(57)【要約】【課題】簡易な構成で発電中の燃料電池における温度分布を改善する技術を提供する。【解決手段】燃料電池１００は、複数の発電モジュール１１０が積層されたスタック構造を有する。発電モジュール１１０は、膜電極接合体１０と、膜電極接合体１０を両側から挟持する２つのセパレータ２０，３０とを備えている。カソードセパレータ３０のカソード１３側の面には、反応ガスのためのガス流路３１が流路溝として設けられており、その各流路リブ３２には、温度調整用抵抗部５０が薄膜として設けられている。温度調整用抵抗部５０は、温度が高いほど電気抵抗値が増大する負の温度特性を有する電気抵抗材料によって構成されており、発電中の発電モジュール１１０の温度が低いほど通電による発熱量が増大して発電モジュール１１０を加熱する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
導電経路上に設けられた負の温度特性を有する抵抗部を備える、燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、さらに、
電解質膜の両面にそれぞれ電極層が設けられた発電体と、
前記電極層の外側に配置されるセパレータと、
を備え、
前記抵抗部は、前記電解質膜と前記セパレータとの間に設けられている、燃料電池。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池であって、
前記電解質膜と前記セパレータとの間には、反応ガスのためのガス流路溝が設けられており、
前記抵抗部は、前記ガス流路溝に接する位置に設けられている、燃料電池。
【請求項４】
請求項２または請求項３記載の燃料電池であって、
前記電極層は、前記電解質膜と接する側に発電反応を促進するための触媒が担持された触媒層を有しており、
前記抵抗部は、前記触媒層に隣接して設けられている、燃料電池。
【請求項５】
請求項２ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記燃料電池は、少なくとも２組以上の前記発電体が積層された積層構造を有し、
前記抵抗部は、前記セパレータ同士の間に介装されている、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、通常、電解質膜を電極で挟持した発電体を備え、各電極に反応ガスが供給されることによって発電する。燃料電池では、発電反応において大量の水分がカソード側に発生する。また、電解質膜を湿潤状態に保持する目的で、加湿された反応ガスを供給する場合もある。このため、燃料電池内部には大量の水分が存在する。
【０００３】
しかし、燃料電池内部の水分量が過剰になると、反応ガスのための流路内や、電解質膜と電極との界面において大量の水分が発生し、反応ガスの流れを阻害して発電効率が著しく低下してしまう、いわゆるフラッディングが発生する場合がある。これまでこうした問題に対して種々の技術が提案されてきた（特許文献１等）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２９４１１７号公報
【特許文献２】特開２００５−１９０３７号公報
【特許文献３】特開２００７−３５４１０号公報
【０００５】
ところで、燃料電池では、発電を継続したときに燃料電池内部における温度分布が不均一となる場合がある。例えば、複数の発電体が積層された燃料電池において発電を継続させた場合には、一般に、スタックの積層方向の中央部に近い発電体ほど温度が高く、端部に近い発電体ほど温度が低くなる傾向にある。これは、燃料電池の端部に近い領域ほど放熱量が増大するためである。このように発電中の燃料電池内部において温度分布が不均一となると、それに伴って発電分布も不均一となり、燃料電池全体としてみたときに発電効率が低下する原因となる。
【０００６】
また、燃料電池内において温度の低い領域では、水分の結露が生じやすくなるため、上述したフラッディングが発生する可能性が増大し、さらに発電効率が低下する原因となる。従って、発電中の燃料電池内における温度分布は均一化されることが好ましいが、これまで、こうした要求に対して十分な工夫がなされてこなかったのが実情であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、簡易な構成で発電中の燃料電池における温度分布を改善する技術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】
【０００８】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００９】
