(57)【要約】【課題】  起動時の暖機運転により生じる過昇温によって電極触媒が劣化するおそれが少ない燃料電池を提供する。【解決手段】  電解質の両側に配設されたアノード電極とカソード電極と、さらにアノード電極とカソード電極の外側にそれぞれ配設されたセパレータとを備える燃料電池において、セパレータの少なくとも一つに配設されるとともに、該セパレータの電極と接する面から離れた面に流体を流通させる流体流路と、流体流路に配設されるとともに、流体を発熱反応させる発熱反応促進手段とを備え、起動時に流体流路に流体を流通させる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両側に配設されたアノード電極とカソード電極と、
さらに前記アノード電極とカソード電極の外側にそれぞれ配設されたセパレータと、を備える燃料電池であって、
前記セパレータの少なくとも一つに配設されるとともに、該セパレータの電極と接する面から離れた面に流体を流通させる流体流路と、
前記流体流路に配設されるとともに、前記流体を発熱反応させる発熱反応促進手段と、を備え、
起動時に前記流体流路に前記流体を流通させることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記発熱反応促進手段は、触媒であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記触媒は、前記流体流路内の発熱反応を、均一にするように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記流体は、前記アノードに供給する水素含有ガスと、前記カソードに供給する酸素含有ガスとの混合ガスであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池における電気発生の源となる電気化学反応は、以下の工程で進行する。まず、セパレータに形成された溝を通して燃料極へと届けられた水素は、触媒の存在下、水素イオンと電子とに分解される。
燃料極（アノード）側：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−                    （式１）
そして、発生した水素イオンは、イオン伝導体である電解質膜を通過して空気極へと移動する。電解質膜はイオンのみを通過させる性質を有するため、発生した電子は電解質膜を通過することができず、外部の回路を通って空気極へと移動する。燃料電池においては、かかる電子の移動により、電気が発生する。一方で、空気極へと届けられた酸素が、空気極へと移動してきた水素イオン及び電子と反応することにより、水が生成される。
空気極（カソード）側：２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ    (式２)
【０００３】
電気自動車の用途に対して、燃料電池は、起動後直ちに電気エネルギーを発生することが要求される。通常の生活温度（例えば約１５℃）では、燃料電池は、電流を直ちに引き出すことができるので、相応の時間で起動させ、次いで、その好ましい作動温度（約８０℃）まで、燃料電池の内部抵抗を利用した加熱（以下において「ＩＲ加熱」という。）により迅速に昇温させることが可能である。しかし、寒冷の条件（例えば０℃以下の低温度）下では、急速な起動は困難になる。かかる低温においては、ＭＥＡ（膜電極アセンブリ）で生じる上記（式１）、及び（式２）で表される電気化学反応の発生する率が大幅に減少する。これによって、燃料電池から引き出すことができる電流の量が減少して、燃料電池に導入することができるＩＲ加熱を制限してしまうからである。この反応率が減少する原因は正確には解明されていない。固体高分子電解質のＨ+イオンの伝導が、低い温度で非常に乏しくなるため、あるいは、Ｈ2及び／又はＯ2を電気化学的にイオン化するための触媒効率がこれらの温度で非常に乏しくなるため、有意な量の電流をスタックから引き出すことができなくなり、さらにこれに対応するＩＲ加熱も生じなくなるため、のいずれかであると考えられている。
【０００４】
またさらに、このような低温の環境下では、燃料電池全体が冷え切ってしまうため、上記電気化学的反応により多少の反応熱が発生し、あるいは多少のＩＲ加熱が生じる程度では、前回運転停止時からの残留水分、あるいは上記反応で新たに生成される水が結露・凍結して、空気極のガス流路や、拡散層の微細なガス透過孔が閉塞されてしまうという問題もある。
【０００５】
