(57)【要約】      （修正有）【課題】陽極側で生ずる生成水によって、電極内の酸素の拡散が阻害されて、発電効率が低下するのを確実に回避可能な燃料電池及び燃料電池システムを提供する。【解決手段】陽極１３に接合されているセパレータ２０には、ＭＥＡ１０の陽極１３の全域と当接した凸部を有した状態の一面側に開く無数の吸水口２３ａと、各吸水口２３ａと連通する貯水室２４と、貯水室２４を外部に連通させる排水口２６とを形成し、該排出口２６より生成水を吸引して外部に排出させ、生成水が陽極の酸素拡散層に止らないようにして、生成水による酸素の拡散阻害を防止する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層と、該電解質層の一面に一体に形成された陰極と、該電解質層の他面に一体に形成された陽極とを有する積層体と、
他面側に該陰極に水素を供給するための水素室が形成され、一面側に該陽極に酸素を供給するための酸素室が形成されたセパレータとを備え、
該陰極側に該水素室が対面し、該陽極側に該酸素室が対面するように該積層体と該セパレータとが積層されてなる燃料電池において、
前記セパレータには、前記陽極の全域と当接した状態で一面側に開く無数の吸水口と、各該吸水口と連通する貯水室と、該貯水室を外部に連通させる排水口とが形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記排水口は前記貯水室の下端に連通していることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記陽極に接合されている前記セパレータは、各前記吸水口が先端に形成された凸部を有し、各該凸部間に前記酸素室が形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記陽極は酸素を拡散可能な酸素拡散層を一体に有し、各前記凸部は該酸素拡散層の厚みで突出されていることを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項記載の燃料電池と、該燃料電池の前記排水口に接続されて前記貯水室内の水を吸引可能な吸引手段とを具備していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
前記吸引手段の作動を制御する制御手段を具備していることを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記吸引手段は、前記燃料電池の前記酸素室に酸素を供給可能な酸素供給手段を兼ねていることを特徴とする請求項５又は６記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記セパレータには、前記貯水室内を大気開放又は空気を流すための入口が形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池。
【請求項９】
前記入口は前記貯水室の上端に連通していることを特徴とする請求項８記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池及び燃料電池システムに関する。この燃料電池及び燃料電池システムは電気自動車等の移動用電源、あるいは据え置き用電源に用いて好適である。
【０００２】
【従来の技術】
従来、固体高分子膜型の燃料電池（ＰＥＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌｓ）が知られており、近年のこの燃料電池は積層体とセパレータとを備えている。積層体は、電解質層と、この電解質層の一面に一体に形成された陰極（水素極（アノード極））と、電解質層の他面に一体に形成された陽極（空気極（カソード極））とを有しており、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）として実用化されている。また、セパレータは、他面側の陰極に水素を供給するための水素室が形成され、一面側の陽極に酸素を供給するための酸素室が形成されたものである。この種の燃料電池は、陰極側に水素室が対面し、陽極側に酸素室が対面するように積層体とセパレータとが積層されている。
【０００３】
この燃料電池は、起電力を得る駆動時に水素室に水素を導入するための水素供給手段、駆動時に酸素室に酸素を導入するための酸素供給手段等とともに燃料電池システムを構成する。
【０００４】
そして、この燃料電池システムでは、燃料電池の酸素室に酸素が供給される一方、燃料電池の水素室に水素が供給されることにより、陰極側では、
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
