JP2007149392A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のスタックが接続された構成となっている場合にも起動時等に出力が低下するのを抑制する。
【解決手段】反応ガスを電気化学反応させて発電する複数のセル２を積層したスタック３と、複数設けられたスタック３が直列回路を形成するように各スタック３の端部どうしを導通する導通部材９とを備えた燃料電池１に対し、スタック３の端部以外のセル２と他のスタック３のセル２とを導通させる第１のリレー４を設ける。第１のリレー４は、セル電圧値が所定値以下となっているセル２を当該燃料電池１の直列回路から切り離すためのバイパスを形成することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に関する。さらに詳述すると、本発明は、複数のスタックを含む燃料電池の発電時における制御技術に関する。

複数のセルが積層された構成の燃料電池スタック（本明細書では単にスタックともいう）においては、特に起動時、両端部に近いセルほど昇温が遅れる傾向がある。このような場合、当該部位が酸素不足状態になる等する結果、スタック全体としての出力が低下するおそれがある。従来、このように出力が低下する自体を極力回避するべく、例えば起動時等において端部のセルを除いた残りのセルで発電を行うという技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−１８３０４７号公報

しかしながら、スタックが複数設けられている場合にあっては、各スタック間の導通をとるために端部セルに電流を流す形をとっていることから、そのままではスタック全体としての出力低下を免れない。

そこで、本発明は、複数のスタックが接続された構成となっている場合にも、起動時等に出力が低下するのを抑制することによって安定した運転を行うことが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

かかる課題を解決するため、本発明者は種々の検討をし、スタックにおける状況に応じて出力低下を効果的に抑制しうる技術を知見するに至った。

本発明はかかる知見に基づくものであり、請求項１に記載の発明は、各スタック反応ガスを電気化学反応させて発電する複数のセルを積層したスタックと、複数設けられた前記スタックが直列回路を形成するように各スタックの端部どうしを導通する導通部材と、を備えた燃料電池であって、前記スタックの端部以外のセルと他のスタックのセルとを導通させる第１のリレーを備えたことを特徴とするものである。

このような構成の燃料電池によれば、出力が低下していない場合には各スタックのセルをいずれも除くことなく回路的に直列に接続した状態で発電を行うこととする一方で、出力低下が認められる場合には第１のリレーを閉じることによって一のスタックの端部以外のセル（以下、内部セルと呼ぶ）と他のスタックの内部セルとを接続した状態とすることができる。このように一のスタックの内部セルと他のスタックの内部セルとが接続された場合、これら接続された各セルよりも端部寄りに位置する出力低下セルを除いた状態、つまり切り離した状態で発電を行うことが可能となるため、スタック全体の出力を確保することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池における前記第１のリレーが、セル電圧値が所定値以下となっているセルを当該燃料電池の直列回路から切り離すためのバイパスを形成するというものである。上述のように閉じた第１のリレーは、一のスタックの内部セルと他のスタックの内部セルとの間に実質的な電気抵抗のないバイパスを形成することができる。このようなバイパスが形成された場合には、これら接続された各セルよりもスタックの端部寄りに位置する各セルを、発電に関与しない状態となるように切り離すことができる。

また、上述のような燃料電池においては、請求項３に記載のように、前記直列回路から切り離される前記セルの数を変更可能な複数の前記第１のリレーが並列に配置されていることが好ましい。並列に配置された複数のリレーのうちスタック中央寄りに位置するものを閉じた場合、より多くのセルを切り離して発電に関与しない状態とすることができるため、例えば多くのセルにおいて出力が低下している場合に対応することができるという利点がある。また、複数のセルの出力が順次回復する状況下にあっては、閉じるリレーを変えてバイパスを順次切り換えていくことにより、出力が未だ回復していないセルのみを切り離すことができるという利点もある。

