(57)【要約】【課題】燃料電池の発電とともに導電体と電極板の接触面に生成する水を容易に排出することで、出力の低減を抑制する燃料電池を提供することを目的とする。【解決手段】流路２を有する少なくとも１組の電極板１と、この電極板１の間に挟持され、触媒を有する導電体５を両面に接合した固体高分子電解質膜６とからなり、電極板１と導電体５の接する部分に流路２の長さ方向と略直角方向に溝３を設けたことで、両者の接触面で生成した水は溝３に沿って流路２側に導かれて排水され、接触面内に滞ることがなくなるため、出力低減を抑制することができるものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路を有する少なくとも１組の電極板と、この電極板の間に挟持され、触媒を有する導電体を両面に接合した固体高分子電解質膜とからなり、前記電極板と前記導電体の接する部分に前記流路の長さ方向と略直角方向に溝を設けた燃料電池。
【請求項２】
固体高分子電解質膜を介して向かい合った電極板の溝を、互いに対向する位置になるように設けた構成とした請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
導電体はカーボンペーパーに触媒を担持した構造とした請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
溝の深さを導電体の厚みより小さくした請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
溝の幅を前記溝の間隔より大きくした請求項１に記載の燃料電池。
【請求項６】
電極板の溝をステンレスのプレス加工により形成した請求項１に記載の燃料電池。
【請求項７】
電極板の流路部分と溝部分をそれぞれステンレスで別体に作製し、両者を溶接接合して形成した請求項１に記載の燃料電池。
【請求項８】
燃料電池に水素貯蔵タンクと電動弁とポンプを接続した燃料電池システムであって、前記燃料電池は流路を有する少なくとも１組の電極板と、この電極板の間に挟持され、触媒を有する導電体を両面に接合した固体高分子電解質膜とからなり、前記電極板と前記導電体の接する部分に前記流路の長さ方向と略直角方向に溝を設けたものであり、前記１組の電極板の一方の流路には水素を、他方の流路には空気を導入し、前記流路を途中で分岐することなく１本のみで形成する構成とした燃料電池システム。
【請求項９】
水素貯蔵タンクは水素吸蔵合金を内蔵した請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
水素を導入する流路の出口に電動弁を設けた請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
電動弁を使用開始時、終了時、または燃料電池の出力電圧が規定値より下がった場合に開閉動作を行うようにした請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
電動弁の開閉動作を連続して規定回数行っても燃料電池の出力電圧が規定値以上にならない場合は、水素不足と判断して使用者に知らせるようにした請求項８に記載の燃料システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子電解質膜を用いた燃料電池とそれを用いた燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
エネルギー、環境問題の解決の切り札として期待されている燃料電池が、近年、盛んに開発されている。特に、固体高分子電解質膜を用いた燃料電池は動作温度が８０℃程度と低く扱いやすいため、現在自動車や家庭用コジェネレーションシステムへの適用が検討されている。
【０００３】
一方、携帯機器の分野においても、従来の二次電池を上回るエネルギー密度を有し長時間の使用が可能になることから、携帯用小型燃料電池の開発も盛んに行われている。
【０００４】
このような燃料電池は固体高分子電解質膜の両面に触媒を有する導電体（電極）を一体に接合し、この導電体の表面に接するように燃料や空気を供給する流路を設けた１組の電極板（セパレータ）を単セルとして、これを積層することにより構成される。一方の流路に燃料を他方の流路に空気を流すことで、燃料と空気中の酸素が反応し電力を生成するが、同時に水も生成する。この水は流路中に水滴として凝縮されるため、燃料電池の発電状況によっては水が大量に生成し流路を詰まらせ、発電能力が低減してしまう可能性があった。
