JP2005183047A - 燃料電池スタック - Google Patents
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Abstract
【課題】 本発明は燃料電池スタックに関し、低温起動時における出力の低下を抑制しつつセルの劣化も防止できるようにする。
【解決手段】 セルの積層方向の端部に位置する端セル2aの外側に通常時用集電体4を設け、この通常時用集電体の内側にセル2aを挟んで低温時用集電体6を設ける。これら通常時用集電体4と低温時用集電体8は、切換手段10,20によって出力端子8に選択的に接続可能であり、燃料電池スタックの起動時、セル2の温度が所定温度以下の際は出力端子8を低温時用集電体6に接続する。
【選択図】 図1
【解決手段】 セルの積層方向の端部に位置する端セル2aの外側に通常時用集電体4を設け、この通常時用集電体の内側にセル2aを挟んで低温時用集電体6を設ける。これら通常時用集電体4と低温時用集電体8は、切換手段10,20によって出力端子8に選択的に接続可能であり、燃料電池スタックの起動時、セル2の温度が所定温度以下の際は出力端子8を低温時用集電体6に接続する。
【選択図】 図1
Description
本発明は、複数のセルが積層された燃料電池スタックに係り、特に、氷点以下での極低温からの起動性を向上させるのに有効な技術に関する。
燃料電池は、プロトン伝導性の電解質膜が一対の電極(アノードとカソード)で挟まれ、さらにその両側を一対のセパレータによって挟まれた構造を有している。アノードに水素を含む燃料ガスが供給され、カソードに酸素を含む酸化ガスが供給されることで、両電極で電気化学反応が起こり、起電力が発生する。通常、燃料電池は、上記の構造を一つのセルとして、複数のセルが積層された燃料電池スタックとして使用される。図13は、一般的な燃料電池スタックの概略構成を示す図である。この図に示すように、燃料電池スタックは、複数のセル2が積層されることで構成され、積層方向両端の端セル2aの外側に設けられた集電板4から電流が取り出されるようになっている。
ところで、電気自動車等の車載用燃料電池スタックの場合、寒冷地等、使用環境によっては氷点下までセル2の温度が低下することがありえる。セル2のカソードでは電解質膜を透過してきた水素イオンと酸化ガス中の酸素との化学反応によって水が生成されるが、氷点下で起動されたときにはこの水は凍結し氷となる。氷はカソードへの酸素供給を阻害し、セル2の電圧を低下させる。ただし、上記化学反応により水と同時に反応熱も発生するため、この反応熱によりセルの温度が氷点以上まで昇温すれば、氷は融解し、カソードへの酸素供給は回復する。
しかしながら、端セル2aは熱容量・熱伝導率の大きな集電板4に接しているために集電板4に大量の熱を奪われ、他のセル2と比べて昇温が遅い。このため、他のセル2が正常に発電していても、氷の融解の遅れによって端セル2aのみが酸素不足状態となり、一時的に端セル2aの両極の電位差が負になってしまうことがある。端セル2aの電圧が負となることで、集電板4から取り出される燃料電池スタック全体の出力が低下することとなり、最悪の場合には運転が停止してしまう可能性がある。また、このような状態においては端セル2aの内部で異常な化学反応が起こっていると考えられるが、この異常な化学反応によって端セル2aの構成物質が排気となって持ち去られたり、端セル2aの劣化が進んだりしてしまう
低温起動時における端セル2aの性能劣化を防止する技術としては、特許文献1に記載の技術が知られている。この技術では、例えば、凹溝や貫通穴からなる空気室を形成した導電プレートを集電板(ターミナルプレート)4と端セル2aとの間に配置することで、空気室を断熱層として機能させ、端セル2aから集電板4への伝熱を阻害して端セル2aの温度低下を抑制するようにしている。
特開2002−184449号公報
特開2002−313391号公報
特開2000−113896号公報
しかしながら、特許文献1に記載の従来技術では、断熱層を設けることにより端セル2aの温度低下を抑制しているものの、断熱層だけでは端セル2aからの放熱を完全には防止することができない。このため、極めて低温時には端セル2a内での氷の融解が遅れ、端セル2aの電圧の低下によって燃料電池スタック全体の出力が低下してしまったり、異常な化学反応によって端セル2aの劣化が進んでしまったりする可能性は依然として残っている。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、低温起動時における出力の低下を抑制しつつセルの劣化も防止できるようにした燃料電池スタックを提供することを目的とする。
第1の発明は、上記の目的を達成するため、複数のセルが積層された燃料電池スタックにおいて、
前記セルの積層方向の端部に位置する端セルの外側に設けられた通常時用集電体と、
前記通常時用集電体の内側に一又は複数のセルを挟んで設けられた一又は複数の低温時用集電体と、
前記通常時用集電体と前記一又は複数の低温時用集電体のうち何れか一つの集電体に選択的に接続しうる出力端子と、
前記出力端子の接続先を切り換える切換手段とを備え、
前記切換手段は、前記燃料電池スタックの起動時、前記セルの温度が所定温度以下の際に前記出力端子を前記低温時用集電体に接続することを特徴としている。
前記セルの積層方向の端部に位置する端セルの外側に設けられた通常時用集電体と、
前記通常時用集電体の内側に一又は複数のセルを挟んで設けられた一又は複数の低温時用集電体と、
前記通常時用集電体と前記一又は複数の低温時用集電体のうち何れか一つの集電体に選択的に接続しうる出力端子と、
前記出力端子の接続先を切り換える切換手段とを備え、
前記切換手段は、前記燃料電池スタックの起動時、前記セルの温度が所定温度以下の際に前記出力端子を前記低温時用集電体に接続することを特徴としている。
また、第2の発明は、第1の発明において、前記低温時用集電体は前記通常時用集電体の内側に一つのみ設けられていることを特徴としている。
また、第3の発明は、第1又は第2の発明において、前記出力端子が接続されている集電体とその内側に隣接する集電体との間の電圧を測定する電圧モニタを備え、
前記切換手段は、前記電圧モニタの測定値に基づいて前記出力端子の接続先を切り換えることを特徴としている。
前記切換手段は、前記電圧モニタの測定値に基づいて前記出力端子の接続先を切り換えることを特徴としている。
また、第4の発明は、第3の発明において、前記低温時用集電体が複数設けられ、
前記切換手段は、前記燃料電池スタックの起動後、前記電圧モニタの測定値が所定値よりも低くなったら、現時点で前記出力端子が接続されている集電体からその内側に隣接する集電体に前記出力端子の接続先を切り換えることで、外側の集電板から内側の集電板へ前記出力端子の接続先を順次切り換えていき、
前記電圧モニタの測定値が所定値以上に維持されるようになった場合、或いは、前記出力端子が最も内側の集電板に接続された場合には、現時点で前記出力端子が接続されている集電体からその外側に隣接する集電体に前記出力端子の接続先を一時的に切り換え、その際に前記電圧モニタの測定値が上昇傾向にあれば、前記出力端子の接続先を前記外側に隣接する集電体に切り換えることで、前記出力端子の接続先を内側の集電板から外側の集電板へ順次切り換えていくことを特徴としている。
