(57)【要約】      （修正有）【課題】水素濃度分布が均一化された燃料電池を提供する。【解決手段】上記目的を達成するために、固体電解質膜２と、上記固体電解質膜２の両側に配置された燃料極側触媒電極層３および空気極側触媒電極層４とを少なくとも有する燃料電池１において、上記燃料極側触媒電極層３は水素吸蔵材５を含有し、上記燃料極側触媒電極層３の、水素供給流の上流側に配置された上記水素吸蔵材５は、下流側に配置された上記水素吸蔵材５よりも低い温度で水素を吸放出する水素吸蔵材５であることを特徴とする燃料電池１。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質膜と、前記固体電解質膜の両側に配置された燃料極側触媒電極層および空気極側触媒電極層とを少なくとも有する燃料電池において、
前記燃料極側触媒電極層は水素吸蔵材を含有し、
前記燃料極側触媒電極層の、水素供給流の上流側に配置された前記水素吸蔵材は、下流側に配置された前記水素吸蔵材よりも低い温度で水素を吸放出する水素吸蔵材であることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記水素供給流の上流側に配置される前記水素吸蔵材は、水素を吸放出する温度が−３０〜４０℃の範囲内である水素吸蔵材であり、前記水素供給流の下流側に配置される前記水素吸蔵材は、水素を吸放出する温度が４０〜１５０℃の範囲内である水素吸蔵材であることを特徴とする請求項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、主として運転時に内部の水素濃度分布を均一化することができる燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の最小発電単位である単位セルは、一般に固体電解質膜の両側に触媒電極層が接合されている膜電極複合体を有し、この膜電極複合体の両側にはガス拡散層が配されている。さらに、その外側にはガス流路を備えたセパレータが配されており、ガス拡散層を介して膜電極複合体の触媒電極層へと供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスを通流させるとともに、発電により得られた電流を外部に伝える働きをしている。
【０００３】
このような燃料電池においては、発電反応に必要な反応ガスは通常上記ガス流路の一端からもう一端へ向けて通流させることにより触媒電極層内へ供給される。供給された反応ガスは発電反応により次第に消費されるため、ガス流路の上流側と下流側とでは反応ガスの濃度が大きく異なる。また、燃料電池が運転停止後長い期間にわたって放置された場合燃料電池内の反応ガスは次第に放出されるが、燃料電池の場所によって放出速度が異なるため、反応ガスの濃度分布は不均一になる。
【０００４】
固体高分子型やリン酸型などの燃料電池では通常燃料として水素が用いられる。このような燃料電池においては、水素濃度分布の不均一、つまり、燃料極内に水素が過多に存在する箇所と、水素が欠乏している箇所とが同時に存在すると、水素欠乏箇所の反対側の空気極で過剰電位が発生する。上記過剰電位が発生すると、触媒電極層やガス拡散層に多用されるカーボン材料の酸化、触媒である白金の溶出等の不具合の原因となる。特に、高温雰囲気下では上記不具合は助長されるため、燃料電池の高温作動中の大きな問題となっている。
【０００５】
特許文献１には、水素ガスの一部を吸蔵し、必要に応じて吸蔵した水素ガスを放出する水素吸蔵手段が設けられた燃料電池が開示されている。しかしながら、特許文献１に開示された発明は、燃料電池に要求される電気的な出力の大きさの変動に対応しようとするものであり、燃料電池内での水素濃度分布の均一化については考慮されていない。
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−６６９７公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、水素濃度分布が均一化された燃料電池を提供することを主目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、固体電解質膜と、上記固体電解質膜の両側に配置された燃料極側触媒電極層および空気極側触媒電極層とを少なくとも有する燃料電池において、上記燃料極側触媒電極層は水素吸蔵材を含有し、上記燃料極側触媒電極層の、水素供給流の上流側に配置された上記水素吸蔵材は、下流側に配置された上記水素吸蔵材よりも低い温度で水素を吸放出する水素吸蔵材であることを特徴とする燃料電池を提供する。
