WO2011045839A1 - 燃料電池スタック - Google Patents

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後藤荘吾
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トヨタ自動車株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell stack having a configuration in which a plurality of single cells are stacked.
  • the fuel cell stack is usually configured as a laminate in which a plurality of single cells including a power generation body including an electrolyte membrane and electrode catalyst layers disposed on both sides of the electrolyte membrane and a separator are stacked.
  • a current collector plate, an insulating plate, and an end plate are stacked in this order on both ends of the stacked body, and a pair of end plates are fastened with a fastening member to maintain the stacked state. Since the end plate does not generate electricity and does not generate heat, and most of the end plate is exposed to the atmosphere, the end plate is radiated and cooled naturally during operation of the fuel cell. For this reason, some single cells located at the end of the laminated body are cooled by heat conduction, causing a problem of flooding.
  • the present invention has been made to solve at least a part of the problems described above, and can be realized as the following forms or application examples.
  • a fuel cell stack A laminate configured by laminating a plurality of power generation bodies including an electrolyte membrane and electrode catalyst layers disposed on both surfaces of the electrolyte membrane via a separator provided with a flow path for supplying a reaction gas to the electrode catalyst layer; , Current collector plates arranged at both ends of the laminate, for collecting electricity generated by the laminate and taking it out to the outside; With The separator and the current collector plate include an anode exhaust gas discharge hole for discharging anode exhaust gas, a cathode exhaust gas discharge hole for discharging cathode exhaust gas, and a medium for keeping the temperature of the laminate substantially constant.
  • At least one of medium supply holes for supplying into the laminate is formed, In the anode current collector disposed at the anode side end of the laminate, An output terminal for taking out at least a part of the collected electricity to the outside is a fuel cell stack provided in the vicinity of at least one of the anode exhaust gas discharge hole, the cathode exhaust gas discharge hole, and the medium supply hole.
  • Flooding is likely to occur near the cathode exhaust gas exhaust hole, anode exhaust gas exhaust hole, and medium supply hole.
  • the catalyst may deteriorate.
  • the output terminal generates heat due to electric resistance when taking out electricity. Therefore, by providing an output terminal in the vicinity of at least one of the cathode exhaust gas discharge hole, the anode exhaust gas discharge hole, and the medium supply hole in the anode-side current collector plate, it is possible to heat a portion where flooding is likely to occur and suppress flooding. can do. By doing in this way, flooding can be suppressed, suppressing the enlargement of a fuel cell stack.
  • the fuel cell according to Application Example 1 The anode-side current collector plate is a fuel cell in which the electric resistance per unit length in the vicinity of the output terminal is partially larger than the remaining portion.
  • the amount of heat generated in a portion where flooding is likely to occur is increased, so that flooding can be suppressed more satisfactorily.
  • Application Example 3 The fuel cell according to Application Example 2, A fuel cell in which an electrical resistance per unit length is increased by forming a plate thickness in the vicinity of the output terminal partially thinner than the remaining portion.
  • the present invention can be realized in various forms, for example, in the form of a fuel cell system including the fuel cell stack, a vehicle including the fuel cell system, and the like.
  • FIG. 6 is a plan view showing a schematic configuration of an anode side current collector plate of Modification 1.
  • FIG. 10 is a plan view showing a schematic configuration of an anode side current collector plate of Modification 2.
  • FIG. 1 is a plan view showing a schematic configuration of a fuel cell stack 100 as a first embodiment of the present invention.
  • the fuel cell stack 100 is a polymer electrolyte fuel cell that generates power using air as an oxidizing gas and hydrogen as a fuel gas.
  • the fuel cell stack 100 includes a stacked body 400 in which a plurality of single cells 40 configured by sandwiching a seal member integrated MEA with a separator are stacked.
  • the anode side current collecting plate 30, the insulating plate 20, and the end plate 10 are laminated
  • the fuel cell stack 100 is fastened and held by a tension plate or the like with a predetermined pressing force applied in the stacking direction.
  • the number of stacked single cells 40 can be arbitrarily set according to the output required for the fuel cell stack 100. In FIG. 1, some of the plurality of single cells 40 arranged between the anode-side current collector plate 30 and the cathode-side current collector plate 50 are denoted by reference numerals, and others are omitted.
  • the fuel cell stack 100 is provided with an anode gas supply manifold, an anode exhaust gas discharge manifold, a cathode gas supply manifold, a cathode exhaust gas discharge manifold, a cooling water supply manifold, and a cooling water discharge manifold penetrating in the stacking direction of the fuel cell stack 100.
  • These manifolds are provided respectively by laminating the above-described seal member integrated MEA, separator, end plates 10 and 70, insulating plates 20 and 60, anode-side current collecting plate 30, and cathode-side current collecting plate 50. It is comprised by the made through-hole.
  • cooling water is used as the cooling medium, but other cooling mediums such as ethylene glycol and propylene glycol may be used.
  • the end plates 10 and 70 are made of metal such as steel in order to ensure rigidity.
  • the anode-side current collector plate 30 and the cathode-side current collector plate 50 use stainless steel, but instead of stainless steel, other metals such as titanium and aluminum, dense carbon, and other gas-impermeable conductive members are used. May be used.
  • the insulating plates 20 and 60 are formed of an insulating member such as rubber or resin.
