專利名稱：燃料電池發(fā)電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及能夠抑制燃料電池的冷卻水的水質(zhì)惡化的燃料電池發(fā)電裝置。
背景技術(shù)：
由于高分子電解質(zhì)型燃料電池在常溫附近下工作，所以人們期待著用于家庭等民用。這樣的燃料電池不只用于在設(shè)置場所進(jìn)行發(fā)電而且還用于對排熱進(jìn)行利用的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中。
高分子電解質(zhì)型燃料電池的基本電池單位是用一對氣體擴散電極夾著具有氫離子傳導(dǎo)性的高分子電解質(zhì)膜(厚度30～100μm)而構(gòu)成的電解質(zhì)膜電極接合體(MEA)。
氣體擴散電極與高分子電解質(zhì)膜相同，通過將具有氫離子傳導(dǎo)性的電解質(zhì)樹脂和在表面分散并載持了作為電化學(xué)反應(yīng)催化劑的微細(xì)的貴重金屬的碳粒子的混合物涂敷在氣體擴散基體材料上而形成。所述混合物構(gòu)成催化劑反應(yīng)層。而且，通過將燃料氣體和氧化劑氣體通入到各個氣體擴散電極中來引起發(fā)電。
實際上是用隔板夾著該MEA來得到單電池，并通過端板從兩端箍緊層疊了多個該單電池而得到的層疊體來得到燃料電池組。
在端板和與該端板鄰接的隔板之間，配置了用于使所產(chǎn)生的電流沒有損耗地進(jìn)行集電的板狀的集電體，集電板和端板之間通過絕緣性材料被絕緣。此外，一般是在集電體中使用金屬作為材料，但是由于必須保證機械強度故端板也多使用金屬。
由于要求隔板具有電子傳導(dǎo)性、氣密性和耐腐蝕性，所以用具有這些性質(zhì)的材料來構(gòu)成。一般是使用碳材料或金屬材料等。
采用如下的結(jié)構(gòu)以包圍氣體擴散電極的周圍的方式在MEA和隔板之間配置氣體密封部件，以使所通過的燃料氣體和氧化劑氣體不向電池組外泄漏出、且不相互混合。
而且用于對各個MEA供給·排出反應(yīng)氣體的歧管被設(shè)置成貫通各個隔板(內(nèi)部歧管)。在燃料電池中，雖然能夠以電的形式取出反應(yīng)氣體所具有的一部分化學(xué)能，但是剩余部分的所述化學(xué)能就在燃料電池組內(nèi)部變成了熱。
為了向外部取出這樣在燃料電池組內(nèi)部所產(chǎn)生的熱來進(jìn)行有效利用，并且冷卻燃料電池組將其溫度維持一定，使冷卻水在電池組內(nèi)循環(huán)。冷卻水用的歧管也與反應(yīng)氣體的歧管相同，以設(shè)置成貫通隔板的方式來構(gòu)成。一般是通過了電池組內(nèi)的冷卻水被取出到燃料電池組外，經(jīng)由熱交換器放出其顯熱，并再次在電池組中環(huán)流·循環(huán)來使用。
這里，在所述歧管的類型中，除了前述那樣的所謂內(nèi)部歧管之外，還有設(shè)在電池組的側(cè)面、從電池組的側(cè)面向各單電池供給反應(yīng)氣體、或供給·回收冷卻水的外部歧管。反應(yīng)氣體和冷卻水等流體通過安裝在端板和集電板上的配管從電池組外部向電池組內(nèi)部供給。
燃料電池組一般是通過其端板的一部分等被固定在燃料電池發(fā)電裝置上。此外，作為包含在燃料電池發(fā)電裝置中的部件，除燃料電池組之外，還有從天然氣等的化石燃料生成氫的燃料處理裝置、對向燃料電池組所供給的反應(yīng)氣體進(jìn)行加濕的加濕器、將產(chǎn)生的直流電變換成交流電的轉(zhuǎn)換器、用于燃料電池組的溫度調(diào)整和有效利用生成熱的熱交換器和熱水貯存罐、系統(tǒng)整體的控制裝置等。一般地構(gòu)成這些燃料電池發(fā)電裝置的各構(gòu)成部件固定在燃料電池發(fā)電裝置的軀干體或筐體上。
在圖6表示這樣的燃料電池發(fā)電裝置的概略結(jié)構(gòu)圖。
首先，通過燃料處理裝置102從天然氣等原料生成以氫氣為主要成分的燃料氣體，經(jīng)由加濕器105向燃料電池組101供給。燃料處理裝置102具備從原料生成改質(zhì)氣體的改質(zhì)器103和用于使包含在改質(zhì)氣體中的一氧化碳與水反應(yīng)生成二氧化碳和氫氣的一氧化碳變換器104。
另外空氣供給裝置106經(jīng)由加濕器107向燃料電池101供給作為氧化劑氣體的空氣。泵109使將燃料電池101內(nèi)的電池組101S冷卻的冷卻水通過冷卻水配管108向燃料電池101進(jìn)行供給，冷卻水在電池組101S內(nèi)循環(huán)。在冷卻水配管108的中途設(shè)有熱交換器110。在發(fā)電時通過熱交換器110和循環(huán)泵111經(jīng)由排熱用配管112用貯水罐113回收來自燃料電池101的熱。
