燃料電池および燃料電池の運転方法
【課題】効率的に低温環境下における燃料電池の発電性能を維持する。
【解決手段】燃料電池１０は、電解質膜１１０と、電解質膜１１０に接している触媒層１１２と、触媒層１１２に対して電解質膜１１０とは逆の側に設けられた拡散層１２０と、拡散層１２０に対して触媒層１１２とは逆の側に設けられガス流路２２の外殻を構成するセパレータと、を備える。そして、触媒層１１２と電解質膜１１０と拡散層１２０とセパレータとのうちの少なくとも一つの構成要素は、水分を吸収して発熱することができ水分を放出して発熱可能な状態となることができる吸水発熱性素材１２０ｔを含む。
【解決手段】燃料電池１０は、電解質膜１１０と、電解質膜１１０に接している触媒層１１２と、触媒層１１２に対して電解質膜１１０とは逆の側に設けられた拡散層１２０と、拡散層１２０に対して触媒層１１２とは逆の側に設けられガス流路２２の外殻を構成するセパレータと、を備える。そして、触媒層１１２と電解質膜１１０と拡散層１２０とセパレータとのうちの少なくとも一つの構成要素は、水分を吸収して発熱することができ水分を放出して発熱可能な状態となることができる吸水発熱性素材１２０ｔを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、低温環境下において発電性能が低下しにくい燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、水素イオンを透過する電解質の両面に電極を配し、酸素と燃料ガスを接触させて発電を行う燃料電池が開発されている。たとえば、ある燃料電池システムにおいては、セルスタック体を収容するケーシングの収納部および蓋体を二重壁構造とし、その中に水分を吸収して発熱する発熱繊維を充填している。そして、セルスタック体の温度が０度Ｃに低下するとケーシング内にミスト状の水分を充満させる。このような従来技術として、たとえば、特許文献１がある。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−３５１６５３号公報
【特許文献２】特開２００５−４４６２４号公報
【０００４】
しかし、上記の技術においては、本来、温度を制御する必要がないケーシングの温度を上昇させることによってセルスタック体の温度を上昇させており、効率が悪い。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記の課題の少なくとも一部を取り扱うためになされたものであり、効率的に低温環境下における燃料電池の発電性能を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明では、一態様として燃料電池を以下のような構成とする。この燃料電池は、電解質膜と、電解質膜に接している触媒層と、触媒層に対して電解質膜とは逆の側に設けられた拡散層と、拡散層に対して触媒層とは逆の側に設けられるセパレータと、を備える。そして、触媒層と電解質膜と拡散層とセパレータとのうちの少なくとも一つの構成要素は、水分を吸収して発熱することができ水分を放出して発熱可能な状態となることができる吸水発熱性素材を含む。
【０００７】
このような態様においては、触媒層と電解質膜と拡散層とセパレータとのうちの吸水発熱性素材を含む構成要素それ自体が発熱する。このため、ケーシングが発熱する態様に比べて効率的に触媒層を加熱することができる。よって、低温環境下においても触媒層を発電に適した温度に効率的に昇温させることができ、その結果、低温環境下における燃料電池の発電性能を高めることができる。
【０００８】
なお、拡散層は、吸水発熱性素材を使用して構成され拡散層内においてセパレータの側から触媒層の側まで設けられた発熱部を備えることが好ましい。このような態様とすれば、吸水性を備える発熱部を介して、触媒層からガス流路に向けて、過剰な水を効率的に排出することができる。
【０００９】
また、セパレータが、触媒層に供給されるガスが流通するガス流路の内壁の少なくとも一部を構成する態様においては、セパレータは、以下のような構成とすることが好ましい。すなわち、セパレータは、その内壁を構成する部分に吸水発熱性素材を使用して構成された発熱部を備えることが好ましい。このような態様とすれば、ガス流路内を流通するガスを効率的に加熱することができる。
【００１０】
なお、以上で説明した燃料電池の運転は、以下のように行うことが好ましい。まず、工程（ａ）として、所定の条件が満たされる場合に、触媒層とセパレータの間に位置するガス流路に水分を含むガスを供給する。この工程をもうけることで、吸水発熱性素材にガス中の水分を吸収させ、発熱させて、触媒層を加熱することができる。よって、低温環境下における燃料電池の発電性能を高めることができる。
【００１１】
また、工程（ｂ）として、触媒層の温度が第１の温度より高いときに、ガス流路にガスを供給して発電を行うことが好ましい。なお、上記の所定の条件は、工程（ｂ）を実行する前において触媒層の温度が第１の温度未満であること、を含むことが好ましい。このような態様とすれば、発電に適した温度まで触媒層を加熱して、その後、発電を行うことができる。
【００１２】
なお、工程（ａ）の後に、工程（ｃ）として、吸水発熱性素材を含む構成要素を乾燥させることが好ましい。このような態様とすれば、工程（ａ）で吸水発熱性素材が発熱した後、吸水発熱性素材に水分を放出させて、再び、吸水発熱性素材を発熱可能な状態とすることができる。よって、次に低温環境下において燃料電池を運転する際に、水分を与えて吸水発熱性素材を発熱させることができる。
【００１３】
また、工程（ｃ）の後に、工程（ｄ）として、ガス流路内のガスの流通を止めることが好ましい。このような態様とすれば、燃料電池の運転を停止している状態において、ガスが流通して、ガスが含む水分を吸水発熱性素材が吸収して発熱してしまう可能性を低減できる。よって、次に低温環境下において燃料電池を運転する際に、水分を与えて吸水発熱性素材を発熱させることができる。なお、運転停止時には、吸水発熱性素材に水分を吸収させない状態を保って、ガス流路内のガスの流通を止めることが好ましい。
【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、燃料電池に用いられる積層構造体、燃料電池の製造方法、燃料電池用の積層構造体の形成方法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の実施形態：
図１は、第１の実施形態の燃料電池１０を示す斜視図である。燃料電池１０は、セパレータ２０、セパレータ３０、および膜電極接合体１００を有している。膜電極接合体１００は、セパレータ２０とセパレータ３０の間に位置する。
【００１６】
膜電極接合体１００は、電解質膜１１０と、電解質膜１１０の両側に設けられた触媒層１１２，１１４と、触媒層１１２，１１４の外側に設けられた拡散層１２０，１２２と、を有している。なお、触媒層１１４は、図１においては、電解質膜１１０の裏側に位置するため、図示されない。
【００１７】
電解質膜１１０は、水を含有した状態で水素イオンを伝導することができる固体高分子膜である。本実施形態では、一例としてナフィオン（登録商標）を使用する。電解質膜１１０には、温度センサＴｍが設けられている。
【００１８】
触媒層１１２，１１４は、電解質膜１１０の両側に接触するように設けられる。触媒層１１２，１１４は、たとえば、カーボン粒子の表面に白金触媒を担持させたものを電解質膜１１０の表面に積層して作成される。カーボン粒子の表面には、電解質膜１１０と同素材の電解質が付着されている。各カーボン粒子は、その電解質を介して電解質膜１１０および他のカーボン粒子と接合する。触媒層１１２は、酸素極（カソード）として機能する。触媒層１１４は、水素極（アノード）として機能する。燃料電池の運転中は、電子は、図示しない電気回路を通って水素極（触媒層１１４）から酸素極（触媒層１１２）に移動する。
【００１９】
