JP2013149595A

JP2013149595A - 燃料電池スタック

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Publication number: JP2013149595A
Application number: JP2012165955A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kobayashi; 剛小林; Tadashi Nishiyama; 忠志西山; Kimiharu Mizusaki; 君春水崎; Eri Terada; 江利寺田; Takashi Kuwayama; 貴司桑山; Hiroaki Ota; 広明太田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2011-12-21
Filing date: 2012-07-26
Publication date: 2013-08-01
Anticipated expiration: 2032-07-26
Also published as: CN103178285A; US20130164646A1; JP5608713B2; US9269969B2; CN103178285B

Abstract

【課題】簡単な構成で、端部セルの温度低下を確実に阻止することができ、良好な発電性能を維持することを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１２が積層される積層体１４の一方の端部に、ターミナルプレート１６ｂ、絶縁部材１８ｂ及びエンドプレート２０ｂを配設する。絶縁部材１８ｂの凹部６８には、断熱部材７０及びターミナルプレート１６ｂが収容される。断熱部材７０は、発電セル１２を構成する第１金属セパレータ２４の外周部を枠状に切断した金属プレート２４Ｐと、第２金属セパレータ２６の外周部を枠状に切断した金属プレート２６Ｐとを交互に積層する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電解質の両側に電極が配設される電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルが積層される積層体を備え、前記積層体の積層方向両側には、ターミナルプレート、絶縁部材及びエンドプレートが配設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固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒（電極触媒層）及び多孔質カーボン（ガス拡散層）を有するアノード電極とカソード電極とを配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持する発電セルを構成している。発電セルを所定の数だけ積層した燃料電池スタックが、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

この種の燃料電池スタックでは、外部への放熱により他の発電セルに比べて温度低下が惹起され易い発電セルが存在している。例えば、積層方向端部に配置されている発電セル（以下、端部セルともいう）は、この発電セルに隣接するターミナルプレートやエンドプレート等からの放熱が多く、上記の温度低下が顕著になっている。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池スタックが知られている。この燃料電池スタックでは、図６に示すように、複数の単セルの積層体１と、前記積層体１の両端に配設される一対の集電板２ａ、２ｃと、前記集電板２ａ、２ｃの外側に配設される一対の端板３ａ、３ｃと、前記集電板２ａ、２ｃの間に押圧力を与えるように設けられる複数の弾性体４と、前記弾性体４の周囲を覆うように配置される断熱材５とにより構成されている。

このため、弾性体４からの放熱を低減し、放熱による熱ロスで燃料電池スタックからの熱回収効率が低下することを抑制する、としている。

特開２００９−２７７５２１号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、断熱材５を用いているものの、集電板２ａ、２ｃ及び端板３ａ、３ｃの外周部から放熱が発生し易い。これにより、特に積層体１を構成する端部セルを十分に保温することができず、例えば、結露の発生により発電性能が低下するという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、端部セルの温度低下を確実に阻止することができ、良好な発電性能を維持する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、電解質の両側に電極が配設される電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルが積層される積層体を備え、前記積層体の積層方向両側には、ターミナルプレート、絶縁部材及びエンドプレートが配設される燃料電池スタックに関するものである。

この燃料電池スタックでは、少なくとも一方の絶縁部材は、積層体側の端部が開口される凹部を設けるとともに、前記凹部には、断熱部材及びターミナルプレートが収容されている。

また、この燃料電池スタックでは、セパレータは、金属薄板を波形に成形して構成されており、断熱部材は、積層体を構成する前記セパレータの外周部を枠状に切断した金属プレートを備えることが好ましい。

さらに、この燃料電池スタックでは、断熱部材は、電気導電性を有する発泡金属、ハニカム部材又は多孔質カーボンのいずれかを備えることが好ましい。

さらにまた、この燃料電池スタックでは、断熱部材は、それぞれ材質の異なる少なくとも第１断熱部材と第２断熱部材とを備え、前記第１断熱部材と前記第２断熱部材とが交互に積層されることが好ましい。

また、この燃料電池スタックでは、ターミナルプレートは、凹部内の底面に当接して配設されることが好ましい。

さらに、本発明では、少なくとも一方の絶縁部材は、積層体側の端部が開口される凹部を設け、前記凹部には、断熱部材及びターミナルプレートが収容されるとともに、断熱部材は、それぞれ材質の異なる少なくとも第１断熱部材と第２断熱部材とを備え、前記第１断熱部材と前記第２断熱部材とが交互に積層されている。

