JP5387110B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池のセルを積層した燃料電池スタックに関する。

環境問題や資源問題への対策の一つとして、酸素や空気などの酸化ガスと、水素やメタンなどの還元性ガス（燃料ガス）あるいはメタノールなどの液体燃料などとを原料として電気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変換して発電する燃料電池が注目されている。この燃料電池は、発電に使用される原料のガスや液体燃料が豊富に存在すること、また、その発電原理より排出される物質が水であることなどにより、クリーンなエネルギー源として様々な検討がされている。

燃料電池のセルは、電解質膜の一方の面に燃料極（アノード触媒層）と、もう一方の面に空気極（カソード触媒層）とが電解質膜を挟んで対向するように設けられた膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）をメタルセパレータなどのセパレータで挟んだものから形成される。複数のセルは積層されてセル積層体とされ、セル積層体のセル積層方向両端には、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートが順に配置され、固定されて燃料電池スタックが構成される。

この燃料電池スタックにおいて、セル積層方向の両端部に配置されたセルは、エンドプレートからの外部への放熱が大きいことにより、中央部に配置されたセルよりも温度が低くなる傾向にある。このため、燃料電池スタックの両端部のセルでは、蒸気圧が低下し、発電時に生成された生成水が滞留しやすくなる。そして、セルにおいて生成水が滞留すると、いわゆるフラッディングが発生し、燃料電池の発電性能が低下することがある。そこで、燃料電池スタックの両端部のセルの温度低下を抑制し、セルの積層方向の温度分布をなるべく均一化することによって、各セルの発電性能を均一化する技術が提案されている。

例えば、特許文献１には、複数の燃料電池（セル）を積層させた積層体を、一対のエンドプレートで挟持し、積層体の端部またはエンドプレート部近傍に電気ヒータを備える燃料電池スタックが記載されている。

特許文献２には、セルを複数積層させた燃料電池スタックを収納ケースに収納し、エアコンプレッサからの空気を空気供給口が設けられているエンドプレートとは反対側のエンドプレートに吹き付けることによって、一方の端部に配置されたセルを加熱し、この一方のエンドプレートに吹き付けた後の高温の空気をもう一方の空気供給口が設けられているエンドプレートに接触させることによって、他方の端部に配置されているセルを加熱する燃料電池システムが記載されている。

燃料電池スタックを含む燃料電池システムの運転時には、上述の通り、セル積層方向の両端部に配置されたセルは、外部への放熱が大きいことにより、中央部に配置されたセルよりも温度が低くなる傾向にある。また、運転停止時（運転停止後、温度が低下する過程）には、発熱がなくなり、熱容量が大きいエンドプレート近傍では特に放熱が大きいため、セル積層方向の両端部に配置されたセルでは、中央部に配置されたセルよりもさらに温度の低下が大きくなる傾向にある（図９参照）。この場合、セル積層方向の両端部では、中央部よりもセル内部のアノード側とカソード側との間の温度差が大きくなる。セル積層体のアノード側では、このセル内部の両極間の温度差により、セル内部のカソード側からアノード側へ生成水が移動しやすくなり、セル内部のアノード側において含水量が過多の状態となることがある。運転停止後に時間が経過しても、この状態が維持されるため、燃料電池の次回の起動時にフラッディングによるセル電圧の低下が発生することがあり、特に、冷間起動時に発生しやすくなる。

例えば、車両用、移動電源用などの燃料電池システムにおいては、特許文献１，２のような技術では、運転停止時には電気ヒータやエアコンプレッサなどを駆動させるためのエネルギーを供給することができず、セル積層体のアノード側端部の温度低下を抑制することが困難である。

特開２００４−１１１２００号公報 特開２００７−０７３２９３号公報

本発明は、運転停止時でもセル積層体のアノード側端部の温度低下を抑制することが可能な燃料電池スタックである。

本発明は、燃料電池のセルを積層したセル積層体を含む積層体と、前記積層体のセル積層方向の少なくともアノード側端部に配置された蓄熱部と、前記蓄熱部の表面および前記積層体の蓄熱部付近のみを覆う断熱部材と、を備える燃料電池スタックである。

また、前記燃料電池スタックにおいて、前記蓄熱部を加熱する加熱部を備えることが好ましい。

本発明では、セル積層体の少なくともアノード側端部に配置された蓄熱部と、蓄熱部の表面の少なくとも一部を覆う断熱部材とを備えることにより、運転停止時でも燃料電池スタックの両端部の温度低下を抑制することが可能な燃料電池スタックを提供することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの一例を示す概略側面図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池スタックにおけるＭＥＡ（膜電極接合体）の一例を示す概略断面図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池スタックにおけるセルの一例の概略上面図を示す。 本発明の実施形態に係る燃料電池スタックにおけるセルの一例を分解した概略斜視図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池スタックのセル積層体におけるセル配置位置と温度との関係を示す図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの他の例を示す概略側面図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの他の例を示す概略側面図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの他の例を示す概略側面図である。 従来の燃料電池スタックのセル積層体におけるセル配置位置と温度との関係を示す図である。