在燃料電池101內(nèi)為了提高冷卻效率，使冷卻水流過電池組101S內(nèi)部。通過使用電傳導(dǎo)率極小的純水作為該冷卻水，來防止燃料電池組所產(chǎn)生的高電壓經(jīng)由冷卻水向冷卻系統(tǒng)傳遞、漏電、以及腐食冷卻水配管108、泵109、熱交換器110的熱交換面110A等冷卻系統(tǒng)的金屬物等。
這里，在例如專利文件1中，提出了在燃料電池發(fā)電裝置中，在與冷卻水接觸的部分配置當(dāng)施加電位時吸收或釋放出冷卻水中的離子的材料。由此，通過燃料電池組所產(chǎn)生的電位，就使冷卻水的電位與冷卻水所接觸的部分的電位的差不增大，使離子不會從構(gòu)成冷卻系統(tǒng)的零件的材料溶解析出到冷卻水中。此外，在例如專利文件2中，公開了使從燃料電池向冷卻系統(tǒng)的入口和出口短路，進(jìn)而將其連接到燃料電池的負(fù)極上的技術(shù)。
參見專利文獻(xiàn)1特開2001-297784號公報。
參見專利文獻(xiàn)2特開2001-155761號公報。
在上述燃料電池發(fā)電裝置中，為了冷卻水的補充等，在冷卻系統(tǒng)中設(shè)置開放部是必不可少的。但是，當(dāng)在一部分冷卻系統(tǒng)具有開放部時，由于無論怎樣都會從該開放部混入雜質(zhì)，所以就提高了水的電傳導(dǎo)率。帶來冷卻水的電傳導(dǎo)率上升的雜質(zhì)不只是從所述的開放部，還會從燃料電池發(fā)電裝置內(nèi)產(chǎn)生。例如，有從冷卻水配管或隔板溶解析出離子、水的電傳導(dǎo)率上升的現(xiàn)象。
另外，在冷卻系統(tǒng)中與冷卻水接觸的金屬部分相對于冷卻水電化學(xué)地保持著一定的電位差。此外，冷卻水的電位在燃料電池組的正極(氧化劑極)和負(fù)極(燃料極)之間保持著梯度。因此，在冷卻水的電傳導(dǎo)率開始上升的情況下，如果與循環(huán)的冷卻水接觸的至少兩個部位的金屬部分導(dǎo)通，則某一金屬部分的表面成為有價(noble)，其金屬就被腐蝕釋放出陽離子。這時，就陷入了所謂冷卻水的導(dǎo)電性進(jìn)一步變高，促進(jìn)了腐蝕和溶解的惡性循環(huán)中。當(dāng)一旦發(fā)生這樣的惡性循環(huán)時，就不只是冷卻系統(tǒng)腐蝕，而且燃料電池組101也會漸漸劣化。
如上所述由于冷卻水的導(dǎo)電率急劇地變化，所以為了進(jìn)行其管理就必須設(shè)置經(jīng)常監(jiān)測冷卻水的導(dǎo)電率的裝置。此外，材料吸收離子的吸收能力是有限的，一旦配設(shè)了該材料，較難簡易地更換。此外，為了使所述材料再生就必須進(jìn)行施加反電位等的操作。另外，將所述材料配設(shè)在熱交換器的熱交換面上較困難。再有，當(dāng)使熱交換器的出口和入口短路時，反而引起金屬部分腐蝕的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明能夠解決上述所有的問題，其目的是提供一種抑制設(shè)置在冷卻水系統(tǒng)中的金屬部分等的電子傳導(dǎo)性部件的腐蝕以及冷卻水中的雜質(zhì)離子濃度，并且沒有由雜質(zhì)離子引起的問題的燃料電池發(fā)電裝置。
本發(fā)明提供一種燃料電池發(fā)電裝置，具備具有層疊體、集電體以及端板的燃料電池組，所述層疊體層疊了多個由氫離子傳導(dǎo)性電解質(zhì)、夾著所述氫離子傳導(dǎo)性電解質(zhì)的一對電極、夾著所述電極的一對隔板構(gòu)成的單電池；通過所述燃料電池組內(nèi)的冷卻水所進(jìn)行循環(huán)的冷卻水配管；具有在所述燃料電池組上產(chǎn)生的熱和所述冷卻水間進(jìn)行熱交換的熱交換面的、與排熱用配管連接的熱交換器；以及使所述冷卻水循環(huán)的機構(gòu)，其特征在于將從下述群中選擇出的至少兩種電子傳導(dǎo)性部分進(jìn)行電絕緣，該部分由與所述冷卻水接觸的電子傳導(dǎo)性部分中的所述燃料電池組的電子傳導(dǎo)性部分、所述冷卻水配管的電子傳導(dǎo)性部分、所述熱交換器的電子傳導(dǎo)性部分、以及使所述冷卻水循環(huán)的機構(gòu)(例如泵)的電子傳導(dǎo)性部分構(gòu)成。
所述燃料電池組的電子傳導(dǎo)性部分包括所述隔板、集電體以及端板，所述熱交換器的電子傳導(dǎo)性部分包括所述熱交換面。
不過，即使想要相互電絕緣所述電子傳導(dǎo)性部分，例如當(dāng)是熱交換器的熱交換面時，冷卻水入口部和冷卻水出口部連接，而且由相同的金屬來構(gòu)成時，流過該冷卻水入口部的冷卻水和流過冷卻水出口部的冷卻水的電位差是比較小的。因此，在本發(fā)明中，像所述熱交換面一樣，當(dāng)與冷卻水接觸的多個電子傳導(dǎo)性部分發(fā)揮熱交換作用的一個功能時，不必使這些電子傳導(dǎo)性部分處于相互絕緣狀態(tài)。
另外，例如像將熱交換器和泵相互絕緣那樣，分別具有熱交換功能和冷卻水循環(huán)功能的不同功能的電子傳導(dǎo)性部分相互絕緣是本發(fā)明的特征。
