(57)【要約】【課題】  燃料電池のフラッディングやドライアップを簡易な構成で抑制し、発電効率を向上させる。【解決手段】  ＭＥＡ１０を２つのセパレータ２０，２１によって狭持した構成の燃料電池１００において、シリコン樹脂に吸水性樹脂を分散させた押力調整部材３０をセパレータ間に配置する。押力調整部材３０は、単セル内の水分量が多い場合にはこれを吸収し、体積が膨張する。これにより、セパレータ２０，２１がＭＥＡ１０を圧縮する力が弱まりガス拡散層１３の厚みが増す。この結果、ガス拡散層１３内を水分が移動しやすくなりフラッディングが抑制される。逆に、単セル内の水分量が少なくなる高温時には、ガス拡散層１３が圧縮され、ガス拡散層１３内を水分が移動しにくくなり、ＭＥＡ１０内に水分が止まることになる。この結果、ドライアップが抑制される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
ガス拡散層が積層された電解質膜と、
前記電解質膜を狭持するように配設された２つのセパレータと、
前記燃料電池内に設けられ、該燃料電池内の物理的環境に応じて形状が変化することにより、前記電解質膜の発電効率の低下を抑制する方向に前記２つのセパレータが前記電解質膜を狭持する力を変化させる調整部材と
を備える燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池であって、
前記調整部材は、前記２つのセパレータが対面する間隙に設けられ、前記燃料電池内の水分を吸収することによって体積が増加する吸水性樹脂を含む部材である
燃料電池。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池であって、
前記吸水性樹脂は、シリコン樹脂に分散されている
燃料電池。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池であって、
更に、前記調整部材の外周部にシール部を備える
燃料電池。
【請求項５】
請求項１に記載の燃料電池であって、
前記調整部材は、前記２つのセパレータが対面する間隙に設けられ、前記燃料電池内の温度が高くなるほど、前記セパレータと電解質膜の積層方向に縮むように形成された部材である
燃料電池。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池であって、
前記調整部材は、形状記憶金属によって形成されている
燃料電池。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記ガス拡散層は、カーボンクロスからなる
燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の発電効率を向上させる技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車等に搭載される固体高分子型燃料電池は、広い温度範囲に亘って同等の発電性能を実現することが望ましい。しかし、燃料電池の運転温度が低い場合には電気化学反応によって水が過剰に生成されてフラッディングが発生する場合があり、発電効率の低下の原因となっていた。また、逆に、運転温度が高温の場合には、電解質膜から水が過剰に蒸発されてドライアップが発生する場合があり、これもまた、発電効率の低下の原因となっていた。
【０００３】
このような問題に対処するため、下記特許文献１に記載の技術では、燃料電池スタックの積層方向に加える押力を変化させることにより、ガス拡散層の厚みを変化させて水の移動のし易さを調整している。つまり、ガス拡散層を圧縮すれば、生成水の移動が制限され、ドライアップが抑制されることになり、この圧縮量を低減すれば、ガス拡散層を水がスムーズに通過することになり、フラッディングが抑制されることになる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−３１９６７３号公報
【特許文献２】特開平９−２２７２０号公報
【０００５】
しかし、特許文献１に記載の技術では、燃料電池スタックの積層方向に対して押力を加える際に、モータの駆動力を利用しており、装置全体の構成が複雑であった。また、モータの制御を行うために流量計や圧力計等の種々のセンサが必要であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、燃料電池のフラッディングやドライアップを簡易な構成で抑制し、発電効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を踏まえ、本発明の燃料電池は、
