JP2006147506A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つ経済的な構成で、端部発電セルの発電性能及び耐久性の向上を図ることを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１２を積層した積層体１４を備え、前記積層体１４の積層方向両端に端部発電セル１２ａ、１２ｂが配設される。端部発電セル１２ａを構成する第１セパレータ７６には、端部冷却媒体流路７８が形成される。この端部冷却媒体流路７８は、各発電セル１２の冷却媒体流路５２よりも少ない流量に設定される。具体的には、端部冷却媒体流路７８の流路溝８２は、冷却媒体流路５２の流路溝５６よりも少ない溝本数に設定される。
【選択図】図２

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルが積層されるとともに、１以上の前記発電セル間には、発電面方向に沿って冷却媒体を流す冷却媒体流路が形成される積層体を備えた燃料電池スタックに関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜（電解質）の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層するとともに、積層方向両端には、ターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートが配置されることにより、燃料電池スタックを構成している。

この燃料電池において、アノード側電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）が供給される一方、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されている。アノード側電極に供給された燃料ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。

ところで、燃料電池スタックでは、外部への放熱により他の発電セルに比べて温度低下が惹起され易い発電セルが存在している。例えば、積層方向端部に配置されている発電セル（以下、端部発電セルともいう）は、例えば、各発電セルによって発電された電荷を集める電力取り出し用ターミナル板（集電板）や、積層された発電セルを保持するために設けられたエンドプレート等からの放熱が多く、上記の温度低下が顕著になっている。

この温度低下によって、端部発電セルでは、燃料電池スタックの中央部分の発電セルに比べて結露が発生し易く、生成水の排出性が低下して発電性能が低下するという不具合が指摘されている。特に、燃料電池スタックを氷点下環境で始動する際、端部発電セルで発生した生成水が凍結してしまい、前記端部発電セルを有効に昇温させることができず、電圧低下が惹起されるという問題がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている固体高分子電解質型燃料電池は、図１０に示すように、端部発電セル１を備えている。この端部発電セル１は、電解質膜・電極構造体２をセパレータ３、４で挟持している。電解質膜・電極構造体２は、ＰＥ膜２ａの両面に燃料電極２ｂと酸化剤電極２ｃとを設けている。セパレータ３は、燃料電極２ｂに対向する面に燃料ガス用の溝３ａを設ける一方、この面とは反対の面に冷却流体用の溝３ｂを設けている。

端部発電セル１を構成する外側のセパレータ４は、燃料電極２ｂに対向する面に酸化剤ガス用の溝４ａが設けられる一方、この面とは反対の面には、冷却流体用の溝が形成されていない。これにより、セパレータ４は、冷却流体により冷却され過ぎない構造を採用し、端部発電セル１の冷やし過ぎを防止する、としている。

特開平８−１３００２８号公報（図９）

しかしながら、上記の特許文献１では、端部発電セル１の外側に冷却流体が流れないため、この端部発電セル１の冷却が十分に行われないおそれがある。端部発電セル１には、図示しないが、ターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレート（加圧板）が積層されており、樹脂で形成される前記絶縁プレートの熱伝導性が小さく、放熱量が制限されるからである。このため、端部発電セル１は、中央部の発電セルに比べて相当に高温となり、ＰＥ膜２ａ等の部材が劣化して耐久性が低下するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、端部発電セルの温度を発電セルの温度と同等に維持するとともに、前記端部発電セルの発電性能及び耐久性の向上を図ることが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明は、電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルが積層されるとともに、１以上の前記発電セル間には、発電面方向に沿って冷却媒体を流す冷却媒体流路が形成される積層体を備えた燃料電池スタックである。

この燃料電池スタックは、積層体の積層方向の少なくとも一方の端部に配設される端部発電セルを備え、前記端部発電セルの外側には、発電面方向に沿って冷却媒体を流す端部冷却媒体流路が形成されるとともに、前記端部冷却媒体流路は、冷却媒体流路よりも少ない流量に設定されている。

また、端部冷却媒体流路を構成する流路溝は、冷却媒体流路を構成する流路溝よりも少ない溝本数に設定されることが好ましい。

さらに、端部冷却媒体流路に対して冷却媒体を供給又は排出する端部通路は、前記冷却媒体流路に対して前記冷却媒体を供給又は排出する通路よりも少ない溝本数に設定されることが好ましい。

