JP5301785B2

JP5301785B2 - 燃料電池スタック

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Publication number: JP5301785B2
Application number: JP2007084889A
Authority: JP
Inventors: 保則吉本; 純史上田
Original assignee: JXTG Nippon Oil and Energy Corp
Current assignee: Eneos Corp
Priority date: 2007-03-28
Filing date: 2007-03-28
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2027-03-28
Also published as: JP2008243695A

Description

本発明は、複数の単セルが積層された燃料電池スタックに関し、特に燃料電池スタックを安定的に動作させる技術に関する。

近年、エネルギー変換効率が高く、かつ、発電反応により有害物質を発生しない燃料電池が注目を浴びている。こうした燃料電池の一つとして、１００℃以下の低温で作動する固体高分子形燃料電池が知られている。また、所望の起電力を得るため、燃料電池を構成する単セルが直列方向に複数積層された固体高分子形燃料電池スタックも知られている。

固体高分子形燃料電池スタックが備える単セルは、固体高分子膜の一方の面にアノード、他方の面にカソードが接合された膜電極接合体（以下、「ＭＥＡ」と表記する）を、ＭＥＡのアノードに対向して燃料流路を設けたアノード側セパレータと、ＭＥＡのカソードに対向して酸化剤流路を設けたカソード側セパレータとで挟んで構成されている。固体高分子形燃料電池スタックは、これら単セルと単セル間に介在する冷却プレートとを複数積層することにより形成された積層体と、この積層体を締め付けるように積層体の両端に設けられた端板とを備える。

このような固体高分子形燃料電池スタックにおいて、スタックの両端部に位置する単セルは、片側が集電板に接触した状態で保持されているため、両側に単セルが積層されスタックの内側に位置する単セルと比べて、集電板と接触している側から熱伝導により放熱される割合が大きくなる。このため、スタックの両端部に位置する単セルの温度は他の部分に位置する単セルの温度より低くなる傾向がある。

セルの温度が低下すると、アノード側セパレータ又はカソード側セパレータの流路を流れる反応ガス中の水蒸気が流路内で凝縮する。水蒸気が凝縮してできた凝縮水は、反応ガスの流れを阻害し、電池性能の低下を引き起こす。そのため、スタックの両端部に位置する単セルは、スタックの他の部分に位置する単セルと比較して温度が低下しやすく凝縮水が発生しやすいので電池性能の低下を招きやすい。

そこで、スタックの端部に位置する単セルにおいて凝縮水が滞留しにくいような技術が求められている。この種の技術として、特許文献１では、スタックの端部に位置する単セルのカソード側ガス流路の圧力損失を、スタックの他の部分に位置する単セルのカソード側ガス流路の圧力損失よりも小さくした固体高分子形燃料電池スタックが開示されている。また、特許文献２には、燃料ガスや酸化ガスの供給口から遠い末端近傍に、通常の単セルに比べて圧力損失の小さな単セルを積層した燃料電池スタックが開示されている。
特開２００１−３５７８６９号公報特開２００４−１７９０６１号公報

しかしながら、特許文献１や特許文献２に記載の燃料電池スタックは、圧力損失を場所によって変えるために、ガス流路における溝深さやリブの断面積などの形状が異なる複数種類のセパレータを必要とするため、製造コストの上昇を招く。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡易な構成で燃料電池スタックの端部における圧力損失を抑制し、燃料電池スタックを安定的に動作させる技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の燃料電池スタックは、固体高分子電解質膜の一方の面にカソードと、他方の面にアノードを接合したセルユニットと、このセルユニットの両面に配され、酸化剤ガス又は燃料ガスを流通するためのガス流路を有するセパレータとを備える単セルが、複数積層された燃料電池スタックであって、複数の前記単セルのうち、燃料電池スタックの端部領域に位置する端部単セルのセパレータのガス流路の表面の平均粗さが、前記端部単セルより内側の領域に位置する内側単セルのセパレータのガス流路の表面の平均粗さよりも大きく、前記端部単セルのセパレータのガス流路の表
面の平均粗さRaが0.5〜2.0μmであり、前記内側単セルのセパレータのガス流路の表面の平均粗さRaが0.3〜1.5μmであることを特徴とする。

