JP4131110B2

JP4131110B2 - 燃料電池スタック

Info

Publication number: JP4131110B2
Application number: JP2002054697A
Authority: JP
Inventors: 剛一白石; 正夫安藤; 宗久堀口
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2002-02-28
Filing date: 2002-02-28
Publication date: 2008-08-13
Anticipated expiration: 2022-02-28
Also published as: US7309538B2; EP1343214A1; DE60320880D1; US20030162066A1; EP1343214B1; JP2003257460A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池スタックにかかり、詳しくは、氷点下での始動を容易とする燃料電池スタックに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池では、発電時に、反応熱と生成水が発生する。通常の発電状態では、反応熱による燃料電池の温度が必要以上に上昇することを防ぐため、冷却装置が設けられている。しかし、氷点下において発電を開始する場合には、一定の温度に達していなければ、発電効率が悪化することが知られている。
【０００３】
これは、氷点下では、発電反応によって生成された水が、電極の表面で凍結し、電極への酸素の供給を妨げるためである。このような生成水の凍結は、発電時に発生する反応熱が燃料電池のセパレータに吸収されてしまうことに起因する。そこで、従来では、特開平７−９４２０２号に記載されているように、ヒータ等の発熱手段を別個に設け、燃料電池を暖めた後に発電を開始するものや、特表２０００−５１２０６８号に記載されているように、発電開始時の発電量を小さくし、徐々に発電量を上げていくことにより生成水の凍結を防ぐものなどが提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記発熱手段を別個に設けるものでは、電力を余分に消費するという欠点があり、また、発熱手段が設けられているために、装置が大型化するなどの問題があった。また、発電量を徐々に上げて行くものでは、通常発電状態に達するまでに長時間を要するといった問題がある。
【０００５】
この発明の目的は、氷点下における燃料電池の起動を容易とすることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
以上のような目的は、以下の本発明により達成される。
（１）燃料電池の単位セルと、
前記単位セル間を接続するセパレータとを備えた燃料電池スタックにおいて、
前記燃料電池スタック内から不凍液を抜き入れして燃料電池スタックの熱容量を変更する熱容量変更手段と、
燃料電池スタックの温度を検出する温度検出手段と、
始動時に燃料電池の温度を測定し、該温度が発電運転において冷却が必要になる温度以下の場合のみ、前記熱容量変更手段により、熱容量を停止時より小さくする制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池スタック。
【０００７】
（２）燃料電池の単位セルと、
前記単位セル間を接続するセパレータとを備えた燃料電池スタックにおいて、
前記燃料電池スタック内から不凍液を抜き入れして燃料電池スタックの熱容量を変更する熱容量変更手段と、
燃料電池スタックの温度を検出する温度検出手段と、
始動時に燃料電池スタックの温度を測定し、該温度が発電運転において冷却が必要になる温度以下の場合のみ、前記不凍液を抜いて空気を入れ、燃料電池スタックの放熱量を停止時より小さくした後、発電させる制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池スタック。
【０００８】
(３)前記熱容量変更手段は、燃料電池スタックのセパレータ内の不凍液を抜き入れするものである上記(１)または(２)に記載の燃料電池スタック。
【００１０】
（４）前記セパレータは、前記不凍液を保持する保持部を有する上記（1）から（3）のいずれか1に記載の燃料電池スタック。
【００１１】
（５）前記保持部に一端が接続され、前記保持部より不凍液を排出する冷却液回収路と、該冷却液回収路の他端に接続され、前記のセパレータより重力位置で下方に位置し、不凍液を一時的に回収する不凍液タンクとを備えた上記（ 4 ）に記載の燃料電池スタック。
【００１３】
（６）セパレータは、金属板で構成されている請求項１〜５のいずれか１に記載の燃料電池スタック。
【００１５】
【発明の実施の形態】
【００１６】
【実施の形態】
以下、本発明の燃料電池スタック１について、添付図面に基づき詳細に説明する。図１は、燃料電池スタック１の部分断面側面図、図２は部分断面斜視図、である。本発明の、燃料電池スタック１は、単位セル２と、セパレータ３とを備えている。単位セル２は、酸素極２１と燃料極２２とで固体高分子電解質２３を挟持した構成となっている。セパレータ３は、酸素極２１と燃料極２２にそれぞれ接触して電流を外部に取り出すための集電部材３１、３２と、各集電部材３１、３２の周端部に重ねられるガスケット３３、３４、３５とを有している。
