JP2005166304A

JP2005166304A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2005166304A
Application number: JP2003400245A
Authority: JP
Inventors: Norihiko Saito; 典彦齋藤; Masaaki Kondo; 政彰近藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-11-28
Filing date: 2003-11-28
Publication date: 2005-06-23

Abstract

【課題】本発明は燃料電池スタック、特に、発電に寄与しないガス流路が形成されたダミーセルを備えた燃料電池スタックに関し、ダミーセルでの面内方向への電流の流れを抑制して電気的損失を低減できるようにする。
【解決手段】ダミーセル３１に形成された発電に寄与しないガス流路３６ａ，３６ｂに、導電性の凸部４０を設けることで、セルの積層方向へ電流が流れるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のセルが積層されたスタック構造を有する燃料電池に係り、特に、発電に寄与しないガス流路が形成されたダミーセルを含む燃料電池に関する。

一般に、燃料電池は、複数毎の単位燃料電池セル（以下、単にセルという）が積層された燃料電池スタックとして使用されている。各セルは、水素イオン伝導性の電解質膜を一対の電極（アノードとカソード）で挟んで構成された膜−電極アッセンブリ（以下、ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を有し、このＭＥＡの両側を一対のセパレータによって挟むことで構成されている。セパレータには、アノードに燃料ガスを供給するためのガス流路、カソードに酸化ガスを供給するためのガス流路、そして、冷却水を流すための冷却水流路が設けられている。

発電時、電解質膜中を水素イオンが移動するためには、電解質膜が適度に湿潤していることが必要である。このため、従来の燃料電池スタックでは、ガス流路に供給されるガスを適度に加湿する他、カソードでの化学反応で生成された水を電解質膜の湿潤に利用している。しかし、湿潤に用いられた水分はガス流路を流れるガスとともに排出されるが、この水分が過多になると、ガス流路に水だまり(フラッディング)が生じ、燃料電池の出力低下が起きてしまう。

このような不具合に関する解決策として、特許文献１には、燃料電池スタックの奥側端部にバイパスプレートを配置し、このバイパスプレートに発電に寄与しないガス流路（バイパス流路）を設けることで、バイパス流路を通ったガスにより出側のガスマニホルドに滞留する生成水を押し出すようにした技術が提案されている。
特開２００１−２３６９７５号公報特開平１０−２２８９１８号公報

しかしながら、特許文献１で提案されている技術のようにバイパスプレートを配置し、その面内に発電に寄与しないバイパス流路を設ける場合には、次のような新たな不具合が生じる。

燃料電池スタックでは、セルの積層方向の両端に設けられたターミナルプレート（集電板）から電力が取り出される。このため、電流は燃料電池スタック内をセルの積層方向に流れており、これは、ダミーセルであるバイパスプレート内でも同じである。バイパスプレートはターミナルプレートに隣接しており、バイパスプレートからターミナルプレートに或いはターミナルプレートからバイパスプレートにセルの積層方向に電流が流れる。しかしながら、バイパスプレートのバイパス流路が形成されている部分は、セルの積層方向に電流が流れることができず、電流は面内方向に流れることになる。このため、面内方向に流れる分だけ電流路が長くなり、その分、電気的損失が大きくなって発電ロスをもたらしてしまう。

なお、特許文献１では、バイパス流路は複数の細い溝から形成されており、バイパスプレートとターミナルプレートとの接触面積は大きく取られている。しかしながら、このような細い流路は圧力損失が大きい上、不純物が詰まりやすいという不具合がある。

また、特許文献１に記載される構成の場合、バイパスプレートとターミナルプレートとの間には、バイパス流路をシールするためのシール剤やバイパスプレートとターミナルプレートとを張り合わせるための接着剤を塗布する必要がある。しかしながら、通常、シール剤や接着剤は樹脂等の絶縁性物質であるため、これら絶縁性物質が張り合わせ面に塗布されていると、その部分では電流がセルの積層方向に流れることができない。つまり、シール剤や接着剤が塗布されている部分では電流が面内方向に流れることになり、それにより電流路が長くなる分、電気的損失が大きくなってしまう。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、発電に寄与しないガス流路が形成されたダミーセルでの面内方向への電流の流れを抑制し、電気的損失を低減できるようにした燃料電池スタックを提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、複数のセルが積層されて構成された燃料電池スタックにおいて、
前記複数のセルのうち少なくとも一つは、発電に寄与しないガス流路が形成されたダミーセルであり、
前記ガス流路には導電性の凸部が設けられていることを特徴としている。

