(57)【要約】【課題】固体高分子型燃料電池の外側より当該電池の全面または一部を断熱性部品により被覆させることにより、固体高分子型燃料電池からの放熱により熱回収効率を低減させる。【解決手段】本発明の固体高分子型燃料電池は、ガス流通溝を有する２枚の単セル用セパレータに、触媒層と水素イオン伝導性高分子膜とを有する膜−電極接合体を挟持させた単セルを複数個積層した積層体の前面または一部を断熱性部品により被覆したことを特徴とする。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス流通溝を有する２枚の単セル用セパレータに、触媒層と水素イオン伝導性高分子膜とを有する膜−電極接合体を挟持させた単セルを複数個積層した積層体の前面または一部を断熱性部品により被覆した固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
前記断熱性部品の内部に気泡または貫通孔を有することを特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
前記断熱部品の熱伝導率が、０．４Ｗ／ｍＫ　以下であることを特徴とする請求項１または２記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項４】
前記断熱性部品が、不燃性，難燃性、あるいは自己消火性の機能を有することを特徴とする請求項１，２または３記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項５】
水素を含むガスを連続的に製造する機器または水素を貯蔵する機器と、固体高分子型燃料電池とを水素を含むガスを流通させる配管を介して連結された発電システムであって、前記固体高分子型燃料電池が、前記機器より供給された水素を含むガスを利用して発電する請求項１，２，３または４記載の固体高分子型燃料電池であることを特徴とする発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池は、出力が高い、寿命が長い、起動・停止による劣化が少ない、運転温度が低い（約７０〜８０℃）、精密な差圧制御が不要等の長所を有しているため、電気自動車用電源，業務用及び家庭用の分散電源等の幅広い用途が期待されている。
【０００３】
これらの用途の中で、固体高分子型燃料電池を搭載した分散電源（例えば、コジェネレーション発電システム）は、固体高分子型燃料電池より電気を取り出すと同時に、発電時に電池から発生する熱を温水として回収することにより、エネルギーを有効活用しようとするシステムである。
【０００４】
したがって、このような分散電源では、燃料電池からの熱ロスをいかに低減させるかが重要となる。しかしながら、そのような観点で、固体高分子型燃料電池からの放熱防止するための技術は見当たらない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
通常、燃料電池からの熱は、大気との接触により奪われてしまうため、温水として回収可能な熱量が低下する問題があった。この問題を解決するために、断熱材で燃料電池を被覆することが考えられる。
【０００６】
しかし、固体高分子型燃料電池は、水素を含む可燃性ガスを用いるため、万が一、燃料電池から水素が漏洩したときに、被覆のために用いた断熱材によって、燃料電池の近傍に水素が滞留することが想定され、単純に断熱材で燃料電池を被覆することは実用性に問題があった。
【０００７】
さらに、通常の固体高分子型燃料電池は、発電に寄与する多数の単セルが直列に配置され、その各単セルを構成する２枚の電気伝導性のセパレータが外部に露出している。このため、気温変動によってセパレータが結露すると、単セルの電圧によりセパレータ間で外部短絡が起こる可能性もあり、単純に断熱材で燃料電池を被覆することは実用性に問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は、このような可燃性ガスの滞留や結露による外部短絡を防止することを可能にしようとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
