JP2007194156A

JP2007194156A - 燃料電池モジュール

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Publication number: JP2007194156A
Application number: JP2006013302A
Authority: JP
Inventors: Katsunori Nishimura; 勝憲西村; Yuuki Okuda; 雄希奥田; Jinichi Imahashi; 甚一今橋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-01-23
Filing date: 2006-01-23
Publication date: 2007-08-02
Anticipated expiration: 2026-01-23
Also published as: JP4839855B2

Abstract

【課題】固体高分子形燃料電池の場合、燃料流体，酸化剤流体および冷却水の供給配管と排出配管をそれぞれ各１つずつ要し、１個の電池に最低６ヶ所の配管接続部が必要となる。これらの配管により各電池を直列に接続すると、下流にある電池にはガス不足や電池の冷却不足が生じる。したがって、各電池に対し、一様に流体を供給するためには、各電池を並列に接続する必要があるが、その結果、多数の配管をどのように接続するかが課題となる。また、多数の配管を誤りなく、接続しやすくする必要もある。
【解決手段】燃料供給配管コネクターと、燃料排出配管コネクターと、冷却水供給配管コネクターと、冷却水排出配管コネクターと、酸化剤供給配管コネクターと、酸化剤排出配管コネクターのうちから選ばれた少なくとも３つが、１または２以上の軸方向にて、異種の流体の配管コネクターまたは入出の異なるコネクターが重なり合わないことを特徴とする燃料電池である。
【選択図】図５

Description

本発明は、電解質膜を一対の電極間に配設した単セルと、セパレータとが積層される積層体を備え、前記積層体には、積層方向に少なくとも反応流体を流す複数の反応流体入口連通孔が形成される燃料電池に関する。

固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒と多孔質カーボンまたはカーボンクロスからなるアノード電極及びカソード電極を対設して構成される電解質膜・電極構造体を、セパレータ（バイポーラープレート）によって挟持している。

この燃料電池において、アノード電極側には、主に水素を含有する燃料流体が供給され、カソード電極側には、酸素を含有する酸化剤流体あるいは空気が供給される。アノード電極に供給された水素含有流体は、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電極側へと移動する。イオン化の際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ーとして利用される。

外部より電池に燃料等の流体を供給するため、電池に配管を接続する必要がある。配管の誤接続防止等に関する発明が開示されている（特許文献１）。

特開２００５−１５８２７２号公報

固体高分子形燃料電池の場合、燃料流体，酸化剤流体および冷却水の供給配管と排出配管をそれぞれ各１つずつ要し、１個の電池に最低６ヶ所の配管接続部が必要となる。これらの配管により各電池を直列に接続すると、下流にある電池にはガス不足や電池の冷却不足が生じる。したがって、各電池に対し、一様に流体を供給するためには、各電池を並列に接続する必要があるが、その結果、多数の配管を誤りなく、容易に接続する必要もある。

アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとで挟持された電解質膜とを有する単セルと、燃料ガスと酸化剤ガスと冷媒流体とから選ばれる２種の流体を分離するセパレータとを積層した積層体を一対のエンドプレートで積層方向に挟持した積層型燃料電池を複数備え、
前記一対のエンドプレートの一方には、燃料供給配管コネクターと、燃料排出配管コネクターと、冷却水供給配管コネクターと、冷却水排出配管コネクターと、酸化剤供給配管コネクターと、酸化剤排出配管コネクターとから選ばれた少なくとも３つのコネクターが装着され、
同種の前記コネクターを配管で接続し、
前記配管は、前記一方のエンドプレートの端部平面に投影した場合に略直線状となることを特徴とする燃料電池モジュールである。

本発明によれば、固体高分子型燃料電池をモジュール化した場合に、流体を供給又は排出する配管を容易に接続することができる。

本実施形態の固体高分子型燃料電池は、電解質膜を一対の電極間に配設した膜−電極接合体と、セパレータとが交互に積層される積層体を備え、前記積層体には、積層方向に貫通して少なくとも反応流体を流す複数のマニホールドが形成される燃料電池である。

