JP2008016216A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】特に高電位側のセパレータ等が腐食するのを効果的に抑制する。
【解決手段】セパレータ２０には、セル２が複数積層されたときに積層方向に連なる流体流路１５が形成されているとともに、該流体流路１５に連通する部分には、発電時におけるセル積層体３のうち最も高電位のセパレータ２０の電位より少なくとも一部が高い電位となっている高電位部材９が設けられている。流体流路１５は例えば当該燃料電池１の反応ガスまたは冷媒を流通させるマニホールドであり、高電位部材９は該マニホールド内においてセル２のいずれとも直接接しない状態で配置されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。さらに詳述すると、本発明は、燃料電池を構成する部材が腐食するのを抑制するための技術の改良に関する。

一般に、燃料電池（例えば固体高分子形燃料電池）は電解質をセパレータで挟んだセルを複数積層することによって構成されている。このようにセルが積層されることによって構成されるセル積層体は、発電時、およそ各セルの合計分の電圧を生じさせる。

一方、発電時には、金属の表面等における電位差に起因し、電流が流れる際に燃料電池構成部品（例えばセパレータの表面など）の一部において腐食が生じることがある。従来、このように燃料電池構成部品が腐食するのを回避するための技術としては、例えば冷媒流路にイオン吸着材を配置するといったものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−２９７７８４号公報

しかしながら、上述のような技術によっても依然として高電位側の部材が腐食するおそれがある。

そこで、本発明は、特に高電位側のセパレータ等が腐食するのを効果的に抑制することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。例えば、セパレータにおけるマニホールド孔周辺部の腐食を抑えるための技術のひとつとして、犠牲陽極となるカーボンの棒状電極を設置するというものがある。ところが、これはセパレータに比較して酸化しやすい材を犠牲陽極材として設置するものであり、セパレータのマニホールド孔周辺部のみしか効果が及ばないことがある。この点につきさらに検討を重ねた本発明者は、かかる課題の解決に結び付く着想、すなわちセパレータの発電面の腐食を効果的に低減させることに関する着想を得るに至った。

本発明はかかる着想に基づくものであり、膜−電極アッセンブリをセパレータで挟持してなるセルが複数積層されてなるセル積層体と、該セル積層体の積層方向両端に設けられるエンドプレートと、を含む燃料電池を備えた燃料電池システムであって、前記セパレータには、前記セルが複数積層されたときに積層方向に連なる流体流路が形成されているとともに、該流体流路に連通する部分には、発電時における前記セル積層体のうち最も高電位のセパレータの電位より少なくとも一部が高い電位となっている高電位部材が設けられていることを特徴としている。

セパレータが金属製である場合、高電圧側（＋側）の数セルで腐食が発生する場合がある。この点、本発明にかかる燃料電池システムにおいては、高電位部材が、セパレータの電位（セル積層体のうち最も高電位のセパレータの電位）よりも高い電位となる。これにより、高電位部材からセパレータに電流が流れ、分極効果により、セパレータの電位が低くなり、腐食電流を消滅させることができる。このような構造の燃料電池システムにおいては、燃料電池の構成部品（特にセパレータ）の腐食を効果的に抑制することが可能である。

また、本発明において用いる高電位部材は、発電時におけるセル積層体のうち最も高電位のセル電位よりも高い電位となっている。したがって、例えば従来におけるような依然として高電位側の部材が腐食するおそれのあったシステムとは異なり、これら高電位側の部材についても腐食を効果的に抑制することができる。

ここで、例えばセパレータの発電面における腐食は、酸化ガス（例えば空気）の出口あるいは燃料ガス（例えば水素）の出口にて顕著に発生する場合が多い。この点、本発明の場合、前記流体流路は当該燃料電池の反応ガスまたは冷媒を流通させるマニホールドであり、前記高電位部材は該マニホールド内において前記セルのいずれとも直接接しない状態で配置されているから、このようにガス出口にて顕著に発生しやすい腐食を効果的に抑制することが可能となっている。また、本発明にかかる高電位部材はセルのいずれとも直接接しない状態で配置されており、生成水を介して各セル（セパレータ）と電気的に接続されるようになっている。このように生成水を介して接続した状態になると、当該高電位部材とセパレータとの間に電流が流れ、電気防食法の原理に従いセパレータの電位が低下する結果、腐食を抑制することができる。

なお、マニホールド内における生成水の水量は燃料電池の運転状況などに応じて様々であり、場合によっては生成水がない状況もあり得るが、水がない状況下ではそもそも腐食が生じ難い。この点、本発明の場合には腐食が生じるおそれのある状況、つまり生成水が生じている状況にて高電位部材とセル（セパレータ）とが電気的に接続されるから腐食を効果的に抑制することができる。

