JP2009176609A - 燃料電池スタック、および、燃料電池スタックに用いられる集電板 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックの発電効率を向上させる。
【解決手段】燃料電池スタックは、複数の単セルの積層方向の両端部にそれぞれ配置され、複数の単セルで発電された電流を集電する集電板を備える。この集電板は、電気抵抗が比較的低い第１の集電領域と、集電された電流を外部に出力する出力端子を有し、第１の集電領域よりも電気抵抗が高い第２の集電領域とを備える。そして、第１の集電領域は、集電板と隣接する端部セルにおいて、発電量が比較的大きい第１のセル領域と当接するように配置され、第２の集電領域は、集電板と隣接する端部セルにおいて、発電量が第１のセル領域よりも小さい第２のセル領域と当接するように配置される。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池スタック、および、燃料電池スタックに用いられる集電板に関するものである。

燃料ガス（例えば、水素）と酸化剤ガス（例えば、酸素）との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。そして、この燃料電池には、上記電気化学反応によって発電する単セルを複数積層させた燃料電池スタックがある。この燃料電池スタックでは、複数の単セルの積層方向に両端部に、複数の単セルで発電された電流を集電する集電板が配置され、この集電板に設けられた出力端子から外部に電流が出力される。

ところで、燃料電池スタックにおいて、効率よく発電を行うためには、各単セルの温度を適正な範囲内に維持する必要がある。しかし、一般に、燃料電池スタックでは、上記積層方向の両端部に配置された単セル（以下、端部セルとも呼ぶ）は、隣接する集電板への放熱によって、他の単セルよりも温度が上昇しにくい。このため、端部セルでは、起動時（特に低温起動時）の昇温時間が他の単セルよりも遅いという課題があった。

そこで、従来、燃料電池スタックに用いられる集電板に関し、端部セルの昇温時間を短縮するための種々の技術が提案されている（例えば、下記特許文献１，２参照）。

特開２００５−２７６６７０号公報 特開２００５−２９３９２８号公報 国際公開第２００３／０２３８８６号公報

しかし、上記特許文献に記載された技術では、端部セルの面内における温度分布については考慮されていなかった。このため、端部セルでは、面内における温度分布に起因する発電分布が大きく、発電効率が悪かった。これは、各単セルにおいて、酸化剤ガスの導入部から離れた排出部の近傍領域では、酸化剤ガスの導入部の近傍領域よりも上記電気化学反応が起きにくいため、温度が上昇しにくく、このことは、集電板への放熱により温度が上昇しにくい端部セルにおいて顕著となるからである。そして、端部セルにおける発電効率の低下は、燃料電池スタック全体としての発電効率の低下を招いていた。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池スタックの発電効率を向上させることを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する単セルを複数積層させた燃料電池スタックであって、複数の前記単セルの積層方向の両端部にそれぞれ配置され、前記複数の単セルで発電された電流を集電する集電板を備え、前記集電板は、第１の集電領域と、前記集電された電流を外部に出力する出力端子を有し、前記第１の集電領域よりも電気抵抗が高い第２の集電領域と、を備える燃料電池。

適用例１の燃料電池スタックでは、集電板が、電気抵抗が比較的低い第１の集電領域と、集電された電流を外部に出力する出力端子を有し、上記第１の集電領域よりも電気抵抗が高い第２の集電領域とを備える。このため、複数の単セルで発電された電流が、集電板によって集電され、上記第２の集電領域に設けられた出力端子に流れる間に、集電板を構成する導電性部材内で電気エネルギの一部が熱エネルギに変換され、上記第１の集電領域、および、上記第２の集電領域の温度がそれぞれ上昇する。そして、上記第２の集電領域の温度は、上記第１の集電領域の温度よりも高くなる。したがって、集電板において、上記第１の集電領域と、上記第２の集電領域とを適切に配置して、集電板と隣接する端部セルを加熱し、端部セルの面内における温度分布を均一化することによって、発電分布を均一化させ、端部セルにおける発電効率を向上させることができる。この結果、燃料電池スタックの発電効率を向上させることができる。本適用例は、端部セルの温度が低下しやすい氷点下での発電時に特に有効である。

