JP4942396B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタックに係り、膜−電極アセンブリとセパレータとからなる単位セルが積層されて構成される燃料電池スタックに関するものである。

燃料電池は、炭化水素系の燃料に含まれている水素の酸化反応及び酸素の還元反応によって、電気エネルギーを発生させる発電システムとして構成される。このような燃料電池は、広く、高分子電解質型燃料電池と直接酸化型燃料電池に区分できる。

高分子電解質型燃料電池は、スタックと呼ばれる燃料電池本体（以下、便宜上スタックという）として構成され、通常の改質装置から供給される水素の酸化反応及び空気ポンプまたはファンの稼動によって供給される酸素の還元反応により、電気エネルギーを発生させる構造になっている。ここで、改質装置は燃料を改質して、この燃料から水素を発生させ、この水素をスタックに供給する燃料処理装置としての機能を有している。

直接酸化型燃料電池は、高分子電解質型燃料電池とは違って、水素を使わずに燃料が直接的に供給されて、この燃料中に含まれている水素の酸化反応及び別途に供給される酸素の還元反応によって、電気エネルギーを発生させるスタックとして構成できる。

このような種類の燃料電池にあって、スタックは、膜−電極アセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｃｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）とセパレータとからなる単位のセルが数個〜数十個に積層されて構成される。ＭＥＡは、電解質膜の一つの面（以下、一面とする）にアノード電極、他の一面（以下、他面とする）にカソード電極が付着した構造である。

そしてセパレータは、ＭＥＡを挟んでこの両面に配置され、水素などの燃料、及び酸素をＭＥＡに供給する通路の役割と、隣接し対向するＭＥＡのアノード電極及びカソード電極を直列に接続させる導電体としての役割とを、同時に行う。なおセパレータは、特記しない限り単極式を想定し、二極式のものは単極式のアノード、セパレータとカソード、セパレータとを接合したものであると解釈する。

したがって、ＭＥＡのアノード電極にはセパレータによって、水素などの燃料が供給され、ＭＥＡのカソード電極にはセパレータによって、酸素が供給される。この過程でアノード電極では水素など燃料の酸化反応が起こり、カソード電極では酸素の還元反応が起こり、この時分離生成される電子の移動力（起電力）を積み重ねて、スタックからは実用的な電圧の電気エネルギーが発生する。

このような従来の燃料電池スタックは、特許文献１〜５などに開示されている。これら文献の技術は、各単位セルのセパレータ自体またはこのセパレータに連結設置される別途の端子を通して、単位セルを電気的に連結し所定起電力の電気エネルギーを発生させる構造からなる。

特開平６−６０９０５号公報 特開平８−１３８６９９号公報 特開平１２−５８０７４号公報 特開平１２−１６４２３４号公報 特開平１３−６７０２号公報

しかし、従来の燃料電池スタックは、水素などの燃料及び酸素の反応による電気生成時に熱が発生するが、それぞれの単位セルでは所定温度以上の熱が発生することがある。単位セルの熱が適正な温度範囲から外れる場合、ＭＥＡの役割遂行能力を低下させて、単位セルの安定性を保障できなくなり、熱が激しい場合、単位セルを損傷させる結果を招く不具合があった。

そこで、本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、電気生成時に発生する熱によって単位セルが適正な温度範囲から外れるのを防いで最適運転温度条件を維持し、単位セルの性能を向上し、寿命を延長できる燃料電池スタックを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、燃料及び酸素の反応によって、電気エネルギーを発生させる少なくとも一つの電気発生部を備え、電気発生部は、膜−電極アセンブリの両側各々に密着して配置されるセパレータと、セパレータに形成され、燃料及び酸素の反応によって発生する熱を放出する放熱部と、を有することを特徴とする、燃料電池スタックが提供される。

このように、膜−電極アセンブリの両側各々に密着して配置されるセパレータに形成される放熱部が、燃料及び酸素の反応によって発生する熱を外部に放出するので、単位セルの熱を適正な温度範囲に維持することができ、単位セルの性能及び寿命を延長させることができる。

この時、放熱部は、膜−電極アセンブリの少なくとも一方向の周縁外側に、セパレータを延長して形成することができる。また、放熱部は、セパレータの少なくとも一つのエッジ部分に連結して設けられる放熱板であることもできる。

放熱部は、長孔を有することができる。隣り合う電気発生部から発生する電気を直列に連結する例えばコネクタを、この長孔に貫通させ、起電力が加算される。

また、電気発生部は、セパレータに密着して配置されてセパレータの強度を補強する補助プレートを有することができる。この補助プレートは、放熱部の長孔に対応する部分に長孔が形成され、放熱部と同様に例えばコネクタを貫通させることができる。

セパレータは、アルミニウム、銅、鉄、ニッケル及びコバルトからなる群より選択されることができる。従来の燃料電池スタックは、共通的に用いる単位セルのセパレータがグラファイトまたはカーボン複合体で形成されるので、セパレータの成型が複雑であり、値段が高くて経済的な負担を加重させる問題がある。この点、本発明によれば、製造が容易で価格が低廉な金属素材のセパレータを使って単位セルを構成し、この単位セルの電気的な連結構造を改善することが可能である。そして、単位セルから発生する熱を金属素材のセパレータを通して放出することにより放熱の効果を高めることができ、また、金属素材は加工の上で厚みを薄くできるので、全体的なスタックの体積を低減させ、コストを節減できる効果がある。

