(57)【要約】【課題】常温のときのみならず低温環境下においても電力損失を極力抑えつつ良好な始動が可能な燃料電池を提供する。【解決手段】電解質膜と、電解質膜の両面に配置された一対の触媒層２５と、触媒層２５の電解質膜との接面と反対の面に接する一対の拡散層２６と、を有する膜−電極接合体を備えた燃料電池において、電解質膜の少なくとも一方の面側に配置された拡散層２６に、水分を吸収することで発熱する発熱部材４１を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、前記電解質膜の両面に配置された触媒層と、前記触媒層の前記電解質膜との接面と反対の面に接する拡散層と、を有する膜−電極接合体を備えた燃料電池であって、
前記電解質膜の少なくとも一方の面側に配置された前記拡散層に、水分を吸収することで発熱する発熱部材を備えた燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池であって、
前記拡散層は、前記発熱部材が拡散層基材によって挟持された積層構造とされている燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜−電極接合体を有する燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電するセルを所要数積層した燃料電池スタックをエネルギ源とした燃料電池自動車等が注目されている。このセルは、電解質膜及びその両面に配置された一対の電極を有する膜−電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）と、このＭＥＡを挟持する一対のセパレータとで構成されている。
【０００３】
そして、この種の燃料電池として、電極の一部を構成する拡散層の付近にヒータを設け、始動時にヒータによって拡散層付近を加熱することにより、低温環境下においても、発電時の生成水による拡散層での凍結を抑制し、効率的に始動させるものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−１６３０２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記燃料電池は、ヒータに通電して拡散層付近を加熱するものであるので、始動時に電力消費によるエネルギ損失があるという課題があった。このため、低温環境下においても電力損失を極力抑えつつ良好な始動が可能な燃料電池の開発が望まれている。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、常温のときのみならず低温環境下においても電力損失を極力抑えつつ良好に始動させることが可能な燃料電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池は、電解質膜と、前記電解質膜の両面に配置された触媒層と、前記触媒層の前記電解質膜との接面と反対の面に接する拡散層と、を有する膜−電極接合体を備えた燃料電池であって、前記電解質膜の少なくとも一方の面側に配置された前記拡散層に、水分を吸収することで発熱する発熱部材を備えている。
【０００７】
この燃料電池によれば、例えば低温環境下での始動時においては、発電によって生じた生成水を発熱部材が吸収して発熱して拡散層が加熱されることより、生成水の凍結を抑制しつつ、温度を迅速に氷点以上に高め、さらに、効率的な発電が可能な触媒層の活性温度である高温領域まで迅速に昇温させることができる。
【０００８】
また、常温での始動時でも、発電によって生じた生成水を発熱部材が吸収して発熱して拡散層が加熱されるので、効率的な発電が可能な触媒層の活性温度である高温領域まで迅速に昇温させるための補助的な加熱の効果を得ることができる。
【０００９】
すなわち、常温は勿論のこと、低温環境下においても運転を円滑かつ良好に始動させることができ、これにより、発電効率を向上させることができ、また、電力の供給により発熱するヒータを用いるものと比較して、始動時における電力消費による損失も低減させることができる。
さらに、ヒータ等の追加の装置が不要で、燃料電池内で反応により発生する水を利用することができるため、構成（装置）を複雑にすることなく加熱することができる。
【００１０】
前記拡散層は、前記発熱部材が拡散層基材によって挟持された積層構造とされていてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の燃料電池によれば、常温のときのみならず低温環境下においても電力損失を極力抑えつつ良好に始動させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、本発明に係る燃料電池の実施形態について、図１を参照しつつ説明する。
【００１３】
図１は、燃料ガス及び酸化ガスの供給を受けて発電する単一のセル（燃料電池）を示すものであり、このセルは、図示は略すが、厚さ方向に所要数積層され燃料電池スタックとされて使用されるものである。なお、この燃料電池スタックは、燃料電池自動車の車載発電システムや船舶、航空機、電車あるいは歩行ロボット等のあらゆる移動体用の発電システム、さらには、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システム等に適用可能である。
【００１４】
図１に示すように、セル１１は、水素ガス、空気、冷却水の流路を有するセパレータ２１と、一対のセパレータ２１で挟み込まれたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）２２とから構成されている。
【００１５】
ＭＥＡ２２は、電解質膜２３及びその両面に配置した一対の電極２４からなる膜−電極接合体であり、電極２４は、電解質膜２３側から触媒層２５及び拡散層２６を積層した構造とされている。
【００１６】
つまり、燃料電池スタックを構成するセル１１は、電解質膜２３と、この電解質膜２３の両面に配置された一対の触媒層２５と、これら触媒層２５の電解質膜２３との接面と反対の面に接する一対の拡散層２６とを有するＭＥＡ２２と、このＭＥＡ２２を仕切るセパレータ２１とから構成されている。
