JP4894311B2

JP4894311B2 - 断熱性ダミーセルと燃料電池スタック

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Publication number: JP4894311B2
Application number: JP2006071586A
Authority: JP
Inventors: 理人則本; 裕一八神; 卓哉橋本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-03-15
Filing date: 2006-03-15
Publication date: 2012-03-14
Anticipated expiration: 2026-03-15
Also published as: JP2007250338A

Description

本発明は、燃料電池用高断熱性ダミーセル（以下、単に「断熱性ダミーセル」という）と、それをセル積層体端部に配置した燃料電池スタックに関する。

燃料電池スタックは単セルを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層体にセル積層方向の締結荷重を付与したものから構成される。
低温起動の初期状態では、発電による発熱が熱源となってＭＥＡ（膜−電極接合体）中で氷解が進み、プロトン移動、電子移動が可能な、ＭＥＡが湿潤した状態となる。しかし、スタックの端部セルではターミナル、エンドプレートなどへの熱の持ち出し量が大きいため、低温起動の初期状態で、端部セルは電圧低下の発生や、低温起動に時間を要する等の問題がある。
特開２００５−１９２２３号公報は、スタック端部に、導電性金属プレートを一対のセパレータで挟持したダミーセルを設けて、熱の持ち出し量を抑制した燃料電池スタックを開示している。
特開２００５−１９２２３号公報

しかし、上記の燃料電池スタックでは、金属プレートからメタルセパレータに容易に熱が伝導してしまい、ダミーセルの断熱性が十分でなく、氷点以下の低温からの起動性がよくないという課題があった。
本発明の目的は、低温からの起動性を、特開２００５−１９２２３号公報等に開示の従来ダミーセルより向上させることができる断熱性ダミーセルと燃料電池スタックを提供することにある。

上記課題を解決する、そして上記目的を達成する、本発明はつぎのとおりである。
（１）燃料電池スタックのセル積層体の端部に配置され、セパレータ間に配置された断熱性を有する導電性の第１の層を有し、前記セパレータと前記第１の層との間に配置された第２の層を有し、該第２の層は、前記第１の層に対して垂直方向に延びるピンまたは壁を有し、前記第２の層は、空気またはガスが充填され該充填された空気またはガスが淀んだ、または、減圧された、断熱層を含み、前記第２の層は、前記セパレータと前記第１の層との間の熱伝導面積をセパレータと第１の層との直接接触面積より小さい前記ピンまたは壁の断面積に減少させる、断熱性ダミーセル。
（２）前記断熱性ダミーセルのセパレータは、前記端部以外のセルのセパレータとほぼ同じ形状である（１）記載の断熱性ダミーセル。
（３）セル積層体を含む燃料電池スタックであって、セル積層体の端部に、断熱性ダミーセルが配置され、該断熱性ダミーセルがセパレータ間に配置された断熱性を有する導電性の第１の層を有し、前記セパレータと前記第１の層との間に配置された第２の層を有し、該第２の層は、前記第１の層に対して垂直方向に延びるピンまたは壁を有し、前記第２の層は、空気またはガスが充填され該充填された空気またはガスが淀んだ、または、減圧された、断熱層を含み、前記第２の層は、前記セパレータと前記第１の層との間の熱伝導面積をセパレータと第１の層との直接接触面積より小さい前記ピンまたは壁の断面積に減少させる、燃料電池スタック。

