JP2004356093A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 長期にわたって冷却水の電導度を低く保ち、冷却水の接触する金属部材の腐食を防ぎ、燃料電池の発電に支障を生じさせない燃料電池発電装置を実現する。
【解決手段】 燃料電池１と、冷却水配管８と、熱交換器１０と、冷却水を循環させる手段９などを備える燃料電池発電装置において、前記燃料電池１、前記冷却水配管８、前記熱交換器１０および前記手段９を電気的に接続する導電ネットワークを遮断する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池スタックの冷却水の水質劣化を抑制し得る燃料電池発電装置に関する。

高分子電解質型燃料電池は、常温付近で動作することから、家庭などの民生用途での利用が期待されている。こうした燃料電池は、設置場所で発電するだけでなく排熱を利用するコジェネレーションシステムにも利用される。
高分子電解質型燃料電池の基本的な電池単位は、水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜（厚さ３０〜１００μｍ）を一対のガス拡散電極で挟んで構成された電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）である。

ガス拡散電極は、高分子電解質膜と同様に、水素イオン伝導性を有する電解質樹脂と、電気化学反応触媒となる微細な貴金属を表面に分散させて担持したカーボン粒子との混合物を、ガス拡散基材に塗布することによって形成される。前記混合物は触媒反応層を構成する。そして、それぞれのガス拡散電極に燃料ガスと酸化剤ガスを通じることによって、発電が起こる。
実際には、このＭＥＡをセパレータで挟んで単位電池を得、この単位電池複数個を積層し、得られた積層体を両端から端板によって締結し、燃料電池スタックを得る。

端板と当該端板に隣接するセパレータとの間には、発生した電流をロスなく集電するための板状の集電体が配されており、集電板と端板との間は絶縁性材料で絶縁されている。また、集電体には、金属が材料として用いられるのが一般的であるが、機械的強度の必要性から端板にも金属が使われることが多い。
セパレータには、電子伝導性、気密性および耐食性が求められることから、これらの性質を有する材料で構成される。一般的には、カーボン材料または金属材料などが用いられる。

ＭＥＡとセパレータとの間には、ガス拡散電極の周囲を囲むように、ガスシール材が配され、通じた燃料ガスおよび酸化剤ガスがスタック外へ漏れ出たり、互いに混合しないような構造が採用されている。
そして、それぞれのＭＥＡに反応ガスを供給・排出するためのマニホールドが、それぞれのセパレータを貫通するように設けられている（内部マニホールド）。燃料電池では、反応ガスの持つ化学的エネルギーの一部を電気として取り出すことができるが、前記化学的エネルギーの残りの部分は燃料電池スタック内部で熱となる。

このように燃料電池スタック内部で発生した熱を外部に取り出して有効利用するとともに、燃料電池スタックを冷却してその温度を一定に維持するために、冷却水をスタック内に循環させる。冷却水用のマニホールドも、反応ガスのマニホールドと同じように、セパレータを貫通するように設けられて構成されている。スタック内を通じた冷却水は、燃料電池スタック外へ取り出され、熱交換器を介してその顕熱を放出し、再びスタックに環流・循環されて用いられるのが一般的である。

ここで、前記マニホールドのタイプには、前述のようないわゆる内部マニホールドの他に、スタックの側面に設け、スタックの側面から各単位電池に反応ガスを供給したり、冷却水を供給・回収する外部マニホールドもある。反応ガスや冷却水などの流体は、端板および集電板に取り付けられた配管によりスタック外部からスタック内部に供給される。

燃料電池スタックは、一般的に、その端板の部分などで、燃料電池発電装置に固定されている。また、燃料電池発電装置に含まれるものとしては、燃料電池スタックの他に、天然ガスなどの化石燃料から水素を生成する燃料処理装置、燃料電池スタックに供給する反応ガスを加湿する加湿器、発生した直流電力を交流電力に変換したりするインバータ、燃料電池スタックの温度調整や生成熱の有効利用のための熱交換器や貯湯タンク、システム全体の制御装置などがある。一般的に、これら燃料電池発電装置を構成する各構成要素は、燃料電池発電装置の躯体や筐体に固定される。

図６に、このような燃料電池発電装置の概略構成図を示す。
まず、燃料処理装置１０２によって、天然ガスなどの原料から水素を主成分とする燃料ガスが生成され、加湿器１０５を介して、燃料電池スタック１０１へ供給される。燃料処理装置１０２は、原料から改質ガスを生成する改質器１０３と、改質ガスに含まれる一酸化炭素を水と反応させ二酸化炭素と水素にするための一酸化炭素変成器１０４とを備える。

