JP4185734B2 - 燃料電池スタック - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される接合体を有する単位セルを備え、複数個の前記単位セルを重ね合わせて一体的に構成される固体高分子型セルアセンブリが複数個重ね合わされる燃料電池スタックに関する。
【0002】
【従来の技術】
通常、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜(陽イオン交換膜)からなる電解質膜を採用している。この電解質膜の両側に、それぞれカーボンを主体とするアノード側電極およびカソード側電極を対設して構成される電解質膜・電極構造体(接合体)を、セパレータ(バイポーラ板)によって挟持することにより構成される単位セル(単位発電セル)を備えている。通常、この単位セルが所定数だけ積層されて燃料電池スタックとして使用されている。
【0003】
この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス(以下、水素含有ガスともいう)は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気(以下、酸素含有ガスともいう)が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【0004】
ところで、燃料電池スタックは、例えば、車載用として使用する際には、比較的大きな出力が要求されている。このため、単位セルの反応面(発電面)の寸法を大きく設定する構造や、多数個の前記単位セルを積層する構造等が採用されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、単位セル自体の寸法を大きく設定すると、燃料電池スタック全体が大型化してしまい、車載用に適さないという問題が指摘されている。従って、通常、比較的コンパクトな単位セルを多数個積層した燃料電池スタックが使用されているが、積層個数が増加するのに伴って積層方向に温度分布が発生し易くなるとともに、電気化学反応により発生した生成水の排水性等が低下して所望の発電性能を得ることができないという不具合がある。
【0006】
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、各単位セルの発電性能を有効に向上させることができるとともに、小型化に適する燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項1に係る燃料電池スタックでは、固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される接合体を有する単位セルを備え、複数個の前記単位セルを重ね合わせて固体高分子型セルアセンブリが一体的に構成されるとともに、同一の前記セルアセンブリが、複数個重ね合わされている。そして、セルアセンブリ内では、複数個の単位セルの電極面に沿って燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方の反応ガスを流す反応ガス流路が、少なくとも一部分を各単位セルにわたって直列的に連通している。ここで、少なくとも一部分とは、複数の反応ガス流路の中の少なくとも一部分である場合と、反応ガス流路自体の少なくとも一部分である場合とをいう。
【0008】
このため、セルアセンブリには、下流側の単位セルの反応に必要な流量を付加した反応ガスが、上流側の単位セルに供給されており、前記セルアセンブリ内に供給される反応ガスの流量が増加する。これにより、各単位セルの湿度を均一化することができ、複数個の単位セルの電流密度分布を均一にして濃度過電圧を低減することが可能になる。しかも、セルアセンブリ内に供給される反応ガスの流速を増加させるだけで、各単位セルの生成水を有効に排出することができ、前記セルアセンブリ全体の排水性が向上する。
【0009】
その上、複数個の単位セルを繋ぐ長尺な反応ガス流路が設けられるため、圧力損失が増加して各単位セルでの反応ガスの分配性と生成水の排水性とが有効に向上する。さらに、セルアセンブリが複数個の単位セルから一体的に構成されており、このセルアセンブリは、組み立て時の1つの単位となっている。このため、セルアセンブリとして取り扱うことにより、単位セル毎に取り扱われる構成に比べて、燃料電池スタックを組み立てる際の作業性が有効に簡素化する。
【0010】
さらにまた、セルアセンブリ内またはセルアセンブリの間には、冷却媒体を一定方向に向かって直線状に供給する冷却媒体流路が設けられている。従って、冷却媒体が一定方向に円滑に流動して冷却効率が向上するとともに、セルアセンブリ内またはセルアセンブリの間に、部分的に温度が高くなる部位が発生することを阻止することができる。これにより、単位セルの発電性能が低下することがなく、セルアセンブリ全体として良好な発電性能を確実に維持することが可能になる。