さらにまた、端部冷却媒体流路の流路溝深さは、冷却媒体流路の流路溝深さよりも浅く設定されることが好ましい。

また、端部冷却媒体流路に対して冷却媒体を供給又は排出する端部通路の流路溝深さは、冷却媒体流路に対して前記冷却媒体を供給又は排出する通路の流路溝深さよりも浅く設定されることが好ましい。

本発明によれば、端部発電セルの外側に形成される端部冷却媒体流路は、冷却媒体流路よりも少ない流量に設定されるため、前記端部発電セルの過冷却を阻止するとともに、前記端部発電セルが中央部の発電セルよりも高温になることを防止することができる。

その際、端部冷却媒体流路を構成する流路溝の溝本数や流路溝深さ、端部通路の溝本数や流路溝深さを設定するだけで、前記端部冷却媒体流路を流れる冷却媒体の流量が、冷却媒体流路を流れる冷却媒体の流量に対して調整される。従って、構成の簡素化を図るとともに、端部冷却媒体流路の冷却媒体流量を自由に設定することが可能になる。

これにより、簡単且つ経済的な構成で、端部発電セルの温度を発電セルの温度と同等に維持するとともに、前記端部発電セルの発電性能及び耐久性の向上を図ることができる。しかも、低温始動時の端部発電セルの昇温遅れによる発電性能の低下を抑制することが可能になる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０の斜視説明図である。

燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１２が矢印Ａ方向に積層された積層体１４を備え、前記積層体１４の積層方向両端には、端部発電セル１２ａ、１２ｂ、端部セパレータ１５ａ、１５ｂ、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂ及び絶縁プレート１８ａ、１８ｂを介装してエンドプレート２０ａ、２０ｂが配置される。エンドプレート２０ａ、２０ｂは、例えば、図示しない締め付けボルトにより積層方向に締め付けられる。この燃料電池スタック１０は、例えば、自動車等の車両に搭載されている。

図２及び図３に示すように、各発電セル１２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）２２と、前記電解質膜・電極構造体２２を挟持する第１及び第２セパレータ２４、２６とを備える。第１及び第２セパレータ２４、２６は、例えば、カーボンセパレータで構成されているが、金属セパレータを使用してもよい。第１及び第２セパレータ２４、２６と電解質膜・電極構造体２２との間には、シール部材としてガスケット２７が介装される。

図３に示すように、発電セル１２の矢印Ｂ方向の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガス（空気等）を供給するための酸化剤ガス供給連通孔２８ａ、冷却媒体、例えば、純水やエチレングリコール等を供給するための冷却媒体供給連通孔３０ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３２ｂが設けられる。

発電セル１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３２ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３０ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔２８ｂが設けられる。

電解質膜・電極構造体２２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３４と、前記固体高分子電解質膜３４を挟持するアノード側電極３６及びカソード側電極３８とを備える。

アノード側電極３６及びカソード側電極３８は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３４の両面に形成される。

第１セパレータ２４は、電解質膜・電極構造体２２に向かう面２４ａに燃料ガス流路４０を設ける。図４に示すように、燃料ガス流路４０は、矢印Ｂ方向に延在し且つ矢印Ｃ方向に平行に配列される複数のライン状凸部４２間に形成される複数の流路溝４４を備える。

ライン状凸部４２の矢印Ｂ方向両端には、それぞれ複数の突起４６ａ、４６ｂを有する入口バッファ部４８ａ及び出口バッファ部４８ｂが設けられる。入口バッファ部４８ａは、燃料ガス供給連通孔３２ａに複数の溝部からなる入口通路５０ａを介して連通する一方、出口バッファ部４８ｂは、燃料ガス排出連通孔３２ｂに複数の溝部からなる出口通路５０ｂを介して連通する。

図３に示すように、第１セパレータ２４の面２４ｂには、冷却媒体流路５２が形成される。この冷却媒体流路５２は、燃料ガス流路４０と同様に矢印Ｂ方向に延在し且つ矢印Ｃ方向に配列される複数のライン状凸部５４間に形成される複数の流路溝５６を有する。ライン状凸部５４の矢印Ｂ方向両端には、それぞれ複数の突起５８ａ、５８ｂを介して入口バッファ部６０ａ及び出口バッファ部６０ｂが形成される。入口バッファ部６０ａは、冷却媒体供給連通孔３０ａに複数の溝部からなる入口通路６２ａを介して連通する一方、出口バッファ部６０ｂは、冷却媒体排出連通孔３０ｂに複数の溝部からなる出口通路６２ｂを介して連通する。

