JP2007213883A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】各単セルの電極面に水滴が流れ込むのを防止して発電の安定化を図ることができる燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】電解質膜の両面に一対の電極を配置してなる膜電極接合体を一対のセパレータで挟持して構成した単セル１がその厚み方向に複数積層された積層体２を備えている。積層体２には、膜電極接合体およびセパレータを厚み方向に貫通して、各単セル１の電極に反応ガスを供給するための供給側連通孔Ｒ１，Ｒ２と、各単セル１からのオフガスを排出するための排出側連通孔が設けられており、供給側連通孔Ｒ１，Ｒ２内に加熱手段としてのヒータ１０，２０が設けられている。このヒータ１０，２０は、シート状に形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、内部マニホールド型の燃料電池スタックに関する。

燃料電池自動車などに用いられる燃料電池スタックは、一般に、固体高分子からなる電解質膜の両面にそれぞれアノード電極およびカソード電極を配置してなる単セルが複数積層されて構成されている。この種の燃料電池スタックにおいては、複数の単セルからなる積層体に各カソード電極に空気（酸素）を供給するための連通孔と各アノード電極に水素を供給するための連通孔とが設けられた内部マニホールド型の燃料電池スタックが一般に採用されている。また、この種の燃料電池スタックでは、電解質膜によるイオン導電性を向上させるために、カソード電極に供給される空気やアノード電極に供給される水素を加湿することが行われている。

しかし、前記した燃料電池スタックを氷点下となるような低温環境下で使用すると、燃料電池スタックに形成された連通孔に反応ガスが投入されたときに、反応ガスが冷やされて結露が発生し、連通孔を介してカソード電極やアノード電極の各電極に水滴が流れ込み、反応ガスの電極への供給が阻害されて発電性能が低下するという問題がある。

そこで、水滴が電極面へ流れ込むのを防止するために、特許文献１では、水滴が発生した場合には、燃料電池スタックをバイパスするバイパス流路を介して排水する技術が提案されており、また特許文献２では、アノード側の水素ガス経路の途中に水滴を溜めて排出するためのドレン装置を設ける技術が提案されている。
特開２００３−３４６８６９号公報（図９） 特開２００２−３１３４０３号公報（図１）

しかし、特許文献１に記載の燃料電池スタックでは、水滴とともにスタックに供給される反応ガスもバイパスされるため、発電に使用できない反応ガスが発生して、発電効率が悪化するという問題がある。また、特許文献２に記載の燃料電池スタックでは、ドレン装置に示すような排水機構が必要になるので、燃料電池システムの大型化を招き、また溜めた水滴を定期的に排出する必要があるので、その際に未使用の水素も同時に排出され、発電効率が悪化するという問題がある。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、各単セルの電極面に水滴が流れ込むのを防止して発電の安定化を図ることができる燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明は、電解質膜の両面に一対の電極を配置してなる膜電極接合体を一対のセパレータで挟持して構成した単セルがその厚み方向に複数積層された積層体を備え、前記積層体には、前記セパレータを前記厚み方向に貫通して、前記各単セルの電極に反応ガスを供給するための供給側連通孔と、前記各単セルからのオフガスを排出するための排出側連通孔とが設けられた内部マニホールド型の燃料電池スタックであって、少なくとも前記供給側連通孔内に加熱手段が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、少なくとも供給側連通孔内に加熱手段が設けられているので、供給側連通孔内で結露により水滴が発生するおそれがあるときに、加熱手段で供給側連通孔内を加熱することにより結露を防止することができ、各単セルの電極面に水滴が流れ込むのを防止するができる。

前記加熱手段は、シート状であることが好ましい。これにより、複数の単セルが積層されることによって形成される連通孔の内壁の凹凸をなくして平滑化できるので、反応ガスの圧力損失を低減することが可能になる。その結果、各単セル間での反応ガスの供給のバラツキを縮小でき、セル電圧のバラツキを縮小させることが可能になる。

本発明によれば、各単セルの電極面に水滴が流れ込むのを防止して発電の安定化を図ることができる。

図１は本実施形態の燃料電池スタックを示し、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は側面図、図２は単セルの積層構造を示す分解斜視図、図３（ａ）はアノード側のセパレータを示す平面図、（ｂ）はカソード側のセパレータを示す平面図、図４は図１（ｂ）のＡ−Ａ断面図であり、（ａ）は加熱手段を取り付ける前の状態、（ｂ）は加熱手段の取り付けた後の状態、図５（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ加熱手段の取付方法を示す断面図である。

