JP2009016070A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】発電に寄与しないユニットを備えた燃料電池を容易且つ低コストで製造することができるスタック構造を提供する。
【解決手段】燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池において、複数の燃料電池セル１０が積層された発電セル積層体２と、該発電セル積層体の積層方向における外側に隣接配置され、発電セル積層体において発生した電気を収集するターミナルプレート２０と、ターミナルプレートの積層方向における外側に配置された、発電に寄与しないユニットであって、断熱材３１及びそれを保持する保持部材３２を有する断熱ユニット３０と、フィルタ材４１及びそれを保持する保持部材４２を有するフィルタユニット４０とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池に関し、特に、燃料電池のスタック構造に関する。

スタック構造を有する燃料電池（燃料電池スタック）においては、積層された複数の燃料電池セル（セル積層体）の積層方向の両端部に、発電に寄与しないダミーセルを配置することにより、燃料電池の安定性が向上することが知られている。ここで、ダミーセルとは、燃料電池セル内の発電部（後述するＭＥＡ等）の代わりに、断熱材やフィルタ材等を配置したものである。

図５は、ダミーセルを備える燃料電池におけるセル等の配置を示している。図５に示すように、セル積層体１１０の外側（エンドプレート側）には、ダミーセルである断熱セル１２０及びフィルタセル１３０が配置されている。なお、図５には、燃料電池１００の一方の端部におけるセルの配置が示されているが、反対側の端部においてもセル積層体１１０及びダミーセルが対称的に配置される。

セル積層体１１０を構成する各燃料電池セル１０１は、例えば、固体高分子電解質型の燃料電池であり、ＭＥＡ（膜−電極アッセンブリ）１０２と、これを挟持する２つのセパレータ１０３とを備えている。セパレータ１０３は、ＭＥＡ１０２に燃料ガス及び酸化ガスを供給すると共に、ＭＥＡ１０２において発生した電気を収集するために、不透過性又はガス難透過性を有する導電性材料によって形成されている。

断熱セル１２０は、導電性の断熱材１２１をセパレータ１２２によって挟持したものであり、発電時に燃料電池セル１０１から発生した反応熱の放出を抑制する。それにより、低温（常温より低い温度、例えば、零度近傍や氷点下等）の環境下における燃料電池の起動性を改善することができる。

フィルタセル１３０は、導電性のフィルタ材１３１をセパレータ１３２によって挟持したものであり、燃料電池セル１０１に供給されるガスを流通させることにより、汚染物質を除去する。

さらに、ダミーセルの外側には、セル積層体１１０において発生した電気を収集するターミナルプレート１５０が配置されている。
これらのセル積層体１１０〜ターミナルプレート１４０は、ガスケット１５０を挟持させると共に、締結部材（例えば、エンドプレート及びテンションプレート）を用いて、隣接するセル同士が接触するように積層方向に圧縮することにより固定される。

図６は、ダミーセルを備える燃料電池における別のセル配置を示している。燃料電池２００のように、断熱セル１２０とフィルタセル１３０との配置を入れ替える場合もある。

関連する技術として、特許文献１には、ターミナルの内側に断熱層を有するダミーセルを備えた燃料電池スタックが開示されている。また、特許文献２には、端部発電セルの燃料ガス流路内に凝縮水が滞留することを阻止するために、エンドプレートに最も近接する端部発電セルと該エンドプレートとの間に、ヒータを介装した燃料電池スタックが開示されている。さらに、特許文献３には、発電セル積層体の少なくともガス出入り側端部の発電セルの外側に、ガス供給配管を伝ってくる凝縮水を流れ込ませる凝縮水流れ込み部が設けられている燃料電池が開示されている。
特開２００５−１９２２３号公報 特開２００４−３２７０６５号公報 特開２００６−１９６４６８号公報