前記導通部材は、請求項４に記載のように、前記第１のリレーとは別個に設けられた第２のリレーによって構成されていることも好ましい。この場合、第１のリレーと同様、導通部材において回路を開閉することが可能となるから、各セルの発電の状況や燃料電池の出力状況に応じて第２のリレーを切り換え、各スタックの端部どうしを導通させたりまたは切ったりすることができる。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の燃料電池において、起動時に前記第２のリレーを切断し、前記第１のリレーを接続するというものである。起動時における各セルの温度は十分な程度にまで至っていないことが一般的であり、また、スタックの端部に近いセルほど昇温が遅れる傾向にあるから、本発明のごとく起動時に所定の第１のリレーを閉じて接続することにより、このように温度が低い状態にあるセルを切り離してスタック全体の出力を確保することができ、安定した起動を実現可能にするという点で好適である。

請求項６に記載の発明は、請求項４または５に記載の燃料電池において、セル電圧が所定値に回復した際に、前記第１のリレーを切断し、前記第２のリレーを接続するというものである。このように第１のリレーを開いて切断した場合には回復したセルがいわば回路に復帰した状態となるから、本来の運転あるいは通常時の運転を行うことが可能となる。

さらに、請求項７に記載の発明は、請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池において、前記複数のスタックがセル積層方向に直行する方向に一列に配列されているとともに、当該スタックの正極と負極とが交互に逆向きに配置されているというものである。本発明のように複数のスタックを一列に、かつスタックの正極と負極が交互に逆向きとなるように配列すれば、スタック間を接続する各接続点を互いに近傍の位置に配置することが可能となり、コンパクトな回路構成が可能となる。

本発明によれば、複数のスタックが接続された構成となっている場合にも、起動時等に出力が低下するのを抑制することによって安定した運転を行うことが可能となる。

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。

図１〜図３に本発明にかかる燃料電池の実施形態を示す。本実施形態における燃料電池１は複数の燃料電池スタック（本明細書では単にスタックともいう）３を有するもので、各スタック３の端部どうしが導通されることによってこれらスタック３が回路的に直列に接続された構造となっている（図１参照）。また、この燃料電池１には、一のスタック３の内部セル２と他のスタック３の内部セル２とを接続するためのリレー４が設けられている。

以下に説明する実施形態においては、まず、燃料電池１を構成するスタック３の概略構成について説明し、その後、複数（例えば２つ）のスタック３によって構成される燃料電池１について説明する。

図２と図３に本実施形態における燃料電池１のセル２およびセル２が積層されることによって構成されたスタック３の概略構成を示す。なお、このようなスタック３によって構成される燃料電池１は、例えば燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして利用可能なものであるがこれに限られることはなく、各種移動体（例えば船舶や飛行機など）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システムや、定置の燃料電池としても用いることが可能である。

燃料電池１はセル（単セル）２が積層されたスタック構造となっているが、この燃料電池１の構造およびセル２の構造自体には特に特徴があるわけではなく、従前のものと大きく変わるところがない。すなわち、この燃料電池１は、複数のセル２を積層したスタック３を有し、スタック３の両端に位置するセル２，２の外側に順次、出力端子５付きの集電板６、絶縁板７およびエンドプレート８が各々配置された構造となっている。また、燃料電池１は、例えば両エンドプレート８，８間を架け渡すようにして設けられたテンションプレート（図示省略）が各エンドプレート８，８にボルト等で固定されることにより、セル２の積層方向に所定の圧縮力がかかった状態となっている。

また、スタック３には、燃料電池１の運転状態を監視し制御するためにセル２の電圧を測定するためのセルモニタ（図示省略）が設けられている。燃料電池１においては、この電圧測定結果に基づく出力等の制御が行われる。なお、図２においては出力端子５付きの集電板６を２個例示したが、このようなセルモニタによる電圧監視を実行するためには、セル積層方向に沿った所定の複数箇所にさらに別の出力端子（および集電板）をあらかじめ設けておき、セル電圧を監視しながらこれら別の出力端子に切り換えられるようにしておくことが望ましい。

セル２は、膜−電極アッセンブリ（以下ＭＥＡ；Membrane Electrode Assemblyと呼ぶ）１１と、ＭＥＡ１１を挟持する一対のセパレータ１２ａ，１２ｂとで構成されている（図３参照）。ＭＥＡ１１および各セパレータ１２ａ，１２ｂはおよそ矩形の板状に形成されている。また、ＭＥＡ１１はその外形が各セパレータ１２ａ，１２ｂの外形よりも僅かに小さくなるように形成されている。さらに、ＭＥＡ１１と各セパレータ１２ａ，１２ｂとは、それらの間の周辺部を第１シール部材１３ａ，１３ｂとともに成形樹脂によってモールドされている。

