(57)【要約】【課題】シール部材から溶出する不純物を不純物吸着材により吸着除去することによって、アノード及びカソードへの不純物による被毒や被服を防止し、触媒活性の低下を抑制し、発電性能及び耐久性を向上できる燃料電池を提供する。【解決手段】電解質膜の両面に一対の電極が配置された膜電極接合体と、膜電極接合体を挟むように配置された一対のセパレータと、一対のセパレータ及び膜電極接合体の間にそれぞれ配置されるシール部材とを有するセルを１以上含む燃料電池であって、セパレータの厚み方向から見て、一対のシール部材のうちの少なくとも一方と接触するように、膜電極接合体及びセパレータの間に配置される、不純物吸着部材をさらに有するものである。これにより、シール部材より溶出する不純物を不純物吸着部材によって吸着除去することができる。【選択図】図１
2012226933.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面に一対の電極が配置された膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟むように配置された一対のセパレータと、
前記一対のセパレータ及び前記膜電極接合体の間にそれぞれ配置されるシール部材と、を有するセルを１以上含む燃料電池であって、
前記セパレータの厚み方向から見て、前記シール部材と接触するように、前記膜電極接合体及び前記セパレータの間に配置される、不純物吸着部材をさらに有する、燃料電池。
【請求項２】
前記電解質膜及び前記シール部材の間の少なくとも一方に、ベース部材が配置されている、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記不純物吸着部材は、前記セパレータと前記シール部材との間に配置されている、請求項１〜２のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項４】
前記不純物吸着部材は、前記シール部材と前記ベース部材との間に配置されている、請求項２に記載の燃料電池。
【請求項５】
前期シール部材は環状の形状であり、前記不純物吸着部材は、前記セパレータの前記シール部材が配置される部分より周縁部側にさらに配置されている、請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項６】
前記不純物吸着部材が電解質膜である、請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シール部材部から発生する不純物によるアノード及びカソードの触媒活性の低下を抑制し、発電効率及び耐久性を向上できる燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の一般的な燃料電池は、図６に示すように、電解質膜６１を挟んで互いに対向して設けられた燃料ガスが供給されるアノード６２ａと、酸化剤ガスが供給されるカソード６２ｃからなる燃料電池７３を複数積層して構成される。
【０００３】
燃料ガス及び酸化剤ガスは、それぞれのガス流路が設けられたセパレータ６４ａ及び６４ｃを通じて、それぞれアノード６２ａ及びカソード６２ｃに供給される。
【０００４】
そして、膜電極接合体６３とセパレータ６４ａ及び６４ｃの間には、燃料ガス及び酸化剤ガスが外部へ漏れないようにシール部材６５ａ及び６５ｃが配置されている。
【０００５】
上記構成の燃料電池に、アノード６２ａに燃料ガスを、カソード６２ｃに酸化剤ガスを供給することにより、発電が可能となる。このような一般的な燃料電池の構成は、例えば特許文献１に開示されている。
【０００６】
一方、従来の燃料電池は、様々な不純物に影響を受け、発電性能の低下が起こる場合があった。
【０００７】
不純物には、燃料電池発電システムを構成する樹脂材料や金属材料などの部材から発生する内的不純物と、大気などの外部から混入する外的不純物とがあり、これらの不純物がアノード６２ａやカソード６２ｃを被毒あるいは被覆して、発電反応を起こりにくくさせ、発電性能を低下させていた。
【０００８】
例えば、燃料ガス及び酸化剤ガスをシールするために設けられるシール部材６５ａ及び６５ｃは、電解質６１や、アノード６２ａ及びカソード６２ｃ、あるいは燃料ガスや酸化剤ガスと、直接接触する機会が多く、発電性能に与える影響が大きい。
