(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加湿された発電用ガスを供給するガス供給配管と、
前記発電用ガスを使用して発電を行うスタックと、
前記ガス供給配管と前記スタックとを接続する継ぎ手配管
とを備え、
前記発電用ガスは、前記継ぎ手配管の内側を通過して前記スタックに導入され、
前記継ぎ手配管の内面の少なくとも一部は、白金族元素である金属又は合金からなる白金族金属膜で被覆された
燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記継ぎ手配管の内面は、
前記継ぎ手配管の二端のうちの前記スタックの側にある一端に接する第１面と、
前記継ぎ手配管の二端のうち、前記スタックと反対側にある他端に接する第２面
とを含み、
前記白金族金属膜は、前記第１面を被覆する
燃料電池。
【請求項３】
加湿された発電用ガスが供給され、前記発電用ガスを使用して発電を行うスタックと、
前記発電用ガスのうちの前記発電に使用されなかった排出ガスを前記スタックから排出するガス排出配管と、
前記ガス排出配管と前記スタックとを接続する継ぎ手配管
とを備え、
前記排出ガスは、前記継ぎ手配管の内側を通過して前記ガス排出配管に導入され、
前記継ぎ手配管の内面の少なくとも一部は、白金族元素である金属又は合金からなる白金族金属膜で被覆された
燃料電池。
【請求項４】
燃料ガスと酸化剤ガスとを使用して発電を行うスタックと、
前記スタックに冷却水を供給する冷却水供給配管と、
前記冷却水供給配管と前記スタックとを接続する継ぎ手配管
とを備え、
前記冷却水は、前記継ぎ手配管の内側を通過して前記スタックに導入され、
前記継ぎ手配管の内面の少なくとも一部は、白金族元素である金属又は合金からなる白金族金属膜で被覆された
燃料電池。
【請求項５】
冷却水が供給され、燃料ガスと酸化剤ガスとを使用して発電を行うスタックと、
前記スタックから前記冷却水を排出する冷却水排出配管と、
前記スタックと前記冷却水排出配管とを接続する継ぎ手配管
とを備え、
前記冷却水は、前記継ぎ手配管の内側を通過して前記冷却水排出配管に導入され、
前記継ぎ手配管の内面の少なくとも一部は、白金族元素である金属又は合金からなる白金族金属膜で被覆された
燃料電池。
【請求項６】
加湿された発電用ガスを供給するガス供給配管と、
前記発電用ガスを使用して発電を行うスタックと、
前記ガス供給配管と前記スタックとを接続する継ぎ手配管
とを備え、
前記反応ガスは、前記継ぎ手配管の内側を通過して前記スタックに導入され、
前記継ぎ手配管の内面の少なくとも一部は、水を水素と酸素とに分解する触媒を含む触媒膜で被覆された
燃料電池。
【請求項７】
継ぎ手配管と、
白金族元素である金属又は合金からなる白金族金属膜
とを備え、
前記白金族金属膜は、前記継ぎ手配管の内面のうちの少なくとも一部を被覆する
燃料電池用継ぎ手。
【請求項８】
継ぎ手配管と、
水を水素と酸素とに分解する触媒を含む触媒膜
とを備え、
前記触媒膜は、前記継ぎ手配管の内面のうちの少なくとも一部を被覆する
燃料電池用継ぎ手。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に関する。本発明は、特に、固体高分子形燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池の一として固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）が知られている。固体高分子形燃料電池は、イオン交換膜（固体高分子電解質膜）を使用して燃料ガスと酸化剤ガスから電力を取り出す。固体高分子形燃料電池は、低温で動作し、且つ、エネルギー密度が高いという特長を有する。これらの特長を生かし、固体高分子形燃料電池は、移動用動力源及び小容量電源としての実用化が期待されている。
【０００３】
図３は、典型的な固体高分子形燃料電池を示す。その固体高分子形燃料電池は、スタック１０１を備えている。スタック１０１は、フランジ１０２−１、１０２−２と、燃料電池セル部１０３とを含む。燃料電池セル部１０３は、フランジ１０２−１及び１０２−２に挟まれている。フランジ１０２−１には、燃料ガス供給配管１０４−１、酸化剤ガス供給配管１０５−１、冷却水供給配管１０６−１、燃料ガス排出配管１０４−２、酸化剤ガス排出配管１０５−２、冷却水排出配管１０６−２が接続されている。
