JP2006228678A - 燃料電池システム、燃料電池用セパレータ、及びこれらを用いた車両 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、脱酸素装置等のコンポーネントを設けることなしに、効率良くパージを行うことのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【解決手段】 本発明は、少なくともガス流路を有するセパレータを含む燃料電池の単位セルを複数有する燃料電池スタックと、燃料電池スタックに対して燃料ガス及び空気を導入するための配管と、を備えた燃料電池システムであって、燃料電池システムのアノード側ガス流路及び配管の少なくとも一部に遷移金属が配置されており、燃料電池の発電停止時にアノード側へ空気を供給する空気供給手段を備える燃料電池システムを提供する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、脱酸素装置等のコンポーネントの追加なしに、効率良くパージを行うことのできる燃料電池システム、燃料電池用セパレータ、及び車両に関する。

燃料電池の発電停止にあたっては、安全確保のために、燃料電池内部を不活性ガスでパージすることが必要となる。例えば、家庭用燃料電池システムの場合には窒素パージが行われているが、その窒素供給のために窒素ボンベが必要となる。

また、特開２００２−２８００３８号公報には、燃料電池システム内に、遷移金属の酸化反応により空気中に含まれる酸素を除去する脱酸素カラムを設け、酸素を除去して不活性成分とした空気を燃料電池スタック内に導入して、燃料電池システムのパージを行う技術が開示されている（特許文献１）。

しかし、該公報に記載の技術では、脱酸素カラムというコンポーネントをシステムに別途設ける必要があり、システムが複雑化することやコストアップに繋がるという問題がある。
特開２００２−２８００３８号公報

本発明が解決しようとする問題点は、前述した従来技術の問題である。
従って、本発明の目的は、脱酸素装置等のコンポーネントを設けることなしに、効率良くパージを行うことのできる燃料電池システムを提供することにある。

また、本発明の他の目的は、脱酸素装置等のコンポーネントを設けることなしに、効率良くパージを行うことのできる燃料電池用セパレータを提供することにある。

本発明者は、下記１．の発明を提供することにより、前記目的を達成したものである。
１．少なくともガス流路を有するセパレータを含む燃料電池の単位セルを複数有する燃料電池スタックと、燃料電池スタックに対して燃料ガス及び空気を導入するための配管と、を備えた燃料電池システムであって、燃料電池システムのアノード側ガス流路及び配管の少なくとも一部に遷移金属が配置されており、燃料電池の発電停止時にアノード側へ空気を供給する空気供給手段を備える燃料電池システム。

本発明は、かかる構成からなるため、脱酸素装置等のコンポーネントを設けることなしに、効率良くパージを行うことができる。そして、これにより、燃料電池システムの複雑化、コストアップを防止することができる。

発電停止時にアノードへ空気が供給されると、遷移金属（例えば、鉄等の微小粉末）は、酸素との酸化性が高く常温で速やかに酸化反応が起こる。本発明は、この遷移金属の酸化反応により脱酸処理したエアーによるパージ方法を簡素な構成で燃料電池システムに実現させるものである。

また、本発明は、下記２．〜９．の発明をそれぞれ好適に提供するものである。
２．前記セパレータのアノード側のガス流路に、遷移金属が配置された、前記記載の燃料電池システム。

３．前記遷移金属が、多孔化処理されたセパレータ表面の該多孔内に固定された、前記２記載の燃料電池システム。

４．前記遷移金属がセラミックの担持体に固定され、該担持体がセパレータのアノード側のガス流路内に埋め込まれた、前記２又は３記載の燃料電池システム。

５．カーボン材と遷移金属とから一体的に形成されたカーボンセパレータを、前記セパレータとして設けた、前記２〜４の何れかに記載の燃料電池システム。

６．前記燃料電池スタックのアノード側上流に位置する配管内ガス流路に、遷移金属が配置された、前記１〜５の何れかに記載の燃料電池システム。

７．前記遷移金属がハニカム構造の担持体に固定され、該担持体が前記燃料電池スタックのアノード側上流に位置する配管内ガス流路内に埋め込まれた、前記６記載の燃料電池システム。

