(57)【要約】【課題】電解質膜の電極層に挟まれる部分の乾湿状態を適度に保つ燃料電池を提供する。【解決手段】  電極層１１ａ,１１ｂによって挟まれる部分１１ｃからハミ出すハミ出し部１１ｄを有する電解質膜１１と、前記電極層１１ａ,１１ｂに供給されるアノードガス又はカソードガスが通流するガス通路１２ａ,１３ａが形成され、電極層１１ａ,１１ｂを介して電解質膜１１を挟持するセパレータ１２,１３と、電解質膜１１のハミ出し部１１ｄの表裏両面に形成され、電解質膜１１の発電によって生成されて電解質膜１１のハミ出し部１１ｄまで伝わる水分を蓄えるとともに、電解質膜１１が乾燥傾向にあるときには、その水分で電解質膜１１を湿潤する乾湿調整体とを有することを特徴とする燃料電池。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極層によって挟まれる部分からハミ出すハミ出し部を有する電解質膜と、
前記電極層に供給されるアノードガス又はカソードガスが通流するガス通路が形成され、前記電極層を介して前記電解質膜を挟持するセパレータと、
前記電解質膜のハミ出し部の表裏両面に形成され、前記電解質膜の発電によって生成されて電解質膜のハミ出し部まで伝わる水分を蓄えるとともに、電解質膜が乾燥傾向にあるときには、その水分で電解質膜を湿潤する乾湿調整体と、
を有する燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池が積層されて構成される燃料電池スタックにおいて、
隣接する乾湿調整体がお互いに当接し、水分授受によってお互いの乾湿状態を調整する、
ことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記乾湿調整体を収納し、前記乾湿調整体が吸収し余剰となった水分を逃がすことができる収納室を有する、
ことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記収納室と連通する排出手段を備え、
前記排出手段は前記収納室の水蒸気圧に応じて前記乾湿調整体の水分を外部へ排出する、
ことを特徴とする燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池と、その燃料電池が積層されて構成される燃料電池スタックとに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly、以下「ＭＥＡ」という）及びカソードセパレータ,アノードセパレータからなる単セルを積層することによって構成される。ＭＥＡは、電解質膜の一方の面に形成されたアノード極と、他方の面に形成されたカソード極とを有する。
【０００３】
アノード極では、アノードセパレータから水素Ｈ2を含有するアノードガスが供給され、以下のように反応する。
アノード極：２Ｈ2→４Ｈ+＋４ｅ-
このようにしてアノード極で生成したプロトンＨ+は、電解質膜を透過してカソード極に到達する。また電子ｅ-は外部回路を通ってカソード極に到達する。
【０００４】
カソード極では、カソードセパレータから酸素Ｏ2を含有するカソードガスが供給される。このカソードガスが、カソード極に到達したプロトンＨ+及び電子ｅ-と以下のように反応する。
カソード極：Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ-→２Ｈ2Ｏ
この過程において、電解質膜を透過するプロトンＨ+の適切な伝導性を維持することが、固体高分子型燃料電池（以下、「燃料電池」という）の運転には不可欠である。
【０００５】
プロトンＨ+の伝導性は水分量による影響を受けるため、燃料電池の運転中は、電解質膜の湿潤状態を適度に保つことが必要である。しかし、燃料電池の運転中は、供給されて未だ反応していないアノードガス及びカソードガス（以下、「未反応ガス」という）によって電解質膜が乾燥する。そこで通常は未反応ガスを予め加湿し、この水分によって電解質膜を加湿して湿潤状態を適度に保つようにしている。
