JP2006172967A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】 外部電源を用いることなく、積層方向両端部の単位燃料電池を加熱できるようにする。
【解決手段】 電解質膜をアノード電極およびカソード電極で挟み、さらにこれらを両側からセパレータで狭持してなる単位燃料電池３を複数積層し、この積層方向両端部の集電板２５に隣接する単位燃料電池３（１）と単位燃料電池３（２）との間に、発熱板３３を設ける。発熱板３３は、燃料電池スタックの発電によって発生する電力を取り出す電力取出部４１を備え、電力取出部４１から電力を取り出す際に発熱する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、電解質膜をアノード電極およびカソード電極で挟み、さらにこれらを両側からセパレータで狭持してなる単位燃料電池を複数積層した燃料電池スタックに関する。

単位燃料電池は、電解質膜（陽イオン交換膜）の両側にそれぞれアノード電極およびカソード電極を配置して、これらをセパレータによって挟持することで構成している。通常は、このような単位燃料電池を所定数積層して燃料電池スタックとして使用する。

上記した燃料電池スタックにおいて、アノード電極に供給する燃料ガス（水素含有ガス）は、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を通してカソード電極側へと移動する。その間に生じた電子が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。

カソード電極には、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、このカソード電極上の三相界面において、前記水素イオン、前記電子および酸素ガスが反応して水が生成される。

ところで、従来の燃料電池スタックにおいて、起動時、特に寒冷地における起動についいては、単位燃料電池の温度が低いため、反応してできた水が凍結してしまう恐れがある。その結果、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応が活発に行われず、燃料電池スタックの出力が低下する、または発電しないなどの問題がある。

そのため、特に寒冷地における起動を効率的に行うためには、燃料電池スタックを加熱し、単位燃料電池内の氷を溶かし、内部温度を充分発電可能な所定温度、例えば８０℃程度まで上昇させる必要がある。

しかし、燃料電池スタックを加熱しても、その積層方向両端部付近の単位燃料電池では、積層方向両端部に配置するエンドプレートなどに放熱され、温度低下に伴う発電性能の低下が懸念されている。

そこで、例えば、下記特許文献１には、寒冷地における起動時に、燃料電池スタックの積層方向両端部付近を他の部位よりも優先的に加熱する点が開示されている。この燃料電池スタックには、熱媒体を循環させるための溝を備える熱媒体経路構成部材が、電力を外部に取り出す集電板と、燃料電池スタック両端部の単位燃料電池との間に配設されている。

また、熱媒体循環経路には熱媒体を加熱する加熱ヒータが備えられている。加熱された熱媒体を、前記熱媒体経路構成部材に循環させることで、燃料電池スタックの両端部付近を他の部位よりも優先的に加熱する。これにより、燃料電池スタック両端部付近の単位燃料電池の温度低下を防止し、発電性能の低下を防止している。
特開２００３−３３１８８６号公報

しかしながら、上記した特許文献１に記載の燃料電池スタックは、熱媒体の熱容量を利用して燃料電池スタックの両端部付近を昇温させるため、熱媒体を加熱するための外部電源が必要であり、その分エネルギコストがかかるとともに、装置も大型化するという問題がある。

そこで、本発明は、外部電源を用いることなく、積層方向両端部付近の単位燃料電池を加熱できるようにすることを目的としている。

本発明は、電解質膜をアノード電極およびカソード電極で挟み、さらにこれらを両側からセパレータで狭持してなる単位燃料電池を複数積層し、この積層方向両端部付近に発熱板を設け、この発熱板は、燃料電池の発電電力を取り出す電力取出部を備えるとともに、この電力取出部から電力を取り出す際に発熱することを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、燃料電池スタックの単位電池積層方向両端部付近に設けた発熱板は、電力取出部から電力の取り出しを行いつつその電力によって発熱して単位燃料電池を加熱するので、特別な外部電源を必要とすることなく、積層方向両端部付近の単位燃料電池を加熱することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係わる燃料電池スタック１の斜視図、図２は、燃料電池スタック１における単位燃料電池３の分解斜視図、図３は、燃料電池スタック１の断面図である。