この態様によると、複数の単セルが積層された燃料電池スタックにおいて、端部の単セルは、水が滞留しにくくなるようにセパレータのガス流路の表面が処理されている。そのため、温度低下が比較的大きく凝縮水が発生しやすい端部の単セルにおける圧力損失を抑制することができる。その結果、燃料電池スタックが備える複数の単セルそれぞれへのガスの供給が均一化され、各単セルでの出力の差が低減される。ここで、水が滞留しにくい表面状態とは、凝縮した水にかかるガスの流れや重力などの力に抗して水がそこに滞留しようとする力、例えばガス流路の表面と水との付着力、が小さい状態ととらえることができる。また、水が滞留しにくい表面状態であるか否かは、端部単セルと内側単セルのそれぞれにおいてガス流路表面と水との親和性が異なっていることが原因ととらえることもできる。なお、水が滞留しにくい状態に処理されている端部単セルは、必ずしも一つに限るものではなく、温度低下の影響が生じる複数の単セルであってもよい。端部単セルのセパレータのガス流路の表面の平均粗さは、内側単セルのセパレータのガス流路の表面の平均粗さよりも大きい。これにより、端部単セルで凝縮水が発生しても、ガスの流れや重力などの力により凝縮水が排出されやすくなるので、端部単セルにおける圧力損失を抑制することができる。端部単セルのセパレータのガス流路の表面の平均粗さRaが0.5〜2.0μmであり、内側単セルのセパレータのガス流路の表面の平均粗さRaが0.3〜1.5μmであることが好ましい。

本発明によれば、簡易な構成で燃料電池スタックの端部における圧力損失を抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。

（セルの概略構造）
図１は、本実施の形態に係る燃料電池スタックに用いられる単セルの構造を説明するための分解斜視図である。

本実施の形態に係る燃料電池スタックは、固体高分子電解質膜を電解質層として用い、固体高分子電解質膜の一方の面にアノードと、他方の面にカソードを設け、水素を含む燃料ガス（水素リッチガス）及び酸素を含む酸化剤ガス（空気）を供給して電気化学反応に
より起電力を得るものである。

この固体高分子型燃料電池の基本となる単セル１０のセル構造は、図１に示すように固体高分子電解質膜１２の一方の面にアノード１４と、他方の面にカソード１６とを接合してセルユニット１８が構成され、このセルユニット１８の両側にセパレータ２０，２２をそれぞれ配して単セル１０が構成される。

前記固体高分子電解質膜１２は、例えばスルホン酸基を有するポリスチレン系陽イオン交換膜をカチオン導電性膜としたもの、フロロカーボンスルホン酸とポリビニリデンフロライドの混合膜、フロロカーボンマトリックスにトリフロロエチレンをグラフト化したもの、及びパーフロロカーボンスルホン酸膜（デュポン社製Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）膜）等が知られている。これら固体高分子電解質膜１２は、分子中にプロトン交換基を有しており、含水量を飽和させると比抵抗が常温で２０Ωｃｍ^２以下となり、プロトン導電性電解質として機能する。

アノード１４は、アノード触媒層１４ａとガス拡散層１４ｂとこれらの間に介在する混合物層１４ｃとから構成される。カソード１６は、カソード触媒層１６ａとガス拡散層１６ｂとこれらの間に介在する混合物層１６ｃとから構成される。固体高分子電解質膜１２の一方の面にアノード１４と、他方の面にカソード１６が配置され、ホットプレスされることにより電極／高分子膜接合体であるセルユニット１８が形成される。

具体的には、（１）ガス拡散層１４ｂ，１６ｂとして用いるカーボンペーパー（東レ社製：ＴＧＰ−Ｈ０６０）を所定寸法にカットする。

（２）このカーボンペーパーを、水と混合して比重調整を行ったＦＥＰ（テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体）ディスパージョンに浸漬し、その後、乾燥し、３８０℃、１時間熱処理してガス拡散層１４ｂ，１６ｂを作製する。

（３）比表面積２００〜３００ｍ^２／ｇのカーボンブラック粉末１０ｇと６０重量％ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）ディスパージョン１６．７ｇを、数ｃｃの界面活性剤を添加したテルピネオールを分散剤として混合し、ペーストを作成する。

（４）上記（２）で作製したガス拡散層１４ｂ，１６ｂの表面に上記（３）で作製したペーストを塗布する。

（５）ペーストを塗布したガス拡散層１４ｂ，１６ｂを乾燥後、３６０℃で１時間熱処理して混合物層１４ｃ，１６ｃを設けたカーボンペーパー（ガス拡散層１４ｂ，１６ｂ）を作製する。

（６）上記（５）で熱処理を終了したカーボンペーパー（ガス拡散層１６ｂ）の混合物層１６ｃの上に白金担持カーボン（担体カーボンの比表面積２００〜３００ｍ^２／ｇ）と固体高分子からなる触媒層１６ａを形成してカソード１６を完成させる。

