JP2021190358A

JP2021190358A - 燃料電池スタック

Info

Publication number: JP2021190358A
Application number: JP2020096262A
Authority: JP
Inventors: 直樹竹広; Naoki Takehiro
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-06-02
Filing date: 2020-06-02
Publication date: 2021-12-13

Abstract

【課題】電食し難い燃料電池スタックを提供する。【解決手段】単セルを、セパレータを介して水平方向に複数個積層した燃料電池スタックであって、反応ガス入口マニホールド、又は、反応ガス出口マニホールドの少なくともいずれか一方のマニホールドの内部に、貯留した水を吸引除去する排水管が設けられ、前記排水管が設けられた前記マニホールドは、前記セパレータの平面内で重力方向の下側に設けられ、前記排水管の出口側流路は前記反応ガス出口マニホールドから排出される前記反応ガスの排出流路に設けられた絞り部の下流側に接続され、前記排水管は異なる内径の２つ以上の連通しない管から構成され、内径のより小さい管の開口部の上端は、内径のより大きい管の開口部の上端よりも重力方向下側にあることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本開示は、燃料電池スタックに関する。

燃料電池（ＦＣ）は、複数の単セル（以下、セルと記載する場合がある）を積層した燃料電池スタック（以下、単にスタックと記載する場合がある）に、燃料ガスとしての水素（Ｈ_２）と酸化剤ガスとしての酸素（Ｏ_２）との電気化学反応によって電気エネルギーを取り出す発電装置である。なお、以下では、燃料ガスや酸化剤ガスを、特に区別することなく単に「反応ガス」あるいは「ガス」と呼ぶ場合もある。
この燃料電池の単セルは、通常、膜電極接合体（ＭＥＡ：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）と、必要に応じて当該膜電極接合体の片面又は両面に配置されるセパレータにより構成される。
膜電極接合体は、プロトン（Ｈ^＋）伝導性を有する固体高分子型電解質膜（以下、単に「電解質膜」とも呼ぶ）の両面に、それぞれ、触媒層及びガス拡散層が順に形成された構造を有している。そのため、膜電極接合体は、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）と称される場合がある。
セパレータは、通常、ガス拡散層に接する面に反応ガスの流路としての溝が形成された構造を有している。なお、このセパレータは発電した電気の集電体としても機能する。
燃料電池の燃料極（アノード）では、ガス流路及びガス拡散層から供給される水素が触媒層の触媒作用によりプロトン化し、電解質膜を通過して酸化剤極（カソード）へと移動する。同時に生成した電子は、外部回路を通って仕事をし、カソードへと移動する。カソードに供給される酸素は、カソード上でプロトンおよび電子と反応し、水を生成する。
生成した水は、電解質膜に適度な湿度を与え、余剰な水はガス拡散層を透過して、系外へと排出される。

燃料電池車両（以下車両と記載する場合がある）に車載されて用いられる燃料電池に関して種々の研究がなされている。
燃料電池においては、スタックのガス出口マニホールド内に貯留する水によってセルのマニホールドが電食することを防ぐために、円滑にかつ確実に排水することが望まれる。
例えば特許文献１では、燃料電池のガス出口マニホールド内に排水管を設け、その排水管の一端をスタックマニホールドに設けた絞り部に挿入して差圧を発生させる構造、すなわちベンチュリ効果で負圧を発生させ水を吸い出すことができる構造とし、スタック傾斜時において、重量によりマニホールド内の鉛直方向（重力方向）下側に滞留する液水を上記の差圧を用いて排水する、という技術が開示されている。

また、特許文献２では、燃料電池スタックの内部に形成された排気マニホールドからの凝縮水の排水性を向上させる燃料電池システムが開示されている。

また、特許文献３では、発電セル内に液状水が滞留することを確実に阻止するとともに、燃料ガスを経済的に使用することができ、発電性能の向上を図ることを可能にする、燃料電池スタックが開示されている。

