JP2007035621A - 高温用燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】密封性を好適に維持することができる高温用燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】電解質膜１０とその両面に設けられたアノード電極２０及びカソード電極３０とを具備する複数メンブレン電極アセンブリと、各電極と接触設置された導電性プレート４１、４２と、を具備し、電解質膜１０は、延長部分１２を備え、延長部分１２の両面を覆う内側部５５、５６と、相互結合された外側部５３、５４と、を具備する上部及び下部シートガスケット５１、５２と、外側部５３、５４に配置され導電性プレート４１、４２とシートガスケット５１、５２との間をシーリングするゴムガスケット７１、７２と、外側部５３、５４間をシーリングする接着剤６０と、を具備し、内側部５５、５６の端部は、電極２０、３０の端部と電解質膜１０との間にそれぞれ配置されたことを特徴とする、高温用燃料電池システムが提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、高温用燃料電池システムに関する。

燃料電池は、例えば、メタノール、エタノール、天然ガスのような炭化水素系の物質内に含まれている水素と、酸素との化学反応エネルギーを直接電気エネルギーに変換する発電システムである。燃料電池は、使われる電解質の種類により、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、高分子電解質膜燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：以下、ＰＥＭＦＣという。）、またはアルカリ型燃料電池などに分類される。それぞれの燃料電池は、根本的に同じ原理によって作動されるが、使われる燃料の種類、稼動温度、触媒、電解質などが互いに異なる。

ＰＥＭＦＣは、他の燃料電池に比べて出力特性にすぐれて作動温度が低く、かつ早い始動及び応答特性を有する。これらの長所によって、ＰＥＭＦＣは、自動車のような移動用電源はもとより、住宅、公共建物のような分散用電源及び電子機器用のような小型電源などを含む広い範囲で応用されている。

一般的に、ＰＥＭＦＣは、パーフルオロスルホン酸ポリマー、例えば、ナフィオン^ＴＭのような高分子電解質で構成された、高分子電解質膜を含む。このような高分子電解質膜は、適量の水を含浸することにより、優秀なイオン伝導性を発揮できる。

従来のＰＥＭＦＣは、高分子電解質膜が乾燥してしまうのを防ぐため、主に、１００℃以下の温度で、例えば、約８０℃で、作動されてきた。しかし、約１００℃以下の低い作動温度により、次のような問題が発生することが知られている。

すなわち、ＰＥＭＦＣの代表的な燃料である水素富化ガスは、天然ガスまたはメタノールのような有機燃料を改質して得る。しかし、このような水素富化ガスは、副産物として二酸化炭素だけではなく、一酸化炭素を含む。一酸化炭素は、カソード電極とアノード電極とに含まれる触媒を被毒する傾向がある。一酸化炭素に被毒された触媒の電気化学的活性は、大きく低下し、それにより、ＰＥＭＦＣの作動効率低下及び寿命短縮をもたらす。また、一酸化炭素が触媒を被毒する傾向は、ＰＥＭＦＣの作動温度が低いほど深刻である。

よって、ＰＥＭＦＣの作動温度を、例えば、約１３０℃以上に上昇させれば、一酸化炭素による触媒被毒を回避でき、ＰＥＭＦＣの温度制御も非常に容易になる。よって、燃料改質器の小型化及び冷却装置の単純化が可能になる。よって、ＰＥＭＦＣ発電システム全体を小型化できる。しかし、従来の一般的な電解質膜、すなわち、パーフルオロスルホン酸ポリマーのような高分子電解質は、高温で水分が蒸発してしまい、急激に性能が低下してしまう。

したがって、高温用燃料電池に使われる電解質膜は、水素イオン伝導体として、水の代わりにリン酸または硫酸のような強酸を使用する。したがって、電解質膜は、リン酸や硫酸のような強酸を、高分子メンブレン（膜）に含浸させて形成される。高温用燃料電池は、以下のように形成される。まず、リン酸が含浸されたメンブレンをアノード電極とカソード電極との間に位置させてメンブレン電極アセンブリ（ＭＥＡ）を製造する。次に、複数のＭＥＡを導電性プレートを媒介として積層し、燃料電池スタックを形成する。また、高温用燃料電池は、燃料である水素と空気とをそれぞれアノード電極とカソード電極とに供給し、化学反応を介して電気を発生させる。

このとき、供給された燃料が当該触媒上で反応しないまま、メンブレンを介して、またはＭＥＡの側面にそって他の電極に移動させないことが非常に重要である。燃料が当該触媒と反応せずに反対電極に移動してしまえば、燃料効率が減少するだけではなく、電圧低下が発生して電圧密度も減少する。