【０００５】
これに対し、従来、水滴による流路の詰まりを低減する構成の燃料電池が提案されている。図５はこのような構成の燃料電池のセパレータを示す。図５（ａ）はセパレータの平面図で、同心円状に流路２Ｋが設けられている。図５（ｂ）はセパレータの断面図で、その流路部分の拡大図が図５（ｃ）や図５（ｄ）である。流路２Ｋの断面形状は図５（ｃ）に示すようなＶ字形状、あるいは図５（ｄ）に示すような円弧形状に形成することにより、開口側に向けて拡開する形状になっている。このような形状にすることにより、流路２Ｋを流れるガスの流速を利用してガスが常に電極側に向かうため、水が発生しても排出されやすくなる。
【０００６】
なお、本出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
【特許文献１】特許第３３５２６６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このような断面形状と同様の流路２Ｋを形成した燃料電池を評価したところ、確かに流路２Ｋの詰まりが低減されるのであるが、使用経過とともに出力の低減が認められた。これは発電とともに生成する水が、流路２Ｋの凸部と電極（図示せず）との接触面にも生成するためと考える。すなわち、接触面は密着しているので、この部分へはガスの流速が及ばず拡散によってのみガスが到達しているが、接触面に水が生成するとそれをガスの流速により排出することができずに滞り、ガスの拡散を悪化させ出力低減を招いている。さらに接触面に膜状に水分が広がることで接触抵抗の増大をもたらすことも、出力低減の一因であると考えられる。
【０００８】
以上のことから、本発明は流路と電極との接触面においても水の排出が容易で、出力の低減を抑える燃料電池を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有する。
【００１０】
本発明の請求項１に記載の発明は、特に、電極板と導電体の接する部分に流路の長さ方向と略直角方向に溝を設けたものであり、これにより、両者の接触面で生成した水は溝に沿って流路側に導かれて排水され、接触面内に滞ることがなくなるため、出力低減を抑えることができるという作用効果が得られる。
【００１１】
本発明の請求項２に記載の発明は、特に、固体高分子電解質膜を介して向かい合った電極板の溝を、互いに対向する位置になるように設けたものであり、これにより、溝のない部分は従来通り電極板と導電体が密着するので、両者の接触抵抗を十分低減できるという作用効果が得られる。
【００１２】
本発明の請求項３に記載の発明は、特に、導電体がカーボンペーパーに触媒を担持した構造としたものであり、これにより、カーボンペーパーはカーボン繊維から形成されているので溝の凹凸に対応してカーボンペーパーが変形するため、溝のない部分が緻密に、溝のある部分が疎になり、疎の部分を通って生成した水が毛細管現象で流路側に導かれ、排水できるという作用効果が得られる。
【００１３】
本発明の請求項４に記載の発明は、特に、溝の深さを導電体の厚みより小さくしたものであり、これにより、電極板と導電体を密着させたときに溝の底にも導電体のカーボンペーパーが接触できるため、より一層、両者の接触抵抗を低減できるという作用効果が得られる。
【００１４】
本発明の請求項５に記載の発明は、特に、溝の幅を溝の間隔より大きくしたものであり、これにより、生成した水の排出に寄与する溝の割合が大きくなるので、より効率的に排水できるという作用効果が得られる。
【００１５】
本発明の請求項６に記載の発明は、特に、電極板の溝をステンレスのプレス加工により形成したものであり、これにより、溝を有する複雑な形状の流路を容易に形成でき、耐水性のよい電極板が構成できるという作用効果が得られる。
【００１６】
本発明の請求項７に記載の発明は、特に、電極板の流路部分と溝部分をそれぞれステンレスで別体に作製し、両者を溶接接合して形成したものであり、これにより、カーボンペーパーが薄く、それより浅い溝をプレス加工で形成困難な場合に、確実に均一な深さを形成できるという作用効果が得られる。
【００１７】
本発明の請求項８に記載の発明は、特に、１組の電極板の一方の流路には水素を、他方の流路には空気を導入し、前記流路は途中で分岐することなく１本のみで形成したものであり、これにより、溝を通って流路に排出された生成水を流路内に残留させることなく確実にガス流れの圧力差で外部に排水できるという作用効果が得られる。
