(57)【要約】      （修正有）【課題】簡便にセル平面内の温度の分布を低減すると同時に、固体高分子電解質膜の水分の不足を抑制することができる燃料電池を提供する。【解決手段】アノード極と、カソード極と、アノード極とカソード極との間に配置される電解質膜とを備え、発電を行う燃料電池であって、発電により第一熱量を発生する第一部分と、第一熱量よりも小さい第二熱量を発生する第二部分と、第一部分の熱を伝える第一伝熱体と、第一伝熱体より伝えられた熱を吸収する水を蓄える貯水部とを備え、燃料電池において発生した熱量を水に伝える構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード極と、カソード極と、前記アノード極と前記カソード極との間に配置される電解質膜とを備え、発電を行う燃料電池であって、
前記アノード極あるいは前記電解質膜において前記発電により第一熱量を発生する第一部分と、
前記アノード極あるいは前記電解質膜において前記発電により前記第一熱量よりも小さい第二熱量を発生する第二部分と、
前記第一部分の熱を伝える第一伝熱体と、
前記第一伝熱体より伝えられた熱を吸収する水を蓄える貯水部とを備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記アノード極に向けて水素を導入する水素導入口を備え、
前記第一部分は、前記第二部分よりも前記水素導入口に近いことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記第二部分の熱を伝える第二伝熱体と、
前記貯水部及び前記第一伝熱体及び前記第二伝熱体が接する放熱板を備え、
前記第一伝熱体が前記放熱板に接する面積は、前記第二伝熱体が前記放熱板に接する面積よりも大きいことを特徴とする請求項１あるいは請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記第一伝熱体及び前記第二伝熱体は前記貯水部に蓄えられた前記水に接し、
前記第一伝熱体が前記水に接する表面積は前記第二伝熱体が前記水に接する面積よりも大きいことを特徴とする請求項１あるいは請求項２に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記貯水部の水が熱を吸収することで生じた水蒸気を、
前記アノード極に供給するアノード極水蒸気供給部と、前記カソード極に供給するカソード極水蒸気供給部との少なくとも一方を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項６】
前記第一部分は前記アノード極に備えられ、
前記カソード極水蒸気供給部は、
前記電解質膜を介し、前記第一部分と対峙する位置にあることを特徴とする請求項５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、固体高分子電解質膜を有する燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質形の燃料電池は、アノード極とカソード極を固体高分子電解質膜で仕切り、アノード極へ水素ガスを供給し、カソード極を大気に暴露することで、常温において、高い電圧で発電することができる。このとき、アノード極の触媒上で、水素がプロトンに変わり、そのプロトンが固体高分子電解質膜中を同伴水と呼ばれる水と一緒に移動し、カソード極へ達する。そのため、固体高分子電解質膜のプロトンの伝導性を維持するために固体高分子電解質膜の水分を維持することが望ましい。
【０００３】
