JP4700140B2 - 固体高分子形燃料電池スタック - Google Patents

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Description

本発明は、固体高分子形燃料電池スタックに関する。
燃料電池スタックは、燃料電池セル(単セル)を積層した構造を有する。単セルは、高分子電解質膜、および高分子電解質膜を挟む一対の触媒電極を有する膜電極接合体(membrane electrode assembly;以下「MEA」とも称する)と、膜電極接合体を挟む一対のセパレータと、からなる。
高分子電解質膜は、スルホン酸基を有するフッ素樹脂系イオン交換膜や、炭化水素樹脂系イオン交換膜のような高分子イオン交換膜などを有する電解質から構成される。
触媒電極は、高分子電解質膜側に位置し、触媒電極内における酸化還元反応を促進させる触媒層と、触媒層の外側に位置し、通気性および導電性を有するガス拡散層とから構成される。さらに、ガス拡散層は、触媒層側に位置し、触媒層との接触性を向上させるカーボンコート層と、外部から供給されるガスを拡散させて、触媒層に供給するためのガス拡散基材層とから構成される。燃料極の触媒層には、例えば白金や白金とルテニウムとの合金などが含まれ、空気極の触媒層には、例えば、白金や白金とコバルトとの合金などが含まれる。
セパレータは、燃料極に供給される燃料ガスと空気極に供給される酸化ガスとが混ざらないようにするための導電性部材である。
燃料電池スタックはこのような単セルを積層することで、電気的に直列に接続されうる。燃料電池スタックは、さらにセル積層体を挟むエンドプレートを有する(例えば特許文献1参照)。エンドプレートは、燃料電池スタックにガスや冷却媒体を供給したり、燃料電池スタックからガスや冷却媒体を排出するための流体用管体を有する。
図1は特許文献1に開示された燃料電池スタック10の断面図である。図1に示されるように特許文献1に開示された燃料電池スタック10は、セル積層体11とセル積層体11を挟むエンドプレート13、15を有する。エンドプレート13は、流体用管体17、19を有する。
図1に示されるように特許文献1に開示された燃料電池スタック10では、エンドプレート13と流体用管体17、19とは、空隙無く接触している。また、流体用管体を熱伝導性の低い材料で作製し、流体用管体を流れる流体の熱がエンドプレートに伝導することを抑制する技術が知られている(例えば特許文献2参照)。
このような構成を有する燃料電池スタックのそれぞれの単セルに、燃料ガス(水素を含む)、および酸化ガス(酸素を含む)を供給することで、電気エネルギを継続的に取り出すことができる。以下、単セルに燃料ガスおよび酸化ガスを供給することによって生じる化学反応について説明する。
燃料極に供給された水素分子は、燃料極の触媒層によって、水素イオンと電子に分けられる。水素イオンは、加湿された高分子電解質膜を通して空気極側に移動する。一方、電子は、外部回路を通して、酸化ガスが供給される空気極に移動する。このとき、外部回路を通る電子は、電気エネルギとして利用されうる。空気極触媒層では、高分子電解質膜を
通して移動してきた水素イオンと、外部回路を通して移動してきた電子と、空気極に供給された酸素とが反応し、水が生成される。また、上述した化学反応により熱が発生する。
このように、燃料電池に燃料ガスおよび酸化ガスを供給することで、電気エネルギと熱エネルギとを同時に得ることができる。このため燃料電池スタックは、発電および給湯のための家庭用コージェネレーションシステムとして利用されている(例えば特許文献3参照)。家庭用コージェネレーションシステムでは、発電中に発生した熱を、流体用管体から排出される冷却媒体などを用いて逐次回収する。回収された熱は、さらに貯湯タンクなどに貯蔵され、必要に応じて熱エネルギとして利用される。
また、エンドプレートに挟まれた燃料電池スタックと、燃料電池スタックに供給される燃料ガスを製造する燃料処理装置と、エンドプレートと燃料処理装置とを接続するインターコネクト部と、を有する燃料電池システムが知られている(例えば特許文献4参照)。特許文献4に開示された燃料電池システムでは、燃料処理装置と燃料電池スタックとの間の熱移動を最小化するために、インターコネクト部と、エンドプレートとの間に一部ギャップを設けている。
