(57)【要約】【課題】氷点下領域で湿度を適正に保つことが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池セル、燃料電池セルと連通し燃料電池セルへと供給される気体が流通する気体供給部、及び、燃料電池セルと連通し燃料電池セルから排出された気体が流通する気体排出部、を備え、燃料電池セル内の湿度を調節可能なイモゴライトが、燃料電池セル、気体供給部、及び、気体排出部からなる群より選択される少なくとも一以上に配置される、燃料電池システムとする。【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、前記燃料電池セルと連通し前記燃料電池セルへと供給される気体が流通する気体供給部、及び、前記燃料電池セルと連通し前記燃料電池セルから排出された気体が流通する気体排出部、を備え、
前記燃料電池セル内の湿度を調節可能なイモゴライトが、前記燃料電池セル、前記気体供給部、及び、前記気体排出部からなる群より選択される少なくとも一以上に配置されることを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項２】
前記イモゴライトが、前記気体供給部に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
少なくとも前記燃料電池セルへの前記気体の供給を停止する際に機能する気体封止手段が、前記気体供給部に備えられ、前記気体供給部における、前記気体封止手段と前記燃料電池セルとの間に、前記イモゴライトが配置されることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、調湿手段を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質層（以下「電解質膜」という。）と、電解質膜の両面側にそれぞれ配設される電極（アノード触媒層及びカソード触媒層）とを備える膜電極構造体（以下「ＭＥＡ」ということがある。）で電気化学反応を起こし、当該電気化学反応により発生した電気エネルギーを外部に取り出す装置である。燃料電池の中でも、家庭用コージェネレーション・システムや自動車等に使用される固体高分子型燃料電池（以下「ＰＥＦＣ」ということがある。）は、低温領域で運転することができる。このＰＥＦＣは、高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車の動力源や携帯用電源として注目されている。
【０００３】
ＰＥＦＣの単セルは、ＭＥＡと、当該ＭＥＡを狭持する一対の集電体と、を備え、ＭＥＡには、含水状態に保たれることによりプロトン伝導性能を発現するプロトン伝導性ポリマーが含有される。ＰＥＦＣの運転時には、アノードに水素含有ガス（以下「水素」という。）が、カソードに酸素含有ガス（以下「空気」という。）が、それぞれ供給される。アノードへと供給された水素は、アノードの触媒層（以下「アノード触媒層」ということがある。）に含まれる触媒の作用下でプロトンと電子に分離し、水素から生じたプロトンは、アノード触媒層及び電解質膜を通ってカソードの触媒層（以下「カソード触媒層」ということがある。）へと達する。一方、電子は、外部回路を通ってカソード触媒層へと達し、かかる過程を経ることにより、電気エネルギーを取り出すことが可能になる。そして、カソード触媒層へと達したプロトン及び電子と、カソード触媒層へと供給された空気に含有されている酸素とが反応することにより、水が生成される。
【０００４】
単セル内に水が残留しているＰＥＦＣを氷点下環境で使用する場合、十分な乾燥処理が施されていないと、残留した水が凍結する。このようにして水が凍結すると、凍結した水によってガスの拡散が妨げられて発電性能が低下する虞があるほか、触媒層が氷に覆われると発電が不能になる虞がある。それゆえ、氷点下環境であっても発電性能を向上させるためには、単セル内の湿度を調整することが必要とされる。
【０００５】