【0011】
本発明の請求項2に係る燃料電池スタックでは、セルアセンブリ内または該セルアセンブリの間に壁板が介装されるとともに、前記壁板の両面には、冷却媒体を互いに平行して供給する冷却媒体流路が形成されている。このため、壁板を挟んで配置される各単位セルを良好に冷却することができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の第1の実施形態に係る固体高分子型セルアセンブリ10の要部分解斜視図であり、図2は、複数の前記セルアセンブリ10が重ね合わされて(積層されて)構成される燃料電池スタック12の概略斜視図である。
【0013】
図1に示すように、セルアセンブリ10は、第1単位セル14と第2単位セル16とを重ね合わせて構成されており、前記第1および第2単位セル14、16は、第1および第2接合体(電解質膜・電極構造体)18、20を備える。
【0014】
第1および第2接合体18、20は、固体高分子電解質膜22a、22bと、前記固体高分子電解質膜22a、22bを挟んで配設されるカソード側電極24a、24bおよびアノード側電極26a、26bとを有する。カソード側電極24a、24bおよびアノード側電極26a、26bは、カーボンを主体とする基材に貴金属系の電極触媒層を接合して構成されており、その面には、例えば、多孔質層である多孔質カーボンペーパ等からなるガス拡散層が配設されている。
【0015】
図1および図3に示すように、第1接合体18のカソード側電極24a側に第1セパレータ28が配設され、第2接合体20のアノード側電極26b側に第2セパレータ30が配設されるとともに、前記第1および第2接合体18、20の間に中間セパレータ32が配設される。第1および第2セパレータ28、30の外側の面には、すなわち、セルアセンブリ10の間には、薄板状の壁板34が積層される。
【0016】
図1に示すように、第1および第2単位セル14、16の長辺方向(矢印B方向)の一端縁部には、前記第1および第2単位セル14、16の重ね合わせ方向(矢印A方向)に互いに連通して、酸素含有ガス(例えば、空気)等の酸化剤ガス(反応ガス)を通過させるための酸化剤ガス入口36aと、酸化剤ガス出口36bと、冷却媒体を通過させるための冷却媒体出口44bと、水素含有ガス等の燃料ガス(反応ガス)を通過させるための燃料ガス中間連通孔38とが設けられる。
【0017】
第1および第2単位セル14、16の長辺方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガスを通過させるための酸化剤ガス中間連通孔40と、燃料ガスを通過させるための燃料ガス入口42aと、冷却媒体を通過させるための冷却媒体入口44aと、燃料ガス出口42bとが設けられる。
【0018】
第1セパレータ28は、金属薄板で構成されるとともに、第1接合体18の反応面(発電面)に対応する部位が凹凸形状、例えば、波形状に設定される。図3および図4に示すように、第1セパレータ28は、第1接合体18のカソード側電極24aに対向する面に複数本の酸化剤ガス流路(反応ガス流路)46を設けるとともに、前記酸化剤ガス流路46は、長辺方向(矢印B方向)に直線状に延在して、両端がそれぞれ酸化剤ガス入口36aと酸化剤ガス中間連通孔40とに連通する。
【0019】
図1および図3に示すように、第1セパレータ28は、壁板34に対向する面に複数本の冷却媒体流路48を設ける。冷却媒体流路48は、長辺方向(矢印B方向)に直線状に延在しており、一端が冷却媒体入口44aに連通するとともに、他端が冷却媒体出口44bに連通する。
【0020】
第2セパレータ30は、上記の第1セパレータ28と略同様に構成されており、第2接合体20のアノード側電極26bに対向する面に複数本の燃料ガス流路(反応ガス流路)52を設ける。燃料ガス流路52は、長辺方向(矢印B方向)に直線状に延在しており、それぞれの両端が燃料ガス中間連通孔38と燃料ガス出口42bとに連通する。第2セパレータ30は、壁板34に対向する面に複数本の冷却媒体流路54を設ける。冷却媒体流路54は、長辺方向(矢印B方向)に直線状に延在しており、両端が冷却媒体入口44aと冷却媒体出口44bとに連通する。
【0021】
中間セパレータ32は、上記の第1および第2セパレータ28、30と略同様に構成されており、第1接合体18のアノード側電極26aに対向する面に複数本の燃料ガス流路(反応ガス流路)56を設ける。燃料ガス流路56は、長辺方向(矢印B方向)に直線状に延在しており、両端がそれぞれ燃料ガス入口42aと燃料ガス中間連通孔38とに連通する。
【0022】