なお、本適用例において、「電気抵抗」という文言は、集電板のバルクの電気抵抗と、端部セルとの接触抵抗との双方の意味を含んでいる。また、本適用例において、「第１の集電領域」と「第２の集電領域」とは、明確に区分されるものではなく、適宜、設定可能である。

また、一般に、燃料電池スタックでは、先に説明したように、端部セルでは、集電板への放熱により温度が低下しやすい傾向にあるため、発電、すなわち、上記電気化学反応によって生成された生成水が凝縮して、フラッディングが生じやすい傾向にある。本適用例の燃料電池スタックでは、端部セルを集電板によって加熱することができるので、端部セルにおけるフラッディングを抑制することもできる。

［適用例２］適用例１記載の燃料電池スタックであって、前記集電板に隣接する前記単セルは、第１のセル領域と、前記第１のセル領域よりも発電量が小さい第２のセル領域と、を有しており、前記集電板において、前記第１の集電領域は、前記第１のセル領域と当接するように配置され、前記第２の集電領域は、前記第２のセル領域と当接するように配置されている、燃料電池スタック。

集電板に隣接する端部セルにおいて、発電量が比較的大きい上記第１のセル領域（例えば、酸化剤ガスの導入部の近傍領域）では、温度が上昇しやすく、発電量が比較的小さい上記第２のセル領域（例えば、酸化剤ガスの導入部から離れた排出部の近傍領域）では、上記第１のセル領域よりも温度が上昇しにくい。

適用例２の燃料電池スタックでは、集電板において、上記第１の集電領域が、上記第１のセル領域と当接するように配置され、上記第２の集電領域が、上記第２のセル領域と当接するように配置されているので、発電時に温度が上昇しにくい上記第２のセル領域を効果的に加熱し、昇温させることができる。

なお、本適用例において、「第１のセル領域」と「第２のセル領域」とは、明確に区分されるものではなく、端部セルの面内における発電量の分布や、温度分布に基づいて、適宜、設定可能である。

［適用例３］適用例１または２記載の燃料電池スタックであって、前記集電板は、厚さが略均一であるとともに、前記第１の集電領域、および、前記第２の集電領域は、電気抵抗率が互いに異なる導電性材料からなる、燃料電池スタック。

適用例３の燃料電池スタックでは、集電板における上記第２の集電領域に用いられる導電性部材の電気抵抗率を、上記第１の集電領域に用いられる導電性部材の電気抵抗率よりも高く設定することによって、集電板における上記第２の集電領域の電気抵抗を上記第１の集電領域の電気抵抗よりも高くするようにすることができる。

［適用例４］適用例１または２記載の燃料電池スタックであって、前記集電板は、単一の導電性材料からなるとともに、前記第２の集電領域における厚さが、前記第１の集電領域における厚さよりも薄くなるように形成されている、燃料電池スタック。

適用例４の燃料電池スタックでは、集電板を単一の導電性部材を用いて形成するとともに、上記第２の集電領域における厚さを、上記第１の集電領域における厚さよりも薄く設定しているので、集電板における上記第２の集電領域の電気抵抗を上記第１の集電領域の電気抵抗よりも高くするようにすることができる。

本発明は、上述した種々の特徴を必ずしも全て備えている必要はなく、その一部を省略したり、適宜、組み合わせたりして構成することができる。また、本発明は、上述の燃料電池スタックとしての構成の他、燃料電池スタックに用いられる集電板の発明として構成することもできる。なお、この集電板の発明においても、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池スタックの構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池スタック１００の概略構成を示す斜視図である。この燃料電池スタック１００は、概ね、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を、セパレータを介在させて、複数積層させたスタック構造を有している。本実施例では、電解質膜として、固体高分子膜を用いるものとした。電解質として、固体酸化物等、他の電解質を用いるものとしてもよい。また、セパレータ内には、アノードに供給すべき燃料ガスとしての水素の流路や、カソードに供給すべき酸化剤ガスとしての空気の流路や、冷却水の流路が形成されている。なお、燃料電池スタック１００における膜電極接合体の積層数は、燃料電池スタック１００に要求される出力に応じて任意に設定可能である。

