JP2005317470A - 燃料電池の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池の運転条件を制御することによって、セパレーターとして適用されるステンレス鋼の腐食を軽減する。
【解決手段】 プロトン伝導体である固体高分子膜を介して発電する燃料電池を運転する際に、燃料電池内の水溶液のｐＨが１以上６以下の範囲であり、カソード極側のステンレスセパレーターの電極電位（Ｖ）が、標準水素電極基準で、下記［式１］で示されるＥ値未満となるように燃料電池を発電させて、ステンレスセパレーターの腐食を軽減する。
【数１】

【選択図】 なし

Description

本発明は、燃料電池の運転方法に関する。より詳しくは、本発明は、プロトン伝導体である固体高分子膜を介して発電する燃料電池の運転状態を制御して、ステンレスセパレーターの腐食を軽減する方法に関する。

水素と酸素（または空気）を用いて発電する燃料電池は、排出物が水であることから、環境負荷の少ない発電システムとして期待されている。特に、固体高分子電解質膜を用いた燃料電池は、比較的低い温度で（８０℃）、常圧で稼働できるため、自動車の動力源など、各方面で精力的な研究が続けられている。

しかし、現状の燃料電池システムは、構成部品や部材の単価が高く、民生用へ適用するには、構成部品や部材の大幅な低コスト化が不可欠である。また、自動車への適用では、低コスト化と共に、燃料電池の心臓部となるスタックのコンパクト化も求められている。

このような課題を解決する一つの手段として、一般にカーボンが用いられているセパレーターの材質を金属材料に変更する動きがあり、例えば非特許文献１には、特殊なステンレス鋼を用いたセパレーターが開発中であることが開示されている。本文献には、鋼材中に導電性化合物を析出させた特殊なステンレス鋼を用いることによって、ステンレス鋼の接触抵抗を有効に低減させることが開示されている。しかしながら、ステンレス製セパレーターを長期間使用した際の耐食性の課題に関しては、不明な点が多い。

燃料電池の固体高分子膜として一般に使用されているパーフロロスルホン酸膜は、酸性でかつフッ化物イオンが溶出する可能性があることから、ステンレス鋼の腐食による穴あきや、ステンレス鋼より溶出した金属イオンによる高分子膜の汚染が発生する虞があり、電流効率が低下することが懸念されている。すなわち、セパレーター材料に適用するステンレス鋼の腐食を軽減することが、極めて重要な課題となっている。
固体高分子形燃料電池／水素エネルギー利用成果報告会 予稿集、−固体高分子形燃料電池に関する技術開発−、ｐ７９から、平成１５年３月１１日（火）、新エネルギー・産業技術総合開発機構

上述のように、非特許文献１に開示されている特殊なステンレス鋼は、低い接触抵抗値を示し、セパレーター材として有望であることが開示されている。しかし、耐食性の評価については、実際の燃料電池評価装置を用いて、長期耐久性が検討されている段階であり、上記ステンレス鋼がセパレーターとして、十分な耐食性を有するステンレス鋼であるかについては不明な点が多い。

そこで、本発明の目的は、燃料電池の運転条件を制御することによって、セパレーターとして適用されるステンレス鋼の腐食を軽減する手段を提供することである。

本発明の要旨とするところは以下の通りである。
（１）プロトン伝導体である固体高分子膜を介して発電する燃料電池の運転方法であって、燃料電池内の水溶液のｐＨが１以上６以下の範囲であり、カソード極側のステンレスセパレーターの電極電位（Ｖ）が、標準水素電極基準で、下記［式１］で示されるＥ値未満となるように燃料電池を発電させて、ステンレスセパレーターの腐食を軽減することを特徴とする、燃料電池の運転方法である。

（２）カソード極側での酸素分圧を０．１５気圧以下とすることを特徴とする（１）に記載の燃料電池の運転方法である。

本発明によって、燃料電池のセパレーターとして用いられるステンレス鋼の腐食を軽減することが可能である。本発明によって燃料電池のセパレーターの腐食が軽減可能であるため、汎用ステンレス鋼をセパレーターとして用いることも可能であり、燃料電池の製造コストの大幅な削減も可能である。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討した。その結果、燃料電池用ステンレス鋼セパレーターの腐食を防止するには、空気、酸素、または酸素と不活性ガスとの混合気体等が供給されるカソード極側のステンレスセパレーターの電極電位を制御することが有効であることを見出した。

本発明者らは、燃料電池内の水溶液のｐＨが１以上６以下の範囲において、カソード極側のステンレスセパレーターの電極電位と、ステンレスセパレーターの腐食との関係を調査した。燃料電池内の水溶液のｐＨの下限値を１としたのは、ｐＨが１未満では、ＳＵＳ３１６鋼のような汎用のステンレス鋼表面に健全な不働態皮膜が維持されない虞があるためである。また、電池内の水溶液のｐＨの上限値を６としたのは、ｐＨが６を越える環境では、ステンレス鋼は、基本的に良好な耐食性を有する。また、本願発明では、プロトン伝導性を有する固体高分子膜を用いた燃料電池を対象としていることから、基本的にｐＨが中性、アルカリ性とはならないためである。

