燃料電池スタック
【課題】無負荷時に温度が他のセルよりも低下する第１のセルのフラッディングを防止する燃料電池スタックを得ること。
【解決手段】複数の燃料電池のセルを積層してなる燃料電池スタック３であって、フラッディングしやすい端部のセル３ａのカソード側触媒層１２ｃにおける単位面積当たりの触媒活性を中央部のセル３ｃのそれより小さくする、燃料電池スタック。
【解決手段】複数の燃料電池のセルを積層してなる燃料電池スタック３であって、フラッディングしやすい端部のセル３ａのカソード側触媒層１２ｃにおける単位面積当たりの触媒活性を中央部のセル３ｃのそれより小さくする、燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池の積層されたスタックの両端のセルは、中央側のセルに比べて外気と接触する面積が大きい。さらに両端のセルは、金属などの熱伝導性の高い端板に覆われているので、中央側のセルよりも放熱が大きくなり温度が低下する。温度が低下した両端のセルは、結露によるフラッディング（水詰まり）などの発電特性を劣化させる。したがって、両端のセル温度の低下を防止して燃料電池全体において温度分布が生じないようにする必要がある。
【０００３】
従来、燃料電池全体において温度分布を均一するために、下記特許文献１に示す燃料電池が知られている。この燃料電池は電解質と、電解質を挟む一対の電極と、電極の一方に少なくとも水素を含む燃料を供給排出し他方に少なくとも酸素を含む酸化剤ガスを供給排出するガス流路を有する一対のセパレータ板とを有する第１のセルと、第１のセルにおける一対の電極に比べて電極面積の異なる一対の電極を備えた中央部のセルとを備え、複数の第１のセルと少なくとも一つの中央部のセルを積層して構成されるスタックを備えたものである。
【０００４】
上記燃料電池によれば、発電下において、中央部のセルおよび第１のセルを積層したスタックには所定の電流が流れると、中央部のセルと電極面積の異なる第１のセルには単位面積当たりに流れる電流（電流密度）が第１のセルと異なった状態となる。電流密度に応じて中央部のセルおよび第１のセルのセル温度はそれぞれ決定されるので、第１のセルの電極面積を中央部のセルよりも小さくすれば、電流密度が相対的に高くなり、第１のセルのセル温度は中央部のセルよりも高くすることができる。逆に、第１のセルの電極面積を中央部のセルよりも大きくすれば、電流密度は相対的に低くなり、第１のセルのセル温度は中央部のセルよりも低くすることができる。
【０００５】
したがって、スタックの両端など冷却されやすい位置のセルに中央部のセルよりも電極面積の小さい第１のセルを配置すれば、スタック全体として積層方向の温度分布を均一化することができ、フラッディングなどの特性劣化が抑制された燃料電池が得られる。
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−１１７５４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、発明者は、鋭意研究検討を重ねた結果、上記従来の燃料電池では、中央部のセル及び第１のセルに流れる電流が低くなる低負荷時には、第１のセルが中央部のセルに比較して充分に温度が上昇しにくいので、フラッディングの対策が不十分であることを見出した。
これは、端部に配置された第１のセルは、電極面積を小さくして発電下における電流密度を中央部のセルよりも高くして温度を上昇している。すなわち、中央部のセルと第１のセルとの電流密度の差に基づいて第１のセルの温度を中央部のセルよりも上昇させることから、中央部のセル及び第１のセルに流れる電流に依存して温度上昇に差が生じる。このため、中央部のセル及び第１のセルに流れる電流が低くなる低負荷時には、第１のセルが中央部のセルに比較して充分に温度が上昇しにくかった。
一方、上記低負荷時に第１のセルを中央部のセルに比較して充分な温度上昇を得ようとすると、中央部のセル及び第１のセルに流れる電流が高くなる高負荷時には、第１のセルが中央部のセルに比較して温度が上昇し過ぎて適切でない。
【０００８】
本発明は上記従来の課題を解決するためになされたもので、複数の燃料電池のセルを積層してなる燃料電池スタックにおいて、無負荷時に温度が他のセルよりも低下する第１のセルのフラッディングを防止する燃料電池スタックを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の局面の燃料電池スタックは、複数の燃料電池のセルを積層してなる燃料電池スタックであって、フラッディングしやすい第１のセルの反応層における単位面積当たりの触媒活性を他のセルのそれより小さくする、ものである。
このような燃料電池スタックによれば、フラッディングしやすい第１のセルの反応層における単位面積当たりの触媒活性を他のセルのそれより小さくしたので、第１のセル及び他のセルに流れる電流値の大きさに依存することなく、第１のセルの発電反応が他のセルより低下する。
したがって、燃料電池を低負荷から高負荷まで駆動しても、第１のセルが他のセルに比較してほぼ均一に温度上昇するので、第１のセルのフラッディングを防止できる。
また、第１のセルの反応層には、アノード側(水素ガス側)、カソード側(空気側)があるが、アノード側(水素ガス側)又はカソード側(空気側)の少なくともいずれか一方を備えていれば足りる。しかし、燃料電池の負荷の状態、すなわち、低負荷から高負荷まで一様な発電反応を得るにはカソード側(空気側)が好ましい。カソード側(空気側)は、アノード側(水素ガス側)に比較して触媒活性の低下に基づく発熱量が大きいからである。
第１のセルの反応層における単位面積当たりの触媒活性を他のセルのそれより小さくするには、上記単位面積当たりの触媒活性を同一にしておいて、他のセルと第１のセルとの温度分布などを測定し、全負荷領域において全てのセルの温度分布が均一になるように、第１のセルの単位面積当たりの触媒活性を決めることが好ましい。
【００１０】
第２の局面の燃料電池スタックは、前記第１のセルは他のセルに比べて、同一面積の反応層に単位表面積あたりの活性が小さい触媒を使用すること、及び／又は同一面積の反応層に担持する触媒の有効表面を少なくすること、により触媒活性を小さくしている、ことが好ましい。
