(57)【要約】【課題】  燃料電池の氷点下起動時に電極触媒を有する膜電極複合体の電極部以外の領域において、生成水や凝縮水が凍結してガス欠や配流不良が発生する。【解決手段】  水素ガスまたは空気を流通させる流体通路１６を備えたセパレータ１１を膜電極複合体２１に積層してなる燃料電池において、前記流体通路下流の非電極領域に燃焼触媒１８を設け、前記燃焼触媒での反応熱により、氷点下起動時に凍結を起こしやすい通路下流域を加熱する。【選択図】図１
2006179233.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜上に電気化学的反応触媒を有する燃料極または酸化剤極からなる電極を形成した膜電極複合体と、燃料または酸化剤を流通させる流体通路を前記膜電極複合体との間に形成するセパレータとを積層してなる燃料電池において、
前記流体通路の途中に燃焼触媒を設け、
前記燃焼触媒での燃焼作用により低温起動時の昇温を促すようにしたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記燃焼触媒は、前記膜電極複合体の電極よりも下流側の非電極領域に設けてある請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記燃焼触媒は、前記セパレータの酸化剤流体通路であって、その背面側の燃料流体通路の下流域に対応する領域に設けた請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記膜電極複合体は燃料または酸化剤を拡散するためのガス拡散層を備え、該ガス拡散層の表面に前記燃焼触媒を設けた請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記ガス拡散層近傍の流体通路に親水性を付与した請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記燃焼触媒は、Cu系またはFe系を除く非貴金属触媒である請求項１に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記流体通路はその入口部または出口部にディフューザを備えると共に、該ディフューザ部分に前記燃焼触媒を設けた請求項１に記載の燃料電池。
【請求項８】
低温起動時に、前記燃焼触媒上での燃料と酸化剤との反応熱により昇温を促すようにした請求項１に記載の燃料電池。
【請求項９】
低温起動時に、前記燃焼触媒に燃料と酸化剤との混合物を供給する手段を有する請求項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、燃料電池に関し、特にその低温起動性を向上させるためのセル構造の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池として、特許文献１または特許文献２に示されるようなものがある。前者には、触媒のCO被毒を防止するために、燃料ガス供給ラインからアノード電極に至るまでの随所にCO酸化用触媒を設けた構成、またはカソード側にも同様の位置に有害物質除去用の触媒を設けた構成が開示されている。後者には、酸化剤ガス流路出口を加熱して、所定温度以上となったら発電を開始するものが開示されている。
【特許文献１】特開平9-27326号公報
【特許文献２】特開2003-303607号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
こうした従来の燃料電池では、氷点下起動時において電極触媒を有する膜電極複合体の電極部以外の領域において、生成水や凝縮水が凍結してガス欠や配流不良が発生するという問題があった。
【０００４】
本発明は、膜電極複合体の非電極領域の昇温を促すことにより氷点下起動時の水分の凍結を回避して燃料電池の起動性を改善することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明では、電解質膜上に電気化学的反応触媒を有する燃料極または酸化剤極からなる電極を形成した膜電極複合体と、燃料または酸化剤を流通させる流体通路を前記膜電極複合体との間に形成するセパレータとを積層してなる燃料電池を構成する。
【０００６】
また、前記流体通路の途中に燃焼触媒を設け、低温起動時に前記燃焼触媒での反応熱により燃料電池の昇温を促すことを可能にする。
【発明の効果】
【０００７】
燃焼触媒を設けた燃料または酸化剤ガスの流体通路部分に、例えば燃料と酸化剤の混合流体を供給することで、燃焼触媒上で燃料と酸化剤とが直接反応して発熱する。通常は、電極触媒が存在する領域のみで発熱反応が生じるが、前記の通り流体通路の途中に設けた燃焼触媒部分でも発熱が生じるため、氷点下起動時に、局所的な氷点下温度部位である非電極領域における生成水や凝縮水の凍結を抑制することができる。従って、氷点下起動時に、凍結による燃料や酸化剤ガスの欠乏および配流不良を抑制して燃料電池の低温起動性を改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明のいくつかの実施形態を図面に基づいて説明する。なお各実施形態につき共通する部分には同一の符号を付して示すことにする。