しかしながら、燃料電池の冷却や水素の加湿を行なわないようなパッシブ型の燃料電池（セル）においては、燃料として純水素のみ供給する場合、固体高分子電解質膜に供給される水は、カソード極において生成し、固体高分子電解質膜の水分の濃度勾配を補間する様に固体高分子電解質膜内に拡散する逆拡散水しかない。そのため、発電によって生じた熱により、固体高分子電解質膜の温度が過度に高くなった場合、カソード極において生成した水が過剰に蒸発し、逆拡散水が不足する。したがって、固体高分子電解質膜が乾燥するため、固体高分子電解質膜のプロトン伝導性が低下し、プロトン伝導性の低下に起因する過電圧の増大によって、燃料電池の電圧が低下する。
【０００４】
ここで、燃料電池の起動時において、電極に供給する水素が電極面内に均一に分散していないため濃度分布が生じている場合、特に、水素の吐出部付近の水素濃度が高くなる。このとき、水素の吐出部付近で、温度が高くなり、電極の平面内でも温度分布が生じる。
【０００５】
電極の平面内に温度分布が生じた場合、温度の高い部位では、温度の低い部位に比較して、固体高分子電解質膜の水分が不足する。この様な固体高分子電解質膜の水分が不足した状態はドライアップと呼ばれている。
【０００６】
このドライアップと呼ばれる現象が起きる場合は、上述した様に燃料電池の抵抗が増えるために、電圧が低下し、発電を持続できない。
【０００７】
上記課題に対し特許文献（１）において、電極平面内の温度分布を低減するために、反応ガス入口側（水素の吐出部）から反応ガス出口側へ冷却媒体を流すことで燃料電池を冷却し、固体高分子電解質膜の乾燥を防いでいた。
【特許文献１】特開平８−７８０３３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そのような構成では、水素の吐出部から遠い部分における温度は、水素の吐出部付近  の温度に比べ低くなってしまい、電極平面内の温度分布の低減は十分とは言えない。
【０００９】
これにより、セルとその周辺の環境等により電極平面内に温度分布が生じ、固体高分  子電解質膜の水分が不足する場合があり、持続的な発電が困難であった。
【００１０】
そこで、本発明は、上記課題を解決するために、電極平面内の温度分布を低減しつつセルの温度を低く保ち、ドライアップを発生しにくくすることができる固体高分子電解質形の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】
【００１１】
本発明の第１の特徴は、アノード極と、カソード極と、アノード極とカソード極との間に配置される電解質膜とを備え、発電を行う燃料電池であって、アノード極あるいは電解質膜において発電により第一熱量を発生する第一部分と、アノード極あるいは電解質膜において発電により第一熱量よりも小さい第二熱量を発生する第二部分と、第一部分の熱を伝える第一伝熱体と、第一伝熱体より伝えられた熱を吸収する水を蓄える貯水部とを備えることを要旨とする。
【００１２】
かかる特徴によれば、燃料電池において、最も発熱量が大きい付近における熱を伝熱体により貯水部に貯えられた水に吸収させることができるため、電極平面内の温度分布を低減でき、持続的な発電が可能となった。
【００１３】
本発明の第２の特徴は、アノード極に向けて水素を導入する水素導入口を備え、第一部分は第二部分よりも水素導入口に近いことを要旨とする。
【００１４】
かかる特徴によれば、発熱量が最も大きい水素導入口付近において伝熱体から熱量を貯水部に蓄えられた水に効率的に放出でき、電極平面内の温度分布を低減でき、持続的な発電が可能となった。
【００１５】
本発明の第３の特徴は、第二部分の熱を伝える第二伝熱体と、貯水部及び第一伝熱体及び第二伝熱体が接する放熱板を備え、第一伝熱体が放熱板に接する面積は、第二伝熱体が放熱板に接する面積よりも大きいことを要旨とする。
【００１６】
かかる特徴によれば、第二部分の熱を伝える第二伝熱体よりも、第二部分より発熱量が大きい第一部分の熱を伝える第一伝熱体の方が伝熱量を大きくすることができるため、電極平面内の温度分布をより効率的に低減でき、持続的な発電が可能となった。
【００１７】