同一面積の反応層に単位表面積あたりの活性が小さい触媒とは、第１のセルが他のセルに比較して触媒活性が小さいことを意味する。すなわち、他のセルを基準に比較して第１のセルの触媒活性が小さければ良い。したがって、燃料電池スタック全体の触媒活性を他のセルを基準にして決定できるので、燃料電池スタック全体の触媒活性を設定し易い。
また、同一面積の反応層に担持する触媒の有効表面を少なくすることとは、第１のセルを他のセルと比較して、触媒の触媒層への投入量を減少したり、触媒の坦持密度の小さい触媒を用いたり、触媒の粒径を大きいものを用いたりすることにより得られる。このように上記同一面積の反応層に担持する触媒の有効表面を少なくすることは、上記同一面積の反応層に単位表面積あたりの活性が小さい触媒を用いるのに比較して、触媒の投入量などを簡易に調整できることから、触媒活性の調整がし易い利点がある。
このような燃料電池スタックによれば、他のセルに比較して第１のセルの反応層における単位面積当たりの触媒活性を小さくするために、同一面積の反応層に単位表面積あたりの活性が小さい触媒を使用すること及び／又は同一面積の反応層に担持する触媒の有効表面を少なくするという、簡易な構成により実現できる。したがって、他のセルに比較して第１のセルの触媒活性を小さくした燃料電池スタックの製造などが容易に実現できる。
【００１１】
第３の局面の燃料電池スタックは、前記フラッディングしやすい第１のセルは前記スタックの両端に存在する１〜５枚のセルである、ことが好ましい。
燃料電池の積層されたスタックの両端における１〜５枚のセルは、中央側のセルに比べて外気と接触する面積が大きくなるので、中央側のセルよりも放熱が大きいから温度も低下しやすい。このため、上記１〜５枚のセルに反応層における単位面積当たりの触媒活性を他のセルのそれより小さくすることが必要となる。
【００１２】
第４の局面の燃料電池スタックは、前記第１のセルが複数枚存在するとき、各セルの触媒活性は前記スタックの端に向かうにつれて低下する、ことが好ましい。
第１のセルが複数枚存在する場合、燃料電池スタックの端に行くにしたがい外気と接触する面積もしだいに大きくなるなどして放熱され易くなる。これより、第１セルが複数枚存在すると、第１のセルの中でも、温度上昇分布が異なる。この温度分布に合わせて第１の各セルは、触媒活性をスタックの端に向かうにつれて低下することにより、第１のセル内においても、均一な温度分布を得ることができる。したがって、第１のセルのフラッディングをより防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
実施例１
本発明の実施例を図１から図３によって説明する。図１は、本発明の一実施例による燃料電池の概略全体構成図、図２は図１に示す燃料電池スタックのセルの断面図、図３は燃料電池スタックのセルの位置対セル温度の特性曲線図である。
燃料電池は、燃料電池スタック３と、燃料電池スタック３のアノード側には、水素ガスを供給し、カソード側には空気を供給できるように形成されており、燃料電池スタック３の端部には、それぞれ金属製の端板５が設けられている。
【００１４】
図1において、燃料電池スタック３は、セルを多数積層しており、フラッディングしやすい両端部に設けられた第１のセルとして端部のセル３ａと、端部のセル３ａ以外で、中央部に設けられた他のセルとしての中央部のセル３ｃとを有している。なお、中央部のセル３ｃは、多数のセルを有している。
図２に示すように、端部のセル３ａ，中央部のセル３ｃは反応層の触媒活性が異なるものの、同一構造で、高分子電解質膜１１の両面にアノード側触媒層１２ａ及び反応層としてのカソード側触媒層１２ｃが積層されており、その外側がアノード側拡散層１３及びカソード側拡散層１４で挟まれてＭＥＡ１０を形成している。
さらに、端部のセル３ａ，中央部のセル３ｃは、ＭＥＡ１０の両側からセパレータ２０、４０のリブ２０ａ、４０ａで圧接されており、これによりセパレータ２０、４０とアノード側拡散層１３及びカソード側拡散層１４との間に水素ガスを流す水素ガス流路３０、空気を流す空気流路５０が形成されている。
【００１５】
そして、フラッディングしやすい端部のセル３ａは、図３に示すように中央部のセル３ｃよりも温度が低下している燃料電池スタック３の各端から１枚をいい、カソード側触媒層１２ｃの表面積を中央部のセル３ｃそれと同一にしており、中央部のセル３ｃと同一の触媒Ｐｔを用いつつ、中央部のセル３ｃに比較して単位面積当たり触媒量を1／８に減少して、触媒活性を中央部のセル３ｃのよりも小さくしている。
ここで、端部のセル３ａの触媒量の減少量は、中央部のセル３ｃに比較して１／８としたのは、反応層の触媒活性を同一とした同一構造にして製作した端部のセル３ａ，中央部のセル３ｃを用い、図３に示すように、中央部のセル３ｃと端部のセル３ａとの温度上昇の差により定めたものである。これによって、端部のセル３ａは、発電反応を中央部のセル３ｃよりも低下して、燃料電池の低負荷時から高負荷まで一様に温度を上昇させるように形成されている。
【００１６】
また、端部のセル３ａのアノード側触媒層１２ａは、中央部のセル３ｃと同一の触媒Ｐｔを用いると共に、触媒層の面積及び触媒量も同一に形成されている。
ここで、触媒量をカソード側のみ減少してアノード側を減少しないのは、この減少に起因する低負荷から高負荷までの端部のセル３ａの発熱量の増加がアノード側触媒層１２ａよりもカソード側触媒層１２ｃの方が大きいからである。
【００１７】
また、触媒の担持方法としては、周知の湿式法を採用している。湿式法とは、触媒の材料を分散させた溶液（以下「触媒溶液」とも呼ぶ）と担体とを接触させることによって、担体の表面に触媒を担持させる方法である。
【００１８】
＜発熱量増加比率の実験データ＞
上記のように構成された燃料電池スタックを用い、燃料電池を低負荷から高負荷まで駆動して、中央部のセル３ｃに比較した端部セル３ａの発熱量増加比率を測定して図４に示す。なお、中央部のセル３ｃの発熱量増加比率を１としている。
