燃料電池システム
【課題】小型化が容易で、かつ、燃料電池に安定して酸化剤ガスを供給し、安定した発電を行うことができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】本発明の燃料電池システムは、酸素を還元する正極触媒層を有する正極と、燃料を酸化する負極触媒層を有する負極と、前記正極と前記負極との間に配置される固体高分子電解質膜とを有する電極・電解質一体化物をセパレータを介して複数積層してなる燃料電池１００と、セパレータの一主面に形成され、酸化剤ガスの供給口及び排出口を有する酸化剤ガス流路と、酸化剤ガスを酸化剤ガス流路の供給口に供給する供給用送気部９１と、酸化剤ガス流路内の酸化剤ガスを酸化剤ガス流路の排出口から外部に排出する排出用送気部９０とを含む。
【解決手段】本発明の燃料電池システムは、酸素を還元する正極触媒層を有する正極と、燃料を酸化する負極触媒層を有する負極と、前記正極と前記負極との間に配置される固体高分子電解質膜とを有する電極・電解質一体化物をセパレータを介して複数積層してなる燃料電池１００と、セパレータの一主面に形成され、酸化剤ガスの供給口及び排出口を有する酸化剤ガス流路と、酸化剤ガスを酸化剤ガス流路の供給口に供給する供給用送気部９１と、酸化剤ガス流路内の酸化剤ガスを酸化剤ガス流路の排出口から外部に排出する排出用送気部９０とを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、小型化が容易で安定して発電を行う燃料電池の酸化剤ガス供給機構に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）は、室温から１００℃以下までの低温で動作し、迅速な起動停止、高出力密度化が可能であるなどの特徴を有するため、民生用コージェネレーションや自動車用などの移動体用発電器、携帯用電源として期待されている。
【０００３】
一般的なＰＥＦＣでは、正極と、負極と、電解質としての固体高分子電解質膜とからなる電極・電解質一体化物（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒｅｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ）が複数積層されて構成されている。各ＭＥＡは、酸素流路（酸化剤ガス流路）を形成した正極側セパレータと、燃料流路を形成した負極側セパレータとの２種類のセパレータで挟持された状態で積層されている。また、負極側セパレータと正極側セパレータとの間に冷却媒体を流通させるための流路が形成されている場合もある。この場合、通常は、１対のセパレータ内で、ＭＥＡの積層方向に、酸素流路、冷却媒体流路及び燃料流路の３つの流路が形成されている。
【０００４】
酸素流路、冷却媒体流路及び燃料流路は、通常、セパレータの表面に溝を設けることにより形成されるため、各セパレータはある程度の厚みを必要とする。しかし、ある程度の厚みを有するセパレータで挟持されたＭＥＡを複数積層して構成したセルスタックは、かさ高くなってしまう。
【０００５】
また、セパレータには、その積層方向に貫通する燃料供給マニホールド、燃料排出マニホールド、酸素供給マニホールド、酸素排出マニホールド、冷却媒体供給マニホールド及び冷却媒体排出マニホールドがそれぞれ必要であるため（例えば、特許文献１）、セパレータと重ねられる電極は、セパレータの上記各マニホールド形成部に相当する位置以外の領域に、発電に直接関与できる部分が配置される必要があるが、こうした発電に直接関与できる部分の面積を十分に大きく取ることが難しい。
【０００６】
また、このようなＰＥＦＣは、エアーコンプレッサまたは空圧ポンプのような空気供給手段を用いて酸化剤ガス（酸素を含む空気）が強制的にセルスタックに供給されることにより発電する燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献２）。しかしながら、このようなＰＥＦＣは、ポータブル電源として用いる場合、容積や重量に制限が生じるため、携行型の燃料電池に用いることは難しい。
【０００７】
このような問題を解決するため、燃料電池の燃料流路とは別に、セパレータの正極に接する側の面に、複数の酸化剤ガス流路を、一側端から反対側端に渡って直線状に複数平行に形成し、また酸化剤ガス流路の断面積が酸化剤ガスの供給口から排気口に亘って減少する構成であって、上記排気口に送気部を設置して酸化剤ガスを流路内に供給して発電するコンパクトなセミパッシブタイプの燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−３１０２８８号公報
【特許文献２】特開２００６−１６４７６６号公報
【特許文献３】特許第３３５６７２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献３に記載の燃料電池においても、負極に燃料を供給するための燃料流路がセパレータに形成されているため、セル積層方向において小型化を図るには限界がある。さらに、特許文献３には、燃料電池と送気部との間隔が示されていない。燃料電池と送気部との間隔が小さい場合、酸化剤ガスが送気部に近い流路に偏って通気しやすくなり、発電効率が低下する虞がある。燃料電池と送気部との間隔が大きい場合、送気部を含めた燃料電池全体としての容積の小型化を図るには不十分である。
【００１０】
本発明は、上記問題点を解消するためになされたものであり、小型化が容易で、かつ、安定した発電を行うことができる燃料電池システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、酸素を還元する正極触媒層を有する正極と、燃料を酸化する負極触媒層を有する負極と、上記正極と上記負極との間に配置される固体高分子電解質膜とを有する電極・電解質一体化物をセパレータを介して複数積層してなる燃料電池と、上記セパレータの一主面に形成され、酸化剤ガスの供給口及び排出口を有する酸化剤ガス流路と、酸化剤ガスを上記酸化剤ガス流路の上記供給口に供給する供給用送気部と、上記酸化剤ガス流路内の酸化剤ガスを上記酸化剤ガス流路の上記排出口から外部に排出する排出用送気部とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、小型化が容易で、かつ、燃料電池に安定して酸化剤ガスを供給し、安定した発電を行うことができる燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の燃料電池システムの一例を示す概略斜視図である。
【図２】本発明の燃料電池の一例を示す概略斜視図である。
【図３】図１に示す燃料電池システムのＩ−Ｉ線断面図である。
【図４】図２に示す燃料電池の要部の分解斜視図である。
【図５】図２に示す燃料電池の要部の一部断面図である。
【図６】セパレータの一例を示す概略構成図であり、図６Ａは平面図、図６Ｂは図６ＡのＩＩ−ＩＩ線断面図、Ｃは底面図である。
【図７】電極・電解質一体化物を構成する、正極触媒層、固体高分子電解質膜及び負極触媒層の積層体の一例を示す概略構成図であり、図７Ａは平面図、図７Ｂは図７ＡのＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図８】電極・電解質一体化物を構成する、正極拡散層及び正極ガスシールの一例を示す概略構成図であり、図８Ａは平面図、図８Ｂは図８ＡのＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図９】電極・電解質一体化物を構成する、負極拡散層及び負極ガスシールの一例を示す概略構成図であり、図９Ａは平面図、図９Ｂは図９ＡのＶ−Ｖ線断面図である。
【図１０】本発明の燃料電池システムの他の例を示す概略斜視図である。
【図１１】本発明の燃料電池システムを用いた燃料電池発電システムの一例を示す概略構成図である。
【図１２】気液分離容器の一例を示す概略透視図である。
【図１３】比較例１の燃料電池システムの概略構成を示す斜視図である。
【図１４】図１３に示す燃料電池システムのＶＩ−ＶＩ線断面図である。
【図１５】実施例１及び比較例１の燃料電池発電システムでの発電特性の結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の燃料電池システムは、酸素を還元する正極触媒層を有する正極と、燃料を酸化する負極触媒層を有する負極と、上記正極と上記負極との間に配置される固体高分子電解質膜とを有する電極・電解質一体化物をセパレータを介して複数積層してなる燃料電池と、上記セパレータの一主面に形成され、酸化剤ガスの供給口及び排出口を有する酸化剤ガス流路と、酸化剤ガスを上記酸化剤ガス流路の上記供給口に供給する供給用送気部と、上記酸化剤ガス流路内の酸化剤ガスを上記酸化剤ガス流路の上記排出口から外部に排出する排出用送気部とを有することを特徴とする。これにより、排出用送気部と燃料電池との間の距離を短くできるため、送気方向において小型化でき、また、燃料電池に酸化剤ガスを安定に供給し、安定した発電を行う燃料電池システムを実現可能である。
【００１５】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。また、本明細書において、燃料電池に送気部を設置したものを「燃料電池システム」とし、この燃料電池システムに水素製造装置や気液分離装置及び水素消費装置などを設置したものを「燃料電池発電システム」と区分した。
【００１６】
（実施形態１）
本実施形態１では、本発明の燃料電池システムの一例について図１〜図３を用いて説明する。図１は、本実施形態の燃料電池システムの一例を示す概略斜視図である。図２は、本実施形態の燃料電池システムにおける燃料電池の一例を示す概略斜視図である。図３は、図１に示す燃料電池システムのＩ−Ｉ線断面図である。図１〜３において、同一構成要素については同一符号を付している。図３の断面図では、酸化剤ガス流路を省略し、送気部９０、９１を簡略化して表している。また、図３の断面図では、ハッチングを省略している。
【００１７】
本実施形態の燃料電池システム１０１は、図１に示すように、供給用送気部９１と、排出用送気部９０と、燃料電池１００と、ダクト８０、８０とを備えている。
【００１８】
供給用送気部９１は、酸化剤ガスの供給口５１（図３）側に設置されており、酸化剤ガス（例えば、酸素を含む空気）を、酸化剤ガスの供給口５１（図３）に供給するものである。排出用送気部９０は、酸化剤ガスの排気口５２（図３）側に設置されており、酸化剤ガス流路内の酸化剤ガスを、酸化剤ガスの排出口５２から外部に排出するものである。また、供給用送気部９１及び排出用送気部９０は、図３に示すように、酸化剤ガスの供給口５１及び排気口５２を密封するようにダクト８０で接続されている。図３において、矢印は酸化剤ガスの送気方向を示している。
【００１９】
供給用送気部９１及び排出用送気部９０としては、送風できる装置であれば特に限定されない。例えば、ＤＣファン、ＡＣファン、ブロア及び小型コンプレッサーなどを用いることができ、省スペースの観点から、小型のファン及びブロアなどが好適に用いられる。
【００２０】
また、供給用送気部９１及び排出用送気部９０の風量は、燃料電池１００の出力、酸化剤ガスの排気口の大きさ、用いる送気部の静圧などによって変わるため、一義的に決めることはできないが、０．０５ｍ3／ｍｉｎから０．５ｍ3／ｍｉｎの範囲で、かつ静圧が１０Ｐａから１００Ｐａの範囲が好適に用いられる。
【００２１】
さらに、供給用送気部９１及び排出用送気部９０の風量は、燃料電池の温度が一定範囲内となるように調整されることが望ましい。固体高分子電解質膜の乾燥を防ぎ、燃料電池の長寿命化を図るためには、燃料電池の温度は７０℃以下、より好ましくは６０℃以下とすることが望ましい。また、発電で生成した水分が結露するのを防ぐためには、燃料電池の温度は３０℃以上、より好ましくは４０℃以上とすることが好ましい。すなわち、発電中の燃料電池の温度は５０℃付近に保たれることが最も望ましい。
【００２２】
ここで、供給用送気部９１及び排出用送気部９０の風量と、燃料電池１００の温度及び出力との関係を調べたところ、供給用送気部９１及び排出用送気部９０の駆動電圧が１２Ｖの場合、燃料電池１００の温度は５４℃、燃料電池１００の出力は３２Ｗであった。一方、供給用送気部９１及び排出用送気部９０の駆動電圧が１６Ｖの場合、燃料電池１００の温度は５１℃、燃料電池１００の出力は３８Ｗであった。このことから、送気部の駆動電圧を増加させて風量を増加させると、燃料電池の出力が向上することが分かる。これは、送気部の風量が増加したことにより、燃料電池の温度が低下し、固体高分子電解質膜の乾燥が抑制されたために、燃料電池の出力が向上したものと推測される。
【００２３】
燃料電池１００は、図２に示すように、セパレータ１０を介して積層された複数の電極・電解質一体化物（以下、ＭＥＡという）２０を有し、水素を燃料として発電するものである。また、セパレータ１０を介して積層された複数のＭＥＡ２０からなる積層体は、２つのエンドプレート５０で挟持され、ボルトとナットで固定されている。また、２つのエンドプレートのうちの一方（図２では、上側のエンドプレート５０）には、燃料供給口６０、燃料排出口７０が設けられている。燃料は、燃料供給口６０から燃料電池１００内に導入され、各ＭＥＡ２０の負極に供給されて発電に利用される。また、各ＭＥＡ２０で消費されなかった燃料は、燃料排出口７０から燃料電池１００外に排出される。
【００２４】
ダクト８０、８０は、燃料電池１００の対向する２つの側面の全体を覆うように設けられている。本実施形態では、ダクト８０、８０は、上下のエンドプレート５０、５０に接するように配置され、かつ、供給用送気部９１及び排出用送気部９０と共に、酸化剤ガスの供給口５１（図３）及び排気口５２（図３）を密閉するように配置されている。ダクトとしては、酸化剤ガスを送気する際に、空気が漏れたり、割れたりしない材料であれば、特に制限されない。例えば、アルミニウムやステンレス鋼などの金属材料またはポリカーボネート、ポリエーテルエーテルケトン、アクリル及びポリスチレンなどの樹脂材料などを用いることができるが、成形加工のしやすさと軽量化の観点から、ポリカーボネートなどの樹脂材料が好適に用いられる。
【００２５】
以下、燃料電池１００の要部について図４及び図５を用いて詳細に説明する。図４は、図２に示す燃料電池１００の要部の分解斜視図であり、図５は、図２に示す燃料電池１００の要部の一部断面図である。図４及び図５において、図２と同一構成要素については同一符号を付している。なお、図５は断面図であるが、後述する各構成要素の燃料供給マニホールド及び燃料排出マニホールドにより形成される燃料流路の理解を容易にする目的で、上側のセパレータ１０の上端、及び下側のセパレータ１０の下端以外については、背面部分を省略している。
【００２６】
ＭＥＡ２０は、図４及び図５に示すように、上から、正極拡散層２１、積層体２０ａ、負極拡散層２５が順次積層されたものであり、ＭＥＡ２０の上下には、セパレータ１０、１０が配置されている。
【００２７】
積層体２０ａは、図５に示すように、上から、正極触媒層２２、固体高分子電解質膜２３、負極触媒層２４の順に積層されたものである。各層の詳細については後述する。
【００２８】
セパレータ１０は、平面視での形状が四角形で、かつ、単一部材で構成されている。このセパレータ１０には、燃料流路となる燃料供給マニホールド１１及び燃料排出マニホールド１２が形成されている。燃料供給マニホールド１１は、上記四角形を構成する４辺のうちの１辺の近傍に形成されており、燃料排出マニホールド１２は、上記１辺に対向する１辺の近傍に形成されている。
【００２９】
また、セパレータ１０の一方の主面（ここでは、下面）には、溝状の酸化剤ガス流路１３が複数形成されており、他方の主面（ここでは、上面）は平板状である。複数の酸化剤ガス流路１３は、セパレータ１０の一方の主面（下面）において、燃料供給マニホールド１１及び燃料排出マニホールド１２が近傍に形成された対向する２辺とは別の２辺を直線状に繋ぐように、互いに平行または略平行に形成されている。また、酸化剤ガス流路１３の両端部は、セパレータ１０の側面において開口しており、各開口部が酸化剤ガスの供給口５１（図３）及び排出口５２（図３）となる。
【００３０】
さらに、積層体２０ａを構成する正極触媒層２２、固体高分子電解質膜２３及び負極触媒層２４にも、セパレータ１０に形成されている燃料供給マニホールド１１及び燃料排出マニホールド１２に相当する位置に、燃料供給マニホールド及び燃料排出マニホールドがそれぞれ形成されている。これについては後述する。
【００３１】
正極拡散層２１は、図４において上側に位置するセパレータ１０の酸化剤ガス流路１３形成面の全面を覆うように配置されている。この正極拡散層２１は、平面視での形状が四角形であり、上記四角形を構成する４辺のうち、酸化剤ガス流路１３と平行または略平行である２辺の外側には、燃料ガスの流出を抑制するための正極ガスシール３０が配置されている。また、正極ガスシール３０には、セパレータ１０に形成されている燃料供給マニホールド１１及び燃料排出マニホールド１２に相当する位置に、燃料供給マニホールド及び燃料排出マニホールドがそれぞれ形成されている。
【００３２】
負極拡散層２５は、図４において下側に位置するセパレータ１０の平板面（上面）と接するように配置されている。この負極拡散層２５は、平面視での形状が四角形であり、上記四角形の外周外側には、燃料ガスの流出を抑制するための負極ガスシール４０が配置されている。また、負極ガスシール４０には、セパレータ１０に形成されている燃料供給マニホールド１１及び燃料排出マニホールド１２に相当する位置に、燃料供給マニホールド及び燃料排出マニホールドがそれぞれ形成されている。
【００３３】
次に、酸化剤ガス及び燃料の流れを図４及び図５を用いて説明する。図４及び図５では、酸化剤ガスの流れを点線矢印で示し、燃料の流れを実線矢印で示している。
【００３４】
酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路１３に導入されると、正極拡散層２１を通って正極触媒層２２に供給される。また、発電反応に関与せず消費されなかった酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路１３を通って外部に排出される。より詳細に説明すると、酸化剤ガス流路１３は、上述したように、平面視での形状が四角形であるセパレータ１０の対向する２辺を直線状に繋ぐように形成されており、その両端部が、セパレータの側面において開口しているため、例えば、セパレータ１０における酸化剤ガス流路１３の一方の開口端、つまり、酸化剤ガスの供給口５１（図３）側からファンなどを用いて酸素を含む空気を送ることで、酸化剤ガス流路１３内へ空気を導入することができる。そして、酸化剤ガス流路１３内に導入された空気（酸素）は、ＭＥＡ２０の正極拡散層２１を通じて正極触媒層２２に供給される。また、発電反応に関与せず消費されなかった酸素、及び空気中の酸素以外の成分は、酸化剤ガス流路１３の他方の開口端、つまり、酸化剤ガスの排気口５２（図３）側から外部に排出されることになる。
【００３５】
燃料は、燃料供給マニホールド１１に導入されると、負極拡散層２５を通って負極触媒層２４に供給される。また、発電反応に関与せず消費されなかった燃料は、負極拡散層２５を通って燃料排出マニホールド１２から外部へ排出される。より詳細に説明すると、負極に係る負極拡散層２５は、撥水処理をした多孔質炭素シートのように、その内部を燃料が流通可能な材料で構成されることが一般的である。そのため、本発明の燃料電池が、例えば、燃料の供給圧力が比較的低い状態で使用される場合、燃料供給マニホールド１１から導入された燃料は、負極拡散層２５内の孔を経て負極触媒層２４に供給され、発電反応に関与せず消費されなかった燃料は、負極拡散層２５内の孔を経て燃料排出マニホールド１２から外部へ排出される。この場合、図４や図５に示すように、隣り合うＭＥＡ２０間に介在させるセパレータ１０には、酸化剤ガス流路１３のみを形成すればよく、燃料流路を形成する必要はないことから、セパレータを単一部材で構成でき、また、セパレータ自体を薄くすることが可能である。従って、本発明の燃料電池を、積層方向においてコンパクト化できる。一方、本発明の燃料電池が、例えば、燃料の供給圧力が比較的高い状態で使用される場合、後述するように、負極拡散層２５の表面に、燃料供給マニホールド１１と燃料排出マニホールド１２とを直線状に繋ぐ溝状の燃料流路を複数平行または略平行に形成することが好ましい。この場合、負極拡散層の破損を抑制することもできる。
【００３６】
図４及び図５に示す燃料電池では、酸化剤ガス流路１３を通過する空気は、冷却媒体としても作用する。つまり、酸化剤ガス流路１３が冷却媒体流路を兼ねることになる。そのため、セパレータに別途冷却媒体流路を形成する必要がなく、セパレータを単一部材の層で構成し、片面を平面状としてセパレータを薄くしても、冷却媒体による冷却が可能である。
【００３７】
ここで、図１及び図３に示す本実施形態の燃料電池システム１０１が、酸化剤ガス流路の供給口５１側及び排気口５２側にそれぞれ送気部９１、９０を備える理由について説明する。
【００３８】
燃料電池１００を発電させるためには、酸化剤ガス（この場合、酸素を含む空気）を正極に供給する必要があるが、従来（特許文献３）では、図１３及び図１４に示すように酸化剤ガスの排気口５２側に送気部９０を設置し、空気を供給口５１側から排気口５２側に送気することにより、正極を構成する正極拡散層２１に供給していた。しかし、送気部を排気口５２側にのみ設置した場合、供給口５１と排気口５２とでは送気量が異なり、発電時に同一セルにおいて酸化剤ガスが不均一となり、発電効率が低下し、安定した発電ができなくなる虞がある。
【００３９】
そこで、本実施形態では、図１及び図３に示すように、酸化剤ガスの供給口５１側にも送気部９１を設置し、供給口５１側から強制的に空気を送気するようにした。この場合、送気部９１によって送気された空気がセパレータ１０のリブ１４に当たり、送気部９１と供給口５１との間の空間内で気流が発生して僅かに加圧状態になることで、燃料電池１００の供給口５１側の側面全体に空気が拡がる。このような状態で、送気部９０によって空気を燃料電池１００内から外部へ排気する方向へ送気させると、上述した排気口５２側にのみ送気部を設置した場合に生じる不均一な送気状態を回避でき、発電効率が向上し、安定して発電させることができる。
【００４０】
ここで、送気部の配置位置による、燃料電池の出力への影響を調べたところ、送気部を、排気口５２側にのみ２つ設けた場合、燃料電池の平均出力は２９Ｗであった。一方、送気部を、供給口５１及び排気口５２のそれぞれに１つずつ設けた場合、燃料電池の平均出力は３２Ｗであった。このように、送気部は排気口５２側だけでなく、供給口５１側にも設けた方が、燃料電池の出力が向上することが分かる。従って、本発明では、送気部を酸化剤ガスの排気口５２及び供給口５１の両方に設けた。
【００４１】
供給用送気部９１と供給口５１の間の距離、及び、排出用送気部９０と排気口５２との間の距離は、設置する燃料電池１００の長辺方向の長さや、用いる送気部の風量及び静圧によって変わるため、限定されないが、５ｍｍから１０ｍｍの間であれば、特に発電に影響を及ぼさない。上述のように、排気口５２側にのみ送気部を設置した場合、発電効率の観点から、送気部と排気口５２との間の距離は１５ｍｍ以上に設定していたが、本発明では、排気口５２及び供給口５１の両方に送気部を設けることで、送気部と排気口５２との間の距離を５ｍｍ〜１０ｍｍにまで短くしても安定して発電することができ、その結果、燃料電池システム全体の容積を小さくすることが可能となる。
【００４２】
また、供給用送気部９１の位置は、供給用送気部９１と供給口５１との間に気流を発生させることができるのであれば特に限定されない。
【００４３】
図６は、図４及び図５に示すセパレータ１０の一例を示す概略構成図である。図６Ａは、セパレータ１０の、酸化剤ガス流路１３が形成されていない側の面（負極拡散層に接する側の面）を示す平面図、図６Ｂは、図６ＡにおけるＩＩ−ＩＩ線断面図、図６Ｃは、セパレータ１０の、酸化剤ガス流路１３が形成されている側の面（正極拡散層に接する側の面）を示す平面図である。
【００４４】
燃料供給マニホールド１１及び燃料排出マニホールド１２は、平面視での形状が四角形であるセパレータ１０の４辺のうちの対向する２辺の近傍に、それぞれ配置されている。また、セパレータ１０の燃料供給マニホールド１１及び燃料排出マニホールド１２を上記のような配置とし、ＭＥＡ２０を構成する正極、負極及び固体高分子電解質膜にも、セパレータ１０の燃料供給マニホールド１１及び燃料排出マニホールド１２に相当する位置に燃料供給マニホールド及び燃料排出マニホールドを形成することで、負極における燃料が良好に流通する領域、すなわち、燃料供給マニホールドと燃料排出マニホールドとで挟まれた領域をより大きくとることができ、発電に良好に関与できる電極面積をより大きくすることが可能で、より効率よく発電させることができる。また、水素を燃料とする燃料電池においては、発電に伴って生成した水や燃料中に含まれる水分が負極で滞留してその後の発電反応を阻害する虞があるが、燃料供給マニホールド及び燃料排出マニホールドを上記のように配置することで、燃料は、負極の殆どの箇所で、燃料供給マニホールドから燃料排出マニホールドへ直線状に向かうように流れるようになるため、負極内の水を、燃料排出マニホールドを通じて外部へ良好に排出することができ、負極内で水が滞留することによる発電効率の低下を抑制することができる。
【００４５】
セパレータ１０の一方の主面（上面）は、図６Ａに示したように平面状である。他方の主面（下面）には、図６Ｃに示したように、平面視で四角形を構成する４辺のうちの、燃料供給マニホールド１１及び燃料排出マニホールド１２が近傍に形成された対向する２辺とは別の２辺を直線状に繋ぐ複数の酸化剤ガス流路１３が、互いに平行または略平行に形成されている。酸化剤ガス流路１３は溝状であり、隣り合う酸化剤ガス流路１３間には、リブ１４が存在している。なお、図６Ｃでは、酸化剤ガス流路１３とリブ１４とを識別しやすくするために、酸化剤ガス流路１３を、ドットを入れて示している。セパレータに係る酸化剤ガス流路における「互いに平行または略平行」とは、基本的には、各酸化剤ガス流路は互いに平行に形成されるが、多少平行からずれている場合であっても、本発明の効果が損なわれない範囲であれば、許容される意味である。
【００４６】
セパレータ１０の酸化剤ガス流路１３方向の長さ（図６Ａ及び図６Ｃ中、縦方向の長さ）は、電極面積を十分に確保する観点から、１０ｍｍ以上であることが好ましい。また、上記の通り、酸化剤ガス流路１３を通過するガスは、例えば、酸素（酸化剤ガス）の供給源となる他、冷却媒体としても機能させることができるが、セパレータ１０の酸化剤ガス流路方向の長さが長すぎると、燃料電池の発電時における発熱を、酸化剤ガス流路を通過するガスによって十分に冷却できない虞がある。そのため、セパレータ１０の酸化剤ガス流路１３方向の長さは、１００ｍｍ以下であることが好ましい。
【００４７】
セパレータ１０における燃料供給マニホールド１１と燃料排出マニホールド１２との間の距離（最短の距離。燃料供給マニホールド１１と燃料排出マニホールド１２との間の距離について、以下同じ。）は、電極面積を十分に確保する観点から、１０ｍｍ以上であることが好ましい。また、燃料供給マニホールド１１と燃料排出マニホールド１２との間の距離が長すぎると、燃料流路が長くなって、燃料流通の圧損が大きくなることがある。そのため、セパレータ１０における燃料供給マニホールド１１と燃料排出マニホールド１２との間の距離は、３００ｍｍ以下であることが好ましい。
【００４８】
セパレータ１０における燃料供給マニホールド１１及び燃料排出マニホールド１２の幅（図６Ａ及び図６Ｃ中、横方向の長さ）は、燃料流通時の圧損を小さくするためには、後述するガスシール性を確保できる範囲でできる限り大きくすることが好ましい。
【００４９】
燃料供給マニホールド１１及び燃料排出マニホールド１２は、上述したように、平面視での形状が四角形であるセパレータ１０の４辺のうちの対向する２辺の近傍にそれぞれ設けられるが、具体的には、燃料供給マニホールド１１は、図６Ａ及び図６Ｃ中で、後述するガスシール性を確保できる範囲で、左側の縦の辺からの距離ができる限り短くなるように配置することが好ましい。また、燃料排出マニホールド１２も、図６Ａ及び図６Ｃ中で、後述するガスシール性を確保できる範囲で、右側の縦の辺からの距離ができる限り短くなるようにすることが好ましい。
【００５０】
本発明の燃料電池において、ＭＥＡを構成する正極、負極及び固体高分子電解質膜に形成する燃料供給マニホールド及び燃料排出マニホールドは、上述したように、セパレータの燃料供給マニホールド及び燃料排出マニホールドの存在位置に相当する箇所に配置する。これにより、セパレータ及びＭＥＡに形成された燃料供給マニホールドが重なり、また、セパレータ及びＭＥＡに形成された燃料排出マニホールドが重なることで、燃料電池の厚み方向（セパレータ及びＭＥＡの積層方向）に燃料流路が形成される。
【００５１】
ＭＥＡに形成される燃料供給マニホールド及び燃料排出マニホールド、並びにセパレータに形成される燃料供給マニホールド及び燃料排出マニホールドの形成位置の決定に当たっては、後述する正極ガスシール及び負極ガスシールの幅を考慮することが好ましい。
【００５２】
酸化剤ガス流路１３の幅（図６Ｂ及び図６Ｃ中、横方向の長さ）は、ガスの流通をより良好にする観点から、０．５ｍｍ以上とすることが好ましく、また、セパレータ１０の強度低下を抑制する観点から、５ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００５３】
酸化剤ガス流路１３の高さ（溝の深さ）は、ガスの流通をより良好にする観点から、０．５ｍｍ以上とすることが好ましく、また、セパレータ１０の厚みの増大を抑制する観点から、５ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００５４】
隣り合う酸化剤ガス流路１３間に存在するリブ１４の幅（図６Ｂ及び図６Ｃ中、横方向の長さ）は、セパレータ１０の強度低下を抑制する観点から、０．５ｍｍ以上とすることが好ましく、また、酸化剤ガス流路１３でのガスの流通を良好にする観点から、５ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００５５】
酸化剤ガス流路１３部分の最薄部の厚み（図６Ｂでは、セパレータ１０の下面に形成された溝状の酸化剤ガス流路１３の天面からセパレータ１０の上面までの長さ）は、セパレータ１０の強度を確保して、割れ、ゆがみなどを防止する観点から、０．２ｍｍ以上とすることが好ましく、また、セパレータ１０の厚みの増大を抑制する観点から、５ｍｍ以下であることが好ましい。
【００５６】
セパレータ１０の材質としては、電子伝導性及び耐食性の高いものであれば特に制限は無いが、例えば、黒鉛、カーボンと樹脂との混練物、ステンレス鋼、ステンレス鋼に金や白金をメッキしたもの、チタン、チタンに金や白金をメッキしたもの、ステンレス鋼−銅クラッド、ステンレス鋼−銅クラッドに金や白金をメッキしたものなどが好適である。
【００５７】
図７は、図４及び図５に示すＭＥＡ２０を構成する、正極触媒層２２、固体高分子電解質膜２３及び負極触媒層２４の積層体２０ａの一例を示す概略構成図である。図７Ａは平面図、図７Ｂは図７ＡにおけるＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【００５８】
積層体２０ａを構成する、正極触媒層２２と固体高分子電解質膜２３と負極触媒層２４とは、図７に示すように平面視で同一形状であることが好ましい。これにより、正極触媒層２２と固体高分子電解質膜２３と負極触媒層２４とで構成される積層体２０ａの全面で厚みを均一にできるため、正負極の拡散層及び正負極のガスシールを介したセパレータ（ＭＥＡの上下面に配置される２枚のセパレータ）による締め付けが均一になり、ガス漏れをより良好に抑制できるようになる。また、ＭＥＡの製造時において、固体高分子電解質膜２３を挟んで正極触媒層２２と負極触媒層２４との位置を精度よく決定する必要もなくなるため、ＭＥＡの製造、ひいては燃料電池の製造がより容易となり、その生産性を高めることができる。
【００５９】
また、積層体２０ａは平面視での形状が四角形であり、上記四角形を構成する４辺のうちの１辺の近傍に燃料供給マニホールド２０１が形成され、上記１辺に対向する１辺の近傍に燃料排出マニホールド２０２が形成されている。
【００６０】
図８は、図４に示す正極拡散層２１及び正極ガスシール３０の一例を示す概略構成図である。図８Ａは平面図、図８Ｂは図８ＡにおけるＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【００６１】
正極拡散層２１は、上記の通り、セパレータの酸化剤ガス流路形成面の全面を覆うように配置される。この正極拡散層２１は、平面視での形状が四角形であり、上記四角形を構成する４辺のうち、セパレータの酸化剤ガス流路と平行または略平行な２辺（図８Ａ中、縦の２辺）の外側に、燃料ガスの流出を抑制するための正極ガスシール３０が配置されている。そのため、セパレータの酸化剤ガス流路の開口端に相当する位置に正極ガスシール３０が存在せず、固体高分子電解質膜の、燃料による圧力や水分によって生じ得る膨張収縮の応力を緩和することができる。
【００６２】
また、正極ガスシール３０には、燃料供給マニホールド３１及び燃料排出マニホールド３２が形成されている。
【００６３】
正極拡散層２１と正極ガスシール３０との界面の位置は、セパレータの酸化剤ガス流路の形成面よりも長手方向外側（燃料供給マニホールド側及び燃料排出マニホールド側）に相当する位置であることが好ましい。上記界面がセパレータの酸化剤ガス流路に相当する位置や、酸化剤ガス流路とこれに隣り合う酸化剤ガス流路との間に相当するリブの位置に存在していた場合、ガスシール性が低下する虞がある。
【００６４】
正極ガスシール３０の幅（図８Ａ中、ａやｂの長さ）は、ガスシール性をより良好にする観点からは、０．５ｍｍ以上であることが好ましく、また、電極面積のロスを低減する観点からは、５ｍｍ以下であることが好ましい。
【００６５】
正極拡散層２１の厚みは、１００〜１０００μｍであることが好ましい。また、正極ガスシール３０の厚みは、５０〜１０００μｍであることが好ましい。
【００６６】
図９は、図４に示す負極拡散層２５及び負極ガスシール４０の一例を示す概略構成図である。図９Ａは平面図、図９Ｂは図９ＡにおけるＶ−Ｖ線断面図である。
【００６７】
負極拡散層２５は、上記の通り、セパレータの平板面（酸化剤ガス流路の形成面とは反対側の面）と接するように配置される。この負極拡散層２５は、平面視での形状が四角形であり、上記四角形の外周外側に、燃料ガスの流出を抑制するための負極ガスシール４０が配置されている。また、上記四角形を構成する４辺のうちの１辺（図９Ａ中、左側の縦の辺）と負極ガスシール４０とで燃料供給マニホールド４１が形成され、上記１辺に対向する１辺（図９Ａ中右側の縦の辺）と負極ガスシール４０とで燃料排出マニホールド４２が形成されている。
【００６８】
負極拡散層２５としては、上述の通り、その内部に、燃料ガスが流通可能な孔を有する材料で構成することが一般的であるが、本実施形態では、負極拡散層２５、負極ガスシール４０、燃料供給マニホールド４１及び燃料排出マニホールド４２を上記のように配置することで、負極拡散層２５の全体に、燃料供給マニホールド４１から燃料排出マニホールド４２へ向かう燃料流路が形成されることになる。そのため、例えば、負極内に水分量の多い燃料が供給された場合や、発電に伴って水が生成するなどして負極内に水が溜まった場合にも、これを良好に排出することができるようになる。
【００６９】
なお、負極拡散層２５には、必ずしも燃料流路を形成する必要はない。燃料流路を形成しない場合には、負極拡散層２５の一方の主面（図４では、下面）の全面がセパレータ１０（図４）と接することになるため、電気的な接触抵抗を最小限に抑えることが可能となる。他方、例えば、燃料ガスの供給圧が比較的高い場合には、負極拡散層の破損の虞もあるため、負極拡散層２５の他方の主面（図４では、上面）に、燃料供給マニホールド４１と燃料排出マニホールド４２とを直線状に繋ぐ溝状の燃料流路を、好ましくは複数平行または略平行に形成して、負極拡散層の破損を抑制することもできる。
【００７０】