ガス拡散層が積層された電解質膜と、
前記電解質膜を狭持するように配設された２つのセパレータと、
前記燃料電池内に設けられ、該燃料電池内の物理的環境に応じて形状が変化することにより、前記電解質膜の発電効率の低下を抑制する方向に前記２つのセパレータが前記電解質膜を狭持する力を変化させる調整部材と
を備えることを要旨とする。
【０００８】
このような構成によれば、燃料電池内の水分量や温度などの物理的環境に応じて調整部材の形状が変化するため、セパレータが電解質膜を狭持する押力も変化し、ガス拡散層の厚みが自立的に調整されることになる。そのため、モータや種々のセンサ等を必要とすることなく、簡易な構成でフラッディングやドライアップを抑制し、発電効率を向上させることができる。また、モータや種々のセンサなどによって制御する必要がないため、応答性が高いという利点もある。
【０００９】
上記構成の燃料電池において、
前記調整部材は、前記２つのセパレータが対面する間隙に設けられ、前記燃料電池内の水分を吸収することによって体積が増加する吸水性樹脂を含む部材であるものとすることができる。
【００１０】
このような構成であれば、燃料電池内の水分量に応じて吸水性樹脂の体積が変化するため、ガス拡散層の厚みを容易に調整することができる。
【００１１】
上記構成の燃料電池において、
前記吸水性樹脂は、シリコン樹脂に分散されているものとしてもよい。
【００１２】
このような構成であれば、ゲル状の吸水性樹脂の形状を容易に整えることができる。また、このような調整部材によれば、ガス拡散層の厚みの調整と同時にセパレータ間のシールも行うことができる。しかし、もちろん、この調整部材の外周部に、別途、セパレータ間のシールを行う部材を備えていてもよい。こうすることにより、より確実にシールを行うことができる。
【００１３】
また、上記構成の燃料電池において、
前記調整部材は、前記２つのセパレータが対面する間隙に設けられ、前記燃料電池内の温度が高くなるほど、前記セパレータと電解質膜の積層方向に縮むように形成された部材であるものとすることができる。
【００１４】
こうすることによっても燃料電池内の温度に応じて自立的にガス拡散層の厚みを調整することができるため、簡易な構成でフラッディングやドライアップを抑制し、発電効率を向上させることができる。このような部材としては、例えば、形状記憶合金やバイメタルなどを用いることができる。形状記憶金属は、温度が上がると元の形状に戻る性質があるため、予め縮んだ状態を記憶させておけばよい。また、バイメタルは、温度が上がるにつれ、反った状態から平板の状態へ変化するように、張り合わされた２枚の金属の熱膨張率を設定すればよい。
【００１５】
上述した種々の燃料電池において、
前記ガス拡散層は、カーボンクロスからなるものとしてもよい。
【００１６】
カーボンクロスは比較的柔軟性に富むため、このような構成によれば、容易にガス拡散層の厚みを調整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】
【００１７】
以上で説明した本発明の作用・効果を一層明らかにするため、本発明の実施の形態を実施例に基づき次の順序で説明する。
Ａ．燃料電池の構成：
Ｂ．実験例：
Ｃ．変形例：
【００１８】
Ａ．燃料電池の構造：
図１は、燃料電池１００の断面構造を示す説明図である。燃料電池１００は、固体高分子型燃料電池であり、例えば、電気自動車の電力源として用いられる。図示するように、燃料電池１００は、ＭＥＡ（膜電極接合体）１０が２つのセパレータ２０，２１によって狭持されることにより構成されている。なお、本実施例では、単セルからなる燃料電池１００を示しているが、かかる単セルを複数積層して１つの燃料電池を構成するものとしてもよい。
【００１９】
ＭＥＡ１０は、パーフルオロスルホン酸系のイオン交換膜からなる電解質膜１１の両面に、白金担持触媒カーボンからなる触媒層１２とカーボンクロスからなるガス拡散層１３とが積層されて形成されている。本実施例では、ガス拡散層として、Ｅ−ｔｅｋ社製ＬＴ−１４００を用いた。なお、ガス拡散層１３としては、一般的にカーボンクロスのほかにもカーボンぺーパが用いられることがあるが、後述するように、本実施例では、ガス拡散層１３の厚みを変化させることにより発電効率の向上を図るため、比較的柔軟性に富むカーボンクロスを採用するものとした。
【００２０】
