JP2010170947A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つ経済的な構成で、冷却媒体流路に隣接する燃料ガス流路と前記冷却媒体流路から離間する燃料ガス流路とで、発電中の温度環境を一定に維持し、効率的な発電を確実に行うことを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック１０を構成する発電ユニット１２は、第１セパレータ１４、第１電解質膜・電極構造体１６ａ、第２セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ及び第３セパレータ２０を設ける。第１セパレータ１４の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１４ａには、流路溝３６ａと平坦部３６ｂとを交互に有する第１燃料ガス流路３６が設けられる。第２セパレータ１８の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１８ａには、流路溝４６ａと平坦部４６ｂとを交互に有する第１酸化剤ガス流路４６が設けられる。第１電解質膜・電極構造体１６ａにおいて、平坦部３６ｂの接触面積は、平坦部４６ｂの接触面積よりも小さく設定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、各電解質の両側に電極が配設される２つの電解質・電極構造体と、前記電解質・電極構造体と交互に積層される３枚のセパレータとを有する発電ユニットを備え、前記発電ユニット内には、第１酸化剤ガス流路、第１燃料ガス流路、第２酸化剤ガス流路及び第２燃料ガス流路が形成されるとともに、各発電ユニット間には、冷却媒体を流す冷却媒体流路が形成される燃料電池スタックに関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路と、カソード側電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路とが設けられている。また、セパレータ間には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が、前記セパレータの面方向に沿って設けられている。

ところで、燃料電池スタックでは、所定数の単位セル間に冷却媒体流路が形成される、所謂、間引き冷却構造を採用する場合がある。この種の間引き冷却構造を有する燃料電池は、例えば、図６に示す特許文献１に開示されているように、セパレータ１、セル２、セパレータ３、セル２及びセパレータ４が積層されている。

セル２は、固体高分子電解質膜２ａの両面に燃料極２ｂ及び空気極２ｃが配設されている。セパレータ１と一方のセル２との間には、燃料ガス通路５ａが形成され、セパレータ３と前記一方のセル２との間には、酸化剤ガス通路６ａが形成されている。セパレータ３と他方のセル２との間には、燃料ガス通路５ｂが形成されるとともに、セパレータ４と前記他方のセル２との間には、酸化剤ガス通路６ｂが形成されている。互いに隣接するセパレータ１、４間には、冷却水通路７が形成されている。

特開２００２−２８９２２３号公報

上記の燃料電池では、燃料ガス通路５ａが、冷却水通路７に隣接して設けられる一方、燃料ガス通路５ｂが、酸化剤ガス通路６ａに隣接して設けられるとともに、前記冷却水通路７から離間している。

このため、セル２を構成する燃料極２ｂと冷却水通路７の平坦部が直接接し、さらに燃料ガス通路５ａ自体も前記冷却水通路７に直接接していることから、特にカーボンペーパからの熱引きにより、前記燃料ガス通路５ａは、燃料ガス通路５ｂよりも低温になっている。従って、燃料電池の発電時に生成される水は、温度の低い燃料ガス通路５ａで結露し易い。これにより、燃料ガス通路５ａでは、結露水によって燃料ガスの流れが阻害され、安定した発電が行われないという問題がある。

本発明はこの種の間引き冷却構造の燃料電池において、簡単且つ経済的な構成で、冷却媒体流路に隣接する燃料ガス流路と前記冷却媒体流路から離間する燃料ガス流路とで、発電中の温度環境を一定に維持し、効率的な発電を確実に行うことが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明は、各電解質の両側に電極が配設される第１及び第２電解質・電極構造体を有し、第１セパレータ、前記第１電解質・電極構造体、第２セパレータ、前記第２電解質・電極構造体及び第３セパレータが順次積層されるとともに、前記第１セパレータと前記第１電解質・電極構造体との間に第１燃料ガス流路が形成され、前記第１電解質・電極構造体と前記第２セパレータとの間に第１酸化剤ガス流路が形成され、前記第２セパレータと前記第２電解質・電極構造体との間に第２燃料ガス流路が形成され、前記第２電解質・電極構造体と前記第３セパレータとの間に第２酸化剤ガスが形成される発電ユニットを備え、各発電ユニット間には、互いに隣接する前記第３セパレータ及び前記第１セパレータ間に冷却媒体を流す冷却媒体流路が形成される燃料電池スタックに関するものである。