特許文献１には、起動時に水素を酸化剤ガスに混入してカソードに供給し、カソード触媒上で発熱反応させることによって、燃料電池を昇温する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００１−１８９１６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に開示された技術では、電極触媒が水素と酸素との燃焼によって過昇温して、劣化するおそれがあった。そこで本発明は、起動時の暖機運転により生じる過昇温によって電極触媒が劣化するおそれが少ない燃料電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
請求項１に記載の発明は、電解質の両側に配設されたアノード電極とカソード電極と、さらにアノード電極とカソード電極の外側にそれぞれ配設されたセパレータとを備える燃料電池であって、セパレータの少なくとも一つに配設されるとともに、該セパレータの電極と接する面から離れた面に流体を流通させる流体流路と、流体流路に配設されるとともに、流体を発熱反応させる発熱反応促進手段とを備え、起動時に流体流路に流体を流通させることを特徴とする燃料電池である。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池において、発熱反応促進手段は触媒であることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の燃料電池において、触媒は流体流路内の発熱反応を均一にするように構成されていることを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、流体は、前記アノードに供給する水素含有ガスと、前記カソードに供給する酸素含有ガスとの混合ガスであることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１に記載の発明によれば、電極触媒上で発熱反応が生じないため、電極触媒が劣化するおそれがない。
【０００９】
請求項２に記載の発明によれば、簡単な構成により、発熱反応をおこすことができる。
【００１０】
請求項３に記載の発明によれば、セパレータ面内の発熱を均一にして効率よく暖機を行うことができる。
【００１１】
請求項４に記載の発明によれば、燃料電池に供給するガスを使用するため、別途発熱反応用のガスを供給する必要がない。そのための部材を配設する必要もない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の燃料電池は、電解質の両側に配設されたアノード電極とカソード電極と、さらにアノード電極とカソード電極の外側にそれぞれ配設されたセパレータとを備えるものであり、セパレータの少なくとも一つに配設されるとともにセパレータの電極と接する面から離れた面に流体を流通させる流体流路と、流体流路に配設されるとともに流体を発熱反応させる発熱反応促進手段とを備え、起動時に流体流路に流体を流通させることを特徴とする。
【００１３】
図１は、本発明の燃料電池を示す一部破断斜視図である。図示の燃料電池１００は、複数のユニットセルＣ１、Ｃ２、…が積層されて構成されている。図１においては一番手前側に配置されているセルＣ１が面方向途中から破断して示されており、ユニットセルＣ１の積層構造が現れている。これについては図２の項において説明する。ユニットセルＣ１、Ｃ２、…の積層体である燃料電池１００の積層方向には各セルを貫通するマニホールドがセルの両側に形成されている。図面向かって左側には上から順に水素ガス入り口マニホールド１、冷却媒体入り口マニホールド２、空気入り口マニホールド３が設けられている。一方、図面向かって右側には上から順に水素ガス排出マニホールド４、冷却媒体排出マニホールド５、空気排出マニホールド６が設けられている。
【００１４】
図１では、手前側のセルＣ１に形成された冷却媒体流路（図２も参照）に流通される冷却媒体の流れが矢印により示されている。なお、外気温が例えば０℃以下の低温である場合には、冷却媒体流路に水素と空気との混合ガスが流通されるがこれについては後述する。
【００１５】
図２は、本発明の燃料電池ユニットセルを、セルの積層方向に直交する面に沿って切断した場合の断面を２つ並べて示す図である。ここでは図１に対応させて、図面左側のユニットセルをＣ１、右側のユニットセルをＣ２としている。なお図２では、両ユニットセルＣ１、Ｃ２が離隔して表されているが、これは説明の便宜上の理由によるものであり、実際の燃料電池では各ユニットセルは、密着するように接して配置されている。左右のユニットセルＣ１、Ｃ２は同一の構成を有している。以下の説明においては左側のユニットセルＣ１について説明し、同一構成を有する右側のユニットセルＣ２については、ユニットセルＣ１と組み合わされて機能する事項を除き、ユニットセルＣ１と同一の参照符号を付してその説明を省略する。
【００１６】
