JP2005085530A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】低温起動時の端部セル内での凍結を防止する。
【解決手段】 積層された複数のセル２の積層方向端部に配置されるカレントコレクタ３は、第１の導電性領域３１と、第１の導電性領域３１よりも面積が小さな第２の導電性領域３２と、第１の導電性領域３１と第２の導電性領域３２の間に配置されて第１の導電性領域３１と第２の導電性領域３２の間を絶縁する絶縁領域３３と、を備える。低温起動運転時には第２の導電性領域３１から電流を取り出し、通常運転時には第１の導電性領域から電流を取り出す。これにより、低温起動時の端部セルでの発熱量を増やして端部セル内での生成水の凍結を防止できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は燃料電池スタックに関し、特に、低温状態からの起動時の凍結防止技術に関する。

燃料電池スタックを氷点下といった低温状態から起動する際、セル内で生成された水が凍結し、生成水が凍結すると反応に必要なガスが反応部に届かなくなってセルにダメージを与える可能性がある。この問題を回避するため、特許文献１に記載の燃料電池スタックでは、燃料電池スタック内に局所的な発電領域を設け、この発電領域での発熱を他の領域の加熱に利用し、順次発電してゆくことにより、燃料電池スタック内部での凍結を防いでいる。
特開２００２−３０５０１４

燃料電池スタックは複数のセルを積層して構成され、スタック内側に配置される内部セルでは、両側に別のセルが存在するため両側で同等の発熱が起こり、熱量の不足は起こりにくい。しかしながら、セルスタックの最も外側に配置される端部セルでは、一方の側に電流取り出しおよび締め付け用のプレートが配置されており、その側では発熱が起こらないため、熱量が不足しやすい。特に、起動時には、セルで生成した熱がこれらを温めるために使われてしまい、熱量がさらに不足しやすくなる。

上記特許文献１に記載の燃料電池スタックでは、内部セルにおいては凍結を防止できるが、端部セルにおいては、上記電流取り出しおよび締め付け用のプレートを暖めるために熱が使われてしまい、凍結が起こってしまう可能性があった。

本発明は、かかる技術的課題を鑑みてなされたもので、燃料電池スタックを氷点下といった低温状態から起動する際に、端部セル内での凍結を防止することを目的とする。

積層された複数のセルの積層方向外側に配置されるカレントコレクタは、第１の導電性領域と、第１の導電性領域よりも面積が小さな第２の導電性領域と、第１の導電性領域と第２の導電性領域の間に配置されて第１の導電性領域と第２の導電性領域の間を絶縁する絶縁領域と、を備える。そして、低温起動運転時には第２の導電性領域から電流を取り出し、通常運転時には第１の導電性領域から電流を取り出す。

本発明によれば、低温起動時には、第２の導電性領域から電流を取り出すので、積層された複数のセル（セルスタック）の最も外側に配置される端部セルのセパレータ内をセルの積層方向に垂直な方向に電流が流れ、セパレータの電気抵抗により発熱が起こり、セルスタック内側に配置される内部セルとセルスタックの最も外側に配置される端部セルの発熱環境を同等にできる。これにより、低温起動時の端部セル内での凍結を防止し、低温起動時の性能確保と凍結による劣化防止を実現することができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。

図１は本発明に係る燃料電池スタック１の構成を示している。燃料電池スタック１は、複数のセル２を積層してセルスタック２０とし、セルスタック２０の両側をカレントコレクタ３（電流取り出し板）で挟むことによって構成される。カレントコレクタ３は、セルスタック２０からの電流を取り出す機能のほか、締め付け力をセルスタック２０に与える機能を有する。なお、カレントコレクタ３にセルスタック２０から電流を取り出す機能のみを持たせ、締め付け力をセルスタック２０に与える機能を別の部材で負担するように構成しても構わない。

カレントコレクタ３は、大面積部３１（第１の導電性領域）と大面積部３１よりも面積の小さな小面積部３２（第２の導電性領域）に分割され、その間が絶縁体３３（絶縁領域）により絶縁されている。さらに、大面積部３１に接続される通常運転用のターミナル３５と小面積部３２に接続される低温起動用のターミナル３６は、後述するように、スイッチ５を介してモータ、インバータ等の負荷４に選択的に接続される。

