(57)【要約】      （修正有）【課題】冷却媒体の液絡を防止して、搭載性を良好に維持しつつ、冷却効率を向上することができる燃料電池スタックを提供する。【解決手段】膜電極構造体３をセパレータ４、４にて挟持してなり、燃料と酸化剤とを供給され発電を行う燃料電池（４，３，４）を備え、該燃料電池の平面形状を長方形状とし、前記燃料電池のその厚み方向に積層して群５を形成させるとともに群５の端面を絶縁層６で覆い、前記燃料電池に冷却媒体を流す冷媒通路１６を前記絶縁層６の表面に形成する。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極構造体をセパレータにて挟持してなり、燃料と酸化剤とを供給され発電を行う燃料電池を備え、
該燃料電池の平面形状を長方形とし、
前記燃料電池をその厚み方向に積層して群を形成させるとともに、積層した前記燃料電池の長辺側の群の端面を絶縁層で覆い、
前記燃料電池を冷却する冷却媒体を流す冷媒通路を前記絶縁層の表面に形成することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記群同士を積層し、これらの群の前記端面を覆う前記絶縁層間に冷媒通路を形成したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記群同士を直列に接続し出力電圧を調整可能としたことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記群同士を並列に接続し出力電流を調整可能としたことを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記群を囲繞する容器の少なくとも一部が前記絶縁層を形成することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、膜電極構造体をセパレータにて挟持してなり、燃料と酸化剤とを供給され発電を行う燃料電池を備えた燃料電池スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池スタックには、膜電極構造体の両側に酸化剤ガス流路を備えたパレータと、燃料ガス流路を備えたセパレータをそれぞれ配置した燃料電池を複数直列に積層し構成したものがある。この種の技術として、特許文献１に、セパレータの外形形状を長方形として、セパレータの表面に形成された燃料ガス流路あるいは酸化剤ガス流路の周囲部分で、セパレータの長辺の伸長方向に実質的に平行な部分に、冷却媒体用流路を形成し、冷却媒体をセパレータ平面に対して直角方向に流通させるように構成して、冷却効率の向上を図ったものが開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−８３１８１４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の技術においては、冷却媒体流路を形成するための幅寸法をセパレータの周縁部分に確保する必要があるため、このセパレータを積層して形成される燃料電池スタックの容積が前記幅寸法を積層した分だけ増大してしまい、搭載性が悪化するという問題があった。また、反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）の流路を備えたセパレータの表面に、冷却媒体用流路を形成しているため、冷却媒体用流路から冷媒が反応ガスの流路に侵入する液絡を防止する対策が必要となるため、燃料電池スタックを作成する際の作業負担が大きくなってしまうという問題があった。
【０００５】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、冷却媒体の液絡を防止して、搭載性を良好に維持しつつ、燃料電池の冷却効率を向上することができる燃料電池スタックを提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に係る発明は、膜電極構造体（例えば、実施の形態における膜電極構造体３）をセパレータ（例えば、実施の形態におけるセパレータ４、４）にて挟持してなり、燃料と酸化剤とを供給され発電を行う燃料電池（例えば、実施の形態における燃料電池２）を備え、該燃料電池の平面形状を長方形とし、前記燃料電池をその厚み方向に積層して群（例えば、実施の形態における群５）を形成させるとともに、積層した前記燃料電池の長辺側の群の端面を絶縁層（例えば、実施の形態における絶縁容器６）で覆い、前記燃料電池を冷却する冷却媒体を流す冷媒通路（例えば、実施の形態における冷却水通路１６）を前記絶縁層の表面に形成することを特徴とする。