燃料電池スタック１００は、図示するように、一端から、エンドプレート１０ａ、絶縁板２０ａ、集電板３０ａ、複数の単セル４０、集電板３０ｂ、絶縁板２０ｂ、エンドプレート１０ｂの順に積層することによって構成されている。本実施例では、これらは、それぞれ略矩形形状を有している。そして、燃料電池スタック１００内部には、水素や、空気や、冷却水を、それぞれ各膜電極接合体に分配して供給するための供給マニホールド（水素供給マニホールド、空気供給マニホールド、冷却水供給マニホールド）や、各膜電極接合体のアノードおよびカソードからそれぞれ排出されるアノードオフガスおよびカソードオフガスや、冷却水を集合させて燃料電池スタック１００の外部に排出するための排出マニホールド（アノードオフガス排出マニホールド、カソードオフガス排出マニホールド、冷却水排出マニホールド）が形成されている。

そして、図示するように、エンドプレート１０ａの下側長辺の内側には、下側長辺に沿って、空気供給マニホールドを構成する空気供給口１２ｉが形成されている。また、エンドプレート１０ａの上側長辺の内側には、上側長辺に沿って、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出口１２ｏが形成されている。また、エンドプレート１０ａの左側短辺の内側には、水素供給マニホールドを構成する水素供給口１４ｉ、および、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給口１６ｉが、上下に互いに隣接して形成されている。また、エンドプレート１０ａの右側短辺には、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出口１６ｏ、および、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出口１４ｏが、上下に互いに隣接して形成されている。

水素供給口１４ｉには、図示しない水素タンクから、燃料ガスとしての水素が供給され、燃料電池スタック１００のアノードから排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス排出口１４ｏから排出される。また、空気供給口１２ｉには、図示しないエアコンプレッサによって圧縮された酸化剤ガスとしての酸素を含む空気が供給され、燃料電池スタック１００のカソードから排出されるカソードオフガスは、カソードオフガス排出口１２ｏから排出される。また、冷却水供給口１６ｉには、図示しないラジエータによって冷却され、ポンプによって加圧された冷却水が供給され、燃料電池スタック１００の内部を流れて、冷却水排出口１６ｏから排出されて循環する。

エンドプレート１０ａ，１０ｂは、剛性を確保するために、鋼等の金属によって形成されている。また、絶縁板２０ａ，２０ｂは、ゴムや、樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。また、集電板３０ａ，３０ｂは、ガス不透過な導電性部材によって形成されている。集電板３０ａ，３０ｂの上側長辺には、それぞれ出力端子３２ａ，３２ｂが設けられており、燃料電池スタック１００で発電した電力を出力可能となっている。

Ａ２．集電板：
図２は、集電板３０ａの構成を示す説明図である。図２（ａ）に、集電板３０ａと隣接する単セル４０（端部セル）の平面図を示した。また、図２（ｂ）に、集電板３０ａの平面図を示した。なお、ここでは、図示を簡略化するため、上述した各種マニホールドを構成する貫通孔の図示は省略した。また、本実施例では、集電板３０ｂの構成も集電板３０ａの構成と同じである。

図２（ａ）に示したように、端部セル４０を、図示しない空気供給部（図の下方）から近い順に、３つ領域Ａ，Ｂ，Ｃに分割して説明する。端部セル４０における領域Ａでは、空気供給部から近いため、発電量が大きく、温度も高くなる。そして、空気供給部から離れるにしたがって、発電量が小さくなるとともに、温度も低くなる（領域Ｂ、領域Ｃ）。この傾向は、他の単セル４０よりも、集電板３０ａへの放熱が大きい端部セル４０において、顕著となる。そして、このことは、燃料電池スタック１００全体の発電効率の低下を招く。そこで、本実施例では、集電板３０ａを以下に説明するように構成するものとした。