前記高電位部材は例えば棒状に形成されているものである。棒状に形成された高電位部材はその長手方向をセル積層方向に一致させた状態で例えば酸化ガス用のマニホールド等に設置される。この場合、単一の部材を所定位置に配置すれば済むことから、比較的簡素な構成で防食を実現することが可能だという利点がある。なお、このように棒状に形成された高電位部材は例えば透水性絶縁膜で覆われる等して絶縁されていることが好ましい。また、ねじ等によって燃料電池に対し着脱可能に取り付けられていることも好ましい。

また、前記高電位部材はセル積層方向に並ぶ複数の電極によって構成されていることも好ましい。このように複数の電極をいわば分割した形で配置した燃料電池システムにおいては、各電極における電位を段階的に変化させることも可能である。例えば３００〜４００枚といったような多数のセルが積層されている場合、積層体の両端における電位差はその分だけ大きくなるが、この燃料電池システムによれば各セパレータの電位に対応して各電極の電位を変化させることが可能であり、こうすることによってセルと電極との間の電位差が大きくなりすぎるのを回避することができる。したがって、電位差が大きい場合に生じうる電気分解を抑えることが可能である。また、各セルと各電極との間の電位差が一定となるように設定すれば、流体流路の連通部分と各セルとの間における電位差を一律になくし、セル積層方向の全体において腐食電流を同様に消滅させうる点で好ましい。

この場合、前記複数の電極のそれぞれが、当該電極が有する電位よりも低い電位である前記セパレータの直近に配置されていることが好ましい。さらには、前記複数の電極のそれぞれが、当該電極よりも高電位寄りに位置するセルのセパレータ、あるいは当該電極よりも高電位に設定された端子と電気的に接続されていることが好ましい。上述のように分割した形の電極のそれぞれを当該電極よりも高電位寄りのセルに接続することとすれば、各電極の電位が、それよりも高電位寄りのセパレータの電位と等しくなる。こうした場合には、セル積層方向に沿って順次変化するセル電位に応じるようにして各電極の電位をセル積層方向に沿って順次変化させることができる。

さらに、本発明の燃料電池システムは、前記高電位部材の少なくとも一部に電圧を印加する外部電源を備えており、該外部電源は、その負極が前記セル積層体のうち最も電位が高い部位に接続されるとともに、その正極が前記高電位部材に接続されているものとなっている。外部電源からの防食電流は主として陰極部（本発明の場合、セルのセパレータ）に流入し、各セパレータの電位を低下させて陽極（本発明の場合、高電位部材）の電位に近付ける（分極効果）。

また、前記高電位部材が、前記流体流路のうち鉛直方向下方寄りに配置されていることがさらに好ましい。こうした場合、高電位部材が各流体の流れを妨げるのを抑えやすい。また、このように鉛直方向下方寄りに配置された高電位部材は流体流路中の生成水と接触しやすいから、その分だけ電気的に導通した状態を形成しやすい。

本発明によれば、特に高電位側のセパレータ等が腐食するのを効果的に抑制することが可能となる。

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。

図１〜図６に本発明にかかる燃料電池システムの実施形態を示す。燃料電池システム１００は、膜−電極アッセンブリ３０をセパレータ２０で挟持してなるセル２が複数積層されてなるセル積層体３と、該セル積層体３の積層方向両端に設けられるエンドプレート８と、を含む燃料電池１を備えたシステムである。本実施形態の場合、セパレータ２０にはセル２が複数積層されたときに積層方向に連なる流体流路が形成されているとともに、該流体流路に連通する部分には、発電時におけるセル積層体３のうち最も高電位のセパレータ２０の電位より少なくとも一部が高い電位となっている高電位部材９が設けられており、セパレータ２０等の燃料電池構成部材が腐食するのを効果的に抑制できるようにしている。

以下においては、まず燃料電池システム１００の全体構成、ならびに燃料電池１を構成するセル２の構成について説明し、その後、セパレータ２０等が腐食するのを抑制するための構成について説明する。

図１に本実施形態における燃料電池システム１００の概略構成を示す。図示するように、燃料電池システム１００は、燃料電池１と、酸化ガスとしての空気（酸素）を燃料電池１に供給する酸化ガス給排系（以下、酸化ガス配管系ともいう）３００と、燃料ガスとしての水素を燃料電池１に供給する燃料ガス給排系（以下、燃料ガス配管系ともいう）４００と、燃料電池１に冷媒を供給して燃料電池１を冷却する冷媒配管系５００と、システムの電力を充放電する電力系６００と、システム全体を統括制御する制御部７００と、を備えている。

燃料電池１は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数のセル（単セル）２を積層したスタック構造となっている。各セル２は、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極および燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータ２０を有している。一方のセパレータ２０の燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータ２０の酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池１は電力を発生する。

