JP4807643B2

JP4807643B2 - 固体高分子型燃料電池及び燃料電池システム

Info

Publication number: JP4807643B2
Application number: JP2005223328A
Authority: JP
Inventors: 徹尾崎; 恒昭玉地; 文晴岩崎; 一貴譲原; 孝史皿田; 考応柳瀬
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2004-11-15
Filing date: 2005-08-01
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2025-08-01
Also published as: JP2006164942A

Description

本発明は、携帯機器等の電源に用いる固体高分子型燃料電池及び燃料電池システムに関する。

燃料電池は、燃料の供給と燃焼生成物の排出を連続的に行い、燃料の有する化学エネルギーを電気化学反応によって、直接電気エネルギーに変換するデバイスである。近年、ノート型パソコンや携帯電話等のモバイル機器の電源として固体ポリマーを電解質として用いた固体高分子型燃料電池の可能性が検討されている。しかしながら、燃料電池の発電中はカソード極で生成した水が逆拡散によりアノード極に移動することや、クロスオーバーによりアノード極に進入した酸素がアノード極で水または過酸化水素に変化する現象がある。同時に、アノード極は飽和蒸気圧に近い水素で満たされているが、セルの構成によっては温度分布が生じ、局所的に生じた低温部分で水の凝縮による結露が生じる。結露によって生じた水滴は成長を続ける。ここで、自動車等の分野で用いる燃料電池では流路上に存在する水を燃料ガスによって押し流し、一定の割合でオフガスをパージする機構を有することで水をアノード極外に排出していた。また、前述した流路を設けると同時にアノード極の排気ガスを再度燃料ガスと混和し、循環させることでアノード極の排気ガス中に含まれる未反応ガスを再利用し、さらにガス循環部の一部に水を回収する機構を設けることで、水を分離することが出来る（例えば特許文献１参照。）。

特開２００４−７１３４８号公報

電極反応によって生じた水はカソード極またはアノード極の少なくともいずれか一方の極で生成した水の処理を行う必要がある。アノード極で水の処理を行わない場合、アノード極の流路の一部に液体の水が滞留することで水素ガスの拡散パスが閉塞し、水素の安定的な供給を妨げることになり、出力の変動を引き起こす。最悪の場合は発電に見合う水素の供給がないために起電圧を喪失するという場合もあった。

しかし、アノード極の水の処理を補機によって行う場合、補機で必要な動力源は発電したエネルギーの一部を充てなければならない。同時に、補機が占める体積によって、発電部分の総合的な体積エネルギー密度は低下する。このため、補機を有する燃料電池システムは、携帯機器で使われているリチウムイオン電池などと比較した場合、体積エネルギー密度で優位性が損なわれる。

そこで、上述した循環機構や排気ガスのパージ機構を有しない閉塞構造（デッドエンド）において、補機の使用比率を下げ、反応によって生じた水の処理を行う必要性があった。

上記課題に対して、請求項１に係る本発明の固体高分子型燃料電池は、発電素子としてプロトン導電性の樹脂を有する電解質層の一方の面にアノード極を備え、他方の面にカソード極を備え、前記アノード極及び前記カソード極は、それぞれ触媒層を有する固体高分子型燃料電池において、前記アノード極に隣接し、燃料を蓄えるアノード室を有し、前記アノード室は、前記アノード室を構成する部材の一部に、前記発電素子と温度勾配を設けて前記発電素子で生成される水を凝集する冷却部と、凝集された前記水を前記発電素子及び前記アノード室の外部へ導出するための導水路とを有することを特徴とする。
ここで、温度勾配を付けたのは、アノード極の集電体およびその近傍と冷却部の間であるが、本燃料電池でもちいる電解質層および触媒層の厚さは薄いため、アノード極の集電体の表面温度とカソード極の集電体の表面温度に大きな差が無いと近似することができる。

そして、請求項２に係る本発明の固体高分子型燃料電池は、前記アノード極は、前記アノード室に対向する側が撥水処理されていることを特徴とする。また、請求項３に係る本発明の固体高分子型燃料電池は、前記アノード室は、前記導水路周辺が親水処理されていることを特徴とする。また、請求項４に係る本発明の固体高分子型燃料電池は、前記冷却部と前記発電素子との間に伝熱抑制物を有することを特徴とする。また、請求項５に係る本発明の固体高分子型燃料電池は、前記冷却部が金属材料からなることを特徴とする。

また、請求項６に係る本発明の固体高分子型燃料電池は、前記アノード極を同じ側に向けて前記発電素子を複数個同一平面上に配置し、複数個の前記冷却部を熱的に接続して、前記冷却部のそれぞれの温度差を低減させる構造を有することを特徴とする。複数個のセルのアノード室の冷却部を共通化することもできる。

