JP2007250189A - 燃料電池スタック - Google Patents

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Abstract

【課題】起動時、または停止時に生じる劣化を抑制した燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】集電板4と当接する積層体3の両端部のアノードセパレータ、またはカソードセパレータとにおける単位セル2a、2bの積層方向と交差する方向の電子の流れを、集電板4の電気抵抗によって律速させる。起動時、または停止時に集電板と積層体の接触面圧を通常の面圧より低くすることによって集電板の電子の流れの速度を妨げることで燃料電池スタックの劣化を抑制する。
【選択図】図1

Description

本発明は燃料電池スタックに関するものである。
燃料電池スタックの集電体は、集電体における抵抗損失を低減することで、燃料電池スタックによって発電された電力を効率良くモータなどの電力消費手段に供給できる。そのため集電板に導電性の高い部材や構造を使用するものが特許文献1に開示されている。これによって燃料電池スタックの高出力化を図っている。
特開2004−31010公報
燃料電池を移動体、例えば自動車用の動力源として活用する時においては、起動停止動作が頻繁に行われる。燃料電池停止中においてはアノード、カソードともに供給すべき燃料(水素)および空気の供給を停止した状態で放置される。または、停止操作手順としてアノード中の残留水素を強制的に排気する為に空気や窒素等の不活性ガスでパージする方法や、アノード中の残留水素を酸素等と反応させ消費するなどの停止方法があるが、いずれの場合においても長時間の停止中にはアノードにも大気が侵入しアノード中に酸素(空気)が存在する状態となる。
この状態、すなわちアノード、カソード共に空気が混入した状態から燃料電池システムを起動させる場合、アノード側ガス流路に水素を供給し始めた初期の期間では、アノードで水素の流れ方向において上流に位置する領域に、まず水素が供給されるので、水素と空気が混在する状態が起こりうる。この様な状況においては、水素の平衡電位は0[V]、空気の平衡電位は約1.2[V]であることから、発生した電位差に応じて、アノードの水素が存在する領域においては以下の式(1)に示す反応が、空気が存在する領域においては以下の式(2)に示す反応が起こり、アノード内で電子の流れが発生する。
2→2H++2e- ・・・式(1)
1/2O2+2H++2e-→H2O ・・・式(2)
このとき、アノードの水素が存在する領域と向かい合うカソードにおいては、式(3)に示す反応が、アノードの空気が存在する領域と向かい合うカソードにおいては式(4)に示す反応が起こる。
2H++2e-+1/2O2→H2O ・・・式(3)
C+2H2O→CO2+4H++4e- ・・・式(4)
式(4)に示す反応が起こる事で、Pt等の触媒を担持しているカーボン担体の酸化が起こり、カソードの電極触媒層性能が劣化し、その後の燃料電池の性能を低下させる要因となる。
燃料電池スタックの場合、小型化の観点からセパレータは非常に薄い構造とすることが望ましく、従ってセパレータは通常平面方向(反応面と平行方向)の導電性よりも厚さ方向の導電性の方が遥かに大きい。さらに、単位セルの場合はアノード側で発生した電位差に応じてアノード内の平面方向に電子の流れが生じるが、燃料電池スタックの場合は、端部の単位セルを除いてその両側に別の単位セルが存在する為、アノードで発生した電位差に応じて隣り合うセル間にも電子の流れが生じる。
このとき、例えば端部の単位セルにおいては、もっとも外側に位置する集電板の平面方向に電子の流れが生じる。その結果、燃料電池スタック全体で閉回路が形成される。
この様な場合には、集電板の導電性が高いと集電板内における電流量が多くなる為、燃料電池スタックの性能劣化が加速されるという問題点がある。
本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、燃料電池スタックでの電子の流れを妨げることで、燃料電池スタックの劣化を抑制することを目的とする。
本発明では、電解質膜と、電解質膜を挟持する燃料極と酸化剤極と、燃料極と酸化剤極との両側に設けたセパレータと、から構成する単位セルと、単位セルを複数積層した積層体と、積層体の両端部に設けた集電板と、を備えた燃料電池スタックにおいて、集電板と、集電板と当接するセパレータと、の単位セルの積層方向と交差する方向の電子の流れは、集電板の電気抵抗によって律束される。
本発明によると、積層体のカーボン担体の腐食劣化を抑制し、燃料電池スタックの劣化を抑制できる。
本発明の実施形態で用いる燃料電池スタック1について図1、図2を用いて説明する。図1は燃料電池スタック1の概略構成図の正面図である。図2は燃料電池スタック1の概略構成図の側面図である。
燃料電池スタック1は、後述する単位セル2a、2bを交互に積層して構成した積層体3と、積層体3の両側に設けた集電板4と、集電板4の外側に設けたエンドプレート5と、を備える。なお、図示しないが、エンドプレート5の更に外側に積層体3の面圧を一定に保つためにプレッシャプレート、皿バネなどの弾性部材などを設けても良い。
また、外部から燃料電池スタック1へ燃料ガスとして水素を導入する水素導入マニホールド6a、6bと、単位セル2a、2bの発電反応に使用されなかった排出水素を燃料電池スタック1の外部へと排出するための水素排出マニホールド7a、7bと、外部から燃料電池スタック1へ酸化剤ガスとして空気を導入する空気導入マニホールド8a、8bと、単位セル2a、2bの発電反応に使用されなかった排出空気を燃料電池スタック1の外部へと排出するための空気排出マニホールド9a、9bと、燃料電池スタック1の温度を調整するための冷却水を燃料電池スタック1へ導入する冷却水導入マニホールド10と、燃料電池スタック1から冷却水を排出するための冷却水排出マニホールド11と、を備える。
集電板4は、導電性の板であり、燃料電池スタック1とモータなどの外部負荷とを電気的に接続するための部材であり、集電板4と外部負荷とを接続することで、積層体3によって発電した電力を外部へ取り出すことができる。
次に積層体3を構成する単位セル2a、2bについて、図3、図4を用いて説明する。図3は単位セル(第1の単位セル)2aの概略構成図である。図4は単位セル(第2の単位セル)2bの概略構成図である。
単位セル2aはプロトン伝導性を有する高分子電解質膜(以下、電解質膜とする)20を、一対の電極であるカソード(酸化剤極)21とアノード(燃料極)22とにより狭持して構成する。
