JP7044564B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタックに関する。

膜電極接合体をセパレータで挟持した燃料電池が知られている。このような燃料電池として、冷却に空気を用いた空冷式の燃料電池がある。特許文献１には、膜電極接合体側の面に反応用の空気流路が形成され、反対側の面に冷却用の空気流路が形成されたカソードセパレータを用いた空冷式の燃料電池が記載されている。特許文献２には、反応用の空気と冷却用の空気とが別々に供給される空冷式の燃料電池が記載されている。

特表２０１４－５２６７８８号公報 特開昭６２－１７９６１号公報

特許文献１に記載の燃料電池では、冷却性能を高めるために冷却用の空気を多く流すと、反応用の空気も多く流れることになり、その結果、膜電極接合体が乾燥し易くなってしまう。そこで、特許文献２のように、反応用の空気と冷却用の空気とを別々に供給することが好ましい。しかしながら、特許文献２では、反応用の空気と冷却用の空気とを別々に供給する具体的な構成が開示されていない。一方で、燃料電池スタックは単セルが複数積層されたスタック構造であることから、積層方向の体格が大きくなり易い。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、反応ガスと冷媒とを別々に供給することが可能で、且つ、積層方向の体格の増大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を目的とする。

本発明は、膜電極接合体と前記膜電極接合体を挟持する第１セパレータ及び第２セパレータとを備えた単セルが複数積層され、反応ガスである燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタックであって、前記単セルの前記第１セパレータ及び前記第２セパレータは、金属板からなり、前記膜電極接合体とは反対側に突出した複数の凸部と前記複数の凸部の間の複数の第１凹部とが一端側から他端側にかけて延在して設けられ、且つ、前記複数の凸部に前記複数の凸部の高さよりも浅い複数の第２凹部が前記一端側から前記他端側にかけて間隔をあけて設けられていて、積層された複数の前記単セルのうちの隣接する単セルは、一方の単セルの前記第１セパレータの前記複数の凸部に設けられた前記複数の第２凹部の側面と他方の単セルの前記第２セパレータの前記複数の凸部に設けられた前記複数の第２凹部の側面とが一致するように、前記一方の単セルの前記第１セパレータの前記複数の凸部のうちの前記複数の第２凹部以外の部分と前記他方の単セルの前記第２セパレータの前記複数の凸部のうちの前記複数の第２凹部以外の部分とが接していて、前記単セルの前記第１セパレータ及び前記第２セパレータの前記複数の凸部によって前記一端側と前記他端側との間を前記反応ガスが流れる反応ガス流路が画定され、且つ、前記隣接する単セルの前記一方の単セルの前記第１セパレータの前記複数の第２凹部と前記他方の単セルの前記第２セパレータの前記複数の第２凹部とによって前記反応ガスと交差する方向に冷媒が流れる冷媒流路が画定されている、燃料電池スタックである。

本発明によれば、反応ガスと冷媒とを別々に供給することができるとともに、燃料電池スタックの積層方向の体格の増大を抑制することができる。

図１は、実施例１に係る燃料電池スタックの斜視図である。 図２は、実施例１に係る燃料電池スタックを構成する単セルの斜視図である。 図３は、比較例１に係る燃料電池スタックを構成する単セルの斜視図である。 図４は、カソードセパレータを示す平面図である。 図５は、カソードセパレータの他の例を示す平面図である。 図６は、単セルの他の例を示す斜視図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

図１は、実施例１に係る燃料電池スタックの斜視図である。図２は、実施例１に係る燃料電池スタックを構成する単セルの斜視図である。図１のように、実施例１の燃料電池スタック１００は、複数の単セル１０が積層されたスタック構造を有する。単セル１０は、反応ガスである燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気）の供給を受け、これらの電気化学反応により発電する固体高分子形燃料電池である。なお、実施例１では、単セル１０を冷却する冷媒が空気である空冷式の燃料電池の場合を例に説明する。

図２のように、単セル１０は、カソードセパレータ２８ｃ、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）３０、及びアノードセパレータ２８ａを備える。ＭＥＧＡ３０は、カソードセパレータ２８ｃとアノードセパレータ２８ａとによって挟持されている。