前記切換手段は、前記燃料電池スタックの起動後、前記電圧モニタの測定値が所定値よりも低くなったら、現時点で前記出力端子が接続されている集電体からその内側に隣接する集電体に前記出力端子の接続先を切り換えることで、外側の集電板から内側の集電板へ前記出力端子の接続先を順次切り換えていき、
前記電圧モニタの測定値が所定値以上に維持されるようになった場合、或いは、前記出力端子が最も内側の集電板に接続された場合には、現時点で前記出力端子が接続されている集電体からその外側に隣接する集電体に前記出力端子の接続先を一時的に切り換え、その際に前記電圧モニタの測定値が上昇傾向にあれば、前記出力端子の接続先を前記外側に隣接する集電体に切り換えることで、前記出力端子の接続先を内側の集電板から外側の集電板へ順次切り換えていくことを特徴としている。
また、第5の発明は、第1又は第2の発明において、前記出力端子が接続されている集電体の内側に隣接するセルの電圧を測定する電圧モニタを備え、
前記切換手段は、前記電圧モニタの測定値に基づいて前記出力端子の接続先を切り換えることを特徴としている。
前記切換手段は、前記電圧モニタの測定値に基づいて前記出力端子の接続先を切り換えることを特徴としている。
また、第6の発明は、第5の発明において、前記低温時用集電体が複数設けられ、
前記切換手段は、前記燃料電池スタックの起動後、前記電圧モニタの測定値が上昇傾向にあれば、現時点で前記出力端子が接続されている集電体からその外側に隣接する集電体に前記出力端子の接続先を切り換えることで、内側の集電板から外側の集電板へ前記出力端子の接続先を順次切り換えていくことを特徴としている。
前記切換手段は、前記燃料電池スタックの起動後、前記電圧モニタの測定値が上昇傾向にあれば、現時点で前記出力端子が接続されている集電体からその外側に隣接する集電体に前記出力端子の接続先を切り換えることで、内側の集電板から外側の集電板へ前記出力端子の接続先を順次切り換えていくことを特徴としている。
また、第7の発明は、第1乃至第6の何れか一つの発明において、前記集電体は内側の集電体より外側の集電体の厚さを厚く形成されていることを特徴としている。
燃料電池スタックの起動時、セルの温度は化学反応に伴う反応熱によって上昇していくが、端側のセルほど放熱量が大きく温度上昇が遅れる。このため、氷点下での起動時に端セルの外側に設けられた通常時用集電体から出力しようとすると、端側のセルではカソードでの化学反応によって生成された水が凍って氷となり、氷が酸素供給を阻害することで当該セルの出力は低下してしまう。この点において、第1の発明によれば、セルの温度が所定温度以下となる時には、端セルよりも内側の低温時用集電体から出力することができるので、当該低温時用集電体より外側にある温度上昇が遅いセルには電圧をかけることなく、燃料電池スタックを起動することができる。これにより、端側のセルで負電圧が発生して燃料電池スタック全体の出力が低下することや、異常化学反応によって当該セルが劣化してしまうことを防止できる。
第2の発明によれば、低温時用集電体を通常時用集電体の内側に一つのみ設けることで、構造を簡単にすることができ、また、出力端子の接続先を切り換える切換制御も簡単にすることができる。
セルが正常に機能している否かはセルの電圧によって判断することができる。第3の発明によれば、出力端子が接続されている集電体とその内側に隣接する集電体との間の電圧に基づいて出力端子の接続先を切り換えることで、最適なタイミングで出力端子の接続先を切り換えることが可能になる。
特に、第4の発明によれば、上記のような切換制御が行われることで、酸素供給不足に起因する出力低下や各セルの劣化を回避できる範囲で各セルを最大限に作動させることができる。これにより、総発熱量が増加して全体の昇温速度が速くなり、全セルが作動可能になるまでの時間を短縮することができる。
また、第5の発明によれば、出力端子が接続されている集電体の内側に隣接するセルの電圧に基づいて出力端子の接続先を切り換えることで、最適なタイミングで出力端子の接続先を切り換えることが可能になる。
特に、第6の発明によれば、上記のような切換制御が行われることで、セル内での氷の生成が抑制されるので、氷を解かすのに用いる熱量を最小限に抑えることができる。これにより、作動中のセルが発生する熱を効率よく低温のセルの昇温に用いることができ、より低温からの起動が可能になる。
集電体の厚さは、薄くすることで抵抗を増加させて発熱量を大きくすることができる一方、取り出すことができる電流は小さくなる。逆に、厚くすることで発熱量は小さくなるものの、取り出すことができる電流は大きくなる。第7の発明によれば、内側の集電体より外側の集電体の厚さを厚く形成することで、低温時、内側の集電体が選択されるときには集電体の発熱量を大きくして早期の昇温を可能にし、暖気後に外側の集電体が選択されるときには大きな電流を取り出すことが可能になる。
実施の形態1.
以下、図1を参照して、本発明の実施の形態1について説明する。
図1は、本発明の実施の形態1としての燃料電池スタックの概略構成図である。本燃料電池スタックは、車載用の燃料電池スタックであり、図1中、従来の燃料電池スタックと同一の要素については同一の符号を付している。
以下、図1を参照して、本発明の実施の形態1について説明する。
図1は、本発明の実施の形態1としての燃料電池スタックの概略構成図である。本燃料電池スタックは、車載用の燃料電池スタックであり、図1中、従来の燃料電池スタックと同一の要素については同一の符号を付している。
図1に示すように、本燃料電池スタックは、複数のセル2が一方向に積層されて構成されている。各セル2は、電解質膜(例えば固体高分子膜)をアノード極とカソード極で挟まれ、さらにその両側を一対のセパレータによって挟まれた構造を有している。なお、以下では、積層方向両端にある端セルを他のセルから区別する場合には、特に端セル2aと表記する。
各端セル2aの外側と内側にはそれぞれ集電板4,6が設けられている。このうち、端セル2aの外側に設けられた集電板4は、従来の燃料電池スタックでも設けられている集電板であり、ここでは通常時用集電板4と呼ぶ。一方、端セル2aの内側に設けられた集電板6は、本実施形態の燃料電池スタックに特有の集電板であり、後述するように低温起動時に用いられる。以下では、この集電板6を低温時用集電板6と呼ぶ。低温時用集電板6は、通常時用集電板4よりも薄く作られている。例えば、通常時用集電板4の厚さを2mmとした場合、低温時用集電板6は0.2mmの厚さに作られる。セル2と集電板4,6とはその積層方向に直列に接続されている。
本燃料電池スタックでは、出力端子8との接続を通常時用集電板4と低温時用集電板6との間でスイッチ10により切り換えることができるようになっている。スイッチ10の切り換えはスイッチ制御装置20によって行われる。本実施形態では、スイッチ10とスイッチ制御装置20とにより、第1の発明の「切換手段」が構成されている。スイッチ制御装置20は、燃料電池スタックの起動時に端セル2aの温度を検出し、端セル2aの温度に応じて出力端子8の接続先を2つの集電板4,6の間で切り換える。具体的には、端セル2aの温度が所定の判定温度(例えば氷点)よりも高い場合には、出力端子8を通常時用集電板4に接続する。一方、端セル2aの温度が判定温度以下の場合には、出力端子8を低温時用集電板6に接続し、端セル2aの温度が所定の切換温度(判定温度以上の温度)を超えたら、出力端子8の接続先を低温時用集電板6から通常時用集電板4に切り換える。
