JP5300517B2 - 燃料電池スタック及びそれを備えた燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は燃料電池スタックに係り、特に、高分子電解質膜の劣化を抑制すべく改良を施した燃料電池スタック及びそれを備えた燃料電池システムに関するものである。

燃料電池は、燃料極に水素を含む燃料ガスを導入すると共に、酸化剤極に酸素を含む酸化剤ガスを導入し、電気化学反応によって電気と水と熱を生成する装置であり、自動車用、定置用、携帯用への開発が進められている。また、前記定置用のうち、家庭用の燃料電池システムは、燃料電池反応によって生じる熱を利用し、電気と温水を供給するコージェネレーションシステムである。このような燃料電池においては、通常、電解質の両面に貴金属触媒を含む燃料極と酸化剤極の一対の電極を配置し、さらに前述の反応ガスを導入するガス流路を有するセパレータを前記両電極の背面に配置して構成される単電池を、複数積層して燃料電池スタックが形成されている。

このような燃料電池スタックへの燃料ガスとしては、天然ガスやプロパンガスなどの原燃料を改質器によって改質反応させて水素を含む燃料ガスを製造し、これを供給する。一方、酸化剤ガスとしては、空気がブロアあるいはコンプレッサーによって燃料電池スタックに導入されている。

また、燃料電池スタックは、前記反応ガスを各セルに均一に配流するためのガスマニホールドを備えている。このガスマニホールドは、前述のセパレータに貫通孔を形成する内部マニホールド型と、積層したスタックの積層面に後付けする外部マニホールド型とに分けることができる。

また、高分子電解質膜型燃料電池においては、前述の電解質がパーフルオロスルフォン酸などの高分子膜であることが特徴である。この高分子電解質膜は反応の中間物質であるプロトンの伝導体である。高分子電解質膜が十分なプロトン伝導度を有するためには、十分に含水されている必要がある。すなわち、高分子電解質膜中に含まれる水がプロトン伝導のパスになっている。

このため燃料電池の発電中においては、高分子電解質膜は常に含水した状態を維持する必要があり、燃料電池スタックの外部から水分を供給しなければならない。この水分供給方式すなわち加湿方式としては、液体水を直接供給する内部加湿方式と、蒸気を反応ガスと共に供給する外部加湿方式に大別される。外部加湿方式では燃料電池システム内に蒸発器が必要であるが、内部加湿方式では蒸発器が不要となる分だけシステムが簡素化されるという利点がある。

前記外部加湿方式としては、蒸発器の他に、乾湿交換を行う機器を通して排ガス中に含まれる水分を入口ガスに供給する方式がある。例えば、特許文献１では、水交換膜を介することによって湿分だけを供給する技術が提案されている。その他にも、中空糸膜、多孔質板などを介する方式がある。また、前記内部加湿方式としては、特許文献２に示すような、水移動プレートを用いた技術が提案されている。
特開２００２−１５１１２０号公報 特表２００２−５１８８１５号公報

しかしながら、上記のような従来の燃料電池スタックには、以下に述べるような問題点があった。まず、第１の問題点としては、乾燥による高分子電解質膜の破損が挙げられる。すなわち、前記高分子電解質膜は、プロトン伝導体であると同時に、両極に導入された反応ガスが混合するのを防止するガスシール機能を果たしている。このため、高分子電解質膜が破損すると、反応ガスのクロスオーバーを生じ、燃料電池の性能を低下させ、運転不能に至る。この高分子電解質膜の破損メカニズムについては多くの研究者によって議論されているが、その中で、乾燥によって高分子電解質膜の化学劣化が加速され、破損に至ることがよく知られている。

