(57)【要約】【課題】  燃料電池のセパレータに水が残留することを防止し、もって寒冷地における残留水の凍結を防止する。【解決手段】  燃料電池の空気供給系へ水を供給する水供給装置が備えられる燃料電池装置において、水へ表面張力調整剤が加えられて純水より表面張力の小さい表面張力調整水が形成されている。この表面張力調整水はセパレータの表面に濡れやすい。【選択図】図１
2007048546.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の空気供給系へ水を供給する水供給装置が備えられる燃料電池装置において、
前記水へ表面張力調整剤が加えられて純水よりも表面張力の小さい表面張力調整水が形成されている、ことを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記表面張力調整水の表面張力が次の条件、
γｇ＜γｌ＜γｓ
ここに、γｇは前記燃料電池の空気極側のガス拡散層の臨界表面張力、γｌは前記表面張力調整水の表面張力、γｓは前記空気極側のセパレータの臨界表面張力、
を満足する、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記表面張力調整剤は界面活性剤からなる、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記水供給装置は前記表面張力調整水の貯蔵部、前記表面張力調整水の表面張力を測定する表面張力測定装置、前記表面張力調整剤の貯蔵部、該表面張力調整剤貯蔵部から前記表面張力調整水貯蔵部へ供給する前記表面張力調整剤の供給量を調整する装置と、を備えている、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記水供給装置は燃料電池の空気極へ前記表面張力調整水を噴霧する、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池装置に関する。更に詳しくは、燃料電池の空気極における水詰まりを防止する技術の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の単位セルは、高分子固体電解質膜を空気極と水素極で挟持した構成である。空気極及び水素極はともに触媒を含む反応層とガス拡散層を電解質膜側から順次積層してなる。空気極及び水素極の外側にはガス流路を設けたセパレータが積層される。セパレータからみると、当該セパレータの一面側に一つの燃料電池単位セルの空気極が対向し、他面側に他の燃料電池単位セルの水素極が対向する。このセパレータはガス（空気、水素ガス）の透過を防止するとともに単位セルで発生された電流を集電し、外部へ取り出す。
かかる空気極へ空気を供給する空気供給系においては、燃料電池の湿潤状態を維持し及び／又は燃料電池の冷却をするために水が供給される。
【０００３】
空気供給系に供給された水や燃料電池の反応に伴い生成される生成水がセパレータの空気流路に残留してこれを閉塞することがあった。空気流路が閉塞されると、空気極の全体へ空気がいき渡らなくなるので、発電能力が低下したり、発電が不安定になったりするおそれがある。
また、セパレータの空気流路に水が残留すると、運転停止後の燃料電池が氷点下環境におかれたとき、当該残留水が凍結するおそれがある。凍結により体積が膨張した残留水により燃料電池に不測の機械的ストレスが加わったり、空気流路を閉塞して起動できなくなったりするおそれがある。
以上より、残留水は速やかに除去する必要がある、
【０００４】
残留水を除去するために、従来ではセパレータにおける空気流路の形成面（以下、この明細書では単に「セパレータ表面」ということがある。）に表面処理を施してきた。例えば特許文献１に記載の燃料電池装置ではセパレータの表面を撥水化し、当該表面に水が付着することを防止し、もって当該空気流路に水が残留することを防止している。
