JP3801096B2 - スタック構造を有する燃料電池 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池、とくにスタック構造を有する固体高分子電解質型燃料電池(PEMFC)に関する。
【0002】
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アッセンブリ(MEA:Membrane-Electrode Assembly )とセパレータとを積層したものから構成される。MEAは、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極(アノード、燃料極)および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極(カソード、空気極)とからなる。セパレータは、アノード、カソードに燃料ガス(水素)および酸化ガス(酸素、通常は空気)を供給するための流体通路を有するとともに、冷媒を流すための冷媒流路を有する。MEAとセパレータとの間には拡散層が設けられる。1以上のセルを積層してモジュールを構成し、モジュールを積層してモジュール群とし、モジュール群のセル積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材(たとえば、テンションプレート、テンションボルトなど)にて固定してスタックを構成する。
固体高分子電解質型燃料電池では、アノード側では、水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子(隣りのMEAのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層体一端のセルのアノードで生じた電子が外部回路を通ってセル積層体他端のセルのカソードに流れてくる)から水を生成する反応が行われる。
アノード側:H2 →2H+ +2e-
カソード側:2H+ +2e- +(1/2)O2 →H2 O
電解質膜中を水素イオンが移動するためには電解質膜が適度に湿潤していることが必要であり、ガスを適度に加湿してセル積層体に供給する他、上記発電反応で生成した水を電解質膜の湿潤に利用している。しかし、湿潤過多になると、ガス流路に水だまり(フラッディング)が生じ、燃料電池の出力低下が起こる。
特開2001−236975は、燃料電池スタックの奥側端部に、発電に寄与しないガスのバイパス流路を設け、このバイパス流路を通ったガスで出側のガスマニホルドに滞留する生成水を押し出して、生成水による不具合の発生を抑制することを提案している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の燃料電池スタックには、端部セルが発電中にセル電圧が低下してしまうという問題がある。
この問題が発生する理由は、
(i) 端部のセルには凝縮水や不純物(系の金属イオン等)が混入しやすいために、フラッディングやコンタミが起こり、セル電圧の低下を引き起こすこと、および
(ii)端部は外部の熱の影響を受け、冷やされやすく、フラッディングを起こしていること、
等である。
特開2001−236975のように、スタックのガス出入り奥側端にガスのバイパス流路を設けても、ガス出入り側端のセルの電圧低下を解決できない。とくに、ガス中に混入した不純物による不具合発生はガス出入り側端のセルに起こりやすいが、それを解決できないし、また、ガス出入り側端のセルが冷えやすくフラッディングを生じるという問題も解決できない。
本発明の目的は、セル積層方向端部、とくにガス出入り側端セルの、フラッディングやコンタミによる電圧低下を抑制できるスタック構造を有する燃料電池を提供することにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
(1) 固体高分子電解質型燃料電池のセル積層体のうち、少なくともガス出入り側端部に、発電に寄与しない、入口マニホールドと出口マニホールドとを連通する層であって、ガス供給配管をつたってくる凝縮水を流れ込ませる層が設けられたことを特徴とするスタック構造を有する燃料電池。
(2) 前記層は、ガス流路をもつがMEAをもたない層であることを特徴とする(1)に記載のスタック構造を有する燃料電池。
(3) 前記層は、セル積層体の両端部に設けられている(1)または(2)に記載のスタック構造を有する燃料電池。
(4) 前記層の1面に、燃料ガス流路と酸化ガス流路を共に設けた(1)乃至(3)のいずれか1に記載のスタック構造を有する燃料電池。
【0005】
上記(1)乃至(4)のスタック構造を有する燃料電池では、少なくともガス出入り側端部に、発電に寄与しない、ガス流路を形成した層を設けたので、セル積層方向端部、とくにガス出入り側端セルの、水によるフラッディングや不純物によるコンタミによる電圧低下を抑制できる。また、外部の温度(低温)の影響を緩和でき、水の凝縮を抑制でき、フラッディングを抑制できる。