本発明の第４の特徴は、第一伝熱体及び第二伝熱体は貯水部に蓄えられた水に接し、第一伝熱体が水に接する表面積は第二伝熱体が水に接する面積よりも大きいことを要旨とする。
【００１８】
かかる特徴によれば、第二部分の熱を伝える第二伝熱体よりも、第二部分より発熱量が大きい第一部分の熱を伝える第一伝熱体の方が伝熱量を大きくすることができるため、電極平面内の温度分布をより効率的に低減でき、より持続的な発電が可能となった。
【００１９】
本発明の第５の特徴は、貯水部の水が熱を吸収することで生じた水蒸気を、アノード極に供給するアノード極水蒸気供給部と、カソード極に供給するカソード極水蒸気供給部との少なくとも一方を有することを要旨とする。
【００２０】
かかる特徴によれば、燃料電池で発生した熱量を効率的に放出でき、電極平面内の温度分布を低減することができるとともに、燃料電池で発生した熱を利用し水蒸気を発生させることができるため、電解質膜で不足する水分を補填すること可能となり、持続的な発電が可能となった。
【００２１】
本発明の第６の特徴は、第一部分はアノード極に備えられ、カソード極水蒸気供給部は電解質膜を介し、第一部分と対峙する位置にあることを要旨とする。
【００２２】
かかる特徴によれば、カソード極において最も発熱量が大きい付近に水蒸気を供給することができるため、より効率的に電解質膜で不足する水分を補填することが可能となり、持続的な発電が可能となった。
【発明の効果】
【００２３】
電極平面内の温度分布を低減しつつセルの温度を低く保ち、ドライアップを発生しにくくすることが、受動的（パッシブ、補器無し）にできる固体高分子電解質形の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】
【００２４】
以下、この発明の実施例を図に基づいて説明する。
【００２５】
（実施の形態１）
図１は、本発明に基づく固体高分子電解質形の燃料電池の構成図を示す。燃料電池は、水素３３と大気中の酸素４７を用いて発電を行い、生成物として水４８を生じる。燃料電池は、水素と酸素から効率よく電気エネルギーに変換できるが、同時に、熱を生じる。この熱を利用して、生成物の水４８を電極から蒸発させることができるが、過剰に発熱した場合、固体高分子電解質膜１の水分が過剰に蒸発し、消失する。この消失した水分を補うため、燃料電池で生じた熱を熱の流れ４２に従い貯水部２５へ放出することで、水蒸気を生成し、その水蒸気４４を少なくとも触媒層２と触媒層に接するガス拡散層３と電子導電性に優れた集電板４で構成される燃料電池のアノード極１０へ供給することで、アノード室５の水蒸気圧を高めることによって、固体高分子電解質膜１に水分が不足することを防ぐことができる。
【００２６】
この固体高分子電解質形の燃料電池１００では、水素供給手段として水素を予め貯蔵した水素吸蔵合金やボンベを用いることができる。さらに、有機物や無機物を原料として、これらを改質することで水素ガスを得る装置を用いることが出来る。
【００２７】
ここで、この固体高分子電解質形の燃料電池１００に水素３３を供給する際は、燃料電池１００のアノード極１０に供給することができる。
【００２８】
この固体高分子電解質形の燃料電池１００には、イオン伝導性の樹脂からなる固体高分子電解質膜１の一方の面に触媒反応や水素ガス拡散と集電を行うアノード極１０と他方の面に触媒反応や生成物や酸素のガス拡散と集電を行うカソード極１１を配置する。さらに、カソード極側とアノード極側に配置した端板（図示しない）から荷重をかけて固体高分子電解質膜１を挟持する。上述した端板を用いて挟持する場合、電気的に絶縁した状態でボルト（図示しない）を用いて締結することもできる。
【００２９】
本発明の燃料電池１００で用いる固体高分子電解質膜１は、常温で、プロトン伝導性を示す樹脂であり、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（商標）などのパーフルオロ樹脂膜や炭化水素系のエンジニアリングプラスチックにプロトン伝導性を付与する官能基を付加した膜を用いることが出来る。
