(57)【要約】【課題】  簡易な構成でコンデンサを設けることができる燃料電池スタックを提供する。【解決手段】  燃料電池スタック（１００）は、電解質膜（３１）の一面にアノード（３２）が配置され他面にカソード（３４）が配置された複数のセル（１０）がセパレータ（２０）を介して複数積層された燃料電池スタックであって、隣り合う一対のセパレータに挟持されるように配置され、前記一対のセパレータを電気的に接続するコンデンサを備えることを特徴とする燃料電池スタック。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の一面にアノードが配置され他面にカソードが配置された複数の膜−電極接合体がセパレータを介して複数積層された燃料電池スタックであって、
隣り合う一対の前記セパレータに挟持されるように配置され、前記一対のセパレータを電気的に接続するコンデンサを備えることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記一対のセパレータ間に配置され、前記膜−電極接合体をシールするシール部材をさらに備え、
前記コンデンサは、前記シール部材内に設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記コンデンサの電気容量は、前記膜−電極接合体および前記一対のセパレータのアノードガス用の空間に導入可能な燃料ガスで前記膜−電極接合体が生成可能な電荷以上であることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記コンデンサは、前記一対のセパレータ間に配置された分極材料であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記カソードは、触媒担持カーボンであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記電解質膜は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
前記膜−電極接合体のカソードは、水電解触媒を含有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池が積層された燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率を実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
一般に、複数の燃料電池が積層された燃料電池スタックが用いられている。この燃料電池スタックにおいては、燃料電池の電位上昇が問題となることがある。そこで、特許文献１には、各燃料電池に外付けコンデンサを設ける技術が開示されている。この技術によれば、燃料電池の起動時においては、コンデンサに蓄電される。それにより、燃料電池の高電位発生が抑制される。一方、発電停止時においては、コンデンサに蓄積された電荷が放出され、次回の起動時の蓄電が可能となる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３２２５７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の技術では、各燃料電池に外付けのコンデンサを取付ける必要がある。その結果、燃料電池スタックの構成が複雑化するおそれがある。
【０００６】
本発明は、簡易な構成でコンデンサを設け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する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る燃料電池スタックは、電解質膜の一面にアノードが配置され他面にカソードが配置された複数の膜−電極接合体がセパレータを介して複数積層された燃料電池スタックであって、隣り合う一対のセパレータに挟持されるように配置され一対のセパレータを電気的に接続するコンデンサを備えることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明に係る燃料電池スタックにおいては、コンデンサを接続することによって、膜−電極接合体のカソードの高電位を回避することができる。さらに、一対のセパレータに挟持されるようにコンデンサを設けることによって、簡易な構成でコンデンサを設けることができる。
【０００９】
