JP4625202B2 - 燃料電池及び燃料電池用継ぎ手 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に関する。本発明は、特に、固体高分子形燃料電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池の一として固体高分子形燃料電池(PEFC)が知られている。固体高分子形燃料電池は、イオン交換膜(固体高分子電解質膜)を使用して燃料ガスと酸化剤ガスから電力を取り出す。固体高分子形燃料電池は、低温で動作し、且つ、エネルギー密度が高いという特長を有する。これらの特長を生かし、固体高分子形燃料電池は、移動用動力源及び小容量電源としての実用化が期待されている。
【0003】
図3は、典型的な固体高分子形燃料電池を示す。その固体高分子形燃料電池は、スタック101を備えている。スタック101は、フランジ102−1、102−2と、燃料電池セル部103とを含む。燃料電池セル部103は、フランジ102−1及び102−2に挟まれている。フランジ102−1には、燃料ガス供給配管104−1、酸化剤ガス供給配管105−1、冷却水供給配管106−1、燃料ガス排出配管104−2、酸化剤ガス排出配管105−2、冷却水排出配管106−2が接続されている。
【0004】
燃料ガス供給配管104−1は、燃料ガスをスタック101に供給する。酸化剤ガス供給配管105−1は、酸化剤ガスをスタック101に供給する。冷却水供給配管106−1は、冷却水をスタック101に供給する。
【0005】
スタック101の燃料電池セル部103は、供給された燃料ガスと酸化剤ガスを使用して、発電を行う。燃料電池セル部103には、固体高分子電解質膜が2つの触媒電極に挟まれた構造を有するセル(図示されない)が複数積層されている。触媒電極としては、例えば白金が使用される。触媒電極のうちの一方には、燃料ガスが供給され、他方には、酸化剤ガスが供給される。燃料ガスが供給される触媒電極は、燃料ガスから水素イオンを生成する。水素イオンは、固体高分子電解質膜を介して、酸化剤ガスが供給される触媒電極に輸送される。酸化剤ガスが供給される触媒電極では、水素イオンと酸化剤ガスとが反応して水が生成される。このような反応が発生する過程において、2つの触媒電極の間に起電力が発生し、電力として取り出される。
【0006】
この際、電力が発生されるとともに、反応熱も生成され、燃料電池セル部103は、温度が上昇する。燃料電池セル部103は、冷却水供給配管106−1から供給される冷却水によって冷却される。燃料電池セル部103の冷却に使用された冷却水は、燃料電池セル部103から熱を奪うことによって温水となり、冷却水排出配管106−2から排出される。排出された温水は、図示されない冷却器によって冷却され、再び冷却水として使用される。
【0007】
燃料電池セル部103は、発電の際に使用されなかった燃料ガスを燃料ガス排出配管104−2から排出する。更に燃料電池セル部103は、発電の際に使用されなかった酸化剤ガスと、反応により生成された水とを、酸化剤ガス排出配管105−2から排出する。排出された燃料ガスと酸化剤ガスとは、再度スタック101に供給され、発電に使用される。
【0008】
燃料ガス供給配管104−1から供給される燃料ガスと、酸化剤ガス供給配管105−1から供給される酸化剤ガスとは加湿される。これは、燃料電池セル部103に含まれる固体高分子電解質膜がその機能を果たすためには、常に、湿潤に維持されている必要があるからである。
【0009】
しかし、燃料ガスと酸化剤ガスとが加湿されることに起因して、燃料ガス供給配管104−1、燃料ガス排出配管104−2、酸化剤ガス供給配管105−1、及び酸化剤ガス排出配管105−2に電蝕による劣化が発生することがある。
【0010】
燃料ガスが加湿されているため、燃料ガス供給配管104−1及び燃料ガス排出配管104−2の内側は湿潤環境下にあり、液相の水が存在しうる。同様に、酸化剤ガスが加湿されているため、酸化剤ガス供給配管105−1及び酸化剤ガス排出配管105−2の内側も湿潤環境下にあり、液相の水が存在しうる。特に、酸化剤ガス排出配管105−2には、燃料電池セル部103により生成された水が排出され、液相の水が多く存在する。
【0011】
