燃料電池
【課題】破損した電解質膜を備えるセルの電圧低下に起因する燃料電池全体としての出力低下の抑制。
【解決手段】ガス拡散層２４内には、制御温度範囲内では固体であり、燃料電池ＮＤに異常が発生し正常に動作できなくなる温度未満で融解あるいは可塑化し、かつ、電子伝導性を有する低融点合金１００が設けられている。電解質膜２０に損傷が生じて発熱し、電解質膜２０の近傍の温度が所定以上になると、低融点合金１００が融解して流動性を有し、重力により電解質膜２０へ移動して損傷部分Ｘを封止する。この結果、反応ガスのリークが防止される。また、損傷部分Ｘに流れ込んだ低融点合金１００により異常セルに短絡回路が形成され、発電反応により生じた電子が、低融点合金１００を介してアノード２１からカソード２２へ移動する。この結果、異常セルは無能化して発電しなくなり、燃料電池全体としての発電性能の低下が抑制される。
【解決手段】ガス拡散層２４内には、制御温度範囲内では固体であり、燃料電池ＮＤに異常が発生し正常に動作できなくなる温度未満で融解あるいは可塑化し、かつ、電子伝導性を有する低融点合金１００が設けられている。電解質膜２０に損傷が生じて発熱し、電解質膜２０の近傍の温度が所定以上になると、低融点合金１００が融解して流動性を有し、重力により電解質膜２０へ移動して損傷部分Ｘを封止する。この結果、反応ガスのリークが防止される。また、損傷部分Ｘに流れ込んだ低融点合金１００により異常セルに短絡回路が形成され、発電反応により生じた電子が、低融点合金１００を介してアノード２１からカソード２２へ移動する。この結果、異常セルは無能化して発電しなくなり、燃料電池全体としての発電性能の低下が抑制される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特に、電解質膜の破損時における修復方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型の燃料電池に用いられる電解質膜は、膜厚を薄く形成することにより、膜抵抗を低減してエネルギー効率を向上させている。一方、電解質膜は、薄膜化されることにより、強度が低下する。そのため、燃料電池への電解質膜の組み込み時や、燃料電池の動作異常発生時に、電解質膜が局所的に破損して電解質膜に穴が開き、この結果、燃料電池の反応ガスが電解質膜を透過する現象、いわゆるクロスリークが発生して、発電反応が進行しないという問題があった。
【０００３】
上記問題を解決するために、電解質膜内に熱可塑性樹脂を配置し、この熱可塑性樹脂が電解質膜の局所的な破損によるクロスリークにより発熱して溶融し、破損箇所を充填することにより破損箇所を塞ぐ自己修復技術が提案されている（例えば、引用文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３５５９５９号公報
【特許文献２】特開２００７−４８５４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の技術では、破損箇所を塞いで修復することはできるが、修復した分だけ発電面積が減少し電圧が低下してしまう。複数のセルを積層して燃料電池を構成する場合、修復したセルの発電性能が低下し、燃料電池全体としての出力が低下するという問題がある。
【０００６】
本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、破損した電解質膜を備えるセルの電圧低下に起因する燃料電池全体としての出力低下の抑制を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。
【０００８】
［適用例１］
燃料電池であって、電解質膜と、前記電解質膜の面の鉛直方向上側に配置され、前記燃料電池が正常に動作する温度範囲の上限温度以上、かつ、前記燃料電池に異常が発生する温度未満の温度で融解する電子伝導性物質を含有する電子伝導性物質含有層と、を備える燃料電池。
【０００９】
適用例１の燃料電池によれば、燃料電池が正常に動作する温度範囲の上限温度以上、かつ、燃料電池に異常が発生する温度未満の温度で融解する電子伝導性物質が含有された電子伝導性物質含有層が、電解質膜の鉛直方向上側に設けられている。従って、電子伝導性物質含有層に含まれる電子伝導性物質は、燃料電池が正常に動作する温度範囲内の温度では固体であり、燃料電池に異常が発生する温度未満で融解して流動性を持つ。燃料電池に異常が発生する前に、電子伝導性物質は流動性を持ち、重力によって鉛直方向下方に位置する電解質膜へ移動するので、電解質膜における反応ガスのリーク箇所を電子伝導性物質により封止できる。また、電子伝導性物質が電解質膜の破損箇所に流れ込むことにより、破損した電解質膜を有する異常なセルに短絡回路が形成されるので、この異常なセルを安全に抵抗として利用継続することができる。この結果、燃料電池全体の出力低下を抑制できる。
【００１０】
［適用例２］
適用例１の燃料電池であって、前記電子伝導性物質は、前記燃料電池が正常に動作する温度範囲の上限温度以上、かつ、前記燃料電池に異常が発生する温度未満の融点を有する低融点合金である。適用例２の燃料電池によれば、燃料電池が正常に動作する温度範囲の上限温度以上、かつ、燃料電池に異常が発生する温度未満の融点を有する低融点合金が電子伝導性物質として設けられている。従って、燃料電池に異常が発生する前に、低融点合金は融解して流動性を持ち、重力によって鉛直方向下方に位置する電解質膜へ移動するので、燃料電池に異常が発生する前に、電解質膜における反応ガスのリーク箇所を封止でき、燃料電池の出力低下を抑制できる。
【００１１】
［適用例３］
適用例２の燃料電池であって、前記低融点合金は、スズ、ビスマス、鉛、カドミウム、インジウムのいずれかの元素の組み合わせからなる合金である。適用例３の燃料電池によれば、種々の元素を組み合わせて低融点合金を構成できる。
【００１２】
［適用例４］
適用例１の燃料電池であって、前記電子伝導性物質は、導電性粒子を含有し、前記燃料電池が正常に動作する温度範囲の上限温度以上、かつ、前記燃料電池に異常が発生する温度未満の温度で可塑化する熱可塑性樹脂である。適用例４の燃料電池によれば、導電性粒子を含有し、燃料電池が正常に動作する温度範囲の上限温度以上、かつ、燃料電池に異常が発生する温度未満の温度で可塑化する熱可塑性樹脂が電子伝導性物質として設けられている。従って、燃料電池に異常が発生する前に、熱可塑性樹脂は融解して流動性を持ち、重力によって鉛直方向下方に位置する電解質膜へ移動するので、燃料電池に異常が発生する前に、電解質膜における反応ガスのリーク箇所を封止できる。また、熱可塑性樹脂に含有される導電性粒子により、破損した電解質膜を有する異常なセルに短絡回路を形成できる。
【００１３】
［適用例５］
適用例１ないし適用例４いずれかの燃料電池であって、更に、前記電解質膜の一方の面に配置される第１の電極触媒層と、前記電解質膜の他方の面に配置される第２の電極触媒層と、を備え、前記電子伝導性物質含有層は、網目状のシート形状に形成されており、前記第１の電極触媒層および第２の電極触媒層のうち、前記電解質膜の面の鉛直方向上側に設けられている触媒層上に配置されている。適用例５の燃料電池によれば、電子伝導性物質含有層は、網目状のシート形状に形成され、記電解質膜の面の鉛直方向上側に設けられている触媒層上に配置されている。従って、電子伝導性物質含有層は、燃料電池が正常に動作する温度範囲では、反応ガスの流通を阻害することがない。そして、電子伝導性物質含有層に含まれる電子伝導性物質は、燃料電池に異常が発生する前に融解し、重力によって鉛直方向下方に位置する電解質膜へ移動するので、電解質膜における反応ガスのリーク箇所を封止できる。