図２（ｂ）に示したように、集電板３０ａは、電気抵抗率が互いに異なる３種類の導電性部材３０ａ１，３０ａ２，３０ａ３からなる。導電性部材３０ａ２の電気抵抗率Ｒ２は、導電性部材３０ａ１の電気抵抗率Ｒ１よりも高く、また、導電性部材３０ａ３の電気抵抗率Ｒ３は、導電性部材３０ａ２の電気抵抗率Ｒ２よりも高い。本実施例では、導電性部材３０ａ１，３０ａ２，３０ａ３として、それぞれ、銅、アルミニウム、ステンレス鋼を用いるものとした。なお、３種類の導電性部材３０ａ１，３０ａ２，３０ａ３の厚さは均一、かつ、同一である。そして、図から分かるように、３種類の導電性部材３０ａ１，３０ａ２，３０ａ３は、それぞれ、端部セル４０における領域Ａ，Ｂ，Ｃと当接する位置に配置されている。

こうすることによって、複数の単セル４０で発電された電流が、集電板３０ａによって集電され、出力端子３２ａに流れる間に、集電板３０ａを構成する導電性部材３０ａ１，３０ａ２，３０ａ３内で電気エネルギの一部が熱エネルギに変換され、導電性部材３０ａ１，３０ａ２，３０ａ３の温度がそれぞれ上昇する。そして、導電性部材３０ａ２の温度は、導電性部材３０ａ１の温度よりも高くなり、また、導電性部材３０ａ３の温度は、導電性部材３０ａ２の温度よりも高くなる。したがって、端部セル４０の面内における温度が互いに異なる領域Ａ，Ｂ，Ｃを、それぞれ、集電板３０ａの面内における温度が互いに異なる導電性部材３０ａ１，３０ａ２，３０ａ３によって加熱することができる。

以上説明した第１実施例の燃料電池スタック１００によれば、先に説明したように、集電板３０ａ，３０ｂによって、これらと隣接する端部セル４０に面内における領域Ａ，Ｂ，Ｃを、それぞれ異なる温度で加熱し、端部セル４０の面内における温度分布を均一化することによって、発電分布を均一化させ、端部セル４０における発電効率を向上させることができる。この結果、燃料電池スタック１００の発電効率を向上させることができる。本適用例は、端部セル４０の温度が低下しやすい氷点下での発電時に特に有効である。

また、一般に、燃料電池スタックでは、端部セルにおいて、集電板への放熱により温度が低下しやすい傾向にあるため、発電時に生成された生成水が凝縮して、フラッディングが生じやすい傾向にあるが、本実施例の燃料電池スタック１００によれば、端部セル４０を集電板３０ａ，３０ｂによって加熱することができるので、端部セル４０におけるフラッディングを抑制することもできる。

Ｂ．第２実施例：
第２実施例の燃料電池スタックの構成は、先に説明した第１実施例の燃料電池スタック１００の構成とほぼ同じである。ただし、第２実施例の燃料電池スタックでは、集電板が第１実施例の燃料電池スタック１００における集電板３０ａ，３０ｂと異なっている。以下、第２実施例の燃料電池スタックにおける集電板３０Ａａ，３０Ａｂについて説明する。

図３は、第２実施例における集電板３０Ａａの構成を示す説明図である。図３（ａ）に、集電板３０Ａａの平面図を示した。また、図３（ｂ）に、図３（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。なお、本実施例においても、第１実施例における集電板３０ｂに対応する集電板３０Ａｂの構成は、集電板３０Ａａの構成と同じである。

