JP4303899B2 - 燃料電池スタックおよびその運転方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質の一方の側にアノード側電極を設け、他方の側にカソード側電極を設けた電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体をアノード側セパレータとカソード側セパレータとで挟持した単位セルを、複数個積層するとともに、前記単位セルの積層方向両端にアノード側集電板およびカソード側集電板を備えた燃料電池スタックおよびその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、各種の燃料電池が開発されており、例えば、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）が知られている。この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）からなる電解質膜を採用しており、この電解質膜の両側に、それぞれ触媒電極と多孔質カーボンからなるアノード側電極およびカソード側電極を対設して構成される電解質（膜）・電極構造体を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより構成される単位セル（単位発電セル）を備えており、通常、この単位セルを所定数だけ積層して燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この種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、触媒電極上で水素がイオン化され、電解質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、燃料電池スタックでは、外部への放熱によって他の単位セルに比べて温度低下が惹起され易い単位セルが存在している。例えば、積層方向端部に配置されている単位セル（以下、端部セルともいう）は、片側が外気に曝されるために、上記の温度低下が顕著になる。この温度低下によって、端部セルの発電性能が低下する場合がある他、結露が発生して生成水の排出性が低下し、特に高電流側でセル電圧が低下するという不具合が指摘されている。
【０００５】
また、燃料電池スタックを氷点下雰囲気で起動する場合、この燃料電池スタック内部の温度と外気温度との差が大きくなり、特に端部セルの温度低下が著しいものとなる。さらに、端部セルでは、氷点下雰囲気での起動に際して、発電と同時に生成水が発生し、この端部セルが氷点下以下に冷やされることにより前記生成水が凍って反応ガス流路（酸化剤ガス流路および／または燃料ガス流路）または多孔質カーボンが閉塞されるおそれがある。従って、反応ガス流路または多孔質カーボンの閉塞による反応ガス不足に起因して、端部セルの電圧が低下するという問題がある。
【０００６】
そこで、例えば、特開平８−１３００２８号公報（以下、従来技術１という）に開示されているように、端部セルを構成する外側のセパレータに、冷却用流体通流用の溝が形成されておらず、このセパレータを冷却用流体により冷却し過ぎない構造の固体高分子電解質型燃料電池が知られている。これにより、端部セルの冷やし過ぎを防止している。
【０００７】
また、特開平８−１６７４２４号公報（以下、従来技術２という）に開示された固体高分子電解質型燃料電池では、単位燃料電池の積層体の少なくとも両端末に位置するセパレータの外側面に当接されている集電板の部位に、固体高分子電解質型燃料電池が出力する電流によって加熱される発熱体が形成されており、これによって端部セルの冷やし過ぎを阻止することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術１では、冷却用流体通流用の溝が形成されたセパレータと、この溝が形成されないセパレータとが必要となっている。これにより、セパレータの種類が多くなり、前記セパレータの製造工程が複雑化するとともに、製造コストが高騰するという問題がある。
【０００９】
さらに、上記の従来技術２では、発熱体が集電板と単電池（単位セル）との間に設けられており、この発熱体を介して、常に、固体高分子電解質型燃料電池が出力する電力を消費している。従って、定常状態の運転時のように端部セルの加熱が不要である際にも、電力を無駄に消費することになり、燃料電池スタック全体の発電効率が低下してしまう。
【００１０】
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、単位セルの温度低下を有効に阻止し、各単位セルの発電性能を向上させるとともに、効率的な発電が可能な燃料電池スタックおよびその運転方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【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、電解質の一方の側にアノード側電極を設け、他方の側にカソード側電極を設けた電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体をアノード側セパレータとカソード側セパレータとで挟持した単位セルを、複数個積層するとともに、前記単位セルの積層方向両端に設けられたアノード側集電板およびカソード側集電板の少なくともいずれか一方の外側に、該燃料電池スタックから電力を取り出す電力取り出し端子を設けた発熱体が配設されるとともに、前記アノード側集電板または前記カソード側集電板の少なくともいずれか一方に設けられた電力取り出し端子と、前記発熱体に設けられた前記電力取り出し端子とが接続される切り換えスイッチを備えている。
【００１２】
そこで、比較的低温雰囲気で燃料電池スタックの運転が開始されると、まず、発熱体に設けられた電力取り出し端子から電力の取り出しが行われる一方、前記燃料電池スタックが定常運転状態に至った際には、前記発熱体から切り替えてアノード側集電板およびカソード側集電板から電力が取り出される。
【００１３】
このため、燃料電池スタックの始動時に、端部セルから外部への放熱を阻止することができ、前記端部セルの温度低下を有効に防止することができる。これにより、温度低下による端部セルの発電性能の低下や、生成水の結露によるセル電圧の低下等を回避し、所望の発電性能を確実に維持することが可能になる。しかも、燃料電池スタックが定常運転状態に至ることにより、端部セルの加熱が不要となった際には、発熱体への電力の供給が停止される。従って、電力を不必要に消費することがなく、燃料電池スタックを介して効率的な発電が確実に遂行される。
【００１４】
特に、燃料電池スタックが氷点下雰囲気で起動される際には、発熱体を介して端部セルが昇温されるため、この端部セルが氷点下以下に冷やされて生成水の凍結が惹起されることがない。従って、反応ガス流路の閉塞による反応ガス不足を有効に阻止して、端部セルの電圧低下を確実に防止することができる。
【００１５】