燃料電池スタックでは、第１セパレータの第１燃料ガス流路を形成し且つ第１電解質・電極構造体に接触する平坦部の接触面積が、第２セパレータの前記第１酸化剤ガス流路を形成し且つ前記第１電解質・電極構造体に接触する平坦部の接触面積よりも小さく設定されている。

また、第１酸化剤ガス流路の各流路溝と第１燃料ガス流路の各流路溝とは、互いに同一のピッチ間隔に設定されることが好ましい。

さらに、第１燃料ガス流路は、第２燃料ガス流路よりも積層方向の高さが低く設定されることが好ましい。

本発明によれば、冷却媒体流路に隣接する低温側の第１燃料ガス流路を形成する平坦部は、第１酸化剤ガス流路を形成する平坦部よりも小さな接触面積に設定されている。このため、第１電解質・電極構造体による熱引きが有効に低減され、第１燃料ガス流路内に結露水が発生することを良好に抑制することが可能になる。

これにより、第１燃料ガス流路と第２燃料ガス流路とにおいて、発電中の温度環境を一定に維持することができ、効率的な発電を確実に遂行することが可能になる。

本発明の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する発電ユニットの要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。 前記燃料電池スタックの断面説明図である。 前記発電ユニットを構成する第１セパレータの正面説明図である。 前記発電ユニットを構成する第２セパレータの正面説明図である。 従来の間引き冷却構造を有する燃料電池の説明図である。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０を構成する発電ユニット１２の要部分解斜視説明図である。

燃料電池スタック１０は、図２及び図３に示すように、複数の発電ユニット１２を水平方向（矢印Ａ方向）に沿って互いに積層して構成される。発電ユニット１２は、第１セパレータ１４、第１電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）（ＭＥＡ）１６ａ、第２セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体１６ｂ及び第３セパレータ２０を設ける。

第１セパレータ１４、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板により構成される。第１セパレータ１４、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０は、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状を有する。なお、第１セパレータ１４、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０は、例えば、カーボンセパレータにより構成してもよい。

図１及び図２に示すように、第１電解質膜・電極構造体１６ａは、第２電解質膜・電極構造体１６ｂよりも小さな表面積に設定される。第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂは、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２２と、前記固体高分子電解質膜２２を挟持するアノード側電極２４及びカソード側電極２６とを備える。アノード側電極２４は、カソード側電極２６よりも小さな表面積を有する、所謂、段差型ＭＥＡを構成している。

アノード側電極２４及びカソード側電極２６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２２の両面に形成される。

図１に示すように、発電ユニット１２の長辺方向の（矢印Ｃ方向）上端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔３２ａが設けられる。

発電ユニット１２の長辺方向の（矢印Ｃ方向）下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３２ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが設けられる。

発電ユニット１２の短辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３４ａが設けられるとともに、前記発電ユニット１２の短辺方向の他端縁部には、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３４ｂが設けられる。

第１セパレータ１４の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１４ａには、例えば、矢印Ｃ方向に延在する第１燃料ガス流路３６が設けられる。第１燃料ガス流路３６は、流路溝３６ａと平坦部３６ｂとを、矢印Ｂ方向に交互に設ける。第１燃料ガス流路３６と燃料ガス入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂとは、第１入口側連通路部３８ａ及び第１出口側連通路部３８ｂを介して連通する。

