(57)【要約】【課題】  セパレータの流路溝に存在する水を除去することが可能な燃料電池を提供する。【解決手段】  触媒層３２、４２及び拡散層３１、４１を備えるカソード３０並びにアノード４０と、カソード３０とアノード４０との間に配置される電解質１とを備えるＭＥＡ５の両側に、セパレータ１０、２０を配設してセル１００を構成し、セパレータ１０にはカソード側に流路溝１１、１１、…が刻設され、溝の山部１２、１２、…はカソードの拡散層３１に当接されている燃料電池であって、少なくとも流路溝１１の下流側に、水除去手段５０を備えることを特徴とする、燃料電池とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒層及び拡散層を備えるカソード並びにアノードと、前記カソードと前記アノードとの間に配置される電解質とを備えるＭＥＡの両側に、セパレータを配設してセルを構成し、
前記セパレータには前記カソード側に流路溝が刻設され、前記溝の山部は前記カソードの拡散層に当接されている燃料電池であって、
少なくとも前記流路溝の下流側に、水除去手段を備えることを特徴とする、燃料電池。
【請求項２】
前記水除去手段は、発熱線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】
前記水除去手段は、高圧端子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４】
前記セルが、さらに電圧センサを備え、該電圧センサの感知する発電圧の値に応じて、当該セルに備えられた前記水除去手段が作動することを特徴とする、請求項２又は３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記水除去手段が、センサ機能を兼ねることを特徴とする、請求項２又は３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、燃料電池に関し、特に燃料電池の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質型燃料電池（以下において、「ＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell）」と記述する。）は、各種の燃料電池の中でも、低温領域での運転が可能であるとともに、５０〜６０％の高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車の最適な動力源として注目されている。このＰＥＦＣの電解質は、陽イオン交換樹脂膜を、カチオン導電性膜として使用するものである。この導電性膜は、分子中にプロトン（水素イオン（Ｈ＋））交換基を有しており、これを飽和状態に含水させることにより、常温で２０Ω・ｃｍ以下の比抵抗を示し、プロトン導電性電解質として機能している。そして、この電解質膜の飽和含水量は、温度によって可逆的に変化する。すなわち、ＰＥＦＣの運転中においては、電解質膜からの蒸散を防止するために燃料ガス中および酸化ガス中に水蒸気の形で添加された加湿水と、カソード側における電気化学反応によって生成される水とによって常に飽和状態が維持される。
【０００３】
ところが、カソード側において生成される水が増加するか、あるいは燃料ガスおよび酸化ガスが消費されて残留ガス中の水蒸気が過飽和となって水が凝結して、水の供給が過剰となると、この電解質膜が水浸しとなり、いわゆる「フラッディング」状態となる。このフラッディング状態が発生すると、セル内のガス接触面積が減少し、更にはカソードへの酸素ガスの供給が阻害されて、ＰＥＦＣの発生電圧が低下する。この電圧低下は、ＰＥＦＣの効率の低下に繋がるため、ＰＥＦＣの高いエネルギー変換効率を維持するためには、フラッディング現象を低減することが重要である。
【０００４】
フラッディング現象を低減し、ＰＥＦＣの効率を高めることを目的とした技術が、これまでにいくつか提案されている。例えば、特許文献１には、酸化ガス通路の溝の深さを入口から出口に向けて漸増させて、排水を促進し、上記フラッディングによる障害を抑制する技術が開示されている。