このように出力端子8の接続先となる集電板4,6が端セル2aの温度に応じて切り換えられることで、本燃料電池スタックによれば以下のような作用及び効果が得られる。
出力端子8が通常時用集電体4に接続されるときには、端セル2aを含めて全てのセル2に電圧がかかるため、端セル2aでは発電に伴う化学反応によって水が生成される。燃料電池スタックの起動時、セル2の温度は化学反応に伴う反応熱によって上昇していくが、端セル2aは熱容量の大きい通常時用集電板4に接続されているために放熱量が大きく、温度上昇が遅れる。このため、端セル2aが極低温のときに出力端子8の接続先を通常時用集電体4とすると、端セル2aでは化学反応によって生成された水が凍って氷になってしまう。氷によって酸素供給が阻害された状態で発電を行うと、端セル2aの電圧の低下によって燃料電池スタック全体の出力が低下し、また、異常な化学反応によって端セル2aの劣化が進んでしまう。
この点に関し、本燃料電池スタックでは、上記のように端セル2aの温度が判定温度以下の場合には、出力端子8は低温時用集電板6に接続される。これにより、低温時用集電板6よりも内側のセル2のみに電圧がかかり、発電は低温時用集電板6よりも内側のセル2のみで行われる。このとき端セル2aが断熱層として機能するとともに、薄い低温時用集電板6は通常時用集電板4に比較して電気抵抗が大きく発熱量が大きいため、内側のセル2の温度は自身の反応熱と低温時用集電板6からの熱によって速やかに上昇する。このため、内側のセル2内では氷が生成されないか、或いは氷が生成されたとしても温度上昇に伴い速やかに融け、氷の生成に伴う酸素供給不足が生じることはない。
また、本燃料電池スタックでは、端セル2aの温度が切換温度を超えたら、出力端子8の接続先は低温時用集電板6から通常時用集電板4に切り換えられる。通常時用集電板4に切り換えられるまで端セル2aでは発電が行われていなかったため、端セル2a内では化学反応に伴う氷は生成されていない。したがって、出力端子8の接続先を通常時用集電板4に切り換えたときには、端セル2aを含めた全セル2で通常の発電が行われ、通常時用集電板4からは全セル2で発電される電力が取り出される。
以上のように、本燃料電池スタックによれば、低温起動時には出力端子8が低温時用集電板6に接続されるので、酸素供給不足に起因する出力低下や端セル2aの劣化を回避することができる。また、端セル2aの温度が上昇したときには出力端子8の接続先が通常時用集電板4に切り換えられるので、端セル2aを含む全セル2を機能させて大出力を得ることができる。つまり、本燃料電池スタックによれば、端セル2aの温度に応じた効率的な運転が可能になる。
なお、上述の実施の形態1では、低温時用集電板6を端セル2aの内側に設けているが、端セル2aよりも所定枚数内側のセルの内側に設けてもよい。つまり、通常時用集電板4と低温時用集電板6との間に挟まれるセル2の数に限定はなく、燃料スタックが使用される温度条件に応じて決定すればよい。例えば、各セル2の温度が氷点を超えるまでの時間は起動時温度が低いほど長くなるため、極低温時には端セル2aの内側の第2セルにおいても氷が生成されてしまう可能性がある。このような場合には、第2セルの内側に低温時用集電板6を設けることで、酸素供給不足に起因する出力低下や第2セルの劣化を回避することができる。
実施の形態2.
次に、図2及び図3を参照して、本発明の実施の形態2について説明する。
図2は、本発明の実施の形態2としての燃料電池スタックの概略構成図である。図2中、実施の形態1の燃料電池スタックと同一の要素については同一の符号を付している。本燃料電池スタックは、実施の形態1の燃料電池スタックと同様に、積層方向に対称に構成されているので、図2では片方の端部の構成のみを示している。
次に、図2及び図3を参照して、本発明の実施の形態2について説明する。
図2は、本発明の実施の形態2としての燃料電池スタックの概略構成図である。図2中、実施の形態1の燃料電池スタックと同一の要素については同一の符号を付している。本燃料電池スタックは、実施の形態1の燃料電池スタックと同様に、積層方向に対称に構成されているので、図2では片方の端部の構成のみを示している。
本燃料電池スタックと実施の形態1の燃料電池スタックとの相違点は、スイッチ制御装置20によるスイッチ10の切換制御にある。実施の形態1では、スイッチ制御装置20は端セル2aの温度に応じてスイッチ10を制御していたが、本実施形態では、端セル2aの電圧に基づいてスイッチ10を制御する。このため、本燃料電池スタックは、端セル2aの電圧、すなわち、端セル2aを挟んで設けられた通常時用集電板4と低温時用集電板6との電位差を検出するための電圧モニタ12を備えている。
ここで、図3A、図3B、図3Cは、低温起動時における端セル(最外セル)2aの電圧の時間変化と第2セル2bの電圧の時間変化とを併せて示したグラフである。以下では、端セル2aよりも一つ内側のセルを第2セルと呼び、他のセルから区別する場合には、特に第2セル2bと表記する。これらの図のうち、図3Aは、出力端子8を通常時用集電板4に接続して起動した場合、すなわち、従来の燃料電池スタックにおける起動時の状態を示している。この図に示すように、端セル2a、第2セル2bともに起動直後は氷の生成によって電圧は低下していくが、特に端セル2aの電圧は氷の生成に伴う酸素供給不足によって大きく低下し、一時的に負電圧になる。
次に、図3Bは、実施の形態1にかかるスイッチ10の切換制御を行った場合を示している。この場合は、端セル2aの温度が所定の切換温度に達するまでは出力端子8は低温時用集電板6に接続され、この間は第2セル2bを含む端セル2aよりも内側のセル2で発電された電力が低温時用集電板6から取り出される。そして、端セル2aの温度が所定温度に達したら出力端子8は通常時用集電板4に接続され、端セル2aを含む全セル2で発電された電力が通常時用集電板4から取り出されるようになる。
実施の形態1にかかるスイッチ10の切換制御によれば、端セル2aが負電圧になる可能性がなくなるまで端セル2aを電気回路から切り離すことができる。しかしながら、図3Aから分かるように、端セル2aの電圧が負になるのは起動後暫くしてからであり、それまでの電圧が正である間は、端セル2aからも電力を得ることができる。また、実施の形態1では端セル2aの温度が切換温度以上になったらスイッチ10が切り換えられるが、切換温度は氷が十分に融けて端セル2aの電圧が十分に回復できる程度の温度に設定されている。このため、端セル2aの電圧が回復してからスイッチ10が低温時用集電板6側に切り換えられるまでには余裕があり、その分、端セル2aから取り出せるはずの電力を損している。
そこで、本燃料電池スタックでは、スイッチ制御装置20は電圧モニタ12により端セル2aの電圧をモニタリングし、その電圧の測定値に基づいてスイッチ10の切換制御を行う。以下、図3Cを参照しながら、本燃料電池スタックにかかるスイッチ10の切換制御について説明する。
