JP2008152978A

JP2008152978A - 燃料電池スタック

Info

Publication number: JP2008152978A
Application number: JP2006337521A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Oshima; 正稔大島
Original assignee: Kawamura Electric Inc
Current assignee: Kawamura Electric Inc
Priority date: 2006-12-14
Filing date: 2006-12-14
Publication date: 2008-07-03

Abstract

【課題】隣接する単位発電体間の接触抵抗を低減する。
【解決手段】燃料電池スタック１を、固体高分子電解質膜５を陽極材６と陰極材７とで挟んでなる単位発電体８をセパレータ１０を介して２個積層して構成する。セパレータ１０を、隣接する単位発電体８間に介在する１枚の内側セパレータ１１と、内側セパレータ１１を挟み込んだ２個の単位発電体８の外面側から挟み込むように配置される一対２枚の外側セパレータ１４と、から構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池スタックに関し、特に単位セル間のセパレータで生ずる接触抵抗の低減技術に関する。

従来から、燃料電池の発電電圧を向上させるために、隣接する発電体間に配置された部材同士の接触抵抗を低減する技術が各種提案されている。例えば、特許文献１では、陽極およびセパレータとガス流路構造体との間にカーボン粒子を介在させる技術が、また、特許文献２では、セパレータ板の電極との間に導電性粒子を配置する技術が提案されている。

特開２００３−２０３６５２号公報特開２０００−２６０４４１号公報

しかし、特許文献１ではカーボン粒子を介在させる工程を、また特許文献２では導電粒子を配置させる工程を、それぞれ新たに追加して燃料電池を製造することになるため、工程が増えることで燃料電池を安価に製造できない恐れがある。また、部材間の接触箇所で生じる接触抵抗も、燃料電池を実際に組み立ててからでないと確認できず、また組立精度の影響を受けて変動し易いため、低減作用の確実性が低下する恐れがある。

そこで、本発明では上記課題を鑑み、安価に製造でき、かつ接触抵抗を確実に低減できる燃料電池スタックの提供を課題とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明に係る燃料電池用セパレータは、固体高分子電解質膜を陽極材と陰極材とで挟んでなる単位発電体が、その両側にセパレータを配置して複数個積層され、セパレータが、陽極材及び陰極材のそれぞれの対向面側に、陽極材に酸素ガスを供給する酸素ガス流路及び陰極材に水素ガスを供給する水素ガス流路を備えてなる燃料電池スタックであって、隣接する単位発電体間に配置されるセパレータが、少なくとも一の単位発電体間において単板状に形成されてなる単板状セパレータを含むように構成される。

請求項２の発明に係る燃料電池用セパレータは、隣接する単位発電体間に配置されるセパレータが、単位発電体間において分割板状に形成されてなる分割板状セパレータを含み、対向する分割板状セパレータ間に、温度調整媒体を流し込む媒体流路を備えるように構成される。

請求項１の発明によれば、隣接する単位発電体間のセパレータを単板状に形成したので、別体で隣り合うセパレータを無くすことができる。よってセパレータ間の接触抵抗を低減でき、燃料電池スタックの発電電圧を高めることができる。さらに、別体で隣り合うセパレータを無くすことで組立精度の影響を受け難くでき、組立毎に生ずる接触抵抗のばらつきを抑え、低減作用の確実性を高めることが可能となる。また追加する構成は特にないので、安価に製造可能となる。

請求項２の発明によれば、任意に選択した隣り合う単位発電体間に媒体流路を設けることができ、発電熱が滞留し易い積層内部に温度調整媒体を流し込むことができ、熱交換効率を高めることができる。

以下、本発明を具体化した実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る燃料電池スタックの一例を示す固体高分子形燃料電池のスタック構造の模式図である。燃料電池スタック１は、固体高分子電解質膜５を陽極材６と陰極材７とで挟んでなる単位発電体８を、セパレータ１０を介して２個積層して構成されている。セパレータ１０は、隣接する単位発電体８間に介在する１枚の内側セパレータ１１と、内側セパレータ１１を挟み込んだ２個の単位発電体８の外面側から挟み込むように配置される一対２枚の外側セパレータ１４と、から構成されている。

固体高分子形電解質膜５は、高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されている。また陽極材５および陰極材６は、カーボンブラック担体上に白金触媒を担持したものが用いられている。

内側セパレータ１１は、導電性を備えるようにカーボンを主材とする単板状の単板状セパレータ１２として形成されている。また外側セパレータ１４も、カーボンを主材とする単板状に形成されている。内側セパレータ１１、すなわち単板状セパレータ１２の一面側には、対向する一方の単位発電体８の陽極材６に酸素ガスを供給する酸素ガス流路１５が溝状に凹設され、また単板状セパレータ１２の他面側には、対向する他方の単位発電体８の陰極材７に水素ガスを供給する水素ガス流路１６が溝状に凹設されている。