燃料ガス供給配管104−1、燃料ガス排出配管104−2、酸化剤ガス供給配管105−1、及び酸化剤ガス排出配管105−2の内部に存在する水にある程度のイオンが含まれることは避け難い。なぜなら、燃料電池セル部103に含まれる固体高分子電解質膜の中には、可動イオンが存在し、この可動イオンがある程度流出することは避け難いからである。
【0012】
燃料ガス供給配管104−1、燃料ガス排出配管104−2、酸化剤ガス供給配管105−1、及び酸化剤ガス排出配管105−2の内部に存在する水にある程度のイオンが含まれると、その水を介して、燃料電池セル部103から燃料ガス供給配管104−1、燃料ガス排出配管104−2、酸化剤ガス供給配管105−1、及び酸化剤ガス排出配管105−2に微弱な電流が漏れ出す。
【0013】
この電流により、燃料電池セル部103から燃料ガス供給配管104−1、燃料ガス排出配管104−2、酸化剤ガス供給配管105−1、酸化剤ガス排出配管105−2及びフランジ102−1に電蝕が発生し得る。
【0014】
同様に、冷却水供給配管106−1及び冷却水排出配管106−2に電蝕が発生し、劣化することがある。冷却水供給配管106−1を通過する冷却水と、冷却水排出配管106−2を通過する温水に、ある程度のイオンが含まれることは避け難い。このとき、電力を発生する燃料電池セル部103から微小な電流が流れ込むと、冷却水供給配管106−1、冷却水排出配管106−2及びフランジ102−1に電蝕が発生し得る。
【0015】
発電を行うスタックに接続されている配管及びフランジの電蝕による劣化は、防がれることが望ましい。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、発電を行うスタックに接続されている配管及びフランジの電蝕による劣化が発生しにくい燃料電池を供給することにある。
【0017】
【課題を解決するための手段】
その課題を解決するための手段は、下記のように表現される。その表現中に現れる技術的事項には、括弧()つきで、番号、記号等が添記されている。その番号、記号等は、本発明の複数の実施の形態のうちの、少なくとも1つの実施の形態を構成する技術的事項、特に、その実施の形態に対応する図面に表現されている技術的事項に付せられている参照番号、参照記号等に一致している。このような参照番号、参照記号は、請求項記載の技術的事項と実施の形態の技術的事項との対応・橋渡しを明確にしている。このような対応・橋渡しは、請求項記載の技術的事項が実施の形態の技術的事項に限定されて解釈されることを意味しない。
【0018】
本発明による燃料電池は、加湿された発電用ガスを供給するガス供給配管(4−1、6−1)と、発電用ガスを使用して発電を行うスタック(1)と、ガス供給配管(4−1、6−1)とスタック(1)とを接続するガス供給用継ぎ手配管(12)とを備えている。発電用ガスは、継ぎ手配管(12)の内側を通過してスタック(1)に導入される。ガス供給用継ぎ手配管(12)の内面(12a、12b)の少なくとも一部(12a)は、白金族元素である金属又は合金からなる白金族金属膜(14)で被覆されている。電蝕によって侵されにくい白金族金属膜(14)は、スタック(1)から流れ込む微小な電流に起因する電蝕からガス供給用継ぎ手配管(12)を保護する。更に、白金族金属膜(14)は、水を水素と酸素とに分解する触媒として作用する。白金族金属膜(14)は、水を分解する際に、スタック(1)から流れ込んできた微小な電流を消費される。スタック(1)から流れ込んできた微小な電流が電蝕の発生に寄与しない。これにより、ガス供給配管(4−1、6−1)及びフランジ(2−1)を、より効果的に電蝕から保護する。
【0019】
このとき、継ぎ手配管(12)の内面(12a、12b)は、継ぎ手配管(12)の二端のうちのスタック(1)の側にある一端に接する第1面(12a)と、継ぎ手配管(12)の二端のうち、スタック(1)と反対側にある他端に接する第2面(12b)とを含み、白金族金属膜(14)は、第1面(12a)を被覆することが好ましい。スタック(1)から流れ込む微小な電流による電蝕は、スタック(1)に近い側で発生しやすい。白金族金属膜(14)が第1面(12a)を被覆し、第2面(12b)を被覆しないことにより、電蝕が発生しやすい部分のみが的確に保護され、費用対効果が大きい。
【0020】