上記した燃料電池スタック１は、図３のように単位燃料電池３を所定数Ｎ枚だけ積層しており、この積層した単位燃料電池３（１〜Ｎ）は、燃料電池スタック内部を貫通するタイロッド５により締結される。各単位燃料電池３は、それぞれが固体高分子型燃料電池として機能して１Ｖ程度の起電力を生じる。

図２に示すように、単位燃料電池３は、電解質膜７と、電解質膜７の一方の面に配置するアノード電極（燃料極）９と、電解質膜７の他方の面に配置するカソード電極（空気極）１１と、アノード電極９の電解質膜７と反対側に配置するアノードセパレータ１３と、カソード電極１１の電解質膜７と反対側に配置するカソードセパレータ１５と、各セパレータ１３，１５と各電極９，１１との間にそれぞれ介装するガスケット１７，１９とを、それぞれ備えている。

上記した電解質膜７とアノード電極９とカソード電極１１とで、膜−電極集合体（MEA）２１を構成している。

電解質膜７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、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。電解質膜７の表面には、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してある。

アノード電極９およびカソード電極１１は、一般にガス拡散電極と呼ばれ、拡散層を備えている。これら各電極９，１１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など、充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する。

アノードセパレータ１３およびカソードセパレータ１５は、充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する。例えば、カーボン材料をプレス成形したり、あるいは、充分な耐食性を実現可能であれば、金属など他の材料によって形成してもよい。

アノードセパレータ１３のアノード電極９に対向する面には、アノード電極９に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路１３ａを設け、カソードセパレータ１５のカソード電極１１に対向する面には、カソード電極１１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１５ａを設けている。また、必要に応じてアノードセパレータ１３のアノード電極９と反対側の面に、冷却媒体流路１３ｂを形成する。

ガスケット１７，１９は、シリコンゴム，ＥＤＰＭまたはフッ素ゴムなどのゴム状弾性材料によって形成する。

燃料電池スタック１は、前述の単位燃料電池３を多数積層してその積層方向両端に、集電板２５，絶縁板２７，エンドプレート２９を順に配置し、これらを前記したタイロッド５により締結する。

集電板２５は、燃料電池スタック１で発電した電力を電力取出端子３１から外部に取り出すもので、緻密質カーボンや銅板などガス不透過な導電性部材によって形成し、絶縁板２７は、ゴムや樹脂などの絶縁性部材によって形成する。エンドプレート２９は、剛性を備えた材料、例えば鋼などの金属材料によって形成している。

また、上記した燃料電池スタック１は、図３に示すように、積層した単位燃料電池３の両端部の集電板２５に隣接する単位燃料電池３（１）と、この単位燃料電池３（１）に隣接する単位燃料電池３（２）との間に、発熱板３３を設けている。

発熱板３３は、図４に示すように、中央に位置する発熱部３５と、発熱部３５の周囲を囲むように位置する断熱部３７とをそれぞれ備えている。

発熱部３５は、熱伝導性の良好な絶縁材の中に、加熱用合金線や純ニッケル線などを埋め込むことで形成しており、燃料電池スタック１の発電時に、その発電電流が流れることで発熱する。また、発熱板３３は、単位燃料電池３のアノード電極９およびカソード電極１１に対応する電極部３８に対し、積層方向から見て同一形状としている。断熱部３７は、ゴムや樹脂などの絶縁性部材によって形成する。

発熱板３３の外周部の一部には、発熱部３５に導電部３９を介して接続する電力取出部４１を設けている。電力取出部４１は、銅板などの導電性部材で構成しており、燃料電池スタック１の発電時に電力の取出しを行う。

上記した発熱板３３の電力取出部４１には、図３に示すように電力取出線４３を接続し、電力取出線４３には発電板スイッチ４５を設けている。また、前記した集電板２５には電力取出線４７を接続し、電力取出線４７には集電板スイッチ４９を設けている。これら各スイッチ４７，４９は、図示しない制御装置によって、いずれかがオンとなる。

図５は、単位燃料電池３の前記した電極部３８に発熱板３３の発熱部３５を重ね合わせた状態を示し、電極部３８に対応する位置には、カソードセパレータ１５に形成した酸化剤ガス流路１５ａが、蛇行するように図示してある。なお、この酸化剤ガス流路１５ａの蛇行形状は、図２では省略してある。