特に、内部加湿方式の燃料電池スタックにおいては、燃料電池システムに蒸発器がないために、反応ガスが導入されるガス入口での湿度は“０”に近い状態である。また、燃料極では、プロトンと共に酸化剤極に移動する随伴水によってより乾燥しやすい傾向にある。さらに、燃料ガスとして改質ガスが用いられる場合には、燃料ガス中にある程度の水分が含まれているが、燃料ガスとして純水素が用いられる場合には、燃料ガス入口は、乾燥による高分子電解質膜の劣化が最も生じやすい場所となるという問題点があった。

また、第２の問題点としては、燃料排気ガス中の水分がマニホールド内で凝縮し、この水が一気に改質器のバーナーに導入されると失火の原因となるという点が挙げられる。すなわち、外部マニホールド型の燃料電池スタックにおいては、燃料電池反応による発熱によって燃料電池スタック内は６０〜８０℃に保たれるが、マニホールドは放熱によって温度が下がる。そのために、マニホールド内の反応ガス中に含まれる水分が凝縮してマニホールド内に溜まる。一般的に、燃料電池スタックから排気される燃料排気ガスは改質器のバーナー燃料として用いられるが、上記のようにしてマニホールド内で凝縮した水が一気に改質器のバーナーに導入されると失火の原因となるという問題点があった。

本発明は、上述したような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであって、その目的は、ガスマニホールドで生成される凝縮水による改質器バーナーの失火を防止すると共に、反応ガス入口における高分子電解質膜の劣化を抑制し、信頼性及び耐久性に優れた燃料電池スタック及びそれを備えた燃料電池システムを提供することにある。

上記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両面に配する一対の電極と、前記電極に供給する反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスの流路を有する一対のセパレータから成る単電池を複数枚積層した積層体と、前記積層体の外側面に配設される前記燃料ガスの流路となる燃料ガスマニホールドを備えた燃料電池スタックにおいて、前記積層体の一側面に配設される前記燃料ガスマニホールドが、隔壁を介して互いに隣接して配置された燃料ガス入口室と燃料ガス出口室とから構成されると共に、前記隔壁の少なくとも一部がパーフルオロスルフォン酸膜により構成されていることを特徴とするものである。

上記のような構成を有する請求項１に記載の発明によれば、燃料ガス入口室と燃料ガス出口室の間に配設された隔壁にパーフルオロスルフォン酸膜が設置されているため、このパーフルオロスルフォン酸膜を通して、燃料ガス出口室に導入された燃料排気ガス中の水分を、燃料ガス入口室に導入された燃料ガスに供給することができる。その結果、燃料入口ガスを加湿することが可能となる。これにより、高分子電解質膜の寿命を延ばし、高耐久性の燃料電池スタックを提供することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、燃料ガス出口室が燃料ガス入口室の鉛直方向上方に位置するように構成されていることを特徴とするものである。

上記のような構成を有する請求項４に記載の発明によれば、燃料ガス入口室と燃料ガス出口室が鉛直方向に配置され、燃料ガス出口室が上部に配置されているため、凝縮水は隔壁及び水分透過性を有する部材の上に溜まり、この部材を通して燃料ガス入口室へと移動するため、燃料ガス出口室に凝縮水が溜まることを防止することができる。その結果、燃料排気ガスが改質器のバーナーに導入される際の水分の持出しをより効果的に防止することができるので、バーナーの失火をより高精度に防ぐことができる。

本発明によれば、ガスマニホールドで生成される凝縮水による改質器バーナーの失火を防止すると共に、反応ガス入口における高分子電解質膜の劣化を抑制し、信頼性及び耐久性に優れた燃料電池スタック及びそれを備えた燃料電池システムを提供することができる。

以下、本発明に係る燃料電池スタックの実施の形態について、図面を参照して説明する。

（１）第１実施形態
（１−１）構成
本実施形態の燃料電池スタックに取り付けられる燃料ガスマニホールド１は、図１に示すように、燃料ガスが導入される燃料ガス入口室１１と燃料ガス出口室１２から構成され、これらの２室は互いに隣接して配置され、隔壁１３によって隔てられている。また、この隔壁１３の一部には、水分移動部となるパーフルオロスルフォン酸膜１４が設置されている。また、前記燃料ガス入口室１１には燃料ガス導入口２１が接続され、前記燃料ガス出口室１２には燃料ガス排気口２２が接続されている。