（７）固体高分子電解質膜１２（デュポン社製：Ｎａｆｉｏｎ１１２（登録商標））の一方の面に同様の方法で作製したアノード１４と、他方の面に上記（６）で得たカソード１６を配置し、ホットプレスすることによりセルユニット１８を得る。

単セル１０のセパレータ２０，２２は、内面側にガス流路２０ａ，２２ａが、外面側に冷却水流路２２ｂ、２２ｂがそれぞれ設けられている。アノード１４側のセパレータ２０のガス流路２０ａには水素を含む燃料ガス（水素リッチガス）が、カソード１６側のセパレータ２２のガス流路２２ａには酸素を含む酸化剤ガス（空気）がそれぞれ供給される。

このようにガスが供給されると、アノード１４では、下記の式（１）に示すように、水素分子を水素イオンと電子に分解するアノード反応が、カソード１６では、下記の式（２）に示すように、酸素と水素イオンと電子とから水を生成する電気化学反応がそれぞれ行われる。そして、アノード１４からカソード１６に向かって外部回路を移動する電子により起電力が生じるとともに、カソード１６側に水が生成される（式（３））。すなわち、次のような電気化学反応が行われる。

固体高分子電解質膜１２は、上記のように含水状態に保持することによって導電性を適正に発揮するため、加湿して一定の水分を含ませた燃料ガス及び／又は酸化剤ガスが供給され、この加湿水分によって湿潤されている。また、固体高分子電解質膜１２の比抵抗を小さくして発電効率を高く維持するために、燃料電池スタックは、通常５０〜１００℃で運転される。しかし、燃料電池スタックが備える単セル１０は、前述の電気化学反応に伴う発熱により温度が高温にならないように、セパレータ２０，２２の冷却水流路２０ｂ，２２ｂに冷却水が供給され、前述の所定の運転温度に保持されている。

図２は、本実施の形態に係る燃料電池スタックの概略構成を示す側面図である。単セル１０の起電力は少量であるため、本実施の形態に係る燃料電池スタック１００は、図２に示すように複数の単セル１０が直列方向に積層されている。燃料電池スタック１００は、積層された単セル１０の両側に集電板２４，２６が配置されているとともに、集電板２４，２６の外側に電気絶縁板２８，３０が配置され、更に電気絶縁板２８，３０の外側に締付板３２，３４が配置されている。そして、燃料電池スタック１００は、締付板３２，３４がボルト３６とナット３８で締め付けられることで、積層された単セル１０が固定される。なお、皿ばね４０は、燃料電池スタック１００に適度の締め付け力を付与している。

上記構成の固体高分子形の燃料電池スタック１００において、燃料電池スタック１００の両端部に位置する端部単セル１０Ａは、片側端面を集電板２４，２６に接触させた状態で保持されているため、燃料電池スタックの内側領域にある内側単セル１０Ｂのように、両側に単セルを配して積層された単セルと比べて、側面より熱伝導により放熱される割合が大きくなる。このため、燃料電池スタック１００の両端部に位置する端部単セル１０Ａの温度は、他の部分に位置する内側単セル１０Ｂの温度より低くなる傾向がある。

このように燃料電池スタック１００の両端部に位置する端部単セル１０Ａの温度が低くなると、端部単セル１０Ａのカソード１６では、電極反応生成水及びアノード１４からの移動水の蒸気圧が低下し、カソード触媒層１６ａ又はガス拡散層１６ｂに凝縮水が発生しやすい状況となる。このような凝縮水がガス流路に滞留すると、供給されるガスの流れの妨げとなり、電池性能の低下を招く場合がある。

そこで、本実施の形態に係る燃料電池スタック１００では、複数の単セルのうち、スタックの両端部に位置する端部単セル１０Ａのセパレータのガス流路の表面が、内側単セル１０Ｂのセパレータのガス流路の表面よりも水が滞留しにくい表面状態に処理されている。そのため、例えばガスの流れにより端部単セル１０Ａにおける水は排出されやすくなり、滞留による圧力損失を抑制することができる。その結果、燃料電池スタック１００が備える複数の単セルそれぞれへのガスの供給が均一化され、各単セルでの出力の差が低減されるため、電池性能が安定化される。

以下に、端部単セル１０Ａのセパレータのガス流路の表面が、内側単セル１０Ｂのセパレータのガス流路の表面よりも水が滞留しにくい表面状態に処理する具体的な方法として、端部単セル１０Ａのセパレータのガス流路の表面を、内側単セル１０Ｂのセパレータのガス流路の表面の平均粗さよりも大きな平均粗さとなるように処理する場合について説明する。