燃料電池スタック１には、単位燃料電池３の積層方向に貫通する酸化剤ガス入口マニホールド５１を図５中で右上部に設けてあり、この酸化剤ガス入口マニホールド５１を流れる酸化剤ガスが酸化剤ガス流路１５ａを矢印で示す方向に流れて発電に使用され、残りの酸化剤ガスが図５中で左下部に設けてある前記積層方向に貫通する酸化剤ガス出口マニホールド５３に流出し、燃料電池スタック１の外部に排出される。

そして、発熱板３３の発熱部３５は、上記した酸化剤ガスの流れに沿うように、６つの発熱領域３５−１，３５−２，３５−３，３５−４，３５−５，３５−６に等分割し、この等分割した各発熱領域３５−１，３５−２，３５−３，３５−４，３５−５，３５−６の前記した加熱用合金線や純ニッケル線などからなる導電性部材には、図６に示すように、可変抵抗５４−１，５４−２，５４−３，５４−４，５４−５，５４−６をそれぞれ設けている。

この各可変抵抗５４−１，５４−２，５４−３，５４−４，５４−５，５４−６の抵抗値を適宜変化させることで、各発熱領域３５−１，３５−２，３５−３，３５−４，３５−５，３５−６に対し、図示しない制御手段としての制御装置が選択的に発熱させることになる。なお、図６では、図５に示してある酸化剤ガス流路１５ａを省略している。

また、図５中で左上部には、燃料電池スタック１を前記積層方向に貫通する燃料ガス入口マニホールド５５を設け、同右下部には、前記積層方向に貫通する燃料ガス出口マニホールド５７を設けている。燃料ガス入口マニホールド５５と燃料ガス出口マニホールド５７とは、前記した燃料ガス流路１３ａによって、酸化剤ガス流路１５ａと同様に蛇行するようにして互いに連通している。

さらに、酸化剤ガス入口マニホールド５１近傍には、燃料電池スタック１を前記積層方向に貫通する冷却媒体入口マニホールド５９を設け、酸化剤ガス出口マニホールド５３近傍には、燃料電池スタック１を前記積層方向に貫通する冷却媒体出口マニホールド６１を設けている。冷却媒体入口マニホールド５９と冷却媒体出口マニホールド６１とは前記した冷却媒体流路１３ｂによって、酸化剤ガス流路１５ａと同様に蛇行するようにして互いに連通している。なお、この冷却媒体流路１３ｂの蛇行形状は、図２では省略してある。

また、単位燃料電池３の積層方向両端部に位置する単位燃料電池３（１）には図示していないが温度センサを設けてあり、この温度センサの検出値に応じて、前記した制御装置が、発熱板スイッチ４５および集電板スイッチ４９のオン−オフ制御を行うとともに、発熱部３５における６つの発熱領域３５−１，３５−２，３５−３，３５−４，３５−５，３５−６に対して選択的に発熱させるよう制御する。

次に、上記した燃料電池スタック１の作動例を、制御装置の制御動作を示す図４のフローチャートに基づき説明する。

燃料電池スタック１の起動時には、図３に示す発熱板スイッチ４５はオフで、集電板スイッチ４９はオンとなっており、これにより燃料電池スタック１が発電した電力は、集電板２５を通して外部に負荷電力として取り出される（ステップＳ１）。

その後、単位燃料電池３（１）に設置してある図示しない温度センサが検出する単位燃料電池３（１）の温度ｔ℃を読み込み（ステップＳ２）、この温度ｔ℃が、０℃以上でかつ所定温度（例えば８０℃）未満かどうかを判断する（ステップＳ３）。

ここで、検出温度ｔ℃が０℃以上でかつ所定温度未満である場合、集電板スイッチ４９をオフにする一方、発熱板スイッチ４５をオンにし（ステップＳ４）、発熱板３３の電力取出部４１から電力の取り出しを行うと同時に、発熱部３５の全領域を均一に加熱する（ステップＳ５）。これにより、発熱板３３両側の単位燃料電池３（１），３（２）の電極部３８を均一に加熱する。

