JP5354023B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、単セルを複数積層した構成を有する燃料電池スタックに関するものである。

燃料電池スタックは、通常、電解質膜と電解質膜の両面に配置される電極触媒層とを含む発電体とセパレータを含む単セルを複数積層した積層体として構成されている。この燃料電池スタックでは、積層体の両端に集電板、絶縁板、エンドプレートの順に積層して、１対のエンドプレートを締結部材にて締結することにより、積層状態を保持する。エンドプレートは、発電をしないため発熱せず、また大部分が大気に触れているため、燃料電池の運転中も放熱して自然に冷却される。そのため、積層体の端部に位置するいくつかの単セルは、熱伝導により冷却され、フラッディングが生じるという問題があった。

このような問題に対して、燃料電池スタックの運転中にヒータを用いて燃料電池スタックの温度分布を平準化する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平８−３０６３８０号公報 特開２００５−１５８４３１号公報

しかしながら、ヒータを設ける構成にすると、燃料電池スタックの全体寸法が大きくなるという問題があった。そのため、燃料電池スタックの大型化を抑制しつつ、フラッディングを抑制したいという要望があった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］ 燃料電池スタックであって、
電解質膜と前記電解質膜の両面に配置される電極触媒層とを含む発電体を、前記電極触媒層に反応ガスを供給する流路を供えるセパレータを介して複数積層して構成される積層体と、
前記積層体の両端に配置され、前記積層体にて発電された電気を集めて外部に取り出すための集電板と、
を備え、
前記セパレータおよび前記集電板には、アノード排ガスを排出するためのアノード排ガス排出孔と、カソード排ガスを排出するためのカソード排ガス排出孔と、前記積層体の温度を略一定に保つための媒体を前記積層体内に供給するための媒体供給孔とのうち少なくとも一つが形成され、
前記積層体のアノード側の端に配置されるアノード側集電板において、
前記集めた電気の少なくとも一部を外部に取り出すための出力端子は、前記アノード排ガス排出孔、前記カソード排ガス排出孔、および前記媒体供給孔の少なくとも１つの近傍に設けられる燃料電池スタック。

カソード排ガス排出孔、アノード排ガス排出孔、媒体供給孔付近では、フラッディングが生じやすい。特に、アノード側でフラッディングが生じると、触媒の劣化が生じるおそれがある。出力端子は、電気を取り出す際の電気抵抗により発熱する。したがって、アノード側集電板において、カソード排ガス排出孔、アノード排ガス排出孔、媒体供給孔の少なくとも１つの近傍に出力端子を設けることによって、フラッディングが生じやすい部分を加熱することができ、フラッディングを抑制することができる。このようにすることによって、燃料電池スタックの大型化を抑制しつつ、フラッディングを抑制することができる。

［適用例２］ 適用例１記載の燃料電池であって、
前記アノード側集電板は、前記出力端子の近傍の単位長さあたりの電気抵抗が部分的に残余の部分よりも大きい燃料電池。

このようにすると、フラッディングが生じやすい部分における発熱量が大きくなるため、より良好にフラッディングを抑制することができる。

［適用例３］ 適用例２記載の燃料電池であって、
前記出力端子の近傍の板厚を部分的に残余の部分よりも薄く形成することにより単位長さあたりの電気抵抗を大きくする燃料電池。

このようにすると、容易に電気抵抗を大きくすることができる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、上記燃料電池スタックを備える燃料電池システム、その燃料電池システムを備える車両等の形態で実現することができる。

本発明の第１の実施例としての燃料電池スタックの概略構成を示す平面図である。 単セルの断面構成を概略的に示す説明図である。 アノード側集電板の概略平面構成を示す平面図である。 燃料電池スタックにおけるセルの位置と温度の関係を示すグラフである。 燃料電池スタックの温度の時間変化を示すグラフである。 第２の実施例におけるアノード側集電板の構成を概略的に示す図である。 変形例１のアノード側集電板の概略構成を示す平面図である。 変形例２のアノード側集電板の概略構成を示す平面図である。