ところで、燃料電池１００及び２００においては、セル積層体１１０において発生した電気をターミナルプレート１４０で収集するために、断熱セル１２０及びフィルタセル１３０のセパレータ１２２及び１３２についても、電気抵抗が小さく、且つ、耐食性を有する材料によって形成しなければならない。そのため、セパレータ１２２及び１３２の材料選択の幅が狭く、また、抵抗損失を低減するための高価な表面処理（例えば、酸化膜の除去やめっき処理）が必要となってしまう。それにより、断熱セルやフィルタセルの製造工程が煩雑になると共に、コストが上昇するという問題が生じている。
しかしながら、特許文献１〜３においては、断熱セル等に要するコストや手間についてあまり考慮されていない。

そこで、上記の問題点に鑑み、本発明は、断熱セルやフィルタセルのように、発電に寄与しないユニットを備えた燃料電池を、容易且つ低コストで製造することができるスタック構造を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の１つの観点に係る燃料電池は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池において、複数の燃料電池セルが積層された発電セル積層体と、前記発電セル積層体の積層方向における外側に隣接配置され、前記発電セル積層体において発生した電気を収集するターミナルプレートと、前記ターミナルプレートの積層方向における外側に配置された、発電に寄与しない１つ又は複数のユニットであって、各ユニットが、機能部材と該機能部材を保持する保持部材とを有する、１つ又は複数のユニットとを具備する。
かかる構成とすることにより、発電セル積層体において発生した電気をターミナルプレートに収集するために各ユニットを導電性材料によって形成する必要がなくなる。

前記機能部材として断熱材又はフィルタ材を用いることにより、ターミナルプレートの外側に、断熱ユニットやフィルタユニットを形成することができる。その際に、前記ターミナルプレートの外側に、断熱材を有する第１のユニットを配置し、該第１のユニットの外側に、フィルタ材を有し、前記燃料電池セルに供給される燃料ガスと酸化ガスとの内の少なくとも一方を流通させる第２のユニットを配置することにより、燃料電池における断熱効果を高めると共に、燃料ガスや酸化ガスに混入した不純物による汚染（コンタミネーション）を予防して、燃料電池の運転を安定化させることができる。

ここで、前記燃料電池セルは、電解質と、該電解質の両側にそれぞれ形成された電極層と、該電極層の外側にそれぞれ配置され、前記電解質に供給される燃料ガス及び／又は酸化ガスの流路と、冷却水用の流路とが形成された２つのセパレータとを有している。また、前記第１及び第２のユニットの保持部材は、前記燃料電池のセパレータと同様の形状を有していても良い。或いは、前記ユニットの保持部材は、前記燃料電池のセパレータの形状から燃料ガス及び／又は酸化ガスの流路を省略した形状を有していても良い。さらに、前記ユニットの保持部材は、前記燃料電池のセパレータの形状から冷却水用の流路を省略した形状を有していても良い。

このように、燃料電池セルのセパレータとユニットの保持部材とで共通する設計事項（例えば、全体形状）については、セパレータの設計を流用することにより、保持部材の設計の手間を省くことができる。一方、セパレータと保持部材とで共通しない設計事項（例えば、冷却水用の流路）については、保持部材においてこれを省略することにより、保持部材の構造を簡略化することができる。

また、前記ターミナルプレートの外側に、断熱材及びフィルタ材を有する前記ユニットを配置しても良い。このユニットは、前記ターミナルプレートに接合されていても良い。このように、ターミナルプレートと、断熱ユニットと、フィルタユニットとを一体的に形成することにより、燃料電池スタックの構成部品の数が減り、組立工程が容易になると共に、燃料電池全体のサイズを小さくすることもできる。

さらに、前記燃料電池は、前記ターミナルプレートの積層方向における外側に配置されたインシュレータをさらに具備しても良い。このインシュレータの配置は、ターミナルプレートの外側であれば発電セル積層体からの集電を妨げないので、前記１つ又は複数のユニットの外側であっても内側であっても良い。