【０００９】
図１は本発明の第１の実施形態であり、膜電極複合体と共に燃料電池セルを構成するセパレータの燃料極側の流体通路部分に本発明を適用した例を示している。なお以下の実施形態に係る燃料電池では、燃料として水素ガス、酸化剤として空気を用いる。
【００１０】
図において、セパレータ１１は略矩形のプレート状をなしており、その一辺に沿って水素ガスの入口マニホールド部１２ａ、冷却水の出口マニホールド部１３ｂ、空気の入口マニホールド部１４ａを、またその反対側の一辺に沿って空気の出口マニホールド部１４ｂ、冷却水の入口マニホールド部１３ａ、水素ガスの出口マニホールド部１２ｂを、それぞれ各流体の出入口が対向するように設けてある。図２は前記セパレータ１１に積層する膜電極複合体２１を示している。膜電極複合体２１はセパレータ１１と同一外形を有しており、セパレータ１１と同様に水素ガスのマニホールド部２２ａ，２２ｂ、冷却水のマニホールド部２３ａ，２３ｂ、空気のマニホールド部２４ａ，２４ｂをそれぞれ設けてある。両辺に位置する前記各マニホールド部に挟まれた矩形の領域が燃料極（またはガス拡散層）２５となっている。
【００１１】
実用に供する燃料電池では、前記セパレータ１１と膜電極複合体２１とからなるセルを多数積層したスタックにより燃料電池を構成する。前記各マニホールド部は、この燃料電池スタックを構成したときに一連の供給通路または排出通路を形成して各セルに水素ガス、冷却水、空気等の流体を分配し、または各セルからの排出流体を集合させる機能を有している。
【００１２】
前記セパレータ１１は、水素ガスの入口マニホールド部１２ａから他端側の出口マニホールド部１２ｂに至るまでの略矩形の領域に突起または突条形状の多数のリブ１５を設け、このリブ間およびセパレータ１１に隣接して積層される膜電極複合体２１の電極面（ガス拡散層２５）との間に水素ガスを流通させるサーペンタイン形（蛇行形状）の流体通路１６を形成するようにしている。なお、図示しないがセパレータ１１の背面側には隣接する他の膜電極複合体の酸化剤極電極面と対向するように空気を流通させるための流体通路を形成してある。
【００１３】
本実施形態では、前記セパレータ１１の流体通路１６の非電極領域つまり膜電極複合体２１のガス拡散層２５に相対しない領域に燃焼触媒を設ける。詳細には、このセパレータ１１では図の水素ガスの入口マニホールド部１２ａと出口マニホールド部１２ｂの近傍の領域１７ａと１７ｂが前記非電極領域となるので、このうち出口マニホールド部１２ｂの近傍である非電極領域１７ｂに燃焼触媒１８を被覆してある。燃焼触媒１８としては、Fe、Co、Cr、Ni、Ru、Pd、Cu、Zn、Ptなど種々のものが適用可能であるが、氷点下での起動性を向上させる観点から比較的低温で活性化するものが好ましく、またコストの観点からは非貴金属系のものが好ましい。なお、FeまたはCu系のものは、FeまたはCuが燃焼反応により生成した水中にイオンとして溶出した場合、発電時の電気化学反応で副成するH2O2による電解質膜の劣化を促すので使用を避けることが望ましい。
【００１４】
図３は前記セパレータ１１および膜電極複合体２１からなる燃料電池スタックを有する燃料電池システムの構成例を示している。これは、純水素を燃料ガスとし、水素循環ポンプ３１を含む水素循環ライン３２を有する燃料電池システムである。高圧水素ボンベや水素吸蔵合金などの水素貯蔵手段（図示せず）から、水素供給ライン３３を介して燃料電池スタック３４の燃料極側に水素を供給する。燃料電池スタック３４から水素排出ライン３５に排出された余剰の水素ガスは、前記の水素循環ポンプ３１を有する水素循環ライン３２を介して水素供給ライン３３に再供給する。水素排出ライン３５にはバルブ３６を設けてあり、通常再循環する際にはバルブ３６を閉としておくが、これを必要に応じて開くことにより、排水素ガスをそのまま排気側に排出することができる。一方、コンプレッサーなどの昇圧手段（図示せず）から空気供給ライン３７を介して燃料電池スタック３４の酸化剤極側に空気を供給し、反応済みの空気は空気排出ライン３８から外部に排出させる。３９は燃料電池スタック３４から取り出す電力を制御する制御装置である。
【００１５】
前記燃料電池システムにおいて、水素ガスと空気との供給に伴い燃料電池スタック３４内での電気化学的反応により電力が生じる。氷点下での起動時には、この反応時に生じた水分がセパレータ１１の通路１６内にて凍結し、ガスの流通を妨げて起動不良を生じることがある。これに対して、本実施形態の構成下では、燃焼触媒１８の部分にて生じる反応熱により前記水分の凍結を防ぐことができるため、氷点下での燃料電池の起動を円滑に行うことが可能となる。燃料極側では水素ガスと空気中の酸素との直接的な反応により生じた水分が通路１６の下流域にて凍結することが多く、燃料極下流域での水素ガスの配流不良を起こしやすいが、これに対して本実施形態では水素ガス出口付近の非電極領域１７ｂに燃焼触媒１８を設けてあるので、通路１６の下流域付近を加温して効率よく水分の凍結を回避することができる。