拡散層１２０は、触媒層１１２に対して電解質膜１１０とは逆の側に設けられる。拡散層１２２は、触媒層１１４に対して電解質膜１１０とは逆の側に設けられる。拡散層１２０，１２２は、たとえば、撥水処理されたカーボンペーパとすることができる。膜電極接合体１００内に存在する水は、拡散層１２０，１２２を伝わって外部に排出される。このため、膜電極接合体１００の酸素極および水素極において水が滞留して燃料ガスおよび酸化ガスと電極との接触が妨げられ、その結果、発電が阻害されてしまう可能性が低減される。
【００２０】
セパレータ２０は酸素流路２２を有しているカーボン製の板状体である。すなわち、酸素流路２２の内壁の一部２２ｗは、セパレータ２０によって構成される。そして、酸素流路２２の内壁の他の一部は、拡散層１２０によって構成される。酸素流路２２は、セパレータ２０と触媒層１１２の間に位置する。
【００２１】
この酸素流路２２内を流通する酸素含有ガスは、拡散層１２０を介して触媒層１１２と接触する。酸素含有ガスの流通方向を図１においてＡｏで示す。第１の実施形態では、酸素含有ガスは空気である。
【００２２】
一方、セパレータ３０は水素流路３２を有しているカーボン製の板状体である。すなわち、水素流路２２の内壁の一部３２ｗは、セパレータ３０によって構成される。そして、水素流路３２の内壁の他の一部は、拡散層１２２によって構成される。水素流路３２は、セパレータ３０と触媒層１１４の間に位置する。
【００２３】
この水素流路３２内を流通する水素含有ガスは、拡散層１２２を介して触媒層１１４と接触する。本明細書においては、この水素含有ガスを「燃料ガス」とも言う。燃料ガス中の水素のイオンは、水素極１１４側から酸素極１１２側に膜電極接合体１００を透過し、酸素極１１２側において酸素と反応する。燃料ガスの流通方向を図１においてＡｈで示す。
【００２４】
なお、図１では、燃料電池１０の主要な構成部分のみを示した。図１では図示を省略したが、燃料電池１０は、酸素流路２２内の空気が外部に漏出せず、かつ、水素極側に漏出しないように構成されている。また、燃料電池１０は、水素流路３２内の水素含有ガスが外部に漏出せず、かつ、酸素極側に漏出しないように構成されている。
【００２５】
図２は、膜電極接合体１００の拡大平面図および拡大断面図である。図２の上段に、膜電極接合体１００の拡大平面図を示す。図２の下段に、膜電極接合体１００のＡ−Ａ断面図を示す。拡散層１２０は、一部に、親水性を有する吸水発性熱繊維で構成された発熱部１２０ｔを有する。発熱部１２０ｔは、拡散層１２０を構成するカーボンペーパ１２０ｃを触媒層１１２の側からセパレータ２０（酸素流路２２）の側に貫通するように構成されている。このような態様とすることで、触媒層１１２において電気化学反応によって生成された水を、親水性の発熱部１２０ｔを介して酸素流路２２に排出できる。なお、拡散層１２０のカーボンペーパ１２０ｃは、撥水性である。拡散層１２０における発熱部１２０ｔの割合は、乾燥状態で約５重量％である。
【００２６】
なお、発熱部１２０ｔは、たとえば、拡散層１２０を構成するカーボンペーパ１２０ｃにレーザで穴をあけ、その穴内に吸水発性熱繊維を充填することで形成することができる。吸水発性熱繊維としては、東洋紡績株式会社のモイスケア（商品名）、または美津濃株式会社よりブレスサーモ（商品名）として販売されている製品を使用することができる。これらの吸水発熱性繊維は、水分を吸収して発熱する。また、これらの吸水発熱性繊維は、加熱され、または発熱時に比べて湿度が低い環境下におかれると、水分を放出して、発熱前の状態に戻る。そして、その後、再び水分を吸収して発熱することができる。これらの製品は、親水性を有する。
【００２７】
拡散層１２２も、同様に、発熱部１２２ｔを有する（図２の下段参照）。拡散層１２２の発熱部１２２ｔの構成および製法は、拡散層１２０の発熱部１２０ｔと同じである。このような態様とすることで、触媒層１１２から電解質膜１１０を通じて触媒層１１４に浸透した水のうちの過剰な水を、発熱部１２２ｔを介して水素流路３２に排出できる。
【００２８】
図３は、セパレータ２０の拡大平面図および拡大断面図である。図３の上段に、セパレータ２０の拡大平面図を示す。図３の下段に、セパレータ２０のＢ−Ｂ断面図を示す。セパレータ２０は、酸素流路２２の内壁２２ｗを構成する側の面を、発熱部２０ｔで覆われている。発熱部２０ｔは、図３の上段に示すように、格子状に構成されている。各格子を形成する辺は、吸水発熱性繊維を互いに接するように辺に平行に配して構成することができる。
【００２９】
発熱部２０ｔが格子状に構成されているため、セパレータ２０の一部は露出している。このセパレータ２０の露出部２０ｅを通じて、セパレータ２０と膜電極接合体１００との間に導電性が確保される。なお、発熱部２０ｔがセパレータ２０の酸素流路２２を構成する側の面を覆っている部分の面積比は、約５％である。
【００３０】
なお、発熱部２０ｔは吸水発熱性繊維１本分の厚みで構成される。このような構成とすることで、セパレータ２０と膜電極接合体１００との接触抵抗を少なくすることができる。
【００３１】
セパレータ３０も、同様に、発熱部３０ｔを有する。セパレータ３０の発熱部３０ｔの構成は、セパレータ２０の発熱部２０ｔと同じである。そのような態様とすることで、セパレータ３０の露出部３０ｅを通じて、セパレータ３０と膜電極接合体１００との間に導電性が確保される。
【００３２】
図４は、低温環境下における本実施形態の燃料電池１０の運転方法を示すフローチャートである。「低温環境下」とは、たとえば、０度Ｃ以下の環境下である。ユーザによって燃料電池１０の運転開始が指示されると、まず、ステップＳ１０において、暖機運転が行われる。具体的には、水分を含む空気が酸素流路２２に送られる。また、水分を含む燃料ガスが水素流路３２に送られる。この段階では、水素極（触媒層１１４）と酸素極（触媒層１１２）を結ぶ電気回路はＯＮになっていない。このため、ステップＳ１０では、発電は行われない。
【００３３】
ステップＳ１０においては、吸水発熱繊維で構成されたセパレータ２０の発熱部２０ｔ、および拡散層１２０の発熱部１２０ｔが、空気が含む水分を吸収して発熱する（図２および図３参照）。また、吸水発熱繊維で構成されたセパレータ３０の発熱部３０ｔ、および拡散層１２２の発熱部１２２ｔが、燃料ガスが含む水分を吸収して発熱する。
【００３４】
ステップＳ２０においては、温度センサＴｍの出力に基づいて、電解質膜１１０が所定の温度Ｔｔｈに達したか否かが判定される。なお、電解質膜１１０、触媒層１１２，１１４は、一体に設けられた薄膜であるので、触媒層１１２，１１４の温度は、電解質膜１１０の温度と等しい。電解質膜１１０がＴｔｈに達していない場合には、処理はステップＳ１０に戻る。電解質膜１１０がＴｔｈに達した場合は、処理はステップＳ３０に進む。なお、ここでは、温度Ｔｔｈは１度Ｃとする。ただし、Ｔｔｈは、０〜５度Ｃの任意の温度とすることができる。
【００３５】
ステップＳ３０では、定常運転が行われる。具体的には、水素極（触媒層１１４）と酸素極（触媒層１１２）を結ぶ電気回路がＯＮされ、発電が行われる。ステップＳ３０においては、上記の所定の温度、たとえば８０度Ｃ以上の環境で発電が行われる。このため、望ましい環境温度の下で効率的に発電を行うことができる。なお、定常運転においては、暖機運転と同様に、加湿した空気および燃料ガスを膜電極接合体１００に供給することができる（図１参照）。しかし、電解質膜１１０が充分な湿潤状態にあるときには、空気および燃料ガスの少なくとも一方への加湿を停止して、発電を行うこともできる。
【００３６】
ステップＳ４０では、ユーザによって燃料電池１０の運転終了が指示されたか否かが判定される。ユーザによって燃料電池１０の運転終了が指示されていない間は、ステップＳ３０の定常運転が行われる。ユーザによって燃料電池１０の運転終了が指示されると、処理はステップＳ５０に進む。
【００３７】
