(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極と酸化剤極との間に固体電解質膜を配したセルと、前記燃料極側に設けられた燃料室と、前記酸化剤極側に設けられた酸化剤室と、前記燃料室に接続され、前記燃料室に燃料ガスを供給する燃料供給管と、前記酸化剤室に接続され、前記酸化剤室に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給管とからなる固体高分子型燃料電池において、
前記固体電解質膜の一部を前記燃料極と前記酸化剤極によって挟まずに、片面が前記燃料室、他面が前記酸化剤室に露出し、燃料ガスの一部と酸化剤ガスの一部とを直接燃焼反応させる燃焼部を備え、
前記燃焼部にて燃焼反応で生成された水を前記固体電解質膜に供給して、前記固体電解質膜を湿潤せしめることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
前記燃焼部の少なくとも一部に、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスの通過を許容するガス透過部を形成し、前記ガス透過部において前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとをクロスリークさせて燃焼反応を生じせしめ、生成された水によって前記固体電解質膜を湿潤せしめる請求項１記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
前記固体電解質膜は、厚さ１０μｍ以上７０μｍ以下である請求項１または２記載の固体高分子型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子型燃料電池に用いられる固体電解質膜の湿潤に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池(10)は、図５に示すように、イオン導電性であってプロトンを移動させる固体電解質膜(12)を具えており、該固体電解質膜(12)の両面に電極(燃料極(14)と酸化剤極(16))が形成されたセル(18)を構成し、該セルの燃料極側に燃料室(20)を設け、セルの酸化剤極側に酸化剤室(22)を設けて、ユニット化している。
ユニットの燃料室(20)にはメタンガス、都市ガスなどを改質した水素リッチ燃料ガスが供給され、酸化剤室(22)には空気などの酸素を含む酸化剤ガスが供給される。燃料極(14)では、燃料ガス中の水素ガスがＨ2→２Ｈ+＋２ｅ-の反応によってプロトンと電子が生成される。プロトンは固体電解質膜(12)を通って酸化剤極(16)に向かい、電子は外部回路(24)に流れる。酸化剤極(16)では、酸化剤ガス中の酸素、固体電解質膜(12)を通って移動したプロトン、及び外部回路(24)を通って流入した電子が、１／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏの反応により、水を生じると共に、起電力を発生する。
【０００３】
固体電解質膜(12)は、一般にパーフルオロカーボンスルホン酸、スチレン−ジビニルベンゼンスルホン酸などの電解質材料から形成される。この種電解質材料のイオン伝導率は、一例を図６に示すように、雰囲気中の水分濃度に大きく左右されており、固体電解質膜が乾燥している状態では抵抗が大きく、電池として作動させるには適当ではない。そこで、従来は、図５に示す如く、燃料ガス又は酸化剤ガスの供給管(26)(28)の一方に加湿装置(90)を設け、燃料室(20)に供給される燃料ガスの加湿を行なって、固体電解質膜(12)を湿潤させ、導電性を向上させる方法が採られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
加湿装置(90)としては、水を加熱して水蒸気化させ、セルに供給される燃料ガス又は酸化剤ガス中に水蒸気を混合するタイプの加湿装置が知られている。この種加湿装置には、加熱のためのエネルギーを供給する必要があり、このエネルギーを電池や外部エネルギー源から得ているため、発電効率の低下に繋がっていた。また、加湿装置(90)に定期的に水を補給する必要があって手間がかかり、さらに、気化した水が配管中で再度液化しないように、加湿装置(90)から下流側の配管は保温しなければならず、加えて、加湿装置(90)と保温手段(92)を制御する必要もあった。また、加湿装置(90)を設けるとシステムの大型化してしまう問題もあった。
