JP4489036B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタックに関する。より具体的には、本発明は、液体燃料を循環させて使用するのに適した燃料電池スタックに関する。

燃料電池は、燃料および酸化剤から電気エネルギーを発生させる装置であり、高い発電効率を得ることができる。燃料電池の主な特徴としては、従来の発電方式のように熱エネルギーや運動エネルギーの過程を経ない直接発電が挙げられる。このため、燃料電池は、小規模でも高い発電効率が期待できる。また、窒化化合物等の排出が少なく、騒音や振動も小さいので環境性が向上する。このように、燃料電池は、燃料の持つ化学エネルギーを有効に利用でき、環境に優しい特性を持っているので、２１世紀を担うエネルギー供給システムとして期待され、宇宙用から自動車用、携帯機器用まで、大規模発電から小規模発電まで、種々の用途に使用できる将来有望な新しい発電システムとして注目され、実用化に向けて技術開発が本格化している。

特に近年、燃料電池の一形態として、ダイレクトメタノール燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell:ＤＭＦＣ）が注目を集めている。ＤＭＦＣは、燃料であるメタノールを改質することなく、アノードへ直接供給し、メタノールと酸素との電気化学反応により電力を得る。メタノールは水素に比べて、単位体積当たりのエネルギーが高く、また、貯蔵に適しており、爆発などの危険性も低いため、自動車や携帯機器などの電源への利用が期待されている。

特許文献１は、複数のセルを積層し、集電体等を介してセルの積層体を一対のエンドプレートで狭持した燃料電池スタックを開示する。特許文献１の燃料電池スタックでは、液体燃料を各セルに分配するためのマニホールドの入り口と、セルから排出された未反応の液体燃料を回収するためのマニホールドの出口とが異なるエンドプレートに設けられている。
特開２００５−１０８８５０号公報

液体燃料の電位は、燃料電池スタック内を流通するにつれて変化するため、燃料電池スタックに供給される前の液体燃料と燃料電池スタックから排出された排燃料との間に電位差が生じる。このため、燃料電池スタックから排出された排燃料を循環させて燃料電池スタックに供給すると、液体燃料が接触する配管やタンクなどの金属部分に電圧が掛かる。この状態で液体燃料や副生成物の蟻酸などが金属部分に関与すると、金属部分の腐食が進行する。腐食によって生じた金属イオンが、配管を通って燃料電池スタックに入り込むと、電解質膜に吸着してイオン伝導性を低下させるなどして、燃料電池スタックの性能が劣化する。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池スタックに接続された燃料供給用の配管などの金属部分の腐食を抑制する技術の提供にある。

本発明のある態様は、液体燃料と酸化剤とを用いて発電を行う複数のセルが鉛直方向に積層されている燃料電池スタックであって、液体燃料を各セルに分配するための燃料供給用マニホールドの入口部分と、各セルから排出される排燃料を排出するための燃料排出用マニホールドの出口部分とが電気的に接続されており、前記燃料供給用マニホールドの入口部分および燃料排出用マニホールドの出口部分が、前記複数のセルを集電体と絶縁体を介して挟持する一対のエンドプレートのうち、複数のセルに対して上側に設けられている導電性を有するエンドプレートに配設され燃料供給用マニホールドは、液体燃料が下降する第１の区分と、下降した液体燃料を受け止めて、液体燃料が流れる方向を折り返させる第２の区分と、第２の区分を流通した液体燃料を上方へ送出させるための第３の区分とからなり、燃料供給用マニホールドを流通する液体燃料は第３の区分において各単セルに分配されていることを特徴とする。

この態様によれば、燃料電池スタックから排出された排燃料の電位と、燃料電池スタックに供給される液体燃料の電位が同等になる。これにより、燃料電池スタックから排出された排燃料を循環させて燃料電池スタックに供給する場合に、液体燃料が接触する配管やタンクなどの金属部分の腐食の進行が抑制される。

また、この態様によれば、導電性を有するエンドプレートにより、燃料供給用マニホールドの入口部分と燃料排出用マニホールドの出口部分とが等電位になる他、燃料供給用マニホールドおよびと燃料排出用マニホールドにそれぞれ接続される配管を一方の側にまとめることができる。

さらに、この態様によれば、燃料電池スタックの上面に燃料供給用マニホールドの入口部分および燃料排出用マニホールドの出口部分を集中させることにより、燃料供給用マニホールドおよび燃料排出用マニホールドに配管を容易に接続することができる。