また、本発明の請求項３に係る燃料電池スタックの運転方法では、燃料電池スタックが定常運転状態であるか否かを判断し、前記燃料電池スタックが定常運転状態でない際には、発熱体に設けられた電力取り出し端子から電力を取り出す一方、前記燃料電池スタックが定常運転状態である際には、前記発熱体から切り替えてアノード側集電板およびカソード側集電板より電力を取り出すようにしている。
【００１６】
このため、例えば、燃料電池スタックの運転中に負荷が下がって前記燃料電池スタックの発熱量に対して端部セルの放熱量が増加し、この端部セルの温度が低下した際には、電力の取り出しを発電体側に切り替えることにより、前記端部セルからの放熱を防止することができる。これにより、端部セルは放熱の増大による電圧低下を惹起することがなく、所望の発電性能を有効に維持することが可能になる。
【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の概略斜視図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の電力取り出し回路の説明図であり、図３は、前記燃料電池スタック１０の要部分解斜視図である。
【００１８】
燃料電池スタック１０は、複数の単位セル１２を矢印Ａ方向に積層しており、前記単位セル１２の積層方向両端には、端部セル１２ａ、１２ｂが配置される。端部セル１２ａ、１２ｂの外方には、カソード側集電板１４ａおよびアノード側集電板１４ｂを介して発熱体１６ａ、１６ｂが配置され、前記発熱体１６ａ、１６ｂの外方側には、絶縁板１８ａ、１８ｂを介してエンドプレート２０ａ、２０ｂが配設される。エンドプレート２０ａ、２０ｂが図示しないタイロッド等によって一体的に締め付けられることにより、燃料電池スタック１０が構成される。
【００１９】
図１に示すように、エンドプレート２０ａの長辺側の一端縁部には、上下方向に向かって酸化剤ガス供給口２２ａ、燃料ガス排出口２４ｂおよび冷却媒体供給口２６ａが形成される。エンドプレート２０ａの長辺側の他端縁部には、上下方向に向かって冷却媒体排出口２６ｂ、燃料ガス供給口２４ａおよび酸化剤ガス排出口２２ｂが形成される。エンドプレート２０ｂの略中央には、電力取り出し端子用孔部２８が設けられている。
【００２０】
単位セル１２および端部セル１２ａ、１２ｂは、同様に構成されており、図３に示すように、前記端部セル１２ａは、電解質膜・電極構造体３０を備えている。この電解質膜・電極構造体３０は、固体高分子電解質膜３２の一方の面にアノード側電極３４を設け、他方の面にカソード側電極３６を設けている。アノード側電極３４およびカソード側電極３６は、貴金属系の触媒電極層を、例えば、多孔質層である多孔質カーボンペーパ等からなるガス拡散層に接合して構成されている。
【００２１】
電解質膜・電極構造体３０は、導電性のアノード側セパレータ３８とカソード側セパレータ４０とで挟持されることにより、端部セル１２ａが構成される。端部セル１２ａの長辺方向（矢印Ｂ方向）一端縁部には、酸化剤ガス供給路４２ａ、燃料ガス排出路４４ｂおよび冷却媒体供給路４６ａが設けられるとともに、前記端部セル１２ａの長辺方向他端縁部には、冷却媒体排出路４６ｂ、燃料ガス供給路４４ａおよび酸化剤ガス排出路４２ｂが設けられる。
【００２２】
アノード側セパレータ３８は、アノード側電極３４に対向する面３８ａに燃料ガス流路４８を設ける。この燃料ガス流路４８は、燃料ガス供給路４４ａに一端側が連通するとともに、燃料ガス排出路４４ｂに他端側が連通する複数本の流路溝により構成される。
【００２３】
カソード側セパレータ４０のカソード側電極３６に対向する面４０ａには、アノード側セパレータ３８と同様に、両端が酸化剤ガス供給路４２ａと酸化剤ガス排出路４２ｂとに連通する複数本の酸化剤ガス流路５０が設けられる。カソード側セパレータ４０の面４０ｂには、冷却媒体供給路４６ａと冷却媒体排出路４６ｂとに連通する冷却媒体流路５２が設けられる。
【００２４】
集電板１４ａは、例えば、金メッキ銅等の良導電体ターミナルで構成されており、その略中央部には、面方向に直交する方向（矢印Ａ方向）に突出して電力取り出し端子５４が設けられる。発熱体１６ａは、例えば、電熱用合金材等の低導電体ターミナルで構成されており、その略中央部には、面方向に直交する方向に突出し、かつ集電板１４ａに設けられている電力取り出し端子５４が挿入される円筒状の電力取り出し端子５６が設けられる。
【００２５】
絶縁板１８ａの略中央部には、孔部５８が形成されており、発熱体１６ａの電力取り出し端子５６は、前記孔部５８からエンドプレート２０ａの孔部２８に挿入され、その先端部が前記エンドプレート２０ａから所定の長さだけ突出する。一方、電力取り出し端子５６内に挿入される集電板１４ａの電力取り出し端子５４は、前記電力取り出し端子５６の端面から所定距離だけ外部に突出している（図１参照）。
【００２６】
なお、集電板１４ｂおよび発熱体１６ｂ側は、上述した集電板１４ａおよび発熱体１６ａ側と同様に構成されており、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。
【００２７】
図２に示すように、集電板１４ａの電力取り出し端子５４と発熱体１６ａの電力取り出し端子５６とは、導線６０ａ、６０ｂを介して第１切り替えスイッチ６２に接続されるとともに、集電板１４ｂの電力取り出し端子５４と発熱体１６ｂの電力取り出し端子５６とは、導線６４ａ、６４ｂを介して第２切り替えスイッチ６６に接続される。
【００２８】
第１および第２切り替えスイッチ６２、６６間には、例えば、モータ等の負荷６８が電気的に接続されている。発熱体１６ａには、この発熱体１６ａの温度を検出する温度センサ７０が接続されており、この温度センサ７０による検出信号がＣＰＵ７４に入力されるとともに、このＣＰＵ７４は第１および第２切り替えスイッチ６２、６６を切り替え制御する。
【００２９】
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、以下に説明する。
【００３０】
図１に示すように、燃料電池スタック１０内には、燃料ガス供給口２４ａから水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給口２２ａ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、さらに冷却媒体供給口２６ａから純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体が供給される。このため、燃料電池スタック１０では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数の単位セル１２および端部セル１２ａ、１２ｂに対して燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体が供給される。
【００３１】
酸化剤ガス供給口２２ａに供給された酸化剤ガスは、図３に示すように、矢印Ａ方向に連通している酸化剤ガス供給路４２ａに沿って流動し、カソード側セパレータ４０の面４０ａに設けられている酸化剤ガス流路５０に導入される。この酸化剤ガス流路５０に導入された酸化剤ガスは、カソード側電極３６に沿って移動し、酸化剤ガス排出路４２ｂから未反応の酸化剤ガスが排出される。