【０００９】
このように、異なる特性を有する水素吸蔵材を各領域に配置することにより各領域に配置された水素吸蔵材に異なるタイミングで水素を吸放出させることができ、水素供給流の上流側と下流側との水素濃度分布を均一化することができるため、水素濃度分布の不均一に起因する過剰電位の発生を防止することができる。また、水素吸蔵材が水素を吸蔵および放出する際に発熱または吸熱する性質を利用して、燃料電池内の温度を発電反応に適した温度にすることができる。
【００１０】
本発明においては、上記水素供給流の上流側に配置される水素吸蔵材は、水素を吸放出する温度が−３０〜４０℃の範囲内である水素吸蔵材であり、上記水素供給流の下流側に配置される水素吸蔵材は、水素を吸放出する温度が４０〜１５０℃の範囲内である水素吸蔵材であることが好ましい。上記温度の範囲内で水素を吸放出する水素吸蔵材を水素供給流の上流側および下流側に配置することにより、上記水素吸蔵材に所望のタイミングにおいて水素を吸放出させることができ、水素濃度分布をより確実に均一化することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の燃料電池は、水素濃度分布の不均一に起因する過剰電位の発生を防止することができ、かつ、燃料電池内の温度を最適化することができるといった効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の燃料電池について詳細に説明する。
図１は本発明の燃料電池の構成の一例を示す概略断面図である。図１に示すように、本発明の燃料電池１においては、固体電解質膜２が燃料極側触媒電極層３および空気極側触媒電極層４により挟持されており、上記燃料極側触媒電極層３は水素吸蔵材５を含有する。上記燃料極側触媒電極層３および空気極側触媒電極層４の外側にはガス拡散層６、セパレータ７が配されている。
以下、このような本発明の燃料電池を構成する各構成部材について、それぞれ分けて説明する。
【００１３】
１．燃料極側触媒電極層
本発明に用いられる燃料極側触媒電極層は、水素吸蔵材を含有するものであり、上記燃料極側触媒電極層の特定領域または全般にわたって配置された水素吸蔵材のうち、水素供給流の上流側に配置された水素吸蔵材の方が、下流側に配置された水素吸蔵材よりも低い温度において水素を吸放出する。このように、特性の異なる水素吸蔵材を燃料極側触媒電極層の上流側および下流側に配置することにより、以下の理由から燃料極側触媒電極層における水素濃度分布を均一化することができる。
【００１４】
すなわち、燃料電池の起動時において、燃料極側触媒電極層の水素供給流の上流側は、いち早く水素が供給されるが、下流側まで水素が到達するにはある程度の時間を要するため、燃料極側触媒電極層における水素濃度分布が不均一になる。起動時の燃料電池内の温度は低いため、このような低い温度で水素を吸蔵する水素吸蔵材が上流側に配置されている場合は、該水素吸蔵材が燃料極側触媒電極層の上流側に供給された水素を一時的に吸蔵して上流側の水素濃度が低下するため、下流側との水素濃度分布の不均一を抑制することができる。
【００１５】
一方、燃料電池内の温度が発電反応に適した温度まで上昇し、発電反応が活発に進行している状態では、供給された水素の大部分は下流側の領域へ到達する前に消費されるため、下流側の水素濃度は上流側よりも低くなる。この際、発電反応が活発に進行している状態の燃料電池内の温度において水素を放出する水素吸蔵材が下流側に配置されている場合は、該水素吸蔵材が吸蔵している水素を放出し、不足している下流側の水素を補うため、上流側との水素濃度分布の不均一を抑制することができる。
【００１６】
上述したように、本発明に用いられる水素吸蔵材は周囲の温度に応じて水素を吸放出するものであるため、水素吸蔵材に水素を吸放出させるための、例えば温度制御装置などの制御装置等を必要とせず、燃料電池システムを複雑化することなく水素濃度分布の均一化を図ることができる。
【００１７】
また、本発明においては、水素吸蔵材が水素を吸蔵および放出する際に発熱または吸熱する性質を利用して、燃料電池内の温度を発電反応に適した温度にすることもできる。起動時の燃料電池内の温度は発電反応に適した温度よりも低い場合が多いため、発電反応を効率よく進行させるためには燃料電池内の温度が早急に上昇することが好ましい。水素吸蔵材は水素を吸蔵する際に発熱し、水素を放出する際に吸熱するものが一般的であるため、起動時に燃料極側触媒電極層において最初に水素が供給される領域である、水素供給流の上流側の領域に、低い温度で水素を吸蔵する水素吸蔵材が配置されていれば、該水素吸蔵材は供給された水素を吸蔵して発熱するため燃料電池内の温度も上昇し、より短い時間で燃料電池内の温度を発電反応に適した温度まで上昇させることができる。
