(57)【要約】【課題】ガスの出口マニホールドに滞留する水により、マニホールド内の高電位部と低電位部とが短絡し、電食によりセパレータが劣化することで、燃料電池の耐久性が低下することが課題であった。【解決手段】出口マニホールドの重力方向下側に、セルの積層方向に対して略垂直な断面の一部分を遮蔽する複数の遮蔽板を設置し、各遮蔽板に、積層方向から見て重ならないように形成される貫通部を形成することにより、出口マニホールド内の高電位部と低電位部をつなぐように滞留した水の抵抗を増大させる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜及び一対の電極を備えたセルを複数積層した燃料電池であって、
前記セルの積層方向に伸びるように配置され、反応ガスを供給し、排出する一対のマニホールドを備え、
前記セルの積層方向が重力方向に対し垂直となるように配置されており、
前記マニホールドの内部の重力方向下側に、前記マニホールドの積層方向に対して略垂直な断面の一部分を遮蔽する複数の遮蔽板が配置され、
前記複数の遮蔽板のそれぞれには、貫通部が前記積層方向から見て重ならないように形成される燃料電池。
【請求項２】
前記貫通部は、前記遮蔽板の前記マニホールドの内部の重力方向最下部に形成される請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記燃料電池は、さらに、前記マニホールドを前記燃料電池の外部に連通する連通部を備え、
前記遮蔽板の高さが、前記連通部の重力方向最下部と、前記マニホールドの内部の前記連通部の対向する面の重力方向最上部とを結ぶ線以上の高さとなるように、前記複数の遮蔽板の中の少なくとも一つ以上が配置されている請求項１又は２に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、より詳細には、燃料電池から熱を回収する冷却水によるセパレータ板の腐食を防止する機構を備えた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを、電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させるものであり、使用する燃料や構成材料により、様々な種類がある。例えば、電解質として陽イオン交換樹脂を用いた燃料電池の一般的な構造を図１に示す。その構造は、まず、水素イオンを選択的に輸送する陽イオン交換樹脂からなる高分子電解質膜１９の両面に、白金など、触媒能を有する金属を担持させたカーボン粉末を主成分とする触媒層２０を形成する。次に、この触媒層２０の外側に燃料ガス、酸化剤ガスなどの反応ガスの通気性と、電子伝導性を併せ持つガス拡散層１８を形成し、これら、高分子電解質膜１９とその両面に存在するガス拡散層１８および触媒層２０とをあわせた単電池を、ＭＥＡ（電極電解質膜接合体）と呼ぶ。
【０００３】
次に、供給される反応ガスである、燃料ガス及び酸化剤ガスが外にリークしたり、各々のガスが互いに混合したりしないように、ＭＥＡの周囲には高分子電解質膜を挟んでガスシール材１７を配置し、さらにガスシール材１７の外側両面に、触媒層に各々の反応ガスを供給するための反応ガス流路２１を設置し、かつ、隣接したＭＥＡを互いに電気的に直列に接続するための導電性セパレータ１６を配置する。さらに、この導電性セパレータ１６にはＭＥＡで発電が起こる時に発生する熱を除去するために、熱を吸収する手段が設けられる。この手段としては、水や不凍液などの液状の冷却媒体を、導電性セパレータ１６表面に設けた冷却液流路２２を通すことにより、熱を吸収する方法が一般的である。
【０００４】
これら、ＭＥＡとガスシール材１７と導電性セパレータ１６より構成される単セル２を、要求される出力に応じて２〜２００段積層したブロックを、集電板１４を介し、端板４でこれを挟み、ボルト１５などの締結手段により固定する方式が燃料電池１の一般的な構造である。
【０００５】
さらに、図１の導電性セパレータ１６に設けられた各マニホールドは、単セル２を積層して燃料電池１とすることで、管状となり、外部より入口連通部を通して供給される燃料ガスあるいは酸化剤ガスあるいは冷却液といった各種流体を、各単セル２に分配する役割を果す入口マニホールドと、各単セル２から排出される各種流体を集め、出口連通部を通して燃料電池外へ排出する役割を果す出口マニホールドとがある。
【０００６】
このように、単セル２を積層して直列に接続する構造を持つ燃料電池１では、発電時のオーム損を抑制するために、隣り合う単セル間の接触抵抗をできるだけ低く押さえる必要がある。一方、単セル２を構成するアノードとカソードの間、および、一つ以上の単セル２を挟んだ単セル２の間の抵抗はできるだけ大きくし、絶縁状態としなければならない。これら、絶縁状態が望まれる部分が、金属などの電子電導性が高い物質により短絡されると、抵抗に応じた電流が流れるため、本来、燃料電池１の外部に供給するべき電力が、燃料電池内部で浪費されることになり、発電効率が低下することになる。また、水道水などのイオン導電体による短絡では、電流が流れる際に高電圧側の単セル２とイオン電導体の界面で酸化反応がおこるため、単セルの構成材料が腐食劣化し、最終的には、燃料電池外へ燃料ガスあるいは冷却液が漏出に至る。また、特許文献１では、冷却液による燃料電池全体の絶縁抵抗の低下を課題とし、絶縁板内の冷却液流路の流路長を長くすることによる抵抗増大を図る方法が提案されている。
