JP3677266B2 - 燃料電池スタックおよびその暖機方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた構造体が、一対のセパレータにより挟持された燃料電池を備え、複数の燃料電池を積層した燃料電池スタックおよびその暖機方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより構成されている。この種の燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体およびセパレータを所定数だけ交互に積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、この種の燃料電池は、低温始動される際に発電効率が低下するため、所望の発電状態に至るまでに相当な時間がかかってしまう。特に、氷点下での始動では、外部への放熱によって結露が発生し易く、生成水の排出性が低下して発電性能が低下するという不具合が指摘されている。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献１には、燃料電池スタックに外部電気回路が接続可能に設けられており、前記燃料電池スタックを構成する電解質膜・電極構造体の少なくとも一部の温度が水の凝固温度を超過するように、前記燃料電池スタックから前記外部電気回路に電流を供給する技術が開示されている。
【０００６】
具体的には、図１３に示すように、燃料電池スタック１は、正または負のバスプレート２、３を設けており、このバスプレート２、３には、可変負荷４を有する外部回路５がスイッチ６により電気的に接続可能に構成されている。
【０００７】
【特許文献１】
特表２０００−５１２０６８号公報（図３）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の特許文献１では、自己発熱によって燃料電池スタック１全体を低温から始動するため、加熱に必要な熱量が非常に多くなってしまう。これにより、例えば、電気ヒータからの加熱では、暖機時間が相当に長くなるとともに、非常に大きな電気容量が必要になるという問題がある。しかも、特に氷点下での始動では、結露水の凍結が惹起して発電が行われないという問題がある。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成および工程で、確実な暖機を短時間で行うことができ、迅速な始動が遂行可能な燃料電池スタックおよびその暖機方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池スタックでは、電解質の両側に一対の電極を設けた構造体が、一対のセパレータにより挟持された燃料電池を、複数積層した燃料電池スタックであって、少なくとも１つの燃料電池を、外部電力により加熱する加熱機構と、前記燃料電池を発電させるための発電回路と、前記加熱機構により加熱され暖機が完了した少なくとも１つの燃料電池を前記発電回路に接続するとともに、前記少なくとも１つの燃料電池に積層される他の燃料電池を、前記発電回路に対して個別に接続および離脱可能な開閉機構とを具備している。
また、本発明の請求項２に係る燃料電池スタックでは、前記開閉機構は、前記少なくとも１つの燃料電池に隣接する他の燃料電池の暖機が完了したとき、前記他の燃料電池を前記発電回路に接続する。
【００１１】
このため、まず、少なくとも１つの燃料電池が、外部電力により加熱されて所定の温度に暖機された後に発電し、該少なくとも１つの燃料電池に隣接する他の燃料電池が暖機される。次いで、少なくとも１つの燃料電池および暖機された他の燃料電池が発電して、該他の燃料電池に隣接する別の燃料電池が暖機される。以下、積層された全ての燃料電池に対して上記の工程が繰り返し行われることにより、該全ての燃料電池が暖機される（本発明の請求項３に係る燃料電池スタックの暖機方法）。
【００１２】
このように、燃料電池スタックの中、少なくとも１つの燃料電池が外部電力により加熱されて所定の温度に暖機された後、この燃料電池が発電して該燃料電池に隣接する他の燃料電池の暖機が行われる。従って、燃料電池スタック全体を暖機する場合に比べ、暖機に必要な外部熱量が大幅に削減され、微少電流で確実な暖機が遂行される。
【００１３】
しかも、暖機された燃料電池が発電して他の燃料電池を暖機する工程が、繰り返し行われるため、燃料電池スタック全体が暖機される時間を有効に短縮することができる。このため、効率的な暖機が行われて、迅速な始動が遂行可能になる。
【００１４】
また、本発明の請求項４に係る燃料電池スタックの暖機方法では、燃料電池が鉛直方向に積層されるとともに、冷却媒体を供給して熱の授受を行う冷却媒体流路を設けている。そして、外部電力により最上位の燃料電池が暖機された後、前記最上位の燃料電池が発電して、該最上位の燃料電池の下方に隣接する燃料電池が暖機される。これにより、冷却媒体は、上方側から暖機されるため、この冷却媒体の対流が惹起されることがなく、暖機が確実かつ効率的に行われる。
【００１５】
さらに、本発明の請求項５に係る燃料電池スタックの暖機方法では、複数の燃料電池の温度が検出され、最高温度が検出された少なくとも１つの燃料電池を、外部電力により暖機する。従って、燃料電池の暖機時間が有効に短縮され、効率的な暖機処理が遂行される。
【００１６】
さらにまた、本発明の請求項６に係る燃料電池スタックの暖機方法では、複数の燃料電池スタックを備えており、１の燃料電池スタックを構成する全ての燃料電池の暖機を行った後、該１の燃料電池スタックの発電作用下に、少なくとも他の１の燃料電池スタック全体が暖機される。このため、複数の燃料電池スタックを迅速かつ効率的に暖機することができ、始動が短時間で良好に行われる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０を組み込む燃料電池システム１２の概略構成説明図である。
【００１８】
燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池１４ａ〜１４ｅを鉛直方向（矢印Ａ方向）に積層している。図１では、説明の便宜上、５つの燃料電池１４ａ〜１４ｅが積層されているが、実際には、数十〜数百の燃料電池が積層されている。
【００１９】
そこで、以下、燃料電池１４ａについて詳細に説明し、前記燃料電池１４ａと同様に構成されている燃料電池１４ｂ〜１４ｅについては、同一の構成要素に同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００２０】
図２に示すように、燃料電池１４ａは、電解質膜・電極構造体１６と、前記電解質膜・電極構造体１６を挟持する第１および第２セパレータ１８、２０とを備える。電解質膜・電極構造体１６と第１および第２セパレータ１８、２０との間には、後述する連通孔の周囲および電極面（発電面）の外周を覆って、ガスケット等のシール部材２２が介装されている。
【００２１】
燃料電池１４ａの矢印Ｂ方向の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔２４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔２６ｂ、および燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔２８ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２２】
