JP2007323931A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】コスト低減を図りつつ、端部の単電池の温度低下を抑制し、燃料電池スタックを安定的に動作させる。
【解決手段】燃料電池スタック５０は、アノードとカソードとの間に固体高分子膜が設けられたセルが複数積層された積層体５１と、セルが発電した電流を外部へ導くために、積層体５１の両端部に位置するセルにそれぞれ接する一対の集電体５３ａ，５３ｂと、積層体５１を締め付ける締め付け力がかかる一対の端板１１０ａ，１１０ｂと、一対の集電体５３ａ，５３ｂのうち少なくとも一方の集電体５３ａと端板１１０ａとの間に配置され、集電体５３ａと端板１１０ａとの間を絶縁する絶縁体５５ａと、を備える。端板１１０ａと集電体５３ａとの間に空間１６０が形成されている。これにより、集電体５３ａから端板１１０ａに熱が伝わりにくくなり、端板１１０ａや絶縁体５５ａを介して外部に熱が逃げることを抑制できる。
【選択図】図１０

Description

本発明は、燃料電池スタックに関する。より具体的には、本発明は、燃料電池スタックを安定的に動作させる技術に関する。

一般に、固体高分子形燃料電池スタックは、以下のように構成される。まず、固体高分子膜の一方の面にアノード、他方の面にカソードを接合して膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：以下、「ＭＥＡ」と表記する）が構成される。次に、ＭＥＡのアノードに対向して燃料流路を設けたアノード側プレートと、ＭＥＡのカソードに対向して酸化剤流路を設けたカソード側プレートとでＭＥＡを挟んでセルが構成される。さらに、このセル間に冷却プレートを介在させて複数積層することにより積層体が形成され、この積層体の両端に端板を添えて締め付けることにより固体高分子形燃料電池スタックが構成される。

固体高分子形燃料電池スタックは、アノード側プレートに改質ガス等の燃料ガスを流通させるとともに、カソード側プレートに空気等の酸化剤ガスを流通させ、電解質膜を介して電気化学反応を生じさせることにより直流電力を発電する。電気化学反応は発熱反応であるため、冷却プレートに冷却水を流通させて各セルを冷却することにより、固体高分子形燃料電池スタックの正常な運転温度（たとえば、約７０〜８０［℃］）の維持が図られている。

固体高分子形燃料電池スタックにおいて、端板に隣接する両端部のセルは外気の影響を受けやすい。このため、両端部のセルは他の部分のセルに比べて温度が低くなる傾向がある。セルの温度が低下すると、アノード側プレートまたはカソード側プレートの流路を流れる反応ガス中の水蒸気が流路内で凝縮することがあり、水蒸気が凝縮してできた凝縮水は、反応ガスの流れを阻害し、電池性能の低下を引き起こす。

このような現状を踏まえて、固体高分子形燃料電池スタックにおいて両端部のセルの温度低下を抑制する技術が望まれている。特許文献１には、両端の端板に冷却水を流すための流路を設け、運転温度に近い温度に昇温され、発電後に排出される冷却水を端板全面に設けられた流路に流して両端部のセルを加温する技術が開示されている。また、特許文献２には、両端部のセルの温度低下を抑制する技術が開示されている。
特開２００１−６８１４１号公報 特開２００２−１８４４４９号公報

特許文献１や特許文献２のように端板や導電プレートを特殊な構造としたり、端板の近傍に保温または加熱専用の部品を設置したりすることは製造コストの増加の要因となる。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、コスト低減を図りつつ、端部の単電池の温度低下を抑制し、燃料電池スタックを安定的に動作させる技術の提供にある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の燃料電池スタックは、燃料極と酸化剤極との間に電解質膜が設けられた単電池が複数積層された積層体と、前記単電池が発電した電流を外部へ導くために、前記積層体の両端部に位置する前記単電池にそれぞれ接する一対の集電体と、前記積層体を締め付ける締め付け力がかかる一対の端板と、前記一対の集電体のうち少なくとも一方の集電体と前記端板との間に配置され、前記集電体と前記端板との間を絶縁する絶縁体と、を備える。前記端板と前記集電体との間に空間が形成されている。

