JP2005108757A

JP2005108757A - 燃料電池システム及びその起動方法

Info

Publication number: JP2005108757A
Application number: JP2003343213A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Oma; 敦史大間
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-10-01
Filing date: 2003-10-01
Publication date: 2005-04-21

Abstract

【課題】円滑な起動が可能な燃料電池システム及びその起動方法を提供する。
【解決手段】高分子膜の両面にガス拡散電極を接合した膜電極複合体とガス拡散電極に反応ガスを供給する為のガス流路を備えたセパレータとを積層してなる並設積層構造体と、並設積層構造体の上下両端にそれぞれ隣接して配置された電流取り出し部とを有する燃料電池本体と、少なくとも一方の電流取り出し部に電流を流す電気回路とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システム及びその起動方法に係り、特に、起動時に燃料電池本体を昇温する加熱機構を有する燃料電池システム及びその起動方法に関する。

近年、高効率のエネルギー変換装置として、燃料電池が注目を集めている。特に、電解質としてプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池は、コンパクトな構造で高出力密度が得られ、かつ簡略なシステムで運転が可能なことから、定置用分散電源だけでなく自動車用や家庭用などの電源として注目されている。また、固体高分子電解質膜以外のプロトン伝導性を有する膜を用いた燃料電池や、直接メタノール型燃料電池なども合わせて脚光を浴びている。その中でも自動車用の燃料電池は、世界規模でのアライアンスが組まれるなどグローバルな開発競争が展開されている。

固体高分子型燃料電池は、一般的に、燃料ガス及び酸化剤ガスを反応させて発電する燃料電池本体がその周辺システム及び周辺機器と一体となった燃料電池システムとして構成されている。燃料電池本体は、固体高分子電解質膜の両面に燃料極並びに酸化剤極に相当する２枚のガス拡散電極を配置した膜電極複合体が燃料極及び酸化剤極に燃料ガス及び酸化剤ガスをそれぞれ供給する為のガス流路を備えたセパレータ及び冷却媒体である不凍液が流通する冷却板を介して複数積層されてなる並設積層構造体を有する。

燃料電池システムを氷点下から起動するには、熱源により予め燃料電池本体（スタック）を温めなければならない。従来から、燃料ガスを酸化剤ガスと共に燃焼させてその反応熱で不凍液を加熱すると同時に燃料ガスが燃焼した後の燃焼廃ガスをガス拡散電極に供給することによりスタックを直接温めて氷点下から円滑に燃料電池システムを起動する技術が知られている（例えば、特許文献１等を参照）。
特開２０００−１６４２３３号公報（段落[0031]〜[0032]など）

しかしながら、特許文献１では、燃料電池本体の両端部付近には並設積層構造体（単位電池）に比べて熱容量の大きい電流取り出し部が配置されているため、燃焼廃ガスにより単位電池を直接温めたとしても、電流取り出し部が十分に昇温されずに燃料電池本体の両端部付近の単位電池の性能が低下してしまう。

本発明の第１の特徴は、高分子膜の両面にガス拡散電極を接合した膜電極複合体とガス拡散電極に反応ガスを供給する為のガス流路を備えたセパレータとを積層してなる並設積層構造体と、並設積層構造体の両端にそれぞれ隣接して配置された電流取り出し部とを有する燃料電池本体と、少なくとも一方の電流取り出し部に電流を流す電気回路とを備える燃料電池システムであることを要旨とする。

本発明の第２の特徴は、第１の特徴に係る燃料電池システムの起動する方法であって、この燃料電池システムの起動方法が、少なくとも一方の電流取り出し部に電流を流す段階と、電流を流した後に燃料電池本体の発電を開始する段階とを有することを要旨とする。

本発明によれば、円滑な起動が可能な燃料電池システム及びその起動方法を提供することができる。

以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似部分には同一あるいは類似な符号を付している。

[第１の実施の形態]
（構成）
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムは、燃料電池本体５と、燃料電池本体５に接続された外部負荷７及び電力供給手段（例えば、２次電池）９と、燃料電池本体５と電力供給手段９の間の接続の有効無効を切替える接続切替え手段１０とを有する。燃料電池本体５は、複数の単位電池を積層してなる並設積層構造体１と、並設積層構造体１の両端にそれぞれ隣接して配置された電流取り出し部（電流取り出し板）２ａ、２ｂと、電流取り出し板２ａ、２ｂの外側に隣接して配置された絶縁板３ａ、３ｂと、絶縁板３ａ、３ｂの外側に隣接して配置された締付板４ａ、４ｂとを有する。

外部負荷７は、電流取り出しケーブル６ａにより電流取り出し板２ａに接続され、電流取り出しケーブル６ｂにより電流取り出し板２ｂに接続されている。２次電池９は電流取り出し部２ａ、２ｂに接続されている。具体的には、２次電池９の陽極９ａは、電流線８ａ、８ｃにより接続切替え手段１０を介して電流取り出し板２ａ、２ｂの一端に接続されている。２次電池９の陰極９ｂは、電流線８ｂ、８ｄにより接続切替え手段１０を介して電流取り出し板２ａ、２ｂの他端に接続されている。接続切替え手段１０は、電流線８ａ〜８ｄ上に配置され、２次電池９の陽極９ａ及び陰極９ｂと電流取り出し板２ａ、２ｂとの間のオン／オフを制御する。即ち、接続切替え手段１０は、必要に応じて電流線８ａ、８ｃと２次電池９の接続の有効無効を切替えるように制御される。

電流取り出しケーブル６ａ、６ｂは、電流取り出し板２ａ、２ｂを介して燃料電池本体５で発電された電力を取り出し、外部負荷７へこの電力を供給する。２次電池９、接続切替え手段１０及び電流線８ａ〜８ｄは、電流取り出し部２ａ、２ｂ内に電流を流してジュール熱を発生させる電気回路を構成する。