燃料電池１４ａの矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔２８ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔２６ａ、および酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔２４ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２３】
電解質膜・電極構造体１６は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸されてなる固体高分子電解質膜３０と、該固体高分子電解質膜３０を挟持するアノード側電極３２およびカソード側電極３４とを備える（図１および図２参照）。
【００２４】
アノード側電極３２およびカソード側電極３４は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布した電極触媒層とをそれぞれ有する。電極触媒層は、互いに固体高分子電解質膜３０を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜３０の両面に接合されている。シール部材２２の中央部には、アノード側電極３２およびカソード側電極３４に対応して開口部３６が形成されている。
【００２５】
第１セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１６側の面１８ａには、酸化剤ガス供給連通孔２４ａと酸化剤ガス排出連通孔２４ｂとに連通する酸化剤ガス流路３８が設けられる。図２に示すように、酸化剤ガス流路３８は、例えば、矢印Ｂ方向に蛇行しながら矢印Ｃ方向に延在する複数本の溝部（サーペンタイン溝部）を有する。
【００２６】
第２セパレータ２０の電解質膜・電極構造体１６側の面２０ａには、燃料ガス供給連通孔２８ａと燃料ガス排出連通孔２８ｂとに連通する燃料ガス流路４０が形成される。この燃料ガス流路４０は、例えば、矢印Ｂ方向に蛇行しながら矢印Ｃ方向に延在する複数本の溝部（サーペンタイン溝部）を有する。
【００２７】
第２セパレータ２０の面２０ａとは反対の面２０ｂには、冷却媒体供給連通孔２６ａと冷却媒体排出連通孔２６ｂとに連通する冷却媒体流路４２が形成される。この冷却媒体流路４２は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の直線流路溝により構成される。
【００２８】
図１に示すように、燃料電池システム１２は、燃料電池スタック１０の最上位に配置される燃料電池１４ａを、外部電力により加熱する加熱機構５０と、所定数、例えば、４つの燃料電池１４ａ〜１４ｄに対応する４つの電気ヒータ（負荷）５２ａ〜５２ｄが設けられた発電回路５４と、前記燃料電池１４ａ〜１４ｄを、前記発電回路５４に対して個別に接続および離脱可能な開閉機構５６とを備える。
【００２９】
加熱機構５０は、燃料電池１４ａに接するように配置される電気ヒータ５８を備え、この電気ヒータ５８が電源部６０に接続される。開閉機構５６は、燃料電池１４ａ〜１４ｄに対応して設けられる開閉スイッチ６２ａ〜６２ｅを備える。この開閉スイッチ６２ａ〜６２ｅには、例えば、バイメタルやペルチェ素子等が使用される。
【００３０】
燃料電池スタック１０の積層方向両端には、モータ等の回転負荷６４がメイン開閉スイッチ６６を介して電気的に接続される。燃料電池１４ｅ側には、冷却媒体供給連通孔２６ａに接続される冷却媒体供給管路６８と、冷却媒体排出連通孔２６ｂに接続される冷却媒体排出管路７０とが設けられる。冷却媒体供給管路６８と冷却媒体排出管路７０とは、ポンプ７２に接続されている。
【００３１】
このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、燃料電池システム１２との関連で、図３に示すフローチャートに沿って以下に説明する。
【００３２】
まず、氷点下等の低温始動を行う際には、運転時に結露の凍結が惹起するおそれがあり、燃料電池スタック１０を暖機する必要がある。そこで、図１に示すように、開閉機構５６を構成する開閉スイッチ６２ａ〜６２ｅおよびメイン開閉スイッチ６６が全て開放される（ステップＳ１）。
【００３３】
この状態で、電源部６０がオンされて（ステップＳ２）、電気ヒータ５８が加熱される。このため、電気ヒータ５８に接するように配置されている最上位の燃料電池１４ａ（第１ＦＣ）は、この電気ヒータ５８によって昇温される。そして、最上位の燃料電池１４ａが発電可能な温度（以下、発電温度ともいう）に昇温されると（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、この燃料電池１４ａによる発電が開始される（ステップＳ４）。
【００３４】
具体的には、図１に示すように、燃料電池スタック１０内には、図示しない燃料ガス供給管路から水素含有ガス等の燃料ガス供給されるとともに、図示しない酸化剤ガス供給管路から空気等の酸素含有ガスである酸化剤ガスが供給される。さらに、開閉スイッチ６２ａ、６２ｂが閉じられて、燃料電池１４ａが発電回路５４に接続される（図４参照）。
【００３５】
このため、図２に示すように、燃料電池１４ａでは、酸化剤ガス供給連通孔２４ａから第１セパレータ１８の酸化剤ガス流路３８に酸化剤ガスが導入され、この酸化剤ガスが電解質膜・電極構造体１６を構成するカソード側電極３４に沿って移動する。また、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔２８ａから第２セパレータ２０の燃料ガス流路４０に導入され、電解質膜・電極構造体１６を構成するアノード側電極３２に沿って移動する。
【００３６】
従って、電解質膜・電極構造体１６では、カソード側電極３４に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３２に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００３７】
次いで、アノード側電極３２に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔２８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、カソード側電極３４に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔２４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００３８】
このため、燃料電池１４ａが自己発熱によって暖機されるとともに、この燃料電池１４ａ内に充填されている純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体が加温される。従って、燃料電池１４ａ自体が昇温するとともに、この燃料電池１４ａの下方に隣接する燃料電池１４ｂ（第２ＦＣ）が昇温する。そして、燃料電池１４ａが設定温度（例えば、８０℃）以下であれば（ステップＳ５中、ＮＯ）、ステップＳ６に進んで、燃料電池１４ｂが発電可能な温度に昇温したか否かの判断がなされる。
【００３９】
燃料電池１４ｂが暖機されて所定の発電温度に至ると（ステップＳ６中、ＹＥＳ）、開閉スイッチ６２ｃが閉じられて、この燃料電池１４ｂが発電回路５４に接続される（図５参照）。これにより、燃料電池１４ｂでは、上記の燃料電池１４ａと同様に発電が行われ（ステップＳ７）、前記燃料電池１４ｂの下方に隣接する燃料電池１４ｃの暖機が行われる。
【００４０】
燃料電池１４ｂを介して燃料電池１４ｃの暖機が行われると、暖機前の燃料電池１４ｄ、１４ｅが存在するため（ステップＳ８中、ＮＯ）、ステップＳ５に戻って、燃料電池１４ａが設定温度を超えたか否かの判断がなされる。そして、燃料電池１４ａが暖気されて設定温度に至ると、ステップＳ９に進んで電源部６０がオフされ、電気ヒータ５８による前記燃料電池１４ａの加熱が停止される。