図１（ａ）および（ｂ）に示すように、本実施形態の燃料電池スタックＦＣは、内部マニホールド型の燃料電池スタックであって、複数の単セル１が積層された積層体２、エンドプレート３，４、加熱手段としてのヒータ１０，２０などで構成されている。

図２に示すように、前記単セル１は、イオン導電性を有する固体高分子電解質膜（以下、電解質膜と略記する）１１の一面側を、触媒を備えたアノード電極１２、他面側を、触媒を備えたカソード電極１３で挟んでなる膜電極接合体（ＭＥＡ；Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）をさらに一対の導電性のセパレータ１４，１５で挟んで構成されている。この単セル１が複数積層されたものが積層体２（図１参照）に相当する。また、電解質膜１１は、アノード電極１２およびカソード電極１３の縁部から側方（左右方向）に突出して形成されており、図２の紙面奥側上段、中段、下段に貫通孔１１ａ，１１ｂ，１１ｃが形成されている。また、図２の紙面手前側上段、中段、下段に貫通孔１１ｄ，１１ｅ，１１ｆが形成されている。

前記セパレータ１４は、前記アノード電極１２に対向する側に設けられ、アノード電極（電極）１２に対向する面に、アノード電極１２に対応する領域に反応ガスとしての水素が流通するクシ歯形状のアノードガス流通路１４Ｓが形成されている。また、セパレータ１４には、図２の紙面奥側上段、中段、下段に貫通孔１４ａ，１４ｂ，１４ｃが形成されている。また、図２の紙面手前側上段、中段、下段に貫通孔１４ｄ，１４ｅ，１４ｆが形成されている。また、セパレータ１４には、貫通孔１４ａとアノードガス流通路１４Ｓとを連通させる連絡路１４ｇ、およびアノードガス流通路１４Ｓと貫通孔１４ｆとを連通させる連絡路１４ｉが形成されており、この連絡路１４ｇ，１４ｉに、ゴムなどの弾性部材で形成された複数のブリッジ１４ｈ，１４ｊが幅方向に間隔を開けて配置されている。

前記セパレータ１５は、前記カソード電極１３に対向する側に設けられ、カソード電極１３に対向する面に、図３（ｂ）に示すように、カソード電極(電極)１３に対応する領域に反応ガスとしての空気（酸素）が流通するクシ歯形状のカソードガス流通路１５Ｓが形成されている。また、セパレータ１５には、貫通孔１５ｄとカソードガス流通路１５Ｓとを連通させる連絡路１５ｇと、カソードガス流通路１５Ｓと貫通孔１５ｃとを連通させる連絡路１５ｉとがそれぞれ形成されており、この連絡路１５ｇ，１５ｉに、ゴムなどの弾性部材で形成された複数のブリッジ１５ｈ，１５ｊが幅方向に間隔を開けて配置されている。さらに、セパレータ１５のカソードガス流通路１５Ｓとは反対側の面には、図２に示すように、冷却媒体が流通する冷却媒体流通路１６Ｓがクシ歯形状に形成されている。なお、この冷却媒体は、冷却媒体流通路１６Ｓを流れることにより燃料電池スタックＦＣを冷却するものである。また、セパレータ１５には、図２の紙面奥側上段、中段、下段に貫通孔１５ａ，１５ｂ，１５ｃが形成され、紙面手前側上段、中段、下段に貫通孔１５ｄ，１５ｅ，１５ｆが形成されている。また、セパレータ１５には、貫通孔１５ｂと冷却媒体流通路１６Ｓとを連通させる連絡路１６ａ、冷却媒体流通路１６Ｓと貫通孔１５ｅとを連通させる連絡路１６ｃがそれぞれ形成されており、この連絡路１６ａ，１６ｃに、前記と同様な複数のブリッジ１６ｂ，１６ｄが配置されている。

また、前記した単セル１には、ＭＥＡとセパレータ１４との間、およびＭＥＡとセパレータ１５との間にそれぞれシール部材１７，１８が設けられている。また、セパレータ１５と隣り合う単セル１のセパレータ１４との間にシール部材１９が設けられている。なお、いずれのシール部材１７，１８，１９もゴムなどの弾性部材で形成されている。

