(57)【要約】【課題】一方の電極から他方の電極へ濃度勾配による水の移動を行い易くし、湿度交換を促進することによって、出力性能が高い燃料電池を提供することを目的とする。【解決手段】プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜と、前記燃料ガスが流れる燃料ガス流路と、前記電気化学反応を促進するための触媒を含むアノード側触媒層とを有するアノード電極と、前記酸化ガスが流れる酸化ガス流路と、前記電気化学反応を促進するための触媒を含むカソード側触媒層とを有するカソード電極と、前記電解質膜を挟んで、前記燃料ガス流路と前記酸化ガス流路の内の一方のガス流路の下流部と、他方のガス流路の上流部に対応し、一方の電極から他方の電極へ水分を移動させる加湿部と、を備え、前記電解質膜は、前記加湿部に挟まれる所定領域が該所定領域以外の領域よりも水蒸気透過性が高く設定される。【選択図】図２
2010015899.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池であって、
プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面に設けられたアノード電極であって、前記燃料ガスが流れる燃料ガス流路と、前記電気化学反応を促進するための触媒を含むアノード側触媒層とを有するアノード電極と、
前記電解質膜の他方の面に設けられたカソード電極であって、前記酸化ガスが流れる酸化ガス流路と、前記電気化学反応を促進するための触媒を含むカソード側触媒層とを有するカソード電極と、
前記電解質膜を挟んで、前記燃料ガス流路と前記酸化ガス流路の内の一方のガス流路の下流部と、他方のガス流路の上流部に対応し、一方の電極から他方の電極へ水分を移動させる加湿部と、を備え、
前記電解質膜は、前記加湿部に挟まれる所定領域が該所定領域以外の領域よりも水蒸気透過性が高く設定される、
燃料電池。
【請求項２】
前記電解質膜は、前記所定領域が該所定領域以外の領域よりもＥＷ値の低い膜である、
請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記電解質膜は、前記所定領域以外の領域に該電解質膜の損傷を抑制する補強部を更に有し、前記所定領域には該補強部を有さない、
請求項１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】
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって電気を発生させる燃料電池は、発電効率が高く、排出されるガスがクリーンであるため、環境に対する影響が極めて少ない。そのため、燃料電池は、発電用、低公害の自動車用電源等の様々な用途に期待されている。
【０００３】
燃料電池は、固体高分子電解質膜の乾燥により固体高分子電解質膜への反応ガスの拡散性が低下するため、水分管理が重要である。そこで、反応ガスとしての燃料ガスと酸化ガスの上流部及び下流部の各々に触媒層が形成されていない部位であるカーボン層を加湿部とする燃料電池が開示されている（特許文献１参照。）。この燃料電池は、外部から給水する必要の無い自己加湿型であって、加湿システムが単純でコンパクトな加湿部を有する燃料電池を提供することが可能であると記載されている。
【０００４】
また、ＥＷ値の異なる２種類のイオン交換樹脂膜が連続して配列する固体高分子電解質膜であって、隣接するイオン交換樹脂膜同士の間に双方のイオン交換樹脂の混合した領域が形成される燃料電池が開示されている（特許文献２参照。）。この燃料電池は、１種類のイオン交換樹脂で作った電解質膜と同等の耐久性を備えることが可能であると記載されている。
【０００５】
更に、固体高分子電解質膜や触媒層に補強膜を設ける燃料電池が開示されている（特許文献３から７参照。）。この燃料電池は、固体高分子電解質膜や触媒層の損傷を抑制することが可能であると記載されている。
【特許文献１】特開２００２−２５５８４号公報
【特許文献２】特開２００７−１８９１１号公報
【特許文献３】特開２００５−２２２８９４号公報
【特許文献４】特開２００６−１４７２５７号公報
【特許文献５】特開２００３−８２４８８号公報
【特許文献６】特許第３８０５４９５号公報
【特許文献７】特開２００４−１６５０４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
