JP4438762B2

JP4438762B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP4438762B2
Application number: JP2006073685A
Authority: JP
Inventors: 康之浅井; 稔幸鈴木; 剛高橋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-03-17
Filing date: 2006-03-17
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2022-05-20
Also published as: JP2006196468A

Description

本発明は、燃料電池、とくに固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）に関する。

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て構成される。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）とを有する。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セル積層体とし、セル積層体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、エンドプレートを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）に固定し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、燃料電池スタック（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電離反応が行われ、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、かくして発電が行われる。
アノード側：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
カソード側：２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ
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したり、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、水だまり（フラッディング）が生じ、ガスの電極への拡散、供給が阻害されて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。
特開２００１−２３６９７５号公報

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燃料電池を提供することにある。

上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１）燃料電池の発電部を有する発電セル積層体の、少なくともガス出入り側端部の前記発電セルの外側に、ガス供給配管を伝ってくる凝縮水を流れ込ませる第１の凝縮水流れ込み部が設けられており、ガス供給配管とガス排出配管が、共に、発電セル積層体のセル積層方向一端側に設けられており、前記第１の凝縮水流れ込み部は出側マニホルドに連通していることを特徴とする燃料電池。
（２）前記第１の凝縮水流れ込み部は、ガス供給配管と、発電セル積層体との間に設けられていることを特徴とする（１）に記載の燃料電池。
（３）前記発電セル積層体のうち前記第１の凝縮水流れ込み部が設けられていない側の端部において、入り側マニホルドの凝縮水を流れ込ませる第２の凝縮水流れ込み部がさらに発電セル積層体の外側に、設けられたことを特徴とする（１）または（２）記載の燃料電池。
（４）前記第２の凝縮水流れ込み部は入り側マニホルドと出側マニホルドとを連通することを特徴とする（３）記載の燃料電池。
（５）前記発電セルは触媒を有することを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載の燃料電池。
（６）前記発電セルは固体高分子型燃料電池であることを特徴とする（１）〜（５）のいずれかに記載の燃料電池。

上記（１）〜（６）の燃料電池によれば、スタックの、少なくともガス出入り側端部の発電セルの外側に、ガス供給配管を伝ってくる凝縮水を流れ込ませる第１の凝縮水流れ込み部を設けたので、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。

以下に、本発明の燃料電池を、図１〜図７を参照して、説明する。
本発明の燃料電池は、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。

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 ）とセパレータとを積層して構成される。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）とを有する。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、セル積層体の外側に、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、エンドプレート２２を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）にボルト２５またはナットで固定し、セル積層体をセル積層方向に締め付けて燃料電池スタック２３を構成する。

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。

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。

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。

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。

図６（イ）に示すように、燃料電池スタック２３の、セル積層方向の少なくともガス出入り側の端部の、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）の、発電セルより外側に、発電に寄与しない、ガス流路３６を有する凝縮水流れ込み部３１が設けられている。ガス出入り側の端部の凝縮水流れ込み部を第１の凝縮水流れ込み部、ガス出入り側の端部と反対側の端部の凝縮水流れ込み部を第２の凝縮水流れ込み部と呼ぶ。凝縮水流れ込み部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から構成されてもよい。凝縮水流れ込み部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、複数層設けられてもよい。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。

発電に寄与しない、ガス流路３６を有する凝縮水流れ込み部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を含んでもよい。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。

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（凝縮水流れ込み部３１の一態様）を構成する。そして、図１の例では、発電に寄与しない層３１を、スタック２３の、発電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。

また、図１に示す例では、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。

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。

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。

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。

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、セル積層方向の少なくともガス出入り側の端部の、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）の、発電セルの外側に、発電に寄与しない、ガス流路３６を形成した凝縮水流れ込み部３１が設けられているので、凝縮水流れ込み部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、凝縮水流れ込み部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。凝縮水流れ込み部３１がコンタミされても、凝縮水流れ込み部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。

また、発電セルの外側に、発電に寄与しない、ガス流路３６を形成した層を有する凝縮水流れ込み部３１が設けられている場合は、発電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。

また、層３１ａの一面にだけガス流路３６ａ、３６ｂが形成される場合は、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の厚さを薄くできるので、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。

本発明実施例の燃料電池における、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。本発明実施例の燃料電池における、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。本発明実施例の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。本発明実施例の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。本発明実施例の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。（イ）は本発明実施例の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凝縮水流れ込み部（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

燃料電池の発電部を有する発電セル積層体の、少なくともガス出入り側端部の前記発電セルの外側に、ガス供給配管を伝ってくる凝縮水を流れ込ませる第１の凝縮水流れ込み部が設けられており、ガス供給配管とガス排出配管が、共に、発電セル積層体のセル積層方向一端側に設けられており、前記第１の凝縮水流れ込み部は出側マニホルドに連通していることを特徴とする燃料電池。
前記第１の凝縮水流れ込み部は、ガス供給配管と、発電セル積層体との間に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記発電セル積層体のうち前記第１の凝縮水流れ込み部が設けられていない側の端部において、入り側マニホルドの凝縮水を流れ込ませる第２の凝縮水流れ込み部がさらに発電セル積層体の外側に、設けられたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池。
前記第２の凝縮水流れ込み部は入り側マニホルドと出側マニホルドとを連通することを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
前記発電セルは触媒を有することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項記載の燃料電池。
前記発電セルは固体高分子型燃料電池であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項記載の燃料電池。