燃料電池システム
【課題】燃料電池スタックの両端の燃料電池のうちアノードが外側に位置する燃料電池における、燃料電池システムの立ち下げ時の極間温度差を抑制する。
【解決手段】燃料電池システムは、複数の平型燃料電池を積層した平型燃料電池スタックと、平型燃料電池スタックの両端に位置する平型燃料電池のうち、アノード側の面が平型燃料電池スタックの端部となるアノード側端部燃料電池に隣接配置された円筒型燃料電池と、を備える。
【解決手段】燃料電池システムは、複数の平型燃料電池を積層した平型燃料電池スタックと、平型燃料電池スタックの両端に位置する平型燃料電池のうち、アノード側の面が平型燃料電池スタックの端部となるアノード側端部燃料電池に隣接配置された円筒型燃料電池と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックにおける端に位置する燃料電池の温度制御技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料電池システムでは、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を１対のセパレータで挟持した燃料電池（以下、「単セル」とも呼ぶ）を複数積層して構成された燃料電池スタックが用いられている。この燃料電池スタックの両端に位置する単セル（以下、「端部セル」と呼ぶ）では、端部セルの外側に配置されたターミナルプレート，絶縁プレート及びエンドプレートにおける放熱により、アノード及びカソードのうち、より外側に配置された極側において温度が低下し易い。それゆえ、より高温で湿度が高い内側の極から、より低温で湿度が低い外側の極へと水蒸気が移動するため、外側の極において水分が過多となりフラッディングが発生するという問題があった。特に、アノードが外側に位置する端部セルではアノードにおいて水分が過多となるが、一般に水分を持ち去る（除去する）ガス流量がカソード側に比べて少ないため、フラッディングの発生が顕著となる。
【０００３】
そこで、アノードが外側に位置する端部セルを、ヒーターを用いて外側から加熱することにより、端部セルにおけるアノードとカソードとの温度差を抑制する燃料電池システムが提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１０８６１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
アノードが外側に位置する端部セルをヒーターを用いて外側から加熱する技術の１つとしては、燃料電池システムの運転により生じた電力をヒーターに供給する。この場合、燃料電池システム立ち下げ時にはヒーターを駆動できないため、極間の温度差が大きくなりアノードにおいて水分が過多となるおそれがあった。この場合、次回始動時にフラッディングが発生し、端部セルに水素ガスが十分に供給されず、電圧低下やＭＥＡの劣化が起こり得る。
【０００６】
本発明は、燃料電池スタックの両端の燃料電池のうちアノードが外側に位置する燃料電池における、燃料電池システムの立ち下げ時の極間温度差を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］燃料電池システムであって、複数の平型燃料電池を積層した平型燃料電池スタックと、前記平型燃料電池スタックの両端に位置する平型燃料電池のうち、アノード側の面が前記平型燃料電池スタックの端部となるアノード側端部燃料電池に隣接配置された円筒型燃料電池と、を備える、燃料電池システム。
【０００９】
適用例１の燃料電池システムは、平型燃料電池スタックの両端に位置する平型燃料電池のうち、アノード側の面が平型燃料電池スタックの端部となるアノード側端部燃料電池に円筒型燃料電池が隣接配置されているので、円筒型燃料電池が断熱材として働くことにより、燃料電池システムの立ち下げ時においてアノード側端部燃料電池のアノード側の温度低下を抑制することができ、極間温度差を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図。
【図２】第２の実施例の燃料電池システム１００を適用した車両の概略構成を示す説明図。
【図３】第２の実施例の車両５００において実行される総マイナス極側加熱処理の手順を示すフローチャート。
【図４】第３の実施例の総マイナス極側加熱処理の手順を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
Ａ．第１の実施例：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム１００は、平型燃料電池スタック１０と、円筒型燃料電池スタック部４０と、配管収容部２０と、マイナス極側ターミナルプレート５０と、燃料ガス供給配管６１と、酸化剤ガス供給配管６２と、燃料ガス排出配管６３と、酸化剤ガス排出配管６４とを備えている。なお、図１では、燃料電池システム１００における総マイナス極側（燃料電池全体としてのマイナス極側）の構成を主として表わしている。燃料電池システム１００は、例えば、駆動用モータを備えた電気車両（図示省略）に搭載して用いることができる。また、例えば、据え置き型の燃料電池システムとして用いることができる。
【００１２】
平型燃料電池スタック１０は、平面視略矩形の外観形状を有する複数の平型燃料電池１１が積層された構成を有している。平型燃料電池１１は、燃料ガスとして水素ガスを用い、酸化剤ガスとして空気を用いる固体高分子型燃料電池であり、電解質膜，触媒層及びガス拡散層を有するＭＥＧＡ（Membrane-Electrode＆Gas. Diffusion Layer Assembly）１６を、一対のセパレータ１７で挟持した構成を有している。電解質膜は、スルホン酸基を含むフッ素樹脂系イオン交換膜であり、例えば、デュポン社のナフィオン（登録商標）や、旭化成株式会社のアシプレックス（登録商標）等を用いることができる。また、電解質膜として、炭化水素系スルホン酸基膜を用いることもできる。触媒層としては、例えば、触媒担持粒子（例えば白金担持カーボン）と高分子電解質と撥水材とを混合したスラリーを電解質膜に塗布して形成することができる。ガス拡散層は、多孔質の部材（例えば、カーボンペーパーやカーボンクロスやガラス状カーボン）を用いて構成することができる。セパレータ１７は、ガス不透過の伝導性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、プレス成型した金属板によって構成することができる。
【００１３】
平型燃料電池１１は、燃料ガス供給マニホールド１２ａと、酸化剤ガス供給マニホールド１３ａと、燃料ガス排出マニホールド１４ａと、酸化剤ガス排出マニホールド１５ａとを備えている。複数の平型燃料電池１１が積層されて各マニホールドが重なることによって、平型燃料電池スタック１０の内部には、燃料ガス供給流路１２と、酸化剤ガス供給流路１３と、燃料ガス排出流路１４と、酸化剤ガス排出流路１５とが形成されている。なお、平型燃料電池スタック１０の内部には図示しない冷却媒体流路が形成されており、平型燃料電池スタック１０の内部は、冷却水や冷却液（ＬＬＣ）が流れることにより冷却される。
【００１４】
