JP2006216481A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つ経済的な構成で、端部発電セルを流れる反応ガス流量と他の発電セルを流れる反応ガス流量とを同等に設定することを可能にする。
【解決手段】複数の発電セル１２を積層した積層体１４は、積層方向両端部に端部発電セル１２ａ、１２ｂを備える。発電セル１２は、電解質膜・電極構造体２２を挟持する第１及び第２金属セパレータ２４、２６を備える。端部発電セル１２ａ、１２ｂは、第１外側セパレータ６０ａ、６２ａ及び第２外側セパレータ６０ｂ、６２ｂを備えるとともに、前記第１外側セパレータ６０ａ、６２ａは、発電セル１２を構成する第１及び第２金属セパレータ２４、２６に比べて、親水性が高く設定されている。
【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複数積層される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設けた電解質膜・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。

上記の酸化剤ガスの流れの下流領域では、発電反応に基づいて生成される水が溜まり易い。一方、前記酸化剤ガスの流れの上流領域では、水が溜まり難く、電解質膜が乾燥するおそれがある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている固体高分子型燃料電池が知られている。この燃料電池は、図８に示すように、電解質膜１、燃料極２、酸化剤極３、前記燃料極２に燃料を供給する燃料通路４ａを形成する燃料セパレータ４、前記酸化剤極３に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路５ａを形成する酸化剤ガスセパレータ５及び通水路６ａを形成する通水板６を備えている。

酸化剤ガスセパレータ５は、細孔を有するとともに、前記酸化剤ガスセパレータ５の上流領域７ａは、該酸化剤ガスセパレータ５の厚み方向に沿った断面において、酸化剤ガス通路５ａに対向するとともに、下流領域７ｂよりも疎水性が強い疎水性領域Ｘ２と、該疎水性領域Ｘ２よりも通水路６ａに近い側に設けられた親水性領域Ｘ１とを有している。

これにより、下流領域７ｂにおいて、通水路６ａに対向する親水性領域Ｘ１を透過した水は、疎水性領域Ｘ２で水蒸気化され、この水蒸気によって酸化剤ガス通路５ａの酸化剤ガスを加湿することができる、としている。

特開２００４−１４６２４６号公報（図９）

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反応ガスが流れ難くなり、各発電セル間の電圧のムラが惹起されるという不具合がある。電圧が低下した不安定な発電セルが存在すると、燃料電池スタックの制御は、前記不安定な発電セルに合わせて行う必要がある。このため、パージ制御の増加や、反応ガス供給量の増加が必要になり、結果として燃料電池スタックの発電効率が低下する。

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、端部発電セルを流れる反応ガス流量を他の発電セルを流れる反応ガス流量と同等に設定することができ、発電効率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複数積層される燃料電池スタックである。この燃料電池スタックは、発電セルの積層方向の端部に配設される端部発電セルを備え、前記端部発電セルを構成する外側セパレータは、少なくとも前記端部発電セルよりも内方に配設される発電セルを構成する内側セパレータに比べ、親水性が高く設定されている。

また、外側セパレータにおける水の接触角は、内側セパレータにおける水の接触角よりも小さく設定されることが好ましい。さらに、外側セパレータは、積層方向の端部側に配設される第１外側セパレータと、前記積層方向の内側に配設される第２外側セパレータとを備えるとともに、前記第１外側セパレータは、前記第２外側セパレータよりも親水性が高く設定されることが好ましい。さらにまた、外側セパレータは、水の接触角が９０度以下であることが好ましい。

本発明によれば、外側セパレータは、親水性が高いために排水性の向上を図ることができ、端部発電セルの温度低下によって結露した水を容易に排水させることが可能になる。さらに、結露した水が外側セパレータ表面に広がるため、反応ガス流路が閉塞され難くなる。これにより、反応ガスを円滑に流すことができ、簡単且つ経済的な構成で、端部発電セルを流れる反応ガス流量を他の発電セルを流れる反応ガス流量と同等に設定することが可能になる。従って、燃料電池スタック全体として、発電効率の向上を確実に図ることができる。

なお、外側セパレータに撥水処理を施すと、この外側セパレータの表面に水滴が惹起され易い。この水滴は、外側セパレータの表面で球状、柱状又は膜状の形状を有する。このため、反応ガス流路が水滴により閉塞されるおそれがあり、外側セパレータに親水処理が施されることによって、発電効率の向上を図ることが可能になる。親水処理は、一般的に行われている方式を採用することができ、例えば、特許文献１に開示されている技術を用いればよい。

図１は、本発明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、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。なお、燃料電池スタック１０は、図示しないが、例えば、締め付けボルトやボックス状のケーシング等により締め付け保持される。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、水平方向（矢印Ａ方向）に積層される電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）２２と、第１及び第２金属セパレータ（内側セパレータ）２４、２６とを備える。なお、第１及び第２金属セパレータ２４、２６に代替して、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。

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（電解質）２８と、該固体高分子電解質膜２８を挟持するアノード側電極３０及びカソード側電極３２とを備える。アノード側電極３０及びカソード側電極３２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を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。

