(57)【要約】【課題】電解質膜の乾燥を抑制することを目的とする。【解決手段】アノードガスとカソードガスとが対向して供給される燃料電池１０であって、電解質膜１００と、前記電解質膜の内部に配置された補強層１５０とを備え、カソードガス入口側において前記補強層よりもカソード側に存在する前記電解質膜の厚みＬ１が、アノードガス出口側において前記補強層よりもアノード側に存在する前記電解質膜の厚みＬ２よりも大きく、アノードガス入口側において前記補強層よりもアノード側に存在する前記電解質膜の厚みＬ３が、カソードガス出口側において前記補強層よりもカソード側に存在する前記電解質膜の厚みＬ４よりも大きく構成されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードガスとカソードガスとが対向して供給される燃料電池であって、
電解質膜と、
前記電解質膜の内部に配置された補強層と、
を備え、
カソードガス入口側において前記補強層よりもカソード側に存在する前記電解質膜の厚みが、アノードガス出口側において前記補強層よりもアノード側に存在する前記電解質膜の厚みよりも大きく、
アノードガス入口側において前記補強層よりもアノード側に存在する前記電解質膜の厚みが、カソードガス出口側において前記補強層よりもカソード側に存在する前記電解質膜の厚みよりも大きく構成されている、燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記補強層は、階段状に配置されている、燃料電池。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記補強層は、その法線が前記電解質膜の法線に対して、斜めになるように配置されている、燃料電池。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池において、
前記補強層には、アノード側の電解質膜とカソード側の電解質膜とを繋ぐ低通水抵抗部が設けられている、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関し、特に、燃料電池の電解質膜の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池では、電解質膜を適切な湿潤状態に保ちつつ、過度な水分がガスの流れを妨げないように、水分を排出できる構造が求められている。例えば、燃料ガスの出口近傍における水詰まりを抑制するために、カソードガス入り口近傍、且つアノードガス出口近傍に非電極領域を備える固体高分子型燃料電池が知られている。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２７７１２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、このような従来の燃料電池では、カソード入口およびアノード入口それぞれで電解質膜が乾燥し、ドライアップが生じる恐れがあった。
【０００５】
本発明は上記課題の少なくとも１つを解決し、電解質膜の乾燥を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
アノードガスとカソードガスとが対向して供給される燃料電池であって、電解質膜と、前記電解質膜の内部に配置された補強層とを備え、カソードガス入口側において前記補強層よりもカソード側に存在する前記電解質膜の厚みが、アノードガス出口側において前記補強層よりもアノード側に存在する前記電解質膜の厚みよりも大きく、アノードガス入口側において前記補強層よりもアノード側に存在する前記電解質膜の厚みが、カソードガス出口側において前記補強層よりもカソード側に存在する前記電解質膜の厚みよりも大きく構成されている、燃料電池。
この適用例によれば、ドライアップし易い領域の電解質膜の厚みが他の領域の電解質膜の厚みと比較して厚いので、当該領域の含水量を多くすることが可能となる。その結果、電解質膜の乾燥を抑制し、燃料電池のドライアップを抑制することが可能となる。
【０００８】
［適用例２］
適用例１に記載の燃料電池において、前記補強層は、階段状に配置されている、燃料電池。
この適用例によれば、乾燥し易い領域の電解質膜を厚くすることが可能となる。
【０００９】
［適用例３］
適用例１に記載の燃料電池において、前記補強層は、その法線が前記電解質膜の法線に対して、斜めになるように配置されている、燃料電池。
この適用例によっても、乾燥し易い領域の電解質膜を厚くすることが可能となる。
【００１０】
［適用例４］
適用例１から適用例３のいずれかに記載の燃料電池において、前記補強層には、アノード側の電解質膜とカソード側の電解質膜とを繋ぐ低通水抵抗部が設けられている、燃料電池。