此外，像燃料電池組的最外側(cè)的隔板和集電體那樣，當(dāng)作為構(gòu)成燃料電池組部件其形狀和材料不同時，所謂收集電的功能是相同的。本發(fā)明的特征也包括，像這種情況下，需要功能上電導(dǎo)通的狀態(tài)的部分。
由此，本發(fā)明所涉及的燃料電池發(fā)電裝置的技術(shù)思想的特征在于作為所述燃料電池發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)要素的燃料電池組、冷卻水配管、熱交換器以及構(gòu)成使冷卻水循環(huán)的機構(gòu)的電子傳導(dǎo)性部件被相互電絕緣，防止在所述燃料電池發(fā)電裝置整體中循環(huán)的冷卻水形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。具體地說是，阻止至少所述燃料電池組、所述熱交換器以及使所述冷卻水循環(huán)的機構(gòu)經(jīng)由所述冷卻水形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，并將這些電子傳導(dǎo)性部分相互電絕緣。
此外，所述冷卻水配管的至少一部分由絕緣性材料構(gòu)成是有效的。
所述燃料電池組由所述燃料電池發(fā)電裝置的筐體和包含絕緣性材料的部件來固定是有效的。
此外，所述排熱用配管與熱水供給器或熱水貯存器連接是有效的。
進(jìn)而，具有防止在所述燃料電池組中所產(chǎn)生的電動勢泄漏到所述排熱用配管上的漏電防止機構(gòu)是有效的。
例如，所述漏電防止機構(gòu)將所述熱交換面和排熱用配管的至少一個與地面進(jìn)行接地是有效的。
此外，本發(fā)明也提供一種燃料電池發(fā)電裝置，具備具有層疊體、集電體以及端板的燃料電池組，所述層疊體層疊了多個由氫離子傳導(dǎo)性電解質(zhì)、夾著所述氫離子傳導(dǎo)性電解質(zhì)的一對電極、夾著所述電極的一對隔板構(gòu)成的單電池；通過所述燃料電池組內(nèi)的冷卻水所進(jìn)行循環(huán)的冷卻水配管；具有在所述燃料電池組上產(chǎn)生的熱與所述冷卻水間進(jìn)行熱交換的熱交換面的、與排熱用配管連接的熱交換器；以及使所述冷卻水循環(huán)的機構(gòu)，其特征在于所述冷卻水配管具有截斷所述冷卻水的水流的截斷部。
所述截斷部也可以是多個。
此外，將所述截斷部設(shè)置在所述熱交換器的入口側(cè)和出口側(cè)是有效的。
進(jìn)而，所述熱交換面和排熱用配管的至少一個與地面接地是有效的。
根據(jù)具有上述結(jié)構(gòu)的本發(fā)明所涉及的燃料電池發(fā)電裝置，就能夠抑制與冷卻水接觸的金屬部分的腐蝕，能夠長期防止冷卻水的導(dǎo)電率上升。此外，特別是作為抑制熱交換器內(nèi)的熱交換面的腐蝕的其他方法，通過在冷卻水配管的中途設(shè)置截斷冷卻水的水流的部位，就能夠有效地防止冷卻水的電位傳到熱交換器內(nèi)的熱交換面上。
根據(jù)本發(fā)明，在燃料電池發(fā)電裝置中，通過將與冷卻水接觸的電子傳導(dǎo)性部分相互電絕緣，此外，通過截斷冷卻水的水流，就能夠長期抑制冷卻水導(dǎo)電率的急速上升，能夠抑制與冷卻水接觸的電子傳導(dǎo)性部分的腐蝕。此外，能夠大大地提高燃料電池發(fā)電裝置的可靠性。


圖1是表示本發(fā)明實施方式1所涉及的燃料電池發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)的圖。
圖2是表示圖1中的燃料電池1的電池組1S的結(jié)構(gòu)和電池組內(nèi)的各單電池的電位的圖。
圖3是表示本發(fā)明實施方式2所涉及的燃料電池發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)的圖。
圖4是概略地表示實施方式2中所使用的截斷部41A的結(jié)構(gòu)的圖。
圖5是相對地表示本發(fā)明的實施例和比較例中的燃料電池發(fā)電裝置運轉(zhuǎn)時間與冷卻水的電阻的關(guān)系的圖。
圖6是表示現(xiàn)有燃料電池發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)的圖。
具體實施例方式
本發(fā)明涉及一種燃料電池發(fā)電裝置，具備具有層疊體、集電體以及端板的燃料電池組，所述層疊體層疊了多個由氫離子傳導(dǎo)性電解質(zhì)、夾著所述氫離子傳導(dǎo)性電解質(zhì)的一對電極、夾著所述電極的一對隔板構(gòu)成的單電池；通過所述燃料電池組內(nèi)的冷卻水所進(jìn)行循環(huán)的冷卻水配管；具有在所述燃料電池組中產(chǎn)生的熱和所述冷卻水間進(jìn)行熱交換的熱交換面的、與排熱用配管連接的熱交換器；以及使所述冷卻水循環(huán)的機構(gòu)。
