JP7377462B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は燃料電池システムに関する。

特許文献１に、燃料極と空気極とで電解質層を挟持した燃料電池本体を有する燃料電池発電装置が記載されている。この燃料電池発電装置は、燃料極に面して形成され燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、燃料ガス流路の途中に接続され燃料ガス流路内のガスを排出する排出用配管とを備え、起動時に燃料ガス流路の入口と出口の双方から燃料ガスが導入される。

特開２００８－２５８０３６号公報

燃料電池における一対のセパレータのアノードセパレータに、複数の燃料ガス流路と、これらの流路の途中部分と接続する開口部とを設けた場合に、カソード触媒層において燃料電池起動時に劣化が部分的に進行する可能性がある。本発明はかかる劣化の部分的な進行を抑えることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る燃料電池システムは燃料電池スタックと燃料ガスタンクとを備え、前記燃料電池スタックは積み重ねられた複数のセルを有し、前記複数のセルを貫くように第１マニホールドと第２マニホールドと第３マニホールドとが形成され、前記第１マニホールドの上流には第１バルブを通して前記燃料ガスタンクが接続され、前記第１マニホールドの下流には第２バルブを通して燃料ガス排出口が接続され、前記第２マニホールドの下流には第３バルブを通して前記燃料ガス排出口が接続され、前記第３マニホールドの上流には第４バルブを通して前記燃料ガスタンクが接続される。前記複数のセルの各々は、アノード側のセパレータを有し、前記セパレータは、前記第１マニホールドの一部を構成する第１開口部と、前記第２マニホールドの一部を構成する第２開口部と、前記第１開口部と前記第２開口部とを接続し、流路長の異なる複数の燃料ガス流路と、前記第３マニホールドの一部を構成する第３開口部と、前記第３開口部に対し、前記複数の燃料ガス流路の各々における途中部分を、流路長が長い順に接続する接続流路であって、前記複数の燃料ガス流路の各々を接続する度に断面積が減少する接続流路とを備える。

本発明によれば、燃料電池における一対のセパレータのアノードセパレータに、複数の燃料ガス流路と、これらの流路の途中部分と接続する開口部とを設けた場合に、カソード触媒層における燃料電池起動時の劣化の部分的な進行を抑えることができる。

燃料電池システムの説明図である。 図１のＡ－Ａ線断面図である。 セパレータの平面図である。 図３の部分拡大図である。 セルの断面図である。 比較例となるセパレータの平面図である。

以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施の形態によって限定されるものではない。

図１及び図２に示すように、燃料電池システム１は、水素タンク２と、燃料電池スタック３と、水素希釈ボックス４とを備えている。水素タンク２内の水素は燃料電池スタック３に供給され、燃料電池スタック３から排出された水素は水素希釈ボックス４にて希釈されたのち燃料電池システム１の外部に排出される。

燃料電池スタック３は、複数のセル３１を備えている。セル３１は板状部材であり、その長辺方向をＸ軸方向とし、短辺方向をＹ軸方向とし、厚さ方向をＺ軸方向とする。燃料電池スタック３において、複数のセル３１はＺ軸方向に積み重ねられている。

燃料電池スタック３には、複数のセル３１をＺ軸方向に貫くように、第１マニホールドＭ１と第２マニホールドＭ２と第３マニホールドＭ３とが形成されている。第１マニホールドＭ１及び第２マニホールドＭ２は、燃料電池スタック３のＸ軸方向に向かい合う２つの短辺のうち、一方の短辺付近においてＹ軸方向に並ぶように設けられており、第３マニホールドＭ３は他方の短辺付近に設けられている。

第１マニホールドＭ１の上流側端部には、配管及び第１バルブＶ１を通して水素タンク２が接続される。第１マニホールドＭ１の下流側端部には、配管及び第２バルブＶ２を通して水素希釈ボックス４が接続される。このように第１マニホールドＭ１は、燃料ガスである水素の供給及び排出のためのマニホールドである。

第２マニホールドＭ２の上流側端部は閉塞されている。第２マニホールドＭ２の下流側端部には、配管及び第３バルブＶ３を通して水素希釈ボックス４が接続される。このように第２マニホールドＭ２は、水素排出のためのマニホールドである。

第３マニホールドＭ３の上流側端部には、配管及び第４バルブＶ４を通して水素タンク２が接続される。第３マニホールドＭ３の下流側端部は閉塞されている。このように第３マニホールドＭ３は、水素供給のためのマニホールドである。