さらにまた、この燃料電池スタックでは、第１断熱部材は、金属プレートで構成されるとともに、第２断熱部材は、カーボンプレートで構成されることが好ましい。

本発明によれば、絶縁部材の凹部に断熱部材及びターミナルプレートが収容されるため、前記断熱部材及び前記ターミナルプレートの外周部からの放熱を良好に抑制することができる。従って、簡単な構成で、積層体の端部に配置される端部セルの温度低下を確実に阻止し、良好な発電性能を維持することが可能になる。しかも、断熱部材には、シール機能を設ける必要がなく、構成が簡素化されて低コスト化が容易に図られる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの一部分解概略斜視図である。前記燃料電池スタックの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。前記燃料電池スタックを構成する発電セルの分解斜視説明図である。本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの一部分解概略斜視図である。前記燃料電池スタックの、図４中、Ｖ−Ｖ線断面図である。特許文献１に開示されている燃料電池スタックの説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体１４を備える。積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、ターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート（絶縁部材）１８ａ及びエンドプレート２０ａが外方に向かって、順次、配設される（図１参照）。積層体１４の積層方向他端には、ターミナルプレート１６ｂ、絶縁部材１８ｂ及びエンドプレート２０ｂが外方に向かって、順次、配設される（図１及び図２参照）。

燃料電池スタック１０は、例えば、長方形に構成されるエンドプレート２０ａ、２０ｂを端板として含む箱状ケーシング（図示せず）により一体的に保持され、あるいは、矢印Ａ方向に延在する複数のタイロッド（図示せず）により一体的に締め付け保持される。

発電セル１２は、図２及び図３に示すように、電解質膜・電極構造体２２と、前記電解質膜・電極構造体２２を挟持する第１金属セパレータ２４及び第２金属セパレータ２６とを備える。第１金属セパレータ２４及び第２金属セパレータ２６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薄板を波形にプレス成形して構成されるが、例えば、カーボンセパレータを用いてもよい。

電解質膜・電極構造体２２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２８と、前記固体高分子電解質膜２８を挟持するアノード電極３０及びカソード電極３２とを備える。固体高分子電解質膜２８は、アノード電極３０及びカソード電極３２よりも大きな表面積を有している。

なお、電解質膜・電極構造体２２は、アノード電極３０とカソード電極３２とが互いに異なる表面積に設定される段差ＭＥＡを構成してもよい。

アノード電極３０及びカソード電極３２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を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布し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２８の両面に形成されている。

発電セル１２の矢印Ｂ方向（図３中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印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３４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３６ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３８ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

発電セル１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔３８ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３６ｂ、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３４ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

第１金属セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２２に向かう面２４ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する燃料ガス流路４０が形成される。燃料ガス流路４０は、燃料ガス入口連通孔３８ａと燃料ガス出口連通孔３８ｂとに連通する。

第２金属セパレータ２６の電解質膜・電極構造体２２に向かう面２６ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する酸化剤ガス流路４２が設けられる。酸化剤ガス流路４２は、酸化剤ガス入口連通孔３４ａと酸化剤ガス出口連通孔３４ｂとに連通する。

互いに隣接する第１金属セパレータ２４の面２４ｂと第２金属セパレータ２６の面２６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３６ａと冷却媒体出口連通孔３６ｂとに連通する冷却媒体流路４４が形成される。冷却媒体流路４４は、燃料ガス流路４０の裏面形状と酸化剤ガス流路４２の裏面形状とが重なり合って形成される。

図２及び図３に示すように、第１金属セパレータ２４の面２４ａ、２４ｂには、この第１金属セパレータ２４の外周端部を周回して、第１シール部材４８が一体化される。第２金属セパレータ２６の面２６ａ、２６ｂには、この第２金属セパレータ２６の外周端部を周回して、第２シール部材５０が一体化される。

第１シール部材４８及び第２シール部材５０には、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。

図１に示すように、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの略中央には、積層方向外方に延在する端子部５８ａ、５８ｂが設けられる。端子部５８ａ、５８ｂは、絶縁性筒体６０に挿入されて、絶縁プレート１８ａ及び絶縁部材１８ｂの孔部６２ａ、６２ｂ及びエンドプレート２０ａ、２０ｂの孔部６４ａ、６４ｂを貫通して前記エンドプレート２０ａ、２０ｂの外部に突出する。

絶縁プレート１８ａ及び絶縁部材１８ｂは、絶縁性材料、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）やフェノール樹脂等で形成されている。絶縁プレート１８ａは、中央部に矩形状の溝部６６ａが設けられるとともに、この溝部６６ａの略中央に孔部６２ａが連通する。溝部６６ａには、ターミナルプレート１６ａが収容され、前記ターミナルプレート１６ａの端子部５８ａが絶縁性筒体６０を介装して孔部６２ａに挿入される。

絶縁部材１８ｂは、絶縁プレート１８ａよりも肉厚に構成されるとともに、積層体１４側の端部が開口される凹部６８を有する。凹部６８を構成する底面６８ａの略中央には、孔部６２ｂが連通する。凹部６８には、断熱部材７０及びターミナルプレート１６ｂが収容され、前記ターミナルプレート１６ｂの端子部５８ｂが絶縁性筒体６０を介装して孔部６２ｂに挿入される。

