JP2008021449A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池に係り、特に、複数の単セルを積層したスタックと、スタックの両端に設けられた集電板とを備えた燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a fuel cell including a stack in which a plurality of single cells are stacked, and current collecting plates provided at both ends of the stack.
燃料電池は、高効率と優れた環境特性を有する電池として近年脚光を浴びている。燃料電池は、一般的に、燃料ガスである水素に空気中の酸素を化学反応させて、電気エネルギをつくりだしている。そして、水素と酸素とが化学反応した結果として、水が生成される。燃料電池の種類は、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型、アルカリ型、固体高分子型等がある。この中でも、常温で起動しかつ起動時間が速い等の利点を有する固体高分子型の燃料電池が注目されている。 In recent years, fuel cells have attracted attention as batteries having high efficiency and excellent environmental characteristics. In general, a fuel cell generates electric energy by chemically reacting oxygen in air with hydrogen, which is a fuel gas. As a result of the chemical reaction between hydrogen and oxygen, water is generated. Types of fuel cells include phosphoric acid type, molten carbonate type, solid electrolyte type, alkali type, and solid polymer type. Among these, solid polymer fuel cells that have advantages such as startup at normal temperature and quick startup time have been attracting attention.
固体高分子型の燃料電池は、複数の単セルを積層したスタックを備えている。そして、スタックを形成する単セルは、電解質膜と、触媒層と、ガス拡散層と、セパレータとを含んで構成される。このうち電解質膜と、触媒層と、ガス拡散層とを一体化したものは、一般的に、膜電極接合体と呼ばれている。 A polymer electrolyte fuel cell includes a stack in which a plurality of single cells are stacked. The single cell forming the stack includes an electrolyte membrane, a catalyst layer, a gas diffusion layer, and a separator. Of these, an electrolyte membrane, a catalyst layer, and a gas diffusion layer integrated together are generally called a membrane electrode assembly.
スタックの両端に置かれた単セルである端部セルには、直流電流を取り出すための集電板(ターミナルプレート)が設けられている。そして、端部セルと集電板との間には、冷却媒体流路が形成されている。端部セルは、冷却媒体流路を流れる冷却媒体により冷却されて、更に、集電板に接触することにより冷却されるために、スタックの中心部に置かれた単セルよりも放熱が多く冷却されやすい。 The end cells, which are single cells placed at both ends of the stack, are provided with current collector plates (terminal plates) for taking out a direct current. A cooling medium flow path is formed between the end cell and the current collector plate. The end cell is cooled by the cooling medium flowing through the cooling medium flow path, and further cooled by contacting the current collector plate, so that the end cell cools more than the single cell placed at the center of the stack. Easy to be.
そのため、端部セルは、発電の停止時(冷却時)において、セル内に、生成水が残留する場合がある。そして、スタックが氷点下環境に曝露されると、端部セル内に結露した水が凍結して、セルの劣化や、起動遅延等が生じる場合がある。また、燃料電池の動作中には、フラディングが生じる場合がある。 Therefore, in the end cell, the generated water may remain in the cell when power generation is stopped (cooling). When the stack is exposed to a sub-freezing environment, the condensed water in the end cells freezes, which may cause cell deterioration, activation delay, and the like. In addition, flooding may occur during operation of the fuel cell.
特許文献1には、複数の単位セルを積層した積層体の積層方向両端と電力取り出し用ターミナル板との間に導電性の断熱板を介装して、断熱板と積層体との間に断熱用空気層を形成することにより、単位セルの内部で発生した熱が、ターミナル板に伝達されることを有効に阻止することができる燃料電池スタックが示されている。 In Patent Document 1, a conductive heat insulating plate is interposed between both ends in the stacking direction of a stacked body in which a plurality of unit cells are stacked and a power extraction terminal plate, and heat insulation is performed between the heat insulating plate and the stacked body. A fuel cell stack that can effectively prevent heat generated in a unit cell from being transferred to a terminal plate by forming a working air layer is shown.