本発明によれば、燃料電池スタックに接続された燃料供給用の配管の金属部分の腐食を抑制することができる。

図１は、実施形態に係る燃料電池スタック１０を用いた燃料電池システム２０の全体構成を示す概略図である。燃料電池システム２０は、燃料電池スタック１０、燃料格納部２１、燃料補給用ポンプ２２、燃料用バッファタンク２３、燃料供給用ポンプ２４および酸化剤供給用ポンプ２５を備える。

燃料電池スタック１０は、メタノール水溶液および空気を用いて電気化学反応により電力を発生する。燃料電池スタック１０の詳細な構造については後述する。

燃料格納部２１は、高濃度のメタノール水溶液を貯蔵する。燃料用バッファタンク２３内のメタノール溶液の濃度が低下した場合に、燃料補給用ポンプ２２により、燃料格納部２１に貯蔵された高濃度のメタノール水溶液が燃料用バッファタンク２３に適宜供給される。

燃料用バッファタンク２３は、燃料電池スタック１０に供給されるメタノール水溶液を貯留する。燃料用バッファタンク２３に貯留されたメタノール水溶液は、0.5〜1.5mol/L
に希釈されている。燃料供給用ポンプ２４により、配管２６を経由して燃料用バッファタンク２３から燃料電池スタック１０にメタノール水溶液が供給される。燃料電池スタック１０での反応後に残った液体燃料およびメタノールと空気の反応により生じた二酸化炭素は、配管２７を経由して、燃料用バッファタンク２３に回収される。燃料用バッファタンク２３に回収された二酸化炭素は、燃料電池システム２０の外部に排出される。このように、メタノール水溶液は、燃料電池スタック１０および燃料用バッファタンク２３を含む経路を循環する。なお、配管２７の途中に熱交換器を設けることにより、燃料電池スタック１０から排出される液体燃料を冷却してもよく、排出される液体燃料からの熱によって燃料電池スタック１０に供給される液体燃料または空気を加温してもよい。

酸化剤供給用ポンプ２５は外部から取り込んだ空気を燃料電池スタック１０に供給する。未反応の空気や、メタノールと空気の反応により生じた水などの生成物の一部は、外部に排出される。

図２は、燃料電池スタック１０の構成を示す分解側面図である。図３は、燃料電池スタック１０の構成を示す分解斜視図（視線方向：上方から下方）である。図４は、燃料電池スタック１０の構成を示す分解斜視図（視線方向：下方から上方）である。

燃料電池スタック１０は、複数の単セル３０、一対の集電体５０ａならびに集電体５０ｂ、一対の絶縁板６０ａならびに絶縁板６０ｂ、複数の流路形成プレート７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７０ｄおよび一対のエンドプレート８０ａならびにエンドプレート８０ｂを有する。エンドプレート８０ａとエンドプレート８０ｂとは、ボルト８２によって締結されている。なお、ボルト８２とエンドプレート８０ａとの間は絶縁部材８４によって絶縁されている。

各単セル３０は、セパレータ４０によって仕切られた、膜電極接合体３１、カソード拡散層３２およびアノード拡散層３３を有し、メタノールと酸素との電気化学反応により電力を発生する。複数の単セル３０は、鉛直方向に積層されている。複数の単セル３０は、配線（図示せず）により電気的に直列に接続されている。

膜電極接合体３１は、電解質膜３４と、電解質膜３４の上面側に設けられたアノード電極３５と、電解質膜３４の下面側に設けられたカソード電極３６を含む（図５参照）。電解質膜３４は、ナフィオン（登録商標）などのプロトン伝導性のポリマーで形成される。アノード電極３５には、白金触媒、または白金ルテニウム合金触媒が使用され、カソード電極３６には、たとえば白金触媒が使用される。アノード電極３５の上に、多孔質性のアノード拡散層３７が配設されている。また、カソード電極３６の下にカーボンフェルト、カーボンペーパーなどからなるカソード拡散層３８が配設されている。

図６に示すように、セパレータ４０の下面側に液体燃料流路４１が設けられている。液体燃料流路４１の入口は燃料供給用マニホールド１００と連通し、液体燃料流路４１の出口は燃料排出用マニホールド１１０と連通している。

また、図７に示すように、セパレータ４０の上面側に酸化剤流路４２が形成されている。酸化剤流路４２の入口は、酸化剤供給用マニホールド１２０と連通し、酸化剤流路４２の出口は、酸化剤排出用マニホールド１３０と連通している。

なお、図２に示すように、膜電極接合体３１の上面と、膜電極接合体３１の上面側に設けられたセパレータ４０との間、および膜電極接合体３１の下面と、膜電極接合体３１の下面側に設けられたセパレータ４０との間には、それぞれパッキンなどの封止部材３９が設けられている。封止部材３９により、各単セル３０からメタノール水溶液および空気が漏出することが抑制されている。封止部材３９が液体燃料流路４１または酸化剤流路４２を横切る場所には、保護板４３が設けられている。