【００３２】
一方、燃料ガス供給口２４ａに供給された燃料ガスは、矢印Ａ方向に延在している燃料ガス供給路４４ａに導入された後、アノード側セパレータ３８の面３８ａに設けられている燃料ガス流路４８に導入される。燃料ガス流路４８に導入された燃料ガスは、アノード側電極３４に沿って移動した後、未反応の前記燃料ガスが燃料ガス排出路４４ｂに排出される。従って、電解質膜・電極構造体３０では、カソード側電極３６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３４に供給される燃料ガスとが、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。
【００３３】
また、冷却媒体供給口２６ａに供給された冷却媒体は、カソード側セパレータ４０の面４０ｂに設けられている冷却媒体流路５２に導入され、電解質膜・電極構造体３０の発電面内を冷却した後、冷却媒体排出路４６ｂから排出される。
【００３４】
次に、本発明に係る運転方法について、図４に示すフロチャートに基づいて説明する。
【００３５】
まず、イグニッションがＯＮされることにより（ステップＳ１）、燃料電池スタック１０の運転が開始されると、発熱体１６ａに接続されている温度センサ７０を介してこの発熱体１６ａの温度が検出される（ステップ２）。そして、温度センサ７０による検出温度が、所定温度以下、例えば、７０℃未満である際には（ステップＳ２中、ＹＥＳ）、ステップＳ３に進んで、発熱体ＯＮ信号が出力される。
【００３６】
このため、ＣＰＵ７４を介して第１および第２切り替えスイッチ６２、６６が駆動され、発熱体１６ａ、１６ｂに設けられている電力取り出し端子５６が負荷６８に接続される（図２中、２点鎖線参照）。従って、燃料電池スタック１０から発熱体１６ａ、１６ｂを介して負荷６８に電力が供給される。
【００３７】
その際、発熱体１６ａ、１６ｂには、燃料電池スタック１０から出力される電流が供給されるため、前記発熱体１６ａ、１６ｂ自体が加熱され、前記発熱体１６ａ、１６ｂに近接配置されている端部セル１２ａ、１２ｂが加熱される。
【００３８】
次いで、イグニッションがＯＦＦされなければ（ステップＳ７中、ＮＯ）、ステップＳ２に戻って発熱体１６ａの温度が検出される。ここで、発熱体１６ａの温度が７０°以上となって定常運転状態に至ると（ステップＳ２中、ＮＯ）、ステップＳ５に進んで、発熱体１６ａ、１６ｂから集電板１４ａ、１４ｂに切り替えて電力の取り出しが行われる。
【００３９】
定常運転状態とは、発熱体１６ａが、例えば、７０℃以上の温度に至る状態をいい、ＣＰＵ７４は第１および第２切り替えスイッチ６２、６６を駆動制御し、集電板１４ａ、１４ｂに設けられている電力取り出し端子５４が負荷６８に接続されることにより、前記集電板１４ａ、１４ｂから電力の取り出しが行われる。
【００４０】
このように、第１の実施形態では、燃料電池スタック１０の始動時に発熱体１６ａの温度が比較的低温になっていると、発熱体１６ａ、１６ｂから電力の取り出しを行い、端部セル１２ａが所定の状態に至った後、この発熱体１６ａ、１６ｂから集電板１４ａ、１４ｂに切り替えて、正規の電力取り出し端子５４からの電力の取り出しが行われている。このため、燃料電池スタック１０の端部セル１２ａ、１２ｂからの放熱により、この端部セル１２ａ、１２ｂ内で発生した生成水が凝縮することがなく、しかも、前記端部セル１２ａ、１２ｂの温度低下による発電性能の低下を阻止することができる。
【００４１】
特に、第１の実施形態では、燃料電池スタック１０を氷点下雰囲気で起動する場合に好適に機能する。すなわち、氷点下雰囲気では、燃料電池スタック１０の内部の温度と外気温度との差が大きくなって、端部セル１２ａ、１２ｂの温度低下が著しいものとなる。従って、端部セル１２ａ、１２ｂでは、発電と同時に生成水が発生し、この端部セル１２ａ、１２ｂが氷点下以下に冷やされることによって、この生成水が凍って酸化剤ガス流路５０や燃料ガス流路４８、または多孔質層が閉塞されるおそれがある。
【００４２】
そこで、集電板１４ａ、１４ｂに代えて発熱体１６ａ、１６ｂから電力の取り出しを行うことにより、この発熱体１６ａ、１６ｂ自体を発熱させ、前記発熱体１６ａ、１６ｂに近接する端部セル１２ａ、１２ｂの温度低下を阻止する。これにより、端部セル１２ａ、１２ｂ内部での生成水の凍結を確実に阻止することが可能となる。
【００４３】
さらに、第１の実施形態では、端部セル１２ａが所定の状態に至った後、発熱体１６ａ、１６ｂから集電板１４ａ、１４ｂに切り替えて、この集電板１４ａ、１４ｂを介して電力の取り出しが行われている。このため、低導電体である発熱体１６ａ、１６ｂに、常時、電力を供給する必要がなく、効率的な発電が遂行可能になるという効果が得られる。
【００４４】
さらにまた、第１の実施形態では、通常運転中において、燃料電池スタック１０の出力を低下させることにより、この燃料電池スタック１０の温度が低下した際にも、発熱体１６ａ、１６ｂを介して電力の取り出しを行うことによって、特に端部セル１２ａ、１２ｂの温度低下に伴う発電性能の低下を有効に阻止することができる。
【００４５】
このように、第１の実施形態では、定常運転状態において、発熱体１６ａ、１６ｂを電力取り出し経路から切り離して、正規の集電板１４ａ、１４ｂによる電力の取り出しが行われている。そして、端部セル１２ａが所定の温度以下となった際のように、前記端部セル１２ａ、１２ｂの温度低下を惹起するおそれがある際に、集電板１４ａ、１４ｂから発熱体１６ａ、１６ｂに切り替えて、前記発熱体１６ａ、１６ｂを介して電力の取り出しが行われている。
【００４６】
このため、発熱体１６ａ、１６ｂを、常時、電力取り出し経路に接続して構成する従来技術に比べ、不要な消費電力を有効に削減することができ、効率的かつ経済的な電力取り出し作業が遂行可能となる利点が得られる。しかも、端部セル１２ａ、１２ｂの性能低下が惹起されることがなく、図５に示すように、燃料電池スタック１０の積層方向全体にわたって均一なセル電圧が得られ、発電性能の向上を容易に図ることが可能になる。
【００４７】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック８０の概略斜視図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０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の実施形態でも同様である。
【００４８】
燃料電池スタック８０は、単位セル１２の積層方向両端側に端部セル１２ａ、１２ｂを配置するとともに、前記端部セル１２ａ、１２ｂの外方にカソード側集電板８２ａおよびアノード側集電板８２ｂと発熱体８４ａ、８４ｂとを配設している。集電板８２ａ、８２ｂは、板状に構成されており、その一端部（上端部）には、屈曲する板状の電力取り出し端子８６ａ、８６ｂが一体的に形成されている。
【００４９】
