JPWO2015129206A1 - 燃料電池モジュールおよび燃料電池スタック - Google Patents

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Abstract

燃料電池モジュールは、電解質膜と、電解質膜の一方の面に設けられたアノードと、電解質膜の他方の面に設けられたカソードとを有し、平面状に配列された複数の膜電極接合体と、隣接する膜電極接合体の一方のアノードと他方のカソードとを電気的に接続するためのインターコネクタと、を備えた第１の燃料電池レイヤー及び第２の燃料電池レイヤーからなり、第１の燃料電池レイヤーの膜電極接合体と第２の燃料電池レイヤーの膜電極接合体の同極が対向するように、第１の燃料電池レイヤーと第２の燃料電池レイヤーが配置されたことを特徴とする。

Description

本発明は、水素と酸素の電気化学反応により発電する燃料電池モジュールおよび該燃料電池モジュールを複数積層した燃料電池スタックに関する。
近年、エネルギー変換効率が高く、かつ、発電反応により有害物質を発生しない燃料電池が注目を浴びている。こうした燃料電池の一つとして、１００℃以下の低温で作動する固体高分子形燃料電池が知られている。
固体高分子形燃料電池は、電解質膜である固体高分子膜をアノードとカソードとの間に配した基本構造を有し、アノードに水素、カソードに酸素を含む酸化剤ガスを供給し、以下の電気化学反応により発電する装置である。
アノード：Ｈ２ → ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− ・・・（１）
カソード：１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ− → Ｈ２Ｏ ・・・（２）
アノードにおいては、供給された水素が上記式（１）に示されるように水素イオンと電子に分解される。このうち水素イオンは固体高分子電解質膜の内部をカソードに向かって移動し、電子は外部回路を通ってアノードに移動する。一方、カソードにおいては、カソードに供給された酸化剤ガスに含まれる酸素がアノードから移動してきた水素イオンおよび電子と反応し、上記（２）に示されるように水が生成する。このように、外部回路では、アノードからカソードに向かって電子が移動するため、電力が取り出される。
中でも、固体高分子形燃料電池は、他の種類の燃料電池に比べて、作動温度が低く、高い出力密度を持つ特徴があり、特に近年、携帯機器などの電源や車載用途などの電源への利用が期待されている。この種の固体高分子形燃料電池としては、複数の膜電極接合体を平面状に配列した平面配列型の燃料電池レイヤーと前記平面配列型の燃料電池レイヤーを積層した燃料電池スタックが下記特許文献１において提案されている。
特開２００４−２７３２６４号
しかしながら、前記特許文献１に提案されている燃料電池スタックは、アノードおよびカソード上に各々設置されたセパレータを介して積層する構造である。そのため、セパレータを設置した分だけ、重量及び体積が大きくなるという課題があった。
本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、より簡素な構成で燃料電池モジュールおよび燃料電池スタックの軽量化およびコンパクト化を図ることを本発明の課題とする。
電解質膜と、電解質膜の一方の面に設けられたアノードと、電解質膜の他方の面に設けられたカソードとを有し、平面状に配列された複数の膜電極接合体と、隣接する前記膜電極接合体の一方のアノードと他方のカソードとを電気的に接続するためのインターコネクタと、を備えた第１の燃料電池レイヤー及び第２の燃料電池レイヤーからなり、第１の燃料電池レイヤーの膜電極接合体と第２の燃料電池レイヤーの膜電極接合体の同極が対向するように、第１の燃料電池レイヤーと第２の燃料電池レイヤーが配置されたことを特徴とする。
本発明の一つの側面に係る燃料電池モジュールによれば、第１の燃料電池レイヤーの膜電極接合体と第２の燃料電池レイヤーの膜電極接合体の同極が対向するように、第１の燃料電池レイヤーと第２の燃料電池レイヤーが配置されているため、水素ガスが流通する空間または酸素を含む酸化剤ガスが流通する空間を共通化できるため、セパレータを削減することが可能となり、軽量化およびコンパクト化が可能となる。