【０００４】
燃料ガス供給配管１０４−１は、燃料ガスをスタック１０１に供給する。酸化剤ガス供給配管１０５−１は、酸化剤ガスをスタック１０１に供給する。冷却水供給配管１０６−１は、冷却水をスタック１０１に供給する。
【０００５】
スタック１０１の燃料電池セル部１０３は、供給された燃料ガスと酸化剤ガスを使用して、発電を行う。燃料電池セル部１０３には、固体高分子電解質膜が２つの触媒電極に挟まれた構造を有するセル（図示されない）が複数積層されている。触媒電極としては、例えば白金が使用される。触媒電極のうちの一方には、燃料ガスが供給され、他方には、酸化剤ガスが供給される。燃料ガスが供給される触媒電極は、燃料ガスから水素イオンを生成する。水素イオンは、固体高分子電解質膜を介して、酸化剤ガスが供給される触媒電極に輸送される。酸化剤ガスが供給される触媒電極では、水素イオンと酸化剤ガスとが反応して水が生成される。このような反応が発生する過程において、２つの触媒電極の間に起電力が発生し、電力として取り出される。
【０００６】
この際、電力が発生されるとともに、反応熱も生成され、燃料電池セル部１０３は、温度が上昇する。燃料電池セル部１０３は、冷却水供給配管１０６−１から供給される冷却水によって冷却される。燃料電池セル部１０３の冷却に使用された冷却水は、燃料電池セル部１０３から熱を奪うことによって温水となり、冷却水排出配管１０６−２から排出される。排出された温水は、図示されない冷却器によって冷却され、再び冷却水として使用される。
【０００７】
燃料電池セル部１０３は、発電の際に使用されなかった燃料ガスを燃料ガス排出配管１０４−２から排出する。更に燃料電池セル部１０３は、発電の際に使用されなかった酸化剤ガスと、反応により生成された水とを、酸化剤ガス排出配管１０５−２から排出する。排出された燃料ガスと酸化剤ガスとは、再度スタック１０１に供給され、発電に使用される。
【０００８】
燃料ガス供給配管１０４−１から供給される燃料ガスと、酸化剤ガス供給配管１０５−１から供給される酸化剤ガスとは加湿される。これは、燃料電池セル部１０３に含まれる固体高分子電解質膜がその機能を果たすためには、常に、湿潤に維持されている必要があるからである。
【０００９】
しかし、燃料ガスと酸化剤ガスとが加湿されることに起因して、燃料ガス供給配管１０４−１、燃料ガス排出配管１０４−２、酸化剤ガス供給配管１０５−１、及び酸化剤ガス排出配管１０５−２に電蝕による劣化が発生することがある。
【００１０】
燃料ガスが加湿されているため、燃料ガス供給配管１０４−１及び燃料ガス排出配管１０４−２の内側は湿潤環境下にあり、液相の水が存在しうる。同様に、酸化剤ガスが加湿されているため、酸化剤ガス供給配管１０５−１及び酸化剤ガス排出配管１０５−２の内側も湿潤環境下にあり、液相の水が存在しうる。特に、酸化剤ガス排出配管１０５−２には、燃料電池セル部１０３により生成された水が排出され、液相の水が多く存在する。
【００１１】
燃料ガス供給配管１０４−１、燃料ガス排出配管１０４−２、酸化剤ガス供給配管１０５−１、及び酸化剤ガス排出配管１０５−２の内部に存在する水にある程度のイオンが含まれることは避け難い。なぜなら、燃料電池セル部１０３に含まれる固体高分子電解質膜の中には、可動イオンが存在し、この可動イオンがある程度流出することは避け難いからである。
【００１２】
燃料ガス供給配管１０４−１、燃料ガス排出配管１０４−２、酸化剤ガス供給配管１０５−１、及び酸化剤ガス排出配管１０５−２の内部に存在する水にある程度のイオンが含まれると、その水を介して、燃料電池セル部１０３から燃料ガス供給配管１０４−１、燃料ガス排出配管１０４−２、酸化剤ガス供給配管１０５−１、及び酸化剤ガス排出配管１０５−２に微弱な電流が漏れ出す。
【００１３】
この電流により、燃料電池セル部１０３から燃料ガス供給配管１０４−１、燃料ガス排出配管１０４−２、酸化剤ガス供給配管１０５−１、酸化剤ガス排出配管１０５−２及びフランジ１０２−１に電蝕が発生し得る。
【００１４】
同様に、冷却水供給配管１０６−１及び冷却水排出配管１０６−２に電蝕が発生し、劣化することがある。冷却水供給配管１０６−１を通過する冷却水と、冷却水排出配管１０６−２を通過する温水に、ある程度のイオンが含まれることは避け難い。このとき、電力を発生する燃料電池セル部１０３から微小な電流が流れ込むと、冷却水供給配管１０６−１、冷却水排出配管１０６−２及びフランジ１０２−１に電蝕が発生し得る。