本発明によれば、ターミナルプレートを発電セル積層体に隣接配置するので、ターミナルプレートに集電するために、断熱機能やフィルタ機能を有するユニットを導電性材料によって形成する必要がなくなる。それにより、各ユニットの材料選択の幅が広がると共に、各ユニットに抵抗損失を低減するための表面処理も不要となる。従って、各ユニットの製造工程を簡単にすることができると共に、材料及び製造コストを低減することが可能になる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の概略構造を示す平面図である。この燃料電池１は、燃料電池自動車の車載発電システムや、船舶、航空機、電車あるいは歩行ロボット等のあらゆる移動体用の発電システム、さらには、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システム等に適用可能であり、本実施形態においては自動車用となっている。

燃料電池１は、複数の燃料電池セル１０を積層した発電セル積層体２と、その積層方向の両外側に配置されたターミナルプレート（集電板）２０と、断熱ユニット３０と、フィルタユニット４０とを備えている。これらのユニット等の構造及び配置については、後で説明する。

左右のフィルタユニット４０の外側には、インシュレータ５０が配置されている。また、燃料電池１の最端部には、エンドプレート５１が配置されている。インシュレータ５０は、例えば、ポリカーボネート等の樹脂材料によって形成された板状の部材であり、ターミナルプレート２０〜フィルタユニット４０と、エンドプレート５１とを電気的に絶縁している。また、エンドプレート５１は、ステンレスやアルミニウム等の金属によって形成された板状の部材である。

左右のインシュレータ５０に挟まれた積層体（発電セル積層体２、ターミナルプレート２０、断熱ユニット３０、フィルタユニット４０）は、左右のエンドプレート５１に架け渡されたテンションプレート５２により積層方向の圧縮力を印加することによって固定されている。さらに、一方の端部（図１においては右側）のエンドプレート５１とインシュレータ５０との間には、プレッシャプレート５３及びばね機構５４が設けられており、それにより、燃料電池セル１０に作用する荷重の変動が吸収される。
また、発電セル積層体２及びフィルタユニット４０の積層方向に直交する方向の両端には、各燃料電池セル１０に燃料ガス、酸化ガス、及び、冷却水を流すためのマニホールド（図示せず）が設けられている。

図２は、図１に示す燃料電池セル１０〜フィルタユニット４０の構造及びそれらの配置を示している。各層の端部には、積層方向に沿って圧縮変形するガスケット９０が配置されている。ガスケット９０は、隣接する層間をシールすることにより、ガスや水分の漏れを防ぐ。なお、図２には、圧縮変形する前のガスケット９０の形状が示されている。

燃料電池セル１０は、例えば、固体高分子電解質型の燃料電池であり、ＭＥＡ（膜−電極アッセンブリ）１１と、これを挟持する２つのセパレータ１２とを備えている。
ＭＥＡ１１は、高分子材料のイオン交換膜からなる電解質膜１ａと、電解質膜１ａを両側から挟持するアノード１ｂ及びカソード１ｃとを含むイオン交換体である。アノード１ｂ及びカソード１ｃは、白金（Ｐｔ）等の触媒が結着された拡散層（例えば多孔質のカーボン素材）によって形成されている。このようなＭＥＡ１１において、アノード１ｂに供給される燃料ガス（例えば水素ガス）とカソード１ｃに供給される酸化ガス（例えば空気）との電気化学反応により、電気が発生する。

２つのセパレータ１２は、カーボンや、導電性を有する硬質樹脂や、アルミニウムやステンレス等の金属のように、ガス不透過性又はガス難透過性を有する導電性材料によって構成されている。また、各セパレータ１２の一方の面には、アノード１ｂに供給される燃料ガスや、カソード１ｃに供給される酸化ガスを流通させるガス流路１３が形成されている。一方、各セパレータ１２の反対側の面には、冷却水を流通させるための流路１４が形成されている。さらに、セパレータ１２の表面には、隣接するセパレータ１２やターミナルプレート２０との抵抗損失の低減及び腐食対策として、酸化膜の除去やめっき等の表面処理が施されている。