図２に示すように、燃料電池本体５は、複数の単位電池を電気的直列に積層した並設積層構造体（スタック）１と、並設積層構造体１の上下両端部に隣接して配置された電流取り出し板２ａ、２ｂと、絶縁板３ａ、３ｂと、締付板４ａ、４ｂと、並設積層構造体１、電流取り出し板２ａ、２ｂ、絶縁板３ａ、３ｂ、及び締付板４ａ、４ｂを挟持するための締付治具（締付スタッド３３、スプリング３４、ナット３５）と、燃料ガスを並設積層構造体１へ供給する燃料ガス入口配管３６ａと、燃料ガスを並設積層構造体１から排出する燃料ガス出口配管３７ａと、酸化剤ガスを並設積層構造体１へ供給する酸化剤ガス入口配管３６ｂと、酸化剤ガスを並設積層構造体１から排出する酸化剤ガス出口配管３７ｂと、冷媒を並設積層構造体１へ供給する冷媒入口配管３６ｃと、冷媒を並設積層構造体１から排出する冷媒出口配管３７ｃとを有する。

電流取り出し板２ａ、２ｂの一部は並設積層構造体１の側面より突出している。この電流取り出し板２ａ、２ｂの突出部には、電流取り出しケーブル６ａ、６ｂがそれぞれ配線され、外部負荷７に接続されている。

並設積層構造体１全体を均等に締付けるために、締付板４ａ、４ｂにはある程度の剛性が要求される。また、燃料電池本体５の端部に位置する電流取り出し板２ａ、２ｂ及び締付板４ａ、４ｂの熱容量は、並設積層構造体１に比べて大きく、電流取り出し板２ａ、２ｂ及び締付板４ａ、４ｂからの放熱は大きい。なお、燃料電池本体５は、通常、積層方向を水平として並設積層構造の状態で発電を行う。

図３に示すように、並設積層構造体１は、燃料ガスと酸化剤ガスを反応させて発電する膜電極複合体２１と、膜電極複合体２１の両面に隣接して配置されたセパレータ２２ａ、２２ｂとを備える単位電池２６を複数積層して成る。膜電極複合体２１及びセパレータ２２ａ、２２ｂの同一の位置には貫通孔２３ｂがそれぞれ形成されている。膜電極複合体２１及びセパレータ２２ａ、２２ｂを重ね合わせることにより、貫通孔２３ｂが１直線上に配置される。

１つの膜電極複合体２１から生じる起電力（電圧）は１Ｖ以下と小さいため、複数の単位電池２６を積層して電気的直列に接続して並設積層構造体１を構成することにより、並設積層構造体１の起電力（電圧）を高くする。

図４に示すように、単位電池２６には、１つの膜電極複合体２１と、２つのセパレータ２２ａ、２２ｂとが含まれる。膜電極複合体２１は、プロトン伝導性を有する高分子膜２０と、高分子膜２０の両面に接合されたガス拡散電極２１ａ、２１ｂと、高分子膜２０に形成された貫通孔２３ｂの周囲に配置されたパッキン２７とを有する。ガス拡散電極２１ａ、２１ｂは、高分子膜２０の第１の表面に接合された燃料極２１ａと、第１の表面に対向する第２の表面に接合された酸化剤極２１ｂとを有する。

セパレータ２２ａ、２２ｂは、ガス拡散電極２１ａ、２１ｂに反応ガスを供給する為のガス流路２４ａ、２４ｂを備える。具体的には、セパレータ２２ａの表面のうち燃料極２１ａに接する部分には凸状の燃料ガス側リブ部２５ａが形成され、燃料ガス側リブ部２５ａの間に燃料ガスが流通する凹状の燃料ガス流路２４ａが形成される。セパレータ２２ｂの第１の表面のうち酸化剤極２１ｂに接する部分には凸状の酸化剤ガス側リブ部２５ｂが形成され、酸化剤ガス側リブ部２５ｂの間に酸化剤ガスが流通する凹状の酸化剤ガス流路２４ｂが形成される。セパレータ２２ｂの第１の表面に対向する第２の表面には凸状の冷媒側リブ部２５ｃが形成され、冷媒側リブ部２５ｃの間に冷媒が流通する凹状の冷媒流路２４ｃが形成される。

膜電極複合体２１、セパレータ２２ａ、２２ｂの同一の位置に貫通孔２３ｂが重なるように形成されている。貫通孔２３ｂは、セパレータ２２ｂの酸化剤ガス流路２４ｂに酸化剤ガスを供給するための集合管である。図４には示さないが、セパレータ２２ａ、２２ｂの燃料ガス流路２４ａ、冷媒流路２４ｃに燃料ガス及び冷媒を供給するための集合管としての貫通孔２３ａ、２３ｃが同様にして存在する。なお、このような貫通孔２３ａ〜２３ｃはマニホールドと呼ばれるが、貫通孔という仕様に限らず、セパレータ２２ａ、２２ｂの外部を覆うように存在する空間を有する囲い部品とする場合もある。貫通孔２３ａ〜２３ｃを流通する燃料ガス、酸化剤ガス、冷媒は、パッキン２７によりシールされる。凸状の燃料ガス側リブ部２５ａ及び酸化剤ガス側リブ部２５ｂが膜電極複合体２１と接触してセパレータ２２ａ、２２ｂが膜電極複合体２１で発生する電気を集める集電体としての機能を果たす。

セパレータ２２ａ、２２ｂは２種類の反応ガスを混合させないため、ガスが透過しにくい材料であることが好ましく、導電性も必要であるため、例えば金属やカーボンを主体とした材料が用いられる。セパレータ２２ｂの片面には酸化剤ガス用の流路２４ｂが設けられ、セパレータ２２ｂのもう片面には酸化剤極２１ｂにおける電気化学反応で生じた熱を冷却するための冷媒用の流路２４ｃが設けられている。無論、片面のみに流路が形成されている形状でも構わない。また、冷媒は純水や純水に不凍液成分を添加したものが用いられる。