また、第２の発明は、上記の目的を達成するため、複数のセルが積層されて構成された燃料電池スタックにおいて、
前記複数のセルのうち少なくとも一つは、発電に寄与しないガス流路が形成されたダミーセルであり、
前記ダミーセルは導電性プレートが張り合わされて構成され、前記導電性プレートの張り合わせ面にはシール剤或いは接着剤のうち少なくとも一方が分散して塗布されていることを特徴としている。

第１の発明によれば、ガス流路でも導電性の凸部を介してセルの積層方向に電流が流れるので、面内方向への電流の流れは抑制され、これにより電気的損失が低減される。

第２の発明によれば、分散して塗布されたシール剤或いは接着剤の間の領域をセルの積層方向に電流が流れるので、面内方向への電流の流れは抑制され、これにより電気的損失が低減される。

実施の形態１．
以下、図１乃至図７を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。
本発明の燃料電池スタックは、例えば、燃料電池自動車に搭載される固体高分子電解質型燃料電池に適用することができる。ただし、他の形式の電解質型燃料電池に適用することも勿論可能である。

まず、本燃料電池スタックの全体構成について説明する。
図６（ａ）は本燃料電池スタックの概略構成図、図７は本燃料電池スタックを構成するセルの概略構成図である。本燃料電池スタックは、複数枚のセルモジュール１９が一方向に積層されて構成されている。本燃料電池スタックでは、２つのセルが一つのモジュール１９を構成している。セルは、セパレータ１８とセパレータ１８，１８間に挟まれるＭＥＡとからなり、ここでは、３枚のセパレータ１８とセパレータ１８，１８間に挟まれる２枚のＭＥＡとから一つのモジュール１９が構成されている。

ＭＥＡは、電解質膜１１をアノード電極１４とカソード電極１７とにより挟んで構成されている。ここでは、アノード電極１４は電解質膜１１の一面に配置された触媒層１２とその外側に配された拡散層１３とからなる。カソード電極１７は電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５とその外側に配された拡散層１６とからなる。なお、電解質膜１１は固体高分子膜等のイオン交換膜からなり、湿潤状態で水素イオン(プロトン)が膜中を移動する。電解質膜１１は非導電性膜である。また、触媒層１２，１５は白金（Ｐｔ）、カーボン（Ｃ）、及び電解質からなる。拡散層１３，１６はガス透過性を有し、カーボン（Ｃ）からなる。

セパレータ１８は、燃料ガスと酸化ガス、燃料ガスと冷却水、酸化ガスと冷却水の何れかを隔てるとともに、隣り合うセルのアノードからカソードに電子が流れる電気の通路を形成している。セパレータ１８は、ガス、水ともに不透過性で、導電性を有する。セパレータ１８は、通常は、カーボン(黒鉛である場合を含む)、金属(メタル)、或いは導電性樹脂の何れかから形成されている。本燃料電池スタックでは、セパレータ１８は、２枚のＭＥＡの間に配置されるセパレータ１８Ｂと、両側に配置されるセパレータ１８Ａとの、２種類のセパレータからなる。各セパレータ１８のＭＥＡと接する面にはガス流路２７ａ，２７ｂが形成されている。アノード電極１４に接する面に形成されたガス流路２７ａは、水素を含む燃料ガスを供給するための燃料ガス流路であり、カソード電極１７に接する面に形成されたガス流路２７ｂは、酸素を含む酸化ガスを供給するための酸化ガス流路である。以下、両者を区別しないときには、単にガス流路２７と表記する。また、両側のセパレータ１８Ａの外面には、燃料電池冷却用の冷却水が流れる冷却水流路２６が形成されている。