また、請求項７に係る本発明の固体高分子型燃料電池は、前記アノード極の前期冷却部に放熱手段を有することを特徴とする。放熱手段として空冷する方法や、ペルチェ素子を配置した強制的な放熱手段を用いる。また、請求項８に係る本発明の固体高分子型燃料電池は、前記冷却部と前記カソード極の大気に開放されない部分を伝熱抑制物質で覆うことを特徴とする。また、請求項９に係る本発明の固体高分子型燃料電池は、前記冷却部に接する部位に、ペルチェ素子を有することを特徴とする。
また、請求項１０に係る本発明の固体高分子型燃料電池は、前記冷却部に接する部位に、送風する機構を設けることを特徴とする。また、請求項１１に係る本発明の固体高分子型燃料電池は、前記アノード室は、内部に保水材を備えることを特徴とする。
また、請求項１２に係る本発明の固体高分子型燃料電池は、前記アノード室は、内部に蓄積された水を前記アノード室の外部に導水し、一端を前記アノード室の底部に配置された導水シートを有することを特徴とする。また、請求項１３に係る本発明の固体高分子型燃料電池は、前記導水シートがパーフルオロスルホン酸ポリマーと二酸化チタンの混合物（例えば、酸化チタン（TiO ₂ ）とナフィオン（商標）など）であることを特徴とする。
また、請求項１４に係る本発明の固体高分子型燃料電池は、前記アノード極の燃料がホウ素の水素化物から得られた水素ガスであることを特徴とする。

そして、請求項１５に係る本発明の燃料電池システムは、水素を含む第一の燃料と酸素を含む第二の燃料とが、発電部で電気化学反応をすることにより、発電を行う燃料電池システムにおいて、前記発電部と、前記発電部に隣接し、第一の燃料が供給される燃料室と、前記発電部で発生した水を、前記発電部との温度勾配により凝集させる冷却部と、凝集した前記水を前記燃料室に供給する供給部とを備えることを特徴とする。

プロトン導電性の樹脂からなる電解質層の両面にそれぞれアノード極及びカソード極を有し、各電極は電解質層から触媒層、ガス拡散層、集電体の順で配置し構成され、これらをまとめて発電素子と称する固体高分子型燃料電池において、アノード極に隣接した位置に水素を蓄えるアノード室を設け、アノード室を構成する部材の一部に冷却部を設け、冷却部と発電素子の間に温度勾配を設けた構造とすることで、アノード極電極部およびその近傍で凝縮による水滴を作りにくくなるため、流路の一部に液体の水が滞留することによる水素ガスの拡散パスの閉塞は無くなり、水素の安定的な供給が可能となる。

さらに、アノード室の冷却部と発電素子の間に伝熱抑制物を配置することによって、発電素子の伝熱を抑制し、冷却部と発電素子の温度勾配をより高める効果が期待できる。

また、アノード室の冷却部に金属材料を用いたことで冷却部内の熱伝導を高め、温度の均一化をはかることで、凝縮の効率を高めることが出来る。

また、発電素子の複数個を同一平面上に配置し、アノード極を同一面に配置することで、複数個のアノード室の冷却部を熱的に接続することで、各セルの冷却部の温度差を低減し、アノードで凝縮する水の量の偏りを抑制し、発電の均一化を試みた。

また、アノード室の冷却部に放熱手段を備えたことで、凝縮の効率を高めることが出来る。放熱手段として空冷を用いた場合、補機動力が必要と無いため、エネルギーのロスを低減できる。また、ペルチェ素子を配置する場合、大電流においても凝縮の能力を維持できる。

また、アノード室の冷却部と発電素子の間に温度勾配を付けるには、冷却部の温度を下げる以外に、アノード室の冷却部とカソード極の大気に開放される部分を除き発電部を伝熱抑制物質で覆うことで、発電素子で生じた発熱をセル内に蓄積することで、発電素子と冷却部の温度勾配を相対的に高くすることができる。
また、発電セルを動かした場合においても、アノード室に保水材を配置することで、液体の水が揺動することを防ぎ、アノード室の水素ガスが通気パスを閉塞することを抑制した。

上述した様に発電素子と冷却部の温度勾配を設けることで、発電に伴う電気化学反応によってカソード極で生成した水や水蒸気を、カソード極とアノード極の水の濃度勾配を付けることで、アノード極側で回収することも可能となる。アノード極で水を回収することはカソード極で水を蒸発乾燥させる際の負荷を低減できる。また、アノード極側からカソード極側へプロトンを移動させる際の同伴水を確保する効果が期待できる。

