JP2003115305A - 燃料電池スタック - Google Patents

燃料電池スタック

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JP2003115305A JP2001307937A JP2001307937A JP2003115305A JP 2003115305 A JP2003115305 A JP 2003115305A JP 2001307937 A JP2001307937 A JP 2001307937A JP 2001307937 A JP2001307937 A JP 2001307937A JP 2003115305 A JP2003115305 A JP 2003115305A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 運転停止後に残留する燃料ガスが原因で起こ
る開回路電圧発生の問題や腐食の問題を解消した燃料電
池スタックを提供する。 【解決手段】 複数個の単位燃料電池１をセパレータ４
を介して積層してなり、各単位燃料電池１に微小電流を
流すことができる外部抵抗６が接続されている燃料電池
スタック。外部抵抗６に直列にスイッチ８が取り付けら
れているのが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、低温始動時に過大
な開回路電圧が発生するのを防止したり、運転停止後の
残留ガスによる開回路電圧により構成部材が腐食される
のを防止した燃料電池スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】燃料電
池スタックは、図22に示すように、電解質膜201の両面
に触媒電極202が形成された構造の電解質膜−電極接合
体（電極構造体）２と、カーボンペーパー等のガス拡散
層（図示せず）を介してその両側に配置された一対のセ
パレータ４，４とからなる単位燃料電池（セル）１が複
数積層してなる構造を有し、一方のセパレータ４には電
極構造体２に対向する面に燃料ガス（水素ガス）用の流
通溝が設けられているとともに、他方のセパレータ４に
空気用の流通溝が設けられている。各セパレータ４の外
周にはセル電圧を取り出すための端子として作用する突
起状端子121が設けられており、各突起状端子121は燃料
電池スタックに付属した電圧測定装置に接続している。
燃料電池スタックを構成する各単位燃料電池１が正常な
状態にあるか否かを判定するために、各電極構造体２の
両側に配置された一対のセパレータ４，４に接続する導
線に電圧計５を設け、各単位燃料電池１の電圧を測定し
ている（図23参照）。
【０００３】このような構造の燃料電池スタックにおい
て、水素ガスと空気中の酸素ガスとを反応させることに
より発電が行われているが、燃料電池の運転停止時には
燃料電池スタック内に燃料ガスが残留するので、直ちに
発電が停止する訳ではなく、残留燃料ガス及び空気が存
在している間、個々の単位燃料電池で発電が継続する。
すると各電極構造体２の両側に配置された一対のセパレ
ータ４，４間に開回路電圧が発生するので、運転停止直
後に燃料電池スタック回りの作業をする場合にショート
したり、感電したりするおそれがある。
【０００４】また燃料電池スタックを単セル当たり約１
Vの開回路電圧が存在する状態に放置しておくと、電解
質膜201の表面上の触媒の粒径が増加したり、燃料電池
スタックの構成材料（例えば金属製又はカーボン製のセ
パレータ）が腐食する原因となる。例えばセパレータが
ステンレススチール等の金属製である場合、燃料電池ス
タック全体の積層厚さを抑えるために、個々のセパレー
タを厚さが約0.1mmと薄いプレス板により形成すること
がある。このような場合、上記開回路電圧による腐食に
よりセパレータに貫通孔ができてしまう。
【０００５】一方、氷点以下のような低温で始動する場
合、ガスを投入した時点で開回路電圧が非常に高い値に
なる。例えば−30℃の始動で1.35Ｖの開回路電圧が発生
することがある。これは、電解質膜201が乾燥している
ためである。その状態から一度でも電流を流すと、電解
質膜201が含水状態にあるため、その後の開回路電圧は
１V近くに低下する。
【０００６】以上の通り非常に高い開回路電圧の発生が