この態様によると、集電体と端板との間に空間が形成されているので、集電体から端板に熱が伝わりにくくなり、端板や絶縁体を介して外部に熱が逃げることを抑制できる。そのため、集電体が接する積層体の端部に位置する単電池の温度低下を抑制し、燃料電池スタックを安定的に動作させることができる。

前記絶縁体は、前記積層体が挟持されたときに前記集電体を押圧する押圧部と、前記押圧部が前記集電体を押圧したときに閉じた空間となる凹部と、を備えてもよい。これにより、端板にかかる締め付け力が絶縁体を介して集電体を押圧するので、端部の単電池と集電体がしっかりと密着し、接触不良や接触抵抗を低減することができる。

前記押圧部は、リブにより構成されていてもよい。これにより、絶縁体自体の強度を向上することができるとともに、集電体を均一に押圧することができる。

前記凹部は、交差する複数の前記リブにより複数形成されているとともに、前記リブが前記集電体を押圧したときに互いに閉じられた複数の空間となってもよい。これにより、絶縁体自体の強度を更に向上することができるとともに、集電体をより均一に押圧することができる。また、複数の空間が互いに閉じられているので、集電体が発する熱が隣の空間に伝わりにくく、端部の単電池の熱が拡散することを抑制することができる。

前記リブは、前記集電体と当接する領域が前記集電体と当接しない領域より凹んでいてもよい。これにより、絶縁体が集電体と当接しない領域より内側に集電体を配置することができるので、燃料電池スタックをコンパクトにすることができる。

前記絶縁体は、前記積層体を冷却する流体が流れる流路が設けられているとともに、前記流路と前記押圧部との間に隔壁が形成されており、前記隔壁は、前記押圧部が前記積層体を押圧したときに該隔壁より流路側に設けられた空間と該リブより集電体側に設けられた空間とが連通しないように形成されていてもよい。これにより、集電体から発した熱で暖められた空気が空間を介して流路近傍に達することがなくなるので、流路を流れる流体で空気が冷却されることを抑制することができる。

前記絶縁体は、前記集電体と反対側に設けられ、前記端板に押圧される被押圧部と、前記端板が前記被押圧部を押圧したときに閉じた空間となる凹部と、を有してもよい。これにより、絶縁体の両端面に閉じた空間が形成されるため、積層体の端部に位置する単電池で発生した熱が外部に伝わることを抑制することができる。その結果、端部の単電池の温度低下を抑制し、燃料電池スタックを安定的に動作させることができる。

前記絶縁体は、樹脂製であってもよい。これにより、一体成型により絶縁体に凹部やリブ等の形状を簡便に形成することができ、燃料電池スタックの製造コストや材料コストを低減することができる。

なお、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。

本発明によれば、コスト低減を図りつつ、端部の単電池の温度低下を抑制し、燃料電池スタックを安定的に動作させることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。はじめに、本実施の形態に係る燃料電池スタックを好適に用いることができる燃料電池システムの一例について説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係る燃料電池システム１０の全体構成を示す概略図である。なお、図１の概略図は、主に各構成の機能やつながりを模式的に示した図であり、各構成の位置関係または配置を限定するものではない。

燃料電池システム１０は、電源ユニット２０を備える。電源ユニット２０は、改質装置４０、燃料電池スタック５０、燃料用湿熱交換器６０、酸化剤用湿熱交換器７０、コンバータ９０、インバータ９２、制御装置１００を有する。本実施の形態の燃料用湿熱交換器６０および酸化剤用湿熱交換器７０は、タンクに貯留された水を用いて加湿対象の気体をバブリングすることにより、加湿対象の気体を所定の湿度に加湿することができる。

改質装置４０には、水処理装置４２で水処理が施された上水が改質用水として供給される。水処理装置４２は、逆浸透膜とイオン交換樹脂を用いて上水からの水を水処理する。水処理装置４２で水処理が施された水は、改質装置４０が有する改質器の水蒸気改質に用いられる。