［適用例１］燃料電池であって、導電経路上に設けられた負の温度特性を有する抵抗部を備える燃料電池。この燃料電池によれば、燃料電池の温度が低いほど、抵抗部の電気抵抗が増大し、それに伴って抵抗部の通電による発熱量も増大する。一方、燃料電池の温度が高いほど、抵抗部の電気抵抗は低下して燃料電池における導電効率は向上する。従って、抵抗部が燃料電池の温度調整手段として機能し、簡易な構成で発電中の燃料電池の温度分布を改善することができる。
【００１０】
［適用例２］適用例１記載の燃料電池であって、さらに、電解質膜の両面にそれぞれ電極層が設けられた発電体と、前記電極層の外側に配置されるセパレータとを備え、前記抵抗部は、前記電解質膜と前記セパレータとの間に設けられている燃料電池。この燃料電池によれば、燃料電池の運転温度が低いときほど抵抗部によって発電体が加熱される。従って、簡易な構成で発電中の燃料電池の温度分布を改善することができる。
【００１１】
［適用例３］適用例２記載の燃料電池であって、前記電解質膜と前記セパレータとの間には、反応ガスのためのガス流路溝が設けられており、前記抵抗部は、前記ガス流路溝に接する位置に設けられている燃料電池。この燃料電池によれば、抵抗部によって発電中の燃料電池の温度分布を改善するとともに、ガス流路内を直接的に加熱することができる。従って、抵抗部が流路内に発生する水滴を蒸発させることができ、ガス流路内に発生する水滴によって反応ガスの流れが阻害される可能性を低減できる。
【００１２】
［適用例４］適用例２または適用例３記載の燃料電池であって、前記電極層は、前記電解質膜と接する側に発電反応を促進するための触媒が担持された触媒層を有しており、前記抵抗部は、前記触媒層に隣接して設けられている燃料電池。この燃料電池によれば、抵抗部が触媒層を直接的に加熱できるため、発電中の電極面内における温度分布を改善するとともに、触媒層と電解質膜との界面に発生する余分な水分の発生を抑制することができる。
【００１３】
［適用例５］適用例２ないし適用例４のいずれかに記載の燃料電池であって、前記燃料電池は、少なくとも２組以上の前記発電体が積層された積層構造を有し、前記抵抗部は、前記セパレータ同士の間に介装されている燃料電池。この燃料電池によれば、発電中の複数の発電体同士の間の温度が不均一となった場合でも、温度調整用抵抗部によって、その温度差が低減される。従って、発電中の燃料電池の温度分布が改善される。
【００１４】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、その燃料電池を備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
A．第１実施例：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池の構成を示す概略断面図である。図１には、燃料電池１００を構成する複数の発電モジュール１１０のうちの任意の１つが図示されており、他の発電モジュール１１０の図示は省略されている。
【００１６】
この燃料電池１００は、複数の発電モジュール１１０が積層された、いわゆるスタック構造を有しており、反応ガスとして水素と酸素の供給を受けて発電を行う固体高分子型燃料電池である。燃料電池１００としては、固体高分子型燃料電池でなくとも良く、任意の種々のタイプの燃料電池に本発明を適用することが可能である。
【００１７】
発電モジュール１１０は、膜電極接合体１０と、膜電極接合体１０を挟持する２つのセパレータ２０，３０とを備えている。膜電極接合体１０は、アノード１２及びカソード１３によって挟持された電解質膜１１を備える発電体である。電解質膜１１は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子の薄膜である。電解質膜１１としては、例えば、ナフィオン（デュポン社製）を採用することができる。
【００１８】
アノード１２及びカソード１３はそれぞれ、電解質膜１１と接する外面に、発電反応を促進するための触媒層１４を有しており、電解質膜１１と接しない外面に、供給された反応ガスを全面に行き渡らせるためのガス拡散層１５を有している。触媒層１４の触媒としては、例えば、白金（Ｐｔ）を採用することができる。ガス拡散層１５は、例えば、カーボンペーパによって構成することができる。
【００１９】