上記燃料電池スタックは、一対のセパレータ間に配置され膜−電極接合体をシールするシール部材をさらに備え、コンデンサは、シール部材内に設けられていてもよい。この場合、コンデンサ用のスペースを新たに確保する必要がない。その結果、燃料電池スタックの構成の複雑化が抑制される。
【００１０】
コンデンサの電気容量は、膜−電極接合体および一対のセパレータのアノードガス用の空間に導入可能な燃料ガスで膜−電極接合体が生成可能な電荷以上であってもよい。この場合、燃料電池スタックの発電を停止する際に残存する燃料ガスで発電が継続されても、コンデンサは、発電によって生成される電荷を保持することができる。
【００１１】
コンデンサは、一対のセパレータ間に配置された分極材料であってもよい。この場合、セパレータ間に分極材料を充填することによって、コンデンサを設けることができる。それにより、製造工程の複雑化を抑制することができる。
【００１２】
カソードは、触媒担持カーボンであってもよい。この場合、コンデンサへの蓄電によって、カーボンの劣化が抑制される。なお、電解質膜は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質であってもよい。
【００１３】
膜−電極接合体のカソードは、水電解触媒を含有していてもよい。この場合、カソードが高電位になった場合に、コンデンサに蓄積された電荷を消費してカソードにおいて水が電解する。それにより、カソードにおける形態変化が抑制される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、膜−電極接合体のカソードの高電位を回避することができ、簡易な構成でコンデンサを設けることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００１６】
図１は、本発明の第１実施例に係る燃料電池スタック１００の積層構造を示す模式図である。図１に示すように、燃料電池スタック１００は、複数のセル１０がセパレータ２０を介して積層された構造を有する。各セル１０は、後述するように、燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電を行う。発生電力は、各セパレータ２０を介して外部に取り出される。
【００１７】
図２は、各セル１０の詳細を説明するための図である。図２（ａ）は、セル１０の平面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。図２（ａ）に示すように、セル１０は、膜−電極接合体３０、シールガスケット４０およびコンデンサ５０を備える。
【００１８】
シールガスケット４０は、液体および気体に対するシール性を有する絶縁体からなり、例えばゴムからなる。シールガスケット４０は、膜−電極接合体３０の外周に沿って形成されている。また、シールガスケット４０には、燃料ガスが流動するための孔４１，４４、冷媒が流動するための孔４２，４５および酸化剤ガスが流動するための孔４３，４６が形成されている。セパレータ２０においても、これら孔４１〜４６に対応する位置にそれぞれ孔が形成されている。それにより、燃料電池スタック１００において、燃料ガス流動用、酸化剤ガス流動用および冷媒流動用のマニホールドが形成される。本実施例においては、燃料ガスは孔４１から膜−電極接合体３０のアノードに流入して孔４４から排出され、酸化剤ガスは孔４３から膜−電極接合体３０のカソードに流入して孔４６から排出され、冷媒は孔４２から図示しない冷媒流路を介して孔４４へと流動する。
【００１９】
コンデンサ５０は、シールガスケット４０が設けられている領域の一部に配置されている。したがって、コンデンサ５０は、一対のセパレータ２０に挟持されるように配置されている。コンデンサ５０は、分極材料からなる。例えば、コンデンサ５０として、プラスチック、マイカ、セラミックス等の誘電体を用いることができる。コンデンサ５０は、セル１０を挟持する一対のセパレータ２０のそれぞれに電気的に接続されている。
【００２０】
コンデンサ５０の位置は、一対のセパレータ２０に挟持される位置であれば特に限定されない。例えば、コンデンサ５０は、シールガスケット４０において、膜−電極接合体３０が設けられていないデッドスペースに分極材料を充填することによって設けることができる。この場合、コンデンサ５０用のスペースを新たに確保する必要がない。また、配線等も必要ない。それにより、燃料電池スタック１００の構成の複雑化が抑制される。その結果、燃料電池スタック１００の製造工程の複雑化が抑制される。
【００２１】