燃料電池は、固体高分子電解質膜（以下、電解質膜と表記する。）の乾燥により反応ガスの拡散性が低下するため、水分管理が重要である。そこで、反応ガスとしての燃料ガス及び酸化ガスの上流部及び下流部の各々に加湿部を設け、湿度交換をすることが可能な燃料電池が開発されている。しかし、電解質膜は水蒸気透過性が低いため、一方の電極から他方の電極へ濃度勾配による水の移動が行われ難くい。また、電解質膜に補強層を有することによって該電解質膜の損傷を抑制する燃料電池は、補強層の存在により電解質膜の水蒸気透過性が低くなり、一方の電極から他方の電極へ濃度勾配による水の移動が行われ難い。従って、従来の燃料電池は、湿度交換が行われ難いため、出力性能が低下するという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明は、上記した問題に鑑み、一方の電極から他方の電極へ濃度勾配による水の移動を行い易くし、湿度交換を促進することによって、出力性能が高い燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記した課題を解決するために、電解質膜が加湿部に挟まれる所定領域の水蒸気透過性を工夫した。これにより、濃度勾配による水の移動を行い易くすることが可能である。
【０００９】
詳細には、本発明は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池であって、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に設けられたアノード電極であって、前記燃料ガスが流れる燃料ガス流路と、前記電気化学反応を促進するための触媒を含むアノード側触媒層とを有するアノード電極と、前記電解質膜の他方の面に設けられたカソード電極であって、前記酸化ガスが流れる酸化ガス流路と、前記電気化学反応を促進するための触媒を含むカソード側触媒層とを有するカソード電極と、前記電解質膜を挟んで、前記燃料ガス流路と前記酸化ガス流路の内の一方のガス流路の下流部と、他方のガス流路の上流部に対応し、一方の電極から他方の電極へ水分を移動させる加湿部と、を備え、前記電解質膜は、前記加湿部に挟まれる所定領域が該所定領域以外の領域よりも水蒸気透過性の高い膜である。
【００１０】
本発明の燃料電池において、アノード電極が有する燃料ガス流路の上流部とカソード電極が有する酸化ガス流路の上流部は、ガスが流入する部分であるため乾燥し易い。一方、アノード電極が有する燃料ガス流路の下流部とカソード電極が有する酸化ガス流路の下流部は、ガスが流入する部分から遠い位置にあるため乾燥し難く、湿潤している。また、カソード電極が有する酸化ガス流路の下流部は、電気化学反応によって水が生成されるため、より湿潤している。従って、本発明の燃料電池は、加湿部が、燃料ガス流路と酸化ガス流路の内の一方のガス流路の下流部と、他方のガス流路の上流部に対応し、電解質膜を挟んで配置されていることから、湿潤しているガス流路の下流部から乾燥しているガス流路の上流部へ、濃度勾配による水の移動を行うことによって湿度交換を行うことが可能である。
【００１１】
また、電解質膜の加湿部に挟まれる所定領域は、一方のガス流路の下流部に対応する加湿部から他方のガス流路の上流部に対応する加湿部へ水が移動する領域である。本発明の燃料電池に係る電解質膜は、加湿部に挟まれる所定領域が該所定領域以外の領域よりも水蒸気透過性が高く設定されるため、一方のガス流路の下流部に対応する加湿部から他方のガス流路の上流部に対応する加湿部へ水の移動が行われやすい。従って、本発明の燃料電池は、上述した電解質膜を用いることにより、一方の電極から他方の電極へ濃度勾配による水の移動を行い易くし、湿度交換を促進することが可能である。尚、所定領域以外の領域は所定領域よりも水蒸気透過性が低く設定される。本発明の燃料電池は、電解質膜の水蒸気透過性を、水が移動する加湿部に挟まれる所定領域のみ高く設定し、それ以外の領域は低く設定することによって、燃料ガスがアノード電極から電解質膜を透過しカソード電極へ移動し、燃料ガスと酸化ガスが直接反応してしまうことによって出力性能を下げるクロスオーバー現象を抑制することが可能である。以上により、本発明の燃料電池は、出力性能が高い燃料電池を提供することが可能である。
【００１２】
