JP2008186783A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックに関し、電極間に所望の温度差を生じさせることを容易な構造とする。
【解決手段】燃料電池スタックを構成する各燃料電池８を隣り合う燃料電池８と同極同士が対面するように配置する。隣り合う燃料電池８のアノード側の集電体４間には絶縁体１０を配置する。また、隣り合う燃料電池８のカソード側の集電体６間にも絶縁体２０を配置する。さらに、隣り合う燃料電池８のアノード側の集電体４間には冷媒流路１２を設ける。また、隣り合う燃料電池８のカソード側の集電体６間にも冷媒流路２２を設ける。さらに、外部回路３０によって各燃料電池８の集電体４、６を他の燃料電池８の集電体４、６に直列に接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の燃料電池が積層された燃料電池スタックに関する。

燃料電池で用いられる電解質膜は、その内部における水素イオンの移動に水分子が必要とされ、水分を含んだ状態でのみ高い水素イオン導電性を示す。このため、燃料電池内の水分が不足して電解質膜が乾燥してしまうと、水素イオンの導電性の低下に伴い燃料電池の発電性能は低下してしまう。逆に、電解質膜近傍に余剰の水分が存在する場合、反応ガスの供給が水によって妨げられるため、やはり燃料電池の発電性能は低下してしまう。特にカソードでは水素と酸素との反応によって水が生成されるため、カソード近傍には余剰の水分が発生しやすい。

したがって、燃料電池において高い発電性能を維持するためには、燃料電池内の余剰水の排水と電解質膜の保湿とを両立させることが重要である。その手段としては、燃料電池内部での水輸送、具体的には、電解質膜中の水分のカソード側からアノード側への輸送を促進してカソード側とアノード側との水バランスを是正することが有効と考えられる。

燃料電池内の水バランスを是正するための技術として、従来、特許文献１に開示された技術が知られている。この従来技術は、電解質膜は高温ほど多くの水を含水できるという電解質膜の特徴を利用している。具体的には、カソードの温度をアノードの温度よりも高くすることによって電解質膜内に水の濃度勾配を生じさせることで、カソードからアノードへの水の拡散を容易にして燃料電池内の水バランスを均一化するようにしている。
特開２００１−１５１３８号公報 特開平４−２５６７３号公報 特開平８−３２１３１４号公報 特開２００２−２７０１９７号公報

ところで、燃料電池は複数枚が積層された燃料電池スタックとして使用されるのが一般的である。設置のしやすさを考慮すると燃料電池スタックの体格は小さいほうが好ましいが、そのためには、積層される燃料電池一枚一枚を薄型化することが求められる。

燃料電池の薄型化のためには、セパレータ（集電体）をできるかぎり薄く形成する必要がある。しかし、金属やカーボンを材料とするセパレータは熱伝導率が高く、セパレータの薄型化はカソード側からアノード側への熱拡散を容易にしてカソード温度とアノード温度との均一化を招いてしまう。つまり、従来の燃料電池スタックの構造では、セパレータを介して電極間で熱拡散が起きることにより、電極間に所望の温度差を生じさせることは容易ではなかった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、電極間に所望の温度差を生じさせることが容易な、改良された燃料電池スタックの構造を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、電解質膜の両側を電極で挟み、さらにその両側を集電体で挟んでなる燃料電池を複数積層してなり、積層された各燃料電池は隣り合う燃料電池と同極同士が対面するように配置されている燃料電池スタックであって、
隣り合う燃料電池の集電体間に配置された絶縁体と、
隣り合う燃料電池の集電体間に設けられた冷媒流路と、
各燃料電池の集電体を他の燃料電池の集電体に直列に接続する外部回路と、
を備えることを特徴としている。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記冷媒流路は前記絶縁体内に形成されていることを特徴としている。

また、第３の発明は、第１又は第２の発明において、
アノード側の集電体間に設けられたアノード側冷媒流路と、カソード側の集電体間に設けられたカソード側冷媒流路とは直列につながり、前記アノード側冷媒流路を通過した冷媒が前記カソード側冷媒流路に供給されることを特徴としている。

また、第４の発明は、第１又は第２の発明において、
アノード側の集電体間に設けられたアノード側冷媒流路と、カソード側の集電体間に設けられたカソード側冷媒流路とは互いに独立した冷媒供給系に接続されていることを特徴としている。