ステップＳ５０では、乾燥運転が行われる。具体的には、定常運転時に比べて加湿される水分の量が少ない空気が酸素流路２２に送られる。また、定常運転時に比べて加湿された水分の量が少ない燃料ガスが水素流路３２に送られる。なお、「定常運転時に比べて」とは、定常運転においてもっとも加湿される水分が多い状態との比較を意味する。乾燥運転においては、たとえば、空気および燃料ガスは、加湿されずに電解質膜１１０に供給される。
【００３８】
そして、乾燥運転においては、燃料電池１０は、高電流かつ低電圧で運転される。その結果、膜電極接合体１００が高温となる。すると、吸水発熱繊維で構成された拡散層１２０の発熱部１２０ｔ、および拡散層１２２の発熱部１２２ｔは熱を吸収し、湿度の低い空気または燃料ガスに対して水分を放出する。そして、発熱部１２０ｔおよび発熱部１２２ｔは、「水分を与えられると再び発熱が可能である状態」となる。
【００３９】
また、燃料電池１０は、高電流かつ低電圧で運転されると、膜電極接合体１００の熱でセパレータ２０，３０も高温となる。このため、吸水発熱繊維で構成されたセパレータ２０の発熱部２０ｔ、およびセパレータ３０の発熱部３０ｔは熱を吸収し、湿度の低い空気または燃料ガスに対して水分を放出する。その結果、発熱部２０ｔおよび発熱部３０ｔは、「水分を与えられると再び発熱が可能である状態」となる。
【００４０】
ステップＳ５０において、所定時間、乾燥運転が行われると、燃料電池１０の運転は終了する。なお、運転終了時には、燃料電池１０内の酸素流路２２および水素流路３２は密閉され、ガスが流通しない状態を保たれる。そのようにすることで、運転が停止されている間、発熱部１２０ｔ、発熱部１２２ｔ、発熱部２０ｔおよび発熱部３０ｔが外部から侵入する空気や燃料ガスから水分を吸収しない状態が保たれる。なお、通常無加湿の外気より運転時の加湿ガスの方が湿度が高い。そのため、仮に多少外気が侵入して各発熱部が若干発熱したとしても、加湿ガス導入時にそれらは十分発熱する。よって、運転終了時に酸素流路２２および水素流路３２を密閉しない態様とすることもできる。
【００４１】
運転終了後に上記の処理が行われるため、発熱部１２０ｔ、発熱部１２２ｔ、発熱部２０ｔおよび発熱部３０ｔは、運転終了後、「水分を与えられると再び発熱可能な状態」を保たれる。よって、その後、再び低温環境下で燃料電池１０の運転開始の指示が出された場合には、ステップＳ１０において、発熱部１２０ｔ、発熱部１２２ｔ、発熱部２０ｔおよび発熱部３０ｔを発熱させ、暖機運転を行うことができる。
【００４２】
なお、ステップＳ１０における暖機運転において発熱部１２０ｔ、発熱部１２２ｔ、発熱部２０ｔおよび発熱部３０ｔに吸収された水分の一部は、ステップＳ２０における定常運転において放出される。定常運転においては、暖機運転よりも温度が高い状態が保たれるためである。放出された水分は、電解質膜１１０を一定の湿潤状態に保つために使用される。また、過剰な水分は、酸素流路２２、水素流路３２を通じて排出される。
【００４３】
燃料電池１０を以上で説明したような構成とし、図４のように運転することで、以下のような効果が得られる。すなわち、電気ヒータや燃料ガスを燃焼させる装置などの、膜電極接合体１００を加熱するための加熱装置を別途、設けることなく、低温環境下において燃料電池の温度を上昇させることができる。
【００４４】
また、本実施形態において発熱素材に供給される水分は、燃料ガスおよび酸化ガスに含有される水分である。燃料ガスおよび酸化ガスには、膜電極接合体１００を一定の湿潤状態に保つため、多くの場合、加湿されている。すなわち、多くの場合、燃料ガスおよび酸化ガスに水分を保持させるための加湿手段が、燃料電池に設けられている。本実施形態によれば、それらの加湿手段によって燃料ガスおよび酸化ガスに付与される水分を利用して、膜電極接合体１００を加熱することができる。
【００４５】
また、本実施形態においては、発熱部１２０ｔ，１２２ｔが膜電極接合体１００の拡散層１２０，１２２に設けられている。このため、燃料電池１０を収納するケーシングに発熱素材を配する態様に比べて、効率的に膜電極接合体１００を加熱することができる。
【００４６】
また、本実施形態においては、発熱部２０ｔ，３０ｔがセパレータ２０，３０に設けられている。このため、燃料電池１０を収納するケーシングに発熱素材を配する態様に比べて、効率的に燃料ガスおよび酸化ガスを加熱することができる。よって、発熱部１２０ｔ，１２２ｔによって加熱された膜電極接合体１００の熱が、セルスタック外から供給される低温の燃料ガスや酸化ガスによって奪われてしまう可能性を低減できる。
【００４７】
さらに、本実施形態においては、撥水性の拡散層１２０内に、触媒層１１２の側から酸素流路２２の側に貫通するように、親水性の発熱部１２０ｔが設けられている。このため、触媒層１１２における過剰な水分は、効率的に酸素流路２２に排出される。よって、低温環境下で触媒層１１２において過剰な水分が凍結してしまう可能性を低減することができる。拡散層１２２内の発熱部１２２ｔも同様の効果を奏する。よって、低温環境下で触媒層１１４において過剰な水分が凍結してしまう可能性を低減することができる。
【００４８】
Ｂ．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り、例えば次のような変形も可能である。
【００４９】
Ｂ１．第１変形例：
上記の実施形態においては、吸水発熱性繊維で構成される部分は、セパレータ２０，３０の表面、および拡散層１２０，１２２内に設けられた（図２および図３参照）。しかし、吸水発熱性繊維で構成される部分は、これらの構成のうちの一部にのみ設けることもできる。また、電解質膜１１０や触媒層１１２，１１４内に吸水発熱性繊維を混入させることもできる。また、ある層と他の層との間に、吸水発熱性素材を配することもできる。そのような態様としても、効率的に膜電極接合体１００を加熱することができる。なお、層と層の間に吸水発熱性素材を配する場合には、それらの層同士の接触を妨げないような態様で配することが好ましい。
【００５０】
なお、電解質膜１１０や触媒層１１２，１１４内に吸水発熱性繊維を混入させる場合には、０．０１〜１０重量％だけ混入することが好ましい。吸水発熱性繊維の割合が０．０１重量％未満の場合には、触媒層や電解質膜を加熱するのに充分な熱を供給することができず、１０重量％よりも多い場合には、発電性能が大きく低下するためである。
【００５１】
また、上記実施形態では、拡散層１２０における発熱部１２０ｔの割合および拡散層１２２における発熱部１２２ｔの割合は、乾燥状態で約５重量％である。しかし、拡散層に含まれる発熱部の割合は他の値とすることもできる。ただし、拡散層に含まれる発熱部の割合は、乾燥状態で０．１〜１０重量％であることが好ましい。発熱部の割合が０．１重量％未満の場合には、触媒層や電解質膜を加熱するのに充分な熱を供給することができず、１０重量％よりも多い場合には、発電性能が大きく低下するためである。
【００５２】
Ｂ２．第２変形例：
上記実施形態では、拡散層１２０，１２２は、撥水処理されたカーボンペーパで構成される。しかし、拡散層１２０，１２２は、他の素材で構成することもできる。たとえば、拡散層１２０，１２２は、撥水処理されたカーボンクロスとすることができる。すなわち、拡散層は、連通した空隙を備える層とすることができる。なお、拡散層は、撥水性を有している部分を備えることが好ましい。
【００５３】
また、上記実施形態では、拡散層１２０，１２２の発熱部１２０ｔ，１２２ｔは、レーザであけられた穴に吸水発熱性素材を充填して構成された。しかし、拡散層１２０，１２２の発熱部１２０ｔ，１２２ｔは、カーボンペーパに注射器で吸水発熱性素材を注入するなど、他の方法で形成することもできる。
【００５４】
Ｂ３．第３変形例：
上記実施形態においては、セパレータ２０，３０は、ガス流路を構成する側の面全体を発熱部２０ｔ，３０ｔで覆われていた（図３参照）。しかし、セパレータは、ガス流路を構成する側の面の一部の領域を発熱部で覆われる態様とすることもできる。たとえば、ガス流路の内面を構成する部分のみを発熱部で覆われる態様とすることができる。さらに、ガス流路の内面を構成する部分のさらに一部の領域のみを発熱部で覆われる態様とすることもできる。
