JP7253072B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池スタックに関する。
一般的に、燃料電池は、電解質膜(電解質)の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を設けた電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備える。この種の発電セルは、セパレータを介して所定数だけ交互に積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
この発電セルにおいて、アノード電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス(以下、水素含有ガスともいう。)は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気(以下、酸素含有ガスともいう。)が供給されているために、このカソード電極において、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。
ところで、燃料電池スタックでは、外部への放熱により発電セルの一部あるいは全体で温度低下が引き起こされ、結露が発生して、生成水の排出性能が低下し、発電性能が低下するという不具合が指摘されている。特に、燃料電池スタックを氷点下環境で始動する際、発電セルで発生した生成水が凍結してしまい、発電セルを有効に昇温させることができず、電圧低下が引き起こされるという問題がある。
このような問題に鑑み、特許文献1においては、電極構造体を狭持する第1金属セパレータ及び第2金属セパレータを配設するとともに、これら金属セパレータ間に導電部材を配設して両者を短絡させてなる短絡セルを形成し、当該短絡セルにおいて水素含有ガスと酸素含有ガスとを反応させて発熱させ、当該発熱によって生じた熱を利用して発電セルを加熱して昇温させ、上記のような問題の解決を図っている。
特許第4214045号公報
しかしながら、特許文献1に記載の発明では、短絡セルは発電セルから電気的に分離して配設する必要があるため、燃料電池スタックの端部に配設することはできるが、複数存在する発電セル間に配設することはできない。したがって、従来においては、燃料電池スタックの端部セルの昇温は効果的に行うことはできるが、燃料電池スタックの中央部や燃料電池スタック全体を均一に昇温して、発電性能を向上させることはできなかった。
本発明は、簡単かつ経済的な構成で、燃料スタックの任意の箇所における発電セルの昇温を可能とした燃料電池スタックを提供することを目的とする。
本発明の実施形態は、第1電解質の両面に第1アノード電極及び第1カソード電極を備え、前記第1アノード電極及び前記第1カソード電極は、それぞれ分割溝により分割された複数の電極領域を構成し、前記両面の一方の面側における一つの電極領域と、前記一つの電極領域に対向する他方の面側における一つの電極領域と、前記第1電解質と、を含む積層構造により複数の単位セルが構成され、一つの前記単位セルの前記一方の面側における電極領域と、前記一つの単位セルの隣に配列された単位セルの他方の面側の電極領域とを電気的に接続する第1導通部を前記第1電解質内に備えた、少なくとも1つの第1燃料電池セルと、第2電解質の両面に第2アノード電極及び第2カソード電極を備え、前記第2電解質を貫通して前記第2アノード電極及び前記第2カソード電極間を短絡させる第2導通部を備えた、少なくとも1つの第2燃料電池セルと、前記少なくとも1つの第1燃料電池セル及び前記少なくとも1つの第2燃料電池セルをそれぞれ分割する燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路の少なくとも一方が形成された、非導電性の少なくとも1つのセパレータと、を備えることを特徴とする、燃料電池スタックに関する。
第1燃料電池セルは、第1電解質の両面に配設された第1アノード電極及び第1カソード電極を分割溝により複数の電極領域に分割し、一方の面側における一つの電極領域と、この電極領域を含む単位セルの隣に配列された単位セルの他方の面側における一つの電極領域と、第1電解質とで単位セルを構成し、これらの単位セルを第1電解質に形成した第1導通部で接続するようにしている。したがって、当該単位セルは直列に接続され、第1燃料電池を構成する第1アノード電極及び第1カソード電極の平面方向に電力が取り出されるようになる。
一方、第2燃料電池セルは、第2電解質に形成された第2導通部を通って第2アノード電極及び第2カソード電極に電流が流れると、当該電流はこれら第2アノード電極及び第2カソード電極を含む電極構造体中を流れ、当該箇所においてジュール熱を発生する。したがって、このジュール熱を利用することにより、第2燃料電池セルを昇温セルとして利用することができる。