一方、空気供給装置１０６は、酸化剤ガスである空気を、加湿器１０７を介して燃料電池１０１へ供給する。ポンプ１０９は、燃料電池１０１内のスタック１０１Ｓを冷却する冷却水を、冷却水配管１０８を通して燃料電池１０１へ供給し、冷却水はスタック１０１Ｓ内を循環する。冷却水配管１０８の途中には熱交換器１１０が設けられている。発電時には、熱交換器１１０と循環ポンプ１１１により、燃料電池１０１から熱を、排熱用配管１１２を経由して貯水タンク１１３で回収する。

燃料電池１０１内では、冷却効率を上げるために、冷却水がスタック１０１Ｓの内部を通る。この冷却水として電気伝導度の極めて小さい純水を用いることで、燃料電池スタックの発生する高電圧の冷却水を介した冷却系への伝達、漏電、ならびに冷却水配管１０８、ポンプ１０９、熱交換器１１０の熱交換面１１０Ａなどの冷却系の金属物の腐食などを防止している。

ここで、例えば特許文献１には、燃料電池発電装置において、冷却水と接触する部分に、電位を印加すると冷却水中のイオンを吸収したり放出したりする材料を配置することが提案されている。これにより、燃料電池スタックで発生した電位によって、冷却水の電位と、冷却水の接触する部分の電位との差が大きくならないようにし、冷却系の部品を構成する材料からイオンが冷却水に溶出しないようにしている。また、例えば特許文献２には、燃料電池から冷却系への入口と出口とを短絡し、さらにこれらを燃料電池の負極に接続する技術が開示されている。
特開２００１−２９７７８４号公報 特開２００１−１５５７６１号公報

上述のような燃料電池発電装置においては、冷却水の補充などのために、冷却系には開放部を設けることが不可欠である。しかし、冷却系の一部に開放部があると、どうしてもこの開放部かた不純物が混入するため、水の電気伝導度が上がってしまう。冷却水の電気伝導度の上昇をもたらす不純物は、前記の開放部からだけでなく、燃料電池発電装置内からも発生する。例えば、冷却水配管やセパレータからイオンが溶出し、水の電気伝導度が上がるという現象がある。

一方、冷却系において冷却水と接している金属部分は、冷却水に対し、電気化学的に一定の電位差を持っている。また、冷却水の電位は、燃料電池スタックの正極（酸化剤極）と負極（燃料極）との間で勾配を持っている。したがって、冷却水の電気伝導度が上がり始めた場合、循環する冷却水に接する少なくとも二箇所の金属部分が導通すると、どちらかの金属部分の表面が貴（noble）になり、金属が腐食して陽イオンが溶出する。すると、さらに冷却水の導電性が高くなり、腐食および溶解が促進されるという悪循環に陥る。一旦このような悪循環が生じると、冷却系が腐食するだけでなく、燃料電池スタック１０１も徐々に劣化してしまう。

上述のように、冷却水の電導度は急激に変化するため、その管理をするためには、冷却水の電導度を常にモニターする装置を設けることが必要になる。また、イオンを吸収する材料の吸収能力に限界があり、かかる材料を一度配設すると、簡単には交換しにくい。また、前記材料を再生するために逆の電位を印加するするなどの操作が必要になる。さらに、熱交換器の熱交換面に前記材料を配設することは困難である。加えて、熱交換器の出口と入口とを短絡すると、かえって金属部分が腐食するという問題が起こる。

本発明は、以上の問題をすべて解決するものであり、冷却水系に設けられた金属部分などの電子伝導性部材の腐食、および冷却水中の不純物イオンの濃度を抑制し、不純物イオンによる不都合のない燃料電池発電装置を提供することを目的とする。

本発明は、水素イオン伝導性電解質と、前記水素イオン伝導性電解質を挟む一対の電極と、前記電極を挟む一対のセパレータとで構成した単位電池複数個を積層した積層体と、集電体および端板とを有する燃料電池スタック；前記燃料電池スタック内を通過する冷却水が循環する冷却水配管；前記燃料電池スタックで発生した熱と前記冷却水との熱交換を行う熱交換面を有し、排熱用配管に接続された熱交換器；前記冷却水を循環させる手段を備える燃料電池発電装置であって、
前記冷却水と接触する電子伝導性部分のうち、前記燃料電池スタックの電子伝導性部分、前記冷却水配管の電子伝導性部分、前記熱交換器の電子伝導性部分、ならびに前記冷却水を循環させる手段（例えばポンプ）の電子伝導性部分よりなる群から選択される少なくとも２種が電気的に絶縁されていることを特徴とする燃料電池発電装置を提供する。

