(57)【要約】【課題】反応ガスが高分子電解質内にリークした場合にもクロスリークの発生を未然に防止または低減させる固体高分子電解質型燃料電池を提供する。【解決手段】燃料極１２と、電解質１０と、空気極１４と、を順に積層させた接合体であって、積層した接合体の厚み方向とほぼ垂直に電解質１０を貫通する、プロトン導電性溶液を流通させる流路１８を備える。また固体高分子電解質型燃料電池１００は、上記接合体を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極と、電解質と、空気極と、を順に積層させた接合体であって、
積層した接合体の厚み方向とほぼ垂直に前記電解質を貫通する、プロトン導電性溶液を流通させる流路を備える、接合体。
【請求項２】
燃料極と、電解質と、空気極と、を順に積層させた接合体であって、
前記電解質は、接合体の積層方向に複数の電解質膜が空間を空けて積層され、
前記空間には、それぞれリークガスを吸収するプロトン導電性溶液が充填されている、接合体。
【請求項３】
燃料極と、電解質と、空気極と、を順に積層させた接合体であって、
前記電解質は、接合体の積層方向に積層される複数の電解質膜を有し、
複数の電解質膜それぞれの間に、リークガスを吸収するプロトン導電性溶液を流通させる流路を備える、接合体。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の接合体を含む、燃料電池。
【請求項５】
請求項１または３に記載の接合体を含む燃料電池と、
接合体内部の流路においてリークガスを吸収した、リークガス吸収済みプロトン導電性溶液を接合体外部に排出する排出用配管と、
前記リークガス吸収済みプロトン導電性溶液からリークガスを脱気するリークガス脱気処理槽と、
リークガス脱気済みプロトン導電性溶液を接合体内部の流路に供給する供給用配管と、
プロトン導電性溶液循環用ポンプと、
を備える、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特に固体高分子電解質型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池に関するさまざまな研究開発が行われている。燃料電池には、使用する電解質の違いによりさまざまな種類のものが提案され、研究が進められているが、自動車業界においては特に電解質として固体高分子を使用した固体高分子電解質型燃料電池に関する研究が盛んに行われている。この固体高分子電解質型燃料電池の、他の燃料電池に対する利点としては、作動温度が約６０℃〜約１００℃程度と比較的低温であること、移動や振動による電解質の漏洩がないこと、等が挙げられる。
【０００３】
ここで、従来の固体高分子電解質型燃料電池の一例について、図面に基づいて説明する。なお、各図面において同じ構成については、同じ符号を付し、その説明を省略する。
【０００４】
図４は、従来の固体高分子電解質型燃料電池４００の断面概略図である。燃料極１２と、高分子電解質膜４０と、空気極１４が順に積層した、いわゆる膜−電極接合体（ＭＥＡ）を、２枚のセパレータ１６で挟持した構造となっており、一般にこれらを単セルまたはセルと称する。通常、燃料電池は、このセルを更に積層させたセルスタックとして所望の起電力が得られるようにしているが、簡単のために単セルを単に燃料電池として、以後、説明する。燃料極１２、空気極１４はそれぞれ、図示しない、拡散層と触媒層とを有している。燃料極１２の拡散層では、図示しない燃料ガス流路を通じて供給された、例えば水素ガスなどの燃料ガスが高分子電解質膜４０に向けて拡散される。また、燃料極１２の触媒層には、例えば、白金などの触媒が担持されており、拡散層を経由して触媒層に供給された水素ガスを、触媒の作用により、次の式に従って、水素イオンと電子とに解離させる。
【０００５】
Ｈ２  →  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−    （Ｈは水素、ｅ−は電子）
【０００６】
