JP2005158629A - 固体高分子型燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 固体高分子形燃料電池の全長を長くすることなく、十分な絶縁距離を得ることができる固体高分子型燃料電池を提供する。
【解決手段】 電解質膜の両側に多孔質電極が接合一体化された電極・膜接合体と、電極・膜接合体の両側に配設された各セパレータとにて成る単セル９を複数積層し、積層された単セル９の両端に電流を取り出す導電性の集電板１０を有する積層体１９と、積層体１９の外両側に設けられた所定厚さの絶縁板１１と、絶縁板１１および集電板１９を貫通してそれぞれ設けられた燃料ガスマニホールド２２と、酸化剤ガスマニホールド２３と、冷却液マニホールド２１とから成る固体高分子型燃料電池において、冷却液マニホールド２１は、絶縁板１１内において厚さ方向から傾斜した方向に延在する絶縁距離延長部１５を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、配管にて外部と接続する固体高分子型燃料電池の絶縁性向上に関するものである。

従来の配管にて外部と接続する固体高分子型燃料電池は、絶縁板からスリーブを延ばす構造とすることにより、絶縁板の厚みとスリーブの長さとの絶縁距離により絶縁を確保している（例えば特許文献１参照）。

特開２００２−１６４０７５号公報

従来の固体高分子型燃料電池は当該燃料電池が接続される電路の絶縁抵抗は、燃料電池発電規定（ＪＥＡＣ ５００２−１９９２）の頁２１１の表３−１において以下に示すように記載されている。
３００Ｖ以下で、対地電圧が１５０Ｖ以下の場合：絶縁抵抗値は０．１ＭΩ以上
３００Ｖ以下で、対置電圧が１５０Ｖより大きい場合：絶縁抵抗値は０．２ＭΩ以上
３００Ｖを超えるもの：絶縁抵抗値は０．４ＭΩ以上
である。

ここで冷却液流路を例にとり絶縁距離を考える。
冷却液導電率ρを２０μＳ／ｃｍまで許容する場合、電気絶縁板内を通る冷却液の流路長Ｌは、流路断面をＳとすると、
Ｌ＝Ｒ・ρ・Ｓ
で計算される。Ｒは絶縁抵抗値である。
ただし、ここで計算されるＬは最低値であるため、安全率をとる必要がある。

たとえば、３００Ｖ以下で、対地電圧が１５０Ｖ以下の場合、絶縁抵抗値Ｒは０．１ＭΩ（固体高分子型燃料電池は、通常この規格に当てはまる）。冷却液流路断面積Ｓを２ｃｍ^２とすると、
Ｌ＝０．１ＭΩ×２０μＳ／ｃｍ×２ｃｍ^２＝４ｃｍ
となるが、安全率をとり、Ｌ／Ｓを５以上とすると、Ｌ＝１０ｃｍとなる。

前記例で必要な１０ｃｍの絶縁距離を確保する場合、従来の固体高分子型燃料電池の絶縁は絶縁板からスリーブを延ばした構造のため、絶縁板の厚みとスリーブの長さを１０ｃｍとる必要があり、したがって固体高分子型燃料電池の全長が長くなってしまう。他の方法としては、配管パイプ内にスリーブを延ばす方法もあるが、必要な据付長さとしては固体高分子型燃料電池の全長に加えスリーブの突出長が必要となり、全体として長くなってしまう。また、コンパクトな配管とするため固体高分子型燃料電池に接続する配管をＬ字型に配管したい場合、配管パイプ内にスリーブを延ばすと固体高分子型燃料電池の出口ですぐにＬ字型に配管できず、全体として長くなってしまう。よって、絶縁距離を確保するためには燃料電池自体の全長が長くなってしまうという問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、固体高分子型燃料電池の全長を長くすることなく十分な絶縁距離を保つことができる固体高分子型燃料電離を得ることを目的とするものである。

本発明は、固体高分子電解質膜の両側に電極が接合一体化された電極・膜接合体と、電極・膜接合体の両側に配設されたセパレータとにて成る単セルを複数積層し、積層された単セルの両端に電流を取り出す導電性の集電板を有する積層体と、積層体の外両側に設けられた所定厚さの絶縁板と、絶縁板および集電板を貫通してそれぞれ設けられた各単セル内に燃料ガスを供給する燃料ガス路と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス路と、冷却液を供給する冷却液流路とから成る固体高分子型燃料電池において、
冷却液流路は、絶縁板内において厚さ方向から傾斜した方向に延在する部分を有するものである。