負極ガスシール４０の幅（図９Ａ中、ｃやｄの長さ）は、ガスシール性をより良好にする観点からは、０．５ｍｍ以上であることが好ましく、また、電極面積のロスを低減する観点からは、５ｍｍ以下であることが好ましい。
【００７１】
負極拡散層２５の厚みは、１００〜１０００μｍであることが好ましい。また、負極ガスシール４０の厚みは、５０〜１０００μｍであることが好ましい。
【００７２】
本実施形態では、正極拡散層及び負極拡散層は、多孔性の電子導電性材料で構成され、例えば、撥水処理を施した多孔質炭素シートなどが用いられる。正極拡散層の正極触媒層側の面、及び負極拡散層の負極触媒層側の面には、更なる撥水性向上及び触媒層との接触向上を目的として、フッ素樹脂粒子（ＰＴＦＥ樹脂粒子など）を含む炭素粉末のペーストを塗布してもよい。
【００７３】
また、正極ガスシール及び負極ガスシールの材質には、燃料電池分野などにおいてシール材として公知の各種材料、例えば、シリコンゴム、エチレン−プロピレン−ジエンゴム、ＰＴＦＥフィルム、ポリイミドフィルムなどを用いることができる。
【００７４】
本発明の燃料電池では、燃料電池を構成するＭＥＡにおいて、正極と負極とを、例えば、抵抗及びスイッチを介してリード体などで接続するなどして、導通可能なように構成していることが好ましい。このような構成のＭＥＡを有する燃料電池では、燃料電池による発電の終了時に、上記のスイッチを入れるなどしてＭＥＡに係る正極と負極とを短絡させて、燃料電池内に残留する水素などの燃料を消費することができる。そのため、燃料電池による発電の終了時に燃料電池内に残留する燃料による燃料電池の劣化を抑制することができる。
【００７５】
燃料電池に係るＭＥＡにおいて、正極と負極とを、上記のように抵抗を介して導通可能なように構成する場合、かかる抵抗としては、例えば、燃料電池発電システムにおいて、燃料電池の停止後、ＭＥＡの正極−負極間の電圧が０．１Ｖ以下となるのに要する時間が１分以内となるような抵抗値を有するものを用いればよく、抵抗を用いなくても、このような時間でＭＥＡの正極−負極間の電圧を上記のように下げることができるのであれば、抵抗を用いずにスイッチのみを介してリード体などで接続して、導通可能としてもよい。
【００７６】
燃料電池を構成するＭＥＡに係る正極触媒層は、正極拡散層を介して拡散してきた酸素を還元する機能を有している。正極触媒層は、例えば、触媒を担持した炭素粉末（触媒担持炭素粉末）と、プロトン伝導性材料とを含有している。また、必要に応じて、樹脂などのバインダをさらに含有していてもよい。
【００７７】
正極触媒層が含有する触媒としては、酸素を還元できるものであれば特に制限はないが、例えば、白金微粒子が挙げられる。また、上記触媒は、鉄、ニッケル、コバルト、錫、ルテニウム及び金よりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属元素と白金との合金で構成される微粒子などであってもよい。
【００７８】
触媒の担体である炭素粉末としては、例えば、ＢＥＴ比表面積が１０〜２０００ｍ2／ｇであり、平均粒子径が２０〜１００ｎｍのカーボンブラックなどが用いられる。炭素粉末への上記触媒の担持は、例えば、コロイド法などで行うことができる。
【００７９】
上記炭素粉末と上記触媒との含有比率としては、例えば、炭素粉末１００質量部に対して、触媒が５〜４００質量部であることが好ましい。このような含有比率であれば、十分な触媒活性を有する正極触媒層が構成できるからである。また、例えば、炭素粉末上に触媒を析出させる方法（例えば、コロイド法）で触媒担持炭素粉末が作製される場合には、炭素粉末と触媒とが上記の含有比率であれば、触媒の径が大きくなりすぎず、十分な触媒活性が得られるからである。
【００８０】
正極触媒層に含まれるプロトン伝導性材料としては、特に制限はないが、例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂、スルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂、スルホン化ポリイミド樹脂などのスルホン酸基を有する樹脂を用いることができる。ポリパーフルオロスルホン酸樹脂としては、具体的には、デュポン社製の「ナフィオン（登録商標）」、旭硝子社製の「フレミオン（登録商標）」、旭化成工業社製の「アシプレックス（商品名）」などが挙げられる。
【００８１】
正極触媒層におけるプロトン伝導性材料の含有量は、触媒担持炭素粉末１００質量部に対して、２〜２００質量部であることが好ましい。プロトン伝導性材料が上記の量で含有されていれば、正極触媒層において十分なプロトン伝導性が得られ、電気抵抗値が大きくなりすぎず、電池性能の良好な燃料電池を得ることができるからである。
【００８２】
正極触媒層に係るバインダとしては、特に制限はないが、例えば、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体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体（Ｅ／ＴＦＥ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）及びポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）などのフッ素樹脂や、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン、ポリスチレン、ポリエステル、アイオノマー、ブチルゴム、エチレン・酢酸ビニル共重合体、エチレン・エチルアクリレート共重合体及びエチレン・アクリル酸共重合体などの非フッ素樹脂などが用いることができる。
【００８３】
正極触媒層におけるバインダの含有量は、触媒担持炭素粉末１００質量部に対して、０．０１〜１００質量部であることが好ましい。バインダが上記の量で含有されていれば、正極触媒層について十分な結着性が得られ、電気抵抗値が大きくなりすぎず、電池性能の良好な燃料電池を得ることができるからである。
【００８４】
正極触媒層の厚みは、１〜５０μｍであることが好ましい。
【００８５】
負極触媒層は、負極拡散層を介して拡散してきた水素などの燃料を酸化する機能を有している。負極触媒層は、例えば、触媒を担持した炭素粉末（触媒担持炭素粉末）と、プロトン伝導性材料とを含有している。また、必要に応じて、樹脂などのバインダをさらに含有していてもよい。
【００８６】
負極触媒層に係る触媒は、水素などの燃料を酸化できれば特に制限はなく、例えば、正極触媒層に係る触媒として例示した上記の各触媒を用いることができる。負極触媒層に係る炭素粉末、プロトン伝導性材料、及びバインダについても、正極触媒層に係る炭素粉末、プロトン伝導性材料、及びバインダとして例示した上記の各材料を用いることができる。
【００８７】
負極触媒層の厚みは、１〜５０μｍであることが好ましい。
【００８８】
固体高分子電解質膜は、プロトンを輸送可能であり、かつ電子伝導性は示さない材料で構成された膜であれば、特に制限はない。固体高分子電解質膜を構成し得る材料としては、例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂、具体的には、デュポン社製の「ナフィオン（登録商標）」、旭硝子社製の「フレミオン（登録商標）」、旭化成工業社製の「アシプレックス（商品名）」などが挙げられる。その他、スルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂、スルホン化ポリイミド樹脂、硫酸ドープポリベンズイミダゾールなども、固体高分子電解質膜の材料として用いることができる。
【００８９】
固体高分子電解質膜の厚みは、５〜１５０μｍであることが好ましい。
【００９０】
（実施形態２）
本実施形態２では、本発明の燃料電池システムの他の例について説明する。図１０は、本実施形態の燃料電池システムの概略斜視図を示す。図１０において、図１及び図２と同一構成要素については同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。上記実施形態１と異なる点は、供給用送気部９１及び排出用送気部９０をそれぞれ複数（ここでは２つずつ）設置した点である。
【００９１】
本実施形態では、２つの供給用送気部９１、９１及び２つの排出用送気部９０、９０をそれぞれ制御可能である。例えば、燃料電池１００の負極側に供給する燃料が少ない場合、図１０に示す２つの供給用送気部９１及び２つの排出用送気部９０のうち、それぞれ１つずつ停止させることにより、正極側へ供給される酸化剤ガスの供給量を抑えて発電させることができる。
【００９２】
このように、複数の供給用送気部９１及び複数の排出用送気部９０をそれぞれ制御することで、燃料電池１００の発電状態に応じて送気量を調整することができる。また、供給用送気部及び排出用送気部に使用する電力も抑えることができる。さらに、図１０のような直方体形状の燃料電池１００を用いる場合、セル全体に均一に酸化剤ガスを送気する場合においても有利である。
【００９３】
（実施形態３）
本実施形態３では、本発明の燃料電池システムを用いた燃料電池発電システムの一例を説明する。図１１は、本実施形態の燃料電池発電システムの一例を示す概略構成図である。
【００９４】
本実施形態の燃料電池発電システムは、上記実施形態１の燃料電池システム１０１と、燃料電池１００の燃料となる水素を製造する水素製造装置６００と、燃料電池１００内の燃料ガスをシステム外に排出する排気手段（符号は付していない）とを備えている。以下に、各構成要素について詳細に説明する。
【００９５】
＜燃料電池システム＞
本実施形態における燃料電池システム１０１については、上記実施形態１において図１〜図９を用いて説明したので、ここでは説明を省略する。図１１において、破線矢印は、排出用送気部９０及び供給用送気部９１により送気されるガスの流れ方向を示している。
【００９６】
＜水素製造装置＞
本実施形態における水素製造装置６００は、水素発生物質６０４を収容した水素発生物質収容容器６０３と、水６０２を収容した水収容容器６０１と、水収容容器６０１内の水６０２を水素発生物質収容容器６０３に輸送する輸送部としての例えばポンプ２０１と、気液混合流体を水素を含む気体と水とに分離する気液分離容器８００と、気液分離容器８００により気液混合流体から分離された水を水収容容器６０１に回収するための三方バルブ４０１とを備えている。この水素製造装置６００は、水素発生物質６０４と水６０２とを発熱反応させることにより水素を製造する。この水素は、配管５０３、５０４及び５０５からなる燃料流路を経て燃料電池１００に供給され、燃料として用いられる。
【００９７】
水素発生物質収容容器６０３は、水素を発生させる水素発生物質６０４を収納可能であれば、その材質や形状は特に限定されないが、水や水素が漏れない材質や形状が好ましい。具体的な容器の材質としては、水及び水素を透過しにくく、かつ１２０℃程度に加熱しても容器が破損しない材質が好ましく、例えば、アルミニウム、鉄などの金属、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの樹脂を用いることができる。また、容器の形状としては、角柱状、円柱状などが採用できる。
【００９８】
水収容容器６０１については特に制限はなく、例えば、従来の水素製造装置に使用されているものと同様の水を収容するタンクなどが採用できる。
【００９９】
水素発生物質収容容器６０３及び水収容容器６０１は脱着式とすることもできる。これにより、水素発生物質収容容器６０３内の水素発生物質６０４が消費されつくしたり、水収容容器６０１内の水６０２がなくなったりした場合に、これらを取り外し、所定量の水素発生物質６０４が充填された水素発生物質収容容器６０３や、所定量の水６０２が充填された水収容容器６０１を新たに取り付けることで、再び水素を製造できる。
【０１００】
水収容容器６０１に収容する水は、中性の水、酸性水溶液、アルカリ性水溶液など、少なくとも水を含む液体であればよく、使用する水素発生物質との反応性などに応じて好適なものを選択すればよい。
【０１０１】
水素発生物質収容容器６０３に収容する水素発生物質６０４としては、特に制限はないが、水と１２０℃以下の低温で反応して水素を発生し得るものが望ましい。水素発生物質としては、例えば、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、マグネシウムといった金属や、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、及びマグネシウムの中の一種以上の元素を主体とする合金、さらには、金属水素化物などが好適に使用できる。上記合金を用いる場合、主体となる元素以外の金属成分は特に限定されない。主体となる元素とは、合金全体に対して５０質量%以上、好ましくは８０質量％以上、より好ましくは９０質量％以上含有されている元素のことを意味する。
【０１０２】
上記の金属や合金からなる水素発生物質は、表面に酸化皮膜を形成して安定化する。このため、反応性を高めるためには、水素発生物質の粒径をできるだけ小さくし、反応面積を大きくすることが好ましい。例えば、水素発生物質粒子の平均粒径は、１００μｍ以下であることが好ましく、５０μｍ以下であることがより好ましい。また、粒子形状は、反応効率を高めるためにフレークであることが好ましい。粒径が小さすぎると、嵩密度が小さくなり、充填密度が低下するだけでなく、取り扱いが困難になるため、水素発生物質の粒径は、０．１μｍ以上とすることが好ましい。
【０１０３】
上記平均粒径の測定方法としては、例えば、レーザー回折・散乱法などを用いることができる。具体的には、水などの液相に分散させた測定対象物質にレーザー光を照射することによって検出される散乱強度分布を利用した粒子径分布の測定方法である。レーザー回折・散乱法による粒子径分布測定装置としては、例えば、日機装株式会社製の「マイクロトラックＨＲＡ」などを用いることができる。
【０１０４】
また、水素発生物質として用い得る金属水素化物としては、例えば、水素化ホウ素ナトリウムまたは水素化ホウ素カリウムなどが挙げられる。これらの金属水素化物は、アルカリ水溶液中では比較的安定であるが、触媒が存在する場合、速やかに水と反応して水素を発生することができる。触媒としては例えばＰｔ、Ｎｉなどの金属や酸などを用いることができる。
【０１０５】
水素発生物質は、上記例示のものを１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。
【０１０６】
また、上記水素発生物質は、水との反応性を高めるため、水と混合された状態で加熱してもよく、加熱された水を供給してもよい。
【０１０７】
さらに、上記水素発生物質を、水と反応して発熱する発熱物質（水素発生物質以外の物質）と共に用いることにより、低温（例えば５℃程度）の水を供給しても、上記発熱物質の発熱によって反応系内の温度を高めて、迅速な水素発生が可能となる。
【０１０８】
水と反応して発熱する発熱物質としては、例えば、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、塩化カルシウム、塩化マグネシウム、硫酸カルシウムなど、水との反応により水酸化物となるか、あるいは、水和することにより発熱するアルカリ金属またはアルカリ土類金属の酸化物、塩化物、硫酸化合物などが挙げられる。また、水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素カリウム、水素化リチウムなどの金属水素化物などのように水との反応により水素を生成するものは、上記の通り、水素発生物質として使用することが可能であるが、上記の金属や合金を水素発生物質として使用する場合の発熱物質としても用いることができる。
【０１０９】
特に、水素発生物質として、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、マグネシウムといった金属や、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、及びマグネシウムの中の１種以上の元素を主体とする合金を使用する場合には、上記発熱物質を併用することが好ましい。他方、水素発生物質として上記の金属水素化物を用いる場合には、上記発熱物質を併用しなくても、比較的良好な速度で水素を製造できるが、発熱物質を併用して、さらに水素発生速度を高めてもよい。
【０１１０】
気液分離容器８００は、気液混合流体を導入する導入管８０１、気液混合流体から分離された液体を排出する２つの排液管８０３及び８０４、気液混合流体から分離された気体を排出する排気管８０２を有する半球状の容器である。本実施形態では、気液分離容器８００を設けることにより、燃料電池１００に供給される水素を含む気体中の液体成分量を削減することができ、これにより、水分が供給されることによる燃料電池１００の不具合を防止できる。図１１において、排液管８０４は、配管５１０を介して水収容容器６０１に連結され、排液管８０３は、配管５１１、三方バルブ４０１、ポンプ２０１、配管５０１を介して水収容容器６０１に連結されている。導入管８０１は、配管５０３を介して水素発生物質収容容器６０３に連結されている。排気管８０２は、配管５０４、三方バルブ４０２、配管５０５を介して燃料電池１００に連結されている。
【０１１１】
気液分離容器８００としては、耐熱性及び耐腐食性に優れ、容器が変形しない不撓性材料からなるものであれば特に限定されないが、水や水素が漏れない材質や、５０ｋＰａ程度の減圧及び加圧などの内圧変動に耐えうる構造がより好ましい。具体的な容器の材質としては、水及び水素を透過しにくく、かつ１２０℃程度に加熱しても容器が破損しない材質が好ましく、例えば、アルミニウム、鉄などの金属、アクリル樹脂、硬質のポリプロピレンやポリエチレンなどの樹脂を用いることができる。また、容器の形状としては、ここでは半球状としたが、他に角柱状、円柱状、球状などが採用できる。
【０１１２】
ここで、本実施形態の気液分離容器８００の詳細な構成について図１２を用いて説明する。図１２は、本実施形態における気液分離容器８００の内部の様子を示す概略透視図である。
【０１１３】