さらに本発明においては上述した様に“酸化チタン（TiO2）とパーフルオロエチレンスルホン酸樹脂の混合物”で導水する導水路を作製し、アノード室の底面部に一端を配置し、もう一端は水を所望の場所に配置することで、アノード室の底面部に結露により凝縮した水を移送させることが可能となる。乾燥状態において、ナフィオン製の導水路は撥水性を示すが、酸化チタンを混入してあることで速やかに水を含み膨潤する。導水路は樹脂の表面から水を乾燥、蒸発させる効果がある。乾燥をふせぐために、必要に応じて、樹脂の表面を防湿コートする。

本発明の電池の構成を図１および図２に従って説明する。プロトン導電性の樹脂からなる電解質層の両面にそれぞれアノード極及びカソード極を配置する。アノード極は電極の電解質層側からアノード極触媒層２、アノード極触媒層に隣接するガス拡散層３、アノード極集電材４の順で配置される。同様に、カソード極は電極の電解質層側からカソード極触媒層１１、カソード極触媒層に隣接するガス拡散層１２、カソード極集電材１４、カソード極集電材１４の集電材押さえ１５の順で配置される。さらに、カソード極の集電材１４にはカソード極リード１３が接続されている。また、アノード極およびカソード極にはガスの漏洩の防止のためと、触媒層とガス拡散層の適正な圧縮量を保つためにスペーサーの役目を果たすアノード極パッキン９とカソード極パッキン１０を配置する。アノード極パッキン９およびカソード極パッキン１０は水素の透過を抑制し、パッキンを夾持する材料と密着性が高い材料が好ましい。パッキンの材料として、各種ゴム材料を用いることができ、特にブチルゴムが好ましい。上述した電解質層１とそれに対峙して配置したアノード極およびカソード極を併せて、発電素子１７とする。

本発明において、発電素子１７を構成するアノード極に隣接した位置に水素を蓄えるアノード室１６を設ける。発電時において、アノード室１６は燃料ガスを供給する燃料ガス供給口６から導入された水素等のガスで満たされ、発電または発電以外で生じた不純物を排出する導水路８が接続される。さらに、本発明においては、アノード室１６を構成する部材の一部に冷却部７を設け、冷却部７と発電素子１７の間に温度勾配を設ける。このアノード室１６の冷却部７を積極的に冷却するために、伝導熱緩衝材５を配置する。

本発明の燃料電池で用いるプロトン導電性の樹脂からなる電解質層１は、常温で、プロトン導電性を示すパーフルオロ樹脂膜やエンジニアリングプラスチックの複合化等のグラフト重合膜、部分フッ素化膜を用いることが出来るが、それらの材質に限定されない。
カソード極触媒層１１、及び、アノード極触媒層２に用いる触媒はカーボンに担持した白金を用いることが出来る。また、電極の触媒元素として、白金に限らず各種貴金属やその合金、およびその酸化物を用いる事が出来る。カソード極集電材１４やアノード極集電材４として金属多孔質体を用いることができる。特に、カソード極集電材１４として、発泡金属体が優れる。

アノード極のガス拡散層３およびカソード極のガス拡散層１２として、電子伝導性と耐食性とガス透過性を兼ね備えた多孔質体を用いることができる。例えば、紙状の“カーボンファイバーペーパー（以下、CFPと略す）”や複数本の炭素繊維が集合してなる緯糸と経糸とで構成された織物、つまり、布状の“カーボンクロス（以下、CLと略す）”を用いることができる。

アノード室１６の冷却部７と発電素子１７の間に伝熱を抑制するために、伝導熱緩衝材５を配置することができる。伝導熱緩衝材５としては、例えば、（I）熱硬化性樹脂として、エポキシ樹脂、ジアリルフタレート樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリウレタン樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂や、（II）熱可塑性樹脂として、アイオノマー樹脂、EEA樹脂、AAS（ASA）樹脂、AS樹脂、ACS樹脂、エチレン酢ビコポリマー、エチレンビニルアルコール共重合樹脂、ABS樹脂、塩化ビニル樹脂、塩素化ポリエチレン、酢酸繊維素樹脂、フッ素樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリアミド樹脂（6ナイロン，66ナイロン）、ポリアリレート樹脂、熱可塑性ポリウレタンエラストマー、熱可塑性エラストマー、液晶ポリマー（LCP）、ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン樹脂、高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、直鎖状低密度ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレー卜（PET）、ポリカーボネート樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂（PPS）、ポリブタジエン樹脂、ポリブチレンテレフタレー卜樹脂、ポリプロピレン樹脂（PP）、メタクリル樹脂（アクリル樹脂）、メチルペンテンポリマー、生分解性プラスチック、や（III）ゴム類として天然ゴム（NR）、イソプレンゴム（IR）、ブタジエンゴム（BR）、スチレンブタジエンゴム（SBR）、クロロプレンゴム（CR）、アクリロニトリルブタジエンゴム（NBR）、ブチルゴム（IIR）、エチレンプロピレンゴム（EPDM）、ウレタンゴム（U）、シリコーンゴム（Q）、クロロスルフォン化ゴム（CSM）、塩素化ポリエチレン（CM）、アクリルゴム（ACM）、エピクロルヒドリンゴム（ECO）、フッ素ゴム（FKM）（IV）各種セラミック材料の中からいずれかの単体または、複合物を用いることができる。また、ゴムや樹脂中にガス等の気泡を混入させ、熱伝導度を低減することができる。特に、アノード室１６からの水素の漏洩を抑制することを考慮するとブチルゴムやその複合体が好ましい。

