(57)【要約】【課題】燃料電池の動作に伴うターミナルプレートにおける発熱を簡易な構成で抑制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】燃料電池のセル２６を積層したセル積層体２８と、セル積層体２８の各セルに冷媒を供給し、排出するための冷媒マニホールド５４と、出力端子部４０を有し、セル積層体２８の積層方向の両端部にそれぞれ配置されたターミナルプレート３０と、を備える燃料電池スタック１において、スタックにおける冷媒の流れ方向と、ターミナルプレート３０における電流の流れ方向とが対向する燃料電池スタックである。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のセルを積層したセル積層体と、
前記セル積層体の各セルに冷媒を供給し、排出するための冷媒マニホールドと、
出力端子部を有し、前記セル積層体の積層方向の両端部にそれぞれ配置されたターミナルプレートと、
を備える燃料電池スタックにおいて、
スタックにおける冷媒の流れ方向と、前記ターミナルプレートにおける電流の流れ方向とが対向す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に記載の燃料電池スタックであって、
前記ターミナルプレートにおいて、前記冷媒マニホールドの入口側が前記出力端子部の近傍に配置されてい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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のセルを積層した燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
環境問題や資源問題への対策の一つとして、酸素や空気などの酸化ガスと、水素やメタンなどの還元性ガス（燃料ガス）あるいはメタノールなどの液体燃料などとを原料として電気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変換して発電する燃料電池が注目されている。この燃料電池は、発電に使用される原料のガスや液体燃料が豊富に存在すること、また、その発電原理より排出される物質が水であることなどにより、クリーンなエネルギー源として様々な検討がされている。
【０００３】
燃料電池のセルは、電解質膜の一方の面に燃料極（アノード触媒層）と、もう一方の面に空気極（カソード触媒層）とが電解質膜を挟んで対向するように設けられた膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）をメタルセパレータなどのセパレータで挟んだものから形成される。複数のセルが積層されてセル積層体とされ、セル積層体のセル積層方向両端には、ターミナルプレート（集電板）、インシュレータ、エンドプレートが順に配置され、固定されて燃料電池スタックが構成される。セパレータには、流体流路が形成され、例えば、発電領域におけるＭＥＡ対向面に燃料ガス流路、酸化ガス流路、ＭＥＡ対向面と反対側面に冷媒流路が形成され、非発電領域に、燃料ガスマニホールド、酸化ガスマニホールド、冷媒マニホールドが形成されている。燃料ガスが燃料ガスマニホールド、燃料ガス流路に流され、酸化ガスが酸化ガスマニホールド、酸化ガス流路に流され、冷媒が冷媒マニホールド、冷媒流路に流される。
【０００４】
このような燃料電池スタックにおいて、燃料電池の動作に伴うターミナルプレートにおける発熱を抑制することが検討されている。
【０００５】
例えば、特許文献１には、燃料電池スタックにおける燃料電池セルの積層端に積層され、燃料電池セルの給排マニホールド形成用の貫通穴に連ねて同様に貫通穴を備えると共に、貫通穴が存在する部位より外側に出力端子を突き出して備える燃料電池用集電板において、集電板の集電領域と出力端子との間の貫通穴により幅が狭められた領域と、この領域に隣接する集電領域の一部の領域および出力端子の一部の領域との板厚寸法を増加させて形成し、マニホールド領域での電圧低下や発熱量の抑制と熱容量の増加抑制とを両立させることが記載されている。
【０００６】
