(57)【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を介して複数個積層された積層体を備え、前記積層体の両側に板状の電力取り出し端子を介装してエンドプレートを設けた燃料電池スタックであって、
少なくとも一方の電力取り出し端子と一方のエンドプレートとの間には、発熱部材が配設されるとともに、
前記発熱部材は、金属箔ヒータの両側に積層面全面にわたって絶縁フイルムが設けら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、前記金属箔ヒータは、発電面に熱勾配を付与するパターン形状に設定され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を介して複数個積層された積層体を備え、前記積層体の両側に電力取り出し端子を設けた燃料電池スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、各種の燃料電池が開発されており、例えば、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）が知られている。この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）からなる電解質膜を採用しており、この電解質膜の両側に、それぞれ触媒電極と多孔質カーボンからなるアノード側電極およびカソード側電極を対設して構成される電解質（膜）・電極構造体を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより構成される単位セル（単位燃料電池セル）を備えている。通常、この単位セルは、所定数だけ積層されて燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この種の燃料電池スタックにおいて、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、触媒電極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が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、外部への放熱によって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端子（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による放熱が多く、上記の温度低下が顕著になる。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。
【０００５】
そこで、例えば、特開平８−１３００２８号公報（以下、従来技術１という）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。
【０００６】
また、特開平８−１６７４２４号公報（以下、従来技術２という）に開示された固体高分子電解質型燃料電池では、単位燃料電池の積層体の少なくとも両端末に位置するセパレータの外側面に当接されている集電板の部位に、固体高分子電解質型燃料電池が出力する電流によって加熱される発熱体が形成されている。これによって、端部セルの冷やし過ぎを阻止している。
【０００７】
さらに、特開平７−３２６３７９号公報（以下、従来技術３という）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】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術１では、冷却用流体通流用の溝が形成されたセパレータと、この溝が形成されないセパレータとが必要となっている。これにより、セパレータの種類が多くなり、前記セパレータの製造工程が複雑化するとともに、製造コストが高騰するという問題がある。
【０００９】
さらに、上記の従来技術２では、電熱用合金材等の抵抗材料製の発熱体が、集電板と単電池（単位セル）との間に設けられている。このため、端電池の両端には、実際上、発熱体、集電板、絶縁板およびエンドプレートが積層されており、燃料電池スタック全体が積層方向に大型化するという問題が指摘されている。
【００１０】
さらにまた、上記の従来技術３では、ガスコネクトプレートに真空層および空気層が形成されており、このガスコネクトプレートに格子状の溝や円形のザグリ等が設けられるため、前記ガスコネクトプレート自体の厚さが相当に大きくなって寸法精度の低いプレートとなってしまう。従って、積層体である燃料電池スタックの面圧分布荷重が偏ってしまい、単位セル間の抵抗が大きくなるとともに、前記燃料電池スタック自体が大型化するという問題がある。
【００１１】