以下では、平型燃料電池スタック１０を構成する燃料電池１１のうち最も総マイナス極側に位置する燃料電池を、説明の便宜上、「マイナス極側端部セル１１ａ」と呼ぶ。なお、マイナス極側端部セル１１ａは他の燃料電池１１と同様の構成を有している。マイナス極側端部セル１１ａでは、アノード側の面（マイナス極側端部セル１１ａを構成する一対のセパレータ１７のうち、平型燃料電池１１と接していないセパレータにおける外側面）は、平型燃料電池スタック１０の端部を形成している。すなわち、マイナス極側端部セル１１ａは、他の平型燃料電池１１とは異なり、アノード側の面に隣接して配管収容部２０が配置されている。
【００１５】
円筒型燃料電池スタック部４０は、複数の円筒型燃料電池３０と、ガス供給室４１と、ガス排出室４２とを備えている。図１の例では、説明の便宜上、ガス供給室４１及びガス排出室４２を透過して示している。また、ガス供給室４１とガス排出室４２との間において側面部分には図示しない壁が配置されており、ガス供給室４１とガス排出室４２との間は、空間ＡＲ１が形成されている。
【００１６】
複数の円筒型燃料電池３０は、空間ＡＲ１において、互いに所定の間隔をへだててマトリクス状に配置されている。各円筒型燃料電池３０の下部端面はガス供給室４１の内部と接し、上部端面はガス排出室４２の内部と接している。円筒型燃料電池３０は、一点鎖線で示す中心軸ＣＸに沿って中央にアノード３２を有し、また、アノード３２の周りにＭＥＡ３１を、ＭＥＡ３１の周りにカソード３３を、それぞれ有している。アノード３２及びカソード３３は、いずれもガス透過性を有し、円筒型燃料電池スタック部４０に供給される反応ガス（水素ガス及び空気）をＭＥＡ３１に供給可能に構成されている。
【００１７】
ここで、アノード３２は、ＭＥＡ３１及びカソード３３が断熱材として働くことにより、燃料電池システム１００の立ち下げ時に、マイナス極側ターミナルプレート５０や図示しない絶縁プレート及びエンドプレートからの放熱に関わらず温度低下が抑制される。
【００１８】
ガス供給室４１は、２つの燃料ガス供給孔２１，５１を備えている。燃料ガス供給孔２１は、配管収容部２０内に設けられた燃料ガス供給配管（後述）と接続されている。燃料ガス供給孔５１は、マイナス極側ターミナルプレート５０を厚み方向に貫通する燃料ガス供給孔（図示省略）と接続されており、このマイナス極側ターミナルプレート５０の燃料ガス供給孔を介して供給される水素ガスを、各円筒型燃料電池３０の下部端面からアノード３２に供給する。
【００１９】
ガス排出室４２は、酸化剤ガス排出流路４４と、２つの燃料ガス排出孔２７，５３と、２つの酸化剤ガス排出孔２５，５４とを備えている。酸化剤ガス排出流路４４は、ガス排出室４２の内部において、配管収容部２０側からマイナス極側ターミナルプレート５０側に亘って配置されている。燃料ガス排出孔２７は、配管収容部２０内に設けられた燃料ガス排出配管（後述）と、ガス排出室４２とを連通させる。燃料ガス排出孔５３は、マイナス極側ターミナルプレート５０を厚み方向に貫通する燃料ガス排出孔（図示省略）と接続されており、この燃料ガス排出孔を介してガス排出室４２内の燃料ガスを排出する。酸化剤ガス排出孔５４は、マイナス極側ターミナルプレート５０を厚み方向に貫通する酸化剤ガス排出孔（図示省略）と接続されており、酸化剤ガス排出流路４４を介して排出される酸化剤ガス（空気）をマイナス極側ターミナルプレート５０の酸化剤ガス排出孔に排出する。
【００２０】
配管収容部２０は、平型燃料電池１１と同じ平面形状を有し、内部に図示しない４つの配管を備えている。具体的には、配管収容部２０は、ガス供給室４１の燃料ガス供給孔２１と燃料ガス供給流路１２とを接続する配管（以下、「燃料ガス供給配管」と呼ぶ）と、燃料ガス排出流路１４とガス排出室４２の酸化剤ガス排出孔２５とを接続する配管（以下、「燃料ガス排出配管」と呼ぶ）と、酸化剤ガス排出流路１５とガス排出室４２の燃料ガス排出孔２７とを接続する配管（以下、「酸化剤ガス排出配管」と呼ぶ）とを備えている。また、配管収容部２０は、空間ＡＲ１と接続する酸化剤ガス供給孔２３と、この酸化剤ガス供給孔２３と酸化剤ガス供給流路１３とを接続する図示しない配管（以下、「酸化剤ガス供給配管」と呼ぶ）とを備えている。
【００２１】
マイナス極側ターミナルプレート５０は、円筒型燃料電池スタック部４０の外側（配管収容部２０とは反対側）に配置され、平型燃料電池スタック１０及び円筒型燃料電池スタック部４０からなる燃料電池全体としてのマイナス極を形成する。本実施例では、平型燃料電池スタック１０において各平型燃料電池１１は直列に接続されている。また、各円筒型燃料電池３０は直列に接続されている。これら平型燃料電池スタック１０と各円筒型燃料電池３０とは直列に接続され、マイナス極側ターミナルプレート５０は、このような直列接続におけるマイナス端に相当する円筒型燃料電池３０と電気的に接続されている。マイナス極側ターミナルプレート５０は、空間ＡＲ１に対応する位置に、厚み方向に貫通する酸化剤ガス供給孔５２を備えている。なお、マイナス極側ターミナルプレート５０の外側には、各配管６１〜６４を貫通する絶縁プレート及びエンドプレートが配置されているが、図１では省略している。
【００２２】
燃料ガス供給配管６１は、マイナス極側ターミナルプレート５０の燃料ガス供給孔（図示省略）と、水素ガスタンク（図示省略）とを接続し、水素ガスタンクに貯蔵されている水素ガスを、燃料ガス供給孔５１を介してガス供給室４１に供給する。ガス供給室４１に供給された水素ガスの一部は各円筒型燃料電池３０のアノード３２に供給され、残りの水素ガスは燃料ガス供給孔２１及び配管収容部２０内の燃料ガス供給配管（図示省略）を介して燃料ガス供給流路１２に供給される。
【００２３】
酸化剤ガス供給配管６２は、マイナス極側ターミナルプレート５０の酸化剤ガス供給孔５２と、エアコンプレッサー（図示省略）とを接続し、圧縮空気を酸化剤ガス供給孔５２を介して円筒型燃料電池スタック部４０の空間ＡＲ１に供給する。空間ＡＲ１に供給された空気の一部は各円筒型燃料電池３０のカソード３３に供給され、残りの空気は酸化剤ガス供給孔２３を介して酸化剤ガス供給流路１３に供給される。
【００２４】
燃料ガス排出配管６３は、マイナス極側ターミナルプレート５０の燃料ガス排出孔（図示省略）と接続され、ガス排出室４２内の水素ガスを、燃料ガス排出孔５３及びマイナス極側ターミナルプレート５０の燃料ガス排出孔（図示省略）を介して排出する。したがって、平型燃料電池スタック１０において電気化学反応に用いられなかった水素ガスは、燃料ガス排出流路１４及び配管収容部２０の燃料ガス排出配管（図示省略）を通ってガス排出室４２に排出され、さらに、燃料ガス排出配管６３を介して排出される。また、各円筒型燃料電池３０において電気化学反応に用いられなかった水素ガスは、ガス排出室４２に排出され、さらに、燃料ガス排出配管６３を介して排出される。
【００２５】
酸化剤ガス排出配管６４は、マイナス極側ターミナルプレート５０の酸化剤ガス排出孔（図示省略）と接続され、酸化剤ガス排出流路４４を介して排出される酸化剤ガスを、酸化剤ガス排出孔５４及びマイナス極側ターミナルプレート５０の酸化剤ガス排出孔（図示省略）を介して排出する。したがって、平型燃料電池スタック１０において電気化学反応に用いられなかった空気は、酸化剤ガス排出流路１５，配管収容部２０の酸化剤ガス排出配管（図示省略）及び酸化剤ガス排出流路４４を通って、酸化剤ガス排出配管６４を介して排出される。