本発明の固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に電極が接合一体化された電極・膜接合体と、電極・膜接合体の両側に配設されたセパレータとにて成る単セルを複数積層し、積層された単セルの両端に電流を取り出す導電性の集電板を有する積層体と、積層体の外両側に設けられた所定厚さの絶縁板と、絶縁板および集電板を貫通してそれぞれ設けられた各単セル内に燃料ガスを供給する燃料ガス路と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス路と、冷却液を供給する冷却液流路とから成る固体高分子型燃料電池において、
冷却液流路は、絶縁板内において厚さ方向から傾斜した方向に延在する部分を有するので、固体高分子型燃料電池の全長を長くすることなく、十分な絶縁距離を確保することができる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態について説明する。
図１はこの発明の実施の形態１による固体高分子型燃料電池の構成を示す図である。図において、積層体１９は、発電部である固体の電解質膜を用いた電極・膜接合体の両面にセパレータが配置された単セル９が積層され、その両端に電流を取り出す導電性の集電板１０を設けている。そして、積層体１９の両端の外側に所定厚さの絶縁板１１が、さらに外側に導電性の金属でできた締付板１２がそれぞれ設けられている。

次に冷却液流路１７について説明する。図１の左側に示す一方の締付板１２に設けられた冷却液供給口１６−１からその締付板１２、絶縁板１１、および集電板１０の板厚方向を貫通する。そして、絶縁板１１においては板厚方向から傾斜した方向、ここでは板厚方向と直角下方方向に延在し、更に折り返す部分を有する絶縁距離延長部１５が形成されている。次に、積層体１９の各単セル９の面内の冷却液流路１７を流れ、他方の集電板１０、絶縁板１１、および締付板１２を板厚方向に貫通するように通る。そして、この他方の絶縁板１１においても、上記と同様に、板厚方向から傾斜した方向、ここでは板厚方向と直角下方方向に延在し、更に折り返す部分を有する絶縁距離延長部１５が形成されている。そして、締付板１２に設けられた冷却液排出口１６−２へとつながっている。

尚、図１においては冷却液流路１７の経路について示したが、単セル内に燃料ガスを供給するための燃料ガス路および酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス路においても同様の経路にて形成されている。

図２は図１に示した固体高分子型燃料電池の単セル９の構成を示す図である。図において、発電部である電極・膜接合体は、固体高分子の電解質膜１の両面に電極としての白金触媒を塗布された例えばカーボンペーパやカーボンクロスなどにて成る多孔質電極３を備える。そして、電解質膜１の周囲には、例えば樹脂のポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）やポリフェニレンサルフィド（ＰＰＳ）などにて成る絶縁枠２が配置されている。単セル９の電極・膜接合体の片面には、酸化剤ガスを供給可能な流路を有する片面溝付きのセパレータ４が、他面には燃料ガスを供給可能な流路を有し、電極・膜接合体の対面には冷却液を供給可能な冷却液流路１７を有する両面溝付きセパレータ５が配置されている。単セル９内の冷却液流路としての冷却液マニホールド２１には、これとつながる流路１７−２、１７−３が設けられている。

尚、ここでは図示していないが、導電性のある金属配管にて、冷却液供給口１６−１と冷却液排出口１６−２とは配管され、導電性のある金属配管は大地に接地されている。よって、導電性のある金属配管と接続された導電性の金属で成る締付板１２は同電位である。したがって電圧を持つ積層体１９と締付板１２との間は絶縁板１１により絶縁していることとなる。

図３（ａ）は左側の絶縁板１１を図１の図面上左方向から見た図である。絶縁板１１には、冷却液マニホールド２１、燃料ガスマニホールド２２と、酸化剤ガスマニホールド２３が設けられている。図３（ｂ）は絶縁板１１の冷却液マニホールド２１の断面を示す図である。冷却液マニホールド２１は、図３（ｂ）に示すように絶縁距離延長部１５を有する。また、燃料ガスマニホールド２２および酸化剤ガスマニホールド２３においても同様に絶縁距離延長部が形成されている。