図3に示すように、中間セパレータ32は、第2接合体20のカソード側電極24bに対向する面に複数本の酸化剤ガス流路(反応ガス流路)58を設ける。酸化剤ガス流路58は、長辺方向(矢印B方向)に直線状に延在しており、両端がそれぞれ酸化剤ガス中間連通孔40と酸化剤ガス出口36bとに連通する。
【0023】
第1および第2単位セル14、16に直列的に設けられる酸化剤ガス流路46、58と、燃料ガス流路56、52とは、流路断面積がそれぞれ異なっている。図3に示すように、出口側の酸化剤ガス流路58および燃料ガス流路52は、入口側の酸化剤ガス流路46および燃料ガス流路56よりも小さな流路断面積に設定されている。
【0024】
このように構成されるセルアセンブリ10は、図示しない固定手段を介して一体的に保持された状態で、図2に示すように、所定の組数だけ矢印A方向に重ね合わされる。セルアセンブリ10の矢印A方向両端には、集電用電極60a、60bを介してエンドプレート62a、62bが配置され、前記エンドプレート62a、62bが図示しないタイロッド等によって締め付けられることにより、燃料電池スタック12が構成される。
【0025】
エンドプレート62aの長辺方向の一端縁部には、酸化剤ガス入口36aおよび酸化剤ガス出口36bに連通する酸化剤ガス供給口64aおよび酸化剤ガス排出口64bと、冷却媒体出口44bに連通する冷却媒体排出口68bとが形成される。エンドプレート62aの長辺方向の他端縁部には、燃料ガス入口42a、燃料ガス出口42bおよび冷却媒体入口44aに連通する燃料ガス供給口66a、燃料ガス排出口66bおよび冷却媒体供給口68aが形成される。
【0026】
このように構成されるセルアセンブリ10の動作について、以下に説明する。
【0027】
燃料電池スタック12内には、燃料ガス供給口66aから水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給口64aから酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給され、さらに冷却媒体供給口68aから純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体が供給される。このため、燃料電池スタック12には、矢印A方向に重ね合わされた複数のセルアセンブリ10に対し、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体が、順次、供給される。
【0028】
図5に示すように、矢印A方向に連通している酸化剤ガス入口36aに供給された酸化剤ガスは、第1セパレータ28に設けられている複数本の酸化剤ガス流路46に導入され、第1接合体18を構成するカソード側電極24aに沿って移動する。一方、燃料ガス入口42aに供給された燃料ガスは、中間セパレータ32に設けられている複数本の燃料ガス流路56に導入され、第1接合体18を構成するアノード側電極26aに沿って移動する。従って、第1接合体18では、カソード側電極24aに供給される酸化剤ガスと、アノード側電極26a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、発電が行われる。
【0029】
第1接合体18により一部が消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路46から酸化剤ガス中間連通孔40に導入され、この酸化剤ガス中間連通孔40に沿って矢印A方向に移動した後、中間セパレータ32に設けられている酸化剤ガス流路58に導入される。この酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路58を介して第2接合体20を構成するカソード側電極24bに沿って移動する。
【0030】
同様に、第1接合体18を構成するアノード側電極26aで一部が消費された燃料ガスは、燃料ガス中間連通孔38に導入された後、矢印A方向に移動し、第2セパレータ30に設けられている燃料ガス流路52に導入され、第2接合体20を構成するアノード側電極26bに沿って移動する。このため、第2接合体20では、酸化剤ガスおよび燃料ガスが電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。酸素が消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口36bに排出されるとともに、水素が消費された燃料ガスは、燃料ガス出口42bに排出される。
【0031】
一方、冷却媒体入口44aに供給された冷却媒体は、各セルアセンブリ10の間に壁板34を介装することにより第1および第2セパレータ28、30にそれぞれ設けられている冷却媒体流路48、54に沿って直線状に移動した後、冷却媒体出口44bに排出される。従って、各セルアセンブリ10の間に冷却媒体が一定方向に向かって直線状に供給され、前記セルアセンブリ10が冷却される。
