JP2018133240A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】射出及びプレスの成形による割れやヒビ等の不具合の発生をなくすことができる燃料電池スタックを提供する。【解決手段】燃料電池スタックは、電解質膜と、電解質膜の一方側に配置されるアノード電極と、電解質膜の他方側に配置されるカソード電極と、を含む膜電極接合体と、膜電極接合体の一方側に燃料ガスを遮断するために配置されるアノード側セパレータと、膜電極接合体の他方側に酸化ガスを遮断するために配置されるカソード側セパレータと、を備える単セルが複数積層された燃料電池スタックであって、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータは、いずれも平坦な板状体であって、アノード側セパレータとカソード側セパレータとの間に、アノード側セパレータとカソード側セパレータとを離隔させるとともに、アノード側セパレータとカソード側セパレータとの間に冷却水流路を区画するフィンを有する。【選択図】 図２

Description

本開示は、燃料電池スタックに関する。

特許文献１には、固体高分子電解質膜、固体高分子電解質膜を挟持する一対の電極層、および電極層の外側に配置されたガス通流溝を有する一対のセパレータからなる単電池を積層してなる燃料電池が開示されている。かかる燃料電池は、一方のセパレータのガス通流溝にガス燃料を通流し、他方のセパレータのガス通流溝に酸化剤ガスを通流するように構成されている。

特許文献２には、電解質膜の一方側にアノード側電極を、電解質膜の他方側にカソード側電極をそれぞれ配置し、さらにその外側を一対のセパレータで挟んで構成した燃料電池が開示されている。かかる燃料電池は、各電極を備えた発電領域よりも外側に突出する冷却フィンをセパレータに設けている。

特開２００２−２０６９０号公報 特開２００６−３２００７号公報

特許文献１が開示する燃料電池（燃料電池スタック）では、樹脂製のセパレータが用いられるが、樹脂製のセパレータでは、空気、水素、冷却水を反応面に流通させる複雑な流路形状を射出及びプレスで成形しなければならない。例えば、特許文献１には、カーボン粉末とフェノール樹脂を混合したものを所定の金型に入れて加熱しながら圧縮成形するものが開示されているが、射出成形やプレス成形で成形すると、割れやヒビ等の不具合が発生しやすいので、タクトタイムを長く採る等の生産性悪化を伴う工夫を施さなければならなかった。
特許文献２が開示する燃料電池（燃料電池スタック）では、金属母材を金などの耐蝕皮膜で被覆したセパレータ、ステンレス合金、チタン合金、樹脂とカーボンの混合体、あるいはこれらを組み合わせたセパレータが用いられるが、樹脂とカーボンの混合体のセパレータでは、射出成形やプレス成形で冷却フィンを成形する必要があり、割れやヒビ等の不具合が発生しやすいので、タクトタイムを長く採る等の生産性悪化を伴う工夫を施さなければならなかった。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、射出成形やプレス成形による割れやヒビ等の不具合の発生をなくす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する。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る燃料電池スタックは、電解質膜と、前記電解質膜の一方側に配置されるアノード電極と、前記電解質膜の他方側に配置されるカソード電極と、を含む膜電極接合体と、前記膜電極接合体の一方側に燃料ガスを遮断するために配置されるアノード側セパレータと、前記膜電極接合体の他方側に酸化ガスを遮断するために配置されるカソード側セパレータと、を備える単セルが複数積層された燃料電池スタックであって、前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータは、いずれも平坦な板状体であって、前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータとの間に、前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータとを離隔させるとともに、前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータとの間に冷却水流路を区画するフィンを有する。