例えば、パーフルオロ系、パーフルオロスルホン酸系などのフッ素系イオン交換樹脂などが用いられる高分子電解質膜４０は、プロトン導電性電解質として機能する。燃料極１２で生成した水素イオン（プロトン）は、プロトン導電性を有する高分子電解質膜４０を透過して空気極へと送られる。また、燃料極１２で発生した電子は、図示しない外部回路を通じて空気極１４へと送られる。なお、高分子電解質膜４０は、湿潤状態では優れたプロトン導電性を発揮する一方、乾燥状態ではプロトン導電性が低下するためにエネルギ変換効率が低下してしまうので、常に湿潤状態に保たれている。
【０００７】
一方、空気極１４の拡散層では、図示しない酸化ガス流路を通じて供給された、例えば空気などの酸素供給源が高分子電解質膜４０側の触媒層に向けて拡散される。空気極１４では、高分子電解質膜４０を透過した水素イオンと、外部回路を通じ供給された電子とが、空気極触媒層の、例えば白金などの触媒作用により酸素と反応することにより、次の式に従い、水を生成する。
【０００８】
２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−  ＋  （１／２）Ｏ２  →  Ｈ２Ｏ    （Ｏは酸素）
【０００９】
上記燃料極１２、高分子電解質膜４０および空気極１４における一連の反応により、固体高分子電解質型燃料電池４００は、外部への電力供給が可能となる。
【００１０】
ところで、固体高分子電解質型燃料電池４００において、所定の起電力が得られず電力低下する要因として、ガスリークが挙げられる。ガスリークとは、反応ガスである燃料ガスまたは酸化ガスの少なくとも一方のうち、一部が所定のガス流路から外れ、固体高分子電解質型燃料電池４００内部または外部へ漏出する現象をいう。電力の発生に寄与しないリークガスの発生は、発電効率の低下を招くため、望ましくないものである。ガスリークの原因としては、例えば固体高分子電解質型燃料電池４００の長期間の使用による劣化により生じてしまった、シールされた各部材間の隙間や、高分子電解質膜４０内の空隙などが挙げられる。ガスリークの中でも、漏出した反応ガスの一方が他方のガス流路または電極触媒層に漏出することにより反応ガス同士が反応してしまう、いわゆるクロスリークは、その反応熱によるＭＥＡなどの劣化を促進するおそれもあるため、特に問題となっており、このガスリーク、特にクロスリークを防止する対策について提案されている。
【００１１】
特許文献１には、セパレータにより挟持されているＭＥＡがクリープにより薄肉化し、相当する電解質膜部位の一部が破断することによるクロスリークの発生を防止する燃料電池が提案されている。
【００１２】
また、特許文献２では、ＭＥＡの周縁部に配されているガスケットとセパレータ板との間のシール構造の改良による、クロスリーク及び外部リークのない高分子電解質型燃料電池について開示されている。
【００１３】
【特許文献１】特開２００３−２８８９１０号公報
【特許文献２】特開２００３−１９７２２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、固体高分子電解質を使用する固体高分子電解質型燃料電池に際しては、反応ガス、特に、水素ガスは分子サイズが小さく、固体高分子電解質のわずかな隙間を縫って透過してしまうことが可能であるため、クロスリークの発生を完全に遮断することは困難を極める。このクロスリークの問題は、プロトン伝導性能を更に向上させ、発電効率を高めるために、高分子電解質膜４０を薄膜化させた場合に特に顕著となる。つまり、加湿状態が保たれ、膨潤した高分子電解質膜４０は、高分子鎖により形成されている網目の構造が変化するが、この構造の変化により、高分子鎖により形成されている空間が大きくなってしまった場合には、例えば、水素ガスなどの分子径の小さなガスが透過しやすい環境となるため、膜の厚さが薄くなってしまうと、高分子電解質膜４０の一方から透過した反応ガスが、他方まで到達してしまうおそれがある。
【００１５】
従来、反応ガスが高分子電解質膜４０を透過してクロスリークが発生した場合でも、そのクロスリークに伴う反応熱によるＭＥＡの劣化に対する影響の程度については、他の要因に伴う経時的な劣化に対する影響の程度と比較して無視できる場合も多かった。このため、高分子電解質膜４０が本質的に有する、反応ガスの透過の問題についてはあまり議論されてこなかった。