  • the anode side current collecting plates 30 and 50 are provided with output terminals 39 and 59, respectively, so that the power generated by the fuel cell stack 100 can be output.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram schematically showing a cross-sectional configuration of the single cell 40.
  • an anode side separator 44 and a cathode side separator 46 are arranged on both surfaces of the seal member integrated MEA 42, respectively.
  • a frame-shaped seal member 422 is integrally formed with the MEA 421 on the outer periphery of the MEA 421 having a substantially rectangular outer shape.
  • the MEA 421 is configured by laminating an anode 424 and an anode side diffusion layer 425 in this order on one surface of the electrolyte membrane 423 and laminating a cathode 426 and a cathode side diffusion layer 427 in this order on the other surface.
  • the electrolyte membrane 423 a polymer electrolyte membrane formed of a fluororesin is used.
  • anode 424 and the cathode 426 an electrode formed from a carbon carrier carrying platinum and a platinum alloy as a catalyst is used.
  • anode side diffusion layer 425 and the cathode side diffusion layer 427 carbon felt subjected to water repellent processing is used.
  • the anode-side diffusion layers 425 and 216c are subjected to water repellent processing in order to enhance drainage, but a configuration in which water repellent processing is not performed may be employed.
  • the seal member 422 is formed by injection molding using silicone rubber. The material of each part constituting the seal member integrated MEA 42 is not limited to the present embodiment, and various known materials may be used.
  • An anode gas flow path 441 for distributing and flowing the anode gas in the surface direction of the anode side diffusion layer 425 is formed on the surface of the anode side separator 44 that contacts the anode side diffusion layer 425, and the other surface. Is formed with a cooling water passage 442 for flowing cooling water.
  • a cathode gas channel 461 for distributing and flowing the cathode gas in the surface direction of the cathode side diffusion layer 427 is formed on the surface of the cathode side separator 46 that contacts the cathode side diffusion layer 427.
  • the anode side separator 44 and the cathode side separator 46 are made of stainless steel.
  • the material of the separator is not limited to this example, and other metal such as titanium or aluminum, or a gas impermeable conductive member such as dense carbon may be used.
  • a separator is not limited to a present Example,
  • the separator of various structures can be used.
  • an anode gas channel and a cathode gas channel may be formed on both sides of one separator.
  • a separator having a three-layer structure may be used in which a porous body is used as the gas flow path, a smooth surface facing the porous body is provided, and a cooling water flow path is provided inside.
  • FIG. 3 is a plan view showing a schematic plan configuration of the anode-side current collecting plate 30.
  • the anode side current collector plate 30 includes a current collector 38 and an output terminal 39.
  • the current collector 38 is a flat plate having an outer shape that is substantially the same as the outer shape of the unit cell 40, and the anode gas supply manifold, the anode exhaust gas discharge manifold, the cathode exhaust gas discharge manifold, and the cathode are arranged on the periphery thereof.
  • a gas supply manifold, cooling water supply manifold, and cooling water discharge manifold, anode gas supply through hole 33, anode exhaust gas discharge through hole 34, cathode gas supply through hole 31, cathode exhaust gas discharge through hole 32, cooling A water supply through hole 35 and a cooling water discharge through hole 36 are formed.
  • the output terminal 39 is electrically connected to an external load device such as a secondary battery or a drive motor for running the vehicle, for example, to take out the electricity generated by the fuel cell stack 100 and supply it to the external load. Terminal.
  • the output terminal 39 is provided in the vicinity of the anode exhaust gas discharge through hole 34, in the vicinity of the cathode exhaust gas discharge through hole 32, and in the vicinity of the cooling water supply through hole 35.
  • the output terminal 39 Since the output terminal 39 has a smaller cross-sectional area than the current collector 38, the amount of heat generated when taking out the electricity generated by the fuel cell stack 100 is larger than that of the current collector 38. Therefore, in the anode side current collector plate 30 of the present embodiment, the temperature in the vicinity of the output terminal 39 is higher than that in other regions in the plane of the current collector 38.
  • the output terminal 59 of the cathode current collector 50 is also provided at the same location as the anode current collector 30.
  • the output terminal 39 of the anode current collector 30 is provided in the vicinity of the anode exhaust gas discharge through hole 34, whereas in the fuel cell stack of the comparative example, the anode An output terminal in the side current collector plate is provided in the vicinity of the anode gas supply through hole 33. That is, the output terminal 39 in the embodiment is disposed in the vicinity of the region F surrounded by the broken line in FIG. 3, whereas the output terminal in the comparative example is not disposed in the vicinity of the region F.
  • the output terminal of the cathode side current collector plate of the comparative example is also arranged at a position corresponding to the anode side current collector plate.
  • the fuel cell stack of the comparative example has the same configuration as that of the fuel cell stack 100 of the present embodiment, except that the arrangement of output terminals is different from that of the fuel cell stack 100 of the present embodiment.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between cell position and temperature in the fuel cell stack.
  • FIG. 5 is a graph showing the change over time of the temperature of the fuel cell stack. The temperature is measured in a region corresponding to the region F in all single cells and current collector plates. 4 and 5, the temperature change in the fuel cell stack 100 of the present embodiment is shown by a solid line, and the temperature change in the fuel cell stack of a comparative example is shown by a broken line.
  • the temperature of the region F in the anode-side current collector plate 30 and the cathode-side current collector plate 50 is higher than that in the comparative example, and a single cell near the end of the stack is obtained.