ＭＥＡ１１は、高分子材料のイオン交換膜からなる電解質膜２１と、電解質膜２１を両面から挟んだ一対の電極２２ａ，２２ｂ（カソードおよびアノード）とで構成されている。これらのうち、電解質膜２１は、各電極２２ａ，２２ｂよりも僅かに大きくなるように形成されている。この電解質膜２１には、その周縁部２４を残した状態で各電極２２ａ，２２ｂが例えばホットプレス法により接合されている。

ＭＥＡ１１を構成する電極２２ａ，２２ｂは、その表面に付着された白金などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材（拡散層）で構成されている。一方の電極２２ａ（カソード）には空気や酸化剤などの酸化ガス、他方の電極２２ｂ（アノード）には燃料ガスとしての水素ガスが供給され、これら２種類のガスによりＭＥＡ１１内で電気化学反応が生じてセル２の起電力が得られるようになっている。

セパレータ１２ａ，１２ｂは、ガス不透過の導電性材料で構成されている。導電性材料としては、例えばカーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属（メタル）が挙げられる。本実施形態のセパレータ１２ａ，１２ｂの基材は板状のメタルで形成されているものであり、この基材の電極側の面には耐食性に優れた膜（例えば金メッキで形成された皮膜）が形成されている。

また、セパレータ１２ａ，１２ｂの両面には、複数の凹部によって構成される溝状の流路が形成されている。これら流路は、例えば板状のメタルによって基材が形成されている本実施形態のセパレータ１２ａ，１２ｂの場合であればプレス成形によって形成することができる。このようにして形成される溝状の流路は酸化ガスのガス流路３１ａや水素ガスのガス流路３１ｂ、あるいは冷却水流路３２を構成している。より具体的に説明すると、セパレータ１２ａの電極２２ａ側となる内側の面にはストレート状の酸化ガスのガス流路３１ａが複数形成され、その裏面（外側の面）にはストレート状の冷却水流路３２が複数形成されている（図３参照）。同様に、セパレータ１２ｂの電極２２ｂ側となる内側の面にはストレート状の水素ガスのガス流路３１ｂが複数形成され、その裏面（外側の面）には同じくストレート状である冷却水流路３２が複数形成されている（図３参照）。例えば本実施形態の場合、セル２におけるこれらガス流路３１ａおよびガス流路３１ｂは互いに平行となるように形成されている。さらに、本実施形態においては、隣接する２つのセル２，２に関し、一方のセル２のセパレータ１２ａの外面と、これに隣接するセル２のセパレータ１２ｂの外面とを付き合わせた場合に両者の冷却水流路３２が一体となり断面が例えば矩形の流路が形成される構造となっている。なお、隣接するセル２，２のセパレータ１２ａとセパレータ１２ｂは、それらの間における周辺の部分が成形樹脂によりモールドされるようになっている。なお、上述の説明では一例としてストレート状のものを説明したが、これらガス等の流路はサーペンタイン状となっていてもよい。

また、セパレータ１２ａ，１２ｂの端部付近（本実施形態の場合であれば、長手方向の一端に近い部分）には、酸化ガスの入口側のマニホールド４１、水素ガスの入口側のマニホールド４２、および冷却水の入口側のマニホールド４３が形成されている。例えば本実施形態の場合、これらマニホールド４１，４２，４３は各セパレータ１２ａ，１２ｂに設けられた略矩形の透孔によって形成されている（図３参照）。さらに、セパレータ１２ａ，１２ｂのうち反対側の端部には、酸化ガスの出口側のマニホールド５１、水素ガスの出口側のマニホールド５２、および冷却水の出口側のマニホールド５３が形成されている。本実施形態の場合、これらマニホールド５１，５２，５３も略矩形の透孔によって形成されている（図３参照）。

