JP2004165030A - 燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池全体が０℃以上に暖機されなくても発電可能であり、効率的な暖機が可能な、燃料電池の提供。
【解決手段】（１）セパレータ面内方向におけるセパレータの一部１８ａに対して加熱部２９が設けられている、燃料電池。（２）セパレータ面内方向におけるセパレータの一部１８ａに対して加熱部２９が設けられており、セパレータの一部１８ａが他の部分１８ｂより熱伝導率の低い材料から構成されている。（３）セパレータ面内方向におけるセパレータの一部１８ａに対して加熱部２９が設けられており、セパレータの一部１８ａと他の部分１８ｂとの間に、断熱部１８ｃが設けられている。
【選択図】 図１
【解決手段】（１）セパレータ面内方向におけるセパレータの一部１８ａに対して加熱部２９が設けられている、燃料電池。（２）セパレータ面内方向におけるセパレータの一部１８ａに対して加熱部２９が設けられており、セパレータの一部１８ａが他の部分１８ｂより熱伝導率の低い材料から構成されている。（３）セパレータ面内方向におけるセパレータの一部１８ａに対して加熱部２９が設けられており、セパレータの一部１８ａと他の部分１８ｂとの間に、断熱部１８ｃが設けられている。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池（たとえば、固体高分子電解質型燃料電池）に関し、とくに始動時の暖機性を向上させた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池車両において、外気が０℃以下の低温時では、水分が凍ることなどにより反応が非常に少ないため、運転に必要な電力を得るためには、外部からの加熱により燃料電池スタックの温度を上昇させる必要がある。
このとき、スタック全体を同時に温度上昇させていては加熱時間が長くなり、始動性が低下する。そのため、特開２０００−１７３６３８号公報では、低温始動時には、燃料電池を複数の発電部に分割したうちの１つの発電部に、ヒータで加熱した循環水を流すことにより、１つの発電部を速やかに暖機させ、１つの発電部が所定温度以上になった時に他の発電部へも循環水を循環させて全体を暖機するようにしている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−１７３６３８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の複数の発電部に分割した従来の燃料電池は、燃料電池スタックをセル積層方向に分割しているため、燃料電池スタックのうちの１つの分割域に温度が０℃以下のものがあると、その分割域のセルの発電性能が低くなりその電気抵抗が大となって、その分割域を直列に接続した燃料電池スタック全体に電流が流れにくくなる。その結果、燃料電池全体が０℃以上に暖機されるまでは燃料電池として成立しなくなり、一部を加熱する暖機方式が成立しなくなる。
また、セルは熱抵抗の大きい拡散層を含むため、セル積層方向の伝熱抵抗が大きい。そのため、１つの分割域を温度上昇させても、その領域の反応熱をその他の分割域に伝熱してスタック全体を暖機するには時間を要し、効率的な暖機が困難である。
本発明の目的は、燃料電池全体が０℃以上に暖機されなくても発電可能であり、効率的な暖機が可能な、燃料電池を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１） セパレータを有する燃料電池であって、セパレータ面内方向における前記セパレータの一部に対して、該セパレータの一部を外部から加熱する加熱部が設けられている、燃料電池。
（２） セパレータを有する燃料電池であって、セパレータ面内方向における前記セパレータの一部に対して、該セパレータの一部を外部から加熱する加熱部が設けられており、前記セパレータの前記一部が他の部分より熱伝導率の低い材料から構成されている、燃料電池。
（３） セパレータを有する燃料電池であって、セパレータ面内方向における前記セパレータの一部に対して、該セパレータの一部を外部から加熱する加熱部が設けられており、前記セパレータの前記一部と他の部分との間に、前記セパレータの前記一部および前記他の部分より熱伝導率の低い材料から構成された断熱部が設けられている、燃料電池。
（４） 固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟持して構成される単位燃料電池セルを、前記セパレータを介して複数積層した燃料電池であって、前記セパレータの一部を前記積層方向に互いに重なるように積層した（１）または（２）または（３）記載の燃料電池。
【０００６】
上記（１）の燃料電池では、セパレータの面内方向には一部のみの加熱であっても、セル積層方向に全数のセパレータの一部が０℃以上に昇温されれば、セパレータ面内方向の全域が０℃以上に暖機されなくても、燃料電池は発電可能であり、一部加熱の暖機方式が成立する。
セパレータの面内方向の一部を加熱するので、セパレータの面内方向の全域を加熱する場合より速やかにセパレータの一部の温度を０℃以上に上げることができる。また、昇温されたセパレータの面内方向の一部からセパレータの面内方向の全域への伝熱は、その一部を通過して他部へ流れる反応ガスによる伝熱、セパレータ自体内の熱伝導による伝熱により、セル積層方向の伝熱に比べて速やかに行われるので、燃料電池の暖機は効率的である。
これによって、０℃以下の低温からの燃料電池の始動性が向上する。
上記（２）の燃料電池では、セパレータの一部が他の部分より熱伝導率の低い材料から構成されているので（ただし、セパレータの一部とセパレータの他の部分とは接合されており、分離されてはいない）、セパレータの一部が加熱部により加熱された時に熱伝導により他の部分に熱が逃げにくく、セパレータの一部を速やかに昇温でき、燃料電池の低温始動性が向上する。
