(57)【要約】【課題】燃料電池において、スタックをより大型化せずに、端部セルからの放熱を抑制することである。【解決手段】複数の単セル１２を積層したスタック１０と、スタック１０の両端に設けられた集電板１６とを備え、スタック１０の両端に置かれた端部セル１４は、凹凸状のセパレータ２６を有し、セパレータ２６と集電板１６との間に、セパレータ２６の凹部と集電板１６とで形成された冷却媒体流路３０を有する燃料電池であって、冷却媒体流路３０に、断熱材３２が設けられる。断熱材３２は、セラミックス材料で形成され、冷却媒体流路３０の集電板１６側またはセパレータ２６側に形成される。【選択図】図２
2008021449.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単セルを積層したスタックと、
スタックの両端に設けられた集電板と、
を備え、
スタックの両端に置かれた端部セルは、凹凸状のセパレータを有し、
セパレータと集電板との間に、セパレータの凹部と集電板とで形成された冷却媒体流路を有する燃料電池であって、
冷却媒体流路に、断熱材が設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池であって、
集電板に、冷却媒体流路を形成する溝が設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池であって、
断熱材は、セラミックス材料で形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１に記載の燃料電池であって、
断熱材は、集電板側に配置されることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項１から３のいずれか１に記載の燃料電池であって、
断熱材は、セパレータ側に配置されることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１に記載の燃料電池であって、
断熱材は、冷却媒体流路の表面に被覆されることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に係り、特に、複数の単セルを積層したスタックと、スタックの両端に設けられた集電板とを備えた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、高効率と優れた環境特性を有する電池として近年脚光を浴びている。燃料電池は、一般的に、燃料ガスである水素に空気中の酸素を化学反応させて、電気エネルギをつくりだしている。そして、水素と酸素とが化学反応した結果として、水が生成される。燃料電池の種類は、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型、アルカリ型、固体高分子型等がある。この中でも、常温で起動しかつ起動時間が速い等の利点を有する固体高分子型の燃料電池が注目されている。
【０００３】
固体高分子型の燃料電池は、複数の単セルを積層したスタックを備えている。そして、スタックを形成する単セルは、電解質膜と、触媒層と、ガス拡散層と、セパレータとを含んで構成される。このうち電解質膜と、触媒層と、ガス拡散層とを一体化したものは、一般的に、膜電極接合体と呼ばれている。
【０００４】
スタックの両端に置かれた単セルである端部セルには、直流電流を取り出すための集電板（ターミナルプレート）が設けられている。そして、端部セルと集電板との間には、冷却媒体流路が形成されている。端部セルは、冷却媒体流路を流れる冷却媒体により冷却されて、更に、集電板に接触することにより冷却されるために、スタックの中心部に置かれた単セルよりも放熱が多く冷却されやすい。
【０００５】
そのため、端部セルは、発電の停止時（冷却時）において、セル内に、生成水が残留する場合がある。そして、スタックが氷点下環境に曝露されると、端部セル内に結露した水が凍結して、セルの劣化や、起動遅延等が生じる場合がある。また、燃料電池の動作中には、フラディングが生じる場合がある。
【０００６】