この燃料ガスマニホールド１は、図２に示すように、燃料電池積層体１０の一側面に配置され、それと対向する側面には、燃料ガスをＵターンさせて前記燃料ガス出口室１２に導入するための燃料ガスターン室１８が取り付けられている。そして、燃料電池スタックを構成する単電池の燃料流路の入口部は、前記燃料ガス入口室１１に開口されており、前記燃料ガス導入口２１を介して燃料電池スタックに供給された燃料ガスは、まず燃料ガス入口室１１に導入され、各単電池の燃料流路へと分配される。

この燃料流路を通って燃料極へと供給された燃料ガスの残りの排気ガスは、前記燃料ガスターン室１８でＵターンし、前記燃料ガス出口室１２及び燃料ガス排気口２２を通して燃料電池スタックの外部へ排気される。なお、この燃料排気ガスは、可燃ガスである水素を含んでいるため、一般に、改質器のバーナーに導入され、燃焼されるように構成されている。

なお、前記水分移動部となるパーフルオロスルフォン酸膜１４は、固体高分子電解質膜型燃料電池の高分子電解質膜として適用される材料であり、水は透過するが反応ガスはほとんど透過しないという特徴を有している。従って、このパーフルオロスルフォン酸膜１４を燃料ガスマニホールドの隔壁１３に設置することによって、燃料ガス入口室１１と燃料ガス出口室１２の湿度差に基づいて、燃料排気ガスに含まれる水分を燃料入口ガスに移動させることができる。その結果、燃料ガス中の水素ガス濃度を損なうことなく、燃料ガスを加湿することができるものである。

また、上記水分移動部となる水分透過性を有する部材としては、水は透過するが反応ガスはほとんど透過しないものであれば良く、パーフルオロスルフォン酸膜の他に、例えば、炭化水素系のイオン交換膜等を用いることができる。水分透過性の材料としては、多孔質性の材料に水分を含有させてガスシールすることも可能ではあるが、乾燥して水分が失われるとガスシール性能が損なわれることが問題である。

（１−２）作用・効果
上記のような構成を有する燃料ガスマニホールド１を備えた燃料電池スタックにおいては、以下のようにして燃料ガス入口室１１と燃料ガス出口室１２の間で水分の移動が行われる。

すなわち、前記燃料ガス導入口２１を介して、燃料ガス入口室１１に導入された燃料ガスは、各単電池の燃料流路へと分配される。燃料流路を通って燃料極に供給された燃料ガスの残りの排気ガスは、前記燃料ガスターン室１８でＵターンし、前記燃料ガス出口室１２に導入される。

一般に、内部加湿方式の燃料電池スタックに導入される燃料ガスは湿度が低く、特に、純水素を燃料ガスとする場合には、湿度０％で燃料ガス入口室１１に導入される。一方、燃料排気ガスは燃料電池内において加湿されるため、ほぼ湿度１００％で燃料ガス出口室１２に排出される。

本実施形態においては、燃料ガス入口室１１と燃料ガス出口室１２の間に配設された隔壁１３に水分移動部となるパーフルオロスルフォン酸膜１４が設置されているため、このパーフルオロスルフォン酸膜１４を通して、燃料ガス出口室１２に導入された燃料排気ガス中の水分を、燃料ガス入口室１１に導入された燃料ガスに供給することができる。その結果、燃料入口ガスを加湿することが可能となる。

このように本実施形態によれば、燃料排気ガスに含まれる水分を利用して、単電池発電部に導入される燃料ガスを加湿することによって、単電池発電部の燃料ガス入口付近における高分子電解質膜の乾燥を抑制することができる。これにより、高分子電解質膜の寿命を延ばし、高耐久性の燃料電池スタックを提供することができる。

