(57)【要約】【課題】簡易な構成で、端部セルの加熱効率を向上させる。【解決手段】燃料電池は、複数の単セルを有する積層体と、積層体内部において積層方向に沿って延設され、各単セルに冷却媒体を供給するための冷却媒体供給マニホールドと、積層体内部において積層方向に沿って延設され、各単セルから排出される冷却媒体を積層体の外部に排出するための冷却媒体排出マニホールドと、積層体の両端に位置する２つの端部セルの外側において、それぞれ端部セルに接して配置されている一対のターミナルと、一対のターミナルのうち、冷却媒体供給マニホールドの入口から最も遠い、または、冷却媒体排出マニホールドの出口から最も遠いターミナルに接し、冷却媒体供給マニホールドの内部に配置されている放熱部と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
積層された複数の単セルを有する積層体と、
前記積層体内部において
積層方向に沿って延設され、前記積層体に含まれる各前記単セルに冷却媒体を供給するための冷却媒体供給マニホールドと、
前記積層体内部において前記積層方向に沿って延設され、前記積層体に含まれる各前記単セルから排出される前記冷却媒体を前記積層体の外部に排出するための冷却媒体排出マニホールドと、
前記積層体の両端に位置する２つの前記単セルである２つの端部セルの外側において、それぞれ該端部セルに接して配置されている一対のターミナルと、
前記一対のターミナルのうち、前記冷却媒体供給マニホールドの入口から最も遠い、または、前記冷却媒体排出マニホールドの出口から最も遠いターミナルに接し、前記冷却媒体供給マニホールドの内部に配置されている放熱部と、
を備える、燃料電池。
【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】
従来から、膜電極接合体（以下、「ＭＥＡ」（Membrane-Electrode Assembly）と呼ぶ）と、ＭＥＡを挟む２つのセパレータとからなる単セルが複数積層された燃料電池が用いられている。このような燃料電池では、両端部に位置する２つの単セル（以下、「端部セル」と呼ぶ）は、それぞれ、他の単セルとは異なり外側においてターミナル（集電板）と接している。端部セルは、外部環境の影響を受け易い。特に、外気が低温の場合、燃料電池（セルスタック）において最も外側に位置する端部セルでは、端部セル内部に存在する水の凍結、または、水詰まりにより、反応ガスが行き渡らずに発電し難い状況となる。そこで、ターミナルの外側にヒータを配置し、かかるヒータを用いてターミナルを介して端部セルを加熱する技術が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３２７０６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したヒータを用いて端部セルを加熱する技術によると、燃料電池の製造コストの上昇を招くという問題や、燃料電池の大型化を招くという問題があった。なお、これらの問題は、ＭＥＡとＭＥＡとの間に１つのセパレータが配置され、かかるセパレータが一方のＭＥＡを含む単セルのアノード側セパレータとして機能すると共に、他方のＭＥＡを含む単セルのカソード側セパレータとして機能する構成の燃料電池において生じ得る。また、従来の燃料電池においては、燃料電池の製造効率の向上、抵コスト化、省電力化、製造の容易化等が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
本発明の一形態によれば、燃料電池が提供される。この燃料電池は、積層された複数の単セルを有する積層体と；前記積層体内部において積層方向に沿って延設され、前記積層体に含まれる各前記単セルに冷却媒体を供給するための冷却媒体供給マニホールドと；前記積層体内部において前記積層方向に沿って延設され、前記積層体に含まれる各前記単セルから排出される前記冷却媒体を前記積層体の外部に排出するための冷却媒体排出マニホールドと；前記積層体の両端に位置する２つの前記単セルである２つの端部セルの外側において、それぞれ該端部セルに接して配置されている一対のターミナルと；前記一対のターミナルのうち、前記冷却媒体供給マニホールドの入口から最も遠い、または、前記冷却媒体排出マニホールドの出口から最も遠いターミナルに接し、前記冷却媒体供給マニホールドの内部に配置されている放熱部と；を備える。