(57)【要約】【課題】  簡素な構成にて燃料電池スタックの低温起動性向上を図る。【解決手段】  燃料ガスと酸化ガスが供給されて発電するセル２を複数積層してなるセル積層体３を備えた燃料電池スタック１であって、セル２内又は／及びセル２間の接触抵抗を低温時または起動時に大とする感温部１４を設けた。感温部１４は、低温起動時に収縮してスタック締結力を低下させる。接触抵抗の増加に伴いＩＲ損による発熱量が増加するので、燃料電池スタック１の昇温速度を上げることができ、低温起動性が向上する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化ガスが供給されて発電するセルを複数積層してなる燃料電池スタックであって、
セル内又は／及びセル間の接触抵抗を低温時または起動時に大とする感温部が設けられた燃料電池スタック。
【請求項２】
軸力によりセル積層体に締結力を付与するテンション部材と、前記テンション部材により互いの距離が略一定となるように保持された一対のエンドプレートとを有し、前記セルは前記エンドプレート間の押圧力にて圧縮力が付与されてなり、
前記感温部は、温度低下に伴い収縮して前記圧縮力を減ずる請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記感温部は、各セル間に設けられた請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記感温部は、各セルの発電面に設けられた請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記感温部は、各セル間に冷却通路を画成するリブの頂部に設けられた請求項３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、燃料電池スタックに関し、特に、低温起動性の向上に有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池（セル）は、水素と酸素の反応から水を生成する反応により電気を作り出す。かかる反応は発熱反応であるため、運転時は問題ないが、運転停止後に外気温が低下すると、水蒸気が凝結して氷になることがある。かかる場合には、セル内のガス拡散が一部閉塞され、発電できなくなる場合や性能低下を生ずることがある。そこで、起動時に燃料電池スタックの締結力を一時的に低下させ、接触抵抗の増加による低温起動性（暖機性）の向上を図る技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平０７−３０２６０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
この技術は、セルが積層されてなる燃料電池本体をガス圧にてセル積層方向に加圧する加圧手段を備え、起動時に加圧手段による加圧力を低下させて燃料電池スタックの締結力を低下させるものである。しかしながら、加圧手段は、窒素ガスが給排されるエアシリンダを備えた構成であるため、燃料電池スタックの構成が複雑化するという課題がある。
【０００４】
そこで、本発明は、簡素な構成にて燃料電池スタックの低温起動性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の燃料電池スタックは、燃料ガスと酸化ガスが供給されて発電するセルを複数積層してなる燃料電池スタックであって、セル内又は／及びセル間の接触抵抗を低温時または起動時に大とする感温部が設けられたものである。
【０００６】
セル内又は／及びセル間の接触抵抗が増加すると、接触抵抗の増加に伴い、セルに発電電流が流れる際のＩＲ損（ジュール損）による発熱量も増加する。よって、上記構成によれば、低温時または起動時であっても燃料電池スタックの昇温速度を上げることができる。
【０００７】
本発明の燃料電池スタックは、軸力によりセル積層体に締結力を付与するテンション部材と、前記テンション部材により互いの距離が略一定となるように保持された一対のエンドプレートとを有し、前記セルは前記エンドプレート間の押圧力にて圧縮力が付与されてなり、前記感温部は、温度低下に伴い収縮して前記圧縮力を減ずるものでもよい。