【００２６】
なお、総プラス極側（燃料電池全体としてのプラス極側）の構成については、配管収容部２０及び円筒型燃料電池スタック部４０を備えていない点を除き、総マイナス極側の構成と同じである。すなわち、燃料電池システム１００は、平型燃料電池スタック１０の総プラス側の端部セル（図示省略）の外側に図示しないプラス側ターミナルプレートを備え、さらに、プラス側ターミナルプレートの外側に図示しない絶縁プレート及びエンドプレートを備えている。
【００２７】
このような構成を有する燃料電池システム１００では、マイナス極側端部セル１１ａの外側（平型燃料電池スタック１０の積層方向の外側）に、円筒型燃料電池スタック部４０及び配管収容部２０が隣接して配置されている。したがって、これら配管収容部２０及び円筒型燃料電池スタック部４０が断熱材として働くことにより、燃料電池システム１００の立ち下げ時におけるアノード側の温度低下が抑制される。なお、マイナス極側端部セル１１ａは、請求項におけるアノード側端部燃料電池に相当する。
【００２８】
以上説明したように、燃料電池システム１００では、円筒型燃料電池スタック部４０及び配管収容部２０が、マイナス極側端部セル１１ａのアノード側の面に隣接配置されているため、これら円筒型燃料電池スタック部４０及び配管収容部２０が断熱材として機能する。したがって、燃料電池システム１００の立ち下げ時に、総マイナス極側のマイナス極側ターミナルプレート５０，絶縁プレート（図示省略）及びエンドプレート（図示省略）からの放熱に関わらず、マイナス極側端部セル１１ａのアノード側の温度低下を抑制することができる。それゆえ、マイナス極側端部セル１１ａにおけるアノード及びカソードの極間温度差を抑制できるので、アノードへの水の移動を抑制でき、次回始動時にフラッディングが発生することを抑制できる。
【００２９】
Ｂ．第２の実施例：
図２は、第２の実施例の燃料電池システム１００を適用した車両の概略構成を示す説明図である。第２の実施例の燃料電池システム１００は、燃料電池システム１００の立ち下げ時に総マイナス極側加熱処理を実行することによりマイナス極側端部セル１１ａのアノード側を積極的に加熱する点において、燃料電池システム１００（図１）と異なり、他の構成は第１の実施例と同じである。第２の実施例では、燃料電池システム１００は、電気車両に搭載されている。
【００３０】
車両５００は、電力供給部５２０と、負荷部５４０と、ナビゲーション装置６０とを備えている。電力供給部５２０は、負荷部５４０に対して動力源としての電力を供給する。負荷部５４０は、供給された電力を、車両５００を駆動するための機械的動力に変換する。
【００３１】
電力供給部５２０は、燃料電池システム１００と、２次電池５２２と、ＤＣ−ＤＣコンバータ５２３と、制御ユニット７０とを備えている。燃料電池システム１００は第１の実施例の燃料電池システム１００（図１）と同じである。２次電池５２２は、燃料電池システム１００において生じた電力や負荷部５４０において回生された電力を蓄電する。また、２次電池５２２は、負荷部５４０やエアコン等の補機（図示省略）に電力を供給する。ＤＣ−ＤＣコンバータ２３は、２次電池５２２の出力電圧を調整する。
【００３２】
制御ユニット７０は、ＣＰＵ７０ａと、メモリ７０ｃとを備えている。メモリ７０ｃには電力供給制御用プログラムが記憶されており、ＣＰＵ７０ａは、この電力供給制御用プログラムを実行することにより、電力供給制御部７０ｂとして機能する。電力供給制御部７０ｂは、燃料電池システム１００及び駆動回路５４６を制御することにより、負荷部５４０への電力供給を制御する。電力供給制御部７０ｂは、燃料電池システム１００と、ナビゲーション装置６０と、駆動回路５４６とに、それぞれ電気的に接続されている。
【００３３】
負荷部５４０は、駆動回路５４６と、モータ５４１と、ギヤ機構５４２と、車輪５４４とを備えている。駆動回路５４６は、モータ５４１を駆動するための回路である。モータ５４１で発生した動力は、ギヤ機構５４２を介して車輪５４４に伝達される。駆動回路５４６は、電力供給部５２０から供給された直流電力を三相交流電力に変換してモータ５４１に供給する。
【００３４】
ナビゲーション装置６０は、現在地から目的地までの経路を画像及び音声により案内する。ナビゲーション装置６０は、図示しないＧＰＳアンテナにより受信する人工衛星からの電波に基づき、ハードディスク等の記憶装置に格納された電子地図データを参照して、表示パネル（図示省略）上への経路表示や音声案内を実行する。また、ナビゲーション装置６０は、設定された目的地付近（例えば、目的地を中心とした半径１ｋｍの範囲内）に到達した場合に、その旨を制御ユニット７０に通知する。
【００３５】
図３は、第２の実施例の車両５００において実行される総マイナス極側加熱処理の手順を示すフローチャートである。運転者がナビゲーション装置６０において目的地を設定し、車両５００を始動すると、電力供給制御部７０ｂにより総マイナス極側加熱処理が実行される。なお、車両５００の始動と共に燃料電池システム１００が起動し、平型燃料電池スタック１０及び円筒型燃料電池スタック部４０は発電を開始する。
【００３６】
総マイナス極側加熱処置が開始されると、電力供給制御部７０ｂは、ナビゲーション装置６０から目的地付近に到達した旨の通知を受信するまで待機している（ステップＳ１０５）。電力供給制御部７０ｂは、目的地付近に到達した旨の通知を受信すると、平型燃料電池スタック１０を停止させ、円筒型燃料電池スタック部４０及び２次電池５２２から負荷部５４０に電力を供給する（ステップＳ１１０）。平型燃料電池スタック１０の停止は、例えば、配管収容部２０内の配管を閉塞し、平型燃料電池スタック１０への反応ガスの供給を停止することにより実現できる。また、例えば、平型燃料電池スタック１０と円筒型燃料電池スタック部４０との直列接続部分にリレーを設け、このリレーをオフすることにより平型燃料電池スタック１０を切り離して、円筒型燃料電池スタック部４０からのみ電力を得ることにより実現することができる。なお、円筒型燃料電池スタック部４０によって十分な発電量が得られる場合には、２次電池５２２も併せて停止させることもできる。
【００３７】
平型燃料電池スタック１０の停止により各平型燃料電池１１は温度が低下する。しかしながら、円筒型燃料電池スタック部４０は駆動したままであるので、円筒型燃料電池スタック部４０の発電に伴う熱が、配管収容部２０を介してマイナス極側端部セル１１ａに伝わり、マイナス極側端部セル１１ａのアノード側は加熱される。したがって、マイナス極側端部セル１１ａのアノード側の温度低下は抑制される。
【００３８】
ステップＳ１１０の後、電力供給制御部７０ｂは、車両５００のイグニッションがオフになるまで待機しており（ステップＳ１１５）、イグニッションがオフとなった場合に、総マイナス極側加熱処理は終了する。
【００３９】
以上説明した第２の実施例の燃料電池システム１００は、第１の実施例の燃料電池システム１００と同様な効果を有する。加えて、目的地付近に到達した場合に、円筒型燃料電池スタック部４０を駆動したまま平型燃料電池スタック１０を停止させるので、マイナス極側端部セル１１ａを円筒型燃料電池スタック部４０の発電による熱を用いて加熱することができ、マイナス極側端部セル１１ａのアノード側の温度低下を抑制できる。
