JP2008146972A - 燃料電池および燃料電池システム並びに燃料電池の温度制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】センサ類等の他の部材に対する被毒を回避するとともに、低温環境での使用を可能とする。
【解決手段】燃料電池は、電解質膜を２つの電極で挟持する膜電極接合体と、前記膜電極接合体の外側に配設されるセパレータと、前記膜電極接合体とセパレータの間に介在するシール部材１８とを備えた構成である。シール部材１８は、フッ素系ゴムからなり、内部にはヒータ（電熱線）２０が埋め込まれている。
【選択図】図２

Description

本発明は、膜電極接合体とセパレータの間にシール部材を介在する燃料電池と、前記燃料電池を備える燃料電池システムに関する。

近年、水素ガスと酸素との電気化学反応によって発電を行う燃料電池がエネルギ源として注目されている。燃料電池は、電解質膜を２つの電極で挟持した膜電極接合体と、反応ガスの流路を備えるセパレータとが一体に構成されている単電池を複数積層した構造を有する。なお、膜電極接合体とセパレータの間は、反応ガスが電解質膜の周縁部から漏出しないように気密にガスシールしなければならず、下記の特許文献１〜４に記載されているように、膜電極接合体とセパレータの間にシール部材が介在されていた。

前記シール部材としては、シリコンゴムから成形してなるものと、フッ素ゴムから成形してなるものとが提案されていた（例えば、特許文献３）。

特開２００１−１５１３３号公報 特開２００６−２３７０１７号公報 特開２００２−２２１２７６号公報 特開２００４−５５４２８号公報

シリコンゴムは、低温性に優れてはいるが、有機シリコンを排出してセンサ類等の他の部材を被毒する虞があった。一方、フッ素ゴムは、他の部材を被毒することはなかったが、低温性に劣っていた。フッ素ゴムは、−１５℃〜２００℃という使用温度範囲であり、−１５℃よりも低温環境においては、劣化を生じゴム弾性を失うことがあった。こうしたために、前記従来の技術の燃料電池では、例えば自動車搭載用のような−３０℃の低温環境での使用を可能とすることと、他の部材の被毒を回避することの両立を図ることができないという問題があった。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、センサ類等の他の部材に対する被毒を回避するとともに、低温環境での使用を可能とすることを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の燃料電池は、
電解質膜を２つの電極で挟持する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の外側に配設されるセパレータと、
前記膜電極接合体とセパレータの間に介在するシール部材と
を備えた燃料電池において、
前記シール部材は、フッ素系ゴムからなり、
前記シール部材を加熱する加熱手段
をさらに備えたことを特徴としている。

前記構成の燃料電池によれば、シール部材はフッ素系ゴムからなることから、センサ類等の他の部材に対する被毒を回避することができる。さらに、シール部材は、加熱手段により加熱されることから、フッ素系ゴムの使用温度範囲内に昇温されることになり、低温環境での使用が可能となる。したがって、本発明の燃料電池によれば、低温環境での使用を可能とすることと、センサ類等の他の部材に対する被毒を回避することの両立を図ることができる。

前記シール部材は、内部に前記加熱手段としての電熱線を備える構成としてもよい。この構成によれば、フッ素系ゴムを内部から直接加熱することができることから、エネルギ効率に優れる。また、電熱線への通電を制御することで、応答性よく加熱を行うことができる。

また、前記シール部材は、内部に前記加熱手段としての温水流路を備える構成とすることもできる。

本発明の燃料電池システムは、
本発明の燃料電池と、
前記燃料電池に備えられた前記シール部材の温度を検出する温度センサと、
前記温度センサにより検出された温度が所定値を下回ったときに、前記加熱手段を駆動する制御手段と
を備えたことを特徴としている。

前記構成の燃料電池システムによれば、燃料電池に備えられたシール部材の温度が所定値を下回ったときに、加熱手段によってシール部材が加熱される。このため、シール部材の温度が低いときに、フッ素系ゴムからなるシール部材の温度が高められる。したがって、フッ素系ゴムの加熱が必要なときだけ、加熱手段の駆動を行うことができることから、本発明の燃料電池と同様な効果を奏するとともに、加熱手段の駆動用のエネルギの浪費を防ぐことができる。

前記構成の燃料電池システムにおいて、前記温度センサは、前記燃料電池の外気温を前記シール部材の温度として検出する外気温センサとしてもよい。この構成によれば、燃料電池の使用温度環境が所定温度以下という低温環境時において、加熱手段の駆動を行うことができる。したがって、外気温センサといった簡単な構成の付加で、低温環境時におけるシール部材の劣化を防ぐことができる。

