(57)【要約】【課題】空気流路における空気導入部の電解質が乾燥を防止すると共に、空気流路の下流側の酸素濃度を高くすること。【解決手段】燃料電池１は、カソード電極へ空気流路２１セパレータ２３とが積層され、空気流路２１の下辺側が空気導入部となってこれから空気が導入され、下辺側に対向する上辺側から空気が排出するように形成されており、空気流路２１とセパレータ２３とを有する積層体２０を有し、空気流れ方向の下流側に空気流れ方向と交差すると共に、該積層体２０を貫通する空気孔３０が設けられて、空気孔３０には、空気流路２１との界面にガス透過膜３１が配設されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード電極上に空気流路とセパレータとが積層され、前記空気流路の第１の辺側が空気導入部となってこれから空気が導入され、該第１の辺に対向する第２の辺から空気が排出される構成の燃料電池であって、
前記空気流路と前記セパレータとの積層体において、前記空気流れ方向下流側に前記空気流れ方向と交差するようにかつ該積層体を面方向に貫通する空気孔が設けられ、
該空気孔において前記空気流路との界面にはガス透過膜が配設され、
該空気孔を通過した空気が前記空気流路の前記空気導入部に供給される、
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記燃料電池のアノード側において水素ガスは、前記空気流れ方向と対向する方向に流通される、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記空気は前記空気流路において重力方向と逆方向に流通され、前記燃料電池のアノード側においては水素ガスが重力方向へ流通される、ことを特徴とする請求項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、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
将来の燃料電池実用化のため、小型・低コスト化が求められる。このため、運転条件は、冷却・加湿系簡略化のために「高温・無加湿」となり、小型ファン・低補機動力のために「低流量」となり、循環ポンプ排除のために「循環なし」になると予測される。
【０００３】
燃料電池を「高温・無加湿」にすると、電解質の乾燥によりプロトン伝導が低下し、発電特性が低下する。この対策として、アノード又はカソードに流れる水素ガスと空気との流れの向きを逆にする対向流が広く知られている。この対向流では各極のガス導入部が対極の流路末端となるため、電解質を介した水の相互移動によりＭＥＡ内を適当に湿潤できるので、空気流路の空気導入部付近となる空気導入部の乾燥を抑制できる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特に「高温・無加湿」と「循環なし」の組み合わせでは、上記対向流によって生じるＭＥＡ内の湿潤の効果が低下する。この湿潤は、空気流路の空気導入部と、空気排出口の付近となる空気排出部において顕著である。このため、空気導入部からの無加湿空気流入に伴い、該空気導入部の電解質が乾燥して発電特性が低下する。しかも、乾燥部位の発電特性低下に伴う水素消費量の減少により、水素導入側にも乾燥が進行していくという悪循環が発生する。このような状態では、ＭＥＡの一部しか発電に寄与せず、特に、燃料電池を成すセルの電流密度が高くなると電圧の低下が顕著になり、燃料電池の発電特性が低下する。
【０００５】
ＭＥＡ内の湿潤の低下を抑えるために、空気流路に供給する空気を低流速にすると、空気導入部の乾燥が抑制できるが、空気流路の下流側において空気流速が低下してさらに低流速となることから、空気流路の下流側の酸素濃度が低下して燃料電池の発電性能が低下する。
一方、空気流路の下流側における酸素濃度を適切な値にするために、空気流路に供給する空気を高流速にすると、空気流路における空気導入部の乾燥が顕著となる。
つまり、無加湿空気を燃料電池の空気流路に供給して、空気流路の空気導入部の乾燥を抑制しながら、空気流路の下流側における酸素濃度を高くすることを同時に解決することが困難であった。
【０００６】
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたもので、空気流路における空気導入部の電解質の乾燥を防止すると共に、空気流路の下流側の酸素濃度を高くして発電性能を向上し得る燃料電池を提供することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の局面の燃料電池は、カソード電極上に空気流路とセパレータとが積層され、前記空気流路の第１の辺側が空気導入部となってこれから空気が導入され、該第１の辺に対向する第２の辺から空気が排出される構成の燃料電池であって、