【００５５】
また、上記実施形態では、発熱部２０ｔは、セパレータ２０の酸素流路２２を構成する側の面を、５％だけ覆うように構成される（図３参照）。また、発熱部３０ｔは、セパレータ３０の水素流路３２を構成する側の面を、５％だけ覆うように構成される。しかし、発熱部がセパレータを覆う面積の割合は、他の値とすることができる。ただし、発熱部がセパレータを覆う面積の割合は、０．１〜１０％とすることが好ましい。発熱部がセパレータを覆う面積の割合が０．１重量％未満の場合には、ガス流路を流通するガスを加熱するのに充分な熱を供給することができないためである。そして、発熱部がセパレータを覆う面積の割合が１０重量％よりも多い場合には、接触抵抗が大きくなり、発電性能が大きく低下するためである。
【００５６】
また、上記実施形態においては、セパレータ２０，３０は、ガス流路を構成する溝２２，２３が設けられたカーボン製の板状体である。しかし、セパレータは他の態様とすることもできる。
【００５７】
たとえば、セパレータは、連通する空隙を有する構成要素を触媒層の側に備える態様とすることもできる。連通する空隙を有する構成要素としては、たとえば、互いに連通する細孔を有する発泡チタンなどの発泡金属、カーボンペーパ、カーボンクロスなどを採用することができる。そのような態様においては、連通する空隙を有する構成要素がガス流路として機能する。そして、セパレータがガス流路の外殻の少なくとも一部を構成する。ガス流路は、ガス流路内のガスが外部に漏出せず、かつ、他方の極の側に漏出しないように構成される。
【００５８】
また、燃料電池は、拡散層がガス流路を兼ねる態様とすることもできる。そのような態様においても、セパレータがガス流路の外殻の少なくとも一部を構成する。
【００５９】
Ｂ４．第４変形例：
上記実施形態においては、触媒層１１２と拡散層１２０は、互いに接している（図２の下段参照）。また、触媒層１１４と拡散層１２２も、互いに接している。さらに、拡散層１２０とセパレータ２０は、互いに接している（図１参照）。また、拡散層１２２とセパレータ３０も、互いに接している。
【００６０】
しかし、これらの各構成要素の間に、他の層を設けることもできる。たとえば、拡散層は、触媒層に対して電解質膜とは逆の側において、触媒層に接して、または触媒層との間に他の層を挟んで、設けられる態様とすることができる。また、セパレータは、拡散層に対して触媒層とは逆の側において、拡散層に接して、または拡散層との間に他の層を挟んで、設けられる態様とすることができる。
【００６１】
Ｂ５．第５変形例：
上記実施形態においては、発熱部１２０ｔ、発熱部１２２ｔ、発熱部２０ｔおよび発熱部３０ｔは、吸水発性熱繊維で設けられている。しかし、これらの構成は、他の素材で設けることもできる。すなわち、素材の態様は、固形であってもよいし、ゲル状であってもよい。すなわち、膜電極接合体を加熱するための発熱部は、環境に関する第１の状態において水分を吸収して発熱することができ、環境に関する第２の状態であって第１の状態よりも湿度が低い第２の状態において、水分を放出して発熱可能な状態となることができる吸水発熱性素材で設けることができる。そして、吸水発熱性素材は水分を放出させることで、くり返し発熱可能なものであることが好ましい。
【００６２】
Ｂ６．第６変形例：
上記実施形態においては、膜電極接合体１００の温度に応じた燃料電池１０の運転は、電解質膜１１０に設けられた温度センサＴｍの出力に基づいて行われた（図１および図４のステップＳ２０参照）。しかし、温度センサは、他の場所に設けることもできる。たとえば、温度センサは、触媒層１１２，１１４のいずれかに設けることができ、拡散層１２０，１２２のいずれかに設けることもできる。さらに、温度センサは、セルの冷却水出口に設けることもできる。すなわち、温度センサは、燃料電池１０内において、その出力に基づいて電解質膜１１０および触媒層１１２，１１４の温度を推定することができる場所に設けることができる。言い換えれば、電解質膜および触媒層の温度は、直接的に測定されることができ、また、間接的に測定されることもできる。
【００６３】
Ｂ７．第７変形例：
上記実施形態においては、乾燥運転時には、湿度の低いガスの供給と、燃料電池１０の高電流かつ低電圧の運転と、の両方が行われていた。しかし、いずれか一方のみを行うこともできる。そのような態様としても、セパレータや膜電極接合体１００内の吸水発熱性繊維から水分を放出させて、発熱可能な状態とすることができる。
【００６４】
Ｂ８．第４変形例：
上記実施形態では、暖機運転中は、発電を行わない（図４のステップＳ１０参照）。しかし、暖機運転中においても発電を行うこともできる。そのような態様においては、上記の実施形態に比べて、ユーザによる運転開始の指示から短い時間で発電を開始することができる。また、発電によって生成された水を使用して、吸水発熱性繊維で膜電極接合体１００を加熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】第１の実施形態の燃料電池１０を示す斜視図。
【図２】膜電極接合体１００の拡大平面図および拡大断面図。
【図３】セパレータ２０の拡大平面図および拡大断面図。
【図４】低温環境下における実施形態の燃料電池１０の運転方法を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００６６】
１０…燃料電池
２０，３０…セパレータ
２０ｅ…露出部
２０ｔ…発熱部
２２…酸素流路
３０…セパレータ
３０ｅ…露出部
３０ｔ…発熱部
３２…水素流路
１００…膜電極接合体
１１０…電解質膜
１１２…触媒層（酸素極）
１１４…触媒層（水素極）
１２０，１２２…拡散層
１２０ｃ…カーボンペーパ
１２０ｔ…発熱部
１２２…拡散層
１２２ｔ…発熱部
１２２ｃ…カーボンペーパ
Ａｏ…酸素含有ガスの流通方向を示す矢印
Ａｈ…水素含有ガスの流通方向を示す矢印
【技術分野】
【０００１】
この発明は、低温環境下において発電性能が低下しにくい燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、水素イオンを透過する電解質の両面に電極を配し、酸素と燃料ガスを接触させて発電を行う燃料電池が開発されている。たとえば、ある燃料電池システムにおいては、セルスタック体を収容するケーシングの収納部および蓋体を二重壁構造とし、その中に水分を吸収して発熱する発熱繊維を充填している。そして、セルスタック体の温度が０度Ｃに低下するとケーシング内にミスト状の水分を充満させる。このような従来技術として、たとえば、特許文献１がある。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−３５１６５３号公報
【特許文献２】特開２００５−４４６２４号公報
【０００４】
しかし、上記の技術においては、本来、温度を制御する必要がないケーシングの温度を上昇させることによってセルスタック体の温度を上昇させており、効率が悪い。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記の課題の少なくとも一部を取り扱うためになされたものであり、効率的に低温環境下における燃料電池の発電性能を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明では、一態様として燃料電池を以下のような構成とする。この燃料電池は、電解質膜と、電解質膜に接している触媒層と、触媒層に対して電解質膜とは逆の側に設けられた拡散層と、拡散層に対して触媒層とは逆の側に設けられるセパレータと、を備える。そして、触媒層と電解質膜と拡散層とセパレータとのうちの少なくとも一つの構成要素は、水分を吸収して発熱することができ水分を放出して発熱可能な状態となることができる吸水発熱性素材を含む。
【０００７】
