JP2009123446A - Solid polymer fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、集電板の腐食を抑制できるようにした固体高分子型燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell capable of suppressing corrosion of a current collector plate.
燃料電池は、燃料を用いた他の発電方法に比して熱効率が高く、又、環境汚染が少ないため、有効な発電装置として期待されている。特に、固体高分子型燃料電池(PEFC)は、100℃以下という低温で発電が行われ、出力密度が高いので、他の形式の燃料電池に比して小型化でき、しかも、電池構成材料の劣化が少ないこと、起動が容易であること、等の長所があることから、近年、小規模な業務用あるいは家庭用等の発電装置として使用されるようになってきている。 A fuel cell is expected to be an effective power generation device because it has higher thermal efficiency and less environmental pollution than other power generation methods using fuel. In particular, the polymer electrolyte fuel cell (PEFC) generates power at a low temperature of 100 ° C. or lower, and has a high output density. Therefore, the polymer electrolyte fuel cell (PEFC) can be reduced in size as compared with other types of fuel cells. In recent years, it has been used as a power generator for small-scale business use or home use because it has advantages such as little deterioration and easy start-up.
上記固体高分子型燃料電池の一般的な構成は、以下のようにしてある。すなわち、電解質としてプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜の両面をカソード(空気極)とアノード(燃料極)の両ガス拡散電極で挟持させてMEA(膜・電極接合体)を形成し、このMEAの両側に、内面側にガス流路を、又、外面側に冷却水流路を設けてなるセパレータを配して単セルを構成する。 The general structure of the polymer electrolyte fuel cell is as follows. That is, an MEA (membrane / electrode assembly) is formed by sandwiching both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane having proton conductivity as an electrolyte between both cathode (air electrode) and anode (fuel electrode) gas diffusion electrodes. A single cell is configured by arranging a separator having a gas flow path on the inner surface side and a cooling water flow path on the outer surface side on both sides of the MEA.
更に、図2に示す如く、上記構成としてある単セル2を、所要数積層すると共に、該単セル2の積層体の両側に集電板3と電気絶縁板4を内側から順に配置し、更にその外側に1対のエンドプレート(ホルダ)5を配置した状態にて、該各エンドプレート5同士を、皿ばね等の所要の図示しない締付け手段を介装した締付ボルト6とナット7で締め付けて固定して固体高分子型燃料電池のスタック1を構成するようにしてある。
Further, as shown in FIG. 2, the required number of
なお、図示してないが、上記アノード側セパレータのガス流路へのアノードガスの供給と、カソード側セパレータのガス流路へのカソードガスの供給と、各セパレータの冷却水流路への冷却水の供給は、上記カソード側及びアノード側の各セパレータの外周部の所要個所に設けた孔同士を、セル積層方向へ連通するように繋げてそれぞれ形成させるアノードガス用、カソードガス用及び冷却水用の各内部マニホールドを通して行うようにしてある。 Although not shown, the anode gas is supplied to the anode separator gas passage, the cathode gas is supplied to the cathode separator gas passage, and the cooling water is supplied to the cooling water passage of each separator. Supply is made for the anode gas, the cathode gas, and the cooling water, which are formed by connecting holes provided in the outer peripheral portions of the cathode side and anode side separators so as to communicate with each other in the cell stacking direction. This is done through each internal manifold.