発熱体８４ａ、８４ｂは、同様に板状に構成されており、それぞれの一端部（上端部）に屈曲する電力取り出し端子８８ａ、８８ｂが形成される。この電力取り出し端子８８ａ、８８ｂは、集電板８２ａ、８２ｂの電力取り出し端子８６ａ、８６ｂと干渉しないようにそれぞれの位置が設定されている。
【００５０】
このように構成される第２の実施形態では、電力取り出し端子８６ａ、８６ｂおよび８８ａ、８８ｂが屈曲する板状に構成されており、構造が有効に簡素化されるとともに、前記電力取り出し端子８６ａ、８６ｂおよび８８ａ、８８ｂからの放熱を有効に抑えることができる他、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５１】
図７は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック９０の概略斜視図である。
【００５２】
この燃料電池スタック９０は、集電板８２ａ、８２ｂの外方に積層される第１発熱体９２ａ、９２ｂ、第２発熱体９４ａ、９４ｂおよび第３発熱体９６ａ、９６ｂを備える。第１発熱体９２ａ、９２ｂ、第２発熱体９４ａ、９４ｂおよび第３発熱体９６ａ、９６ｂは、それぞれ屈曲する板状の電力取り出し端子９８ａ、９８ｂ、１００ａ、１００ｂおよび１０２ａ、１０２ｂを一体的に設けている。
【００５３】
図８に示すように、電力取り出し端子８６ａ、８６ｂ、９８ａ、９８ｂ、１００ａ、１００ｂおよび１０２ａ、１０２ｂは、導線１０４ａ、１０４ｂ、１０６ａ、１０６ｂ、１０８ａ、１０８ｂおよび１１０ａ、１１０ｂを介して第１および第２切り替えスイッチ１１２、１１４に接続されている。
【００５４】
第１および第２切り替えスイッチ１１２、１１４は、負荷６８に繋がる電力取り出し経路に対して、集電板８２ａ、８２ｂを接続させる位置と、前記集電板８２ａ、８２ｂに切り替えて第１発熱体９２ａ、９２ｂ、第２発熱体９４ａ、９４ｂまたは第３発熱体９６ａ、９６ｂの１組ずつ、２組ずつ、または３組全てを接続可能な位置との４位置に切り替え自在である。
【００５５】
このように、第３の実施形態では、定常運転時には、集電板８２ａ、８２ｂのみを負荷６８に接続して電力の取り出しを行う一方、端部セル１２ａ、１２ｂの温度低下の程度や外気温度の程度（氷点下以下等）に応じて、第１発熱体９２ａ、９２ｂのみを前記負荷６８に接続したり、第１および第２発熱体９２ａ、９２ｂおよび９４ａ、９４ｂを前記負荷６８に接続したり、第１乃至第３発熱体９２ａ、９２ｂ、９４ａ、９４ｂおよび９６ａ、９６ｂの全てを同時に前記負荷６８に接続したりすることができる。
【００５６】
これにより、運転状況の変化等に対応して、端部セル１２ａ、１２ｂを所望の発電性能に迅速かつ確実に維持することができ、燃料電池スタック９０全体の発電が効率的に遂行可能になるという効果が得られる。
【００５７】
なお、第１乃至第３の実施形態では、固体高分子電解質膜３２を備えた燃料電池スタック１０、８０および９０を用いて説明したが、これに限定されるものではなく、種々の形態の電解質を備えた燃料電池スタックに容易に適応することができる。
【００５８】
また、第１乃至第３の実施形態では、単位セル１２の積層方向両端に発熱体１６ａ、１６ｂ、８４ａ、８４ｂならびに第１乃至第３発熱体９２ａ、９２ｂ、９４ａ、９４ｂおよび９６ａ、９６ｂが配設されているが、前記単位セル１２の積層方向の一端にのみ設けてもよい。
【００５９】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックおよびその運転方法では、単位セルの積層方向両端に設けられたアノード側集電板およびカソード側集電板の少なくともいずれか一方の外側に、電力取り出し端子を設けた発熱体が配設され、積層方向端部側に配設されている前記単位セルの温度低下等が発生した際には、前記発熱体から電力の取り出しを行うことによって、該発熱体自体を発熱させている。
【００６０】
これにより、簡単な構成および工程で、単位セルの温度低下を有効に阻止し、前記単位セルの発電性能を有効に向上させることができる。しかも、燃料電池スタックが定常運転状態にある際には、発熱体からの電力の取り出しが行われず、前記発熱体による電力の消費を阻止して効率的な発電が確実に遂行可能になる。
【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の概略斜視図である。
【図２】前記燃料電池スタックの電力取り出し回路の説明図である。
【図３】前記燃料電池スタックの要部分解斜視図である。
【図４】前記燃料電池スタックの運転方法を説明するフロチャートである。
【図５】本発明方法によるセル電圧と、従来方法によるセル電圧との説明図である。
【図６】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斜視図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視図である。
【図８】前記燃料電池スタックの電力取り出し回路の説明図である。
【符号の説明】
１０、８０、９０…燃料電池スタック １２…単位セル
１２ａ、１２ｂ…端部セル
１４ａ、１４ｂ、８２ａ、８２ｂ…集電板
１６ａ、１６ｂ、８４ａ、８４ｂ、９２ａ、９２ｂ、９４ａ、９４ｂ、９６ａ、９６ｂ…発熱体
１８ａ、１８ｂ…絶縁板 ２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
３０…電解質膜・電極構造体 ３２…固体高分子電解質膜
３４…アノード側電極 ３６…カソード側電極
３８、４０…セパレータ ４２ａ…酸化剤ガス供給路
４２ｂ…酸化剤ガス排出路 ４４ａ…燃料ガス供給路
４４ｂ…燃料ガス排出路 ４６ａ…冷却媒体供給路
４６ｂ…冷却媒体排出路 ４８…燃料ガス流路
５０…酸化剤ガス流路 ５２…冷却媒体流路
５４、５６、８６ａ、８６ｂ、８８ａ、８８ｂ、９８ａ、９８ｂ、１００ａ、１００ｂ、１０２ａ、１０２ｂ…電力取り出し端子
６２、６６、１１２、１１４…切り替えスイッチ
７０…温度センサ ７４…ＣＰＵ
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質の一方の側にアノード側電極を設け、他方の側にカソード側電極を設けた電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体をアノード側セパレータとカソード側セパレータとで挟持した単位セルを、複数個積層するとともに、前記単位セルの積層方向両端にアノード側集電板およびカソード側集電板を備えた燃料電池スタックおよびその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、各種の燃料電池が開発されており、例えば、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）が知られている。