本発明の燃料電池の温度制御方法は、
本発明の燃料電池に係わる温度制御を行う燃料電池の温度制御方法において、
前記燃料電池に備えられた前記シール部材の温度を検出して、
前記温度センサにより検出された温度が所定値を下回ったときに、前記加熱手段を駆動することを特徴としている。

前記構成の燃料電池の温度制御方法によれば、前記燃料電池システムと同様な効果を奏する。

次に、本発明を実施するための最良の形態を実施例を用いて以下に説明する。

１．第１実施例
図１は、第１実施例としての燃料電池システム１００の全体構成を表す説明図である。燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、燃料電池１０の周辺の外気温を検出する外気温センサ３０と、外気温センサ３０により検出された外気温に基づいて燃料電池１０についての温度制御を行なう制御ユニット５０とを備える。温度制御については後ほど詳述する。燃料電池１０の構成について次に説明する。

燃料電池１０は、固体高分子型燃料電池であって、図示では、縦断面の一部が示されている。燃料電池１０は、主として、固体高分子電解質膜（以下、単に「電解質膜」と呼ぶ）１３の両面に電極１４，１５が配置された膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly、以下ＭＥＡという)１２と、このＭＥＡ１２の周囲に配設されたシール部材１８と、ＭＥＡ１２を両面から挟み込んだ状態でシール部材１８と密着する一対のセパレータ１６，１７とを備えている。この燃料電池１０は、単電池と呼ばれるものであり起電力が０．６〜０．８Ｖ程度である。このため、例えば車両の駆動モータの供給電源として使用する場合には、多数の燃料電池１０を緊密に積層することで数百Ｖの直流電源とする。

ＭＥＡ１２は、電解質膜１３を二つの電極、つまり燃料極であるアノード１４と酸素極であるカソード１５とで挟みこんだものである。本実施例のＭＥＡ１２は、電解質膜１３の面積がアノード１４やカソード１５の面積よりも大きい。ここで、電解質膜１３は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有する固体高分子材料で作製された膜であり、具体的にはフッ素系樹脂により形成された膜（デュポン社製のナフィオン膜等）などが挙げられる。

また、アノード１４及びカソード１５は、それぞれ触媒電極１４ａ，１５ａとガス拡散電極１４ｂ，１５ｂとによって構成されている。触媒電極１４ａ，１５ａは、電解質膜１３に接触する側に位置し、白金微粒子を担持させた導電性カーボンブラックにより形成されている。一方、ガス拡散電極１４ｂ，１５ｂは、触媒電極１４ａ，１５ａに積層され、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形成されている。なお、触媒電極１４ａ，１５ａに含まれる白金は、水素をプロトンと電子に分けるのを促進したり酸素とプロトンと電子から水を生成する反応を促進する作用を有するものであるが、同様の作用を有するものであれば白金以外のものを用いてもよい。また、ガス拡散電極１４ｂ，１５ｂは、カーボンクロスのほか、炭素繊維からなるカーボンペーパまたはカーボンフェルトによって形成してもよく、十分なガス拡散性および導電性を有していればよい。

一対のセパレータ１６，１７のそれぞれには、複数の孔や凹部が形成されている。この凹部によってＭＥＡ１２との間に、電気化学反応に供される反応ガスの流路が形成される。すなわち、アノード１４側のセパレータ１６とＭＥＡ１２との間には、水素を含有する燃料ガスが通過する単電池内燃料ガス流路１６ａが形成される。また、カソード１５側のセパレータ１７とＭＥＡ１２との間には、空気などの酸素を含有する酸化ガスが通過する単電池内酸化ガス流路１７ａが形成される。

一方、各セパレータ１６，１７に形成された厚さ方向の一対の孔１６ｂ，１７ｂは、複数の燃料電池１０を積層したときに、複数の燃料電池１０を貫くように設けられており、反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）を燃料電池の積層方向に流通可能とする流路を形成する。図示の例では、一対の孔１６ｂ，１７ｂは、上流側の燃料ガスの流路を形成しており、単電池内燃料ガス流路１６ａに図示しない溝により接続されることで、外部から送られてきた反応ガスを各単電池に分配する燃料ガスの供給マニホールドとして機能する。下流側の燃料ガスの流路を形成する図示しない各孔は、単電池内燃料ガス流路１６ａの他方端（前記孔１６ｂ，１７ｂが接続されたと反対側の端部）にそれぞれ接続されることで、各燃料電池１０から排出された燃料ガスを集合させて燃料電池の外部へ導く流体の排出マニホールドとして機能する。