  • the temperature is higher (FIGS. 4 and 5). Therefore, in the fuel cell stack 100 of the present embodiment, flooding can be suppressed more than in the comparative example.
  • water tends to accumulate in the vicinity of the anode exhaust gas discharge through hole, the cathode exhaust gas discharge through hole, and the cooling water supply through hole. That is, water tends to accumulate in a region corresponding to the region F inside the single cell.
  • the output terminal 39 is provided in the vicinity of the region F where water tends to accumulate (FIG. 3), it is considered that flooding is effectively suppressed.
  • the fuel cell stack 100 of the present embodiment it is possible to suppress the deterioration of the catalyst at the anode of the single cell 40 disposed near the anode side current collecting plate 30.
  • the reason is considered as follows.
  • the temperature of the region F of the anode-side current collector plate 30 is increased from that of the comparative example.
  • the temperature difference between the electrodes in the single cell near the side current collecting plate 30 is made smaller than that in the comparative example (FIGS. 4 and 5).
  • the cathode side current collecting plate 50 In the fuel cell stack 100, in the single cell near the cathode side current collecting plate 50, a lot of water exists on the cathode side. When flooding occurs on the cathode side, air is not supplied, and the cell voltage may be reduced. On the other hand, in the present embodiment, since the output terminal 59 is also provided in the vicinity of the area where the flooding is likely to occur in the cathode side current collector plate 50, the flooding on the cathode side is suppressed, and the cell voltage drop is suppressed. can do.
  • the fuel cell stack 100 of the present embodiment since it is possible to suppress flooding without providing heating means such as a heater, flooding can be suppressed while suppressing an increase in size of the fuel cell stack.
  • heating means such as a heater
  • flooding can be suppressed while suppressing an increase in size of the fuel cell stack.
  • a heater when a heater is provided, electric power for driving the heater and a control device for controlling the heater is required, and there is a problem that utilization efficiency of electric power generated by the fuel cell stack is reduced.
  • the utilization efficiency of the electric power generated by the fuel cell stack can be improved as compared with the case where the heater is provided.
  • FIG. 6 is a diagram schematically showing the configuration of the anode current collector plate in the second embodiment. 6A is a plan view, and FIG. 6B is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.
  • the anode side current collecting plate 30A of the present embodiment includes a current collecting portion 38A and an output terminal 39 similarly to the anode side current collecting plate 30 in the first embodiment.
  • the current collector 38A in this embodiment has a substantially rectangular outer shape similar to that of the current collector 38 in the first embodiment, and includes a cathode gas supply through hole 31, a cathode exhaust gas discharge through hole 32, and an anode gas supply.
  • the through-hole 33 for an anode exhaust gas discharge, the through-hole 34 for exhaust gas discharge, the through-hole 35 for cooling water supply, and the through-hole 36 for cooling water discharge are arranged in the same manner as in the first embodiment.
  • the output terminal 39 is arranged at the same position as in the first embodiment.
  • the current collector 38A in this embodiment is different from the current collector 38 in the first embodiment in that a high electrical resistance region 37 is provided in the vicinity of the output terminal 39. As shown in FIG. 6B, the high electrical resistance region 37 is thinner than the remaining region. The electrical resistance is inversely proportional to the cross-sectional area. Therefore, in the current collector 38A, the electrical resistance per unit length of the high electrical resistance region 37 is larger than the remaining region. Therefore, when the electricity generated by the fuel cell stack is taken out via the output terminal 39, the amount of heat generated by the electricity flowing through the high electrical resistance region 37 is larger than the remaining region. Therefore, since the area where flooding is likely to occur can be further heated, the occurrence of flooding can be suppressed.
  • the region of the insulating plate 20A facing the high electrical resistance region 37 is formed in a protruding shape so as to be fitted to the high electrical resistance region 37 (FIG. 6B). ). By doing so, it is possible to suppress a decrease in the pressing force in the stacking direction of the fuel cell stack in the high electrical resistance region 37.
  • Modification 1 The arrangement of the output terminal 39 in the anode side current collecting plate 30 is not limited to the above-described embodiment, and may be provided in the vicinity of at least one of the anode exhaust gas discharge hole, the cathode exhaust gas discharge hole, and the cooling medium supply hole. For example, the following arrangements of the first and second modifications may be used.
  • FIG. 7 is a plan view showing a schematic configuration of the anode side current collector plate 30B of the first modification.
  • the anode side current collector plate 30 ⁇ / b> B includes a current collector 38 ⁇ / b> B and an output terminal 39.
  • the current collector 38B of Modification 1 includes a cathode gas supply through hole 31, a cathode exhaust gas discharge through hole 32, an anode gas supply through hole 33, an anode exhaust gas discharge through hole 34, and a cooling water supply through hole 35.
  • the arrangement is different from that of the current collector 38 of the first embodiment.
  • the output terminal 39 is provided in the vicinity of the cooling water supply through hole 35 and the cathode exhaust gas discharge through hole 32. Even in this case, it is possible to heat the vicinity of the cooling water supply through-hole 35 and the vicinity of the cathode exhaust gas discharge through-hole 32 where flooding is likely to occur, so that the occurrence of flooding can be suppressed.
  • FIG. 8 is a plan view showing a schematic configuration of the anode-side current collecting plate 30C of the second modification.
  • the anode current collector 30C includes a current collector 38C and output terminals 391 and 392.