図５に示すように、セパレータ２２ｂの中央部には複数の酸化剤ガス側リブ部２５ｂがストライプ状に配置され、酸化剤ガス側リブ部２５ｂの間に酸化剤ガス流路２４ｂが形成されている。セパレータ２２ｂの外周部には各貫通孔２３ａ〜２３ｃが２つづつ概略対角の位置に配置されている。図５においては、貫通孔２３ｂが酸化剤ガス流路２４ｂに接続されている。図５には示さないが、セパレータ２２ｂの第２の表面には、冷媒側リブ部２５ｃ及び貫通孔２３ｃに接続された冷媒流路２４ｃが形成され、セパレータ２２ａの表面には、燃料ガス側リブ部２５ａ及び貫通孔２３ａに接続された燃料ガス流路２４ａが形成されている。

図６に示す膜電極複合体２１において、高分子膜２０の両面には燃料極２１ａ並びに酸化剤極２１ｂに相当するガス拡散電極が配置されている。高分子膜２０は燃料極２１ａと酸化剤極２１ｂに供給される反応ガスの混合を防ぐ役割もあるため、高分子膜２０の面積は燃料極２１ａと酸化剤極２１ｂの面積より大きい。なお、図４のパッキン２７の図示は省略している。高分子膜２０の外周部には各貫通孔２３ａ〜２３ｃが２つづつ概略対角の位置に配置されている。高分子膜２０としては、パーフルオロカーボンスルホン酸膜などが用いられる。このような高分子膜２０を白金などの触媒を有する一対のガス拡散電極すなわち燃料極２１ａと酸化剤極２１ｂとで狭持し、膜電極複合体２１を構成する。

図７に膜電極複合体２１の断面図を示す。上記のように高分子膜２０、燃料極２１ａ、酸化剤極２１ｂはシート状又は薄板状に形成され、膜電極複合体２１を構成する。膜電極複合体２１から電流（電子：ｅ^-）を取り出すためには、反応ガスである燃料ガス（水素を主成分とするガス）及び酸化剤ガス（酸素を含有するガス。例えば、空気）を燃料極２１ａ、酸化剤極２１ｂにそれぞれ供給する必要がある。燃料ガスは、一般的には都市ガスなどの炭化水素系燃料を改質したものを利用することが多く、水素を主成分としている。燃料極２１ａでは、（１）式に示す化学反応が生じる。

Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- ・・・（１）
燃料極２１ａ内部を拡散してきた燃料ガス中に存在する水素（Ｈ₂）が燃料極（触媒）に到達し、そこで電子（ｅ^-）を手放してプロトン（Ｈ⁺）となる。プロトンは高分子膜２０の内部を燃料極２１ａ側から酸化剤極２１ｂ側に移動することができるが、電子（ｅ^-）は高分子膜２０内部を移動できないために、図７のように外部回路（負荷）を通って酸化剤極２１ｂに移動する。

自動車用の燃料電池に関しては、近年、純水素（Ｈ₂）を燃料極２１ａへ供給することが多いが、メタノールやガソリンなどの炭化水素系燃料を改質して得られた水素リッチな燃料ガスを供給することも少なくない。

一方、酸化剤極２１ｂでは、上記のように外部回路（負荷）を通ってきた電子（ｅ^-）が加わり、（２）式に示す化学反応が生じる。

２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- ＋ 1/2Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ・・・（２）
燃料極２１ａから高分子膜２０内を通過してきたプロトン（Ｈ⁺）と、外部回路（負荷）を移動してきた電子（ｅ^-）と、酸化剤ガス（空気）内の酸素（Ｏ₂）が反応して水（Ｈ₂Ｏ）ができる。これを生成水と呼ぶ。生成水はその大部分が未反応ガス中に蒸発しそのまま排出される。その際、各ガス拡散電極２１ａ、２１ｂの内部には水分が溜まりやすく、その水分により反応ガスの拡散が阻害されて燃料電池の性能の低下をもたらすので、水が溜まりにくい構造や反応ガスが拡散しやすい構造が必要である。

第１の実施の形態に係る燃料電池システムは、上述した燃料電池本体５である固体高分子型燃料電池に加えて、燃料電池本体５で発電が行えるようにその周辺システムや周辺機器を備える。例えば、周辺システムとしては、熱・水回収システム、生じた電力を制御するパワーコンディショニングシステムなどがある。また、周辺機器としては、空気を供給するためのブロア（またはコンプレッサー）、冷媒を循環するための冷媒ループやポンプなどが挙げられる。

なお、絶縁板３ａ、３ｂや締付板４ａ、４ｂの形状や位置は、図２に示した一例に限定されることなく、他の形状或いは位置であっても構わない。また、電流線８ａ〜８ｄはそれぞれ２本ずつ使用しているが、３本以上であっても構わない。電力供給手段は２次電池９に限らず、電源やキャパシタ、他の燃料電池本体など別の手段を使用しても構わない。

（起動方法）
図８を参照して、図１に示した燃料電池システムの起動方法を説明する。先ず、Ｓ０１段階において、燃料電池システムを起動する。そして、接続切替え手段１０を操作して電流線８ａ〜８ｄと電流取り出し部２ａ、２ｂとの接続が有効であることを確認した後、Ｓ０２段階において、電流取り出し部（電流取り出し板）２ａ、２ｂのそれぞれに図１に示す方向に電流（ｉ）を流す。電流取り出し板２ａ、２ｂに所定時間電流を供給した後、Ｓ０３段階において、燃料電池本体５において発電を開始する。以上の手順を経て燃料電池システムの起動が完了する。