カソード21は、カーボン繊維等の多孔質体であるガス拡散層23bとPt等の触媒を担持したカーボン担体である触媒層23aとによって構成する。同様に、アノード22は、ガス拡散層24bと触媒層24aとによって構成する。
また、単位セル2aは、カソード21の外側にカソードセパレータ25を備え、カソードセパレータ25においては、カソード21と当接する面に空気が流通する空気流路26を設ける。また、アノード22の外側にアノードセパレータ27を備え、アノードセパレータ27においては、アノード22と当接する面に水素が流通する水素流路28を設ける。
ここでアノードセパレータ27について図5を用いて説明する。図5はアノードセパレータ27を電解質膜20から見た正面図である。
アノードセパレータ27は、カーボンセパレータである。アノードセパレータ27は、水素導入マニホールド6a、6bと、水素排出マニホールド7a、7bと、空気導入マニホールド8a、8bと、空気排出マニホールド9a、9bと、冷却水導入マニホールド10と、冷却水排出マニホールド11と、水素流路(第1の水素流路)28と、を備える。アノードセパレータ27の水素流路28は、水素導入マニホールド(第1の水素導入マニホールド)6aと水素排出マニホールド(第1の水素排出マニホールド)7aと連通し、水素導入マニホールド6b、水素排出マニホールド7bとは連通していない。これにより、水素流路28において、水素は図5中の矢印の方向に流れる。
カソードセパレータ25について、詳しい説明は省略するが、カソードセパレータ25もアノードセパレータ27と同様にカーボンセパレータであり、水素導入マニホールド6a、6bなどを備える。なお、カソードセパレータ25の空気流路26は、空気導入マニホールド8aと空気排出マニホールド9aと連通し、空気導入マニホールド8bと空気排出マニホールド9bとは連通していない。
単位セル2bはプロトン伝導性を有する高分子電解質膜(以下、電解質膜とする)30を、一対の電極であるカソード(酸化剤極)31とアノード(燃料極)32とにより狭持して構成する。
カソード31は、カーボン繊維等の多孔質体であるガス拡散層33bとPt等の触媒を担持したカーボン担体である触媒層33aとによって構成する。同様に、アノード32は、ガス拡散層34bと触媒層34aとによって構成する。
また、単位セル2bは、カソード31の外側にカソードセパレータ35を備え、カソードセパレータ35においては、カソード31と当接する面に空気が流通する空気流路36を設ける。また、アノード32の外側にアノードセパレータ37を備え、アノードセパレータ37においては、アノード32と当接する面に水素が流通する水素流路38を設ける。
ここでアノードセパレータ37について図6を用いて説明する。図6はアノードセパレータ37を電解質膜30から見た正面図である。
アノードセパレータ37は、カーボンセパレータである。アノードセパレータ37は、水素導入マニホールド6a、6bと、水素排出マニホールド7a、7bと、空気導入マニホールド8a、8bと、空気排出マニホールド9a、9bと、冷却水導入マニホールド10と、冷却水排出マニホールド11と、水素流路(第2の水素流路)38と、を備える。水素流路38は、水素導入マニホールド(第2の水素導入マニホールド)6bと水素排出マニホールド(第2の水素排出マニホールド)7bと連通し、水素導入マニホールド6aと水素排出マニホールド7aとは連通していない。これにより、水素流路38において、水素は図6中の矢印の方向に流れる。
積層体3では、単位セル2aの水素流路28の水素流れ方向の上流側と単位セル2bの水素流路38の水素流れ方向の下流側とが向かい合い、かつ単位セル2aの水素流路28の水素流れ方向下流側と単位セル2bの水素流路38の水素流れ方向の上流側とが向かい合う。これにより、単位セル2a、2bでは水素の流れる方向は逆方向、すなわち対向する流れとなる。
カソードセパレータ35について、詳しい説明は省略するが、カソードセパレータ35もアノードセパレータ37と同様にカーボンセパレータであり、水素導入マニホールド6a、6bなどを備える。なお、カソードセパレータ35の空気流路36は、空気導入マニホールド8bと空気排出マニホールド9bと連通し、空気導入マニホールド8aと空気排出マニホールド9aとは連通していない。
積層体3の単位セル2a、2bでは、空気の流れも、水素と同様対向する流れとなる。
以上の構成によって、単位セル2a、2bを流れる水素、空気の流れ方向は、単位セル2aと単位セル2bとでは逆方向となる。
なお、この実施形態では、空気導入マニホールド、または空気排出マニホールドを空気導入マニホールド8a、8bと空気排出マニホールド9a、9bのそれぞれ2つ備えるが、1つの空気導入マニホールドと空気排出マニホールドから空気を導入してもよい。すなわち、単位セル2a、2bにおいて空気の流れを同一方向としてもよい。
燃料電池スタック1では、通常運転時には、空気が触媒層23a、33aの触媒に接触し、水素が触媒層24a、34aの触媒に接触することにより、アノード22、32では式(1)の反応が生じ、水素がプロトンと電子に分離される。プロトンは電解質膜20、30内部を移動してカソード21、31側に到達し、電子は外部回路を流れて、出力として取り出される。一方、カソード21、31では、電解質膜20、30内を移動してきたプロトン、外部回路を介して移動してきた電子、および空気中の酸素により形成される三相界面上で式(3)に示すような反応が生じる。
このような単位セル2a、2bを積層して構成した積層体3を有する燃料電池スタック1を移動体、例えば自動車用の動力源として活用した場合には、起動/停止が頻繁に繰り返される。燃料電池スタック1の停止中には、アノード22、32に水素が、およびカソード21、31に空気が供給された状態で放置され、燃料電池スタック1が長時間放置された場合には、外部から空気が浸入して水素流路28、38内に空気が存在する可能性がある。または、停止時に空気により水素流路28、38をパージした場合には、水素流路28、38内には空気が存在する。
このように水素流路28、38内に空気が存在する状態からシステムを起動すると、起動時、または停止の際に空気によってアノード22、32をパージする時(以下、停止時とする)に単位セル2a、2b内は、図15に示すような状態となる。なお、図15は単位セル2aについて説明するものであるが、単位セル2bについても同じ状態となる。
空気流路26内には空気が充満し、水素流路28には、導入が開始された水素が存在する領域Aと、空気が存在する領域Cと、が形成され、水素と空気との界面である水素/空気フロントBが形成される。