しかし、特許文献１の構成では、出力端子近傍のターミナルプレートの板厚を増加させる、すなわち電流量が多い出力端子部近傍の断面積を拡大させるため、燃料電池スタックの大きさ、質量が増加し、それに伴い、熱容量も増加するため、低温時等の起動時間が長くなる。また、ターミナルプレートの形状が複雑となり、部品のコストや加工費が増加し、コスト増の要因となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−３００１２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、燃料電池の動作に伴うターミナルプレートにおける発熱を簡易な構成で抑制することができる燃料電池スタックを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、燃料電池のセルを積層したセル積層体と、前記セル積層体の各セルに冷媒を供給し、排出するための冷媒マニホールドと、出力端子部を有し、前記セル積層体の積層方向の両端部にそれぞれ配置されたターミナルプレートと、を備える燃料電池スタックにおいて、スタックにおける冷媒の流れ方向と、前記ターミナルプレートにおける電流の流れ方向とが対向する燃料電池スタックである。
【００１０】
また、前記燃料電池スタックにおける前記ターミナルプレートにおいて、前記冷媒マニホールドの入口側が前記出力端子部の近傍に配置されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明では、スタックにおける冷媒の流れ方向と、ターミナルプレートにおける電流の流れ方向とを対向させることにより、燃料電池の動作に伴うターミナルプレートにおける発熱を簡易な構成で抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの構成の一例を示す概略側面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックにおけるセルの構成の一例を示す概略断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックにおけるセルの構成の一例を示す概略上面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックにおけるセルの一例を分解した概略斜視図である。
【図５】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの構成の一例を示す概略側面図である。
【図６】図５の燃料電池スタックのターミナルプレートで見た、スタックにおける冷媒の流れ方向とターミナルプレートにおける電流の流れ方向の様子の一例を示す概略上面図である。
【図７】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックにおける冷媒温度と電流量の関係の一例を示す図である。
【図８】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの他の例のターミナルプレートで見た、スタックにおける冷媒の流れ方向とターミナルプレートにおける電流の流れ方向の様子を示す概略上面図である。
【図９】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの他の例のターミナルプレートで見た、スタックにおける冷媒の流れ方向とターミナルプレートにおける電流の流れ方向の様子を示す概略上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施の形態について以下説明する。本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。
【００１４】
＜燃料電池スタック＞
図１に、本実施形態に係る燃料電池スタック１の一例の概略側面図を示す。また、図２に、本実施形態に係る燃料電池スタック１におけるセル２６の構成の一例の概略断面図を示す。図１における各セル２６は、図２に示すように、電解質膜１０と、触媒層１１および拡散層１６を含む燃料極（アノード）１２と、触媒層１３および拡散層１６を含む空気極（カソード）１４と、セパレータ１８とを含んで構成される。
【００１５】