固体高分子型燃料電池は、水素イオンを透過させる機能を有する固体高分子電解質膜、この膜の両面に形成した電極層、この電極層を挟持するように配置されたセパレータを基本構成として単セルを構成し、通常、十分な電力を得るために単セルを複数個直列に接続した構成を有する。
【００１０】
水素イオンを透過させる機能を有する固体高分子電解質膜とは、フッ素系高分子のフッ素の一部をスルホン酸に置換したものが一般的であり、水素イオンを移動させる機能を有する高分子膜であれば、本発明に適用可能である。例えば、４フッ化エチレンを基本単位とする高分子鎖に含まれるフッ素原子を２〜５個程度のアルキル鎖（−ＣＦ２ＣＦ２−，−ＣＦ２ＣＦ２（ＣＦ３）−など）を介して、アルキル鎖の末端にスルホン酸基（−ＳＯ３Ｈ）を有する高分子膜がある。
【００１１】
電極層とは、白金、あるいは白金とルテニウム等との異種元素との合金を電極触媒とし、この電極触媒と炭素粉末とバインダーとを有する層である。
【００１２】
固体高分子型燃料電池に供給される燃料ガスは、純水素あるいは水素を含むガスであり、この水素は、電極触媒上で酸化反応（式１）により酸化される。同時に、反対側の電極触媒上では、酸素の還元反応（式２）が進行する。水素の酸化反応にて生じた水素イオンは、固体高分子電解質膜に受け渡され、水素イオンは反対側の電極層にて酸素と結合することにより水が生成する。
【００１３】
Ｈ２　→　２Ｈ＋＋２ｅ−　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（式１）
２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−　→　Ｈ２Ｏ　　　　　　　　　　　　　（式２）
この電池反応により単セルの起電力は約１．２Ｖ　、負荷を接続して発電したときは０．５〜０．７Ｖ程度の電圧が得られるため、この発電に寄与する単セルを複数個積層することにより、数十から数百ボルトの電圧を取ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に実施例により、本発明の内容を説明する。なお、本発明は以下に述べる実施例に限定されるものではない。
【００１５】
固体高分子型燃料電池の構成を図１に示す。発電部は単セル１０１であり、通常は数十セル以上の多積層セルによって、直流電力を取り出している。この単セル１０１は、固体高分子電解質膜１０２の両面に電極層を設けた膜−電極接合体（拡大図中の１０２と１０３とからなる膜）とこれを挟持する２枚の単セル用セパレータ１０４より構成され、単セル用セパレータ１０４の間には、ガスケット１０５を挿入した。
【００１６】
この膜−電極接合体の周辺の拡大図を図１中に示した。単セル用セパレータ
１０４の一方には、燃料ガスが流通する溝が加工されている。単セル用セパレータ１０４の他方には、酸化剤ガス、通常は空気を流通させる溝が加工されている。
【００１７】
これらを積層し、末端に正極集電板１１３と負極集電板１１４とを配置させる。この集電板１１３，１１４の外側から、絶縁板１０７を介して端板１０９によって加圧されている。端板１０９を固定する部品は、ボルト１１６，皿ばね１１７，ナット１１８である。
【００１８】
単電池（単セル）１０１，冷却水用セパレータ１０８，端板１０９，集電板
１１３，１１４等からなる積層体を、ボルト１１６，皿ばね１１７，ナット１１８からなる締め付け部品により固定する条件は、２枚の端板で挟みつけた積層体を油圧プレスで圧縮し、そのままの状態で５時間放置した後、ナット１１８を締め付ける。
【００１９】
燃料ガス，酸化剤ガス，冷却水は、端板１０９に設けたコネクター１１０，
１１１，１１２より供給され、他方の端板１０９に設けたコネクターより排出される。直流電力（出力）は、正極集電板１１３と負極集電板１１４とから得ることができる。
【００２０】
固体高分子型燃料電池は、通常、各単セルを構成する単セル用セパレータ１０４が外部に露出している。そのため、燃料電池からの放熱による熱回収率の減少という問題があるが、本実施例では、以下のような手段で解決している。
【００２１】
その手段は、燃料電池の外部の一部あるいは全面を断熱性部品１２１で被覆することにより可能となる。
【００２２】