また、セパレータは、少なくとも一面の少なくとも一部を被覆する防食性絶縁膜を有することもできるし、少なくとも一面の少なくとも一部に形成される防食性酸化膜を有することもできる。防食性絶縁膜または防食性酸化膜は、金属素材からなるセパレータの腐食を抑制し、セパレータの腐蝕による電気抵抗増大を抑制できる。

電気発生部は、セパレータと膜−電極アセンブリとの間に形成されて膜−電極アセンブリから発生する電子の流れを可能にする導電部を有する。この導電部は、セパレータと膜−電極アセンブリとの間に配置され、セパレータと密着する少なくとも一つの導電性気体拡散層と、導電性気体拡散層からセパレータの少なくとも一方向の周縁外側に延長して形成された延長部分と、を有しており、延長部分は、端子部を構成する要素であることができる。セパレータがスタックの電気発生時に熱、水分及び酸素によって腐食された場合でも、導電性気体拡散層を通して電子の流れを可能にする導電部を有することによって、全体スタックの性能が低下したり寿命が短縮したりするのを防ぐことができる。

ここで、導電性気体拡散層は、シートタイプのカーボン複合体、カーボン紙及びカーボンクロースからなる群より選択されるいずれか一つの素材で形成することができる。

さらに、導電性気体拡散層は、燃料及び／または酸素が膜−電極アセンブリの外側に拡散するのを阻止するシーリング部材を有することができる。このシーリング部材は、膜−電極アセンブリの周縁端に相応する位置に配置され、ポリマーまたはゴム素材で形成することができる。そしてシーリング部材は、導電性気体拡散層の全体領域に対して膜−電極アセンブリに相応する部分と端子部とを区画する機能もするようになる。

また、隣り合う電気発生部において、各々の端子部間に設置され、隣り合う電気発生部を直列に連結するコネクタを有することができる。このコネクタは、端子部間に介され、カーボン素材で構成され、導電性を有するブロックの形態に形成することができる。先の放熱部の長孔にブロックの形態のコネクタを貫通させ端子部間を連結させることによって、コネクタは複数の電気発生部のうちいずれか一側電気発生部の導電部と他方電気発生部の導電部とを電気的に連結することができる。

電気発生部に対して、各々の導電部を絶縁する第１絶縁部を有する。この第１絶縁部は、ポリマーまたはゴム素材で形成することができる。第１絶縁部は、電気発生部の端子部間の短絡を防止することができる。

さらに、隣り合う電気発生部のセパレータの間に介されて、各々の電気発生部を絶縁する第２絶縁部を有することができる。第２絶縁部は、ポリマーまたはゴム素材で形成することができる。セパレータが金属素材から形成される場合、セパレータが電気発生部の電気発生時に水分、熱及び酸素などによって、腐食されて電気抵抗が増大する可能性があるので、第２絶縁部は、それぞれの電気発生部から発生する一部の電子がセパレータを通じて隣接する電気発生部のセパレータに通じるのを遮断することができる。

また、セパレータは、膜−電極アセンブリの一側に位置する導電性気体拡散層に密着して、燃料の流れを可能にする燃料通路を形成し、膜−電極アセンブリの他側に位置する導電性気体拡散層に密着して、酸素の流れを可能にする酸素通路を形成することができる。この時、セパレータには、板状の金属をプレス加工して燃料通路または酸素通路を形成してもよく、プレス成型が可能な金属素材の固有の特性によりスタックのコストを低減できる効果がある。或いは、金型加工によって燃料通路または酸素通路を形成してもよい。

燃料通路または酸素通路については、単極式として、電気発生部の一側に配置されたセパレータの、導電性気体拡散層に密着する面に燃料通路が形成され、電気発生部の他側に配置されたセパレータの、導電性気体拡散層に密着する面に酸素通路が形成されることができる。また、或いは、二極式セパレータの標準形として、セパレータの一側面に燃料通路が形成され、他側面に酸素通路が形成されることもできる。

さらに、セパレータは、カーボン素材より相対的に導電性の小さい物質からなることもできる。この場合、セパレータは、セラミック、ポリマー及び合成樹脂素材からなる群より選択されるいずれか一つの素材から形成することができる。カーボン素材より相対的に導電性の小さい素材は、射出または押出成形する方式でセパレータを製作できるので、製造が容易である効果があります。

本発明によれば、セパレータのエッジ部分が放熱部として構成されることによって、この放熱部を通して電気発生部から発生する熱を容易に放出させることができ、燃料電池スタックの最適運転温度を維持でき、性能をもっと向上させることができる。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

なお、第１の実施の形態及び第３の実施の形態には、二極式セパレータを用いるが、特記しない限り単極式を想定し、二極式のものは単極式のアノード、セパレータとカソード、セパレータとを接合したものであると解釈することとする。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態による燃料電池スタックの構造を示した分解斜視図であり、図２は図１を結合した斜視図であり、図３は図２の断面図である。図面を参照すれば、本実施の形態による燃料電池スタック１０は燃料の酸化反応、及び酸素の還元反応を通して、電気エネルギーを発生させるセル単位の電気発生部１１を備えて構成される。従って、本実施の形態の燃料電池スタックではこのような電気発生部１１を複数個備え、これら電気発生部１１を連続的に配置することによってこのような電気発生部１１の集合体構造による燃料電池スタック１０を構成することができる。

