JP2006164545A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】単位燃料電池セルを積層したときのセパレータ同士の接触抵抗を低減する。
【解決手段】固体高分子電解膜４をアノード側電極５とカソード側電極６とで挟持して構成する膜−電極アセンブリ７と、膜−電極アセンブリ７を挟持するアノード側セパレータ９とカソード側セパレータ１１と、により構成する単位燃料電池セル２を複数個積層することによって構成する燃料電池スタック１において、単位燃料電池セル２の少なくとも一つは、各セパレータ９、１１の少なくとも各電極４、５と接触する面と反対側の面に複数の溝状の冷却媒体流路１３を備え、冷却媒体流路１３の少なくとも一部の流路断面を、セパレータ表面の開口部２５に比べて溝底方向の方が溝幅が広い形状にする。
【選択図】 図４

Description

本発明は、固体高分子型の燃料電池に関し、特に、セパレータ同士の接触抵抗を低減するための技術に関する。

固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）の両側にそれぞれアノード側電極、カソード側電極を対設して構成された膜−電極アセンブリ（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持することにより構成される。そして、これを単位燃料電池セルとして所定数だけ積層して燃料電池スタックとして使用する。

上記の燃料電池スタックにおいて、アノード側電極に供給された燃料ガス（水素含有ガス）は、触媒電極上で水素イオン化される。そして、水素イオンが適度に加湿された電解質膜を水と一体となって移動し、電子は外部回路に取り出されて直流の電気エネルギーとして利用される。カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば酸素含有ガスあるいは空気が供給されているために、このカソード側電極において、前記水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水が生成される。

ところで、燃料電池スタックを構成する単位燃料電池セル内の接触抵抗が増大すると、内部抵抗損失が増大して、端子電圧が低下、つまり燃料電池の性能が低下してしまう。

上記の問題を解決するために、特許文献１ではセパレータの接触面の表面粗さを指定することにより接触抵抗を低減させている。また、特許文献２ではセパレータにカーボン粒子を分散付着させることにより接触抵抗を低減させている。
特開２００２−８６７５号 特開２０００−３２３１５２号

しかしながら、特許文献１、２の方法は、それぞれ表面粗さの調整作業、カーボン粒子を分散付着させる作業が必要となり、製造に要する工数が増加する。そして工数が増加することにより製造コストが増大してしまうという問題があった。

そこで、本発明では表面粗さの調整やカーボンの分散付着等の作業を行わずに、接触抵抗を低減することを目的とする。

本発明の燃料電池スタックは、固体高分子電解膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟持して構成する膜−電極アセンブリと、前記膜−電極アセンブリを挟持するアノード側セパレータとカソード側セパレータと、により構成する単位燃料電池セルを複数個積層することによって構成する燃料電池スタックにおいて、前記単位燃料電池セルの少なくとも一つは、前記各セパレータの少なくとも前記各電極と接触する面と反対側の面に複数の溝状の冷却媒体流路を備え、前記冷却媒体流路の少なくとも一部の流路断面を、前記セパレータ表面の開口部に比べて溝底方向の方が溝幅が広い形状にする。

本発明によれば、冷却媒体流路の断面形状をセパレータ表面の開口部に比べて溝底方向の方が溝幅が広い形状としたセルは、セルを積層する際に他のセパレータとの接触面積が多くなるので、接触面の表面粗さの調整やカーボンの分散付着等の作業を行わずに接触抵抗の低減を図ることができる。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１、図３はそれぞれ本実施形態を適用する燃料電池スタックの構成を表す斜視図、側面図である。

図１、３に示すように、燃料電池スタック１は起電力を生じる単位燃料電池としてのセル２を所定数だけ積層した積層電池の形態で形成される。

より詳細には、セル２を所定数積層し、その積層方向の両端に集電板１４、絶縁板１６、エンドプレート１６を配置し、両端のエンドプレート１６間を貫通する貫通孔にタイロッド３を挿通させ、タイロッド３の両端にナット２３を螺合することによって締結したものからなる。タイロッド３は剛性を備えた材料、例えば鋼等の金属材料により形成され、セル２同士の電気的短絡を防止するため、表面には絶縁処理を施されている。なお、締結方法は必ずしもタイロッド３をスタック１内に貫通させる必要はなく、スタック１の外部でエンドプレート１６同士をテンションロッドにより締め付ける機構であってもよい。