また、特許文献２及び３に記載の燃料電池装置ではセパレータの表面を親水化し、当該表面に伝って水を流れやすくしている。特許文献３で開示されるように水を空気極へ直接噴霧するいわゆる水直噴タイプの燃料電池では、セパレータの表面が親水化されることにより、セパレータ表面に対して水が濡れやすくなり、その蒸発が加速されて冷却効果が向上する。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２１６７８６号公報
【特許文献２】特開２００１−９３５３９号公報
【特許文献３】特開２００３−１２３７９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、セパレータの空気流路の形成面を表面処理して空気流路での水の残留を防止する方法では、空気流路の形成面に不純物が付着するなどの原因により、当該表面の撥水性若しくは親水性が次第に低下するおそれがある。
換言すれば、セパレータにおける空気流路に水が残留することを防止する従来技術では、耐久性の点に課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねてきた結果、空気供給系へ導入する水自体の表面張力を調整すれば、たとえセパレータの表面状態が劣化したとしても、水が空気流路に残留することを常に防止できることに気がつき、この発明を完成するに至った。
即ち、燃料電池の空気供給系へ水を供給する水供給装置が備えられる燃料電池装置において、
前記水へ表面張力調整剤が加えられて純水より表面張力の小さい表面張力調整水が形成されている、ことを特徴とする燃料電池装置。
このように構成された燃料電池装置によれば、表面張力調整水の表面張力が小さくなるので、これがセパレータ表面へ濡れやすくなる。よって、当該表面張力調整水はセパレータ表面に沿って流れ易く、空気流路に残留することがない。また、寒冷地で使用される場合にも残留水の凍結がないので、燃料電池装置の起動が速やかになる（機動性の向上）。また、セパレータ表面での蒸発が促進され、冷却効率が向上する。
【０００８】
この発明の第２の局面の燃料電池装置は次のように規定される。即ち、
既述の第１の局面の燃料電池装置において、前記表面張力調整水の表面張力が次の条件、
γｇ＜γｌ＜γｓ
ここに、γｇは前記燃料電池の空気極側のガス拡散層の臨界表面張力、γｌは前記表面張力調整水の表面張力、γｓは前記空気極側のセパレータの臨界表面張力、
を満足する。
このように構成された燃料電池装置によれば、表面張力調整水の表面張力γｌをガス拡散層の臨界表面張力γｇよりも大きくすることにより、拡散層に対して表面張力調整水がぬれ難くなり、もってガス拡散層が表面張力調整水で目詰まりすることが防止される。これにより、反応層への十分なガスの供給が確保され、燃料電池の出力が安定化する。
また、表面張力調整水の表面張力γｌをセパレータ（より詳しくは、セパレータの空気流路形成面）の臨界表面張力γｓより小さくすることにより、セパレータに表面張力調整水が濡れやすくなる。もって表面張力調整水は当該セパレータ表面に沿って流れやすくなり、空気流路に残留しなくなる。よって、寒冷地での機動性が向上する。また、表面張力調整水がセパレータ表面の全体に行渡るので、その蒸発が促進され、燃料電池の冷却能力が向上する。
【０００９】
この発明の第３の局面の燃料電池装置は次のように規定される。即ち、
既述の第１又は第２の局面の燃料電池において、前記表面張力調整剤は界面活性剤からなる。
このように界面活性剤を表面張力調整剤として使用することにより、界面活性剤は安価であるため、燃料電池装置の製造コストの上昇を抑えることができる。
【００１０】
この発明の第４の局面の燃料電池装置は次のように規定される。即ち、
既述の第１〜第３のいずれかの局面の燃料電池装置において、前記水供給装置は前記表面張力調整水の貯蔵部、前記表面張力調整水の表面張力を測定する表面張力測定装置、前記表面張力調整剤の貯蔵部、該表面張力調整剤貯蔵部から前記表面張力調整水貯蔵部へ供給する前記表面張力調整剤の供給量を調整する装置と、を備えている。
燃料電池にかかる負荷に応じて生成水の生成量及び排気温度が変化する。その結果、回収される表面張力調整水の水分量に変化が生じるおそれがある。そこで、この局面の燃料電池装置では、表面張力調整水の表面張力を測定し、その結果に応じて表面張力調整剤の配合量を調整して表面張力調整水の表面張力を所望の範囲に保つことができる。
