JP2010113864A

JP2010113864A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2010113864A
Application number: JP2008283838A
Authority: JP
Inventors: Kiichi Shibata; 礎一柴田
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2008-11-05
Filing date: 2008-11-05
Publication date: 2010-05-20
Anticipated expiration: 2028-11-05
Also published as: JP5309902B2

Abstract

【課題】燃料電池から熱を回収する冷却液の導電率が上昇すると、燃料電池の絶縁耐性が低下し、また腐食電流により、セパレータが腐食することが問題であった。
【解決手段】導電性セパレータ板は、単電池が発電するときに発生する熱を回収するための冷却液を通すための冷却液流路を備え、冷却液供給マニホールドおよび冷却液排出マニホールドは、前記燃料電池の積層方向に対する断面の内側において、突出した部分３４を持つことを特徴とする。
【選択図】図７

Description

本発明は、燃料電池に関し、より詳細には、燃料電池から熱を回収する冷却水によるセパレータ板の腐食を防止する機構を備えた燃料電池に関する。

従来の燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを、電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させるものであり、使用する燃料や構成材料により、様々な種類がある。例えば、電解質として陽イオン交換樹脂を用いた燃料電池の一般的な構造を図１に示す。その構造は、まず、水素イオンを選択的に輸送する陽イオン交換樹脂からなる高分子電解質膜１９の両面に、白金など、触媒能を有する金属を担持させたカーボン粉末を主成分とする触媒層２０を形成する。次に、この触媒層２０の外側に燃料ガス、酸化剤ガスなどの反応ガスの通気性と、電子伝導性を併せ持つガス拡散層１８を形成し、これら、高分子電解質膜１９とその両面に存在するガス拡散層１８および触媒層２０とをあわせた単電池を、ＭＥＡ（電極電解質膜接合体）と呼ぶ。

次に、供給される反応ガスである、燃料ガス及び酸化剤ガスが外にリークしたり、各々のガスが互いに混合したりしないように、ＭＥＡの周囲には高分子電解質膜を挟んでガスシール材１７を配置し、さらにガスシール材１７の外側両面に、触媒層に各々の反応ガスを供給するための反応ガス流路２１を設置し、かつ、隣接したＭＥＡを互いに電気的に直列に接続するための導電性セパレータ１６を配置する。さらに、この導電性セパレータ１６にはＭＥＡで発電が起こる時に発生する熱を除去するために、熱を吸収する手段が設けられる。この手段としては、水や不凍液などの液状の冷却媒体を、導電性セパレータ表面１６に設けた冷却液流路２２を通すことにより、熱を吸収する方法が一般的である。

これら、ＭＥＡとガスシール材１７と導電性セパレータ１６より構成される単電池２を、要求される出力に応じて２〜２００段積層したブロックを、集電板１４を介し、端板４でこれを挟み、ボルト１５などの締結手段により固定する方式が燃料電池１の一般的な構造である。

さらに、図１の導電性セパレータ１６に設けられた各マニホールドは、単電池２を積層して燃料電池１することで、管状となり、外部より供給される燃料ガスあるいは酸化剤ガスあるいは冷却液といった各種流体を、各単電池２に分配、あるいは、各単電池２から排出される各種流体を集め、燃料電池外へ排出する役割をなす。

このように、単電池２を積層して直列に接続する構造を持つ燃料電池１では、発電時のオーム損を抑制するために、隣り合う単電池間の接触抵抗をできるだけ低く押さえる必要がある。一方、単電池２を構成するアノードとカソードの間、および、一つ以上の単電池２を挟んだ単電池２の間の抵抗はできるだけ大きくし、絶縁状態としなければならない。これら、絶縁状態が望まれる部分が、金属などの電子電導性が高い物質により短絡されると、抵抗に応じた電流が流れるため、本来、燃料電池１の外部に供給するべき電力が、燃料電池内部で浪費されることになり、発電効率が低下することになる。また、水道水などのイオン導電体による短絡では、電流が流れる際に高電圧側の単電池２とイオン電導体の界面で酸化反応がおこるため、単電池の構成材料が腐食劣化し、最終的には、燃料電池外へ燃料ガスあるいは冷却液が漏出に至る。また、特許文献１では、冷却液による燃料電池全体の絶縁抵抗の低下を課題とし、絶縁板内の冷却液流路の流路長を長くすることによる抵抗増大を図る方法が提案されている。

