(57)【要約】【課題】０℃以下の環境条件においても燃料電池システム内から排出された水分の凍結を防止または抑制する排水流路およびこのような排水流路を備える燃料電池セルシステムを提供する。【解決手段】燃料電池セル５０を積層した燃料電池セルスタックから延設され、燃料電池セルスタック内部を流通する余剰な水分を燃料電池セルスタック外部に排出する排水流路３０であって、前記排水流路３０の少なくとも一部には、凍結防止剤が封入された封入部３２を備える。凍結防止剤は、好ましくは熱ヒステリシス活性を有する、不凍タンパク質または不凍糖タンパク質であり、また水溶性の塩も好適に使用することが可能である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池セルスタックから延設され、燃料電池セルスタック内部を流通する余剰な水分を燃料電池セルスタック外部に排出する排水流路であって、
前記排水流路の少なくとも一部には、凍結防止剤が封入された封入部を備える、排水流路。
【請求項２】
請求項１に記載の排水流路において、
前記凍結防止剤は、前記燃料電池セルスタックより排出された水の凍結温度を降下させる凍結温度降下剤である、排水流路。
【請求項３】
請求項１または２に記載の排水流路において、
前記凍結防止剤は、熱ヒステリシス活性を有する、不凍タンパク質または不凍糖タンパク質である、排水流路。
【請求項４】
請求項１または２に記載の排水流路において、
前記凍結防止剤は、水溶性の塩である、排水流路。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の排水流路を備えた、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排水流路に関し、特に、燃料電池セルスタック内部から排出される水分をシステム外部に排出する排水流路に関する。
【背景技術】
【０００２】
環境問題や資源問題への対策の一つとして、酸素や空気等の酸化性ガス（酸化ガス）と、水素やメタン等の還元性ガス（燃料ガス）あるいはメタノール等の液体燃料等とを原料として電気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変換して発電する燃料電池が注目されている。図２にその構成の概略を示した燃料電池セル５０は、電解質膜１０の一方の面に燃料極（アノード）１６と、もう一方の面に空気極（カソード）２２とを電解質膜１０を挟んで対向するように設け、電解質膜１０を挟持した各触媒層１２，１８の外側に拡散層１４，２０をさらに設け、これらを原料供給用の通路を設けた図示しないセパレータで挟んで電池が構成され、各触媒層に水素、酸素等の原料を供給して発電する。
【０００３】
燃料極触媒層１２には、例えば、白金などの触媒が担持されている。例えば水素ガスが、燃料ガス供給流路２４から燃料極拡散層１４を経由して燃料極触媒層１２に供給されると、触媒の作用により、次式に従って、水素イオンと電子とに解離する。
【０００４】
Ｈ２  →  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−    （Ｈは水素、ｅ−は電子）
【０００５】
電解質膜１０は、例えば、パーフルオロ系、パーフルオロスルホン酸系などのフッ素系イオン交換樹脂などが用いられ、プロトン導電性電解質として機能する。燃料極１６で生成した水素イオン（プロトン）は、プロトン導電性を有する電解質膜１０を透過して空気極２２へと送られる。また、燃料極１６で発生した電子は、外部回路を通じて空気極２２へと送られる。
【０００６】
一方、空気極拡散層２０では、酸化ガス供給流路２８を通じて供給された、例えば空気などの酸素供給源が、電解質膜１０側にある空気極触媒層１８に向けて拡散される。空気極２２では、電解質膜１０を透過した水素イオンと、外部回路を通じ供給された電子とが、空気極触媒層１８の、例えば白金などの触媒作用により酸素と反応することにより、次の式に従い、水を生成する。
【０００７】
２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−  ＋  （１／２）Ｏ２  →  Ｈ２Ｏ    （Ｏは酸素）
【０００８】