上記（１）の断熱性ダミーセルによれば、第１の層を断熱性に優れた層としたので、従来（特開２００５−１９２２３号公報）の金属プレートの場合に比べて、ダミーセルが高断熱性となり、端部ダミーセルを通しての熱の持ち出しが抑制され、低温からの燃料電池起動性が向上する。
上記（１）の断熱性ダミーセルによれば、セパレータと第１の層との間に配置された第２の層を有し、該第２の層は、第１の層に対して垂直方向に延びるピンまたは壁を有し、セパレータと第１の層との間の熱伝導面積をセパレータと第１の層との直接接触面積より小さいピンまたは壁の断面積に減少させるので、伝熱面積の減少によって、断熱性ダミーセルがより一層高断熱性となる。
上記（１）の断熱性ダミーセルによれば、第２の層が、空気またはガスが充填され該充填された空気またはガスが淀んだ、または、減圧された、断熱層を含むので、空気またはガスは淀み、または減圧され、空気またはガスが流れる場合の空気またはガスによる熱の持ち去りと、熱伝達係数の増大がなくなり、断熱性ダミーセルがより一層高断熱性となる。
上記（２）の断熱性ダミーセルによれば、断熱性ダミーセルのセパレータが、端部以外のセルのセパレータとほぼ同じ形状であるので、ダミーセル用のセパレータを特別に作製する必要がない。
上記（３）の燃料電池スタックによれば、上記（１）の断熱性ダミーセルの効果と同じ効果が得られる。

以下に、本発明の実施例および参考例（実施例番号と参考例番号を連続番号とする。また、参考例は本発明に含まず）の燃料電池を図１−図７を参照して説明する。
図１は本発明の実施例１の断熱性ダミーセルを示し、図２は参考例２の断熱性ダミーセルを示し、図３は参考例３の断熱性ダミーセルを示し、図４は本発明の参考例４の断熱性ダミーセルをもつ燃料電池スタックを示す。図５−図７は本発明の実施例および参考例に適用可能である。本発明の実施例および参考例にわたって共通する構成部分には、本発明の実施例および参考例にわたって同じ符号を付す。

まず、本発明の実施例および参考例の断熱性ダミーセルと燃料電池スタックにわたって共通する部分の構成、作用、効果を、図１、図５−図７を参照して説明する。
本発明の実施例および参考例が適用される燃料電池（セルともいう）は、たとえば固体高分子電解質型燃料電池１０である。ただし、固体高分子電解質型燃料電池以外の燃料電池であってもよい。燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。

図５−図７に示すように、固体高分子電解質型燃料電池１０は、膜−電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）１９とセパレータ１８とを重ね合わせて構成される。
膜−電極接合体１９は、イオン交換膜からなる電解質１１（膜状に構成されているので、以下、電解質膜ともいう）とこの電解質膜１１の一面に配置された触媒層１２からなる電極１４（アノード、燃料極）および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５からなる電極１７（カソード、空気極ともいう）とからなる。膜−電極接合体１９とセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層（ガス拡散層ともいう）１３、１６が設けられる。

膜−電極接合体１９とセパレータ１８を重ねてセル１０を構成し、セル１０を積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端または一端に、断熱性ダミーセル４０、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、エンドプレート２２をセル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）に、ボルト・ナット２５にて固定し、セル積層体にセル積層方向の締結荷重を付与して、燃料電池スタック２３を構成する。

セパレータ１８には、発電領域５１において、アノード１４に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路２７が形成され、カソード１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が形成されている。また、セパレータ１８にはガス流路２７、２８と反対側の面に冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６も形成されている。セパレータ１８には、非発電領域５２において、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１、冷媒マニホールド２９が形成されている。燃料ガスマニホールド３０は燃料ガス流路２７と連通しており、酸化ガスマニホールド３１は酸化ガス流路２８と連通しており、冷媒マニホールド２９は冷媒流路２６と連通している。
セパレータ１８は、カーボンセパレータ、またはメタルセパレータ（メタルセパレータと樹脂フレーム５３との組み合わせである場合を含む）、または導電性樹脂セパレータからなる。

各セル１０の、アノード１４では、水素を水素イオン（プロトン）と電子に変換する電離反応が行われ、水素イオンは電解質膜１１中をカソード１７側に移動し、カソード１７では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水が生成され、次式にしたがって発電が行われる。
アノード側：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
カソード側：２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ

各種流体（燃料ガス、酸化ガス、冷媒）は、互いに、かつ外部から、それぞれシールされる。各セル１０のＭＥＡ１９を挟む２つのセパレータ１８間は、第１のシール部材３２によってシールされており、隣接するセル１０同士の間は、第２のシール部材３３によってシールされている。
第１のシール部材３２は、たとえば接着剤シール（シール接着剤）からなり、第２のシール部材３３は、たとえば、ゴムガスケットからなる。ただし、第１のシール部材３２、第２のシール部材３３とも、接着剤シール剤、またはゴムガスケットから構成されてもよい。

燃料電池スタック２３のセル積層体の端部に、ターミナル２０のすぐセル積層体側に、断熱性ダミーセル４０が配置される。断熱性ダミーセル４０は、セル積層体の端部セルを構成する。断熱性ダミーセル４０は非発電セル（発電しないセル）であり、セル積層体の端部セル以外の各セル１０は発電セル（発電するセル）である。

断熱性ダミーセル４０は、ダミーセル４０の一対のセパレータ４１と、ダミーセル４０の一対のセパレータ４１間に配置された断熱性を有する導電性の第１の層４２を有する。第１の層４２の断熱性は、端部セル以外のセル１０のＭＥＡの断熱性より高い。第１の層４２の断熱性を高くするために、第１の層４２を多孔質フィルムまたは多孔質シートから構成してもよい。
断熱性ダミーセル４０は、一対のセパレータ４１の各セパレータ４１と第１の層４２との間に配置された第２の層４３を有する。第２の層４３も断熱性層であり、第２の層４３の断熱性は、端部セル以外のセル１０の拡散層１３、１６の断熱性より高い。

第２の層４３が高断熱性をもつようにするために、第２の層４３が、第１の層４２の面に対して垂直方向に延びるピン４４または壁を含む。これによって、中実プレートの場合に比べて、熱伝導面積、およびセパレータ４１や第１の層４２との接触面積を、低減することができる。
第２の層４３は、空気またはガス（たとえば、空気より断熱性が高い有機ガス）が充填され淀んだ断熱層４５、または、減圧された断熱層４５を含む。
断熱性ダミーセル４０のセパレータ４１の形状は、端部以外のセル（発電セル）１０のセパレータ１８とほぼ同じ形状（厚さ、平面形状、ガス流路、冷媒流路の各形状に関して同じ）である。断熱性ダミーセル４０のセパレータ４１には、端部以外のセル（発電セル）１０のセパレータ１８を用いてもよい。

本発明の実施例および参考例にわたって共通する部分の作用、効果について説明する。
上記の断熱性ダミーセル４０、および燃料電池スタック２３では、第１の層４２を断熱性に優れた層としたので、従来（特開２００５−１９２２３号公報）の金属プレートの場合に比べて、ダミーセル４０が高断熱性となり、あるいはＭＥＡをもつセル１０（発電セル）の場合に比べて、ダミーセル４０が高断熱性となり、端部のダミーセル４０を通しての熱の持ち出しが抑制され、低温（たとえば、氷点以下の温度）からの燃料電池起動性が向上する。

また、断熱性ダミーセル４０のセパレータ４１と第１の層４２との間に配置された第２の層４３を有し、該第２の層４３が、第１の層４２の面に対して垂直方向に延びるピン４４または壁を有するので、セパレータ４１と第１の層４２との接触面積がピン４４または壁の断面積分に減少し、熱伝導面積の減少によって、断熱性ダミーセル４０がより一層高断熱性となる。その結果、低温（たとえば、氷点以下の温度）からの燃料電池起動性がより一層向上する。

また、第２の層４３が、空気またはガスが充填された断熱層、または、エアまたはガスが減圧された断熱層を含むので、空気またはガスは淀み、または減圧され、空気またはガスが流れる場合の空気またはガスによる熱の持ち去りと、熱伝達係数の増大がなくなり、断熱性ダミーセル４０がより一層高断熱性となる。その結果、低温（たとえば、氷点以下の温度）からの燃料電池起動性がより一層向上する。
また、断熱性ダミーセル４０のセパレータ４１が、端部以外のセル１０のセパレータ１８とほぼ同じ形状であるので、ダミーセル用のセパレータ４１を特別に作製する必要がない。