ここで、上記のように、スタックと集電板との間に断熱用空気層を形成して端部セルで生じた熱の放熱を抑制する場合には、新たに、端部セルと集電板との間に断熱板を設けて断熱用空気層を形成するため、スタックが大型化する場合がある。 Here, as described above, in the case where a heat insulating air layer is formed between the stack and the current collector plate to suppress the heat radiation generated in the end cell, the end cell and the current collector are newly added. Since a heat insulating plate is provided between the plates to form a heat insulating air layer, the stack may be enlarged.
そこで、本発明の目的は、スタックをより大型化せずに、端部セルからの放熱を抑制できる燃料電池を提供することである。 Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell that can suppress heat dissipation from the end cells without further increasing the size of the stack.
本発明に係る燃料電池は、複数の単セルを積層したスタックと、スタックの両端に設けられた集電板とを備え、スタックの両端に置かれた端部セルは、凹凸状のセパレータを有し、セパレータと集電板との間に、セパレータの凹部と集電板とで形成された冷却媒体流路を有する燃料電池であって、冷却媒体流路に、断熱材が設けられることを特徴とする。 A fuel cell according to the present invention includes a stack in which a plurality of single cells are stacked, and current collectors provided at both ends of the stack, and the end cells placed at both ends of the stack have uneven separators. A fuel cell having a cooling medium flow path formed between the separator and the current collecting plate between the separator and the current collecting plate, wherein a heat insulating material is provided in the cooling medium flow path. And
本発明に係る燃料電池において、集電板に、冷却媒体流路を形成する溝が設けられることを特徴とする。 In the fuel cell according to the present invention, the current collector plate is provided with a groove for forming a cooling medium flow path.
本発明に係る燃料電池において、断熱材は、セラミックス材料で形成されることを特徴とする。 In the fuel cell according to the present invention, the heat insulating material is formed of a ceramic material.
本発明に係る燃料電池において、断熱材は、集電板側に配置されることを特徴とする。 In the fuel cell according to the present invention, the heat insulating material is disposed on the current collector plate side.
本発明に係る燃料電池において、断熱材は、セパレータ側に配置されることを特徴とする。 In the fuel cell according to the present invention, the heat insulating material is arranged on the separator side.
本発明に係る燃料電池において、断熱材は、冷却媒体流路の表面に被覆されることを特徴とする。 In the fuel cell according to the present invention, the heat insulating material is coated on the surface of the cooling medium flow path.
上記のように本発明に係る燃料電池によれば、端部セルから冷却媒体への熱の流れを抑えることにより、スタックをより大型化せずに、端部セルからの放熱を抑制することができる。 As described above, according to the fuel cell of the present invention, by suppressing the flow of heat from the end cells to the cooling medium, it is possible to suppress heat dissipation from the end cells without further increasing the size of the stack. it can.