【００１７】
集電部材３１、３２は、それぞれ金属板で構成されている。この構成金属は、集電部材としての機能を果たすために、導電性を有しているもので、かつ、通電状態となることから耐蝕性を有するものが用いられる。例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金等に耐蝕導電処理を施したもの等が挙げられる。ここで、耐蝕導電処理とは、例えば、金メッキ等が挙げられる。
【００１８】
集電部材３１は、酸素極２１に接触し、集電部材３２は、燃料極２２に接触する。図３は、図１におけるＡ−Ａ断面図である。集電部材３１は、矩形の板材から成り、表面に設けられた酸素極接触部３１２と、酸素極接触部３１２の周囲に形成された平面部３１１とを備えている。酸素極接触部３１２は、酸素極２１側に突出して形成された、複数の凸状部３１３を有している。凸状部３１３は、平面部３１１の表面から隆起し、直線状に連続して形成されており、集電部材３１の短辺方向に沿って設けられている。このように形成された複数の凸状部３１３は、集電部材３１の長辺に沿って等間隔で配置されている。凸状部３１３の突出方向における先端の部分は、酸素極２１に対して平行に、かつ直線状に形成され、酸素極２１に接触する接触端部３１４となっており、集電部として作用する。集電部材３１が単位セル２に重ねられると、複数の接触端部３１４が、それぞれ酸素極２１の表面に接触する。
【００１９】
凸状部３１３の間には、溝３１５が形成される。溝３１５の底面は平面部３１１と同一平面上に位置する。集電部材３１と単位セル２が重ねられると、溝３１５と酸素極２１とによって、酸素が流通する酸素流通路４１１が形成される。
集電部材３１の裏面には、凸状部３１３の形成部分は凹部となり、複数の溝３１６が形成される。従って、この溝３１６も、集電部材３１の短辺に平行に、直線状に形成され、長辺方向に沿って等間隔に配置されている。
【００２０】
また、集電部材３１の長辺方向に両端部近傍には、酸素流出孔５１１ａ、水素流出孔５２１ａ、冷却液流出孔５３１ａが形成され、他方の端部には、酸素流入孔５１２ａ、水素流入孔５２２ａ、冷却液流入孔５３２ａが形成されている。酸素流出孔５１１ａと酸素流入孔５１２ａは、集電部材３１の平面視における図心を中心として点対称の位置に（対角線方向）に、それぞれ配置されており、他の水素流出孔５２１ａと水素流入孔５２２ａや、冷却液流出孔５３１ａと冷却液流入孔５３２ａも、同様の位置関係で配置されている。このような配置することで、セパレータ３内に形成された各空間内に流入する流体が、該空間内をより均一に通過することができる。
【００２１】
一方、図４は、図１におけるＢ−Ｂ断面図である。集電部材３２は、矩形の板材から成り、表面に設けられた燃料極接触部３２２と、燃料極接触部３２２の周囲に形成された平面部３２１とを備えている。燃料極接触部３２２は、燃料極２２側に突出して形成された、複数の表凸状部３２３を有している。表凸状部３２３は、平面部３２１の表面から隆起し、直線状に連続して形成されており、集電部材３２の短辺方向に沿って設けられている。このように形成された複数の表凸状部３２３は、集電部材３２の長辺に沿って等間隔で配置されている。表凸状部３２３の突出方向における先端の部分は、燃料極２２に対して平行に、かつ直線状に形成され、燃料極２２に接触する接触端部３２４となっており、集電部として作用する。集電部材３２が単位セル２に重ねられると、複数の接触端部３２４が、それぞれ燃料極２２の表面に接触する。
表凸状部３２３の間には、溝３２５が形成される。集電部材３２と単位セル２が重ねられると、溝３２５と燃料極２２とによって、水素ガスが流通する水素流通路４２１が形成される。
【００２２】
図５は、図１のＣ−Ｃ断面図である。集電部材３２の裏面には、平面部３２１の裏側面から突出した裏凸状部３２６が形成され、その間には、溝３２７が形成されている。表凸状部３２３と裏凸状部３２６とは、表裏の関係にあり、表凸状部３２３の裏側が溝３２７となり、裏凸状部３２６の表側が溝３２５となる。集電部材３２の横断面形状は、燃料極接触部３２２においては、表側（燃料極側）と裏側とに同様に、凸状部３２３、３２６が突出した波型となっている。従って、裏凸状部３２６は、表凸状部３２３と同様に、直線状に連続して形成されており、集電部材３２の短辺方向に沿って設けられている。このように形成された複数の裏凸状部３２６は、集電部材３２の長辺に沿って等間隔で配置されている。裏凸状部３２６の突出方向における先端の部分は、上記集電部材３１の裏面に接触する当接面３２８となっている。
集電部材３２には、集電部材３１と同じ位置に、酸素流出孔５１１ｂ、水素流出孔５２１ｂ、冷却液流出孔５３１ｂ、酸素流入孔５１２ｂ、水素流入孔５２２ｂ、冷却液流入孔５３２ｂがそれぞれ形成されている。
【００２３】
上記集電部材３１、３２は、金属板で構成されているので、それぞれの集電部材３１、３２に形成さている凸状部３１３、表凸状部３２３、裏凸状部３２６は、例えばプレス加工等によって容易に形成することができ、また、酸素流出孔５１１ａ等の孔も、打ち抜き加工により安価に形成できるので、全体の製造コストの低減を図ることができる。また、板材であるため、薄型に形成できる。
【００２４】
