(57)【要約】【課題】  本発明は燃料電池スタックに関し、通常運転時の電池性能の低下を招くことなく低温起動時における端セルの早期の昇温を可能にする。【解決手段】  集電板１４において出力端子１６が接続された部位の近傍領域１４Ａと、他の領域１４Ｂ，１４Ｃとの間に単位面積当たりの体積差を設ける。詳しくは、他の領域１４Ｂ，１４Ｃは近傍領域１４Ａよりも単位面積当たり体積を小さく形成する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層された複数枚のセルからなり、前記セルの積層方向の端部に集電板が配置され、前記集電板に接続された出力端子から電流を取り出すように構成された燃料電池スタックにおいて、
前記集電板は前記出力端子が接続された部位の近傍領域と他の領域との間に単位面積当たりの体積差が設けられ、前記他の領域は前記近傍領域よりも単位面積当たり体積を小さく形成されていることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記他の領域は前記近傍領域よりも板厚を薄く形成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記集電板には厚さ方向に形成された複数の孔が設けられており、前記他の領域は前記近傍領域よりも単位面積当たりの前記孔の面積が大きくとられていることを特徴とする請求項１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、積層された複数枚のセルからなる燃料電池スタックに係り、特に、氷点以下での極低温からの起動性を向上させるのに有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、固体高分子膜等の電解質膜の両側をそれぞれ電極とセパレータとによって挟んで構成されており、通常、前記構造を一つのセルとして複数枚のセルが積層された燃料電池スタックとして使用される。この燃料電池スタックは、例えば特許文献１に開示されるようにセルの積層方向の両端部に集電板を備え、各セルで発電された電流は集電板に接続された出力端子から取り出されるようになっている。
【特許文献１】特開平６−６０９０４号公報
【特許文献２】特開平７−２８２８３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、電気自動車等の車載用燃料電池スタックの場合、寒冷地等、使用環境によっては氷点下までセルの温度が低下する可能性が有る。セルのカソードでは電解質膜を透過してきた水素イオンと酸化ガス中の酸素との化学反応によって水が生成されるが、氷点下で起動されたときにはこの水は凍結し氷となる。氷はカソードへの酸素供給を阻害し、セルの電圧を低下させる。ただし、上記化学反応により水と同時に反応熱も発生するため、この反応熱によりセルの温度が氷点以上まで昇温すれば、氷は融解し、カソードへの酸素供給は回復する。
【０００４】
しかしながら、セルのうち最も外側に位置する端セルに関しては、熱容量・熱伝導率の大きな集電板に大量の熱を奪われることになるため、他のセルと比べて昇温速度が遅いという問題がある。このため、他のセルが正常に発電していても、氷の融解の遅れによって端セルのみが酸素不足状態となって電圧低下が生じてしまう可能性がある。端セルの電圧低下は燃料電池スタック全体の出力を低下させることとなり、最悪の場合にはシステムの運転を停止させてしまうこともありうる。また、このような状態においては端セルの内部で異常な化学反応が起こっていると考えられるが、この異常な化学反応によって端セルの構成物質が排気となって持ち去られたり、端セルの劣化が進んだりしてしまう可能性もある。
【０００５】
低温起動時において端セルを早期に昇温させる手段としては、集電板の板厚を薄くすることで集電板の熱容量を小さくし、端セルからの放熱を抑制することが考えられる。しかし、単に集電板の板厚を薄くするだけでは電流を取り出す際の電気抵抗を増大させることになり、電力損失の増大という電池性能の低下を招くことになりかねない。
【０００６】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、通常運転時の電池性能の低下を招くことなく低温起動時における端セルの早期の昇温を可能にした燃料電池スタック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】
【０００７】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、積層された複数枚のセルからなり、前記セルの積層方向の端部に集電板が配置され、前記集電板に接続された出力端子から電流を取り出すように構成された燃料電池スタックにおいて、
前記集電板は前記出力端子が接続された部位の近傍領域と他の領域との間に単位面積当たりの体積差が設けられ、前記他の領域は前記近傍領域よりも単位面積当たり体積を小さく形成されていることを特徴としている。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、前記他の領域は前記近傍領域よりも板厚を薄く形成されていることを特徴としている。
【０００９】
第３の発明は、第１の発明において、前記集電板には厚さ方向に形成された複数の孔が設けられており、前記他の領域は前記近傍領域よりも単位面積当たりの前記孔の面積が大きくとられていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
