JP2018116861A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】発電効率高める為に、燃料電池において、適切なセル温度の検出の提供。【解決手段】ＭＥＡ１０のカソード側に接する面に発電用空気流路２２、反対面に冷却用空気流路２４を有するカソード側セパレータ１８ｃと、ＭＥＡ１０のアノード側に接する面に燃料ガス用流路３２を有するアノード側セパレータ１８ａと、セパレータ１８ｃに設けられた温度センサ３４と、を備え、セパレータ１８ｃの流路は第１方向直線状に延在し、空気を同方向に流通させ、燃料ガス用流路３２は、第１方向に交差する第２方向に延在し、セパレータ１８ｃの流路が設けられた領域３０よりも第２方向で外側に位置する燃料ガス供給マニホールド５４から燃料ガスが供給され、温度センサは、領域のうちの第１方向で半分よりも下流側に位置する領域であり、且つ、領域を第２方向で６等分したうちの燃料ガス供給マニホールド側とは反対側から５つ目までの領域に設ける温度の検出方法。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料電池の冷却方法として、冷却水を循環させる水冷式の他に、発電用に供給される酸化剤ガスを冷却に用いる空冷式が知られている。燃料電池においては、発電効率を高めるために、セル温度を適切な温度に制御することが望まれる。例えば、セル温度を検出する温度センサを備え、温度センサで検出されたセル温度に基づいて、冷却用に用いられる酸化剤ガスの流量を制御する技術が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２００６−２５２９３４号公報

しかしながら、空冷式の燃料電池では、単セルの面内における温度差が大きいことから、温度センサの取り付け位置によっては適切なセル温度を検出できない場合がある。この場合、温度センサで検出されたセル温度に基づいて酸化剤ガスの流量を制御しても発電効率を高めることが難しい。

本発明は、適切なセル温度を検出することを目的とする。

本発明は、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の一方側に組み付けられ、前記膜電極接合体側の面に酸化剤ガスが流通する発電用流路を有し、前記膜電極接合体とは反対側の面に前記酸化剤ガスが流通する冷却用流路を有するカソード側セパレータと、前記膜電極接合体の他方側に組み付けられ、前記膜電極接合体側の面に燃料ガスが流通する燃料ガス用流路を有するアノード側セパレータと、前記カソード側セパレータに取り付けられた温度センサと、を備え、前記発電用流路及び前記冷却用流路は、前記カソード側セパレータの一端から他端に向かって第１方向に直線状に延在し、前記酸化剤ガスを同じ向きに流通させ、前記燃料ガス用流路は、前記第１方向に交差する第２方向に少なくとも延在し、前記カソード側セパレータの前記発電用流路及び前記冷却用流路が設けられた流路領域よりも前記第２方向で外側に位置する燃料ガス供給マニホールドから前記燃料ガスが供給され、前記温度センサは、前記流路領域のうちの前記第１方向で半分よりも下流側に位置する領域であり、且つ、前記流路領域を前記第２方向で６等分したうちの前記燃料ガス供給マニホールド側とは反対側から５つ目までの領域に設けられている、燃料電池である。

本発明によれば、適切なセル温度を検出することができる。

図１は、実施例１に係る燃料電池を構成する単セルの分解斜視図である。 図２は、カソード側セパレータの流路領域における単セルの温度分布を示す図である。 図３（ａ）及び図３（ｂ）は、温度センサに接続される配線の取り回しを説明する斜視図である。 図４（ａ）から図４（ｄ）は、アノード側セパレータの他の例を示す平面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

図１は、実施例１に係る燃料電池を構成する単セル１００の分解斜視図である。実施例１の燃料電池は、反応ガスとして燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気）との供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造を有する。実施例１の燃料電池は、例えば燃料電池自動車や電気自動車などに搭載される。

図１のように、単セル１００は、アノード側セパレータ１８ａ、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）２０、カソード側セパレータ１８ｃ、及び温度センサ３４を備える。ＭＥＧＡ２０は、例えば樹脂（エポキシ樹脂やフェノール樹脂など）からなる絶縁部材５０の内側に配置されている。ＭＥＧＡ２０は、アノード側セパレータ１８ａとカソード側セパレータ１８ｃとによって挟持されている。すなわち、アノード側セパレータ１８ａ及びカソード側セパレータ１８ｃは、ＭＥＧＡ２０に組み付けられている。