なお、Ｓ０２段階における電流取り出し板２ａ、２ｂに電流を供給する期間は、上記のように所定時間で一律に規定する替わりに、電流取り出し板２ａ、２ｂに接続された温度センサーを用いて、電流取り出し板２ａ、２ｂが所定温度に到達するまでの間であっても構わない。

（作用効果）
２次電池９からの電力により電流線８ａ〜８ｄを介して電流取り出し板２ａ、２ｂに電流を流すことにより、電流取り出し板２ａ、２ｂがジュール熱により温まる。そのため、電流取り出し板２ａ、２ｂそのものに限らず、燃料電池本体５における単位電池２６の並設積層構造体１で電流取り出し板２ａ、２ｂと接している両端部の単位電池２６にも上記ジュール熱が伝わる。したがって、氷点下において燃料電池システムを起動して燃料電池本体５で発電を開始する場合、電流取り出し板２ａ、２ｂが冷えているといった熱容量の影響を受けて上記両端部の単位電池２６の出力が低下することがなくなる。また、接続切替え手段１０により接続の有効無効を切替えられるので、電流線８ａ〜８ｄに流す電流を任意に制御できる。

第１の実施の形態によれば、特に寒冷地などの氷点下において、ヒーター等の熱源を使用せずに円滑に起動し発電に移行することができ、スペースやコスト的にも省力化を図ることができる。換言すれば、低温起動性に優れ、かつシンプルで省力化を図った燃料電池システム並びにその起動方法を提供することができる。

また、燃料電池システムを氷点下から円滑に起動するために、発電に必要な燃料ガスの一部を燃焼させて消費する必要が無くなり、また、燃焼廃ガスを燃料電池本体に供給しないため、ガス拡散電極表面に燃焼廃ガスに含まれる一酸化炭素が吸着して発電開始時の電圧が著しく低下してしまうおそれも無い。更に、燃焼廃ガスに含まれる二酸化炭素の残留により同様に反応ガスの拡散不良が生じて発電開始時に電圧が低くなってしまうおそれも無い。

更に、高効率化を図るために並設積層構造体１の周囲に断熱材を巻く必要もなくなる。

[第２の実施の形態]
（構成）
図９に示すように、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムは、燃料電池本体５と、燃料電池本体５に接続された外部負荷７及び電力供給手段（例えば、２次電池）９と、接続切替え手段１０とを有する。燃料電池本体５は、並設積層構造体１と、電流取り出し板２ａ、２ｂと、絶縁板３ａ、３ｂと、締付板４ａ、４ｂとを有する。２次電池９の陽極９ａは、電流線８ａ、８ｃにより接続切替え手段１０を介して電流取り出し板２ａ、２ｂの一端に接続されている。２次電池９の陰極９ｂは、電流線８ｂ、８ｄにより接続切替え手段１０を介して電流取り出し板２ａ、２ｂの他端に接続されている。２次電池９、接続切替え手段１０及び電流線８ａ〜８ｄは、電流取り出し部２ａ、２ｂ内に電流を流してジュール熱を発生させる電気回路を構成する。

図９に示す燃料電池システムを図１に示した燃料電池システムと比較すると、外部負荷７が、２本の電流取り出しケーブル６ａ、６ｃにより電流取り出し板２ａに接続され、２本の電流取り出しケーブル６ｂ、６ｄにより電流取り出し板２ｂに接続されている点が異なり、他の構成は殆ど同じである。即ち、図９において、電流取り出し板２ａ、２ｂには、それぞれ２本ずつ合計４本の電流取り出しケーブル（６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ）が接続されている。

図１０は、図９の燃料電池本体５を斜投影図として表示している。電流取り出しケーブル６ａ〜６ｄ並びに電流線８ａ〜８ｄは、各電流取り出し板２ａ、２ｂにおける概略対角の位置に設けられた突出部１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ（１１ｄは図示せず）にそれぞれ配線されている。具体的には、突出部１１ａ、１１ｂは、並設積層構造体１の側面より突出した電流取り出し板２ａの一部分であり、突出部１１ａと突出部１１ｂは電流取り出し板２ａの概略対角の位置に配置されている。同様に、突出部１１ｃ、１１ｄは、並設積層構造体１の側面より突出した電流取り出し板２ｂの一部分であり、突出部１１ｃと突出部１１ｄは電流取り出し板２ｂの概略対角の位置に配置されている。突出部１１ａには電流取り出しケーブル６ａ及び電流線８ａが接続され、突出部１１ｂには電流取り出しケーブル６ｃ及び電流線８ｂが接続され、突出部１１ｃには電流取り出しケーブル６ｂ及び電流線８ｃが接続され、突出部１１ｄには電流取り出しケーブル６ｄ及び電流線８ｄが接続されている。なお、突出部１１並びに電流線８は１つの電流取り出し板２ａ、２ｂに対して２つ以上設けても構わない。

（起動方法）
図８に示す燃料電池システムの起動方法と同じであり、説明を省略する。

（作用効果）
各電流取り出し板２ａ、２ｂにおける概略対角の位置に設けた突出部１１ａ〜１１ｄに電流線８ａ〜８ｄを配線したことにより、電流取り出し板２ａ、２ｂの広域に電流を流してジュール熱を発生させることができる。したがって、第１の実施の形態に比してより効率的に電流取り出し部２ａ、２ｂ及びその隣接する単位電池２６が温められ、燃料電池システム起動の円滑性が増す。