燃料電池スタック５０で未反応のまま排出される改質ガスである電池オフガスは、気液分離装置４４を経由して改質装置４０に送られる。気液分離装置４４において、電池オフガスの気体成分のみが取り出されて改質装置４０に送られ、バーナの燃料に用いられる。また、気液分離装置４４は、電池オフガスと改質用水とが熱交換可能な熱交換機能を兼ね備え、電池オフガスの熱により改質用水が加熱される。

燃料電池スタック５０にて発生した直流電力は、コンバータ９０により所定電圧（たとえば２４Ｖ）の直流電力に変換された後、インバータ９２によって交流電力（たとえば１００Ｖ）に変換される。インバータ９２で変換された交流電力は系統９４へ出力される。また、コンバータ９０で変換された所定電圧の直流電力は、制御装置１００などの電源として利用される。

制御装置１００は、改質装置４０から供給される燃料の供給量および外部から取り込まれる空気の供給量を調節して、燃料電池スタック５０による発電量を制御する。この他に、制御装置１００は、冷却水用の配管に設けられた制御バルブの開度や、循環ポンプを調節して冷却水の水量を制御する。さらに、制御装置１００は、コンバータ９０およびインバータ９２等との間で電気信号を送受信して、これらの各種機器を制御する。制御装置１００はリモートコントローラ９６と赤外線通信が可能である。ユーザは、リモートコントローラ９６を用いて、燃料電池システム１０の動作設定をすることができる。

（燃料電池スタック）
次に、燃料電池スタック５０について詳述する。図２は、燃料電池スタック５０の概観を示す斜視図である。図３は、図２の燃料電池スタック５０をＡ１方向からみたときの側面図である。図４は、図２の燃料電池スタック５０をＡ２方向からみたときの側面図である。図５は、図２の燃料電池スタック５０をＡ３方向からみたときの側面図である。

燃料電池スタック５０は、セルが複数積層された積層体５１と、一対の集電体５３ａ，５３ｂ（以下、適宜集電体５３という）と、一対の端板１１０ａ，１１０ｂ（以下、適宜端板１１０という）と、集電体５３と端板１１０との間に配置され、集電体５３と端板１１０との間を絶縁する絶縁体５５ａ，５５ｂ（以下、適宜絶縁体５５という）と、を備える。

積層体５１は、図１に示す燃料極であるアノード５４と酸化剤極であるカソード５６との間に電解質膜としての固体高分子膜５２が設けられたセルが複数積層されたものである。集電体５３は、セルが発電した電流を外部へ導くために、積層体５１の両端部に位置するセルにそれぞれ接している。端板１１０は、積層体５１を締め付ける締め付け力が集電体５３および絶縁体５５を介して積層体５１の両端にかかるように、締結機構により締め付けられている。

燃料電池スタック５０は、ボルト１０４、ナット１０６、積層体５１にセル積層方向の圧縮加重を加える断面がＷ形状の複数のばね材１０８、等から構成される締結機構により締め付けられている。

燃料電池スタック５０は、燃料として水素ガスを用いるとともに、酸化剤として空気を用いて発電を行う。具体的には、燃料電池スタック５０を構成する各セル（単電池）において、固体高分子膜５２の一方の面に接するアノード５４では、式（１）で示す電極反応が起きる。一方、固体高分子膜５２の一方の面に接するカソード５６では、式（２）で示す電極反応が起きる。各セルは、冷却水プレート５８を流通する冷却水によって冷却され、約７０〜８０℃の適温に調節される。

（絶縁体）
更に、絶縁体５５ａについて説明する。図６は、本実施の形態に係る絶縁体５５ａを集電体が配置される側から見た斜視図である。図７は、本実施の形態に係る絶縁体５５ａを端板１１０ａと接する側から見た上面図である。図８は、図７のＢ−Ｂ’断面図である。図９は、本実施の形態に係る絶縁体５５ａを端板１１０ａと接する側から見た斜視図である。図１０は、本実施の形態に係る絶縁体５５と集電板の間に空間が形成されていることを示す模式図である。図１１は、図８の一部を拡大した断面図である。