８．燃料電池の発電停止時にカソード側へ、アノード側から排出されるガスを供給するガス供給手段を備える、前記１〜７の何れかに記載の燃料電池システム。

９．前記遷移金属が、鉄、銅、又はニッケルの粉末である、前記１〜８の何れかに記載の燃料電池システム。

さらに、本発明は、下記１０．〜１２．の発明を提供するものである。
１０．セパレータのアノード側のガス流路に遷移金属が配置されてなる燃料電池用セパレータ。

１１．燃料電池スタックのアノード側に対してガスを供給する燃料電池用配管において、配管のガス流路面に遷移金属が配置された燃料電池用配管。

１２．前記１〜１０の何れかに記載の燃料電池システム、前記１０記載の燃料電池用セパレータ、又は前記１１記載の燃料電池用配管を少なくとも備える車両。

本発明によれば、脱酸素装置等のコンポーネントを設けることなしに、効率良くパージを行うことのできる燃料電池システムが提供される。
また、本発明によれば、脱酸素装置等のコンポーネントを設けることなしに、効率良くパージを行うことのできる燃料電池用セパレータ及び配管が提供される。

以下に、本発明の最良の実施形態としての実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明するが、本発明は、斯かる実施例により何等制限されるものではない。

先ず、本発明の燃料電池システムに用いる燃料電池スタックの一例の構造を図５及び図６を参照して説明する。図５は、本発明に係る燃料電池システムに用いられる燃料電池スタックの一例を示す全体概略図である。また、図６は、図５の燃料電池スタックの一部拡大断面図である。

本発明の燃料電池システムに用いられる燃料電池としては、固体高分子電解質型燃料電池が挙げられる。本発明に係る燃料電池は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。固体高分子電解質型燃料電池は、図５、図６に示すように、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜１１の一面に配置された触媒層１２および拡散層１３からなる電極１４（アノード、燃料極、−極）および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５および拡散層１６からなる電極１７（カソード、空気極、＋極）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）と、電極１４、１７に燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通路２７（燃料流路２７ａ、空気流路２７ｂ）および燃料電池冷却用の冷媒（冷却水）が流れる冷媒流路（冷却水流路）２６を形成するセパレータ１８とを重ねてセルを形成し、該セルを複数積層してモジュール１９とし、モジュール１９を積層してモジュール群を構成し、モジュール１９群のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置してスタック２３を構成し、スタック２３をセル積層方向に締め付けセル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材２４（たとえば、テンションプレート、締結部材２４はスタックの一部を構成する）とボルト２５で固定したものからなる。冷媒流路２６はセル毎に、または複数のセル毎に、設けられる。

図５に示すように、燃料電池スタック２３内には、冷媒マニホールド２８が設けられており、冷媒マニホールド２８はセルの冷媒流路２６に連通している。冷媒は入側の冷媒マニホールド２８から冷媒流路２６に流れ、冷媒流路２６から出側の冷媒マニホールド２８に流れる。同様に、燃料電池スタック２３内には、ガスマニホールド２９が設けられており、ガスマニホールド２９は燃料ガスマニホールド２９ａと酸化ガスマニホールド２９ｂとからなる。燃料ガスマニホールド２９ａと酸化ガスマニホールド２９ｂは、それぞれ、セルの燃料ガス流路２７ａと酸化ガス流路２７ｂに連通している。燃料ガスは入側の燃料ガスマニホールド２９ａからセルの燃料ガス流路２７ａに流れ、燃料ガス流路２７ａから出側の燃料ガスマニホールド２９ａに流れる。酸化ガスは入側の酸化ガスマニホールド２９ｂからセルの酸化ガス流路２７ｂに流れ、酸化ガス流路２７ｂから出側の酸化ガスマニホールド２９ｂに流れる。