前記空気流路と前記セパレータとの積層体において、前記空気流れ方向下流側に前記空気流れ方向と交差するようにかつ該積層体を面方向に貫通する空気孔が設けられ、
該空気孔において前記空気流路との界面にはガス透過膜が配設され、
該空気孔を通過した空気が前記空気流路の空気導入部に供給される、ことを特徴とするものである。
【０００８】
第１の局面の燃料電池によれば、アノード電極に水素ガスを供給し、カソード電極に無加湿の空気を供給すると、該空気は、カソード電極の空気流れ方向の下流側に空気流れ方向と交差するように設けられた空気孔を通過して空気流路の空気導入部を通り、空気流路を介して排出される。
上記状態において、無加湿の空気が空気孔を流れると、この空気の一部がガス透過膜を通過して空気流路内に侵入する。空気孔内の空気圧力が空気流路のそれより大きいからである。
燃料電池反応の進行にともない酸素が消費されて酸素分圧が比較的薄くなった空気流路の下流側において、空気孔からフレッシュな空気が供給されると空気流路中の酸素濃度が回復し、燃料電池反応の反応性低下を防止できる。他方、空気流路を流れるにつれて空気は加湿されるので空気流路の下流側においてはその空気には高い分圧の水蒸気が含まれている。他方、空気孔に供給される空気は何ら加湿さておらずその水蒸気分圧は低い。したがって、水蒸気は、ガス透過膜を介して、空気流路側から空気孔側へ透過してくる。これにより、空気孔中の空気が加湿されることとなる。このようにして加湿された空気孔の空気は空気流路の空気導入部へ供給され、空気導入部付近の乾燥を予防する。
【０００９】
この発明の第２の局面は次のように規定される。即ち、第１の局面で規定した燃料電池において、燃料電池のアノード側において水素ガスは、前記空気流れ方向と対向する方向に流通される。
このように規定される第２の局面の燃料電池によれば、アノード側に流れる水素ガスとカソード側に流れる空気との流れ方向を対向する方向にしたので、この対向流では水素ガス導入部と空気排出部とが同一辺側に位置し、他方、水素ガス排出部と空気導入部とが同一辺側に位置する。したがって、乾燥されやすい部分（ガス導入口側）と過剰に湿潤するおそれがある部分（ガス排出側）とが互いに補完する配置となり、電解質膜を介した水の相互移動により電解質膜の湿潤状態をより均一に維持できる。
【００１０】
この発明の第３の局面は次のように規定される。即ち、第２の局面で規定した燃料電池において、前記空気は前記空気流路において重力方向と逆方向に流通され、燃料電池のアノード側においては水素ガスが重力方向へ流通される。
このように規定される第３の局面の燃料電池によれば、空気流路における空気排出口が上側に位置する。燃料電池を運転する環境によっては空気流路の空気排出側は過剰に湿潤されて、そこにフラッディングの生じるおそれがある。空気排出口が上側に位置すれば、過剰な水が重量で下方へ移動することとなり、フラッディングの発生を防止できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の燃料電池によれば、燃料電池の単位セルの空気流路における空気導入部及び空気排出部の電解質の乾燥を防止すると共に、空気流路の下流側の空気流量を増大できるので、燃料電池の発電性能を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は本発明の一実施の形態を示す燃料電池の単位セル及び空気供給路の斜視図である。
【図２】図２は空気孔３０の構成を示す断面図である。
【図３】図３は２つの空気孔３０、３０の構成を示す断面図である。
【図４】図４は他の態様の空気孔１３０を示す断面図である。
【図５】図５は他の態様の空気孔２３０を示す断面図である。
【図６】図６は単位セル燃料電池における電流密度の分布を示す図である。
【図７】図７は本発明の一実施の形態を示す単位セル燃料電池からなるスタック装置を示す図である。
【図８】図８はスタック装置の出力特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の一実施形態を図１及び図２によって説明する。図１は、一実施の形態を示す単位セルの燃料電池１及び空気供給路の斜視図、図２は空気孔３０の構成を示す断面図である。
図１において、燃料電池1は膜電極接合体（ＭＥＡ）１０を備える。このＭＥＡ１０は高分子電解質膜１１をカソード電極１３及びアノード電極１５で挟んだ構成である。かかるＭＥＡ１０として周知構成のものが利用される。
カソード電極１３には空気流路となる多孔体２１とセパレータ２３とが順に積層されて積層体２０を構成する。アノード電極１５側にも水素ガス流路及びセパレータが積層されるものであるが、図面上は省略してある。
多孔体２１には一辺（図１では下辺）側から空気が導入され、対向する辺（図１では上辺）側から排出される。したがって、図１の例では多孔体２１中を下から上へ流通する。
多孔体２１において空気を流通させる方向は任意に選択でき、上から下へ向けて、また左右方向へ空気を流通させることも可能である。
