(57)【要約】【課題】  本発明は、冷却効率の高い燃料電池スタックを提供することを目的とする。【解決手段】  本発明に係る燃料電池スタックは、アノード電極、カソード電極、このアノード電極および前記カソード電極に介挿された固体高分子電解質膜とを有する起電部と、この起電部を介挿するセパレータと、を有する燃料電池セルを、介挿方向に複数積層した燃料電池スタックにおいて、第１のセパレータは介挿方向に一定の周期をもって燃料電池セルの外側に向けて第１の方向に延伸する第１の延伸部と、第２のセパレータは前記周期と同一の周期をもって異なる位相で第１の方向と反対の第２の方向に燃料電池セルの外側に向けて延伸している第２の延伸部と、を有することを特徴とする。【選択図】図４
2010061986.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード電極、カソード電極、前記アノード電極および前記カソード電極に介挿された固体高分子電解質膜とを有する起電部と、
前記起電部を介挿するセパレータと、
を有する燃料電池セルを、前記介挿方向に複数積層した燃料電池スタックにおいて、
前記第１のセパレータは前記介挿方向に一定の周期をもって前記燃料電池セルの外側に向けて第１の方向に延伸する第１の延伸部と、
前記第２のセパレータは前記周期と同一の周期をもって異なる位相で前記第１の方向と反対の第２の方向に前記燃料電池セルの外側に向けて延伸している第２の延伸部と、
を有することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記燃料電池スタックは、更に温度調節媒体供給部を有し、
前記温度調節媒体供給部は、前記延伸部の間に温度調節媒体を供給することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記第１の延伸部および前記第２の延伸部は、前記介挿方向および前記延伸方向の双方に直交する第３の方向に向けて傾斜していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記第１の延伸部および前記第２の延伸部は、前記介挿方向および前記延伸方向の双方に直交する第３の方向に向けて傾斜しており、
前記温度調節媒体供給部は、前記傾斜が漸増する方向に温度調節媒体を供給することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記カソード電極に接するセパレータは親水性を有する部材で被覆されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は燃料と酸化剤の化学反応により得られる自由エネルギー変化を電気として外部に取り出すシステムである。燃料は主に水素か炭化水素で、酸化剤は殆どが酸素である。この燃料と酸化剤の化学反応による自由エネルギー変化を電気エネルギーとして取り出すために、燃料電池は電子伝導体である２つの電極とイオン伝導体である電解質を持つ。
【０００３】
燃料電池は燃料や電解質の種類により、いくつかのタイプに分類される。例えば直接型メタノール方式（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ，ＤＭＦＣ）、溶融炭酸塩方式（ＭＣＦＣ）、固体高分子方式（ＰＥＦＣ）などがある。
【０００４】
直接型メタノール方式燃料電池セルはマイナス側電極であるアノードとプラス側電極であるカソード及び両者に挟まれた電解質膜から構成される。アノードはメタノール（ＣＨ3ＯＨ）と水（Ｈ2Ｏ）が供給される。通常、両者はメタノール水溶液という形で混合されて供給される。一方、カソード側には酸素（Ｏ2）が供給される。
【０００５】
アノード側では式（１）の反応が生じる。
【０００６】
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-−１２１．９ｋＪ／ｍｏｌ      …（１）
一方カソード側では式（２）の反応が生じる。
【０００７】
３／２Ｏ2＋６Ｈ+＋６ｅ-→３Ｈ2Ｏ＋１４１．９５ｋＪ／ｍｏｌ      …（２）
ここで、電解質膜は電子（ｅ-）を通さずプロトン（Ｈ+）のみ透過するという選択性を持つ。この作用により電子がセルの外部を回らざるを得ず、この作用が電気エネルギーとなり、外部に取り出すことができる。このように燃料電池は外部からアノード電極にメタノールと水を供給し、また発電で生じた二酸化炭素を排出する必要がある。一方カソード極では酸素を供給し、反応で生じた水を排出する必要がある。そのために、一般にはグラファイトや金属の流路板（セパレータとも呼ばれる）で物質を供給・排出している。
【０００８】
この燃料電池は式（１）、式（２）の反応時の内部抵抗等により、燃料の持つエネルギー全てを電気エネルギーに変換することは難しく、変換ロスが生じ、発熱を生じる。電池の出力が低い場合は発熱量も小さく、電池の表面から自然空冷で熱を逃がすこともできるが、出力が大きい場合は電池の温度を発電に適した所望の温度にするために、冷却器を設け積極的に冷却する必要がある。
