(57)【要約】【課題】簡単な構成で、端部セルの昇温遅れによる電圧低下を有効に阻止し、特に、低温始動性を向上させる。【解決手段】燃料電池スタック１０は、複数の単位セル１２を積層した積層体１３を備え、前記積層体１３の積層方向両端と、ターミナル板１６ａ、１６ｂとの間に、導電性の第１および第２断熱板１４ａ、１４ｂが介装される。第１および第２断熱板１４ａ、１４ｂは、金属製の波形状板で構成されるとともに、前記第１および第２断熱板１４ａ、１４ｂと、前記積層体１３との間には、断熱用空気層７０、７６が形成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体がセパレータにより挟持された単位セルを複数積層した積層体を備える燃料電池スタックであって、
前記積層体の積層方向の少なくとも一方の端部と電力取り出し用ターミナル板との間に介装される導電性の断熱板を備え、
前記断熱板は、波形状板で構成されるとともに、該断熱板と前記積層体との間には、断熱用空気層が形成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、前記積層体の積層方向の少なくとも一方の端部に配置されるセパレータは、前記断熱板に対向する面内に面方向に沿って延在する流路溝用凹凸部が形成される一方、
前記断熱板は、前記流路溝用凹凸部に交差する方向に延在する断熱空間用凹凸部が形成され、
前記流路溝用凹凸部と前記断熱空間用凹凸部とは、それぞれの凸部と凸部が互いに接触することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池スタックにおいて、前記流路溝用凹凸部と前記断熱空間用凹凸部とは、それぞれの凸部と凸部が互いに交差して接触することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項２または３記載の燃料電池スタックにおいて、前記断熱空間用凹凸部は、断面湾曲形状を有す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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体がセパレータにより挟持された単位セルを複数積層した積層体を備える燃料電池スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）を、セパレータによって挟持することにより構成されている。この種の燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体およ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。
【０００３】
この燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、燃料電池スタックでは、外部への放熱により他の単位セルに比べて温度低下が惹起され易い単位セルが存在している。例えば、積層方向端部に配置されている単位セル（以下、端部セルともいう）は、例えば、各単位セルによって発電された電荷を集める電力取り出し用ターミナル板（集電板）や、積層された単位セルを保持するために設けられたエンドプレート等からの放熱が多く、上記の温度低下が顕著になっている。
【０００５】
この温度低下によって、端部セルでは、燃料電池スタックの中央部分の単位セルに比べて結露が発生し易く、生成水の排出性が低下して発電性能が低下するという不具合が指摘されている。特に、冷却媒体流路がターミナル板に隣接して設けられていると、氷点下環境で始動する際、端部セルで発生した熱を冷却媒体が前記ターミナル板に伝達してしまう。これにより、端部セルを有効に昇温させることができず、電圧低下が惹起されるという問題がある。
【０００６】
そこで、例えば、特許文献１に開示されているように、端部セルを構成する外側のセパレータに、冷却用流体通流用の溝が形成されておらず、このセパレータを冷却用流体により冷却し過ぎない構造の固体高分子電解質型燃料電池が知られている。これにより、端部セルの冷やし過ぎを防止している。
【０００７】
また、特許文献２に開示された積層型燃料電池では、セル積層体の両端にガスコネクトプレートが配設されるとともに、前記ガスコネクトプレートには、真空層および空気層が形成されている。このため、真空層および空気層の断熱作用下に、セル積層体の外部への放熱を防止している。
【０００８】
【特許文献１】
特開平８−１３００２８号公報（図１）
【特許文献２】
特開平７−３２６３７９号公報（図１）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
この場合、上記の特許文献１は、端部セルが冷却用流体により冷却され過ぎることを阻止することによって、前記端部セル内の結露を防止する構造に関するものである。一方、上記の特許文献２は、真空層および空気層の断熱作用下に、セル積層体の外部への放熱を防止することによって、前記セル積層体内の結露を回避する構造に関するものである。
【００１０】
このように、特許文献１、２は、基本的には、雰囲気温度が常温程度の場合において、端部セルやセル積層体による発電機能を安定させるための断熱構造を提供するものである。しかしながら、氷点下で起動を行う場合は、生成水が凍結しない温度までセル温度を一挙に昇温させなければならず、上記の特許文献１、２では対応することができないという問題がある。
【００１１】
