JP2006073393A - 水素分離膜型燃料電池およびその単位セル - Google Patents

Abstract

【課題】 シール用のガスケットの劣化が生じにくい燃料電池スタックを構成する。
【解決手段】 電解質膜３０を板材４５にロウ付けして水素分離膜電池アセンブリ１００を構成し、単位セルを積層する際、板材４５と金属セパレータ２０，１５，１０との間にガスケット４０を挟んでシールを行なう。このとき、流路２２，１２の最外周の部位からガスケット４０の配設部位までの距離Ｌを所定距離以上とし、更にこの間に空隙部８１を設けて、ガスケット４０まで至るガスの量を低減する。ガスケットを設けず、板材４５と金属はセパレータとを直接ロウ付けしても良い。この場合、接合面には、絶縁層を形成しておく。
【選択図】 図４

Description

本発明は、水素分離膜型燃料電池およびその単位セルに関し、特に水素透過性材料で形成された基材の少なくとも一方の面にプロトン伝導体層を有する電解質膜を備え、電解質膜での水素の透過を伴う発電を行なう単位セルを積層した水素分離膜型燃料電池およびその単位セルに関する。

水素を選択的に透過する水素透過性金属などを利用し、中温域で動作可能な水素分離膜型燃料電池が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−１４６３３７号公報

こうした燃料電池の電解質膜は、通常その外周部を、燃料ガスと酸素含有ガス（通常は空気）の流路を形成するセパレータで挟持されているが、この挟持部でのガス漏れを防止するために、弾性体などのガスケットを用いていた。

しかしながら、燃料電池として使用する際には、ガス流路内の高温ガスが、シール部のガスケットに触れるため、ガスケットが次第に劣化してしまうと言う問題があった。また、シール部には、ガスが残留しやすいため、水素ガスの流路側では、水素分離膜機材が、水素脆化を起こす可能性があることも指摘されていた。

本発明は、こうした課題を踏まえ、水素分離型燃料電池の電解質膜周辺のシール性の向上を目的としてなされた。

本発明の第１の水素分離型燃料電池は、
水素透過性材料で形成された基材の少なくとも一方の面にプロトン伝導体層を有する電解質膜を備え、前記電解質膜での水素の透過を伴う発電を行なう単位セルを積層した水素分離膜型燃料電池であって、
前記各単位セルにおける前記電解質膜の外周に配設され、該電解質膜が隔てるガスの漏洩を防止するシール用ガスケットと、
前記電解質膜の少なくとも一方の面側に設けられたガス流路から、前記シール用ガスケットの配設位置までの間にあって、前記ガス流路内のガスのうち、前記シール用ガスケットに到達するガス量を低減するガス低減部と
を備えることを要旨とする。

この水素分離膜型燃料電池によれば、電解質膜が隔てるガスの漏洩を防止するために、シール用のガスケットを、各単位セルにおける電解質膜の外周に配設しており、ガス低減部が、電解質膜の少なくとも一方の面側に設けられたガス流路から、シール用ガスケットの配設位置までの間にあって、ガス流路内のガスのうち、シール用ガスケットに到達するガス量を低減する。従って、シール用ガスケットが流路を流れるガスに触れることが抑制され、ガスケットの劣化が抑制される。ガスの温度が高温になる場合や、ガスケットの脆化を促進する性質のあるガスを用いる場合には、こうした効果を顕著なものとなる。

こうした水素分離膜型燃料電池において、単位セルの電解質膜は、その外周に金属材料からなる板材を、シール性を確保して接合してなり、シール用ガスケットを、この板材上に配設した構造としても良い。この場合、シール用ガスケットの部位に電解質膜が存在しないので、ガスケット近傍に水素ガスなどが滞留しても、電解質膜の水素脆化を生じることがない。

また、この水素分離膜型燃料電池において、板材を、熱伝導率を所定値以下の低い材料とすれば、電解質膜側からの伝熱の影響を低減することができる。また、シール用ガスケットは、耐熱性のシール材料を用いることができ、シールコンパウンドでも差し支えない。板材と電解質膜との接合は、シール性が確保できればよく、例えば板材の電解質膜との接合部の厚みを薄くし、薄肉にした部分に電解質膜をロウ付けや溶接により接合しても良い。もとより耐熱性接着剤などを用いることも可能である。

こうした水素分離膜型燃料電池において、単位セルは、電解質膜の両側に設けられ、ガス流路を形成すると共に、該ガス流路内に集電部材を備えたセパレータを有し、このセパレータは、電解質膜の外周に対応する部位において、前記板材上に配設された前記シール用ガスケットを収納する収納部と、板材と絶縁を保ったまま直接接触することで、当該セパレータの前記ガス流路の形成位置において、当該セパレータを前記電解質膜に対して所定の離間位置に保持するよう位置決め可能な突当部とを備えた構成とすることができる。この水素分離膜型燃料電池は、セパレータの外周部にガスケットを収納する収納部を有し、セパレータの外周部には、板材と直接接触する突当部を備えるので、ガスケットに無用な圧縮力がかからないようにすることができる。また、突当部がガスケットなどを介することなく直接板材に当接するので、経年変化などでセパレータと板材との距離が変化することがなく、結果的にセパレータが電解質膜との間に形成するガス流路の寸法を、確保することができる。

こうした水素分離膜型燃料電池において、ガス低減部は、所定体積の空隙部により構成することができる。ガス流路化の端からシール用ガスケットの存在位置までの間に、一カ所以上の凹所を設ければ、ガス流路側から進入するガスは、この凹所に滞留し、ガスケットにまで至るガスは低減される。セパレータを有する構造では、セパレータに凹所を設ければよい。凹所は複数隣接して設け、いわゆるラビリンス構造とすることも、ガスを低減する上で好適である。

こうした水素分離膜型燃料電池において、電解質膜の少なくとも一方の面側に設けられたガス流路から、前記シール用ガスケットの配設位置までの間に、前記シール用ガスケットの配設箇所の温度を低下する冷却用部材を配設することも、シール用ガスケットの耐久性を向上する上で望ましい。