特開2007−294330号公報 特開平09−63623号公報 特開2008−293996号公報 米国特許出願公開第2006/0134470号明細書
しかしながら、従来の燃料電池スタックでは、発電中に発生した熱は、冷却媒体などによって回収される以外に、エンドプレートに伝導することがあった。エンドプレートに伝導した熱は、エンドプレートから外部に放出されることから、熱エネルギとして回収できず、発電中に発生した熱を効率的に回収できなくなるという問題があった。
特に、図1に示される燃料電池スタックのように、エンドプレートと流体用管体とが密着している場合、流体用管体からエンドプレートへ熱エネルギが伝導しやすい。また、特許文献2に開示されたように、流体用管体が熱伝導性の低い材料からなる場合であっても、エンドプレートと流体用管体とが密着している以上、流体用管体からエンドプレートへ熱エネルギが伝導してしまう。
本発明の目的は、流体用管体からエンドプレートに伝導し、外部へと放出される熱量を減少させて、発電中に発生した熱を効率的に回収することができる燃料電池スタックを提供することである。
本発明者は、流体用管体とエンドプレートとを部分的に離間させて空隙を設けることで、熱の放出を抑えることができることを見出し、さらに検討を加え、発明を完成させた。すなわち本発明は、以下に示す燃料電池スタックに関する。
[1]膜電極接合体、および前記膜電極接合体を挟むセパレータからなる単セルを積層したセル積層体であって、前記積層された単セルに流体を供給または排出するためのマニホールドを有するセル積層体と、前記セル積層体に積層され、かつ前記セル積層体の積層方向に沿った貫通孔を有するエンドプレートと、前記エンドプレートの前記貫通孔に取り外し可能に挿入され、前記エンドプレートを貫通し、かつ前記マニホールドに接続された流体用管体と、を有する燃料電池スタックであって、前記流体用管体の外面のうち、前記貫通孔の内面に対向する面の一部は、前記貫通孔の内面と離間し、前記流体用管体の外面のうち、前記貫通孔の内面に対向する面は凹凸形状を有し、前記流体用管体の外面の凸部の頂面は、前記貫通孔の内面に接触するか、または前記貫通孔の内面は凹凸形状を有し、前記貫通孔の内面の凸部の頂面は、前記流体用管体の外面に接触する、燃料電池スタック。
]前記凸部はリブを含み、前記リブは、前記流体用管体内を流れる流体の流れる方向に沿う、[]に記載の燃料電池スタック。
]前記流体用管体は、冷却媒体を排出するための前記マニホールドに接続されている、[1]または[2]に記載の燃料電池スタック。
本発明によれば、流体用管体と、エンドプレートとの間に空隙が形成されることから、空隙内の空気が断熱材として機能する。このため、流体用管体内を流れる流体からエンドプレートへ伝導する熱量が小さく、エンドプレートを通して外部へ放出される熱量が少ない。このため本発明の燃料電池スタックによれば発電時に発生した熱を効率的に回収することができる。
従来の燃料電池スタックの断面図 実施の形態1の燃料電池スタックの斜視図 実施の形態1の燃料電池スタックの断面図 実施の形態1の燃料電池スタックの拡大断面図 実施の形態1の燃料電池スタックにおける、冷却媒体排出管の斜視図 実施の形態2の燃料電池スタックの断面図 実施の形態2の燃料電池スタックの拡大断面図
本発明の燃料電池スタックは、1)セル積層体と、2)セル積層体に積層されたエンドプレートと、3)エンドプレートに着脱可能に装着された流体用管体とを有する。また、燃料電池スタックは、セル積層体とエンドプレートとの間に集電板を有していてもよい。以下、それぞれの構成要件について説明する。
1.セル積層体について
セル積層体とは、膜電極接合体(membrane electrode assembly;以下「MEA」とも称する)、および膜電極接合体を挟む一対のセパレータからなる単セルの積層体である。また、セル積層体は、セルの積層方向に貫通するマニホールドを有する。マニホールドは、各単セルに燃料ガス、酸化ガス、または冷却媒体の供給または排出を行うための流路である。
