(57)【要約】 【課題】  部品点数の増加を抑制し、かつ複雑な制御を必要としないで、起動・停止時に残留した燃料ガスに起因する触媒の腐食を解消することができる燃料電池を提供する。【解決手段】  電解質膜１の一面に燃料極触媒層２ａを、他面に酸化剤極触媒層２ｂを配置し、これら触媒層２ａ，２ｂを挟持するように、上記一面側に燃料ガス流路５ａが形成された燃料極セパレータ４ａを、上記他面側に酸化剤ガス流路５ｂが形成された酸化剤極セパレータ４ｂを設けて単位燃料電池を構成し、上記燃料極セパレータ４ａと上記酸化剤極セパレータ４ｂのそれぞれに接するように、導電性材料からなる接合部材７を配置した。【選択図】      図１
2006093092.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の一面に燃料極の触媒層を、他面に酸化剤極の触媒層を配置し、これら触媒層を挟持するように、上記一面側に燃料ガス流路が形成された燃料極セパレータを、上記他面側に酸化剤ガス流路が形成された酸化剤極セパレータを設けて単位燃料電池を構成し、その単位燃料電池の複数個を積層してなる燃料電池であって、
上記燃料極セパレータと上記酸化剤極セパレータのそれぞれに接するように、導電性材料からなる接合部材を配置した
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池であって、
上記接合部材の抵抗を、約５０〔Ω・ｃｍ２〕〜３００〔Ω・ｃｍ２〕とする
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池であって、
上記接合部材を、上記燃料極セパレータと上記酸化剤極セパレータの側面に設けた
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池であって、
上記接合部材を、上記燃料極セパレータと上記酸化剤極セパレータとの間に設けた
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項３または請求項４に記載の燃料電池であって、
上記接合部材を、上記燃料極セパレータと上記酸化剤極セパレータの外周部全域に設けた
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項３または請求項４に記載の燃料電池であって、
上記燃料ガス流路に燃料ガスを供給又は排気するための開口部を燃料極セパレータに設けると共に、上記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給又は排気するための開口部を酸化剤極セパレータに設け、それぞれの開口部の外周縁部に、上記接合部材を設けた
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池であって、
燃料電池停止後の保管時に外気の空気が混入し易い方の燃料極及び／又は酸化剤極それぞれの上記開口部の外周縁部に、上記接合部材を設けた
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池であって、
少なくとも上記燃料極の上記開口部の外周縁部に、上記接合部材を設けた
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
請求項３または請求項４に記載の燃料電池であって、
上記接合部材をガスリーク箇所に設ける
ことを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特に固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel cell）における触媒の劣化防止する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化剤ガスとを燃料電池スタックに供給することで、これら燃料ガスと酸化剤ガスとを電解質膜を介して電気化学的に反応させ、電極間から電気エネルギを直接取り出す燃料電池が知られている。
【０００３】
かかる燃料電池は、固体高分子などからなる電解質膜の一面に燃料極が、他面に酸化剤極が配置され、前記一面に燃料ガス用流路が形成されたセパレータと、前記他面に酸化剤ガス用流路が形成されたセパレータとを設けて構成し、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて電力を発生する（起電力を生じる）燃料電池セルとしての単位燃料電池（以下、これを単に単電池と称する）を複数積層して積層体を形成し、当該積層体の両端に端末部材としての集電板、絶縁板およびエンドプレートを配置して燃料電池スタックを構成している。
【０００４】
また、燃料電池スタックは、各単電池へのガス供給やガス排出のための孔、および燃料電池スタックを冷却させる冷却水を供給したり排出したりするための孔、すなわちガスマニホールドを内部もしくは外部に設けている。
【０００５】
そして、この燃料電池は、発電効率が高いことに加え、有害な物質の排出が極めて少ないという利点を持つため、発電プラントや家庭用発電機など定置型発電に適用されるばかりでなく、車両の駆動源として利用した燃料電池自動車としても近年注目されている。