図３に、セル３１が備えている一対のセパレータのうち、アノード側のセパレータ３２を示す。セパレータ３２には、Ｚ軸方向に貫くように第１開口部Ａ１と第２開口部Ａ２と第３開口部Ａ３と形成されている。第１開口部Ａ１は第１マニホールドＭ１の一部を構成し、第２開口部Ａ２は第２マニホールドＭ２の一部を構成し、第３開口部Ａ３は第３マニホールドＭ３の一部を構成している。

セパレータ３２において、第１開口部Ａ１と第２開口部Ａ２とを接続するように、燃料ガスが流れる溝、すなわち燃料ガス流路が６本、形成されている。これらの燃料ガス流路は、互いに交わらないように並行し、かつＺ軸方向視において略Ｕ字状となるように形成されている。これらの６本の燃料ガス流路（単に「流路」とも呼ぶ）を区別するために、内側から外側へ向かって順に、第１流路Ｃ１、第２流路Ｃ２、第３流路Ｃ３、第４流路Ｃ４、第５流路Ｃ５、第６流路Ｃ６と呼ぶ。第１流路Ｃ１から第６流路Ｃ６は、この順に流路長が長い。６本の流路Ｃ１～Ｃ６の断面積は略同じである。

Ｚ軸方向視において略Ｕ字状に形成されている６本の流路は、サーペンタイン型（蛇行型）の流路の一種である。なお、６本という流路の本数は一例に過ぎず、流路の本数は複数であればよい。

セパレータ３２にはさらに、第３開口部Ａ３に対し、６本の流路Ｃ１～Ｃ６の各々における途中部分を、流路長が長い順に接続する接続流路Ｃ７が形成されている。すなわち、接続流路Ｃ７は、第３開口部Ａ３から離れるにつれ、第６流路Ｃ６、第５流路Ｃ５、第４流路Ｃ４、第３流路Ｃ３、第２流路Ｃ２、第１流路Ｃ１の順に、６本の流路を第３開口部Ａ３に対して接続する。

図３の破線部分の拡大図である図４に示すように、接続流路Ｃ７の断面積は部位によって異なり、６本の流路の各々を第３開口部Ａ３に接続する度に断面積が減少するように形成されている。すなわち、次式が成り立つ。
Ｓ_６＞Ｓ_５＞Ｓ_４＞Ｓ_３＞Ｓ_２＞Ｓ_１ （１）
ただし、以下の通りである。
Ｓ_６： 第３開口部Ａ３と、第６流路Ｃ６との連通部位との間の部位Ｃ７６の断面積
Ｓ_５： 第６流路Ｃ６との連通部位と、第５流路Ｃ５との連通部位との間の部位Ｃ７５の断面積
Ｓ_４： 第５流路Ｃ５との連通部位と、第４流路Ｃ４との連通部位との間の部位Ｃ７４の断面積
Ｓ_３： 第４流路Ｃ４との連通部位と、第３流路Ｃ３との連通部位との間の部位Ｃ７３の断面積
Ｓ_２： 第３流路Ｃ３との連通部位と、第２流路Ｃ２との連通部位との間の部位Ｃ７２の断面積
Ｓ_１： 第２流路Ｃ２との連通部位と、第１流路Ｃ１との連通部位との間の部位Ｃ７１の断面積

図５に示すように、セル３１は、上述のアノード側のセパレータ３２に加えて、カソード側のセパレータ３３と、アノード側のガス拡散層（ＧＤＬ）３４と、カソード側のガス拡散層３５と、膜・電極接合体（ＭＥＡ）３６とを備えている。膜・電極接合体３６はガス拡散層３４及び３５により挟持され、ガス拡散層３４及び３５並びに膜・電極接合体３６はセパレータ３２及び３３により挟持されている。膜・電極接合体（ＭＥＡ）３６は、アノード触媒層３７と、カソード触媒層３８と、両触媒層に挟まれた電解質膜３９とを備えている。

以上のような燃料電池システム１の動作について説明する。燃料電池システム１の起動前は、全てのバルブＶ１～Ｖ４が閉められていることを前提とする。そして、燃料電池システム１の起動時には、第２バルブＶ２と第３バルブＶ３と第４バルブＶ４とが開けられる。