単セル内の湿度を調節可能なＰＥＦＣに関する技術として、例えば、特許文献１には、ＭＥＡと該ＭＥＡを狭持するセパレータとを具備するセルを有し、セパレータにおけるＭＥＡと対向する面に、水分を吸着する吸水部材が配置されている燃料電池システムが開示されている。そして、特許文献１には、吸水部材として、ゼオライト及びシリカゲルが開示されている。また、特許文献２には、ガス流路溝をＭＥＡ側に備えるセパレータでＭＥＡを狭持してなる燃料電池において、燃料電池の停止時に、吸水した水分を放出してＭＥＡを加湿する吸水性樹脂がガス流路溝に収容されている燃料電池が開示されている。また、特許文献３には、吸水材で吸収した水分によって反応ガスが加湿される燃料電池システムが開示されている。また、特許文献４には、燃料電池の運転停止時制御方法及びその装置が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１０３２７７号公報
【特許文献２】特開２００６−７９９８２号公報
【特許文献３】特開２００３−２４３００７号公報
【特許文献４】特開２００５−２０９６３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に開示されている技術によれば、吸水部材によってセル内の水分を吸収することが可能になると考えられる。ところが、特許文献１に開示されている、ゼオライトやシリカゲルを吸水部材として用いると、多量の水分が当該吸水部材に吸収されてしまう。そのため、特許文献１に開示されている技術では、特に氷点下領域において、セル内の湿度を適正に保つことが困難になる虞がある、という問題があった。かかる問題は、特許文献１に開示されている技術と、特許文献２乃至特許文献４に開示されている技術とを組み合わせたとしても、解決が困難であった。
【０００８】
そこで本発明は、氷点下領域で湿度を適正に保つことが可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
本発明は、燃料電池セル、燃料電池セルと連通し燃料電池セルへと供給される気体が流通する気体供給部、及び、燃料電池セルと連通し燃料電池セルから排出された気体が流通する気体排出部、を備え、燃料電池セル内の湿度を調節可能なイモゴライトが、燃料電池セル、気体供給部、及び、気体排出部からなる群より選択される少なくとも一以上に配置されることを特徴とする、燃料電池システムである。
【００１０】
また、上記本発明において、イモゴライトが、気体供給部に配置されることが好ましい。
【００１１】
また、イモゴライトが気体供給部に配置される上記本発明において、少なくとも燃料電池セルへの気体の供給を停止する際に機能する気体封止手段が、気体供給部に備えられ、気体供給部における、気体封止手段と燃料電池セルとの間に、イモゴライトが配置されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明では、イモゴライトが、燃料電池セル、気体供給部、及び、気体排出部からなる群より選択される少なくとも一以上に配置される。イモゴライトは、液体の水（以下において「液水」という。）が存在する環境下では、多量の液水を吸収可能である一方、ゼオライトやシリカゲルと比較して、相対湿度８０％程度の環境下における吸水率を低減することができる。そのため、本発明によれば、氷点下環境においても、燃料電池セルの湿度を適正（例えば、相対湿度７０％〜９０％程度）に保つことが可能な、燃料電池システムを提供することができる。
【００１３】
また、本発明において、イモゴライトが気体供給部に配置されることにより、氷点下環境における燃料電池セルの湿度を適正に保つことが容易になる。
【００１４】
また、イモゴライトが気体供給部に配置される本発明において、気体供給部における、気体封止手段と燃料電池セルとの間に、イモゴライトが配置されることにより、氷点下環境における燃料電池セルの湿度を適正に保つことが容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