【０００７】
また、特許文献２では、マニホールド内に突出した部分を設けることで、局所的に断面積が狭い部分を作り出し、導電率の低下による腐食を防ぐ方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−１５８６２９号公報
【特許文献２】特開２０１０−１１３８６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、燃料電池は酸化剤ガスの発電反応により生成する水や、イオン交換樹脂の抵抗を低く保つために供給される水蒸気があるため、燃料ガスや酸化剤ガスを供給・排出するマニホールド内では、結露した液水が存在することになる。この液水は、マニホールドが重力方向に対し垂直に、すなわち、燃料電池の積層方向が地面に対して横向きになるように設置された場合、マニホールドの連通部を通して排出される。しかしながら、連通部の底面とマニホールド底面の段差や、複数のセパレータを積層して形成されているマニホールド内壁面の凸凹などがあること、さらに、燃料電池が出口マニホールドの連通部が重量方向で高い位置となるように傾斜して設置されることで、出口マニホールド内の底面に一部の液水は滞留することになる。
【００１０】
メタンなどの炭化水素系のガスの改質により得られる水素中には多量の炭酸ガスが含まれている。また、酸化剤ガスとして一般的に用いられる外気中にも微量ながら炭酸ガスが含まれており、さらにＮＯｘやＳＯｘなどの成分もｐｐｂレベルであるものの、含まれている。これらのガスが滞留した液水に溶解することにより、液水の導電率が上昇してしまう。また、燃料電池を構成する材料から溶出するイオン成分や、構成材料の酸化や分解などにより生成するイオン成分なども、滞留した液水中に溶解し、さらに導電率を上昇させることになる。
【００１１】
また、燃料ガスや酸化剤ガスの出口マニホールドに滞留する液水は、冷却水と異なり、流れが無いため、冷却水よりも導電率は上昇することになる。
【００１２】
この滞留し、導電率が上昇した液水が出口マニホールド内の高電位部と低電位部を短絡させると、燃料電池本体を電源とした局部電池が形成され、高電位部の部材が電食されることになり燃料電池の寿命が損なわれることが問題であった。
【００１３】
本発明では、かかる課題を鑑み、出口マニホールド内に滞留した液水による電食を防止するための構造を提供しようとしているものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者等は、上記従来技術の課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、以下に記載する構成を採用することが、上記本発明の目的を達成する上で極めて有効であるということを見出し、本発明に到達した。
【００１５】
即ち、本発明に係る燃料電池は、高分子電解質膜及び一対の電極を備えたセルを複数積層した燃料電池であって、前記セルの積層方向に伸びるように配置され、反応ガスを供給し、排出する一対のマニホールドを備え、前記セルの積層方向が重力方向に対し垂直となるように配置されており、前記マニホールドの内部の重力方向下側に、前記マニホールドの積層方向に対して略垂直な断面の一部分を遮蔽する複数の遮蔽板が配置され、前記複数の遮蔽板のそれぞれには、貫通部が前記積層方向から見て重ならないように形成されるこ
とを特徴とする。
【００１６】
さらに、前記複数の貫通部は、前記遮蔽板の前記マニホールドの内部の重力方向最下部に形成されることが望ましい。
【００１７】
さらに、前記燃料電池は、前記マニホールドを前記燃料電池の外部に連通する連通部を備え、前記遮蔽板の高さが、前記連通部の重力方向最下部と、前記マニホールド内部の前記連通部の対向する面の重力方向最上部とを結ぶ線以上の高さとなるように、前記複数の遮蔽板の中の少なくとも一つ以上が配置されていることが望ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、出口マニホールド内の重力方向下側の積層方向に複数の遮蔽板を設けることにより、出口マニホールド内に滞留する液水が高電位部と低電位部を短絡させた時に、イオンが移動する距離を長くすることができ、これにより高い導電率の液水で短絡されても、短絡した部分の液抵抗を高くすることができ電食を抑制することができる。
【００１９】
また、遮蔽板により出口マニホールド内の重力方向下側に水が溜まる構造としてしまうと、滞留した水により出口マニホールドの容積が低下し、燃料電池に供給される燃料ガスや酸化剤ガスの流通を妨げることになってしまう。そこで、遮蔽板に連通部に水を排出するための貫通部を設け、さらに、貫通部が積層方向から見て重ならないように形成することで、水の排出性を保持しながら、前述のように高電位部と低電位部の間のイオンが移動する距離を長くすることが可能となる。
【００２０】
また、この貫通部を重力方向下方に設けることで、水の排出性をさらに高めることができる。
【００２１】
また、前記連通部の重力方向最下部と、前記マニホールド内部の前記連通部の対向する面の重力方向最上部と、を結ぶ線以上の高さとなるように、前記複数の遮蔽板が、配置することで、遮蔽板の上面でそれぞれの滞留した液水がつながることを防ぐことができ、液抵抗を高める効果が増す。
【００２２】
