(57)【要約】【課題】燃料電池を構成する高分子電解質膜や電極等に不純物が進入することを抑制する。【解決手段】燃料ガスと酸化ガスを高分子電解質膜２３を介して反応させることにより、発電を行なう燃料電池において、高分子電解質膜２３に接触する酸素極２１の表面に、撥水層２１ｃを設けている。一方、酸素極２１に供給される空気にノズル５５から霧状の水を吹きかけることにより、水滴ｗの中に、空気中の不純物ｄを含ませ、不純物ｄを含んだ水滴ｄｗが酸素極に接触する構成とする。酸素極２１は、表面に撥水層２１ｃを有しているので、水滴ｄｗをはじき、酸素極２１や電解質膜２３へ不純物の進入を抑制する。【選択図】図４
2008140577.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層の一側に燃料極、他側に酸素極を有する燃料電池と、
前記酸素極に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
前記燃料電池へ供給される酸化ガスに液体を接触させる液体接触手段と、
前記酸化極の表面に形成された撥水層とを備え、
前記撥水層は、前記酸化ガスを通すが前記液体を通さない多数の細孔が形成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記液体接触手段は、酸化ガス中に前記液体を霧状に噴射する噴霧装置であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の構成に加え、前記燃料電池の排気ガス中の液体から不純物を回収する不純物回収装置を有す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、燃料電池システムにかかり、より詳細には、燃料電池の電極内部への不純物の進入が抑止される燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高分子電解質膜を使用した燃料電池スタックを備えた燃料電池システムでは、電解質膜を挟んで両側に燃料室及び酸素室が存在し、燃料室における燃料ガスが燃料極を介し、或いは、酸素室における酸化ガス（主として空気中の酸素）が酸素極を介し、イオン化し、そのイオンを、電解質膜を介して取り出して電力を得ている。  
このような燃料電池システムにおいて、特許文献１に示されているように、酸化ガスとして外気を導入するタイプでは、外気中に含まれる塵埃などが燃料電池内や導風路などに滞留することを抑制するため、空気導入ファンの吸入口にフィルターが設けられている。  
【特許文献１】特開２００５−４４６６５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の燃料電池システムは、空気導入ファンの吸入口に設けたフィルタの細孔径よりも大きな不純物の進入を防止できるが、空気中に存在する塵埃、海塩に含まれる金属イオンの進入を防止することができない。  
このような金属イオンは、燃料電池内に進入し滞留すると、高分子電解質膜や電極を構成するイオン交換樹脂と結合してイオン伝導性を低下させ、燃料電池自体の発電性能を低下させてしまうといった問題があった。  
この問題を解決するために、定期的にイオン交換樹脂を洗浄し不純物を除去することも考えられるが、装置が大掛かりになってしまい、現実的でない。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、上記事実に鑑みて成されたものであり、燃料電池内に外気を通して不純物金属イオンが進入することを抑制した燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
以上のような問題を解決する本発明は、以下のような構成を有する。  
（１）  電解質層の一側に燃料極、他側に酸素極を有する燃料電池と、
前記酸素極に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
前記燃料電池へ供給される酸化ガスに液体を接触させる液体接触手段と、
前記酸化極の表面に形成された撥水層とを備え、
前記撥水層は、前記酸化ガスを通すが前記液体を通さない多数の細孔が形成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【０００６】
（２）  前記液体接触手段は、酸化ガス中に前記液体を霧状に噴射する噴霧装置であることを特徴とする上記（１）に記載の燃料電池システム。
【０００７】
（３）  上記（１）又は（２）に記載の構成に加え、前記燃料電池の排気ガス中の液体から不純物を回収する不純物回収装置を有する燃料電池システム。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１記載の発明によれば、供給手段によって燃料電池に送られる酸化ガスは、液体接触手段により液体に接触することによって、ガス中に含まれている不純物が液体にトラップされる。酸化極の撥水層によって、不純物をトラップした液体は弾かれ、かつ、細孔は、液体を通さないので、不純物をトラップした液体は、酸化極内に進入することなく、燃料電池の外へ排出される。これにより、燃料電池内に不純物が進入し、あるいは残留することが抑制され、燃料電池の性能を従来よりも長期間維持できる。