このような態様においては、触媒層と電解質膜と拡散層とセパレータとのうちの吸水発熱性素材を含む構成要素それ自体が発熱する。このため、ケーシングが発熱する態様に比べて効率的に触媒層を加熱することができる。よって、低温環境下においても触媒層を発電に適した温度に効率的に昇温させることができ、その結果、低温環境下における燃料電池の発電性能を高めることができる。
【０００８】
なお、拡散層は、吸水発熱性素材を使用して構成され拡散層内においてセパレータの側から触媒層の側まで設けられた発熱部を備えることが好ましい。このような態様とすれば、吸水性を備える発熱部を介して、触媒層からガス流路に向けて、過剰な水を効率的に排出することができる。
【０００９】
また、セパレータが、触媒層に供給されるガスが流通するガス流路の内壁の少なくとも一部を構成する態様においては、セパレータは、以下のような構成とすることが好ましい。すなわち、セパレータは、その内壁を構成する部分に吸水発熱性素材を使用して構成された発熱部を備えることが好ましい。このような態様とすれば、ガス流路内を流通するガスを効率的に加熱することができる。
【００１０】
なお、以上で説明した燃料電池の運転は、以下のように行うことが好ましい。まず、工程（ａ）として、所定の条件が満たされる場合に、触媒層とセパレータの間に位置するガス流路に水分を含むガスを供給する。この工程をもうけることで、吸水発熱性素材にガス中の水分を吸収させ、発熱させて、触媒層を加熱することができる。よって、低温環境下における燃料電池の発電性能を高めることができる。
【００１１】
また、工程（ｂ）として、触媒層の温度が第１の温度より高いときに、ガス流路にガスを供給して発電を行うことが好ましい。なお、上記の所定の条件は、工程（ｂ）を実行する前において触媒層の温度が第１の温度未満であること、を含むことが好ましい。このような態様とすれば、発電に適した温度まで触媒層を加熱して、その後、発電を行うことができる。
【００１２】
なお、工程（ａ）の後に、工程（ｃ）として、吸水発熱性素材を含む構成要素を乾燥させることが好ましい。このような態様とすれば、工程（ａ）で吸水発熱性素材が発熱した後、吸水発熱性素材に水分を放出させて、再び、吸水発熱性素材を発熱可能な状態とすることができる。よって、次に低温環境下において燃料電池を運転する際に、水分を与えて吸水発熱性素材を発熱させることができる。
【００１３】
また、工程（ｃ）の後に、工程（ｄ）として、ガス流路内のガスの流通を止めることが好ましい。このような態様とすれば、燃料電池の運転を停止している状態において、ガスが流通して、ガスが含む水分を吸水発熱性素材が吸収して発熱してしまう可能性を低減できる。よって、次に低温環境下において燃料電池を運転する際に、水分を与えて吸水発熱性素材を発熱させることができる。なお、運転停止時には、吸水発熱性素材に水分を吸収させない状態を保って、ガス流路内のガスの流通を止めることが好ましい。
【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、燃料電池に用いられる積層構造体、燃料電池の製造方法、燃料電池用の積層構造体の形成方法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の実施形態：
図１は、第１の実施形態の燃料電池１０を示す斜視図である。燃料電池１０は、セパレータ２０、セパレータ３０、および膜電極接合体１００を有している。膜電極接合体１００は、セパレータ２０とセパレータ３０の間に位置する。
【００１６】
膜電極接合体１００は、電解質膜１１０と、電解質膜１１０の両側に設けられた触媒層１１２，１１４と、触媒層１１２，１１４の外側に設けられた拡散層１２０，１２２と、を有している。なお、触媒層１１４は、図１においては、電解質膜１１０の裏側に位置するため、図示されない。
【００１７】
電解質膜１１０は、水を含有した状態で水素イオンを伝導することができる固体高分子膜である。本実施形態では、一例としてナフィオン（登録商標）を使用する。電解質膜１１０には、温度センサＴｍが設けられている。
【００１８】
触媒層１１２，１１４は、電解質膜１１０の両側に接触するように設けられる。触媒層１１２，１１４は、たとえば、カーボン粒子の表面に白金触媒を担持させたものを電解質膜１１０の表面に積層して作成される。カーボン粒子の表面には、電解質膜１１０と同素材の電解質が付着されている。各カーボン粒子は、その電解質を介して電解質膜１１０および他のカーボン粒子と接合する。触媒層１１２は、酸素極（カソード）として機能する。触媒層１１４は、水素極（アノード）として機能する。燃料電池の運転中は、電子は、図示しない電気回路を通って水素極（触媒層１１４）から酸素極（触媒層１１２）に移動する。
【００１９】
拡散層１２０は、触媒層１１２に対して電解質膜１１０とは逆の側に設けられる。拡散層１２２は、触媒層１１４に対して電解質膜１１０とは逆の側に設けられる。拡散層１２０，１２２は、たとえば、撥水処理されたカーボンペーパとすることができる。膜電極接合体１００内に存在する水は、拡散層１２０，１２２を伝わって外部に排出される。このため、膜電極接合体１００の酸素極および水素極において水が滞留して燃料ガスおよび酸化ガスと電極との接触が妨げられ、その結果、発電が阻害されてしまう可能性が低減される。
【００２０】
セパレータ２０は酸素流路２２を有しているカーボン製の板状体である。すなわち、酸素流路２２の内壁の一部２２ｗは、セパレータ２０によって構成される。そして、酸素流路２２の内壁の他の一部は、拡散層１２０によって構成される。酸素流路２２は、セパレータ２０と触媒層１１２の間に位置する。
【００２１】
この酸素流路２２内を流通する酸素含有ガスは、拡散層１２０を介して触媒層１１２と接触する。酸素含有ガスの流通方向を図１においてＡｏで示す。第１の実施形態では、酸素含有ガスは空気である。
【００２２】
一方、セパレータ３０は水素流路３２を有しているカーボン製の板状体である。すなわち、水素流路２２の内壁の一部３２ｗは、セパレータ３０によって構成される。そして、水素流路３２の内壁の他の一部は、拡散層１２２によって構成される。水素流路３２は、セパレータ３０と触媒層１１４の間に位置する。
【００２３】
この水素流路３２内を流通する水素含有ガスは、拡散層１２２を介して触媒層１１４と接触する。本明細書においては、この水素含有ガスを「燃料ガス」とも言う。燃料ガス中の水素のイオンは、水素極１１４側から酸素極１１２側に膜電極接合体１００を透過し、酸素極１１２側において酸素と反応する。燃料ガスの流通方向を図１においてＡｈで示す。
【００２４】
なお、図１では、燃料電池１０の主要な構成部分のみを示した。図１では図示を省略したが、燃料電池１０は、酸素流路２２内の空気が外部に漏出せず、かつ、水素極側に漏出しないように構成されている。また、燃料電池１０は、水素流路３２内の水素含有ガスが外部に漏出せず、かつ、酸素極側に漏出しないように構成されている。
【００２５】
図２は、膜電極接合体１００の拡大平面図および拡大断面図である。図２の上段に、膜電極接合体１００の拡大平面図を示す。図２の下段に、膜電極接合体１００のＡ−Ａ断面図を示す。拡散層１２０は、一部に、親水性を有する吸水発性熱繊維で構成された発熱部１２０ｔを有する。発熱部１２０ｔは、拡散層１２０を構成するカーボンペーパ１２０ｃを触媒層１１２の側からセパレータ２０（酸素流路２２）の側に貫通するように構成されている。このような態様とすることで、触媒層１１２において電気化学反応によって生成された水を、親水性の発熱部１２０ｔを介して酸素流路２２に排出できる。なお、拡散層１２０のカーボンペーパ１２０ｃは、撥水性である。拡散層１２０における発熱部１２０ｔの割合は、乾燥状態で約５重量％である。
【００２６】