避けられないので、それに対処するために、電装系の耐
電圧を高く設定する必要があり、それに応じて燃料電池
システムのコストが上昇する。
【０００７】上記問題を解消するために、運転停止後に
燃料電池スタック内に残留する燃料ガスを不活性ガスに
よりパージする方法がある。不活性ガスとして通常窒素
ガスが使用されるが、この方法を実施するためには不活
性ガス用のタンクを搭載する必要がある。ところが自動
車などに不活性ガス用のタンクを搭載するにはそのため
のスペースが必要になるだけでなく、不活性ガスの残量
管理及び補給の問題もあり、燃料電池システム全体が複
雑化する。そのため不活性ガスによるパージは実験レベ
ルの燃料電池スタックに使用されるだけで、実用化は困
難である。
【０００８】また燃料電池スタック両端の端子に抵抗を
接続し、電流を流してやることにより燃料電池スタック
に残留するガスを消費して、開回路電圧を低減する方法
もある。この場合、抵抗は複数の単位燃料電池に直列に
接続されている。しかしながら、各単位燃料電池に残留
する燃料ガスの量は必ずしも同じではなく、不均一であ
ることが多いので、抵抗を接続して電流を流すと、残留
燃料ガスが少なく、消費の速い単位燃料電池に逆電圧が
かかり、単位燃料電池の損傷の恐れがある。
【０００９】従って本発明の目的は、運転停止後に残留
する燃料ガスが原因で起こる開回路電圧発生の問題や腐
食の問題を解消するために、各単位燃料電池に損傷を与
えることなく開回路電圧を効果的に低減させる構造を有
する燃料電池スタックを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記目的に鑑み鋭意研究
の結果、本発明者は、運転停止後に燃料電池スタックに
燃料ガスが残留した場合に、それによる開回路電圧を個
々の単位燃料電池に接続した外部抵抗により低減させれ
ば、単位燃料電池の損傷や腐食の問題を解決できること
を発見し、本発明に想到した。
【００１１】すなわち、複数個の単位燃料電池をセパレ
ータを介して積層してなる本発明の燃料電池は、各単位
燃料電池に微小電流を流すことができる外部抵抗が接続
されていることを特徴とする。この構造により、各単位
燃料電池に発生した開回路電圧を個々の外部抵抗で低減
することができ、単位燃料電池の損傷や腐食の問題を防
止することができる。
【００１２】外部抵抗に直列にスイッチを取り付けるの
が好ましい。この構造により、燃料電池スタックの運転
時に外部抵抗による電力ロスが防止できる。
【００１３】本発明の好ましい実施例では、燃料電池ス
タックの各単位燃料電池が正しく作動しているか否かを
チェックするために電圧測定装置が取り付けられている
が、各セパレータの外周に設けられた突起状端子は電圧
測定装置の電圧取得用端子と接続しており、電圧測定装
置に設けられた外部抵抗は各電圧計と並列になるように
各電圧取得用端子と接続している。また外部抵抗同士は
直列に接続しているのが好ましい。
【００１４】本発明の好ましい実施例では、各セパレー
タの突起状端子と電圧測定装置の各電圧取得用端子とを
個々の端子部材を介して接続し、個々の端子部材を複数
の仕切りを有する絶縁性ケーシングの個々の仕切りによ
り絶縁状態で支持する。複数の仕切りを有する絶縁性ケ
ーシングの個々の間隙に端子部材を挿入することによ
り、端子部材の位置決めを簡単かつ確実に行なうことが
できるとともに、複数の端子部材の接触を確実に防止す
ることもできる。
【００１５】
【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施例による燃
料電池スタックを示す部分断面図である。各単位燃料電
池１は、電極構造体２と、その両側に配置されたカーボ
ンペーパーからなるガス拡散層３，３と、その両側に配
置された一対のセパレータ４，４とからなり、電極構造
体２は高分子電解質膜と、その両面に形成された白金等
の貴金属を含む電極層とからなる。電極構造体２と一対
のガス拡散層３，３との組合せをセパレータ４と交互に
積層することにより、燃料電池スタックが得られる。各
セパレータ４の両面にはガス流路用の溝が形成されてい
る。しかし、セパレータに冷却媒体流路を設ける場合、
片面にガス流路用溝を形成し、他面に冷却媒体流路用溝
を形成した一対のセパレータを冷却媒体流路用溝を内側