第１の発明によれば、燃料電池は隣り合う燃料電池と同極同士が対面するように積層されているので、アノードとカソードとが集電体を挟んで隣り合うことがなく、両電極は集電体よりも熱伝導率が格段に低い電解質膜を挟んで隣り合うのみとなる。このような構造によれば、カソードからアノードへの熱拡散は抑えられるので、カソードの温度がアノードの温度よりも高くなるように各電極の温度を管理することは容易であり、電極間に所望の温度差を生じさせて燃料電池内の水バランスを均一化させることができる。また、隣り合う燃料電池の集電体間に絶縁体を配置することで、隣り合う燃料電池の同極同士を電気的に絶縁しつつ、温度管理は一体的に行うことができる。

第２の発明によれば、冷媒流路を絶縁体内に形成することによって、集電体の形状を単純化することができ、また、冷媒のシールのための構造を簡略化することができる。

第３の発明によれば、アノード側冷媒流路を通過して暖められた冷媒がそのままカソード側冷媒流路に供給されるので、アノードを冷却する冷媒とカソードを冷却する冷媒との間に温度差をつけることができる。つまり、アノード側とカソード側とに別系統で冷媒を供給せずとも、電極間に所望の温度差を生じさせることができる。

第４の発明によれば、アノード側冷媒流路に流れる冷媒の温度と、カソード側冷媒流路に流れる冷媒の温度とを別々に設定することが可能であり、アノードを冷却する冷媒とカソードを冷却する冷媒との間に任意の温度差をつけることができる。

実施の形態１．
以下、図を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。

［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１としての燃料電池スタックの分解図である。図１では、燃料電池スタックを構成する各部材がそれらの積層方向に分解して示されている。

燃料電池スタックは、複数の燃料電池（以下、セルという）８が積層されて構成されている。各セル８は、膜電極接合体２をその両側から導電性のセパレータ４、６で挟むことによって構成されている。膜電極接合体２は、図示は省略するが、固体高分子電解質膜の一方の面にアノードが接合され、もう一方の面にカソードが接合された構造を有している。各電極の表面には、さらに、多孔質体からなるガス拡散層が積層されている。膜電極接合体２とアノード側セパレータ４との間には、水素ガスが流れるガス流路が形成されている。膜電極接合体２とカソード側セパレータ６との間には、空気が流れるガス流路が形成されている。なお、図１では、セパレータ４、６を加工してガス流路を形成しているが、膜電極接合体２と各セパレータ４、６との間に多孔質体の層を設けてそれをガス流路としてもよい。セパレータ４、６は、膜電極接合体２において発電された電気を集電する集電体としての機能も有している。

本実施の形態の燃料電池スタックは、セル８の並びに特徴がある。各セル８は隣り合うセル８と同極同士が対面するように配置されている。つまり、この燃料電池スタックは、積層方向にアノード側セパレータ４を向けて配置されたセル８Ａと、積層方向にカソード側セパレータ６を向けて配置されたセル８Ｂとが交互に積層されて構成されている。以下、これら向きの異なるセルを区別する場合には符号８Ａ、８Ｂを用いて表記し、区別しない場合には符号８を用いて表記するものとする。

隣り合うセル８Ａ、８Ｂの間には、絶縁体１０或いは２０が配置されている。隣り合うセル８Ａ、８Ｂを直接に積層すると、アノード極同士或いはカソード極同士を接続することになるためである。セル８Ａ、８Ｂのアノード側セパレータ４間に配置される絶縁体１０の内部には、冷媒が流れる冷媒流路１２が形成されている。セル８Ａ、８Ｂのカソード側セパレータ６間に配置される絶縁体２０の内部にも、冷媒が流れる冷媒流路２２が形成されている。このように冷媒流路１２、２２を絶縁体１０、２０内に形成することによって、セパレータ４、６の形状を単純化することができ、また、冷媒のシールのための構造を簡略化することができる。

間に絶縁体１０、２０が配置されることで、積層された複数のセル８はそれぞれがばらばらの存在になる。しかし、これらのセル８の集合体が燃料電池スタックとして機能するためには、各セル８が直列に接続されている必要がある。そこで、本実施の形態の燃料電池スタックは、各セル８を直列接続するための手段として外部回路３０を備えている。外部回路３０は、セル８Ｂのアノード側セパレータ４をセル８Ａのカソード側セパレータ６に電気的に接続し、セル８Ｂのカソード側セパレータ６を逆側のセル８Ａのアノード側セパレータ４に電気的に接続している。