図２（ｂ）に示すように、膜−電極接合体３０は、電解質膜３１の一面にアノード触媒層３２およびガス拡散層３３が順に配置され、電解質膜３１の他面にカソード触媒層３４およびガス拡散層３５が順に配置された構造を有する。電解質膜３１は、例えばプロトン伝導性を有する固体高分子電解質からなる。アノード触媒層３２は、水素のプロトン化を促進する触媒を含有する導電性材料からなり、例えば白金担持カーボンからなる。カソード触媒層３４は、プロトンと酸素との反応を促進する触媒を含有する導電性材料からなり、例えば白金担持カーボンからなる。ガス拡散層３３およびガス拡散層３５は、反応ガスを透過可能な導電性材料からなり、例えばカーボンペーパ、カーボンクロス等のカーボン繊維からなる。
【００２２】
続いて、セル１０の起動時の発電について説明する。まず、孔４１からガス拡散層３３に水素を含有する燃料ガスが供給される。燃料ガスは、ガス拡散層３３を拡散してアノード触媒層３２に到達する。アノード触媒層３２においては、燃料ガス中の水素がプロトンと電子とに解離する。プロトンは、電解質膜３１を伝導してカソード触媒層３４に到達する。
【００２３】
ガス拡散層３５には、孔４３から酸素を含有する酸化剤ガスが供給される。酸化剤ガスは、ガス拡散層３５を拡散してカソード触媒層３４に到達する。カソード触媒層３４においては、プロトンと酸素と電子とが反応して、水が生成されるとともに電力が発生する。以上のプロセスを経て、セル１０は発電を行う。
【００２４】
なお、発電に供された後の燃料ガスは孔４４から排出され、発電に供された後の酸化剤ガスは孔４６から排出される。また、冷媒は孔４２から図示しない流路を経由して孔４５から排出される。それにより、膜−電極接合体３０の温度が調整される。
【００２５】
燃料電池スタック１００の起動時においては、コンデンサ５０に蓄電される。ところで、各セル１０において、燃料ガスの供給流量にバラツキが生じることがある。例えば、一部のセル１０において、燃料ガスによりアノードの残存空気が十分に排出されず、燃料ガスと空気とが偏在する場合がある。この場合、特定のセル１０のカソード触媒層３２が高電位になることがある。しかしながら、本実施例においては、コンデンサ５０に蓄電されることから、カソード触媒層３２の高電位を回避することができる。その結果、カソード触媒層３２の形態変化が抑制される。
【００２６】
以下に、カソード触媒層３２の高電位について説明する。各セル１０においては、水素がカソード側に透過して酸素がアノード側に透過するクロスリークが生じることがある。
【００２７】
図３（ａ）は、コンデンサが備わっていない燃料電池スタックについての作用を説明するための模式図である。図３（ａ）に示すように、クロスリークが生じると、カソード側において水素と酸素とが反応する。それにより、カソード側の酸素が消費される。アノード側に酸素が透過すると、アノード触媒層の一部の領域で水素が欠乏する。この場合にカソード側に酸素が残留または供給されると、カソード触媒層の電位が上昇してカソード触媒層とアノード触媒層との間に、電解質膜を介して閉回路が形成されることがある。
【００２８】
カソード触媒層の電位が上昇すると、カソード触媒層の炭素を酸化させる方向に各領域において反応が生じる。まず、水素が欠乏していないアノード触媒層の領域２００においては、下記式（１）の反応によって、残留水素がプロトンと電子とに解離する。
Ｈ２→２Ｈ+＋２ｅ−・・・式（１）
【００２９】
領域２００で発生したプロトンは、電解質膜を伝導して、カソード触媒層に到達する。カソード触媒層の領域２１０においては、カソード触媒層の残留酸素とプロトンとが、領域２２０からの電子を受けて、下記式（２）の反応を起こす。それにより、水が発生する。
１／２Ｏ２＋２Ｈ+＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ・・・式（２）
【００３０】
カソード触媒層の他の領域２２０においては、カソード触媒層の炭素が生成水を用いて下記式（３）のように酸化する。式（３）の反応により生じたプロトンは、電解質膜を伝導してアノード触媒層の水素欠乏領域２３０に供給される。
１／２Ｃ＋Ｈ２Ｏ→１／２ＣＯ２＋２Ｈ+＋２ｅ−・・・式（３）
【００３１】
次に、水素欠乏領域２３０においては、クロスリークによってアノード触媒層に到達した酸素とプロトンと領域２００からの電子とが下記式（４）の反応により、水を生成する。
１／２Ｏ２＋２Ｈ+＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ・・・式（４）
【００３２】