図１は、本実施形態の燃料電池の例として、固体高分子形燃料電池の断面構造を示す。固体高分子形燃料電池は、水素イオンを透過させる機能を有する固体高分子電解質膜102，当該膜の両面に形成した電極１０３，当該電極１０３を挟持するように配置されたセパレータ１０４からなる基本構成を単セル１０１とし、通常、十分な電力を得るために当該単セルを複数個直列に接続し、集電プレート１１３，１１４，絶縁プレート１０７，エンドプレート１０９、の順に挟持され、締め付けボルト１１６，コイルバネ１１７，締め付けナット１１８によって締め付け保持される。

固体高分子電解質膜１０２は、フッ素系高分子のフッ素の一部をスルホン酸に置換したものが一般的であり、水素イオンを移動させる機能を有する高分子膜であれば、適用可能である。例えば、４フッ化エチレンを基本単位とする高分子鎖に含まれるフッ素原子を２〜５個程度のアルキル鎖（−ＣＦ₂ＣＦ₂−，−ＣＦ₂ＣＦ₂(ＣＦ₃)− など）を介して、当該アルキル鎖の末端にスルホン酸基（−ＳＯ₃Ｈ）を有する高分子膜がある。

電極１０３とは、白金、あるいは白金とルテニウム等の異種元素との合金を電極触媒とし、当該触媒と炭素粉末とバインダーからなる層であり、当該触媒は、水素の酸化反応
（式１）、あるいは酸素の還元反応（式２）を容易にする機能を有する。水素の酸化反応にて生じた水素イオンは、固体高分子電解質膜１０２に受け渡され、当該イオンは反対側の電極１０３にて酸素と結合することにより水が生成する。

Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- （式１）
２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ（式２）
この反応の際に、ガスの拡散、プロトンの移動を伴うため、これらの物質移動抵抗による燃料電池の電圧降下を抑制するため、電極層と固体高分子電解質膜を薄くする必要がある。そこで、固体高分子電解質膜とその両面に電極層を設けた膜−電極接合体を用いる。

セパレータ１０４には、ガスを流通させるための溝（流路と定義する。）が設けられ、当該溝を通じて水素、あるいは酸素または空気が燃料流体連通孔１１０，酸化剤流体連通孔１１２を介して電池外部より供給される。流路に隣接する凸部は電極１０３に押し付けられることにより、電極層と電子の授受を行い、セパレータ１０４と接触する集電プレート１１３，１１４を介して外部に電力を取り出すことができる。セパレータ１０４の溝より供給されるガスを、電極層全体に供給される目的と、電極層全体より低抵抗にて電力を得るために、多孔質の炭素層を電極層とセパレータの間に設ける方法を採用することができる。

セパレータ１０４は、天然黒鉛，人造黒鉛，膨張黒鉛，非晶質炭素等の炭素粉末とフェノール樹脂からなる混合物を圧縮成形した材料、あるいはこの成形体を３００〜１２００℃の高温にて焼結した材料などを選択することができる。形状は４角形またはその他の多角形の板状，円板状の任意の形状をとることができる。また、フェノール樹脂を射出成形により板状または円板状にしたものを焼成し、炭素化した材料を使用することも可能である。本実施形態のセパレータは、これらの炭素材料に限らず、金属からなる材料，樹脂などの非金属，金属と非金属の複合材料から製造されたものであっても良い。

燃料電池端部のエンドプレートには反応流体供給口，反応流体排出口（配管コネクターともいう）が他の流体供給配管等に接触しないように配置される。

複数の燃料電池をモジュールにするとき、燃料電池を一段で横方向に並べる方法や、縦方向に積み上げる方法がある。また、縦横両方に積み上げる方法もある。

複数の電池に３種類の流体の配管を接続するとき、少なくとも、同一の流体について、供給または排出の配管の種類を一致させる必要がある。例えば、燃料ガスの供給配管をする面は、複数の電池ともに同じ面方向にすべきである。このようにしないと、配管が冗長となり、配管による無駄なスペースが増加するからである。