この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）からなる電解質膜を採用しており、この電解質膜の両側に、それぞれ触媒電極と多孔質カーボンからなるアノード側電極およびカソード側電極を対設して構成される電解質（膜）・電極構造体を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより構成される単位セル（単位発電セル）を備えており、通常、この単位セルを所定数だけ積層して燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この種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、触媒電極上で水素がイオン化され、電解質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、燃料電池スタックでは、外部への放熱によって他の単位セルに比べて温度低下が惹起され易い単位セルが存在している。例えば、積層方向端部に配置されている単位セル（以下、端部セルともいう）は、片側が外気に曝されるために、上記の温度低下が顕著になる。この温度低下によって、端部セルの発電性能が低下する場合がある他、結露が発生して生成水の排出性が低下し、特に高電流側でセル電圧が低下するという不具合が指摘されている。
【０００５】
また、燃料電池スタックを氷点下雰囲気で起動する場合、この燃料電池スタック内部の温度と外気温度との差が大きくなり、特に端部セルの温度低下が著しいものとなる。さらに、端部セルでは、氷点下雰囲気での起動に際して、発電と同時に生成水が発生し、この端部セルが氷点下以下に冷やされることにより前記生成水が凍って反応ガス流路（酸化剤ガス流路および／または燃料ガス流路）または多孔質カーボンが閉塞されるおそれがある。従って、反応ガス流路または多孔質カーボンの閉塞による反応ガス不足に起因して、端部セルの電圧が低下するという問題がある。
【０００６】
そこで、例えば、特開平８−１３００２８号公報（以下、従来技術１という）に開示されているように、端部セルを構成する外側のセパレータに、冷却用流体通流用の溝が形成されておらず、このセパレータを冷却用流体により冷却し過ぎない構造の固体高分子電解質型燃料電池が知られている。これにより、端部セルの冷やし過ぎを防止している。
【０００７】
また、特開平８−１６７４２４号公報（以下、従来技術２という）に開示された固体高分子電解質型燃料電池では、単位燃料電池の積層体の少なくとも両端末に位置するセパレータの外側面に当接されている集電板の部位に、固体高分子電解質型燃料電池が出力する電流によって加熱される発熱体が形成されており、これによって端部セルの冷やし過ぎを阻止することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術１では、冷却用流体通流用の溝が形成されたセパレータと、この溝が形成されないセパレータとが必要となっている。これにより、セパレータの種類が多くなり、前記セパレータの製造工程が複雑化するとともに、製造コストが高騰するという問題がある。
【０００９】
さらに、上記の従来技術２では、発熱体が集電板と単電池（単位セル）との間に設けられており、この発熱体を介して、常に、固体高分子電解質型燃料電池が出力する電力を消費している。従って、定常状態の運転時のように端部セルの加熱が不要である際にも、電力を無駄に消費することになり、燃料電池スタック全体の発電効率が低下してしまう。
【００１０】
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、単位セルの温度低下を有効に阻止し、各単位セルの発電性能を向上させるとともに、効率的な発電が可能な燃料電池スタックおよびその運転方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【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、電解質の一方の側にアノード側電極を設け、他方の側にカソード側電極を設けた電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体をアノード側セパレータとカソード側セパレータとで挟持した単位セルを、複数個積層するとともに、前記単位セルの積層方向両端に設けられたアノード側集電板およびカソード側集電板の少なくともいずれか一方の外側に、該燃料電池スタックから電力を取り出す電力取り出し端子を設けた発熱体が配設されるとともに、前記アノード側集電板または前記カソード側集電板の少なくともいずれか一方に設けられた電力取り出し端子と、前記発熱体に設けられた前記電力取り出し端子とが接続される切り換えスイッチを備えている。
【００１２】
そこで、比較的低温雰囲気で燃料電池スタックの運転が開始されると、まず、発熱体に設けられた電力取り出し端子から電力の取り出しが行われる一方、前記燃料電池スタックが定常運転状態に至った際には、前記発熱体から切り替えてアノード側集電板およびカソード側集電板から電力が取り出される。
【００１３】
このため、燃料電池スタックの始動時に、端部セルから外部への放熱を阻止することができ、前記端部セルの温度低下を有効に防止することができる。これにより、温度低下による端部セルの発電性能の低下や、生成水の結露によるセル電圧の低下等を回避し、所望の発電性能を確実に維持することが可能になる。しかも、燃料電池スタックが定常運転状態に至ることにより、端部セルの加熱が不要となった際には、発熱体への電力の供給が停止される。従って、電力を不必要に消費することがなく、燃料電池スタックを介して効率的な発電が確実に遂行される。
【００１４】
特に、燃料電池スタックが氷点下雰囲気で起動される際には、発熱体を介して端部セルが昇温されるため、この端部セルが氷点下以下に冷やされて生成水の凍結が惹起されることがない。従って、反応ガス流路の閉塞による反応ガス不足を有効に阻止して、端部セルの電圧低下を確実に防止することができる。
【００１５】
また、本発明の請求項３に係る燃料電池スタックの運転方法では、燃料電池スタックが定常運転状態であるか否かを判断し、前記燃料電池スタックが定常運転状態でない際には、発熱体に設けられた電力取り出し端子から電力を取り出す一方、前記燃料電池スタックが定常運転状態である際には、前記発熱体から切り替えてアノード側集電板およびカソード側集電板より電力を取り出すようにしている。
【００１６】
このため、例えば、燃料電池スタックの運転中に負荷が下がって前記燃料電池スタックの発熱量に対して端部セルの放熱量が増加し、この端部セルの温度が低下した際には、電力の取り出しを発電体側に切り替えることにより、前記端部セルからの放熱を防止することができる。これにより、端部セルは放熱の増大による電圧低下を惹起することがなく、所望の発電性能を有効に維持することが可能になる。
【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の概略斜視図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の電力取り出し回路の説明図であり、図３は、前記燃料電池スタック１０の要部分解斜視図である。
【００１８】