図示するように、集電板３０Ａａは、単一の導電性部材からなるとともに、厚さが互いに異なる３つの領域Ａ１，Ａ２，Ａ３を有している。そして、領域Ａ２における厚さは、領域Ａ１における厚さよりも薄く設定されており、また、領域Ａ３における厚さは、領域Ａ２における厚さよりも薄く設定されている。したがって、領域Ａ２における電気抵抗は、領域Ａ１における電気抵抗よりも高くなり、また、領域Ａ３における電気抵抗は、領域Ａ２における電気抵抗よりも高くなる。なお、第２実施例の燃料電池スタックでは、２枚のエンドプレート１０ａ，１０ｂが平行に積層されるように、絶縁板の形状が設計されている。

こうすることによって、複数の単セル４０で発電された電流が、集電板３０Ａａによって集電され、出力端子３２ａに流れる間に、集電板３０Ａａ内で電気エネルギの一部が熱エネルギに変換され、集電板３０Ａａの温度は上昇する。そして、集電板３０Ａａにおける領域Ａ２の温度は、集電板３０Ａａにおける領域Ａ１の温度よりも高くなり、また、集電板３０Ａａにおける領域Ａ３の温度は、集電板３０Ａａにおける領域Ａ２の温度よりも高くなる。したがって、端部セル４０の面内における温度が互いに異なる領域Ａ，Ｂ，Ｃを、それぞれ、集電板３０Ａａの面内における温度が互いに異なる領域Ａ１，Ａ２，Ａ３によって加熱することができる。

以上説明した第２実施例の燃料電池スタックによっても、集電板３０Ａａ，３０Ａｂによって、これらと隣接する端部セル４０に面内における領域Ａ，Ｂ，Ｃを、それぞれ異なる温度で加熱し、端部セル４０の面内における温度分布を均一化することによって、発電分布を均一化させ、端部セル４０における発電効率を向上させることができる。この結果、燃料電池スタックの発電効率を向上させることができる。

Ｃ．第３実施例：
第３実施例の燃料電池スタックの構成も、先に説明した第１実施例の燃料電池スタック１００の構成とほぼ同じである。ただし、第３実施例の燃料電池スタックでは、集電板が第１実施例の燃料電池スタック１００における集電板３０ａ，３０ｂと異なっている。以下、第３実施例の燃料電池スタックにおける集電板３０Ｂａ，３０Ｂｂについて説明する。

図４は、第３実施例における集電板３０Ｂａの構成を示す説明図である。図４（ａ）に、集電板３０Ｂａの平面図を示した。また、図４（ｂ）に、図４（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図を示した。なお、本実施例においても、第１実施例における集電板３０ｂに対応する集電板３０Ｂｂの構成は、集電板３０Ｂａの構成と同じである。

図示するように、集電板３０Ｂａは、単一の導電性部材からなるとともに、図の下方から上方にかけて、厚さが連続的に薄くなるように形成されている。したがって、集電板３０Ｂａにおける電気抵抗は、図の下方から上方にかけて連続的に高くなる。

なお、第３実施例の燃料電池スタックでは、２枚のエンドプレート１０ａ，１０ｂが平行に積層されるように、絶縁板の形状が設計されている。

こうすることによって、複数の単セル４０で発電された電流が、集電板３０Ｂａによって集電され、出力端子３２ａに流れる間に、集電板３０Ｂａ内で電気エネルギの一部が熱エネルギに変換され、集電板３０Ｂａの温度は上昇する。そして、集電板３０Ｂａの温度は、下方から上方にかけて高くなる。したがって、端部セル４０の面内における温度が互いに異なる領域Ａ，Ｂ，Ｃを、それぞれ異なる温度で加熱することができる。

以上説明した第３実施例の燃料電池スタックによっても、集電板３０Ｂａ，３０Ｂｂによって、これらと隣接する端部セル４０に面内における領域Ａ，Ｂ，Ｃを、それぞれ異なる温度で加熱し、端部セル４０の面内における温度分布を均一化することによって、発電分布を均一化させ、端部セル４０における発電効率を向上させることができる。この結果、燃料電池スタックの発電効率を向上させることができる。

Ｄ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。

Ｄ１．変形例１：
上記第実施例では、説明の便宜上、端部セル４０を３つの領域に区分したが、本発明はこれに限られない。端部セル４０の面内における発電分布、および、温度分布に基づいて、適宜、複数の領域を設定するようにしてもよい。