カソード側セパレータ１８ｃは、ガス遮断性及び電子伝導性を有する部材によって形成されている。例えば、カソード側セパレータ１８ｃは、プレス成型による曲げ加工によって凹凸形状が形成されたステンレス鋼などの金属板からなる。カソード側セパレータ１８ｃには、厚み方向の凹凸形状によって、それぞれ空気が流れる発電用流路２２と冷却用流路２４とが形成されている。発電用流路２２及び冷却用流路２４は、カソード側セパレータ１８ｃの一端から他端に向かって第１方向に直線状に延在し、且つ、第１方向に交差する第２方向で交互に並んでいる。発電用流路２２及び冷却用流路２４を流通する空気は、カソード側セパレータ１８ｃの一端側である空気供給口から他端側である空気排出口に向かって流れる。

発電用流路２２は、カソード側セパレータ１８ｃの一端から他端にかけて第１方向に延在して設けられた凹部２６によって、カソード側セパレータ１８ｃのＭＥＧＡ２０側の面に形成されている。発電用流路２２を流通する空気は、ＭＥＧＡ２０に供給されて発電用として用いられる。冷却用流路２４は、カソード側セパレータ１８ｃの一端から他端にかけて第１方向に延在し且つ凹部２６と第２方向で交互に並んで設けられた凹部２８によって、カソード側セパレータ１８ｃのＭＥＧＡ２０とは反対側の面に形成されている。冷却用流路２４を流通する空気は、単セル１００を冷却する冷却用として用いられる。このように、実施例１の燃料電池は、空冷式の燃料電池である。発電用流路２２と冷却用流路２４とが第２方向に交互に並んで設けられることで、冷却用流路２４をＭＥＧＡ２０の近くに配置することができるようになり、冷却効率を向上させることができる。

発電用流路２２と冷却用流路２４は、空気供給口から空気排出口にかけてほぼ一定の深さ及びほぼ一定の幅を有する。また、発電用流路２２のピッチ間隔（中心間の距離）と冷却用流路２４のピッチ間隔（中心間の距離）は、空気供給口から空気排出口にかけてほぼ一定である。

アノード側セパレータ１８ａは、ガス遮断性及び電子伝導性を有する部材によって形成され、例えばカーボンを圧縮してガス不透過とした緻密性カーボンなどのカーボン部材やステンレス鋼などの金属部材によって形成されている。アノード側セパレータ１８ａには孔ａ１、ａ２が設けられ、絶縁部材５０には孔ｓ１、ｓ２が設けられ、カソード側セパレータ１８ｃの両側に設けられた絶縁部材５２には孔ｃ１、ｃ２が設けられている。孔ａ１、ｓ１、ｃ１は連通し、水素を供給する燃料ガス供給マニホールド５４を画定する。孔ａ２、ｓ２、ｃ２は連通し、水素を排出する燃料ガス排出マニホールド５６を画定する。燃料ガス供給マニホールド５４と燃料ガス排出マニホールド５６は、カソード側セパレータ１８ｃの発電用流路２２及び冷却用流路２４が設けられた流路領域３０を第２方向で挟む位置に設けられている。

アノード側セパレータ１８ａのＭＥＧＡ２０側の面には、燃料ガス供給マニホールド５４から燃料ガス排出マニホールド５６に向かって第２方向に直線状に延在し、ＭＥＧＡ２０に供給される水素が流れる燃料ガス用流路３２が設けられている。したがって、燃料ガス用流路３２は、発電用流路２２及び冷却用流路２４に交差（例えば直交）して設けられている。

ＭＥＧＡ２０は、電解質膜１２、アノード触媒層１４ａ、カソード触媒層１４ｃ、アノードガス拡散層１６ａ、及びカソードガス拡散層１６ｃを備える。電解質膜１２の一方の面にアノード触媒層１４ａが設けられ、他方の面にカソード触媒層１４ｃが設けられている。これにより、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１０が形成されている。電解質膜１２は、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂材料又は炭化水素系樹脂材料で形成された固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。アノード触媒層１４ａ及びカソード触媒層１４ｃは、電気化学反応を進行する触媒（例えば白金や、白金−コバルト合金）を担持したカーボン粒子（例えばカーボンブラック）と、スルホン酸基を有する固体高分子であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有するアイオノマーと、を含む。