【００４０】
Ｃ．第３の実施例：
図４は、第３の実施例の総マイナス極側加熱処理の手順を示すフローチャートである。第３の実施例の燃料電池システム１００は、総マイナス極側加熱処理において、ステップＳ１１０に代えてステップＳ１１０ａを実行する点と、ステップＳ１１５の後にステップＳ１２０を実行する点において、第２の実施例の燃料電池システム１００と異なり、他の構成は第２の実施例の燃料電池システム１００と同じである。なお、図４では、フローチャートの右隣りに２次電池５２２の充電電力量（ＳＯＣ：State Of Charge）を模式的に表わしている。
【００４１】
図４の例では、ステップＳ１０５において目的地付近に到達したと判定した（ステップＳ１０５：ＹＥＳ）際に、２次電池５２２のＳＯＣは８０％である。電力供給制御部７０ｂは、目的地付近に到達したと判定すると、平型燃料電池スタック１０及び円筒型燃料電池スタック部４０を停止させ、２次電池５２２からのみ負荷部５４０に電力を供給する（ステップＳ１１０ａ）。図４に示すように、ステップＳ１１０ａの実行により２次電池５２２のＳＯＣは低下する。
【００４２】
その後、電力供給制御部７０ｂは、車両５００のイグニッションがオフになったと判定すると（ステップＳ１１５：ＹＥＳ）、円筒型燃料電池スタック部４０を所定期間（例えば１０分間）だけ駆動させ（ステップＳ１２０）、総マイナス極側加熱処理は終了する。円筒型燃料電池スタック部４０の駆動により、円筒型燃料電池スタック部４０の発電に伴う熱が配管収容部２０を介してマイナス極側端部セル１１ａに伝わるため、マイナス極側端部セル１１ａのアノード側の温度低下は抑制される。また、図４に示すように、ステップＳ１２０における円筒型燃料電池スタック部４０の発電により、２次電池５２２のＳＯＣは上昇する。
【００４３】
以上説明した第３の実施襟の燃料電池システム１００は、第２の実施例の燃料電池システム１００と同様な効果を有する。加えて、目的地付近に到達した場合に、２次電池５２２からのみ電力を供給することによって２次電池５２２のＳＯＣを低下させるので、ステップＳ１２０における円筒型燃料電池スタック部４０の駆動により得られた電力を、余すことなく２次電池５２２に蓄えることができる。
【００４４】
Ｄ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００４５】
Ｄ１．変形例１：
各実施例では、配管収容部２０は、図１に示すように円筒型燃料電池スタック部４０と対向する壁を有し、空間ＡＲ１が平型燃料電池スタック１０と直接接しない（隣接しない）構成であったが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、配管収容部２０がガス供給室４１及びガス排出室４２とそれぞれ対向する部分にのみ壁を備え、空間ＡＲ１が平型燃料電池スタック１０と直接接する（隣接する）構成とすることもできる。このような構成により、円筒型燃料電池スタック部４０の発電に伴う熱を、より効率的にマイナス極側端部セル１１ａに伝えることができる。また、例えば、配管収容部２０を省略し、平型燃料電池スタック１０を円筒型燃料電池スタック部４０に直接当接させる（隣接させる）構成とすることもできる。この構成では、平型燃料電池スタック１０における燃料ガス供給流路１２を、燃料ガス供給孔２１と積層方向に対向する位置に配置することが好ましい。同様に、燃料ガス排出流路１４を燃料ガス排出孔２７と積層方向に対向する位置に、酸化剤ガス排出流路１５を酸化剤ガス排出孔２５と積層方向に対向する位置に、それぞれ配置することが好ましい。すなわち、一般には、円筒型燃料電池がアノード側端部燃料電池に隣接配置された構成を、本発明の燃料電池システムに採用することができる。
【００４６】
Ｄ２．変形例２：
各実施例では、円筒型燃料電池３０は、互いに所定の間隔をへだててマトリクス状に配置されていたが、これに代えて、千鳥配置や円心状配置など任意の形状となるように配置することもできる。また、円筒型燃料電池３０の数は２４本であったが、これに代えて、任意の本数とすることができる。
【００４７】
Ｄ３．変形例３：
各実施例では、総マイナス極側に円筒型燃料電池スタック部４０を配置していたが、本発明はこれに限定されるものではない。各実施例では、マイナス極側端部セル１１ａにおいてアノードがカソードよりも積層方向において外側に位置していたため、円筒型燃料電池スタック部４０を総マイナス極側に配置して、マイナス極側端部セル１１ａにおけるアノード側の温度低下を抑制していた。しかしながら、各平型燃料電池１１におけるアノードとカソードとの配置位置が逆となっており、平型燃料電池スタック１０における最も総プラス極側に位置する燃料電池（以下、「プラス極側端部セル」と呼ぶ）において、アノードがカソードよりも積層方向において外側に位置する構成では、円筒型燃料電池スタック部４０を総プラス極側に配置することができる。このようにすることで、プラス極側端部セルにおいて燃料電池システムの立ち下げ時のアノード側の温度低下を抑制でき、アノード及びカソードの極間温度差を抑制できる。すなわち、一般には、平型燃料電池スタックの両端に位置する平型燃料電池のうち、アノード側の面が平型燃料電池スタックの端部となるアノード側端部燃料電池に円筒型燃料電池が隣接配置された構成を、本発明の燃料電池システムに採用することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１０…平型燃料電池スタック、１１…平型燃料電池、１１ａ…マイナス極側端部セル、１２…燃料ガス供給流路、１２ａ…燃料ガス供給マニホールド、１３…酸化剤ガス供給流路、１３ａ…酸化剤ガス供給マニホールド、１４…燃料ガス排出流路、１４ａ…燃料ガス排出マニホールド、１５…酸化剤ガス排出流路、１５ａ…酸化剤ガス排出マニホールド、１６…ＭＥＧＡ、１７…セパレータ、２０…配管収容部、２１…燃料ガス供給孔、２３…酸化剤ガス供給孔、２５…酸化剤ガス排出孔、２７…燃料ガス排出孔、３０…円筒型燃料電池、３１…ＭＥＡ、３２…アノード、３３…カソード、４０…円筒型燃料電池スタック部、４１…ガス供給室、４２…ガス排出室、４４…酸化剤ガス排出流路、５０…マイナス極側ターミナルプレート、５１…燃料ガス供給孔、５２…酸化剤ガス供給孔、５３…燃料ガス排出孔、５４…酸化剤ガス排出孔、６０…ナビゲーション装置、６１…燃料ガス供給配管、６２…酸化剤ガス供給配管、６３…燃料ガス排出配管、６４…酸化剤ガス排出配管、７０…制御ユニット、７０ａ…ＣＰＵ、７０ｂ…電力供給制御部、７０ｃ…メモリ、１００…燃料電池システム、５００…車両、５２０…電力供給部、５４０…負荷部、５４１…モータ、５４２…ギヤ機構、５４４…車輪、５４６…駆動回路、ＣＸ…中心軸、ＡＲ１…空間