酸化ガス配管系３００は、燃料電池１に供給される酸化ガスが流れる供給路１１１と、燃料電池１から排出された酸化オフガスが流れる排出路１１２と、を有している。供給路１１１には、フィルタ１１３を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ１１４と、コンプレッサ１１４により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１１５と、が設けられている。排出路１１２を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁１１６を通って加湿器１１５で水分交換に供された後、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。コンプレッサ１１４は、モータ１１４ａの駆動により大気中の酸化ガスを取り込む。

燃料ガス配管系４００は、水素供給源１２１と、水素供給源１２１から燃料電池１に供給される水素ガスが流れる供給路１２２と、燃料電池１から排出された水素オフガス（燃料オフガス）を供給路１２２の合流点Ａに戻すための循環路１２３と、循環路１２３内の水素オフガスを供給路１２２に圧送するポンプ１２４と、循環路１２３に分岐接続された排出路１２５と、を有している。

水素供給源１２１は、例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成され、例えば３５ＭＰａ又は７０ＭＰａの水素ガスを貯留可能に構成されている。水素供給源１２１の元弁１２６を開くと、供給路１２２に水素ガスが流出する。水素ガスは、調圧弁１２７その他の減圧弁により、最終的に例えば２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池１に供給される。

供給路１２２の合流点Ａの上流側には、遮断弁１２８が設けられている。水素ガスの循環系は、供給路１２２の合流点Ａの下流側流路と、燃料電池１のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環路１２３とを順番に連通することで構成されている。水素ポンプ１２４は、モータ１２４ａの駆動により、循環系内の水素ガスを燃料電池１に循環供給する。

排出路１２５には、遮断弁であるパージ弁１３３が設けられている。パージ弁１３３が燃料電池システム１００の稼動時に適宜開弁することで、水素オフガス中の不純物が水素オフガスと共に図示省略した水素希釈器に排出される。パージ弁１３３の開弁により、循環路１２３内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。

冷媒配管系５００は、燃料電池１内の冷却流路に連通する冷媒循環流路１４１と、冷媒循環流路１４１に設けられた冷却ポンプ１４２と、燃料電池１から排出される冷媒を冷却するラジエータ１４３と、ラジエータ１４３をバイパスするバイパス流路１４４と、ラジエータ１４３及びバイパス流路１４４への冷却水の通流を設定する三方弁（切替え弁）１４５と、を有している。冷却ポンプ１４２は、モータ１４２ａの駆動により、冷媒循環流路１４１内の冷媒を燃料電池１に循環供給する。

電力系６００は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１６１、バッテリ１６２、トラクションインバータ１６３、トラクションモータ１６４、及び各種の補機インバータ１６５，１６６，１６７を備えている。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１６１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ１６２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ１６３側に出力する機能と、燃料電池１又はトラクションモータ１６４から入力された直流電圧を調整してバッテリ１６２に出力する機能と、を有する。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１６１のこれらの機能により、バッテリ１６２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１６１により、燃料電池１の出力電圧が制御される。

バッテリ１６２は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。トラクションインバータ１６３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ１６４に供給する。トラクションモータ１６４は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム１００が搭載される例えば車両の主動力源を構成する。

補機インバータ１６５，１６６，１６７は、それぞれ、対応するモータ１１４ａ，１２４ａ，１４２ａの駆動を制御する電動機制御装置である。補機インバータ１６５，１６６，１６７は、直流電流を三相交流に変換して、それぞれ、モータ１１４ａ，１２４ａ，１４２ａに供給する。補機インバータ１６５，１６６，１６７は、例えばパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御部７００からの制御指令に従って燃料電池１又はバッテリ１６２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、各モータ１１４ａ，１２４ａ，１４２ａで発生する回転トルクを制御する。

制御部７００は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、後述するポンプ１２４の解凍制御など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。制御部７００は、ガス系統（３００，４００）や冷媒配管系５００に用いられる各種の圧力センサや温度センサ、外気温センサなどの検出信号を入力し、各構成要素に制御信号を出力する。

続いて、図２に本実施形態における燃料電池１のセル２の概略構成を示す。図示するように構成されるセル２は順次積層されてセル積層体３を構成している（図３参照）。また、このように形成されたセル積層体３は、例えばその両端を一対のエンドプレート８で挟まれ、さらにこれらエンドプレート８どうしを繋ぐようにテンションプレート（図示省略）が配置された状態で積層方向への荷重がかけられて締結されている。

なお、このようなセル２等で構成される燃料電池１は、例えば燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして利用可能なものであるがこれに限られることはなく、各種移動体（例えば船舶や飛行機など）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システム、さらには定置の発電システムとしても用いることが可能である。

