(57)【要約】【課題】断熱材を挟持する挟持プレートに対し、当該断熱材を常に適切な位置に保持しておくことができ、断熱性を向上することが可能な燃料電池を提供する。【解決手段】複数の単セルが積層されたセル積層体１０を有し、セル積層体１０は、断熱材２１と、断熱材２１を積層方向両側から挟持する挟持プレート２２及び２３とを有し且つ断熱材２１を挟持プレート２２及び２３で挟持してなる断熱部を備え、前記断熱部は、断熱材２１と、挟持プレート２２及び２３の少なくとも一方とを係止する係止部を有してなる燃料電池１である。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単セルが積層されたセル積層体を有する燃料電池であって、
前記セル積層体は、断熱材と、当該断熱材を積層方向両側から挟持する挟持プレートとを有し、前記断熱材を当該挟持プレートで挟持してなる断熱部を備えてなり、
前記断熱部は、前記断熱材と前記各々の挟持プレートの少なくとも一方とを係止する係止部を有してなる燃料電池。
【請求項２】
前記係止部は、前記断熱材に形成された第１の係合部と、前記各々の挟持プレートの少なくとも一方に形成され且つ前記第１の係合部と係合する第２の係合部と、を備えてなる請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記断熱部が、前記セル積層体の積層方向両端部に配設された端部セルに設けられてなる請求項１または請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記セル積層体は、積層方向両端部に配設された端部セル間に、複数の発電セルが積層された発電セル積層体と、前記断熱部を有し且つ当該発電セル積層体の総マイナス側の端部に配設された断熱セルと、当該断熱セルの前記発電セル積層体とは反対側に配設された発電セルと、を配設してなる請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記挟持プレートは、導電性を有する樹脂から形成されてなる請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の単セルが積層されたセル積層体を有する燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、一般的な燃料電池の単セルは、電解質膜と、該電解質膜の一方の面に配置されたアノード電極（陰極）と、他方の面に配置されたカソード電極（陽極）と、を有する膜−電極接合体（ＭＥＡ：Membrane  Electrode  Assembly、以下、単に「ＭＥＡ」という）を備え、このＭＥＡの両側にセパレータを配設した構造を有している。そして、燃料電池では、この単セルを複数積層してセル積層体とし、当該セル積層体の積層方向両端に、集電板（ターミナルプレート）、インシュレータ、プレッシャプレート及びエンドプレート等が配置されている。
【０００３】
このような燃料電池では、セル積層体の端部に配設された単セル（以下、「端部セル」という）の温度が、セル積層体の他の単セルの温度よりも低くなるという事実がある。これは、端部セルが、ターミナル、インシュレータ、プレッシャプレート及びエンドプレート等からの放熱の影響を受け、端部冷媒流路の冷媒の温度が下がるからである。特に、セル積層体における総マイナス側の端部に配設された端部セルでは、アノード側の温度がカソード側の温度よりも低くなることが知られている。
【０００４】
また、セル面内の温度分布の不均一性を是正し、温度低下による燃料電池性能低下の抑制をする燃料電池として、セル内に設けられたカソードガス流路を、間隙を有するカソード集電板を含むカソード電極に直接接することが可能な第１流路と、バリヤによってカソード電極から遠い側に形成される第２流路とに分割し、該第２流路の内面に断熱性部材を介在させた構成を有したものも提案されている。（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
そしてまた、近年では、セル積層体の端部セルと集電板との間に、導電性を有する断熱性材料で構成した発電に寄与しない層（断熱ダミーセル）を配置することにより、前記端部セルからの放熱を抑制して発電性能の低下を抑制する技術も提案されている。（例えば、特許文献２参照）。さらにまた、セル積層体の集電板よりも積層方向外側に断熱層（断熱ダミーセル）を配設することで、端部セルからの放熱を抑制すると共に、集電効率を向上させた燃料電池も紹介されている。（例えば、特許文献３参照）。また、下記特許文献４〜６に記載された燃料電池も紹介されている。
【特許文献１】特開平６−３６７８０号公報
【特許文献２】特開２００５−１９２２３号公報
【特許文献３】特開２００６−３３２００６号公報
【特許文献４】特開平８−２０３５５３号公報
