JP2010282792A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】セパレータに設けた端子の発熱を軽減することができる燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】解質の両面に電極を設けた電解質電極構造体と複数のセパレータとを積層した単位セルを複数積層した燃料電池スタックである。セパレータ３０Ｂに、外部へ電流を取り出す電流取出端子４１を設け、この電流取出端子４１を構成する材料は、セパレータ３０Ｂを構成する材料よりも導電率が高い。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池スタックに係り、特に、セパレータから電流を取り出す端子の発熱を軽減するする技術に関する。

燃料電池スタックとしては、平板状の電解質電極構造体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）の両側にセパレータが積層された積層体が単位セルとされ、複数の単位セルが積層されて構成されたものが知られている。電解質電極構造体は、カソードおよびアノードを構成する一対の電極の間にイオン交換樹脂等からなる電解質が挟まれた三層構造である。セパレータは、電極に接触するように積層され、電極との間に水素などの燃料ガスまたは空気などの酸化剤ガスを流通させるガス流路や、冷却水を流通させる冷媒流路が形成されている。このような燃料電池スタックによると、例えば、アノードに面するガス流路に燃料ガスを流し、カソードに面するガス流路に酸化剤ガスを流すと電気化学反応が起こり、電流が生成される。この電流は、直列に接続されたセパレータを流れて積層方向両端部のセパレータから外部に取り出される。

ところで、近年においては、各単位セルの電圧の測定を行って単位セルが正常な状態にあるかどうかを検出することが行われている（例えば特許文献１）。燃料電池の運転中に一つの単位セルが破損した場合、その単位セルの電圧が顕著に低下する。したがって、各単位セルの電圧を測定していれば異常が発生したことが判り、直ちに燃料電池の運転を停止して破損がそれ以上広がらないようにすることができる。

また、燃料ガスは、燃料電池スタックの積層方向の一方の端部側から導入されて各単位セルに供給されるから、燃料ガスの供給側と反対側に位置する単位セルに燃料ガスが充分に供給されないことがある。このような場合には、その単位セルでは発電不良となり、電位の極性が反転する現象（転極）が生じる。単位セルに転極が生じると、単位セルの寿命が短くなったり破損したりすることがある。そこで、従来においては、所定数の単位ユニットを１つの発電ブロックとし、各発電ブロックにバイパスダイオードを並列に接続することが提案されている（例えば特許文献２）。

特開２００８−４５６５号公報 特開２００５−２０３２５４号公報

ところで、特許文献１，２に記載の技術は、いずれも外部に電流を取り出すための端子をセパレータに設ける必要があるが、端子に大電流が流れた際の端子の発熱については考慮されていない。特に、特許文献２に記載の技術では、バイパスダイオードに燃料電池スタックが出力するアンペア数に近い電流が流れるため、そのような電流が断面積の小さな端子に流れると発熱は大きな問題となる。したがって、本発明は、セパレータに設けた端子の発熱を軽減することができる燃料電池スタックを提供することを目的としている。

本発明は、電解質の両面に電極を設けた電解質電極構造体と複数のセパレータとを積層した単位セルを複数積層した燃料電池スタックにおいて、セパレータに、外部へ電流を取り出す電流取出端子を設け、この電流取出端子を構成する材料は、セパレータを構成する材料よりも導電率が高いことを特徴としている。

上記構成の燃料電池スタックにあっては、電流取出端子を構成する材料は、セパレータを構成する材料よりも導電率が高いので、電流取出端子を流れる電流による発熱を軽減することができる。たとえば、セパレータをステンレス鋼や、チタン、ニオブなどの合金で構成する場合には、電流取出端子は銅で構成することができる。

ここで、セパレータには、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水の供給口と排出口とが設けられ、セパレータの両面には、上記３つの流体のうちいずれか一つをセパレータの面内で流通させるようにシール部が設けられる。このため、シール部は、上記供給口や排気口の周囲とともにセパレータの外周側縁部に沿った部分にも設けられる。本発明においては、電流取出端子をシール部の外側でセパレータに接続することが望ましい。このような態様では、電流取出端子を銅などのように導電率は高いが耐食性に乏しい材料で構成する場合に、電流取出端子の燃料ガスなどの流体による腐食を抑制することができる。