まず、起動時には、スイッチ制御装置20は、出力端子8を通常時用集電板4に接続するようにスイッチ10を切り換える。これにより、端セル2aでも発電が行われ、その発電電圧が電圧モニタ12により測定される。端セル2aでは氷の生成によって酸素供給が不足していくため、電圧モニタ12により測定される電圧は低下していく。スイッチ制御装置20は、電圧モニタ12の測定値が所定値に達した時点(時点t1)で、出力端子8を低温時用集電板6に接続するようにスイッチ10を切り換える。出力端子8が低温時用集電板6に接続されることで、端セル2aは非作動状態になる。
スイッチ10の低温時用集電板6側への切り換え後、スイッチ制御装置20は、次の操作を実施する。まず、スイッチ制御装置20は、低温時用集電板6への切り換えから所定時間が経過したら(時点t2)、再び出力端子8を通常時用集電板4に切り換える。そして、所定の微小時間Δtの間、電圧モニタ12により端セル2aの電圧を測定し、その測定結果に基づいたスイッチ10の切換判定を行う。判定は電圧が正電圧か負電圧か、そして、電圧変化が負であるか正であるかについて行われ、電圧が負電圧である場合や、電圧変化が負である場合にはスイッチ10は再び低温時用集電板6側に切り換えられる。図3Cでは、上記の判定処理がさらに二回行われ、スイッチ10の低温時用集電板6側から通常時用集電板4側への切り換えが二回(時点t3,t4)繰り返されている。このスイッチ10の切り換え操作は、端セル2aの電圧が正電圧となり、且つ、電圧変化が正になるまで行われ、条件が満たされた場合には出力端子8の通常時用集電板4への接続が維持される。出力端子8の通常時用集電板4への接続が維持されることで、端セル2aは再び作動状態になる。
上記のように電圧の測定値に基づいてスイッチ10の切換制御を行うことで、端セル2aの非作動時間を可能な限り短くすることができる。したがって、本燃料電池スタックによれば、酸素供給不足に起因する出力低下や端セル2aの劣化を回避できる範囲で端セル2aを最大限に作動させることができ、最大限に電力を取り出すことができる。つまり、本燃料電池スタックによれば、実施の形態1の装置に比較して、より効率的な運転が可能になる。なお、図3Cでは、図3Aと異なり端セル2aの電圧は負電圧になっていない。これは、図3Cの場合、連続的な発電が行われないために化学反応に伴う水の生成量が少なく、氷によって酸素供給を阻害される程度が低いためである。
実施の形態3.
次に、図4を参照して、本発明の実施の形態3について説明する。
図4は、本発明の実施の形態3としての燃料電池スタックの概略構成図である。図4中、実施の形態1の燃料電池スタックと同一の要素については同一の符号を付している。本燃料電池スタックは、実施の形態1の燃料電池スタックと同様に、積層方向に対称に構成されているので、図4では片方の端部の構成のみを示している。
次に、図4を参照して、本発明の実施の形態3について説明する。
図4は、本発明の実施の形態3としての燃料電池スタックの概略構成図である。図4中、実施の形態1の燃料電池スタックと同一の要素については同一の符号を付している。本燃料電池スタックは、実施の形態1の燃料電池スタックと同様に、積層方向に対称に構成されているので、図4では片方の端部の構成のみを示している。
本燃料電池スタックと実施の形態1の燃料電池スタックとの相違点は、低温時用集電板6の設置枚数にある。実施の形態1では、端セル2aの内側にのみ低温時用集電板6を設けていたが、本燃料電池スタックでは、より内側のセル2b,2c,2d,2e,2f間にも低温時用集電板6a,6b,6c,6d,6eを設けている。以下では、端セル2aの内側にあるセルを端セル2aに近い側から順に第2セル、第3セル、第4セル、第5セル、第6セル等と呼び、これらを他のセルから区別する場合には、第2セル2b、第3セル2c、第4セル2d、第5セル2e、第6セル2fと表記する。また、低温時用集電板6については、個々を区別する場合には、通常時用集電板4から近い順に第1低温時用集電板6a、第2低温時用集電板6b、第3低温時用集電板6c、第4低温時用集電板6d、第5低温時用集電板6eと表記する。
本燃料電池スタックが複数の低温時用集電板6(6a、6b、6c、6d、6e)を備えるのは以下の理由による。
氷点下での起動時、各セル2の温度が氷点を超えるまでの時間は起動時温度が低いほど長くなる。このため、起動時温度が極めて低温のときには、端セル2aより内側の第2セル2bでも氷の生成が進み、端セル2aのみならず第2セル2bも酸素供給不足に陥る可能性がある。同様に起動時温度がさらに低温になった時には、より内側のセルまでも酸素供給不足に陥る可能性がある。したがって、低温起動時の出力低下とセル2の劣化を防止する観点からは、低温時用集電板6はセル2の積層方向の内側(中央側)に配置するのが好ましい。しかしながら、極低温時を想定して低温時用集電板6を内側に配置すると、起動時温度が氷点以下であるが想定した温度よりも高い場合には、正常作動が可能なセル2までも起動対象から除外されてしまい、その分、取り出せるはずの電力を損してしまう。また、除外したセル2の分だけ全体の発熱量は低下するため、その分、燃料電池スタック全体の暖機に時間がかかることなり、全てのセル2が正常に作動して本来の電力が取り出せるまでに時間を要してしまう。
そこで、本燃料電池スタックでは上記のように複数の低温時用集電板6を備え、起動時温度に応じて、出力端子8の接続先となる低温時用集電板6を適宜切り換えられるようにしている。出力端子8と複数の低温時用集電板6との間での接続の切り換えはスイッチ10によって行うことができ、スイッチ10の切り換え操作はスイッチ制御装置20によって行われる。
スイッチ制御装置20は、燃料電池スタックの起動時に、セル2の温度を検出し、セル温度に応じて出力端子8の接続先を6枚の集電板4,6a、6b、6c、6d、6eの間で切り換える。具体的には、セル温度が所定の判定温度(例えば氷点)よりも高い場合には、出力端子8を通常時用集電板4に接続する。一方、セル温度が判定温度以下の場合には、出力端子8を低温時用集電板6に接続する。5枚の低温時用集電板6a、6b、6c、6d、6eのうち何れの低温時用集電板6に接続するかはセル温度に応じて決定され、セル温度が低温であるほど、より内側の低温時用集電板6に出力端子8が接続される。また、セル温度は、各セル2a,2b,2c,2d,2e,2fについて検出され、内側のセル2からの熱供給によって外側のセル2の温度も上昇してきたときには、順次外側の低温時用集電板6に切り換えられていき、最終的には通常時用集電板4に切り換えられる。
したがって、本燃料電池スタックによれば、セル温度が極低温の場合には、出力端子8は内側の低温時用集電板6に接続される。これにより、放熱量が少なく氷の生成速度が遅い内側のセル2のみを作動させることができるので、セル2が酸素供給不足に陥ることを回避することができ、低温起動時の出力低下とセル2の劣化を防止することが可能になる。また、セル温度が比較的高温の場合には、出力端子8は外側の低温時用集電板6に接続される。これにより、正常作動が可能なセル2を無駄なく作動させることができ、高出力を得ることが可能になるとともに、発熱量が増えることで燃料電池スタック全体を早期に暖機することも可能になる。
なお、上述の実施の形態4では、1枚のセル2を挟んで各低温時用集電板6を設けているが、複数枚のセル2を挟んで各低温時用集電板6を設けてもよい。また、通常時用集電板4と第1低温時用集電板6aとの間、及び、隣接する低温時用集電板6,6間に挟むセル2の枚数は同一枚数でなくてもよく、例えば、燃料電池スタックの端部からの距離に応じて異ならせるようにしてもよい。
実施の形態4.