本発明による燃料電池は、加湿された発電用ガスが供給され、発電用ガスを使用して発電を行うスタック(1)と、発電用ガスのうちの発電に使用されなかった排出ガスをスタック(1)から排出するガス排出配管(4−2、6−2)と、ガス排出配管(4−2、6−2)とスタック(1)とを接続する継ぎ手配管(12)とを備えている。排出ガスは、継ぎ手配管(12)の内側を通過してガス排出配管(4−2、6−2)に導入される。このとき、継ぎ手配管(12)の内面の少なくとも一部は、白金族元素である金属又は合金からなる白金族金属膜(14)で被覆されている。
【0021】
本発明による燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスとを使用して発電を行うスタック(1)と、スタック(1)に冷却水を供給する冷却水供給配管(8−1)と、冷却水供給配管(8−1)とスタック(1)とを接続する継ぎ手配管(12)とを備えている。冷却水は、継ぎ手配管(12)の内側を通過してスタック(1)に導入される。このとき、継ぎ手配管(12)の内面の少なくとも一部は、白金族元素である金属又は合金からなる白金族金属膜(14)で被覆されている。
【0022】
本発明による燃料電池は、冷却水が供給され、燃料ガスと酸化剤ガスとを使用して発電を行うスタック(1)と、スタック(1)から冷却水を排出する冷却水排出配管(8−2)と、スタック(1)と冷却水排出配管(8−2)とを接続する継ぎ手配管(12)とを備えている。冷却水は、継ぎ手配管(12)の内側を通過して冷却水排出配管(8−2)に導入される。このとき、継ぎ手配管(12)の内面の少なくとも一部は、白金族元素である金属又は合金からなる白金族金属膜(14)で被覆されている。
【0023】
本発明による燃料電池は、加湿された発電用ガスを供給するガス供給配管(4−1、6−1)と、発電用ガスを使用して発電を行うスタック(1)と、ガス供給配管(4−1、6−1)とスタック(1)とを接続する継ぎ手配管(12)とを備えている。発電用ガスは、継ぎ手配管(12)の内側を通過してスタック(1)に導入される。このとき、継ぎ手配管(12)の内面の少なくとも一部は、水を水素と酸素とに分解する触媒を含む触媒膜(14)で被覆されている。
【0024】
本発明による燃料電池用継ぎ手は、継ぎ手配管(12)と、白金族元素である金属又は合金からなる白金族金属膜(14)とを備えている。白金族金属膜(14)は、継ぎ手配管(12)の内面の少なくとも一部を被覆する。
【0025】
本発明による燃料電池用継ぎ手は、継ぎ手配管(12)と、水を水素と酸素とに分解する触媒を含む触媒膜(14)とを備えている。触媒膜(14)は、継ぎ手配管(12)の内面のうちの少なくとも一部を被覆する。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら、本発明による燃料電池の実施の一形態を説明する。
【0027】
図1は、その固体高分子形燃料電池は、スタック1を備えている。スタック1は、フランジ2−1、2−2と、燃料電池セル部3とを含む。燃料電池セル部3は、フランジ2−1及び2−2に挟まれて支持されている。
【0028】
フランジ2−1には、継ぎ手5−1、7−1、及び9−1をそれぞれ介して燃料ガス供給配管4−1、酸化剤ガス供給配管6−1及び冷却水供給配管8−1が接続されている。
【0029】
フランジ2−1には、更に、継ぎ手5−2、7−2、及び9−2をそれぞれ介して、燃料ガス排出配管4−2、酸化剤ガス排出配管6−2及び冷却水排出配管8−2が接続されている。
【0030】
燃料ガス供給配管4−1とは、燃料ガスをスタック1に供給する。酸化剤ガス供給配管6−1とは、酸化剤ガスをスタック1に供給する。冷却水供給配管8−1は、冷却水をスタック1に供給する。
【0031】
スタック1の燃料電池セル部3は、供給された燃料ガスと酸化剤ガスを使用して、発電を行う。燃料電池セル部3には、固体高分子電解質膜が2つの触媒電極に挟まれた構造を有するセル(図示されない)が複数積層されている。触媒電極としては、例えば白金が使用される。触媒電極のうちの一方には、燃料ガスが供給され、他方には、酸化剤ガスが供給される。燃料ガスが供給される触媒電極は、燃料ガスから水素イオンを生成する。水素イオンは、固体高分子電解質膜を介して、酸化剤ガスが供給される触媒電極に輸送される。酸化剤ガスが供給される触媒電極では、水素イオンと酸化剤ガスとが反応して水が生成される。このような反応が発生する過程において、2つの触媒電極の間に起電力が発生し、電力として取り出される。
【0032】
