(57)【要約】【課題】燃料電池で、充填材入り樹脂材料を用いたマニホルドにおける充填材の溶出を抑制する。【解決手段】電解質膜と、燃料極および酸化剤極と、燃料極流路板５と、酸化剤極流路板とを有するセルを積層した積層体２０と、積層体２０の外側に配置されたマニホルドと、を備えた燃料電池である。マニホルドは、燃料極入口マニホルド６と、燃料極出口マニホルド７と、酸化剤極入口マニホルド８と、酸化剤極出口マニホルド９とを含む。マニホルドは、充填材含有樹脂材料から製造され、そのマニホルドの内側流通部に、フッ素樹脂塗料による塗布膜が形成されている。【選択図】図２
2008218088.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、前記電解質膜の両面にそれぞれ配置した燃料極および酸化剤極と、前記燃料極に燃料ガスを供給するための燃料極流路を備えた燃料極流路板と、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤極流路を備えた酸化剤極流路板と、を有するセルを少なくとも２枚以上積層した積層体と、
前記積層体の外側に配置されたマニホルドと、
を備えた燃料電池であって、
前記マニホルドは、燃料極流路に燃料ガスを供給するための燃料極入口マニホルドと、前記酸化剤極流路に酸化剤ガスを供給するための酸化剤極入口マニホルドと、前記燃料極流路の燃料ガスを排出する燃料極出口マニホルドと、前記酸化剤極流路の酸化剤ガスを排出する酸化剤極出口マニホルドとを含み、
前記マニホルドのうちの少なくとも一部が、充填材含有樹脂材料から製造され、そのマニホルドの内側流通部にフッ素樹脂塗料による塗布膜が形成されていること、を特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記積層体は、前記セルからの発熱を除去するための冷却板を含み、
前記マニホルドはさらに、前記冷却板に冷却水を供給する冷却水入口マニホルドと、冷却板からの冷却水を排出する冷却水出口マニホルドとを含むこと、
を特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記マニホルドのうちの少なくとも一部が、充填材含有樹脂成形品から機械加工によって製造され、そのマニホルドの内側流通部にフッ素樹脂塗料による塗布膜が形成されていること、を特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記マニホルドのうちの少なくとも一部が、充填材含有樹脂材料から成形加工によって製造され、そのマニホルドの内側流通部に機械加工が施され、その後にフッ素樹脂塗料にて塗布膜が形成されていること、を特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記マニホルド内側流通部の塗布膜が、フルオロエチレン／ビニルエーテル交互共重合体塗料、フルオロエチレン／ビニルエステル交互共重合体塗料、フッ素樹脂／アクリル樹脂系混合体塗料のいずれか一つのフッ素樹脂塗料で形成されていること、を特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記充填材含有樹脂が、エポキシ樹脂、フェノール系樹脂、ポリカーボネイト樹脂、ポリイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂のいずれかであること、を特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記充填材含有樹脂が、その樹脂充填材として、ガラス繊維、ガラスビーズ、ケイ酸カルシウム、酸化チタン粒子、酸化タングステン、カーボン粉、カーボン繊維のうちの少なくとも一種類を含むこと、を特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項８】
電解質膜と、前記電解質膜の両面にそれぞれ配置した燃料極および酸化剤極と、前記燃料極に燃料ガスを供給するための燃料極流路を備えた燃料極流路板と、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤極流路を備えた酸化剤極流路板と、を有するセルを少なくとも２枚以上積層した積層体と、