特許文献１には、複数の単位セルを積層した積層体の積層方向両端と電力取り出し用ターミナル板との間に導電性の断熱板を介装して、断熱板と積層体との間に断熱用空気層を形成することにより、単位セルの内部で発生した熱が、ターミナル板に伝達されることを有効に阻止することができる燃料電池スタックが示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−１５２５０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ここで、上記のように、スタックと集電板との間に断熱用空気層を形成して端部セルで生じた熱の放熱を抑制する場合には、新たに、端部セルと集電板との間に断熱板を設けて断熱用空気層を形成するため、スタックが大型化する場合がある。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、スタックをより大型化せずに、端部セルからの放熱を抑制できる燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る燃料電池は、複数の単セルを積層したスタックと、スタックの両端に設けられた集電板とを備え、スタックの両端に置かれた端部セルは、凹凸状のセパレータを有し、セパレータと集電板との間に、セパレータの凹部と集電板とで形成された冷却媒体流路を有する燃料電池であって、冷却媒体流路に、断熱材が設けられることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る燃料電池において、集電板に、冷却媒体流路を形成する溝が設けられることを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る燃料電池において、断熱材は、セラミックス材料で形成されることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る燃料電池において、断熱材は、集電板側に配置されることを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る燃料電池において、断熱材は、セパレータ側に配置されることを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る燃料電池において、断熱材は、冷却媒体流路の表面に被覆されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
上記のように本発明に係る燃料電池によれば、端部セルから冷却媒体への熱の流れを抑えることにより、スタックをより大型化せずに、端部セルからの放熱を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。燃料電池は、複数の単セルを積層したスタックと、スタックの両端に設けられた集電板とを含んで構成される。図１は、燃料電池に備えられるスタック１０の構成を示す図である。燃料電池のスタック１０は、複数個、例えば、数十個の単セル１２が積層されて構成されている。そして、スタック１０の両端に置かれた端部のセルである端部セル１４には、電流を取り出すための集電板１６が設けられている。
【００１８】
図２は、集電板１６が設けられた端部セル１４の断面を示す図である。まず、端部セル１４は、電解質膜１８の両側にそれぞれ触媒層２０が積層され、各々の触媒層２０にガス拡散層２２が積層されて膜電極接合体２４を構成し、更に、膜電極接合体２４にセパレータ２６が積層されることにより構成される。
【００１９】
電解質膜１８は、アノード極側で発生した水素イオンをカソード極側まで移動させる機能等を有している。電解質膜１８の材料は、化学的に安定であるフッ素系樹脂、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸のイオン交換膜が使用される。パーフルオロカーボンスルホン酸のイオン交換膜としては、ナフィオン膜（デュポン社の登録商標）等を用いることができる。
【００２０】
触媒層２０は、アノード極側での水素の酸化反応やカソード極側での酸素の還元反応を促進する機能を有している。そして、触媒層２０は、触媒と触媒の担体とを含んで構成される。触媒は、反応させる電極面積を大きくするため、一般的に粒子状にして、触媒の担体に付着して使用される。触媒には、水素の酸化反応や酸素の還元反応について、小さい活性化過電圧を有する白金族元素である白金等が使用される。触媒の担体としては、カーボン材料、例えば、カーボンブラック等が使用される。触媒の担体であるカーボンブラックとしては、ケッチェンブラック（ライオン社製）、デンカブラック（電気化学工業社製）等を用いることができる。
【００２１】
