JP4440958B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、複数の単セルが積層されたセル積層体を有する燃料電池に関する。

従来から、一般的な燃料電池の単セルは、電解質膜と、該電解質膜の一方の面に配置されたアノード電極（陰極）と、他方の面に配置されたカソード電極（陽極）と、を有する膜−電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly、以下、単に「ＭＥＡ」という）を備え、このＭＥＡの両側にセパレータを配設した構造を有している。そして、燃料電池では、この単セルを複数積層してセル積層体とし、当該セル積層体のセル積層方向両端に、集電板（ターミナルプレート）、インシュレータ、プレッシャプレート及びエンドプレート等が配置されている。

このような燃料電池では、セル積層体の端部に配設された単セル（以下、「端部セル」という）の温度が、セル積層体の他の単セルの温度よりも低くなるという事実がある。これは、端部セルが、ターミナル、インシュレータ、プレッシャプレート及びエンドプレート等からの放熱の影響を受け、端部冷媒流路の冷媒の温度が下がるからである。特に、セル積層体における総マイナス側の端部に配設された端部セルでは、アノード側の温度がカソード側の温度よりも低くなることが知られている。この温度低下は、燃料電池の性能低下を招く虞がある。

近年では、セル積層体の集電板よりもセル積層方向外側に断熱層（断熱ダミーセル）を配設することで、端部セルからの放熱を抑制すると共に、集電効率を向上させた燃料電池が紹介されている。（例えば、特許文献１参照）。

また、セル積層体のセル積層方向の少なくとも一方の端部に発電セルに対応して配設されるダミーセルを備え、少なくとも前記ダミーセル内またはダミーセル間に、断熱空間部を形成することで、ダミーセル自体を断熱層として機能させた燃料電池も紹介されている。（例えば、特許文献２参照）。
特開２００６−３３２００６号公報 特開２００６−１４７５０２号公報

しかしながら、特許文献１に記載された燃料電池は、断熱層（断熱ダミーセル）が配設されたセル積層体を備えているが、前記断熱層を構成する断熱材の物性（例えば、熱伝導率等）については検討されていない。また、特許文献２に記載された燃料電池スタックは、セル積層体の端部が断熱空間部（空気室）を備えたダミーセルから構成されているが、空気以外の断熱材については記載されておらず、この従来技術も断熱材の物性（例えば、熱伝導率等）については検討されていない。したがって、燃料電池において必要とされる断熱性を付与するために最適な物性を有する断熱材を選択することが困難である。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、断熱材が配設された断熱部を配設することで、燃料電池の内部と外部との熱拡散を抑制することができ、セル面内の温度分布の不均一性を是正し、温度低下による燃料電池性能の低下を抑制すると共に、前記断熱材の物性を特定することで、燃料電池において必要とされる適切な断熱性が得られ、始動性が向上した燃料電池を提供することを目的とする。

この目的を達成するため本発明は、複数の単セルが積層されたセル積層体と、当該セル積層体のセル積層方向両側に配設された集電板と、を有する燃料電池であって、断熱材と、当該断熱材をセル積層方向両側から挟持する挟持プレートとを有し、前記断熱材を当該挟持プレートで挟持してなる断熱部を備えてなり、当該断熱材は、熱伝導率が０．１Ｗ／ｍＫ以下、且つ気孔率が７０％以上である燃料電池を提供するものである。

この構成を備えた燃料電池は、断熱材のセル積層方向両側を挟持プレートによって挟持してなる断熱部を備えているため、燃料電池の内部と外部との熱拡散を抑制することができ、セル面内の温度分布の不均一性を是正し、温度低下による燃料電池性能の低下を抑制することができる。さらに、前記断熱材が、熱伝導率が０．１Ｗ／ｍＫ以下、且つ気孔率が７０％以上の物性を有しているため、燃料電池で必要とされる適切な断熱性を得ることができ、燃料電池の始動性を向上することができる。

前記断熱材の熱伝導率が０．１Ｗ／ｍＫを超えると、燃料電池で必要とされる適切な断熱性を得ることが困難となる。また、前記断熱材の気孔率が７０％未満であると、熱伝導率にバラツキが生じやすくなる。

本発明にかかる燃料電池の一実施態様として、当該燃料電池は、発電に寄与する発電セルと、発電に寄与しない非発電セルを有し、前記断熱部が当該非発電セルに配設された構成を備えることができる。この構成の場合、前記非発電セルは、前記集電板の、前記セル積層方向内側に配設することができる。さらにこの構成の場合、前記セル積層体を構成する単セルのうち、当該セル積層体のセル積層方向両端に各々配設された端部セルを、前記非発電セルとすることができる。