このような燃料電池スタック１０に用いられる燃料は、メタノール、エタノール、ＬＰＧ、ＬＮＧ、ガソリンなどのように水素を含む液体または気体燃料を含むことができる。この場合、本実施の形態による燃料電池スタック１０は、電気発生部１１による液体または気体燃料の酸化反応、及び酸素の還元反応を通して、電気エネルギーを発生させる直接酸化型燃料電池方式として構成できる。

代案として、本実施の形態による燃料電池スタック１０は、通常の改質装置を通して、液体または気体燃料からクラッキングされた水素を燃料として用いても良い。この場合、燃料電池スタック１０は、電気発生部１１による水素の酸化反応及び酸素の還元反応によって、電気エネルギーを発生させる高分子電解質形燃料電池方式として構成できる。

そして本実施の形態による燃料電池スタック１０は、電気発生部１１で還元反応する酸素として別途の貯蔵手段に貯蔵された純粋な酸素ガスを用いることができ、酸素を含んでいる空気をそのまま用いても良い。このような燃料電池スタック１０にあって、各電気発生部１１は、ＭＥＡ１２（膜−電極アセンブリ）を中心に置き、このＭＥＡ１２の両面にセパレータ１３を配置して構成する。

ＭＥＡ１２は、一面にアノード電極（図示せず）を形成し、他面にカソード電極（図示せず）を形成し、これら二つの電極の間に電解質膜（図示せず）を配置する構造を持つ。アノード電極は、燃料を酸化反応させて、この燃料を電子と水素イオンに分離させ、電解質膜は水素イオンをカソード電極に移動させるが電子の進入を阻止し、カソード電極はアノード電極側から受けた電子、水素イオン及び酸素を還元反応させて、水分及び熱を生成する機能をする。

セパレータ１３は、ＭＥＡ１２を挟んでこの両側に密着するように配置され、このＭＥＡ１２の一側で燃料の流れを可能にする燃料通路１３ａと、ＭＥＡ１２の他方で酸素の流れを可能にする酸素通路１３ｂを形成する。燃料通路１３ａはセパレータ１３の一面に形成されるチャンネルとして構成され、燃料をＭＥＡ１２のアノード電極に供給する機能をするようになる。そして酸素通路１３ｂはセパレータ１３の他の一面に形成されるチャンネルとして構成され、酸素をＭＥＡ１２のカソード電極に供給する機能をする。

ここで、セパレータ１３は図面に図示すように、燃料電池スタック１０の最外側の単極式のセパレータ１３を除いた残りの二極式の各セパレータ１３に対して、一面に燃料通路１３ａを形成し、他の一面に酸素通路１３ｂを形成する両面構造としてなる。この時、燃料通路１３ａ及び酸素通路１３ｂはセパレータ１３の両面に対して任意の間隔をおいて直線状態で配置され、その両端を交互的に連結して形成されている。

本実施の形態において、セパレータ１３は、金属素材、例えば、アルミニウム、銅、鉄、ニッケル及びコバルト群より選択されるいずれか一つの金属素材または群より選択される二つ以上の合金素材からなる金属プレートとして成型されうる。この場合、セパレータ１３の燃料通路１３ａと酸素通路１３ｂは、金属プレートをプレス方式で成形して形成でき、好ましくは金属プレートをスタンピング方式で成型して形成されうる。代案として、セパレータ１３は金型を用いた金属素材の射出成型またはダイキャスティングによって製作されても良い。

さらに、代案として、セパレータ１３は金属素材からなることに限定されず、通常のカーボン素材より相対的に導電性が小さい素材または、非導電性素材、例えば、セラミック、ポリマー、合成樹脂、ゴム素材などを射出または圧出成型する方式で製作されても良い。しかし、以下では金属素材からなるセパレータ１３を例として説明する。

そして、それぞれのセパレータ１３とＭＥＡ１２との間にはＭＥＡ１２の両側電極に燃料及び酸素を拡散させ、アノード電極で生成される電子を後述する別途の端子を通して、隣接するＭＥＡ１２のカソード電極まで円滑に移動させるための気体拡散層１４ａ、１４ｂ（導電性気体拡散層）を備えている。このような気体拡散層１４ａ、１４ｂは、通常カーボン複合体、カーボン紙またはカーボンクロースで形成できる。

前記のように構成される燃料電池スタック１０の作動時、セパレータ１３の燃料通路１３ａを通ってＭＥＡ１２のアノード電極に燃料が供給される。反面、セパレータ１３の酸素通路１３ｂを通じて、カソード電極に酸素が供給される。したがって、ＭＥＡ１２のアノード電極では燃料の酸化反応を通して、この燃料を電子と水素イオン（プロトン）に分離する。

この時、水素イオンは、電解質膜を通ってカソード電極に移動し、電子は電解質膜を通って移動することができないので、触媒層や気体拡散層の電子伝導性物質を経て、セパレータ１３を通じて隣接するＭＥＡ１２のカソード電極に移動するようになるが、電子の流れで電流を発生させ、カソード電極ではアノード電極から受けた電子、水素イオン及び酸素の還元反応を通じて熱と水分とを発生させる。この時、発生した熱は、ＭＥＡ１２を乾燥させて、燃料電池スタック１０の性能を低下させる要因として作用するようになる。

他方、本実施の形態による燃料電池スタック１０は、セパレータ１３が金属素材になっているため、このセパレータ１３は電解質、水分、熱及び酸素などによって、腐食される可能性がある。このようなセパレータ１３の腐蝕は、このセパレータ１３自体に電子の流れを邪魔する抵抗として作用して、セパレータ１３の固有機能の伝導性を喪失するようになることによって全体スタック１０の性能を低下させる。