図２に示すように、セル２６は、電解質膜１０の一方の表面に燃料極１２が、もう一方の表面に空気極１４が電解質膜１０を挟んでそれぞれ対向するように形成された膜電極接合体２０（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、膜電極接合体２０の両外側を挟持するセパレータ１８とを備える。触媒層１１および１３とセパレータ１８との間には、通気性を有する拡散層１６がアノード側、カソード側にそれぞれ設けられている。セパレータ１８により、燃料極１２および空気極１４にそれぞれ水素ガス、空気等の原料を供給するための原料供給路２２，２４、冷媒流路２３が形成されている。
【００１６】
図３にセル２６の一例の概略上面図を示す。セル２６は、中央部にガス流路と冷媒流路と電極とが存在し、発電を行う発電領域４６を有し、その周囲に位置し、発電を行わない非発電領域４８を有する。セル２６を分解した概略斜視図を図４に示すように、セル２６において、ＭＥＡ２０とセパレータ１８との間で、非発電領域４８の部位に、枠状の（発電領域４６に対応する領域が中抜きされた）樹脂フレーム５６が設けられており、ＭＥＡ２０は２枚の樹脂フレーム５６で挟まれ、その２枚の樹脂フレーム５６が２枚のセパレータ１８で挟まれる。セパレータ１８と樹脂フレーム５６には、非発電領域４８において、燃料ガスマニホールド５０、酸化ガスマニホールド５２、冷媒マニホールド５４がそれぞれ形成されている。なお、非発電領域４８における燃料ガスマニホールド５０、酸化ガスマニホールド５２および冷媒マニホールド５４の配置位置は、図３，４の位置に限定されるものではない。
【００１７】
ＭＥＡ２０とＭＥＡ２０の両外側を挟持するセパレータ１８とを重ねてセル２６を構成し、例えば図１のように、セル２６を積層してセル積層体２８とし、セル積層体２８のセル積層方向両端に、ターミナルプレート（集電板）３０、インシュレータ３２、エンドプレート３４を配置し、セル積層体２８をセル積層方向に締め付け、セル積層体２８の外側でセル積層方向に延びる締結部材（例えば、テンションプレート）３６、ボルト・ナット３８等にて固定して、燃料電池スタック１を構成する。なお、セル積層体２８におけるセル２６の積層数は１層以上であれば良く特に制限はない。隣接するセル２６のセパレータ１８間はガスケット等によりシールされる。
【００１８】
図２に示す燃料電池スタックの各セル２６において、例えば、燃料極１２に供給する燃料ガスを水素ガス、空気極１４に供給する酸化ガスを空気として運転した場合、燃料極１２の触媒層１１において、
２Ｈ2  →  ４Ｈ+＋４ｅ-
で示される反応式（水素酸化反応）を経て、水素ガス（Ｈ2）から水素イオン（Ｈ+）と電子（ｅ-）とが発生する。電子（ｅ-）は燃料極１２側の拡散層１６から外部回路を通り、空気極１４側の拡散層１６から触媒層１３に到達する。触媒層１３において、供給される空気中の酸素（Ｏ2）と、電解質膜１０を通過した水素イオン（Ｈ+）と、外部回路を通じて触媒層１３に到達した電子（ｅ-）により、
４Ｈ+＋Ｏ2＋４ｅ-  →  ２Ｈ2Ｏ
で示される反応式（酸素還元反応）を経て、水が生成する。このように燃料極１２および空気極１４において化学反応が起こり、電荷が発生して電池として機能することになる。そして、一連の反応において排出される成分は水であるので、クリーンな電池が構成されることになる。
【００１９】
燃料極１２側に供給する原料としては、水素やメタン等の還元性ガス（燃料ガス）あるいはメタノール等の液体燃料等が挙げられる。空気極１４側に供給する原料としては、酸素や空気等の酸化性ガス等が挙げられる。冷媒流路２３に供給される冷媒としては、例えば、冷却水等である。
【００２０】
図５に、本実施形態に係る燃料電池スタックの構成の一例の概略を示し、冷媒の流れ方向と電流の流れ方向の様子の一例の概略を示す。図５の構成では、ターミナルプレート３０が有する出力端子部４０の近傍（出力端子部４０が設けられた辺側の付近）を導入直後の冷媒が通るように、冷媒入口マニホールド５４ａが、出力端子部４０が設けられた辺側に設けられている。また、出力端子部４０とは遠い側（出力端子部４０が設けられた辺と向かい合う辺側の付近）を冷却後温度上昇した冷媒が通るように、冷媒出口マニホールド５４ｂが、出力端子部４０が設けられた辺と向かい合う辺側に設けられている。
【００２１】