前記燃料電池スタックの電子伝導性部分は、前記セパレータ、集電体および端板を含み、前記熱交換器の電子伝導性部分は前記熱交換面を含む。
ただし、前記電子伝導性部分を互いに電気的に絶縁しようとしても、例えば熱交換器の熱交換面では、冷却水入口部と冷却水出口部が繋がっており、かつ同じ金属で構成されている場合、当該冷却水入口部を流れる冷却水と冷却水出口部を流れる冷却水の電位差は比較的小さい。したがって、本発明においては、前記熱交換面のように、冷却水と接する複数の電子伝導性部分が、熱交換作用という１つの機能を果たす場合は、これら電子伝導性部分は互いに絶縁状態にする必要はない。

一方、例えば熱交換器とポンプとを互いに絶縁するように、それぞれ熱交換機能と冷却水循環機能という異なる機能を有する電子伝導性部分は互いに絶縁することが本発明の特徴である。
また、燃料電池スタックの最外側のセパレータと集電体のように、燃料電池スタックを構成する部材として形状や材料が異なるときは、電気を集めるという機能が同一である。このような場合には、機能上電気的に導通した状態であることが必要な部分を含むことも、本発明の特徴である。

このように、本発明に係る燃料電池発電装置の技術思想の特徴は、前記燃料電池発電装置の構成要素である燃料電池スタック、冷却水配管、熱交換器および冷却水を循環させる手段を構成する電子伝導性部材が互いに電気的に絶縁されており、前記燃料電池発電装置全体を循環する冷却水による導電ネットワークの形成を防止することにある。具体的には、前記冷却水を介して、少なくとも前記燃料電池スタック、前記熱交換器および前記冷却水を循環させる手段が導電ネットワークを形成することを阻止し、これらの電子伝導性部分を互いに電気的に絶縁することである。

また、前記冷却水配管の少なくとも一部が絶縁性材料で構成されているのが有効である。
前記燃料電池スタックが、前記燃料電池発電装置の筐体と絶縁性材料を含む部材で固定されているのが有効である。
また、前記排熱用配管が給湯器または貯湯器に接続されているのが有効である。

さらに、前記燃料電池スタックで発生した起電力が前記排熱用配管に漏れ出すことを防止する漏電防止手段を有するのが有効である。
例えば、前記漏電防止手段が、前記熱交換面および排熱用配管の少なくとも一方を地面にアースするのが有効である。

また、本発明は、水素イオン伝導性電解質と、前記水素イオン伝導性電解質を挟む一対の電極と、前記電極を挟む一対のセパレータとで構成した単位電池複数個を積層した積層体と、集電体および端板とを有する燃料電池スタック；前記燃料電池スタック内を通過する冷却水が循環する冷却水配管；前記燃料電池スタックで発生した熱と前記冷却水との熱交換を行う熱交換面を有し、排熱用配管に接続された熱交換器；前記冷却水を循環させる手段を備える燃料電池発電装置であって、
前記冷却水配管が、前記冷却水の流れを分断する分断部を有することを特徴とする燃料電池発電装置も提供する。

前記分断部は、複数個あってもよい。
また、前記分断部が前記熱交換器の入口側と出口側とに設けられているのが有効である。
さらに、前記熱交換面および排熱用配管の少なくとも一方を地面にアースするのも有効である。

上述のような構成を有する本発明に係る燃料電池発電装置によれば、冷却水に接触する金属部分の腐食を抑制し、長期にわたって冷却水の電導度が上昇するのを防ぐことができる。また、特に、熱交換器内の熱交換面の腐食を抑制する他の方法として、冷却水配管の途中に冷却水の流れ分断される箇所を設けることにより、有効に冷却水の電位が熱交換器内の熱交換面に伝わるのを妨ぐことができる。

本発明によれば、燃料電池発電装置内において、冷却水と接する電子伝導性部分を互いに電気的に絶縁すること、また、冷却水の流れを分断することによって、長期にわたって冷却水の急激な電導度上昇を抑制し、冷却水に接する電子伝導性部分の腐食を抑制することができる。また、燃料電池発電装置の信頼性を飛躍的に高めることができる。

本発明は、水素イオン伝導性電解質と、前記水素イオン伝導性電解質を挟む一対の電極と、前記電極を挟む一対のセパレータとで構成した単位電池複数個を積層した積層体と、集電体および端板とを有する燃料電池スタック；前記燃料電池スタック内を通過する冷却水が循環する冷却水配管；前記燃料電池スタックで発生した熱と前記冷却水との熱交換を行う熱交換面を有し、排熱用配管に接続された熱交換器；前記冷却水を循環させる手段を備える燃料電池発電装置に関する。

そして、前記燃料電池発電装置内において、前記冷却水と接触する電子伝導性部分のうち、前記燃料電池スタックの電子伝導性部分、前記冷却水配管の電子伝導性部分、前記熱交換器の電子伝導性部分、ならびに前記冷却水を循環させる手段（例えばポンプ）の電子伝導性部分よりなる群から選択される少なくとも２種を電気的に絶縁すること、または前記冷却水配管が前記冷却水の流れを分断する分断部を設けることを特徴とする。