【０００９】
請求項２記載の発明によれば、酸化ガス中に液体を霧状にして噴射することで、酸化ガスと液体との接触する機会が増え、より多くの不純物を液体にトラップさせることができる。  
請求項３記載の発明によれば、回収した液体から不純物を分離することで、回収した液体を噴霧用の液体として再利用が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
次にこの発明の好適実施形態について説明する。この実施形態は、電気自動車に搭載される燃料電池システムである。図１は、この発明の燃料電池システム１の構成を示すブロック図である。図１に示されているように、この燃料電池システム１は燃料電池スタック１００、水素貯蔵タンク１１を含む燃料供給系１０、空気供給系１２、水供給系５０、負荷系７に大略構成される。  
図２および図３に基づいて燃料電池スタック１００の構成について説明する。図２は、燃料電池スタック１０の部分断面側面図、図３は、燃料電池スタックの部分断面斜視図である。 燃料電池スタック１００は、燃料電池としての単位セル２と、セパレータ３とを備えている。単位セル２は、空気極である酸素極２１と燃料極２２とで固体高分子電解質膜２３を挟持した構成となっている。  
セパレータ３は、酸素極２１と燃料極２２にそれぞれ接触して電流を外部に取り出すための集電部材３１と、集電部材３１と単位セル２との間に介挿され、単位セル２の周端部に重ねられる介挿部材３３とを有している。
【００１１】
集電部材３１は、導電性と耐蝕性を備えた材料で構成されている。集電部材３１としては、例えば、カーボンや、金属等の材料で構成されている。金属で構成した場合には、例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金等の材料に耐蝕導電処理を施したものを用いることができる。ここで、耐蝕導電処理とは、例えば、金メッキ等が挙げられる。  
集電部材３１の、燃料極２２に接触する面には、直線状に連続して隆起した凸部３１１が等間隔で複数形成され、該凸部３１１の間には、溝３１２がそれぞれ形成される。つまり、凸部３１１と溝３１２は、交互に配置された形状となっている。凸部３１１は、最も突出した峰の平面部が燃料極２２に接触する接触部３１３となっており、この接触部３１３を介して燃料極２２と通電可能となる。溝３１２と、燃料極２２の表面とによって、燃料ガスとしての水素ガスが流通する燃料ガス流通路３１５が形成される。
【００１２】
凸部３１１の両端には、凸部３１１に直交する方向に溝３１４、３１４が形成され、この溝３１４と燃料極２２の表面とによって、燃料ガス流路３１６が形成される。複数の燃料ガス流通路３１５は、両端部で燃料ガス流路３１６にそれぞれ連通した構成となっており、複数の燃料ガス流通路３１５と一対の燃料ガス流路３１６とによって、燃料極２２へ水素ガスを供給する燃料ガス保持部３０が構成される。  
燃料ガス保持部３０には、燃料ガス供給孔３１８と燃料ガス排出孔３１７とが形成され、水素ガスは燃料ガス供給孔３１８から燃料ガス保持部３０内に流入し、燃料極２２に水素を供給しつつ、燃料ガス排出孔３１７から流出する。この実施形態では、集電部材３１は、矩形であり、燃料ガス供給孔３１８と燃料ガス排出孔３１７は、集電部材３１の平面視における図心を中心として点対称の位置に（対角線方向）に、それぞれ配置されている。図２には、燃料ガス供給孔３１８が示されている。以上のように、燃料ガス保持部３０は、各セパレータ３と単位セル２の間にそれぞれ形成されている。
【００１３】
各燃料ガス保持部３０の燃料ガス供給孔３１８は、燃料電池スタック１００内の一方の端部において、集電部材３１の積層方向に形成されている燃料ガス供給通路３１９ａにそれぞれ連通しており、燃料ガス排出孔３１７は、燃料電池スタック１００内の他方の端部において、集電部材３１の積層方向に形成されている燃料ガス排出通路３１９ｂにそれぞれ連通している。燃料ガス供給通路３１９ａと各燃料ガス供給孔３１８によって、燃料ガスを各燃料ガス保持部３０に分配する燃料ガスマニホールド３４が構成される。一対の燃料ガス排出通路３１９ａ、３１９ｂの一方は、燃料ガス供給流路２０１Ｂに接続され、他方は、ガス循環流路２０２に接続される。
【００１４】