各領域の以上の反応によって、カソード触媒層およびアノード触媒層に、電解質膜を介して閉回路が形成される。この閉回路の形成によって、カソード触媒層の炭素部分が酸化して欠損するため、カソード触媒層の形態が変化する。その結果、燃料電池スタックの発電性能が低下するおそれがある。
【００３３】
しかしながら、本実施例においては、コンデンサ５０が設けられていることから、図３（ｂ）に示すように、発電停止時に式（１）で生じた電子は、コンデンサ５０に蓄積される。それにより、式（４）の反応は抑制される。その結果、カソード触媒層３４の形態変化が抑制される。
【００３４】
以上のように、セルにコンデンサを接続することによって、カソード触媒層の高電位を回避することができる。さらに、一対のセパレータに挟持されるようにコンデンサを設けることによって、簡易な構成でコンデンサを設けることができる。
【００３５】
なお、コンデンサ５０の電気容量は、各セル１０のアノードガス用の空間に導入可能な燃料ガスで各セル１０が発電によって生成可能な電荷以上の容量であることが好ましい。この場合、燃料電池スタック１００の発電を停止する際に残存する燃料ガスで発電が継続されても、コンデンサ５０は、発電によって生成される電荷を保持することができる。
【実施例２】
【００３６】
続いて、本発明の第２実施例に係る燃料電池スタック１００ａについて説明する。燃料電池スタック１００ａにおいては、セル１０の代わりにセル１０ａが配置されている。図４は、セル１０ａの模式的断面図である。図４に示すように、セル１０ａにおいては、カソード触媒層３４の代わりにカソード触媒層３４ａが設けられている。
【００３７】
カソード触媒層３４ａには、水の電気分解を促進するための水電解触媒が添加されている。例えば、カソード触媒層３４ａは、白金担持カーボンに、Ｒｕ（ルテニウム），Ｉｒ（イリジウム），Ａｕ（金），Ｎｉ（ニッケル），Ａｇ等の金属、Ｐｔ−Ｒｕ，Ｐｔ−Ｉｒ等の合金、ＲｕＯ２，ＩｒＯ２等の金属酸化物等の水電解触媒が添加された材料からなる。
【００３８】
続いて、燃料電池スタック１００ａの発電停止後の作用について説明する。燃料電池スタック１００ａが発電を停止すると、水素と酸素との電気化学的反応が停止する。その後、水素がカソード側に透過して酸素がアノード側に透過するクロスリークが生じることがある。
【００３９】
しかしながら、本実施例においては、コンデンサ５０が設けられていることから、図５（ａ）に示すように、発電停止時に式（１）で生じた電子は、コンデンサ５０に蓄積される。それにより、式（４）の反応は抑制される。その結果、カソード触媒層３４ａの形態変化が抑制される。その後、アノード側の水素量が減少すると、コンデンサ５０からの放電が開始される。この場合、図５（ｂ）に示すように、水電解触媒を介してカソード触媒層３４ａに保持された水が解離する。反応式としては、下記式（５）が考えられる。
２Ｈ２Ｏ  →  ４Ｈ＋  ＋  ４ｅ−  ＋  Ｏ２  （５）
【００４０】
この場合、上記式（１）〜式（４）で構成される閉回路の形成が抑制される。その結果、カソード触媒層３４ａにおける形態変化が抑制される。また、コンデンサ５０を放電させることができる。それにより、次回の燃料電池スタック１００ａの起動時に、再度コンデンサ５０に蓄電することができる。
【００４１】
なお、燃料電池スタック１００ａの発電中には、生成された水がカソード触媒層３４ａの酸化剤ガス流れの下流側に滞留しやすい。したがって、水電解触媒は、カソード触媒層３４ａにおいて酸化剤ガスの下流側に多く添加されていることが好ましい。この場合、酸化剤ガスの下流側における水詰まりが解消されて、次回の発電時における発電分布が小さくなるからである。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１実施例に係る燃料電池スタックの積層構造を示す模式図である。
【図２】各セルの詳細を説明するための図である。
【図３】コンデンサの作用について説明するための図である。
【図４】第２実施例に係るセルの模式的断面図である。
【図５】水電解触媒の作用について説明するための図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０  セル
２０  セパレータ
３０  膜−電極接合体
４０  シールガスケット
５０  コンデンサ
１００  燃料電池スタック
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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