ユニットセルＣ１は、その中央にＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）２１を備え、その左側にアノード側セパレータ２３、右側にカソード側セパレータ２４が配置されている。図ではＭＥＡ２１は、一体のように表されているが、実際には、中央部の電解質と、その両側のアノード（燃料極）、及びカソード（空気極）とからなり、さらにこれら電極は、電解質に接して設けられた触媒層と、その外側に配置され、セパレータに接して設けられた拡散層とから構成されている。
【００１７】
アノード側セパレータ２３のＭＥＡ２１に対向する面には水素ガス流路２３ａ〜２３ｆが形成されている。また、アノード側セパレータ２３の水素ガス流路２３ａ〜２３ｆが形成されている側とは反対側の面には、冷却媒体流路２３ｇ〜２３ｌが形成されている。一方、カソード側セパレータ２４のＭＥＡ２１に対向する面には空気流路２４ａ〜２４ｆが形成されている。また、カソード側セパレータ２４の空気流路２４ａ〜２４ｆが形成されている側とは反対側の面には、冷却媒体流路２４ｇ〜２４ｌが形成されている。
【００１８】
上記したように、ユニットセルＣ１とユニットセルＣ２とは、実際には接して配置されているので、図面左側に表されている、ユニットセルＣ１のカソード側セパレータ２４に形成されている冷却媒体流路２４ｇは、図面右側に表されているユニットセルＣ２のアノード側セパレータ２３に形成されている冷却媒体流路２３ｇと一体となって流路を形成している。同様に冷却媒体流路２４ｈ〜２４ｌはそれぞれに冷却媒体流路２３ｈ〜２３ｌと一体となって流路を形成している。
【００１９】
通常の燃料電池１００の運転状態においては、水素ガス入り口マニホールド１に供給された水素ガスは、アノード側セパレータ２３に形成された水素ガス流路２３ａ〜２３ｆに流通されることにより、上記アノードの触媒層に供給されて、水素イオンと電子とに分解される。
アノード側：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
そして、発生した水素イオンは、イオン伝導体である電解質を通過してカソードへと移動する。電解質はイオンのみを通過させる性質を有するため、発生した電子は電解質を通過することができず、外部の回路を通ってカソードへと移動する。燃料電池１００においては、かかる電子の移動により、電気が発生する。上記反応にあずからなかった余剰の水素は、水素ガス排出マニホールド４を通じて燃料電池１００の外部へと導かれる。
【００２０】
一方、空気入り口マニホールド３に供給された空気は、カソード側セパレータ２４に形成された空気流路２４ａ〜２４ｆに流通されて、空気極に供給される。そして、空気に含まれる酸素が、カソードへと移動してきた水素イオン及び電子と反応することにより、水が生成される。
カソード側：２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ
上記反応にあずかることのなかった余剰の空気及び反応の結果生じた水（蒸気を含む。）は、空気排出マニホールド６から燃料電池１００の外部へと導かれる。
【００２１】
燃料電池１００における、かかる通常の運転状態においては、最も効率よく発電される燃料電池温度は８０℃前後と言われている。しかし、上記反応は発熱反応であり、また燃料電池内での電気の流通によるＩＲ発熱等があり、燃料電池の温度が最適温度より上昇するので冷却が必要とされている。そこで通常の運転状態においては冷却媒体流路に、比較的低温の空気、あるいは冷却水を流通させて燃料電池温度の適正化を図っている。
【００２２】
これに対して、始動時には燃料電池温度は上記最適温度より低いので、いち早く最適温度まで昇温させることが好ましい。また、特に周囲温度が０℃以下である場合、燃料電池の発電に伴って発生する水が燃料電池内において凍結し、燃料電池内の空気や水素ガスの流通が十分に行われなくなってしまうおそれがある。そこで、本発明の一態様では燃料電池の始動時には、通常の運転時には冷却媒体流路として使用されている流路に発熱促進手段を設け、該流路には前記発熱促進手段により発熱が促される流体を流通させることとした。
【００２３】
流路に流通される流体の種類は、本発明において特に限定されるものではないが、例えばアノードに供給される水素含有ガスと、カソードに供給される空気（酸素含有ガス）とを混合したものを使用することができる。
【００２４】
また、発熱促進手段の種類も本発明において特に限定されないが、使用される流体が上記の、水素含有ガスと空気との混合ガスである場合には、酸化触媒を好ましく使用することができる。さらに、酸化触媒は流体流路内の発熱反応を均一にするようにされていることが好ましい。流体流路内の発熱反応を均一にする方法として、例えば、冷却媒体入り口マニホールド１に近い側の触媒濃度を低くし、出口側の濃度を高くすることが考えられる。また、入り口側と出口側とで、異なる種類の触媒類を使用することにしてもよい。さらに触媒の表面積を入り口側と出口側とで異なるものとしてもよい。