ＭＥＡ１０の両側にアノードガス拡散層１６ａ及びカソードガス拡散層１６ｃが設けられている。アノードガス拡散層１６ａ及びカソードガス拡散層１６ｃは、ガス透過性及び電子伝導性を有する部材によって形成されていて、例えばカーボンクロスやカーボンペーパなどの多孔質カーボン製部材によって形成されている。なお、ＭＥＡ１０とアノードガス拡散層１６ａとの間及びＭＥＡ１０とカソードガス拡散層１６ｃとの間に、ＭＥＡ１０内に含まれる水分量の調整を目的とした撥水層を備えていてもよい。

温度センサ３４は、カソード側セパレータ１８ｃに取り付けられている。ここで、温度センサ３４の好ましい取り付け位置について説明する。図２は、カソード側セパレータの流路領域における単セルの温度分布を示す図である。なお、図２では、多数の単セル１００を積層させ、そのうちの中央付近に位置する２つの単セル１００の間に温度センサを配置して単セル１００の温度分布を測定した結果を示している。

図２のように、流路領域３０を第１方向に５等分、第２方向に６等分し、それぞれの領域の平均温度を求めた。その結果、第１方向においては、上流側の温度が低く、下流側の温度は高く、半分よりも下流側では温度差がそれ程大きくない結果となった。これは、下流側では、冷却用流路２４を流通する空気による冷却効果が低下するためと考えられる。第２方向においては、燃料ガス供給マニホールド５４側の温度が低く、燃料ガス供給マニホールド５４とは反対側の温度は高く、流路領域３０を第２方向で６等分したうちの燃料ガス供給マニホールド５４とは反対側から５つ目までの領域では温度差がそれ程大きくない結果となった。これは、燃料ガス供給マニホールド５４から供給される水素は乾燥しているため、燃料ガス供給マニホールド５４側では発電量が小さく、その結果、発熱量が小さいためと考えられる。なお、図２では、所定条件で燃料電池を駆動させた場合の温度分布を示しているが、条件を変えて燃料電池を駆動させた場合でも温度分布の傾向は変わらない。

このように、空冷式の燃料電池では、単セル１００の面内における温度差が大きい。つまり、温度センサ３４の取り付け位置によっては、単セル１００の適切な温度を測定できない場合がある。例えば、単セル１００の低温部分で温度を測定し、その結果に基づいて冷却用流路２４を流れる空気の流量を制御する場合、単セル１００の温度が適切な温度よりも高くなる部分が発生する。単セル１００の温度が高くなるとＭＥＡ１０が乾燥して発電効率が低下することから、単セル１００の低温部分で温度を測定して冷却用流路２４を流れる空気の流量を制御しても発電効率を高めることが難しい。なお、単セル１００の温度が低い場合よりも高い場合の方が発電効率の低下が大きい。

そこで、実施例１では、温度センサ３４は、流路領域３０のうちの第１方向で半分よりも下流側に位置する領域であり、且つ、流路領域３０を第２方向で６等分したうちの燃料ガス供給マニホールド５４とは反対側から５つ目までの領域３６に設けることにする。これにより、単セル１００の適切な温度を測定することができる。その結果、温度センサ３４で測定された温度に基づいて冷却用流路２４を流れる空気の流量を制御することで、単セル１００の温度を適切な温度に制御することができ、発電効率を高めることができる。

なお、単セル１００の適切な温度を測定する点から、温度センサ３４は、流路領域３０を第１方向で５等分したうちの空気排出口側から２つ目までの領域に取り付けられることが好ましく、空気排出口側から１つ目の領域に取り付けられることがより好ましい。また、温度センサ３４は、流路領域３０を第２方向で６等分したうちの燃料ガス供給マニホールド５４とは反対側から４つ目までの領域に取り付けられることが好ましく、３つ目までの領域に取り付けられることがより好ましい。

図３（ａ）及び図３（ｂ）は、温度センサに接続される配線の取り回しを説明する斜視図である。図３（ａ）のように、温度センサ３４に接続される配線３８は、カソード側セパレータ１８ｃの凹部２６と凹部２８とを貫通する孔４０を介して単セル１００の外部に引き出されてもよい。孔４０はＭＥＡ１０の外側（非発電部）に設けられ、配線３８はＭＥＡ１０の外側（非発電部）を引き回されることが好ましい。図３（ｂ）のように、温度センサ３４に接続される配線３８は、アノード側セパレータ１８ａの側面を介して単セル１００の外部に引き出されてもよい。配線３８の引き回しを考慮すると、温度センサ３４は、流路領域３０を第２方向で６等分したうちの燃料ガス供給マニホールド５４とは反対側から２つ目までの領域に設けられていることが好ましく、１つ目の領域に設けられていることがより好ましい。