上記（３）の燃料電池では、セパレータの一部と他の部分との間に、熱伝導率の低い材料から構成された断熱部が設けられているので（セパレータの一部と他の部分はそれぞれ断熱部に接合されており、分離されてはいない）、セパレータの一部が加熱部により加熱された時に熱伝導により他の部分に熱が逃げにくく、セパレータの一部を速やかに昇温でき、燃料電池の低温始動性が向上する。
上記（４）の燃料電池では、積層方向に互いに重なるように積層されるセパレータの一部の暖機を促進して積層型燃料電池全体としての一部運転を素早く可能とすることができるので、積層型燃料電池の始動性を向上させることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の燃料電池の望ましい実施例を、図１〜図１１を参照して説明する。図１、図２は本発明の実施例１を示し、図３は本発明の実施例２を示し、図４は本発明の実施例３を示し、図５は本発明の実施例４を示し、図６は本発明の実施例５を示し、図７は本発明の実施例６を示し、図８は本発明の実施例７を示し、図９は本発明の実施例８を示す。図１０、図１１は本発明が適用できる燃料電池の一般的構成を示す。
本発明の全実施例にわたって共通する部分には、本発明の全実施例にわたって同じ符合を付してある。
【０００８】
まず、本発明の全実施例にわたって、または本発明の複数の実施例にわたって、共通する部分を、図１、図２、図１０、図１１を参照して説明する。
本発明の燃料電池１０は、たとえば低温型燃料電池であり、たとえば固体高分子電解質型燃料電池である。燃料電池１０は、たとえば車両に搭載される。ただし、車両搭載用に限るものではない。
【０００９】
図１０、図１１に示すように、固体高分子電解質型燃料電池１０は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ ）とセパレータ１８との積層体からなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜の一面に配置された触媒層１２からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜の他面に配置された触媒層１５からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１３、１６が設けられてもよい。セパレータ１８にはアノード１４、カソード１７に燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するためのガス流路２７、２８（燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８）および／または冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６が形成されている。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねてセルを構成し、少なくとも１つのセルからモジュール１９を構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）、ボルト・ナット２５にて固定して、スタック２３を構成する。
【００１０】
各セルの、アノード側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成する反応が行われ、かくして発電が行われる。
アノード側：Ｈ２ →２Ｈ＋ ＋２ｅ−
カソード側：２Ｈ＋ ＋２ｅ− ＋（１／２）Ｏ２ →Ｈ２ Ｏ
【００１１】
セパレータ１８は燃料ガス、酸化ガス、冷媒を区画するため不透過性でなければならず、また隣接セル間の電子通路となるため導電性をもたなければならない。そのために、セパレータ１８は、通常、カーボンプレート（カーボン、黒鉛等の導電材料と樹脂との混合材料の成型カーボンプレート、あるいはカーボン、黒鉛等の導電材料の焼結カーボンプレート）、導電性樹脂に流体流路を形成したもの、あるいはメタルプレート（たとえば、ＳＵＳプレート）に流体流路を形成したもの、あるいはメタルプレートに流体流路を形成したものと樹脂フレームとの組み合わせ、等からなる。
【００１２】
セパレータ１８は、セパレータ面内方向（セル積層方向と直交する面と平行な方向）におけるセパレータの一部１８ａに対して、該セパレータの一部１８ａを外部から加熱する加熱部２９が設けられている。たとえば表面が電気的に絶縁されているヒータからなる外部熱源が、加熱部２９でセパレータの一部１８ａに接触して、セパレータの一部１８ａを加熱する。セパレータの一部１８ａは加熱部２９部位のみで加熱される。加熱部２９は低温下からの燃料電池始動時のみオンとされてセパレータの一部１８ａを加熱し、燃料電池暖機後はオフとなる。
加熱部２９はセパレータの辺に設けられる。加熱部２９による加熱により昇温されたセパレータの一部１８ａでの反応熱が反応ガスの流れにのってセパレータの他部１８ｂに流れ、他部１８ｂを昇温させることができるように、加熱部２９は反応ガス（エア、または水素）の流入側近傍に設けられることが望ましい。
【００１３】
セパレータの一部１８ａと他部１８ｂとは、直接、または低熱伝導性の材料からなる断熱部１８ｃを挟んで、接続または接合している。したがって、セパレータの一部１８ａと他部１８ｂとは分離してはいない。セパレータ１８に形成されたガス流路２７、２８や冷媒流路２６、あるいはガスマニホールドや冷媒マニホールドが、セパレータの一部１８ａと他部１８ｂとにわたってまたがっていても、一部１８ａと他部１８ｂとの境界でガスもれや水もれは生じない。
セパレータの一部１８ａは、セパレータの他部１８ｂよりも面積が小であることが望ましい（ただし、大であってもよい）。面積が小の場合は、より速やかにセパレータの一部１８ａを昇温でき、暖機性がよい。
【００１４】
セパレータの一部１８ａと他部１８ｂとは、材質が同一であってもよいし、材質が異なっていてもよい。
材質が同一である場合は、セパレータの一部１８ａと他部１８ｂとを一体に作製できる。境界部の強度は境界部以外の部分に比べて低下せず、境界部の強度を維持するのに特別な対策を講じる必要はない。
