(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜をカソード側電極とアノード側電極で挟んで構成される燃料電池構造体と、前記燃料電池構造体を挟持するセパレータとを交互に積層する燃料電池において、
前記固体高分子電解質膜の内部に設けられ、加湿用水を通流させるとともに前記加湿用水を該固体高分子電解質膜内に拡散させるための水通路と、
前記セパレータに形成された水供給路から前記水通路に前記加湿用水を導入する水導入手段と、
前記固体高分子電解質膜が加湿されて膨潤することにより前記水通路または前記水供給路を閉塞自在な作動部と、
を備え、
前記水導入手段は、前記水供給路から前記水通路に差し込まれる中空状でかつ先端が多孔質な針部材を備えることを特徴とする固体高分子電解質膜の加湿量制御装置。
【請求項２】
固体高分子電解質膜をカソード側電極とアノード側電極で挟んで構成される燃料電池構造体と、前記燃料電池構造体を挟持するセパレータとを交互に積層する燃料電池において、
前記固体高分子電解質膜の内部に設けられ、加湿用水を通流させるとともに前記加湿用水を該固体高分子電解質膜内に拡散させるための水通路と、
前記セパレータに形成された水供給路から前記水通路に前記加湿用水を導入する水導入手段と、
前記固体高分子電解質膜が加湿されて膨潤することにより前記水通路を閉塞自在な作動部と、
を備え、
前記作動部は、前記固体高分子電解質膜の内部に設けられた水通路側に突出する突起部を備えることを特徴とする固体高分子電解質膜の加湿量制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池を構成する固体高分子電解質膜を加湿するための固体高分子電解質膜の加湿量制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質膜型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質とこの電解質の両側にそれぞれ配置される触媒電極および多孔質カーボン電極とからなる燃料電池構造体（単位セル）をセパレータによって挟持して複数個積層することにより構成される。
【０００３】
この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された水素（燃料ガス）は、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、酸素ガスあるいは空気が供給されているために、このカソード側電極において、前記水素イオン、前記電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、高分子イオン交換膜からなる電解質は、イオン透過性を保持するために、十分に加湿させておく必要がある。このため、例えば、特開平６−１９６１８２号公報に開示されているように、固体高分子電解質膜中に水溶性の糸を埋め込んで成形した後、この糸を溶出除去することにより細い通路を設けた固体高分子電解質膜を得る技術が知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、固体高分子電解質膜の加湿量を調節するには、燃料電池の外部に水の供給圧力を変えるためのポンプを設けて、このポンプを制御する必要がある。これにより、ポンプを備えた加湿量制御装置が大型化し、しかも前記ポンプの制御が煩雑なものになるという問題が指摘されている。
【０００６】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、電解質を確実かつ有効に加湿することが可能な固体高分子電解質膜の加湿量制御装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために、本発明は、セパレータに形成された水供給路から固体高分子電解質膜の水通路に加湿用水が供給され、この加湿用水が前記固体高分子電解質膜内に拡散および透過して該固体高分子電解質膜が直接加湿される。そして、固体高分子電解質膜が加湿されて膨潤すると、作動部を介してこの固体高分子電解質膜の水通路またはセパレータの水供給路が閉塞され、該固体高分子電解質膜の加湿量が減少される。これにより、簡単な構成で、固体高分子電解質膜の加湿量を自動的かつ正確に調節することができる。
【０００８】