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、単位セルの温度低下を有効に阻止し、各単位セルの発電性能を向上させるとともに、容易に小型化を図ることが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【００１２】
【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、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を介して複数個積層された積層体を備え、前記積層体の両側に板状の電力取り出し端子を介装してエンドプレートを設けるとともに、少なくとも一方の電力取り出し端子と一方のエンドプレートとの間には、発熱部材が配設される。この発熱部材は、金属箔ヒータの両側に積層面全面にわたって絶縁フイルムが設けられている。
【００１３】
このため、発熱部材は、有効に薄肉化されたフイルム構造に設定されるとともに、絶縁板を不要にすることができる。これにより、燃料電池スタック全体を小型化かつ軽量化することが可能になる。しかも、従来の断熱板を使用しないため、面圧分布の偏りを低減することができ、単位セル間の接触抵抗の削減が図られる。さらに、熱容量が少ないため、金属箔ヒータの立ち上がりが早くなり、特に氷点下での始動時に、生成水による始動不能な状態を迅速に解消することが可能になる。
【００１４】
【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の概略斜視図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の要部分解斜視図である。
【００１５】
燃料電池スタック１０は、複数の単位セル１２を矢印Ａ方向に積層した積層体１４を備え、前記積層体１４の両端には、端部セル１２ａ、１２ｂが配置される。端部セル１２ａ、１２ｂの外方には、カソード側集電板（第１電力取り出し端子）１６ａおよびアノード側集電板（第２電力取り出し端子）１６ｂを介して発熱部材１８ａ、１８ｂが配置され、前記発熱部材１８ａ、１８ｂの外方側には、エンドプレート２０ａ、２０ｂが配設される。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一体的に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。
【００１６】
単位セル１２および端部セル１２ａ、１２ｂは、同様に構成されており、以下、端部セル１２ａについて説明する。
【００１７】
図２に示すように、端部セル１２ａは、電解質膜・電極構造体３０を備えている。この電解質膜・電極構造体３０は、固体高分子電解質膜３２の一方の面にアノード側電極３４を設けるとともに、他方の面にカソード側電極３６を設けている。アノード側電極３４およびカソード側電極３６は、貴金属系の触媒電極層を、例えば、多孔質層である多孔質カーボンペーパ等からなるガス拡散層に接合して構成されている。
【００１８】
電解質膜・電極構造体３０は、導電性の第１および第２セパレータ３８、４０に挟持されることにより、端部セル１２ａが構成される。端部セル１２ａの長辺方向（矢印Ｂ方向）一端縁部には、酸化剤ガス供給連通路４２ａ、燃料ガス排出連通路４４ｂおよび冷却媒体供給連通路４６ａが設けられる。端部セル１２ａの長辺方向他端縁部には、冷却媒体排出連通路４６ｂ、燃料ガス供給連通路４４ａおよび酸化剤ガス排出連通路４２ｂが設けられる。
【００１９】
第１セパレータ３８は、アノード側電極３４に対向する面３８ａに燃料ガス流路４８を設ける。この燃料ガス流路４８は、燃料ガス供給連通路４４ａに一端側が連通するとともに、燃料ガス排出連通路４４ｂに他端側が連通する複数本の流路溝により構成される。
【００２０】
第２セパレータ４０のカソード側電極３６に対向する面４０ａには、第１セパレータ３８と同様に、両端が酸化剤ガス供給連通路４２ａと酸化剤ガス排出連通路４２ｂとに連通する複数本の酸化剤ガス流路５０が設けられる。第２セパレータ４０の面４０ｂには、冷却媒体供給連通路４６ａと冷却媒体排出連通路４６ｂとに連通する冷却媒体流路５２が設けられる。
【００２１】
カソード側集電板１６ａは、例えば、金メッキ銅等の良導電体ターミナルで構成されている。このカソード側集電板１６ａの長辺方向一端部には、外方に突出して端子部５４が設けられる。
【００２２】
発熱部材１８ａは、図２および図３に示すように、金属箔ヒータ５６を備え、この金属箔ヒータ５６の少なくとも片側、本実施形態では両側に、絶縁フイルム５８が耐熱粘着層６０を介して設けられる。この絶縁フイルム５８は、例えば、ポリイミド、ポリエステルまたはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等で構成される。
【００２３】