冷却部７の材質は各種金属材料の単体、合金、または、複合物や、積層物を用いることができる。金属材料（高い熱伝導率を持つ材料）としては、ステンレス、アルミニウム、チタン、マグネシウム合金、金、銀、銅などの金属やグラファイト、アルミナ、シリコーンなどの非金属やその酸化物が挙げられる。モバイル機器を考慮すると軽量化が重要で、加工性や強度なども考慮すると、アルミニウムが最も好ましく、次いで、ステンレスなどが好ましい。

アノード室１６に接するアノード極集電材４の表面の一部を撥水処理することが好ましい。これによって、水の結露を抑制し、アノード室１６に接する冷却部７で水蒸気は結露する。また、冷却部７のアノード室１６に接する面の表面を“親水処理”することが好ましい。これによって、結露した水が局在化せず、水滴にならずにアノード室１６の底部に集められる。

撥水化処理は純金をメッキまたはコートする方法、黒鉛等のカーボンを塗布またはコートする方法、フッ素を含有する有機物を塗布またはコートする方法を用いることで可能となる。金をコートする方法は電解メッキ、無電解メッキ、溶射、蒸着、スパッタリング等のいずれの方法を用いることができる。カーボンの場合は前述の方法のほかにバインダーと混合した溶液やスラリーを塗布することも可能である。フッ素を含有する有機物をコートの方法として、フッ素含有物を加熱炉中に配置し、前記のフッ素を含有する有機物の分解温度近傍（４００℃未満）まで熱処理し、その分解蒸気を当てることで被覆することができる。または、おおよそ粒径が１〜１５μｍに揃ったフッ素を含有する有機物の微粒子を水、アルコール又はその他の有機溶剤に分散させた分散溶剤中にアノード極触媒層（金属製多孔質体）２を浸漬後、アノード極触媒層（金属製多孔質体）２を引き上げ、アノード極触媒層（金属製多孔質体）２の表面に付着した余分な溶剤を除去後、アノード極触媒層（金属製多孔質体）２にコートされたフッ素を含有する有機物の分散溶剤の溶媒の沸点以上の温度に加熱することにより乾燥除去し、その後、フッ素を含有する有機物の分解温度近傍以下の温度（４００℃未満）を用い加熱炉内で、熱処理することが出来る。ここで、フッ素を含有する有機物として、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合樹脂（ＰＦＡ）、エチレン−テトラフルオロエチレンコポリマー（ＥＴＦＥ）、パーフルオロエチレン-プロペンコポリマー（FEP）、ポリビニリデンフルオライド（PVdF）、エチレン−クロロトリフルオロエチレンコポリマー（ECTFE）などを用いることができる。フッ素を含有する有機物のコートに伴う熱処理は大気中、または、真空中の何れかで実施することが出来るが、真空中で行なうことがより望ましい。

アノード室１６の底部に導水路８を配置することが出来る。アノード室１６の底部に蓄積された水をＴｉＯ２とナフィオンによって構成された導水材により、セルの外に水を排出することが出来る。また、樹脂の表面を防湿コートすることが好ましい。