の反応を生じる。ここで生じたＨ＋がプロトンＨ３Ｏ＋の形で電解質層を移動し、陽極側において、
（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
の反応を生じる。こうして、陰極と陽極との間において、
Ｈ２＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ
の電気化学反応による起電力が得られることとなる。
【０００５】
しかし、こうした電気化学反応により陽極側では生成水を生じることとなり、この生成水によって電極内の酸素の拡散が阻害され、結果的に酸素とプロトンとの反応が阻害され、これにより発電効率が低下してしまうことが明らかになっている。
【０００６】
このため、特許文献１記載の燃料電池システムでは、多孔質のセパレータ及び冷却水通過部材を用いつつ、陽極を冷却するための冷却水と酸素との間に圧力差を設けることとし、生成水を多孔質のセパレータを通して酸素の流路から冷却水通過部材中の冷却水の流路に排水することとしている。また、特許文献２記載の燃料電池システムでは、酸素室を負圧にして酸素室に酸素を供給する酸素供給手段により、陽極側に生じた生成水を吸引することとしている。
【０００７】
【特許文献１】
特表平１１−５０８７２６号公報
【特許文献２】
特開２００２−３３１１０号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来公報においては、いずれも燃料電池自体の構成が明らかでなく、生成水による発電効率の低下を確実に回避できるか否かが不明である。
【０００９】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、陽極側に生成水等の水が溜まり、酸素が供給されずに性能が低下することを防止し、生成水等による発電効率の低下を確実に回避可能な燃料電池及び燃料電池システムを提供することを解決すべき課題としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題に対し、陽極側に排出された水を電極又は拡散層から直接又は可能な限り近くで除去することを主な解決原理とする。その具体的な手法として、本発明の燃料電池は、電解質層と、該電解質層の一面に一体に形成された陰極と、該電解質層の他面に一体に形成された陽極とを有する積層体と、
他面側に該陰極に水素を供給するための水素室が形成され、一面側に該陽極に酸素を供給するための酸素室が形成されたセパレータとを備え、
該陰極側に該水素室が対面し、該陽極側に該酸素室が対面するように該積層体と該セパレータとが積層されてなる燃料電池において、
前記セパレータには、前記陽極の全域と当接した状態で一面側に開く無数の吸水口と、各該吸水口と連通する貯水室と、該貯水室を外部に連通させる排水口とが形成されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明の燃料電池では、セパレータに無数の吸水口が形成されており、各吸水口は積層体の陽極の全域と当接した状態で一面側に開いている。また、セパレータには、各吸水口と連通する貯水室と、この貯水室を外部に連通させる排水口とが形成されている。このため、この燃料電池では、陽極側に生じた生成水が各吸水口を経て貯水室に移動し、貯水室から排水口を経て外部に排水される。
【００１２】
したがって、本発明の燃料電池では、生成水が外部に排水されるように、生成水を吸引したりすることにより、生成水による発電効率の低下を確実に回避することが可能である。
【００１３】
排水口は貯水室の下端に連通していることが好ましい。貯水室内に貯留された生成水は自重によって下方に位置しているため、排水口が貯水室の下端に連通しておれば、貯水室内の生成水を確実に外部に排水することが可能になる。
【００１４】
セパレータには、貯水室内を大気開放又は空気を流すための入口が形成されていることが好ましい。入口によって貯水室内を大気開放又は空気を導入すれば、貯水室内の生成水をより排水口から容易に排水することができる。
【００１５】
入口は貯水室の上端に連通していることが好ましい。貯水室内に貯留された生成水は自重によって下方に位置しており、入口が貯水室の上端に連通しておれば、貯水室内の生成水を確実に外部に排水することが可能になる。
【００１６】
陽極に接合されるセパレータは、各吸水口が先端に形成された凸部を有し、各凸部間に酸素室が形成されていることが好ましい。燃料電池は、陰極側に水素室が対面し、陽極側に酸素室が対面するように積層体とセパレータとが積層されることから、セパレータの陽極側には吸水口の他に酸素室を形成することが必要である。セパレータにこのような凸部が形成されれば、陽極側に吸水口及び酸素室を形成することが可能である。