【００１５】
発電を行うスタックに接続されている配管及びフランジの電蝕による劣化は、防がれることが望ましい。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、発電を行うスタックに接続されている配管及びフランジの電蝕による劣化が発生しにくい燃料電池を供給することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
その課題を解決するための手段は、下記のように表現される。その表現中に現れる技術的事項には、括弧（）つきで、番号、記号等が添記されている。その番号、記号等は、本発明の複数の実施の形態のうちの、少なくとも１つの実施の形態を構成する技術的事項、特に、その実施の形態に対応する図面に表現されている技術的事項に付せられている参照番号、参照記号等に一致している。このような参照番号、参照記号は、請求項記載の技術的事項と実施の形態の技術的事項との対応・橋渡しを明確にしている。このような対応・橋渡しは、請求項記載の技術的事項が実施の形態の技術的事項に限定されて解釈されることを意味しない。
【００１８】
本発明による燃料電池は、加湿された発電用ガスを供給するガス供給配管（４−１、６−１）と、発電用ガスを使用して発電を行うスタック（１）と、ガス供給配管（４−１、６−１）とスタック（１）とを接続するガス供給用継ぎ手配管（１２）とを備えている。発電用ガスは、継ぎ手配管（１２）の内側を通過してスタック（１）に導入される。ガス供給用継ぎ手配管（１２）の内面（１２ａ、１２ｂ）の少なくとも一部（１２ａ）は、白金族元素である金属又は合金からなる白金族金属膜（１４）で被覆されている。電蝕によって侵されにくい白金族金属膜（１４）は、スタック（１）から流れ込む微小な電流に起因する電蝕からガス供給用継ぎ手配管（１２）を保護する。更に、白金族金属膜（１４）は、水を水素と酸素とに分解する触媒として作用する。白金族金属膜（１４）は、水を分解する際に、スタック（１）から流れ込んできた微小な電流を消費される。スタック（１）から流れ込んできた微小な電流が電蝕の発生に寄与しない。これにより、ガス供給配管（４−１、６−１）及びフランジ（２−１）を、より効果的に電蝕から保護する。
【００１９】
このとき、継ぎ手配管（１２）の内面（１２ａ、１２ｂ）は、継ぎ手配管（１２）の二端のうちのスタック（１）の側にある一端に接する第１面（１２ａ）と、継ぎ手配管（１２）の二端のうち、スタック（１）と反対側にある他端に接する第２面（１２ｂ）とを含み、白金族金属膜（１４）は、第１面（１２ａ）を被覆することが好ましい。スタック（１）から流れ込む微小な電流による電蝕は、スタック（１）に近い側で発生しやすい。白金族金属膜（１４）が第１面（１２ａ）を被覆し、第２面（１２ｂ）を被覆しないことにより、電蝕が発生しやすい部分のみが的確に保護され、費用対効果が大きい。
【００２０】
本発明による燃料電池は、加湿された発電用ガスが供給され、発電用ガスを使用して発電を行うスタック（１）と、発電用ガスのうちの発電に使用されなかった排出ガスをスタック（１）から排出するガス排出配管（４−２、６−２）と、ガス排出配管（４−２、６−２）とスタック（１）とを接続する継ぎ手配管（１２）とを備えている。排出ガスは、継ぎ手配管（１２）の内側を通過してガス排出配管（４−２、６−２）に導入される。このとき、継ぎ手配管（１２）の内面の少なくとも一部は、白金族元素である金属又は合金からなる白金族金属膜（１４）で被覆されている。
【００２１】
本発明による燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスとを使用して発電を行うスタック（１）と、スタック（１）に冷却水を供給する冷却水供給配管（８−１）と、冷却水供給配管（８−１）とスタック（１）とを接続する継ぎ手配管（１２）とを備えている。冷却水は、継ぎ手配管（１２）の内側を通過してスタック（１）に導入される。このとき、継ぎ手配管（１２）の内面の少なくとも一部は、白金族元素である金属又は合金からなる白金族金属膜（１４）で被覆されている。
【００２２】