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。燃料電池は、複数の単セルを積層したスタックと、スタックの両端に設けられた集電板とを含んで構成される。図1は、燃料電池に備えられるスタック10の構成を示す図である。燃料電池のスタック10は、複数個、例えば、数十個の単セル12が積層されて構成されている。そして、スタック10の両端に置かれた端部のセルである端部セル14には、電流を取り出すための集電板16が設けられている。
Embodiments according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. The fuel cell includes a stack in which a plurality of single cells are stacked, and current collector plates provided at both ends of the stack. FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a
図2は、集電板16が設けられた端部セル14の断面を示す図である。まず、端部セル14は、電解質膜18の両側にそれぞれ触媒層20が積層され、各々の触媒層20にガス拡散層22が積層されて膜電極接合体24を構成し、更に、膜電極接合体24にセパレータ26が積層されることにより構成される。
FIG. 2 is a view showing a cross section of the
電解質膜18は、アノード極側で発生した水素イオンをカソード極側まで移動させる機能等を有している。電解質膜18の材料は、化学的に安定であるフッ素系樹脂、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸のイオン交換膜が使用される。パーフルオロカーボンスルホン酸のイオン交換膜としては、ナフィオン膜(デュポン社の登録商標)等を用いることができる。
The
触媒層20は、アノード極側での水素の酸化反応やカソード極側での酸素の還元反応を促進する機能を有している。そして、触媒層20は、触媒と触媒の担体とを含んで構成される。触媒は、反応させる電極面積を大きくするため、一般的に粒子状にして、触媒の担体に付着して使用される。触媒には、水素の酸化反応や酸素の還元反応について、小さい活性化過電圧を有する白金族元素である白金等が使用される。触媒の担体としては、カーボン材料、例えば、カーボンブラック等が使用される。触媒の担体であるカーボンブラックとしては、ケッチェンブラック(ライオン社製)、デンカブラック(電気化学工業社製)等を用いることができる。
The
ガス拡散層22は、燃料である水素や酸化剤である酸素を触媒層20に拡散させる機能や、電子を移動させる機能等を有している。そして、ガス拡散層22には、導電性を有する材料であるカーボン繊維織布、カーボン紙等を使用することができる。そして、膜電極接合体24は、電解質膜18と、触媒層20と、ガス拡散層22とを積層し、ヒートプレス等することにより製造することができる。
The
セパレータ26は、膜電極接合体24のガス拡散層22に積層され、隣設する単セル12における燃料ガスである水素と酸化剤である空気とを分離する機能を有している。また、セパレータ26は、一方の単セル12と他方の単セル12とを電気的に接続する機能を有している。
The
セパレータ26には、凹凸状を有するセパレータ26を用いることが好ましい。セパレータ26には、燃料ガスや空気等が流れるガス流路28や、単セル12を冷却するLLC(Long Life Coolant)や冷却水等の冷却媒体を流す冷却媒体流路30等を形成されるためである。例えば、セパレータ26の凸部とガス拡散層22とで、燃料ガスや空気等のガス流路28を形成することができる。勿論、他の条件次第では、セパレータ26の形状は、凹凸状に限定されることはない。
As the
セパレータ26には、導電性を有する材料であるステンレス鋼、チタン、銅等の金属材料や炭素材料等を使用することができる。勿論、他の条件次第では、セパレータ26の材料は、上記材料に限定されることはない。そして、金属材料のシート材を、例えば、プレス加工等することにより凹凸状に成形して、凹凸状のセパレータを製造することができる。勿論、他の条件次第では、金属材料等を機械加工等してセパレータを製造することができ、プレス加工に限定されることはない。
For the
集電板16は、スタック10の両端に設けられ、セル12、14で生じた直流電流を取り出す機能を有している。そして、集電板16は、スタック10の両端に置かれた端部セル14における凹凸状に成形されたセパレータ26の凸部と接触して設けられる。
The
集電板16には、導電性を有する材料であるステンレス鋼や銅等の金属材料や炭素材料等を使用することができる。また、集電板16には、ステンレス鋼や銅等の金属シート材に金メッキを施して用いてもよい。勿論、他の条件次第では、集電板16の材料は、上記材料に限定されることはない。
For the
セパレータ26と集電板16との間には、セパレータ26の凹部と集電板16とで、上述したように、セルを冷却するための冷却媒体を流す冷却媒体流路30が形成される。燃料電池を高電流密度発電で稼動させる場合には、端部セル14においてもより多くの熱が発生するため冷却する必要があるからである。
Between the