また、実施例１によれば、図１のように、温度センサ３４は、冷却用流路２４の底面（すなわち、凹部２８の底面）に取り付けられている。これにより、温度センサ３４をＭＥＡ１０の近くに配置することができるため、ＭＥＡ１０の温度をより正確に測定することができる。なお、ＭＥＡ１０の正確な温度測定と配線３８の引き回しとを考慮すると、温度センサ３４は燃料ガス供給マニホールド５４とは最も反対側に位置する冷却用流路２４の底面に取り付けられることが好ましい。なお、温度センサ３４は冷却用流路２４の底面以外でカソード側セパレータ１８ｃに取り付けられていてもよい。

図４（ａ）から図４（ｄ）は、アノード側セパレータの他の例を示す平面図である。なお、図４（ａ）から図４（ｄ）では、発電用流路２２及び冷却用流路２４を流れる空気を点線矢印で図示している。図４（ａ）のように、燃料ガス供給マニホールド５４は空気の流通方向の上流側に位置し、燃料ガス排出マニホールド５６は空気の流通方向の下流側に位置し、燃料ガス用流路３２はアノード側セパレータ１８ａの第２方向における一端側から他端側を複数回往復して設けられていてもよい。図４（ｂ）のように、燃料ガス供給マニホールド５４が空気の流通方向の下流側に位置し、燃料ガス排出マニホールド５６が空気の流通方向の上流側に位置していてもよい。

図４（ｃ）のように、燃料ガス供給マニホールド５４と燃料ガス排出マニホールド５６とは流路領域３０に対して第２方向で同じ側に位置し、燃料ガス用流路３２はアノード側セパレータ１８ａの第２方向における一端側と他端側との間を往復して設けられていてもよい。図４（ｄ）のように、燃料ガス供給マニホールド５４と燃料ガス排出マニホールド５６の位置が図４（ｃ）と比べて反対になっていてもよい。

実施例１において、温度センサ３４は、スタック構造をした多数の単セル１００の全てに設けられていてもよいが、多数の単セル１００のうちの少なくとも１つの単セル１００に設けられていればよい。スタック構造をした多数の単セル１００のうちの１つの単セル１００にのみ温度センサ３４が設けられる場合、多数の単セル１００間の温度分布を考慮すると、温度センサ３４は多数の単セル１００のうちの中央付近に位置する単セル１００に設けられることが好ましい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 膜電極接合体
１２ 電解質膜
１４ａ アノード触媒層
１４ｃ カソード触媒層
１６ａ アノードガス拡散層
１６ｃ カソードガス拡散層
１８ａ アノード側セパレータ
１８ｃ カソード側セパレータ
２０ 膜電極ガス拡散層接合体
２２ 発電用流路
２４ 冷却用流路
２６、２８ 凹部
３０ 流路領域
３２ 燃料ガス用流路
３４ 温度センサ
３６ 領域
３８ 配線
４０ 孔
５０、５２ 絶縁部材
５４ 燃料ガス供給マニホールド
５６ 燃料ガス排出マニホールド

Claims (1)

1. 膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体の一方側に組み付けられ、前記膜電極接合体側の面に酸化剤ガスが流通する発電用流路を有し、前記膜電極接合体とは反対側の面に前記酸化剤ガスが流通する冷却用流路を有するカソード側セパレータと、
   前記膜電極接合体の他方側に組み付けられ、前記膜電極接合体側の面に燃料ガスが流通する燃料ガス用流路を有するアノード側セパレータと、
   前記カソード側セパレータに取り付けられた温度センサと、を備え、
   前記発電用流路及び前記冷却用流路は、前記カソード側セパレータの一端から他端に向かって第１方向に直線状に延在し、前記酸化剤ガスを同じ向きに流通させ、
   前記燃料ガス用流路は、前記第１方向に交差する第２方向に少なくとも延在し、前記カソード側セパレータの前記発電用流路及び前記冷却用流路が設けられた流路領域よりも前記第２方向で外側に位置する燃料ガス供給マニホールドから前記燃料ガスが供給され、
   前記温度センサは、前記流路領域のうちの前記第１方向で半分よりも下流側に位置する領域であり、且つ、前記流路領域を前記第２方向で６等分したうちの前記燃料ガス供給マニホールド側とは反対側から５つ目までの領域に設けられている、燃料電池。
   

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