図６に、図５の構成におけるターミナルプレート３０で見た、スタックにおける冷媒の流れ方向とターミナルプレート３０における電流の流れ方向の様子の他の例の概略上面図を示す。図５，６に示すように、出力端子部４０の近傍を通るように設けられた冷媒入口マニホールド５４ａを通して冷媒が導入され、導入された冷媒は、各セル２６における冷媒流路を通り、出力端子部４０とは遠い側を通るように設けられた冷媒出口マニホールド５４ｂを通して排出される。一方、各セル２６における発電により発生した電流は、ターミナルプレート３０において出力端子部４０の方向に流れ、出力端子部４０から取り出される。このように、本実施形態では、燃料電池スタック１における各セル２６の面内方向における冷媒の流れ方向と、ターミナルプレート３０における電流の流れ方向とを対向させる。
【００２２】
図７に、本実施形態に係る燃料電池スタックにおける冷媒温度と電流量の関係の一例を示す。通常、冷媒が発電領域４６における発熱を冷却、放熱することにより、冷媒温度は冷媒入口側（例えば、図５，６の冷媒入口マニホールド５４ａ側）から冷媒出口側（例えば、図５，６の冷媒出口マニホールド５４ｂ側）に向かって上昇する。一方、電流量は、ターミナルプレート３０の出力端子部に向かって増加していき、それに伴い、発熱量も増加していく。本実施形態では、燃料電池スタック１における各セル２６の面内方向における冷媒の流れ方向と、ターミナルプレート３０における電流の流れ方向とを対向させることにより、電流量が多い出力端子部等の部位（発熱量が多い部位）を導入直後の温度がより低い冷媒で冷却することができる。発熱量の大きい出力端子部４０側から、より温度の低い冷媒で冷却することにより、放熱が促進され、温度上昇が効率的に抑制されることになる。また、冷却後温度上昇した冷媒は、電流量が多い出力端子部等の部位（発熱量が多い部位）を通らない。そのため、ターミナルプレート３０における電流値が大きく、発熱量が大きい部位が冷媒により効率的に冷却され、ターミナルプレート３０における温度上昇が抑制される。すなわち、発熱量が多い部位の放熱量を拡大することにより、温度上昇を抑制している。したがって、従来に比べてターミナルプレートの形状や大きさを大きくしなくてもよく、燃料電池スタックの大きさ、質量をほとんど増加させることがない。簡易な構成であるため、部品のコストや加工費等をほとんど増加させることもない。また、ターミナルプレートの板厚を薄くすることもでき、燃料電池スタックの小型化、軽量化が可能となる。さらに、熱容量が低減し、燃料電池の低温時等の起動時間を短くすることができる。
【００２３】
本実施形態に係る燃料電池スタックにおいて、燃料電池スタック１における冷媒の流れ方向と、ターミナルプレート３０における電流の流れ方向とが対向する構造であればよい。出力端子部４０と冷媒入口マニホールド５４ａ、冷媒出口マニホールド５４ｂとの位置関係は特に制限はなく、電流量が多い出力端子部等の部位（発熱量が多い部位）を、温度がより低い（セル面内の発電領域を通過する前の）冷媒が通過する構造であればよい。本実施形態において、「スタックにおける冷媒の流れ方向と、ターミナルプレートにおける電流の流れ方向とが対向する」とは、燃料電池スタックにおける冷媒全体の流れ方向と、ターミナルプレートにおける電流の流れ方向とが対向することを意味し、後述する図８、図９の例のように、ミクロ的に対向しない部分があっても、マクロ的に見て対向すればよい。また、スタックの一部（例えば、セルの一部、またはターミナルプレート等）で冷媒の流れ方向と、ターミナルプレートにおける電流の流れ方向とが対向しない構成でも、マクロ的に見た燃料電池スタックにおける冷媒全体の流れ方向と、ターミナルプレートにおける電流の流れ方向とが対向すればよい。
【００２４】
図８、図９に、本実施形態に係る燃料電池スタックの他の例におけるターミナルプレート３０で見た、スタックにおける冷媒の流れ方向とターミナルプレート３０における電流の流れ方向の様子を示す。
【００２５】
図８の構成では、ターミナルプレート３０が有する出力端子部４０の近傍（出力端子部４０が設けられた辺側の付近）を導入直後の冷媒が通るように、冷媒入口マニホールド５４ａが、出力端子部４０が設けられた辺と隣り合う２つの辺の一方の辺における出力端子部４０に近い側に設けられている。また、出力端子部４０とは遠い側（出力端子部４０が設けられた辺と向かい合う辺側の付近）を冷却後の冷媒が通るように、冷媒出口マニホールド５４ｂが、出力端子部４０が設けられた辺と隣り合う２つの辺の上記一方の辺における出力端子部４０とは遠い側に設けられている。
【００２６】