【００４１】
燃料電池１４ｂによる暖機を介し、燃料電池１４ｃが発電温度に至ると、開閉スイッチ６２ｄが閉じられて、この燃料電池１４ｃが発電回路５４に接続されて発電が開始される。さらに、燃料電池１４ｃの発電によって燃料電池１４ｄが発電温度に至ると、開閉スイッチ６２ｅが閉じられて、この燃料電池１４ｄの発電が行われて燃料電池１４ｅの暖機が行われる。
【００４２】
上記のようにして、全ての燃料電池１４ａ〜１４ｄが発電可能な状態に至ると、ステップＳ１０に進んでポンプ７２がオンされる。このため、冷却媒体供給管路６８から冷却媒体供給連通孔２６ａに冷却媒体が供給され、この冷却媒体は、図２に示すように、第２セパレータ２０の冷却媒体流路４２に導入された後、冷却媒体排出連通孔２６ｂから冷却媒体排出管路７０に排出される。従って、燃料電池１４ａで加温された冷却媒体が燃料電池スタック１０内を循環し、他の燃料電池１４ｂ〜１４ｅの暖機が行われる。
【００４３】
この後、開閉機構５６を構成する開閉スイッチ６２ａ〜６２ｅが開放されるとともに（ステップＳ１１）、メイン開閉スイッチ６６が閉じられる（ステップＳ１２および図６参照）。このため、燃料電池スタック１０は、回転負荷６４に接続されて始動が行われる（ステップＳ１３）。
【００４４】
この場合、第１の実施形態では、燃料電池スタック１０を構成する燃料電池１４ａが加熱機構５０を介して外部電力により加熱され、この燃料電池１４ａが所定の温度に暖機された後、発電することによって該燃料電池１４ａに隣接する燃料電池１４ｂの暖機が行われる。次いで、燃料電池１４ａ、１４ｂの発電により、この燃料電池１４ｂに隣接する燃料電池１４ｃが暖機され、以下、同様にして燃料電池１４ｃ、１４ｄおよび１４ｅの暖機が行われている。
【００４５】
このように、燃料電池スタック１０の中、燃料電池１４ａのみが外部電力により加熱されて所定の温度に暖機された後、この燃料電池１４ａが発電して他の燃料電池１４ｂの暖機が行われている。従って、燃料電池スタック１０全体を暖機する場合に比べ、暖機に必要な外部熱量が大幅に削減され、加熱機構５０は微小電流で確実な暖機を遂行することができる。
【００４６】
しかも、燃料電池１４ａ〜１４ｅにわたって、順次、発電による暖機が行われる。このため、燃料電池スタック１０全体の暖機時間を有効に短縮することができ、効率的な暖機が遂行されて迅速な始動が容易に可能になるという効果が得られる。
【００４７】
さらに、燃料電池スタック１０では、燃料電池１４ａ〜１４ｅを鉛直方向に積層するとともに、まず、最上位の燃料電池１４ａを加熱機構５０によって暖機した後、下方に隣接する燃料電池１４ｂの暖機を行っている。これにより、燃料電池スタック１０内の冷却媒体は、上方側から暖機されるために、この冷却媒体に対流が惹起されることがなく、確実かつ効率的な暖機が遂行されるという利点がある。
【００４８】
ところで、ステップＳ９に進んで電源部６０がオフされた後、燃料電池１４ａ〜１４ｅのいずれかが上限温度の設定温度に至る一方、全ての燃料電池１４ａ〜１４ｅが発電可能な設定温度に達しない場合がある。例えば、最下位の燃料電池１４ｅが発電可能な設定温度に至る前に、最上位の燃料電池１４ａが上限温度の設定温度に達した際には、図７に示すように、開閉スイッチ６２ａが開放される。このため、燃料電池１４ａの発電が停止され、この燃料電池１４ａの過熱を有効に阻止することができる。同様に、燃料電池１４ｅの暖機中に、例えば、燃料電池１４ｂが上限温度の設定温度に達した際には、開閉スイッチ６２ｂが開放されて前記燃料電池１４ｂの過熱を防止する。
【００４９】
図８は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック８０の概略構成説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１２と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態においても、同様にその詳細な説明は省略する。
【００５０】
燃料電池スタック８０は、複数の燃料電池８２ａ〜８２ｎを鉛直方向（矢印Ａ方向）に積層している。燃料電池スタック８０の最上位に配置される燃料電池８２ａに第１加熱機構８４ａが載置され、略中央部の燃料電池８２ｍと燃料電池８２ｍに隣接する燃料電池８２ｍ−１との間に第２加熱機構８４ｂが介装され、最下位の燃料電池８２ｎの下方に第３加熱機構８４ｃが配置される。第１〜第３加熱機構８４ａ〜８４ｃは、例えば、電気ヒータを備えており、加熱機構５０と同様に、外部の電源部（図示せず）から外部電力が付与される。
【００５１】
このように構成される燃料電池スタック８０では、例えば、氷点下等の低温始動を行う際には、まず、第１〜第３加熱機構８４ａ〜８４ｃに外部電力が付与されて加熱が開始される。このため、第１加熱機構８４ａに接する燃料電池８２ａ、第２加熱機構８４ｂに接する燃料電池８２ｍ、８２ｍ−１および第３加熱機構８４ｃに接する燃料電池８２ｎが加温されて暖機が行われる。
【００５２】
次いで、燃料電池８２ａが発電可能な温度に加熱されると、この燃料電池８２ａが発電を開始し、前記燃料電池８２ａに隣接する燃料電池８２ｂの暖機が行われる。同様に、燃料電池８２ｍ−１、８２ｍに隣接する燃料電池８２ｍ−２、８２ｍ＋１や、燃料電池８２ｎに隣接する燃料電池８２ｎ−１が暖機されて、所定の発電温度に至った後に、これらが発電される。
【００５３】
このようにして、順次、発電が行われるとともに、所定の時間経過後に、冷却媒体が循環される。そして、全ての燃料電池８２ａ〜８２ｎの暖機が終了した後、燃料電池スタック８０が回転負荷６４に接続されて、この回転負荷６４の運転が開始される。なお、各燃料電池８２ａ〜８２ｎを個別に発電させる構造は、第１の実施形態で使用された発電回路５４を採用すればよい。
【００５４】
また、第２の実施形態では、例えば、燃料電池スタック８０の運転が停止されてから比較的短時間内で始動を開始しようとする場合がある。その際、燃料電池スタック８０内に温度が発生し易いため、燃料電池８２ａ〜８２ｎ間の所定の位置で温度を検出し、最高温度が検出された燃料電池を外部電力により暖機することもできる。
【００５５】
例えば、燃料電池８２ａ、８２ｍおよび８２ｎの温度を検出して、前記燃料電池８２ｍが最高温度である際には、第２加熱機構８４ｂを駆動して該燃料電池８２ｍの暖機を最初に行う。これにより、暖機時間が有効に短縮され、効率的な暖機処理が遂行されるという効果が得られる。
【００５６】
図９は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック１００ａ、１００ｂ、１００ｃおよび１００ｄを組み込む燃料電池システム１０２の概略構成説明図であり、図１０は、前記燃料電池スタック１００ａの暖機と該燃料電池スタック１００ａに隣接する燃料電池スタック１００ｂ〜１００ｄの暖機を説明する概略構成図である。この第３の実施の形態に係る燃料電池スタック１００ａ〜１００ｄは、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０と同様に構成されている。
【００５７】
燃料電池システム１０２を構成する冷却媒体回路１０４は、ポンプ１０６を備えるとともに、このポンプ１０６にラジエータ１０８が併設される。ポンプ１０６は、燃料電池スタック１００ａ〜１００ｄに冷却媒体を直列的に供給する冷却媒体管路１１０を介して循環経路を構成している。冷却媒体管路１１０には、それぞれ切り換えバルブ１１２ａ〜１１２ｃを介して分岐管路１１４ａ〜１１４ｃが接続される。切り換えバルブ１１２ａ〜１１２ｃには、温度センサ１１６ａ〜１１６ｃが接続されている。