つぎに、本発明の実施例および各参考例に特有な部分の構成、作用、効果を説明する。
〔実施例１〕−−−図１、図５−図７
本発明の実施例１の断熱性ダミーセル４０および燃料電池スタック２３では、図１、図５−図７に示すように、第１の層４２がカーボンを混入することにより導電性を付与した樹脂製の多孔質フィルムであり、第２の層４３が多数のピン４４を立設し、空気を充填したエア断熱層４５を含む。断熱性ダミーセル４０のセパレータ４１には発電セル１０のカーボンセパレータ１８と同じものを用いる。断熱性ダミーセル４０は、セル積層方向にみて、セル積層体の両端でターミナル２０のすぐ内側に配置される。
本発明の実施例１の作用、効果については、断熱性ダミーセル４０および燃料電池スタック２３が第１の層４２を有するので、断熱性ダミーセル４０のセル積層方向の断熱性が高くなり、端部のダミーセル４０を通しての熱の持ち出しが抑制され、低温（たとえば、氷点以下の温度）からの燃料電池起動性が向上する。断熱性ダミーセル４０および燃料電池スタック２３が第２の層４３を有するので、ピン４４による熱伝導面積の低減とエア断熱層４５による熱の持ち出しの抑制とにより、低温からの燃料電池起動性が向上する。

〔参考例２〕−−−図２、図５−図７
参考例２の断熱性ダミーセル４０および燃料電池スタック２３では、図２、図５−図７に示すように、第１の層４２を金属板（たとえば、ステンレス板）とし、第２の層４３をカーボンを混入して導電性を付与した多孔質樹脂板とする。断熱性ダミーセル４０のセパレータ４１にはメタルセパレータを用いる。非発電領域５２では、メタルセパレータ４１と第１の層４２との間に樹脂フレーム５３（発電セル１０の樹脂フレームと同じでよい）を配置する。ダミーセルセル４０と発電セル１０との間はガスケット３３でシールする。樹脂フレーム５２にはシールに関係しない部位に穴を設けてセル沿面方向（セル積層方向と直交する方向）の断熱性を向上させてもよい。
参考例２の作用、効果については、断熱性ダミーセル４０および燃料電池スタック２３が金属板の第１の層４２を有するので、ガス遮断性がよく、第２の層４３が多孔質材であっても、水素とエアの混合が防止される。また、第２の層４３を多孔質としたため、ピン４４をもたないにもかかわらず、断熱性ダミーセル４０のセル積層方向の断熱性が高くなり、端部のダミーセル４０を通しての熱の持ち出しが抑制され、低温からの燃料電池起動性が向上する。
樹脂フレーム５３を用いる場合は、樹脂フレーム５３がスタック積層方向にスタック締結荷重を受けることができ、容易に定寸構造を構成できる。

〔参考例３〕−−−図３、図５−図７
参考例３の断熱性ダミーセル４０および燃料電池スタック２３では、図３、図５−図７に示すように、第１の層４２をカーボンを混入して導電性を付与した多孔質樹脂板とし、第２の層４３を金属板（たとえば、ステンレス板）とする。断熱性ダミーセル４０のセパレータ４１にはメタルセパレータを用いる。非発電領域５２では、メタルセパレータ４１と第１の層４２との間に樹脂フレーム５３（発電セル１０の樹脂フレームと同じでよい）を配置する。ダミーセルセル４０と発電セル１０との間はガスケット３３でシールする。樹脂フレーム５２にはシールに関係しない部位に穴を設けてセル沿面方向（セル積層方向と直交する方向）の断熱性を向上させてもよい。
参考例３の作用、効果については、断熱性ダミーセル４０および燃料電池スタック２３が金属板の第２の層４３を有するので、ガス遮断性がよく、第１の層４２が多孔質材であっても、水素とエアの混合が防止される。また、第１の層４２を多孔質としたため、ピン４４をもたないにもかかわらず、断熱性ダミーセル４０のセル積層方向の断熱性が高くなり、端部のダミーセル４０を通しての熱の持ち出しが抑制され、低温からの燃料電池起動性が向上する。
樹脂フレーム５３を用いる場合は、樹脂フレーム５３がスタック積層方向にスタック締結荷重を受けることができ、容易に定寸構造を構成できる。