次に、図5乃至図7を参照して、本発明の実施の形態4について説明する。
図5は、本発明の実施の形態4としての燃料電池スタックの概略構成図である。図5中、実施の形態3の燃料電池スタックと同一の要素については同一の符号を付している。
次に、図5乃至図7を参照して、本発明の実施の形態4について説明する。
図5は、本発明の実施の形態4としての燃料電池スタックの概略構成図である。図5中、実施の形態3の燃料電池スタックと同一の要素については同一の符号を付している。
本燃料電池スタックと実施の形態3の燃料電池スタックとの相違点は、スイッチ制御装置20によるスイッチ10の切換制御にある。実施の形態3では、スイッチ制御装置20はセル2の温度に応じてスイッチ10を制御していたが、本実施形態では、セル2の電圧に基づいてスイッチ10を制御する。このため、本燃料電池スタックは、端セル2aから第6セル2fまでの各セル2(2a,2b,2c,2d,2e,2f)に電圧モニタ12(12a,12b,12c,12d,12e,12f)を備えている。
以下、図6に示すフローチャートを参照しながら、スイッチ制御装置20が行う低温起動時のスイッチ切換制御の流れについて説明する。図6はスイッチ制御装置20が行うスイッチ切換制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。以下では、スイッチ10により出力端子8の接続先を通常時用集電板4に切り換えることをスイッチ(0)に切り換えるといい、最外の第1低温時用集電板6aに切り換えることをスイッチ(1)に切り換えるという。同様に、外からn番目の低温時用集電板6に切り換えることをスイッチ(n)に切り換えるという。また、端セル2aを含めて外側n番目のセル2の電圧を測定する電圧モニタ12を、電圧モニタ(n)と表すものとする。
先ず、図6のフローチャートに示す最初のステップ100では、変数A,Bがそれぞれ0にリセットされる。変数Aは0から所定の最大値Amaxまでの整数であり、この変数Aの値によって、切り換えるスイッチ(A)と電圧測定する電圧モニタ(A)が特定されるようになっている。ここでは、低温時用集電板6は5枚であるので、変数Aの最大値Amaxは5となる。変数Bはカウンタ変数である。ステップ102では、現在の変数Aの値に従ってスイッチ10の切換状態がスイッチ(A)に切り換えられる。ステップ102の初処理では、ステップ100において変数Aは0にリセットされているので、スイッチ(0)に切り換えられることになる。つまり、起動直後は、出力端子8は通常時用集電板4に接続される。
ステップ102でのスイッチ(A)への切換後は、所定の待機時間Δt0の間、そのままの状態に保持される(ステップ104)。そして、所定の待機時間Δt0の経過後、ステップ106において電圧モニタ(A)が示す電圧値が所定値V0以上か否か判定される。電圧モニタ(A)が示す電圧値はスイッチ(A)に対応する集電板6(又は4)の内側に接するセル2の電圧値であり、ステップ106の初処理では端セル2aの電圧値を指す。
ステップ106の判定の結果、電圧値が所定値V0未満と判定されたときには、ステップ108において変数Aの値が1つ加算される。ステップ108の処理の後は、再びステップ102の処理に戻るようになっており、次回のステップ102では、出力端子8は現在接続されている集電板6(又は4)の一つ内側の集電板6に接続先を切り換えられる。したがって、現在、通常時用集電板4に接続されている場合には、出力端子8の接続先は一つ内側の低温時用集電板6aに切り換えられることになる。
ただし、セル2の電圧低下は、セル2の作動による化学反応によって水が生成され、その水が凍って酸素供給を阻害することにより起きるため、起動後に端セル2aの電圧が所定値V0を下回るまでには時間を要する。このため、起動後暫くの間は、ステップ106の判定において電圧値が所定値V0以上と判定される状態が続く。ステップ106で電圧値が所定値V0以上と判定される場合には、ステップ110以降の処理が行われる。ステップ110以降の処理内容の詳細については後述するが、変数Aが0の場合には、ステップ112或いはステップ116の判定の結果として再びステップ104の処理に戻される。
やがて、端セル2aの電圧が所定値V0を下回り、ステップ102からステップ108までの一連の処理が繰り返し行われることで、出力端子8が接続される集電板6(又は4)は通常時用集電板4から内側の低温時用集電板6a,6b,6c,6d,6eに順次切り換えられていき、現時点で正常に作動可能な最外のセル2の外側に隣接する集電板6が選択される。セル2が正常に作動可能であるか否かは、ステップ106で実施する判定のとおり、当該セル2の電圧値が所定値V0以上になっているか否かで判定することができる。
ステップ102からステップ108までの一連の処理により、現時点で正常に作動可能な最外セル2に対応するスイッチ(A)に切り換えられると、ステップ106のYesルートに進んでステップ110以降の処理が行われる。ステップ110以降の処理は、出力端子8が接続される集電板6(又は4)を最外の通常時用集電板4まで順次切り換えていくための処理である。ステップ110ではカウンタ変数Bの値が1つ加算され、続くステップ112ではカウンタ変数Bの値が所定値以上か否か判定される。カウンタ変数Bの値が所定値B0未満の場合には、ステップ112のNoルートに進み、再びステップ104の処理に戻される。ステップ104の処理に戻されることで、所定の待機時間Δt0、スイッチ(A)の切り換え状態は現在の状態に保持される。
ステップ104からステップ112までの一連の処理の繰り返しにより、やがてカウンタ変数Bの値が所定値B0に達すると、ステップ112からステップ114に進み、カウンタ変数Bが0にリセットされる。続くステップ116では変数Aが0か否か判定される。変数Aが0の場合には、上述のように再びステップ104の処理に戻されるが、変数Aが1以上になっている場合、すなわち、出力端子8が何れかの低温時用集電板6に接続されている場合には、ステップ118の処理が実行される。