而且，其特征在于在所述燃料電池發(fā)電裝置內(nèi)，將從下述群中選擇出的至少兩種電子傳導(dǎo)性部分電絕緣，或者所述冷卻水配管設(shè)置將所述冷卻水的水流截斷的截斷部，所述群由與所述冷卻水接觸的電子傳導(dǎo)性部分中的所述燃料電池組的電子傳導(dǎo)性部分、所述冷卻水配管的電子傳導(dǎo)性部分、所述熱交換器的電子傳導(dǎo)性部分、以及使所述冷卻水循環(huán)的機構(gòu)(例如泵)的電子傳導(dǎo)性部分構(gòu)成。
首先，在圖1中表示本發(fā)明實施方式1所涉及的燃料電池發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明所涉及的燃料電池發(fā)電裝置包括燃料電池1，燃料電池1具有燃料電池組1S，所述燃料電池組1S層疊了多個由氫離子傳導(dǎo)性電解質(zhì)和夾著所述氫離子傳導(dǎo)性電解質(zhì)的一對電極以及夾著這些的一對電子傳導(dǎo)性隔板構(gòu)成的單電池，并在兩端具有集電體和端板。而且，其特征在于設(shè)置有通過所述燃料電池組1S內(nèi)的冷卻水所循環(huán)的冷卻水配管8和具有進(jìn)行所述冷卻水的熱交換的熱交換面以及排熱用配管、并經(jīng)由所述冷卻水回收所述燃料電池1的排熱的熱交換器10以及作為使所述冷卻水循環(huán)的機構(gòu)的泵9，并將所述燃料電池發(fā)電裝置內(nèi)所產(chǎn)生的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)斷開。
當(dāng)形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)時，通過以至于具有導(dǎo)電率的冷卻水的循環(huán)，在燃料電池發(fā)電裝置內(nèi)的金屬部分等的電子傳導(dǎo)性部分表現(xiàn)出了高價的部位和低價的部位，結(jié)果是電子傳導(dǎo)性部分腐蝕。本發(fā)明能夠有效地解決并消除上述所提及的問題。
在燃料電池發(fā)電裝置中，首先在燃料處理裝置2中，從天然氣等原料生成以氫氣為主要成分的燃料氣體。該燃料氣體經(jīng)由加濕器5被供給燃料電池1。燃料處理裝置2具備生成改質(zhì)氣體的改質(zhì)器3和用于使改質(zhì)氣體中所含有的一氧化碳和水反應(yīng)并生成二氧化碳和氫氣的一氧化碳變換器4。
另外，雖然在圖1中表示了在離開燃料電池1的部位設(shè)置加濕器5、7的情況，但是在將加濕器5、7鄰接燃料電池1地設(shè)置，并且將來自下述的熱交換器10的排熱用配管12的熱用于加濕也是有效的。這里，也存在下述情況，即，由于在加濕器內(nèi)部通過了冷卻水，所以在加濕器內(nèi)部中與冷卻水接觸的部分也相當(dāng)于本發(fā)明中的電子傳導(dǎo)性部分。
另外，空氣供給裝置6經(jīng)由加濕器7向燃料電池1供給作為氧化劑氣體的空氣。泵9將冷卻燃料電池1的冷卻水通過冷卻水配管8向燃料電池1供給，使冷卻水在電池組1S內(nèi)循環(huán)。
在冷卻水配管8的中途，設(shè)有熱交換器10。在發(fā)電時，通過熱交換器10和循環(huán)泵11將來自燃料電池1的排熱經(jīng)由排熱用配管12在貯水罐13中進(jìn)行回收。在燃料電池1內(nèi)，為了提高冷卻效率而形成冷卻水通過電池組1S的內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。另外，即使貯水罐是熱水供給器或熱水貯存器，也能夠通過采用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)來獲得相同的效果。
熱交換器10具備與冷卻水配管8相連的熱交換面10A，熱交換面10A由熱交換效率高的金屬構(gòu)成。此外，冷卻水配管8由樹脂或陶瓷等具有電絕緣性和耐熱性的材料構(gòu)成。
下面，用圖2表示圖1中的燃料電池1的電池組1S的結(jié)構(gòu)和電池組內(nèi)各單電池的電位。
在燃料電池1的電池組1S的發(fā)電部分中，由高分子電解質(zhì)膜與夾著其的一對氣體擴散電極構(gòu)成的電解質(zhì)膜電極接合體(MEA)21和導(dǎo)電性隔板22交替層疊構(gòu)成層疊體。在該層疊體的端部，經(jīng)由絕緣板24，配置了板狀的集電體1C、1A以及端板25A、25C。
端板25A和25C通過具有絕緣性的螺栓和螺母(未圖示)等被箍緊為一體，各單電池通過導(dǎo)電性隔板22被電串聯(lián)連接。此外，由此能夠防止氣體和冷卻水從接合電解質(zhì)膜電極接合體21和隔板22等的各部件的部分泄漏。