【００１７】
積層体としてのＭＥＡとして、陰極が水素を拡散可能な水素拡散層を一体に有し、陽極が酸素を拡散可能な酸素拡散層を一体に有するものが実用化されている。このようなＭＥＡは、陰極が電解質層側に設けられるカーボン粉末からなる陰極本体と、陰極本体の表面側に設けられるカーボンペーパやカーボンクロスからなる水素拡散層とからなる。また、陽極も電解質層側に設けられるカーボン粉末からなる陽極本体と、陽極本体の表面側に設けられるカーボンペーパやカーボンクロスからなる酸素拡散層とからなる。このような水素拡散層や酸素拡散層をもつＭＥＡは、その拡散層の部分で水素ガスや酸素ガスを拡散して陰極本体や陽極本体に導くため、高い発電効率を発揮することができる。しかしながら、発明者らの試験結果によれば、このように陽極が酸素拡散層を一体に有するＭＥＡを採用する場合、生成水は陽極本体で生じ、一部の生成水は酸素拡散層に浸透して酸素拡散層中に残留する。このため、生成水を浸透させた酸素拡散層が酸素室内の酸素ガスを陽極に対して遮断してしまい、発電効率の低下を生じ易い。本発明はこのようなＭＥＡを積層体として採用している場合でも、陽極側に生じた生成水が各吸水口を経て貯水室に移動し、貯水室から排水口を経て外部に排水されるため、酸素ガスの遮断に対して大きな効果を発揮する。
【００１８】
本発明において、各吸水口が先端に形成された凸部を有し、各凸部間に酸素室が形成されたセパレータを採用する場合、各凸部は酸素拡散層の厚みで突出されていることが好ましい。各凸部が酸素拡散層の厚みで突出されていれば、陽極本体で生じた生成水が酸素拡散層に浸透する前に吸水口を経て貯水室に移動し、酸素拡散層中に生成水を残留させない。このため、酸素拡散層が酸素室内の酸素を陽極に対して遮断することがなく、高い発電効率を維持することができる。
【００１９】
本明細書記載の燃料電池は、電解質層と、該電解質層の一面に一体に形成された陰極と、該電解質層の他面に一体に形成された陽極とを有する積層体と、
他面側に該陰極に水素を供給するための水素室が形成され、一面側に該陽極に酸素を供給するための酸素室が形成されたセパレータとを備え、
該陰極側に該水素室が対面し、該陽極側に該酸素室が対面するように該積層体と該セパレータとが積層されてなる燃料電池において、
前記セパレータには、前記陰極の全域と当接した状態で他面側に開く無数の給水口と、各該給水口と連通する給水室と、該給水室を外部に連通させる注水口とが形成されていることも特徴とし得る。
【００２０】
この燃料電池では、セパレータの陰極側に無数の給水口が形成されており、各給水口は積層体の陰極の全域と当接した状態で他面側に開いている。また、セパレータには、各給水口と連通する給水室と、この給水室を外部に連通させる注水口とが形成されている。このため、この燃料電池では、注水口によって給水室内に供給水を供給し、給水口を経て陰極及び電解質層にその供給水を供給することができる。これにより電解質層及び陽極中におけるプロトンの移動を容易にし、発電効率を向上させることができる。なお、陽極を経た供給水は陽極側のセパレータの各吸水口を経て貯水室に移動し、貯水室から排水口を経て外部に排水される。
【００２１】
給水口、給水室及び注水口が形成されたセパレータを採用する場合、このセパレータは、各給水口が先端に形成された凸部を有し、各凸部間に水素室が形成されていることが好ましい。燃料電池は、陰極側に水素室が対面し、陽極側に酸素室が対面するように積層体とセパレータとが積層されることから、セパレータの陰極側には給水口の他に水素室を形成することが必要である。セパレータにこのような凸部が形成されれば、陰極側に給水口及び水素室を形成することが可能である。また、このようなセパレータは陰極側と陽極側とで共通するものとなり、燃料電池の製造コストの低廉化を実現することができる。
【００２２】
したがって、本発明の燃料電池システムでは、生成水による発電効率の低下を確実に回避することが可能である。
【００２３】
さらに、本発明の燃料電池システムは、上記燃料電池と、該燃料電池の前記排水口に接続されて前記貯水室内の水を吸引可能な吸引手段とを具備していることを特徴とする。
【００２４】
この燃料電池システムでは、燃料電池の排水口に接続された吸引手段が貯水室内の水を吸引するため、陽極側に生じた生成水が各吸水口を経て貯水室に移動し易く、貯水室から排水口を経て外部に排水され易い。
【００２５】
したがって、本発明の燃料電池システムにおいても、生成水による発電効率の低下を確実に回避することが可能である。
【００２６】
本発明の燃料電池システムは、吸引手段の作動を制御する制御手段を具備していることが好ましい。制御手段が吸引手段の作動を制御すれば、発電効率が低下した時に自動的に発電効率を回復させることができる。
【００２７】