また、セパレータの腐食を抑制するために、セパレータの表面材よりも腐食しやすい犠牲部材をスタック内を流れる冷媒に接するように設ける(特許文献２)こと、冷却液の流路に最も高電位のセパレータの電位より高い電位となっている高電位部材を設ける(特許文献３)ことが提案されている。

従来の一般的な燃料電池の構造では、冷却液供給マニホールドおよび冷却液排出マニホールド内の冷却液は複数の単電池と接触しているため、前述の電力ロスや腐食、絶縁抵抗の低下を防ぐために、冷却液として純水が一般的に用いられてきた。
特開２００５−１５８６２９号公報特開２００７−８７７６６号公報特開２００８−１６２１６号公報

しかしながら、燃料電池を発電させる場合、冷却液と接触する配管部材や燃料電池で用いられる金属や樹脂などの材料から溶出するイオン成分や、空気中の炭酸ガスやＮＯｘ，ＳＯｘガスなどが溶解することにより導電率が上昇してしまう。

そこで、導電率を低い状態に保つために、純度の高い材料を用いる方法や、イオン交換樹脂による洗浄や新たな純水を注入して希釈するなどの方法があるが、付帯設備の増大によるシステムの巨大化や、直材費やメンテナンス費などのコストアップが問題となっていた。

本発明者等は、上記従来技術の課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、以下の点を見出した。

そして、本発明者らは以下に記載する構成を採用することが、上記本発明の目的を達成する上で極めて有効であるということを見出し、本発明に到達した。

即ち、本発明に係る燃料電池は、イオン導電性を持つ電解質膜と、前記電解質膜を挟持するように配置されるアノード及びカソードと、前記アノードおよびカソードを挟持するように配置される導電性セパレータと、を有する単電池を複数積層する構造を有する燃料電池であって、前記導電性セパレータ板は、前記単電池が発電するときに発生する熱を回収するための冷却液を通すための冷却液流路を備え、前記燃料電池の積層方向に対し管状となっており、前記燃料電池を構成する各単電池の前記冷却液流路と連結し、前記冷却液を供給する冷却液供給マニホールドと、前記燃料電池の積層方向に対し管状となっており、前記燃料電池を構成する各単電池の前記冷却液流路と連結し、前記冷却液が排出される冷却液排出マニホールドと、を有しており、前記冷却液供給マニホールドおよび前記冷却液排出マニホールドは、前記燃料電池の積層方向に対する断面の内側において、突出した部分を持つことを特徴とする。

さらに、前記突出部が前期燃料電池の積層方向と垂直方向に対する断面において、前記冷却液供給マニホールド及び前記冷却液排出マニホールドの周縁全部、に有することが望ましい。

さらに、前記突出部は導電体あるいは絶縁体の何れであっても良い。

本発明によれば、冷却液マニホールド内に燃料電池の積層方向に対する断面の内側にお
いて、突出した部分を設けるという構成を採用することにより、部分的に冷却液供給マニホールドあるいは冷却液排出マニホールドの断面積が小さくなる。このように、部分的に断面積を狭めることにより、冷却液の圧損を低く抑えながら、マニホールド内の冷却液を流れる電流を阻害することができる。したがって、ポンプなどの冷却液を供給する機器の効率を落とすことなく、導電性セパレータ１６の電食を抑制することができる。

本発明の作用について説明する。

単電池間を短絡させる冷却液の抵抗は数１によって決まる。

ここで、Ｒ(Ω)は単電池間の冷却液の抵抗であり、Ｌ（cm）は単電池間の距離であり、ρ（Ω^-1・cm^-1）は冷却液の導電率であり、Ｓ(cm2)は冷却液供給マニホールドあるいは冷却液排出マニホールドの燃料電池積層方向にたいして垂直な方向の断面の面積である。

