】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５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。

【００３３】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の供給用空
気導通路５１が接続されている。

【００３４】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。

【００３５】空気排出路１１１の上流側端は、燃料電池
スタック１の排出用空気導通路５２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、空気供給系からの空気流が酸
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空気保持部
に空気を送り込み、空気中の酸素を酸素極２１に供給す
る。

【００３６】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。

【００３７】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
供給用水素導通路５３へ水素を供給する水素供給路１２
２と、燃料電池スタック１の排出用水素導通路５４から
外部へ水素を排出する水素排出路１２３とを備えてい
る。水素供給路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、水素
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。

【００３８】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内に冷却媒体である冷却液
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。燃料電池スタック１の温度を検出するセン
サＳ１１は、図３に示されているように、発電部６１の
両端部の温度をそれぞれ検出する温度センサＳ１１ａ、
Ｓ１１ｂと、中央部の温度を検出する温度センサＳ１１
ｃとを備えている。燃料電池スタック1の温度を検出す
る場合には、温度センサＳ１１の検出値として、各温度
センサＳ１１ａ、Ｓ１１ｂ、Ｓ１１ｃのいずれかの検出
値を採用すればよく、又は、３つのセンサ検出値の平均
値、或いは温度センサＳ１１ｃと温度センサＳ１１ａ又
はＳ１１ｂの一方の値との平均を採ってもよい。

【００３９】冷却系１３は燃料電池スタック１の排出側
水導通路５６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の供給側
水導通路５５に送り込まれる。また、冷却液排出路１３
１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１３５が接続され
ている。

【００４０】冷却液排出路１３１、冷却液供給路１３３
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、ＳＶ３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１３２ａ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。

【００４１】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ＳＶ３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の供給側水導
通路５５、各セパレータ３の冷却部、排出側水導通路５
６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１３４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。

【００４２】図６は、負荷系１４の構成を詳細に示した
回路図である。負荷系１４は、発熱体回路と、この発熱
体回路に並列に接続されている負荷接続回路とを介し
て、燃料電池スタック１に接続されている。図１及び図
３に示されているように、発熱体回路は、燃料電池スタ
ック１の端部セパレータに密着して通電可能に付設され
た発熱体６２ａ、６２ｂと、発熱体６２ａ、６２ｂの外
側に通電可能に重ねられた集電体６３ａ、６３ｂと、集
電体６３ａ、６３ｂの接続端子６７ａ、６７ｂに通電可
能に接続されたコード７３ａ、７３ｂとを備えている。
また、負荷接続回路は、バイパス端子６８ａ、６８ｂ
と、バイパス端子６８ａ、６８ｂに、コード７１ａ、７
１ｂを介して通電可能に接続されたスイッチＳＷ1、Ｓ
Ｗ2とを備え、スイッチＳＷ1、ＳＷ2は、コード７３
ａ、７３ｂに接続されている。このような構成におい
て、スイッチＳＷ1、ＳＷ2は同時に作動し、両スイッチ
ＳＷ1、ＳＷ2は、ともに常時同じ状態となる用に制御さ
れる。つまり、スイッチＳＷ1がオン状態のときは、ス
イッチＳＷ2もオンであり、スイッチＳＷ1がオフ状態の
ときは、スイッチＳＷ2もオフとなる。上記、燃料電池
スタック１と、発熱体回路、負荷接続回路、及びスイッ
チＳＷ1、ＳＷ2で構成された回路には、燃料電池スタッ
ク１の総出力を検出するための電圧センサＳ８が並列に
接続されている。