また、第2燃料電池セルも、電極構造体を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給され、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。したがって、当該発電に基づく加熱の効果によって、第2燃料電池セルは加熱、昇温される。
換言すれば、第2燃料電池セルは、抵抗加熱によるジュール熱と化学反応の発電に基づく発熱の双方の熱を利用して、第1燃料電池セルを加熱、昇温することができる。
なお、本実施形態の燃料電池スタックでは、第1燃料電池セルから電力を取り出し、第2燃料電池セルは第1燃料電池セルの加熱及び昇温に用いられるので、ダミーの燃料電池セルと呼ぶこともできる。
また、少なくとも1つの第1燃料電池セルと少なくとも1つの第2燃料電池セルとは、非導電性のセパレータを介して積層されているので、これらは電気的に分離している。したがって、第2燃料電池セルは、燃料電池スタックの任意の箇所、すなわち複数の第1燃料電池セル間の任意の位置に配設することができるので、燃料電池スタックの中央部等に配設して、燃料電池スタック全体を均一に昇温して、発電性能を向上させることができる。
なお、上述のように、燃料電池スタックにおける電力は、第1燃料電池によって、第1アノード電極及び第1カソード電極の平面方向に取り出されるので、上述のようにセパレータで各燃料電池が電気的に分離されていても、燃料電池スタック全体としての発電能力及び発電機能が問題となることはない。
本発明の一態様においては、第2燃料電池セルの電極構造体の抵抗を、第1燃料電池セルの電極構造体の抵抗よりも高くすることができる。これによって、第2燃料電池セルで発生するジュール熱を増大させることができ、このジュール熱を利用することにより、第1燃料電池セルをより効果的に加熱して昇温させることができる。
また、本発明の一態様においては、電極構造体はガス拡散層を有し、第2燃料電池セルの電極構造体におけるガス拡散層の抵抗が、第1燃料電池セルの電極構造体におけるガス拡散層の抵抗よりも高くすることができる。これによって、第2燃料電池セルで発生するジュール熱を簡易に増大させることができ、このジュール熱を利用することにより、第1燃料電池セルをより効果的に加熱して昇温させることができる。
さらに、本発明の一態様においては、第2燃料電池セルは、複数の第1燃料電池セル間に位置させることができる。これによって、上述したように、燃料電池スタックの中央部や燃料電池スタック全体を均一に昇温して、発電性能を向上させることができる。
以上説明したように、本発明によれば、簡単かつ経済的な構成で、燃料スタックの任意の箇所における燃料電池セルの昇温を可能とした燃料電池スタックを提供することができる。
本発明の第1実施形態に係る燃料電池スタックの概略断面図である。 本発明の第2実施形態に係る燃料電池スタックの概略断面図である。 本発明の実施形態の燃料電池スタックの発電時の制御方法を説明する概略図である。 本発明の実施形態の燃料電池スタックの発熱時の制御方法を説明する概略図である。
以下、本発明の実施形態に係る燃料電池スタックについて説明する。
(第1実施形態)
図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの概略断面図である。図1に示すように、本実施形態の燃料電池スタック10は、合計3つの第1燃料電池セル12と、1つの第2燃料電池セル22とを有する。なお、第2燃料電池セル22は、3つの第1燃料電池セル12の中央部に配設されている。
第1燃料電池セル12は、第1電解質12Aの両面にそれぞれ第1アノード電極12B及び第1カソード電極12Cが配設されている。また、第1アノード12B及び第1カソード12Cの外方には、それぞれの電極面に接触するようにしてカーボンペーパ等からなるガス拡散層12E,12Eが配設されている。なお、ガス拡散層12E,12Eは、白金合金が表面に支持された多孔質カーボン粒子を一様に塗布した電極触媒層(図示せず)を有する。電極触媒層は、第1電解質12Aの両面に接合されている。
第1電解質12Aの上面側の第1アノード電極12B及びガス拡散層12E(及び図示しない電極触媒層)、並びに第1電解質12Aの下面側の第1カソード電極12C及びガス拡散層12E(及び図示しない電極触媒層)は複数の分割溝12Fにより分割され、複数の領域(以下、「電極領域」と呼ぶ。)が形成されている。これら電極領域は、分割溝12Fの延伸方向を長辺とし2つの分割溝間を短辺とする矩形状である。また、第1電解質12Aの上面側における電極領域は、下面側の電極領域と対向するように配置されている。
第1電解質12Aの上面側の一つの電極領域と、この電極領域の一部に対向する下面側における電極領域と、それらの電極領域の間に位置する第1電解質12Aとを含む積層構造により単位セル(発電セル)Aが構成されている。