本発明の実施の形態について以下説明する。本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。

＜燃料電池スタック＞
図１に、本実施形態に係る燃料電池スタック１０の一例の概略側面図を示す。また、図２に、本実施形態に係る燃料電池スタック１０におけるＭＥＡ（膜電極接合体）２８の一例の概略断面図を示す。

図２に示すように、ＭＥＡ２８は、電解質膜３０と、電解質膜３０の一方の面に配置された触媒層３２および拡散層３６を含む燃料極（アノード）４０と、電解質膜３０の他方の面に配置された触媒層３４および拡散層３８を含む空気極（カソード）４２とから構成される。触媒層３２および３４とセパレータ（図２において図示せず）との間に、通気性を有する拡散層３６，３８がそれぞれ設けられている。ＭＥＡ２８と、ＭＥＡ２８の拡散層３６，３８の両外側を挟持するセパレータとを重ねて、図１における各セル１２が構成される。

図３にセル１２の一例の概略上面図を示す。セル１２は、中央部にガス流路と冷媒流路と電極とが存在し、発電を行う発電領域４６を有し、その周囲に位置し、発電を行わない非発電領域４８を有する。セパレータ４４は金属製のメタルセパレータなどである。セル１２を分解した概略斜視図を図４に示すように、セル１２において、ＭＥＡ２８とセパレータ４４との間で、非発電領域４８の部位に、枠状の（発電領域４６に対応する領域が中抜きされた）樹脂フレーム５６が設けられており、ＭＥＡ２８は２枚の樹脂フレーム５６で挟まれ、その２枚の樹脂フレーム５６が２枚のセパレータ４４で挟まれる。セパレータ４４と樹脂フレーム５６には、非発電領域４８において、燃料ガスマニホールド５０、酸化ガスマニホールド５２、冷媒マニホールド５４がそれぞれ形成されている。なお、非発電領域４８における燃料ガスマニホールド５０、酸化ガスマニホールド５２および冷媒マニホールド５４の配置位置は、図３，４の位置に限定されるものではない。

図１のように、セル１２を積層してセル積層体１４とし、セル積層体１４のセル積層方向両端に、ターミナル１６、インシュレータ１８、エンドプレート２０を順に配置し、積層体２２を構成する。積層体２２を締結ボルトなどの締結部材（図１では図示せず）によりセル積層方向に締め付け、積層体２２の外側でセル積層方向に延びるテンションプレート、ボルト・ナットなどにより固定して、燃料電池スタック１０を構成する。なお、セル積層体１４におけるセル１２の積層数は１層以上であれば良く特に制限はない。

燃料電池スタック１０の各セル１２において、例えば、図２の燃料極４０に供給する燃料ガスを水素ガス、空気極４２に供給する酸化ガスを空気として運転した場合、燃料極４０の触媒層３２において、
２Ｈ_２ → ４Ｈ^＋＋４ｅ⁻
で示される反応式（水素酸化反応）を経て、水素ガス（Ｈ_２）から水素イオン（Ｈ^＋）と電子（ｅ⁻）とが発生する。電子（ｅ⁻）は拡散層３６から外部回路を通り、空気極４２の拡散層３８から触媒層３４に到達する。触媒層３４において、供給される空気中の酸素（Ｏ_２）と、電解質膜３０を通過した水素イオン（Ｈ^＋）と、外部回路を通じて触媒層３４に到達した電子（ｅ⁻）とにより、
４Ｈ^＋＋Ｏ_２＋４ｅ⁻ → ２Ｈ_２Ｏ
で示される反応式（酸素還元反応）を経て、水が生成する。このように燃料極４０および空気極４２において化学反応が起こり、電荷が発生して電池として機能することになる。そして、一連の反応において排出される成分は水であるので、クリーンな電池が構成されることになる。

本実施形態に係る燃料電池スタック１０において、図１に示すように、積層体２２のセル積層方向の少なくともアノード側端部には蓄熱部としてエンドプレート２０が配置され、エンドプレート２０の表面の少なくとも一部が断熱部材２４により覆われている。

本実施形態に係る燃料電池スタック１０では、蓄熱部としてのエンドプレート２０の表面が断熱部材２４により覆われているために、運転時の発熱がエンドプレート２０に蓄熱される。そのため、燃料電池スタック１０を含む燃料電池システムの運転停止時（運転停止後、温度が低下する過程）でも、エンドプレート２０からの放熱が抑制され、セル積層方向の両端部に配置されたセルにおける温度低下が起こりにくくなり、セル積層体１４のセル積層方向の温度が均一に近づく傾向にある（図５参照）。この場合、セル積層体１４のセル積層方向の両端部でも、セル内部のアノード側とカソード側との間の温度差が小さく、セル積層体のアノード側でのセル内部のカソード側からアノード側への生成水の移動が起こりにくくなる。このため、燃料電池の次回の起動時におけるフラッディングによるセル電圧の低下の発生が抑制される。