前記積層体の外側に配置されたマニホルドと、
を備えた燃料電池の製造方法であって、
前記マニホルドは、燃料極流路に燃料ガスを供給するための燃料極入口マニホルドと、前記酸化剤極流路に酸化剤ガスを供給するための酸化剤極入口マニホルドと、前記燃料極流路の燃料ガスを排出する燃料極出口マニホルドと、前記酸化剤極流路の酸化剤ガスを排出する酸化剤極出口マニホルドとを含み、
前記マニホルドのうちの少なくとも一部を、充填材含有樹脂材料から製造し、そのマニホルドの内側流通部にフッ素樹脂塗料により塗布膜を形成すること、を特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項９】
前記マニホルドのうちの少なくとも一部を、充填材含有樹脂成形品から機械加工によって製造し、そのマニホルドの内側流通部にフッ素樹脂塗料により塗布膜を形成すること、を特徴とする請求項８に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１０】
前記マニホルドのうちの少なくとも一部を、充填材含有樹脂材料から成形加工によって製造し、そのマニホルドの内側流通部に機械加工を施し、その後にフッ素樹脂塗料により塗布膜を形成すること、を特徴とする請求項９に記載の燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、積層体の外周にマニホルドを配置した燃料電池およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素等の燃料と空気等の酸化剤を燃料電池本体に供給して、電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換して外部へ取り出す発電装置である。
【０００３】
一般的な燃料電池は、複数の単位セルを積層して構成する。単位セルは固体高分子膜の両端に触媒を塗布した燃料極および酸化剤極を配し、その両端に燃料極流路と酸化剤極流路を備えた燃料極流路板と酸化剤極流路板で構成されている。
【０００４】
積層体の周囲にマニホルドが配され、燃料ガスは燃料極入口マニホルドに入り燃料極流路板の燃料極流路を通り、燃料極出口マニホルドから燃料池外へ排出される。また酸化剤ガスも同様に酸化剤極入口マニホルドに入り酸化剤極流路板の酸化剤極流路を通り、酸化剤極出口マニホルドから燃料電池外へ排出される。
【０００５】
これら、固体高分子型燃料電池の外付け形反応ガス（燃料および酸化剤）入口・出口マニホルドは、一般にセル積層体積層面に取り付けられる。その目的は反応ガスのセルへ供給とセルからの排出ガスの受入・所定次プロセスへの送り出しを行なうことである。
【０００６】
また、安全確保および燃料電池効率低下防止の目的から反応ガスの燃料電池本体外部への漏洩を防止する機能も有している。そのため、特に反応ガスの燃料電池本体外部への漏洩防止目的を達成するため、セル積層体積層面に接するマニホルドシール端面はシール材料を介してセル積層体積層面に取り付けられる構成となっている。
【０００７】
従来はこれらの機能を満足させるため、マニホルドは機械強度の得られる金属を用いその厚板の削り出し加工により製造したものに、または金属板の溶接加工により製造したものにその反応ガスに接する部分に腐食防止処理をして用いられるのが一般的である。また、金属材料の代替材料として、強度の高い且つ耐食性の高いガラス織布樹脂積層板を機械加工したものもマニホルドとして使用されている。さらには、特許文献１に示されるように燃料ガスおよび酸化剤ガスに直接接触しない部分に補強として金属部材で全面覆われた複合樹脂製マニホルドも提案されている。
【特許文献１】特開２００１−１６７７８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
熱可塑性あるいは熱硬化性樹脂を主材料とするマニホルドは、その機械的強度を発現させるため種々の充填材（フィラー）が添加されるのが一般的である。その充填材の代表例としてはガラス繊維、ガラスビーズ、タルク（ケイ酸カルシウム）、酸化チタン粒子、カーボン粉、カーボン繊維等があり、これらが要求される機能・用途に応じて選択されて使用されている。
