(57)【要約】【課題】発電体とセパレータとを積層して構成される燃料電池において、燃料電池の剛性低下を抑制しつつ発電体の発電状態をモニターする技術を提供する。【解決手段】本発明は、燃料電池スタックを提供する。この燃料電池スタックは、電解質を備える複数の発電体と、複数の発電体と交互に積層された複数のセパレータと、複数のセパレータのうちの一部であって、計測対象となるセパレータである複数の計測対象セパレータの各々の電位を計測するための複数のモニタ配線とを備える。複数のモニタ配線は、いずれも積層方向を軸とする燃料電池スタックの外周面よりも内部に配置されている。【選択図】図１
2008077861.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックであって、
電解質を備える複数の発電体と、
前記複数の発電体と交互に積層された複数のセパレータと、
前記複数のセパレータのうちの一部であって、計測対象となるセパレータである複数の計測対象セパレータの各々の電位を計測するための複数のモニタ配線と、
を備え、
前記複数のモニタ配線は、いずれも積層方向を軸とする前記燃料電池スタックの外周面よりも内部に配置されてい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であって、
前記複数のモニタ配線は、前記積層方向の端部の面である積層端面から前記燃料電池スタックの外部に取り出し可能に装備されている燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池スタックであって、
前記複数のセパレータの各々には、前記複数のモニタ配線の各々が貫通するための貫通孔が前記積層方向に連通するように複数形成されており、
前記複数の計測対象セパレータの各々には、前記積層方向から見て前記複数の貫通孔のうちの１つと一致する位置であって、相互に相違する位置に前記電位の計測用の接続部が設けられている燃料電池スタック。
【請求項４】
燃料電池であって、
請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池スタックと、
前記積層方向を軸とする閉じた筒状の形状を有する筐体と、
を備え、
前記燃料電池スタックは、前記外周面が前記筐体の内周面に接するように前記筐体に格納されている燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、車両に搭載可能な燃料電池として、固体高分子膜型の燃料電池が知られている。かかる燃料電池は、固体高分子の電解質膜に電極触媒層、ガス拡散層を積層して一体で構成した発電体と、集電体であるセパレータとを交互に積層して構成されている。一方、このように積層された複数の発電体の発電状態をモニターするために各セパレータの電位を計測することが提案されている（特許文献１〜５）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１０８０３６号公報
【特許文献２】特開２００６−１００１０６号公報
【特許文献３】特開２００５−０５６８１４号公報
【特許文献４】特開２００２−３６７６５６号公報
【特許文献５】特開２００６−１４０１６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来は、燃料電池スタックの外周面から電位計測用の外部配線を取り出していたため、燃料電池スタックの外周方向において、燃料電池スタックの筐体に配線取り出し用の孔を開ける必要があった。このような孔は、筐体の剛性や強度を著しく低下させるために、その筐体の肉厚の大幅な増大によって重量や容積の増大を招いていた。さらに、このような問題は、固体高分子膜型の燃料電池に限られず、発電体とセパレータとを積層する構成を有する燃料電池に共通する課題であった。
【０００５】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、発電体とセパレータとを積層して構成される燃料電池において、燃料電池の剛性低下を抑制しつつ発電体の発電状態をモニターする技術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】
【０００６】
上述の課題の少なくとも一部を解決するために、本発明は、燃料電池スタックを提供する。この燃料電池スタックは、
電解質を備える複数の発電体と、
前記複数の発電体と交互に積層された複数のセパレータと、
前記複数のセパレータのうちの一部であって、計測対象となるセパレータである複数の計測対象セパレータの各々の電位を計測するための複数のモニタ配線と、
を備え、
前記複数のモニタ配線は、いずれも積層方向を軸とする前記燃料電池スタックの外周面よりも内部に配置されている。