ターミナルプレート１６ｂは、凹部６８の底面６８ａに当接して配置されるが、これに限定されるものではなく、前記底面６８ａに断熱部材７０を当接させ、この断熱部材７０の底面６８ａと反対の面に前記ターミナルプレート１６ｂを当接させてもよい。その際、断熱部材７０の中央には、端子部５８ｂが絶縁性筒体６０を介装して挿入される孔部が形成される。

断熱部材７０は、発電セル１２（積層体１４）を構成する第１金属セパレータ２４の外周部を枠状に切断した波板状の金属プレート２４Ｐと、第２金属セパレータ２６の外周部を枠状に切断した波板状の金属プレート２６Ｐとを交互に、例えば、２組積層して構成される。断熱部材７０では、金属プレート２４Ｐ、２６Ｐが当接することにより、これらの間に断熱用空間が形成される。なお、発電セル１２が３種類の異なるセパレータから構成される場合には、３枚のセパレータを交互に積層してもよい。

具体的には、金属プレート２４Ｐは、第１金属セパレータ２４の外周部を第１シール部材４８の内周に沿って切断すればよく、この金属プレート２４Ｐの外周寸法は、絶縁部材１８ｂの凹部６８の内周寸法と同等に設定される。金属プレート２６Ｐは、第２金属セパレータ２６の外周部を第２シール部材５０の内周に沿って切断すればよく、この金属プレート２６Ｐの外周寸法は、絶縁部材１８ｂの凹部６８の内周寸法と同等に設定される。

なお、断熱部材７０は、金属プレート２４Ｐ、２６Ｐを１組、又は３組以上で構成してもよく、単一の金属プレート２４Ｐを複数枚積層してもよく、あるいは、単一の金属プレート２６Ｐを複数枚積層してもよい。さらに、発電セル用の金属セパレータではなく、端部専用の金属セパレータでもよい。

また、断熱部材７０は、空孔を保持し且つ通電性を有する部材であればよく、電気導電性を有する発泡金属、ハニカム形状金属（ハニカム部材）、又は多孔質カーボン（例えば、カーボンペーパ）のいずれかにより構成してもよい。断熱部材７０は、１枚でもよく、又は、複数枚を重ねてもよい。

図２に示すように、積層体１４の絶縁部材１８ｂ側の積層方向端部に配置される第２金属セパレータ２６は、第２シール部材５０が前記絶縁部材１８ｂの額縁状の端面に当接する。第２シール部材５０と絶縁部材１８ｂとにより、積層体１４の燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体をシールするためのシール機能を有する。

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、酸素含有ガス等の酸化剤ガスは、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス入口連通孔３４ａに供給される。水素含有ガス等の燃料ガスは、エンドプレート２０ａの燃料ガス入口連通孔３８ａに供給される一方、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体は、前記エンドプレート２０ａの冷却媒体入口連通孔３６ａに供給される。

酸化剤ガスは、図３に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３４ａから第２金属セパレータ２６の酸化剤ガス流路４２に導入され、矢印Ｂ方向に移動して電解質膜・電極構造体２２のカソード電極３２に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３８ａから第１金属セパレータ２４の燃料ガス流路４０に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路４０に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体２２のアノード電極３０に供給される。

従って、各電解質膜・電極構造体２２では、カソード電極３２に供給される酸化剤ガスと、アノード電極３０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、カソード電極３２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３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極３０に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体入口連通孔３６ａに供給された冷却媒体は、第１金属セパレータ２４と第２金属セパレータ２６との間の冷却媒体流路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、電解質膜・電極構造体２２を冷却した後、冷却媒体出口連通孔３６ｂから排出される。

この場合、第１の実施形態では、図２に示すように、絶縁部材１８ｂに凹部６８が形成されるとともに、前記凹部６８には、断熱部材７０及びターミナルプレート１６ｂが収容されている。このため、断熱部材７０及びターミナルプレート１６ｂの外周部からの放熱を良好に抑制することができる。従って、簡単な構成で、積層体１４の端部に配置される発電セル１２の温度低下を確実に阻止し、良好な発電性能を維持することが可能になるという効果が得られる。

しかも、断熱部材７０は、第１金属セパレータ２４の外周部を枠状に切断した金属プレート２４Ｐと、第２金属セパレータ２６の外周部を枠状に切断した金属プレート２６Ｐとを、交互に配設して構成されている。さらに、積層体１４の積層方向一端に配置される第２金属セパレータ２６は、第２シール部材５０が絶縁部材１８ｂの端面に当接している。