にして貼り合わせて、使用するのが好ましい。
【００１６】電極構造体２を挟む一対のセパレータ４，
４のうち、燃料ガス（水素ガス）側のセパレータ４は負
極で、空気側のセパレータ４は正極であるので、隣接す
る一対のセパレータ４，４間に各単位燃料電池の起電力
が生じる。従って各対のセパレータ４，４を直列に接続
すれば、燃料電池スタック全体の起電力が得られる。各
単位燃料電池が正しく作動しているか否かをチェックす
るために、電極構造体２を挟む一対のセパレータ４，４
間に電圧計５が取り付けられている。
【００１７】本発明の燃料電池スタックは、各対のセパ
レータ４，４間に微小電流を流すことができる外部抵抗
６が接続していることを特徴とする。外部抵抗６は電圧
計５と並列であり、両者とも燃料電池スタックに取り付
けられた電圧測定装置10内に収容されている。また複数
の外部抵抗６同士は直列に接続している。
【００１８】図１の実施例では、外部抵抗６は常時接続
であるので、その抵抗値は燃料電池スタックの出力特性
に影響しないように十分に大きく設定する必要がある。
具体的には、外部抵抗６の消費電力が燃料電池スタック
の出力の1.5％以下、好ましくは0.5％以下になるよう
に、外部抵抗６の抵抗値を設定するのが好ましい。
【００１９】図２は本発明の別の実施例による燃料電池
スタックを示す斜視図である。この実施例では、単位燃
料電池１全体を覆うようにセパレータ４の一側面に一本
の外部抵抗７が付着している。図３は図２の燃料電池ス
タックの外部抵抗６の等価回路を示す。外部抵抗６の抵
抗値を十分に大きく設定することにより、隣接するセパ
レータ４，４がショートすることはないが、残留燃料ガ
スによる開回路電圧が存在する場合には、残留ガスを消
費させ、開回路電圧を低減するようにできる。具体的に
は、外部抵抗６の消費電力が燃料電池スタックの出力の
1.5％以下、好ましくは0.5％以下になるように、外部抵
抗６の抵抗値を設定するのが好ましい。
【００２０】図４は本発明のさらに別の実施例による燃
料電池スタックを示す部分断面図である。この例の燃料
電池スタックは、各外部抵抗６にスイッチ８が設けられ
ている以外、図１に示す燃料電池スタックと同じであ
る。従って、ここではスイッチ８の作用のみ説明するこ
とにする。
【００２１】例えば氷点以下の低温からの始動のような
低温始動時に、非常に高い開回路電圧が発生するのを回
避する場合、燃料ガスを燃料電池スタックに導入する前
にスイッチ８を閉じて、外部抵抗６を各単位燃料電池１
に接続しておき、燃料ガスを導入したら速やかにスイッ
チ８を開放する。外部抵抗６が各単位燃料電池１に接続
することにより、低温始動時の開回路電圧が過剰に高く
なるのを抑制することができる。
【００２２】燃料電池スタックの運転中はスイッチ８を
開放したままにしておき、外部抵抗６により燃料電池ス
タックの出力特性が低下するのを防止する。また燃料電
池スタックの運転停止後に燃料ガスが残留するが、スタ
ック電圧を速やかに低下させるために、負荷の停止と同
時にスイッチ８を閉じて外部抵抗８を接続させる。これ
により電流が流れて残留燃料ガスは消費され、開回路電
圧は速やかにゼロになる。次に始動するまでスイッチ８
を閉じたままにしておき、外部抵抗６の接続状態を維持
する。
【００２３】スイッチ８の作動を各単位燃料電池から外
部回路に流れる電流レベルにより自動的に行うこともで
きる。例えば図５に示すように、単位燃料電池の平均セ
ル電圧は電流密度の低下に応じて増大する傾向がある
が、所定のレベルVcを超えるとセパレータ等の腐食が起
こる。そのため、開回路電圧がVc以上になったらスイッ
チ８を閉じ、Vc未満になったらスイッチ８を開放するよ
うに設定するのが好ましい。電圧Vcにおける電流値Icか
ら、外部抵抗６の抵抗値はVc／Ic（Ω）と設定すること
ができる。
【００２４】図６は、本発明により外部抵抗を組み込む
燃料電池スタックの好ましい一例の全体構成を示す。こ
の燃料電池スタックは、ケーシング（下部ケーシング13
2のみ示す）に支持された端子部材101により、セパレー
タ（図示せず）の電圧測定用端子（突起状端子）121と
電圧測定装置10の電圧取得用端子123とが接続された状
態を示す。燃料電池スタックの左右上端部には多数のセ
パレータの電圧測定用突起状端子121があり、各側面毎