発電セル１２の矢印Ｂ方向の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔４０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔４２ａ、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出口連通孔４４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

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入口連通孔４４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔４２ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔４０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

第１金属セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２２に向かう面２４ａには、酸化剤ガス流路４６が設けられる。酸化剤ガス流路４６は、複数の酸化剤ガス流路溝４６ａを有するとともに、前記酸化剤ガス流路溝４６ａは、矢印Ｂ方向に延在している。なお、酸化剤ガス流路溝４６ａは、例えば、矢印Ｂ方向に一往復半だけ折り返すサーペタイン流路溝を構成してもよい。

第２金属セパレータ２６の電解質膜・電極構造体２２に向かう面２６ａには、燃料ガス流路４８が設けられる。燃料ガス流路４８は、酸化剤ガス流路４６と同様に、矢印Ｂ方向に延在する複数の燃料ガス流路溝４８ａを有する。

第１金属セパレータ２４と第２金属セパレータ２６とは、互いに対向する面２４ｂ、２６ｂ間に冷却媒体流路５０を一体的に形成する。冷却媒体流路５０は、酸化剤ガス流路４６の裏面側、及び燃料ガス流路４８の裏面側に一体的に形成され、矢印Ｂ方向に延在する複数の冷却媒体流路溝５０ａを有する。この冷却媒体流路５０は、冷却媒体入口連通孔４２ａと冷却媒体出口連通孔４２ｂとに連通する。

第１金属セパレータ２４の面２４ａ、２４ｂには、この第１金属セパレータ２４の外周縁部を周回して第１シール部材５４が射出成形等により一体的に設けられる。第１シール部材５４は、面２４ａにおいて、酸化剤ガス入口連通孔４０ａ、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂ及び酸化剤ガス流路４６を覆って酸化剤ガスの洩れ止めを行う。

第２金属セパレータ２６の面２６ａ、２６ｂには、この第２金属セパレータ２６の外周縁部を周回して第２シール部材５６が射出成形等により一体的に設けられる。第２シール部材５６は、面２６ａにおいて、燃料ガス入口連通孔４４ａ、燃料ガス出口連通孔４４ｂ及び燃料ガス流路４８を覆って燃料ガスの洩れ止めを行う。第２シール部材５６は、面２６ｂにおいて、冷却媒体入口連通孔４２ａ、冷却媒体出口連通孔４２ｂ及び冷却媒体流路５０を覆って冷却媒体の漏れ止めを行う。

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外側セパレータ６０ａ、６０ｂを備えるとともに、端部発電セル１２ｂは、前記電解質膜・電極構造体２２を挟持する第１及び第２外側セパレータ６２ａ、６２ｂ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。

第１外側セパレータ６２ａと第２外側セパレータ６０ｂとは、第１金属セパレータ２４と同様に構成されるとともに、第１外側セパレータ６０ａと第２外側セパレータ６２ｂとは、第２金属セパレータ２６と同様に構成される。

端部発電セル１２ａの第１外側セパレータ６０ａは、ターミナルプレート１６ａに接するとともに、端部発電セル１２ｂの第１外側セパレータ６２ａは、ターミナルプレート１６ｂに接している。第１外側セパレータ６０ａ、６２ａは、端部発電セル１２ａ、１２ｂよりも内方に配設される発電セル１２を構成する第１及び第２金属セパレータ２４、２６に比べ、親水性が高く設定される。

親水処理としては、例えば、親水性物質を液状媒体に混在させた溶液を用い、その溶液と第１及び第２金属セパレータ２４、２６とを接触させることによって、第１外側セパレータ６２ａ、６０ａが得られる。その他、従来から採用されている種々の親水処理が適用可能である。

ここで、親水性は、水滴と物質表面の接触角によって表わすものとし、例えば、図４に示すように、第１外側セパレータ６２ａ、６０ａの表面と水滴６４ａとの接触角α１は、９０度以下に設定される。一方、図５に示すように、第１及び第２金属セパレータ２４、２６の表面と水滴６４ｂとの接触角α２は、例えば、９０度を超える値に設定される。

なお、第２外側セパレータ６０ｂ、６２ｂは、発電セル１２を構成する第１及び第２金属セパレータ２４、２６に比べ、親水性が高く設定されていてもよく、また、前記第２外側セパレータ６０ｂ、６２ｂの親水性は、第１外側セパレータ６０ａ、６２ａの親水性と同等に設定されていてもよい。本実施形態では、第１外側セパレータ６０ａ、６２ａは、第２外側セパレータ６０ｂ、６２ｂに比べ、親水性が高く設定されている。

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。

図１に示すように、燃料電池スタック１０を構成するエンドプレート２０ａにおいて、酸化剤ガス入口連通孔４０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔４４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔４２ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。

図３に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔４０ａから第１金属セパレータ２４の酸化剤ガス流路４６に導入される。酸化剤ガス流路４６では、酸化剤ガスが複数の酸化剤ガス流路溝４６ａに分散される。このため、酸化剤ガスは、各酸化剤ガス流路溝４６ａを介して電解質膜・電極構造体２２のカソード側電極３２に沿って移動する。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔４４ａから第２金属セパレータ２６の燃料ガス流路４８に導入される。この燃料ガス流路４８では、燃料ガスが複数の燃料ガス流路溝４８ａに分散される。さらに、燃料ガスは、各燃料ガス流路溝４８ａを介して電解質膜・電極構造体２２のアノード側電極３０に沿って移動する。

