JP2012099348A - Fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池の単位セルである単位電池から構成される燃料電池層と、スペーサから構成されるスペーサ層との積層構造からなる燃料電池スタックに関する。 The present invention relates to a fuel cell stack having a laminated structure of a fuel cell layer composed of unit cells which are unit cells of a fuel cell and a spacer layer composed of spacers.
燃料電池は、小型軽量化や高出力密度を実現できる可能性を有していることから、携帯用電子機器の新規電源や家庭用コジェネレーションシステムなどへの用途展開が精力的に進められている。燃料電池は、発電主要部として、電解質膜をアノード極およびカソード極で挟んだ構成の膜電極複合体（ＭＥＡ）を備えており、使用する電解質材料や燃料の分類から、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型、固体高分子型、ダイレクトアルコール型等に分類される。とりわけ、電解質材料に固体高分子であるイオン交換膜を用いる固体高分子型燃料電池およびダイレクトアルコール型燃料電池は、常温で高い発電効率が得られることから、携帯用電子機器への応用を目的とした小型燃料電池としての期待が高い。 Since fuel cells have the potential to achieve small size and light weight and high power density, they are energetically expanding their applications to new power sources for portable electronic devices and home cogeneration systems. . The fuel cell includes a membrane electrode assembly (MEA) having an electrolyte membrane sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode as a main part of power generation. From the classification of electrolyte materials and fuels used, phosphoric acid type, molten carbonate It is classified into salt type, solid electrolyte type, solid polymer type, direct alcohol type and the like. In particular, solid polymer fuel cells and direct alcohol fuel cells that use an ion exchange membrane, which is a solid polymer, as an electrolyte material can achieve high power generation efficiency at room temperature. Expectation as a small fuel cell is high.
燃料（還元剤）としてアルコールまたはアルコール水溶液を使用するダイレクトアルコール型燃料電池は、燃料がガスである場合と比較して、燃料貯蔵室を比較的簡易に設計できるなどの理由から、燃料電池構造の簡略化および省スペース化が可能であるため、携帯用電子機器への応用に特に有利である。電解質膜としてカチオン交換膜を使用するダイレクトアルコール型燃料電池においては、アノード極に燃料を供給すると、燃料が酸化されて、二酸化炭素等の副生ガスとプロトンとに分離される。たとえば、燃料としてメタノールまたはメタノール水溶液を用いた場合では、下記式：
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ → ＣＯ2↑＋６Ｈ+＋６ｅ-
で示される酸化反応により、二酸化炭素がアノード極側で発生するとともにプロトンを生じる。
A direct alcohol fuel cell that uses alcohol or an alcohol aqueous solution as a fuel (reducing agent) has a fuel cell structure because the fuel storage chamber can be designed relatively easily compared to the case where the fuel is a gas. Since simplification and space saving are possible, it is particularly advantageous for application to portable electronic devices. In a direct alcohol fuel cell that uses a cation exchange membrane as an electrolyte membrane, when fuel is supplied to the anode electrode, the fuel is oxidized and separated into by-product gases such as carbon dioxide and protons. For example, when methanol or methanol aqueous solution is used as fuel, the following formula:
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 ↑ + 6H + + 6e −
As a result of the oxidation reaction shown in FIG. 2, carbon dioxide is generated on the anode side and protons are generated.
アノード極側で発生したプロトンは、電解質膜を介してカソード極側に伝達される。カソード極では、アノード極から伝達されたプロトンと、カソード極に供給される酸化剤、たとえば空気中の酸素とが、下記式：
３／２Ｏ2＋６Ｈ+＋６ｅ- → ３Ｈ2Ｏ
で示される還元反応を起こし、水が生成する。この一連の電気化学的酸化還元反応において、電子ｅ-が外部の電子機器（負荷）を通過してアノード極からカソード極に移動し、電力が取り出される。
Protons generated on the anode electrode side are transmitted to the cathode electrode side through the electrolyte membrane. In the cathode electrode, protons transmitted from the anode electrode and an oxidant supplied to the cathode electrode, for example, oxygen in the air, have the following formula:
3 / 2O 2 + 6H + + 6e − → 3H 2 O
The reduction reaction shown in FIG. In this series of electrochemical redox reactions, electrons e − pass through an external electronic device (load), move from the anode electrode to the cathode electrode, and electric power is taken out.
上述のように燃料電池は、携帯用電子機器への応用を目的とした小型燃料電池として期待されており、このために燃料電池には、出力電圧の向上および単位体積あたりの出力密度の向上が求められている。出力電圧および出力密度を向上させる手段として、２以上の単位電池を直列または並列に接続してスタック構造を構築する方法が知られているが、発電ロスによって生じる熱が排熱不良によりスタック構造内部に蓄積されやすく、単位電池の温度が過度に上昇するという問題があった。これは、放熱箇所が基本的にエンドプレートのみであり、放熱に寄与するスタック構造表面の面積が著しく小さいためである。単位電池の過度の温度上昇は、単位電池部材の劣化促進、出力安定性の低下（たとえば、初期の出力電圧および出力密度向上効果が次第に低下する等）、ユーザーの利用快適性低下などのさらなる問題を招来する。このような排熱不良に伴う単位電池の温度上昇の問題は、カソード極への酸化剤の供給をポンプやファン等の補機を使用することなく、自然熱対流にて行なうパッシブ型の燃料電池において特に顕著である。 As described above, the fuel cell is expected as a small fuel cell for application to portable electronic devices. For this reason, the fuel cell has improved output voltage and output density per unit volume. It has been demanded. As a means for improving the output voltage and output density, a method of constructing a stack structure by connecting two or more unit cells in series or in parallel is known. There is a problem that the temperature of the unit battery rises excessively. This is because the heat radiation location is basically only the end plate, and the area of the stack structure surface that contributes to heat radiation is extremely small. Excessive temperature rise of the unit battery further promotes deterioration of the unit battery member, lowering of output stability (for example, the effect of improving the initial output voltage and output density gradually), and lowering of user comfort. Invite The problem of the temperature rise of the unit cell due to such a defective exhaust heat is a passive type fuel cell in which the oxidant is supplied to the cathode electrode by natural heat convection without using an auxiliary device such as a pump or a fan. In particular.
上記のような問題を解決するための手段としては、放熱用または酸化剤供給用のファン燃料電池に設けたり、燃料電池に冷却水を流したりするなどの方法が従来知られているが、このような方法は、補機を必要とすることから、燃料電池システムの大型化を招き、携帯用電子機器への応用を考慮した場合、不利である。 As means for solving the above-mentioned problems, there are conventionally known methods such as providing a heat-dissipating or oxidizing agent supplying fan fuel cell or flowing cooling water through the fuel cell. Such a method requires an auxiliary machine, which leads to an increase in the size of the fuel cell system and is disadvantageous when considering application to a portable electronic device.
特許文献１（特許第２７７７２８７号公報）には、単位電池を挟むように配置された一対の熱伝導性プレートに複数のフィンを設け、フィンとフィンの間に形成される空間を周囲空気を流通させる流路として利用し、この周囲空気の流通によって単位電池で発生した熱を大気に排出することが記載されている。 In Patent Document 1 (Japanese Patent No. 2777287), a plurality of fins are provided on a pair of heat conductive plates arranged so as to sandwich a unit battery, and ambient air is circulated through a space formed between the fins. It is described that the heat generated in the unit cell is discharged to the atmosphere by the circulation of the ambient air.
本発明の目的は、発電により生じる熱を熱対流によって効率的に排出することができる、放熱性が向上された燃料電池スタックを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a fuel cell stack with improved heat dissipation, in which heat generated by power generation can be efficiently discharged by thermal convection.
本発明は、アノード極、電解質膜およびカソード極をこの順で備える１以上の単位電池を含む燃料電池層と、該燃料電池層の一方の面およびこれに対向する他方の面上に積層される２つのスペーサ層とを含み、スペーサ層は熱伝導性材料からなる１以上のスペーサから構成され、上記２つのスペーサ層の一方を構成するいずれかのスペーサと、他方のスペーサ層を構成するいずれかのスペーサとが熱伝導性連結部材によって接続されている燃料電池スタックを提供する。 The present invention includes a fuel cell layer including one or more unit cells each including an anode electrode, an electrolyte membrane, and a cathode electrode in this order, and is laminated on one surface of the fuel cell layer and the other surface facing the fuel cell layer. One of the two spacer layers, and one of the other spacer layers. The spacer layer is composed of one or more spacers made of a heat conductive material. The fuel cell stack is connected to each other by a thermally conductive connecting member.
上記燃料電池スタックは、燃料電池層として第１〜第２の燃料電池層を含み、スペーサ層として第１〜第３のスペーサ層を含み、第１のスペーサ層、第１の燃料電池層、第２のスペーサ層、第２の燃料電池層および第３のスペーサ層をこの順に積層してなる積層構造を含み、第１のスペーサ層を構成するいずれかのスペーサと第２のスペーサ層を構成するいずれかのスペーサとが熱伝導性連結部材によって接続されており、かつ、第２のスペーサ層を構成するいずれかのスペーサと第３のスペーサ層を構成するいずれかのスペーサとが熱伝導性連結部材によって接続されているものであることが好ましい。 The fuel cell stack includes first to second fuel cell layers as fuel cell layers, first to third spacer layers as spacer layers, a first spacer layer, a first fuel cell layer, a first Including a stacked structure in which the second spacer layer, the second fuel cell layer, and the third spacer layer are stacked in this order, and constitutes one of the spacers constituting the first spacer layer and the second spacer layer. Any one of the spacers is connected by a heat conductive connecting member, and any one of the spacers forming the second spacer layer and any of the spacers forming the third spacer layer are connected by heat conductive connection. It is preferable that they are connected by members.
上記燃料電池層は、短冊形状の単位電池を２以上含み、これら２以上の単位電池は、隣り合う単位電池間に空間が形成されるように同一平面内に配列されてなることが好ましい。また、上記スペーサ層は、短冊形状のスペーサを２以上含み、これら２以上のスペーサは、隣り合うスペーサ間に空間が形成されるように、かつ、該スペーサ層と隣り合う燃料電池層を構成する上記２以上の単位電池と交わるように同一平面内に配列されてなることがより好ましい。 The fuel cell layer preferably includes two or more strip-shaped unit cells, and the two or more unit cells are preferably arranged in the same plane so that a space is formed between adjacent unit cells. The spacer layer includes two or more strip-shaped spacers, and the two or more spacers constitute a fuel cell layer adjacent to the spacer layer so that a space is formed between the adjacent spacers. More preferably, they are arranged in the same plane so as to cross the two or more unit cells.
燃料電池スタックを構成するスペーサ層が２以上のスペーサを含む場合において、いずれかのスペーサ層をスペーサ層（Ａ）とし、スペーサ層（Ａ）を構成するスペーサをスペーサ（ａ）とし、スペーサ層（Ａ）と隣り合う１つまたは２つのスペーサ層をスペーサ層（Ｂ）とし、スペーサ層（Ｂ）を構成するスペーサをスペーサ（ｂ）とするとき、スペーサ（ａ）とスペーサ（ｂ）とを、燃料電池スタックを、これを構成する層の積層方向からみたとき略同じ位置に配置し、スペーサ（ａ）のそれぞれとこれに対向するスペーサ（ｂ）とを上記積層方向に延びる１以上の熱伝導性連結部材によって接続することが好ましい。 When the spacer layer constituting the fuel cell stack includes two or more spacers, one of the spacer layers is defined as a spacer layer (A), the spacer constituting the spacer layer (A) is defined as a spacer (a), and the spacer layer ( When the spacer layer (B) is one or two spacer layers adjacent to A) and the spacer (b) is a spacer constituting the spacer layer (B), the spacer (a) and the spacer (b) The fuel cell stack is disposed at substantially the same position when viewed from the stacking direction of the layers constituting the fuel cell stack, and each of the spacers (a) and the spacer (b) opposed thereto extend in the stacking direction. It is preferable to connect by a sex connecting member.
上記スペーサは、一対の熱伝導性材料からなる層と、これらの層の間に介在する絶縁層とで構成してもよい。 The spacer may be composed of a layer made of a pair of thermally conductive materials and an insulating layer interposed between these layers.
また本発明は、アノード極、電解質膜およびカソード極をこの順で備える１以上の単位電池を含む燃料電池層と、該燃料電池層のカソード極側に積層されるスペーサ層とを含み、該スペーサ層が、隣り合うスペーサ間に空間が形成されるように同一平面内に配列される、熱伝導性材料からなる２以上のスペーサと、隣り合うスペーサ間を接続する１以上の熱伝導性連結部材とから構成される燃料電池スタックを提供する。 The present invention also includes a fuel cell layer including one or more unit cells each including an anode electrode, an electrolyte membrane, and a cathode electrode in this order, and a spacer layer stacked on the cathode electrode side of the fuel cell layer, Two or more spacers made of a thermally conductive material, in which the layers are arranged in the same plane so that a space is formed between adjacent spacers, and one or more thermally conductive connecting members connecting the adjacent spacers A fuel cell stack comprising:
隣り合うスペーサは、その間に形成される空間内において略一定間隔を空けて配置される２以上の熱伝導性連結部材によって接続されることが好ましい。また、上記２以上のスペーサは短冊形状を有し、かつ、上記燃料電池層は、隣り合う単位電池間に空間が形成されるように同一平面内に配列される短冊形状の単位電池を２以上含み、該２以上のスペーサは、燃料電池層を構成する２以上の単位電池と交わるように配置されることが好ましい。 Adjacent spacers are preferably connected by two or more thermally conductive connecting members arranged at a substantially constant interval in a space formed therebetween. The two or more spacers have a strip shape, and the fuel cell layer includes two or more strip-shaped unit cells arranged in the same plane so that a space is formed between adjacent unit cells. The two or more spacers are preferably arranged so as to intersect with two or more unit cells constituting the fuel cell layer.
上記スペーサおよび上記熱伝導性連結部材は、一対の熱伝導性材料からなる層と、これらの層の間に介在する絶縁層とで構成してもよい。 You may comprise the said spacer and the said heat conductive connection member with the layer which consists of a pair of heat conductive material, and the insulating layer interposed between these layers.
さらに本発明は、アノード極、電解質膜およびカソード極をこの順で備える１以上の単位電池を含む燃料電池層と、該燃料電池層のカソード極側に積層されるスペーサ層とを含み、該スペーサ層は、隣り合うスペーサ間に空間が形成されるように同一平面内に配列される、熱伝導性材料からなる２以上のスペーサから構成され、該２以上にスペーサが、その側面に、スペーサ間に形成される上記空間側へ突出した複数の突起を有する燃料電池スタックを提供する。 The present invention further includes a fuel cell layer including one or more unit cells each including an anode electrode, an electrolyte membrane, and a cathode electrode in this order, and a spacer layer stacked on the cathode electrode side of the fuel cell layer, The layer is composed of two or more spacers made of a thermally conductive material arranged in the same plane so that a space is formed between adjacent spacers, and the spacers are arranged on the side surfaces between the spacers. A fuel cell stack having a plurality of protrusions protruding toward the space is formed.
上記２以上のスペーサは短冊形状を有し、かつ、上記燃料電池層は、隣り合う単位電池間に空間が形成されるように同一平面内に配列される短冊形状の単位電池を２以上含み、該２以上のスペーサは、燃料電池層を構成する２以上の単位電池と交わるように配置されることが好ましい。 The two or more spacers have a strip shape, and the fuel cell layer includes two or more strip-shaped unit cells arranged in the same plane so that a space is formed between adjacent unit cells, The two or more spacers are preferably arranged so as to intersect with two or more unit cells constituting the fuel cell layer.
上記スペーサは、一対の熱伝導性材料からなる層と、これらの層の間に介在する絶縁層とで構成してもよい。 The spacer may be composed of a layer made of a pair of thermally conductive materials and an insulating layer interposed between these layers.
本発明が提供するいずれの燃料電池スタックにおいても、単位電池は、アノード極に燃料を供給するための燃料供給部を備えることができる。また、単位電池は、アノード極上に積層されるアノード集電層と、カソード極上に積層されるカソード集電層とをさらに備えることができる。 In any fuel cell stack provided by the present invention, the unit cell may include a fuel supply unit for supplying fuel to the anode electrode. The unit cell may further include an anode current collecting layer laminated on the anode electrode and a cathode current collecting layer laminated on the cathode electrode.