上記（１）の構成によれば、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータは、いずれも両面が平坦な板状体であって、アノード側セパレータとカソード側セパレータとの間に、アノード側セパレータとカソード側セパレータとを離隔させるとともに、アノード側セパレータとカソード側セパレータとの間に冷却水流路を区画するフィンを有する。これにより、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータは、射出成形やプレス成形による割れやヒビの不具合の発生をなくすことができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、前記フィンは、複数段のフィン要素列を有し、隣り合うフィン要素列がオフセットされている。
上記（２）の構成によれば、少ない圧力損失により、冷却水流路を流れる冷却水の乱流化が可能となり、また、冷却水流路の表面積の増大、及び接触抵抗の低減が可能となる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、前記フィンは、左右に蛇行するウェーブ付きフィンである。
上記（３）の構成によれば、少ない圧力損失により、冷却水流路を流れる冷却水の乱流化が可能となり、また、冷却水流路の表面積の増大、及び接触抵抗の低減が可能となる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、前記フィンは、重力方向に複数段のフィン要素列を有し、重力方向に隣り合うフィン要素列が水平方向にオフセットされている。
上記（４）の構成によれば、少ない圧力損失により、冷却水流路を流れる冷却水の乱流化が可能となり、また、冷却水流路の表面積の増大、及び接触抵抗の低減が可能となる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、前記フィンは、重力方向において左右に蛇行するウェーブ付きフィンである。
上記（５）の構成によれば、少ない圧力損失により、冷却水流路を流れる冷却水の乱流化が可能となり、また、冷却水流路の表面積の増大、及び接触抵抗の低減が可能となる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（１）から（５）の何れか一つの構成において、前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータは、樹脂セパレータで構成される。
上記（６）の構成によれば、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータの軽量化が可能となる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（１）から（６）の何れか一つの構成において、前記アノード電極は、前記電解質膜に接する第１のアノード側拡散層と、前記第１のアノード側拡散層よりも粗であって、前記アノード側セパレータに接する第２のアノード側拡散層と、を有し、前記カソード電極は、前記電解質膜に接する第１のカソード側拡散層と、前記第１のカソード側拡散層よりも粗であって、前記カソード側セパレータに接する第２のカソード側拡散層と、を有する。
上記（７）の構成によれば、アノード電極に供給される燃料ガスは、第２のアノード側拡散層を通り、第１のアノード側拡散層で拡散される。これにより、燃料ガスが通る燃料ガス流路を別途設ける必要がない。同様に、カソード電極に供給される酸化ガスは、第２のカソード側拡散層を通り、第１のカソード側拡散層で拡散される。これにより、酸化ガスが通る酸化ガス流路を別途設ける必要がない。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータは、射出成形やプレス成形による割れやヒビの不具合の発生をなくすことができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックを概略的に示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックの構成例を概略的に示す平断面図である。 図２に示したフィンの一例を概略的に示す平断面図である。 図２に示したフィンの他の一例を概略的に示す平断面図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックの構成例を概略的に示す平断面図である。 図５に示したフィンの一例を概略的に示す図であって、（ａ）は平断面図、（ｂ）は正面図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックの構成例を概略的に示す平断面図である。 図７に示したフィンの一例を概略的に示す図であって、（ａ）は平断面図、（ｂ）は正面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池スタック１を概略的に示す斜視図である。また、図２、図５及び図７は、本発明の一実施形態に係る燃料電池スタック１の構成例を概略的に示す平断面図である。また、図３及び図４は、図２に示したフィン８の一例を概略的に示す平断面図である。また、図６は、図５に示したフィン８の一例を概略的に示す図であり、図８は、図７に示したフィン８の一例を概略的に示す図である。

図１に示すように、本発明の幾つかの実施形態に係る燃料電池スタック１は、イオン導電性を有する高分子膜（イオン交換膜）を電解質（電解質膜５１）とするものであり、単セル４（ｓｉｎｇｌｅ ｃｅｌｌ）が複数積層され、その両側にそれぞれエンドプレート２，３が配置されている。
エンドプレート２，３の少なくとも一方には、燃料ガス管２１及び酸化ガス管２２が配管され、燃料ガス管２１から複数積層された単セル４のそれぞれに水素等の燃料ガスが供給され、酸化ガス管２２から複数積層された単セル４のそれぞれに空気等の酸化ガスが供給される。
また、エンドプレート２，３の少なくとも一方には、冷却水管２３が配管され、冷却水管２３から複数積層された単セル４のそれぞれに冷却水が供給される。