上記燃料極１６、電解質膜１０および空気極２２における一連の反応により、燃料電池セル５０において、外部への電力供給が可能となる。このような燃料電池セル５０を積層させ、所望の起電力が得られるようにした、図示しない燃料電池セルスタックを直列または並列に接続させて燃料電池システム２００を構成し、例えば燃料電池自動車等の燃料電池装置に利用している。
【０００９】
上述したような燃料電池システムの稼動によって空気極２２で生成した水は、その一部は電解質膜１０の湿潤状態の維持に利用されることもあるが、大半は余剰な水分として、外部に排出される。この余剰な水分の排出が円滑に行なわれないと、フラッディングと呼ばれる現象が引き起こされ、特に空気極２２側での反応が阻害されて、燃料電池セルシステム２００における出力が低下する。この余剰な水分は、燃料電池セルスタック内で余剰となった酸化ガスとともに酸化ガス排出流路３０より排出されることが一般的である。
【００１０】
ところで、このような燃料電池システムにおいては、システム内部の水分の凍結による電池性能の低下を防止するために、様々な対策を講じている。
【００１１】
特許文献１には、セルスタックの周囲に保温材を使用した燃料電池保温構造について開示されている。また、特許文献２には、放熱を防止するために、セルスタックの外周部に真空とした中空部を設けた燃料電池について開示されている。
【００１２】
しかしながら、これらの装置についてはいずれも、燃料電池セルスタック内部の保温を図ることにより、燃料電池スタック内部における水分の凍結を防止することは可能であるが、燃料電池スタックから外部に排出される排水の凍結防止には寄与しない。外部に排出する排水の流路が凍結してしまうと、排水流路が破損するおそれがあるだけでなく、燃料電池セルスタック内部からの排水が困難となるために、例えばフラッディングなど、好ましくない現象が発生し、燃料電池の性能が低下するおそれがある。
【００１３】
特許文献３には、摂氏０度以下の状態で始動および停止するときにカソードに水の凝固点を降下させる物質を供給して生成水の凍結を防止する発電システムについて開示されている。
【００１４】
【特許文献１】実開平３−５２９５６号公報
【特許文献２】特開平９−１６１８３４号公報
【特許文献３】特開２００４−１７２０４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、特許文献３に開示されたシステムにおいては、凝固点硬化剤を供給する手段を設ける必要があるため、燃料電池の小型化による搭載スペースの確保を図る上では不利である。また、燃料電池システムの作動により得られた電力の一部を、上記手段を作動させるために使用せざるを得ず、本来の目的のために供給する電力量が低下してしまうおそれがある。
【００１６】
さらに、例えばグリセリンやグリコールなどの揮発性の低い物質を凝固点降下物質として使用した場合においては、カソード内に供給した物質の除去が容易でないことも想定される。これらの凝固点降下物質が、例えばカソード触媒層に付着してしまうと、反応面積が減少し、発電性能が次第に低下してしまう等の不具合に繋がるおそれもある。
【００１７】
本発明は、０℃以下の環境条件においても燃料電池システム内から排出された水分の凍結によるフラッディング等による発電性能の低下を防止または抑制する排水流路を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するために、本発明は、燃料電池セルスタックから延設され、燃料電池セルスタック内部を流通する余剰な水分を燃料電池セルスタック外部に排出する排水流路であって、前記排水流路の少なくとも一部には、凍結防止剤が封入された封入部を備える。
【００１９】
本発明の排水流路において、前記凍結防止剤は、前記燃料電池セルスタックより排出された水の凍結温度を降下させる凍結温度降下剤であることが好ましい。
【００２０】
また、本発明の排水流路において、前記凍結防止剤は、熱ヒステリシス活性を有する、不凍タンパク質または不凍糖タンパク質であることが好適である。
【００２１】
また、本発明の排水流路において、前記凍結防止剤は、水溶性の塩であってもよい。
【００２２】