２次電池９からの電力により電流線８ａ〜８ｄを介して電流取り出し板２ａ、２ｂに電流を流すことにより、電流取り出し板２ａ、２ｂがジュール熱により温まる。そのため、電流取り出し板２ａ、２ｂそのものに限らず、燃料電池本体５における単位電池２６の並設積層構造体１で電流取り出し板２ａ、２ｂと接している両端部の単位電池２６にも上記ジュール熱が伝わる。したがって、氷点下において燃料電池システムを起動して燃料電池本体５で発電を開始する場合、電流取り出し板２ａ、２ｂが冷えているといった熱容量の影響を受けて上記両端部の単位電池の出力が低下することがなくなる。また、接続切替え手段１０により接続の有効無効を切替えられるので、電流線８ａ〜８ｄに流す電流を任意に制御できる。

第２の実施の形態によれば、特に寒冷地などの氷点下において、ヒーター等の熱源を使用せずに円滑に起動し発電に移行することができ、スペースやコスト的にも省力化を図ることができる。換言すれば、低温起動性に優れ、かつシンプルで省力化を図った燃料電池システム並びにその起動方法を提供することができる。

[第３の実施の形態]
（構成）
図１１に示すように、本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池システムは、燃料電池本体５と、燃料電池本体５に接続された外部負荷７及び電力供給手段（例えば、２次電池）９と、接続切替え手段１０と、２次電池９に接続された電気抵抗部（固定抵抗）８ｅ、８ｆとを有する。燃料電池本体５は、並設積層構造体１と、電流取り出し板２ａ、２ｂと、絶縁板３ａ、３ｂと、締付板４ａ、４ｂとを有する。

電流取り出しケーブル６ａ、６ｂは共に分岐し、分岐した一方は外部負荷７に、もう一方は電力供給手段である２次電池９の陽極９ａ、陰極９ｂにそれぞれ接続されている。また、電流線８ｂ、８ｄには固定抵抗８ｅ、８ｆがそれぞれ配置されており、電流回路に流れる電流量を抑えている。

２次電池９の陽極９ａは、電流線８ａ、８ｃにより接続切替え手段１０を介して電流取り出し板２ａ、２ｂの一端に接続されている。２次電池９の陰極９ｂは、電流線８ｂ、８ｄにより接続切替え手段１０及び固定抵抗８ｅ、８ｆを介して電流取り出し板２ａ、２ｂの他端に接続されている。更に、２次電池９の陽極９ａは、電流取り出しケーブル６ａにより直接、電流取り出し板２ａに接続され、２次電池９の陰極９ｂは、電流取り出しケーブル６ｂにより直接、電流取り出し板２ｂに接続されている。２次電池９、接続切替え手段１０、電流線８ａ〜８ｄ及び固定抵抗８ｅ、８ｆは、電流取り出し部２ａ、２ｂ内に電流を流してジュール熱を発生させる電気回路を構成する。

（起動方法）
燃料電池システムが起動する際には２次電池９からの電力により電流線８ａ〜８ｄを介して電流取り出し板２ａ、２ｂに電流を流してジュール熱を発生させる（Ｓ０２）。所定時間電流を流した後に接続切替え手段１０により接続を無効とし、燃料電池本体５において発電を開始する（Ｓ０３）。発電中において、外部負荷７が急激に増大した場合などは２次電池９が放電して燃料電池本体５の出力を補う。また、外部負荷７が比較的小さい場合、２次電池９は燃料電池本体５からの電力により充電される。つまり、第３の実施の形態において２次電池９は、燃料電池本体５からの出力に応じて充放電する電力貯蔵手段として機能する。電力貯蔵手段であれば２次電池９の仕様は問わず、キャパシタ等でも構わない。

（作用効果）
電流取り出し板２ａ、２ｂ及び電流線８ａ〜８ｄに流す電流を固定抵抗８ｅ、８ｆにより抑えることができ、更に外部負荷７に応じて２次電池９を充放電できる。即ち、燃料電池本体５と２次電池９のハイブリッド方式の燃料電池システムを構築することができる。したがって、第３の実施の形態によれば、安全で負荷応答性にも優れたシンプルで省力化を図った燃料電池システムを提供することができる。

第３の実施の形態によれば、特に寒冷地などの氷点下において、ヒーター等の熱源を使用せずに円滑に起動し発電に移行することができ、スペースやコスト的にも省力化を図ることができる。換言すれば、低温起動性に優れ、かつシンプルで省力化を図った燃料電池システム並びにその起動方法を提供することができる。

[第４の実施の形態]
（構成）
図１２に示すように、本発明の第４の実施の形態に係る燃料電池システムは、燃料電池本体５と、燃料電池本体５に接続された外部負荷７及び電力供給手段（例えば、２次電池）９と、接続切替え手段１０と、２次電池９に接続された電気抵抗部（固定抵抗）１３ｅ、１３ｆとを有する。燃料電池本体５は、並設積層構造体１と、電流取り出し板２ａ、２ｂと、絶縁板３ａ、３ｂと、締付板４ａ、４ｂとを有する。

外部負荷７は、２本の電流取り出しケーブル１２ａ、１２ｂにより電流取り出し板２ａに接続され、２本の電流取り出しケーブル１２ｃ、１２ｄにより電流取り出し板２ｂに接続されている。即ち、電流取り出し板２ａ、２ｂには、それぞれ２本ずつ合計４本の電流取り出しケーブル（１２ａ〜１２ｄ）が接続されている。