に多数の突起状端子121は複数のグループに分けられ、
各グループの突起状端子121に接続された端子部材101は
纏めて１つの絶縁性ケーシング130に収納される。
【００２５】図７〜９は本発明の燃料電池スタックに用
いる端子部材101の一例を示す。図８に示すように端子
部材101は一端で接合した一対の同じ形状の金属薄板片1
01a，101aからなり、各金属薄板片101a，101aは先端部1
11、弾性支持部112及び支点部113に相当する形状を有
し、中央部101bで折り曲げられている。金属薄板片101
a，101aの折り曲により、図10に示すように端子部材101
の断面は実質的にコの字状となる。先端部111の間隙に
電圧測定用端子121が挿入されるとともに、支点部113の
間隙に電圧取得用端子123が挿入される。
【００２６】この実施例では、弾性支持部112は一対の
外側に湾曲した幅の狭い帯部112a，112aからなる。各帯
部112a，112aは幅が狭いのみならず湾曲しているので、
積層した多数のセパレータに接合する場合、セパレータ
の積層方向のみならず積層方向に直交する二方向におけ
る変位に対しても、容易に変形することにより追随する
ことができる。
【００２７】図８及び図９に示すように、支点部113は
支点となる位置に開口部115を有する。この開口部115は
電圧取得用端子123の開口部と整合され、ハト目118によ
り回転自在にかつしっかりと接合される。図９(b) に示
すように、ハト目118は支点部113の開口部115に挿入す
る筒部118aと、筒部118aを固定するためのフランジ部11
8bとからなる。ハト目118の筒部118aを開口部115に挿入
した後、筒部118aの先端部を工具により圧開すると、ハ
ト目118は開口部115に回転自在にかつしっかり固定され
る。ハト目118の開口部は端子部材101が回動するときの
支点となり、電圧測定用端子121及び電圧取得用端子123
に対して端子部材101を正確に位置決めすることができ
る。
【００２８】図11は電圧測定用端子121及び電圧取得用
端子123に接続された端子部材101及び絶縁性ケーシング
130の関係を詳細に示す。絶縁性ケーシング130はそれぞ
れプラスチック製の上部ケーシング131及び下部ケーシ
ング132からなり、上部ケーシング131は電圧取得用端子
123に接続された端子部材101の支点部113を支持し、下
部ケーシング132は電圧測定用端子121に接続された端子
部材101の先端部111を支持している。
【００２９】図12は絶縁性ケーシング130の側面図であ
り、図13は上部ケーシング131の側面図である。また図1
4は上部ケーシング131の平面図であり、図15は上部ケー
シング131の背面図である。図13〜15から明らかなよう
に、上部ケーシング131は、一体的に形成された本体部1
41と、本体部141の前部に一体的に形成され、隣接する
端子部材101が接触するのを防止するための複数の幅の
狭いスリット143を有するくし部142と、本体部141の後
部に一体的に形成された突条部144とからなる。スリッ
ト143のピッチは接続すべき端子121，123の積層方向ピ
ッチと同じである。突条部144はケーシング130を回転さ
せるときにハンドルとして機能する。くし部142には長
手方向の貫通孔146が設けられている。また本体部141に
は底面に開口するネジ穴148が設けられている。
【００３０】図16は下部ケーシング132の側面図であ
り、図17は平面図であり、図18は底面図であり、図19は
背面図である。下部ケーシング132は、一体的に形成さ
れた本体部151と、本体部151の前部に一体的に形成さ
れ、隣接する端子部材101が接触するのを防止するため
の複数の幅の狭いスリット153を有するくし部152とから
なる。本体部151には上部ケーシング131のネジ穴148に
対応する位置に断面小判状の長孔156が設けられてお
り、その長孔156の底面開口部はネジ頭部を受承する凹
部158を有する。各くし部142，152のスリット143，153
を精確に整列させるため、断面小判状の長孔156により
上部ケーシング131に対する下部ケーシング132の固定位
置を燃料電池スタックの積層方向に調節自在とする。
【００３１】図12に示すように、上部ケーシング131と