【００５８】
燃料電池スタック１００ａ〜１００ｄでは、燃料電池スタック１０ａの電気ヒータ５２ａ〜５２ｃが、この燃料電池スタック１００ｂ〜１００ｄを暖機するために組み込まれる一方、電気ヒータ５２ｄが、分岐管路１１４ｂ内の冷却媒体を加熱するために配置されている。
【００５９】
図１０に示すように、燃料電池スタック１００ａとポンプ１０６とは、開閉スイッチ１１８を介して開閉自在であるとともに、前記燃料電池スタック１００ａと燃料電池スタック１００ｂとは、メイン開閉スイッチ１２０により接続可能である。
【００６０】
このように構成される第３の実施形態では、低温始動時には、開閉スイッチ６２ａ〜６２ｅ、１１８およびメイン開閉スイッチ６６、１２０が全て開放されている。そして、まず、燃料電池スタック１００ａが、第１の実施形態と同様に、燃料電池１４ａから、順次、発電を行って、この燃料電池スタック１００ａ全体の暖機が行われる。
【００６１】
燃料電池スタック１００ａの暖機が終了すると、開閉スイッチ６２ａ〜６２ｅが開放されるとともに、開閉スイッチ１１８が閉じられる。このため、燃料電池スタック１００ａからポンプ１０６に電力が供給されて、このポンプ１０６の駆動作用下に冷却媒体回路１０４を冷却媒体が循環する。
【００６２】
その際、図９に示すように、冷却媒体管路１１０に分岐管路１１４ｂ、１１４ｃが接続されており、この経路に沿って、すなわち、燃料電池スタック１００ａのみに冷却媒体が循環している。一方、燃料電池スタック１００ａに設けられる電気ヒータ５２ａ〜５２ｃは、他の燃料電池スタック１００ｂ〜１００ｄの暖機を行っている。
【００６３】
燃料電池スタック１００ａから排出される冷却媒体の温度は、温度センサ１１６ａにより検出されている。そこで、燃料電池スタック１００ａから排出される冷却媒体の温度が、例えば、５℃以上になると、切り換えバルブ１１２ａが切り換えられて分岐管路１１４ａが冷却媒体管路１１０に接続される（図１１参照）。このため、冷却媒体は、分岐管路１１４ａに配設されている電気ヒータ５２ｄによって暖められた後、燃料電池スタック１００ｂ〜１００ｄに供給される。この加温された冷却媒体が燃料電池スタック１００ｂ〜１００ｄ内を流れることによって、前記燃料電池スタック１００ｂ〜１００ｄが暖機される。
【００６４】
次いで、温度センサ１１６ｂにより検出される冷却媒体の温度が、例えば、５℃以上になると、燃料電池スタック１００ｂ〜１００ｄの暖機が終了する。そして、燃料電池スタック１００ｂ〜１００ｄの発電が開始され、通常の発電運転状態に移行する（図１２参照）。なお、温度センサ１１６の検出温度が、例えば、８０℃以上になると、冷却媒体がラジエータ１０８に送られて強制冷却された後、各燃料電池スタック１００ａ〜１００ｄに供給される。
【００６５】
上記のように、燃料電池スタック１００ａ〜１００ｄが暖機された後、開閉スイッチ１１８が開放されるとともに、メイン開閉スイッチ６６、１２０が閉じられる。これにより、燃料電池スタック１００ａ〜１００ｄが回転負荷６４に電気的に接続され、前記燃料電池スタック１００ａ〜１００ｄが発電されることによって、前記回転負荷６４が駆動を開始する。
【００６６】
このように、第３の実施形態では、まず、燃料電池スタック１００ａを構成する全ての燃料電池１４ａ〜１４ｅの暖機を行った後、この燃料電池スタック１００ａの発電作用下に、他の燃料電池スタック１００ｂ〜１００ｄが全体的に暖機される。このため、複数の燃料電池スタック１００ａ〜１００ｄを備えた燃料電池システム１０２を迅速かつ効率的に暖機することができ、短時間で良好な始動が開始されるという効果が得られる。
【００６７】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックおよびその暖機方法では、燃料電池スタックの中、少なくとも１つの燃料電池が、外部電力により加熱されて所定の温度に暖機された後、この燃料電池が発電して該燃料電池に隣接する他の燃料電池の暖機が行われる。従って、燃料電池スタック全体を暖機する場合に比べ、暖機に必要な外部熱量が大幅に削減され、微少電流で確実な暖機が遂行される。
【００６８】
しかも、暖機された燃料電池が発電して他の燃料電池を暖機する工程が、繰り返されるため、燃料電池スタック全体が暖機される時間を有効に短縮することができる。これにより、効率的な暖機が行われて、迅速な始動が遂行可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックを組み込む燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図２】前記燃料電池の要部分解斜視図である。
【図３】本発明の燃料電池スタックの暖機方法を示すフローチャートである。
【図４】最上位の燃料電池が暖機された状態の説明図である。
【図５】２つの燃料電池が暖機された状態の説明図である。
【図６】全ての燃料電池が暖機された状態の説明図である。
【図７】最上位の燃料電池の発電を停止させる際の説明図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの概略構成説明図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックを組み込む燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図１０】前記燃料電池システムの要部構成説明図である。
【図１１】１の燃料電池スタックで他の燃料電池スタック全体を暖機する際の説明図である。
【図１２】前記燃料電池システムの通常の発電運転状態の説明図である。
【図１３】従来技術に係る燃料電池スタックの説明図である。
【符号の説明】
１０、８０、１００ａ〜１００ｄ…燃料電池スタック
１２、１０２…燃料電池システム
１４ａ〜１４ｅ、８２ａ〜８２ｎ…燃料電池
１６…電解質膜・電極構造体 １８、２０…セパレータ
３０…固体高分子電解質膜 ３２…アノード側電極
３４…カソード側電極 ３８…酸化剤ガス流路
４０…燃料ガス流路 ４２…冷却媒体流路
５０、８４ａ〜８４ｃ…加熱機構 ５２ａ〜５２ｄ、５８…電気ヒータ
５４…発電回路 ５６…開閉機構
６０…電源部 ６２ａ〜６２ｅ、１１８…開閉スイッチ
６４…回転負荷 ６６、１２０…メイン開閉スイッチ
７２、１０６…ポンプ １０４…冷却媒体回路
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた構造体が、一対のセパレータにより挟持された燃料電池を備え、複数の燃料電池を積層した燃料電池スタックおよびその暖機方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより構成されている。この種の燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体およびセパレータを所定数だけ交互に積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、この種の燃料電池は、低温始動される際に発電効率が低下するため、所望の発電状態に至るまでに相当な時間がかかってしまう。特に、氷点下での始動では、外部への放熱によって結露が発生し易く、生成水の排出性が低下して発電性能が低下するという不具合が指摘されている。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献１には、燃料電池スタックに外部電気回路が接続可能に設けられており、前記燃料電池スタックを構成する電解質膜・電極構造体の少なくとも一部の温度が水の凝固温度を超過するように、前記燃料電池スタックから前記外部電気回路に電流を供給する技術が開示されている。