【０００６】
このような燃料電池では、各単電池に外部抵抗を接続することにより、これら単電池に微小電流を流すことを可能とさせ、運転停止後に残留する燃料ガスが原因で生じる腐食の問題を解消することができる技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−１１５３０５号公報（第３頁および第４頁、第１図および第２図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、かかる特許文献１の燃料電池では、次のようなプロセスによって運転・停止後に残留した燃料ガスが原因で生じる触媒腐食の問題を解消していた。すなわち、燃料電池の運転を停止した場合、水素の供給は停止されるが、運転停止後であっても僅かに単電池内には水素が残留し、その一方で、燃料極側には外部から空気が混入する。そのため、運転停止後であっても水素と空気とが混在する燃料極側では、電解質膜に設けられた触媒を用いて反応が生じ、この反応が生じることによって触媒が劣化してしまうおそれがあった。そこで、水素と空気による腐食反応を、外部抵抗に接続することで低減させていた。
【０００８】
しかしながら、かかる特許文献１の燃料電池のように、単電池に外部抵抗を接続して運転・停止時の残留電圧を即座に消費させる（すなわち、外部抵抗へと通電させる）必要があるため、部品点数が増加し、また制御も複雑になってしまう問題があった。
【０００９】
また、従来の燃料電池では、各セパレータ間にガスシール用のガスケットを配置する（より詳細には、ガスマニホールド周辺およびセパレータ面外周に設けた溝にガスケットを嵌合させる）ことによって、これらセパレータ間からのガス漏れを防止していたため、構造が煩雑化するとともに、部品点数が増加傾向にあった。
【００１０】
そこで、本発明は、かかる従来の課題に鑑みてなされたものであり、部品点数の増加を抑制し、かつ複雑な制御を必要としないで、起動・停止時さらには停止後の保管時に残留した燃料ガスと酸化剤ガスの反応に起因する触媒の腐食を解消することができる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】
【００１１】
本発明は、電解質膜の一面に燃料極の触媒層を、他面に酸化剤極の触媒層を配置し、これら触媒層を挟持するように、上記一面側に燃料ガス流路が形成された燃料極セパレータを、上記他面側に酸化剤ガス流路が形成された酸化剤極セパレータを設けて単位燃料電池を構成し、その単位燃料電池の複数個を積層してなる燃料電池である。
【００１２】
そして、本発明は、上記燃料極セパレータと上記酸化剤極セパレータのそれぞれに接するように、導電性材料からなる接合部材を配置したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、単位燃料電池内の特定の場所、すなわち燃料極セパレータと酸化剤極セパレータのそれぞれに接するように、導電性材料からなる接合部材を配置したことにより、起動・停止時及び停止後の保管時に残留電圧が生じた場合、この残留電圧が接合部材に通電され、抵抗成分としての役割を果たすことによって、当該残留電圧を素早く消費させることができる。
【００１４】
しかも、接合部材を設けたことによって、通常の発電時においても当該接合部材にて燃料を消費する際の熱により、凝縮水を効果的に暖めることで当該凝縮水によるガス閉塞を抑制することができ、性能低下を抑えることができる。
【００１５】
従って、必要な電力を実用上十分に得ることができるため、かかる燃料電池を搭載した燃料電池自動車においては、性能低下によって走行可能な距離が減少するのを防止することができ、当該走行可能な距離を十分に確保することができる。
【００１６】
かくして、部品点数の増加を抑制し、かつ複雑な制御を必要としないで、起動・停止時・停止後の保管時に残留した燃料ガスに起因する触媒の腐食を解消し得る燃料電池を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】
【００１７】
以下、本発明にかかる燃料電池の一実施の形態について、図面に基づいて詳細に説明する。
【００１８】
〔第１の実施の形態〕
図１および図２は、本発明にかかる燃料電池の第１の実施の形態を示し、図１はかかる燃料電池における単位燃料電池（単電池）の長手方向の縦断面図、図２は図１のＡ−Ａ線における横断面図である。
【００１９】
本実施の形態における燃料電池は、図１および図２に示すように、固体高分子などの電解質材料からなる電解質膜１の一面に燃料極の触媒層（以下、これを燃焼極触媒層と称する）２ａを、他面に酸化剤極の触媒層（以下、これを酸化剤極触媒層と称する）２ｂを配置し、これら燃焼極触媒層２ａ、電解質膜１、酸化剤極触媒層２ｂを挟持するように、前記一面側に燃焼極ガス拡散層３ａを介して燃料ガス流路５ａが形成された燃料極セパレータ４ａを設け、前記他面側に酸化剤極ガス拡散層３ｂを介して酸化剤ガス流路５ｂが形成された酸化剤極セパレータ４ｂを設けて単位燃料電池を構成し、その単位燃料電池の複数個を積層することによって構成されている。そして、この単電池は、前記燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて電力を発生する。
