(57)【要約】【課題】  電解質膜の乾燥、電解質膜の熱劣化等を抑制しつつ、マニホールド内の水の排出を促進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】  燃料電池スタック（１００）は、膜−電極接合体（３０）とセパレータ（４０）とが交互に積層されセパレータを積層方向に貫通して膜−電極接合体の電極と接続されたガスマニホールドが形成された積層体と、ガスマニホールド内部と膜−電極接合体との間に設けられた断熱部材（４１）と、ガスマニホールド内部の温度を膜−電極接合体の温度よりも高くする加熱手段（５０、６０）と、を備える。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜−電極接合体とセパレータとが交互に積層され、前記セパレータを積層方向に貫通して前記膜−電極接合体の電極と接続されたガスマニホールドが形成された積層体と、
前記ガスマニホールド内部と前記膜−電極接合体との間に設けられた断熱部材と、
前記ガスマニホールド内部の温度を前記膜−電極接合体の温度よりも高くする加熱手段と、を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記加熱手段は、前記燃料電池スタック内を流動した後の冷媒が流動し前記ガスマニホールド内に配置された冷媒配管と、前記冷媒を加熱する熱源と、を備え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】
前記断熱部材は、前記ガスマニホールドの壁面を構成する前記セパレータの面に設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記熱源は、アノードオフガス処理用の燃焼器であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記熱源は、水素を発生する改質器であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記熱源は、ＨＶインバータであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
前記ガスマニホールドは、燃料ガスのオフガスマニホールドであることを特徴とする請求項１〜６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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の燃料電池が積層された燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率が実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。特に、固体高分子型燃料電池は、各種の燃料電池の中でも比較的低温で作動することから、良好な起動性を有する。そのため、多方面における実用化のために盛んに研究がなされている。
【０００３】
燃料電池は、複数積層されてスタックとして用いられることが多い。この場合、反応ガスが流動するためのマニホールドがスタック内に形成されている。特に、オフガスのマニホールドに液水が溜まりやすいことが知られている。この液水は氷点下において氷結によって膨張することから、シール部材が損傷してガス漏れが発生するおそれがある。そこで、オフガスマニホールドにヒータを設置し、マニホールド内部での水分の凝縮を抑制する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２１３８８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の技術では、マニホールドだけではなくセルの温度も上昇してしまう。そのため、マニホールド内の水を蒸発させようとすると、電解質膜の乾燥、電解質膜の熱劣化等の問題が生じるおそれがある。
【０００６】
本発明は、電解質膜の乾燥、電解質膜の熱劣化等を抑制しつつ、マニホールド内の水の排出を促進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する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る燃料電池スタックは、膜−電極接合体とセパレータとが交互に積層されセパレータを積層方向に貫通して膜−電極接合体の電極と接続されたガスマニホールドが形成された積層体と、ガスマニホールド内部と膜−電極接合体との間に設けられた断熱部材と、ガスマニホールド内部の温度を膜−電極接合体の温度よりも高くする加熱手段と、を備えることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明に係る燃料電池スタックにおいては、加熱手段によってガスマニホールドの内部の温度が膜−電極接合体の温度よりも高くなる。この場合、ガスマニホールド内の水蒸気の凝縮を抑制することができる。また、ガスマニホールド内に滞留する液水を蒸発させることができる。その結果、液水の排出が促進される。また、断熱部材によって熱移動が抑制されることから、ガスマニホールドを効率よく加熱することができる。さらに、断熱部材によって、膜−電極接合体への熱移動が抑制される。それにより、電解質膜の乾燥、熱劣化等を抑制することができる。