MEAは、高分子電解質膜と、高分子電解質膜を挟む燃料極および空気極からなる一対の触媒電極とを有する。触媒電極は、それぞれ高分子電解質膜に接する触媒層と、触媒層に積層されるガス拡散層とを有することが好ましい。
高分子電解質膜は、湿潤状態において、プロトンを選択的に輸送する機能を有する高分子膜である。高分子電解質膜の材料は、水素イオンを選択的に移動させるものであれば特に限定されない。このような材料の例にはフッ素系の高分子電解質膜や炭化水素系の高分子電解質膜などが含まれる。フッ素系の高分子電解質膜の具体的な例には、デュポン社のNafion(登録商標)や旭硝子株式会社のFlemion(登録商標)、旭化成株式会社のAciplex(登録商標)、ジャパンゴアテックス社のGORE−SELECT(登録商標)などが含まれる。
触媒層は、水素または酸素の酸化還元反応を促進する触媒を含む層である。触媒層は、導電性を有し、かつ水素および酸素の酸化還元反応を促進する触媒能を有するものであれば特に限定されない。空気極側の触媒層は、例えば触媒として白金や白金とコバルトとの合金、白金とコバルトとニッケルとの合金など含む。燃料極側の触媒層は、触媒として白金や白金とルテニウムとの合金などを含む。
触媒層は、例えば、これらの触媒を担持させたアセチレンブラックやケッチェンブラック、バルカンなどのカーボン微粒子に、プロトン導電性を有する電解質と撥水性を有するPTFEなどの樹脂を混合し、高分子電解質膜上に塗布することで形成される。
ガス拡散層は、導電性を有する多孔質層である。ガス拡散層の材料は、導電性を有し、かつ反応ガスが拡散できるものであれば特に限定されない。ガス拡散層は、セパレータ側から供給されるガスを触媒層に拡散させるガス拡散基材層と、ガス拡散基材層と触媒層との接触性を向上させるカーボンコート層とから構成されていてもよい。
セパレータは、燃料極と接する面に燃料ガス流路、空気極と接する面に酸化ガス流路を有する導電性の部材である。セパレータがガス流路を有する面は、凹部と凸部を有し、凹部がガス流路を形成する。
セパレータは、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口マニホールド孔および冷却媒体を排出するための冷却媒体出口マニホールド孔を有する。また、セパレータは、燃料ガスを給排気するためのマニホールド孔、および酸化ガスを給排気するためのマニホールド孔を有する。さらにセパレータは、冷却媒体や酸化ガス、燃料ガスなどが漏れないようにするゴム状のシール部を有していてもよい。
2.エンドプレートについて
エンドプレートは、燃料電池スタックの積層方向の端部を構成する部材である。燃料電池スタックは通常、一対のエンドプレートを有し、一対のエンドプレートはセル積層体を挟む。また、エンドプレートは、セル積層体に加える荷重を支持するために高い剛性を有することが好ましい。
本発明の燃料電池スタックでは、エンドプレートがセル積層体の積層方向に沿った貫通孔を有することを特徴とする(図3参照)。貫通孔は、後述する流体用管体が挿入される。エンドプレートは、このような、貫通孔を複数有していてもよい(図3参照)。
エンドプレートの材料は、熱伝導性が低い樹脂であることが好ましい。エンドプレートが熱伝導性の低い材料からなると、後述する流体用管体からエンドプレートに伝導する熱量を減少させ、外部へ放出される熱量を減少させることができるからである。このような材料の例には、ポリフェニレンサルファイドなどの熱可塑性樹脂やフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂などが含まれる。
このように構成された燃料電池スタックでは、セル積層体に荷重を加えることが好ましい。セル積層体に荷重を加える手段は特に限定されないが、例えば、セル積層体、集電板およびエンドプレートからなる積層物(以下単に「積層物」とも称する)に荷重を加え、荷重がかかった状態の積層物を剛性を有する環状バンドで巻き込み、保持することで、セル積層体に荷重を加えてもよい。また、積層物に荷重を加え、荷重がかかった状態の積層物をスタッドとナットとで固定することで、セル積層体に荷重を加えてもよい。セル積層体に荷重を加えることで、セル内およびセル間の接触抵抗を低減し、燃料電池スタックの出力を向上させることができる。