材質が異なる場合は、セパレータの一部１８ａと他部１８ｂとを別々に作製しておいて、それらを接合する。接合は、たとえば圧着、接着、ロー付け、溶接（ロー付け、溶接はメタルセパレータの場合に限る）、溶着（導電性樹脂セパレータの場合に限る）などによる。接合部での破損を防止するには、セル積層方向に隣接するセパレータの接合部をセル面内方向にずらして互い違いに配置することが有効である。セパレータの一部１８ａと他部１８ｂの材質が異なっていても、それと無関係にガス流路２７、２８、冷媒流路２６、ガスマニホールド、冷媒マニホールドがセパレータの一部１８ａと他部１８ｂにまたがって形成されてもよい。
【００１５】
セパレータの一部１８ａと他部１８ｂの材質が異なる場合、セパレータの一部１８ａ（加熱部２９が設けられる方）の材料の熱伝導率がセパレータの他部１８ｂの材料の熱伝導率より低いことが望ましい。セパレータの一部１８ａを形成する熱伝導率が低い材料としては、たとえば、ＳＵＳ、ニッケル、成型カーボンがあり、セパレータの他部１８ｂを形成する熱伝導率がよい材料としては、たとえば、銅、アルミ、焼結カーボンがある。
【００１６】
セパレータの一部１８ａと他部１８ｂとの間に断熱部１８ｃが挟まれる場合、セパレータの一部１８ａと他部１８ｂとは、材質が同一であってもよいし、あるいは異なってもよい。セパレータの一部１８ａと他部１８ｂと、断熱部１８ｃとは、互いに接合され、その接合は、たとえば圧着、接着、ロー付け、溶接（ロー付け、溶接はメタルセパレータの場合に限る）、溶着（導電性樹脂セパレータの場合に限る）などによる。接合部での破損を防止するには、セル積層方向に隣接するセパレータの接合部をセル面内方向にずらして互い違いに配置することが有効である。ガス流路２７、２８、冷媒流路２６、ガスマニホールド、冷媒マニホールドは、セパレータの一部１８ａと他部１８ｂにまたがって形成されてもよい。
断熱部１８ｃを構成する材料としては、カーボンクロス、カーボンペーパーなどがある。
【００１７】
つぎに、本発明の全実施例にわたって、または本発明の複数の実施例にわたって、共通する部分の作用を説明する。
セパレータ１８の面内方向には一部のみの加熱であっても、セル積層方向に全数のセパレータの一部１８ａが０℃以上に昇温されれば、セパレータ面内方向の全域（１８ａ＋１８ｂ）が０℃以上に暖機されなくても、暖機されたセパレータの一部１８ａを通って電流がセル積層方向に流れるので、燃料電池１８は発電可能であり、一部加熱の暖機方式が成立する。
【００１８】
セパレータの面内方向の一部１８ａを加熱するので、セパレータの面内方向の全域（１８ａ＋１８ｂ）を加熱する場合より速やかにセパレータの一部１８ａの温度を０℃以上に上げることができる。
また、昇温されたセパレータの面内方向の一部１８ａからセパレータの面内方向の全域（１８ａ＋１８ｂ）への伝熱は、その一部１８ａを通過して他部１８ｂへ流れる反応ガスによる伝熱、セパレータ１８自体内の熱伝導による伝熱により、セル積層方向の伝熱に比べて速やかに行われるので、燃料電池の暖機は効率的に行われる。
これによって、０℃以下の低温からの燃料電池の始動性が向上する。
【００１９】
セパレータの一部１８ａが他の部分１８ｂより熱伝導率の低い材料から構成されている場合は、セパレータの一部１８ａの保温性がよいため、セパレータの一部１８ａが加熱部２９により加熱された時に熱伝導により他の部分１８ｂに熱が逃げにくく、セパレータの一部１８ａを速やかに昇温でき、燃料電池の低温始動性が向上する。ただし、熱伝導が低い材料の部分をセパレータの一部１８ａのみとした理由は、セパレータの面内方向全域を熱伝導が低い材料とすると、始動性が向上するものの、通常運転時の冷却性が損なわれるので、それを避けるためである。
【００２０】
セパレータの一部１８ａと他の部分１８ｂとの間に、熱伝導率の低い材料から構成された断熱部１８ｃが設けられている場合は（セパレータの一部と他の部分はそれぞれ断熱部に接合されており、分離されてはいない）、セパレータの一部１８ａが他部１８ｂから熱遮断されているため、セパレータの一部１８ａが加熱部２９により加熱された時に熱伝導により他の部分１８ｂに熱が逃げにくく、セパレータの一部１８ａを速やかに昇温でき、燃料電池の低温始動性が向上する。ただし、セパレータの一部１８ａと他の部分１８ｂをそれぞれ断熱部１８ｃに接合した理由は、セパレータの一部と他の部分を分離するとガス入口、出口が増え、発電システム全体の容積が増加し、構造が複雑になり、車両への搭載性が悪くなるので、それを避けるためである。
【００２１】
つぎに、本発明の各実施例を説明する。
本発明の実施例１では、図１、図２に示すように、セパレータの一部１８ａはほぼ正方形でセパレータ１８の４隅の１つに位置し、セパレータの一部１８ａの一辺に加熱部２９が設けられている。セパレータの一部１８ａはＳＵＳ、ニッケル、成型カーボンなど、熱伝導が低い材料から構成されており、他部１８ｂが銅、アルミ、焼結カーボンなど熱伝導がよい材料から構成されている。２つの部分１８ａ、１８ｂは電気伝導性がよい溶剤（接着剤）で接合されている。
その作用については、セパレータの一部１８ａを速やかに昇温させることができ、燃料電池の低温からの暖機性がよい。図２は加熱部２９で加熱した時のセパレータ１８の温度分布を示す。
【００２２】
本発明の実施例２では、図３に示すように、セパレータの一部１８ａは矩形でセパレータ１８の４辺の１辺の全長に沿って位置し、セパレータの一部１８ａの短辺に加熱部２９が設けられている。セパレータの一部１８ａは熱伝導が低い材料から構成されており、他部１８ｂが熱伝導がよい材料から構成されている。２つの部分１８ａ、１８ｂは接合されている。
その作用については、セパレータの一部１８ａを速やかに昇温させることができ、燃料電池の低温からの暖機性が改善される。
【００２３】