【００４３】コード７３ａ、７３ｂには、出力コード１
４７ａ、１４７ｂがそれぞれ接続されている。出力コー
ド１４７は、負荷への電力の供給、遮断を行う出力リレ
ー１４４、インバータ１４２を介してモータ１４３に電
力を供給する。また、出力コード１４７には、逆電流を
防止するダイオード１４８が設けられている。出力リレ
ー１４４とインバータ１４２との間には補助電源１４６
が出力制御回路１４５を介して接続されている。補助電
源は例えば、バッテリやキャパシタなどの蓄電装置であ
り、車両低速時にはモータ１４３の回生電力を貯蔵し、
加速時や高負荷時などにおいて、燃料電池スタックから
の出力では不足する場合には、負荷に電力を供給する。
出力制御回路１４５は、モータ１４３へ供給する電力に
ついて、燃料電池スタック１と補助電源１４６の出力の
割合を制御する。さらに、燃料電池スタック１の出力と
補助電源出力の一部は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７５によ
り補機作動電圧（１２Ｖ、２４Ｖ等）に調整され、補機
コントローラ７６に供給される。補機コントローラ７６
は、燃料電池を発電させるために必要な空気や水を供給
するためのポンプ、バルブ、センサ等の燃料電池補機へ
電力を供給する。

【００４４】燃料電池システム制御装置７４は、補機コ
ントローラ７６、出力制御回路１４５、スイッチＳＷ
1、ＳＷ2の切換えを制御する。燃料電池システム制御装
置７４は、補機コントローラ７６を介して、ポンプ、バ
ルブ等の燃料電池補機の動作を制御する。また、出力制
御回路１４５を介して燃料電池スタック出力と補助電源
出力の調整をする。さらに、燃料電池システム制御装置
７４は、燃料電池スタックの総電圧を検出する電圧セン
サＳ8で検出された電圧値や、燃料電池スタック１の温
度を検出する温度センサＳ１１ａ、Ｓ１１ｂで検出され
た温度に基き、スイッチＳＷ1、ＳＷ2を切換制御する。

【００４５】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
７に示されているフローチャートに基づき説明する。燃
料電池システム１００の始動時、つまり発電運転を開始
する場合、まずシステム全体の状態をチェックし、異常
が検知されなかった場合、空気供給を開始する（ステッ
プＳ１０１）。空気供給は、空気供給ファン１１３を駆
動させることにより開始される。空気供給ファン１１３
の作動によって、空気供給系１１から燃料電池スタック
１に空気が供給される。

【００４６】次に、水素供給が開始される（ステップＳ
１０３）。水素供給電磁弁１２６と、水素排気電磁弁１
２８の開閉を制御することによって、水素調圧弁１２５
によって調圧された水素圧の水素ガスが燃料電池スタッ
ク１に供給される。このステップＳ１０１とステップＳ
１０３とによって、燃料電池スタック１に水素と、空気
中の酸素が供給され、燃料電池スタック１では、発電が
開始される。発電の開始とともに、発電時の反応熱によ
り、各単位セル２から熱が発生する。燃料電池スタック
１の中央部分は、両側に発熱する単位セル２が存在する
ため、反応熱による昇温速度が速いが、両端部に位置す
る単位セル２は、発熱量が同じであっても、積層された
集電体６３、絶縁部材６４、エンドプレート６５などに
熱を奪われるため、昇温速度が遅くなる傾向がある。従
って、起動時の燃料電池スタック１は、中央部の温度に
比較して、両端部の温度が低くなっている。

【００４７】そこで、低温始動時においては、燃料電池
スタック１の全体が、最適運転温度に達しているかを判
定するには、端部の温度を検出することが望ましい。そ
こで、燃料電池スタック１の端部に設けられている温度
センサＳ１１ａ、Ｓ１１ｂの検出温度を測定する（ステ
ップＳ１０５）。

【００４８】次に、検出された温度が、設定温度よりも
高いか判断する（ステップＳ１０７）。ここで、設定温
度は燃料電池の最適運転温度より低く、例えば０℃から
５０℃までの間であり、より好ましくは５℃から１０℃
である。設定温度より小さい場合には（ステップＳ１０
７：Ｎ）、燃料電池スタック１全体を均一に効率良く機
能させるため、燃料電池スタック１の端部を暖める必要
があり、スイッチＳＷ1、ＳＷ2をオフ状態とする（ステ
ップＳ１０９）。スイッチＳＷ1、ＳＷ2のオフによっ
て、発熱体６２ａ、６２ｂが通電状態となり、発熱体６
２ａ、６２ｂが発熱する。この発熱によって、燃料電池
スタック１の端部の温度が通常の始動時に比較して早く
昇温する。燃料電池スタック１の端部の温度が、設定温
度より大きくなるまで、ステップＳ１０７とステップＳ
１０９が繰り返される。