本発明の第２の水素分離型燃料電池は、
水素透過性材料で形成された基材の少なくとも一方の面にプロトン伝導体層を有する電解質膜を備え、前記電解質膜での水素の透過を伴う発電を行なう単位セルを積層した水素分離膜型燃料電池であって、
前記単位セルの前記電解質膜は、その外周に接合された金属材料からなる板材を備え、
前記単位セルは、前記電解質膜の両側に設けられ、前記ガス流路を形成する導電性のセパレータを有し、
該セパレータは、前記電解質膜外周の前記板材との絶縁を保ったまま該板材に直接接触する構造を備える
ことを要旨とする。

かかる構造を有する水素分離型燃料電池では、セパレータは、電解質膜外周の板材との絶縁を保ったまま該板材に直接接触する構造を備えるから、ガスケットなどが介在せず、寸法制度を高めることができる。また、ガスケットを介していないことから、圧縮接合ではなく、クリープを低減もしくは取り除くことができる。ガスケットを用いないものとすれば、更に部品点数を低減することができ、組み付け工数、省資源の点からも有用である。

こうした水素分離膜型燃料電池において 板材またはセパレータのいずれか一方は、両者の前記接触箇所における表面に絶縁層を形成してもよい。この場合、両者を接合するのにシール用ガスケットなどの弾性体を介装する必要がなく、両者の離間距離を精度良く管理することができる。こうした絶縁層としは、高硬度の酸化層を利用することができる。酸化層としては、２０Ｃｒ５Ａｌ等の高アルミニウム含有ステンレス鋼などを例示的に挙げることができる。

また、水素分離膜型燃料電池においては、セパレータを、ガス流路の形成位置において、電解質膜と小面積で接触する複数の歯部を備え、この歯部の電解質膜と接触する端部を、歯部の接触面に、ガス流路内のガスが進入可能な形状とすることができる。こうすれば、ガス流路内において、セパレータが歯部により電解質膜との距離を確保しつつ、電解質膜におけるガスとの接触面積を十分に確保することができる。

水素分離膜型燃料電池において、こうしたセパレータは、金属製とすることができ、セパレータと板材の外周部との直接の接触は、溶接、ロウ付け、ハンダ付けなどの金属同士の接合によることができる。かかる水素分離膜型燃料電池では、金属同士を接合した箇所ではシール用ガスケットなどが必要なく、電気抵抗を極めて低くできること、積層方向に交差する方向へのズレがほとんど生じないこと、などの効果を得ることができる。

更に、この水素分離膜型燃料電池において セパレータと板材の接触箇所のうち、酸素側は接合を行なわず、両者を当接させる構造とすること好適である。この場合、総ての単位セルが金属同士で直接接合される訳ではないので、熱膨張などにより応力が発生した場合でも、これを適宜逃がすことができる。

上記の第１の水素分離膜型燃料電池の発明に対して、これを構成する単位セルの発明を想定することができる。即ち、本発明の第１の単位セルは、
水素透過性材料で形成された基材の少なくとも一方の面にプロトン伝導体層を有する電解質膜を備え、前記電解質膜での水素の透過を伴う発電を行なう水素分離型の単位セルであって、
前記電解質膜の外周に配設され、該電解質膜が隔てるガスの漏洩を防止するシール用ガスケットと、
前記電解質膜の少なくとも一方の面側に設けられたガス流路から、前記シール用ガスケットの配設位置までの間にあって、前記ガス流路内のガスのうち、前記シール用ガスケットに到達するガス量を低減するガス低減部と
を備えたことを要旨としている。

同様に、第２の水素分離膜型燃料電池の発明に対応した第２の単位セルは、
水素透過性材料で形成された基材の少なくとも一方の面にプロトン伝導体層を有する電解質膜を備え、前記電解質膜での水素の透過を伴う発電を行なう水素分離型の単位セルであって、
前記電解質膜は、その外周に金属材料からなる板材を接合して備え、
前記電解質膜の両側には、前記ガス流路を形成する導電性のセパレータを備え、
該セパレータは、前記電解質膜外周の前記板材との絶縁を保ったまま前記板材に直接接触する構造を備える
ことを要旨としている。

これらの水素分離膜型燃料電池または単位セルにおいて、電解質層としては、固体酸化物、例えば、ＢａＣｅＯ₃、ＳｒＣｅＯ₃系のセラミックスを用いることができる。また、固体高分子膜等の他の種類の電解質を用いることもできる。基材としては、水素透過性を有する金属材料とすることができ、例えば、バナジウム、ニオブ、タンタルおよびこれらの少なくとも一部を含む合金のいずれかを用いることができる。また、パラジウム、パラジウム合金などの貴金属を用いることもできる。さらには、電解質層は、基材の片面のみに設けてもよいし、両面に設けてもよい。

前記構成の燃料電池スタックにおいて、前記基材は、前記水素透過性材料と異種の金属材料で作られたパンチングプレートに、前記水素透過性材料を埋め込んで形成されたものとすることもできる。この構成によれば、水素透過性材料の部分の面積を小さくして、かつその部分を異種の金属材料で囲み込むことができることから、基材の水素膨張を防ぐことができる。この結果、基材の剥離を防止することができる。

また、前記基材は、前記水素透過性材料とステンレスとの混合物で形成されたものとすることができる。さらに、前記基材は、前記水素透過性材料と銅との混合物で形成されたものとすることができる。ステンレスと銅については、水素透過性材料と混合しても素性の悪い合金となることがないことから、水素透過性材料に混合する異種の金属材料としては優れている。

本発明を実施するための最良の形態を以下の項目に分けて説明する。
（Ａ）第１実施例における燃料電池スタック１の構成
（Ｂ）シール部の構造
（Ｃ）変形例
（Ｄ）第２実施例における単位セルの構造
（Ｅ）変形例
（Ｆ）燃料電池システムの構成