断熱性部品１２１を構成する断熱材に求められる性質は、熱伝導率が小さいことであり、断熱材として一般的なグラスウールの熱伝導率（０．４Ｗ／ｍＫ）よりも小さいことが望ましい。
【００２３】
また、寒冷地での使用を考慮すると、断熱材の熱伝導率は０．１Ｗ／ｍＫ　未満、たとえば０．０２〜０．０３Ｗ／ｍＫ　付近にあることがさらに望ましい。
【００２４】
このような優れた断熱性を実現するためには、対流がない閉じられた状態で空気の熱伝導率は小さいことから、断熱材が外界とつながらない独立の気泡を多数有する材料が適している。
【００２５】
また、断熱性部品１２１が、独立の気泡を有するのみでなく、断熱性部品１２１を貫通する孔も有するもので、燃料電池の外部の一部あるいは全面を被覆することにより可能となる。
【００２６】
このような貫通孔を設ける理由は、断熱性部品１２１で燃料電池を被覆することにより、滞留した可燃性ガスを容易に放出させ、結露水を外部に出すことが容易になるためである。
【００２７】
貫通孔の形状，サイズは任意であるが、大気の対流による放熱を防止するため、可燃性ガス等が透過できる程度のものが必要である。可燃性ガスの透過に対しては、１０〜１０００μｍ、結露水の透過に対しては、１〜１０ｍｍが望ましい。
【００２８】
また、一般に水素は空気よりも比重が小さいため、上方に拡散しやすく、さらに加熱された空気も上部に移動しやすいため、燃料電池を被覆する断熱性部品の上面や側面は、可燃性ガスの透過を主体に考えた貫通孔を有する部品を配置することができる。
【００２９】
これに対し、結露水は重力により底面に溜まりやすいため、燃料電池の底面または側面を被覆する断熱性部品は、結露水の透過を主体に考えた貫通孔を有する部品を配置させることができる。
【００３０】
この代替えの方式として、複数の板状の断熱性部品を燃料電池の底面に配置させ、それらの部品の間に、１〜１０ｍｍのすき間を設けることにより、貫通孔を省いた断熱性部品を使用することも可能である。
【００３１】
以上で説明した断熱性部品に適用可能な材料として、ポリウレタンフォーム，スチレンフォーム，発泡ゴムなどが挙げられる。
【００３２】
さらに、難燃性，不燃性，自己消火性の機能を付与した発泡ゴム材料も、本発明に適用することができる。
【００３３】
断熱性部品は、発泡の有無，材料の種類に特に限定されず、断熱性部品が０．４Ｗ／ｍＫ　よりも小さな熱伝導率を有するものであれば良い。
【００３４】
なお、図１中の固体高分子電解質膜１０２には、フッ素系電解質膜を、触媒層１０３の触媒には、白金系触媒を使用する。ガス拡散層１０６は、厚さ２００
μｍのカーボンペーパーを用いる。
【００３５】
アノード側のセパレータ面には、幅１ｍｍ，深さ０．５ｍｍ　のアノードガスの流路を、カソード側のセパレータ面には、幅１ｍｍ，深さ０．８ｍｍ　のカソードガスの流路を設ける。
【００３６】
本実施例の固体高分子型燃料電池は、複数の５０個の単セルを直列に接続した構成とし、２セル毎に冷却水の流路を形成させた冷却水用セパレータ１０８を挿入する。
【００３７】
これは、電池外部に設置したポンプにより、冷却水用セパレータ１０８に冷却水を供給し、ポンプと電池とを接続する冷却水の配管の途中に設ける熱交換器によって、電池の内部で発生した熱を回収するためである。
【００３８】
断熱性部品１２１には、ポリウレタンフォームを用いる。これらを燃料電池の側面（４面）を覆うように設置し、断熱性部品１２１の側面を接着剤で固定する。
【００３９】
端板１０９からの放熱を低減させるために、厚さ４０ｍｍのＡＢＳ樹脂製の端板１０９を用いた。図１中に示されていないが、この端板１０９を金属性とし、その外側に断熱性部品を設置させ、固体高分子型燃料電池の全面を被覆することも可能である。
【００４０】
出力端子付きの正極及び負極の集電板１１３，１１４は、集電板の端子部分を断熱性部品１２１の孔より突き出させた。この端子を外部の負荷に接続することにより、電力を取り出すことができる。これらの集電板の材質は、ニッケル製とした。集電板１１３，１１４と端板１０９との間に絶縁板１０７を挿入させ、電気的絶縁を図った。
【００４１】
本実施例において、発電可能な電極有効面積は１００ｃｍ２　とし、電流５０Ａにて出力を計測した。アノードに供給するガスは水素、カソードに供給するガスは空気とし、圧力は常圧（一気圧）とした。水素と酸素の利用率はそれぞれ７０％，４０％とした。セルに供給する冷却水の温度は７０±２℃に設定した。本実施例の電池をＳ１とする。