【0032】
この場合、第1の実施形態では、第1および第2単位セル14、16によりセルアセンブリ10が一体的に構成されるとともに、前記第1および第2単位セル14、16にわたって酸化剤ガス流路46、58および燃料ガス流路56、52が、酸化剤ガス中間連通孔40および燃料ガス中間連通孔38を介して、少なくとも一部分を直列的に連通している。
【0033】
これにより、入口側の酸化剤ガス流路46および燃料ガス流路56には、第1および第2単位セル14、16全体の反応に必要な量の酸化剤ガスおよび燃料ガスが供給され、前記酸化剤ガス流路46および前記燃料ガス流路56には、通常の単位セルに比べて2倍の流量が流されることになる。
【0034】
従って、特に、生成水が発生する酸化剤ガス流路46、58での排水性が向上し、第1および第2単位セル14、16における前記酸化剤ガス流路46、58内の湿度の均一化を図ることができる。このため、第1および第2単位セル14、16の電流密度分布を均一にして、濃度過電圧を低減することが可能になるという効果が得られる。
【0035】
さらに、第1および第2単位セル14、16にわたって酸化剤ガス流路46、58および燃料ガス流路56、52が直列的に連通するため、酸化剤ガス入口36aおよび燃料ガス入口42aに供給される酸化剤ガスおよび燃料ガスの流速は、従来の単位セルに比べて増加する。従って、第1および第2単位セル14、16内で発生する生成水を有効に排出することができ、セルアセンブリ10全体の排水性が大幅に向上する。
【0036】
さらにまた、酸化剤ガス流路46、58および燃料ガス流路56、52が直列的に連通することにより、第1および第2単位セル14、16を繋ぐ長尺な反応ガス流路が構成されている。このため、第1および第2単位セル14、16内で圧力損失が増加し、前記第1および第2単位セル14、16内での酸化剤ガスおよび燃料ガスの排水性が有効に向上するとともに、燃料電池スタック12内の各セルアセンブリ10への酸化剤ガスおよび燃料ガスの分配が均一化されるという利点がある。
【0037】
また、第1の実施形態では、図5に示すように、冷却媒体入口44aから供給された冷却媒体は、第1および第2セパレータ28、30にそれぞれ設けられている冷却媒体流路48、54に沿って矢印B1方向(一定方向)に直線状に移動した後、冷却媒体出口44bに排出されている。従って、冷却媒体が円滑に流動して冷却効率が向上し、セルアセンブリ10の間に、部分的に温度が高くなる部位が発生することを阻止することができる。これにより、第1および第2単位セル14、16の発電性能が低下することがなく、セルアセンブリ10全体として良好な発電性能を確実に維持することが可能になるという効果が得られる。
【0038】
さらに、第1の実施形態では、セルアセンブリ10が複数個、例えば、2個の単位セル14、16から一体的に構成されるため、このセルアセンブリ10として取り扱うことにより、単位セル毎に取り扱われる従来構成に比べて、燃料電池スタック12を組み立てる際の作業性が有効に簡素化する。
【0039】
図6は、本発明の第2の実施形態に係る固体高分子型セルアセンブリ100の要部分解斜視図である。なお、第1の実施形態に係るセルアセンブリ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。
【0040】
セルアセンブリ100は、第1および第2単位セル102、104を重ね合わせて構成されており、前記第1および第2単位セル102、104は、第1および第2接合体(電解質膜・電極構造体)106、108を備える。第1および第2接合体106、108は、第1および第2セパレータ110、112と第1および第2中間セパレータ114、116とにより挟持される。
【0041】
セルアセンブリ100の長辺方向の一端縁部には、燃料ガス入口42a、酸化剤ガス中間連通孔40、冷却媒体出口44bおよび燃料ガス出口42bが矢印A方向に連通して設けられている。セルアセンブリ100の長辺方向の他端縁部には、酸化剤ガス入口36a、冷却媒体入口44a、燃料ガス中間連通孔38および酸化剤ガス出口36bが矢印A方向に連通して設けられている。
【0042】
第1および第2中間セパレータ114、116の互いに対向する面には、冷却媒体流路54が直線状に設けられている。冷却媒体流路54は、冷却媒体入口44aおよび冷却媒体出口44bに連通するとともに、冷却媒体を矢印B1方向に向かって直線状に供給する。
【0043】