図８に示すように、出力端子部４０の近傍を通るように設けられた冷媒入口マニホールド５４ａを通して冷媒が導入され、導入された冷媒は、各セル２６における冷媒流路を通り、出力端子部４０とは遠い側を通るように設けられた冷媒出口マニホールド５４ｂを通して排出される。一方、各セル２６における発電により発生した電流は、ターミナルプレート３０において出力端子部４０の方向に流れ、出力端子部４０から取り出される。このように、本実施形態では、燃料電池スタック１における各セル２６の面内方向における冷媒の流れ方向と、ターミナルプレート３０における電流の流れ方向とを対向させる。これにより、電流量が多い出力端子部等の部位（発熱量が多い部位）を導入直後の温度がより低い冷媒で冷却することができる。
【００２７】
図８の例では、ミクロ的には燃料電池スタック１における各セル２６の面内方向における冷媒の流れ方向と、ターミナルプレート３０における電流の流れ方向とが直行する部分等があるが、マクロ的に見ると、燃料電池スタック１における冷媒全体の流れ方向と、ターミナルプレート３０における電流の流れ方向とが対向する。
【００２８】
図９の構成では、ターミナルプレート３０が有する出力端子部４０の近傍（出力端子部４０が設けられた辺側の付近）を導入直後の冷媒が通るように、冷媒入口マニホールド５４ａが、出力端子部４０が設けられた辺と隣り合う２つの辺の一方の辺における出力端子部４０に近い側に設けられている。また、出力端子部４０とは遠い側（出力端子部４０が設けられた辺と向かい合う辺側の付近）を冷却後の冷媒が通るように、冷媒出口マニホールド５４ｂが、出力端子部４０が設けられた辺と隣り合う２つの辺のもう一方の辺における出力端子部４０とは遠い側に設けられている。
【００２９】
図９に示すように、出力端子部４０の近傍を通るように設けられた冷媒入口マニホールド５４ａを通して冷媒が導入され、導入された冷媒は、各セル２６における冷媒流路を通り、出力端子部４０とは遠い側を通るように設けられた冷媒出口マニホールド５４ｂを通して排出される。一方、各セル２６における発電により発生した電流は、ターミナルプレート３０において出力端子部４０の方向に流れ、出力端子部４０から取り出される。このように、本実施形態では、燃料電池スタック１における各セル２６の面内方向における冷媒の流れ方向と、ターミナルプレート３０における電流の流れ方向とを対向させる。これにより、電流量が多い出力端子部等の部位（発熱量が多い部位）を導入直後の温度がより低い冷媒で冷却することができる。
【００３０】
図９の例でも、ミクロ的には燃料電池スタック１における各セル２６の面内方向における冷媒の流れ方向と、ターミナルプレート３０における電流の流れ方向とが直行する部分等があるが、マクロ的に見ると、燃料電池スタック１における冷媒全体の流れ方向と、ターミナルプレート３０における電流の流れ方向とが対向する。
【００３１】
前記の通り、ターミナルプレート３０において、出力端子部４０と冷媒入口マニホールド５４ａ、冷媒出口マニホールド５４ｂとの位置関係は特に制限はないが、冷媒マニホールド５４の入口側（冷媒入口マニホールド５４ａ）が出力端子部４０の近傍に配置されていることが好ましい。これにより、発熱量が大きい出力端子部４０が冷媒により効率的に冷却され、ターミナルプレート３０における温度上昇がより抑制される。
【００３２】
本実施形態に係る燃料電池スタック１は、例えば、携帯電話、携帯用パソコン等のモバイル機器用小型電源、自動車などの車両用電源、家庭用電源等として用いることができ、特に発電量が大きく、発熱が大きい車両用電源として用いることが好ましい。
【符号の説明】
【００３３】
１  燃料電池スタック、１０  電解質膜、１１，１３  触媒層、１２  燃料極、１４  空気極、１６  拡散層、１８  セパレータ、２０  膜電極接合体（ＭＥＡ）、２２，２４  原料供給路、２３  冷却流路、２６  セル、２８  セル積層体、３０  ターミナルプレート、３２  インシュレータ、３４  エンドプレート、３６  締結部材、３８  ボルト・ナット、４０  出力端子部、４６  発電領域、４８  非発電領域、５０  燃料ガスマニホールド、５２  酸化ガスマニホールド、５４  冷媒マニホールド、５４ａ  冷媒入口マニホールド、５４ｂ  冷媒出口マニホールド、５６  樹脂フレーム。
【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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