金属箔ヒータ５６は、例えば、ニッケル合金等の薄い抵抗箔をエッチングやプレス等によって所定のパターン形状Ｐ１（図４参照）に形成し、これを絶縁フイルム５８で両面からラミネートして構成される。金属箔ヒータ５６は、発電面を均一に加温したい、あるいは、用途に応じた熱勾配を付与したい、等の要請に対応するために、図４に示す所定のパターン形状Ｐ１の他、例えば、図５乃至図８に示す所定のパターン形状Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４およびＰ５に変更可能である。
【００２４】
発熱部材１８ａは、カソード側集電板１６ａと同一の寸法、あるいは、空気中を伝わる放電による短絡を防止するために、前記カソード側集電板１６ａの外周寸法よりも多少大きな寸法に設定される。
【００２５】
なお、アノード側集電板１６ｂおよび発熱部材１８ｂ側は、上述したカソード側集電板１６ａおよび発熱部材１８ａ側と同様に構成されており、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００２６】
カソード側集電板１６ａ、アノード側集電板１６ｂ、発熱部材１８ａ、１８ｂおよびエンドプレート２０ａ、２０ｂには、端部セル１２ａと同様に、長辺方向一端縁部に酸化剤ガス供給連通路４２ａ、燃料ガス排出連通路４４ｂおよび冷却媒体供給連通路４６ａが設けられる一方、長辺方向他端縁部に冷却媒体排出連通路４６ｂ、燃料ガス供給連通路４４ａおよび酸化剤ガス排出連通路４２ｂが設けられる。
【００２７】
カソード側集電板１６ａおよびアノード側集電板１６ｂには、例えば、モータ等の負荷（図示せず）が電気的に接続されるとともに、発熱部材１８ａ、１８ｂには、前記カソード側集電板１６ａおよび前記アノード側集電板１６ｂから必要に応じて電力が供給される。
【００２８】
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。
【００２９】
図１に示すように、燃料電池スタック１０では、燃料ガス供給連通路４４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給連通路４２ａに空気等の酸素含有ガスである酸化剤ガスが供給され、さらに冷却媒体供給連通路４６ａに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。このため、燃料電池スタック１０内では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数の単位セル１２および端部セル１２ａ、１２ｂに対して燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体が供給される。
【００３０】
図２に示すように、酸化剤ガス供給連通路４２ａに供給された酸化剤ガスは、矢印Ａ方向に沿って流動し、第２セパレータ４０の面４０ａに設けられている酸化剤ガス流路５０に導入される。この酸化剤ガス流路５０に導入された酸化剤ガスは、カソード側電極３６に沿って移動し、酸化剤ガス排出連通路４２ｂから使用済みの酸化剤ガスが排出される。
【００３１】
一方、燃料ガス供給連通路４４ａに供給された燃料ガスは、矢印Ａ方向に沿って流動し、第１セパレータ３８の面３８ａに設けられている燃料ガス流路４８に導入される。燃料ガス流路４８に導入された燃料ガスは、アノード側電極３４に沿って移動した後、使用済みの前記燃料ガスが燃料ガス排出連通路４４ｂに排出される。従って、電解質膜・電極構造体３０では、カソード側電極３６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３４に供給される燃料ガスとが、触媒電極層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００３２】
また、冷却媒体供給連通路４６ａに供給された冷却媒体は、第２セパレータ４０の面４０ｂに設けられている冷却媒体流路５２に導入され、電解質膜・電極構造体３０の発電面内を冷却した後、冷却媒体排出連通路４６ｂから排出される。
【００３３】
ところで、燃料電池スタック１０の温度が、所定温度以下である際には、発熱部材１８ａ、１８ｂを構成する金属箔ヒータ５６に前記燃料電池スタック１０から電力が供給される。このため、発熱部材１８ａ、１８ｂ自体が加熱され、前記発熱部材１８ａ、１８ｂに近接して配置されている端部セル１２ａ、１２ｂが加熱される。
【００３４】
これにより、燃料電池スタック１０の端部セル１２ａ、１２ｂからの放熱により、この端部セル１２ａ、１２ｂ内で発生した生成水が凝縮することがない。しかも、端部セル１２ａ、１２ｂの温度低下を阻止することができ、前記端部セル１２ａ、１２ｂの発電性能を有効に維持することが可能になる。
【００３５】
ここで、本実施形態では、発熱部材１８ａ、１８ｂが、金属箔ヒータ５６を絶縁フイルム５８により両面からラミネートして構成されている。具体的には、発熱部材１８ａ、１８ｂは、厚さが０．１ｍｍ〜数ｍｍの範囲内にある薄肉化されたフイルム構造に設定されている。
【００３６】