（Ａ）第１実施例における燃料電池スタック１の構成：
図１は、燃料電池スタック１を構成する単位燃料電池（以下、単位セルという）の構成を模式的に示す説明図である。この単位燃料電池は、いわゆる固体酸化物型の燃料電池に分類される。図１では、単位セルはその断面により示されている。このセルは、大まかには、２枚の金属セパレータ１０，２０で電解質膜３０を挟んだ構造となっている。なお、図１は、単位セルにおける発電の原理を主に示すものであり、膜厚などは誇張して描いてある。

金属セパレータ１０には、水素リッチな燃料ガスを供給するための流路１２が設けられている。この流路１２は、図中、紙面に垂直な方向に伸びるストレートタイプの複数の溝によって構成される。一方の金属セパレータ２０には、酸化ガスとしての空気を供給するための流路２２が付設されている。この流路２２は、金属セパレータ２０と電解質膜３０との間の空間をガスケットで囲み込むことにより形成されているが、そのシール構造については後述する。金属セパレータ１０、２０は、銅やステンレス材料等の金属材料で形成可能であり、好ましくは、銅やアルミニウム等を含んだ材料で、熱伝導度の大きなものが望ましい。

電解質膜３０は、バナジウム（Ｖ）で形成された緻密な基材３１を中心とする６層構造となっている。基材３１は、緻密な水素透過性材料で形成されたものであればよく、バナジウムに換えて、バナジウムとクロム（Ｃｒ）の合金、バナジウムとニッケル（Ｎｉ）の合金等を用いることができる。その他にも、パラジウム、パラジウム合金などの貴金属、並びにＶＡ族元素、例えば、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）などを用いることができる。被膜３４．３５は、Ｐｄに換えて、触媒作用のあるＰｄとＡｇの合金等とすることができる。なお、燃料極としての金属セパレータ１０の側に形成される被膜３４は、金属セパレータ１０に形成された流路１２内に形成されるもので、島状に分離されている。

基材３１の両面には、緻密体の金属拡散抑制層３２，３３が備えられている。金属拡散抑制層３２，３３は、メッキまたは事前に基材３１にイオンプレーティング、蒸着等によりコーティングすることにより形成される。基材３１の金属セパレータ１０側の面に形成される金属拡散抑制層３２は、前記間隙に形成される。金属拡散抑制層３２，３３には、タングステンの酸化物（ＷＯ₃）を用いることができる。更に金属拡散抑制層３２，３３の外面には、パラジウム（Ｐｄ）の被膜３４．３５が設けられている。被膜３４．３５は、メッキすることにより形成される。金属セパレータ１０側に形成される被膜３４は、金属セパレータ１０に形成された流路内に形成されている。

金属拡散抑制層３２，３３は、基材３１と被膜３４，３５が互いに金属拡散を起こすことを抑制する。金属拡散抑制層３２，３３は、酸化タングステンに換えて、プロトン伝導体,混合伝導体,セラミックス,およびこれらの複合材料や傾斜材料を用いても良い。例えば、酸化ジルコニウム、酸化モリブデン、Ｙ₂Ｏ₃ＳｉＯ₂などがある。

さらに、金属セパレータ２０側の被膜３５の外面には、固体酸化物からなる電解質層３６の薄膜が成膜されている。電解質層３６は、ＢａＣｅＯ₃、ＳｒＣｅＯ₃系のセラミックスを用いることができる。電解質層３６の成膜は、電解質を生成しつつ行なわれるが、例えば、物理蒸着、化学蒸着、スパッタリングなど種々の手法を用いることができる。基材３１は緻密であるため、電解質層３６の十分な薄膜化が可能である。本実施例では、基材３１の厚さは１００μｍ、金属拡散抑制層３２，３３の厚さは１μｍ、Ｐｄの被膜３４，３５の厚さは０．７５μｍ、電解質層３６の厚さは０．１μｍとした。各層の厚さは任意に設定可能である。

電解質膜３０の電解質層３６の外面には、電極３８が形成されている。電極３８は、多孔質の発泡金属あるいは金属メッシュの板材により形成されている。電極３８の成膜は、物理蒸着、化学蒸着、スパッタリングなど種々の手法を用いることができる。なお、この電極３８には、パラジウム（Ｐｄ）または白金（Ｐｔ）等の触媒が担持されており、発電過程における反応を促進するための触媒機能を有する。電極３８の厚さは、数十〜数百μｍとした。

前記のように構成された単位セルでは、発電過程において、金属セパレータ２０の流路１２に供給された燃料ガス中の水素は、プロトンと電子に乖離して、プロトンは電解質層３６を移動し、電極３８で酸素と結合して水を生成する。このように水素と酸素が結びついて電気と水が発生する。なお、前記構成の単位セルでは、燃料ガスの流路１２を備える金属セパレータ１０が燃料極に相当し、電極３８が酸素極に相当する。

前記のように構成された単位セルを複数積層した燃料電池を備えるのが燃料電池スタック１である。燃料電池スタック１は、単位セルを、金属セパレータ１０、電解質膜３０（ガスケット４０を含む）、金属セパレータ２０の順に複数組、積層した構造である。なお、単位セルと単位セルとの境の金属セパレータは、水素極としての金属セパレータ１０と酸素極としての金属セパレータ２０とが一体となって構成されている。前記積層の組数は、例えば１００〜４００組である。

水素極としての金属セパレータ１０と酸素極としての金属セパレータ２０とが一体となった複合セパレータ１５を使って、２個の単位セルを組み付ける様子を示したのが、図２である。図示するように、２組の単位セルは、下から順に、金属セパレータ１０（水素極）、水素分離膜電池アセンブリ１００、複合セパレータ１５（酸素極＋水素極）、水素分離膜電池アセンブリ１００、金属セパレータ２０（酸素極）を組み付けることで構成される。水素分離膜電池アセンブリ１００は、図１を用いて説明した矩形の電解質膜３０と、電解質膜３０をその外周で固定しているＳＵＳ材の板材４５、板材４５の外周付近に配設されたガスケット４０から構成されている。電解質膜３０とＳＵＳの板材４５とは、ロウ材４７を用いてロウ付けされている。ガスケット４０は、絶縁性のもので、ゴムやプラスチック、高耐熱繊維に一部ゴムを含浸させたもの等で形成可能である。水素分離膜電池アセンブリ１００の構成については、全体構成の説明の後で、再度詳しく説明する。

