(57)【要約】【課題】簡単な構成で、燃料電池スタック全体を所望の発電開始温度に均一且つ迅速に昇温させることを可能にする。【解決手段】燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池１２が積層される。燃料電池１２の積層方向一端には、第１ターミナルプレート１４ａ、第１絶縁プレート１６ａ及び第１エンドプレート１８ａが積層される一方、積層方向他端には、第２ターミナルプレート１４ｂ、第２絶縁プレート１６ｂ及び第２エンドプレート１８ｂが積層される。燃料電池スタック１０は、積層される複数の燃料電池１２の側部の中、冷却媒体入口連通孔３０ａが設けられた側部１０ａに、抵抗ユニット４４が配設される。抵抗ユニット４４は、側部１０ａに沿って配設されるケーシング４６を備えるとともに、前記ケーシング４６内には、放電用抵抗４８が収容される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層されるとともに、積層方向に沿って反応ガスを通流させる反応ガス連通孔及び冷却媒体を通流させる冷却媒体連通孔が設けられる燃料電池スタックであって、
積層される複数の前記燃料電池の側部の中、前記冷却媒体連通孔が設けられた側部には、放電用抵抗が配設されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記燃料電池の側部の中、入口側の前記冷却媒体連通孔が設けられた側部には、前記側部に沿って前記放電用抵抗が蛇行形状に配設されることを特徴とする燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層されるとともに、積層方向に沿って反応ガスを通流させる反応ガス連通孔及び冷却媒体を通流させる冷却媒体連通孔が設けられる燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料ガス（主に水素を含有するガス）及び酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス）をアノード側電極及びカソード側電極に供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得るシステムである。
【０００３】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子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及びカソード側電極を設けた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この発電セルは、通常、電解質膜・電極構造体及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。
【０００４】
この種の燃料電池では、起動時に前記燃料電池の温度を発電に適した温度に速やかに昇温させることが望まれている。そこで、例えば、特許文献１に開示されている固体高分子電解質型燃料電池（スタック）では、図５に示すように、複数の単電池１が積層されるとともに、前記単電池１の積層方向両端と集電板２との間には、発熱体３が介装されている。集電板２の外方には、電気絶縁板４及び加圧板５が積層されている。
【０００５】
発熱体３には、スタックから出力される電流が、その厚さ方向に通流されることにより、前記発熱体３は、電気発熱体として機能している。従って、発熱体３で発生されるジュール熱の値を、スタックの単電池１の積層方向の端部から放散される熱量に見合った値にすることにより、前記単電池１の積層方向における温度の分布が均一化される、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−１６７４２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記の特許文献１では、スタックを昇温させるために、専用の発熱体３が用いられている。このため、スタック全体が大型化するとともに、設備費が高騰するという問題がある。しかも、特に低温起動時には、スタック全体を所望の発電開始温度に均一且つ迅速に昇温させることができないという問題がある。
【０００８】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、燃料電池スタック全体を所望の発電開始温度に均一且つ迅速に昇温させることが可能な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】
【０００９】
本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層されるとともに、積層方向に沿って反応ガスを通流させる反応ガス連通孔及び冷却媒体を通流させる冷却媒体連通孔が設けられる燃料電池スタックに関するものである。
【００１０】
この燃料電池スタックは、積層される複数の燃料電池の側部の中、冷却媒体連通孔が設けられた側部には、放電用抵抗が配設されている。
【００１１】
また、この燃料電池スタックは、燃料電池の側部の中、入口側の冷却媒体連通孔が設けられた側部には、前記側部に沿って放電用抵抗が蛇行形状に配設されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明では、冷却媒体連通孔が設けられた側部に、放電用抵抗が配設されている。このため、特に低温起動時には、放電用抵抗に通電するだけで、燃料電池スタックの放電処理（ディスチャージ処理）が行われるとともに、前記放電用抵抗から発生される熱が冷却媒体に伝達される。
【００１３】
これにより、簡単な構成で、燃料電池スタック全体を所望の発電開始温度に均一且つ迅速に昇温させることが可能になる。従って、燃料電池スタックの始動性が向上するとともに、前記燃料電池スタックの劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明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一部分解斜視図である。
