JP5398338B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタックに係り、特に、冷媒による冷却効果のばらつきに起因する単位セルの温度の不均一を軽減する技術に関する。

燃料電池スタックとしては、平板状の電解質電極構造体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）の両側にセパレータが積層された積層体が単位セルとされ、複数の単位セルが積層されて燃料電池スタックとして構成されたものが知られている。電解質電極構造体は、カソードおよびアノードを構成する一対の電極の間にイオン交換樹脂等からなる電解質が挟まれた三層構造である。セパレータは、電極に接触するように積層され、電極との間に水素などの燃料ガスまたは空気などの酸化剤ガスを流通させるガス流路用凹部や、冷却水を流通させる冷媒流路用凹部が形成されている。

ところで、セパレータは、その表面に形成されたガス流路用凹部と電解質電極構造体との間に燃料ガスまたは空気のいずれかを流通させ、その裏面では隣接するセパレータと冷媒流路用凹部どうしを向かい合わせて冷却水を流通させる構成とされていた。このような構成では、１つの電解質電極構造体を備えた単位セルに１つの冷媒流路が併設されるので、冷却能力は高いが、燃料電池スタックの積載方向の長さが長くなるという不都合がある。

そこで、特許文献１では、２つの電解質電極構造体を備えた単位セルに１つの冷媒流路を併設した燃料電池スタックが提案されている。この燃料電池スタックは、２つの電解質電極構造体を３つのセパレータで挟んで１つのユニットを構成したもので、積層方向中央部のセパレータの一方の面に燃料ガス、他方の面に酸化剤ガスを流通させ、積層方向両端部のセパレータの一方の面に燃料ガスまたは酸化剤ガス、他方の面に冷却水を流通させるようになっている。

特開２００２−２８９２２３号公報

しかしながら、上記のような燃料電池スタックでは、冷媒流路を形成するセパレータと密着している電解質電極構造体の面の冷却は充分であるが、冷媒流路を形成するセパレータと密着していない面の冷却は不充分となり、発熱量の多いカソード側の面では特に冷却不足となる。このため、冷却水の供給量を多くして局所的に不充分となる冷却能力を補わざるを得ない。ところが、電解質電極構造体のアノード側の面では発熱量が少ないため、カソード側の面と同等に冷却すると、冷却が進み過ぎてセパレータの燃料ガスの流路に結露が生じるという問題があった。特に、近年では燃料電池スタックの積層長を短くするために電解質電極構造体の厚さを薄くしているため、カソード側で生成された水が電解質電極構造体を透過してアノード側に移り易い。その結果、アノード側での水蒸気圧が上昇して結露がより生じ易い条件となっている。したがって、本発明は、電解質電極構造体のアノード側の面の冷却を抑制して結露の発生を未然に防止す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。

本発明は、電解質の両面に電極を設けた電解質電極構造体と複数の金属セパレータとを積層した単位セルを複数積層した燃料電池スタックであって、単位セルの積層方向の一端側の金属セパレータと該単位セルに隣接する単位セルの積層方向の他端側のセパレータとの間に冷媒流路が設けられ、一端側の前記金属セパレータと電解質電極構造体との間に燃料ガスが流通し、他端側の金属セパレータと電解質電極構造体との間に酸化剤ガスが流通し、燃料ガスが流通する金属セパレータの前記冷媒流路のアノード側の前記金属セパレータが前記電解質電極構造体と接触している部分にのみ断熱構造が設けられていることを特徴とする。

上記構成の燃料電池スタックにあっては、燃料ガスが流通する金属セパレータの冷媒流路に断熱構造が設けられているので、電解質電極構造体の燃料ガス側の面の冷却が抑制され、結露の発生を未然に防止することができる。また、金属セパレータが電解質電極構造体と接触している部分にのみ断熱構造を設けているので、材料使用量に対する効率がよい。