次に、燃料電池スタック１のケーシングについて説明する。図３は、ケーシング６０を示す説明図である。燃料電池スタック１は、図示するように、流路マニホールドを形成するケーシング６０により外側が覆われている。図には、ケーシング６０のコア部６１だけを仮想的に外側に引き出した状態が示されている。ケーシング６０は、ステンレス（ＳＵＳ）等の剛性を有する材料により形成されており、その内面には、絶縁性の酸化被膜が形成されている。ケーシング６０は、図示するように、六角柱の形状をしたコア部６１と、このコア部６１の両脇に設けられた冷却ガス用の通路部６２，６３と、コア部６１の前後に設けられた燃料ガス用の入口部６４、出口部６５と、コア部６１の後前に設けられた空気用の入口部６６、出口部６７とを備える。

ケーシング６０は、上側部分と下側部分の２つのパーツから構成されており、燃料電池スタック１は、両パーツによってサンドイッチされてケーシング内に収納される。この収納時には、電解質膜３０やガスケット４０の部分がコア部６１内に位置し、金属セパレータ１０，２０の張り出し部分、すなわち、電解質膜３０やガスケット４０の部分よりも外側に張り出した部分が冷却ガス用の通路部６２，６３に位置する。すなわち、図中Ａ−Ａ線方向に切断したときの燃料電池スタック１の切断面が図１に示したもの（ケーシング６０およびシール構造は記載されていない）となる向きに、燃料電池スタック１はケーシング６０内に収納される。冷却ガス用の通路部６２，６３に設けられた孔は、燃料電池スタック１に設けられたボルト５０用の孔６２ｈである。すなわち、金属セパレータ１０，２０の張り出し部分は、冷却ガス用の通路部６２，６３内に完全に張り出しており、この孔６２ｈに通されたボルト５０によりケーシングの上下のパーツも燃料電池スタック１と共に締め付け固定されている。

冷却ガス用の通路部６２，６３は、前側に入口部６２ａ、６３ａを、後ろ側に出口部６２ｂ、６３ｂを備えており、入口部６２ａ、６３ａおよび出口部６２ｂ、６３ｂは、燃料電池スタック１の単位セルの積層数に応じただけの開口を備える。入口部６２ａ、６３ａの開口によって分岐されて送られた冷却ガスは、燃料電池スタック１に備えられる各金属セパレータ１０，２０の前記張り出し部分を伝って出口部６２ｂ、６３ｂから排出される。すなわち、その張り出し部分は、放熱フィンとして機能し、上記冷却ガスが送風される。

燃料ガス用の入口部６４は、前側の右側部分に設けられており、燃料ガス用の出口部６５は、後ろ側の左側部分に設けられている。空気用の入口部６６は、後ろ側の右側部分に設けられており、空気用の出口部６７は、前側の左側部分に設けられている。コア部６１内においては、燃料ガスは、金属セパレータ１０に設けられた流路１２に対応した分岐路６８によって分岐され、空気は、金属セパレータ２０に設けられた流路２２に対応した分岐路６９によって分岐される。燃料ガスと空気は、コア部６１内において、流れの高さは違うが平面的にはクロスするようにして燃料電池スタック１内を流れる。なお、燃料ガスと空気は、燃料ガスが前側から後ろ側へ、空気が後ろ側から前側へというように対向流となっているが、これに換えて、空気用の入口部を前側、出口部を後ろ側（あるいは燃料ガス用の入口部を後ろ側、出口部を前側）にして、燃料ガスと空気が同じ向きに流れる並行流となる構成としてもよい。コア部６１の分岐路６８，６９が形成されていない面には、ガスのシールとコア部６１を保持する機能を有する絶縁マット（アルミナマット：図中ハッチングの部分）が配設されている。

（Ｂ）シール部の構造：
次に、図４を用いて、単位セルにおけるシール構造について説明する。図４は、水素分離膜電池アセンブリ１００の外周におけるシール構造を示す断面図、図５は、水素分離膜電池アセンブリ１００の構成を示す断面図である。図５に示すように、水素分離膜電池アセンブリ１００は、電解質膜３０とＳＵＳの板材４５とからなり、電解質膜３０の外周には、板材４５が接合されている。図２に示したように、電解質膜３０と板材４５との接合は、ロウ材（ブレード）４７を用いたロウ付けにより行なわれる。電解質膜３０の外形形状は、各セパレータ１０，１５，２０における燃料ガスの流路２２，空気の流路１２の配設形状と一致している。また、板材４５の外周部近傍には、両面にガスケット４０が設けられている。このガスケット４０は、図４に示すように、水素分離膜電池アセンブリ１００を挟持する金属セパレータ２０と複合セパレータ１５、複合セパレータ１５と金属セパレータ１０が、それぞれ形成する溝部４８に収納される。

各セパレータ１０，１５，２０の水素分離膜電池アセンブリ１００側の表面は、本実施例では、それぞれ酸化被膜が形成されており、絶縁層７１ない７４となっている。実施例では、この絶縁層は、２０Ｃｒ５Ａｌ等の高アルミニウム含有ステンレス鋼である。従って、各セパレータ１０，１５，２０で水素分離膜電池アセンブリ１００のステンレス製の板材４５を挟持しても、絶縁性は保たれる。更に、この絶縁層７１，７２，７３，７４の表面にはガラスシール材がコートされており、単位セルを組み立てると、各セパレータ２０，１５，１０と板材４５との接合面は、ガラスシール材によりシールされることになる。この結果、流路２２，１２側からのガスの侵入は防止される。このように流路２２，１２側からのガスの侵入が防止されることにより、ガスケット４０の耐熱性が向上する。またガスケット４０の両側にガラスシール材が存在することにより３重のシール構造となり、シールの信頼性を向上することができる。

