JP2005100701A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、温度に影響されることがなく、所望の締め付け荷重を確実に付与することを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池１２を備え、前記燃料電池１２を矢印Ａ方向に積層して積層体１４が構成される。積層体１４の外方には、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂ、絶縁プレート１８ａ、１８ｂ及びエンドプレート２０ａ、２０ｂが配設される。エンドプレート２０ａの外側には、容積可変な袋部材５４が配設されるとともに、前記袋部材５４内に形成される液体チャンバ５６には、所定の温度以下で体積が膨張する収容物５８が封入される。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体高分子電解質膜を一対の電極間に配設した電解質膜・電極構造体と、金属セパレータとが積層される燃料電池を複数積層した燃料電池スタックに関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード側電極及びカソード側電極を配置した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持している。この種の燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ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。

燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、水素含有ガスは、電極触媒上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード側電極へと移動し、その移動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。カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、エア等の酸素含有ガスが供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水が生成される。

ところで、燃料電池内の接触抵抗が増大すると、内部抵抗損失が増大して端子電圧が低下してしまう。このため、接触抵抗を低減させるべく電極面に付与される面圧が均一になるように、燃料電池スタック全体に所望の締め付け力を付与する必要がある。

そこで、例えば、特許文献１の固体高分子電解質型燃料電池が知られている。この燃料電池は、図６に示すように、電解質膜・電極構造体１を一対のセパレータ２で挟持したセル３を備えており、このセル３は、集電板４を介装して端板５で締め付け保持されている。端板５には、ピストン６が設けられるとともに、前記ピストン６と前記端板５との間には、パック封入水７が収容されている。端板５には、熱媒体であるパック封入水７を加熱するためのヒータ８が固着されている。

このような構成において、図示しない空気圧力源からの空気によりパック封入水７のパック材の外周部が加圧されるとともに、ヒータ８の作用下に熱媒体である前記パック封入水７のパック水が加熱されて、セル３を所定締め付け圧に制御している。

特開２０００−１２３８５４号公報（図２）

しかしながら、上記の特許文献１では、ヒータ８を用いてセル加熱制御を行うため、構成及び制御が複雑化する。このため、燃料電池全体のコストが高騰するという問題が指摘されている。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つ安価な構成で、温度に影響されることがなく、所望の締め付け荷重を確実に付与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。

本発明の燃料電池スタックでは、燃料電池スタックの端部に配設される容積可変な袋部材と、前記袋部材内に収容されるとともに、所定の温度以下で体積が膨張する収容物とを備えている。

低温時には、各燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体が縮小して燃料電池スタックの全長が短尺化し、金属セパレータ自体の弾性だけでは、前記燃料電池スタックの締め付け荷重が低下し易い。その際、袋部材内の収容物は、所定の温度以下で体積が膨張し、前記袋部材の容積が増大する。このため、袋部材の容積増加によって各燃料電池の縮小分を補うことができ、燃料電池スタック全体の締め付け荷重の低下が緩和される。

また、収容物は、少なくとも水を含むことが好ましく、さらに、袋部材と金属セパレータとの間には、断熱部材が介装されることが好ましい。

本発明によれば、所定の温度以下で体積が膨張する収容物を袋部材内に収容するだけでよく、例えば、ヒータによる加熱制御が不要になる。このため、簡単且つ安価な構成で、温度低下に伴う締め付け荷重の低下を有効に阻止し、反応ガスの洩れ等を確実に防止することができる。

さらに、収容物に含まれる水は、凍結する際に体積が膨張する。これにより、極めて経済的な構成で、袋部材の容積を確実に増大させることが可能になる。その際、収容物が水と溶媒との混合液であれば、この溶媒の種類及び量等を設定することによって、前記収容物の凝固点や体積膨張率を変更させることができ、汎用性の向上が図られる。

また、袋部材内の収容物が凍結していても、断熱部材の作用下に金属セパレータが冷却され過ぎることがない。従って、袋部材に近接する燃料電池では、特に低温起動時に温度低下による発電不良が惹起されることがなく、低温起動が効率的に遂行される。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０の概略構成説明図である。

燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池１２を備え、前記燃料電池１２を矢印Ａ方向に積層して積層体１４が構成される。積層体１４の外方には、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂ、絶縁プレート１８ａ、１８ｂ及びエンドプレート２０ａ、２０ｂが、順次、配設される。ターミナルプレート１６ａ、１６ｂには、負荷２１が接続される。

図２に示すように、燃料電池１２は、電解質膜・電極構造体２２と、前記電解質膜・電極構造体２２を挟持する第１及び第２金属セパレータ２４、２６とを備える。

燃料電池１２の矢印Ｂ方向の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔３０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３２ｂ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

燃料電池１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３２ａ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

電解質膜・電極構造体２２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３６と、前記固体高分子電解質膜３６の両面に配設されるアノード側電極３８及びカソード側電極４０とを備える（図１及び図２参照）。

アノード側電極３８及びカソード側電極４０は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布した電極触媒層とを有する。電極触媒層は、互いに固体高分子電解質膜３６を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜３６の両面に接合されている。

図２に示すように、第１金属セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２２に向かう面２４ａには、酸化剤ガス供給連通孔３０ａと酸化剤ガス排出連通孔３０ｂとに連通する酸化剤ガス流路４２が設けられる。酸化剤ガス流路４２は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部を備える。

第２金属セパレータ２６の電解質膜・電極構造体２２に向かう面２６ａには、燃料ガス供給連通孔３４ａと燃料ガス排出連通孔３４ｂとに連通する燃料ガス流路４４が形成される。この燃料ガス流路４４は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部を備える。

第１金属セパレータ２４の面２４ｂと第２金属セパレータ２６の面２６ｂとの間には、図２に示すように、冷却媒体供給連通孔３２ａと冷却媒体排出連通孔３２ｂとに連通する冷却媒体流路４６が形成される。この冷却媒体流路４６は、第１及び第２金属セパレータ２４、２６に設けられる複数本の溝部を重ね合わせることにより、矢印Ｂ方向に延在して一体的に構成される。

第１金属セパレータ２４の両面２４ａ、２４ｂには、第１シール部材５０が、モールド成形等により一体的に設けられる。この第１シール部材５０は、例えば、シリコーンゴムで構成されており、面２４ａにおいて、酸化剤ガス流路４２を囲繞し、且つ前記酸化剤ガス流路４２を酸化剤ガス供給連通孔３０ａ及び酸化剤ガス排出連通孔３０ｂに連通して形成される。第１シール部材５０は、面２４ｂにおいて、冷却媒体流路４６を囲繞し、且つ前記冷却媒体流路４６を冷却媒体供給連通孔３２ａ及び冷却媒体排出連通孔３２ｂに連通して形成される。

第２金属セパレータ２６の両面２６ａ、２６ｂには、第２シール部材５２が、モールド成形等により一体的に設けられる。第２シール部材５２は、例えば、シリコーンゴムで構成されており、面２６ａにおいて、燃料ガス流路４４を囲繞するとともに、前記燃料ガス流路４４を燃料ガス供給連通孔３４ａ及び燃料ガス排出連通孔３４ｂに連通する。第２シール部材５２は、面２６ｂにおいて、冷却媒体流路４６を囲繞するとともに、冷却媒体供給連通孔３２ａ及び冷却媒体排出連通孔３２ｂを前記冷却媒体流路４６に連通する。

図１に示すように、断熱部材であるエンドプレート２０ａの外側には、容積可変な袋部材５４が配設されるとともに、前記袋部材５４内に形成される液体チャンバ５６には、所定の温度以下で体積が膨張する収容物５８が封入される。収容物５８は、少なくとも水を含み、必要に応じて溶媒、例えば、アルコール類やエーテル類が混合される。この溶媒の種類及び量等を設定することによって、収容物５８の凝固点や体積膨張率を変更させることができる。