下部ケーシング132とをネジ159で螺合すると、両者のく
し部142，152は同じ側に位置し、それぞれのスリット14
3，153は整列する。その状態を上から見ると図20の平面
図に示す通りである。
【００３２】図21は絶縁性ケーシング130を用いて多数
の端子部材101を電圧測定用端子121及び電圧取得用端子
123に一度に接続する方法を示す。まず図21(a) に示す
ように、個々の端子部材101を絶縁性ケーシング130のス
リットに挿入した状態で、上部ケーシング131のくし部1
43を電圧取得用端子123の列と係合させ、各端子部材101
の支点部113の断面コの字状間隙内に各電圧取得用端子1
23を挿入する。支点部113の開口部115と、電圧取得用端
子123の開口部125と、上部ケーシング131の開口部146と
を正確に整合させると、端子部材101を支持するケーシ
ング130は開口部115，146を支点にして回転自在とな
る。
【００３３】次に図21(b) に示すように、端子部材101
を支持するケーシング130を回転させて、下部ケーシン
グ132のくし部152をセパレータの電圧測定用端子121と
係合させ、各端子部材101の先端部111の断面コの字状間
隙内に各電圧測定用端子121を挿入する。図21(c) は各
端子部材101の先端部111の断面コの字状間隙内に各セパ
レータの電圧測定用端子121を完全に挿入した状態を示
す。
【００３４】図11から明らかなように、各端子部材101
の先端部111はセパレータの電圧測定用端子121を挟み込
み、また支点部113は電圧測定装置10の電圧取得用端子1
23を挟み込み、もって各電圧測定用端子121と各田電圧
取得用端子123とを接続する。端子部材101により電圧測
定用端子121が電圧取得用端子123に接続した状態では、
ケーシング130のくし部142，152の各くし片は隣接する
端子部材101を絶縁するセパレータの役割をしている。
【００３５】
【発明の効果】本発明の燃料電池スタックは個々の単位
燃料電池に高抵抗値の外部抵抗が接続されているので、
単位燃料電池毎の残留ガス量のばらつきにより逆電圧が
かかるのを防止することができる。特に低温始動時に単
位燃料電池当たり1.35Ｖにも達する開回路電圧を約１Ｖ
に低減でき、電装系の耐電圧を低く設定することができ
る。また外部抵抗を常時接続しておくことにより開回路
電圧をさらに低減することができるので、電装系の耐電
圧をさらに低く設定することができる。また単位燃料電
池の構成部品が高電圧にさらされて劣化するのを防止す
ることもできる。
【００３６】また各外部抵抗にスイッチを設け、運転の
始動及び停止時にスイッチを開閉することにより、運転
（負荷の印加）時に余分な燃料ガスの消費を抑制し、燃
料効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例による燃料電池スタックを
示す部分断面図である。
【図２】 本発明の別の実施例による燃料電池スタック
を示す斜視図である。
【図３】 図２の燃料電池スタックの等価回路を示す部
分断面図である。
【図４】 本発明のさらに別の実施例による燃料電池ス
タックを示す部分断面図である。
【図５】 燃料電池スタックの平均セル電圧と電流との
関係を示すグラフである。
【図６】 絶縁性ケーシングを用いて端子部材をセパレ
ータの電圧測定用端子及び電圧測定装置の電圧取得用端
子に接続した状態を示す部分斜視図である。
【図７】 本発明の燃料電池スタックに使用するのに好
ましい端子部材の一例を示す正面図である。
【図８】 図７の端子部材を折り目で展開した状態を示
す展開図である。
【図９】 図７の端子部材の断面を示し、(a) は図７の
Ａ−Ａ'断面図であり、(b) は端子部材に取り付けるハ
ト目の概略図である。
【図10】 図７のＢ−Ｂ'断面図である。
【図11】 絶縁性ケーシングを用いて端子部材をセパレ
ータの電圧測定用端子及び電圧測定装置の電圧取得用端
子に接続した燃料電池スタックの詳細を示す部分拡大図
であり、(a) は接続した状態を示し、(b) はその分解し
た状態を示す。
【図12】 端子部材を装着する絶縁性ケーシングを示す
側面図である。
【図13】 上部ケーシングを示す側面図である。
【図14】 上部ケーシングを示す平面図である。
【図15】 上部ケーシングを示す背面図である。