本発明に係る燃料電池スタック１の構成についてさらに詳細に説明する。

図２は本発明に係る燃料電池スタック１の断面図を示している。セル２は、膜電極接合体（ＭＥＡ）２１の両側をセパレータ２２で挟み、これらの周辺部にガスケット２３を配することで構成される。セパレータ２２のＭＥＡ２１側には燃料ガス、空気を流すためのガス流路（図示せず）が形成されている。そして、セル２を積層したセルスタック２０の両側をカレントコレクタ３が挟んでいる。

カレントコレクタ３は、上記の通り、絶縁体３３により大面積部３１（第１の導電性領域）と大面積部３１よりも面積の小さな小面積部３２（第２の導電性領域）とに分割される。大面積部３１の面積は小面積部３２の面積の１０倍以上であることが望ましい。

また、セルの積層方向から燃料電池スタック１を見た場合、図３に示すように、負極側の小面積部３２はカレントコレクタ３の中心部を挟んで正極側の小面積部３２の対角位置になるように配置される。また、セル２は全面で発電を行なっているのではなく、セル２の周辺部に配置されたガスケット２３は発電を行なわない非発電部３８となり、その内側が発電部３９となるが、小面積部３２は、セルの積層方向から見た場合に非発電部３８に重なるように配置される。

大面積部３１には通常運転用のターミナル３５が接続されており、小面積部３２には低温起動用のターミナル３６が接続されている。ターミナル３５、３６とモータ等の負荷４の間にはスイッチ５が設けられており、スイッチ５を切り換えることによってターミナル３５、３６のいずれか一方を負荷４に接続し、これによって大面積部３１から電流を取り出すか小面積部３２から電流を取り出すかを切り換えることができる。

また、燃料電池スタック１の制御用として、スイッチ５にコントローラ６が接続されており、コントローラ６には外気温度を検出する外気温センサ７１、燃料電池スタック１から排出される空気（あるいは燃料ガス）の温度を検出する排気温センサ７２、セル２の内部温度を検出するセル温度センサ７２、セル２の一つの電圧を検出するセル電圧センサ７３からの信号が入力される。コンローラ６は、燃料電池スタック１が低温状態からの起動か判断し、判断結果に応じてスイッチ５を切り換えて燃料電池スタック１の運転モードを切り換える。コントローラ６、スイッチ５が選択手段を構成する。

具体的には、コントローラ６は、氷点下といった低温状態からの起動であると判断したときは、ターミナル３６が負荷４に接続されるようにスイッチ５を切り替え、小面積部３２から電流が取り出されるようにする（低温起動運転モード）。これにより、燃料電池スタック１内の電流は、図中白抜き矢印で示すように流れ、セルスタック２０の最も外側に配置されるセル２の外側のセパレータ２２ｅ（以下、エンドセパレータ）内に、セルの積層方向に垂直な方向の電流の流れが生じる。セパレータ２２の主成分である炭素は導電性を有するが金属よりも電気抵抗が大きく、エンドセパレータ２２ｅ内をセルの積層方向に垂直な方向に電流が流れることによって発熱量が大きくなる。

セパレータ２２は、面積に比べて厚さが非常に小さく（例えば、厚さ１ｍｍ以下に対し、面方向の長辺は３００ｍｍ以上）、厚さ方向に電流を流す場合の抵抗は無視できるほど小さい。しかしながら、面方向（面に沿った方向）に流す場合には抵抗が大きく、一つのセルで燃料電池反応が起こる場合に相当する熱量を発生させることが可能である。

また、小面積部３２を周辺部の非発電部３８に重なるように配置しているので、エンドセパレータ２２ｅ内で積層方向に垂直な方向に電流が流れやすくなり、かつ、エンドセパレータ２２ｅ以外のセパレータで積層方向に垂直な方向の電流の流れが生じにくくすることができる。また、低温状態からの起動完了後、大面積部３１から電流を取り出す際に、エンドセパレータ２２ｅ内でセル積層方向に垂直な方向に電流が流れるのを抑え、電流の偏流による燃料電池スタック１の発電性能の低下を防ぐことができる。