モジュール１９の積層方向の両端には、後述するダミーセル３１が配置されている。そして、このダミーセル３１を含めた積層方向の両端には、さらにターミナル２０、インシュレータ２１、及びエンドプレート２２が順に積層され、これら積層体は、その積層方向に延びる締結部材２４(たとえば、テンションプレート、スルーボルトなど)とボルト（又はナット）２５によって外側から締結され固定されている。

次に、セパレータ１８の構成について説明する。
図３はセパレータ１８の面内における燃料ガス流路２７ａの流路パターンの一例を示しており、図４はセパレータ１８の面内における酸化ガス流路２７ｂの流路パターンの一例を示している。また、図５はセパレータ１８の面内における冷却水流路２６の流路パターンの一例を示している。ただし、各流路パターンは図３乃至図５に示したものに限定されるものではない。また、セパレータ１８は、通常、図３乃至図５に示すように四角形状或いは略四角形状を有するが、四角形に限るものではない。

セパレータ１８に形成されるガス流路２７（燃料ガス流路２７ａ、酸化ガス流路２７ｂ）及び冷却水流路２６は、図３乃至図５に示すように、複数の流路溝が並行する流路群、または溝状流路の幅内に複数の突起をもつ流路からなる。また、流路は、仕切壁によりセパレータ面内方向に蛇行するように形成されており、いわゆるサーペンタイン流路を構成している。セパレータ１８には、ＭＥＡが配置される部位を挟んで対向する端部に、冷却水マニホルド２８（２８ａが入り側、２８ｂが出側）、燃料ガスマニホルド２９（２９ａが入り側、２９ｂが出側）、及び酸化ガスマニホルド３０（３０ａが入り側、３０ｂが出側）が形成されている。これらのマニホルド２８，２９，３０は異種流体が混じり合わないように互いにシールされている。なお、これらのマニホルド２８，２９，３０に連通する流体(水、燃料ガス、酸化ガス)は、図６（ａ）に示すように、パイプ３４によってセル積層方向の一端から給排(出入り)されるようになっている。

次に、本燃料電池スタックの特徴部であるダミーセル３１の構成について説明する。
ダミーセル３１は、前述のようにセル積層方向の両端部に配置されている。ただし、必ずしも両端部に設ける必要はなく、ガス出入り側端だけに配置してもよい。ダミーセル３１は、不純物や凝縮水のトラップ用に設けられるものであり、１層だけでは不純物や凝縮水のトラップが不十分な場合は、ダミーセル３１を複数層設けてもよい。以下では１層設ける場合を例にとって説明する。

図６（ｂ）はダミーセル３１の構成を示す側面図である。これらの図に示すように、ダミーセル３１は、２枚のプレート３１ａ，３１ｂをＭＥＡを挟まずに重ね合わせることで構成されている。各プレート３１ａ，３１ｂは、セパレータ１８と同様に導電性をもち、たとえば、カーボン板からなる。ただし、カーボンは複数枚の金属板の組み合わせ体、または導電性樹脂板で置き換えられてもよい。

図１は図６（ｂ）のＢ方向から見たプレート３１ａの正面図であり、図２は図６（ｂ）のＡ方向から見たプレート３１ｂの正面図である。図１及び図２に示すように、２枚のプレート３１ａ，３１ｂのうち、一方のプレート３１ａの一面には、ガス流路３６が形成されており、他方のプレート３１ｂにはガス流路が形成されていない。以下、ガス流路３６が形成されたプレート３１ａを第１プレート３１ａと呼び、ガス流路が形成されていないプレート３１ｂを第２プレート３１ｂと呼ぶ。図６（ｂ）に示すように、第１プレート３１ａのガス流路３６が形成された面を第２プレート３１ｂと密着させることでダミーセル３１が構成される。ダミーセル３１は、最外のセルモジュール１９とターミナル２０との間に配置される。