【００１８】
一方、燃料電池内の温度が発電反応に適した温度まで上昇して発電反応が活発に進行している状態において、下流側での水素が欠乏して上述したような過剰電位が発生した場合、上記過剰電位に伴い熱が発生する。この際、この領域に高い温度で水素を放出する水素吸蔵材が配置されていれば該水素吸蔵材は吸蔵していた水素を放出して吸熱するため、不足している水素を供給するとともに、燃料電池内の温度が加熱することを抑制することができる。
【００１９】
本発明において、燃料極側触媒電極層に配置される水素吸蔵材が水素を吸放出する温度は、水素供給流の下流側よりも上流側の方が低い温度であれば特に限定されるものではない。例えば、上流側に配置される水素吸蔵材が水素を吸放出する温度は、−３０〜４０℃の範囲内、中でも−２０〜２０℃の範囲内であることが好ましい。一方、下流側に配置される水素吸蔵材が水素を吸放出する温度は、４０〜１５０℃の範囲内、中でも８０〜１２０℃の範囲内であることが好ましい。
【００２０】
本発明に用いられる水素吸蔵材は、ある特定の温度の近傍の温度において水素を吸蔵および放出する機能を有するものであれば特に限定されるものではない。用いることができる水素吸蔵材の例としては、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｌａ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌなどの金属のうち少なくとも２つを含む水素化合物である水素吸蔵合金、およびそれらをポリマーコートしたもの、またはルベアン酸銅錯体などの有機−無機錯体、ナノカーボン材料等を挙げることができる。
【００２１】
上記水素吸蔵材の例の中でも、上流側では、MnCo5H3、LaNi5H6、MnNi2.5Co2.5H5.2、MnNi4.5Al0.5H4.9、MnNi4.5Mn0.5H6.6、TiTeH1.8、TiMn1.5H2.1等(以下、これらを「A」と総称する場合がある。)が好適に用いられる。一方、下流側では、ZrMn2H2、TiCoH1.5、TiCo0.5Mn0.5H1.7、TiCo0.5Fe0.5H1.2等(以下、これらを「B」と総称する場合がある。)が好適に用いられる。また、２種類以上の上記水素吸蔵材を用いる場合は、上流側と下流側とで同じ種類の水素吸蔵材を異なる比率で用いることにより、それぞれの領域で所望される温度において水素吸蔵材に水素を吸放出させることもできる。例えば、上流側ではＡ：Ｂ＝８：２、下流側ではＡ：Ｂ＝２：８のように、２種類以上の同じ水素吸蔵材を異なる比率で上流側および下流側に配置することにより、下流側よりも低い温度で上流側の水素吸蔵材に水素を吸放出させることができる。
【００２２】
上記水素吸蔵材の種類および組み合わせを選択して燃料極側触媒電極層の各領域に配置することにより、各領域において、水素吸蔵材に所望の温度で水素を吸放出させることができる。この際の各領域への水素吸蔵材の添加量および添加密度は、該領域で必要とされる水素の吸蔵および放出量、用いる水素吸蔵材の水素吸蔵および放出能力などに応じて適宜調整して用いることができる。また、燃料電池の触媒として多用される白金は、その粒子径などによっては水素吸蔵特性を有するものがあるため、このような水素吸蔵特性を有する白金を触媒として用いる場合は、担体に担持する触媒の量を調節することによっても水素濃度分布の均一化を図ることができる。例えば、触媒として用いる白金が、ある領域で所望される温度において水素を吸放出する場合は、その領域に配置される担体には他の領域よりも多く白金を担持し、他の領域には異なる種類の水素吸蔵材を配置することにより、それぞれの領域における水素濃度分布の均一化を図ることができる。
【００２３】
本発明に用いられる燃料極側触媒電極層を形成する材料は、上記水素吸蔵材が含まれていれば特に限定されるものではなく、通常の燃料電池の触媒電極層を形成する材料に上記水素吸蔵材を添加することにより形成することができる。例えば、カーボン粉末やカーボンナノチューブなどの導電性物質上に白金や白金合金などの触媒を担持した触媒担持導電性物質と、固体電解質膜に用いられる、ナフィオン(商品名：Nafion、デュポン株式会社製)などの電解質と、上記水素吸蔵材とから燃料極側触媒電極層を形成することができる。
【００２４】
２．固体電解質膜