図４では、実施例、応用例、比較例の燃料電池スタック３の実験データを示しており、比較例は、従来の燃料電池スタック３に相当するもので、端部のセル３ａを中央部のセル３ｃに比較して電極面積を２／3に減少したものである。また、応用例（他の実施例）は、本実施例の端部のセル３ａと同一の構成で、中央部のセル３ｃに比較して単位面積当たり触媒量を１／３減少させたものである。
【００１９】
上記図４によれば、本実施例の燃料電池スタック３の端部のセル３ａは、低負荷から高負荷までの全領域に亘り、略１．１倍程度の発熱量増加比率を示している。
さらに、応用例に示す燃料電池スタック３の端部のセル３ａは、低負荷から高負荷までの全領域に亘り、略１．０４倍程度の発熱量増加比率を示している。これに対して、従来の燃料電池スタック3では、中負荷から高負荷に亘り、発熱量増加比率が略１．１倍程度に増加するものの、従来技術の課題で指摘したように、低負荷においては、発熱量増加比率が低下している。
したがって、実施例及び応用例の燃料電池スタック３は、端部のセル３ａも触媒量を減少することにより発熱量増加比率を従来の燃料電池スタック３よりも増加しながら低負荷から高負荷までの全領域に亘り、ほぼ一定の発熱量増加比率を得られることが実験によって確認できた。特に、実施例の燃料電池スタック３は、応用例に比較して発熱量増加比率が上昇していることも実験により確認できた。
【００２０】
＜セル電圧対電流の実験データ＞
上記のように構成された３種類の燃料電池スタックを用いて低負荷から高負荷まで駆動してセル電圧対電流の特性を測定して図５に示し、同様に、基準性能として中央部セル３ｃのセル電圧対電流の特性を測定して図５に示す。
【００２１】
上記図５によれば、本実施例の燃料電池スタック３の端部セル３ａは、低負荷から高負荷までの全領域に亘り、中央部セル３ｃよりも電圧が低下すると共に、従来の燃料電池スタック３に比較して低負荷から中負荷までは電圧が低下するものの、中負荷から高負荷までは、ほぼ同様な電圧を示している。
さらに、応用例の燃料電池スタック３の端部セル３ａは、実施例の燃料電池スタック３の端部セル３ａと、中央部のセル３ｃとのちょうど中間の値を示している。
【００２２】
上記のように構成された燃料電池は、複数の燃料電池のセルを積層してなる燃料電池スタック３であって、フラッディングしやすい端部のセル３ａのカソード側触媒層１２ｃにおける単位面積当たりの触媒活性を、中央部のセル３ｃよりも１／８に触媒量を減少することにより実現したので、低負荷から高負荷に亘り、発熱量増加比率を一様に増加できた。
したがって、燃料電池を低負荷から高負荷運転に亘り、簡易な構成により端部のセル３ｃの温度を図３に示す点線から実線に上げることにより端部のセル３ａのフラッディングを防止できる。
【００２３】
上記実施例では、フラッディングしやすいセルを端部のセル３ａとしたが、フラッディングしやすければ、他のセルでも良い。フラッディングしやすいセルか否かは、他のセルとの相対的な温度が所定値以上の差を有して低ければ、フラッディングしやすいセルとなる。
また、上記実施例では、端部のセル３ａは中央部のセル３ｃよりも１／８に触媒量を減少したが、中央部のセル３ｃと端部のセル３ａとの温度比率により定めるべきものなので、１／２から１／１５程度の比率になることもあり得る。
さらに、上記実施例では、端部のセル３ａを燃料電池スタック３の端から１枚としたが、燃料電池スタック３の構造によっては、１枚から５枚程度まであり得る。
【００２４】
実施例２
上記実施例１では、フラッディングしやすい端部のセル３ａのカソード側触媒層１２ｃにおける単位面積当たりの触媒活性を、触媒量を減少することにより実現したが、本実施例では、同一面積のカソード側触媒層１２ｃに単位表面積あたりの活性を小さくしたり、同一面積のカソード側触媒層１２ｃに担持する触媒の有効表面を少なくしたり、することにより単位面積当たりの触媒活性を減少するものである。
【００２５】
また、端部のセル３ａのアノード側触媒層１２ａは、中央部のセル３ｃのアノード側触媒層１２ａの面積及び触媒量と同一に形成されている。ここで、端部のセル３ａのカソード側触媒層１２ｃの触媒量を減少してアノード側触媒層１２ａを減少しないのは、上記のように、この減少に起因する発熱量増加がアノード側触媒層１２ａよりもカソード側触媒層１２ｃの方が大きいからである。
【００２６】
同一面積のカソード側触媒層１２ｃに単位表面積あたりの活性が小さい触媒とは、端部のセル３ｃが中央部のセル３ａに比較して触媒活性が小さいことを意味する。すなわち、中央部のセル３ａに比較して端部のセル３ｃの触媒活性が小さくすれば、良い。中央部のセル３ａの触媒活性を基準として端部のセル３ｃの触媒活性を決めることにより、燃料電池スタック全体の触媒活性を所望の値に設定しやすい利点がある。なお、端部のセル３ｃの触媒活性を基準として中央部のセル３ｃの触媒活性を決めても良い。
端部のセル３ｃが中央部のセル３ａよりも触媒活性が低い例として、中央部のセル３ｃが白金Ｐｔで、端部のセル３ａが中央部のセル３ｃよりも触媒活性が低いパラジウムＰｄ、イリジウムＩｒなども適用する。このように形成された燃料電池スタックでは、すべてのセルに白金を用いた場合に比較して全体の触媒活性をやや低くできる。
また、端部のセル３ｃよりも中央部のセル３ａの触媒活性が高い例として端部のセル３ａが白金Ｐｔで、端部のセル３ａよりも触媒活性が高い中央部のセル３ｃとして、中央部のセル３ｃが白金コバルト合金Ｐｔ-Ｃｏ、白金ニッケル合金Ｐｔ-Ｎｉ、白金鉄合金Ｐｔ-Ｆｅなどを適用する。このように形成さたれ燃料電池スタック３では、すべてのセルに白金を用いた場合に比較して全体の触媒活性を向上することができる。
【００２７】
また、同一面積のカソード側触媒層１２ｃに担持する触媒の有効表面を少なくすることとは、端部のセル３ａを中央部のセル３ｃと比較して、触媒のカソード側触媒層１２ｃへの投入量を減少したり、触媒の坦持密度を小さい触媒を用いたり、触媒の粒径を大きくしたりすることにより得られる。