なお、発熱部１２０ｔは、たとえば、拡散層１２０を構成するカーボンペーパ１２０ｃにレーザで穴をあけ、その穴内に吸水発性熱繊維を充填することで形成することができる。吸水発性熱繊維としては、東洋紡績株式会社のモイスケア（商品名）、または美津濃株式会社よりブレスサーモ（商品名）として販売されている製品を使用することができる。これらの吸水発熱性繊維は、水分を吸収して発熱する。また、これらの吸水発熱性繊維は、加熱され、または発熱時に比べて湿度が低い環境下におかれると、水分を放出して、発熱前の状態に戻る。そして、その後、再び水分を吸収して発熱することができる。これらの製品は、親水性を有する。
【００２７】
拡散層１２２も、同様に、発熱部１２２ｔを有する（図２の下段参照）。拡散層１２２の発熱部１２２ｔの構成および製法は、拡散層１２０の発熱部１２０ｔと同じである。このような態様とすることで、触媒層１１２から電解質膜１１０を通じて触媒層１１４に浸透した水のうちの過剰な水を、発熱部１２２ｔを介して水素流路３２に排出できる。
【００２８】
図３は、セパレータ２０の拡大平面図および拡大断面図である。図３の上段に、セパレータ２０の拡大平面図を示す。図３の下段に、セパレータ２０のＢ−Ｂ断面図を示す。セパレータ２０は、酸素流路２２の内壁２２ｗを構成する側の面を、発熱部２０ｔで覆われている。発熱部２０ｔは、図３の上段に示すように、格子状に構成されている。各格子を形成する辺は、吸水発熱性繊維を互いに接するように辺に平行に配して構成することができる。
【００２９】
発熱部２０ｔが格子状に構成されているため、セパレータ２０の一部は露出している。このセパレータ２０の露出部２０ｅを通じて、セパレータ２０と膜電極接合体１００との間に導電性が確保される。なお、発熱部２０ｔがセパレータ２０の酸素流路２２を構成する側の面を覆っている部分の面積比は、約５％である。
【００３０】
なお、発熱部２０ｔは吸水発熱性繊維１本分の厚みで構成される。このような構成とすることで、セパレータ２０と膜電極接合体１００との接触抵抗を少なくすることができる。
【００３１】
セパレータ３０も、同様に、発熱部３０ｔを有する。セパレータ３０の発熱部３０ｔの構成は、セパレータ２０の発熱部２０ｔと同じである。そのような態様とすることで、セパレータ３０の露出部３０ｅを通じて、セパレータ３０と膜電極接合体１００との間に導電性が確保される。
【００３２】
図４は、低温環境下における本実施形態の燃料電池１０の運転方法を示すフローチャートである。「低温環境下」とは、たとえば、０度Ｃ以下の環境下である。ユーザによって燃料電池１０の運転開始が指示されると、まず、ステップＳ１０において、暖機運転が行われる。具体的には、水分を含む空気が酸素流路２２に送られる。また、水分を含む燃料ガスが水素流路３２に送られる。この段階では、水素極（触媒層１１４）と酸素極（触媒層１１２）を結ぶ電気回路はＯＮになっていない。このため、ステップＳ１０では、発電は行われない。
【００３３】
ステップＳ１０においては、吸水発熱繊維で構成されたセパレータ２０の発熱部２０ｔ、および拡散層１２０の発熱部１２０ｔが、空気が含む水分を吸収して発熱する（図２および図３参照）。また、吸水発熱繊維で構成されたセパレータ３０の発熱部３０ｔ、および拡散層１２２の発熱部１２２ｔが、燃料ガスが含む水分を吸収して発熱する。
【００３４】
ステップＳ２０においては、温度センサＴｍの出力に基づいて、電解質膜１１０が所定の温度Ｔｔｈに達したか否かが判定される。なお、電解質膜１１０、触媒層１１２，１１４は、一体に設けられた薄膜であるので、触媒層１１２，１１４の温度は、電解質膜１１０の温度と等しい。電解質膜１１０がＴｔｈに達していない場合には、処理はステップＳ１０に戻る。電解質膜１１０がＴｔｈに達した場合は、処理はステップＳ３０に進む。なお、ここでは、温度Ｔｔｈは１度Ｃとする。ただし、Ｔｔｈは、０〜５度Ｃの任意の温度とすることができる。
【００３５】
ステップＳ３０では、定常運転が行われる。具体的には、水素極（触媒層１１４）と酸素極（触媒層１１２）を結ぶ電気回路がＯＮされ、発電が行われる。ステップＳ３０においては、上記の所定の温度、たとえば８０度Ｃ以上の環境で発電が行われる。このため、望ましい環境温度の下で効率的に発電を行うことができる。なお、定常運転においては、暖機運転と同様に、加湿した空気および燃料ガスを膜電極接合体１００に供給することができる（図１参照）。しかし、電解質膜１１０が充分な湿潤状態にあるときには、空気および燃料ガスの少なくとも一方への加湿を停止して、発電を行うこともできる。
【００３６】
ステップＳ４０では、ユーザによって燃料電池１０の運転終了が指示されたか否かが判定される。ユーザによって燃料電池１０の運転終了が指示されていない間は、ステップＳ３０の定常運転が行われる。ユーザによって燃料電池１０の運転終了が指示されると、処理はステップＳ５０に進む。
【００３７】
ステップＳ５０では、乾燥運転が行われる。具体的には、定常運転時に比べて加湿される水分の量が少ない空気が酸素流路２２に送られる。また、定常運転時に比べて加湿された水分の量が少ない燃料ガスが水素流路３２に送られる。なお、「定常運転時に比べて」とは、定常運転においてもっとも加湿される水分が多い状態との比較を意味する。乾燥運転においては、たとえば、空気および燃料ガスは、加湿されずに電解質膜１１０に供給される。
【００３８】
そして、乾燥運転においては、燃料電池１０は、高電流かつ低電圧で運転される。その結果、膜電極接合体１００が高温となる。すると、吸水発熱繊維で構成された拡散層１２０の発熱部１２０ｔ、および拡散層１２２の発熱部１２２ｔは熱を吸収し、湿度の低い空気または燃料ガスに対して水分を放出する。そして、発熱部１２０ｔおよび発熱部１２２ｔは、「水分を与えられると再び発熱が可能である状態」となる。
【００３９】
また、燃料電池１０は、高電流かつ低電圧で運転されると、膜電極接合体１００の熱でセパレータ２０，３０も高温となる。このため、吸水発熱繊維で構成されたセパレータ２０の発熱部２０ｔ、およびセパレータ３０の発熱部３０ｔは熱を吸収し、湿度の低い空気または燃料ガスに対して水分を放出する。その結果、発熱部２０ｔおよび発熱部３０ｔは、「水分を与えられると再び発熱が可能である状態」となる。
【００４０】
ステップＳ５０において、所定時間、乾燥運転が行われると、燃料電池１０の運転は終了する。なお、運転終了時には、燃料電池１０内の酸素流路２２および水素流路３２は密閉され、ガスが流通しない状態を保たれる。そのようにすることで、運転が停止されている間、発熱部１２０ｔ、発熱部１２２ｔ、発熱部２０ｔおよび発熱部３０ｔが外部から侵入する空気や燃料ガスから水分を吸収しない状態が保たれる。なお、通常無加湿の外気より運転時の加湿ガスの方が湿度が高い。そのため、仮に多少外気が侵入して各発熱部が若干発熱したとしても、加湿ガス導入時にそれらは十分発熱する。よって、運転終了時に酸素流路２２および水素流路３２を密閉しない態様とすることもできる。
【００４１】
運転終了後に上記の処理が行われるため、発熱部１２０ｔ、発熱部１２２ｔ、発熱部２０ｔおよび発熱部３０ｔは、運転終了後、「水分を与えられると再び発熱可能な状態」を保たれる。よって、その後、再び低温環境下で燃料電池１０の運転開始の指示が出された場合には、ステップＳ１０において、発熱部１２０ｔ、発熱部１２２ｔ、発熱部２０ｔおよび発熱部３０ｔを発熱させ、暖機運転を行うことができる。
【００４２】
なお、ステップＳ１０における暖機運転において発熱部１２０ｔ、発熱部１２２ｔ、発熱部２０ｔおよび発熱部３０ｔに吸収された水分の一部は、ステップＳ２０における定常運転において放出される。定常運転においては、暖機運転よりも温度が高い状態が保たれるためである。放出された水分は、電解質膜１１０を一定の湿潤状態に保つために使用される。また、過剰な水分は、酸素流路２２、水素流路３２を通じて排出される。
【００４３】
燃料電池１０を以上で説明したような構成とし、図４のように運転することで、以下のような効果が得られる。すなわち、電気ヒータや燃料ガスを燃焼させる装置などの、膜電極接合体１００を加熱するための加熱装置を別途、設けることなく、低温環境下において燃料電池の温度を上昇させることができる。