  • the current collector 38C of Modification 2 includes a cathode gas supply through hole 31, a cathode exhaust gas discharge through hole 32, an anode gas supply through hole 33, an anode exhaust gas discharge through hole 34, and a cooling water supply through hole 35.
  • the arrangement is different from that of the current collector 38 of the first embodiment.
  • the output terminal 391 is provided in the vicinity of the anode exhaust gas discharge through hole 34, and the output terminal 392 is provided in the vicinity of the cathode exhaust gas discharge through hole 32.
  • the generation of flooding can be suppressed because the vicinity of the anode exhaust gas discharge through hole 34 and the cathode exhaust gas discharge through hole 32, which are likely to be flooded, can be heated by the heat generated at the output terminals 391 and 392. can do.
  • the output terminal 59 is provided at a position corresponding to the position of the output terminal 39 in the anode side current collecting plate 30.
  • the position may not be a position corresponding to the position of the output terminal 39.
  • it may be provided in the vicinity of the anode gas supply through hole 33.
  • the electrical resistance per unit length is increased by reducing the plate thickness in the high electrical resistance region 37 compared to the remaining region, but the high electrical resistance region is obtained by other methods.
  • the electrical resistance per unit length of 37 may be increased.
  • a material having a higher specific resistance (electric resistivity) than the remaining region may be used for the high electrical resistance region 37. Even in this case, the occurrence of flooding can be suppressed by heating the region where flooding is likely to occur.
  • the width of the output terminal 39 in the anode current collector 30 may be narrower than the width of the output terminal 59 in the cathode current collector 50.
  • the electrical resistance at the output terminal 39 of the anode-side current collector 30 is greater than the electrical resistance at the output terminal 59 of the cathode-side current collector 50. Therefore, the temperature in the vicinity of the output terminal 39 in the anode side current collector plate 30 is higher than the temperature in the vicinity of the output terminal 59 of the cathode side current collector plate 50.
  • anode-side flooding in a single cell near the anode-side end can be suppressed, and catalyst deterioration can be suppressed.
  • Insulating plate 70 ... End plate 100 ... Fuel cell stack 400 ... Laminated body 421 ... MEA 422 ... Sealing member 423 ... Electrolyte membrane 424 ... Anode 425 ... Anode side diffusion layer 426 ... Cathode 427 ... Cathode side diffusion layer 441 ... Anode gas flow path 442 ... Cooling water flow path 461 ... Cathode gas flow path