以上のように構成された集電部材３１、３２は、同じ大きさで、同じ形状の矩形に形成されており、相互の裏面を対向させた状態で重ねられる。当接面３２８と集電部材３１の裏面とが接触することにより、セパレータ３は、隣接する単位セル２の酸素極と燃料極とを通電可能状態に接続できる構成となる。また、集電部材３１、３２の間には、冷却液ガスケット３４が介挿され、また、集電部材３１と単位セル２との間には、酸素ガスケット３３が介挿され、集電部材３２と単位セル２との間には、水素ガスケット３５が介挿される。
【００２５】
各ガスケット３３、３４、３５の外形の形状はいずれも矩形に形成され、集電部材３１、３２と同一の形状に構成されている。また、各ガスケット３３、３４、３５は、集電部材３１、３２の周端に沿って枠状に形成され、各集電部材３１、３２に形成された酸素流出孔５１１ａ（ｂ）、水素流出孔５２１ａ（ｂ）、冷却液流出孔５３１ａ（ｂ）、酸素流入孔５１２ａ（ｂ）、水素流入孔５２２ａ（ｂ）、冷却液流入孔５３２ａ（ｂ）と同じ位置に、同様の孔が形成されている。また、各ガスケット３３、３４、３５は絶縁材料で構成されている。
【００２６】
酸素ガスケット３３は、集電部材３１の凸状部３１３の突出高さと、単位セル２の酸素極２１の厚さとを合わせた厚さに形成されている。集電部材３１と酸素ガスケット３３と単位セル２を重ねた状態で、集電部材３１の表面と、酸素極２１の表面と、酸素ガスケット３３の内周端面３３１によって空間が形成され、この空間が、酸素が充填される酸素保持部４１となる。また、酸素ガスケット３３は、酸素流出孔５１１ａと酸素保持部４１とを連通するための通路３３２と、酸素流入孔５１２ａと酸素保持部４１とを連通するための通路３３３とを備えており、酸素保持部４１に臨む端部は、酸素流出口３３４と酸素流入口３３５がそれぞれの通路３３２、３３３に形成される。
【００２７】
水素ガスケット３５は、集電部材３２の表凸状部３２３の突出高さと、単位セル２の燃料極２２の厚さとを合わせた厚さに形成されている。集電部材３２と水素ガスケット３５と単位セル２を重ねた状態で、集電部材３２の表面と、燃料極２２の表面と、水素ガスケット３５の内周端面３５１によって空間が形成され、この空間が、水素が充填される水素保持部４２となる。また、水素ガスケット３５は、水素流出孔５２１ｂと水素保持部４２とを連通するための通路３５２と、水素流入孔５２２ｂと水素保持部４２とを連通するための通路３５３とを備えており、水素保持部４２に臨む端部は、水素流出口３５４と水素流入口３５５がそれぞれの通路３５２、３５３に形成される。
【００２８】
冷却液ガスケット３４は、集電部材３２の裏凸状部３２６の突出高さと同じ厚さに形成されている。集電部材３１の裏面と集電部材３２の裏面と、間に挟まれた冷却液ガスケット３４の内周端面３４１とによって空間が形成され、この空間が、冷却液が充填される冷却液保持部４３となる。冷却液保持部４３は、集電部材３１の裏面に形成された複数の溝３１６と、集電部材３２の裏面に形成された複数の溝３２７によって、冷却液を保持する容量を可能な限り大きくするように設定されている。つまり、各凸状部３１３、３２３の裏側に形成された空間（溝３１６、３２７）を利用して冷却液の保持容量を可能な限り確保し、セパレータの厚さを薄く維持しつつも、冷却効率を向上させている。
【００２９】
また、溝３１６と溝３２７は、相互に直交した状態に配置されているので、冷却液保持部３６を流通する冷却液には、溝３１６に沿って鉛直方向に流れる流れと、溝３２７に沿って水平方向に流れる流れとが生じ、これらの流れが相互に交差する。このような流れが生じることで、冷却液は、単純に流入口から流出口へ向かう一元的な流れとならず、流通時に適度な抵抗を受けることとなり、冷却液はセパレータ３内の隅々に均一に広がり、セパレータ３の各部を一層均等に冷却することができる。また、冷却液ガスケット３４は、冷却液流出孔５３１ｂと冷却液保持部４３とを連通するための通路３４２と、冷却液流入孔５３２ｂと冷却液保持部４３とを連通するための通路３４３とを備えており、冷却液保持部４３に臨む端部は、冷却液流出口３４４と冷却液流入口３４５がそれぞれの通路３４２、３４３に形成される。
【００３０】
図６は、燃料電池スタック１の、図３におけるＤ−Ｄ断面図である。上記単位セル２とセパレータ３を積層すると、図６に示されているように、それぞれ同じ位置に形成された、酸素流出孔５１１ａ（ｂ）、水素流出孔５２１ａ（ｂ）、冷却液流出孔５３１ａ（ｂ）、酸素流入孔５１２ａ（ｂ）、水素流入孔５２２ａ（ｂ）、冷却液入出孔５３２ａ（ｂ）によって、酸素排出通路５１１、水素排出通路５２１、冷却液排出通路５３１、酸素供給通路５１２、水素供給通路５２２、冷却液供給通路５３２が形成される。酸素供給通路５１２には、酸素保持部４１に連通する通路３３３が連通し、水素供給通路５２２には、水素保持部４２に連通する通路３５３が連し、冷却液供給通路５３２には、冷却液保持部４３に連通する通路３４３が連通する。この酸素供給通路５１２と複数の通路３３３によって酸素マニホールドが構成され、水素供給通路５２２と複数の通路３５３によって水素マニホールドが構成され、冷却液供給通路５３２と通路３４３によって冷却液マニホールドが構成される。
同様に酸素排出通路５１１、水素排出通路５２１、冷却液排出通路５３１は、それぞれ通路３３２、３５２、３４２に連通している。
【００３１】
図７は、燃料電池スタック１の全体斜視図である。図７に示されているように、