さらに、配管の取り付け易さを考慮すると、３種類の流体の供給配管と排出配管が、全て同一面にあることが、さらに望ましい。同一面内にて、配管作業を集約することができ、配管の誤りを防止することができる。さらに、配管スペースをコンパクトにすることができる。

具体的には、配管コネクターを円形とみなしたときのその円（以降、円Ｏとする）の中心を通り、１つ目の軸方向に平行な直線Ａと円Ｏの中心を通り且つ２つ目の軸方向に平行、または直線Ａに垂直な直線Ｂと、直線Ａ，直線Ｂに平行な円Ｏの接線２本が挟む領域に他の配管コネクターが存在しないように配置することで各電池同士の配管接続を容易にし、配管スペースをコンパクトに、くわえて圧損の少ない燃料電池を提供することができる。また、後述するエンドプレートおよびセパレータの形状には依存しないが望ましい形状としては多角形もしくは円形であり長方形が最もよい。

ここでいう軸方向とは、燃料電池の配置の方向（例えば、図５の矢印Ａ方向，図６の矢印Ｂ方向）、実際に燃料電池を配置したときの同種且つ入出の同じ配管コネクター相互を最短距離で結んだ線分の延長方向のいずれかの軸方向のことである。

図２，図３，図４のように燃料電池３０１の任意の配置を可能にするため、３種類の流体の配管を簡易に接続することが必要である。

それを実現するための配管方法の例として、図５，図６，図７に示す。第一の実施形態として、同一面内に３種類の流体の供給配管と排出配管を集約した場合を取り上げ、図５を用いて、その実施に必要な構成を詳細に説明する。

配管を接続する面を一方向になるように、燃料電池５０１を複数配置する。このとき、横方向（矢印Ｂ方向）のみに積層、縦方向（矢印Ａ方向）にのみ積層、縦横方向に積層した任意の配置をとることができる。

配管はその選択した面に接続する。このとき、同一流体の供給配管と排出配管、ならびに他の流体の配管と重複しないようにするため、電池への配管接続位置が配管の向き、例えば矢印Ａ方向に沿って、重なりあわないことが必要である。例えば、燃料流体供給口
５０２は、同じ供給口同士が同一配管上（この場合は燃料流体供給配管５０８）に存在しても良いが、燃料流体排出口５０３あるいは、酸化剤流体供給口５０４または冷媒流体供給口５０５または酸化剤流体排出口５０７または冷媒流体排出口５０６と重なってはならない。後者のような重複があると、異種の配管同士が重なり合い、接続が困難になってしまう。

そこで、電池の配管接続面における異種の接続口（同種の流体であっても、供給と排出で区別される。）が配管方向に存在しないことが重要である。

さらに、異種の接続口が上の要件を満たすために、燃料電池の単セル１０１の構造も以下のようにすることが必要となる。

図１において、燃料電池の単セル１０１は、２枚のセパレータ１０４とそれに挟持された膜−電極接合体（電解質膜１０２と電極１０３を接合したもの、以降膜−電極接合体と定義），ガス拡散層１０６，ガスケット１０５等からなる。各セルには図示はしないが、少なくとも、１組の燃料ガスの供給口と排出口、１組の酸化剤ガスの供給口と排出口を有する。また、セルからの熱を奪うため、上述の発電セルの他に、冷却水流路を有するセルがあり、同様に、１組の冷却水の供給口と排出口を有する。