Abstract

　燃料電池スタックであって、電解質膜と電解質膜の両面に配置される電極触媒層とを含む発電体を、電極触媒層に反応ガスを供給する流路を供えるセパレータを介して複数積層して構成される積層体と、積層体の両端に配置され、積層体にて発電された電気を集めて外部に取り出すための集電板と、を備え、セパレータおよび集電板には、アノード排ガスを排出するためのアノード排ガス排出孔と、カソード排ガスを排出するためのカソード排ガス排出孔と、積層体の温度を略一定に保つための媒体を積層体内に供給するための媒体供給孔とのうち少なくとも一つが形成され、積層体のアノード側の端に配置されるアノード側集電板において、集めた電気の少なくとも一部を外部に取り出すための出力端子は、アノード排ガス排出孔、カソード排ガス排出孔、および媒体供給孔の少なくとも１つの近傍に設けられる。

Description

燃料電池スタック
　本発明は、単セルを複数積層した構成を有する燃料電池スタックに関するものである。
　燃料電池スタックは、通常、電解質膜と電解質膜の両面に配置される電極触媒層とを含む発電体とセパレータを含む単セルを複数積層した積層体として構成されている。この燃料電池スタックでは、積層体の両端に集電板、絶縁板、エンドプレートの順に積層して、１対のエンドプレートを締結部材にて締結することにより、積層状態を保持する。エンドプレートは、発電をしないため発熱せず、また大部分が大気に触れているため、燃料電池の運転中も放熱して自然に冷却される。そのため、積層体の端部に位置するいくつかの単セルは、熱伝導により冷却され、フラッディングが生じるという問題があった。
　このような問題に対して、燃料電池スタックの運転中にヒータを用いて燃料電池スタックの温度分布を平準化する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平８－３０６３８０号公報 特開２００５－１５８４３１号公報
　しかしながら、ヒータを設ける構成にすると、燃料電池スタックの全体寸法が大きくなるという問題があった。そのため、燃料電池スタックの大型化を抑制しつつ、フラッディングを抑制したいという要望があった。
　本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
［適用例１］　燃料電池スタックであって、
　電解質膜と前記電解質膜の両面に配置される電極触媒層とを含む発電体を、前記電極触媒層に反応ガスを供給する流路を供えるセパレータを介して複数積層して構成される積層体と、
　前記積層体の両端に配置され、前記積層体にて発電された電気を集めて外部に取り出すための集電板と、
　を備え、
　前記セパレータおよび前記集電板には、アノード排ガスを排出するためのアノード排ガス排出孔と、カソード排ガスを排出するためのカソード排ガス排出孔と、前記積層体の温度を略一定に保つための媒体を前記積層体内に供給するための媒体供給孔とのうち少なくとも一つが形成され、
　前記積層体のアノード側の端に配置されるアノード側集電板において、
　前記集めた電気の少なくとも一部を外部に取り出すための出力端子は、前記アノード排ガス排出孔、前記カソード排ガス排出孔、および前記媒体供給孔の少なくとも１つの近傍に設けられる燃料電池スタック。
　カソード排ガス排出孔、アノード排ガス排出孔、媒体供給孔付近では、フラッディングが生じやすい。特に、アノード側でフラッディングが生じると、触媒の劣化が生じるおそれがある。出力端子は、電気を取り出す際の電気抵抗により発熱する。したがって、アノード側集電板において、カソード排ガス排出孔、アノード排ガス排出孔、媒体供給孔の少なくとも１つの近傍に出力端子を設けることによって、フラッディングが生じやすい部分を加熱することができ、フラッディングを抑制することができる。このようにすることによって、燃料電池スタックの大型化を抑制しつつ、フラッディングを抑制することができる。
［適用例２］　適用例１記載の燃料電池であって、
　前記アノード側集電板は、前記出力端子の近傍の単位長さあたりの電気抵抗が部分的に残余の部分よりも大きい燃料電池。
　このようにすると、フラッディングが生じやすい部分における発熱量が大きくなるため、より良好にフラッディングを抑制することができる。
［適用例３］　適用例２記載の燃料電池であって、
　前記出力端子の近傍の板厚を部分的に残余の部分よりも薄く形成することにより単位長さあたりの電気抵抗を大きくする燃料電池。
　このようにすると、容易に電気抵抗を大きくすることができる。
　なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、上記燃料電池スタックを備える燃料電池システム、その燃料電池システムを備える車両等の形態で実現することができる。
本発明の第１の実施例としての燃料電池スタックの概略構成を示す平面図である。 単セルの断面構成を概略的に示す説明図である。 アノード側集電板の概略平面構成を示す平面図である。 燃料電池スタックにおけるセルの位置と温度の関係を示すグラフである。 燃料電池スタックの温度の時間変化を示すグラフである。 第２の実施例におけるアノード側集電板の構成を概略的に示す図である。 変形例１のアノード側集電板の概略構成を示す平面図である。 変形例２のアノード側集電板の概略構成を示す平面図である。
Ａ．第１の実施例：
Ａ１．燃料電池スタックの構成：
　図１は、本発明の第１の実施例としての燃料電池スタック１００の概略構成を示す平面図である。燃料電池スタック１００は、酸化ガスとしての空気と燃料ガスとしての水素とを用いて発電を行う固体高分子型の燃料電池である。燃料電池スタック１００は、シール部材一体型ＭＥＡをセパレータで挟持して構成される単セル４０が複数積層された積層体４００を有する。そして、積層体のアノード側の端にアノード側集電板３０、絶縁板２０、エンドプレート１０が積層され、カソード側の端に、同様に、カソード側集電板５０、絶縁板６０、エンドプレート７０が積層される。燃料電池スタック１００は、図示を省略したが、テンションプレート等により、積層方向に所定の押圧力がかかった状態で締結されて保持されている。単セル４０の積層数は、燃料電池スタック１００に要求される出力に応じて任意に設定可能である。なお、図１において、アノード側集電板３０、カソード側集電板５０の間に配置される複数の単セル４０のうち、一部について符号を記載し、他を省略している。