【００１４】
［適用例６］
適用例１ないし適用例４いずれかの燃料電池であって、前記電解質膜の面の鉛直方向下側に配置される第１の触媒層を備え、前記電子伝導性物質は、粒子状に形成されており、前記電子伝導性物質含有層は、前記電解質膜の面の鉛直方向上側に配置され、前記粒子状に形成された電子伝導性物質を含有する第２の触媒層である。適用例６の燃料電池によれば、電子伝導性物質含有層は、粒子状に形成された電子伝導性物質を含有する触媒層として形成されている。従って、従来の燃料電池の構成に、新たに別の層を形成する必要がないので、燃料電池の大型化を抑制できる。
【００１５】
［適用例７］
適用例１ないし適用例４いずれかの燃料電池であって、更に、前記電解質膜の一方の面に配置される第１の電極触媒層と、前記電解質膜の他方の面に配置される第２の電極触媒層と、を備え、前記第１の電極触媒層と前記第２の電極触媒層のうち、前記電解質膜の面の鉛直方向下側に配置されている電極触媒層の外側に配置され、前記燃料電池の電気化学反応に利用される反応ガスを拡散する第１のガス拡散層と、を備え、前記電子伝導性物質は、粒子状に形成されており、前記電子伝導性物質含有層は、前記電解質膜の面の鉛直方向上側に設けられている電極触媒層の外側に配置され、前記粒子状に形成された電子伝導性物質を含有し、前記燃料電池の電気化学反応に利用される反応ガスを拡散する第２のガス拡散層である。適用例７の燃料電池によれば、電子伝導性物質含有層は、粒子状に形成された電子伝導性物質を含有するガス拡散層として形成されている。従って、従来の燃料電池の構成に、新たに別の層を形成する必要がないので、燃料電池の大型化を抑制できる。
【００１６】
本発明において、上述した種々の態様は、適宜、組み合わせたり、一部を省略したりして適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１実施例に係る燃料電池の概略構成を例示した説明図。
【図２】燃料電池セルＣＬの概略構成を表わす断面模式図。
【図３】第１実施例における燃料電池セルＣＬの無能化について説明する模式図。
【図４】第１実施例における低融点合金１００の例を示す一覧表。
【図５】第２実施例における燃料電池セルＣＬ２の概略構成を表わす断面模式図。
【図６】第２実施例における電子伝導性物質含有層４００を例示する平面図。
【図７】第２実施例における燃料電池セルＣＬ２の無能化について説明する模式図。
【図８】第２実施例における熱可塑性樹脂４００の例を示す一覧表。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池の構成：
図１は、第１実施例に係る燃料電池の概略構成を例示した説明図である。本実施例の燃料電池ＮＤは、固体高分子型の燃料電池であり、酸化ガス（例えば、空気）と、燃料ガス（例えば、水素）とを用いて発電を行う。燃料電池ＮＤは、複数の燃料電池セルＣＬと、２つのエンドプレートＥＰと、を備えている。燃料電池セルＣＬは、ターミナルＴＭを挟んで、２つのエンドプレートＥＰによって挟持されている。燃料電池ＮＤは、複数の燃料電池セルＣＬが、積層された層状構造を有し、エンドプレートＥＰが備える水素供給用の貫通孔および空気供給用の貫通孔からそれぞれ水素および空気の供給を受けて発電をおこなう。また、燃料電池ＮＤは、テンションプレート（図示せず）がボルト（図示せず）によって各エンドプレートＥＰに結合されることによって、燃料電池セルＣＬを、積層方向に所定の力で締結する構造となっている。なお、燃料電池ＮＤは、ターミナルＴＭとエンドプレートＥＰとの間に、絶縁を確保するためインシュレータを備えていてもよい。第１実施例の燃料電池ＮＤは、正常に動作できる温度（以降、本明細書では、「制御温度」と呼ぶ）の上限が１００℃以上２００℃未満の範囲である。
【００１９】
図２は、燃料電池セルＣＬの概略構成を表わす断面模式図である。燃料電池セルＣＬは、電解質膜２０、アノード２１、カソード２２、ガス拡散層２３，２４、セパレータ２５，２６と、を備える。
【００２０】
電解質膜２０は、固体高分子材料であるフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す。なお、電解質膜２０は、フッ素系樹脂に限ることなく、例えば、炭化水素系樹脂で構成されていてもよい。
【００２１】
アノード２１およびカソード２２は、電解質膜２０上に形成された電極層であり、例えば、電気化学反応を進行する触媒金属（例えば白金）を担持したカーボン粒子（触媒担持担体）と、プロトン伝導性を有する高分子電解質（例えばフッ素系樹脂）と、によって構成することができる。具体的には、触媒担持カーボン粒子および高分子電解質を含有する電極ペーストを作製し、この電極ペーストを、電解質膜２０上に塗布し、乾燥・固着させることにより形成することができる。なお、アノード２１、または、カソード２２に含まれる電解質は、フッ素系樹脂に限ることなく、例えば、炭化水素系樹脂で構成されていてもよい。以下において、電解質膜２０と、アノード２１およびカソード２２とから成る積層体を、膜電極接合体（ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ））２８と呼ぶ。
【００２２】
ガス拡散層２３，２４は、ガス透過性および電子伝導性を有する部材によって構成されており、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパなどの多孔質カーボン製部材により形成することができる。セパレータ２５，２６は、ガス不透過の導電性部材によって形成されており、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材や、プレス成形したステンレス鋼などの金属部材によって形成することができる。セパレータ２５，２６は、表面にガス流路を形成するための凹凸形状を有している。セパレータ２５は、ガス拡散層２３との間に、水素を含有する燃料ガスが通過するセル内燃料ガス流路３０を形成する。また、セパレータ２６は、ガス拡散層２４との間に、酸素を含有する酸化ガスが通過するセル内酸化ガス流路３１を形成する。
【００２３】
燃料電池ＮＤは、各燃料電池セルＣＬのカソード２２が電解質膜２０に対して鉛直方向上側に位置するように、水平に配置されている。燃料電池セルＣＬのガス拡散層２４内には、制御温度範囲内では固体であり、燃料電池ＮＤに異常が発生し正常に動作できなくなる温度未満で融解あるいは可塑化し、かつ、電子伝導性を有する電子伝導性物質１００が設けられている。第１実施例において、ガス拡散層２４は、特許請求の範囲における「電子伝導性物質含有層」に当たる。本明細書では、制御温度範囲の上限以上かつ燃料電池ＮＤに異常が発生し正常に動作できなくなる温度未満の所定の温度を「限界耐熱温度 」と呼ぶ。なお、「燃料電池ＮＤに異常が発生し正常に動作できなくなる温度」とは、電解質膜２０、ガスケット（図示省略）、セパレータ２５、２６が融解、分解してしまう温度を示す。電子伝導性物質１００は、以下の式１の関係を有する。
【００２４】
制御温度の上限＜電子伝導性物質１００の融解あるいは可塑化する温度＜限界耐熱温度 Ｔ＜電解質膜２０、ガスケット（図示省略）、セパレータ２５、２６の耐熱温度のうち最も低い温度Ｃ …（式１）