ステップ118では、一時的にスイッチ(A)からスイッチ(A−1)に切り換えられ、電圧モニタ(A−1)の電圧値が測定される。例えば、現在、出力端子8が外から4番目の第4低温時用集電板6dに接続されているとすると、一時的に外から3番目の第3低温時用集電板6cに切り換えられ、この第3低温時用集電板6cの内側に接する第4セル2dの電圧値が測定されることになる。
続くステップ120では、測定された電圧値が上昇しているか、具体的には、電圧が正電圧であり、且つ、電圧変化が正であるか否かが判定される。判定の結果、電圧値が未だ上昇していない場合には、ステップ104の処理に戻される。そして、ステップ104からステップ112までの一連の処理の繰り返しによりB0×Δt0の時間が経過したら、ステップ118の処理によって再び一時的にスイッチ(A)からスイッチ(A−1)に切り換えられ、電圧モニタ(A−1)の電圧値が測定される。なお、所定値B0は、ステップ118,120の処理を実施する頻度を調整するための定数である。この所定値B0の設定によって、ステップ118,120の処理を実施する時間間隔B0×Δt0を適宜に調整することができる。
ステップ120での判定の結果、電圧値が上昇している場合には、ステップ122において変数Aの値が1つ加算される。ステップ122の処理の後は、再びステップ102の処理に戻るようになっており、次回のステップ102では、現在接続されている集電板6の一つ外側の集電板6(又は4)に接続先を切り換えられる。したがって、現在、例えば、外から4番目の第4低温時用集電板6dに接続されているときには、外から3番目の第3低温時用集電板6cに切り換えられることになる。
以上の一連の処理が繰り返し行われることにより、最終的には変数Aの値が0に戻され、出力端子8の接続先は通常時用集電板4に切り換えられる。スイッチ制御装置20は、通常時用集電板4への切り換えの完了と所定の制御終了条件の成立後、低温起動時のスイッチ切換制御を終了する。
図7のタイムチャートは、上述のスイッチ切換制御による制御結果の一例を燃料電池スタック出力(或いは発熱量)の時間変化によって示したものである。図7のタイムチャートにおいて、時間軸とともに表示している数字(0,1,2,3,4,5)は、その時点において選択されているスイッチ(A)の番号を記したものである。図6のフローに従えば、最初にスイッチ(0)が選択される。これにより、出力端子8は通常時用集電板4に接続され、全てのセル2が作動状態になる。スイッチ(0)の選択は、凍結による端セル2aの電圧低下が確認されるまで、すなわち、電圧モニタ(0)の電圧値が所定値V0を下回るまで継続される(期間tt1)。この間は、全セル2を作動させることで高い出力(及び発熱量)を得ることができる。
端セル2aの電圧値が所定値V0を下回ると、スイッチ(0)が一つ内側のスイッチ(1)に切り換えられる。そして、所定時間Δt0の経過後、電圧モニタ(1)の電圧値、すなわち、第2セル2bの電圧値が測定され、その測定値が所定値V0未満の時にはスイッチ(1)がさらに一つ内側のスイッチ(2)に切り換えられる。こうして、電圧モニタ(A)が所定値V0以上の値を示すまで、所定時間Δt0毎に電圧モニタ(A)の電圧値の測定とスイッチ(A)の切り換えが繰り返し実施される(期間tt2)。スイッチ(A)の内側への切り換えによって作動セル数は減少していくため、出力(及び発熱量)も作動セル数に応じて減少していく。各セル2の状態が同じだとすれば、この時点で氷点下のセル2は全て電圧が低下しており、内側に位置するすでに氷点を突破したセル2のみが正常に作動することができる。ここでは、第6セル2fが現時点で正常に作動可能な最外セル2であり、図7では最終的に第6セル2fに対応するスイッチ(5)が選択される。
スイッチ(5)が選択されることで、出力端子8は第5低温時用集電板6eに接続され、第6セル2fを含む第5低温時用集電板6eよりも内側のセル2によって発電が行われる。発電に伴い発生する熱は第5低温時用集電板6eを介して第5低温時用集電板6eの外側に接する第5セル2dに伝えられ、第5セル2dの温度を上昇させる。やがて、第5セル2dの温度が氷点を突破すると、電圧モニタ(4)で測定される第5セル2dの電圧値は所定値V0を超え、スイッチ(5)は一つ外側のスイッチ(4)に切り換えられる。こうして、現時点のスイッチ(A)に対応する集電板の外側に接するセルの温度が氷点を突破してその電圧値が所定値V0を超える毎に、スイッチ(A)は一つ外側のスイッチ(A−1)に順次切り換えられていく(期間tt3)。そして、最終的には、スイッチ(0)が選択されて出力端子8は通常時集電板4に接続され、再び全てのセル2が作動状態になる。
以上のように、本燃料電池スタックによれば、電圧モニタ12により測定される各セル2の電圧値に基づいてスイッチ10の切換制御を行うことで、酸素供給不足に起因する出力低下や各セル2の劣化を回避できる範囲で各セル2を最大限に作動させることができ、最大限に電力を取り出すことができる。そして、各セル2を最大限に作動させることで総発熱量が増加するため、全体の昇温速度が速くなり、より短時間で全セル2を起動させることができる。つまり、本燃料電池スタックによれば、実施の形態3の装置に比較してより効率的な運転が可能であり、全セル2が作動可能になるまでの時間(起動時間)を最短にすることができる。
なお、上述の実施の形態4では、1枚のセル2を挟んで各低温時用集電板6を設けているが、複数枚のセル2を挟んで各低温時用集電板6を設けてもよい。また、通常時用集電板4と第1低温時用集電板6aとの間、及び、隣接する低温時用集電板6,6間に挟むセル2の枚数は同一枚数でなくてもよく、例えば、燃料電池スタックの端部からの距離に応じて異ならせるようにしてもよい。その場合、電圧モニタ12は、通常時用集電板4と第1低温時用集電板6aとの間、及び、隣接する低温時用集電板6,6間の電圧を測定するように設ければよい。
実施の形態5.