第１の発明によれば、集電板内に単位面積当たり体積の小さい領域が設けられることで集電板全体の熱容量は減少する。これにより端セルから集電板への放熱が抑制され、低温起動時における端セルの早期の昇温が可能になる。また、出力端子が接続された部位の近傍領域は電流密度が高いものの、その他の領域の電流密度は低いため、その他の領域の単位面積当たり体積を小さくしたとしても電力損失が大きく増大することはない。これにより通常運転時の電池性能の低下も防止される。
【００１１】
なお、前記他の領域の単位面積当たり体積を前記近傍領域の単位面積当たり体積よりも小さくすることは、板厚を薄く形成すること（第２の発明）、或いは、単位面積当たりの孔面積を大きくすること（第３の発明）等、簡単な構成により実現することができる。また、単位面積当たりの孔面積を大きく方法としては、例えば、単位面積当たりの孔の数を増やすことや、各孔の大きさを大きくすること等が挙げられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
実施の形態１．
以下、図１を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。
本発明の燃料電池スタックは、例えば車両に搭載される車載用の燃料電池スタックに適用することができる。ただし、他の用途の燃料電池スタックへの適用も勿論可能である。
【００１３】
図１は、本発明の実施の形態１としての燃料電池スタックの構成を示す概略図である。この図に示すように、燃料電池スタックは、複数のセル２が一方向に積層されて構成されている。各セル２は、固体高分子膜等の電解質膜を両側からの電極で挟んで構成されたＭＥＡ（Membrane electrode assembly）を有し、さらにその両側を一対のセパレータによって挟まれた構造を有している。なお、以下では、積層方向両端にある端セルを他のセルから区別する場合には、特に端セル２Ａと表記する。
【００１４】
各端セル２Ａの外側には集電板４が設けられている。集電板４の縁部には、各セル２から集電板４に集められた電流を外部に取り出すための出力端子６が接続されている。本実施の形態では、集電板４は一様な板厚ではなく、出力端子６が接続された側の縁部から反対側の縁部に向けて板厚が徐々に薄くなっていくように形成されている。出力端子６が接続された側の縁部の板厚は従来の集電板の板厚と略同じ厚さであり、反対側の縁部の板厚を従来の集電板の板厚よりも薄くしている。例えば、集電板４の幅を約３００ｍｍ、出力端子６が接続された側の板厚を約２ｍｍとした場合、反対側の板厚は約１ｍｍに設定されている。
【００１５】
上記構成によれば、領域によって集電板４の板厚に差が設けられることで、集電板４全体の体積を従来の集電板に比較して小さくすることができ、集電板４全体の熱容量を小さくすることができる。これにより端セル２Ａから集電板４への放熱が抑制され、低温起動時における端セル２Ａの早期の昇温が可能になる。また、集電板４の板厚を薄くすると電気抵抗の増大に伴う電力損失が懸念されるが、集電板４の板厚を一様に薄くするのではなく部位によっては必要な板厚を確保することで電力損失の増大は抑制されている。つまり、集電板４内の電流密度は出力端子６が接続されている部位の近傍が高く、出力端子６の接続部位から遠ざかるほど電流密度は低くなるが、電流密度の高い領域は従来同様の十分な板厚が確保され、電流密度が低くそもそも電力損失の低い領域について板厚を薄くされているので、従来の集電板に比較して電力損失が大きく増大することはない。
【００１６】
以上のことから、本発明の実施の形態１としての燃料電池スタックによれば、通常運転時の電池性能の低下を招くことなく、低温起動時における端セル２Ａの早期昇温が可能になる。
【００１７】
実施の形態２．
次に、図２を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
【００１８】
図２は、本発明の実施の形態２としての燃料電池スタックにかかる集電板１４の構成を示す斜視図である。集電板１４は実施の形態１にかかる集電板４の代わりとして用いることができる。集電板１４は、実施の形態１にかかる集電板４とは異なり全領域において一様な板厚に形成される一方、その表面には厚さ方向に貫通する複数の孔１８が開けられている。各孔１８は、出力端子１６が接続されている部位から離れた領域ほど単位面積当たりの孔面積が大きくなるように、集電板１４上における位置及び大きさを調整されている。例えば、図２において集電板１４を領域１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃと分割した場合、出力端子１６が接続されている部位の近傍領域である領域１４Ａには小さい孔１８が１つ開けられているのに対し、出力端子１６から離れた領域１４Ｂ，１４Ｃには大小２つの孔１８が開けられている。また、出力端子１６から離れた二つの領域１４Ｂ，１４Ｃを比較した場合には、より出力端子１６から離れている領域１４Ｃの方により大きな孔１８が開けられている。
【００１９】
上記構成によれば、集電板１４に複数の孔１８が開けられることで、集電板１４全体の体積を従来の集電板に比較して小さくすることができ、集電板１４全体の熱容量を小さくすることができる。また、電流密度が高い出力端子１６の近傍領域は単位面積当たりの孔面積を小さくし、電流密度が低い出力端子１６から離れた領域は単位面積当たりの孔面積を大きくしているので、孔１８が設けられることによる電力損失の増大は抑制されている。