前記シール部材１７は、貫通孔１４ａと連絡路１４ｇとカソードガス流通路１４Ｓと連絡路１４ｉと貫通孔１４ｆの周囲を覆って密閉するシール部１７ａ、貫通孔１４ｂの周囲を覆って密閉するシール部１７ｂ、貫通孔１４ｃの周囲を覆って密閉するシール部１７ｃ、貫通孔１４ｄの周囲を覆って密閉するシール部１７ｄ、貫通孔１４ｅの周囲を覆って密閉するシール部１７ｅを有している。

前記シール部材１８は、貫通孔１５ａの周囲を覆って密閉するシール部１８ａ、貫通孔１５ｂの周囲を覆って密閉するシール部１８ｂ、貫通孔１５ｄと連絡路１５ｇとカソードガス流通路１５Ｓと連絡路１５ｉと貫通孔１５ｃの周囲を覆って密閉するシール部１８ｄ、貫通孔１５ｅの周囲を覆って密閉するシール部１８ｅ、および貫通孔１５ｆの周囲を覆って密閉するシール部１８ｆを有している。

前記シール部材１９は、貫通孔１５ａの周囲を覆って密閉するシール部１９ａ、貫通孔１５ｂと連絡路１６ａと冷却媒体流通路１６Ｓと連絡路１６ｃと貫通孔１５ｅの周囲を覆って密閉するシール部１９ｂ、貫通孔１５ｃの周囲を覆って密閉するシール部１９ｃ、貫通孔１５ｄの周囲を覆って密閉するシール部１９ｄ、および貫通孔１５ｆの周囲を覆って密閉するシール部１９ｆを有している。

前記した単セル１では、水素が、シール部１９ａ、貫通孔１５ａ、シール部１８ａ、貫通孔１１ａ、シール部１７ａ、貫通孔１４ａによって構成される供給側連通孔Ｒ１を流通しながら供給され、オフガス（アノードオフガス）が、貫通孔１４ｆ、シール部１７ａ、貫通孔１１ｆ、シール部１８ｆ、貫通孔１５ｆ、シール部１９ｆによって構成される排出側連通孔Ｒ３を流通しながら排出されるようになっている。また、空気は、シール部１９ｄ、貫通孔１５ｄ、シール部１８ｄ、貫通孔１１ｄ、シール部１７ｄ、貫通孔１４ｄによって構成される供給側連通孔Ｒ２を流通しながら供給され、オフガス（カソードオフガス）が、貫通孔１４ｃ、シール部１７ｃ、貫通孔１１ｃ、シール部１８ｄ、貫通孔１５ｃ、シール部１９ｃによって構成される排出側連通孔Ｒ４を流通しながら排出されるようになっている。また、冷却媒体は、シール部１９ｂ、貫通孔１５ｂ、シール部１８ｂ、貫通孔１１ｂ、シール部１７ｂ、貫通孔１４ｂを流通しながら供給され、貫通孔１４ｅ、シール部１７ｅ、貫通孔１１ｅ、シール部１８ｅ、貫通孔１５ｅ、シール部１９ｂから排出されるようになっている。

なお、シール部１７ａ，１８ａ，１９ａは、図４（ａ）に示すように、貫通孔１４ａ，１５ａの開口縁部１４ａ１，１５ａ１よりも外側に位置しており、また、シール部１７ｄ，１８ｄ，１９ｄは、貫通孔１４ｄ，１５ｄの開口縁部１４ｄ１，１５ｄ１よりも外側に位置している。

また、本実施形態では、シール部１９ａ、貫通孔１５ａ、シール部１８ａ、貫通孔１１ａ、シール部１７ａ、貫通孔１４ａ、・・・によって本発明の供給側連通孔Ｒ１（アノード側）が構成されている。また、シール部１９ｄ、貫通孔１５ｄ、シール部１８ｄ、貫通孔１１ｄ、シール部１７ｄ、貫通孔１４ｄ、・・・によって本発明の供給側連通孔Ｒ２（カソード側）が構成されている。また、本実施形態では、シール部１９ｆ、貫通孔１５ｆ、シール部１８ｆ、貫通孔１１ｆ、シール部１７ａ、貫通孔１４ｆ、・・・によって本発明のアノード側の排出側連通孔Ｒ３（図３参照）が構成されている。また、シール部１９ｃ、貫通孔１５ｃ、シール部１８ｄ、貫通孔１１ｃ、シール部１７ｃ、貫通孔１４ｃによって本発明のカソード側の排出側連通孔Ｒ４（図３参照）が構成されている。