吸引手段は、燃料電池の酸素室に酸素を供給可能な酸素供給手段を兼ねていることができる。これにより燃料電池システムの構造の簡素化を実現し、製造コストの低廉化を実現することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実現した実施形態１、２を図面を参照しつつ説明する。
【００２９】
（実施形態１）
実施形態１の燃料電池システムでは、図１に示す燃料電池のセル１が用いられている。このセル１はＭＥＡ１０とセパレータ２０とを備えている。
【００３０】
ＭＥＡ１０は、イオン交換膜（「Ｎａｆｉｏｎ」（登録商標））からなる電解質層１１と、この電解質層１１の一面に一体に形成された陰極１２と、電解質層１１の他面に一体に形成された陽極１３とを有している。陰極１２は、電解質層１１側に設けられるカーボン粉末からなる陰極本体１２ａと、陰極本体１２ａの表面側に設けられるカーボンペーパからなる水素拡散層１２ｂと、水素拡散層１２ｂの表面側に設けられるカーボン及びＰＴＦＥからなる図示しない塗布層とからなる。また、陽極１３は、電解質層１１側に設けられるカーボン粉末からなる陽極本体１３ａと、陽極本体１３ａの表面側に設けられるカーボンペーパからなる酸素拡散層１３ｂと、酸素拡散層１３ｂの表面側に設けられるカーボン及びＰＴＦＥからなる図示しない塗布層とからなる。
【００３１】
また、セパレータ２０は、他面側に陰極１２に水素を供給するための水素室２１が形成され、図２にも示すように、一面側に陽極１３に酸素を供給するための酸素室２２が形成されたものである。このセパレータ２０の両面には高さ１ｍｍ程度の無数の凸部２３が形成されており、他面側では各凸部２３間によって水素室２１が形成され、一面側では各凸部２３間によって酸素室２２が形成されている。また、このセパレータ２０内には、図１に示すように、貯水室２４又は給水室２５となる空間が形成されている。貯水室２４又は給水室２５となる空間は、下端が排水口２６又は注水口２７となる開口によって外部に連通しており、上端が入口２８又は注水口２９となる開口によって外部に連通している。また、各凸部２３には直径０．３ｍｍ程度の貫通孔が貫設され、この貫通孔が吸水口２３ａ又は給水口２３ｂとされている。水素室２１側の各給水口２３ｂは、陰極１２の全域と当接した状態で一面側に開き、給水室２５と連通している。また、酸素室２２側の各吸水口２３ａは、陽極１２の全域と当接した状態で一面側に開き、貯水室２４と連通している。
【００３２】
このセル１は、陰極側１２に水素室２１が対面し、陽極１３側に酸素室２２が対面するようにＭＥＡ１０とセパレータ２０とが積層されたものである。そして、ＭＥＡ１０とセパレータ２０とを順次積層することにより燃料電池のスタックが構成される。こうして、陰極１２側と陽極１３側とで共通する上記セパレータ２０を採用しているため、スタックの製造コストの低廉化を実現することができる。なお、スタックの両端のセパレータ２０には水素室２１又は酸素室２２だけが形成されている。
【００３３】
各セパレータ２０の水素室２１には、図３にも示すように、図示しない水素供給手段である水素ボンベ、高圧水素タンク、水素吸蔵合金タンク等によって水素が供給されるようになっており、酸素室２２には図示しない酸素供給手段であるブロア、スーパーチャージャ等によって空気が供給されるようになっている。
【００３４】
また、注水口２７には配管３１が接続され、配管３１にはバルブ３２、給水ポンプ３３を介して給水タンク３４が設けられている。給水タンク３４は温度調整装置３５に接続されており、これにより内部の水が一定温度に保たれている。注水口２９にも配管３６が接続され、配管３６にはバルブ３７が設けられている。
【００３５】
他方、排水口２６には配管４１が接続され、配管４１にはバルブ４２、トラップ４３、吸水ポンプ４４を介して流量メータ４５が設けられている。排水口２６とバルブ４２との間には圧力センサ４６が設けられている。また、吸水ポンプ４４が吸引手段であり、この吸水ポンプ４４は定電圧電源４７に接続され、定電圧電源４７は制御手段としての制御盤５０に接続されている。入口２８にも配管４８が接続され、配管４８にはバルブ４９が設けられている。
【００３６】
制御盤５０は、定電圧電源４７に接続されているとともに、スタックの出力電圧を測定する図示しない電圧計、酸素供給手段、水素供給手段、バルブ３２、３７、４２、４８、給水ポンプ３３、温度調整装置３５、圧力センサ４６及び流量メータ４５にも接続されている。
【００３７】
以上の構成をした燃料電池システムでは、スタックの各セル１の酸素室２２に空気が供給される一方、各セル１の水素室２１に水素が供給されることにより、陰極１２と陽極１３との間で電気化学反応を生じさせ、起電力を得ることができる。そして、陽極１３側では生成水を生じる。特に、この燃料電池システムでは、水素拡散層１２ｂ及び酸素拡散層１３ｂをもつＭＥＡ１０を採用していることから、高い発電効率を発揮することができるものの、生成水が陽極本体１３ａで生じ、酸素拡散層１３ｂに浸透して酸素拡散層１３ｂ中に残留する。