ここで、燃料電池では、セル積層体のセル積層方向端部付近に位置する発電セルについては、電力取り出し用のターミナル電極（集電板）や、積層された発電セルを保持するために設けられたエンドプレート等からの放熱により温度低下が生じ易くなる。そして、温度低下が生じた発電セルは、水蒸気の凝縮による結露が発生し易くなるため、発電性能の低下を招く虞がある。本発明では、前記端部セルを前記非発電セルとすることで、当該端部セルに断熱部が配設されるため、前記利点に加え、前記熱拡散を効率よく低減させ温度低下をより抑制することができる。

また、本発明にかかる燃料電池の一実施態様としては、前記非発電セルが、前記発電セルに挟まれた断熱セルであってもよい。この構成の場合、前記セル積層体を構成する単セルのうち、当該セル積層体のセル積層方向両端に各々配設された端部セルも、前記非発電セルから構成してもよい。

そしてまた、本発明にかかる燃料電池の一実施態様として、前記セル積層体が、前記非発電セルからなり且つセル積層方向両端に配設される端部セル間に、前記複数の発電セルが積層された発電セル積層体と、当該発電セル積層体の総マイナス側の端部に配設された前記断熱セルと、当該断熱セルの前記発電セル積層体とは反対側に配設された発電セルと、を配設した構成を備えていてもよい。このように構成することで、前記利点に加え、アノード側の温度がカソード側の温度よりも低くなり易い総マイナス側の端部からの熱拡散をさらに効率よく抑制して発電性能の低下を抑制することができる。

さらにまた、本発明にかかる燃料電池の一実施態様として、前記非発電セルが、前記集電板の、前記セル積層方向外側に配設された構成を備えていてもよい。また、この構成の場合、前記集電板の、前記セル積層方向内側に、前記非発電セルがさらに配設されていてもよい。

前記断熱材は、電気伝導性を有することが好適である。この電気伝導性は、荷重が０．２Ｍパスカルの際に、４００ｍΩ以下であることが好ましい。

本発明にかかる燃料電池は、熱伝導率が０．１Ｗ／ｍＫ以下、且つ気孔率が７０％以上の物性を有している断熱材を挟持プレートによって挟持してなる断熱部を備えているため、燃料電池で必要とされる適切な断熱性を得ることができる。したがって、燃料電池の内部と外部との熱拡散を抑制することができ、セル面内の温度分布の不均一性を是正し、始動性を向上することができる。この結果、信頼性の高い高性能な燃料電池を提供することができる。

次に、本発明の好適な実施の形態にかかる燃料電池について図面を参照して説明する。なお、以下に記載される実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施の形態にのみ限定するものではない。したがって、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。

図１は、本発明の実施の形態にかかる燃料電池を模式的に示す断面図、図２は、図１に示す燃料電池に配設された端部セルの一部を拡大して示す断面図、図３は、図１に示す燃料電池に配設された端部セルの構成要素である断熱部の平面図である。なお、前記各図では、説明を判りやすくするため、各部材の厚さやサイズ、拡大・縮小率等は、実際のものとは一致させずに記載した。

図１〜図３に示すように、本実施の形態にかかる燃料電池１は、燃料電池１の発電に寄与する発電セル１２が複数積層された発電セル積層体１１と、発電セル積層体１１のセル積層方向両側に配設された端部セル１３Ａ及び１３Ｂとを有するセル積層体１０と、セル積層体１０のセル積層方向外側に各々配設された集電板１４Ａ及び１４Ｂと、集電板１４Ａ及び１４Ｂのセル積層方向外側に各々配設されたインシュレータ１５Ａ及び１５Ｂと、インシュレータ１５Ａ及び１５Ｂのセル積層方向外側に各々配設されたエンドプレート１６Ａ及び１６Ｂとを備えて構成されている。