図１（ａ）に示すように、前記エンドプレート３は、単セル１の積層体２の一方の端面に積層される金属板を有し、単セル１のセパレータ１５の貫通孔１５ａ,１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，１５ｅ，１５ｆに対応する位置に貫通孔３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆが形成されている。前記エンドプレート４は、積層体２の他方の端面に積層される金属板を有している。なお、エンドプレート３とエンドプレート４とが図示しない部材によって連結されて、積層体２に対して所定の荷重が与えられた状態でガタツキなく保持されるようになっている。また、エンドプレート４と積層体２との間には、図４（ｂ）に示すように、インシュレータ（絶縁体、図１では図示省略）５が設けられ、インシュレータ５の中央部に、外部に電気を取り出すための電極６が設けられる。

前記した燃料電池スタックＦＣでは、図２に示すように、貫通孔３ａ（図１参照）から水素が供給されると、この水素は、貫通孔１５ａ、シール部１８ａ、貫通孔１１ａ、シール部１７ａ、連絡路１４ｇを通ってアノードガス流通路１４Ｓからアノード電極１２に供給される。また、貫通孔３ｄ（図１参照）から供給された空気は、貫通孔１５ｄ、連絡路１５ｇを通ってカソードガス流通路１５Ｓ（図３参照）からカソード電極１３に供給される。アノード電極１２では、触媒の作用によってプロトン（水素イオン）と電子に分解されて、プロトンが電解質膜１１を介してカソード電極１３に透過し、電子が外部負荷を介してカソード電極１３に移動する。なお、アノード電極１２で生じた電子は、セパレータ１４および電極６から取り出され、電極６から外部負荷を介してエンドプレート４側の電極（図示せず）を通ってカソード電極１３に戻る。一方、カソード電極１３では、触媒の作用によって、電解質膜１１を透過したプロトンと、空気中の酸素と、外部負荷からの電子との反応によって水が生成される。

前記ヒータ１０は、シート状であり、例えば、対向して設けられた合成樹脂製のシート基材の間に電気抵抗体を挟むことにより形成することができる。またヒータ１０は、アノード側の供給側連通孔Ｒ１の外側方に向く内壁を覆う面１０ａと、上方に向く内壁を覆う面１０ｂと、下方に向く内壁を覆う面１０ｃとを有して構成され、積層方向平面視での形状がコ字状になるように配置されている。また、ヒータ２０も同様にして形成され、カソード側の供給側連通孔Ｒ２の外側方に向く内壁を覆う面２０ａと、上方に向く内壁を覆う面２０ｂと、下方に向く内壁を覆う面２０ｃとを有して構成されている。また、ヒータ１０，２０は、積層体２内に形成された供給側連通孔Ｒ１，Ｒ２の一端から他端までを覆うことができる長さで形成されている。

前記ヒータ１０を供給側連通孔Ｒ１に保持させる手段としては、図５（ａ）に示すように、ヒータ１０の端部に、積層方向に延びる延出部１０ｄを一体に形成して、この延出部１０ｄをエンドプレート４とインシュレータ５との間で挟んで保持するようにしてもよい。なお、延出部１０ｄを挟む位置は、エンドプレート４とインシュレータ５との間に限定されるものではなく、エンドプレート４、インシュレータ５、電極６の積層構造に応じて適宜変更できる。また、その他の保持手段としては、図５（ｂ）に示すように、ヒータ１０と供給側連通孔Ｒ１との間に接着層７を設けて、ヒータ１０を供給側連通孔Ｒ１内に固定するようにしてもよい。あるいは、図５（ｃ）に示すように、ヒータ１０の背面を、供給側連通孔Ｒ１内に形成された凹部ｍ（図４（ｂ）参照）に倣う形状の凸部８を形成して、この凸部８を供給側連通孔Ｒ１の凹部ｍに嵌合させて保持するようにしてもよい。

なお、ヒータ１０について、一方の端部のみについて説明したが、他方つまりエンドプレート３側についても同様にして保持することができる。また、図５（ｂ），（ｃ）では、ヒータ１０の面１０ａのみについて説明したが、他の面１０ｂ，１０ｃについても同様に接着層７や凸部８を介して、供給側連通孔Ｒ１に保持されている。また、一方のヒータ１０のみについて説明したが、もう一方のヒータ２０についても同様にして構成することができる。また、図５（ａ）〜（ｃ）の手段を組み合わせてもよい。