【図16】 下部ケーシングを示す側面図である。
【図17】 下部ケーシングを示す平面図である。
【図18】 下部ケーシングを示す底面図である。
【図19】 下部ケーシングを示す背面図である。
【図20】 上部ケーシングと下部ケーシングを螺着して
なるケーシングを示す平面図である。
【図21】 絶縁性ケーシングに装着した端子部材を電圧
取得用端子及び電圧測定用端子に接続する方法を示す概
略図であって、(a) は端子部材をケーシングの上方くし
部ごと電圧取得用端子に接続した状態を示し、(b) は電
圧取得用端子に係合した支点部のシャフトを中心にし
て、ケーシングに装着した端子部材を回転する状態を示
し、(c) はケーシングに装着した端子部材の回転を完了
して、端子部材をセパレータの下方くし部ごと電圧測定
用端子に接続させた状態を示す。
【図22】 燃料電池スタックを構成するセル構造を示す
分解正面図である。
【図23】 本発明を適用すべき燃料電池スタックを示す
部分断面図である。
【符号の説明】
１・・・単位燃料電池 ２・・・電極構造体 ３・・・ガス拡散層 ４・・・セパレータ ５・・・電圧計 ６・・・外部抵抗 ８・・・スイッチ 10・・・電圧測定装置 101・・・端子部材 101a・・・端子部材を一体的に構成する一対の金属薄板
片の一方 101b・・・折り目 111・・・先端部 112・・・弾性支持部 112a・・・幅の狭い帯部 113・・・支点部 115・・・開口部 116・・・絶縁性シャフト 118・・・ハト目 121・・・セパレータの電圧測定用端子 123・・・電圧測定装置の電圧取得用端子 123a・・・端子部材の支点として作用する突起部 130，160・・・ケーシング 131，161・・・上部ケーシング 132，162・・・下部ケーシング 141，151・・・本体部 142，152・・・くし部 143，153・・・スリット 144・・・突条部 156・・・長孔 158・・・ネジ頭部を受承する凹部 159・・・ネジ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 稲井 滋 埼玉県和光市中央一丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 Ｆターム(参考） 5H026 CC03 CX09 HH06 5H027 AA02 KK54

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 複数個の単位燃料電池をセパレータを介
    して積層してなる燃料電池スタックにおいて、各単位燃
    料電池に微小電流を流すことができる外部抵抗が接続さ
    れていることを特徴とする燃料電池スタック。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の燃料電池スタックにお
    いて、前記外部抵抗に直列にスイッチが取り付けられて
    いることを特徴とする燃料電池スタック。
  3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載の燃料電池スタッ
    クにおいて、各セパレータの外周に設けられた突起状端
    子が前記燃料電池スタックに取り付けられた電圧測定装
    置の電圧取得用端子と接続しており、前記電圧測定装置
    内に設けられた各外部抵抗は各電圧計と並列になるよう
    に各電圧取得用端子に接続していることを特徴とする燃
    料電池スタック。
  4. 【請求項４】 請求項３に記載の燃料電池スタックにお
    いて、前記外部抵抗同士は直列に接続していることを特
    徴とする燃料電池スタック。
  5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電
    池スタックにおいて、各セパレータの突起状端子と前記
    電圧測定装置の各電圧取得用端子とは個々の端子部材を
    介して接続されており、個々の端子部材は複数の仕切り
    を有する絶縁性ケーシングの個々の仕切りにより絶縁状
    態で支持されていることを特徴とする燃料電池スタッ
    ク。
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