【０００８】
このような構成によれば、テンション部材間の距離が略一定とされているので、温度低下に伴いセルに作用するセル積層方向の圧縮力、言い換えれば、スタック締結力が低下し、セル内又は／及びセル間の接触抵抗が増加する。かかる接触抵抗の増加により、セルに発電電流が流れる際のＩＲ損（ジュール損）による発熱量も増加するので、低温時または起動時であっても燃料電池スタックの昇温速度を上げることができる。
【０００９】
前記感温部は、各セル間に設けられていてもよい。かかる構成によれば、各セルでの接触抵抗のばらつきを抑制することが可能となる。
【００１０】
前記感温部は、各セルの発電面に設けられていてもよい。かかる構成によれば、接触抵抗によって発熱する領域で確実に接触抵抗が可変となる。
【００１１】
前記感温部は、各セル間に冷却通路を画成するリブの頂部に設けられていてもよい。かかる構成によれば、燃料電池スタック内を流通する冷却液の温度上昇が促進されるので、昇温した冷却液によるセルの暖機が可能となる。
【００１２】
なお、感温部とは、燃料電池スタックを構成する要素や該構成要素における部位のうち、温度変化に伴い生ずるセル積層方向の伸縮量が他よりも大である構成要素または部位であって、例えば金属であれば、鉄（線膨張係数：１２×１０-6／Ｋ）やアルミニウム（線膨張係数：２３×１０-6／Ｋ）を採用することが可能である。また、これら金属以外にも、カーボングラファイト（線膨張係数：７×１０-6／Ｋ）や樹脂の採用が可能である。
【００１３】
樹脂としては、例えば、ポリアミドＰＡ６（線膨張係数：８０×１０-6／Ｋ）、ポリアミドＰＡ６６（線膨張係数：９０〜１００×１０-6／Ｋ）、ＰＥ，ＰＰ，及びＰＢＴ（いずれも、線膨張係数：１１０×１０-6／）、ＡＢＳ（線膨張係数：７５×１０-6／Ｋ）を採用することが可能である。これらの樹脂は、セパレータ構成部材（カーボン、金属）や、テンション部材等の外寸固定部材（金属等）に対し線膨張係数が大きいため、好適である。
【００１４】
以上の他に、例えばバイメタルを用いた、温度変化により反力の変化するバネを使用することも可能である。また、低温時とは、例えば０℃（生成水が凍結する温度）以下の時をいう。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の燃料電池スタックによれば、温度変化に伴う感温部の自己伸縮性を利用して、セル内又は／及びセル間の接触抵抗を増加させ、これに伴い増加するＩＲ損（ジュール損）による発熱で燃料電池スタックを昇温させることが可能である。よって、燃料電池スタックの構成の複雑化を招くことなく、簡素な構成にて低温起動性（暖機性）の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池スタックの断面図である。この燃料電池スタックは、例えば、燃料電池車両の車載発電システムや定置用発電システムに適用可能である。
【００１７】
同図に示すように、燃料電池スタック１は、基本単位である多数のセル２を積層したセル積層体３を有している。燃料電池スタック１は、セル積層体３の両端に位置するセル（端部セル）２の外側に、順次、カバープレート５、出力端子６付きのターミナルプレート７、絶縁プレート８およびエンドプレート９を積層して構成されている。
【００１８】
燃料電池スタック１は、両エンドプレート９間に架け渡されてこれらエンドプレート９にボルト１２で固定されたテンションプレート（テンション部材）１１を有する。このテンションプレート１１は、その軸力によりセル積層体３に締結力を付与するものであり、このテンションプレート１１により前記一対のエンドプレート９は互いの距離が略一定となるように保持され、これにより、セル２には両エンドプレート９間の押圧力にて圧縮力が付与されている。つまり、燃料電池スタック１は、そのセル積層方向の外寸が固定（略一定となるように構成）されることで、セル２にはセル積層方向に所定の圧縮力がかかった状態となっている。
