JP2007323813A - 固体高分子形燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】乾燥ガス又は湿潤ガスの流量の増減などの運転条件の変化があっても適切にガスを加湿出来る加湿器を備えた固体高分子型燃料電池システムを提供する。
【解決手段】プロトン導電性の電解質膜を一対の電極で挟んだ発電セルを有する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに導入されるカソードガス又はアノードガスと、水蒸気を含む湿潤ガスとが導入される加湿器とを有し、前記加湿器は、導入された前記湿潤ガスと前記カソードガス又は前記アノードガスの流れを隔てる多孔質の分離層１０１と、前記分離層１０１の前記カソードガス又は前記アノードガスが流れる側に形成される親水性の放出層１０２とを有する固体高分子型燃料電池である。
【選択図】図１

Description

本発明は、加湿フィルタを有する加湿器を備えた固体高分子型燃料電池に関する。

固体高分子型燃料電池（以下、ＰＥＦＣ）は、プロトン導電性の固体高分子電解質膜を一対の電極（アノード及びカソード）で挟んだ発電セルと、燃料（還元剤）であるアノードガス（例えば水素）と酸化剤であるカソードガス（例えば酸素）とを分離して、アノードガスをアノードに、カソードガスをカソードに案内するセパレータとを積層した燃料電池スタックを有する。

セパレータに金属やカーボンを材料として用いた場合、セパレータを介して複数の発電セルのアノードとカソードとが向き合うように積層することにより、その積層体（燃料電池スタック）の両端から電気を取り出し、仕事をさせることができる。

尚、燃料電池スタックは、発電と共に発熱するため積層体の間に、冷却水を流す冷却セパレータを配置することもある。

ここで、ＰＥＦＣに用いられる電解質膜は一般にまく中に水分が存在することでプロトンの移動を可能としている。電解質膜が乾燥しすぎると、プロトンの移動が阻害され、セル電圧の低下が起こる。したがって、ＰＥＦＣを発電させるためには、電解質膜が過剰に乾燥することを防ぐ必要がある。

電解質膜を過剰に乾燥させない技術としては、燃料ガス又は酸化剤ガスに適度な水蒸気を含有させてそれをＰＥＦＣに供給するという技術がある（特許文献１−３）。

特開２００５−４０６７５号公報 特開２００４−２０６９５１号公報 特許第３０２９４１６号公報

水蒸気を多く含む湿潤ガスから水透過層を介して乾燥ガスを加湿させる場合、両ガスを隔てる層が一層であるとガス流量の増減などの運転条件の変化があった場合に、乾燥ガスを適切に加湿することが困難である。すなわち、乾燥ガスに対して湿潤ガスが相対的に少なければ、過失が不十分となるし、多ければ加湿が過剰となる。

本発明の目的は、乾燥ガス又は湿潤ガスの流量の増減などの運転条件の変化があっても適切に乾燥ガスを加湿できる加湿器を備えた固体高分子型燃料電池を提供することにある。

プロトン導電性の電解質膜を一対の電極で挟んだ発電セルを有する燃料電池スタックと、燃料電池スタックに導入されるカソードガス又はアノードガスと、水蒸気を含む湿潤ガスとが導入される加湿器とを有し、加湿器は、導入された湿潤ガスとカソードガス又はアノードガスの流れを隔てる多孔質の分離層と、分離層のカソードガス又はアノードガスが流れる側に形成される親水性の放出層とを有する固体高分子型燃料電池である。

本発明によれば、乾燥ガス又は湿潤ガスの流量の増減などの運転条件の変化があっても、適切に乾燥ガスを加湿できる。

以下に本発明にかかる実施形態を示す。但し、本発明はここで取り上げた実施例に限定されることはない。

本発明の実施形態としては、分離層１０１と水放出層１０２とが一体化された加湿フィルタである。前者は乾燥したガスと湿潤したガスを分離する機能を有する。後者は乾燥したガスに水分を付与する機能を有するものであって、水分は分離層を介して対面にある湿潤ガスより供給されるものである。

分離層１０１は、水分（水滴状，水蒸気状のいずれでも良い。）を移動させる機能を有し、主に水蒸気分圧の高い方から低い方へ拡散により移動させるものである。

水放出層１０２は、分離層から受け取った水を保持するための保水能力と、乾燥ガスとの接触による加湿能力の両方を兼ね備えているものである。

これらの接着，締め付け，シール剤による固定などによって、一体化し、加湿器のユニットに収納させるか、あるいは電池に組み込む。これにより、電池に供給する発電前のガスを加湿し、電解質膜が湿潤し低抵抗な状態を維持することができる。