一方、低温状態からの起動ではないと判断したときは、通常運転用のターミナル３５が負荷４に接続されるようにスイッチ５を切り換え、大面積部３１から電流が取り出されるようにする（通常運転モード）。これにより、燃料電池スタック１内の電流の流れは図中黒矢印で示すようにセルスタック２０内はセル積層方向の流れのみとなり、エンドセパレータ２２ｅ内での面方向の電流の流れは生じなくなる。なお、この状態では、セルスタック２０の内側に配置される内部セルでは、両側を他のセルで挟まれているため放熱により片側の温度だけ低下するということは起こらないが、セルスタック２０の最も外側に配置される端部セルでは、片側に他のセルがないため放熱する。

図４は燃料電池スタックの運転モード切換処理を示す。このフローチャートは燃料電池スタック１のスタータースイッチがＯＮにされた後、コントローラ６において実行される。このフローチャートを参照しながら、燃料電池スタック１の運転モード切換処理について説明する。

まず、ステップＳ１では、外気温センサ７１によって検出された外気温度を読み込み、外気温度が所定の低温度よりも低いか判断する。外気温度が所定の低温度よりも低い場合はステップＳ２に進み、そうでない場合はステップＳ６に進む。所定の低温度は、例えば０℃に設定されるが、外気温センサ７１の検出誤差を考慮する場合、あるいは、凍結を確実に防止したい場合には、０℃よりも若干高めの温度に設定してもよい。

ステップＳ２では、負荷４が低温起動用のターミナル３６に接続されるようスイッチ５を切り換える。ステップＳ３では、燃料電池スタック１を運転させ、カレントコレクタ３の小面積部３２から電流が取り出される（低温起動運転モード）。

一方、ステップＳ１において、外気温度が所定の低温度よりも高いと判断した場合はステップＳ６に進み、負荷４が通常運転用のターミナル３５に接続されるようスイッチ５を切り換える。そして、ステップＳ７では、燃料電池スタック１を運転させ、カレントコレクタ３の大面積部３１から電流が取り出される（通常運転モード）。

低温起動運転モードでは、ステップＳ４で一つのセル２の電圧を監視し、セル電圧がゼロよりも小さくなった場合は何らかの異常が発生したと判断してステップＳ５に進み、処理を終了する（フェール判定）。

また、燃料電池スタック１の温度上昇（暖機状態）を監視するために、ステップＳ８で燃料電池スタック１から排出される空気の温度（空気出口温度）を監視する。そして、空気出口温度が５℃以下の場合はステップＳ４に戻り、空気出口温度が５℃を超えるまで低温起動運転モードを継続する。

その後、空気出口温度が５℃を超えるとステップＳ９に進み、負荷４が通常運転用のターミナル３５に接続されるようスイッチ５を切り替え、ステップＳ１０で通常運転モードに移行する。

なお、ここでは、空気出口温度の温度が５℃に達したときに低温起動運転モード終了と判断しているが、燃料電池スタック１から排出される燃料ガスの温度が所定温度に達したとき、あるいは、セル２の内部温度が所定温度に達したときに低温起動運転モード終了と判断してよい。

図５は、本発明を適用しない場合、すなわち、カレントコレクタが１枚の板で構成されている場合の、低温起動時のセル温度およびセル電圧が変化する様子を示す。本発明を適用しない場合、セルスタックの最も外側に配置される端部セルは、内側に配置される内部セルに比べて温度の上昇が大幅に遅く、その間に転極現象を起こしてしまい、安定運転できる状態になるまでに時間がかかっている。これに対し、図６は、本発明を適用した場合の、低温起動時のセル温度およびセル電圧が変化する様子を示す。本発明を適用した場合は、端部セルの温度は本発明を適用しない場合よりも早く上昇し、安定運転できる状態へと速やかに移行できる。またこの間に転極現象も見られず、発電性能の劣化も抑えられる。