この場合、水素の平衡電位は0V、空気の平衡電位は約1.2Vであることから、アノード22の領域Aと領域Cとの間に電位差が生じる。このとき、発生した電位差に応じて、アノード22の領域Aにおいては式(1)の反応が、アノード22の領域Cにおいては式(3)の反応が起こり、アノード22内を領域Aから領域Cへと電子が流れる。一方、アノード22の領域Cでは式(3)の反応によりプロトンが不足する。これらを解消する為に、カソード21の領域Aでは式(3)の反応が、カソード21の領域Cでは式(4)の反応が起こる。つまり、カソード21の領域Cで、触媒を担持しているカーボン担体の腐食が生じ、単位セル2aにおける発電性能が低下する。
この実施形態では積層体3を構成する単位セル2a、2bにおける式(4)のカーボン担体の腐食反応を抑制し、燃料電池スタック1の劣化を抑制する。
まず、積層体3における式(4)のカーボン担体の腐食反応抑制について説明する。
積層体3は単位セル2a、2bとを交互に積層して構成され、隣接する単位セル2a、2bでは単位セル2aのアノードセパレータ27と単位セル2bのカソードセパレータ25とが当接、または単位セル2aのカソードセパレータ25と単位セル2bのアノードセパレータ37とが当接する。
燃料電池システムの起動時、または停止時に式(1)、式(4)によって生じた電子は、単位セル2a、2b内で生じる電位差に応じて、アノードセパレータ27、37、またはカソードセパレータ25、35内を単位セル2a、2bを積層する方向と交差する方向、つまり平面方向へ移動し、さらにアノードセパレータ27、37、またはカソードセパレータ25、35を介して、隣接する単位セル2a、2b間でも移動する。
このとき水素の流れる方向が同一の単位セル(例えば単位セル2aのみ)を積層すると、図16に示すように電子を生じさせる式(1)と電子を消費する式(3)、さらに電子を生じさせる式(4)と電子を消費する式(2)の反応が、隣接する単位セルで向かい合って生じる。単位セルのセパレータでは、単位セルの積層方向の厚さは、単位セルの平面方向の長さよりも短いので、単位セルの積層方向の電気的な抵抗が小さい。そのため、隣接する単位セルにおいて、電子を生じさせる式(1)と電子を消費する式(3)、電子を生じさせる式(4)と電子を消費する式(2)の反応が向かい合うと、隣接する単位セル間で電子の流れが大きくなる。これにより、燃料電池システムの起動時、または停止時に式(4)の反応が生じやすくなり、単位セルの劣化、すなわち燃料電池スタックの劣化が大きくなる。
この実施形態では、積層体3において、単位セル2a、2bを交互に積層することで水素の流れる方向を逆方向とし、図7に示すように燃料電池システムの起動時、または停止時に隣接する単位セル2a、2bでは、電子を生じさせる式(1)、(4)と電子を消費する式(2)、(3)とがそれぞれ向かい合うようにする。これにより、電子の流れは単位セル2a、2bの平面方向へ流れが多くなり、アノードセパレータ27、37、またはカソードセパレータ25、35内での電気的な抵抗が大きくなるので、式(4)の反応を抑制することができる。
なお、アノードセパレータ27、37とカソードセパレータ25、35を比較的電気抵抗が高い材料(例えばステンレス材)と比較的電気抵抗が低い材料(例えば銅)などを平面方向に交互に配置して構成してもよい。特に、比較的電気抵抗が高い材料をより絶縁体に近くし、これらをより短い寸法で配置することが望ましい。これによって、平面方向の電気的な抵抗を大きく、または調整することができ、電子の流れを妨げることで式(4)によるカーボン担体の腐食反応を抑制することができる。
また、ガス拡散層23b、24b、33b、34bにおいても比較的電気抵抗が高い材料と比較的電気抵抗が低い材料とを平面方向に配置してもよい。ガス拡散層23b、24b、33b、34bを電子の一部が流れるが、これによって平面方向の電子の流れを妨げ、式(4)によるカーボン担体の腐食反応を抑制することができる。
次に、集電板4による積層体3のカーボン担体の腐食反応抑制について説明する。
燃料電池システムの起動時、または停止時に積層体3において単位セル2a、2bの積層方向へ流れる電子の一部は、積層体3の端部に位置する単位セル2a、2bのアノードセパレータ27、37またはカソードセパレータ25、35から集電板4の内部へ流れる。これにより、燃料電池システムの起動時、停止時には、単位セル2a、2bの積層方向と、集電板4または集電板4と当接するアノードセパレータ27、37またはカソードセパレータ25、35の平面方向と、によって形成する電子の流れが生じる。前述するように、単位セル2a、2bの積層方向への電子の流れによって、式(4)の反応によりカソード21、31のカーボン担体の腐食反応が生じる。
そこで、この実施形態では、集電板4における電子の流れを抑制し、単位セル2a、2bの積層方向への電子の流れを抑制し、式(4)の反応によるカソード21、31のカーボン担体の腐食反応を抑制する。
燃料電池システムの起動時、または停止時に、単位セル2a、2bのアノード22において式(1)、(2)の反応が生じると、その反応量に応じて分極が生じ、アノード22の電位は平衡電位から変化する。この変化は、式(5)によって表すことができる。
なお、i0:交換電流密度、αa:アノード反応通過係数、αc:カソード反応通過係数、n:電荷数、F:ファラデー定数、η:分極、R:気体定数、T:温度、iLa:アノード限界電流密度、iLc:カソード限界電流密度である。
また、アノードセパレータ27、37と集電板4の内部を流れる電流と電流に伴う電位分布は、式(6)によって表すことができる。
なお、k:導電率、Φ:電位である。
ここで式(5)を境界条件として領域A、領域Cに与えてアノードセパレータ27、37内の電位分布を式(6)により2次元的に計算することで、燃料電池システムの起動時、停止時に集電板4と、集電板4と当接する積層体3の単位セル2a、2bのアノードセパレータ35、37における総電流量を算出することができる。
なお、領域Aにおいては、式(5)の条件として、R:8.314(J/mol/K)、F:96485(C/mol)、T:80(℃)、E:0(V)、n:2、i0:1.00×10−1(Acm−2)、αa:0.5、αc:0.5、iLa:2(Acm−2)、iLc:−3(Acm−2)とする。
また、領域Cにおいては、式(5)の条件として、R:8.314(J/mol/K)、F:96485(C/mol)、T:80(℃)、E:1.17(V)、n:4、i0:1.00×10−6(Acm−2)、αa:0.75、αc:0.75、iLa:3(Acm−2)、iLc:−2(Acm−2)とする。なお、分極ηと、電位Φと標準電極電位Eとの関係は、η=Φ−Eである。