セル２は、電解質、具体例として膜−電極アッセンブリ（以下ＭＥＡ；Membrane Electrode Assemblyと呼ぶ）３０、該ＭＥＡ３０を挟持する一対のセパレータ２０（図２と図４においてはそれぞれ符号２０ａ，２０ｂを付して示している）等で構成されている（図２参照）。ＭＥＡ３０および各セパレータ２０ａ，２０ｂはおよそ矩形の板状に形成されている。また、ＭＥＡ３０はその外形が各セパレータ２０ａ，２０ｂの外形よりも小さくなるように形成されている。

ＭＥＡ３０は、高分子材料のイオン交換膜からなる高分子電解質膜（以下、単に電解質膜ともいう）３１と、電解質膜３１を両面から挟んだ一対の電極（アノード側拡散電極およびカソード側拡散電極）３２ａ，３２ｂとで構成されている（図２参照）。電解質膜３１は、各電極３２ａ，３２ｂよりも大きく形成されている。この電解質膜３１には、その周縁部３３を残した状態で各電極３２ａ，３２ｂが例えばホットプレス法により接合されている。

ＭＥＡ３０を構成する電極３２ａ，３２ｂは、その表面に付着された白金などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材（拡散層）で構成されている。一方の電極（アノード）３２ａには燃料ガス（反応ガス）としての水素ガス、他方の電極（カソード）３２ｂには空気や酸化剤などの酸化ガス（反応ガス）が供給され、これら２種類の反応ガスによりＭＥＡ３０内で電気化学反応が生じてセル２の起電力が得られるようになっている。

セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）はガス不透過性の導電性材料で構成されている。導電性材料としては、例えばカーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属（メタル）が挙げられる。本実施形態のセパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）の基材は板状のメタルで形成されたいわゆるメタルセパレータである。この基材の電極３２ａ，３２ｂ側の面には耐食性に優れた膜（例えば金メッキで形成された皮膜）が形成されていることが好ましい。

また、セパレータ２０ａ，２０ｂの両面には、複数の凹部によって構成される溝状の流路が形成されている。これら流路は、例えば板状のメタルによって基材が形成されている本実施形態のセパレータ２０ａ，２０ｂの場合であればプレス成形によって形成することができる。このようにして形成される溝状の流路は、酸化ガスのガス流路３４や水素ガスのガス流路３５、あるいは冷却水流路３６を構成している。より具体的に説明すると、セパレータ２０ａの電極３２ａ側となる内側の面には水素ガスのガス流路３５が複数形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路３６が複数形成されている（図２参照）。同様に、セパレータ２０ｂの電極３２ｂ側となる内側の面には酸化ガスのガス流路３４が複数形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路３６が複数形成されている（図２参照）。さらに、本実施形態においては、隣接する２つのセル２，２に関し、一方のセル２のセパレータ２０ａの外面と、これに隣接するセル２のセパレータ２０ｂの外面とを付き合わせた場合に両者の冷却水流路３６が一体となり断面が例えば矩形あるいはハニカム形の流路が形成される構造となっている（図２参照）。

さらに、上述したように各セパレータ２０ａ，２０ｂは、少なくとも流体の流路をなすための凹凸形状が表面と裏面とで反転した関係になっている。より具体的に説明すると、セパレータ２０ａにおいては、水素ガスのガス流路３５を形成する凸形状（凸リブ）の裏面が冷却水流路３６を形成する凹形状（凹溝）であり、ガス流路３５を形成する凹形状（凹溝）の裏面が冷却水流路３６を形成する凸形状（凸リブ）である。さらに、セパレータ２０ｂにおいては、酸化ガスのガス流路３４を形成する凸形状（凸リブ）の裏面が冷却水流路３６を形成する凹形状（凹溝）であり、ガス流路３４を形成する凹形状（凹溝）の裏面が冷却水流路３６を形成する凸形状（凸リブ）である。

また、セパレータ２０ａ，２０ｂの長手方向の端部付近（本実施形態の場合であれば、図２中向かって左側に示す一端部の近傍）には、酸化ガスの入口側のマニホールド１５ａ、水素ガスの出口側のマニホールド１６ｂ、および冷却水の出口側のマニホールド１７ｂが形成されている。例えば本実施形態の場合、これらマニホールド１５ａ，１６ｂ，１７ｂは各セパレータ２０ａ，２０ｂに設けられた略矩形ないしは台形の透孔によって形成されている（図２参照）。さらに、セパレータ２０ａ，２０ｂのうち反対側の端部には、酸化ガスの出口側のマニホールド１５ｂ、水素ガスの入口側のマニホールド１６ａ、および冷却水の入口側のマニホールド１７ａが形成されている。本実施形態の場合、これらマニホールド１５ｂ，１６ａ，１７ａも略矩形ないしは台形の透孔によって形成されている（図２参照）。