本発明の実施例３では、図４に示すように、セパレータの一部１８ａは矩形でセパレータ１８の４辺の１辺の全長に沿って位置し、セパレータの一部１８ａの長辺に加熱部２９が設けられている。セパレータの一部１８ａは熱伝導が低い材料から構成されており、他部１８ｂが熱伝導がよい材料から構成されている。２つの部分１８ａ、１８ｂは接合されている。
その作用については、セパレータの一部１８ａを速やかに昇温させることができ、燃料電池の低温からの暖機性が改善される。
【００２４】
本発明の実施例４では、図５に示すように、セパレータの一部１８ａは三角形でセパレータ１８の４隅の１つに位置し、セパレータの一部１８ａの直角を挟む２辺のうちの１辺に加熱部２９が設けられている。セパレータの一部１８ａは熱伝導が低い材料から構成されており、他部１８ｂが熱伝導がよい材料から構成されている。２つの部分１８ａ、１８ｂは接合されている。
その作用については、セパレータの一部１８ａを速やかに昇温させることができ、燃料電池の低温からの暖機性が改善される。
【００２５】
本発明の実施例５では、図６に示すように、セパレータの一部１８ａはほぼ正方形でセパレータ１８の４隅の１つに位置し、セパレータの一部１８ａの一辺に加熱部２９が設けられている。セパレータの一部１８ａと他部１８ｂとの間に断熱部１８ｃが設けられている。２つの部分１８ａ、１８ｂと断熱部１８ｃは電気伝導性がよい溶剤（接着剤）で接合されている。
その作用については、セパレータの一部１８ａを速やかに昇温させることができ、燃料電池の低温からの暖機性がよい。
【００２６】
本発明の実施例６では、図７に示すように、セパレータの一部１８ａは矩形でセパレータ１８の４辺の１辺の全長に沿って位置し、セパレータの一部１８ａの短辺に加熱部２９が設けられている。セパレータの一部１８ａと他部１８ｂとの間に断熱部１８ｃが設けられている。２つの部分１８ａ、１８ｂと断熱部１８ｃは電気伝導性がよい溶剤（接着剤）で接合されている。
その作用については、セパレータの一部１８ａを速やかに昇温させることができ、燃料電池の低温からの暖機性が改善される。
【００２７】
本発明の実施例７では、図８に示すように、セパレータの一部１８ａは矩形でセパレータ１８の４辺の１辺の全長に沿って位置し、セパレータの一部１８ａの長辺に加熱部２９が設けられている。セパレータの一部１８ａと他部１８ｂとの間に断熱部１８ｃが設けられている。２つの部分１８ａ、１８ｂと断熱部１８ｃは電気伝導性がよい溶剤（接着剤）で接合されている。
その作用については、セパレータの一部１８ａを速やかに昇温させることができ、燃料電池の低温からの暖機性が改善される。
【００２８】
本発明の実施例８では、図９に示すように、セパレータの一部１８ａは三角形でセパレータ１８の４隅の１つに位置し、セパレータの一部１８ａの直角を挟む２辺のうちの１辺に加熱部２９が設けられている。セパレータの一部１８ａと他部１８ｂとの間に断熱部１８ｃが設けられている。２つの部分１８ａ、１８ｂと断熱部１８ｃは電気伝導性がよい溶剤（接着剤）で接合されている。
その作用については、セパレータの一部１８ａを速やかに昇温させることができ、燃料電池の低温からの暖機性が改善される。
【００２９】
【発明の効果】
請求項１の燃料電池によれば、セパレータの面内方向には一部のみの加熱であっても、セル積層方向に全数のセパレータの一部が０℃以上に昇温されれば、セパレータ面内方向の全域が０℃以上に暖機されなくても、燃料電池は発電可能であり、一部加熱の暖機方式が成立する。
また、セパレータの面内方向の一部を加熱するので、セパレータの面内方向の全域を加熱する場合より速やかにセパレータの一部の温度を０℃以上に上げることができる。また、昇温されたセパレータの面内方向の一部からセパレータの面内方向の全域への伝熱は、その一部を通過して他部へ流れる反応ガスによる伝熱、セパレータ自体内の熱伝導による伝熱により、セル積層方向の伝熱に比べて速やかに行われるので、燃料電池の暖機は効率的である。
これによって、低温からの燃料電池の始動性が向上する。
請求項２の燃料電池によれば、セパレータの一部が他の部分より熱伝導率の低い材料から構成されているので、セパレータの一部の保温性がよく、セパレータの一部を速やかに昇温でき、燃料電池の低温始動性が向上する。
請求項３の燃料電池によれば、セパレータの一部と他の部分との間に、熱伝導率の低い材料から構成された断熱部が設けられているので、セパレータの一部の熱遮断性がよく、セパレータの一部を速やかに昇温でき、燃料電池の低温始動性が向上する。
請求項４の燃料電池によれば、積層方向に互いに重なるように積層されるセパレータの一部の暖機を促進して積層型燃料電池全体としての一部運転を素早く可能とすることができるので、積層型燃料電池の始動性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の燃料電池のセパレータの正面図である。
【図２】本発明の実施例１の燃料電池のセパレータの温度分布図である。
【図３】本発明の実施例２の燃料電池のセパレータの正面図である。
【図４】本発明の実施例３の燃料電池のセパレータの正面図である。
【図５】本発明の実施例４の燃料電池のセパレータの正面図である。
【図６】本発明の実施例５の燃料電池のセパレータの正面図である。
【図７】本発明の実施例６の燃料電池のセパレータの正面図である。
【図８】本発明の実施例７の燃料電池のセパレータの正面図である。
【図９】本発明の実施例８の燃料電池のセパレータの正面図である。
【図１０】一般の燃料電池（本発明にも適用可能）の全体側面図である。
【図１１】図１０の燃料電池の一部拡大断面図である。
【符号の説明】
１０ （固体高分子電解質型）燃料電池
１１ 電解質膜
１２ 触媒層
１３ 拡散層
１４ 電極（アノード、燃料極）
１５ 触媒層
１６ 拡散層
１７ 電極（カソード、空気極）
１８ セパレータ
１８ａ セパレータの一部
１８ｂ セパレータの他部
１８ｃ 断熱部
１９ モジュール
２０ ターミナル
２１ インシュレータ
２２ エンドプレート
２３ スタック
２４ 締結部材（テンションプレート）
２５ ボルト・ナット
２６ 冷媒流路
２７ 燃料ガス流路
２８ 酸化ガス流路
２９ 加熱部