3.流体用管体について
流体用管体とは、セル積層体のマニホールドに接続され、マニホールドに流体を供給または排出するための管体である。上述のように流体用管体は、エンドプレートの貫通孔に取り外し可能に挿入され、エンドプレートを貫通する(図4B参照)。このように、流体用管体がエンドプレートを貫通するので、流体用管体内の流体がエンドプレートに直接接触することはない。ここで、「流体」とは、燃料ガス、酸化ガスまたは冷却媒体を意味する。
すなわち流体用管体は、燃料ガス供給マニホールドへ燃料ガスを供給する燃料ガス供給管;燃料ガス排出マニホールドから燃料ガスを排出する燃料ガス排出管;酸化ガス供給マニホールドへ酸化ガスを供給する酸化ガス供給管;酸化ガス排出マニホールドから酸化ガスを排出する酸化ガス排出管;冷却媒体供給マニホールドへ冷却媒体を供給する冷却媒体供給管;または冷却媒体排出マニホールドから冷却媒体を排出する冷却媒体排出管でありうる。
本発明は、流体用管体の外面のうち、前記貫通孔の内面に対向する面(以下単に「貫通孔対向面」とも称する)の一部が、前記貫通孔の内面と離間していることを特徴とする。このため、本発明では、流体用管体の貫通孔対向面とエンドプレートの貫通孔内面との間に、空隙が形成される。
流体用管体の貫通孔対向面の一部を、エンドプレートの貫通孔内面と離間させるには、流体用管体の貫通孔対向面、またはエンドプレートの貫通孔内面に、凹凸形状を設ければよい。
流体用管体の貫通孔対向面に凹凸形状を設ける場合、流体用管体の貫通孔対向面の凸部の頂面は、貫通孔の内面と接触する。一方、流体用管体の貫通孔対向面の凹部は、貫通孔の内面と離間し、流体用管体の貫通孔対向面と、貫通孔内面との間の空隙を構成する(実施の形態1参照)。
また、流体用管体の貫通孔対向面に凹凸形状を設ける場合、流体用管体の貫通孔対向面が有する凸部の数は、1つであってもよいが、複数であることが好ましい。流体用管体の貫通孔対向面が、貫通孔の内面と接触する複数の凸部を有することで、エンドプレートの貫通孔に挿入された流体用管体がぐらつくことを防止できる。
流体用管体の貫通孔対向面が有する凸部は、流体用管体の貫通孔対向面に形成されたリブを含む。流体用管体の貫通孔対向面に形成されたリブは、流体用管体内を流れる流体の流れる方向に沿うことが好ましい(図5参照)。リブが、流体の流れる方向に沿うことで、流体用管体の強度を確保できるからである。
一方、エンドプレートの貫通孔内面に凹凸形状を設ける場合、貫通孔内面の凹部および凸部の形状は、流体用管体の貫通孔対向面の一部が、貫通孔内面と離間し、流体用管体の貫通孔対向面と貫通孔内面との間に空隙を形成できるのであれば特に限定されない(実施の形態2参照)。
また、エンドプレートの貫通孔内面に凹凸形状を設ける場合、貫通孔内面が有する凸部の数は、1つであってもよいが、複数であることが好ましい。貫通孔内面が、流体用管体の貫通孔対向面と接触する複数の凸部を有することで、エンドプレートの貫通孔に挿入された流体用管体がぐらつくことを防止できる。
流体用管体の材料は、熱伝導性が低い樹脂であることが好ましい。流体用管体が熱伝導
性の低い材料からなると、流体用管体からエンドプレートに伝導する熱量を減少させ、外部へ放出される熱量を減少させることができるからである。このような材料の例には、ポリフェニレンサルファイドなどの熱可塑性樹脂やフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂などが含まれる。
このように、本発明では、流体用管体がエンドプレートを貫通することから、流体用管体を流れる流体が、直接エンドプレートに触れることはない。このため、流れる流体の熱がエンドプレートに伝導しにくい。