ただし、
限界耐熱温度Ｔ＝温度Ｃ ＊ 安全係数Ｓ
安全係数Ｓ＝０．７〜０．９９
【００２５】
第１実施例では、電子伝導性物質１００は、スズ、ビスマス、鉛、カドミウム、インジウムのいずれかの元素の組み合わせから構成され、１００℃〜２００℃の範囲内に融点を有する低融点合金であり、より具体的には、式１にしめすように、制御温度＜低融点合金１００の融点＜限界耐熱温度 を満たしている。以降、第１実施例では、電子伝導性物質１００を低融点合金１００と呼ぶ。
【００２６】
Ａ２．異常セルの無能化：
図３は、第１実施例における燃料電池セルＣＬの無能化について説明する模式図である。図３（ａ）は、燃料電池セルＣＬの電解質膜２０の破損状態を示しており、図３（ｂ）は、燃料電池セルＣＬの電解質膜２０の破損箇所への低融点合金１００の流れ込みによる燃料電池セルＣＬの無能化を示している。
【００２７】
図３（ａ）に示すように、電解質膜２０に局所的な損傷が発生すると、反応ガスが発電反応に利用されずに電解質膜２０の損傷部分Ｘを透過する、いわゆるクロスリークが生じる。クロスリークを招く電解質膜２０の破損（穴が開く）の原因には、ＭＥＡ２８の製造時の熱や力学的な損傷、燃料電池スタック製造時の締め付け圧力、燃料電池動作時に生成される水および電解質膜２０加湿用の水による電解質膜２０の膨張収縮サイクルに起因する損傷等種々の要因が挙げられる。クロスリークが生じると、クロスリークの生じた燃料電池セルの発電性能が低下し、燃料電池全体として、所望の出力が得られなくなる。
【００２８】
第１実施例では、低融点合金１００を用いて、損傷部分Ｘを封止するとともに、異常セルに短絡回路を形成し、異常セルを無能化することにより、異常セルの発電性能の低下を抑制する。
【００２９】
第１実施例では、スズ（Ｓｎ）：４８％、インジウム（Ｉｎ）：５２％の低融点合金を利用する。この低融点合金１００の融解温度は、１１７℃である。また、第１実施例では、制御温度＝１００℃、限界耐熱温度 ＞１１７℃である。
【００３０】
図３（ａ）に示すように、電解質膜２０に損傷Ｘが生じると、異常発熱し、制御温度の上限を超え、異常セルの電解質膜２０近傍の温度が徐々に上昇する。第１実施例の低融点合金１００は、融点が１１７℃であるので、電解質膜２０の近傍の温度が１１７℃となると、低融点合金１００が融解し、流動性を有する。ここで、第１実施例の低融点合金１００は、電解質膜２０の鉛直方向上側のガス拡散層２４内に設けられているので、流動性を持った低融点合金１００は、重力により電解質膜２０方向へ移動し、損傷部分Ｘに流れ込み、損傷部分Ｘを封止する。この結果、反応ガスのリークが防止される。また、低融点合金１００は、電子伝導性を有しているので、発電反応により生じた電子が、損傷部分Ｘに流れ込んだ低融点合金１００内を伝導し、アノード２１からカソード２２へ移動する。すなわち、低融点合金１００により、異常セルに短絡回路が形成される。この結果、異常セルは無能化して発電しなくなり、安全に抵抗として継続利用できる。
【００３１】
Ａ３．低融点合金：
図４は、第１実施例における低融点合金１００の例を示す一覧表である。一覧表２００は、「合金」と「融解温度」の２項目から構成されている。なお、合金を構成する元素として、スズ（Ｓｎ）、ビスマス（Ｂｉ）、鉛（Ｐｂ）、カドミウム（Ｃｄ）、インジウム（Ｉｎ）が挙げられている。上述した４８％のＳｎと、５２％のＩｎからなる低融点合金以外にも、一覧表２００に示すように、例えば、４８．８％のＳｎと、１０．２％のＢｉと、４１％のＰｂからなる低融点合金を適用することができ、かかる低融点合金の融解温度は１４２℃である。この低融点合金を適用する場合、燃料電池ＮＤの制御温度の上限を１４０℃程度に設定可能となる。一覧表２００に示すように、種々の組み合わせの合金を低融点合金１００として適用可能である。なお、一覧表２００に示した組み合わせ以外の組み合わせの合金を適用してもよい。
【００３２】
以上説明した第１実施例の燃料電池によれば、燃料電池ＮＤが制御温度範囲の上限温度以上、かつ、燃料電池ＮＤの限界耐熱温度 Ｔ未満の温度で融解する電子伝導性物質１００を含有するガス拡散層２４が、電解質膜２０の鉛直方向上側に設けられている。従って、電子伝導性物質１００は、燃料電池ＮＤが制御温度範囲内の温度Ｃでは固体であり、燃料電池ＮＤに限界耐熱温度 Ｔ未満で融解して流動性を持つ。燃料電池ＮＤに異常が発生する前に、電子伝導性物質１００は流動性を持ち、重力によって鉛直方向下方に位置する電解質膜２０へ移動するので、電解質膜２０における反応ガスのリーク箇所を電子伝導性物質１００により封止できる。また、電子伝導性物質１００が電解質膜２０の破損箇所に流れ込むことにより、破損した電解質膜２０を有する異常なセルに短絡回路が形成されるので、この異常なセルを安全に抵抗として利用継続することができ、該異常セルの発電性能低下を抑制できる。この結果、燃料電池ＮＤ全体の出力低下を抑制できる。
【００３３】
また、第１実施例の燃料電池ＮＤによれば、燃料電池ＮＤの制御温度の上限温度以上、かつ、燃料電池ＮＤの限界耐熱温度 Ｔ未満の範囲内に融解温度を有する低融点合金１００が電子伝導性物質として利用されている。従って、燃料電池ＮＤに異常が発生する前に、低融点合金１００は融解して流動性を持ち、重力によって鉛直方向下方に位置する電解質膜２０へ移動することができる。
【００３４】
また、第１実施例の燃料電池ＮＤによれば、種々の元素を組み合わせて低融点合金１００を構成できる。また、第１実施例の燃料電池ＮＤによれば、低融点合金１００は、粒子状に形成されているので、ガス拡散層内に容易に配置できるとともに、新たに、電子伝導性物質含有層を形成する必要がないので、燃料電池ＮＤの大型化を抑制できる。
【００３５】
Ｂ．第２実施例：
第２実施例では、導電性粒子を含有する熱可塑性樹脂を用いて、網目状のシート形状に形成された電子伝導性物質含有層が、カソードとガス拡散層との間に配置されている。
【００３６】
Ｂ１．燃料電池セルＣＬ２の構成：
図５は、第２実施例における燃料電池セルＣＬ２の概略構成を表わす断面模式図である。燃料電池セルＣＬ２は、電解質膜３２０、アノード３２１、カソード３２２、ガス拡散層３２３，３２４、セパレータ３２５，３２６、電子伝導性物質含有層４００を備える。燃料電池セルＣＬ２において、電解質膜３２０、アノード３２１、カソード３２２、ガス拡散層３２３、セパレータ３２５および３２６は、第１実施例の電解質膜２０、アノード２１、カソード２２、ガス拡散層２３、セパレータ２５および２６と同様の機能および構成を備える。ガス拡散層３２４は、内部に電子伝導性物質１００が含まれていないこと以外は、第１実施例のガス拡散層２４と同様の機能、構成を備える。
【００３７】
電子伝導性物質含有層４００は、金属微粒子やカーボン粉末、カーボンファイバー等の導電性粒子を含有し、１００℃〜２００℃の範囲内の融解温度を有する熱可塑性樹脂を用いて、図６に示すように、網目状のシート形状に形成されている。電子伝導性物質含有層４００は、カソード３２２とガス拡散層３２４の間に配置されている。以上、第２実施例では、電子伝導性物質含有層４００を熱可塑性樹脂４００と呼ぶ。
【００３８】
Ｂ２．異常セルの無能化：
図７は、第２実施例における燃料電池セルＣＬ２の無能化について説明する模式図である。図７（ａ）は、燃料電池セルＣＬ２の電解質膜３２０の破損状態を示しており、図７（ｂ）は、燃料電池セルＣＬ２の電解質膜３２０の破損箇所への熱可塑性樹脂４００の流れ込みによる燃料電池セルＣＬ２の無能化を示している。