【００４９】ステップＳ１０７で、燃料電池スタック１
の端部温度が、設定温度より大きい場合（ステップＳ１
０７：Ｙ）には、スイッチＳＷ1、ＳＷ2がオンされる
（ステップＳ１１１）。燃料電池スタック１の端部温度
が設定温度に達した場合には、燃料電池スタック１全体
の温度が均一に上昇し、通常発電が可能となった状態を
意味するので、スイッチＳＷ1、ＳＷ2のオンによって、
負荷接続回路が導通する。これにより、燃料電池スタッ
ク１から出力される電流は、主として負荷接続回路を流
れ、発熱体６２ａ、６２ｂの通電により発熱は終了す
る。

【００５０】なお、この実施形態では、燃料電池スタッ
ク１の端部温度が設定温度に達したかを判断して、スイ
ッチの切換えを行っているが、この他、燃料電池スタッ
ク１の中央部の温度をセンサＳ１１ｃで検出し、温度セ
ンサＳ１１ａ、Ｓ１１ｂの検出温度と、温度センサＳ１
１ｃの検出温度が等しくなったときに（つまり、燃料電
池スタック１の端部の温度と中央部の温度が等しくなっ
たとき）スイッチを切換える構成としてもよい。或い
は、端部温度の上昇と、温度センサＳ１１ａとＳ１１ｃ
の検出温度の差とを同時にモニターし、設定温度に到達
し、かつ中央部と端部との温度差が少なくなった場合に
は、スイッチを切換える構成としてもよい。この場合に
は、外気温の影響による判断誤差を抑制することができ
る。また、燃料電池スタック１の温度は、温度センサＳ
１１の他、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。この場合の
検出値は、燃料電池スタック１の平均的な温度として利
用することができる。

【００５１】図８は、他の実施形態の構成を示す燃料電
池スタック１と、発熱体回路、負荷接続回路の構成を示
す模式図、図９は、負荷系１４の構成を詳細に示した回
路図である。この実施形態では、発熱体回路にスイッチ
ＳＷ3、ＳＷ4が設けられている点である（図１に想像線
で示す）。スイッチＳＷ3、ＳＷ4は、常に同じ状態を維
持する。例えば、スイッチＳＷ3がオンの場合には、ス
イッチＳＷ4はオンであり、スイッチＳＷ3がオフの場合
には、スイッチＳＷ4はオフとなる。また、スイッチＳ
Ｗ1、ＳＷ2とスイッチＳＷ3、ＳＷ4は相互に異なる状態
を維持し、スイッチＳＷ1、ＳＷ2がオンの場合には、ス
イッチＳＷ3、ＳＷ4はオフとなり、スイッチＳＷ1、Ｓ
Ｗ2がオフの場合には、スイッチＳＷ3、ＳＷ4はオンと
なる。発熱体回路にスイッチＳＷ3、ＳＷ4を設け、この
通常発電時には、このスイッチＳＷ3、ＳＷ4をオフとす
ることで、発熱体によって消費される電力をゼロにし、
燃料電池スタック１の発電効率を上げることができる。

【００５２】また、燃料電池スタック１の温度検出は行
わず、燃料電池スタック１の両端部と中央部に、単位セ
ルの出力電圧を検出する電圧センサＳ１２ａ、Ｓ１２
ｂ、Ｓ１２ｃを設け、各部の単位セル出力電圧を検出
し、燃料電池スタック１の中央部と端部の温度を間接的
に検出する構成である。燃料電池の単位セルの出力は、
始動時には、その温度上昇と出力電圧の上昇が略比例す
るので、温度を検出することなく電圧を検出してもよ
い。電圧の検出は、単位セル単独の電圧のほか、直列に
接続された複数の単位セルの電圧値を検出してもよい。

【００５３】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。
燃料電池システム１００の始動時、つまり発電運転を開
始する場合、まずシステム全体の状態をチェックし、異
常が検知されなかった場合、空気供給を開始する（ステ
ップＳ２０１）。空気供給は、空気供給ファン１１３を
駆動させることにより開始される。空気供給ファン１１
３の作動によって、空気供給系１１から燃料電池スタッ
ク１に空気が供給される。