〔参考例４〕−−−図４−図７
参考例４の燃料電池スタック２３では、図４−図７に示すように、セル積層方向の端部のセル（たとえば、断熱性ダミーセル４０、ただし、参考例４では断熱性４０でなくてもよい）の外周に、該外周の一部または全周に、セル沿面方向（セル積層方向と直交する方向）の、端部ダミーセル４０を通しての、熱の持ち出しを抑制するための断熱材４６が配置されている。
参考例４の作用、効果については、端部ダミーセル４０の外周に断熱材４６を配置したので、セル積層方向と直交方向（沿面方向）の、端部ダミーセル４０を通しての熱の持ち出しも抑制することができる。
また、端部ダミーセル４０の外周に配置した断熱材４６を樹脂フレーム５３から構成した場合は、メタルセパレータの樹脂フレーム５３のシールに関係しない部位に穴を設けるなどして樹脂フレーム５３を高断熱性断熱材として兼用することができ、特別に外周の断熱材４６を作製する必要がない。

本発明の実施例１の断熱性ダミーセルの断面図である。参考例２の断熱性ダミーセルの一部の断面図である。参考例３の断熱性ダミーセルの一部の断面図である。参考例４の断熱性ダミーセルを含む燃料電池スタックの断面図である。本発明の燃料電池スタックの側面図である。図５の燃料電池スタックの発電セルの部位の一部の拡大断面図である。図５の燃料電池スタックの発電セルの部位の一部の正面図である。

１０（固体高分子電解質型）燃料電池
１１電解質
１２、１５触媒層
１３、１６拡散層
１４アノード
１７カソード
１８セパレータ
１９ＭＥＡ
２０ターミナル
２１インシュレータ
２２エンドプレート
２３燃料電池スタック
２４締結部材（テンションプレート）
２５ボルト
２６冷媒流路（冷却水流路）
２７燃料ガス流路
２８酸化ガス流路
２９冷媒マニホールド
３０燃料ガスマニホールド
３１酸化ガスマニホールド
３２第１のシール部材
３３第２のシール部材
４０断熱性ダミーセル
４１セパレータ
４２第１の層
４３第２の層
４４ピン
４５断熱層
４６断熱材
５１発電領域
５２非発電領域
５３樹脂フレーム

Claims

燃料電池スタックのセル積層体の端部に配置され、セパレータ間に配置された断熱性を有する導電性の第１の層を有し、前記セパレータと前記第１の層との間に配置された第２の層を有し、該第２の層は、前記第１の層に対して垂直方向に延びるピンまたは壁を有し、前記第２の層は、空気またはガスが充填され該充填された空気またはガスが淀んだ、または、減圧された、断熱層を含み、前記第２の層は、前記セパレータと前記第１の層との間の熱伝導面積をセパレータと第１の層との直接接触面積より小さい前記ピンまたは壁の断面積に減少させる、断熱性ダミーセル。
前記断熱性ダミーセルのセパレータは、前記端部以外のセルのセパレータとほぼ同じ形状である請求項１記載の断熱性ダミーセル。
セル積層体を含む燃料電池スタックであって、セル積層体の端部に、断熱性ダミーセルが配置され、該断熱性ダミーセルがセパレータ間に配置された断熱性を有する導電性の第１の層を有し、前記セパレータと前記第１の層との間に配置された第２の層を有し、該第２の層は、前記第１の層に対して垂直方向に延びるピンまたは壁を有し、前記第２の層は、空気またはガスが充填され該充填された空気またはガスが淀んだ、または、減圧された、断熱層を含み、前記第２の層は、前記セパレータと前記第１の層との間の熱伝導面積をセパレータと第１の層との直接接触面積より小さい前記ピンまたは壁の断面積に減少させる、燃料電池スタック。