【０００９】
シール部材６５ａ及び６５ｂには、弾力性などの機能を持たせるために可塑剤などの添加剤や油分が配合されている場合が多い。これらの添加剤が、シール部材６５ａ及び６５ｃが圧縮されたり、高温や水蒸気に曝されたりすることにより、滲み出たり、溶出したりする場合があり、アノード６２ａ及びカソード６２ｃに対して不純物として作用し、電池性能を低下させることが判っている。
【００１０】
また、特許文献２では、こうした不純物による影響を取り除くため、発電中に、燃料ガスあるいは酸化剤ガスの流量を減少させたり、アノード６２ａあるいはカソード６２ｃを加圧したり、スタックの温度を下げたりして、アノード６２ａあるいはカソード６２ｃの触媒層中に凝縮水を生成し、内部に蓄積した不純物をこの凝縮水で洗い流して除去していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００１−１５５７４５号公報
【特許文献２】特開２００８−２１８０５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、前記従来のような、一度アノード６２ａあるいはカソード６２ｃに被毒や被覆した不純物を取り除く方法では、除去作業により不純物を完全には除去できないため、徐々に不純物が蓄積し、電池性能を低下させる課題があった。また、不純物の濃度によっては、除去作業の頻度を多くする必要があり、発電中に電極面内に余剰水分が残っていると反応ガスが閉塞して、電圧が降下するフラッディング現象を起こすなど、電池運転に影響を与える可能性があった。このため、電極面内の余剰水分を除去するためには、所定の時間、燃料ガスあるいは酸化剤ガスの流量を増加したり、低加湿ガスを供給したりする必要があり、制御が複雑になり、多くの処理時間を費やすだけでなく、発電に寄与しない反応ガスの消費量が増えることになり、効率の面で未だ改善の余地があった。
【００１３】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、電解質膜の両面に一対の電極が配置された膜電極接合体と、膜電極接合体を挟むように配置された一対のセパレータと、一対のセパレータ及び膜電極接合体の間にそれぞれ配置されるシール部材とを有するセルを１以上含む燃料電池であって、セパレータの厚み方向から見て、シール部材と接触するように、膜電極接合体及びセパレータの間に配置される、不純物吸着部材を備え、シール部材から溶出する不純物を不純物吸着部材によって吸着し、溶出物が燃料電池内部に侵入することを防止し、発電性能及び耐久性を向上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】
【００１４】
上記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池は、電解質膜の両面に一対の電極が配置された膜電極接合体と、膜電極接合体を挟むように配置された一対のセパレータと、
一対のセパレータ及び膜電極接合体の間にそれぞれ配置されるシール部材とを有するセルを１以上含む燃料電池であって、セパレータの厚み方向から見て、シール部材と接触するように、膜電極接合体及びセパレータの間に配置される、不純物吸着部材をさらに有するものである。
【００１５】
これにより、シール部材より溶出する不純物を不純物吸着部材によって吸着除去することが可能となり、アノード及びカソードへの不純物の被毒や被服を防止でき、触媒活性の低下を抑制するので、発電性能及び耐久性の向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、触媒活性を低下させる不純物を燃料電池内部に浸入させることなく除去することができるので、複雑なシステム制御を用いることなく発電性能及び耐久性に優れた燃料電池を実現できる。
【００１７】
また、不純物を多く含むシール部材を使用することが可能となるので、材料選択の範囲を広げることが可能なり、燃料電池の長寿命化、低コスト化を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池の断面図
【図２】（ａ）本発明の実施の形態１におけるアノードセパレータの燃料ガス流路面の平面図、（ｂ）本発明の実施の形態１におけるカソードセパレータの酸化剤ガス流路面の平面図