ここで本発明において、前記電解質膜は、前記所定領域が該所定領域以外の領域よりもＥＷ値の低い膜でもよい。ＥＷ値とはイオン交換基当量のことであり、ＥＷ値の高い電解質膜は低イオン伝導性であり、ＥＷ値の低い電解質膜は高イオン伝導性である。電解質膜は、加湿部に挟まれる所定領域が該所定領域以外よりもＥＷ値の低い膜を用いることにより、該所定領域は高イオン伝導性となり、該所定領域以外の領域は低イオン伝導性となる。また、電解質膜の所定領域はＥＷ値が低いことから、所定領域のクラスター径が大きくなり、水の移動が行われ易くなる。その結果、一方のガス流路の下流部に対応する加湿部から他方のガス流路の上流部に対応する加湿部へ水の移動が行われ易いため、一方の電極
から他方の電極へ濃度勾配による水の移動が行われ易く、湿度交換が促進される。尚、電解質膜の所定領域以外の領域はＥＷ値が高いことから、所定領域以外の領域はクラスター径が小さくなり、アノード電極からカソード電極へ水及び燃料ガスが透過し難い。本発明の燃料電池は、ＥＷ値を、水が移動する加湿部に挟まれる所定領域のみ低く設定し、それ以外の領域は高く設定することによって、クロスオーバー現象を抑制することが可能である。以上により、本発明の燃料電池は、出力性能が高い燃料電池を提供することが可能である。
【００１３】
ここで本発明において、前記電解質膜は、前記所定領域以外の領域に該電解質膜の損傷を抑制する補強部を更に有し、前記所定領域には該補強部を有さなくてもよい。電解質膜が補強部を有する領域は、補強部の存在により水の移動が行われ難く、水蒸気透過性が低くなる。従って、本発明の燃料電池は、水が移動する加湿部に挟まれる所定領域には補強部を有さず、該所定領域以外に補強部を有することによって、電解質膜の損傷を抑制する効果を無くさずに、一方の電極から他方の電極へ濃度勾配による水の移動を行い易くし、湿度交換を促進することによって、出力性能が高い燃料電池を提供することが可能である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、一方の電極から他方の電極へ濃度勾配による水の移動を行い易くし、湿度交換を促進することによって、出力性能が高い燃料電池を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
ここで、本発明の実施例に係る燃料電池について、図面に基づいて説明する。以下に示す実施例は例示であり、本発明はこれらに限定されるものではない。また、本発明の実施例に係る燃料電池の形態は、カウンターフロー式を用いるものとする。
【実施例１】
【００１６】
図１は、本発明の実施例１に係る燃料電池において、加湿部５に挟まれる電解質膜２の所定領域２１が該所定領域以外の領域２２よりもＥＷ値が低い膜である電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）１の断面図である。本発明の実施例１に係る燃料電池は、図１に示すように、燃料ガスが供給されるアノード電極３と、酸化ガスが供給されるカソード電極４と、一方の電極から他方の電極へ水を移動させる加湿部５と、プロトン伝導性を有する電解質膜２を主な構成とする。
【００１７】
先ず、アノード電極３について説明する。図１に示すように、アノード電極３は、電解質膜２の下面と接触して設けられる。アノード電極３は、燃料ガスが流れる燃料ガス流路３２と、電気化学反応を促進するための触媒を含むアノード側触媒層３１とを有する。
【００１８】
次に、カソード電極４について説明する。図１に示すように、カソード電極４は、電解質膜２の上面と接触して設けられる。カソード電極４は、酸化ガスが供給される酸化ガス流路４２と、電気化学反応を促進するための触媒を含むカソード側触媒層４１とを有する。
【００１９】
加湿部５について説明する。図１に示すように、加湿部５は、燃料ガス流路３２の上流部と下流部に対応するアノード側触媒層３１の端部と、酸化ガス流路４２の上流部と下流部に対応するカソード側触媒層４１の端部に設けられる。具体的に説明すると、加湿部５は、燃料ガス流路３２の下流部に対応する加湿部５１と、酸化ガス流路４２の上流部に対応する加湿部５２と、酸化ガス流路４２の下流部に対応する加湿部５３と、燃料ガス流路３２の上流部に対応する加湿部５４と、を有する。また、燃料ガス流路３２の下流部に対
応する加湿部５１は、酸化ガス流路４２の上流部に対応する加湿部５２と電解質膜２を挟んで相対し、酸化ガス流路４２の下流部に対応する加湿部５３は、燃料ガス流路３２の上流部に対応する加湿部５４と電解質膜２を挟んで相対する。従って、本発明の実施例１に係る燃料電池の形態はカウンターフロー型をしている。尚、本発明の実施例１に係る燃料電池は、必ずしもアノード側触媒層３１とカソード側触媒層４１の端部に加湿部５を設けなければいけないわけではなく、燃料ガス流路３２と酸化ガス流路４２の内の一方のガス流路の下流部と、他方のガス流路の上流部に対応する位置に加湿部５を設ければよい。