以上のように構成された、単位セル２とセパレータ３は交互に積層され、発電部６１が構成される。発電部６１の両端には、外側へ向けて、熱伝導性調整部材６２ａ、６２ｂ、集電体６３ａ、６３ｂ、絶縁部材６４ａ、６４ｂ、エンドプレート６５ａ、６５ｂが、それぞれが両側に接続されており、対向する側面には、積層されたこれらの部材を一体として保持するための保持部材６６が、それぞれ一対ずつ設けられている。
【００３２】
図８は、熱伝導性調整部材６２ａの構造を示すもので、燃料電池スタック１の部分断面側面図である。この熱伝導性調整部材６２ａは、セパレータ３と集電体６３ａとを電気的に接続する。集電体６３ａは、銅などの電気導電性の良い金属が用いられる。熱伝導性調整部材６２ａは導電性材料から成り、横断面形状が波型に形成され、波状の頂点部６２１が、セパレータ３の集電部材３２に接続され、谷部６２２が集電体６３ａに接続された構成となっている。
【００３３】
また、熱伝導性調整部材６２ａは、燃料電池スタック１の最も端に位置する集電部材３２から外部への熱伝導を抑制する作用を有するものである。また、熱伝導性調整部材６２ａは、集電部材３２と集電体６３ａとを電気的に接続するために電気伝導性材料（例えば、金属）が用いられる。さらに、熱伝導性を抑制するために、熱の移動経路を小さくするとともに、発電部６１から奪う熱量を少なくするため、熱伝導性調整部材６２ａ自体の熱容量を小さくするべく、体積を小さく設定することを目的として、板材を波型に形成した構成となっている。このような構造とすることで、集電部材３２と集電体６３ａを電気的に接続するとともに、集電部材３２から集電体６３ａへの熱伝導量を少なくしている。本実施形態では、波型形状を例に挙げているが、集電部材３２から集電体６３ａへの熱の移動を抑制する作用をもつものであれば他の構造とすることができる。例えば、多孔質の導電材料である発泡金属や多孔質炭素材又は導電性樹脂などを用いてもよい。
なお、発電部６１の反対側に設けられた熱伝導性調整部材６２ｂは、集電部材３１に接続され、その他は熱伝導性調整部材６２ａと同様の構成となっている。
【００３４】
次に、燃料電池スタック１を用いた燃料電池システム１００の構成について、説明する。図９は、燃料電池システム１００の構成を示す模式図である。燃料電池システム１００は、電気自動車に搭載されるものであり、後述する負荷系のバッテリ１４６とともに駆動モータ１４３の電源を構成している。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１へ対して、空気を供給する空気供給系１１と、同じく、水素を供給する水素供給系１２と、同じく冷却液を供給する冷却系１３と、負荷系１４と、酸素供給系１１に水分を供給する加湿系１５とを備えている。
【００３５】
空気供給系１１は、空気供給路１１０と、空気排出路１１１を備えている。空気供給路１１０には、上流側から順に、外気の粉塵などの不純物を除去するフィルタ１１２、外気温度センサＳ1空気の供給量を調整する空気供給ファン１１３、供給する空気を加湿する加湿器１５１、ヒータ１１４、空気入口温度センサＳ2が接続され、最終的に燃料電池スタック１の酸素供給通路５１２が接続されている。
【００３６】
外気温度センサＳ1は、供給される空気の温度を検出し、この温度が所定温度より低い場合には、ヒータ１１４で供給される空気を昇温することができる。つまり、ヒータ１１４は、空気入口温度センタＳ１の出力値によって制御される。
【００３７】
空気排出路１１１の上流側端は、燃料電池スタック１の酸素排出通路５１１に接続され、下流へ向けて順に、燃料電池スタックの代表温度を測るための空気出口温度センサＳ3、空気供給系から空気流が酸素極２１から持ち去った水を回収する凝縮器１５２、外気から不純物が逆流して燃料電池スタックに進入するのを防止するフィルタ１１５が接続され、最終的に系の外部に空気を排出する。以上のように、空気供給系１１は、燃料電池スタック１内に設けられている酸素保持部４１に空気を送り込み、空気中の酸素を酸素極２１に供給する。
【００３８】
加湿系１５は、燃料電池スタック１に供給される空気に湿度を加える加湿器１５１と、排出された空気から水分を回収する凝縮器１５２と、加湿水タンク１５０と、加湿水タンク１５０から加湿水を加湿器１５１へ供給する水供給路１５３と、加湿水を加湿器１５１に送り出す加湿水ポンプ１５４と、加湿水ポンプ１５４の下流側に設けられ、電磁弁１５５と、凝縮器１５２で回収された水を加湿水タンク１５０へ回収する回収路１５６と、回収した水を加湿水タンク１５０へ送る回収ポンプ１５７と、加湿水タンク１５０内に設けられた凍結防止用ヒータ１５０ａと、加湿水タンク１５０内の加湿水の温度を検出する加湿水温度センサＳ４、同じく水位を検出する加湿水水位センサＳ５を備えている。また、水供給路１５３と回収路１５６とには、それぞれ不純物を除去するフィルタ１５８、１５９が設けられている。電磁弁１５５は、ポンプ１５４非駆動時には閉状態となり、経路内の水の流動を防止する。加湿系１５は、燃料電池スタック１へ送られる空気を加湿するために設けられる。この加湿系１５の加湿器１５１によって加湿された空気は、燃料電池スタック１の酸素極２１を湿潤状態（水分で潤った状態）に維持する。
【００３９】