燃料とする水素は水素発生物質と発生を促進する物質を組み合わせることで発生させる。ここに、水素発生物質と発生を促進する物質の組み合わせの例をそれぞれ括弧で括り、次に列挙する。（水酸化ナトリウム、金属アルミニウム）、（水素化ホウ素ナトリウム、水）、（水素化ホウ素ナトリウム、硫酸）、（水素化ホウ素ナトリウム、リンゴ酸）、（水素化ホウ素ナトリウム、クエン酸）、（水素化ホウ素ナトリウム、シュウ酸）、（水素化ホウ素ナトリウム）、（水素化ホウ素ナトリウム、塩化コバルト）、（水素化ホウ素ナトリウム、塩化ニッケル）、（水素化ホウ素ナトリウム、金属コバルト粉末）、（水素化ホウ素ナトリウム、ニッケル粉末）、（水素化ホウ素ナトリウム、ホウ酸）、（水素化リチウム、水）、（水素化ナトリウム、水）、（水素化マグネシウム、水）、（水素化カルシウム、水）、（水素化アルミリチウム、水）。これらの水素発生物質として水素化ホウ素ナトリウムを用いる場合、水以外に、各種無機酸、有機酸、遷移金属の塩化物等を用いることができる。上述した水素は場合によっては、水素発生物質または発生を促進する物質の溶液を含むミストを発生させることがあり、それらのミストを除去するフィルターを設置することが出来る。また、これらの組み合わせで生じた水素は反応の初期において、反応に伴う熱によって水溶液の溶媒として存在する水が蒸気となって含まれることがある。

本発明の電源を応用が可能な機器を下記の通り、分類して例示する。（I）２〜２０Ｗの機器として、ノートパソコン，タッチパネル入力パソコン，映像機器用外付け電源，照明機器，ハンディクリーナを挙げることができ、（II）１〜２Ｗ程度を必要とする機器として、デジタルスチルカメラ，ヘルス機器，携帯電話，ウェアラブル携帯電話，オーダーエントリーシステム端末，携帯プリンタ，電動工具，自動車電話，トランシーバ，ペン入力パソコン，電子ブックプレーヤ，液晶テレビ，ウェアラブルテレビ，電気シェーバ，を挙げることができる。更に、（III）１Ｗ未満で動作できる機器、ウェアラブルパソコン，腕型ＰＨＳ，電子辞書，玩具，医療機器，ウェアラブル医療機器，ページャ，ウェアラブル電卓，ウェアラブルＧＰＳシステム，音声入力機器，メモリカード，テープレコーダ，ラジオ，ヘッドホンステレオ，ポータブルＤＶＤ，電子手帳，コードレスフォン子機，ポータブルＭＤ，ポータブルＣＤ，カムコーダー，ゲーム機器，を例示することができる。特に、本発明は（II）、（III）に示す小型または薄型が求められ、さらに軽量であることが必要なアプリケーションにおいて、有効な電源として最も寄与する。

本発明に基づき、カソード極触媒層１１およびアノード極触媒層２が予め電解質層１に形成された市販の膜電極接合体の両側から繊維状のガス拡散層３およびガス拡散層１２を用いて挟持した。そのとき、カソード極触媒層１１とガス拡散層１２の外周部にスペーサーの役目を兼ねたカソード極パッキン１０を配置する。同様にアノード極触媒層２とガス拡散層３の外周部にスペーサーの役目を兼ねたアノード極パッキン９を配置する。

この電解質層１の厚みは３０μｍである。この電解質層１のカソード極側およびアノード極側の両極は共に触媒として白金を０．３ｍｇ／ｃｍ^２で担持させたカーボン粒子とプロトン導電性のフッ素系固体電解質によりアノード極触媒層２又はカソード極触媒層１１が構成されている。アノード極触媒層２又はカソード極触媒層１１の寸法は２０ｍｍ×２５ｍｍとした。アノード極パッキン９およびカソード極パッキン１０に用いたゴム硬度は約５０％のブチルゴム製で、厚さ約２００μｍを所望の寸法に切り出して使用した。

このMEAの両側から挟持するガス拡散層３またはガス拡散層１２の厚さは３００〜４４０μｍの厚さを有した。このガス拡散層３またはガス拡散層１２の表面に撥水性を有する導電性のカーボンを含む層を予め形成し、撥水性を有する導電性のカーボンを含む層とアノード極触媒層２およびカソード極触媒層１１が電気的に接続するように配置した。カソードのカーボン製のガス拡散層１２に電子的接続がされるようにカソード極集電材１４を配置した。

このカソード極集電材１４として、厚さ２．０ｍｍのニッケル製の発泡金属体（富山住友電工製、セルメット、品番＃４）を所定の寸法（３０ｍｍ×４２ｍｍ）に切り出して用いた。このカソード極集電材１４は、セル数が２７〜３３個／インチ、孔径が０．８ｍｍ、比表面積が約２５００ｍ^２／ｍ^３の特性を有する。このカソード極集電材１４に電子を取り出すために厚さ０．１ｍｍ、幅７．０ｍｍのニッケル製の帯び状のカソード極リード１３を抵抗溶接により直接溶接した。カソード極集電材１４のリード溶接部は予め圧延し、平滑な面を作製する。リードの溶接は３．０ｍｍ間隔で、約３０ｍｍに渡って行なった。