すなわち、氷点下での起動において、生成水の凍結による反応ガス流路の閉塞は、電解質膜・電極構造体を構成する拡散層で発生し易い。このため、ガス流路側の拡散層を迅速に０℃以上に昇温させる必要があるが、上記の特許文献１、２では、前記拡散層を０℃以上に維持させることができない。
【００１２】
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、端部セルの昇温遅れによる電圧低下を有効に阻止し、特に低温始動性に優れる燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池スタックでは、複数の単位セルを積層した積層体の積層方向両端と、電力取り出し用ターミナル板との間に、導電性の断熱板が介装されている。この断熱板は、波形状板で構成されるとともに、該断熱板と積層体との間には、断熱用空気層が形成されている。
【００１４】
このため、単位セルの内部で発生した熱が、ターミナル板に伝達されることを有効に阻止することができる。しかも、断熱板が導電性の波形状板で構成されるため、端部セルとの接触面積が低減して熱伝導性が低下し熱抵抗が増大する。さらに、接触面積の低減に伴って接触抵抗が増加し、断熱板と端部セルとの接触部分に発熱が惹起して電解質・電極構造体を迅速に昇温させることが可能になり、前記電解質・電極構造体での凍結を確実に阻止することができる。
【００１５】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池スタックでは、積層体の積層方向両端に配置されるセパレータは、断熱板に対向する面内に面方向に沿って延在する流路溝用凹凸部が形成される一方、前記断熱板は、前記流路溝用凹凸部に延在する断熱空間用凹凸部が形成されている。
【００１６】
その際、本発明の請求項３に係る燃料電池スタックでは、流路溝用凹凸部と断熱空間用凹凸部とは、それぞれの凸部と凸部が互いに交差して接触することになり、それぞれ独立した複数の断熱用空気層が形成される。このため、断熱性が一層向上して端部セルの昇温が良好かつ短時間で遂行可能になる。
【００１７】
さらにまた、本発明の請求項４に係る燃料電池スタックでは、断熱空間用凹凸部は、断面湾曲形状を有している。これにより、端部セルとの接触面積が大幅に低減され、接触部の熱抵抗がさらに増大して電解質・電極構造体を迅速に昇温させることができ、前記電解質・電極構造体での凍結を確実に阻止することが可能になる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０の概略断面図である。
【００１９】
燃料電池スタック１０は、単位セル１２を備え、複数の単位セル１２を矢印Ａ方向に積層して積層体１３が構成される。積層体１３の外方には、導電性の第１および第２断熱板１４ａ、１４ｂと、正極側ターミナル板１６ａおよび負極側ターミナル板１６ｂと、絶縁プレート１８ａ、１８ｂと、エンドプレート２０ａ、２０ｂとが、順次、配設される。エンドプレート２０ａ、２０ｂが図示しないタイロッド等によって締め付けられることにより、燃料電池スタック１０が構成される。
【００２０】
図２に示すように、単位セル１２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）２２と、前記電解質膜・電極構造体２２を挟持する第１および第２金属セパレータ２４、２６とを備える。電解質膜・電極構造体２２と第１および第２金属セパレータ２４、２６との間には、後述する連通孔の周囲および電極面（発電面）の外周を覆って、ガスケット等のシール部材２８が介装されている。第１および第２金属セパレータ２４、２６の表面には、例えば、金メッキ処理が施されている。
【００２１】
単位セル１２の矢印Ｂ方向の一端縁部には、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供給連通孔３０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３２ｂ、および燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２２】
単位セル１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３２ａ、および酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２３】
電解質膜・電極構造体２２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てなる固体高分子電解質膜３６と、該固体高分子電解質膜３６を挟持するアノード側電極３８およびカソード側電極４０とを備える（図１および図２参照）。
【００２４】
アノード側電極３８およびカソード側電極４０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を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布した電極触媒層とをそれぞれ有する。電極触媒層は、互いに固体高分子電解質膜３６を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜３６の両面に接合されている。シール部材２８の中央部には、アノード側電極３８およびカソード側電極４０に対応して開口部４４が形成されている。
【００２５】
第１金属セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２２側の面２４ａには、酸化剤ガス供給連通孔３０ａと酸化剤ガス排出連通孔３０ｂとに連通する酸化剤ガス流路４６が設けられる。図２に示すように、酸化剤ガス流路４６は、例えば、矢印Ｂ方向に蛇行しながら矢印Ｃ方向に延在する複数本の溝部（サーペンタイン溝部）４８とカソード側電極４０との間に形成されている。
