JP2007335213A

JP2007335213A - 燃料電池スタック

Info

Publication number: JP2007335213A
Application number: JP2006165219A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Oshima; 正稔大島
Original assignee: Kawamura Electric Inc
Current assignee: Kawamura Electric Inc
Priority date: 2006-06-14
Filing date: 2006-06-14
Publication date: 2007-12-27
Anticipated expiration: 2026-06-14
Also published as: JP5026745B2

Abstract

【課題】温度分布が生じることなく安定した発電を行うことができる上、コスト面においても有利な燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】各セパレータ３を、導電性部材により形成された板状の導電部間に絶縁部材により形成された非導電部を介在させて成形し、各導電部が発電部分の両外側に位置するよう配置して単セル２を形成する。そして、該単セル２を複数積層した燃料電池スタック１において、各種ガス及び冷却水を、ガス管１０ｅ、１１ｅ及び冷却水管１２ｅから供給して、燃料電池スタック１の左端にある単セル２から右端にある単セル２まで発電部分Ａ側のみを通るように流し、右端にて各折り返し管１０ｇ、１１ｇ、１２ｇにより各種ガス及び冷却水を折り返して、右端にある単セル２から左端にある単セル２まで発電部分Ｂ側のみを通るように流した後、ガス管１０ｆ、１１ｆ及び冷却水管１２ｆから外部へ排出するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体高分子電解質膜型の単セルを複数積層してなる燃料電池スタックに関するものである。

従来より知られている固体高分子電解質膜型燃料電池の燃料電池スタックについて、図４及び５をもとに説明する。図４（ａ）は、燃料電池スタック３１を上方から見た説明図であり、図４（ｂ）は、燃料電池スタック３１を側方から見た説明図である。また、図５（ａ）は、単セル３２の側断面を示した説明図であり、図５（ｂ）は、セパレータ３３の外側面を示した説明図である。

単セル３２は、電解質膜３４と、ガス拡散層及び触媒層から構成され、電解質膜３４を挟持する燃料電極３５及び酸化剤電極３６と、燃料電極３５及び酸化剤電極３６の外側に設置される一対のセパレータ３３、３３とからなる。各セパレータ３３の内面には、凹溝状のガス流路３７が蛇行状に設けられており、燃料電極３５側のガス流路３７には燃料ガスが、酸化剤電極３６側のガス流路３７には酸化剤ガスが夫々流される。また、各セパレータ３３の外面には、凹溝状の冷却水流路３８（図４（ｂ）では省略）が設けられており、該冷却水流路３８に冷却水を流すことによって単セル３２、３２・・の冷却を図るようになっている。さらに、各セパレータ３３の上部及び下部には、単セル３２、３２間で燃料ガス及び酸化剤ガスを通過させるためのガス孔３９ａ、３９ｂ、４０ａ、４０ｂが設けられているとともに、単セル３２、３２間で冷却水を通過させるための冷却水孔４１ａ、４１ｂが設けられている。

燃料電池スタック３１は、以上のように構成される単セル３２を水平方向に複数積層するとともに、その両端にエンドプレート５０、５０を設置してなる。また、左端のセパレータ３３のガス孔３９ａ、４０ａ、及び右端のセパレータ３３のガス孔３９ｂ、４０ｂには、ガス流路３７への各種ガスの供給又はガス流路３７からの各種ガスの排出を行うためのガス管３９ｃ、３９ｄ、４０ｃ、４０ｄが、エンドプレート５０、５０を貫通するようにして接続されている。さらに、左端のセパレータ３３の冷却水孔４１ｂ及び右端のセパレータ３３の冷却水孔４１ａには、冷却水流路３８への冷却水の供給又は冷却水流路３８からの冷却水の排出を行うための冷却水管４１ｃ、４１ｄが、エンドプレート５０、５０を貫通するようにして接続されている。そして、燃料電池スタック３１の動作時には、図４の矢印が示す如く、各種ガス及び冷却水を燃料電池スタック３１の左側から右側（ｃ側からｄ側）へと流している。

一方、特許文献１に開示されているように、各種ガスを流す方向に対して、冷却水を流す方向を逆方向とした（たとえば、図４において、各種ガスをｃ側からｄ側へ流す場合、冷却水はｄ側からｃ側へと流すようにする）ものもある。
特開平８−３０６３７１号公報