微細なメンブレン構造を形成することにより、燃料がメンブレンを介して移動するのを防ぐことができ、ＭＥＡ周辺にガスケットを使用してシーリングすることにより、燃料がＭＥＡの側面を介して移動するのを防ぐことができる。特許文献１には、シートガスケットとゴムガスケットとを使用する燃料電池が開示されいる。

米国特許第６７２０１０３号明細書

しかし、リン酸を含浸したメンブレン（電解質膜）は、薄膜であり、滑りやすいだけでなく、特に、周辺環境によって収縮してしまう。よって、従来の特許文献１による高温用燃料電池によれば、電解質膜が、収縮または膨張することで、シートガスケットから離隔することがある。よって、シートガスケットによる密封が保証されないという問題がある。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、密封性を好適に維持することが可能な、新規かつ改良された高温用燃料電池システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、電解質膜と電解質膜の両面にそれぞれ設けられたアノード電極及びカソード電極とを具備する複数のメンブレン電極アセンブリと、各電極と接触するように設置された複数の導電性プレートと、を具備し、電解質膜は、水素イオン伝導体としてリン酸を含む高温用燃料電池システムにおいて、電解質膜は、電極から突出された延長部分を備え、電解質膜の延長部分の両面をそれぞれ覆う内側部と、互いに結合された外側部と、をそれぞれ具備する上部シートガスケット及び下部シートガスケットと、各シートガスケットの外側部にそれぞれに配置され、導電性プレートと各シートガスケットとの間をシーリングするゴムガスケットと、下部シートガスケットの外側部と上部シートガスケットの外側部との間をシーリングする接着剤と、を具備し、上部シートガスケット及び下部シートガスケットの内側部の端部は、電極の端部と電解質膜との間にそれぞれ配置されたことを特徴とする、高温用燃料電池システムが提供される。

かかる構成により、両シートガスケット間は、接着剤によりシーリングされる。また、各シートガスケットは、電解質膜と各電極の間に挟みこまれるので、各シートガスケットと対応した電極との間も密封される。よって、電解質膜が熱により、収縮しても、燃料は、好適に密封されうる。また、ゴムガスケットは、導電性プレートと各シートガスケットとの間を密封する。かかる構成によっても、燃料は、好適に密封されうる。

また、シートガスケットは、ガラス転移温度が１３０℃以上であり、熱分解温度が２００℃以上である耐熱性高分子からなってもよい。かかる構成により、シートガスケットは、高温で長時間露出されても密封性を維持しうる。

また、シートガスケットは、ポリイミド、ポリベンズイミダゾール、ポリ（アミドイミド）、ポリ（アリーレンエーテルホスフィンオキシド）からなる群より選択された少なくとも１つ以上の材質により形成されてもよい。

また、シートガスケットの厚さは、１〜３００μｍであってもよい。かかる構成により、シートガスケットは、電解質膜と各電極との間の密着性を悪化させること無く、形成されうる。

また、接着剤は、シリコン系、フッ素系、アミド系の樹脂からなる群より選択された少なくとも１つの樹脂により形成された耐熱性接着剤であってもよい。かかる構成により、接着剤は、高温で長時間露出されても密封性を維持しうる。

また、ゴムガスケットは、フッ素系樹脂からなってもよい。かかる構成により、ゴムガスケットは、耐熱性及び科学的安定性を有し、密封性を維持しうる。

本発明により、高温用燃料電池システムは、密封性を好適に維持することができる。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また、説明の都合上、図面に図示された層や領域の厚さは、明細書の明確性のために誇張されて図示されている。

まず、図１を参照しながら、本発明の第１の実施形態にかかる高温用燃料電池システムの構成について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態にかかる高温用燃料電池を示す部分断面図である。また、図１は、高温用燃料電池の単位セルの一部を示す。高温用燃料電池は、当該単位セルが数十〜数百個、積層されて構成される。

図１に示すように、本実施形態にかかる高温用燃料電池の単位セルは、ＭＥＡ（メンブレン電極アセンブリ）を含む。また、ＭＥＡは、電解質膜１０と、電解質膜１０の両面にそれぞれ設けられるアノード電極２０及びカソード電極３０と、を含む。アノード電極２０の上部（図１中のｙ軸の正の方向）には、導電性プレート４１が設けられ、カソード電極３０の下部（図１中のｙ軸の負の方向）には、導電性プレート４２が設けられる。導電性プレート４１、４２には、燃料、すなわち、ガス状の水素または酸化剤としての空気を当該電極２０、３０に供給する流路（図示せず）が形成される。