流路２２，１２の最外周からガスケット４０が存在する溝部４８までは、所定距離（図４では、距離Ｌ）だけ離間している。この流路２２，１２の最外周からガスケット４０が存在する溝部４８までの間に、本実施例では、ガス低減部として、それぞれ１カ所の空隙部８１，８２を設けている。各セパレータ２０，１５，１０の対応する位置には溝が形成されており、単位セルを組み立てると、水素分離膜電池アセンブリ１００の板材４５の両側に位置するように、空隙部８１，８２が形成される。

単位セル、ひいてはこれを積層した燃料電池スタック１は、運転時には、約５００度前後までその温度は上昇する。そこで、複合セパレータ１５には、冷却水を流すための冷却水路７０が形成されている。冷却水路７０の形成位置は、本実施例では、図４に示したように、空隙部８１，８２とガスケット４０の配設位置の間としたが、流路２２，１２と空隙部の間であっても差し支えない。また、冷却水路７０は、複数設けても差し支えない。冷却水に代えて、冷却油など他の媒体を流しても差し支えなく、もとより空冷やヒートパイプなどによる冷却構造を採用することも可能である。

以上説明した第１実施例によれば、燃料ガス（水素ガス）の流路２２からガスケット４０の配設位置までを所定距離だけ離間し、かつその間に空隙部８１，８２を設けたので、流路２２，１２からガスケット４０の位置まで到達するガスの量を低減することができる。流路２２，１２からセパレータ２０，１５，１０の接合面に沿って微量のガスが侵入しても、ガスは、空隙部８１，８２の存在によりトラップされる。従って、本実施例によれば、燃料電池スタック１の運転時にガスの温度が上昇し、例えば５００度程度になったとしても、高温のガスがガスケット４０まで至ることはほとんどなく、ガスケット４０の劣化は抑制される。また、シール部となる溝部４８の近傍には電解質膜３０は存在しないので、シール部まで漏洩してきた水素ガスが溝部４８近傍に滞留しても、電解質膜３０が水素ガスの存在により脆化するということもない。更に、本実施例によれば、空隙部８１，８２とガスケット４０の存在箇所との間に冷却水路７０が設けられており、単位セルを冷却しているので、ガスケット４０の部位の温度を低下することができ、この点でもガスケット４０の劣化を抑制することができる。

本実施例では、ガスケット４０やガラスシール材は存在するものの、単位セルを組み立てると、ガスケット４０は圧縮され、各セパレータ２０，１５，１０は、板材４５にほぼ密着する。このため、電解質膜３０とセパレータ２０，１５，１０の底部との離間距離Ａ（図４参照）を高精度に保つことができる。従って、電極３８と各セパレータ２０，１５，１０の歯部との接触抵抗を常に一定に保つことができる。また、流路２２に集電体となる部材が設けられている場合でも、離間距離Ａが一定に保たれることから、集電体と電極３８との接触抵抗を一定に保つことができ、同様に好適である。

本実施例では、板材４５としてＳＵＳの板材を用いたが、板材の材質としては、熱伝導率の低いものを採用することも好適である。熱伝導率が所定値以下であれば、運転時高温となる電解質膜３０側からの伝熱が抑制され、ガスケット４０の温度上昇を抑えることができる。熱伝導率の低い金属材料としては、錫、鉛、カリウム、インジウム、ビスマスなどがある。また金属材料以外材料、例えばガラスやセラミックなどを用いれば、熱伝導率を更に低減することができる。また、ガラスやセラミックなどは、絶縁性を有するので、板材４５としてこれらの材料を用いれば、絶縁層７１ないし７４を設ける必要がない。

（Ｃ）変形例：
上述した第１実施例の変形例を図６に示した。図６に示した単位セルでは、ガス低減部を構成する空隙部として、複数の空隙部８１ａ，８１ｂ，および空隙部８２ａ，８２ｂが板材４５と各セパレータ２０，１５，１０との接合面に沿って連設されている。即ち、この変形例では、空隙部は複数設けられたいわゆるラビリンス構造とされており、ガスの侵入を一層効果的に低減もしくは阻止することができる。なお、図７に示したように、この空隙部８１ａ，８１ｂに、高分子材料からなるガス吸収８５材を充填し、侵入したガスを捕捉する構成としても良い。ガス吸収材８５は、いずれか一方の空隙部のみに備えても良い。

この他、第１実施例では、ガスケット４０として、合成樹脂などの固体材料を用いたが、シール用コンパウンドなど、粘性の高いゲル状の材料などを用いることも可能である。また、板材４５と電解質膜３０とはロウ材４７を用いて接合したが、両者の接合はシール性が確保でき、運転時の温度に耐えられればどのような方法によっても良い。例えば耐熱性接着剤を用いて接合しても良いし、板材の端面をＵ字形の溝構造とし、この溝に電解質膜３０を挟み込んで圧着する構造としてもよい。

（Ｄ）第２実施例における単位セルの構造：
次に本発明の第２実施例について説明する。第２実施例の燃料電池スタックにおける２組の単位セルのシール構造部分を図８に示した。水素分離膜電池アセンブリ１００の構造（図１、図５）や燃料電池スタックの全体形状（図２）などは、第１実施例と同一である。第２実施例の単位セルは、図８に示すように、金属セパレータ２０，複合セパレータ１５，金属セパレータ１０により、水素分離膜電池アセンブリ１００を挟持する基本構成においては第１実施例と同一であるが、そのシール構造は、シール用ガスケット４０が存在しない点で異なっている。

第２実施例では、図示するように、各セパレータ２０，１５，１０には、ガスケットを収納するための溝部がなく、その外周部はフラットに形成されている。各セパレータ２０，１５，１０の外周部（流路２２，１２が形成された部位の外周部）は、その表面に、絶縁層９１ないし９４が形成されている。第２実施例における絶縁層９１ないし９４は、第１実施例と同様に、２０Ｃｒ５Ａｌ等の高アルミニウム含有ステンレス鋼で形成した。