ガス拡散層２２は、燃料である水素や酸化剤である酸素を触媒層２０に拡散させる機能や、電子を移動させる機能等を有している。そして、ガス拡散層２２には、導電性を有する材料であるカーボン繊維織布、カーボン紙等を使用することができる。そして、膜電極接合体２４は、電解質膜１８と、触媒層２０と、ガス拡散層２２とを積層し、ヒートプレス等することにより製造することができる。
【００２２】
セパレータ２６は、膜電極接合体２４のガス拡散層２２に積層され、隣設する単セル１２における燃料ガスである水素と酸化剤である空気とを分離する機能を有している。また、セパレータ２６は、一方の単セル１２と他方の単セル１２とを電気的に接続する機能を有している。
【００２３】
セパレータ２６には、凹凸状を有するセパレータ２６を用いることが好ましい。セパレータ２６には、燃料ガスや空気等が流れるガス流路２８や、単セル１２を冷却するＬＬＣ（Ｌｏｎｇ  Ｌｉｆｅ  Ｃｏｏｌａｎｔ）や冷却水等の冷却媒体を流す冷却媒体流路３０等を形成されるためである。例えば、セパレータ２６の凸部とガス拡散層２２とで、燃料ガスや空気等のガス流路２８を形成することができる。勿論、他の条件次第では、セパレータ２６の形状は、凹凸状に限定されることはない。
【００２４】
セパレータ２６には、導電性を有する材料であるステンレス鋼、チタン、銅等の金属材料や炭素材料等を使用することができる。勿論、他の条件次第では、セパレータ２６の材料は、上記材料に限定されることはない。そして、金属材料のシート材を、例えば、プレス加工等することにより凹凸状に成形して、凹凸状のセパレータを製造することができる。勿論、他の条件次第では、金属材料等を機械加工等してセパレータを製造することができ、プレス加工に限定されることはない。
【００２５】
集電板１６は、スタック１０の両端に設けられ、セル１２、１４で生じた直流電流を取り出す機能を有している。そして、集電板１６は、スタック１０の両端に置かれた端部セル１４における凹凸状に成形されたセパレータ２６の凸部と接触して設けられる。
【００２６】
集電板１６には、導電性を有する材料であるステンレス鋼や銅等の金属材料や炭素材料等を使用することができる。また、集電板１６には、ステンレス鋼や銅等の金属シート材に金メッキを施して用いてもよい。勿論、他の条件次第では、集電板１６の材料は、上記材料に限定されることはない。
【００２７】
セパレータ２６と集電板１６との間には、セパレータ２６の凹部と集電板１６とで、上述したように、セルを冷却するための冷却媒体を流す冷却媒体流路３０が形成される。燃料電池を高電流密度発電で稼動させる場合には、端部セル１４においてもより多くの熱が発生するため冷却する必要があるからである。
【００２８】
ここで、集電板１６には、冷却媒体流路３０の断面積をより大きくするため、溝３１を設けることが好ましい。後述するように、セパレータ２６の凹部と集電板１６とで形成される冷却媒体流路３０に断熱材３２等を設けた場合においても、集電板１６に溝３１を設けることにより、端部セル１４における冷却媒体の圧力損失を、端部セル１４以外の他の単セル１２と略同じとすることができるからである。勿論、他の条件次第では、集電板１６に溝３１を設けないで冷却媒体流路３０を形成することができる。
【００２９】
セパレータ２６の凹部と集電板１６とで形成された冷却媒体流路３０に、断熱材３２が設けられる。セパレータ２６の凹部と集電板１６とで形成された冷却媒体流路３０に断熱材３２を設けることにより、端部セル１４で生じた熱が、端部セル１４のガス拡散層２２からセパレータ２６の凹部を通して冷却媒体に流れるのを、断熱材３２で抑えることができるからである。そして、冷却媒体流路３０に断熱材３２を設けることで、端部セル１４で生じた熱の放熱経路をより少なくすることができるからである。これにより端部セル１４におけるガス流路２８を流れる燃焼ガスや空気等の温度低下を抑えて、発電により生じた生成水の系外排出能力をより高めることができる。
【００３０】
断熱材３２には、セラミックス材料を用いることが好ましい。無機材料であるセラミックス材料は、他の材料より一般的に熱伝導率が小さいため断熱性能が高く、また、耐腐食性にも優れているからである。セラミックス材料には、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、シリカ（ＳｉＯ２）、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化珪素（ＳｉＮ）、ジルコニア（ＺｒＯ２）等を用いることができる。また、セラミックス材料には、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）−シリカ（ＳｉＯ２）系セラミックス等の２元系セラミックス材料やアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）−シリカ（ＳｉＯ２）−ジルコニア（ＺｒＯ２）系セラミックス等の３元系セラミックス材料を用いてもよい。勿論、セラミックス材料は、上記材料に限定されることはない。