ところで、一般に、固体高分子型燃料電池で用いられている上記固体高分子電解質膜のプロトン伝導性能を高く保持するためには、該固体高分子電解質膜を湿潤状態としておく必要があるため、アノードガス及びカソードガスは、加湿した状態で各単セル2へ供給するようにしてある。
By the way, in general, in order to maintain high proton conducting performance of the solid polymer electrolyte membrane used in the solid polymer fuel cell, it is necessary to keep the solid polymer electrolyte membrane in a wet state. The gas and cathode gas are supplied to each
そのため、上記固体高分子型燃料電池のスタック1におけるセル積層方向の両端部に設けてある各集電板3では、その内側に隣接する単セル2のセパレータに設けてある所定のガス流路に流通させるようにしてあるアノードガスやカソードガスが接触する個所や、内部マニホールドを流通させるアノードガスやカソードガスが接触する個所に、アノードガスやカソードガス中の水分による局部電池が形成されて腐食が生じてしまう。更に、集電板3にて、その内側に隣接する単セル2のセパレータに設けてある冷却水流路を流通する冷却水が接触する個所や、内部マニホールドを流通させる冷却水が接触している個所にも、冷却水に含まれている種々のイオンのために局部電池が形成されて、腐食が生じてしまうというのが実状である。そのために、上記のような集電板3の腐食を抑えることが望まれてきている。
Therefore, in each
上記固体高分子型燃料電池における集電板3の腐食を抑制するための手段としては、たとえば、図3に示す如く、固体高分子型燃料電池のスタック1におけるセル積層方向の一端部にてカソード側集電板3aの内側に隣接する単セル2のカソード側セパレータ8aを、MEA9に面する側面には酸化剤ガス(カソードガス)の流路10を備える一方、上記カソード側集電板3aに接する面はフラットな面としてなる構成とし、又、スタック1におけるセル積層方向の他端部にてアノード側集電板3bの内側に隣接する単セル2のアノード側セパレータ8bを、MEA9に面する側面には燃料ガス(アノードガス)の流路11を備える一方、上記アノード側集電板3bに接する面はフラットな面にしてなる構成として、上記各集電板3a,3bと、その内側に隣接するセパレータ8a,8bとの間に冷却水の流路が形成されないようにすることで、該各集電板3a,3bに冷却水が接触する虞を防止できるようにすることが従来提案されている。
As a means for suppressing the corrosion of the
更に、固体高分子型燃料電池のスタック1におけるセル積層方向の両端部にて、各エンドプレート5と各電気絶縁板4と各集電板3a,3bに設けた透孔13の内側に、電気絶縁材料製の筒状のマニホールド部材12を挿通させて設けることで、上記各集電板3a,3bと、酸化剤ガス及び燃料ガスとの接触を防止できるようにすることも考えられてきている。なお、図3において図2に示したものと同一のものには同一符号が付してある。(たとえば、特許文献1参照)。
Furthermore, at both ends in the cell stacking direction in the
なお、一般に、単セル2の積層構造を有する燃料電池のスタック1へのカソードガス、アノードガス及び冷却水の配流方式としては、図4(イ)に示すように、上記カソードガス、アノードガス及び冷却水の供給方向と排出方向が180度反転するようにして、カソードガス、アノードガス及び冷却水の供給と排出を、燃料電池のスタック1におけるセル積層方向の一端側のみで行わせるようにした反流形(U形)の方式と、図4(ロ)に示すように、カソードガス、アノードガス及び冷却水の供給方向と排出方向が同一方向となるようにして、カソードガス、アノードガス及び冷却水を、燃料電池のスタック1に対しセル積層方向のいずれか一方よりそれぞれ供給して、他方へ排出させるようにした正流形(Z形)の方式が一般に採用されている(たとえば、特許文献2参照)。
In general, as a method of distributing the cathode gas, the anode gas and the cooling water to the
ところが、固体高分子型燃料電池における集電板の腐食を防ぐために、特許文献1に示された手段を採用するためには、セル積層方向の両端部に位置するカソード側集電板3aの内側に隣接する単セル2のカソード側セパレータ8aと、アノード側集電板3bの内側に隣接する単セル2のアノード側セパレータ8bとを、いずれも集電板3a,3bとの接触面をフラットな面としてなる構成として、セル積層方向中間部の他の単セル2で用いるセパレータとは異なる特殊形状のセパレータを用いなければならない。
However, in order to employ the means shown in
カーボン製のセパレータは、通常、カーボンの粉末を型で押し固めて成形するようにしてあるため、セパレータの両側面の形状に応じた2枚1組の型を必要とするが、上記したように、スタック1におけるセル積層方向の両端部に配する単セル2で用いるセパレータ8a,8bを、他の単セル2で用いるセパレータとは異なる特殊形状に成形するためには、専用の型を別途用意しなければならないという問題がある。
Since carbon separators are usually formed by pressing and compacting carbon powder with a mold, a set of two sheets corresponding to the shape of both side surfaces of the separator is required. In order to form the
そこで、本発明は、ガス流路あるいは冷却水流路となる溝を片面のみに設けてなる構成の如き特殊形状のセパレータを用いることなく、シンプルな構成で集電板の腐食を抑制できるようにした固体高分子型燃料電池を提供しようとするものである。 Therefore, the present invention is capable of suppressing the corrosion of the current collector plate with a simple configuration without using a separator having a special shape such as a configuration in which a groove serving as a gas channel or a cooling water channel is provided only on one side. An object of the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell.