このような分離層の片面に水放出層を接着したものを“二層式加湿フィルタ”と称する。

図１に示す加湿フィルタは本発明の２層式加湿フィルタの断面図であり、分離層１０１の片面に、水放出層１０２を接着した例である。本実施形態の場合は、加湿フィルタの分離層１０１側に水蒸気を多く含んだ湿潤ガスが流れ、水放出層１０２側に水蒸気が少ない乾燥ガスが流れる加湿器となる。

分離層１０１は、親水性高分子膜，イオン交換樹脂膜、あるいはセルロース系シート
（不織布，ペーパー類）でも良い。水蒸気を透過することができれば、非親水性の多孔質高分子膜や不織布状高分子シートを用いることも可能である。本実施形態では、水吸収層または水放出層が親水性であり、保水性の高い材料を用いるが、分離層は少なくとも水蒸気を透過させることができれば十分である。分離層が親水性で水を良く透過させることができ、かつ酸素ガスや窒素ガスを透過しにくいものであれば、より望ましい効果が得られる。また、水との親和性を高める、水の吸収性が良くするために、表面に酸素を有する官能基（水酸基，カルボニル基，エーテル基など）を持つ材料が望ましい。

分離層１０１表面の親水性は、水滴の接触核で規定すると、シートに吸収されて測定不能なレベル、すなわち実質的に接触角が０°であるか、接触角が２０°以下となる材料が適している。ガスの透過しにくさ、水蒸気の透過しやすさは、分離層１０１の材料や、分離層１０１を取り巻く雰囲気に依存するが、平均細孔径が０.０１から０.１μｍの範囲が望ましく、厚さは１０μｍから１００μｍが望ましい。

図１の二層式加湿フィルタの水放出層１０２は、水を液体として保持する能力のあるものであり、ガスも水も透過しやすい多孔質材料が良い。水放出層１０２の平均細孔径は分離層１０１の平均細孔径よりも大きい。水放出層に保持される水の量を増加するためには、水放出層１０２を形成する多孔質材料の空隙率が効いてくる。水放出層の平均細孔径は、１〜１００μｍが望ましく、空隙率は５０％以上１００％未満の高い空間容積を有するものが望ましく、８０％以上であればさらに望ましい。また、上限は、現実的には、多孔質材料の細孔径との関係で９０％以下がよい。水放出層１０２を形成する多孔質材料は、親水性のものが望ましく、水滴の接触角で規定すると、シートに吸収されて測定不可能なレベル、すなわち実質的に接触角が０°であるか、接触角が２０°以下となる材料が適している。水放出層１０２の厚さは１〜３mmの範囲であれば、水透過層としての効果を失うことなく、コンパクトな加湿器を作成できる。ここで使用可能な多孔質材料は、分離膜
１０１よりも吸水量の多いものが望ましい。それは、湿潤したガスから水を捕捉し、保持でき、かつ、乾燥したガスに水を供給するためである。ここで、吸水量とは、含ませることができる水の量であり、多孔質体の見かけの体積に空隙率を乗じた値で図ることができる。

水放出層１０２の具体的な材料としては、例えば、パルプとアクリル樹脂を混合したセルロース系ペーパー（厚さ０.５mm ）を用いることができる。また、分離層１０１として、例えば、プロトン伝導膜（例えば、パーフルオロスルホン酸膜）を用いることができる。

湿潤ガスから水放出層１０２を透過した水蒸気は、液体の水として水放出層に保持され、乾燥ガスに供給されるため、設計変更により湿潤ガスや乾燥ガスの流量が増減しても、加湿フィルタが緩衝作用を持つため加湿器に大幅な設計変更を加えることなく、乾燥ガスを適切に加湿することができる。

分離層１０１と水放出層１０２とは、ゴム系接着剤などを用いて接合させることができる。接着剤が当該ペーパーの細孔を閉塞しないように、可能な限り薄く接着剤を塗布する。あるいはある程度の閉塞があっても、非閉塞な面積の比率が相対的に大きければ、実質的に問題がない。