これにより、水素タンク２内の水素ガスは、第４バルブＶ４を経て第３マニホールドＭ３に流れる。第３マニホールドＭ３に流れ込んだ水素ガスは、セパレータ３２の第３開口部Ａ３、第７流路Ｃ７へと順に流れる。第７流路Ｃ７の水素ガスはさらに、６本の流路Ｃ１～Ｃ６を経て、第１開口部Ａ１又は第２開口部Ａ２へ流れる。

第１開口部Ａ１へ流れ込んだ水素ガスは、さらに第１マニホールドＭ１及び第２バルブＶ２を経て、水素希釈ボックス４へと流れる。第２開口部Ａ２へ流れ込んだガスは、さらに第２マニホールドＭ２及び第３バルブＶ３を経て、水素希釈ボックス４へと流れる。水素ガスは、水素希釈ボックス４において希釈されたのち燃料電池システム１の外部に排出される。

このようにして、各セル３１のセパレータ３２の燃料ガス流路Ｃ１～Ｃ６及び接続流路Ｃ７が水素ガスで満たされると、燃料電池システム１の起動が完了する。燃料電池システム１の起動後においては、第１バルブＶ１が開けられ、第２バルブＶ２及び第４バルブＶ４が閉められる。第３バルブＶ３は開けられたままである。

これにより、水素タンク２内の水素ガスは、第１バルブＶ１を経て第１マニホールドＭ１に流れる。第１マニホールドＭ１に流れ込んだ水素ガスは、セパレータ３２の第１開口部Ａ１及び６本の流路Ｃ１～Ｃ６を経て第２開口部Ａ２へと流れる。第２開口部Ａ２へ流れ込んだガスは、第２マニホールドＭ２及び第３バルブＶ３を経て、水素希釈ボックス４において希釈されたのち、燃料電池システム１の外部に排出される。

かかる燃料電池システム１においては、各セル３１における一対のセパレータ３２及び３３のうち、一方のセパレータ３２に、６本の燃料ガス流路Ｃ１～Ｃ６と、第３開口部Ａ３と、第３開口部に対して６本の燃料ガス流路を接続する接続流路Ｃ７が設けられている。式（１）が成り立っていることにより、システム起動時においてセパレータ３２の水素入口となる第３開口部Ａ３から、水素出口となる第１開口部Ａ１及び第２開口部Ａ２までの圧力損失が６本の流路間で略同じとなる。そのため、カソード触媒層３８における第１開口部Ａ１及び第２開口部Ａ２の近傍部の、燃料電池システム起動時の劣化の部分的な進行を抑えることができる。

一般に、燃料電池システムの起動時において、カソード触媒層に用いられているカーボン材の劣化が進行することが知られている。具体的には、各セルに使われている電解質膜は、カソード側の空気とアノード側の水素を遮断しているものの、微量の気体を透過させてしまう性質がある。システム停止時（すなわち水素ガスの供給停止時）にアノード側（水素極側）のバルブとカソード側（酸素極側）のバルブが閉められるが、水素極にある水素が電解質膜を透過して酸素極側に流れ込み、同時に酸素極の空気が水素極側に流れ込む。実験では、水素供給停止後、４０分程度で水素極が空気で満たされることがわかっている。この状態でシステムを起動すると、水素極に水素が供給されて、水素極に、システム停止後に流れ込んだ空気中の酸素と供給された水素との界面が出来る。この界面が存在することによって、酸素極にある白金担持カーボン材の劣化が進行する。また、この劣化は、水素流れ方向の下流側で生じることがわかっている。

白金担持カーボン材の劣化とは、具体的には、白金を担持しているカーボンが酸化して二酸化炭素になることである。カーボンが酸化すると白金は担持されなくなり、白金が膜の中へ移動することなどにより発電に有効な白金が減って、出力が低下する。

図３に示したアノード側セパレータ３２の比較例となるアノード側セパレータ３２１を図６に示す。セパレータ３２１には、第１開口部Ａ１１と第２開口部Ａ１２と第３開口部Ａ１３とが設けられている。また、第１開口部Ａ１１と第２開口部Ａ１２とを接続する第１流路Ｃ１１ないし第６流路Ｃ１６が設けられている。さらに、第３開口部Ａ１３に対し、６本の流路Ｃ１１～Ｃ１６の各々における途中部分を、流路長が長い順に接続する接続流路Ｃ１７が形成されている。この接続流路Ｃ１７は、図３の接続流路Ｃ７とは異なり、断面積が部位にかかわらず一定である。