特に、固体高分子型燃料電池(10)をエネルギー源とする加湿装置(90)を採用している場合、固体電解質膜(12)が乾燥状態にある電池起動時には、電池自体の発電量も小さいため加湿装置(90)の作動効率も低い。この結果、瞬時に十分な固体電解質膜(12)の湿潤を行なうことができない。固体電解質膜(12)を湿潤させて、所望の発電量を確保するには、起動開始から数分程度の時間が必要であった。また、外部エネルギー源を利用する加湿装置(90)の場合でも、固体高分子型燃料電池の起動時から固体電解質膜(12)を湿潤させることは困難であり、電池起動時から固体電解質膜(12)を湿潤させるには、電池の起動前に予め加湿装置(90)を作動させておく必要があった。
【０００５】
上記課題に対処するため、加湿にエネルギーを必要とせず、固体電解質膜(12)を瞬時に湿潤させることができ、且つ起動時から十分な発電量を得ることのできる固体高分子型燃料電池の開発が望まれている。
【０００６】
本発明の目的は、電池起動時から瞬時に固体電解質膜の湿潤を行なうことができ、外部から固体電解質膜を潤湿させるのための水は供給しなくてもよい固体高分子型燃料電池を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の固体高分子型燃料電池は、電池（１０）に供給される燃料ガスの一部と、酸化剤ガスの一部を直接燃焼反応させて、燃焼反応により生成された水で固体電解質膜（１２）を湿潤せしめるものである。
具体的には、固体電解質膜（１２）上に燃料ガスと酸化剤ガスの一部を直接に接触させて燃焼反応させる燃焼部（３０）を設け、燃焼反応により生成された水を固体電解質膜（１２）に供給して湿潤させる。
固体電解質膜（１２）を効率的に湿潤させるには、固体電解質膜の膜厚は薄い方が適しており、１０μｍ以上、７０μｍ以下とすることが望ましい。
【０００８】
燃焼反応により水を生成する燃焼部(30)として、以下の各構造を挙げることができる。
燃焼部(30)は、例えば、固体電解質膜(12)の一部を、燃料極(14)と酸化剤極(16)によって挟まずに、片面を燃料室(20)、他面を酸化剤室(22)に露出させて、該露出部(32)にて燃料ガスと酸化剤ガスをクロスリークさせて、固体電解質膜の露出部(32)又はその近傍で燃焼反応させ、水を生成して、固体電解質膜(12)を湿潤させる構成とすることができる。
【０００９】
また、前記露出部(32)の少なくとも一部に、燃料ガスと酸化剤ガスの通過を許容するガス透過部(34)を形成して、該ガス透過部(34)を通ってガスをクロスリークさせて燃焼反応させる構成としてもよい。
【００１２】
【作用及び効果】
本発明の固体高分子型燃料電池(10)によれば、燃料ガスの一部と酸化剤ガスの一部を燃焼反応させて水を生成し、生成された水を用いて固体電解質膜(12)の湿潤を行なうことができるから、作動にエネルギー供給しなければならない加湿装置(90)を不要とすることができる。加湿装置及びその制御手段を設けなくてよいから、固体高分子型燃料電池(10)の小型化及び高効率化を達成できる。
さらに、水素と酸素を燃焼反応させると、瞬時に水が生成されるため、電池起動時における固体電解質膜(12)の湿潤に特に効果的である。
【００１３】
固体電解質膜(12)に露出部(32)を形成したり、該露出部にガス透過部(34)を形成して、燃焼反応を生じさせた場合、生成された水を直接固体電解質膜(12)の湿潤に用いることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の固体高分子型燃料電池(10)は、図１乃至図４に示すように、固体電解質膜(12)の片面に燃料極(14)、他面に酸化剤極(16)を形成したセル(18)を、燃料極側の燃料室(20)と、酸化剤極側の酸化剤室(22)の間に設けている。なお、従来技術に挙げた固体高分子型燃料電池(図５参照)と同一符号を付した部材、及び起電力の発生プロセスについては同じであり、重複する部分の説明は適宜省略する。
【００１７】
本発明の固体高分子型燃料電池(10)は、図１乃至図４に示すように、従来のようなエネルギーを必要とする加湿装置(90)(図５参照)を具えておらず、燃料ガスと酸化剤ガスを燃焼反応させて、水を生成する燃焼部(30)を具えており、燃焼部(30)にて生成された水が固体電解質膜(12)の湿潤に用いられる。燃焼部(30)の例として、固体電解質膜をガス透過性としたもの、未反応排ガスを利用したもの、供給ガスの一部を燃焼反応させるものについて、順に説明する。
【００１８】