【００１１】
この発明の第５の局面の燃料電池装置は次のように規定される。即ち、
既述の第１〜第４の局面の燃料電池装置において、前記水供給装置は燃料電池の空気極へ前記表面張力調整水を噴霧する。
この局面では、燃料電池装置がいわゆる直噴タイプであることを規定している。直噴タイプの燃料電池装置では、多量の水（この発明では表面張力調整水）が燃料電池の空気極に送り込まれるので、その表面張力を適切に調整することにより、水の残留が防止され、もって寒冷地での起動性が向上する。また、セパレータにおける水分の蒸発が加速されて、燃料電池の冷却効率が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、この発明を構成する各要素について説明する。
（燃料電池装置）
燃料電池装置は燃料電池を中心として、燃料電池の空気極へ空気を供給する空気供給系、その水素極へ水素を供給する水素供給系を備えている。その外、燃料電池の温度を調整するための冷却装置、生成した電力を蓄積する二次電池やキャパシタ等の補機が任意に備えられる。
【００１３】
（水供給装置）
この発明の水供給装置は燃料電池装置の空気供給系へ表面張力調整水を供給する。供給の態様は特に限定されない。いわゆる水直噴タイプのように燃料電池の空気極へ表面張力調整水を直接噴霧することにより、燃料電池の湿潤状態維持と燃料電池の加熱防止を企図するものの他、超音波震動や加熱により表面張力調整水を霧化して空気供給系へ導入するタイプを採用することができる。
水供給装置の基本的構成要素として、表面張力調整水の貯蔵部、空気供給系へ表面張力調整水を導入する導入部、表面張力調整水を回収する回収部を備える。これらの要素は汎用的な水供給装置のものをそのまま使用することができる。
【００１４】
この発明では、表面張力調整水の表面張力γｌを所望の範囲（γｇ＜γｌ＜γｓ）に維持することが好ましい。そこで、表面張力調整水の表面張力を常にモニタすることが好ましい。表面張力のモニタの方法としては、表面張力調整水の表面張力を直接測定することのほか、表面張力調整水の比重や透明度からその表面張力を間接的に特定することができる。即ち、予め表面張力調整剤を定めておけば、表面張力調整水における表面張力調整剤の配合割合に応じて、その表面張力と比重若しくは透明度とが一対一の関係に関係付けられるからである。
表面張力調整水の表面張力のモニタ結果に応じて、これが所定の範囲に常に収まるように、表面張力調整剤の供給が調整される。若しくは、水の回収が調整される。
【００１５】
（表面張力調整剤）
表面張力調整剤は水に添加されてその表面張力を低減させるものであれば特に限定されるものではない。本発明者の検討によればエタノール、プロパノール、エチレングリコールやプロピレングリコール、グリセリンなどを含むアルコール類やイオン性界面活性剤や非イオン性界面活性剤。望ましくは、非イオン性界面活性剤であるフッ素系界面活性剤（例えば、住友３Ｍ社、商品名；ノベック）を挙げることができる。
表面張力調整剤はこれを回収する見地から、水と同等若しくはそれ以上の沸点を有するものが好ましい。これにより、沸点が高いほど蒸気圧が低く、空気排出系に備えられていた従来の凝縮器をそのまま用いて表面張力調整剤を含んだ表面張力調整水を回収可能となる。また、空気極の反応層等に対する安定性（非腐食性）も備えることが好ましい。
【実施例】
【００１６】
以下、この発明の実施例について説明する。
図１は実施例の燃料電池装置１の概略構成を示す。図１に示すように、この燃料電池装置１は燃料電池本体部としての燃料電池スタック１０、水供給系２０、水素ガス供給系４０、空気供給系７０、並びに出力系８０から概略構成される。
【００１７】
まず、燃料電池スタック１０について説明する。燃料電池単位セルの単位ユニットは空気極と燃料極とで固体高分子電解質膜を狭持した構成である。単位ユニットは、図２に示すように、電解質膜１を酸素極２と水素極３とで挟持した構成である。酸素極２は反応層２ａにガス拡散層３ａを積層したものである。セパレータ５において当該酸素極２に対向する面には空気流路が設けられ、当該空気流路へ流れ込んだ空気の一部がガス拡散層３ａを拡散して反応層２ａへ達して燃料電池反応に寄与する。同様に、水素極３も反応層３ａにガス拡散層３ｂを積層したものである。セパレータ５において当該水素極３に対向する面には水素流路が設けられ、当該水素流路へ流れ込んだ水素の一部がガス拡散層３ｂを拡散して反応層２ｂへ達する。