さらに、本発明は、上記のような排水流路を備えた燃料電池システムとすることも好適である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、０℃以下の環境条件においても燃料電池システム内から排水流路に排出された水分の凍結を防止または抑制することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明の実施の形態について、以下に説明する。
【００２５】
図１は、本発明の実施の形態における燃料電池システム１００の構成の概略を示す断面図である。燃料電池システム１００は、排水流路を兼ねる酸化ガス排出流路３０の少なくとも一部に封入部３２を備えたことを除いて、あとは従来の燃料電池システム２００の構成とほぼ同一である。
【００２６】
封入部３２には、凍結防止剤が封入されている。酸化ガス排出流路３０を通り燃料電池セル５０の外に排出される水分は、封入部３２を通過する際に凍結防止剤と接触し、その一部を溶解させる。溶解した凍結防止剤を含む水分は、凍結温度が降下するため、酸化ガス排出流路３０が０℃以下となるような条件下においても凍結が防止され、流動性が保持される。
【００２７】
凍結防止剤として使用する物質は、水の凍結温度を低下させるものであればいかなるものでも良いが、例えば、特開２００４−８３５４６号公報に挙げられた魚類の血液または筋肉等に由来する不凍タンパク質や、特開２００４−１６１７６１号に挙げられた微生物由来の不凍タンパク質等を挙げることができる。
【００２８】
これらの不凍タンパク質は、一般に熱ヒステリシス活性を有しており、水の凍結温度を低下させる作用を有している。熱ヒステリシス活性を有する不凍タンパク質は、例えば植物由来や昆虫由来等、様々な種類のものが知られており、また同様の機能を有する不凍糖タンパク質も知られている。さらに、これら天然物由来の不凍タンパク質および不凍糖タンパク質だけでなく、近年合成品の生成も行なわれるようになっている。
【００２９】
本発明の実施の形態において、凍結防止剤として使用できる物質としては、熱ヒステリシス活性を有する不凍タンパク質または不凍糖タンパク質であればいかなるものでも良いが、特に、水の凍結温度を０．５〜２０℃、さらに好ましくは３〜１５℃程度降下させるものが好適である。さらに、水に対して、乾燥重量で１重量％以下の添加で熱ヒステリシス活性を有する不凍タンパク質または不凍糖タンパク質は、使用量を低減させることが可能となるため、より好適である。
【００３０】
本実施の形態において、不凍タンパク質または不凍糖タンパク質の封入部３２への封入は、排出される水分との接触面積を高めるために、例えば、数ｎｍ〜１００μｍ程度の目開きを有するメッシュフィルタに不凍タンパク質または不凍糖タンパク質と水との混合物または溶液を塗布し、乾燥させたものを１枚または複数枚組み合わせたものを使用しても良い。
【００３１】
また、封入部３２の、水分の排出される方向に対して上流および下流側に、封入する不凍タンパク質または不凍糖タンパク質が通過しない程度、例えば、数ｎｍ〜１００μｍ程度の細孔径または目開きを有する多孔質体またはフィルタを備え、その間に不凍タンパク質または不凍糖タンパク質を保持させても良い。この場合において、不凍タンパク質または不凍糖タンパク質を含む凍結防止剤が、長期の使用により酸化や加水分解を受けて封入部３２から流出してしまうことを極力抑制するために、例えば１０ｎｍ〜１０ｍｍ程度、より好ましくは２０ｎｍ〜１ｍｍ程度の粒径となるように造粒して用いることも好適である。
【００３２】
本発明の他の実施の形態として、水溶性の塩もまた、凍結防止剤として好適に使用可能である。水溶性の塩として、例えばアルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、アンモニウム塩等を挙げることができる。具体的には、塩化ナトリウム、塩化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、塩化アンモニウム等を挙げることができるが、これに限らず、凝固点降下能を有するものであればいかなるものでもよい。
【００３３】