また、上記実施例では、燃料電池スタック１００において、図１に示した位置に、空気供給口１２ｉや、カソードオフガス排出口１２ｏや、水素供給口１４ｉや、アノードオフガス排出口１４ｏや、冷却水供給口１６ｉや、冷却水排出口１６ｏを配置するものとしたが、これらの配置は、任意に設定可能である。この場合も、端部セル４０の面内における発電分布、および、温度分布に基づいて、適宜、上述した複数の領域を設定するようにすればよい。

Ｄ２．変形例２：
上記第１ないし第３実施例における集電板の特徴の一部を組み合わせるようにしてもよい。例えば、第１実施例における集電板３０ａにおいて、３種類の導電性部材３０ａ１，３０ａ２，３０ａ３の厚さを段階的、あるいは、連続的に薄くするようにしてもよい。

Ｄ３．変形例３：
上記実施例では、集電板の面内において、集電板のバルクの電気抵抗を変化させるものとしたが、本発明は、これに限られない。集電板の面内において、端部セル４０との接触抵抗を変化させるようにしてもよい。集電板と端部セル４０との接触抵抗は、例えば、集電板の端部セル４０との接触面の複数の領域に、互いに異なる表面処理を施すことによって変化させることができる。

本発明の第１実施例としての燃料電池スタック１００の概略構成を示す斜視図である。 集電板３０ａの構成を示す説明図である。 第２実施例における集電板３０Ａａの構成を示す説明図である。 第３実施例における集電板３０Ｂａの構成を示す説明図である。

符号の説明

１００…燃料電池スタック
１０ａ，１０ｂ…エンドプレート
１２ｉ…空気供給口
１２ｏ…カソードオフガス排出口
１４ｉ…水素供給口
１４ｏ…アノードオフガス排出口
１６ｉ…冷却水供給口
１６ｏ…冷却水排出口
２０ａ，２０ｂ…絶縁板
３０ａ，３０ｂ，３０Ａａ，３０Ｂａ…集電板
３０ａ１，３０ａ２，３０ａ３…導電性部材
３２ａ…出力端子
４０…単セル、端部セル

Claims (5)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する単セルを複数積層させた燃料電池スタックであって、
   複数の前記単セルの積層方向の両端部にそれぞれ配置され、前記複数の単セルで発電された電流を集電する集電板を備え、
   前記集電板は、
   第１の集電領域と、
   前記集電された電流を外部に出力する出力端子を有し、前記第１の集電領域よりも電気抵抗が高い第２の集電領域と、
   を備える燃料電池スタック。
2. 請求項１記載の燃料電池スタックであって、
   前記集電板に隣接する前記単セルは、
   第１のセル領域と、
   前記第１のセル領域よりも発電量が小さい第２のセル領域と、を有しており、
   前記集電板において、前記第１の集電領域は、前記第１のセル領域と当接するように配置され、前記第２の集電領域は、前記第２のセル領域と当接するように配置されている、燃料電池スタック。
3. 請求項１または２記載の燃料電池スタックであって、
   前記集電板は、厚さが略均一であるとともに、前記第１の集電領域、および、前記第２の集電領域は、電気抵抗率が互いに異なる導電性材料からなる、燃料電池スタック。
4. 請求項１または２記載の燃料電池スタックであって、
   前記集電板は、単一の導電性材料からなるとともに、前記第２の集電領域における厚さが、前記第１の集電領域における厚さよりも薄くなるように形成されている、燃料電池スタック。
5. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する単セルを複数積層させた燃料電池スタックにおける複数の前記単セルの積層方向の両端部にそれぞれ配置され、前記複数の単セルで発電された電流を集電する集電板であって、
   第１の集電領域と、
   前記集電された電流を外部に出力する出力端子を有し、前記第１の集電領域よりも電気抵抗が高い第２の集電領域と、
   を備える集電板。

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