また、水通路は、固体高分子電解質膜の内部に埋設される水透過性管路で構成され、この管路に水導入手段を構成する針部材が水供給路から差し込まれる。この管路は、中空状でかつ先端が多孔質であるため、水通路への加湿用水の供給が円滑に遂行される。
【０００９】
さらに、作動部は、固体高分子電解質膜の内部に設けられた水通路側に突出する突起部、または水供給路を固体高分子電解質膜側に連通する開口部を備えることができる。これにより、作動部の構成が一挙に簡素化するとともに、燃料電池の外部に設備を設ける必要がない。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１〜図３において、参照数字１０は、第１の実施形態に係る加湿量制御装置を組み込む燃料電池を示す。この燃料電池１０は、固体高分子電解質膜１２（以下、単に電解質膜１２という）を挟んで空気極（カソード側電極）１４と水素極（アノード側電極）１６を対設した燃料電池構造体１８と、この燃料電池構造体１８を挟持するセパレータ２０とを備える。燃料電池構造体１８とセパレータ２０は、一対のエンドプレート２２ａ、２２ｂおよび複数のタイロッド２４により一体的に固定される。
【００１１】
電解質膜１２の内部には、図２および図４に示すように、水平方向に所定間隔ずつ離間して鉛直方向に延在する複数本の水透過性管路（水通路）２６が互いに平行して埋設される。この水透過性管路２６は、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）やポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）やポリふっ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等のふっ素樹脂、ポリ塩化ビニル系ポリマーアロイ（ＰＶＣ／ＣＰＥ）、エチレン・プロピレンゴム（ＥＰＲ＆ＥＰＤＭ）、ミラブル型シリコーンゴム（ＨＴＶ）、またはふっ素系熱可塑性エラストマー（ＴＰＦ）等により形成されている。なお、水透過性管路２６に代替し、電解質膜１２の内部にこの種の樹脂製チューブを埋設した後、これを溶出させて水通路を直接形成することもできる。
【００１２】
図２に示すように、電解質膜１２の上部側には、冷却水排出用孔部１２ａと酸化剤ガス導入用孔部１２ｂと燃料ガス導入用孔部１２ｃとが設けられる一方、その下部側には、燃料ガス排出用孔部１２ｄと酸化剤ガス排出用孔部１２ｅと冷却水導入用孔部１２ｆとが設けられる。
【００１３】
電解質膜１２の両側には、第１および第２ガスケット３０、３２が設けられる。第１ガスケット３０は、水素極１６を収容するための大きな開口部３４を有し、第２ガスケット３２は、空気極１４を収容するための大きな開口部３６を有する。第１および第２ガスケット３０、３２の上部一端側には、冷却水排出用孔部３０ａ、３２ａと酸化剤ガス導入用孔部３０ｂ、３２ｂと燃料ガス導入用孔部３０ｃ、３２ｃとが設けられる一方、これらの下部一端側には、燃料ガス排出用孔部３０ｄ、３２ｄと酸化剤ガス排出用孔部３０ｅ、３２ｅと冷却水導入用孔部３０ｆ、３２ｆとが設けられる。第１ガスケット３０の下部側には、電解質膜１２の各水透過性管路２６の下端位置に対応して複数の孔部３８ａが形成されるとともに、その上部側には、前記水透過性管路２６の上端位置に対応して複数の孔部３８ｂが形成される。
【００１４】
セパレータ２０は、水素極１６側に当接する第１セパレータ部４０と、空気極１４側に当接する第２セパレータ部４２とを備える。第１セパレータ部４０は、第１マニホールド板４６と、この第１マニホールド板４６に形成された比較的大きな開口部４８に嵌合する燃料ガス用整流板５０とを有する（図２および図３参照）。
【００１５】
第１マニホールド板４６は、緻密質カーボンで形成された矩形状平板であり、その上部側には、冷却水排出用孔部４６ａと酸化剤ガス導入用孔部４６ｂと燃料ガス導入用孔部４６ｃとが設けられる。第１マニホールド板４６の下部側には、燃料ガス排出用孔部４６ｄと酸化剤ガス排出用孔部４６ｅと冷却水導入用孔部４６ｆとが設けられる。
【００１６】
孔部４６ｃ、４６ｄは、第１マニホールド板４６の一方（水素極１６側）の面部に形成された切欠４７ａ、４７ｂを介して開口部４８に連通する一方、孔部４６ａ、４６ｆは、この第１マニホールド板４６の他方の面部に形成された切欠４７ｃ、４７ｄを介して前記開口部４８に連通する。
【００１７】