【特許文献１】特開平８−１３８６９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に開示された技術によれば、生成水の十分な排水ができないという問題があった。
【０００６】
そこで本発明は、セパレータの流路溝に存在する水を除去することが可能な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、カソード及びアノードと、カソードとアノードとの間に配置される電解質とを備えるＭＥＡの両側に、セパレータを配設してセルを構成し、セパレータにはカソード側に流路溝が刻設され、当該溝の山部はカソードに当接されている燃料電池であって、少なくとも流路溝の下流側に、水除去手段が備えられていることを特徴とする、燃料電池により、上記課題を解決しようとするものである。
ここで、本発明の燃料電池に備えられる水除去手段は、流路溝に溜まった水を除去できる手段であれば特に限定されるものではなく、例えば、水を加熱し液滴の大きさを減少させるか又は蒸発させることが可能な手段等を挙げることができる。また、水除去手段が備えられる流路溝内の部位は、特に限定されるものではなく、フラッディングの原因となる水が溜まりやすい流路溝の下流側を含んでいれば良い。水除去手段が備えられ得る他の部位としては、例えば、溝の山部の壁面等を挙げることができる。さらに、燃料電池内に備えられる当該水除去手段の数も、特に限定されるものではなく、水の除去に必要な数だけ設けることができる。したがって、例えば、流路溝の出口に水除去手段が１つだけ備えられていても良く、同一流路溝内に複数の水除去手段が備えられていても良い。
【０００８】
請求項１に記載の発明によれば、カソードと対向するように設けられている流路溝の下流側に溜まりやすい水滴を除去することによりフラッディングを改善でき、当該流路溝を含むセルの発電圧低下を抑制し得る燃料電池を提供することが可能になる。
【０００９】
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、水除去手段が発熱線であることを特徴とする。
ここで、本発明の燃料電池に備えられる発熱線は、通電させることにより、当該発熱線に付着した水を蒸発させる程度にまで発熱可能なものであれば特に限定されるものではなく、例えば、ニクロム線等を挙げることができる。また、発熱線は、付着した水を蒸発させることが可能な程度に常に発熱させておくことが好ましい。
【００１０】
請求項２に記載の発明によれば、カソードと対向するように配置されたセパレータに刻設されている流路溝の少なくとも下流側に備えられた発熱線を加熱し、流路溝の下流側に溜まる水を蒸発除去することにより、フラッディングを改善することで、当該流路溝を含むセルの発電圧低下を抑制し得る燃料電池を提供することが可能になる。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池において、水除去手段が高圧端子であることを特徴とする。
ここで、本発明の燃料電池に備えられる高圧端子は、流路溝内に配設可能な程度の大きさを有し、かつ、流路溝内の水滴を破砕することが可能な形態であれば、特に限定されるものではない。高圧端子の形態例としては、高圧端子と流路溝との接触を防止するという観点から、高圧端子先端部と流路溝との間は開口している一方で、当該端子の周囲は絶縁部材で覆われている形態等を挙げることができる。また、高圧端子の配置形態は、特に限定されるものではないが、一対の高圧端子を配置させる形態等を挙げることができる。一対の高圧端子を配置させる場合、その配置間隔は、流路溝内のガス流通を防止しうる水滴の直径と略同一であることが好ましい。さらに、高圧端子の材料は、特に限定されるものではなく、例えば、セラミックス製の端子等を挙げることができる。
【００１２】
請求項３に記載の発明によれば、例えば、流路溝内に一対の高圧端子を配設した場合には、当該端子が放電しない程度の電圧をこれらの端子にかけておくことにより、この端子の間に、端子間を繋ぐ程度の大きさを有する水滴が到達した場合にのみ端子間が短絡することで、当該水滴を破砕することが可能になる。短絡により水滴を破砕すれば、破砕された水滴は流路内を流れるガスにより移動され得るため、フラッディングを改善することが可能になる。したがって、本発明によれば、当該流路溝を含むセルの発電圧の低下を抑制し得る燃料電池を提供することが可能になる。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項２又は３に記載の燃料電池において、セルが、さらに電圧センサを備え、当該電圧センサの感知する発電圧の値に応じて、セルに備えられた水除去手段が作動することを特徴とする。