【００３０】
カソード極１１ 、及び、アノード極１０で用いる触媒反応層は白金を担持したカーボンを触媒として用いることが出来る。また、白金に限らず各種合金や酸化物を触媒層に用いる事が出来る。
【００３１】
アノード極１０ 、及び、カソード極１１の少なくとも一方に、ガス拡散と化学的に安定で、電気伝導性の優れた炭素繊維を紙状に加工したカーボンファイバーペーパーや織物のカーボンクロスを用いることが出来る。
【００３２】
図２は、本発明に基づく燃料電池の基本構成を示す。燃料電池１００は、固体高分子電解質膜１、触媒層２とガス拡散層３と集電板４を備えたアノード電極１０、集電板４に接続する伝熱体２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、アノードハウジング９ｂ、触媒層６とガス拡散層７と集電板８を備えたカソード極１１、カソード極へ空気を取り込む構造を有したカソードハウジング９ａ、アノード極ガスケット２０、貯水部２５を有することができる。図中にGで示す矢印は、重力の方向を示す。
【００３３】
図３は図２のアノード室５のみを抜き出した斜視図を示す。水素導入口３０とパージ口３１および水蒸気導入口２６を配置する。さらに、図2に示す集電板４に接続する伝熱体２１ａ、２１ｂ、２１ｃは、アノード集電板４と一体に形成されていても良いし、図３に示すように、放熱板２２に形成されていても良い。
【００３４】
また、アノード枠９ｂとアノード集電板４と放熱板２２で囲まれるアノード室５内を水素ガスや水蒸気が拡散することができる。図２において、燃料電池のアノード集電板４に伝熱体２１ａ、２１ｂ、２１ｃを設け、伝熱体２１ａ、２１ｂ、２１ｃより、放熱板２２の一部が貯水部２５に接している状態を示す。このとき、貯水部２５に水がある際に、放熱板２２の一端が水に接することができる。
【００３５】
伝熱体２１ａ、２１ｂ、２１ｃの順に、つまり、水素導入口３０から離れるに従い、伝熱量を小さくする構成とした。このように、伝熱体の伝熱量に変化を持たせる構成とすることで、アノード集電板から貯水部２５の水に伝える伝熱量を制御した。
【００３６】
上述した水に伝える伝熱量に変化を持たせる構成とするために、伝熱体２１ａ、２１ｂ、２１ｃのそれぞれにおいて放熱板２２に接触する伝熱体の面積を異なる値とした。つまり、水素導入口３０に最も近い位置にある伝熱体２１ａでは、放熱板２２との接触面積を最も大きくし、水素導入口３０から最も離れた位置にある伝熱体２１ｃの放熱板との接触面積を最も小さくした。
【００３７】
伝熱量に変化を持たせる構成とするために、上述した様に伝熱体２１と放熱板２２の接触面積を変化させる以外に、材料の熱伝導度の違いなどにより、伝熱量を変化させることができる。尚、伝熱体２１ａ、２１ｂ、２１ｃの順に伝熱量が小さくなる様に伝熱量に変化を持たせることのできる構成であれば、その手段は問われない。
【００３８】
伝熱体２１ａ、２１ｂ、２１ｃや放熱板の材質は、金属（ステンレススチール、Ｃｕ、Ａｌなど）以外にも、グラファイトシートや熱伝導性樹脂などの単体、または併用して用いることができる。
【００３９】
さらに、伝熱体２１ａ、２１ｂ、２１ｃや放熱板２２の材質の表面には、防錆のための被覆や接触抵抗を低減するための被覆を施すことが出来る。
【００４０】
本発明の実施例では、発熱が最も大きい水素導入口３０付近における伝熱体２１ａから放熱板２２への伝熱が最も大きく、水素導入口３０から離れ、発熱が小さくなる部分に配置される伝熱体２１ｂ、２１ｃとなるに従って、その伝熱量も小さくなることで、燃料電池全体で発生した熱量を効率的に放出できる。さらに、放熱板２２から貯水部２５の水へ伝熱体２１から伝えられた熱を伝えることで、電極平面内の温度分布を低減すると同時に、水蒸気を発生させ、水蒸気の吐出口２６から、アノード室５へ水蒸気を与え、固体高分子電解質膜１で不足する水分を補填することが可能となった。よって、持続的な発電が可能となった。