【図３】（ａ）本発明の実施の形態２におけるアノードセパレータの燃料ガス流路面の平面図、（ｂ）本発明の実施の形態２におけるカソードセパレータの酸化剤ガス流路面の平面図
【図４】本発明の実施の形態３における燃料電池の断面図
【図５】本発明の実施の形態４における燃料電池の断面図
【図６】従来の燃料電池の断面図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
第１の発明は、電解質膜の両面に一対の電極が配置された膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟むように配置された一対のセパレータと、前記一対のセパレータ及び前記膜電極接合体の間にそれぞれ配置されるシール部材とを有するセルを１以上含む燃料電池であって、前記セパレータの厚み方向から見て、前記シール部材と接触するように、前記膜電極接合体及び前記セパレータの間に配置される、不純物吸着部材をさらに有する燃料電池である。
【００２０】
この構成により、シール部材６５ａ及び６５ｃがスタックの締結圧により、圧縮されたり、高温や水蒸気に曝された時に、滲み出たり、溶出したりする不純物を不純物吸着部材が吸着除去し、燃料電池内部への侵入を防止する。これによって、アノード及びカソードの不純物による被毒や被服を防止することができ、発電性能及び耐久性を向上できる。
【００２１】
ここで、不純物吸着材としては、金属イオンや油分などの不純物の吸着性やシール性の観点から、電解質膜を用いることが好ましい。
第２の発明は、第１の発明において、前記電解質膜及び前記シール部材の間の少なくとも一方に、ベース部材が配置されているものである。
【００２２】
この構成により、電解質膜とシール部材の接触を確実に防止でき、不純物の膜電極接合体内部への侵入を防止できる。
第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記不純物吸着部材は、前記セパレータと前記シール部材との間に配置されているものである。
【００２３】
この構成により、不純物吸着部材とシール部材の接触を確保し、容易にかつ確実にシール部材より溶出する不純物を吸着することができる。
第４の発明は、第２の発明において、前記不純物吸着部材は、前記シール部材と前記ベース部材との間に配置されているものである。
【００２４】
この構成により、シール部材の底面において、不純物吸着部材とシール部材の接触を確保できるため、接触面の面積を確保でき、容易にかつ確実にシール部材より溶出する不純物を吸着することができる。
第５の発明は、第１〜４の発明において、前期シール部材は環状の形状であり、前記不純物吸着部材は、前記セパレータの前記シール部材が配置される部分より周縁部側にさらに配置されているものである。
【００２５】
この構成により、シール部材より外周に不純物を吸い出すことが可能となり、燃料電池内部への不純物の侵入を防止できる。
第６の発明は、第１〜５の発明において、前記不純物吸着部材が電解質膜であるものである。
【００２６】
この構成により、確実にシール部材から溶出する不純物を吸着することができる。
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、先に説明した実施の形態と同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。
【００２８】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池の断面図である。
【００２９】
図１に示すように、本発明の実施の形態１の燃料電池は、電解質膜１の両面にアノード２ａ及びカソード２ｃを対向して形成した膜電極接合体３を備える。
【００３０】
ここで、電解質膜１は、例えば水素イオン伝導性を有するパーフルオロカーボンスルフォン酸ポリマーからなる固体高分子電解質から構成される。
【００３１】
また、アノード２ａとカソード２ｃは、耐酸化性の高い多孔質カーボンに白金などの貴金属を担持した触媒及び水素イオン伝導性を有する高分子電解質との混合物からなる触媒層と、触媒層の上に積層した通気性及び電子伝導性を有するガス拡散層から構成される。