上述のような各マニホールドのうち、セパレータ１２ａにおける酸化ガス用のマニホールド４１とマニホールド５１は、セパレータ１２ａに溝状に形成されている入口側の連絡通路６１および出口側の連絡通路６２を介してそれぞれが酸化ガスのガス流路３１ａに連通している。同様に、セパレータ１２ｂにおける水素ガス用のマニホールド４２とマニホールド５２は、セパレータ１２ｂに溝状に形成されている入口側の連絡通路６３および出口側の連絡流路６４を介してそれぞれが水素ガスのガス流路３１ｂに連通している（図３参照）。さらに、各セパレータ１２ａ，１２ｂにおける冷却水のマニホールド４３とマニホールド５３は、各セパレータ１２ａ，１２ｂに溝状に形成されている入口側の連絡通路６５および出口側の連絡流路６６を介してそれぞれが冷却水流路３２に連通している。ここまで説明したような各セパレータ１２ａ，１２ｂの構成により、セル２には、酸化ガス、水素ガスおよび冷却水が供給されるようになっている。ここで具体例を挙げておくと、例えば酸化ガスは、セパレータ１２ａのマニホールド４１から連絡通路６１を通り抜けてガス流路３１ａに流入し、ＭＥＡ１１の発電に供された後、連絡通路６２を通り抜けてマニホールド５１に流出することになる。

第１シール部材１３ａ，１３ｂは、ともに枠状であり同一形状に形成されている部材である（図３参照）。これらのうち、第１シール部材１３ａはＭＥＡ１１とセパレータ１２ａとの間に設けられるもので、より詳細には、電解質膜２１の周縁部２４と、セパレータ１２ａのうちガス流路３１ａの周囲の部分との間に介在するように設けられる。また、もう一方の第１シール部材１３ｂは、ＭＥＡ１１とセパレータ１２ｂとの間に設けられるもので、より詳細には、電解質膜２１の周縁部２４と、セパレータ１２ｂのうちガス流路３１ｂの周囲の部分との間に介在するように設けられる。

さらに、隣接するセル２，２のセパレータ１２ａとセパレータ１２ｂとの間には、枠状の第２シール部材１３ｃが設けられている（図３参照）。この第２シール部材１３ｃは、セパレータ１２ａにおける冷却水流路３２の周囲の部分と、セパレータ１２ｂにおける冷却水流路３２の周囲の部分との間に介在するように設けられてこれらの間をシールする部材である。ちなみに、本実施形態のセル２においては、セパレータ１２ａ，１２ｂにおける流体の各種通路（３１ａ，３１ｂ，３２，４１〜４３，５１〜５３，６１〜６６）のうち、各種流体の入口側のマニホールド４１〜４３および出口側のマニホールド５１〜５３が、第１シール部材１３ａ，１３ｂや第２シール部材１３ｃの外側に位置する通路ということになる（図３参照）。

続いて、上述したようなスタック３が２つ接続された構造の本実施形態の燃料電池１について説明する（図１参照）。

図１に示しているように、本実施形態の燃料電池１は２つのスタック３がセル積層方向に直行する方向に配列された構成、つまりは２つのスタック３がいわば横並びに配置された構成となっている。ちなみに、ここで示しているのはスタック３の好適な配置例の一つに過ぎず他の形態とすることももちろん可能であるが、本実施形態のように横並びの配置とした場合には燃料電池１の小型化が可能になるといった点で有利である。

このように横並びに配置されている２つのスタック３は、それぞれの端部、より詳しくは各端部における出力端子５どうし（ただし、図１においては図示省略）が例えば導電性プレート等によって構成された導通部材９によって繋がれることにより電気的に接続された構造となっている。また、この導通部材９と逆側の各端部にはそれぞれ出力端が設けられており、この燃料電池１全体としての出力部（図１において符号１０で示す）が形成されている。以上のような構成により、一方の出力部１０から他方の出力部１０までクランク状に繋がる結果、電気的には直列回路が構成されていることになる（図１参照）。

また、燃料電池１にはリレー４が設けられている。このリレー４は、一のスタック３の内部セル２と他のスタック３の内部セル２とを接続するためのものであり、閉じることによってバイパスを形成し、セル電圧値が所定値以下となっているセル２を当該燃料電池１の直列回路から切り離すというものである。このようにリレー４が閉じてバイパスが形成された場合、このバイパスによって接続された各セルよりもスタックの端部寄りに位置するセルを、発電に関与しない状態となるように切り離すことができる。