電解質膜１０は、高温、例えば１３０℃で使用される。よって、電解質膜１０には、従来の水の代わりに、水素イオン伝導体として酸が含まれる。電解質膜１０は、高温での使用により収縮する。また、図１のｘ軸方向の長さの収縮率は、ほぼ１〜２％である。電解質膜１０は、ｘ軸方向に電極２０、３０から突出するよう延長形成された延長部分１２を備える。すなわち、電解質膜１０の面積は、各電極２０、３０の面積より大きく形成され、その結果、電解質膜１０の外縁は、各電極２０、３０の外縁より突出している。当該突出した部分が、延長部分１２となる。

本実施形態にかかる燃料電池システムは、燃料のシーリング（密封）のために、一次的に、シートガスケット５１、５２を使用し、二次的に、ゴムガスケット７１、７２を使用する。以下で、シートガスケット５１、５２及びゴムガスケット７１、７２の構成及びシーリング効果について詳細に説明する。

単位セルに使われるシートガスケット５１、５２は、上部シートガスケット５１と、下部ガスケット５２と、で構成される。また、上部シートガスケット５１は、外側部５３及び内側部５５で構成され、下部シートガスケット５２は、外側部５４及び内側部５６で構成される。また、外側部５３と内側部５５とは、互いに結合しており、外側部５４と内側部５６とは、互いに結合している。そして、外側部５３と外側部５４とは、間に配置された接着剤６０を介して互いに結合されており、内側部５５と内側部５６とは、それぞれ、電解質膜１０及び延長部１２の各面に接触している。また、内側部５５、５６の端部は、それぞれ電解質膜１０と当該電極２０、３０の端部と間に位置するよう配置されうる。

すなわち、内側部５５は、電解質膜１０及び延長部１２の上面を覆うと共に、内側部５５の端部は、電解質膜１０の上面と、アノード電極２０の端部との間に挟みこまれるように位置する。また、内側部５６は、同様に、電解質膜１０及び延長部１２の下面を覆うと共に、内側部５６の端部は、電解質膜１０の上面と、カソード電極３０の端部との間に挟みこまれるように位置する。また、外側部５３の一端は、内側部５５の一端と結合され、外側部５４の一端部は、内側部５６の一端部と結合されている。また、外側部５３と外側部５４とは、接着剤６０によって、結合している。

かかる電極２０、３０及び電解質膜１０間の配置は、電解質膜１０の収縮時にも、電極２０、３０及びガスケット５１、５２間の密封を良好にする。すなわち、シートガスケット５１、５２の内側部５５、５６の端部が、それぞれ、電解質膜１０と電極２０、３０の端部とに挟みこまれるように配置されることで、電極２０、３０とシートガスケット５１、５２（内側部５５、５６の端部）との間の密着性が高まる。よって、電解質膜１０が収縮した際にも、電解質膜１０は、密封性を維持されうる。また、外側部５３と外側部５４との間は、接着剤６０によって、密封される。かかる構成により、本実施形態にかかる高温用燃料電池は、密封性を好適に維持することができる。また、密封性を維持することで、一次的に燃料漏れを防止する。

上部シートガスケット５１及び下部シートガスケット５２は、例えば、リン酸のような強酸に露出されるので、酸に強い素材が使われる。上部シートガスケット５１及び下部シートガスケット５２は、ほぼ１〜３００μｍの厚みを有する。シートガスケット５１、５２は、厚さが１μｍ以下である場合、取扱いが困難になってしまい、３００μｍ以上である場合、各電極２０、３０と電解質膜１０との間の密着性を悪化させる。また、シートガスケット５１、５２は、ガラス転移温度が１３０℃以上でなければならない。シートガスケット５１、５２のガラス転移温度が１３０℃以下である場合、形状変化が徐々に進み、結局、シーリング特性が悪くなってしまう。また、シートガスケット５１、５２の内側部５５、５６が電解質膜１０と接触するので、シートガスケット５１、５２は、耐酸性にすぐれていなければならない。また、長時間高温に露出されるので、シートガスケット５１、５２は、熱分解温度が２００℃以上である必要がある。よって、シートガスケット５１、５２は、さらに望ましくは、熱分解温度が４００℃以上であってもよい。