本発明では、燃料ガスが流通する金属セパレータの冷媒流路の全面に断熱構造を設けることもできるが、その場合には、金属セパレータ間の導電性を確保するために断熱構造は導電性のある材料で構成する必要がある。そこで、断熱構造を金属セパレータどうしの接触面以外の部分に設けることにより、断熱構造は任意の材料で構成することができる。断熱構造の材料としては、発泡ウレタン、ウレタン、シリコーンゴムなどの合成樹脂を用いることができ、これらを金属セパレータの必要な箇所に塗工することで断熱構造を構成することができる。

本発明は、１つの電解質電極構造体を備えた単位セルに１つの冷媒流路が併設された燃料電池スタックに適用することができる。あるいは、２つ以上の電解質電極構造体を備えた単位セルに１つの冷媒流路を併設した燃料電池スタックにも適用することができる。具体的には、単位セルは、その両端部に金属セパレータを備えるとともに、両端部の金属セパレータの間に少なくとも２枚の電解質電極構造体を備えることができる。そして、少なくとも２枚の電解質電極構造体は少なくとも１枚の中間金属セパレータを挟み、中間金属セパレータの一方の面には燃料ガスが流通し、他方の面には酸化剤ガスが流通する。

本発明では、断熱構造の断熱効果を補完する構成として、以下の構成を採用することができる。たとえば、一方の面に燃料ガスを流通させ他方の面に冷却水を流通させる金属セパレータにおいて、燃料ガスが流通する金属セパレータの冷媒流路の高さを低くすることができる。このような態様では、燃料ガスが流通する金属セパレータの冷媒流路と冷却水との接触面積が小さくなるので、冷却水による冷却能力を低下させることができる。これと同じ作用を奏する態様として、燃料ガスが流通する金属セパレータの冷媒流路と電解質電極構造体との接触幅を狭くすることができ、また、それら２つの態様を併用することもできる。

本発明によれば、電解質電極構造体の燃料ガス側の面の冷却を抑制して結露の発生を未然に防止することができる等の効果が得られる。

本発明の実施形態における燃料電池スタックの全体を示す側面図である。 本発明の実施形態における燃料電池スタックの一部を並べて示す平面図である。 図２に示す燃料電池スタックの一部を積層して示す図１のII−II線断面図である。 実施形態の燃料電池スタックの第１変形例を示す側断面図である。 実施形態の燃料電池スタックの第２変形例を示す側断面図である。 実施形態の燃料電池スタックの第３変形例を示す側断面図である。 実施形態の燃料電池スタックの第４変形例を示す側断面図である。

１．燃料電池スタックの構成
以下、この発明の実施形態の燃料電池を図１〜図３を参照して説明する。図１は燃料電池スタックＳの全体側面図であり、燃料電池スタックＳは、平面視で長方形状の単位燃料電池セル（以下、単位セルと称する）１０を多数積層して電気的に直列接続し、その両側に集電板１１および絶縁断熱板１２を配置し、さらに両端部にエンドプレート１３を配置して概略構成されている。エンドプレート１３には集電板１１に接続された端子１４が突出し、エンドプレー他１３は図示しないタイロッドによって締結されている。積層された単位セルの両側には、複数のダミーセル１５が積層されている。ダミーセル１５は、金属セパレータおよび電解質電極構造体のダミーを積層したもので、燃料電池スタックＳの端部側では単位セルが作動温度に達し難いために設けられている。なお、図示は省略するが、エンドプレート１３には、燃料電池スタックＳに酸化剤ガス（例えば空気）、燃料ガス（例えば水素）および冷媒を供給し排出するための配管が接続されている。

図２に示すように、単位セル１０は、図中右側からアノード側セパレータ（金属セパレータ）３０Ａ、電解質電極構造体２０、中間セパレータ（中間金属セパレータ）３０Ｃ、電解質電極構造体２０、およびカソード側セパレータ３０Ｂをこの順番で密着して配置した積層構造をなす。