集電部材３１の、酸素極２１に接触する面には、直線状に連続して隆起した凸部３２１が等間隔で複数形成され、該凸部３２１の間には、溝３２２がそれぞれ形成される。つまり、凸部３２１と溝３２２は、交互に配置された形状となっている。凸部３２１は、最も突出した峰の平面部が酸素極２１に接触する接触部３２３となっており、この接触部３２３を介して酸素極２１と通電可能となる。溝３２２と、酸素極２１の表面とによって、酸化ガスとしての空気が流通する空気流通路３２５が形成される。溝３２２は、集電部材３１の両端部に達しており、空気流通路３２５の上下端は、燃料電池スタック１００の外側に連通する開口部と連通している。両端の開口部の一方は、空気が流入する空気流入部３２６を形成し、他方の開口部は、空気が流出する空気流出部３２７を形成している。空気流入部３２６から流入した空気は、空気流通路３２５において、酸素極２１と接触し、酸素極に酸素を供給しつつ、空気流出部３２７へ導かれる。このように構成された燃料電池スタック１００の鉛直上側には、空気マニホールド５４が設けられている。空気流入部３２６の集合体によって導入口４３が構成され、空気流出部３２７によって導出口４４が構成される。
【００１５】
図４は、酸化極である酸素極２１の構成を模式的に示す燃料電池の断面図である。酸素極２１は、固体高分子電解質膜２３側から、触媒層２１ａ、拡散層２１ｂ、撥水層２１ｃの順で、層を有しており、酸素ガスに接触する面が、撥水層２１ｃとなっている。撥水層２１ｃには、図示されていないが、細孔が多数形成されている。この細孔の径は、水が空気中で形成する水滴の最小径よりも小さい径に形成されている。金属イオンなどの不純物を含んだ水滴は、撥水層２１ｃによって跳ね返され、撥水層２１ｃの内側へ進入することが容易でなくなり、拡散層２１ｂ、触媒層２１ａひいては電解質膜２３への不純物の進入が抑制される。また、細孔を介して酸素は供給される。このように、水にトラップされた不純物は、単位セル２内への進入が抑制される。
【００１６】
次に、図１に示されている燃料電池システムの構成について説明する。燃料供給系１０の構成について説明する。燃料ガスボンベである水素貯蔵タンク１１には、燃料ガス供給流路２０１Ａ、２０１Ｂを介して燃料電池スタック１００のガス取入口に接続されている。燃料ガス供給流路２０１Ａには、水素元バルブ１８、一次圧センサＳ０、レギュレータ１９、二次圧センサＳ１、第１ガス供給弁２０及び水素調圧弁２８、第２ガス供給弁２９、三次圧センサＳ２が順に設けられ、この燃料ガス供給流路２０１Ａは、燃料ガス供給流路２０１Ｂの一端に接続している。燃料ガス供給流路２０１Ｂの他端は、燃料電池スタック１００の上記ガス取入口２０１ＢのＩＮに接続されている。燃料電池スタック１００のガス排出口には、ガス排出流路２０２の一端が接続され、その他端は、燃料ガス供給流路２０１Ｂに接続され、燃料ガスの循環路が構成される。ガス排出流路２０２には、燃料電池スタック１００のガス排出口側から順に、トラップ２４、循環ポンプ２５、循環電磁弁２６が配置されている。トラップ２４には、水レベルセンサＳ１０が取り付けられ、さらに、ガス導出路２０３の一端が接続されている。ガス導出路２０３の他端は、空気ダクト１２４に接続されている。ガス導出路２０３には、排気電磁弁２７が設けられている。
【００１７】
次に空気供給系１２について説明する。空気供給系１２は、酸化ガス供給手段である空気ファン１２２、空気導入路１２３、空気マニホールド５４、空気排出路である空気ダクト１２４等を備えている。空気導入路１２３には、フィルタ１２１、空気ファン１２２、空気マニホールド５４の順で流入方向に沿って設けられている。  
空気導入路１２３内には、空気マニホールド５４内の直前位置に、水を空気導入路１２３内へ向けて噴射するノズル５５が設けられている。液体接触手段としての噴霧装置であるノズル５５は、空気マニホールド５４内に設けられていてもよい。ノズル５５は、霧状にした水を噴射する。噴射された霧状水は、空気導入路１２３の横断面全域に渡って充満するように、噴射される。また、水は可能な限り細かい粒子となるように噴射される。このように構成することによって、酸化ガスである空気と水とが接触する頻度が増え、水の接触により不純物が水にトラップ（水中に取り入れられる）される量が増加する。このような不純物の水へのトラップは、ガスが攪拌されている状態で、容易に起きる傾向があるので、例えば、空気ファン１２２の吸入口の直前に、ノズル５５を設け、空気とともに霧状の水を空気ファン１２２内で攪拌し、燃料電池スタック１００へ導風する構成としてもよい。
【００１８】
空気マニホールド５４は、燃料電池スタック１００の導入口４３に空気を分割して流入させる。  
燃料電池スタック１００の空気導出口には、排気マニホールド５３Ａ１が接続され、導出口４４から排出された空気は、排気マニホールド５３Ａ１によって合流され、空気ダクト１２４へ送られる。また、排気マニホールド５３Ａ１は、導出口４４から滴り落ちる水を回収する。
【００１９】
空気ダクト１２４は、導出口４４から流出した空気を、凝縮器５１を介して外部へ導流する。空気ダクト１２４の終端部には、ファンが取り付けられた凝縮器５１が設けられ、続いてフィルタ１２５が接続されている。凝縮器５１は、空気から水分取り出す。また、ノズル５５から供給された水の内、燃料電池スタック１００内で蒸発した水分も、ここで回収される。排気マニホールド５３Ａ１で回収された水と、凝縮器５１で回収された水は、後述するように、水タンク５３１へ回収される。空気ダクト１２４には、排気温度センサＳ９が設けられ、燃料電池スタック１００内の温度が間接的に検出される。