発電セル１２は、イオン交換膜からなる電解質膜及びこれを両面から挟んだ一対の電極からなる膜・電極接合体と、この膜・電極接合体を外側から挟持する一対のセパレータと、で構成されている。セパレータは、例えば金属を基材とする導電体であり、各電極に空気等のカソードガス及び水素ガス等のアノードガスを供給するためのガス流路を有し、互いに隣接する発電セル１２に供給される異種流体の混合を遮断する役割を果たしている。この構成により、発電セル１２の膜・電極接合体内において電気化学反応が生じて起電力が得られることとなる。また、この電気化学反応は発熱反応であることから、セパレータには、燃料電池冷却用の冷媒（冷却水等）を流すための冷媒流路が設けられている。また、発電セル１２には、マニホールド形成用の図示されていない貫通孔が穿設されており、複数の発電セル１２を重ね合わせて発電セル積層体１１を形成した際に、これら貫通孔が重ね合わせられることにより、アノードガス流通用、カソードガス流通用及び冷媒流通用の図示されていないマニホールドがセル積層方向に貫通形成されることとなる。

端部セル１３Ａ及び１３Ｂは、燃料電池１の発電に寄与しない非発電セルであり、特に図２に示すように、シート状の断熱材２１と、この断熱材２１のセル積層方向の一方の面に配設される挟持プレート２２と、断熱材２１のセル積層方向の他方の面に配設される挟持プレート２３とを備え、断熱材２１をセル積層方向両側から挟持プレート２２及び２３によって挟持し、挟持プレート２２の端部と挟持プレート２３に樹脂材３２を介在させた構成を有する断熱部２４を有し、この断熱部２４の挟持プレート２２側の面に、セパレータ３６を介して、カソードガス流路３７が形成されたセパレータ３５が配設された構成を有している。

断熱材２１は、熱伝導率が０．１Ｗ／ｍＫ以下、且つ気孔率が７０％以上、電気伝導性が、荷重０．２Ｍパスカルで約２５０ｍΩの物性を有し、本実施の形態では、断熱材２１を構成する材料として、例えば、カーボン等の導電材と、そのバインダーとして熱可塑性樹脂を使用した。また、本実施の形態では、断熱材２１の厚さ（セル積層方向の厚さ）を、約２ｍｍに設定した。

挟持プレート２２は、導電性を有する材料（本実施の形態では、ステンレス）から形成されており、その中央部には、断熱材２１を載置するための凹状の掘込み部２６（図３参照）が形成されている。また、挟持プレート２２には、図３に示すように、マニホールド形成用の複数の貫通孔２７Ａ〜２７Ｆが形成されている。貫通孔２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃは、各々、カソードガス供給用、冷媒供給用、アノードガス供給用のマニホールドを形成するためのものであり、２７Ｄ、２７Ｅ、２７Ｆは、各々、カソードガス排出用、冷媒排出用、アノードガス排出用のマニホールドを形成するためのものである。挟持プレート２２の掘込み部２６が形成されている面とは反対側の面には、アノードガス流路２８が形成されている。

挟持プレート２３は、導電性を有する材料（本実施の形態では、ステンレス）から形成されており、その中央部には、断熱材２１を載置するために形成された凹状の掘込み部２９（図２参照）が形成されている。また、挟持プレート２３には、挟持プレート２２と同様に、マニホールド形成用の複数の貫通孔（図示せず）が形成されている。挟持プレート２３の掘込み部２９が形成されている面とは反対側の面には、冷却水流路３１が形成されている。

なお、セパレータ３５及びセパレータ３６にも挟持プレート２２及び２３と同様に、マニホールド形成用の複数の貫通孔（図示せず）が形成されている。

集電板１４Ａ及び１４Ｂは、電力取り出し用のターミナル電極であり、例えば、鉄、ステンレス、銅、アルミニウム等の金属で板状に形成されている。本実施形態における集電板１４Ａ及び１４Ｂは、端部セル１３Ａ及び１３Ｂに、各々直接接触するように配置されている。これらの集電板１４Ａ及び１４Ｂの端部セル１３Ａ及び１３Ｂと接触する側の各々の表面には、例えば、金、銀、アルミ、ニッケル、亜鉛、すず等を用いためっき処理等の表面処理が施されており、この表面処理により、集電板１４Ａと端部セル１３Ａとの接触抵抗及び集電板１４Ｂと端部セル１３Ｂとの接触抵抗が確保されている。また、集電板１４Ａ及び１４Ｂの両方またはいずれかには、発電セル１２や挟持プレート２２と及び２３等と同様に、マニホールド形成用の孔が形成されている。

なお、エンドプレート１６Ａ及び１６Ｂには、図示されていないテンションプレートが架け渡されており、これらテンションプレートがエンドプレート１６Ａ及び１６Ｂにボルト固定されることにより、燃料電池１のセル積層方向に所定の圧縮力（締結荷重）が加えられるようになっている。