本発明の燃料電池スタックによれば、特定の構造を有するスペーサ層（放熱板）を備えているため、直列および／または並列に接続された２以上の単位電池を含む燃料電池スタックにおいても、発電により生じた熱をその内部から熱対流によって効率的に外部へ排出でき、これにより単位電池の過度の温度上昇を抑制することができる。このような過度の温度上昇の抑制は、燃料電池スタックの耐久性、出力安定性およびユーザーの利用快適性の向上をもたらす。 According to the fuel cell stack of the present invention, since the spacer layer (heat radiating plate) having a specific structure is provided, power generation is also performed in the fuel cell stack including two or more unit cells connected in series and / or in parallel. The heat generated by the above can be efficiently discharged from the inside to the outside by heat convection, thereby suppressing an excessive temperature rise of the unit cell. Such suppression of excessive temperature rise leads to improvement in durability, output stability, and user comfort of the fuel cell stack.
本発明の燃料電池スタックは、１以上の単位電池から構成される燃料電池層と、該燃料電池層上に積層される１以上のスペーサから構成されるスペーサ層（放熱板）との積層構造を有し、スペーサとして良好な熱伝導性を有し、かつ特定の構造を有するものを用いることにより、スタック内部に蓄積されやすい熱の熱対流による放熱性を向上させたものである。本発明の燃料電池スタックによれば、熱対流によって排出される熱量を増加させることができるため、単位電池の過度の温度上昇を抑制することができる。 The fuel cell stack of the present invention has a laminated structure of a fuel cell layer composed of one or more unit cells and a spacer layer (heat radiating plate) composed of one or more spacers laminated on the fuel cell layer. The spacer has good thermal conductivity and has a specific structure, thereby improving the heat dissipation by heat convection of heat that is easily accumulated in the stack. According to the fuel cell stack of the present invention, the amount of heat exhausted by thermal convection can be increased, so that an excessive temperature rise of the unit cell can be suppressed.
燃料電池スタックを構成する燃料電池層およびスペーサ層の数はそれぞれ１以上であり、いずれか一方または双方を２以上としてもよい。本発明の燃料電池スタックが有する積層構造の例としては、たとえばスペーサ層／燃料電池層、スペーサ層／燃料電池層／スペーサ層、燃料電池層／スペーサ層／燃料電池層、スペーサ層／燃料電池層／スペーサ層／燃料電池層、スペーサ層／燃料電池層／スペーサ層／燃料電池層／スペーサ層、およびこれらの組み合わせなどを挙げることができる。燃料電池スタックが２以上の燃料電池層および／または２以上のスペーサ層を含む場合、通常、燃料電池層とスペーサ層とは交互に積層される。 The number of fuel cell layers and spacer layers constituting the fuel cell stack is one or more, and either one or both may be two or more. Examples of the laminated structure of the fuel cell stack of the present invention include, for example, spacer layer / fuel cell layer, spacer layer / fuel cell layer / spacer layer, fuel cell layer / spacer layer / fuel cell layer, spacer layer / fuel cell layer. / Spacer layer / fuel cell layer, spacer layer / fuel cell layer / spacer layer / fuel cell layer / spacer layer, and combinations thereof. When the fuel cell stack includes two or more fuel cell layers and / or two or more spacer layers, the fuel cell layers and the spacer layers are usually stacked alternately.
本発明において「燃料電池スタック」とは、１以上の単位電池から構成される燃料電池層と、該燃料電池層上に積層される１以上のスペーサから構成されるスペーサ層（放熱板）との積層構造を有する燃料電池を意味し、当該積層構造を有する限り、１つの単位電池のみを含む場合であっても燃料電池スタックに含まれるものとする。また、「単位電池」とは、燃料電池の単位セルであり、アノード極、電解質膜およびカソード極をこの順で備える膜電極複合体（ＭＥＡ）を少なくとも有する構造体を意味する。単位電池は、ＭＥＡのほか、アノード極に燃料（還元剤）を供給するための燃料供給部（アノード極セパレータを含む）、カソード極セパレータ、アノード集電層、カソード集電層など発電機能を生じさせるまたは向上させる上で有用な他の部材を含んでいてもよい。 In the present invention, the “fuel cell stack” means a fuel cell layer composed of one or more unit cells and a spacer layer (heat radiating plate) composed of one or more spacers stacked on the fuel cell layer. It means a fuel cell having a stacked structure, and as long as it has the stacked structure, even if it includes only one unit cell, it is included in the fuel cell stack. The “unit cell” is a unit cell of a fuel cell and means a structure having at least a membrane electrode assembly (MEA) including an anode electrode, an electrolyte membrane, and a cathode electrode in this order. In addition to the MEA, the unit cell produces a power generation function such as a fuel supply unit (including an anode separator) for supplying fuel (reducing agent) to the anode electrode, a cathode electrode separator, an anode current collecting layer, and a cathode current collecting layer. Other members useful in improving or improving may be included.
以下、実施の形態を示して本発明の燃料電池スタックについて詳細に説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は、本実施形態に係る燃料電池スタックの好ましい一例を模式的に示す上面図（燃料電池スタックを、これを構成する層の積層方向からみたときの図）であり、図２は、図１に示されるＩＩ−ＩＩ線における断面模式図である。図１および図２に示される燃料電池スタック１００は、５つのスペーサ２０ａを配列してなる第１のスペーサ層２０；４つの単位電池１０ａを配列してなる第１の燃料電池層１０；５つのスペーサ２１ａを配列してなる第２のスペーサ層２１；４つの単位電池１１ａを配列してなる第２の燃料電池層１１；５つのスペーサ２２ａを配列してなる第３のスペーサ層２２をこの順に積層してなる積層構造からなり、第１のスペーサ層２０を構成するスペーサ２０ａと第２のスペーサ層２１を構成するスペーサ２１ａとがそれぞれ、積層方向に延びる複数の第１の熱伝導性連結部材３０によって接続されており、かつ第２のスペーサ層２１を構成するスペーサ２１ａと第３のスペーサ層２２を構成するスペーサ２２ａとがそれぞれ、積層方向に延びる複数の第２の熱伝導性連結部材３１によって接続されていることを特徴としている。
Hereinafter, the fuel cell stack of the present invention will be described in detail with reference to embodiments.
<First Embodiment>
FIG. 1 is a top view schematically showing a preferred example of the fuel cell stack according to the present embodiment (a view of the fuel cell stack as viewed from the stacking direction of the layers constituting the fuel cell stack), and FIG. 2 is a schematic cross-sectional view taken along line II-II shown in FIG. The
第１〜第２の燃料電池層１０〜１１はそれぞれ、短冊形状（より具体的には直方体形状）の４つの単位電池１０ａ〜１１ａから構成されている。各燃料電池層において４つの単位電池は、隣り合う単位電池間に空間が形成されるように同一平面内に配列されている。各単位電池は、隣り合う単位電池の長辺側端面が対向するように略平行に配列されている。
Each of the first to second fuel cell layers 10 to 11 is composed of four
同様に、第１〜第３のスペーサ層２０〜２２はそれぞれ、熱伝導性材料からなる短冊形状（より具体的には直方体形状）の５つのスペーサ２０ａ〜２２ａから構成されている。各スペーサ層において５つのスペーサは、隣り合うスペーサ間に空間が形成されるように同一平面内に配列されている。各スペーサは、隣り合うスペーサの長辺側端面が対向するように略平行に配列されている。第１〜第３のスペーサ層２０〜２２を構成する各スペーサは、そのスペーサ層と隣り合う燃料電池層を構成する各単位電池と交わるように配置されている。図１および図２に示される燃料電池スタック１００において、スペーサと単位電池との交差角度は略９０度（直交）である。
Similarly, the first to third spacer layers 20 to 22 are each composed of five
燃料電池スタック１００は、短冊形状の単位電池１０ａ，１１ａおよび短冊形状のスペーサ２０ａ，２１ａ，２２ａを用いて、これらを上述したような構成で配置し、スタック構造を構築している、すなわち、井型構造のスタックを構築しているため、隣り合う単位電池および隣り合うスペーサ間に設けられた空間からなる３次元的に連通した空間領域をその内部に備える。この３次元空間領域は、燃料電池スタック外部から各単位電池のカソード極へ供給される酸化剤（空気など）の供給流路を形成する。
The
燃料電池スタック１００に対してパッシブ方式（ポンプやファン等の補機を用いることなく自然供給）で空気等の酸化剤を供給するとともに、各単位電池に燃料（還元剤）を供給すると、上述したような電気化学的酸化還元反応に基づき発電が生じ、負荷を介して電気的に接続されたアノード極とカソード極との間に電流が流れ、電力が取り出される。発電とともに各単位電池は発熱を生じるが、この発熱はアノード極に比べてカソード極の方が顕著な傾向にある。これは、アノード極に供給された燃料が電解質膜を介してカソード極に到達し触媒反応を起こすクロスオーバー現象を生じる場合があるためである。単位電池を集積した従来の燃料電池スタック（たとえば、スペーサ層を有しないおよび／または燃料電池層が１つの大面積の単位電池からなる燃料電池スタック）においては、３次元的に連通した空間領域を内部に有しないことに加えて、放熱に寄与する表面積が小さいため、カソード極で生じた熱が外部に排出されにくく、その結果、燃料を液体として供給する場合には、電解質膜の温度が上がることにより燃料の透過度が増大し、燃料を気体として供給する場合には、アノード極側の温度が上昇して燃料の気化速度が増大し、クロスオーバー現象がさらに顕著になるという悪循環を生じることがあった。このようなクロスオーバーおよびこれに伴う温度上昇は、単位電池部材の劣化促進、出力安定性の低下（たとえば、出力電圧および出力密度の低下等）、燃料利用効率の低下、ユーザーの利用快適性低下などを招く。
As described above, when an oxidant such as air is supplied to the
一方、本実施形態の燃料電池スタック１００では、上述のように井型構造を有し、３次元空間領域を内部に備えているため、燃料電池スタック内部に酸化剤が侵入する際の負荷が小さく、これに伴い、燃料電池スタック内部の３次元空間領域から外部への熱を伴った酸化剤の排出性も良好である。すなわち、パッシブ方式で供給された酸化剤は、３次元空間領域内にて、単位電池の発熱により熱対流を生じ、この熱対流により燃料電池スタック外部に効率的に排出される。したがって、井型構造の燃料電池スタックは、３次元空間領域を内部に有しないものと比べて、比較的放熱性が高い。また、井型構造の燃料電池スタックは、放熱に寄与する表面積が大きくなるため（３次元空間領域に接する表面はすべて放熱に寄与し得る）、この点においても放熱性の面で有利である。
On the other hand, since the
本実施形態の燃料電池スタック１００は、上述のようなスタック構造（単位電池およびスペーサの外形形状、ならびに、単位電池間、スペーサ間および単位電池−スペーサ間の配置関係）に起因する比較的良好な放熱性に加えて、スペーサ層間を接続する熱伝導性連結部材を設けることにより、さらに高い放熱性を付与したものである。具体的に説明すると以下のとおりである。
The
一般的に燃料電池スタックにおいては、外気と接触しにくく、熱が蓄積されやすい中心部ほど温度上昇が顕著になる傾向がある。燃料電池スタック１００では、単位電池からの熱を受けて、中心部に存在する第２のスペーサ層２１の温度上昇が第１および第３のスペーサ層２０，２２よりも大きくなりやすい。第１のスペーサ層２０と第２のスペーサ層２１とを第１の熱伝導性連結部材３０で接続するとともに、第２のスペーサ層２１と第３のスペーサ層２２とを第２の熱伝導性連結部材３１で接続することにより、第２のスペーサ層２１の熱を積層方向に、すなわち、第１および第３のスペーサ層２０，２２に放熱することが可能になり、さらには、各スペーサ層を構成する熱伝導性材料からなるスペーサの中央領域から端部へ向けて長手方向に面内伝熱が生じるため、燃料電池スタック内の温度ムラが軽減され、内部温度が均一化される。このような内部温度の均一化は、酸化剤の熱対流による放熱速度をさらに向上させ、燃料電池スタック外部へ排出される熱量を増大させる。特に、本実施形態の燃料電池スタック１００は、スペーサの面内方向（スペーサ層の面内方向）よりも積層方向への伝熱の方が伝熱距離が短いため、積層方向に関する温度ムラ軽減効果（内部温度均一化効果）に優れている。
In general, in a fuel cell stack, the temperature rises more prominently in the central part where it is difficult to come into contact with the outside air and heat is likely to accumulate. In the
上述のような温度ムラ軽減効果（内部温度均一化効果）を含めた放熱性向上効果は、次のような有利性をもたらす。放熱性向上により、単位電池（温度上昇が起こりやすい燃料電池スタック中心部近傍の単位電池においても）の過度の温度上昇を効果的に抑制することができる。このことは、カソード極側からスペーサに熱を効率的に逃がすことができることによって、電解質膜またはアノード極側の温度が過度に上昇しないことを意味しており、したがって、クロスオーバーを低減させ、出力安定性および燃料利用効率を向上させることができる。また、温度ムラの軽減により、出力電圧および出力密度を向上させることができる。過度に温度が高い単位電池が存在すると、アノード極での水不足や電解質膜の乾燥により、その分、燃料電池スタック全体としての出力が低下する。また、過度に温度が低い単位電池が存在すると、アノード極側における燃料の酸化反応速度が遅くなり、さらに燃料を気体で供給する場合には気化量が減少し燃料不足となるために、その分、同様に燃料電池スタック全体としての出力が低下する。温度ムラの軽減により、過度に温度が高い単位電池および過度に温度が低い単位電池をなくすことができる。 The heat dissipation improvement effect including the temperature unevenness reduction effect (internal temperature equalization effect) as described above brings the following advantages. Due to the improvement in heat dissipation, it is possible to effectively suppress an excessive temperature rise of the unit cell (even in the unit cell near the center of the fuel cell stack where the temperature rises easily). This means that heat can be efficiently released from the cathode side to the spacer, so that the temperature on the electrolyte membrane or anode side does not rise excessively, thus reducing crossover and output. Stability and fuel utilization efficiency can be improved. Further, the output voltage and the output density can be improved by reducing the temperature unevenness. If a unit cell having an excessively high temperature is present, the output of the fuel cell stack as a whole is lowered by water shortage at the anode electrode or drying of the electrolyte membrane. In addition, if a unit cell having an excessively low temperature is present, the oxidation reaction rate of the fuel on the anode electrode side becomes slow, and further, when the fuel is supplied in the form of gas, the amount of vaporization decreases and the fuel becomes insufficient. Similarly, the output of the entire fuel cell stack is reduced. By reducing the temperature unevenness, it is possible to eliminate a unit battery having an excessively high temperature and a unit battery having an excessively low temperature.
本実施形態の燃料電池スタック１００は、第１および第２の熱伝導性連結部材によって積層方向に対向するスペーサ間が連結され、補強されているので、構造安定性にも優れている。
The
以下、燃料電池スタック１００を構成する各部材について詳細に説明する。
〔単位電池〕
図３は、単位電池の好ましい一例を示す断面模式図である。図３に示される単位電池は、アノード極２、電解質膜１およびカソード極３からなる膜電極複合体（ＭＥＡ）４；膜電極複合体４のアノード極２上に積層されるアノード集電層５；膜電極複合体４のカソード極３上に積層されるカソード集電層６；アノード集電層５上に積層される気化層８；気化層８上に積層される、アノード極２に燃料を供給するための燃料供給部７から構成される。
Hereinafter, each member constituting the
(Unit battery)
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a preferred example of the unit cell. A unit cell shown in FIG. 3 includes a membrane electrode assembly (MEA) 4 composed of an
（１）膜電極複合体
膜電極複合体４は、電解質膜１と、電解質膜１の一方の面に積層されるアノード極２および他方の面に積層されるカソード極３とからなる。電解質膜１は、アノード極２からカソード極３へプロトンを伝達する機能と、アノード極２とカソード極３との電気的絶縁性を保ち、短絡を防止する機能を有する。電解質膜１の膜厚は特に制限されず、たとえば１〜２００μｍ程度である。
(1) Membrane electrode assembly The membrane electrode assembly 4 includes an
電解質膜１の材質は、プロトン伝導性を有し、かつ電気的絶縁性を有する材質であれば特に限定されず、高分子膜、無機膜またはコンポジット膜を用いることができる。高分子膜としては、たとえば、いずれも商品名で、パーフルオロスルホン酸系電解質膜である、「ナフィオン」（デュポン社製）、「アシプレックス」（旭化成社製）、「フレミオン」（旭硝子社製）などが挙げられる。また、スチレン系グラフト重合体、トリフルオロスチレン誘導体共重合体、スルホン化ポリアリーレンエーテル、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリベンゾイミダゾール、ホスホン化ポリベンゾイミダゾール、スルホン化ポリフォスファゼンなどの炭化水素系電解質膜なども挙げられる。
The material of the
無機膜としては、たとえば、リン酸ガラス、硫酸水素セシウム、ポリタングストリン酸またはポリリン酸アンモニウムなどからなる膜が挙げられる。コンポジット膜としては、タングステン酸、硫酸水素セシウムまたはポリタングストリン酸等の無機物とポリイミド、ポリエーテルエーテルケトンまたはパーフルオロスルホン酸等の有機物とのコンポジット膜などが挙げられる。 Examples of the inorganic film include films made of phosphate glass, cesium hydrogen sulfate, polytungstophosphoric acid, ammonium polyphosphate, or the like. Examples of the composite film include a composite film of an inorganic material such as tungstic acid, cesium hydrogen sulfate, or polytungstophosphoric acid and an organic material such as polyimide, polyetheretherketone, or perfluorosulfonic acid.