【００１９】
セル積層体３の一端側のエンドプレート９と絶縁プレート８との間には、感温部１４が設けられている。なお、絶縁プレート８と感温部１４との間にプレッシャプレートを設けてもよい。
【００２０】
感温部１４は、燃料電池スタック１の一構成要素をなしていて、温度変化に伴い自己伸縮するものである。また、かかる温度変化に伴い生ずるセル積層方向の線膨張係数（伸縮量）は、燃料電池スタック１の他の構成要素、例えば、セル２及びその各構成要素，カバープレート５，ターミナルプレート７，及び絶縁プレート８の線膨張係数よりも大であり、例えば、鉄（線膨張係数：１２×１０-6／Ｋ）、アルミニウム（線膨張係数：２３×１０-6／Ｋ）、カーボングラファイト（線膨張係数：７×１０-6／Ｋ）、ポリアミドＰＡ６（線膨張係数：８０×１０-6／Ｋ）、ポリアミドＰＡ６６（線膨張係数：９０〜１００×１０-6／Ｋ）、ＰＥ，ＰＰ，及びＰＢＴ（いずれも、線膨張係数：１１０×１０-6／）、ＡＢＳ（線膨張係数：７５×１０-6／Ｋ）、バイメタル等を採用することが可能である。
【００２１】
感温部１４は、例えば生成水が凍結する０℃以下の低温時や起動時に、燃料電池スタック組立時（例えば、常温）からの温度低下によってセル積層方向に自己収縮し、かかる収縮に伴い、燃料電池スタック１がそのセル積層方向の外寸を略一定となるように構成されることによってセル積層体３に生じている所定の圧縮力を減少させる結果、セル２内又は／及びセル２間の接触抵抗を増加させる。
【００２２】
感温部１４は、例えば図１に示すような円錐台状に構成されていて、より表面積の大きな方の端面が絶縁プレート８に当接している。なお、感温部１４の形状は図示の形状に限らず、円柱状や角柱状であっても構わない。また、感温部１４を複数設けてもよい。さらに、感温部１４が導電性を有すれば、セル積層体３の外側に設ける場合に限らず、セル積層体３内に設けることも可能である。
【００２３】
セル２は、いずれも図示を省略するが、イオン交換膜からなる電解質膜およびこれを両面から挟んだ一対の電極からなるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と、ＭＥＡを外側から挟持する一対のセパレータとを備えて構成されている。各セパレータは、基材をカーボンまたはメタルにより形成されて導電性を有している。各セパレータは、各電極に酸化ガス（酸素ガス、通常は空気）または燃料ガス（水素ガス）を供給するための流体流路を有している。
【００２４】
このような構成により、セル２のＭＥＡ内による電気化学反応が生じて、起電力が得られる。なお、この電気化学反応は発熱反応であることから、セパレータあるいはセル間に配される冷却プレートには、燃料電池冷却用の冷媒が流れる冷却通路が設けられている。
【００２５】
次に、図２を参照しながら、上記構成からなる燃料電池スタック１の低温起動時における作用を説明する。同図は、感温部１４の作用を模式的に示した説明図であり、（ａ）は通常発電時、（ｂ）は低温起動時の状態を示している。
【００２６】
同図に示すように、（ｂ）に示す低温起動時は、（ａ）に示す通常発電時（あるいは、燃料電池スタック組立時）の状態に比して低温であるため、かかる温度低下に伴う自己収縮によって、感温部１４のセル積層方向に沿う全長は、（ａ）に示す通常発電時における全長よりも寸法Ａだけ短くなっている。
【００２７】
一方、燃料電池スタック１は、セル積層方向の外寸が略一定となるように構成されているため、感温部１４の全長がセル積層方向に沿って短くなれば、セル積層体３に作用するセル積層方向の圧縮力、言い換えれば、スタック締結力は低下し、セル２内又は／及びセル２間の接触抵抗が増加する。かかる接触抵抗の増加に伴い、セル２に発電電流が流れる際のＩＲ損（ジュール損）による発熱量が増加するので、セル２ひいては燃料電池スタック１の昇温速度は上がる。
【００２８】