【０００６】
電解質膜を加湿するときは、プロトンＨ+の伝導性と燃料電池の特徴とを考慮しつつ行わなければならない。なぜなら、電解質膜の加湿を過多に行うとアノード極やカソード極において水が充満し、電解質膜にアノードガスやカソードガスが行きわたらず、燃料電池を十分に運転できないという問題が生じるからである。また、電解質膜への加湿を抑え過ぎるとプロトンＨ+の伝導性が低下して燃料電池を十分に運転できないという問題が生じるからである。
【０００７】
そこで特許文献１では、燃料電池から排出されるアノードガス及びカソードガスが流通する流路に、各ガスの濃度を検出するセンサと、各ガスに含まれる水分の液適量を検出するセンサとを設けた。そして、これらのセンサから検出された結果に基づいて燃料電池内の湿潤状態を把握し、この湿潤状態に応じて未反応ガスを加湿した。このようにして未反応ガスを加湿し、これらのガスに含まれる水分によって燃料電池内部を加湿することで電解質膜の湿潤状態を適度に保つようにしている。
【特許文献１】特開２００４−１４６２３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、従来の技術では、燃料電池内の湿潤状態に基づいて燃料電池内部を加湿するため、電解質膜の湿潤状態に合った加湿を行えず、電解質膜の湿潤状態を適度に保つことができないという問題があった。
【０００９】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、電解質膜の湿潤状態を適度に保つことができる燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。
【００１１】
電極層（１１ａ,１１ｂ）によって挟まれる部分（１１ｃ）からハミ出すハミ出し部（１１ｄ）を有する電解質膜（１１）と、前記電極層（１１ａ,１１ｂ）に供給されるアノードガス又はカソードガスが通流するガス通路（１２ａ,１３ａ）が形成され、前記電極層（１１ａ,１１ｂ）を介して前記電解質膜（１１）を挟持するセパレータ（１２,１３）と、前記電解質膜（１１）のハミ出し部（１１ｄ）の表裏両面に形成され、前記電解質膜（１１）の発電によって生成されて電解質膜（１１）のハミ出し部（１１ｄ）まで伝わる水分を蓄えるとともに、電解質膜（１１）が乾燥傾向にあるときには、その水分で電解質膜（１１）を湿潤する乾湿調整体とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、電解質膜が電極層（カソード極及びアノード極）によって挟まれる部分（プロトンＨ+が通過する部分）からハミ出すハミ出し部を有し、このハミ出し部が乾湿調整体と接する。このことから、電極層によって挟まれる部分の乾湿状態に応じて、電解質膜ハミ出し部を伝わって発電部と乾湿調整体との間を水が移動する。このようにして電極層によって挟まれる部分の湿潤状態を適度に保つ燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下では図面等を参照して本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
（第１実施形態）
本発明の燃料電池１０の詳細を説明する前に、燃料電池１０を使用する燃料電池システム１００の構成について図１を用いて説明する。
【００１４】
燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、カソードガス配管２０と、アノードガス配管３０と、電気負荷装置４０とから構成される。
【００１５】
燃料電池１０は、ＭＥＡ１と、カソードセパレータ１２と、アノードセパレータ１３とを有する。ＭＥＡ１はカソードセパレータ１２とアノードセパレータ１３とによって挟持される。
【００１６】
ＭＥＡ１は、電解質膜１１の一方の面に形成されるカソード電極１１ａと、他方の面に形成されるアノード電極１１ｂとを有する。カソード電極１１ａ,アノード電極１１ｂは、それぞれ触媒およびガス拡散層によって構成される。
