(57)【要約】【課題】適切な加湿構造を備え、性能及び耐久性の向上を図った固体高分子形燃料電池を提供する。【解決手段】高分子膜２を介して一方の側にカソード３０を配し、他方の側にアノード３を配し、上記カソード３０に酸化剤ガスを、上記アノード３に燃料ガスをそれぞれ供給し、水素と酸素から水を得る電池反応によって起電力を得る固体高分子形燃料電池において、酸化剤ガスの通路２１及び／又は燃料ガスの通路３４中の加湿を行う位置に隣接して冷却水入口側管路５を配置し、該冷却水入口側管路５を流れる冷却水１１と上記高分子膜２とを接触させるようにした。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子膜を介して一方の側にカソードを配し、他方の側にアノードを配し、上記カソードに酸化剤ガスを、上記アノードに燃料ガスをそれぞれ供給し、水素と酸素から水を得る電池反応によって起電力を得る固体高分子形燃料電池において、酸化剤ガスの通路及び／又は燃料ガスの通路中の加湿を行う位置に隣接して冷却水入口側管路を配置し、該冷却水入口側管路を流れる冷却水と上記高分子膜とを接触させるようにしたことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項２】
上記加湿を行う位置が、カソード側の酸化剤ガス通路の低温領域であることを特徴とする請求項１の固体高分子形燃料電池。
【請求項３】
酸化剤ガス通路がセル内で蛇行し、酸化剤ガス通路の最初の蛇行路の外部方向に高分子膜を延長し、上記冷却水に該高分子膜の延長端を接触させることを特徴とする請求項１又は２の固体高分子形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、固体高分子形燃料電池に関する。さらに詳しくは、本発明は、性能及び耐久性の向上を図った固体高分子形燃料電池に関する。
【０００２】
【従来技術】
燃料電池は、固体高分子からなる電解質膜（以下単に高分子膜ともいう）の一方の側にカソードである空気極を配し、他方の側にアノードである燃料極を配したセルを用い、カソードに空気等の酸化剤ガスを、アノードに水素リッチな燃料ガスをそれぞれ供給し、水素と酸素から水を得る以下の電池反応によって起電力を得ている。
【０００３】
Ｈ２        →    ２Ｈ＋    ＋    ２ｅ−              （アノード反応）
２Ｈ＋  ＋  １／２Ｏ２  ＋  ２ｅ−    →    Ｈ２Ｏ    （カソード反応）
【０００４】
この電池反応は、アノードに供給される水素が水素イオンとなり、この水素イオンが、高分子膜の内部をアノード側からカソード側に移動することを伴っている。ここで、水素イオンは高分子膜中に存在する水分の存在下で移動することにより酸素分子や水素分子のクロスオーバーが生じ難いが、燃料電池の操作に従って、高分子膜が乾燥してくる。高分子膜の乾燥が生ずると、イオン伝導性が低下して発電効率が低下するばかりでなく、高分子膜が破損・劣化しやすくなるため、燃料電池の耐久性においても問題である。したがって、燃料電池の操作時に、高分子膜の湿潤状態を保つことが必要であり、燃料電池セルの高分子膜中の含水量を適切に保つための技術が開発されてきた。
【０００５】
このような燃料電池の高分子膜の含水量を適切に保つための技術の一つとして、燃料電池の極に供給される、乾燥した燃料ガスまたは空気を加湿する方法や、そのための加湿装置が用いられてきた。
【０００６】
例えば、特許文献１には、高分子膜の露出部へ加湿を行うための加湿ポートを燃料極側セパレータ又は空気極セパレータに設けた燃料電池が記載されている。
しかし、この燃料電池では、加湿用の水蒸気を作製し、供給する必要があった。また、この燃料電池では、水が過剰に存在し、加湿が不要なセルの部分まで水が供給されてしまい、水滞留が発生し、発電電圧が不安定となるおそれがあった。
【０００７】