本発明は、上記課題を解決するために、請求項1に対応して、スタックへのカソードガス、アノードガス及び冷却水の配流方式を反流形として、カソードガス、アノードガス及び冷却水の供給と排出を、スタックにおけるセル積層方向の一端側より行わせるようにしてある固体高分子型燃料電池において、セル積層方向他端側端部の単セルと、その外側に配する他端側集電板との間に、導電性の板状物を、介在させるように組み入れてなる構成とする。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a cathode gas, an anode gas and a cooling water supply to the stack in a counter-flow manner corresponding to
又、上記構成における導電性の板状物を、単セルにてMEAを挟持してなるセパレータと同様の平面形状とした構成とする。 In addition, the conductive plate-like material in the above configuration is configured to have a planar shape similar to a separator formed by sandwiching an MEA in a single cell.
更に、上記各構成における導電性の板状物を、単セルにてMEAを挟持してなるセパレータと同様の材質とした構成とする。 Further, the conductive plate-like material in each of the above configurations is made of a material similar to that of the separator formed by sandwiching the MEA in a single cell.
上述の各構成において、他端側集電板を、カソード側集電板とした構成とする。 In each of the above-described configurations, the other end side current collector plate is a cathode side current collector plate.
本発明の固体高分子型燃料電池によれば、以下の如き優れた効果を発揮する。
(1)スタックへのカソードガス、アノードガス及び冷却水の配流方式を反流形として、カソードガス、アノードガス及び冷却水の供給と排出を、スタックにおけるセル積層方向の一端側より行わせるようにしてある固体高分子型燃料電池において、セル積層方向他端側端部の単セルと、その外側に配する他端側集電板との間に、導電性の板状物を、介在させるように組み入れてなる構成としてあるので、該導電性の板状物により、スタックに対してセル積層方向の一端側より供給と排出を行わせるようにしてあるカソードガス、アノードガス及び冷却水が、該スタックのセル積層方向他端側に設けてある他端側集電板に接触する虞を防止できる。よって、該他端側集電板に、上記カソードガスやアノードガス中の水分や、上記冷却水に含まれている種々のイオンに起因する局部電池による腐食が生じる虞を確実に防止することができる。
(2)上記(1)の効果は、単なる板状としてある導電性の板状物を、スタックにおけるセル積層方向他端側端部の単セルと、他端側集電板との間に介在させるというシンプルな構成によって得ることができる。しかも、上記導電性の板状物は、穴加工も溝加工も必要としないため容易に製作することができる。よって、ガス流路あるいは冷却水流路となる溝を片面のみに設けてなるような特殊形状のセパレータを必要とすることなく他端側集電板の腐食を防止できて、固体高分子型燃料電池全体として、集電板に生じる腐食を抑制することが可能になる。
(3)導電性の板状物を、単セルにてMEAを挟持してなるセパレータと同様の平面形状とした構成とすることにより、スタックにおけるセル積層方向他端側端部の単セルと、他端側集電板との間に上記導電性の板状物を容易に組み込むことができると共に、スタックにおけるセル積層方向他端側端部の単セルと他端側集電板との間で、電流が流れる経路の断面積が変化して、電池性能に影響を与える虞を未然に防止できる。
(4)導電性の板状物を、単セルにてMEAを挟持してなるセパレータと同様の材質とした構成とすることにより、スタックにおけるセル積層方向他端側端部の単セルと、他端側集電板との間に高い導電性を確保できて、上記導電性の板状物がセル積載方向他端部の単セルと他端側集電板との間に介在させることによって電池性能が低下する虞を未然に防止できる。
(5)他端側集電板を、カソード側集電板とした構成とすることにより、固体高分子型燃料電池全体として、集電板に生じる腐食量の絶対量を減らすのに有利な構成とすることができる。
According to the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, the following excellent effects are exhibited.