【００１７】
カソードセパレータ１２はカソードガス通路１２ａを有する。カソードガス通路１２ａにはカソードガス配管２０を流通したカソードガスが流通する。
【００１８】
アノードセパレータ１３はアノードガス通路１３ａを有する。アノードガス通路１３ａにはアノードガス配管３０を流通したアノードガスが流通する。
【００１９】
カソードガス配管２０は、外部からカソードガス通路１２ａへカソードガスを送る配管である。アノードガス配管３０は、外部からアノードガス通路１３ａへアノードガスを送る配管である。
【００２０】
電気負荷装置４０は、一方が燃料電池１０のカソード電極１１ａと接続され、他方が燃料電池１０のアノード電極１１ｂと接続される。
【００２１】
このように構成される燃料電池システム１００において、アノードガスはアノードガス配管３０を流通してアノードガス通路１３ａへ流通する。アノードガスはアノードガス通路１３ａを流通しながらアノード電極１１ｂと接する。この際にアノード電極１１ｂでは、上記したアノード極での反応が生じる。この反応によって生じた電子ｅ-は電気負荷装置４０での発電のために取り出される。電気負荷装置４０へ取り出された電子ｅ-はカソード電極１１ａへ送られる。
【００２２】
カソードガスはカソードガス配管２０を流通してカソードガス通路１２ａへ流通する。カソードガスはカソードガス通路１２ａを流通しながらカソード電極１１ａと接する。この際にカソード電極１１ａでは電子ｅ-とカソードガスとによって、上記したカソード極での反応が生じる。燃料電池システム１００は、このようにして燃料電池１０を用いている。
【００２３】
次に本発明の燃料電池１０の詳細について説明する。
【００２４】
図２は本発明の燃料電池の第１実施形態を示し、燃料電池１０の側断面の一部を示す図である。図２中の破線の矢印は、後述する乾湿調整体１４から電解質膜１１のハミ出し部１１ｄへの水の移動と、電解質膜１１のハミ出し部１１ｄから乾湿調整体１４への水の移動とを示す矢印である。電解質膜１１において、カソード電極１１ａとアノード電極１１ｂとによって挟まれる部分を発電部１１ｃとして図中のアミで示す。
【００２５】
電解質膜１１は、カソード電極１１ａ,アノード電極１１ｂによって挟まれる発電部１１ｃと、カソード電極１１ａ,アノード電極１１ｂからハミ出すハミ出し部１１ｄとを有する。ハミ出し部１１ｄは後述する乾湿調整体１４と密接する。
【００２６】
本実施形態では、発電部１１ｃの乾湿状態に応じて、乾湿調整体１４と発電部１１ａとの間を水が移動するように燃料電池１０を構成し、発電部１１ｃの乾湿状態を適度に保つようにする。
【００２７】
本実施形態の燃料電池１０は、ＭＥＡ１と、カソードセパレータ１２と、アノードセパレータ１３と、ガスシール材１２ｂ,１３ｂと、乾湿調整体１４とを有する。ＭＥＡ１の電解質膜１１には、一方の面にカソード電極１１ａが形成され、他方の面にアノード電極１１ｂが形成される。電解質膜１１はカソード電極１１ａ,アノード電極１１ｂによって挟まれる発電部１１ｃと、カソード電極１１ａ,アノード電極１１ｂからハミ出すハミ出し部１１ｄとを有する。
【００２８】
ガスシール材１２ｂはカソードセパレータ１２と電解質膜１１との間に装着される。ガスシール材１２ｂは、カソード電極１１ａから乾湿調整体１４へカソードガスが漏洩するのを防止するガスシール材である。
【００２９】
ガスシール材１３ｂはアノードセパレータ１３と電解質膜１１との間に装着される。ガスシール材１３ｂは、アノード電極１１ｂから乾湿調整体１４へアノードガスが漏洩するのを防止するガスシール材である。
【００３０】
乾湿調整体１４は、水分を吸収しやすい部材で形成される。乾湿調整体１４は、ハミ出し部１１ｄの表裏両面に形成され、セパレータ１２とＭＥＡ１とセパレータ１３とで構成される構成体の側端部を跨ぐように配置される。
【００３１】