また、特許文献２では、水蒸気透過膜を介して加湿ガス室と被加湿ガス室を設け、加湿ガス室に電池からのオフガスを、被加湿ガス室に供給する前の反応ガス（空気）を供給している。同特許文献２は、これによって、反応ガスを加湿する反応ガス加湿器を設けることによる空気の加湿方法を開示している。かかる方法は、燃料電池出口の水分飽和空気と入口の乾燥空気とのあいだの水蒸気分圧差による物質移動で、入口空気が加湿されるものである。しかし、この場合、燃料電池自体の流体抵抗のために、燃料電池入口空気のほうが燃料電池出口空気よりも、圧力が高く、このような圧力平衡に基づく所定の水蒸気量となるまでしか加湿できないのが問題であった。すなわち、供給される空気を水分飽和状態にすることは不可能であり、結局、カソード入口を十分に加湿することはできなかった。このため、燃料電池へ供給される空気の加湿は十分ではなく、燃料電池に供給される空気の露点は、５８〜６０℃程度であった。このような低加湿の空気を用いて燃料電池を操作すると、高分子膜の乾燥を引き起こし、その破損を招き、クロスリークが発生すると共に、電池の耐久性を低下させていた。また、コンパクトさが要求される燃料電池システムの用途において、加湿器を大型化することができないという問題もあった。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−１９８０７０明細書
【特許文献２】
特許第３１１１６９７号明細書
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事情に対して、適切な加湿構造を備え、性能及び耐久性の向上を図った固体高分子形燃料電池を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、高分子膜を介して一方の側にカソードを配し、他方の側にアノードを配し、上記カソードに酸化剤ガスを、上記アノードに燃料ガスをそれぞれ供給し、水素と酸素から水を得る電池反応によって起電力を得る固体高分子形燃料電池において、酸化剤ガスの通路及び／又は燃料ガスの通路中の加湿を行う位置に隣接して冷却水入口側管路を配置し、該冷却水入口側管路を流れる冷却水と上記高分子膜とを接触させるようにしたことを特徴とする。「酸化剤ガスの通路及び／又は燃料ガスの通路」とは、酸化剤ガスの通路及び燃料ガスの通路の両方、又はそれらのいずれか一方の場合を含む。「管路」とは、単セルが複数積層することにより、孔部が連続することにより形成される冷却水、酸化剤ガス、燃料ガスの流路を指称するために用いる語である。
【００１１】
上記加湿を行う位置は、カソード側の酸化剤ガス通路の相対湿度２０％以上９０％以下の低湿度領域が好適であり、酸化剤ガスの入口から入口側の酸化剤ガス通路の近傍であることが好適である。例えば、上記通路をセル内で蛇行する形態で設けた場合、酸化剤ガス通路の最初の蛇行路の外部方向に高分子膜を延長し、上記冷却水に該高分子膜の延長端を接触させることが好適である。「セル内で蛇行する形態」とは、例えば、セルに上方から酸化剤ガスが導入され、下方から排出される場合、一般に上下方向に垂直の方向に左右に往復しながら上方から下方に酸化剤ガスが流れることをいう。「最初の蛇行路」とは、最初のこの垂直方向の蛇行路である。なお、最初の蛇行路のみならず、後述する実施の形態のように、冷却水入口側管路の近傍であって、相対湿度６０％以上９０％以下の低湿度領域で冷却水に高分子膜を接触させるようにしても良い。
本発明に係る固体高分子形燃料電池によれば、高分子膜を適切に加湿することができ、その性能及び耐久性を向上させることができる。
【００１２】
本明細書中、「酸化剤ガス」として最も好適なものは空気である。しかしながら、燃料電池のカソード（空気極）へ供給される酸化剤ガスは空気のみには限定されず、電池反応に用いられる酸素を含むガスであれば使用することができる。また、アノード（燃料極）へ供給される燃料ガスは、水素リッチであれば、純粋水素はもとより燃料電池の性能を損ねない範囲での組成のガスを用いることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を実施の形態を示して、詳細に説明する。以下の説明は本発明を説明する目的であって、限定するものではない。
【００１４】
図１〜３に、本発明に係る固体高分子形燃料電池の一実施の形態を示す。
この実施の形態に係る固体高分子形燃料電池１は、図１に示すように、高分子膜２の一方の側面にアノード触媒層３を、他方の側面にカソード触媒層を設け、高分子膜２の間にセパレータ４を介在させ、これらを複数積層したセル構造となっている。図１は、この様子を概念的に示すために分解図の形態で表している。なお、図１中カソード触媒層は、高分子膜２の裏側にあって表されていない。
【００１５】
ここで、本実施の形態の説明にあたり、便宜上、酸化剤ガスを空気と表現し、燃料ガスを水素と表現する。これらの空気、水素として表現したガスは、電池反応を経た後、当然に入口側と出口側とでその組成を異にしている。