図２、図５及び図５に示すように、各単セル４は、膜電極接合体５、アノード側セパレータ６及びカソード側セパレータ７を備えている。
膜電極接合体５は、電解質膜５１、アノード電極５２及びカソード電極５３を含んで構成されている。
電解質膜５１（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ，ＭＥＡ）は、イオン導電性を有する高分子膜（イオン交換膜）であり、この電解質膜５１を電解質として用いる燃料電池を固体高分子形燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ，ＰＥＦＣ）という。電解質膜５１は、水素イオン（プロトン）を通す高分子膜であり、例えば、フッ素系ポリマーで構成され、例えば、２０〜１００μｍの厚みで構成される。

アノード電極５２は、電解質膜５１の一方側に配置され、カソード電極５３は、電解質膜５１の他方側、すなわち、電解質膜５１を挟んでアノード電極５２と対向する側に配置される。これにより、膜電極接合体５（ＭＥＡ）は、電解質膜５１をアノード電極５２とカソード電極５３とで挟んだサンドイッチ構造（三層構造）となっている。

アノード電極５２には、燃料ガス管２１から供給される水素ガス等の燃料ガスが供給可能である。これにより、アノード電極５２は、水素極とも称される。アノード電極５２は、例えば、拡散層５２１（ＧＤＬ）に触媒層５２２（ＣＬ）を担持したものが用いられる。拡散層５２１（以下「アノード側拡散層５２１」という）は、多孔質の支持層であり、アノード側拡散層５２１には、例えば、カーボンペーパーや金属フィルターが用いられる。触媒層５２２（以下「アノード側触媒層５２２」という）は、化学反応を促進するためのものであり、例えば、白金が用いられ、例えば、１００μｍ以下の厚みで構成される。
アノード電極５２は、アノード側触媒層５２２が電解質膜５１に対向するように内側に配置され、アノード側拡散層５２１が外側に位置するように配置される。
アノード電極５２（負極）では、水素ガスなどの燃料が供給され、Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻の反応によって、プロトン（水素イオンＨ^＋）と電子に分解する。この後、プロトンは電解質膜５１を、電子は導線内を通ってカソード電極５３へ移動する。

カソード電極５３には、酸化ガス管２２から供給される空気等の酸化ガスが供給可能である。これにより、カソード電極５３は、空気極とも称される。カソード電極５３は、アノード電極５２と同様に、例えば、拡散層５３１（ＧＤＬ）に触媒層５３２（ＣＬ）を担持したものが用いられる。拡散層５３１（以下「カソード側拡散層５３１」という）は、多孔質の支持層であり、カソード側拡散層５３１には、例えば、カーボンペーパーや金属フィルターが用いられる。触媒層５３２（以下「カソード側触媒層５３２」という）は、化学反応を促進するためのものであり、例えば、白金が用いられ、例えば、１００μｍ以下の厚みで構成される。
カソード電極５３は、カソード側触媒層５３２が電解質膜５１に対向するように内側に配置され、カソード側拡散層５３１が外側に位置するように配置される。
カソード電極５３（正極）では、空気のなどの酸化ガスが供給され、電解質膜５１から供給されたプロトンと、導線から供給された電子と、が酸化ガスに含まれる酸素と反応し、４Ｈ^＋＋Ｏ_２＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏの反応により水が生成される。

アノード側セパレータ６は、アノード電極５２の燃料ガスを遮断するためのものであり、燃料ガスは、アノード側触媒層５２２とアノード側セパレータ６との間に供給される。これにより、燃料ガスは、アノード側触媒層５２２とアノード側セパレータ６との間、すなわち、アノード側拡散層５２１に供給される。そして、アノード側拡散層５２１に供給された燃料ガスは、アノード側拡散層５２１にて拡散され、アノード側触媒層５２２に供給される。

カソード側セパレータ７は、カソード電極５３の酸化ガスを遮断するためのものであり、酸化ガスは、カソード側触媒層５３２とカソード側セパレータ７との間に供給される。これにより、酸化ガスは、カソード側触媒層５３２とカソード側セパレータ７との間、すなわち、カソード側拡散層５３１に供給される。そして、カソード側拡散層５３１に供給された燃料ガスは、カソード側拡散層５３１にて拡散され、カソード側触媒層５３２に供給される。