【００３９】
第２実施例では、熱可塑性樹脂４００として、カーボン粉末を含有する超高分子量ポリエチレンを利用する。熱可塑性樹脂４００としての超高分子量ポリエチレンの融点は、１３６℃である。また、第２実施例では、制御温度＝１２０℃、限界耐熱温度 ＞１３６℃である。
【００４０】
図７（ａ）に示すように、電解質膜３２０に損傷が生じると、異常発熱し、制御温度の上限を超え、異常セルの電解質膜３２０近傍の温度が徐々に上昇する。第２実施例の熱可塑性樹脂４００は、融点が１３６℃であるので、電解質膜３２０の近傍の温度が１３６℃となると、熱可塑性樹脂４００が融解し、流動性を有する。ここで、熱可塑性樹脂４００は、電解質膜３２０の鉛直方向上側のガス拡散層３２４内に設けられているので、流動性を持った熱可塑性樹脂４００は、重力により鉛直方向下方に位置する電解質膜３２０方向へ移動し、損傷部分Ｘに流れ込み、損傷部分Ｘを封止する。この結果、反応ガスのリークが防止される。また、熱可塑性樹脂４００は、電子伝導性を有するカーボン粉末を含有しているので、発電反応により生じた電子が、損傷部分Ｘに流れ込んだ熱可塑性樹脂４００を伝導し、アノード３２１からカソード３２２へ移動する。すなわち、熱可塑性樹脂４００により、異常セルに短絡回路が形成される。この結果、異常セルは無能化して発電しなくなり、異常セルの発電性能の低下が抑制される。
【００４１】
Ｂ３．熱可塑性樹脂：
図８は、第２実施例における熱可塑性樹脂４００の例を示す一覧表である。熱可塑性樹脂４００として、上述した超高分子量ポリエチレン以外にも、種々の熱可塑性樹脂を適用できる。図８（ａ）は、ガラス転移温度が１００℃〜２００℃の範囲内の熱可塑性樹脂の例を示しており、図８（ｂ）は、融点が１００℃〜２００℃の範囲内の熱可塑性樹脂を示している。一覧表５００は、「熱可塑性樹脂」と「ガラス転移温度」の２項目から構成されている。一覧表５００に示すように、例えば、熱可塑性樹脂４００としてポリメチルメタクリレートを適用でき、このガラス転移温度は７２〜１０５℃である。他に、熱可塑性樹脂４００として、ＡＳ樹脂を適用でき、このガラス転移温度は１１５℃である。また、一覧表５１０は、「熱可塑性樹脂」と「融点」の２項目から構成されている。一覧表５１０に示すように、例えば、熱可塑性樹脂４００として、低密度ポリエチレンを適用でき、この融点は１０８〜１２２℃である。他に、熱可塑性樹脂４００として、ナイロン１１を適用でき、この融点は１８７℃である。このように、熱可塑性樹脂４００として、式１を満たすガラス転移温度、融解温度を有する熱可塑性樹脂を適用可能である。なお、導電性粒子を含有可能な、式１を満たすガラス転移温度、融解温度熱可塑性樹脂であれば、一覧表５００、５１０に示した熱可塑性樹脂以外の熱可塑性樹脂を適用してもよい。
【００４２】
以上説明した第２実施例の燃料電池によれば、導電性粒子を含有し、燃料電池の制御温度範囲の上限温度以上、かつ、燃料電池の限界耐熱温度Ｔ未満の温度で可塑化する熱可塑性樹脂４００が設けられている。従って、燃料電池に異常が発生する前に、熱可塑性樹脂４００は融解して流動性を持ち、重力によって鉛直方向下方に位置する電解質膜３２０へ移動するので、燃料電池に異常が発生する前に、電解質膜３２０における反応ガスのリーク箇所を封止できる。また、熱可塑性樹脂４００に含有される導電性粒子により、破損した電解質膜３２０を有する異常なセルに短絡回路を形成できる。
【００４３】
また、第２実施例の燃料電池によれば、電子伝導性物質としての熱可塑性樹脂４００は、網目状のシート形状に形成されている。従って、燃料電池の制御温度範囲では、反応ガスの流通を阻害することがなく、燃料電池に異常が発生する前に融解し、重力によって鉛直方向下方に位置する電解質膜３２０へ移動するので、電解質膜３２０における反応ガスのリーク箇所を封止できる。
【００４４】
Ｃ．変形例：
（１）上述の第１実施例では、低融点合金１００は、ガス拡散層２４内に粒子状に散布されているが、例えば、粒子状に形成された低融点合金１００が、電解質膜２０の鉛直方向上側に配置されている触媒層内に設けられていてもよい。こうすれば、ガス拡散層内のガスの流通が阻害されることを抑制できる。
【００４５】
以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成をとることができる。
【符号の説明】
【００４６】
２０…電解質膜
２１…アノード
２２…カソード
２３…ガス拡散層
２４…ガス拡散層
２５…セパレータ
２６…セパレータ
３０…セル内燃料ガス流路
３１…セル内酸化ガス流路
１００…低融点合金
３２０…電解質膜
３２１…アノード
３２２…カソード
３２３…ガス拡散層
３２４…ガス拡散層
３２５…セパレータ
４００…熱可塑性樹脂
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特に、電解質膜の破損時における修復方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型の燃料電池に用いられる電解質膜は、膜厚を薄く形成することにより、膜抵抗を低減してエネルギー効率を向上させている。一方、電解質膜は、薄膜化されることにより、強度が低下する。そのため、燃料電池への電解質膜の組み込み時や、燃料電池の動作異常発生時に、電解質膜が局所的に破損して電解質膜に穴が開き、この結果、燃料電池の反応ガスが電解質膜を透過する現象、いわゆるクロスリークが発生して、発電反応が進行しないという問題があった。
【０００３】
上記問題を解決するために、電解質膜内に熱可塑性樹脂を配置し、この熱可塑性樹脂が電解質膜の局所的な破損によるクロスリークにより発熱して溶融し、破損箇所を充填することにより破損箇所を塞ぐ自己修復技術が提案されている（例えば、引用文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３５５９５９号公報
【特許文献２】特開２００７−４８５４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の技術では、破損箇所を塞いで修復することはできるが、修復した分だけ発電面積が減少し電圧が低下してしまう。複数のセルを積層して燃料電池を構成する場合、修復したセルの発電性能が低下し、燃料電池全体としての出力が低下するという問題がある。
【０００６】
本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、破損した電解質膜を備えるセルの電圧低下に起因する燃料電池全体としての出力低下の抑制を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。
【０００８】
［適用例１］
燃料電池であって、電解質膜と、前記電解質膜の面の鉛直方向上側に配置され、前記燃料電池が正常に動作する温度範囲の上限温度以上、かつ、前記燃料電池に異常が発生する温度未満の温度で融解する電子伝導性物質を含有する電子伝導性物質含有層と、を備える燃料電池。
【０００９】