電流取り出しケーブル１２ａ〜１２ｄは途中でそれぞれ分岐しており、分岐した先は電流線１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄとなっている。電流線１３ｂ、１３ｄには固定抵抗１３ｅ、１３ｆがそれぞれ配置され、電流回路に流れる電流量を抑えている。電流線は電流取り出しケーブルよりも細いが、その線の太さは問わない。電流線１３ａ、１３ｃは電力供給手段である２次電池９の陽極９ａに接続切替え手段１０を介して接続され、電流線１３ｂ、１３ｄは２次電池９の陰極９ｂに接続切替え手段１０及び固定抵抗１３ｅ、１３ｆを介して接続されている。電力供給手段は２次電池９に限らず、電源やキャパシタ、他の燃料電池本体など別の手段を使用しても良い。接続切替え手段１０では、必要に応じて電流線１３ａ、１３ｃと２次電池９の接続の有効無効を切替えるように制御される。２次電池９、接続切替え手段１０、電流線１３ａ〜１３ｄ、電流取り出しケーブル１２ａ〜１２ｄ及び固定抵抗１３ｅ、１３ｆは、電流取り出し部２ａ、２ｂ内に電流を流してジュール熱を発生させる電気回路を構成する。

（作用効果）
２次電池９からの電力により電流取り出しケーブル１２ａ〜１２ｄ及び電流線１３ａ〜１３ｄを介して電流取り出し板２ａ、２ｂに電流を流すことにより、電流取り出し板２ａ、２ｂがジュール熱により温まる。そのため、電流取り出し板２ａ、２ｂそのものに限らず燃料電池本体５における単位電池２６の並設積層構造体１で電流取り出し板２ａ、２ｂと接している両端部の単位電池２６にも上記ジュール熱が伝わる。したがって、氷点下において燃料電池システムを起動して燃料電池本体５で発電を開始する場合、電流取り出し板２ａ、２ｂが冷えているといった熱容量の影響を受けて上記両端部の単位電池２６の出力が低下することがなくなる。

また、固定抵抗１３ｅ、１３ｆにより電流取り出し板２ａ、２ｂ及び電流線１３ａ〜１３ｄに流れる電流を抑えることができる。

また、電流線１３ａ〜１３ｄの一部を電流取り出しケーブル１２ａ〜１２ｄとして共有化しているため、スペースメリットが生まれると共に省力化を図れる。

また、第４の実施の形態では電流線１３ａ〜１３ｄよりも電流取り出しケーブル１２ａ〜１２ｄの方が太いので、電流線１３ａ〜１３ｄを直接電流取り出し板２ａ、２ｂに接続するよりも電気抵抗が少ない。したがって、より多くの電流が電流取り出し板２ａ、２ｂ流れ、直接電流取り出し板２ａ、２ｂで発生するジュール熱が増加する。

また、接続切替え手段１０により接続の有効無効を切替えられるので、電流線１３ａ〜１３ｄに流す電流を任意に制御できる。

第４の実施の形態によれば、特に寒冷地などの氷点下において、ヒーター等の熱源を使用せずに円滑に起動し発電に移行することができる。即ち、低温機動性に優れ、安全かつシンプルでより効果的に省力化を図った燃料電池システム並びにその起動方法を提供することができる。

[第５の実施の形態]
（構成）
図１３に示すように、本発明の第５の実施の形態に係る燃料電池システムは、燃料電池本体５と、燃料電池本体５に接続された外部負荷７及び電力供給手段（例えば、２次電池）９と、接続切替え手段１０と、燃料電池本体５に隣接して配置された加湿部１７とを有する。燃料電池本体５は、並設積層構造体１と、電流取り出し板２ａと、絶縁板３ａと、締付板４ａ、１４ｂとを有する。複数の単位電池の並設積層構造体１の一端に電流取り出し板２ａ、絶縁板３ａ、締付板４ａが配置され、並設積層構造体１の他端には電流取り出し機能を有する締付板１４ｂが配置されている。加湿部１７は、締付板１４ｂに隣接して配置されている。

外部負荷７は、２本の電流取り出しケーブル１５ａ、１５ｂにより電流取り出し板２ａに接続され、２本の電流取り出しケーブル１５ｃ、１５ｄにより締付板１４ｂに接続されている。即ち、電流取り出し板２ａ、締付板１４ｂには、それぞれ２本ずつ合計４本の電流取り出しケーブル（１５ａ〜１５ｄ）が接続されている。

電流取り出しケーブル１５ａ、１５ｂは途中でそれぞれ分岐しており、分岐した先は電流線１６ａ、１６ｂとなっている。電流線は電流取り出しケーブルよりも細いが、その線の太さは問わない。電流線１６ａは２次電池９の陽極９ａに接続切替え手段１０を介して接続され、電流線１６ｂは２次電池９の陰極９ｂに接続切替え手段１０を介して接続されている。２次電池９、接続切替え手段１０、電流線１６ａ、１６ｂ及び電流取り出しケーブル１５ａ〜１５ｄは、電流取り出し部２ａ内に電流を流してジュール熱を発生させる電気回路を構成する。なお、締付板１４ｂに、電気回路は接続されていない。

加湿部１７は、燃料電池本体５に供給する燃料ガスや酸化剤ガスといった反応ガスを加湿するためのユニットである。加湿部１７には水分及びヒーター等の加熱手段が含まれる。加湿部１７は、燃料改質システム（図示せず）で炭化水素系の燃料ガスを改質するための加湿部であっても構わない。また、電力供給手段は２次電池９に限らず、電源やキャパシタ、他の燃料電池本体など別の手段を使用しても構わない。接続切替え手段１０は、必要に応じて電流線１６ａ、１６ｂと２次電池９の接続の有効無効を切替えるように制御される。

（起動方法）
図１４を参照して、図１３に示した燃料電池システムの起動方法を説明する。先ず、Ｓ１１段階において、燃料電池システムを起動する。そして、Ｓ１２段階において、加湿部１７を加熱手段により昇温させる。所定温度まで昇温し、接続切替え手段１０を操作して電流線１６ａ、１６ｂと電流取り出し板２ａとの接続が有効であることを確認した後、Ｓ１３段階において、電流取り出し板２ａに図１３に示す方向に電流（ｉ）を流す。電流取り出し板２ａに所定時間電流を供給した後、Ｓ１４段階において、燃料電池本体５において発電を開始する。以上の手順を経て燃料電池システムの起動が完了する。