【００２０】
電解質膜２について説明する。図１に示すように、電解質膜２は、上面にカソード電極４を、下面にアノード電極３を有する。電解質膜２は、燃料ガスと酸化ガスが直接反応しないように、これらを隔離し、アノード電極３に供給される燃料ガスの水素イオンをカソード電極４まで運ぶ。
【００２１】
また、電解質膜２は、加湿部５に挟まれる所定領域２１が、該所定領域以外の領域２２よりもＥＷ値の低い膜である。ＥＷ値とはイオン交換基当量のことであり、ＥＷ値の高い電解質膜２は低イオン伝導性であり、ＥＷ値の低い電解質膜２は高イオン伝導性である。従って、電解質膜２は、加湿部５に挟まれる所定領域２１は高イオン伝導性となり、該所定領域以外の領域２２は低イオン伝導性となる。
【００２２】
図２は、本発明の実施例１に係る燃料電池において、加湿部５に挟まれる電解質膜２の所定領域２１が該所定領域以外の領域２２よりもＥＷ値が低い膜である電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）１における水６の移動を示す模式図である。図１及び図２に示すように、本発明の実施例１に係る燃料電池において、アノード電極３の燃料ガス流路３２の上流部と、カソード電極４の酸化ガス流路４２の上流部は、ガスを流入する部位であるため乾燥し易い。一方、アノード電極３の燃料ガス流路３２の下流部と、カソード電極４の酸化ガス流路４２の下流部は、ガスを流入する上流部から遠い位置にあるため乾燥し難く、湿潤している。また、カソード電極４が有する酸化ガス流路４２の下流部は、電気化学反応によって水が生成されるため、より湿潤している。従って、本発明の実施例１に係る燃料電池の電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）１は、湿潤している燃料ガス流路３２の下流部に対応する加湿部５１から、乾燥している酸化ガス流路４２の上流部に対応する加湿部５２へ電解質膜２を介して濃度勾配により水６が移動される。同様に、湿潤している酸化ガス流路４２の下流部に対応する加湿部５３から、乾燥している燃料ガス流路３２の上流部に対応する加湿部５４へ電解質膜２を介して、濃度勾配により水６が移動される。従って、アノード電極３とカソード電極４の湿度交換が行われる。
【００２３】
更に、本発明の実施例１に係る燃料電池の電解質膜２は、加湿部５に挟まれる所定領域２１が、該所定領域以外の領域２２よりもＥＷ値の低い膜であるため、該所定領域２２は高イオン伝導性となり、該所定領域以外の領域２２は低イオン伝導性となる。また、電解質膜２の所定領域２１はＥＷ値が低いことから、所定領域２１のクラスター径が大きくなり、水６の移動が行われ易くなる。その結果、図２に示すように、電解質膜２の所定領域２１を介して、加湿部５１から加湿部５２へ、加湿部５３から加湿部５４へ水６の移動が行われ易いため、一方の電極から他方の電極へ濃度勾配による水６の移動が行われ易く、湿度交換が促進される。尚、電解質膜２の所定領域以外の領域２２はＥＷ値が高いことから、所定領域以外の領域２２はクラスター径が小さくなり、アノード電極３から電解質膜２を介しカソード電極４へ水及び燃料ガスが透過し難い。本発明の燃料電池は、ＥＷ値を、水６が移動する加湿部５に挟まれる所定領域２１のみ低く設定し、それ以外の領域２２は高く設定することによって、クロスオーバー現象を抑制することが可能である。以上により、本発明の燃料電池は、出力性能が高い燃料電池を提供することが可能である。
【実施例２】
【００２４】
図３は、本発明の実施例２に係る燃料電池において、電解質膜２が補強部７を有する電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）１の断面図である。本発明の実施例１に係る燃料電池は、図３に示すように、燃料ガスが供給されるアノード電極３と、酸化ガスが供給されるカソード電極４と、一方の電極から他方の電極へ水６を移動させる加湿部５と、プロトン伝導性を有する電解質膜２を主な構成とする。
【００２５】