(1) The cathode gas, anode gas and cooling water distribution system to the stack is made into a counter-flow type, and cathode gas, anode gas and cooling water are supplied and discharged from one end side of the stack in the cell stacking direction. In the polymer electrolyte fuel cell, a conductive plate-like material is interposed between the single cell at the other end on the other side in the cell stacking direction and the other current collector on the other end. The cathode gas, anode gas, and cooling water, which are configured to cause the stack to be supplied and discharged from one end side in the cell stacking direction, are formed by the conductive plate-like material. The possibility of contact with the other end side current collector plate provided on the other end side of the stack in the cell stacking direction can be prevented. Therefore, it is possible to surely prevent the other end side current collecting plate from being corroded by local batteries due to moisture in the cathode gas or anode gas or various ions contained in the cooling water. it can.
(2) The effect of the above (1) is that a conductive plate-like object that is a simple plate is interposed between a single cell at the other end of the stack in the cell stacking direction and the current collector plate at the other end. Can be obtained by a simple configuration. In addition, the conductive plate-like material can be easily manufactured because neither drilling nor grooving is required. Therefore, corrosion of the current collector plate on the other end side can be prevented without the need for a specially shaped separator in which a groove serving as a gas flow path or a cooling water flow path is provided only on one side, and a solid polymer fuel cell As a whole, it is possible to suppress corrosion occurring in the current collector plate.
(3) By adopting a configuration in which the conductive plate-like material has a planar shape similar to the separator formed by sandwiching the MEA with a single cell, the single cell at the other end side in the cell stacking direction in the stack, The conductive plate-like object can be easily incorporated between the other end side current collector plate and between the single cell at the other end side end portion in the cell stacking direction and the other end side current collector plate in the stack. The risk that the cross-sectional area of the path through which the current flows changes to affect the battery performance can be prevented.
(4) By adopting a structure in which the conductive plate-like material is made of the same material as the separator formed by sandwiching the MEA with a single cell, a single cell at the other end side in the cell stacking direction in the stack, and the like High conductivity can be ensured between the end-side current collector plate, and the conductive plate-like object is interposed between the single cell at the other end in the cell stacking direction and the other end-side current collector plate. It is possible to prevent the possibility that the performance will deteriorate.
(5) By adopting a configuration in which the other end side current collector plate is a cathode side current collector plate, the entire polymer electrolyte fuel cell is advantageous in reducing the absolute amount of corrosion generated on the current collector plate. It can be.