【００２０】
以上のことから、本発明の実施の形態２としての燃料電池スタックによれば、実施の形態１と同様、通常運転時の電池性能の低下を招くことなく、低温起動時における端セル２Ａの早期昇温が可能になる。さらに、集電板１４の作製は一定厚の板に孔１８を開けるだけでよいので、実施の形態１のように板厚の変化する集電板４を作製する場合に比較して作製が容易という利点もある。
【００２１】
実施の形態３．
次に、図３を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。
【００２２】
図３は、本発明の実施の形態３としての燃料電池スタックにかかる集電板２４の構成を示す斜視図である。集電板２４は実施の形態１にかかる集電板４の代わりとして用いることができる。集電板２４は、実施の形態２にかかる集電板１４と同様、その表面に厚さ方向に貫通する複数の孔２８が開けられており、領域によって単位面積当たりの孔面積に差が設けられている。実施の形態２との相違点は、本実施の形態では各孔２８は全て同じ大きさであり、孔２８の数によって単位面積当たりの孔面積に差を設けていることにある。つまり、出力端子２６が接続された部位に近い領域では孔２８の数は少なく、出力端子２６から離れた領域ほど多くの孔２８が開けられている。このような構成によっても実施の形態２と同様の効果を得ることができる。
【００２３】
その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。
【００２４】
上記実施の形態では、出力端子が接続されている部位からの距離に応じて連続的に（実施の形態１）或いは何段階かにわけて（実施の形態２，３）、集電板の単位面積当たりの体積を変化させているが、出力端子が接続されている部位の近傍領域のみ十分な単位面積当たりの体積を確保し、その他の領域は一様に単位面積当たりの体積を削減するようにしてもよい。集電板内の電流密度は出力端子が接続されている部位の近傍で飛躍的に高くなるので、その近傍の領域さえ十分な単位面積当たり体積を確保できれば、その他の領域の単位面積当たり体積を一様に削減したとしても電力損失を大きく増大させてしまうことはない。
【００２５】
また、図４は、上記実施の形態の何れにも適用できる変形例の構成を示す概略図である。この変形例では、端セル３０Ａ以外の各セル３０はＭＥＡ３２とそれを両側から挟むセパレータ３４とにより構成されている。セパレータ３４は隣接するセル３０間で共有化されており、ＭＥＡ３２と接する各面に反応ガスを供給するための複数のガス流路３６，３８が形成されている。アノード側の面に形成されたガス流路３６は燃料ガスが流れる流路であり、カソード側の面に形成されたガス流路３８は酸化ガスが流れる流路になっている。
【００２６】
端セル３０Ａは他のセル３０とは異なり、ＭＥＡ３２をその内側（燃料電池スタックの中央側）からはセパレータ３４により、外側からは出力端子４６が接続される集電板４０により挟んだ構成になっている。つまり、本変形例にかかる端セル３０Ａでは、従来、ＭＥＡ３２の外側に配置されていたセパレータは省略され、その機能を集電板４０が担うようになっている。このため、集電板４０にはＭＥＡ３２にガスを供給するための複数のガス流路４２が形成されている。図４では集電板４０はＭＥＡ３２のアノード側に配置されているので、ガス流路４２は燃料ガスが流れる流路になっている。なお、集電板４０の材質としては電気伝導性に優れている銅が用いられており、ガス流路４２には耐食性を向上させるために金メッキが施されている。
【００２７】
本変形例の構成によれば、端セル３０Ａの外側のセパレータを集電板４０と一体化することで、端セル３０Ａの近傍の熱容量を小さくすることができる。これにより端セル３０Ａからの放熱が抑制され、低温起動時における端セル３０Ａの早期の昇温が可能になる。
【００２８】
また、上記変形例の構成において、さらに図５に示すように、出力端子４６が接続されている部位の近傍領域と出力端子４６から離れた領域とでガス流路４２の幅や深さに差を設けてもよい。具体的には、出力端子４６が接続されている部位から離れた領域ほど、集電板４０の単位面積当たりの体積が小さくなるように、ガス流路４２の幅や深さを大きく設定する。これによれば、電力損失の増大を招くことなく、端セル３０Ａの近傍の熱容量をより小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施の形態１としての燃料電池スタックの構成を示す概略図である。
【図２】本発明の実施の形態２としての燃料電池スタックにかかる集電板の構成を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態３としての燃料電池スタックにかかる集電板の構成を示す斜視図である
【図４】本発明の変形例としての燃料電池スタックの構成を示す概略図である。
【図５】本発明の変形例としての燃料電池スタックにかかる集電板の構成を示す概略図である。
【符号の説明】
【００３０】
２，３０  セル
２Ａ，３０Ａ  端セル
４，１４，２４，４０  集電板
６，１６，２６，４６  出力端子
３２  ＭＥＡ
３４  セパレータ
３６，３８，４２  ガス流路
【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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