分離層１０１と水放出層１０２を接合する材料は、耐水性かつ水溶性不純物を多量に発生しないものであればよい。また、燃料電池の使用温度での耐熱性も必要である。その要件を満足させる例として、エポキシ樹脂を使用することができるが、それに限定されない。また、スポット状に樹脂のハトメ状の微小固定部品などを用い、水放出層１０２と分離層１０１とをつなぎ止めても良い。また、分離層１０１と水放出層１０２ (水吸収層202)とを、あるピッチにてスポット熱溶融により接着させる方法も採ることができる。

分離層２０１の両面に水吸収層と水放出層を接着し、一体化した三層構造を有する加湿フィルタを“三層式加湿フィルタ”と称する。

図２は三層式加湿フィルタの断面図である。三層式加湿フィルタは分離層２０１の一方の面に水吸収層２０２を、他方の面に水放出層２０３を備える。

分離層２０１と水放出層２０３とは、前述の２層式加湿フィルタの分離層１０１と水放出層１０２で用いた材料と同じ機能を有する材料を用いることができる。

水吸収層２０２としては、分離層２０１と同じ機能を有する材料を用いることができる。

三層式加湿フィルタも、前述の二層式加湿フィルタと同様に製作することができる。

本実施例においては、加湿フィルタの水吸収層２０２側に湿潤ガスが、水放出層２０３側に乾燥ガスが流れる加湿器となる。

本実施例によれば、水吸収層２０２が湿潤ガス中の水蒸気を補足し、分離層２０１を通って水放出層２０３に染み出し、乾燥ガス中に水蒸気として放出されるため、実施例に比べさらに緩衝作用が強くなる。

さらに、ガスと空気との授受を容易にするために、図２の水吸収層２０２，水放出層
２０３のいずれかあるいは両方をコルゲート構造（波型構造）にすると、コンパクトかつ高効率にガスの加湿が可能となる。

図３は、水吸収層３０２と水放出層３０３とがコルゲート構造である実施例である。図３の実施例では、水吸収層３０２と水放出層３０３とを、分離層３０１を介して、対称面に配置させた。積層数は両者で同じであっても良いし、異なっていても良い。

図３の水吸収層３０２と水放出層３０３とは、親水性シートを波状に加工した部品（コルゲート層３０４）と平板状のシート３０５とを接合した構成となっている。コルゲート層３０４を積層しやすくするため、複数のコルゲート層３０４の間にシート３０５を挿入して、複数のコルゲート層を一体化している。

分離層３０１は、前述の２層式加湿フィルタの分離層１０１と同様の機能を有する材料を利用でき、コルゲート層３０４と親水性シート３０５とは、前述の２層式加湿フィルタの水放出層と同様の機能を有する材料を利用できる。

本実施例の構造を採用すると、限られた容積においてガスとの接触面積を広く取ることができるので、２層式加湿フィルタや３層式加湿フィルタよりも高加湿ガスの生成に有利になる。すなわち、ガス流量が多くガス露点の高い条件が必要とする発電条件において、加湿器のコンパクト化が可能となる。この方法を採ると、コルゲート層の数の増減によって加湿条件が調整可能であり、加湿器におけるシール部等の設計変更を省略できる。このようなコルゲート構造を有する加湿フィルタをコルゲート式加湿フィルタと称する。

以下では、酸化剤ガスを加湿する場合を例として、一実施形態の内容を説明する。なお、加湿するガスは燃料ガスであってもよい。

まず、生成水を多量に含んだ湿潤ガス（燃料電池の発電に寄与した後の酸化剤ガスを用いることができればよりよい）を、図２の３層式または図３のコルゲート式加湿フィルタの水吸収層２０２（３０２）で取り込む。図１の二層式加湿フィルタを用いた場合は、水吸収層が省略されているので、湿潤ガスから水分が直接、分離層１０１を透過して、水放出層１０２へ移動する。

このような水吸収層２０２（３０２）にて吸収した水は、分離層２０１（３０１）を通って、水放出層２０３（３０３）に移動する。

分離層２０１（１０１，３０１）は、水放出層２０３へ水を受け渡す機能を有する。ここで、水はガス状態（水蒸気）あるいは液体状態のいずれの場合もありうる。水放出層
２０３と水吸収層２０２の厚さや空隙率は、必ずしも水放出層と同じでなくても良い。これは、水吸収層２０２あるいは水放出層２０３を維持するため、強度を必要とする場合、分離層の厚さを厚くするか、空隙率を小さくして、強度を得ることができるからである。分離層は非親水性の材料であっても良い。ただし、水との親和性が高い方が水の移動量が増加するので、表面に酸素を有する官能基（水酸基，カルボニル基，エーテル基など）を持つ材料を用いることがより望ましい。