第１マニホールド板４６の下部側面には、電解質膜１２に設けられた各水透過性管路２６に対応して所定間隔ずつ離間する複数の水供給路５２が形成される。図４に示すように、この水供給路５２は、第１マニホールド板４６の下部側面とこの第１マニホールド板４６の下端面とに開口するように屈曲形成される。第１マニホールド板４６の下部側面には、各水供給路５２の水平方向に開口する端部の上方に位置して突起部（作動部）５４が膨出形成される。
【００１８】
水供給路５２の水平方向に開口する端部に、水導入手段５６を構成する針部材５８が嵌合される。この針部材５８は、中空状を有しかつその先端が多孔質に構成されている。電解質膜１２の水透過性管路２６と、水供給路５２と、この水供給路５２に挿入される水導入手段５６と、各水供給路５２の上方に位置し前記水透過性管路２６に対応して設けられた突起部５４とによって、第１の実施形態に係る加湿量制御装置６０が構成される。
【００１９】
図２に示すように、第１マニホールド板４６の上部側面から上端面にわたって水排出路６２が形成されるとともに、この水排出路６２の水平側開口端部には、針部材６４が嵌合する。各水供給路５２および各水排出路６２の鉛直側開口端部には、図示していないが、管路を介し、あるいは直接、水供給タンクおよび水排出タンクが連結されている。
【００２０】
燃料ガス用整流板５０は、水透過性カーボン材で形成されている。燃料ガス用整流板５０の一面部には、水平方向に延在して互いに平行しかつ千鳥状に配置された複数の突起部５０ａが設けられ、これらの突起部５０ａによって鉛直方向に向かって蛇行する第１ガス流路５０ｂが形成される。この燃料ガス用整流板５０の他方の面部には、同様に、複数の突起部５０ｃが水平方向に対して互いに平行しかつ千鳥状に設けられ、第１ガス流路５０ｂと同一の流路構造を有する第１冷却水用流路５０ｄが形成される。
【００２１】
第２セパレータ部４２は、第２マニホールド板６６とこの第２マニホールド板６６の中央に形成された比較的大きな開口部６８に嵌合する酸化剤ガス用整流板７０とを有する。第２マニホールド板６６は、第１マニホールド板４６と略同様に構成されており、その上部側には、冷却水排出用孔部６６ａと酸化剤ガス導入用孔部６６ｂと燃料ガス導入用孔部６６ｃとが設けられる一方、その下部側には、燃料ガス排出用孔部６６ｄと酸化剤ガス排出用孔部６６ｅと冷却水導入用孔部６６ｆとが設けられる。
【００２２】
孔部６６ａ、６６ｆは、第２マニホールド板６６の一方（第１セパレータ部４０側）の面部に形成された切欠７２ａ、７２ｂを介して開口部６８に連通し、孔部６６ｂ、６６ｅは、この第２マニホールド板６６の他方の面部に形成された切欠７２ｃ、７２ｄを介して前記開口部６８に連通する。
【００２３】
酸化剤ガス用整流板７０は、炭素、ステンレス鋼、またはインコネル（商標名）等のニッケル系合金等の耐蝕性を有する導電性金属、導電性ゴムまたは導電性樹脂およびそれらを組み合わせた材料で構成される。この酸化剤ガス用整流板７０の一方の面部には、水平方向に延在して互いに平行しかつ千鳥状に配置された複数の突起部７０ａにより第２ガス流路７０ｂが形成される。この酸化剤ガス用整流板７０の他方の面部には、同様に、水平方向に延在して互いに平行しかつ千鳥状に配置された複数の突起部７０ｃを介して第２冷却水用流路７０ｄが形成される。第２ガス流路７０ｂと第２冷却水用流路７０ｄは、互いに同一の流路構造を有するとともに、互いに反対方向の流れ方向に設定されている。
【００２４】
このように構成される燃料電池１０の動作について、第１の実施形態に係る加湿量制御装置６０との関連で以下に説明する。
【００２５】
酸化剤ガス（酸素ガスや空気）が燃料電池１０に供給されると、この酸化剤ガスは、第１セパレータ部４０を構成する第１マニホールド板４６の孔部４６ｂおよび第２セパレータ部４２を構成する第２マニホールド板６６の孔部６６ｂに供給されるとともに、この孔部６６ｂの切欠７２ｃから酸化剤ガス用整流板７０の第２ガス流路７０ｂに導入される（図３参照）。このため、酸化剤ガスは、第２ガス流路７０ｂに沿って蛇行するように重力方向に流れ、未使用部分が切欠７２ｄから孔部６６ｅに排出される。
【００２６】
燃料ガス（水素ガス）が燃料電池１０に供給されると、この燃料ガスは、第１マニホールド板４６の孔部４６ｃおよび第２マニホールド板６６の孔部６６ｃに供給されるとともに、この孔部４６ｃに連通する切欠４７ａを介して燃料ガス用整流板５０の第１ガス流路５０ｂに導入される。従って、燃料ガスは、第１ガス流路５０ｂに沿って蛇行するように重力方向に流れ、未使用部分が孔部４６ｄから排出される。これにより、燃料電池構造体１８を構成する水素極１６に燃料ガスが供給されるとともに、空気極１４に酸化剤ガスが供給される。