【０００９】
これらの充填材入り樹脂から製造されるマニホルドにおいては、その表面に暴露した充填材が反応ガス中の凝縮水分あるいは凝縮生成水に接して溶解し、それが電極内に移動し電極反応を阻害し、電池特性を低下させる問題があった。また、冷却水供給・排出部を有するマニホルドにあっては、冷却水との接触面積が大きいため、より充填材の溶出が大きくなり、結果的に冷却水を汚損する問題があった。そして、反応ガスおよび冷却水に接する部分に機械加工が施されている場合は、より充填材の表面暴露が大きくなり、充填材の溶解量が大きくなり汚損を加速する問題があった。
【００１０】
さらに、この冷却水および生成水が燃料の改質水として用いられる燃料電池システムにあっては、改質水に含まれる溶解充填材が燃料改質触媒の被毒源となり性能劣化を加速する問題があった。
【００１１】
本発明は上記に鑑みてなされたもので、その目的は、燃料電池で、充填材入り樹脂材料を用いたマニホルドにおける充填材の溶出を抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明に係る燃料電池は、電解質膜と、前記電解質膜の両面にそれぞれ配置した燃料極および酸化剤極と、前記燃料極に燃料ガスを供給するための燃料極流路を備えた燃料極流路板と、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤極流路を備えた酸化剤極流路板と、を有するセルを少なくとも２枚以上積層した積層体と、前記積層体の外側に配置されたマニホルドと、を備えた燃料電池であって、前記マニホルドは、燃料極流路に燃料ガスを供給するための燃料極入口マニホルドと、前記酸化剤極流路に酸化剤ガスを供給するための酸化剤極入口マニホルドと、前記燃料極流路の燃料ガスを排出する燃料極出口マニホルドと、前記酸化剤極流路の酸化剤ガスを排出する酸化剤極出口マニホルドとを含み、前記マニホルドのうちの少なくとも一部が、充填材含有樹脂材料から製造され、そのマニホルドの内側流通部にフッ素樹脂塗料による塗布膜が形成されていること、を特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る燃料電池の製造方法は、電解質膜と、前記電解質膜の両面にそれぞれ配置した燃料極および酸化剤極と、前記燃料極に燃料ガスを供給するための燃料極流路を備えた燃料極流路板と、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤極流路を備えた酸化剤極流路板と、を有するセルを少なくとも２枚以上積層した積層体と、前記積層体の外側に配置されたマニホルドと、を備えた燃料電池の製造方法であって、前記マニホルドは、燃料極流路に燃料ガスを供給するための燃料極入口マニホルドと、前記酸化剤極流路に酸化剤ガスを供給するための酸化剤極入口マニホルドと、前記燃料極流路の燃料ガスを排出する燃料極出口マニホルドと、前記酸化剤極流路の酸化剤ガスを排出する酸化剤極出口マニホルドとを含み、前記マニホルドのうちの少なくとも一部を、充填材含有樹脂材料から製造し、そのマニホルドの内側流通部にフッ素樹脂塗料により塗布膜を形成すること、を特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、充填材入り樹脂材料を用いた燃料電池のマニホルドにおける充填材の溶出を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１に、本発明に係る燃料電池の積層体の一実施形態を示す。この燃料電池は、固体高分子膜（図示せず）を用いた燃料電池である。各単位セル１は、固体高分子膜の両端に触媒を塗布した燃料極および酸化剤極を配し、その両端に燃料極流路１０と酸化剤極流路をそれぞれ備えた燃料極流路板５（図２参照）と酸化剤極流路板（図示せず）で構成されている。複数の単位セル１を積層して積層体２０を構成し、その積層体２０の両端に集電板２と締付板３を配置し、スタッド４とナット２１と皿バネ２２で積層体２０を締め付けている。なお、一般には１セルあるいは２セル以上毎にセルからの発熱を除去する冷却板が挿入・積層されるが図１では省略してある。