ここで、電圧センサは、燃料電池セルの電圧を測定可能なセンサであれば、その形態は特に限定されない。また、当該センサの配置形態も特に限定されるものではない。
【００１４】
請求項４に記載の発明によれば、セルの発電圧が一定値以下となった場合にのみ、セルの流路溝に備えられた水除去手段を作動させて水を除去することにより、当該セルの発電圧低下を改善することが可能になる。また、複数のセルを積層したスタック状の燃料電池に本発明を適用すれば、発電圧が低下したセルに備えられた水除去手段を作動させ、当該セルの発電圧低下をピンポイントで改善させることにより、効果的に燃料電池における発電圧の低下を改善することができる。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項２又は３に記載の燃料電池において、水除去手段が、センサ機能を兼ねることを特徴とする。
ここで、水除去手段が兼ねるセンサ機能とは、当該水除去手段が備えられた流路溝に水が溜まったことを感知し得る機能をいい、その感知方法は特に限定されない。具体的な感知方法としては、例えば、発熱線に一定量の電流を流し、その電流値を定期的に検知可能な構成とし、当該発熱線に水が付着することによる電流値の変化を認識する形態等を挙げることができる。
【００１６】
請求項５に記載の発明によれば、水除去手段に水が付着するまでは水除去手段に一定量の電流又は電圧を付加し（以下において、電流及び電圧をまとめて「電気エネルギー」と記述する。）、当該水除去手段が水の付着を感知した場合にのみ、当該水を除去し得る程の電気エネルギーを付加することが可能になるため、当該水除去手段を効率的に作動させて燃料電池における発電圧の低下を改善することが可能になる。また、水除去手段がセンサ機能を兼ねることで別途センサを設ける必要がなくなるため、生産コストの抑制、及び加工容易性の向上等を図ることも可能になる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、セパレータの流路溝に存在する水を除去することが可能な燃料電池を提供することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、本発明の第１実施形態にかかる燃料電池の構成例（以下において、本構成例を「第１構成例」と記述する。）を概略的に示す図であり、紙面の左右方向が、流路溝を有するセパレータ面の法線方向である。
本発明の燃料電池は、カソード３０と対向するように配置されているセパレータ１０の流路溝１１、１１、…の少なくとも下流側に、水除去手段５０、５０を備える。図１において、当該手段５０、５０は、流路溝の下流側１１、１１にのみ備えられる一方、流路溝１１、１１、…内のガスは、紙面裏から表の方向へと流れている。
水除去手段５０、５０を有する本発明の燃料電池は、触媒層３２、４２及び拡散層３１、４１を備えるカソード３０並びにアノード４０と、これらの間に配置される電解質１とを備えるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）５の両側に、セパレータ１０、２０を配設してセル１００を構成する。当該セル１００において、カソード３０側のセパレータ１０の山部１２、１２、…は、カソードの拡散層３１に当接されている。
【００１９】
図２は、図１における流路溝の下流側を含む部分を拡大し、かつ、方向を変えて、本発明の第１構成例にかかる燃料電池を示す図である。図２では、紙面の表裏方向が、流路溝を有するセパレータ面の法線方向であり、流路溝内のガスは、紙面上から下の方向へと流れている。
図２に示す流路溝１１、１１は、カソードと対向するように配置されたセパレータに刻設されている流路溝１１、１１、…の下流側の一部であり、当該溝１１、１１には、水除去手段５０、５０が備えられている。図２に示す水除去手段５０、５０は、高圧端子５１、５１を備えており、当該端子５１、５１と流路溝１１、１１との接触を防ぐため、端子５１、５１の周囲は絶縁部材５２により覆われている。