一対の外側セパレータ１４のうち、一方の内面側には、対向する一方の単位発電体８の陰極材７に水素ガスを供給する水素ガス流路１６が、他方の内面側には、対向する他方の単位発電体８の陽極材６に酸素ガスを供給する酸素ガス流路１５が、それぞれ溝状に凹設されている。また一対の外側セパレータ１４の外面側には、外部の循環経路（図示略）から温度調整媒体を流し込んで燃料電池スタック１の温度を調整するための媒体流路１７が、それぞれ溝状に凹設されている。外部の循環経路は、温度調整媒体の温度を調整する温度調整手段（図示略）を備え、燃料電池スタック１を所定の発電作動温度に安定させることが可能である。

夫々の単位発電体８は、酸素ガス流路１５及び水素ガス流路１６から陽極材６及び陰極材７に供給される酸素ガス中の酸素と水素ガス中の水素との電気化学反応によって所定の電力が出力される。燃料電池スタック１は、単板状セパレータ１２を介して２個の単位発電体８を積層することにより、２個の単位発電体８を直列接続するように構成し、個々の単位発電体８から出力される発電電力を積算して出力する。

上記構成の燃料電池スタック１によれば、隣接する単位発電体８間の内側セパレータ１１を単板状に形成したので、単位発電体８毎の両側に一対のセパレータを配置してスタックを構成する従来のものに比べて、別体で隣り合うセパレータを無くして接触抵抗を低減でき、燃料電池スタック１の発電電圧を高めることができる。さらに、別体で隣り合うセパレータを無くして組立精度の影響を受け難くでき、組立毎に生ずる接触抵抗のばらつきを抑え、低減作用の確実性を高めることが可能となる。また追加する構成は特にないので、安価に製造可能となる。

図２は、本発明に係る燃料電池スタックの他の実施の形態を示す模式図である。
燃料電池スタック２は、単位発電体８を１０個積層して構成されている。図２（ａ）のように、この時、隣接する単位発電体８間の内側セパレータ１１は単板状セパレータ１２として９枚で構成され、外側セパレータ１４と合わせて１１枚のセパレータ１０を必要とする。これに対して、図２（ｂ）のように、単位発電体２８毎に一対のセパレータ２０を必要とする従来の燃料電池スタック１９では、内側セパレータ２１は１８枚で構成され外側セパレータ２４と合わせて２０枚のセパレータ２０を必要とする。単位発電体８，２８の積層数が多い程、接触抵抗の差が大きくなる。この場合の燃料電池スタック２も、燃料電池スタック１と同様の効果を得ることができる。

図３は、本発明に係る燃料電池スタックの他の実施の形態を示す模式図である。
燃料電池スタック３は、単位発電体８を１０個積層して構成されている。図２（ａ）の燃料電池スタック２と異なり、内側セパレータ１１が、単板状セパレータ１２と分割板状セパレータ１３とを含むように構成されている。また対向する分割板状セパレータ１３間には、外部の循環経路から温度調整媒体を流し込んで燃料電池スタック３の温度を調整するための媒体流路１８が溝状に凹設されている。

この燃料電池スタック３によれば、任意に選択した隣り合う単位発電体８間に媒体流路１８を設けることができ、発電熱が滞留し易い積層内部に温度調整媒体を流し込むことができ、熱交換効率を高めることができる。また、燃料電池スタック３の付帯設備や電力変換器等の発熱源の配置位置によって、特に放熱し難い単位発電体８が部分的に生ずる場合であっても、特定の単位発電体８のみを選択して分割板状セパレータ１３をその両側に配置すれば、その分接触抵抗は高まるものの、部分的な温度上昇を防ぎ発電効率を高めることができる。

尚、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、以下に示すように本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各部の形状並びに構成を適宜に変更して実施することも可能である。
（１）媒体流路は、凹設するものに限らず、熱交換用の配管を引き回しても良い。

本発明に係る燃料電池スタックの一の実施の形態を示す模式図である。（ａ）は本発明に係る燃料電池スタックの他の実施の形態を示す模式図であり、（ｂ）は従来の燃料電池スタックを示す模式図である。本発明に係る燃料電池スタックの他の実施の形態を示す模式図である。

符号の説明

１，２，３，１９・・燃料電池スタック、５・・電解質膜、６・・陽極材、７・・陰極材、８，２８・・単位発電体、１０，２０・・セパレータ、１１，２１・・内側セパレータ、１２・・単板状セパレータ、１３・・分割板状セパレータ、１４，２４・・外側セパレータ、１５・・酸素ガス流路、１６・・水素ガス流路、１７，１８・・媒体流路。

Claims

固体高分子電解質膜を陽極材と陰極材とで挟んでなる単位発電体が、その両側にセパレータを配置して複数個積層され、セパレータが、陽極材及び陰極材のそれぞれの対向面側に、陽極材に酸素ガスを供給する酸素ガス流路及び陰極材に水素ガスを供給する水素ガス流路を備えてなる燃料電池スタックであって、
隣接する単位発電体間に配置されるセパレータは、
少なくとも一の単位発電体間において単板状に形成されてなる単板状セパレータを含む、
ことを特徴とする燃料電池スタック。
隣接する単位発電体間に配置されるセパレータは、
単位発電体間において分割板状に形成されてなる分割板状セパレータを含み、
対向する分割板状セパレータ間に、温度調整媒体を流し込む媒体流路を備える、
請求項１に記載の燃料電池スタック。