上述したような燃料電池スタック３１にあっては、冷却水を用いて単セル３２の温度を冷却する必要性があることからも明らかなように、発電にあたって熱が生じる。そして、生じた熱が、ガス流路３７内の各種ガスにのって下流側へと伝わるため、ガス供給側の単セル３２に比べて、ガス排出側の単セル３２の温度が高くなる、すなわち燃料電池スタック３１に温度分布が生じ、安定した発電を行うことができない、燃料電池スタック３１の運転効率が低下する等といった問題の原因となる。
そこで、特許文献１のものでは、温度が最も高くなるガス排出側から冷却水を流すことにより、燃料電池スタックに温度分布が生じる事態を防止しようとしている。しかしながら、ただ単に流れを逆にしたところで、冷却水がガス排出側にて多量の熱量を吸収するため、ガス供給側に至る頃には冷媒機能を失ってしまい、結果としてガス供給側の温度が高くなるという事態が生じるにすぎない。そのため、ガス供給側及びガス排出側の温度により冷却水の流量や温度を調整することも考えられるが、そのような構成を採用するとコスト高を招くという問題が生じる。

本発明は、上記問題に鑑みなされたものであって、温度分布が生じることなく安定した発電を行うことができる上、コスト面においても有利な燃料電池スタックを提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、非導電部により区分された複数の導電部を有する一対のセパレータの各導電部間に発電部が設けられた単セルを複数積層するとともに、発電に用いる各種ガスが隣接する単セル間を移動するための通路を各導電部毎に備えてなる燃料電池スタックであって、前記燃料電池スタックにおける単セル積層方向の一端に、前記発電部へ各種ガスを供給するための供給管と、前記発電部から各種ガスを排出するための排出管とを設ける一方、前記燃料電池スタックにおける単セル積層方向の他端に、該他端にある単セルの発電部間で各種ガスを移動させる折り返し管を設け、前記一端側の供給管から供給された各種ガスが、前記通路を介して隣接する単セルの発電部間で移動し、前記他端側にて前記折り返し管により同一の単セル内を移動した後、隣接する単セルの往路とは異なる発電部間を前記通路を介して移動し、前記一端側の排出管から排出されるようにしたことを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１の発明において、単セルを冷却するための冷却水が隣接する単セル間で移動するための冷却水通路を各導電部毎に備え、燃料電池スタックにおける単セル積層方向の一端に、前記単セルへ冷却水を供給するための冷却水供給管と、前記単セルから冷却水を排出するための冷却水排出管とを設ける一方、前記燃料電池スタックにおける単セル積層方向の他端に、該他端にある単セルの導電部間で冷却水を移動させる冷却水折り返し管を設け、前記冷却水を各種ガスと同一の順序で単セル間を移動するようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、単セルのセパレータを、非導電部により区分された複数の導電部を有するものとし、単セルの発電部を、一対のセパレータの各導電部間に設けており、発電反応に応じて生じた熱が、同一の単セルの発電部間で移動可能としている。また、燃料電池スタックにおける単セル積層方向の一端に、発電部へ各種ガスを供給するための供給管と、発電部から各種ガスを排出するための排出管とを設ける一方、燃料電池スタックにおける単セル積層方向の他端に、該他端にある単セルの発電部間で各種ガスを移動させる折り返し管を設け、一端側の供給管から供給された各種ガスが、隣接する単セルの発電部間で移動し、他端側にて折り返し管により同一の単セル内を移動した後、隣接する単セルの往路とは異なる発電部間を移動して、一端側の排出管から排出されるようにしている。そのため、各単セルでは、各種ガスが一端側から他端側へ流れる際に生じた熱と、他端側から一端側へ流れる際に生じた熱とで熱が平衡状態となり、結果として燃料電池スタックの一端側と他端側とで温度分布が生じにくくなる。特に、最も温度が溜まりやすく高温となりやすい発電部と、最も温度が溜まりにくく低温となりやすい発電部とを同一セパレータに位置させるようにしているため、発生した熱を非常に効率良く発散させることができ、上記温度分布の解消といった効果をより顕著に奏することができる。したがって、燃料電池スタックを運転効率の良い状態で維持することができる。
また、燃料電池スタックに生じる温度分布の低減にあたり、各セパレータに複数の発電部分を設け、各種ガスを上述の如く移動させるようにするという手段を採用しているため、各種ガス供給側の単セルと排出側の単セルとの温度を検出し、それに応じて冷却水の温度や流量を調整することにより温度分布の低減を狙ったものと比較すると、安価に構成することができる上、運転コスト等も低減することができる。
さらに、請求項２に記載の発明によれば、単セルを冷却するための冷却水を、各種ガスと同一の順序で単セル間を移動するように流しているため、各セパレータにおける発電部の冷却を効率良く行うことができ、燃料電池スタックに生じる温度分布の一層の低減を図ることができる。