本発明の実施例２に係る燃料電池において、アノード電極３とカソード電極４と加湿部５は上述した実施例１と同様の構成であり、電解質膜２が実施例１と構成が異なる。アノード電極３とカソード電極４と加湿部５の説明は省略する。電解質膜２は、上面にカソード電極４を、下面にアノード電極３を有する。電解質膜２は、燃料ガスと酸化ガスが直接反応しないように、これらを隔離し、アノード電極３に供給される燃料ガスの水素イオンをカソード電極４まで運ぶ。更に、電解質膜２は、該電解質膜２の損傷を抑制する補強部７を有する。補強部７は、加湿部５に挟まれる所定領域２３には補強部７を有さず、該所定以外の領域２４に補強部７を有する。
【００２６】
図４は、本発明の実施例２に係る燃料電池において、電解質膜２が補強部７を有する電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）１における水６の移動を示す模式図である。上述した実施例１と同様に、本発明の実施例２に係る燃料電池において、アノード電極３の燃料ガス流路３２の上流部と、カソード電極４の酸化ガス流路４２の上流部は、ガスを流入する部位であるため乾燥し易い（図３及び図４参照）。一方、アノード電極３の燃料ガス流路３２の下流部と、カソード電極４の酸化ガス流路４２の下流部は、ガスを流入する上流部から遠い位置にあるため乾燥し難く、湿潤している。また、カソード電極４が有する酸化ガス流路４２の下流部は、電気化学反応によって水が生成されるため、より湿潤している。従って、本発明の実施例２に係る燃料電池の電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）１は、湿潤している燃料ガス流路３２の下流部に対応する加湿部５１から、乾燥している酸化ガス流路４２の上流部に対応する加湿部５２へ電解質膜２を介して濃度勾配により水６が移動される。同様に、湿潤している酸化ガス流路４２の下流部に対応する加湿部５３から、乾燥している燃料ガス流路３２の上流部に対応する加湿部５４へ電解質膜２を介して、濃度勾配により水６が移動される。従って、アノード電極３とカソード電極４の湿度交換が行われる。
【００２７】
更に、本発明の実施例２に係る燃料電池の電解質膜２は、加湿部５に挟まれる所定領域２３には補強部７を有さず、該所定領域以外の領域２４には補強部７を有する構成である。電解質膜２の所定領域２３は、相対する加湿部５の水６の移動が行われる領域である。従って、本発明の実施例２に係る燃料電池は、水６が移動する加湿部５に挟まれる所定領域２３には補強部７を有さず、該所定領域以外の領域２４に補強部７を有することによって、電解質膜２の損傷を抑制する効果を無くさずに、一方の電極から他方の電極へ濃度勾配による水６の移動を行い易くし、湿度交換を促進することによって、出力性能が高い燃料電池を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施例１に係る燃料電池において、加湿部に挟まれる電解質膜の所定領域が該所定領域以外の領域よりもＥＷ値が低い膜である電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）の断面図である。
【図２】本発明の実施例１に係る燃料電池において、加湿部に挟まれる電解質膜の所定領域が該所定領域以外の領域よりもＥＷ値が低い膜である電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）における水の移動を示す模式図である。
【図３】本発明の実施例２に係る燃料電池において、電解質膜が補強部を有する電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）の断面図である。
【図４】本発明の実施例２に係る燃料電池において、電解質膜が補強部を有する電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）における水の移動を示す模式図である。
【符号の説明】
【００２９】
１・・・電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）
２・・・電解質膜
３・・・アノード電極
３１・・・アノード側触媒層
３２・・・燃料ガス流路
４・・・カソード電極
４１・・・カソード側触媒層
４２・・・酸化ガス流路
５・・・加湿部
６・・・水
７・・・補強部
【図１】
2010015899.tif 000003
【図２】
2010015899.tif 000004
【図３】
2010015899.tif 000005
【図４】
2010015899.tif 000006