数１に示した様に、冷却液の液抵抗は断面積Ｓと反比例の関係にある。したがって、断面積Ｓを小さくすることで、導電率ρが大きくなっても抵抗Ｒを大きい状態に保つことができる。また、数１からも明らかなように、導電性セパレータの電食について許容できる抵抗の最小値を決めると、冷却液の導電率と断面積は反比例の関係となる。一般的に、純水の導電率は１μΩ^-1・cm^-1以下であり、燃料電池内では微量の溶出物により十数μΩ^-1・cm^-1から十数μΩ^-1・cm^-1となっている。例えば、水道水の導電率は２００μΩ^-1・cm^-1程度まで冷却水の導電率を許容する場合、断面積は１／１０〜１／１００程度とすればよいことになる。これはあくまでも一例であり、目標値の設定しだいで断面積の比率は変更されることになるが、目標値を２倍に設定した場合でも、７０％程度の断面積に縮小する必要があり、有意な効果を得るためには７０％以下の断面積にする必要がある。

このように、単電池間を冷却液で短絡させる回路が形成され、微小電流Ｉ（μＡ）が流れる場合、数２が成り立つ。

ここで、Ｅ(Ｖ)は単電池の電圧、ｎは短絡されている単電池の数、Ｅ_＋(Ｖ)、Ｅ₋(Ｖ)はそれぞれ、高電圧側、低電圧側の単電池と冷却液界面に印荷される電圧である。

このような回路では、高電圧側で酸化反応が、低電圧側で還元反応が起こる。例えば、冷却液が弱酸性の水で、導電性セパレータにカーボンを用いた場合、それぞれ数３、数４の電極反応が起こる。

Ｅ_＋が数３の活性化エネルギー以下であれば、数３の反応は進行しないが、抵抗Ｒが低下することで、Ｅ_＋が増大すると、数３の反応が進行し、カーボンが劣化することになる。また、導電性セパレータが金属材料の場合も、活性化エネルギー以上の電圧が印荷されることで同様に酸化電流による腐食が発生する。

すなわち、本願の構成により、冷却液の導電率が高くなっても、冷却液の抵抗Ｒを高く保つことで、燃料電池１の絶縁耐圧を高く保ち、かつ、上述の腐食反応を抑制することが可能になる。したがて、イオン交換樹脂など、冷却液の品質を維持する付帯設備を削減するこが可能となり、直材費やメンテナンス費などのコスト面で優れた燃料電池システムを提供することが可能となる。

また、冷却液供給マニホールドおよび冷却液排出マニホールドの内径を一律に狭くすることで同様の効果を得ることができる。しかしながら、このような構造では、外部から燃料電池１に冷却液を供給する供給配管と冷却液供給マニホールドおよび冷却液排出マニホールドとの接続部から離れた位置にある単電池２ほど、供給される冷却液の量が少なくなるため、泡ガミや冷却液を供給するポンプの脈動などの影響により単電池２に供給される冷却液の量が不安定となってしまう。本願の構成では、突出部以外の部分に冷却液が滞留するため、冷却液の流量変化を吸収することが可能となり、全ての単電池に安定した冷却液を供給することが可能となる。

また、突出部が導電体である場合、突出部近傍の冷却液の電位が突出部の電位の影響下となるため、離れた位置にある単電池間の短絡が、間に位置する突出部により電位が低下し、Ｅ_＋を小さくすることができる。

以上の発明の効果により、耐久性と安定性とコスト面で優れた燃料電池を提供することができる。

（確認実験）
本発明の構成とすることで、冷却液の導電率が上昇しても、導電性セパレータ１６の電食を抑制することができることを確認するために、以下の確認実験を行った。

図２に確認実験で使用した模擬燃料電池２４の構成図を示す。この模擬燃料電池では、ＭＥＡの代わりに厚み１００μｍのＰＥＴ樹脂シート２３に各マニホールドに対応した孔を設けたシートを用いた。このＰＥＴ樹脂シート２３を図１に示したように厚み４００μｍのシリコンシートを打ち抜いて作成したガスケットおよびグラッシーカーボン板を切削加工することで作成した導電性セパレータ１６で挟持し、模擬単電池２５とした。さらに、実際の燃料電池１と同様に模擬単電池２５を５０段積層し、その両側から厚み４０ｍｍの銅版に金メッキを施した集電板１４で挟持し、その両側から厚み３０ｍｍのＳＵＳ板に反応ガスや冷却液を供給排出するための配管を設けた端版４で挟持し、ボルト１５によりガス漏洩がなくなるまで締結し、模擬燃料電池２４とした。