図１２において、排液管８０３及び８０４は、気液分離容器８００の上面に配置され、気液分離容器８００の内部から外部に延伸している。この排液管８０３及び８０４は、気液分離容器８００の内部側に第１開口部（符号は付していない）を有し、液体を気液分離容器８００の内部から外部に排出する。排液管８０３及び８０４の第１開口部にはそれぞれ、可撓性を有する吸水管８０５の末端部が接続されており、吸水管８０５の先端部には錘８０６が設けられている。吸水管８０５は、錘８０６の作用により曲がり、吸水管８０５の吸水口８０９は気液分離容器８００内で重力方向に移動し、気液分離容器８００がどのような方向に傾いても気液分離容器８００内に貯留する液体と接触可能な状態となる。これにより、気液分離容器８００の傾きに関わらず、気液分離容器８００内に貯留する液体を吸い込んで排出できる。
【０１１４】
また、２つの吸水管８０５は、互いに絡まないように固定バンド８１０で固定されている。これにより、吸水管８０５の曲がる角度を制限し、吸水管８０５同士の絡みつきや、吸水管８０５と排液管８０３、８０４または吸気管８０７との絡みつきを抑制可能である。なお、上記絡みつきを抑制する効果は、固定バンド８１０に限定されるものではなく、複数の吸水管８０５を接続する他の機構によっても得ることができる。例えば、錘８０６が複数の吸水管８０５を固定する役割を兼ねるものであれば、固定バンド８１０の設置を省略でき、固定バンド８１０が外れるなどの問題を回避することもできる。
【０１１５】
導入管８０１は、気液分離容器８００の上面に配置され、気液分離容器８００の内部から外部へ延伸している。この導入管８０１は、気液分離容器８００の内部側に第２開口部（符号は付していない）を有し、気液混合流体を気液分離容器８００の外部から内部に導入する。
【０１１６】
排気管８０２は、気液分離容器８００の上面に配置され、気液分離容器８００の内部から外部へ延伸している。この排気管８０２は、気液分離容器８００の内部側に第３開口部（符号は付していない）を有し、気体を気液分離容器８００の内部から外部に排出する。この排気管８０２の第３開口部には吸気管８０７の末端部が接続されており、吸気管８０７の先端部は気液分離容器８００の中心部に配置されており、先端部の開口部である吸気口８０８から気液分離容器８００内の気体を吸い込み排気管８０２内へ輸送する。これにより、気液分離容器８００内に貯留する液体の液面が吸気口８０８にまで達しない限り、気液分離容器８００がどのような方向に傾いても、吸気口８０８が気液分離容器８００内の液体と接触するのを回避し、排気管８０２方向への液体の侵入を抑制できる。なお、図１２において、排気管８０２と吸気管８０７は、区分不可能なように一体的に形成されている。
【０１１７】
排液管８０３、８０４、導入管８０１及び排気管８０２としては、耐熱性、耐薬品性及び強度に優れたものであれば特に限定されないが、例えば、ＰＴＦＥ、硬質シリコン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、ポリカーボネート、四フッ化エチレン、ポリサルフォンなどの樹脂製チューブ、ステンレス鋼製パイプなどの金属パイプが好適に用いられる。
【０１１８】
吸水管８０５としては、中空でかつ可撓性を有するものであれば特に限定されないが、耐熱性及び耐薬品性などに優れたフロンチューブや、シリコンチューブが好適に用いられる。
【０１１９】
錘８０６としては、耐薬品性に優れたものであれば特に限定されないが、例えば、メッキを施した鉛製のものや、ステンレス鋼製のものが好適に用いられる。また、錘８０６の重量は、例えば、捕集する液体が水である場合、その比重（ｄ＝１．０）以上であって、吸水管８０５の浮力を差し引いた重量よりも大きければ特に限定されないが、錘の応答性から、比重（ｄ≧１０）以上が好ましい。錘８０６の大きさは、方向自在性を確保するため、壁面や配管に当たらない程度の大きさであれば、特に問題にならないが、気液分離容器８００全体積の１０％未満であることが好ましい。
【０１２０】
吸気管８０７としては、耐熱性及び耐薬品性に優れたものであれば、特に限定されないが、ＰＴＦＥチューブや、硬質シリコンチューブなどが好適に用いられる。吸気管８０７の形状は、気液分離容器８００の中心に吸気口８０８を配置できる形状であれば特に限定されないが、錘８０６によりあらゆる方向に移動する吸水管８０５と絡まないように配置することがより好ましい。
【０１２１】
固定バンド８１０としては、腐食しにくいものであれば特に限定されないが、例えば容器と同じ材質のものを用いることができる。
【０１２２】
このような構成の気液分離容器８００内に気液混合流体が導入されると、気液混合流体中の液体は、排液管８０３、８０４の方向に排出され、気液混合流体中の気体は、排気管８０２の方向に排出される。例えば、気液混合流体が水と水素を含むものである場合、導入管８０１から気液分離容器８００内に導入された気液混合流体中の水は、気液分離容器８００がどのような方向に傾いたとしても、気液分離容器８００内において重力方向下向きに溜まる。そして、この貯留水は、錘８０６の作用により重力方向に曲がった吸水管８０５の吸水口８０９から吸い込まれ、吸水管８０５を経て排液管８０３、８０４方向に排出される。このときの排水の動力源は、例えば、排液管８０３、８０４の流路上にポンプを経由し、送液する場合や、また水収容容器から水素発生物質収容容器へ送液するポンプの作用によって、気液分離容器８００の外部に排液させることができる。一方、気液混合流体中の水素は、気液分離容器８００の中心に設置した吸気口８０８より吸い込まれ、吸気管８０７を経て、排気管８０２方向に排出される。この排出された水素を、燃料電池の水素源にすることができる。
【０１２３】
以上で図１２を用いた気液分離容器８００の説明を終わり、以下、本実施形態の水素製造装置の動作について図１１を用いて説明する。
【０１２４】
水収容容器６０１に収容されている水６０２は、ポンプ２０１を駆動させることによって、配管５０１及び配管５０２を通じて水素発生物質収容容器６０３に輸送される。水素発生物質収容容器６０３内では、水素発生物質６０４と水６０２とが反応して水素が発生し、この水素は配管５０３に排出される。水素と共に水蒸気が配管５０３に排出された場合、水蒸気は配管５０３内で冷却されて水となり、水と水素との気液混合流体が気液分離容器８００の導入管８０１に導入されることになる。気液分離容器８００内では、上記気液混合流体は、重力差により、水素を含む気体と、水とに分離される。
【０１２５】
分離された水素を含む気体は、排気管８０２、配管５０４、５０５を通じて燃料電池１００に供給される。気液分離容器８００は上述したように方向自在性を有するため、水素製造装置がどのような方向に傾いても気液分離を行うことができ、燃料電池１００に安定して水素を供給可能であるとともに、水分が供給されることにより燃料電池１００に不具合が生じるのを回避できる。
【０１２６】
一方、分離された水は、以下のようにして水収容容器６０１に回収され、水素発生物質収容容器６０３に供給される水６０２として再利用される。これにより、水の利用効率を高めることができる。さらに、水素製造用の水を収容している水収容容器６０１を回収容器としても利用するため、気液分離容器８００で分離された水を回収するための回収容器を別途備える必要がなく、装置全体をコンパクトにすることができる。
【０１２７】
次に、気液分離容器８００内で分離された水を水収容容器６０１に回収する機構について詳述する。
【０１２８】
ポンプ２０１を用いて水収容容器６０１内の水６０２を水素発生物質収容容器６０３に一定割合で供給している間は、水収容容器６０１の内部圧力が減圧状態になる。この減圧状態を補償するように、水収容容器６０１に接続された他の配管５１０内において、気液分離容器８００の排液管８０４側から水収容容器６０１側の方向に吸引力が生じる。この現象を利用することにより、気液分離容器８００内の貯留水を、水収容容器６０１に回収することができる。そのため、配管５１０の途中に、気液分離容器８００内の水を水収容容器６０１へ輸送するポンプを別途設ける必要がなく、省電力化できる。
【０１２９】
一方、燃料電池１００の発電終了時など水素を製造する必要がない場合は、ポンプ２０１の駆動を停止して水素発生物質収容容器６０３への水供給を停止するが、水供給を停止してもしばらくの間は、水素発生物質収容容器６０３内に残留する水６０２と水素発生物質６０４が反応して水素が発生し、これに伴い水が生じ、この水が気液分離容器８００内に溜まる。そのため、上記水供給の停止後一定時間、気液分離容器８００内から水を回収する必要がある。そこで、本実施形態では、三方バルブ４０１を配管５１１と配管５０１が通じる方向に切り替え、ポンプ２０１を、水収容容器６０１から水素発生物質収容容器６０３へ送液する方向とは逆向きに動作させることによって、気液分離容器８００内に溜まった水を配管５１１、三方バルブ４０１、配管５０１を通じて水収容容器６０１に回収する。さらに、水収容容器６０１へ回収した水の体積分に相当する気体（空気）が、水収容容器６０１から配管５１０、気液分離容器８００、配管５０４、５０５を経て燃料電池１００に送られるため、水収容容器６０１及び気液分離容器８００の内圧も高くならないため、安全である。
【０１３０】
＜排気手段＞
本実施形態における排気手段は、上述したように、燃料電池１００内の燃料ガスをシステム外に排出するためのものである。図１１において、排気手段は、配管５０６、５０７、５０８、５０９、圧力センサ３００、バルブ４０２、バルブ４０３、逆止弁７００、及び燃料電池１００から排出されたガス中の水素を消費するための水素消費装置９００により構成されている。
【０１３１】
バルブ４０３は、燃料電池１００内の燃料ガスを燃料電池１００外に間欠的に排出するためのものである。図１１に示す本実施形態の燃料電池発電システムでは、燃料電池１００による発電に伴って、燃料電池１００の負極側に燃料ガス（発電に関与しなかった残留水素、及び発電の際に正極側から拡散してくる不純ガスを含むガス）や微量の生成水が蓄積するが、これらによって燃料電池１００内の圧力がある程度高まった時点で、バルブ４０３を用いて上記ガスや微量の生成水を配管５０７側に排出する。このように、バルブ４０３の作用によって、燃料電池１００内のガスや生成水を間欠的に燃料電池１００外に排出できる。
【０１３２】
圧力センサ３００は、配管５０５内の圧力を測定するものである。この圧力センサ３００での測定結果に基づいて、適時バルブ４０３の開閉動作を制御することで、燃料電池１００内のガスや生成水を配管５０７側へ排出することができる。バルブ４０３は、燃料電池１００内の負極の圧力と外部の圧力（例えば大気圧）との差圧が１〜３００ｋＰａに達した段階で開閉動作を行うよう制御されるのが望ましい。差圧が１ｋＰａ未満で開く場合は、圧力差が小さすぎて水を排出する能力が低下し、差圧が３００ｋＰａを超えるまで開かない場合は、内圧が高くなりすぎてＭＥＡを破損する虞が生じる。また、バルブ４０３が、上記適正圧力範囲にある場合、一定時間毎にバルブ４０３を開閉させることもできる。一定時間毎に開閉させた場合、燃料電池１００の発電時に生じた生成水を外部に強制的に排出させることが可能になる。
【０１３３】
このように、圧力センサ３００を用いて燃料電池の圧力を測定しながらバルブ４０３の開閉動作を制御することで、燃料電池の圧力が高くなりすぎて燃料電池から水素が漏れ出たり、燃料電池が破裂したりすることを抑制でき、適正に発電させることができる。また、燃料電池の出力状態と圧力情報を考慮して、出力を適正に維持できるように発電させることも可能となる。
【０１３４】
水素消費装置９００は、燃料電池１００から排出されたガスや、気液分離容器８００で水分が除去された後のガスに含まれる水素を消費する。図１１に示すシステムでは、燃料電池１００から排出されたガスは、配管５０７を通じて水素消費装置９００に導入され、気液分離容器８００で水分が除去された後のガスは、後述するように、配管５０６を通じて水素消費装置９００に導入される。図１１の水素消費装置９００はＭＥＡを有しており（図示しない）、燃料電池１００の有するＭＥＡによる発電と同じ機構によって、上記ガス中の水素を消費する。水素消費装置９００によって水素が除去されたガスは、配管５０９を経てシステム外に排出される。なお、図１１に示すシステムでは、配管５０９の出口が、排出用送気部９０からの送風が当たるように配置しているため、水素消費装置９００で処理しきれずに僅かに水素が残留していても、希釈しつつシステム外に排出することができる。
【０１３５】
また、水素消費装置９００の後には水蒸散装置（図示せず）を設置してもよい。燃料電池１００の発電で生じた微量の生成水や、気液分離容器８００で分離しきれなかった水が燃料電池１００に導入され、圧力センサ３００とバルブ４０３の制御によって、燃料電池１００の外部へ排出される水が、配管５０７を経て、水素消費装置９００に導入され、水素が除去されて残った水が、水蒸散装置に供給される。この水蒸散装置を設置することで、燃料電池発電システムの外部へ水を排出することを抑制することができる。また、この水蒸散装置は、水素消費装置９００を兼ねることもできる。
【０１３６】
ところで、一般的に、燃料電池では、発電が停止している際に、燃料電池内の正極に空気、負極に水素がそれぞれ貯留した状態が長時間継続すると、電極の劣化が生じる。この原因は定かではないが、この場合、電圧が発電時よりも高い状態で維持されるために、正負極の炭素や触媒が酸化するためではないかと推測される。よって、燃料電池発電システムでは、発電の終了時に、燃料電池内への水素の侵入を防止できるように構成されていたり、燃料電池内に残留する水素を除去できるように構成されていたりすることが好ましい。
【０１３７】
図１１に示すシステムでは、水素製造装置６００からの水素を燃料電池へ導入するための配管５０４と配管５０５との間にバルブ４０２が設けられている。また、このバルブ４０２は、配管５０６を経由して水素消費装置９００に接続されている。そのため、燃料電池１００の発電終了時に、バルブ４０２を作動させて、水素製造装置６００からの水素を、燃料電池１００に送らずに、配管５０６を通じて水素消費装置９００に直接供給し、処理することができる。同時にバルブ４０３は、配管５０７と逆止弁７００が通じる方向に切り替えることもできる。これは、燃料電池１００内の残存水素を消費させるため、燃料電池１００の正負極をショートさせることで残存水素を消費することができる。この場合、燃料電池１００の内部が減圧され、ＭＥＡが破損する虞がある。このため、バルブ４０３を配管５０７と逆止弁７００が通じる方向に切り替え、外気を取り入れることで燃料電池１００の内圧低下を防止することができる。これらの操作により、図１１に示すシステムでは、燃料電池１００による発電の終了時に、燃料電池１００内への水素の侵入を防止して、かかる水素による燃料電池１００の劣化を抑制することができる。
【０１３８】
本実施形態の燃料電池発電システムに係る水素消費装置は、システム内の水素を消費して除去できるものであれば特に制限はないが、例えば、ＭＥＡを有し、燃料電池に係るＭＥＡによる発電と同じ機構により水素を消費する装置や、水素を酸化し得る触媒を有する装置などが挙げられる。
【０１３９】
燃料電池に係るＭＥＡによる発電と同じ機構により水素を消費する装置としては、具体的には、図４及び図５に示した燃料電池を構成するＭＥＡのように、正極拡散層、正極触媒層、固体高分子電解質膜、負極触媒層及び負極拡散層が順次積層されており、正極と負極とが、例えば、スイッチ及び抵抗を介して導通可能なように接続されている構成のＭＥＡを有する水素消費装置が挙げられる。
【０１４０】
水素消費装置のＭＥＡに係る正極拡散層、正極触媒層、固体高分子電解質膜、負極触媒層及び負極拡散層については、燃料電池のＭＥＡに係る正極拡散層、正極触媒層、固体高分子電解質膜、負極触媒層及び負極拡散層として、先に記載したものと同じものが使用できる。
【０１４１】
上記の水素消費装置の場合、ガス中の水素を消費する必要が生じたときに、正極と負極との接続部におけるスイッチを入れ、ＭＥＡの正極−負極間を導通させることで、ガス中の水素を消費できる。これにより、燃料電池内から排気され、システム外に排出する必要のあるガス中の水素や、燃料電池による発電の終了時に、水素製造装置から燃料電池内に侵入する水素を、完全に無くすか、またはそれらの水素量を大幅に低減することができる。
【０１４２】
上記のＭＥＡを有する水素消費装置において、ＭＥＡの正極と負極とを抵抗を介して接続する場合、かかる抵抗としては、例えば、水素消費装置内に水素が導入されてから、ＭＥＡの正極−負極間の電圧が０．１Ｖ以下となるのに要する時間が１分以内となるような抵抗値を有するものを用いればよい。また、抵抗を用いなくても、このような時間でＭＥＡの正極−負極間の電圧を上記のように下げることができるのであれば、ＭＥＡの正極と負極とは、抵抗を用いずにスイッチのみを介してリード体などで接続して、導通可能としてもよい。
【０１４３】
水素消費装置は、上記の通り、燃料電池と同様にＭＥＡを備えているため、例えば、燃料電池に複数のＭＥＡを有するもの（スタック）を使用し、その一部のＭＥＡ（例えば、１つ、２つ、３つなど）を水素消費装置として使用する形態で、燃料電池と水素消費装置とを一体化（図示せず）した構成とすることもできる。
【０１４４】
水素を酸化し得る触媒を有する水素消費装置としては、例えば、上記触媒を含有するフィルター、筒状などの外装体に上記触媒を充填したもの、などが例示できる。なお、水素を酸化し得る触媒としては、例えば、ＭＥＡの負極触媒層における触媒として先に例示した各種触媒などを用いることができる。
【０１４５】
供給用送気部９１及び排出用送気部９０の送気方向は、燃料電池システムを動作させる周囲の環境温度などによって適宜変えることもできる。燃料電池１００は、制御するための補機類や回路と共にシステムの筐体内に設置させる必要がある。また筐体内部の補機類や回路からは、発電の制御に伴い、発熱を伴うこともある。燃料電池１００を効率よく発電させるためには、５℃以上５０℃以下の範囲が好ましい。５℃未満では、燃料電池１００の発電効率が低下し、また燃料電池１００の内部に残存している水が凍結する虞もある。一方、５０℃を大きく越える場合、燃料電池１００内の水が蒸散しやすくなり、発電効率が低下する虞がある。
【０１４６】