この形態の燃料電池によれば、冷却媒体供給マニホールドの内部にターミナルに接する放熱部が配置されるので、ターミナルにおける集電に伴うジュール熱を放熱部から放出することにより、冷却媒体供給マニホールド内の冷却媒体を温めることできる。このため、ターミナルに接する端部セルに昇温された冷却媒体を供給できるので、端部セルを加熱できる。このように、端部セルに供給される前の冷却媒体を温めることで、端部セル全体を加熱できるので、端部セルの加熱効率を向上できる。加えて、放熱部を設けることによって端部セルを加熱できるので、端部セルを加熱するための構成を簡素化でき、また、燃料電池を小型化できる。また、一対のターミナルのうち、冷却媒体排出マニホールドの出口からより遠くに位置するターミナルに放熱部を接して配置するので、冷却媒体排出マニホールドの出口から排出される高温の冷却媒体を利用して加熱することができないターミナルを加熱することができる。
【０００７】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムや、燃料電池の製造方法や、燃料電池の温度調整方法等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態としての燃料電池の概略構成を示す説明図である。
【図２】図１に示す第１ターミナル２０の詳細構成を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
Ａ．実施形態：
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池の概略構成を示す説明図である。燃料電池１００は、積層体１１と、第１ターミナル２０と、第２ターミナル３０と、冷却媒体流路形成部材４０とを備えている。なお、図１において−Ｙ方向は重力方向（鉛直下方）と一致する。また、図１における太い実線の矢印は、冷却媒体の流れを示している。
【００１０】
燃料電池１００は、いわゆる固体高分子型燃料電池であり、反応ガス（燃料ガスおよび酸化剤ガス）の供給部や、冷却媒体の供給部等と共に燃料電池システムを構成する。このような燃料電池システムは、例えば、駆動用電源を供給するためのシステムとして、電気自動車等に搭載されて用いられる。本実施形態では、冷却媒体として冷却水（純水）が用いられる。但し、冷却水に代えて、不凍液や空気など、熱伝導性を有する任意の媒体を採用してもよい。
【００１１】
積層体１１は、Ｘ軸方向（＋Ｘ方向および−Ｘ方向）に沿って積層された多数の単セル１０を備えている。換言すると、積層体１１は、直列接続された多数単セル１０を備えている。単セル１０は、図示しないＭＥＡと、ＭＥＡを挟む２枚の図示しないセパレータとからなる。ＭＥＡは、電解質膜と、電解質膜の両面を挟む２つの触媒層と、電解質膜および２つの触媒層とを挟む２つのガス拡散層とで構成されている。本実施形態では、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る。なお、電解質膜として、スルホン酸基に限らず、リン酸基やカルボン酸基など、他のイオン交換基を含む膜を用いることができる。触媒層は、白金や白金合金等の触媒を、導電性を有する担体（例えば、カーボン粒子）上に担持させた基材（触媒担持体）により形成されている。ガス拡散層は、多孔質の部材により形成されている。多孔質の部材としては、例えば、カーボンペーパー等のカーボン多孔質体や、金属メッシュや発泡金属等の金属多孔質体を用いることができる。セパレータは、ガス不透過の導電性部材により形成されている。このような部材として、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を採用することができる。セパレータの内部には、反応ガスの流路と、冷却媒体の流路とが形成されている。
【００１２】
積層体１１の両端に位置する単セル１０（「端部セル」と呼ぶ）は、単セル１０と接する側とは反対側においてターミナルと接している。具体的には、第１端部セル１０ｅは、隣接する単セル１０とは反対側において第１ターミナル２０と接している。第２端部セル１０ｆは、単セル１０と接する側とは反対側において第２ターミナル３０と接している。
【００１３】