【００１８】
本発明の請求項９に記載の発明は、特に、水素貯蔵タンクが水素吸蔵合金を内蔵したものであり、これにより、タンク内圧力で容易に流路内に圧力差を生じさせて生成水を排出でき、かつ、高圧タンクにより低い圧力で貯蔵できるため、より安全に燃料電池システムを使用できるという作用効果が得られる。
【００１９】
本発明の請求項１０に記載の発明は、特に、水素を導入する流路の出口に電動弁を設けたものであり、これにより、生成水が発生した都度、電動弁を開いて排水できるので、水素を無駄なく、かつ、より安全に燃料電池システムが使用できるという作用効果が得られる。
【００２０】
本発明の請求項１１に記載の発明は、特に、電動弁を使用開始時、終了時、または燃料電池の出力電圧が規定値より下がった場合に開閉動作を行うものであり、これにより、生成水の排出を必要最低限のみ行うことができるため、より一層水素を無駄なく、かつ安全に燃料電池システムが使用できるという作用効果が得られる。
【００２１】
本発明の請求項１２に記載の発明は、特に、電動弁の開閉動作を連続して規定回数行っても燃料電池の出力電圧が規定値以上にならない場合は、水素不足と判断して使用者に知らせるようにしたものであり、これにより、圧力センサや流量センサ等の残量検出手段を用いることなく水素残量がわかるので、燃料電池システムを簡便な構成とすることができるという作用効果が得られる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の燃料電池は、流路を有する少なくとも１組の電極板と、この電極板の間に挟持され、触媒を有する導電体を両面に接合した固体高分子電解質膜とからなり、前記電極板と前記導電体の接する部分に前記流路の長さ方向と略直角方向に溝を設けたものであり、これにより、両者の接触面で生成した水は溝に沿って流路側に導かれて排水され、接触面内に滞ることがなくなるため、出力低減を抑制することができるという効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の一実施の形態を添付図面に従って説明する。
【００２４】
図１は、本発明の実施の形態における燃料電池の電極板をプレス加工により形成した場合の単セルの分解斜視図である。図２（ａ）は本発明の実施の形態における燃料電池の単セルの分解断面図、図２（ｂ）は組み立て後の断面図をそれぞれ示す。図３は本発明の実施の形態における燃料電池の電極板を溶接により形成する場合の分解斜視図である。図４は本発明の実施の形態における燃料電池システムの概略ブロック図である。
【００２５】
図１において、１はステンレスからなる電極板であり、電極板１には流路２が設けてある。流路２は途中で分岐することなく、１本のみのいわゆる一筆書き状に形成されている。電極板１で流路２を含有し、かつ流路２が形成されていない部分の上面には、複数の溝３が流路２の長さ方向とほぼ直角の方向に設けてある。ここで、溝３の深さは０．２ｍｍとし、幅は溝３の間隔よりも大きくしてある。このような電極板１の流路２および溝３は、ステンレスをプレス加工することにより一体で形成してある。
【００２６】
電極板１の流路２を形成した面上には膜電極接合体４が接触するように配置される。膜電極接合体４は、白金系触媒を高分散させて担持した厚さ０．４ｍｍのカーボンペーパーからなる１組の導電体５の間にフッ素系の固体高分子電解質膜６を挟み込んで構成されている。導電体５の周囲には気密を保つための樹脂製のシール材７が配置されている。これらの構成要素は図１に示すように積層した後、ホットプレスにより一体形成される。ここで、導電体５の面積は流路２を完全に包含する大きさとしてある。
【００２７】
膜電極接合体４のもう一方の表面には、流路２および溝３が互いに対向するように加工したもう一つの電極板１が配置される。
【００２８】
以上に述べた１組の電極板１と、その間に配置した膜電極接合体４はそれぞれの４隅に設けた穴８に図示しないボルトで締め付けることにより、単セルとして組み立てられる。なお、流路２に導入される燃料や空気は流路入口９から流路出口１０に向かって流れる。
【００２９】
この単セルの断面構造を図２（ａ）、（ｂ）に示す。なお、断面は図１の点線部分を示す。また、図２（ａ）は１組の電極板１と膜電極接合体４を一体に組み立てる前の断面を、図２（ｂ）は組み立て後の断面をそれぞれ示す。