ＭＥＧＡ３０は、電解質膜２２、カソード触媒層２４ｃ、アノード触媒層２４ａ、カソードガス拡散層２６ｃ、及びアノードガス拡散層２６ａを備える。カソード触媒層２４ｃは電解質膜２２の一方の面に設けられ、アノード触媒層２４ａは電解質膜２２の他方の面に設けられている。これにより、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）２０が形成されている。電解質膜２２は、例えばスルホン酸基を有するフッ素系樹脂材料又は炭化水素系樹脂材料で形成された固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。カソード触媒層２４ｃ及びアノード触媒層２４ａは、例えば電気化学反応を進行する触媒（白金又は白金－コバルト合金など）を担持したカーボン粒子（カーボンブラックなど）と、スルホン酸基を有する固体高分子であって湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有するアイオノマーと、を含む。

カソードガス拡散層２６ｃとアノードガス拡散層２６ａは、ＭＥＡ２０の両側に配置され、ＭＥＡ２０を挟持している。カソードガス拡散層２６ｃ及びアノードガス拡散層２６ａは、ガス透過性及び電子伝導性を有する部材によって形成されていて、例えばカーボンクロス又はカーボンペーパなどの多孔質カーボン製部材によって形成されている。

カソードセパレータ２８ｃ及びアノードセパレータ２８ａは、ガス遮断性及び電子伝導性を有する金属板によって形成されている。カソードセパレータ２８ｃ及びアノードセパレータ２８ａは、例えばプレス成型による曲げ加工によって凹凸形状が形成されたステンレス鋼、アルミニウム、又はチタンなどの金属板で形成されている。

カソードセパレータ２８ｃは、ＭＥＧＡ３０とは反対側に突出してＭＥＧＡ３０側に開口した複数の凸部４０と、複数の凸部４０の間であってＭＥＧＡ３０とは反対側に開口した複数の凹部４２と、を有する。複数の凸部４０と複数の凹部４２は、カソードセパレータ２８ｃの一端側（紙面手前側）から他端側（紙面奥側）にかけて直線状に延在している。ＭＥＧＡ３０とは反対側に突出した複数の凸部４０によって、ＭＥＧＡ３０に供給される反応用空気が流れる酸化剤ガス流路４６が画定されている。ＭＥＧＡ３０への反応用空気の供給量を考慮すると、凸部４０の幅は凹部４２の幅よりも広い場合が好ましい。

アノードセパレータ２８ａは、ＭＥＧＡ３０とは反対側に突出してＭＥＧＡ３０側に開口した複数の凸部５０と、複数の凸部５０の間であってＭＥＧＡ３０とは反対側に開口した複数の凹部５２と、を有する。複数の凸部５０と複数の凹部５２は、アノードセパレータ２８ａの一端側（紙面手前側）から他端側（紙面奥側）にかけて直線状に延在している。複数の凸部５０及び複数の凹部５２は、カソードセパレータ２８ｃの複数の凸部４０及び複数の凹部４２と同じ方向に延在している。ＭＥＧＡ３０とは反対側に突出した複数の凸部５０によって、ＭＥＧＡ３０に供給される水素が流れる燃料ガス流路５６が画定されている。ＭＥＧＡ３０への水素の供給量を考慮すると、凸部５０の幅は凹部５２の幅よりも広い場合が好ましい。

酸化剤ガス流路４６を流れる反応用空気と燃料ガス流路５６を流れる水素とは、同じ向きに流れてもよいが、図２のように、反対向きに流れることが好ましい。すなわち、酸化剤ガス流路４６を流れる反応用空気と燃料ガス流路５６を流れる水素とは、対向流になっていることが好ましい。これにより、反応用空気と水素との反応により生成される生成水のＭＥＧＡ３０を介した内部循環を促進させることができ、発電性能を向上させることができる。

カソードセパレータ２８ｃは、複数の凸部４０にカソードセパレータ２８ｃの一端側（紙面手前側）から他端側（紙面奥側）にかけて間隔をあけて複数の凹部４４が設けられている。凹部４４の深さは、凸部４０の高さよりも小さい。したがって、凹部４４の下側にも凸部４０による空間が形成されている。同様に、アノードセパレータ２８ａは、複数の凸部５０にアノードセパレータ２８ａの一端側（紙面手前側）から他端側（紙面奥側）にかけて間隔をあけて複数の凹部５４が設けられている。凹部５４の深さは、凸部５０の高さよりも小さい。したがって、凹部５４の下側にも凸部５０による空間が形成されている。