本実施形態の効果を説明する前に、従来の燃料電池２１０を用いる燃料電池システム２００について、図４を用いて説明する。なお以下に示す従来技術では前述した本実施形態と同様の機能を果たす部分には、下二桁と末尾とに、同等の数字と符号とを付して重複する説明を便宜省略する。
【００３２】
従来の燃料電池システム２００は、燃料電池２１０と、カソードガス配管２２０と、アノードガス配管２３０と、電気負荷装置２４０と、加湿装置２２１,２３１とから構成される。
【００３３】
本実施形態の燃料電池システム１００と従来の燃料電池システム２００とを比べると、従来の燃料電池システム２００は加湿装置２２１,２３１を有する点で異なる。加湿装置２２１はカソードガス配管２２０を流通するカソードガスを加湿する装置である。加湿装置２３１はアノードガス配管２３０を流通するアノードガスを加湿する装置である。
【００３４】
従来の燃料電池２１０は、電解質膜２１１と、カソード電極２１１ａと、アノード電極２１１ｂと、カソードセパレータ１２と、アノードセパレータ１３とを有する。電解質膜２１１は一方の面にカソード電極２１１ａが形成され、他方の面にアノード電極２１１ｂが形成される。
【００３５】
従来の燃料電池２１０は、電解質膜２１１とカソード電極２１１ａとアノード電極２１１ｂとが、それぞれ略同一の大きさである。したがって、本実施形態の燃料電池１０と従来の燃料電池２１０とを比べると、燃料電池２１０は、電解質膜２１１がカソード電極２１１ａとアノード電極２１１ｂからハミ出すハミ出し部を有さない点で異なる。
【００３６】
このように構成される燃料電池システム２００では、カソードガスは加湿装置２２１によって加湿されてからカソードガス通路２１２ａを流通する。同様にアノードガスは加湿装置２３１によって加湿されてからアノードガス通路２１３ａを流通する。燃料電池２１０では、これらのガスの水分を用いて電解質膜２１１を加湿して湿潤状態を適度に保つようにしている。
【００３７】
しかし、このような従来の加湿方法は、電解質膜２１１の湿潤状態に見合った加湿方法ではないので、以下のような問題が生じる。電解質膜２１１の温度が上昇して乾燥状態にある場合には、湿潤状態を適度に保つための十分な加湿が行われない。この場合には、上記したようにプロトンＨ+の伝導性が低下するため、燃料電池２１０が十分に運転されないという問題が生じる。同時に、電解質膜２１１が損傷するという問題が生じる。
【００３８】
一方、電解質膜２１１の含水状態が適切であるにもかかわらず従来のように加湿が行われると、カソード電極２１１ａとアノード電極２１１ｂにおいて水が充満してしまい、上記したように燃料電池２１０が十分に運転されないという問題が生じる。同時に、カソード電極２１１ａ,アノード電極２１１ｂの劣化を早めてしまうという問題が生じる。
【００３９】
そこで本実施形態では前述したように燃料電池１０を構成したので、以下に説明するように、上記の問題を解決することができる。
【００４０】
カソード電極１１ａでは、上記したカソード電極での反応により生成水が発生する。この生成水によって発電部１１ｃは加湿される。しかし、この生成水が過多に発生すると、逆拡散によって一部の生成水が発電部１１ｃを透過してアノード電極１１ｂへ移動する。このような状態が続くと、発電部１１ａの含水状態が飽和状態に達し、カソード電極１１ａ,アノード電極１１ｂにおいて水が充満する。そしてその水がカソードガス通路１２ａとアノードガス通路１３ａまで溢れると、発電に必要なカソードガスとアノードガスの流通を妨げることとなり、発電反応が阻害されるおそれがある。ところが本実施形態では電解質膜１１にハミ出し部１１ｄを形成したので、発電部１１ｃの乾湿状態を適切に保つために必要な生成水以外の余剰の生成水は、発電部１１ｃからハミ出し部１１ｄを伝わって乾湿調整体１４へ移動する。この水は乾湿調整体１４で蓄えられる。このようにして燃料電池１０は、発電部１１ｃの水を乾湿調整体１４へ逃がすことができ、カソード電極１１ａ,アノード電極１１ｂの水は発電部１１ｃへ移動することができる。さらにカソードガス通路１２ａとアノードガス通路１３ａへ溢れそうになった水がカソード電極１１ａ,アノード電極１１ｂへ移動して、発電部１１ｃへ移動することができる。従って本実施形態では、発電部１１ｃの乾湿状態を適切に保つことができ、カソード電極１１ａ,アノード電極１１ｂが水で充満するのを防止するとともに、カソードガス通路１２ａ,アノードガス通路１３ａへ水が溢れそうになるのを防止することができる。