【００１６】
燃焼触媒１８にて燃焼反応を生じさせるためには、燃焼触媒１８の部分に燃料と酸素を供給する手段を設ける必要があるが、前記のような水素ガスと空気とを反応ガスとして作動する燃料電池システムでは、必ずしもそのような供給手段を設けなくともよい。すなわち、前記のような燃料電池システムでは、その運転を停止してからシステム各部の温度が氷点下に達するまでには数時間を要し、その間に、水素供給ライン３３、燃料電池スタック３４の燃料極近傍、水素排出ライン３５および水素循環ライン３２の内部は、外部からの空気の侵入や燃料電池スタック３４の空気極側からのクロスリークの影響で空気に置換される。このため、氷点下起動時に燃料電池スタック３４に水素ガスを導入する当初は、自ずと水素と空気の混合気を燃料極に供給することになる。これにより、前記燃焼触媒１８において、水素と空気の混合気により、ある限られた時間内で燃焼反応が得られるのである。
【００１７】
ただし、空気極側に燃焼触媒を設けた場合には、燃焼反応のための燃料の供給手段を設ける必要がある。このような供給手段としては、例えば図３に破線で示したように水素供給ライン３３と空気供給ライン３７とを連通する燃料分配ライン４１と、これを開閉するバルブ４２とを設ける。この場合、システムの氷点下起動の当初、空気供給の開始に先立ってバルブ４２を開き、水素供給ライン３３からの加圧水素ガスを所要量だけ空気供給ライン３７に導入しておく。その後、バルブ４２を閉ざしてから空気の供給を開始する。これにより起動当初に空気極側に水素と酸素との混合ガスが供給されることになるので、空気極側に設けた燃焼触媒での燃焼反応を生じさせることが可能となる。空気極側の流体通路に燃焼触媒を設けるにあたっては、前述のとおり水分の凍結は燃料極側の通路下流域で起こりやすいので、空気通路背面側の、燃料流体通路下流域に対応する通路領域に設けると効率よく凍結を防止することができる。
【００１８】
図４と図５は本発明の第２の実施形態である。これは、図２に示したのと同様の膜電極複合体２１の側に燃焼触媒１８を設けた例である。図の燃料極２５に重なるように同じ領域にガス拡散層２６（図５参照）が存在する。燃料極２５の周囲及び各マニホールド周囲にはガス拡散層２６の基板にシール材を含浸させたシール材含浸部５４が存在し、セパレータ（１１）と共にセルないしスタックを構成した状態で各マニホールドやガス拡散層内部に存在するガスや冷却水が、外部にリークしないようにシールされる。
【００１９】
水素出口マニホールド部２２ｂの近傍領域には、ガス拡散層２６の基材にシール材を含浸しておらず、多孔質であるガス拡散層２６の基材を構成する材質（例えば炭素繊維）表面に燃焼触媒１８を担持してある。また、前記領域には親水性を付与してある。親水性を付与するには、例えばSnO2、ZnO2、SiO2、ZrO2、TiO2などの酸化物をガス拡散層２６の基材に含浸させる。
【００２０】
図５に示したように、膜電極複合体２１の電解質膜５１の片面側に燃料極２５を、他の片面側に空気極５２をそれぞれ設けた領域に重なるように、水素及び空気のガス拡散層２６がそれぞれ存在する。燃料極や酸化剤を設けていない水素出口マニホールド部２２ｂ近傍の領域では、基本的にシール材５３またはガス拡散層内部にシール材を含浸したシール剤含浸部５４により電解質膜５１が挟持されているが、燃料極側の水素出口マニホールド部２２ｂの近傍におけるガス拡散層２６の基材には前述のとおり燃焼触媒１８を担持させてある。
【００２１】
この実施形態によれば、第１の実施形態による効果に加えて次のような効果を期待できる。すなわち、燃焼触媒１８を担持したガス拡散層２６の領域は、燃料である水素が拡散するための多数のポアを有する多孔部であり、ガス拡散層２６に燃焼触媒１８を設けることで、燃焼触媒１８で水素と空気中の酸素とが直接反応して生成する水分はガス拡散層２６のポア内にて生成される。そのため、この生成水によりセパレータにおける水素の通路部分が直接塞がれるおそれが少なくなる。また、燃焼触媒１８を設けたガス拡散層２６の部分に親水性を付与したことにより、燃焼反応により生成した水をガス拡散層２６内のポアに保持しやすくなる。また、燃焼触媒１８の材質によっては、ガス拡散層２６の基材に親水性を持たせることで、その部分に触媒１８を担持させやすくなる。
【００２２】
図６と図７に、それぞれ本発明の第３の実施形態に係るセパレータと膜電極複合体を示す。このセパレータ１１は反応ガスを長手方向に沿って一方向に流通させるようにしたもので、燃料ガスと空気とは互いにセパレータ１１の反対側の端部から流入する対向流形式である。このセパレータ１１はその一端側の水素入口マニホールド部１２ａと他端側の水素出口マニホールド部１２ｂとを連通する多数の流体通路１６をリブ１５により並列的に形成している。このようないわゆるストレート流路型のセパレータ１１では、多数の流体通路１６へとガスが均等に配分されるように、マニホールド部１２ａまたは１２ｂと流体通路１６の端部との間にディフューザ６１を設けている。すなわち入口側のディフューザ６１は、入口マニホールド部１２ａからのガスを沿面方向に分散させて多数の流体通路１６のそれぞれに均等に流入させる。