【００４４】
また、本実施形態において発熱素材に供給される水分は、燃料ガスおよび酸化ガスに含有される水分である。燃料ガスおよび酸化ガスには、膜電極接合体１００を一定の湿潤状態に保つため、多くの場合、加湿されている。すなわち、多くの場合、燃料ガスおよび酸化ガスに水分を保持させるための加湿手段が、燃料電池に設けられている。本実施形態によれば、それらの加湿手段によって燃料ガスおよび酸化ガスに付与される水分を利用して、膜電極接合体１００を加熱することができる。
【００４５】
また、本実施形態においては、発熱部１２０ｔ，１２２ｔが膜電極接合体１００の拡散層１２０，１２２に設けられている。このため、燃料電池１０を収納するケーシングに発熱素材を配する態様に比べて、効率的に膜電極接合体１００を加熱することができる。
【００４６】
また、本実施形態においては、発熱部２０ｔ，３０ｔがセパレータ２０，３０に設けられている。このため、燃料電池１０を収納するケーシングに発熱素材を配する態様に比べて、効率的に燃料ガスおよび酸化ガスを加熱することができる。よって、発熱部１２０ｔ，１２２ｔによって加熱された膜電極接合体１００の熱が、セルスタック外から供給される低温の燃料ガスや酸化ガスによって奪われてしまう可能性を低減できる。
【００４７】
さらに、本実施形態においては、撥水性の拡散層１２０内に、触媒層１１２の側から酸素流路２２の側に貫通するように、親水性の発熱部１２０ｔが設けられている。このため、触媒層１１２における過剰な水分は、効率的に酸素流路２２に排出される。よって、低温環境下で触媒層１１２において過剰な水分が凍結してしまう可能性を低減することができる。拡散層１２２内の発熱部１２２ｔも同様の効果を奏する。よって、低温環境下で触媒層１１４において過剰な水分が凍結してしまう可能性を低減することができる。
【００４８】
Ｂ．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り、例えば次のような変形も可能である。
【００４９】
Ｂ１．第１変形例：
上記の実施形態においては、吸水発熱性繊維で構成される部分は、セパレータ２０，３０の表面、および拡散層１２０，１２２内に設けられた（図２および図３参照）。しかし、吸水発熱性繊維で構成される部分は、これらの構成のうちの一部にのみ設けることもできる。また、電解質膜１１０や触媒層１１２，１１４内に吸水発熱性繊維を混入させることもできる。また、ある層と他の層との間に、吸水発熱性素材を配することもできる。そのような態様としても、効率的に膜電極接合体１００を加熱することができる。なお、層と層の間に吸水発熱性素材を配する場合には、それらの層同士の接触を妨げないような態様で配することが好ましい。
【００５０】
なお、電解質膜１１０や触媒層１１２，１１４内に吸水発熱性繊維を混入させる場合には、０．０１〜１０重量％だけ混入することが好ましい。吸水発熱性繊維の割合が０．０１重量％未満の場合には、触媒層や電解質膜を加熱するのに充分な熱を供給することができず、１０重量％よりも多い場合には、発電性能が大きく低下するためである。
【００５１】
また、上記実施形態では、拡散層１２０における発熱部１２０ｔの割合および拡散層１２２における発熱部１２２ｔの割合は、乾燥状態で約５重量％である。しかし、拡散層に含まれる発熱部の割合は他の値とすることもできる。ただし、拡散層に含まれる発熱部の割合は、乾燥状態で０．１〜１０重量％であることが好ましい。発熱部の割合が０．１重量％未満の場合には、触媒層や電解質膜を加熱するのに充分な熱を供給することができず、１０重量％よりも多い場合には、発電性能が大きく低下するためである。
【００５２】
Ｂ２．第２変形例：
上記実施形態では、拡散層１２０，１２２は、撥水処理されたカーボンペーパで構成される。しかし、拡散層１２０，１２２は、他の素材で構成することもできる。たとえば、拡散層１２０，１２２は、撥水処理されたカーボンクロスとすることができる。すなわち、拡散層は、連通した空隙を備える層とすることができる。なお、拡散層は、撥水性を有している部分を備えることが好ましい。
【００５３】
また、上記実施形態では、拡散層１２０，１２２の発熱部１２０ｔ，１２２ｔは、レーザであけられた穴に吸水発熱性素材を充填して構成された。しかし、拡散層１２０，１２２の発熱部１２０ｔ，１２２ｔは、カーボンペーパに注射器で吸水発熱性素材を注入するなど、他の方法で形成することもできる。
【００５４】
Ｂ３．第３変形例：
上記実施形態においては、セパレータ２０，３０は、ガス流路を構成する側の面全体を発熱部２０ｔ，３０ｔで覆われていた（図３参照）。しかし、セパレータは、ガス流路を構成する側の面の一部の領域を発熱部で覆われる態様とすることもできる。たとえば、ガス流路の内面を構成する部分のみを発熱部で覆われる態様とすることができる。さらに、ガス流路の内面を構成する部分のさらに一部の領域のみを発熱部で覆われる態様とすることもできる。
【００５５】
また、上記実施形態では、発熱部２０ｔは、セパレータ２０の酸素流路２２を構成する側の面を、５％だけ覆うように構成される（図３参照）。また、発熱部３０ｔは、セパレータ３０の水素流路３２を構成する側の面を、５％だけ覆うように構成される。しかし、発熱部がセパレータを覆う面積の割合は、他の値とすることができる。ただし、発熱部がセパレータを覆う面積の割合は、０．１〜１０％とすることが好ましい。発熱部がセパレータを覆う面積の割合が０．１重量％未満の場合には、ガス流路を流通するガスを加熱するのに充分な熱を供給することができないためである。そして、発熱部がセパレータを覆う面積の割合が１０重量％よりも多い場合には、接触抵抗が大きくなり、発電性能が大きく低下するためである。
【００５６】
また、上記実施形態においては、セパレータ２０，３０は、ガス流路を構成する溝２２，２３が設けられたカーボン製の板状体である。しかし、セパレータは他の態様とすることもできる。
【００５７】
たとえば、セパレータは、連通する空隙を有する構成要素を触媒層の側に備える態様とすることもできる。連通する空隙を有する構成要素としては、たとえば、互いに連通する細孔を有する発泡チタンなどの発泡金属、カーボンペーパ、カーボンクロスなどを採用することができる。そのような態様においては、連通する空隙を有する構成要素がガス流路として機能する。そして、セパレータがガス流路の外殻の少なくとも一部を構成する。ガス流路は、ガス流路内のガスが外部に漏出せず、かつ、他方の極の側に漏出しないように構成される。
【００５８】
また、燃料電池は、拡散層がガス流路を兼ねる態様とすることもできる。そのような態様においても、セパレータがガス流路の外殻の少なくとも一部を構成する。
【００５９】
Ｂ４．第４変形例：
上記実施形態においては、触媒層１１２と拡散層１２０は、互いに接している（図２の下段参照）。また、触媒層１１４と拡散層１２２も、互いに接している。さらに、拡散層１２０とセパレータ２０は、互いに接している（図１参照）。また、拡散層１２２とセパレータ３０も、互いに接している。
【００６０】
しかし、これらの各構成要素の間に、他の層を設けることもできる。たとえば、拡散層は、触媒層に対して電解質膜とは逆の側において、触媒層に接して、または触媒層との間に他の層を挟んで、設けられる態様とすることができる。また、セパレータは、拡散層に対して触媒層とは逆の側において、拡散層に接して、または拡散層との間に他の層を挟んで、設けられる態様とすることができる。
【００６１】
Ｂ５．第５変形例：
上記実施形態においては、発熱部１２０ｔ、発熱部１２２ｔ、発熱部２０ｔおよび発熱部３０ｔは、吸水発性熱繊維で設けられている。しかし、これらの構成は、他の素材で設けることもできる。すなわち、素材の態様は、固形であってもよいし、ゲル状であってもよい。すなわち、膜電極接合体を加熱するための発熱部は、環境に関する第１の状態において水分を吸収して発熱することができ、環境に関する第２の状態であって第１の状態よりも湿度が低い第２の状態において、水分を放出して発熱可能な状態となることができる吸水発熱性素材で設けることができる。そして、吸水発熱性素材は水分を放出させることで、くり返し発熱可能なものであることが好ましい。