まず、図１に、本発明の実施の形態１に係る燃料電池発電装置の構成を示す。
本発明に係る燃料電池発電装置は燃料電池１を含み、燃料電池１は水素イオン伝導性電解質および前記水素イオン伝導性電解質を挟む一対の電極と、これらを挟む一対の電子伝導性セパレータからなる単位電池複数個を積層し、両端に集電体および端板を有する燃料電池スタック１Ｓを有する。そして、前記燃料電池スタック１Ｓ内を通過する冷却水が循環する冷却水配管８と、前記冷却水の熱交換を行う熱交換面および排熱用配管を有し、前記冷却水を介して前記燃料電池１の排熱を回収する熱交換器１０と、前記冷却水を循環させる手段であるポンプ９とを設け、前記燃料電池発電装置内に発生する導電ネットワークを遮断することを特徴とする。

導電ネットワークが形成されると、電導度を有するに至った冷却水の循環によって、燃料電池発電装置内の金属部分などの電子伝導性部分に、貴な箇所と卑な箇所があらわれ、その結果、電子伝導性部分が腐食する。本発明はかかる問題を有効に解消するものである。

燃料電池発電装置においては、まず、燃料処理装置２において、天然ガスなどの原料から水素を主成分とする燃料ガスが生成される。この燃料ガスは、加湿器５を介して燃料電池１へ供給される。燃料処理装置２は、改質ガスを生成する改質器３と、改質ガスに含まれる一酸化炭素を水と反応させて二酸化炭素と水素にするための一酸化炭素変成器４とを備える。

なお、図１においては、燃料電池１から離れた箇所に加湿器５および７を設けた場合を示しているが、加湿器５および７を燃料電池１に隣接して設置するとともに、後述する熱交換器１０の排熱用配管１２からの熱を、加湿に用いるのが有効である。ここで、加湿器の内部には冷却水が通るため、加湿器の内部において冷却水と接する部分も、本発明における電子伝導性部分に該当する場合もある。
一方、空気供給装置６は、酸化剤ガスである空気を、加湿器７を介して燃料電池１へ供給する。ポンプ９は、燃料電池１を冷却する冷却水を、冷却水配管８を通して燃料電池１へ供給し、冷却水はスタック１Ｓ内を循環する。

冷却水配管８の途中には、熱交換器１０が設けられている。発電時には、熱交換器１０と循環ポンプ１１により燃料電池１からの排熱を、排熱用配管１２を経由してて貯水タンク１３において回収する。燃料電池１内では、冷却効率を上げるため、冷却水がスタック１Ｓの内部を通る構造とする。なお、貯水タンクは給湯器や貯湯器であっても、本発明の構成を採ることで同じ効果を得ることができる。
熱交換器１０は冷却水配管８とつながる熱交換面１０Ａを備え、熱交換面１０Ａは、熱交換の効率が高い金属で構成される。また、冷却水配管８は、樹脂またはセラミックなどの電気絶縁性および耐熱性を有する材料で構成される。

次に、図２に、図１における燃料電池１のスタック１Ｓの構造と、スタック内における各単位電池の電位とを示す。
燃料電池１のスタック１Ｓの発電する部分においては、高分子電解質膜とそれを挟む一対のガス拡散電極からなる電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）２１と導電性セパレータ板２２とが交互に積層されて積層体を構成している。その積層体の端部には、絶縁板２４を介して、板状の集電体１Ｃおよび１Ａと、端板２５Ａおよび２５Ｃが配されている。そして、集電体１Ａと熱交換面１０Ａとが、例えば金属線１４などによって接続されている。

端板２５Ａおよび２５Ｃは、絶縁性を有するボルトおよびナット（図示せず）などによって一体に締め付けられ、各単位電池は、導電性セパレータ板２２により電気的に直列に接続される。また、これにより、電解質膜電極接合体２１やセパレータ板２２などの各部材を接合する部分からのガスや冷却水の漏洩を防止することができる。

正極（酸化剤極）側の端板２５Ｃには、酸化剤ガスの入口２６Ａと冷却水の入口２７Ａとが設けられ、負極（燃料極）側の端板２５Ａには、燃料ガスの出口２６Ｂと冷却水の出口２７Ｂとが設けられている。図２では、反応ガスの入口および出口は、それぞれ１個ずつしか示していないが、燃料ガスおよび酸化剤ガスのそれぞれについて入口および出口が設けられる。なお、端板２５Ａおよび２５Ｃには、本発明の構成を採ると、加工し易くコストの安いステンレス鋼を使用することができる。