図１及び図４に示すように、第１入口側連通路部３８ａは、面１４ａとは反対の面１４ｂに設けられて燃料ガス入口連通孔３２ａに連通する複数の連結路４０ａと、第１セパレータ１４を積層方向に貫通して前記連結路４０ａ及び第１燃料ガス流路３６に連通する複数の貫通孔４２ａとを有する。第１出口側連通路部３８ｂは、同様に、面１４ｂに設けられて燃料ガス出口連通孔３２ｂに連通する複数の連結路４０ｂと、第１セパレータ１４を積層方向に貫通して前記連結路４０ｂ及び第１燃料ガス流路３６に連通する複数の貫通孔４２ｂとを有する。

第１セパレータ１４の面１４ｂには、冷却媒体入口連通孔３４ａと冷却媒体出口連通孔３４ｂとを連通する冷却媒体流路４４の一部が形成される。

図１に示すように、第２セパレータ１８の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１８ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとを連通する第１酸化剤ガス流路４６が形成される。第１酸化剤ガス流路４６は、図３及び図５に示すように、矢印Ｃ方向に延在する複数の流路溝４６ａと平坦部４６ｂとを交互に有する。

第２セパレータ１８の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面１８ｂには、例えば、矢印Ｃ方向に延在する複数の溝部を有する第２燃料ガス流路４８が設けられる。第２燃料ガス流路４８は、流路溝４８ａと平坦部４８ｂとを、矢印Ｂ方向に交互に設ける。第２燃料ガス流路４８と燃料ガス入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂとは、第２入口側連通路部５０ａ及び第２出口側連通路部５０ｂを介して連通する。

図１及び図５に示すように、第２入口側連通路部５０ａは、面１８ａに設けられて燃料ガス入口連通孔３２ａに連通する複数の連結路５２ａと、第２セパレータ１８を積層方向に貫通して前記連結路５２ａ及び第２燃料ガス流路４８に連通する複数の貫通孔５４ａとを有する。第２出口側連通路部５０ｂは、同様に、面１８ａに設けられて燃料ガス出口連通孔３２ｂに連通する複数の連結路５２ｂと、第２セパレータ１８を積層方向に貫通して前記連結路５２ｂ及び第２燃料ガス流路４８に連通する複数の貫通孔５４ｂとを有する。

図１に示すように、第３セパレータ２０の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面２０ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとを連通する第２酸化剤ガス流路５６が形成される。第２酸化剤ガス流路５６は、矢印Ｃ方向に延在する複数の流路溝５６ａと平坦部５６ｂとを交互に有する。第３セパレータ２０の面２０ｂには、冷却媒体流路４４の一部が形成される。

図１、図２及び図４に示すように、第１セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１セパレータ１４の外周端縁部を周回して第１シール部材６０が一体成形される。図１、図２及び図５に示すように、第２セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第２セパレータ１８の外周端縁部を周回して第２シール部材６２が一体成形されるとともに、第３セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、この第３セパレータ２０の外周端縁部を周回して第３シール部材６４が一体成形される（図１及び図２参照）。

発電ユニット１２同士が互いに積層されることにより、一方の発電ユニット１２を構成する第１セパレータ１４と、他方の発電ユニット１２を構成する第３セパレータ２０との間には、矢印Ｂ方向に延在する冷却媒体流路４４が形成される（図１及び図３参照）。冷却媒体流路４４は、流路溝４４ａと平坦部４４ｂとを交互に有する。

図３に示すように、第１セパレータ１４の第１電解質膜・電極構造体１６ａに接触する平坦部３６ｂの接触面積は、第２セパレータ１８の前記第１電解質膜・電極構造体１６ａに接触する平坦部４６ｂの接触面積（幅×長さ：但し、本実施形態では、長さが同一）よりも小さく設定される。具体的には、平坦部３６ｂの接触幅Ｗ１は、平坦部４６ｂの接触幅Ｗ２よりも小さく設定される（Ｗ１＜Ｗ２）。第１酸化剤ガス流路４６の各流路溝４６ａと第１燃料ガス流路３６の各流路溝３６ａとは、矢印Ｂ方向に沿って互いに同一のピッチ間隔に設定される。