このため、燃料電池発電システムを作動させる環境が低い温度（例えば、０℃付近）の場合、筐体内部の補機類や回路で発熱した酸化剤ガス（例えば、空気）を用いることで安定に発電することができる。このため、供給用送気部９１及び排出用送気部９０は、筐体内部の補機類や回路を経た気体を燃料電池１００に供給する方向に送気させるのが好ましい。一方、環境温度が高い温度（例えば、６０℃付近）の場合、燃料電池１００へ供給される酸化剤ガス（例えば、空気）の温度は、外気を取り込む方向（例えば、排出用送気部９０から供給用送気部９１の方向）に送気するのが好ましい。
【０１４７】
上記実施形態１〜３において、図１〜図１２を用いて本発明の燃料電池システム及び本発明の燃料電池システムを用いた燃料電池発電システムについて説明したが、図１〜図１２は、本発明の燃料電池、燃料電池システム及び燃料電池発電システムに使用可能な構成要素の一部を示したものに過ぎず、本発明の燃料電池システムや、本発明の燃料電池システムを用いた燃料電池発電システムは、これらの図面に示すもの、またはこれらの図面に示す構成要素を有するものに限定される訳ではない。
【実施例】
【０１４８】
以下、実施例に基づいて本発明を詳細に述べる。ただし、下記実施例は、本発明を制限するものではない。
【０１４９】
（実施例１）
＜燃料電池の作製＞
まず、図２に示すものと同様の構造の燃料電池１００を作製した。
【０１５０】
正極触媒層、固体高分子電解質膜、及び負極触媒層の積層体には、図７に示す構成のものを用いた。固体高分子電解質膜には、デュポン社製「ナフィオン（登録商標）１１２」を用いた。Ｐｔ担持カーボン（田中貴金属社製「ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ」）と、５質量％濃度のＮａｆｉｏｎ溶液（Ａｌｄｒｉｃｈ社製）とを所定量で混合し、これをポリテトラフルオロエチレンシートの片面に塗布し、乾燥させた。そして、固体高分子電解質膜の両面に、ポリテトラフルオロエチレンシートを、Ｐｔ担持カーボンとＮａｆｉｏｎ溶液との混合物の塗布面が固体高分子電解質膜側となるように重ねてホットプレスを行い、ポリテトラフルオロエチレンシートを除去し、正極触媒層、固体高分子電解質膜及び負極触媒層の積層体を得た。その後、上記積層体を、外形が２４ｍｍ×８５．５ｍｍとなるように切り出した。
【０１５１】
ＳＧＬカーボン社製の「ＧＤＬ１０ＤＣ」（厚み４７０μｍ）を２４ｍｍ×７１．５ｍｍのサイズに切り出して正極拡散層に用いた。また、正極ガスシールには、２４ｍｍ×７ｍｍのシリコンゴムシート（厚み０．３ｍｍ）を２枚用意し、いずれにも２０ｍｍ×３ｍｍの穴（燃料供給マニホールド及び燃料排出マニホールド）を形成した。
【０１５２】
負極ガスシールには、正極ガスシールと同じシリコンゴムシートを用い、サイズを２４ｍｍ×８５．５ｍｍとし、かつ、負極拡散層を挿入すると共に燃料供給マニホールド及び燃料排出マニホールドを構成するための、２０ｍｍ×８１．５ｍｍのサイズの穴を形成した。負極拡散層には、正極拡散層に用いたものと同じ材料を使用し、２０ｍｍ×７５．５ｍｍのサイズに切り出して用いた。
【０１５３】
上記の積層体、正極拡散層、正極ガスシール、負極拡散層及び負極ガスシールを、図４に示す順序及び配置で積層したＭＥＡを１５個作製した。
【０１５４】
セパレータには、カーボン製（最も厚い部分の厚みが２ｍｍ）で、図６に示す構成のものを用いた。外形は２４ｍｍ×８５．５ｍｍとし、燃料供給マニホールド１１及び燃料排出マニホールド１２のサイズは２０ｍｍ×３ｍｍとした。酸化剤ガス流路（冷却媒体流路を兼ねた酸化剤ガス流路）１３は、幅１．５ｍｍ、深さ１．５ｍｍとし、酸化剤ガス流路１３間のリブ１４の幅は１ｍｍとした。
【０１５５】
上記１５個のＭＥＡを、上記セパレータを酸化剤ガス流路形成面側が正極拡散層側となるようにして各ＭＥＡ間に介在させつつ重ね、これら積層体の上下を２枚のエンドプレート（アルミニウム製で、サイズが３８ｍｍ×９０ｍｍ）で挟持し、ボルト及びナットを用いて固定して、図２に示す構造の燃料電池１００を作製した。
【０１５６】
＜燃料電池システムの作製＞
上記燃料電池１００に、図１及び図３に示すように供給用送気部９１及び排出用送気部９０を設置することにより、燃料電池システム１０１を作製した。供給用送気部９１及び排出用送気部９０には、４０ｍｍ角のＤＣファンを用いた。供給用送気部９１及び排出用送気部９０は、エンドプレート５０との間の距離を０ｍｍとして固定し、供給口５１及び排気口５２を密閉するように、ダクト８０を設置した。
【０１５７】
＜水素製造装置の作製＞
図１１に示す水素製造装置６００を作製した。水素発生物質収容容器６０３には、内容積５０ｃｍ3のポリプロピレン製角柱状の容器を用い、その中に、平均粒径６μｍのアルミニウム粉末（水素発生物質）２０．７ｇと、酸化カルシウム（発熱物質）３．５ｇとを入れた。
【０１５８】
＜燃料電池発電システムの組み立て＞
燃料電池システム１０１と、水素製造装置６００と、排気手段としての圧力センサ３００、水素消費装置９００、逆止弁７００を用いて、図１１に示す燃料電池発電システムを組み立てた。
【０１５９】
（比較例１）
比較例１では、供給口５１側に供給用送気部９１及びダクト８０を設置しなかったこと以外は、上記実施例１と同様にして燃料電池システムを作製した。図１３に、比較例１の燃料電池システムの概略構成を示し、図１４に、図１３に示す燃料電池システムのＶＩ−ＶＩ線断面図を示す。図１３及び図１４において、図１及び図３と同一構成要素には同一符号を付している。なお、図１４の断面図では、酸化剤ガス流路を省略し、排出用送気部９０を簡略化して表している。また、図１４ではハッチングを省略している。
【０１６０】
本比較例の燃料電池システムでは、排出用送気部９０として、４０ｍｍ角のＤＣファンを１個設置した。エンドプレート５０と４０ｍｍ角のＤＣファンとの間の距離は０ｍｍとし、排気口５２には、ダクト８０を設置した。そして、この燃料電池システムを用いて、実施例１と同様にして燃料電池発電システムを組み立てた。
【０１６１】
＜発電試験＞
実施例１の燃料電池発電システム及び比較例１の燃料電池発電システムの発電試験を行った。具体的には、水収容容器６０１内の水６０２を水素発生物質収容容器６０３へ供給して水素を発生させ、供給口５１から排気口５２の方向に酸化剤ガス（酸素を含む空気）を送気し、外部負荷（図示せず）によって９．５Ｖの定電圧で発電試験を行った。
【０１６２】
実施例１及び比較例１の燃料電池発電システムでの発電特性の結果を図１５に示す。図１５において、縦軸は出力（Ｗ）を示し、横軸は時間（分）を示している。図１５から、排気口のみに送気部を設置している比較例１と比べ、供給口と排気口の双方にそれぞれ１個送気部を設置している実施例１の方が、発電性能が長時間に亘り安定していることが分かった。よって、安定に発電して省スペース化を達成するためには、供給口及び排気口の双方に送気部があるのが好ましいと言える。
【産業上の利用可能性】
【０１６３】
本発明の燃料電池システムは、パソコン、携帯電話などのコードレス機器といった高機能のポータブル型電子機器の電源用途を始めとして、従来の燃料電池が使用されている各種用途に好ましく用いることができる。
【符号の説明】
【０１６４】
１０ セパレータ
１１ 燃料供給マニホールド
１２ 燃料排出マニホールド
１３ 酸化剤ガス流路
１４ リブ
２０ ＭＥＡ
２０ａ 積層体
２１ 正極拡散層
２２ 正極触媒層
２３ 固体電解質膜
２４ 負極触媒層
２５ 負極拡散層
３０ 正極ガスシール
４０ 負極ガスシール
５０ エンドプレート
５１ 供給口
５２ 排気口
６０ 燃料供給口
７０ 燃料排出口
８０ ダクト
９０ 排出用送気部
９１ 供給用送気部
１００ 燃料電池
１０１ 燃料電池システム
２０１ ポンプ
３００ 圧力センサ
４０１、４０２、４０３ バルブ
５０１、５０２、５０３、５０４、５０５、５０６、５０７、５０８、５０９、５１０、５１１ 配管
６００ 水素製造装置
６０１ 水収容容器
６０２ 水
６０３ 水素発生物質収容容器
６０４ 水素発生物質
７００ 逆止弁
８００ 気液分離容器
８０１ 導入管
８０２ 排気管
８０３、８０４ 排液管
８０５ 吸水管
８０６ 錘
８０７ 吸気管
８０８ 吸気口
８０９ 吸水口
８１０ 固定バンド
９００ 水素消費装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、小型化が容易で安定して発電を行う燃料電池の酸化剤ガス供給機構に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）は、室温から１００℃以下までの低温で動作し、迅速な起動停止、高出力密度化が可能であるなどの特徴を有するため、民生用コージェネレーションや自動車用などの移動体用発電器、携帯用電源として期待されている。
【０００３】
一般的なＰＥＦＣでは、正極と、負極と、電解質としての固体高分子電解質膜とからなる電極・電解質一体化物（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒｅｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ）が複数積層されて構成されている。各ＭＥＡは、酸素流路（酸化剤ガス流路）を形成した正極側セパレータと、燃料流路を形成した負極側セパレータとの２種類のセパレータで挟持された状態で積層されている。また、負極側セパレータと正極側セパレータとの間に冷却媒体を流通させるための流路が形成されている場合もある。この場合、通常は、１対のセパレータ内で、ＭＥＡの積層方向に、酸素流路、冷却媒体流路及び燃料流路の３つの流路が形成されている。
【０００４】
酸素流路、冷却媒体流路及び燃料流路は、通常、セパレータの表面に溝を設けることにより形成されるため、各セパレータはある程度の厚みを必要とする。しかし、ある程度の厚みを有するセパレータで挟持されたＭＥＡを複数積層して構成したセルスタックは、かさ高くなってしまう。
【０００５】
また、セパレータには、その積層方向に貫通する燃料供給マニホールド、燃料排出マニホールド、酸素供給マニホールド、酸素排出マニホールド、冷却媒体供給マニホールド及び冷却媒体排出マニホールドがそれぞれ必要であるため（例えば、特許文献１）、セパレータと重ねられる電極は、セパレータの上記各マニホールド形成部に相当する位置以外の領域に、発電に直接関与できる部分が配置される必要があるが、こうした発電に直接関与できる部分の面積を十分に大きく取ることが難しい。
【０００６】
また、このようなＰＥＦＣは、エアーコンプレッサまたは空圧ポンプのような空気供給手段を用いて酸化剤ガス（酸素を含む空気）が強制的にセルスタックに供給されることにより発電する燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献２）。しかしながら、このようなＰＥＦＣは、ポータブル電源として用いる場合、容積や重量に制限が生じるため、携行型の燃料電池に用いることは難しい。
【０００７】
このような問題を解決するため、燃料電池の燃料流路とは別に、セパレータの正極に接する側の面に、複数の酸化剤ガス流路を、一側端から反対側端に渡って直線状に複数平行に形成し、また酸化剤ガス流路の断面積が酸化剤ガスの供給口から排気口に亘って減少する構成であって、上記排気口に送気部を設置して酸化剤ガスを流路内に供給して発電するコンパクトなセミパッシブタイプの燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−３１０２８８号公報
【特許文献２】特開２００６−１６４７６６号公報
【特許文献３】特許第３３５６７２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献３に記載の燃料電池においても、負極に燃料を供給するための燃料流路がセパレータに形成されているため、セル積層方向において小型化を図るには限界がある。さらに、特許文献３には、燃料電池と送気部との間隔が示されていない。燃料電池と送気部との間隔が小さい場合、酸化剤ガスが送気部に近い流路に偏って通気しやすくなり、発電効率が低下する虞がある。燃料電池と送気部との間隔が大きい場合、送気部を含めた燃料電池全体としての容積の小型化を図るには不十分である。
【００１０】
本発明は、上記問題点を解消するためになされたものであり、小型化が容易で、かつ、安定した発電を行うことができる燃料電池システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、酸素を還元する正極触媒層を有する正極と、燃料を酸化する負極触媒層を有する負極と、上記正極と上記負極との間に配置される固体高分子電解質膜とを有する電極・電解質一体化物をセパレータを介して複数積層してなる燃料電池と、上記セパレータの一主面に形成され、酸化剤ガスの供給口及び排出口を有する酸化剤ガス流路と、酸化剤ガスを上記酸化剤ガス流路の上記供給口に供給する供給用送気部と、上記酸化剤ガス流路内の酸化剤ガスを上記酸化剤ガス流路の上記排出口から外部に排出する排出用送気部とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、小型化が容易で、かつ、燃料電池に安定して酸化剤ガスを供給し、安定した発電を行うことができる燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の燃料電池システムの一例を示す概略斜視図である。
【図２】本発明の燃料電池の一例を示す概略斜視図である。
【図３】図１に示す燃料電池システムのＩ−Ｉ線断面図である。
【図４】図２に示す燃料電池の要部の分解斜視図である。
【図５】図２に示す燃料電池の要部の一部断面図である。
【図６】セパレータの一例を示す概略構成図であり、図６Ａは平面図、図６Ｂは図６ＡのＩＩ−ＩＩ線断面図、Ｃは底面図である。
【図７】電極・電解質一体化物を構成する、正極触媒層、固体高分子電解質膜及び負極触媒層の積層体の一例を示す概略構成図であり、図７Ａは平面図、図７Ｂは図７ＡのＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図８】電極・電解質一体化物を構成する、正極拡散層及び正極ガスシールの一例を示す概略構成図であり、図８Ａは平面図、図８Ｂは図８ＡのＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図９】電極・電解質一体化物を構成する、負極拡散層及び負極ガスシールの一例を示す概略構成図であり、図９Ａは平面図、図９Ｂは図９ＡのＶ−Ｖ線断面図である。
【図１０】本発明の燃料電池システムの他の例を示す概略斜視図である。
【図１１】本発明の燃料電池システムを用いた燃料電池発電システムの一例を示す概略構成図である。
【図１２】気液分離容器の一例を示す概略透視図である。
【図１３】比較例１の燃料電池システムの概略構成を示す斜視図である。
【図１４】図１３に示す燃料電池システムのＶＩ−ＶＩ線断面図である。
【図１５】実施例１及び比較例１の燃料電池発電システムでの発電特性の結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の燃料電池システムは、酸素を還元する正極触媒層を有する正極と、燃料を酸化する負極触媒層を有する負極と、上記正極と上記負極との間に配置される固体高分子電解質膜とを有する電極・電解質一体化物をセパレータを介して複数積層してなる燃料電池と、上記セパレータの一主面に形成され、酸化剤ガスの供給口及び排出口を有する酸化剤ガス流路と、酸化剤ガスを上記酸化剤ガス流路の上記供給口に供給する供給用送気部と、上記酸化剤ガス流路内の酸化剤ガスを上記酸化剤ガス流路の上記排出口から外部に排出する排出用送気部とを有することを特徴とする。これにより、排出用送気部と燃料電池との間の距離を短くできるため、送気方向において小型化でき、また、燃料電池に酸化剤ガスを安定に供給し、安定した発電を行う燃料電池システムを実現可能である。
【００１５】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。また、本明細書において、燃料電池に送気部を設置したものを「燃料電池システム」とし、この燃料電池システムに水素製造装置や気液分離装置及び水素消費装置などを設置したものを「燃料電池発電システム」と区分した。
【００１６】
（実施形態１）
本実施形態１では、本発明の燃料電池システムの一例について図１〜図３を用いて説明する。図１は、本実施形態の燃料電池システムの一例を示す概略斜視図である。図２は、本実施形態の燃料電池システムにおける燃料電池の一例を示す概略斜視図である。図３は、図１に示す燃料電池システムのＩ−Ｉ線断面図である。図１〜３において、同一構成要素については同一符号を付している。図３の断面図では、酸化剤ガス流路を省略し、送気部９０、９１を簡略化して表している。また、図３の断面図では、ハッチングを省略している。
【００１７】
本実施形態の燃料電池システム１０１は、図１に示すように、供給用送気部９１と、排出用送気部９０と、燃料電池１００と、ダクト８０、８０とを備えている。
【００１８】
供給用送気部９１は、酸化剤ガスの供給口５１（図３）側に設置されており、酸化剤ガス（例えば、酸素を含む空気）を、酸化剤ガスの供給口５１（図３）に供給するものである。排出用送気部９０は、酸化剤ガスの排気口５２（図３）側に設置されており、酸化剤ガス流路内の酸化剤ガスを、酸化剤ガスの排出口５２から外部に排出するものである。また、供給用送気部９１及び排出用送気部９０は、図３に示すように、酸化剤ガスの供給口５１及び排気口５２を密封するようにダクト８０で接続されている。図３において、矢印は酸化剤ガスの送気方向を示している。
【００１９】
供給用送気部９１及び排出用送気部９０としては、送風できる装置であれば特に限定されない。例えば、ＤＣファン、ＡＣファン、ブロア及び小型コンプレッサーなどを用いることができ、省スペースの観点から、小型のファン及びブロアなどが好適に用いられる。
【００２０】
また、供給用送気部９１及び排出用送気部９０の風量は、燃料電池１００の出力、酸化剤ガスの排気口の大きさ、用いる送気部の静圧などによって変わるため、一義的に決めることはできないが、０．０５ｍ3／ｍｉｎから０．５ｍ3／ｍｉｎの範囲で、かつ静圧が１０Ｐａから１００Ｐａの範囲が好適に用いられる。
【００２１】