セパレータ板２２は、燃料電池１のスタック１Ｓの端部のものを除き、一方の面にガス拡散電極（正極）に酸化剤ガスを供給するガス流路を有し、他方の面にガス拡散電極（負極）に燃料ガスを供給するガス流路を有する。セパレータ板２２は、例えば単位電池２セル毎に、各単位電池を冷却するための冷却水の流路を形成する。

冷却水は、冷却水入口２７Ａからスタック１Ｓに入り、２つの単位電池ごとにセパレータ板２２の流路を通ってスタック１Ｓを冷却した後、出口２７Ｂから出て熱交換器１０に入る。熱交換器１０において、冷却水は熱交換して冷却され、再びスタック１Ｓへ供給される。このように主として冷却水配管８によって構成される冷却水循環路において、冷却水は端板２５Ａおよび２５Ｃならびに熱交換面１１０Ａなどの金属部分に接する。

ここで、不凍液などと同様に冷却水に純水を用いる場合、初期の純水は低い電導度を有するが、冷却水系の開放部（図示せず）からの不純物や冷却水循環路を構成する材料から溶出・混入する不純物により、冷却水の電導度は徐々に高くなる。

図２の下部には、燃料電池スタックの構成部材の位置と対応させて、セパレータ毎の電位を概略的に示している。Ｐｓはスタック（セパレータ）の電位を示し、ＰｅおよびＰｗは冷却水の電位を示している。Ｐｅは、運転停止（スタックの起電力がない状態）中の冷却水の電位、または冷却水がイオンで汚染されて極めて高い導電性を有するときの冷却水の電位を示す。Ｐｗは、溶出イオンで少し汚染された場合（本発明によって汚染が抑制された場合）の冷却水の電位を示す。

集電体１Ａおよび１Ｃの間では、単位電池の数に応じて、数１０Ｖ以上の電位差が生じる。スタック１Ｓ内を通じる冷却水の電位は、この電位に支配される。したがって、冷却水の入口２７Ａと出口２７Ｂの間では、冷却水には、図２のＸで示すような大きな電位差（最も貴な電位と最も卑な電位の差）が生じる。ポンプ９、スタック１Ｓおよび熱交換器１０を接続する冷却水配管８の経路内に存在する冷却水は、この入口２７Ａと出口２７Ｂの２点からの距離に応じた電位を有する。

また、このような冷却水に接触する金属部分は、接する冷却水に応じた電位を有する。このような金属部分間が導通すると、金属部分同士が等しい電位を有することになるため、冷却水に対して、一方の金属部分に貴な電位が発生し、他方の金属部分に卑な電位が発生する。
したがって、前述のように冷却水の電導度が高くなると、冷却水に対する電位が貴な金属部分から金属イオンが冷却水中に溶出する。その結果、冷却水のイオン伝導度がますます高くなり、これが金属部分の腐食を加速する。

そこで、本実施の形態では、冷却系において冷却水と接する金属部分を互いに絶縁することで、金属部分と冷却水との間に著しい電位差を生じるのを防ぎ、その腐食を抑制する。このために、熱交換面１０Ａ、スタック１Ｓおよびポンプ９を接続する冷却水配管８を樹脂またはセラミックなどの絶縁性材料で構成する。

また、スタック１Ｓにおいては、端板２５Ａと端板２５Ｃとを絶縁性のボルトナットにより締付けている。ボルトとナットはセラミックで構成する。また、端板２５Ａおよび２５Ｃとボルトおよびナットの間に耐熱性樹脂、耐熱性ゴムまたはセラミックなどの絶縁性材料で作成した部材を介在させれば、金属製のボルトおよびナットを用いることができる。
さらに、燃料電池１において、スタック１Ｓは、端板２５Ａおよび２５Ｃと絶縁性材料を介してケース（図示せず）に保持し、両者が電気的に導通するのを防ぐのが好ましい。

以上のような構成により、燃料電池発電装置内の金属部分である端板２５Ａおよび２５Ｃならびに熱交換面１０Ａは、互いに電気的に絶縁することができる。そのため、電位差に基づく加速的な金属部分の腐食を効果的に抑制することができる。

また、熱交換器１０の熱交換面１０Ａを接地すれば、これにより給湯側に冷却水の電位が伝わるのを防ぐことができ、排熱用配管１２が腐食するのを防止することができる。なお、この際、燃料電池１の正極（酸化剤極）および負極（燃料極）のいずれも接地しないようにする。加えて、排熱用配管１２も接地すれば、腐食防止効果をさらに大きくすることができる。