また、アノードセパレータ27、37の厚さを1mmとし、集電板4の厚さを5mm〜50mmとする。
その結果を図8に示す。図8は集電板4の平面方向の電気的な抵抗値を集電板4に当接するアノードセパレータ27、37の平面方向の電気的な抵抗値で除した抵抗比(以下、集電板−セパレータ抵抗比とする)と、集電板4と当接する単位セル2a、2bの劣化率と、の関係を示した図である。なお、燃料電池システムの起動時、または停止時に式(6)によって算出した電流は式(4)によって生じる電流に対応することから、図8においては縦軸を単位セル2a、2bの劣化率とした。
これによると、集電板−セパレータ抵抗比を大きく、つまり集電板4の抵抗値を当接するアノードセパレータ27、37の抵抗値に対して大きくする程、単位セル2a、2bにおける劣化を抑制することができる。これは、集電板4の抵抗値が大きくなると電気化学反応が集電板4の抵抗値により律束するためである。特に図8において、集電板−セパレータ抵抗比を約0.005以上とすることで、集電板4と当接する単位セル2a、2bの劣化を抑制することができる。また、集電板−セパレータ抵抗比が約1以上となると劣化抑制効果が低くなる。そのため、集電板−セパレータ抵抗比は0.005以上1以下とすることが望ましい。
集電板4または、集電板4と当接する単位セル2a、2bのアノードセパレータ27、37の平面方向の電子の流れを抑制することで、積層体3においても、単位セル2a、2bの積層方向への電子の流れを抑制することができる。そのため、単位セル2a、2bのカソードセパレータ25、35のカーボン担体の腐食反応を抑制することができる。
一方、集電板4の抵抗値を大きくすると集電板4内での抵抗損失が大きくなる。これにより燃料電池システムの通常の運転時には、集電板4に任意の位置に設けた電流取り出し部(図示せず)から取り出すまでに集電板4で消費される電力が大きくなるので、燃料電池スタック1の発電効率が低下する。
ここで、電流密度を1A/cm2とした場合に集電板4によって発生する抵抗損失を式(6)により二次元的に計算することにより算出し、その結果を図9に示す。図9は集電板−セパレータ抵抗比と集電板4における抵抗損失との関係を示す図である。
これによると集電板−セパレータ抵抗比を約0.1以上とすると抵抗損失の増加が特に大きくなる。そのためこの実施形態では図8と図9とに示す結果から集電板−セパレータ抵抗比を0.005以上0.1以下とする。
ここでは集電板4と、集電板4と当接する単位セル2a、2bのアノードセパレータ27、37との関係について説明したが、集電板4と、集電板4と当接する単位セル2a、2bのカソードセパレータ25、35と、においても同様である。
なお、この実施形態ではアノードセパレータ27、37、カソードセパレータ25、35としてカーボンセパレータを使用したが、金属セパレータ(例えばSUS314)を用いてもよい。金属セパレータの比抵抗を75μΩcm、金属セパレータの厚さを0.5mmとし、上記と同様に式(5)、(6)を用いて集電板−セパレータ抵抗比と、集電板4と当接する単位セル2a、2bの劣化率と、の関係を図10に示す。また、集電板−セパレータ抵抗比と、集電板4の抵抗損失との関係を図11に示す。これによると金属セパレータを用いた場合には、集電板−セパレータ抵抗比を0.05以上10以下とすることが望ましく、さらには集電板−セパレータ抵抗比を0.05以上1以下とすることが望ましい。
集電板−セパレータ抵抗比を設定する方法としては、集電板4の厚さ、材料を選択することで集電板−セパレータ抵抗比を設定することができる。例えば集電板4の厚さを薄くし、または集電板4を比較的電気抵抗が高い材料(例えばステンレス材)と比較的電気抵抗が低い材料(例えば銅)などを平面方向に積層して構成してもよい。
以上の構成によって、水素が流れる方向が逆方向となる単位セル2a、2bとを交互に積層することで、燃料電池システムの起動時、停止時にカソード21、31で生じるカーボン担体の腐食反応を抑制することができる。また、集電板4の平面方向の電子の流れを抑制することで、単位セル2a、2bのカソード21、31で生じるカーボン担体の腐食反応を抑制することができる。これらによって燃料電池スタック1の劣化を抑制することができる。
次に燃料電池スタック1を有する燃料電池システムについて図12の構成概略図を用いて説明する。
燃料電池システムは、燃料電池スタック1と、燃料電池スタック1に水素を供給する水素供給系41と、燃料電池スタック1に空気を供給する空気供給系42と、燃料電池スタック1で発電した電力を消費する例えばモータなどの外部負荷43と、水素濃度が低くなった排出水素を燃焼し、燃料電池システムの外部へ排出する排ガス処理装置44と、を備える。
水素供給系41は、水素ボンベ50と、循環コンプレッサ51と、を備える。また、水素ボンベ50から燃料電池スタック1へ水素を供給するための水素供給流路52と、水素供給流路52が分岐し水素導入マニホールド6aと連結する水素供給流路52aと、水素供給流路52が分岐し水素導入マニホールド6bと連結する水素供給流路52bと、水素排出マニホールド7aと連結する水素排出流路53aと、水素排出マニホールド7bと連結する水素排出流路53bと、水素排出流路53aと水素排出流路53bとが合流して構成され、排出水素を再び燃料電池スタック1に環流する水素循環流路54と、水素濃度が低くなった排出水素を排ガス処理装置44へ導入する水素排出流路55と、を備える。なお、水素排出流路55にはバルブ56を備える。
空気供給系42は、コンプレッサ60を備える。また、コンプレッサ60から燃料電池スタック1へ空気を供給する空気供給流路61と、空気供給流路61が分岐し空気導入マニホールド8aと連結する空気供給流路61aと、空気供給流路61が分岐し空気導入マニホールド8bと連結する空気供給流路61bと、空気排出マニホールド9aと連結する空気排出流路62aと、空気排出マニホールド9bと連結する空気排出流路62bと、空気排出流路62aと空気排出流路62bとが合流して構成され、排出空気を排ガス処理装置44へ導入する空気排出流路62と、を備える。
また、水素供給流路52と空気供給流路61とを連結する連結流路70と、連結流路70に配設するバルブ71と、を備える。
排ガス処理装置44には、アノード22、32に例えば窒素などのガスが混入し、排出水素中の水素濃度が低くなった場合に、バルブ56が開かれ水素排出流路55を介して排出水素が導入され、また空気排出流路62から空気が導入される。排ガス処理装置44は、燃焼触媒などによって、排出水素中の水素を燃焼させて、燃焼によって生じたガスを燃料電池システムの外部へ排出する。
