JP2021128827A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】冷却水に対する耐久性を向上させることが可能な燃料電池スタックを提供する。【解決手段】一実施形態に係る燃料電池スタック１は、燃料電池セルと、燃料電池セルを冷却する冷却水の水路を有するセパレータと、が積層された積層体２と、水路に連通する冷却水マニホールド８ｃと、を備える。セパレータにおいて、冷却水マニホールドに接する領域が、冷却水マニホールドに接しない領域よりも導電性の低い材料を含んでいる。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、燃料電池スタックに関する。

燃料電池システムは、燃料極に水素を含む燃料ガスを供給し、酸化剤極に空気を供給して、電気化学反応により発電するシステムである。固体電解質形燃料電池は、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を用いた燃料電池である。固体高分子電解質膜の両面を燃料極および酸化剤極で挟んで構成される燃料電池セルと、燃料極および酸化剤極に燃料ガスおよび空気を供給するためのガス流路が形成されたセパレータとを、複数積層して燃料電池スタックを構成する。

燃料電池スタックの側面には、燃料ガス入口マニホールド、燃料ガス出口マニホールド、空気入口マニホールド、空気出口マニホールドを配置する。燃料電池システムから供給された燃料ガスおよび空気は、それぞれ燃料ガス入口マニホールドと空気入口マニホールドに導入され、マニホールドに連通したガス流路へと供給される。燃料電池セルにおける反応生成水による蒸気と、反応に使われなかったガスは、ガス流路から連通する燃料ガス出口マニホールドおよび空気出口マニホールドへと排出される。

上記のような燃料電池スタックでは、燃料電池セルの温度を適切な範囲内に維持するために、燃料電池反応での発熱を冷却する必要がある。発電で得られる電気とともに、反応熱も利用するコージェネレーションシステムでは、冷却水を流して燃料電池スタックを冷却し、その冷却水から回収した熱を温水として利用する。この冷却水を流すための水路はガス流路を有するセパレータの背面に形成し、水路面を内側にして２枚のセパレータを貼り合せて使用する。

特開２０１５−２１０９８４号公報 特開２０１９−８７４２４号公報

冷却水内で不純物の含有量が多いと、冷却水の電導度が高くなって、電流が流れる場合がある。この場合、燃料電池セルとセパレータとの積層体において、冷却水に接する箇所が腐食する事象が発生する可能性がある。このような腐食反応を抑制するために、従来の燃料電池スタックでは、冷却水の純度を上げて、電導度を低く維持することが行われている。

しかしながら、例えば冷却水が循環路を流れる場合、冷却水が燃料電池スタック内で繰り返し使用されるため、冷却水の純度も徐々に低下して不純物の含有量が増加することが懸念される。

本発明が解決しようとする課題は、冷却水に対する耐久性を向上させることが可能な燃料電池スタックを提供することである。

一実施形態に係る燃料電池スタックは、燃料電池セルと、燃料電池セルを冷却する冷却水の水路を有するセパレータと、が積層された積層体と、水路に連通する冷却水マニホールドと、を備える。セパレータにおいて、冷却水マニホールドに接する領域が、冷却水マニホールドに接しない領域よりも導電性の低い材料を含んでいる。

本実施形態によれば、冷却水に対する耐久性を向上させることが可能となる。

一実施形態に係る燃料電池スタックの概略的な構造を示す分解斜視図である。 図１に示す燃料電池スタックの要部の概略的な構造を示す分解平面図である。 各燃料電池セルの概略的な構造を示す断面図である。 セパレータの一例を示す正面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。下記の実施形態は、本発明を限定するものではない。

図１は、一実施形態に係る燃料電池スタックの概略的な構造を示す分解斜視図である。本実施形態に係る燃料電池スタック１は、積層体２と、集電板３ａ、４ａと、絶縁板３ｂ、４ｂと、締付板３ｃ、４ｃと、マニホールド５〜８と、イオン交換樹脂９と、を備える。なお、図１は、図面を見やすくするため、積層体２とマニホールド５〜８との間に隙間を記載しているが、実際には、マニホールド５〜８は積層体２に接している。また、以下の説明では、積層体２の積層方向をＹ方向とし、Ｙ方向に直交し、かつ積層体２の上下方向に平行な方向をＺ方向とし、Ｙ方向およびＺ方向に垂直な方向をＸ方向とする。本実施形態に係る燃料電池スタック１を水平面上に設置する場合、Ｚ方向は重力方向に平行となる。

図２は、図１に示す燃料電池スタックの要部の概略的な構造を示す分解平面図である。図２に示すように、積層体２は、複数の燃料電池セル２ａと、複数のセパレータ２ｂとをＹ方向に交互に積層することで形成されている。各セパレータ２ｂの上面は、燃料電池セル２ａを冷却する冷却水を一時的に収容する冷却水出口マニホールド７ｃと接する領域２０ａと、領域２０ａにＸ方向で隣接し、冷却水出口マニホールド７ｃに接しない領域２０ｂと、を有する。領域２０ｂは、例えばカーボンで形成されている。一方、領域２０ａは、領域２０ｂの材料であるカーボンよりも導電性の低い樹脂材料で形成されている。