図示の例では、酸化ガスの上流側の流路、下流側の流路を形成する孔については示されていないが、これらの孔についても孔１６ｂ，１７ｂと同様にマニホールドとして機能して、単電池内酸化ガス流路１７ａに対して酸化ガスの給排を行う。

シール部材１８は、ＭＥＡ１２の電解質膜１３のうちアノード１４やカソード１５が設けられていない外周部分の全周にわたって設けられるもので、ＭＥＡ１２とセパレータ１６の間およびＭＥＡ１２とセパレータ１７の間に介在する。ＭＥＡ１２とセパレータ１６の間に介在することにより、電解質膜１３とセパレータ１６によって囲まれる燃料ガスが存在する空間をシールし、ＭＥＡ１２とセパレータ１７の間に介在することにより、電解質膜１３とセパレータ１７によって囲まれる酸化ガスが存在する空間をシールする。なお、シール部材１８は、燃料ガスの積層方向のマニホールドとなった孔１６ｂ，１７ｂの部分には、マニホールドの流通を阻害しないよう孔１８ａを備えた形状となっている。

このシール部材１８は、フッ素系ゴムから成形したものである。このシール部材は、一対のセパレータ１６，１７間や、積層された燃料電池において隣接するセパレータとの間におけるガス漏れを防ぐ。

図２は、シール部材１８の一部分を縦方向に切断したときの断面図である。シール部材１８は、フッ素系ゴムを材料としており、内部にはヒータ（電熱線）２０が埋め込まれている。ヒータ２０は、シール部材１８の面と平行な方向に（図２の図面の表裏方向）複数本（図示の例では２本）伸びており、シール部材１８の全域を加熱し得る構成となっている。なお、ヒータ２０は、２本以外の他の複数本であってもよいし、１本であってもよく、要はシール部材１８の全域を加熱し得る構成であれば、何本でもよく、またどのようにシール部材１８内に張り巡らされてもよい。なお、シール部材１８は、シーリングに必要なゴム弾性を損ねない程度にヒータ２０を張り巡らしている。

制御ユニット５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ（図示せず）等を備えた周知のマイクロコンピュータによって構成される。ＲＯＭには、燃料電池１０の発電を制御する発電制御処理や、燃料電池１０の温度を制御する温度制御処理を示す各種のコンピュータプログラムが予め格納されている。ＣＰＵは、ＲＡＭをワークエリアとして用いることにより前記コンピュータプログラムを実行する。

制御ユニット５０の温度制御処理の一つに、シール部材１８に内蔵されたヒータ２０の通電をオン、オフ制御する処理がある。すなわち、制御ユニット５０は、ヒータ２０に電気的に接続されており、ヒータ２０を駆動する。また、制御ユニット５０は、外気温センサ３０と電気的に接続されており、外気温センサ３０で検出された温度Ｔは、制御ユニット５０に送られる。

外気温センサ３０は、燃料電池１０の外側に配置されており、燃料電池１０の周辺の外気温を検出する。制御ユニット５０は、外気温センサ３０で検出された温度Ｔが所定値（例えば、−１５℃）を下回ったときに、ヒータ２０の通電をオンに制御する。

図３は、ヒータ２０の通電制御処理のフローチャートである。この処理は、制御ユニット５０における燃料電池１０の温度制御の一部として、割り込み処理により実行される。

割り込み処理が開始されると、制御ユニット５０は、外気温センサ３０から、温度Ｔを入力する（ステップＳ１１０）。続いて、制御ユニット５０は、温度Ｔが所定値Ｔ０より低いか否かを判断する（ステップＳ１２０）。ここで、所定値Ｔ０は、例えば、−１５℃である。ステップＳ１２０で、温度Ｔが所定値Ｔ０よりも低いと判定された場合には、制御ユニット５０は、ヒータ２０への通電を開始して（ステップＳ１３０）、その後、「リターン」へ抜けて、本制御処理を一旦終了する。一方、ステップＳ１２０で、温度Ｔが所定値Ｔ０以上であると判定された場合には、制御ユニット５０は、ヒータ２０への通電を行なわず、あるいは、通電を停止し（ステップＳ１４０）、その後、「リターン」へ抜けて、本制御処理を一旦終了する。こうしてヒータ２０への通電を制御して、シール部材１８の温度が所定の温度を下回らないように制御する。