ここで、集電板16には、冷却媒体流路30の断面積をより大きくするため、溝31を設けることが好ましい。後述するように、セパレータ26の凹部と集電板16とで形成される冷却媒体流路30に断熱材32等を設けた場合においても、集電板16に溝31を設けることにより、端部セル14における冷却媒体の圧力損失を、端部セル14以外の他の単セル12と略同じとすることができるからである。勿論、他の条件次第では、集電板16に溝31を設けないで冷却媒体流路30を形成することができる。
Here, the
セパレータ26の凹部と集電板16とで形成された冷却媒体流路30に、断熱材32が設けられる。セパレータ26の凹部と集電板16とで形成された冷却媒体流路30に断熱材32を設けることにより、端部セル14で生じた熱が、端部セル14のガス拡散層22からセパレータ26の凹部を通して冷却媒体に流れるのを、断熱材32で抑えることができるからである。そして、冷却媒体流路30に断熱材32を設けることで、端部セル14で生じた熱の放熱経路をより少なくすることができるからである。これにより端部セル14におけるガス流路28を流れる燃焼ガスや空気等の温度低下を抑えて、発電により生じた生成水の系外排出能力をより高めることができる。
A
断熱材32には、セラミックス材料を用いることが好ましい。無機材料であるセラミックス材料は、他の材料より一般的に熱伝導率が小さいため断熱性能が高く、また、耐腐食性にも優れているからである。セラミックス材料には、例えば、アルミナ(Al2O3)、シリカ(SiO2)、炭化珪素(SiC)、窒化珪素(SiN)、ジルコニア(ZrO2)等を用いることができる。また、セラミックス材料には、例えば、アルミナ(Al2O3)−シリカ(SiO2)系セラミックス等の2元系セラミックス材料やアルミナ(Al2O3)−シリカ(SiO2)−ジルコニア(ZrO2)系セラミックス等の3元系セラミックス材料を用いてもよい。勿論、セラミックス材料は、上記材料に限定されることはない。
A ceramic material is preferably used for the
断熱材32は、セラミックス材を含有する塗料やペースト材を用いて形成されることが好ましい。冷却媒体流路30を形成するセパレータ26の凹部に、上記塗料やペースト材を塗布、スプレまたは充填等することにより、断熱材32を容易に形成することができるからである。セラミックス材を含有する塗料には、例えば、スーペリアプロダクト(Superior Product)社製のスーパーサーム(SUPER THERM)やエンヴァイロトロール(Envirotrol)社製のセラミックカバーCC100等を用いることができる。勿論、断熱材32には、セラミックファイバで成形された成形品や、多孔質セラミックス材等を用いてもよく、上記塗料やペースト材等に限定されることはない。
The
断熱材32は、図2に示すように、冷却媒体流路30のセパレータ26側に配置することが好ましい。端部セル14で生じた熱は、膜電極接合体(MEA)24のガス拡散層22から凹凸状に成形されたセパレータ26の凹部を通って冷却媒体に流入するため、断熱材32をセパレータ26側に配置することにより、冷却媒体への熱の流入を抑えることができるからである。それにより、端部セル14で生じた熱を、より多くガス流路28に流入させることでガス流路28内の燃料ガスや空気の温度を上昇させて、系外への生成水の持ち去り量を更に向上させることができる。また、凹凸状に成形されたセパレータ26の凸部は、集電板16に接触しているため、端部セル14で生じた熱は、セパレータ26の凸部から集電板16に流れて放熱される。そのため、燃料電池を高電流密度で発電させる場合にも、端部セル14の放熱ルートは確保されているため、端部セル14の過加熱状態が抑制される。
As shown in FIG. 2, the
冷却媒体流路30を形成するセパレータ26の凹部に断熱材32を形成する場合には、セパレータ26の凹部に、上述したセラミックス材を含有する塗料やペースト材を充填して形成させることができる。セラミックス材を含有する塗料やペースト材の充填方法は、一般的な、塗料やペースト材の充填方法を用いることができる。例えば、セパレータ26の凹部に、上記塗料やペースト材等を充填した後、常温または所定の温度で乾燥等させることによりセパレータ26の凹部に断熱材32を埋め込むことができる。また、多孔質セラミックス材等を断熱材32として用いる場合には、接着剤等の接合材でセパレータ26の凹部に接合して、断熱材32を形成することができる。勿論、他の条件次第では、セパレータ26の凹部に断熱材32を形成する方法は、上記方法に限定されることはない。
When the
また、断熱材32を、冷却媒体流路30の表面に被覆してもよい。図3は、断熱材32を冷却媒体流路30の表面に被覆した構成を示す図である。冷却媒体流路30を形成する凹凸状に成形されたセパレータ26の凹部に、上述したセラミックス材を含有する塗料等を塗布することにより断熱材32を被覆することができる。セラミックス材を含有する塗料やペースト材の被覆方法は、一般的な、塗料やペースト材のコーティング方法、例えば、スプレ法や塗布法等を用いることができる。そして、セパレータ26の凹部に、上記塗料やペースト材等をスプレ等した後、常温または所定の温度で乾燥等させることによりセパレータ26の凹部に断熱材32を被覆することができる。勿論、他の条件次第では、断熱材32の被覆方法は、上記被覆方法に限定されることはない。
Further, the surface of the cooling
