(57)【要約】【課題】スタック構造を有する燃料電池において、セル内部の水分を効率よく除去する。【解決手段】複数の燃料電池セル２が積層されたセル積層体３と、該セル積層体の積層方向の両外側にそれぞれ配置された２つのターミナルプレート４と、該集電板の両外側にそれぞれ配置された２つのインシュレータ５と、セル積層体の端部から所定の範囲内のみを照射するように配置された遠赤外線発生装置１０とを備える。【選択図】図１
2009152006.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池において、
複数の燃料電池セルが積層されたセル積層体と、
前記セル積層体の積層方向の両外側にそれぞれ配置された２つの集電板と、
前記集電板の両外側にそれぞれ配置された２つの絶縁板と、
前記セル積層体の積層方向における端部から所定の範囲内のみを照射するように配置された遠赤外線発生装置と、
を備える燃料電池。
【請求項２】
前記遠赤外線発生装置は、前記セル積層体の積層方向における端部から所定の範囲の１つ又は複数の燃料電池セルを囲むように配置された遠赤外線面状発熱体を含む、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記絶縁板は、遠赤外線吸収体によって形成されており、
前記遠赤外線発生装置は、前記２つの絶縁板を照射するように配置されている、
請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記遠赤外線発生装置から放射された遠赤外線によって前記セル積層体の積層方向における両端部から所定の範囲内のみが照射されるように、前記遠赤外線を反射する反射板をさらに備える、請求項１〜３のいずれか１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、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池に関し、特に、スタック構造を有する燃料電池を加温するヒータの構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素ガスに代表される燃料ガスと、空気に代表される酸化ガスとの電気化学反応により電力を発生し、それと同時に水分を生成する。燃料電池の一種である固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜を水素極（アノードともいう）と酸素極（カソードともいう）とにより挟み込んだ構造体（膜―電極アッセンブリとも呼ばれる）を有しており、該構造体と、これを挟持する２つのセパレータとにより、燃料電池の一単位であるセルが形成される。このセルを複数積層することにより、スタック構造を有する燃料電池が形成される。
【０００３】
ところで、燃料電池の運転時には、スタックの中心部付近のセルは高温となるが、端部付近のセルは放熱によりそれほど高温にはならない。そのため、電気化学反応により生成された水分は、比較的端部のセルにおいて凝縮して滞留し易い。しかし、スタック内に水分が滞留すると、所謂フラッディングが発生し、発電性能が低下してしまう。また、スタック内に水分を滞留させたまま燃料電池の運転を停止して放置すると、低温環境下においては燃料電池の起動が妨げられるおそれがある。
【０００４】
そのため、セル内から水分を除去するために、例えば、セパレータにヒータを設けて水分を蒸発させることが行われている。また、特許文献１には、各セルの発電性能を均一化するために、コンプレッサによって圧縮された空気を燃料電池スタックの一方の面に衝突させて、端部のセルを加熱することが開示されている。特許文献２には、燃料電池スタックの積層方向両端部に位置するセルに供給するガス流量を、積層方向中央部近傍に位置するセルに供給するガス流量よりも多くなるように選択的に調整することにより、端部セルから排出される水蒸気流量を増大させることが開示されている。さらに、特許文献３においては、低温時の起動時間を短縮すると共に、発電効率を向上するために、燃料電池スタックの運転停止時に、燃料電池スタックのカソード側からアノード側への負の温度勾配を形成することが開示されている。また、特許文献４には、低温環境下における起動時間を短縮するために、燃料電池スタックの両端部の所定の数のエンドセルを、多孔質プレートを介して加湿用水分が水素ガスならびに空気ガスに与えられるセルで構成し、他のセルをソリッドプレートが使用されたセルで構成することが開示されている。さらに、特許文献５には、遠赤外線によって燃料電池を照射して、セル内の水分を選択的に加熱することにより、使用時の暖機を行うことが開示されている。
【０００５】
しかし、ヒータを配置したり、冷媒やガスを加熱して端部セルに供給する加熱方式によれば、まず各セルを構成するセパレータが加熱され、その熱がセル内の水分に伝導することにより水分が加熱されるので、水分の除去効率が悪い。また、燃料電池スタックの端部の構成やスタックの形状を変更する場合には、コストが増加してしまう。さらに、特許文献５においては、遠赤外線により、スタック内部の温度分布を均一に上昇させているが、端部のセルにおける放熱については考慮されていない。
