JP2003151594A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】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を可能にする。 【解決手段】電解質膜・電極構造体３０が第１および第
２セパレータ３８、４０を介して複数個積層された積層
体１４を備え、前記積層体１４の両側にカソード側集電
板１６ａおよびアノード側集電板１６ｂを介して発熱部
材１８ａ、１８ｂが設けられる。発熱部材１８ａ、１８
ｂは、金属箔ヒータ５６を備え、この金属箔ヒータ５６
が絶縁フイルム５８によりラミネートされている。

Description

【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電力取り出し端子を設けるとと
もに、少なくとも一方の電力取り出し端子には、前記積
層体に対向する面とは反対の面に対向して発熱部材が配
設される。この発熱部材は、少なくとも片側に絶縁フイ
ルムが設けられた金属箔ヒータを備えている。 【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、１２
ｂ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４２
ｂが設けられる。 【００１９】第１セパレータ３８は、アノード側電極３
４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５
０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５
６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１６
ａ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１
０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４
２ａ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、１
２ｂ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４
８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、１８
ｂ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１８
ａ、１８ｂ自体が加熱され、前記発熱部材１８ａ、１８
ｂ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１
２ａ、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１８
ａ、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

フロントページの続き (72)発明者 加藤 英男 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 (72)発明者 林 勝美 埼玉県和光市中央１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 AA06 CC03 CX04 EE18 5H027 AA06 CC11

Claims (1)

1. 【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
   体の両側に電力取り出し端子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には、前記積層体に
   対向する面とは反対の面に対向して発熱部材が配設され
   るとともに、 前記発熱部材は、少なくとも片側に絶縁フイルムが設け
   られた金属箔ヒータを備えることを特徴とする燃料電池
   スタック。