セパレータの外周側縁部に沿ってシール部を設ける場合には、セパレータの縁部に接続された電流取出端子の端部をシール部によって覆うこともできる。セパレータおよび電流取出端子が金属製の場合、異種金属の接合部は水が浸入して電食が生じる構造となるが、上記のような態様では接合部への水の浸入が抑制され、電食の発生を防止することができる。

セパレータに、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却媒体を流通させる連通孔を設け、電流取出端子を隣接する連通孔の間に設けることができる。この場合、電流取出端子の隣の連通孔のうち少なくとも１つは、冷却媒体を流通させるものであることが望ましい。このような態様では、冷却媒体によって電流取出端子の発熱を効果的に抑制することができる。

電流取出端子は、セパレータの側縁部から外側へ突出するように設けることができるが、セパレータの縁部に内側へ窪む凹部を形成し、この凹部に連続するセパレータの一部に電流取出端子を接続するとともに、この電流取出端子の先端部を凹部内に収めると好適である。このような態様では、セパレータの側縁から突出する部品がないので、燃料電池スタックの幅を短くすることができる。

セパレータの形状は任意であるが、セパレータが平面視で略長方形状をなす場合には、セパレータの長辺をなす側縁の中央部に電流取出端子を設けると好適である。このような態様では、セパレータの各部から電流取出端子までの距離の総和が少ないから、セパレータの内部抵抗によるロスを少なくすることができる。ただし、本発明はそのような構成に限定されるものではなく、電流取出端子をセパレータの角部に設けることもできる。なお、この場合にも、電流取出端子の隣に冷却媒体を流通させる連通孔を設けると好適である。

セパレータおよび電流取出端子が金属製の場合は、両者をハンダ付け（ロウ付け）やカシメ、あるいはクリップなどを用いて接続することができる。ただし、本発明では、セパレータは、金属製のものに限定されるものではなく、カーボンセパレータであってもよい。

本発明によれば、電流取出端子を構成する材料がセパレータを構成する材料よりも導電率が高いので、電流取出端子を流れる電流による発熱を軽減することができる等の高価が得られる。

本発明の実施形態における燃料電池スタックの全体を示す斜視図である。 本発明の実施形態におけるアノード側セパレータを示す平面図である。 本発明の実施形態における解質電極構造体を示す平面図である。 本発明の実施形態におけるカソード側セパレータを示す平面図である。 図４のＶ−Ｖ線断面図である。 実施形態における電流取出端子の変形例を示す平面図である。 実施形態におけるセパレータとダイオードユニットとの接続を示す回路図である。 二種類の材料からなる電流取出端子における通電時間と電流取出端子の上昇温度との関係を示すグラフである。 本発明の実施形態の変更例を示す断面図である。 本発明の他の実施形態を示す平面図である。

以下、この発明の実施形態の燃料電池を図面を参照して説明する。図１は燃料電池スタックＳの全体斜視図であり、燃料電池スタックＳは、平面視で長方形状の単位燃料電池セル（以下、単位セルと称する）１０を多数積層して電気的に直列接続し、その両側にエンドプレート１１を配置して概略構成されている。エンドプレート１１は、図示しないタイロッドによって互いに締結されている。図１に示すように、一方のエンドプレート１１の左上隅部には、使役前の燃料ガスが供給される燃料ガス供給口１２が形成され、その対角位置である右下隅部には、使役後の燃料ガスが排出される燃料ガス排出口１３が形成されている。

同様に、エンドプレートの左下隅部には、使役前の酸化剤ガスが供給される酸化剤ガス供給口１４が形成され、その対角位置である右上隅部には、使役後の酸化剤ガスが排出される酸化剤ガス排出口１５が形成されている。さらに、エンドプレート１１の上縁部には、使役前の冷却水が供給される冷却水供給口１６が形成され、反対側の下縁部には、使役後の冷却水が排出される冷却水排出口１７が形成されている。なお、図示は省略するが、各供給口および各排出口には配管が接続されている。