【０００９】
冷却器の従来例として、（ａ）液冷式、（ｂ）循環燃料冷却方式、（ｃ）スタック直接冷却方式等がある。（ａ）液冷式は燃料電池内に水等の冷媒を流し、その冷媒を外部ラジエータで冷却する方式である。（ｂ）循環燃料冷却方式は、DMFCのように液体燃料を燃料電池内部に循環させるシステムに使われ、この液体燃料を（ａ）の水冷式の冷媒代わりに使う方式である。（ｃ）スタック直接冷却方式は熱源を直接冷却する。この方式は外部ラジエータや冷却のための配管等を要する必要がなく、燃料電池システムのサイズを小さくできるというメリットがあるが、スタックと放熱フィンとの熱抵抗をいかに下げるかが課題となる。そこで特許文献１では燃料電池スタックに放熱フィンを接続させ、そこにファン等で冷却風をあて、効率良くスタックと外気を熱交換させて冷却する方式が開示されている。
【特許文献１】特開２００５−１０８７１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしこの方法でもまだスタックと放熱フィンとの間の熱伝導が十分良いとはいえず、サイズの大きい冷却フィンとファンが必要になり、またファンの消費電力も大きい。
【００１１】
そこで本発明は、冷却効率の高い燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る燃料電池スタックは、アノード電極、カソード電極、このアノード電極および前記カソード電極に介挿された固体高分子電解質膜とを有する起電部と、この起電部を介挿するセパレータと、を有する燃料電池セルを、介挿方向に複数積層した燃料電池スタックにおいて、第１のセパレータは介挿方向に一定の周期をもって燃料電池セルの外側に向けて第１の方向に延伸する第１の延伸部と、第２のセパレータは前記周期と同一の周期をもって異なる位相で第１の方向と反対の第２の方向に燃料電池セルの外側に向けて延伸している第２の延伸部と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、冷却効率の高い燃料電池スタックが提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の実施の形態に係る燃料電池スタックについて、図面を用いて説明する。
【００１５】
〔第１の実施の形態〕
本発明の燃料電池スタックの一実施形態を図１を参照して、詳細に説明する。
【００１６】
図１に示す燃料電池スタック１００は、紙面に対して左右の方向に積層された複数の燃料電池セル７を有し、それらはエンドプレート、ボルト及びナットで締め付けられている。（エンドプレート、ボルト及びナットは図示省略）
燃料電池セル７は起電部４及びこの起電部４を介挿するセパレータ５、６を有する。起電部３は膜電極複合体（Membrane Electrode Assembly(MEA)）とも呼ばれる。セパレータ５、６は安価で電導性、耐食性が高いことからグラファイトを用いることができる。また、セパレータ５、６は金属板をプレス加工し、表面に流路を形成したものであってもよい。金属板は熱伝導がグラファイトより高く、さらに板自体も薄くすることが可能なため、フィン部９を薄くできるメリットがあり、グラファイトを用いた場合に較べて、流体の抵抗を更に低くすることができる利点がある。
【００１７】
複数の燃料電池セル７はマニホールド１１、１２（図２の１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ）で連通されている。マニホールド１１ａは起電部３に反応に必要な流体を供給し、マニホールド１１ｂは未反応物や反応でできた物質を排出する。マニホールド１２ａは起電部３に反応に必要な酸化剤（純酸素、酸素を含む空気等）を供給し、マニホールド１２ｂは未反応物の酸化剤や反応でできた物質を排出する。
【００１８】
マニホールドの先端および終端は燃料電池スタック１００の外部と連通している対応するポートと接続している。通常マニホールド及びポートは、（i）アノード極アノード電極への燃料の供給（１１ａ）、（ii）アノード極アノード電極の生成物及び未反応燃料の排出（１１ｂ)、（iii）カソード極カソード電極への酸化剤の供給（１２ａ）、（iv）アノード極アノード電極の生成物及び未反応燃料の排出（１２ｂ）、に対応した４つの組からなる。
【００１９】
図２は燃料電池セル７を構成する主要な部材を展開した様子を示す模式図である。この図に示すように、例えば、セパレータ５にはＳ字状に燃料を流通する流路１３が形成されている。流路１３の端部はマニホールド１１ａ、１１ｂを連通している。図１３においては裏面に当たるため図示を省略しているが、セパレータ６の燃料を流通する流路１３を形成した裏面には酸化剤を流通する流路が形成されている。この流路の端部はマニホールド１２ａ、１２ｂを連通している。