以上の効果により、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】従来の燃料電池システムの概略図
【図２】本発明の実施の形態１の出口マニホールドの断面図
【図３】図２のＡよりみた遮蔽板の図
【図４】図２のＢより見た遮蔽板の図
【図５】本発明の実施の形態１の燃料電池スタックを傾斜させた時に水が溜まる様子を示す図
【図６】本発明の実施の形態２の出口マニホールドの断面図
【図７】本発明の実施の形態３の出口マニホールドの断面図
【図８】本発明の実施の形態３の燃料電池スタックを傾斜させた時に水が溜まる様子を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明を実施するための形態について、図面をもとに以下に示す。
【００２５】
（実施の形態１）
図２は、実施の形態１の燃料電池の出口マニホールド１３の断面の一例を示したもので
ある。
【００２６】
本実施の形態では、図２に示した様に、ガス拡散層１８を挟んでいる一対の導電性セパレータ１６の間に、遮蔽板２３を酸化剤ガス出口マニホールドの中の重力方向下側に設けている。実施の形態１における遮蔽板は、単セルの両極をつなぐように配置されるため、短絡を防止するために樹脂のような絶縁材料を用いる必要があるが、それ以外では特に制限されない。
【００２７】
なお、図２では、連通部２４とつながる酸化剤ガス出口配管を省略している。
【００２８】
また、図３に図２中のＡにおいて、遮蔽板２３を連通部２４の方向から見たときの図を示した。この図にあるように、遮蔽板２３に貫通部２５を設けている。実施の形態１では、楕円の半分の形状の貫通部の例を示しているが、その形は特に限定されない。
【００２９】
また、図４に図２中のＢにおいて、遮蔽板２３を連通部２４の方向から見たときの図を示した。図４にあるように、遮蔽板に貫通部２５を設けている。
【００３０】
このように、出口マニホールドの積層方向から見た時に、隣り合う遮蔽板の貫通部が重なり合わないように配置している。燃料電池は、積層方向で電位差が大きくなるため、このような貫通部の配置により、高電位部と低電位部の間を通るイオンの移動距離を長く、すなわち、抵抗を大きくすることが可能となる。
【００３１】
以上の構成により、図５に示したように、連通部を上にして燃料電池が傾斜して設置された場合においても、遮蔽板により高電位部と低電位部の間の抵抗を大きくし、また、貫通部を水が移動することにより、遮蔽板間に水が滞留することで出口マニホールドの容積が小さくなることを防ぎ、ガスが流れやすい状態を保つことが可能となる。
【００３２】
また、燃料ガス出口マニホールドに設ける遮蔽板も酸化剤ガス出口マニホールドと同様である。
【００３３】
（実施の形態２）
図６は、実施の形態２の燃料電池の出口マニホールド１３の断面の一例を示した。
【００３４】
本実施の形態では、図２に示した様に、直接接している一対の導電性セパレータ１６の間に、遮蔽板２３を酸化剤ガス出口マニホールドの中の重力方向下側に設けている。実施の形態１における遮蔽板は、導電性材料、絶縁性材料の何れを使うことも可能であり、特に限定されない。
【００３５】
また、実施の形態１と同様の貫通部を遮蔽板に設けている。
【００３６】
（実施の形態３）
図７は、実施の形態３の燃料電池の出口マニホールド１３の断面の一例を示した。
【００３７】
本実施の形態では、図３に示した様に、出口マニホールドの連通部２４に最も近い単セル２にのみ、実施の形態１と同様にガス拡散層１８を挟んでいる一対の導電性セパレータ１６の間と、実施の形態２と同様に直接接している一対の導電性セパレータ１６の間とに、遮蔽板２３を重力方向下側に設けている。また、実施の形態１および２と同様に、貫通部を遮蔽板に設けている。
【００３８】
図８に示したように、傾斜により滞留水２６が排出されにくい状態となった時、連通部
２４はマニホールド１３の中で重力方向に対して最も高い位置にある単セル２となり、滞留水２６の深さが浅くなる。したがって、このような位置に遮蔽板２３を設置することで、低い高さの遮蔽板２３で滞留水２６のイオン伝導性を高くする効果を得ることが可能となる。このため、マニホールド１３内のガスの流れに対する影響を小さくすることが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
以上のように、本発明にかかる膜電極接合体およびその製造法は、分散型電源としての定置用燃料電池コジェネレーションシステムや、燃料電池自動車の動力源として用いる燃料電池スタックに適用が可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１  燃料電池
２  単セル
４  端板
５ａ  燃料ガス出口配管
５ｂ  冷却水出口配管
５ｃ  酸化剤ガス出口配管
１０  冷却水シール
１３ａ  酸化剤ガス出口マニホールド
１３ｂ  冷却水出口マニホールド
１３ｃ  燃料ガス出口マニホールド
１４  集電板
１５  ボルト
１６  導電性セパレータ
１７  ガスシール材
１８  ガス拡散層
１９  高分子電解質膜
２０  触媒層
２１  反応ガス流路
２２  冷却液流路
２３  遮蔽板
２４  連通部
２５  貫通部
２６  滞留水
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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