水放出層２０３は、単層構造またはコルゲート構造を有し、水吸収層２０２で取り込んだ水分を乾燥した酸化剤ガス（燃料電池スタックの発電に寄与する前の乾燥ガス）に水を受け渡す機能を有する。

本発明にかかる２層式，３層式あるいはコルゲート式の加湿フィルタを用いることによって、固体高分子形燃料電池システムの小型化を図ることができる。特に、コルゲート式加湿フィルタでは、コルゲート層数の小さな変更により、ガス加湿露点を変更可能である。その結果、加湿フィルタを収納する容器のサイズや配管等の大きな変更を必要とせず、コルゲート層の厚さの増減のみ考慮した寸法変更のみで、多様なガス条件に対応可能となる。

図４は、本発明の加湿フィルタを有する加湿器を備えた固体高分子形燃料電池システムの構成の一例である。

図３のコルゲート式加湿フィルタを有する加湿器を備えた固体高分子形燃料電池システムを製作した。水吸収層４２４は、図４の拡大図に示されているように、分離層４２３の両面に接着されている。水吸収層４２４と水放出層４２５と分離層４２３と用いて加湿器を構成し、２つの加湿器から加湿ユニット４２２を製作した。

固体高分子型燃料電池システムは、発電セル４０１を積層した燃料電池スタックと、加湿ユニット４２２と、インバータ４２０とを有する。ここで、加湿器は、加湿ユニット
４２２として図４に示すように燃料電池スタックと一体に組み立てられていても良いし、燃料電池スタックとは分離して組み立てられていても良い。

図４の燃料電池の空気供給口４１０より乾燥空気を取り込み、加湿ユニット４２２において発電後の水蒸気を含んだ空気排ガスとの間で水交換を行い、発電前の空気が加湿される。湿潤させた空気は右側の燃料電池スタックへ供給される。発電セル４０１は、拡大図に示すように、電解質膜４０２の両面に電極層４０３を接合させた膜−電極接合体(MEA)とガス拡散層４０６とこれらを挟持するセパレータ４０４からなる。セル数は３０とした。

セルのガスリークを防止するために、セパレータの接合面にガスケット４０５を挿入している。発電時の熱を除去するため、冷却水の流れる冷却水用セパレータ４０８を配している。

発電後に生成水を保持した酸化剤の排ガスは各発電セル４０１から左方向に流れ、加湿ユニット４２２にて、発電前の空気に水蒸気を供給した後、空気排出口４１１より外界に放出される。

燃料ガスは、燃料供給口４１２から供給され加湿ユニット４２２はマニホールドを介してそのまま通過し、燃料電池スタックに至る。ここで酸化反応が起こる。反応後の排ガスは、左方向に流れて、燃料排出口４１３より電池外に排出される。

冷却水は、冷却水供給口４１４から右方向に供給され、冷却水用セパレータ４０８に流通されることにより、発電により生じた熱を奪い取り、セル温度を一定にする。熱を吸収した冷却水は、冷却水排出口４１５より電池外へ排出される。

加湿ユニット４２２と燃料電池スタックとは、端板４０９とボルト４１６，皿ばね417，ナット４１８とによって一括で締め付けられ、燃料電池を構成する。本実施形態の燃料電池をＥ１とする。

燃料電池Ｅ１は外部端子４２６にケーブル４１９を接続し、インバータ４２０にて直流電力を交流電力に変換し、モーターやヒーターなどの外部負荷４２１にて電力を消費するようにした。

外部負荷４２１に電力を供給する発電試験の前に、予め、バブラーにて７０℃の飽和空気を調整し、それを燃料電池に供給した。同時に７０℃の飽和水素を燃料電池に供給し、０.２Ａ／cm^２の電流密度にて、慣らし運転を実施した。組立直後では、電解質膜が完全な乾燥状態にあるため、予め慣らし運転を行うことで、電解質膜をある程度の湿潤状態を作ることができる。これを初期状態とする。このときのセル電圧は、０.７２Ｖ であった。なお、外部負荷４２１には、定電力負荷装置を用いた。