故に、本発明の実施形態による燃料電池スタック１０は、電気発生部１１から発生する熱を放出させるための放熱部５０と、燃料電池スタック１０の全体に対してそれぞれの電気発生部１１から発生する電子の流れを可能にする導電部２０を有している。

本実施の形態で、放熱部５０は、ＭＥＡ１２の周縁外側に延長されるように形成され、セパレータ１３の周縁側に延長部分５１として構成される。この延長部分５１は、図４に示されたセパレータ１３の平面構成図に示すように、セパレータ１３の燃料通路１３ａまたは酸素通路１３ｂを形成する活性領域１３ｃ（図面に１点鎖線で示す。）を基準にする時、この活性領域１３ｃの周縁端に一体として延長されるように形成される。

この時、延長部分５１は、ＭＥＡ１２（図１）の周縁端を基準にして最小限、ＭＥＡ１２のいずれか一方向の周縁端外側に延長されるように形成されることが望ましい。そして、セパレータ１３の周縁の延長部分５１には後述するコネクタ２３を貫通させるための長孔５２を形成している。この長孔５２は、セパレータ１３の周縁方向に長く形成されている。

したがって、本実施の形態によれば、セパレータ１３が金属素材で形成され、この周縁の延長部分５１が放熱部となって、電気発生部１１に対してＭＥＡ１２の外周よりも外側に突出するように形成されることによって、ＭＥＡ１２のカソード電極で、還元反応によって発生する熱は、セパレータ１３に伝えられながら延長部分５１の放熱部を通じて、電気発生部１１の外側に放出されるようになる。それにより、単位セルの熱を適正な温度範囲に維持して、性能を向上させ、寿命を長くすることができる。

この過程で、セパレータ１３の延長部分５１を通じて放出される熱は、図３に示された冷媒供給源６０から提供される冷却媒体（以下、冷媒という）によって冷却できる。ここで、冷媒供給源６０は、冷媒を吸入してこの冷媒を電気発生部１１に供給する構造を持ち、好ましくは、所定の回転力で空気を吸入し、この空気を電気発生部１１に供給するファン６１で構成できる。この時、ファン６１は、図３の上端部に１点鎖線で示すように、燃料電池スタック１０の全体を囲むハウジング６３に設置されて、各電気発生部１１の放熱部５０に空気を噴出させることが望ましい。

本実施の形態では、導電部２０は気体拡散層１４ａ、１４ｂを通じて、電気発生部１１間の電気的な連結が可能なように備わる。この時、気体拡散層１４ａ、１４ｂはこのエッジ部分がＭＥＡ１２の周縁外側に延長された形態を取っている。つまり、本実施形態による導電部２０は、燃料電池スタック１０の各電気発生部１１に対して、図３にＡで表わした気体拡散層１４ａ、１４ｂの延長の部分が端子部２２として構成され、この端子部２２を通した電気的な連結によって、それぞれの電気発生部１１から発生する電子の流れを可能にする。

ここで、端子部２２は、図３に示すように、気体拡散層１４ａ、１４ｂのエッジ部分がＭＥＡ１２の周縁端外側に延長されながら、セパレータ１３の周縁端外側に拡張されて形成できる。つまり、端子部２２は、ＭＥＡ１２の周縁端を基準にする時、気体拡散層１４ａ、１４ｂから最小限ＭＥＡ１２のいずれか一方向の周縁端外側に延長されながら、セパレータ１３の周縁端外側に拡張される形態としてなる。しかし、図１〜３では端子部２２が気体拡散層１４ａ、１４ｂからセパレータ１３の４つ周縁端外側に延長されるように形成される例を示している。

図５は、図１に示した気体拡散層の平面構成図であって、前記のような構造としてなった気体拡散層１４ａ、１４ｂはＭＥＡ１２（図３）の周縁端に対応する部分にシーリング部材１９を形成している。シーリング部材１９は、燃料と酸素が気体拡散層１４ａ、１４ｂを通じて拡散する場合、この燃料と酸素が端子部２２に拡散しながら、電気発生部１１（図３）の外部に漏れていくことを阻止する機能を持つ。

そしてシーリング部材１９は、気体拡散層１４ａ、１４ｂの全体領域に対してＭＥＡ１２に相応する部分と端子部２２とを区画する機能もするようになる。このようなシーリング部材１９は、ＭＥＡ１２の周縁端に相応する位置に形成され、テフロン（登録商標）、ポリイミドなどのようなポリマー素材またはゴム素材が気体拡散層１４ａ、１４ｂに含浸されて形成される。

そして、本実施の形態による燃料電池スタック１０は、それぞれの電気発生部１１に対して導電部２０を実質的に絶縁させるための第１絶縁部２１を備えている。第１絶縁部２１は、それぞれの電気発生部１１において端子部２２間に形成されることが望ましい。これは、一つの電気発生部１１に対してＭＥＡ１２のアノード電極側に位置する端子部２２と、カソード電極側に位置する端子部２２とが、後述するコネクタ２３に各々電気的に連結して、所定電位差を有する（＋）（−）の端子の役割を果たすので、このような端子の短絡を防止するためである。