固体電解質膜をガス透過性にした実施例
図１は、固体電解質膜（１２）の一部を、燃料極（１４）及び酸化剤極（１６）で挟まずに、露出させて、露出部（３２）でガスをクロスリークさせた実施例である。固体電解質膜（１２）の露出部（３２）は、電極（１４）（１６）で挟まれた部分の厚さ（約５０μｍ）よりも薄膜化（約１０μｍ以下が望ましい）させて、ガスをクロスリークし易くしている。なお、固体電解質膜（１２）の膜厚と、ガスのリーク量には一定の相関があるため、リーク量を調節するための別途機構を設ける必要はない。
燃料室（２０）に燃料ガス、酸化剤室（２２）に酸化剤ガスを供給すると、供給されたガスの一部が固体電解質膜（１２）の露出部（３２）にてクロスリークし、燃焼反応が生じる。燃焼反応により生じた水が、直接固体電解質膜（１２）を湿潤させる。
なお、固体電解質膜（１２）の露出部（３２）は、ガスの供給側に設けて、燃焼反応により生じた水が、ガスの流れの下流側に位置する電極（１４）（１６）に挟まれた固体電解質膜（１２）を湿潤させるようにすることが望ましい。
【００１９】
また、異なる実施例として、図２に示すように、固体電解質膜(12)の一部を上記と同様に露出させて、露出部(32)にガスを通過させるガス透過部(34)を形成することもできる。
ガス透過部(34)を構成する材料として、非導電性のガス透過性材料、例えばセラミックフィルターなどの多孔質体を挙げることができる。ガス透過部(34)は、例えばガス透過性材料を固体電解質膜(12)と共にホットプレスすることにより、固体電解質膜(12)に溶着させることができる。上記と同様に、固体電解質膜(12)のガス透過部(34)を形成する位置は、ガスの供給側とすることが望ましい。
ガス透過性材料として、多孔質体を用いる場合、多孔質体の気孔径や気孔率を適宜設定することによって、ガスの透過量を設定できる。
燃料室(20)に燃料ガス、酸化剤室(22)に酸化剤ガスを供給すると、供給されたガスの一部がガス透過部(34)にて燃焼反応する。この燃焼反応により生じた水が、固体電解質膜(12)を湿潤させる。
なお、ガス透過部(34)は、固体電解質膜(12)にホットプレスされる以外に、燃料と酸化剤をクロスリークさせる別の場所に設けることも可能である。
【００２０】
未反応排ガスを利用した参考例
図３は、燃料室（２０）のみ反応排ガスを放出する排出管（４４）と、酸化剤室（２２）のみ反応ガスを放出する排出管（４６）を、触媒（３６）を有する燃焼部（３０）にて合流させるものである。固体高分子型燃料電池（１０）では、供給される燃料ガス中の水素ガス及び酸化剤ガス中の酸素ガスが完全に反応せずに、一部が未反応ガスとして放出される。これら未反応ガス中の水素ガスと酸素ガスを合流させて、触媒（３６）を有する燃焼部（３０）にて燃焼させる。
なお、図３では、燃焼部（３０）を供給管（２６）（２８）の上方に設けているが、これは、生成された水を、重力を利用して下方の燃料ガス供給管（２６）に流下させるためである。
触媒（３６）として、Ｐｔなどの貴金属粉末をハニカム構造のＡｌ2Ｏ3（アルミナ）などに担持させたものを例示することができる。
燃料室（２０）及び酸化剤室（２２）から未反応ガスが放出されると、未反応ガスは、それぞれ排出管（４４）（４６）を通って、触媒（３６）を具えた燃焼部（３０）に流入し、未反応ガス中の水素ガスと酸素ガスが、触媒（３６）と接触して燃焼反応して水を生成する。燃焼反応により生成された水及び残ガスは、燃焼部（３０）から燃焼排ガス管（４８）に放出され、水は燃焼排ガス管（４８）から分岐する水供給手段（３８）を通って、燃料ガス又は酸化剤ガスの供給管（２６）（２８）の一方に放出される。また、残ガスは燃焼排ガス管（４８）から外部に放出される。なお、水と残ガスを分離するために、必要に応じて水と残ガスの混合ガスを冷却してもよい。
水供給手段（３８）から供給ガス中に放出された水は、固体電解質膜（１２）の湿潤に用いられる。
【００２１】
なお、触媒(36)を有する燃焼部(30)の設置場所は、燃料ガス又は酸化剤ガスの供給管(26)(28)の下流側、つまり燃料室(20)又は酸化剤室(22)に近い位置に設けることが望ましい。燃焼により生成された水の通る経路が長い場合には、適宜水供給手段(38)の保温を行なえばよい。
【００２２】
供給ガスの一部を燃焼反応させた参考例
図４に示すように、供給される燃料ガス又は酸化剤ガスの供給管（２６）（２８）の一方から、他方の供給管に向けてガス供給手段（４０）を設け、燃料ガスの一部と酸化剤ガスの一部を燃焼反応させて水を生成し、生成された水を用いて固体電解質膜（１２）を湿潤させるものである。