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池（たとえば、固体高分子電解質型燃料電池）に関し、とくに始動時の暖機性を向上させた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池車両において、外気が０℃以下の低温時では、水分が凍ることなどにより反応が非常に少ないため、運転に必要な電力を得るためには、外部からの加熱により燃料電池スタックの温度を上昇させる必要がある。
このとき、スタック全体を同時に温度上昇させていては加熱時間が長くなり、始動性が低下する。そのため、特開２０００−１７３６３８号公報では、低温始動時には、燃料電池を複数の発電部に分割したうちの１つの発電部に、ヒータで加熱した循環水を流すことにより、１つの発電部を速やかに暖機させ、１つの発電部が所定温度以上になった時に他の発電部へも循環水を循環させて全体を暖機するようにしている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−１７３６３８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の複数の発電部に分割した従来の燃料電池は、燃料電池スタックをセル積層方向に分割しているため、燃料電池スタックのうちの１つの分割域に温度が０℃以下のものがあると、その分割域のセルの発電性能が低くなりその電気抵抗が大となって、その分割域を直列に接続した燃料電池スタック全体に電流が流れにくくなる。その結果、燃料電池全体が０℃以上に暖機されるまでは燃料電池として成立しなくなり、一部を加熱する暖機方式が成立しなくなる。
また、セルは熱抵抗の大きい拡散層を含むため、セル積層方向の伝熱抵抗が大きい。そのため、１つの分割域を温度上昇させても、その領域の反応熱をその他の分割域に伝熱してスタック全体を暖機するには時間を要し、効率的な暖機が困難である。
本発明の目的は、燃料電池全体が０℃以上に暖機されなくても発電可能であり、効率的な暖機が可能な、燃料電池を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１） セパレータを有する燃料電池であって、セパレータ面内方向における前記セパレータの一部に対して、該セパレータの一部を外部から加熱する加熱部が設けられている、燃料電池。
（２） セパレータを有する燃料電池であって、セパレータ面内方向における前記セパレータの一部に対して、該セパレータの一部を外部から加熱する加熱部が設けられており、前記セパレータの前記一部が他の部分より熱伝導率の低い材料から構成されている、燃料電池。
（３） セパレータを有する燃料電池であって、セパレータ面内方向における前記セパレータの一部に対して、該セパレータの一部を外部から加熱する加熱部が設けられており、前記セパレータの前記一部と他の部分との間に、前記セパレータの前記一部および前記他の部分より熱伝導率の低い材料から構成された断熱部が設けられている、燃料電池。
（４） 固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟持して構成される単位燃料電池セルを、前記セパレータを介して複数積層した燃料電池であって、前記セパレータの一部を前記積層方向に互いに重なるように積層した（１）または（２）または（３）記載の燃料電池。
【０００６】
上記（１）の燃料電池では、セパレータの面内方向には一部のみの加熱であっても、セル積層方向に全数のセパレータの一部が０℃以上に昇温されれば、セパレータ面内方向の全域が０℃以上に暖機されなくても、燃料電池は発電可能であり、一部加熱の暖機方式が成立する。
セパレータの面内方向の一部を加熱するので、セパレータの面内方向の全域を加熱する場合より速やかにセパレータの一部の温度を０℃以上に上げることができる。また、昇温されたセパレータの面内方向の一部からセパレータの面内方向の全域への伝熱は、その一部を通過して他部へ流れる反応ガスによる伝熱、セパレータ自体内の熱伝導による伝熱により、セル積層方向の伝熱に比べて速やかに行われるので、燃料電池の暖機は効率的である。
これによって、０℃以下の低温からの燃料電池の始動性が向上する。
上記（２）の燃料電池では、セパレータの一部が他の部分より熱伝導率の低い材料から構成されているので（ただし、セパレータの一部とセパレータの他の部分とは接合されており、分離されてはいない）、セパレータの一部が加熱部により加熱された時に熱伝導により他の部分に熱が逃げにくく、セパレータの一部を速やかに昇温でき、燃料電池の低温始動性が向上する。
上記（３）の燃料電池では、セパレータの一部と他の部分との間に、熱伝導率の低い材料から構成された断熱部が設けられているので（セパレータの一部と他の部分はそれぞれ断熱部に接合されており、分離されてはいない）、セパレータの一部が加熱部により加熱された時に熱伝導により他の部分に熱が逃げにくく、セパレータの一部を速やかに昇温でき、燃料電池の低温始動性が向上する。
上記（４）の燃料電池では、積層方向に互いに重なるように積層されるセパレータの一部の暖機を促進して積層型燃料電池全体としての一部運転を素早く可能とすることができるので、積層型燃料電池の始動性を向上させることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の燃料電池の望ましい実施例を、図１〜図１１を参照して説明する。図１、図２は本発明の実施例１を示し、図３は本発明の実施例２を示し、図４は本発明の実施例３を示し、図５は本発明の実施例４を示し、図６は本発明の実施例５を示し、図７は本発明の実施例６を示し、図８は本発明の実施例７を示し、図９は本発明の実施例８を示す。図１０、図１１は本発明が適用できる燃料電池の一般的構成を示す。
本発明の全実施例にわたって共通する部分には、本発明の全実施例にわたって同じ符合を付してある。
【０００８】
まず、本発明の全実施例にわたって、または本発明の複数の実施例にわたって、共通する部分を、図１、図２、図１０、図１１を参照して説明する。