一対の集電体５０ａ，５０ｂは、複数の単セル３０からなる積層体の両側にそれぞれ設けられている。一方の集電体５０ａが負極として用いられ、他方の集電体５０ｂが正極として用いられる。

絶縁板６０ａは、集電体５０ａと流路形成プレート７０ｂとの間に配設されている。また、絶縁板６０ｂは、集電体５０ｂと流路形成プレート７０ｃとの間に配設されている。絶縁板６０ａおよび絶縁板６０ｂは、電気絶縁性の他に、耐熱性、機械的強度、寸法安定性、耐水性などの特性を有することが望ましい。このような特性を具備する材料として、たとえば、エチレンプロピレンゴムなどが挙げられる。

流路形成プレート７０ａおよび流路形成プレート７０ｂは、絶縁板６０ａとエンドプレート８０ａとの間に設けられている。流路形成プレート７０ａおよび流路形成プレート７０ｂには、マニホールド用の貫通穴や溝が形成されている。一方、流路形成プレート７０ｃおよび流路形成プレート７０ｄは、絶縁板６０ｂとエンドプレート８０ｂとの間に設けられている。流路形成プレート７０ｃには、マニホールド用の貫通穴や溝が形成されている。流路形成プレート７０ｃには、マニホールド用の貫通穴や溝が形成されている。流路形成プレート７０ｄには、マニホールド用の貫通穴や溝が形成されている。流路形成プレート７０ａ，７０ｂ，７０ｃおよび７０ｄに用いられる材料としては、樹脂、カーボンなどが挙げられる。

エンドプレート８０ａおよびエンドプレート８０ｂは、機械的強度を有する材料で形成されている。さらに、エンドプレート８０ａは、導電性を有する。たとえば、エンドプレート８０ａおよびエンドプレート８０ｂとして、ステンレス鋼を用いることができ、エンドプレート８０ａとしてステンレス鋼を用いた場合に、金メッキを施すことによりによりエンドプレート８０ａに導電性を付与することができる。

燃料供給用マニホールド１００は、液体燃料が下降する部分（以下、第１の区分という）と、下降した液体燃料を受け止めて、液体燃料が流れる方向を折り返させる接続部分（以下、第２の区分という）と、第２の区分を流通した液体燃料を上方へ送出させるための部分（以下、第３の区分という）とからなり、その入口部分をエンドプレート８０ａ上に有する。燃料供給用マニホールド１００を流通する液体燃料は、第３の区分において各単セル３０に分配される。

燃料供給用マニホールド１００の第１の区分は、エンドプレート８０ａ、流路形成プレート７０ａ、流路形成プレート７０ｂ、絶縁板６０ａ、各セパレータ４０、各膜電極接合体３１、絶縁板６０ｂおよび流路形成プレート７０ｃにそれぞれ設けられた貫通穴を連結することにより形成されている。燃料供給用マニホールド１００の第２の区分は、流路形成プレート７０ｃおよび流路形成プレート７０ｄにそれぞれ設けられた溝７１、溝７２によって形成されている。また、燃料供給用マニホールド１００の第３の区分は、流路形成プレート７０ｃ、各セパレータ４０および各膜電極接合体３１にそれぞれ設けられた貫通穴を連結することにより形成されている。

燃料排出用マニホールド１１０は、その出口部分をエンドプレート８０ａ上に有する。燃料排出用マニホールド１１０は、各セパレータ４０、各膜電極接合体３１、絶縁板６０ａ、流路形成プレート７０ｂ、流路形成プレート７０ａおよびエンドプレート８０ａにそれぞれ設けられた貫通穴を連結することにより形成されている。

酸化剤供給用マニホールド１２０は、その入口部分をエンドプレート８０ａ上に有する。酸化剤供給用マニホールド１２０は、エンドプレート８０ａ、流路形成プレート７０ａ、流路形成プレート７０ｂ、絶縁板６０ａ、各セパレータ４０および各膜電極接合体３１にそれぞれ設けられた貫通穴を連結することにより形成されている。

酸化剤排出用マニホールド１３０は、反応後の空気、反応によって生じた水（以下、排液ガスという）が下降する部分（以下、第４の区分という）と、下降した排液ガスを受け止めて、排液ガスが流れる方向を折り返させる接続部分（以下、第５の区分という）と、第５の区分を流通した排液ガスを上方へ送出させるための部分（以下、第６の区分という）とからなり、その出口部分をエンドプレート８０ａ上に有する。