このようなセパレータ３２１において、第３開口部Ａ１３を水素入口とし、第１開口部Ａ１１及び第２開口部Ａ１２を水素出口とすることについて検討する。略Ｕ字状の６本の流路は、内側から外側に向かって、つまり流路Ｃ１１から流路Ｃ１６の順に流路長が長い。流路長が長いほど、当該流路における圧力損失が大きくなり、水素ガスの流れ（すなわち水素と酸素との界面の移動速度）が遅くなる。その結果、流路長が長いほど、水素出口にあたる開口部Ａ１１及びＡ１２近辺の流路の部位に対峙するカソード触媒層３８の第１開口部Ａ１及び第２開口部Ａ２の近傍部の劣化が進行する。つまり、劣化が部分的に進んでしまうという問題がある。

これに対し、図１から図５を参照して説明した実施形態においては、断面積に関して上記式（１）が成り立つように接続流路Ｃ７が設けられている。つまり、流路長が長いほど、その流路を第３開口部に接続する接続流路の断面積が段階的に増加するため、各流路の圧力損失が略同じになる。その結果、流路長に応じた部分的な劣化進行を抑えることができる。

［その他］
水素希釈ボックス４の有無にかかわらず、第２バルブＶ２及び第３バルブＶ３の下流側に、燃料電池システム４の外部へ水素を排出するための排出口が設けられていればよい。

流路の形状は略Ｕ字状に限られず、サーペンタイン型（蛇行型）であればよい。

接続流路Ｃ７は、第３開口部Ａ３に対し、６本の流路Ｃ１～Ｃ６の各々における中点部分を接続するように形成することができる。６本の流路Ｃ１～Ｃ６の各々において、中点部分から第１開口部Ａ１までの流路長と、中点部分から第２開口部Ａ２までの流路長とは等しい。これにより、第３開口部Ａ３から第１開口部Ａ１までの流路長と第３開口部Ａ３から第２開口部までの流路長とに比較的大きな差がある場合に比べて短時間で、６本の流路Ｃ１～Ｃ６の全体を水素で満たすことができる。

燃料電池システムの燃料ガスは水素以外のガスでもよい。

以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は既述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。

１ 燃料電池システム
２ 水素タンク
３ 燃料電池スタック
３１ セル
３２ セパレータ
４ 水素希釈ボックス
Ｍ１～Ｍ３ マニホールド
Ｖ１～Ｖ４ バルブ
Ａ１～Ａ３ 開口部
Ｃ１～Ｃ６ 流路
Ｃ７ 接続流路

Claims (3)

1. 燃料電池スタックと燃料ガスタンクとを備える燃料電池システムであって、
   前記燃料電池スタックは積み重ねられた複数のセルを有し、前記複数のセルを貫くように第１マニホールドと第２マニホールドと第３マニホールドとが形成され、
   前記第１マニホールドの上流には第１バルブを通して前記燃料ガスタンクが接続され、
   前記第１マニホールドの下流には第２バルブを通して燃料ガス排出口が接続され、
   前記第２マニホールドの下流には第３バルブを通して前記燃料ガス排出口が接続され、
   前記第３マニホールドの上流には第４バルブを通して前記燃料ガスタンクが接続され、
   前記複数のセルの各々は、アノード側のセパレータを有し、
   前記セパレータは、
   前記第１マニホールドの一部を構成する第１開口部と、
   前記第２マニホールドの一部を構成する第２開口部と、
   前記第１開口部と前記第２開口部とを接続し、流路長の異なる複数の燃料ガス流路と、
   前記第３マニホールドの一部を構成する第３開口部と、
   前記第３開口部に対し、前記複数の燃料ガス流路の各々における途中部分を、流路長が長い順に接続する接続流路であって、前記複数の燃料ガス流路の各々を接続する度に断面積が減少する接続流路と
   を備える、
   燃料電池システム。
2. 前記接続流路は、前記第３開口部に対し、前記複数の燃料ガス流路の各々における中点部分を接続するものである、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池システムの起動時においては、前記第１バルブが閉められ、前記第２バルブと前記第３バルブと前記第４バルブとが開けられ、
   前記燃料電池システムの起動後においては、前記第１バルブ及び前記第３バルブが開けられ、前記第２バルブ及び前記第４バルブが閉められる、
   請求項１又は２に記載の燃料電池システム。