次に上記のように構成された実施の形態１の固体高分子型燃料電池の絶縁性について説明する。まず、燃料電池が接続される電路の絶縁抵抗は、上記従来例の説明において示したように燃料電池発電規定に記載されており、燃料電池が接続される低圧の電路の電線相互間及び電路と対地との間の絶縁抵抗は、開閉器又は遮断器で区切ることのできる電路ごとに、電路の使用電圧の区分に応じ、それぞれに掲げる値以上でなければならない。

ここでは、冷却液流路を例に取り絶縁距離を考える。冷却液導電率ρを２０μＳ／ｃｍまで許容する場合、電気絶縁板内を通る冷却液の流路長Ｌは、流路断面をＳとすると、以下に示す式にて計算される。
Ｌ＝Ｒ・ρ・Ｓ
Ｒは絶縁抵抗値である。ただし、ここで計算されるＬは最低値であるため、安全率をとる必要がある。そして、３００Ｖ以下で、対地電圧が１５０Ｖ以下の場合、絶縁抵抗値Ｒは０．１ＭΩ。冷却液流路断面積Ｓを図３（ａ）に示すように２ｃｍ^２とすると、
Ｌ＝０．１ＭΩ×２０μＳ／ｃｍ×２ｃｍ^２＝４ｃｍ
となるが、安全率をとり、Ｌ／Ｓを５以上とすると、Ｌ＝１０ｃｍとなる。このときの絶縁抵抗は、（１／冷却液導電率の許容値）×Ｌ／Ｓで算出でき、
（１／２０μＳ／ｃｍ）×５＝０．２５ＭΩ
で絶縁抵抗値Ｒの２．５倍である。

Ｌ＝１０ｃｍを確保するには、図３（ｂ）に示すように絶縁板１１の絶縁距離延長部１５を図中の下方に５ｃｍにおいて折り返す部分を有するように形成することで達成できる。従来、絶縁板の厚みを１０ｃｍ必要としたが、本実施の形態１のように冷却液流路１７において絶縁板１１内に絶縁距離延長部１５を設けることで、図３（ｂ）に示すように絶縁板１１の厚みを２．５ｃｍにすることができる。

上記のように構成された実施の形態１の固体高分子型燃料電池のように、絶縁距離延長部を絶縁板内に形成することで、絶縁板自体の厚みを厚くすることなく、十分な絶縁距離を確保することができる。

実施の形態２．
上記実施の形態１では絶縁板１１における絶縁距離延長部１５が、絶縁板１１の断面において折り返し部分を有するＵ字状に形成する例を示したが、図４に示すように絶縁板１１の面内を絶縁距離延長部１５が図の板厚方向と傾斜した方向の直角下方方向の上から下に延在して形成されていてもよく、上記実施の形態１に示した絶縁板１１の厚みより薄く１４ｍｍにて形成することができる。したがって、上記実施の形態１と同様の効果が得られるとともに、さらに固体高分子型燃料電池の全長を短くすることが出来る。

また、図５に示すように絶縁板１１の面内を絶縁距離延長部１５が板厚方向と傾斜した方向の直角左または右方向に延在して形成されていてもよく、上記図４に示した絶縁板１１と同様の効果が得られることは言うまでもない。また、図６に示すように、絶縁板１１の絶縁距離延長部１５が板厚方向と傾斜した方向の直角左又は右方向に延在し、更に折り返す部分を有しても上記場合と同様の効果が得られることは言うまでもない。また、図示はしないものの、絶縁距離延長部は絶縁板の板厚方向と傾斜した方向であればよく、例えば斜めに下方方向に延在するなど様々な例が考えられる。

尚、燃料ガス路および酸化剤ガス路については特に説明していないが、各図に示すような冷却液流路と同様の構成にて絶縁距離延長部を備えているものである。

実施の形態３．
上記実施の形態１では、冷却液導電率ρを２０μＳ／ｃｍまで許容する場合について述べたが、５０μＳ／ｃｍまで許容する場合はＬ＝１０ｃｍ、１００μＳ／ｃｍまで許容する場合はＬ＝２０ｃｍが必要である。上記各実施の形態の絶縁板の絶縁距離延長部を設ける方法により距離を確保することは可能である。そして、冷却液は冷却液導電率が許容値に達すれば純粋器を用いて冷却液の導電率を低減する操作を行う必要がある。図７は、固体高分子型燃料電池を運転した場合の、冷却水導電率の上昇傾向を示している。冷却水導電率の上昇は、１時間当たり約０．２μＳ／ｃｍである。初期冷却水導電率を０μＳ／ｃｍとした場合、２０μＳ／ｃｍまでの到達時間は約１００時間、５０μＳ／ｃｍまでの到達時間は約２５０時間、１００μＳ／ｃｍまでの到達時間は約５００時間と換算できる。