燃料電池システムは、外部負荷43の出力に応じて、水素流量を調整し、コンプレッサ60による空気流量を調整し、またバルブ46の開閉を行うコントロールユニット100を備える。
以上の構成によって、燃料電池システムの起動時に水素ボンベ50、または循環コンプレッサ51から燃料電池スタック1の単位セル2a、2bのアノード22、32に水素を供給し、またコンプレッサ60から単位セル2a、2bのカソード21、31に空気を供給することができる。
また、燃料電池システムの停止時は、バルブ56を開くことで、単位セル2a、2bのアノード22、32にコンプレッサ60から空気を供給することができる。
本発明の第1実施形態の効果について説明する。
この実施形態では、積層体3の両端部に位置し、集電板4と当接する単位セル2a、2bのアノードセパレータ27、37、またはカソードセパレータ25、35と、集電板4と、における単位セル2a、2bの積層方向と交差する方向への電子の流れを、集電板4の電気抵抗によって律束させる。例えば、集電板4と、集電板4と当接するアノードセパレータ27、37、またはカソードセパレータ25、35と、の電気的な抵抗値の抵抗比を約0.005以上とする。これによって、燃料電池システムの起動時、または停止時にアノード22、32に水素と空気とが混在する場合でも、集電板4と、集電板4と当接するアノードセパレータ27、37、またはカソードセパレータ25、35と、の平面方向の電子の流れを妨げ、これにより、単位セル2a、2bの積層方向と、集電板4または集電板4と当接するアノードセパレータ27、37、カソードセパレータ25、35の平面方向と、によって形成する電子の流れを抑制し、積層体3のカソード21、31におけるカーボン担体の腐食反応を抑制し、燃料電池スタック1の劣化を抑制することができる。
また、集電板4と当接するアノードセパレータ27、37、またはカソードセパレータ25、35と、の電気的な抵抗値の抵抗比を約1以下とすることで、集電板4における消費電力を小さくし、燃料電池スタック1の発電効率の低下を抑制することができる。
単位セル2a、2bの水素流路28、38を流れる水素の流れ方向を逆方向とし、単位セル2a、2bとを交互に積層して積層体3を構成する。これによって燃料電池システムの起動時、または停止時に隣接する単位セル2a、2bで、電子を生じさせる式(1)、(4)と電子を消費する式(2)、(3)とを向かい合わせる。そのため、積層体3において、電子の流れはアノードセパレータ27、37、またはカソードセパレータ25、35内での平面方向への流れが多くなり、アノードセパレータ27、37、またはカソードセパレータ25、35内での電気的な抵抗が大きくなるので、単位セル2a、2bのカソード21、31における式(4)のカーボン担体の腐食反応を抑制することができ、燃料電池スタック1の劣化を抑制することができる。
次に本発明の第2実施形態について図13の燃料電池システム概略構成図を用いて説明する。
この実施形態では、第1実施形態の水素供給流路52bと水素循環流路54とを連結するバイパス流路80と、水素供給流路52aと水素排出流路53bとを連結するバイパス流路81と、を備える。また、水素供給流路52bに配設するバルブ82と、バイパス流路81に配設するバルブ83と、バイパス流路80に配設するバルブ84と、水素排出流路53bに配設するバルブ85と、を備える。なお、その他の構成については第1実施形態と同じ構成なので、ここでの説明は省略する。
以上の構成によって、燃料電池スタック1において、単位セル2a、2bを流れる水素の流れ方向を切り替えることができる。
ここで、燃料電池システムの起動時、停止時には、バルブ82、85を開き、バルブ83、84を閉じることで、単位セル2a、2bに流れる水素の流れ方向を逆方向とすることができる。また、燃料電池システムの通常の運転時には、バルブ82、85を閉じ、バルブ83、84を開くことで、単位セル2a、2bに流れる水素の流れ方向を同じ方向とすることができる。
この実施形態では、バルブ82〜85の操作によって、単位セル2bに流れる水素の流れ方向を切り替えることができる。つまり、バルブ82、85を開き、バルブ83、84を閉じることで、水素導入マニホールド6bから水素流路38へ水素が供給され、水素排出マニホールド7bから排出水素が排出される。バルブ82、85を閉じ、バルブ83、84を開くことで、水素排出マニホールド7bから水素流路38へ水素が供給され、水素導入マニホールド7aから排出水素が排出される。
本発明の第2実施形態の効果について説明する。
この実施形態においても第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
次に本発明の第3実施形態について図14の燃料電池システムの概略構成図を用いて説明する。なお、図14には説明のため燃料電池スタック1と外部負荷43とを示す。
この実施形態では、集電板4に複数の集電ハーネス(電力取り出し手段)90を備える。また、外部負荷43と集電ハーネス90との電気的な接続状態を切り替えるスイッチ(切替手段)91を備える。その他の構成については第1実施形態と同じ構成なので、ここでの説明は省略する。
集電ハーネス90は、積層体3によって発電した電力を集電板4から取り出す。集電板4に集電ハーネス90を複数設けることで、燃料電池スタック1の通常の発電時に、電子が集電板4を流れる距離を短くすることができ、集電板4の電気的抵抗によって消費される電力を少なくする。
スイッチ91は、燃料電池スタック1の通常の発電時には、ONとなり集電ハーネス90と外部負荷43とを電気的に接続し、燃料電池スタック1から電力を取り出す。また、燃料電池スタック1の起動時、停止時には、OFFとなり集電ハーネス90と外部負荷43との電気的な接続を解除する。
本発明の第3実施形態の効果について説明する。
この実施形態では集電板4に複数の集電ハーネス90を配設し、集電ハーネス90と外部負荷43との電気的な接続を切り替えるスイッチ91を備える。これにより、燃料電池スタック1の起動時、または停止時にスイッチ91をOFFとして、集電板4と外部負荷43との電気的な接続を解除し、単位セル2a、2bにおける式(4)のカーボン担体の腐食反応を抑制することができる。さらに、燃料電池スタック1の通常の発電時にスイッチ91をONとすることで、単位セル2a、2bの発電反応によって生じた電子が集電板4を流れる距離を短くし、集電板4で消費される電力を少なくすることで、燃料電池スタック1の発電効率の低下を抑制することができる。