【０００６】
具体的には、図１３に示すように、燃料電池スタック１は、正または負のバスプレート２、３を設けており、このバスプレート２、３には、可変負荷４を有する外部回路５がスイッチ６により電気的に接続可能に構成されている。
【０００７】
【特許文献１】
特表２０００−５１２０６８号公報（図３）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の特許文献１では、自己発熱によって燃料電池スタック１全体を低温から始動するため、加熱に必要な熱量が非常に多くなってしまう。これにより、例えば、電気ヒータからの加熱では、暖機時間が相当に長くなるとともに、非常に大きな電気容量が必要になるという問題がある。しかも、特に氷点下での始動では、結露水の凍結が惹起して発電が行われないという問題がある。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成および工程で、確実な暖機を短時間で行うことができ、迅速な始動が遂行可能な燃料電池スタックおよびその暖機方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池スタックでは、電解質の両側に一対の電極を設けた構造体が、一対のセパレータにより挟持された燃料電池を、複数積層した燃料電池スタックであって、少なくとも１つの燃料電池を、外部電力により加熱する加熱機構と、前記燃料電池を発電させるための発電回路と、前記加熱機構により加熱され暖機が完了した少なくとも１つの燃料電池を前記発電回路に接続するとともに、前記少なくとも１つの燃料電池に積層される他の燃料電池を、前記発電回路に対して個別に接続および離脱可能な開閉機構とを具備している。
また、本発明の請求項２に係る燃料電池スタックでは、前記開閉機構は、前記少なくとも１つの燃料電池に隣接する他の燃料電池の暖機が完了したとき、前記他の燃料電池を前記発電回路に接続する。
【００１１】
このため、まず、少なくとも１つの燃料電池が、外部電力により加熱されて所定の温度に暖機された後に発電し、該少なくとも１つの燃料電池に隣接する他の燃料電池が暖機される。次いで、少なくとも１つの燃料電池および暖機された他の燃料電池が発電して、該他の燃料電池に隣接する別の燃料電池が暖機される。以下、積層された全ての燃料電池に対して上記の工程が繰り返し行われることにより、該全ての燃料電池が暖機される（本発明の請求項３に係る燃料電池スタックの暖機方法）。
【００１２】
このように、燃料電池スタックの中、少なくとも１つの燃料電池が外部電力により加熱されて所定の温度に暖機された後、この燃料電池が発電して該燃料電池に隣接する他の燃料電池の暖機が行われる。従って、燃料電池スタック全体を暖機する場合に比べ、暖機に必要な外部熱量が大幅に削減され、微少電流で確実な暖機が遂行される。
【００１３】
しかも、暖機された燃料電池が発電して他の燃料電池を暖機する工程が、繰り返し行われるため、燃料電池スタック全体が暖機される時間を有効に短縮することができる。このため、効率的な暖機が行われて、迅速な始動が遂行可能になる。
【００１４】
また、本発明の請求項４に係る燃料電池スタックの暖機方法では、燃料電池が鉛直方向に積層されるとともに、冷却媒体を供給して熱の授受を行う冷却媒体流路を設けている。そして、外部電力により最上位の燃料電池が暖機された後、前記最上位の燃料電池が発電して、該最上位の燃料電池の下方に隣接する燃料電池が暖機される。これにより、冷却媒体は、上方側から暖機されるため、この冷却媒体の対流が惹起されることがなく、暖機が確実かつ効率的に行われる。
【００１５】
さらに、本発明の請求項５に係る燃料電池スタックの暖機方法では、複数の燃料電池の温度が検出され、最高温度が検出された少なくとも１つの燃料電池を、外部電力により暖機する。従って、燃料電池の暖機時間が有効に短縮され、効率的な暖機処理が遂行される。
【００１６】
さらにまた、本発明の請求項６に係る燃料電池スタックの暖機方法では、複数の燃料電池スタックを備えており、１の燃料電池スタックを構成する全ての燃料電池の暖機を行った後、該１の燃料電池スタックの発電作用下に、少なくとも他の１の燃料電池スタック全体が暖機される。このため、複数の燃料電池スタックを迅速かつ効率的に暖機することができ、始動が短時間で良好に行われる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０を組み込む燃料電池システム１２の概略構成説明図である。
【００１８】
燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池１４ａ〜１４ｅを鉛直方向（矢印Ａ方向）に積層している。図１では、説明の便宜上、５つの燃料電池１４ａ〜１４ｅが積層されているが、実際には、数十〜数百の燃料電池が積層されている。
【００１９】
そこで、以下、燃料電池１４ａについて詳細に説明し、前記燃料電池１４ａと同様に構成されている燃料電池１４ｂ〜１４ｅについては、同一の構成要素に同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００２０】
図２に示すように、燃料電池１４ａは、電解質膜・電極構造体１６と、前記電解質膜・電極構造体１６を挟持する第１および第２セパレータ１８、２０とを備える。電解質膜・電極構造体１６と第１および第２セパレータ１８、２０との間には、後述する連通孔の周囲および電極面（発電面）の外周を覆って、ガスケット等のシール部材２２が介装されている。
【００２１】
燃料電池１４ａの矢印Ｂ方向の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔２４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔２６ｂ、および燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔２８ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２２】
燃料電池１４ａの矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔２８ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔２６ａ、および酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔２４ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２３】
電解質膜・電極構造体１６は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸されてなる固体高分子電解質膜３０と、該固体高分子電解質膜３０を挟持するアノード側電極３２およびカソード側電極３４とを備える（図１および図２参照）。
【００２４】
アノード側電極３２およびカソード側電極３４は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布した電極触媒層とをそれぞれ有する。電極触媒層は、互いに固体高分子電解質膜３０を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜３０の両面に接合されている。シール部材２２の中央部には、アノード側電極３２およびカソード側電極３４に対応して開口部３６が形成されている。
【００２５】