また、従来のスタック端部構造では、端部セルに断熱板（または加温板）および集電板を配置してエンドプレートを積層する場合と、端部セルに集電板および断熱板（または加温板）を配置してエンドプレートを積層する場合とがある。ところが、いずれの場合にも、エンドプレートへの絶縁が必要であるため、前記エンドプレートの内側に樹脂製の絶縁板が配設されている。
【００３７】
これに対して、本発明の実施形態では、絶縁フイルム５８により金属箔ヒータ５６をラミネートしている。このため、発熱部材１８ａ、１８ｂ自体が、カソード側集電板１６ａおよびアノード側集電板１６ｂとエンドプレート２０ａ、２０ｂとを絶縁する機能を有しており、従来の樹脂製の絶縁板を不要にすることができる。
【００３８】
従って、本実施形態では、燃料電池スタック１０全体を有効に小型化かつ軽量化することが可能になる。しかも、断熱板を使用しないため、燃料電池スタック１０の面圧分布の偏りを低減し、単位セル１２間の接触抵抗を削減することができる。これにより、燃料電池スタック１０は、良好な発電性能を確実に維持することが可能になる。
【００３９】
さらに、熱容量が少ないため、金属箔ヒータ５６の立ち上がりが早くなり、特に氷点下での始動時に、生成水による始動不能な状態を迅速に解消することが可能になる。また、絶縁フイルム５８が金属箔ヒータ５６をラミネートしているため、耐水性および絶縁性の向上を図ることができる。
【００４０】
さらにまた、本実施形態では、例えば、金属箔ヒータ５６を所定のパターン形状Ｐ１（図４参照）に選択することにより、発電面内を均一に加温することが可能になる。その他、発電面内の熱勾配を変更して生成水が結露し易い部分を重点的に加温することもできる。例えば、図７に示す所定のパターン形状Ｐ４を選択することにより、特に反応ガスの出口付近の結露し易い部分を有効に加温することができる一方、図８に示す所定のパターン形状Ｐ５を選択することにより、特に放熱し易い外周部を加温することが可能になる。
【００４１】
しかも、金属箔ヒータ５６に供給する電流量を調整することにより、生成水の結露を抑制し得る最適な温度に積層体１４内を維持することが可能になるとともに、氷点下始動時には、より多くの電流を流すことにより、凍結した生成水を迅速に溶かして迅速な始動が遂行される。
【００４２】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、発熱部材が有効に薄肉化されたフイルム構造に設定されるとともに、絶縁板を不要にすることができ、燃料電池スタック全体を小型化かつ軽量化することが可能になる。しかも、断熱板を使用しないため、面圧分布の偏りを低減して単位セル間の接触抵抗を削減することができ、良好な発電性能を確実に維持することが可能になる。
【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斜視図である。
【図２】前記燃料電池スタックの要部分解斜視図である。
【図３】前記燃料電池スタックを構成する発熱部材の一部拡大断面図である。
【図４】前記発熱部材を構成する金属箔ヒータのパターン形状の説明図である。
【図５】前記金属箔ヒータの他のパターン形状の説明図である。
【図６】前記金属箔ヒータの別のパターン形状の説明図である。
【図７】前記金属箔ヒータのさらに別のパターン形状の説明図である。
【図８】前記金属箔ヒータのさらにまた別のパターン形状の説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池スタック            １２…単位セル
１２ａ、１２ｂ…端部セル          １４…積層体
１６ａ…カソード側集電板          １６ｂ…アノード側集電板
１８ａ、１８ｂ…発熱部材          ２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
３０…電解質膜・電極構造体        ３２…固体高分子電解質膜
３４…アノード側電極              ３６…カソード側電極
３８、４０…セパレータ            ４２ａ…酸化剤ガス供給連通路
４２ｂ…酸化剤ガス排出連通路      ４４ａ…燃料ガス供給連通路
４４ｂ…燃料ガス排出連通路        ４６ａ…冷却媒体供給連通路
４６ｂ…冷却媒体排出連通路        ４８…燃料ガス流路
５０…酸化剤ガス流路              ５２…冷却媒体流路
５６…金属箔ヒータ                ５８…絶縁フイルム
６０…耐熱粘着層                  Ｐ１〜Ｐ５…パターン形状
【図１】
0004040863.tif 000002
【図２】
0004040863.tif 000003
【図３】
0004040863.tif 000004
【図４】
0004040863.tif 000005
【図５】
0004040863.tif 000006
【図６】
0004040863.tif 000007
【図７】
0004040863.tif 000008
【図８】
0004040863.tif 000009