次に、図8及び図9を参照して、本発明の実施の形態5について説明する。
本実施形態の燃料電池スタックは、実施の形態4において、スイッチ制御装置20に、図6のルーチンに代えて図8のルーチンを実行させることにより実現することができる。図8は、本燃料電池スタックにおいてスイッチ制御装置20が行うスイッチ切換制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。実施の形態4は、燃料電池スタックの起動時間を最短にすることをその特徴としているが、本実施形態は、燃料電池スタックの起動温度を最大限に低くすることを特徴としている。このため、図6のルーチンが起動時間優先型のアルゴリズムであるのに対し、図8のルーチンは起動限界温度優先型のアルゴリズムとされている。
次に、図8及び図9を参照して、本発明の実施の形態5について説明する。
本実施形態の燃料電池スタックは、実施の形態4において、スイッチ制御装置20に、図6のルーチンに代えて図8のルーチンを実行させることにより実現することができる。図8は、本燃料電池スタックにおいてスイッチ制御装置20が行うスイッチ切換制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。実施の形態4は、燃料電池スタックの起動時間を最短にすることをその特徴としているが、本実施形態は、燃料電池スタックの起動温度を最大限に低くすることを特徴としている。このため、図6のルーチンが起動時間優先型のアルゴリズムであるのに対し、図8のルーチンは起動限界温度優先型のアルゴリズムとされている。
以下、図8に示すフローチャートを参照しながら、スイッチ制御装置20が行う低温起動時のスイッチ切換制御の流れについて説明する。なお、以下における変数A、スイッチ(A)、及び電圧モニタ(A)の意味については実施の形態4において説明したとおりである。
先ず、図6のフローチャートに示す最初のステップ200では、変数Aが最大値Amaxにセットされる。ここでは、最大値Amaxは5である。ステップ202では、現在の変数Aの値に従ってスイッチ10の切換状態がスイッチ(A)に切り換えられる。ステップ202の初処理では、ステップ200において変数Aは最大値Amaxである5にセットされているので、スイッチ(5)に切り換えられることになる。つまり、本燃料電池スタックでは、起動直後は、出力端子8は最も内側の第5低温時用集電板6eに接続される。
ステップ202でのスイッチ(A)への切換後は、所定の待機時間Δt0の間、そのままの状態に保持される(ステップ204)。そして、所定の待機時間Δt0の経過後、ステップ206において電圧モニタ(A)が示す電圧値が上昇しているか否か判定される。電圧モニタ(A)が示す電圧値はスイッチ(A)に対応する集電板の内側に接するセルの電圧値であり、ステップ206の初処理では第6セル2fの電圧値を指す。
ステップ206の判定の結果、電圧値が上昇していると判定されるまではステップ204に戻され、ステップ204,206の一連の処理が繰り返し実施される。出力端子8が第5低温時用集電板6eに接続されることで、第5低温時用集電板6eよりも内側のセル2は作動状態になるが、極低温の場合、最も外側に位置する第6セル2fでは発電に伴い生成された水が凍結する。しかし、より内側のセル2から熱の供給を受けることで、第6セル2fの温度は次第に上昇していきやがて氷点を突破する。そして、温度が氷点を突破することで、第6セル2fの電圧値は上昇に転じる。
ステップ206の判定の結果、電圧値が上昇していると判定されたときには、ステップ208において変数Aの値が1つ減算される。ステップ208の処理の後は、ステップ210において変数Aの値が0になっているか判定され、変数Aの値が0になるまでは再びステップ202の処理に戻る。次回のステップ202では、出力端子8は現在接続されている集電板6の一つ外側の集電板6に接続先を切り換えられる。したがって、現在、第5低温時用集電板6eに接続されている場合には、出力端子8の接続先は一つ外側の第4低温時用集電板6dに切り換えられることになる。なお、ここでは、電圧値が上昇に転じたらスイッチ(A)を切り換えるようにしているが、起動開始から凍結による反応停止まではある程度時間があるので、経験的にその時間がわかっているならば、当該セル2の電圧値が下降状態であっても、早めにスイッチ10を外側に切り換えるようにしてもよい。
ステップ202からステップ210までの一連の処理に繰り返しにより、出力端子8が接続される集電板6は第5低温時用集電板6eから外側の低温時用集電板6d,6c,6b,6aに順次切り換えられていく。そして、ステップ208で変数Aの値が0に設定され、ステップ210の条件が成立すると、出力端子8の接続先は通常時用集電板4に切り換えられる。スイッチ制御装置20は、通常時用集電板4への切り換えの完了後、低温起動時のスイッチ切換制御を終了する(以上、ステップ212)。
図9のタイムチャートは、上述のスイッチ切換制御による制御結果の一例を燃料電池スタック出力(或いは発熱量)の時間変化によって示したものである。図9のタイムチャートにおいて、時間軸とともに表示している数字(0,1,2,3,4,5)は、その時点において選択されているスイッチ(A)の番号を記したものである。図8のフローに従えば、最初にスイッチ(5)が選択される。これにより、出力端子8は最も内側の第5低温時用集電板6eに接続され、第5低温時用集電板6eよりも内側のセル2が作動状態になる。スイッチ(5)の選択は、第6セル2fの電圧値の上昇が確認されるまで継続される(期間tt1)。
第6セル2fの電圧値が上昇に転じると、スイッチ(5)が一つ外側のスイッチ(4)に切り換えられる。そして、所定時間Δt0の経過後毎に、電圧モニタ(4)の電圧値、すなわち、第5セル2dの電圧値が測定され、その測定値が上昇に転じるとスイッチ(4)がさらに一つ外側のスイッチ(3)に切り換えられる。こうして、最も外側のスイッチ(0)が選択されるまで、所定時間Δt0毎の電圧モニタ(A)による電圧測定と、電圧値が上昇に転じたときのスイッチ(A)の切り換えが繰り返し実施される(期間tt2)。最終的には、スイッチ(0)が選択されることで出力端子8は通常時集電板4に接続され、再び全てのセル2が作動状態になる。
以上のように、本燃料電池スタックでは、最も内側の第5低温時用集電板6eから通常時集電板4へ一つづつ順に出力端子8の接続先が切り換えられていき、各セル2は内側から順に作動していく。このとき、作動中のセル2が発生する熱は、低温のセル2の昇温とセル2の作動に伴い生成された氷の融解に用いられる。実施の形態4では、最初に通常時集電板4から内側に向けて出力端子8の接続先を切り換えるため、全てのセル2が一旦、作動状態になり氷が生成される。これに対し、本燃料電池スタックでは、出力端子8が接続される集電板6の外側のセル2は非作動状態であるために氷は生成されない。このため、氷を解かすのに用いる熱量を最小限に抑えることができ、作動中のセル2が発生する熱を効率よく低温のセル2の昇温に用いることができる。したがって、本燃料電池スタックによれば、第4実施形態の装置に比較して、起動時間は長くなる反面、より低温からの起動が可能になる。
なお、上述の実施の形態5では、1枚のセル2を挟んで各低温時用集電板6を設けているが、複数枚のセル2を挟んで各低温時用集電板6を設けてもよい。また、通常時用集電板4と第1低温時用集電板6aとの間、及び、隣接する低温時用集電板6,6間に挟むセル2の枚数は同一枚数でなくてもよく、例えば、燃料電池スタックの端部からの距離に応じて異ならせるようにしてもよい。その場合、電圧モニタ12は、各集電板4,6の内側に接触するセル2の電圧を測定するように設ければよい。
実施の形態6.