第１セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１６側の面１８ａには、酸化剤ガス供給連通孔２４ａと酸化剤ガス排出連通孔２４ｂとに連通する酸化剤ガス流路３８が設けられる。図２に示すように、酸化剤ガス流路３８は、例えば、矢印Ｂ方向に蛇行しながら矢印Ｃ方向に延在する複数本の溝部（サーペンタイン溝部）を有する。
【００２６】
第２セパレータ２０の電解質膜・電極構造体１６側の面２０ａには、燃料ガス供給連通孔２８ａと燃料ガス排出連通孔２８ｂとに連通する燃料ガス流路４０が形成される。この燃料ガス流路４０は、例えば、矢印Ｂ方向に蛇行しながら矢印Ｃ方向に延在する複数本の溝部（サーペンタイン溝部）を有する。
【００２７】
第２セパレータ２０の面２０ａとは反対の面２０ｂには、冷却媒体供給連通孔２６ａと冷却媒体排出連通孔２６ｂとに連通する冷却媒体流路４２が形成される。この冷却媒体流路４２は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の直線流路溝により構成される。
【００２８】
図１に示すように、燃料電池システム１２は、燃料電池スタック１０の最上位に配置される燃料電池１４ａを、外部電力により加熱する加熱機構５０と、所定数、例えば、４つの燃料電池１４ａ〜１４ｄに対応する４つの電気ヒータ（負荷）５２ａ〜５２ｄが設けられた発電回路５４と、前記燃料電池１４ａ〜１４ｄを、前記発電回路５４に対して個別に接続および離脱可能な開閉機構５６とを備える。
【００２９】
加熱機構５０は、燃料電池１４ａに接するように配置される電気ヒータ５８を備え、この電気ヒータ５８が電源部６０に接続される。開閉機構５６は、燃料電池１４ａ〜１４ｄに対応して設けられる開閉スイッチ６２ａ〜６２ｅを備える。この開閉スイッチ６２ａ〜６２ｅには、例えば、バイメタルやペルチェ素子等が使用される。
【００３０】
燃料電池スタック１０の積層方向両端には、モータ等の回転負荷６４がメイン開閉スイッチ６６を介して電気的に接続される。燃料電池１４ｅ側には、冷却媒体供給連通孔２６ａに接続される冷却媒体供給管路６８と、冷却媒体排出連通孔２６ｂに接続される冷却媒体排出管路７０とが設けられる。冷却媒体供給管路６８と冷却媒体排出管路７０とは、ポンプ７２に接続されている。
【００３１】
このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、燃料電池システム１２との関連で、図３に示すフローチャートに沿って以下に説明する。
【００３２】
まず、氷点下等の低温始動を行う際には、運転時に結露の凍結が惹起するおそれがあり、燃料電池スタック１０を暖機する必要がある。そこで、図１に示すように、開閉機構５６を構成する開閉スイッチ６２ａ〜６２ｅおよびメイン開閉スイッチ６６が全て開放される（ステップＳ１）。
【００３３】
この状態で、電源部６０がオンされて（ステップＳ２）、電気ヒータ５８が加熱される。このため、電気ヒータ５８に接するように配置されている最上位の燃料電池１４ａ（第１ＦＣ）は、この電気ヒータ５８によって昇温される。そして、最上位の燃料電池１４ａが発電可能な温度（以下、発電温度ともいう）に昇温されると（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、この燃料電池１４ａによる発電が開始される（ステップＳ４）。
【００３４】
具体的には、図１に示すように、燃料電池スタック１０内には、図示しない燃料ガス供給管路から水素含有ガス等の燃料ガス供給されるとともに、図示しない酸化剤ガス供給管路から空気等の酸素含有ガスである酸化剤ガスが供給される。さらに、開閉スイッチ６２ａ、６２ｂが閉じられて、燃料電池１４ａが発電回路５４に接続される（図４参照）。
【００３５】
このため、図２に示すように、燃料電池１４ａでは、酸化剤ガス供給連通孔２４ａから第１セパレータ１８の酸化剤ガス流路３８に酸化剤ガスが導入され、この酸化剤ガスが電解質膜・電極構造体１６を構成するカソード側電極３４に沿って移動する。また、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔２８ａから第２セパレータ２０の燃料ガス流路４０に導入され、電解質膜・電極構造体１６を構成するアノード側電極３２に沿って移動する。
【００３６】
従って、電解質膜・電極構造体１６では、カソード側電極３４に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３２に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００３７】
次いで、アノード側電極３２に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔２８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、カソード側電極３４に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔２４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００３８】
このため、燃料電池１４ａが自己発熱によって暖機されるとともに、この燃料電池１４ａ内に充填されている純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体が加温される。従って、燃料電池１４ａ自体が昇温するとともに、この燃料電池１４ａの下方に隣接する燃料電池１４ｂ（第２ＦＣ）が昇温する。そして、燃料電池１４ａが設定温度（例えば、８０℃）以下であれば（ステップＳ５中、ＮＯ）、ステップＳ６に進んで、燃料電池１４ｂが発電可能な温度に昇温したか否かの判断がなされる。
【００３９】
燃料電池１４ｂが暖機されて所定の発電温度に至ると（ステップＳ６中、ＹＥＳ）、開閉スイッチ６２ｃが閉じられて、この燃料電池１４ｂが発電回路５４に接続される（図５参照）。これにより、燃料電池１４ｂでは、上記の燃料電池１４ａと同様に発電が行われ（ステップＳ７）、前記燃料電池１４ｂの下方に隣接する燃料電池１４ｃの暖機が行われる。
【００４０】
燃料電池１４ｂを介して燃料電池１４ｃの暖機が行われると、暖機前の燃料電池１４ｄ、１４ｅが存在するため（ステップＳ８中、ＮＯ）、ステップＳ５に戻って、燃料電池１４ａが設定温度を超えたか否かの判断がなされる。そして、燃料電池１４ａが暖気されて設定温度に至ると、ステップＳ９に進んで電源部６０がオフされ、電気ヒータ５８による前記燃料電池１４ａの加熱が停止される。
【００４１】
燃料電池１４ｂによる暖機を介し、燃料電池１４ｃが発電温度に至ると、開閉スイッチ６２ｄが閉じられて、この燃料電池１４ｃが発電回路５４に接続されて発電が開始される。さらに、燃料電池１４ｃの発電によって燃料電池１４ｄが発電温度に至ると、開閉スイッチ６２ｅが閉じられて、この燃料電池１４ｄの発電が行われて燃料電池１４ｅの暖機が行われる。
【００４２】
上記のようにして、全ての燃料電池１４ａ〜１４ｄが発電可能な状態に至ると、ステップＳ１０に進んでポンプ７２がオンされる。このため、冷却媒体供給管路６８から冷却媒体供給連通孔２６ａに冷却媒体が供給され、この冷却媒体は、図２に示すように、第２セパレータ２０の冷却媒体流路４２に導入された後、冷却媒体排出連通孔２６ｂから冷却媒体排出管路７０に排出される。従って、燃料電池１４ａで加温された冷却媒体が燃料電池スタック１０内を循環し、他の燃料電池１４ｂ〜１４ｅの暖機が行われる。
【００４３】
この後、開閉機構５６を構成する開閉スイッチ６２ａ〜６２ｅが開放されるとともに（ステップＳ１１）、メイン開閉スイッチ６６が閉じられる（ステップＳ１２および図６参照）。このため、燃料電池スタック１０は、回転負荷６４に接続されて始動が行われる（ステップＳ１３）。