セパレータ４は、空気通路を設けた部分と水素通路を設けた部分とを一体化している。したがって、図１では、高分子膜２とセパレータ４とを交互に並べた形態として表現されている。なお、便宜上後に示す図３では、空気通路を設けた部分と水素通路を設けた部分とを半割にして示している。
【００１６】
高分子膜２とセパレータ４とを貫いて、冷却水入口側管路５、空気入口側管路６、水素入口側管路７、冷却水出口側管路８、空気出口側管路９、水素出口側管路１０が形成されている。冷却水入口側管路５、空気入口側管路６及び水素入口側管路７から、各セル内に冷却水通路、空気通路、水素通路が分岐している。このようにして、マニホールド型の流路が構成されている。図１に矢印で示すように、入口側管路からの冷却水１１、空気１２、水素１３が、出口側管路への冷却水１４、空気１５、水素１６として排出される。
【００１７】
図２は、カソード触媒層側の空気の流れを説明するために、セルの一単位を概念的に示している。すなわち、セパレータ４の空気通路２１を設けた面を示している。セパレータ４には、畝（溝壁）（太い点線２２）が設けられ、これによって空気通路２１が形成されている。矢印２３は、空気の流れを示している。なお、同様の通路が、セパレータの反対側に水素のためにも設けられている。なお、このセパレータ４では、別途の冷却水入口側管路２４も備えている。また、太線で示したシール２５は、セル内を流れる冷却水、酸素、水素が漏洩することを防ぐための密封手段である。本実施の形態では、高分子膜２が、シール２５による密封構造をはみ出している。すなわち、冷却水入口側管路８に高分子膜２がはみ出し、冷却水と接触できるように構成している。この様子を図３に示す。
【００１８】
図３は、セパレータ４をカソード触媒層３０側のセパレータ４ａ、アノード触媒層３側のセパレータ４ｂとして表している。このようにして、セパレータ４ａと、カソード触媒層３０と、高分子膜２と、アノード触媒層３と、セパレータ４ｂとで一つの単セルを構成している。
これらセパレータ４ａ、４ｂは、互いに隣接する単セルについて、その裏面同士を貼りあわせ、又は最初から互いに隣接する単セルのセパレータ４ａ、４ｂを一体のセパレータ４として構成することができる。これによって、図１について先に述べたように、表裏に触媒層３、３０を設けた高分子膜２とセパレータ４とを交互に積層して多層構造の固体高分子形燃料電池を構成することができる。なお、両端のセパレータは、図３のセパレータ４ａ又は４ｂのような構造とすることが好適である。
【００１９】
図１、２との対応関係をガス流れについて説明すると、カソード触媒層３０側には、図１、２に示した空気入口側管路６と流体的に接続した空気入口３１及びそれにさらに連続する空気通路２１が設けられている。ここを通った空気は空気出口３２を出て、図１、２に示した空気出口側管路９から排出される。また、アノード触媒層３側には、図１、２に示した水素入口側管路７と流体的に接続した水素入口３３及びそれにさらに連続する水素通路３４が設けられている。ここを通った水素は水素出口３５を出て、図１、２に示した水素出口側管路１０から排出される。
また、冷却水入口側管路５からの冷却水１１は、冷却水通路３６、３７を通って冷却水出口側管路８へ冷却水１４として排出される。
【００２０】
ここで、図３に示すように、空気通路２１のうち、冷却水入口側管路５の近傍の位置すなわち、空気が導入された空気通路２１の上端（最初の蛇行路）の冷却水入口管路５に沿った部分で高分子膜２が空気通路２１の外側に延長して冷却水１１と接触している。同様の構造によって、図２に示した冷却水入口側管路２４を流れる冷却水も高分子膜２と接触している。
【００２１】
本実施の形態では、上記したように、冷却水が高分子膜２と接触する結果、高分子膜２内に冷却水が拡散し、近傍の空気通路２１に水分が供給される。カソード触媒層３０側の空気は、特に空気入口３１付近を含む空気通路２１の上流の位置（図２に点線２６で示す相対湿度２０％以上９０％以下の低湿度領域）で従来の構造では乾燥している。この実施の形態では、このような冷却水を拡散させたい領域にのみ確実に水分を補給し、空気を加湿することができる。また、空気通路２１の後流の領域では、高分子膜２は冷却水と接触しておらず、このような加湿の不要な位置に過剰の水分が供給されることもない。なお、この実施の形態では、水素通路３４も加湿される。しかし、本発明者らは、特にカソード触媒層３０側の乾燥の影響により、高分子膜２が劣化することを突き止めている。