本発明の第4実施形態の燃料電池スタックの構成を図17の概略構成図を用いて説明する。図17は燃料電池スタックの一部の断面を示す断面図である。この実施形態においては第1実施形態と異なる構成を中心に説明し、第1実施形態と同じ構成のものについては説明を省略する。
燃料電池スタック110は、積層体3と、積層体3を締結する締結部113と、単位セル2a、2bによって発電した電力を外部へ取り出すための集電板114と、集電板114の外側に設けたエンドプレート115と、締結部113内の空間で集電板114を単位セル2a、2bの積層方向に移動させる駆動部116と駆動ネジ117と、エンドプレート115と締結部113との間に設けたスプリング118と、を備える。なお、締結部113は図示しないが第1実施形態の水素導入マニホールド6a、6bなどを備える。
締結部113は、積層体3の面圧が所定面圧となるように積層体3を締め付ける。締結部113は、単位セル2a、2bの積層方向であり、積層体3に隣接する箇所に空間113aを有しており、空間113a内に集電板114とエンドプレート115が空間113a内を移動可能に配設される。なお、締結部113と積層体3、つまり単位セル2a、2bとは絶縁されている。
集電板114は、導電性の板であり、積層体3と例えばモータなどの外部負荷とを電気的に接続するための部材であり、積層体3の一方の端部に位置する単位セル2a、2bのアノードセパレータ27、37またはカソードセパレータ25、35と当接し、集電板114と外部負荷とを電気的に接続することで、積層体3によって発電した電力を外部へ取り出すことができる。集電板114はエンドプレート115を介して後述する駆動ネジ117と連結しており、駆動部116による駆動ネジ117の変位量に応じてエンドプレート115と一体的に移動する。
なお、締結部113は、後述する集電板114が移動した場合でも、積層体3の面圧を所定面圧に保持することができる。つまり集電板114は、積層体3の面圧を所定面圧に保持した状態で独立して移動可能である。
駆動部116は、締結部113の外側に配置され、駆動ネジ117を動作させるアクチュエータであり、電力が供給されて作動し、駆動ネジ117の変位量を制御する。
また、この実施形態の燃料電池システムを図18の概略構成図を用いて説明する。この実施形態の燃料電池システムではコントローラ200によって駆動部116を制御する。その他の構成については第1実施形態と同じ構成なので、ここでの説明は省略する。
この実施形態では、駆動部116によって駆動ネジ117を単位セル2a、2bの積層方向へ移動させることで、駆動ネジ117と連結するエンドプレート115、および集電板114を単位セル2a、2bの積層方向へ移動させる。これにより、集電板114と、集電板114に当接するアノードセパレータ27、37、またはカソードセパレータ25、35と、の接触面圧を制御する。つまり、集電板114と、集電板114と当接するアノードセパレータ27、37またはカソードセパレータ25、35と、の接触抵抗を制御する。
燃料電池システムの起動時、または停止時には駆動部116によって駆動ネジ117を介して集電板114を移動させて集電板114と、集電板114と当接する積層体3のアノードセパレータ25、35またはカソードセパレータ27、37と、の接触面圧を予め設定する接触面圧まで低くし、接触抵抗を大きくする。なお、予め設定する接触面圧は図8、図10に示すように集電板−セパレータ抵抗比が1以上となるようにすることが望ましい。図8、10については集電板とセパレータとの抵抗比についてのマップであるが、接触面圧を低くし、接触抵抗を大きくすることで、セパレータからみた場合の集電板の電気的な抵抗が大きくなり、図8、図10の説明で述べた効果と同様の効果を得ることができる。つまり、接触面圧を低くすることで、集電板114と当接するアノードセパレータ27、37またはカソードセパレータ25、35の平面方向への電子の流れを抑制することで、積層体3においても、単位セル2a、2bの積層方向への電子の流れを抑制することができる。そのため、単位セル2a、2bのカソードセパレータ25、35のカーボン担体の腐食反応を抑制することができる。
また、燃料電池システムの通常の運転時には、駆動部116によって集電板114と、集電板114と当接するアノードセパレータ27、37またはカソードセパレータ25、35との接触圧力を高くし、接触抵抗を小さくすることで、単位セル2a、2bの発電効率の低下を抑制することができる。なお、燃料電池システムの通常の運転時の接触圧力は燃料電池システムの起動時、または停止時の接触圧力よりも高い。
駆動部116によって、集電板114を移動させるタイミングとしては、燃料電池システムの起動時には、単位セル2a、2bに水素を供給するよりも前に、駆動部116によって集電板114を移動させて、集電板114と、集電板114と当接するアノードセパレータ27、37またはカソードセパレータ25、35と、の接触面圧を予め設定する接触面圧にする。
また、燃料電池システムの起動時に、集電板114と、集電板114と当接するアノードセパレータ27、37またはカソードセパレータ25、35と、の接触面圧を高くして通常の運転を開始する際には、例えば燃料極が水素によって置換される(例えば燃料極での水素置換率が90%となる)までの時間を予め測定しておき、水素の供給を開始してから所定時間が経過した場合に、駆動部116によって集電板114の接触面圧を高くする。
燃料電池システムの停止時には、燃料電池システムの停止信号を受けると駆動部116によって集電板を移動させて、集電板114と、集電板114と当接するアノードセパレータ27、37またはカソードセパレータ25、35と、の接触面圧を予め設定する接触面圧にする。
なお、燃料電池システムを停止した場合には、集電板114と、集電板114と当接するアノードセパレータ27、37またはカソードセパレータ25、35と、の接触面圧を予め設定する接触面圧に保持して、燃料電池システムを完全に停止しても良い。
また、燃料電池システムの起動時、または停止時には駆動部116によって集電板114を積層体3と物理的に接触させないようにしてもよい。つまり、集電板114と積層体3との間に隙間を設けてもよい。これにより、集電板114と積層体3との接触抵抗がさらに大きくなり、単位セル2a、2bの劣化をさらに抑制することができる。