上述のような各マニホールドのうち、セパレータ２０ａにおける水素ガス用の入口側マニホールド１６ａと出口側マニホールド１６ｂは、セパレータ２０ａに溝状に形成されている入口側の連絡通路６１および出口側の連絡通路６２を介してそれぞれが水素ガスのガス流路３５に連通している。同様に、セパレータ２０ｂにおける酸化ガス用の入口側マニホールド１５ａと出口側マニホールド１５ｂは、セパレータ２０ｂに溝状に形成されている入口側の連絡通路６３および出口側の連絡通路６４を介してそれぞれが酸化ガスのガス流路３４に連通している（図２参照）。さらに、各セパレータ２０ａ，２０ｂにおける冷却水の入口側マニホールド１７ａと出口側マニホールド１７ｂは、各セパレータ２０ａ，２０ｂに溝状に形成されている入口側の連絡通路６５および出口側の連絡通路６６を介してそれぞれが冷却水流路３６に連通している。ここまで説明したような各セパレータ２０ａ，２０ｂの構成により、セル２には、酸化ガス、水素ガスおよび冷却水が供給されるようになっている。ここで具体例を挙げておくと、セル２が積層された場合、例えば水素ガスは、セパレータ２０ａの入口側マニホールド１６ａから連絡通路６１を通り抜けてガス流路３５に流入し、ＭＥＡ３０の発電に供された後、連絡通路６２を通り抜けて出口側マニホールド１６ｂに流出することになる。

第１シール部材１３ａ、第２シール部材１３ｂは、ともに複数の部材（例えば小型の４つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体）で形成されているものである（図２参照）。これらのうち、第１シール部材１３ａはＭＥＡ３０とセパレータ２０ａとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜３１の周縁部３３と、セパレータ２０ａのうちガス流路３５の周囲の部分との間に介在するように設けられる。また、第２シール部材１３ｂは、ＭＥＡ３０とセパレータ２０ｂとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜３１の周縁部３３と、セパレータ２０ｂのうちガス流路３４の周囲の部分との間に介在するように設けられる。

さらに、隣接するセル２，２のセパレータ２０ｂとセパレータ２０ａとの間には、複数の部材（例えば小型の４つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体）で形成された第３シール部材１３ｃが設けられている（図２参照）。この第３シール部材１３ｃは、セパレータ２０ｂにおける冷却水流路３６の周囲の部分と、セパレータ２０ａにおける冷却水流路３６の周囲の部分との間に介在するように設けられてこれらの間をシールする部材である。

なお、第１〜第３シール部材１３ａ〜１３ｃとしては、隣接する部材との物理的な密着により流体を封止する弾性体（ガスケット）や、隣接する部材との化学的な結合により接着する接着剤などを用いることができる。例えば本実施形態では各シール部材１３ａ〜１３ｃとして弾性によって物理的にシールする部材を採用しているが、この代わりに上述した接着剤のような化学結合によってシールする部材を採用することもできる。

枠状部材４０は、ＭＥＡ３０とともにセパレータ２０ａ，２０ｂ間に挟持される例えば樹脂からなる部材（以下、樹脂フレームともいう）である。例えば本実施形態では、薄い枠形状の樹脂フレーム４０をセパレータ２０ａ，２０ｂ間に介在させ、当該樹脂フレーム４０によってＭＥＡ３０の少なくとも一部、例えば周縁部３３に沿った部分を表側と裏側から挟持するようにしている。このように設けられる樹脂フレーム４０は、締結力を支持するセパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）間のスペーサとしての機能、絶縁部材としての機能、セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）の剛性を補強する補強部材としての機能を発揮する。

燃料電池１の構成について簡単に説明すると以下のとおりである（図３等参照）。本実施形態における燃料電池１は、複数の単セル２を積層したセル積層体３を有し、セル積層体３の両端に位置する単セル２，２の外側に順次、出力端子５付きの集電板６、絶縁板７およびエンドプレート８が各々配置された構造となっている（図３参照）。このようなセル積層体３は図示していないテンションプレートによって積層状態で拘束されている。テンションプレートは両エンドプレート８，８間を架け渡すようにして設けられているもので、例えば一対がセル積層体３の両側に対向するように配置される。

続いて、本実施形態の燃料電池システム１００のうち特に電気防食に関する構造について説明する（図３等参照）。

セパレータ２０には、セル２が順次積層されたときに積層方向に連なる流体流路が形成されるようになっている。具体例を示せば、上述した酸化ガスの出口側のマニホールド１５ｂが連なることにより、酸化ガスを燃料電池１の外部に排出する流体流路（図３において符号１５で示す）が形成されている。以下においては、この酸化ガスの出口側の流体流路９に高電位部材９を設ける場合を例示して説明する。