以上より、本実施形態の燃料電池スタック１によれば、温度低下に伴う感温部１４の自己収縮性を利用して、セル２内又は／及びセル２間の接触抵抗を増加させ、これに伴い増加するＩＲ損（ジュール損）による発熱で燃料電池スタック１を昇温させることが可能であるから、燃料電池システム１の複雑化を招くことなく、簡素な構成にて低温起動性（暖機性）の向上を図ることができる。
【００２９】
一方、かかる低温起動から通常運転に移行した後は、感温部１４のセル積層方向の長さ寸法が回復するので、セル２内又は／及びセル２間の接触抵抗は減少し、余分な発熱を抑制することができる。
【００３０】
＜第２実施形態＞
第２実施形態に係る燃料電池スタック２１は、図３に示すように、各セル２２内に感温部３３を備えている点で、第１実施形態と構成を異にする。以下、第１実施形態との相違点を中心に説明する。
【００３１】
セル２２は、ＭＥＡ３１と、該ＭＥＡ３１を積層方向外側から挟持する一対のセパレータ３２とを備えて構成されている。ＭＥＡ３１の面方向外側には、温度変化に伴い自己伸縮する感温部３３が全周に亘って環状に、あるいは所定の間隔をおいて複数設けられている。
【００３２】
感温部３３は、例えば接着剤やガスケット等に用いられる各種非導電性の樹脂類からなり、図３に示す燃料電池スタック２１として組み立てた状態、つまり、セル積層方向の外寸が外寸固定手段２３によって固定（略一定に構成）された状態では、セル２が単体で存在する状態に比して、セル積層方向に所定量圧縮されている。
【００３３】
したがって、本実施形態の燃料電池スタック２１においても、低温からの起動時には、かかる温度低下に伴う自己収縮によって、感温部３３のセル積層方向に沿う外寸が通常発電時よりも短くなるので、これに伴いスタック締結力も低下し、セル２２内又は／及びセル２２間の接触抵抗が増加する。
【００３４】
よって、第１実施形態と同様に、接触抵抗の増加に伴う発熱を利用して燃料電池スタック２１を昇温させることが可能である。よって、燃料電池スタック２１の複雑化を招くことなく、簡素な構成にて低温起動性（暖機性）の向上を図ることができる。また、かかる低温起動から通常運転に移行した後は、感温部３３のセル積層方向の外寸が回復するので、セル２内又は／及びセル２間の接触抵抗は減少し、余分な発熱を抑制することができる。
【００３５】
＜第３実施形態＞
第３実施形態に係る燃料電池スタックは、図４の要部拡大断面図に示すように、各セル間に感温部５３を備えている点で、上記実施形態と構成を異にする。また、燃料電池スタックのセル積層方向の外寸は、必ずしも上記第１及び第２実施形態のように固定されている必要はない。以下、上記実施形態との相違点を中心に説明する。
【００３６】
図４は、隣り合う一方のセルのセパレータ５１と他方のセルのセパレータ５２との接触面及びその周辺部分を示す要部拡大断面図であり、（ａ）は通常発電時、（ｂ）は低温起動時の状態を示している。セパレータ５２のＭＥＡ側とは反対側の面には、所定の間隔をおいて複数のリブ５２ａが形成されており、これらのリブ５２ａ間に形成された凹部５２ｂ内に感温部５３が収容されている。
【００３７】
感温部５３は、少なくともセパレータ５１，５２よりも線膨張係数の大きな導電性物質からなり、そのセル積層方向の外寸は、例えば生成水が凍結する０℃以下の低温時（図４（ｂ）参照）はセパレータ５１と接触せず、例えば２０〜１５０℃の通常運転時（図４（ａ）参照）はセパレータ５１と接触するように設定されている。
【００３８】
かかる設定により、図４（ａ）の通常運転時は、セパレータ５２に形成されたリブ５２ａの頂面と、リブ５２ａ間の凹部５２ｂに収容された感温部５３とが、セパレータ５１に全面的に接触することにより、セル間が全面的に接触する一方で、図４（ｂ）の低温起動時は、リブ５２ａの頂面はセパレータ５１に接触しているものの、リブ５２ａ間に収容された感温部５３はセパレータ５１から離間して非接触となっているので、セル間は一部しか接触しない。
【００３９】