ＭＥＡ１１の周縁部には、接着剤１５が配置されている。接着剤１５は、ＭＥＡ１１とセパレータ１２とを固着すると共に、ガス流路１３からのガス漏れを防止するシール部材として作用する。

ターミナルプレート２０は、例えば、鉄、ステンレス、銅、アルミニウム等の金属によって形成された板状の部材である。ターミナルプレート２０の少なくとも燃料電池セル１０側の表面には、めっき等の表面処理が施されており、かかる表面処理により、燃料電池セル１０との抵抗損失が低減される。

断熱ユニット３０は、断熱材３１と、該断熱材３１を両側から挟持する２つの保持部材３２とを備えるユニットである。断熱材３１としては、例えば、多孔質シートが用いられる。また、断熱材３１の周囲には、接着剤３３が配置されている。接着剤３３は、２つの保持部材３２を互いに接着することにより断熱材３１を固定すると共に、断熱材３１が配置される空間を外部からシールする。
このような断熱ユニット３０は、燃料電池セル１０における発電に伴って発生する熱の放出を抑制することにより、特に、発電セル積層体２の端部の燃料電池セル１０の温度低下を防止する。

フィルタユニット４０は、フィルタ材４１と、ガス流路４３が形成された２つの保持部材４２とを備えるユニットである。フィルタ材４１としては、例えば、多孔質シートが用いられる。また、フィルタ材４１の端部には接着剤４４が配置されており、それにより、フィルタ材４１が保持部材４２に対して固定されると共に、ガス流路４３がシールされる。
このようなフィルタユニット４０は、燃料電池セル１０に供給される燃料ガス及び酸化ガスを通過させることにより、ガスに混入した不純物によるコンタミネーションを予防する。

本実施形態においては、セパレータ１２の形状を保持部材４２に転用している。また、保持部材３２については、セパレータ１２の形状からガス流路１３を省略した形状としている。保持部材３２及び４２の材料としては、セパレータ１２と同様に、カーボンや金属等の導電性材料を用いても良いし、一般的な樹脂等の絶縁性材料を用いても良い。ただし、前者の場合であっても、保持部材３２及び４２にセパレータ１２と同様の表面処理（めっき等）を施さなくても良い。本実施形態においては、ターミナルプレート２０を発電セル積層体２に隣接配置することにより集電しているので、断熱ユニット３０及びフィルタユニット４０に導電性は必要とされないからである。さらに、保持部材３２及び４２として絶縁材料を用いる場合には、インシュレータ５０を省略しても良い。

また、本実施形態においては、発電セル積層体２、ターミナルプレート２０、断熱ユニット３０、フィルタユニット４０、インシュレータ５０を、積層方向の内側から外側（エンドプレート５１側）に向かってこの順で配置しているが、ターミナルプレート２０が発電セル積層体２に隣接して配置されていれば、それよりも外側において各ユニット等をどのような順序で配置しても構わない。例えば、内側（ターミナルプレート２０側）から、フィルタユニット４０、断熱ユニット３０、インシュレータ５０をこの順で配置しても良い。或いは、内側から、インシュレータ５０、断熱ユニット３０、フィルタユニット４０をこの順で配置しても良い。さらに、内側から、インシュレータ５０、フィルタユニット４０、断熱ユニット３０をこの順で配置しても良い。

次に、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池について、図３を参照しながら説明する。本実施形態に係る燃料電池は、図２に示す断熱ユニット３０及びフィルタユニット４０の代わりに、図３に示す断熱ユニット６０及びフィルタユニット７０を備えている。
断熱ユニット６０の保持部材６１、及び、フィルタユニット７０の保持部材７１は、図２に示す保持部材３２及び４２に設けられた冷却水用の流路３４及び４５を省略し、且つ、積層方向の外側及び内側を向く面を面一にしたものである。それにより、これらのユニットを構成する保持部材の構造を簡略化することができる。