図６に示すように、本実施形態の燃料電池スタックＦＣを搭載した燃料電池システムＦ１は、アノード系３０、カソード系４０、制御装置５０、温度センサ６０，６１，６２、イグニッション７０などで構成されている。なお、以下では、燃料電池自動車などの車両に搭載される場合を例に挙げて説明する。

前記アノード系３０は、アノードガス配管３１、アノードオフガス配管３２、高圧水素タンク３３、遮断弁３４、加湿装置３５などで構成されている。アノードガス配管３１は、一端が高圧水素タンク３３に接続され、他端が燃料電池スタックＦＣの供給側連通孔Ｒ１に接続されている。アノードオフガス配管３２は、一端が燃料電池スタックＦＣの排出側連通孔Ｒ３に接続され、他端が図示しない希釈装置に接続されている。高圧水素タンク３３は、高純度の水素を例えば３５ＭＰａの高圧で充填したものである。遮断弁３４は、例えば電磁作動式のものであり、高圧水素タンク３３の下流に設けられている。加湿装置３５は、水透過性の膜を備え、燃料電池スタックＦＣに供給される水素を加湿するものであり、アノードガス配管３１とアノードオフガス配管３２とが接続されて構成されている。

前記カソード系４０は、カソードガス配管４１、カソードオフガス配管４２、エアコンプレッサ４３、加湿装置４４などで構成されている。カソードガス配管４１は、一端がエアコンプレッサ４３に接続され、他端が燃料電池スタックＦＣの供給側連通孔Ｒ２に接続されている。カソードオフガス配管４２は、一端が燃料電池スタックＦＣの排出側連通孔Ｒ４に接続され、他端が図示しない希釈装置に接続されている。エアコンプレッサ４３は、スーパーチャージャなどを備えて構成されている。加湿装置４４は、水透過性の膜を備え、燃料電池スタックＦＣに供給される空気を加湿するものであり、カソードガス配管４１とカソードオフガス配管４２とが接続されて構成されている。

なお、空気を加湿する加湿源としては、カソード電極１３で生成された水が利用され、また、水素を加湿する加湿源としては、カソード電極１３で生成された水が電解質膜１０を介してアノード電極１２に透過した水が利用されるようになっている。

前記制御装置５０は、図示しないマイクロコンピュータ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、周辺回路、入出力インターフェースなどで構成され、ヒータ１０，２０、遮断弁３４、エアコンプレッサ４３、温度センサ６０，６１，６２、イグニッション（ＩＧ）７０と接続されている。温度センサ６０は、燃料電池スタックＦＣの温度を検出するものであり、例えば、燃料電池スタックＦＣの表面温度、もしくは供給側連通孔Ｒ１，Ｒ２の内壁温度を検出するものである。なお、燃料電池スタックＦＣの内壁温度は、図４（ｂ）においてＰ点で示す位置、すなわち供給側連通孔Ｒ１の凹部ｍ（図４（ａ）参照）とヒータ１０の面１０ａとの間の空間に棒状の温度センサを配置することで検出できる。温度センサ６１は、燃料電池スタックＦＣのアノード側の入口近傍に設けられ、燃料電池スタックＦＣに投入される水素温度が検出される。温度センサ６２は、燃料電池スタックＦＣのカソード側の入口近傍に設けられ、燃料電池スタックＦＣに投入される空気温度が検出される。この制御装置５０では、ヒータ１０，２０のＯＮ・ＯＦＦの切替え、遮断弁３４の開閉、エアコンプレッサ４３の回転速度情報を出力し、温度センサ６０から燃料電池スタックＦＣの温度情報、温度センサ６１から水素温度情報、温度センサ６２から空気温度情報、イグニッション７０のＯＮ・ＯＦＦ信号を取得する。

次に、本実施形態の燃料電池スタックＦＣの作用について、燃料電池システムＦ１の制御を含めた状態で説明する。
まず、車両のイグニッション（ＩＧ）７０がオン状態にされると（ステップＳ１）、制御装置５０はシステムを起動する（ステップＳ２）。このシステム起動では、遮断弁３４を開弁して、高圧水素タンク３３から燃料電池スタックＦＣのアノード電極１２に対して、加湿装置３５で加湿された水素を供給するとともに、エアコンプレッサ４３を駆動して外気を取り込んで、加湿装置４４で加湿された空気（酸素）を燃料電池スタックＦＣのカソード電極１３に供給する。このとき、加湿された水素は、エンドプレート３に形成された貫通孔３ａから供給され、加湿された空気は、貫通孔３ｄから供給される。