【００２０】
次に、水供給系について説明する。水供給系５０は、貯水手段としての水タンク５３１と、排気マニホールド５３Ａ１と凝縮器５１で回収した水を水タンク５３１へ導く導水路５７と、水タンク５３１の水をノズル５５へ導く給水路５６と、回収した水から不純物を取り除く不純物回収装置を有する。導水路５７には、回収ポンプ６２が設けられている。回収ポンプ６２は、凝縮器５１で排気ガスから取り出された水を、水タンク５３１へ送り込む。給水路５６には、不純物回収装置であるフィルタ６４、水供給手段である供給ポンプ６１が順に設けられている。水タンク５３１には、水位センサＳ５と、貯水量検出手段であるタンク水位センサＳ７が設けられている。
【００２１】
フイルター６４は、活性炭等の吸着作用により不純物を分離する材料や、中空糸膜のように不純物をろ過する材料、或いは、イオン交換樹脂が用いられる。これらの構成要素を有する不純物回収装置は、例えば、水タンク５３１内に収容されていてもよい。不純物回収装置によって不純物が除かれた水は、再びノズル５５から霧状に噴射され、不純物を空気からトラップする。
【００２２】
燃料電池スタック１００には、負荷系７が接続されており、燃料電池スタック１００で出力される電力は、この負荷系７に供給される。燃料電池スタック１００の電極は、配線７１を介してインバータ７３に接続され、インバータ７３からモータなどの負荷に電力が供給される。インバータ７３には、切換回路である双方向コンバータ７５を介して補助電源７６が接続されている。補助電源７６は、例えば、バッテリ、キャパシタなどで構成することができる。この負荷系７には、燃料電池スタック１００の出力電圧を検出する電圧センサＳ４と、同じく出力電流を検出する電流センサＳ３が設けられている。
【００２３】
図４に示されているように、上記構成において、酸化ガスである空気は、空気ファン１２２によって吸入される際、フィルタ１２１によって、比較的大きな不純物ｄ（大きな塵埃等）は分離され、さらに燃料電池スタック１００へ送られる。導風された空気には、ノズル５５から、霧状の水が吹き付けられ、金属イオン等の不純物は、水滴ｗ内にトラップされる。  
フィルタ１２１を通過した不純物ｄをトラップした水滴ｄｗは、酸素極２１の撥水層２１ｃによって、不純物ｄとともに跳ね返され、不純物ｄの電極内への進入が抑制される。撥水層２１ｃによって弾かれた水ｄｗは、空気とともに燃料電池スタック１００の外際へ排出される。一方、空気中の酸素は、撥水層２１ｃの細孔を介して撥水層２１ｃを通過し、電解質膜２３で反応する。
【００２４】
以上説明した構成の他、撥水層２１ｃに形成されている細孔の径を、所定の大きさに設定し、ノズ５５から噴射される水滴の径を、細孔の径よりも大きくなるようにノズルの構造を調整してもよい。  
この他、液体接触手段として、噴霧装置（ノズル５５）の他、水の張られた水槽中に空気をバブリングする構成としてもよい。この場合には、水と空気との接触頻度を高めるために、空気を微泡化することが好ましい。  
また、上記構成は、酸素極における構成を挙げたが、水素極においても、撥水層を表面に設け、燃料ガス導入路中に水に接触させる接触手段としての噴霧装置を設けた構成としてもよい。このような構成とすることによって、燃料ガスに含まれる不純物が燃料電池内に進入し、滞留することを抑制することができる。
【００２５】
さらに、本実施形態では、金属イオンを補集するための液体として水を用いた場合について説明したが、液体は、純水や水道水以外にも界面活性剤などの添加剤を加えたものや、アルコールなどでもよい。  
尚、本実施形態にあっては、多数の燃料電池を積層した燃料電池スタックを備えた燃料電池システムに適用したが、燃料電池を面方向に接続した燃料電池集合体に適用しても良いことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】この発明の燃料電池システム１を示すブロック図である。
【図２】燃料電池スタックの部分断面側面図である。
【図３】燃料電池スタックの部分断面斜視図である。
【図４】燃料電池の構成と空気供給系を示す摸式図である。
【符号の説明】
【００２７】
１      燃料電池システム
１００  燃料電池スタック
１２２  空気ファン
１２３    空気導入路
２１  酸素極
２１ａ  触媒層
２１ｂ  拡散層
２１ｃ  撥水層
５３１    水タンク
５３Ａ１    排気マニホールド
５４      空気マニホールド
５５      ノズル
６１      供給ポンプ
【図１】
2008140577.tif 000003
【図２】
2008140577.tif 000004
【図３】
2008140577.tif 000005
【図４】
2008140577.tif 000006