電解質膜１の一方の表面に積層されるアノード極２および他方の表面に積層されるカソード極３には、少なくとも触媒と電解質とを有する多孔質層からなる触媒層（それぞれアノード触媒層、カソード触媒層）が設けられる。アノード極２用の触媒（アノード触媒）は燃料からプロトンと電子とを生成する反応を生じさせ、電解質は生成した該プロトンを電解質膜へ伝導する機能を有する。カソード極３用の触媒（カソード触媒）は、電解質を伝導してきたプロトンと酸化剤（空気等）とから水を生成する反応を生じさせる。アノードおよびカソード触媒としては、Ｐｔ、Ｒｕ等の従来公知の触媒を用いることができる。
An
アノードおよびカソード触媒は、カーボンやチタン等の導電体の表面に担持されていてもよく、なかでも、水酸基やカルボキシル基等の親水性官能基を有するカーボンやチタン等の導電体の表面に担持されていることが好ましい。これにより、アノード触媒層およびカソード触媒層の保水性を向上させることができる。また、アノード触媒層およびカソード触媒層に含まれる電解質は、電解質膜１のＥＷ値よりも小さなＥＷ値を有する材料からなることが好ましく、具体的には、電解質膜１と同質材料であるが、ＥＷ値が４００〜８００である電解質材料が好ましい。このような電解質材料を用いることによっても、アノード触媒層およびカソード触媒層の保水性を向上させることができる。アノード触媒層およびカソード触媒層の保水性の向上により、プロトン移動に伴う電解質膜の抵抗やアノード極およびカソード極における電位分布を改善することができる。
The anode and cathode catalyst may be supported on the surface of a conductor such as carbon or titanium, and in particular, supported on the surface of a conductor such as carbon or titanium having a hydrophilic functional group such as a hydroxyl group or a carboxyl group. It is preferable. Thereby, the water retention of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer can be improved. In addition, the electrolyte contained in the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer is preferably made of a material having an EW value smaller than the EW value of the
アノード極２およびカソード極３はそれぞれ、アノード触媒層、カソード触媒層上に積層されるアノード導電性多孔質層、カソード導電性多孔質層を備えていてもよい。これらの多孔質層は、アノード極２、カソード極３に供給されるガス（燃料または酸化剤）を面内において拡散させる機能を有するとともに、触媒層との間で電子の授受を行なう機能を有する。アノード導電性多孔質層およびカソード導電性多孔質層としては、比抵抗が小さく、出力電圧の低下が抑制されることから、カーボン材料；導電性高分子；Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の貴金属；Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ等の遷移金属；これらの金属の窒化物または炭化物等；ならびに、ステンレスに代表されるこれらの金属を含有する合金などからなる多孔質材料を用いることが好ましい。Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ等の、酸性雰囲気下で耐腐食性に乏しい金属を用いる場合には、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄなどの耐腐食性を有する貴金属、導電性高分子、導電性窒化物、導電性炭化物、導電性酸化物等により表面処理（皮膜形成）を行なってもよい。より具体的には、アノード導電性多孔質層およびカソード導電性多孔質層として、たとえば、上記貴金属、遷移金属または合金からなる発泡金属、金属織物および金属焼結体；ならびにカーボンペーパー、カーボンクロス、カーボン粒子を含有するエポキシ樹脂膜などを好適に用いることができる。
The
（２）アノード集電層およびカソード集電層
アノード集電層５、カソード集電層６はそれぞれ、アノード極２、カソード極３上に積層され、アノード極２、カソード極３における電子を集電する機能と、電気的配線を行なう機能とを有する。集電層の材質は、比抵抗が小さく、面方向に電流を取り出しても出力電圧の低下が抑制されることから、金属であることが好ましく、なかでも、電子伝導性を有し、酸性雰囲気下で耐腐食性を有する金属であることがより好ましい。このような金属としては、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の貴金属；Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ等の遷移金属；およびこれらの金属の窒化物または炭化物等；ならびに、ステンレスに代表されるこれらの金属を含有する合金などが挙げられる。Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ等の、酸性雰囲気下で耐腐食性に乏しい金属を用いる場合には、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄなどの耐腐食性を有する貴金属、導電性高分子、導電性窒化物、導電性炭化物、導電性酸化物等により表面処理（皮膜形成）を行なってもよい。
(2) Anode current collecting layer and cathode current collecting layer The anode
より具体的には、アノード集電層５は、燃料をアノード極２へ誘導するための厚み方向に貫通する貫通孔を複数備える、上記金属材料などからなるメッシュ形状またはパンチングメタル形状を有する平板であることができる。同様に、カソード集電層６は、燃料電池スタック外部や燃料電池スタック内部の３次元空間領域の酸化剤をカソード極３に供給するための厚み方向に貫通する貫通孔を複数備える、上記金属材料などからなるメッシュ形状またはパンチングメタル形状を有する平板であることができる。アノード集電層５およびカソード集電層６は、場合によっては省略することも可能である。
More specifically, the anode
燃料電池スタック１００を構成する燃料電池層が、２以上の単位電池から構成される場合、これらの単位電池はそれぞれ別個にアノード集電層５およびカソード集電層６を備えていてもよいし、すべてのＭＥＡを包含するような大きさを有する１つの部材として成形されたアノード集電層およびカソード集電層を用いるようにしてもよい。
When the fuel cell layer constituting the
（３）燃料供給部
燃料供給部７は、アノード極２に燃料を供給するための部材であり、たとえば、図３および図４に示されるように、一方の面に凹部が形成された燃料供給板７ａと、該凹部に嵌め込まれた燃料輸送部材７ｂとからなることができる。
(3) Fuel supply unit The
燃料供給板７ａは、プラスチック材料または金属材料等からなることができる。プラスチック材料としては、たとえば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などを挙げることができる。金属材料としては、たとえば、チタン、アルミニウム等のほか、ステンレス、マグネシウム合金等の合金材料を用いることができる。
The
燃料輸送部材７ｂは、たとえば燃料電池スタックの側方に配置された燃料貯蔵室（図示せず）から燃料電池スタックを構成する単位電池のアノード極側に毛細管現象を利用して液体燃料を輸送するための部材であり、用いる液体燃料に対して毛細管作用を示す材料からなる。このような毛細管作用を示す材料としては、アクリル系樹脂；ＡＢＳ樹脂；ポリエチレン等のポリオレフィン系樹脂；ポリエチレンテレフタラート等のポリエステル系樹脂；ナイロン；ポリ塩化ビニル；ポリエーテルエーテルケトン；ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂；セルロースなどの高分子材料（プラスチック材料）からなる不規則な細孔を有する多孔質体；ステンレス、チタン、タングステン、ニッケル、アルミニウム、スチールなどの金属材料からなる不規則な細孔を有する多孔質体が挙げられる。多孔質体としては、上記金属材料からなる不織布、発泡体、焼結体や、高分子材料等の金属材料以外からなる不織布などを挙げることができる。金属材料からなる不織布としては、ステンレス、チタン、タングステン、ニッケル、アルミニウム、スチールなどの金属材料を繊維状に加工し、不織布とした金属繊維不織布、およびこれを焼結し、必要に応じて圧延してなる金属繊維不織布焼結体を挙げることができる。また、上記高分子材料または金属材料からなり、毛細管として表面に規則的なまたは不規則なスリットパターン（溝パターン）を有する基板を燃料輸送部材として用いることもできる。
For example, the
燃料輸送部材７ｂは、図４に示すように、その一端が燃料供給板７ａから突き出るように配置され、この突き出た端部を燃料貯蔵室内に配置させる。
As shown in FIG. 4, the
燃料供給板７ａが有する凹部および燃料輸送部材７ｂの形状は、図３および図４に示されるような形状に限定されるものではなく、単位電池の形状や膜電極複合体の形状等に応じた適宜の形状とすることができる。
The shape of the recess and the
燃料供給部７は、燃料輸送部材７ｂを用いることなく、１または２以上のライン状またはサーペンタイン状等の溝からなる、燃料貯蔵室に接続される燃料流路が一方の面に形成された燃料供給板から構成されてもよい。なお、金属材料などの導電性材料から構成することで燃料供給板７ａに集電機能を付与し、アノード集電層５を省略することも可能である。導電性材料からなる燃料供給板の使用は、その下に配置される単位電池とのスペーサを介した電気的直列接続の観点からも好ましい。
The
燃料電池スタック１００を構成する燃料電池層が、２以上の単位電池から構成される場合、これらの単位電池はそれぞれ別個に燃料供給部７を備えていてもよいし、すべてのＭＥＡを包含するような大きさを有する１つの部材として成形された燃料供給板７ａを用いるようにしてもよい。後者の場合、各単位電池に設けられる燃料輸送部材７ｂは、別個の部材であってもよく、１つの部材として成形されたもの（たとえば櫛歯状）であってもよい。
When the fuel cell layer constituting the
（４）気化層
図３に示されるように、燃料供給部７が燃料輸送部材７ｂを備える場合においては、燃料供給部７（あるいは少なくとも燃料輸送部材７ｂ）とアノード極（図３の例においてはアノード集電層５）との間に、燃料の蒸気をアノード極に供給するための気化層８を配置することが好ましい。気化層８は、液体不透過性およびガス透過性を有し、好ましくは多孔質体からなるものである。多孔質体が有する細孔の細孔径を小さくするなどして、アノード極へ供給されるガス状の燃料の量または濃度（分圧）を適度な程度にまで絞ることができ、これにより燃料が電解質膜を介してカソード極へ透過するクロスオーバーを抑制することもできる。
(4) Vaporization layer As shown in FIG. 3, when the
メタノール、エタノール等のアルコールまたはその水溶液を燃料として用いる場合、気化層８は撥水性と撥油性とを有することが好ましい。撥水性を有することにより、燃料供給板７ａ側への水（たとえば、カソード極で生成され、電解質膜を介してアノード極側へ移動してきた水）の侵入を防止することができる。これによりアノード極における水分濃度を良好に保ち、出力低下を抑制することができる。この効果は、高濃度燃料（たとえば純メタノールなど）を用いる場合に特に有利である。さらに燃料輸送部材７ｂ内の液体燃料が水で希釈され液体燃料の濃度が低下することを防止することができる。これにより液体燃料の濃度が一定に保たれ、アノード極への燃料供給量が安定化される。また、気化層８が撥油性を有することにより、気化層８の表面が燃料によって濡れることを防ぐことができる。これにより燃料が気化層８を液体状態で染み出し、液体状態のままアノード極に到達することを防止できる。
When an alcohol such as methanol or ethanol or an aqueous solution thereof is used as the fuel, the
気化層８は、たとえば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）からなる多孔質層またはシリコーンシートであることができる。上述の理由から、当該シートに撥水処理および撥油処理を施すことが好ましい。
The
燃料輸送部材７ｂに供給される燃料は液体燃料であるが、気化層８を通過して、アノード極に供給される燃料はガス状態である。このように燃料をガス状態で供給する場合には、燃料の気化量は温度に大きく依存するため、燃料電池スタック内の温度上昇の程度が放熱速度を上回ると、クロスオーバー現象が顕著になり温度暴走を引き起こしやすい。所定のスペーサ層（放熱板）を具備する本発明の燃料電池スタックによれば、優れた放熱速度を有するため、ガス状態で燃料をアノード極に供給する場合においても、燃料電池スタック内の温度を適温に維持することができ、もって燃料の安定供給が可能となる。
The fuel supplied to the
（５）単位電池の形状および単位電池の他の形態等
図５は、単位電池の他の好ましい一例を示す断面模式図である。たとえば図５に示されるように、燃料電池スタック１００を構成する単位電池は、燃料供給部７の両面に膜電極複合体４（図５の例では、さらにアノード集電層５およびカソード集電層６）が配置されたものであってもよい。かかる構成においては、上下２つのアノード極２に対して燃料を供給するために、燃料供給板７ａとして上下面が開いた空間を有する部材が用いられる。このような燃料供給部７の両面に膜電極複合体４が配置された単位電池を用いると、２つの発電部に対して１つの燃料供給部で足りることから、単位電池、ひいては燃料電池スタックの薄型化を図ることができるとともに、燃料電池スタックの単位体積あたりの出力密度を向上させることができる。
(5) Shape of Unit Battery and Other Forms of Unit Battery FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing another preferred example of the unit battery. For example, as shown in FIG. 5, the unit cell constituting the
燃料電池層を構成する単位電池の外形形状は特に制限されないが、内部に３次元空間領域を有する井型のスタック構造を構築できるよう、長辺と短辺とを有する短冊形状であることが好ましく、より具体的には直方体形状である。 The outer shape of the unit cell constituting the fuel cell layer is not particularly limited, but is preferably a strip shape having a long side and a short side so that a well-shaped stack structure having a three-dimensional space region can be constructed. More specifically, it has a rectangular parallelepiped shape.
単位電池は、固体高分子型燃料電池、ダイレクトアルコール型などであることができ、特にダイレクトアルコール型燃料電池（とりわけ、ダイレクトメタノール型燃料電池）であることが好ましい。単位電池に供給される燃料としては、たとえば、メタノール、エタノールなどのアルコール類；ジメトキシメタンなどのアセタール類；ギ酸などのカルボン酸類；ギ酸メチルなどのエステル類；ならびにこれらの水溶液などの液体燃料を挙げることができる。液体燃料は１種に限定されず、２種以上の混合物であってもよい。コストの低さや体積あたりのエネルギー密度の高さ、発電効率の高さなどの点から、メタノール水溶液または純メタノールが好ましく用いられる。酸化剤としては空気等の酸素含有ガスを用いることができるが、なかでも空気が好ましい。 The unit cell can be a polymer electrolyte fuel cell, a direct alcohol type, or the like, and is particularly preferably a direct alcohol type fuel cell (in particular, a direct methanol type fuel cell). Examples of the fuel supplied to the unit cell include alcohols such as methanol and ethanol; acetals such as dimethoxymethane; carboxylic acids such as formic acid; esters such as methyl formate; and liquid fuels such as aqueous solutions thereof. be able to. The liquid fuel is not limited to one type, and may be a mixture of two or more types. In view of low cost, high energy density per volume, high power generation efficiency, etc., an aqueous methanol solution or pure methanol is preferably used. As the oxidizing agent, an oxygen-containing gas such as air can be used, and air is particularly preferable.
〔スペーサ〕
スペーサ層を構成するスペーサは、スペーサ内での伝熱速度を向上させ、スペーサ層、ひいては燃料電池スタックの放熱性を向上させるために、熱伝導性の良好な材料から構成される。このような熱伝導性材料としては、たとえば、Ｃｕ、Ａｌなどを挙げることができ、なかでもＣｕが好適である。また、熱伝導性の観点からみるとＣｕ、Ａｌには及ばないがＣｕＯ、ＣｕＯ2、Ａｌ2Ｏ3などの金属酸化物、窒化アルミニウム、窒化ケイ素などのセラミックスも好ましく用いることができる。ＣｕやＡｌなどの金属材料からなるスペーサは、図３に示されるような一方の面がアノードであり、他方の面がカソードである単位電池を使用する場合においては、隣り合う燃料電池層間を直列接続する配線としての機能も果たし得る。
〔Spacer〕
The spacer constituting the spacer layer is made of a material having a good thermal conductivity in order to improve the heat transfer rate in the spacer and to improve the heat dissipation of the spacer layer and thus the fuel cell stack. Examples of such a heat conductive material include Cu and Al. Among them, Cu is preferable. From the viewpoint of thermal conductivity, metal oxides such as CuO, CuO 2 , and Al 2 O 3, and ceramics such as aluminum nitride and silicon nitride can also be preferably used, although they do not reach Cu and Al. In the case of using a unit cell in which one side is an anode and the other side is a cathode as shown in FIG. 3, the spacer made of a metal material such as Cu or Al is connected in series between adjacent fuel cell layers. It can also serve as a connecting wiring.