次に、無加湿の３０℃空気（相対湿度５０％）を供給することにして、電池の発電を継続した。外部負荷４２１には発熱量を制御可能なヒーターを用いた。１０時間経過すると、燃料電池スタックの内部での水分量が定常値となり、電池電圧が安定になった。このときのセル電圧は、０.７１Ｖ となり、無加湿であっても、大きな出力低下をもたらすことなく、発電可能であることを実証した。

参考として、空気を５０℃にて飽和させ、同一条件にて発電してもセル電圧は０.７２Ｖであることから、少なくとも入口空気露点が５０℃飽和相当にまで加湿されている、すなわち水循環により、５０℃飽和空気を供給したときと同じ状態になっていることがわかった。

次に、図４のコルゲート加湿フィルタを二層式加湿フィルタに交換し燃料電池を製作した。なお、図４の拡大図では、分離層４２３の左面に水吸収層４２４が示されているが、本実施形態は二層式加湿フィルタを用いているので、水吸収層４２４は存在しない。

発電セルの構成は変更しないで、セル数を３０とした。本実施形態の燃料電池をＥ２とする。

無加湿の３０℃空気（相対湿度５０％）を供給することにして、燃料電池の発電を継続した。１０時間経過すると、燃料電池スタックの内部での水分量が定常値となり、電池電圧が安定になった。このときのセル電圧は、０.７２Ｖ となり、無加湿であっても、大きな出力低下をもたらすことなく、発電可能であることを実証した。セル電圧は上記実施例の値（０.７１Ｖ ）よりも若干高くなった理由は、水の回収効率が高くなり、発電前の空気の露点が高くなったためである。参考として、空気を５０℃にて飽和させ、同一条件にて発電してもセル電圧は０.７１Ｖ であることから、少なくとも入口空気露点が５０℃飽和相当にまで加湿されている、すなわち水循環により、５０℃飽和空気を供給したときと同じ状態になっていることがわかった。

実施形態にかかる二層式加湿フィルタ。 実施形態にかかる三層式加湿フィルタ。 実施形態にかかるコルゲート式加湿フィルタ。 実施形態にかかる加湿フィルタを用いた加湿機を備えた燃料電池。

符号の説明

１０１，２０１，３０１，４２３…分離層、１０２，２０３，３０３，４２５…水放出層、２０２，３０２，４２４…水吸収層、３０４…コルゲート層、３０５…シート、401…発電セル、４０２…電解質膜、４０３…電極層、４０４…セパレータ、４０５…ガスケット、４０６…ガス拡散層、４０７，４０９…端板、４０８…冷却水用セパレータ、410…空気供給口、４１１…空気排出口、４１２…燃料供給口、４１３…燃料排出口、４１４…冷却水供給口、４１５…冷却水排出口、４１６…ボルト、４１７…皿ばね、４１８…ナット、４１９…ケーブル、４２０…インバータ、４２１…外部負荷、４２２…加湿ユニット、４２６…外部端子。

Claims (5)

1. プロトン導電性の電解質膜を一対の電極で挟んだ発電セルを有する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに導入されるカソードガス又はアノードガスと、水蒸気を含む湿潤ガスとが導入される加湿器とを有し、前記加湿器は、導入された前記湿潤ガスと前記カソードガス又は前記アノードガスの流れを隔てる多孔質の分離層と、前記分離層の前記カソードガス又は前記アノードガスが流れる側に形成される親水性の放出層とを有する固体高分子型燃料電池。
2. プロトン導電性の電解質膜を一対の電極で挟んだ発電セルを有する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに導入されるカソードガスと前記燃料電池スタックから排出されるカソード排ガスとが導入される加湿器とを有し、前記加湿器は、導入された前記カソード排ガスと前記カソードガスとの流れを隔てる多孔質の分離層と、前記分離層のカソードガス側に形成される親水性の放出層とを有する固体高分子型燃料電池。
3. 前記分離層の湿潤ガス側に親水性の水吸収層を有する請求項１記載の固体高分子型燃料電池。
4. 前記水放出層がコルゲート構造である請求項１記載の固体高分子型燃料電池。
5. 前記水吸収層がコルゲート構造である請求項３記載の固体高分子型燃料電池。
   

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