JP2003068348A

JP2003068348A - 複数サブセル型燃料電池

Info

Publication number: JP2003068348A
Application number: JP2001259429A
Authority: JP
Inventors: Itsushin So; 一新曽; Tsutomu Ochi; 勉越智
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-08-29
Filing date: 2001-08-29
Publication date: 2003-03-07

Abstract

(57)【要約】【課題】出力バランスがとれた、また、コンパクト化
された複数サブセル型燃料電池の提供。【解決手段】（１）複数のセル１９の積層体からな
り、各セルは反応ガス流れ方向に同一面内で複数のサブ
セル３２に分割されており、該複数のサブセルはサブセ
ル間で絶縁帯３３により電気的に互いに絶縁されてお
り、前記複数のサブセルの電極面積はセル面内電流密度
分布が均一に近づくように前記絶縁帯の位置により規定
されている複数サブセル型燃料電池。（２）各セルの同
一面内のサブセル３２は隣接するサブセル同士でガスマ
ニホールド３０、３１の少なくとも一部を共有している
複数サブセル型燃料電池。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子電解質
型燃料電池に関し、とくに、セルの同一面内に複数のサ
ブセルを有するタイプの燃料電池（以下、複数サブセル
型燃料電池またはマルチサブセル型燃料電池という）に
関する。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子電解質型燃料電池は、イオン
交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置さ
れた触媒層および拡散層からなる電極（アノード）およ
び電解質膜の他面に配置された触媒層および拡散層から
なる電極（カソード）とからなる膜−電極アッセンブリ
（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）と、アノー
ドに燃料ガス（水素）を、カソードおよび酸化ガス（酸
素、通常は空気）を供給するための流体流路を形成する
セパレータとからセル（単セル）を構成し、少なくとも
１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層
してモジュール群を構成し、モジュール群のセル積層方
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、セル積層体をセル積層方向に締め付け、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）にて両端のエンドプレート
を固定して形成したスタックからなる。固体高分子電解
質型燃料電池では、アノード側では、水素を水素イオン
と電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中を
カソード側に移動し、カソード側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）から水を生成する反応が行わ
れる。アノード側：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- カソード側：２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ上記の発電反応を行わせるために、燃料電池スタックに
は燃料ガスと酸化ガスが供給される。また、セパレータ
でのジュール熱とカソードでの水生成反応で熱が出るの
で、それを冷却するために燃料電池スタックには冷媒が
供給される。セル当りの電圧は約１ボルトであるので、
たとえば４００ボルトを得ようとすると、セルを約４０
０個直列に積層することになり、燃料電池スタックのセ
ル積層方向の長さが大となる。その結果、車両への搭載
が困難になるので、たとえば、セルを２００個直列に積
層したスタックを２列並列に配置してそれらを電気的に
直列に接続する等して、燃料電池のセル積層方向の長さ
を短縮している。更に燃料電池のセル積層方向の長さを
小さくするために、特開平８−１７１９２５号公報は、
セルを同一面内で複数の分割セル（サブセル）に区画
し、サブセル積層体を電気的に直列に接続した燃料電池
を開示している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のサブセ
ル積層体燃料電池には、つぎの問題があった。複数のサブセルの出力バランスを考慮していないた
め、セル面全体での出力バランスがくずれる。たとえ
ば、酸化ガス流路の下流側ほど、酸素が消費されて酸素
濃度が低下しており、それに応じて電流密度が低下し、
セル面全体で見た場合に電流密度が均一化されておら
ず、セル面全域が高発電効率となるように利用されてい
るとはいえず、電池発電効率がよくない。また、サブセルの各列のすべての端部にガスマニホ
ールドがあって、ガスマニホールド面積が大であり、そ
の分セル面のうち発電に有効に利用されている部分が減
少する。したがって、一定の出力を得ようとする場合、
コンパクト化が困難になる。本発明の目的は、セル面内
での電流密度分布を均一に近づけることができセル面の
発電への有効利用を高めた複数サブセル型燃料電池を提
供することにある。本発明のもう一つの目的は、ガスマ
ニホールド面積を実質的に低減させてセル面のできるだ
け広い領域を発電に有効に利用できる（一定の出力を得
るのに必要な容積が減少できてコンパクト化できる）複
数サブセル型燃料電池を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明はつぎの通りである。（１）複数のセルの積層体からなり、各セルは反応ガ
ス流れ方向に同一面内で複数のサブセルに分割されてお
り、該複数のサブセルはサブセル間で絶縁帯により電気
的に互いに絶縁されており、前記複数のサブセルの電極
面積はセル面内電流密度分布が均一に近づくように前記
絶縁帯の位置により規定されている複数サブセル型燃料
電池。（２）複数のセルの積層体からなり、各セルは同一面
内に複数のサブセルを有し、各セルの同一面内のサブセ
ルは隣接するサブセル同士でガスマニホールドの少なく
とも一部を共有している複数サブセル型燃料電池。