図８に示した２組の単位セルには、水素分離膜電池アセンブリが存在するので、以下、これを区別するために、金属セパレータ２０と複合セパレータ１５と挟持される側を水素分離膜電池アセンブリ１００ａと呼び、複合セパレータ１５と金属セパレータ１０と挟持される側を水素分離膜電池アセンブリ１００ｂと呼ぶことにする。同様に、水素分離膜電池アセンブリ１００ａに含まれる方を電解質膜３０ａ，板材４５ａと呼び、水素分離膜電池アセンブリ１００ｂに含まれる方を電解質膜３０ｂ，板材４５ｂと呼ぶ。第２実施例では、板材４５ａおよび電解質膜３０ａと複合セパレータ１５、板材４５ｂおよび電解質膜３０ｂと金属セパレータ１０は、ロウ付けにより接合した。ロウ付けは、接合面にロウ材おいて、ロウ付け用の高温炉に入れることにより行なう。

こうしたロウ材としては、ブレードタイプのもの、メッキタイプのものなどがある。ブレードタイプのものは、融点が８５０ないし１０００℃程度のロウ材を、接合面の形状に合わせて用意し、これをセパレータと板材の間に挟み込み、高温炉内でブレードを溶融してロウ付けを行なう。メッキタイプの場合には、板材のセパレータの両方の接合面あるいは一方の接合面に銅などの融点の比較的低い金属をメッキし、これを同様に高温炉内で溶融して、ロウ付けを行なう。図８では、理解の便を図って、電解質膜３０ａ，３０ｂとのロウ付け箇所をロウ付け層９５，９６として示したが、板材４５ａ，４５ｂとセパレータ１５，１０との間にもロウ付け層（図示せず）は存在する。なお、この場合、板材４５ａ，４５ｂにロウ付けされているセパレータの部位が、突当部に相当する。両者は直接ロウ付けされているので、圧縮性のガスケットなどを介しておらず、両者の寸法精度、延いては流路１２における電解質膜３０ａ，３０ｂとセパレータ１５，１０の底部との寸法精度を、極めて高くすることができる。

上述したロウ付けは、他方のセパレータとの間でも行なっても良いが、本実施例では、他方のセパレータとのロウ付けは行なわず、単に積層するだけにしている。なお、単位セルの外周部についてはシール性が必要となるため、金属セパレータ２０と板材４５ａの間、複合セパレータ１５と板材４５ｂの間には、ガラスシール材を塗布して積層している。なお、ロウ付けする側は、反対側のみとしても差し支えない。

以上説明した第２実施例では、電解質膜３０ａと複合セパレータ１５、電解質膜３０ｂと金属セパレータ１０は、ロウ付けにより接合したので、両者間の電気抵抗を極めて小さくすることができる。また、ロウ付けてしているので、部材間のズレがない。更にガスケットを用いていないので、部品点数を低減でき、更にクリープなどを生じることもない。本実施例では、電解質膜３０ａ，３０ｂとセパレータとのロウ付けは一方の面に限っているので、接合時の残留応力や運転時の温度上昇に起因する膨張に伴って電解質膜３０ａ，３０ｂにかかる応力を低減することができる。更に、燃料ガスである水素ガスの流路２２を形成する側でロウ付けを行なっているので、水素ガスの漏洩防止に対して有利である、という利点も有する。

上記の実施例において、電解質膜に接するセパレータの歯部の形状は、ガスの拡散を生じさせやすい構造としているので併せて説明する。図９は、従来の金属セパレータ２０ａ，１０ａの歯部１２２の構造を示す説明図である。図の上半分は、歯部の並びを平面的に示し、下半部は単位セルの構成を断面形状で示している。従来は、歯部１２２は、並行に配設されており、流路２２，１２を形成している。従ってこの構造では、ガスは歯部１２２間を、層流に近い状態で流れていく。これに対して、本実施例では、図１０に示す形状の歯部１２３の構成を採用している。即ち、この実施例では、金属セパレータ２０ｂ，１０ｂの歯部１２３は、一つ一つが角柱台形状をしており（図１１参照）、しかも各歯部１２３は千鳥状に配列され、一つ一つの歯部１２３は、その角部をガス流の上流に対向されている。

かかる構成を採用したことから、本実施例では、ガス流は、より拡散され、電解質膜３０全体に満遍なく燃料ガス、酸素ガスが行き渡ることになる。また、歯部１２３は、先端、即ち電解質膜３０側ほど細くなるように形成されているので、電解質膜３０の使用効率が高いという利点も得られる。更に、この実施例では、歯部１２３の電解質膜３０との接合面は、図１１に示したように、細かいスリット１３０が多数も受けられていることから、歯部１２３おいても、ガスは歯下部に入り込み、燃料電池としての発電に関与することができる。

（Ｅ）変形例：
次に、第１，第２実施例の変形例を以下に説明する。図１２は、変形例としての電解質膜の層構成の一覧を示す説明図である。ケースＡは、前記実施例の構造（図１）に相当する。つまり、基材３１の両面に金属拡散抑制層３２，３３を設け、さらに外側にパラジウムＰｄの被膜３４，３５を設け、その酸素極側の面に電解質層３６を設けた構造である。

実施例の燃料電池スタック１の各単位セルに備えられる電解質膜は、緻密な水素透過性材料の基材と電解質層が設けられていればよく、例えば、ケースＢのように、酸素極側の被膜３５を取り除いた構成としてもよい。燃料極側の被膜３４によっても、燃料ガス中の水素はプロトンと電子に乖離されることから、プロトンは電解質層３６を移動することから電池反応を起こすことができる。

また、ケースＣのように、両方の金属拡散抑制層３２、３３を取り除いた構成としてもよいし、ケースＤ，Ｅのように、いずれか一方の金属拡散抑制層３２（３３）を取り除いた構成としてもよい。金属拡散抑制層３２，３３は、被膜３４．３５を構成するパラジウムＰｄと基材３１とが互いに金属拡散を起こすことを抑えるために間に置いたもので、金属拡散を容認するならば取り除くこともできる。なお、ケースＣ〜Ｅでは、被膜３５を設けているが、ケースＢと同様に、被膜３５を取り除いた構成としてもよい。