断熱材32は、冷却媒体流路30の集電板16側に設けることができる。図4は、断熱材32を冷却媒体流路30の集電板16側に配置した構成を示す図である。集電板16には溝31が形成されており、断熱材32は、例えば、集電板16の溝31に設けることができる。冷却媒体流路30の集電板16側に断熱材32を設けることにより、冷却媒体流路30を流れる冷却媒体の温度が集電板16の温度より高い場合において、冷却媒体から集電板16に流れる熱を抑えることができるからである。また、断熱材32を冷却媒体流路30の集電板16側に設ける場合には、上述した、セラミックス材を含有する塗料やペースト材の充填方法や被覆方法を用いて断熱材32を集電板16側に設けることができる。勿論、他の条件次第では、集電板16側に断熱材32を形成する方法は、上記方法に限定されることはない。
The
断熱材32の大きさ、例えば、断熱材32の厚み等は、断熱材32の断熱能力や冷却媒体の冷却能力等により定めることができる。
The size of the
断熱材32の熱伝導率がより小さく、断熱能力がより高い場合には、断熱材32の厚みは、より小さくなるように定められる。断熱材32の厚みを大きくすると、端部セル14を冷却する能力が低下し、例えば、燃料電池を高電流密度発電で稼動する場合に、端部セル14の内部温度が過剰に高くなる場合があるからである。このような場合には、例えば、上述したように、断熱材32を、冷却媒体流路30の表面に被覆することができる。
When the heat conductivity of the
そして、断熱材32の熱伝導率がより大きく、断熱能力がより低い場合には、断熱材32の厚みは、より大きくなるように定められる。断熱材32の厚みを小さくすると、端部セル14で生じた熱が冷却媒体に多く流入し、端部セル14の内部温度が低下してガス流路28に生成水が残留する場合があるからである。このような場合には、例えば、上述したように、断熱材32を、冷却媒体流路30に充填することができる。
And when the heat conductivity of the
冷却媒体の流量がより多く、冷却媒体の冷却能力がより高い場合には、断熱材32の厚みは、より小さくなるように定められる。断熱材32の厚みを大きくすると、上述したように、端部セル14を冷却する能力が低下し、例えば、燃料電池を高電流密度発電で稼動する場合に、端部セル14の内部温度が過剰に高くなる場合があるからである。
When the flow rate of the cooling medium is higher and the cooling capacity of the cooling medium is higher, the thickness of the
そして、冷却媒体の流量がより少なく、冷却能力がより低い場合には、断熱材32の厚みは、より大きくなるように定められる。断熱材32の厚みを小さくすると、上述したように、端部セル14で生じた熱が、冷却媒体に多く流入し、端部セル14の内部温度が低下するからである。
When the flow rate of the cooling medium is smaller and the cooling capacity is lower, the thickness of the
なお、上記構成では、端部セル14と集電板16との間に設けられた冷却媒体流路30に断熱材32を設けたが、更に、端部セル14と、端部セル14に隣接して積層される単セル12との間に設けられる冷却媒体流路に上述した断熱材32を設けるようにしてもよい。
In the above configuration, the
上記構成によれば、セパレータの凹部と集電板とで形成される冷却媒体流路に断熱材を設けることで、端部セルで生じる熱が冷却媒体に流れるのを抑制でき、スタックをより大型化することなく端部セルからの放熱を抑制することができる。それにより、燃料電池におけるフラディングや生成水の凍結によるセル劣化、起動遅延等を抑えることができる。また、特に、アノード側における水素の欠乏、セル電圧落ち、水素の欠乏による触媒劣化等を抑えることができる。 According to the above configuration, by providing the heat insulating material in the cooling medium flow path formed by the concave portion of the separator and the current collector plate, heat generated in the end cells can be suppressed from flowing to the cooling medium, and the stack can be made larger. The heat radiation from the end cell can be suppressed without becoming. Thereby, it is possible to suppress cell deterioration, start-up delay, and the like due to flooding in the fuel cell and freezing of generated water. In particular, it is possible to suppress hydrogen depletion on the anode side, cell voltage drop, catalyst deterioration due to hydrogen depletion, and the like.