第1電解質12Aは、プロトン伝導性樹脂からなる電解質膜で、その内部に一つの単位セルAの上面側における電極領域と、一つの単位セルの隣の単位セルの下面側の電極領域とを電気的に接続する第1導通部12Dを有する。第1導通部12Dにより、隣接する単位セルA同士が電気的に直列接続される。第1導通部12Dは、分割溝12Fの延伸方向に沿って電解質膜に局所的に熱をかけてプロトン伝導性樹脂を炭化させることで形成される。このような第1燃料電池セル12は、例えば国際公開第2018/124039号に記載された方法に基づいて製造することができる。
以上の構成において、アノード側に燃料ガスが供給され、カソード側に酸化剤ガスが供給されることで各単位セルAにおいて発電され、各単位セルは直列接続されているため、各単位セルAの電圧の和が第1燃料電池10の電圧となって、第1アノード電極12B及び第1カソード電極12Cの平面方向に電力が取り出されるようになる。
なお、本実施形態では、以下に説明するように、燃料ガス等は櫛歯型の断面を有するガス流路が形成された非導電性のセパレータによって供給するため、その端部にはシール14が配設されている。
一方、第2燃料電池セル22は、プロトン伝導性樹脂からなる電解質膜の第2電解質22Aと、その両側に配設された第2アノード電極22B及び第2カソード電極22Cを有している。第2アノード電極22B及び第2カソード電極22Cには第1燃料電池セル12のような分割溝12Fはなく、第2電解質22Aの略全面に亘って配設されている。
第2アノード電極22B及び第2カソード電極22Cの外方には、カーボンペーパ等からなるガス拡散層22Eが配設され、ガス拡散層22Eの表面には白金合金が表面に支持された多孔質カーボン粒子を表面に一様に塗布してなる電極触媒層が形成されている。電極触媒層は、第2電解質22Aの両面に接合されている。第2電解質22A中に第2導通部22Dが形成され、第2アノード電極22B及び第2カソード電極22C間を電気的に短絡させている。
第2導通部22Dは、第1導通部12Dと同様に分割溝12Fの延伸方向に沿って電解質膜に局所的に熱をかけてプロトン伝導性樹脂を炭化させることで形成される。なお、第2導通部22Dはこの形状に限らず、加熱したい部位にあわせてその形状を変更することができる。
なお、第1導通部12Dや第2導通部22Dは、上記したプロトン伝導性樹脂を炭化して形成する製造方法に限らず、例えば、第2電解質22Aに対して針状の刃具を用いて機械的に貫通孔を形成する、あるいはレーザー光を照射し部分的に蒸発させて貫通孔を形成し、その後、当該貫通孔を金、銀、銅、アルミニウムなどの導電性部材で埋設して形成してもよい。
第2燃料電池セル22は、第2電解質22Aに形成された第2導通部22Dを通って第2アノード電極22B及び第2カソード電極22Cに電流が流れると、当該電流はこれら第2アノード電極22B及び第2カソード電極22Cを含む電極構造体中を流れ、当該箇所においてジュール熱を発生する。したがって、このジュール熱を利用することにより、第2燃料電池セル22を昇温セルとして利用することができる。
また、第2燃料電池22セルも、電極構造体を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給され、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。したがって、当該発電に基づく加熱の効果によって、第2燃料電池セル22は加熱、昇温される。
換言すれば、第2燃料電池22セルは、抵抗加熱によるジュール熱と化学反応の発電に基づく発熱の双方の熱を利用して、第1燃料電池セル12を加熱、昇温することができる。また、第2燃料電池セル22は分離溝が存在しないため、発電した電気は外部配線を必要とせず、第2燃料電池内部でジュール熱に変換される。このときの発熱量は事前に設計することができる。
なお、第1燃料電池セル12及び第2燃料電池セル22は、それぞれ断面が櫛歯型であって、一方の側に燃料ガス流路が形成され、他方の側に酸化剤ガス流路が形成された非導電性のセパレータ15によって分割されている。
また、上述のような構成の非導電性のセパレータが配設されていることにより、本実施形態では、3つの第1燃料電池セル12が、アノードとカソードとが対向するようにして交互に積層されるように構成されている。
なお、第1燃料電池セル12の数は3つに限定されるものではなく、必要に応じて任意の数に設定することができる。同様に、第2燃料電池セル22の数は1つに限定されるものではなく、必要に応じて任意の数に設定することができる。
また、第1燃料電池セル12及び第2燃料電池セル22の形態は、電解質が固体であって、第1導通部及び第2導通部を簡易に形成できるという観点から、固体高分子形セル、固体酸化物形セルであることが好ましい。
本実施形態によれば、3つの第1燃料電池セル12と1つの第2燃料電池セル22とが、非導電性のセパレータ15を介して積層されているので、これらは電気的に分離している。したがって、第2燃料電池セル22は、3つの燃料電池スタック10の任意の箇所、すなわち3つの第1燃料電池セル12間の任意の位置、具体的には、本実施形態のように、燃料電池スタックの中央部等に配設して、燃料電池スタック全体を均一に昇温して、発電性能を向上させることができる。