【００２０】
かかる構成に加え、本実施形態の場合、この単電池は、燃料極セパレータ４ａと酸化剤極セパレータ４ｂのそれぞれに接するように接合部材７が配置されている。この接合部材７は、例えば電気抵抗値が約５０〔Ω・ｃｍ２〕〜３００〔Ω・ｃｍ２〕程度の導電性材料からなり、両セパレータ４ａ、４ｂの外周を囲うように配置されている。なお、下限値の５０〔Ω・ｃｍ２〕は発電効率を考慮して決定され、上限値の３００〔Ω・ｃｍ２〕は残留電圧を消費することが可能か否かを考慮して決定される。従って、劣化の抑制に重点を置いた場合の接合部材７の電気抵抗値は、５０〔Ω・ｃｍ２〕に近い値となる。
【００２１】
これにより、燃料電池の起動時や停止時や停止後の保管時に微小の電流（残留電圧）が生じた場合、この電流が接合部材７へと通電されて消費される。従って、この残留電圧が生じることによって触媒が劣化するのを未然に防止することができる。
【００２２】
以上、説明したように、本実施の形態によれば、単電池内の特定の場所、すなわち燃料極セパレータ４ａと酸化剤極セパレータ４ｂのそれぞれに接するように、導電性材料からなる接合部材７を配置したことにより、起動・停止時・停止後の保管時に残留電圧が生じた場合、この残留電圧が接合部材７に通電され、接合部材７が抵抗成分としての役割を果たすことによって、当該残留電圧を素早く消費させることができる。
【００２３】
しかも、接合部材７を設けたことによって、通常発電時は微小電流を熱に変えることで水が溜まり易く、また温度が低い部分を暖めることで凝縮水の残留を抑制し電圧低下を抑えることができる。そのため、起動時・停止時・停止後の保管時の劣化を抑制することができ、さらに通常発電時にも性能低下を抑えることができる。
【００２４】
かくして、本実施の形態による燃料電池では、部品点数の増加を抑制し、かつ複雑な制御を必要としないで、起動・停止時・停止後の保管時に残留した燃料ガスに起因する触媒の腐食を解消することができる。
【００２５】
また、この場合、接合部材７が燃料極セパレータ４ａと酸化剤極セパレータ４ｂの外周を囲うように配置されていることから、当該接合部材７がガスシールとしての機能も果たすことができるため、従来のようにガスケットを設けることなく（すなわち、部品点数を削減して）、ガスリークを確実に防止することができ、且つ、該ガスケットを配置するために発電に利用する面積を減らす必要をなくすことができるので、構成を簡略化して出力密度を下げる必要を無くすことができる。
【００２６】
さらに、接合部材７が燃料極セパレータ４ａと酸化剤極セパレータ４ｂの側面に配置されることから、従来、前記ガスケットを両セパレータ４ａ、４ｂ間に挟んでからスタッキングしていた製造工程に比べて、両セパレータ４ａ、４ｂのスタッキング後に接合部材７を取り付けることが可能となり製造工程の簡略化を図ることができるため、取り付け・取り外しの作業性を向上させることができる。これとともに、この接合部材７が緩衝材としても機能することができる利点もあるため、振動破壊に対して耐久性を有する燃料電池を得ることもできる。
【００２７】
これに加えて、接合部材７の電気抵抗値を約５０〔Ω・ｃｍ２〕〜３００〔Ω・ｃｍ２〕程度に設定したことにより、発電効率と起動停止及び停止後の保管時の劣化抑制の両立を図ることができるため、通常の発電時における発電効率を低下させることなく、起動停止時及び停止後の保管時の劣化を抑制することが可能となる。
【００２８】
因みに、接合部材７として導電性高分子を利用することにより、接合部材７をシール材として使用することができ、さらに抵抗をコントロールし易くすることができるため、比較的容易に作成することができる利点を得ることができる。
【００２９】
〔第２の実施の形態〕
図１との対応部分に同一符号を付した図３は、本発明にかかる燃料電池の第２の実施の形態を示し、接合部材７の配置位置が異なる点を除いて、ほぼ上述した第１の実施の形態による燃料電池と同様に構成されている。従って、本実施の形態においては、上述した第１の実施の形態による燃料電池の説明と重複した説明は省略する。
【００３０】
すなわち、本実施の形態による燃料電池を構成する単電池は、接合部材７が電解質膜１、燃焼極触媒層２ａ、酸化剤極触媒層２ｂ、燃焼極ガス拡散層３ａおよび酸化剤極ガス拡散層３ｂの外周または側面、つまり、燃料極セパレータ４ａと酸化剤極セパレータ４ｂとの最端部で、これら両セパレータ４ａ、４ｂ間に挟まれて配置されている。
【００３１】
これにより、第１の実施の形態における燃料電池と同様の効果を得るばかりか、単電池として、燃料極セパレータ４ａおよび酸化剤極セパレータ４ｂの外形を超えることなく作成することができるため、第１の実施の形態における燃料電池と比較して、より一層小型化（コンパクト化）することができる。
【００３２】
〔他の実施の形態〕
以上、本発明における燃料電池について、上述した第１および第２の実施の形態を例にとって説明したが、本発明はこれに限ることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で各種実施の形態を採用することができる。