【００４４】
この場合、第１の実施形態では、燃料電池スタック１０を構成する燃料電池１４ａが加熱機構５０を介して外部電力により加熱され、この燃料電池１４ａが所定の温度に暖機された後、発電することによって該燃料電池１４ａに隣接する燃料電池１４ｂの暖機が行われる。次いで、燃料電池１４ａ、１４ｂの発電により、この燃料電池１４ｂに隣接する燃料電池１４ｃが暖機され、以下、同様にして燃料電池１４ｃ、１４ｄおよび１４ｅの暖機が行われている。
【００４５】
このように、燃料電池スタック１０の中、燃料電池１４ａのみが外部電力により加熱されて所定の温度に暖機された後、この燃料電池１４ａが発電して他の燃料電池１４ｂの暖機が行われている。従って、燃料電池スタック１０全体を暖機する場合に比べ、暖機に必要な外部熱量が大幅に削減され、加熱機構５０は微小電流で確実な暖機を遂行することができる。
【００４６】
しかも、燃料電池１４ａ〜１４ｅにわたって、順次、発電による暖機が行われる。このため、燃料電池スタック１０全体の暖機時間を有効に短縮することができ、効率的な暖機が遂行されて迅速な始動が容易に可能になるという効果が得られる。
【００４７】
さらに、燃料電池スタック１０では、燃料電池１４ａ〜１４ｅを鉛直方向に積層するとともに、まず、最上位の燃料電池１４ａを加熱機構５０によって暖機した後、下方に隣接する燃料電池１４ｂの暖機を行っている。これにより、燃料電池スタック１０内の冷却媒体は、上方側から暖機されるために、この冷却媒体に対流が惹起されることがなく、確実かつ効率的な暖機が遂行されるという利点がある。
【００４８】
ところで、ステップＳ９に進んで電源部６０がオフされた後、燃料電池１４ａ〜１４ｅのいずれかが上限温度の設定温度に至る一方、全ての燃料電池１４ａ〜１４ｅが発電可能な設定温度に達しない場合がある。例えば、最下位の燃料電池１４ｅが発電可能な設定温度に至る前に、最上位の燃料電池１４ａが上限温度の設定温度に達した際には、図７に示すように、開閉スイッチ６２ａが開放される。このため、燃料電池１４ａの発電が停止され、この燃料電池１４ａの過熱を有効に阻止することができる。同様に、燃料電池１４ｅの暖機中に、例えば、燃料電池１４ｂが上限温度の設定温度に達した際には、開閉スイッチ６２ｂが開放されて前記燃料電池１４ｂの過熱を防止する。
【００４９】
図８は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック８０の概略構成説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１２と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態においても、同様にその詳細な説明は省略する。
【００５０】
燃料電池スタック８０は、複数の燃料電池８２ａ〜８２ｎを鉛直方向（矢印Ａ方向）に積層している。燃料電池スタック８０の最上位に配置される燃料電池８２ａに第１加熱機構８４ａが載置され、略中央部の燃料電池８２ｍと燃料電池８２ｍに隣接する燃料電池８２ｍ−１との間に第２加熱機構８４ｂが介装され、最下位の燃料電池８２ｎの下方に第３加熱機構８４ｃが配置される。第１〜第３加熱機構８４ａ〜８４ｃは、例えば、電気ヒータを備えており、加熱機構５０と同様に、外部の電源部（図示せず）から外部電力が付与される。
【００５１】
このように構成される燃料電池スタック８０では、例えば、氷点下等の低温始動を行う際には、まず、第１〜第３加熱機構８４ａ〜８４ｃに外部電力が付与されて加熱が開始される。このため、第１加熱機構８４ａに接する燃料電池８２ａ、第２加熱機構８４ｂに接する燃料電池８２ｍ、８２ｍ−１および第３加熱機構８４ｃに接する燃料電池８２ｎが加温されて暖機が行われる。
【００５２】
次いで、燃料電池８２ａが発電可能な温度に加熱されると、この燃料電池８２ａが発電を開始し、前記燃料電池８２ａに隣接する燃料電池８２ｂの暖機が行われる。同様に、燃料電池８２ｍ−１、８２ｍに隣接する燃料電池８２ｍ−２、８２ｍ＋１や、燃料電池８２ｎに隣接する燃料電池８２ｎ−１が暖機されて、所定の発電温度に至った後に、これらが発電される。
【００５３】
このようにして、順次、発電が行われるとともに、所定の時間経過後に、冷却媒体が循環される。そして、全ての燃料電池８２ａ〜８２ｎの暖機が終了した後、燃料電池スタック８０が回転負荷６４に接続されて、この回転負荷６４の運転が開始される。なお、各燃料電池８２ａ〜８２ｎを個別に発電させる構造は、第１の実施形態で使用された発電回路５４を採用すればよい。
【００５４】
また、第２の実施形態では、例えば、燃料電池スタック８０の運転が停止されてから比較的短時間内で始動を開始しようとする場合がある。その際、燃料電池スタック８０内に温度が発生し易いため、燃料電池８２ａ〜８２ｎ間の所定の位置で温度を検出し、最高温度が検出された燃料電池を外部電力により暖機することもできる。
【００５５】
例えば、燃料電池８２ａ、８２ｍおよび８２ｎの温度を検出して、前記燃料電池８２ｍが最高温度である際には、第２加熱機構８４ｂを駆動して該燃料電池８２ｍの暖機を最初に行う。これにより、暖機時間が有効に短縮され、効率的な暖機処理が遂行されるという効果が得られる。
【００５６】
図９は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック１００ａ、１００ｂ、１００ｃおよび１００ｄを組み込む燃料電池システム１０２の概略構成説明図であり、図１０は、前記燃料電池スタック１００ａの暖機と該燃料電池スタック１００ａに隣接する燃料電池スタック１００ｂ〜１００ｄの暖機を説明する概略構成図である。この第３の実施の形態に係る燃料電池スタック１００ａ〜１００ｄは、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０と同様に構成されている。
【００５７】
燃料電池システム１０２を構成する冷却媒体回路１０４は、ポンプ１０６を備えるとともに、このポンプ１０６にラジエータ１０８が併設される。ポンプ１０６は、燃料電池スタック１００ａ〜１００ｄに冷却媒体を直列的に供給する冷却媒体管路１１０を介して循環経路を構成している。冷却媒体管路１１０には、それぞれ切り換えバルブ１１２ａ〜１１２ｃを介して分岐管路１１４ａ〜１１４ｃが接続される。切り換えバルブ１１２ａ〜１１２ｃには、温度センサ１１６ａ〜１１６ｃが接続されている。
【００５８】
燃料電池スタック１００ａ〜１００ｄでは、燃料電池スタック１０ａの電気ヒータ５２ａ〜５２ｃが、この燃料電池スタック１００ｂ〜１００ｄを暖機するために組み込まれる一方、電気ヒータ５２ｄが、分岐管路１１４ｂ内の冷却媒体を加熱するために配置されている。
【００５９】
図１０に示すように、燃料電池スタック１００ａとポンプ１０６とは、開閉スイッチ１１８を介して開閉自在であるとともに、前記燃料電池スタック１００ａと燃料電池スタック１００ｂとは、メイン開閉スイッチ１２０により接続可能である。
【００６０】
このように構成される第３の実施形態では、低温始動時には、開閉スイッチ６２ａ〜６２ｅ、１１８およびメイン開閉スイッチ６６、１２０が全て開放されている。そして、まず、燃料電池スタック１００ａが、第１の実施形態と同様に、燃料電池１４ａから、順次、発電を行って、この燃料電池スタック１００ａ全体の暖機が行われる。
【００６１】
燃料電池スタック１００ａの暖機が終了すると、開閉スイッチ６２ａ〜６２ｅが開放されるとともに、開閉スイッチ１１８が閉じられる。このため、燃料電池スタック１００ａからポンプ１０６に電力が供給されて、このポンプ１０６の駆動作用下に冷却媒体回路１０４を冷却媒体が循環する。
【００６２】