本発明の燃料電池１０は、たとえば低温型燃料電池であり、たとえば固体高分子電解質型燃料電池である。燃料電池１０は、たとえば車両に搭載される。ただし、車両搭載用に限るものではない。
【０００９】
図１０、図１１に示すように、固体高分子電解質型燃料電池１０は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ ）とセパレータ１８との積層体からなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜の一面に配置された触媒層１２からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜の他面に配置された触媒層１５からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１３、１６が設けられてもよい。セパレータ１８にはアノード１４、カソード１７に燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するためのガス流路２７、２８（燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８）および／または冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６が形成されている。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねてセルを構成し、少なくとも１つのセルからモジュール１９を構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）、ボルト・ナット２５にて固定して、スタック２３を構成する。
【００１０】
各セルの、アノード側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成する反応が行われ、かくして発電が行われる。
アノード側：Ｈ２ →２Ｈ＋ ＋２ｅ−
カソード側：２Ｈ＋ ＋２ｅ− ＋（１／２）Ｏ２ →Ｈ２ Ｏ
【００１１】
セパレータ１８は燃料ガス、酸化ガス、冷媒を区画するため不透過性でなければならず、また隣接セル間の電子通路となるため導電性をもたなければならない。そのために、セパレータ１８は、通常、カーボンプレート（カーボン、黒鉛等の導電材料と樹脂との混合材料の成型カーボンプレート、あるいはカーボン、黒鉛等の導電材料の焼結カーボンプレート）、導電性樹脂に流体流路を形成したもの、あるいはメタルプレート（たとえば、ＳＵＳプレート）に流体流路を形成したもの、あるいはメタルプレートに流体流路を形成したものと樹脂フレームとの組み合わせ、等からなる。
【００１２】
セパレータ１８は、セパレータ面内方向（セル積層方向と直交する面と平行な方向）におけるセパレータの一部１８ａに対して、該セパレータの一部１８ａを外部から加熱する加熱部２９が設けられている。たとえば表面が電気的に絶縁されているヒータからなる外部熱源が、加熱部２９でセパレータの一部１８ａに接触して、セパレータの一部１８ａを加熱する。セパレータの一部１８ａは加熱部２９部位のみで加熱される。加熱部２９は低温下からの燃料電池始動時のみオンとされてセパレータの一部１８ａを加熱し、燃料電池暖機後はオフとなる。
加熱部２９はセパレータの辺に設けられる。加熱部２９による加熱により昇温されたセパレータの一部１８ａでの反応熱が反応ガスの流れにのってセパレータの他部１８ｂに流れ、他部１８ｂを昇温させることができるように、加熱部２９は反応ガス（エア、または水素）の流入側近傍に設けられることが望ましい。
【００１３】
セパレータの一部１８ａと他部１８ｂとは、直接、または低熱伝導性の材料からなる断熱部１８ｃを挟んで、接続または接合している。したがって、セパレータの一部１８ａと他部１８ｂとは分離してはいない。セパレータ１８に形成されたガス流路２７、２８や冷媒流路２６、あるいはガスマニホールドや冷媒マニホールドが、セパレータの一部１８ａと他部１８ｂとにわたってまたがっていても、一部１８ａと他部１８ｂとの境界でガスもれや水もれは生じない。
セパレータの一部１８ａは、セパレータの他部１８ｂよりも面積が小であることが望ましい（ただし、大であってもよい）。面積が小の場合は、より速やかにセパレータの一部１８ａを昇温でき、暖機性がよい。
【００１４】
セパレータの一部１８ａと他部１８ｂとは、材質が同一であってもよいし、材質が異なっていてもよい。
材質が同一である場合は、セパレータの一部１８ａと他部１８ｂとを一体に作製できる。境界部の強度は境界部以外の部分に比べて低下せず、境界部の強度を維持するのに特別な対策を講じる必要はない。
材質が異なる場合は、セパレータの一部１８ａと他部１８ｂとを別々に作製しておいて、それらを接合する。接合は、たとえば圧着、接着、ロー付け、溶接（ロー付け、溶接はメタルセパレータの場合に限る）、溶着（導電性樹脂セパレータの場合に限る）などによる。接合部での破損を防止するには、セル積層方向に隣接するセパレータの接合部をセル面内方向にずらして互い違いに配置することが有効である。セパレータの一部１８ａと他部１８ｂの材質が異なっていても、それと無関係にガス流路２７、２８、冷媒流路２６、ガスマニホールド、冷媒マニホールドがセパレータの一部１８ａと他部１８ｂにまたがって形成されてもよい。
【００１５】
セパレータの一部１８ａと他部１８ｂの材質が異なる場合、セパレータの一部１８ａ（加熱部２９が設けられる方）の材料の熱伝導率がセパレータの他部１８ｂの材料の熱伝導率より低いことが望ましい。セパレータの一部１８ａを形成する熱伝導率が低い材料としては、たとえば、ＳＵＳ、ニッケル、成型カーボンがあり、セパレータの他部１８ｂを形成する熱伝導率がよい材料としては、たとえば、銅、アルミ、焼結カーボンがある。
【００１６】