本発明の第１構成例にかかる燃料電池において、端子５１、５１には、高電圧（例えば、１００Ｖ）がかけられる。
【００２０】
燃料電池内の反応により生成された水は、セパレータに触れると、結露して水滴になる。当該水滴は、流路内を流れるガスにより流路溝の下流側へと運ばれ、流路溝内において凝集することにより、一定以上の大きさの水滴７０、７０になりやすい。かかる水滴７０、７０は、ガスにより移動され難いため、流路溝１１、１１を閉塞し、燃料電池の電圧低下を招く。
本構成例にかかる燃料電池では、高電圧をかけられている端子５１、５１の間に水滴７０、７０が侵入すると、短絡が生じ、水滴７０、７０は破砕される。破砕された水滴は、流路溝内を流れるガスにより運ばれ得るため、流路溝の閉塞を防止することが可能になる。したがって、本発明の燃料電池をかかる構成とすることにより、電圧低下を抑制することが可能になる。
【００２１】
ここで、本発明の第１構成例において水除去手段５０が備えられる流路溝１１の位置は、フラッディングが生じやすい流路下流側を含んでいれば特に限定されず、全ての流路溝１１、１１、…に備えられていても良い。また、備えられる水除去手段５０の数は、特に限定されるものではなく、燃料電池の電圧低下を効果的に抑制するために必要な数だけ設けることができる。さらに、図２では、水除去手段５０として、便宜上、高圧端子を示したが、本発明の第１実施形態にかかる燃料電池に備えられる水除去手段は、高圧端子に限定されるものではなく、ニクロム線等の発熱線等であっても好適に使用することができる。ここで、本発明の第１実施形態にかかる燃料電池において、水除去手段としてニクロム線等の発熱線を使用する場合、当該発熱線は、１００℃以上の温度に保たれていることが好ましい。発熱線を水の沸点である１００℃以上の温度に保つことにより、当該発熱線に触れた水滴７０は瞬間的に蒸発するため、フラッディングを容易に防止することができる。
【００２２】
一方、本発明の第１実施形態にかかる燃料電池に備えられる水除去手段は、水の滞留を感知し得るセンサ機能を兼ねる水除去手段としてもよい（以下において、本発明の燃料電池に備えられる水除去手段が、センサ機能を兼ねる構成を、「第２構成例」と記述する。）。第２構成例の燃料電池に備えられる水除去手段がセンサ機能を兼ねることにより、後述する本発明の第３構成例において備えられるセンサ及び当該センサの制御装置を別途設ける必要がなくなるため、燃料電池の生産コストを抑制することが可能になる。
第２構成例の燃料電池に備えられる水除去装置が備えるセンサ機能は、水の滞留の発生を感知し得る形態であれば特に限定されないが、例えば、水除去手段が高圧端子である場合には、当該端子に常に一定の電圧（例えば、端子間に水滴が侵入し短絡が発生しても、当該水滴が破砕されない程度の電圧）をかけ、その電圧値を常に又は定期的に検知する形態とすることができる。かかる形態とすることにより、流路溝を塞ぎ得る程度の水滴が当該端子に触れて電圧値が変化した場合には、高圧端子に、高電圧をかけて当該水滴を破砕させることにより、燃料電池の電圧低下を効果的に抑制することが可能になる。
【００２３】
図３は、本発明の第２実施形態にかかる燃料電池の構成例（以下において、本構成例を「第３構成例」と記述する。）を概略的に示す断面図である。図３において、水除去手段５０、５０は、カソード３０と対向するように配置されているセパレータ１０の流路溝の下流側１１、１１にのみ備えられており、第３構成例における燃料電池は、さらに、電圧センサ６０、制御装置８０、及び水除去手段制御器８７を備えている。本構成例において、流路溝の下流側１１、１１に備えられている水除去手段５０、５０の動作は、制御装置８０によって制御されている。
制御手段８０には、燃料電池の動作制御を実行するＣＰＵ８１と、そのＣＰＵ８１に対する記憶装置とが設けられている。ＣＰＵ８１は、マイクロプロセッサユニット及びその動作に必要な各種周辺回路を組み合わせて構成され、ＣＰＵ８１に対する記憶装置は、例えば、燃料電池の動作制御に必要なプログラムや各種データを記憶するＲＯＭ８２と、ＣＰＵ８１の作業領域として機能するＲＡＭ８３等を組み合わせて構成される。当該構成に加えて、さらに、ＣＰＵ８１が、ＲＯＭ８２に記憶されたソフトウエアと組み合わされることにより、本発明の燃料電池における制御装置８０が機能する。