２つのセパレータ２０，２１にはそれぞれ、燃料ガス流路２２および酸化剤ガス流路２３が溝状に形成されている。ＭＥＡ１０には、これらの流路を介して電気化学反応に必要な水素や酸素が供給されることになる。このように、セパレータ２０，２１には、水素や酸素をＭＥＡ１０に供給する働きや、電気化学反応によって生じた電気を集電する働きなどがある。セパレータ２０，２１の材質としては、例えば、カーボンと樹脂の複合材やステンレス鋼、アルミニウムなどを用いることができる。
【００２１】
セパレータ２０には絶縁板５０を介してスプリング６０が当接されており、このスプリング６０から一定の押力が付勢されている。一方、セパレータ２１の設置位置は固定されている。かかる構造によって、２枚のセパレータ２０，２１は、ＭＥＡ１０を一定の圧力で狭持することになる。なお、図中には、スプリング６０を１本のみ示したが、その数に制限はない。また、スプリング以外にも、ゴムなどの他の弾性体を用いるものとしてもよい。また、絶縁板５０とスプリング６０とは、セパレータ２１側にも設けるものとしてもよく、セルの両側から押力を付勢するものとしてもよい。また、単セルを複数積層させた燃料電池の場合には、絶縁板５０とスプリング６０とは、単セル毎に設ける必要はなく最端部にのみ設ければよい。
【００２２】
セパレータ２０，２１は、ＭＥＡ１０の膜方向への断面積よりも大きな断面積を有している。そのため、セパレータ２０，２１の端部には、ＭＥＡ１０が配設されていない間隙がある。かかる間隙には、押力調整部材３０を配設すると共に、更に、その外周には、シール材としてのシリコンゴム４０を配設している。
【００２３】
押力調整部材３０は、燃料電池１００内の物理的環境に応じて自立的に形状が変化する部材であり、その形状の変化によってセパレータ２０，２１間に力を作用させ、セパレータ２０，２１がＭＥＡ１０を狭持する押力を調整する働きを有している。本実施例では、シリコン樹脂に吸水性樹脂を分散させることにより押力調整部材３０を形成した。そのため、燃料電池１００内の水分量に応じて押力調整部材３０は体積が増減することになる。
【００２４】
吸水性樹脂としては、例えば、ポリアクリル酸塩や、イソブチレン＋マレイン酸塩、デンプン＋ポリアクリル酸塩、ポリビニルアルコール＋ポリアクリル酸塩などを用いることができる。本実施例では、吸水性樹脂としてケンユー製コアプルパウダＣＢ−６０を用意すると共に、シリコン樹脂としてスリーボンド社製１２０７Ｂを用意し、これらを重量比１：５０の割合で混合することにより、押力調整部材３０を形成した。
【００２５】
図２は、水分量が多い場合の燃料電池１００の状態を示す説明図であり、図３は、水分量が少ない場合の燃料電池１００の状態を示す説明図である。以上のように構成された燃料電池１００では、燃料電池１００内の水分量が多くなると、図２に示すように、押力調整部材３０内の吸水性樹脂がこの水分を吸収することで体積が膨張し、対面する２つのセパレータ２０，２１が離間されることになる。すると、カーボンクロスからなるガス拡散層１３の圧縮量が減少し、厚みが増すため、ガス拡散層１３内を水分が移動しやすい状態となる。その結果、ＭＥＡ１０内からスムーズに生成水が排出されることになり、フラッディングが抑制され、発電効率が向上することになる。
【００２６】
一方、燃料電池１００の運転温度が高く、生成水が多く蒸発し、燃料電池１００内の水分量が減少した場合には、図３に示すように、押力調整部材３０内の吸水性樹脂からも水分が蒸発し、体積が収縮することになる。すると、２つのセパレータ２０，２１がＭＥＡ１０を狭持する押力が大きくなり、ガス拡散層１３が圧縮される。その結果、ガス拡散層１３内を水分が移動しにくくなり、ＭＥＡ１０内に水分が多く保持され、ドライアップの発生が抑制される。その結果、発電効率が向上することになる。
【００２７】
Ｂ．実験例：
次に、上述した構成の燃料電池１００を用いて行った実験結果について説明する。本実験では、スプリング６０によって圧縮する前の状態において、厚さが４００μｍのガス拡散層１３を用いるものとした。そして、燃料電池の運転温度が８０℃程度までの通常運転時において、このガス拡散層１３の厚みが３００μｍ程度に圧縮されるようにし、さらに、運転温度が９０℃に達するような高負荷時に、その厚みが２２０μｍ程度まで圧縮されるように、スプリング６０の押力や押力調整部材３０、およびシリコンゴム４０の形状等を設計した。
【００２８】