図１及び図２のように、積層された複数の単セル１０のうちの隣接する単セル１０は、一方の単セル１０のカソードセパレータ２８ｃと他方の単セル１０のアノードセパレータ２８ａとが接している。すなわち、一方の単セル１０のカソードセパレータ２８ｃの複数の凸部４０のうちの複数の凹部４４以外の部分と、他方の単セル１０のアノードセパレータ２８ａの複数の凸部５０のうちの複数の凹部５４以外の部分とが、接している。

カソードセパレータ２８ｃの複数の凸部４０に設けられた複数の凹部４４と、アノードセパレータ２８ａの複数の凸部５０に設けられた複数の凹部５４と、によって、冷却用空気が流れる冷媒流路６０が画定されている。したがって、冷媒流路６０を流れる冷却用空気は、酸化剤ガス流路４６を流れる反応用空気及び燃料ガス流路５６を流れる水素に対して交差する方向に流れる。

図３は、比較例１に係る燃料電池スタックを構成する単セルの斜視図である。図３のように、比較例１の単セル８０では、カソードセパレータ２８ｃの複数の凸部４０に凹部４４が設けられてなく、且つ、アノードセパレータ２８ａの複数の凸部５０に凹部５４が設けられていない。また、カソードセパレータ２８ｃの複数の凸部４０及び複数の凹部４２と、アノードセパレータ２８ａの複数の凸部５０及び複数の凹部５２とは、交差する方向に延在している。カソードセパレータ２８ｃのＭＥＧＡ３０とは反対側に突出した複数の凸部４０によって、ＭＥＧＡ３０に供給される反応用空気が流れる酸化剤ガス流路４６が画定されている。カソードセパレータ２８ｃの複数の凸部４０の間に設けられた複数の凹部４２によって、ＭＥＧＡ３０を冷却する冷却用空気が流れる冷媒流路６０が画定されている。その他の構成は、実施例１と同じであるため説明を省略する。

冷媒流路６０の出口側では冷却用空気の温度が高くなることからＭＥＡ２０の温度が高くなり、ＭＥＡ２０が乾燥し易くなる。ＭＥＡ２０の乾燥を抑制するために冷却用空気を多く流してＭＥＡ２０が高温になることを抑制することが考えられるが、この場合、比較例１では、反応用空気も多く流れることになる。このため、反応用空気によって持ち去られる生成水の量が増えてしまい、ＭＥＡ２０の乾燥を抑制することが難しい。

一方、実施例１によれば、図１及び図２のように、カソードセパレータ２８ｃは、金属板からなり、ＭＥＡ２０とは反対側に突出した複数の凸部４０と複数の凸部４０の間の複数の凹部４２とが設けられると共に、複数の凸部４０に複数の凹部４４が設けられている。同様に、アノードセパレータ２８ａは、金属板からなり、ＭＥＡ２０とは反対側に突出した複数の凸部５０と複数の凸部５０の間の複数の凹部５２とが設けられると共に、複数の凸部５０に複数の凹部５４が設けられている。カソードセパレータ２８ｃの複数の凸部４０によって酸化剤ガス流路４６が画定され、アノードセパレータ２８ａの複数の凸部５０によって燃料ガス流路５６が画定されている。また、隣接する単セル１０の一方の単セルのカソードセパレータ２８ｃの複数の凹部４４と他方の単セルのアノードセパレータ２８ａの複数の凹部５４とによって、反応ガスと交差する方向に冷却用空気が流れる冷媒流路６０が画定されている。

これにより、酸化剤ガス流路４６と冷媒流路６０とが交差しているため、反応用空気と冷却用空気とを別々に供給することが可能となる。よって、反応用空気の流量を増やすことなく冷却用空気の流量を増やすことができるため、ＭＥＡ２０の乾燥を抑制することができる。また、カソードセパレータ２８ｃ及びアノードセパレータ２８ａは、金属板からなり、その一方の面に反応ガス流路（酸化剤ガス流路４６及び燃料ガス流路５６）が形成され、他方の面に冷媒流路６０が形成されている。このようなカソードセパレータ２８ｃ及びアノードセパレータ２８ａを備える単セル１０が積層されているため、燃料電池スタック１００の積層方向の体格の増大を抑制することができる。さらに、冷媒流路６０は、カソードセパレータ２８ｃに設けられた凹部４４とアノードセパレータ２８ａに設けられた凹部５４とで画定されている。これにより、例えばアノードセパレータ２８ａに凹部５４が設けられてなく、カソードセパレータ２８ｃに設けられた凹部４４のみで冷媒流路６０が画定されている場合と比較して、冷媒流路６０の断面積を大きくすることができ、圧力損失の増大を抑制することができる。なお、カソードセパレータ２８ｃに設けられた凹部４４のみで冷媒流路６０を画定する場合、プレス成型によって深い凹凸を形成することは難しい。