【特許文献５】特開２００４−１７９１０９号公報
【特許文献６】特開２００５−２０９３２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載された燃料電池は、第２流路の内面に断熱性部材を配設するため、製造工程が複雑である。また、引用文献２及び３に記載された断熱ダミーセルは、金属セパレータ（金属製の挟持プレート）の間に断熱材を挟持させることで形成されているが、この時、断熱材は、これらの金属セパレータに対し係止されることなく載置されており、フリーな状態となっているため、組み立て時等に、断熱材の配設位置が所定の位置からずれる等して断熱性が低下する虞がある。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、断熱材を挟持する挟持プレートに対し、当該断熱材を常に適切な位置に保持しておくことができ、断熱性を向上することが可能な燃料電池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】
【０００８】
この目的を達成するため本発明は、複数の単セルが積層されたセル積層体を有する燃料電池であって、前記セル積層体は、断熱材と、当該断熱材を積層方向両側から挟持する挟持プレートとを有し、前記断熱材を当該挟持プレートで挟持してなる断熱部を備えてなり、前記断熱部は、前記断熱材と前記各々の挟持プレートの少なくとも一方とを係止する係止部を有してなる燃料電池を提供するものである。
【０００９】
この構成を備えた燃料電池は、セル積層体に配設される断熱部が、断熱材と前記各々の挟持プレートの少なくとも一方とを係止する係止部を有しているため、組み立て時等に、挟持プレートに対する断熱材の配設位置がずれることを抑制することができる。したがって、挟持プレートに対し、当該断熱材を常に適切な位置に保持しておくことができ、断熱性を向上することができる。
【００１０】
前記係止部は、例えば、前記断熱材に形成された第１の係合部と、前記各々の挟持プレートの少なくとも一方に形成され且つ前記第１の係合部と係合する第２の係合部とを備えることができる。このように構成することで、前記利点に加え、第１の係合部と第２の係合部を、前記断熱材を挟持プレートで挟持する際の位置合わせマークとしても使用することができ、作業効率を向上することができると共に、前記断熱材をより正確な位置に配置することができる。
【００１１】
また、本発明にかかる燃料電池は、前記断熱部を、前記セル積層体の積層方向両端部に配設された端部セルに設けることもできる。ここで、燃料電池では、セル積層体の積層方向端部付近に位置する発電セルについては、電力取り出し用のターミナル電極（集電板）や、積層された発電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により温度低下が生じ易くなる。そして、温度低下が生じた発電セルは、水蒸気の凝縮による結露が発生し易くなるため、発電性能の低下を招く虞がある。本発明では、前記端部セルに断熱部を配設することで、前記利点に加え、前記放熱を効率よく低減させ温度低下を抑制することができる。
【００１２】
そしてまた、前記セル積層体は、積層方向両端部に配設した端部セル間に、複数の発電セルが積層された発電セル積層体と、前記断熱部を有し且つ当該発電セル積層体の総マイナス側の端部に配設された断熱セルと、当該断熱セルの前記発電セル積層体とは反対側に配設された発電セルとを配設した構成を備えることもできる。このように構成することで、前記利点に加え、アノード側の温度がカソード側の温度よりも低くなり易い総マイナス側の端部からの放熱をさらに効率よく抑制して発電性能の低下を抑制することができる。
【００１３】
また、前記挟持プレートは、導電性を有する樹脂（以下、「導電性樹脂」という）から形成することができる。ここで、従来、挟持プレートとして、例えば、ステンレス等の金属をエッチング加工することで形成した金属プレート（金属セパレータ）を用いているが、断熱材を金属プレートで挟持した構成の断熱部を端部セルに配設する場合、断熱材を挟持する２枚の金属プレートと、カソードガス流路が形成された別の金属プレート（３枚目の金属プレート）と、カソードガス流路が形成された金属プレートと前記断熱材を挟持する金属プレートとの間に配設され、前記アノードガス流路と、前記断熱材を挟持する金属プレートに形成されたカソードガス流路とを分離する金属プレート（４枚目の金属プレート）の合計４枚が必要である。したがって、金属プレートの板厚が厚くなると熱容量が増し、低温起動時の発電効率を低下させる虞があると共に、自重も増加する。また、挟持プレートとして、例えば、カーボン材も使用することができるが、金属プレートよりも板厚を厚くする必要があり、セル積層体の積層方向の長さを長くしてしまうことになる。また、挟持プレートをカーボン材から形成する際は、機械加工を行う必要があり、製造工程が複雑である。