【００１６】
一方、燃料極触媒層の触媒作用により、燃料極１２に送られた水素ガスがすべてプロトンと電子とに解離されてしまえば、そもそも高分子電解質膜４０を透過しようとする水素ガスが存在しないため、クロスリークの問題はほぼ解消されるが、特に、燃料電池の運転を開始した直後の、まだ十分な動作温度に達していない状況においては、燃料極触媒層の触媒作用が必ずしも十分でないため、燃料極へ流入してきたすべての水素ガスを触媒作用により反応させ、イオン化することは困難である。
【００１７】
本発明は、かかる課題に鑑み、仮に反応ガスが高分子電解質内にリークした場合にもクロスリークの発生を未然に防止または低減させるＭＥＡおよび燃料電池を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するために、本発明は、燃料極と、電解質と、空気極と、を順に積層させた接合体であって、前記接合体の積層した厚み方向とほぼ垂直に前記電解質を貫通する、プロトン導電性溶液を流通させる流路を備える。
【００１９】
また、本発明は、燃料極と、電解質と、空気極と、を順に積層させた接合体であって、前記電解質は、接合体の積層方向に複数の電解質膜が空間を空けて積層され、前記空間には、それぞれリークガスを吸収するプロトン導電性溶液が充填されている。
【００２０】
また、本発明は、燃料極と、電解質と、空気極と、を順に積層させた接合体であって、前記電解質は、接合体の積層方向に積層される複数の電解質膜を有し、複数の電解質膜それぞれの間に、リークガスを吸収するプロトン導電性溶液を流通させる流路を備える。
【００２１】
また、本発明の燃料電池は、上述した接合体を含む。
【００２２】
また、本発明の燃料電池システムは、上述した接合体を含む燃料電池と、接合体内部の流路においてリークガスを吸収した、リークガス吸収済みプロトン導電性溶液を接合体外部に排出する排出用配管と、前記リークガス吸収済みプロトン導電性溶液からリークガスを脱気するリークガス脱気処理槽と、リークガス脱気済みプロトン導電性溶液を接合体内部の流路に供給する供給用配管と、プロトン導電性溶液循環用ポンプと、を備える。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、仮に反応ガスが高分子電解質内にリークした場合にもクロスリークの発生を未然に防止または低減させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。なお、各図面において同じ構成については、同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００２５】
図１は、本発明の実施の形態における固体高分子電解質型燃料電池１００の構成の概略を示す断面図である。全体の構造については、高分子電解質膜４０に替えて、２枚の高分子電解質膜１０が所定の空間を空けて積層され、その空間にプロトン導電性溶液流路１８が設けられている構造であることを除き、あとは図４に示した従来の固体高分子電解質型燃料電池４００の構成とほぼ同一である。
【００２６】
プロトン導電性溶液流路１８には、プロトン導電性溶液が充填されている。プロトン導電性溶液とすることで、燃料極１２の触媒層で生成したプロトンが、過度な抵抗を受けることなくスムーズに高分子電解質膜１０内を透過することができる。本発明の実施の形態において、プロトン導電性溶液としては、プロトン導電性を示し、高分子電解質膜１０に対し溶解などの悪影響を与えないものであればいかなるものを使用してもよい。例えば、硫酸、スルホン酸類、カルボン酸類、リン酸など、ブレンステッド酸の水溶液が好適に用いられる。なお、プロトン導電性溶液として高分子電解質膜１０と直接接触した場合に何らかの影響を及ぼす、または及ぼすおそれのある溶液を使用する場合には、例えば、高分子電解質膜１０の、プロトン導電性溶液流路１８との境界面付近に、耐食性を付与する表面処理等を施してもよい。また、プロトン導電性溶液流路１８を設けることにより高分子電解質膜１０の強度が低下するおそれがある場合には、プロトン導電性溶液流路１８内に多孔質膜または中空糸膜等を使用して複数の高分子電解質膜１０をセパレートしたりしてもよいが、いかなる構成を採用するにせよ、プロトン導電性溶液流路１８内のプロトン導電性を維持することが好ましい。