【００２７】
一方、燃料電池１０に供給される冷却水は、第１マニホールド板４６の孔部４６ｆに供給され、その一部が切欠４７ｄから燃料ガス用整流板５０の第１冷却水用流路５０ｄに導入される。このため、冷却水は、燃料ガス用整流板５０の第１冷却水用流路５０ｄと酸化剤ガス用整流板７０の第２冷却水用流路７０ｄの間を蛇行するように重力方向とは逆方向に流れ、第２マニホールド板６６の孔部６６ａに排出される。
【００２８】
ところで、第１の実施形態では、加湿量制御装置６０を介して電解質膜１２の加湿量の調節を自動的に行っている。すなわち、図４および図５に示すように、第１マニホールド板４６の水供給路５２および水排出路６２にそれぞれ針部材５８、６４が挿入されている。この針部材５８、６４の先端部は、第１ガスケット３０に形成された孔部３８ａ、３８ｂを貫通して電解質膜１２に差し込まれ、この電解質膜１２の各水透過性管路２６に臨入する。これにより、水供給路５２が針部材５８を介して水透過性管路２６の下部側に連通する一方、この水透過性管路２６の上部側が針部材６４を介して水排出路６２に連通している。
【００２９】
そこで、水供給路５２に加湿用水が供給されると、この加湿用水は、図５中、矢印に示すように、針部材５８内から電解質膜１２の各水透過性管路２６の下部側に導入され、この水透過性管路２６を透過して前記電解質膜１２の内部に拡散および透過し、該電解質膜１２を加湿する。
【００３０】
電解質膜１２が加湿用水により直接加湿されると、この電解質膜１２自体が膨潤する。その際、電解質膜１２は、第１および第２セパレータ部４０、４２により挟持されているとともに、第１マニホールド板４６には、各水透過性管路２６に対応して前記電解質膜１２側に膨出する突起部５４が形成されている。このため、電解質膜１２が膨潤すると、突起部５４に対応する位置で水透過性管路２６が閉塞され、電解質膜１２内に供給される加湿用水の供給量が制限される。
【００３１】
このように、第１の実施形態では、第１マニホールド板４６に、電解質膜１２内の各水透過性管路２６に対応して作動部としての突起部５４を設けるだけで、前記電解質膜１２を直接加湿する加湿用水の量を、自動的かつ正確に調節することができる。これにより、従来のように、燃料電池１０の外部にポンプを備えた加湿量制御装置を設けるものに比べ、加湿量制御装置６０の構造が一挙に簡素化する。しかも、加湿量制御装置６０が燃料電池１０内に組み込まれるため、該燃料電池１０を組み込む設備全体の小型化が容易に可能になるとともに、製造費の削減が図られるという効果が得られる。
【００３２】
なお、電解質膜１２の加湿量が減少していくと、この電解質膜１２全体の容積が減少する。このため、各水透過性管路２６が突起部５４による押圧状態から開放され、水供給路５２から水排出路６２に向かう加湿用水の流れが生じ、前記電解質膜１２への加湿が再開される。
【００３３】
また、第１の実施形態では、水導入手段５６を構成する針部材５８が、中空状を有しかつ電解質膜１２に差し込まれる先端が多孔質に構成されている。このため、水供給路５２から各水透過性管路２６への加湿用水の供給が、円滑かつ確実に行われるという利点がある。
【００３４】
第２の実施形態に係る加湿量制御装置１００が、図６に示されている。この加湿量制御装置１００は、電解質膜１２の内部に設けられる水透過性管路１０２を備え、この水透過性管路１０２は、電解質膜１２の内部に水平方向および鉛直方向に延在する複数の通路部１０２ａ、１０２ｂを有する。
【００３５】
第１マニホールド板４６の下部側一端に水供給路１０４が形成され、この水供給路１０４の電解質膜１２側に対向する水平開口端部は、この電解質膜１２内に設けられた水透過性管路１０２の下部側端部に対応している。この水供給路１０４の水平開口端部に水導入手段を構成する針部材１０６が挿入され、この針部材１０６の先端は、電解質膜１２に差し込まれて水透過性管路１０２内に臨む。針部材１０６の側方に位置し、かつ水透過性管路１０２に対応する位置に、作動部としての突起部１０８が膨出形成される。
【００３６】
第１マニホールド板４６の上部一端側には、同様に水排出路１１０が形成されるとともに、この水排出路１１０の電解質膜１２側に開口する端部は、水透過性管路１０２の上部側端部に対応しており、この開口端部に針部材１１２が挿入される。
【００３７】