【００１６】
図２は本発明に係る燃料電池の一実施形態の横断面図であって、積層体２０の周囲にマニホルド６、７、８、９が配されている。燃料ガスは燃料極入口マニホルド６に入り、燃料極流路板５の燃料極流路１０を通り、燃料極出口マニホルド７から燃料電池外へ排出される。また酸化剤ガスも同様に酸化剤極入口マニホルド８に入り、図示しない酸化剤極流路板の酸化剤極流路を通り、酸化剤極出口マニホルド９から燃料電池外へ排出される。
【００１７】
これら、固体高分子型燃料電池の外付け形反応ガス（燃料および酸化剤）入口・出口マニホルド６、７、８、９は、一般にセル積層体２０の積層面（側面）１１に取り付けられる。その目的は、反応ガスのセル１への供給とセル１からの排出ガスの受け入れ、所定の次のプロセスへの送り出しを行なうことである。
【００１８】
マニホルド６、７、８、９はまた、安全確保および燃料電池効率低下防止の目的から、反応ガスの燃料電池本体外部への漏洩を防止する機能も有している。そのため、特に反応ガスの燃料電池本体外部への漏洩防止目的を達成するため、セル積層体２０の積層面１１に接するマニホルドシール端面１２はシール材料１３を介して積層面１１に取り付けられる構成となっている。
【００１９】
図３は本発明に係る燃料電池の図２とは異なる実施形態の横断面図である。この例の場合は、積層体２０の側面に、図２の例における燃料極入口マニホルド６、燃料極出口マニホルド７、酸化剤極入口マニホルド８、酸化剤極出口マニホルド９のほかに、冷却水供給マニホルド１４および冷却水排出マニホルド１５が配置されている。この場合は、冷却水供給マニホルド１４および冷却水排出マニホルド１５を通じて、セル１で発生する反応熱の除熱のため冷却水の供給・排出を行なう。この構成の場合も、各マニホルド６、７、８、９、１４、１５からの反応ガスや冷却水の漏洩を防ぐために、各マニホルドシール端面１２がシール材料１３を介して積層体２０の積層面１１に取り付けられる構成となっている。
【００２０】
これらの実施形態で、マニホルド６、７、８、９、１４、１５は、充填材含有樹脂材料から製造され、そのマニホルドの内側流通部にフッ素樹脂塗料による塗布膜が形成されている。たとえば、充填材含有樹脂材料は、充填材含有樹脂成形品から機械加工によって製造され、そのマニホルドの内側流通部にフッ素樹脂塗料による塗布膜が形成される。
【００２１】
また、マニホルド６、７、８、９、１４、１５は、充填材含有樹脂材料から成形加工によって製造され、そのマニホルドの内側流通部に機械加工を施し、その後にフッ素樹脂塗料にて塗布膜を形成してもよい。
【００２２】
マニホルド内側流通部の塗布膜は、たとえば、フルオロエチレン／ビニルエーテル交互共重合体塗料、フルオロエチレン／ビニルエステル交互共重合体塗料、フッ素樹脂／アクリル樹脂系混合体塗料のいずれか一つのフッ素樹脂塗料で形成するのが好ましい。また、充填材含有樹脂は、たとえば、エポキシ樹脂、フェノール系樹脂、ポリカーボネイト樹脂、ポリイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂のいずれかであることが好ましい。さらに、充填材含有樹脂は、その樹脂充填材として、ガラス繊維、ガラスビーズ、ケイ酸カルシウム、酸化チタン粒子、酸化タングステン、カーボン粉、カーボン繊維のうちの少なくとも一種類を含むことが好ましい。
【００２３】
本実施形態におけるマニホルド６、７、８、９、１４、１５の充填材含有樹脂材料の充填材溶出抑制効果を確認するため高温水による浸漬溶出試験を行なった。この試験についてここで説明する。
【００２４】
ここで用いた試料の形状および塗布条件を図４に示す。すなわち、試料としてのマニホルド材として、シリカを主成分とするガラス織布積層エポキシ成形材（Ｇ１０相当品）を用いた。この成形材から、機械加工により、縦５０ｍｍ、横５０ｍｍ、厚さ１０ｍｍの形状に試料を作成した。各表面は機械加工を施し、充填物であるガラス織布の断面また積層表面を露出させた。これにフッ素樹脂塗料（フルオロエチレン／ビニルエーテル交互共重合体）をスプレー塗布して、１００℃で３時間かけて高温乾燥し、試料を作成した。乾燥後のフッ素樹脂塗料の塗布膜厚み測定値は０．１０〜０．１２ｍｍであった。