実施例１に係る燃料電池モジュールの模式的断面図である。 実施例２に係る燃料電池モジュールの模式的断面図である。 実施例１及び実施例２の構成をとった場合の電気回路を示す概略図である。 実施例３に係る燃料電池モジュールの模式的断面図である。 実施例４に係る燃料電池モジュールの模式的断面図である。 固定部材１２８は全面にわたる絶縁性のシート状を示す模式的断面図である。 実施例３及び実施例４の構成をとった場合の電気回路を示す概略図である。 実施例５に係る燃料電池スタックの模式的断面図である。 実施例６に係る燃料電池スタックの模式的断面図である。 本実施形態に係る燃料電池モジュールを含む燃料電池スタックの構成を示す分解斜視図である。
本発明の実施形態を図面に基づき説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
（実施例１）
図１は、実施例１に係る燃料電池モジュールの構成を示す模式的断面図である。図１に示すように、燃料電池モジュール１００は、第１の燃料電池レイヤー１０１と第２の燃料電池レイヤー１０２と固定部材１２８とを備える。
第１の燃料電池レイヤー１０１と第２の燃料電池レイヤー１０２は、各々のアノード触媒層１２４同士が対向するように、固定部材１２８を介して配置されている。このように配置することで、水素ガスが流通する燃料ガス空間１４０が形成され、従来、使用されていたセパレータを削減することができる。
前記第１の燃料電池レイヤー１０１及び前記第２の燃料電池レイヤー１０２は、平面配列された複数の膜電極接合体１２０と、インターコネクタ１３０とを備える。各膜電極接合体１２０は、電解質膜１２２と、電解質膜１２２の一方の表面に設けられたアノード触媒層１２４と、電解質膜１２２の他方の表面に、アノード触媒層１２４と少なくとも一部が対向するように設けられたカソード触媒層１２６とを含む。
各膜電極接合体１２０のアノード触媒層１２４は、電解質膜１２２の一方の表面に互いに間隔をあけて設けられている。また、各膜電極接合体１２０のカソード触媒層１２６は、電解質膜１２２の他方の表面に互いに間隔を空けて設けられている。一対のアノード触媒層１２４とカソード触媒層１２６との間に電解質膜１２２が挟持されて膜電極接合体１２０（単セルということがある）が構成されている。
アノード触媒層１２４には、燃料ガスとして水素が供給される。カソード触媒層１２６には、酸化剤として空気が供給される。各膜電極接合体１２０は、水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電する。
アノード触媒層１２４およびカソード触媒層１２６は、イオン交換体ならびに触媒粒子、場合によっては触媒粒子を担持した炭素粒子を有する。
アノード触媒層１２４およびカソード触媒層１２６が有するイオン交換体は、触媒粒子と電解質膜１２２との間の密着性を向上させるために用いられる。触媒金属としては、Ｓｃ、Ｙ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｏｓ、Ｉｒ、ランタノイド系列元素やアクチノイド系列の元素の中から選ばれる合金や単体が挙げられる。また触媒を担持する場合には炭素粒子として、ファーネスブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブなどを用いてもよい。なお、アノード触媒層１２４およびカソード触媒層１２６の厚さは、それぞれ、たとえば約１０〜４０μｍである。
電解質膜１２２は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示すことが好ましく、アノード触媒層１２４とカソード触媒層１２６との間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。電解質膜１２２は、含フッ素重合体や非フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成され、例えば、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例として、ナフィオン（登録商標）膜（デュポン社製）などが挙げられる。また、非フッ素重合体の例として、スルホン化された芳香族ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホンなどが挙げられる。電解質膜１２２の厚さは、たとえば約１０〜２００μｍである。