【００１４】
本発明では、挟持プレートを、導電性樹脂から形成することで、前記利点に加え、挟持プレートを、例えば、射出成形等により簡単に形成することができ、加工性を向上することができる。また、金属プレートに比べ、断熱性を向上することもできる。さらにまた、従来、積層方向に略垂直な方向に対する断熱性を付与する目的で、断熱材を挟持する金属プレート同士の間に樹脂プレートを配設していたが、本発明では、挟持プレートを導電性樹脂から形成しているため、樹脂プレートを別途配設する必要がない。また、導電性樹脂から形成された挟持プレートの強度は、カーボン材から形成された挟持プレートと同等であり、優れた強度を備えている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明にかかる燃料電池は、係止部によって断熱材と挟持プレートの少なくとも一方が係止されている断熱部を有しているため、組み立て時等に、挟持プレートに対する断熱材の配設位置が所定位置からずれることを抑制することができる。この結果、挟持プレートに対し、当該断熱材を常に適切な位置に保持しておくことができ、断熱性を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に、本発明の好適な実施の形態にかかる燃料電池について図面を参照して説明する。なお、以下に記載される実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施の形態にのみ限定するものではない。したがって、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。
【００１７】
図１は、本発明の実施の形態にかかる燃料電池を模式的に示す断面図、図２は、図１に示す断熱セルの平面図であって、挟持プレートの堀込み部に断熱材を載置した状態を示す図、図３は、図２に示すIII−III線に沿った断面に対応する部分の断面図であって、断熱材と、これを両側から挟持する挟持プレートを分解した状態を示す図、図４は、図２に示すIII−III線に沿った断面に対応する部分の断面図、図５は、図１に示す端部セルの図２に示すIII−III線に沿った断面に対応する部分の断面図である。なお、前記各図では、説明を判り易くするため、各部材の厚さやサイズ、拡大・縮小率等は、実際のものとは一致させずに記載した。
【００１８】
図１〜図５に示すように、本実施の形態にかかる燃料電池１は、セル積層体１０の総マイナス側（図１の左上に（−）で示す側）に、集電板１７、インシュレータ１８、エンドプレート１９をこの順で配設した第１の積層体２と、セル積層体１０の総プラス側に、集電板１７と、インシュレータ１８と、エンドプレート１９をこの順で配設した第２の積層体３と、を備え、第１の積層体２の総プラス側（図１の左下に（＋）で示す側）と、第２の積層体３の総マイナス側（図１の右下に（−）で示す側）を、接続プレート４によって電気的に接続した構成を備えている。
【００１９】
セル積層体１０は、複数（本実施の形態では、１９９枚）の発電セル１１を積層した発電セル積層体１２と、発電セル積層体１２の総マイナス側に積層された断熱セル１３と、断熱セル１３の前記総マイナス側に積層された１枚の発電セル１１と、この発電セル１１の総マイナス側に積層された端部セル１５と、発電セル積層体１２の総プラス側（図１の左下に（＋）で示す側）に積層された端部セル１５と、を備えている。
【００２０】
また、両エンドプレート１９には、図示されていないテンションプレートが架け渡されており、これらテンションプレートが各々のエンドプレート１９にボルト固定されることにより、第１の積層体２と第２の積層体３の積層方向に所定の圧縮力（締結荷重）が加えられるようになっている。
【００２１】
発電セル１１は、イオン交換膜からなる電解質膜及びこれを両面から挟んだ一対の電極からなる膜・電極接合体と、この膜・電極接合体を外側から挟持する一対のセパレータと、で構成されている。セパレータは、例えば金属を基材とする導電体であり、各電極に空気等のカソードガス及び水素ガス等のアノードガスを供給するためのガス流路を有し、互いに隣接する発電セル１１に供給される異種流体の混合を遮断する役割を果たしている。この構成により、発電セル１１の膜・電極接合体内において電気化学反応が生じて起電力が得られることとなる。また、この電気化学反応は発熱反応であることから、セパレータには、燃料電池冷却用の冷媒（冷却水等）を流すための冷媒流路が設けられている。また、発電セル１１には、マニホールド形成用の図示されていない貫通孔が穿設されており、複数の発電セル１１を重ね合わせて発電セル積層体１２を形成した際に、これら貫通孔が重ね合わせられることにより、アノードガス流通用、カソードガス流通用及び冷媒流通用の図示されていないマニホールドがセル積層方向に貫通形成されることとなる。