また、図１に示すように、第１プレート３１ａの一面には２つのガス流路３６が形成されている。一方のガス流路３６ａは燃料ガス流路であり、他方のガス流路３６ｂは酸化ガス流路３６ｂである。図１の例では、第１プレート３１ａの一面の半分の部位に燃料ガス流路３６ａが形成されており、残り半分の部位に酸化ガス流路３６ｂが形成されている。燃料ガス流路３６ａと酸化ガス流路３６ｂとは互いにシールされていて異種ガスが混じり合うことはない。燃料ガス流路３６ａの流路パターンはセパレータ１８の燃料ガス流路２７ａの流路パターンとは異なっており、酸化ガス流路３６ｂの流路パターンはセパレータ１８の酸化ガス流路２７ｂの流路パターンとは異なっている。

第１プレート３１ａの各ガス流路３６ａ，３６ｂ内には、その底面から突き出る複数の凸部４０が設けられている。これら凸部４０は第１プレート３１ａと同様に導電性の物質で形成されている。凸部４０は第１プレート３１ａと一体に形成されたものでもよく、別の部材を第１プレート３１ａに取り付けたものでもよい。ただし、別の部材を取り付けて凸部４０とする場合には、凸部４０と第１プレート３１ａとの間を電気的に絶縁しない方法で取り付けるものとする。凸部４０の高さは、第１プレート３１ａが第２プレート３１ｂに張り合わされたときに、凸部４０の頂部が第２プレート３１ｂに密着するように設定されている。

また、図２に示すように、第２プレート３１ｂの第１プレート３１ａと密着される側の面と反対側の面には、望ましくは、溝からなる冷却水流路３５（図２において破線で示した流路）が形成されている。冷却水流路３５の流路パターンは、セパレータ１８の冷却水流路２６の流路パターンと同じである。第２プレート３１ｂは、図６（ｂ）に示すように、その冷却水流路３５が形成された側の面を最外のセルモジュール１９と密着させて配置される。そのとき、第２プレート３１ｂの冷却水流路３５と、最外セルモジュール１９のセパレータ１８の冷却水流路２６とが一致し、双方の冷却水流路３５，２６が協働して他のセルの冷却水流路と同じ大きさの流路断面をもつ、合成冷却水流路を構成するようになっている。なお、冷却水流路３５内には、望ましくは、ガス流路３６と同様に導電性の凸部（図示略）が設けられる。凸部は、第２プレート３１ｂが最外セルモジュール１９に張り合わされたときに、凸部の頂部がセルモジュール１９に密着するように設けられる。

第１プレート３１ａのガス流路３６が形成される側の面と反対側の面(ターミナル２０と密着する側の面)にも、冷却水流路３５が形成されることが望ましい。その理由は、外部の熱の影響を遮断できるからである。冷却水流路３５内には、望ましくは、導電性の凸部（図示略）が設けられる。凸部は、第１プレート３１ａターミナル２０に張り合わされたときに、凸部の頂部がターミナル２０に密着するように設けられる。

なお、図６（ｂ）の構成に代えて、図６（ｃ）に示すように、第１プレート３１ａをセルモジュール１９側に配置し、第２プレート３１ｂをターミナル２０側に配置してもよい。この場合、第１プレート３１ａの最外セルモジュール１９と密着する面にセパレータ１８の冷却水流路２６の流路パターンと同じパターンの流路３５を形成し、第２プレート３１ｂのターミナル２０と密着する側の面にも冷却水流路３５を形成する。

以上のような構成のダミーセル３１が、セル積層方向の少なくともガス出入り側の端部に設けられることで、ガス供給配管をつたって来る加湿ガスの凝縮水や、ガス供給配管や補機類の金属イオンなどの不純物は、ダミーセル３１のガス流路３６（３６ａ，３６ｂ）を流れる間に、ガス流路３６で捕捉(トラップ)される。その結果、従来、セル、特に端部セル(特に、ガス供給側端の端部セル)で起こっていた不純物や、凝縮水による電圧低下が抑制される。また、仮にダミーセル３１がコンタミされたとしても、ダミーセル３１は元々発電を起こさないものであるから、電圧低下が起きることはない。

また、ダミーセル３１が設けられることで、内部のセルが外部の温度(低温)の影響を受けることが緩和され、ガス温度低下による飽和蒸気圧低下でフラッディングが生じやすくなるのを抑制できるという効果もある。フラッディングが生じると電極へのガスの供給が阻害され、電圧低下が生じるが、ダミーセル３１によってそれが抑制される。