２つのセパレータ２０，３０は、導電性を有するガス不透過の板状部材（例えば金属板）によって構成することができる。アノードセパレータ２０は、膜電極接合体１０のアノード１２側に配置され、カソードセパレータ３０は、膜電極接合体１０のカソード側に配置される。セパレータ２０，３０は、各膜電極接合体１０において発電された電気を集電する機能を有する。
【００２０】
また、２つのセパレータ２０，３０のそれぞれには、アノード１２又はカソード１３と接する面側に、発電に供される発電領域全体に渡って併走する複数の流路溝であるガス流路２１，３１が設けられている。各発電モジュール１１０は、このガス流路２１，３１を介して各電極１２，１３に反応ガスが供給されることによって発電する。なお、カソード１３側に供給される酸素は燃料電池１００の外部において加湿されて供給されることが好ましい。これによって、発電中の電解質膜１１を湿潤状態に保持することができる。
【００２１】
カソードセパレータ３０のガス流路３１の各流路リブ３２には、温度調整用抵抗部５０が設けられている。温度調整用抵抗部５０は、温度が低いほど指数関数的に電気抵抗が増大する負の温度特性（「ＮＴＣ（Negative Temperature Coefficient）特性」とも呼ぶ）を有する電気抵抗部材を各流路リブ３２とカソード１３との接触界面に薄膜状に塗布して設けられている。なお、ＮＴＣ特性を有する電気抵抗部材としては、例えば、マンガン、コバルト、ニッケル、鉄などの金属酸化物を焼結したものを用いることができる。
【００２２】
図２（Ａ），（Ｂ）は、温度調整用抵抗部５０の機能を説明するための説明図である。図２（Ａ）は、燃料電池１００を構成する複数の発電モジュール１１０のうちの任意の２つの発電モジュール１１０ａ，１１０ｂの一部を示す概略図である。２つの発電モジュール１１０ａ，１１０ｂの構成は、図１で説明した発電モジュール１１０と同様である。
【００２３】
ここで、燃料電池１００が所定の時間発電を継続し、第１の発電モジュール１１０ａの全体の平均温度（運転温度）がＴ1となり、第２の発電モジュール１１０ｂの運転温度がＴ2となった状態を想定する。なお、運転温度Ｔ1は運転温度Ｔ2より低いものとする（Ｔ1＜Ｔ2）。
【００２４】
図２（Ｂ）は、カソード側に設けられた温度調整用抵抗部５０の温度特性を示すグラフであり、温度と電気抵抗との関係を示している。温度調整用抵抗部５０は、温度が低いときほど指数関数的にその電気抵抗が増大する。従って、運転温度がＴ1の第１の発電モジュール１１０ａにおける温度調整用抵抗部５０の電気抵抗値Ｒ1は、運転温度がＴ2の第２の発電モジュール１１０ｂにおける温度調整用抵抗部５０の電気抵抗値Ｒ2より高い値となる。即ち、温度調整用抵抗部５０の通電による発熱量は、第１の発電モジュール１１０ａの方が、第２の発電モジュール１１０ｂより増大し、第１の発電モジュール１１０ａの運転温度は上昇する。この結果、第１の発電モジュール１１０ａの運転温度の上昇に伴い、温度調整用抵抗部５０の電気抵抗は低下するため、第１の発電モジュール１１０ａにおける導電効率は向上する。
【００２５】
即ち、この温度調整用抵抗部５０は、発電継続中の複数の発電モジュール１１０同士の運転温度が不均一となる場合に、その不均一性を低減するように温度を調整する温度調整手段として機能する。一般に、複数の発電モジュールが積層された燃料電池では、発電を継続したときに、その積層方向の中央部に近い発電モジュールほど温度が高くなり、端部に近い発電モジュールほど温度が低くなる傾向にある。これは、端部に近い発電モジュールほど、発電反応による反応熱が放熱されやすいためである。従って、このような燃料電池に対して、この温度調整用抵抗部５０を設けることにより、発電中の燃料電池内部の温度分布を改善することが可能である。
【００２６】
ところで、燃料電池反応では、カソード側に大量の水分が発生する。また、カソード１３側には、上述したように酸素が加湿されて供給される場合もあるため、カソード側のガス流路３１と電解質膜１１との間には大量の水分が存在することとなる。すると、第１の発電モジュール１１０ａのように、運転温度が他より低い発電モジュール１１０では、カソード側のガス流路３１において結露が発生する可能性が高い。
【００２７】
図２（Ａ）の第１の発電モジュール１１０ａに示すように、ガス流路３１内に結露によって水滴６０が発生すると、酸素の流れが阻害されて、第１の発電モジュール１１０ａの発電効率は低下してしまう。この場合には、第１の発電モジュール１１０ａの運転温度がさらに低下してしまうため、温度調整用抵抗部５０の通電による発熱量は増大する。燃料電池１００には、カソードセパレータ３０の各流路リブ３２に温度調整用抵抗部５０が設けられているため、ガス流路３１の水滴６０を温度調整用抵抗部５０によって直接的に加熱することが可能であり、水滴６０を蒸発させて除去することが可能である。即ち、この場合には、この温度調整用抵抗部５０は、ガス流路３１における水分を低減するための水分除去手段として機能する。