【００２０】
起電部４は、プロトン伝導性を有する固体高分子膜３と、この固体高分子膜３を介挿するアノード電極１、カソード電極２を有する。固体高分子膜３としては、例えば、デュポン（DuPont）社のナフィオン（Nafion：商標）で作られたイオン交換膜を用いることができる。
【００２１】
アノード電極１およびカソード電極２は、それぞれ触媒層と、その外側に集電及び燃料供給と反応生成物の排出を円滑に行うためのガス拡散層を有する。アノード触媒としては市販のＰｔ−Ｒｕ触媒を用いることができる。カソード触媒としては、市販のＰｔ−Ｒｕ触媒、Ｐｔ触媒を用いることができる。ガス拡散層としては市販のカーボンペーパー、カーボン繊維、カーボン不織布を用いることができる。これら拡散層には、主としてカーボンと撥水性から成る緻密層(Micro Porous Layer)を設けても良い。
セパレータ５、６はアノード電極１またはカソード電極２に接触するボディ部（本体部）８と、このボディ部から燃料電池セル７の外側に向けて、一方向に延伸されたフィン部（延伸部）９を有する。図１に示す本実施の形態ではフィン部９は紙面の上下方向に延伸されている。またフィン部９は紙面上下及び左右の複数の方向に延伸しても構わない。
【００２２】
燃料電池セル７の発熱は伝熱により直接フィン部９に伝えられる。このフィン部９と外気とで直接熱交換させることができる。
【００２３】
熱交換を効率的に進めるために、燃料電池スタック１００はその近傍に温度調節媒体供給部（例えば冷却ファン）を有してもよい。この温度調節媒体供給部からの冷却風Ｆがフィン部９に当てられることにより、強制対流を含む熱伝達が促進され、燃料電池セルの温度を調節することが可能となる。
【００２４】
この方法は、熱輸送抵抗が低く、かつ熱輸送パスも短く、効率良い冷却が行える。その結果、冷却フィン９やファンを従来より小さくできる。またファンの消費電力を低減できる。
【００２５】
このとき、図１に示すように、第１のセパレータ（５ａ乃至５ｅ）は第２のセパレータ（６ａ乃至６ｄ）とは、介挿する方向に対して直行する第１の方向、すなわち、図１においては紙面に対して上方向（第１の方向）と、これとは反対の方向、すなわち紙面に対して下方向（第２の方向）に交互に延伸している。図７に示すように従来のセパレータはフィンを同一方向に延伸していたが、このようにすると、小型化した時に、流路間が狭くなり、流体の抵抗が大きくなるため、除熱の効率が低下してしまう。これに対し、図１のように、交互に延伸させると、流体の抵抗が小さくなり、また冷却風Ｆの導入もスムーズに行えるという利点がある。また、冷却も第１の方向、第２の方向の双方から対称に行えるため、燃料電池セルの熱バランスも対称となり無駄のない発電が可能となる。
【００２６】
なお、フィン部９の面積は、発熱量（冷却必要量）、燃料電池が稼動する場所の外気温等から適宜求めることができる。
【００２７】
また、セパレータ５および６の表面は親水性を有する部材で被覆されていると好ましい。この部材として、親水性の多孔質部材をセパレータの表面に塗布等することにより、カソード電極２の流路内に滞留する水分を当該親水性部材を通じてフィン部９に排出し、さらに温度調節媒体を当てることにより、この水分を除去することが促進されるからである。
【００２８】
〔第２の実施の形態〕
図３は、第１の実施の形態の変形例を示したものである。図１と同一の符号については説明を省略する。
【００２９】
図３に示す第２の実施の形態は、セパレータが配置される周期が図１と異なっている。すなわち、図１においては、第１のセパレータと第２のセパレータはそれぞれ交互に配置されていたが、図３においては、第１のセパレータ（１５ａ乃至１５ｃ）と第２のセパレータ（１６ａ乃至１６ｃ）の間に第３のセパレータ（１７ａ乃至１７ｅ）が介挿されている。
【００３０】
さらに小型化した場合、燃料電池スタック全体の体積に対する表面積は大きくなり、放熱効率が大きくなる。その結果、延伸したフィンを多数配置すると放熱が大きくなり、かえって反応効率が低下してしまう場合がある。このような場合、図３に示すように、セパレータを一定間隔で間引き、延伸するセパレータの間隔を更に広げることで、流体の抵抗の上昇を抑制すると共に、放熱効率を一定の範囲に抑制することが可能となる。
【００３１】
図４には第２の実施の形態の冷却フィンの周期（ピッチ）と冷却能力の関係を定性的に示している。横軸は各フィン部９のピッチ、縦軸は放熱量及び圧力損失を定性的に表したものである。圧力損失はピッチの逆数にほぼ比例する。ピッチが狭いほど圧力損失が大きくなる。一方、冷却能力は、あるピッチ以下になると冷却能力が急速におちてくる。つまり、ピッチが狭くしても、おもむろにファンによる送風の抵抗が高くするだけで、あまり冷却には効果ない。すなわち、本実施の形態に示す構成を採用することにより、この二律背反の問題を解決することが可能となる。