【０００７】
この発明によれば、前記冷媒通路が絶縁層の表面に形成されるため、前記冷媒通路に冷却媒体を流しても、前記絶縁層により冷却媒体は燃料電池と遮断された状態で流れるので、燃料電池を積層した前記群内に特別な対策を施さなくても冷却媒体の液絡を防止でき、利便性が増す。また、前記群を構成する燃料電池のセパレータに冷却媒体流路を形成するための幅寸法を確保する必要が無くなるため、その分燃料電池の幅寸法や群の容積を低減することができ、搭載性を向上できる。加えて、各燃料電池の平面形状を長方形として、各燃料電池の長辺側から冷却媒体により冷却することで、各燃料電池を略均等に冷却することが可能であり、冷却効率を向上することができる。
【０００８】
本発明の請求項２に係る発明は、請求項１に記載のものであって、前記群同士を積層して、これらの群の前記端面を覆う前記絶縁層間に冷媒通路を形成したことを特徴とする。
この発明によれば、前記絶縁層間に形成された前記冷媒通路に冷却媒体を流入させることで、前記絶縁層が設けられた群同士の各燃料電池を、液絡が防止された状態で略均等に冷却することができる。
【０００９】
本発明の請求項３に係る発明は、請求項２に記載のものであって、前記群同士を直列に接続し出力電圧を調整可能としたことを特徴とする。
この発明によれば、群同士を直列に接続することで出力電流を一定に維持しつつ出力電圧や出力電力を増大させることができる。また、群同士の接続の仕方を変えなければ、群全体の配置位置を変えても、出力電圧や出力電流を一定に保持させることもできるので、配置自由度が増し、搭載性が向上する。
【００１０】
本発明の請求項４に係る発明は、請求項２または３に記載のものであって、前記群同士を並列に接続し出力電流を調整可能としたことを特徴とする。
この発明によれば、出力電圧を一定に維持しつつ出力電流や出力電力を増大させることができる。また、群同士の接続の仕方を変えなければ、群全体の配置位置を変えても、出力電圧や出力電流を一定に保持させることもできるので、配置自由度が増し、搭載性が向上する。
また、直列接続と並列接続とを併用することで、スタック全体での出力電力を増大させつつ、出力電流や出力電圧を用途に応じて調整することができる。また、群同士の接続の仕方を変えることで、群全体の配置位置を変えずに出力電圧や出力電流を調整することができる。
【００１１】
本発明の請求項５に係る発明は、請求項１から４のいずれかに記載のものであって、前記群を囲繞する容器の少なくとも一部が前記絶縁層を形成することを特徴とする。
この発明によれば、前記容器内に群を構成する各燃料電池を収容させるだけで絶縁層が形成されて各燃料電池と冷却媒体とが前記容器により区画されるため、スタック自体の作成が容易となる。また、前記容器の表面に冷媒通路が形成されるので、前記容器の各面に冷却媒体を流入させることができ、利便性が増す。さらに、前記容器同士を積層させた場合には、容器同士の対向面の冷媒通路に冷却媒体を流入させることで容器内に収容された燃料電池を冷却できるので、取扱い性を向上することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の実施の形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池２の分解平面図である。燃料電池２は、図１に示されるように、膜電極構造体（ＭＥＡ）３と、これを挟持する一対のセパレータ４，４とを備えている。
【００１３】
前記膜電極構造体３は、例えば、ペルフルオロスルホン酸ポリマーからなる固体高分子電解質膜７（以下、単に電解質膜という。）と、この電解質膜７の両面を挟むアノード電極８およびカソード電極９とを有している。
アノード電極８およびカソード電極９は、多孔質カーボンクロスまたは多孔質カーボンペーパー等からなるガス拡散層と、Ｐｔを主体とする合金からなる触媒層とを備え、触媒層の表面が電解質膜７に接触する。
【００１４】
前記アノード電極８やカソード電極９はそれぞれの平面形状を短冊状の長方形に形成されるとともに、前記電解質膜７はこれらの電極８、９よりも大型の長方形に形成され、電解質膜７の周縁部が電極８、９の外周からはみ出している。また、電解質膜７には、前記電極８、９からはみ出した両端部に連通孔３Ａ〜３Ｄが形成されている。