【００４２】
前述の実施例に用いた貫通孔のない断熱性部品１３２と、前述の実施例に用いた断熱性部品に直径０．１ｍｍ　の孔を１００ｃｍ２　当り４個の微細孔を開けた断熱性部品１３１と、前述の実施例に用いた断熱性部品に直径３ｍｍの孔を１００ｃｍ２　当り４個の孔を開けた断熱性部品１３３からなる３種類の部品を製作した。
【００４３】
断熱性部品１３２は、放熱の防止のみを目的としているため、図２に示すように、燃料電池の側面に配置させた。断熱性部品１３１は、可燃性ガスが漏洩した場合を想定しているため、燃料電池の上部に配置させた。断熱性部品１３３は、結露水の排出を目的とするため、燃料電池の底面に配置させた。これらの断熱性部品間、および断熱性部品と端板１１９との間は、エポキシ樹脂製接着剤で固定した。本実施例の電池をＳ２とする。
【００４４】
なお、比較例として、前述の固体高分子型燃料電池で用いた断熱性部品を取り外し、まったく断熱を考慮しない従来の方式の燃料電池を製作した。比較例の電池をＲとする。
【００４５】
電池Ｓ１，Ｓ２ならびに比較例の電池Ｒを、図３に示す発電システムに組み込みこんだ装置を製作した。電池Ｓ１を搭載した装置をＡ１、電池Ｓ２を搭載した装置をＡ２、電池Ｒを搭載した装置をＡ３とする。これらの装置は、電池の種類のみ異なるが、他の構成部品や構成は同一になるようにした。
【００４６】
図３中、１００１は天然ガス、１００２は空気、１００３は改質器、１００５は燃料電池の積層体、１００６は蒸留水、１００７は貯湯槽、１００８はアノードガス用ポンプ、１００９はカソードガス用ポンプ、１０１０は循環水用ポンプ、１０１１は熱交換器、１０１２は燃料電池、１０１３はカソードガス排出用配管、１０１４はアノードガス排出用配管である。
【００４７】
各装置に、都市ガスを改質することにより水素濃度７０％の燃料ガスをアノードに導入し、カソードには空気を供給させた。
【００４８】
発電開始時の貯湯槽１００７の水温は４０℃、燃料電池１０１２に供給される循環水の温度も４０℃とした。外気温は１０℃一定になるように、空調設備を有する定温実験室にて試験を実施した。
【００４９】
水素および酸素の利用率は、それぞれ７０％，４０％とし、各電流に対して一定とした。ガスの圧力は常圧とした。
【００５０】
電流密度は０．５ｍＡ／ｃｍ２に設定し、連続発電試験を実施した。
【００５１】
本発明の装置Ａ１，Ａ２は、連続発電によって、約４時間後に６０℃の温水を得ることができた。これに対し、比較例の電池Ｒを搭載した装置Ａ３の場合は、同じ温水を得るために約５時間の時間を要したことから、本発明の装置Ａ１，
Ａ２を用いたときに熱回収効率が高いことを実証することができた。
【００５２】
【発明の効果】
本発明の断熱性部品によって、固体高分子型燃料電池からの熱回収効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の断熱性部品を配置させた燃料電池の構成図。
【図２】本発明の断熱性部品を配置させた燃料電池の平面図。
【図３】本発明の固体高分子型燃料電池を搭載した発電システム図。
【符号の説明】
１０１…単セル、１０２…固体高分子電解質膜、１０３…触媒層、１０４…単セル用セパレータ、１０５…ガスケット、１０６…ガス拡散層、１０７…絶縁板、１０８…冷却水用セパレータ、１０９…端板、１１０…アノードガス配管用コネクター、１１１…冷却水配管用コネクター、１１２…カソードガス配管用コネクター、１１３，１１４…集電板、１１６…ボルト、１１７…皿ばね、１１８…ナット、１２１…断熱性部品、１００１…天然ガス、１００２…空気、１００５…燃料電池の積層体、１００６…蒸留水、１００７…貯湯槽、１００８…アノードガス用ポンプ、１００９…カソードガス用ポンプ、１０１０…循環水用ポンプ、１０１１…熱交換器、１０１２…燃料電池、１０１３…カソードガス排出用配管、１０１４…アノードガス排出用配管。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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