　燃料電池スタック１００には、燃料電池スタック１００の積層方向に貫通するアノードガス供給マニホールド、アノード排ガス排出マニホールド、カソードガス供給マニホールド、カソード排ガス排出マニホールド、冷却水供給マニホールド、冷却水排出マニホールドが設けられている。これらのマニホールドは、上記したシール部材一体型ＭＥＡ、セパレータ、エンドプレート１０、７０、絶縁板２０、６０、アノード側集電板３０、カソード側集電板５０が積層されることにより、それぞれに設けられた貫通孔によって構成される。本実施例において、冷却媒体として、冷却水を用いているが、エチレングリコーリル、プロピレングリコール等の他の冷却媒体を用いてもよい。
　エンドプレート１０、７０は、剛性を確保するため、鋼等の金属によって形成されている。アノード側集電板３０、カソード側集電板５０は、ステンレス鋼を用いているが、ステンレス鋼に代えて、チタンやアルミニウム等、他の金属や、緻密カーボン等、ガス不透過な導電性部材を用いてもよい。絶縁板２０、６０は、ゴムや樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。アノード側集電板３０、５０には、それぞれ出力端子３９、５９が設けられており、燃料電池スタック１００で発電した電力を出力可能となっている。
　図２は、単セル４０の断面構成を概略的に示す説明図である。単セル４０は、シール部材一体型ＭＥＡ４２の両面に、アノード側セパレータ４４、カソード側セパレータ４６がそれぞれ配置されている。
　シール部材一体型ＭＥＡ４２は、外形が略矩形状のＭＥＡ４２１の外周に、枠状のシール部材４２２が、ＭＥＡ４２１と一体的に形成されている。ＭＥＡ４２１は、電解質膜４２３の一方の面にアノード４２４、アノード側拡散層４２５の順に積層され、他方の面にカソード４２６、カソード側拡散層４２７の順に積層されて構成される。
　本実施例において、電解質膜４２３としては、フッ素系樹脂により形成された高分子電解質膜を用いている。アノード４２４およびカソード４２６としては、触媒として白金および白金合金を担持したカーボン担体より形成された電極を用いている。アノード側拡散層４２５およびカソード側拡散層４２７としては、撥水加工が施されたカーボンフェルトを用いている。本実施例では、排水性を高めるために、アノード側拡散層４２５、２１６ｃに撥水加工を施しているが、撥水加工が施されていない構成にしてもよい。シール部材４２２は、シリコーンゴムを用いて射出成型により形成されている。シール部材一体型ＭＥＡ４２を構成する各部の材料は、本実施例に限定されず、周知の種々の材料を用いてもよい。
　アノード側セパレータ４４のアノード側拡散層４２５と当接する面には、アノードガスを、アノード側拡散層４２５の面方向に分配して流すためのアノードガス流路４４１が形成されており、他方の面には冷却水を流すための冷却水流路４４２が形成されている。一方、カソード側セパレータ４６のカソード側拡散層４２７と当接する面には、カソードガスを、カソード側拡散層４２７の面方向に分配して流すためのカソードガス流路４６１が形成されている。本実施例において、アノード側セパレータ４４およびカソード側セパレータ４６は、ステンレス鋼を用いている。セパレータの材料は本実施例に限定されず、チタンやアルミニウム等、他の金属や、緻密カーボン等、ガス不透過な導電性部材を用いてもよい。
　なお、セパレータの構成は、本実施例に限定されず、種々の構成のセパレータを用いることができる。例えば、１枚のセパレータの両面にアノードガス流路とカソードガス流路がそれぞれ形成される構成としてもよい。ガス流路として多孔体を用い、多孔体と対向する平滑面を備え、内部に冷却水流路を備える３層構成のセパレータを用いてもよい。
　図３は、アノード側集電板３０の概略平面構成を示す平面図である。アノード側集電板３０は、集電部３８と出力端子３９とを備える。集電部３８は、外形が単セル４０の外形と同一の略矩形状を成す平板状であり、その周縁部には、上記したアノードガス供給マニホールド、アノード排ガス排出マニホールド、カソード排ガス排出マニホールド、カソードガス供給マニホールド、冷却水供給マニホールド、冷却水排出マニホールドを構成する、アノードガス供給用貫通孔３３、アノード排ガス排出用貫通孔３４、カソードガス供給用貫通孔３１、カソード排ガス排出用貫通孔３２、冷却水供給用貫通孔３５、冷却水排出用貫通孔３６が形成されている。
　出力端子３９は、例えば、二次電池や、車両を走行させるための駆動モータなどの外部負荷装置と電気的に接続され、燃料電池スタック１００で発電された電気を取り出して外部負荷に供給するための端子である。出力端子３９は、アノード排ガス排出用貫通孔３４の近傍であり、かつカソード排ガス排出用貫通孔３２の近傍であり、かつ冷却水供給用貫通孔３５の近傍に設けられている。
　出力端子３９は、集電部３８に比べて断面積が小さいため、燃料電池スタック１００で発電された電気を取り出す際に発熱する熱量が、集電部３８よりも大きい。したがって、本実施例のアノード側集電板３０では、集電部３８の平面内において、出力端子３９の近傍は、他の領域よりも温度が高くなる。
　本実施例において、カソード側集電板５０における出力端子５９も、アノード側集電板３０と同様の箇所に設けられている。
Ａ２．実施例の効果：
　本実施例の効果を比較例と比較して図４、５に基づいて説明する。本実施例における燃料電池スタック１００では、アノード側集電板３０における出力端子３９が、アノード排ガス排出用貫通孔３４の近傍に設けられているのに対して、比較例の燃料電池スタックでは、アノード側集電板における出力端子が、アノードガス供給用貫通孔３３の近傍に設けられている。すなわち、実施例における出力端子３９は、図３において破線で囲んで示す領域Ｆの近傍に配置されているのに対し、比較例の出力端子は、領域Ｆの近傍に配置されていない。比較例のカソード側集電板における出力端子も、アノード側集電板と対応する位置に配置されている。比較例の燃料電池スタックは、出力端子の配置が本実施例の燃料電池スタック１００と異なる以外は、本実施例の燃料電池スタック１００の構成と同一の構成を有する。