電解質電極構造体２０は、例えばフッ素系電解質材料等からなる固体高分子電解質（電解質）２１の両側にアノード電極２２とカソード電極２３を積層して構成され、アノード側セパレータ３０Ａが電解質電極構造体２０のアノード電極２２に面して、カソード側セパレータ３０Ｂがカソード電極２３に面して配置されている。また、中間セパレータ３０Ｃは、アノード電極２２とカソード電極２３に面して配置されている。これらセパレータ３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃはステンレス鋼製薄板を波形状にプレス成形して形成されており、前記構成の単位セル１０を積層した燃料電池スタックＳでは、隣接する２つの単位セル１０，１０において一方の単位セル１０のアノード側セパレータ３０Ａと他方の単位セル１０のカソード側セパレータ３０Ｂとが密接し、密接する面に形成された冷媒流路を冷却水が流通する。

図２に示すように、セパレータ３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃの左上隅部には、使役前の燃料ガスが流通する燃料ガス供給口１１が形成され、その対角位置である右下隅部には、使役後の燃料ガスが流通するアノードオフガス排出口１２が形成されている。同様に、セパレータ３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃの右上隅部には、使役前の酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス供給口１３が形成され、その対角位置である左下隅部には、使役後の酸化剤ガスが流通するカソードオフガス排出口１４が形成されている。さらに、セパレータ３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃの左縁部には、使役前の冷却水が流通する冷却水供給口１５が形成され、対称位置である右縁部には、使役後の冷却水が流通する冷却水排出口１６が形成されている。

図２において符号１７は燃料ガス導入部であり、燃料ガスは、燃料ガス供給口１１から燃料ガス導入部１７を介して、アノード側セパレータ３０Ａと中間セパレータ３０Ｃの一方の面に設けられた燃料ガス流路に供給される。また、アノード側セパレータ３０Ａと中間セパレータ３０Ｃの一方の面には、図示しないシール部が設けられ、燃料ガスのみが燃料ガス供給口１１から燃料ガス流路を経てアノードオフガス排出口１２へ流通するようになっている。なお、カソード側セパレータ３０Ｂと中間セパレータ３０Ｃの他方の面にも上記と同様の酸化剤ガス導入部とシール部とが設けられ、酸化剤ガスのみが酸化剤ガス供給口１３から酸化剤ガス流路を経てカソードオフガス排出口１４へ流通するようになっている。

単位セル１０の両端部のアノード側セパレータ３０Ａの裏面（紙面の裏面）およびカソード側セパレータ３０Ｂの裏面（紙面側の面）には冷媒流路が形成されるとともに、上記と同様の冷却水導入部とシール部とが設けられ、冷却水のみが冷却水供給口１５から冷媒流路を経て冷却水排出口１６へ流通するようになっている

図２に示すように、アノード側セパレータ３０Ａ、カソード側セパレータ３０Ｂ、および中間セパレータ３０Ｃの電解質電極構造体２０側を向く面には、電解質電極構造体２０から離間する方向に突出する突条３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃがその長手方向を図中上下方向に向けて多数形成され、左右方向に等間隔かつ並行に配置されている。各突条３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃは、一定の周期で波状をなして上下方向へ延びている。

図３は、波状をなす凸状３１Ａ，３１Ｂが交叉して互いに接触する部分における断面図である。図３に示すように、突条３１Ａ，３１Ｂの断面形状は平坦な頂部３５と傾斜部３６とからなる台形状をなし、隣接する傾斜部３６は底部３７によって接続されている。突条３１Ａ，３１Ｂの頂部３５どうしは密着して電気的に接続されている。また、底部３７は、アノード電極２２またはカソード電極２３に密着している。そして、アノード電極２２とアノード側セパレータ３０Ａおよび中間セパレータ３０Ｃの凸状３１Ａ，３０Ｃとの間の空間が燃料ガス流路とされ、カソード電極２３とカソード側セパレータ３０Ｂおよび中間セパレータ３０Ｃの凸状３１Ｂ，３０Ｃとの間の空間が酸化剤ガス流路とされている。また、互いに隣接するアノード側セパレータ３０Ａおよびカソード側セパレータ３０Ｂの間が冷媒流路３８とされている。