【０００５】上記（１）の複数サブセル型燃料電池で
は、セルが反応ガス流れ方向に複数のサブセルに分割さ
れており、複数のサブセルはサブセル間で絶縁帯により
電気的に互いに絶縁されており、セル面内電流密度が均
一に近づくようにサブセルの電極面積が絶縁帯の位置に
より規定されているので、反応ガス流れ方向にガス濃度
が低下しても、同一セル面内のサブセル間で電位が異な
ることができ、下流の電位が上流の発電によって制限を
受けなくなって発電電流が小さい下流の電位が高くな
り、下流での損失が小となるとともに、下流での効率が
よくなり、結果、上流の電流密度ピークが下流側にシフ
トし、自律的に上流側の電流密度が下がって下流側の電
流密度が上がり、セル面内全体での電流密度分布が均一
に近づく。これによって、セル面全域で見た場合の発電
効率が上がる。上記（２）の複数サブセル型燃料電池で
は、各セルの同一面内のサブセルは隣接するサブセル同
士でガスマニホールドの少なくとも一部を共有している
ので、各サブセルにガスマニホールドを個別に設ける場
合に比べて、セル面内で占めるガスマニホールドの面積
が減少し、セル面のできるだけ広い領域を発電に有効に
利用でき、一定の出力を得るのに必要な電池容積が減少
できてスタックをコンパクト化できる。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の複数サブセル型
燃料電池燃料電池を図１〜図１０を参照して説明する。
図１〜図９は本発明の実施例１を示し、図１０は本発明
の実施例２を示す。本発明の実施例１、２にわたって共
通する部分、または類似する部分には本発明の実施例
１、２にわたって同じ符号を付してある。まず、本発明
の実施例１、２にわたって共通する部分、または類似す
る部分を、図１〜図９を参照して説明する。本発明の燃
料電池は、固体高分子電解質型燃料電池１０である。本
発明の燃料電池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。

【０００７】固体高分子電解質型燃料電池１０は、図
１、図２に示すように、イオン交換膜からなる電解質膜
１１とこの電解質膜１１の一面に配置された触媒層１２
および拡散層１３からなる電極１４（アノード）および
電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５および拡散
層１６からなる電極１７（カソード）とからなる膜−電
極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembl
y ）と、電極１４、１７に燃料ガス（水素）および酸化
ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通路２
７、２８（燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８）およ
び燃料電池冷却用の冷媒（冷却水）が流れる冷媒流路２
６を形成するセパレータ１８とを重ねてセル１９を形成
し、少なくとも１層のセルからモジュールを構成し（図
２は１セル１モジュールの場合を示す）、複数のモジュ
ールを積層してモジュール群を構成し、モジュール群の
セル積層方向両端に、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、セル積層体をセル
積層方向に締め付け、両端のエンドプレートをセル積層
体の外側でセル積層方向に延びる締結部材２４（たとえ
ば、テンションプレート）とボルト２５で固定して構成
したスタック２３からなる。

【０００８】図４、図６に示すように、燃料電池スタッ
ク２３内には、ガスマニホールド３０、３１が設けられ
ており、ガスマニホールド３０、３１は燃料ガスマニホ
ールド３０と酸化ガスマニホールド３１とからなる。燃
料ガスマニホールド３０と酸化ガスマニホールド３１
は、それぞれ、セルの燃料ガス流路２７と酸化ガス流路
２８に連通している。燃料ガスは入側燃料ガスマニホー
ルド３０ａからセルの燃料ガス流路２７に流れ、燃料ガ
ス流路２７の途中で中央燃料ガスマニホールド３０ｃを
通り、燃料ガス流路２７から出側燃料ガスマニホールド
３０ｂに流れる。酸化ガスは入側酸化ガスマニホールド
３１ａからセルの酸化ガス流路２８に流れ、酸化ガス流
路２８の途中で中央酸化ガスマニホールド３１ｃを通
り、酸化ガス流路２８から出側酸化ガスマニホールド３
１ｂに流れる。同様に、燃料電池スタック２３内には、
冷媒マニホールド２９が設けられており、冷媒マニホー
ルド２９はセルの冷媒流路２６に連通している。冷媒は
入側冷媒マニホールド２９ａから冷媒流路２６に流れ、
冷媒流路２６から出側冷媒マニホールド２９ｂに流れ
る。