そして、上記投入量の減少は例えば、端部のセル３ａを他のセルと比較して、端部のセル３ａの触媒のカソード側触媒層１２ｃへの投入量を1とすると、中央部のセル３ｃの投入量を０．６とすることにより実現できる。また、上記触媒の坦時密度を小さくするには、端部のセル３ａの触媒の担持密度を３０ｗｔ％にし、中央部のセル３ｃの担持密度５０ｗｔ％とすることにより実現できる。また、上記触媒の粒系を大きくするには、端部のセル３ａが５ｎｍで中央部のセル３ｃが３ｎｍにすることにより実現できる。
このように上記同一面積のカソード側触媒層１２ｃに担持する触媒の有効表面を少なくすることは、上記同一面積のカソード側触媒層１２ｃに単位表面積あたりの活性が小さい触媒を用いるのに比較して、投入量などを簡易に調整できることから、触媒活性の調整がし易い利点がある。
【００２８】
上記説明のように、同一面積のカソード側触媒層１２ｃにおける単位表面積あたりの活性が小さい触媒又は担持する触媒の有効表面を少なくするの、少なくもいずれか一方を端部のセル３ａに適用しても良い。
上記構成をいずれか一方の場合には、上記のような各特徴を有し、上記構成を二つ備えた場合、すなわち、同一面積のカソード側触媒層１２ｃにおける単位表面積あたりの活性が小さい触媒及び担持する触媒の有効表面を少なくする場合には、燃料電池スタック３全体の触媒活性を所望の値に設定しやすく、しかも、触媒活性の調整がし易くなる。したがって、燃料電池スタックの製作が容易になる。
【００２９】
上記のように構成された燃料電池スタック３は、端部のセル３ａは中央部のセル３ｃに比べて、同一面積のカソード側触媒層１２ｃに単位表面積あたりの活性が小さい触媒を使用すること及び／又は同一面積のカソード側触媒層１２ｃに担持する触媒の有効表面を少なくすること、により触媒活性を小さくしているので、端部のセル３ａを中央部のセル３ｃよりも簡易に触媒活性を小さくできる。端部のセル３ａのフラッディングを防止できる。
【００３０】
実施例３
本発明の他の実施例を図６によって説明する。図６は、燃料電池スタックのセル位置対セル温度の特性曲線図である。
反応層の触媒活性を同一とした同一構造にして製作した端部のセル３ａ，中央部のセル３ｃを用いた図６の点線に示すように、無負荷時において燃料電池スタック３の端部から５枚までセル３ａの温度が中心部よりも、かなり低下しているので、端から５枚までのセル３ａがフラッディングしやすいことになる。これは、燃料電池スタック３の端に行くにしたがい外気と接触する面積もしだいに大きくなり、端に行くにしたがい金属などの熱伝導性の高い端板５により放熱されやすくなるからである。この５枚のセル３ａに上記のように触媒活性を一律に低下しても良いし、図６の点線で示す各セル３ａの温度に対応して触媒活性を変更しても良い。
触媒活性を変更するには、図６に示すように触媒活性を各セル３ａに対応して燃料電池スタック３の端から０２、０．４、０．６、０．８、０．９のように階段的に低下させることにより、図６の実線で示すように、燃料電池スタック３の位置にかかわらず各セル３ａ，３ｃの温度を一様にできる。
上記燃料電池スタック３におけるフラッディングしやすい端部のセル３ａは燃料電池スタック３の両端に存在する５枚のセル３ａとしたので、燃料電池スタック３全体のセル３ａ，３ｃのフラッディングを防止できる。
なお、本実施例では、フラッディングしやすいセル３ａを端部から５枚としたが、少なくとも１枚から５枚の間に任意に選択できる。
【００３１】
本実施例では、燃料電池スタック３の各セル３ｃの触媒活性は燃料電池スタック３の端に向かうにつれて低下したので、燃料電池スタック３のセル位置にかかわらず、燃料電池が低負荷から高負荷になっても各セル３ａ，３ｃの温度をより一様にできる。
また、上記実施例1〜３では、端部のセル３ａのカソード側触媒層１２ａの触媒活性を小さくしたが、アノード側触媒層１２ａの触媒活性を小さくしても良いし、アノード側触媒層１２ａ及びカソード側触媒層１２ｃの触媒活性を小さくしても良い。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は、燃料電池に適用できる。
【００３３】
本発明は、上記発明の実施例及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様も本発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１は本発明の一実施例による燃料電池の概略全体構成図である。
【図２】図２は図１に示す燃料電池スタックのセルの断面図である。
【図３】燃料電池スタックのセル位置対セル温度の特性曲線図である。
【図４】燃料電池スタックに流れる電流対発熱量増加比率の特性曲線図である。
【図５】燃料電池スタックに流れる電流対セル電圧の特性曲線図である。
【図６】燃料電池スタックのセル位置対セル温度の特性曲線図である。
【符号の説明】
【００３５】
３…燃料電池スタック
３ａ…端部のセル（第１のセル）
３ｃ…中央部のセル（他のセル）
１２ｃ…カソード側触媒層
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池の積層されたスタックの両端のセルは、中央側のセルに比べて外気と接触する面積が大きい。さらに両端のセルは、金属などの熱伝導性の高い端板に覆われているので、中央側のセルよりも放熱が大きくなり温度が低下する。温度が低下した両端のセルは、結露によるフラッディング（水詰まり）などの発電特性を劣化させる。したがって、両端のセル温度の低下を防止して燃料電池全体において温度分布が生じないようにする必要がある。
【０００３】
従来、燃料電池全体において温度分布を均一するために、下記特許文献１に示す燃料電池が知られている。この燃料電池は電解質と、電解質を挟む一対の電極と、電極の一方に少なくとも水素を含む燃料を供給排出し他方に少なくとも酸素を含む酸化剤ガスを供給排出するガス流路を有する一対のセパレータ板とを有する第１のセルと、第１のセルにおける一対の電極に比べて電極面積の異なる一対の電極を備えた中央部のセルとを備え、複数の第１のセルと少なくとも一つの中央部のセルを積層して構成されるスタックを備えたものである。
【０００４】