水素供給系１２は、水素貯蔵タンク１２１と、水素貯蔵タンク１２１から、燃料電池スタック１の水素供給通路５２２へ水素を供給する供給路１２２と、燃料電池スタック１の水素排出路５２１から外部へ水素を排出する排出路１２３とを備えている。供給路１２２には、水素を外部の水素源から水素貯蔵タンク１２１に充填するための水素充鎮口１２４が接続され、水素貯蔵タンク１２１内の水素圧を測るための水素１次圧センサＳ６が接続され、燃料極に供給する水素の圧力（量）を調整するための水素調圧弁１２５と、水素の供給量を制御する水素供給電磁弁１２６と、燃料極にかかる水素圧を測定する水素２次圧センサＳ７が、下流へ向けて、それぞれ順に接続されている。水素調圧弁１２５と、水素供給電磁弁１２６は、水素２次圧センサＳ７の検出値に基づき制御される。さらに、排出路１２３には、下流へ向けて順に、逆流を防止する逆止弁１２７、水素の排出をコントロールする水素排気電磁弁１２８が接続されている。水素は運転中、連続して供給されてもよいし、間欠的に供給されてもよい。
【００４０】
負荷系１４は、接続端子６７ａ、６７ｂに接続されたコード１４７から、燃料電池スタック１の出力を、インバータ１４２を介して外部に取り出す。この出力によって、モータ１４３等の負荷が駆動される。この負荷系１４には、逆電流を防止するダイオード１４８と、スイッチとしてのリレー１４４が設けられている。また、負荷系１４には、リレー１４４とインバータ１４２の間に、出力制御回路１４５を介してバッテリ１４６が接続されている。バッテリ１４６は、モータ１４３の回生電流を蓄積し、また、燃料電池の出力が不足している場合には、出力を補う。バッテリ１４６は、キャパシタ等の他の蓄電装置であってもよい。
【００４１】
冷却系１３は、燃料電池スタック１が高温でヒートアップしてしまうのを防止するために配設されていて、燃料電池スタック１内に冷却液を流通させ、これを循環させることにより冷却する。この実施形態では、冷却液として不凍液が用いられ、例えばエチレングリコール水溶液が使用される。この他、冷却液としては、水やその他の熱媒体を用いることもできる。燃料電池スタック１の温度は、例えば燃料電池スタック１に取り付けられた温度センサＳ１１で検出することができる。
【００４２】
冷却系１３は燃料電池スタック１００の冷却液排出通路５３１に接続された冷却液排出路１３１と、ラジエター１３２と、冷却液供給路１３３を基本として構成され、冷却液は、前記冷却液供給路１３３に配設された循環ポンプ１３４によって燃料電池スタック１００の冷却液供給通路５３２に送り込まれる。また、冷却液排出路１３１と冷却液供給路１３３との間には、ラジエター１３２をバイパスするラジエターバイパス路１３５が接続されている。また、循環ポンプ１３４には、冷却液が溜められているタンク１３６が、電磁弁ＳＶ４を介して接続されている。
【００４３】
また、特に低温始動時等に冷却液を一時的にタンク１３６に回収する冷却液回収路（排出路）１３７が接続されている。また、冷却系にはタンク１３６に冷却液を回収する際、外気の導入路を開閉するための外気導入バルブＳＶ２と、導入された外気から不純物を除くフィルタ１３８が接続されている。外気導入電磁弁ＳＶ２は、燃料電池スタック１よりも重力方向において、高い位置に配置されている、このような位置に設けることによって、電磁弁ＳＶ２を開放すると、容易に外気が排出路１３１内に導入される。タンク１３６は、燃料電池スタック１よりも重力方向において下方に位置している。さらに、循環ポンプ１３４は、タンク１３６に収容された冷却液の液面よりも、重力方向において低い位置に位置している。
【００４４】
以上のような構成とすることで、外気導入バルブＳＶ２を開放することによって、外気が燃料電池スタック１の冷却液保持部４３に導入され、冷却液保持部４３内の冷却液は、自重によってタンク１３６まで流れ落ち、回収するためのポンプ等の装着が不要となる。冷却液は、冷却液保持部４３内において最下端部に位置する冷却液流入口３４５から流出し、冷却液供給通路５３２、冷却液供給路１３３、冷却液回収路１３７を通って、タンク１３６に回収される。冷却液を回収する場合の、冷却液の上記経路は、上記順序で、重力方向で下方又は同じ位置に位置するように配置されている。
【００４５】
また、タンク１３６には冷却液が回収されたか否か、また、冷却液が供給されたかどうかを判断する水位センサＳ８と、フィルタを備えた通気管１３９が設置されている。冷却液排出路１３１、冷却液供給路１３３にそれぞれ配設された冷却液出口温度センサＳ９、冷却液入口温度センサＳ１０によって検出された冷却液の温度に応じて電磁弁ＳＶ１、ＳＶ２、ＳＶ３、ＳＶ４、ＳＶ５の開閉を制御して、冷却系１３における冷却液の流れを制御する。ラジエター１３２にはファン１３２ａが設けられており、ファンの風量を調節することにより、冷却能力を調整することができる。
【００４６】
以上のように冷却系１３は、燃料電池の通常発電時においては、燃料電池の反応熱によるオーバーヒートを防止するため作動する。この場合、冷却系１３は、冷却液排出路１３１と、ラジエター１３２と、冷却液供給路１３３と、冷却液供給路１３３に配設された循環ポンプ１３４によって構成される循環系が用いられる。従って、この場合には、電磁バルブＳＶ１が開、電磁バルブＳＶ２〜５は閉状態となっている。冷却液は、冷却液供給路１３３から、燃料電池スタック１の冷却液供給通路５３２、各セパレータ３の冷却液保持部４３、冷却液排出通路５３１を経て、熱交換された冷却液は、冷却液排出路１３１から、ラジエター１３２へ到達し、ラジエター１３２で冷やされ、電磁弁ＳＶ１を経て、循環ポンプ１３４へ戻る。冷却液入口温度センサＳ１０で検出される冷却液の温度と、冷却液出口温度センサＳ９で検出された排出冷却液の温度との差に応じて、ラジエター１３２の冷却能力を調整し、また、循環ポンプ１３４の吐出量を調整し、燃料電池スタック1を適正な温度に維持する。