【００４１】
カソード電極１１ａでは、上記したようにカソード電極での反応により生成水が発生するが、発電部１１ｃの温度が過度に上昇する場合にはこの生成水が蒸発してしまう。このことから発電部１１ｃはカソード電極１１ａの生成水によって加湿されず乾燥しそうになる。
【００４２】
この場合には、乾湿調整体１４に蓄えられている水がハミ出し部１１ｄを伝わり発電部１１ｃへ移動する。このようにして燃料電池１０は乾湿調整体１４の水を用いて発電部１１ｃを湿潤することができる。従って本実施形態では、発電部１１ｃの乾湿状態を適切に保つことができ、乾燥による損傷を防ぐことができる。
【００４３】
本実施形態によれば、発電部１１ｃの乾湿状態が適度に保たれる燃料電池１０を提供することができる。
（第２実施形態）
図３は本発明の燃料電池スタック１０１を示す図である。なお、以下に示す各実施形態では前述した構成要素と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。
【００４４】
燃料電池スタック１０１は複数の燃料電池１０を積層して構成されるスタック１０２と、収納室１５と、配管１６と、圧力リリーフ弁１７（排出手段）と、湿度センサ１８と、コントローラ１９とを有する。なお図中の破線の矢印は、各乾湿調整体１４と発電部１１ｃと圧力リリーフ弁１７との間の水の移動を示す矢印である。
【００４５】
スタック１０２において、各燃料電池１０のセパレータ１２は隣接する燃料電池１０のセパレータ１３と当接し、乾湿調整体１４は隣接する燃料電池１０の乾湿調整体１４と当接する。
【００４６】
収納室１５は、乾湿調整体１４を収納するように形成される。収納室１５は乾湿調整体１４との間に空間を有する。この空間には乾湿調整体１４で凝縮した水が移動する。
【００４７】
圧力リリーフ弁１７は配管１６を介して収納室１５と連通する。圧力リリーフ弁１７は後述するコントローラ１９によって開閉が制御される。圧力リリーフ弁１７が開放されると、収納室１５内の水蒸気が外部へ排出され水蒸気圧は低下する。このように圧力リリーフ弁１７は、収納室１５内の水蒸気を外部へ排出する圧力逃し弁である。
【００４８】
湿度センサ１８は、収納室１５内の水蒸気量を測定し、この測定値から水蒸気圧を検出する湿度センサである。
【００４９】
コントローラ１９は、湿度センサ１８での検出値に基づいて圧力リリーフ弁１７の開閉を制御するコントローラである。コントローラ１９は、湿度センサ１８での検出値から収納室１５内の水蒸気圧が飽和水蒸気圧に達したと判断したときに、圧力リリーフ弁１７を一定時間開放するように制御する。このとき、圧力リリーフ弁１７の開放によって収納室１５内の水蒸気の一部が配管１６を通って圧力リリーフ弁１７から排出される。すると収納室１５内の水蒸気圧が低下する。コントローラ１９は、湿度センサ１８の検出値から収納室１５内の水蒸気圧がある程度低下したと判断したときに、圧力リリーフ弁１７を閉じるように制御する。
【００５０】
スタック１０２において、乾燥傾向にある乾湿調整体１４へ、隣接する乾湿調整体１４から水が移動する。また、含水状態が飽和状態にある乾湿調整体１４から、隣接する乾湿調整体１４へ水が移動する。このようにして乾湿調整体１４と隣接する乾湿調整体１４との間を水が移動し、乾湿状態が調整される。乾湿調整体１４は乾湿状態が調整されることで、第１実施形態と比べて、作用する範囲が広げられる。よってスタック１０２は、より広い範囲で発電部１１ｃの乾湿状態を適切に保つことができる。
【００５１】