【００４１】
（実施の形態２）
図４は、本発明に基づく燃料電池の基本構成を示す。伝熱板２２に中空状に形成した伝熱体６１ａ、６１ｂ、６１ｃを設け、一方はアノード極の集電板４に接し、もう一方は、貯水部２５に接した状態とする。これにより、伝熱板２２に中空状に形成された各伝熱体内に貯水部２５内の水が入ることができるため、伝熱板２２の放熱効果をより高めることができた。
【００４２】
図５と図６はそれぞれ図４の伝熱体６１ａ、６１ｂ、６１ｃと接するアノード室５の正面方向と背面方向から見た斜視図を示す。ここで、伝熱体６１a、６１b、６１cの順に、つまり、水素の導入口３０に近い位置から離れるに従い、伝熱量を小さくする構成とした。このように、伝熱体の伝熱量に変化を持たせる構成とすることで、アノード集電板４から貯水部２５の水に伝える伝熱量を制御した。
【００４３】
上述した水に伝える伝熱量に変化を持たせる構成とするには、伝熱体６１ａ、６１ｂ、６１ｃのそれぞれの貯水部２５に対して凹んだ部分の比表面積を異なる値とした。つまり、水素導入口３０に最も近い位置にある伝熱体６１ａでは比表面積を最も大きくし、水素導入口３０から最も離れた位置にある伝熱体６１ｃの伝熱体の比表面積を最も小さくした。
【００４４】
本発明の実施例では、水素導入口３０付近で発熱量が大きいが、水素導入口３０から離れた位置では発熱量が小さい。そこで、水素導入口３０付近の伝熱体６１ａの放熱量を大きくし、水素導入口３０から離れた位置にある伝熱体６１ｃの放熱量を水素導入口３０に近い伝熱体６１ａよりも小さくした。これにより、燃料電池全体で発生した熱量をばらつきなく放出できた。さらに、伝熱体６１ａ〜６１ｃから貯水部２５の水へ伝熱することで、固体高分子電解質膜１を含む電極の温度分布を低減すると同時に、貯水部２５で発生させた水蒸気を水蒸気の吐出口２６からアノード室５へ供給することで、固体高分子電解質膜１で不足する水分を補填することが可能となった。よって、持続的な発電が可能となった。
【００４５】
（実施の形態３）
図７は、本発明に基づく固体高分子電解質形の燃料電池の構成図を示す。アノード極の集電板４に接した伝熱体２１の一方は熱的に貯水部２５の水に接した状態とすることで、熱の流れ４２に従い貯水部２５の水に放熱する構造とした。貯水部２５の水に放熱することによって生じた水蒸気４４をカソード極１１へ供給した。これにより、カソード極より固体高分子電解質膜１へ水蒸気を供給し、固体高分子電解質膜１で消失した水分を補うことができた。
【００４６】
図８は、本発明に基づく燃料電池の基本構成を示す。アノード極の集電板４に接続した伝熱体７１ａ、７１ｂ、７１ｃを備え、伝熱体７１ａ、７１ｂ、７１ｃはアノードの放熱板２２を貫通し、貯水部２５内の水に接している。
【００４７】
ここで、伝熱体７１ａ、７１ｂ、７１ｃはこの順に、つまり、水素の導入口３０に近い位置から離れるに従い、伝熱量を小さくする構成とした。このように、伝熱体７１ａ、７１ｂ、７１ｃの伝熱量に変化を持たせる構成することで、燃料電池の発熱をアノード集電板４から貯水部２５の水に伝える伝熱量を制御した。
【００４８】
上述した水に伝える伝熱量に変化を持たせる構成とするには、水素導入口３０に最も近い位置にある伝熱体７１ａから、水素導入口３０から最も離れた位置にある伝熱体７１ｃにかけて、伝熱体が貯水部２５の水に接している表面積を徐々に小さくする。具体的に表面積を変化させる方法として、伝熱板が貯水部２５の水に浸漬している長さや幅を変化させることができる。
【００４９】