【００１５】
一方、前記セパレータ４は、その平面形状を、電解質膜７と略同一な大きさの長方形に形成されている。セパレータ４の両面には、前記電極８、９に対応する部位に反応ガス流路（燃料ガス流路、酸化剤ガス流路）１０，１１が形成され、アノード電極８に対向するガス流路１０が燃料ガス流路１０、カソード電極９に対向するガス流路１１が酸化剤ガス流路１１となる。また、セパレータ４には、前記電解質膜７の連通孔３Ａ〜３Ｄに対応する部位に、連通孔４Ａ〜４Ｄが形成され、これらの連通孔４Ａ〜４Ｄのうち、ガス流路１０、１１を挟んで対角線状に位置する一対の連通孔（例えば４Ｂ、４Ｃ）が燃料ガス供給口、排出口となり、もう一対の連通孔（例えば４Ｄ、４Ａ）が酸化剤ガス供給口、排出口となる。膜電極構造体３の連通孔３Ａ〜３Ｄにおいても同様である。なお、セパレータ４は金属を折り曲げ成形して形成してもよいし、カーボンを切削して形成してもよい。
【００１６】
図２（ａ）は燃料電池２の分解斜視図、図２（ｂ）は燃料電池２を収容する絶縁容器６の斜視図である。図２（ａ）に示す燃料電池２が厚み方向に積層して群５を形成し、この群５が、図２（ｂ）に示す絶縁容器６に囲繞される。
絶縁容器６は、絶縁性が高くかつガス透過性の低い材料で形成され、その両側面を前記燃料電池２の平面形状と同等か若干大きい矩形状に形成するとともに、その上下面の幅を前記群５の積層寸法と同等か若干大きく形成し、前後の端部を開口した形状となっている。
絶縁容器６の両側面にはターミナル１４，１５が配設されている（図４参照）。また、絶縁容器６の上下面には、側面方向に沿う溝部１３が所定間隔で形成されている。
【００１７】
図３は図２の絶縁容器６に燃料電池２を配置する工程を示す説明図である。図３に示すように、前記絶縁容器６の開口部の燃料電池２を構成する膜電極構造体３、セパレータ４を挿入し、絶縁容器６の側面側から、セパレータ４と膜電極構造体３とを、それぞれの平面が絶縁容器６の側面に対向するように配列する。上述したように、セパレータ４には、その両面にガス流路１０、１１がそれぞれ形成されている。従って、膜電極構造体３のアノード電極８にセパレータ４の燃料ガス流路１０が、カソード電極９に酸化剤ガス流路１１がそれぞれ対向するように、セパレータ４と膜電極構造体３とを配列することで、絶縁容器６内に複数の燃料電池２をその厚み方向に積層して、群５が形成される。これにより、絶縁容器６内に群５を収容したバンドル１２が形成される。
【００１８】
図４はバンドル１２の断面図である。同図に示したように、絶縁容器６の両側面端部に配置されたターミナル１４、１５が、絶縁容器６内に収容された群５の両端部のアノード電極８側のセパレータ４，カソード電極９側のセパレータ４にそれぞれ接続されている。図３に示すように、各燃料電池２のアノード電極８側に水素ガスを、カソード電極９側に酸化剤ガスを供給させることで、燃料電池２に発電させる。すなわち、アノード電極８の電極反応面に燃料ガスを供給すると、ここで水素がイオン化され、電解質膜７を介してカソード電極９に移動する。この間に生じた電子はターミナル１４，１５を介して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。
【００１９】
また、本実施の形態においては、図５に示したように、絶縁容器６の上下面に形成された溝部１３に冷却水を流通させて冷却水通路１６としている。このように、冷却水通路１６を流れる冷却水は、絶縁容器６内に配置された各燃料電池２をその長辺側から冷却するので、各燃料電池２を略均等に冷却することが可能であり、冷却効率を向上することができる。また、絶縁容器６により燃料電池２と区画されているので、燃料電池２を積層した前記群５内に特別な対策を施さなくても冷却水の液絡を防止でき、利便性が増す。
また、前記群５を構成する燃料電池２のセパレータ４，４に冷却水通路１６を形成するための幅寸法を確保する必要が無くなるため、その分燃料電池２の幅寸法や群５の容積を低減することができ、搭載性を向上できる。
【００２０】
また、前記バンドル１２を複数積層させて燃料電池スタックを構成することもできる。図６はバンドル１２を複数積層した状態を示す説明図である。同図に示したように、複数のバンドル１２を、それぞれに形成された溝部１３、１３同士を対向するように配列することで、冷却水通路１６が区画され（図７〜図９参照）、該冷却水通路１６に冷却水を流通させることで、各バンドル１２の絶縁容器６内に収容された燃料電池２を、液絡が防止された状態で略均等に冷却することができる。
