JP6160982B2 - 燃料電池スタックの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池を構成する燃料電池スタックの製造方法に関する。

燃料電池スタックは、複数のセルを積層させたセル積層体を備えている。セル積層体の各セルは、セル積層体の一端側から水素ガスと空気が供給されることで、水素ガスと空気に含まれる酸素との電気化学反応により発電を行う（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−１５８３４９号公報

ところで、セル積層体に酸素ガスを含む空気が導入される酸素ガス入口から遠い側のセルでは、酸素ガス入口側のセルに比べて圧力損失（以下、圧損）により酸素ガス量が少なくなる。また、セル積層体の両端のセルは、中央部のセルより放熱されやすいため冷えやすく、発電時に生成される水がセルに残りやすい。このため、特に圧損によって酸素ガス量が少なくなる酸素ガス入口から遠い側のセルでは、発電時に生成される水によって流路内における酸素ガスの流れが阻害され、酸素ガス不足になり、発電効率が低下するおそれがある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、セル積層体における温度差を抑制して良好な発電効率を得ることができる燃料電池スタックを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池スタックは、
複数のセルを積層させたセル積層体を備え、前記セル積層体の一端側のガス導入側端部から酸素ガスが導入される燃料電池スタックであって、
前記セル積層体は、少なくとも前記ガス導入側端部から遠い側の端部の断熱性が近い側よりも相対的に高い。

この構成の燃料電池スタックによれば、ガス導入側端部から遠い側の端部における断熱性を近い側と比較して相対的に高めることにより、当該端部側におけるセルの温度の相対的な低下を防ぐことができ、ガスによる生成水の持ち去り量が他のセルに比べて少なくなることを防ぐことができる。その結果、セル積層体のガス導入側端部から遠い側の端部でのセルに残る生成水の量を抑制することができる。

これにより、生成水による酸素ガスの流れの阻害を抑制することができ、ガス導入側端部から遠い側のセルでの酸素ガスの不足を抑えることができる。したがって、セル積層体における酸素ガスの供給のばらつきを抑えて良好な発電効率を得ることができる。

本発明の燃料電池スタックにおいて、前記セル積層体は、少なくとも前記ガス導入側端部から遠い側の端部に他の前記セルよりも断熱性の高い非発電のエンドセルを備えていても良い。

この構成の燃料電池スタックによれば、セル積層体におけるガス導入側端部から遠い側の端部にエンドセルを備えることで、ガス導入側端部から遠い側の端部の放熱が抑えられ、結果的に断熱性が高くなる。これにより、セル積層体のガス導入側端部から遠い側の端部でのセルに残る生成水の量を抑制し、生成水による酸素ガスの流れの阻害を抑えてガス導入側端部から遠い側のセルでの酸素ガスの不足を抑えることができる。

本発明の燃料電池スタックにおいて、前記セル積層体は、両端に前記エンドセルを備え、前記ガス導入側端部に備えられた前記エンドセルよりも、前記ガス導入側端部から遠い側の端部に備えられた前記エンドセルの数が多くされていても良い。

この構成の燃料電池スタックによれば、セル積層体におけるガス導入側端部及びガス導入側端部から遠い側の端部にエンドセルを備えることで、ガス導入側端部及びガス導入側端部から遠い側の端部の放熱が抑えられ、結果的に断熱性が高くなる。これにより、セル積層体のガス導入側端部及びガス導入側端部から遠い側の端部でのセルに残る生成水の量を抑制し、生成水による酸素ガスの流れの阻害を抑えて酸素ガスの不足を抑えることができる。

しかも、エンドセルの数が多いガス導入側端部から遠い側の端部の断熱性がガス導入側端部よりも高い。これにより、特に、セル積層体のガス導入側端部から遠い側の端部でのセルに残る生成水の量を抑制し、生成水による酸素ガスの流れの阻害を抑えて酸素ガスの不足を抑えることができる。そして、以上の作用効果を共通部分であるエンドセルによって実現しているので、加熱ヒーターや冷却系部品などによって実現した場合と比較して、コストアップや大型化を抑えることができる。

本発明の燃料電池スタックによれば、セル積層体における温度差を抑制して良好な発電効率を得ることができる。

本実施形態に係る燃料電池の側面図である。 本実施形態に係る燃料電池を構成する燃料電池スタックの概略分解斜視図である。 燃料電池スタックのセル積層体を構成するセルの断面図である。 エンドセルのないセル積層体における含水量及びセル温度を説明するグラフである。 セル積層体におけるセル温度を示すグラフである。 エンドセルの数とカソード端部での中央部との温度差との関係を示すグラフである。

以下、本発明に係る燃料電池スタックの実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、本実施形態に係る燃料電池の側面図である。図２は、本実施形態に係る燃料電池を構成する燃料電池スタックの概略分解斜視図である。図３は、燃料電池スタックのセル積層体を構成するセルの断面図である。