上記燃料電池によれば、発電下において、中央部のセルおよび第１のセルを積層したスタックには所定の電流が流れると、中央部のセルと電極面積の異なる第１のセルには単位面積当たりに流れる電流（電流密度）が第１のセルと異なった状態となる。電流密度に応じて中央部のセルおよび第１のセルのセル温度はそれぞれ決定されるので、第１のセルの電極面積を中央部のセルよりも小さくすれば、電流密度が相対的に高くなり、第１のセルのセル温度は中央部のセルよりも高くすることができる。逆に、第１のセルの電極面積を中央部のセルよりも大きくすれば、電流密度は相対的に低くなり、第１のセルのセル温度は中央部のセルよりも低くすることができる。
【０００５】
したがって、スタックの両端など冷却されやすい位置のセルに中央部のセルよりも電極面積の小さい第１のセルを配置すれば、スタック全体として積層方向の温度分布を均一化することができ、フラッディングなどの特性劣化が抑制された燃料電池が得られる。
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−１１７５４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、発明者は、鋭意研究検討を重ねた結果、上記従来の燃料電池では、中央部のセル及び第１のセルに流れる電流が低くなる低負荷時には、第１のセルが中央部のセルに比較して充分に温度が上昇しにくいので、フラッディングの対策が不十分であることを見出した。
これは、端部に配置された第１のセルは、電極面積を小さくして発電下における電流密度を中央部のセルよりも高くして温度を上昇している。すなわち、中央部のセルと第１のセルとの電流密度の差に基づいて第１のセルの温度を中央部のセルよりも上昇させることから、中央部のセル及び第１のセルに流れる電流に依存して温度上昇に差が生じる。このため、中央部のセル及び第１のセルに流れる電流が低くなる低負荷時には、第１のセルが中央部のセルに比較して充分に温度が上昇しにくかった。
一方、上記低負荷時に第１のセルを中央部のセルに比較して充分な温度上昇を得ようとすると、中央部のセル及び第１のセルに流れる電流が高くなる高負荷時には、第１のセルが中央部のセルに比較して温度が上昇し過ぎて適切でない。
【０００８】
本発明は上記従来の課題を解決するためになされたもので、複数の燃料電池のセルを積層してなる燃料電池スタックにおいて、無負荷時に温度が他のセルよりも低下する第１のセルのフラッディングを防止する燃料電池スタックを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の局面の燃料電池スタックは、複数の燃料電池のセルを積層してなる燃料電池スタックであって、フラッディングしやすい第１のセルの反応層における単位面積当たりの触媒活性を他のセルのそれより小さくする、ものである。
このような燃料電池スタックによれば、フラッディングしやすい第１のセルの反応層における単位面積当たりの触媒活性を他のセルのそれより小さくしたので、第１のセル及び他のセルに流れる電流値の大きさに依存することなく、第１のセルの発電反応が他のセルより低下する。
したがって、燃料電池を低負荷から高負荷まで駆動しても、第１のセルが他のセルに比較してほぼ均一に温度上昇するので、第１のセルのフラッディングを防止できる。
また、第１のセルの反応層には、アノード側(水素ガス側)、カソード側(空気側)があるが、アノード側(水素ガス側)又はカソード側(空気側)の少なくともいずれか一方を備えていれば足りる。しかし、燃料電池の負荷の状態、すなわち、低負荷から高負荷まで一様な発電反応を得るにはカソード側(空気側)が好ましい。カソード側(空気側)は、アノード側(水素ガス側)に比較して触媒活性の低下に基づく発熱量が大きいからである。
第１のセルの反応層における単位面積当たりの触媒活性を他のセルのそれより小さくするには、上記単位面積当たりの触媒活性を同一にしておいて、他のセルと第１のセルとの温度分布などを測定し、全負荷領域において全てのセルの温度分布が均一になるように、第１のセルの単位面積当たりの触媒活性を決めることが好ましい。
【００１０】
第２の局面の燃料電池スタックは、前記第１のセルは他のセルに比べて、同一面積の反応層に単位表面積あたりの活性が小さい触媒を使用すること、及び／又は同一面積の反応層に担持する触媒の有効表面を少なくすること、により触媒活性を小さくしている、ことが好ましい。
同一面積の反応層に単位表面積あたりの活性が小さい触媒とは、第１のセルが他のセルに比較して触媒活性が小さいことを意味する。すなわち、他のセルを基準に比較して第１のセルの触媒活性が小さければ良い。したがって、燃料電池スタック全体の触媒活性を他のセルを基準にして決定できるので、燃料電池スタック全体の触媒活性を設定し易い。
また、同一面積の反応層に担持する触媒の有効表面を少なくすることとは、第１のセルを他のセルと比較して、触媒の触媒層への投入量を減少したり、触媒の坦持密度の小さい触媒を用いたり、触媒の粒径を大きいものを用いたりすることにより得られる。このように上記同一面積の反応層に担持する触媒の有効表面を少なくすることは、上記同一面積の反応層に単位表面積あたりの活性が小さい触媒を用いるのに比較して、触媒の投入量などを簡易に調整できることから、触媒活性の調整がし易い利点がある。
このような燃料電池スタックによれば、他のセルに比較して第１のセルの反応層における単位面積当たりの触媒活性を小さくするために、同一面積の反応層に単位表面積あたりの活性が小さい触媒を使用すること及び／又は同一面積の反応層に担持する触媒の有効表面を少なくするという、簡易な構成により実現できる。したがって、他のセルに比較して第１のセルの触媒活性を小さくした燃料電池スタックの製造などが容易に実現できる。
【００１１】
第３の局面の燃料電池スタックは、前記フラッディングしやすい第１のセルは前記スタックの両端に存在する１〜５枚のセルである、ことが好ましい。
燃料電池の積層されたスタックの両端における１〜５枚のセルは、中央側のセルに比べて外気と接触する面積が大きくなるので、中央側のセルよりも放熱が大きいから温度も低下しやすい。このため、上記１〜５枚のセルに反応層における単位面積当たりの触媒活性を他のセルのそれより小さくすることが必要となる。