発電素子１７を構成する各部材はカソード極に配置した集電材押さえ１５とアノード極集電材４により、挟持し、適度な外力で圧迫することで、電気的接続を保つ。さらに、アノード室１６の冷却部７は伝導熱緩衝材５を介してアノード極集電材４に隣接する様に配置する。アノード室１６の冷却部７はアルミニウム製で厚さ２ｍｍであり、伝導熱緩衝材５は厚さ２ｍｍのブチルゴムを切り出して用いた。

この時、燃料ガス供給口６は伝導熱緩衝材５とアノード室１６の冷却部７に挟まれた位置にある。導水路８は中空のチューブを用い、アノード室１６に接続した。このように作成したセルを実施例１とする。このセルに純度９９．９９％で、２４℃なる水素を単位面積あたり、５ｃｃ／ｍｉｎ・ｃｍ^２の流量で、ほぼ大気圧近く極低圧になるように調整供給した。カソード側は約４０％ＲＨ、２５℃の大気に暴露した。このときのセルを図１に示す。

予め酸化チタン(IV)（アナターゼ型、和光純薬）とナフィオン溶液（ALDRICH製、５％溶液）を１：２０の体積比で十分混合し、ナイロン製のチューブに流し込む、その後、ナフィオン溶液に含まれる溶媒（IPA）を乾燥させることで、ＴｉＯ_２を混入させたナフィオン製の導水路を作成し、アノード室１６に接続する導水路８として使用したことを特徴とし、それ以外、実施例１と同様に作成したセルを図１に示す。

冷却部７に切削による凹凸状の溝加工を施した冷却部１８を用いたことにより、実施例１の冷却部７より表面積を高めたことを特徴とし、それ以外、実施例１と同様に作成したセルを図３に示す。

冷却部７に断面形状が山切り凹凸状の加工を施した冷却部１９を用いたことにより、実施例３と同様に冷却部の表面積を高めたことを特徴とし、それ以外実施例１と同様に作成したセルを図４に示す。

アルミニウム製の板状フィン２０を取り付けた冷却部７を用いたことにより、実施例３以上に飛躍的に冷却部の表面積を高めたことを特徴とし、それ以外実施例１と同様に作成したセルを図５に示す。

アルミニウム製の板状フィン２１を取り付けたペルチェ２２およびその冷却部２２をアノード室１６の冷却部７に配置したことにより、実施例５以上に飛躍的に冷却部の冷却温度を下げる能力を有することを特徴とし、それ以外実施例５と同様に作成したセルを図６に示す。

アノード室１６の冷却部７付近にアノード極の冷却部に送風するための吸気口２４を設け、カソード付近に排気口２５を設け、それぞれが接続できる位置に送風ファン２３を接続し、アノード室１６の冷却部７の冷却を促進し、温度勾配を際立たせたことを特徴とし、それ以外実施例１と同様に作成したセルを図７に示す。この送風ファン２３によって冷却板を空冷することが可能となる。また、冷却に使われた後の風をカソード極側から排気することが出来る。

アノード室１６の冷却部７とカソード極の大気に開放される部分を除き発電部を伝熱抑制物質２６で覆うこと、アノード室１６の冷却部７と発電素子１７の間に温度勾配を付けたことを特徴とし、それ以外実施例１と同様に作成したセルを図８に示す。

アノード室１６の燃料ガス供給口６を発電素子１７の近傍に配置したことを特徴とし、それ以外実施例１と同様に作成したセルを図９に示す。

アノード室１６内に保水材２７を配置したこと以外、以外実施例１と同様に作成したセルを図１０に示す。

発電素子１７の複数個を同一平面上に配置し、アノード極を同一面に配置することで、複数個のアノード室１６の冷却部７を熱的に接続したものを図１１に示す。

図１２は、他の実施例に係る固体高分子型燃料電池システムの概略構成図である。

図において固体高分子型燃料電池システム１７１は、発電部１０２と水素発生部１０３から構成される。

発電部１０２は、カソード極１０４、ＭＥＡ１０５、アノード極１０６から構成され、カソード極１０４はカソードエンドプレート１０７と図示しないガス拡散層、集電体層を備え、ＭＥＡ１０５は図示しない電解質の両面に触媒層がそれぞれ配置される構成である。またアノード極１０６はアノードエンドプレート１０８とアノード室１０９と図示しないガス拡散層から構成される。アノード極１０６には図示しない集電体層が含まれていても良い。アノード極１０６に集電体層を含まない構成とする場合は、アノードエンドプレート１０８に導線を接続して集電する構成としても良い。アノード室１０９には、水素発生部１０３から水素リッチガスを供給する供給口１１１を備えている。