図２、図５及び図７に示すように、幾つかの実施形態に係る燃料電池スタック１において、アノード側セパレータ６及びカソード側セパレータ７は、いずれも両面が平坦な板状体であって、アノード側セパレータ６とカソード側セパレータ７との間にフィン８を有する。
尚、アノード側セパレータ６及びカソード側セパレータ７は、いずれも両面が平坦な板状体としたが、板状体であれば厳密な意味において両面が平坦でなくてもよい。
フィン８は、アノード側セパレータ６とカソード側セパレータ７とを離隔させるとともに、アノード側セパレータ６とカソード側セパレータ７との間に冷却水流路を区画している。
図２から図８に示すように、フィン８は、アノード側セパレータ６とカソード側セパレータ７とに交互に接するように形成されている。

図２から図８に示すように、幾つかの実施形態では、フィン８は、横断面がジグザグ状であって、直線が上下に何度も折れ曲がるように形成されている。
図２及び図３に示すように、幾つかの実施形態では、フィン８Ａは、ジグザグ状の頂部８ａ１と谷部８ａ２とが鋭角に尖るように形成され、アノード側セパレータ６とカソード側セパレータ７とに直線で接するように構成されている。
図４から図８に示すように、幾つかの実施形態では、フィン８Ｂは、ジグザグ状の頂部８ｂ１の外側と谷部８ｂ２の外側とに平坦面８ｂ３，８ｂ４を有するように形成され、アノード側セパレータ６とカソード側セパレータ７とに面（平坦面８ｂ３，８ｂ４）で接するように構成されている。

上述した幾つかの実施形態に係る燃料電池スタック１では、アノード側セパレータ６及びカソード側セパレータ７は、いずれも両面が平坦な板状体であって、アノード側セパレータ６とカソード側セパレータ７との間に、アノード側セパレータ６とカソード側セパレータ７とを離隔させるとともに、アノード側セパレータ６とカソード側セパレータ７との間に冷却水流路を区画するフィン８を配置する。これにより、アノード側セパレータ６及びカソード側セパレータ７は、射出成形やプレス成形による割れやヒビの不具合の発生をなくすことができる。

図２から図４に示すように、幾つかの実施形態では、フィン８Ａ，８Ｂは、重力方向に直線状の冷却水流路を形成している。
上述した幾つかの実施形態では、重力方向に直線状の流水流路を形成するので、圧力損失が小さく、接触抵抗の低減が可能である。

図５及び図６に示すように、幾つかの実施形態では、フィン８Ｃは、複数段のフィン要素列８１，８２，８３を有し、隣り合うフィン要素列８１，８２，８３がオフセットされている（以下、このように構成されたフィン８Ｃを「オフセットフィン８Ｃ」という）。
図５及び図６に示すように、幾つかの実施形態では、フィン８Ｃは、重力方向に複数段のフィン要素列８１，８２，８３を有し、重力方向に隣り合うフィン要素列８１，８２，８３が水平方向にオフセットされている。
例えば、図６に示す例では、重力方向に三段のフィン要素列８１，８２，８３を有し、重力方向に隣り合うフィン要素列８１，８２，８３が水平方向にオフセットされている。尚、フィン要素列８１，８２，８３は、重力方向に隣り合うフィン要素列８１，８２，８３が水平方向にオフセットされているものであれば、例えば、図６に示すように、重力方向においてフィン要素列８１（例えば、上段のフィン要素列８１）と一つのフィン要素列８２（例えば、中段のフィン要素列８２）をおいて隣り合うフィン要素列８３（例えば、下段のフィン要素列８３）がオフセットされていなくもよい。

上述した幾つかの実施形態に係る燃料電池スタック１では、フィン８にオフセットフィン８Ｃを用いるので、少ない圧力損失により、冷却水流路を流れる冷却水の乱流化が可能となり、また、冷却水流路の表面積の増大、及び接触抵抗の低減が可能となる。

図７及び図８に示すように、幾つかの実施形態では、フィン８は、左右に蛇行するウェーブ付きフィンである（以下、このように構成されたフィン８Ｄを「ウェーブフィン８Ｄ」という）。
図７及び図８に示すように、幾つかの実施形態では、フィン８は、重力方向において左右に蛇行するウェーブ付きフィンである。