第２セパレータ２６には、電解質膜・電極構造体２２に向かう面２６ａに酸化剤ガス流路６４が形成される。この酸化剤ガス流路６４は、矢印Ｂ方向に延在し且つ矢印Ｃ方向に配列される複数のライン状凸部６６間に形成される複数の流路溝６８を有する。ライン状凸部６６の矢印Ｂ方向両端には、それぞれ複数の突起７０ａ、７０ｂを有する入口バッファ部７２ａ及び出口バッファ部７２ｂが設けられる。

入口バッファ部７２ａは、複数の溝部からなる入口通路７４ａを介して酸化剤ガス供給連通孔２８ａに連通する一方、出口バッファ部７２ｂは、複数の溝部からなる出口通路７４ｂを介して酸化剤ガス排出連通孔２８ｂに連通する。第２セパレータ２６の面２６ｂは、平坦状に構成されている。

図２に示すように、端部発電セル１２ａは、電解質膜・電極構造体２２を挟持する第１及び第２セパレータ７６、２６を備える。なお、上記の発電セル１２と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する端部発電セル１２ｂにおいても同様に、その詳細な説明は省略する。

第１セパレータ７６の電解質膜・電極構造体２２に向かう面７６ａには、燃料ガス流路４０が形成される一方、面７６ｂには、端部冷却媒体流路７８が形成される。図５に示すように、端部冷却媒体流路７８は、各発電セル１２に設けられる冷却媒体流路５２よりも少ない流量に設定される。具体的には、端部冷却媒体流路７８は、矢印Ｃ方向に幅広な複数の凸部８０間に形成される複数の流路溝８２を有する。この流路溝８２は、冷却媒体流路５２を構成する流路溝５６よりも少ない溝本数に設定される。

図２に示すように、端部発電セル１２ｂの外方に配置される端部セパレータ１５ｂには、この端部発電セル１２ｂに向かう面８４ａに端部冷却媒体流路８６が形成される。端部冷却媒体流路８６は、端部冷却媒体流路７８と同様に、冷却媒体流路５２を構成する流路溝５６よりも溝本数の少ない流路溝８８を有する。端部セパレータ１５ｂの面８４ｂは、平坦状に構成されてターミナルプレート１６ｂに接触している。

このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。

先ず、図１に示すように、酸化剤ガスは、燃料電池スタック１０の酸化剤ガス供給連通孔２８ａに供給される一方、燃料ガスは、燃料電池スタック１０の燃料ガス供給連通孔３２ａに供給される。また、冷却媒体は、燃料電池スタック１０の冷却媒体供給連通孔３０ａに供給される。

燃料電池スタック１０内では、図３に示すように、酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給連通孔２８ａから入口通路７４ａを通って第２セパレータ２６の酸化剤ガス流路６４に導入され、電解質膜・電極構造体２２のカソード側電極３８に沿って移動する。一方、燃料ガスは、図４に示すように、燃料ガス供給連通孔３２ａから入口通路５０ａを通って第１セパレータ２４の燃料ガス流路４０に導入され、電解質膜・電極構造体２２のアノード側電極３６に沿って移動する。

従って、各電解質膜・電極構造体２２では、カソード側電極３８に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３６に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

次いで、カソード側電極３８に供給されて消費された酸化剤ガスは、出口通路７４ｂから酸化剤ガス排出連通孔２８ｂに沿って流動した後、エンドプレート２０ａに排出される。同様に、アノード側電極３６に供給されて消費された燃料ガスは、出口通路５０ｂから燃料ガス排出連通孔３２ｂに排出されて流動し、エンドプレート２０ａに排出される。

また、純水やエチレングリコール等の冷却媒体は、図３に示すように、入口通路６２ａを通って第１及び第２セパレータ２４、２６間の冷却媒体流路５２に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２２を冷却した後、出口通路６２ｂから冷却媒体排出連通孔３０ｂに移動し、エンドプレート２０ａに排出されて循環使用される。