適用例１の燃料電池によれば、燃料電池が正常に動作する温度範囲の上限温度以上、かつ、燃料電池に異常が発生する温度未満の温度で融解する電子伝導性物質が含有された電子伝導性物質含有層が、電解質膜の鉛直方向上側に設けられている。従って、電子伝導性物質含有層に含まれる電子伝導性物質は、燃料電池が正常に動作する温度範囲内の温度では固体であり、燃料電池に異常が発生する温度未満で融解して流動性を持つ。燃料電池に異常が発生する前に、電子伝導性物質は流動性を持ち、重力によって鉛直方向下方に位置する電解質膜へ移動するので、電解質膜における反応ガスのリーク箇所を電子伝導性物質により封止できる。また、電子伝導性物質が電解質膜の破損箇所に流れ込むことにより、破損した電解質膜を有する異常なセルに短絡回路が形成されるので、この異常なセルを安全に抵抗として利用継続することができる。この結果、燃料電池全体の出力低下を抑制できる。
【００１０】
［適用例２］
適用例１の燃料電池であって、前記電子伝導性物質は、前記燃料電池が正常に動作する温度範囲の上限温度以上、かつ、前記燃料電池に異常が発生する温度未満の融点を有する低融点合金である。適用例２の燃料電池によれば、燃料電池が正常に動作する温度範囲の上限温度以上、かつ、燃料電池に異常が発生する温度未満の融点を有する低融点合金が電子伝導性物質として設けられている。従って、燃料電池に異常が発生する前に、低融点合金は融解して流動性を持ち、重力によって鉛直方向下方に位置する電解質膜へ移動するので、燃料電池に異常が発生する前に、電解質膜における反応ガスのリーク箇所を封止でき、燃料電池の出力低下を抑制できる。
【００１１】
［適用例３］
適用例２の燃料電池であって、前記低融点合金は、スズ、ビスマス、鉛、カドミウム、インジウムのいずれかの元素の組み合わせからなる合金である。適用例３の燃料電池によれば、種々の元素を組み合わせて低融点合金を構成できる。
【００１２】
［適用例４］
適用例１の燃料電池であって、前記電子伝導性物質は、導電性粒子を含有し、前記燃料電池が正常に動作する温度範囲の上限温度以上、かつ、前記燃料電池に異常が発生する温度未満の温度で可塑化する熱可塑性樹脂である。適用例４の燃料電池によれば、導電性粒子を含有し、燃料電池が正常に動作する温度範囲の上限温度以上、かつ、燃料電池に異常が発生する温度未満の温度で可塑化する熱可塑性樹脂が電子伝導性物質として設けられている。従って、燃料電池に異常が発生する前に、熱可塑性樹脂は融解して流動性を持ち、重力によって鉛直方向下方に位置する電解質膜へ移動するので、燃料電池に異常が発生する前に、電解質膜における反応ガスのリーク箇所を封止できる。また、熱可塑性樹脂に含有される導電性粒子により、破損した電解質膜を有する異常なセルに短絡回路を形成できる。
【００１３】
［適用例５］
適用例１ないし適用例４いずれかの燃料電池であって、更に、前記電解質膜の一方の面に配置される第１の電極触媒層と、前記電解質膜の他方の面に配置される第２の電極触媒層と、を備え、前記電子伝導性物質含有層は、網目状のシート形状に形成されており、前記第１の電極触媒層および第２の電極触媒層のうち、前記電解質膜の面の鉛直方向上側に設けられている触媒層上に配置されている。適用例５の燃料電池によれば、電子伝導性物質含有層は、網目状のシート形状に形成され、記電解質膜の面の鉛直方向上側に設けられている触媒層上に配置されている。従って、電子伝導性物質含有層は、燃料電池が正常に動作する温度範囲では、反応ガスの流通を阻害することがない。そして、電子伝導性物質含有層に含まれる電子伝導性物質は、燃料電池に異常が発生する前に融解し、重力によって鉛直方向下方に位置する電解質膜へ移動するので、電解質膜における反応ガスのリーク箇所を封止できる。
【００１４】
［適用例６］
適用例１ないし適用例４いずれかの燃料電池であって、前記電解質膜の面の鉛直方向下側に配置される第１の触媒層を備え、前記電子伝導性物質は、粒子状に形成されており、前記電子伝導性物質含有層は、前記電解質膜の面の鉛直方向上側に配置され、前記粒子状に形成された電子伝導性物質を含有する第２の触媒層である。適用例６の燃料電池によれば、電子伝導性物質含有層は、粒子状に形成された電子伝導性物質を含有する触媒層として形成されている。従って、従来の燃料電池の構成に、新たに別の層を形成する必要がないので、燃料電池の大型化を抑制できる。
【００１５】
［適用例７］
適用例１ないし適用例４いずれかの燃料電池であって、更に、前記電解質膜の一方の面に配置される第１の電極触媒層と、前記電解質膜の他方の面に配置される第２の電極触媒層と、を備え、前記第１の電極触媒層と前記第２の電極触媒層のうち、前記電解質膜の面の鉛直方向下側に配置されている電極触媒層の外側に配置され、前記燃料電池の電気化学反応に利用される反応ガスを拡散する第１のガス拡散層と、を備え、前記電子伝導性物質は、粒子状に形成されており、前記電子伝導性物質含有層は、前記電解質膜の面の鉛直方向上側に設けられている電極触媒層の外側に配置され、前記粒子状に形成された電子伝導性物質を含有し、前記燃料電池の電気化学反応に利用される反応ガスを拡散する第２のガス拡散層である。適用例７の燃料電池によれば、電子伝導性物質含有層は、粒子状に形成された電子伝導性物質を含有するガス拡散層として形成されている。従って、従来の燃料電池の構成に、新たに別の層を形成する必要がないので、燃料電池の大型化を抑制できる。
【００１６】
本発明において、上述した種々の態様は、適宜、組み合わせたり、一部を省略したりして適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１実施例に係る燃料電池の概略構成を例示した説明図。
【図２】燃料電池セルＣＬの概略構成を表わす断面模式図。
【図３】第１実施例における燃料電池セルＣＬの無能化について説明する模式図。
【図４】第１実施例における低融点合金１００の例を示す一覧表。
【図５】第２実施例における燃料電池セルＣＬ２の概略構成を表わす断面模式図。
【図６】第２実施例における電子伝導性物質含有層４００を例示する平面図。
【図７】第２実施例における燃料電池セルＣＬ２の無能化について説明する模式図。
【図８】第２実施例における熱可塑性樹脂４００の例を示す一覧表。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池の構成：
図１は、第１実施例に係る燃料電池の概略構成を例示した説明図である。本実施例の燃料電池ＮＤは、固体高分子型の燃料電池であり、酸化ガス（例えば、空気）と、燃料ガス（例えば、水素）とを用いて発電を行う。燃料電池ＮＤは、複数の燃料電池セルＣＬと、２つのエンドプレートＥＰと、を備えている。燃料電池セルＣＬは、ターミナルＴＭを挟んで、２つのエンドプレートＥＰによって挟持されている。燃料電池ＮＤは、複数の燃料電池セルＣＬが、積層された層状構造を有し、エンドプレートＥＰが備える水素供給用の貫通孔および空気供給用の貫通孔からそれぞれ水素および空気の供給を受けて発電をおこなう。また、燃料電池ＮＤは、テンションプレート（図示せず）がボルト（図示せず）によって各エンドプレートＥＰに結合されることによって、燃料電池セルＣＬを、積層方向に所定の力で締結する構造となっている。なお、燃料電池ＮＤは、ターミナルＴＭとエンドプレートＥＰとの間に、絶縁を確保するためインシュレータを備えていてもよい。第１実施例の燃料電池ＮＤは、正常に動作できる温度（以降、本明細書では、「制御温度」と呼ぶ）の上限が１００℃以上２００℃未満の範囲である。
【００１９】
図２は、燃料電池セルＣＬの概略構成を表わす断面模式図である。燃料電池セルＣＬは、電解質膜２０、アノード２１、カソード２２、ガス拡散層２３，２４、セパレータ２５，２６と、を備える。
【００２０】