この構成を備えた燃料電池１は、セル積層体１０のセル積層方向両端部が端部セル１３Ａ及び１３Ｂからなり、この端部セル１３Ａ及び１３Ｂには、断熱部２４が配設されているため、集電板１４Ａ及び１４Ｂや、エンドプレート１６Ａ及び１６Ｂ等からの放熱等による温度低下を抑制でき、燃料電池１の内部と外部との間の熱拡散を効率よく抑制することができる。したがって、常温環境下は勿論のこと、低温環境下であっても、燃料電池１の始動性を向上することができる。

次に、断熱材２１の熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）と、気孔率（％）との関係を調べ、この結果を図４に示すグラフに、×でプロットした。図４から、断熱材２１の気孔率（％）が低い程、熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）にバラツキが生じることが判る。具体的には、断熱材２１の気孔率（％）が７０％未満であると、熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）にバラツキが生じやすくなり、断熱材２１の気孔率（％）が７０％以上であると、熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）のバラツキが少なくなることが判る。

なお、本実施の形態では、発電セル積層体１１のセル積層方向両側に非発電セルである端部セル１３Ａ及び１３Ｂを各々配設し、端部セル１３Ａ及び１３Ｂのセル積層方向外側に、集電板１４Ａ及び１４Ｂを各々配設した場合について説明したが、これに限らず、例えば、図５に示すように、発電セル積層体１１の総マイナス側に、非発電セルである断熱セル２０を配設し、断熱セル２０の発電セル積層体１１が配設された側とは反対側に発電セル１２を配設し、この発電セル１２の総マイナス側に端部セル１３Ｂを配設し、発電セル積層体１１の総プラス側に端部セル１３Ａを配設してもよい。断熱セル２０は、図６に示すように、断熱材２１と、断熱材２１のセル積層方向両面にそれぞれ配設される挟持プレート２３を備え、断熱材２１をセル積層方向両側から各々の挟持プレート２３によって挟持し、挟持プレート２３同士の端部に樹脂材３２を介在させた構成を有する断熱部２７を有している。この構成の場合、セル積層体１０の総マイナス側に、断熱セル２０と、端部セル１３Ｂが位置しているため、燃料電池１の内部と外部との間の熱拡散をさらに効率よく抑制することができる。

また、本発明にかかる燃料電池１は、図７に示すように、集電板１４Ａ及び１４Ｂのセル積層方向外側に、端部セル１３Ａ及び１３Ｂを各々配設してもよい。この場合も、前記実施の形態と同様に、集電板１４Ａ及び１４Ｂや、エンドプレート１６Ａ及び１６Ｂ等からの放熱等による温度低下を抑制でき、燃料電池１の内部と外部との間の熱拡散を効率よく抑制することができる。したがって、常温環境下は勿論のこと、低温環境下であっても、燃料電池１の始動性を向上することができる。なお、この構成の場合、集電板１４Ａ及び１４Ｂのセル積層方向内側に断熱セル２０を配設してもよい。

さらにまた、本発明にかかる燃料電池１は、所望により、断熱材２１が配設されていない通常の端部セルを使用し、断熱セル２０のみを配設してもよい。

また、本発明は、複数のセル積層体を接続プレートによって電気的に接続した構成を有する燃料電池１にも応用可能であることは勿論である。

そしてまた、本実施の形態では、挟持プレート２２及び２３を、ステンレスから形成した場合について説明したが、これに限らず、挟持プレート２２及び２３は、導電性を有し且つ燃料電池１の機能に支障を来す材料でなければ、樹脂等、他の材料からから形成することもできる。特に、挟持プレート２２及び２３を形成する材料として導電性樹脂を用いた場合は、挟持プレート２２及び２３を、例えば、射出成形等により簡単に形成することができ、加工性を向上することができる。

また、導電性樹脂は、ステンレスよりも断熱性に優れているため、ステンレス製の挟持プレート２２及び２３に比べ、断熱性を向上することもできる。このため、ステンレス製の挟持プレート２２及び２３を使用する際に、セル積層方向に略垂直な方向に対する断熱性を付与する目的で、挟持プレート２２及び２３の間に介在させていた樹脂材３２を必要とせず、部品数を削減することができると共に、組立工程を簡略化することができる。そしてまた、挟持プレート２２及び２３を導電性樹脂から形成することで、挟持プレート２２及び２３の熱容量の増加を抑制することができ、低温起動時の発電効率を向上させることもできる。また、挟持プレート２２及び２３の自重を低減させることもできる。