【特許文献１】特開２００７−７３２９３号公報
【特許文献２】特開２００５−８５５３１号公報
【特許文献３】特開２００６−１６４６８１号公報
【特許文献４】特開２００６−７９８９０号公報
【特許文献５】特開２００４−１７８９５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、上記の問題点に鑑み、本発明は、スタック構造を有する燃料電池において、セル内部の水分を効率よく除去することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するため、本発明の１つの観点に係る燃料電池は、反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池において、複数の燃料電池セルが積層されたセル積層体と、前記セル積層体の積層方向の両外側にそれぞれ配置された２つの集電板と、前記集電板の両外側にそれぞれ配置された２つの絶縁板と、前記セル積層体の積層方向における両端部から所定の範囲内のみを照射するように配置された遠赤外線発生装置とを備える。
かかる構成とすることにより、セル積層体の端部付近のセルの温度を、選択的に容易に上昇させることができる。
【０００８】
ここで、遠赤外線発生装置としては、前記セル積層体の積層方向における端部から所定の範囲の１つ又は複数の燃料電池セルを囲むように配置された遠赤外線面状発熱体を用いることが望ましい。遠赤外線面状発熱体は面状の均一な遠赤外線を発生するので、セル積層体の端部付近のセルを周囲全体から加熱することができる。
【０００９】
また、前記絶縁板を遠赤外線吸収体によって形成し、前記遠赤外線発生装置によって前記２つの絶縁板を照射するように配置しても良い。それにより、遠赤外線発生装置から放射された遠赤外線を絶縁板に吸収させ、熱伝導によりセル積層体の端部付近のセルを加熱することができる。
【００１０】
さらに、前記燃料電池は、前記遠赤外線発生装置から放射された遠赤外線によって前記セル積層体の積層方向における両端部から所定の範囲内のみが照射されるように、前記遠赤外線を反射する反射板をさらに備えても良い。それにより、遠赤外線の放射エネルギーを無駄なくセルの加熱に利用することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、遠赤外線を利用することにより、セル積層体の端部付近のセルを容易に加熱することができるので、それらのセル内の水分を加熱して効率よく除去することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の概略構造を示す平面図であり、図２は、同斜視図である。この燃料電池１は、燃料電池自動車の車載発電システムや、船舶、航空機、電車あるいは歩行ロボット等のあらゆる移動体用の発電システム、さらには、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システム等に適用可能であり、本実施形態においては自動車用となっている。
【００１３】
図１に示すように、燃料電池１は、複数の燃料電池セル（単にセルともいう）２を積層したセル積層体３と、該セル積層体３の積層方向の両外側にそれぞれ配置された２つのターミナルプレート（集電板）４と、該ターミナルプレート４の両外側にそれぞれ配置された２つのインシュレータ（絶縁板）５とを備えている。また、燃料電池１の両最端部には、金属によって形成されたエンドプレート６が配置されている。
【００１４】
各燃料電池セル２は、イオン交換膜からなる電解質と、その一方の面に形成された空気極（カソード）と、その他方の面に形成された燃料極（アノード）と、空気極及び燃料極を両側から挟みこむように配置された一対のセパレータとを有している。燃料極側のセパレータの燃料ガス流路には燃料ガスが供給され、空気極側のセパレータの酸化ガス流路には酸化ガスが供給される。これらのガス供給により各セルにおいて電気化学反応が起こり、その結果、電力が発生すると共に、水が生成される。発生した電力は、端子４ａが設けられたターミナルプレート４によって集電される。また、セル積層体の積層方向に直交する方向の両端には、各セル２に反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）並びに冷却水を流すためのマニホールド（図示せず）が設けられている。
【００１５】
インシュレータ５は、例えば、ポリカーボネート等の樹脂材料によって形成された板状の部材であり、ターミナルプレート４とエンドプレート６とを電気的に絶縁している。
【００１６】
セル積層体３と、その外側のターミナルプレート４と、その外側のインシュレータ５とを含む構造体（燃料電池スタック）は、左右のエンドプレート６に架け渡されたテンションプレート７によって積層方向の圧縮力を印加されることにより固定されている。また、一方（図１においては右側）のインシュレータ５とエンドプレート６との間には、プレッシャプレート及びばねを含むばね機構８と、接続部材９とが設けられている。それにより、燃料電池スタックに作用する荷重の変動が吸収される。