積層体１１の内部には、冷却媒体供給マニホールド５１と、冷却媒体排出マニホールド５２とが形成されている。冷却媒体供給マニホールド５１および冷却媒体排出マニホールド５２は、いずれも積層体１１の積層方向（Ｘ軸方向）に沿って延設されている。冷却媒体供給マニホールド５１は、積層体１１に供給される冷却媒体を、各単セル１０に供給する。冷却媒体排出マニホールド５２は、各単セル１０から排出される冷却媒体を、積層体１１の外部に排出する。冷却媒体供給マニホールド５１は、各単セル１０において積層方向に見て同じ位置に設けられた厚さ方向の貫通孔が、互いに連なって構成されている。冷却媒体排出マニホールド５２は、冷却媒体供給マニホールド５１と同様にして構成されている。
【００１４】
第１ターミナル２０および第２ターミナル３０は、いずれも、セパレータと同様に、ガス不透過の導電性部材により形成された板状部材である。第１ターミナル２０および第２ターミナル３０は、いわゆる集電板であり、積層体１１から電流を取り出す。第１ターミナル２０は、第１端部セル１０ｅの外側において、第１端部セル１０ｅと接して配置されている。第２ターミナル３０は、第２端部セル１０ｆの外側において、第２端部セル１０ｆと接して配置されている。
【００１５】
図２は、図１に示す第１ターミナル２０の詳細構成を示す斜視図である。図２における太い実線の矢印は、冷却媒体の流れを示している。図２に示すように、第１ターミナル２０は、２つのターミナル２０，３０のうち、冷却媒体供給マニホールド５１の入口から最も遠く、かつ、冷却媒体供給マニホールド５１の出口から最も遠いターミナルである。図２に示すように、第１ターミナル２０は、フィン２２と、電流取り出し部２５とを備えている。フィン２２は、第１ターミナル２０の熱を外部に放出する。フィン２２は、放熱効率を向上させるために薄い板状の外観形状を有する。本実施形態では、フィン２２は、第１ターミナル２０の本体を構成する薄板状部材とは異なる部材により形成され、第１ターミナル２０の本体に接合されている。なお、かかる構成に代えて、フィン２２と第１ターミナル２０の本体とを一体の部材として形成することもできる。図１および２の例では、フィン２２の数を３つであるが、３つに限らず任意の数としてもよい。フィン２２は、第１ターミナル２０における第１端部セル１０ｅと接する面において、第１ターミナル２０の厚さ方向（−Ｘ方向）に突出して配置されている。また、図１に示すように、フィン２２は、冷却媒体供給マニホールド５１の内部において、第１端部セル１０ｅにおける冷却媒体の入口付近と、第１端部セル１０ｅに隣接するセル１０の入口付近とに位置するように配置されている。なお、フィン２２は、冷却媒体に直接接するため、冷却媒体により腐食するおそれがある。そこで、かかる腐食を抑制するために、フィン２２の表面を、熱を伝導し、かつ、腐食し難い部材で被覆してもよい。
【００１６】
電流取り出し部２５は、第１ターミナル２０の一部として形成されており、第１ターミナル２０の他の部分に比べて、＋Ｙ方向に突出している。電流取り出し部２５は、端子として機能して、図示しないケーブルが接続される。燃料電池１００が発電状態での第１ターミナル２０における熱分布は、電流取り出し部２５により近いほどより高い発熱量となる分布である。これは、第１ターミナル２０全体で集められた電流は、電流取り出し部２５において集中するため、電流取り出し部２５において発生するジュール熱が、他の部分で発生するジュール熱よりも高いためである。
【００１７】
第２ターミナル３０の構成は、フィン２２を備えていない点、電流取り出し部２５に代えて電流取り出し部３５を備えている点、図１に示す供給孔３１および排出孔３２を備えている点において、第１ターミナル２０の構成と異なり、他の構成は、第１ターミナル２０と同じである。
【００１８】
電流取り出し部３５は、第１ターミナル２０の電流取り出し部２５と同様に、第２ターミナル３０の一部として形成されており、第２ターミナル３０の他の部分に比べて、＋Ｙ方向に突出している。供給孔３１は、第２ターミナル３０の厚さ方向（Ｘ軸方向）に延設された貫通孔であり、冷却媒体供給マニホールド５１の入口５１ｅと連通している。排出孔３２は、第２ターミナル３０の厚さ方向（Ｘ軸方向）に延設された貫通孔であり、冷却媒体排出マニホールド５２の出口５２ｅと連通している。
【００１９】