このような第１絶縁部２１は、絶縁テープまたは絶縁シート形態であり、フェノール樹脂、ポリウレタン、ポリエステル樹脂、ポリアミド、アクリル、ユリア／メラミン樹脂、シリコン樹脂などのような通常の合成高分子化合物または絶縁ニスのようなニス系の絶縁物を含んでも良い。

さらに、本実施の形態による燃料電池スタック１０は、隣り合う一方の電気発生部１１と他方の電気発生部１１において、互いに対向して極性が異なる導電部２０を電気的に連結するコネクタ２３を有している。このコネクタ２３は、全体の燃料電池スタック１０に対して、隣り合う電気発生部１１から発生する電気を直列、つまり起電力が加算されるように連結する。

これにより、コネクタ２３は、複数の電気発生部１１のうちいずれか一方の電気発生部１１の導電部２０と、他方の電気発生部１１の導電部２０とを電気的に連結する機能を有する。このためのコネクタ２３は、導電性を有するブロック（２面の平行平面を有する固形物）形態のカーボン素材として形成することができ、隣り合う電気発生部１１に対して各々の端子部２２間に設けられる。

具体的には、第１のコネクタは、隣り合う電気発生部に対して（＋）側電気発生部のアノード電極側端子部と（−）側電気発生部のカソード電極側端子部との間に設けられ、第２のコネクタは前記（−）側電気発生部のアノード電極側端子部と更に（−）寄り電気発生部のカソード電極側端子部との間に設けられる。

そして本実施の形態による燃料電池スタック１０の最外側には、この燃料電池スタック１０から発生する電気を集電する集電プレート２６を設置している。この集電プレート２６は、図面に示すように、別途の絶縁膜２７によって、最外側のセパレータ１３と絶縁された状態で配置できる。そして燃料電池スタック１０の最外側に位置する導電部２０、つまり、端子部２２と集電プレート２６との間には前述したようにコネクタ２３を設置している。

このような集電プレート２６は、最外側のセパレータ１３に密着するように配置されながら、複数の電気発生部１１を加圧して密着させる機能もする。故に、集電プレート２６は別途の締結部材（図示せず）、例えば、ボルトとナットまたはリベットなどによって、締結されることによって、複数の電気発生部１１を加圧密着させ得る。

これに加えて、集電プレート２６には燃料をセパレータ１３の燃料通路１３ａに供給するための第１注入部２６ａと、酸素をセパレータ１３の酸素通路１３ｂに供給するための第２注入部２６ｂと、電気発生部１１で反応して残った燃料を排出させるための第１排出部２６ｃと、電気発生部１１で燃料と酸素の結合反応によって生成される水分、及び燃料と反応して残った酸素を排出させるための第２排出部２６ｄとを形成している。

したがって集電プレート２６の間に位置する電気発生部１１の気体拡散層１４ａ、１４ｂ及びセパレータ１３には、第１、第２注入部２６ａ、２６ｂ及び第１、第２排出部２６ｃ、２６ｄに相互連通される孔をそれぞれ形成している。この時、気体拡散層１４ａ、１４ｂに形成される孔の内周面にはテフロン（登録商標）、ポリイミドなどのようなポリマー素材またはゴム素材としてなるチューブ状のシーリング部材（図示せず）を形成している。このようなシーリング部材は、燃料と酸素が孔を通過する時、この燃料と酸素が内周面を通して気体拡散層１４ａ、１４ｂの全般に拡散することを阻止する機能を有する。

前記のように構成される本実施の形態による燃料電池スタック１０の作動時は、燃料はセパレータ１３の燃料通路１３ａを通じてＭＥＡ１２の（−）側に位置する気体拡散層１４ａに供給され、この気体拡散層１４ａを通じてＭＥＡ１２のアノード電極に拡散するようになる。そして酸素は、セパレータ１３の酸素通路１３ｂを通じてＭＥＡ１２の（＋）側に位置する気体拡散層１４ｂに供給され、この気体拡散層１４ｂを通じてＭＥＡ１２のカソード電極に拡散するようになる。

これにより、ＭＥＡ１２のアノード電極では燃料の酸化反応より、この燃料を電子と水素イオン（プロトン）に分離する。ここで、水素イオンはＭＥＡ１２の電解質膜を通じてカソード電極に移動し、電子は気体拡散層１４ａ、１４ｂを通じて隣接するＭＥＡ１２のカソード電極に移動するが、この時の電子の流れにより電流が発生する。

このような作用をもっと具体的に説明すれば、それぞれの電気発生部１１に対して気体拡散層１４ａ、１４ｂの延長の部分Ａが、互いに密封性の物質で絶縁された端子部２２として構成され、隣り合う電気発生部１１に対して各々の端子部２２がコネクタ２３によって直列に連結しているので、このコネクタ２３を通じて電子が（＋）側電気発生部１１のアノード電極側気体拡散層１４ａから隣接する（−）側電気発生部１１のカソード電極側気体拡散層１４ｂに移動する。

このような過程を経ながら、それぞれの電気発生部１１は、前記の電子移動により電流を発生させ、燃料電池スタック１０の最外側に位置する集電プレート２６を通じて、所定電位差を有する電気エネルギーを負荷であるノートパソコン、ＰＤＡなど携帯用電子機器に印加できる。

したがって、本実施の形態による燃料電池スタック１０は、電気発生部１１を構成する金属素材のセパレータ１３が、熱、水分及び酸素などによって腐食され、電子の流れを邪魔する電気抵抗が増大しても、導電体及び端子役割の気体拡散層１４ａ、１４ｂを通じて、各電気発生部１１の電気的な連結を可能にする。