インターコネクタ１３０は、隣接する膜電極接合体１２０の一方のアノード触媒層１２４から隣接する膜電極接合体１２０の他方のカソード触媒層１２６への電気経路を構成して、隣接する単セルを電気的に接続するための部材である。
前記固定部材１２８は、前記第１の燃料電池レイヤー１０１のインターコネクタ１３０上に形成されたアノード触媒層１２４と前記第２の燃料電池レイヤー１０２のインターコネクタ１３０上に形成されたアノード触媒層１２４との間に配置することができる。
前記第１の燃料電池レイヤー１０１と前記第２の燃料電池レイヤー１０２は、各々のアノード触媒層１２４同士が対向するように、前記固定部材１２８を介して配置されている。このように配置することで、水素ガスが流通する共通の燃料ガス空間１４０が形成され、従来、水素ガスを流通するために使用されていたセパレータを削減することができる。
また、前記固定部材１２８は、各インターコネクタ１３０毎に配置することが好ましい。このように配置することで、水素ガスの圧力によって燃料ガス空間１４０が膨張することを抑制することができ、第１の燃料電池レイヤー１０１または第２の燃料電池レイヤー１０２の破損を防止することができる。
尚、前記固定部材１２８は、炭素、ニッケル、銅、鉄等の導電材料を含んでもよい。
（実施例２）
図２は、実施例２に係る燃料電池モジュール１００の構成を示す模式的断面図である。図２に示すように、前記実施例１との主たる相違点は、インターコネクタ１３０がアノード触媒層１２４よりも突出しているところである。これにより、インターコネクタ１３０が前記実施例１における固定部材１２８を兼ねることができる。また、その他の相違点として、インターコネクタ１３０とカソード触媒層１２６とが略同一平面上にあると共に、アノード触媒層１２４と隣接するカソード触媒層１２６とが、インターコネクタ１３０の側面を介して電気的に直列接続されている。
実施例２に係る燃料電池モジュール１００によれば、インターコネクタ１３０が前記実施例１における固定部材１２８を兼ねているため、固定部材１２８を別途用意する必要がないため、更なるコンパクト化が可能となる。
前記実施例１及び実施例２における電気回路を示す概略図を図３に示す。前記実施例１のように固定部材１２８が導電材料を含む、もしくは前記実施例２のようにインターコネクタ１３０が固定部材を兼ねているため、前記第１の燃料電池レイヤー１０１のインターコネクタ１３０と前記第２の燃料電池レイヤー１０１のインターコネクタ１３０とを電気的に接続できるため、図３に示すように対向する単セル同士が並列接続となり、単セルにばらつきがあっても出力を安定させることができる。
（実施例３）
図４は、実施例３に係る燃料電池モジュール１００の構成を示す模式的断面図である。図４に示すように、前記実施例１との主たる相違点は、固定部材１２８が絶縁材料である点である。また、固定部材１２８の固定する力を高めるために、各膜電極接合体１２０の各アノード触媒層１２４間に設けられた間隔に固定部材１２８の凸部１２８ａ及び１２８ｂを配置することができる。
（実施例４）
図５は、実施例４に係る燃料電池モジュール１００の構成を示す模式的断面図である。図５に示すように、本例では、第１の燃料電池レイヤー１０１のインターコネクタ１３０と第２の燃料電池レイヤー１０２のインターコネクタ１３０との間に絶縁性の固定部材１２８を介した以外は、前記実施例２と略同等の構成となっている。
前記実施例３と前記実施例４のように固定部材１２８が絶縁材料から構成されているので、第１の燃料電池レイヤー１０１と第２の燃料電池レイヤー１０２を対向して配置させる時に、少々の位置ズレが生じても、第１の燃料電池レイヤー１０１のアノード触媒層１２４と、隣接する第２の燃料電池レイヤー１０２のアノード触媒層１２４との接触によるショートの発生を防止することが可能となる。
尚、図示しないが、前記インターコネクタ１３０がカソード触媒層１２６の表面よりも凸となってもよい。また、図６に示すように、固定部材１２８は全面にわたる絶縁性のシート状であってもよい。この場合、前記絶縁性のシートは、水素ガス等の気体を透過するものが好ましい。