この場合、第１の実施形態では、図２に示すように、積層体１４の積層方向両端部に端部発電セル１２ａ、１２ｂが配設されるとともに、前記端部発電セル１２ａ、１２ｂの外側には、発電面方向に沿って冷却媒体を流す端部冷却媒体流路７８、８６が形成されている。その際、端部冷却媒体流路７８、８６を構成するそれぞれの流路溝８２、８８は、各発電セル１２を構成する冷却媒体流路５２の流路溝５６よりも少ない溝本数に設定されている。

従って、端部冷却媒体流路７８、８６は、冷却媒体流路５２よりも少ない流量に設定され、端部発電セル１２ａ、１２ｂが冷却され過ぎることを阻止するとともに、前記端部発電セル１２ａ、１２ｂが、中央部の発電セル１２よりも高温になることを防止することができる。

さらに、端部冷却媒体流路７８、８６では、それぞれの流路溝８２、８８が冷却媒体流路５２の流路溝５６よりも少ない溝本数に設定されるだけでよい。このため、構成の簡素化を図るとともに、端部冷却媒体流路７８、８６の冷却媒体流量を自由に設定することが可能になる。

これにより、第１の実施形態では、簡単且つ経済的な構成で、端部発電セル１２ａ、１２ｂの温度を中央側の発電セル１２の温度と同等に維持するとともに、前記端部発電セル１２ａ、１２ｂの発電性能及び耐久性の向上を図ることができるという効果が得られる。しかも、低温始動時に、端部発電セル１２ａ、１２ｂの昇温遅れによる発電性能の低下を抑制することが可能になる。

ここで、第１の実施形態、端部発電セル１２ａ、１２ｂ及び発電セル１２に同一流量の冷却媒体を流した場合(従来１)、及び前記端部発電セル１２ａ、１２ｂに冷却媒体を流さない場合（従来２）とを用いて、積層方向に対する発電セル温度分布を検出する実験を行った。

その結果、図６に示すように、第１の実施形態では、積層方向両端から中央に至って略同一温度の温度分布が得られたのに対し、従来１及び従来２では、両端である端部発電セル１２ａ、１２ｂの温度が、中央側の発電セル１２の温度に比べて大きく変化していた。

また、第１の実施形態、従来１及び中央の発電セル１２を用いて、始動暖機時の温度変化を検出したところ、図７に示す結果が得られた。これにより、端部発電セル１２ａ、１２ｂに発電セル１２と同一流量の冷却媒体を流した場合（従来１）、前記端部発電セル１２ａ、１２ｂの温度が低下して始動暖機に時間が必要となったのに対し、第１の実施形態では、発電セル１２と略同一の温度変化を示し、迅速な始動暖機が遂行された。

図８は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する端部冷却媒体流路９０の説明図である。なお、第１の実施形態に用いられる端部冷却媒体流路７８と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

端部冷却媒体流路９０では、冷却媒体供給連通孔３０ａと入口バッファ部６０ａとを連通する入口通路９２ａと、冷却媒体排出連通孔３０ｂと出口バッファ部６０ｂとを連通する出口通路９２ｂとを有する。入口通路９２ａは、入口通路６２ａよりも少ない溝本数に設定される一方、出口通路９２ｂは、出口通路６２ｂよりも少ない溝本数に設定される。

このように構成される第２の実施形態では、入口通路９２ａ及び出口通路９２ｂの溝本数が、入口通路６２ａ及び出口通路６２ｂの溝本数よりも少ないため、冷却媒体供給連通孔３０ａから端部冷却媒体流路９０に導入される冷却媒体が、各発電セル１２を構成する冷却媒体流路５２に導入される冷却媒体よりも少ない流量に設定される。

これにより、端部発電セル１２ａ、１２ｂの温度を発電セル１２の温度と同等にするとともに、前記端部発電セル１２ａ、１２ｂの発電性能及び耐久性の向上を図ることができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、第２の実施形態では、入口通路９２ａ及び出口通路９２ｂの溝本数を入口通路６２ａ及び出口通路６２ｂの溝本数よりも少なく設定しているが、例えば、前記入口通路９２ａの溝本数のみを前記入口通路６２ａの溝本数よりも少なく設定してもよい。