セル１００の発電圧を検知する電圧センサ６０からの出力信号は、入力ポート８５を介して、入力信号としてＣＰＵ８１へと到達する。この入力要素からの信号、及びＲＯＭ８２に記憶されたプログラムに基づいて、例えば、セル１００の発電圧が所定値以下である場合には、出力ポート８６を介して、アクチュエータとしての水除去手段制御器８７に対する動作指令を制御する。水除去手段制御器８７は、ＣＰＵ８１から与えられた動作指令に応じて、水除去手段５０、５０を作動させる。
この他、図１と同様の構成を採る部位に関しては、その説明を省略する。
【００２４】
本発明の燃料電池をかかる形態とし、セル１００毎に電圧センサ６０を設けることで、燃料電池内の流路溝が水滴により塞がれることによって発電圧が低下したセル１００を正確に把握することが可能になる。そのため、水除去手段制御器８７を介して当該セル１００に備えられている水除去手段５０、５０のみを作動させることにより、低下した発電圧を改善することが可能になる。ここで、本構成例にかかる水除去手段には、常に電気エネルギーが供給されていても良いが、センサ機能を効果的に活用するという観点からは、フラッディングの発生が検知された場合にのみエネルギーを供給することで、電気エネルギーを効率的に使用することが好ましい。
なお、本発明において、セル１００毎に設けられるセンサは、セル１００の発電圧の値を検知可能なものであれば、特に限定されない。また、便宜上、図３は、ユニットセルを想定して記載したが、本発明の燃料電池はユニットセル構造のみに限定されるものではなく、ユニットセルを積層して構成される、いわゆるスタック構造とすることもできる。
【００２５】
図４は、本発明の第３構成例における水除去方法の一例を示すフローチャートである。電圧センサ６０がセル１００の発電圧値を検知すると（ステップＳ１）、まず、検知したセル１００の発電圧値が所定値以下であるか否かが判断される（ステップＳ２）。ステップＳ２において肯定判断された場合には、セル１００に備えられた水除去手段５０に、流路溝１１内の水を除去し得る程度のエネルギーが供給されることにより、流路溝１１内の水が除去され（ステップＳ３）、その後、ステップＳ１へと戻り、上記手順が実施される。一方、ステップＳ２において否定判断された場合には、引き続き、燃料電池システムが停止しているか否かが判断され（ステップＳ４）、ステップＳ４において肯定判断された場合には、水除去手段５０の作動が停止する（ステップＳ５）。一方、ステップＳ４において否定判断された場合には、ステップＳ１へと戻り、水除去手段５０の作動が継続される。
【実施例】
【００２６】
図５に、本発明の第３構成例にかかる燃料電池においてニクロム線を水除去手段として使用した場合における燃料電池耐久試験（実施例）結果と、セパレータの流路溝に水除去手段を設けない場合における燃料電池耐久試験（比較例）結果とをあわせて示す。本発明の燃料電池によりフラッディングを防止した結果、本発明の燃料電池は、従来の燃料電池よりも、電圧の低下を抑制できることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明における燃料電池の構成例を示す図である。
【図２】本発明における燃料電池の構成例を示す図である。
【図３】本発明における燃料電池の構成例を示す図である。
【図４】水除去方法の一例を示すフローチャートである。
【図５】本発明における実施例の結果を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  電解質
５  ＭＥＡ
１０、２０  セパレータ
１１  流路溝
１２  山部
３０  カソード
３１、４１  拡散層
３２、４２  触媒層
４０  アノード
５０  水除去手段
６０  センサ
１００  セル
【図１】
2005294117.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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