一方、一つのＭＥＡ１２内部では、カソード電極にアノード電極から移動した水素イオン、外部から供給された電子、更にセパレータ１３から酸素通路１３ｂを通じて提供される酸素の還元反応によって、水と熱を発生させる。

したがって、本実施の形態による燃料電池スタック１０は、金属素材からなるセパレータ１３のエッジ部分が全体の燃料電池スタック１０の周縁外側に突出するように形成された放熱部５０を構成することにより、熱はセパレータ１３の本体と放熱部５０とを通じて、燃料電池スタック１０の外側に放出できる。この時、冷媒供給源６０は、冷却空気を燃料電池スタック１０の側面に噴出す吹き掛ける状態にある。これにより、本実施の形態による燃料電池スタック１０はファン６１から提供される冷却空気によって、放熱部５０から放出される熱を排出できる。

（第２の実施の形態）
図６は、第２の実施の形態による燃料電池スタックの構造を示した断面図である。図３で説明された符号と同一な構成要素は同一な機能を持った同一部材である。図６によれば、本実施の形態による燃料電池スタック１０Ａは、第１の実施の形態との差異は、単一の電気発生部１１Ａに関して、ＭＥＡ４２を挟んで互いに対向する両側のセパレータ４３にある。このセパレータ４３は、ＭＥＡ４２に対向する面に、各々燃料通路４３ａまたは酸素通路４３ｂを形成し、燃料通路４３ａまたは酸素通路４３ｂが形成されていない他面を平面化し、単面構造（単極式）としたことである。

具体的には、単一の電気発生部１１Ａに対して互いに対向する２個のセパレータ４３のうち（−）側セパレータ４３は、ＭＥＡ４２の（−）側に位置する気体拡散層１４ａに密着するように配置され、この密着面にチャンネル形態の燃料通路４３ａを形成し、この密着面の反対面が平らな構造からなる。そして（＋）側セパレータ４３は、ＭＥＡ４２の（＋）側に位置する気体拡散層１４ｂに密着するように配置され、この密着面にチャンネル形態の酸素通路４３ｂを形成し、この密着面の反対面が平らな構造である。

したがって、本実施の形態では、各セパレータ４３の密着面の反対面が互いに密着されるように、それぞれの電気発生部１１Ａを連続的に配置することによって、これら電気発生部１１Ａの集合体構造による燃料電池スタック１０Ａを形成できる。

そして、前記のように構成される本実施の形態による燃料電池スタック１０Ａは、隣り合うそれぞれの電気発生部１１Ａを実質的に絶縁させるための第２絶縁部２５を備えている。この第２絶縁部２５は、隣り合う電気発生部１１Ａのセパレータ４３の間に形成され、絶縁テープまたは絶縁シート形態を有している。つまり、第２絶縁部２５は、隣り合う電気発生部１１Ａにあって、気体拡散層１４ａ、１４ｂに密着するセパレータ４３の密着面の反対側の面の間に形成されている。

このような第２絶縁部２５は、セパレータ４３が金属素材から形成されることによって、このセパレータ４３が電気発生部１１Ａの電気発生時に水分、熱及び酸素などによって、腐食されて電気抵抗が増大する場合に、それぞれの電気発生部１１Ａから発生する一部の電子が、気体拡散層１４ａ、１４ｂに通じずに、セパレータ４３を通じて隣接する電気発生部１１Ａのセパレータ４３に通じることを遮断するためのものである。

ここで、第２絶縁部２５は、フェノール樹脂、ポリウレタン、ポリエステル樹脂、ポリアミド、アクリル、ユリア／メラミン樹脂、シリコン樹脂のような通常の合成高分子化合物、または絶縁ニスのようなニス系の絶縁物を含むことができる。本実施の形態による燃料電池スタック１０Ａの他の構成及び作用は、第１の実施の形態と同じなので詳しい説明は省略する。

こうして、第２の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、セパレータ４３の周縁の延長部分を放熱部として、電気発生部１１Ａに対してＭＥＡ４２の外周よりも外側に突出して形成することによって、ＭＥＡ４２のカソード電極で還元反応によって発生する熱は、セパレータ４３に伝えられながら放熱部を通じて電気発生部１１Ａの外側に放出できるので、単位セルの熱を適正な温度範囲に維持して、性能を向上させ、寿命を長くすることができる。

（第３の実施の形態）
図７は、第３の実施の形態による燃料電池スタックの構造を示した断面図である。図３で説明された符号と同一な構成要素は、同一な機能を持った同一部材である。図７によれば、本実施の形態による燃料電池スタック１０Ｂは、第１の実施の形態のように、電気発生部１１Ｂにおいて、２極式のセパレータ１３とＭＥＡ１２との間に配置される導電部２０Ｂを備えており、導電部２０Ｂは、ＭＥＡ１２を挟んでこの両側に互いに対向するように配置される多重層の気体拡散層１４ａ、１４ｂ、１５ａ、１５ｂを有して形成される。

本実施の形態で、導電部２０Ｂは、気体拡散層１４ａ、１４ｂ、１５ａ、１５ｂが二重層として構成され、電気発生部１１Ｂに対して各セパレータ１３とＭＥＡ１２との間に介される。具体的に、導電部２０Ｂは、ＭＥＡ１２に相応する大きさに形成され、ＭＥＡ１２の両側面に密着するように配置される第１の気体拡散層１４ａ、１４ｂと、第１の気体拡散層１４ａ、１４ｂにそれぞれ密着するように配置されて、各セパレータ１３と接触する第２の気体拡散層１５ａ、１５ｂを有して構成される。