何れの場合においても空気の流れと対向する方向へ水素ガスを流すことが好ましい。図１の例では上から下へ水素ガスを流通させている。空気流れ方向と水素ガス流れ方向を対向させることにより、ＭＥＡの湿潤状態がより均一に維持される。特に空気を上から下へ流通させるときは、空気排出側（上辺側）で生成した水が重力で下方へ移動しやすいので、空気排出側でのフラッディングを未然に防止できる。
この例では空気流路を多孔体２１製としているが、空洞又は溝タイプの空気流路を用いることも可能である。
【００１４】
積層体２０には、空気流れ方向に交差するように、貫通孔からなる空気孔３０が形成されている。空気孔３０において、多孔体２１との界面には全面的にガス透過膜３１が配設されている。
このガス透過膜３１は空気や水蒸気のようなガスのみを選択し、水の透過は防止する。かかるガス透過膜として、カソード電極１３の空気流路界面に積層されるマイクロポーラス層（ＭＰＬ層）をそのまま適用することができる。かかるマイクロポーラス層はカーボンクロス、カーボンペーパー、カーボン繊維からなる不織布等からなる基材へ、撥水性樹脂粉末とカーボン粉末との混合体を練り込むか又は積層することにより形成することができる。撥水性樹脂粉末として具体的には、フルオロカーボン系ポリマー（たとえばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン／ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン／パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）、エチレン／テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、エチレン／クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）等）とが挙げられる。また、カーボン粉末としては、例えばカーボンブラック、黒鉛粉、カーボンナノファイバー、ファーネスブラック、アセチレンブラック等が挙げられる。
【００１５】
撥水性樹脂粉末及びカーボン粉末の材料選択並びに混合比を調整することにより、マイクロポーラス層の細孔径を調節することができる。これにより、ガス透過膜３１を透過する水蒸気及び空気の量を調整できる。
ガス透過膜３１を透過させる水蒸気量及び空気量はガス透過膜３１の面積によっても調節可能である。
水の透過を防止し、他方水蒸気や空気の透過を許容するガス透過膜３１は例えば樹脂フィルムへ微小径の針を貫通させるような機械的な方法により、またエッチング技術を用いた化学的な方法により形成することも可能である。
【００１６】
図２の例では、多孔体２１の外側表面の一部へ上記水性樹脂粉末とカーボン粉末との混合体を塗布・乾燥してガス透過膜（膜厚：１００μｍ）３１を形成した。セパレータ２３において、多孔体２１に積層されたガス透過膜３１へ対向する部分に断面矩形の溝３３が形成される。この溝３３の内周面とガス透過膜３１とで空気孔３０が規定される。
【００１７】
この空気孔３０へ空気を送り込むと、図２に示すように、空気孔３０の新鮮な空気（酸素分圧高い）がガス透過膜３１を透過して多孔体２１中へ供給される。空気孔３０の空気は空気配管３７を介して多孔体２１の下辺側から導入される。その間の抵抗により、空気孔３０の空気圧に比べて多孔体２１の空気圧が低くなるので、空気孔３０の新鮮な空気はガス透過膜３１を介して多孔体２１内へ供給される。
多孔体２１においてその空気流れの下流側に空気孔３０が形成されることが好ましい。多孔体２１を流通する空気の酸素分圧がカソード電極１３における燃料電池反応により徐々に減少するので、酸素が希薄となった下流側において空気孔３０から酸素分圧の高い新鮮な空気を導入することにより、カソード電極１３の全面にわたって充分な酸素を供給可能となるからである。
【００１８】
かかる見地から空気流路である多孔体２１において空気孔３０は空気流れ方向下流側に空気流れと交差するように形成されることが好ましい。ここに、空気流れ方向下流側とは、空気流路の流路長の半分より下流側を指し（図１では多孔体２１の半分より上側）、好ましくは４分の１より下流側とする。また、空気孔３０を空気流れと交差させることにより、多孔体２１を流通する全ての空気に対して新鮮な空気を供給可能となる。図１の例では空気流れ対して直交するように空気孔３０を配置しているが、勿論これに限定されることはなく、例えば空気孔３０を傾斜して、又は蛇行して形成することができる。
【００１９】
多孔体２１において空気流れの下流側では空気は比較的湿潤状態にある。図２に示すとおり、カソード電極１３の生成水が順次蒸発してマイクロポーラス層１４を透過し、多孔体２１を流通する空気へ供給されるからである。したがって、多孔体２１において空気流れ下流側の空気の水蒸気分圧は空気孔３０を流通する空気の水蒸気分圧より高い。その結果、図２に示すように、水蒸気はガス透過膜３１を透過して多孔体２１から空気孔３０へ入り込む。