高電位部材９は、発電時におけるセル積層体３のうち最も高電位のセパレータ２０の電位より少なくとも一部が高い電位となるように設けられている。例えば図３の燃料電池１において例示すると、積層されたセル２のうち、カソード側（正極側）に位置するもの（図３中において符号２１で示す）が最も高電位となり、隣接するセル２２，２３，２４と順次電圧が低くなる構成となっている（図３参照）。高電位部材９は、この最も高電位のセル２（２１）よりも電位が高くなるように設けられている。

本実施形態の高電位部材９は、外部電源１１と接続されることによって最も高電位のセル２（２１）よりも電位が高くなるように設けられている。すなわち、外部電源１１が、その正極が高電位部材９に接続され、尚かつその負極が正極側（セル２１側）の集電板６の出力端子５に接続された状態で設けられており、高電位部材９の電位が集電板６の電位よりも当該外部電源１１の出力電圧（起電力）の分だけ高くなるようにしている（図３参照）。この場合、最も高電位のセル２（２１）と接触した状態にある集電板６は当該セル２（２１）と同電位にあるから、結局、高電位部材９はこの最も高電位のセル２（２１）よりも外部電源１１の出力電圧の分だけ電位が高い状態となっている。

なお、外部電源１１の出力電圧の大きさは特に限定されるものではないが、例えば本実施形態では単セル２の出力電圧（起電力）とほぼ等しい１Ｖ程度の起電力の直流電源を用いることとしている。また、外部電源１１は、例えば図示しないＤＣ／ＤＣコンバータを介してバッテリ１６２を接続する等によって構成することができる。

また、高電位部材９の形状や大きさも特に限定されるものではないが例えば本実施形態では棒状に形成されており、その長手方向をセル積層方向に一致させた状態で流体流路１５（酸化ガスの出口側マニホールド１５ｂが連なって形成されている流路）に設置されている（図３参照）。この場合、単一の部材を所定位置に配置することによって防食を実現することができるという比較的簡素な構成となっている。このような高電位部材９は、例えば集電板６の透孔部に設けられた絶縁シール１２等によって当該集電板６や各セル２と絶縁された状態で配置されている（図３参照）。なお、このような棒状の高電位部材９を例えば集電板６や絶縁板７等に対してねじ等によって着脱可能に取り付けることも好ましい。こうした場合、取外しが容易となる分だけ保守性を向上させることができる。

さらに、このような高電位部材９の材質も特に限定されるものではないが、例えば金、白金、カーボン等のように導電性に優れ尚かつ酸化しにくいものが好適である。

また、本実施形態ではこのような高電位部材９を透水性の絶縁膜１４で覆うようにしている（図５参照）。このような絶縁膜１４によれば、高電位部材９が各セル２のセパレータ２０などに直接接するのを回避することができる。また、セル２から排出された生成水が流体流路１５（酸化ガスの出口側マニホールド１５ｂが連なって形成されている流路）の内部に流れている場合には、当該生成水を介してセル２と電気的に接触した状態となる。すなわち、本実施形態の高電位部材９はいわば液絡、つまり生成水によって短絡する構成になっており、このように生成水を介して接続した状態になると、当該高電位部材９とセパレータ２０との間に電流が流れるようにし、電気防食法の原理に従いセパレータ２０の電位を低下させて腐食を抑制するようになっている。このような透水性の絶縁膜１４としては例えば繊維や多孔性の樹脂などが好適である。

なお、流体流路１５内における生成水の水量は燃料電池１の運転状況などに応じて様々であり場合によっては生成水がない状況もあり得るが、水がない状況下ではそもそも腐食が生じ難い。この点、本実施形態の燃料電池１の場合には腐食が生じるおそれのある状況、つまり生成水が生じている状況にて高電位部材９とセル２（セパレータ２０）とが電気的に接続されるから腐食を効果的に抑制することが可能となっている。

また、上述した高電位部材９は、流体流路１５の内部において鉛直方向（図５においては符号ｇで示している）下方寄りに配置されていることが好ましい（図５参照）。このように鉛直方向下方寄りに配置された高電位部材９は、流体流路１５中の生成水と接触しやすくなるからその分だけ電気的に導通した状態を形成しやすいという利点がある。また、このように配置されている場合には当該流体流路１５を流れる流体（例えば本実施形態の場合には酸化ガス）の邪魔にならず、流れを妨げにくいという利点もある。

なお、図５では断面形状が矩形の高電位部材９を示しているがこれは一例に過ぎず、断面形状さらには大きさが特に限定されることはない。ただし、生成水を介して液絡（電気的に導通）することからすれば、生成水との接触領域が大きくなるよう表面積が大きいものであることが好ましい。