【００３０】
図２（ａ）で組み立て前は導電体５を構成するカーボンペーパーの厚さは均一であるが、組み立てると図２（ｂ）に示すように溝３の凹凸に沿ってカーボンペーパーが変形する。これはカーボンペーパーがカーボンの繊維から構成されており嵩高いためであり、これにより溝３の凹凸に対して柔軟に変形できる。このとき、カーボンペーパーの厚みは０．４ｍｍで溝３の深さは０．２ｍｍであるので、カーボンペーパーは溝３の凹凸形状に応じて変形しつつも、溝３の凸部と底部の両方に接触する。この際、溝３の凸部に挟まれたカーボンペーパーは他の部分より圧縮される。また、組み立てと同時にシール材７も圧縮されるので、これにより流路２の気密を保つことができる。
【００３１】
なお、カーボンペーパーの厚みが例えば０．２ｍｍのように、上記よりさらに薄い場合は、溝３の深さも、それに応じて例えば０．１ｍｍ程度に浅くする必要があるが、浅すぎるとプレス加工する際の深さ精度が不十分になったり、場所によるばらつきが相対的に大きくなるといった課題が出てくる。この場合は、例えば厚さ０．１ｍｍで電極板１と同材質のステンレス板を図３の上部に示すような形状にエッチングで加工し溝形成板１１を形成し、溝をつけていない電極板１の上に重ねて、電極板１と溝形成板１１の接する部分を溶接することによって両者を接合させる。このように形成することで、深さ０．１ｍｍの溝がばらつきなく正確に構成できる。
【００３２】
次に、上記単セルを用いた燃料電池システムの構成を図４に示す。なお、ここでは燃料として水素を用いた場合について説明する。
【００３３】
単セルは必要な負荷容量に応じて必要枚数が積層され、燃料電池１２を形成する。燃料電池１２の燃料側流路入口９ａには水素吸蔵合金に水素が貯蔵されたタンク１３が配管されている。また、燃料側流路出口１０ａには電動弁１４が配管されている。電動弁１４の出口は外気に開放してある。一方、燃料電池１２の空気側流路入口９ｂにはポンプ１５が接続され、これを動作させることにより空気側流路に空気を供給する。また、空気側流路出口１０ｂは外気に開放してある。
【００３４】
燃料電池１２から発電された電力の負荷への供給や、必要に応じた電動弁１４およびポンプ１５の動作は制御回路１６によって制御される。制御回路１６には燃料電池システムの起動時や終了時に電動弁１４およびポンプ１５の動作を行うための図示しない二次電池を内蔵している。
【００３５】
次に、本実施の形態の燃料電池システムの動作について説明する。
【００３６】
燃料電池システムの電源を入れると、制御回路１６は内蔵している二次電池の電力によりポンプ１５を動かし空気を供給するとともに、電動弁１４を一度開けて規定時間経過後これを閉じる。この動作によって、タンク１３内の圧力により水素が流路を流れ、かつ電極板内の流路は分岐せず１本であるので、非使用時に結露等により流路に滞った水を確実に排出することができる。なお、規定時間は燃料電池１２の単セルの積層数や大きさによって水を排出する時間が異なるので、燃料電池１２の容量に応じて必要最低限となるようにあらかじめ決定しておく。
【００３７】
次に、上記動作によって燃料電池１２が発電を開始し、出力電圧が上昇する。制御回路１６はこの電圧変化をモニターし、規定の電圧に至ったら負荷に対して電力を供給するとともに内蔵している二次電池の充電を行う。
【００３８】
このようにして燃料電池システムは発電を継続するが、発電に応じて燃料電池反応により水が生成してくる。この水は白金系触媒上で生成するので、発電とともに生成した水が触媒を担持したカーボンペーパー内に滞ってくるが、電極板と導電体の間には流路とほぼ直角方向に溝３が形成してあり、その部分のカーボンペーパーは疎な構造になっているので、生成した水は毛細管現象で疎な部分に導かれ、やがて流路に至る。その結果、電極板と導電体の間に水が滞って発電に必要な水素や空気の触媒への到達が阻害され発電が十分になされなくなるといった課題が解消され、長時間の連続使用が可能となる。
【００３９】