図５に示されるような燃料供給部の両面にＭＥＡが配置された単位電池を用いる場合においては、厚み方向に電気伝導性を有するスペーサを用いた場合には、隣り合う燃料電池層のカソード間（たとえばカソード集電層間）に電気的短絡が生じてしまう。したがって、このような場合には、１つのスペーサ層を構成するスペーサとして、一対の熱伝導性材料からなる層（熱伝導性層）とこれらの層の間に介在する絶縁層とが積層一体化されたスペーサ（これで１つのスペーサとみなす。後述する他の実施形態で使用する場合においても同様。）を用いることが好ましい。絶縁層は、たとえば従来公知の熱圧着性を有する樹脂シート等の各種樹脂シートであることができ、熱圧着性を有する場合、絶縁層と熱伝導性層（たとえばＣｕまたはＡｌ板）とは熱圧着により接合することができる。スペーサの厚みは、樹脂シートの厚みを調整することによって、熱伝導性層の厚みを変更することなく容易に制御できる。 In the case of using a unit cell in which MEAs are arranged on both sides of the fuel supply unit as shown in FIG. 5, when a spacer having electrical conductivity in the thickness direction is used, between the cathodes of adjacent fuel cell layers. An electrical short circuit occurs (for example, between the cathode current collecting layers). Therefore, in such a case, as a spacer constituting one spacer layer, a layer made of a pair of thermally conductive materials (thermally conductive layer) and an insulating layer interposed between these layers are laminated and integrated. It is preferable to use a spacer (this is regarded as one spacer. The same applies when used in other embodiments described later). The insulating layer can be, for example, various types of resin sheets such as conventionally known thermocompression-bonding resin sheets. When the insulating layer has thermocompression bonding, the insulating layer and the heat conductive layer (for example, a Cu or Al plate) are heated. Can be joined by pressure bonding. The thickness of the spacer can be easily controlled without changing the thickness of the heat conductive layer by adjusting the thickness of the resin sheet.
なお、絶縁層と熱伝導性層とを備えるスペーサの構成は、隣り合う燃料電池層のカソード間の電気的短絡を防ぐことができる限り上述の構成に限定されず、たとえば、一対の絶縁層とこれらの層の間に介在する熱伝導性層とを備える構成であってもよい。また、熱伝導性層がＣｕＯ、ＣｕＯ2、Ａｌ2Ｏ3などの金属酸化物、窒化アルミニウム、窒化ケイ素などのセラミックス等、電気伝導性を有しない材料から構成される場合には、絶縁層を省略することができる。 The configuration of the spacer including the insulating layer and the heat conductive layer is not limited to the above-described configuration as long as an electrical short circuit between the cathodes of adjacent fuel cell layers can be prevented. For example, a pair of insulating layers and The structure provided with the heat conductive layer interposed between these layers may be sufficient. In addition, when the thermally conductive layer is made of a material having no electrical conductivity, such as a metal oxide such as CuO, CuO 2 , or Al 2 O 3 , or a ceramic such as aluminum nitride or silicon nitride, the insulating layer is Can be omitted.
前述のような熱圧着性を有する樹脂シートを介在させたスペーサを用いると、該樹脂シートは通常、弾力性を有しているので、スペーサを適宜の厚みとすれば、スペーサと燃料電池層との密着性を向上させることができ、これにより、燃料電池層からスペーサ層への熱伝導性を高めることができる。熱圧着性を有する樹脂シートを介在させたスペーサの使用は、図５に示されるような単位電池を使用する場合に限定されるものではなく、図３に示されるような単位電池を使用する場合にも用いることが可能である。 If a spacer with a resin sheet having thermocompression bonding properties as described above is used, the resin sheet usually has elasticity. Therefore, if the spacer has an appropriate thickness, the spacer, the fuel cell layer, Thus, the thermal conductivity from the fuel cell layer to the spacer layer can be increased. The use of a spacer with a resin sheet having thermocompression bonding is not limited to the case where a unit cell as shown in FIG. 5 is used, and the case where a unit cell as shown in FIG. 3 is used. Can also be used.
絶縁層は、必ずしも熱伝導性を有している必要はないが、絶縁層が熱伝導性を有していると、スペーサ全体としての熱伝導性を向上させることができる。 The insulating layer does not necessarily have thermal conductivity. However, if the insulating layer has thermal conductivity, the thermal conductivity of the entire spacer can be improved.
スペーサ層を構成するスペーサの外形形状は特に制限されないが、内部に３次元空間領域を有する井型のスタック構造を構築できるよう、長辺と短辺とを有する短冊形状であることが好ましく、より具体的には直方体形状である。井型のスタック構造を構築するために、スペーサは、これと隣り合う燃料電池層を構成する単位電池と交わるように配列されることが好ましい。交差角度はたとえば９０度であるが、これに限定されるものではない。 The outer shape of the spacer constituting the spacer layer is not particularly limited, but it is preferably a strip shape having a long side and a short side so that a well-shaped stack structure having a three-dimensional space region can be constructed. Specifically, it is a rectangular parallelepiped shape. In order to construct a well-shaped stack structure, the spacers are preferably arranged so as to intersect with the unit cells constituting the fuel cell layer adjacent thereto. The intersection angle is, for example, 90 degrees, but is not limited to this.
また、燃料電池スタック１００を構成するいずれかのスペーサ層をスペーサ層（Ａ）とし、スペーサ層（Ａ）を構成するスペーサをスペーサ（ａ）とし、スペーサ層（Ａ）と隣り合う１つまたは２つのスペーサ層をスペーサ層（Ｂ）とし、スペーサ層（Ｂ）を構成するスペーサをスペーサ（ｂ）とするとき、スペーサ（ａ）とスペーサ（ｂ）とを、燃料電池スタック１００を、これを構成する層の積層方向からみたとき略同じ位置に配置することが好ましい（図１のように）。これにより、直線状の熱伝導性連結部材を用いて容易に、積層方向に関して対向するスペーサ間を接続することができる。
One of the spacer layers constituting the
スペーサと燃料電池層とは、熱伝導を良好にするために隙間無く接していることが好ましく、ネジ等の締結部材で押さえ付けることにより両者を接合するか、または、接着剤等を用いて接合を行なうことが好ましい。図３に示されるような単位電池を用いて複数の燃料電池層を直列接続する場合には、導電性接着剤を用いることができる。 The spacer and the fuel cell layer are preferably in contact with each other with no gap in order to improve heat conduction, and are joined by pressing with a fastening member such as a screw, or joined using an adhesive or the like. Is preferably performed. When a plurality of fuel cell layers are connected in series using a unit cell as shown in FIG. 3, a conductive adhesive can be used.
〔熱伝導性連結部材〕
熱伝導性連結部材（図１における第１の熱伝導性連結部材３０および第２の熱伝導性連結部材３１）は、隣り合うスペーサ層のスペーサ同士を積層方向に接続して、熱を積層方向に拡散させる機能を有する。熱伝導性連結部材の数は特に制限されないが、好ましくは接続される一対のスペーサに対して１以上であり、より好ましくは２以上である。一対のスペーサに対して２以上の熱伝導性連結部材を設ける場合、これらは、積層方向への放熱性向上およびスペーサ層面内における温度ムラ軽減の観点から、各スペーサ面内において均一に略一定間隔で配置することが好ましい。図１および図２に示されるような井型スタック構造の燃料電池スタックにおいては、熱伝導性連結部材は、燃料電池層内において隣り合う単位電池間に形成された空間に配置することができる。上述したように、スペーサ（ａ）とスペーサ（ｂ）とを、積層方向からみたとき略同じ位置に配置した場合においては、熱伝導性連結部材は、積層方向に延びる直線状の熱伝導性部材であることができる。
(Thermal conductive connecting member)
The heat conductive connecting members (the first heat conductive connecting
熱伝導性連結部材（第１の熱伝導性連結部材３０および第２の熱伝導性連結部材３１）は、積層方向への放熱性を向上させるために、熱伝導性の良好な材料から構成されることが好ましい。このような熱伝導性材料としては、たとえば、Ｃｕ、Ａｌなどを挙げることができ、なかでもＣｕが好適である。また、熱伝導性の観点からみるとＣｕ、Ａｌには及ばないがＣｕＯ、ＣｕＯ2、Ａｌ2Ｏ3などの金属酸化物、窒化アルミニウム、窒化ケイ素などのセラミックスも好ましく用いることができる。電気伝導性を有するスペーサを用い、かつ電気伝導性を有する熱伝導性連結部材を用いる場合、熱伝導性連結部材とスペーサとの間は絶縁されている必要がある。したがってこのような場合には、たとえば接着剤や、熱伝導性の高いシリコングリスを用いて、熱伝導性連結部材とスペーサとの接合を行なうことができる。スペーサまたは熱伝導性連結部材が電気伝導性を有しない場合、熱伝導性連結部材とスペーサとの間は絶縁される必要はない。したがってこのような場合には、たとえば接着剤や溶接、または熱伝導性の高いシリコングリス、銀グリスを用いて接合を行なうことができる。
The heat conductive connecting members (the first heat conductive connecting
電気伝導性を有しないスペーサを用いる場合には、熱伝導性連結部材とスペーサとの間は絶縁される必要がないため、熱伝導性連結部材は、高い熱伝導性を有する金属製ネジ、ボルトまたはピンなどであってもよい。この場合、スペーサに貫通ネジ孔や貫通孔が設けられ、その孔に熱伝導性連結部材が挿入される。たとえば、燃料電池スタック１００の場合、第１の熱伝導性連結部材３０および第２の熱伝導性連結部材３１を兼ねた１つの部材としてネジを用い、スペーサ２０ａ，２１ａ，２２ａのそれぞれ同じ位置に設けられたネジ孔に当該ネジを貫通させることにより、これらのスペーサを積層方向に接続することができる。このように、熱伝導性連結部材としてネジやボルトを用いると、各層の締結を熱伝導性連結部材によって行なうことが可能になる（ボルトである場合にはナットを併用して締結する）。熱伝導性連結部材とスペーサとの間の熱伝導性を良好にするため、接触部に熱伝導性の高いシリコングリスや銀グリスを用いることが好ましい。
In the case of using a spacer having no electrical conductivity, it is not necessary to insulate between the thermally conductive connecting member and the spacer. Therefore, the thermally conductive connecting member is made of a metal screw or bolt having high thermal conductivity. Or a pin etc. may be sufficient. In this case, the spacer is provided with a through screw hole or a through hole, and the thermally conductive connecting member is inserted into the hole. For example, in the case of the
〔変形例〕
本実施形態の燃料電池スタックは図１などに示される構成に限定されるものではなく、既述された変形例のほか、たとえば次のような変形を施すことができる。
（１）本実施形態の燃料電池スタックは、１つの燃料電池層とこれを挟むように積層される２つのスペーサ層とを少なくとも有していればよい。
（２）燃料電池層を構成する単位電池の数およびスペーサ層を構成するスペーサの数はそれぞれ１以上あればよいが、１以上の燃料電池層は、隣り合う単位電池間に空間が形成されるように配置された２以上の単位電池を含むことが好ましく、また、１以上のスペーサ層は、隣り合うスペーサ間に空間が形成されるように配置された２以上のスペーサを含むことが好ましい。より好ましくは、すべての燃料電池層およびスペーサ層が２以上の単位電池／スペーサを含む。
（３）燃料電池層が２以上の単位電池を含む場合において、これらの単位電池は必ずしも平行に配列される必要はなく、ある角度をもって配列されてもよい。スペーサについても同様である。
（４）本実施形態の燃料電池スタックは、これを保護するために、筐体に収容した形態で使用されてもよい。この場合において、燃料電池スタックの最上層および／または最下層として積層されるスペーサ層は、筐体またはその一部を兼ねることができる。図６は本実施形態に係る燃料電池スタックの他の好ましい一例を模式的に示す上面図であり、燃料電池スタックの最上層および最下層として積層されるスペーサ層がそれぞれ蓋となる筐体Ａ ６００、燃料電池スタックを収容する箱状の筐体Ｂ ６０１を兼ねた構成の一例を示したものである。また、図７は図６に示されるＶＩＩ−ＶＩＩ線における断面模式図である。これらの図に示されるように、筐体Ａ ６００と筐体Ｂ ６０１とを燃料電池スタック外方へ延長することにより、燃料電池スタック側方に筐体Ａ ６００と筐体Ｂ ６０１とで形成される空間を形成して、これを燃料貯蔵室６１０とすることができる。なお、燃料貯蔵室６１０に燃料を供給する際の圧力調整のために、燃料貯蔵室内と外部とを連通する圧力調整孔６２０が好ましく設けられる。このような筐体収容型燃料電池スタックにおいては、熱伝導性連結部材をネジなどの締結部材から構成すれば、筐体Ａ ６００であるスペーサ層、燃料電池スタックが有する他のスペーサ層（スペーサ２０ａから構成されるスペーサ層）および筐体Ｂ ６０１であるスペーサ層を、熱伝導性連結部材であるネジによって積層方向に接続できるとともに、燃料電池スタックを筐体内に固定することができる。なお、図６および図７に示される筐体収容型燃料電池スタックにおいては、筐体Ａ ６００および筐体Ｂ ６０１がともに、厚み方向に貫通する空間であるスリット（それぞれスリットＳ、Ｔ）を有しているが、このような形態は、筐体Ａ ６００側および筐体Ｂ ６０１側の両面から空気を取り込むことができるため、図５に示されるような燃料供給部の両面にＭＥＡが配置された単位電池を用いる場合において特に有利である。一方、図３に示されるような燃料供給部の片面にＭＥＡが配置された単位電池を用いる場合においては、筐体Ａ ６００または筐体Ｂ ６０１のいずれか一方（単位電池のアノード側が配向される側の筐体）は、スリットを有していなくてもよい。
[Modification]
The fuel cell stack according to the present embodiment is not limited to the configuration shown in FIG. 1 and the like, and for example, the following modifications can be made in addition to the modifications described above.
(1) The fuel cell stack of the present embodiment only needs to have at least one fuel cell layer and two spacer layers stacked so as to sandwich the fuel cell layer.
(2) The number of unit cells constituting the fuel cell layer and the number of spacers constituting the spacer layer may each be one or more, but one or more fuel cell layers form a space between adjacent unit cells. It is preferable that two or more unit cells are arranged, and the one or more spacer layers preferably include two or more spacers arranged so that a space is formed between adjacent spacers. More preferably, all fuel cell layers and spacer layers comprise two or more unit cells / spacers.
(3) When the fuel cell layer includes two or more unit cells, these unit cells are not necessarily arranged in parallel, and may be arranged at a certain angle. The same applies to the spacer.