そして、ステップＳ３に進み、制御装置５０は、水素温度（投入ガス温度）Ｔ１、空気温度Ｔ２がそれぞれ燃料電池スタックＦＣの表面温度Ｔ以上である否かを判断する。ステップＳ３において、水素温度Ｔ１および空気温度Ｔ２が表面温度Ｔ以上と判断された場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ４に進み、ヒータ１０，２０の電源をＯＮにする。つまり、水素温度Ｔ１および空気温度Ｔ２が表面温度Ｔ以上であると、水素および空気は加湿装置３５，４４で加湿されているので、水素および空気が貫通孔３ａ，３ｄから供給されたときに結露が発生して水滴（液滴の水）が発生し、この水滴は、連絡路１４ｇ，１５ｇを通ってアノード電極１２、カソード電極１３の表面に拡散することになる。アノード電極１２、カソード電極１３の表面が水滴で覆われると、水素および空気のアノード電極１２およびカソード電極１３への供給が阻害されて発電性能が低下することとなる。そこで、本実施形態では、ヒータ１０，２０を供給側連通孔Ｒ１，Ｒ２内に設けて、水素温度Ｔ１および空気温度Ｔ２が表面温度Ｔ以上と判断された場合に、ヒータ１０，２０の電源をＯＮにして、結露の発生を防止することにより、水滴が発生しないようにすることができる。これにより発電性能の安定化を図ることができる。また、低温環境下（氷点下）での起動時に、供給側連通孔Ｒ１，Ｒ２上において水素や空気の流れを阻害する氷の発生を防止できるので、起動時における発電性能が向上し、また凍結による燃料電池スタックＦＣの不具合を低減できる。また、水滴の発生を防止して、アノード電極１２に対する水素供給が阻害されるのを低減することで、未使用の水素がそのままオフガスとして排出される頻度を低減でき、発電効率の低下を防止できる。

また、図４（ａ）に示すように、単セル１を複数積層することにより、供給側連通孔Ｒ１，Ｒ２の内壁が破線Ｌ１，Ｌ２で示すように凹凸形状になるが、本実施形態では、図４（ｂ）に示すように、供給側連通孔Ｒ１，Ｒ２内に挿入されるヒータ１０，２０の形状をシート状にしているので、供給側連通孔Ｒ１，Ｒ２の３方向の内壁が平滑になって、供給側連通孔Ｒ１，Ｒ２内を流れる水素および空気の流れを乱す要因を減らすことができる。その結果、供給側連通孔Ｒ１，Ｒ２の圧力損失が低減され、単セル１間のガス（水素、空気）供給のバラツキの幅を縮小でき、各単セル１のセル電圧のバラツキを縮小できるようになる。

図７のフローチャートに戻り、ステップＳ３において、水素温度Ｔ１および空気温度Ｔ２が表面温度Ｔ以上でないと判断された場合には（Ｎｏ）、ステップＳ５に進み、ヒータ１０の電源をＯＮにせずＯＦＦにしておく。つまり、水素温度Ｔ１および空気温度Ｔ２が表面温度Ｔ以上でない場合には、投入された水素や空気は温められるので、結露は発生しなくなる。したがって、加湿された水素や空気から水滴（液滴の水）が生じないので、アノード電極１２やカソード電極１３に対する水素や空気の供給が阻害されることがない。

そして、ステップＳ６に進み、制御装置５０は、イグニッション（ＩＧ）７０がＯＦＦに切り替えられたか否かを判断して、イグニッション７０がまだＯＦＦにされていない場合には（Ｎｏ）、ステップＳ３に戻り、イグニッション７０がＯＦＦに切り替えられた場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ７に進み、遮断弁３４を閉じて水素の供給を停止するとともにエアコンプレッサ４３を停止して空気の供給を停止して燃料電池システムＦ１を停止する。なお、ステップＳ７において、ヒータ１０，２０の電源がＯＮである場合には、ヒータ１０，２０の電源をＯＦＦにして燃料電池システムＦ１を停止する。

なお、本実施形態の燃料電池スタックＦＣを含む燃料電池システムＦ１の制御は、図７に示すフローチャートに限定されるものではなく、例えば、ステップＳ３の燃料電池スタックＦＣの表面温度Ｔに替えて、図４（ｂ）に示すように、供給側連通孔Ｒ１の凹凸部ｍ（図４（ａ）参照）の凹部とヒータ１０の面１０ａとの間の空間に配置された棒状の温度センサから得られる内壁温度としてもよい。