図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池スタック１１は、両端にエンドプレート１２を備えている。エンドプレート１２同士は締結ロッド（図示略）によって締結されて互いに連結されている。燃料電池スタック１１は、エンドプレート１２同士の締結力によって両端側から所定の荷重で加圧されている。燃料電池スタック１１は、例えば、車両等の移動体に搭載して用いられる燃料電池を構成する。

図２に示すように、燃料電池スタック１１は、セル積層体２１と、集電プレート２２と、防錆プレート２３とを有している。セル積層体２１は、複数のセル２０を積層させることで構成されており、その両端には、エンドセル２４が備えられている。セル積層体２１は、その一端側がガス導入側端部とされており、他端側がガス折り返し側端部とされている。

図３に示すように、セル２０は、電解質膜１の両側に触媒層２と拡散層３とから構成された電極４が設けられた膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）５を有している。膜電極接合体５の両面にはセパレータ６が設けられている。セパレータ６は、例えば、ステンレスを板状に形成したものである。セル２０は、燃料電池１１における発電を行う単位モジュールであり、水素ガスと空気に含まれる酸素との電気化学反応により発電を行う。

集電プレート２２は、例えば、アルミニウムやステンレス等の導電性金属材料から形成されている。集電プレート２２には、図示しない出力端子が設けられており、出力端子を介して燃料電池スタック１１で発電された電力が取り出される。セル積層体２１のガス導入側端部側の集電プレート２２は、アノード側の電極とされており、セル積層体２１のガス折り返し側端部側の集電プレート２２は、カソード側の電極とされている。つまり、セル積層体２１は、ガス導入側端部がアノード（Ａｎ）端部２１ａとされ、ガス折り返し側端部がカソード（Ｃａ）端部２１ｂとされている。防錆プレート２３は、セル積層体２１のカソード端部２１ｂ側における集電プレート２２とセル積層体２１との間に設けられている。

セル積層体２１には、ガス導入側端部であるアノード端部２１aから酸素ガスを含む空気が供給される。アノード端部２１ａから供給される空気は、ガス折り返し側端部であるカソード端部２１ｂで折り返してアノード端部２１ａから排出される。これにより、各セル２０に空気が通される。水素ガスは、空気と同様に、セル積層体２１のアノード端部２１aから供給され、カソード端部２１ｂで折り返してアノード端部２１ａから排出される。これにより、セル積層体２１では、各セル２０において、水素ガスと空気に含まれる酸素との電気化学反応により発電が行われる。

セル積層体２１は、その両端であるアノード端部２１ａ及びカソード端部２１ｂに、それぞれエンドセル２４を備えている。アノード端部２１ａには、１つのエンドセル２４が備えられ、カソード端部２１ｂには、２つのエンドセル２４が備えられている。これらのエンドセル２４は、同一の構成であり、セル２０と類似の構成を有している。たとえば、エンドセル２４は、電解質膜は備えてないが、触媒層と拡散層とが接合された接合体を有しており、この接合体の両面にセル２０のセパレータ６と同様のセパレータが設けられている。

エンドセル２４は、以上の構成よりなる非発電のセルである。
エンドセル２４をセル積層体２１のアノード端部２１ａ及びカソード端部２１ｂに備えることで、セル積層体２１に供給される水素ガス、空気及び冷却水はエンドセル２４内の流路を通過する。このとき、空気と水素ガスが供給されても空気中の酸素ガスと水素ガスは発電に資することがなく、そのまま消費されずに当該エンドセル２４をバイパスする。一方、冷却水は熱容量が大きく、エンドセル２４内を冷却水が流れているとエンドセル２４全体の熱容量も相対的に大きくなるので、断熱性もセル２０に比して相対的に高くなる。これにより、エンドセル２４に隣接しているセル２０の外部への放熱が抑制乃至遮断される。

図４に示すように、一般的に、セル積層体２１のアノード端部２１ａからガスを分配する構造の燃料電池スタックでは、発電中・放電中を通じて、セル積層体２１のカソード端部２１ｂは放熱による影響を受けてセル温度が中央部やアノード端部２１ａよりも低くなりやすく、中央部との温度差ΔＴが生じやすい。その結果、特に、低温環境におけるアイドリング時などの低負荷時に、カソード端部２１ｂ側では、空気の流路内で発電によって生成される水の含水量が多くなり、空気の流れが阻害されやすくなる。しかも、カソード端部２１ｂでは、アノード端部２１ａと比較して、圧損によって空気の流量が少なくなる。したがって、セル積層体２１では、カソード端部２１ｂにおける空気の分配不良が発生するおそれがある。