ＰＥＦＣでは、作動中に水が生成される。生成された水が単セル内に残存した状態で、単セルが氷点下環境に曝されると、触媒層等の表面が氷で覆われる。触媒層等の表面が氷で覆われると、外部から供給される反応ガスが触媒層の内部へ拡散することが困難になるため、発電性能が低下しやすい。また、気体の流路に残存した液水が凍結すると、凍結した液水によって気体の拡散が阻害されるため、発電性能が低下しやすい。それゆえ、氷点下環境におけるＰＥＦＣの発電性能を向上させるためには、常温発電時に生成されて単セルに残存する水を、単セル外へと排出する乾燥処理を施すことが有効である。これまでに、乾燥処理を自律的に行う手法として、単セル中に、シリカゲルやゼオライト（吸水材）を導入する技術が提案されている。発電終了後に単セル内に残存する水分の量は、運転履歴に応じて変動し得るため、自立的な乾燥処理を確実に行うためには、多量の液水が単セル内に残存する場合であっても十分な乾燥処理を実施し得る量の吸水材を導入することが必要である。
【００１６】
一方、氷点下環境における発電性能を向上させるためには、ＭＥＡにおけるプロトン伝導抵抗を低減することが有効である。ここで、ＭＥＡに含有される水分が過度に減少すると、プロトン伝導抵抗が増大することが知られている。したがって、氷点下環境における発電性能を向上させるためには、ＭＥＡに適度な量の水分が含有される状態（ＭＥＡが適度な相対湿度とされた状態）を維持することが望まれる。ところが、吸水材として、従来から用いられているシリカゲルやゼオライトを使用した場合、単セル内に残存する液水の量が少ないと、単セル内に残存する水分の多くが吸水材に吸収されてしまい、ＭＥＡに含有される水分量を適度に制御することが困難であった。それゆえ、吸水材を導入した燃料電池システムの氷点下環境における発電性能を向上させるためには、シリカゲルやゼオライトに代わる、他の吸水材を用いることが必要である。
【００１７】
本発明は、このような知見に基づいてなされたものであり、イモゴライトを用いて単セル内の湿度を制御することにより、氷点下領域で湿度を適正に保つことが可能な燃料電池システムを提供することを、主な要旨とする。
【００１８】
以下、図面を参照しつつ、本発明について説明する。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されるものではない。
【００１９】
図１は、本発明にかかる燃料電池システムの形態例を概略的に示す概念図であり、本発明にかかる燃料電池システムの一部のみを拡大して示している。図１に示すように、本発明の燃料電池システム１００は、電解質膜１と、電解質膜１の一方の面に形成されたアノード触媒層２と、電解質膜１の他方の面に形成されたカソード触媒層３と、アノード触媒層２側に配設されたガス拡散層４と、カソード触媒層３側に配設されたガス拡散層５と、水素が流通する流路を有するセパレータ６と、空気が流通する流路を有するセパレータ７と、を具備する燃料電池セル８を備える。さらに、燃料電池システム１００は、セパレータ６の流路へと流入する水素が流通する水素供給配管９と、セパレータ６の流路を介して燃料電池セル８から排出される水素が流通する水素排出配管１０と、セパレータ７の流路へと流入する空気が流通する空気供給配管１１と、セパレータ７の流路を介して燃料電池セル８から排出される空気が流通する空気排出配管１２と、を備え、水素供給配管９、水素排出配管１０、空気供給配管１１、及び、空気排出配管１２は、燃料電池セル８と連通している。加えて、水素供給配管９には主止弁１３が、空気供給配管１１には主止弁１４が、それぞれ備えられる。水素供給配管９における、燃料電池セル８との接続箇所と主止弁１３との間には、イモゴライト１５が配設され、空気供給配管１１における、燃料電池セル８との接続箇所と主止弁１４との間には、イモゴライト１６が配設されている。
【００２０】
図２に、相対湿度とセル電圧との関係、及び、相対湿度と吸水材の吸水特性との関係を、併せて示す。図２の左側の縦軸は氷点下で０．１Ａの電流を流した場合におけるセル電圧［Ｖ］、図２の右側の縦軸は吸水材の吸水率［％］であり、図２の横軸は常温時の相対湿度［％］である。図２に示すように、相対湿度が７０％〜９０％程度の時に、セル電圧の値が最も大きくなる。それゆえ、氷点下発電の性能を向上させるためには、セル内の相対湿度を７０％〜９０％に維持することが好ましい。一方、図２に示すように、吸水材としてシリカゲルを用いた場合には、相対湿度１００％の環境に置かれたシリカゲルが吸収し得る最大の水分量を１００とするとき、相対湿度７０％では約３２．