この適用例によれば、湿潤した電解質膜から乾燥し易い電解質膜に水分を移動させ易くなるので、燃料電池のドライアップを抑制することが可能となる。
【００１１】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池の他、電解質膜の構造等、様々な形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
第１の実施例：
図１は、本発明の第１の実施例に係る燃料電池の外観を示す斜視図である。燃料電池１０は、発電ユニット２０と、エンドプレート３０を備える。本実施例では、複数の発電ユニット２０が積層されているが、発電ユニット２０は１つであってもよい。エンドプレート３０は積層された発電ユニット２０の外側に配置されている。燃料電池１０には、発電ユニット２０及びエンドプレートを貫く複数のマニホールド４０が形成されている。これらのマニホールド４０は、発電ユニット２０に燃料ガス、酸化ガス、及び冷媒を供給し、排出するために用いられる。
【００１３】
図２は、発電ユニット２０の断面図である。発電ユニット２０は、電解質膜１００と、触媒層２００と、ガス拡散層３００と、セパレータ４００と、シールガスケット５００（フレーム５００とも言う）とを備える。電解質膜１００として、例えば、パーフルオロスルホン酸ポリマなどのフッ素系樹脂や炭化水素系樹脂からなるプロトン伝導性のイオン交換膜を用いることが可能である。電解質膜１００の内部には、補強層１５０が埋設されている。補強層１５０は、電解質膜１００の強度を保持するために設けられている。補強層１５０として、例えば、ポリテトラフルオロエチレン樹脂を伸張して形成された、多孔体膜を用いることが可能である。また、補強層１５０は、多孔体膜であるため、水分の移動が可能となっている。
【００１４】
電解質膜１００の両面には、触媒層２００が形成されている。触媒として、白金触媒、あるいは白金と他の金属とからなる白金合金触媒を用いることが可能である。これらの触媒は、例えばカーボン粒子上に担持されて、電解質膜１００上に塗布されている。電解質膜１００と触媒層２００とを合わせて膜・電極接合体２５０とも呼ぶ。膜・電極接合体２５０の外側には、ガス拡散層３００が配置されている。ガス拡散層３００として、カーボン繊維を用いて形成されたカーボン不織布やカーボンペーパーを用いることが可能である。ガス拡散層３００の外側には、セパレータ４００が配置されている。セパレータ４００は金属製あるいはカーボン製の板状部材であり、燃料ガスと酸化ガスとを分離するために用いられる。シールガスケット５００は膜・電極接合体２５０の外縁を囲うように形成されており、膜・電極接合体２５０を支持すると共に、燃料ガスや酸化ガスのリークを抑制する。シールガスケット５００は、例えば、射出成形により、膜・電極接合体２５０と一体に成形されている。
【００１５】
図３は、電解質膜１００の構造を詳しく説明する説明図である。図面左側がカソード側であり、図面右側がアノード側である。カソード側では、酸化ガス（カソードガス）は、図面上側から下側に流れている。アノード側では、燃料ガス（アノードガス）は、図面下側から上側に流れている。補強層１５０は、電解質膜１００とほぼ平行に配置されている。ここで、補強層１５０は、中央部でクランク状に折れ曲がった形状をしており、補強層１５０の上部はアノード側（図面右側）にシフトし、補強層１５０の下部はカソード側（図面左側）にシフトしている。その結果、酸化ガス入口側におけるカソード側の電解質膜１００の厚みＬ１は、燃料ガス出口側におけるアノード側の電解質膜１００の厚みＬ２よりも厚くなっており、燃料ガス入口側におけるアノード側の電解質膜１００の厚みＬ３は、酸化ガス出口側におけるカソード側の電解質膜１００の厚みＬ４よりも厚くなっている。電解質膜１００の厚みが厚い部分は、保水率が高くなる。そのため高温で、無加湿の反応ガスを流しても、反応ガス入口部分の電解質膜１００が乾燥することを防止することが可能となる。その結果、燃料電池１０のドライアップを抑制することが可能となる。
【００１６】
図４は、補強層が埋設された電解質膜の製造工程を説明する説明図である。まず、補強層１５０と枠体６００を準備する。枠体６００の内部は、直方体形状の空洞６０２となっている。なお、枠体６００の側面６０４は、取り外し可能なように構成されている。次に、補強層１５０をクランク状に折り曲げて、枠体６００の内部に配置する（図４（Ａ））。
【００１７】