【０００９】スタック２３の一端にあるエンドプレート
２２には、冷媒（冷却水）を燃料電池スタック内の冷媒
マニホールド２９に供給・排出する冷媒配管が接続され
ており、反応ガスを燃料電池スタック内のガスマニホー
ルド３０、３１に供給・排出するガス配管が接続され
る。冷媒、燃料ガス、酸化ガスは、スタック２３の一端
にあるエンドプレート２２から燃料電池スタックに入
り、Ｕターンして、同じエンドプレート２２から出る。

【００１０】図３、図４、図６に示すように、スタック
２３の各セル１９は、反応ガス流れ方向に、かつ、同一
セル面内で、複数の（図４、図６では２つの、ただし、
数は２とは限らない）サブセル３２に分割されている
（電極１４、１７が分割、電解質膜１１は共通）。該複
数のサブセル３２はサブセル３２間で絶縁帯（電気絶縁
帯）３３により電気的に互いに絶縁されている。サブセ
ル３２の電位は、図９（線Ａ）に示すように、互いに異
なることができる。また、複数のサブセル３２の電極面
積は、図８、図９に示すようにセル面内電流密度分布が
均一に近づくように、絶縁帯３３の位置により規定され
ている。

【００１１】燃料ガス、酸化ガスの流れは、それぞれ、
複数のサブセル３２に対して１流れであって共通であ
り、１つのサブセル３２を通ったガスが同一面内にある
他のサブセル３２を通る。同一のセル面内にある複数の
サブセル３２は、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガス
マニホールド３１の少なくとも一部を共有している。た
だし、冷媒の流れは、複数のサブセル３２に対して、互
いに独立である。同一のセル面内にある複数のサブセル
３２の各々は、入側冷媒マニホールド３０ａと出側冷媒
マニホールド３０ｂをペアで有する。

【００１２】つぎに、本発明の実施例１、２で共通する
部分の作用を説明する。セル１９が反応ガス流れ方向に
複数のサブセル３２に分割されており、複数のサブセル
３２はサブセル間で絶縁帯３３により電気的に互いに絶
縁されており、セル面内電流密度が均一に近づくように
サブセルの電極面積が絶縁帯３３の位置により規定され
ているので、反応ガス流れ方向にガス濃度が低下して
も、同一セル面内のサブセル３２間で電位が異なること
ができ、下流の電位が上流の発電によって制限を受けな
くなって、図９に示すように、従来発電電流密度が小さ
かった下流の電位が高くなり、下流での損失が小となる
とともに、下流での効率がよくなる。その結果、上流の
電流密度ピークが下流側にシフトし、図８に示すよう
に、自律的に上流側の電流密度が下がって下流側の電流
密度が上がり、セル面内全体での電流密度分布が均一に
近づく。これによって、セル面全域で見た場合の発電効
率が上がる。

【００１３】また、各セル１９の同一面内のサブセル３
２は隣接するサブセル同士でガスマニホールド３０、３
１の少なくとも一部を共有しているので、各サブセルに
ガスマニホールドを個別に設ける場合に比べて、セル面
内で占めるガスマニホールド３０、３１の面積が減少
し、セル面のできるだけ広い領域を発電に有効に利用で
き、一定の出力を得るのに必要な電池容積が減少できて
スタック２３をコンパクト化することができる。

【００１４】つぎに、本発明の各実施例に特有な部分を
説明する。本発明の実施例１では、図１〜図９に示すよ
うに、とくに図４、図６に示すように、セル１９が同一
面内で複数（図では２つ）のサブセル３２に分割されて
おり、サブセル間の絶縁帯３３部は、冷媒、燃料ガス、
酸化ガスが、絶縁帯３３部を跨がって流れないように、
サブセル３２間のシール部を兼ねている。