電池の配管接続位置からこれらの供給口や排出口に流体を流通させるために、連絡通路を設ける。通常、これをマニホールドと称する。このマニホールドは、屈曲部があると、流体の圧損が増加するので、望ましくは、直線状が良い。その結果、最も圧損を抑えたセル構造にするため、電池の配管接続位置と同じ面内で、セパレータに燃料ガス等の供給口，排出口を設けることになる。

上述の配管接続の観点から、配管方向に異種の接続口を設けない（同種の接続口のみを設ける）ことが必要となるが、そのとき、セル内部の構造が問題となる。図８は、セパレータ構造の一例である。この形状のセパレータを積層し、セルスタックにすると、図９の９０１に示すように、異種の配管同士が接触してしまい、同一面内で配管することができない。

そこで、本発明の第一の実施形態として図１０，図１１，図１２のように、配管接続を考慮したセパレータ構造の採用が、１つの解決方法となる。

セパレータには少なくとも燃料流体，酸化剤流体，冷媒流体を流す流路が設けられている必要がある。各セパレータには少なくとも６つのマニホールドが設けられており、各セパレータはマニホールドを重複無く２つずつ分け合う。セパレータ上で該２つのマニホールドは１本または複数本の流路で接続される。

図１０，図１１，図１２のセパレータは流路の形状が異なっているがマニホールド1001，１００２，１００３，１００４，１００５，１００６の位置はそれぞれが対応している。よって、図１３のようにセパレータ１３０３を積層すると直線的なマニホールド構造となり、エンドプレート１３０１に設けられた流体供給口，流体排出口と接続される。膜−電極接合体１３０２も同様にマニホールド１００１，１００２，１００３，１００４，
１００５，１００６の位置が対応している。また、配管の接続を考慮に入れたマニホールドは配置のため、図１８に示すように異種の配管同士が接触することなく配管を燃料電池１８０１に接続することができる。

また、セパレータの形状に合わせた膜−電極接合体にすることが好ましい。図１０，図１１，図１２のように、セパレータ面内で電極を分割する場合は、その分割数を少なくした方が電極以外の無駄な面積を削減することができるので、可能な限り、分割数を少なくする。望ましい分割数としては、３以下であり、２が最も良い。

さらに、第二の実施形態として、膜−電極接合体を分割することにより図１４に示すような双方向に電流を流すことのできるセパレータを使用することも可能となる。

電気エネルギーを取り出す膜−電極接合体と接する導電プレート１４０２，１４０３は絶縁フレーム１４０１によって固定される。絶縁フレーム１４０１はフッ素樹脂等の絶縁材料で構成される事が望ましい。

図１５に示すようなセパレータの流路パターンを用いることで流体連通孔を共有し積層体の積層数を減らしコンパクトにすることも可能となる。

このとき、図１６に示すような、集電プレートを用いることで、配管接続部と同一面側で電気エネルギーを取り出すことができる。

さらにまた、燃料電池を並べたときには、図１８，図１９に示すように隣り合うまたは、重なり合う燃料電池１８０１の集電プレート１８０２，１８０３にケーブル１８０４を介して接続でき、直流の電気エネルギーを容易に取り出すこともできる。

第三の実施形態として図２０を用いて必要な構成を詳細に説明する。発電セル２００７は膜−電極接合体２００８を燃料流体流路，酸化剤流体流路を設けたセパレータ２００９によって挟持したものである。

発電セル２００７の冷却または保温のため、冷媒流体流路を設けたセパレータ２０１０を発電セル２００７と交互にまたは発電セル２００７を複数積層ごとにセパレータ2010を積層する。生成水の排水性の考慮から燃料流体排出用マニホールドを下部に配置し重力によって排水されるようにすると排水性が向上される。溝部構造をシンプルにし、加工を容易にするため、燃料流体供給マニホールドは燃料流体排出マニホールドと対照的な位置に配置するとよい。

酸化剤流体はセル内の流体中の燃料，酸化剤の濃度を考慮して燃料流体と対向して流すようにするとよい、また溝部構造をシンプルにするため燃料流体同様対照的な配置にするとよい。