【００２７】
一方、燃料極１２または空気極１４から高分子電解質膜１０内部にリークした反応ガスは、プロトン導電性溶液流路１８に充填されたプロトン導電性溶液に吸収されるため、高分子電解質膜１０を透過して他方の電極触媒層へと到達することができない。このため、本実施の形態によりクロスリークを防止することが可能となる。
【００２８】
また、図１に示した本発明の実施の形態において、プロトン導電性溶液流路１８の両端は、好ましくは図示しない配管等により、プロトン導電性溶液が流通可能に配設されている。この構成によれば、プロトン導電性溶液流路１８内に充填されたプロトン導電性溶液に吸収された反応ガスが、プロトン導電性溶液に対して飽和状態となり、ＭＥＡ内部に再び漏出する前に、ＭＥＡ外部、つまり固体高分子電解質型燃料電池１００外部へ排出することが可能となるため、リークガスの二次的な漏出によるクロスリークを未然に防止または低減することができる。なお、本実施の形態において、図示しない配管等を用いてプロトン導電性溶液流路１８内に供給されるプロトン導電性溶液は、リークガスを吸収してプロトン導電性溶液流路１８から排出されたものを再利用してもよく、また、新たに調製したものを使用してもよい。また、プロトン導電性溶液の供給及び排出の動作は、連続的に行われてもよく、また、所定のタイミングで断続的に行われてもよい。
【００２９】
図２は、本発明の実施の形態における固体高分子電解質型燃料電池２００の構成の概略を示す断面図である。高分子電解質膜４０に替えて、接合体の積層方向に積層される複数（ここでは３枚）の高分子電解質膜２０を有し、高分子電解質膜２０それぞれの間に、プロトン導電性溶液流路２８，３２を備えることを除き、あとは図４に示した従来の固体高分子電解質型燃料電池４００の構成とほぼ同一である。
【００３０】
図２に示した本発明の実施の形態において、燃料極１２側に配設されたプロトン導電性溶液流路２８では、燃料極１２からリークした水素ガスが吸収され、一方、空気極１４側に配設されたプロトン導電性溶液流路３２では、空気極１４からリークした酸化ガスが吸収される。本実施の形態によれば、高分子電解質膜２０内にリークした水素ガスと酸化ガスの混合をより確実に防止することが可能となるため、さらにクロスリーク発生のおそれが低減する。
【００３１】
また、本発明の他の実施の形態として、高分子電解質膜４０に替えて、積層した接合体の厚み方向とほぼ垂直に高分子電解質膜１０を貫通するプロトン導電性溶液を流通させる流路が設けられている構造であることを除き、あとは図４に示した従来の固体高分子電解質型燃料電池４００の構成とほぼ同一である、固体高分子電解質型燃料電池を採用してもよい。なお、本実施の形態における構成の断面の概略は、図１または図２に示した固体高分子電解質型燃料電池１００または２００の構成の概略とほぼ同一となる。本実施の形態によれば、上述した図１または図２に示す固体高分子電解質型燃料電池１００または２００とほぼ同様に、クロスリークの影響を防止または低減することができる。
【００３２】
図３は、本発明の実施の形態における固体高分子電解質型燃料電池システム３５０の構成の概略を示す断面図である。図３に示した本発明の実施の形態において、固体高分子電解質型燃料電池システム３５０は、固体高分子電解質型燃料電池３００と、排出用配管４６と、リークガス脱気処理槽４５と、供給用配管４８と、プロトン導電性溶液循環用ポンプ３４と、を備えている。
【００３３】
固体高分子電解質型燃料電池３００は、燃料極１２と、高分子電解質層と、空気極１４が順に積層したＭＥＡを、２枚のセパレータ１６で挟持した構造となっている。本実施の形態において、高分子電解質層は、２枚の高分子電解質膜３０が所定の空間を空けて積層され、その空間にプロトン導電性溶液流路３８が設けられている。
【００３４】