【０００７】
本発明の燃料電池スタックでは、複数のモニタ配線は、いずれも積層方向を軸とする燃料電池スタックの外周面よりも内部に配置されているので、燃料電池スタックの外周面を筐体その他の締結部材で直に接するように覆うことができる。これにより、燃料電池スタックの剛性と強度を確保するような実装を簡易に実現することができる。この結果、剛性や強度と容積の最小化の両立を実現することができる。ここで、「計測対象セパレータ」とは、セパレータ本体だけではなく、セパレータに接続されていて、ほぼ同一の電位を有する構成部分、たとえば膜電極接合体の一方の電極をも含む広い概念を有する。
【０００８】
上記燃料電池スタックにおいて、
前記複数のモニタ配線は、前記積層方向の端部の面である積層端面から前記燃料電池スタックの外部に取り出し可能に装備されていても良い。
【０００９】
上記燃料電池スタックにおいて、
前記複数のセパレータの各々には、前記複数のモニタ配線の各々が貫通するための貫通孔が前記積層方向に連通するように複数形成されており、
前記複数の計測対象セパレータの各々には、前記積層方向から見て前記複数の貫通孔のうちの１つと一致する位置であって、相互に相違する位置に前記電位の計測用の接続部が設けられているようにしても良い。
【００１０】
こうすれば、複数のモニタ配線を装備するための孔を小さくすることができるので、燃料電池スタックの剛性と強度をさらに確保することができる。加えて、燃料電池スタック内部での複数のモニタ配線の相互の干渉を防止することができるとともに、燃料電池スタックの積層後に複数のモニタ配線を装備することもできるので、組み付け作業性を向上させる事ができる。
【００１１】
本発明の燃料電池は、
上記のいずれかに記載の燃料電池スタックと、
前記積層方向を軸とする閉じた筒状の形状を有する筐体と、
を備え、
前記燃料電池スタックは、前記外周面が前記筐体の内周面に接するように前記筐体に格納されている。
【００１２】
本発明の燃料電池は、上記のいずれかに記載の燃料電池スタックの外周面が筐体その他の締結部材で直に接するように覆われているので、剛性や強度と容積の最小化の両立を実現することができる。ただし、本明細書において、「直に接するように」とは、直接荷重を伝えるようにという意味であり、たとえば間に絶縁体が挿入されているような場合を含む広い意味を有している。
【００１３】
なお、本発明は、燃料電池スタック、燃料電池筐体、燃料電池組立方法その他の種々の態様で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．本発明の第１実施例における燃料電池の構成：
Ｂ．本発明の第２実施例における燃料電池の構成：
Ｃ．変形例：
【００１５】
Ａ．本発明の第１実施例における燃料電池の構成：
図１は、本発明の第１実施例における燃料電池１００の構成を示す説明図である。燃料電池１００は、本実施例では、水素ガスや空気、冷却水といった流体の供給を受け、水素と酸素との電気化学反応により発電する固体高分子型の燃料電池であり、車両（図示せず）に搭載可能である。燃料電池１００は、燃料電池スタック２００と、燃料電池スタック２００の外周面を覆って燃料電池１００の剛性を確保するとともに、燃料電池スタック２００を保護する燃料電池筐体３００とを備えている。
【００１６】
燃料電池筐体３００は、燃料電池スタック２００の積層方向に平行な軸を有する閉じた筒状の形状を有している。燃料電池筐体３００は、このような閉じた形状によって、ほぼ引張剛性のみをで支えることができ、曲げ剛性に殆ど依存しないので、閉じていない形状に比較して薄い板厚で燃料電池１００に十分な剛性を持たせることができる。さらに、たとえば車両（図示せず）への搭載時においては、このような閉じた形状による気密性によって、車両の衝突その他の事故によって衝撃を受けても水素ガスその他の流体の漏洩を効果的に抑制することができる。加えて、このような構成は、燃料電池１００の容積と重量とをいずれも小さくすることがきる。
【００１７】
燃料電池スタック２００は、上述の構成に適合するように構成されている。すなわち、燃料電池スタック２００は、燃料電池スタック２００の外周面を燃料電池筐体３００に例示される締結部材（図示せず）で直に接して支持可能に覆うことができる。外周面とは、燃料電池スタック２００の積層方向を軸とする燃料電池スタック２００の外周を形成する閉じた輪郭面を意味し、本実施例では、セパレータ２２、２３の積層面（積層方向に垂直な面）における輪郭線が積層軸に沿って積層されることによって形成された筒状の閉じた面である。
【００１８】