なお、Ｓ１３段階における電流取り出し板２ａに電流を供給する期間は、上記のように所定時間で一律に規定する替わりに、電流取り出し板２ａに接続された温度センサーを用いて、電流取り出し板２ａが所定温度に到達するまでの間であっても構わない。

（作用効果）
２次電池９からの電力により電流線１６ａ、１６ｂを介して電流取り出し板２ａに電流を流すことにより、一方の電流取り出し板２ａがジュール熱により温まる。そのため、電流取り出し板２ａそのものに限らず燃料電池本体５における単位電池２６の並設積層構造体１で電流取り出し板２ａと接している単位電池２６にも上記ジュール熱が伝わる。また、加湿部１７の昇温により、もう一方の電流取り出し部である締付板１４ｂが温まるために、同様に締付板１４ｂと接している単位電池２６にも熱が伝わる。従って、氷点下において燃料電池システムを起動して燃料電池本体５で発電を開始する場合、電流取り出し板２ａや締付板１４ｂが冷えているといった熱容量の影響を受けて上記両端部の単位電池２６の出力が低下することがなくなる。

また、接続切替え手段１０により接続の有効無効を切替えられるので、電流線１６ａ、１６ｂに流す電流を任意に制御できる。

第５の実施の形態によれば、特に寒冷地などの氷点下において、燃料電池本体５そのものにヒーター等の熱源を使用せずに円滑に起動し発電に移行することができる。即ち、低温起動性に優れ、かつシンプルで省力化を図った燃料電池システム並びにその起動方法を提供することができる。

[第６の実施の形態]
（構成）
図１５に示すように、本発明の第６の実施の形態に係る燃料電池システムは、燃料電池本体５と、燃料電池本体５に接続された外部負荷７及び電力供給手段（例えば、２次電池）９と、接続切替え手段１０と、２次電池９に接続された電気抵抗部（固定抵抗）１３ｅ、１３ｆと、燃料電池本体５上に配置された温度センサー１８ａ、１８ｂと、温度センサー１８ａ、１８ｂからの計測値を元に接続切替え手段１０を制御する制御システム１９とを有する。燃料電池本体５は、並設積層構造体１と、並設積層構造体１の両端に隣接して配置された電流取り出し機能を有する締付板１４ａ、１４ｂとを有する。締付板１４ａ、１４ｂには温度センサー１８ａ、１８ｂがそれぞれ組み込まれている。

外部負荷７は、２本の電流取り出しケーブル１２ａ、１２ｂにより締付板１４ａに接続され、２本の電流取り出しケーブル１２ｃ、１２ｄにより締付板１４ｂに接続されている。即ち、締付板１４ａ、１４ｂには、それぞれ２本ずつ合計４本の電流取り出しケーブル（１２ａ〜１２ｄ）が接続されている。

電流取り出しケーブル１２ａ〜１２ｄは途中でそれぞれ分岐しており、分岐した先は電流線１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄとなっている。電流線１３ｂ、１３ｄには固定抵抗１３ｅ、１３ｆがそれぞれ配置され、電流回路に流れる電流量を抑えている。電流線は電流取り出しケーブルよりも細いが、その線の太さは問わない。電流線１３ａ、１３ｃは電力供給手段である２次電池９の陽極９ａに接続切替え手段１０を介して接続され、電流線１３ｂ、１３ｄは２次電池９の陰極９ｂに接続切替え手段１０及び固定抵抗１３ｅ、１３ｆを介して接続されている。電力供給手段は２次電池９に限らず、電源やキャパシタ、他の燃料電池本体など別の手段を使用しても良い。接続切替え手段１０では、必要に応じて電流線１３ａ、１３ｃと２次電池９の接続の有効無効を切替えるように制御される。２次電池９、接続切替え手段１０、電流線１３ａ〜１３ｄ、電流取り出しケーブル１２ａ〜１２ｄ及び固定抵抗１３ｅ、１３ｆは、締付板１４ａ、１４ｂ内に電流を流してジュール熱を発生させる電気回路を構成する。温度センサー１８ａ、１８ｂの信号を受けた制御システム１９は、その信号に応じて接続切替え手段１０における接続の有効無効を制御する。

（作用効果）
２次電池９からの電力により電流取り出しケーブル１２ａ〜１２ｄ及び電流線１３ａ〜１３ｄを介して締付板１４ａ、１４ｂに電流を流すことにより、締付板１４ａ、１４ｂがジュール熱により温まる。そのため、締付板１４ａ、１４ｂそのものに限らず燃料電池本体５における単位電池２６の並設積層構造体１で締付板１４ａ、１４ｂと接している両端部の単位電池２６にも上記ジュール熱が伝わるので、氷点下において燃料電池システムを起動して燃料電池本体５で発電を開始する場合、締付板１４ａ、１４ｂが冷えているといった熱容量の影響を受けて上記両端部の単位電池２６の出力が低下することがなくなる。

また、固定抵抗１３ｅ、１３ｆにより締付板１４ａ、１４ｂ及び電流線１３ａ〜１３ｄに流れる電流を抑えることができる。

また、第６の実施の形態では電流線１３ａ〜１３ｄよりも電流取り出しケーブル１２ａ〜１２ｄの方が太いので、電流線１３ａ〜１３ｄを直接締付板１４ａ、１４ｂに接続するよりも電気抵抗が少ないために多くの電流が流れ、締付板１４ａ、１４ｂで発生するジュール熱が増加する。