（実施例）
所定の粒度を有する砥粒を用いて、所定のノズル圧の条件下、サンドブラストにより、セパレータ２０，２２のガス流路２０ａ，２２ａに表面処理を施した。そして、これらの条件を調整することで表面粗さが異なるセパレータを製造することができる。本実施例においては、端部単セル１０Ａに用いるセパレータは、ガス流路表面の算術平均粗さＲａが１．５μｍのものが選択され、内側単セル１０Ｂに用いるセパレータは、ガス流路表面の算術平均粗さＲａが１．３μｍのものが選択されている。なお、算術平均粗さは、ＪＩＳＢ０６０１−１９９４の規格に準じて測定されたものである。

本実施の形態に係る燃料電池スタック１００は、単セルを５０個積層した燃料電池スタックであり、本実施例では、表１に示すように、両端３セル分の端部単セル１０Ａのセパレータのガス流路の表面の平均粗さ１．５μｍは、中央部４４セル分の内側単セル１０Ｂのセパレータのガス流路の表面の平均粗さ１．３μｍよりも大きくなっている。このような実施例と比較するために、表１に示すように、全部の単セルのセパレータのガス流路の表面の平均粗さＲａが１．３μｍとなっている燃料電池スタックを比較例として作製した。なお、端部単セル１０Ａとして表面状態を異ならせる単セルの数は、本実施例のように温度低下による電圧低下の影響がある複数の単セルであってもよいし、一つの単セルであってもよい。また、必ずしも両端部の単セルを表面処理するのではなく、比較的水が滞留しやすい方の片側端部の単セルのみを表面処理してもよい。

また、必ずしもセルの全てのガス流路を表面処理するのではなく、セルの一部分のガス流路を表面処理してもよい。また、両端部の複数の単セルを表面処理する場合、複数の単セル全てを同じ表面処理で行ってもよいが、複数の単セルの一部の単セルの表面処理をその他の単セルの表面処理と異ならせてもよい。例えば、最も外側に位置する端部単セルから内側の端部単セルになるにつれ、ガス流路の表面の平均粗さが徐々に小さくなるように段階的に表面処理を異ならせてもよい。

次に、実施例に係る５０セルスタックである燃料電池スタック１００と、比較例に係る５０セルスタックである燃料電池スタックとのセル電圧分布試験を行った。図３は、燃料利用率９０％での実施例と比較例との性能比較結果を示したグラフである。図４は、空気利用率９０％での実施例と比較例との性能比較結果を示したグラフである。なお、図３に示す試験では、空気利用率は５５％であり、図４に示す試験では、燃料利用率は７５％であり、いずれの試験でも電圧が安定する条件にしている。

図３、図４に示すとおり、実施例に係る燃料電池スタック１００は、全体として各単セルがほとんど同じ電圧となり、安定した電池性能を発揮していることがわかる。これに対して比較例では、端部単セル１０Ａであるセル番号１〜３のセル電圧及びセル番号４８〜５０が、その他の内側単セル１０Ｂであるセル番号４〜４７のセル電圧と比べて低下していた。

このことから、実施例では、両端部に位置する端部単セル１０Ａの表面粗さを内側単セル１０Ｂの表面粗さより大きくしたことで、端部単セル１０Ａで温度低下による凝縮水が発生しても、ガスの流れや重力などの力により凝縮水が排出されやすくなるので、水の滞留が生じにくくなっている。その結果、燃料電池スタック端部での圧力損失の上昇による電池性能の低下が顕著に改善されていることがわかる。

より具体的には、サンドブラストにより処理された端部単セル１０Ａおよび内側単セル１０Ｂの表面粗さは、それぞれ表２に示す範囲で、かつ、端部単セル１０Ａの表面粗さが内側単セル１０Ｂの表面粗さより大きくなる範囲で適宜選択するとよい。

また、端部単セル１０Ａのセパレータのガス流路の表面が、内側単セル１０Ｂのセパレータのガス流路の表面よりも水が滞留しにくい状態に処理する他の方法として、端部単セル１０Ａのセパレータのガス流路の表面を、内側単セル１０Ｂのセパレータのガス流路の表面よりも撥水性が高くなるように撥水化処理してもよい。撥水性が高いとは、例えばセパレータと水との接触角が大きいことをいう。