(4) The fuel cell stack of the present embodiment may be used in a form housed in a housing in order to protect it. In this case, the spacer layer stacked as the uppermost layer and / or the lowermost layer of the fuel cell stack can also serve as a casing or a part thereof. FIG. 6 is a top view schematically showing another preferred example of the fuel cell stack according to the present embodiment, and a
＜第２の実施形態＞
図８は、本実施形態に係る燃料電池スタックの好ましい一例を模式的に示す上面図（燃料電池スタックを、これを構成する層の積層方向からみたときの図）である。図８に示される燃料電池スタック８００は、短冊形状（より具体的には直方体形状）の４つの単位電池４０ａを配列してなる燃料電池層４０と、燃料電池層４０上に積層されるスペーサ層５０とから構成され、スペーサ層５０が、熱伝導性材料からなる短冊形状（より具体的には直方体形状）の５つのスペーサ５０ａと、隣り合うスペーサ間を接続する複数の熱伝導性連結部材６０とからなることを特徴としている。スペーサ層５０は、燃料電池層４０のカソード極側に積層されている。スペーサ層５０は、複数の四角形の貫通孔が設けられた平板状の１枚のスペーサであるともいえる。
<Second Embodiment>
FIG. 8 is a top view schematically showing a preferred example of the fuel cell stack according to the present embodiment (a view when the fuel cell stack is viewed from the stacking direction of the layers constituting the fuel cell stack). A
燃料電池層４０において４つの単位電池４０ａは、隣り合う単位電池間に空間が形成されるように同一平面内に配列されている。各単位電池は、隣り合う単位電池の長辺側端面が対向するように略平行に配列されている。
In the
同様に、スペーサ層５０において５つのスペーサ５０ａは、隣り合うスペーサ間に空間が形成されるように同一平面内に配列されている。各スペーサは、隣り合うスペーサの長辺側端面が対向するように略平行に配列されている。スペーサ層５０を構成する各スペーサは、燃料電池層４０を構成する各単位電池と交わるように配置されている。図８に示される燃料電池スタック８００において、スペーサと単位電池との交差角度は略９０度（直交）である。
Similarly, in the
燃料電池スタック８００も、燃料電池スタック１００と同様に、短冊形状の単位電池４０ａおよび短冊形状のスペーサ５０ａを用いて、これらを上述したような構成で配置し、井型構造のスタックを構築している。そして、燃料電池層４０が有する空間とスペーサ層５０が有する空間との連通が阻害されないように、太さ（幅）および配置位置を適切に調整して熱伝導性連結部材６０を配置しているため、燃料電池層４０およびスペーサ層５０が有する空間からなる、酸化剤供給流路として機能する３次元的に連通した空間領域をその内部に備える。このような井型構造の燃料電池スタックは、各単位電池のカソード極への酸化剤の供給効率に優れる。
Similarly to the
本実施形態の燃料電池スタック８００は、上述のようなスタック構造に起因する比較的良好な放熱性に加えて（この点については第１の実施形態と同様である）、隣り合うスペーサ５０ａ間を接続する熱伝導性連結部材６０を設けることにより、さらに高い放熱性を付与したものである。すなわち、燃料電池スタックにおいては、中心部ほど温度上昇が顕著になる傾向があり、燃料電池スタック８００では、単位電池からの熱を受けて、スペーサ層５０の中央領域が高温となりやすい。燃料電池スタック８００においては、スペーサ層５０が、隣り合うスペーサ間を接続する複数の熱伝導性連結部材６０を備えているため、スペーサ層５０の中央領域に位置するスペーサにおいて、その中心付近から端部へ向けて長手方向に面内伝熱が生じることに加えて、熱伝導性連結部材６０を介した他のスペーサへの面内伝熱が生じる。これによりスペーサ層５０面内での温度ムラが効果的に軽減され、燃料電池スタック８００の内部温度の均一化が促進される。このような内部温度の均一化は、酸化剤の熱対流による放熱速度を向上させ、燃料電池スタック外部へ排出される熱量を増大させる。また、熱伝導性連結部材６０を設けることにより、放熱に寄与する表面積が大きくなるため（３次元空間領域に接する表面はすべて放熱に寄与し得る）、この点においても放熱性の面で有利である。放熱性向上により、第１の実施形態と同様、単位電池の過度の温度上昇の抑制や出力安定性、燃料利用効率、出力電圧および出力密度の向上などを達成することができる。
The
本実施形態の燃料電池スタック８００は、熱伝導性連結部材６０によって隣り合うスペーサ間が連結され、補強されているので、構造安定性にも優れている。
The
本実施形態において熱伝導性連結部材６０は、隣り合うスペーサ間に形成された空間内にこれらのスペーサを接続するように横渡しに設けられる。１つのスペーサ層が有する熱伝導性連結部材６０の数は特に制限されないが、隣り合う一対のスペーサ５０ａに対して、１以上の熱伝導性連結部材６０を設けることが好ましく、２以上の熱伝導性連結部材６０を設けることがより好ましい。隣り合う一対のスペーサ５０ａに対して、２以上の熱伝導性連結部材６０を設ける場合、スペーサ層面内における温度ムラをより効果的に軽減するために、隣り合うスペーサ間に形成された空間内に、これらを略一定間隔で配置することが好ましく、さらには、スペーサ層面内において均一に分布するように配置することがより好ましい。ただし、ある一対のスペーサ間に設けられる熱伝導性連結部材の数と、他の一対のスペーサ間に設けられる熱伝導性連結部材の数とを異ならせるなど、スペーサ層面内における熱伝導性連結部材の配置に分布を持たせることも可能である。
In the present embodiment, the heat conductive connecting
熱伝導性連結部材６０の厚み（積層方向の長さ）は、スペーサ５０ａと同じであってもよいし、異なっていてもよい。熱伝導性連結部材６０の幅（スペーサ５０ａの長手方向と平行な方向の長さ）は特に制限されず、この幅が大きいほど温度ムラ軽減効果が大きいが、燃料電池層４０が有する空間とスペーサ層５０が有する空間との連通が阻害されない程度の幅であることが極めて好ましい。
The thickness (length in the stacking direction) of the heat conductive connecting
熱伝導性連結部材６０は、他のスペーサへの伝熱速度を向上させるために、熱伝導性の良好な材料から構成されることが好ましい。このような熱伝導性材料としては、たとえば、Ｃｕ、Ａｌなどを挙げることができ、なかでもＣｕが好適である。また、熱伝導性の観点からみるとＣｕ、Ａｌには及ばないがＣｕＯ、ＣｕＯ2、Ａｌ2Ｏ3などの金属酸化物、窒化アルミニウム、窒化ケイ素などのセラミックスも好ましく用いることができる。熱伝導性連結部材とスペーサとの接合は、たとえば溶接を用いて行なうことができ、熱伝導性連結部材をスペーサに嵌め込む構造にして固定してもよい。なお、スペーサ層は、スペーサと、これとは別個の部材である熱伝導性連結部材とを接合することにより作製してもよいし、スペーサおよび熱伝導性連結部材を含む１個の部材として一体成形してもよい。たとえば、図８に示されるような複数の貫通孔を縦横に整然と並べた構造のスペーサ層は、プレス成形などにより容易に作製することができる。
The heat conductive connecting
燃料電池層が図５に示されるような燃料供給部の両面にＭＥＡが配置された単位電池を含み、該燃料電池層を挟むように一対のスペーサ層を配置する場合においては、第１の実施形態と同様、絶縁層を一対の熱伝導性層で挟んだ構成または熱伝導性層を一対の絶縁層で挟んだ構成など、隣り合う燃料電池層のカソード間の電気的短絡を防止できる構成のスペーサおよび同構成の熱伝導性連結部材からなるスペーサ層を用いることが好ましい。なお、熱伝導性層がＣｕＯ、ＣｕＯ2、Ａｌ2Ｏ3などの金属酸化物、窒化アルミニウム、窒化ケイ素などのセラミックス等、電気伝導性を有しない材料から構成される場合には、絶縁層を省略することができる。 In the case where the fuel cell layer includes unit cells in which MEAs are arranged on both sides of the fuel supply unit as shown in FIG. 5 and a pair of spacer layers are arranged so as to sandwich the fuel cell layer, the first implementation Similar to the configuration, an electrical short circuit between the cathodes of adjacent fuel cell layers can be prevented, such as a configuration in which an insulating layer is sandwiched between a pair of thermal conductive layers or a configuration in which a thermal conductive layer is sandwiched between a pair of insulating layers. It is preferable to use a spacer layer made of a spacer and a thermally conductive connecting member having the same configuration. When the thermally conductive layer is made of a material having no electrical conductivity such as a metal oxide such as CuO, CuO 2 , or Al 2 O 3 , or a ceramic such as aluminum nitride or silicon nitride, the insulating layer is Can be omitted.
燃料電池層４０を構成する単位電池４０ａの構造および形状、単位電池に用いる部材、ならびにスペーサ層５０を構成するスペーサ５０ａの構造、形状および材質などは、第１の実施形態と同様であってよい。
The structure and shape of the
井型のスタック構造を構築するために、スペーサ層は、隣り合うスペーサ間に空間が形成されるように同一平面内に配列される２以上のスペーサを含み、これらのスペーサは、これと隣り合う燃料電池層を構成する単位電池と交わるように配列されることが好ましい。交差角度はたとえば９０度であるが、これに限定されるものではない。スペーサと燃料電池層とは、熱伝導を良好にするために隙間無く接していることが好ましく、ネジ等の締結部材で押さえ付けることにより両者を接合するか、または、熱伝導性が良好な両面テープや接着剤、シリコングリス等を用いて接合を行なうことが好ましい。図３に示されるような単位電池を用いて複数の燃料電池層を直列接続する場合には、導電性接着剤を用いることができる。 In order to construct a well-shaped stack structure, the spacer layer includes two or more spacers arranged in the same plane so that a space is formed between adjacent spacers, and these spacers are adjacent to each other. It is preferably arranged so as to intersect with the unit cells constituting the fuel cell layer. The intersection angle is, for example, 90 degrees, but is not limited to this. The spacer and the fuel cell layer are preferably in contact with each other without any gaps in order to improve heat conduction, and both are joined by pressing with a fastening member such as a screw, or both surfaces have good heat conductivity. Bonding is preferably performed using a tape, an adhesive, silicon grease, or the like. When a plurality of fuel cell layers are connected in series using a unit cell as shown in FIG. 3, a conductive adhesive can be used.
〔変形例〕
本実施形態の燃料電池スタックは図８に示される構成に限定されるものではなく、既述された変形例のほか、たとえば次のような変形を施すことができる。
（１）本実施形態の燃料電池スタックは、１つの燃料電池層と該燃料電池層上に積層される１つのスペーサ層とを少なくとも有していればよいが、２以上の燃料電池層および／または２以上のスペーサ層を含んでいてもよい。この場合、通常、燃料電池層とスペーサ層とは交互に積層される。なお、上述のように、単位電池の発熱はアノード極に比べてカソード極の方が顕著な傾向にあることから、燃料電池層の一方の面にスペーサ層を積層する場合には、カソード極側にスペーサ層を積層することが好ましい。
（２）燃料電池層を構成する単位電池の数は１以上あればよいが、１以上の燃料電池層は、隣り合う単位電池間に空間が形成されるように配置された２以上の単位電池を含むことが好ましく、すべての燃料電池層が２以上の単位電池を含むことがより好ましい。
（３）スペーサ層は、隣り合うスペーサ間に空間が形成されるように配置された２以上のスペーサを含んでいればよい。燃料電池スタックが２以上のスペーサ層を有する場合には、すべてのスペーサ層が２以上のスペーサを含むことが好ましい。
（４）燃料電池層が２以上の単位電池を含む場合において、これらの単位電池は必ずしも平行に配列される必要はなく、ある角度をもって配列されてもよい。スペーサについても同様である。
（５）本実施形態の燃料電池スタックが筐体に収容された形態で使用されてもよいこと、およびこれに伴う変形例は、上記第１の実施形態と同様である。
[Modification]
The fuel cell stack according to the present embodiment is not limited to the configuration shown in FIG. 8, and the following modifications can be made in addition to the modifications described above.
(1) The fuel cell stack of the present embodiment only needs to have at least one fuel cell layer and one spacer layer stacked on the fuel cell layer, but two or more fuel cell layers and / or Alternatively, two or more spacer layers may be included. In this case, the fuel cell layers and the spacer layers are usually laminated alternately. As described above, the unit battery heat generation tends to be more pronounced in the cathode electrode than in the anode electrode. Therefore, when the spacer layer is laminated on one surface of the fuel cell layer, the cathode electrode side It is preferable to laminate a spacer layer.
(2) The number of unit cells constituting the fuel cell layer may be one or more, but the one or more fuel cell layers are arranged so that a space is formed between adjacent unit cells. It is preferable that all fuel cell layers include two or more unit cells.
(3) The spacer layer should just contain the 2 or more spacer arrange | positioned so that space may be formed between adjacent spacers. When the fuel cell stack has two or more spacer layers, it is preferable that all the spacer layers include two or more spacers.
(4) When the fuel cell layer includes two or more unit cells, these unit cells are not necessarily arranged in parallel, and may be arranged at a certain angle. The same applies to the spacer.
(5) The fuel cell stack according to the present embodiment may be used in a form housed in a housing, and a modification associated therewith is the same as in the first embodiment.
＜第３の実施形態＞
図９は、本実施形態に係る燃料電池スタックの好ましい一例を模式的に示す上面図（燃料電池スタックを、これを構成する層の積層方向からみたときの図）である。図９に示される燃料電池スタック９００は、短冊形状（より具体的には直方体形状）の４つの単位電池７０ａを配列してなる燃料電池層７０と、燃料電池層７０上に積層されるスペーサ層８０とから構成され、スペーサ層５０が、熱伝導性材料からなる短冊形状（より具体的には直方体形状）のスペーサであって、その両側面に複数の突起９０を有するスペーサ８０ａを５つ配列してなることを特徴としている。スペーサ層８０は、燃料電池層７０のカソード極側に積層されている。
<Third Embodiment>
FIG. 9 is a top view schematically showing a preferred example of the fuel cell stack according to the present embodiment (a view when the fuel cell stack is viewed from the stacking direction of the layers constituting the fuel cell stack). A fuel cell stack 900 shown in FIG. 9 includes a
燃料電池層７０において４つの単位電池７０ａは、隣り合う単位電池間に空間が形成されるように同一平面内に配列されている。各単位電池は、隣り合う単位電池の長辺側端面が対向するように略平行に配列されている。
In the
同様に、スペーサ層８０において５つのスペーサ８０ａは、隣り合うスペーサ間に空間が形成されるように同一平面内に配列されている。各スペーサは、隣り合うスペーサの長辺側端面が対向するように略平行に配列されている。スペーサ層８０を構成する各スペーサは、燃料電池層７０を構成する各単位電池と交わるように配置されている。図９に示される燃料電池スタック９００において、スペーサと単位電池との交差角度は略９０度（直交）である。
Similarly, in the spacer layer 80, the five
燃料電池スタック９００も、燃料電池スタック１００と同様に、短冊形状の単位電池７０ａおよび短冊形状のスペーサ８０ａを用いて、これらを上述したような構成で配置し、井型構造のスタックを構築しているため、燃料電池層７０およびスペーサ層８０が有する空間からなる、酸化剤供給流路として機能する３次元的に連通した空間領域をその内部に備える。このような井型構造の燃料電池スタックは、各単位電池のカソード極への酸化剤の供給効率に優れる。
Similarly to the
本実施形態の燃料電池スタック９００は、上述のようなスタック構造に起因する比較的良好な放熱性に加えて（この点については第１の実施形態と同様である）、スペーサ８０ａの側面に複数の突起９０を設けることにより、さらに高い放熱性を付与したものである。すなわち、複数の突起９０を設けることにより、燃料電池スタック内の３次元空間領域（および燃料電池スタックの外表面を形成するスペーサ側面にも突起９０を形成した場合には外気）に接するスペーサ表面積が増大するため、熱対流によって排出される熱量を、突起９０がない場合に比べて大きく増加させることができる。放熱性向上により、単位電池の過度の温度上昇の抑制や出力安定性、燃料利用効率、出力電圧および出力密度の向上などを達成することができる。
In addition to the relatively good heat dissipation resulting from the stack structure as described above (this is the same as in the first embodiment), the fuel cell stack 900 of the present embodiment includes a plurality of fuel cells on the side surface of the
本実施形態において突起９０は、少なくとも、隣り合うスペーサ間に形成される空間側へ突出するようにスペーサ側面に配置される。これにより、燃料電池スタック内の３次元空間領域に接するスペーサ表面積を増加させることができる。さらに、放熱性を高めるために、燃料電池スタックの外表面を形成するスペーサ側面（最も外側に配置されるスペーサの外側側面）に突起９０を設けることも好ましい。１つのスペーサ側面に形成される突起の数は多いほど表面積が増えるため好ましいが、得られる放熱性向上効果やスペーサの製造容易性などを考慮して適宜設定することができる。
In the present embodiment, the
突起９０の形状も特に制限されず、図９のような直方体形状や、半球状など適宜の形状とすることができる。突起９０は、スペーサ側面に１または２以上の列状に配置してもよいし、無秩序に並べてもよい。あるスペーサの側面に設けられた突起と該スペーサに隣り合うスペーサに設けられた対向する突起とが接している場合があってもよい。突起９０は、燃料電池層７０が有する空間とスペーサ層８０が有する空間との連通が阻害されないに形成されることが極めて好ましい。
The shape of the
１つのスペーサ側面に対して２以上の突起９０を設ける場合、スペーサ層面内における温度ムラをより効果的に軽減するために、これらをスペーサ側面上に均一に配置することが好ましく、さらには、スペーサ層面内において均一に分布するように配置することがより好ましい。ただし、燃料電池スタックの中心部にいくほど突起の密度を高くするなど、突起の配置に分布を持たせることも可能である。
When two or
突起９０は、放熱性を向上させるために、熱伝導性の良好な材料から構成されることが好ましい。このような熱伝導性材料としては、たとえば、Ｃｕ、Ａｌなどを挙げることができ、なかでもＣｕが好適である。また、熱伝導性の観点からみるとＣｕ、Ａｌには及ばないがＣｕＯ、ＣｕＯ2、Ａｌ2Ｏ3などの金属酸化物、窒化アルミニウム、窒化ケイ素などのセラミックスも好ましく用いることができる。突起とスペーサとの接合は、たとえば溶接や接着剤を用いて行なうことができる。突起を有するスペーサは、スペーサと、これとは別個の部材である突起となる部材とを接合することにより作製してもよいし、スペーサおよび突起を含む１個の部材として一体成形してもよい。
The
燃料電池層が図５に示されるような燃料供給部の両面にＭＥＡが配置された単位電池を含み、該燃料電池層を挟むように一対のスペーサ層を配置する場合においては、第１の実施形態と同様、絶縁層を一対の熱伝導性層で挟んだ構成または熱伝導性層を一対の絶縁層で挟んだ構成など、隣り合う燃料電池層のカソード間の電気的短絡を防止できる構成のスペーサ（場合によってはさらに突起）を用いることが好ましい。なお、熱伝導性層がＣｕＯ、ＣｕＯ2、Ａｌ2Ｏ3などの金属酸化物、窒化アルミニウム、窒化ケイ素などのセラミックス等、電気伝導性を有しない材料から構成される場合には、絶縁層を省略することができる。 In the case where the fuel cell layer includes unit cells in which MEAs are arranged on both sides of the fuel supply unit as shown in FIG. 5 and a pair of spacer layers are arranged so as to sandwich the fuel cell layer, the first implementation Similar to the configuration, an electrical short circuit between the cathodes of adjacent fuel cell layers can be prevented, such as a configuration in which an insulating layer is sandwiched between a pair of thermal conductive layers or a configuration in which a thermal conductive layer is sandwiched between a pair of insulating layers. It is preferable to use a spacer (in some cases, a protrusion). When the thermally conductive layer is made of a material having no electrical conductivity such as a metal oxide such as CuO, CuO 2 , or Al 2 O 3 , or a ceramic such as aluminum nitride or silicon nitride, the insulating layer is Can be omitted.