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は本発明の固体高分子型燃料電池の実施の一形態を示すもので、スタック1へのカソードガス、アノードガス及び冷却水の配流方式を反流形(U形)として、カソードガス、アノードガス及び冷却水の供給と排出を、すべてスタック1におけるセル積層方向の一端側(図上右側)から行わせるようにしてある固体高分子型燃料電池において、セル積層方向の他端部(図上左端部)の単セル2と、その外側に配する他端側集電板3dとの間に、セパレータ8a,8bと同様の平面形状を有し、且つカソードガス用、アノードガス用又は冷却水用の流路を形成するための表面の溝加工と内部マニホールドに対応させるための穴加工とを全く施していない導電性の板状物14を、介在させるように組み入れてなる構成とする。
FIG. 1 shows an embodiment of a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention. The distribution system of cathode gas, anode gas and cooling water to the
詳述すると、上記スタック1は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜の両面をカソード(空気極)とアノード(燃料極)の両ガス拡散電極で挟持させて形成してなるMEA(膜・電極接合体)9の両側に、内面側にガス流路10又は11を、又、外面側に冷却水流路15を設けてなるセパレータ8a,8bを配して単セル2を構成し、この単セル2を所要数積層してある。
More specifically, the
更に、上記単セル2の積層体には、該各単セル2のセパレータ8a,8bの外周部所要個所に設けてある孔をセル積層方向に連ねることでカソードガスの供給と排出用、アノードガスの供給と排出用、冷却水の供給と排出用の各内部マニホールド16が形成されるようにしてある。なお、図1では、図示する便宜上、カソードガスとアノードガスのうち、一方のガスの供給と排出用の内部マニホールド16のみが示してある。
Further, in the laminated body of the
上記単セル2の積層体のセル積層方向の一端側(図上右側)には、上記各単セル2の積層体に設けてあるカソードガス用、アノードガス用及び冷却水用の内部マニホールド16と対応する位置に該各内部マニホールド16とそれぞれ連通させるための貫通孔17を具備してなるセル積層方向一端側用の一端側集電板3cと、電気絶縁板4aとを内側から順に配置し、更にその外側に、上記カソードガス用、アノードガス用及び冷却水用の内部マニホールド16にそれぞれ対応するカソードガス供給用及び排出用、アノードガス供給用及び排出用、冷却水供給用及び排出用の各流体の流路18を備えてなる一端側エンドプレート5aを配置する。図1では、図示する便宜上、カソードガスとアノードガスのうちの一方のガスの供給と排出用の流路18のみが示してある。
On one end side (right side in the figure) of the laminate of the
上記単セル2の積層体のセル積層方向の他端側(図上左側)には、上記穴加工及び溝加工を何ら施していない導電性の板状物14と、セル積層方向他端側用の他端側集電板3dと、電気絶縁板4bを内側から順に配置し、更にその外側に他端側エンドプレート5bを配置して、上記一端側と他端側の各エンドプレート5aと5b同士を、図示しない締付手段を介装してなる締付ボルト6とナット7により外側から締め付けて固定してスタック1を構成してある。これにより、上記単セル2の積層体とセル積層方向他端側に配してある他端側集電板3dとの間に、上記溝加工も穴加工も施していない単なる平板状の導電性の板状物14を介在させることで、上記セル積層方向他端側に配置してある他端側集電板3dと、上記スタック1内の各単セル2に流通させるカソードガス、アノードガス及び冷却水との接触を完全に遮断することができるようにしてある。
On the other end side (left side in the figure) of the laminate of the
上記導電性の板状物14は、高い導電性を有し、且つ局部電池による腐食を生じないような材質としてあればよい。具体的には、たとえば、セパレータ8a,8bと同様の材質であるカーボン製とするようにすればよい。これにより、該導電性の板状物14の調達を容易なものとすることができると共に、該板状物14に高い導電性を確保できるため、この板状物14がセル積載方向他端部の単セル2と他端側集電板3dとの間に存在することによる電池性能の低下を防止することができる。
The
なお、上記スタック1においては、セル積層方向一端側用の一端側集電板3cをアノード側集電板3cとし、セル積層方向他端側用の他端側集電板3dをカソード側集電板3dとすることが望ましい。これは、従来の固体高分子型燃料電池を所要時間運転した後、アノード側とカソード側の各集電板に生じた腐食量を調べた結果、電位の影響等により、カソード側集電板の方がアノード側集電板に比して腐食し易いということが経験則として得られているためである。そのため、他端側集電板3dをカソード側集電板3dとして、該カソード側集電板3dと、カソードガス、アノードガス及び冷却水との接触を完全に遮断して、カソード側集電板3dの腐食を防止するようにすれば、固体高分子型燃料電池全体として、集電板3c,3dに生じる腐食量の絶対量を減らすことができるためである。
In the