本実験では、前述の模擬電池２４に変更を加えたものを３種類作成し、全部で４種類の模擬電池２４について実験を行っている。

１種類目の変更は、模擬燃料電池２４の両端（正極側,負極側）にある模擬単電池２５に用いている導電性セパレータ１６について、図３に示したような冷却液マニホールド内
面の接液部に金箔２７を接着剤で貼付けたことである。図３には示していないが、この金箔２７は、アノード側、カソード側の両セパレータに二つずつある冷却液マニホールドに全て貼付けた。ＰＥＴシートはＭＥＡと異なり絶縁体であるため、模擬単電池２５も積層方向に導電性を持たない。したがって、冷却液を流した状態の模擬燃料電池２４の集電板１４に電圧を印加した場合、集電板１４と隣接している導電性セパレータ１６から、冷却液を通って電流が流れることになる。そこで、集電板１４に隣接している模擬単電池２５の導電性セパレータ１６の冷却液マニホールド部１３と、冷却液とが接触する部分を金箔２７で保護することにより、導電性セパレータ１６の電食が抑制された状態を作り出すことができる。

この模擬燃料電池２４を以後“模擬燃料電池（金箔あり）”とする。

２種類目の変更は、本願発明の実施の形態の一つである、図４に示したように、冷却液マニホールドの２／３が塞がれるように厚み０．１ｍｍのフッ素ゴムシートから切り出した遮蔽シート２６を各模擬単電池に設けたものである。この模擬燃料電池を以後“模擬燃料電池（シートあり）”とする。

３盤面の変更は１,２の両変更をあわせたもので、以後、“模擬燃料電池（金箔＋シートあり）”とする。

上述した４種類の模擬燃料電池を用いて、図５に示した実験装置を組み、導電性セパレータ１６の腐食電流を測定した。この実験では、図５に示したように、ヒータ−３０で温度８０℃一定に保った恒温槽３２中の冷却液を、冷却水循環ポンプ３３で模擬燃料電池２４に供給している。また、冷却液の導電率は、恒温槽中に設けた導電率計３１で測定した。本実験では、冷却液として純水を、導電剤として硫酸ナトリウム溶液を用いて２００μＳ／ｃｍとなるように調整した。さらに、測定された導電率に応じて、純水あるいは硫酸ナトリウム溶液を滴下し、±５μＳ／ｃｍ以下の範囲に収まるように実験中も調整を継続した。

冷却液が通液された状態のそれぞれの模擬燃料電池２４に対し、図５に示した配線により、直流電源２８で両極の集電板１４に電圧を０〜１２０Ｖの範囲で印加し、その時の電流を測定した。

図６は、それぞれの模擬燃料電池２４における印加電圧と流れた電流値の測定結果をプロットしたものである。図６の模擬燃料電池（金箔あり）の結果は、電圧を印加することにより水の電気分解が起こることで流れた電流である。また、同電圧における模擬燃料電池の測定電流との差異が、カーボンの電食による電流である。また、模擬燃料電池（シートあり）の結果は、模擬燃料電池に比べ各電圧で測定される電流値が減少している。これは、フッ素ゴムシートにより、冷却液マニホールドの断面積が１／３と減少したため、冷却液の抵抗が上昇したことによると考えられる。図６に示したように、模擬燃料電池（金箔＋シートあり）と模擬燃料電池（シートあり）で、ほぼ同等の電流が観測されており、メッシュの存在により、カーボンの電食による電流が抑制されていることがわかる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図７に、実施の形態１の燃料電池の冷却水供給マニホールドの断面の一例を示した。

本実施の形態では、同様の形状である冷却水排出マニホールドは省略している。

図７に示した様に、冷却水流路があるセパレータの冷却水供給マニホールド側の上下二辺の距離が、単電池で対をなすセパレータの距離に比べ狭くなっており、積層したときの積層方向断面では、突出部３４が形成され、断面積が小さくなっている。