【００３２】
このとき、アノード２ａの触媒として、一般に、燃料ガス中に含まれる不純物、特に一酸化炭素による被毒を抑制する白金−ルテニウムの合金触媒が用いられる。
【００３３】
また、ガス拡散層として、撥水処理を施したカーボンペーパーやカーボンクロス、あるいはカーボン不織布などが用いられる。
【００３４】
そして、膜電極接合体３を挟むように、アノードセパレータ４ａ及びカソードセパレータ４ｃが互いに対向するように配置されている。
【００３５】
ここで、アノードセパレータ４ａ及びカソードセパレータ４ｃは、例えばカーボンなどの導電性を有する材料で主に形成される。
【００３６】
図２（ａ）及び（ｂ）にそれぞれアノードセパレータ４ａ及びカソードセパレータ４ｃの膜電極接合体３側の反応ガス流路面の平面図を示す。
【００３７】
アノードセパレータ４ａには、サーペンタイン状の燃料ガス流路４１ａが形成され、アノード２ａに供給される少なくとも水素を含む燃料ガスは、燃料ガス入口マニホールド４２ａから供給され、燃料ガス流路４１ａを流通して、燃料ガス出口マニホールド４３ａへ排出される。
【００３８】
そして、燃料ガスを外部及び別流体の流通路にリークさせないために、膜電極接合体３のアノード２ａの外側の部分に当接してシールするようにゴム状の弾性体などからなるアノードシール部材５ａが配置されている。さらに、アノードシール部材５ａに重なるようにして、アノード不純物吸着材６ａが配置されている。
【００３９】
一方、カソードセパレータ４ｃには、アノード２ａの燃料ガス流路４１ａに対向するように同様のサーペンタイン状の酸化剤ガス流路４１ｃが形成され、カソード２ｃに供給される少なくとも酸素を含む酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口マニホールド４２ｃから供給され、酸化剤ガス流路４１ｃを流通して、酸化剤ガス出口マニホールド４３ｃへ排出される。
【００４０】
そして、酸化剤ガスを外部及び別流体の流通路にリークさせないために、膜電極接合体３のカソード２ｃの外側の部分に当接してシールするようにゴム状の弾性体などからなるカソードシール部材５ｃがアノードシール部材５ａに対向するように配置されている。さらに、カソードシール部材５ｃに重なるようにして、カソード不純物吸着材６ｃが配置されている。
【００４１】
ここで、アノード不純物吸着材６ａおよびカソード不純物吸着材６ｃとしては、例えば水素イオン伝導性を有するパーフルオロカーボンスルフォン酸ポリマーからなる固体高分子電解質が使用されている。また、実施の形態１ではアノード側、カソード側の両方に不純物吸着材を挿入する方法を示したが、いずれか一方に挿入してもよい。
【００４２】
そして、上記構成の膜電極接合体３と各セパレータ４ａ及び４ｂからなるセルを複数積層し、両端に電流を取り出すために集電体及び端板を配置し、締結して燃料電池スタックを構成した。
【００４３】
そして、アノード２ａ側に水素を含む燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、カソード２ｃ側に大気中の酸素を含む酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段を接続した。
【００４４】
ここで、燃料ガス供給手段は、都市ガスを改質して水素を生成する燃料処理器である。
【００４５】
次に、酸化剤ガス供給手段について、具体的に説明する。
【００４６】
酸化剤ガス供給手段は、酸化剤ガスを取り込んで流量を制御する酸化剤ガス流量制御手段であるブロワと、酸化剤ガス中の不純物を除去する不純物除去手段と、酸化剤ガスを加湿する加湿器で構成される。
【００４７】
ここで、酸化剤ガスとは、少なくとも酸素を含む（あるいは酸素を供給することのできる）ガスの総称であり、例えば大気（空気）が利用される。
【００４８】
そして、燃料電池スタックに接続する負荷を制御する負荷制御手段を設け、発電量を制御できるようにした。
【００４９】
次に、上記構成の燃料電池発電の動作について、具体的に説明する。
【００５０】
まず、アノード２ａに燃料ガス、カソード２ｃに酸化剤ガスを供給して、負荷制御手段を制御して燃料電池に負荷を接続すると、燃料ガス中の水素は反応式（化１）で示すようにアノード２ａの触媒層と電解質膜１の界面で電子を放出して水素イオンとなる。