【図３】前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の分解斜視説明図である。
【図４】前記燃料電池スタックを組み込む燃料電池システムの概略説明図である。
【図５】特許文献１の燃料電池の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池１２が矢印Ａ方向（水平方向又は鉛直方向）に積層される。燃料電池１２の積層方向一端には、第１ターミナルプレート１４ａ、第１絶縁プレート１６ａ及び第１エンドプレート１８ａが積層される一方、積層方向他端には、第２ターミナルプレート１４ｂ、第２絶縁プレート１６ｂ及び第２エンドプレート１８ｂが積層される。第１ターミナルプレート１４ａ及び第２ターミナルプレート１４ｂには、端子板１９ａ、１９ｂが一体に設けられる。
【００１６】
図３に示すように、燃料電池１２は、電解質膜・電極構造体２０が、第１及び第２セパレータ２２、２４に挟持される。第１及び第２セパレータ２２、２４は、カーボンセパレータで構成されているが、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、あるいはめっき処理鋼板等の金属セパレータにより構成してもよい。第１セパレータ２２、電解質膜・電極構造体２０及び第２セパレータ２４は、互いに図示しないシール部材を介装して積層される。
【００１７】
燃料電池１２の矢印Ｃ方向（図３中、鉛直方向）の一端縁部（上端縁部）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入口連通孔２６ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔２８ａが、矢印Ｂ方向（水平方向）に配列して設けられる。
【００１８】
燃料電池１２の矢印Ｃ方向の他端縁部（下端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔２８ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２６ｂが、矢印Ｂ方向に配列して設けられる。
【００１９】
燃料電池１２の矢印Ｂ方向の両端縁部には、冷却媒体を供給するための複数、例えば、４つの冷却媒体入口連通孔３０ａ、及び前記冷却媒体を排出するための４つの冷却媒体出口連通孔３０ｂが設けられる。
【００２０】
第１セパレータ２２の電解質膜・電極構造体２０に向かう面２２ａには、酸化剤ガス入口連通孔２６ａと酸化剤ガス出口連通孔２６ｂとに連通する酸化剤ガス流路３２が設けられる。
【００２１】
第２セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２０に向かう面２４ａには、燃料ガス入口連通孔２８ａと燃料ガス出口連通孔２８ｂとに連通する燃料ガス流路３４が設けられる。
【００２２】
互いに隣接する燃料電池１２を構成する第１セパレータ２２の面２２ｂと、第２セパレータ２４の面２４ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３０ａと冷却媒体出口連通孔３０ｂとを連通する冷却媒体流路３６が設けられる。
【００２３】
電解質膜・電極構造体２０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た固体高分子電解質膜３８と、前記固体高分子電解質膜３８を挟持するカソード側電極４０及びアノード側電極４２とを備える。
【００２４】
カソード側電極４０及びアノード側電極４２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が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３８の両面に形成されている。
【００２５】
図１及び図２に示すように、燃料電池スタック１０は、積層される複数の燃料電池１２の側部の中、冷却媒体入口連通孔３０ａ（冷却媒体連通孔）が設けられた側部１０ａに、抵抗ユニット４４が配設される。抵抗ユニット４４は、側部１０ａに沿って配設されるケーシング４６を備えるとともに、前記ケーシング４６内には、放電用抵抗４８が収容される。
【００２６】
放電用抵抗４８は、側部１０ａに沿って蛇行する、すなわち、矢印Ｃ方向両端で交互に折り返して前記側部１０ａの面方向に延在する。この放電用抵抗４８の両端部４８ａ、４８ｂは、第１ターミナルプレート１４ａ及び第２ターミナルプレート１４ｂに電気的に接続される。
【００２７】
図４に示すように、燃料電池スタック１０は、車両用燃料電池システム５０に組み込まれる。この燃料電池システム５０は、燃料電池スタック１０の端子板１９ａ、１９ｂに電力線５２ａ、５２ｂを接続するとともに、前記電力線５２ａ、５２ｂの途上には、コンタクタ５４ａ、５４ｂを介して抵抗ユニット４４が接続される。なお、抵抗ユニット４４は、放電用抵抗４８の他、熱害から前記抵抗ユニット４４及び周辺部品を保護するために、必要に応じて温度ヒューズ５６を設けてもよい。
【００２８】
電力線５２ａ、５２ｂには、コンタクタ５４ａ、５４ｂを介して車両駆動モータユニット５８が接続される。この車両駆動モータユニット５８は、インバータ及びモータ（図示せず）を備える。
【００２９】
図１及び図４に示すように、燃料電池スタック１０には、抵抗ユニット４４から離間する側部に、比較的熱による影響を受け易い部品６０が配設される。この種の部品としては、例えば、セル電圧監視ユニットや電流バイパスユニット等がある。
【００３０】
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。
【００３１】