上記(3)のスタック構造を有する燃料電池では、発電に寄与しない、ガス流路を形成した層を、セル積層体の両端部に設けたので、セル積層方向両端部の、フラッディングやコンタミによる電圧低下を抑制できる。
上記(4)のスタック構造を有する燃料電池では、1つの面内に燃料ガス流路と酸化ガス流路を共に設けたので、2つの面にガス流路を設ける場合に比べて層厚を薄くできる。
【0006】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明のスタック構造を有する燃料電池を、図1〜図7を参照して、説明する。
本発明のスタック構造を有する燃料電池は、たとえば固体高分子電解質型燃料電池10である。燃料電池10は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
【0007】
固体高分子電解質型燃料電池10は、図6、図7に示すように、膜−電極アッセンブリ(MEA:Membrane-Electrode Assembly )とセパレータとの積層体からなる。MEAは、イオン交換膜からなる電解質膜11と電解質膜11の一面に配置された触媒層12からなる電極14(アノード、燃料極)および電解質膜11の他面に配置された触媒層15からなる電極17(カソード、空気極)とからなる。セパレータ18には、電極14、17に燃料ガス(水素)および酸化ガス(酸素、通常は空気)を供給するためのガス流路27(燃料ガス流路27a、酸化ガス流路27b)および燃料電池冷却用の冷却水が流れる冷却水流路26が形成されている。MEAとセパレータ18との間には、アノード側に拡散層13が、カソード側に拡散層16が設けられる。MEAとセパレータ18を重ねてセルを形成し、該セルを少なくとも1層積層してモジュール19を構成し(たとえば、2セルから1モジュールを構成し)、モジュール19を積層してセル積層体とし、セル積層体の少なくともガス出入り側端または両端に後述する発電に寄与しない層31を配置する。そして、該層31を含めたセル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル20、インシュレータ21、エンドプレート22を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付けセル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材24(たとえば、テンションプレート、スルーボルトなど)とボルト25またはナットで固定して燃料電池スタック23を構成する。
【0008】
電解質膜11は固体高分子膜のイオン交換膜からなり、湿潤状態で水素イオン(プロトン)が膜中を移動する。電解質膜11は非導電性膜である。
触媒層12、15は白金(Pt)、カーボン(C)、電解質からなる。拡散層13、16はガス透過性を有しカーボン(C)からなる。
セパレータ18は、燃料ガスと酸化ガス、燃料ガスと冷却水、酸化ガスと冷却水、の何れかを隔てるとともに、隣り合うセルのアノードからカソードに電子が流れる電気の通路を形成している。
セパレータ18は、ガス、水不透過性で、導電性を有する。セパレータ18は、通常は、カーボン(黒鉛である場合を含む)、または金属(メタル)、または導電性樹脂、の何れかからなる。
【0009】
MEAの一側のセパレータに燃料ガス流路27aが形成されており、MEAの他側のセパレータに酸化ガス流路27bが形成されている。冷却水流路26はセル毎に、または複数のセル毎に、設けられる。図7の例では、2セルで1モジュールを構成しており、冷却水流路26が、モジュール毎(2セル毎)に設けられている。また、図7の例では、セパレータ18は燃料ガスと酸化ガスの何れか一方と冷媒とを隔てるセパレータ18Aと、燃料ガスと酸化ガスを隔てるセパレータ18Bとの、2種類のセパレータからなる。また、MEAがあり、その両側に燃料ガス、酸化ガスが供給される部位は、燃料電池の発電部33を構成している。
【0010】
セパレータ18は、通常、四角形状か、ほぼ四角形状を有する。ただし、セパレータ18の形状は四角形に限るものではない。
ガス流路27(燃料ガス流路27a、酸化ガス流路27b)は、複数の流路溝が並行する流路群、または溝状流路の幅内に複数の突起をもつ流路からなり、流路は、仕切壁32により、セパレータ面内方向に蛇行するように形成されており、いわゆるサーペンタイン流路を構成している。
セパレータ18には、発電部33を挟んで対向する端部に、冷却水マニホルド28(28aが入り側、28bが出側)、燃料ガスマニホルド29(29aが入り側、29bが出側)、酸化ガスマニホルド30(30aが入り側、30bが出側)が形成されている。これらのマニホルド28、29、30は異種流体が混じり合わないように、互いにシールされている。図6において、34はこれらのマニホルド28、29、30に連通する流体(水、燃料ガス、酸化ガス)の給排(出入り)のパイプである。図6に示すように、流体は、燃料電池スタック23のセル積層方向一端から給排されている。