燃料ガスと酸化剤ガスとの燃焼効率を高めるために、燃料ガスと酸化剤ガスの合流部又は合流部よりも下流側に、触媒（３６）を設けることが望ましい。触媒（３６）は、図に示すように、燃料室（２０）又は酸化剤室（２２）の内部に設けると、触媒（３６）での燃焼反応により生成された水で、効率的に固体電解質膜（１２）を湿潤させることができる。
【００２３】
【実施例】
本発明の固体高分子型燃料電池(実施例１及び参考例１)と、従来の固体高分子型燃料電池(比較例３及び４)をそれぞれ製作して、起動後の抵抗変化及び電池電圧の変化を測定した。以下、各固体高分子型燃料電池の作製条件を示す。
【００２４】
実施例１の固体高分子型燃料電池は、図１に示すように、固体電解質膜(12)の一部を電極(14)(16)で挟まずに露出させた電池である。固体電解質膜(12)は、電極(14)(16)の大きさとほぼ同じ大きさを有し厚さが約２０μｍである固体電解質膜の間に、厚さ約１０μｍの固体電解質膜を挟んでホットプレスして溶着させたものであって、固体電解質膜の電極(14)(16)に挟まれた部分の厚さは約５０μｍ、露出部(32)の厚さは約１０μｍである。
【００２５】
参考例１の固体高分子型燃料電池は、図４に示すように、燃料ガスの一部をガス供給手段（４０）を介して酸化剤ガスの供給管（２８）に供給して、酸化剤室（２２）に設けられた触媒（３６）にて触媒燃焼させて水を生成し、固体電解質膜（１２）の湿潤を行なう電池である。
【００２６】
比較例３の固体高分子型燃料電池は、外部エネルギーにより作動する加湿装置(90)を具えた電池である(図５参照)。加湿装置(90)の作動には、固体高分子型燃料電池の発電量の約１０％程度のエネルギーが必要である。
【００２７】
比較例４の固体高分子型燃料電池は、固体電解質膜の湿潤を行なっていない電池である。
【００２８】
上記実施例１、参考例１、比較例１及び比較例２の固体高分子型燃料電池に水素ガスを含む燃料ガスと、酸素ガスを含む酸化剤ガスを供給して、固体電解質膜の抵抗と、５００ｍＡ／ｃｍ2における電池電圧を、電池起動時から所定時間毎に測定した。なお、電池電圧はセルの純放電量を示している。
結果を表１及び表２に示す。
【００２９】
【表１】
0003706462.tif 000002
【００３０】
【表２】
0003706462.tif 000003
【００３１】
表１を参照すると、何れの固体高分子型燃料電池についても時間の経過と共に固体電解質膜の電気抵抗は低下しているが、固体電解質膜を湿潤させている実施例１、参考例１及び比較例１は、固体電解質膜を湿潤させていない比較例２に比べて、電気抵抗が極めて小さくなっていることがわかる。なお、比較例２の固体高分子型燃料電池においても、発電反応によって少量の水が生成されるが、固体電解質膜を湿潤させるほど十分でないことがわかる。
また、表２を参照すると、固体電解質膜を湿潤させた実施例１、参考例１及び比較例１は、起動２０秒後には放電を開始しているが、比較例２は起動６０秒後に放電を開始していることがわかる。
【００３２】
表１及び表２より、実施例１、参考例１は、比較例１と殆んど性能の差がないが、比較例１は、加湿装置が発電量の約１０％に相当するエネルギーを消費するため、固体高分子型燃料電池の総エネルギー効率では、実施例１及び参考例１の固体高分子型燃料電池は、比較例１よりも優れている。また、比較例１は、加湿装置に水を供給する必要があり、加湿装置の設置によって固体高分子型燃料電池の大型化するが、本発明例である実施例１及び参考例１の固体高分子型燃料電池には、このような問題もなく優れている。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の固体高分子型燃料電池の断面図である。
【図２】  本発明の固体高分子型燃料電池の異なる実施例を示す断面図である。
【図３】  本発明の固体高分子型燃料電池の参考例を示す断面図である。
【図４】  本発明の固体高分子型燃料電池の異なる参考例を示す断面図である。
【図５】  従来の固体高分子型燃料電池の断面図である。
【図６】  固体電解質膜の相対湿度と内部抵抗の関係を示すグラフである。
【図１】
0003706462.tif 000004
【図２】
0003706462.tif 000005
【図３】
0003706462.tif 000006
【図４】
0003706462.tif 000007
【図５】
0003706462.tif 000008
【図６】
0003706462.tif 000009