１、相対湿度８０％では約６５．８、相対湿度９０％では約９８．１の水分が、それぞれ吸収される。また、図２に示すように、吸水材としてゼオライトを用いた場合には、相対湿度１００％の環境に置かれたゼオライトが吸収し得る最大の水分量を１００とするとき、相対湿度７０％では約９７．５、相対湿度８０％では約９８．１、相対湿度９０％では約９８．７の水分が、それぞれ吸収される。他方、図２に示すように、吸水材としてイモゴライトを用いた場合には、相対湿度１００％の環境に置かれたイモゴライトが吸収し得る最大の水分量を１００とするとき、相対湿度が７０％では約１４．９、相対湿度が８０％では約１５．５、相対湿度が９０％では約１７．５の水分が、それぞれ吸収される一方、多量の液水が存在する相対湿度が１００％近傍（例えば、相対湿度９８％以上）の環境では、ほぼ１００の水分が吸収される。
【００２１】
このように、水素供給配管９に配設されているイモゴライト１５、及び、空気供給配管１１に配設されているイモゴライト１６は、多量の液水が存在する環境下では多量の水分を吸収可能である一方、液水の残留が少ない環境下（例えば、相対湿度が７０％〜９０％程度の環境下）では、過度の吸水を抑制することができる。それゆえ、イモゴライト１５、及び、イモゴライト１６が配設されている本発明の燃料電池システム１００によれば、氷点下発電に好適な相対湿度７０％〜９０％に調湿された状態を維持することができる。したがって、本発明によれば、氷点下領域で湿度を適正に保つことが可能な燃料電池システム１００を提供することができる。このような本発明の燃料電池システム１００によれば、氷点下環境に置かれた場合であっても、触媒層等の表面が氷で覆われる事態を抑制することができ、水の凍結に起因するガス拡散阻害を抑制することができる。
【００２２】
図３及び図４は、本発明にかかる燃料電池システムで行われ得る、発電停止から氷点下発電に至るまでの工程例を簡略化して示す図である。図３は、発電停止（工程Ｓ１１）、相対湿度８０％の加湿ガス流入（工程Ｓ１２）、及び、冷却（工程Ｓ１３）を経て、氷点下発電（工程Ｓ１４）へと移行する形態を示している。図３の形態では、発電停止後に相対湿度８０％の加湿ガスを流入させることによって、燃料電池セル内に残存する液水を燃料電池セルの外へと排出させ、次いで、氷点下環境下に本発明の燃料電池システムが置かれる等により冷却されて、氷点下発電がなされる形態に相当する。本発明にかかる燃料電池システムには、イモゴライトが配設されているので、工程Ｓ１２で加湿ガスを流入させても、イモゴライトに吸収される水分量を抑制することができる。そのため、燃料電池セルの湿度を適度に維持しつつ、流入させた加湿ガスによって、燃料電池セル内等に残存する液水を効率的に燃料電池セル外へと排出させることができる。すなわち、本発明にかかる燃料電池システムによれば、図３に例示される形態で氷点下発電へと移行することにより、水の凍結に起因するガス拡散阻害を抑制すること、及び、氷点下領域で湿度を適正に保つことが可能になる。
【００２３】
これに対し、図４は、発電停止（工程Ｓ２１）、及び、冷却（工程Ｓ２２）を経て、氷点下発電（工程Ｓ２３）へと移行する形態を示している。図４の形態は、図３の形態とは異なり、発電停止後に加湿ガスが流入されない。かかる形態であっても、本発明の燃料電池システムで用いられるイモゴライトは、液水が多く残存しているような環境下では多量の水分を吸収することができるので（図２参照）、氷点下環境へと移行する前に、燃料電池セル等に残存する液水を吸収することができ、液水吸収後には、燃料電池セルの湿度を適度に維持することが可能になる。したがって、本発明にかかる燃料電池システムによれば、図４に例示される形態であっても、水の凍結に起因するガス拡散阻害を抑制すること、及び、氷点下領域で湿度を適正に保つことが可能になる。
【００２４】