ここで、燃料ガスおよび酸化剤ガスは、図３の紙面と直交する方向に流通し、冷却水は冷媒流路３８を左側から右側に流通する。すなわち、図３は、波状をなす凸状３１Ａ，３１Ｂが交叉して互いに接触する部分を示しているが、凸状３１Ａ，３１Ｂが互いに接触していない部分では、凸状３１Ａ，３１Ｂを潜るようにして冷却水が流通する。図１に示すように、冷媒流路３８は、隣接する単位セル１０の間に設けられている。

さて、本実施形態は、アノード側セパレータ３０Ａに断熱構造を設けたことを特徴としている。以下、断熱構造について説明する。図３に示すように、アノード側セパレータ３０Ａのカソード側セパレータ３０Ｂ側を向く面には、断熱樹脂４０が被覆されている。断熱樹脂４０は、凸状３０Ａの頂部３５であってカソード側セパレータ３０Ｂの凸状３１Ｂの頂部３５と接触する部分以外に設けられている。すなわち、凸状３１Ａと凸状３１Ｂは波状に交叉しながら延在しているから、その頂部３５の交叉する部分以外に断熱性に優れた断熱樹脂４０が設けられている。断熱樹脂４０としては、発泡ウレタン、ウレタン、シリコーンゴムなどの合成樹脂があるが、これらに限定されることはない。

上記のような断熱樹脂４０を設けるには、カソード側セパレータ３０Ｂの凸状３１Ｂの頂部３５と接触する部分にマスキングをしてから断熱樹脂４０を塗工したり、あるいは、凸状３１Ａの頂部３５、傾斜部３６、および底部３６の全体に断熱樹脂４０を塗工し、カソード側セパレータ３０Ｂの凸状３１Ｂの頂部３５と接触する部分の断熱樹脂４０を除去することができる。この場合、断熱樹脂４０は、溶剤で溶かしたり研削したりして除去することができる。

２．燃料電池スタックの動作
上記のように構成された燃料電池スタックＳでは、アノード電極２２で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質２１を透過してカソード電極２３まで移動し、カソード電極２３で酸素と電気化学反応を起こして発電し、その際に水を生成する。この発電に伴う発熱により単位セル１０が所定の作動温度を越えないように、冷媒流路３８を流れる冷却水で熱を奪い冷却する。

ここで、冷却水は、アノード側セパレータ３０Ａを介してアノード電極２２を冷却し、カソード側セパレータ３０Ｂを介してカソード電極２３を冷却する。冷却水は、発熱量の多いカソード電極２３を冷却するのに充分な量で流通させられる。一方、アノード電極２２はカソード電極２３よりも発熱量が少ないが、断熱樹脂４０によって冷却水による冷却が抑制されるので、過剰な冷却が防止される。したがって、アノード側セパレータ３０Ａが過冷却されることに起因する燃料ガス流路内での結露の発生が防止される。特に、上記実施形態では、単位セル１０が１つの冷媒流路３８と複数の電解質電極構造体２０とから構成されているので、カソード電極２３を充分に冷却する必要性からアノード電極が過冷却となり易い。したがって、断熱樹脂４０を備えた上記実施形態では、本発明の効果が充分に発揮される。

なお、上記実施形態では、断熱樹脂４０をアノード側セパレータ３０Ａの凸状３０Ａの頂部３５であってカソード側セパレータ３０Ｂの凸状３１Ｂの頂部３５と接触する部分以外に設けているが、頂部３５の全体に断熱樹脂４０を設けないように構成することもできる。あるいは、アノード電極２２と接触する凸状３０Ａの底部３７にのみ断熱樹脂４０を設けることができる。このような態様では、冷却をより抑制したい箇所に断熱材を設けるから、断熱樹脂４０の材料使用量に対する効率がよい。