本発明による燃料電池は、冷却水が供給され、燃料ガスと酸化剤ガスとを使用して発電を行うスタック（１）と、スタック（１）から冷却水を排出する冷却水排出配管（８−２）と、スタック（１）と冷却水排出配管（８−２）とを接続する継ぎ手配管（１２）とを備えている。冷却水は、継ぎ手配管（１２）の内側を通過して冷却水排出配管（８−２）に導入される。このとき、継ぎ手配管（１２）の内面の少なくとも一部は、白金族元素である金属又は合金からなる白金族金属膜（１４）で被覆されている。
【００２３】
本発明による燃料電池は、加湿された発電用ガスを供給するガス供給配管（４−１、６−１）と、発電用ガスを使用して発電を行うスタック（１）と、ガス供給配管（４−１、６−１）とスタック（１）とを接続する継ぎ手配管（１２）とを備えている。発電用ガスは、継ぎ手配管（１２）の内側を通過してスタック（１）に導入される。このとき、継ぎ手配管（１２）の内面の少なくとも一部は、水を水素と酸素とに分解する触媒を含む触媒膜（１４）で被覆されている。
【００２４】
本発明による燃料電池用継ぎ手は、継ぎ手配管（１２）と、白金族元素である金属又は合金からなる白金族金属膜（１４）とを備えている。白金族金属膜（１４）は、継ぎ手配管（１２）の内面の少なくとも一部を被覆する。
【００２５】
本発明による燃料電池用継ぎ手は、継ぎ手配管（１２）と、水を水素と酸素とに分解する触媒を含む触媒膜（１４）とを備えている。触媒膜（１４）は、継ぎ手配管（１２）の内面のうちの少なくとも一部を被覆する。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら、本発明による燃料電池の実施の一形態を説明する。
【００２７】
図１は、その固体高分子形燃料電池は、スタック１を備えている。スタック１は、フランジ２−１、２−２と、燃料電池セル部３とを含む。燃料電池セル部３は、フランジ２−１及び２−２に挟まれて支持されている。
【００２８】
フランジ２−１には、継ぎ手５−１、７−１、及び９−１をそれぞれ介して燃料ガス供給配管４−１、酸化剤ガス供給配管６−１及び冷却水供給配管８−１が接続されている。
【００２９】
フランジ２−１には、更に、継ぎ手５−２、７−２、及び９−２をそれぞれ介して、燃料ガス排出配管４−２、酸化剤ガス排出配管６−２及び冷却水排出配管８−２が接続されている。
【００３０】
燃料ガス供給配管４−１とは、燃料ガスをスタック１に供給する。酸化剤ガス供給配管６−１とは、酸化剤ガスをスタック１に供給する。冷却水供給配管８−１は、冷却水をスタック１に供給する。
【００３１】
スタック１の燃料電池セル部３は、供給された燃料ガスと酸化剤ガスを使用して、発電を行う。燃料電池セル部３には、固体高分子電解質膜が２つの触媒電極に挟まれた構造を有するセル（図示されない）が複数積層されている。触媒電極としては、例えば白金が使用される。触媒電極のうちの一方には、燃料ガスが供給され、他方には、酸化剤ガスが供給される。燃料ガスが供給される触媒電極は、燃料ガスから水素イオンを生成する。水素イオンは、固体高分子電解質膜を介して、酸化剤ガスが供給される触媒電極に輸送される。酸化剤ガスが供給される触媒電極では、水素イオンと酸化剤ガスとが反応して水が生成される。このような反応が発生する過程において、２つの触媒電極の間に起電力が発生し、電力として取り出される。
【００３２】
この際、電力が発生されるとともに、反応熱も生成され、燃料電池セル部３は、温度が上昇する。燃料電池セル部３に含まれる固体高分子電解質膜は、高温に耐えられない。そこで、燃料電池セル部３は、冷却水供給配管８−１から供給される冷却水によって冷却される。燃料電池セル部３の冷却に使用された冷却水は、燃料電池セル部３から熱を奪うことによって温水となり、冷却水排出配管８−２から排出される。排出された温水は、図示されない冷却器によって冷却され、再び冷却水として使用される。
【００３３】
燃料電池セル部３は、発電の際に使用されなかった燃料ガスを燃料ガス排出配管４−２から排出する。更に燃料電池セル部３は、発電の際に使用されなかった酸化剤ガスと、生成された水とを酸化剤ガス排出配管６−２に排出する。排出された燃料ガスと酸化剤ガスとは、再度スタック１に供給され、発電に使用される。
【００３４】
図２は、スタック１と燃料ガス供給配管４−１とを接続する継ぎ手５−１を示す。継ぎ手５−１は、袋ナット１１、継ぎ手管１２、及び袋ナット１３を備えている。袋ナット１１は、フランジ２−１に設けられた尾ねじに螺着され、継ぎ手５−１はフランジ２−１に接合される。このとき、フランジ２−１と継ぎ手管１２との間には、Ｏリング１５が介設され、気密が保たれる。袋ナット１３は、燃料ガス供給配管４−１に設けられた尾ねじ（図示されない）に螺着され、継ぎ手５−１は燃料ガス供給配管４−１に接合される。このとき、継ぎ手管１２と燃料ガス供給配管４−１との間には、Ｏリング（図示されない）が介設され、気密が保たれる。