これに対して、本実施形態に係る燃料電池スタック１１では、ガス導入側端部であるアノード端部２１ａから遠い側のカソード端部２１ｂ側に２つのエンドセル２４を備えることで、結果的に、セル積層体２１のカソード端部２１ｂの断熱性を高めることができる。これにより、セル積層体２１のカソード端部２１ｂにおける中央部との温度差ΔＴを極力小さくすることができ、セル積層体２１のカソード端部２１ｂでの生成水の量を抑制し、生成水による空気の流れの阻害を抑制してカソード端部２１ｂでの酸素ガスの不足を抑えることができる。

また、セル積層体２１のガス導入側端部であるアノード端部２１ａでは、圧損による空気の流量低下はないが、カソード端部２１ｂと同様に放熱しやすいためセル温度が中央部よりも低くなりやすい。したがって、本実施形態では、アノード端部２１ａ側に１つのエンドセル２４を備えることで、結果的に、セル積層体２１のアノード端部２１ａの断熱性を高めてセル積層体２１のアノード端部２１ａにおける中央部との温度差ΔＴを極力小さくすることができる。これにより、セル積層体２１のアノード端部２１ａでの生成水の量も抑制し、生成水による空気の流れの阻害を抑制してアノード端部２１ａでの酸素ガスの不足を抑えることができる。

本実施形態のように、アノード端部２１ａ側に１つのエンドセル２４を備え、カソード端部２１ｂ側に２つのエンドセル２４を備えたことで、図５に示すように、エンドセル２４を備えない場合のように両端で低下するセル温度（図５中点線で示す温度）を、両端での低下が抑制されたセル温度（図５中実線で示す温度）とすることができる。

このように、本実施形態に係る燃料電池スタック１１によれば、特別な断熱部材などを用いることなく、エンドセル２４をセル積層体２１のアノード端部２１ａ及びカソード端部２１ｂに備えることで、セル積層体２１のセル温度の温度差ΔＴを極力抑制することができ、セル積層体２１に対して全体的に酸素ガスを良好に供給して効率良く発電させることができる。しかも、共通部品であるエンドセル２４を用いるので、セル温度の温度差ΔＴを抑制するための加熱ヒーターや冷却系部品などを用いることによるコストアップや大型化を抑えることができる。

ここで、セル積層体２１のカソード端部２１ｂ側に備えるエンドセル２４の数によるカソード端部２１ｂでの中央部との温度差ΔＴを測定した。なお、温度差ΔＴの測定は、冷却水温度６０℃、電流値１５Ａ、外気温−２０℃で行った。

その結果、図６に示すように、エンドセル２４を１つ備えた場合では、依然として温度差ΔＴが大きかったが、エンドセル２４を２つ備えたことで、温度差ΔＴを大幅に小さくすることができた。理論上は温度差ΔＴをなくすことが空気の分配不良をなくすのに最適であるが、エンドセル２４を２つ備えたことで、空気の分配不良をほぼなくす効果を発揮できることがわかった。また、エンドセル２４をさらに多くの数（３つ、５つ、７つ）備えることで温度差ΔＴを小さくすることができたが、セル積層体２１の大型化を招いてしまう。

このことより、セル積層体２１の大型化を抑えつつ温度差ΔＴを十分に小さくするには、２つのエンドセル２４を備えるのが良いことがわかった。

なお、セル積層体２１のアノード端部２１ａ及びカソード端部２１ｂに備えるエンドセル２４の数は、上記実施形態に限定されることなく、セル積層体２１の中央部に対するアノード端部２１ａ及びカソード端部２１ｂの温度差ΔＴの必要低減量に応じて選択される。例えば、セル積層体２１のアノード端部２１ａ及びカソード端部２１ｂに備えるエンドセル２４の数は、セル積層体２１の形状、材質、ガスや冷却水の流路の位置、ケース等に収容される燃料電池スタック１１の設置環境等によって適宜変更するのが好ましい。

１１ 燃料電池スタック
２０ セル
２１ セル積層体
２１ａ アノード端部（ガス導入側端部）
２１ｂ カソード端部（ガス導入側端部から遠い側の端部）
２４ エンドセル

Claims (2)

1. 複数のセルを積層させたセル積層体を備え、前記セル積層体の一端側のガス導入側端部から酸素ガスが導入される燃料電池スタックの製造方法であって、
   前記セル積層体の両端に、他の前記セルよりも断熱性の高い非発電のエンドセルを備え、
   前記ガス導入側端部に備えられた前記エンドセルよりも、前記ガス導入側端部から遠い側の端部に備えられた前記エンドセルの数が多くされており、
   前記数は、前記セル積層体の中央部に対するアノード端部及びカソード端部の温度差に応じて選択される、燃料電池スタックの製造方法。
2. 前記ガス導入側端部に備えられた前記エンドセルの数は１つであり、前記ガス導入側端部から遠い側の端部に備えられた前記エンドセルの数は２つである、請求項１に記載の燃料電池スタックの製造方法。

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