絶縁体５５ａは、図４や図７に示すように、端板１１０ａに対向する面に、空気が流入する酸化剤流入口１２０と、冷却水のエア抜きを行う冷却水エア抜き口１２２と、水素ガスが流入する燃料流入口１２４と、冷却水が排出される冷却水排出口１２６とが形成されている。絶縁体５５ａと端板１１０ａは、絶縁体５５ａに形成された各流路が端板１１０ａに設けられた貫通穴から突出するように重ね合わされて、締め付けられている。

また、絶縁体５５ｂは、図５に示すように、端板１１０ｂに対向する面に、空気に含まれる余分な成分を排出する酸化剤ドレン排出口１２８と、冷却水が流入する冷却水流入口１３０と、水素ガスに含まれる余分な成分を排出する燃料ドレン排出口１３２と、セルにおいて未反応の水素ガスが排出される燃料排出口１３４と、セルにおいて未反応の空気が排出される酸化剤排出口１３６とが形成されている。絶縁体５５ｂと端板１１０ｂは、絶縁体５５ｂに形成された各流路が端板１１０ｂに設けられた貫通穴から突出するように重ね合わされて、締め付けられている。

図６や図８に示すように、絶縁体５５ａの集電体５３ａが配置される側の面には、絶縁体５５ａの長手方向に複数設けられた縦リブ１４０と、縦リブ１４０と交差する複数の横リブ１４２とが設けられている。本実施の形態に係る絶縁体は、樹脂製の部材であり、一体成型により凹部やリブ等の形状を簡便に形成することができ、燃料電池スタックの製造コストや材料コストを低減することができる。樹脂の材料としては、ガラスファイバー入りのＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）が好ましい。この材料は熱的に安定であり、電気伝導度を上げる溶出物が非常に少なく、また耐スチーム性が高いため、燃料電池スタックは安定した発電を長期にわたり維持することができる。

絶縁体５５ａに形成された縦リブ１４０および横リブ１４２は、積層体５１が挟持されたときに集電体５３ａを押圧する押圧部として機能する。また、絶縁体５５ａが集電体５３ａを押圧したときに閉じた空間となる凹部１４４が、縦リブ１４０および横リブ１４２に囲まれた領域として形成されている。

このような絶縁体５５ａを端板１１０ａと集電体５３ａとの間に配置すると、図１０に示すように、積層体５１が挟持されたときに、集電体５３ａと端板１１０ａとの間に空気で満たされた空間１６０が形成されているので、集電体５３ａから端板１１０ａに熱が伝わりにくくなり、端板１１０ａや絶縁体５５ａを介して外部に熱が逃げることを抑制できる。そのため、集電体５３ａが接する積層体５１の端部に位置するセルの温度低下を抑制し、燃料電池スタック５０を安定的に動作させることができる。なお、本実施の形態に係る絶縁体５５ａのように、押圧部をリブにより構成することで、絶縁体５５ａ自体の強度を向上させることができるとともに、集電体５３ａを均一に押圧することができる。

また、本実施の形態に係る絶縁体５５ａに設けられた凹部１４４は、交差する複数の縦リブ１４０および横リブ１４２により複数形成されており、縦リブ１４０および横リブ１４２が集電体５３ａを押圧したときに互いに閉じられた複数の空間となる。そのため、複数の空間が互いに閉じられ連通していないので、集電体５３ａが発する熱が隣の空間に伝わりにくく、端部のセルの熱が拡散することを抑制することができる。

また、絶縁体５５ａに形成されている縦リブ１４０および横リブ１４２は、集電体５３ａと当接する領域１４０ａ，１４２ａが集電体５３ａを介さずに積層体５１と当接する領域１４０ｂ，１４２ｂより凹んでいる。これにより、図１０や図１１に示すように、絶縁体５５ａが集電体５３ａと当接しない面１４８より凹んだ領域１５４に集電体５３ａを配置することができるので、燃料電池スタック５０をコンパクトにすることができる。