また、本実施形態によれば、第2燃料電池セル22の第2アノード電極22B及び第2カソード電極22Cには第1燃料電池セル12のような分割溝12Fはなく、電解質22Aの全面に亘って配設されているため、第2燃料電池セル22の全面が昇温して、第1燃料電池セル12の全面を昇温させることができる。このため、第1燃料電池セル12の複数の単位セルAの間で温度差が生じないため、発電性能を向上させることができる。
なお、上述のように、燃料電池スタック10における電力は、3つの第1燃料電池セル12によって、第1アノード電極12B及び第1カソード電極12Cの平面方向に取り出されるので、燃料電池スタック10全体としての発電能力及び発電機能が問題となることはない。
本実施形態において、第2燃料電池セル22の第2アノード電極22B及び第2カソード電極22Cを含む電極構造体の抵抗を、第1燃料電池セル12の電極構造体の抵抗よりも高くすることが好ましい。具体的には、第2燃料電池セル22の電極構造体におけるガス拡散層22Eの抵抗を、第1燃料電池セル12の電極構造体におけるガス拡散層12Eの抵抗よりも高くする。これによって、第2燃料電池セル22で発生するジュール熱を簡易に増大させることができ、このジュール熱を利用することにより、第1燃料電池セル12をより効果的に加熱して昇温させることができる。
この場合、第2燃料電池セル22のガス拡散層22Eは、樹脂含有率の高いカーボンペーパ等もしくは通常より薄く製造されたカーボンペーパ等から構成し、第1燃料電池セル12のガス拡散層12Eは樹脂含有率の低いカーボンペーパ等から構成することが好ましい。これによって、第2燃料電池セル22の電極構造体の抵抗を第1燃料電池セル12の電極構造体の抵抗よりも簡易に増大させることができる。
なお、第2燃料電池セル22の電極構造体の抵抗は、第2アノード電極22A及び第2カソード電極22Bに対して、高抵抗体、例えば、樹脂やセラミックを塗布することによっても変化させることができる。
(第2実施形態)
図2は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの概略断面図である。
なお、本実施形態では、セパレータ35の断面を波型とし、隣接する空間を燃料ガスあるいは酸化剤ガスのいずれかが流れるようにしている。したがって、本実施形態では、第1実施形態で示した場合と異なり、アノードとアノード、あるいはカソードとカソードが対向するようにして交互に積層されるように構成されている。
例えば、本実施形態では、第1実施形態における第1燃料電池セル12の第1アノード12Bと対向するように第1アノード12Bが配設され、第1燃料電池セル12の第1カソード12Cと対向するように第1カソード12Cが配設された副第1燃料電池セル32が配設されている。すなわち、本実施形態では、燃料電池スタック30は、2つの第1燃料電池セル12、3つの副第1燃料電池セル32及び1つの第2燃料電池セル22からなる。
なお、第2燃料電池セル22は、第1燃料電池セル12及び副第1燃料電池セル32間であって、燃料電池スタック30の中央部に配設されている。第2燃料電池セル22は第1実施形態と同様に、第2アノード電極22B及び第2カソード電極22Cには第1燃料電池セル12のような分割溝12Fはなく、電解質22Aの全面に亘って配設されている。
本実施形態においても、2つの第1燃料電池セル12、3つの副第1燃料電池セル32及び1つの第2燃料電池セル22が、非導電性のセパレータ35を介して積層されているので、これらは電気的に分離している。したがって、第2燃料電池セル22は、燃料電池スタック10の任意の箇所、すなわち2つの第1燃料電池セル12及び3つの副第1燃料電池セル32間の任意の位置、具体的には、本実施形態のように、燃料電池スタック30の中央部等に配設して、燃料電池スタック30全体を均一に昇温して、発電性能を向上させることができる。
また、本実施形態によれば、第1実施形態と同様に、第2燃料電池セル22の第2アノード電極22B及び第2カソード電極22Cには第1燃料電池セル12のような分割溝12Fはなく、電解質22Aの全面に亘って配設されているため、第2燃料電池セル22の全面が昇温して、第1燃料電池セル12の全面を昇温させることができる。このため、第1燃料電池セル12の複数の単位セルAの間で温度差が生じないため、発電性能を向上させることができる。
なお、上述のように、燃料電池スタック30における電力は、2つの第1燃料電池セル12及び3つの副第1燃料電池セル32によって、第1アノード電極12B及び第1カソード電極12Cの平面方向に取り出されるので、燃料電池スタック30全体としての発電能力及び発電機能が問題となることはない。
また、第2燃料電池22セルは、抵抗加熱によるジュール熱と化学反応の発電に基づく発熱の双方の熱を利用して、第1燃料電池セル12及び副第1燃料電池セル32を加熱、昇温することができる。
なお、その他の特徴については第1実施形態と同様であるので、説明を省略する。