具体的には、燃料電池スタック２００は、水素ガスや空気、冷却水といった流体の供給や各燃料電池セル２０の電位を監視するモニタ回路２５０に電位を伝達するためのモニタ配線２５２ａ〜２５２ｈを含めて、全てのアクセスが燃料電池スタック２００が備えるエンドプレート３０ａの積層端面３０ｓや反対側の面（図示せず）からのみ行われるように構成されている。このような構成を実現するために、燃料電池スタック２００は、以下のように構成されている。
【００１９】
燃料電池スタック２００は、積層された複数の燃料電池セル２０をエンドプレート３０ａ、３０ｂで挟持することによって構成されている。この挟持は、たとえば図示しないボルトとナットとで、エンドプレート３０ａ、３０ｂに対して積層方向に圧力を加えることによって実現可能である。一方、エンドプレート３０ａの積層端面３０ｓに形成されたモニタ配線用貫通孔２５１ａからのアクセスは、以下のような構成によって実現されている。なお、説明を分かりやすくするために、本実施例では、モニタ配線用貫通孔２５１ａからのみアクセスが行われ、モニタ配線用貫通孔２５１ｂは使用されていないものとする。
【００２０】
図２は、本発明の第１実施例における燃料電池セル２０の断面ＡＡを示す説明図である。断面ＡＡは、図１において矢印Ａで示される断面を示す図である。燃料電池セル２０は、膜電極接合体２１と、たとえば、カーボン、金属、導電性樹脂といった導電性材料を用いて形成されたカソードセパレータ２２とアノードセパレータ２３とを備えている。膜電極接合体２１は、イオン交換膜からなる電解質膜２１１と、電解質膜２１１の一方の面に配置されたカソード電極２１２と、電解質膜２１１の他方の面に配置されたアノード電極２１３とを備えている。
【００２１】
モニタ配線２５２ａは、カソードセパレータ２２の突起部２２ｐと、アノードセパレータ２３の突起部２３ｐと、を挟持するモニタ端子２５６に接続されている。このように、モニタ配線２５２ａ〜２５２ｈのそれぞれを各セパレータに接続することによって、モニタ配線２５２ａ〜２５２ｈ間の電位差に基づいて、各膜電極接合体２１が発生させている電圧を計測することができる。なお、電位の計測は、セパレータ２２、２３だけではなく、セパレータ２２、２３に接続されていて、ほぼ同一の電位を有する構成部分、たとえば膜電極接合体の一方の電極２１２、２１３に接続されていても良い。
【００２２】
図３は、本発明の第１実施例における燃料電池セル２０の断面ＢＢを示す説明図である。断面ＢＢは、アノードセパレータ２３の電極対向面２３ａ近傍の断面を示している。アノードセパレータ２３の電極対向面２３ａには、組み付け時にアノード電極２１３との間に内部燃料ガス流路５３を形成する燃料ガス流路形成部２３５が形成されている。燃料ガス流路形成部２３５は、上流で燃料ガス供給マニホールド２３２ｉｎ（図１）と連通し、下流で燃料ガス排気マニホールド２３２ｏｕｔ（図１）と連通している。これにより、アノード電極２１３への燃料ガスの供給と排出とが行われる。燃料ガスとしては、例えば、純度の高い水素ガスを用いることができる。
【００２３】
図４は、本発明の第１実施例における燃料電池セル２０の断面ＣＣを示す説明図である。断面ＣＣは、アノードセパレータ２３の冷却流路面２３ｂを示している。アノードセパレータ２３の冷却流路面２３ｂには、組み付け時にカソードセパレータ２２との間に内部冷却流路５０を形成する冷却流路形成部２３６が形成されている。内部冷却流路５０は、上流で冷却媒体供給マニホールド２３３ｉｎ（図１）と連通し、下流で冷却媒体排出マニホールド２３３ｏｕｔ（図１）と連通している。これにより冷却媒体を供給して、膜電極接合体２１を冷却することができる。冷却媒体には、たとえば、空気、水、エチレングリコール等の不凍液を用いることができる。
【００２４】
カソードセパレータ２２の構成は、アノードセパレータ２３と同様である（図２）。カソードセパレータ２２の電極対向面２２ａには、内部酸化ガス流路５２を形成する酸化ガス流路形成部２２５が形成され、冷却流路面２２ｂには、アノードセパレータ２３との間に内部冷却流路５０を形成する冷却流路形成部２２６が形成されている。酸化ガスは、内部酸化ガス流路５２を通って、カソード電極２１２に供給される。酸化ガスとしては、例えば、空気を用いることができる。
【００２５】
図２〜図４に示されるように、カソードセパレータ２２およびアノードセパレータ２３は、それぞれ突起部２２ｐ、２３ｐを１６個ずつ備えている。１６組の突起部２２ｐ、２３ｐは、８本のモニタ配線２５２ａ〜２５２ｈを分散して配線できるようにするために装備されたものである。ただし、必ずしも１６本のモニタ配線を接続する必要はなく、本実施例のように１６本未満であっても、１６本より多くても良い。
【００２６】
ただし、モニタ配線２５２ａ〜２５２ｈは、燃料電池スタック２００の外周面、すなわち燃料電池筐体３００の内面に接する部分の内側に配置されており、燃料電池スタック２００のエンドプレートの積層端面３０ｓから積層方向に取り出されるように装備されている。