冷却媒体流路形成部材４０は、第２ターミナル３０における第２端部セル１０ｆと接する面とは反対面において、第２ターミナル３０と接している。冷却媒体流路形成部材４０は、燃料電池１００の外部から供給される冷却媒体を供給孔３１に導く。冷却媒体流路形成部材４０の内部には、冷却媒体供給流路４１と、冷却媒体排出流路４２とが形成されている。冷却媒体供給流路４１は、冷却媒体流路形成部材４０の厚さ方向（Ｘ軸方向）に延設された貫通孔であり、第２ターミナル３０の供給孔３１と連通している。冷却媒体供給流路４１には、図示しない冷却媒体供給用のポンプが接続され得る。
【００２０】
冷却媒体排出流路４２は、排出孔３２と連通し、排出孔３２から排出された冷却媒体を、燃料電池１００の外部へと排出する。冷却媒体排出流路４２の一部は、冷却媒体流路形成部材４０の＋Ｘ側の面（第２ターミナル３０と接する面）に形成された溝により構成され、他の部分は、かかる溝と連通する貫通孔として構成されている。したがって、冷却媒体排出流路４２は、前述の溝において、第２ターミナル３０と接している。各単セル１０から排出される冷却媒体は高温であるため、かかる高温の冷却媒体が冷却媒体排出流路４２（第２ターミナル３０と接する溝）を通る際に第２ターミナル３０は加熱される。また、第２ターミナル３０が加熱されることにより、第２ターミナル３０と接する第２端部セル１０ｆも加熱される。
【００２１】
図１の実線の矢印で示すように、燃料電池１００の外部から冷却媒体供給流路４１に供給された冷却媒体は、冷却媒体供給流路４１、供給孔３１、および冷却媒体供給マニホールド５１を介して、各単セル１０に供給される。また、各単セル１０から排出された冷却媒体は、冷却媒体排出マニホールド５２、排出孔３２、および冷却媒体排出流路４２を介して、燃料電池１００の外部に排出される。
【００２２】
図２に示すように、冷却媒体供給マニホールド５１と冷却媒体排出マニホールド５２とは、各単セル１０の端面（隣接する単セル１０と接する面）において、互いに対角の位置となるように配置されている。冷却媒体供給マニホールド５１は、冷却媒体排出マニホールド５２に比べてより鉛直上方（より＋Ｙ方向）に位置しているため、各単セル１０に供給された冷却媒体は、各単セル１０（より正確には、各単セル１０のセパレータ）の内部を鉛直下方に向かって流れ、その後、冷却媒体排出マニホールド５２に排出される。
【００２３】
例えば、氷点下等の低温環境において燃料電池１００が始動する際には、燃料電池１００（冷却媒体供給マニホールド５１）には、低温の冷却媒体が供給される。しかしながら、冷却媒体供給マニホールド５１の内部において第１端部セル１０ｅの近傍には、フィン２２が配置されているので、図２に示すように、第１端部セル１０ｅには、フィン２２からの放熱により温められた冷却媒体が供給される。したがって、第１端部セル１０ｅを加熱することができる。
【００２４】
以上説明した燃料電池１００では、冷却媒体供給マニホールド５１の内部において第１端部セル１０ｅの近傍にフィン２２を配置するので、第１ターミナル２０における集電に伴うジュール熱をフィン２２から放出し、かかる放熱により、第１端部セル１０ｅに供給される冷却媒体を加熱できる。このように、第１端部セル１０ｅに供給される前の冷却媒体を、冷却媒体供給マニホールド５１において加熱するため、第１端部セル１０ｅの加熱効率を向上できる。加えて、フィン２２を設けることによって第１端部セル１０ｅを加熱できるので、第１端部セル１０ｅを加熱するための構成を簡素化でき、また、燃料電池１００を小型化できる。
【００２５】
加えて、電流取り出し部２５が、冷却媒体供給マニホールド５１に近い位置に配置されているので、冷却媒体に対して多くの熱を伝えることができる。また、第１ターミナル２０の熱を放出するために冷却媒体供給マニホールド５１の内部に収容される機能部（フィン２２）の外観形状を薄板状の形状とするので、表面積を大きくして放熱量を大きくできる。
【００２６】
Ｂ．変形例：
Ｂ１．変形例１：