このように冷却液導電率が許容値に達するまでの時間は、５０μＳ／ｃｍでは２０μＳ／ｃｍの２．５倍、１００μＳ／ｃｍでは５倍と長くなる。したがって冷却液導電率の許容値を５０μＳ／ｃｍ以上となるように、上記各実施の形態の絶縁板の絶縁距離延長部を形成し必要な距離を確保すれば、純粋器により冷却液の導電率を低減する操作回数が削減でき、メンテナンス費用を大幅に削減できる。但し、実質的な使用上冷却液導電率の許容値を４００μＳ／ｃｍより大きくすることは困難である。

導電率５０μＳ／ｃｍのとき、既定値である絶縁抵抗値Ｒの０．１ＭΩ以上をクリアするＬ／Ｓの最小値は、次式で計算される。
Ｌ／Ｓ＝絶縁抵抗値Ｒ×冷却液導電率の許容値
Ｌ／Ｓ＝０．１ＭΩ×５０μＳ／ｃｍ＝５ｃｍ^−１
である。Ｌ／Ｓを５ｃｍ^−ｌとした場合の導電率と抵抗の関係を図８に示す。Ｌ／Ｓ＝５ｃｍ^−１で５０μＳ／ｃｍ以下が絶縁抵抗値Ｒの０．１ＭΩ以上をクリアする。

次に、抵抗０．１ＭΩとなる導電率とＬ／Ｓの関係を図９に示す。冷却液導電率の許容値が５０μＳ／ｃｍ以上で、絶縁抵抗Ｒの０．１ＭΩ以上をクリアするためには、図９に示されるように、Ｌ／Ｓを５ｃｍ^−１以上とすれば可能である。
Ｌ／Ｓ≧５ｃｍ^−ｌ
となる。そして、４００μＳ／ｃｍ以下であるため上限値は、
Ｌ／Ｓ≦４０ｃｍ^−ｌ
となる。

上記のような固体高分子型燃料電池は、３００Ｖ以下で、対地電圧が１５０Ｖ以下の場合の規定値となる０．１ＭΩ以上となる条件を確保することができ、さらにメンテナンスにおいてコストを低減することができる。

実施の形態４．
図１０はこの発明の実施の形態４による固体高分子型燃料電池を説明するための図である。上記各実施の形態においては積層体１９が１つの場合について説明したが、これに限られることはなく、積層体を２つ以上直列に配置し、各積層体間に所定厚さの中間絶縁板を設け、冷却液流路は、中間絶縁板内の厚さ方向から傾斜した方向に延在する部分を有すようにしてもよい。

図１０においてその例を示す。図において、上記各実施の形態と同様の部分は同一符号付して省略する。単セル９を積層し、その両端に電流を取り出す導電性の集電板１０が設けられた第１の積層体１９−１と、第２の積層体１９−２が直列に配置され、その間に中間電気絶縁板１８が設けられている。直列に配置された第１の積層体１９−１と第２の積層体１９−２の外側に絶縁板１１が、さらに外側に締付板１２が設けられている。積層体ごとに出力をとりたい場合には、このような構成をとり、積層体ごとにインバータが取り付けられ電気出力が取り出される。このため、積層体ごとの絶縁が必要である。

よって、第１の積層体１９−１と第２の積層体１９−２とを中間電気絶縁板１８により絶縁している。中間電気絶縁板１８には、上記実施の形態１の場合の絶縁板１１と同様に、面内方向に形成された絶縁距離延長部１５を形成する方法が考えられる。また、上記実施の形態２に示す絶縁板１１と同様に、形成する例も考えられる。このように、絶縁距離延長部１５を有する中間電気絶縁板１８を第１の積層体１９−１と、第２の積層体１９−２との間に設けたことにより、中間電気絶縁板１８の厚みを厚くすることなく、十分な絶縁距離を確保することができる。