在正極(氧化劑極)側(cè)的端板25C上，設(shè)置有氧化劑氣體的入口26A和冷卻水的入口27A，在負(fù)極(燃料極)側(cè)的端板25B上，設(shè)置有燃料氣體的出口26B和冷卻水的出口27B。雖然在圖2中僅分別示出了一個反應(yīng)氣體的入口和出口，但是對于燃料氣體和氧化劑氣體都分別設(shè)置了入口和出口。另外，當(dāng)在端板25A和25C中采用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)時，能夠使用易加工的價格便宜的不銹鋼。
隔板22除了位于燃料電池1的電池組1S的端部的特征之外，在一個面上具有對氣體擴散電極(正極)供給氧化劑氣體的氣體流路，在另一個面上具有對氣體擴散電極(負(fù)極)供給燃料氣體的氣體流路。隔板22例如每2個單電池地形成用于冷卻各單電池的冷卻水流路。
冷卻水從冷卻水入口27A進(jìn)入電池組1S，每2個單電池地通過隔板22的流路使電池組1S冷卻后，從出口27B流出進(jìn)入熱交換器10中。在熱交換器10中，冷卻水進(jìn)行熱交換被冷卻，并再次被供給電池組1S。在這樣的主要由冷卻水配管8構(gòu)成的冷卻水循環(huán)路中，冷卻水與端板25A、25C以及熱交換面110A等的金屬部分接觸。
這里，當(dāng)與防凍液等同樣地使用純水作為冷卻水時，初期的純水雖然具有低導(dǎo)電率，但是因來自冷卻水系統(tǒng)的開放部(未圖示)的雜質(zhì)或從構(gòu)成冷卻水循環(huán)路的材料中溶解析出·混入的雜質(zhì)，而使冷卻水的導(dǎo)電率漸漸升高。
在圖2的下部與燃料電池組的結(jié)構(gòu)部件的位置相對應(yīng)，概略地表示了每一隔板的電位。Ps表示電池組(隔板)的電位，Pe和Pw表示冷卻水的電位。Pe表示運轉(zhuǎn)停止(沒有電池組的電動勢的狀態(tài))中的冷卻水的電位，或冷卻水被離子污染而具有極高的導(dǎo)電性時的冷卻水的電位。Pw表示被溶解析出的離子輕微污染時(根據(jù)本發(fā)明抑制了污染時)的冷卻水的電位。
在集電板1A、1C之間，對應(yīng)單電池的數(shù)目，產(chǎn)生數(shù)10V以上的電位差。通過電池組1S內(nèi)的冷卻水的電位由該電位支配。因此，在冷卻水的入口27A和出口27B之間，在冷卻水中產(chǎn)生了如圖2的X所示的大的電位差(最高價電位與最低價電位的差)。存在于連接泵9、電池組1S和熱交換器10的冷卻水配管8的路徑內(nèi)的冷卻水具有對應(yīng)于該入口27A和出口27B兩點間距離的電位。
此外，與這樣的冷卻水接觸的金屬部分具有對應(yīng)于所接觸的冷卻水的電位。當(dāng)這樣的金屬部分間導(dǎo)通時，由于金屬部分彼此間具有相同的電位，所以對干冷卻水，在一個金屬部分產(chǎn)生了高價的電位，在另一個金屬部分產(chǎn)生了低價的電位。
因此，當(dāng)像上述這樣冷卻水的導(dǎo)電率變高時，金屬離子從相對于冷卻水的電位為高價的金屬部分溶解析出到冷卻水中。其結(jié)果是冷卻水的離子傳導(dǎo)率變得越來越高，這就加速了金屬部分的腐蝕。
因此，在本實施方式中，通過在冷卻系統(tǒng)中將與冷卻水接觸的金屬部分相互絕緣，就防止了在金屬部分和冷卻水之間產(chǎn)生顯著的電位差，抑制其腐蝕。因此，用樹脂或陶瓷等的絕緣性材料來構(gòu)成與熱交換面10A、電池組1S和泵9連接的冷卻水配管8。
此外，在電池組1S中，通過絕緣性螺栓31和螺母32來箍緊端板25A和端板25C。螺栓31和螺母32用陶瓷構(gòu)成。此外，如果在端板25A、25C和螺栓31以及螺母32之間介有由耐熱性樹脂、耐熱性橡膠或陶瓷等的絕緣性材料做成的部件，就能夠使用金屬制的螺栓31和螺母32。
進(jìn)而，在燃料電池1中，優(yōu)選的是，電池組1S經(jīng)由端板25A、25C和絕緣性材料保持在殼體上(未圖示)，來防止兩者的電導(dǎo)通。
通過上述結(jié)構(gòu)，作為燃料電池發(fā)電裝置內(nèi)的金屬部分即端板25A、25C和熱交換面10A能夠相互地電絕緣。因此，能夠有效地抑制基于電位差的加速的金屬部分的腐蝕。
此外，如果將熱交換器10的熱交換面10A接地，由此就能夠防止冷卻水的電位傳到熱水供給側(cè)，能夠防止排熱用配管12的腐蝕。另外，這時燃料電池1的正極(氧化劑極)和負(fù)極(燃料極)都不接地。進(jìn)而，如果排熱用配管12也接地，就能夠進(jìn)一步使防腐蝕的效果變大。
下面，用圖3表示本發(fā)明實施方式2所涉及的燃料電池發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)。
本實施方式2所涉及的燃料電池發(fā)電裝置與圖1所示的實施方式1所涉及的燃料電池發(fā)電裝置同樣，其特征在于具備燃料電池1、冷卻水配管8、熱交換器10和泵9，并在所述燃料電池發(fā)電裝置中的冷卻水的水流中具有截斷部，來斷開冷卻水的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。