図５に示すように、スタック２３の一端にあるエンドプレート２２（プレッシャプレート３２、ばね機構３３が配される側と反対側にあるエンドプレート２２）には、冷媒（冷却水）を燃料電池スタック内の冷媒マニホールド２８に供給・排出する冷媒配管３０が接続されており、反応ガスを燃料電池スタック内のガスマニホールド２９に供給・排出するガス配管３１が接続されている。ガス配管３１は、燃料ガスを燃料電池スタック内の燃料ガスマニホールド２９ａに供給・排出する燃料ガス配管３１ａと、酸化ガスを燃料電池スタック内の酸化ガスマニホールド２９ｂに供給・排出する酸化ガス配管３１ｂとからなる。冷媒、燃料ガス、酸化ガスは、スタック２３の一端にあるエンドプレート２２（ばね機構３３が配されている側と反対側にあるエンドプレート２２）から燃料電池スタックに入り、Ｕターンして、同じエンドプレート２２から出る。スタック２３の一端側には、エンドプレート２２とインシュレータ２１との間にプレッシャプレート３２が設けられ、プレッシャプレート２１とエンドプレート２２との間にばね機構３３が設けられてセルにかかる荷重の変動を抑制している。

セパレータ１８は、カーボン板に冷媒流路２６やガス流路２７（燃料ガス流路２７ａ、酸化ガス流路２７ｂ）を形成したもの、または、導電性粒子を混入して導電性をもたせた樹脂板に冷却水流路２６やガス流路２７を形成したもの、または、流路２６、２７を形成する凹凸のある金属板を複数枚重ね合わせたもの、の何れかからなる。図示例は、セパレータ１８がカーボン板からなる場合を示している。セパレータ１８は、燃料ガスと酸化ガス、燃料ガスと冷却水、酸化ガスと冷却水、の何れかを区画する。セパレータ１８は、また、導電性部材であり、隣り合うセルのアノードからカソードに電子が流れる電気の通路を形成している。

そして、本発明の燃料電池システムにおいては、アノード側ガス流路であるセルの燃料ガス流路２７ａや燃料電池スタック内の燃料ガスマニホールド２９ａ、アノード側の配管である燃料ガス配管３１ａ、セパレータ１８のアノード側のガス流路である燃料ガス流路２７ａ等の少なくとも一部に遷移金属を設ける。

本発明に係る燃料電池用セパレータの形状の一例を図１に示す。図１に示すように、本燃料電池用セパレータ１００は、アノード側のガス流路１０１におけるガス流路面に、遷移金属の粉体１０２が塗布されている。

図２は、燃料電池の発電停止時に、アノード側へ空気を供給する空気供給手段（図示せず）によって、燃料電池用セパレータ１００のアノードへ空気（以下、エアーともいう）を供給してアノード側のパージを行うときの様子を示す概略説明図である。図２に示すように、セパレータ１００におけるガスの流れる溝部分であるガス流路１０１の流路面（斜線部）には、遷移金属の粉体１０２が塗布されている。

そして、燃料電池の発電終了時に、空気供給手段によってエアーを導入することにより、遷移金属がエアー中の酸素と反応し、脱酸素されたエアーが不活性ガス（主にＮ₂ガス）としてパージする。この際、セパレータ１００のガス流路１０１内での遷移金属粉体１０２の酸化反応により反応熱が発生するが、その熱量はセパレータを介して冷却水に伝えられる。

また、酸化反応した遷移金属粉体１０２は、燃料電池の発電時にアノード側に流される燃料ガス（水素）により還元処理される。遷移金属と酸化反応した酸素は、燃料電池の発電時に供給される燃料ガスによって、還元処理される。還元された酸素ガス（分子）をアノード側から燃料電池の外部に排出するために、発電を開始する前に燃料ガスを供給して還元反応を生じさせる還元処理モードを燃料電池の起動時に設けてもよい。これにより、燃料電池発電時の燃料ガスの濃度低下要因を削除できる。