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックにおける端に位置する燃料電池の温度制御技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料電池システムでは、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を１対のセパレータで挟持した燃料電池（以下、「単セル」とも呼ぶ）を複数積層して構成された燃料電池スタックが用いられている。この燃料電池スタックの両端に位置する単セル（以下、「端部セル」と呼ぶ）では、端部セルの外側に配置されたターミナルプレート，絶縁プレート及びエンドプレートにおける放熱により、アノード及びカソードのうち、より外側に配置された極側において温度が低下し易い。それゆえ、より高温で湿度が高い内側の極から、より低温で湿度が低い外側の極へと水蒸気が移動するため、外側の極において水分が過多となりフラッディングが発生するという問題があった。特に、アノードが外側に位置する端部セルではアノードにおいて水分が過多となるが、一般に水分を持ち去る（除去する）ガス流量がカソード側に比べて少ないため、フラッディングの発生が顕著となる。
【０００３】
そこで、アノードが外側に位置する端部セルを、ヒーターを用いて外側から加熱することにより、端部セルにおけるアノードとカソードとの温度差を抑制する燃料電池システムが提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１０８６１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
アノードが外側に位置する端部セルをヒーターを用いて外側から加熱する技術の１つとしては、燃料電池システムの運転により生じた電力をヒーターに供給する。この場合、燃料電池システム立ち下げ時にはヒーターを駆動できないため、極間の温度差が大きくなりアノードにおいて水分が過多となるおそれがあった。この場合、次回始動時にフラッディングが発生し、端部セルに水素ガスが十分に供給されず、電圧低下やＭＥＡの劣化が起こり得る。
【０００６】
本発明は、燃料電池スタックの両端の燃料電池のうちアノードが外側に位置する燃料電池における、燃料電池システムの立ち下げ時の極間温度差を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］燃料電池システムであって、複数の平型燃料電池を積層した平型燃料電池スタックと、前記平型燃料電池スタックの両端に位置する平型燃料電池のうち、アノード側の面が前記平型燃料電池スタックの端部となるアノード側端部燃料電池に隣接配置された円筒型燃料電池と、を備える、燃料電池システム。
【０００９】
適用例１の燃料電池システムは、平型燃料電池スタックの両端に位置する平型燃料電池のうち、アノード側の面が平型燃料電池スタックの端部となるアノード側端部燃料電池に円筒型燃料電池が隣接配置されているので、円筒型燃料電池が断熱材として働くことにより、燃料電池システムの立ち下げ時においてアノード側端部燃料電池のアノード側の温度低下を抑制することができ、極間温度差を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図。
【図２】第２の実施例の燃料電池システム１００を適用した車両の概略構成を示す説明図。
【図３】第２の実施例の車両５００において実行される総マイナス極側加熱処理の手順を示すフローチャート。
【図４】第３の実施例の総マイナス極側加熱処理の手順を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
Ａ．第１の実施例：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム１００は、平型燃料電池スタック１０と、円筒型燃料電池スタック部４０と、配管収容部２０と、マイナス極側ターミナルプレート５０と、燃料ガス供給配管６１と、酸化剤ガス供給配管６２と、燃料ガス排出配管６３と、酸化剤ガス排出配管６４とを備えている。なお、図１では、燃料電池システム１００における総マイナス極側（燃料電池全体としてのマイナス極側）の構成を主として表わしている。燃料電池システム１００は、例えば、駆動用モータを備えた電気車両（図示省略）に搭載して用いることができる。また、例えば、据え置き型の燃料電池システムとして用いることができる。
【００１２】
平型燃料電池スタック１０は、平面視略矩形の外観形状を有する複数の平型燃料電池１１が積層された構成を有している。平型燃料電池１１は、燃料ガスとして水素ガスを用い、酸化剤ガスとして空気を用いる固体高分子型燃料電池であり、電解質膜，触媒層及びガス拡散層を有するＭＥＧＡ（Membrane-Electrode＆Gas. Diffusion Layer Assembly）１６を、一対のセパレータ１７で挟持した構成を有している。電解質膜は、スルホン酸基を含むフッ素樹脂系イオン交換膜であり、例えば、デュポン社のナフィオン（登録商標）や、旭化成株式会社のアシプレックス（登録商標）等を用いることができる。また、電解質膜として、炭化水素系スルホン酸基膜を用いることもできる。触媒層としては、例えば、触媒担持粒子（例えば白金担持カーボン）と高分子電解質と撥水材とを混合したスラリーを電解質膜に塗布して形成することができる。ガス拡散層は、多孔質の部材（例えば、カーボンペーパーやカーボンクロスやガラス状カーボン）を用いて構成することができる。セパレータ１７は、ガス不透過の伝導性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、プレス成型した金属板によって構成することができる。
【００１３】
平型燃料電池１１は、燃料ガス供給マニホールド１２ａと、酸化剤ガス供給マニホールド１３ａと、燃料ガス排出マニホールド１４ａと、酸化剤ガス排出マニホールド１５ａとを備えている。複数の平型燃料電池１１が積層されて各マニホールドが重なることによって、平型燃料電池スタック１０の内部には、燃料ガス供給流路１２と、酸化剤ガス供給流路１３と、燃料ガス排出流路１４と、酸化剤ガス排出流路１５とが形成されている。なお、平型燃料電池スタック１０の内部には図示しない冷却媒体流路が形成されており、平型燃料電池スタック１０の内部は、冷却水や冷却液（ＬＬＣ）が流れることにより冷却される。
【００１４】
以下では、平型燃料電池スタック１０を構成する燃料電池１１のうち最も総マイナス極側に位置する燃料電池を、説明の便宜上、「マイナス極側端部セル１１ａ」と呼ぶ。なお、マイナス極側端部セル１１ａは他の燃料電池１１と同様の構成を有している。マイナス極側端部セル１１ａでは、アノード側の面（マイナス極側端部セル１１ａを構成する一対のセパレータ１７のうち、平型燃料電池１１と接していないセパレータにおける外側面）は、平型燃料電池スタック１０の端部を形成している。すなわち、マイナス極側端部セル１１ａは、他の平型燃料電池１１とは異なり、アノード側の面に隣接して配管収容部２０が配置されている。
【００１５】
円筒型燃料電池スタック部４０は、複数の円筒型燃料電池３０と、ガス供給室４１と、ガス排出室４２とを備えている。図１の例では、説明の便宜上、ガス供給室４１及びガス排出室４２を透過して示している。また、ガス供給室４１とガス排出室４２との間において側面部分には図示しない壁が配置されており、ガス供給室４１とガス排出室４２との間は、空間ＡＲ１が形成されている。
【００１６】