また、燃料ガス出口室１２に導入された燃料排気ガス中の水分が減少するため、この燃料排気ガスが改質器のバーナーに導入される際の水分の持出しを防止することができるので、バーナーの失火を防ぐことができる。これにより、燃料電池システムの異常停止につながる事象を未然に防止し、信頼性の高い燃料電池システムを提供することができる。

（２）第２実施形態
（２−１）構成
本実施形態は、上記第１実施形態の変形例であって、図３に示すように、燃料ガスマニホールド１だけでなく、酸化剤ガスマニホールド２においても、水分交換を行うように構成したものである。

すなわち、図３に示すように、酸化剤ガスマニホールド２は、酸化剤ガスが導入される酸化剤ガス入口室１５と酸化剤ガス出口室１６から構成され、これらの２室は互いに隣接して配置され、隔壁１３によって隔てられている。また、この隔壁１３の一部には、水分移動部となるパーフルオロスルフォン酸膜１４が設置されている。

そして、この酸化剤ガスマニホールド２は、燃料電池積層体１０の一側面（燃料ガスマニホールド１が取り付けられた側面に隣接する側面）に配置され、それと対向する側面には、酸化剤ガスをＵターンさせて前記酸化剤ガス出口室１６に導入するための酸化剤ガスターン室１９が取り付けられている。なお、この酸化剤ガスマニホールド２及び酸化剤ガスターン室１９に隣接して冷却水マニホールド１７が配設されている。また、図４は、本実施形態のマニホールドを取り付けた燃料電池スタックの斜視図を示したものである。

（２−２）作用・効果
上記のような構成を有する燃料ガスマニホールド１及び酸化剤ガスマニホールド２を備えた燃料電池スタックにおいても、上記第１実施形態と同様の作用・効果が得られる。特に、本実施形態においては、燃料ガス入口室１１と燃料ガス出口室１２の間で水分の移動が行われるだけでなく、酸化剤ガス入口室１５と酸化剤ガス出口室１６の間でも水分の移動が行われるため、より効果的である。

（３）第３実施形態
（３−１）構成
本実施形態は、上記第１実施形態の変形例であって、図５に示すように、燃料ガス入口室１１と燃料ガス出口室１２を鉛直方向に配置したものであり、上部が燃料ガス出口室１２、下部が燃料ガス入口室１１となるように配置したものである。その他の構成は上記第１実施形態と同様であるので、説明は省略する。

（３−２）作用・効果
上記のような構成を有する燃料ガスマニホールド１を備えた燃料電池スタックにおいては、以下のようにして燃料ガス入口室１１と燃料ガス出口室１２の間で水分の移動が行われる。

上述したように、燃料電池スタックからの燃料排気ガスは、その湿度がほぼ１００％の状態にある。一方、ガスマニホールドは燃料電池スタックの外側に位置し、熱源を持たないため、放熱によってマニホールド内のガス温度は燃料電池スタック内よりも低い温度になっている。そのため、燃料排気ガス中の蒸気が冷やされて凝縮し、液体水となって燃料ガス出口室１２に溜まる。

本実施形態においては、燃料ガス入口室１１と燃料ガス出口室１２が鉛直方向に配置され、燃料ガス出口室１２が上部に配置されているため、燃料ガス出口室１２の下面が隔壁１３となっており、前記凝縮水は隔壁１３及びパーフルオロスルフォン酸膜１４の上に溜まる。このようにして隔壁１３に設置されたパーフルオロスルフォン酸膜１４の上に溜まった水は、この膜を通して燃料ガス入口室１１へと移動するため、燃料ガス出口室１２に凝縮水が溜まることを防止することができる。

その結果、燃料排気ガスが改質器のバーナーに導入される際の水分の持出しをより効果的に防止することができるので、バーナーの失火をより高精度に防ぐことができる。このように、本実施形態の燃料電池スタックによれば、燃料電池システムの異常停止につながる事象を未然に防止し、高信頼性の燃料電池システムを提供することができる。