このようなリレー４は、燃料電池１における出力低下現象に即した個数や配置となっていることが好ましい。すなわち、起動時等においてはスタック３の端部に近いセル２ほど昇温が遅れて電圧低下が生じることからすれば、このように電圧低下が生じるおそれがあるセル２を効果的に切り離すことによってより安定した運転を実現しうるものであることが好ましい。この点、本実施形態においては、導通部材９と並列となるように例えば２個のリレー４（図１中においてはスタック３の中央寄りのものから順に符号４ａ，４ｂで表示する）を配置し、これらリレー４ａ，４ｂのいずれかを閉じた状態、あるいは両方とも開いた状態を選択することができるようにしている（図１参照）。

また、このようにバイパスを選択的に形成することができるリレー４を設けた場合には、出力部１０のそれぞれにも同様の機能を備えさせていることが好ましい。すなわち、スタック３におけるセル電圧低下は当該スタック３の両端部においてほぼ同様の対称的な変化を示すことから、セル２の切り離しは両端部で同様に行われることが好ましい。例えば本実施形態においては、出力部１０にも複数（例えば３個ずつ計６個）のリレー１４，１５（図１においては符号１４ａ〜１４ｃ，１５ａ〜１５ｃでそれぞれを表している）を並列に配置し、並列に形成された複数（この場合、３本ずつ）の電流経路のうちから出力状況に応じて最適なものを選択できるようにしている。

なお、この場合において、リレー１４ｃ（１５ｃ）が配置されている電流経路は通常発電時に用いられるもので、スタック３の端部（例えば各出力端子）に接続されている。また、リレー１４ａ（１５ａ）とリレー１４ｂ（１５ｂ）の配置は特に限られるものではないが、上述したように、セル電圧低下時にはスタック３の両端部にて対称的な変化が生じることからすれば、これらリレー１４ａ，１４ｂ（１５ａ，１５ｂ）を上述したバイパス形成用のリレー４ａ，４ｂと対称的に配置することが好ましい。こうすることにより、セル電圧が低下しているセル２を両端部にて同数（同量）ずつ順次切り離すことが可能となるし、切り離したセル２を同数（同量）ずつ復帰させることも可能となる。本実施形態においては、リレー１４ａ（１５ａ）をリレー４ａと対称的に配置し、リレー１４ｂ（１５ｂ）をリレー４ｂと対称的に配置することとしている（図１参照）。

このような燃料電池１によれば、出力低下時、以下のように対応ないしは処理することができる。すなわち、実際とは異なっているかもしれないが解りやすい例で説明すると、例えば図１中の上側のスタック３のように、リレー１４ｃが接続されている端部からリレー１４ａが接続されている部分まで、および導通部材９が接続されている端部からリレー４ｂが接続されている部分まで、の各領域中のセル電圧が低下して所定値を下回っているような場合には、リレー４ｂおよびリレー１４ａをそれぞれ閉じた状態とする（図１参照）。こうした場合、セル電圧が所定値を下回っているスタック両端部付近におけるセル２は発電に寄与している部分から切り離された状態となるから、このような出力低下時であってもより安定した運転を行うことが可能となる。

また、図１中の下側のスタック３のように、リレー１５ｃが接続されている端部からリレー１５ｂが接続されている部分まで、および導通部材９が接続されている端部からリレー４ｂが接続されている部分まで、の各領域中のセル電圧が低下して所定値以下となっているような場合には、リレー４ｂおよびリレー１５ｂをそれぞれ閉じた状態とする（図１参照）。こうした場合、セル電圧が所定値以下となっているスタック両端部付近におけるセル２は、上述の場合と同様に発電に寄与している部分から切り離された状態となる。

なお、上述した例の場合における電流経路は、図１中の下側出力端１０→リレー１５ｂ→下側スタックの内部セル２のうち所定値以上のもの→リレー４ｂ→上側スタック３の内部セル２のうち所定値以上のもの→リレー１４ａ→上側出力部１０、ということになる。つまり、この時点においては、リレー１５ｂの接続部分からリレー４ｂの接続部分まで、およびリレー４ｂの接続部分からリレー１４ａの接続部分までにあるセル２が実際の発電に寄与するセルとして扱われることになる。