【００４７】
以上のように構成された燃料電池システム１００において、発電始動する場合の作用について、図１０に示されているフローチャートに基づき説明する。燃料電池スタック１の温度センサＳ１１により、燃料電池の温度が設定温度１よりも低いか否かを判断する（ステップＳ１０１）。ここで、設定温度１とは、燃料電池が最適に運転できる温度よりも低い温度、例えば発電運転において冷却が必要になる温度で５０℃とすることができる。また、燃料電池の温度は、温度センサ１１の他、空気排出路９に設けられた空気出口温度センサＳ３によって検出することもできる。ここで、燃料電池の温度が設定温度１以上である場合、Ｓ１０３に進み通常運転の処理をされる。また、燃料電池の温度が設定温度１より小さい場合には、電磁弁ＳＶ２、ＳＶ３は開かれ（ステップＳ１０５）、電磁弁ＳＶ１、ＳＶ４、ＳＶ５は閉じられる（ステップＳ１０７）。また、循環ポンプ１３４は停止される（ステップＳ１０９）。これらのステップＳ１０５〜１０９の動作により、燃料電池スタック１内の冷却液は、自重により燃料電池スタック１から流れ出て、タンク１３６内へ流れ込む。この結果、セパレータ３内の冷却液保持部４３内に充填されていた冷却液は、排出されて空となり、燃料電池スタック１全体の熱容量は、冷却液の排出量に相当する分量が減少する。換言すると、冷却液保持部４３内の冷却液は、より比熱の小さい空気と置換されたことになる。このように、比熱の小さい媒体で置換することによって熱容量が減少するので、燃料電池の反応熱により、単位セルの温度を上昇させることが容易となり、生成水の凍結を抑制することができる。
【００４８】
この場合、燃料電池の発電始動する時間的前の状態、即ち、燃料電池が停止状態にある場合には、燃料電池スタックには、冷却液が充填されており、発電始動する場合に、この冷却液を排出する。これは、燃料電池の凍結防止が、発電始動時に問題となるので、発電を開始することが決まってから、冷却液を排出すれば足るからである。仮に、停止時に冷却液を排出するとすれば、次回の発電始動時に、果たして、発電始動に困難を生じる場合かどうか不明であるので、本実施例では、燃料電池停止時に、冷却液を排出しない。したがって、本実施形態では、燃料電池スタックの熱容量は、燃料電池が発電を停止した状態（あるいは、発電を休止している状態、又は、長時間発電することを予定せず放置されている状態、あるいは、燃料電池車の場合には、運転者が車両から離れて運転を予定していない状態）である場合よりも、燃料電池が発電始動する場合（寒冷時始動する場合、又は燃料電池車の場合は、例えば、イグニッションキー相当部材により車両の発電を行おうとした場合）には、燃料電池スタックの熱容量が小さく変更されていることになる。
【００４９】
水位センサＳ８により検出されたタンク１３６の水位が設定水位１に達しているか判断する（ステップＳ１１１）。達していない場合には、ステップＳ１０５〜１０９の状態を維持する。設定水位１は、冷却液が燃料電池スタック１内に充填されている量に相当する量が増えた場合の水位である。この充填量に相当する量が増えるということは、燃料電池スタック１内から冷却液が抜き取られたことを意味する。
【００５０】
設定水位１に達した場合には、冷却液抜き取り処理が終わったことを意味するので、燃料電池の発電を開始する準備を開始する。即ち、空気ファン１１３を駆動させて燃料電池スタック１への空気供給を開始する（ステップＳ１１３）。次に、水素供給電磁弁１２６を開放して、燃料電池スタック１へ水素の供給を開始する（ステップＳ１１５）。このような動作により、燃料電池スタック１において、酸素保持部４１に酸素を含む空気が供給され、水素保持部４２に水素ガスが供給され、単位セル２において発電反応が開始され、燃料電池の発電が開始される（ステップＳ１１７）。ここで、冷却液が抜き取られているので、燃料電池スタック１の熱容量は、通常発電時よりも減少しており、発電反応によって生じる熱は、冷却液に吸収されない。つまり、反応熱は、燃料電池スタック１を暖める熱として利用され、燃料電池スタック１の温度上昇時間を短縮することができる。このため、燃料電池スタック１の温度が氷点下であった場合であっても、発電反応によって生成された水は、単位セル２内で凍結することが抑制され、発電始動時の発電効率の低下が防止される。
【００５１】
また、冷却液保持部４３内には空気が充填されており、燃料電池スタック１は、冷却液を排出することで、停止時とことなり、空気（気体）と接触する表面積が広くなっており、放熱量が液体で満たされている場合に比較して減少した状態となっている。従って、冷却液保持部４３内の媒体（空気や冷却液）への熱の移動が抑えられ、さらに温度上昇時間を短縮できる。さらに、単位セル２において発生する反応熱は、冷却液への熱伝導経路が消滅しているので、セパレータ３のみが熱伝導経路に変更された構成となっている。これにより、熱の伝導が速く、一層迅速に燃料電池スタック１全体を昇温させることが可能となる。
このように停止時と始動時で、反応熱の熱伝導経路を変更するので、この停止時に比較して始動時の熱伝導経路を燃料電池セルの昇温に適した経路に変更することができる。このため、例えば、反応熱により、燃料電池の温度が速やかに上昇するため、燃料電池の始動が容易になり、又、生成水の凍結を抑制することができる。
【００５２】