燃料電池層７０を構成する単位電池７０ａの構造および形状、単位電池に用いる部材、ならびにスペーサ層８０を構成するスペーサ８０ａの構造、形状および材質などは、第１の実施形態と同様であってよい。
The structure and shape of the
井型のスタック構造を構築するために、スペーサ層は、隣り合うスペーサ間に空間が形成されるように同一平面内に配列される２以上のスペーサを含み、これらのスペーサは、これと隣り合う燃料電池層を構成する単位電池と交わるように配列されることが好ましい。交差角度はたとえば９０度であるが、これに限定されるものではない。スペーサと燃料電池層とは、熱伝導を良好にするために隙間無く接していることが好ましく、ネジ等の締結部材で押さえ付けることにより両者を接合するか、または、熱伝導性が良好な両面テープや接着剤、シリコングリス等を用いて接合を行なうことが好ましい。図３に示されるような単位電池を用いて複数の燃料電池層を直列接続する場合には、導電性接着剤を用いることができる。 In order to construct a well-shaped stack structure, the spacer layer includes two or more spacers arranged in the same plane so that a space is formed between adjacent spacers, and these spacers are adjacent to each other. It is preferably arranged so as to intersect with the unit cells constituting the fuel cell layer. The intersection angle is, for example, 90 degrees, but is not limited to this. The spacer and the fuel cell layer are preferably in contact with each other without any gaps in order to improve heat conduction, and both are joined by pressing with a fastening member such as a screw, or both surfaces have good heat conductivity. Bonding is preferably performed using a tape, an adhesive, silicon grease, or the like. When a plurality of fuel cell layers are connected in series using a unit cell as shown in FIG. 3, a conductive adhesive can be used.
〔変形例〕
本実施形態の燃料電池スタックは図９に示される構成に限定されるものではなく、既述された変形例のほか、たとえば次のような変形を施すことができる。
（１）本実施形態の燃料電池スタックは、１つの燃料電池層と該燃料電池層上に積層される１つのスペーサ層とを少なくとも有していればよいが、２以上の燃料電池層および／または２以上のスペーサ層を含んでいてもよい。この場合、通常、燃料電池層とスペーサ層とは交互に積層される。燃料電池層の一方の面にスペーサ層を積層する場合には、カソード極側にスペーサ層を積層することが好ましい。
（２）燃料電池層を構成する単位電池の数は１以上あればよいが、１以上の燃料電池層は、隣り合う単位電池間に空間が形成されるように配置された２以上の単位電池を含むことが好ましく、すべての燃料電池層が２以上の単位電池を含むことがより好ましい。
（３）スペーサ層は、隣り合うスペーサ間に空間が形成されるように配置された２以上の突起を有するスペーサを含んでいればよい。燃料電池スタックが２以上のスペーサ層を有する場合には、すべてのスペーサ層が２以上のスペーサを含むことが好ましい。
（４）燃料電池層が２以上の単位電池を含む場合において、これらの単位電池は必ずしも平行に配列される必要はなく、ある角度をもって配列されてもよい。スペーサについても同様である。
（５）本実施形態の燃料電池スタックが筐体に収容された形態で使用されてもよいこと、およびこれに伴う変形例は、上記第１の実施形態と同様である。
[Modification]
The fuel cell stack of the present embodiment is not limited to the configuration shown in FIG. 9, and the following modifications can be made in addition to the modifications described above, for example.
(1) The fuel cell stack of the present embodiment only needs to have at least one fuel cell layer and one spacer layer stacked on the fuel cell layer, but two or more fuel cell layers and / or Alternatively, two or more spacer layers may be included. In this case, the fuel cell layers and the spacer layers are usually laminated alternately. When a spacer layer is stacked on one surface of the fuel cell layer, it is preferable to stack the spacer layer on the cathode electrode side.
(2) The number of unit cells constituting the fuel cell layer may be one or more, but the one or more fuel cell layers are arranged so that a space is formed between adjacent unit cells. It is preferable that all fuel cell layers include two or more unit cells.
(3) The spacer layer should just contain the spacer which has two or more protrusion arrange | positioned so that space may be formed between adjacent spacers. When the fuel cell stack has two or more spacer layers, it is preferable that all the spacer layers include two or more spacers.
(4) When the fuel cell layer includes two or more unit cells, these unit cells are not necessarily arranged in parallel, and may be arranged at a certain angle. The same applies to the spacer.
(5) The fuel cell stack according to the present embodiment may be used in a form housed in a housing, and a modification associated therewith is the same as in the first embodiment.
以上、本発明の燃料電池スタックを第１〜第３の実施形態を具体的に示して詳細に説明したが、さらなる放熱性向上のために、各実施形態の特徴を２以上組み合わせたスペーサ層を用いることも好ましい。たとえば、スペーサ層間が熱伝導性連結部材で接続されているとともに、同一スペーサ層を構成するスペーサ同士が熱伝導性連結部材で接続されている燃料電池スタックや、同一スペーサ層を構成するスペーサ同士が熱伝導性連結部材で接続されているとともに、各スペーサが突起を有する燃料電池スタックなどである。 As described above, the fuel cell stack of the present invention has been described in detail by specifically showing the first to third embodiments. However, in order to further improve heat dissipation, a spacer layer that combines two or more features of each embodiment is provided. It is also preferable to use it. For example, a fuel cell stack in which spacer layers are connected by a thermally conductive connecting member and spacers constituting the same spacer layer are connected by a thermally conductive connecting member, or spacers constituting the same spacer layer are The fuel cell stack is connected by a heat conductive connecting member and each spacer has a protrusion.
本発明の燃料電池スタックは、たとえば電子機器、とりわけ、携帯電話、電子手帳、ノート型パソコンに代表される携帯機器などの小型電子機器用の電源として好適に用いることができる。 The fuel cell stack of the present invention can be suitably used as a power source for electronic devices, particularly small electronic devices such as mobile devices typified by mobile phones, electronic notebooks, and notebook computers.
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited to these.
以下の手順で燃料電池スタックを作製した。図１０〜図１８を参照しながら説明する。なお、図１０〜図１８中における数値の単位はｍｍである。また、以下の燃料電池スタックの作製では、いくつかの構成部材について、同じものを複数作製しているが、以下の説明においては作製した構成部材の数については省略している場合がある。 A fuel cell stack was prepared by the following procedure. This will be described with reference to FIGS. In addition, the unit of the numerical value in FIGS. 10-18 is mm. Further, in the fabrication of the following fuel cell stack, a plurality of the same components are fabricated for some components, but the number of the fabricated components may be omitted in the following description.
＜実施例１＞
（１）膜電極複合体の作製
Ｐｔ担持量３２．５重量％、Ｒｕ担持量１６．９重量％の触媒担持カーボン粒子（ＴＥＣ６６Ｅ５０、田中貴金属社製）と、電解質である２０重量％のナフィオン（登録商標）のアルコール溶液（アルドリッチ社製）と、ｎ−プロパノールと、イソプロパノールと、ジルコニアボールとを、所定の割合でフッ素系樹脂製の容器に入れ、攪拌機を用いて５００ｒｐｍで５０分間の混合を行なうことにより、アノード極用の触媒ペーストを調製した。また、Ｐｔ担持量４６．８重量％の触媒担持カーボン粒子（ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ、田中貴金属社製）を用いること以外はアノード極用の触媒ペーストと同様にして、カソード極用の触媒ペーストを調製した。
<Example 1>
(1) Production of Membrane Electrode Composite Catalyst-supported carbon particles (TEC66E50, manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) having a Pt loading amount of 32.5% by weight and a Ru loading amount of 16.9% by weight, and 20% by weight of Nafion as an electrolyte ( (Registered trademark) Alcohol solution (Aldrich), n-propanol, isopropanol, and zirconia balls are put into a fluororesin container at a predetermined ratio and mixed for 50 minutes at 500 rpm using a stirrer. By performing, the catalyst paste for anode electrodes was prepared. Also, a catalyst paste for the cathode electrode was prepared in the same manner as the catalyst paste for the anode electrode except that catalyst-supporting carbon particles (TEC10E50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) having a Pt loading amount of 46.8% by weight were used.
縦２０ｍｍ、横１５ｍｍに切断したカーボンペーパー（ＧＤＬ２５ＢＣ、ＳＧＬ社製）を２枚用意し、これらをそれぞれアノード導電性多孔質層、カソード導電性多孔質層とした。 Two pieces of carbon paper (GDL25BC, manufactured by SGL) cut into a length of 20 mm and a width of 15 mm were prepared, and these were used as an anode conductive porous layer and a cathode conductive porous layer, respectively.
上記アノード導電性多孔質層上に、上記のアノード極用の触媒ペーストを触媒担持量が約３ｍｇ／ｃｍ2となるようにスクリーン印刷版を用いて塗布し、触媒ペーストに含まれる有機溶剤を蒸散させることにより、厚み約１００μｍのアノード極を作製した。また、カソード導電性多孔質層上に、上記のカソード極用の触媒ペーストを触媒担持量が約１ｍｇ／ｃｍ2となるようにスクリーン印刷版を用いて塗布し、触媒ペーストに含まれる有機溶剤を蒸散させることにより、厚み約５０μｍのカソード極を作製した。 On the anode conductive porous layer, the anode electrode catalyst paste is applied using a screen printing plate so that the amount of the catalyst supported is about 3 mg / cm 2, and the organic solvent contained in the catalyst paste is evaporated. As a result, an anode electrode having a thickness of about 100 μm was produced. Further, the cathode paste catalyst paste is applied onto the cathode conductive porous layer using a screen printing plate so that the amount of the catalyst supported is about 1 mg / cm 2, and the organic solvent contained in the catalyst paste is applied. A cathode electrode having a thickness of about 50 μm was produced by evaporation.
次に、厚さ約１７５μｍのパーフルオロスルホン酸系イオン交換膜（ナフィオン（登録商標）１１７、デュポン社製）を縦２１ｍｍ、横１６ｍｍに切断して電解質膜とし、上記アノード極と電解質膜と上記カソード極をこの順で、それぞれの触媒層が電解質膜に対向するように重ね合わせた後、１３０℃、２分間のホットプレスを行ない、アノード極およびカソード極を電解質膜に接合した。上記重ね合わせは、アノード極とカソード極の電解質膜の面内における位置が一致するように、かつアノード極と電解質膜とカソード極の中心が一致するように行なった。ついで、得られた積層体を切断することにより、縦２０ｍｍ、横２．５ｍｍの短冊形状の膜電極複合体を５本作製した。 Next, a perfluorosulfonic acid ion exchange membrane having a thickness of about 175 μm (Nafion (registered trademark) 117, manufactured by DuPont) was cut into a length of 21 mm and a width of 16 mm to obtain an electrolyte membrane. The anode electrode, the electrolyte membrane, and the above After superposing the cathode electrodes in this order so that each catalyst layer faces the electrolyte membrane, hot pressing was performed at 130 ° C. for 2 minutes to join the anode electrode and the cathode electrode to the electrolyte membrane. The superposition was performed so that the positions of the anode electrode and the cathode electrode in the plane of the electrolyte membrane coincided and the centers of the anode electrode, the electrolyte membrane, and the cathode electrode coincided. Next, the obtained laminate was cut to prepare five strip-shaped membrane electrode composites having a length of 20 mm and a width of 2.5 mm.
（２）単位電池の作製
図１０に示されるような、厚さ１００μｍ、外形縦２４ｍｍ、横２０．５ｍｍで、縦２０ｍｍ、横２ｍｍのスリット（隙間）が等間隔に４つ形成されたステンレス板を２枚用意した。これらのステンレス板の斜線で示した中央領域（計５つの領域）に、開孔径がφ０．６ｍｍである複数の開孔（開孔パターン：千鳥６０°ピッチ０．８ｍｍ）を、フォトレジストマスクを用いたウェットエッチングにて両面から加工することにより、厚み方向に貫通する貫通孔を複数備えるステンレス板を２枚作製し、さらに耐食性向上と電気抵抗低減のため、これらの表面を金メッキし、それぞれアノード集電層およびカソード集電層とした。
(2) Manufacture of unit battery Stainless steel plate as shown in FIG. 10 having a thickness of 100 μm, outer dimensions of 24 mm, width of 20.5 mm, and four slits (gap) of 20 mm length and 2 mm width formed at equal intervals. Two sheets were prepared. A plurality of apertures (aperture pattern: staggered 60 ° pitch 0.8 mm) with a diameter of φ0.6 mm in the central region (total of five regions) indicated by diagonal lines of these stainless steel plates, a photoresist mask By processing from both sides with the wet etching used, two stainless steel plates with multiple through holes penetrating in the thickness direction were produced, and these surfaces were plated with gold to improve corrosion resistance and reduce electrical resistance. A current collecting layer and a cathode current collecting layer were used.
次に、５本の膜電極複合体を、上記アノード集電層の図１０において斜線で示した５つの中央領域の直上に、カーボン粒子とエポキシ樹脂とからなる導電性接着剤層を介して積層するとともに（膜電極複合体のアノード極が導電性接着剤層に対向するように）、上記カソード集電層を５本の膜電極複合体のカソード極上に、カーボン粒子とエポキシ樹脂とからなる導電性接着材層を介して積層した。この際、カソード集電層は、その図１０において斜線で示した５つの中央領域が５本の膜電極複合体のカソード極の直上に配置されるように積層した。さらに、図１０における点線枠の位置であって、アノード集電層とカソード集電層との間に、アクリル樹脂系粘着剤からなる両面テープを配置し、得られた積層体をホットプレスにより接合して単位電池（５本）からなる層を作製した。上記両面テープにより、アノード集電層とカソード集電層とが強固に接着されるため、界面剥離等に対する強度が向上し、また単位電池の短辺側から燃料が侵入することを防止することができる。 Next, five membrane electrode composites are laminated on the anode current collecting layer directly above the five central regions shown by diagonal lines in FIG. 10 via a conductive adhesive layer made of carbon particles and epoxy resin. In addition, the cathode current collecting layer is placed on the cathode electrode of the five membrane electrode composites so that the anode electrode of the membrane electrode composite is opposed to the conductive adhesive layer. It laminated | stacked through the adhesive material layer. At this time, the cathode current collecting layer was laminated so that the five central regions shown by oblique lines in FIG. 10 were arranged immediately above the cathode electrodes of the five membrane electrode assemblies. Further, a double-sided tape made of an acrylic resin-based adhesive is disposed between the anode current collecting layer and the cathode current collecting layer at the position of the dotted line frame in FIG. 10, and the obtained laminate is joined by hot pressing. Thus, a layer composed of unit cells (5) was produced. Since the anode current collecting layer and the cathode current collecting layer are firmly bonded to each other by the double-sided tape, the strength against interfacial peeling and the like is improved, and fuel can be prevented from entering from the short side of the unit cell. it can.