　図４は、燃料電池スタックにおけるセルの位置と温度の関係を示すグラフである。図５は、燃料電池スタックの温度の時間変化を示すグラフである。温度は、全ての単セルおよび集電板において領域Ｆに対応する領域にて測定している。図４、５では、本実施例の燃料電池スタック１００における温度変化を実線、比較例の燃料電池スタックにおける温度変化を破線で示す。
　本実施例の燃料電池スタック１００の運転中および運転直後は、アノード側集電板３０およびカソード側集電板５０における領域Ｆの温度が比較例よりも高く、積層体の端部付近の単セルの温度が高くなっている（図４、５）。そのため、本実施例の燃料電池スタック１００では、比較例よりもフラッディングを抑制することができる。
　一般に、燃料電池スタックにおいて、アノード排ガス排出用貫通孔、カソード排ガス排出用貫通孔、冷却水供給用貫通孔の近傍に水（水蒸気、液水を含む）が溜まりやすい。すなわち、単セル内部において、領域Ｆに対応する領域に水が溜まりやすい。本実施例の燃料電池スタック１００では、水が溜まりやすい領域Ｆの近傍に出力端子３９が設けられているため(図３)、フラッディングが効果的に抑制されると考えられる。
　また、本実施例の燃料電池スタック１００によれば、アノード側集電板３０の近くに配置される単セル４０のアノードにおける触媒の劣化を抑制することができる。その理由は、以下の通りと考えられる。
　単セル４０のアノード側においてフラッディングが生じると、フラッディングが生じている部分には水素が供給されないため、触媒中の炭素と水からプロトンを生成する反応（Ｃ＋２Ｈ2０→ＣＯ2＋４Ｈ+＋４ｅ-）が起き、触媒が劣化するおそれがある。一般に、燃料電池スタックにおいて、アノード側集電板付近の単セルでは、アノード側がカソード側よりも低温になるため(図４)、カソード側からアノード側に水が移動し、アノード側においてフラッディングが生じる。カソード側集電板付近の単セルでは、アノード側におけるフラッディングは生じにくい。
　本実施例の燃料電池スタック１００では、アノード側集電板３０の出力端子３９を領域Ｆの近傍に設けることによって、アノード側集電板３０の領域Ｆの温度を比較例よりも上げて、アノード側集電板３０の近くの単セルにおける電極間の温度差を比較例よりも小さくしている（図４、５）。その結果、アノード側集電板３０の近くの単セルでは、カソード側からアノード側への水の移動が抑制され、アノード側でのフラッディングが抑制される。したがって、アノード側における水素の欠乏による触媒の劣化を抑制することができる。
　なお、燃料電池スタック１００において、カソード側集電板５０の近くの単セルでは、カソード側に水が多く存在する。カソード側でフラッディングが生じると空気が供給されないため、セル電圧が低下するおそれがある。これに対して、本実施例では、カソード側集電板５０においても、出力端子５９をフラッディングが生じやすい領域の近傍に設けているため、カソード側におけるフラッディングが抑制され、セル電圧の低下を抑制することができる。
　さらに、本実施例の燃料電池スタック１００によれば、ヒータ等の加熱手段を設けず、フラッディング抑制することができるため、燃料電池スタックの大型化を抑制しつつ、フラッディングを抑制することができる。また、例えば、ヒータを設ける構成にすると、ヒータやヒータを制御するための制御装置を駆動するための電力が必要となり、燃料電池スタックにて発電された電力の利用効率が低下するという問題があるが、本実施例の燃料電池スタック１００によれば、ヒータを設ける場合に比べて、燃料電池スタックにて発電された電力の利用効率を向上させることができる。
Ｂ．第２の実施例：
　第２の実施例の燃料電池スタックは、アノード側集電板の構成が第１の実施例と異なる以外は第１の実施例と同一であるため、アノード側集電板について説明し、その他の構成の説明は省略する。図６は、第２の実施例におけるアノード側集電板の構成を概略的に示す図である。図６(ａ)は平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ－Ａ切断面を示す断面図である。
　本実施例のアノード側集電板３０Ａは、第１の実施例におけるアノード側集電板３０と同様に、集電部３８Ａと出力端子３９を備える。本実施例における集電部３８Ａは、第１の実施例における集電部３８と同様の略矩形の外形を成し、カソードガス供給用貫通孔３１、カソード排ガス排出用貫通孔３２、アノードガス供給用貫通孔３３、アノード排ガス排出用貫通孔３４、冷却水供給用貫通孔３５、冷却水排出用貫通孔３６が第１の実施例と同様に配置されている。そして、出力端子３９は、第１の実施例と同様の位置に配置されている。
　本実施例における集電部３８Ａが第１の実施例における集電部３８と異なるのは、出力端子３９の近傍に高電気抵抗領域３７が設けられている点である。高電気抵抗領域３７は、図６（Ｂ）に示すように、残余の領域に比べて板厚が薄い。電気抵抗は、断面積に反比例する。したがって、集電部３８Ａにおいて、高電気抵抗領域３７の単位長さあたりの電気抵抗は、残余の領域よりも大きい。したがって、燃料電池スタックにて発電された電気を出力端子３９を介して取り出す際に、高電気抵抗領域３７を流れる電気によって発生する熱量は、残余の領域よりも大きい。したがって、フラッディングが生じやすい領域をさらに加熱することができるため、フラッディングの発生を抑制することができる。
　なお、本実施例の燃料電池スタックにおいて、絶縁板２０Ａの高電気抵抗領域３７と対向する領域は、高電気抵抗領域３７に嵌め合わせられるように突起状に形成されている(図６（Ｂ）)。このようにすることによって、高電気抵抗領域３７における、燃料電池スタックの積層方向の押圧力の低下を抑制することができる。
Ｃ．変形例：
　なお、この発明は上記の実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
Ｃ１．変形例１：
