(57)【要約】【課題】本発明の目的は、発電に伴う排水中に混入するフッ酸、硫酸等の酸を低減することができる燃料電池を提供することにある。【解決手段】本発明は、電解質膜の両面のそれぞれに触媒層及び拡散層を有する膜−電極アッセンブリと、前記膜−電極アッセンブリを挟持する一対のセパレータと、を備える燃料電池であって、前記拡散層、セパレータには、反応ガスが流れる反応ガス流路が形成され、前記拡散層、前記セパレータの少なくともいずれか１つの反応ガス流路には、酸を処理するアルカリ物質が配置されている。【選択図】図１
2010218846.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面のそれぞれに触媒層及び拡散層を有する膜−電極アッセンブリと、前記膜−電極アッセンブリを挟持する一対のセパレータと、を備える燃料電池であって、
前記拡散層、セパレータには、反応ガスが流れる反応ガス流路が形成され、
前記拡散層、前記セパレータの少なくともいずれか１つの反応ガス流路には、酸を処理するアルカリ物質が配置されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、前記拡散層と前記セパレータとの間に、反応ガスが流れる反応ガス流路が形成された多孔質体層が配置される場合、
前記アルカリ物質は、前記拡散層、前記セパレータ、前記多孔質体層の少なくともいずれか１つの反応ガス流路に配置されることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池であって、前記電解質膜の外周部であって、少なくとも一方の面に前記触媒層が形成されていない非発電領域を有し、
前記アルカリ物質は、前記非発電領域における反応ガス流路に配置されることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池であって、前記アルカリ物質は、前記非発電領域における反応ガス流路であって、前記セパレータの反応ガス出口側に設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池であって、前記反応ガス出口側は、カソードガス出口側であることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に燃料電池は、電解質膜と触媒層及び拡散層を含む一対の電極（アノード極及びカソード極）とを備える膜−電極アッセンブリと、膜−電極アッセンブリを挟持する一対のセパレータとを備える。燃料電池の発電時には、アノード極に供給するアノードガスを水素ガス、カソード極に供給するカソードガスを酸素ガスとした場合、アノード極側では、水素イオンと電子とにする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中を通りカソード極側に、電子は外部回路を通じてカソード極に到達する。一方、カソード極側では、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水分を生成する反応が行われ、エネルギを放出する。
【０００３】
電解質膜には、一般的に、パーフルオロスルホン酸系、パーフルオロカルボン酸系等のフッ素系の電解質膜が用いられている。
【０００４】
このような電解質膜は、燃料電池の発電時の化学的作用によりラジカル分解し、その結果、フッ酸、硫酸等が生成して、発電に伴う排水中に混入する。フッ酸、硫酸等は強い腐食性を有することから、金属製セパレータをはじめ、配管材等の金属材料を腐食させてしまう。そこで、従来からフッ酸、硫酸等を除去する燃料電池又は燃料電池システムが開発されている（例えば、特許文献１〜４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３８８２３号公報
【特許文献２】特開２００８−１３５１８８号公報
【特許文献３】特開２００８−１６６１２９号公報
【特許文献４】特開２００４−２２２００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、発電に伴う排水中に混入するフッ酸、硫酸等の酸を低減することができる燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、電解質膜の両面のそれぞれに触媒層及び拡散層を有する膜−電極アッセンブリと、前記膜−電極アッセンブリを挟持する一対のセパレータと、を備える燃料電池であって、前記拡散層、セパレータには、反応ガスが流れる反応ガス流路が形成され、前記拡散層、前記セパレータの少なくともいずれか１つの反応ガス流路には、酸を処理するアルカリ物質が配置されている。
【０００８】
また、前記燃料電池において、前記拡散層と前記セパレータとの間に、反応ガスが流れる反応ガス流路が形成された多孔質体層が配置される場合、前記アルカリ物質は、前記拡散層、前記セパレータ、前記多孔質体層の少なくともいずれか１つの反応ガス流路に配置されることが好ましい。
【０００９】
また、前記燃料電池において、前記電解質膜の外周部であって、少なくとも一方の面に前記触媒層が形成されていない非発電領域を有し、前記アルカリ物質は、前記非発電領域における反応ガス流路に配置されることが好ましい。
【００１０】