また、ダミーセル３１を構成する第１プレート３１ａの一面にだけガス流路３６ａ，３６ｂが形成されるので、第１プレート３１ａの一面にガス流路３６ａが他面にガス流路３６ｂが形成される場合に比べて、一方のガス流路の深さ分、ダミーセル３１の厚さを薄くできるので、ダミーセル３１を挿入してスタック長がそれだけ長くなるのを最小に抑えることができるという効果もある。

さらに、ガス流路３６はダミーセル３１内での電流のセル積層方向への流れを阻害するが、ガス流路３６内には導電性の凸部４０が設けられているので、この凸部４０を介して第１プレート３１ａから第２プレート３１ｂに、すなわち、セルの積層方向に電流が流れる。また、ダミーセル３１とターミナル２０との間、及びダミーセル３１と最外セルモジュール１９との間についても同様であり、冷却水流路３５内に導電性の凸部が形成されることで、冷却水流路３５の存在にもかかわらずセルの積層方向に電流が流れる。これにより、本燃料電池スタックによれば、ダミーセル３１の面内方向への電流の流れは抑制され、電流路が短縮される分、電気的損失が低減される。

また、ダミーセル３１の面内に局所的な電流分布が生じる場合、この局所的な電流分布が隣接セルの面内に局所的な電流増加を引き起こす可能性がある。本燃料電池スタックでは、ガス流路３６内に導電性の凸部４０が設けられることで、ダミーセル３１の面内の電流分布は分散化され、隣接セルの面内の局所的な電流増加は抑制される。これにより、局所的な電流増加に起因する隣接セルのＭＥＡの劣化は抑制されるという効果もある。

なお、第１プレート３１ａと第２プレート３１ｂとの接触面を拡大させる手法としては、ガス流路３６ａ，３６ｂの流路幅を狭くすることも考えられるが、流路幅を狭くすると内部を流通するガスの圧力損失が増大するとともに、ごみ等の不純物が詰まりやすくなってしまう。これに対し、本燃料電池スタックのように、ガス流路３６ａ，３６ｂ内に導電性の凸部４０を設ける場合には、第１プレート３１ａと第２プレート３１ｂとの接触面積を小さくすることなく、ガス流路３６ａ，３６ｂの流路幅を拡大することが可能になる。

実施の形態２．
次に、図８を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
本実施形態の燃料電池スタックは、実施の形態１の燃料電池スタックにおいて、ダミーセル３１を構成する第１プレート３１ａを、図８に示す第１プレート３１ｃに置き換えることで実現することができる。図８は図６（ｂ）において第１プレート３１ａを本実施形態にかかる第１プレート３１ｃに置き換えたときの、Ｂ方向から見た第１プレート３１ｃの正面図である。図８において、第１プレート３１ａと同一の部位については同一の符号を付している。

本実施形態にかかる第１プレート３１ｃと実施の形態１にかかる第１プレート３１ａとの相違点は、接着剤４２の塗布形態にある。接着剤４２は第１プレート３１ｃを第２プレート３１ｂに張り合わせて固定するために用いられる。また、ここでは、ガス流路３６ａ，３６ｂから内部を流通するガスが漏れないようにするためのシール剤としても用いられている。勿論、接着剤とシール剤は異なる物質でもよい。実施の形態１では、第１プレート３１ａを第２プレート３１ｂに張り合わせる際の接着剤やシール剤の塗布形態については限定していないが、本実施形態では、接着剤（或いはシール剤）４２は第１プレート３１ｃの張り合わせ面内に分散して塗布される。なお、ここでは、第１プレート３１ｃの張り合わせ面に接着剤４２が塗布されているが、勿論、相手側である第２プレート３１ｂの張り合わせ面に塗布されていてもよい。