【００１２】
第４の局面の燃料電池スタックは、前記第１のセルが複数枚存在するとき、各セルの触媒活性は前記スタックの端に向かうにつれて低下する、ことが好ましい。
第１のセルが複数枚存在する場合、燃料電池スタックの端に行くにしたがい外気と接触する面積もしだいに大きくなるなどして放熱され易くなる。これより、第１セルが複数枚存在すると、第１のセルの中でも、温度上昇分布が異なる。この温度分布に合わせて第１の各セルは、触媒活性をスタックの端に向かうにつれて低下することにより、第１のセル内においても、均一な温度分布を得ることができる。したがって、第１のセルのフラッディングをより防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
実施例１
本発明の実施例を図１から図３によって説明する。図１は、本発明の一実施例による燃料電池の概略全体構成図、図２は図１に示す燃料電池スタックのセルの断面図、図３は燃料電池スタックのセルの位置対セル温度の特性曲線図である。
燃料電池は、燃料電池スタック３と、燃料電池スタック３のアノード側には、水素ガスを供給し、カソード側には空気を供給できるように形成されており、燃料電池スタック３の端部には、それぞれ金属製の端板５が設けられている。
【００１４】
図1において、燃料電池スタック３は、セルを多数積層しており、フラッディングしやすい両端部に設けられた第１のセルとして端部のセル３ａと、端部のセル３ａ以外で、中央部に設けられた他のセルとしての中央部のセル３ｃとを有している。なお、中央部のセル３ｃは、多数のセルを有している。
図２に示すように、端部のセル３ａ，中央部のセル３ｃは反応層の触媒活性が異なるものの、同一構造で、高分子電解質膜１１の両面にアノード側触媒層１２ａ及び反応層としてのカソード側触媒層１２ｃが積層されており、その外側がアノード側拡散層１３及びカソード側拡散層１４で挟まれてＭＥＡ１０を形成している。
さらに、端部のセル３ａ，中央部のセル３ｃは、ＭＥＡ１０の両側からセパレータ２０、４０のリブ２０ａ、４０ａで圧接されており、これによりセパレータ２０、４０とアノード側拡散層１３及びカソード側拡散層１４との間に水素ガスを流す水素ガス流路３０、空気を流す空気流路５０が形成されている。
【００１５】
そして、フラッディングしやすい端部のセル３ａは、図３に示すように中央部のセル３ｃよりも温度が低下している燃料電池スタック３の各端から１枚をいい、カソード側触媒層１２ｃの表面積を中央部のセル３ｃそれと同一にしており、中央部のセル３ｃと同一の触媒Ｐｔを用いつつ、中央部のセル３ｃに比較して単位面積当たり触媒量を1／８に減少して、触媒活性を中央部のセル３ｃのよりも小さくしている。
ここで、端部のセル３ａの触媒量の減少量は、中央部のセル３ｃに比較して１／８としたのは、反応層の触媒活性を同一とした同一構造にして製作した端部のセル３ａ，中央部のセル３ｃを用い、図３に示すように、中央部のセル３ｃと端部のセル３ａとの温度上昇の差により定めたものである。これによって、端部のセル３ａは、発電反応を中央部のセル３ｃよりも低下して、燃料電池の低負荷時から高負荷まで一様に温度を上昇させるように形成されている。
【００１６】
また、端部のセル３ａのアノード側触媒層１２ａは、中央部のセル３ｃと同一の触媒Ｐｔを用いると共に、触媒層の面積及び触媒量も同一に形成されている。
ここで、触媒量をカソード側のみ減少してアノード側を減少しないのは、この減少に起因する低負荷から高負荷までの端部のセル３ａの発熱量の増加がアノード側触媒層１２ａよりもカソード側触媒層１２ｃの方が大きいからである。
【００１７】
また、触媒の担持方法としては、周知の湿式法を採用している。湿式法とは、触媒の材料を分散させた溶液（以下「触媒溶液」とも呼ぶ）と担体とを接触させることによって、担体の表面に触媒を担持させる方法である。
【００１８】
＜発熱量増加比率の実験データ＞
上記のように構成された燃料電池スタックを用い、燃料電池を低負荷から高負荷まで駆動して、中央部のセル３ｃに比較した端部セル３ａの発熱量増加比率を測定して図４に示す。なお、中央部のセル３ｃの発熱量増加比率を１としている。
図４では、実施例、応用例、比較例の燃料電池スタック３の実験データを示しており、比較例は、従来の燃料電池スタック３に相当するもので、端部のセル３ａを中央部のセル３ｃに比較して電極面積を２／3に減少したものである。また、応用例（他の実施例）は、本実施例の端部のセル３ａと同一の構成で、中央部のセル３ｃに比較して単位面積当たり触媒量を１／３減少させたものである。
【００１９】
上記図４によれば、本実施例の燃料電池スタック３の端部のセル３ａは、低負荷から高負荷までの全領域に亘り、略１．１倍程度の発熱量増加比率を示している。
さらに、応用例に示す燃料電池スタック３の端部のセル３ａは、低負荷から高負荷までの全領域に亘り、略１．０４倍程度の発熱量増加比率を示している。これに対して、従来の燃料電池スタック3では、中負荷から高負荷に亘り、発熱量増加比率が略１．１倍程度に増加するものの、従来技術の課題で指摘したように、低負荷においては、発熱量増加比率が低下している。
したがって、実施例及び応用例の燃料電池スタック３は、端部のセル３ａも触媒量を減少することにより発熱量増加比率を従来の燃料電池スタック３よりも増加しながら低負荷から高負荷までの全領域に亘り、ほぼ一定の発熱量増加比率を得られることが実験によって確認できた。特に、実施例の燃料電池スタック３は、応用例に比較して発熱量増加比率が上昇していることも実験により確認できた。
【００２０】
＜セル電圧対電流の実験データ＞
上記のように構成された３種類の燃料電池スタックを用いて低負荷から高負荷まで駆動してセル電圧対電流の特性を測定して図５に示し、同様に、基準性能として中央部セル３ｃのセル電圧対電流の特性を測定して図５に示す。
【００２１】
上記図５によれば、本実施例の燃料電池スタック３の端部セル３ａは、低負荷から高負荷までの全領域に亘り、中央部セル３ｃよりも電圧が低下すると共に、従来の燃料電池スタック３に比較して低負荷から中負荷までは電圧が低下するものの、中負荷から高負荷までは、ほぼ同様な電圧を示している。