したがって、図４（ｂ）に示す低温起動時は、隣り合うセル間の接触面積、つまり、セパレータ５１とセパレータ５２との接触面積が、同図（ａ）に示す通常発電時の状態に比して小さくなる結果、セル間の接触抵抗が増大するので、ＩＲ損（ジュール損）による発熱量も増加し、燃料電池スタックの昇温速度が上がる。
【００４０】
本実施形態の燃料電池スタックにおいても、上記実施形態と同様に、接触抵抗の増加に伴う発熱を利用して燃料電池スタックを昇温させ得て、燃料電池スタックの複雑化を招くことなく、簡素な構成にて低温起動性（暖機性）の向上を図ることができる他、通常運転移行後は、セル間の接触抵抗を減少させ得て、余分な発熱を抑制することができる。
【００４１】
以上に加えて、本実施形態の燃料電池スタックでは、各セル間に感温部５３を備えているので、各セルでの接触抵抗のばらつきを抑制することが可能となる。
【００４２】
本実施形態の変形例として、感温部５３をセパレータ５１，５２よりも線膨張係数の小さな導電性物質で構成してもよい。かかる構成において、感温部５３のセル積層方向の外寸は、上記通常運転時はセパレータ５１と接触せず、上記所定の低温起動時はセパレータ５１と接触するように設定する。また、セパレータ５１，５２同士の接触抵抗が、セパレータ５１と感温部５３との接触抵抗よりも小さくなるように、セパレータ５１，５２及び感温部５３の物性等を設定する。
【００４３】
かかる設定によっても、接触抵抗の増加に伴う発熱を利用して燃料電池スタックを昇温させ得て、燃料電池スタックの複雑化を招くことなく、簡素な構成にて低温起動性（暖機性）の向上を図ることができる他、通常運転移行後は、セル間の接触抵抗を減少させ得て、余分な発熱を抑制することができる。また、各セル間に感温部５３を備えているので、各セルでの接触抵抗のばらつきを抑制することが可能となる。
【００４４】
＜第４実施形態＞
第４実施形態に係る燃料電池スタックは、各セルの発電面に感温部を備えている点で、上記実施形態と構成を異にする。また、燃料電池スタックのセル積層方向の外寸は、必ずしも上記第１及び第２実施形態のように固定されている必要はない。以下、上記実施形態との相違点を中心に、図４を援用しながら説明する。
【００４５】
本実施形態に係る燃料電池スタックのセルは、図４の符号５１で示す部材をＭＥＡとし、セル内におけるＭＥＡ５１とセパレータ５２との接触面積が上記所定の低温起動時と通常運転時とで可変となるように構成されてなる。感温部５３は、セパレータ５２よりも線膨張係数の大きな導電性物質からなると共に、そのセル積層方向の外寸は、上記所定の低温起動時はＭＥＡ５１と接触せず、上記通常運転時はＭＥＡ５１と接触するように設定されている。
【００４６】
かかる設定によれば、上記所定の低温起動時は、ＭＥＡ５１とセパレータ５２との接触面積が減少する結果、セル内の接触抵抗が増大してＩＲ損による発熱量が増加するので、低温起動性が向上する一方、通常運転時は、ＭＥＡ５１とセパレータ５２との接触面積が増大する結果、セル内の接触抵抗が減少して余分な発熱が抑制される。また、感温部５３がセルの発電面に設けられているので、接触抵抗によって発熱する領域で確実に接触抵抗が可変となる。
【００４７】
本実施形態の変形例として、上記第３実施形態の変形例のように、感温部５３をセパレータ５２よりも線膨張係数が小さな導電性物質から構成すると共に、感温部５３のセル積層方向の外寸を上記通常運転時はＭＥＡ５１と接触せず、上記所定の低温起動時はＭＥＡ５１と接触するように設定し、さらに、ＭＥＡ５１とセパレータ５２との接触抵抗が、ＭＥＡ５１と感温部５３との接触抵抗よりも小さくなるように、ＭＥＡ５１，セパレータ５２，及び感温部５３の物性等を設定しても、同様の効果を得ることができる。
【００４８】
＜第５の実施形態＞
第５実施形態に係る燃料電池スタックは、各セル間に冷却通路を画成するリブの頂部に感温部を備えている点で、上記実施形態と構成を異にする。また、燃料電池スタックのセル積層方向の外寸は、必ずしも上記第１及び第２実施形態のように固定されている必要はない。以下、上記実施形態との相違点を中心に説明する。
【００４９】