以下、本発明の一実施形態となる燃料電池スタックについて図面をもとに説明する。
図１（ａ）は、燃料電池スタック１を上方から見た説明図であり、図１（ｂ）は、燃料電池スタック１を側方から見た説明図である。また、図２（ａ）は、単セル２の水平断面を示した説明図、図２（ｂ）は、単セル２の側断面を示した説明図、図２（ｃ）は、セパレータ３の外側面を示した説明図である。

単セル２は、一対のセパレータ３、３間に２つの発電部分Ａ、Ｂを備えてなる。各発電部分Ａ、Ｂは、従来の発電部分と同様に構成されており、ガス拡散層及び触媒層からなる燃料電極５及び酸化剤電極６と、両電極５、６に挟持される電解質膜４とで構成される。

一方、各セパレータ３は、導電性部材により形成された板状の導電部３ａ、３ａ間に絶縁部材により形成された非導電部３ｂを介在させてなるものであって、導電部３ａ、３ａが上記発電部分Ａ、Ｂの両外側に位置するよう配置される。該セパレータ３の各導電部３ａ内面には、夫々凹溝状のガス流路７が導電部３ａ毎に独立した蛇行状に設けられており、燃料電極５側のガス流路７には燃料ガスが、酸化剤電極６側のガス流路７には酸化剤ガスが夫々流される。また、セパレータ３の各導電部３ａ外面には、凹溝状の冷却水流路８（図２（ｃ）では省略）が導電部３ａ毎に独立した蛇行状に設けられており、該冷却水流路８に冷却水を流すことによって単セル２の冷却を図るようにしている。尚、セパレータ３の非導電部３ｂは、導電部３ａ、３ａ間での熱の移動は許容するようになっている。また、図２では、発電部分Ａと発電部分Ｂとにおいて燃料電極５と酸化剤電極６との位置が左右で逆転しているが、回路設計上、必ずしも発電部分Ａと発電部分Ｂとで両電極５、６の位置が逆になるとは限らず、左右同順となることもある。

さらに、セパレータ３の各導電部３ａには、単セル２、２・・間で、燃料ガスを通過させるための燃料ガス孔（通路）１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄと、酸化剤ガスを通過させるための酸化剤ガス孔（通路）１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄとが設けられている。加えて、セパレータ３の各導電部３ａには、単セル２、２・・間で冷却水を通過させるための冷却水孔（冷却水通路）１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄが設けられている。

燃料電池スタック１は、上述したような単セル２を水平方向に複数積層するとともに、その両端にエンドプレート５０、２０を設置してなる。そして、該燃料電池スタック１においては、単セル２、２間にて、発電部分Ａ側の各ガス孔１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂ及び冷却水孔１２ａ、１２ｂは発電部分Ａ側の各孔同士を、発電部分Ｂ側の各ガス孔１０ｃ、１０ｄ、１１ｃ、１１ｄ及び冷却水孔１２ｃ、１２ｄは発電部分Ｂ側の各孔同士を夫々連結している。また、燃料電池スタック１の左端のセパレータ３の発電部分Ａ側に設けられているガス孔１０ａ、１１ａには、ガス流路７へ各種ガスを供給するためのガス管１０ｅ、１１ｅが、冷却水孔１２ｂには、冷却水流路８へ冷却水を供給するための冷却水管１２ｅが、エンドプレート５０を貫通するようにして夫々接続されている。さらに、左端のセパレータ３の発電部分Ｂ側に設けられているガス孔１０ｄ、１１ｄには、ガス流路７から各種ガスを排出するためのガス管１０ｆ、１１ｆが、冷却水孔１２ｃには、冷却水流路８から冷却水を排出するための冷却水管１２ｆが、エンドプレート５０を貫通するようにして夫々接続されている。