さらに、電解質膜は、緻密な水素透過性材料の基材の両側にそれぞれ電解質層を備える構成とすることもできる。詳細には、前記実施例において、基材３１と金属拡散抑制層３２の間に、電解質層３６と同じ電解質層を備えた構成とする。この構成によれば、前記実施例と同様に、電解質層を薄膜化することができることから、固体酸化物型燃料電池の動作温度を低温化することができる。

なお、上記の実施例では、固体酸化物からなる電解質層３６は、金属セパレータ２０側の被膜３５の外面に成膜するように構成されていたが、予め薄膜化しておき、成膜に換えて貼り付ける構成とすることもできる。この構成によっても、電解質層を、緻密な基材３１とともに設けることにより十分に薄膜化することが可能である。

実施例では、電極３８からの集電は、直接金属セパレータ２０を介して行なうものとして説明したが、流路２２内に金属製の細板や細線による導電部を配設し、これを電極３８に接触させて金属セパレータ２０への集電を行なう構造としても良い。もとより電極３８を取り除いて、導電部を直接電解質層３６に接触する構成とすることもできる。導電部は、細板または細線によって形成し、ばねの働きをする形状に予め形成しておけば、なお好適である。

（Ｆ）燃料電池システムの構成
上述した燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１の冷却系統とを備える燃料電池システムについて説明する。図１３は、燃料電池システム５００の概略構成を示す構成図である。図示するように、燃料電池システム５００は、第１，第２実施例として説明した燃料電池スタック１を備える。燃料電池スタック１のケーシングに備えられた冷却ガス用の入口部６２ａ，６３ａに、冷却空気供給路５０２が接続されている。冷却空気供給路５０２の他端には、空気供給ブロア５０４が接続されており、空気供給ブロア５０４から空気が冷却空気供給路５０２を介して燃料電池スタック１に送られる。

冷却空気供給路５０２の途中には、水供給装置５０６から水が供給可能となっている。水供給装置５０６は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）５１０から制御信号を受けて、水の供給を行なったり中止したりすることができる。水供給装置５０６から冷却空気供給路５０２に水の供給が行なわれると、燃料電池スタック１には、液状あるいは霧状となった水が空気と共に供給されることになる。これらの冷却媒体は燃料電池スタック１の冷却ガス用の通路部６２，６３を通って、金属セパレータ１０、２０の張り出し部分を伝う。空気中に液状あるいは霧状に含まれた水分は燃料電池スタック１からの熱を受けて一部あるいは全体が蒸発し、蒸発潜熱により燃料電池スタック１が効果的に冷却される。

また、冷却空気供給路５０２の途中には、ヒータ５１２が設けられており、冷却空気供給路５０２を通る空気を加熱することができる。ヒータ５１２はリレー５１４と接続されており、ＥＣＵ５１０から制御信号をリレー５１４に受けることで、ヒータによる加熱を行なったり中止したりすることができる。

燃料電池スタック１の所定の部位には、温度センサ５１６が設けられており、燃料電池スタック１の温度を検出することができる。温度センサ５１６の出力信号はＥＣＵ５１０に送られる。ＥＣＵ５１０には、システムスイッチ５２０が接続されている。システムスイッチ５２０は、操作者による操作を受けて、この燃料電池システム５００を駆動し停止するスイッチである。なお、燃料電池システム５００は、燃料電池スタック１の燃料ガス用の入口部６４、空気用の入口部６６（図３参照）に燃料ガス、空気をそれぞれ送る燃料系統と空気系統とを備えるが、これらの系統については図１３では省略した。また、図示はしないが、燃料電池スタック１には、なんらかの負荷が接続されている。この燃料電池システム５００が車両に搭載される場合には、負荷は駆動用のモータやヘッドライト、あるいはエアコンその他の補機などを想定することができる。また、この燃料電池システム５００が家庭用、事務所用などの用途に用いられる場合には、燃料電池システム５００の出力には直流−交流変換器を接続し、変換して得られた交流１００ボルト（または２００ボルト）の電力を、家庭や事務所内の商用交流電源として供給すればよい。

なお、図１３に示したシステムでは、ＥＣＵ５１０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されるいわゆるマイクロコンピュータであり、負荷に応じた運転を制御している。それらの制御の詳細は、省略する。

以上、本発明の種々の実施例および変形例について説明したが、本発明はこれらに限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができることはいうまでもない。

第１実施例としての燃料電池スタック１における単位セルの構成を模式的に示す説明図である。 燃料電池スタック１の２組の単位セルを組み立てる様子を示す説明図である。 燃料電池スタック１のケーシング６０を示す説明図である。 燃料電池スタック１の単位セルにおけるシール構造を示す断面図である。 水素分離膜電池アセンブリ１００の構造を示す説明図である。 変形例としての２組の単位セルにおけるシール構造を示す説明図である。 変形例におれる空隙部８１ａ，８１ｂの構成を示す説明図である。 第２実施例の燃料電池スタックにおける２組の単位セルの構成を示す説明図である。 従来の歯部１２２の構成を説明する説明図である。 実施例における歯部１２３の構成を示す説明図である。 歯部１２３の歯下部形状を例示する斜視図である。 電解質膜３０のその他の構成例について説明する説明図である。 燃料電池スタック１を用いた燃料電池システム５００の構成を示す説明図である。

符号の説明

１…燃料電池スタック
１０，２０…金属セパレータ
１２…燃料ガスの流路
１５…複合セパレータ
２２…空気の流路
３０…電解質膜
３１…基材
３２，３３…金属拡散抑制層
３４，３５…被膜
３６…電解質層
３８…電極
４０…ガスケット
４５…板材
４７…ロウ付け材
４８…溝部
６０…ケーシング
６１…コア部
６２，６３…冷却ガス用の通路部
６２ａ，６３ａ…入口部
６２ａ…入口部
６２ｂ…出口部
６２ｈ…孔
６４…入口部
６５…出口部
６６…入口部
６７…出口部
７０…冷却水路
７１ないし７４…絶縁層
８１，８２…空隙部
８１ａ，８１ｂ，８２ａ，８２ｂ…空隙部
９１ないし９４…絶縁層
１００，１００ａ，１００ｂ…水素分離膜電池アセンブリ
１２２，１２３…歯部
１３０…スリット
５００…燃料電池システム
５０２…冷却空気供給路
５０４…空気供給ブロア
５０６…水供給装置
５１２…ヒータ
５１４…リレー
５１６…温度センサ
５２０…システムスイッチ