また、本実施形態においても、燃料排気ガスに含まれる水分を利用して、単電池発電部に導入される燃料ガスを加湿することによって、単電池発電部の燃料ガス入口付近における高分子電解質膜の乾燥を抑制することができる。その結果、高分子電解質膜の寿命を延ばし、高耐久性の燃料電池スタックを提供することができる。

（４）第４実施形態
（４−１）構成
本実施形態の燃料電池スタックに取り付けられる第１のガスマニホールド３ａは、図６に示すように、空気が導入される酸化剤ガス入口室１５と燃料ガス出口室１２から構成され、これらの２室は互いに隣接して配置され、第１の隔壁１３ａによって隔てられている。また、前記酸化剤ガス入口室１５には酸化剤ガス導入口２３が接続され、前記燃料ガス出口室１２には燃料ガス排気口２２が接続されている。

また、前記第１のガスマニホールド３ａに対向する位置に配設される第２のガスマニホールド３ｂは、図６に示すように、燃料ガスが導入される燃料ガス入口室１１と酸化剤ガス出口室１６から構成され、これらの２室は互いに隣接して配置され、第２の隔壁１３ｂによって隔てられている。また、前記燃料ガス入口室１１には燃料ガス導入口２１が接続され、前記酸化剤ガス出口室１６には酸化剤ガス排気口２４が接続されている。さらに、前記第１の隔壁１３ａ及び第２の隔壁１３ｂの一部には、それぞれ水分移動部となるパーフルオロスルフォン酸膜１４が設置されている。

（４−２）作用・効果
上記のような構成を有する第１・第２のガスマニホールド３ａ、３ｂを備えた燃料電池スタックにおいては、燃料ガス出口室１２に導入された燃料排気ガス中の水分は、第１の隔壁１３ａに設置されたパーフルオロスルフォン酸膜１４を介して、酸化剤ガス入口室１５に導入された空気に供給される。一般に空気の方が燃料ガスよりも流量が多いため、燃料排気ガス中から搬出される水分量を多くすることができる。

その結果、燃料ガス出口室１２に凝縮する水を少なくすることができるので、燃料排気ガスが改質器のバーナーに導入される際の水分量を減らすことができる。これにより、システムを安定に運転することが可能な燃料電池スタックを提供することができる。

また、本実施形態の燃料電池スタックにおいては、燃料ガス入口室１１と酸化剤ガス出口室１６とが隣接して配置されているため、酸化剤ガス出口室１６に導入された空気中の水分は、第２の隔壁１３ｂに設置されたパーフルオロスルフォン酸膜１４を介して、燃料ガス入口室１１に導入された燃料ガスに供給され、燃料ガスを加湿する。その結果、単電池発電部の燃料ガス入口付近における高分子電解質膜の乾燥を抑制することができるので、高分子電解質膜の寿命を延ばし、高耐久性の燃料電池スタックを提供することができる。

本発明に係る燃料電池スタックの第１実施形態における燃料ガスマニホールドの構成を示す斜視図である。 本発明に係る燃料電池スタックの第１実施形態における反応ガスの流れ及び水分の移動を示す模式図である。 本発明に係る燃料電池スタックの第２実施形態における反応ガスの流れ及び水分の移動を示す模式図である。 本発明に係る燃料電池スタック（ガスマニホールドを取り付けた状態）の一例を示す斜視図である。 本発明に係る燃料電池スタックの第３実施形態における燃料ガスマニホールドの構成を示す斜視図である。 本発明に係る燃料電池スタックの第４実施形態における反応ガスの流れ及び水分の移動を示す模式図である。