【0011】
図3は、セル積層体部位における、セパレータ面内の燃料ガス流路パターンの一例を示しており、図4はセル積層体部位における、セパレータ面内の酸化ガス流路パターンの一例を示しており、図5はセル積層体部位における、セパレータ面内の冷却水流路パターンの一例を示している。ただし、流路パターンは図3〜図5に示したものに限定されるものではない。
【0012】
図6(イ)に示すように、燃料電池スタック23のセル積層体の、セル積層方向の少なくともガス出入り側の端部には、またはセル積層方向の両端部(図6(イ)の例は両端部に設けた場合を示す)には、発電に寄与しない、ガス流路36を形成した層31が設けられている。層31は、たとえば、ガス流路36をもつがMEAをもたないダミーセルの層31から構成されている。層31は、不純物や凝縮水のトラップ用に設けられるものであり、1層だけでは不純物や凝縮水のトラップが不十分な場合は、層31を複数層設けてもよい。以下に、1層設ける場合を例にとって、より詳しく説明する。
【0013】
発電に寄与しない、ガス流路36を形成した層31は、図6(ロ)、(ハ)および図1、図2に示すように、2枚の層31a、31bをMEAを挟まずに重ね合わせた層31からなる。各層31a、31bは、セパレータ18と同様に導電性をもち、たとえば、カーボン板からなる。ただし、カーボンは複数枚の金属板の組み合わせ体、または導電性樹脂板で置き換えられてもよい。
【0014】
2枚の層31a、31bのうち、一方の層31aの一面には、ガス流路36が形成されており、他方の層31bにはガス流路が形成されていない。そして、一方の層31aのガス流路36が形成された面を、ガス流路が形成されていない他方の層31bと密着させて発電に寄与しない層31を構成する。そして、発電に寄与しない層31を、スタック23の、セル積層体の端部セルとターミナル20との間に配置する。
【0015】
また、図1に示すように、一方の層31aの一面に、燃料ガス流路36aと酸化ガス流路36bの両方が形成されている。図1の例では、一方の層31aの一面の、半分の部位に燃料ガス流路36aが形成されており、残り半分の部位に酸化ガス流路36bが形成されている。燃料ガス流路36aと酸化ガス流路36bとは互いにシールされていて異種ガスが混じり合うことはない。燃料ガス流路36aの流路パターンはセルの燃料ガス流路27aの流路パターンとは異なっており、酸化ガス流路36bの流路パターンはセルの酸化ガス流路27bの流路パターンとは異なっている。
【0016】
2枚の層31a、31bのうち、ガス流路が形成されていない側の層31bの、層31aと密着される側の面と反対側の面には、望ましくは、溝からなる冷却水流路35(図2において破線で示した流路)が形成されている。冷却水流路35の流路パターンは、セル積層体のセパレータ18の冷却水流路26の流路パターンと同じである。
【0017】
そして、図6(ロ)に示すように、ガス流路が形成されていない層31bの、冷却水流路35が形成された側の面を、セル積層体の端部セル側に向けてセル積層体の端部セルと密着させて、配置する。そのとき、層31bの冷却水流路35と、端部セルのセパレータ18の冷却水流路26とが一致し、流路35、26が協働して他のセルの冷却水流路と同じ大きさの流路断面をもつ、合成冷却水流路を構成する。
2枚の層31a、31bのうち、ガス流路が形成された側の層31bの、ガス流路36が形成される側の面と反対側の面(ターミナル20と密着する側の面)にも、冷却水流路35が形成されることが望ましい。その理由は、外部の熱の影響を遮断できるからである。
【0018】
なお、図6(ロ)の構成に代えて、図6(ハ)に示すように、2枚の層31a、31bのうち、ガス流路36a、36bが一面に形成された側の層31aをセル積層体側に配置し、ガス流路が形成されていない側の層31bをターミナル20側に配置し、層31aのセル積層体と密着する面に、セル積層体のセパレータ18の冷却水流路26の流路パターンと同じパターンの流路35を形成し、層31bのターミナル20と密着する側の面にも冷却水流路26を形成した、構成としてもよい。
【0019】
つぎに、上記構成の作用を説明する。
図6(イ)に示すように、燃料電池スタック23のセル積層体の、セル積層方向の少なくともガス出入り側の端部に、またはセル積層方向の両端部(図6(イ)の例は両端部に設けた場合を示す)には、発電に寄与しない、ガス流路36を形成した層(ダミーセル)31が設けられているので、該層31により、ガス供給配管をつたって来る、加湿ガスの凝縮水や、ガス供給配管や補機類の金属イオンなどの不純物が、ダミーセル31のガス流路36(36a、36b)を流れる間に、ガス流路36で捕捉(トラップ)され、セル積層体の発電セルに流れ込まない。その結果、従来、セル、とくに端部セル(とくに、ガス供給側端の端部セル)で起こっていた不純物や、凝縮水による電圧低下が抑制される。ダミーセル31がコンタミされても、ダミーセル31は元々発電を起こさないものであるから、燃料電池の電圧低下を起こさない。