このように構成される第２の実施形態に係る加湿量制御装置１００では、水導入手段を構成する単一の針部材１０６が電解質膜１２に差し込まれることにより、この針部材１０６を介して水供給路１０４から前記電解質膜１２内部の水透過性管路１０２に加湿用水が供給される。そして、この加湿用水は、水透過性管路１０２を構成する複数の通路部１０２ａ、１０２ｂを通って、電解質膜１２を加湿するとともに、余剰部分が水排出路１１０から外部に排出される。
【００３８】
電解質膜１２が十分に加湿されて膨潤すると、水供給路１０４に近接して設けられている突起部１０８に対応する部分で水透過性管路１０２が閉塞される。これにより、電解質膜１２の内部に供給される加湿用水の量が自動的に制御される。
【００３９】
従って、第２の実施形態では、単一の水供給路１０４から電解質膜１２の内部に加湿用水を供給することができるとともに、作動部として単一の突起部１０８を備えるだけでよく、加湿量制御装置１００全体の構造が一層簡素化するという効果が得られる。
【００４０】
図７には、第３の実施形態に係る加湿量制御装置１２０が示されている。この加湿量制御装置１２０は、電解質膜１２の内部に設けられる水透過性管路１２２を備え、この水透過性管路１２２は、前述した第１の実施形態に係る加湿量制御装置６０の水透過性管路２６、あるいは第２の実施形態に係る加湿量制御装置１００の水透過性管路１０２と同様に構成されている。
【００４１】
第１マニホールド板４６には、水供給路を構成する管路１２４が装着され、この管路１２４の端部に針部材１２６が連通して挿入される。第１マニホールド板４６と電解質膜１２の間に介装される第１ガスケット３０には、管路１２４側と前記電解質膜１２側とを連通するための開口部１２８が形成される。
【００４２】
このように構成される第３の実施形態に係る加湿量制御装置１２０では、管路１２４から針部材１２６を介して電解質膜１２の水透過性管路１２２に加湿用水が供給され、この電解質膜１２の加湿が行われる。一方、電解質膜１２が十分に加湿されて膨潤すると、第１ガスケット３０の開口部１２８から管路１２４側に該電解質膜１２が膨出し、この管路１２４が閉塞される（図７中、二点鎖線参照）。これによって、管路１２４から水透過性管路１２２への加湿用水の供給が制限され、電解質膜１２の加湿量の調節作業が容易かつ自動的に遂行されるという効果が得られる。
【００４３】
なお、第１〜第３の実施形態では、第１マニホールド板４０側に加湿量制御装置６０、１００および１２０が構成されているが、これに代替して第２マニホールド板６６側に設けてもよい。
【００４４】
【発明の効果】
本発明に係る固体高分子電解質膜の加湿量制御装置では、固体高分子電解質膜の内部に形成された水通路に加湿用水が直接導入されることにより、この固体高分子電解質膜が加湿される一方、前記固体高分子電解質膜が十分に加湿されて膨潤すると、セパレータに設けられた作動部を介して前記加湿用水の供給量が調節される。これにより、燃料電池の外部に加湿量制御装置を設ける必要がなく、簡単かつ安価な構成で、固体高分子電解質膜の加湿量を自動的に、しかも正確に調節することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る加湿量制御装置が組み込まれる燃料電池の概略斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池の一部分解斜視説明図である。
【図３】前記燃料電池の縦断面図である。
【図４】前記加湿量制御装置の分解斜視説明図である。
【図５】前記加湿量制御装置の動作説明図である。
【図６】第２の実施形態に係る加湿量制御装置の斜視説明図である。
【図７】第３の実施形態に係る加湿量制御装置の縦断面説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池                  １２…電解質膜
１４…空気極                    １６…水素極
１８…燃料電池構造体            ２０…セパレータ
２６…水透過性管路              ４０、４２…セパレータ部
４６…マニホールド板            ５２…水供給路
５４…突起部                    ５６…水導入手段
５８、１０６、１２６…針部材    ６０、１００、１２０…加湿量制御装置
【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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