上記構成によれば、集電板に冷却媒体流路を形成する溝を設けることにより、冷却媒体流路に断熱材を設けた場合においても、断熱材が配置された冷却媒体流路を流れる冷却媒体の圧力損失を抑えることができる。 According to the above configuration, by providing the current collector plate with the groove for forming the cooling medium flow path, the cooling flowing through the cooling medium flow path in which the heat insulating material is disposed even when the heat insulating material is provided in the cooling medium flow path. The pressure loss of the medium can be suppressed.
上記構成によれば、断熱材をセラミックス材料で形成することにより、耐腐食性をより向上させることができる。 According to the said structure, corrosion resistance can be improved more by forming a heat insulating material with a ceramic material.
10 スタック、12 単セル、14 端部セル、16 集電板、18 電解質膜、20 触媒層、22 ガス拡散層、24 膜電極接合体、26 セパレータ、28 ガス流路、30 冷却媒体流路、31 溝、32 断熱材。 10 stacks, 12 single cells, 14 end cells, 16 current collector plate, 18 electrolyte membrane, 20 catalyst layer, 22 gas diffusion layer, 24 membrane electrode assembly, 26 separator, 28 gas flow channel, 30 cooling medium flow channel, 31 groove, 32 heat insulating material.
Claims (6)
スタックの両端に設けられた集電板と、
を備え、
スタックの両端に置かれた端部セルは、凹凸状のセパレータを有し、
セパレータと集電板との間に、セパレータの凹部と集電板とで形成された冷却媒体流路を有する燃料電池であって、
冷却媒体流路に、断熱材が設けられることを特徴とする燃料電池。 A stack of multiple single cells,
Current collectors provided at both ends of the stack;
With
The end cells placed at both ends of the stack have uneven separators,
A fuel cell having a cooling medium flow path formed by a recess of the separator and a current collector plate between the separator and the current collector plate,
A fuel cell, characterized in that a heat insulating material is provided in the cooling medium flow path.
集電板に、冷却媒体流路を形成する溝が設けられることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 1,
A fuel cell, wherein a current collector plate is provided with a groove for forming a cooling medium flow path.
断熱材は、セラミックス材料で形成されることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 1 or 2,
The fuel cell, wherein the heat insulating material is formed of a ceramic material.
断熱材は、集電板側に配置されることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
The fuel cell, wherein the heat insulating material is disposed on the current collecting plate side.
断熱材は、セパレータ側に配置されることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
The fuel cell, wherein the heat insulating material is disposed on the separator side.
断熱材は、冷却媒体流路の表面に被覆されることを特徴とする燃料電池。 A fuel cell according to any one of claims 1 to 5,
The fuel cell, wherein the heat insulating material is coated on a surface of the cooling medium flow path.
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2010257906A (en) * | 2009-04-28 | 2010-11-11 | Honda Motor Co Ltd | Fuel cell stack |
DE102017105464A1 (en) * | 2017-03-15 | 2018-09-20 | Proton Motor Fuel Cell Gmbh | Current collector plates with fluid flow field for fuel cells |
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2006
- 2006-07-11 JP JP2006190403A patent/JP2008021449A/en active Pending
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