図２はアノード側セパレータ３０Ａ、図３は電解質電極構造体２０、図４はカソード側セパレータ３０Ｂをそれぞれ示す平面図であり、単位セル１０は、電解質電極構造体２０の両面にアノード側セパレータ３０Ａおよびカソード側セパレータ３０Ｂを密着させて構成されている。アノード側セパレータ３０Ａおよびカソード側セパレータ３０Ｂはステンレス鋼板からなる長方形状のもので、電解質電極構造体２０はそれらと相似形の長方形状をなしている。

電解質電極構造体２０は、例えばフッ素系電解質材料等からなる固体高分子電解質（電解質）の両側にアノード電極とカソード電極を積層して構成され、アノード側セパレータ３０Ａが電解質電極構造体２０のアノード電極に面して、カソード側セパレータ３０Ｂがカソード電極に面して配置されている。これらセパレータ３０Ａ，３０Ｂはステンレス鋼製薄板をプレス成形して形成されており、単位セル１０を積層した燃料電池スタックＳでは、隣接する２つの単位セル１０，１０において一方の単位セル１０のアノード側セパレータ３０Ａと他方の単位セル１０のカソード側セパレータ３０Ｂとが密接し、密接する面に形成された冷媒流路を冷却水が流通する。

図２および図４に示すように、アノード側セパレータ３０Ａおよびカソード側セパレータ３０Ｂの隅部には、使役前の燃料ガスが流通する燃料ガス供給口１２が形成され、その対角位置の隅部には、使役後の燃料ガスが流通する燃料ガス排出口１３が形成されている。同様に、アノード側セパレータ３０Ａおよびカソード側セパレータ３０の隅部には、使役前の酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス供給口１４が形成され、その対角位置の隅部には、使役後の酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス排出口１５が形成されている。さらに、アノード側セパレータ３０Ａおよびカソード側セパレータ３０Ｂの一方の縁部には、使役前の冷却水が流通する冷却水供給口１６が形成され、反対側の縁部には、使役後の冷却水が流通する冷却水排出口１７が形成されている。

図２に示すように、アノード側セパレータ３０Ａには、酸化剤ガス供給口１４、酸化剤ガス排出口１５、冷却水供給口１６、および冷却水排出口１７のそれぞれを個別に囲繞するとともに、アノード側セパレータ３０Ａの外周縁部の全体に亘って延在するシール部１８が設けられている。また、図４に示すように、カソード側セパレータ３０Ｂには、燃料ガス供給口１２、燃料ガス排出口１３、冷却水供給口１６、および冷却水排出口１７のそれぞれを個別に囲繞するとともに、カソード側セパレータ３０Ｂの外周縁部の全体に亘って延在するシール部１９が設けられている。なお、図２における矢印は燃料ガスの流れを示し、図４における矢印は酸化剤ガスの流れを示す。

図４に示すように、カソード側セパレータ３０Ｂの長辺をなす一側の中央部であって冷却水供給口１６の間には、矩形状の凹部４０が形成されている。シール部１９は、凹部４０の輪郭線に沿ってその内側を延在し、凹部４０の底とシール部１９との間には、電流取出端子４１が接合されている。電流取出端子４１は、銅板からなる細長い矩形状のもので、例えばロウ付けによってカソード側セパレータ３０Ｂに接合されている。電流取出端子４１は、図５に示すように、その厚さ方向に屈曲させられて先端部がカソード側セパレータ３０Ｂとほぼ面一とされている。また、電流取出端子４１の長さは、その先端が凹部４０から突出しないように設定されている。

図７は、実施形態の燃料電池スタックＳの回路図である。積層された単位セル１０は、直列に接続されている。そして、積層された単位セル１０の積層方向両端部のもの以外の３個毎に、図４に示すカソード側セパレータ３０Ｂが用いられ、他のカソード側セパレータ３０Ｂには、凹部４０および電流取出端子４１を有しないものが用いられている。そして、電流取出端子４１を有するカソード側セパレータ３０Ｂの間の３つの単位セル１０が１つの発電ブロックとされ、当該カソード側セパレータ３０Ｂの電流取出端子４１にはダイオードユニット５０が接続されている。