なお、集電板114と、集電板114と当接するアノードセパレータ27、37またはカソードセパレータ25、35と、の間に接触圧力を検出する圧力センサ(圧力検出手段)を設置することが望ましい。これによって、燃料電池システムの起動時、または停止時における接触面圧を検出するだけでなく、通常運転時の接触面圧を検出することで、例えば駆動部116の異常時など接触面圧が設定される面圧よりも高く、または低くなった場合にも駆動部116などの異常を検出することができる。
なお、この実施形態では、駆動部116を電力によって作動させて集電板114を移動させたが、これに代えて例えば水素などのガスによる圧力で駆動部116を作動させて駆動ネジ117を介して集電板114を移動させても良い。
本発明の第4実施形態の効果について説明する。
この実施形態では、燃料電池システムの起動時、または停止時に、駆動部116によって集電板114を移動させることで、集電板114と、集電板114と当接するアノードセパレータ27、37またはカソードセパレータ25、35と、の接触面圧を燃料電池システムの通常の運転時の接触面圧よりも低くする。これにより、燃料電池システムの起動時、または停止時に集電板114と当接するアノードセパレータ27、37またはカソードセパレータ25、35の平面方向の電子の流れを抑制し、単位セル2a、2bのカソードセパレータ25、35のカーボン担体の腐食反応を抑制することができ、単位セル2a、2b、つまり燃料電池スタック110の劣化を抑制することができる。
また、駆動部116によって集電板114を移動させ、集電板114と、集電板114と当接するアノードセパレータ27、37またはカソードセパレータ25、35と、の接触抵抗を大きくすることで、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。したがって、この実施形態では集電板114の材料を電気的な抵抗値が小さい材料を使用することができ、燃料電池システムの通常時の集電板114における抵抗損失を小さくすることができ、燃料電池スタック110の発電効率の低下させずに、燃料電池スタック110の劣化を抑制することができる。
燃料電池システムの起動時に、水素を供給する前に集電板114を移動させて、集電板114と、集電板114と当接するアノードセパレータ27、37またはカソードセパレータ25、35と、の接触面圧を低くすることで、集電板114と、集電板114と当接するアノードセパレータ27、37またはカソードセパレータ25、35と、の接触抵抗を大きくした状態で水素を燃料電池スタック110に供給するので、単位セル2a、2bのカソードセパレータ25、35のカーボン担体の腐食反応をより正確に抑制することができ、単位セル2a、2bの劣化を正確に抑制することができる。
本発明の第5実施形態の燃料電池スタックの構成を図19の概略構成図を用いて説明する。図19は燃料電池スタックの一部の断面を示す断面図である。この実施形態において第4実施形態と同じ構成についての説明は省略する。
この実施形態の燃料電池スタック120は、駆動部121を集電板122と積層体3との間に配置し、駆動部121によって駆動ネジ123を移動させてエンドプレート124、集電板122を単位セル2a、2bの積層方向へ移動させる。また、エンドプレート124と締結部125との間にスプリング126を備える。
燃料電池システムの起動時、または停止時には、駆動部121を作動させて駆動ネジ123を介して集電板122と、集電板122と当接するアノードセパレータ27、37と、カソードセパレータ25、35と、の接触面圧を低くする。
本発明の第5実施形態の効果について説明する。
この実施形態でも第4実施形態と同様の効果を得ることができる。
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。
起動、停止が多い車両に搭載する燃料電池システムに利用することができる。
本発明の第1実施形態の燃料電池スタックの概略構成図(正面図)である。 本発明の第1実施形態の燃料電池スタックの概略構成図(側面図)である。 本発明の第1実施形態の単位セルの概略構成図である。 本発明の第1実施形態の単位セルの概略構成図である。 本発明の第1実施形態のアノードセパレータの概略構成図である。 本発明の第1実施形態のアノードセパレータの概略構成図である。 本発明の第1実施形態の燃料電池システムを起動した場合の積層体の状態を説明する図である。 本発明の第1実施形態の集電板とアノードセパレータまたはカソードセパレータとの抵抗比と、劣化率との関係を示す図である。 本発明の第1実施形態の集電板とアノードセパレータまたはカソードセパレータとの抵抗比と、燃料電池スタックの燃費低下率との関係を示す図である。 本発明の第1実施形態の変更例における集電板とアノードセパレータまたはカソードセパレータとの抵抗比と、劣化率との関係を示す図である。 本発明の第1実施形態の変更例における集電板とアノードセパレータまたはカソードセパレータとの抵抗比と、燃料電池スタックの燃費低下率との関係を示す図である。 本発明の第1実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。 本発明の第2実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。 本発明の第3実施形態の燃料電池システムを説明する図である。 本発明を用いずに燃料電池システムを起動した場合の積層体の状態を説明する図である。 燃料電池システムを起動した場合の燃料電池スタック内を説明する図である。 本発明の第4実施形態の燃料電池スタックの概略構成図である。 本発明の第4実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。 本発明の第5実施形態の燃料電池スタックの概略構成図である。
符号の説明
1、110、120 燃料電池スタック
2a 単位セル(第1の単位セル)
2b 単位セル(第2の単位セル)
3 積層体
4、114、122 集電板
6a 水素導入マニホールド(第1の水素導入マニホールド)
6b 水素導入マニホールド(第2の水素導入マニホールド)
7a 水素排出マニホールド(第1の水素排出マニホールド)
7b 水素排出マニホールド(第2の水素排出マニホールド)
8a、8b 空気導入マニホールド
9a、9b 空気排出マニホールド
43 外部負荷(電力消費手段)
90 集電ハーネス(電力取り出し手段)
91 スイッチ(切替手段)
116、121 駆動部
117、123 駆動ネジ

Claims (19)

  1. 電解質膜と、
    前記電解質膜を挟持する燃料極と酸化剤極と、
    前記燃料極と前記酸化剤極との両側に設けたセパレータと、から構成する単位セルと、