次に、枠体６００上側から空洞６０２に電解質溶液１０２を充填していく（図４（Ｂ））。電解質溶液１０２は、電解質膜１００を形成する樹脂材料を溶媒に溶かしたものである。ここで、樹脂材料としては、例えば、パーフルオロスルホン酸ポリマなどのフッ素系樹脂や炭化水素系樹脂を用いることができ、溶媒としては、例えば、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、ジメチルアセトアミド（ＤＭＡＣ）、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、メタノール・エタノール等のアルコール、アセトン等のケトン、エステルや、これらの混合液を用いることができる。なお、樹脂材料や溶媒はこれらに限られない。なお、空洞６０２に電解質溶液１０２を少し充填した後、補強層１５０を空洞６０２に配置してもよい。これにより、補給層１５０を内部に埋没させた電解質膜１００を製造することが可能となる。
【００１８】
空洞６０２の上まで電解質溶液１０２を充填した後（図４（Ｃ））、枠体６００の上部に蓋６０６を配置する。次に、側面６０４が上にくるように、枠体６００を回転させる（図４（Ｄ））。次に、側面６０４を取り外し、溶媒を乾燥させる。これにより、補強層１５０が内部に配置された電解質膜１００を得ることが可能となる。
【００１９】
以上、本実施例によれば、反応ガス入口部における電解質膜１００の厚みは、反応ガス出口部における電解質膜１００の厚みよりも厚くなっている。電解質膜１００の厚みが厚い部分は、保水率が高くなる。そのため高温で、無加湿の反応ガスを流した場合であっても、電解質膜１００の乾燥を抑制することが可能となる。そのため、燃料電池１０のドライアップを抑制することが可能となる。
【００２０】
図５は、本実施例の電解質膜と比較例の電解質膜を用いた燃料電池の運転温度とセル電圧の関係を示すグラフである。図５において、横軸が燃料電池１０の運転温度であり、縦軸がセル電圧である。比較例は、補強層１５０を電解質膜１００の中央部に配置したものであり、反応ガス入口部における電解質膜の厚みは、反応ガス出口部における電解質膜の厚みと同じになっている。低温で燃料電池１０を運転している場合には、実施例も比較例もセル電圧はほぼ同じである。しかし、高温で燃料電池１０を運転している場合では、実施例の方が、比較例よりも、セル電圧の落ち込む温度が高い。これは、比較例では、高温で電解質膜が乾燥し、ドライアップが生じるので、燃料電池のセル電圧が落ちる。一方、実施例では、高温でも電解質膜１００が乾燥し難いので、燃料電池１０のドライアップが生じにくい。その結果、燃料電池１０のセル電圧が落ち込み難い。
【００２１】
このように、本実施例よれば、電解質膜１００が乾燥し難いので燃料電池のドライアップを抑制し易い、その結果、高温でも燃料電池１０のセル電圧の落ち込みを抑制することが可能となる。
【００２２】
第２の実施例：
図６は、本発明の第２の実施例に係る電解質膜の構成を示す説明図である。本実施例では、補強層１５０は、他の部分よりも通水抵抗の低い低通水抵抗部１５２を有している。なお、低通水抵抗部１５２は様々な形状で構成することが可能である。例えば、補強層１５０に孔を開けたり、補強層１５０を薄くしたりすることにより、低通水抵抗部１５２を形成することが可能である。また、補強層１５０を複数並べて配置し、隣接する補強層１５０の境界の空隙を低通水抵抗部１５２としてもよい。この低通水抵抗部１５２により、例えば、電解質膜アノードガス出口部分から電解質膜１００のカソードガス入口部への水分の移動を促進することが可能となる。これにより、高温で、無加湿の反応ガスを流しても、カソードガス入口部の乾燥を防ぐことが可能となる。その結果、燃料電池１０のドライアップを抑制することが可能となる。なお、アノードガス入口部についても同様に、カソードガス出口部からの水分の移動が促進されるので、アノードガス入口部の乾燥を防ぐことが可能となる。なお、本実施例では、図面上部にある補強層１５０と、下部にある補強層１５０とは離れて配置されているが、第１の実施例のように、クランク状に折れ曲がった形状で接続されていてもよい。
【００２３】
第３の実施例：
図７は、本発明の第３の実施例に係る電解質膜の構成を示す説明図である。本実施例では、第１の実施例と比較すると、補強層１５０には折れ曲がりが多数形成されており、補強層１５０は、多段の階段形状をしている。補強層１５０をこのような形状に形成すると、階段の段毎に、電解質膜の厚み、すなわち電解質体積を最適化することが可能となる。本実施例では、反応ガスの入口部に近いほど、電解質膜１００の厚みが厚くなっており、電解質膜１００の保水率が高くなっている。一方、電解質膜１００には、高温、無加湿の反応ガスが供給されるため、電解質膜１００は、反応ガスの入口部に近い部分ほど乾燥し易くなっている。本実施例では、電解質膜１００の乾燥しやすい部分における電解質膜１００の保水率が高いため、電解質膜１００の部分的な乾燥を抑制することが可能となる。これにより、燃料電池１０のドライアップを抑制することが可能となる。