一方、燃料電池スタック１の右端においては、発電部分Ａ側の各孔と発電部分Ｂ側の各孔とを接続し、流れてくる各種ガスや冷却水を折り返す折り返し管１０ｇ、１１ｇ、１２ｇが、エンドプレート５０を貫通するようにして取り付けられている。尚、本実施例では、図１に示すように、燃料ガス用の折り返し管１０ｇは燃料ガス孔１０ａ、１０ｃを、酸化剤ガス用の折り返し管１１ｇは酸化剤ガス孔１１ａ、１１ｃを、冷却水用の折り返し管１２ｇは冷却水孔１２ｂ、１２ｄを夫々接続している。

このような燃料電池スタック１にて発電を行う場合、図１の矢印が示す如く、各種ガス及び冷却水を、ガス管１０ｅ、１１ｅ及び冷却水管１２ｅから供給して、燃料電池スタック１の左端にある単セル２から右端にある単セル２まで発電部分Ａ側のみを通るように流す。そして、右端にて各折り返し管１０ｇ、１１ｇ、１２ｇにより各種ガス及び冷却水を折り返して、右端にある単セル２から左端にある単セル２まで発電部分Ｂ側のみを通るように流した後、ガス管１０ｆ、１１ｆ及び冷却水管１２ｆから外部へ排出する。したがって、左端の単セル２では、各種ガス及び冷却水の流れ方向で最上流にある発電部分Ａと最下流にある発電部分Ｂとが同一セパレータ３、３間に存在することになる。この時、非導電部３ｂにより、発電部分Ａと発電部分Ｂとの間で電流は流れないものの、発電時に生じる熱は発電部分Ａと発電部分Ｂとの間を移動することになる。

以上のような構成を有する燃料電池スタック１によれば、非導電部３ｂにて区分された複数の発電部分Ａ、Ｂを有する単セル２を複数積層するとともに、単セル２、２間において発電部分Ａ側同士又は発電部分Ｂ側同士を夫々連結し、右端のセパレータ３（単セル２）に折り返し管１０ｇ、１１ｇ、１２ｇを接続することにより、左端のセパレータ３（単セル２）の発電部分Ａ側から供給した各種ガス及び冷却水を同一セパレータ３の発電部分Ｂ側から排出するようにしている。したがって、発電反応に応じて生じた熱の一部は、各種ガスの流れ等に沿って下流側へ伝播するものの、発電部分Ａ、Ｂ間で熱が移動可能となっているため、発電部分Ａ、Ｂ間で熱移動が生じ、結果として燃料電池スタック１に生じる温度分布を低減することができ、燃料電池スタック１の運転効率を良い状態で維持することができる。

特に、最も熱の溜まりやすい最下流の発電部分に着目してみると、最も熱が溜まらない最上流の発電部分と同じセパレータ３上（単セル２）に存在することになる。したがって、温度分布が生じる原因となる熱を非常に効率良く発散させることができるようになっている。

また、温度分布の低減にあたり、各セパレータ３に複数の発電部分Ａ、Ｂを設け、ガス流路７や冷却水流路８を上述の如く連結するという手段を採用しているため、供給側の単セルと排出側の単セルとの温度を検出し、それに応じて冷却水の温度や流量を調整することにより温度分布の低減を狙ったものと比較すると、安価に構成することができる上、運転コスト等も低減することができる。
さらに、各種ガスのみではなく、冷却水も同様に折り返すような構成としているため、各セパレータ３における発電部分Ａ、Ｂの冷却を効率良く行うことができ、燃料電池スタック１に生じる温度分布の一層の低減を図ることができる。

なお、本発明の燃料電池スタックに係る構成は、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、セパレータ、発電部分、及び各流路等に係る構成ついて、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で必要に応じて適宜変更することができる。