實施方式2所涉及的燃料電池發(fā)電裝置雖然具有與實施方式1所涉及的燃料電池發(fā)電裝置大致相同的結(jié)構(gòu)，但是如圖4所示，具有下述特征在冷卻水配管8中，在燃料電池1和熱交換器10之間，具有用于截斷冷卻水的水流的截斷部41A和41B。這里雖然示出了設(shè)置了2個截斷部的情況，但是1個也可以，此外當(dāng)設(shè)置多個時效果變大。
圖4是概略地表示本實施方式中所使用的截斷部41A的圖。截斷部41B也可以具有相同的結(jié)構(gòu)。如圖4所示，截斷部41通過將入口配管8A和出口配管8B與主體容器8C連接而構(gòu)成。入口配管8A與主體容器8C的上部連接，出口配管8B與主體容器8C的下部連接。此外，通過使截斷部具有虹吸管的形狀和功能就能夠提高本發(fā)明的效果。
而且，如圖3所示，從泵9壓出的冷卻水從截斷部41A的入口配管8A被導(dǎo)入到主體容器8C中，從設(shè)在主體容器8C的下部的出口配管8B流向燃料電池1。入口配管8A的開口部，在主體容器8C中位于比冷卻水51的水面靠上方，并用該部分來截斷冷卻水的流通。另外，截斷部41A的主體容器8C是密閉著的。
通過在冷卻水配管8中，在燃料電池1和熱交換器10之間設(shè)置這樣的結(jié)構(gòu)的截斷部41A、41B，就在燃料電池1和熱交換器10之間截斷了冷卻水水流的電連接(導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò))。因此，就能夠避免在熱交換面10A上產(chǎn)生由燃料電池1的電位引起的與冷卻水的電位差，并能夠抑制熱交換面10A的腐蝕。通過形成這樣的結(jié)構(gòu)，就能夠用價格便宜的金屬來構(gòu)成入口配管8A和出口配管8B。
另外，在連結(jié)熱交換器10和燃料電池1的部分的冷卻水配管8較長的情況等中，在泵9和燃料電池1之間即使僅設(shè)置有截斷部41A也有時產(chǎn)生電位的影響。因此，通過在冷卻水配管8中以及連結(jié)熱交換器10和燃料電池1的部分中設(shè)置截斷部41B，就能夠避免該現(xiàn)象。另外，雖然沒有圖示，但是如果將熱交換面10A接地，就能夠獲得與實施方式1相同的效果。
這里，構(gòu)成上述燃料電池1的單電池通過由氣體擴散層和催化劑反應(yīng)層構(gòu)成的一對氣體擴散電極、以及由它們所夾著的高分子電解質(zhì)膜來構(gòu)成。作為氣體擴散層，除碳紙之外，還可以采用編織作為具有撓性的材料即碳纖維而做成的碳織物、或混合碳纖維和碳粉末的加有有機粘合劑而成形的碳?xì)值取?br> 雖然在下面使用了實施例來更具體地說明本發(fā)明，但是本發(fā)明并不局限于此。
《實施例1、2和比較例》在本實施例中，制作了具有如圖1所示的結(jié)構(gòu)的燃料電池發(fā)電裝置1(實施例1)、具有如圖3所示的結(jié)構(gòu)的燃料電池發(fā)電裝置2(實施例2)和如圖7所示的比較燃料電池發(fā)電裝置(比較例)。
首先制作了燃料電池1的單電池。在碳粉末(電氣化學(xué)工業(yè)(株)制的デンカブラックFX--35)的表面載持了鉑催化劑來得到催化劑體(50重量％是鉑)，將該催化劑體分散到高分子電解質(zhì)的酒精溶液(旭硝子(株)制的フレミオンFSS--1)中來得到料漿。
另外，將厚度200μm的碳紙(東レ(株)制的TGP--H--090)浸入到聚四氟乙烯(PTFE)的水性懸浮液中，通過進(jìn)行干燥和熱處理來得到具有疏水性的氣體擴散層。
通過在該氣體擴散層的單面上涂敷所述料漿并進(jìn)行干燥，來得到由電極反應(yīng)層和氣體擴散層構(gòu)成的氣體擴散電極。氣體擴散電極的每單位面積的鉑量是0.5g。此外，制作2個該氣體擴散電極。
下面，通過一對氣體擴散電極使各個電極反應(yīng)層面向內(nèi)側(cè)地夾著高分子電解質(zhì)膜(美國杜邦公司制的ナフイオン(Nafion)112)，通過在壓力2.5MPa、溫度110℃下對整體進(jìn)行熱壓來制作電解質(zhì)膜電極接合體(MEA)。另外，氣體擴散電極的面積(電極面積)為25cm2。
此外，通過冷壓成形碳粉末來得到板狀體，通過使酚醛樹脂滲透到該板狀體中并進(jìn)行硬化，來得到具有提高了的氣體密封性的樹脂滲透板狀體。而且，在該板狀體的表面通過切削加工來形成氣體流路得到導(dǎo)電性的隔板。此外，在隔板的氣體流路周邊部形成燃料氣體供給排出用的歧管孔、氧化劑氣體供給排出用的歧管孔、以及冷卻水供給排出用的歧管孔。
然后制作具有如圖2所示的結(jié)構(gòu)的燃料電池1的電池組1S。在按照如上所述那樣制作的MEA的周圍，配置了作為氣體密封部件的硅橡膠制的墊圈，經(jīng)由隔板22層疊了10個MEA。這時，每2個MEA地夾著刻有冷卻水的流路的隔板22，來得到層疊體。