図１及び図２のように、隣接する単セル１０の一方の単セルのカソードセパレータ２８ｃに設けられた凹部４４と他方の単セルのアノードセパレータ２８ａに設けられた凹部５４とは、互いの側面が一致している場合が好ましい。これにより、冷媒流路６０を流れる冷却用空気の圧力損失の増大を効果的に抑制できる。

燃料電池スタック１００は、冷媒流路６０が車両の進行方向を向いて車両に搭載される場合が好ましい。これにより、車両の走行時の風及び／又はラジエターファンによる風を冷媒流路６０に流すことが可能となる。なお、冷媒流路６０が車両の進行方向に対して多少傾いていてもよい。例えば、冷媒流路６０が車両の進行方向に対して±４５°の範囲で傾いていてもよいし、±３０°の範囲で傾いていてもよい。

図２のように、カソードセパレータ２８ｃの長手方向に酸化剤ガス流路４６が延在し、アノードセパレータ２８ａの長手方向に燃料ガス流路５６が延在し、カソードセパレータ２８ｃの短手方向及びアノードセパレータ２８ａの短手方向に冷媒流路６０が延在することが好ましい。これにより、冷媒流路６０の流路長を短くできるため、冷却用空気の圧力損失を低減できる。

図４は、カソードセパレータを示す平面図である。図４のように、カソードセパレータ２８ｃは、酸化剤ガス流路４６に供給される反応用空気が流れる酸化剤ガス供給マニホールド６２及び酸化剤ガス排出マニホールド６４を備える。また、カソードセパレータ２８ｃは、燃料ガス流路５６に供給される水素が流れる燃料ガス供給マニホールド７２及び燃料ガス排出マニホールド７４を備える。これにより、酸化剤ガス供給マニホールド６２に接続される配管に小型のエアコンプレッサなどを設置することで、冷却用空気とは分離して、反応用空気の流量を調整することが容易にできる。また、酸化剤ガス排出マニホールド６４に接続される配管に調圧弁を設置してもよい。これにより、酸化剤ガス流路４６を流れる反応用空気の圧力を調整することができ、酸素分圧を上げて発電性能を向上させることができる。

図５は、カソードセパレータの他の例を示す平面図である。図５では、カソードセパレータ２８ｃは、酸化剤ガス流路４６の流路幅が、冷却用空気の入口側で出口側よりも広くなっている。その他の構成は、図４と同じである。冷却用空気の入口側の酸化剤ガス流路４６の流路幅を広くし、冷却用空気の出口側の酸化剤ガス流路４６の流路幅を狭くすることで、冷却用空気の入口側でのフラッディングを抑制できると共に、冷却用空気の出口側でのＭＥＡ２０の乾燥を抑制できる。これは、冷却用空気の入口側のＭＥＡ２０の温度が低いために生成水は液水の状態で多量に発生するが、酸化剤ガス流路４６の流路幅を広げて反応用空気を多く流すことで、生成水が反応用空気によって持ち去られるため、フラッディングを抑制できるものである。また、冷却用空気の出口側ではＭＥＡ２０の温度が高いためにＭＥＡ２０は乾燥し易いが、酸化剤ガス流路４６の流路幅を狭くして反応用空気の流量を少なくすることで、生成水の持ち去りが抑制され、その結果、ＭＥＡ２０の乾燥を抑制できるものである。

図６は、単セルの他の例を示す斜視図である。図６のように、単セル１０ａでは、カソードセパレータ２８ｃの複数の凸部４０に設けられた複数の凹部４４は、凸部４０が延在する方向に交差する方向で一直線上に並んで設けられていない。複数の凸部４０のうちの隣接する凸部４０それぞれに設けられた凹部４４は、凸部４０が延在する方向にずれている。アノードセパレータ２８ａの複数の凸部５０に設けられた複数の凹部５４においても同様である。その他の構成は、図２と同じであるため説明を省略する。