つぎに、図３に、本発明の実施の形態２に係る燃料電池発電装置の構成を示す。
本実施の形態２に係る燃料電池発電装置は、図１に示す実施の形態１に係る燃料電池発電装置と同様に、燃料電池１、冷却水配管８、熱交換器１０およびポンプ９を備え、さらに、前記燃料電池発電装置内における冷却水の流れに分断部を有し、冷却水による導電ネットワークを遮断することを特徴とする。

実施の形態２に係る燃料電池発電装置は、実施の形態１に係る燃料電池発電装置とほぼ同じ構成を有するが、図３に示すように、冷却水配管８において、燃料電池１と熱交換器１０との間に、冷却水の流れを分断するための分断部４１Ａおよび４１Ｂを有する点に特徴を有する。ここでは２つの分断部を設けた場合を図示しているが、１つであってもよく、また、数多く設けると効果は大きくなる。

図４は、本実施の形態において用いる分断部４１Ａを概略的に示す図である。分断部４１Ｂも同じ構造をもたせればよい。図４に示すように、分断部４１は、入口配管８Ａおよび出口配管８Ｂを本体容器８Ｃに接続することによって構成されている。入口配管８Ａは本体容器８Ｃの上部に接続され、出口配管８Ｂは本体容器８Ｃの下部に接続される。また、分断部にはサイフォンの形状および機能を持たせることで、本発明の効果を高めることができる。

そして、図３に示すように、ポンプ９から押し出された冷却水は、分断部４１Ａの入口配管８Ａから本体容器８Ｃに導入され、本体容器８Ｃの下部に設けられた出口配管８Ｂから燃料電池１へ流れる。入口配管８Ａの開口部は、本体容器８Ｃにおいて、冷却水５１の水面より上方にあり、この部分で冷却水の流通が分断される。なお、分断部４１Ａの本体容器８Ｃは密閉されている。

このような構造の分断部４１Ａおよび４１Ｂを、冷却水配管８において、燃料電池１と熱交換器１０との間に設けることにより、燃料電池１と熱交換器１０との間では冷却水の流れによる電気的な接続（導電ネットワーク）が分断される。このため、熱交換面１０Ａに、燃料電池１の電位に起因する冷却水との電位差が生じることを回避することができ、熱交換面１０Ａの腐食を抑制することができる。このような構成にすることで、入口配管８Ａおよび出口配管８Ｂを安価な金属で構成することができる。

なお、熱交換器１０と燃料電池１とを結ぶ部分の冷却水配管８が長い場合などには、ポンプ９と燃料電池１との間に分断部４１Ａのみを設けても電位的な影響が生じる場合がある。よって、冷却水配管８に、熱交換器１０と燃料電池１とを結ぶ部分にも分断部４１Ｂを設けることで、この現象を回避することができる。なお、図示していないが、熱交換面１０Ａを接地すれば、実施の形態１と同様の効果が得られる。

ここで、上記燃料電池１を構成する単位電池は、ガス拡散層および触媒反応層からなる一対のガス拡散電極と、これらに挟まれた高分子電解質膜とで構成される。ガス拡散層としては、カーボンペーパーの他、可撓性を有する素材であるカーボン繊維を織って作製されたカーボンクロス、またはカーボン繊維とカーボン粉末を混合し有機バインダーを加えて成型したカーボンフェルトなどを用いてもよい。
以下に、実施例を用いて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。

《実施例１、２および比較例》
本実施例においては、図１に示す構造を有する燃料電池発電装置１（実施例１）、図３に示す構造を有する燃料電池発電装置２（実施例２）および図７に示す比較燃料電池発電装置（比較例）を作製した。

まず、燃料電池１の単位電池を作製した。カーボン粉末（電気化学工業（株）製のデンカブラックＦＸ−３５）の表面に白金触媒を担持させて触媒体を得（５０重量％が白金）、この触媒体を高分子電解質のアルコール溶液（旭硝子（株）製のフレミオンＦＳＳ−１）中に分散させてスラリーを得た。

一方、厚さ２００μｍのカーボンペーパー（東レ（株）製のＴＧＰ−Ｈ−０９０）を、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の水性ディスパージョンに浸し、乾燥および熱処理をすることにより、撥水性を有するガス拡散層を得た。

このガス拡散層の片面に前記スラリーを塗布し、乾燥することによって、電極反応層およびガス拡散層からなるガス拡散電極を得た。ガス拡散電極の単位面積当たりの白金量は０．５ｇとした。また、このガス拡散電極を２つ作製した。

次に、一対のガス拡散電極によって、それぞれの電極反応層が内側を向くようにして、高分子電解質膜（米国デュポン社製のナフィオン１１２）を挟み、全体を圧力２．５ＭＰａ、温度１１０℃で３０秒間ホットプレスすることによって電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）を作製した。なお、ガス拡散電極の面積（電極面積）は、２５ｃｍ²とした。