また、上述した状態で運転を継続すると、時間経過に伴いセル２が徐々に昇温してセル電圧が所定値を上回るというようにいわば回復してくる。このようにしてセル２が中央寄りのものから徐々に回復した場合には、当該回復したセル２を切り離された状態から元の回路中に戻し、発電に寄与する状態に順次復帰させることができる。一例を示せば、例えば起動時の直後の時点ではリレー４ａを閉じておき、セル電圧の回復状況に合わせてリレー４ｂへと切り換え（つまり、リレー４ａを開けた状態とし、リレー４ｂを閉じた状態とする）、さらに回復が進めば最終的にはリレー４ｂも開けて導通部材９へと切り換えた通常の発電状態、つまりはすべてのセル２を使って発電を行っている状態へと順次切り換えていくことが可能である。

ここまで説明したように、上述した構成の本実施形態の燃料電池１によれば、出力が低下していない場合には各スタック３のセル２をいずれも除くことなく回路的に直列に接続した状態で発電を行うこととする一方で、出力低下が認められる場合にはリレー４（および１４，１５）を閉じることによって一のスタック３の内部セル２と他のスタック３の内部セル２とをバイパス接続した状態とすることができる。このように回路途中をバイパスで接続した場合、互いに接続された各セル２よりも端部寄りに位置する各セル２を切り離した状態で発電を行うこと、別の表現をすれば端部付近のセル２の発電を禁止することが可能となる。温度が十分に上がらないままのセル２を放置しておけばやがては凝縮が生じ、凝縮水が燃料供給を妨げて電圧低下を招くおそれがあるが、所定のセル２を所定時間だけ切り離すことが可能な本実施形態の燃料電池１によればこのような理由で出力が低下するのを抑止し、より安定した運転を実現することが可能である。

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば上述した実施形態では数個（２〜３個）のリレー４（１４，１５）を設けた場合について説明したがこれは一例に過ぎず、これよりも多くのリレーを配置することとすればより細かな部分ないしは領域ごとにセル２を切り離すことが可能になることはいうまでもない。こうすれば、温度状況ないしは発電状況に応じてより細かな対応をすることができるようになる。この場合、具体的にどのような態様や形態とすべきかは当該燃料電池１の仕様や出力等によって様々であるが、具体的一例を挙げておけば、積層されたセルのうちの２〜３枚おきにリレー４（１４，１５）を等間隔で配置するようにすれば、当該セル２を２〜３枚ずつ切り離したりあるいは再び接続して復帰させたりすることができるというように、リレー個数が多くなりすぎるのを抑えつつも細かな切り換えが可能になるという点で好ましい。さらに、必ずしもスタック端部から距離（または積層枚数）が同じセル２どうしを繋ぐものでなくてもよく、各スタック３の状況に応じて、一のスタック３の端部と他のスタック３の端部以外のセル２とを接続するものでもよいし、あるいは端部からの距離（積層枚数）の異なるセル２間を接続するものでもよい。

また、本明細書ではリレー（４，１４，１５）という表現を用いることとしたが、このリレーという表現はいわば広義のものであり、例えばスイッチを使って切り換えることまでもが含まれる。要は、電流経路が途中で途切れた状態と導通した状態とを任意に切り換えることができる種々のデバイスを本明細書におけるリレーとして用いることが可能である。

また、本実施形態においては２つのスタック３の端部どうしを導通部材（例えば導電性のプレートのようなもの）９で接続する構成としたが、この代わりに、他の部位でも使用していた第１のリレー４を代替部材として使って接続する構成とすることも可能である（第２のリレー）。この場合、例えば上述したリレー４ａとリレー４ｂの両方を開けた際、この代替リレー（第２のリレー）を閉じることによって電流経路が形成されることになる。

また、本実施形態においては、一部のセル電圧が所定値以下の場合に適用されるものとして説明したが、より具体的な特定の場面、例えば燃料電池１の起動時のみリレー４を閉じるという適用のしかたも可能である。例えば、燃料電池１の起動時における各セル２の温度は十分な程度にまで至っていないことが一般的であり、また、スタック３の端部に近いセル２ほど昇温が遅れる傾向にあるのに対し、このような場面で本発明を適用すれば、このように温度が低い状態にあるセル２を切り離して安定した起動を実現することが可能になるという点で好適である。