１…燃料ガスマニホールド
２…酸化剤ガスマニホールド
１０…燃料電池積層体
１１…燃料ガス入口室
１２…燃料ガス出口室
１３…隔壁
１４…パーフルオロスルフォン酸膜
１５…酸化剤ガス入口室
１６…酸化剤ガス出口室
１７…冷却水マニホールド
１８…燃料ガスターン室
１９…酸化剤ガスターン室
２１…燃料ガス導入口
２２…燃料ガス排気口
２３…酸化剤ガス導入口
２４…酸化剤ガス排気口

Claims (7)

1. 高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両面に配する一対の電極と、前記電極に供給する反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスの流路を有する一対のセパレータから成る単電池を複数枚積層した積層体と、前記積層体の外側面に配設される前記燃料ガスの流路となる燃料ガスマニホールドを備えた燃料電池スタックにおいて、
   前記積層体の一側面に配設される前記燃料ガスマニホールドが、隔壁を介して互いに隣接して配置された燃料ガス入口室と燃料ガス出口室とから構成されると共に、前記隔壁の少なくとも一部がパーフルオロスルフォン酸膜により構成されていることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両面に配する一対の電極と、前記電極に供給する反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスの流路を有する一対のセパレータから成る単電池を複数枚積層した積層体と、前記積層体の外側面に配設される前記酸化剤ガスの流路となる酸化剤ガスマニホールドを備えた燃料電池スタックにおいて、
   前記積層体の一側面に配設される前記酸化剤ガスマニホールドが、隔壁を介して互いに隣接して配置された酸化剤ガス入口室と酸化剤ガス出口室とから構成されると共に、前記隔壁の少なくとも一部がパーフルオロスルフォン酸膜により構成されていることを特徴とする燃料電池スタック。
3. 高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両面に配する一対の電極と、前記電極に供給する反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスの流路を有する一対のセパレータから成る単電池を複数枚積層した積層体と、前記積層体の外側面に配設される前記燃料ガスの流路となる燃料ガスマニホールドと、前記酸化剤ガスの流路となる酸化剤ガスマニホールドとを備えた燃料電池スタックにおいて、
   前記積層体の一側面に配設される前記燃料ガスマニホールドが、隔壁を介して互いに隣接して配置された燃料ガス入口室と燃料ガス出口室とから構成されると共に、前記隔壁の少なくとも一部がパーフルオロスルフォン酸膜により構成され、
   前記積層体の他の側面に配設される前記酸化剤ガスマニホールドが、隔壁を介して互いに隣接して配置された酸化剤ガス入口室と酸化剤ガス出口室とから構成されると共に、前記隔壁の少なくとも一部がパーフルオロスルフォン酸膜により構成されていることを特徴とする燃料電池スタック。
4. 前記燃料ガス出口室が前記燃料ガス入口室の鉛直方向上方に位置するように構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項３に記載の燃料電池スタック。
5. 高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両面に配する一対の電極と、前記電極に供給する反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスの流路を有する一対のセパレータから成る単電池を複数枚積層した積層体と、前記積層体の外側面に配設される反応ガスの流路となるガスマニホールドを備えた燃料電池スタックにおいて、
   前記積層体の一側面に配設される第１のガスマニホールドが、隔壁を介して互いに隣接して配置された燃料ガス入口室と酸化剤ガス出口室とから構成されると共に、前記隔壁の少なくとも一部がパーフルオロスルフォン酸膜により構成され、
   前記第１のガスマニホールドと対向する前記積層体の側面に配設される第２のガスマニホールドが、隔壁を介して互いに隣接して配置された酸化剤ガス入口室と燃料ガス出口室とから構成されると共に、前記隔壁の少なくとも一部がパーフルオロスルフォン酸膜により構成されていることを特徴とする燃料電池スタック。
6. 前記燃料ガス出口室が前記酸化剤ガス入口室の鉛直方向上方に位置するように構成されていることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池スタック。
7. 前記請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスを予め処理する燃料前処理装置を備えたことを特徴とする燃料電池システム。

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