JP2006147423A

JP2006147423A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2006147423A
Application number: JP2004337898A
Authority: JP
Inventors: Keita Irizuki; 桂太入月; Yasuhiro Numao; 康弘沼尾
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-11-22
Filing date: 2004-11-22
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2024-11-22
Also published as: JP5002889B2

Abstract

【課題】燃料電池からの放熱を抑制することにより、再起動性をさらに向上できる燃料電池を提供する。
【解決手段】セパレータ１４の外縁の少なくとも一部に沿って、弾性体２２を備える。弾性体２２を、単位セル２の電極層１３からの反応ガス漏洩を防止するためのシール部１７と同じ材料により構成し、シール部１７の成形時に、同時に、かつ、一体に構成する。これにより、燃料電池スタック１の側面からの放熱を抑制することができるため、暖機に必要な時間およびエネルギを抑制することができ、再起動性を向上することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は燃料電池に関する。特に燃料電池の保温機構に関する。

自動車のような移動体に搭載される燃料電池システムでは、頻繁にシステムの起動・停止が繰り返される。燃料電池の運転温度は常温よりも高いため、システムが停止すると燃料電池の温度は徐々に低下する。システムを再度起動する際には、電池反応を効率良く進行させるために、燃料電池温度を所定の運転温度まで昇温させる必要がある。

通常、システムが停止して燃料電池が常温程度に冷えてしまった場合、定格以下の低電流にて燃料電池の運転を行い、燃料電池内部からの発熱により所定の運転温度まで暖機することが可能であるが、常温以下、特に氷点以下まで低下した場合には、外部から供給される熱を使用して燃料電池を暖機する必要がある。定格運転が可能となるまで暖機するのに必要な時間は、燃料電池温度が低くなるほど長くなる。この暖機時間が長い場合には、燃料電池の暖機に必要なエネルギが大きくなりエネルギ効率が低下するとともに、暖機中の車両としての出力が制限される場合があり、利便性や使い勝手が悪くなる可能性があった。

そこで、燃料電池システム停止時に冷却媒体タンク内の温度が高い場合、タンク内の冷却媒体をスタック内に供給して、そこに貯留させておき、冷却媒体の残留熱によって燃料電池を保温する方法が提案されている（例えば、特許文献１、参照。）。
特開２０００−３２４６１７号公報

上記燃料電池システムは、燃料電池の運転によって熱を持った冷却媒体を燃料電池に供給することで燃料電池内部から保温しているが、通常、燃料電池は外部への放熱部分であるスタック表面から温度が低下する。そのため、スタック表面からの放熱を防ぐという意味では、上記燃料電池システムを適用することができない。

そこで、本発明は上記問題を鑑みて、燃料電池からの放熱を抑制することにより、再起動性をさらに向上できる燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、電解質膜を狭持する一対の電極層と、前記電極層の外側に設けたセパレータと、前記セパレータの少なくとも一方の主面に配したシール部と、前記セパレータの外縁の少なくとも一部に沿って配した弾性部と、を備える。

放熱を生じ易いセパレータの外縁の少なくとも一部に沿って弾性部を備えることで、燃料電池の温度低下を抑制することができるため、再起動時の暖機時間を短縮し、またエネルギ効率を向上することができるので、再起動性をさらに向上することができる。

図１を用いて第１の実施形態について説明する。図１（ａ）には燃料電池スタック１の斜視図を、図１（ｂ）には断面図を示す。ここでは、燃料電池スタック１を、自動車等の移動体搭載用のスタックとする。

燃料電池スタック１は、複数の単位セル２を積層した積層体と、その積層方向両端に設けた集電板３、エンドプレート４とを備える。エンドプレート４には、アノードガス、カソードガス、冷却水それぞれの供給部５〜７と排出部８〜１０を備え、各供給部５〜７、排出部８〜１０は燃料電池スタック１内部の単位セル２に設けた各流路（１５ａ、１５ｃ、１６）に接続する。

また、燃料電池スタック１の構成部材の面圧を維持するために、燃料電池スタック１を積層方向に貫通するテンションロッド１８と、燃料電池スタック１の端部に設けられた変動吸収部材１１を備える。変動吸収部材１１は、皿バネ等の弾性体より構成され、燃料電池スタック１の面圧の変動を吸収する。