従って、電解質膜・電極構造体２２では、カソード側電極３２に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３０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３２に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂに排出される。同様に、アノード側電極３０に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔４４ｂに排出される。

一方、冷却媒体入口連通孔４２ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２金属セパレータ２４、２６間に形成された冷却媒体流路５０に導入される。この冷却媒体流路５０では、冷却媒体が水平方向（矢印Ｂ方向）に移動する。このため、冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２２の発電面全面にわたって冷却した後、冷却媒体出口連通孔４２ｂに排出される。

ところで、燃料電池スタック１０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は、ターミナルプレート１６ａに接する第１外側セパレータ６０ａを設ける一方、前記端部発電セル１２ｂは、ターミナルプレート１６ｂに接する第１外側セパレータ６２ａを設けている。

その際、燃料電池スタック１０では、外部への放熱により、特に、端部発電セル１２ａ、１２ｂが、他の発電セル１２に比べて温度低下を惹起し易い。これにより、積層体１４の積層方向中央部に位置する中央部発電セル１２ｃと、端部発電セル１２ａ、１２ｂとでは、放熱量の違いによって内部温度に大きな温度差が発生し易い（図６参照）。

この場合、本実施形態では、端部発電セル１２ａを構成する第１外側セパレータ６０ａ及び端部発電セル１２ｂを構成する第１外側セパレータ６２ａに、親水処理を施すことにより、前記第１外側セパレータ６０ａ、６２ａの親水性が、他の発電セル１２を構成する第１及び第２金属セパレータ２４、２６の親水性よりも高く設定されている。

このため、中央部発電セル１２ｃに比べて結露が発生し易い端部発電セル１２ａ、１２ｂでは、第１外側セパレータ６０ａ、６２ａの排水性の向上を図ることが可能になり、燃料ガス及び酸化剤ガスを円滑に流すことができる。従って、簡単且つ経済的な構成で、端部発電セル１２ａ、１２ｂを流れる燃料ガス流量及び酸化剤ガス流量を、他の発電セル１２（中央部発電セル１２ｃを含む）を流れる燃料ガス流量及び酸化剤ガス流量と同等に設定することが可能になり、燃料電池スタック１０全体として発電効率の向上を確実に図ることができるという効果が得られる。

具体的には、図７に示すように、親水処理を施さない端部発電セル１２ａ、１２ｂ（対策前）では、結露水の滞留によって燃料ガス及び／又は酸化剤ガスが流れ難くなり、端部セル電圧が急激に低下した。これに対して、親水処理を施した本実施形態では、排水性の向上によって燃料ガス及び酸化剤ガスの流れが円滑に行われ、端部セル電圧を良好に維持することが可能になった。

なお、本実施形態では、端部発電セル１２ａ、１２ｂを構成する第１外側セパレータ６０ａ、６２ａと、必要に応じて第２外側セパレータ６０ｂ、６２ｂとに親水処理を施しているが、これに限定されるものではない。例えば、中央部発電セル１２ｃから端部発電セル１２ａ、１２ｂに向かって段階的、あるいは、連続的に親水性が高くなるように、所定の発電セル１２に親水処理を施してもよい。

本発明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切り欠き側面図である。 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。 接触角が９０度以下の場合の説明図である。 接触角が９０度以上の場合の説明図である。 中央部発電セルと端部発電セルの内部温度説明図である。 親水処理の有無による端部セル電圧と時間との関係説明図である。 特許文献１に開示されている固体高分子型燃料電池の断面説明図である。

符号の説明

１０…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
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…金属セパレータ ２８…固体高分子電解質膜
３０…アノード側電極 ３２…カソード側電極
４０ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ４０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
４２ａ…冷却媒体入口連通孔 ４２ｂ…冷却媒体出口連通孔
４４ａ…燃料ガス入口連通孔 ４４ｂ…燃料ガス出口連通孔
４６…酸化剤ガス流路 ４８…燃料ガス流路
５０…冷却媒体流路
６０ａ、６０ｂ、６２ａ、６２ｂ…外側セパレータ

Claims (4)

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複数積層される燃料電池スタックであって、
   前記発電セルの積層方向の端部に配設される端部発電セルを備え、
   前記端部発電セルを構成する外側セパレータは、少なくとも前記端部発電セルよりも内方に配設される発電セルを構成する内側セパレータに比べ、親水性が高く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、前記外側セパレータにおける水の接触角は、前記内側セパレータにおける水の接触角よりも小さく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、前記外側セパレータは、前記積層方向の端部側に配設される第１外側セパレータと、
   前記積層方向の内側に配設される第２外側セパレータと、
   を備えるとともに、
   前記第１外側セパレータは、前記第２外側セパレータよりも親水性が高く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乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記外側セパレータは、水の接触角が９０度以下であることを特徴とする燃料電池スタック。

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