燃料電池スタック１０は、複数の単位セル１２を矢印Ａ方向に積層しており、前記単位セル１２の積層方向両端には、端部セル１２ａ、１２ｂが配置される。端部セル１２ａ、１２ｂの外方には、カソード側集電板１４ａおよびアノード側集電板１４ｂを介して発熱体１６ａ、１６ｂが配置され、前記発熱体１６ａ、１６ｂの外方側には、絶縁板１８ａ、１８ｂを介してエンドプレート２０ａ、２０ｂが配設される。エンドプレート２０ａ、２０ｂが図示しないタイロッド等によって一体的に締め付けられることにより、燃料電池スタック１０が構成される。
【００１９】
図１に示すように、エンドプレート２０ａの長辺側の一端縁部には、上下方向に向かって酸化剤ガス供給口２２ａ、燃料ガス排出口２４ｂおよび冷却媒体供給口２６ａが形成される。エンドプレート２０ａの長辺側の他端縁部には、上下方向に向かって冷却媒体排出口２６ｂ、燃料ガス供給口２４ａおよび酸化剤ガス排出口２２ｂが形成される。エンドプレート２０ｂの略中央には、電力取り出し端子用孔部２８が設けられている。
【００２０】
単位セル１２および端部セル１２ａ、１２ｂは、同様に構成されており、図３に示すように、前記端部セル１２ａは、電解質膜・電極構造体３０を備えている。この電解質膜・電極構造体３０は、固体高分子電解質膜３２の一方の面にアノード側電極３４を設け、他方の面にカソード側電極３６を設けている。アノード側電極３４およびカソード側電極３６は、貴金属系の触媒電極層を、例えば、多孔質層である多孔質カーボンペーパ等からなるガス拡散層に接合して構成されている。
【００２１】
電解質膜・電極構造体３０は、導電性のアノード側セパレータ３８とカソード側セパレータ４０とで挟持されることにより、端部セル１２ａが構成される。端部セル１２ａの長辺方向（矢印Ｂ方向）一端縁部には、酸化剤ガス供給路４２ａ、燃料ガス排出路４４ｂおよび冷却媒体供給路４６ａが設けられるとともに、前記端部セル１２ａの長辺方向他端縁部には、冷却媒体排出路４６ｂ、燃料ガス供給路４４ａおよび酸化剤ガス排出路４２ｂが設けられる。
【００２２】
アノード側セパレータ３８は、アノード側電極３４に対向する面３８ａに燃料ガス流路４８を設ける。この燃料ガス流路４８は、燃料ガス供給路４４ａに一端側が連通するとともに、燃料ガス排出路４４ｂに他端側が連通する複数本の流路溝により構成される。
【００２３】
カソード側セパレータ４０のカソード側電極３６に対向する面４０ａには、アノード側セパレータ３８と同様に、両端が酸化剤ガス供給路４２ａと酸化剤ガス排出路４２ｂとに連通する複数本の酸化剤ガス流路５０が設けられる。カソード側セパレータ４０の面４０ｂには、冷却媒体供給路４６ａと冷却媒体排出路４６ｂとに連通する冷却媒体流路５２が設けられる。
【００２４】
集電板１４ａは、例えば、金メッキ銅等の良導電体ターミナルで構成されており、その略中央部には、面方向に直交する方向（矢印Ａ方向）に突出して電力取り出し端子５４が設けられる。発熱体１６ａは、例えば、電熱用合金材等の低導電体ターミナルで構成されており、その略中央部には、面方向に直交する方向に突出し、かつ集電板１４ａに設けられている電力取り出し端子５４が挿入される円筒状の電力取り出し端子５６が設けられる。
【００２５】
絶縁板１８ａの略中央部には、孔部５８が形成されており、発熱体１６ａの電力取り出し端子５６は、前記孔部５８からエンドプレート２０ａの孔部２８に挿入され、その先端部が前記エンドプレート２０ａから所定の長さだけ突出する。一方、電力取り出し端子５６内に挿入される集電板１４ａの電力取り出し端子５４は、前記電力取り出し端子５６の端面から所定距離だけ外部に突出している（図１参照）。
【００２６】
なお、集電板１４ｂおよび発熱体１６ｂ側は、上述した集電板１４ａおよび発熱体１６ａ側と同様に構成されており、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。
【００２７】
図２に示すように、集電板１４ａの電力取り出し端子５４と発熱体１６ａの電力取り出し端子５６とは、導線６０ａ、６０ｂを介して第１切り替えスイッチ６２に接続されるとともに、集電板１４ｂの電力取り出し端子５４と発熱体１６ｂの電力取り出し端子５６とは、導線６４ａ、６４ｂを介して第２切り替えスイッチ６６に接続される。
【００２８】
第１および第２切り替えスイッチ６２、６６間には、例えば、モータ等の負荷６８が電気的に接続されている。発熱体１６ａには、この発熱体１６ａの温度を検出する温度センサ７０が接続されており、この温度センサ７０による検出信号がＣＰＵ７４に入力されるとともに、このＣＰＵ７４は第１および第２切り替えスイッチ６２、６６を切り替え制御する。
【００２９】
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、以下に説明する。
【００３０】
図１に示すように、燃料電池スタック１０内には、燃料ガス供給口２４ａから水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給口２２ａ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、さらに冷却媒体供給口２６ａから純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体が供給される。このため、燃料電池スタック１０では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数の単位セル１２および端部セル１２ａ、１２ｂに対して燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体が供給される。
【００３１】
酸化剤ガス供給口２２ａに供給された酸化剤ガスは、図３に示すように、矢印Ａ方向に連通している酸化剤ガス供給路４２ａに沿って流動し、カソード側セパレータ４０の面４０ａに設けられている酸化剤ガス流路５０に導入される。この酸化剤ガス流路５０に導入された酸化剤ガスは、カソード側電極３６に沿って移動し、酸化剤ガス排出路４２ｂから未反応の酸化剤ガスが排出される。
【００３２】
一方、燃料ガス供給口２４ａに供給された燃料ガスは、矢印Ａ方向に延在している燃料ガス供給路４４ａに導入された後、アノード側セパレータ３８の面３８ａに設けられている燃料ガス流路４８に導入される。燃料ガス流路４８に導入された燃料ガスは、アノード側電極３４に沿って移動した後、未反応の前記燃料ガスが燃料ガス排出路４４ｂに排出される。従って、電解質膜・電極構造体３０では、カソード側電極３６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３４に供給される燃料ガスとが、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。
【００３３】
また、冷却媒体供給口２６ａに供給された冷却媒体は、カソード側セパレータ４０の面４０ｂに設けられている冷却媒体流路５２に導入され、電解質膜・電極構造体３０の発電面内を冷却した後、冷却媒体排出路４６ｂから排出される。
【００３４】