次に、燃料電池スタック１の温度が設定温度１より大きくなったか判断する（ステップＳ１１９）。設定温度１に達していない場合には、ステップＳ１１３〜１１７を維持する。達した場合には、燃料電池スタック１の温度は、冷却が必要な温度まで上昇したことを意味するので、冷却系１３によって冷却を開始するための準備を行う。即ち、燃料電池スタック１に冷却液を充填する。電磁弁ＳＶ２、ＳＶ４が開かれ（ステップＳ１２１）、電磁弁ＳＶ１、ＳＶ３、ＳＶ５は閉じられる（ステップＳ１２３）。さらに、循環ポンプ１３４が駆動される（ステップＳ１２５）。
【００５３】
循環ポンプ１３４の駆動によって、冷却液は、冷却液供給路１３３から燃料電池スタック１内へ供給され、冷却液が冷却液保持部４３内に充填される。冷却液の充填とともに、冷却液保持部４３内の空気は、燃料電池スタック１の外部へ、冷却液排出通路５３１を通って排出され、さらに電磁弁ＳＶ２を介して冷却系１３の外へ排出される。
【００５４】
タンク１３６の水位が設定水位２以下となったか判断する（ステップＳ１２７）。設定水位２は、冷却液が燃料電池スタック１の冷却液保持部４３に充填されている時のタンク１３６内の水位である。設定水位２以下となっていない場合には、ステップＳ１２１〜１２５を維持する。設定水位２以下となった場合には、通常の冷却動作を開始する。
【００５５】
このように、本発明では、燃料電池を始動させることが決定した段階で、不凍液を排出している。通常の水（摂氏ゼロで、凍り始める）よりも低い温度で凍結する、いわゆる不凍液を使用している。これは、不凍液であれば、水の凍結により、冷却系の破損が発生する可能性が低いからである。このため、凍結破損を考慮して、燃料電池の停止時に冷却液を排出する必要はない。
【００５６】
以上のような冷却系１３の他、参考形態として、発電始動時に燃料電池スタック１を加熱する加熱手段を設けた構成としてもよい。図１１は、ヒータＨが設けられた冷却系１３の構成を示す模式図である。ヒータＨは冷却液供給路１３３に設けられ、循環ポンプ１３４と燃料電池スタック１の間に位置している。その他の構成は、図９に示されている第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。ヒータＨは、冷却液供給路１３３を流れる冷却液を加熱する作用を有する。加熱された冷却液は、燃料電池スタック１内の各セパレータ３に設けられた冷却液保持部４３を通過し、これにより、燃料電池スタック１の温度を上昇させる。
【００５７】
以下、上記参考形態の冷却系の作用について、図１１及び図１２のフローチャートに基づいて説明する。本実施形態は、自立始動可能温度以下の場合は、ヒータＨを駆動し、冷却液を暖めて循環させることによって自立始動可能温度まで燃料電池を昇温する。自立始動可能温度以上になった場合は、第１実施形態と同様の動作を行う。
【００５８】
起動時において、燃料電池スタック１の温度を測定する温度センサＳ１１の検出値が、設定温度１よりも低いか判断する（ステップＳ２０１）。ここで、設定温度１とは、燃料電池が最適に運転できる温度よりも低い温度、例えば発電運転において冷却が必要になる温度で５０℃とすることができる。燃料電池の温度は、空気排出路１１１に設けられた空気出口温度センサＳ３によって検出することもできる。ここで、燃料電池の温度が設定温度１以上である場合、ステップＳ２０３に進み通常運転の処理をされる。設定温度１未満である場合には、燃料電池の温度が設定温度２よりも低いか否かを判断する（ステップＳ２０５）。ここで設定温度２とは、燃料電池の自立始動可能温度、例えば−１５℃である。例えて説明すれば、ヒータによる暖機なしで最適電力の発電まで立ち上がることができる温度である。ここで、自立始動可能温度以上の場合は、第１実施形態と同様の処理（ステップＳ１０５以降）に進む。
【００５９】
ここで、燃料電池の温度が設定温度２未満であった場合には、ＳＶ１、ＳＶ２、ＳＶ３、ＳＶ４を閉じ（ステップＳ２０７）、ＳＶ５を開き（ステップＳ２０９）更に循環ポンプ５６を駆動し（ステップＳ２１１）、ヒータＨをＯＮする（ステップＳ２１３）。この状態では、ラジエター１３２はバイパスされ、ヒータＨで暖められた冷却液が、燃料電池スタック１内を通って循環し、燃料電池の温度が設定温度２以上になるまで、この状態が維持される。燃料電池スタック１が設定温度２以上に達したか判断し（ステップＳ２１５）、設定温度２以上に達した場合には、ヒータＨをＯＦＦにする（ステップＳ２１７）。その後の処理は第１実施形態のステップＳ１０５以降と同様であるので、説明を省略する。このようにすることによって、この実施形態では、自立始動可能温度以下であっても速やかに自立始動可能温度まで昇温することができ、その後、第1実施形態と同様に始動することができる。
【００６０】
なお、参考形態のように、最初に加熱手段で燃料電池スタック１を加熱する方法としては、冷却液を加熱する方法の他、燃料電池スタック１の本体を直接加熱する加熱装置を設けてもよく、或いは、空気供給路１１０から供給される空気を、ヒータ１１４で加熱して、燃料電池スタック１に送り込む方法を採っても良い。この場合には、予めステップＳ１０５〜１１１の処理を完了し、冷却液を燃料電池スック１から抜き取った後に加熱することが好ましい。このようにすれば、燃料電池スタック１の熱容量が減少しているので、加熱効率が良くまた、加熱のためのエネルギー消費量も軽減される。