また、上記実施の形態５では、積層体を２つ直列に配置した構造で説明したが、中間電気絶縁板を間に設けさらに３つ以上配置しても同様の効果が得られる。また、他の燃料ガス路および酸化剤ガス路においても中間電気絶縁板において上記各実施の形態と同様に絶縁距離延長部を形成することができ同様の効果を奏することは言うまでもない。

尚、上記各実施の形態では、燃料ガス路および酸化剤ガス路についても冷却液流路と同様の絶縁距離延長部を備える例を示した。これは燃料ガス路や、酸化剤ガス路では、ガスに湿度を付加した加湿ガスを流したり、発電反応により水が生成されたりするため、冷却液流路と同様な考え方により適用できるものである。よって、燃料ガス路や、酸化剤ガス路についても冷却液流路と同様の構造をとることで、同様の効果が得られる。ただし、冷却液流路のみに絶縁距離延長部を備えても、上記各実施の形態と同様の効果を奏することができる。

この発明の実施の形態１の固体高分子型燃料電池の構成を示す図である。 図１に示した固体高分子型燃料電池の単セルの構成を示す図である。 図１に示した固体高分子型燃料電池の絶縁板の構成を示す図である。 この発明の実施の形態２の固体高分子型燃料電池の絶縁板の構成を示す図である。 この発明の実施の形態２の固体高分子型燃料電池の絶縁板の他の構成を示す図である。 この発明の実施の形態２の固体高分子型燃料電池の絶縁板の他の構成を示す図である。 この発明の実施の形態３の固体高分子型燃料電池の冷却液導電率の上昇を説明するための図である。 この発明の実施の形態３の固体高分子型燃料電池の特性を説明するための図である。 この発明の実施の形態３の固体高分子型燃料電池の特性を説明するための図である。 この発明の実施の形態４の固体高分子型燃料電池の構成を示す図である。

符号の説明

１ 電解質膜、２ 絶縁枠、３ 多孔質電極、４ 片面溝付きセパレータ、
５ 両面溝付きセパレータ、７ 絶縁膜、９ 単セル、１０ 集電板、１１ 絶縁板、
１２ 締付板、１５ 絶縁距離延長部、１６−１ 冷却液供給口、
１６−２ 冷却液排出口、１７ 冷却液流路、１８ 中間電気絶縁板、１９ 積層体、
１９−１ 第１の積層体、１９−２ 第２の積層体、２１ 冷却液マニホールド、
２２ 燃料ガスマニホールド、２３ 酸化剤ガスマニホールド。

Claims (6)

1. 固体高分子電解質膜の両側に電極が接合一体化された電極・膜接合体と、上記電極・膜接合体の両側に配設されたセパレータとにて成る単セルを複数積層し、上記積層された単セルの両端に電流を取り出す導電性の集電板を有する積層体と、上記積層体の外両側に設けられた所定厚さの絶縁板と、上記絶縁板および上記集電板を貫通してそれぞれ設けられた上記各単セル内に燃料ガスを供給する燃料ガス路と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス路と、冷却液を供給する冷却液流路とから成る固体高分子型燃料電池において、
   上記冷却液流路は、上記絶縁板内において厚さ方向から傾斜した方向に延在する部分を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池。
2. 上記燃料ガス路または／および上記酸化剤ガス路は、上記絶縁板内において厚さ方向から傾斜した方向に延在する部分を有することを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
3. 上記積層体を２つ以上直列に配置し、上記各積層体間に所定厚さの中間絶縁板を設けた場合、上記冷却液流路は、上記中間絶縁板内の厚さ方向から傾斜した方向に延在する部分を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体高分子型燃料電池。
4. 上記燃料ガス路または／および上記酸化剤ガス路は、上記中間絶縁板内の厚さ方向から傾斜した方向に延在する部分を有することを特徴とする請求項３に記載の固体高分子型燃料電池。
5. 上記冷却液流路、上記燃料ガス路および上記酸化剤ガス路が上記絶縁板内または／および上記中間絶縁板内の厚さ方向から傾斜した方向に延在し更に折り返す部分を有することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池。
6. 上記冷却液の導電率の発電時の許容値を５０μＳ／ｃｍ以上４００μＳ／ｃｍ以下、上記冷却液流路の延在部分の流路長Ｌ、および上記冷却液流路の延在部分の断面積をＳとしたときＬ／Ｓが５ｃｍ^−１以上４０ｃｍ^−１以下とすることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか記載の固体高分子形燃料電池。
   

Images