【００３５】
継ぎ手管１２の内面は、第１面１２ａと第２面１２ｂとに区分されている。第１面１２ａは、スタック１と同一の側にあり、第２面１２ｂは、スタック１と反対側にある。第１面１２ａは、継ぎ手管１２の二端のうちスタック１と同一の側にある一端に接し、第２面１２ｂは、継ぎ手管１２の二端のうちスタック１と反対の側にある一端に接する。
【００３６】
継ぎ手管１２の内面のうちの第１面１２ａは、白金族金属膜１４で被覆されている。白金族金属膜１４は、白金族元素の金属又は合金で形成されている。より詳細には、白金族金属膜１４は、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、白金からなる群から選ばれた少なくとも一以上の単体金属又は合金で形成される。継ぎ手管１２の内面のうちの第１面１２ｂは露出されている。
【００３７】
継ぎ手管１２の内面のうちの第１面１２ａが、白金族金属膜１４により被覆されていることにより、電蝕の発生が防止されている。継ぎ手管１２には、燃料ガス供給配管４−１から加湿された燃料ガスが供給される。加湿された燃料ガスは、継ぎ手管１２の内部を通過する。このとき、継ぎ手管１２の内部では、液相の水が存在しうる。その液相の水にイオンが溶解されると、スタック１から継ぎ手管１２に流れ込む微小な電流により、電蝕が発生しうる。継ぎ手管１２の内面のうちの第１面１２ａは、電蝕により侵されにくい白金族金属膜１４によって被覆され、電蝕から保護されている。
【００３８】
このとき、白金族金属膜１４を構成する白金族元素の金属又は合金が、流れ込んできた微小な電流を消費して水を水素と酸素とに分解する触媒として作用することにより、より効果的に電蝕が防止されている。白金属金属膜１４の表面において、スタック１からの微小な電流が水を水素と酸素とに分解するために消費され、流れ込む電流が電蝕に寄与しない。これにより電蝕が発生しにくい。
【００３９】
継ぎ手管１２の内面のうちの第１面１２ａのみが、白金族金属膜１４により被覆され、第２面１２ｂが露出されているのは、費用対効果を考慮したためである。電力を発生するスタック１から流れ出す微小な電流に起因する電蝕は、継ぎ手管１２のうちのスタック１に近い側及びフランジ２−１に顕著に発生する。そこで、コストが高い白金族の金属又はその合金で形成されている白金族金属膜１４は、継ぎ手管１２の内面のうちスタック１に近い側にある第１面１２ａのみに形成され、コストの低減が図られている。
【００４０】
燃料ガス排出配管４−２、酸化剤ガス供給配管６−１、酸化剤ガス排出配管６−２、冷却水供給配管８−１、及び冷却水排出配管８−２と、フランジ２−１とをそれぞれ接続する継ぎ手７−１、９−１、５−２、７−２、及び９−２も、継ぎ手５−１と同一の構造を有する。このとき継ぎ手７−１、９−１、５−２、７−２、及び９−２は、継ぎ手５−１と同様に、白金族金属膜１４が形成された継ぎ手管１２の内面のうちの第１面１２ａがスタック１の側に位置するように、フランジ２−１に接続されている。これにより、電蝕の発生が防止されている。
【００４１】
【発明の効果】
本発明により、発電を行うスタックに接続されている配管及びフランジの電蝕による劣化が発生しにくい燃料電池が供給される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明による燃料電池の実施の一形態を示す。
【図２】図２は、継ぎ手５−１の構造を示す。
【図３】図３は、典型的な燃料電池の構造を示す。
【符号の説明】
１：スタック
２−１、２−２：フランジ
３：燃料電池セル部
４−１：燃料ガス供給配管
４−２：燃料ガス排出配管
５−１、５−２、７−１、７−２、９−１、９−２：継ぎ手
６−１：酸化剤ガス供給配管
６−２：酸化剤ガス排出配管
８−１：冷却水供給配管
８−２；冷却水排出配管
１１、１３：袋ナット
１２：継ぎ手管
１４：白金族金属膜
１５：Ｏリング
【図１】
0004625202.tif 000002
【図２】
0004625202.tif 000003
【図３】
0004625202.tif 000004