シートガスケット５１、５２は、例えば、ポリイミド（ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）、ポリベンズイミダゾール（ｐｏｌｙｂｅｎｚｉｍｉｄａｚｏｌｅ）、ポリ（アミドイミド）（ｐｏｌｙ（ａｍｉｄｅｉｍｉｄｅ））、ポリ（アリーレンエーテルホスフィンオキシド）（ｐｏｌｙ（ａｒｙｌｅｎｅ ｅｔｈｅｒ ｐｈｏｓｐｈｉｎｅ ｏｘｉｄｅ）ｓ）により製造されうる。

接着剤６０は、上部シートガスケット５１及び下部シートガスケット５２を固定させる役割を果たす。また、接着剤６０は、常温で接着させるもの、常温で接着した後で高温で熱処理して硬化させるもの、高温で溶融、圧着して接着させるもの等がある。高温で熱処理または溶融圧着する方式は、工程が複雑であるだけではなく、酸に含まれた水が揮発することがあるという不利な点がある。したがって、接着剤６０として望ましいのは、常温で接着が可能な方式である。また、高温で長期間露出されるため、熱分解温度の高い接着剤であってもよい。接着剤６０は、例えば、高温でも接着力を維持するシリコン系、フッ素系、アミド系の樹脂からなるグループのうち、選択された少なくとも１つの樹脂から製造された耐熱性接着剤を使用する。このような接着剤６０は、常温でシートガスケット５１、５２を接着させて使用できるという長所がある。

一般的に、シートガスケット５１、５２によるシーリングは、ホットプレスによるシーリングと比較して接着力面で不利でありうる。しかし、これを補完するために、上部シートガスケット５１及び下部シートガスケット５２上にゴムガスケット７１、７２を配置して置いて気密性を高めることができる。

ゴムガスケット７１、７２は、例えば、耐熱性材料であって、フッ素系材質で形成されてもよい。ゴムガスケット７１、７２は、燃料漏れを二次的にシーリングする。ゴムガスケット７１、７２は、耐熱性及び化学的安定性にすぐれた材質、例えば、シリコン系またはフッ素系などが使われうる。

なお、図１において、導電性プレート４１は、アノード電極２０及びゴムガスケット７１に対して、隔離されているように図示しているが、これは説明の便宜上である。実際には、導電性プレート４１は、アノード電極２０及びゴムガスケット７１に対して密着されている。また、同様に、導電性プレート４２は、カソード電極３０及びゴムガスケット７２に対して密着されている。

かかる構成によって、ゴムガスケット７１は、導電性プレート４１と上部シートガスケット５１の外側部５３との間を密封し、ゴムガスケット７２は、導電性プレート４２と上部シートガスケット５２の外側部５４との間を密封する。よって、ゴムガスケット７１、７２は、密封性を好適に維持することができ、燃料漏れを二次的に防止することができる。

本実施形態にかかる電解質膜１０は、薄膜であり、リン酸が含浸されているために、機械的強度（構造的な強度）に劣る。また、電極２０、３０と電解質膜１０との間にシートガスケット５１、５２の端部をはめ込まねばならないので、一般的な結合方法、例えば、電解質膜１０の両面にシートガスケット５１、５２を結合する方法を使用することは困難である。

以下で、図２及び図３を参照しながら、本実施形態にかかる高温用燃料電池において、電解質膜１０の両面にシートガスケット５１、５２を結合する方法の一例について、説明する。図２は、本実施形態にかかる高温用燃料電池の単位セルのシートガスケット５１、５２の結合方法を説明する平面図である。また、図３は、本実施形態にかかる高温用燃料電池の単位セルのシートガスケット５１、５２と電解質膜１０との結合方法を説明する平面図である。

図２に示すように、下部シートガスケット５２の外側部５４に接着剤６０を塗布する。接着剤６０の塗布は、以下の方法で行われてもよい。まず、ＰＥＴ（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）フィルム（図示せず）に接着剤６０を塗布する。次に、ＰＥＴフィルムを下部シートガスケット５２上に配置する。そして、ＰＥＴフィルムのみを下部シートガスケット５２から離し、ＰＥＴフィルム上にあった接着剤６０を下部シートガスケット５２に転写する。以上の方法により、下部シートガスケット上に、接着剤６０を塗布できる。

次に、図３に示すように、下部シートガスケット５２の内側部５６に、リン酸が含まれた電解質膜１０を配置する。このとき、電解質膜１０は、外側部５４上の接着剤６０に接触されない。