このような燃料電池スタック１を、図２に示すような箱状のケース２１に格納し、移動体に搭載する。燃料電池スタック１は、少なくとも一箇所でケース２１に支持されて格納される。なお、図２では、ケース２１に三つの燃料電池スタック１を格納しているが、この限りではない。

次に、図３を参照して、燃料電池スタック１を構成する単位セル２の構成を説明する。

単位セル２は、プロトン伝導性を有する電解質膜１２と、電解質膜１２の両主面に設けられた電極層１３と、を備える。電解質膜１２は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示すフッ素系の樹脂より構成する。電極層１３は、白金等の触媒を有する触媒層と、反応面に反応ガス（アノードガス、カソードガス）を拡散するガス拡散層からなる。

また、電極層１３に隣接する面にシール部１７を備えたセパレータ１４を備える。セパレータ１４としては、ガス不透過性のカーボン、または、カーボンと熱硬化性樹脂との混合物を圧縮成形したものを用いる。単位セル２のアノード側に配置されたセパレータ１４ａには、電極層１３に対峙する面にアノードガス流路１５ａを備え、カソード側に配置されたセパレータ１４ｃには、電極層１３に対峙する面にカソードガス流路１５ｃを備える。また、セパレータ１４ａ、１４ｃの各流路１５ａ、１５ｃを設けた面の裏面には、冷却水を流通する冷却水流路１６を備える。但し、冷却水流路１６は、アノードセパレータ１４ａ、カソードセパレータ１４ｃの一方に設けても良いし、積層された単位セル２のうち複数毎の単位セル２のみに設けても良い。

電解質膜１２、セパレータ１４には、反応領域である電極層１３に重なる領域の外側に、各流路１５ａ、１５ｃ、１６の端部にそれぞれ連通する供給孔１５１ａ、１５１ｃ、１６１、排出孔１５２ａ、１５２ｃ、１６２を備える。単位セル２の積層時には、各単位セル２の供給孔１５１ａ、１５１ｃ、１６１、排出孔１５２ａ、１５２ｃ、１６２は重なり合い、燃料電池スタック１を積層方向に貫通する孔が形成される。さらにその孔は、エンドプレート４に設けた、アノードガス、カソードガス、冷却水の供給部５〜７、排出部８〜１０に連続する。

なお、図３では、ガス流路１５ａ、１５ｃ、および冷却水１６の形状を記載しないが、例えば、供給部５〜７に連続する供給孔１５１ａ、１５１ｃ、１６１と、排出部８〜１０に連続する排出孔１５２ａ、１５２ｃ、１６２とを結ぶ蛇行形状の溝により構成する。但しこの限りではなく、ストレート形状等の溝により構成しても良い。

また、シール部１７を、セパレータ１４の主面の電極層１３の外縁に沿って設ける。シール部１７は、セパレータ１４および電解質膜１２に狭持され、電極層１３からの反応ガスの漏洩を防止する。ここでは、シール部１７は、電極層１３の外周を囲むとともに、その一部により、供給孔１５１ａ、１５１ｃ、１６１、排出孔１５２ａ、１５２ｃ、１６２の周囲を囲むように構成する。

次に、図４に、電極層１３、シール部１７、セパレータ１４を組み立てた場合の、触媒層１３側からみた平面図を示す。なお、図４にはカソードセパレータ１４ｃを示すが、アノードセパレータ１４ａについても同様の構成とする。但し、カソードガス流路１５ａとアノードガス流路１５ｃは、略直交するように構成される。

セパレータ１４の外縁の一部に、弾性部２２を備える。弾性部２２を、シール部１７と同じ材料により構成する。ここではセパレータ１４を四角形の平板により構成しており、その一辺に弾性部２２を備える。弾性部２２を、燃料電池スタック１をケース２１に格納する際に、垂直方向最下部に位置する辺に設ける。これは、冷たい空気は低いところに移動するためであり、最も温度が低下し易い燃料電池スタック１の下面に、弾性部２２が位置するように構成することで、燃料電池スタック１からの放熱量を効果的に抑制することができる。これにより、頻繁に運転・停止が繰り返される場合にも、停止時の燃料電池スタック１の温度を維持し易くなるため、再起動時の暖機時間を短縮することができる。

または、図５に示すように、弾性部２２の、ケース２１との接触面に凹凸を設けても良い。ケース２１の底面にこれに嵌合する凹凸を設けることで、ケース２１に対して燃料電池スタック１を支持することができる。これにより、燃料電池スタック１を移動体に搭載した場合に、振動により燃料電池スタック１の位置がずれたり、燃料電池スタック１のケース２１への取り付け部分に過大な荷重が掛かるのを抑制することができる。また、各ケース２１のレイアウトに合わせて弾性部２２の形状を設定することができるので、弾性部２２を設けることによりケース２１全体の体積が増大するのを抑制することができる。