本実施の形態において凍結防止剤として使用される水溶性の塩は、吸湿性が高く、また潮解性を有するものも少なくない。このため、水への溶解により封入部３２から流出する水溶性の塩の補充頻度を低減するために、例えば造粒する、または結晶状の塩を用いる等により、形状を適宜変更することも好適である。
【００３４】
さらに、本発明の他の実施の形態として、不凍タンパク質または不凍糖タンパク質、および水溶性の塩を組み合わせて使用しても良い。なお、本実施の形態においては、使用する不凍タンパク質または不凍糖タンパク質の塩析または変性の影響を考慮する必要がある。
【００３５】
なお、本発明の実施の形態において、凍結防止剤は、流出または劣化した当該物質のみを補充または交換しても良く、また封入部３２を取り外して交換することが可能なカートリッジ形状としてもよく、その他いかなる方法を用いても構わないが、凍結防止剤の補充または封入部３２の交換が容易な構成とすれば、使用者の負担を軽減することが可能となるため、好ましい。
【００３６】
凍結防止剤の、封入部３２に対する封入量は、燃料電池システムの大きさや出力の相違による生成水等の排水量により適宜設定してよいが、好ましくは６ヶ月以上、より好ましくは１年〜３年程度の補充または交換頻度となるようにするとよい。
【００３７】
また、本発明の実施の形態において、封入部３２の材質は、ステンレス鋼やその他合金、熱可塑性樹脂等いかなるものを使用しても良いが、特に、凍結防止剤として水溶性の塩を使用した場合には、少なくとも排水が流入する部分については耐食性を有する必要がある。なお、この場合については少なくとも酸化ガス排出流路３０の内壁面全体についても同様に耐食性を付与しておく必要がある。さらに、排水流路の内部への水分の滞留を防止するために、排水流路の内壁面を撥水処理することも好ましい。部品点数削減のために、燃料ガス供給流路２４、燃料ガス排出流路２６、酸化ガス供給流路２８についても酸化ガス排出流路３０または排水流路と同様の部材とすることが好適である。
【００３８】
また、一旦封入部３２内に流入した水分の逆流を防止するために、酸化ガス排出流路３０を燃料電池セルスタック側から燃料電池システム外部に向かって適宜傾斜させておくことも好適である。
【００３９】
本発明の実施の形態において、酸化ガス排出流路３０は、排水流路を兼ねているが、これに限らず、排水流路を酸化ガス排出流路３０とは別に設けても良い。この場合には、必要に応じて水分の排出流路の切り替えが可能となる構成として、凍結防止剤の消費を低減することも可能である。
【００４０】
本発明においては、燃料電池セルスタックを流通する余剰な水分を外部に排出する際に通過する排水流路の凍結を防止または制御することが可能であるが、燃料電池スタック本体についても、例えば、特許文献１，２に記載されたような保温材を用いることで、０℃以下の環境条件における燃料電池システムの、より円滑な稼動を図ることができる。
【００４１】
なお、本明細書中、「凍結」とは、完全に流動性を失うほど強固に固化したものをいい、例えばシャーベット状等、流動性を有するものは「凍結」に含まない。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、固体高分子電解質型燃料電池システムに限らず、燃料電池セルスタック内部において、燃料電池セルスタック外部への排出が必要な水分を流通または生成する燃料電池システムにおいて好適に利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施の形態における燃料電池システム１００の構成の概略を示す図である。
【図２】燃料電池セル５０を備える従来の燃料電池システム２００の構成の概略を示す図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０  電解質膜、１２  燃料極触媒層、１４  燃料極拡散層、１６  燃料極、１８  空気極触媒層、２０  空気極拡散層、２２  空気極、２４  燃料ガス供給流路、２６  燃料ガス排出流路、２８  酸化ガス供給流路、３０  酸化ガス排出流路（排水流路）、３２  封入部、５０  燃料電池セル、１００，２００  燃料電池システム。
【図１】
2007103144.tif 000003
【図２】
2007103144.tif 000004