特開２００１−２６６９２５号公報特開２０１２−２２６８９６号公報特開２００４−３２７０５９号公報

上記先行文献の技術では、スタック傾斜角が、水平に近い場合にスタック低出力運転が連続すると、マニホールド内に水が溜まり、その水の上面がスタックマニホールド内の排水管入口の高さより低い場合は、差圧を利用できず排水できない時間が継続することになる。加えて、スタック傾斜角が、水平に近いことからわずかな水でスタックの過半の単セルが液絡することで残りの単セルに高電圧がかかる。この排水できない長い時間と残りの単セルにかかる高電圧により、残りの単セルで電食が発生して、その電食が進行する場合がある。

本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、電食し難い燃料電池スタックを提供することを主目的とする。

本開示においては、燃料極と、酸化剤極と、当該燃料極及び当該酸化剤極の間に配置される電解質膜とで構成される膜電極接合体を含む単セルを、セパレータを介して水平方向に複数個積層した燃料電池スタックであって、
前記セパレータは、反応ガスを前記単セルの積層方向に流通させるための反応ガス供給孔及び反応ガス排出孔を有し、
前記燃料電池スタックは、各前記反応ガス供給孔が連通した反応ガス入口マニホールド、及び、各前記反応ガス排出孔が連通した反応ガス出口マニホールドを有し、
前記反応ガス入口マニホールド、又は、前記反応ガス出口マニホールドの少なくともいずれか一方のマニホールドの内部に、貯留した水を吸引除去する排水管が設けられ、
前記排水管が設けられた前記マニホールドは、前記セパレータの平面内で重力方向の下側に設けられ、
前記排水管の出口側流路は前記反応ガス出口マニホールドから排出される前記反応ガスの排出流路に設けられた絞り部の下流側に接続され、
前記排水管は異なる内径の２つ以上の連通しない管から構成され、
内径のより小さい管の開口部の上端は、内径のより大きい管の開口部の上端よりも重力方向下側にあることを特徴とする燃料電池スタックを提供する。

本開示の燃料電池スタックによれば、電食し難い燃料電池スタックを提供することができる。

本開示の燃料電池スタックの一例を示す概略構成図である。本開示の燃料電池スタックに用いられるセパレータの一方の面の一例を示す図である。本開示のマニホールドの一例を示す断面模式図である。本開示のマニホールドの別の一例を示す断面模式図である。

スタックを最大車両傾斜以上（例えば、スタック鉛直方向と車両水平面との角度が１７°超過）に傾けることなく、簡素なチューブ構造を用いて、液水を排水する際、差圧を用いた排水管による排水が起こるためには、排水管の液水を吸い込む入口（開口部）の上端が、完全に水没している必要がある。例えば、排水管の液を吸い込む入口上端が、完全に水没していない場合、液水が足りず、先端から空気が入るため、差圧が発生しても液水が吸い出されない。
したがって、マニホールドに滞留した液水量が少なく排水管の液面が覆われていない場合、差圧による排水が起こらない。そのため、マニホールド内で電食が生じ、セル部材の溶解が発生する。

本開示によれば、燃料電池スタックのマニホールドに備えられた排水管が、内径の異なる２つ以上の排水管から構成されていることにより、液水量が多い高出力発電時に、大きな径の排水管により高流量で排水を行うことができる。さらに、液水量が少ない低出力発電時に、小さな径の排水管により高頻度で排水を行うことができる。これは、内径の異なる２つ以上の排水管を備えることで、マニホールドに滞留した液水量が少ない場合でも、小さな径の排水管の液面が覆われることにより差圧による排水が起こるためである。
本開示のように内径の小さい排水管と内径の大きい排水管を組み合わせることで、マニホールド内の滞留水の液面が低い場合にも排水頻度を上げることが可能となる。その結果、マニホールド内の液水の滞留を抑制し、液絡する単セル数の低減や単セルが液絡する時間の低減につながり、単セルの電食を抑制することができる。
また、単セルの電食は、マニホールド内の液水量が多い（液絡単セル数が多く単セルの電圧が高い、液絡断面積が大きい、イオン抵抗が小さい等）ほど、早く進行するため、内径の小さい排水管と内径の大きい排水管を２つ以上組み合わせて排水頻度を上げることで、より単セルの電食を抑制することができる。