集電板３ａは、積層体２のＹ方向の手前側の側面（積層体２のカソード端部面）に設けられている。また、集電板４ａは、積層体２のＹ方向の奥側の側面（積層体２のアノード端部面）に設けられている。各燃料電池セル２ａにより発電された電力は、集電板３ａ、４ａを介して外部に取り出される。

絶縁板３ｂは、集電板３ａのＹ方向の手前側の側面に設けられている。また、絶縁板４ｂは、集電板４ａのＹ方向の奥側の側面に設けられている。絶縁板３ｂは、集電板３ａと締付板３ｃとを電気的に絶縁するために設置されている。絶縁板４ｂは、集電板４ａと締付板４ｃとを電気的に絶縁するために設置されている。

締付板３ｃは、絶縁板３ｂのＹ方向の手前側の側面に設けられている。また、締付板４ｃは、絶縁板４ｂのＹ方向の奥側の側面に設けられている。すなわち、締付板３ｃは、積層体２のＹ方向の一方の側面に集電板３ａと絶縁板３ｂとを介して面し、締付板４ｃは、積層体２のＹ方向の他方の側面に集電板４ａと絶縁板４ｂとを介して面している。積層体２は、締付板３ｃと締付板４ｃとを用いて積層体２のＹ方向に平行な荷重をかけることで締め付けられている。

図３は、各燃料電池セル２ａの概略的な構造を示す断面図である。各燃料電池セル２ａは、高分子電解質膜２１と、高分子電解質膜２１のＹ方向の一方の側面に設けられた燃料極２２と、高分子電解質膜のＹ方向の他方の側面に設けられた酸化剤極２３と、を有する。高分子電解質膜２１、燃料極２２、および酸化剤極２３は、平板状である。

図４は、セパレータ２ｂの一例を示す正面図である。セパレータ２ｂには、燃料電池セル２ａに供給される反応ガスの流路を形成するガスセパレータや、燃料電池セル２ａを冷却する冷却水の水路を形成する冷却水セパレータが含まれる。図４に示すセパレータ２ｂは、冷却水セパレータである。図４に示すセパレータ２ｂ（冷却水セパレータ）のＹ方向の側面の一方には、水路２４が形成されている。水路２４は、セパレータ２ｂの片面に形成されたクランク状に屈曲した溝である。セパレータ２ｂの下端部では、水路２４の流入口２４ａが開口している。一方、セパレータ２ｂの上端部では、水路２４の流出口２４ｂが開口している。流出口２４ｂは、上述した領域２０ａ内に設けられている。

図１に示すように、マニホールド５は、積層体２のＸ方向の側面の一方に設けられている。このマニホールド５は、燃料ガスを一時的に収容する燃料ガス入口マニホールド５ａと、燃料ガス入口マニホールド５ａに接続された燃料ガス入口配管５ｂと、を有する。

マニホールド６は、積層体２のＸ方向の側面の他方に設けられている。このマニホールド６は、燃料ガスを一時的に収容する燃料ガス出口マニホールド６ａと、燃料ガス出口マニホールド６ａに接続された燃料ガス出口配管６ｂと、を有する。

マニホールド７は、積層体２の上面に設けられている。このマニホールド７は、空気を一時的に収容する空気入口マニホールド７ａと、空気入口マニホールド７ａに接続された空気入口配管７ｂと、を有する。さらに、マニホールド７は、セパレータ２ｂに形成された水路２４の流出口２４ｂと連通する冷却水出口マニホールド７ｃと、冷却水出口マニホールド７ｃに接続された冷却水出口配管７ｄも有する。

より詳細には、冷却水出口マニホールド７ｃは、積層体２の上面と、締付板３ｃの上端部と、締付板４ｃの上端部とに接している。冷却水出口マニホールド７ｃは、冷却水マニホールドの一例である。

マニホールド８は、積層体２の下面に設けられている。このマニホールド８は、空気を一時的に収容する空気出口マニホールド８ａと、空気出口マニホールド８ａに接続された空気出口配管８ｂと、を有する。さらに、マニホールド８は、セパレータ２ｂに形成された水路２４の流入口２４ａと連通する冷却水入口マニホールド８ｃと、冷却水入口マニホールド８ｃに接続された冷却水入口配管８ｄも有する。

より詳細には、冷却水入口マニホールド８ｃは、積層体２の下面と、集電板３ａの下端部（下辺）と、締付板３ｃの下端部と、締付板４ｃの下端部とに接している。冷却水入口マニホールド８ｃは、冷却水マニホールドの一例である。

上記のように構成された燃料電池スタック１では、燃料ガス入口配管５ｂから燃料ガス入口マニホールド５ａを経由して燃料電池セル２ａの燃料極２２に供給される。一方、空気は、空気入口配管７ｂから空気入口マニホールド７ａを経由して燃料電池セル２ａの酸化剤極２３に供給される。そして、燃料ガス中の水素と空気中の酸素が燃料電池セル２ａの高分子電解質膜２１で反応し、電気と水が生成される。燃料極２２に供給された燃料ガスは、燃料ガス出口マニホールド６ａを経由して燃料ガス出口配管６ｂに排出される。一方、酸化剤極２３に供給された空気は、空気出口マニホールド８ａを経由して空気出口配管８ｂに排出される。なお、本実施形態では、空気以外の酸化剤ガスを使用してもよい。