このような導電部２０Ｂは、燃料電池スタック１０Ｂの全体に対して電気発生部１１Ｂから発生する電子の流れを可能にする導電体としての機能、及びＭＥＡ１２の両側電極に燃料と酸素とを拡散させる機能を同時にするようになる。このため、第２の気体拡散層１５ａ、１５ｂは、図７にＡで表わしたエッジ部分が、第１の気体拡散層１４ａ、１４ｂの周縁端外側に延長される端子部２２Ｂを備え、この端子部２２Ｂは隣接する電気発生部１１Ａ間の電気的な連結を可能にする。

ここで、本実施の形態による燃料電池スタック１０Ｂは、図７のように、第１の実施の形態の構造を基本にしているが、これに限定されず、第２の実施の形態のような構造を基本にしても良い。本実施の形態による燃料電池スタック１０Ｂの他の構成及び作用は、第１の実施の形態と同じなので詳しい説明は省略する。

こうして、第３の実施の形態においても、第１及び第２の実施の形態と同様に、セパレータ１３の周縁の延長部分を放熱部として、電気発生部１１Ｂに対してＭＥＡ１２の外周よりも外側に突出して形成することによって、ＭＥＡ１２のカソード電極で還元反応によって発生する熱は、セパレータ１３に伝えられながら放熱部を通じて電気発生部１１Ｂの外側に放出できるので、単位セルの熱を適正な温度範囲に維持して、性能を向上させ、寿命を長くすることができる。

（第４の実施の形態）
図８は、第４の実施の形態による燃料電池スタックの構造を示した断面図である。図３で説明された符号と同一な構成要素は、同一な機能を持った同一部材である。図８を参照すれば、本実施の形態による燃料電池スタック１０Ｃは、セパレータ４３に密着するように配置される補助プレート７０が提供されており、この補助プレート７０は、それぞれの電気発生部１１Ｃに対してセパレータ４３の強度を補強する機能を有する。

本実施の形態においては、燃料電池スタック１０Ｃは、第２の実施の形態の構造を基本にしているが、これに限定されるものではなく、第１の実施の形態のような構造を基本にしても良い。

本実施の形態で、補助プレート７０は、セパレータ４３が薄い金属素材からなるので、このセパレータ４３の強度を補強するための金属素材の補強プレートとして備えられ、セパレータ１３の燃料通路４３ａと酸素通路４３ｂとを形成する面に密着するように配置される。

この時、補助プレート７０は、燃料通路４３ａと酸素通路４３ｂとを開放させるために、燃料通路４３ａ及び酸素通路４３ｂに相応する開放部７１を形成している。そして、補助プレート７０には、セパレータ４３の放熱部５０に設けられた長孔５２と連通する長孔７２が形成される。本実施の形態による燃料電池スタック１０Ｃの他の構成及び作用は、第２の実施の形態と同じなので詳しい説明は省略する。

こうして、第４の実施の形態においても、第１〜３の実施の形態と同様に、セパレータ４３の周縁の延長部分を放熱部として、電気発生部１１Ｃに対してＭＥＡ４２の外周よりも外側に突出して形成することによって、ＭＥＡ４２のカソード電極で還元反応によって発生する熱は、セパレータ４３に伝えられながら放熱部を通じて電気発生部１１Ｃの外側に放出できるので、単位セルの熱を適正な温度範囲に維持して、性能を向上させ、寿命を長くすることができる。

図９は、第１〜４の実施の形態に対するセパレータの第１変形例を示した平面図である。図９を参照すると、セパレータ本体１３ｆのエッジ部分に別途の放熱部５０Ａつまり、放熱板５１Ａが連結するように設けられるセパレータ１３Ａを構成することができる。

ここで、セパレータ本体１３ｆは、燃料通路１３ａ及び／または酸素通路１３ｂを形成しており、図面に仮想線で示すように、このセパレータ本体１３ｆの少なくとも一つの周縁端に放熱板５１Ａが連結するように設置されている。この時、放熱板５１Ａは溶接によって、セパレータ本体１３ｆの周縁端に連結するように設置されることが望ましい。

図１０は、第１〜４の実施の形態に対するセパレータの第２変形例を示した断面図である。図１０を参照すれば、セパレータ本体１３ｆの表面に防食性の絶縁膜１４をコーティングできるように形成しているセパレータ１３Ｂを構成することができる。このような防食性の絶縁膜１４は、金属素材からなるセパレータ本体１３ｆの腐食を抑制し、セパレータ本体の腐蝕による電気抵抗増大を抑制できる機能を持つ。絶縁膜１４はポリマーまたはテフロン（登録商標）素材で形成できる。

また、セパレータ１３Ｂは、セパレータ本体１３ｆの表面にこのセパレータ本体１３ｆが酸化処理されて形成された酸化膜１６を構成しても良い。図１０ではセパレータ１３Ｂは、第１の実施の形態での構造を基本にしているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、第２の実施の形態のような構造を基本にしても良い。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、燃料電池スタックに適用可能であり、特にＭＥＡとセパレータとからなる単位セルが積層されて構成される燃料電池スタックに適用可能である。