【００３２】
〔第３の実施の形態〕
図５は、第１の実施の形態の他の変形例を示したものである。図１と同一の符号については説明を省略する。
【００３３】
図５に示す第３の実施の形態は、セパレータの延伸しているフィン部の形状が傾斜している点が図１と異なっている。すなわち、図１においては、第１のセパレータ及び第２のセパレータはいずれも矩形状であったが、図５においては、第１のセパレータ（２５ａ乃至２５ｅ）と第２のセパレータ（２６ａ乃至２６ｅ）のフィン部（延伸部）９はいずれも紙面に対し手前から奥に向けての方向（第３の方向）に傾斜している。
【００３４】
詳細に説明すると、第１のセパレータ（２５ａ乃至２５ｅ）のフィン部９は、紙面の手前から奥に向けて傾斜が漸増している。一方、第２のセパレータ（２６ａ乃至２６ｅ）のフィン部９は、紙面の奥から手前に向けて傾斜が漸増している。
【００３５】
このようにフィン部９を傾斜させることにより、傾斜が漸増する方向に流体を流すことで、スムーズな流体の導入を行うことができる。また、燃料電池スタックの大きさを小さくすることにも寄与する。
【００３６】
図５では、フィン部に傾斜をつけた実施の形態を示しているが、セパレータを矩形状とし、起電部４を平行四辺形あるいは台形状とする構造を採用してもよい。
【００３７】
〔第４の実施の形態〕
図６は、第３の実施の形態の他の変形例を示したものである。図５と同一の符号については説明を省略する。
【００３８】
図６に示す第４の実施の形態は、セパレータの延伸しているフィン部９の形状が全て紙面の手前から奥に向けて傾斜が漸増している点が図５と異なっている。すなわち、図５においては、第２のセパレータ（２６ａ乃至２６ｅ）のフィン部９は、紙面の奥から手前に向けて傾斜が次第に漸増しているが、図６においては、紙面の手前から奥に向けて傾斜が次第に漸増している。
【００３９】
このような構成をとることにより、燃料電池スタックの紙面手前側よりも紙面奥側を重点的に冷却することができる。一般に、燃料の濃度が濃い部分は発電効率が高いため、他の場所に較べて発熱量が大きくなる傾向がある。このような発熱量の大きい場所あるいはその近傍にフィン部９を重点的に配置することにより、放熱をより効果的に行うことができる。すなわち、図５に示すように、フィン部９に近い側に燃料導入部があることが好ましい。また、本実施の形態の構成は、流体を紙面手前から紙面奥へと一方方向に導入すればよいので、温度調節媒体供給部を１つ有すればよく、温度調節媒体を供給するための流路構成も簡素にできるので小型化に寄与することができる。
【００４０】
〔作用〕
本発明の構成を採用することにより、燃料電池セル７の熱が直接延伸部（フィン部）９に伝わり冷却効率が良くなる。さらには、セパレータを通常のグラファイトでなく金属のセパレータとすることで、熱伝導性をさらに高めることも可能である。
【００４１】
燃料電池セルと燃料電池セルのピッチが狭い場合は、それに伴い冷却フィンの間隔も狭くなるためファンの風の抵抗（圧力損失）が高くなり大型かつ消費電力の高いファンが必要になるという問題が生じる。この問題を解決するため、特定間隔のセパレータのみ延伸し、冷却フィンとすることで、冷却フィンのピッチを適正化し、冷却効率と圧力損失とのバランスをとることで、温度調節媒体供給部、例えばファンを小型化することもできる
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】燃料電池スタックの第１の実施の形態を示す側面図である。
【図２】図１に係る燃料電池セルの主要部材を示す展開図である。
【図３】燃料電池スタックの第２の実施の形態を示す側面図である。
【図４】図３に係る燃料電池スタックの冷却効果を示す図である。
【図５】燃料電池スタックの第３の実施の形態を示す側面図である。
【図６】燃料電池スタックの第４の実施の形態を示す側面図である。
【図７】従来の燃料電池スタックを示す側面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１・・・アノード電極
２・・・カソード電極
３・・・固体高分子膜
４・・・起電部
５、６、１５、１６、１７、２５、２６、３５、３６・・・セパレータ
７・・・燃料電池セル
８・・・セパレータの本体部（ボディ部）
９・・・セパレータの延伸部（フィン部）
１１・・・マニホールド（燃料用）
１２・・・マニホールド（酸化剤用）
１３・・・流路
１００・・・燃料電池スタック
【図１】
2010061986.tif 000003
【図２】
2010061986.tif 000004
【図３】
2010061986.tif 000005
【図４】
2010061986.tif 000006
【図５】
2010061986.tif 000007
【図６】
2010061986.tif 000008
【図７】
2010061986.tif 000009