ここまで説明したように、本実施形態においては、発電時におけるセル積層体３のうち最も高電位のセパレータ２０の電位よりも高い電位となる高電位部材９を設け、特に高電位側のセパレータ２０の発電面における腐食を効果的に抑制することを可能としている。上述したように、一般に金属の表面には局部的に無数の陽極部と陰極部とが入り組んでいて、これら陽極と陰極の電位差が要因となって腐食が生じる場合がある。これに対し、本実施形態の燃料電池システム１００においては、高電位部材９からセパレータ２０に電流を流すことにより当該セパレータ２０の電位を低くし、これによって腐食の因子たる腐食電流を消滅させることが可能である。

また、犠牲陽極となるカーボン電極を設置するといった従来技術と比べると、本実施形態では電気防食という電気化学的手法を採用しており、効果的かつ経済的な防食を実現できるという点で好適である。しかも、従来技術の場合には例えばセパレータのマニホールド孔周辺部のみしか効果が及ばないなど、高電位側の部材が依然として腐食するおそれがあったのに対し、本実施形態の燃料電池システム１００においてはこれら高電位側の部材についても腐食を効果的に抑制することが可能となっている。

なお、ここまでは高電位部材９を棒状に形成した場合を例示して説明したが、かかる高電位部材９を他の形態とすることもできる。以下においては、高電位部材９の他の形態とした場合について説明する（図６参照）。

図６に示す燃料電池１において、高電位部材９はセル積層方向に並ぶ複数の電極によって構成されている。このように高電位部材９をいわば複数に分割した形で配置した燃料電池システム１００においては、各電極における電位を段階的に変化させることが可能である。例えば、３００〜４００枚といった多数のセル２が積層されている場合、セル積層体３の両端における電位差はその分だけ大きくなるが、この燃料電池システム１００によれば各セパレータ２０の電位に対応して各電極の電位を変化させることが可能であり、こうすることによってセル２と電極との間の電位差が大きくなりすぎるのを回避することができる。したがって、電位差が大きい場合に生じうる電気分解を抑えることが可能となっている。また、各セル２と各電極との間の電位差が一定となるように設定すれば、流体流路１５の連通部分と各セル２との間における電位差を一律になくし、セル積層方向の全体において腐食電流を同様に消滅させうる点で好ましい。

例えば本実施形態においては、複数の電極（図６において正極側から順に符号９１，９２，９３，・・・で示す）のそれぞれが、当該電極が有する電位よりも低い電位であるセパレータ２０の直近に配置されている。また、複数の電極のそれぞれが、当該電極よりも高電位寄りに位置するセル２のセパレータ２０、あるいは当該電極よりも高電位に設定された端子と電気的に接続されている。

具体的に説明すると、例えば正極側から２番目の電極９２は同じく正極側から２番目のセル２２の直近に配置され、尚かつ導電性の支持部材１８によって正極側から１番目のセル２１に電気的に接続されている。また、正極側から３番目の電極９３は正極側から３番目のセル２３の直近に配置され、尚かつ導電性の支持部材１８によって正極側から２番目のセル２２に電気的に接続されている。このように、セル２と同数の電極が各セル２の直近に配置され、尚かつそれぞれが支持部材１８によって支持されつつ１段正極寄りのセル２に電気的に接続されている。

また、最も正極側に位置する電極２１は、例えば貫通端子１９に支持された状態で１番目のセル２１の直近に配置されている（図６参照）。貫通端子１９は、当該電極２１を支持して所定位置に位置させるとともにこの電極２１の電位を１番目のセル２１よりも高くなるようにするもので、外部電源１１の正極に接続されている。この外部電源１１の負極は正極側の集電板６の出力端子５に接続されており、当該外部電源１１の出力電圧たる起電力（例えばおよそ１Ｖ）の分だけ電極２１の電位をセル２１よりも高くする。なお、集電板６の透孔、絶縁板７の透孔およびエンドプレート８の透孔には絶縁シール１２が設けられており、貫通端子１９はこの絶縁シール１２を貫通するように配意され、その先端部にて電極２１を支持している（図６参照）。絶縁シール１２は貫通端子１９を絶縁するほか、当該集電板６等の孔からガス（この場合、酸化ガス）が漏れないようにするためのシール材としても機能する。

ここで、上述した支持部材１８は各セル２のカソード側のセパレータ２０ｂに接続されているがこれは接続形態の一例に過ぎない。例えば、セパレータ２０ｂと接触し合っている隣接するセルのアノード側セパレータ２０ａは当該カソード側セパレータ２０ｂと同電位になっているから、支持部材１８をこれらアノード側セパレータ２０ａに接続したとしても電気的には同等の構造となる。