電解質膜２０は、固体高分子材料であるフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す。なお、電解質膜２０は、フッ素系樹脂に限ることなく、例えば、炭化水素系樹脂で構成されていてもよい。
【００２１】
アノード２１およびカソード２２は、電解質膜２０上に形成された電極層であり、例えば、電気化学反応を進行する触媒金属（例えば白金）を担持したカーボン粒子（触媒担持担体）と、プロトン伝導性を有する高分子電解質（例えばフッ素系樹脂）と、によって構成することができる。具体的には、触媒担持カーボン粒子および高分子電解質を含有する電極ペーストを作製し、この電極ペーストを、電解質膜２０上に塗布し、乾燥・固着させることにより形成することができる。なお、アノード２１、または、カソード２２に含まれる電解質は、フッ素系樹脂に限ることなく、例えば、炭化水素系樹脂で構成されていてもよい。以下において、電解質膜２０と、アノード２１およびカソード２２とから成る積層体を、膜電極接合体（ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ））２８と呼ぶ。
【００２２】
ガス拡散層２３，２４は、ガス透過性および電子伝導性を有する部材によって構成されており、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパなどの多孔質カーボン製部材により形成することができる。セパレータ２５，２６は、ガス不透過の導電性部材によって形成されており、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材や、プレス成形したステンレス鋼などの金属部材によって形成することができる。セパレータ２５，２６は、表面にガス流路を形成するための凹凸形状を有している。セパレータ２５は、ガス拡散層２３との間に、水素を含有する燃料ガスが通過するセル内燃料ガス流路３０を形成する。また、セパレータ２６は、ガス拡散層２４との間に、酸素を含有する酸化ガスが通過するセル内酸化ガス流路３１を形成する。
【００２３】
燃料電池ＮＤは、各燃料電池セルＣＬのカソード２２が電解質膜２０に対して鉛直方向上側に位置するように、水平に配置されている。燃料電池セルＣＬのガス拡散層２４内には、制御温度範囲内では固体であり、燃料電池ＮＤに異常が発生し正常に動作できなくなる温度未満で融解あるいは可塑化し、かつ、電子伝導性を有する電子伝導性物質１００が設けられている。第１実施例において、ガス拡散層２４は、特許請求の範囲における「電子伝導性物質含有層」に当たる。本明細書では、制御温度範囲の上限以上かつ燃料電池ＮＤに異常が発生し正常に動作できなくなる温度未満の所定の温度を「限界耐熱温度 」と呼ぶ。なお、「燃料電池ＮＤに異常が発生し正常に動作できなくなる温度」とは、電解質膜２０、ガスケット（図示省略）、セパレータ２５、２６が融解、分解してしまう温度を示す。電子伝導性物質１００は、以下の式１の関係を有する。
【００２４】
制御温度の上限＜電子伝導性物質１００の融解あるいは可塑化する温度＜限界耐熱温度 Ｔ＜電解質膜２０、ガスケット（図示省略）、セパレータ２５、２６の耐熱温度のうち最も低い温度Ｃ …（式１）
ただし、
限界耐熱温度Ｔ＝温度Ｃ ＊ 安全係数Ｓ
安全係数Ｓ＝０．７〜０．９９
【００２５】
第１実施例では、電子伝導性物質１００は、スズ、ビスマス、鉛、カドミウム、インジウムのいずれかの元素の組み合わせから構成され、１００℃〜２００℃の範囲内に融点を有する低融点合金であり、より具体的には、式１にしめすように、制御温度＜低融点合金１００の融点＜限界耐熱温度 を満たしている。以降、第１実施例では、電子伝導性物質１００を低融点合金１００と呼ぶ。
【００２６】
Ａ２．異常セルの無能化：
図３は、第１実施例における燃料電池セルＣＬの無能化について説明する模式図である。図３（ａ）は、燃料電池セルＣＬの電解質膜２０の破損状態を示しており、図３（ｂ）は、燃料電池セルＣＬの電解質膜２０の破損箇所への低融点合金１００の流れ込みによる燃料電池セルＣＬの無能化を示している。
【００２７】
図３（ａ）に示すように、電解質膜２０に局所的な損傷が発生すると、反応ガスが発電反応に利用されずに電解質膜２０の損傷部分Ｘを透過する、いわゆるクロスリークが生じる。クロスリークを招く電解質膜２０の破損（穴が開く）の原因には、ＭＥＡ２８の製造時の熱や力学的な損傷、燃料電池スタック製造時の締め付け圧力、燃料電池動作時に生成される水および電解質膜２０加湿用の水による電解質膜２０の膨張収縮サイクルに起因する損傷等種々の要因が挙げられる。クロスリークが生じると、クロスリークの生じた燃料電池セルの発電性能が低下し、燃料電池全体として、所望の出力が得られなくなる。
【００２８】
第１実施例では、低融点合金１００を用いて、損傷部分Ｘを封止するとともに、異常セルに短絡回路を形成し、異常セルを無能化することにより、異常セルの発電性能の低下を抑制する。
【００２９】
第１実施例では、スズ（Ｓｎ）：４８％、インジウム（Ｉｎ）：５２％の低融点合金を利用する。この低融点合金１００の融解温度は、１１７℃である。また、第１実施例では、制御温度＝１００℃、限界耐熱温度 ＞１１７℃である。
【００３０】
図３（ａ）に示すように、電解質膜２０に損傷Ｘが生じると、異常発熱し、制御温度の上限を超え、異常セルの電解質膜２０近傍の温度が徐々に上昇する。第１実施例の低融点合金１００は、融点が１１７℃であるので、電解質膜２０の近傍の温度が１１７℃となると、低融点合金１００が融解し、流動性を有する。ここで、第１実施例の低融点合金１００は、電解質膜２０の鉛直方向上側のガス拡散層２４内に設けられているので、流動性を持った低融点合金１００は、重力により電解質膜２０方向へ移動し、損傷部分Ｘに流れ込み、損傷部分Ｘを封止する。この結果、反応ガスのリークが防止される。また、低融点合金１００は、電子伝導性を有しているので、発電反応により生じた電子が、損傷部分Ｘに流れ込んだ低融点合金１００内を伝導し、アノード２１からカソード２２へ移動する。すなわち、低融点合金１００により、異常セルに短絡回路が形成される。この結果、異常セルは無能化して発電しなくなり、安全に抵抗として継続利用できる。
【００３１】
Ａ３．低融点合金：
図４は、第１実施例における低融点合金１００の例を示す一覧表である。一覧表２００は、「合金」と「融解温度」の２項目から構成されている。なお、合金を構成する元素として、スズ（Ｓｎ）、ビスマス（Ｂｉ）、鉛（Ｐｂ）、カドミウム（Ｃｄ）、インジウム（Ｉｎ）が挙げられている。上述した４８％のＳｎと、５２％のＩｎからなる低融点合金以外にも、一覧表２００に示すように、例えば、４８．８％のＳｎと、１０．２％のＢｉと、４１％のＰｂからなる低融点合金を適用することができ、かかる低融点合金の融解温度は１４２℃である。この低融点合金を適用する場合、燃料電池ＮＤの制御温度の上限を１４０℃程度に設定可能となる。一覧表２００に示すように、種々の組み合わせの合金を低融点合金１００として適用可能である。なお、一覧表２００に示した組み合わせ以外の組み合わせの合金を適用してもよい。
【００３２】