また、前記燃料電池において、前記アルカリ物質は、前記非発電領域における反応ガス流路であって、前記セパレータの反応ガス出口側に設けられることが好ましい。
【００１１】
また、前記燃料電池において、前記反応ガス出口側は、カソードガス出口側であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、発電に伴う排水中に混入するフッ酸、硫酸等の腐食性物質を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池の構成の一例を示す模式断面図である。
【図２】本発明の他の実施形態に係る燃料電池の構成の一例を示す一部模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施の形態について以下説明する。本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。
【００１５】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池の構成の一例を示す模式断面図である。図１に示すように、燃料電池１は、電解質膜１０の一方の表面にアノード極側触媒層１２及びアノード極側拡散層１４が、もう一方の表面にカソード極側触媒層１６及びカソード極側拡散層１８が、電解質膜１０を挟んでそれぞれ対向するように形成された膜−電極アッセンブリ２０と、膜−電極アッセンブリ２０の両外側を挟持するアノード極側セパレータ２２及びカソード極側セパレータ２４とを備える。また、アノード極側セパレータ２２及びアノード極側拡散層１４には、アノードガスが流れるアノードガス流路（不図示）が形成されており、カソード極側セパレータ２４及びカソード極側拡散層１８には、カソードガスが流れるカソードガス流路（不図示）が形成されている。なお、拡散層は多孔質であり、その微細孔が反応ガス流路となる。セパレータは、溝が形成されており、該溝が反応ガス流路となる。図１に示すアノード極側セパレータ２２の空洞部は、アノードガス入口２２ａ及び出口２２ｂであり、カソード極側セパレータ２４の空洞部は、カソードガス入口２４ａ及び出口２４ｂである。
【００１６】
水素ガス（アノードガス）は、アノードガス入口２２ａから導入され、アノード極側セパレータ２２のアノードガス流路からアノード極側拡散層１４（微細孔）を通過してアノード極側触媒層１２に供給され、発電に利用される。発電に利用されなかった水素ガスは、アノード極側拡散層１４（微細孔）、アノード極側セパレータ２２のアノードガス流路を通り、アノードガス出口２２ｂから排出される。酸素ガス（カソードガス）は、カソードガス入口２４ａから導入され、カソード極側セパレータ２４のカソードガス流路からカソード極側拡散層１８（微細孔）を通過してカソード極側触媒層１６に供給され、発電に利用される。発電に利用されなかった酸素ガスは、カソード極側拡散層１８（微細孔）、カソード極側セパレータ２４のカソードガス流路を通り、カソードガス出口２４ｂから排出される。
【００１７】
本実施形態に用いられるアノード極側拡散層１４及びカソード極側拡散層１８は、アノードガス又はカソードガスを拡散させるための層であり、例えば、ガス拡散性と導電性を兼ね備えたカーボンクロス、カーボンペーパ等が用いられる。そのため、拡散層の表面には繊維の突き出しが生じている場合がある。そこで、本実施形態のように、拡散層が電解質膜１０に接触する部分に保護膜２６を設けることが好ましい。保護膜２６は、拡散層の繊維の突き出しにより電解質膜１０の損傷を抑制するためのものであり、例えば、ＰＥＴフィルム等が用いられる。
【００１８】
アノード極側触媒層１２及びカソード極側触媒層１６は、例えば、白金、ルテニウム等の金属触媒を担持したカーボンとパーフルオロスルホン酸系の電解質等とを混合してアノード極側拡散層１４及びカソード極側拡散層１８、又は電解質膜１０上に成膜したものである。上記カーボンとしては、例えば、アセチレンブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック等が用いられる。
【００１９】
本実施形態に用いられる電解質膜１０は、電子伝達性を有さずプロトン伝導性を有するものであれば特に制限されるものではない。例えば、パーフルオロスルホン酸系、パーフルオロカルボン酸系等のフッ素系の電解質膜１０が挙げられる。
【００２０】
本実施形態に用いられるアノード極側セパレータ２２及びカソード極側セパレータ２４は、ガス不透過性で、導電性を有するものであれば特に制限されるものではなく、例えば、カーボン、金属、導電性樹脂等から構成される。
【００２１】
本実施形態に係る燃料電池１には、電解質膜１０の外周部であって、少なくとも一方の面に触媒層が形成されていない非発電領域（図１に示すＡ）と、電解質膜１０（中央部）の両面に触媒層が形成されている発電領域（図１に示すＢ）と、を有する。発電領域では、アノード極側触媒層１２により、水素ガスを水素イオンと電子とにする反応が行われ、カソード極側触媒層１６では、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水分を生成する反応が行われている。すなわち、発電領域では、発電に寄与する反応が行われている。一方、非発電領域では、上記のような発電に寄与する反応は行われていない。
【００２２】