水素発生部１０３は、水素発生物質１１２が格納される第１の容器１１３と水素発生促進物質１１４が格納される第２の容器１１５と第１の容器１１３と第２の容器１１５を接続し、第１の容器１１３側先端にノズル１１６を備えた管から構成される。水素発生物質１１２としては、好ましくは水素化ホウ素ナトリウムであり、水素発生促進物質１１４としては、好ましくはリンゴ酸水溶液であり、以下で水素化ホウ素ナトリウムとリンゴ酸水溶液を用いる例を記載するが、水素発生物質は加水分解型の金属水素化物であれば全て適用可能で、水素発生促進物質は有機酸および無機酸あるいはルテニウムなど、水素発生触媒であれば全て適用可能である。

さらに、水素発生物質１１２が水素化ホウ素ナトリウム水溶液で水素発生促進物質１１４がリンゴ酸粉末というように、水素発生物質１１２と水素発生促進物質１１４の組み合わせは、混合することによって水素を発生する物質であれば全て適用可能である。また、水素発生部に用いられる反応としては、金属と塩基性あるいは酸性水溶液の組み合わせであっても良い。

さらに、水素発生部においては、アルコール、エーテル、ケトン類を水蒸気改質して水素を得るメタノール改質型や、ガソリン、灯油、天然ガスといった炭化水素を水蒸気改質して水素を得る炭化水素改質型など、加水により水素を発生する構成であれば全て適用可能である。

水素発生部１０３で発生した水素は発電部１０２のアノード室１０９に備えられた供給口１１１を介してアノード室１０９に導入され、発電のために消費される。水素が消費されるとアノード室１０９と、アノード室と接続される第１の容器１１３の内圧が減圧され
、第２の容器の内圧との差圧によって第２の容器１１５に格納されるリンゴ酸水溶液が第１の容器１１３に導入され、次の水素発生が生じる。

ノズル１１６のノズル径は、前回発生した水素により発電が持続中に次の水素発生が生じる周期でリンゴ酸水溶液が第１の容器１１３に導入されるように調整され、好ましくは差圧が５ｋＰａ以下でリンゴ酸水溶液が導入されるように調整される。

発電時にアノード室１０９にはカソード側の触媒層で発生した水が逆拡散して凝縮される水、ＭＥＡ１０５を透過した酸素とアノード室１０９に存在する水素がアノード側の触媒層で反応して生成した水、水素発生部１０３から発生した水素に含まれる水蒸気が凝縮した水等をあわせたアノード極滞留水が蓄積される。アノード室１０９の底面は、図１に示すように平面であってもよいし、アノード極滞留水を一箇所に収集するために勾配を持っていても良い。

水素が発生することにより、第１の容器１１３あるいはアノード室１０９の内圧は、大気圧以上、好ましくは大気圧よりも５ｋＰａ以上陽圧になり、アノード極滞留水に対して、前記水素圧を印加することにより、排出口２０４を介して外部へ排出する構成とする。

また、排出口２０４から排出されるアノード極滞留水を水素発生部１０３に導水するための導水路２０１を備える。さらにアノード極滞留水とともに排出されるガスにより第２の容器１１５の内圧が高圧になることを防止する目的で、圧調整機構としてガス抜き貫通孔２０３を備える。導水路２０１の間に逆止弁構造４０１が設置され、貫通孔２０３には膜体３０１が設けられている。

導水路２０１中に貯水部１６５を設置する。発電部１０２の温度が好ましくは、２５℃〜８０℃の範囲で運転されるのに対し、貯水部１６５は室温２５℃程度なので、その温度差により貯水部１６５に水が凝縮する。発電部１０２全体を覆う断熱層１７２が設けられている。断熱層１７２を設置することで、貯水部１６５と発電部１０２との温度差が大きく保たれ、貯水部１６５における水の凝縮・収集能力を向上することができる。また、発電部１０２の全体を覆う断熱層１７２を設けたことにより、発熱するＭＥＡ１０５を含めて発電部１０２の全体が断熱層１７２で覆われるので水の蒸発が促進される。

また、貯水部１６５に冷却部１６９を備えると共に、カソード極１０４側に一部開口している押さえ部材１７０を設置し、押さえ部材１７０と貯水部１６５を連通してある。貯水部１６５に冷却部１６９を備えたので、水の凝縮・収集能力を向上させることができる。また、カソード極１０４側に一部開口している押さえ部材１７０を設置して押さえ部材１７０から貯水部１６５に水を導入させるようにしたので、従来は、カソード極１０４で発生した水は全て大気に開放されていたところが、一部水に凝縮して燃料に循環することができる。