以上説明した第１実施例の燃料電池によれば、燃料電池ＮＤが制御温度範囲の上限温度以上、かつ、燃料電池ＮＤの限界耐熱温度 Ｔ未満の温度で融解する電子伝導性物質１００を含有するガス拡散層２４が、電解質膜２０の鉛直方向上側に設けられている。従って、電子伝導性物質１００は、燃料電池ＮＤが制御温度範囲内の温度Ｃでは固体であり、燃料電池ＮＤに限界耐熱温度 Ｔ未満で融解して流動性を持つ。燃料電池ＮＤに異常が発生する前に、電子伝導性物質１００は流動性を持ち、重力によって鉛直方向下方に位置する電解質膜２０へ移動するので、電解質膜２０における反応ガスのリーク箇所を電子伝導性物質１００により封止できる。また、電子伝導性物質１００が電解質膜２０の破損箇所に流れ込むことにより、破損した電解質膜２０を有する異常なセルに短絡回路が形成されるので、この異常なセルを安全に抵抗として利用継続することができ、該異常セルの発電性能低下を抑制できる。この結果、燃料電池ＮＤ全体の出力低下を抑制できる。
【００３３】
また、第１実施例の燃料電池ＮＤによれば、燃料電池ＮＤの制御温度の上限温度以上、かつ、燃料電池ＮＤの限界耐熱温度 Ｔ未満の範囲内に融解温度を有する低融点合金１００が電子伝導性物質として利用されている。従って、燃料電池ＮＤに異常が発生する前に、低融点合金１００は融解して流動性を持ち、重力によって鉛直方向下方に位置する電解質膜２０へ移動することができる。
【００３４】
また、第１実施例の燃料電池ＮＤによれば、種々の元素を組み合わせて低融点合金１００を構成できる。また、第１実施例の燃料電池ＮＤによれば、低融点合金１００は、粒子状に形成されているので、ガス拡散層内に容易に配置できるとともに、新たに、電子伝導性物質含有層を形成する必要がないので、燃料電池ＮＤの大型化を抑制できる。
【００３５】
Ｂ．第２実施例：
第２実施例では、導電性粒子を含有する熱可塑性樹脂を用いて、網目状のシート形状に形成された電子伝導性物質含有層が、カソードとガス拡散層との間に配置されている。
【００３６】
Ｂ１．燃料電池セルＣＬ２の構成：
図５は、第２実施例における燃料電池セルＣＬ２の概略構成を表わす断面模式図である。燃料電池セルＣＬ２は、電解質膜３２０、アノード３２１、カソード３２２、ガス拡散層３２３，３２４、セパレータ３２５，３２６、電子伝導性物質含有層４００を備える。燃料電池セルＣＬ２において、電解質膜３２０、アノード３２１、カソード３２２、ガス拡散層３２３、セパレータ３２５および３２６は、第１実施例の電解質膜２０、アノード２１、カソード２２、ガス拡散層２３、セパレータ２５および２６と同様の機能および構成を備える。ガス拡散層３２４は、内部に電子伝導性物質１００が含まれていないこと以外は、第１実施例のガス拡散層２４と同様の機能、構成を備える。
【００３７】
電子伝導性物質含有層４００は、金属微粒子やカーボン粉末、カーボンファイバー等の導電性粒子を含有し、１００℃〜２００℃の範囲内の融解温度を有する熱可塑性樹脂を用いて、図６に示すように、網目状のシート形状に形成されている。電子伝導性物質含有層４００は、カソード３２２とガス拡散層３２４の間に配置されている。以上、第２実施例では、電子伝導性物質含有層４００を熱可塑性樹脂４００と呼ぶ。
【００３８】
Ｂ２．異常セルの無能化：
図７は、第２実施例における燃料電池セルＣＬ２の無能化について説明する模式図である。図７（ａ）は、燃料電池セルＣＬ２の電解質膜３２０の破損状態を示しており、図７（ｂ）は、燃料電池セルＣＬ２の電解質膜３２０の破損箇所への熱可塑性樹脂４００の流れ込みによる燃料電池セルＣＬ２の無能化を示している。
【００３９】
第２実施例では、熱可塑性樹脂４００として、カーボン粉末を含有する超高分子量ポリエチレンを利用する。熱可塑性樹脂４００としての超高分子量ポリエチレンの融点は、１３６℃である。また、第２実施例では、制御温度＝１２０℃、限界耐熱温度 ＞１３６℃である。
【００４０】
図７（ａ）に示すように、電解質膜３２０に損傷が生じると、異常発熱し、制御温度の上限を超え、異常セルの電解質膜３２０近傍の温度が徐々に上昇する。第２実施例の熱可塑性樹脂４００は、融点が１３６℃であるので、電解質膜３２０の近傍の温度が１３６℃となると、熱可塑性樹脂４００が融解し、流動性を有する。ここで、熱可塑性樹脂４００は、電解質膜３２０の鉛直方向上側のガス拡散層３２４内に設けられているので、流動性を持った熱可塑性樹脂４００は、重力により鉛直方向下方に位置する電解質膜３２０方向へ移動し、損傷部分Ｘに流れ込み、損傷部分Ｘを封止する。この結果、反応ガスのリークが防止される。また、熱可塑性樹脂４００は、電子伝導性を有するカーボン粉末を含有しているので、発電反応により生じた電子が、損傷部分Ｘに流れ込んだ熱可塑性樹脂４００を伝導し、アノード３２１からカソード３２２へ移動する。すなわち、熱可塑性樹脂４００により、異常セルに短絡回路が形成される。この結果、異常セルは無能化して発電しなくなり、異常セルの発電性能の低下が抑制される。
【００４１】
Ｂ３．熱可塑性樹脂：
図８は、第２実施例における熱可塑性樹脂４００の例を示す一覧表である。熱可塑性樹脂４００として、上述した超高分子量ポリエチレン以外にも、種々の熱可塑性樹脂を適用できる。図８（ａ）は、ガラス転移温度が１００℃〜２００℃の範囲内の熱可塑性樹脂の例を示しており、図８（ｂ）は、融点が１００℃〜２００℃の範囲内の熱可塑性樹脂を示している。一覧表５００は、「熱可塑性樹脂」と「ガラス転移温度」の２項目から構成されている。一覧表５００に示すように、例えば、熱可塑性樹脂４００としてポリメチルメタクリレートを適用でき、このガラス転移温度は７２〜１０５℃である。他に、熱可塑性樹脂４００として、ＡＳ樹脂を適用でき、このガラス転移温度は１１５℃である。また、一覧表５１０は、「熱可塑性樹脂」と「融点」の２項目から構成されている。一覧表５１０に示すように、例えば、熱可塑性樹脂４００として、低密度ポリエチレンを適用でき、この融点は１０８〜１２２℃である。他に、熱可塑性樹脂４００として、ナイロン１１を適用でき、この融点は１８７℃である。このように、熱可塑性樹脂４００として、式１を満たすガラス転移温度、融解温度を有する熱可塑性樹脂を適用可能である。なお、導電性粒子を含有可能な、式１を満たすガラス転移温度、融解温度熱可塑性樹脂であれば、一覧表５００、５１０に示した熱可塑性樹脂以外の熱可塑性樹脂を適用してもよい。
【００４２】
以上説明した第２実施例の燃料電池によれば、導電性粒子を含有し、燃料電池の制御温度範囲の上限温度以上、かつ、燃料電池の限界耐熱温度Ｔ未満の温度で可塑化する熱可塑性樹脂４００が設けられている。従って、燃料電池に異常が発生する前に、熱可塑性樹脂４００は融解して流動性を持ち、重力によって鉛直方向下方に位置する電解質膜３２０へ移動するので、燃料電池に異常が発生する前に、電解質膜３２０における反応ガスのリーク箇所を封止できる。また、熱可塑性樹脂４００に含有される導電性粒子により、破損した電解質膜３２０を有する異常なセルに短絡回路を形成できる。
【００４３】
また、第２実施例の燃料電池によれば、電子伝導性物質としての熱可塑性樹脂４００は、網目状のシート形状に形成されている。従って、燃料電池の制御温度範囲では、反応ガスの流通を阻害することがなく、燃料電池に異常が発生する前に融解し、重力によって鉛直方向下方に位置する電解質膜３２０へ移動するので、電解質膜３２０における反応ガスのリーク箇所を封止できる。
【００４４】
Ｃ．変形例：
（１）上述の第１実施例では、低融点合金１００は、ガス拡散層２４内に粒子状に散布されているが、例えば、粒子状に形成された低融点合金１００が、電解質膜２０の鉛直方向上側に配置されている触媒層内に設けられていてもよい。こうすれば、ガス拡散層内のガスの流通が阻害されることを抑制できる。