ダイオードユニット５０には、ダイオード５１が燃料電池スタックＳにおける電流の流れ（図７中矢印方向）と並列に設けられてバイパス回路が形成されている。また、ダイオード５１にはヒューズ５２が接続されている。なお、図示は省略するが、ダイオードユニット５０には複数のダイオード５１およびヒューズ５２が設けられており、図７に示すようなバイパス回路が電流取出端子４１毎に設けられている。

燃料電池スタックの動作
上記のように構成された燃料電池スタックＳでは、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質を透過してカソード電極まで移動し、カソード電極で酸素と電気化学反応を起こして発電する。これにより、図７中実線矢印方向の電流が流れる。

ここで、全ての単位セル１０が正常に作動している場合には、各ダイオード５１には電流が流れない。しかしながら、ある発電ブロックへの燃料ガスの供給が不充分となり、単位セル１０の何れか（例えば図７における１０Ａ）に転極が生じると、電流はダイオード５１をバイパスして流れる（図７中一点鎖線の矢印）。その際に、電流取出端子４１には、燃料電池スタックＳが出力するアンペア数に近い電流が流れるが、本実施形態では、電流取出端子４１がカソード側セパレータ３０Ｂを構成するステンレス鋼よりも導電率の高い銅で構成されているため、電流取出端子４１の発熱を軽減することができる。

図８は、電流取出端子を銅で構成したものとステンレス鋼で構成したもので１４Ａの通電を行ったときの通電時間と電流取出端子の上昇温度との関係を示すグラフである。図８に示すように、電流取出端子を導電性の良好な銅で構成することにより、ステンレス鋼製の電流取出端子の１／３の上昇温度に押さえられることが確認された。

特に、上記実施形態では、電流取出端子４１がシール部１９の外側でカソード側セパレータ３０Ｂに接合されているから、電流取出端子４１を銅のように耐食性に乏しい材料で構成しても、電流取出端子４１の燃料ガスなどの流体による腐食を抑制することができる。なお、カソード側セパレータ３０Ｂはステンレス鋼で構成されているから、耐食性は充分である。また、上記実施形態では、電流取出端子４１の先端部が凹部４０内に収められているから、セパレータ３０Ａ，３０Ｂの側縁から突出する部品がないので、燃料電池スタックＳの幅を短くすることができる。

上記実施形態では、カソード側セパレータ３０Ｂの長辺をなす側縁の中央部に電流取出端子４１を設けているので、カソード側セパレータ３０Ｂの各部から電流取出端子４１までの距離の総和が少なく、カソード側セパレータ３０Ｂの内部抵抗によるロスを少なくすることができる。

上記実施形態では、凹部４０が冷却水供給口１６の間に設けられているから、スペース上の制約により電流取出端子４１を小さくして凹部４０を小さく形成せざるを得ない。このため、電流取出端子４１が電気抵抗により発熱し易くなるが、導電性が高いため発熱が軽減される。逆に、電流取出端子４１が小さいために熱容量が小さく、カソード側セパレータ３０Ｂへのロウ付けが容易になるという利点がある。また、電流取出端子４１が冷却水供給口１６の近くに配置され、特に上記実施形態では、２つの冷却水供給口１６に挟まれるように配置されているので、電流取出端子４１が冷却水によって冷却され、電流取出端子４１の発熱が効果的に抑制されるという利点もある。

図６は上記実施形態における電流取出端子の変形例を示す図である。図６に示すように、電流取出端子４２はＬ字状に屈曲し、凹部４０の側部においてカソード側セパレータ３０Ｂと接合されている。このような変形例は、凹部４０の深さを充分に確保できない場合に有利である。また、上記実施形態では、積層された単位セル１０の３個毎に図４に示すカソード側セパレータ３０Ｂを用い、３つの単位セル１０毎にバイパス回路を構成しているが、いくつの単位セル１０毎にバイパス回路を構成するかは任意であり、１つの単位セル１０毎にバイパス回路を構成することもできる。