在這樣得到的層疊體的兩端，配置了實施了鍍金的銅制的板狀集電體1C、1A，并且經(jīng)由絕緣板24與不銹鋼制的端板25A、25C碰抵，用20kgf/cm2的壓力箍緊整體來得到電池組。在集電體3上邊形成燃料氣體用的歧管孔、氧化劑氣體用的歧管孔、以及冷卻水用的歧管孔。
端板25A和25C通過具有絕緣性的螺栓和螺母(未圖示)等來箍緊成一體，各單電池通過隔板22串聯(lián)電連接。此外，由此就完全地密封了接合電解質(zhì)膜電極接合體21和隔板22等的各部件的部分。
此外，以與上述各歧管孔連通的方式，在端板25C上設(shè)置反應(yīng)氣體的入口26A和冷卻水的入口27A，在端板上25B上設(shè)置反應(yīng)氣體的出口26B和冷卻水的出口27B。雖然在圖2中只分別示出了1個反應(yīng)氣體的入口和出口，但是對燃料氣體和氧化劑氣體分別都設(shè)置了入口和出口。
在這樣制作的燃料電池1中，經(jīng)由加濕器5將燃料處理裝置2與燃料氣體用的歧管孔連接，并經(jīng)由加濕器7將空氣供給裝置6與氧化劑氣體用的歧管孔連接。此外，在電池組1S的冷卻水用的歧管上連接冷卻水配管8，在冷卻水配管8上連接熱交換器10和泵9。
這里，作為冷卻水配管8全部都采用了電絕緣性材料的樹脂制的配管。由此，就在所述燃料電池和所述熱交換器以及所述泵之間，防止了所述冷卻水的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形成。由此，就制作出具有如圖1所示的結(jié)構(gòu)的燃料電池發(fā)電裝置1(實施例1)。
此外，在冷卻水配管8中，除了在燃料電池1和熱交換器10之間，設(shè)置用于截斷冷卻水的水流的如圖4所示的結(jié)構(gòu)的截斷部41A和41B之外，其它與上述燃料電池發(fā)電裝置1同樣，制作出具有如圖3所示的結(jié)構(gòu)的本發(fā)明所涉及的燃料電池發(fā)電裝置2(實施例2)。
進(jìn)而，除了用金屬構(gòu)成了冷卻水配管108之外，其它與上述燃料電池發(fā)電裝置1同樣，制作出作為具有如圖6所示的結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有燃料電池發(fā)電裝置的比較用燃料電池發(fā)電裝置(比較例)。
對于如上述做成的燃料電池發(fā)電裝置，進(jìn)行了關(guān)于運轉(zhuǎn)時的金屬部分的腐蝕的評價。進(jìn)行如下實驗加入供給氣體的氣體供給系統(tǒng)、設(shè)定并調(diào)節(jié)從電池取出的負(fù)載電流的電輸出系統(tǒng)、以及調(diào)整電池溫度并有效地靈活利用排熱的熱調(diào)整系統(tǒng)，來連續(xù)地運轉(zhuǎn)燃料電池發(fā)電裝置。
使各電池結(jié)構(gòu)單位中的電流密度成為0.3A/cm2，將表示相對于供給的氣體有多少比例的氣體被電極反應(yīng)所利用的氣體利用率，在燃料極側(cè)設(shè)為70％，在氧化劑極側(cè)設(shè)為40％。
另外，燃料電池的發(fā)電由化學(xué)式來決定。所導(dǎo)入的H2在全部發(fā)生了上述反應(yīng)時利用率成為100％。但是，實際上，由于各種各樣的原因，導(dǎo)入的H2的約30％未反應(yīng)，即還是作為H2被排出。
此外，使電池溫度成為75℃，供給純氫氣來作為反應(yīng)氣體的燃料，供給空氣來作為反應(yīng)氣體的氧化劑氣體。關(guān)于反應(yīng)氣體的供給壓力，將空氣側(cè)設(shè)為0.2kgf/cm2，將氫氣側(cè)設(shè)為0.05kgf/cm2，出口側(cè)向大氣開放。
使用純水作為冷卻水，連續(xù)地運轉(zhuǎn)燃料電池發(fā)電裝置，對電池性能的變化、以及冷卻水的導(dǎo)電率(電阻)進(jìn)行連續(xù)地監(jiān)視。在圖5中，對實施例1的燃料電池發(fā)電裝置、實施例2的燃料電池發(fā)電裝置、以及比較例的燃料電池發(fā)電裝置的運轉(zhuǎn)時間與冷卻水的電阻之間的關(guān)系進(jìn)行比較，分別用61、62和60來相對地表示。橫軸表示運轉(zhuǎn)時間(t)，縱軸表示冷卻水的電阻(R)。另外，由于是相對表示，所以省略單位。
如圖5所清楚地示出那樣，在本發(fā)明所涉及的燃料電池發(fā)電裝置中，與現(xiàn)有的燃料電池發(fā)電裝置相比，能夠長期使冷卻水的導(dǎo)電率保持在較低水平。