第１燃料ガス流路３６は、第２燃料ガス流路４８よりも積層方向（矢印Ａ方向）の高さが低く設定される。第１燃料ガス流路３６の各流路溝３６ａは、第２燃料ガス流路４８の各流路溝４８ａよりも幅方向の寸法が大きく設定されるため、前記各流路溝３６ａの高さＨ１を前記各流路溝４８ａの高さＨ２よりも低く設定することにより（Ｈ１＜Ｈ２）、前記第１燃料ガス流路３６と前記第２燃料ガス流路４８との開口流路面積が同等に設定される。

このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。

先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔３２ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔３４ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから第２セパレータ１８の第１酸化剤ガス流路４６及び第３セパレータ２０の第２酸化剤ガス流路５６に導入される。この酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス流路４６に沿って矢印Ｃ方向（重力方向）に移動し、第１電解質膜・電極構造体１６ａのカソード側電極２６に供給されるとともに、第２酸化剤ガス流路５６に沿って矢印Ｃ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのカソード側電極２６に供給される。

一方、燃料ガスは、図２及び図４に示すように、燃料ガス入口連通孔３２ａから第１セパレータ１４の第１入口側連通路部３８ａを構成する連結路４０ａに供給され、貫通孔４２ａを通って面１４ａ側に移動する。このため、燃料ガスは、貫通孔４２ａに連通する第１燃料ガス流路３６に沿って重力方向（矢印Ｃ方向）に移動し、第１電解質膜・電極構造体１６ａのアノード側電極２４に供給される。

また、燃料ガスは、図２及び図５に示すように、燃料ガス入口連通孔３２ａから第２セパレータ１８の第２入口側連通路部５０ａを構成する連結路５２ａに供給され、貫通孔５４ａを通って面１８ｂ側に移動する。従って、燃料ガスは、貫通孔５４ａに連通する第２燃料ガス流路４８に沿って重力方向（矢印Ｃ方向）に移動し、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのアノード側電極２４に供給される。

これにより、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂでは、カソード側電極２６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２４に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。

次いで、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂの各カソード側電極２６に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

第１電解質膜・電極構造体１６ａのアノード側電極２４に供給されて消費された燃料ガスは、図４に示すように、第１出口側連通路部３８ｂを構成する貫通孔４２ｂを通って第１セパレータ１４の面１４ｂ側に導出される。面１４ｂ側に導出された燃料ガスは、連結路４０ｂを通って燃料ガス出口連通孔３２ｂに排出される。

また、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのアノード側電極２４に供給されて消費された燃料ガスは、図５に示すように、第２出口側連通路部５０ｂを構成する貫通孔５４ｂを通って第２セパレータ１８の面１８ａ側に導出される。面１８ａ側に導出された燃料ガスは、連結路５２ｂを通って燃料ガス出口連通孔３２ｂに排出される。

一方、冷却媒体入口連通孔３４ａに供給された冷却媒体は、一方の発電ユニット１２を構成する第１セパレータ１４と、他方の発電ユニット１２を構成する第３セパレータ２０との間に形成された冷却媒体流路４４に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂを冷却した後、冷却媒体出口連通孔３４ｂに排出される。

この場合、図３に示すように、第１燃料ガス流路３６が、冷却媒体流路４４に隣接する一方、第２燃料ガス流路４８が、第１酸化剤ガス流路４６に隣接し且つ前記冷却媒体流路４４から離間している。これにより、第１燃料ガス流路３６は、第２燃料ガス流路４８よりも低温になり易く、第１電解質膜・電極構造体１６ａの熱引きによって前記第１燃料ガス流路３６に結露水が発生し易い。

そこで、本実施形態では、図３に示すように、第１セパレータ１４の第１電解質膜・電極構造体１６ａに接触する平坦部３６ｂの接触面積は、第２セパレータ１８の前記第１電解質膜・電極構造体１６ａに接触する平坦部４６ｂの接触面積よりも小さく設定されている。