先ず、図３に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２６ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔２８ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔３０ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【００３２】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２６ａから第１セパレータ２２の酸化剤ガス流路３２に導入される。酸化剤ガスは、矢印Ｃ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体２０を構成するカソード側電極４０に供給される。
【００３３】
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２８ａから第２セパレータ２４の燃料ガス流路３４に導入される。この燃料ガスは、矢印Ｃ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体２０を構成するアノード側電極４２に供給される。
【００３４】
従って、電解質膜・電極構造体２０では、カソード側電極４０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４２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。これにより、図４に示すように、コンタクタ５４ｃ、５４ｄが閉じられると、燃料電池スタック１０から車両駆動モータユニット５８に電力が供給され、車両の走行が可能になる。
【００３５】
次いで、カソード側電極４０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔２６ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。一方、アノード側電極４２に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔２８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００３６】
また、各冷却媒体入口連通孔３０ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２セパレータ２２、２４間の冷却媒体流路３６に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２０を冷却した後、各冷却媒体出口連通孔３０ｂから排出される。
【００３７】
この場合、本実施形態では、燃料電池スタック１０の側部１０ａに沿って抵抗ユニット４４が配設されている。そして、燃料電池システム５０では、起動時や停止時に、コンタクタ５４ａ、５４ｂを閉じて、燃料電池スタック１０の放電処理（ディスチャージ処理）が行われている。
【００３８】
その際、抵抗ユニット４４では、放電用抵抗４８が発熱して燃料電池スタック１０を昇温させることができる。特に、抵抗ユニット４４は、冷却媒体入口連通孔３０ａが設けられた側部１０ａに配設されており、放電用抵抗４８から前記冷却媒体入口連通孔３０ａを流通する冷却媒体（上流側の冷却媒体）に熱が伝達される。一方、放電用抵抗４８は、良好に放熱することができ、前記放電用抵抗４８の過熱を抑制し、抵抗ユニット４４自体の小型化が容易に図られる。
【００３９】
従って、昇温された冷却媒体は、各冷却媒体流路３６を流通して冷却媒体出口連通孔３０ｂに排出される際、各燃料電池１２を昇温させることができ、燃料電池スタック１０全体を均一に昇温させることが可能になる。
【００４０】
例えば、燃料電池システム５０の運転停止時に、放電用抵抗４８の発熱を介して燃料電池スタック１０を昇温させることにより、停止中の前記燃料電池スタック１０は、温度の低下速度が緩やかになる。このため、燃料電池スタック１０が氷点下に晒される時間を短縮させることができる。しかも、次回の始動時には、比較的高温状態から燃料電池スタック１０を起動させることが可能になり、起動時間の短縮化が図られる。
【００４１】
一方、燃料電池システム５０の起動時に、放電用抵抗４８の発熱を介して燃料電池スタック１０を昇温させることにより、前記燃料電池スタック１０は、発電に適した温度に均一且つ迅速に昇温することができる。これにより、燃料電池スタック１０の起動時間が良好に短縮され、前記燃料電池スタック１０の始動性が向上する効果が得られる。しかも、放電用抵抗４８の発熱により急激な温度低下が阻止されるため、停止時に急激に温度が低下することによる燃料電池スタック１０の劣化を抑制することが可能になる。
【符号の説明】
【００４２】
１０…燃料電池スタック              １０ａ…側部
１２…燃料電池                      １４ａ、１４ｂ…ターミナルプレート
１６ａ、１６ｂ…絶縁プレート        １８ａ、１８ｂ…エンドプレート
１９ａ、１９ｂ…端子板              ２０…電解質膜・電極構造体
２２、２４…セパレータ              ２６ａ…酸化剤ガス入口連通孔
２６ｂ…酸化剤ガス出口連通孔        ２８ａ…燃料ガス入口連通孔
２８ｂ…燃料ガス出口連通孔          ３０ａ…冷却媒体入口連通孔
３０ｂ…冷却媒体出口連通孔          ３２…酸化剤ガス流路
３４…燃料ガス流路                  ３６…冷却媒体流路
３８…固体高分子電解質膜            ４０…カソード側電極
４２…アノード側電極                ４４…抵抗ユニット
４６…ケーシング                    ４８…放電用抵抗
５０…燃料電池システム              ５８…車両駆動モータユニット
６０…部品
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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