実施例２に係る燃料電池システムの概略構成（燃料電池スタック周辺の構成）を図３に示す。
図３に示すように、本実施例２の燃料電池システム３００は、少なくとも図１に示すガス流路の構成をアノード側に備えた燃料電池用セパレータ１００を含む燃料電池の単位セルを複数有する燃料電池スタック３０１と、該スタック３０１のカソード入口ａ、カソード出口ｂ、アノード入口ｃ、アノード出口ｄに夫々接続された４つの配管３０３と、アノード入口ｃに接続された配管３０３のｃ近辺に設けられたバルブ１と、アノード出口ｄに接続された配管３０３のｄ近辺に設けられたバルブ２と、カソード入口ａとアノード入口ｃに夫々接続された２つの配管３０３をバルブ１よりもガス流の上流側で繋ぐ配管３０２に設けられたバルブ３と、アノード入口ｃに接続された配管３０３で配管３０２よりも上流に設けられたバルブ７と、から構成されている。

なお、図３に示すように、燃料電池システム３００においては、エアーと燃料ガス（水素）とが、矢印の方向にそれぞれ配管３０３を移動し、カソード入口ａ及びアノード入口ｃから燃料電池スタック３１に流入される。その後、燃料電池スタック３０１のカソード出口ｂ及びアノード出口ｄから排ガスが配管３０３を移動し、矢印の方向へ排出される。

燃料電池システム３００においては、燃料電池の通常の発電時（運転時）では、燃料電池スタック３０１のアノードとカソードに、入口ｃ，ａからそれぞれ燃料ガス（水素）とエアーを供給して発電を行い、それぞれのガスはアノード、カソードの出口ｄ、ｂより排出されていく。燃料電池スタック３０１へエアーを供給するには空気供給手段（図示せず）により行い、燃料ガスを供給するには燃料ガス供給源（高圧ガスタンク又は改質器等）（図示せず）によって行う。このとき、バルブ１、バルブ２及びバルブ７は開の状態であり、バルブ３は閉の状態である。この状態では、燃料電池スタック３０１のアノードには燃料ガスのみが流入されて本来の燃料電池としての機能を果たす。

そして、燃料電池の発電停止時（停止時）には、バルブ１及びバルブ２は開の状態のままで、バルブ３が開、バルブ７が閉となり、空気供給手段によってアノード入口ｃから燃料電池スタック３０１のアノード側にエアーが導入される。アノードに導入されたエアーは、アノード側のセパレータ１００の流路１０１内部に塗布された遷移金属粉体１０２と酸化反応が起こり、内部で脱酸素化され不活性ガスとなりアノード側出口ｄより排出されパージを行う。これにより、従来必要とされていた窒素、アルゴン等の不活性ガスボンベが不要となる。

アノード側のパージが終了すると、バルブ１と２が閉となり、燃料電池スタック３０１のアノード側は不活性ガスで満たされた状態で停止状態となる。

このように、本実施例では、遷移金属（例えば、鉄等）の粉体（例えば、微小粉末等）をアノード側ガス流路内に塗布し、発電停止時にアノード側へのエアー供給を行い、流路内の遷移金属と酸素との酸化反応によりエアー中の酸素を除去し、不活性ガス成分の空気を作りパージするものである。これにより、従来技術にあるような別体での脱酸素カラムを設ける必要がなく、システムが簡素であり、低コストにパージが可能となる。

また、パージにより酸化された遷移金属は、発電中にアノード側に流される水素により還元される。これにより、再度遷移金属を酸化反応に供することができ、不活性ガス成分によるパージが可能となる。遷移金属と酸化反応した酸素は、燃料電池の発電時に供給される燃料ガスによって、還元処理される。還元された酸素ガス（分子）をアノード側から燃料電池の外部に排出するために、発電を開始する前に燃料ガスを供給して還元反応を生じさせる還元処理モードを燃料電池の起動時に設けてもよい。これにより、燃料電池発電時の燃料ガスの濃度低下要因を削除できる。