従って、上述した実施形態例では、内部エネルギー（発電により発生する水素の圧力差及び温度差）により、燃料を循環させる系で水を回収することができる。

本発明は固体電解質型燃料電池用のアノード極に用いることで、発電で生じた水分の回収に用いるエネルギー比率を下げることができ、結果としてエネルギー密度が高く各種携帯型の電子機器用の燃料電池に利用できる。

本発明の実施の形態における発電素子とアノード室１６の冷却部を断熱性の材料で隔離したことを示す断面図。本発明における燃料電池の構造を模式的に示した断面図。アノード室１６の冷却部に切削し溝加工を施したことで、冷却部の被表面積を大きくした場合の断面図。アノード室１６の冷却部に断面形状が矩形の凹凸を施す加工したことで、冷却部の被表面積を大きくした場合の断面図。アノード室１６の冷却部の冷却効率を高めるためにプレートフィンをくけ加えることで、冷却部の被表面積を大きくした場合の断面図。アノード室１６の冷却部の冷却効率を高めるために、ペルチェ素子を配置した場合の断面図。アノード室１６の冷却部の冷却効率を高めるために、冷却部に送風するためのファンを設け、アノード室１６の余熱をカソード極へ送る機構を配置した場合の断面図。アノード室１６の温度勾配をつけるために発電で生じた熱を保温するために発電素子を断熱した場合の断面図。アノード室１６に燃料ガス供給口を発電素子側に設けた場合の断面図。アノード室１６に保水材を設けた場合の断面図。アノード室１６の冷却部が複数の発電素子で熱的に接続されている場合の断面図。他の実施例に係る固体高分子型燃料電池の概略構成図。

符号の説明

１電解質層
２アノード極触媒層
３ガス拡散層
４アノード極集電材
５伝導熱緩衝材
６燃料ガス供給口
７冷却部
８導水路
９アノード極パッキン
１０カソード極パッキン
１１カソード極触媒層
１２ガス拡散層
１３カソード極リード
１４カソード極集電材
１５集電材押さえ
１６アノード室
１７発電素子
１８溝を有したアノード室低温部
１９凹凸を有したアノード室低温部
２０、２１アルミニウム製の板状フィン
２２ペルチェ素子
２３送風ファン
２４吸気口
２５排気口
２６伝熱抑制物質
２７保水材

Claims

発電素子としてプロトン導電性の樹脂を有する電解質層の一方の面にアノード極を備え、他方の面にカソード極を備え、前記アノード極及び前記カソード極は、それぞれ触媒層を有する固体高分子型燃料電池において、
前記アノード極に隣接し、燃料を蓄えるアノード室を有し、
前記アノード室は、
前記アノード室を構成する部材の一部に、前記発電素子と温度勾配を設けて前記発電素子で生成される水を凝集する冷却部と、
凝集された前記水を前記発電素子及び前記アノード室の外部へ導出するための導水路と
を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池。
前記アノード極は、前記アノード室に対向する側が撥水処理されていることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
前記アノード室は、前記導水路周辺が親水処理されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の固体高分子型燃料電池。
前記冷却部と前記発電素子との間に伝熱抑制物を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の固体高分子型燃料電池。
前記冷却部が金属材料からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の固体高分子型燃料電池。
前記アノード極を同じ側に向けて前記発電素子を複数個同一平面上に配置し、複数個の前記冷却部を熱的に接続して、前記冷却部のそれぞれの温度差を低減させる構造を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の固体高分子型燃料電池。
前記アノード極の前記冷却部に放熱手段を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の固体高分子型燃料電池。
前記冷却部と前記カソード極の大気に開放されない部分を伝熱抑制物質で覆うことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の固体高分子型燃料電池。
前記冷却部に接する部位に、ペルチェ素子を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の固体高分子型燃料電池。
前記冷却部に接する部位に、送風する機構を設けることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の固体高分子型燃料電池。
前記アノード室は、内部に保水材を備えることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の固体高分子型燃料電池。
前記アノード室は、内部に蓄積された水を前記アノード室の外部に導水し、一端を前記アノード室の底部に配置された導水シートを有することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の固体高分子型燃料電池。
前記導水シートがパーフルオロスルホン酸ポリマーと二酸化チタンの混合物であることを特徴とする請求項１２に記載の固体高分子型燃料電池。
前記アノード極の燃料がホウ素の水素化物から得られた水素ガスであることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の固体高分子型燃料電池。
水素を含む第一の燃料と酸素を含む第二の燃料とが、発電部で電気化学反応をすることにより、発電を行う燃料電池システムにおいて、
前記発電部と、
前記発電部に隣接し、第一の燃料が供給される燃料室と、
前記発電部で発生した水を、前記発電部との温度勾配により凝集させる冷却部と、
凝集した前記水を前記燃料室に供給する供給部と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。