さらに、応用例の燃料電池スタック３の端部セル３ａは、実施例の燃料電池スタック３の端部セル３ａと、中央部のセル３ｃとのちょうど中間の値を示している。
【００２２】
上記のように構成された燃料電池は、複数の燃料電池のセルを積層してなる燃料電池スタック３であって、フラッディングしやすい端部のセル３ａのカソード側触媒層１２ｃにおける単位面積当たりの触媒活性を、中央部のセル３ｃよりも１／８に触媒量を減少することにより実現したので、低負荷から高負荷に亘り、発熱量増加比率を一様に増加できた。
したがって、燃料電池を低負荷から高負荷運転に亘り、簡易な構成により端部のセル３ｃの温度を図３に示す点線から実線に上げることにより端部のセル３ａのフラッディングを防止できる。
【００２３】
上記実施例では、フラッディングしやすいセルを端部のセル３ａとしたが、フラッディングしやすければ、他のセルでも良い。フラッディングしやすいセルか否かは、他のセルとの相対的な温度が所定値以上の差を有して低ければ、フラッディングしやすいセルとなる。
また、上記実施例では、端部のセル３ａは中央部のセル３ｃよりも１／８に触媒量を減少したが、中央部のセル３ｃと端部のセル３ａとの温度比率により定めるべきものなので、１／２から１／１５程度の比率になることもあり得る。
さらに、上記実施例では、端部のセル３ａを燃料電池スタック３の端から１枚としたが、燃料電池スタック３の構造によっては、１枚から５枚程度まであり得る。
【００２４】
実施例２
上記実施例１では、フラッディングしやすい端部のセル３ａのカソード側触媒層１２ｃにおける単位面積当たりの触媒活性を、触媒量を減少することにより実現したが、本実施例では、同一面積のカソード側触媒層１２ｃに単位表面積あたりの活性を小さくしたり、同一面積のカソード側触媒層１２ｃに担持する触媒の有効表面を少なくしたり、することにより単位面積当たりの触媒活性を減少するものである。
【００２５】
また、端部のセル３ａのアノード側触媒層１２ａは、中央部のセル３ｃのアノード側触媒層１２ａの面積及び触媒量と同一に形成されている。ここで、端部のセル３ａのカソード側触媒層１２ｃの触媒量を減少してアノード側触媒層１２ａを減少しないのは、上記のように、この減少に起因する発熱量増加がアノード側触媒層１２ａよりもカソード側触媒層１２ｃの方が大きいからである。
【００２６】
同一面積のカソード側触媒層１２ｃに単位表面積あたりの活性が小さい触媒とは、端部のセル３ｃが中央部のセル３ａに比較して触媒活性が小さいことを意味する。すなわち、中央部のセル３ａに比較して端部のセル３ｃの触媒活性が小さくすれば、良い。中央部のセル３ａの触媒活性を基準として端部のセル３ｃの触媒活性を決めることにより、燃料電池スタック全体の触媒活性を所望の値に設定しやすい利点がある。なお、端部のセル３ｃの触媒活性を基準として中央部のセル３ｃの触媒活性を決めても良い。
端部のセル３ｃが中央部のセル３ａよりも触媒活性が低い例として、中央部のセル３ｃが白金Ｐｔで、端部のセル３ａが中央部のセル３ｃよりも触媒活性が低いパラジウムＰｄ、イリジウムＩｒなども適用する。このように形成された燃料電池スタックでは、すべてのセルに白金を用いた場合に比較して全体の触媒活性をやや低くできる。
また、端部のセル３ｃよりも中央部のセル３ａの触媒活性が高い例として端部のセル３ａが白金Ｐｔで、端部のセル３ａよりも触媒活性が高い中央部のセル３ｃとして、中央部のセル３ｃが白金コバルト合金Ｐｔ-Ｃｏ、白金ニッケル合金Ｐｔ-Ｎｉ、白金鉄合金Ｐｔ-Ｆｅなどを適用する。このように形成さたれ燃料電池スタック３では、すべてのセルに白金を用いた場合に比較して全体の触媒活性を向上することができる。
【００２７】
また、同一面積のカソード側触媒層１２ｃに担持する触媒の有効表面を少なくすることとは、端部のセル３ａを中央部のセル３ｃと比較して、触媒のカソード側触媒層１２ｃへの投入量を減少したり、触媒の坦持密度を小さい触媒を用いたり、触媒の粒径を大きくしたりすることにより得られる。
そして、上記投入量の減少は例えば、端部のセル３ａを他のセルと比較して、端部のセル３ａの触媒のカソード側触媒層１２ｃへの投入量を1とすると、中央部のセル３ｃの投入量を０．６とすることにより実現できる。また、上記触媒の坦時密度を小さくするには、端部のセル３ａの触媒の担持密度を３０ｗｔ％にし、中央部のセル３ｃの担持密度５０ｗｔ％とすることにより実現できる。また、上記触媒の粒系を大きくするには、端部のセル３ａが５ｎｍで中央部のセル３ｃが３ｎｍにすることにより実現できる。
このように上記同一面積のカソード側触媒層１２ｃに担持する触媒の有効表面を少なくすることは、上記同一面積のカソード側触媒層１２ｃに単位表面積あたりの活性が小さい触媒を用いるのに比較して、投入量などを簡易に調整できることから、触媒活性の調整がし易い利点がある。
【００２８】
上記説明のように、同一面積のカソード側触媒層１２ｃにおける単位表面積あたりの活性が小さい触媒又は担持する触媒の有効表面を少なくするの、少なくもいずれか一方を端部のセル３ａに適用しても良い。
上記構成をいずれか一方の場合には、上記のような各特徴を有し、上記構成を二つ備えた場合、すなわち、同一面積のカソード側触媒層１２ｃにおける単位表面積あたりの活性が小さい触媒及び担持する触媒の有効表面を少なくする場合には、燃料電池スタック３全体の触媒活性を所望の値に設定しやすく、しかも、触媒活性の調整がし易くなる。したがって、燃料電池スタックの製作が容易になる。
【００２９】
上記のように構成された燃料電池スタック３は、端部のセル３ａは中央部のセル３ｃに比べて、同一面積のカソード側触媒層１２ｃに単位表面積あたりの活性が小さい触媒を使用すること及び／又は同一面積のカソード側触媒層１２ｃに担持する触媒の有効表面を少なくすること、により触媒活性を小さくしているので、端部のセル３ａを中央部のセル３ｃよりも簡易に触媒活性を小さくできる。端部のセル３ａのフラッディングを防止できる。
【００３０】
実施例３
本発明の他の実施例を図６によって説明する。図６は、燃料電池スタックのセル位置対セル温度の特性曲線図である。