    前記単位セルを複数積層した積層体と、
    前記積層体の両端部に設けた集電板と、を備えた燃料電池スタックにおいて、
    前記集電板と、前記集電板と当接する前記セパレータと、の前記単位セルの積層方向と交差する方向の電子の流れは、前記集電板の電気抵抗によって律束されることを特徴とする燃料電池スタック。
  2. 前記セパレータは、カーボンセパレータであり、
    前記集電板の前記単位セルの積層方向と交差する方向の電気抵抗は、前記集電板と当接するセパレータの前記単位セルの積層方向と交差する方向の電気抵抗の略0.005倍以上であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池スタック。
  3. 前記集電板の前記単位セルの積層方向と交差する方向の電気抵抗は、前記集電板と当接するセパレータの前記単位セルの積層方向と交差する方向の電気抵抗の略0.005倍以上、かつ略0.1倍以下であることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池スタック。
  4. 前記セパレータは、金属セパレータであり、
    前記集電板の前記単位セルの積層方向と交差する方向の電気抵抗は、前記集電板と当接するセパレータの前記単位セルの積層方向と交差する方向の電気抵抗の略0.05倍以上であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池スタック。
  5. 前記集電板の前記単位セルの積層方向と交差する方向の電気抵抗は、前記集電板と当接するセパレータの前記単位セルの積層方向と交差する方向の電気抵抗の略0.05倍以上、かつ略1倍以下であることを特徴とする請求項4に記載の燃料電池スタック。
  6. 前記集電板は、電気抵抗が異なる複数の材料から構成することを特徴とする請求項1から5のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
  7. 前記単位セルは、
    第1の水素導入マニホールドと、第1の水素排出マニホールドと、前記第1の水素導入マニホールドと前記第1の水素排出マニホールドと連通する第1の水素流路と、を備えた第1の単位セルと、
    第2の水素導入マニホールドと、第2の水素排出マニホールドと、前記第2の水素導入マニホールドと前記第2の水素排出マニホールドと連通する第2の水素流路と、を備えた第2の単位セルと、を備え、
    前記第1の水素流路の前記水素の流れ方向上流部と前記第2の水素流路の流れ方向下流部とが向かい合い、かつ前記第1の水素流路の前記水素の流れ方向下流部と前記第2の水素流路の流れ方向上流部とが向かい合うことを特徴とする請求項1から6のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
  8. 前記積層体は、前記第1の単位セルと前記第2の単位セルとを交互に積層して構成することを特徴とする請求項7に記載の燃料電池スタック。
  9. 前記セパレータは、電気抵抗が異なる複数の材料から構成することを特徴とする請求項7または8に記載の燃料電池スタック。
  10. 前記セパレータは、前記単位セルの積層方向の電気抵抗率よりも、前記積層方向と交差する方向の電気抵抗率が大きいことを特徴とする請求項9に記載の燃料電池スタック。
  11. 請求項1から10のいずれか一つに記載の燃料電池スタックを備えた燃料電池システムにおいて、
    前記燃料電池スタックで発電した電力を消費する電力消費手段と、
    前記電力消費手段と前記集電板とを電気的に接続する複数の電力取り出し手段と、
    前記電力取り出し手段に配設され、前記電力消費手段と前記集電板との電気的な接続を選択的に切り替える切替手段と、を備え、
    前記切替手段は、前記燃料電池システムの起動時または停止時に前記電力消費手段と前記集電板との電気的な接続を解除することを特徴とする燃料電池システム。
  12. 前記集電板の少なくともどちらか一方を前記単位セルの積層方向に移動させる駆動部を備えた請求項1から10のいずれか一つに記載の燃料電池スタックを有する燃料電池システムにおいて、
    前記燃料電池システムの起動時または停止時に、前記駆動部によって前記集電板と前記積層体との接触面圧を、前記燃料電池システムの通常の運転時よりも低くすることを特徴とする燃料電池システム。
  13. 前記積層体を締結する締結部を備え、
    前記駆動部によって移動する前記集電板は、前記締結部によって前記積層体を締結した状態で移動することを特徴とする請求項12に記載の燃料電池システム。
  14. 前記燃料電池システムの起動時または停止時に、前記駆動部は前記集電板と前記積層体とを物理的に接触させないことを特徴とする請求項12または13に記載の燃料電池システム。
  15. 前記駆動部は、モータによって前記集電板を移動させることを特徴とする請求項12から14のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
  16. 前記駆動部は、ガスの圧力によって前記集電板を移動させることを特徴とする請求項12から14のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
  17. 前記駆動部によって移動する前記集電板と前記積層体との間に圧力検出手段を備え、
    前記駆動部は、前記圧力検出手段によって検出した圧力に基づいて、前記集電板を移動させることを特徴とする請求項12から16のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
  18. 前記駆動部は前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する前に、前記集電板を移動させて前記集電板と前記積層体との前記接触面圧を低くすることを特徴とする請求項12から17のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
  19. 前記駆動部は、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給してから所定時間経過後に、前記集電板を移動させて前記集電板と前記積層体との前記接触面圧を前記燃料電池システムの通常運転時の面圧まで高くすることを特徴とする請求項18に記載の燃料電池システム。
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