上述した幾つかの実施形態に係る燃料電池スタック１では、フィン８にウェーブフィン８Ｄを用いるので、少ない圧力損失により、冷却水流路を流れる冷却水の乱流化が可能となり、また、冷却水流路の表面積の増大、及び接触抵抗の低減が可能となる。

図２、図５及び図７に示すように、幾つかの実施形態では、アノード側セパレータ６及びカソード側セパレータ７は、耐食性に優れた樹脂セパレータで構成される。
上述した幾つかの実施形態に係る燃料電池スタック１では、アノード側セパレータ６及びカソード側セパレータ７の軽量化が可能となる。

図２、図５及び図７に示すように、幾つかの実施形態では、アノード電極５２は、電解質膜５１に接する第１のアノード側拡散層５２１ａと、第１のアノード側拡散層５２１ａよりも粗であって、アノード側セパレータ６に接する第２のアノード側拡散層５２１ｂと、を有する。
また、カソード電極５３は、電解質膜５１に接する第１のカソード側拡散層５３１ａと、第１のカソード側拡散層５３１ａよりも粗であって、カソード側セパレータ７に接する第２のカソード側拡散層５３１ｂと、を有する。

上述した幾つかの実施形態に係る燃料電池スタック１では、アノード電極５２に供給される燃料ガスは、第２のアノード側拡散層５２１ｂを通り、第１のアノード側拡散層５２１ａで拡散される。これにより、燃料ガスが通る燃料ガス流路を別途設ける必要がない。同様に、カソード電極５３に供給される酸化ガスは、第２のカソード側拡散層５３１ｂを通り、第１のカソード側拡散層５３１ａで拡散される。これにより、酸化ガスが通る酸化ガス流路を別途設ける必要がない。

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

１ 燃料電池スタック
２，３ エンドプレート
２１ 燃料ガス管
２２ 酸化ガス管
２３ 冷却水管
４ 単セル
５ 膜電極接合体
５１ 電解質膜
５２ アノード電極
５２１ 拡散層（アノード側拡散層）
５２１ａ 第１のアノード側拡散層
５２１ｂ 第２のアノード側拡散層
５２２ 触媒層（アノード側触媒層）
５３ カソード電極
５３１ 拡散層（カソード側拡散層）
５３１ａ 第１のカソード側拡散層
５３１ｂ 第２のカソード側拡散層
５３２ 触媒層（カソード側触媒層）
６ アノード側セパレータ
７ カソード側セパレータ
８ フィン
８Ｃ オフセットフィン
８Ｄ ウェーブフィン

Claims (7)

1. 電解質膜と、前記電解質膜の一方側に配置されるアノード電極と、前記電解質膜の他方側に配置されるカソード電極と、を含む膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体の一方側に燃料ガスを遮断するために配置されるアノード側セパレータと、
   前記膜電極接合体の他方側に酸化ガスを遮断するために配置されるカソード側セパレータと、
   を備える単セルが複数積層された燃料電池スタックであって、
   前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータは、いずれも平坦な板状体であって、
   前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータとの間に、前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータとを離隔させるとともに、前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータとの間に冷却水流路を区画するフィンを有することを特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記フィンは、複数段のフィン要素列を有し、隣り合うフィン要素列がオフセットされている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. 前記フィンは、左右に蛇行するウェーブ付きフィンであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
4. 前記フィンは、重力方向に複数段のフィン要素列を有し、重力方向に隣り合うフィン要素列が水平方向にオフセットされていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
5. 前記フィンは、重力方向において左右に蛇行するウェーブ付きフィンである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. 前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータは、樹脂セパレータで構成されることを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載の燃料電池スタック。
7. 前記アノード電極は、前記電解質膜に接する第１のアノード側拡散層と、前記第１のアノード側拡散層よりも粗であって、前記アノード側セパレータに接する第２のアノード側拡散層と、を有し、
   前記カソード電極は、前記電解質膜に接する第１のカソード側拡散層と、前記第１のカソード側拡散層よりも粗であって、前記カソード側セパレータに接する第２のカソード側拡散層と、を有することを特徴とする請求項１から６の何れか一項に記載の燃料電池スタック。

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