【００１７】
この燃料電池を構成するセル１１には、ＭＥＡ２２を介した両面側に、セパレータ２１によって区画されたガス流路３５が形成されており、このガス流路３５に燃料ガスである水素ガス及び酸化ガスとして空気が流され、水素ガスと空気中の酸素とがＭＥＡ２２を介して電気化学反応することにより、水素ガスが供給されるアノード側と酸化ガスが供給されるカソード側のそれぞれの電極２４間にて発電する。
【００１８】
また、図２に示すように、電極２４を構成する拡散層２６は、その内部に、面方向に沿って発熱部材４１が層状に設けられている。この発熱部材４１は、水分を吸着することにより生じる水和熱により発熱する特性を持った物質からなる繊維であり、例えば、１４４９ｊ／ｇ（２５℃、ＲＨ８０．５％）程度の吸湿発熱量を有している。この発熱部材４１としては、例えば、アクリレート系、キュプラ系、ポリエステル系、ナイロン系、アクリル系、ポリプロピレン系、ポリウレタン系、レーヨン系等の高分子材料（東洋紡製、商品名：モイスケア）などが使用可能である。
【００１９】
そして、本実施形態では、図３に示すように、上記の発熱する特性を持った物質からなる繊維を編み目状に編んだ発熱部材４１を例えばカーボンペーパやカーボンクロス等に代表されるカーボンから形成されたシート状の基材（拡散層基材）２６ａによって挟むことにより、積層構造とされている。
なお、この繊維状の発熱部材４１は、拡散層２６を製造する際に基材２６ａに織り込んでもよい。また、発熱部材４１は、繊維を編み目状にしたものでなくてもよい。つまり、繊維パターンに規則性がなくてもよい。
【００２０】
次に、上記構造の燃料電池を運転させる場合について説明する。
【００２１】
始動の指令がされると、燃料電池に水素ガス及び空気が供給されて発電が開始されると共に生成水が発生する。この始動時の発電によって生じた生成水が拡散層２６を通って排出されると、拡散層２６に設けられた発熱部材４１が生成水を吸収することにより発熱する。
【００２２】
これにより、この発熱部材４１が設けられた拡散層２６が加熱される。その後、発熱部材４１の吸水状態が飽和状態となると、この発熱部材４１による発熱が終了し、発熱部材４１による拡散層２６の加熱が停止される。
【００２３】
一方、運転停止の指令がされると、ガス流路３５が乾燥ガスあるいは低加湿ガスによって掃気され、ＭＥＡ２２が乾燥される。これにより、吸水状態が飽和状態であった拡散層２６の発熱部材４１も乾燥し、再度の吸水による発熱が可能な状態とされる。
【００２４】
このように、上記の燃料電池では、始動時の発電によって生じた生成水を発熱部材４１が吸収して発熱するので、例えば、低温環境下での始動時においては、発電によって生じた生成水を発熱部材４１が吸収して発熱して拡散層２６が加熱されることより、生成水の凍結を抑制しつつ、温度を迅速に氷点以上に高めることができ、さらに、効率的な発電が可能な触媒層２５の活性温度である高温領域まで迅速に昇温させることができる。
【００２５】
また、常温での始動時では、発電によって生じた生成水を発熱部材４１が吸収して発熱して拡散層２６が加熱されるので、効率的な発電が可能な触媒層２５の活性温度である高温領域まで迅速に昇温させるための補助的な加熱の効果を得ることができる。
【００２６】
すなわち、上記燃料電池によれば、常温は勿論のこと、低温環境下においても運転を円滑かつ良好に始動させることができ、これにより、発電効率を向上させることができる。また、電力の供給により発熱するヒータを用いるものと比較して、始動時における電力消費によるエネルギ損失も低減させることができる。
【００２７】
しかも、運転停止時にガス流路３５を乾燥ガスあるいは低加湿ガスによって掃気することにより、発熱部材４１を乾燥させて再度の吸水による発熱を可能とすることができ、経済的である。
【００２８】
また、水分を吸着することにより生じる水和熱を利用して発熱する特性を有する物質から発熱部材４１を形成しているので、化学反応により発熱する物質を用いるものと比較して、可逆的であり、しかも過熱による電解質膜２３への影響も低減することができる。
【００２９】
なお、発熱部材４１を設ける拡散層２６としては、必ずしもアノード側及びカソード側の両方に設ける必要はなく、アノード側もしくはカソード側のいずれか一方の拡散層２６に設けても十分に運転始動を円滑にする効果を奏することができる。この場合には、水が生成されるカソード側の拡散層２６に発熱部材４１を設けることが好ましい。
【００３０】
また、発熱部材４１として、吸水性の高い繊維を用いると、発電時の生成水を効果的に発熱部材４１にて吸水させることができ、特に、低温環境下における始動時に、より凍結の抑制効果を高めて、安定した始動が可能となる。
【００３１】
なお、上記の例では、繊維を編み目状にした２つの発熱部材４１を拡散層２６に積層状態に設けたが、この発熱部材４１の層数は２層に限らず１層あるいは３層以上でも良い。ただし、発熱部材４１が拡散層２６における導電性の低下を招く場合には、導電性をあまり低下させない程度に設けるのが好ましい。
【００３２】
また、発熱部材４１としては、繊維状のものに限らず、粉末状のものでも良く、この場合、拡散層２６の製造時に、粉末状の発熱部材４１を基材２６ａに混入させるのが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】燃料電池の構造を説明するセルの概略断面図である。
【図２】拡散層の構造を説明する拡散層の概略断面図である。
【図３】拡散層の構造を説明する拡散層の分解平面図である。
【符号の説明】
【００３４】
２２…ＭＥＡ（膜−電極接合体）、２３…電解質膜、２５…触媒層、２６…拡散層、２６ａ…基材、４１…発熱部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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