さらに、上述のように導通部材９を第２のリレーで構成している場合であれば、燃料電池１の起動時、この第２のリレーを開いて切断し、上述したリレー（第１のリレー）４を閉じて接続状態とすることも好ましい。こうした場合、スタック３の端部寄りに配置されているセル２を起動時点で切り離すことになるためにスタック全体としての出力を確保しやすい。また、セル電圧が所定値に回復したら、第１のリレー４を順次切断し、最終的に第２のリレーを接続した状態とすることによって通常の発電状態、つまりはすべてのセル２を使って発電を行っている状態へと切り換えていくことが可能である。しかも、このように第２のリレー（導通部材）を開いた状態で燃料電池１の運転を行うこととすれば、スタック３の端部寄りに位置するセル（出力低下セル）２を他のセル２から電気的にも切り離した状態（短絡した箇所がない状態）とすることができるから、効率のよい発電状態を維持しつつ端部寄りのセル２の回復を待つことができるという利点もある。

一方で、例えば燃料電池１の起動時、上述したような第２のリレー（導通部材）を閉じたままとしておくことも可能である。こうした場合には、当該第２のリレーを開いた状態のときより発電効率は低くなるものの、スタック３の端部寄りのセル（出力低下セル）２を発電状態におくことができるから通電していない場合よりも温度上昇速度が速くなる。したがって、これら出力低下セル２を温度上昇させて早期に通常発電状態を実現しうるという点で有利である。このことは、例えば導電性プレート等を用いた上記実施形態における導通部材９の場合であっても同様である。

また、スタック３の端部寄りのセル（出力低下セル）２を昇温させるためのヒータ（加熱器）を用いることも好ましい。このような外部のヒータを使ってスタック３の端部寄りのセル（出力低下セル）２を加熱することとすれば、温度上昇速度がさらに速くなる結果、例えば燃料電池１を起動してから早期に通常発電状態を実現しうる利点がある。しかも、この場合には前述のように第２のリレー（導通部材）を開いた状態で発電を継続したとしても昇温時間にそれほどの遅れを伴わないから、通常発電の早期実現（復帰）と効率のよい発電状態の維持という両立が可能だという利点もある。

さらに、本実施形態において２つのスタック３がいわば横並びに配置された構成の燃料電池１を例示したが（図１参照）、これもあくまで一例に過ぎず、スタック３の個数は２個の場合に限られないし、各スタック３の配置が横並びの場合に限られることもない。要は、複数のスタック３によって構成されているものであり、尚かつ端部どうしが導通されることによってこれら複数のスタック３が回路的に直列に接続されている構造の燃料電池１であれば本発明を適用することが可能である。

本発明の実施形態にかかる燃料電池の概略構成を示す図である。 燃料電池を構成する一のスタックの構造例を示す斜視図である。 図２に示した燃料電池の単セルを分解して示す分解斜視図である。

符号の説明

１…燃料電池、２…セル、３…スタック、４…第１のリレー、９…導通部材

Claims (7)

1. 反応ガスを電気化学反応させて発電する複数のセルを積層したスタックと、
   複数設けられた前記スタックが直列回路を形成するように各スタックの端部どうしを導通する導通部材と、
   を備えた燃料電池であって、
   前記スタックの端部以外のセルと他のスタックのセルとを導通させる第１のリレーを備えたことを特徴とする燃料電池。
2. 前記第１のリレーは、セル電圧値が所定値以下となっているセルを当該燃料電池の直列回路から切り離すためのバイパスを形成するものであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記直列回路から切り離される前記セルの数を変更可能な複数の前記第１のリレーが並列に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記導通部材は、前記第１のリレーとは別個に設けられた第２のリレーによって構成されたものであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池。
5. 起動時に前記第２のリレーを切断し、前記第１のリレーを接続することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
6. セル電圧が所定値に回復した際に、前記第１のリレーを切断し、前記第２のリレーを接続することを特徴とする請求項４または５に記載の燃料電池。
7. 前記複数のスタックがセル積層方向に直行する方向に一列に配列されているとともに、当該スタックの正極と負極とが交互に逆向きに配置されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池。
   
   

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