次に、本発明に係る運転方法について、図４に示すフロチャートに基づいて説明する。
【００３５】
まず、イグニッションがＯＮされることにより（ステップＳ１）、燃料電池スタック１０の運転が開始されると、発熱体１６ａに接続されている温度センサ７０を介してこの発熱体１６ａの温度が検出される（ステップ２）。そして、温度センサ７０による検出温度が、所定温度以下、例えば、７０℃未満である際には（ステップＳ２中、ＹＥＳ）、ステップＳ３に進んで、発熱体ＯＮ信号が出力される。
【００３６】
このため、ＣＰＵ７４を介して第１および第２切り替えスイッチ６２、６６が駆動され、発熱体１６ａ、１６ｂに設けられている電力取り出し端子５６が負荷６８に接続される（図２中、２点鎖線参照）。従って、燃料電池スタック１０から発熱体１６ａ、１６ｂを介して負荷６８に電力が供給される。
【００３７】
その際、発熱体１６ａ、１６ｂには、燃料電池スタック１０から出力される電流が供給されるため、前記発熱体１６ａ、１６ｂ自体が加熱され、前記発熱体１６ａ、１６ｂに近接配置されている端部セル１２ａ、１２ｂが加熱される。
【００３８】
次いで、イグニッションがＯＦＦされなければ（ステップＳ７中、ＮＯ）、ステップＳ２に戻って発熱体１６ａの温度が検出される。ここで、発熱体１６ａの温度が７０°以上となって定常運転状態に至ると（ステップＳ２中、ＮＯ）、ステップＳ５に進んで、発熱体１６ａ、１６ｂから集電板１４ａ、１４ｂに切り替えて電力の取り出しが行われる。
【００３９】
定常運転状態とは、発熱体１６ａが、例えば、７０℃以上の温度に至る状態をいい、ＣＰＵ７４は第１および第２切り替えスイッチ６２、６６を駆動制御し、集電板１４ａ、１４ｂに設けられている電力取り出し端子５４が負荷６８に接続されることにより、前記集電板１４ａ、１４ｂから電力の取り出しが行われる。
【００４０】
このように、第１の実施形態では、燃料電池スタック１０の始動時に発熱体１６ａの温度が比較的低温になっていると、発熱体１６ａ、１６ｂから電力の取り出しを行い、端部セル１２ａが所定の状態に至った後、この発熱体１６ａ、１６ｂから集電板１４ａ、１４ｂに切り替えて、正規の電力取り出し端子５４からの電力の取り出しが行われている。このため、燃料電池スタック１０の端部セル１２ａ、１２ｂからの放熱により、この端部セル１２ａ、１２ｂ内で発生した生成水が凝縮することがなく、しかも、前記端部セル１２ａ、１２ｂの温度低下による発電性能の低下を阻止することができる。
【００４１】
特に、第１の実施形態では、燃料電池スタック１０を氷点下雰囲気で起動する場合に好適に機能する。すなわち、氷点下雰囲気では、燃料電池スタック１０の内部の温度と外気温度との差が大きくなって、端部セル１２ａ、１２ｂの温度低下が著しいものとなる。従って、端部セル１２ａ、１２ｂでは、発電と同時に生成水が発生し、この端部セル１２ａ、１２ｂが氷点下以下に冷やされることによって、この生成水が凍って酸化剤ガス流路５０や燃料ガス流路４８、または多孔質層が閉塞されるおそれがある。
【００４２】
そこで、集電板１４ａ、１４ｂに代えて発熱体１６ａ、１６ｂから電力の取り出しを行うことにより、この発熱体１６ａ、１６ｂ自体を発熱させ、前記発熱体１６ａ、１６ｂに近接する端部セル１２ａ、１２ｂの温度低下を阻止する。これにより、端部セル１２ａ、１２ｂ内部での生成水の凍結を確実に阻止することが可能となる。
【００４３】
さらに、第１の実施形態では、端部セル１２ａが所定の状態に至った後、発熱体１６ａ、１６ｂから集電板１４ａ、１４ｂに切り替えて、この集電板１４ａ、１４ｂを介して電力の取り出しが行われている。このため、低導電体である発熱体１６ａ、１６ｂに、常時、電力を供給する必要がなく、効率的な発電が遂行可能になるという効果が得られる。
【００４４】
さらにまた、第１の実施形態では、通常運転中において、燃料電池スタック１０の出力を低下させることにより、この燃料電池スタック１０の温度が低下した際にも、発熱体１６ａ、１６ｂを介して電力の取り出しを行うことによって、特に端部セル１２ａ、１２ｂの温度低下に伴う発電性能の低下を有効に阻止することができる。
【００４５】
このように、第１の実施形態では、定常運転状態において、発熱体１６ａ、１６ｂを電力取り出し経路から切り離して、正規の集電板１４ａ、１４ｂによる電力の取り出しが行われている。そして、端部セル１２ａが所定の温度以下となった際のように、前記端部セル１２ａ、１２ｂの温度低下を惹起するおそれがある際に、集電板１４ａ、１４ｂから発熱体１６ａ、１６ｂに切り替えて、前記発熱体１６ａ、１６ｂを介して電力の取り出しが行われている。
【００４６】
このため、発熱体１６ａ、１６ｂを、常時、電力取り出し経路に接続して構成する従来技術に比べ、不要な消費電力を有効に削減することができ、効率的かつ経済的な電力取り出し作業が遂行可能となる利点が得られる。しかも、端部セル１２ａ、１２ｂの性能低下が惹起されることがなく、図５に示すように、燃料電池スタック１０の積層方向全体にわたって均一なセル電圧が得られ、発電性能の向上を容易に図ることが可能になる。
【００４７】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック８０の概略斜視図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０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の実施形態でも同様である。
【００４８】
燃料電池スタック８０は、単位セル１２の積層方向両端側に端部セル１２ａ、１２ｂを配置するとともに、前記端部セル１２ａ、１２ｂの外方にカソード側集電板８２ａおよびアノード側集電板８２ｂと発熱体８４ａ、８４ｂとを配設している。集電板８２ａ、８２ｂは、板状に構成されており、その一端部（上端部）には、屈曲する板状の電力取り出し端子８６ａ、８６ｂが一体的に形成されている。
【００４９】
発熱体８４ａ、８４ｂは、同様に板状に構成されており、それぞれの一端部（上端部）に屈曲する電力取り出し端子８８ａ、８８ｂが形成される。この電力取り出し端子８８ａ、８８ｂは、集電板８２ａ、８２ｂの電力取り出し端子８６ａ、８６ｂと干渉しないようにそれぞれの位置が設定されている。
【００５０】
このように構成される第２の実施形態では、電力取り出し端子８６ａ、８６ｂおよび８８ａ、８８ｂが屈曲する板状に構成されており、構造が有効に簡素化されるとともに、前記電力取り出し端子８６ａ、８６ｂおよび８８ａ、８８ｂからの放熱を有効に抑えることができる他、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５１】
図７は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック９０の概略斜視図である。
【００５２】
この燃料電池スタック９０は、集電板８２ａ、８２ｂの外方に積層される第１発熱体９２ａ、９２ｂ、第２発熱体９４ａ、９４ｂおよび第３発熱体９６ａ、９６ｂを備える。第１発熱体９２ａ、９２ｂ、第２発熱体９４ａ、９４ｂおよび第３発熱体９６ａ、９６ｂは、それぞれ屈曲する板状の電力取り出し端子９８ａ、９８ｂ、１００ａ、１００ｂおよび１０２ａ、１０２ｂを一体的に設けている。