反応層の触媒活性を同一とした同一構造にして製作した端部のセル３ａ，中央部のセル３ｃを用いた図６の点線に示すように、無負荷時において燃料電池スタック３の端部から５枚までセル３ａの温度が中心部よりも、かなり低下しているので、端から５枚までのセル３ａがフラッディングしやすいことになる。これは、燃料電池スタック３の端に行くにしたがい外気と接触する面積もしだいに大きくなり、端に行くにしたがい金属などの熱伝導性の高い端板５により放熱されやすくなるからである。この５枚のセル３ａに上記のように触媒活性を一律に低下しても良いし、図６の点線で示す各セル３ａの温度に対応して触媒活性を変更しても良い。
触媒活性を変更するには、図６に示すように触媒活性を各セル３ａに対応して燃料電池スタック３の端から０２、０．４、０．６、０．８、０．９のように階段的に低下させることにより、図６の実線で示すように、燃料電池スタック３の位置にかかわらず各セル３ａ，３ｃの温度を一様にできる。
上記燃料電池スタック３におけるフラッディングしやすい端部のセル３ａは燃料電池スタック３の両端に存在する５枚のセル３ａとしたので、燃料電池スタック３全体のセル３ａ，３ｃのフラッディングを防止できる。
なお、本実施例では、フラッディングしやすいセル３ａを端部から５枚としたが、少なくとも１枚から５枚の間に任意に選択できる。
【００３１】
本実施例では、燃料電池スタック３の各セル３ｃの触媒活性は燃料電池スタック３の端に向かうにつれて低下したので、燃料電池スタック３のセル位置にかかわらず、燃料電池が低負荷から高負荷になっても各セル３ａ，３ｃの温度をより一様にできる。
また、上記実施例1〜３では、端部のセル３ａのカソード側触媒層１２ａの触媒活性を小さくしたが、アノード側触媒層１２ａの触媒活性を小さくしても良いし、アノード側触媒層１２ａ及びカソード側触媒層１２ｃの触媒活性を小さくしても良い。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は、燃料電池に適用できる。
【００３３】
本発明は、上記発明の実施例及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様も本発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１は本発明の一実施例による燃料電池の概略全体構成図である。
【図２】図２は図１に示す燃料電池スタックのセルの断面図である。
【図３】燃料電池スタックのセル位置対セル温度の特性曲線図である。
【図４】燃料電池スタックに流れる電流対発熱量増加比率の特性曲線図である。
【図５】燃料電池スタックに流れる電流対セル電圧の特性曲線図である。
【図６】燃料電池スタックのセル位置対セル温度の特性曲線図である。
【符号の説明】
【００３５】
３…燃料電池スタック
３ａ…端部のセル（第１のセル）
３ｃ…中央部のセル（他のセル）
１２ｃ…カソード側触媒層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料電池のセルを積層してなる燃料電池スタックであって、フラッディングしやすい第１のセルの反応層における単位面積当たりの触媒活性を他のセルのそれより小さくする、燃料電池スタック。
【請求項２】
前記第１のセルは他のセルに比べて、同一面積の反応層に単位表面積あたりの活性が小さい触媒を使用すること、及び／又は同一面積の反応層に担持する触媒の有効表面を少なくすること、により触媒活性を小さくしている、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記フラッディングしやすい第１のセルは前記スタックの両端に存在する１〜５枚のセルである、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。
【請求項４】
前記第１のセルが複数枚存在するとき、各セルの触媒活性は前記スタックの端に向かうにつれて低下する、ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池スタック。
【請求項１】
複数の燃料電池のセルを積層してなる燃料電池スタックであって、フラッディングしやすい第１のセルの反応層における単位面積当たりの触媒活性を他のセルのそれより小さくする、燃料電池スタック。
【請求項２】
前記第１のセルは他のセルに比べて、同一面積の反応層に単位表面積あたりの活性が小さい触媒を使用すること、及び／又は同一面積の反応層に担持する触媒の有効表面を少なくすること、により触媒活性を小さくしている、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記フラッディングしやすい第１のセルは前記スタックの両端に存在する１〜５枚のセルである、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。
【請求項４】
前記第１のセルが複数枚存在するとき、各セルの触媒活性は前記スタックの端に向かうにつれて低下する、ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池スタック。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−１５３２６７（Ｐ２０１０−１５３２６７Ａ）
【公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３３１６７８（Ｐ２００８−３３１６７８）
【出願日】平成２０年１２月２６日（２００８．１２．２６）
【出願人】（５９１２６１５０９）株式会社エクォス・リサーチ (1,360)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月２６日（２００８．１２．２６）
【出願人】（５９１２６１５０９）株式会社エクォス・リサーチ (1,360)
【Ｆターム（参考）】
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