このような燃料電池１においては、上述の実施形態と同様、生成水を介して高電位部材（各電極）９と直近のセル２とが短絡した状態となり、各電極が酸化される方向に電流が流れることによってセパレータ２０が腐食するのを抑制することができる。しかも、本実施形態においては複数の電極によって高電位部材９を構成し、各電極の電位がセル積層方向に沿って順次変化する段階的な電位差を設けている。この場合、各セル２（セパレータ２０）とこれに対応して設けられた各電極との間の電位差はいずれも等しくなる（例えば本実施形態の場合はおよそ１Ｖ）ことから、電位差が大きくなりすぎた場合に生じうる水の電気分解を抑えることができる。このように、水（生成水）の電気分解といった副反応を抑えることが可能となる本実施形態の防食手法は、セル積層数の多い燃料電池１に適用して特に好適である。

また、本実施形態では各電極をそれぞれ支持部材１８を介して隣接するセル２のセパレータ２０に接続したため、各セル２をいわば外部電源のように作用させることができる。なお、本実施形態では各セル２に対して各電極を１つずつずらして配置した態様を例示したがこれは好適な一例に過ぎず、これ以外として例えば２つずつ、あるいは３つずつといった形でずらして配置することも可能である。

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば本実施形態では酸化ガスの出口側のマニホールド１５（１５ｂ）に高電位部材９を配置した例を示したがこれは好適な一例に過ぎず、酸化ガスの入口側のマニホールド１５（１５ａ）にも適用することができるし、燃料ガスの入口側・出口側のマニホールド１６（１６ａ，１６ｂ）にも適用できる。さらには、冷却水（冷媒）の入口側・出口側のマニホールド１７（１７ａ，１７ｂ）にも適用することができる。一般に、セパレータ２０の発電面における腐食は、酸化ガス（例えば空気）の出口あるいは燃料ガス（例えば水素）の出口にて顕著に発生する場合が多く、この点からすれば上述した実施形態のように酸化ガスの出口側マニホールド１５（１５ｂ）、さらには燃料ガスの出口側マニホールド１６（１６ｂ）に高電位部材９を設けることが好ましいが、これら以外のマニホールドにおいて適用した場合であってもセパレータ２０の防食を実現することが可能である。例えば酸化ガスや燃料ガスの入口側マニホールド１５ａ，１６ａに高電位部材９を配置した場合であれば、これら入口側のマニホールド１５ａ，１６ａに対して水を積極的に注入することも行い得る。さらには、高電位部材９を上述のようにマニホールド１５〜１７に配置するばかりでなく、各流体の流路に連通する部分に配置することも可能である。

本実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。 セル積層体のセルを分解して示す分解斜視図である。 棒状の高電位部材が配置された本実施形態の燃料電池の構成を概略的に示す図である。 図３に示した燃料電池における単セルの端部のみを示す図である。 酸化ガスのガス流路側からみたセパレータを、流路面を鉛直方向に一致させた状態で示す概略図である。 複数の電極からなる高電位部材が配置された燃料電池の構成を概略的に示す図である。

符号の説明

１…燃料電池、２…セル、３…セル積層体、８…エンドプレート、９…高電位部材、１１…外部電源、１５…酸化ガスのマニホールド（流体流路）、１６…燃料ガスのマニホールド（流体流路）、１７…冷却水のマニホールド（流体流路）、１９…貫通端子（電極よりも高電位に設定された端子）、２０（２０ａ，２０ｂ）…セパレータ、２１…発電時におけるセル積層体のうち最も高電位のセル、３０…ＭＥＡ（膜−電極アッセンブリ）、１００…燃料電池システム

Claims (8)

1. 膜−電極アッセンブリをセパレータで挟持してなるセルが複数積層されてなるセル積層体と、該セル積層体の積層方向両端に設けられるエンドプレートと、を含む燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
   前記セパレータには、前記セルが複数積層されたときに積層方向に連なる流体流路が形成されているとともに、
   該流体流路に連通する部分には、発電時における前記セル積層体のうち最も高電位のセパレータの電位より少なくとも一部が高い電位となっている高電位部材が設けられている
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記流体流路は当該燃料電池の反応ガスまたは冷媒を流通させるマニホールドであり、前記高電位部材は該マニホールド内において前記セルのいずれとも直接接しない状態で配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記高電位部材は棒状に形成されているものであることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記高電位部材はセル積層方向に並ぶ複数の電極によって構成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
5. 前記複数の電極のそれぞれが、当該電極が有する電位よりも低い電位である前記セパレータの直近に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記複数の電極のそれぞれが、当該電極よりも高電位寄りに位置するセルのセパレータ、あるいは当該電極よりも高電位に設定された端子と電気的に接続されていることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記高電位部材の少なくとも一部に電圧を印加する外部電源を備えており、該外部電源は、その負極が前記セル積層体のうち最も電位が高い部位に接続されるとともに、その正極が前記高電位部材に接続されていることを特徴とする１から６のいずれかに記載の燃料電池システム。
8. 前記高電位部材が、前記流体流路のうち鉛直方向下方寄りに配置されていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の燃料電池システム。

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