酸化剤排出用マニホールド１３０の第４の区分は各セパレータ４０、各膜電極接合体３１、絶縁板６０ｂ、流路形成プレート７０ｃにそれぞれ設けられた貫通穴を連結することにより形成されている。酸化剤排出用マニホールド１３０の第５の区分は流路形成プレート７０ｃおよび流路形成プレート７０ｄにそれぞれ設けられた溝７３、溝７４によって形成されている。また、酸化剤排出用マニホールド１３０の第６の区分は、流路形成プレート７０ｃ、各セパレータ４０、各膜電極接合体３１、絶縁板６０ａ、流路形成プレート７０ｂ、流路形成プレート７０ａおよびエンドプレート８０ａにそれぞれ設けられた貫通穴を連結することにより形成されている。

本実施形態では、酸化剤排出用マニホールド１３０の第６の区分の断面積は、第４の区分の断面積に比べて小さくなっている。これによれば、酸化剤排出用マニホールド１３０の第６の区分において排液ガスの流速が上昇するため、排液ガスに含まれる生成水を確実かつ速やかに燃料電池スタック１０から排出することができる。

以上説明した本実施形態によれば、燃料供給用マニホールド１００の入り口部分と燃料排出用マニホールド１１０の出口部分とがエンドプレート８０ａにより電気的に接続されている。これにより、燃料電池スタック１０から排出された排燃料の電位と、燃料電池スタック１０に供給される液体燃料の電位が同等になる。この結果、燃料電池スタック１０から排出された排燃料を循環させて燃料電池スタック１０に供給する場合に、液体燃料が接触する配管やタンクなどの金属部分の腐食の進行が抑制される。

また、本実施形態の燃料電池スタック１０では、燃料供給用マニホールド１００の入口部分、燃料排出用マニホールド１１０の出口部分、酸化剤供給用マニホールド１２０の入口部分および酸化剤排出用マニホールド１３０の出口部分が同じエンドプレート８０ａに設けられている。これにより、各マニホールドと接続される配管の経路を一カ所にまとめて単純化することができ、燃料電池システム２０の小型化を図ることができる。また、各マニホールドと配管との接続部分が互いに近傍に配設されているため、配管の取り付け作業や、接続状態の確認作業を容易に行うことができる。

本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。

例えば、上述の実施の形態では、燃料供給用マニホールド１００の入り口部分と燃料排出用マニホールド１１０の出口部分とがエンドプレート８０ａにより電気的に接続されているが、これに限られない。たとえば、燃料供給用マニホールド１００の入り口部分と燃料排出用マニホールド１１０の出口部分を燃料電池スタック１０の側面に配された導電板に形成してもよい。

実施形態に係る燃料電池スタックを用いた燃料電池システムの全体構成を示す概略図である。 燃料電池システムの構成を示す分解側面図である。 燃料電池システムの構成を示す分解斜視図（視線方向：上方から下方）である。 燃料電池システムの構成を示す分解斜視図（視線方向：下方から上方）である。 膜電極接合体の構造を示す図である。 セパレータの下面に設けられた液体燃流路を示す斜視図である。この斜視図における視線はセパレータの下方から上方に向けられている。 セパレータの上面に設けられた液体燃流路を示す斜視図である。この斜視図における視線はセパレータの上方から下方に向けられている。

１０ 燃料電池スタック、２０ 燃料電池システム、３０ 単セル、３１ 膜電極接合体、４０ セパレータ、５０ａ，５０ｂ 集電体、７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７０ｄ 流路形成プレート、８０ａ，８０ｂ エンドプレート、１００ 燃料供給用マニホールド、１１０ 燃料排出用マニホールド、１２０ 酸化剤供給用マニホールド、１３０ 酸化剤排出用マニホールド。

Claims (1)

1. 液体燃料と酸化剤とを用いて発電を行う複数のセルが鉛直方向に積層されている燃料電池スタックであって、前記液体燃料を各セルに分配するための燃料供給用マニホールドの入口部分と、各セルから排出される排燃料を排出するための燃料排出用マニホールドの出口部分とが電気的に接続されており、
   前記燃料供給用マニホールドの入口部分および燃料排出用マニホールドの出口部分が、前記複数のセルを集電体と絶縁体を介して挟持する一対のエンドプレートのうち、複数のセルに対して上側に設けられている導電性を有するエンドプレートに配設され
   燃料供給用マニホールドは、液体燃料が下降する第１の区分と、下降した液体燃料を受け止めて、液体燃料が流れる方向を折り返させる第２の区分と、第２の区分を流通した液体燃料を上方へ送出させるための第３の区分とからなり、燃料供給用マニホールドを流通する液体燃料は第３の区分において各単セルに分配されていることを特徴とする燃料電池スタック。
   

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