さらにまた、本実施の形態では、断熱材２１を構成する材料として、例えば、カーボン等の導電材と、そのバインダーとして熱可塑性樹脂を使用した場合について説明したが、これに限らず、断熱材２１は、熱伝導率が０．１Ｗ／ｍＫ以下、且つ気孔率が７０％以上であり、燃料電池１の性能に支障を来すものでなければ、例えば、発砲ニッケル材や電気伝導性を確保すべく表面処理された多孔質材、または、カーボン等の導電材（導電性カーボンブラック）とフッ素樹脂とを混合して作製したシート、グラファイト、カーボンナノチューブ、化学修飾カーボンブラック、あるいは金属粉（例えば、金、銀、白金等）と、ＰＴＦＥ、ＥＴＦＥ、ＰＶｄＦ、ＰＦＡ等の単体もしくは複数種のフッ素樹脂とを混合して作製したシート等、他の材料を使用することもできる。

また、本実施の形態では、電気伝導性が、荷重０．２Ｍパスカルで約２５０ｍΩの物性を有する断熱材２１を使用したが、これに限らず、断熱材２１の電気伝導性は、所望により選択することが可能であるが、例えば、荷重０．２Ｍパスカルで約４００ｍΩ以下であることが好ましい。そしてまた、本実施の形態では、断熱材２１の厚さを、約２ｍｍに設定した場合について説明したが、これに限らず、断熱材２１の厚さは、断熱材２１の熱伝導率や気孔率、燃料電池スタックの体格、その他使用条件等により、所望の断熱性が確保可能な厚さに任意に設定することができる。

本発明の実施の形態にかかる燃料電池を模式的に示す断面図である。 図１に示す燃料電池に配設された端部セルの一部を拡大して示す断面図である。 図１に示す燃料電池に配設された端部セルの構成要素である断熱部の平面図である。 断熱材の熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）と気孔率（％）との関係を示す図である。 本発明の他の実施の形態にかかる燃料電池を模式的に示す断面図である。 図５に示す燃料電池に配設された断熱セルの一部を拡大して示す断面図である。 本発明の他の実施の形態にかかる燃料電池を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１…燃料電池、 １０…セル積層体、 １１…発電セル積層体、 １２…発電セル、１３Ａ、１３Ｂ… 端部セル（非発電セル）、 １４Ａ、１４Ｂ…集電板、 ２０…断熱セル（非発電セル）、 ２１…断熱材、 ２２、２３…挟持プレート、 ２４、２７…断熱部

Claims (9)

1. 複数の単セルが積層されたセル積層体と、当該セル積層体のセル積層方向両側に配設された集電板と、を有する燃料電池であって、
   断熱材と、当該断熱材をセル積層方向両側から挟持する挟持プレートとを有し、前記断熱材を当該挟持プレートで挟持してなる断熱部を備えてなり、
   前記断熱部は、前記セル積層体のセル積層方向両端部に配置されており、
   前記断熱材は、熱伝導率が０．１Ｗ／ｍＫ以下、且つ気孔率が７０％以上であり、
   前記各々の挟持プレートは、前記断熱材を載置するための凹状の掘込み部を有し、前記断熱材は、前記掘込み部に配設されてなる燃料電池。
2. 発電に寄与する発電セルと、発電に寄与しない非発電セルと、を備え、前記断熱部は、当該非発電セルに配設されてなる請求項１記載の燃料電池。
3. 前記非発電セルが、前記集電板の、前記セル積層方向内側に配設されてなる請求項２記載の燃料電池。
4. 前記非発電セルは、前記セル積層体のセル積層方向両端に各々配設された端部セルである請求項３記載の燃料電池。
5. 前記非発電セルは、前記発電セルに挟まれた断熱セルである請求項２ないし請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池。
6. 前記セル積層体は、前記非発電セルからなり且つセル積層方向両端に配設される端部セル間に、前記複数の発電セルが積層された発電セル積層体と、当該発電セル積層体の、前記セル積層体の片方の端であって、負極側に相当する側の端部に配設された前記断熱セルと、当該断熱セルの前記発電セル積層体とは反対側に配設された発電セルと、を配設してなる請求項５記載の燃料電池。
7. 前記非発電セルが、前記集電板の、前記セル積層方向外側に配設されてなる請求項２記載の燃料電池。
8. 前記断熱材は、電気伝導性を有する請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の燃料電池。
9. 前記電気伝導性は、荷重が０．２Ｍパスカルの際に、４００ｍΩ以下である請求項８記載の燃料電池。

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