また、絶縁体５５ａは、積層体５１の温度を適温にするための流体が流れる流路として冷却水排出口１２６が設けられている。そして、絶縁体５５ａは、冷却水排出口１２６と押圧部として機能する縦リブ１４０および横リブ１４２との間に隔壁として機能する隔壁リブ１５２が形成されている。隔壁リブ１５２は、縦リブ１４０および横リブ１４２が積層体５１を押圧したときに、隔壁リブ１５２より冷却水排出口１２６側に設けられた空間と隔壁リブ１５２より集電体側に設けられた空間１５６とが連通しないように形成されている。これにより、集電体５３ａから発した熱で暖められた空気が空間１５６を介して冷却水排出口１２６近傍に達することがなくなるので、冷却水排出口１２６を流れる流体で空気が冷却されることを抑制することができる。

また、図７や図９に示すように、絶縁体５５ａは、絶縁体５５ａが端板１１０ａと接する側の面に、絶縁体５５ａの長手方向に複数設けられた縦リブ２４０と、縦リブ２４０と交差する複数の横リブ２４２とが設けられている。縦リブ２４０および横リブ２４２は、端板１１０ａに押圧される被押圧部として機能する。また、端板１１０ａが縦リブ２４０および横リブ２４２を押圧したときに閉じた空間となる凹部２４４を有している。

この構成により、本実施の形態に係る燃料電池スタック５０は、絶縁体５５ａの両端面に閉じた空間が形成されるため、積層体５１の端部に位置するセルで発生した熱が外部に伝わることを抑制することができる。その結果、端部のセルの温度低下を抑制し、燃料電池スタック５０を安定的に動作させることができる。

次に、絶縁体５５ｂについて、主に絶縁体５５ａと異なる点を説明する。図１２は、本実施の形態に係る絶縁体５５ｂを集電体５３ｂが配置される側から見た上面図である。

図１２に示すように、絶縁体５５ｂの集電体５３ｂが配置される側の面には、絶縁体５５ｂの長手方向に複数設けられた縦リブ３４０と、縦リブ３４０と交差する複数の横リブ１４２とが設けられている。

絶縁体５５ｂに形成された縦リブ３４０および横リブ３４２は、積層体５１が挟持されたときに集電体５３ｂを押圧する押圧部として機能する。また、絶縁体５５ｂが集電体５３ｂを押圧したときに閉じた空間となる凹部３４４が、縦リブ３４０および横リブ３４２に囲まれた領域として形成されている。

このような絶縁体５５ｂを端板１１０ｂと集電体５３ｂとの間に配置すると、図１０に示すように、積層体５１が挟持されたときに、集電体５３ｂと端板１１０ｂとの間に空気で満たされた空間１６０が形成されているので、集電体５３ｂから端板１１０ｂに熱が伝わりにくくなり、端板１１０ｂや絶縁体５５ｂを介して外部に熱が逃げることを抑制できる。そのため、集電体５３ｂが接する積層体５１の端部に位置するセルの温度低下を抑制し、燃料電池スタック５０を安定的に動作させることができる。

また、絶縁体５５ｂに形成されている縦リブ３４０および横リブ３４２は、集電体５３ｂと当接する領域３４０ａ、３４２ａが集電体５３ｂを介さずに積層体５１と当接する領域３４０ｂ、３４２ｂより凹んでいる。これにより、図１０や図１１に示すように、絶縁体５５ｂが集電体５３ｂと当接しない面３４８より凹んだ領域３５０に集電体５３ｂを配置することができるので、燃料電池スタック５０をコンパクトにすることができる。なお、絶縁体５５ｂの端板１１０ｂと接する側の面の構造は、絶縁体５５ａの端板１１０ａと接する側の面の構造と実質的に同様なため説明は省略する。

（第２の実施の形態）
図１３は、第２の実施の形態に係る燃料電池スタック１５０の概略構成を模式的に示した図である。なお、絶縁体１５３以外の部分や、絶縁体１５３の詳細な構成は適宜省略している。