(第3実施形態)
図3は、本実施形態の燃料電池スタック10の発電時の制御方法を説明する概略図であり、図4は、本実施形態の燃料電池スタック10の発熱時の制御方法を説明する概略図である。
図3に示すように、燃料電池スタック10の発電時には、燃料タンク41より複数の第1燃料電池セル12に対して、水素含有ガス等の燃料ガス、空気等の酸素含有ガスである酸化剤ガス、及び純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体が供給される。その結果、電極構造体では、第1アノード電極12Bに供給される燃料ガスと、第1カソード電極12Cに供給される酸化剤ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
一方、図4に示すように、燃料電池スタック10の発熱時には、燃料タンク41より第2燃料電池セル22に対して、水素含有ガス等の燃料ガス、空気等の酸素含有ガスである酸化剤ガス、及び純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体が供給される。その結果、電極構造体では、第2アノード電極22Bに供給される燃料ガスと、第2カソード電極22Cに供給される酸化剤ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。したがって、第2燃料電池セル22においても、発電に基づく発熱により、燃料電池スタック10を加熱、昇温することができる。
一方、第2燃料電池セル22は、高抵抗なガス拡散層を含む電極構造体を有するとともに、第2アノード電極22B及び第2カソード電極22C間が第2導通部22Dで短絡されている。したがって、第2燃料電池セル22の第2導通部22Dを通って第2アノード電極22B及び第2カソード電極22Cに電流が流れると、当該電流は電極構造体中を流れ、当該箇所においてジュール熱を発生する。そして、燃料電池スタック10の加熱、昇温に寄与する。
換言すれば、第2燃料電池セル22では、その燃料電池としての化学反応に起因した発熱と、抵抗によるジュール熱による発熱との双方を利用して、燃料電池スタック10を加熱、昇温することができる。
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として掲示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
10,30 燃料電池スタック
12 第1燃料電池セル
12A 第1電解質
12B 第1アノード電極
12C 第2カソード電極
12D 第1導通部
12E 第1ガス拡散層
12F 分割溝
14 シール
15,35 セパレータ
22 第2燃料電池セル
22A 第2電解質
22B 第2アノード電極
22C 第2カソード電極
22D 第2導通部
22E 第2ガス拡散層
32 副第1燃料電池セル
41 燃料タンク

Claims (4)

  1. 第1電解質の両面に第1アノード電極及び第2カソード電極を備え、前記第1アノード電極及び前記第1カソード電極は、それぞれ分割溝により分割された複数の電極領域を構成し、前記両面の一方の面側における一つの電極領域と、前記一つの電極領域に対向する他方の面側における一つの電極領域と、前記第1電解質と、を含む積層構造により複数の単位セルが構成され、一つの前記単位セルの前記一方の面側における電極領域と、前記一つの単位セルの隣に配列された単位セルの他方の面側の電極領域とを電気的に接続する第1導通部を前記第1電解質内に備えた、少なくとも1つの第1燃料電池セルと、
    第2電解質の両面に第2アノード電極及び第2カソード電極を備え、前記第2電解質を貫通して前記第2アノード電極及び前記第2カソード電極間を短絡させる第2導通部を備えた、少なくとも1つの第2燃料電池セルと、
    前記少なくとも1つの第1燃料電池セル及び前記少なくとも1つの第2燃料電池セルをそれぞれ分割する燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路の少なくとも一方が形成された、非導電性の少なくとも1つのセパレータと、
    を備えることを特徴とする、燃料電池スタック。
  2. 前記少なくとも1つの第2燃料電池セルの電極構造体の抵抗が、前記少なくとも1つの第1燃料電池セルの電極構造体の抵抗よりも高いことを特徴とする、請求項1に記載の燃料電池スタック。
  3. 前記電極構造体はガス拡散層を有し、前記第2燃料電池セルの電極構造体におけるガス拡散層の抵抗が、前記第1燃料電池セルの電極構造体におけるガス拡散層の抵抗よりも高いことを特徴とする、請求項2に記載の燃料電池スタック。
  4. 前記少なくとも1つの第2燃料電池セルは、前記少なくとも1つの第1燃料電池セル間に位置することを特徴とする、請求項1~3のいずれか1項に記載の燃料電池スタック。

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