【００５４】次に、水素供給が開始される（ステップＳ
2 ０３）。水素供給電磁弁１２６と、水素排気電磁弁１
２８の開閉を制御することによって、水素調圧弁１２５
によって調圧された水素圧の水素ガスが燃料電池スタッ
ク１に供給される。このステップＳ２０１とステップＳ
２０３とによって、燃料電池スタック１に水素と、空気
中の酸素が供給され、燃料電池スタック１では、発電が
開始される。発電の開始とともに、出力電圧が発生す
る。燃料電池スタック１の中央部分は、両側に発熱する
単位セル２が存在するため、反応熱による昇温速度が速
く、同時に出力電圧が上昇する。両端部に位置する単位
セル２は、発熱量が同じであっても、積層された集電体
６３、絶縁部材６４、エンドプレート６５などに熱を奪
われるため、昇温速度が遅くなる傾向があり同様に出力
電圧値の上昇も鈍くなる。従って、起動時の燃料電池ス
タック１は、中央部の出力電圧に比較して、両端部の出
力電圧が低くなっている。

【００５５】そこで、低温始動時においては、燃料電池
スタック１の全体が、最適運転温度に達しているかを判
定するには、端部の単位セルの出力電圧を検出すること
が望ましい。そこで、燃料電池スタック１の端部に設け
られている電圧センサＳ１２ａ、Ｓ１２ｂの検出温度を
測定する（ステップＳ２０５）。

【００５６】次に、検出された電圧値が、設定電圧値よ
りも高いか判断する（ステップＳ２０７）。ここで、設
定電圧値は燃料電池の温度が、例えば０℃から５０℃ま
での範囲にある時の電圧値であり、より好ましくは５℃
から１０℃である時の電圧値である。設定電圧値より小
さい場合には（ステップＳ２０７：Ｎ）、燃料電池スタ
ック１全体を均一に効率良く機能させるため、燃料電池
スタック１の端部を暖める必要があり、スイッチＳＷ
3、ＳＷ4をオン状態とする（ステップＳ２０９）。さら
に、スイッチＳＷ1、ＳＷ2をオフとする（ステップＳ２
１１）。

【００５７】この動作によって、発熱体６２ａ、６２ｂ
が通電状態となり、発熱体６２ａ、６２ｂが発熱する。
この発熱によって、燃料電池スタック１の端部の温度が
通常の始動時に比較して早く昇温する。この温度上昇に
より端部セルの出力電圧が上昇する。端部セルの出力電
圧値が、設定電圧値温度より大きくなるまで、ステップ
Ｓ２０７〜ステップＳ２１１が繰り返される。

【００５８】ステップＳ２０７で、燃料電池スタック１
の端部電圧値が、設定電圧値より大きい場合（ステップ
Ｓ２０７：Ｙ）には、スイッチＳＷ1、ＳＷ2がオンされ
る（ステップＳ２１３）。燃料電池スタック１の端部電
圧値が設定電圧値に達した場合には、燃料電池スタック
１全体の温度が均一に上昇し、各単位セルが均一に電圧
を出力している状態となった状態を意味するので、スイ
ッチＳＷ1、ＳＷ2のオンによって、負荷接続回路が導通
する。これにより、燃料電池スタック１から出力される
電流は、負荷接続回路を流れ、発熱体６２ａ、６２ｂは
通電しない。これにより、発熱体６２ａ、６２ｂが通電
することによる電力損失が防止される。

【００５９】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、負荷接
続スイッチにより負荷に直接電力が供給されるので、発
熱体による電力損失が抑制される。請求項2に記載の発
明によれば、さらに発熱体接続スイッチを設け、通常発
電時にこれをオフとすることで、発熱体の通電による電
力損失を防止することができる。請求項３に記載の発明
によれば、発電部の温度を検出し、この検出値に基づい
て負荷接続スイッチの切換えを行うことで、適正なタイ
ミングでスイッチ切換えを行うことができ、燃料電池ス
タックの過度の暖機を防止できる。