接着剤４２が塗布されている領域は、電流は第１プレート３１ｃと第２プレート３１ｂとの間をセルの積層方向に流れることはできない。しかし、本実施形態のように接着剤４２が分散して塗布されることで、電流がセルの積層方向に流れない領域が局所的に生じることが抑制され、電流が面内方向に流れることによる電気的損失が低減される。また、ダミーセル３１の面内の電流分布が分散化されることで、隣接セルの面内の局所的な電流増加も抑制され、隣接セルのＭＥＡの劣化が抑制されるという効果もある。

なお、図８では、本実施形態にかかる第１プレート３１ｃのガス流路３６ａ，３６ｂ内に導電性凸部は設けられていない。これは、本実施形態の特徴を視覚的に明確に示すためであり、導電性凸部の配置を否定するものではない。望ましくは、実施の形態１にかかる第１プレート３１ａのように、ガス流路３６ａ，３６ｂ内に導電性凸部４０が設けられ、さらにその上で、本実施形態の第１プレート３１ｃのように接着剤４２が分散して塗布されるようにする。これによれば、面内方向への電流の流れをさらに抑制し、電気的損失をより低減することが可能になる。

その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、ガス流路に導電性の凸部を設ける構成は、セルの積層方向の端部に設けられるダミーセルへの適用に限定されない。すなわち、ガス流路が形成されるダミーセルであれば、その設置位置に関係なく適用することができ、本構成の適用によってダミーセルの面内方向への電流の流れを抑制することが可能になる。

本発明の実施の形態１としての燃料電池スタックにおける、ダミーセルを構成するガス流路を形成したプレートの、ガス流路を形成した面側から見た正面図である。本発明の実施の形態１としての燃料電池スタックにおける、ダミーセルを構成するガス流路を形成しないプレートの、冷却水流路と反対側の面から見た正面図である。本発明の実施の形態１としての燃料電池スタックにおける、セパレータの燃料ガス流路を形成した面側から見た正面図である。本発明の実施の形態１としての燃料電池スタックにおける、セパレータの酸化ガス流路を形成した面側から見た正面図である。本発明の実施の形態１としての燃料電池スタックにおける、セパレータの冷却水流路を形成した面側から見た正面図である。本発明の実施の形態１としての燃料電池スタックの概略構成を示す側面図である。本発明の実施の形態１としての燃料電池スタックにおける、ダミーセルの構成を示す側面図である。本発明の実施の形態１としての燃料電池スタックにおける、ダミーセルの構成の変形例を示す側面図である。本発明の実施の形態１としての燃料電池スタックを構成するセルの概略構成図である。本発明の実施の形態２としての燃料電池スタックにおける、ダミーセルを構成するガス流路を形成したプレートの、ガス流路を形成した面側から見た正面図である。

符号の説明

１１電解質膜
１２触媒層
１３拡散層
１４アノード電極
１５触媒層
１６拡散層
１７カソード電極
１８，１８Ａ，１８Ｂセパレータ
１９セルモジュール
２０ターミナル
２１インシュレータ
２２エンドプレート
２４締結部材
２５ボルトまたはナット
２６冷却水流路
２７ガス流路
２７ａ燃料ガス流路
２７ｂ酸化ガス流路
２８冷却水マニホルド
２９燃料ガスマニホルド
３０酸化ガスマニホルド
３１ダミープレート
３１ａ第１プレート（ガス流路が形成されたプレート）
３１ｂ第２プレート（ガス流路が形成されていないプレート）
３４パイプ
３５冷却水流路
３６ガス流路
３６ａ燃料ガス流路
３６ｂ酸化ガス流路
４０凸部
４２接着剤（或いはシール剤）

Claims

複数のセルが積層されて構成された燃料電池スタックにおいて、
前記複数のセルのうち少なくとも一つは、発電に寄与しないガス流路が形成されたダミーセルであり、
前記ガス流路には導電性の凸部が設けられていることを特徴とする燃料電池スタック。
複数のセルが積層されて構成された燃料電池スタックにおいて、
前記複数のセルのうち少なくとも一つは、発電に寄与しないガス流路が形成されたダミーセルであり、
前記ダミーセルは導電性プレートが張り合わされて構成され、前記導電性プレートの張り合わせ面にはシール剤或いは接着剤のうち少なくとも一方が分散して塗布されていることを特徴とする燃料電池スタック。