さらに、図７に、本発明を適用しない場合と適用した場合の、低温起動繰り返し後の劣化状態を示す。本発明を適用しない場合は、低温起動を繰り返すことにより、スタックの取り出し可能な最大出力が低下している。これは、上記転極現象に加え、本発明を適用しない場合は、低温起動時に端部セルからの放熱量が大きくて端部セルが凍結しやすく、低温起動時に凍結を繰り返すことによってセルへのダメージが蓄積するからである。本発明を適用した場合は、転極現象もなく、セルスタック外側に配置される端部セルでの凍結も防止されるので、発電性能の劣化の低下はほとんど起こらない。

以上説明したように、本発明によれば、積層された複数のセル２と、積層された複数のセル２の積層方向外側に配置され、第１の導電性領域（大面積部３１）と、第１の導電性領域よりも面積が小さな第２の導電性領域（小面積部３２）と、第１の導電性領域と第２の導電性領域の間に配置されて第１の導電性領域と第２の導電性領域の間を絶縁する絶縁領域（絶縁体３３）と、を有する電流取り出し板（カレントコレクタ３）と、負荷４を第１の導電性領域、第２の導電性領域のいずれに接続するかを選択する選択手段（スイッチ５、コントローラ６）と、を備えた燃料電池スタック１が提供される。

第２の導電性領域から電流を取り出すことにより、端部セルのセパレータ内をセルの積層方向に垂直な方向に電流が流れ、セパレータの電気抵抗により発熱が起こるので、セルスタックの内側に配置される内部セルと最も外側に配置される端部セルとの発熱環境を等しくできる。そして、氷点下といった低温状態からの起動時に第２の導電性領域から電流を取り出すようにすることで、低温状態からの起動時に端部セル内で生成水が凍結するのを防止できる。

また、第２の導電性領域を、セルの積層方向から見た場合にセル２の非発電部３８に重なるように配置したことにより、端部セルのセパレータ内でセル積層方向に垂直な方向に電流が流れやすくなり、かつ、端部セルのセパレータ以外のセパレータでセル積層方向に垂直な方向の電流の流れが生じるのを抑えることができる。また、低温状態からの起動完了後、第１の導電性領域から電流を取り出す際に、端部セルのセパレータ内をセル積層方向に垂直な方向に電流が流れるのを防ぐことができ、電流の偏流による性能低下を防ぐことができる。

さらに、セルの積層方向から見た場合に負極側の第２の導電性領域と正極側の第２の導電性領域は位置が重ならないように、さらに好適には、負極側の第２の導電性領域が電流取り出し板の中心を挟んで正極側の第２の導電性領域の対角位置になるように、負極側の第２の導電性領域と正極側の第２の導電性領域を配置することによって、電流の偏流をさらに防ぐことができる。

なお、上記実施形態では、負極側の小面積部３２はカレントコレクタ３の中心部を挟んで負極側の小面積部３２の対角位置になるように配置されるが、図８に示すように、単に、負極側の小面積部３２がカレントコレクタ３の中心部を挟んで正極側の小面積部３２の反対側（対向位置）に配置されるようにしてもよい。

また、カレントコレクタ３は図９に示すように、エンドプレート２２ｅを樹脂等の絶縁体で構成し、これに導電性材料で構成される大面積部３１、小面積部３２を埋め込んだ構成としてもよい。あるいは、エンドプレート２２ｅを導電性材料で構成する場合は、エンドプレート２２ｅとこれに埋め込まれた大面積部３１、小面積部３２との間を樹脂等の絶縁体で絶縁処理する。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。

第２の実施形態の構成を図１０に示す。基本的な構成は第１の実施形態の構成と同様であるが、第１の実施形態では、エンドセパレータ２２ｅをそのまま発熱体として利用していたのに対し、第２の実施形態においては、セルスタック２０とカレントコレクタ３の間に、すなわち、エンドセパレータ２２ｅとカレントコレクタ３の間に、炭素系材料で作った導電板５０を挿入している。燃料電池スタック１の運転モード切換処理は図４に示したものと同じである。