本発明の燃料電池システム１００に関する上記説明では、水素供給配管９及び空気供給配管１１に、イモゴライト１５及びイモゴライト１６がそれぞれ配設されている形態を例示したが、本発明の燃料電池システムは当該形態に限定されるものではない。本発明の燃料電池システムは、燃料電池セル、燃料電池セルへと供給される気体が流通する気体供給部、及び、燃料電池セルから排出された気体が流通する気体排出部、からなる群より選択される少なくとも一以上（気体供給部に配設される場合は、水素が流通する気体供給部及び／又は空気が流通する気体供給部。気体排出部に配設される場合は、水素が流通する気体排出部及び／又は空気が流通する気体排出部。）に、イモゴライトが配設されていれば良い。ただし、氷点下環境において、燃料電池セルの湿度（より具体的にはＭＥＡの湿度。以下同じ。）を適切な範囲に容易に維持可能な形態とする観点からは、気体供給部の内面の全部又は一部に、イモゴライトが配設されることが好ましい。また、本発明にかかる燃料電池システムの気体供給部に、燃料電池セルへの気体の供給を停止する際に機能する気体封止手段（例えば、上記主止弁１３、１４等。以下同じ。）が備えられる場合には、気体供給部の、気体封止手段と燃料電池セルとの間に位置する箇所の内面の全部又は一部に、イモゴライトが配置されることがより好ましい。このように配置することで、発電によって生成された水の影響を最小限に留めつつ、水分を確実に吸着することが可能になり、その結果、氷点下領域で湿度を適正に維持し得る燃料電池システムを提供することが可能になる。
【００２５】
また、本発明の燃料電池システム１００に関する上記説明では、ガス拡散層４及びガス拡散層５が備えられる形態を例示したが、本発明の燃料電池システムは当該形態に限定されるものではなく、アノード側及び／又はカソード側にガス拡散層が備えられない形態とすることも可能である。ただし、アノード触媒層やカソード触媒層へ気体を均一に供給し得る形態にする等の観点からは、アノード側やカソード側にガス拡散層が備えられる形態とすることが好ましい。本発明の燃料電池システムにガス拡散層が備えられる場合、当該ガス拡散層の形態は特に限定されるものではなく、アノード側に水素が供給されカソード側に空気が供給される形態の燃料電池で使用可能なものを用いることができる。
【００２６】
また、本発明の燃料電池システムにおいて、電解質膜の形態は特に限定されるものではなく、アノード側に水素が供給されカソード側に空気が供給される形態の燃料電池で使用可能な任意の形態とすることができる。さらに、本発明の燃料電池システムにおいて、アノード触媒層及びカソード触媒層の形態は特に限定されるものではなく、アノード側に水素が供給されカソード側に空気が供給される形態の燃料電池で使用可能な任意の形態とすることができる。
【００２７】
また、本発明の燃料電池システムに関する上記説明では、水素供給配管９及び空気供給配管１１に主止弁１３及び主止弁１４が備えられる形態を例示したが、本発明の燃料電池システムは当該形態に限定されるものではない。ただし、燃料電池セルへと供給される気体の流通・停止の制御を容易にすることによって出力の制御が容易な形態の燃料電池システムを提供可能とする等の観点からは、水素が流通する気体供給部、及び／又は、空気が流通する気体供給部に、気体封止手段が備えられる形態とすることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明にかかる燃料電池システムの形態例を概略的に示す概念図である。
【図２】相対湿度とセル電圧との関係及び相対湿度と吸水材の吸水特性との関係を示す図である。
【図３】発電停止から氷点下発電に至るまでの工程例を簡略化して示す図である。
【図４】発電停止から氷点下発電に至るまでの工程例を簡略化して示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１…電解質膜
２…アノード触媒層
３…カソード触媒層
４、５…ガス拡散層
６、７…セパレータ
８…燃料電池セル
９…水素供給配管（気体供給部）
１０…水素排出配管（気体排出部）
１１…空気供給配管（気体供給部）
１２…空気排出配管（気体排出部）
１３、１４…主止弁
１５、１６…イモゴライト
１００…燃料電池システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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