また、カーボン粉末を冷間プレスによって成形して板状体を得、この板状体にフェノール樹脂を含浸させ、硬化させることによって向上したガスシール性を有する樹脂含浸板状体を得た。そして、この板状体の表面に切削加工でガス流路を形成し、導電性のセパレータを得た。また、セパレータのガス流路の周辺部には、燃料ガス供給排出用のマニホルド孔、酸化剤ガス供給排出用のマニホルド孔、および冷却水供給排出用のマニホルド孔を形成した。

次に、図２に示す構造を有する燃料電池１のスタック１Ｓを作製した。上述のようにして作製したＭＥＡの周囲にガスシール材となるシリコーンゴム製のガスケットを配し、セパレータ２２を介してＭＥＡを１０個積層した。その際、ＭＥＡ２個ごとに冷却水の流路を刻んだセパレータ２２を挟んで、積層体を得た。

このようにして得た積層体の両端に、金メッキを施した銅製の板状の集電体１Ｃおよび１Ａを配置するとともに、絶縁板２４を介してステンレス鋼製の端板２５Ａおよび２５Ｃを当て、全体を２０ｋｇｆ／ｃｍ²の圧力で締結してスタックを得た。集電体にも、燃料ガス用のマニホルド孔、酸化剤ガス用のマニホルド孔、および冷却水用のマニホルド孔を形成した。

端板２５Ａおよび２５Ｃは、絶縁性を有するボルトおよびナット（図示せず）などによって一体に締め付け、各単位電池は、セパレータ２２により電気的に直列に接続された。また、これにより、電解質膜電極接合体２１やセパレータ２２などの各部材を接合する部分を完全にシールした。

また、上述の各マニホルド孔に連通するように、端板２５Ｃには、反応ガスの入口２６Ａと冷却水の入口２７Ａとを設け、端板２５Ｂには、反応ガスの出口２６Ｂと冷却水の出口２７Ｂとを設けた。図２では、反応ガスの入口および出口は、それぞれ１個ずつしか示していないが、燃料ガスおよび酸化剤ガスのそれぞれについて入口および出口を設けた。

このようにして作製した燃料電池１において、燃料ガス用のマニホルド孔に加湿器５を介して燃料処理装置２を接続し、酸化剤ガス用のマニホルド孔に加湿器７を介して空気供給装置６を接続した。また、スタック１Ｓの冷却水用のマニホルドには冷却水配管８を接続し、冷却水配管８には熱交換器１０とポンプ９を接続した。

ここで、冷却水配管８としては、すべて電気絶縁性材料である樹脂製の配管を用いた。これにより、前記燃料電池と前記熱交換器と前記ポンプとの間に、前記冷却水による導電ネットワークが形成されるの防止した。これにより、図１に示す構造を有する燃料電池発電装置１を作製した（実施例１）。

また、冷却水配管８において、燃料電池１と熱交換器１０との間に、冷却水の流れを分断するための図４に示す構造を有する分断部４１Ａおよび４１Ｂを設けた以外は、上記燃料電池発電装置１と同様にして、図３に示す構造を有する本発明に係る燃料電池発電装置２を作製した（実施例２）。
さらに、冷却水配管１０８を金属で構成した以外は、上記燃料電池発電装置１と同様にして、図６に示す構造を有する従来の燃料電池発電装置として比較用燃料電池発電装置を作製した（比較例）。

［評価］
以上のように作製した燃料電池発電装置について、運転時の金属部分の腐食に関する評価した。ガスを供給するガス供給系、電池から取り出す負荷電流を設定および調節する電気出力系、ならびに電池温度を調整し、排熱を有効活用する熱調整系を加え、燃料電池発電装置を連続して運転する実験を行った。
各電池構成単位における電流密度を０．３Ａ／ｃｍ²とし、供給するガスに対してどれだけの割合のガスが電極反応に利用されたかを表すガス利用率を、燃料極側では７０％とし、酸化剤極側では４０％とした。
なお、燃料電池の発電は、化学式：Ｈ₂＋１／２Ｏ₂→Ｈ₂Ｏにより決定される。導入したＨ₂がすべて上記の反応を起こした場合には利用率が１００％となる。しかし、実際には、色々な理由により、導入したＨ₂の約３０％が未反応のまま、つまりＨ₂のまま排出される。