【００１５】同一セル面内における各サブセル３２の燃
料ガス流路２７、酸化ガス流路２８は、図４、図６に示
すように、場合により直列的に連通するか、または互い
に独立している。直列的に連通する場合は、燃料は燃料
ガス流れ方向上流側のサブセル３２の燃料ガス流路２７
下流端から中央の燃料ガスマニホールド３０ｃを通っ
て、スタック２３から出ることなく、燃料ガス流れ方向
下流側のサブセル３２の燃料ガス流路２７上流端へと流
れる。また、酸化ガスは酸化ガス流れ方向上流側のサブ
セルの酸化ガス流路２８下流端から中央の酸化ガスマニ
ホールド３１ｃを通って、スタック２３から出ることな
く、酸化ガス流れ方向下流側のサブセル３２の酸化ガス
流路２８上流端へと流れる。互いに独立している場合
は、燃料は燃料ガス流れ方向上流側のサブセルの燃料ガ
ス流路２７下流端から中央の燃料ガスマニホールド３０
ｃからスタック２３外に一端出て再び中央の燃料ガスマ
ニホールド３０ｃからスタック２３内に入り燃料ガス流
れ方向下流側のサブセル３２の燃料ガス流路２７上流端
へと流れる。また、酸化ガスは酸化ガス流れ方向上流側
のサブセル３２の酸化ガス流路２８下流端から中央の酸
化ガスマニホールド３１ｃからスタック外に一端出て再
び中央の酸化ガスマニホールド３１ｃからスタック２３
内に入り酸化ガス流れ方向下流側のサブセルの酸化ガス
流路２８上流端へと流れる。

【００１６】冷媒流路２６はサブセル３２間で互いに独
立であり、セル外部で互いに連通するように、各サブセ
ル３２ごとに冷媒の入側マニホールド２９ａと出側マニ
ホールド２９ｂが設けられる。ＭＥＡはサブセル３２の
面積に応じて区画される。サブセル電極間は電解質膜１
１または他種の絶縁材（たとえば、高分子材）で絶縁さ
れている。サブセル電極間の電解質膜１１または他種の
絶縁材は絶縁帯３３を構成している。

【００１７】セル１９を積層した状態において、セル積
層方向に並ぶサブセル同士は電気的に直列に接続され
て、サブスタックを構成する。セルの同一面内のサブセ
ルの数と同じ数のサブスタックが形成される。各サブス
タックは独立の電気端子（ターミナル）を有する。複数
のサブスタックは、電気的に直列または並列に接続され
る。サブスタックが電気的に直列に接続された場合は、
サブスタックを流れる電流値は同一になる。サブスタッ
クが電気的に並列に接続された場合は、サブスタックの
端子電圧値は同一になる。

【００１８】本発明の実施例１の作用を説明する。絶縁
帯で仕切られていない従来はセル電位はそのセルの電極
面全域で同じ（図９の線Ｂ）であるが、本発明では、図
９に線Ａで示すように、セル１９を分割したサブセル３
２の電位は互いに異なることができる。この場合、酸化
ガス流れ方向下流側のサブセル３２で、従来の電位Ｂに
比べて電位Ａが上がり、酸化ガス流れ方向上流側のサブ
セル３２で、従来の電位Ｂに比べて電位Ａが下がる。そ
の結果、下流での損失が小となるとともに、下流での効
率がよくなり、上流の電流密度ピークが下流側にシフト
し、図８に示すように、自律的に上流側の電流密度が下
がって下流側の電流密度が上がり、セル面内全体での電
流密度分布が均一に近づく。これによって、セル面全域
で見た場合の発電効率が上がる。

【００１９】また、上流側のサブセルと下流側のサブセ
ルの２つのサブセル３２に対して、１つの入側燃料ガス
マニホールド３０ａと１つの出側燃料ガスマニホールド
３０ｂが存在するだけであるから、入側燃料ガスマニホ
ールド３０ａと出側燃料ガスマニホールド３０ｂは、そ
れぞれ、上流側のサブセルと下流側のサブセルによって
共有されていることになる。同様に、上流側のサブセル
と下流側のサブセルの２つのサブセル３２に対して、１
つの入側酸化ガスマニホールド３１ａと１つの出側酸化
ガスマニホールド３１ｂが存在するだけであるから、入
側酸化ガスマニホールド３１ａと出側酸化ガスマニホー
ルド３１ｂは、それぞれ、上流側のサブセルと下流側の
サブセルによって共有されていることになる。したがっ
て、各サブセル３２に対して個別に入側ガスマニホール
ドと出側ガスマニホールドが設けられていた従来に比べ
て、ガスマニホールドの個数、セル面内で占めるガスマ
ニホールドの面積が減少し、セル面のできるだけ広い領
域を発電領域として有効に利用でき、一定の出力を得る
のに必要な電池容積が減少できてスタック２３をコンパ
クト化できる。

【００２０】本発明の実施例２では、図１０に示すよう
に、セル１９は、同一面内で上下に分割されるとともに
左右に分割されて、４つのサブセル３２に分割されてい
る。上下のサブセル共に、左右の２つのサブセルに対し
て、１つづつの入側酸化ガスマニホールド３１ａと出側
酸化ガスマニホールド３１ｂが設けられており、入側酸
化ガスマニホールド３１ａと出側酸化ガスマニホールド
３１ｂは左右のサブセルによって共有されている。上下
のサブセル３２は上下のサブセル３２間に設けた絶縁帯
３３によって電極が互いに分割、絶縁されているが、左
右のサブセル３２の電極は互いに分割、絶縁されていて
もよいし、あるいは導通していてもよい。