発熱部３５の全領域を均一に加熱する場合には、前記図６に示した各発熱領域３５−１，３５−２，３５−３，３５−４，３５−５，３５−６に設けた可変抵抗５４−１，５４−２，５４−３，５４−４，５４−５，５４−６の抵抗値のすべてを、例えば１Ωとする。

一方、検出温度ｔ℃が０℃以上でかつ所定温度未満でない場合には、検出温度ｔ℃が０℃未満かどうかを判断し（ステップＳ６）、検出温度ｔ℃が０℃未満の場合には、上記と同様にして集電板スイッチ４９をオフにする一方、発熱板スイッチ４５をオンにし（ステップＳ７）、発熱板３３の電力取出部４１から電力の取り出しを行うと同時に、発熱部３５の一部（発熱領域３５−５および領域３５−６）を選択して加熱する（ステップＳ８）。

発熱部３５の一部（発熱領域３５−５および領域３５−６）を選択して加熱する場合には、発熱領域３５−５，３５−６の可変抵抗５４−５，５４−６の抵抗値を、例えば４Ωとする。このとき、他の発熱領域３５−１，３５−２，３５−３，３５−４における可変抵抗５４−１，５４−２，５４−３の抵抗値は、全領域を加熱した際の１Ωのままとする。

上記加熱する発熱領域３５−５および３５−６は、酸化剤ガス流路１５ａを流れる酸化剤ガスの流れの中で、酸化剤ガス出口マニホールド５３に近い位置であり、この位置は、反応によって生成された水の大部分が存在し、氷点下では氷として存在するので、上記発熱領域３５−５および３５−６を選択的に加熱することで、氷の解凍を効率的に行うことができる。

上記ステップＳ６で、検出温度ｔ℃が０℃未満でない場合、すなわち所定温度（８０℃）以上の場合には、集電板スイッチ４９がオンで、発熱板スイッチ４５がオフとなっている起動時のままとし（ステップＳ９）、集電板２５の電力取出端子３１からの電力取り出しを継続する。

そして、燃料電池スタック１が停止したかどうかを判断し（ステップＳ１０）、停止せず運転中であれば、ステップＳ２に戻って、上記した動作を繰り返す。

このように、燃料電池スタック１の起動直後に単位燃料電池３（１）の温度が低温になっていると、発熱板３３から電力の取り出しを行うと同時に、発熱板３３の発熱で単位燃料電池３（１），３（２）の電極部３８を加熱する。これにより、特に温度低下しやすい積層方向両端部に位置する単位燃料電池３（１），３（２）の温度低下を防ぎ、発電性能の低下を有効に阻止することができる。

特に、単位燃料電池３（１）の温度が氷点下を下回る場合は、酸化剤ガス流路出口付近を集中して加熱することで氷点下からの起動時の加熱効率が向上する。

そして、このような発熱板３３の加熱は、発電電力を取り出す際に流れる電流によってなされるので、特別な外部電源が不要であり、したがってエネルギコストの上昇や装置の大型化を回避することができる。

しかも、燃料電池スタック１が定常状態の運転時になり、燃料電池スタック１の冷却が必要となった場合には、電力取り出しを、発熱板３３の電力取出部４１から集電板２５の電力取出端子３１に切り替えることにより、発熱板３３からの発熱が停止する。この場合、発熱板３３からの発熱がなく、その熱容量が小さいため、積層方向両端部付近の単位燃料電池３の冷却効率低下を防ぐことができる。

また、燃料電池スタック１の集電板２５に隣接する単位燃料電池３（１）と単位燃料電池３（１）に隣接している単位燃料電池３（２）は、前述したようにエンドプレート２９などへの放熱量が大きいため、他の単位燃料電池３と比較して温度上昇に時間がかかり、発電性能の低下が懸念されている。したがって、この２つの単位燃料電池３（１），３（２）相互間に発熱板３３を配置することで、起動時の加熱効率が向上する。

さらに、発熱板３３を発熱部３５と断熱部３７の２つの領域で構成し、発熱部３５が断熱部３７に取り囲まれていることで、発熱部３５で発生した熱の外気への放熱を遮断することが可能となり、起動時の加熱効率が向上する。