（３）気化層の準備
気化層として、図１１に示されるような、厚さ約０．２ｍｍ、外形縦２６ｍｍ、横２０．５ｍｍで、縦２０ｍｍ、横２ｍｍのスリットが等間隔に４つ形成されたポリテトラフルオロエチレンからなる多孔質フィルム（日東電工（株）製の「テミッシュ〔ＴＥＭＩＳＨ（登録商標）〕ＮＴＦ２１２２Ａ−Ｓ０６」）を２枚用意した。
(3) Preparation of vaporized layer As the vaporized layer, as shown in FIG. 11, four slits of about 0.2 mm in thickness, 26 mm in length and 20.5 mm in width, 20 mm in length and 2 mm in width are formed at equal intervals. Two porous films made of polytetrafluoroethylene ("TEMish (registered trademark) NTF2122A-S06" manufactured by Nitto Denko Corporation) were prepared.
（４）燃料供給部の作製
燃料供給板として、図１２に示されるような、厚さ０．６ｍｍ、外形縦２６ｍｍ、横２０．５ｍｍで、縦２０ｍｍ、横２ｍｍのスリットが等間隔に４つ形成され、さらに、一端面から延びる縦２５ｍｍ、横１．５ｍｍの貫通孔（燃料輸送部材が挿入される空間）が形成されたステンレス板を用意した。また、厚さ１．０ｍｍの親水性多孔質体（三菱鉛筆社製フェルト）を用意し、これを図１３に示される形状に切断して燃料輸送部材とした。
(4) Fabrication of fuel supply section As shown in FIG. 12, the fuel supply plate has four slits of 0.6 mm thickness, 26 mm outside length, 20.5 mm width, 20 mm length, 2 mm width at regular intervals. Further, a stainless steel plate was prepared in which a through hole (a space into which the fuel transport member was inserted) having a length of 25 mm and a width of 1.5 mm extending from one end surface was formed. A 1.0 mm thick hydrophilic porous body (Mitsubishi Pencil Co., Ltd. felt) was prepared and cut into the shape shown in FIG. 13 to obtain a fuel transport member.
上記燃料輸送部材を、燃料供給板の前記貫通孔にその長手方向先端が、貫通孔の側壁（図１２における貫通孔上側の壁）に一致するよう、はめ込むように設置した。なお、図１３に示すように、燃料輸送部材の長手方向延伸部（櫛歯部分）の根元（図１３における延伸部の下側）は１．５ｍｍ幅、先端部は１ｍｍ幅となっている。このように、長手方向延伸部の根元側の幅を燃料供給板の貫通孔の幅と一致させているのは、燃料電池の発電によって生じた生成ガスが、根元側に戻ってこないように、燃料供給板と燃料輸送部材の間を隙間なく埋めるためである。 The fuel transport member was installed so as to be fitted into the through hole of the fuel supply plate so that the front end in the longitudinal direction coincided with the side wall of the through hole (the wall on the upper side of the through hole in FIG. 12). As shown in FIG. 13, the base of the longitudinally extending portion (comb portion) of the fuel transport member (the lower side of the extending portion in FIG. 13) is 1.5 mm wide and the tip is 1 mm wide. Thus, the width of the base side of the longitudinally extending portion is matched with the width of the through hole of the fuel supply plate so that the generated gas generated by the power generation of the fuel cell does not return to the base side. This is to fill the gap between the fuel supply plate and the fuel transport member without any gap.
次に、燃料供給部を挟みこむように気化層を、ポリオレフィン系接着剤を介して上下に配置した後、熱圧着することにより、気化層と燃料供給部とを接合した。熱圧着により、気化層と燃料供給部が接合されるため、燃料輸送部材は押し潰され、燃料供給板の貫通孔内に固定された状態となる。なお、気化層と燃料供給部は、それらのスリットの位置が積層方向に関して一致するように積層した。 Next, the vaporization layer was disposed vertically with a polyolefin-based adhesive interposed between the fuel supply portions, and then the vaporization layer and the fuel supply portion were joined by thermocompression bonding. Since the vaporization layer and the fuel supply unit are joined by thermocompression bonding, the fuel transport member is crushed and fixed in the through hole of the fuel supply plate. The vaporization layer and the fuel supply unit were laminated so that the positions of the slits coincided with each other in the lamination direction.
（５）燃料電池層の作製
単位電池（５本）からなる層のスリットが、気化層付き燃料供給部のスリットの直上に配置されるように、単位電池（５本）からなる層／気化層付き燃料供給部／単位電池（５本）からなる層の順で、各単位電池からなる層を構成する各単位電池のアノード極が気化層付き燃料供給部に対向するように積層した。次に、各燃料電池層を構成する各単位電池の長辺側の両端面ならびに、気化層付き燃料供給部を構成する気化層および燃料供給板の長辺側の両端面（スリットの形成されている領域）に、マスクを用いて、エポキシ樹脂を含有する塗布液を塗布し硬化させることにより、エポキシ樹脂からなる封止層を形成し、燃料電池層を作製した。なお、封止層の厚みは約０．２ｍｍであり、したがってスリットが封止層によって塞がれることはない。封止層により燃料電池層と気化層付き燃料供給部は一体化される。
(5) Production of fuel cell layer Layer / vaporization layer consisting of unit cells (5) so that the slit of the layer consisting of 5 unit cells (5) is arranged immediately above the slit of the fuel supply unit with vaporization layer The fuel cell was stacked in the order of the fuel supply section with attached unit / unit cell (5) so that the anode electrode of each unit cell constituting the layer made of each unit cell was opposed to the fuel supply section with vaporization layer. Next, both end surfaces on the long side of each unit cell constituting each fuel cell layer, and both end surfaces on the long side of the vaporization layer and the fuel supply plate constituting the fuel supply unit with the vaporization layer (with slits formed) The coating layer containing the epoxy resin was applied and cured using a mask to form a sealing layer made of the epoxy resin, and a fuel cell layer was produced. In addition, the thickness of the sealing layer is about 0.2 mm, so that the slit is not blocked by the sealing layer. The fuel cell layer and the fuel supply unit with the vaporization layer are integrated by the sealing layer.
（６）燃料電池スタックの作製
スペーサ層として、図１４に示されるような形状のアルミ板を用意した（以下、このスペーサ層をスペーサ層ａという）。スペーサ層ａは、厚さ１ｍｍで、縦２ｍｍ、横２４．５ｍｍの短冊状（直方体形状）のスペーサ５本を長辺が対向するように、かつ隣り合うスペーサ間に空間が形成されるように同一平面内に平行に配置された構造を有しており、さらに、図示されるように、φ１．４ｍｍの複数の貫通孔が等間隔に設けられている。絶縁のため、スペーサ層ａの両面にアルマイト処理を施した。また、図６および図７に示される燃料電池スタックと同様に、燃料電池スタックの最も外側に配置されるスペーサ層として、図６および図７に示されるものと同様の形状を有する蓋となる筐体Ａおよび箱状の筐体Ｂを用意した。筐体Ａおよび筺体Ｂには、図１４のスペーサ層と同様に、これと同じ数の貫通孔が同じ位置に設けられているが、筐体Ｂの貫通孔はφ１．２ｍｍのネジ山である。筐体Ａおよび筺体Ｂの内側（燃料電池スタックが収容される側）に、同様にアルマイト処理を施した。
(6) Production of Fuel Cell Stack An aluminum plate having a shape as shown in FIG. 14 was prepared as a spacer layer (hereinafter, this spacer layer is referred to as spacer layer a). The spacer layer a has a thickness of 1 mm, a length of 2 strips of 2 mm and a width of 24.5 mm (rectangular cuboid) and the long sides face each other, and a space is formed between adjacent spacers. It has a structure arranged in parallel in the same plane, and furthermore, as shown in the figure, a plurality of through holes of φ1.4 mm are provided at equal intervals. Alumite treatment was performed on both surfaces of the spacer layer a for insulation. Similarly to the fuel cell stack shown in FIGS. 6 and 7, the spacer layer disposed on the outermost side of the fuel cell stack serves as a lid having a shape similar to that shown in FIGS. A body A and a box-shaped housing B were prepared. As in the spacer layer in FIG. 14, the same number of through holes are provided at the same position in the housing A and the housing B, but the through holes of the housing B are φ1.2 mm threads. . The alumite treatment was similarly applied to the inside of the casing A and the casing B (side on which the fuel cell stack is accommodated).
下から、筐体Ｂ（スペーサ層を兼ねる）／第１の燃料電池層／スペーサ層ａ／第２の燃料電池層／スペーサ層ａ／第３の燃料電池層／筐体Ａ（スペーサ層を兼ねる）の順で、各スペーサ層（筐体Ａおよび筐体Ｂを含む）が有するスペーサ間に形成されたスリット（空間）と各燃料電池層が有するスリット（空間）とが直交するように積層した（第１〜第３の燃料電池層はいずれも上記で作製した燃料電池層である）。これにより、各燃料電池層が有するスリット（空間）と各スペーサ層が有するスペーサ間のスリット（空間）とが３次元的に連通する。次に、熱伝導性連結部材として、Ｍ１．２×１０ｍｍのステンレスネジを用い、各スペーサ層の貫通孔を通し、筐体Ｂに設けられたネジ山に挿入した後、締め付けることにより、各燃料電池層と各スペーサ層とを締結した。スペーサ層が有する貫通孔と熱伝導性連結部材との隙間を伝熱性の良好なシリコングリスで埋めた。また、集電に関しては、各燃料電池層内の単位電池は並列接続し、第１〜３の燃料電池層は直列接続となるよう導線と半田を用いて電気的に接続した。また、図６に示すように筐体Ａと筐体Ｂによって燃料貯蔵室が形成され、筐体Ａには圧力調整孔が設けられている。燃料貯蔵室に燃料を供給することにより、前記燃料輸送部材が燃料を毛管力で吸い込み、各燃料電池層のアノード極に供給される。 From below, case B (also serves as spacer layer) / first fuel cell layer / spacer layer a / second fuel cell layer / spacer layer a / third fuel cell layer / case A (also serves as spacer layer) ) In this order, the slits (spaces) formed between the spacers of each spacer layer (including the casing A and the casing B) and the slits (spaces) of the fuel cell layers are stacked so as to be orthogonal to each other. (The first to third fuel cell layers are all the fuel cell layers produced above). Thereby, the slit (space) which each fuel cell layer has, and the slit (space) between the spacers which each spacer layer has communicates three-dimensionally. Next, M1.2 × 10 mm stainless steel screws are used as the heat conductive connecting members, inserted through the threaded holes provided in the housing B through the through holes of the spacer layers, and then tightened. The battery layer and each spacer layer were fastened. The gap between the through hole of the spacer layer and the heat conductive connecting member was filled with silicon grease having good heat conductivity. As for current collection, the unit cells in each fuel cell layer were connected in parallel, and the first to third fuel cell layers were electrically connected using conductive wires and solder so as to be connected in series. In addition, as shown in FIG. 6, a fuel storage chamber is formed by the casing A and the casing B, and the casing A is provided with a pressure adjustment hole. By supplying fuel to the fuel storage chamber, the fuel transport member sucks the fuel by capillary force and supplies it to the anode electrode of each fuel cell layer.
＜実施例２＞
上記スペーサ層ａの代わりに、図１５に示されるような形状のアルミ板からなるスペーサ層ｂ（両面にアルマイト処理）を用いたこと以外は、実施例１と同様にして筺体に収容された燃料電池スタックを作製した。スペーサ層ｂは、厚さ１ｍｍで、縦２ｍｍ、横２４．５ｍｍの短冊状（直方体形状）のスペーサ５本を長辺が対向するように、かつ隣り合うスペーサ間に空間が形成されるように同一平面内に平行に配置され、隣り合うスペーサ同士が複数の箇所で熱伝導性連結部材によって連結された構造を有している。すなわち、スペーサ層ｂは、図１５に示されるように、アルミ板に複数の四角形の貫通孔が配列された構造である。ただし、スペーサ層ａとは異なり、積層方向に熱伝導性連結部材を通すための貫通孔は有しない。なお、スペーサ層−燃料電池層間は、熱伝導性の良好なシリコーン系樹脂層を有する両面テープを用いて隙間なく接合した。
<Example 2>
Fuel contained in the casing in the same manner as in Example 1 except that instead of the spacer layer a, a spacer layer b (alumite treatment on both sides) made of an aluminum plate having a shape as shown in FIG. 15 was used. A battery stack was prepared. The spacer layer b has a thickness of 1 mm, a length of 2 mm, a width of 24.5 mm, and a long space between the adjacent spacers. The spacers are arranged in parallel in the same plane, and adjacent spacers are connected to each other by a heat conductive connecting member at a plurality of locations. That is, the spacer layer b has a structure in which a plurality of rectangular through holes are arranged on an aluminum plate as shown in FIG. However, unlike the spacer layer a, there is no through-hole for passing the heat conductive connecting member in the stacking direction. The spacer layer and the fuel cell layer were joined without a gap using a double-sided tape having a silicone resin layer with good thermal conductivity.
＜実施例３＞
上記スペーサ層ａの代わりに、図１６に示されるような形状のアルミ板からなるスペーサ層ｃ（両面にアルマイト処理）を用いたこと以外は、実施例１と同様にして筺体に収容された燃料電池スタックを作製した。スペーサ層ｃは、厚さ１ｍｍで、縦２ｍｍ、横２４．５ｍｍの短冊状（直方体形状）のスペーサ５本を長辺が対向するように、かつ隣り合うスペーサ間に空間が形成されるように同一平面内に平行に配置され、各スペーサの長辺側端面に多数の突起が設けられた構造を有している（突起もスペーサと同じ材質からなる）。スペーサ層ａとは異なり、積層方向に熱伝導性連結部材を通すための貫通孔は有しない。なお、スペーサ層−燃料電池層間は、熱伝導性の良好なシリコーン系樹脂層を有する両面テープを用いて隙間なく接合した。
<Example 3>
Fuel contained in the casing in the same manner as in Example 1 except that instead of the spacer layer a, a spacer layer c (alumite treatment on both sides) made of an aluminum plate having the shape shown in FIG. 16 was used. A battery stack was prepared. The spacer layer c has a thickness of 1 mm, a length of two strip-shaped (cuboid-shaped) spacers having a length of 2 mm and a width of 24.5 mm so that the long sides face each other, and a space is formed between adjacent spacers. It has a structure in which a large number of protrusions are provided on the end surface on the long side of each spacer (the protrusions are also made of the same material as the spacer). Unlike the spacer layer a, there is no through hole for passing the heat conductive connecting member in the stacking direction. The spacer layer and the fuel cell layer were joined without a gap using a double-sided tape having a silicone resin layer with good thermal conductivity.