これにより、第２シール部材５０と絶縁部材１８ｂとにより、所望のシール機能を有することができ、断熱部材７０には、シール構造を設ける必要がない。従って、構成が簡素化されて低コスト化が容易に図られるため、経済的であるという利点がある。

なお、第１の実施形態では、断熱部材７０は、燃料電池スタック１０の積層方向一端でもよく、又は、積層方向両端に適用してもよい。また、以下に説明する第２の実施形態でも、同様である。

図４及び図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック８０を示す。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

燃料電池スタック８０は、上記の断熱部材７０に代えて断熱部材８２を備える。断熱部材８２は、それぞれ材質の異なる少なくとも第１断熱部材８４と第２断熱部材８６とを備え、前記第１断熱部材８４と前記第２断熱部材８６とが交互に積層される。

第１断熱部材８４は、例えば、金属プレートで構成され、上記の金属プレート２４Ｐ、２６Ｐの少なくともいずれかを使用することができる。第２断熱部材８６は、断熱機構を有する部材であればよく、例えば、カーボンプレートを使用することが可能である。第２断熱部材８６は、第１断熱部材８４よりも小さな外形寸法に設定される（図５参照）。

このように構成される第２の実施形態では、絶縁部材１８ｂの凹部６８には、断熱部材８２が配置されている。断熱部材８２は、それぞれ材質の異なる第１断熱部材８４と第２断熱部材８６とを備えるとともに、前記第１断熱部材８４と前記第２断熱部材８６とは、交互に積層されている。

このため、異種部材である第１断熱部材８４と第２断熱部材８６との接触面には、界面熱抵抗が惹起し、断熱性が良好に向上する。従って、第１断熱部材８４及び第２断熱部材８６は、薄肉形状に構成されても、所望の通電性及び所望の断熱性を確保することが可能になる。これにより、簡単且つコンパクトな構成で、積層体１４の端部に配置される発電セル１２の温度低下を確実に阻止し、良好な発電性能を維持することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、第１断熱部材８４と第２断熱部材８６とは、それぞれ材質が異なっていれば、種々の組み合わせが可能である。また、第１断熱部材８４及び第２断熱部材８６の積層数は、任意、設定することができる。さらに、第２断熱部材８６は、平板状ではなく、波板状であってもよい。

１０、８０…燃料電池スタック１２…発電セル
１４…積層体１６ａ、１６ｂ…ターミナルプレート
１８ａ…絶縁プレート１８ｂ…絶縁部材
２０ａ、２０ｂ…エンドプレート２２…電解質膜・電極構造体
２４、２６…金属セパレータ２４Ｐ、２６Ｐ…金属プレート
２８…固体高分子電解質膜３０…アノード電極
３２…カソード電極４０…燃料ガス流路
４２…酸化剤ガス流路４４…冷却媒体流路
４８、５０…シール部材６８…凹部
７０、８２、８４、８６…断熱部材

Claims

電解質の両側に電極が配設される電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルが積層される積層体を備え、前記積層体の積層方向両側には、ターミナルプレート、絶縁部材及びエンドプレートが配設される燃料電池スタックであって、
少なくとも一方の前記絶縁部材は、前記積層体側の端部が開口される凹部を設けるとともに、
前記凹部には、断熱部材及び前記ターミナルプレートが収容されることを特徴とする燃料電池スタック。
請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記セパレータは、金属薄板を波形に成形して構成されており、
前記断熱部材は、前記積層体を構成する前記セパレータの外周部を枠状に切断した金属プレートを備えることを特徴とする燃料電池スタック。
請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記断熱部材は、電気導電性を有する発泡金属、ハニカム部材又は多孔質カーボンのいずれかを備えることを特徴とする燃料電池スタック。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記断熱部材は、それぞれ材質の異なる少なくとも第１断熱部材と第２断熱部材とを備え、
前記第１断熱部材と前記第２断熱部材とが交互に積層されることを特徴とする燃料電池スタック。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記ターミナルプレートは、前記凹部内の底面に当接して配設されることを特徴とする燃料電池スタック。
電解質の両側に電極が配設される電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルが積層される積層体を備え、前記積層体の積層方向両側には、ターミナルプレート、絶縁部材及びエンドプレートが配設される燃料電池スタックであって、
少なくとも一方の前記絶縁部材は、前記積層体側の端部が開口される凹部を設け、前記凹部には、断熱部材及び前記ターミナルプレートが収容されるとともに、
前記断熱部材は、それぞれ材質の異なる少なくとも第１断熱部材と第２断熱部材とを備え、
前記第１断熱部材と前記第２断熱部材とが交互に積層されることを特徴とする燃料電池スタック。
請求項６記載の燃料電池スタックにおいて、前記第１断熱部材は、金属プレートで構成されるとともに、
前記第２断熱部材は、カーボンプレートで構成されることを特徴とする燃料電池スタック。