【０００９】
加熱手段は、燃料電池スタック内を流動した後の冷媒が流動しガスマニホールド内に配置された配管と、冷媒を加熱する熱源と、を備えていてもよい。この場合、ガスマニホールドへ熱を伝達する手段を新たに設ける必要がない。したがって、コストの上昇を抑制することができる。
【００１０】
断熱部材は、ガスマニホールドの壁面を構成するセパレータの面に設けられていてもよい。この場合、セパレータを介して熱が膜−電極接合体へ伝わることが抑制される。それにより、電解質膜の乾燥、熱劣化等を抑制することができる。
【００１１】
熱源は、アノードオフガス処理用の燃焼器であってもよい。この場合、アノードオフガスの燃焼廃熱を利用することができる。熱源は、水素を発生する改質器であってもよい。この場合、改質器を加熱するヒータの廃熱を利用することができる。熱源は、ＨＶインバータであってもよい。この場合、ＨＶインバータの廃熱を利用することができる。
【００１２】
ガスマニホールドは、燃料ガスのオフガスマニホールドであってもよい。燃料オフガスに含まれる水分の排出が促進される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、電解質膜の乾燥、電解質膜の熱劣化等を抑制しつつ、マニホールド内の水の排出を促進することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００１５】
図１は、本発明の第１実施例に係る燃料電池スタック１００を説明するための図である。図１（ａ）は、燃料電池スタック１００の模式的な概観図である。図１（ａ）に示すように、燃料電池スタック１００は、複数のセル１０が積層された積層体の両端をエンドプレート２０ａおよびエンドプレート２０ｂによって締結された構造を有する。
【００１６】
次に、セル１０の積層体について説明する。図１（ｂ）は、セル１０の積層体の模式的な断面図である。図１（ｂ）に示すように、セル１０の積層体は、シール部材付き膜−電極接合体３０がセパレータ４０を介して積層された構造を有する。シール部材付き膜−電極接合体３０は、発電部３１およびシール部材３２を備える。発電部３１は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜がアノードおよびカソードによって挟持された構造を有する。シール部材３２は、ガス漏れ等を抑制するための部材であり、例えばゴム等からなる。シール部材３２の詳細は、後述する。セパレータ４０は、ステンレス等の導電性部材からなる。セパレータ４０には、燃料ガスおよび酸化剤ガスが流動するための流路が形成されている。
【００１７】
図２（ａ）は、シール部材付き膜−電極接合体３０の平面図である。図２（ｂ）は、セパレータ４０の平面図である。図２（ａ）に示すように、シール部材付き膜−電極接合体３０は、発電部３１の周囲をシール部材３２が覆う構造を有している。シール部材３２には、孔３３〜孔３８が形成されている。また、図２（ｂ）に示すように、セパレータ４０には、孔４３〜孔４８が形成されている。
【００１８】
孔３３および孔４３は、互いに連通し、酸化剤ガスマニホールドを形成する。孔３４および孔４４は、互いに連通し、燃料ガスマニホールドを形成する。孔３５および孔４５は、互いに連通し、冷媒入口マニホールドを形成する。孔３６および孔４６は、互いに連通し、燃料オフガスマニホールドを形成する。孔３７および孔４７は、互いに連通し、冷媒出口マニホールドを形成する。孔３８および孔４８は、互いに連通し、酸化剤オフガスマニホールドを形成する。
【００１９】
燃料ガスマニホールドは、図示しない燃料ガス流路を介してアノードおよび燃料オフガスマニホールドに連通する。酸化剤マニホールドは、図示しない酸化剤ガス流路を介してカソードおよび酸化剤オフガスマニホールドに連通する。冷媒入口マニホールドは、図示しない冷媒流路を介して冷媒出口マニホールドに連通する。
【００２０】
続いて、燃料電池スタック１００における発電について説明する。まず、燃料ガスは、燃料ガスマニホールドを経由してアノードに供給される。燃料ガスに含まれる水素は、アノードの触媒を介してプロトンと電子とに解離する。プロトンは、固体高分子電解質膜を伝導してカソードに到達する。一方、酸化剤ガスは、酸化剤ガスマニホールドを経由してカソードに供給される。カソードにおいては、触媒を介してプロトンと酸化剤ガスに含まれる酸素とが反応する。それにより、電力が発生するとともに水が生成される。
【００２１】
なお、発電に供された後の燃料オフガスは、アノードから燃料オフガスマニホールドを経由して排出される。発電に供された後の酸化剤オフガスは、カソードから酸化剤オフガスマニホールドを経由して排出される。また、冷媒は、冷媒入口マニホールドを経由して冷媒流路に供給され。冷媒出口マニホールドを経由して排出される。それにより、燃料電池スタック１００が所定の温度に維持される。
【００２２】