集電板１４は、緻密質カーボンや銅板等、ガス不透過な導電性部材によって形成され、絶縁板１５はゴムや樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。

エンドプレート１６は、剛性を備えた材料、例えば鋼等の金属材料によって形成されている。また、２枚の集電板１４にはそれぞれ出力端子１４−Ａが設けられており、スタック１で生じた起電力を出力することが可能になっている。なお、セル２はそれぞれ固体高分子型燃料電池として形成しており、各セル２が１Ｖ程度の起電力を生じる。

また、エンドプレート１６のいずれか一方には、後述する燃料ガス流路８、酸化ガス流路１０、冷却媒体流路１３にそれぞれ連通する燃料ガス入口１７、燃料ガス出口１８、酸化剤ガス入口１９、酸化剤ガス出口２０、冷却水入口２１、冷却水出口２２が設けられている。

ここでセル２の構造について図２を参照して説明する。

４はイオン交換膜からなる電解質膜であり、この電解質膜４には、いずれか一方の面にガス拡散層、撥水層および触媒層からなるアノード側電極（燃料極）５が、そして他方の面には同じくガス拡散層、撥水層および触媒層からなるカソード側電極（空気極）６がそれぞれ接合され、膜−電極アッセンブリ（以下、ＭＥＡという）７を形成する。

９はアノード側セパレータ、１１はカソード側セパレータであり、これらがそれぞれガスケット１２を介してＭＥＡ７に積層され、セル２を形成する。なお、積層する際には隣り合うセパレータ間にもガスケット１２を介装する。

電解質膜４は固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、潤滑状態で良好な電気伝導性を示す。アノード側電極５及びカソード側電極６は、ガス拡散電極である。

ガス拡散電極は、ガス拡散層、撥水層、触媒層からなり、ガス拡散層は炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスやカーボンペーパ、あるいはカーボンフエルト等、十分なガス拡散性および導電性を有する部材によって構成される。

撥水層は例えばポリエチレンフルオロエチレンと炭素材を含む層であり、触媒層は白金が担持されたカーボンブラック用からなる。なお、触媒層は前述したようにガス拡散層に担持され電極を形成するとは限らず、電解質膜４の表面に、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金が担持されている場合がある。その場合、アノード側電極５およびカソード側電極６は、ガス拡散層の表面に撥水層が積層されたガス拡散層接合体で形成される。

アノード側セパレータ９およびカソード側セパレータ１１は十分な導電性と強度と耐食性とを有する材料によって形成される。例えば、カーボン材料をプレス成形することや、十分な耐食性を実現可能であれば、金属等の他の材料によって形成してもよい。

アノード側セパレータ９のアノード側電極５と接触する面には、電極に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路８が形成されている。カソード側セパレータ１１のカソード側電極６と接触する面には電極に酸化剤ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化剤ガス流路１０が形成されている。そして、アノード側セパレータ９もしくはカソード側セパレータ１１の少なくとも一方には、冷却媒体流路１３が形成されている。

ガスケット１２はシリコーンゴム、ＥＰＤＭまたはフッ素ゴム等のゴム状弾性材料によって形成されている。なお、ガスケット１２はアノード側セパレータ９、カソード側セパレータ１１、あるいは弾性係数の大きい薄板材料等に一体化されていても構わない。弾性係数の大きい薄板材料は、例えば、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレートのような材料であり、電解質膜４に例えば熱硬化型フッ素系あるいは熱硬化型シリコンのような液状シールによって接着される。

なお、図２においては、後述する燃料ガス流路８、酸化ガス流路１０、冷却媒体流路１３は省略している。

次に、冷却媒体流路１３について図４を参照して説明する。

図４はセル２およびそのセル２の各セパレータ１１、９にそれぞれ隣り合うアノード側セパレータ９、カソード側セパレータ１１を図１のＡ−Ａ方向から見た図である。

各セパレータ９、１１の電解質４との接触面（以下、セパレータ前面という）には、それぞれ溝状の燃料ガス流路８、酸化剤ガス流路１０が設けられる。

冷却媒体流路１３はセル２を積層する際に隣り合うセル２と接触する各セパレータ９、１１の側面（以下、セパレータ背面という）２４に複数設けられた溝状の凹部であり、断面形状は図４に示すようにセパレータ背面からセパレータ前面に向けて溝幅が拡がる台形となっている。アノード側セパレータ９の冷却媒体流路１３とカソード側セパレータ１１の冷却媒体流路１３のそれぞれの開口部２５は、セル２を積層したときに開口部２５同士が合致するように位置決めされている。これにより、セル２を積層した際に各セパレータ９、１１の冷却媒体流路１３が一つの流路を形成する。