【００２４】
第４の実施例：
図８は、本発明の第４の実施例に係る電解質膜の構成を示す説明図である。本実施例は、第３の実施例における補強層１５０の折れ曲がり部分を削除し、補強層１５０が、複数の補強層１５０に分離して形成されているものである。こうすると、２つの補強層１５０の境界部において、水分の移動が促進されるので、反応ガスの入口部における電解質膜１００乾燥を防ぎ、燃料電池のドライアップを抑制することが可能となる。
【００２５】
第５の実施例：
図９は、本発明の第５の実施例に係る電解質膜の構成を示す説明図である。本実施例では、補強層１５０の法線１５８が、電解質膜１００の法線１０４に対して斜めになるように、平面状の補強層１５０が配置されている。このように補強層１５０を配置すると、電解質膜１００の厚みを、連続的に変化させることが可能となる。これにより、保水率を連続して変化させることが出来るため、電解質膜の部分的な乾燥をさらに抑制することが可能となる。なお、第５の実施例においても、第２の実施例と同様に、低通水抵抗部１５２を設けるように構成してもよい。これにより、水分の移動を促進し、電解質膜１００の乾燥を抑制することが可能となる。
【００２６】
図１０は、第５の実施例に係る電解質膜の製造工程を説明する説明図である。まず、基板７００を準備する。基板７００としては、例えばガラス基板を用いることが可能である。基板７００に枠体７１０を配置し、基板７００を傾ける（図１０（Ａ））。なお、枠体７１０は、中空直方体の上面と下面を除いた形状をしている。次に、枠体７１０の内部に電解質溶液１０２を充填する。ある程度、電解質溶液１０２を充填した後（図１０（Ｂ））、電解質溶液１０２の上に補強層１５０を配置する（図１０（Ｃ））。次に、基板７００の傾きを元に戻す（図１０（Ｄ））。なお、このとき、補強層１５０の上に電解質溶液１０２を少しかぶせた後、基板７００の傾きを元に戻してもよい。電解質溶液１０２をかぶせずに基板の傾きを元に戻すと、補強層１５０が傾くため、下方（図面では右方）に移動する恐れがあるが、電解質溶液１０２をかぶせることにより、この移動を抑制することが可能となる。次に、電解質溶液１０２をさらに充填して、補強層１５０を埋没させる（図１０（Ｅ））。その後、溶媒を乾燥させることにより、補給層１５０を内部に埋没させた電解質膜１００を製造することが可能となる。なお、本工程による電解質膜１００の製造は、実施例２、４における電解質膜の製造にも適用することが可能である。
【００２７】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１の実施例に係る燃料電池の外観を示す斜視図である。
【図２】発電ユニット２０の断面図である。
【図３】電解質膜１００の構造を詳しく説明する説明図である。
【図４】補強層が埋設された電解質膜の製造工程を説明する説明図である。
【図５】本実施例の電解質膜と比較例の電解質膜を用いた燃料電池の運転温度とセル電圧の関係を示すグラフである。
【図６】本発明の第２の実施例に係る電解質膜の構成を示す説明図である。
【図７】本発明の第３の実施例に係る電解質膜の構成を示す説明図である。
【図８】本発明の第４の実施例に係る電解質膜の構成を示す説明図である。
【図９】本発明の第５の実施例に係る電解質膜の構成を示す説明図である。
【図１０】第５の実施例に係る電解質膜の製造工程を説明する説明図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０…燃料電池
２０…発電ユニット
３０…エンドプレート
４０…マニホールド
１００…電解質膜
１０２…電解質溶液
１０４…法線
１５０…補強層
１５２…低通水抵抗部
１５８…法線
２００…触媒層
２５０…電極接合体
３００…ガス拡散層
４００…セパレータ
５００…シールガスケット
６００…枠体
６０２…空洞
６０４…側面
６０６…蓋
７００…基板
７１０…枠体
【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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【図９】
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【図１０】
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