このように構成されるセルアセンブリ100内では、酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却媒体が、図7に示す流れ方向に沿って直列的に第1および第2単位セル102、104に送られる。その際、第1および第2単位セル102、104の間(セルアセンブリ100内)には、冷却媒体を矢印B1方向に向かって直線状に供給する冷却媒体流路54が形成されている。
【0044】
これにより、冷却効率が向上して、特に、セルアセンブリ100内には、部分的に温度が高くなる部位が発生することがなく、第1および第2単位セル102、104の発電性能が低下することを阻止することができる。従って、セルアセンブリ100全体として良好な発電性能を確実に維持することが可能になる等、第1の実施形態と同様の効果が得られる。
【0045】
図8は、本発明の第3の実施形態に係る固体高分子型セルアセンブリ120の流れ図である。なお、図6に示す第2の実施形態に係るセルアセンブリ100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。
【0046】
セルアセンブリ120は、第1および第2単位セル122、124を矢印A方向に重ね合わせて構成されており、酸化剤ガス中間連通孔40を設けていない。このため、セルアセンブリ120内では、燃料ガスが第1単位セル122から第2単位セル124に直列的に連通する燃料ガス流路56、52に沿って流れる一方、酸化剤ガスが酸化剤ガス流路46、58を介して前記第1および第2単位セル122、124に個別に、すなわち、並列的に流されている。
【0047】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、セルアセンブリ内またはセルアセンブリの間に、冷却媒体を一定方向に向かって直線状に供給する冷却媒体流路が設けられている。このため、冷却媒体が一定方向に円滑に流動して冷却効率が向上するとともに、セルアセンブリ内またはセルアセンブリの間に、部分的に温度が高くなる部位が発生することを阻止することができる。これにより、単位セルの発電性能が低下することがなく、セルアセンブリ全体として良好な発電性能を確実に維持することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る固体高分子型セルアセンブリの要部分解斜視図である。
【図2】燃料電池スタックの概略斜視図である。
【図3】前記セルアセンブリの一部断面説明図である。
【図4】前記セルアセンブリを構成する第1セパレータの正面図である。
【図5】前記セルアセンブリ内の流れ図である。
【図6】本発明の第2の実施形態に係る固体高分子型セルアセンブリの要部分解斜視図である。
【図7】前記第2の実施形態に係るセルアセンブリの流れ図である。
【図8】本発明の第3の実施形態に係る固体高分子型セルアセンブリの流れ図である。
【符号の説明】
10、100、120…セルアセンブリ
12…燃料電池スタック
14、16、102、104、122、124…単位セル
18、20、106、108…接合体
22a、22b…固体分子電解質膜 24a、24b…カソード側電極
26a、26b…アノード側電極
28、30、110、112…セパレータ
32、114、116…中間セパレータ
36a…酸化剤ガス入口 36b…酸化剤ガス出口
38…燃料ガス中間連通孔 40…酸化剤ガス中間連通孔
42a…燃料ガス入口 42b…燃料ガス出口
44a…冷却媒体入口 44b…冷却媒体出口
46、58…酸化剤ガス流路 48、54…冷却媒体流路
52、56…燃料ガス流路
Claims (2)
- 固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される接合体を有する単位セルを備え、複数個の前記単位セルを重ね合わせて固体高分子型セルアセンブリが一体的に構成されるとともに、同一の前記セルアセンブリが、複数個重ね合わされる燃料電池スタックであって、
前記セルアセンブリ内では、複数個の前記単位セルの電極面に沿って燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方の反応ガスを流す反応ガス流路が、少なくとも一部分を各単位セルにわたって直列的に連通するとともに、
前記セルアセンブリ内または該セルアセンブリの間には、冷却媒体を一定方向に向かって直線状に供給する冷却媒体流路が設けら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、前記セルアセンブリ内または該セルアセンブリの間に壁板が介装されるとともに、
前記壁板の両面には、前記冷却媒体を互いに平行して供給する冷却媒体流路が形成されることを特徴とする燃料電池スタック。
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