図２は、本実施の形態の燃料電池スタックの組み上がった状態を示す図である。また、この図２では、各冷媒流路１２、２２に供給される冷媒の流れを示している。図中に矢印で示すように、アノード側セパレータ４間の冷媒流路１２と、カソード側セパレータ６間の冷媒流路２２とは直列につながれている。冷媒は、まず、アノード側セパレータ４間の冷媒流路１２に供給される。そして、この冷媒流路１２を通過した冷媒がカソード側セパレータ６間の冷媒流路２２に供給される。冷媒流路２２を通過した冷媒は、燃料電池スタックの外部に排出されて、図示しない冷却装置によって冷却される。冷却の後、冷媒は再び燃料電池スタック内に導入されて冷媒流路１２に供給される。なお、図２は各冷媒流路１２、２２への冷媒の流し方を示す図であって、冷媒流路１２、２２の形状や冷媒が流れる方向を具体的に限定するための図ではない。

［実施の形態１の作用及び効果］
図１及び図２に示す構成によれば、各セル８は隣り合うセル８と同極同士が対面するように積層されているので、アノードとカソードとがセパレータ４、６を挟んで隣り合うことがない。両電極はセパレータ４、６よりも熱伝導率が格段に低い電解質膜を挟んで隣り合うのみとなる。したがって、このような構成によれば、電極間の熱拡散を抑えることができ、電極間の温度差の管理が容易になる。また、隣り合うセル８Ａ、８Ｂの間に絶縁体１０或いは１２を配置することで、隣り合うセル８Ａ、８Ｂの同極同士を電気的に絶縁しつつ、温度管理は一体的に行うことができる。

また、図１及び図２に示す構成において、カソードの温度がアノードの温度よりも高くなるように電極間に温度差を生じさせることができれば、セル８内の水バランスを均一化させることができる。図２に示す冷媒の流れによれば、アノード側の冷媒流路１２を通過して暖められた冷媒がそのままカソード側の冷媒流路２２に供給されるので、膜電極接合体２のアノードを冷却する冷媒とカソードを冷却する冷媒との間に温度差をつけることができる。前述のように、図１及び図２に示す構成によれば電極間の熱拡散を抑えることができるので、冷媒流路１２、２２間における冷媒の温度差を略そのまま電極間の温度差とすることができる。

実施の形態２．
以下、図を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。

［実施の形態２の構成］
図３は本発明の実施の形態２としての燃料電池スタックの構成を示す図である。本実施の形態の燃料電池スタックは、実施の形態１とは冷媒の供給方向のみが異なり、その他の構成は共通している。図３において、実施の形態１と共通する要素については同一の符号を付して示している。また、図３に示す各セルは、実施の形態と同じく外部回路（図示略）によって直列接続されている。

図３には、各冷媒流路１２、２２に供給される冷媒の流れを示している。本実施の形態の燃料電池スタックは、図中に矢印で示すように、アノード側セパレータ４間の冷媒流路１２に冷媒を供給するための冷媒供給系と、カソード側セパレータ６間の冷媒流路２２に冷媒を供給するための冷媒供給系とが別々に設けられている。２つの冷媒供給系は、どちらも冷媒が循環する循環系であって、それぞれが図示しない冷却装置を備えている。これにより、冷媒流路１２に流れる冷媒の温度と、冷媒流路２２に流れる冷媒の温度とは別々に設定することができる。なお、図３は各冷媒流路１２、２２への冷媒の流し方を示す図であって、冷媒流路１２、２２の形状や冷媒が流れる方向を具体的に限定するための図ではない。

［実施の形態２の作用及び効果］
図３に示す構成によれば、各冷媒流路１２、２２に流れる冷媒の温度を自由に制御することが可能であり、膜電極接合体２のアノードを冷却する冷媒とカソードを冷却する冷媒との間に任意の温度差をつけることができる。前述のように、各セルが隣り合うセルと同極同士が対面するように積層されていることで電極間の熱拡散は抑えられるので、冷媒流路１２、２２間における冷媒の温度差を略そのまま電極間の温度差とすることができる。したがって、図３に示す構成によれば、カソードの温度をアノードの温度よりも高くして電解質膜内に水の濃度勾配を生じさせることができ、カソードからアノードへの水の拡散を容易にしてセル内の水バランスを均一化することができる。