冷媒流体マニホールドは燃料電池の温度を均一に保つため放熱の少ない中心部を貫通するようにするとよい。

以上のことから、図１０，図１１，図１２，図１４，図１５のような、配管接続を考慮に入れたセパレータでは、マニホールド１００１を燃料流体排出マニホールド，マニホールド１００２を酸化剤流体供給マニホールド，マニホールド１００３を冷媒流体供給マニホールド，マニホールド１００４を冷媒流体排出マニホールド，マニホールド１００５を燃料流体供給マニホールド，マニホールド１００６を酸化剤流体排出マニホールドとするとさらによい。

マニホールドと流体供給または流体排出口は直線構造であるほうが圧損の少ない燃料電池を提供できるため２０１５を燃料流体排出コネクター、２０１６を酸化剤流体供給コネクター、２０１４を冷媒流体供給コネクター、２０１３を冷媒流体排出コネクター、2011を燃料流体供給コネクター、２０１２を酸化剤流体排出コネクターとするとなおよい。

もし、流体の圧損がある範囲まで許容されるのであれば、セルスタックのエンドプレート部の配管コネクターの位置は、図２１のように配管コネクター２１０１を任意の場所に配置し、２１０２のような電池の配管連絡部とセパレータの間をつなぐ連絡通路部を設け、図８に示すセパレータの各流体のマニホールドに連絡しても良い。このような配置にする事で、２１０３のような空きスペースが確保でき、コントローラ等を配置する事でさらに電池モジュールをコンパクトにする事ができる。

特に、加圧ガス条件で運転する燃料電池システムであれば、圧損の問題を無視できるので、そのままでは配管を交差することなく使用できないセパレータ構造（図８）も、利用することができる。

以上をまとめると、発電効率を重視するシステムでは、発明の一形態として、図１０，図１７のようなものが望ましく、加圧ガス条件で運転できるシステムでは、図８と図１７を組み合わせたものも採用することができる。

以上の実施形態によれば、組電池にした際に配管接続の作業が容易で、且つ、用途に応じた電力を提供できるような、汎用性の高い燃料電池モジュールを提供することができる。

また、セパレータ上及びエンドプレート上の配管コネクターの二次元レイアウトを変更する事で配管接続作業の簡略化，誤配管の防止，配管スペースの省スペース化が可能になる。特に燃料電池の配置方法における汎用性が向上する。

固体高分子形燃料電池の基本構造の概略断面図を示す。燃料電池の概略配置概念図の一例を示す。燃料電池の概略配置概念図の一例を示す。燃料電池の概略配置概念図の一例を示す。本発明の配管接続例を示す。本発明の配管接続例を示す。本発明の配管接続例を示す。セパレータ構造の一例を示す。図８のセパレータを用い、配管を同一平面で行った燃料電池の要部分解斜視図を示す。セルスタック端部から、屈曲部なく、セパレータのマニホールドに燃料流体を供給可能とするセパレータ構造図を示す。セルスタック端部から、屈曲部なく、セパレータのマニホールドに酸化剤流体を供給可能とするセパレータ構造図を示す。セルスタック端部から、屈曲部なく、セパレータのマニホールドに冷媒流体を供給可能とするセパレータ構造図を示す。図１０，図１１，図１２セパレータを使用した発電セルの要部分解斜視図を示す。双方向に電流を流すことのできるセパレータの基本構造図を示す。図１４のセパレータの燃料流体と酸化剤流体を流す溝部の流路パターン例を示す。本発明の第二の実施形態で使用する集電プレートの基本構造図を示す。本発明の概念実施例を示す。図１６の集電プレートを用いたケーブル接続の一例を示す。図１６の集電プレートを用いたケーブル接続の一例を示す。本発明の第三の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図を示す。任意の位置に配管コネクターを配置した際の本発明の実施形態を示す。