この第２の実施形態によれば、上記第１の実施形態の作用効果に加え、次のような作用効果がある。

セルスタック２０とカレントコレクタ３の間に炭素を主成分とした導電板５０を介装したことにより、先の実施形態ではエンドセパレータ２２ｅ内を流れていたセルの積層方向に垂直な方向の電流をこの導電板５０に流すことができる。この結果、低温起動運転モードで運転している時の端部での電流は、主として導電板５０を流れるようになり、端部セル内での電流の偏りを抑えて端部セルの出力低下を抑え、安定して発熱させることが可能となる。

さらに、エンドセパレータ２２ｅが金属材料でできている等でその電気抵抗が小さい場合は、先の実施形態の構成では端部セルにおいて十分な発熱量が得られない可能性があるが、このように、炭素を主成分とした導電板５０に電流を流すようにすることで十分な発熱量を得ることができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、上記実施形態はあくまでも本発明を適用した構成の一例を示したものにすぎず、本発明の適用範囲を上記実施形態の構成に限定して解釈すべきではない。

本発明は、車両用をはじめとし、様々な用途の燃料電池スタックに対して適用することが可能である。特に、本発明によれば低温起動時の燃料電池スタックの凍結を防止することができるので、低温起動時の発電性能を確保すると共に、凍結による燃料電池スタックの劣化を防止するのに有用である。

本発明に係る燃料電池スタックの構成を示した図である。 本発明に係る燃料電池スタックの断面図である。 燃料電池スタックをセルの積層方向から見た図である。 燃料電池スタックの運転モード切換処理を示した図である。 本発明を適用しない場合の低温起動時のセル温度およびセル電圧の変化を示した図である。 本発明を適用した場合の低温起動時のセル温度およびセル電圧の変化を示した図である。 低温起動繰り返し後の劣化状態を、本発明を適用した場合と適用しない場合とで比較した図である。 燃料電池スタックのカレントコレクタの別の例を示した図である。 燃料電池スタックのカレントコレクタのさらに別の例を示した図である。 本発明の第２の実施形態を示した図である。

符号の説明

１ 燃料電池スタック
２ セル
３ カレントコレクタ（電流取り出し板）
４ 負荷
５ スイッチ（選択手段）
６ コントローラ（選択手段）
２０ セルスタック
３１ 大面積部（第１の導電性領域）
３２ 小面積部（第２の導電性領域）
３５ 通常運転用のターミナル
３６ 低温起動運転用のターミナル
５０ 導電板
７１ 外気温センサ
７２ 排気温センサ
７３ セル電圧センサ

Claims (7)

1. 積層された複数のセルと、
   前記積層された複数のセルの積層方向外側に配置され、第１の導電性領域と、第１の導電性領域よりも面積が小さな第２の導電性領域と、前記第１の導電性領域と第２の導電性領域の間に配置されて前記第１の導電性領域と第２の導電性領域の間を絶縁する絶縁領域と、を有する電流取り出し板と、
   負荷を前記第１の導電性領域、前記第２の導電性領域のいずれに接続するかを選択する選択手段と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記選択手段が、外気温度が所定の低温度よりも低いときに前記負荷を前記第２の導電性領域に接続し、前記所定の低温度よりも高いときに前記負荷を第１の導電性領域に接続す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. 前記電流取り出し板と前記複数のセルの間に炭素系材料でできた導電板を配置したことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池スタック。
4. 前記セルの積層方向から見た場合、前記第２の導電性領域が前記セルの非発電部に重なるように配置されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池スタック。
5. 前記電流取り出し板は前記複数のセルの積層方向両側に配置され、
   前記セルの積層方向から見た場合、負極側の第２の導電性領域と正極側の第２の導電性領域は位置が重ならないように配置される、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
6. 前記セルの積層方向から見た場合、前記負極側の第２の導電性領域が前記電流取り出し板の中心を挟んで前記正極側の第２の導電性領域の反対側に配置され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. 前記セルの積層方向から見た場合、前記負極側の第２の導電性領域が前記正極側の第２の導電性領域の対角位置に配置されることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池スタック。

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