Ａ．第１の実施例：
Ａ１．燃料電池スタックの構成：
図１は、本発明の第１の実施例としての燃料電池スタック１００の概略構成を示す平面図である。燃料電池スタック１００は、酸化ガスとしての空気と燃料ガスとしての水素とを用いて発電を行う固体高分子型の燃料電池である。燃料電池スタック１００は、シール部材一体型ＭＥＡをセパレータで挟持して構成される単セル４０が複数積層された積層体４００を有する。そして、積層体のアノード側の端にアノード側集電板３０、絶縁板２０、エンドプレート１０が積層され、カソード側の端に、同様に、カソード側集電板５０、絶縁板６０、エンドプレート７０が積層される。燃料電池スタック１００は、図示を省略したが、テンションプレート等により、積層方向に所定の押圧力がかかった状態で締結されて保持されている。単セル４０の積層数は、燃料電池スタック１００に要求される出力に応じて任意に設定可能である。なお、図１において、アノード側集電板３０、カソード側集電板５０の間に配置される複数の単セル４０のうち、一部について符号を記載し、他を省略している。

燃料電池スタック１００には、燃料電池スタック１００の積層方向に貫通するアノードガス供給マニホールド、アノード排ガス排出マニホールド、カソードガス供給マニホールド、カソード排ガス排出マニホールド、冷却水供給マニホールド、冷却水排出マニホールドが設けられている。これらのマニホールドは、上記したシール部材一体型ＭＥＡ、セパレータ、エンドプレート１０、７０、絶縁板２０、６０、アノード側集電板３０、カソード側集電板５０が積層されることにより、それぞれに設けられた貫通孔によって構成される。本実施例において、冷却媒体として、冷却水を用いているが、エチレングリコーリル、プロピレングリコール等の他の冷却媒体を用いてもよい。

エンドプレート１０、７０は、剛性を確保するため、鋼等の金属によって形成されている。アノード側集電板３０、カソード側集電板５０は、ステンレス鋼を用いているが、ステンレス鋼に代えて、チタンやアルミニウム等、他の金属や、緻密カーボン等、ガス不透過な導電性部材を用いてもよい。絶縁板２０、６０は、ゴムや樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。アノード側集電板３０、５０には、それぞれ出力端子３９、５９が設けられており、燃料電池スタック１００で発電した電力を出力可能となっている。

図２は、単セル４０の断面構成を概略的に示す説明図である。単セル４０は、シール部材一体型ＭＥＡ４２の両面に、アノード側セパレータ４４、カソード側セパレータ４６がそれぞれ配置されている。

シール部材一体型ＭＥＡ４２は、外形が略矩形状のＭＥＡ４２１の外周に、枠状のシール部材４２２が、ＭＥＡ４２１と一体的に形成されている。ＭＥＡ４２１は、電解質膜４２３の一方の面にアノード４２４、アノード側拡散層４２５の順に積層され、他方の面にカソード４２６、カソード側拡散層４２７の順に積層されて構成される。

本実施例において、電解質膜４２３としては、フッ素系樹脂により形成された高分子電解質膜を用いている。アノード４２４およびカソード４２６としては、触媒として白金および白金合金を担持したカーボン担体より形成された電極を用いている。アノード側拡散層４２５およびカソード側拡散層４２７としては、撥水加工が施されたカーボンフェルトを用いている。本実施例では、排水性を高めるために、アノード側拡散層４２５、２１６ｃに撥水加工を施しているが、撥水加工が施されていない構成にしてもよい。シール部材４２２は、シリコーンゴムを用いて射出成型により形成されている。シール部材一体型ＭＥＡ４２を構成する各部の材料は、本実施例に限定されず、周知の種々の材料を用いてもよい。

アノード側セパレータ４４のアノード側拡散層４２５と当接する面には、アノードガスを、アノード側拡散層４２５の面方向に分配して流すためのアノードガス流路４４１が形成されており、他方の面には冷却水を流すための冷却水流路４４２が形成されている。一方、カソード側セパレータ４６のカソード側拡散層４２７と当接する面には、カソードガスを、カソード側拡散層４２７の面方向に分配して流すためのカソードガス流路４６１が形成されている。本実施例において、アノード側セパレータ４４およびカソード側セパレータ４６は、ステンレス鋼を用いている。セパレータの材料は本実施例に限定されず、チタンやアルミニウム等、他の金属や、緻密カーボン等、ガス不透過な導電性部材を用いてもよい。

なお、セパレータの構成は、本実施例に限定されず、種々の構成のセパレータを用いることができる。例えば、１枚のセパレータの両面にアノードガス流路とカソードガス流路がそれぞれ形成される構成としてもよい。ガス流路として多孔体を用い、多孔体と対向する平滑面を備え、内部に冷却水流路を備える３層構成のセパレータを用いてもよい。

図３は、アノード側集電板３０の概略平面構成を示す平面図である。アノード側集電板３０は、集電部３８と出力端子３９とを備える。集電部３８は、外形が単セル４０の外形と同一の略矩形状を成す平板状であり、その周縁部には、上記したアノードガス供給マニホールド、アノード排ガス排出マニホールド、カソード排ガス排出マニホールド、カソードガス供給マニホールド、冷却水供給マニホールド、冷却水排出マニホールドを構成する、アノードガス供給用貫通孔３３、アノード排ガス排出用貫通孔３４、カソードガス供給用貫通孔３１、カソード排ガス排出用貫通孔３２、冷却水供給用貫通孔３５、冷却水排出用貫通孔３６が形成されている。

出力端子３９は、例えば、二次電池や、車両を走行させるための駆動モータなどの外部負荷装置と電気的に接続され、燃料電池スタック１００で発電された電気を取り出して外部負荷に供給するための端子である。出力端子３９は、アノード排ガス排出用貫通孔３４の近傍であり、かつカソード排ガス排出用貫通孔３２の近傍であり、かつ冷却水供給用貫通孔３５の近傍に設けられている。

出力端子３９は、集電部３８に比べて断面積が小さいため、燃料電池スタック１００で発電された電気を取り出す際に発熱する熱量が、集電部３８よりも大きい。したがって、本実施例のアノード側集電板３０では、集電部３８の平面内において、出力端子３９の近傍は、他の領域よりも温度が高くなる。

本実施例において、カソード側集電板５０における出力端子５９も、アノード側集電板３０と同様の箇所に設けられている。

Ａ２．実施例の効果：
本実施例の効果を比較例と比較して図４、５に基づいて説明する。本実施例における燃料電池スタック１００では、アノード側集電板３０における出力端子３９が、アノード排ガス排出用貫通孔３４の近傍に設けられているのに対して、比較例の燃料電池スタックでは、アノード側集電板における出力端子が、アノードガス供給用貫通孔３３の近傍に設けられている。すなわち、実施例における出力端子３９は、図３において破線で囲んで示す領域Ｆの近傍に配置されているのに対し、比較例の出力端子は、領域Ｆの近傍に配置されていない。比較例のカソード側集電板における出力端子も、アノード側集電板と対応する位置に配置されている。比較例の燃料電池スタックは、出力端子の配置が本実施例の燃料電池スタック１００と異なる以外は、本実施例の燃料電池スタック１００の構成と同一の構成を有する。

図４は、燃料電池スタックにおけるセルの位置と温度の関係を示すグラフである。図５は、燃料電池スタックの温度の時間変化を示すグラフである。温度は、全ての単セルおよび集電板において領域Ｆに対応する領域にて測定している。図４、５では、本実施例の燃料電池スタック１００における温度変化を実線、比較例の燃料電池スタックにおける温度変化を破線で示す。

本実施例の燃料電池スタック１００の運転中および運転直後は、アノード側集電板３０およびカソード側集電板５０における領域Ｆの温度が比較例よりも高く、積層体の端部付近の単セルの温度が高くなっている（図４、５）。そのため、本実施例の燃料電池スタック１００では、比較例よりもフラッディングを抑制することができる。

一般に、燃料電池スタックにおいて、アノード排ガス排出用貫通孔、カソード排ガス排出用貫通孔、冷却水供給用貫通孔の近傍に水（水蒸気、液水を含む）が溜まりやすい。すなわち、単セル内部において、領域Ｆに対応する領域に水が溜まりやすい。本実施例の燃料電池スタック１００では、水が溜まりやすい領域Ｆの近傍に出力端子３９が設けられているため(図３)、フラッディングが効果的に抑制されると考えられる。

また、本実施例の燃料電池スタック１００によれば、アノード側集電板３０の近くに配置される単セル４０のアノードにおける触媒の劣化を抑制することができる。その理由は、以下の通りと考えられる。

単セル４０のアノード側においてフラッディングが生じると、フラッディングが生じている部分には水素が供給されないため、触媒中の炭素と水からプロトンを生成する反応（Ｃ＋２Ｈ₂０→ＣＯ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-）が起き、触媒が劣化するおそれがある。一般に、燃料電池スタックにおいて、アノード側集電板付近の単セルでは、アノード側がカソード側よりも低温になるため(図４)、カソード側からアノード側に水が移動し、アノード側においてフラッディングが生じる。カソード側集電板付近の単セルでは、アノード側におけるフラッディングは生じにくい。

本実施例の燃料電池スタック１００では、アノード側集電板３０の出力端子３９を領域Ｆの近傍に設けることによって、アノード側集電板３０の領域Ｆの温度を比較例よりも上げて、アノード側集電板３０の近くの単セルにおける電極間の温度差を比較例よりも小さくしている（図４、５）。その結果、アノード側集電板３０の近くの単セルでは、カソード側からアノード側への水の移動が抑制され、アノード側でのフラッディングが抑制される。したがって、アノード側における水素の欠乏による触媒の劣化を抑制することができる。

なお、燃料電池スタック１００において、カソード側集電板５０の近くの単セルでは、カソード側に水が多く存在する。カソード側でフラッディングが生じると空気が供給されないため、セル電圧が低下するおそれがある。これに対して、本実施例では、カソード側集電板５０においても、出力端子５９をフラッディングが生じやすい領域の近傍に設けているため、カソード側におけるフラッディングが抑制され、セル電圧の低下を抑制することができる。

さらに、本実施例の燃料電池スタック１００によれば、ヒータ等の加熱手段を設けず、フラッディング抑制することができるため、燃料電池スタックの大型化を抑制しつつ、フラッディングを抑制することができる。また、例えば、ヒータを設ける構成にすると、ヒータやヒータを制御するための制御装置を駆動するための電力が必要となり、燃料電池スタックにて発電された電力の利用効率が低下するという問題があるが、本実施例の燃料電池スタック１００によれば、ヒータを設ける場合に比べて、燃料電池スタックにて発電された電力の利用効率を向上させることができる。

Ｂ．第２の実施例：
第２の実施例の燃料電池スタックは、アノード側集電板の構成が第１の実施例と異なる以外は第１の実施例と同一であるため、アノード側集電板について説明し、その他の構成の説明は省略する。図６は、第２の実施例におけるアノード側集電板の構成を概略的に示す図である。図６(ａ)は平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ切断面を示す断面図である。

本実施例のアノード側集電板３０Ａは、第１の実施例におけるアノード側集電板３０と同様に、集電部３８Ａと出力端子３９を備える。本実施例における集電部３８Ａは、第１の実施例における集電部３８と同様の略矩形の外形を成し、カソードガス供給用貫通孔３１、カソード排ガス排出用貫通孔３２、アノードガス供給用貫通孔３３、アノード排ガス排出用貫通孔３４、冷却水供給用貫通孔３５、冷却水排出用貫通孔３６が第１の実施例と同様に配置されている。そして、出力端子３９は、第１の実施例と同様の位置に配置されている。

本実施例における集電部３８Ａが第１の実施例における集電部３８と異なるのは、出力端子３９の近傍に高電気抵抗領域３７が設けられている点である。高電気抵抗領域３７は、図６（Ｂ）に示すように、残余の領域に比べて板厚が薄い。電気抵抗は、断面積に反比例する。したがって、集電部３８Ａにおいて、高電気抵抗領域３７の単位長さあたりの電気抵抗は、残余の領域よりも大きい。したがって、燃料電池スタックにて発電された電気を出力端子３９を介して取り出す際に、高電気抵抗領域３７を流れる電気によって発生する熱量は、残余の領域よりも大きい。したがって、フラッディングが生じやすい領域をさらに加熱することができるため、フラッディングの発生を抑制することができる。

なお、本実施例の燃料電池スタックにおいて、絶縁板２０Ａの高電気抵抗領域３７と対向する領域は、高電気抵抗領域３７に嵌め合わせられるように突起状に形成されている(図６（Ｂ）)。このようにすることによって、高電気抵抗領域３７における、燃料電池スタックの積層方向の押圧力の低下を抑制することができる。

Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｃ１．変形例１：
アノード側集電板３０における出力端子３９の配置は、上記実施例に限定されず、アノード排ガス排出孔、前記カソード排ガス排出孔、および前記冷却媒体供給孔の少なくとも１つの近傍に設けられればよい。例えば、以下の変形例１、２のような配置でもよい。

図７は、変形例１のアノード側集電板３０Ｂの概略構成を示す平面図である。アノード側集電板３０Ｂは、集電部３８Ｂと出力端子３９とを備える。変形例１の集電部３８Ｂは、カソードガス供給用貫通孔３１、カソード排ガス排出用貫通孔３２、アノードガス供給用貫通孔３３、アノード排ガス排出用貫通孔３４、冷却水供給用貫通孔３５の配置が第１の実施例の集電部３８と異なる。出力端子３９は、冷却水供給用貫通孔３５およびカソード排ガス排出用貫通孔３２の近傍に設けられている。このようにしても、フラッディングが生じやすい冷却水供給用貫通孔３５の近傍、カソード排ガス排出用貫通孔３２の近傍を加熱することができるため、フラッディングの発生を抑制することができる。

図８は、変形例２のアノード側集電板３０Ｃの概略構成を示す平面図である。アノード側集電板３０Ｃは、集電部３８Ｃと出力端子３９１、３９２とを備える。変形例２の集電部３８Ｃは、カソードガス供給用貫通孔３１、カソード排ガス排出用貫通孔３２、アノードガス供給用貫通孔３３、アノード排ガス排出用貫通孔３４、冷却水供給用貫通孔３５の配置が第１の実施例の集電部３８と異なる。出力端子３９１はアノード排ガス排出用貫通孔３４の近傍に設けられ、出力端子３９２はカソード排ガス排出用貫通孔３２の近傍に設けられている。このようにしても、各出力端子３９１、３９２における発熱により、フラッディングが生じやすいアノード排ガス排出用貫通孔３４、カソード排ガス排出用貫通孔３２の近傍を加熱することができるため、フラッディングの発生を抑制することができる。

Ｃ２．変形例２：
上記実施例では、カソード側集電板５０において、アノード側集電板３０における出力端子３９の位置と対応する位置に出力端子５９を設けているが、カソード側集電板５０における出力端子５９の位置は、出力端子３９の位置と対応する位置でなくてもよい。例えば、アノードガス供給用貫通孔３３の近傍に設けられていてもよい。このようにしても、アノード側集電板３０の近くに配置される単セル４０のアノード側におけるフラッディングを抑制することができるため、触媒の劣化を抑制することができる。

Ｃ３．変形例３：
上記第２の実施例では、高電気抵抗領域３７において板厚を残余の領域と比べて薄くすることにより、単位長さあたりの電気抵抗を大きくしているが、他の方法により高電気抵抗領域３７の単位長さあたりの電気抵抗を大きくしてもよい。例えば、高電気抵抗領域３７に、残余の領域よりも比抵抗（電気抵抗率）の大きい材料を用いてもよい。このようにしても、フラッディングが生じやすい領域を加熱することにより、フラッディングの発生を抑制することができる。

Ｃ４．変形例４：
上記実施例において、アノード側集電板３０のおける出力端子３９の幅をカソード側集電板５０における出力端子５９の幅よりも狭くしてもよい。このようにすると、アノード側集電板３０の出力端子３９における電気抵抗がカソード側集電板５０の出力端子５９における電気抵抗よりも大きくなる。そのため、アノード側集電板３０において出力端子３９近傍の温度がカソード側集電板５０の出力端子５９近傍の温度よりも高くなる。その結果、燃料電池スタック１００において、特に、アノード側の端部の近くの単セルにおけるアノード側のフラッディングを抑制することができ、触媒の劣化を抑制することができる。

１０…エンドプレート
２０、２０Ａ…絶縁板
３０、３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ…アノード側集電板
３１…カソードガス供給用貫通孔
３２…カソード排ガス排出用貫通孔
３３…アノードガス供給用貫通孔
３４…アノード排ガス排出用貫通孔
３５…冷却水供給用貫通孔
３６…冷却水排出用貫通孔
３７…高電気抵抗領域
３８、３８Ａ、３８Ｂ、３８Ｃ…集電部
３９、３９１、３９２、５９…出力端子
４０…単セル
４２…シール部材一体型ＭＥＡ
４４…アノード側セパレータ
４６…カソード側セパレータ
５０…カソード側集電板
６０…絶縁板
７０…エンドプレート
１００…燃料電池スタック
４００…積層体
４２１…ＭＥＡ
４２２…シール部材
４２３…電解質膜
４２４…アノード
４２５…アノード側拡散層
４２６…カソード
４２７…カソード側拡散層
４４１…アノードガス流路
４４２…冷却水流路
４６１…カソードガス流路

Claims (3)

1. 燃料電池スタックであって、
   電解質膜と前記電解質膜のアノード側およびカソード側にそれぞれ配置される電極触媒層とを含む発電体を、前記電極触媒層に反応ガスを供給する流路を供えるセパレータを介して複数積層して構成される積層体と、
   前記積層体の両端に配置され、前記積層体にて発電された電気を集めて外部に取り出すための集電板と、
   を備え、
   前記セパレータおよび前記集電板には、前記アノードに反応ガスを供給するアノードガス供給孔と、前記カソードに反応ガスを供給するカソードガス供給孔と、アノード排ガスを排出するためのアノード排ガス排出孔と、カソード排ガスを排出するためのカソード排ガス排出孔と、前記積層体の温度を略一定に保つための媒体を前記積層体内に供給するための媒体供給孔と、前記媒体を前記積層体から排出するための媒体排出孔とが形成され、
   前記積層体のアノード側の端に配置されるアノード側集電板において、
   前記集めた電気の少なくとも一部を外部に取り出すための出力端子は、前記アノードガス供給孔、前記カソードガス供給孔および前記媒体排出孔よりも、前記アノード排ガス排出孔、前記カソード排ガス排出孔、および前記媒体供給孔に近い位置に設けられる燃料電池スタック。
2. 請求項１記載の燃料電池スタックであって、
   前記アノード側集電板は、前記出力端子側の所定の位置に単位長さあたりの電気抵抗が部分的に残余の部分よりも大きい高電気抵抗領域を有する燃料電池スタック。
3. 請求項２記載の燃料電池スタックであって、
   前記高電気抵抗領域は、前記アノード側集電板の板厚を残余の部分よりも薄く形成することにより単位長さあたりの電気抵抗を大きくした燃料電池スタック。

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