【００２２】
断熱セル１３は、特に図３及び図４に示すように、シート状の断熱材２１と、この断熱材２１の積層方向の一方の面に配設される挟持プレート２２と、シート状の断熱材２１の積層方向の他方の面に配設される挟持プレート２３とを備えており、断熱材２１を積層方向両側から挟持プレート２２及び２３によって挟持し、挟持プレート２２の端部と挟持プレート２３に樹脂材３２（図４参照）を介在させた構成を有している。なお、樹脂材３２としては、例えば、樹脂フレーム等が挙げられる。また、本実施の形態では、断熱材２１と、挟持プレート２２及び２３によって断熱部を形成している。
【００２３】
挟持プレート２２は、導電性を有する材料（本実施の形態では、ステンレス）から形成されており、その中央部に断熱セル１３を載置するために形成された凹状の掘込み部２６が形成されている。また、挟持プレート２２には、図２に示すように、マニホールド形成用の複数の貫通孔２７Ａ〜２７Ｆが形成されている。貫通孔２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃは、各々、カソードガス供給用、冷媒供給用、アノードガス供給用のマニホールドを形成するためのものであり、２７Ｄ、２７Ｅ、２７Ｆは、各々、カソードガス排出用、冷媒排出用、アノードガス排出用のマニホールドを形成するためのものである。また、挟持プレート２２の掘込み部２６には、凸部２５が形成されている。さらにまた、挟持プレート２２の掘込み部２６が形成されている面とは反対側の面には、冷却水流路３１が形成されている。
【００２４】
断熱材２１は、挟持プレート２２の掘込み部２６に載置された際に、凸部２５と対向する位置に、凸部２５を受領し且つ凸部２５と係合する凹部２４が形成されている。すなわち、断熱材２１と挟持プレート２２は、断熱材２１が挟持プレート２２の掘込み部２６に載置された際に、凹部２４と凸部２５が係合して両者を係止する。なお、断熱材２１を構成する材料としては、例えば、アルミナ、シラスバルーンを含浸させたエポキシ樹脂、中空ビーズを分散させたエポキシ樹脂等を採用することができる。
【００２５】
挟持プレート２３は、導電性を有する材料（本実施の形態では、ステンレス）から形成されており、その中央部に断熱セル１３を載置するために形成された凹状の掘込み部２９が形成されている。また、挟持プレート２３には、挟持プレート２２と同様に、マニホールド形成用の複数の貫通孔（図示せず）が形成されている。また、挟持プレート２３の掘込み部２９が形成されている面とは反対側の面には、冷却水流路３１が形成されている。
【００２６】
なお、断熱材２１の積層方向に略垂直な端面と、この端面に対向する挟持プレート２２及び２３の端面との間に形成される隙間Ｃ（図４参照）は、断熱材２１、挟持プレート２２及び２３の寸法の公差や、付与される面圧によりクリープしたつぶれ代等を考慮し、セルを全て積層した際の数値から設定することができる。
【００２７】
端部セル１５は、特に図５に示すように、前述した断熱セル１３のアノードガス流路２８が形成されている側の面に、セパレータ３６を介して、カソードガス流路３７が形成されたセパレータ３５が配設された構成を有している。なお、セパレータ３５にも挟持プレート２２と同様に、マニホールド形成用の複数の貫通孔（図示せず）が形成されている。
【００２８】
集電板１７は、電力取り出し用のターミナル電極であり、例えば、鉄、ステンレス、銅、アルミニウム等の金属で板状に形成されている。本実施形態における集電板１７は、第１の積層体２の総マイナス側の端部に位置する端部セル１５と、第２の積層体３の総プラス側の端部に位置する端部セル１５に、各々直接接触するように配置されている。これらの集電板１７の端部セル１５と接触する側の表面には、例えば、金、銀、アルミ、ニッケル、亜鉛、すず等を用いためっき処理等の表面処理が施されており、この表面処理により、集電板１７と端部セル１５との接触抵抗が確保されている。また、集電板１７には、発電セルや挟持プレート２２と同様に、マニホールド形成用の孔が形成されている。
【００２９】
この構成を備えた燃料電池１は、断熱セル１３及び端部セル１５において、断熱材２１に形成された凹部２４と、挟持プレート２２に形成された凸部２５とが、互いに係合することで、断熱材２１を挟持プレート２２に係止させているため、断熱材２１が、挟持プレート２２に対して移動する（所定の配設位置からずれる）ことを抑制することができる。したがって、断熱材２１を常に適切な位置に保持しておくことができ、隙間Ｃが常に一定に保ち、断熱セル１３及び端部セル１５の断熱性を向上させることができる。
【００３０】