エンドプレート２０は通常、図１のように、積層体２２のセル積層方向のアノード側端部およびカソード側端部の両方に配置されているが、蓄熱部としてのエンドプレート２０および断熱部材２４は、セル積層体１４のアノード側でのセル内部のカソード側からアノード側への生成水の移動を抑制する観点から、積層体２２の少なくともアノード側端部に配置されればよい。もちろん、蓄熱部としてのエンドプレート２０および断熱部材２４は、アノード側端部とカソード側端部の両方に配置されてもよい。

断熱部材２４は、断熱効果を発揮する程度に、蓄熱部としてのエンドプレート２０の表面（外部に露出した部分）の少なくとも一部を覆うものであればよく、エンドプレート２０の表面全体を覆ってもよい。また、断熱部材２４は、蓄熱部としてのエンドプレート２０の表面のみを覆うことが好ましい。燃料電池スタック１０の全体を断熱部材で覆ってしまうと、セル積層体１４の中央部付近も断熱されてしまい、運転停止時にセル積層体１４の中央部付近の温度を低下させ、かつ、アノード側端部における温度低下を抑制して、セル積層体１４のセル積層方向の温度をなるべく均一にするという効果が発揮されにくくなる。運転停止時にセル積層体１４の中央部付近における温度を低下させ、かつ、アノード側端部における温度低下を抑制するという効果を発揮する限りは、必ずしも蓄熱部としてのエンドプレート２０の表面以外を断熱部材２４により覆うことを排除するわけではなく、蓄熱部としてのエンドプレート２０付近を断熱部材で覆ってもよい。

蓄熱部としては、熱容量の大きい金属などの部材を用いればよく、通常は、エンドプレート２０を蓄熱部として用いればよいが、エンドプレート２０とは別に蓄熱部を設けてもよい。

断熱部材２４としては、例えば、断熱効果を有する発泡ウレタンやグラスウールなどの断熱性の部材を用いればよい。

図６に、本実施形態に係る燃料電池スタック１０の他の例の概略側面図を示す。図６の燃料電池スタック１０では、蓄熱部としてのエンドプレート２０を加熱する加熱部であるヒータ２６を備える。図６の例では、ヒータ２６は、インシュレータ１８とエンドプレート２０との間に配置されている。

燃料電池スタック１０が、エンドプレート２０を加熱するヒータ２６を備えるため、燃料電池スタック１０の運転中に蓄熱部としてのエンドプレート２０をヒータ２６により加熱しておき、蓄熱部の蓄熱量を増加させることができる。このため、セル積層方向の両端部に配置されたセルにおける温度低下がより起こりにくくなる。

加熱部としての、ヒータ２６は、蓄熱部としてのエンドプレート２０を加熱するように配置されていればよく、その配置場所には特に制限はない。エンドプレート２０を効率良く加熱するためには、エンドプレート２０に接触するように、エンドプレート２０の近傍または内部に配置されればよい。図７の例では、ヒータ２６は、エンドプレート２０と断熱部材２４との間に配置されており、図８の例では、ヒータ２６は、エンドプレート２０の内部に配置されている。

ヒータ２６としては、蓄熱部としてのエンドプレート２０を加熱するものであればよく、種類、方式には特に制限はない。

本実施形態に係る燃料電池スタック１０は、例えば、携帯電話、携帯用パソコン等のモバイル機器用小型電源、自動車などの車両用電源、家庭用電源等として用いることができ、特に運転停止時にエネルギーの供給が困難である車両用電源として用いることが好ましい。

１０ 燃料電池スタック、１２ セル、１４ セル積層体、１６ ターミナル、１８ インシュレータ、２０ エンドプレート、２２ 積層体、２４ 断熱部材、２６ ヒータ、２８ ＭＥＡ、３０ 電解質膜、３２，３４ 触媒層、３６，３８ 拡散層、４０ 燃料極（アノード）、４２ 空気極（カソード）、４４ セパレータ、４６ 発電領域、４８ 非発電領域、５０ 燃料ガスマニホールド、５２ 酸化ガスマニホールド、５４ 冷媒マニホールド、５６ 樹脂フレーム。

Claims (2)

1. 燃料電池のセルを積層したセル積層体を含む積層体と、
   前記積層体のセル積層方向の少なくともアノード側端部に配置された蓄熱部と、
   前記蓄熱部の表面および前記積層体の蓄熱部付近のみを覆う断熱部材と、
   を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 請求項１に記載の燃料電池スタックであって、
   前記蓄熱部を加熱する加熱部を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
   

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