プロトン導電性溶液流路３８には、プロトン導電性溶液４２が流通しており、ＭＥＡ内でリークガスを吸収したプロトン導電性溶液４２は、プロトン導電性溶液循環用ポンプ３４の運転により、矢印のように排出用配管４６から固体高分子電解質型燃料電池３００外部へ排出される。排出用配管４６内を流通する、リークガスを吸収したプロトン導電性溶液４２は、プロトン導電性溶液循環用ポンプ３４の運転により、リークガス脱気処理槽４５に送られる。
【００３５】
リークガス脱気処理槽４５は、プロトン導電性溶液４２の流通する溶液貯留層及びプロトン導電性溶液４２の流通しない内部空間を備え、この内部空間には、例えば、細孔を有する多孔質樹脂等に白金やパラジウム等の触媒金属を担持させた、リークガス反応用触媒４４を有している。また、リークガス脱気処理槽４５には、減圧ポンプ３６が接続されている。減圧ポンプ３６によるリークガス脱気処理槽４５内の空間部分の減圧により、リークガスを吸収したプロトン導電性溶液４２からの、反応ガスの脱気を促進させる。なお、減圧ポンプ３６の運転は常に行ってもよいし、図３のようにバルブ３７を設け、必要に応じてバルブ３７を開閉し、減圧ポンプ３６を運転させてもよい。
【００３６】
リークガス脱気処理槽４５においてプロトン導電性溶液４２より脱気した反応ガスである水素ガス及び酸化ガス（酸素）は、リークガス反応用触媒４４通過の際に反応し、水となってプロトン導電性溶液４２に戻される。脱気されたプロトン導電性溶液４２は、供給用配管４８を通り、再び高分子電解質膜３０に挟持されたプロトン導電性溶液流路３８に供給される。このため、プロトン導電性溶液４２に対する水の割合はわずかに上昇するものの、常に加湿しておく必要がある高分子電解質膜３０内に再び戻されるため、本発明の固体高分子電解質型燃料電池システム３５０全体としては特に問題となることはない。必要に応じて、燃料極１２及び空気極１４に送られる反応ガスの湿度調節を併せて行うようにしてもよい。プロトン導電性溶液４２の濃度を所定の範囲に保持するようにしてもよい。プロトン導電性溶液４２の濃度範囲は、使用するプロトン導電性溶液４２の種類にもよるが、好ましくは約０．１〜１ｍｏｌ／ｄｍ３、更に好ましくは約０．３〜０．７ｍｏｌ／ｄｍ３である。なお、リークガス脱気処理槽４５内で生成した水を、プロトン導電性溶液４２には戻さず、固体高分子電解質型燃料電池システム３５０の外部に排出してもよい。
【００３７】
また、リークガス反応用触媒４４通過による水生成の際に必要な水素と酸素の割合が常に一定であるのに対し、プロトン導電性溶液４２に吸収されるリークガスの割合は一定でないため、すべての反応ガスがリークガス反応用触媒４４通過の際に反応することができず、過剰に存在する反応ガス、例えば、水素ガスが未反応のまま残存してしまうおそれがある。そこで、リークガス脱気処理槽４５内部に空気を取り込み、未反応の水素ガスがリークガス脱気処理槽４５内に残らない構成とすることが好ましい。
【００３８】
リークガス脱気処理槽４５は、燃料電池セル毎に必要ではなく、複数の燃料電池セルから流入するよう、複数の排出用配管４６および供給用配管４８を接続させてもよい。なお、リークガス脱気処理槽４５内のプロトン導電性溶液４２の流路に、図示しない加熱装置を併用したり、リークガス脱気処理槽４５内に窒素ガスやアルゴンガス等を導入し、非反応性ガスの分率を高めたりして、更に反応ガスの脱気を促進させる構成としてもよい。
【００３９】
図３に示した本発明の実施の形態において、排出用配管４６、リークガス脱気処理槽４５および供給用配管４８は、いずれも同じ材質のものを使用してもよく、また異なる材質のものを使用してもよいが、少なくともプロトン導電性溶液４２による劣化の影響をほとんど受けず、また約１００〜１２０℃程度の高温に耐えうるものが好ましい。また、リークガス反応用触媒４４は、直接プロトン導電性溶液４２に触れるおそれはほとんどないが、プロトン導電性溶液４２が流通するリークガス脱気処理槽４５内部にあるため、プロトン導電性溶液４２による腐食性が低いことが好ましい。
【００４０】
また、図３に示した本発明の実施の形態において、固体高分子電解質型燃料電池３００ＭＥＡ内のプロトン導電性溶液流路３８、排出用配管４６、リークガス脱気処理槽４５及び供給用配管４８間の接続は、いかなる方法によるものでもよく、特に排出用配管４６、リークガス脱気処理槽４５及び供給用配管４８は、一体成形でもよい。