また、同様に、図１１に従来例の断面図を示した。従来例では、図７にあるような突出部が無い。このとき、突出部はセパレータで作られているため、導電性の突出部となる。

また、この突出部はセパレータと一体であるが、別部材により形成されても効果に影響はない。

（実施の形態２）
図８に、実施の形態１の燃料電池の冷却水供給マニホールドの断面の一例を示した。

図８に示した様に、冷却水流路があるセパレータの冷却水供給マニホールド側の対向する上下、左右の二組の辺の距離が、単電池で対をなすセパレータの距離に比べ狭くなっており、断面積が小さくなっている。

このとき、突出部はセパレータで作られているため、導電性の突出部となる。

（実施の形態３）
図９に、実施の形態１の燃料電池の冷却水供給マニホールドの断面の一例を示した。

図９に示した様に、冷却水供給マニホールド内の単電池のアノード、カソードセパレータ間に遮蔽シート２６が設けられており、遮蔽シート２６の断面積が小さくなっている。

このとき、突出部はアノード、カソード両セパレータに接触しているため、絶縁体により作られている。

また、この突出部はガスケットと別材料であるが、一体であっても効果に影響はない。

（実施の形態４）
図１０に、実施の形態１の燃料電池の冷却水供給マニホールドの断面の一例を示した。

図１０に示した様に、冷却水供給マニホールド内の単電池のアノード、カソードセパレータ間に遮蔽シート２６が設けられており、遮蔽シート２６の断面積が小さくなっている。

本発明の燃料電池は、自動車やバイク等の移動・輸送機械に搭載する原動力や、定置用のコジェネレーションシステムの電源として有用である。

一般的な固体高分子膜を用いた燃料電池の構成を示した図実験で用いた模擬燃料電池の構成を示した図金箔を貼付ける部分の斜視図遮蔽板を設けたセパレータの図実験装置の構成図模擬実験の結果の図実施の形態１による冷却水供給マニホールドの断面図実施の形態２による冷却水供給マニホールドの断面図実施の形態３による冷却水供給マニホールドの断面図実施の形態４による冷却水供給マニホールドの断面図従来例による冷却水供給マニホールドの断面図

符号の説明

１燃料電池
２単電池
４端板
５反応ガス供給配管
１０冷却液シール
１１冷却液配管
１２反応ガス排出配管
１３冷却液マニホールド
１４集電板
１５ボルト
１６導電性セパレータ
１７ガスシール材
１８ガス拡散層
１９電解質膜
２０触媒層
２１反応ガス流路
２２冷却液流路
２３ PET樹脂シート
２４模擬燃料電池
２５模擬単電池
２６遮蔽シート
２７金箔
２８直流電源
２９電圧計
３０ヒーター
３１導電率計
３２恒温槽
３３冷却水循環ポンプ
３４突出部

Claims

イオン導電性を持つ電解質膜と、
前記電解質膜を挟持するように配置されるアノード及びカソードと、
前記アノードおよびカソードを挟持するように配置される導電性セパレータと、
を有する単電池を複数積層する構造を有する燃料電池であって、
前記導電性セパレータ板は、前記単電池が発電するときに発生する熱を回収するための冷却液を通すための冷却液流路を備え、
前記燃料電池の積層方向に対し管状となっており、前記燃料電池を構成する各単電池の前記冷却液流路と連結し、前記冷却液を供給する冷却液供給マニホールドと、
前記燃料電池の積層方向に対し管状となっており、前記燃料電池を構成する各単電池の前記冷却液流路と連結し、前記冷却液が排出される冷却液排出マニホールドと、
を有しており、
前記冷却液供給マニホールドおよび前記冷却液排出マニホールドは、前記燃料電池の積層方向に対する断面の内側において、突出した部分を持つことを特徴とする燃料電池。
前記突出部が前期燃料電池の積層方向と垂直方向に対する断面において、前記冷却液供給マニホールド及び前記冷却液排出マニホールドの周縁全部、
に有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記突出部が導電体であることを特徴とする請求項１および２の何れかに記載の燃料電池。
前記突出部が絶縁体であることを特徴とする請求項１および２の何れかに記載の燃料電池。