複数の円筒型燃料電池３０は、空間ＡＲ１において、互いに所定の間隔をへだててマトリクス状に配置されている。各円筒型燃料電池３０の下部端面はガス供給室４１の内部と接し、上部端面はガス排出室４２の内部と接している。円筒型燃料電池３０は、一点鎖線で示す中心軸ＣＸに沿って中央にアノード３２を有し、また、アノード３２の周りにＭＥＡ３１を、ＭＥＡ３１の周りにカソード３３を、それぞれ有している。アノード３２及びカソード３３は、いずれもガス透過性を有し、円筒型燃料電池スタック部４０に供給される反応ガス（水素ガス及び空気）をＭＥＡ３１に供給可能に構成されている。
【００１７】
ここで、アノード３２は、ＭＥＡ３１及びカソード３３が断熱材として働くことにより、燃料電池システム１００の立ち下げ時に、マイナス極側ターミナルプレート５０や図示しない絶縁プレート及びエンドプレートからの放熱に関わらず温度低下が抑制される。
【００１８】
ガス供給室４１は、２つの燃料ガス供給孔２１，５１を備えている。燃料ガス供給孔２１は、配管収容部２０内に設けられた燃料ガス供給配管（後述）と接続されている。燃料ガス供給孔５１は、マイナス極側ターミナルプレート５０を厚み方向に貫通する燃料ガス供給孔（図示省略）と接続されており、このマイナス極側ターミナルプレート５０の燃料ガス供給孔を介して供給される水素ガスを、各円筒型燃料電池３０の下部端面からアノード３２に供給する。
【００１９】
ガス排出室４２は、酸化剤ガス排出流路４４と、２つの燃料ガス排出孔２７，５３と、２つの酸化剤ガス排出孔２５，５４とを備えている。酸化剤ガス排出流路４４は、ガス排出室４２の内部において、配管収容部２０側からマイナス極側ターミナルプレート５０側に亘って配置されている。燃料ガス排出孔２７は、配管収容部２０内に設けられた燃料ガス排出配管（後述）と、ガス排出室４２とを連通させる。燃料ガス排出孔５３は、マイナス極側ターミナルプレート５０を厚み方向に貫通する燃料ガス排出孔（図示省略）と接続されており、この燃料ガス排出孔を介してガス排出室４２内の燃料ガスを排出する。酸化剤ガス排出孔５４は、マイナス極側ターミナルプレート５０を厚み方向に貫通する酸化剤ガス排出孔（図示省略）と接続されており、酸化剤ガス排出流路４４を介して排出される酸化剤ガス（空気）をマイナス極側ターミナルプレート５０の酸化剤ガス排出孔に排出する。
【００２０】
配管収容部２０は、平型燃料電池１１と同じ平面形状を有し、内部に図示しない４つの配管を備えている。具体的には、配管収容部２０は、ガス供給室４１の燃料ガス供給孔２１と燃料ガス供給流路１２とを接続する配管（以下、「燃料ガス供給配管」と呼ぶ）と、燃料ガス排出流路１４とガス排出室４２の酸化剤ガス排出孔２５とを接続する配管（以下、「燃料ガス排出配管」と呼ぶ）と、酸化剤ガス排出流路１５とガス排出室４２の燃料ガス排出孔２７とを接続する配管（以下、「酸化剤ガス排出配管」と呼ぶ）とを備えている。また、配管収容部２０は、空間ＡＲ１と接続する酸化剤ガス供給孔２３と、この酸化剤ガス供給孔２３と酸化剤ガス供給流路１３とを接続する図示しない配管（以下、「酸化剤ガス供給配管」と呼ぶ）とを備えている。
【００２１】
マイナス極側ターミナルプレート５０は、円筒型燃料電池スタック部４０の外側（配管収容部２０とは反対側）に配置され、平型燃料電池スタック１０及び円筒型燃料電池スタック部４０からなる燃料電池全体としてのマイナス極を形成する。本実施例では、平型燃料電池スタック１０において各平型燃料電池１１は直列に接続されている。また、各円筒型燃料電池３０は直列に接続されている。これら平型燃料電池スタック１０と各円筒型燃料電池３０とは直列に接続され、マイナス極側ターミナルプレート５０は、このような直列接続におけるマイナス端に相当する円筒型燃料電池３０と電気的に接続されている。マイナス極側ターミナルプレート５０は、空間ＡＲ１に対応する位置に、厚み方向に貫通する酸化剤ガス供給孔５２を備えている。なお、マイナス極側ターミナルプレート５０の外側には、各配管６１〜６４を貫通する絶縁プレート及びエンドプレートが配置されているが、図１では省略している。
【００２２】
燃料ガス供給配管６１は、マイナス極側ターミナルプレート５０の燃料ガス供給孔（図示省略）と、水素ガスタンク（図示省略）とを接続し、水素ガスタンクに貯蔵されている水素ガスを、燃料ガス供給孔５１を介してガス供給室４１に供給する。ガス供給室４１に供給された水素ガスの一部は各円筒型燃料電池３０のアノード３２に供給され、残りの水素ガスは燃料ガス供給孔２１及び配管収容部２０内の燃料ガス供給配管（図示省略）を介して燃料ガス供給流路１２に供給される。
【００２３】
酸化剤ガス供給配管６２は、マイナス極側ターミナルプレート５０の酸化剤ガス供給孔５２と、エアコンプレッサー（図示省略）とを接続し、圧縮空気を酸化剤ガス供給孔５２を介して円筒型燃料電池スタック部４０の空間ＡＲ１に供給する。空間ＡＲ１に供給された空気の一部は各円筒型燃料電池３０のカソード３３に供給され、残りの空気は酸化剤ガス供給孔２３を介して酸化剤ガス供給流路１３に供給される。
【００２４】
燃料ガス排出配管６３は、マイナス極側ターミナルプレート５０の燃料ガス排出孔（図示省略）と接続され、ガス排出室４２内の水素ガスを、燃料ガス排出孔５３及びマイナス極側ターミナルプレート５０の燃料ガス排出孔（図示省略）を介して排出する。したがって、平型燃料電池スタック１０において電気化学反応に用いられなかった水素ガスは、燃料ガス排出流路１４及び配管収容部２０の燃料ガス排出配管（図示省略）を通ってガス排出室４２に排出され、さらに、燃料ガス排出配管６３を介して排出される。また、各円筒型燃料電池３０において電気化学反応に用いられなかった水素ガスは、ガス排出室４２に排出され、さらに、燃料ガス排出配管６３を介して排出される。
【００２５】
酸化剤ガス排出配管６４は、マイナス極側ターミナルプレート５０の酸化剤ガス排出孔（図示省略）と接続され、酸化剤ガス排出流路４４を介して排出される酸化剤ガスを、酸化剤ガス排出孔５４及びマイナス極側ターミナルプレート５０の酸化剤ガス排出孔（図示省略）を介して排出する。したがって、平型燃料電池スタック１０において電気化学反応に用いられなかった空気は、酸化剤ガス排出流路１５，配管収容部２０の酸化剤ガス排出配管（図示省略）及び酸化剤ガス排出流路４４を通って、酸化剤ガス排出配管６４を介して排出される。
【００２６】
なお、総プラス極側（燃料電池全体としてのプラス極側）の構成については、配管収容部２０及び円筒型燃料電池スタック部４０を備えていない点を除き、総マイナス極側の構成と同じである。すなわち、燃料電池システム１００は、平型燃料電池スタック１０の総プラス側の端部セル（図示省略）の外側に図示しないプラス側ターミナルプレートを備え、さらに、プラス側ターミナルプレートの外側に図示しない絶縁プレート及びエンドプレートを備えている。
【００２７】
このような構成を有する燃料電池システム１００では、マイナス極側端部セル１１ａの外側（平型燃料電池スタック１０の積層方向の外側）に、円筒型燃料電池スタック部４０及び配管収容部２０が隣接して配置されている。したがって、これら配管収容部２０及び円筒型燃料電池スタック部４０が断熱材として働くことにより、燃料電池システム１００の立ち下げ時におけるアノード側の温度低下が抑制される。なお、マイナス極側端部セル１１ａは、請求項におけるアノード側端部燃料電池に相当する。