単位ユニットとセパレータとを交互に複数枚積層して燃料電池スタックが構成される。
燃料電池スタック１０の上方には空気マニホールド１１が形成されている。空気マニホールド１１にはノズル２９が取り付けられており、このノズル２９から表面張力調整水が噴出される。ノズル２９から直接噴射された表面張力調整水は燃料電池単位セルの空気流路の全面へ供給され、電解質膜の加湿と燃料電池本体部の冷却に利用される。
【００１８】
表面張力調整水２１はタンク２２の水へ界面活性剤を添加することにより形成される。
この実施例では、図３に示すように、表面張力調整水２１の表面張力γｌが表面張力センサ１０３により常にモニタされる（ステップ１）。当該表面張力γｌと燃料電池の空気極側のガス拡散層の臨界表面張力γｇとが比較され（ステップ３）、γｇ＜γｌの関係を満足しないとき（即ちγｌがγｇ以下のとき）、ポンプ１０１を止めて界面活性剤の供給を停止する（ステップ５）。ここに、凝縮水には生成水が含まれるので、結果的に表面張力調整水２１に占める水の割合が大きくなって、表面張力γｌが増大する。
【００１９】
ステップ７では表面張力調整水２１の表面張力γｌと空気極側のセパレータの臨界表面張力γｓとが比較され（ステップ７）、γｌ＜γｓの関係を満足しないとき（γｌがγｓ以上になるとき）、表面張力調整水の表面張力γｓが小さくなりすぎたと判断し、ポンプ１０１が作動してタンク１００内の表面張力調整剤２１をタンク２２へ供給し、表面張力調整水２１における界面活性剤の割合を高め、もってその表面張力γｌを低減させる。更には、凝縮水回収ポンプ３８を停止し回収調整弁３９を閉じて凝縮水の回収をとめることによっても、タンク２２内における表面張力調整剤の割合を高めることができる。
上記の操作は、水供給系２０が動作している間続けられる（ステップ１１）。ポンプ１０１による界面活性剤の供給速度は一定であっても、上記ステップ１〜ステップ９を繰り返すことにより、表面張力調整水２１の表面張力γｌを、常にγｇ＜γｌ＜γｓの関係に維持することができる。
【００２０】
実施例の水供給系２０では、タンク２２から配管部３０が、フィルタ２６、直噴水ポンプ２７、直噴水供給電磁弁２８を介して、ノズル２９まで連結されている。タンク２２から直噴水ポンプ２７により吸い上げられた表面張力調整水は直噴水供給電磁弁２８により所望の水圧に調節され、ノズル２９から吹き出して空気マニホールド１１内では霧状になる。そして吹き出し時の運動量（初速）、霧の自重および空気流等によって燃料電池スタックを構成する燃料電池単位セルの上部開口から空気流路に入る。この空気流路内で蒸気化されて空気極へ供給されたものを除き、表面張力調整水は燃料電池スタック１０の下流側に設けられた凝縮器３６において回収され、凝縮水回収ポンプ３８によりタンク２２へ戻される。
【００２１】
ここに、空気マニホールドへ供給された表面張力調整水は空気とともに燃料電池スタック１０を構成する各単位セルの空気極側セパレータの空気流路を通過する。このとき、表面張力調整水は純水よりその表面張力が小さくされているので、セパレータの表面（空気流路の表面）に濡れやすい。よって、表面張力調整水はセパレータの表面に沿って流れやすく、空気流路に残留することがない。また、セパレータ表面からの蒸発が促進されて燃料電池スタックに対する冷却効果が向上する。
【００２２】
タンク２２には水温度センサ２４、タンク水位センサ２５及びヒータ２３が設けられている。符号３７はフィルタであり、外部からの異物（塵埃、虫など）の混入を防止する。
ノズル２９は空気流路入口へ向けて直接水を噴射することが好ましい。これにより空気供給量の如何に拘わらず、所望の量の表面張力調整水を空気流路に供給することができる。即ち、空気の供給量と表面張力調整水の供給量とを独立して制御可能となる。空気供給量の変更と表面張力調整水供給量の変更とは常に同時に要求されるわけではなく、独立してそれらの変更が必要となる場合がある。