上述した実施形態では、冷却媒体流路形成部材４０は、第２ターミナル３０に接して配置されていたが、第２ターミナル３０に代えて、第１ターミナル２０に接して配置してもよい。例えば、冷却媒体排出マニホールド５２における冷却媒体の流れる方向を、実施形態における−Ｘ方向から＋Ｘ方向に変更し、冷却媒体排出マニホールド５２を流通する冷却媒体を、第１ターミナル２０に設けた図示しない貫通孔を介して冷却媒体流路形成部材４０に導く構成を採用してもよい。この構成では、上述した実施形態と同様に、冷却媒体流路形成部材４０を流通する冷却媒体を利用して、第１ターミナル２０を介して第１端部セル１０ｅを加熱することができる。したがって、この構成においては、第１端部セル１０ｅからフィン２２を省略してもよい。また、この構成においては、第２ターミナル３０にフィンを設け、かかるフィンが冷却媒体供給マニホールド５１において第２端部セル１０ｆの近傍に位置するように配置することが好ましい。冷却媒体流路形成部材４０と接するターミナルは、単セル１０の積層体から排出される高温の冷却媒体を利用して加熱できるのに対して、冷却媒体流路形成部材４０と接しないターミナルは、かかる高温の冷却媒体を利用した加熱ができないからである。かかる変形例および上記実施形態からも理解できるように、単セル１０の積層体の両端に配置された一対のターミナル２０，３０のうち、少なくとも冷却媒体排出マニホールド５２の出口から最も遠いターミナルに、冷却媒体供給マニホールド５１に収容されるフィンを設ける構成を、本発明に適用できる。なお、燃料電池１００において冷却媒体流路形成部材４０を省略することもできる。かかる構成においても、２つの端部セル１０ｅ，１０ｆのうち、少なくとも第１端部セル１０ｅについては、フィン２２からの放熱を利用して加熱できる。
【００２７】
Ｂ２．変形例２：
上述した実施形態では、単セル１０は、図示しないＭＥＡと、ＭＥＡを挟む２枚の図示しないセパレータとで構成されていたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、単セルの積層体がＭＥＡとセパレータとが交互に積層された構造を有し、各セパレータが隣接する２つの単セルのアノード側セパレータとカソード側セパレータとを兼用する構成を採用してもよい。この構成では、ＭＥＡと、かかるＭＥＡを挟む２つのセパレータにおいてＭＥＡと接する側のそれぞれの一部とにより、単セルが構成される。
【００２８】
Ｂ３．変形例３：
上述した実施形態では、第１ターミナル２０の熱を放出するために冷却媒体供給マニホールド５１の内部に収容される機能部（フィン２２）の外観形状は、薄い板状の形状であったが、薄い板状の形状に代えて、放熱可能な（熱伝導性を有する）任意の形状を採用してもよい。例えば、−Ｘ方向に延設された多数の針状の外観形状を採用してもよい。すなわち、一般には、任意の外観形状を有し、放熱可能な放熱部を、本発明の放熱部として採用してもよい。
【００２９】
Ｂ４．変形例４：
上述した実施形態において、第１ターミナル２０における第１端部セル１０ｅと接する面に、冷却媒体を流通させるための溝を形成してもよい。このような構成により、第１端部セル１０ｅと第１ターミナル２０との間に冷却媒体を流通させることができるので、第１ターミナル２０により近い位置において加熱された冷却媒体を利用して、第１端部セル１０ｅを加熱でき、加熱効率をより向上できる。
【００３０】
Ｂ５．変形例５：
上述した実施形態では、フィン２２は、冷却媒体供給マニホールド５１の内部において、第１端部セル１０ｅにおける冷却媒体の入口付近と、第１端部セル１０ｅに隣接するセル１０の入口付近とに位置するように配置されていたが、本発明は、これに限定されるものではない。第１端部セル１０ｅから数えて−Ｘ方向に任意の数の単セル１０における各冷却媒体の入口付近に位置するように、フィン２２を配置してもよい。なお、冷却媒体供給マニホールド５１の内部において、第１端部セル１０ｅにおける冷却媒体の入口付近のみに位置する、または、第１端部セル１０ｅから数えて−Ｘ方向に数個分の単セル１０における各冷却媒体の入口付近に位置するように、フィン２２を配置することが好ましい。
【００３１】
本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００３２】
１０…単セル
１０ｅ…第１端部セル
１０ｆ…第２端部セル
１１…積層体
２０…第１ターミナル
２２…フィン
２５…電流取り出し部
３０…第２ターミナル
３１…供給孔
３２…排出孔
３５…電流取り出し部
４０…冷却媒体流路形成部材
４１…冷却媒体供給流路
４２…冷却媒体排出流路
５１…冷却媒体供給マニホールド
５１ｅ…入口
５２…冷却媒体排出マニホールド
５２ｅ…出口
１００…燃料電池
【図１】
2015056296.tif 000003
【図２】
2015056296.tif 000004