また、図８（ａ），（ｂ）は、加熱手段の変形例を示す平面図である。図８に示すように、加熱手段として、例えばシースヒータのようなシート状のヒータ１０，２０に、棒状のヒータ１０Ａ，２０Ａを、ヒータ１０，２０の面１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，２０ａ，２０ｂ，２０ｃが形成されていない連絡路１４ｇ，１５ｇ側に追加してもよい。ただし、この棒状のヒータ１０Ａ，２０Ａは、ヒータ１０，２０と同様に単セル１の積層方向に延びて形成され、連絡路１４ｇ，１５ｇに形成されたブリッジ１４ｈ，１５ｈと重なり、連絡路１４ｇ，１５ｇの流路を塞がない位置に配置されている。このように、ヒータ１０Ａ，２０Ａを追加することにより、水滴が連絡路１４ｇ，１５ｇに導入されるのをより確実に防止できるようになる。

また、本実施形態では、供給側連通孔Ｒ１，Ｒ２にヒータ１０，２０を設けた場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、排出側連通孔Ｒ３，Ｒ４にヒータを追加する構成であってもよい。これにより、排出側連通孔Ｒ３，Ｒ４上での水素や空気の流れを阻害する氷を無くすことができるので、氷点下での起動時における発電性能をより向上させることができる。

また、本実施形態では、アノードとカソードの双方の供給側連通孔Ｒ１，Ｒ２にヒータ１０，２０を設けたが、これに限定されるものではなく、例えば、カソード側の供給側連通孔Ｒ１のみにヒータ１０を設けるようにしてもよい。

また、本実施形態では、膜電極接合体ＭＥＡに貫通孔１１ａ〜１１ｆを形成して供給側連通孔Ｒ１，Ｒ２および排出側連通孔Ｒ３，Ｒ４の一部を構成しているが、これに限定されるものではなく、膜電極接合体ＭＥＡに貫通孔１１ａ〜１１ｆを形成せず、つまり電解質膜１１をアノード電極１２，１３と同程度の面積となるようにＭＥＡを小さく構成し、貫通孔１４ａ，１４ｄ，１５ａ，１５ｄおよびシール部１７ａ，１７ｄ，１８ａ，１８ｄ，１９ａ，１９ｄにより供給側連通孔Ｒ１，Ｒ２、排出側連通孔Ｒ３，Ｒ４、および冷却媒体の連通孔を構成するようにしてもよい。

本実施形態の燃料電池スタックを示し、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は側面図である。 単セルの積層構造を示す分解斜視図である。 （ａ）はアノード側のセパレータを示す平面図、（ｂ）はカソード側のセパレータを示す平面図である。 図１（ｂ）のＡ−Ａ断面図を示し、（ａ）は加熱手段を取り付ける前の状態、（ｂ）は加熱手段を取り付けた後の状態である。 （ａ）〜（ｃ）はそれぞれ加熱手段の取付方法を示す断面図である。 本実施形態の燃料電池スタックを搭載した燃料電池システムの一例を示す全体構成図である。 燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。 加熱手段の変形例を示し、（ａ）はアノード側のセパレータを示す平面図、（ｂ）はカソード側のセパレータを示す平面図である。

符号の説明

１ 単セル
２ 積層体
１０，２０ ヒータ（加熱手段）
１１ 固体高分子電解質膜（電解質膜）
１２ アノード電極（電極）
１３ カソード電極（電極）
１４，１５ セパレータ
ＦＣ 燃料電池スタック
Ｒ１，Ｒ２ 供給側連通孔
Ｒ３，Ｒ４ 排出側連通孔

Claims (2)

1. 電解質膜の両面に一対の電極を配置してなる膜電極接合体を一対のセパレータで挟持して構成した単セルがその厚み方向に複数積層された積層体を備え、前記積層体には、前記セパレータを前記厚み方向に貫通して、前記各単セルの電極に反応ガスを供給するための供給側連通孔と、前記各単セルからのオフガスを排出するための排出側連通孔とが設けられた内部マニホールド型の燃料電池スタックであって、
   少なくとも前記供給側連通孔内に加熱手段が設けられていることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記加熱手段は、シート状であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。

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