【００６２】
Ｂ６．第６変形例：
上記実施形態においては、膜電極接合体１００の温度に応じた燃料電池１０の運転は、電解質膜１１０に設けられた温度センサＴｍの出力に基づいて行われた（図１および図４のステップＳ２０参照）。しかし、温度センサは、他の場所に設けることもできる。たとえば、温度センサは、触媒層１１２，１１４のいずれかに設けることができ、拡散層１２０，１２２のいずれかに設けることもできる。さらに、温度センサは、セルの冷却水出口に設けることもできる。すなわち、温度センサは、燃料電池１０内において、その出力に基づいて電解質膜１１０および触媒層１１２，１１４の温度を推定することができる場所に設けることができる。言い換えれば、電解質膜および触媒層の温度は、直接的に測定されることができ、また、間接的に測定されることもできる。
【００６３】
Ｂ７．第７変形例：
上記実施形態においては、乾燥運転時には、湿度の低いガスの供給と、燃料電池１０の高電流かつ低電圧の運転と、の両方が行われていた。しかし、いずれか一方のみを行うこともできる。そのような態様としても、セパレータや膜電極接合体１００内の吸水発熱性繊維から水分を放出させて、発熱可能な状態とすることができる。
【００６４】
Ｂ８．第４変形例：
上記実施形態では、暖機運転中は、発電を行わない（図４のステップＳ１０参照）。しかし、暖機運転中においても発電を行うこともできる。そのような態様においては、上記の実施形態に比べて、ユーザによる運転開始の指示から短い時間で発電を開始することができる。また、発電によって生成された水を使用して、吸水発熱性繊維で膜電極接合体１００を加熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】第１の実施形態の燃料電池１０を示す斜視図。
【図２】膜電極接合体１００の拡大平面図および拡大断面図。
【図３】セパレータ２０の拡大平面図および拡大断面図。
【図４】低温環境下における実施形態の燃料電池１０の運転方法を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００６６】
１０…燃料電池
２０，３０…セパレータ
２０ｅ…露出部
２０ｔ…発熱部
２２…酸素流路
３０…セパレータ
３０ｅ…露出部
３０ｔ…発熱部
３２…水素流路
１００…膜電極接合体
１１０…電解質膜
１１２…触媒層（酸素極）
１１４…触媒層（水素極）
１２０，１２２…拡散層
１２０ｃ…カーボンペーパ
１２０ｔ…発熱部
１２２…拡散層
１２２ｔ…発熱部
１２２ｃ…カーボンペーパ
Ａｏ…酸素含有ガスの流通方向を示す矢印
Ａｈ…水素含有ガスの流通方向を示す矢印
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質膜と、
前記電解質膜に接している触媒層と、
前記触媒層に対して前記電解質膜とは逆の側に設けられた拡散層と、
前記拡散層に対して前記触媒層とは逆の側に設けられるセパレータと、を備え、
前記触媒層と前記電解質膜と前記拡散層と前記セパレータとのうちの少なくとも一つの構成要素は、水分を吸収して発熱することができ前記水分を放出して発熱可能な状態となることができる吸水発熱性素材を含む、燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記拡散層は、前記吸水発熱性素材を使用して構成され前記拡散層内において前記セパレータの側から前記触媒層の側まで設けられた発熱部を備える、燃料電池。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記セパレータは、
前記触媒層に供給されるガスが流通するガス流路の内壁の少なくとも一部を構成し、
前記内壁を構成する部分に前記吸水発熱性素材を使用して構成された発熱部を備える、燃料電池。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池の運転方法であって、
（ａ）所定の条件が満たされる場合に、前記触媒層と前記セパレータの間に位置するガス流路に水分を含むガスを供給する工程を含む、方法。
【請求項５】
請求項４記載の方法であって、さらに、
（ｂ）前記触媒層の温度が第１の温度より高いときに、前記ガス流路にガスを供給して発電を行う工程を含み、
前記所定の条件は、前記工程（ｂ）を実行する前において前記触媒層の温度が第１の温度未満であることを含む、方法。
【請求項６】
請求項５記載の方法であって、さらに、
（ｃ）前記工程（ａ）の後に、前記少なくとも一つの構成要素を乾燥させる工程を含む、方法。
【請求項７】
請求項６記載の方法であって、さらに、
（ｄ）前記工程（ｃ）の後に、前記ガス流路内のガスの流通を止める工程を含む、方法。
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質膜と、
前記電解質膜に接している触媒層と、
前記触媒層に対して前記電解質膜とは逆の側に設けられた拡散層と、
前記拡散層に対して前記触媒層とは逆の側に設けられるセパレータと、を備え、
前記触媒層と前記電解質膜と前記拡散層と前記セパレータとのうちの少なくとも一つの構成要素は、水分を吸収して発熱することができ前記水分を放出して発熱可能な状態となることができる吸水発熱性素材を含む、燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記拡散層は、前記吸水発熱性素材を使用して構成され前記拡散層内において前記セパレータの側から前記触媒層の側まで設けられた発熱部を備える、燃料電池。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記セパレータは、
前記触媒層に供給されるガスが流通するガス流路の内壁の少なくとも一部を構成し、
前記内壁を構成する部分に前記吸水発熱性素材を使用して構成された発熱部を備える、燃料電池。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池の運転方法であって、
（ａ）所定の条件が満たされる場合に、前記触媒層と前記セパレータの間に位置するガス流路に水分を含むガスを供給する工程を含む、方法。
【請求項５】
請求項４記載の方法であって、さらに、
（ｂ）前記触媒層の温度が第１の温度より高いときに、前記ガス流路にガスを供給して発電を行う工程を含み、
前記所定の条件は、前記工程（ｂ）を実行する前において前記触媒層の温度が第１の温度未満であることを含む、方法。
【請求項６】
請求項５記載の方法であって、さらに、
（ｃ）前記工程（ａ）の後に、前記少なくとも一つの構成要素を乾燥させる工程を含む、方法。
【請求項７】
請求項６記載の方法であって、さらに、
（ｄ）前記工程（ｃ）の後に、前記ガス流路内のガスの流通を止める工程を含む、方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００８−１６３２２（Ｐ２００８−１６３２２Ａ）
【公開日】平成２０年１月２４日（２００８．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１８６５４３（Ｐ２００６−１８６５４３）
【出願日】平成１８年７月６日（２００６．７．６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１月２４日（２００８．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年７月６日（２００６．７．６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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