【００６１】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、始動時には、燃料電池スタックから不凍液を除去して燃料電池の熱容量を、停止時より小さなものとすることができる。このため、熱容量が大きい場合の燃料電池に比較して、燃料電池の反応熱を有効に利用することができるので、速やかに単位セルの燃料電池温度が上昇することが可能で生成水の凍結を抑制することができる。また、燃料電池スタックの温度を検出し、検出した温度に応じて熱容量を変更する構成としたので、熱容量の変更の要・不要の確認が不要となり、燃料電池の始動操作を簡略化することができる。
【００６２】
また、暖機のために外部加熱手段を用いた場合でも、外部加熱手段から供給された熱を、温度上昇のためにより有効に利用できるので、必要な温度に燃料電池を暖機するために必要な熱量も少量ですむ。
【００６３】
請求項２に記載の発明によれば、始動時で、燃料電池スタックから不凍液を除去して燃料電池スタックからの放熱量を、停止時に比較して低減することにより、燃料電池の昇温を効率的に行うことができる。このため、例えば、反応熱により、燃料電池の温度が速やかに上昇するため、燃料電池の始動が容易になり、又、生成水の凍結を抑制することができる。また、燃料電池スタックの温度を検出し、検出した温度に応じて熱容量を変更する構成としたので、熱容量の変更の要・不要の確認が不要となり、燃料電池の始動操作を簡略化することができる。
【００６４】
請求項３に記載の発明によれば、燃料電池スタックから不凍液を除去して熱容量を変更する構成とすることで、熱容量の変更が容易かつ迅速にできるといった利点がある。また、各単位セルの間に設けられたセパレータの熱容量を変更することで、燃料電池スタック全体の熱容量を均一に変更することができる。
【００６５】
請求項４の発明によれば、燃料電池始動の際、冷却用の不凍液を保持する保持部に不凍液を保持しないよう構成されるので、不凍液があるために、燃料電池の温度上昇が制限されることが防止される。このため、低温始動に特に有利であり、また、生成水の凍結を防止することができる。請求項５に記載の発明によれば、不凍液タンクをセパレータより重力位置で下方に設けたので、自重により排出させることができ、回収のための特別な駆動装置が不要となる。
【００６６】
請求項６に記載の発明によれは、セパレータを金属で構成することにより、一層熱容量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池スタックの部分断面側面図である。
【図２】本発明の燃料電池スタックの部分断面斜視図である。
【図３】図１におけるＡ−Ａ断面図である。
【図４】図１におけるＢ−Ｂ断面図である。
【図５】図１におけるＣ−Ｃ断面図である。
【図６】図３におけるＤ−Ｄ断面図である。
【図７】燃料電池スタックを示す全体斜視図である。
【図８】燃料電池スタックの部分断面平面図である。
【図９】燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図１０】発電始動時の冷却系の動作を示すフローチャートである。
【図１１】冷却系の他の実施形態を示す模式図である。
【図１２】発電始動時の冷却系の動作を示すフローチャートである。
【図１３】発電始動時の冷却系の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１燃料電池スタック
２単位セル
３セパレータ
３１集電部材
３２集電部材
４１酸素保持部
４２水素保持部
４３冷却液保持部
１００燃料電池システム
１３冷却系
１３６タンク
１３７冷却液回収路

Claims

燃料電池の単位セルと、
前記単位セル間を接続するセパレータとを備えた燃料電池スタックにおいて、
前記燃料電池スタック内から不凍液を抜き入れして燃料電池スタックの熱容量を変更する熱容量変更手段と、
燃料電池スタックの温度を検出する温度検出手段と、
始動時に燃料電池の温度を測定し、該温度が発電運転において冷却が必要になる温度以下の場合のみ、前記熱容量変更手段により、熱容量を停止時より小さくする制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池スタック。
燃料電池の単位セルと、
前記単位セル間を接続するセパレータとを備えた燃料電池スタックにおいて、
前記燃料電池スタック内から不凍液を抜き入れして燃料電池スタックの熱容量を変更する熱容量変更手段と、
燃料電池スタックの温度を検出する温度検出手段と、
始動時に燃料電池スタックの温度を測定し、該温度が発電運転において冷却が必要になる温度以下の場合のみ、前記不凍液を抜いて空気を入れ、燃料電池スタックの放熱量を停止時より小さくした後、発電させる制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池スタック。
前記熱容量変更手段は、燃料電池スタックのセパレータ内の不凍液を抜き入れするものである請求項１または２に記載の燃料電池スタック。
前記セパレータは、前記不凍液を保持する保持部を有する請求項1から3のいずれか1に記載の燃料電池スタック。
前記保持部に一端が接続され、前記保持部より不凍液を排出する冷却液回収路と、該冷却液回収路の他端に接続され、前記のセパレータより重力位置で下方に位置し、不凍液を一時的に回収する不凍液タンクとを備えた請求項4に記載の燃料電池スタック。
セパレータは、金属板で構成されている請求項１〜５のいずれか１に記載の燃料電池スタック。