【００２８】
また、温度調整用抵抗部５０は、電解質膜１１とカソード１３との界面をカソード１３を介して加熱することも可能である。これによって、発電中の電解質膜１１とカソード１３との界面に過剰な水分が発生して反応ガスの流れが阻害される、いわゆるフラッディングが発生する可能性も低減される。
【００２９】
なお、これまでの説明では、燃料電池１００の各発電モジュール１１０同士の間で運転温度が不均一となった場合を例にとって説明してきたが、燃料電池１００では、各発電モジュール１１０の電極面における運転温度の分布が不均一となる場合もある。この場合にも、温度調整用抵抗部５０は、電極面内における運転温度分布の不均一性を低減するように発熱量が増減し、温度調整手段として機能する。
【００３０】
このように、本実施例の構成によれば、温度調整用抵抗部５０によって、発電中の燃料電池内の温度分布を改善することが可能であり、燃料電池内において水分が過剰に発生することによる発電効率の低下を抑制することが可能である。
【００３１】
B．第２実施例：
図３は、本発明の第２実施例としての燃料電池１００Ａの構成を示す概略図である。図３は、温度調整用抵抗部５０の設けられている場所が異なる点以外は、図１とほぼ同じである。
【００３２】
この発電モジュール１１０Ａでは、温度調整用抵抗部５０が、カソード１３Ａにおいて触媒層１４とガス拡散層１５とで挟持された薄膜層として設けられている。なお、この温度調整用抵抗部５０には、電解質膜１１に対する酸素の供給を阻害しないために、微小穴が全面に渡って設けられている。
【００３３】
このような構成であっても、この温度調整用抵抗部５０は、第１実施例と同様に燃料電池１００Ａの運転温度を略均一化するための温度調整手段として機能する。また、この第２実施例の温度調整用抵抗部５０は、第１実施例の温度調整用抵抗部５０より、電解質膜１１とカソード１３との界面に近い部位に設けられているため、よりフラッディングの発生の可能性を低減できる。
【００３４】
C．第３実施例：
図４は、本発明の第３実施例としての燃料電池１００Ｂの構成を示す概略断面図である。図４は、温度調整用抵抗部５０の設けられている場所が異なる点と、燃料電池１００Ｂにおける任意の隣接する２つの発電モジュール１１０Ｂが図示されている点以外は、図３とほぼ同じである。
【００３５】
この第３実施例の燃料電池１００Ｂでは、温度調整用抵抗部５０が、発電モジュール１１０Ｂを構成する１組のセパレータ２０，３０の間には設けられておらず、隣りあう２つの発電モジュール１１０Ｂの間に介装された薄膜として設けられている。このような構成であっても、温度調整用抵抗部５０は、第１実施例及び第２実施例と同様に、発電中の燃料電池の温度分布の不均一さを低減する温度調整手段として機能することが可能である。また、セパレータ２０，３０を介してガス流路２１，３１を加熱することが可能であるため、発電モジュール１１０Ｂに存在する余分な水分の除去手段として機能することもできる。
【００３６】
D．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。例えば、上記第１実施例ないし第３実施例の構成をそれぞれ適宜組み合わせて実施することも可能である。具体的には、第２実施例の発電モジュール１１０Ａに対して、カソードセパレータ３０の各流路リブ３２にも、第１実施例と同様な温度調整用抵抗部５０を追加して設けるものとしても良い。また、次のような変形も可能である。
【００３７】
D1．変形例１：
上記実施例において、温度調整用抵抗部５０は、温度の上昇に伴って指数関数的に抵抗値が減少するＮＴＣ特性を有する抵抗部材を採用していた（図２（Ｂ））。しかし、温度調整用抵抗部５０としては、ＮＴＣ特性を有する抵抗部材でなくともよく、例えば、一定の温度を超えると急激に抵抗値が減少するＣＴＲ（Critical Temperature coefficient）特性を有する電気抵抗材料を採用するものとしても良い。ＣＴＲ特性を有する電気抵抗材料としては、酸化バナジウムなどを用いることができる。即ち、温度調整用抵抗部５０としては、温度の上昇とともに抵抗値が減少する負の温度特性を有する電気抵抗材料によって構成されていれば良い。
【００３８】