その際、図９に示すように、冷却媒体管路１１０に分岐管路１１４ｂ、１１４ｃが接続されており、この経路に沿って、すなわち、燃料電池スタック１００ａのみに冷却媒体が循環している。一方、燃料電池スタック１００ａに設けられる電気ヒータ５２ａ〜５２ｃは、他の燃料電池スタック１００ｂ〜１００ｄの暖機を行っている。
【００６３】
燃料電池スタック１００ａから排出される冷却媒体の温度は、温度センサ１１６ａにより検出されている。そこで、燃料電池スタック１００ａから排出される冷却媒体の温度が、例えば、５℃以上になると、切り換えバルブ１１２ａが切り換えられて分岐管路１１４ａが冷却媒体管路１１０に接続される（図１１参照）。このため、冷却媒体は、分岐管路１１４ａに配設されている電気ヒータ５２ｄによって暖められた後、燃料電池スタック１００ｂ〜１００ｄに供給される。この加温された冷却媒体が燃料電池スタック１００ｂ〜１００ｄ内を流れることによって、前記燃料電池スタック１００ｂ〜１００ｄが暖機される。
【００６４】
次いで、温度センサ１１６ｂにより検出される冷却媒体の温度が、例えば、５℃以上になると、燃料電池スタック１００ｂ〜１００ｄの暖機が終了する。そして、燃料電池スタック１００ｂ〜１００ｄの発電が開始され、通常の発電運転状態に移行する（図１２参照）。なお、温度センサ１１６の検出温度が、例えば、８０℃以上になると、冷却媒体がラジエータ１０８に送られて強制冷却された後、各燃料電池スタック１００ａ〜１００ｄに供給される。
【００６５】
上記のように、燃料電池スタック１００ａ〜１００ｄが暖機された後、開閉スイッチ１１８が開放されるとともに、メイン開閉スイッチ６６、１２０が閉じられる。これにより、燃料電池スタック１００ａ〜１００ｄが回転負荷６４に電気的に接続され、前記燃料電池スタック１００ａ〜１００ｄが発電されることによって、前記回転負荷６４が駆動を開始する。
【００６６】
このように、第３の実施形態では、まず、燃料電池スタック１００ａを構成する全ての燃料電池１４ａ〜１４ｅの暖機を行った後、この燃料電池スタック１００ａの発電作用下に、他の燃料電池スタック１００ｂ〜１００ｄが全体的に暖機される。このため、複数の燃料電池スタック１００ａ〜１００ｄを備えた燃料電池システム１０２を迅速かつ効率的に暖機することができ、短時間で良好な始動が開始されるという効果が得られる。
【００６７】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックおよびその暖機方法では、燃料電池スタックの中、少なくとも１つの燃料電池が、外部電力により加熱されて所定の温度に暖機された後、この燃料電池が発電して該燃料電池に隣接する他の燃料電池の暖機が行われる。従って、燃料電池スタック全体を暖機する場合に比べ、暖機に必要な外部熱量が大幅に削減され、微少電流で確実な暖機が遂行される。
【００６８】
しかも、暖機された燃料電池が発電して他の燃料電池を暖機する工程が、繰り返されるため、燃料電池スタック全体が暖機される時間を有効に短縮することができる。これにより、効率的な暖機が行われて、迅速な始動が遂行可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックを組み込む燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図２】前記燃料電池の要部分解斜視図である。
【図３】本発明の燃料電池スタックの暖機方法を示すフローチャートである。
【図４】最上位の燃料電池が暖機された状態の説明図である。
【図５】２つの燃料電池が暖機された状態の説明図である。
【図６】全ての燃料電池が暖機された状態の説明図である。
【図７】最上位の燃料電池の発電を停止させる際の説明図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの概略構成説明図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックを組み込む燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図１０】前記燃料電池システムの要部構成説明図である。
【図１１】１の燃料電池スタックで他の燃料電池スタック全体を暖機する際の説明図である。
【図１２】前記燃料電池システムの通常の発電運転状態の説明図である。
【図１３】従来技術に係る燃料電池スタックの説明図である。
【符号の説明】
１０、８０、１００ａ〜１００ｄ…燃料電池スタック
１２、１０２…燃料電池システム
１４ａ〜１４ｅ、８２ａ〜８２ｎ…燃料電池
１６…電解質膜・電極構造体 １８、２０…セパレータ
３０…固体高分子電解質膜 ３２…アノード側電極
３４…カソード側電極 ３８…酸化剤ガス流路
４０…燃料ガス流路 ４２…冷却媒体流路
５０、８４ａ〜８４ｃ…加熱機構 ５２ａ〜５２ｄ、５８…電気ヒータ
５４…発電回路 ５６…開閉機構
６０…電源部 ６２ａ〜６２ｅ、１１８…開閉スイッチ
６４…回転負荷 ６６、１２０…メイン開閉スイッチ
７２、１０６…ポンプ １０４…冷却媒体回路
Claims (6)
- 電解質の両側に一対の電極を設けた構造体が、一対のセパレータにより挟持された燃料電池を、複数積層した燃料電池スタックであって、
少なくとも１つの燃料電池を、外部電力により加熱する加熱機構と、
前記燃料電池を発電させるための発電回路と、
前記加熱機構により加熱され暖機が完了した少なくとも１つの燃料電池を前記発電回路に接続するとともに、前記少なくとも１つの燃料電池に積層される他の燃料電池を、前記発電回路に対して個別に接続および離脱可能な開閉機構と、
を具備したことを特徴とする燃料電池スタック。 - 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記開閉機構は、前記少なくとも１つの燃料電池に隣接する他の燃料電池の暖機が完了したとき、前記他の燃料電池を前記発電回路に接続することを特徴とする燃料電池スタック。
- 電解質の両側に一対の電極を設けた構造体が、一対のセパレータにより挟持された燃料電池を、複数積層した燃料電池スタックの暖機方法であって、
少なくとも１つの燃料電池を、外部電力により加熱して所定の温度に暖機する第１の工程と、
暖機された前記少なくとも１つの燃料電池を発電させ、該少なくとも１つの燃料電池に隣接する他の燃料電池を暖機する第２の工程と、
前記少なくとも１つの燃料電池および暖機された前記他の燃料電池を発電させ、該他の燃料電池に隣接する別の燃料電池を暖機する第３の工程と、
積層された全ての燃料電池に対し、上記の第３の工程を繰り返し行うことにより、該全ての燃料電池を暖機する第４の工程と、
を有することを特徴とする燃料電池スタックの暖機方法。 - 請求項３記載の暖機方法において、前記燃料電池は、鉛直方向に積層されるとともに、冷却媒体を供給して熱の授受を行う冷却媒体流路を設けており、
外部電力により最上位の燃料電池を暖機した後、前記最上位の燃料電池を発電させて、該最上位の燃料電池の下方に隣接する燃料電池を暖機することを特徴とする燃料電池スタックの暖機方法。 - 請求項３または４記載の暖機方法において、前記複数の燃料電池の温度を検出し、最高温度が検出された少なくとも１つの燃料電池を、外部電力により暖機することを特徴とする燃料電池スタックの暖機方法。
- 請求項３記載の暖機方法において、複数の燃料電池スタックを備えており、
１の燃料電池スタックを構成する全ての燃料電池の暖機を行った後、該１の燃料電池スタックの発電作用下に、少なくとも他の１の燃料電池スタック全体を暖機する第５の工程と、
を有することを特徴とする燃料電池スタックの暖機方法。
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