または、図６に示すように、シール部１７と弾性部２２を一体に構成してもよい。セパレータ１４の外縁に設ける弾性部２２を、シール部１７を成形するときの成形型を用いて同時に成形する。なお、このときにも、弾性部２２は、ケース２１の底面の形状に併せて自由な形状に設定することができる。

次に、本実施形態の効果について説明する。

電解質膜１２を狭持する一対の電極層１３と、電極層１３の外側に設けたセパレータ１４と、セパレータ１４の少なくとも一方の主面に配したシール部１７と、セパレータ１４の外縁の少なくとも一部に沿って配した弾性部２２と、を備える。このように、外部に熱が放出されて温度が下がり易い外縁に沿って弾性部２２を備えることで、燃料電池スタック１の温度低下を抑制し、再起動時のエネルギ効率を向上することができる。また、燃料電池スタック１の温度が下がり難いので、起動/停止が頻繁に繰り返される場合などには、再起動に係る時間を短縮することができる。

また、弾性部２２を、少なくとも一部がシール部１７と同じ材料で構成する。ここでは、弾性部２２を、シール部１７の成形時に同時に、かつ、一体に成形する。これにより、製造工程を簡単にすることができる。

次に、第２の実施形態について説明する。図７に、電極層１３、シール部１７、セパレータ１４を組み立てた場合の、触媒層１３側からみた平面図を示す。なお、図７にはカソードセパレータ１４ｃを示すが、アノードセパレータ１４ａについても同様の構成とする。但し、カソードガス流路１５ａとアノードガス流路１５ｃとが、略直交するように構成する。以下、第１の実施形態とは異なる部分を中心に説明する。

ここでは、弾性部２２をセパレータ１４の外縁全体に沿って構成する。図６と同様に、絶弾性部２２をシール部１７と同じ材料で一体に構成する。このため、弾性部２２は、絶縁性を有する。このような弾性部２を、燃料電池スタック１組み立て時に、積層方向に隙間なく形成することで、従来の燃料電池スタック１の外周側面を覆っていた絶縁カバーが不要となる。

または、図８に示すように、弾性部２２を、カソードガス流路１５ｃの端部に位置する供給孔１５１ｃ近傍に位置する部分に比較して、排出孔１５２ｃ近傍に位置する部分の厚みが大きくなるように構成する。ここでは、カソードガス流路１５ｃの上流近傍に位置する部分２２ｕに比較して、下流近傍に位置する部分２２ｄで、弾性部２２の厚みが大きくなるように構成する。なお、ここでいう弾性部２２の厚みは、燃料電池スタック１の側面に垂直な方向の厚みを指す。また、図８では弾性部２２の厚さを段階的に変化させているが、排出孔１５２ｃに近づくにつれて徐々に厚みが増大するように、弾性部２２の厚さを連続的に変化させてもよい。

次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。

弾性部２２を、セパレータ１４の外縁全体に沿って構成する。これにより、燃料電池スタック１の側面全体において、放熱性の比較的高いセパレータ１４からの放熱を低減することができる。その結果、燃料電池スタック１の保温性を向上することができ、再起動時の暖機時間を短縮することができる。

セパレータ１４面に沿ってカソードガスを流通するカソードガス流路１５ｃを備え、弾性部２２を、カソードガス流路１５ｃの供給孔１５１ｃに比較して、排出孔１５２ｃ近傍で肉厚となるように構成する。燃料電池スタック１の運転時には、カソードガス流路１５ｃにおいて、供給孔１５１ｃから排出孔１５２ｃに向かって空気が流れるが、排出孔１５２ｃ近傍では反応によって生成される水蒸気を多く含み相対湿度が高くなるため、結露し易い状態となる。そこで、排出孔１５２ｃ近傍で弾性部２２を肉厚とすることで、断熱効果が高まり、温度が高くなるので、飽和水蒸気圧が上がって結露が生じ難くなるため、水詰まりを抑制することができる。