例えば、含フッ素重合体によって、端部単セル１０Ａのセパレータのガス流路の表面を被覆してもよい。使用される含フッ素重合体は、具体的には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン／ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン／パーフルオロ（アルキルビニルエーテル）共重合体（ＰＦＡ）等の溶媒に不溶のものが好適である。

より具体的には、端部単セル１０Ａおよび内側単セル１０Ｂは、それぞれの表面の接触角が、表３に示す範囲で、かつ、端部単セル１０Ａの接触角が内側単セル１０Ｂの接触角より大きくなるように撥水化処理されているとよい。なお、接触角は、常温、常圧下で水を用いて測定した。

これにより、凝縮した水にかかるガスの流れや重力などの力に抗して水がそこに滞留しようとする力、例えばガス流路の表面と水との付着力を小さくすることができる。そのため、ガス流路で凝縮水が発生しても、少ないガスの流れで、凝縮水を排出することができる。その結果、燃料電池スタック端部での圧力損失の上昇による電池性能の低下を抑制することができる。

また、端部単セル１０Ａのセパレータのガス流路の表面を、内側単セル１０Ｂのセパレータのガス流路の表面よりも親水性が高くなるように親水化処理されていてもよい。例えば、常圧プラズマ表面処理装置により、酸素ガスや窒素ガスを所定の流量で供給しながら、所定の電極移動速度にて表面処理を施すことで、親水化処理を行ってもよい。ここで、親水性が高いとは、例えばセパレータと水との接触角が小さいことをいう。

より具体的には、端部単セル１０Ａおよび内側単セル１０Ｂは、それぞれの表面の接触角が、表４に示す範囲で、かつ、端部単セル１０Ａの接触角が内側単セル１０Ｂの接触角より小さくなるように親水化処理されているとよい。なお、接触角は、常温、常圧下で水を用いて測定した。

これにより、端部単セルのガス流路で凝縮水が発生しても、ガス流路の表面に薄く広がるので、ガスの流動抵抗が少なくなり、圧力損失が低減される。その結果、燃料電池スタック端部での圧力損失の上昇による電池性能の低下を抑制することができる。

また、端部単セル１０Ａのセパレータのガス流路の形状と、内側単セル１０Ｂのセパレータのガス流路の形状とが実質的に同じであるとよい。これにより、例えば、セパレータを金型で作成する場合、端部単セル１０Ａ及び内側単セル１０Ｂのいずれのセパレータであっても同じ金型で製造することができるので、燃料電池スタック１００の製造コストを低減することができる。

また、前述のようにセパレータの表面状態を、端部単セル１０Ａと内側単セル１０Ｂとで異ならせることで、燃料電池スタック１００を作製する際に、端部単セル１０Ａと内側単セル１０Ｂとを間違って組み付けることを防止することができる。

以上、本発明を上述の実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて各実施の形態における燃料電池スタックの製造方法の順番を適宜組み替えることや、単セルやセルユニットにおいて各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。

本実施の形態に係る燃料電池スタックに用いられる単セルの構造を説明するための分解斜視図である。本実施の形態に係る燃料電池スタックの概略構成を示す側面図である。燃料利用率９０％での実施例と比較例との性能比較結果を示したグラフである。空気利用率９０％での実施例と比較例との性能比較結果を示したグラフである。

符号の説明

１０単セル、１０Ａ端部単セル、１０Ｂ内側単セル、１２固体高分子電解質膜、１４アノード、１６カソード、１８セルユニット、２０セパレータ、２０ａガス流路、２０ｂ冷却水流路、２２セパレータ、２２ａガス流路、２２ｂ冷却水流路、２４集電板、２８電気絶縁板、１００燃料電池スタック。

Claims

固体高分子電解質膜の一方の面にカソード、他方の面にアノードを接合したセルユニットと、
このセルユニットの両面に配され、
酸化剤ガス又は燃料ガスを流通するためのガス流路を有するセパレータとを備える単セルが、
複数積層された燃料電池スタックであって、
複数の前記単セルのうち、
燃料電池スタックの端部領域に位置する端部単セルのセパレータのガス流路の表面の平均粗さが、前記端部単セルより内側の領域に位置する内側単セルのセパレータのガス流路の表面の平均粗さよりも大きく、前記端部単セルのセパレータのガス流路の表面の平均粗さRaが0.5〜2.0μmであり、前記内側単セルのセパレータのガス流路の表面の平均粗さRaが0.3〜1.5μmであることを特徴とする燃料電池スタック。
前記端部単セルのセパレータのガス流路の表面及び前記内側単セルのセパレータのガス流路の表面は、サンドブラストにより処理されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック。