JP5358991B2 - 燃料電池スタックおよびそれを備えた燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタックおよびそれを備えた燃料電池システムに関する。

燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率を実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。

一般的に、複数のセル（燃料電池）が積層された燃料電池スタックが用いられることが多い。この場合、積層方向端部においては、放熱量が多く温度が低下する。この温度低下によって、端部セルの発電性能が低下するおそれがあるとともに、結露によって発電生成水の排出性が低下するおそれがある。そこで、両端部に発熱体を配置する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−０４５４６２号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、発電停止後に再度発電を開始する際に、端部セルにおける反応ガスの配流性が低下するおそれがある。

本発明は、発電時における反応ガスの配流性低下を抑制することができる燃料電池スタックおよびそれを備えた燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池スタックは、１以上のセルが積層された積層体を備え、セルは、電解質膜のセパレータ側に触媒層およびガス拡散層が順に接合された構造を有する膜−電極接合体と、膜−電極接合体のセパレータ側に膜−電極接合体に沿って設けられ反応ガスが流動するための金属多孔体と、を備え、積層体は、アノード側端部に、セルを加熱するためのヒータを備え、積層体のアノード側端部に、セルのアノードに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給口が設けられていることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池スタックにおいては、燃料ガス供給口がアノード側端部に設けられていることから、アノード側端部のセルへの燃料ガスの配流性低下が抑制される。その結果、燃料電池スタックの各セルのアノードへの燃料ガスの配流性低下が抑制される。

なお、セルは、固体高分子型燃料電池であってもよい。

本発明に係る燃料電池システムは、１以上のセルが積層された積層体を備え積層体のアノード側端部にセルのアノードに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給口を備える燃料電池スタックと、セルの発電停止時に燃料電池スタックのアノード側端部のセルを加熱する加熱手段と、を備え、セルは、電解質膜のセパレータ側に触媒層およびガス拡散層が順に接合された構造を有する膜−電極接合体と、膜−電極接合体のセパレータ側に膜−電極接合体に沿って設けられ反応ガスが流動するための金属多孔体と、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池システムにおいては、積層体の積層方向における温度分布が抑制される。それにより、アノード側端部セルのアノードにおける残留水を抑制することができる。また、燃料ガス供給口がアノード側端部に設けられていることから、反応ガスの配流性低下が抑制される。

セルの発電に用いる酸化剤ガスは、エアであってもよい。この場合、純酸素ガスを用いる場合に比較して酸化剤ガス流量が多くなる。それにより、カソード側の残留水量を抑制することができる。なお、セルは、固体高分子型燃料電池であってもよい。

本発明によれば、発電時における反応ガスの配流性低下を抑制することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１および図２を参照しつつ、燃料電池スタック１００について説明する。図１は、本発明の第１実施例に係る燃料電池スタック１００の積層構造を説明するための模式図である。図１に示すように、燃料電池スタック１００は、１以上のセル１１が積層された積層体１０と、一対のターミナル２０ａ，２０ｂ、一対のインシュレータ３０ａ，３０ｂおよび一対のエンドプレート４０ａ，４０ｂを備える。

ターミナル２０ａ、インシュレータ３０ａおよびエンドプレート４０ａは、積層体１０の積層方向におけるカソード側端に順に配置されている。ターミナル２０ｂ、インシュレータ３０ｂおよびエンドプレート４０ｂは、積層体の積層方向におけるアノード側端に順に配置されている。エンドプレート４０ｂには、分配器４１が設けられている。分配器４１は、各セル１１の後述するアノード触媒層１１２に水素を含む燃料ガスを供給するための燃料ガス供給口と、後述するカソード触媒層１１４に酸素を含むエア等の酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給口と、を備える。

図２は、セル１１の詳細を説明するための図である。図２（ａ）は、セル１１の模式的断面図である。図２（ｂ）は、後述するセパレータ１２０の模式図である。図２（ａ）に示すように、セル１１は、膜−電極接合体１１０がセパレータ１２０およびセパレータ１３０によって挟持された構造を有する。セパレータ１２０はターミナル２０ｂ側に配置されており、セパレータ１３０はターミナル２０ａ側に配置されている。

膜−電極接合体１１０は、電解質膜１１１のセパレータ１２０側にアノード触媒層１１２およびガス拡散層１１３が順に接合され、電解質膜１１１のセパレータ１３０側にカソード触媒層１１４およびガス拡散層１１５が順に接合された構造を有する。また、膜−電極接合体１１０のセパレータ１２０側には、膜−電極接合体１１０に沿って多孔体１１６が設けられている。膜−電極接合体１１０のセパレータ１３０側には、膜−電極接合体１１０に沿って多孔体１１７が設けられている。

電解質膜１１１は、プロトン伝導性を有するパーフルオロスルフォン酸型ポリマー等の固体高分子電解質からなる。アノード触媒層１１２は、触媒を担持する導電性材料等から構成される。アノード触媒層１１２における触媒は、水素のプロトン化を促進するための触媒である。例えば、アノード触媒層１１２は白金担持カーボンからなる。ガス拡散層１１３は、カーボンペーパ、カーボンクロス等のガス透過性を有する導電性材料からなる。

カソード触媒層１１４は、触媒を担持する導電性材料等から構成される。カソード触媒層１１４は、プロトンと酸素との反応を促進するための触媒である。例えば、カソード触媒層１１４は、白金担持カーボンからなる。ガス拡散層１１５は、カーボンペーパ、カーボンクロス等のガス透過性を有する導電性材料からなる。

多孔体１１６，１１７は、ガス拡散層よりも硬い導電性材料からなり、チタン等からなる発泡金属、金属メッシュ、エキスパンドメタル等の金属多孔体からなる。それにより、多孔体１１６，１１７は、吸水性を有する。多孔体１１６，１１７は、セパレータのディンプルの有無にかかわらず、厚みが略一定になるような強度を有していることが好ましい。この場合、ディンプルの有無にかかわらず、気孔率がほとんど変化しない。また、ディンプルの有無にかかわらず、拡散層に対する面圧を面内略一定にすることができる。したがって、拡散層における局所的圧縮を低減することができるため、排水性が向上する。

セパレータ１２０，１３０は、ステンレス等の導電性材料から構成される。図２（ｂ）に示すように、セパレータ１２０には、分配器４１から燃料ガスが流入するための貫通孔１２１が形成されているとともに、発電に供された燃料ガスを排出するための貫通孔１２２が形成されている。同様に、セパレータ１３０には、分配器４１から酸化剤ガスが流入するための貫通孔が形成されているとともに、発電に供された酸化剤ガスを排出するための貫通孔が形成されている。

続いて、燃料電池スタック１００の動作について説明する。まず、分配器４１を介して貫通孔１２１に燃料ガスが供給される。この燃料ガスは、貫通孔１２２に向かって多孔体１１６を流動しつつ、アノード側のガス拡散層１１３に供給される。燃料ガス中の水素は、アノード触媒層１１２においてプロトンに変換される。変換されたプロトンは電解質膜１１１を伝導し、カソード触媒層１１４に到達する。

一方、分配器４１を介して、エア等の酸化剤ガスが多孔体１１７に供給される。その後、酸化剤ガスは、多孔体１１７を流動しつつ、カソード側のガス拡散層１１５に供給される。カソード触媒層１１４においては、酸化剤ガス中の酸素とプロトンとから水が発生するとともに電力が発生する。発生した電力は、セパレータ１２０，１３０を介して回収される。また、多孔体１１７が吸水性を有することから、発電に伴って生成された水は、多孔体１１７によって吸引される。

図３は、セル１１を２０枚積層した燃料電池スタック１００に発電させた場合の、発電停止時の各セル１１における残水量を示す図である。図３において、横軸はセル１１の積層方向における各セルの位置を示し、縦軸は残水量を示す。なお、横軸において、プラス側がアノード側を示している。

図３に示すように、中央部のセル１１に比較して両端部のセル１１において、残水量が多くなっている。これは、両端部においては放熱によって温度が低くなっているからであると考えられる。また、多孔体の吸水性が高いことから、いずれのセル１１においても、全体として残水量が多くなっている。

次に、積層体１０における温度分布について説明する。図４（ａ）は、積層体１０の温度分布を示す図である。図４（ａ）において、横軸は積層方向における位置を示し、縦軸は温度を示す。図４（ａ）に示すように、各セル１１における発電中においては、積層体１０の中央部の温度が高くなる。一方、積層体１０の両端部においては、温度が低くなる。これは、端部のセル１１からの放熱量が多いからであると考えられる。発電停止になった場合、積層体１０の温度は全体的に低下する。この場合においても、積層体１０の中央部の温度が高く、両端部の温度が低くなる。

次に、発電停止後における、各セル１１の残留水の挙動について説明する。図４（ｂ）は、各セル１１における残留水の挙動を示す模式図である。残留水は、水蒸気分圧差に基づいて、温度の高い方から低い方へと移動する。したがって、積層体１０のアノード側の各セル１１においては、カソード触媒層１１４側からアノード触媒層１１２側へと残留水が電解質膜１１１を透過して移動する。特に、アノード側端部のセル１１においては、温度勾配が高いことから残留水の移動量が多くなる。この場合、多孔体１１６における残留水が多くなる。それにより、次回の発電時に、燃料ガスに対する圧力損失が増大するおそれがある。特に、純水素ガス等を燃料ガスとして用いる場合には燃料ガス流量が少なくなることから、燃料ガスの拡散が十分に確保されないおそれがある。

本実施例においては、積層体１０のアノード側端部に分配器４１が設けられている。この場合、アノード側のセル１１のアノード触媒層１１２への燃料ガスの配流が良好となる。したがって、燃料ガス欠による発電性能低下を抑制することができる。

なお、燃料電池スタックのカソード側端部のセル１１においては、カソード側の多孔体１１７における残留水が多くなる。しかしながら、酸化剤ガスとしてエアを用いれば、酸化剤ガスの流量が多くなる。この場合、プラス側端部のセル１１の残留水は、排出されやすい。それにより、ガス欠による発電性能低下が抑制される。

続いて、本発明の第２実施例に係る燃料電池スタック１００ａについて説明する。燃料電池スタック１００ａが図１の燃料電池スタック１００と異なる点は、セル１１の代わりにセル１１ａを備える点である。図５（ａ）は、セル１１ａの模式的断面図である。

図５（ａ）に示すように、セル１１ａにおいては、多孔体１１６，１１７が設けられておらず、セパレータ１２０，１３０の代わりにセパレータ１２０ａ，１３０ａが設けられている。セパレータ１２０ａにおいては、膜−電極接合体１１０側に複数の溝状の燃料ガス流路１２３が形成されている。一方、セパレータ１３０ａにおいては、膜−電極接合体１１０側に複数の溝状の酸化剤ガス流路１３３が形成されている。

図５（ｂ）に示すように、セパレータ１２０ａには、分配器４１から燃料ガスが流入するための貫通孔１２１ａが形成されているとともに、発電に供された燃料ガスを排出するための貫通孔１２２ａが形成されている。セパレータ１２０ａにおいては、燃料ガスが蛇行するように燃料ガス流路１２３が形成されている。すなわち、セパレータ１２０ａは、サーペンタイン型の流路構造を有する。同様に、セパレータ１３０ａには、分配器４１から酸化剤ガスが流入するための貫通孔が形成されているとともに、発電に供された酸化剤ガスを排出するための貫通孔が形成されている。また、酸化剤ガス流路１３３は、酸化剤ガスが蛇行するように形成されている。

図６は、セル１１ａを２０枚積層した燃料電池スタック１００ａに発電させた場合の、発電停止時の各セル１１ａにおける残水量を示す図である。図６において、横軸はセル１１ａの積層方向における各セルの位置を示し、縦軸は残水量を示す。なお、横軸において、プラス側がアノード側を示している。

図６に示すように、中央部のセル１１ａに比較してアノード側端部のセル１１ａにおいて、残水量が多くなっている。これは、アノード側端部において放熱によって温度が低くなっているからであると考えられる。本実施例においても、発電停止後に、アノード側のセル１１ａにおいて、カソード触媒層１１４側からアノード触媒層１１２側へと残留水が移動する。しかしながら、アノード側端部に分配器４１が設けられていることから、アノード側のセル１１のアノード触媒層１１２への燃料ガスの配流が良好となる。それにより、燃料ガス欠による発電性能低下を抑制することができる。

続いて、本発明の第３実施例に係る燃料電池システム２００について説明する。図７は、燃料電池システム２００の全体構成を示す模式図である。図７に示すように、燃料電池システム２００は、燃料電池スタック１００ｂ、燃料ガス供給手段１４０、酸化剤ガス供給手段１５０、電源１６０、負荷１７０、スイッチ１８０および制御部１９０を備える。

燃料電池スタック１００ｂは、ターミナル２０ａとインシュレータ３０ａとの間にヒータ５０ａが配置され、ターミナル２０ｂとインシュレータ３０ｂとの間にヒータ５０ｂが配置された点以外において、図１の燃料電池スタック１００と同様の構造を有する。ヒータ５０ａ，５０ｂは、ニクロム等の発熱体からなる。

燃料ガス供給手段１４０は、分配器４１に燃料ガスを供給する手段であり、例えば水素ボンベ、改質器等である。酸化剤ガス供給手段１５０は、分配器４１に酸化剤ガスを供給する手段であり、例えばエアポンプ等である。電源１６０は、例えば蓄電池等の電力供給手段である。電源１６０からの電力は、ヒータ５０ａ，５０ｂに供給される。それにより、ヒータ５０ａ，５０ｂが発熱し、端部のセル１１が加熱される。

負荷１７０は、燃料電池スタック１００ｂにおいて発生する電力を消費する装置であり、モータ、補機等である。スイッチ１８０は、燃料電池スタック１００ｂおよび負荷１７０を含む回路の導通および遮断を切り替える手段である。制御部１９０は、燃料電池システム２００の各部を制御する手段であり、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等を含む。

続いて、燃料電池システム２００の発電動作について説明する。まず、燃料ガス供給手段１４０は、制御部１９０の指示に従って、分配器４１に燃料ガスを供給する。酸化剤ガス供給手段１５０は、制御部１９０の指示に従って、分配器４１に酸化剤ガスを供給する。次に、スイッチ１８０は、制御部１９０の指示に従って、燃料電池スタック１００ｂおよび負荷１７０を含む回路を導通させる。それにより、燃料電池スタック１００ｂは発電を開始する。

次に、図８のフローチャートを参照しつつ、発電停止時における燃料電池システム２００の動作について説明する。図８に示すように、まず、制御部１９０は、燃料電池スタック１００ｂおよび負荷１７０を含む回路が遮断されるように、スイッチ１８０を制御する（ステップＳ１）。それにより、燃料電池スタック１００ｂの発電が停止する。

次に、制御部１９０は、ヒータ５０ａ，５０ｂに電力が供給されるように、電源１６０を制御する（ステップＳ２）。それにより、ヒータ５０ａ，５０ｂによって、端部のセル１１が加熱される。その後、制御部１９０は、フローチャートの実行を終了する。

このフローチャートに従えば、発電停止時に、端部のセル１１が加熱される。それにより、中央部のセル１１と端部のセル１１との温度差の拡大を抑制することができる。それにより、アノード側端部のセル１１における、カソード側からアノード側への水移動が抑制される。さらに、本実施例においては積層体１０のアノード側端部に分配器４１が設けられていることから、アノード側のセル１１のアノード触媒層１１２への燃料ガスの配流が良好となる。したがって、燃料ガス欠による発電性能低下を抑制することができる。

なお、本実施例においては、ヒータ５０ｂおよび制御部１９０が加熱手段に相当する。

本発明の第１実施例に係る燃料電池スタックの積層構造を説明するための模式図である。 セルの詳細を説明するための図である。 燃料電池スタックに発電させた場合の、発電停止時の各セルにおける残水量を示す図である。 積層体における温度分布について説明するための図である。 第２実施例に係るセルを説明するための図である。 燃料電池スタックに発電させた場合の、発電停止時の各セルにおける残水量を示す図である。 第２実施例に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。 燃料電池システムを制御する際のフローチャートの一例を示す図である。

符号の説明

１０ 積層体
１１ セル
２０ａ，２０ｂ ターミナル
３０ａ，３０ｂ インシュレータ
４０ａ，４０ｂ エンドプレート
４１ 分配器
５０ａ，５０ｂ ヒータ
１００ 燃料電池スタック

Claims (5)

1. １以上のセルが積層された積層体を備え、
   前記セルは、電解質膜のセパレータ側に触媒層およびガス拡散層が順に接合された構造を有する膜−電極接合体と、前記膜−電極接合体のセパレータ側に前記膜−電極接合体に沿って設けられ反応ガスが流動するための金属多孔体と、を備え、
   前記積層体は、アノード側端部に、前記セルを加熱するためのヒータを備え、
   前記積層体のアノード側端部に、前記セルのアノードに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給口が設けられていることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記セルは、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記載の燃料電池スタック。
3. １以上のセルが積層された積層体を備え、前記積層体のアノード側端部に前記セルのアノードに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給口を備える燃料電池スタックと、
   前記セルの発電停止時に、前記燃料電池スタックのアノード側端部の前記セルを加熱する加熱手段と、を備え、
   前記セルは、電解質膜のセパレータ側に触媒層およびガス拡散層が順に接合された構造を有する膜−電極接合体と、前記膜−電極接合体のセパレータ側に前記膜−電極接合体に沿って設けられ反応ガスが流動するための金属多孔体と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
4. 前記セルの発電に用いる酸化剤ガスは、エアであることを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
5. 前記セルは、固体高分子型燃料電池であることを特徴とする請求項３または４記載の燃料電池システム。

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