【００３１】
断熱材３２は、セラミックス材を含有する塗料やペースト材を用いて形成されることが好ましい。冷却媒体流路３０を形成するセパレータ２６の凹部に、上記塗料やペースト材を塗布、スプレまたは充填等することにより、断熱材３２を容易に形成することができるからである。セラミックス材を含有する塗料には、例えば、スーペリアプロダクト（Ｓｕｐｅｒｉｏｒ  Ｐｒｏｄｕｃｔ）社製のスーパーサーム（ＳＵＰＥＲ  ＴＨＥＲＭ）やエンヴァイロトロール（Ｅｎｖｉｒｏｔｒｏｌ）社製のセラミックカバーＣＣ１００等を用いることができる。勿論、断熱材３２には、セラミックファイバで成形された成形品や、多孔質セラミックス材等を用いてもよく、上記塗料やペースト材等に限定されることはない。
【００３２】
断熱材３２は、図２に示すように、冷却媒体流路３０のセパレータ２６側に配置することが好ましい。端部セル１４で生じた熱は、膜電極接合体（ＭＥＡ）２４のガス拡散層２２から凹凸状に成形されたセパレータ２６の凹部を通って冷却媒体に流入するため、断熱材３２をセパレータ２６側に配置することにより、冷却媒体への熱の流入を抑えることができるからである。それにより、端部セル１４で生じた熱を、より多くガス流路２８に流入させることでガス流路２８内の燃料ガスや空気の温度を上昇させて、系外への生成水の持ち去り量を更に向上させることができる。また、凹凸状に成形されたセパレータ２６の凸部は、集電板１６に接触しているため、端部セル１４で生じた熱は、セパレータ２６の凸部から集電板１６に流れて放熱される。そのため、燃料電池を高電流密度で発電させる場合にも、端部セル１４の放熱ルートは確保されているため、端部セル１４の過加熱状態が抑制される。
【００３３】
冷却媒体流路３０を形成するセパレータ２６の凹部に断熱材３２を形成する場合には、セパレータ２６の凹部に、上述したセラミックス材を含有する塗料やペースト材を充填して形成させることができる。セラミックス材を含有する塗料やペースト材の充填方法は、一般的な、塗料やペースト材の充填方法を用いることができる。例えば、セパレータ２６の凹部に、上記塗料やペースト材等を充填した後、常温または所定の温度で乾燥等させることによりセパレータ２６の凹部に断熱材３２を埋め込むことができる。また、多孔質セラミックス材等を断熱材３２として用いる場合には、接着剤等の接合材でセパレータ２６の凹部に接合して、断熱材３２を形成することができる。勿論、他の条件次第では、セパレータ２６の凹部に断熱材３２を形成する方法は、上記方法に限定されることはない。
【００３４】
また、断熱材３２を、冷却媒体流路３０の表面に被覆してもよい。図３は、断熱材３２を冷却媒体流路３０の表面に被覆した構成を示す図である。冷却媒体流路３０を形成する凹凸状に成形されたセパレータ２６の凹部に、上述したセラミックス材を含有する塗料等を塗布することにより断熱材３２を被覆することができる。セラミックス材を含有する塗料やペースト材の被覆方法は、一般的な、塗料やペースト材のコーティング方法、例えば、スプレ法や塗布法等を用いることができる。そして、セパレータ２６の凹部に、上記塗料やペースト材等をスプレ等した後、常温または所定の温度で乾燥等させることによりセパレータ２６の凹部に断熱材３２を被覆することができる。勿論、他の条件次第では、断熱材３２の被覆方法は、上記被覆方法に限定されることはない。
【００３５】
断熱材３２は、冷却媒体流路３０の集電板１６側に設けることができる。図４は、断熱材３２を冷却媒体流路３０の集電板１６側に配置した構成を示す図である。集電板１６には溝３１が形成されており、断熱材３２は、例えば、集電板１６の溝３１に設けることができる。冷却媒体流路３０の集電板１６側に断熱材３２を設けることにより、冷却媒体流路３０を流れる冷却媒体の温度が集電板１６の温度より高い場合において、冷却媒体から集電板１６に流れる熱を抑えることができるからである。また、断熱材３２を冷却媒体流路３０の集電板１６側に設ける場合には、上述した、セラミックス材を含有する塗料やペースト材の充填方法や被覆方法を用いて断熱材３２を集電板１６側に設けることができる。勿論、他の条件次第では、集電板１６側に断熱材３２を形成する方法は、上記方法に限定されることはない。