図５（ａ）は、通常運転時における燃料電池スタックの要部拡大断面図であり、セル８１は、ＭＥＡ６１と、該ＭＥＡ６１を積層方向外側から挟持する一対のセパレータ６２，６３とを備えて構成されている。セパレータ６３のＭＥＡ６１とは反対側の面には、所定の間隔をおいて複数のリブ６３ａが形成されており、これらのリブ６３ａ間に形成された凹部は、セル間に設けられる冷却通路７１の一部を画成する。
【００５０】
セル８１と図外のセルとの間には、これらセルとは別体をなす冷却プレート６４が配設されている。この冷却プレート６４のセル８１と接する側の面には、上記所定の間隔と同一の間隔をおいて複数のリブ６４ａが形成されており、これらのリブ６４ａ間に形成された凹部は、上記セパレータ６３の凹部と協働して冷却通路７１を画成する。この冷却通路７１には、燃料電池スタックを冷却するための冷媒（冷却水）が流通する。
【００５１】
セパレータ６３及び冷却プレート６４における各リブ６３ａ，６４ａの少なくとも頂部には、これらセパレータ６３及び冷却プレート６４の基材（例えば、カーボンやステンレス）よりも線膨張係数が大きく、かつ導電性を有する物質（例えば、アルミニウム、バイメタル等）が分散あるいは合金化されており、セパレータ６３及び冷却プレート６４における他の部位よりも線膨張係数の大きな感温部（図５のハッチングで示す領域）が構成されている。
【００５２】
かかる構成により、図５（ａ）に示す通常運転時は、セパレータ６３に形成されたリブ６３ａの頂面と、冷却プレート６４に形成されたリブ６４ａの頂面とが全面的に接触する一方で、図５（ｂ）に示す所定の低温起動時は、リブ６３ａの頂面とリブ６４ａの頂面との間に数μｍ程度のわずかな隙間７２ができて両リブ６３ａ，６３ｂは非接触となる。
【００５３】
したがって、上記所定の低温起動時は、セパレータ６３と冷却プレート６４との接触面積が減少する結果、セル間の接触抵抗が増大してＩＲ損による発熱量が増加するので低温起動性が向上する一方、通常運転時は、セパレータ６３と冷却プレート６４との接触面積が増大する結果、セル間の接触抵抗が減少して余分な発熱が抑制される。
【００５４】
さらに、上記所定の低温起動時には、ＩＲ損による発熱量の増加に伴い、冷却通路７１を介して燃料電池スタック内を流通する冷却液の温度上昇が促進されるので、かかる昇温した冷却液によるセルの暖機も可能となり、低温起動性の更なる向上を図ることが可能となる。
【００５５】
なお、本実施形態では、セパレータ６３と協働して冷却通路７１を画成する部材として、冷却プレート６４を例に説明したが、かかる構成に限らず、セル８１と隣接する別のセルのセパレータであってもよい。
【００５６】
＜その他の実施形態＞
本発明は上記実施形態以外にも種々に変更して適用することが可能である。例えば、燃料電池スタックの外寸を固定（略一定に構成）する方法としては、燃料電池スタック１の両端に配設されたエンドプレート９の外縁部に複数の貫通孔を形成し、これら貫通孔に締め付けボルトを挿入して締結するものでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池スタックの正面図。
【図２】図１に示す感温部の作用を模式的に説明する説明図。
【図３】本発明の第２実施形態に係る燃料電池スタックの断面図。
【図４】本発明の第３実施形態に係る燃料電池スタックの要部拡大断面図。
【図５】本発明の第４実施形態に係る燃料電池スタックの要部拡大断面図。
【符号の説明】
【００５８】
１…燃料電池スタック、２，２２，８１…セル、３…セル積層体、９…エンドプレート、１１…テンションプレート（テンション部材）、１４，３３，５３…感温部、７１…冷却通路、６３ａ，６４ａ…リブ（感温部）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
2006179294.tif 000005
【図４】
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【図５】
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