冷却媒体流路１３の両端部は、両エンドプレート１６間を連通する冷却水マニホールド（図示せず）に接続される。前記冷却水マニホールドは一方のエンドプレート１６に設けた冷却水入口２１、冷却水出口２２にそれぞれ接続している。これにより、冷却水入口２１から導入された冷却水が冷却水マニホールドを介して各冷却媒体流路１３に分配され、各冷却媒体流路１３を通過した冷却水は冷却水出口２２に連通する冷却水マニホールドを通って冷却水出口２２から排出される。

なお、アノード側セパレータ９、カソード側セパレータ１１のいずれか一方のみ冷却媒体流路１３を設けることとしてもよい。この場合には、セル２を積層することによって、隣り合うセパレータの背面によって溝状の冷却媒体流路１３の開口部が閉塞されて流路を形成することになる。

また、冷却媒体流路１３は各セパレータ９、１１成形後に機械加工によって形成してもよいし、各セパレータ９、１１を型成形する場合であれば中子を用いて成形してもよい。

上記のように断面形状をセパレータ背面からセパレータ前面に向けて溝幅が拡がる形状とすると、開口部からセパレータ前面に向けて溝幅が一定の断面形状で同じ流路断面積を確保した場合に比べて、アノード側セパレータ９とカソード側セパレータ１１との接触面積が増加する。接触面積が増加することにより、アノード側セパレータ９からカソード側セパレータ１１へと電子が移動する際の電子移動経路面積が増加するので、セル２を積層したときの各セパレータ９、１１の接触抵抗が低減する。

したがって、上記のように冷却媒体流路１３を形成すれば、従来のように表面粗さの調整やカーボンの分散付着等の作業を行わずともセパレータ同士の接触面積を大きくすることが可能となり、これにより接触抵抗を低減させることができる。また、接触抵抗を低減させることによる冷却性能への跳ね返りもない。

なお、冷却媒体流路１３の断面形状は、図４に示したものに限られず、開口部２５からセパレータ前面に向けて溝幅が拡がる部分を有する形状であれば、例えば図５（ａ）〜（ｅ）に示したような形状であってもよい。

また、必ずしもすべてのセル２に上記のような冷却媒体流路１３を設けた各セパレータ９、１１を用いる必要はない。

第２実施形態について説明する。

本実施形態のスタック１の側面図を図６に示す。図に示すように、本実施形態のスタック１は、基本的に第１実施形態と同様である。ただし、両端のエンドプレート１６近傍の領域Ａ、Ｂとその他の領域とで、冷却媒体流路１３の形状が異なるセル２を使用する。

具体的には、領域Ａ、Ｂには第１実施形態で使用したものと同様の、冷却媒体流路１３の溝幅が開口部２５からセパレータ前面に向けて拡がる部分を有するセル２を使用し、その他の領域には冷却媒体流路１３の開口部２５からセパレータ前面に向けて溝幅が一定のものを使用する。

両端のエンドプレート１６間をタイロッド３で締結する場合、タイロッド３に近い部分には大きな面圧が加わり、タイロッド３から離れるにしたがって面圧が小さくなる。特にセル２よりも剛性の高いエンドプレート１６に近い領域Ａ、Ｂではセル２内での面圧のばらつきは大きくなる。これに伴って各セル２に均一な面圧を加えることができなくなると、低面圧部分において接触抵抗が増加することが懸念される。

一方、エンドプレート１６から離れるにしたがって、セル２内での面圧のばらつきは小さくなる。

そこで、面圧のばらつきが大きい領域Ａ、Ｂでは、開口部２５からセパレータ前面に向けて溝幅が拡がる冷却媒体流路１３を設けたセパレータを使用する。

これにより、接触面積を増大させ、接触抵抗を減少させることができる。つまり、面圧のばらつきによる低圧部分の接触抵抗の増大を接触面積の増大により抑制することができ、接触抵抗の増加を防止することができる。