さらに発電を続けると、溝を通ってきた水が流路内に滞ってくる。この際、空気側流路は常にポンプ１５により空気を供給しており、かつ電極板内の流路は分岐せず１本であるので、水が滞っても上流から下流へ空気が流れ、すぐに空気側流路出口１０ｂより排出されるが、燃料側流路はタンク１３の圧力で水素が流路内に充填されているだけで流れていないので、次第に水が滞ってくる。ここで、理論的には燃料電池反応では水が生成するのは空気極側であり、水素極側は水素のみが存在するため燃料側流路には水が溜まらないはずであるが、実際には空気極で発生した水が固体高分子電解質膜中を逆拡散して燃料極側に到達してしまう。固体高分子電解質膜が燃料電池として動作する、すなわちプロトンを伝導する際には水分子を伴うため、逆拡散で燃料極側に到達した水の一部は再び空気極側に運ばれるものの、残余の水は水滴として燃料側流路内に滞ってしまう。その結果、水素が十分に供給されなくなり発電が十分になされなくなる。
【００４０】
そこで、制御回路１６は常に燃料電池１２の出力電圧をモニターし、規定の電圧以下まで下がった場合には流路内に水が滞ったと判断し、燃料電池システムの起動時と同様に電動弁１４を一度開けて、規定時間経過後これを閉じる動作を行う。これによりタンク１３の圧力で水素が規定時間のみ流れるので、流路内の水を排出することができる。
【００４１】
この動作を行った結果、燃料電池１２の出力電圧が回復すれば発電を続けるが、回復しなかった場合には再度電動弁１４の開閉動作を行う。これにより完全に水を排出するようにしている。しかし、開閉動作を規定回数行っても出力電圧が回復しない場合はタンク１３の圧力が低いため水を排出できないと判断し、水素の圧力低下すなわち水素不足を図示しない警告灯で使用者に知らせるとともに、燃料電池システムの動作を停止する。このようにすることで、圧力センサや流量センサ等を使うことなく水素不足を判断できる。なお、水素不足の情報は制御回路１６から負荷側の機器に伝達してもよい。この場合、使用者は負荷側の機器からいち早く水素不足を知ることができる。
【００４２】
なお、同様の動作は燃料電池システムの使用開始時にも行われ、使用開始時に電動弁１４の開閉動作を規定回数行っても規定の出力電圧が得られない場合は、最初から水素が不足しているとして使用者に警告する。
【００４３】
最後に、燃料電池システムを停止する際は、使用者により電源がオフにされると、電動弁１４の開閉動作を行ってそれまでに滞った流路内の水を排出した後、ポンプ１５を停止して全ての動作を終了する。
【００４４】
以上の構成、動作によって、生成水による発電量の低減を抑制できる燃料電池システムを構成することが可能となる。
【００４５】
なお、本実施の形態では電動弁１４の出口および空気側流路出口１０ｂは外気に開放したが、例えば身につける携帯機器用のように燃料電池システムの用途によっては、これら出口から排水することが望ましくない場合が想定される。この際は両出口に水回収のための機構を設けてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明にかかる燃料電池は、電極板と導電体の接する部分に流路の長さ方向と略直角方向に溝を設けることにより、両者の接触面で生成した水は溝に沿って流路側に導かれて排水され接触面内に滞ることがなくなるため、出力低減を抑制することができるという効果を有し、特に長時間連続して動作させる燃料電池システムの用途に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施の形態における燃料電池の電極板をプレス加工により形成した場合の単セルの分解斜視図
【図２】（ａ）同実施の形態における燃料電池の単セルの分解断面図、（ｂ）同実施の形態における燃料電池の単セルの組み立て後の断面図
【図３】同実施の形態における燃料電池の電極板を溶接により形成した場合の分解斜視図
【図４】同実施の形態における燃料電池システムの概略ブロック図
【図５】従来の燃料電池用セパレータの正面および断面図
【符号の説明】
【００４８】
１  電極板
２  流路
３  溝
４  膜電極接合体
５  導電体
６  固体高分子電解質膜
７  シール材
８  穴
９  流路入口
９ａ  燃料側流路入口
９ｂ  空気側流路入口
１０  流路出口
１０ａ  燃料側流路出口
１０ｂ  空気側流路出口
１１  溝形成板
１２  燃料電池
１３  タンク
１４  電動弁
１５  ポンプ
１６  制御回路
【図１】
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【図２】
2006049076.tif 000004
【図３】
2006049076.tif 000005
【図４】
2006049076.tif 000006
【図５】
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