図４は、かかる実験例による燃料電池１００のＩＶ特性を示す説明図である。図中のグラフ１は、燃料電池１００が８０℃にて通常運転されている場合のＩＶ特性を示している。これに対して、グラフ２およびグラフ３は、燃料電池の運転温度が９０℃となる高負荷時のＩＶ特性を示している。グラフ３は、押力調整部材３０を設けず、ガス拡散層１３を一定の厚みに保った場合のＩＶ特性であり、グラフ２は、押力調整部材３０を設けて、単セル内の水分量に応じてガス拡散層１３の厚みが調整された場合のＩＶ特性である。
【００２９】
グラフ２およびグラフ３に示すように、燃料電池１００の高負荷時においては、グラフ１で示す通常運転時に比べ、どちらも、発電効率は低下している。しかし、その低下度合いは、押力調整部材３０を設けたグラフ２の方が少ない。すなわち、燃料電池１００が高温で運転されて、押力調整部材３０から水分が奪われると、ガス拡散層１３が収縮し、ドライアップが抑制される。その結果、高負荷時においても比較的、発電効率を高く保ったまま運転が可能となったことがわかる。
【００３０】
以上で説明したように、本実施例によれば、燃料電池１００内の水分量に応じて押力調整部材３０の形状が変化し、ガス拡散層１３の厚みが調整される。その結果、ドライアップやフラッディングが抑制され、発電効率が向上することになる。また、押力調整部材３０は自立的に形状が変化するため、モータ等の動力手段を用いることなく簡易な構成でセパレータ２０，２１の押力を調整し、ガス拡散層１３の厚みを変化させることができる。
【００３１】
Ｃ．変形例：
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明はこのような実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。例えば、以下のような変形が可能である。
【００３２】
（変形例１）
図５は、形状記憶合金７０を用いた燃料電池１００ｂの断面構造を示す説明図である。上記実施例では、押力調整部材３０として、シリコン樹脂に吸水性樹脂を分散させた部材を用いるものとしたが、本変形例では、形状記憶合金を用いるものとした。形状記憶合金は、温度が高くなるほど元の形状に戻る性質を有するため、予め、収縮したスプリング状に形状記憶合金７０を形成し、これをセパレータ間に配置した。本変形例では、シール材としてのシリコンゴム４０の外周に形状記憶合金７０を配置するものとした。また、本変形例では、スプリング６０は、セパレータ同士を離間させる方向に力が働くものとした。
【００３３】
このような構成であれば、燃料電池１００の運転温度が上昇すれば、形状記憶合金７０が元の形状に戻ろうとして縮むことになる。その結果、ガス拡散層の厚みが収縮され、ドライアップが抑制されることになる。また、運転温度が下がり、スプリング６０によって形状記憶合金７０が伸張されれば、ガス拡散層１３の厚みが増し、フラッディングが抑制されることになる。すなわち、本変形例によっても、発電効率を向上させることが可能になる。
【００３４】
（変形例２）
図６は、押力調整部材３０の配置場所の他の例を示す説明図である。図示するように本変形例では、押力調整部材３０を燃料電池１００ｃの中央部にＭＥＡ１０を貫くように配置するものとした。このような構成であっても、燃料電池１００内の水分量に応じてガス拡散層１３の厚みを変化させることができる。つまり、押力調整部材３０の配置場所は、セパレータ間に力を作用させることが可能な場所であればよく、燃料電池１００の外周部に限定されることはない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】燃料電池１００の断面構造を示す説明図である。
【図２】水分量が多い場合の燃料電池１００の状態を示す説明図である。
【図３】水分量が少ない場合の燃料電池１００の状態を示す説明図である。
【図４】燃料電池１００のＩＶ特性を示す説明図である。
【図５】形状記憶合金７０を用いた燃料電池１００ｂの断面構造を示す説明図である。
【図６】押力調整部材３０の配置場所の他の例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３６】
１００...燃料電池
１０...ＭＥＡ
１１...電解質膜
１２...触媒層
１３...ガス拡散層
２０，２１...セパレータ
２２...燃料ガス流路
２３...酸化剤ガス流路
３０...押力調整部材
４０...シリコンゴム
５０...絶縁板
６０...スプリング
７０...形状記憶合金
【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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