絶縁体１５３は、図１に示した燃料電池システム１０における酸化剤用湿熱交換器７０で加湿及び加温された空気が、燃料電池スタック１５０の積層体１５１内のカソードへ供給されるための酸化剤流入口２２８が設けられている。

加湿された反応ガスとしての空気は、酸化剤流入口２２８からカソードに到達するまでの間の経路の途中に水滴を発生させることがある。このような水滴の状態で、積層体１５１のマニホールド内に侵入することは発電時の反応を考慮すると好ましくない。

そこで、本実施の形態に係る絶縁体１５３は、積層体１５１のマニホールドの入口直前の位置に酸化剤ドレン出口２３０を設けることで、水滴が積層体１５１のマニホールド内に侵入することを抑制することができる。

また、絶縁体１５３を樹脂で形成することで、絶縁体を金属等で形成するよりも水分を含んだ反応ガスに対して電気的に十分な耐食性を得ることができる。

本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。

第１の実施の形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す概略図である。 燃料電池スタックの概観を示す斜視図である。 図２の燃料電池スタックをＡ１方向からみたときの側面図である。 図２の燃料電池スタックをＡ２方向からみたときの側面図である。 図２の燃料電池スタックをＡ３方向からみたときの側面図である。 本実施の形態に係る絶縁体を集電体が配置される側から見た斜視図である。 本実施の形態に係る絶縁体を端板と接する側から見た上面図である。 図７のＢ−Ｂ’断面図である。 本実施の形態に係る絶縁体を端板と接する側から見た斜視図である。 本実施の形態に係る絶縁体と集電板の間に空間が形成されていることを示す模式図である。 図８の一部を拡大した断面図である。 本実施の形態に係る絶縁体を集電体が配置される側から見た上面図である。 第２の実施の形態に係る燃料電池スタックの概略構成を模式的に示した図である。

符号の説明

１０ 燃料電池システム、 ２０ 電源ユニット、 ５０ 燃料電池スタック、 ５１ 積層体、 ５２ 固体高分子膜、 ５３ 集電体、 ５４ アノード、 ５５ 絶縁体、 ５６ カソード、 １１０ 端板、 １４０ 縦リブ、 １４２ 横リブ、 １４４ 凹部、 １５２ 隔壁リブ。

Claims (7)

1. 燃料極と酸化剤極との間に電解質膜が設けられた単電池が複数積層された積層体と、
   前記単電池が発電した電流を外部へ導くために、前記積層体の両端部に位置する前記単電池にそれぞれ接する一対の集電体と、
   前記積層体を締め付ける締め付け力がかかる一対の端板と、
   前記一対の集電体のうち少なくとも一方の集電体と前記端板との間に配置され、前記集電体と前記端板との間を絶縁する絶縁体と、
   を備え、
   前記端板と前記集電体との間に空間が形成されていることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記絶縁体は、
   前記積層体が挟持されたときに前記集電体を押圧する押圧部と、
   前記押圧部が前記集電体を押圧したときに閉じた空間となる凹部と、
   を備え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. 前記押圧部は、リブにより構成されてい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. 前記凹部は、交差する複数の前記リブにより複数形成されているとともに、前記リブが前記集電体を押圧したときに互いに閉じられた複数の空間となることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池スタック。
5. 前記リブは、前記集電体と当接する領域が前記集電体と当接しない領域より凹んでい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. 前記絶縁体は、前記積層体を冷却する流体が流れる流路が設けられているとともに、前記流路と前記押圧部との間に隔壁が形成されており、
   前記隔壁は、前記押圧部が前記積層体を押圧したときに該隔壁より流路側に設けられた空間と該リブより集電体側に設けられた空間とが連通しないように形成されていることを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の燃料電池スタック。
7. 前記絶縁体は、
   前記集電体と反対側に設けられ、前記端板に押圧される被押圧部と、
   前記端板が前記被押圧部を押圧したときに閉じた空間となる凹部と、
   を有することを特徴とする請求項２乃至６のいずれかに記載の燃料電池スタック。

Images