さらに、供給用送気部９１及び排出用送気部９０の風量は、燃料電池の温度が一定範囲内となるように調整されることが望ましい。固体高分子電解質膜の乾燥を防ぎ、燃料電池の長寿命化を図るためには、燃料電池の温度は７０℃以下、より好ましくは６０℃以下とすることが望ましい。また、発電で生成した水分が結露するのを防ぐためには、燃料電池の温度は３０℃以上、より好ましくは４０℃以上とすることが好ましい。すなわち、発電中の燃料電池の温度は５０℃付近に保たれることが最も望ましい。
【００２２】
ここで、供給用送気部９１及び排出用送気部９０の風量と、燃料電池１００の温度及び出力との関係を調べたところ、供給用送気部９１及び排出用送気部９０の駆動電圧が１２Ｖの場合、燃料電池１００の温度は５４℃、燃料電池１００の出力は３２Ｗであった。一方、供給用送気部９１及び排出用送気部９０の駆動電圧が１６Ｖの場合、燃料電池１００の温度は５１℃、燃料電池１００の出力は３８Ｗであった。このことから、送気部の駆動電圧を増加させて風量を増加させると、燃料電池の出力が向上することが分かる。これは、送気部の風量が増加したことにより、燃料電池の温度が低下し、固体高分子電解質膜の乾燥が抑制されたために、燃料電池の出力が向上したものと推測される。
【００２３】
燃料電池１００は、図２に示すように、セパレータ１０を介して積層された複数の電極・電解質一体化物（以下、ＭＥＡという）２０を有し、水素を燃料として発電するものである。また、セパレータ１０を介して積層された複数のＭＥＡ２０からなる積層体は、２つのエンドプレート５０で挟持され、ボルトとナットで固定されている。また、２つのエンドプレートのうちの一方（図２では、上側のエンドプレート５０）には、燃料供給口６０、燃料排出口７０が設けられている。燃料は、燃料供給口６０から燃料電池１００内に導入され、各ＭＥＡ２０の負極に供給されて発電に利用される。また、各ＭＥＡ２０で消費されなかった燃料は、燃料排出口７０から燃料電池１００外に排出される。
【００２４】
ダクト８０、８０は、燃料電池１００の対向する２つの側面の全体を覆うように設けられている。本実施形態では、ダクト８０、８０は、上下のエンドプレート５０、５０に接するように配置され、かつ、供給用送気部９１及び排出用送気部９０と共に、酸化剤ガスの供給口５１（図３）及び排気口５２（図３）を密閉するように配置されている。ダクトとしては、酸化剤ガスを送気する際に、空気が漏れたり、割れたりしない材料であれば、特に制限されない。例えば、アルミニウムやステンレス鋼などの金属材料またはポリカーボネート、ポリエーテルエーテルケトン、アクリル及びポリスチレンなどの樹脂材料などを用いることができるが、成形加工のしやすさと軽量化の観点から、ポリカーボネートなどの樹脂材料が好適に用いられる。
【００２５】
以下、燃料電池１００の要部について図４及び図５を用いて詳細に説明する。図４は、図２に示す燃料電池１００の要部の分解斜視図であり、図５は、図２に示す燃料電池１００の要部の一部断面図である。図４及び図５において、図２と同一構成要素については同一符号を付している。なお、図５は断面図であるが、後述する各構成要素の燃料供給マニホールド及び燃料排出マニホールドにより形成される燃料流路の理解を容易にする目的で、上側のセパレータ１０の上端、及び下側のセパレータ１０の下端以外については、背面部分を省略している。
【００２６】
ＭＥＡ２０は、図４及び図５に示すように、上から、正極拡散層２１、積層体２０ａ、負極拡散層２５が順次積層されたものであり、ＭＥＡ２０の上下には、セパレータ１０、１０が配置されている。
【００２７】
積層体２０ａは、図５に示すように、上から、正極触媒層２２、固体高分子電解質膜２３、負極触媒層２４の順に積層されたものである。各層の詳細については後述する。
【００２８】
セパレータ１０は、平面視での形状が四角形で、かつ、単一部材で構成されている。このセパレータ１０には、燃料流路となる燃料供給マニホールド１１及び燃料排出マニホールド１２が形成されている。燃料供給マニホールド１１は、上記四角形を構成する４辺のうちの１辺の近傍に形成されており、燃料排出マニホールド１２は、上記１辺に対向する１辺の近傍に形成されている。
【００２９】
また、セパレータ１０の一方の主面（ここでは、下面）には、溝状の酸化剤ガス流路１３が複数形成されており、他方の主面（ここでは、上面）は平板状である。複数の酸化剤ガス流路１３は、セパレータ１０の一方の主面（下面）において、燃料供給マニホールド１１及び燃料排出マニホールド１２が近傍に形成された対向する２辺とは別の２辺を直線状に繋ぐように、互いに平行または略平行に形成されている。また、酸化剤ガス流路１３の両端部は、セパレータ１０の側面において開口しており、各開口部が酸化剤ガスの供給口５１（図３）及び排出口５２（図３）となる。
【００３０】
さらに、積層体２０ａを構成する正極触媒層２２、固体高分子電解質膜２３及び負極触媒層２４にも、セパレータ１０に形成されている燃料供給マニホールド１１及び燃料排出マニホールド１２に相当する位置に、燃料供給マニホールド及び燃料排出マニホールドがそれぞれ形成されている。これについては後述する。
【００３１】
正極拡散層２１は、図４において上側に位置するセパレータ１０の酸化剤ガス流路１３形成面の全面を覆うように配置されている。この正極拡散層２１は、平面視での形状が四角形であり、上記四角形を構成する４辺のうち、酸化剤ガス流路１３と平行または略平行である２辺の外側には、燃料ガスの流出を抑制するための正極ガスシール３０が配置されている。また、正極ガスシール３０には、セパレータ１０に形成されている燃料供給マニホールド１１及び燃料排出マニホールド１２に相当する位置に、燃料供給マニホールド及び燃料排出マニホールドがそれぞれ形成されている。
【００３２】
負極拡散層２５は、図４において下側に位置するセパレータ１０の平板面（上面）と接するように配置されている。この負極拡散層２５は、平面視での形状が四角形であり、上記四角形の外周外側には、燃料ガスの流出を抑制するための負極ガスシール４０が配置されている。また、負極ガスシール４０には、セパレータ１０に形成されている燃料供給マニホールド１１及び燃料排出マニホールド１２に相当する位置に、燃料供給マニホールド及び燃料排出マニホールドがそれぞれ形成されている。
【００３３】
次に、酸化剤ガス及び燃料の流れを図４及び図５を用いて説明する。図４及び図５では、酸化剤ガスの流れを点線矢印で示し、燃料の流れを実線矢印で示している。
【００３４】
酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路１３に導入されると、正極拡散層２１を通って正極触媒層２２に供給される。また、発電反応に関与せず消費されなかった酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路１３を通って外部に排出される。より詳細に説明すると、酸化剤ガス流路１３は、上述したように、平面視での形状が四角形であるセパレータ１０の対向する２辺を直線状に繋ぐように形成されており、その両端部が、セパレータの側面において開口しているため、例えば、セパレータ１０における酸化剤ガス流路１３の一方の開口端、つまり、酸化剤ガスの供給口５１（図３）側からファンなどを用いて酸素を含む空気を送ることで、酸化剤ガス流路１３内へ空気を導入することができる。そして、酸化剤ガス流路１３内に導入された空気（酸素）は、ＭＥＡ２０の正極拡散層２１を通じて正極触媒層２２に供給される。また、発電反応に関与せず消費されなかった酸素、及び空気中の酸素以外の成分は、酸化剤ガス流路１３の他方の開口端、つまり、酸化剤ガスの排気口５２（図３）側から外部に排出されることになる。
【００３５】
燃料は、燃料供給マニホールド１１に導入されると、負極拡散層２５を通って負極触媒層２４に供給される。また、発電反応に関与せず消費されなかった燃料は、負極拡散層２５を通って燃料排出マニホールド１２から外部へ排出される。より詳細に説明すると、負極に係る負極拡散層２５は、撥水処理をした多孔質炭素シートのように、その内部を燃料が流通可能な材料で構成されることが一般的である。そのため、本発明の燃料電池が、例えば、燃料の供給圧力が比較的低い状態で使用される場合、燃料供給マニホールド１１から導入された燃料は、負極拡散層２５内の孔を経て負極触媒層２４に供給され、発電反応に関与せず消費されなかった燃料は、負極拡散層２５内の孔を経て燃料排出マニホールド１２から外部へ排出される。この場合、図４や図５に示すように、隣り合うＭＥＡ２０間に介在させるセパレータ１０には、酸化剤ガス流路１３のみを形成すればよく、燃料流路を形成する必要はないことから、セパレータを単一部材で構成でき、また、セパレータ自体を薄くすることが可能である。従って、本発明の燃料電池を、積層方向においてコンパクト化できる。一方、本発明の燃料電池が、例えば、燃料の供給圧力が比較的高い状態で使用される場合、後述するように、負極拡散層２５の表面に、燃料供給マニホールド１１と燃料排出マニホールド１２とを直線状に繋ぐ溝状の燃料流路を複数平行または略平行に形成することが好ましい。この場合、負極拡散層の破損を抑制することもできる。
【００３６】
図４及び図５に示す燃料電池では、酸化剤ガス流路１３を通過する空気は、冷却媒体としても作用する。つまり、酸化剤ガス流路１３が冷却媒体流路を兼ねることになる。そのため、セパレータに別途冷却媒体流路を形成する必要がなく、セパレータを単一部材の層で構成し、片面を平面状としてセパレータを薄くしても、冷却媒体による冷却が可能である。
【００３７】
ここで、図１及び図３に示す本実施形態の燃料電池システム１０１が、酸化剤ガス流路の供給口５１側及び排気口５２側にそれぞれ送気部９１、９０を備える理由について説明する。
【００３８】
燃料電池１００を発電させるためには、酸化剤ガス（この場合、酸素を含む空気）を正極に供給する必要があるが、従来（特許文献３）では、図１３及び図１４に示すように酸化剤ガスの排気口５２側に送気部９０を設置し、空気を供給口５１側から排気口５２側に送気することにより、正極を構成する正極拡散層２１に供給していた。しかし、送気部を排気口５２側にのみ設置した場合、供給口５１と排気口５２とでは送気量が異なり、発電時に同一セルにおいて酸化剤ガスが不均一となり、発電効率が低下し、安定した発電ができなくなる虞がある。
【００３９】
そこで、本実施形態では、図１及び図３に示すように、酸化剤ガスの供給口５１側にも送気部９１を設置し、供給口５１側から強制的に空気を送気するようにした。この場合、送気部９１によって送気された空気がセパレータ１０のリブ１４に当たり、送気部９１と供給口５１との間の空間内で気流が発生して僅かに加圧状態になることで、燃料電池１００の供給口５１側の側面全体に空気が拡がる。このような状態で、送気部９０によって空気を燃料電池１００内から外部へ排気する方向へ送気させると、上述した排気口５２側にのみ送気部を設置した場合に生じる不均一な送気状態を回避でき、発電効率が向上し、安定して発電させることができる。
【００４０】
ここで、送気部の配置位置による、燃料電池の出力への影響を調べたところ、送気部を、排気口５２側にのみ２つ設けた場合、燃料電池の平均出力は２９Ｗであった。一方、送気部を、供給口５１及び排気口５２のそれぞれに１つずつ設けた場合、燃料電池の平均出力は３２Ｗであった。このように、送気部は排気口５２側だけでなく、供給口５１側にも設けた方が、燃料電池の出力が向上することが分かる。従って、本発明では、送気部を酸化剤ガスの排気口５２及び供給口５１の両方に設けた。
【００４１】
供給用送気部９１と供給口５１の間の距離、及び、排出用送気部９０と排気口５２との間の距離は、設置する燃料電池１００の長辺方向の長さや、用いる送気部の風量及び静圧によって変わるため、限定されないが、５ｍｍから１０ｍｍの間であれば、特に発電に影響を及ぼさない。上述のように、排気口５２側にのみ送気部を設置した場合、発電効率の観点から、送気部と排気口５２との間の距離は１５ｍｍ以上に設定していたが、本発明では、排気口５２及び供給口５１の両方に送気部を設けることで、送気部と排気口５２との間の距離を５ｍｍ〜１０ｍｍにまで短くしても安定して発電することができ、その結果、燃料電池システム全体の容積を小さくすることが可能となる。
【００４２】
また、供給用送気部９１の位置は、供給用送気部９１と供給口５１との間に気流を発生させることができるのであれば特に限定されない。
【００４３】
図６は、図４及び図５に示すセパレータ１０の一例を示す概略構成図である。図６Ａは、セパレータ１０の、酸化剤ガス流路１３が形成されていない側の面（負極拡散層に接する側の面）を示す平面図、図６Ｂは、図６ＡにおけるＩＩ−ＩＩ線断面図、図６Ｃは、セパレータ１０の、酸化剤ガス流路１３が形成されている側の面（正極拡散層に接する側の面）を示す平面図である。
【００４４】
燃料供給マニホールド１１及び燃料排出マニホールド１２は、平面視での形状が四角形であるセパレータ１０の４辺のうちの対向する２辺の近傍に、それぞれ配置されている。また、セパレータ１０の燃料供給マニホールド１１及び燃料排出マニホールド１２を上記のような配置とし、ＭＥＡ２０を構成する正極、負極及び固体高分子電解質膜にも、セパレータ１０の燃料供給マニホールド１１及び燃料排出マニホールド１２に相当する位置に燃料供給マニホールド及び燃料排出マニホールドを形成することで、負極における燃料が良好に流通する領域、すなわち、燃料供給マニホールドと燃料排出マニホールドとで挟まれた領域をより大きくとることができ、発電に良好に関与できる電極面積をより大きくすることが可能で、より効率よく発電させることができる。また、水素を燃料とする燃料電池においては、発電に伴って生成した水や燃料中に含まれる水分が負極で滞留してその後の発電反応を阻害する虞があるが、燃料供給マニホールド及び燃料排出マニホールドを上記のように配置することで、燃料は、負極の殆どの箇所で、燃料供給マニホールドから燃料排出マニホールドへ直線状に向かうように流れるようになるため、負極内の水を、燃料排出マニホールドを通じて外部へ良好に排出することができ、負極内で水が滞留することによる発電効率の低下を抑制することができる。
【００４５】
セパレータ１０の一方の主面（上面）は、図６Ａに示したように平面状である。他方の主面（下面）には、図６Ｃに示したように、平面視で四角形を構成する４辺のうちの、燃料供給マニホールド１１及び燃料排出マニホールド１２が近傍に形成された対向する２辺とは別の２辺を直線状に繋ぐ複数の酸化剤ガス流路１３が、互いに平行または略平行に形成されている。酸化剤ガス流路１３は溝状であり、隣り合う酸化剤ガス流路１３間には、リブ１４が存在している。なお、図６Ｃでは、酸化剤ガス流路１３とリブ１４とを識別しやすくするために、酸化剤ガス流路１３を、ドットを入れて示している。セパレータに係る酸化剤ガス流路における「互いに平行または略平行」とは、基本的には、各酸化剤ガス流路は互いに平行に形成されるが、多少平行からずれている場合であっても、本発明の効果が損なわれない範囲であれば、許容される意味である。
【００４６】
セパレータ１０の酸化剤ガス流路１３方向の長さ（図６Ａ及び図６Ｃ中、縦方向の長さ）は、電極面積を十分に確保する観点から、１０ｍｍ以上であることが好ましい。また、上記の通り、酸化剤ガス流路１３を通過するガスは、例えば、酸素（酸化剤ガス）の供給源となる他、冷却媒体としても機能させることができるが、セパレータ１０の酸化剤ガス流路方向の長さが長すぎると、燃料電池の発電時における発熱を、酸化剤ガス流路を通過するガスによって十分に冷却できない虞がある。そのため、セパレータ１０の酸化剤ガス流路１３方向の長さは、１００ｍｍ以下であることが好ましい。
【００４７】
セパレータ１０における燃料供給マニホールド１１と燃料排出マニホールド１２との間の距離（最短の距離。燃料供給マニホールド１１と燃料排出マニホールド１２との間の距離について、以下同じ。）は、電極面積を十分に確保する観点から、１０ｍｍ以上であることが好ましい。また、燃料供給マニホールド１１と燃料排出マニホールド１２との間の距離が長すぎると、燃料流路が長くなって、燃料流通の圧損が大きくなることがある。そのため、セパレータ１０における燃料供給マニホールド１１と燃料排出マニホールド１２との間の距離は、３００ｍｍ以下であることが好ましい。
【００４８】
セパレータ１０における燃料供給マニホールド１１及び燃料排出マニホールド１２の幅（図６Ａ及び図６Ｃ中、横方向の長さ）は、燃料流通時の圧損を小さくするためには、後述するガスシール性を確保できる範囲でできる限り大きくすることが好ましい。
【００４９】
燃料供給マニホールド１１及び燃料排出マニホールド１２は、上述したように、平面視での形状が四角形であるセパレータ１０の４辺のうちの対向する２辺の近傍にそれぞれ設けられるが、具体的には、燃料供給マニホールド１１は、図６Ａ及び図６Ｃ中で、後述するガスシール性を確保できる範囲で、左側の縦の辺からの距離ができる限り短くなるように配置することが好ましい。また、燃料排出マニホールド１２も、図６Ａ及び図６Ｃ中で、後述するガスシール性を確保できる範囲で、右側の縦の辺からの距離ができる限り短くなるようにすることが好ましい。
【００５０】
本発明の燃料電池において、ＭＥＡを構成する正極、負極及び固体高分子電解質膜に形成する燃料供給マニホールド及び燃料排出マニホールドは、上述したように、セパレータの燃料供給マニホールド及び燃料排出マニホールドの存在位置に相当する箇所に配置する。これにより、セパレータ及びＭＥＡに形成された燃料供給マニホールドが重なり、また、セパレータ及びＭＥＡに形成された燃料排出マニホールドが重なることで、燃料電池の厚み方向（セパレータ及びＭＥＡの積層方向）に燃料流路が形成される。
【００５１】
ＭＥＡに形成される燃料供給マニホールド及び燃料排出マニホールド、並びにセパレータに形成される燃料供給マニホールド及び燃料排出マニホールドの形成位置の決定に当たっては、後述する正極ガスシール及び負極ガスシールの幅を考慮することが好ましい。
【００５２】
酸化剤ガス流路１３の幅（図６Ｂ及び図６Ｃ中、横方向の長さ）は、ガスの流通をより良好にする観点から、０．５ｍｍ以上とすることが好ましく、また、セパレータ１０の強度低下を抑制する観点から、５ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００５３】
酸化剤ガス流路１３の高さ（溝の深さ）は、ガスの流通をより良好にする観点から、０．５ｍｍ以上とすることが好ましく、また、セパレータ１０の厚みの増大を抑制する観点から、５ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００５４】