本開示の燃料電池スタックは、通常、駆動源を電動機（モータ）とする燃料電池車両に搭載されて用いられる。
電動機は、特に限定されず、従来公知の駆動モータであってもよい。

燃料電池スタックは、燃料電池の単セルを、セパレータを介して水平方向に複数個積層した積層体である。
単セルの積層数は特に限定されず、例えば、２〜数百個であってもよく、２〜２００個であってもよい。
燃料電池スタックは、単セルの積層方向の両端にエンドプレート及びターミナルプレートを備えていてもよい。なお、ターミナルプレートはセパレータであってもよい。
燃料電池の単セルは、少なくとも酸化剤極、電解質膜、及び、燃料極を含む膜電極接合体を備え、必要に応じて当該膜電極接合体の片面又は両面にセパレータを備えていてもよい。

酸化剤極は、酸化剤極触媒層及びガス拡散層を含む。
燃料極は、燃料極触媒層及びガス拡散層を含む。
酸化剤極触媒層及び燃料極触媒層は、例えば、電気化学反応を促進する触媒金属、プロトン伝導性を有する電解質、及び、電子伝導性を有するカーボン粒子等を備えていてもよい。
触媒金属としては、例えば、白金（Ｐｔ）、及び、Ｐｔと他の金属とから成る合金（例えばコバルト、及び、ニッケル等を混合したＰｔ合金）等を用いることができる。
電解質としては、フッ素系樹脂等であってもよい。フッ素系樹脂としては、例えば、ナフィオン溶液等を用いてもよい。
上記触媒金属はカーボン粒子上に担持されており、各触媒層では、触媒金属を担持したカーボン粒子（触媒粒子）と電解質とが混在していてもよい。
触媒金属を担持するためのカーボン粒子（担持用カーボン粒子）は、例えば、一般に市販されているカーボン粒子（カーボン粉末）を加熱処理することにより自身の撥水性が高められた撥水化カーボン粒子等を用いてもよい。

ガス拡散層は、ガス透過性を有する導電性部材等であってもよい。
導電性部材としては、例えば、カーボンクロス、及びカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、並びに、金属メッシュ、及び、発泡金属などの金属多孔質体等が挙げられる。

電解質膜は、固体高分子電解質膜であってもよい。固体高分子電解質膜としては、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜等のフッ素系電解質膜、及び、炭化水素系電解質膜等が挙げられる。電解質膜としては、例えば、ナフィオン膜（デュポン社製）等であってもよい。

セパレータは、反応ガスを当該セパレータの面方向に流す反応ガス流路と、当該反応ガスを単セルの積層方向に流通させるための反応ガス供給孔及び反応ガス排出孔を有する。
反応ガス供給孔は、燃料ガス供給孔、及び、酸化剤ガス供給孔等が挙げられる。
反応ガス排出孔は、燃料ガス排出孔、及び、酸化剤ガス排出孔等が挙げられる。
セパレータは、冷媒を単セルの積層方向に流通させるための冷媒供給孔及び冷媒排出孔を有していてもよい。
セパレータは、ガス拡散層に接する面に反応ガス流路を有していてもよい。また、セパレータは、ガス拡散層に接する面とは反対側の面にスタック温度を一定に保つための冷媒流路を有していてもよい。
セパレータは、ガス不透過の導電性部材等であってもよい。導電性部材としては、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン、及び、プレス成形した金属板等であってもよい。また、セパレータが集電機能を備えるものであってもよい。

燃料電池スタックは、各反応ガス供給孔が連通した反応ガス入口マニホールド、及び、各反応ガス排出孔が連通した反応ガス出口マニホールドを有する。
反応ガス入口マニホールドは、アノード入口マニホールド及びカソード入口マニホールド等が挙げられる。
反応ガス出口マニホールドは、アノード出口マニホールド及びカソード出口マニホールド等が挙げられる。
燃料電池スタックは、各冷媒供給孔が連通した冷媒入口マニホールド、及び、各冷媒排出孔が連通した冷媒出口マニホールドを有していてもよい。