前記実施例３及び実施例４における電気回路を示す概略図を図７に示す。固定部材１２８が絶縁材料、もしくは各インターコネクタ１３０の間に絶縁性の固定部材１２８を介しているため、図７に示すように単セル同士が並列接続とはなっていない。
尚、図示しないが、第１の燃料電池レイヤー１０１と第２の燃料電池レイヤー１０２は端部で電気的に接続し、前記第１の燃料電池レイヤー１０１と前記第２の燃料電池レイヤー１０２同士が並列接続となっていてもよい。
（実施例５）
図８は、実施例５に係る燃料電池スタック２００の模式的断面図である。燃料電池スタック２００は、第１の燃料電池モジュール１００ａと第２の燃料電池モジュール１００ｂとからなり、燃料電池モジュールを冷却するための冷却部２０１を介して積層している。
第１の燃料電池モジュール１００a及び第２の燃料電池モジュール１００ｂは各々第１の燃料電池レイヤー１０１と第２の燃料電池レイヤー１０２とを備える。
第１の燃料電池モジュール１００aの構成要素である第２の燃料電池レイヤー１０２のカソード触媒層１２６と第２の燃料電池モジュール１００bの構成要素である第１の燃料電池レイヤー１０１のカソード触媒層１２６が対向するように配置されている。
冷却部２０１には、冷媒流路２０２を設けてもよい。特に、カソード側の方がアノード側の方よりも高熱になりやすいため、カソード側に冷媒流路２０２を備えた冷却部２０１を設置することが特に好適である。冷媒として、水、アルコール、油などを用いることができる。
このように配置することで、酸素ガスを含む酸化剤ガス空間１４２を形成できるため、酸化剤ガスを流通させるためのセパレータを必要とせず、前記燃料電池のコンパクト化が可能となる。また、カソード側の方がアノード側の方よりも高熱になりやすいため、カソード側に冷却部２０１を設置することが特に好適である。
尚、図８において、前記冷却部２０１は、第１の燃料電池レイヤー１０１のカソード触媒層１２６または第２の燃料電池レイヤー１０２のカソード触媒層１２６間に設置されているが、前記冷却部２０１は、前記第１の燃料電池レイヤー１０１または前記第２の燃料電池レイヤー１０２のインターコネクタ１３０上に設置してもよい。前記冷却部２０１がインターコネクタ１３０上にあることで、カソードへの酸化剤ガスの拡散を妨げることはない。
また、前記冷却部２０１が絶縁材料であることが特に好適である。このようにすることで、より軽量な樹脂、アルマイト処理したアルミニウム等の絶縁性材料を使用することができ、更に、燃料電池を軽量化することができる。
また、冷却部２０１として放熱フィンを設けてもよい。放熱フィンを設置することで、カソードに供給するための酸化剤ガスで冷却することができ、別途、水、アルコール、油等の冷媒が不要となる。
(実施例６)
図９は、実施例６に係る燃料電池スタック２００の模式的断面図である。燃料電池スタック２００は、第１の燃料電池モジュール１００ａと第２の燃料電池モジュール１００ｂとからなり、冷却部２０１を介して積層されている。
第１の燃料電池モジュール１００ａは、第１の燃料電池レイヤー１０１と第２の燃料電池レイヤー１０２とからなり、第１の燃料電池レイヤー１０１のアノード触媒層１２４と第２の燃料電池レイヤー１０２のアノード触媒層１２４が対向するように配置されている。このように配置することで、水素ガスが流通する燃料ガス空間１４０が形成され、従来、水素ガスを流通するために使用されていたセパレータを削減することができる。
第１の燃料電池レイヤー１０１または第２の燃料電池レイヤー１０２のインターコネクタ１３０の両端に第１絶縁層１３１と第２絶縁層１３２を有している。隣接する単セルを直列に接続するために、第１絶縁層１３１上に存在するアノード触媒層１２４、第２絶縁層１３２上に存在するカソード触媒層をレーザー等により除去して、空隙１３３を形成している。
図９に示すように、第１の燃料電池レイヤー１０１と第２の燃料電池レイヤー１０２は、インターコネクター１３０上の各々の触媒層同士が接触しているため、前記実施例２と同様に、別途、固定部材１２８を設ける必要がなく、更なるコンパクト化が可能である。また、図９に示すように、冷却部２０１が一体化されていてもよい。この場合、ガスを透過させるための孔を冷却部２０１に形成してもよい。