本実施例によれば、不活性ガスを別途使用することなしに、発電停止時の不活性ガスにより、パージを行うことができる。
アノード側のセパレータ流路又は配管内面に遷移金属（鉄等）の微粉を塗布し、使用時にアノードへのエアー導入により、エアー中の酸素を遷移金属との酸化反応によって除去し、エアー中の不活性成分（窒素、アルゴン）によりパージ処理を行うことができる。

実施例３に係る燃料電池システムの概略構成を図４に示す。
図４に示すように、本実施例３の燃料電池システム４００は、燃料電池スタック３０１のアノード出口ｄに接続された配管３０３におけるバルブ２よりも下流から分岐されて、カソード入口ａに接続された配管３０３（カソード上流）における配管３０２の接続位置よりも下流に合流する配管３０４が設けられている。配管３０４には、バルブ４が設けられている。また、カソード入口ａに接続された配管３０３には、配管３０２と配管３０４の接続位置の間に、バルブ５が設けられている。即ち、配管３０４は、アノード側とカソード側の間を繋ぐものである。さらに、燃料電池スタック３０１のカソード出口ｂに接続された配管３０３（カソード下流）には、カソード出口ｂ近辺にバルブ６が設けられている。

燃料電池システム４００における上記の点以外の構成については、前記した図３に示す燃料電池システム３００と同一である。従って、燃料電池システム４００のアノード側のパージについては、バルブ４を閉にすれば実施例２と同様にして行うことができ、同様の効果が得られる。

燃料電池システム４００は、カソード側についてもパージを行う場合の構成である。燃料電池システム４００の上記構成によって、遷移金属粉体１０２が塗布された燃料電池スタック３０１のアノードを経由してアノード出口ｄから脱酸素処理されたエアー（不活性ガス）を、カソード側へバルブ４を介して導入することができ、カソード側のパージを行うことができる。アノードとカソード側のパージが行われた後は、バルブ１，２，４，５，６が閉となり、アノード、カソードともに不活性ガスにより満たされた状態で停止状態となる。

〔他の実施例〕
本発明の他の実施例としては、以下のものが挙げられる。

（１）アノード側のセパレータ流路に遷移金属（鉄等）を塗布し、発電終了後にエアーをアノード側に導入し、遷移金属の酸化反応によりエアーの脱酸素処理を行う前記方法以外の方法としては、遷移金属が、鉄の微粉体以外に、銅、ニッケルであってもよい。

（２）遷移金属の微粉体をセパレータ流路に塗布する前記方法以外に、セパレータ表面に多孔化処理を行い、その多孔内に熱処理等で遷移金属の微粉体を固定することもできる。

（３）セパレータ流路表面に遷移金属粉体を固定する方法として、例えば、カーボンセパレータを用いる場合には、その材料となるカーボン材と遷移金属粉体とを混合し、セパレータの作成時に一体的に形成する方法が挙げられる。

（４）遷移金属の微粉体をセラミックの担持体に熱処理等で固定化したものを、セパレータ流路内に埋め込むこともできる。

（５）遷移金属の微粉体をアノードガスの流路（配管内）に設けてもよい。この場合には、流路の圧力損失を低減させるために、遷移金属の微粉体をハニカム構造の金属担持体に固定する。

（６）配管として燃料電池スタックに設けられたガスマニホールドに、遷移金属を設けることもできる。

以上、本発明の実施例に基づいて本発明を詳細に説明したが、本発明はかかる実施例に限られず、それら以外に適宜変更できることは言うまでもない。

本発明は、脱酸素装置等のコンポーネントを設けることなしに、効率良くパージを行うことのできる燃料電池システム及び燃料電池用セパレータ、車両として、産業上の利用可能性を有する。