符号の説明

１０１…単セル、１０２…電解質膜、１０３…電極、１０４，１３０３…セパレータ、１０５…ガスケット、１０６…ガス拡散層、１０７，２００３，２００４…絶縁プレート、１０８…冷却水セル、１０９，１３０１，２００１，２００２…エンドプレート、110…燃料流体連通孔、１１１…冷媒流体連通孔、１１２…酸化剤流体連通孔、１１３，114,１８０２，１８０３，２００６…集電プレート、１１６…締め付けボルト、１１７…コイルバネ、１１８…締め付けナット、３０１，５０１，１８０１…燃料電池、５０２…燃料流体供給口、５０３…燃料流体排出口、５０４…酸化剤流体供給口、５０５…冷媒流体供給口、５０６…冷媒流体排出口、５０７…酸化剤流体排出口、５０８…燃料流体供給配管、９０１…配管同士の接触、９０２…膜−電極接合体、１００１，１００２，１００３，１００４，１００５，１００６…マニホールド、１３０２…膜−電極接合体、１４０１…絶縁フレーム、１４０２，１４０３…導電プレート、１８０４…ケーブル、２００５…図１６の集電プレート、２００７…発電セル、２００８…膜−電極接合体、２００９…図
１５のセパレータ、２０１０…図１２のセパレータ、２０１１…燃料流体供給コネクター、２０１２…酸化剤流体排出コネクター、２０１３…冷媒流体排出コネクター、２０１４…冷媒流体供給コネクター、２０１５…燃料流体排出コネクター、２０１６…酸化剤流体供給コネクター、２１０１…配管コネクター、２１０２…配管連絡部、２１０３…空きスペース、２１０４…配管コネクター配置位置。

Claims

燃料ガスと酸化剤ガスと冷媒流体とから選ばれる２種の流体を分離するセパレータで挟持された電解質膜を有する単セルを積層した積層体を一対のエンドプレートで積層方向に挟持した燃料電池を複数備え、
前記一対のエンドプレートの一方には、燃料供給配管コネクターと、燃料排出配管コネクターと、冷却水供給配管コネクターと、冷却水排出配管コネクターと、酸化剤供給配管コネクターと、酸化剤排出配管コネクターとから選ばれた少なくとも３つのコネクターが装着され、
同種の前記コネクターを配管で接続し、
前記配管は、前記一方のエンドプレートの端部平面に投影した場合に略直線状となることを特徴とする燃料電池モジュール。
燃料ガスと酸化剤ガスと冷媒流体とから選ばれる２種の流体を分離するセパレータで挟持された電解質膜を有する単セルを積層した積層体を一対のエンドプレートで積層方向に挟持した燃料電池を複数備え、
前記一対のエンドプレートの一方には、燃料供給配管コネクターと、燃料排出配管コネクターと、冷却水供給配管コネクターと、冷却水排出配管コネクターと、酸化剤供給配管コネクターと、酸化剤排出配管コネクターとから選ばれた少なくとも３つのコネクターが装着され、
前記コネクターの配管接続方向には、同種のコネクターのみがあることを特徴とする燃料電池モジュール。
燃料供給マニホールドと、燃料排出マニホールドと、冷却水供給マニホールドと、冷却水排出マニホールドと、酸化剤供給マニホールドと、酸化剤排出マニホールドのうちから選ばれた少なくとも３つが、略長方形のエンドプレートの対角線上に並んでいることを特徴とする燃料電池。
燃料供給マニホールドと、燃料排出マニホールドと、冷却水供給マニホールドと、冷却水排出マニホールドと、酸化剤供給マニホールドと、酸化剤排出マニホールドとが、略長方形のエンドプレートの対角線上に並んでいることを特徴とする燃料電池。
請求項３又は４記載の燃料電池を略直線状の配管で同種のコネクターを接続したことを特徴とする燃料電池モジュール。