図９は、上記実施形態の変形例を示す図である。この変形例では、カソード側セパレータ３０Ｂの縁部に接続された電流取出端子４１の端部は、シール部１９によって覆われている。すなわち、シール部１９は、カソード側セパレータ３０Ｂの縁まで至り、これにより、電流取出端子４１とカソード側セパレータ３０Ｂとの接合部の全体がシール部１９によって覆われている。上記実施形態では、カソード側セパレータ３０Ｂおよび電流取出端子４１が金属製であるので、異種金属の接合部は水が浸入して電食が生じる構造となるが、この変形例では接合部への水の浸入が抑制され、電食の発生を防止することができる。

図１０は本発明の他の実施形態を示す図である。図１０に示すように、長方形状をなすカソード側セパレータ３１Ｂの短辺をなす一側には、燃料ガス供給口２２と酸化剤ガス供給口２４が中央部で接近して形成され、反対側の一側には、燃料ガス排出口２３と酸化剤ガス排出口２５が中央部で接近して形成されている。また、カソード側セパレータ３０Ｂの長辺をなす一側には、冷却水供給口２６が形成され、反対側の一側には、冷却水排出口２７が形成されている。図１０に示すように、カソード側セパレータ３１Ｂには、燃料ガス供給口２２、燃料ガス排出口２３、冷却水供給口２６、および冷却水排出口２７のそれぞれを個別に囲繞するとともに、カソード側セパレータ３１Ｂの外周縁部の全体に亘って延在するシール部２９が設けられている。なお、図１０における矢印は酸化剤ガスの流れを示す。また、図示は省略するが、アノード側セパレータもカソード側セパレータ３１Ｂとほぼ同等に構成されている。

カソード側セパレータ３１Ｂの４つの角には、シール部２９の外側に矩形状のスペースが設けられ、１つのスペースには矩形状の凹部４５が形成されている。凹部４５の縁部には、カソード側セパレータ３１Ｂの長手方向に伸びる電流取出端子４６が接合されている。電流取出端子４６は、銅板からなる細長い矩形状のもので、例えばロウ付けによってカソード側セパレータ３１Ｂに接合されている。また、電流取出端子４６の長さは、その先端が凹部４５から突出しないように設定されている。なお、凹部４５および電流取出端子４６は、対角位置や隣接する角にもう１つ設けてもよく、さらには、３つまたは４つの角に設けてもよい。

上記実施形態においても前記実施形態と同等の作用および効果を得ることができる。この実施形態においても、電流取出端子４６が冷却水供給口２６の近くに配置されているので、電流取出端子４６の発熱を効果的に抑制することができる。

本発明では、セパレータに設けた電流取出端子の発熱が軽減されるので、安全に対する厳しい信頼性が要求される例えば燃料電池車に適用して極めて有望である。

１０ 単位セル
１９ シール部
２０ 電解質電極構造体
３０Ａ アノード側セパレータ（セパレータ）
３０Ｂ カソード側セパレータ（セパレータ）
４０ 凹部
４１ 電流取出端子

Claims (6)

1. 電解質の両面に電極を設けた電解質電極構造体と複数のセパレータとを積層した単位セルを複数積層した燃料電池スタックにおいて、
   前記セパレータに、外部へ電流を取り出す電流取出端子を設け、この電流取出端子を構成する材料は、前記セパレータを構成する材料よりも導電率が高いことを特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記セパレータの外周側縁部に沿ってシール部を設け、前記電流取出端子を前記シール部の外側で前記セパレータに接続したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記セパレータの縁部に内側へ窪む凹部を形成し、この凹部に連続するセパレータの一部に前記電流取出端子を接続し、この電流取出端子の先端部を前記凹部内に収めたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池スタック。
4. 前記セパレータは平面視で略長方形状をなし、前記セパレータの長辺をなす側縁の中央部に前記電流取出端子を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池スタック。
5. 前記セパレータの外周側縁部に沿ってシール部を設け、前記電流取出端子を前記セパレータの縁部に接続し、前記電流取出端子の端部を前記シール部によって覆ったことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
6. 前記セパレータに、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却媒体を流通させる連通孔を設け、前記電流取出端子を隣接する前記連通孔の間に設け、該連通孔のうち少なくとも１つは、冷却媒体を流通させることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池スタック。

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