【００２２】
【実施例】
次に、本発明を、実施例を挙げてさらに詳細に説明する。以下の実施例は、本発明を例示するものであって、本発明を限定するものではない。
固体高分子形燃料電池として、図１〜３について説明した燃料電池を用いて以下示す作動条件、構成で連続運転にて発電効率に関する試験を行った。
Ｈ２ガス詳細      ：水素７５［％］，ＣＯ１０［ｐｐｍ］含有ガス
空気                    ：大気中の空気をブロアで供給した。
Ｈ２ガス利用率  ：８０［％］
空気利用率        ：４０［％］
Ｈ２ガス相対湿度        ：１００［％］  （システム条件模擬，加湿ポットにて加湿）
空気相対湿度    ：５０［％］  （システム条件模擬，加湿ポットにて加湿）
セル温度            ：７０［℃］
電極面積            ：２００［ｃｍ２］
電流密度            ：０．２５［Ａ／ｃｍ２］
固体高分子膜    ：パーフルオロカーボンスルホン酸
アノード触媒    ：Ｐｔ−Ｒｕ担持カーボン
カソード触媒    ：Ｐｔ担持カーボン
セル積層数        ：４０［枚］
【００２３】
燃料電池のカソードに供給される空気としては、大気中の空気を取り込んで使用した。供給空気は、２５℃、５２ＮＬ／ｍｉｎでブロワから供給された。
また、図１〜図３について説明した実施例に係る燃料電池とは別に、従来例を想定し、図５に示す断面構造を備えた燃料電池を準備し、全く同様の条件で試験を行った。図５の燃料電池は、図１〜図３の燃料電池と同一要素を同一の参照番号で示しており、同一の参照番号で示した要素同士は同様の機能を果たす。この図５の燃料電池は、冷却水入口側管路５に高分子膜２が延長せず、シール２５で遮断されている。
【００２４】
このような燃料電池を用いて空気を加湿しながら、７０℃で燃料電池を運転した結果、図４のグラフに示すように、従来の構造の燃料電池では、２０００時間程度経過したところで数枚のセルの電圧が低下して、発電不可能な状態に陥った。このセルを解体検査したところ、空気入口側の高分子膜の薄膜化及び破損が見られた。
これに対して，本発明の構造の燃料電池では、３５００時間でも電圧の低下は見られず、解体検査した結果，空気入口側の薄膜化、破損は見られず、本発明に係る燃料電池が耐久性向上において優れていることが確認された。
【００２５】
【発明の効果】
上記したところから明らかなように、本発明によれば、適切な加湿構造を備え、性能及び耐久性の向上を図った固体高分子形燃料電池が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一実施の形態に係る固体高分子形燃料電池を示す概念的分解図である。
【図２】図２は、本発明の一実施の形態に係る固体高分子形燃料電池のセルを示す概念的平面図である。
【図３】図３は、図２のＡ−Ａ線による断面図である。
【図４】図４は、本発明に係る固体高分子形燃料電池の実施例についてその効果を示すグラフである。
【図５】図５は、従来例として実施した燃料電池の図３に相当する断面図である。
【符号の説明】
１            固体高分子形燃料電池
２            高分子膜
３            アノード触媒層
４            セパレータ
５            冷却水入口側管路
６            空気入口側管路
７            水素入口側管路
８            冷却水出口側管路
９            空気出口側管路
１０          水素出口側管路
２１          空気通路
２５          シール
３０          カソード触媒層
３１          空気入口
３２          空気出口
３３          水素入口
３４          水素通路
３５          水素出口
３６          冷却水通路
３７          冷却水通路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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