袋部材５４は、エンドプレート２０ａよりも薄肉状に構成されるプレート部６０を設けており、このプレート部６０の一方の面には、例えば、アルミニウム薄板やステンレス薄板等の可撓性の金属板材６２が溶接、ろう付け、あるいは接着等により固着される。金属板材６２とプレート部６０との間には、液体チャンバ５６が構成される。

図３に示すように、プレート部６０の外面６０ａには、液体チャンバ５６に収容物５８を充填するための液体封入口６４が形成され、この液体封入口６４がシーリングワシャ６６及びシーリングボルト６８を介して閉塞される。液体封入口６４と対角な位置にセンサ取り付け口７０が設けられ、このセンサ取り付け口７０にワシャ７２を介して圧力センサ７４が取着される。圧力センサ７４は、液体チャンバ５６内の収容物５８の液体圧を検出するものであり、必要に応じて設ければよい。

プレート部６０には、４つのボルト孔７６が貫通形成され、前記ボルト孔７６にタイロッド７８が挿入されるとともに、前記タイロッド７８がエンドプレート２０ａ、２０ｂ間を所定の締め付け荷重で締め付け固定する。

このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。

図１に示すように、燃料電池スタック１０内では、複数の燃料電池１２が積層された積層体１４に対して、空気等の酸素含有ガスである酸化剤ガス、水素含有ガス等の燃料ガス、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。

このため、図２に示すように、各燃料電池１２では、酸化剤ガス供給連通孔３０ａから第１金属セパレータ２４の酸化剤ガス流路４２に酸化剤ガスが導入され、この酸化剤ガスが電解質膜・電極構造体２２のカソード側電極４０に沿って移動する。また、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３４ａから第２金属セパレータ２６の燃料ガス流路４４に導入され、電解質膜・電極構造体２２のアノード側電極３８に沿って移動する。

従って、電解質膜・電極構造体２２では、カソード側電極４０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３８に供給される燃料ガスとが、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。

次いで、カソード側電極４０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード側電極３８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

さらに、冷却媒体供給連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２金属セパレータ、２６間の冷却媒体流路４６に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２２を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３２ｂから排出される。

ところで、燃料電池スタック１０が低温で起動される際、特に各燃料電池１２を構成する電解質膜・電極構造体２２が縮小して積層方向（矢印Ａ方向）の寸法が減少する。具体的には、図４に示すように、起動温度が低下するのに伴って、燃料電池スタック１０の積層方向の長さＬが短くなる。

燃料電池スタック１０の長さＬが短くなると、第１及び第２金属セパレータ２４、２６自体の弾性力が作用していても、この燃料電池スタック１０の締め付け荷重が減少する。そして、温度Ｔに至ると、締め付け荷重が限界荷重以下になり、燃料電池スタック１０の締め付け不良が発生し易い。

そこで、第１の実施形態では、図１に示すように、エンドプレート２０ａに容積可変な袋部材５４が配設されるとともに、前記袋部材５４内に形成される液体チャンバ５６には、所定の温度Ｔ１（図４参照）以下で凍結して体積が膨張する収容物５８が封入されている。このため、収容物５８は、温度Ｔ１以下で凍結して体積が膨張し、袋部材５４の容積が増大する。

これにより、袋部材５４を構成する金属板材６２は、エンドプレート２０ａ側に突出するように変形し、燃料電池スタック１０の締め付け方向に荷重が付与される。特に、低温起動時に燃料電池スタック１０の荷重抜けが有効に緩和され、前記燃料電池スタック１０を限界荷重以上に確実に維持することができる。

従って、燃料電池スタック１０では、例えば、ヒータによる加熱制御が不要になり、簡単且つ安価に構成で、温度低下に伴う締め付け荷重の低下を有効に阻止し、燃料ガスや酸化剤ガスの洩れ等を確実に防止することが可能になるという効果が得られる。

しかも、燃料電池スタック１０は、各燃料電池１２を構成する第１及び第２金属セパレータ２４、２６自体の弾性と、収容物５８の膨張とを介して所望の締め付け荷重が付与されるように構成されている。このため、燃料電池スタック１０には、例えば、締め付け荷重を付与すべくスプリング等を設ける必要がなく、前記燃料電池スタック１０全体の小型化が容易に図られる。