【００２６】
図３に示すように、第２金属セパレータ２６の電解質膜・電極構造体２２側の面２６ａには、燃料ガス供給連通孔３４ａと燃料ガス排出連通孔３４ｂとに連通する燃料ガス流路５２が形成される。この燃料ガス流路５２は、例えば、矢印Ｂ方向に蛇行しながら矢印Ｃ方向に延在する複数本の溝部（サーペンタイン溝部）５４とアノード側電極３８との間に形成されている。
【００２７】
第１金属セパレータ２４の面２４ｂと第２金属セパレータ２６の面２６ｂとの間には、図２に示すように、冷却媒体供給連通孔３２ａと冷却媒体排出連通孔３２ｂとに連通する冷却媒体流路５８が形成される。この冷却媒体流路５８は、第１金属セパレータ２４に設けられる複数本の溝部（流路溝用凹凸部）６０ａと、第２金属セパレータ２６に設けられる複数本の溝部（流路溝用凹凸部）６０ｂとを重ね合わせることにより、矢印Ｂ方向および矢印Ｃ方向に延在して一体的に構成される。
【００２８】
図１に示すように、第１金属セパレータ２４には、各溝部６０ａ間に対応して第１凸部６２が設けられるとともに、第２金属セパレータ２６には、各溝部６０ｂ間に対応し、かつ前記第１凸部６２に接触する第２凸部６４が設けられる。第１および第２凸部６２、６４は、冷却媒体流路５８に対応して矢印Ｃ方向に延在する部分と、矢印Ｂ方向に延在する部分とを有している（図４および図５中、二点鎖線参照）。
【００２９】
第１断熱板１４ａは、ＳＵＳ材等の金属材製の波形状板により構成される。第１断熱板１４ａは、図４に示すように、第１金属セパレータ２４に対向する面に断熱空間用の第１凹凸部６６が形成される。この第１凹凸部６６は、第１金属セパレータ２４の第１凸部６２に交差する方向に延在する複数本の第１凸部６８を備える。第１金属セパレータ２４の第１凸部６２と、第１断熱板１４ａの第１凸部６８とが、互いに交差して接触することにより、これらの間には複数の断熱用空気層７０が互いに独立して形成される。
【００３０】
第２断熱板１４ｂは、上記の第１断熱板１４ａと同様に、金属製の波形状板で構成されている。図５に示すように、第２断熱板１４ｂの第２金属セパレータ２６に対向する面には、断熱空間用の第２凹凸部７２が形成される。この第２凹凸部７２は、第２金属セパレータ２６の第２凸部６４に交差する方向に延在する複数本の第２凸部７４を備える。第２金属セパレータ２６の第２凸部６４と、第２断熱板１４ｂの第２凸部７４とが、互いに交差して接触することにより、これらの間には複数の独立した断熱用空気層７６が形成される。
【００３１】
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。
【００３２】
図１に示すように、燃料電池スタック１０内では、複数の単位セル１２が積層された積層体１３に対して、水素含有ガス等の燃料ガス、空気等の酸素含有ガスである酸化剤ガス、および純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体が供給される。
【００３３】
このため、図２に示すように、各単位セル１２では、酸化剤ガス供給連通孔３０ａから第１金属セパレータ２４の酸化剤ガス流路４６に酸化剤ガスが導入され、この酸化剤ガスが電解質膜・電極構造体２２を構成するカソード側電極４０に沿って移動する。また、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３４ａから第２金属セパレータ２６の燃料ガス流路５２に導入され、電解質膜・電極構造体２２を構成するアノード側電極３８に沿って移動する。
【００３４】
従って、電解質膜・電極構造体２２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３８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。
【００３５】
次いで、アノード側電極３８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、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、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００３６】
さらに、冷却媒体供給連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、第２金属セパレータ２６の冷却媒体流路５８に導入された後、矢印Ｂ方向および矢印Ｃ方向に沿って流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２２を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３２ｂから排出される。
【００３７】
この場合、本実施形態では、積層体１３の積層方向両端と、ターミナル板１６ａ、１６ｂとの間に、導電性の第１および第２断熱板１４ａ、１４ｂが介装されている。第１および第２断熱板１４ａ、１４ｂは、波形状に構成されるとともに、前記第１および第２断熱板１４ａ、１４ｂと積層体１３との間には、断熱用空気層７０、７６が形成されている。このため、特に、積層方向両端に配置されている単位セル（端部セル）１２の内部で発生した熱が、ターミナル板１６ａ、１６ｂに伝達されることを有効に阻止することができる。
【００３８】