さらに、本発明では、流体用管体の貫通孔対向面とエンドプレートの貫通孔内面とが部分的に離間し、流体用管体の貫通孔対向面とエンドプレートの貫通孔内面との間に、空隙が設けられていることから、空隙内の空気が断熱材として機能する。このため、流体用管体が、流体を排出する管体(燃料ガス排出管、酸化ガス排出管または冷却媒体排出管)である場合、流体用管体内を流れる流体に蓄積された熱エネルギが、エンドプレートへ伝導しにくく、エンドプレートを通して外部に放出される熱エネルギが少ない。このため流体に蓄積された熱エネルギを効率的に回収することができる。特に、冷却媒体排出管内の冷却媒体は最も多くの熱エネルギを蓄積していることから、流体用管体は、冷却媒体排出マニホールドに接続された冷却媒体排出管であることが好ましい。
一方、流体用管体が、流体を供給する管体(燃料ガス供給管、酸化ガス供給管または冷却媒体供給管)である場合、流体用管体の貫通孔対向面とエンドプレートの貫通孔内面との間に空隙が設けられていると、エンドプレートから流体用管体に伝導する熱エネルギの量が少ない。このため、熱による影響をうけることなく、流体を流体用管体を通してマニホールドに供給することができる。
以下、本発明の燃料電池スタックの実施の形態について、図面を参照して説明する。
[実施の形態1]
図2は、実施の形態1の燃料電池スタック100の斜視図である。図2に示されるように燃料電池スタック100は、セル積層体101、集電板103、エンドプレート105、環状バンド109を有する。環状バンド109は、セル積層体101、集電板103およびエンドプレート105からなる積層物を巻き込むことで保持する。燃料電池スタック100は、さらに、酸化ガス供給管111、冷却媒体供給管113、燃料ガス供給管115、燃料ガス排出管117、冷却媒体排出管119および酸化ガス排出管121を有する。
図3は、図2に示す燃料電池スタック100の一点鎖線Aによる断面図である。図3に示されるように、セル積層体101は、一対の集電板103によって挟まれ、セル積層体101および集電板103は一対のエンドプレート105によって挟まれる。
図3に示されるように、エンドプレート105は、セル積層体101の積層方向に沿った貫通孔106を有する。また、冷却媒体供給管113はセル積層体101の冷却媒体供給マニホールド102aに接続し、冷却媒体排出管119は、セル積層体101の冷却媒体排出マニホールド102bに接続している。冷却媒体供給管113および冷却媒体排出管119は、それぞれ貫通孔106に取り外し可能に挿入され、エンドプレート105を貫通している。
図4Aは、図3の四角Xの拡大図である。図4Aに示されるように、冷却媒体排出管119の外面のうち、貫通孔106の内面と対向する面は凸部131および凹部133を有する。凸部131の頂面は、貫通孔106の内面と接する。一方、凹部133は貫通孔1
06の内面と離間する。このため、エンドプレート105と冷却媒体排出管119との間には空隙135が形成される。
このように冷却媒体排出管119の貫通孔対向面と、エンドプレート105の貫通孔106の内面との間に、空隙135が設けられていることから、空隙135内の空気が断熱材として機能し、冷却媒体排出管119を流れる熱エネルギを蓄積した冷却媒体からエンドプレート105へ伝導する熱量が低減される。
図4Bは、冷却媒体排出管119がエンドプレート105に装着される様子を示す。図4に示されるように、冷却媒体排出管119は、エンドプレート105の貫通孔106に取り外し可能に挿入されることで、エンドプレート105に装着される。
図5は、冷却媒体排出管119の斜視図である。図5に示されるように冷却媒体排出管119の外面が有する凸部131は、リブである。また、リブ131は、冷却媒体排出管119内を流れる冷媒の流れる方向に沿う。リブ131が、冷媒の流れ方向に沿うことで、より少ない材料で冷却媒体排出管119の強度を確保することができる。冷却媒体排出管119の径Φは、5〜15mmであり、約8mmである。
このように本実施の形態によれば、エンドプレートへ伝導する冷却媒体に蓄積された熱エネルギの量が少なく、エンドプレートを通して外部へ放出される熱量が低減される。このため発電時に発生した熱を効率的に回収することができる。