更に、電流取り出し機能を有する締付板１４ａ、１４ｂとして２つの部品を共有化したので、部品数が減り簡素化された構造の燃料電池本体５となる。

更に、温度センサー１８ａ、１８ｂ、制御システム１９、及び接続切替え手段１０により、締付板１４ａ、１４ｂの温度に応じて接続の有効無効を任意に制御することができる。

第６の実施の形態によれば、特に寒冷地などの氷点下において、ヒーター等の熱源を使用せずに円滑に起動し発電に移行することができる。即ち、低温起動性に優れ、安全かつシンプルでより効果的に省力化を図った燃料電池システム並びにその起動方法を提供することができる。

上記のように、本発明は、第１乃至第６の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。

本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムを示すブロック図である。図１に示した燃料電池本体の構成及び燃料電池本体と外部負荷との接続関係を示す断面図である。図２に示した並設積層構造体の構成を示す断面図である。図３に示した単位電池の構成を示す断面図である。図４に示したセパレータの第１の表面を示す平面図である。図４に示した膜電極複合体を示す平面図である。図６に示した膜電極複合体で生じる化学反応を示す模式図である。図１に示した燃料電池システムの起動方法を示すフローチャートである。本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムを示すブロック図である。図９の燃料電池本体を斜投影図として表示した燃料電池システムのブロック図である。本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池システムを示すブロック図である。本発明の第４の実施の形態に係る燃料電池システムを示すブロック図である。本発明の第５の実施の形態に係る燃料電池システムを示すブロック図である。図１３に示した燃料電池システムの起動方法を示すフローチャートである。本発明の第６の実施の形態に係る燃料電池システムを示すブロック図である。

符号の説明

１・・・単位電池の並設積層構造体
２ａ、２ｂ・・・電流取り出し板（電流取り出し部）
３ａ、３ｂ・・・絶縁板
４ａ、４ｂ・・・締付板
５・・・燃料電池本体
６ａ〜６ｄ、１２ａ〜１２ｄ、１５ａ〜１５ｄ・・・電流取り出しケーブル
７・・・外部負荷
８ａ〜８ｄ、１３ａ〜１３ｄ、１６ａ、１６ｂ・・・電流線
８ｅ、８ｆ、１３ｅ、１３ｆ・・・固定抵抗（電気抵抗部）
９・・・２次電池
１０・・・接続切替え手段
１１ａ〜１１ｄ・・・突出部
１４ａ、１４ｂ・・・（電流取り出し機能付）締付板
１７・・・加湿部
１８ａ、１８ｂ・・・温度センサー
１９・・・制御システム
２０・・・高分子膜
２１・・・膜電極複合体
２１ａ・・・燃料極
２１ｂ・・・酸化剤極
２２ａ・・・燃料ガスセパレータ
２２ｂ・・・酸化剤ガスセパレータ
２３ａ〜２３ｃ・・・貫通孔（流体用）
２４ａ・・・燃料ガス流路
２４ｂ・・・酸化剤ガス流路
２４ｃ・・・冷媒流路
２５ａ・・・燃料ガス側リブ部
２５ｂ・・・酸化剤ガス側リブ部
２５ｃ・・・冷媒側リブ部
２６・・・単位電池
２７・・・パッキン
３３・・・締付スタッド
３４・・・スプリング
３５・・・ナット
３６ａ・・・燃料ガス入口配管
３６ｂ・・・酸化剤ガス入口配管
３６ｃ・・・冷媒入口配管
３７ａ・・・燃料ガス出口配管
３７ｂ・・・酸化剤ガス出口配管
３７ｃ・・・冷媒出口配管

Claims

高分子膜の両面にガス拡散電極を接合した膜電極複合体と前記ガス拡散電極に反応ガスを供給する為のガス流路を備えたセパレータとを積層してなる並設積層構造体と、前記並設積層構造体の両端にそれぞれ隣接して配置された電流取り出し部とを有する燃料電池本体と、
少なくとも一方の前記電流取り出し部に電流を流す電気回路
とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
前記電気回路は、前記電流取り出し部に接続された電力供給手段を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
前記電気回路は、前記電流を調節する為の電気抵抗部を有することを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
前記電気回路は、前記電流取り出し部と前記電力供給手段の陽極及び陰極との間をそれぞれ接続する２本以上の電流線を有することを特徴とする請求項２又は３記載の燃料電池システム。
前記電流線は、前記電流取り出し部の概略対角の位置にそれぞれ接続されていることを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
前記電気回路は、前記電力供給手段と前記電流取り出し部との間の接続の有効無効を切替える接続切替え手段を更に有することを特徴とする請求項４又は５記載の燃料電池システム。
前記電力供給手段は、前記燃料電池本体からの出力に応じて充放電する電力貯蔵手段であることを特徴とする請求項２乃至６何れか１項記載の燃料電池システム。
前記燃料電池本体からの出力を取り出すために前記電流取り出し部のそれぞれに接続された２本以上の電流取り出しケーブルを更に有し、前記電流取り出しケーブルの一部が前記電流線と共有化されていることを特徴とする請求項４乃至７何れか１項記載の燃料電池システム。
前記電流取り出し部は、前記並設積層構造体を締付ける為の締付板であることを特徴とする請求項１乃至８何れか１項記載の燃料電池システム。
前記電流取り出し部に隣接して配置された温度センサーを更に有することを特徴とする請求項１乃至９何れか１項記載の燃料電池システム。
高分子膜の両面にガス拡散電極を接合した膜電極複合体と前記ガス拡散電極に反応ガスを供給する為のガス流路を備えたセパレータとを積層してなる並設積層構造体と、前記並設積層構造体の両端にそれぞれ接続された電流取り出し部とを有する燃料電池本体と、
少なくとも一方の前記電流取り出し部に電流を流す電気回路
とを備える燃料電池システムを起動する方法において、
少なくとも一方の前記電流取り出し部に電流を流す段階と、
電流を流した後に前記燃料電池本体の発電を開始する段階
とを有することを特徴とする燃料電池システムの起動方法。