【００５３】
図８に示すように、電力取り出し端子８６ａ、８６ｂ、９８ａ、９８ｂ、１００ａ、１００ｂおよび１０２ａ、１０２ｂは、導線１０４ａ、１０４ｂ、１０６ａ、１０６ｂ、１０８ａ、１０８ｂおよび１１０ａ、１１０ｂを介して第１および第２切り替えスイッチ１１２、１１４に接続されている。
【００５４】
第１および第２切り替えスイッチ１１２、１１４は、負荷６８に繋がる電力取り出し経路に対して、集電板８２ａ、８２ｂを接続させる位置と、前記集電板８２ａ、８２ｂに切り替えて第１発熱体９２ａ、９２ｂ、第２発熱体９４ａ、９４ｂまたは第３発熱体９６ａ、９６ｂの１組ずつ、２組ずつ、または３組全てを接続可能な位置との４位置に切り替え自在である。
【００５５】
このように、第３の実施形態では、定常運転時には、集電板８２ａ、８２ｂのみを負荷６８に接続して電力の取り出しを行う一方、端部セル１２ａ、１２ｂの温度低下の程度や外気温度の程度（氷点下以下等）に応じて、第１発熱体９２ａ、９２ｂのみを前記負荷６８に接続したり、第１および第２発熱体９２ａ、９２ｂおよび９４ａ、９４ｂを前記負荷６８に接続したり、第１乃至第３発熱体９２ａ、９２ｂ、９４ａ、９４ｂおよび９６ａ、９６ｂの全てを同時に前記負荷６８に接続したりすることができる。
【００５６】
これにより、運転状況の変化等に対応して、端部セル１２ａ、１２ｂを所望の発電性能に迅速かつ確実に維持することができ、燃料電池スタック９０全体の発電が効率的に遂行可能になるという効果が得られる。
【００５７】
なお、第１乃至第３の実施形態では、固体高分子電解質膜３２を備えた燃料電池スタック１０、８０および９０を用いて説明したが、これに限定されるものではなく、種々の形態の電解質を備えた燃料電池スタックに容易に適応することができる。
【００５８】
また、第１乃至第３の実施形態では、単位セル１２の積層方向両端に発熱体１６ａ、１６ｂ、８４ａ、８４ｂならびに第１乃至第３発熱体９２ａ、９２ｂ、９４ａ、９４ｂおよび９６ａ、９６ｂが配設されているが、前記単位セル１２の積層方向の一端にのみ設けてもよい。
【００５９】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックおよびその運転方法では、単位セルの積層方向両端に設けられたアノード側集電板およびカソード側集電板の少なくともいずれか一方の外側に、電力取り出し端子を設けた発熱体が配設され、積層方向端部側に配設されている前記単位セルの温度低下等が発生した際には、前記発熱体から電力の取り出しを行うことによって、該発熱体自体を発熱させている。
【００６０】
これにより、簡単な構成および工程で、単位セルの温度低下を有効に阻止し、前記単位セルの発電性能を有効に向上させることができる。しかも、燃料電池スタックが定常運転状態にある際には、発熱体からの電力の取り出しが行われず、前記発熱体による電力の消費を阻止して効率的な発電が確実に遂行可能になる。
【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の概略斜視図である。
【図２】前記燃料電池スタックの電力取り出し回路の説明図である。
【図３】前記燃料電池スタックの要部分解斜視図である。
【図４】前記燃料電池スタックの運転方法を説明するフロチャートである。
【図５】本発明方法によるセル電圧と、従来方法によるセル電圧との説明図である。
【図６】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斜視図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視図である。
【図８】前記燃料電池スタックの電力取り出し回路の説明図である。
【符号の説明】
１０、８０、９０…燃料電池スタック １２…単位セル
１２ａ、１２ｂ…端部セル
１４ａ、１４ｂ、８２ａ、８２ｂ…集電板
１６ａ、１６ｂ、８４ａ、８４ｂ、９２ａ、９２ｂ、９４ａ、９４ｂ、９６ａ、９６ｂ…発熱体
１８ａ、１８ｂ…絶縁板 ２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
３０…電解質膜・電極構造体 ３２…固体高分子電解質膜
３４…アノード側電極 ３６…カソード側電極
３８、４０…セパレータ ４２ａ…酸化剤ガス供給路
４２ｂ…酸化剤ガス排出路 ４４ａ…燃料ガス供給路
４４ｂ…燃料ガス排出路 ４６ａ…冷却媒体供給路
４６ｂ…冷却媒体排出路 ４８…燃料ガス流路
５０…酸化剤ガス流路 ５２…冷却媒体流路
５４、５６、８６ａ、８６ｂ、８８ａ、８８ｂ、９８ａ、９８ｂ、１００ａ、１００ｂ、１０２ａ、１０２ｂ…電力取り出し端子
６２、６６、１１２、１１４…切り替えスイッチ
７０…温度センサ ７４…ＣＰＵ
Claims (3)
- 電解質の一方の側にアノード側電極を設け、他方の側にカソード側電極を設けた電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体をアノード側セパレータとカソード側セパレータとで挟持した単位セルを、複数個積層するとともに、前記単位セルの積層方向両端にアノード側集電板およびカソード側集電板を備えた燃料電池スタックであって、
前記アノード側集電板または前記カソード側集電板の少なくともいずれか一方の外側に、該燃料電池スタックから電力を取り出す電力取り出し端子を設けた発熱体が配設されるとともに、
前記アノード側集電板または前記カソード側集電板の少なくともいずれか一方に設けられた電力取り出し端子と、前記発熱体に設けられた前記電力取り出し端子とが接続される切り換えスイッチを備える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、前記発熱体に接続される温度センサと、
前記温度センサによる検出信号に基づいて前記切り換えスイッチを制御する制御部と、
を備えることを特徴とする燃料電池スタック。 - 電解質の一方の側にアノード側電極を設け、他方の側にカソード側電極を設けた電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体をアノード側セパレータとカソード側セパレータとで挟持した単位セルを、複数個積層するとともに、前記単位セルの積層方向両端に設けられたアノード側集電板およびカソード側集電板の少なくともいずれか一方の外側に、該燃料電池スタックから電力を取り出す電力取り出し端子を設けた発熱体が配設された燃料電池スタックの運転方法であって、
前記燃料電池スタックが定常運転状態であるか否かを判断する工程と、
前記燃料電池スタックが定常運転状態でない際に、前記発熱体に設けられた前記電力取り出し端子から電力を取り出す工程と、
前記燃料電池スタックが定常運転状態である際に、前記発熱体から切り替えて前記アノード側集電板および前記カソード側集電板から電力を取り出す工程と、
を有することを特徴とする燃料電池スタックの運転方法。
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