【００２３】
図７は前記セパレータ１１に適用する膜電極複合体２１であり、構造的には図５のものと同様であり、前記セパレータ１１を積層したときにその流体通路１６に相対する矩形状の領域は燃料極２５となっており、これに重畳するようにガス拡散層２６が存在し、前記燃料極２５の周囲および各マニホールド部の周囲にはガス拡散層２６の基材にシール材を含浸したシール材含浸部５４を形成している。ただし、前記ディフューザ６１と相対する領域にはガス拡散層２６にシール材を含浸せず、燃焼触媒１８を担持させてある。この実施形態では、燃料の入口マニホールド部２２ａ側のほうが、出口マニホールド部２２ｂ側よりも燃焼触媒１８の担持領域が大となるようにしてある。これは、セパレータ背面側の空気を流通させる流体通路とその出口マニホールド部２４ｂとを結ぶディフューザに重なる領域を加熱領域として確保するためである。なお、この場合も燃焼触媒１８の担持領域には親水性を付与するのが望ましい。
【００２４】
この実施形態では、水素ガスの流体通路１６の上流側と下流側の各々にて燃焼触媒１８による加熱がなされる。この場合、上流側の燃焼触媒１８での反応熱は熱伝導によりその背面側の空気通路のディフューザ部分を加熱し、空気通路側での水分の凍結を抑制する。また、下流側の燃焼触媒１８では、その反応熱により直接的に燃料通路下流域の加熱を行い、低温起動時に水分が凍結しやすい当該部分のガス流を確保する。このようなストレート流路型のセパレータ１１を有するセルではそのディフューザ６１が比較的大きな非電極領域となるので、この部分を燃焼触媒１８による加熱領域とすることで水分の凍結を抑止する効果が大である。
【００２５】
図８は本発明の第４の実施形態に係るセパレータを示している。このセパレータ１１には、水素ガス流体通路１６の出口側のディフューザ６１のリブ状部分を除く表面部分と、入口側のディフューザ６１の部分を除く非電極領域とに、燃焼触媒１８を被覆してある。流体通路１６の入口近傍の表面に重なり合う膜電極複合体（２１）のガス拡散層領域はシール材が含浸されていないので、ガスが拡散層内部を行き渡り、このため溝形状の通路等を設けていなくても、水素と空気の混合ガスを供給した場合には入口近傍の燃焼触媒１８の表面において燃焼反応が生じる。したがって簡単、小型な構成で低温起動性に優れた燃料電池が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るセパレータの平面図。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る膜電極複合体の平面図。
【図３】本発明に係る燃料電池を適用した燃料電池システムの実施形態を示す概略構成図。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る膜電極複合体の平面図。
【図５】図４のＡ−Ａ線に沿った断面図。
【図６】本発明の第３の実施形態に係るセパレータの平面図。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る膜電極複合体の平面図。
【図８】本発明の第４の実施形態に係るセパレータの平面図。
【符号の説明】
【００２７】
１１    セパレータ
１２ａ  燃料（水素ガス）の入口マニホールド部
１２ｂ  燃料の出口マニホールド部
１３ａ  冷却水の入口マニホールド部
１３ｂ  冷却水の出口マニホールド部
１４ａ  酸化剤（空気）の入口マニホールド部
１４ｂ  酸化剤の出口マニホールド部
１５    リブ
１６    流体通路
１８    燃焼触媒
２１    膜電極複合体
２２ａ  燃料の入口マニホールド部
２２ｂ  燃料の出口マニホールド部
２３ａ  冷却水の入口マニホールド部
２３ｂ  冷却水の出口マニホールド部
２４ａ  酸化剤の入口マニホールド部
２４ｂ  酸化剤の出口マニホールド部
２５    燃料極
２６    ガス拡散層
５１    電解質膜
６１    ディフューザ
【図１】
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【図２】
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【図３】
2006179233.tif 000005
【図４】
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【図５】
2006179233.tif 000007
【図６】
2006179233.tif 000008
【図７】
2006179233.tif 000009
【図８】
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