【００５１】
【化１】
2012226933.tif 000003
【００５２】
そして、放出された水素イオンは、電解質膜１を通ってカソード２ｃへと移動し、カソード２ｃの触媒層と電解質膜１の界面で電子を受け取る。このとき、カソード２ｃに供給された酸化剤ガス中の酸素と反応して、反応式（化２）で示すように水を生成する。
【００５３】
【化２】
2012226933.tif 000004
【００５４】
上記反応をまとめると（化３）に示す反応が行われる。
【００５５】
【化３】
2012226933.tif 000005
【００５６】
そして、負荷を流れる電子の流れを直流の電気エネルギーとして利用できる。また、上記一連の反応は発熱反応であるため、燃料電池で発生した熱を、燃料電池冷却流体流路から供給される燃料電池冷却流体により熱交換して回収することにより、お湯などの熱エネルギーとして利用することができる。
【００５７】
ところで、上記構成の燃料電池発電システムに使用されている部材には、金属材料や樹脂材料といった様々な材料が用いられているが、これらの部材から発生する不純物が燃料電池の発電反応を阻害し、発電性能を低下させる場合がある。
【００５８】
特に、燃料ガス及び酸化剤ガスをシールするために設けられるアノードシール部材５ａ及びカソードシール部材５ｃは、電解質膜１や、アノード２ａ及びカソード２ｃ、あるいは燃料ガス及び酸化剤ガスに対して、直接接触する機会が多いので、発電性能に与える影響が大きい。
【００５９】
アノードシール部材５ａ及びカソードシール部材５ｃには、弾力性などの機能を持たせるために可塑剤などの添加剤が配合されている場合が多く、圧縮されたり、高温や水蒸気に曝されたりすることにより、これらの添加剤が滲み出たり、溶出したりする場合があり、アノード２ａ及びカソード２ｃに対して不純物となることがある。ここで、アノードシール部材５ａおよびカソードシール部材５ｃにはフッ素ゴムやＥＰＤＭゴム、シリコンゴム、ブチルゴムなどの一般的なゴム材料のほか、熱可塑性エラストマーなどの弾性材料も用いることが出来る。なお、本実施の形態では、アノード側およびカソード側にそれぞれシール部材を配置したパターンを示したが、アノード側またはカソード側のいずれか一方のみにシール部材を配置することも可能であり、電解質膜とシール部材が直接接する構成においても同様の効果が得られるものである。
【００６０】
これらのシール部材としては、予め不純物をあまり含まない材料を採用したり、洗浄、エージングなどの工程で不純物を除去したり、不純物の影響を小さくすることは可能であるが、量産性が悪くなったり、コストが上がったり、という課題があった。
【００６１】
本発明の実施の形態１の燃料電池発電によれば、アノードシール部材５ａおよびカソードシール部材５ｃには、それぞれアノード不純物吸着材６ａおよびカソード不純物吸着材６ｃが接触しており、アノードシール部材５ａおよびカソードシール部材５ｃより溶出する不純物を吸着除去できる構成となっている。
【００６２】
次に、アノードシール部材５ａ及びカソードシール部材５ｃから発生する不純物が電池性能に与える影響を確認するため、比較例として、不純物吸着材を挿入しない場合のスタックを作製し、発電試験を行った。
【００６３】
ここで、アノード２ａに７０％の利用率で燃料ガスを供給した。この時の燃料ガスの露点は約５５℃であった。また、カソード２ｃには利用率が５０％、露点が６５℃となるように酸化剤ガスを供給した。そして、電流が一定に流れるように負荷制御手段を制御し、アノード２ａ及びカソード２ｃの電極面積に対し電流密度が０．２Ａ／ｃｍ２となるように制御した。また、燃料電池の温度は冷却水の入口を約６０℃、出口を約７０℃となるように制御した。このときの電池電圧を測定した結果、７４０ｍＶであった。
【００６４】
次に、本発明の実施の形態１の燃料電池スタックを作製し、同様の運転条件で電池電圧を測定した。この結果、比較例に対して電池電圧が１０ｍＶ上昇し、７５０ｍＶとなることが確認できた。
【００６５】
これによって、複雑なシステム制御を用いることなく、容易にかつ確実に、不純物が膜電極接合体３に侵入することを防止でき、燃料電池の発電性能および耐久性を向上することが可能となる。