隣り合う酸化剤ガス流路１３間に存在するリブ１４の幅（図６Ｂ及び図６Ｃ中、横方向の長さ）は、セパレータ１０の強度低下を抑制する観点から、０．５ｍｍ以上とすることが好ましく、また、酸化剤ガス流路１３でのガスの流通を良好にする観点から、５ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００５５】
酸化剤ガス流路１３部分の最薄部の厚み（図６Ｂでは、セパレータ１０の下面に形成された溝状の酸化剤ガス流路１３の天面からセパレータ１０の上面までの長さ）は、セパレータ１０の強度を確保して、割れ、ゆがみなどを防止する観点から、０．２ｍｍ以上とすることが好ましく、また、セパレータ１０の厚みの増大を抑制する観点から、５ｍｍ以下であることが好ましい。
【００５６】
セパレータ１０の材質としては、電子伝導性及び耐食性の高いものであれば特に制限は無いが、例えば、黒鉛、カーボンと樹脂との混練物、ステンレス鋼、ステンレス鋼に金や白金をメッキしたもの、チタン、チタンに金や白金をメッキしたもの、ステンレス鋼−銅クラッド、ステンレス鋼−銅クラッドに金や白金をメッキしたものなどが好適である。
【００５７】
図７は、図４及び図５に示すＭＥＡ２０を構成する、正極触媒層２２、固体高分子電解質膜２３及び負極触媒層２４の積層体２０ａの一例を示す概略構成図である。図７Ａは平面図、図７Ｂは図７ＡにおけるＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【００５８】
積層体２０ａを構成する、正極触媒層２２と固体高分子電解質膜２３と負極触媒層２４とは、図７に示すように平面視で同一形状であることが好ましい。これにより、正極触媒層２２と固体高分子電解質膜２３と負極触媒層２４とで構成される積層体２０ａの全面で厚みを均一にできるため、正負極の拡散層及び正負極のガスシールを介したセパレータ（ＭＥＡの上下面に配置される２枚のセパレータ）による締め付けが均一になり、ガス漏れをより良好に抑制できるようになる。また、ＭＥＡの製造時において、固体高分子電解質膜２３を挟んで正極触媒層２２と負極触媒層２４との位置を精度よく決定する必要もなくなるため、ＭＥＡの製造、ひいては燃料電池の製造がより容易となり、その生産性を高めることができる。
【００５９】
また、積層体２０ａは平面視での形状が四角形であり、上記四角形を構成する４辺のうちの１辺の近傍に燃料供給マニホールド２０１が形成され、上記１辺に対向する１辺の近傍に燃料排出マニホールド２０２が形成されている。
【００６０】
図８は、図４に示す正極拡散層２１及び正極ガスシール３０の一例を示す概略構成図である。図８Ａは平面図、図８Ｂは図８ＡにおけるＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【００６１】
正極拡散層２１は、上記の通り、セパレータの酸化剤ガス流路形成面の全面を覆うように配置される。この正極拡散層２１は、平面視での形状が四角形であり、上記四角形を構成する４辺のうち、セパレータの酸化剤ガス流路と平行または略平行な２辺（図８Ａ中、縦の２辺）の外側に、燃料ガスの流出を抑制するための正極ガスシール３０が配置されている。そのため、セパレータの酸化剤ガス流路の開口端に相当する位置に正極ガスシール３０が存在せず、固体高分子電解質膜の、燃料による圧力や水分によって生じ得る膨張収縮の応力を緩和することができる。
【００６２】
また、正極ガスシール３０には、燃料供給マニホールド３１及び燃料排出マニホールド３２が形成されている。
【００６３】
正極拡散層２１と正極ガスシール３０との界面の位置は、セパレータの酸化剤ガス流路の形成面よりも長手方向外側（燃料供給マニホールド側及び燃料排出マニホールド側）に相当する位置であることが好ましい。上記界面がセパレータの酸化剤ガス流路に相当する位置や、酸化剤ガス流路とこれに隣り合う酸化剤ガス流路との間に相当するリブの位置に存在していた場合、ガスシール性が低下する虞がある。
【００６４】
正極ガスシール３０の幅（図８Ａ中、ａやｂの長さ）は、ガスシール性をより良好にする観点からは、０．５ｍｍ以上であることが好ましく、また、電極面積のロスを低減する観点からは、５ｍｍ以下であることが好ましい。
【００６５】
正極拡散層２１の厚みは、１００〜１０００μｍであることが好ましい。また、正極ガスシール３０の厚みは、５０〜１０００μｍであることが好ましい。
【００６６】
図９は、図４に示す負極拡散層２５及び負極ガスシール４０の一例を示す概略構成図である。図９Ａは平面図、図９Ｂは図９ＡにおけるＶ−Ｖ線断面図である。
【００６７】
負極拡散層２５は、上記の通り、セパレータの平板面（酸化剤ガス流路の形成面とは反対側の面）と接するように配置される。この負極拡散層２５は、平面視での形状が四角形であり、上記四角形の外周外側に、燃料ガスの流出を抑制するための負極ガスシール４０が配置されている。また、上記四角形を構成する４辺のうちの１辺（図９Ａ中、左側の縦の辺）と負極ガスシール４０とで燃料供給マニホールド４１が形成され、上記１辺に対向する１辺（図９Ａ中右側の縦の辺）と負極ガスシール４０とで燃料排出マニホールド４２が形成されている。
【００６８】
負極拡散層２５としては、上述の通り、その内部に、燃料ガスが流通可能な孔を有する材料で構成することが一般的であるが、本実施形態では、負極拡散層２５、負極ガスシール４０、燃料供給マニホールド４１及び燃料排出マニホールド４２を上記のように配置することで、負極拡散層２５の全体に、燃料供給マニホールド４１から燃料排出マニホールド４２へ向かう燃料流路が形成されることになる。そのため、例えば、負極内に水分量の多い燃料が供給された場合や、発電に伴って水が生成するなどして負極内に水が溜まった場合にも、これを良好に排出することができるようになる。
【００６９】
なお、負極拡散層２５には、必ずしも燃料流路を形成する必要はない。燃料流路を形成しない場合には、負極拡散層２５の一方の主面（図４では、下面）の全面がセパレータ１０（図４）と接することになるため、電気的な接触抵抗を最小限に抑えることが可能となる。他方、例えば、燃料ガスの供給圧が比較的高い場合には、負極拡散層の破損の虞もあるため、負極拡散層２５の他方の主面（図４では、上面）に、燃料供給マニホールド４１と燃料排出マニホールド４２とを直線状に繋ぐ溝状の燃料流路を、好ましくは複数平行または略平行に形成して、負極拡散層の破損を抑制することもできる。
【００７０】
負極ガスシール４０の幅（図９Ａ中、ｃやｄの長さ）は、ガスシール性をより良好にする観点からは、０．５ｍｍ以上であることが好ましく、また、電極面積のロスを低減する観点からは、５ｍｍ以下であることが好ましい。
【００７１】
負極拡散層２５の厚みは、１００〜１０００μｍであることが好ましい。また、負極ガスシール４０の厚みは、５０〜１０００μｍであることが好ましい。
【００７２】
本実施形態では、正極拡散層及び負極拡散層は、多孔性の電子導電性材料で構成され、例えば、撥水処理を施した多孔質炭素シートなどが用いられる。正極拡散層の正極触媒層側の面、及び負極拡散層の負極触媒層側の面には、更なる撥水性向上及び触媒層との接触向上を目的として、フッ素樹脂粒子（ＰＴＦＥ樹脂粒子など）を含む炭素粉末のペーストを塗布してもよい。
【００７３】
また、正極ガスシール及び負極ガスシールの材質には、燃料電池分野などにおいてシール材として公知の各種材料、例えば、シリコンゴム、エチレン−プロピレン−ジエンゴム、ＰＴＦＥフィルム、ポリイミドフィルムなどを用いることができる。
【００７４】
本発明の燃料電池では、燃料電池を構成するＭＥＡにおいて、正極と負極とを、例えば、抵抗及びスイッチを介してリード体などで接続するなどして、導通可能なように構成していることが好ましい。このような構成のＭＥＡを有する燃料電池では、燃料電池による発電の終了時に、上記のスイッチを入れるなどしてＭＥＡに係る正極と負極とを短絡させて、燃料電池内に残留する水素などの燃料を消費することができる。そのため、燃料電池による発電の終了時に燃料電池内に残留する燃料による燃料電池の劣化を抑制することができる。
【００７５】
燃料電池に係るＭＥＡにおいて、正極と負極とを、上記のように抵抗を介して導通可能なように構成する場合、かかる抵抗としては、例えば、燃料電池発電システムにおいて、燃料電池の停止後、ＭＥＡの正極−負極間の電圧が０．１Ｖ以下となるのに要する時間が１分以内となるような抵抗値を有するものを用いればよく、抵抗を用いなくても、このような時間でＭＥＡの正極−負極間の電圧を上記のように下げることができるのであれば、抵抗を用いずにスイッチのみを介してリード体などで接続して、導通可能としてもよい。
【００７６】
燃料電池を構成するＭＥＡに係る正極触媒層は、正極拡散層を介して拡散してきた酸素を還元する機能を有している。正極触媒層は、例えば、触媒を担持した炭素粉末（触媒担持炭素粉末）と、プロトン伝導性材料とを含有している。また、必要に応じて、樹脂などのバインダをさらに含有していてもよい。
【００７７】
正極触媒層が含有する触媒としては、酸素を還元できるものであれば特に制限はないが、例えば、白金微粒子が挙げられる。また、上記触媒は、鉄、ニッケル、コバルト、錫、ルテニウム及び金よりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属元素と白金との合金で構成される微粒子などであってもよい。
【００７８】
触媒の担体である炭素粉末としては、例えば、ＢＥＴ比表面積が１０〜２０００ｍ2／ｇであり、平均粒子径が２０〜１００ｎｍのカーボンブラックなどが用いられる。炭素粉末への上記触媒の担持は、例えば、コロイド法などで行うことができる。
【００７９】
上記炭素粉末と上記触媒との含有比率としては、例えば、炭素粉末１００質量部に対して、触媒が５〜４００質量部であることが好ましい。このような含有比率であれば、十分な触媒活性を有する正極触媒層が構成できるからである。また、例えば、炭素粉末上に触媒を析出させる方法（例えば、コロイド法）で触媒担持炭素粉末が作製される場合には、炭素粉末と触媒とが上記の含有比率であれば、触媒の径が大きくなりすぎず、十分な触媒活性が得られるからである。
【００８０】
正極触媒層に含まれるプロトン伝導性材料としては、特に制限はないが、例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂、スルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂、スルホン化ポリイミド樹脂などのスルホン酸基を有する樹脂を用いることができる。ポリパーフルオロスルホン酸樹脂としては、具体的には、デュポン社製の「ナフィオン（登録商標）」、旭硝子社製の「フレミオン（登録商標）」、旭化成工業社製の「アシプレックス（商品名）」などが挙げられる。
【００８１】
正極触媒層におけるプロトン伝導性材料の含有量は、触媒担持炭素粉末１００質量部に対して、２〜２００質量部であることが好ましい。プロトン伝導性材料が上記の量で含有されていれば、正極触媒層において十分なプロトン伝導性が得られ、電気抵抗値が大きくなりすぎず、電池性能の良好な燃料電池を得ることができるからである。
【００８２】
正極触媒層に係るバインダとしては、特に制限はないが、例えば、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体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体（Ｅ／ＴＦＥ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）及びポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）などのフッ素樹脂や、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン、ポリスチレン、ポリエステル、アイオノマー、ブチルゴム、エチレン・酢酸ビニル共重合体、エチレン・エチルアクリレート共重合体及びエチレン・アクリル酸共重合体などの非フッ素樹脂などが用いることができる。
【００８３】
正極触媒層におけるバインダの含有量は、触媒担持炭素粉末１００質量部に対して、０．０１〜１００質量部であることが好ましい。バインダが上記の量で含有されていれば、正極触媒層について十分な結着性が得られ、電気抵抗値が大きくなりすぎず、電池性能の良好な燃料電池を得ることができるからである。
【００８４】
正極触媒層の厚みは、１〜５０μｍであることが好ましい。
【００８５】
負極触媒層は、負極拡散層を介して拡散してきた水素などの燃料を酸化する機能を有している。負極触媒層は、例えば、触媒を担持した炭素粉末（触媒担持炭素粉末）と、プロトン伝導性材料とを含有している。また、必要に応じて、樹脂などのバインダをさらに含有していてもよい。
【００８６】
負極触媒層に係る触媒は、水素などの燃料を酸化できれば特に制限はなく、例えば、正極触媒層に係る触媒として例示した上記の各触媒を用いることができる。負極触媒層に係る炭素粉末、プロトン伝導性材料、及びバインダについても、正極触媒層に係る炭素粉末、プロトン伝導性材料、及びバインダとして例示した上記の各材料を用いることができる。
【００８７】
負極触媒層の厚みは、１〜５０μｍであることが好ましい。
【００８８】
固体高分子電解質膜は、プロトンを輸送可能であり、かつ電子伝導性は示さない材料で構成された膜であれば、特に制限はない。固体高分子電解質膜を構成し得る材料としては、例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂、具体的には、デュポン社製の「ナフィオン（登録商標）」、旭硝子社製の「フレミオン（登録商標）」、旭化成工業社製の「アシプレックス（商品名）」などが挙げられる。その他、スルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂、スルホン化ポリイミド樹脂、硫酸ドープポリベンズイミダゾールなども、固体高分子電解質膜の材料として用いることができる。
【００８９】
固体高分子電解質膜の厚みは、５〜１５０μｍであることが好ましい。
【００９０】
（実施形態２）
本実施形態２では、本発明の燃料電池システムの他の例について説明する。図１０は、本実施形態の燃料電池システムの概略斜視図を示す。図１０において、図１及び図２と同一構成要素については同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。上記実施形態１と異なる点は、供給用送気部９１及び排出用送気部９０をそれぞれ複数（ここでは２つずつ）設置した点である。
【００９１】
本実施形態では、２つの供給用送気部９１、９１及び２つの排出用送気部９０、９０をそれぞれ制御可能である。例えば、燃料電池１００の負極側に供給する燃料が少ない場合、図１０に示す２つの供給用送気部９１及び２つの排出用送気部９０のうち、それぞれ１つずつ停止させることにより、正極側へ供給される酸化剤ガスの供給量を抑えて発電させることができる。
【００９２】
このように、複数の供給用送気部９１及び複数の排出用送気部９０をそれぞれ制御することで、燃料電池１００の発電状態に応じて送気量を調整することができる。また、供給用送気部及び排出用送気部に使用する電力も抑えることができる。さらに、図１０のような直方体形状の燃料電池１００を用いる場合、セル全体に均一に酸化剤ガスを送気する場合においても有利である。
【００９３】
（実施形態３）
本実施形態３では、本発明の燃料電池システムを用いた燃料電池発電システムの一例を説明する。図１１は、本実施形態の燃料電池発電システムの一例を示す概略構成図である。
【００９４】
本実施形態の燃料電池発電システムは、上記実施形態１の燃料電池システム１０１と、燃料電池１００の燃料となる水素を製造する水素製造装置６００と、燃料電池１００内の燃料ガスをシステム外に排出する排気手段（符号は付していない）とを備えている。以下に、各構成要素について詳細に説明する。
【００９５】
＜燃料電池システム＞
本実施形態における燃料電池システム１０１については、上記実施形態１において図１〜図９を用いて説明したので、ここでは説明を省略する。図１１において、破線矢印は、排出用送気部９０及び供給用送気部９１により送気されるガスの流れ方向を示している。
【００９６】
＜水素製造装置＞
本実施形態における水素製造装置６００は、水素発生物質６０４を収容した水素発生物質収容容器６０３と、水６０２を収容した水収容容器６０１と、水収容容器６０１内の水６０２を水素発生物質収容容器６０３に輸送する輸送部としての例えばポンプ２０１と、気液混合流体を水素を含む気体と水とに分離する気液分離容器８００と、気液分離容器８００により気液混合流体から分離された水を水収容容器６０１に回収するための三方バルブ４０１とを備えている。この水素製造装置６００は、水素発生物質６０４と水６０２とを発熱反応させることにより水素を製造する。この水素は、配管５０３、５０４及び５０５からなる燃料流路を経て燃料電池１００に供給され、燃料として用いられる。
【００９７】
水素発生物質収容容器６０３は、水素を発生させる水素発生物質６０４を収納可能であれば、その材質や形状は特に限定されないが、水や水素が漏れない材質や形状が好ましい。具体的な容器の材質としては、水及び水素を透過しにくく、かつ１２０℃程度に加熱しても容器が破損しない材質が好ましく、例えば、アルミニウム、鉄などの金属、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの樹脂を用いることができる。また、容器の形状としては、角柱状、円柱状などが採用できる。
【００９８】
水収容容器６０１については特に制限はなく、例えば、従来の水素製造装置に使用されているものと同様の水を収容するタンクなどが採用できる。
【００９９】
水素発生物質収容容器６０３及び水収容容器６０１は脱着式とすることもできる。これにより、水素発生物質収容容器６０３内の水素発生物質６０４が消費されつくしたり、水収容容器６０１内の水６０２がなくなったりした場合に、これらを取り外し、所定量の水素発生物質６０４が充填された水素発生物質収容容器６０３や、所定量の水６０２が充填された水収容容器６０１を新たに取り付けることで、再び水素を製造できる。