この様な見地から、電池内の水溶液のｐＨが１以上６以下の範囲で、カソード極側のステンレスセパレーターの電極電位の腐食状況への影響を、実験により確認したところ、腐食を軽減する好ましい電極電位が、電池内の水溶液のｐＨとの関係で求まることを見出した。具体的には、燃料電池を運転して発電する際に、カソード極側のステンレスセパレーターの電極電位（Ｖ）が、標準水素基準（ＳＨＥ）で、上記の［式１］で示されるＥ値未満となるように燃料電池を運転するすることによって、ステンレスセパレーターの腐食を軽減することができることを見出した。

［式１］の電位は、標準水素電極を基準としているが、例えば、飽和甘こう電極、銀／塩化銀電極等の照合電極を用いてステンレスセパレーターの電極電位を測定して、それを標準水素電橋基準に換算しても良い。

燃料電池内の水溶液のｐＨを測定する場合、燃料電池のセル内のｐＨを直接測定することは困難であることから、本願発明で示すｐＨとは、カソード極側から排出される水溶液を集め、測定した値を意味する。

燃料電池内の腐食環境を正確に把握することが極めて困難なことから、いかなるメカニズムで腐食が生じていたかを解明することは困難である。推定ではあるが、電池内のｐＨが低い場合、ステンレス鋼表面の不働態皮膜の化学的安定性が損なわれ、かつ、ステンレスセパレーターの電極電位が、電池内のｐＨに応じて、［式１］で決定されるＥ値以上になると、ステンレス鋼表面に形成される不働態皮膜の化学的安定性が著しく低下し、耐食性の低下が生じると考えられる。

本発明においては、上記制御に加えて、カソード極に流入する酸素の分圧を０．１５気圧以下とすることが好ましい。これにより、カソード極側のステンレスセパレーターの腐食を大幅に軽減することができる。酸素分圧は、カソード極側でのステンレスセパレーターの電極電位を作用する重要因子であり、酸素分圧を低減することによって、電極電位が有効に低減しているものと思われる。

燃料電池を発電するためには、少なくとも酸素を流入させることは不可欠であり、酸素分圧の好ましい下限値は、特に規定されない。発電条件に応じて、適宜設定すれば良い。

酸素の分圧を０．１５気圧以下とするには、アルゴン、窒素のような不活性なガスを純酸素あるいは空気に添加することによって調整することができる。

なお、固体高分子膜を介して、酸素と水素を拡散させて反応させ、反応に有効な酸素分圧を低下する、いわゆるクロスオーバーを許容できる範囲においては、クロスオーバーを利用し、有効に酸素分圧を低下させることも可能である。但し、実際にどの程度のクロスオーバーが発生するかは、実際に発電実験を行ってみないと、不明な部分があるため、その部分の確認を事前に行っておくことが重要である。

試験片としては、ＳＵＳ３１６Ｌ鋼の冷延焼鈍板を用いた。いずれの試験片も、表面仕上げは２Ｂ仕上げで、試験片の寸法は５０ｍｍ（長さ）×５０ｍｍ（幅）×０．６ｍｍ（厚み）とした。ＳＵＳ３１６鋼は、いわゆる汎用のステンレス鋼で入手も容易であり、かつ、鋼中にモリブデンを約２質量％含有することからＳＵＳ３０４鋼と比較して、耐食性が向上しているステンレス鋼である。

試験片の中央部の２５ｍｍ×２５ｍｍの領域に幅１ｍｍ、深さ１ｍｍの流路を機械加工によって作製し、燃料電池評価装置に組み込み、ステンレスセパレーターの評価を実施した。

発電条件は、セル温度８０℃で、アノード極側のガスの露点は８０℃、カソード極側のガスの露点は７０℃とし、セル間の電圧が所定の値となるように発電の電流を調整し、４０００時間まで、発電試験を行った。ＭＥＡ（電極複合体：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）は、Ｅ−ＴＥＫ製のものを用いた。本実験では、アノード極に供給されるガスとしては純水素、カソード極に供給されるガスとしては純酸素を用いた。

発電時のカソード極でのステンレスセパレーターの電極電位を変化させた時の腐食の程度を調べた結果を表１に示す。ステンレスセパレーターの腐食の程度は、目視観察により判断した。表１および表２において、◎は全く変色等が見えない極めて健全な表面状態を示し、○は一部軽微な変色等が見える程度、×はステンレスセパレーターが腐食し、その表面に腐食生成物が付着あるいは顕著に変色していた状態を示す。

本発明に従って、カソード極での電位を［式１］で示されるＥ値未満で発電した場合、カソード極側でのステンレスセパレーターの腐食が軽減されていることが分かる。

また、酸素分圧とステンレスセパレーターの腐食との関係を調査した。結果を表２に示す。

カソード極での電位が［式１］で算出されるＥ値未満であり、さらにカソード極側での酸素分圧が０．１５気圧以下であると、ステンレスセパレーターの腐食が大幅に軽減されていることが分かる。なお、酸素の分圧は、窒素ガスとの混合ガスを用いることによって調整した。

Claims (2)

1. プロトン伝導体である固体高分子膜を介して発電する燃料電池の運転方法であって、
   燃料電池内の水溶液のｐＨが１以上６以下の範囲であり、カソード極側のステンレスセパレーターの電極電位（Ｖ）が、標準水素電極基準で、下記［式１］で示されるＥ値未満となるように燃料電池を発電させて、ステンレスセパレーターの腐食を軽減することを特徴とする、燃料電池の運転方法。
   

   
2. カソード極側での酸素分圧を０．１５気圧以下とすることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の運転方法。