【００４５】
以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成をとることができる。
【符号の説明】
【００４６】
２０…電解質膜
２１…アノード
２２…カソード
２３…ガス拡散層
２４…ガス拡散層
２５…セパレータ
２６…セパレータ
３０…セル内燃料ガス流路
３１…セル内酸化ガス流路
１００…低融点合金
３２０…電解質膜
３２１…アノード
３２２…カソード
３２３…ガス拡散層
３２４…ガス拡散層
３２５…セパレータ
４００…熱可塑性樹脂
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質膜と、
前記電解質膜の面の鉛直方向上側に配置され、前記燃料電池が正常に動作する温度範囲の上限温度以上、かつ、前記燃料電池に異常が発生する温度未満の温度で融解する電子伝導性物質を含有する電子伝導性物質含有層と、
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、
前記電子伝導性物質は、前記燃料電池が正常に動作する温度範囲の上限温度以上、かつ、前記燃料電池に異常が発生する温度未満の融点を有する低融点合金である、
燃料電池。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池であって、
前記低融点合金は、スズ、ビスマス、鉛、カドミウム、インジウムのいずれかの元素の組み合わせからなる合金である、
燃料電池。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記電子伝導性物質は、導電性粒子を含有し、前記燃料電池が正常に動作する温度範囲の上限温度以上、かつ、前記燃料電池に異常が発生する温度未満の温度で可塑化する熱可塑性樹脂である、
燃料電池。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４いずれか記載の燃料電池であって、更に、
前記電解質膜の一方の面に配置される第１の電極触媒層と、
前記電解質膜の他方の面に配置される第２の電極触媒層と、を備え、
前記電子伝導性物質含有層は、網目状のシート形状に形成されており、前記第１の電極触媒層および第２の電極触媒層のうち、前記電解質膜の面の鉛直方向上側に設けられている触媒層上に配置されている、
燃料電池。
【請求項６】
請求項１ないし請求項４いずれか記載の燃料電池であって、更に、
前記電解質膜の面の鉛直方向下側に配置される第１の触媒層を備え、
前記電子伝導性物質は、粒子状に形成されており、
前記電子伝導性物質含有層は、前記電解質膜の面の鉛直方向上側に配置され、前記粒子状に形成された電子伝導性物質を含有する第２の触媒層である、
燃料電池。
【請求項７】
請求項１ないし請求項４いずれか記載の燃料電池であって、更に、
前記電解質膜の一方の面に配置される第１の電極触媒層と、
前記電解質膜の他方の面に配置される第２の電極触媒層と、
前記第１の電極触媒層と前記第２の電極触媒層のうち、前記電解質膜の面の鉛直方向下側に配置されている電極触媒層の外側に配置され、前記燃料電池の電気化学反応に利用される反応ガスを拡散する第１のガス拡散層と、を備え、
前記電子伝導性物質は、粒子状に形成されており、
前記電子伝導性物質含有層は、前記電解質膜の面の鉛直方向上側に設けられている電極触媒層の外側に配置され、前記粒子状に形成された電子伝導性物質を含有し、前記燃料電池の電気化学反応に利用される反応ガスを拡散する第２のガス拡散層である、
燃料電池。
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質膜と、
前記電解質膜の面の鉛直方向上側に配置され、前記燃料電池が正常に動作する温度範囲の上限温度以上、かつ、前記燃料電池に異常が発生する温度未満の温度で融解する電子伝導性物質を含有する電子伝導性物質含有層と、
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、
前記電子伝導性物質は、前記燃料電池が正常に動作する温度範囲の上限温度以上、かつ、前記燃料電池に異常が発生する温度未満の融点を有する低融点合金である、
燃料電池。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池であって、
前記低融点合金は、スズ、ビスマス、鉛、カドミウム、インジウムのいずれかの元素の組み合わせからなる合金である、
燃料電池。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記電子伝導性物質は、導電性粒子を含有し、前記燃料電池が正常に動作する温度範囲の上限温度以上、かつ、前記燃料電池に異常が発生する温度未満の温度で可塑化する熱可塑性樹脂である、
燃料電池。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４いずれか記載の燃料電池であって、更に、
前記電解質膜の一方の面に配置される第１の電極触媒層と、
前記電解質膜の他方の面に配置される第２の電極触媒層と、を備え、
前記電子伝導性物質含有層は、網目状のシート形状に形成されており、前記第１の電極触媒層および第２の電極触媒層のうち、前記電解質膜の面の鉛直方向上側に設けられている触媒層上に配置されている、
燃料電池。
【請求項６】
請求項１ないし請求項４いずれか記載の燃料電池であって、更に、
前記電解質膜の面の鉛直方向下側に配置される第１の触媒層を備え、
前記電子伝導性物質は、粒子状に形成されており、
前記電子伝導性物質含有層は、前記電解質膜の面の鉛直方向上側に配置され、前記粒子状に形成された電子伝導性物質を含有する第２の触媒層である、
燃料電池。
【請求項７】
請求項１ないし請求項４いずれか記載の燃料電池であって、更に、
前記電解質膜の一方の面に配置される第１の電極触媒層と、
前記電解質膜の他方の面に配置される第２の電極触媒層と、
前記第１の電極触媒層と前記第２の電極触媒層のうち、前記電解質膜の面の鉛直方向下側に配置されている電極触媒層の外側に配置され、前記燃料電池の電気化学反応に利用される反応ガスを拡散する第１のガス拡散層と、を備え、
前記電子伝導性物質は、粒子状に形成されており、
前記電子伝導性物質含有層は、前記電解質膜の面の鉛直方向上側に設けられている電極触媒層の外側に配置され、前記粒子状に形成された電子伝導性物質を含有し、前記燃料電池の電気化学反応に利用される反応ガスを拡散する第２のガス拡散層である、
燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−３４７２１（Ｐ２０１１−３４７２１Ａ）
【公開日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１７７８９３（Ｐ２００９−１７７８９３）
【出願日】平成２１年７月３０日（２００９．７．３０）
【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２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月３０日（２００９．７．３０）
【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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