排水管は、反応ガス入口マニホールド、又は、反応ガス出口マニホールドの少なくともいずれか一方のマニホールドの内部に設けられ、マニホールドの内部に貯留した水を吸引除去する。
排水管は異なる内径の２つ以上の連通しない管（少なくとも第１排水管及び第２排水管）から構成され、内径のより小さい管（例えば、第２排水管）の開口部の上端は、内径のより大きい管（例えば第１排水管）の開口部の上端より重力方向下側にあればよい。このように構成することで、内径のより小さい排水管の開口部の上端（又は全面）が完全に液面の下に下がる頻度が上がり、排水頻度を増やすことができる。
排水管としては、コスト低減の観点からプラスチックチューブであってもよい。なかでも、内径の異なるマドラーストローを用いることで、別々のストローを用いる場合と比べて強度が増加し、容易に組み立てることができる。
排水管の内径は特に限定されず、マニホールドに収まる大きさに適宜設定することができる。

本開示によれば、生成水等が、反応ガス入口マニホールド又は反応ガス出口マニホールドの中に溜まった場合には、この生成水を排水管の開口部から吸引して外部に排出することが可能となるため、反応ガス入口マニホールド又は反応ガス出口マニホールドに滞留した生成水等の排水性を向上させ、反応ガス入口マニホールドにおいてはＭＥＡ等の発電面内への水滴の侵入を抑制でき、反応ガス出口マニホールドにおいてはＭＥＡ等の発電面内への水滴の逆流を防止でき、スタックの発電性能の低下を抑制できる。

排水管が設けられたマニホールドは、セパレータの平面内で重力方向の下側に設けられている。これにより、重力により下側に滞留しやすい生成水を重力方向の下側に設けられた反応ガス入口マニホールド、又は、反応ガス出口マニホールドから排水管により吸引除去することが可能となるため、大量に貯留しやすい場所から水滴を効率よく排出できる。
なお、排水管が設けられたマニホールドは、セパレータの平面内で重力方向の下側に設けられているマニホールドであれば、特に限定されず、反応ガス入口マニホールド又は反応ガス出口マニホールドの少なくともいずれか一方のマニホールドに排水管が設けられていてもよく、これらの両方のマニホールドに排水管が設けられていてもよい。
また、例えば、カソード入口マニホールド、及び、アノード出口マニホールドが、セパレータの平面内で重力方向の下側に設けられているマニホールドに該当する場合は、排水管が設けられた反応ガス入口マニホールドが、カソード入口マニホールドであってもよく、排水管が設けられた反応ガス出口マニホールドは、アノード出口マニホールドであってもよい。
一方、例えば、アノード入口マニホールド、及び、カソード出口マニホールドが、セパレータの平面内で重力方向の下側に設けられているマニホールドに該当する場合は、排水管が設けられた反応ガス入口マニホールドが、アノード入口マニホールドであってもよく、排水管が設けられた反応ガス出口マニホールドは、カソード出口マニホールドであってもよい。

排水管の出口側流路は、反応ガス出口マニホールドから排出される反応ガスの排出流路に設けられた絞り部の下流側に接続されている。具体的には、排水管の出口側流路（例えば、反応ガス出口マニホールドを迂回するバイパス管）は反応ガス出口マニホールドから排出される反応ガスの排出流路（例えば、反応ガス排出流路）に設けられた絞り部（例えば、背圧バルブ）の下流側に接続されている。このように構成することで、反応ガスの排出流路に設けられた背圧バルブの上流側と下流側との間に生ずる差圧を有効利用して吸引力を発生させ、排水管の開口部から反応ガス入口マニホールド、又は、反応ガス出口マニホールドに貯留した生成水を吸引除去することが可能となるため、余分なポンプ等が不要となり、構造の簡素化を図ることができる。
絞り部は、例えば、従来公知の背圧バルブであってもよい。
なお、排水管が設けられたマニホールドが、反応ガス入口マニホールドであるか反応ガス出口マニホールドであるかに関わらず、排水管の出口側流路は、反応ガス出口マニホールドから排出される反応ガスの排出流路に設けられた絞り部の下流側に接続される。
また、排水管が設けられたマニホールドが、アノード入口マニホールド又はアノード出口マニホールドである場合であっても、その排水管の出口側流路は、アノード出口マニホールドから排出される燃料ガスの排出流路に設けられた絞り部の下流側に接続されてもよいし、カソード出口マニホールドから排出される酸化剤ガスの排出流路に設けられた絞り部の下流側に接続されてもよい。
さらに、排水管が設けられたマニホールドが、カソード入口マニホールド又はカソード出口マニホールドである場合であっても、その排水管の出口側流路は、アノード出口マニホールドから排出される燃料ガスの排出流路に設けられた絞り部の下流側に接続されてもよいし、カソード出口マニホールドから排出される酸化剤ガスの排出流路に設けられた絞り部の下流側に接続されてもよい。