次に、上部シートガスケット５１を、下部シートガスケット５２の上に配置する。その後、シートガスケット５１、５２を加圧する。常温で接着可能な接着剤６０を使用しているので、加圧した結果、上部シートガスケット５１及び下部シートガスケット５２の外側部５３、５４は、互いに常温で接着される。このとき、シートガスケット５１、５２間には、電解質膜１０が配置される。

次に、電解質膜１０の上下に、当該電極２０、３０を接着させる。このとき、電極２０、３０の端部がシートガスケット５１、５２の内側端部と重なるように、電極２０、３０を配置する。かかる電極２０、３０の配置により、電極２０、３０の端部と電解質膜１０との間にシートガスケット５１、５２の端部が引き込まれた状態（挟み込まれた状態）になる。

また、ＭＥＡ及びシートガスケット５１、５２上に、ゴムガスケット７１、７２及び導電性プレート４１、４２を結合させる方法は、一般的な方法の適用が可能なので、詳細な説明は省略する。

以上説明したように、かかる構成により、本実施形態にかかる高温用燃料電池システムでは、電解質膜１０（メンブレン）の収縮時にも、密封特性を向上させることができ、好適にシーリング（密封）効果を維持できる。また、本実施形態では、電解質膜１０（メンブレン）の収縮時について、説明したが、電解質膜１０（メンブレン）の膨張時にも同様の効果をえることができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態では、高温用燃料電池システムに適用されたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、燃料電池関連の技術分野に効果的に適用してもよい。

本発明は、高温用燃料電池システムに適用可能であり、特に水素イオン伝導体として高分子電解質膜に含まれたリン酸を使用する燃料電池システムに適用可能である。

本発明の第１の実施形態にかかる高温用燃料電池を示す部分断面図である。 同実施形態にかかる高温用燃料電池の単位セルのシートガスケットの結合方法を説明する平面図である。 同実施形態にかかる高温用燃料電池の単位セルのシートガスケットと電解質膜との結合方法を説明する平面図である。

符号の説明

１０ 電解質膜
１２ 延長部分
２０ アノード電極
３０ カソード電極
４１、４２ 導電性プレート
５１ 上部シートガスケット
５２ 下部シートガスケット
５３、５４ 外側部
５５、５６ 内側部
６０ 接着剤
７１、７２ ゴムガスケット
ＭＥＡ メンブレン電極アセンブリ

Claims (6)

1. 電解質膜と前記電解質膜の両面にそれぞれ設けられたアノード電極及びカソード電極とを具備する複数のメンブレン電極アセンブリと、前記各電極と接触するように設置された複数の導電性プレートと、を具備し、前記電解質膜は、水素イオン伝導体としてリン酸を含む高温用燃料電池システムにおいて：
   前記電解質膜は、前記電極から突出された延長部分を備え、
   前記電解質膜の前記延長部分の両面をそれぞれ覆う内側部と、互いに結合された外側部と、をそれぞれ具備する上部シートガスケット及び下部シートガスケットと；
   前記各シートガスケットの前記外側部にそれぞれ配置され、前記導電性プレートと前記各シートガスケットとの間をシーリングするゴムガスケットと；
   前記下部シートガスケットの前記外側部と前記上部シートガスケットの前記外側部との間をシーリングする接着剤と；
   を具備し、
   前記上部シートガスケット及び前記下部シートガスケットの前記内側部の端部は、前記電極の端部と前記電解質膜との間にそれぞれ配置されたことを特徴とする、高温用燃料電池システム。
2. 前記シートガスケットは、ガラス転移温度が１３０℃以上であり、熱分解温度が２００℃以上である耐熱性高分子からなることを特徴とする、請求項１に記載の高温用燃料電池システム。
3. 前記シートガスケットは、ポリイミド、ポリベンズイミダゾール、ポリ（アミドイミド）、ポリ（アリーレンエーテルホスフィンオキシド）からなる群より選択された少なくとも１つ以上の材質により形成されたことを特徴とする、請求項２に記載の高温用燃料電池システム。
4. 前記シートガスケットの厚さは、１〜３００μｍであることを特徴とする、請求項２または３に記載の高温用燃料電池システム。
5. 前記接着剤は、シリコン系、フッ素系、アミド系の樹脂からなる群より選択された少なくとも１つの樹脂により形成された耐熱性接着剤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高温用燃料電池システム。
6. 前記ゴムガスケットは、フッ素系樹脂からなることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の高温用燃料電池システム。

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