冷却水は、冷却水入口配管８ｄから冷却水入口マニホールド８ｃを経由してセパレータ２ｂの水路２４を流れる。これにより、燃料電池セル２ａが冷却される。水路２４から排出された冷却水は、冷却水出口マニホールド７ｃを経由して冷却水出口配管７ｄに排出される。その後、燃料電池スタック１の下流に設けられた熱交換器にて水道水と熱交換し、これにより燃料電池スタック１で発生した熱が回収される。

なお、仮に冷却水入口マニホールド８ｃが積層体２の上面に設けられ、冷却水出口マニホールド７ｃが積層体２の下面に設けられていると、燃料電池スタック１の停止時に冷却水が自重で積層体２から抜けてしまう。そこで、本実施形態では、冷却水入口マニホールド８ｃを積層体２の下面に設け、冷却水出口マニホールド７ｃを積層体２の上面に設けることで、このような冷却水の抜けを防止している。これにより、燃料電池スタック１の停止時にも燃料電池セルを冷却水で冷却することが可能となる。

また、図１には、冷却水出口配管７ｄから冷却水入口配管８ｄへと冷却水を循環させる循環流路Ｒ１と、循環流路Ｒ１に冷却水を導入する導入流路Ｒ２とが示されている。イオン交換樹脂９は、冷却水内のイオンを除去するために導入流路Ｒ２上に設けられている。本実施形態のイオン交換樹脂９は、イオン交換樹脂９から排出される冷却水の電導度を１μＳ／ｃｍ以下に維持する性能を有していることが望ましい。

燃料電池スタック１の部品の劣化を防ぐために、冷却水は清浄な純水であることが望ましく、冷却水中の金属イオン等の汚染物質は除去することが望ましい。イオン交換樹脂９は、このような汚染物質を除去して、冷却水の電導度を低減するために設置されている。イオン交換樹脂９は、導入流路Ｒ２に設けることが望ましい。その理由は、循環流路Ｒ１を循環する冷却水が二酸化炭素等のガスを吸収し、このガスがイオン交換樹脂９を早期に劣化させてしまうからである。

その一方で、冷却水が、長期に渡って循環流路Ｒ１を循環し続けると、冷却水内における不純物の含有量が増加する。その結果、冷却水の電導度が高くなって、電流が冷却水中を流れる可能性がある。この場合、セパレータ２ｂの冷却水に接する箇所が腐食する事象が起こり得る。具体的には、電流が冷却水を流れると、最も電位の高い水路２４の流出口２４ｂの周辺領域で電蝕反応が生じて、発電時間を重ねていく毎に、接触箇所のカーボンと水とが反応して二酸化炭素となっていく事象である。

そこで、本実施形態では、セパレータ２ｂにおける冷却水に接触する領域２０ａ、具体的には流出口２４ｂの周辺領域を絶縁性の樹脂材料で形成する。これにより、電流が冷却水を流れても電蝕反応が起こりにくくなるため、冷却水に対するセパレータ２ｂの耐久性が向上する。

なお、領域２０ａは、カーボンを下地として、例えばフッ素樹脂のような撥水性の樹脂材料で覆う構造であってもよい。この場合、冷却水が、滞留しにくくなるため、冷却水による電蝕反応の抑制効果を高めることが可能となる。

以上、いくつかの実施形態および変形例を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規なシステムは、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明したシステムの形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要ことに含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。

１：燃料電池スタック、２：積層体、２ａ：燃料電池セル、２ｂ：セパレータ、７ｃ：冷却水出口マニホールド、８ｃ：冷却水入口マニホールド、２４：水路、２４ｂ：流出口

Claims (6)

1. 燃料電池セルと、前記燃料電池セルを冷却する冷却水の水路を有するセパレータと、が積層された積層体と、
   前記水路に連通する冷却水マニホールドと、を備え、
   前記セパレータにおいて、前記冷却水マニホールドに接する領域が、前記冷却水マニホールドに接しない領域よりも導電性の低い材料を含んでいる、燃料電池スタック。
2. 前記材料が樹脂材料である、請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記冷却水マニホールドに接する前記領域が、前記樹脂材料で覆われている、請求項２に記載の燃料電池スタック。
4. 前記冷却水マニホールドに接する前記領域が、撥水性樹脂材料で覆われている、請求項３に記載の燃料電池スタック。
5. 前記冷却水マニホールドは、前記水路における前記冷却水の流出口に連通する冷却水出口マニホールド、を含み、
   前記セパレータは、前記冷却水出口マニホールドに接する領域に前記材料を含んでいる、請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
6. 前記冷却水マニホールドは、前記水路における前記冷却水の流入口に連通する冷却水入口マニホールドも含み、
   前記冷却水入口マニホールドは前記積層体の下面に接し、前記冷却水出口マニホールドは前記積層体の上面に接する、請求項５に記載の燃料電池スタック。

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