また、電池温度を７５℃とし、反応ガスの燃料としては純水素を供給し、反応ガスの酸化剤ガスとしては空気を供給した。反応ガスの供給圧力に関しては、空気側を０．２ｋｇｆ／ｃｍ²とし、水素側を０．０５ｋｇｆ／ｃｍ²とし、出口側は大気に開放した。
冷却水として純水を使用し、燃料電池発電装置を連続して運転し、電池性能の変化、および冷却水の電導度（電気抵抗）を連続して監視した。図５に、実施例１の燃料電池発電装置、実施例２の燃料電池発電装置および比較例の燃料電池発電装置の運転時間と、冷却水の電気抵抗との関係を比較して、それぞれ６１、６２および６０で相対的に示した。横軸は運転時間（ｔ）を示し、縦軸は冷却水の電気抵抗（Ｒ）を示す。なお、相対的に示したため、単位は省略した。
図５から明らかなように、本発明に係る燃料電池発電装置においては、従来の燃料電池発電装置に比べ、冷却水の電導度が長期にわたって低く保つことができる。

本発明によれば、燃料電池発電装置内において、冷却水と接する電子伝導性部分を互いに電気的に絶縁すること、また、冷却水の流れを分断することによって、長期にわたって冷却水の急激な電導度上昇を抑制し、冷却水に接する電子伝導性部分の腐食を抑制することができる。したがって、本発明に係る燃料電池発電装置は、家庭用コージェネレーションシステムや車用の発電装置などに好適に用いることが可能である。

本発明の実施の形態１に係る燃料電池発電装置の構成を示す図である。 図１における燃料電池１のスタック１Ｓの構造と、スタック内における各単位電池の電位とを示す図である。 本発明の実施の形態２に係る燃料電池発電装置の構成を示す図である。 実施の形態２において用いる分断部４１Ａの構造を概略的に示す図である。 本発明の実施例および比較例における燃料電池発電装置の運転時間と、冷却水の電気抵抗との関係を相対的に示す図である。 従来の燃料電池発電装置の構成を示す図である。

符号の説明

１ 燃料電池
１Ａ 集電体
１Ｃ 集電体
８ 冷却水配管
１０ 熱交換器
２５Ａ、２５Ｃ 端板
４１ 分断部

Claims (10)

1. 水素イオン伝導性電解質と、前記水素イオン伝導性電解質を挟む一対の電極と、前記電極を挟む一対のセパレータとで構成した単位電池複数個を積層した積層体と、集電体および端板とを有する燃料電池スタック；前記燃料電池スタック内を通過する冷却水が循環する冷却水配管；前記燃料電池スタックで発生した熱と前記冷却水との熱交換を行う熱交換面を有し、排熱用配管に接続された熱交換器；前記冷却水を循環させる手段を備える燃料電池発電装置であって、
   前記燃料電池発電装置内において、前記冷却水と接触する電子伝導性部分のうち、前記燃料電池スタックの電子伝導性部分、前記冷却水配管の電子伝導性部分、前記熱交換器の電子伝導性部分、ならびに前記冷却水を循環させる手段の電子伝導性部分よりなる群から選択される少なくとも２種を電気的に絶縁することを特徴とする燃料電池発電装置。
2. 前記燃料電池スタックの電子伝導性部分が前記セパレータ、集電体および端板を含み、前記熱交換器の電子伝導性部分が前記熱交換面を含む請求項１記載の燃料電池発電装置。
3. 前記冷却水配管の少なくとも一部を絶縁性材料で構成した請求項１記載の燃料電池発電装置。
4. 前記燃料電池スタックを、絶縁性材料を含む部材によって前記燃料電池発電装置に固定した請求項１記載の燃料電池発電装置。
5. 前記排熱用配管を給湯器または貯湯器に接続した請求項１記載の燃料電池発電装置。
6. さらに、前記燃料電池スタックで発生した起電力が前記排熱用配管に漏れ出すことを防止する漏電防止手段を有する請求項５記載の燃料電池発電装置。
7. 前記漏電防止手段は、前記熱交換面および排熱用配管の少なくとも一方を地面にアースする請求項６記載の燃料電池発電装置。
8. 水素イオン伝導性電解質と、前記水素イオン伝導性電解質を挟む一対の電極と、前記電極を挟む一対のセパレータとで構成した単位電池複数個を積層した積層体と、集電体および端板とを有する燃料電池スタック；前記燃料電池スタック内を通過する冷却水が循環する冷却水配管；前記燃料電池スタックで発生した熱と前記冷却水との熱交換を行う熱交換面を有し、排熱用配管に接続された熱交換器；前記冷却水を循環させる手段を備える燃料電池発電装置であって、
   前記冷却水配管のいずれかの部分に、前記冷却水の流れを分断する分断部を儲けたことを特徴とする燃料電池発電装置。
9. 前記分断部を、前記熱交換器の入口側と出口側との両側に設けた請求項８記載の燃料電池発電装置。
10. 前記熱交換面および排熱用配管の少なくとも一方を地面にアースする請求項８記載の燃料電池発電装置。

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