また、本実施の形態では、主に冷却媒体排出管について説明したが、燃料ガス供給管、燃料ガス排出管、酸化ガス供給管、酸化ガス排出管および冷却媒体供給管も同様の構成を有していてもよい。
[実施の形態2]
実施の形態1では、流体用管体の貫通孔対向面が凹凸形状を有する態様について説明した。実施の形態2では、エンドプレートの貫通孔内面が凹凸形状を有する例について説明する。
図6は、実施の形態2の燃料電池スタック200の断面図である。燃料電池スタック200は、冷却媒体供給管、冷却媒体排出管およびエンドプレートの貫通孔の形状が異なる以外は、実施の形態1の燃料電池スタック100と同じである。実施の形態1と同一の構成部材については、同一の符号を付し、説明を省略する。
図6に示されるように燃料電池スタック200のエンドプレート205は、セル積層体101の積層方向に沿った貫通孔206を有する。また、冷却媒体供給管213および冷却媒体排出管219は、それぞれ貫通孔206に挿入され、エンドプレート205を貫通する。
図7Aは、図6の四角Xの拡大図である。図7Aに示されるように、貫通孔206の内面は、凸部231および凹部233を有する。凸部231の頂面は、冷却媒体排出管219と接する。一方、凹部233は、冷却媒体排出管219と接しない。このため、エンドプレート205と冷却媒体排出管219との間には空隙235が形成される。
図7Bは、冷却媒体排出管219がエンドプレート205に装着される様子を示す。図7Bに示されるように、冷却媒体排出管219は、エンドプレート205の貫通孔206に取り外し可能に挿入されることで、エンドプレート205に装着される。
本実施の形態では、主に冷却媒体排出管について説明したが、燃料ガス供給管、燃料ガス排出管、酸化ガス供給管、酸化ガス排出管および冷却媒体供給管も同様の構成を有していてもよい。
本出願は、2009年3月27日出願の特願2009−080362に基づく優先権を主張する。当該出願明細書に記載された内容は、すべて本願明細書に援用される。
本発明の燃料電池スタックでは、外部へ放出される熱量が少ないことから、家庭用コージェネレーションシステムに利用される燃料電池スタックとして有用である。
100、200 燃料電池スタック
101 セル積層体
102 集電板とエンドプレートとが対向する領域
103 集電板
105、205 エンドプレート
106、206 エンドプレートの貫通孔
109 環状バンド
111 酸化ガス供給管
113、213 冷却媒体供給管
115 燃料ガス供給管
117 燃料ガス排出管
119、219 冷却媒体排出管
121 酸化ガス排出管
131 流体用管体の貫通孔対向面が有する凸部
133 流体用管体の貫通孔対向面が有する凹部
135、235 空隙
231 貫通孔内面が有する凸部
233 貫通孔内面が有する凹部

Claims (3)

  1. 膜電極接合体、および前記膜電極接合体を挟むセパレータからなる単セルを積層したセル積層体であって、前記積層された単セルに流体を供給または排出するためのマニホールドを有するセル積層体と、
    前記セル積層体に積層され、かつ前記セル積層体の積層方向に沿った貫通孔を有するエンドプレートと、
    前記エンドプレートの前記貫通孔に取り外し可能に挿入され、前記エンドプレートを貫通し、かつ前記マニホールドに接続された流体用管体と、を有する燃料電池スタックであって、
    前記流体用管体の外面のうち、前記貫通孔の内面に対向する面の一部は、前記貫通孔の内面と離間し、
    前記流体用管体の外面のうち、前記貫通孔の内面に対向する面は凹凸形状を有し、前記流体用管体の外面の凸部の頂面は、前記貫通孔の内面に接触するか、または
    前記貫通孔の内面は凹凸形状を有し、前記貫通孔の内面の凸部の頂面は、前記流体用管体の外面に接触する、燃料電池スタック。
  2. 前記凸部はリブを含み、
    前記リブは、前記流体用管体内を流れる流体の流れる方向に沿う、請求項に記載の燃料電池スタック。
  3. 前記流体用管体は、冷却媒体を排出するための前記マニホールドに接続されている、請求項1に記載の燃料電池スタック。
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