なお、温度低下に対する電気抵抗値の上昇率が大きいほど、加熱に必要な発熱量も増大するため、温度調整用抵抗部５０を薄膜化することが可能である。従って、燃料電池を小型化することが可能となる。例えば、温度が２０℃低下したときに電気抵抗値が１０倍以上に増大する電気抵抗材料を用いれば、温度調整用抵抗部５０を厚さ数μｍ程度に構成することもできる。
【００３９】
また、温度調整用抵抗部５０を構成する電気抵抗材料としては、燃料電池の発電継続時における目標となる所定の運転温度において、電気抵抗値がセパレータ等の燃料電池の導電経路を構成する部材の電気抵抗値に近くなるものほど好ましい。「所定の運転温度」としては、例えば、個体高分子型燃料電池であれば、８０℃程度であるとしても良い。これによって、燃料電池が発電を継続するときに、目標とする運転温度に到達している発電モジュールについては、温度調整用抵抗部５０によって導電効率が低下することを抑制することができる。
【００４０】
D2．変形例２：
上記第１実施例において、温度調整用抵抗部５０は、各流路リブ３２とカソード１３との接触界面に設けられていたが、ガス流路３１の溝壁面に設けられているものとしても良い。即ち、温度調整用抵抗部５０は、ガス流路３１に接するように設けられることが好まし。これによって、ガス流路３１に水滴が発生して反応ガスの流れが阻害されることを抑制することができる。
【００４１】
また、上記実施例では、セパレータ２０，３０として外表面にガス流路２１，３１を設けた単層セパレータを採用していたが、セパレータ２０，３０に換えて、例えば、ガス流路２１，３１が内部に設けられた３層式セパレータを採用するものとしても良い。この場合にも、温度調整用抵抗部５０を、ガス流路３１に接するように設けるものとしても良い。
【００４２】
さらに、上記実施例において、セパレータ２０，３０と２つの電極１２，１３によってガス流路２１，３１が構成されていたが、他のガスの流路を構成するガス流路部材がセパレータと電解質膜との間に配置されるものとしても良い。ガス流路部材としては、例えば、多孔質金属体やエキスパンドメタルなどを採用することができる。この場合には、当該ガス流路部材に温度調整用抵抗部５０が設けられるものとしても良い。即ち、温度調整用抵抗部５０は、燃料電池の導電経路上に設けられていれば良い。なお、ここで、「導電経路」とは、燃料電池内において電極からセパレータを経て外部負荷へと接続されたターミナルに至る発電電気の経路を意味する。
【００４３】
なお、上記第１実施例及び第２実施例において、温度調整用抵抗部５０は、カソード側に設けられていたが、アノード側に同様に設けられるものとしても良く、カソード側とアノード側の両方に設けられるものとしても良い。
【００４４】
D3．変形例３：
上記実施例では、温度調整用抵抗部５０は、各発電モジュールに一様に設けられていたが、実験等によって経験的に得られた発電中の燃料電池の温度分布に応じて、電気抵抗材料の種類や分量を変えるものとしても良い。例えば、経験的に運転温度が他の発電モジュールより低くなると予想される発電モジュールに対しては、温度調整用抵抗部５０の通電による発熱量が他の発電モジュールより多くなるように、温度調整用抵抗部５０を構成しても良い。一方、経験的に運転温度が他の発電モジュールより高くなると予想される発電モジュールに対しては、温度調整用抵抗部５０の抵抗値がより低いものを設けるものとしても良く、あるいは、当該発電モジュールには温度調整用抵抗部５０を設けないものとしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】第１実施例における燃料電池の構成を示す概略図。
【図２】温度調整用抵抗部の機能を説明するための説明図。
【図３】第２実施例における燃料電池の構成を説明するための説明図。
【図４】第３実施例における燃料電池の構成を説明するための説明図。
【符号の説明】
【００４６】
１０…膜電極接合体
１１…電解質膜
１２…アノード
１３,１３Ａ…カソード
１４…触媒層
１５…ガス拡散層
２０…アノードセパレータ
２１…ガス流路
３０…カソードセパレータ
３１…ガス流路
３２…流路リブ
５０…温度調整用抵抗部
６０…水滴
１００，１００Ａ，１００Ｂ…燃料電池
１１０，１１０Ａ，１１０Ｂ…発電モジュール
１１０ａ…第１の発電モジュール
１１０ｂ…第２の発電モジュール
【図１】
2009146591.tif 000003
【図２】
2009146591.tif 000004
【図３】
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【図４】
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