第３実施形態について図７、８を参照して説明する。

図７は本実施形態のアノード側セパレータ９もしくはカソード側セパレータ１１をスタック１の長手方向から見た図を表し、図８は図７のＡ−Ａ矢視図を表す。

本実施形態のスタック１の構成は基本的に第１実施形態と同様であるが、各セパレータ９、１１に設けた冷却媒体流路１３が異なる。

図７の斜線で示した領域Ｃには冷却媒体流路１３が形成されており、図面の領域Ｃの右下には冷却水入口２１、左上には冷却水出口２２が設けられている。

ところで、冷却水は冷却水入口２１から各セパレータ９、１１に設けた冷却媒体流路１３に導入され、ＭＥＡ７で発生する熱を吸収しながら流れるので、冷却水出口２２に近づくにしたがって冷却水の温度が上昇する。したがって、冷却水入口２１から冷却水出口２２まで同じ形状の流路とした場合には、冷却水温度が高くなる冷却水出口２２付近ではセル２の温度も高くなる。

そこで本実施形態では、図８に示すように、冷却水入口２１に近い領域の冷却媒体流路１３は開口部２５からセパレータ前面に向けて溝幅が一定、冷却水出口２２に近い領域の冷却媒体流路１３は開口部２５からセパレータ前面に向けて溝幅が拡がる形状とする。

これにより、冷却水出口２２近くの領域では冷却媒体流路１３中を流れる冷却水のうちＭＥＡ７の近くを流れる冷却水量が多くなるので、ＭＥＡ７の温度を吸収し易いくなり、冷却水出口２２付近のセル２の温度が高温になることを防止できる。

さらに、冷却水出口２２付近では溝の形状を開口部２５からセパレータ前面に向けて溝幅が拡がる形状としたので、第１実施形態と隣り合うセル２のアノード側セパレータ９とカソード側セパレータ１１との接触面積が拡がり、接触抵抗を低減できる。

なお、本発明は上記の実施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
技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

本発明は、単位燃料電池セルを積層して形成する燃料電池スタックに適用することが可能である。

第１実施形態を適用する燃料電池スタックの斜視図である。 第１実施形態の単位燃料電池セルの構造を説明するための図である。 第１実施形態の燃料電池スタックの側面図である。 第１実施形態の単位燃料電池セルの断面図である。 冷却媒体流路の断面形状のその他の例である。 第２実施形態の燃料電池スタックの側面図である。 第３実施形態のセパレータに設けた冷却媒体流路を説明するための図である。 第３実施形態の冷却媒体流路の形状を説明するための図である。

符号の説明

１ スタック
２ 単位燃料電池セル（セル）
３ タイロッド
４ 電解質膜
５ アノード側電極
６ カソード側電極
７ 膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ）
８ 燃料ガス流路
９ アノード側セパレータ
１０ 酸化剤ガス流路
１１ カソード側セパレータ
１２ ガスケット
１３ 冷却媒体流路
１４ 集電板
１５ 絶縁版
１６ エンドプレート
１７ 燃料ガス入口
１８ 燃料ガス出口
１９ 酸化剤ガス入口
２０ 酸化剤ガス出口
２１ 冷却水入口
２２ 冷却水出口
２３ ナット
２４ 接触面
２５ 開口部

Claims (4)

1. 固体高分子電解膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟持して構成する膜−電極アセンブリと、
   前記膜−電極アセンブリを挟持するアノード側セパレータとカソード側セパレータと、により構成する単位燃料電池セルを複数個積層することによって構成する燃料電池スタックにおいて、
   前記単位燃料電池セルの少なくとも一つは、
   前記各セパレータの少なくとも前記各電極と接触する面と反対側の面に複数の溝状の冷却媒体流路を備え、
   前記冷却媒体流路の少なくとも一部の流路断面を、前記セパレータ表面の開口部に比べて溝底方向の方が溝幅が広い形状にすることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記各セパレータの少なくとも一方の面に複数の溝状の冷却媒体流路を備え、
   前記冷却媒体流路の少なくとも一部の流路断面を、前記セパレータ表面の開口部に比べて溝底方向の方が溝幅が広い形状の単位燃料電池セルを、前記燃料電池スタックの両端に配置するエンドプレートの近傍に少なくとも一つ搭載する請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 同一セパレータ内で異なる断面形状の冷却媒体流路を備える請求項１または２に記載の燃料電池スタック。
4. 前記冷却媒体流路に冷却水を導入する冷却水入口と冷却水を排出する冷却水出口とを前記セパレータに備え、
   少なくとも前記冷却水出口付近では、前記冷却媒体流路の断面形状を、前記セパレータ表面の開口部に比べて溝底方向の方が溝幅が広い形状とする請求項３に記載の燃料電池スタック。

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