次に、図10を参照して、本発明の実施の形態6について説明する。
図10は、本発明の実施の形態6としての燃料電池スタックの概略構成図である。図10中、実施の形態3の燃料電池スタックと同一の要素については同一の符号を付している。本燃料電池スタックは、実施の形態3の燃料電池スタックと同様に、積層方向に対称に構成されているので、図10では片方の端部の構成のみを示している。
次に、図10を参照して、本発明の実施の形態6について説明する。
図10は、本発明の実施の形態6としての燃料電池スタックの概略構成図である。図10中、実施の形態3の燃料電池スタックと同一の要素については同一の符号を付している。本燃料電池スタックは、実施の形態3の燃料電池スタックと同様に、積層方向に対称に構成されているので、図10では片方の端部の構成のみを示している。
本燃料電池スタックと実施の形態3の燃料電池スタックとの相違点は、各低温時用集電板6の厚さにある。実施の形態3では、全ての低温時用集電板6は等しい厚さにされていたが、本燃料電池スタックでは、内側の低温時用集電板6は薄くされ、外側の低温時用集電板6は厚くされている。ただし、最も厚い最外の第1低温時用集電板6aでも通常時用集電板4よりは薄くされている。
低温時用集電板6は、通常時用集電板4よりも薄くすることで熱容量を小さくするとともに、抵抗を大きくして発熱量を増大させている。低温時用集電板6の厚さは、より薄くすることで発熱量を増大させることができる一方、抵抗の増大に伴い取り出すことができる電流は小さくなる。逆に、厚くすることで発熱量は小さくなるものの、取り出すことができる電流は大きくなる。本燃料電池スタックでは、起動時温度が低い場合には内側の低温時用集電板6に出力端子8が接続されるが、この場合にはより多数のセル2を作動可能にするためにスタック全体の早期の昇温が望まれる一方で、作動可能なセル2の数が少ないために発電電力は小さい。このため、低温時用集電板6としては取り出せる電流が小さくても発熱量が高いものが望まれる。一方、起動時温度が高い場合、或いは起動後にセル2の温度が上昇したときには外側の低温時用集電板6に出力端子8が接続されるが、この場合には作動可能なセル2の数が多くなるために発電電力は増大し、さらにセル自身の反応熱による昇温が進む。このため、低温時用集電板6としては発熱量が低くても大電流を取り出せるものが望まれる。
本燃料電池スタックでは、上述のように内側の低温時用集電板6は薄くされ、外側の低温時用集電板6は厚くされている。したがって、本燃料電池スタックによれば、低温時、内側の低温時用集電板6が選択されるときには、低温時用集電板6からの熱によってセル2の早期の昇温が可能となる。また、暖気後に外側の低温時用集電板6が選択されるときには、低温時用集電板6から大きな電流を取り出すことが可能になる。
その他.
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。
図11は上述の実施の形態の何れにも適用できる変形例の概略構成図である。この変形例では、端セル2aから冷却水を除去している。図12は端セル2aの構造を示す断面図である。この図に示すように、端セル2aはMEA(Membrane electrode assembly)40の両側をガス拡散層41,41で挟み、さらにその両側を複数の溝が形成されたセパレータ42,42で挟んだ構造を有している。ガス拡散層41とセパレータ42とで囲まれる隙間43が燃料ガスや酸化ガスが流れるガス流路であり、セパレータ42と集電板4との隙間44、及び、セパレータ42と隣接する第2セル2のセパレータ46との隙間45が冷却水流路である。本変形例では、運転中も停止中も冷却水流路44,45への冷却水の供給は行わないことで、端セル2aから冷却水を除去している。
冷却水流路44,45から冷却水を除去することで、端セル2aの熱容量は除去された冷却水の分だけ低下し、その分、昇温速度が上昇することになる。したがって、本変形例の構成を上述の実施の形態に適用する場合には、スタック全体の昇温速度を上昇させて、より早期に全てのセル2を正常に作動させることが可能になる。なお、このように冷却水を除去することで通常運転時の冷却性能が低下する可能性があるが、元々端セル2aは集電板4を通じての放熱があるため、通常運転時であっても発電性能の低下や劣化を引き起こす程の温度上昇は起こらない。また、温度上昇が許容範囲であるならば、端セル2aよりも内側のセル2からも冷却水を除去してもよい。
2,2a,2b,2c,2d,2e,2f セル
4 通常時用集電板
6,6a,6b,6c,6d,6e 低温時用集電板
8 出力端子
10 スイッチ
12,12a,12b,12c,12d,12e,12f 電圧モニタ
20 スイッチ切換制御装置
4 通常時用集電板
6,6a,6b,6c,6d,6e 低温時用集電板
8 出力端子
10 スイッチ
12,12a,12b,12c,12d,12e,12f 電圧モニタ
20 スイッチ切換制御装置
Claims (7)
- 複数のセルが積層された燃料電池スタックにおいて、
前記セルの積層方向の端部に位置する端セルの外側に設けられた通常時用集電体と、
前記通常時用集電体の内側に一又は複数のセルを挟んで設けられた一又は複数の低温時用集電体と、
前記通常時用集電体と前記一又は複数の低温時用集電体のうち何れか一つの集電体に選択的に接続しうる出力端子と、
前記出力端子の接続先を切り換える切換手段とを備え、
前記切換手段は、前記燃料電池スタックの起動時、前記セルの温度が所定温度以下の際に前記出力端子を前記低温時用集電体に接続することを特徴とする燃料電池スタック。 - 前記低温時用集電体は前記通常時用集電体の内側に一つのみ設けられていることを特徴とする請求項1記載の燃料電池スタック。
- 前記出力端子が接続されている集電体とその内側に隣接する集電体との間の電圧を測定する電圧モニタを備え、
前記切換手段は、前記電圧モニタの測定値に基づいて前記出力端子の接続先を切り換えることを特徴とする請求項1又は2記載の燃料電池スタック。 - 前記低温時用集電体が複数設けられ、
前記切換手段は、前記燃料電池スタックの起動後、前記電圧モニタの測定値が所定値よりも低くなったら、現時点で前記出力端子が接続されている集電体からその内側に隣接する集電体に前記出力端子の接続先を切り換えることで、外側の集電板から内側の集電板へ前記出力端子の接続先を順次切り換えていき、
前記電圧モニタの測定値が所定値以上に維持されるようになった場合、或いは、前記出力端子が最も内側の集電板に接続された場合には、現時点で前記出力端子が接続されている集電体からその外側に隣接する集電体に前記出力端子の接続先を一時的に切り換え、その際に前記電圧モニタの測定値が上昇傾向にあれば、前記出力端子の接続先を前記外側に隣接する集電体に切り換えることで、前記出力端子の接続先を内側の集電板から外側の集電板へ順次切り換えていくことを特徴とする請求項3記載の燃料電池スタック。 - 前記出力端子が接続されている集電体の内側に隣接するセルの電圧を測定する電圧モニタを備え、
前記切換手段は、前記電圧モニタの測定値に基づいて前記出力端子の接続先を切り換えることを特徴とする請求項1又は2記載の燃料電池スタック。 - 前記低温時用集電体が複数設けられ、
前記切換手段は、前記燃料電池スタックの起動後、前記電圧モニタの測定値が上昇傾向にあれば、現時点で前記出力端子が接続されている集電体からその外側に隣接する集電体に前記出力端子の接続先を切り換えることで、内側の集電板から外側の集電板へ前記出力端子の接続先を順次切り換えていくことを特徴とする請求項5記載の燃料電池スタック。 - 前記集電体は内側の集電体より外側の集電体の厚さを厚く形成されていることを特徴とする請求項1乃至6の何れか1項に記載の燃料電池スタック。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003418613A JP2005183047A (ja) | 2003-12-16 | 2003-12-16 | 燃料電池スタック |
Applications Claiming Priority (1)
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Publication Number | Publication Date |
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JP2005183047A true JP2005183047A (ja) | 2005-07-07 |
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Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP2003418613A Withdrawn JP2005183047A (ja) | 2003-12-16 | 2003-12-16 | 燃料電池スタック |
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Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2007043616A1 (ja) * | 2005-10-14 | 2007-04-19 | Kabushiki Kaisha Toshiba | 燃料電池システム |
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-
2003
- 2003-12-16 JP JP2003418613A patent/JP2005183047A/ja not_active Withdrawn
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