セパレータの一部１８ａと他部１８ｂとの間に断熱部１８ｃが挟まれる場合、セパレータの一部１８ａと他部１８ｂとは、材質が同一であってもよいし、あるいは異なってもよい。セパレータの一部１８ａと他部１８ｂと、断熱部１８ｃとは、互いに接合され、その接合は、たとえば圧着、接着、ロー付け、溶接（ロー付け、溶接はメタルセパレータの場合に限る）、溶着（導電性樹脂セパレータの場合に限る）などによる。接合部での破損を防止するには、セル積層方向に隣接するセパレータの接合部をセル面内方向にずらして互い違いに配置することが有効である。ガス流路２７、２８、冷媒流路２６、ガスマニホールド、冷媒マニホールドは、セパレータの一部１８ａと他部１８ｂにまたがって形成されてもよい。
断熱部１８ｃを構成する材料としては、カーボンクロス、カーボンペーパーなどがある。
【００１７】
つぎに、本発明の全実施例にわたって、または本発明の複数の実施例にわたって、共通する部分の作用を説明する。
セパレータ１８の面内方向には一部のみの加熱であっても、セル積層方向に全数のセパレータの一部１８ａが０℃以上に昇温されれば、セパレータ面内方向の全域（１８ａ＋１８ｂ）が０℃以上に暖機されなくても、暖機されたセパレータの一部１８ａを通って電流がセル積層方向に流れるので、燃料電池１８は発電可能であり、一部加熱の暖機方式が成立する。
【００１８】
セパレータの面内方向の一部１８ａを加熱するので、セパレータの面内方向の全域（１８ａ＋１８ｂ）を加熱する場合より速やかにセパレータの一部１８ａの温度を０℃以上に上げることができる。
また、昇温されたセパレータの面内方向の一部１８ａからセパレータの面内方向の全域（１８ａ＋１８ｂ）への伝熱は、その一部１８ａを通過して他部１８ｂへ流れる反応ガスによる伝熱、セパレータ１８自体内の熱伝導による伝熱により、セル積層方向の伝熱に比べて速やかに行われるので、燃料電池の暖機は効率的に行われる。
これによって、０℃以下の低温からの燃料電池の始動性が向上する。
【００１９】
セパレータの一部１８ａが他の部分１８ｂより熱伝導率の低い材料から構成されている場合は、セパレータの一部１８ａの保温性がよいため、セパレータの一部１８ａが加熱部２９により加熱された時に熱伝導により他の部分１８ｂに熱が逃げにくく、セパレータの一部１８ａを速やかに昇温でき、燃料電池の低温始動性が向上する。ただし、熱伝導が低い材料の部分をセパレータの一部１８ａのみとした理由は、セパレータの面内方向全域を熱伝導が低い材料とすると、始動性が向上するものの、通常運転時の冷却性が損なわれるので、それを避けるためである。
【００２０】
セパレータの一部１８ａと他の部分１８ｂとの間に、熱伝導率の低い材料から構成された断熱部１８ｃが設けられている場合は（セパレータの一部と他の部分はそれぞれ断熱部に接合されており、分離されてはいない）、セパレータの一部１８ａが他部１８ｂから熱遮断されているため、セパレータの一部１８ａが加熱部２９により加熱された時に熱伝導により他の部分１８ｂに熱が逃げにくく、セパレータの一部１８ａを速やかに昇温でき、燃料電池の低温始動性が向上する。ただし、セパレータの一部１８ａと他の部分１８ｂをそれぞれ断熱部１８ｃに接合した理由は、セパレータの一部と他の部分を分離するとガス入口、出口が増え、発電システム全体の容積が増加し、構造が複雑になり、車両への搭載性が悪くなるので、それを避けるためである。
【００２１】
つぎに、本発明の各実施例を説明する。
本発明の実施例１では、図１、図２に示すように、セパレータの一部１８ａはほぼ正方形でセパレータ１８の４隅の１つに位置し、セパレータの一部１８ａの一辺に加熱部２９が設けられている。セパレータの一部１８ａはＳＵＳ、ニッケル、成型カーボンなど、熱伝導が低い材料から構成されており、他部１８ｂが銅、アルミ、焼結カーボンなど熱伝導がよい材料から構成されている。２つの部分１８ａ、１８ｂは電気伝導性がよい溶剤（接着剤）で接合されている。
その作用については、セパレータの一部１８ａを速やかに昇温させることができ、燃料電池の低温からの暖機性がよい。図２は加熱部２９で加熱した時のセパレータ１８の温度分布を示す。
【００２２】
本発明の実施例２では、図３に示すように、セパレータの一部１８ａは矩形でセパレータ１８の４辺の１辺の全長に沿って位置し、セパレータの一部１８ａの短辺に加熱部２９が設けられている。セパレータの一部１８ａは熱伝導が低い材料から構成されており、他部１８ｂが熱伝導がよい材料から構成されている。２つの部分１８ａ、１８ｂは接合されている。
その作用については、セパレータの一部１８ａを速やかに昇温させることができ、燃料電池の低温からの暖機性が改善される。
【００２３】
本発明の実施例３では、図４に示すように、セパレータの一部１８ａは矩形でセパレータ１８の４辺の１辺の全長に沿って位置し、セパレータの一部１８ａの長辺に加熱部２９が設けられている。セパレータの一部１８ａは熱伝導が低い材料から構成されており、他部１８ｂが熱伝導がよい材料から構成されている。２つの部分１８ａ、１８ｂは接合されている。
その作用については、セパレータの一部１８ａを速やかに昇温させることができ、燃料電池の低温からの暖機性が改善される。
【００２４】
本発明の実施例４では、図５に示すように、セパレータの一部１８ａは三角形でセパレータ１８の４隅の１つに位置し、セパレータの一部１８ａの直角を挟む２辺のうちの１辺に加熱部２９が設けられている。セパレータの一部１８ａは熱伝導が低い材料から構成されており、他部１８ｂが熱伝導がよい材料から構成されている。２つの部分１８ａ、１８ｂは接合されている。
その作用については、セパレータの一部１８ａを速やかに昇温させることができ、燃料電池の低温からの暖機性が改善される。
【００２５】
本発明の実施例５では、図６に示すように、セパレータの一部１８ａはほぼ正方形でセパレータ１８の４隅の１つに位置し、セパレータの一部１８ａの一辺に加熱部２９が設けられている。セパレータの一部１８ａと他部１８ｂとの間に断熱部１８ｃが設けられている。２つの部分１８ａ、１８ｂと断熱部１８ｃは電気伝導性がよい溶剤（接着剤）で接合されている。
その作用については、セパレータの一部１８ａを速やかに昇温させることができ、燃料電池の低温からの暖機性がよい。