【００３３】
例えば、図１および図３との対応部分に同一符号を付して示す図４および図５のように、前記した接合部材７を設けた構成に加えて、電解質膜１、燃焼極触媒層２ａ、酸化剤極触媒層２ｂ、燃焼極ガス拡散層３ａおよび酸化剤極ガス拡散層３ｂの外周または側面、つまり、燃料極セパレータ４ａと酸化剤極セパレータ４ｂの最端部で、これら両セパレータ４ａ、４ｂ間に挟まれるようにシール材６を設けるようにしてもよい。図４では、図１の燃料電池における両セパレータ４ａ、４ｂの外周縁近傍のセパレータ間にシール材６を挟み込むようにして設け、図５では、図３の燃料電池における接合部材７の内側にシール部材６を設けた。これにより、図４及び図５に示す燃料電池では、より一層のガスリーク防止を図ることが可能となる。
【００３４】
また、図２との対応部分に同一符号を付して示す図６および図７のように、燃料ガス流路５ａに燃料ガスを、酸化剤ガス流路５ｂに酸化剤ガスを供給するためのそれぞれの開口部である入口ガスマニホールド８と出口ガスマニホールド９とを形成したセパレータのこれら入口ガスマニホールド８および出口ガスマニホールド９の外周縁部のみに、接合部材７を設けるようにしてもよい。
【００３５】
この場合、接合部材７を入口ガスマニホールド８と出口ガスマニホールド９の少なくともどちらか一方に設置することにより、通常の発電時において凝縮水が溜まり易い部分を積極的に昇温させて蒸発させることで、この凝縮水による性能低下を抑制することができ、さらに通常の発電時の性能低下を抑えることができる。
【００３６】
さらに、停止後の保管時において、例えば外気の空気が一番混入し易いガスマニホールド付近に接合部材７を設置しておけば、ガス混入場所と接合部材７の設置場所が近いことでセパレータを通過する電気抵抗が他の場合より小さくなることで電流がより大きくなり即座に燃料ガスと酸化剤ガスを消費することができより一層劣化抑制効果を上げることができる。
【００３７】
なお、ここで、外気の空気が一番混入し易いガスマニホールド付近とは、図８を用いて説明すると、燃料排気配管弁２５が閉で酸化剤排気配管弁２６が開の状態の場合は燃料電池スタック１１に接続される配管が短く外気に近い酸化剤排気側のマニホールド（出口ガスマニホールド９）、また燃料排気配管弁２５と酸化剤排気配管弁２６が共に閉の状態の場合は大気開放されている酸化剤供給側のマニホールド（入口ガスマニホールド８）、また燃料排気配管弁２５と酸化剤排気配管弁２６が共に開の状態の場合は燃料電池スタック１１に接続される配管が短く外気に近い燃料排気側と酸化剤排気側の両方のマニホールド（入口ガスマニホールド８及び出口ガスマニホールド９）、などが挙げられる。また、図８は一般的な燃料電池システムの構成であり、説明は省略する。
【００３８】
なお、図８中、１２は燃料極、１３は酸化剤極、１４は燃料タンク、１５は燃料供給量調節弁、１６は酸化剤ブロアー、１７は燃料循環用ブロアー、２０は燃料供給配管、２２は燃料循環配管である。
【００３９】
さらに、接合部材１７を燃料極側のみに設置することで、燃料と酸化剤が混在する可能性の高い燃料極において燃料と酸化剤が混在したとしても接合部材７により劣化を抑制することが可能となり、接合部材７を極力少なくすることでコストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】第１の実施の形態の燃料電池を概略的に示す断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線における横断面図である。
【図３】第２の実施の形態の燃料電池を概略的に示す断面図である。
【図４】他の実施の形態の燃料電池を概略的に示す断面図である。
【図５】さらに他の実施の形態を概略的に示す断面図である。
【図６】さらに他の実施の形態を概略的に示す横断面図である。
【図７】さらに他の実施の形態を概略的に示す横断面図である。
【図８】さらに他の実施の形態を概略的に示す燃料電池システム図である。
【符号の説明】
【００４１】
１…電解質膜
２ａ…燃料極触媒層（触媒層）
２ｂ…酸化剤極触媒層（触媒層）
３ａ…燃料極ガス拡散層
３ｂ…酸化剤極ガス拡散層
４ａ…燃料極セパレータ
４ｂ…酸化剤極セパレータ
５ａ…燃料ガス流路
５ｂ…酸化剤ガス流路
６…シール材
７…接合部材（導電性材料）
８…入口ガスマニホールド
９…出口ガスマニホールド
１１…燃料電池スタック
１２…燃料極
１３…酸化剤極
１４…燃料タンク
１５…燃料供給量調節弁
１６…酸化剤ブロアー
１７…燃料循環用ブロアー
２０…燃料供給配管
２１…燃料排気配管
２２…燃料循環配管
２３…酸化剤供給配管
２４…酸化剤排気配管
２５…燃料排気配管弁
２６…酸化剤排気配管弁
【図１】
2006093092.tif 000003
【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】
2006093092.tif 000008
【図７】
2006093092.tif 000009
【図８】
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