以上の構成としてある固体高分子型燃料電池に対してカソードガス、アノードガス、冷却水を適宜供給すると、これら3つの流体は、いずれもスタック1におけるセル積層方向の一端側に配設してあるエンドプレート5aの流路18と電気絶縁板4aとアノード側集電板3cを経た後、供給側の内部マニホールド16を介して各単セル2へ供給され、これにより、該各単セル2にて燃料電池反応が行われて、上記単セル2の積層体のセル積層方向の一端側に設けてあるアノード側集電板3cと、単セル2の積層体のセル積層方向の他端側に導電性の板状物14を介して設けてあるカソード側集電板3dに接続した図示しない外部回路へ、発電された電力が取り出される。この際、上記燃料電池反応により各単セル2で発生する熱は、図示しない冷却水によって適宜冷却される。
When cathode gas, anode gas, and cooling water are appropriately supplied to the polymer electrolyte fuel cell having the above-described configuration, these three fluids are all disposed on one end side of the
その後、上記各単セル2にて燃料電池反応に供された後のカソードガス及びアノードガスと、上記各単セル2の冷却に供された後の冷却水は、いずれも排出用の内部マニホールド16よりスタック1におけるセル積層方向の一端側に配設してあるアノード側集電板3cと電気絶縁板4aとエンドプレート5aを経て外部へ排出されるようになる。
Thereafter, the cathode gas and anode gas after being supplied to the fuel cell reaction in each
したがって、上記スタック1におけるセル積層方向の他端側では、導電性の板状物14にカソードガスやアノードガスや冷却水が接触するとしても、その外側に設けてあるカソード側集電板3dは、上記カソードガス、アノードガス、冷却水のいずれとも接触することはない。よって、局部電池により該カソード側集電板3dに腐食が生じる虞は確実に防止されるようになる。
Therefore, on the other end side of the
なお、上記スタック1を、該スタック1におけるセル積層方向他端側の他端側集電板3dがアノード側集電板となるように構成すれば、該アノード側集電板のカソードガス、アノードガス、冷却水との接触を阻止できて、局部電池により該アノード側集電板としての他端側集電板3dに腐食が生じる虞を確実に防止することが可能になる。
If the
このように、本発明の固体高分子型燃料電池によれば、スタック1へのカソードガス、アノードガス及び冷却水の配流方式を反流形(U形)として、カソードガス、アノードガス及び冷却水の供給と排出を行うようにしてあるスタック1におけるセル積層方向の一端側(図上右側)とは反対側となるセル積層方向他端側に設けてある他端側集電板3dに、カソードガス、アノードガス及び冷却水が接触する虞を防止できて、該他端側集電板3dに局部電池による腐食が生じる虞を確実に防止することができる。
As described above, according to the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, the cathode gas, anode gas, and cooling water distribution system to the
上記他端側集電板3dの腐食防止効果は、スタック1におけるセル積層方向他端側端部の単セル2と、その外側に配する他端側集電板3dとの間に、単なる板状としてある導電性の板状物14を介在させるというシンプルな構成によって得ることができる。しかも、上記導電性の板状物14は、穴加工も溝加工も必要としないため容易に製作することができる。よって、ガス流路あるいは冷却水流路となる溝を片面のみに設けてなるような特殊形状のセパレータを必要とすることなく他端側集電板3dの腐食を防止して、固体高分子型燃料電池全体として、集電板3c,3dの腐食を抑制することが可能になる。
The anti-corrosion effect of the other end side
なお、本発明は上記実施の形態のみに限定されるものではなく、スタック1へのカソードガス、アノードガス及び冷却水の配流方式を反流形(U形)としてある形式の固体高分子型燃料電池であれば、上記各単セル2のセパレータ8a,8bにおけるカソードガス、アノードガス、冷却水の流路形状を図示した以外の形状に変更したり、流通方向を変更する等、いかなる形式の固体高分子型燃料電池にも適用できること、その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
The present invention is not limited only to the above-described embodiment, but a solid polymer fuel of a type in which the flow system of cathode gas, anode gas and cooling water to the
1 スタック
2 単セル
3d 他端側集電板(カソード側集電板)
8a,8b セパレータ
9 MEA
14 導電性の板状物
1
8a,
14 Conductive plate
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