【００３８】
この間、制御盤５０は、バルブ３２を開放し、給水ポンプ３３を駆動する。さらに、バルブ４２を開放して吸水ポンプ４４を駆動する。これにより、各セル１では、陽極１３側に生じた生成水が各吸水口２３ａを経て貯水室２４に移動し、貯水室２４から排水口２６、配管４１等を経て外部に排水される。特に、この燃料電池システムでは、排水口２６が貯水室２４の下端に連通している。また、セル１の排水口２６に接続された吸水ポンプ４４が貯水室２４内の水を吸引する。このため、陽極１３側に生じた生成水が各吸水口２３ａを経て貯水室２４に移動し易く、貯水室２４から排水口２６、配管４１等を経て外部に容易に排水される。こうして、電極に水が溜まり、発電効率が低下した時、自動的に発電効率を回復させることができる。なお、こうして排水された生成水はスタックを収容する図示しないハウジングに貫設された抜き穴により外部に排出される。
【００３９】
また、この燃料電池システムでは、セパレータ２０の陰極１２側に無数の給水口２３ｂが形成されており、各給水口２３ｂはＭＥＡ１０の陰極１２の全域と当接した状態で他面側に開いている。また、セパレータ２０には、各給水口２３ｂと連通する給水室２５と、この給水室２５を外部に連通させる注水口２７、２９とが形成されている。このため、この燃料電池システムでは、バルブ３２、３７が開放され、給水ポンプ３３が駆動されることにより、注水口２７、２９によって給水室２５内に供給水を供給し、給水口２３ｂを経て陰極１２及び電解質層１１にその供給水を供給することができる。これにより電解質層１１及び陰極１２中におけるプロトンの移動を容易にし、発電効率を向上させることができる。なお、陽極１３を経た供給水は陽極１３側のセパレータ２０の各吸水口２３ａを経て貯水室２４に移動し、貯水室２４から排水口２６、配管４１等を経て外部に排水される。こうして排水された水もスタックを収容する図示しないハウジングに貫設された抜き穴により外部に排出される。
【００４０】
したがって、この燃料電池システムでは、供給水によって発電効率を向上させることができるとともに、生成水及び供給水による発電効率の低下を確実に回避することが可能である。
【００４１】
吸水ポンプ４４を駆動させた場合（実施例）と、吸水ポンプ４４を駆動させない場合（比較例）とについて、発電効率の相違を比較する。結果を図４に示す。図４に示すように、吸水ポンプ４４を駆動させた場合（実施例）においては、単位面積当たりの電流が大きくなっており、優れた発電効率を発揮できることがわかる。
【００４２】
（実施形態２）
実施形態２の燃料電池システムでは、陽極１３側のセパレータ６０において、各凸部６１がＭＥＡ１０の酸素拡散層１３ｂの厚みで突出されている。他の構成は実施形態１と同様である。
【００４３】
この燃料電池システムでは、各凸部６１が酸素拡散層１３ｂの厚みで突出されているため、陽極本体１３ａで生じた生成水が酸素拡散層１３ｂに浸透する前に吸水口２３ａを経て貯水室２４に移動し、酸素拡散層１３ｂ中に生成水を残留させない。このため、酸素拡散層１３ｂが酸素室２２内の空気を陽極１３に対して遮断することがなく、高い発電効率を維持することができる。他の作用効果は実施形態１と同様である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１の燃料電池システムに係り、燃料電池のセルの要部模式断面図である。
【図２】実施形態１の燃料電池システムに係り、セパレータの模式平面図である。
【図３】実施形態１の燃料電池システムの要部回路図である。
【図４】実施形態１の燃料電池システムに係り、吸水ポンプを駆動させた場合（実施例）と、吸水ポンプを駆動させない場合（比較例）とにおいて、単位面積当たりの電流と起電力との関係を示すグラフである。
【図５】実施形態２の燃料電池システムに係り、燃料電池の要部模式断面図である。
【符号の説明】
１…燃料電池（セル）
１０…積層体（ＭＥＡ）
１１…電解質層
１２…陰極
１３…陽極
２０、６０…セパレータ
２１…水素室
２２…酸素室
２３ａ…吸水口
２４…貯水室
２６…排水口
２８…入口
２３、６１…凸部
１３ｂ…酸素拡散層
４４…吸引手段（吸水ポンプ）
５０…制御手段
【図１】
2004273251.tif 000003
【図２】
2004273251.tif 000004
【図３】
2004273251.tif 000005
【図４】
2004273251.tif 000006
【図５】
2004273251.tif 000007