この際、電力が発生されるとともに、反応熱も生成され、燃料電池セル部3は、温度が上昇する。燃料電池セル部3に含まれる固体高分子電解質膜は、高温に耐えられない。そこで、燃料電池セル部3は、冷却水供給配管8−1から供給される冷却水によって冷却される。燃料電池セル部3の冷却に使用された冷却水は、燃料電池セル部3から熱を奪うことによって温水となり、冷却水排出配管8−2から排出される。排出された温水は、図示されない冷却器によって冷却され、再び冷却水として使用される。
【0033】
燃料電池セル部3は、発電の際に使用されなかった燃料ガスを燃料ガス排出配管4−2から排出する。更に燃料電池セル部3は、発電の際に使用されなかった酸化剤ガスと、生成された水とを酸化剤ガス排出配管6−2に排出する。排出された燃料ガスと酸化剤ガスとは、再度スタック1に供給され、発電に使用される。
【0034】
図2は、スタック1と燃料ガス供給配管4−1とを接続する継ぎ手5−1を示す。継ぎ手5−1は、袋ナット11、継ぎ手管12、及び袋ナット13を備えている。袋ナット11は、フランジ2−1に設けられた尾ねじに螺着され、継ぎ手5−1はフランジ2−1に接合される。このとき、フランジ2−1と継ぎ手管12との間には、Oリング15が介設され、気密が保たれる。袋ナット13は、燃料ガス供給配管4−1に設けられた尾ねじ(図示されない)に螺着され、継ぎ手5−1は燃料ガス供給配管4−1に接合される。このとき、継ぎ手管12と燃料ガス供給配管4−1との間には、Oリング(図示されない)が介設され、気密が保たれる。
【0035】
継ぎ手管12の内面は、第1面12aと第2面12bとに区分されている。第1面12aは、スタック1と同一の側にあり、第2面12bは、スタック1と反対側にある。第1面12aは、継ぎ手管12の二端のうちスタック1と同一の側にある一端に接し、第2面12bは、継ぎ手管12の二端のうちスタック1と反対の側にある一端に接する。
【0036】
継ぎ手管12の内面のうちの第1面12aは、白金族金属膜14で被覆されている。白金族金属膜14は、白金族元素の金属又は合金で形成されている。より詳細には、白金族金属膜14は、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、白金からなる群から選ばれた少なくとも一以上の単体金属又は合金で形成される。継ぎ手管12の内面のうちの第1面12bは露出されている。
【0037】
継ぎ手管12の内面のうちの第1面12aが、白金族金属膜14により被覆されていることにより、電蝕の発生が防止されている。継ぎ手管12には、燃料ガス供給配管4−1から加湿された燃料ガスが供給される。加湿された燃料ガスは、継ぎ手管12の内部を通過する。このとき、継ぎ手管12の内部では、液相の水が存在しうる。その液相の水にイオンが溶解されると、スタック1から継ぎ手管12に流れ込む微小な電流により、電蝕が発生しうる。継ぎ手管12の内面のうちの第1面12aは、電蝕により侵されにくい白金族金属膜14によって被覆され、電蝕から保護されている。
【0038】
このとき、白金族金属膜14を構成する白金族元素の金属又は合金が、流れ込んできた微小な電流を消費して水を水素と酸素とに分解する触媒として作用することにより、より効果的に電蝕が防止されている。白金属金属膜14の表面において、スタック1からの微小な電流が水を水素と酸素とに分解するために消費され、流れ込む電流が電蝕に寄与しない。これにより電蝕が発生しにくい。
【0039】
継ぎ手管12の内面のうちの第1面12aのみが、白金族金属膜14により被覆され、第2面12bが露出されているのは、費用対効果を考慮したためである。電力を発生するスタック1から流れ出す微小な電流に起因する電蝕は、継ぎ手管12のうちのスタック1に近い側及びフランジ2−1に顕著に発生する。そこで、コストが高い白金族の金属又はその合金で形成されている白金族金属膜14は、継ぎ手管12の内面のうちスタック1に近い側にある第1面12aのみに形成され、コストの低減が図られている。
【0040】
燃料ガス排出配管4−2、酸化剤ガス供給配管6−1、酸化剤ガス排出配管6−2、冷却水供給配管8−1、及び冷却水排出配管8−2と、フランジ2−1とをそれぞれ接続する継ぎ手7−1、9−1、5−2、7−2、及び9−2も、継ぎ手5−1と同一の構造を有する。このとき継ぎ手7−1、9−1、5−2、7−2、及び9−2は、継ぎ手5−1と同様に、白金族金属膜14が形成された継ぎ手管12の内面のうちの第1面12aがスタック1の側に位置するように、フランジ2−1に接続されている。これにより、電蝕の発生が防止されている。