【００１７】
また、燃料電池１は、セル積層体３の両端部付近に配置された遠赤外線発生装置１０を備えている。ここで、遠赤外線とは、４μｍ程度〜１ｍｍ程度の波長を有する電磁波である。遠赤外線を発生する装置又は方式としては、タングステンを用いた赤外線ランプや、ニクロム線を用いた電熱器や、セラミックスを加熱する方式等、公知のいずれのものを用いても良い。本実施形態においては、遠赤外線面状発熱体を備える遠赤外線発生装置１０を使用している。遠赤外線面状発熱体は、例えば、セラミックス及びカーボン抵抗をシリコーンゴムに配合した板状の発熱体であり、この発熱体に電力を供給することにより、面状に均一な遠赤外線を放射する。
【００１８】
図２に示すように、遠赤外線発生装置１０は、セル積層体３の積層方向における両端部から所定の範囲のセル２（例えば、１個〜２０個）を囲むように配置されている。それにより、セル積層体３の端部付近のセル２が遠赤外線によって照射される。ここで、遠赤外線は水分子に直接運動エネルギーを与えるため、セル２内部の水分は、各セル２を構成するセパレータ等の昇温を待つことなく、直接的に加熱されて蒸発する。
【００１９】
このように、本実施形態によれば、燃料電池スタックの端部の周囲に遠赤外線発生装置１０を配置する簡単な構成で、燃料電池スタックと電気的に接触させることなく、燃料電池セル２内部の水分を容易且つ効率的に除去することができる。また、遠赤外線発生装置１０として面状発熱体を用いる場合には、燃料電池全体のサイズを抑えつつ、燃料電池スタックの端部周辺を均一に加熱することが可能となる。
【００２０】
次に、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池について説明する。
各燃料電池セル２のセパレータが金属等の遠赤外線を反射し易い物質によって形成されている場合には、セル積層体３の外側に配置された遠赤外線発生装置１０から放射された遠赤外線によってセル２内部の水分を照射することが困難になる。そのような場合には、図１に示すインシュレータ５を、遠赤外線を吸収し易い遠赤外線吸収体によって形成する。それにより、遠赤外線発生装置１０から放射された遠赤外線をインシュレータ５が吸収して、インシュレータ５自体が加熱されるので、その熱伝導により、インシュレータ５付近のセル２及びその内部の水分を加熱することができる。
【００２１】
インシュレータ５として使用される遠赤外線吸収体の遠赤外線吸収率は、９０％以上であることが望ましい。そのような遠赤外線吸収体の材料として、例えば、フェノール（石灰酸）樹脂（ベークライトとも呼ばれる）や、ガラスエポキシが挙げられる。また、高い遠赤外線吸収率を得るためには、黒色の材料又は黒に着色された材料を用いることがより好ましい。或いは、セラミックスや合成樹脂材料に黒色の塗装を施した部材等をインシュレータ５として利用しても良い。
【００２２】
次に、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池について、図３を参照しながら説明する。
図３に示すように、本実施形態に係る燃料電池２０は、遠赤外線発生装置１０の背面側に配置された遠赤外線反射板２１をさらに備えている。その他の構成については、図１に示すものと同様である。
【００２３】
遠赤外線反射板２１は、例えば、放物面の反射面を有する金属板であり、セル積層体３の表面から反射された遠赤外線によってセル積層体３の端部付近のセル２が再度照射されるように、遠赤外線を反射する。それにより、セル２内部の水分に与えられる運動エネルギーを増加させ、より早く水分を加熱する。
【００２４】
また、セル２のセパレータが金属等の遠赤外線を反射し易い材料によって形成されている場合には、反射された遠赤外線によってインシュレータ５が照射されるように、遠赤外線反射板２１を配置すると良い。それにより、インシュレータ５をより早く且つ高温に加熱し、その熱伝導により、インシュレータ５付近のセル２及びその内部の水分を加熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の構造を示す平面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の構造を示す斜視図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の構造を示す平面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１、２０…燃料電池、２…燃料電池セル、３…セル積層体、４…ターミナルプレート（集電板）、５…インシュレータ（絶縁板）、１０…遠赤外線発生装置、２１…遠赤外線反射板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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