以上のように構成された燃料電池システム１００に備えられた燃料電池１０では、シール部材１８はフッ素系ゴムからなることから、センサ類等の他の部材に対する被毒を回避することができる。さらに、シール部材１８は、内蔵されたヒータ２０により加熱されることから、フッ素系ゴムの使用温度範囲内に昇温することが可能となり、燃料電池１０は低温環境で使用することができる。特にこの実施例では、燃料電池１０の外側に配置された外気温センサにより検出された温度Ｔが−１５℃を下回ったときに、ヒータ２０への通電を行うよう構成されていることから、−３０℃といった自動車の使用温度範囲である低温環境でも、フッ素系ゴムよりなるシール部材１８は劣化することがない。したがって、自動車搭載用として良好である。

なお、この実施例では、シール部材１８にヒータ２０を内蔵する構成としていることから、フッ素系ゴムを内部から直接加熱することができ、エネルギ効率に優れる。また、ヒータ２０への通電を制御することで、応答性よく加熱を行うことができる。さらに、この燃料電池システム１００では、外気温Ｔがー１５℃を下回ったときにだけ、ヒータ２０を通電する構成であることから、加熱が不要なときのヒータ２０の通電を停止することができ、通電用の電力の浪費を防ぐことができる。

２．第２実施例
図４は、第２実施例としての燃料電池システム２００の全体構成を表す説明図である。本実施例の燃料電池システム２００に備えられる燃料電池１１０は、第１実施例の燃料電池システム１００に備えられる燃料電池１０と比較して、シール部材１１８の構成が相違するだけであり、その他の構成は同一である。なお、燃料電池１１０における燃料電池１０と同一のパーツには燃料電池１０と同一の符号を付した。

シール部材１１８の外側形状と配設位置は、第１実施例のシール部材１８と同一であるが、この第２実施例では、ヒータ２０に換えて、温水を流すための温水パイプ１２０が内蔵されている。

図５は、シール部材１１８の一部分を縦方向に切断したときの断面図である。シール部材１８は、第１実施例と同様にフッ素系ゴムを材料としており、内部には温水パイプ１２０が埋め込まれている。温水パイプ１２０は、シール部材１８の面と平行な方向に（図２の図面の表裏方向）伸びており、シール部材１８の全域を加熱し得る構成となっている。温水パイプ１２０には、温水供給部１４０から温水が供給される。

温水供給部１４０は、内部にヒータを備え、温水を供給する。なお、ヒータにより水を加熱する構成に換えて、燃料電池の廃熱を利用して水を加熱する構成等、他の方法により水を加熱する構成としてもよい。

燃料電池１１０の外側には、第１実施例と同様に、外気温センサ３０が設けられており、制御ユニット１５０は、外気温センサ３０により検出された温度Ｔが所定値（例えば、−１５℃）を下回ったときに、温水供給部１４０に対して温水の供給を行い、温度Ｔが所定値以上となったときに、温水の供給を停止する制御処理を実行する。

以上のように構成された第２実施例の燃料電池システム２００に備えられる燃料電池１１０では、第１実施例と同様に、低温環境での使用を可能とすることと、センサ類等の他の部材に対する被毒を回避することの両立を図ることができる。また、第１実施例と同様に、自動車搭載用として良好である。さらに、この第２実施例によれば、異常過熱を引き起こすことがないことからフッ素系ゴムを損傷させる虞がない。

３．他の実施形態：
なお、この発明は前記の各実施例やその変形例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り、例えば次のような変形も可能である。

（１）第１変形例：
前記各実施例では、シール部材１８，１１８を加熱する条件を、外気温センサ３０により検出された温度Ｔが−１５℃を下回ったときとしていたが、必ずしも−１５℃を下回ったときに限る必要はなく、フッ素系ゴムの使用温度範囲の下限である−１５℃の付近の温度であればいずれの温度を下回るときとしてもよい。

（２）第２変形例：
また、燃料電池の外側に設けた外気温センサ３０に換えて、燃料電池に内蔵された温度センサの検出値に基づく構成としてもよい。好ましくは、シール部材１８，１１８の温度を直接検出して、この温度が所定を下回ったときに、加熱手段を駆動する構成としてもよい。この構成によれば、フッ素系ゴムの低温性に劣る時を高精度に検出して、その時に限って加熱手段を駆動することができる。すなわち、前記各実施例は、シール部材の温度を擬似的に外気温センサ３０により検出したものであり、このように、シール部材の温度に影響を与えるような部位の温度であれば、いずれの部位の温度をシール部材の温度として検出する構成とすることもできる。