次に、第３の実施形態について説明する。

図９に、電極層１３、シール部１７、セパレータ１４を組み立てた場合の、触媒層１３側からみた平面図を示す。なお、図９にはカソードセパレータ１４ｃを示すが、アノードセパレータ１４ａについても同様の構成とする。但し、カソードガス流路１５ａとアノードガス流路１５ｃとを、略直交するように構成する。以下、第２の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

セパレータ１４の外縁に沿って備えた弾性部２２に、凸部３２を備える。凸部３２を、燃料電池スタック１の側面の少なくとも1箇所に設ける。ここでは四つの側面それぞれに、凸部３２を設ける。図１０に示すように、燃料電池スタック１をケース２１に格納した際に、凸部３２がケース２１の内壁、または隣接する燃料電池スタック１の凸部３２に接するように構成する。

次に、本実施形態の効果を説明する。以下、第２の実施形態と異なる効果のみを説明する。

弾性部２２に、燃料電池スタック１の側面に垂直な方向に突出する凸部３２を備える。凸部３２がケース２１や隣接する燃料電池スタック１に接触することにおり、車体等から入力される振動エネルギの吸収性を高めることができ、ねじれ、上下・左右の曲げ変形量緩和に高い効果を得ることができる。また、燃料電池スタック１のケース２１への支持部分にかかる荷重を低減することができ、支持部分の耐久性を向上することができる。

なお、ここでは、燃料電池スタック１のスタッキング材としては、燃料電池スタック１内部を貫通するテンションロッド１８を用いたが、燃料電池スタック１の側面を覆うテンションプレートを用いても良い。また、セパレータ１４の材質によらず、セパレータ１４の側面が剥き出しになっていて、セパレータ１４の主面にシール部１７が形成されるものであれば、どんな形状、形態にも適用することができる。

さらに、ここでは、弾性部２２を、アノードセパレータ１４ａ、カソードセパレータ１４ｃの両方に用いているがこの限りではなく、どちらか一方のみとすることもできる。さらに、第２、第３実施形態について、シール部１７と弾性部２２とを一体化せず、バラバラに構成することもできる。

このように、本発明は、上記発明を実施するための最良の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で、様々な変更を為し得ることはいうまでもない。

本実施形態は、燃料電池に適用することができる。特に、自動車等の移動体に搭載した燃料電池など、運転/停止が頻繁に繰り返される燃料電池に適用することで、適切な効果を得ることができる。

第１の実施形態に用いる燃料電池スタックの概略図である。（ａ）は燃料電池スタックの斜視図である。（ｂ）は燃料電池スタックの断面図である。第１の実施形態に用いる燃料電池スタックをケースに収容した際の外観図である。第１の実施形態に用いる燃料電池の概略構成図である。第１の実施形態に用いる電極層、シール部材、セパレータを積層した際の平面図である。第１の実施形態に用いる電極層、シール部材、セパレータを積層した際の平面図の別の例である。第１の実施形態に用いる電極層、シール部材、セパレータを積層した際の平面図のさらに別の例である。第２の実施形態に用いる電極層、シール部材、セパレータを積層した際の平面図である。第２の実施形態に用いる電極層、シール部材、セパレータを積層した際の平面図の別の例である。第３の実施形態に用いる電極層、シール部材、セパレータを積層した際の平面図である。第３の実施液体に用いる燃料電池スタックをケースに収容した際の外観図である。

符号の説明

１燃料電池スタック
２単位セル
１５ｃカソードガス流路
１７シール部材
２１ケース
２２弾性部
３２凸部
１５１ｃ供給孔
１５２ｃ排出孔

Claims

電解質膜を狭持する一対の電極層と、
前記電極層の外側に設けたセパレータと、
前記セパレータの少なくとも一方の主面に配したシール部と、
前記セパレータの外縁の少なくとも一部に沿って配した弾性部と、を備えることを特徴とする燃料電池。
前記弾性部は、少なくとも一部が前記シール部と同じ材料で構成される請求項１に記載の燃料電池。
前記弾性部は、前記シール部の成形時に同時に、かつ、一体に成形される請求項１または２に記載の燃料電池。
前記弾性部は、前記セパレータの外縁全体に沿って構成される請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池。
前記セパレータ面に沿って酸化剤ガスを流通する酸化剤ガス流路を備え、
前記弾性部を、前記酸化剤ガス流路出口近傍に比較して、入口近傍で肉厚となるように構成する請求項４に記載の燃料電池。
前記弾性部は、前記燃料電池の側面に垂直な方向に突出する凸部を有する請求項４または５に記載の燃料電池。