なお、本実施の形態では、挟持プレート２２及び２３を、ステンレスから形成した場合について説明したが、これに限らず、挟持プレート２２及び２３は、導電性を有し且つ燃料電池の機能に支承を来す材料でなければ、他の材料から樹脂等から形成することもできる。特に、挟持プレート２２及び２３を形成する材料として導電性樹脂を用いた場合は、挟持プレート２２及び２３を、例えば、射出成形等により簡単に形成することができ、加工性を向上することができる。
【００３１】
また、導電性樹脂は、ステンレスよりも断熱性に優れているため、ステンレス製の挟持プレート２２及び２３に比べ、断熱性を向上することもできる。このため、ステンレス製の挟持プレート２２及び２３を使用する際に、積層方向に略垂直な方向に対する断熱性を付与する目的で、挟持プレート２２及び２３の間に介在させていた樹脂材３２を必要とせず、部品数を削減することができると共に、組立工程を簡略化することができる。そしてまた、挟持プレート２２及び２３を導電性樹脂から形成することで、挟持プレート２２及び２３の熱容量の増加を抑制することができ、低温起動時の発電効率を向上させることもできる。また、挟持プレート２２及び２３の自重を低減させることもできる。
【００３２】
また、本実施の形態では、挟持プレート２２に凸部２５を形成し、断熱材２１の凸部２５と対向する位置に凹部２４を形成した場合について説明したが、これに限らず、例えば図６に示すように、挟持プレート２３に凸部２５を形成し、断熱材２１の凸部２５と対向する位置に凹部２４を形成してもよい。また、図７に示すように、挟持プレート２２及び２３の両方に凸部２５を形成し、断熱材２１の各々の凸部２５と対向する位置に凹部２４をそれぞれ形成してもよい。そしてまた、図８に示すように、挟持プレート２２に断熱材２１の厚さとほぼ同一の長さ（高さ）を有する凸部１２５を形成し、断熱材２１の凸部１２５と対向する位置に、凸部１２５が貫通される貫通孔１２４を形成し、凸部１２５を貫通孔１２４に貫通させることで、挟持プレート２２に断熱材２１を係止させてもよい。なお、凸部１２５は、挟持プレート２３に形成してもよい。
【００３３】
そしてまた、本実施の形態では、挟持プレート２２（２３）に断熱材２１を係止させるための係止部を、凸部２５と凹部２４から形成し、これらを係合させることで、挟持プレート２２（２３）に断熱材２１を係止させた場合について説明したが、これに限らず、係止部は、挟持プレート２２（２３）に断熱材２１を係止させることが可能であれば、その形状、配設数等は、任意に決定することができる。
【００３４】
さらにまた、本実施の形態では、断熱セル１３と、断熱部を有する端部セル１５が積層された燃料電池１について説明したが、これに限らず、本発明にかかる燃料電池１は、端部セルに断熱部を配設せずに断熱セル１３を配設する、あるいは、断熱部を有する端部セル１５を配設するが、断熱セル１３を配設しない等、断熱材２１を挟持プレート２２及び２３で挟持してなる断熱部が配設された構成を備えていればよい。
【００３５】
また、本実施の形態では、第１の積層体２と、第２の積層体３とを接続プレート４によって電気的に接続した構成を有する燃料電池１について説明したが、これに限らず、例えば、セル積層体１０の積層方向両側に集電板１７、インシュレータ１８、エンドプレート１９をこの順で配設した構成の燃料電池等、他の構成を有する燃料電池にも応用可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施の形態にかかる燃料電池を模式的に示す断面図である。
【図２】図１に示す断熱セルの平面図であって、挟持プレートの堀込み部に断熱材を載置した状態を示す図である。
【図３】図２に示すIII−III線に沿った断面に対応する部分の断面図であって、断熱材と、これを両側から挟持する挟持プレートを分解した状態を示す図である。
【図４】図２に示すIII−III線に沿った断面に対応する部分の断面図である。
【図５】図１に示す端部セルの図２に示すIII−III線に沿った断面に対応する部分の断面図である。
【図６】本発明の他の実施の形態にかかる図４に対応する断面図である。
【図７】本発明の他の実施の形態にかかる図４に対応する断面図である。
【図８】本発明の他の実施の形態にかかる図４に対応する断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１…燃料電池、  ２…第１の積層体、  ３…第２の積層体、  １０…セル積層体、  １１…発電セル、  １２…発電セル積層体、  １３…断熱セル、  １５…端部セル、  ２１…断熱材、  ２２、２３…挟持プレート、  ２４…凹部、  ２５…凸部
【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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