＜実施例４＞
上記スペーサ層ａの代わりに、図１７に示されるような形状のアルミ板からなるスペーサ層ｄ（両面にアルマイト処理）を用いたこと以外は、実施例１と同様にして筺体に収容された燃料電池スタックを作製した。スペーサ層ｄは、厚さ１ｍｍで、縦２ｍｍ、横２４．５ｍｍの短冊状（直方体形状）のスペーサ５本を長辺が対向するように、かつ隣り合うスペーサ間に空間が形成されるように同一平面内に平行に配置され、スペーサには図示したように、φ１．４ｍｍの複数の貫通孔が等間隔に設けられ、隣り合うスペーサ同士が複数の箇所で熱伝導性連結部材によって連結された構造を有し、加えて、各スペーサの長辺側端面に多数の突起が設けられた構造を有している（突起もスペーサと同じ材質からなる）。すなわち、スペーサ層ｄは、スペーサ層ａとスペーサ層ｂとスペーサ層ｃの各々の特徴を組み合わせた構造を有する。なお、スペーサ層−燃料電池層間は、熱伝導性の良好なシリコーン系樹脂層を有する両面テープを用いて隙間なく接合した。
<Example 4>
The fuel contained in the casing in the same manner as in Example 1 except that instead of the spacer layer a, a spacer layer d (alumite treatment on both sides) made of an aluminum plate having a shape as shown in FIG. 17 was used. A battery stack was prepared. The spacer layer d has a thickness of 1 mm, a length of 2 mm and a width of 24.5 mm in a strip shape (cuboid shape) so that the long sides face each other and a space is formed between adjacent spacers. As shown in the drawing, the spacers are arranged in parallel in the same plane, and a plurality of through holes of φ1.4 mm are provided at equal intervals, and adjacent spacers are connected to each other by a heat conductive connecting member at a plurality of locations. In addition, each spacer has a structure in which a large number of protrusions are provided on the end surface on the long side (the protrusions are also made of the same material as the spacers). That is, the spacer layer d has a structure in which the characteristics of the spacer layer a, the spacer layer b, and the spacer layer c are combined. The spacer layer and the fuel cell layer were joined without a gap using a double-sided tape having a silicone resin layer with good thermal conductivity.
＜比較例１＞
上記スペーサ層ａの代わりに、図１８に示されるような形状のアルミ板からなるスペーサ層ｅ（両面にアルマイト処理）を用いたこと以外は、実施例１と同様にして筺体に収容された燃料電池スタックを作製した。スペーサ層ｅは、厚さ１ｍｍで、縦２ｍｍ、横２４．５ｍｍの短冊状（直方体形状）のスペーサ５本を長辺が対向するように、かつ隣り合うスペーサ間に空間が形成されるように同一平面内に平行に配置したものである。スペーサ層ａとは異なり、積層方向に熱伝導性連結部材を通すための貫通孔は有しない。なお、スペーサ層−燃料電池層間は、熱伝導性の良好なシリコーン系樹脂層を有する両面テープを用いて隙間なく接合した。
<Comparative Example 1>
The fuel contained in the casing in the same manner as in Example 1 except that instead of the spacer layer a, a spacer layer e (alumite treatment on both sides) made of an aluminum plate having a shape as shown in FIG. 18 was used. A battery stack was prepared. The spacer layer e has a thickness of 1 mm, a length of 2 mm, a width of 24.5 mm, and 5 spacers in a rectangular shape (rectangular shape) so that the long sides face each other and a space is formed between adjacent spacers. They are arranged in parallel in the same plane. Unlike the spacer layer a, there is no through hole for passing the heat conductive connecting member in the stacking direction. The spacer layer and the fuel cell layer were joined without a gap using a double-sided tape having a silicone resin layer with good thermal conductivity.
（燃料電池の発電特性評価）
燃料としての１２ｍｏｌ／ｄｍ3メタノール水溶液を燃料貯蔵室に入れ、パッシブ供給にて燃料供給を行ない、得られた燃料電池スタックを稼動させ、充放電装置（菊水電子工業（株）製の「ＳＰＥＣ２０５２６」）を用いてＩ−Ｖ測定を行ない、単位電池の単位面積あたりの電流が１００ｍＡ/ｃｍ2となる際の燃料電池層の面内温度（カソード極の温度）を、熱電対を用いて測定した。燃料電池層の面内温度は中心部が最も温度が高く、中心部から外れた外周部の温度が低い傾向がある。燃料電池層の温度の面内バラつきを調べるため、中心部と外周部に熱電対を配し、燃料電池層各層の温度バラつきを調べた。結果を表１に示す。
(Evaluation of power generation characteristics of fuel cells)
A 12 mol / dm 3 aqueous methanol solution as a fuel is placed in a fuel storage chamber, fuel is supplied by passive supply, the resulting fuel cell stack is operated, and a charge / discharge device (“SPEC 20526” manufactured by Kikusui Electronics Corporation) is operated. ) Was used to measure the in-plane temperature (cathode electrode temperature) of the fuel cell layer when the current per unit area of the unit cell was 100 mA / cm 2 using a thermocouple. . The in-plane temperature of the fuel cell layer tends to be highest at the center and low at the outer periphery outside the center. In order to investigate the in-plane variation of the temperature of the fuel cell layer, thermocouples were arranged at the center and the outer periphery, and the temperature variation of each layer of the fuel cell layer was examined. The results are shown in Table 1.
実施例１の燃料電池スタックは、第１〜３の燃料電池層の温度差が小さく、各燃料電池層内の温度ムラは比較例１と同程度であった。第１〜３の燃料電池層の温度差が小さいことにより各燃料電池層で同程度の出力が得られ、結果として燃料電池スタック全体でみた最大出力（単位電池の面積あたりの出力の最大値）は３２ｍＷ/ｃｍ2と非常に高い値が得られた。また、定電流負荷７５ｍＡ／ｃｍ2を与えた際も電圧は安定していた。 In the fuel cell stack of Example 1, the temperature difference between the first to third fuel cell layers was small, and the temperature unevenness in each fuel cell layer was the same as that of Comparative Example 1. Since the temperature difference between the first to third fuel cell layers is small, the same output is obtained in each fuel cell layer, and as a result, the maximum output as seen in the entire fuel cell stack (maximum output per unit cell area) A very high value of 32 mW / cm 2 was obtained. The voltage was stable when a constant current load of 75 mA / cm 2 was applied.
実施例２の燃料電池スタックは、第１〜３の燃料電池層の温度差は比較例１と同程度であったが、各燃料電池層内の温度ムラは小さかった。各燃料電池層の温度ムラが小さいことにより、各燃料電池層の出力が高く得られ、結果として燃料電池スタック全体でみた最大出力は３０ｍＷ/ｃｍ2と非常に高い値が得られた。また、定電流負荷７５ｍＡ／ｃｍ2を与えた際も電圧は安定していた。 In the fuel cell stack of Example 2, the temperature difference between the first to third fuel cell layers was about the same as that of Comparative Example 1, but the temperature unevenness in each fuel cell layer was small. Since the temperature unevenness of each fuel cell layer is small, a high output of each fuel cell layer can be obtained, and as a result, the maximum output seen in the whole fuel cell stack is as high as 30 mW / cm 2 . The voltage was stable when a constant current load of 75 mA / cm 2 was applied.
実施例３の燃料電池スタックは、第１〜３の燃料電池層の温度差は比較例１と同程度で、各燃料電池層内の温度ムラも比較例１と同程度であったが、比較例１よりも全体的に温度を低く抑えることができた。このため、燃料電池スタック全体でみた最大出力としては温度が低いことが起因して比較例１より少し低かったが、温度が全体的に低いことにより燃料供給が安定し温度暴走の危険性が小さいことから、信頼性が高いといえる。また、定電流負荷７５ｍＡ／ｃｍ2を与えた際も電圧は安定していた。 In the fuel cell stack of Example 3, the temperature difference between the first to third fuel cell layers was about the same as that of Comparative Example 1, and the temperature unevenness in each fuel cell layer was also about the same as that of Comparative Example 1. Overall, the temperature could be kept lower than in Example 1. For this reason, the maximum output of the fuel cell stack as a whole was slightly lower than that of Comparative Example 1 due to the low temperature, but the fuel supply was stabilized and the risk of temperature runaway was small due to the overall low temperature. Therefore, it can be said that the reliability is high. The voltage was stable when a constant current load of 75 mA / cm 2 was applied.
実施例４の燃料電池スタックは、第１〜３の燃料電池層の温度差は小さく、各燃料電池層内の温度ムラも小さく、更に比較例１よりも全体的に温度を低く抑えることができた。第１〜３の燃料電池層の温度差が小さいこと、各燃料電池層内の温度ムラも小さいことにより、燃料電池スタック内の温度が均一化されており、結果として燃料電池スタック全体でみた最大出力は３５ｍＷ/ｃｍ2と非常に高い値が得られた。また、燃料電池スタック内の温度が全体的に低いことにより燃料供給が安定し温度暴走の危険性が小さいことから、信頼性が高いといえる。また、定電流負荷７５ｍＡ／ｃｍ2を与えた際も電圧は安定していた。 In the fuel cell stack of Example 4, the temperature difference between the first to third fuel cell layers is small, the temperature unevenness in each fuel cell layer is small, and the temperature can be kept lower overall than in Comparative Example 1. It was. The temperature difference in the first to third fuel cell layers is small, and the temperature unevenness in each fuel cell layer is also small, so that the temperature in the fuel cell stack is made uniform. The output was as high as 35 mW / cm 2 . Further, since the temperature inside the fuel cell stack is generally low, the fuel supply is stable, and the risk of temperature runaway is small, so it can be said that the reliability is high. The voltage was stable when a constant current load of 75 mA / cm 2 was applied.
なお、比較例１の燃料電池スタックでは、燃料電池層の温度が全体的に高く、温度ムラも大きいことから燃料供給が安定せず、定電流負荷７５ｍＡ／ｃｍ2において電圧が除々に低下し安定しなかった。 In the fuel cell stack of Comparative Example 1, the temperature of the fuel cell layer is generally high and the temperature unevenness is large, so the fuel supply is not stable, and the voltage gradually decreases and stabilizes at a constant current load of 75 mA / cm 2 . I did not.
実施例１〜３の燃料電池スタックは、比較例１の燃料電池スタックに対し、いずれも異なる観点（スタック内温度の均一化や、放熱性向上）で優れている。また、実施例４の結果から、実施例１〜３の燃料電池スタックの特徴を組み合わせることにより、より高い効果が得られることがわかる。 The fuel cell stacks of Examples 1 to 3 are all superior to the fuel cell stack of Comparative Example 1 from different viewpoints (uniform stack temperature and improved heat dissipation). Moreover, it can be seen from the results of Example 4 that higher effects can be obtained by combining the characteristics of the fuel cell stacks of Examples 1 to 3.
１ 電解質膜、２ アノード極、３ カソード極、４ 膜電極複合体、５ アノード集電層、６ カソード集電層、７ 燃料供給部、７ａ 燃料供給板、７ｂ 燃料輸送部材、８ 気化層、１０ 第１の燃料電池層、１１ 第２の燃料電池層、１０ａ，１１ａ，４０ａ，７０ａ 単位電池、２０ 第１のスペーサ層、２１ 第２のスペーサ層、２２ 第３のスペーサ層、２０ａ，２１ａ，２２ａ，５０ａ，８０ａ スペーサ、３０ 第１の熱伝導性連結部材、３１ 第２の熱伝導性連結部材、４０，７０ 燃料電池層、５０，８０ スペーサ層、６０ 熱伝導性連結部材、９０ 突起、１００，８００，９００ 燃料電池スタック、６００ 筐体Ａ、６０１ 筐体Ｂ、６１０ 燃料貯蔵室、６２０ 圧力調整孔Ｓ，Ｔ スリット。
DESCRIPTION OF
Claims (15)
前記スペーサ層は、熱伝導性材料からなる１以上のスペーサから構成され、
前記スペーサ層の一方を構成するいずれかのスペーサと、前記スペーサ層の他方を構成するいずれかのスペーサとが熱伝導性連結部材によって接続されている燃料電池スタック。 A fuel cell layer including one or more unit cells each including an anode electrode, an electrolyte membrane, and a cathode electrode in this order, and two spacer layers stacked on one surface of the fuel cell layer and the other surface facing the fuel cell layer Including
The spacer layer is composed of one or more spacers made of a heat conductive material,
A fuel cell stack in which one of the spacer layers and one of the spacer layers are connected to each other by a heat conductive connecting member.
前記第１のスペーサ層を構成するいずれかのスペーサと、前記第２のスペーサ層を構成するいずれかのスペーサとが熱伝導性連結部材によって接続されており、かつ、前記第２のスペーサ層を構成するいずれかのスペーサと、前記第３のスペーサ層を構成するいずれかのスペーサとが熱伝導性連結部材によって接続されている請求項１に記載の燃料電池スタック。 The fuel cell layer includes first to second fuel cell layers, the spacer layer includes first to third spacer layers, a first spacer layer, a first fuel cell layer, and a second spacer layer. A fuel cell stack including a laminated structure in which a second fuel cell layer and a third spacer layer are laminated in this order,
One of the spacers constituting the first spacer layer and one of the spacers constituting the second spacer layer are connected by a thermally conductive connecting member, and the second spacer layer is 2. The fuel cell stack according to claim 1, wherein any one of the spacers and one of the spacers constituting the third spacer layer are connected by a thermally conductive connecting member.
前記２以上の単位電池は、隣り合う単位電池間に空間が形成されるように同一平面内に配列される請求項１または２に記載の燃料電池スタック。 The fuel cell layer includes two or more strip-shaped unit cells,
The fuel cell stack according to claim 1 or 2, wherein the two or more unit cells are arranged in the same plane so that a space is formed between adjacent unit cells.
前記２以上のスペーサは、隣り合うスペーサ間に空間が形成されるように、かつ、該スペーサ層と隣り合う燃料電池層を構成する前記２以上の単位電池と交わるように同一平面内に配列される請求項３に記載の燃料電池スタック。 The spacer layer includes two or more strip-shaped spacers,
The two or more spacers are arranged in the same plane so that a space is formed between adjacent spacers and intersects the two or more unit cells constituting the fuel cell layer adjacent to the spacer layer. The fuel cell stack according to claim 3.
スペーサ（ａ）のそれぞれが、これに対向するスペーサ（ｂ）と、前記積層方向に延びる１以上の熱伝導性連結部材によって接続されている請求項４に記載の燃料電池スタック。 The two or more spacers (a) constituting one of the spacer layers (A) and the two or more spacers (b) constituting the spacer layer (B) adjacent to the spacer layer (A) include a fuel cell stack. , When viewed from the stacking direction of the layers constituting this, are arranged at substantially the same position,
The fuel cell stack according to claim 4, wherein each of the spacers (a) is connected to the spacer (b) facing the spacers by one or more thermally conductive connecting members extending in the stacking direction.
前記スペーサ層は、隣り合うスペーサ間に空間が形成されるように同一平面内に配列される、熱伝導性材料からなる２以上のスペーサと、隣り合うスペーサ間を接続する１以上の熱伝導性連結部材とから構成される燃料電池スタック。 A fuel cell layer including one or more unit cells each including an anode electrode, an electrolyte membrane, and a cathode electrode in this order; and a spacer layer stacked on the cathode electrode side of the fuel cell layer;
The spacer layer includes two or more spacers made of a heat conductive material arranged in the same plane so that a space is formed between adjacent spacers, and one or more thermal conductivity members connecting the adjacent spacers. A fuel cell stack comprising a connecting member.
前記２以上のスペーサは、前記燃料電池層を構成する前記２以上の単位電池と交わるように配置される請求項７または８に記載の燃料電池スタック。 The two or more spacers have a strip shape, and the fuel cell layer includes two or more strip-shaped unit cells arranged in the same plane so that a space is formed between adjacent unit cells. ,
The fuel cell stack according to claim 7 or 8, wherein the two or more spacers are arranged so as to intersect with the two or more unit cells constituting the fuel cell layer.
前記スペーサ層は、隣り合うスペーサ間に空間が形成されるように同一平面内に配列される、熱伝導性材料からなる２以上のスペーサから構成され、
前記２以上にスペーサは、その側面に、前記空間側へ突出した複数の突起を有する燃料電池スタック。 A fuel cell layer including one or more unit cells each including an anode electrode, an electrolyte membrane, and a cathode electrode in this order; and a spacer layer stacked on the cathode electrode side of the fuel cell layer;
The spacer layer is composed of two or more spacers made of a thermally conductive material arranged in the same plane so that a space is formed between adjacent spacers,
The fuel cell stack, wherein the two or more spacers have a plurality of protrusions protruding toward the space on the side surfaces thereof.
前記２以上のスペーサは、前記燃料電池層を構成する前記２以上の単位電池と交わるように配置される請求項１１に記載の燃料電池スタック。 The two or more spacers have a strip shape, and the fuel cell layer includes two or more strip-shaped unit cells arranged in the same plane so that a space is formed between adjacent unit cells. ,
The fuel cell stack according to claim 11, wherein the two or more spacers are arranged so as to intersect with the two or more unit cells constituting the fuel cell layer.
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