また、発熱板３３の発熱部３５が、単位燃料電池３の電極面２９に対し、積層方向から見て同一形状としているので、発熱板３３からの発熱がほぼ電極面２９内の加熱に使用でき、起動時の加熱効率が向上する。

また、発熱板３３の発熱部３５を複数の発熱領域に分割し、発熱領域の選択が可能であるので、氷点下起動時に、まずは電極面２９内の低温領域のみを集中加熱して氷を解凍し、その後温度上昇した後は、電極面２９内を均一に加熱することで、起動時の加熱効率が向上し、発電性能の低下を防ぐことが可能となる。

なお、上記した実施形態では、単位燃料電池３（１）の温度ｔ℃に基づいて、発熱板３３の発熱部３５を発熱させるかどうかの判断を行っているが、例えば発熱板３３や冷却媒体の温度に基づいての判断も可能であり、要は実際の構成に応じて最適な温度を選べばよい。

本発明の一実施形態に係わる燃料電池スタックの斜視図である。 図１の燃料電池スタックにおける単位燃料電池の分解斜視図である。 図１の燃料電池スタックの断面図である。 図１の燃料電池スタックにおける発熱板の発熱部と単位燃料電池の電極部との形状を示す説明図である。 図１の燃料電池スタックにおける単位燃料電池の電極部に発熱板の発熱部を重ね合わせた状態を示す説明図である。 発熱板の各発熱領域に設けた可変抵抗を示す説明図である。 図１の燃料電池スタックにおける制御装置の制御動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池スタック
３ 単位燃料電池
３（１） 集電板に隣接する単位燃料電池
３（２） 集電板に隣接する単位燃料電池に隣接する単位燃料電池
７ 電解質膜
９ アノード電極
１１ カソード電極
１３ アノードセパレータ
１３ａ 燃料ガス流路
１５ カソードセパレータ
１５ａ 酸化剤ガス流路
２５ 集電板
３１ 集電板の電力取出端子
３３ 発熱板
３５ 発熱板の発熱部
３５−１，３５−２，３５−３，３５−４，３５−５，３５−６ 発熱部の複数の発熱領域
３７ 発熱板の断熱部
４１ 発熱板の電力取出部

Claims (7)

1. 電解質膜をアノード電極およびカソード電極で挟み、さらにこれらを両側からセパレータで狭持してなる単位燃料電池を複数積層し、この積層方向両端部付近に発熱板を設け、この発熱板は、燃料電池の発電電力を取り出す電力取出部を備えるとともに、この電力取出部から電力を取り出す際に発熱することを特徴とする燃料電池スタック。
2. 請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、前記単位燃料電池の積層方向両端部に、燃料電池の発電電力を取り出す電力取出端子を備えた集電板を設け、この集電板の電力取出端子と前記発熱板の電力取出部からのそれぞれの電力取り出しを切替可能に構成したことを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池スタックにおいて、前記発熱板を、前記単位燃料電池の積層方向両端部に設けた集電板に隣接する単位燃料電池と、この単位燃料電池に隣接する単位燃料電池との間に設けたことを特徴とする燃料電池スタック。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記発熱板は、中央の発熱部と、その周囲を囲むように位置する断熱部とを備えていることを特徴とする燃料電池スタック。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記発熱板の発熱部は、前記単位燃料電池の電極面に対し、前記積層方向から見て同一形状であることを特徴とする燃料電池スタック。
6. 請求項５に記載の燃料電池スタックにおいて、前記発熱板の発熱部を、複数の発熱領域に分割し、この分割した各発熱領域を、温度に応じて選択的に発熱させる制御手段を設けたことを特徴とする燃料電池スタック。
7. 請求項６に記載の燃料電池スタックにおいて、前記セパレータの前記アノード電極に対向する側に酸化剤ガス流路を設ける一方、前記セパレータの前記カソード電極に対向する側に燃料ガス流路を設け、前記制御手段は、前記酸化剤ガス流路の出口付近に対応する前記発熱領域を選択的に加熱することを特徴とする燃料電池スタック。

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