【００２１】本発明の実施例２の作用については、隣接
するサブセル３２同士が入側酸化ガスマニホールド３１
ａと出側酸化ガスマニホールド３１ｂとを共有している
ので、各サブセルに個別にガスマニホールド３１ａ、３
１ｂを設けていた場合に比べて、ガスマニホールドを設
けるための面積が低減し、かつ、その周囲にあったガス
シール部を無くすことができ、それによって、セル面の
面積利用率が向上し、燃料電池の体格（大きさ）を低減
しコンパクト化することができる。

【００２２】

【発明の効果】請求項１の複数サブセル型燃料電池によ
れば、セルが反応ガス流れ方向に複数のサブセルに分割
されており、複数のサブセルはサブセル間で絶縁帯によ
り電気的に互いに絶縁されており、セル面内電流密度が
均一に近づくようにサブセルの電極面積が絶縁帯の位置
により規定されているので、反応ガス流れ方向にガス濃
度が低下しても、同一セル面内のサブセル間で電位が異
なることができ、下流の電位が上流の発電によって制限
を受けなくなって発電電流が小さい下流の電位が高くな
り、下流での損失が小となるとともに、下流での効率が
よくなり、結果、上流の電流密度ピークが下流側にシフ
トし、自律的に上流側の電流密度が下がって下流側の電
流密度が上がり、セル面内全体での電流密度分布が均一
に近づく。これによって、セル面全域で見た場合の発電
効率が上がる。請求項２の複数サブセル型燃料電池によ
れば、各セルの同一面内のサブセルは隣接するサブセル
同士でガスマニホールドの少なくとも一部を共有してい
るので、各サブセルにガスマニホールドを個別に設ける
場合に比べて、セル面内で占めるガスマニホールドとそ
のまわりのシール部の面積が減少し、セル面の利用率が
向上し、スタックをコンパクト化できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１（実施例２にも適用可）の複
数サブセル型燃料電池の全体概略図である。

【図２】図１の燃料電池の１セルの拡大断面図である。

【図３】図１の燃料電池のセル面の正面図（または、平
面図）である。

【図４】図１の燃料電池の各セルの、酸化ガス流路を示
す、正面図である。

【図５】図４のセルの断面図である。

【図６】図１の燃料電池の各セルの、燃料ガス流路を示
す、正面図である。

【図７】図６のセルの断面図である。

【図８】本発明の実施例１（実施例２にも適用可）の複
数サブセル型燃料電池の酸化ガス流れ方向における電流
密度の変化を示すグラフである。

【図９】本発明の実施例１（実施例２にも適用可）の複
数サブセル型燃料電池の酸化ガス流れ方向における電位
の変化を示すグラフである。

【図１０】本発明の実施例２の複数サブセル型燃料電池
の各セルの酸化ガス流路を示す正面図（または、平面
図）である。

【符号の説明】

１０（固体高分子電解質型）燃料電池１１電解質膜１２触媒層１３拡散層１４電極（アノード、燃料極）１５触媒層１６拡散層１７電極（カソード、空気極）１８セパレータ１９セル２０ターミナル２１インシュレータ２２エンドプレート２３スタック２４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２９ａ入側冷媒マニホールド２９ｂ出側冷媒マニホールド３０燃料ガスマニホールド３０ａ入側燃料ガスマニホールド３０ｂ出側燃料ガスマニホールド３０ｃ中央燃料ガスマニホールド３１ａ入側酸化ガスマニホールド３１ｂ出側酸化ガスマニホールド３１ｃ中央酸化ガスマニホールド３２サブセル３３絶縁帯

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のセルの積層体からなり、各セルは
反応ガス流れ方向に同一面内で複数のサブセルに分割さ
れており、該複数のサブセルはサブセル間で絶縁帯によ
り電気的に互いに絶縁されており、前記複数のサブセル
の電極面積はセル面内電流密度分布が均一に近づくよう
に前記絶縁帯の位置により規定されている複数サブセル
型燃料電池。
【請求項２】複数のセルの積層体からなり、各セルは
同一面内に複数のサブセルを有し、各セルの同一面内の
サブセルは隣接するサブセル同士でガスマニホールドの
少なくとも一部を共有している複数サブセル型燃料電
池。