図１は、本開示の燃料電池スタックの一例を示すフローチャートである。なお、本開示は、必ずしも本典型例のみに限定されるものではない。
図１に示すように、燃料電池スタック１００は、単セル６０が水平方向に複数個積層されてなる。各単セル６０及び第１エンドプレート８０、第１ターミナルプレート１１１には、カソード出口マニホールド３８ｂ（又はアノード入口マニホールド３６ａ）が設けられ、カソード出口マニホールド３８ｂは、継手９６を介して反応ガス排出流路（酸化剤ガス排出流路又は燃料ガス排出流路）９８と接続されている。
反応ガス排出流路９８は、上方に立ち上がり大気に開放されている。この反応ガス排出流路９８の途中には燃料電池スタック１００内の圧力を調整する絞り部（背圧バルブ）８６が設けられている。
そして、カソード出口マニホールド３８ｂ内に、第１排水管８８及び第２排水管８９が挿入されている。
第１排水管８８及び第２排水管８９は、各々カソード出口マニホールド３８ｂの内壁に対して絶縁性を確保するために外周部に樹脂コーティングを施されていてもよく、また、挿入側の端部には同じく絶縁性を確保するために、樹脂エンドキャップが取り付けられていてもよく、第２エンドプレート８２側の第２ターミナルプレート１１２に形成された嵌合孔に挿入した状態で支持されていてもよい。
また、第１排水管８８及び第２排水管８９の各々の挿入側の端部の下壁、つまり重力方向に向かって下側にはカソード出口マニホールド３８ｂ内で開口する吸入孔（開口部）９２が設けられていてもよい。勿論、第１排水管８８及び第２排水管８９の挿入部の全域に渡って複数の吸入孔を設けるようにしてもよい。図１において示す第２排水管８９の開口部９２は、第１排水管８８の開口部９２よりも重力方向下側に配置されている。そのため、図１において、第２排水管８９の開口部９２の上端は、第１排水管８８の開口部９２の上端よりも重力方向下側にあるといえる。
第１排水管８８及び第２排水管８９はステイプレート１０２を介してバイパス管（出口側流路）１０３と接続されている。
バイパス管１０３は、一端が第１排水管８８及び第２排水管８９に接続されるとともに、他端が絞り部（背圧バルブ）８６の下流側に接続されていてもよい。

図２は、本開示の燃料電池スタック中のセパレータの一方の面の一例を示す図である。図２に示すように、セパレータ１４の平面内であって外周縁部に位置する横方向両端側には、アノード入口マニホールド（燃料ガス供給孔）３６ａ、カソード入口マニホールド（酸化剤ガス供給孔）３８ａ、冷媒入口マニホールド（冷媒供給孔）４０ａ、冷媒出口マニホールド（冷媒排出孔）４０ｂ、アノード出口マニホールド（燃料ガス排出孔）３６ｂ及びカソード出口マニホールド（酸化剤ガス排出孔）３８ｂが形成されている。また、セパレータ１４は、反応ガス流路５０が形成されている。
図２に示す重力方向下側に配置されるアノード入口マニホールド３６ａ、及び、カソード出口マニホールド３８ｂには、それぞれ、内径が大きい第１排水管８８及び内径が小さい第２排水管８９が配置され、これらは、排水管固定部９０によって固定されている。また、第２排水管８９は、第１排水管８８よりも重力方向下側に配置されている。図２において示す第２排水管８９は、当該第２排水管８９の開口部とみなしてもよく、第１排水管８８は、当該第１排水管８８の開口部とみなしてもよい。そしてこの場合、図２において、第２排水管８９の開口部の上端は、第１排水管８８の開口部の上端よりも重力方向下側にあるといえる。後述する図３〜図４に示す第１排水管８８及び第２排水管８９についても同様である。
なお、アノード入口マニホールド３６ａ、カソード入口マニホールド３８ａ、アノード出口マニホールド３６ｂ、カソード出口マニホールド３８ｂは、セパレータ１４の平面内に形成されていれば、形成部位は外周縁部に限定されない。