【0041】
【発明の効果】
本発明により、発電を行うスタックに接続されている配管及びフランジの電蝕による劣化が発生しにくい燃料電池が供給される。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明による燃料電池の実施の一形態を示す。
【図2】図2は、継ぎ手5−1の構造を示す。
【図3】図3は、典型的な燃料電池の構造を示す。
【符号の説明】
1:スタック
2−1、2−2:フランジ
3:燃料電池セル部
4−1:燃料ガス供給配管
4−2:燃料ガス排出配管
5−1、5−2、7−1、7−2、9−1、9−2:継ぎ手
6−1:酸化剤ガス供給配管
6−2:酸化剤ガス排出配管
8−1:冷却水供給配管
8−2;冷却水排出配管
11、13:袋ナット
12:継ぎ手管
14:白金族金属膜
15:Oリング
Claims (8)
- 加湿された発電用ガスを供給するガス供給配管と、
前記発電用ガスを使用して発電を行うスタックと、
前記ガス供給配管と前記スタックとを接続する継ぎ手配管
とを備え、
前記発電用ガスは、前記継ぎ手配管の内側を通過して前記スタックに導入され、
前記継ぎ手配管の内面の少なくとも一部は、白金族元素である金属又は合金からなる白金族金属膜で被覆された
燃料電池。 - 請求項1に記載の燃料電池において、
前記継ぎ手配管の内面は、
前記継ぎ手配管の二端のうちの前記スタックの側にある一端に接する第1面と、
前記継ぎ手配管の二端のうち、前記スタックと反対側にある他端に接する第2面
とを含み、
前記白金族金属膜は、前記第1面を被覆する
燃料電池。 - 加湿された発電用ガスが供給され、前記発電用ガスを使用して発電を行うスタックと、
前記発電用ガスのうちの前記発電に使用されなかった排出ガスを前記スタックから排出するガス排出配管と、
前記ガス排出配管と前記スタックとを接続する継ぎ手配管
とを備え、
前記排出ガスは、前記継ぎ手配管の内側を通過して前記ガス排出配管に導入され、
前記継ぎ手配管の内面の少なくとも一部は、白金族元素である金属又は合金からなる白金族金属膜で被覆された
燃料電池。 - 燃料ガスと酸化剤ガスとを使用して発電を行うスタックと、
前記スタックに冷却水を供給する冷却水供給配管と、
前記冷却水供給配管と前記スタックとを接続する継ぎ手配管
とを備え、
前記冷却水は、前記継ぎ手配管の内側を通過して前記スタックに導入され、
前記継ぎ手配管の内面の少なくとも一部は、白金族元素である金属又は合金からなる白金族金属膜で被覆された
燃料電池。 - 冷却水が供給され、燃料ガスと酸化剤ガスとを使用して発電を行うスタックと、
前記スタックから前記冷却水を排出する冷却水排出配管と、
前記スタックと前記冷却水排出配管とを接続する継ぎ手配管
とを備え、
前記冷却水は、前記継ぎ手配管の内側を通過して前記冷却水排出配管に導入され、
前記継ぎ手配管の内面の少なくとも一部は、白金族元素である金属又は合金からなる白金族金属膜で被覆された
燃料電池。 - 加湿された発電用ガスを供給するガス供給配管と、
前記発電用ガスを使用して発電を行うスタックと、
前記ガス供給配管と前記スタックとを接続する継ぎ手配管
とを備え、
前記反応ガスは、前記継ぎ手配管の内側を通過して前記スタックに導入され、
前記継ぎ手配管の内面の少なくとも一部は、水を水素と酸素とに分解する触媒を含む触媒膜で被覆された
燃料電池。 - 継ぎ手配管と、
白金族元素である金属又は合金からなる白金族金属膜
とを備え、
前記白金族金属膜は、前記継ぎ手配管の内面のうちの少なくとも一部を被覆する
燃料電池用継ぎ手。 - 継ぎ手配管と、
水を水素と酸素とに分解する触媒を含む触媒膜
とを備え、
前記触媒膜は、前記継ぎ手配管の内面のうちの少なくとも一部を被覆する
燃料電池用継ぎ手。
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- 2001-05-23 JP JP2001154576A patent/JP4625202B2/ja not_active Expired - Fee Related
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