【００６０】請求項４に記載の発明によれば、温度上昇
の鈍い、燃料電池スタックの端部温度を検出すれば、他
の部位の温度は検出値以上であることが予測できるの
で、この検出値に基づいて、燃料電池スタック全体の温
度を予測することができる。請求項５に記載の発明によ
れば、発電部の一部の出力電圧を検出し、この検出値に
基づいて負荷接続スイッチの切換えを行うことで、適正
なタイミングでスイッチ切換えを行うことができ、燃料
電池スタックの過度の暖機を防止できる。特に、出力電
圧を直接測定するので、燃料電池スタックの状態を直接
的に把握でき、より精密なタイミングでスイッチ切換え
が可能となる。

【００６１】請求項６に記載の発明によれば、出力上昇
の鈍い、燃料電池スタックの端部電圧を検出すれば、他
の部位の出力電圧は該検出値以上であることが予測でき
るので、この検出値に基づいて、燃料電池スタック全体
の出力を予測することができる。請求項７に記載の発明
によれば、セパレータを金属で構成すれば、セパレータ
を薄く形成することができるので、燃料電池スタック全
体の熱容量が小さくなり、温度の上昇速度が速くなる。
これにより、発熱体による暖機時間が短くなるので、発
熱体での電力損失量も抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池スタックの全体斜視図であ
る。

【図２】本発明の燃料電池スタックの部分断面図であ
る。

【図３】燃料電池スタックの平面断面と切換スイッチを
示した模式図である。

【図４】発熱体の全体斜視図である。

【図５】燃料電池システム１００の構成を示す模式図で
ある。

【図６】負荷系の構成を詳細に示した回路図である。

【図７】燃料電池システムにおいて、発電始動時の作用
について示したフローチャートである。

【図８】他の実施形態の構成を示す燃料電池スタック
と、発熱体回路、負荷接続回路の構成を示す模式図であ
る。

【図９】負荷系の構成を詳細に示した回路図である。

【図１０】燃料電池システムにおいて、発電始動時の作
用について示した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６１発電部６２発熱体６３集電体６４絶縁部材６５エンドプレート１００燃料電池システム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者石田真吾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 AA06 EE02 5H027 AA06 CC11 KK46 KK54 MM26

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料電池単位セルと、該単位セル間を区
画するとともに該単位セルを電気的に直列に接続するセ
パレータとを交互に積層した発電部と、前記発電部の単位セルとセパレータの積層方向における
両端にそれぞれ配置された集電体と、前記各集電体と、発電部端部のセパレータとの間にそれ
ぞれ配置され、発電部の発電によって発熱する発熱体
と、前記発熱体を介して発電部と負荷とを接続する発熱体回
路と、発電部と負荷とを直接接続する負荷接続回路と、負荷接続回路を通電状態と非通電状態とに切換える負荷
接続スイッチとを備えた燃料電池スタック。
【請求項２】発熱体回路を通電状態と非通電状態とに
切換える発熱体接続スイッチを備え、前記負荷接続スイ
ッチが通電状態の場合には、前記発熱体接続スイッチを
非通電状態とし、前記負荷接続スイッチが非通電状態の
場合には、前記発熱体接続スイッチを通電状態とするス
イッチ制御手段を備えた請求項１に記載の燃料電池スタ
ック。
【請求項３】発電部の温度を検出する温度検出手段を
備え、前記スイッチ制御手段は、前記温度検出手段によって検
出された発電部の温度に応じて、前記負荷接続スイッチ
と前記発熱体接続スイッチの切換えを行う請求項２に記
載の燃料電池スタック。
【請求項４】前記温度検出手段は、発電部の端部近傍
の温度を検出する請求項３に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】前記発電部の一部の出力電圧を検出する
電圧検出手段を備え、前記スイッチ制御手段は、前記電圧検出手段によって検
出された発電部の出力電圧に応じて、前記負荷接続スイ
ッチと前記発熱体接続スイッチの切換えを行う請求項２
に記載の燃料電池スタック。
【請求項６】前記電圧検出手段は、発電部の端部近傍
の1つ又は直列に接続された複数の単位セルにおける電
圧を検出する請求項５に記載の燃料電池スタック。
【請求項７】前記セパレータは、金属で構成されてい
る請求項１〜６のいずれか１に記載の燃料電池スタッ
ク。