図１０は、前記で説明した本実施例に係る燃料電池モジュールを含む燃料電池スタックの構成を示す分解斜視図である。図１０に示すように、集電部２１１によって、複数の燃料電池スタックが固定されるとともに、各複数の燃料電池モジュールを直列または並列に電気接続することができる。
図１０に示すように、エンドプレート２１０には、水素ガス供給用マニホールド２２０、水素ガス排出用マニホールド２２１、酸化剤ガス供給用マニホールド２３０、酸化剤ガス排出用マニホールド２３１、冷却水供給用マニホールド２４０、冷却水排出用マニホールド２４１を備えていてもよい。
エンドプレート２１０は集電に寄与していないため、絶縁材料であることが特に好適である。このようにすることで、より軽量な樹脂、アルマイト処理したアルミニウム等の絶縁性材料を使用することができ、更に、燃料電池を軽量化することができる。
尚、本実施例では、第１の燃料電池レイヤー１０１の膜電極接合体１２０のアノード触媒層１２４と第２の燃料電池レイヤー１０２の膜電極接合体１２０のアノード触媒層１２４が対向するように前記第１の燃料電池レイヤー１０１と前記第２の燃料電池レイヤー１０２とを配置させた例を示したが、第１の燃料電池レイヤー１０１の膜電極接合体１２０のカソード触媒層１２６と第２の燃料電池レイヤー１０２の膜電極接合体１２０のカソード触媒層１２６が対向するように配置させてもよい。
本発明は、燃料電池に利用できる。
１００ 燃料電池モジュール
１０１ 第１の燃料電池レイヤー
１０２ 第２の燃料電池レイヤー
１２０ 膜電極接合体
１２２ 電解質膜
１２４ アノード触媒層
１２６ カソード触媒層
１２８ 固定部材
１３０ インターコネクタ
１３１ 第１絶縁層
１３２ 第２絶縁層
１４０ 燃料ガス空間
１４２ 酸化剤ガス空間
２００ 燃料電池スタック
２０１ 冷却部
２０２ 冷媒流路
２１０ エンドプレート
２２０ 水素ガス供給用マニホールド
２２１ 水素ガス排出用マニホールド
２３０ 酸化剤ガス供給用マニホールド
２３１ 酸化剤ガス排出用マニホールド
２４０ 冷却水供給用マニホールド
２４１ 冷却水排出用マニホールド

Claims (7)

  1. 電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に設けられたアノードと、前記電解質膜の他方の面に設けられたカソードとを有し、平面状に配列された複数の膜電極接合体と、隣接する前記膜電極接合体の一方のアノードと他方のカソードとを電気的に接続するためのインターコネクタと、を備えた第１の燃料電池レイヤー及び第２の燃料電池レイヤーからなり、前記第１の燃料電池レイヤーの膜電極接合体と前記第２の燃料電池レイヤーの膜電極接合体の同極が対向するように、前記第１の燃料電池レイヤーと前記第２の燃料電池レイヤーが配置されたことを特徴とする燃料電池モジュール。
  2. 前記第１の燃料電池レイヤーのインターコネクタと前記第２の燃料電池レイヤーのインターコネクタとの間に固定部材を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
  3. 前記固定部材が、前記第１の燃料電池レイヤーのインターコネクタと前記第２の燃料電池レイヤーのインターコネクタとを電気的に接続する導電材料を含むことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池モジュール。
  4. 前記固定部材が、絶縁材料であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池モジュール。
  5. 前記同極はアノードである請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
  6. 請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池モジュールの前記第１の燃料電池レイヤーまたは前記第２の燃料電池レイヤーのインターコネクタ上に冷却部を設け、前記冷却部を介して燃料電池モジュールが積層された燃料電池スタック。
  7. 前記冷却部が絶縁材料から成ることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池スタック。
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