【0020】
また、セル積層体の端部に、発電に寄与しない、ガス流路36を形成した層(ダミーセル)31が設けられているので、セル積層体が外部の温度(低温)の影響を受けることが緩和され、ガス温度低下による飽和蒸気圧低下でフラッディングが生じやすくなるのを抑制できる。フラッディングが生じると、電極へのガスの供給が阻害され、電圧低下が生じるが、それが抑制される。
【0021】
また、層31aの一面にだけガス流路36a、36bが形成されるので、層31aの両面にガス流路36a、36bが形成される(一面にガス流路36aが他面にガス流路36bが形成される)場合に比べて、一方のガス流路の深さ分、層31の厚さを薄くでき、ダミーセルを挿入してスタック長がそれだけ長くなるのを、最小に抑えることができる。
【0022】
【発明の効果】
請求項1乃至4のスタック構造を有する燃料電池によれば、少なくともガス出入り側端部に、発電に寄与しない、ガス流路を形成した層(ダミーセル)を設けたので、セル積層方向端部、とくにガス出入り側端セルの、水によるフラッディングや不純物によるコンタミによる電圧低下を抑制できる。また、外部の温度(低温)の影響を緩和でき、水の凝縮を抑制でき、フラッディングを抑制できる。
請求項3のスタック構造を有する燃料電池によれば、発電に寄与しない、ガス流路を形成した層を、セル積層体の両端部に設けたので、セル積層方向両端部の、フラッディングやコンタミによる電圧低下を抑制できる。
請求項4のスタック構造を有する燃料電池によれば、1つの面内に燃料ガス流路と酸化ガス流路を共に設けたので、2つの面にガス流路を設ける場合に比べて層厚を薄くできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明実施例のスタック構造を有する燃料電池における、発電に寄与しない、ガス流路を形成した層の、ガス流路を形成した面側から見た正面図である。
【図2】 本発明実施例のスタック構造を有する燃料電池における、発電に寄与しない、ガス流路を形成しない層の、冷却水流路と反対側の面から見た正面図である。
【図3】 本発明実施例のスタック構造を有する燃料電池における発電セルの、セパレータの燃料ガス流路を形成した面側から見た正面図である。
【図4】 本発明実施例のスタック構造を有する燃料電池における発電セルの、セパレータの酸化ガス流路を形成した面側から見た正面図である。
【図5】 本発明実施例のスタック構造を有する燃料電池における発電セルの、セパレータの冷却水流路を形成した面側から見た正面図である。
【図6】 (イ)は本発明実施例のスタック構造を有する燃料電池の側面図であり、(ロ)は発電に寄与しない層とその近傍の側面図であり、(ハ)は(ロ)に代わるもう一つの、発電に寄与しない層とその近傍の側面図である。
【図7】 図6(イ)の発電セル近傍部の、拡大断面図である。
【符号の説明】
10 (固体高分子電解質型)燃料電池
11 電解質膜
12 触媒層
13 拡散層
14 電極(アノード、燃料極)
15 触媒層
16 拡散層
17 電極(カソード、空気極)
18、18A、18B セパレータ
19 モジュール
20 ターミナル
21 インシュレータ
22 エンドプレート
23 スタック
24 締結部材(テンションプレート)
25 ボルトまたはナット
26 冷却水流路
27 ガス流路
27a 燃料ガス流路
27b 酸化ガス流路
28 冷却水マニホルド
29 燃料ガスマニホルド
30 酸化ガスマニホルド
31 発電に寄与しない層
31a ガス流路が形成された層
31b ガス流路が形成されていない層
32 仕切壁
33 発電部
34 パイプ
35 層31に形成された冷却水流路
36a 層31に形成された燃料ガス流路
36b 層31に形成された酸化ガス流路
Claims (4)
- 固体高分子電解質型燃料電池のセル積層体のうち、少なくともガス出入り側端部に、発電に寄与しない、入口マニホールドと出口マニホールドとを連通する層であって、ガス供給配管をつたってくる凝縮水を流れ込ませる層が設けられたことを特徴とするスタック構造を有する燃料電池。
- 前記層は、ガス流路をもつがMEAをもたない層であることを特徴とする請求項1に記載のスタック構造を有する燃料電池。
- 前記層は、セル積層体の両端部に設けられている請求項1または2に記載のスタック構造を有する燃料電池。
- 前記層の1面に、燃料ガス流路と酸化ガス流路を共に設けた請求項1乃至3のいずれか1の請求項に記載のスタック構造を有する燃料電池。
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