　アノード側集電板３０における出力端子３９の配置は、上記実施例に限定されず、アノード排ガス排出孔、前記カソード排ガス排出孔、および前記冷却媒体供給孔の少なくとも１つの近傍に設けられればよい。例えば、以下の変形例１、２のような配置でもよい。
　図７は、変形例１のアノード側集電板３０Ｂの概略構成を示す平面図である。アノード側集電板３０Ｂは、集電部３８Ｂと出力端子３９とを備える。変形例１の集電部３８Ｂは、カソードガス供給用貫通孔３１、カソード排ガス排出用貫通孔３２、アノードガス供給用貫通孔３３、アノード排ガス排出用貫通孔３４、冷却水供給用貫通孔３５の配置が第１の実施例の集電部３８と異なる。出力端子３９は、冷却水供給用貫通孔３５およびカソード排ガス排出用貫通孔３２の近傍に設けられている。このようにしても、フラッディングが生じやすい冷却水供給用貫通孔３５の近傍、カソード排ガス排出用貫通孔３２の近傍を加熱することができるため、フラッディングの発生を抑制することができる。
　図８は、変形例２のアノード側集電板３０Ｃの概略構成を示す平面図である。アノード側集電板３０Ｃは、集電部３８Ｃと出力端子３９１、３９２とを備える。変形例２の集電部３８Ｃは、カソードガス供給用貫通孔３１、カソード排ガス排出用貫通孔３２、アノードガス供給用貫通孔３３、アノード排ガス排出用貫通孔３４、冷却水供給用貫通孔３５の配置が第１の実施例の集電部３８と異なる。出力端子３９１はアノード排ガス排出用貫通孔３４の近傍に設けられ、出力端子３９２はカソード排ガス排出用貫通孔３２の近傍に設けられている。このようにしても、各出力端子３９１、３９２における発熱により、フラッディングが生じやすいアノード排ガス排出用貫通孔３４、カソード排ガス排出用貫通孔３２の近傍を加熱することができるため、フラッディングの発生を抑制することができる。
Ｃ２．変形例２：
　上記実施例では、カソード側集電板５０において、アノード側集電板３０における出力端子３９の位置と対応する位置に出力端子５９を設けているが、カソード側集電板５０における出力端子５９の位置は、出力端子３９の位置と対応する位置でなくてもよい。例えば、アノードガス供給用貫通孔３３の近傍に設けられていてもよい。このようにしても、アノード側集電板３０の近くに配置される単セル４０のアノード側におけるフラッディングを抑制することができるため、触媒の劣化を抑制することができる。
Ｃ３．変形例３：
　上記第２の実施例では、高電気抵抗領域３７において板厚を残余の領域と比べて薄くすることにより、単位長さあたりの電気抵抗を大きくしているが、他の方法により高電気抵抗領域３７の単位長さあたりの電気抵抗を大きくしてもよい。例えば、高電気抵抗領域３７に、残余の領域よりも比抵抗（電気抵抗率）の大きい材料を用いてもよい。このようにしても、フラッディングが生じやすい領域を加熱することにより、フラッディングの発生を抑制することができる。
Ｃ４．変形例４：
　上記実施例において、アノード側集電板３０のおける出力端子３９の幅をカソード側集電板５０における出力端子５９の幅よりも狭くしてもよい。このようにすると、アノード側集電板３０の出力端子３９における電気抵抗がカソード側集電板５０の出力端子５９における電気抵抗よりも大きくなる。そのため、アノード側集電板３０において出力端子３９近傍の温度がカソード側集電板５０の出力端子５９近傍の温度よりも高くなる。その結果、燃料電池スタック１００において、特に、アノード側の端部の近くの単セルにおけるアノード側のフラッディングを抑制することができ、触媒の劣化を抑制することができる。
　　１０…エンドプレート
　　２０、２０Ａ…絶縁板
　　３０、３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ…アノード側集電板
　　３１…カソードガス供給用貫通孔
　　３２…カソード排ガス排出用貫通孔
　　３３…アノードガス供給用貫通孔
　　３４…アノード排ガス排出用貫通孔
　　３５…冷却水供給用貫通孔
　　３６…冷却水排出用貫通孔
　　３７…高電気抵抗領域
　　３８、３８Ａ、３８Ｂ、３８Ｃ…集電部
　　３９、３９１、３９２、５９…出力端子
　　４０…単セル
　　４２…シール部材一体型ＭＥＡ
　　４４…アノード側セパレータ
　　４６…カソード側セパレータ
　　５０…カソード側集電板
　　６０…絶縁板
　　７０…エンドプレート
　　１００…燃料電池スタック
　　４００…積層体
　　４２１…ＭＥＡ
　　４２２…シール部材
　　４２３…電解質膜
　　４２４…アノード
　　４２５…アノード側拡散層
　　４２６…カソード
　　４２７…カソード側拡散層
　　４４１…アノードガス流路
　　４４２…冷却水流路
　　４６１…カソードガス流路

Claims (3)

  1. 　燃料電池スタックであって、
    　電解質膜と前記電解質膜の両面に配置される電極触媒層とを含む発電体を、前記電極触媒層に反応ガスを供給する流路を供えるセパレータを介して複数積層して構成される積層体と、
    　前記積層体の両端に配置され、前記積層体にて発電された電気を集めて外部に取り出すための集電板と、
    　を備え、
    　前記セパレータおよび前記集電板には、アノード排ガスを排出するためのアノード排ガス排出孔と、カソード排ガスを排出するためのカソード排ガス排出孔と、前記積層体の温度を略一定に保つための媒体を前記積層体内に供給するための媒体供給孔とのうち少なくとも一つが形成され、
    　前記積層体のアノード側の端に配置されるアノード側集電板において、
    　前記集めた電気の少なくとも一部を外部に取り出すための出力端子は、前記アノード排ガス排出孔、前記カソード排ガス排出孔、および前記媒体供給孔の少なくとも１つの近傍に設けられる燃料電池スタック。
  2. 　請求項１記載の燃料電池であって、
    　前記アノード側集電板は、前記出力端子の近傍の単位長さあたりの電気抵抗が部分的に残余の部分よりも大きい燃料電池。
  3. 　請求項２記載の燃料電池であって、
    　前記出力端子の近傍の板厚を部分的に残余の部分よりも薄く形成することにより単位長さあたりの電気抵抗を大きくする燃料電池。
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