【００２５】
かかる構成をとることにより、従来技術において問題とされていた、
（１）電気で加熱しようとするとき、二次電池容量が大きくなりすぎる。
（２）燃料を燃焼することにより冷却水を加熱しようとするとき、系全体を加温してしまうので、効率が悪く時間がかかりすぎる。
（３）カソード空気に燃料を混合して燃焼機で燃焼させて、これを燃料電池本体に供給して加熱しようとするとき、生成水が燃料電池内で凍結してしまう。
（４）カソード空気に燃料を混合し、発電用触媒層で燃焼させて加熱しようとするとき、生成水が燃料電池内で凍結してしまうとともに、局所的な過熱によってＭＥＡの劣化を早めてしまう。
等の問題を回避しつつ、簡単な構成により、発熱反応をおこすことができ、また、セパレータ面内の発熱を均一にして効率よく暖機を行うことができる。さらに、燃料電池に供給するガスを使用するため、別途発熱反応用のガスを供給する必要がない。そのための部材を配設する必要もないという利点もある。
【００２６】
図３は、燃料電池１００を含む燃料電池システムの一例を示す図である。図示の燃料電池システム３０は、燃料電池１００本体と、水素貯蔵タンク３１と、空気ポンプ３２とを備えている。低温始動時には、開閉弁４１、４２は閉鎖され、開閉弁３３、３５、３６は開放されている。空気ポンプ３２から送られた空気は、水素貯蔵タンク３１から供給され、開閉弁３３を通った水素と混合される。そして混合ガスは通路３４を経て、燃料電池１００の冷却媒体流路２３ｇ〜２３ｌ（２４ｇ〜２４ｌ）へと供給される。冷却媒体流路２３ｇ〜２３ｌ（２４ｇ〜２４ｌ）の表面には発熱反応促進手段たる酸化触媒が塗布されており、混合ガス中の水素と酸素とがＭＥＡとは離隔した位置において酸化反応をして発熱し、燃料電池１００全体を暖める。酸化反応により生成された水（水蒸気）及び、反応にあずからなかった残余の混合ガスは、開閉弁３６を通って外部へと排出される。
【００２７】
燃料電池１００の温度が所定の温度まで昇温されると、開閉弁４１、４２は開放され、開閉弁３３、３５、３６は閉鎖される。水素貯蔵タンク３１の水素は、開閉弁４１を経て分岐した通路からそれぞれユニットセルＣ１、Ｃ２の水素ガス流路２３ａ〜２３ｆに供給されるとともに、空気ポンプ３２から送られた空気は、開閉弁４２を経て、分岐した通路からそれぞれユニットセルＣ１、Ｃ２の空気流通路２４ａ〜２４ｆに供給されて燃料電池１００本来の発電に供される。かかる構成により、暖機用の新たな部材の使用を最小限にとどめて燃料電池システム３０を構成できる。
【００２８】
本発明において、発熱反応促進手段は、上記した触媒を使用してもよいがこれに限定されるものではなく、他に流体を発熱反応させるものであれば特にその種類を問わない。発熱反応促進手段として酸化触媒を使用する場合、使用可能な触媒として、例えば、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ａｇ（銀）、Ｃｏ（コバルト）、Ａｕ（金）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｕ（銅）、Ｍｎ（マンガン）、Ｆｅ（鉄）、等を挙げることができる。
【００２９】
なお、上記説明においては、始動時に流通させる流体の流路として、冷却媒体流路を利用した例を示したが、セパレータが電極と接する面から離れた面に、別途流路を形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の燃料電池を示す一部破断斜視図である。
【図２】本発明の燃料電池ユニットセルを、セルの積層方向に直交する面に沿って切断した場合の断面を２つ並べて示す図である。
【図３】燃料電池システムを示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
Ｃ１〜Ｃ５、…  ユニットセル
１  水素ガス入口マニホールド
２  冷却媒体入口マニホールド
３  空気入口マニホールド
４  水素ガス排出マニホールド
５  冷却媒体排出マニホールド
６  空気排出マニホールド
２１  ＭＥＡ
２３  アノード側セパレータ
２４  カソード側セパレータ
２３ａ〜２３ｆ  水素ガス流路
２４ａ〜２４ｆ  空気流路
２３ｇ〜２３ｌ、２４ｇ〜２４ｌ  冷却媒体流路
３０  燃料電池システム
３１  水素貯蔵タンク
３２  空気ポンプ
３３、３５、３６、４１、４２  開閉弁
３４  通路
１００  燃料電池
【図１】
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【図２】
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【図３】
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