【００３６】
断熱材３２の大きさ、例えば、断熱材３２の厚み等は、断熱材３２の断熱能力や冷却媒体の冷却能力等により定めることができる。
【００３７】
断熱材３２の熱伝導率がより小さく、断熱能力がより高い場合には、断熱材３２の厚みは、より小さくなるように定められる。断熱材３２の厚みを大きくすると、端部セル１４を冷却する能力が低下し、例えば、燃料電池を高電流密度発電で稼動する場合に、端部セル１４の内部温度が過剰に高くなる場合があるからである。このような場合には、例えば、上述したように、断熱材３２を、冷却媒体流路３０の表面に被覆することができる。
【００３８】
そして、断熱材３２の熱伝導率がより大きく、断熱能力がより低い場合には、断熱材３２の厚みは、より大きくなるように定められる。断熱材３２の厚みを小さくすると、端部セル１４で生じた熱が冷却媒体に多く流入し、端部セル１４の内部温度が低下してガス流路２８に生成水が残留する場合があるからである。このような場合には、例えば、上述したように、断熱材３２を、冷却媒体流路３０に充填することができる。
【００３９】
冷却媒体の流量がより多く、冷却媒体の冷却能力がより高い場合には、断熱材３２の厚みは、より小さくなるように定められる。断熱材３２の厚みを大きくすると、上述したように、端部セル１４を冷却する能力が低下し、例えば、燃料電池を高電流密度発電で稼動する場合に、端部セル１４の内部温度が過剰に高くなる場合があるからである。
【００４０】
そして、冷却媒体の流量がより少なく、冷却能力がより低い場合には、断熱材３２の厚みは、より大きくなるように定められる。断熱材３２の厚みを小さくすると、上述したように、端部セル１４で生じた熱が、冷却媒体に多く流入し、端部セル１４の内部温度が低下するからである。
【００４１】
なお、上記構成では、端部セル１４と集電板１６との間に設けられた冷却媒体流路３０に断熱材３２を設けたが、更に、端部セル１４と、端部セル１４に隣接して積層される単セル１２との間に設けられる冷却媒体流路に上述した断熱材３２を設けるようにしてもよい。
【００４２】
上記構成によれば、セパレータの凹部と集電板とで形成される冷却媒体流路に断熱材を設けることで、端部セルで生じる熱が冷却媒体に流れるのを抑制でき、スタックをより大型化することなく端部セルからの放熱を抑制することができる。それにより、燃料電池におけるフラディングや生成水の凍結によるセル劣化、起動遅延等を抑えることができる。また、特に、アノード側における水素の欠乏、セル電圧落ち、水素の欠乏による触媒劣化等を抑えることができる。
【００４３】
上記構成によれば、集電板に冷却媒体流路を形成する溝を設けることにより、冷却媒体流路に断熱材を設けた場合においても、断熱材が配置された冷却媒体流路を流れる冷却媒体の圧力損失を抑えることができる。
【００４４】
上記構成によれば、断熱材をセラミックス材料で形成することにより、耐腐食性をより向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施の形態において、燃料電池に備えられるスタックの構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態において、集電板が設けられた端部セルの断面を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態において、断熱材を冷却媒体流路の表面に被覆した構成を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態において、断熱材を冷却媒体流路の集電板側に配置した構成を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１０  スタック、１２  単セル、１４  端部セル、１６  集電板、１８  電解質膜、２０  触媒層、２２  ガス拡散層、２４  膜電極接合体、２６  セパレータ、２８  ガス流路、３０  冷却媒体流路、３１  溝、３２  断熱材。
【図１】
2008021449.tif 000003
【図２】
2008021449.tif 000004
【図３】
2008021449.tif 000005
【図４】
2008021449.tif 000006