【００２７】
このように、第１実施例では、流体の供給やモニタ配線２５２ａ〜２５２ｈが燃料電池スタック２００の外周面の内側に配置されるとともに、これらが燃料電池スタック２００が備えるエンドプレート３０ａの積層端面３０ｓや反対側の積層端面（図示せず）からのみ行われるように構成されているので、燃料電池スタックの剛性と強度を確保するような実装を簡易に実現して剛性や強度と容積の最小化の両立を実現することができる。
【００２８】
Ｂ．本発明の第２実施例における燃料電池の構成：
図５は、本発明の第２実施例における複数のセパレータの積層状態を示す説明図である。本実施例では、説明を分かりやすくするために、３枚のセパレータ２３ｍ１、２３ｍ２、２３ｍ３のみが示されている。
【００２９】
第２実施例は、以下の２点で第１実施例と相違する。すなわち、第１の相違点は、複数のセパレータ２３ｍ１、２３ｍ２、２３ｍ３の各々に対して、モニタ配線２５５ａ〜２５５ｈの各々が貫通するための複数の貫通孔２５７ａ〜２５７ｈが積層方向に連通するように形成されている点である。第２の相違点は、複数のセパレータ２３ｍ１、２３ｍ２、２３ｍ３の各々に対して、積層方向から見て複数の貫通孔のうちの１つと一致する位置であって、相互に相違する位置に電位の計測用の接続部２５９ａ〜２５９ｃを備えている点である。
【００３０】
接続部２５９ａ〜２５９ｃは、たとえば複数の貫通孔２５７ａ〜２５７ｃを介してセパレータ２３ｍ１、２３ｍ２、２３ｍ３のそれぞれに導通可能に嵌め込まれる構成として実装しても良いし、あるいは、接続部２５９ａ〜２５９ｃの位置だけ予め孔を開けない構成として実装しても良い。
【００３１】
こうすれば、複数のモニタ配線を装備するための孔を小さくすることができるので、燃料電池スタックの剛性と強度をさらに確保することができる。加えて、燃料電池スタック内部での複数のモニタ配線の相互の干渉を防止することができるとともに、燃料電池スタックの積層後に複数のモニタ配線を装備することもできるので、組み付け作業性を向上させる事ができるという利点もある。
【００３２】
Ｃ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形例が可能である。
【００３３】
Ｃ−１．上記実施例では、複数のセパレータの各々の電位が計測されているが、たとえば間引きして２個の１個のセパレータの電位を計測するように構成しても良い。なお、特許請求の範囲における「複数の計測対象セパレータ」は、上記実施例では、全てのセパレータに相当し、本変形例では、電位の計測対象となるセパレータに相当する。さらに、特許請求の範囲における「計測対象セパレータ」とは、セパレータ本体だけではなく、セパレータに接続されていて、ほぼ同一の電位を有する構成部分、たとえば膜電極接合体の一方の電極をも含む広い概念を有する。
【００３４】
Ｃ−２．上記実施例では、固体高分子型燃料電池が開示されているが、本発明は、固体高分子膜型の燃料電池に限られず、発電体とセパレータとを積層する構成を有する燃料電池に広く適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第１実施例における燃料電池１００の構成を示す説明図。
【図２】本発明の第１実施例における燃料電池セル２０の断面ＡＡを示す説明図。
【図３】本発明の第１実施例における燃料電池セル２０の断面ＢＢを示す説明図。
【図４】本発明の第１実施例における燃料電池セル２０の断面ＣＣを示す説明図。
【図５】本発明の第２実施例における複数のセパレータの積層状態を示す説明図。
【符号の説明】
【００３６】
２０…燃料電池セル
２１…膜電極接合体
２２…カソードセパレータ
２３…アノードセパレータ
３０ａ…エンドプレート
３０ｓ…積層端面
５０…内部冷却流路
５２…内部酸化ガス流路
５３…内部燃料ガス流路
１００…燃料電池
２００…燃料電池スタック
２１１…電解質膜
２１２…カソード電極
２１３…アノード電極
２２５…酸化ガス流路形成部
２２６…冷却流路形成部
２３２ｏｕｔ…燃料ガス排気マニホールド
２３２ｉｎ…燃料ガス供給マニホールド
２３３ｏｕｔ…冷却媒体排出マニホールド
２３３ｉｎ…冷却媒体供給マニホールド
２３５…燃料ガス流路形成部
２３６…冷却流路形成部
２５０…モニタ回路
２５１ａ…モニタ配線用貫通孔
２５２ａ〜２５２ｈ、２５７ａ〜２５７ｈ…モニタ配線
２５６…モニタ端子
２５９ｄ…接続部
３００…燃料電池筐体
【図１】
2008077861.tif 000003
【図２】
2008077861.tif 000004
【図３】
2008077861.tif 000005
【図４】
2008077861.tif 000006
【図５】
2008077861.tif 000007