図３は本開示のマニホールドの一例を示す断面模式図である。
図３に示すマニホールド３５は、その内部に第１排水管８８及び第２排水管８９を有し、これらが排水管固定部９０により固定されている。図３に示す第２排水管８９は、貯留水３０の液面下に存在する。
図３に示すように、貯留水３０の排水時にスタック鉛直方向と車両水平面との角度が小さいか又は貯留水３０が少ない場合であっても、内径の小さい第２排水管８９を有することにより、当該第２排水管８９の開口部の上端（又は全面）が貯留水３０の液面の下に下がる頻度が上がり、排水頻度を増やすことができる。

図４は本開示のマニホールドの別の一例を示す断面模式図である。
図４は、第１排水管８８及び第２排水管８９が、共に貯留水３０の液面下に存在すること以外は図３に示すマニホールド３５と同じである。
図４に示すように、貯留水３０の排水時にスタック鉛直方向と車両水平面との角度が大きいか又は貯留水３０が多い場合は、内径の大きい第１排水管８８を有することにより、一度の排水で多くの貯留水３０を排水することができ、マニホールド３５内の水量を効率よく低減することができる。

１４セパレータ
３０貯留水
３５マニホールド
３６ａアノード入口マニホールド（燃料ガス供給孔）
３６ｂアノード出口マニホールド（燃料ガス排出孔）
３８ａカソード入口マニホールド（酸化剤ガス供給孔）
３８ｂカソード出口マニホールド（酸化剤ガス排出孔）
４０ａ冷媒入口マニホールド（冷媒供給孔）
４０ｂ冷媒出口マニホールド（冷媒排出孔）
５０反応ガス流路
６０単セル
８０第１エンドプレート
８２第２エンドプレート
８６絞り部（背圧バルブ）
８８第１排水管
８９第２排水管
９０排水管固定部
９２吸入孔（開口部）
９６継手
９８反応ガス排出流路（酸化剤ガス排出流路又は燃料ガス排出流路）
１００燃料電池スタック
１０２ステイプレート
１０３バイパス管（出口側流路）
１１１第１ターミナルプレート
１１２第２ターミナルプレート

Claims

燃料極と、酸化剤極と、当該燃料極及び当該酸化剤極の間に配置される電解質膜とで構成される膜電極接合体を含む単セルを、セパレータを介して水平方向に複数個積層した燃料電池スタックであって、
前記セパレータは、反応ガスを前記単セルの積層方向に流通させるための反応ガス供給孔及び反応ガス排出孔を有し、
前記燃料電池スタックは、各前記反応ガス供給孔が連通した反応ガス入口マニホールド、及び、各前記反応ガス排出孔が連通した反応ガス出口マニホールドを有し、
前記反応ガス入口マニホールド、又は、前記反応ガス出口マニホールドの少なくともいずれか一方のマニホールドの内部に、貯留した水を吸引除去する排水管が設けられ、
前記排水管が設けられた前記マニホールドは、前記セパレータの平面内で重力方向の下側に設けられ、
前記排水管の出口側流路は前記反応ガス出口マニホールドから排出される前記反応ガスの排出流路に設けられた絞り部の下流側に接続され、
前記排水管は異なる内径の２つ以上の連通しない管から構成され、
内径のより小さい管の開口部の上端は、内径のより大きい管の開口部の上端よりも重力方向下側にあることを特徴とする燃料電池スタック。