【００２６】
本発明の実施例６では、図７に示すように、セパレータの一部１８ａは矩形でセパレータ１８の４辺の１辺の全長に沿って位置し、セパレータの一部１８ａの短辺に加熱部２９が設けられている。セパレータの一部１８ａと他部１８ｂとの間に断熱部１８ｃが設けられている。２つの部分１８ａ、１８ｂと断熱部１８ｃは電気伝導性がよい溶剤（接着剤）で接合されている。
その作用については、セパレータの一部１８ａを速やかに昇温させることができ、燃料電池の低温からの暖機性が改善される。
【００２７】
本発明の実施例７では、図８に示すように、セパレータの一部１８ａは矩形でセパレータ１８の４辺の１辺の全長に沿って位置し、セパレータの一部１８ａの長辺に加熱部２９が設けられている。セパレータの一部１８ａと他部１８ｂとの間に断熱部１８ｃが設けられている。２つの部分１８ａ、１８ｂと断熱部１８ｃは電気伝導性がよい溶剤（接着剤）で接合されている。
その作用については、セパレータの一部１８ａを速やかに昇温させることができ、燃料電池の低温からの暖機性が改善される。
【００２８】
本発明の実施例８では、図９に示すように、セパレータの一部１８ａは三角形でセパレータ１８の４隅の１つに位置し、セパレータの一部１８ａの直角を挟む２辺のうちの１辺に加熱部２９が設けられている。セパレータの一部１８ａと他部１８ｂとの間に断熱部１８ｃが設けられている。２つの部分１８ａ、１８ｂと断熱部１８ｃは電気伝導性がよい溶剤（接着剤）で接合されている。
その作用については、セパレータの一部１８ａを速やかに昇温させることができ、燃料電池の低温からの暖機性が改善される。
【００２９】
【発明の効果】
請求項１の燃料電池によれば、セパレータの面内方向には一部のみの加熱であっても、セル積層方向に全数のセパレータの一部が０℃以上に昇温されれば、セパレータ面内方向の全域が０℃以上に暖機されなくても、燃料電池は発電可能であり、一部加熱の暖機方式が成立する。
また、セパレータの面内方向の一部を加熱するので、セパレータの面内方向の全域を加熱する場合より速やかにセパレータの一部の温度を０℃以上に上げることができる。また、昇温されたセパレータの面内方向の一部からセパレータの面内方向の全域への伝熱は、その一部を通過して他部へ流れる反応ガスによる伝熱、セパレータ自体内の熱伝導による伝熱により、セル積層方向の伝熱に比べて速やかに行われるので、燃料電池の暖機は効率的である。
これによって、低温からの燃料電池の始動性が向上する。
請求項２の燃料電池によれば、セパレータの一部が他の部分より熱伝導率の低い材料から構成されているので、セパレータの一部の保温性がよく、セパレータの一部を速やかに昇温でき、燃料電池の低温始動性が向上する。
請求項３の燃料電池によれば、セパレータの一部と他の部分との間に、熱伝導率の低い材料から構成された断熱部が設けられているので、セパレータの一部の熱遮断性がよく、セパレータの一部を速やかに昇温でき、燃料電池の低温始動性が向上する。
請求項４の燃料電池によれば、積層方向に互いに重なるように積層されるセパレータの一部の暖機を促進して積層型燃料電池全体としての一部運転を素早く可能とすることができるので、積層型燃料電池の始動性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の燃料電池のセパレータの正面図である。
【図２】本発明の実施例１の燃料電池のセパレータの温度分布図である。
【図３】本発明の実施例２の燃料電池のセパレータの正面図である。
【図４】本発明の実施例３の燃料電池のセパレータの正面図である。
【図５】本発明の実施例４の燃料電池のセパレータの正面図である。
【図６】本発明の実施例５の燃料電池のセパレータの正面図である。
【図７】本発明の実施例６の燃料電池のセパレータの正面図である。
【図８】本発明の実施例７の燃料電池のセパレータの正面図である。
【図９】本発明の実施例８の燃料電池のセパレータの正面図である。
【図１０】一般の燃料電池（本発明にも適用可能）の全体側面図である。
【図１１】図１０の燃料電池の一部拡大断面図である。
【符号の説明】
１０ （固体高分子電解質型）燃料電池
１１ 電解質膜
１２ 触媒層
１３ 拡散層
１４ 電極（アノード、燃料極）
１５ 触媒層
１６ 拡散層
１７ 電極（カソード、空気極）
１８ セパレータ
１８ａ セパレータの一部
１８ｂ セパレータの他部
１８ｃ 断熱部
１９ モジュール
２０ ターミナル
２１ インシュレータ
２２ エンドプレート
２３ スタック
２４ 締結部材（テンションプレート）
２５ ボルト・ナット
２６ 冷媒流路
２７ 燃料ガス流路
２８ 酸化ガス流路
２９ 加熱部
Claims (4)
- セパレータを有する燃料電池であって、セパレータ面内方向における前記セパレータの一部に対して、該セパレータの一部を外部から加熱する加熱部が設けられている、燃料電池。
- セパレータを有する燃料電池であって、セパレータ面内方向における前記セパレータの一部に対して、該セパレータの一部を外部から加熱する加熱部が設けられており、前記セパレータの前記一部が他の部分より熱伝導率の低い材料から構成されている、燃料電池。
- セパレータを有する燃料電池であって、セパレータ面内方向における前記セパレータの一部に対して、該セパレータの一部を外部から加熱する加熱部が設けられており、前記セパレータの前記一部と他の部分との間に、前記セパレータの前記一部および前記他の部分より熱伝導率の低い材料から構成された断熱部が設けられている、燃料電池。
- 固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟持して構成される単位燃料電池セルを、前記セパレータを介して複数積層した燃料電池であって、前記セパレータの一部を前記積層方向に互いに重なるように積層した請求項１または請求項２または請求項３記載の燃料電池。
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