しかも、第１および第２断熱板１４ａ、１４ｂが導電性の波形状板で構成されるため、端部に配置されている単位セル１２との接触面積が低減し、熱抵抗が増大する。従って、第１および第２断熱板１４ａ、１４ｂと単位セル１２の第１および第２金属セパレータ２４、２６との接触部分に発熱が惹起し、電解質膜・電極構造体２２を迅速に昇温させることが可能になる。これにより、特に氷点下で始動を行う際に、電解質膜・電極構造体２２の温度低下による生成水の凍結を有効に防止でき、低温始動が迅速かつ良好に遂行されるという効果が得られる。
【００３９】
また、図４に示すように、第１断熱板１４ａに設けられる第１凸部６８は、第１金属セパレータ２４に設けられる第１凸部６２と交差する方向に延在して設けられる。このため、第１金属セパレータ２４と第１断熱板１４ａとが積層された際には、それぞれの第１凸部６２、６８が互いに交差して接触することになり、それぞれ独立した複数の断熱用空気層７０が形成される。従って、断熱性が一層向上し、第１断熱板１４ａが接触する単位セル１２の昇温が良好かつ短時間で遂行可能になるという利点がある。
【００４０】
一方、図５に示すように、第２断熱板１４ｂにおいても同様に、第２金属セパレータ２６の第２凸部６４に交差する方向に延在する第２凸部７４が形成されている。これにより、第２凸部６４、７４が互いに交差して接触することになり、それぞれ独立した複数の断熱用空気層７６が形成され、第１断熱板１４ａと同様の効果が得られる。
【００４１】
さらにまた、本実施形態では、第１および第２断熱板１４ａ、１４ｂと、単位セル１２との接触面積を大幅に低減させて、接触部分での熱抵抗をさらに増大するために、図６に示す断熱板１４ｃを採用することができる。
【００４２】
この断熱板１４ｃは、例えば、第２断熱板１４ｂに代替して使用され、第２金属セパレータ２６の第２凸部６４に接触する湾曲凸部８０を設ける。この湾曲凸部８０は、断面湾曲形状を有しており、第２凸部６４に交差する方向に延在して前記第２凸部６４に略線接触で接触している。
【００４３】
このため、第２金属セパレータ２６の第２凸部６４と、断熱板１４ｃの湾曲凸部８０との接触面積が大幅に低減されて、熱抵抗が一挙に増大する。これにより、特に、低温始動時における電解質膜・電極構造体２２の凍結を確実に阻止し、単位セル１２の昇温が一層迅速かつ良好に遂行されるという効果が得られる。
【００４４】
なお、断熱板１４ｃを第１断熱板１４ａに代替して使用することができる。また、第１および第２断熱板１４ａ、１４ｂまたは断熱板１４ｃには、電気抵抗の増大を図るために、金メッキ処理等を廃止し、あるいは不動態処理を施すことも可能である。
【００４５】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、複数の単位セルを積層した積層体の積層方向両端と、電力取り出し用ターミナル板との間に、導電性の断熱板が介装されて断熱用空気層が形成されており、前記単位セルの内部で発生した熱が、前記ターミナル板に伝達されることを有効に阻止することができる。
【００４６】
しかも、断熱板が導電性の波形状板で構成されるため、端部セルとの接触面積が低減して熱抵抗が増大する。これにより、断熱板と端部セルとの接触部分に発熱が惹起し、電解質・電極構造体を迅速に昇温させることができ、前記電解質・電極構造体での凍結を確実に阻止することが可能になる。従って、特に低温始動が迅速かつ良好に遂行される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの概略断面図である。
【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】単位セルを構成する第２セパレータの正面説明図である。
【図４】第１断熱板の正面説明図である。
【図５】第２断熱板の正面説明図である。
【図６】別の断熱板が配置された燃料電池スタックの一部断面説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池スタック          １２…単位セル
１３…積層体                    １４ａ〜１４ｃ…断熱板
１６ａ、１６ｂ…ターミナル板    １８ａ、１８ｂ…絶縁プレート
２０ａ、２０ｂ…エンドプレート  ２２…電解質膜・電極構造体
２４、２６…金属セパレータ      ３０ａ…酸化剤ガス供給連通孔
３０ｂ…酸化剤ガス排出連通孔    ３２ａ…冷却媒体供給連通孔
３２ｂ…冷却媒体排出連通孔      ３４ａ…燃料ガス供給連通孔
３４ｂ…燃料ガス排出連通孔      ３６…固体高分子電解質膜
３８…アノード側電極            ４０…カソード側電極
４６…酸化剤ガス流路            ４８、５４、６０ａ、６０ｂ…溝部
５２…燃料ガス流路              ５８…冷却媒体流路
６２、６４、６８、７４…凸部    ６６、７２…凹凸部
７０、７６…断熱用空気層        ８０…湾曲凸部
【図１】
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【図２】
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【図３】
2004152502.tif 000005
【図４】
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【図５】
2004152502.tif 000007
【図６】
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