【００２１】
また、燃料電池スタックは、用途や設置場所に応じて、各バンドル１２の配列や接続方法を様々に変更して構成できる。以下、燃料電池スタックの変形例を図７〜図９に示す。
【００２２】
図７に示した燃料電池スタックは、３つのバンドル１２を直線上に配置したバンドル群を、上下に５つ積層して構成されている。各バンドル１２のターミナル１４、１５は電極端子１７により接続され、左端側の電極端子１７Ａが正極、右端側の電極端子１７Ｂが負極となる。前記３つのバンドル１２同士は直列に接続され、バンドル群同士は並列に接続されている。群５同士を直列に接続することで出力電圧を増大させることができ、群５同士を並列に接続することで出力電流を増大させることができるので、出力電流や出力電力を調整しつつ、燃料電池スタック全体での出力電力を増大させることができる。
【００２３】
図８に示した燃料電池スタックは、５つのバンドル１２を上下に配列したバンドル群２つを隣合うように配置して構成されている。この燃料電池スタックは、各バンドル１２のターミナル１４、１５を電極端子１８、１９を介して直列に接続し、左上側の電極端子１８Ａが正極、右上側の電極端子１８Ｂが負極となる。このように、各群５同士を直列に接続することで、電流を抑制しつつ電圧を増大させることができる。
【００２４】
図９に示した燃料電池スタックは、３つのバンドル１２を直線上に配置したバンドル群を、上下に３つ積層して構成されている。各バンドル１２のターミナル１４、１５は電極端子２０により接続され、左端側の電極端子２０Ａが正極、右端側の電極端子２０Ｂが負極となる。前記３つのバンドル１２同士は直列に接続され、バンドル群同士は並列に接続されている。
このように、バンドル１２の群５同士の接続の仕方を変えることで、群５全体の配置位置を変えずに出力電圧や出力電流を調整することができる。また、群５同士の接続の仕方を変えなければ、群５全体の配置位置を変えても、出力電圧や出力電流を一定に保持させることもできるので、配置自由度が増し、搭載性が向上する。
なお、各群５の配置形態、接続形態はこれらに限られず、必要に応じて直列、並列接続を選択することができるのはもちろんである。また、実施の形態では、群５を絶縁容器６で囲繞したが、これに限られず、群５の端面を絶縁層で覆って、その表面に冷却水通路１６を形成してもよい。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の発明によれば、燃料電池を積層した前記群内に特別な対策を施さなくても冷却媒体の液絡を防止でき、利便性が増す。また、燃料電池の幅寸法や群の容積を低減することができ、搭載性を向上できる。加えて、各燃料電池を略均等に冷却することが可能であり、冷却効率を向上することができる。
【００２６】
また、請求項２に記載の発明によれば、前記絶縁層が設けられた群同士の各燃料電池を、液絡が防止された状態で略均等に冷却することができる。
また、請求項３または４に記載の発明によれば、スタック全体での出力電力を増大させつつ、出力電流や出力電圧を用途に応じて調整することができる。
【００２７】
また、請求項５に記載の発明によれば、スタックの作成が容易となる。また、前記容器の各面に冷却媒体を流入させることができ、利便性が増す。さらに、前記容器同士を積層させた場合の取扱い性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池の分解平面図である。
【図２】図１の燃料電池の分解斜視図と該燃料電池を収容する絶縁容器の斜視図である。
【図３】図２の絶縁容器に燃料電池を配置する工程を示す説明図である。
【図４】図２の絶縁容器に燃料電池の群を収容させてなるバンドルの断面図である。
【図５】バンドルの冷却水通路を示す説明図である。
【図６】バンドルを複数積層した状態を示す説明図である。
【図７】燃料電池スタックの変形例を示す説明図である。
【図８】燃料電池スタックの変形例を示す説明図である。
【図９】燃料電池スタックの変形例を示す説明図である。
【符号の説明】
２  燃料電池
３  膜電極構造体
４  セパレータ
６  絶縁容器
１２  バンドル
１６  冷却水通路
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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