根據(jù)本發(fā)明，在燃料電池發(fā)電裝置內(nèi)，將與冷卻水接觸的電子傳導(dǎo)性部分相互電絕緣，此外，通過截斷冷卻水的水流，就能夠長期抑制冷卻水導(dǎo)電率的急速上升，并能夠抑制與冷卻水接觸的電子傳導(dǎo)性部分的腐蝕。因此，本發(fā)明所涉及的燃料電池發(fā)電裝置能夠適用于家庭用熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和車用發(fā)電裝置等中。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池發(fā)電裝置，具備具有層疊體、集電體以及端板的燃料電池組，所述層疊體層疊了多個由氫離子傳導(dǎo)性電解質(zhì)、夾著所述氫離子傳導(dǎo)性電解質(zhì)的一對電極、夾著所述電極的一對隔板構(gòu)成的單電池；通過所述燃料電池組內(nèi)的冷卻水所進(jìn)行循環(huán)的冷卻水配管；具有在所述燃料電池組上產(chǎn)生的熱與所述冷卻水間進(jìn)行熱交換的熱交換面的、與排熱用配管連接的熱交換器；以及使所述冷卻水循環(huán)的機構(gòu)，其特征在于在所述燃料電池發(fā)電裝置內(nèi)，將從下述群中選擇出的至少兩種電子傳導(dǎo)性部分電絕緣，該群由與所述冷卻水接觸的電子傳導(dǎo)性部分中的所述燃料電池組的電子傳導(dǎo)性部分、所述冷卻水配管的電子傳導(dǎo)性部分、所述熱交換器的電子傳導(dǎo)性部分、以及使所述冷卻水循環(huán)的機構(gòu)的電子傳導(dǎo)性部分構(gòu)成。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于所述燃料電池組的電子傳導(dǎo)性部分包括所述隔板、集電體以及端板，所述熱交換器的電子傳導(dǎo)性部分包括所述熱交換面。
3.如權(quán)利要求1所述的燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于用絕緣性材料構(gòu)成所述冷卻水配管的至少一部分。
4.如權(quán)利要求1所述的燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于通過包含絕緣性材料的部件，將所述燃料電池組固定在所述燃料電池發(fā)電裝置上。
5.如權(quán)利要求1所述的燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于將所述排熱用配管連接到熱水供給器或熱水貯存器上。
6.如權(quán)利要求5所述的燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于還具有防止所述燃料電池組中所產(chǎn)生的電動勢泄漏到所述排熱用配管上的漏電防止機構(gòu)。
7.如權(quán)利要求6所述的燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于所述漏電防止機構(gòu)將所述熱交換面和排熱用配管的至少一個與地面進(jìn)行接地。
8.一種燃料電池發(fā)電裝置，具備具有層疊體、集電體以及端板的燃料電池組，所述層疊體層疊了多個由氫離子傳導(dǎo)性電解質(zhì)、夾著所述氫離子傳導(dǎo)性電解質(zhì)的一對電極、夾著所述電極的一對隔板構(gòu)成的單電池；通過所述燃料電池組內(nèi)的冷卻水所進(jìn)行循環(huán)的冷卻水配管；具有在所述燃料電池組上產(chǎn)生的熱和所述冷卻水間進(jìn)行熱交換的熱交換面的、與排熱用配管連接的熱交換器；以及使所述冷卻水循環(huán)的機構(gòu)，其特征在于將截斷所述冷卻水的水流的截斷部設(shè)在所述冷卻水配管的任意部分上。
9.如權(quán)利要求8所述的燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于將所述截斷部設(shè)在所述熱交換器的入口側(cè)和出口側(cè)兩側(cè)。
10.如權(quán)利要求8所述的燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于將所述熱交換面和排熱用配管的至少一個與地面進(jìn)行接地。
全文摘要
本發(fā)明提供一種實現(xiàn)長期地將冷卻水的導(dǎo)電率保持在較低水平，防止冷卻水所接觸的金屬部件的腐蝕，并使對燃料電池的發(fā)電不產(chǎn)生障礙的燃料電池發(fā)電裝置。為了實現(xiàn)上述目的，在具備燃料電池、冷卻水配管、熱交換器、以及使冷卻水循環(huán)的機構(gòu)等的燃料電池發(fā)電裝置中，斷開將所述燃料電池、所述冷卻水配管、所述熱交換器、以及所述機構(gòu)電連接的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。
文檔編號H01M8/02GK1543003SQ20041004210
公開日2004年11月3日 申請日期2004年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月2日
發(fā)明者行天久朗, 富澤猛, 神原輝壽, 壽 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社