図９は図８のアノード室５と伝熱体７１ａ、７１ｂ、７１ｃとカソード極の斜視図を示す。アノード室を取り囲むハウジング２４の底部には、貯水部２５へ帯状の伝熱体７１ａ、７１ｂ、７１ｃが連通している。ただし、この伝熱体７１ａ、７１ｂ、７１ｃの断面形状は、伝熱量がこの順に小さくなればいかなる形状でも良い。本実施例では、この伝熱体７１ａ、７１ｂ、７１ｃは水素の導入口３０に近い位置から離れるに従い、伝熱体の幅を小さくする構成とした。これによって、貯水部２５の水に伝熱する量を変化させた。ここで、貯水部２５の水に対する伝熱は主に、伝熱体７１ａ、７１ｂ、７１ｃから行うので、本燃料電池のハウジングの底部（伝熱板２２）の材質はいかなる材質でも構わない。
【００５０】
アノードのハウジング２４の底部からカソードのハウジング９の底部にかけて、貯水部２５は連通している。さらに、貯水部２５より、カソード極の上部に向かって、水蒸気の吐出口２６が連通している。水蒸気の吐出口２６は、図９の突起２７の背面に位置し、固体高分子電解質膜１（図示しない）を介して、水素の導入口３０とほぼ対称的な位置に配置する。これにより、アノード極の熱を貯水部２５の水に放出し、その時生成した水蒸気をカソード極に向かって放出することができる。この水蒸気によって、カソード極の雰囲気の湿度を高め、固体高分子電解質膜１の乾燥を抑制することができる。
【００５１】
上記以外は、上述した実施の形態２と同様である。
【００５２】
本発明の実施例では、水素導入口３０付近で発熱が高いが、集電板４に取り付けられた伝熱体７１ａ、７１ｂ、７１ｃがそれぞれ貯水部２５の水へ放熱することで、少なくともアノード極の電極の温度分布を低減すると同時に、水蒸気を発生させ、水蒸気の吐出口２６から、カソード極へ水蒸気を与え、固体高分子電解質膜１で不足する水分を補填することが可能となった。よって、持続的な発電が可能となった。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
電力を生成するセルを有する燃料電池であって、電極平面内に温度分布があり、また、電解質膜の水分が不足する場合に、電極平面内の温度分布を低減するとともに電解質膜の水分を補填し、持続的な発電を可能とする燃料電池に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】固体高分子電解質形の燃料電池の構成図
【図２】燃料電池の基本構成の断面図
【図３】アノード室５のみを抜き出した斜視図
【図４】燃料電池の基本構成の断面図
【図５】アノード室５のみを抜き出した斜視図
【図６】アノード室５のみを抜き出した斜視図
【図７】固体高分子電解質形の燃料電池の構成図
【図８】燃料電池の基本構成の断面図
【図９】アノード室５とカソード室の関係を表す斜視図
【符号の説明】
【００５５】
１  固体高分子電解質膜
２  触媒層
３  ガス拡散層
４  集電板
５  アノード室
６  触媒層
７  ガス拡散層
８  集電板
９  ハウジング
９ａ  カソードハウジング
９ｂ  アノードハウジング
１０  アノード極
１１  カソード極
２０  ガスケット
２１    伝熱体
２１ａ  伝熱体
２１ｂ  伝熱体
２１ｃ  伝熱体
２２  放熱板
２４  ハウジング
２５  貯水部
２６  水蒸気の吐出口
２７  突起
３０  水素導入口
３１  水素パージ口
３３  水素
４２  熱の流れ
４４  水蒸気
４７  空気
４８  水
６１a  伝熱体
６１b  伝熱体
６１c  伝熱体
７１a  伝熱体
７１b  伝熱体
７１c  伝熱体
１００  燃料電池
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2009187710.tif 000009
【図８】
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【図９】
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