その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。

上記の実施の形態１及び２では、アノード側の冷媒流路１２とカソード側の冷媒流路２２に流れる冷媒に温度差をつけ、それにより電極間に温度差を生じさせている。しかし、電極間に温度差をつける方法としては、アノードに供給される水素ガスと、カソードに供給される空気との間に温度差をつけることでもよい。カソードに供給される空気よりも低温の水素ガスを空気に供給すれば、その分、アノードの温度をカソードの温度よりも低くする上で有利に作用する。

カソード側セパレータ６の厚さをアノード側セパレータ４の厚さよりも厚くすることも、電極間に温度差をつける上では有効である。これによれば、カソード側の熱容量はアノード側の熱容量よりも大きくなるので、カソード側はアノード側よりも冷媒によって冷却され難くなり、その結果、電極間に温度差が生じることになる。カソード側絶縁体２０の厚さとアノード側絶縁体１０の厚さとの間に差をつけることでも、同様の効果を得ることができる。

カソード側セパレータ６とアノード側セパレータ４とを熱伝導率の異なる別の材料で作成することも、電極間に温度差をつける上では有効である。カソード側セパレータ６の熱伝導率をアノード側セパレータ４の熱伝導率よりも小さくすれば、カソード側はアノード側よりも冷媒によって冷却され難くなるので、結果として電極間に温度差を生じさせることができ。カソード側絶縁体２０とアノード側絶縁体１０とを熱伝導率の異なる別の材料で作成することでも、同様の効果を得ることができる。

カソード側の拡散層の厚さをアノード側の拡散層の厚さよりも厚くすることも、電極間に温度差をつける上では有効である。拡散層の厚さが厚くなれば、その分、熱容量が大きくなるので内部に熱が篭りやすくなるからである。また、内部抵抗が大きくなる結果、抵抗で発生する熱が大きくなることも、電極間に温度差を生じさせる上で有利に作用する。

また、上記の実施の形態１及び２では、冷媒流路１２、２２を絶縁体１０、２０内に形成している。しかし、冷媒流路と絶縁体とは必ずしも一体である必要はなく、それぞれを別々に設けてもよい。絶縁体の両側に絶縁体とセパレータとの間に冷媒流路を形成することも可能である。

本発明の実施の形態１としての燃料電池スタックの分解図である。 図１に示す燃料電池スタックの組み上がった状態を示す図であり、且つ、各冷媒流路に供給される冷媒の流れを示す図である。 本発明の実施の形態２としての燃料電池スタックの構成を示す図であり、且つ、各冷媒流路セルに供給される冷媒の流れを示す図である。

符号の説明

２ 膜電極接合体
４ アノード側セパレータ（集電体）
６ カソード側セパレータ（集電体）
８、８Ａ，８Ｂ セル（燃料電池）
１０ アノード側絶縁体
１２ アノード側冷媒流路
２０ カソード側絶縁体
２２ カソード側冷媒流路
３０ 外部回路

Claims (4)

1. 電解質膜の両側を電極で挟み、さらにその両側を集電体で挟んでなる燃料電池を複数積層してなり、積層された各燃料電池は隣り合う燃料電池と同極同士が対面するように配置されている燃料電池スタックであって、
   隣り合う燃料電池の集電体間に配置された絶縁体と、
   隣り合う燃料電池の集電体間に設けられた冷媒流路と、
   各燃料電池の集電体を他の燃料電池の集電体に直列に接続する外部回路と、
   を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記冷媒流路は前記絶縁体内に形成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック。
3. アノード側の集電体間に設けられたアノード側冷媒流路と、カソード側の集電体間に設けられたカソード側冷媒流路とは直列につながり、前記アノード側冷媒流路を通過した冷媒が前記カソード側冷媒流路に供給されることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池スタック。
4. アノード側の集電体間に設けられたアノード側冷媒流路と、カソード側の集電体間に設けられたカソード側冷媒流路とは互いに独立した冷媒供給系に接続されていることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池スタック。

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