続いて、燃料オフガスマニホールドの詳細について説明する。図３（ａ）は、燃料電池スタック１００における燃料オフガスマニホールドを表した模式図である。図３（ａ）に示すように、冷媒出口マニホールドに接続された冷媒配管５０が燃料オフガスマニホールド内に挿入されている。この冷媒配管５０は、燃料オフガスマニホールドを通った後、図示しない外部の冷媒ポンプに接続される。
【００２３】
冷媒配管５０において、冷媒出口マニホールドと燃料オフガスマニホールドとの間に、冷媒配管５０を加熱する熱源６０が設けられている。熱源６０は、冷媒配管５０を流動する冷媒を加熱する熱源であれば特に限定されるものではない。例えば、熱源６０は、ニクロム線等のヒータであってもよい。
【００２４】
また、熱源６０は、燃料電池スタック１００に付随する補機の廃熱を利用して冷媒を加熱してもよい。例えば、熱源６０は、アノードオフガスを触媒反応で消費するオフガス燃焼器であってもよい。この場合、アノードオフガスに含まれる水素の燃焼廃熱が冷媒に与えられる。また、熱源６０は、水素を発生する改質器であってもよい。この場合、改質器を加熱するヒータの廃熱が冷媒に与えられる。さらに、熱源６０は、ＨＶインバータであってもよい。この場合、ＨＶインバータの廃熱が冷媒に与えられる。
【００２５】
図３（ｂ）は、燃料オフガスマニホールドの拡大図である。図３（ｂ）に示すように、燃料オフガスマニホールドを形成するセパレータ４０の壁面に断熱部材４１が設けられている。断熱部材４１は、特に限定されるものではないが、燃料オフガスによる腐食を考慮に入れると、耐食性断熱材であることが好ましい。例えば、耐食性断熱材として、米Ｅｎｖｉｒｏｔｒｏｌ社のＣｅｒａｍｉｃ  Ｃｏｖｅｒ  ＣＣ１００を用いることができる。
【００２６】
続いて、冷媒配管５０、熱源６０および断熱部材４１の作用について説明する。熱源６０によって冷媒配管５０を流動する冷媒が加熱される。それにより、冷媒の温度は、冷媒出口マニホールドを流動したときよりも高くなる。この加熱された冷媒は、冷媒配管５０を介して燃料オフガスマニホールドを加熱する。この場合、燃料オフガスマニホールドの温度は、発電部３１の温度よりも高くなる。それにより、燃料オフガスマニホールド内の水蒸気の凝縮を抑制することができる。また、燃料オフガスマニホールド内に滞留する液水を蒸発させることができる。その結果、液水の排出が促進される。
【００２７】
セパレータ４０が導電性部材によって構成されていることから、燃料オフガスマニホールド内の熱がセパレータ４０を介して伝導しやすい。しかしながら、本実施例においてはセパレータ４０を介した熱移動が断熱部材４１によって抑制されることから、冷媒配管５０によって燃料オフガスマニホールドを効率よく加熱することができる。その結果、熱源６０からの熱供給量を抑制することができる。さらに、冷媒配管５０から発電部３１への熱移動が、断熱部材４１によって抑制される。それにより、発電部３１の固体高分子電解質膜の乾燥、熱劣化等を抑制することができる。
【００２８】
また、熱源６０が補機の廃熱を利用する装置であれば、新たに熱源を設ける必要がない。さらに、熱源の熱を燃料オフガスマニホールドに伝える手段として冷媒配管を用いれば、あらたに熱伝導手段を設ける必要がない。それにより、コスト上昇を抑制することができる。
【００２９】
なお、本実施例においては、燃料オフガスマニホールドに冷媒配管５０を設けたが、それに限られない。液水が溜まる可能性のあるマニホールドに冷媒配管５０を設けることによって、液水の排出を促進することができる。例えば、酸化剤オフガスマニホールドに冷媒配管５０を設けてもよい。ただし、燃料ガスの循環レスシステムにおいては、燃料オフガスの流量が微小であるため、燃料オフガスマニホールドに液水が溜まりやすい。したがって、燃料ガスの循環レスシステムにおいては、燃料オフガスマニホールドに冷媒配管５０を設けることが好ましい。
【００３０】
また、本実施例においては冷媒配管５０および熱源６０を用いてガスマニホールドを加熱したが、それに限られない。ガスマニホールド内部の温度を発電部３１の温度よりも高くする加熱手段であれば、どのようなものでも用いることができる。
【００３１】
なお、本実施例においては、冷媒配管５０および熱源６０が加熱手段に相当する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第１実施例に係る燃料電池スタックを説明するための図である。
【図２】シール部材付き膜−電極接合体およびセパレータの平面図である。
【図３】燃料オフガスマニホールドの詳細について説明するための図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０  セル
３０  シール部材付き膜−電極接合体
３１  発電部
３２  シール部材
４０  セパレータ
４１  断熱部材
５０  冷媒配管
６０  熱源
１００  燃料電池スタック
【図１】
2009158156.tif 000003
【図２】
2009158156.tif 000004
【図３】
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