３．変形例
（１）第１変形例
図４は上記実施形態の第１変形例を示す図である。この変形例は、アノード側セパレータ３０Ａの凸状３１Ａの頂部３５、傾斜部３６、および底部３６の全体に断熱樹脂４０を塗工したものである。断熱樹脂４０は、導電性のある金属または非金属粒子が分散することで導電性を有しており、アノード側セパレータ３０Ａとカソード側セパレータ３０Ｂとの電気的接続を行う。このような変形例では、断熱樹脂４０の塗工が簡単なため製造コストを低減することができる。

（２）第２変形例
図５は上記実施形態の第２変形例を示す図である。この変形例は、１つの電解質電極構造体２０を備えた単位セル１０に１つの冷媒流路を併設したものである。単位セル１０は、電解質電極構造体２０の両側に、アノード側セパレータ３０Ａとカソード側セパレータ３０Ｂを積層して構成され、隣接する単位セル１０のアノード側セパレータ３０Ａとカソード側セパレータ３０Ｂとの間に冷媒流路３８が形成されている。このような構成では、電解質電極構造体２０の両側に冷媒流路３８が設けられているから、電解質電極構造体２０の両面が均一に冷却される。したがって、局所的に冷却が不充分となる箇所がないから、冷却水の供給量を増やす必要がない。よって、アノード電極２２における発熱量が少ない分を調整する断熱で済むので、例えば断熱樹脂４０の厚さを薄くできる等の利点がある。

（３）第３変形例
図６は上記実施形態の第３変形例を示す図である。この変形例は、アノード側セパレータ３０Ａの凸状３１Ａの高さＡをカソード側セパレータ３０Ｂの凸状３１Ｂの高さＢよりも低くしたものである。このような構成では、冷却水と凸状３１Ａとの接触面積が小さくなるので、冷却水によるアノード電極２２の冷却能力を低下させることができる。

（４）第４変形例
図７は上記実施形態の第４変形例を示す図である。この変形例は、アノード側セパレータ３０Ａの凸状３１Ａの底部３７の幅Ｘをカソード側セパレータ３０Ｂの凸状３１Ｂの底部３７の幅Ｙよりも狭くしたものである。このような構成においても、アノード側セパレータ３０Ａの冷媒流路３８と電解質電極構造体２０との接触面積が小さくなるので、冷却水によるアノード電極２２の冷却能力を低下させることができる。

本発明では、燃料ガス流路における結露の発生が防止されるので、厳しい信頼性が要求される例えば燃料電池車に適用して極めて有望である。

１０ 単位セル
２０ 電解質電極構造体
２１ 固体高分子電解質（電解質）
２２ アノード電極
２３ カソード電極
３０Ａ アノード側セパレータ（金属セパレータ）
３０Ｂ カソード側セパレータ（金属セパレータ）
３０Ｃ 中間セパレータ（中間金属セパレータ）
３８ 冷媒流路
４０ 断熱樹脂（断熱構造）

Claims (3)

1. 電解質の両面に電極を設けた電解質電極構造体と複数の金属セパレータとを積層した単位セルを複数積層した燃料電池スタックであって、
   前記単位セルの積層方向の一端側の金属セパレータと該単位セルに隣接する単位セルの積層方向の他端側のセパレータとの間に冷媒流路が設けられ、前記一端側の前記金属セパレータと前記電解質電極構造体との間に燃料ガスが流通し、前記他端側の前記金属セパレータと前記電解質電極構造体との間に酸化剤ガスが流通し、
   前記燃料ガスが流通する前記金属セパレータの前記冷媒流路のアノード側の前記金属セパレータが前記電解質電極構造体と接触している部分にのみ断熱構造が設けられていることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記断熱構造は、前記金属セパレータどうしの接触面以外の部分に設けられている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. 前記単位セルは、その両端部に前記金属セパレータを備えるとともに、前記両端部の金属セパレータの間に少なくとも２枚の前記電解質電極構造体を備え、前記少なくとも２枚の電解質電極構造体は少なくとも１枚の中間金属セパレータを挟み、前記中間金属セパレータの一方の面には燃料ガスが流通し、他方の面には酸化剤ガスが流通することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池スタック。

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