【００２８】
以上説明したように、燃料電池システム１００では、円筒型燃料電池スタック部４０及び配管収容部２０が、マイナス極側端部セル１１ａのアノード側の面に隣接配置されているため、これら円筒型燃料電池スタック部４０及び配管収容部２０が断熱材として機能する。したがって、燃料電池システム１００の立ち下げ時に、総マイナス極側のマイナス極側ターミナルプレート５０，絶縁プレート（図示省略）及びエンドプレート（図示省略）からの放熱に関わらず、マイナス極側端部セル１１ａのアノード側の温度低下を抑制することができる。それゆえ、マイナス極側端部セル１１ａにおけるアノード及びカソードの極間温度差を抑制できるので、アノードへの水の移動を抑制でき、次回始動時にフラッディングが発生することを抑制できる。
【００２９】
Ｂ．第２の実施例：
図２は、第２の実施例の燃料電池システム１００を適用した車両の概略構成を示す説明図である。第２の実施例の燃料電池システム１００は、燃料電池システム１００の立ち下げ時に総マイナス極側加熱処理を実行することによりマイナス極側端部セル１１ａのアノード側を積極的に加熱する点において、燃料電池システム１００（図１）と異なり、他の構成は第１の実施例と同じである。第２の実施例では、燃料電池システム１００は、電気車両に搭載されている。
【００３０】
車両５００は、電力供給部５２０と、負荷部５４０と、ナビゲーション装置６０とを備えている。電力供給部５２０は、負荷部５４０に対して動力源としての電力を供給する。負荷部５４０は、供給された電力を、車両５００を駆動するための機械的動力に変換する。
【００３１】
電力供給部５２０は、燃料電池システム１００と、２次電池５２２と、ＤＣ−ＤＣコンバータ５２３と、制御ユニット７０とを備えている。燃料電池システム１００は第１の実施例の燃料電池システム１００（図１）と同じである。２次電池５２２は、燃料電池システム１００において生じた電力や負荷部５４０において回生された電力を蓄電する。また、２次電池５２２は、負荷部５４０やエアコン等の補機（図示省略）に電力を供給する。ＤＣ−ＤＣコンバータ２３は、２次電池５２２の出力電圧を調整する。
【００３２】
制御ユニット７０は、ＣＰＵ７０ａと、メモリ７０ｃとを備えている。メモリ７０ｃには電力供給制御用プログラムが記憶されており、ＣＰＵ７０ａは、この電力供給制御用プログラムを実行することにより、電力供給制御部７０ｂとして機能する。電力供給制御部７０ｂは、燃料電池システム１００及び駆動回路５４６を制御することにより、負荷部５４０への電力供給を制御する。電力供給制御部７０ｂは、燃料電池システム１００と、ナビゲーション装置６０と、駆動回路５４６とに、それぞれ電気的に接続されている。
【００３３】
負荷部５４０は、駆動回路５４６と、モータ５４１と、ギヤ機構５４２と、車輪５４４とを備えている。駆動回路５４６は、モータ５４１を駆動するための回路である。モータ５４１で発生した動力は、ギヤ機構５４２を介して車輪５４４に伝達される。駆動回路５４６は、電力供給部５２０から供給された直流電力を三相交流電力に変換してモータ５４１に供給する。
【００３４】
ナビゲーション装置６０は、現在地から目的地までの経路を画像及び音声により案内する。ナビゲーション装置６０は、図示しないＧＰＳアンテナにより受信する人工衛星からの電波に基づき、ハードディスク等の記憶装置に格納された電子地図データを参照して、表示パネル（図示省略）上への経路表示や音声案内を実行する。また、ナビゲーション装置６０は、設定された目的地付近（例えば、目的地を中心とした半径１ｋｍの範囲内）に到達した場合に、その旨を制御ユニット７０に通知する。
【００３５】
図３は、第２の実施例の車両５００において実行される総マイナス極側加熱処理の手順を示すフローチャートである。運転者がナビゲーション装置６０において目的地を設定し、車両５００を始動すると、電力供給制御部７０ｂにより総マイナス極側加熱処理が実行される。なお、車両５００の始動と共に燃料電池システム１００が起動し、平型燃料電池スタック１０及び円筒型燃料電池スタック部４０は発電を開始する。
【００３６】
総マイナス極側加熱処置が開始されると、電力供給制御部７０ｂは、ナビゲーション装置６０から目的地付近に到達した旨の通知を受信するまで待機している（ステップＳ１０５）。電力供給制御部７０ｂは、目的地付近に到達した旨の通知を受信すると、平型燃料電池スタック１０を停止させ、円筒型燃料電池スタック部４０及び２次電池５２２から負荷部５４０に電力を供給する（ステップＳ１１０）。平型燃料電池スタック１０の停止は、例えば、配管収容部２０内の配管を閉塞し、平型燃料電池スタック１０への反応ガスの供給を停止することにより実現できる。また、例えば、平型燃料電池スタック１０と円筒型燃料電池スタック部４０との直列接続部分にリレーを設け、このリレーをオフすることにより平型燃料電池スタック１０を切り離して、円筒型燃料電池スタック部４０からのみ電力を得ることにより実現することができる。なお、円筒型燃料電池スタック部４０によって十分な発電量が得られる場合には、２次電池５２２も併せて停止させることもできる。
【００３７】
平型燃料電池スタック１０の停止により各平型燃料電池１１は温度が低下する。しかしながら、円筒型燃料電池スタック部４０は駆動したままであるので、円筒型燃料電池スタック部４０の発電に伴う熱が、配管収容部２０を介してマイナス極側端部セル１１ａに伝わり、マイナス極側端部セル１１ａのアノード側は加熱される。したがって、マイナス極側端部セル１１ａのアノード側の温度低下は抑制される。
【００３８】
ステップＳ１１０の後、電力供給制御部７０ｂは、車両５００のイグニッションがオフになるまで待機しており（ステップＳ１１５）、イグニッションがオフとなった場合に、総マイナス極側加熱処理は終了する。
【００３９】
以上説明した第２の実施例の燃料電池システム１００は、第１の実施例の燃料電池システム１００と同様な効果を有する。加えて、目的地付近に到達した場合に、円筒型燃料電池スタック部４０を駆動したまま平型燃料電池スタック１０を停止させるので、マイナス極側端部セル１１ａを円筒型燃料電池スタック部４０の発電による熱を用いて加熱することができ、マイナス極側端部セル１１ａのアノード側の温度低下を抑制できる。
【００４０】
Ｃ．第３の実施例：
図４は、第３の実施例の総マイナス極側加熱処理の手順を示すフローチャートである。第３の実施例の燃料電池システム１００は、総マイナス極側加熱処理において、ステップＳ１１０に代えてステップＳ１１０ａを実行する点と、ステップＳ１１５の後にステップＳ１２０を実行する点において、第２の実施例の燃料電池システム１００と異なり、他の構成は第２の実施例の燃料電池システム１００と同じである。なお、図４では、フローチャートの右隣りに２次電池５２２の充電電力量（ＳＯＣ：State Of Charge）を模式的に表わしている。
【００４１】
図４の例では、ステップＳ１０５において目的地付近に到達したと判定した（ステップＳ１０５：ＹＥＳ）際に、２次電池５２２のＳＯＣは８０％である。電力供給制御部７０ｂは、目的地付近に到達したと判定すると、平型燃料電池スタック１０及び円筒型燃料電池スタック部４０を停止させ、２次電池５２２からのみ負荷部５４０に電力を供給する（ステップＳ１１０ａ）。図４に示すように、ステップＳ１１０ａの実行により２次電池５２２のＳＯＣは低下する。