（３）第３変形例：
前記各実施例では、加熱手段としてのヒータ２０、温水パイプ１２０は、シール部材１８，１１８に内蔵する構成であったが、必ずしもシール部材１８，１１８の内部に設けた構成とする必要はなく、例えば、シール部材の表面にヒータ２０もしくは温水パイプ１２０を沿わせるようにして、シール部材を加熱する構成としてもよい。要は、シール部材を加熱することができればいずれの構成としてもよい。また、ヒータ２０、温水パイプ１２０は、シール部材１８，１１８の全域を必ずしも加熱している必要はなく、シール部材１８，１１８の一部だけを加熱する構成に換えることもできる。

（４）第４変形例：
前記各実施例では、シール部材１８，１１８は、ＭＥＡ１２とセパレータ１６の間と、ＭＥＡ１２とセパレータ１７の間との双方に介在する構成になっていたが、両方の間を個別のシール部材によってシールする構成としてもよい。この場合に、両方のシール部材を加熱手段により加熱する構成としてもよいし、いずれか一方のシール部材を加熱手段により加熱する構成としてもよい。

（５）第５変形例：
前記実施例では、セパレータ１６，１７は、複数の孔や凹部でガス流路が形成された構成であったが、これに換えて、セパレータをフラットな構成として、ガス流路をセパレータやＭＥＡと別体の金属多孔体や金属メッシュによって構成した構成としてもよい。すなわち、ＭＥＡとセパレータの間に、別体のガス流路形成部材を挟持した構成として、この構成において、ＭＥＡとセパレータの間をシール部材により固着する構成として本発明を提供することとしてもよい。

（６）第６変形例：
また、前各記実施例および変形例とは異なる種類の燃料電池に本発明を適用することとしてもよい。例えば、ダイレクトメタノール型燃料電池に適用することができる。あるいは、固体高分子以外の電解質膜を有する燃料電池であってもよく、本発明を適用することで同様の効果が得られる。

第１実施例としての燃料電池システム１００の全体構成を表す説明図である。 シール部材１８の一部分を縦方向に切断したときの断面図である。 ヒータ２０の通電制御処理のフローチャートである。 第２実施例としての燃料電池システム２００の全体構成を表す説明図である。 シール部材１１８の一部分を縦方向に切断したときの断面図である。

符号の説明

１０…燃料電池
１３…電解質膜
１４…アノード
１４ａ…触媒電極
１４ｂ…ガス拡散電極
１５…カソード
１６…セパレータ
１６ａ…単電池内燃料ガス流路
１７…セパレータ
１７ａ…単電池内酸化ガス流路
１６ｂ，１７ｂ…孔
１８…シール部材
１８ａ…孔
２０…ヒータ
３０…外気温センサ
５０…制御ユニット
１００…燃料電池システム
１１０…燃料電池
１１８…シール部材
１２０…温水パイプ
１４０…温水供給部
１５０…制御ユニット
２００…燃料電池システム

Claims (6)

1. 電解質膜を２つの電極で挟持する膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体の外側に配設されるセパレータと、
   前記膜電極接合体とセパレータの間に介在するシール部材と
   を備えた燃料電池において、
   前記シール部材は、フッ素系ゴムからなり、
   前記シール部材を加熱する加熱手段
   をさらに備えたことを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池であって、
   前記シール部材は、内部に前記加熱手段としての電熱線を備える
   燃料電池。
3. 請求項１に記載の燃料電池であって、
   前記シール部材は、内部に前記加熱手段としての温水流路を備える
   燃料電池。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池と、
   前記燃料電池に備えられた前記シール部材の温度を検出する温度センサと、
   前記温度センサにより検出された温度が所定値を下回ったときに、前記加熱手段を駆動する制御手段と
   を備えた燃料電池システム。
5. 請求項４に記載の燃料電池システムであって、
   前記温度センサは、前記燃料電池の外気温を前記シール部材の温度として検出する外気温センサである
   燃料電池システム。
6. 請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池に係わる温度制御を行う燃料電池の温度制御方法において、
   前記燃料電池に備えられた前記シール部材の温度を検出して、
   前記温度センサにより検出された温度が所定値を下回ったときに、前記加熱手段を駆動する燃料電池の温度制御方法。

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