本発明に用いられる固体電解質膜としては、プロトン伝導性に優れ、かつ絶縁性を有する材料からなるものであれば特に限定されるものではない。このような固体電解質膜を形成する電解質材料としては、ナフィオン（商品名：Nafion、デュポン株式会社製）などに代表されるようなフッ素系樹脂、アミド系樹脂に代表されるような炭化水素系樹脂等有機系のもの、または、ケイ素酸化物を主成分とするものなどの無機系のもの等を挙げることができる。
【００２５】
３．空気極側触媒電極層
本発明に用いられる空気極側触媒電極層を形成する材料は特に限定されるものではなく、通常の燃料電池の触媒電極層を形成する材料により形成することができる。例えば、カーボン粉末やカーボンナノチューブなどの導電性物質上に白金や白金合金などの触媒を担持した触媒担持導電性物質と、固体電解質膜に用いられる、ナフィオン(商品名：Nafion、デュポン株式会社製)などの電解質とから空気極側触媒電極層を形成することができる。
【００２６】
４．ガス拡散層
本発明に用いられるガス拡散層は、ガスの透過性を有し、かつ発生した電気を集電できるものであれば特に限定されるものではなく、従来の燃料電池に用いられるものを使用することができる。一般的には、カーボン繊維から成るカーボンクロスやカーボンペーパーなどの多孔体が好適に用いられる。ガス拡散層の厚さは、燃料電池におけるガス拡散層としての機能を果たせるものであれば特に限定されるものではない。
【００２７】
また、本発明においては、燃料極側のガス拡散層に上記水素吸蔵材が配置されていてもよい。この場合も、上記「１．燃料極側触媒電極層」の場合と同様に、水素供給流の上流側に配置される水素吸蔵材は、下流側に配置される水素吸蔵材よりも低い温度で水素を吸放出するように、それぞれの領域に水素吸蔵材を配置する。
【００２８】
５．セパレータ
本発明においては、上記ガス拡散層のさらに外側にセパレータが配置されていることが好ましい。上記セパレータにガス流路を形成することにより、燃料電池への反応ガスの供給および生成水の排出を効率的に行うことができる。また、導電材料から形成することにより、上記セパレータを集電体としても用いて効率的に集電を行うこともできる。
【００２９】
本発明においてセパレータは、特に限定されるものではなく、一般的な燃料電池に用いられているものを用いることができる。用いることができるセパレータの例としては、ガス拡散層側の面にガス流路が形成されており、反対側の面には、燃料ガスや酸化剤ガスを供給するためのガス供給装置が接続されているものを挙げることができ、さらには冷却水の流路が形成されているものをも含むものである。このようなセパレータを形成する材料としては、カーボンや金属を用いるのが一般的であり、それらを従来のものと同様な厚さに形成して用いることができる。なお、共に用いられるガス拡散層内にガス流路が形成されている場合は、セパレータにはガス流路が形成されている必要はなく、表面が平滑なセパレータを用いることができる。
【００３０】
また、本発明においては、燃料極側のセパレータに上記水素吸蔵材が配置されていてもよい。この場合も、上記「１．燃料極側触媒電極層」の場合と同様に、水素供給流の上流側に配置される水素吸蔵材は、下流側に配置される水素吸蔵材よりも低い温度で水素を吸放出するように、それぞれの領域に水素吸蔵材を配置する。
【００３１】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【００３２】
例えば上記記載においては、水素吸蔵材を含有する燃料極側触媒電極層について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、上述したように、燃料極側のガス拡散層やセパレータが上述したような水素吸蔵材を含有するものでもよい。本発明はこのような態様も含むものである。
【００３３】
また、上記記載においては、主に固体高分子電解質型の燃料電池について説明しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、りん酸型等の水素が燃料として用いられるタイプの燃料電池に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の燃料電池の構成の一例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  …  燃料電池
２  …  固体電解質膜
３  …  燃料極側触媒電極層
４  …  空気極側触媒電極層
５  …  水素吸蔵材
６  …  ガス拡散層
７  …  セパレータ
【図１】
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