実施例１に係る燃料電池用セパレータ（アノード側）の形状の一例を示す斜視図である。 発電停止時に燃料電池用セパレータ（アノード側）のパージを行うときの様子を示す概略説明図である。 実施例２に係る燃料電池システムの概略構成図である。 実施例３に係る燃料電池システムの概略構成図である。 本発明に係る燃料電池システムに用いられる燃料電池スタックの一例を示す全体概略図である。 図５の燃料電池スタックの一部拡大断面図である。

符号の説明

１００…燃料電池用セパレータ、１０１・・・ガス流路、１０２・・・遷移金属の粉体、３００、４００…燃料電池システム、３０１・・・燃料電池スタック、ａ・・・カソード入口、ｂ・・・カソード出口、ｃ・・・アノード入口、ｄ・・・アノード出口、３０２，３０３，３０４・・・配管、１，２，３，４，５，６，７・・・バルブ、１１…電解質膜、１２…触媒層、１３…拡散層、１４…電極（アノード、燃料極）、１５…触媒層、１６…拡散層、１７…電極（カソード、空気極）、１８…セパレータ、１９…モジュール、２０…ターミナル、２１…インシュレータ、２２…エンドプレート、２３…スタック、２４…テンションプレート、２５…ボルト、２６…冷媒流路、２７…ガス流路、２７ａ…燃料ガス流路、２７ｂ…酸化ガス流路、２８…冷媒マニホールド、２９…ガスマニホールド、２９ａ…燃料ガスマニホールド、２９ｂ…酸化ガスマニホールド、３０…冷媒配管、３１…ガス配管、３１ａ…燃料ガス配管、３１ｂ…酸化ガス配管、３２…プレッシャプレート、３３…ばね機構

Claims (12)

1. 少なくともガス流路を有するセパレータを含む燃料電池の単位セルを複数有する燃料電池スタックと、燃料電池スタックに対して燃料ガス及び空気を導入するための配管と、を備えた燃料電池システムであって、
   燃料電池システムのアノード側ガス流路及び配管の少なくとも一部に遷移金属が配置されており、燃料電池の発電停止時にアノード側へ空気を供給する空気供給手段を備える燃料電池システム。
2. 前記セパレータのアノード側のガス流路に、遷移金属が配置された、請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記遷移金属が、多孔化処理されたセパレータ表面の該多孔内に固定された、請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記遷移金属がセラミックの担持体に固定され、該担持体がセパレータのアノード側のガス流路内に埋め込まれた、請求項２又は３記載の燃料電池システム。
5. カーボン材と遷移金属とから一体的に形成されたカーボンセパレータを、前記セパレータとして設けた、請求項２〜４の何れかに記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池スタックのアノード側上流に位置する配管内ガス流路に、遷移金属が配置された、請求項１〜５の何れかに記載の燃料電池システム。
7. 前記遷移金属がハニカム構造の担持体に固定され、該担持体が前記燃料電池スタックのアノード側上流に位置する配管内ガス流路内に埋め込まれた、請求項６記載の燃料電池システム。
8. 燃料電池の発電停止時にカソード側へ、アノード側から排出されるガスを供給するガス供給手段を備える、請求項１〜７の何れかに記載の燃料電池システム。
9. 前記遷移金属が、鉄、銅、又はニッケルの粉末である、請求項１〜８の何れかに記載の燃料電池システム。
10. セパレータのアノード側のガス流路に遷移金属が配置されてなる燃料電池用セパレータ。
11. 燃料電池スタックのアノード側に対してガスを供給する燃料電池用配管において、
    配管のガス流路面に遷移金属が配置された燃料電池用配管。
12. 請求項１〜１０の何れかに記載の燃料電池システム、請求項１０記載の燃料電池用セパレータ、又は請求項１１記載の燃料電池用配管を少なくとも備える車両。

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