なお、本実施形態においても、断熱ユニット６０とフィルタユニット７０の配置を入れ替えても良い。また、インシュレータ５０の配置は、ターミナルプレート２０よりも外側であれば、特に限定されない。例えば、ターミナルプレート２０と断熱ユニット６０との間に挿入しても良いし、フィルタユニット７０の外側に配置しても良い。

次に、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池について、図４を参照しながら説明する。図４に示すように、本実施形態に係る燃料電池は、発電セル積層体２と、端部ユニット８０とを備えている。
端部ユニット８０は、ターミナルプレート８１と、断熱材８２と、フィルタ材８３とを、保持部材８４及び８５並びに接着剤８６を用いて一体化させたものであり、集電機能と、断熱機能と、フィルタ機能とを有している。このような端部ユニット８０を用いることにより、ターミナルプレート、断熱ユニット、及び、フィルタユニット間をガスケットでシールする必要がなくなるので、部品数を低減することができると共に、組立工程が容易になる。また、燃料電池全体のサイズを小さくすることもできる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の構造を示す平面図である。 図１の燃料電池におけるセル等の構造及び配置を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池におけるセル等の構造及び配置を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池におけるセル等の構造及び配置を示す断面図である。 従来の燃料電池におけるセル等の配置を示す断面図である。 従来の燃料電池におけるセル等の別の配置を示す断面図である。

符号の説明

１…燃料電池、１ａ…電解質膜、１ｂ…アノード、１ｃ…カソード、２…発電セル積層体、１０…燃料電池セル、１１…ＭＥＡ、１２…セパレータ、１３…ガス流路、１４…流路、２０、８１…ターミナルプレート、３０、６０…断熱ユニット、３１…断熱材、３２、４２、６１、７１、８４、８５…保持部材、４０、７０…フィルタユニット、４１…フィルタ材、５０…インシュレータ、８０…端部ユニット

Claims (10)

1. 燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池において、
   複数の燃料電池セルが積層された発電セル積層体と、
   前記発電セル積層体の積層方向における外側に隣接配置され、前記発電セル積層体において発生した電気を収集するターミナルプレートと、
   前記ターミナルプレートの積層方向における外側に配置された、発電に寄与しない１つ又は複数のユニットであって、各ユニットが、機能部材と該機能部材を保持する保持部材とを有する、１つ又は複数のユニットと、
   を具備する燃料電池。
2. 前記機能部材は、断熱材又はフィルタ材を含む、請求項１記載の燃料電池。
3. 前記ターミナルプレートの外側に、断熱材を有する第１のユニットが配置されており、
   前記第１のユニットの外側に、フィルタ材を有し、前記燃料電池セルに供給される燃料ガスと酸化ガスとの内の少なくとも一方を流通させる第２のユニットが配置されている、請求項２記載の燃料電池。
4. 前記燃料電池セルは、電解質と、該電解質の両側にそれぞれ形成された電極層と、該電極層の外側にそれぞれ配置され、前記電解質に供給される燃料ガス及び／又は酸化ガスの流路と、冷却水用の流路とが形成された２つのセパレータとを有する、請求項１〜３のいずれか１項記載の燃料電池。
5. 前記ユニットの保持部材は、前記燃料電池のセパレータと同様の形状を有する、請求項４記載の燃料電池。
6. 前記ユニットの保持部材は、前記燃料電池のセパレータの形状から燃料ガス及び／又は酸化ガスの流路を省略した形状を有する、請求項４記載の燃料電池。
7. 前記ユニットの保持部材は、前記燃料電池のセパレータの形状から冷却水用の流路を省略した形状を有する、請求項４又は６記載の燃料電池。
8. 前記ターミナルプレートの外側に、断熱材及びフィルタ材を有する前記ユニットが配置されている、請求項２記載の燃料電池。
9. 前記ユニットは、前記ターミナルプレートに接合されている、請求項８記載の燃料電池。
10. 前記ターミナルプレートの積層方向における外側に配置されたインシュレータをさらに具備する請求項１〜９のいずれか１項記載の燃料電池。

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