また、端部冷却媒体流路９０では、流路溝５６よりも溝本数の少ない流路溝８２を用いているが、この流路溝８２に代えて、前記流路溝５６を採用してもよい。端部冷却媒体流路９０に導入される冷却媒体の流量が規制されるため、実質的に第１の実施形態と同様の効果が得られるからである。

図９は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック１００の一部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

燃料電池スタック１００を構成する端部発電セル１２ａは、第１セパレータ１０２を備える。この第１セパレータ１０２は、電解質膜・電極構造体２２に向かう面１０２ａとは反対の面１０２ｂに端部冷却媒体流路１０４が形成される。この端部冷却媒体流路１０４は、冷却媒体流路５２の流路溝５６と同一溝本数の流路溝１０６を備えるとともに、前記流路溝１０６の流路溝深さは、前記流路溝５６の流路溝深さよりも浅く設定される。

従って、第３の実施形態では、端部冷却媒体流路１０４が冷却媒体流路５２よりも少ない流量に設定され、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。なお、第３の実施形態では、端部冷却媒体流路１０４の溝深さを設定しているが、これに代え、あるいはこれと共に、入口通路６２ａ及び／又は出口通路６２ｂの溝深さよりも浅い溝深さに設定される入口通路及び／又は出口通路（図示せず）を用いてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの一部断面説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する発電セルの分解斜視説明図である。 前記発電セルを構成する第１金属セパレータの正面図である。 前記燃料電池スタックを構成する端部発電セルに設けられる端部冷却媒体流路の説明図である。 第１の実施形態と従来１及び従来２との積層方向に対する発電セル温度の説明図である。 第１の実施形態と従来１と中央の発電セルとにおける始動暖機温度の変化説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する端部冷却媒体流路の説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックの一部断面説明図である。 特許文献１に開示されている固体高分子電解質型燃料電池の一部断面図である。

符号の説明

１０、１００…燃料電池スタック １２…発電セル
１２ａ、１２ｂ…端部発電セル １４…積層体
１５ａ、１５ｂ…端部セパレータ １６ａ、１６ｂ…ターミナルプレート
１８ａ、１８ｂ…絶縁プレート ２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２２…電解質膜・電極構造体 ２４、２６、７６、１０２…セパレータ
２８ａ…酸化剤ガス供給連通孔 ２８ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
３０ａ…冷却媒体供給連通孔 ３０ｂ…冷却媒体排出連通孔
３２ａ…燃料ガス供給連通孔 ３２ｂ…燃料ガス排出連通孔
３４…固体高分子電解質膜 ３６…アノード側電極
３８…カソード側電極 ４０…燃料ガス流路
４４、５６、６８、８２、８８、１０６…流路溝
５０ａ、６２ａ、７４ａ、９２ａ…入口通路
５０ｂ、６２ｂ、７４ｂ、９２ｂ…出口通路
５２…冷却媒体流路 ６４…酸化剤ガス流路
７８、８６、９０、１０４…端部冷却媒体流路

Claims (5)

1. 電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルが積層されるとともに、１以上の前記発電セル間には、発電面方向に沿って冷却媒体を流す冷却媒体流路が形成される積層体を備えた燃料電池スタックであって、
   前記積層体の積層方向の少なくとも一方の端部に配設される端部発電セルを備え、
   前記端部発電セルの外側には、前記発電面方向に沿って冷却媒体を流す端部冷却媒体流路が形成されるとともに、
   前記端部冷却媒体流路は、前記冷却媒体流路よりも少ない流量に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記端部冷却媒体流路を構成する流路溝は、前記冷却媒体流路を構成する流路溝よりも少ない溝本数に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池スタックにおいて、前記端部冷却媒体流路に対して前記冷却媒体を供給又は排出する端部通路は、前記冷却媒体流路に対して前記冷却媒体を供給又は排出する通路よりも少ない溝本数に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。
4. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記端部冷却媒体流路の流路溝深さは、前記冷却媒体流路の流路溝深さよりも浅く設定されることを特徴とする燃料電池スタック。
5. 請求項１又は４記載の燃料電池スタックにおいて、前記端部冷却媒体流路に対して前記冷却媒体を供給又は排出する端部通路の流路溝深さは、前記冷却媒体流路に対して前記冷却媒体を供給又は排出する通路の流路溝深さよりも浅く設定されることを特徴とする燃料電池スタック。
   
   

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