【００４１】
また、図３に示した本発明の実施の形態において、プロトン導電性溶液循環用ポンプ３４により規定されるプロトン導電性溶液４２の流速は、本実施の形態における固体高分子電解質型燃料電池３００の運転状況や、リークガスの量により適宜増減させてよい。また、本実施の形態において固体高分子電解質型燃料電池３００の替わりに固体高分子電解質型燃料電池２００を採用してもよく、またこの場合において燃料極１２側のプロトン導電性溶液流路２８と、空気極１４側のプロトン導電性溶液流路３２に対し、それぞれ別に排出用配管４６および供給用配管４８を配設してもよく、このとき、プロトン導電性溶液循環用ポンプ３４は複数使用してもよい。それぞれのプロトン導電性溶液流路２８，３２で吸収されたリークガスを含むプロトン導電性溶液またはリークされた反応ガスを、図示しない配管によりリークガス脱気処理槽４５に送り、同時に、または別々に処理してもよい。
【００４２】
図１または図３に示した本発明の実施の形態において、プロトン導電性溶液流路１８，３８のＭＥＡ厚み方向の幅は、特に限定されないが、好ましくは約１μｍ〜約１０μｍ、より好ましくは約３μｍ〜約７μｍである。また、図２に示した本発明の実施の形態において、プロトン導電性溶液流路２８，３２のＭＥＡ厚み方向の幅についても特に限定されないが、好ましくはその総和が約１μｍ〜約９μｍ、より好ましくは約３μｍ〜約６μｍ程度になればよいため、例えば、プロトン導電性溶液流路２８，３２のＭＥＡ厚み方向の幅は、それぞれ好ましくは約０．５μｍ〜約５μｍ、より好ましくは約１μｍ〜約３μｍ程度である。例えば、複数の電解質膜を重ねあわせ、その周辺部を溶着や接着等によりシールして袋状または筒状の空間を形成し、この空間にプロトン導電性溶液４２を流通させてもよいし、またこの空間に透湿性の中空糸を複数本配設し、プロトン導電性溶液流路を確保してもよいし、また、高分子電解質膜を、例えばポリイミド系樹脂等を使用して高強度化を図り、所定の間隔をあけて配置させ、プロトン導電性溶液流路を確保してもよく、その他いかなる方法を用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明の燃料電池及び接合体は、特に固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）において利用可能であるが、燃料ガスとして、水素ガスの替わりにメタノールを使用した、ダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）においても利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施の形態における燃料電池１００を示した概略図である。
【図２】本発明の実施の形態における燃料電池２００を示した概略図である。
【図３】本発明の実施の形態における燃料電池３００を含む燃料電池システム３５０を示した概略図である。
【図４】従来の燃料電池４００を示した概略図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０，２０，３０，４０  （固体）高分子電解質（膜）、１２  燃料極、１４  空気極、１６  セパレータ、１８，３８  プロトン導電性溶液流路、２８  プロトン導電性溶液流路（燃料極側）、３２  プロトン導電性溶液流路（空気極側）、３４  プロトン導電性溶液循環用ポンプ、３６  減圧ポンプ、３７  バルブ、４２  プロトン導電性溶液、４４  リークガス反応用触媒、４５  リークガス脱気処理槽、４６  排出用配管，４８  供給用配管、１００，２００，３００，４００  燃料電池、３５０  燃料電池システム。
【図１】
2006331830.tif 000003
【図２】
2006331830.tif 000004
【図３】
2006331830.tif 000005
【図４】
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