【００４２】
その後、電力供給制御部７０ｂは、車両５００のイグニッションがオフになったと判定すると（ステップＳ１１５：ＹＥＳ）、円筒型燃料電池スタック部４０を所定期間（例えば１０分間）だけ駆動させ（ステップＳ１２０）、総マイナス極側加熱処理は終了する。円筒型燃料電池スタック部４０の駆動により、円筒型燃料電池スタック部４０の発電に伴う熱が配管収容部２０を介してマイナス極側端部セル１１ａに伝わるため、マイナス極側端部セル１１ａのアノード側の温度低下は抑制される。また、図４に示すように、ステップＳ１２０における円筒型燃料電池スタック部４０の発電により、２次電池５２２のＳＯＣは上昇する。
【００４３】
以上説明した第３の実施襟の燃料電池システム１００は、第２の実施例の燃料電池システム１００と同様な効果を有する。加えて、目的地付近に到達した場合に、２次電池５２２からのみ電力を供給することによって２次電池５２２のＳＯＣを低下させるので、ステップＳ１２０における円筒型燃料電池スタック部４０の駆動により得られた電力を、余すことなく２次電池５２２に蓄えることができる。
【００４４】
Ｄ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００４５】
Ｄ１．変形例１：
各実施例では、配管収容部２０は、図１に示すように円筒型燃料電池スタック部４０と対向する壁を有し、空間ＡＲ１が平型燃料電池スタック１０と直接接しない（隣接しない）構成であったが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、配管収容部２０がガス供給室４１及びガス排出室４２とそれぞれ対向する部分にのみ壁を備え、空間ＡＲ１が平型燃料電池スタック１０と直接接する（隣接する）構成とすることもできる。このような構成により、円筒型燃料電池スタック部４０の発電に伴う熱を、より効率的にマイナス極側端部セル１１ａに伝えることができる。また、例えば、配管収容部２０を省略し、平型燃料電池スタック１０を円筒型燃料電池スタック部４０に直接当接させる（隣接させる）構成とすることもできる。この構成では、平型燃料電池スタック１０における燃料ガス供給流路１２を、燃料ガス供給孔２１と積層方向に対向する位置に配置することが好ましい。同様に、燃料ガス排出流路１４を燃料ガス排出孔２７と積層方向に対向する位置に、酸化剤ガス排出流路１５を酸化剤ガス排出孔２５と積層方向に対向する位置に、それぞれ配置することが好ましい。すなわち、一般には、円筒型燃料電池がアノード側端部燃料電池に隣接配置された構成を、本発明の燃料電池システムに採用することができる。
【００４６】
Ｄ２．変形例２：
各実施例では、円筒型燃料電池３０は、互いに所定の間隔をへだててマトリクス状に配置されていたが、これに代えて、千鳥配置や円心状配置など任意の形状となるように配置することもできる。また、円筒型燃料電池３０の数は２４本であったが、これに代えて、任意の本数とすることができる。
【００４７】
Ｄ３．変形例３：
各実施例では、総マイナス極側に円筒型燃料電池スタック部４０を配置していたが、本発明はこれに限定されるものではない。各実施例では、マイナス極側端部セル１１ａにおいてアノードがカソードよりも積層方向において外側に位置していたため、円筒型燃料電池スタック部４０を総マイナス極側に配置して、マイナス極側端部セル１１ａにおけるアノード側の温度低下を抑制していた。しかしながら、各平型燃料電池１１におけるアノードとカソードとの配置位置が逆となっており、平型燃料電池スタック１０における最も総プラス極側に位置する燃料電池（以下、「プラス極側端部セル」と呼ぶ）において、アノードがカソードよりも積層方向において外側に位置する構成では、円筒型燃料電池スタック部４０を総プラス極側に配置することができる。このようにすることで、プラス極側端部セルにおいて燃料電池システムの立ち下げ時のアノード側の温度低下を抑制でき、アノード及びカソードの極間温度差を抑制できる。すなわち、一般には、平型燃料電池スタックの両端に位置する平型燃料電池のうち、アノード側の面が平型燃料電池スタックの端部となるアノード側端部燃料電池に円筒型燃料電池が隣接配置された構成を、本発明の燃料電池システムに採用することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１０…平型燃料電池スタック、１１…平型燃料電池、１１ａ…マイナス極側端部セル、１２…燃料ガス供給流路、１２ａ…燃料ガス供給マニホールド、１３…酸化剤ガス供給流路、１３ａ…酸化剤ガス供給マニホールド、１４…燃料ガス排出流路、１４ａ…燃料ガス排出マニホールド、１５…酸化剤ガス排出流路、１５ａ…酸化剤ガス排出マニホールド、１６…ＭＥＧＡ、１７…セパレータ、２０…配管収容部、２１…燃料ガス供給孔、２３…酸化剤ガス供給孔、２５…酸化剤ガス排出孔、２７…燃料ガス排出孔、３０…円筒型燃料電池、３１…ＭＥＡ、３２…アノード、３３…カソード、４０…円筒型燃料電池スタック部、４１…ガス供給室、４２…ガス排出室、４４…酸化剤ガス排出流路、５０…マイナス極側ターミナルプレート、５１…燃料ガス供給孔、５２…酸化剤ガス供給孔、５３…燃料ガス排出孔、５４…酸化剤ガス排出孔、６０…ナビゲーション装置、６１…燃料ガス供給配管、６２…酸化剤ガス供給配管、６３…燃料ガス排出配管、６４…酸化剤ガス排出配管、７０…制御ユニット、７０ａ…ＣＰＵ、７０ｂ…電力供給制御部、７０ｃ…メモリ、１００…燃料電池システム、５００…車両、５２０…電力供給部、５４０…負荷部、５４１…モータ、５４２…ギヤ機構、５４４…車輪、５４６…駆動回路、ＣＸ…中心軸、ＡＲ１…空間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
複数の平型燃料電池を積層した平型燃料電池スタックと、
前記平型燃料電池スタックの両端に位置する平型燃料電池のうち、アノード側の面が前記平型燃料電池スタックの端部となるアノード側端部燃料電池に隣接配置された円筒型燃料電池と、
を備える、燃料電池システム。
【請求項１】
燃料電池システムであって、
複数の平型燃料電池を積層した平型燃料電池スタックと、
前記平型燃料電池スタックの両端に位置する平型燃料電池のうち、アノード側の面が前記平型燃料電池スタックの端部となるアノード側端部燃料電池に隣接配置された円筒型燃料電池と、
を備える、燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−９１５８（Ｐ２０１１−９１５８Ａ）
【公開日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１５３７９３（Ｐ２００９−１５３７９３）
【出願日】平成２１年６月２９日（２００９．６．２９）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月２９日（２００９．６．２９）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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