【００６６】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２の燃料電池について図３を用いて説明する。図３（ａ）及び（ｂ）にそれぞれ実施の形態２におけるアノードセパレータ４ａ及びカソードセパレータ４ｃの膜電極接合体３側の反応ガス流路面の平面図を示したものである。図において、アノード不純物吸着材６ａおよびカソード不純物吸着材６ｃが、セパレータ外周だけではなく、全てのシール領域に重なるように配置されている。
【００６７】
このような構成によって、全てのシール領域から不純物を吸着除去することが可能となる。また、不純物吸着部材の存在する領域と存在しない領域でのシール部材に発生する段差を解消することが可能となり、よりシール性を向上することが可能となる。
【００６８】
上記構成の本実施の形態２の燃料電池スタックを作製し、電池性能を測定したところ、実施の形態１と同様の効果を示した。
【００６９】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３の燃料電池について図４を用いて説明する。図４は本発明の実施の形態３の燃料電池の断面図を示したものである。本実施の形態では膜電極接合体３の電解質膜１とアノードシール部材５ａおよびカソードシール部材５ｃの間に、アノードベース部材７ａおよびカソードベース部材７ｃが配置されているものである。その他の構成は実施の形態１と同様なので省略する。アノードベース部材７ａおよびカソードベース部材７ｃとしてはＰＰＳ、ＰＰ、ＬＣＰなど耐酸性を有する一般的な樹脂材料を用いることが出来る。
【００７０】
この構造によって、電解質膜１とシール部材５ａおよび５ｃの接触を防ぐことが可能となる。これにより、確実に不純物が膜電極接合体内部に侵入することろ防止でき、燃料電池の性能および耐久性を向上できるものである。
【００７１】
上記構成の本実施の形態３の燃料電池スタックを作製し、電池性能を測定したところ、実施の形態１と同様の効果を示した。
【００７２】
（実施の形態４）
以下に、本発明の実施の形態４における燃料電池発電システムについて、図５を用いて説明する。
【００７３】
図５は、本発明の実施の形態４の燃料電池発電システムの断面図を示す。図において、アノードシール部材５ａとアノードベース部材７ａの間にアノード不純物吸着材６ａが、カソードシール部材５ｃとカソードベース部材７ｃの間にカソード不純物吸着材６ｃが配置されている。これにより、実施の形態１と同様に、シール部材より溶出する不純物を不純物吸着材６ａおよび６ｃによって吸着除去することが可能となる。また、シール部材５ａ及び５ｃと不純物吸着材６ａおよび６ｃは面で接触しているため、より確実に不純物を吸着することが可能となる。また、本実施例ではシール部材５ａおよび５ｃの底面全面に不純物吸着材６ａおよび６ｃを接触させる構成を示したが、その一部分に接触させること
によっても同様の効果が得られるものである。
【００７４】
上記構成の本実施の形態４の燃料電池スタックを作製し、電池性能を測定したところ、実施の形態１と同様の効果を示した。
【００７５】
なお、上述の実施の形態１〜４では、不純物吸着材として電解質膜を用いる構成を説明したが、これに限定されず、同様の不純物の吸着性を有する膜であればよい。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明の燃料電池発電システムは、不純物に影響を受けにくく、発電効率の向上が要望される、高分子型固体電解質を用いた燃料電池、燃料電池デバイス、定置用燃料電池コジェネレーションシステムに有用である。
【符号の説明】
【００７７】
１  電解質膜
２ａ  アノード
２ｃ  カソード
３  膜電極接合体
４ａ  アノードセパレータ
４ｃ  カソードセパレータ
５ａ  アノードシール部材
５ｃ  カソードシール部材
６ａ  アノード不純物吸着材
６ｃ  カソード不純物吸着材
７ａ  アノードベース部材
７ｃ  カソードベース部材
【図２】
2012226933.tif 000006
【図３】
2012226933.tif 000007
【図１】
2012226933.tif 000008
【図４】
2012226933.tif 000009
【図５】
2012226933.tif 000010
【図６】
2012226933.tif 000011