ここに、空気孔３０へ供給される空気は原則無加湿であるため乾燥している。従来はこの乾燥した空気を多孔体２１の下辺側空気導入部へ直接供給していたので、膜電極積層体１０は下辺空気導入部側でドライアップするという課題があった。
しかしながら本発明の実施形態では、空気孔３０の空気へ多孔体２１側から水蒸気を供給するので、膜電極積層体１０の空気導入部がドライアップするという課題を未然に防止できる。
多孔体２１から空気孔３０へ充分な水蒸気を供給するためには、空気孔３０は空気流れの下流側に配置されることが必要である。
【００２０】
上記の例では空気孔３０として矩形断面の溝３３をセパレータ２３に形成し、この溝３３の開口部がガス透過層３１で閉塞されるように、積層体２０が調製されている。
セパレータ２３を形成する溝の形状、面積は任意に選択可能である。図３に示すようにこの溝３３を複数設けることもできる。図３において図２と同一の要素には同一の符号を付してその説明を部分的に省略する。
【００２１】
図４に他の例の空気孔１３０を示す。図４において図２と同一の要素には同一の符号を付してその説明を部分的に省略する。図４の例では、多孔体２１側に溝１３３を設けてその溝１３３の周壁へガス透過膜１３１を形成している。溝１３３はセパレータ２３により閉塞されている。かかる構成を採用することにより、ガス透過膜１３１の面積が広がり、もってガス交換能が向上する。図４の例においても、空気孔１３０の断面形状及び面積、更にはその数は任意に選択可能である。
【００２２】
図５に他の例の空気孔２３０を示す。図５において図４と同一の要素には同一の符号を付してその説明を部分的に省略する。図５の例では、多孔体２１内を左右方向に筒状部材を貫通させ、筒状部材の周壁を全体的に若しくは部分的にガス透過膜２３１で形成している。
上記筒状部材の断面形状、面積及び数も任意に選択可能である。
【００２３】
図６は燃料電池の電流密度分布を示し、図１に示す実施形態の燃料電池１の特性を実線で示している。空気を、何ら空気孔３０を介さずに、多孔体２１の下縁部へ直接供給したときの特性を従来技術として破線で示している。
図６において、空気導入部側において実施形態の電流密度特性が優れているのは、専ら空気孔３０によって加湿した空気が空気導入部へ導入されて、その部分のドライアップが未然に防止されるためである。また、空気排出側においても電流密度特性が優れているのは、専ら空気孔３０から酸素濃度の高い空気が供給されて酸素濃度過電圧が低減するためである。これら２つの効果が相俟って、空気導入部から空気排出部までの全領域に渡り、電流密度特性が向上する。
【００２４】
図７は本発明の実施形態の燃料電池スタック３００の構成を示す。この燃料電池スタック３００は図１に示した構成の単位セル燃料電池３０１が多数積層された構成である。燃料電池３０１のセパレータ３２３にはその上半分に空気孔３３０が形成される。図中の符号３３３は水素排出部を示す。水素は燃料電池３０１の上縁側一端から供給され、他端の下面よりケーシング３１０に設けられた水素ガス路３４３を介して外部へ排出される。
ケーシング３１０には符号３４０に示される空気導入路が形成され、無加湿の空気が空気孔３３０の空気入口まで導入される。空気孔３３０を通過した空気はケーシング３１０に穿設される空気導入孔３４１を通って、燃料電池３０１に空気流路の下辺空気導入部へ導入される。符号３４５は冷却水路であり冷却水を冷却水導入部３４７まで送る。冷却水導入部３４７へ導入された冷却水はセパレータ３２３内を巡回して排出される。
【００２５】
図８は図１に示した燃料電池１へ空気（７５℃、無加湿、常圧）を供給したときの出力特性を示す。図８において比較例は導入される空気（７５℃、無加湿、常圧）を、何ら空気孔３３０を通すことなく、直接空気導入部へ供給する構成の燃料電池の出力特性を示す。
図８より本発明の実施形態の燃料電池１によれば、従来例の燃料電池に比べてその出力特性が向上することがわかる。
【００２６】
本発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様も本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明は、燃料電池に適用できる。
【符号の説明】
【００２８】
１    燃料電池
１０  高分子電解質膜
１３  カソード電極
２０  積層体
２１  多孔体（空気流路）
２３  セパレータ
３０、１３０、２３０  空気孔
３１、１３１、２３１  ガス透過膜
【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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