第１の実施の形態による燃料電池スタックの構造を示した分解斜視図である。 図１を結合した斜視図である。 図２の断面図である。 図１に示したセパレータの平面図である。 図１に示した気体拡散層の平面図である。 第２の実施の形態による燃料電池スタックの構造を示した断面図である。 第３の実施の形態による燃料電池スタックの構造を示した断面図である。 第４の実施の形態による燃料電池スタックの構造を示した断面図である。 第１〜４の実施の形態に対する、セパレータの第１変形例を示した平面図である。 第１〜４の実施の形態に対する、セパレータの第２変形例を示した断面図である。

符号の説明

１０ 燃料電池スタック
１１ 電気発生部
１２ ＭＥＡ
１３ セパレータ
１３ａ 燃料通路
１３ｂ 酸素通路
１４ａ 気体拡散層
１４ｂ 気体拡散層
１９ シーリング部材
２０ 導電部
２１ 第１絶縁部
２２ 端子部
２３ コネクタ
２５ 第２絶縁部
２６ 集電プレート
２７ 絶縁膜
５０ 放熱部
５１ 延長部分
５２ 長孔

Claims (20)

1. 燃料及び酸素の反応によって、電気エネルギーを発生させる少なくとも一つの電気発生部を備え、
   前記電気発生部は、
   膜−電極アセンブリの両側各々に密着して配置される金属素材のセパレータと、
   前記セパレータに形成され、前記燃料及び酸素の反応によって発生する熱を放出する放熱部と、
   前記セパレータと前記膜−電極アセンブリとの間に形成されて前記膜−電極アセンブリから発生する電子の流れを可能にする導電部を有し、
   前記導電部は、
   前記セパレータと前記膜−電極アセンブリとの間に配置され、前記セパレータと密着する少なくとも一つの導電性気体拡散層と、
   前記放熱部と重なるように、前記導電性気体拡散層から前記セパレータの少なくとも一方向の周縁外側に延長して形成された延長部分と、
   を有し、
   前記放熱部は、隣り合う前記電気発生部を直列に連結し二つの前記延長部分間に設けられるコネクタを貫通させることを特徴とする、燃料電池スタック。
2. 前記放熱部は、前記膜−電極アセンブリの少なくとも一方向の周縁外側に、前記セパレータを延長して形成されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記放熱部は、前記セパレータの少なくとも一つのエッジ部分に連結して設けられる放熱板であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック。
4. 前記放熱部は、前記セパレータの周縁方向に長く形成され、前記コネクタを貫通させる長孔を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
5. 前記電気発生部は、前記セパレータと前記導電部の間に前記セパレータに密着して配置されて、前記セパレータに形成された前記電気発生部に燃料又は酸素を供給する流路に対応した開口部が形成された、前記セパレータの強度を補強する補助プレートを有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
6. 前記補助プレートは、前記放熱部の長孔に対応する部分に前記コネクタを貫通させ、前記セパレータの周縁方向に長く形成された長孔が形成されていることを特徴とする、請求項５に記載の燃料電池スタック。
7. 前記セパレータは、アルミニウム、銅、鉄、ニッケル及びコバルトからなる群より選択されるいずれか一つの金属素材、または前記群より選択される複数の合金素材として形成されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
8. 前記導電性気体拡散層は、シートタイプのカーボン紙及びカーボンクロースからなる群より選択されるいずれか一つの素材で形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック。
9. 前記導電性気体拡散層は、燃料及び／または酸素が前記膜−電極アセンブリの外側に拡散するのを阻止するシーリング部材を有することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
10. 前記シーリング部材は、前記膜−電極アセンブリの周縁端に相応する位置に配置され、ポリマーで形成されることを特徴とする、請求項９に記載の燃料電池スタック。
11. 前記コネクタは、前記延長部分間に介され、カーボン素材で構成され、導電性を有するブロックの形態に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック。
12. 前記延長部分間に形成され、前記電気発生部に対して、両側に位置する各々の前記導電部を絶縁する第１絶縁部を有することを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
13. 前記第１絶縁部は、ポリマーで形成されることを特徴とする、請求項１２に記載の燃料電池スタック。
14. 隣り合う前記電気発生部のセパレータの間に介されて、各々の前記電気発生部を絶縁する第２絶縁部を有することを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
15. 前記第２絶縁部は、ポリマーで形成されることを特徴とする、請求項１４に記載の燃料電池スタック。
16. 前記セパレータは、前記膜−電極アセンブリの一側に位置する前記導電性気体拡散層に密着して、燃料の流れを可能にする燃料通路を形成し、前記膜−電極アセンブリの他側に位置する前記導電性気体拡散層に密着して、酸素の流れを可能にする酸素通路を形成することを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
17. 前記セパレータは、板状の金属をプレス加工して前記燃料通路または前記酸素通路が形成されることを特徴とする、請求項１６に記載の燃料電池スタック。
18. 前記セパレータは、金型加工によって前記燃料通路または前記酸素通路を形成することを特徴とする、請求項１６に記載の燃料電池スタック。
19. 前記電気発生部の一側に配置された前記セパレータの、前記導電性気体拡散層に密着する面に前記燃料通路が形成され、前記電気発生部の他側に配置された前記セパレータの、前記導電性気体拡散層に密着する面に前記酸素通路が形成されることを特徴とする、請求項１６〜１８のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
20. 前記セパレータの一側面に前記燃料通路が形成され、他側面に前記酸素通路が形成されることを特徴とする、請求項１６〜１８のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
    

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