本実施形態の拡散層、セパレータの少なくともいずれか１つの反応ガス流路には、酸を処理する酸処理物質が配置されている。酸処理物質は、電解質膜１０が燃料電池１の発電時の化学的作用によりラジカル分解し、その結果生成したフッ酸、硫酸等の酸を中和、吸着（捕集）等の処理が可能で、フッ酸、硫酸等の酸の濃度を低減又除去するものである。フッ酸、硫酸等の酸を中和する酸処理物質としては、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化カルシウム、炭酸カルシウム、炭酸ナトリウム等のアルカリ物質が挙げられる。フッ酸、硫酸中のフッ素イオン、硫酸イオンを吸着（捕集）する酸処理物質としては、例えば、イオン交換樹脂、キレート材、活性アルミナ、アパタイト、火山灰土壌、木炭等が挙げられる。酸処理物質は、コスト、フッ酸等の除去効率等の点で、アルカリ物質であることが好ましい。
【００２３】
上記でも説明したように、電解質膜１０が燃料電池１の発電時の化学的作用によりラジカル分解すると、フッ酸、硫酸等の酸が生成する。そして、フッ酸、硫酸等の酸は、カソード極側触媒層１６で生成した水と共に燃料電池１内で自己循環しながら、主にセパレータのガス出口（２２ｂ，２４ｂ）から排出される。本実施形態では、フッ酸、硫酸等の酸が、生成水と共に燃料電池１内で自己循環する中で、反応ガス流路に設けた酸処理物質と接触し、フッ酸、硫酸等が中和、吸着（捕集）され、酸の濃度が低減又除去される。その結果、金属製のセパレータをはじめ、配管材等の金属材料の腐食が抑制される。
【００２４】
上記酸処理物質は粒状であることが好ましく、例えば、バインダー等の樹脂と混合して、拡散層、セパレータのうち少なくともいずれか１つの反応ガス流路に配置される。
【００２５】
本実施形態では、酸処理物質を発電領域における（拡散層、セパレータの少なくともいずれか１つの）反応ガス流路に設けると、酸処理物質が溶出した場合、発電領域における電解質膜１０に到達し、電解質膜１０を損傷する虞があるため、酸処理物質を非発電領域における（拡散層、セパレータの）反応ガス流路に設けることが好ましい。
【００２６】
生成したフッ酸、硫酸等の酸は、生成水と共に、燃料電池１に供給される反応ガスの流速によって、セパレータのガス出口（２２ｂ，２４ｂ）、特にカソードガス出口２４ｂから排出される。したがって、効率的に酸を処理するためには、酸処理物質を非発電領域における反応ガス流路であって、セパレータのガス出口（２２ｂ，２４ｂ）側に設けることが好ましく、特にカソードガス出口２４ｂ側に設けることがより好ましい。
【００２７】
図２は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池の構成の一例を示す一部模式断面図である。図２に示す燃料電池２は、図１に示す燃料電池１の構成に加え、アノード極側拡散層１４とアノード極側セパレータ２２との間、カソード極側拡散層１８とカソード極側セパレータ２４との間に、それぞれ多孔体層２８を備えるものである。多孔体層２８は、拡散層より密度の低いものであり、燃料電池１に供給される反応ガスを均一に分散させて、触媒層に供給するための層である。拡散層同様、多孔質体層２８の微細孔が反応ガス流路となる。
【００２８】
本実施形態では、上記酸処理物質は粒状に形成されて、例えば、バインダー等の樹脂と混合して、拡散層、セパレータ、多孔質体層のうち少なくともいずれか１つの反応ガス流路に配置される。また、上記同様に、酸処理物質を非発電領域における（拡散層、セパレータ、多孔質体層の少なくともいずれか１つの）反応ガス流路に設けることが好ましい。
【００２９】
上記説明したように、生成したフッ酸、硫酸等の酸は、生成水と共に、燃料電池２に供給される反応ガスの流速によって、セパレータのガス出口（２２ｂ，２４ｂ）、特にカソードガス出口２４ｂから排出される。したがって、効率的に酸を処理するためには、酸処理物質を非発電領域における反応ガス流路であって、セパレータのガス出口（２２ｂ，２４ｂ）側に設けることが好ましく、特にカソードガス出口２４ｂ側に設けることがより好ましい。
【００３０】
以上のように、電解質膜が燃料電池の発電時の化学的作用によりラジカル分解し、その結果生成したフッ酸、硫酸等の酸を処理する酸処理物質（例えば、アルカリ物質）を、拡散層、セパレータ、多孔質体層の反応ガス流路に設けることにより、フッ酸、硫酸等の酸が、生成水と共に燃料電池内で自己循環する中で、反応ガス流路内の酸処理物質と接触させ、フッ酸、硫酸等の酸濃度を低減又除去することができる。その結果、金属製のセパレータをはじめ、配管材等の金属材料の腐食を抑制することができる。
【００３１】
上記これらの実施形態に係る燃料電池は、例えば、携帯電話、ノートパソコン等のモバイル機器用小型電源、自動車用電源、家庭用電源等として用いることができる。
【符号の説明】
【００３２】
１，２  燃料電池、１０  電解質膜、１２  アノード極側触媒層、１４  アノード極側拡散層、１６  カソード極側触媒層、１８  カソード極側拡散層、２０  膜−電極アッセンブリ、２２  アノード極側セパレータ、２２ａ  アノードガス入口、２２ｂ  アノードガス出口、２４  カソード極側セパレータ、２４ａ  カソードガス入口、２４ｂ  カソードガス出口、２６  保護膜、２８  多孔体層。
【図１】
2010218846.tif 000003
【図２】
2010218846.tif 000004