【００２３】
符号１００は表面張力調整剤としての界面活性剤を貯蔵する。貯蔵された界面活性剤はポンプ１０１によりタンク２２内に供給さる。界面活性剤が加えられた水、即ち表面張力調整水の表面張力がセンサ１０３で直接的に測定される。制御装置９０は得られた表面張力調整水の張力に基づき、ポンプ１０１を動作させて水タンク２２へ供給する表面張力調整剤の量を制御する。また、水分量が過多になることとなった場合を想定して、回収調整弁３９により回収水が水タンクへ供給されることを防止する。
【００２４】
次に水素ガス供給系４０について説明する。水素ガス供給系４０の水素供給装置として、この実施例では水素貯蔵タンク４１を採用した。その他、液体水素の水素ボンベ、水/メタノール混合液等の改質材料を改質器にて改質反応させて水素リッチな改質ガスを生成させ、この改質ガスをタンクに貯留しておいてこれを水素源とすることもできる。
水素貯蔵タンク４１の水素ガスは水素ガス配管４３を介して燃料電池スタック１０へ供給される。水素ガス配管４３に水素１次圧センサ４６、水素調圧弁４７、水素供給電磁弁４８、水素２次圧センサ４９が付設されて燃料電池スタック１０への供給量が制御される。水素貯蔵タンク４１へは水素充填口４５を介して外部から水素が補充される。
【００２５】
燃料電池スタック１０へ供給された水素ガスはそのすべてが消費されるわけではないので、燃料電池スタック１０から排出されたガスを循環系５０により循環使用する。循環系５０は循環ポンプ５１と循環電磁弁５３とを備えている。トラップ５４は燃料電池スタック１０からの水を捕捉し、これが循環系５０及び水素ガス供給系４０へ侵入しないようにする。循環電磁弁５３は循環系５０の流量調整をしている。排気電磁弁６７は水素ガスを排気するときに解放される（減圧電磁弁６５は水素ガスを急速に排気するときに併用される）。減圧電磁弁６５及び排気電磁弁６７からの排気は空気供給系７０の排気へ混合される。水素ガス排気中に含まれる水素ガス成分を希釈するためである。
外気導入電磁弁６３は燃料電池スタック１０の停止後に開かれて、水素ガス供給系から水素ガスを外気によりパージする。なお、符号６１は外気からの異物侵入を防止するフィルタである。
【００２６】
空気供給系７０ではフィルタ７１を介して空気ファン７３により取り込んだ空気をヒータ７５で所望の温度に昇温させる。符号７６は外気温度センサ、符号７７は燃料電池スタックにおける空気入口温度センサである。当該センサ７７で検出された空気入口の空気温度が閾値を超えているときには、ヒータがオフに制御される。
低温環境で使用される燃料電池装置においては、導入する空気を加熱して燃料電池スタック１０を構成する各燃料電池単位セルの空気流路へ導入することが好ましい。これにより、燃料電池スタック１０が加熱されて生成水の凍結が防止され、低温状態にあった燃料電池スタック１０において発電が可能となる。
【００２７】
このように構成された燃料電池装置よれば、水と界面活性剤とを混合してなる表面張力調整水が空気とともに燃料電池の空気極側へ導入される。かかる表面張力調整水は純水よりも表面張力が小さいので、セパレータの表面に濡れやすくなる。その結果、表面張力調整水はセパレータの表面に沿って流れやすく、そこに残留することがない。また、セパレータの表面を広く濡らすことによりその蒸発が促進され、燃料電池に対する冷却効果が向上する。
【００２８】
この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１はこの発明の実施例の燃料電池装置の概略図構成である。
【図２】図２は燃料電池単位セルの構成を示す模式図である。
【図３】図３は他の実施例の燃料電池装置の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３０】
１  燃料電池装置
１０  燃料電池スタック
２０  水供給系
２１  表面張力調整水
２２  表面張力調整水のタンク
１００  表面張力調整剤のタンク
１０３  表面張力センサ
【図１】
2007048546.tif 000003
【図２】
2007048546.tif 000004
【図３】
2007048546.tif 000005