Claims (16)

1. 水素透過性材料で形成された基材の少なくとも一方の面にプロトン伝導体層を有する電解質膜を備え、前記電解質膜での水素の透過を伴う発電を行なう単位セルを積層した水素分離膜型燃料電池であって、
   前記各単位セルにおける前記電解質膜の外周に配設され、該電解質膜が隔てるガスの漏洩を防止するシール用ガスケットと、
   前記電解質膜の少なくとも一方の面側に設けられたガス流路から、前記シール用ガスケットの配設位置までの間にあって、前記ガス流路内のガスのうち、前記シール用ガスケットに到達するガス量を低減するガス低減部と
   を備えた水素分離膜型燃料電池。
2. 請求項１に記載の水素分離膜型燃料電池であって、
   前記単位セルの前記電解質膜は、その外周に金属材料からなる板材を、シール性を確保して接合してなり、
   前記シール用ガスケットは、前記板材上に配設された
   水素分離膜型燃料電池。
3. 請求項２記載の水素分離膜型燃料電池であって、
   前記単位セルは、前記電解質膜の両側に設けられ、前記ガス流路を形成すると共に、該ガス流路内に集電部材を備えたセパレータを有し、
   該セパレータは、
   前記電解質膜の外周に対応する部位において、前記板材上に配設された前記シール用ガスケットを収納する収納部と、
   前記板材と絶縁を保ったまま直接接触することで、当該セパレータの前記ガス流路の形成位置において、当該セパレータを前記電解質膜に対して所定の離間位置に保持するよう位置決め可能な突当部と
   を備えた水素分離膜型燃料電池。
4. 前記金属製の板材は、熱伝導率が所定値以下である請求項２記載の水素分離膜型燃料電池。
5. 請求項２記載の水素分離膜型燃料電池であって、
   前記板材は、前記電解質膜との接合部が、前記シール用ガスケットの配設位置と比較して肉薄に形成され、該肉薄の部分に、前記電解質膜を重ねて接合した構造を有する
   水素分離膜型燃料電池。
6. 前記ガス低減部は、所定体積の空隙部である請求項１または請求項２記載の水素分離膜型燃料電池。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか記載の水素分離膜型燃料電池であって、
   前記電解質膜の少なくとも一方の面側に設けられたガス流路から、前記シール用ガスケットの配設位置までの間に、前記シール用ガスケットの配設箇所の温度を低下する冷却用部材が配設された水素分離膜型燃料電池。
8. 水素透過性材料で形成された基材の少なくとも一方の面にプロトン伝導体層を有する電解質膜を備え、前記電解質膜での水素の透過を伴う発電を行なう単位セルを積層した水素分離膜型燃料電池であって、
   前記単位セルの前記電解質膜は、その外周に接合された金属材料からなる板材を備え、
   前記単位セルは、前記電解質膜の両側に設けられ、前記ガス流路を形成する導電性のセパレータを有し、
   該セパレータは、前記電解質膜外周の前記板材との絶縁を保ったまま該板材に直接接触する構造を備える
   水素分離膜型燃料電池。
9. 請求項８記載の水素分離膜型燃料電池であって、
   前記板材または前記セパレータのいずれか一方は、両者の前記接触箇所における表面に絶縁層が形成された水素分離膜型燃料電池。
10. 前記絶縁層は、高硬度の酸化層である請求項９記載の水素分離膜型燃料電池。
11. 前記酸化層は、２０Ｃｒ５Ａｌ等の高アルミニウム含有ステンレス鋼である請求項１０記載の水素分離膜型燃料電池。
12. 請求項８ないし請求項１１のいずれか記載の水素分離膜型燃料電池であって、
    前記セパレータは、前記ガス流路の形成位置において、前記電解質膜と小面積で接触する複数の歯部を備え、該歯部の前記電解質膜と接触する端部を、該歯部の接触面に、前記ガス流路内の前記ガスが進入可能な形状とした
    水素分離膜型燃料電池。
13. 請求項８記載の水素分離膜型燃料電池であって、
    前記セパレータは、金属製であり、
    該セパレータと前記板材の前記外周部との前記直接の接触は、溶接、ロウ付け、ハンダ付けなどの金属同士の接合による
    水素分離膜型燃料電池。
14. 請求項１３記載の水素分離膜型燃料電池であって、
    前記セパレータと前記板材の接触箇所のうち、酸素極側は前記接合を行なわず、両者を当接させる構造とした水素分離膜型燃料電池。
15. 水素透過性材料で形成された基材の少なくとも一方の面にプロトン伝導体層を有する電解質膜を備え、前記電解質膜での水素の透過を伴う発電を行なう水素分離型の単位セルであって、
    前記電解質膜の外周に配設され、該電解質膜が隔てるガスの漏洩を防止するシール用ガスケットと、
    前記電解質膜の少なくとも一方の面側に設けられたガス流路から、前記シール用ガスケットの配設位置までの間にあって、前記ガス流路内のガスのうち、前記シール用ガスケットに到達するガス量を低減するガス低減部と
    を備えた単位セル。
16. 水素透過性材料で形成された基材の少なくとも一方の面にプロトン伝導体層を有する電解質膜を備え、前記電解質膜での水素の透過を伴う発電を行なう水素分離型の単位セルであって、
    前記電解質膜は、その外周に金属材料からなる板材を接合して備え、
    前記電解質膜の両側には、前記ガス流路を形成する導電性のセパレータを備え、
    該セパレータは、前記電解質膜外周の前記板材との絶縁を保ったまま前記板材に直接接触する構造を備える
    単位セル。

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