図２では、カソードセパレータ２８ｃの複数の凸部４０に設けられた凹部４４は凸部４０が延在する方向に交差する方向で一直線上に並んで設けられ、アノードセパレータ２８ａの複数の凸部５０に設けられた凹部５４は凸部５０が延在する方向に交差する方向で一直線上に並んで設けられていた。しかしながら、この場合に限られず、図６のように、複数の凸部４０のうちの隣接する凸部４０に設けられた凹部４４は凸部４０が延在する方向にずれていて、複数の凸部５０のうちの隣接する凸部５０に設けられた凹部５４は凸部５０が延在する方向にずれていてもよい。これにより、冷却用空気が凸部４０及び５０に当たるようになるため、冷却性能が向上する。

なお、凸部４０の延在方向における凹部４４の長さと隣接する凹部４４の間の凸部４０の長さとは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。同様に、凸部５０の延在方向における凹部５４の長さと隣接する凹部５４の間の凸部５０の長さとは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。冷却用空気の圧力損失を低減させるために、凸部４０の延在方向における凹部４４の長さが隣接する凹部４４の間の凸部４０の長さに比べて長く、凸部５０の延在方向における凹部５４の長さが隣接する凹部５４の間の凸部５０の長さに比べて長くてもよい。

なお、実施例１では、空冷式の燃料電池の場合を例に説明したが、水冷式の燃料電池の場合でもよい。しかしながら、空冷式の燃料電池では、冷却に用いる空気の熱伝達効率が冷却水に比べて低いことから、大流量の冷却用空気を流す場合があるため、ＭＥＡ２０に乾燥が起こり易い。したがって、本発明を空冷式の燃料電池に適用することが好ましい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０、１０ａ 単セル
２０ 膜電極接合体
２２ 電解質膜
２４ｃ カソード触媒層
２４ａ アノード触媒層
２６ｃ カソードガス拡散層
２６ａ アノードガス拡散層
２８ｃ カソードセパレータ
２８ａ アノードセパレータ
３０ 膜電極ガス拡散層接合体
４０ 凸部
４２ 凹部
４４ 凹部
４６ 酸化剤ガス流路
５０ 凸部
５２ 凹部
５４ 凹部
５６ 燃料ガス流路
６０ 冷媒流路
６２ 酸化剤ガス供給マニホールド
６４ 酸化剤ガス排出マニホールド
７２ 燃料ガス供給マニホールド
７４ 燃料ガス排出マニホールド
８０ 単セル

Claims (1)

1. 膜電極接合体と前記膜電極接合体を挟持する第１セパレータ及び第２セパレータとを備えた単セルが複数積層され、反応ガスである燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタックであって、
   前記単セルの前記第１セパレータ及び前記第２セパレータは、金属板からなり、前記膜電極接合体とは反対側に突出した複数の凸部と前記複数の凸部の間の複数の第１凹部とが一端側から他端側にかけて延在して設けられ、且つ、前記複数の凸部に前記複数の凸部の高さよりも浅い複数の第２凹部が前記一端側から前記他端側にかけて間隔をあけて設けられていて、
   積層された複数の前記単セルのうちの隣接する単セルは、一方の単セルの前記第１セパレータの前記複数の凸部に設けられた前記複数の第２凹部の側面と他方の単セルの前記第２セパレータの前記複数の凸部に設けられた前記複数の第２凹部の側面とが一致するように、前記一方の単セルの前記第１セパレータの前記複数の凸部のうちの前記複数の第２凹部以外の部分と前記他方の単セルの前記第２セパレータの前記複数の凸部のうちの前記複数の第２凹部以外の部分とが接していて、
   前記単セルの前記第１セパレータ及び前記第２セパレータの前記複数の凸部によって前記一端側と前記他端側との間を前記反応ガスが流れる反応ガス流路が画定され、且つ、前記隣接する単セルの前記一方の単セルの前記第１セパレータの前記複数の第２凹部と前記他方の単セルの前記第２セパレータの前記複数の第２凹部とによって前記反応ガスと交差する方向に冷媒が流れる冷媒流路が画定されている、燃料電池スタック。

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