さらに、収容物５８に含まれる水は、凍結する際に体積が膨張するため、極めて経済的な構成で、袋部材５４の容積を確実に増大させることができる。その際、収容物５８が水と溶媒との混合液であれば、この溶媒の種類及び量等を設定することによって、前記収容物５８の凝固点や体積膨張率を変更させることが可能になり、汎用性の向上が図られる。

また、袋部材５４内の収容物５８が凍結していても、エンドプレート２０ａの断熱作用下に、燃料電池１２が冷却され過ぎることがない。従って、袋部材５４に近接する燃料電池１２では、特に低温起動時に温度低下による発電不良が惹起することがなく、効率的な低温起動が遂行されるという利点がある。なお、積層方向端部の燃料電池１２とエンドプレート２０ａとの間に、断熱部材を介装して袋部材５４を配設しても、同様の効果が得られる。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック９０の概略構成図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

燃料電池スタック９０は、エンドプレート２０ａの外側に配設されるプレート９２を備え、このプレート９２内の開口部９４に容積可変な袋部材９６が収容される。袋部材９６内には、収容物５８が封入されている。開口部９４には、複数のピストン９８がエンドプレート２０ａに向かって進退自在に配設される。各ピストン９８の位置は、燃料電池スタック９０に対して良好に荷重を付与し得るように、エンドプレート２０ａの所望の部位に対応して設定される。なお、複数のピストン９８に代替して、単一のピストン（図示せず）を用いてもよい。

このように構成される第２の実施形態では、低温時に袋部材９６内の収容物５８が凍結して体積が膨張し、この袋部材９６の容積が増大する。このため、開口部９４に配設されている各ピストン９８は、袋部材９６に押圧されてエンドプレート２０ａ側に突出し、このエンドプレート２０ａを加圧して燃料電池スタック９０に締め付け方向の荷重が付与される。

これにより、第２の実施形態では、低温起動時に燃料電池スタック９０に所望の締め付け荷重を確実に付与することができ、簡単且つ安価に構成で、燃料ガスや酸化剤ガスの洩れ等を確実に防止することが可能になる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。なお、プレート９２を用いることがなく、エンドプレート２０ａ内又は絶縁プレート１８ａ内に袋部材９６を収容することができる。

また、第１及び第２の実施形態では、燃料電池スタック１０、９０がタイロッド７８を介して締め付け保持されているが、これに限定されるものではない。例えば、燃料電池スタック１０、９０を箱状ケーシング内に保持する構成であってもよい。さらに、各ピストン９８毎に後部に袋部材９６を別々に設けてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの概略構成説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する袋部材の一部分解斜視説明図である。 温度とスタック長さ及び締め付け荷重との関係図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの概略構成説明図である。 特許文献１の燃料電池の要部断面図である。

符号の説明

１０、９０…燃料電池スタック １２…燃料電池
１４…積層体 １６ａ、１６ｂ…ターミナルプレート
１８ａ、１８ｂ…絶縁プレート ２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２２…電解質膜・電極構造体 ２４、２６…金属セパレータ
３６…固体高分子電解質膜 ３８…アノード側電極
４０…カソード側電極 ５０、５２…シール部材
５４、９６…袋部材 ５６…液体チャンバ
５８…収容物 ９２…プレート
９４…開口部 ９８…ピストン

Claims (3)

1. 固体高分子電解質膜を一対の電極間に配設した電解質膜・電極構造体と、金属セパレータとが交互に積層される燃料電池を複数積層した燃料電池スタックであって、
   前記燃料電池スタックの端部に配設される容積可変な袋部材と、
   前記袋部材内に収容されるとともに、所定の温度以下で体積が膨張する収容物と、
   を備えることを特徴とす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において、前記収容物は、少なくとも水を含むことを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池スタックにおいて、前記袋部材と前記金属セパレータとの間には、断熱部材が介装されることを特徴とする燃料電池スタック。
   
   

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