【００２５】
次に、上記フッ素樹脂塗布を施した試料と、フッ素樹脂塗布を施さない試料とを用い、高温水浸漬溶出試験をそれぞれに行なった。図５に高温水浸漬試験条件を示す。すなわち、ポリエチレン製の浸漬容器に浸漬水としての純水を入れ、９０℃の浸漬水中に試料を５００時間浸漬した。
【００２６】
浸漬試験完了後に、浸漬水中のシリコン（Ｓｉ）成分の分析をＩＰＣ発光分光装置により行なった。その結果、図６に示すように、充填剤として用いられているガラス織布から浸漬水中に溶出するシリコン溶出濃度比は、未処理試料の場合を１．０として、フッ素樹脂塗布処理によって、０．０１４倍（約１／７０）のに低減されることがわかった。
【００２７】
以上から明らかなように、本実施形態によるフッ素樹脂塗料塗布により、充填材としてガラス織布を用いたエポキシ積層樹脂からの充填材成分の溶出を大幅に低減できることがわかった。すなわち、ガラス織布エポキシ積層板を機械加工により製造したマニホルド６、７、８、９、１４、１５にあっては、その内側内面の反応ガスあるいは冷却水に接する部分に本実施形態のフッ素樹脂塗料を塗布することにより、充填材の溶解溶出の少ない信頼性の高い固体高分子形燃料電池用マニホルドの提供ができる。
【００２８】
上記例では、マニホルド６、７、８，９、１４、１５の成形用樹脂としてエポキシ樹脂を代表例として示したが、固体高分子形燃料電池運転温度の９０℃程度の温度で充分な機械的強度を有し且つ維持できる樹脂あれば、エポキシ樹脂に限定されることはない。すなわち、熱硬化性樹脂であるフェノール系樹脂、熱可塑性樹脂であるポリカーボネイト樹脂、ポリイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂等でもよい。
【００２９】
また、上記例ではマニホルド６、７、８，９、１４、１５の成形用充填材としてガラス織布を代表例として示したが、マニホルドとしての機能を発揮できる充填材であれば、ガラスビーズ、タルク（ケイ酸カルシウム）、酸化チタン粒子、酸化タングステン粒子、カーボン粉、カーボン繊維等でもよい。
【００３０】
また、上記例ではフッ素樹脂塗料としてフルオロエチレン／ビニルエーテル交互共重合体塗料を代表例として示したが、これに限定されることはなくマニホルド６、７、８，９、１４、１５表面と反応ガス凝縮水、凝縮生成水あるいは冷却水との直接接触を防止でき且化学的・物理的に安定な膜が形成できる、フルオロエチレン／ビニルエステル交互共重合体塗料、フッ素樹脂／アクリル樹脂系混合体塗料でも上記例と同様な効果が得られることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る燃料電池の一実施形態の積層体の側面図である。
【図２】本発明に係る燃料電池の一実施形態の一つのセルの燃料極流路部における横断面図である。
【図３】本発明に係る燃料電池の他の実施形態の一つのセルの燃料極流路部における横断面図である。
【図４】本発明に係る燃料電池の一実施形態のマニホルド材を模擬した試料の形状およびフッ素樹脂塗布条件を示す表である。
【図５】図４に示す試料とフッ素樹脂塗布を施さない試料とを用いた高温水浸漬試験の条件を示す表である。
【図６】図４に示す試料とフッ素樹脂塗布を施さない試料とを用いて図５に示す高温水浸漬試験を行なった結果を示す表である。
【符号の説明】
【００３２】
１：単位セル
２：集電板
３：締付板
４：スタッド
５：燃料極流路板
６：燃料極入口マニホルド
７：燃料極出口マニホルド
８：酸化剤極入口マニホルド
９：酸化剤極出口マニホルド
１０：燃料極流路
１１：積層面
１２：マニホルドシール端面
１３：シール材料
１４：冷却水入口マニホルド
１５：冷却水出口マニホルド
２０：積層体
２１：ナット
２２：皿バネ
【図１】
2008218088.tif 000003
【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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