たとえば、図３に示す如く、１つのセパレータ３’（又は３’’）に４つの発電部分Ａ〜Ｄを設けるように構成することも可能である。この時、最も熱が溜まらない発電部分Ａと最も熱が溜まりやすい発電部分Ｄとが隣接するように発電部分Ａ〜Ｄを設ける方が効率の良い熱移動を期待することができるため、図３（ａ）及び（ｂ）においては、Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄの順で各種ガスや冷却水が流れるようにした方がよい。尚、１つのセパレータに４以上の発電部分を設けるように構成することも当然可能である。さらに、燃料電池スタックの形状を立方体に近づけるように構成すれば、燃料電池スタックの表面積が減少するため、燃料電池スタック表面から放出される熱量を低減することができ、燃料電池発電ユニット等に搭載した際に熱回収効率を向上することができる。

また、冷却水を流す方向を、各種ガスを流す方向と逆方向にする（たとえば、図１においては、冷却水管１２ｆから供給して冷却水管１２ｅから排出する等）ことも可能であるし、セパレータにおける各ガス孔及び冷却水孔等の設置位置も適宜変更可能である。さらに、セパレータに設けるガス流路及び冷却水流路の流路パターンも蛇行状に何ら限定されることはなく、平行状・並行状等の流路パターンを採用しても何ら問題はないし、冷却水流路に限っては、発電部分Ａと発電部分Ｂとで独立させるのではなく、セパレータ外側面に発電部分Ａ、Ｂ間に亘るような冷却水流路を設け、一方向へのみ流す（折り返さない）ような構成としてもよい。

加えて、発電部分Ａと発電部分Ｂとの間を電気的に遮断するような凸状部をセパレータ内面に突設したり、発電部分Ａ、Ｂを電気的に遮断する遮断部材を別途設置することも当然可能である。

（ａ）は、燃料電池スタックを上方から見た説明図であり、（ｂ）は、燃料電池スタックを側方から見た説明図である。（ａ）は、単セルの水平断面を示した説明図、（ｂ）は、単セルの側断面を示した説明図、（ｃ）は、セパレータの外側面を示した説明図である。セパレータの変更例を示した説明図である。（ａ）は、従来の燃料電池スタックを上方から見た説明図であり、（ｂ）は、従来の燃料電池スタックを側方から見た説明図である。（ａ）は、従来の単セルの側断面を示した説明図であり、（ｂ）は、従来のセパレータの外側面を示した説明図である。

符号の説明

１・・燃料電池スタック、２・・単セル、３・・セパレータ、５・・燃料電極、６・・酸化剤電極、７・・ガス流路、８・・冷却水流路、１０ａ〜１０ｄ・・燃料ガス孔、１１ａ〜１１ｄ・・酸化剤ガス孔、１２ａ〜１２ｄ・・冷却水用ガス孔、１０ｅ、１１ｅ・・ガス管（供給管）、１０ｆ、１１ｆ・・ガス管（排出管）、１２ｅ、１２ｆ・・冷却水管、１０ｇ、１１ｇ、１２ｇ・・折り返し管。

Claims

非導電部により区分された複数の導電部を有する一対のセパレータの各導電部間に発電部が設けられた単セルを複数積層するとともに、発電に用いる各種ガスが隣接する単セル間を移動するための通路を各導電部毎に備えてなる燃料電池スタックであって、
前記燃料電池スタックにおける単セル積層方向の一端に、前記発電部へ各種ガスを供給するための供給管と、前記発電部から各種ガスを排出するための排出管とを設ける一方、
前記燃料電池スタックにおける単セル積層方向の他端に、該他端にある単セルの発電部間で各種ガスを移動させる折り返し管を設け、
前記一端側の供給管から供給された各種ガスが、前記通路を介して隣接する単セルの発電部間で移動し、前記他端側にて前記折り返し管により同一の単セル内を移動した後、隣接する単セルの往路とは異なる発電部間を前記通路を介して移動し、前記一端側の排出管から排出されるようにしたことを特徴とする燃料電池スタック。
単セルを冷却するための冷却水が隣接する単セル間で移動するための冷却水通路を各導電部毎に備え、
燃料電池スタックにおける単セル積層方向の一端に、前記単セルへ冷却水を供給するための冷却水供給管と、前記単セルから冷却水を排出するための冷却水排出管とを設ける一方、前記燃料電池スタックにおける単セル積層方向の他端に、該他端にある単セルの導電部間で冷却水を移動させる冷却水折り返し管を設け、前記冷却水を各種ガスと同一の順序で単セル間を移動するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。