スタック１０２において、すべての乾湿調整体１４の含水状態が飽和状態になると、第１実施形態で説明したように発電部１１ｃから乾湿調整体１４へ水が移動できなくなり、発電部１１ｃの乾湿状態は適度に保たれない。
【００５２】
燃料電池スタック１０１では、乾湿調整体１４を収納するように収納室１５を形成した。このことから乾湿調整体１４の含水状態が飽和状態になると、燃料電池スタック１０１は乾湿調整体１４の水を収納室１５へ逃がすことができる。よって乾湿調整体１４は乾湿状態が改善されるので、第１実施形態と比べて、作用する範囲は広げられる。燃料電池スタック１０１は、より広い範囲で発電部１１ｃの乾湿状態を適切に保つことができる。
【００５３】
乾湿調整体１４の含水状態が飽和状態になり、かつ収納室１５内の水蒸気圧が飽和水蒸気圧になると、乾湿調整体１４の水が収納室１５へ移動することができない。
【００５４】
本実施形態では収納室１５と圧力リリーフ弁１７とを配管１６によって連通させた。そして、収納室１５の水蒸気圧を検出する湿度センサ１８と、湿度センサ１８の検出値に基づいて圧力リリーフ弁１７の開閉を制御するコントローラ１９とを設けた。このことから、上記したように、燃料電池システム１０１は、収納室１５内の水蒸気圧が飽和水蒸気圧に達したときに、圧力リリーフ弁１７を開放することができる。圧力リリーフ弁１７が開放されると、収納室１５内の水蒸気の一部が配管１６を通って圧力リリーフ弁１７から排出される。すると収納室１５内の水蒸気圧が飽和水蒸気圧より下がるので、乾湿調整体１４の水が再び収納室１５内へ移動することができる。
【００５５】
したがって乾湿調整体１４は、第１実施形態と比べて、作用する範囲が広げられる。よって燃料電池スタック１０１は、より広い範囲で発電部１１ｃの乾湿状態を適切に保つことができる。
【００５６】
本実施形態によれば、より広い範囲で発電部１１ａの乾湿状態を適切に保つ燃料電池スタック１０２を提供することができる。
【００５７】
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。
【００５８】
第１,２実施形態において、乾湿調整体１４が配置される位置は、電解質膜１１ｂの表裏両面と接する位置であればよい。この場合でも第１,２実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５９】
第２実施形態において、圧力リリーフ弁１７は、収納室１５内の水蒸気圧が飽和水蒸気圧になったときに開放し、収納室１５内の水蒸気を外部へ排出する排出手段であればよい。この場合、燃料電池システム１０１は湿度センサ１８と、コントローラ１９とを用いる必要がなく、第２実施形態と同等の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の第１実施形態の燃料電池を用いる燃料電池システムを示す。
【図２】本発明の第１実施形態の燃料電池の側断面の一部を示す。
【図３】本発明の第２実施形態の燃料電池スタックであり、スタックと各構成要素を示す。
【図４】従来の燃料電池を用いる従来の燃料電池システムを示す。
【符号の説明】
【００６１】
１１        電解質膜
１１ａ      カソード電極（電極層）
１１ｂ      アノード電極（電極層）
１１ｃ      発電部（電極層によって挟まれる部分）
１１ｄ      ハミ出し部
１２        カソードセパレータ（セパレータ）
１３        アノードセパレータ（セパレータ）
１４        乾湿調整体
１５        収納室
１７        圧力リリーフ弁（排出手段）
１８        湿度センサ
１９        コントローラ
１０１      スタック（燃料電池スタック）
１０２      燃料電池スタック
【図１】
2007012571.tif 000003
【図２】
2007012571.tif 000004
【図３】
2007012571.tif 000005
【図４】
2007012571.tif 000006