このため、第１電解質膜・電極構造体１６ａによる熱引きが有効に低減され、第１燃料ガス流路３６内に結露水が発生することを良好に抑制することが可能になる。これにより、第１燃料ガス流路３６と第２燃料ガス流路４８とにおいて、発電中の温度環境を一定に維持することができ、安定的且つ効率的な発電を確実に遂行することが可能になるという効果が得られる。

さらに、第１燃料ガス流路３６の高さＨ１は、第２燃料ガス流路４８の高さＨ２よりも積層方向（矢印Ａ方向）に低く設定されている（Ｈ１＜Ｈ２）。従って、第１燃料ガス流路３６の開口流路面積と第２燃料ガス流路４８との開口流路面積が、同等に設定される。このため、第１燃料ガス流路３６及び第２燃料ガス流路４８間において、燃料ガスの分配性を良好に維持することができる。

さらにまた、第１セパレータ１４では、第１電解質膜・電極構造体１６ａに接触する平坦部３６ｂの接触幅Ｗ１が、前記第１電解質膜・電極構造体１６ａに接触する第２セパレータ１８の平坦部４６ｂの接触幅Ｗ２よりも短尺に設定されている。これにより、第１セパレータ１４は、接触抵抗の増大により発熱し易くなり、第２セパレータ１８との温度環境を揃えることが可能になる。従って、発電中における第１燃料ガス流路３６と第２燃料ガス流路４８との温度環境は、一層均等に維持されるという利点がある。

なお、本実施形態では、第１燃料ガス流路３６及び第２燃料ガス流路４８は、直線状に設定されているが、これに限定されるものではなく、例えば、蛇行形状（サーペンタイン）に設定することもできる。

１０…燃料電池スタック １２…発電ユニット
１４、１８、２０…セパレータ １６ａ、１６ｂ…電解質膜・電極構造体
２２…固体高分子電解質膜 ２４…アノード側電極
２６…カソード側電極 ３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ３２ａ…燃料ガス入口連通孔
３２ｂ…燃料ガス出口連通孔 ３４ａ…冷却媒体入口連通孔
３４ｂ…冷却媒体出口連通孔 ３６、４８…燃料ガス流路
３６ａ、４４ａ、４６ａ、４８ａ、５６ａ…流路溝
３６ｂ、４４ｂ、４６ｂ、４８ｂ、５６ｂ…平坦部
４２ａ、４２ｂ、５４ａ、５４ｂ…貫通孔
４４…冷却媒体流路 ４６、５６…酸化剤ガス流路

Claims (3)

1. 各電解質の両側に電極が配設される第１及び第２電解質・電極構造体を有し、第１セパレータ、前記第１電解質・電極構造体、第２セパレータ、前記第２電解質・電極構造体及び第３セパレータが順次積層されるとともに、前記第１セパレータと前記第１電解質・電極構造体との間に第１燃料ガス流路が形成され、前記第１電解質・電極構造体と前記第２セパレータとの間に第１酸化剤ガス流路が形成され、前記第２セパレータと前記第２電解質・電極構造体との間に第２燃料ガス流路が形成され、前記第２電解質・電極構造体と前記第３セパレータとの間に第２酸化剤ガスが形成される発電ユニットを備え、各発電ユニット間には、互いに隣接する前記第３セパレータ及び前記第１セパレータ間に冷却媒体を流す冷却媒体流路が形成される燃料電池スタックであって、
   前記第１セパレータの前記第１燃料ガス流路を形成し且つ前記第１電解質・電極構造体に接触する平坦部の接触面積は、前記第２セパレータの前記第１酸化剤ガス流路を形成し且つ前記第１電解質・電極構造体に接触する平坦部の接触面積よりも小さく設定されることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記第１酸化剤ガス流路の各流路溝と前記第１燃料ガス流路の各流路溝とは、互いに同一のピッチ間隔に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池スタックにおいて、前記第１燃料ガス流路は、前記第２燃料ガス流路よりも積層方向の高さが低く設定されることを特徴とする燃料電池スタック。

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