【０１００】
水収容容器６０１に収容する水は、中性の水、酸性水溶液、アルカリ性水溶液など、少なくとも水を含む液体であればよく、使用する水素発生物質との反応性などに応じて好適なものを選択すればよい。
【０１０１】
水素発生物質収容容器６０３に収容する水素発生物質６０４としては、特に制限はないが、水と１２０℃以下の低温で反応して水素を発生し得るものが望ましい。水素発生物質としては、例えば、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、マグネシウムといった金属や、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、及びマグネシウムの中の一種以上の元素を主体とする合金、さらには、金属水素化物などが好適に使用できる。上記合金を用いる場合、主体となる元素以外の金属成分は特に限定されない。主体となる元素とは、合金全体に対して５０質量%以上、好ましくは８０質量％以上、より好ましくは９０質量％以上含有されている元素のことを意味する。
【０１０２】
上記の金属や合金からなる水素発生物質は、表面に酸化皮膜を形成して安定化する。このため、反応性を高めるためには、水素発生物質の粒径をできるだけ小さくし、反応面積を大きくすることが好ましい。例えば、水素発生物質粒子の平均粒径は、１００μｍ以下であることが好ましく、５０μｍ以下であることがより好ましい。また、粒子形状は、反応効率を高めるためにフレークであることが好ましい。粒径が小さすぎると、嵩密度が小さくなり、充填密度が低下するだけでなく、取り扱いが困難になるため、水素発生物質の粒径は、０．１μｍ以上とすることが好ましい。
【０１０３】
上記平均粒径の測定方法としては、例えば、レーザー回折・散乱法などを用いることができる。具体的には、水などの液相に分散させた測定対象物質にレーザー光を照射することによって検出される散乱強度分布を利用した粒子径分布の測定方法である。レーザー回折・散乱法による粒子径分布測定装置としては、例えば、日機装株式会社製の「マイクロトラックＨＲＡ」などを用いることができる。
【０１０４】
また、水素発生物質として用い得る金属水素化物としては、例えば、水素化ホウ素ナトリウムまたは水素化ホウ素カリウムなどが挙げられる。これらの金属水素化物は、アルカリ水溶液中では比較的安定であるが、触媒が存在する場合、速やかに水と反応して水素を発生することができる。触媒としては例えばＰｔ、Ｎｉなどの金属や酸などを用いることができる。
【０１０５】
水素発生物質は、上記例示のものを１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。
【０１０６】
また、上記水素発生物質は、水との反応性を高めるため、水と混合された状態で加熱してもよく、加熱された水を供給してもよい。
【０１０７】
さらに、上記水素発生物質を、水と反応して発熱する発熱物質（水素発生物質以外の物質）と共に用いることにより、低温（例えば５℃程度）の水を供給しても、上記発熱物質の発熱によって反応系内の温度を高めて、迅速な水素発生が可能となる。
【０１０８】
水と反応して発熱する発熱物質としては、例えば、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、塩化カルシウム、塩化マグネシウム、硫酸カルシウムなど、水との反応により水酸化物となるか、あるいは、水和することにより発熱するアルカリ金属またはアルカリ土類金属の酸化物、塩化物、硫酸化合物などが挙げられる。また、水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素カリウム、水素化リチウムなどの金属水素化物などのように水との反応により水素を生成するものは、上記の通り、水素発生物質として使用することが可能であるが、上記の金属や合金を水素発生物質として使用する場合の発熱物質としても用いることができる。
【０１０９】
特に、水素発生物質として、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、マグネシウムといった金属や、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、及びマグネシウムの中の１種以上の元素を主体とする合金を使用する場合には、上記発熱物質を併用することが好ましい。他方、水素発生物質として上記の金属水素化物を用いる場合には、上記発熱物質を併用しなくても、比較的良好な速度で水素を製造できるが、発熱物質を併用して、さらに水素発生速度を高めてもよい。
【０１１０】
気液分離容器８００は、気液混合流体を導入する導入管８０１、気液混合流体から分離された液体を排出する２つの排液管８０３及び８０４、気液混合流体から分離された気体を排出する排気管８０２を有する半球状の容器である。本実施形態では、気液分離容器８００を設けることにより、燃料電池１００に供給される水素を含む気体中の液体成分量を削減することができ、これにより、水分が供給されることによる燃料電池１００の不具合を防止できる。図１１において、排液管８０４は、配管５１０を介して水収容容器６０１に連結され、排液管８０３は、配管５１１、三方バルブ４０１、ポンプ２０１、配管５０１を介して水収容容器６０１に連結されている。導入管８０１は、配管５０３を介して水素発生物質収容容器６０３に連結されている。排気管８０２は、配管５０４、三方バルブ４０２、配管５０５を介して燃料電池１００に連結されている。
【０１１１】
気液分離容器８００としては、耐熱性及び耐腐食性に優れ、容器が変形しない不撓性材料からなるものであれば特に限定されないが、水や水素が漏れない材質や、５０ｋＰａ程度の減圧及び加圧などの内圧変動に耐えうる構造がより好ましい。具体的な容器の材質としては、水及び水素を透過しにくく、かつ１２０℃程度に加熱しても容器が破損しない材質が好ましく、例えば、アルミニウム、鉄などの金属、アクリル樹脂、硬質のポリプロピレンやポリエチレンなどの樹脂を用いることができる。また、容器の形状としては、ここでは半球状としたが、他に角柱状、円柱状、球状などが採用できる。
【０１１２】
ここで、本実施形態の気液分離容器８００の詳細な構成について図１２を用いて説明する。図１２は、本実施形態における気液分離容器８００の内部の様子を示す概略透視図である。
【０１１３】
図１２において、排液管８０３及び８０４は、気液分離容器８００の上面に配置され、気液分離容器８００の内部から外部に延伸している。この排液管８０３及び８０４は、気液分離容器８００の内部側に第１開口部（符号は付していない）を有し、液体を気液分離容器８００の内部から外部に排出する。排液管８０３及び８０４の第１開口部にはそれぞれ、可撓性を有する吸水管８０５の末端部が接続されており、吸水管８０５の先端部には錘８０６が設けられている。吸水管８０５は、錘８０６の作用により曲がり、吸水管８０５の吸水口８０９は気液分離容器８００内で重力方向に移動し、気液分離容器８００がどのような方向に傾いても気液分離容器８００内に貯留する液体と接触可能な状態となる。これにより、気液分離容器８００の傾きに関わらず、気液分離容器８００内に貯留する液体を吸い込んで排出できる。
【０１１４】
また、２つの吸水管８０５は、互いに絡まないように固定バンド８１０で固定されている。これにより、吸水管８０５の曲がる角度を制限し、吸水管８０５同士の絡みつきや、吸水管８０５と排液管８０３、８０４または吸気管８０７との絡みつきを抑制可能である。なお、上記絡みつきを抑制する効果は、固定バンド８１０に限定されるものではなく、複数の吸水管８０５を接続する他の機構によっても得ることができる。例えば、錘８０６が複数の吸水管８０５を固定する役割を兼ねるものであれば、固定バンド８１０の設置を省略でき、固定バンド８１０が外れるなどの問題を回避することもできる。
【０１１５】
導入管８０１は、気液分離容器８００の上面に配置され、気液分離容器８００の内部から外部へ延伸している。この導入管８０１は、気液分離容器８００の内部側に第２開口部（符号は付していない）を有し、気液混合流体を気液分離容器８００の外部から内部に導入する。
【０１１６】
排気管８０２は、気液分離容器８００の上面に配置され、気液分離容器８００の内部から外部へ延伸している。この排気管８０２は、気液分離容器８００の内部側に第３開口部（符号は付していない）を有し、気体を気液分離容器８００の内部から外部に排出する。この排気管８０２の第３開口部には吸気管８０７の末端部が接続されており、吸気管８０７の先端部は気液分離容器８００の中心部に配置されており、先端部の開口部である吸気口８０８から気液分離容器８００内の気体を吸い込み排気管８０２内へ輸送する。これにより、気液分離容器８００内に貯留する液体の液面が吸気口８０８にまで達しない限り、気液分離容器８００がどのような方向に傾いても、吸気口８０８が気液分離容器８００内の液体と接触するのを回避し、排気管８０２方向への液体の侵入を抑制できる。なお、図１２において、排気管８０２と吸気管８０７は、区分不可能なように一体的に形成されている。
【０１１７】
排液管８０３、８０４、導入管８０１及び排気管８０２としては、耐熱性、耐薬品性及び強度に優れたものであれば特に限定されないが、例えば、ＰＴＦＥ、硬質シリコン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、ポリカーボネート、四フッ化エチレン、ポリサルフォンなどの樹脂製チューブ、ステンレス鋼製パイプなどの金属パイプが好適に用いられる。
【０１１８】
吸水管８０５としては、中空でかつ可撓性を有するものであれば特に限定されないが、耐熱性及び耐薬品性などに優れたフロンチューブや、シリコンチューブが好適に用いられる。
【０１１９】
錘８０６としては、耐薬品性に優れたものであれば特に限定されないが、例えば、メッキを施した鉛製のものや、ステンレス鋼製のものが好適に用いられる。また、錘８０６の重量は、例えば、捕集する液体が水である場合、その比重（ｄ＝１．０）以上であって、吸水管８０５の浮力を差し引いた重量よりも大きければ特に限定されないが、錘の応答性から、比重（ｄ≧１０）以上が好ましい。錘８０６の大きさは、方向自在性を確保するため、壁面や配管に当たらない程度の大きさであれば、特に問題にならないが、気液分離容器８００全体積の１０％未満であることが好ましい。
【０１２０】
吸気管８０７としては、耐熱性及び耐薬品性に優れたものであれば、特に限定されないが、ＰＴＦＥチューブや、硬質シリコンチューブなどが好適に用いられる。吸気管８０７の形状は、気液分離容器８００の中心に吸気口８０８を配置できる形状であれば特に限定されないが、錘８０６によりあらゆる方向に移動する吸水管８０５と絡まないように配置することがより好ましい。
【０１２１】
固定バンド８１０としては、腐食しにくいものであれば特に限定されないが、例えば容器と同じ材質のものを用いることができる。
【０１２２】
このような構成の気液分離容器８００内に気液混合流体が導入されると、気液混合流体中の液体は、排液管８０３、８０４の方向に排出され、気液混合流体中の気体は、排気管８０２の方向に排出される。例えば、気液混合流体が水と水素を含むものである場合、導入管８０１から気液分離容器８００内に導入された気液混合流体中の水は、気液分離容器８００がどのような方向に傾いたとしても、気液分離容器８００内において重力方向下向きに溜まる。そして、この貯留水は、錘８０６の作用により重力方向に曲がった吸水管８０５の吸水口８０９から吸い込まれ、吸水管８０５を経て排液管８０３、８０４方向に排出される。このときの排水の動力源は、例えば、排液管８０３、８０４の流路上にポンプを経由し、送液する場合や、また水収容容器から水素発生物質収容容器へ送液するポンプの作用によって、気液分離容器８００の外部に排液させることができる。一方、気液混合流体中の水素は、気液分離容器８００の中心に設置した吸気口８０８より吸い込まれ、吸気管８０７を経て、排気管８０２方向に排出される。この排出された水素を、燃料電池の水素源にすることができる。
【０１２３】
以上で図１２を用いた気液分離容器８００の説明を終わり、以下、本実施形態の水素製造装置の動作について図１１を用いて説明する。
【０１２４】
水収容容器６０１に収容されている水６０２は、ポンプ２０１を駆動させることによって、配管５０１及び配管５０２を通じて水素発生物質収容容器６０３に輸送される。水素発生物質収容容器６０３内では、水素発生物質６０４と水６０２とが反応して水素が発生し、この水素は配管５０３に排出される。水素と共に水蒸気が配管５０３に排出された場合、水蒸気は配管５０３内で冷却されて水となり、水と水素との気液混合流体が気液分離容器８００の導入管８０１に導入されることになる。気液分離容器８００内では、上記気液混合流体は、重力差により、水素を含む気体と、水とに分離される。
【０１２５】
分離された水素を含む気体は、排気管８０２、配管５０４、５０５を通じて燃料電池１００に供給される。気液分離容器８００は上述したように方向自在性を有するため、水素製造装置がどのような方向に傾いても気液分離を行うことができ、燃料電池１００に安定して水素を供給可能であるとともに、水分が供給されることにより燃料電池１００に不具合が生じるのを回避できる。
【０１２６】
一方、分離された水は、以下のようにして水収容容器６０１に回収され、水素発生物質収容容器６０３に供給される水６０２として再利用される。これにより、水の利用効率を高めることができる。さらに、水素製造用の水を収容している水収容容器６０１を回収容器としても利用するため、気液分離容器８００で分離された水を回収するための回収容器を別途備える必要がなく、装置全体をコンパクトにすることができる。
【０１２７】
次に、気液分離容器８００内で分離された水を水収容容器６０１に回収する機構について詳述する。
【０１２８】
ポンプ２０１を用いて水収容容器６０１内の水６０２を水素発生物質収容容器６０３に一定割合で供給している間は、水収容容器６０１の内部圧力が減圧状態になる。この減圧状態を補償するように、水収容容器６０１に接続された他の配管５１０内において、気液分離容器８００の排液管８０４側から水収容容器６０１側の方向に吸引力が生じる。この現象を利用することにより、気液分離容器８００内の貯留水を、水収容容器６０１に回収することができる。そのため、配管５１０の途中に、気液分離容器８００内の水を水収容容器６０１へ輸送するポンプを別途設ける必要がなく、省電力化できる。
【０１２９】
一方、燃料電池１００の発電終了時など水素を製造する必要がない場合は、ポンプ２０１の駆動を停止して水素発生物質収容容器６０３への水供給を停止するが、水供給を停止してもしばらくの間は、水素発生物質収容容器６０３内に残留する水６０２と水素発生物質６０４が反応して水素が発生し、これに伴い水が生じ、この水が気液分離容器８００内に溜まる。そのため、上記水供給の停止後一定時間、気液分離容器８００内から水を回収する必要がある。そこで、本実施形態では、三方バルブ４０１を配管５１１と配管５０１が通じる方向に切り替え、ポンプ２０１を、水収容容器６０１から水素発生物質収容容器６０３へ送液する方向とは逆向きに動作させることによって、気液分離容器８００内に溜まった水を配管５１１、三方バルブ４０１、配管５０１を通じて水収容容器６０１に回収する。さらに、水収容容器６０１へ回収した水の体積分に相当する気体（空気）が、水収容容器６０１から配管５１０、気液分離容器８００、配管５０４、５０５を経て燃料電池１００に送られるため、水収容容器６０１及び気液分離容器８００の内圧も高くならないため、安全である。
【０１３０】
＜排気手段＞
本実施形態における排気手段は、上述したように、燃料電池１００内の燃料ガスをシステム外に排出するためのものである。図１１において、排気手段は、配管５０６、５０７、５０８、５０９、圧力センサ３００、バルブ４０２、バルブ４０３、逆止弁７００、及び燃料電池１００から排出されたガス中の水素を消費するための水素消費装置９００により構成されている。
【０１３１】
バルブ４０３は、燃料電池１００内の燃料ガスを燃料電池１００外に間欠的に排出するためのものである。図１１に示す本実施形態の燃料電池発電システムでは、燃料電池１００による発電に伴って、燃料電池１００の負極側に燃料ガス（発電に関与しなかった残留水素、及び発電の際に正極側から拡散してくる不純ガスを含むガス）や微量の生成水が蓄積するが、これらによって燃料電池１００内の圧力がある程度高まった時点で、バルブ４０３を用いて上記ガスや微量の生成水を配管５０７側に排出する。このように、バルブ４０３の作用によって、燃料電池１００内のガスや生成水を間欠的に燃料電池１００外に排出できる。
【０１３２】
圧力センサ３００は、配管５０５内の圧力を測定するものである。この圧力センサ３００での測定結果に基づいて、適時バルブ４０３の開閉動作を制御することで、燃料電池１００内のガスや生成水を配管５０７側へ排出することができる。バルブ４０３は、燃料電池１００内の負極の圧力と外部の圧力（例えば大気圧）との差圧が１〜３００ｋＰａに達した段階で開閉動作を行うよう制御されるのが望ましい。差圧が１ｋＰａ未満で開く場合は、圧力差が小さすぎて水を排出する能力が低下し、差圧が３００ｋＰａを超えるまで開かない場合は、内圧が高くなりすぎてＭＥＡを破損する虞が生じる。また、バルブ４０３が、上記適正圧力範囲にある場合、一定時間毎にバルブ４０３を開閉させることもできる。一定時間毎に開閉させた場合、燃料電池１００の発電時に生じた生成水を外部に強制的に排出させることが可能になる。
【０１３３】
このように、圧力センサ３００を用いて燃料電池の圧力を測定しながらバルブ４０３の開閉動作を制御することで、燃料電池の圧力が高くなりすぎて燃料電池から水素が漏れ出たり、燃料電池が破裂したりすることを抑制でき、適正に発電させることができる。また、燃料電池の出力状態と圧力情報を考慮して、出力を適正に維持できるように発電させることも可能となる。
【０１３４】
水素消費装置９００は、燃料電池１００から排出されたガスや、気液分離容器８００で水分が除去された後のガスに含まれる水素を消費する。図１１に示すシステムでは、燃料電池１００から排出されたガスは、配管５０７を通じて水素消費装置９００に導入され、気液分離容器８００で水分が除去された後のガスは、後述するように、配管５０６を通じて水素消費装置９００に導入される。図１１の水素消費装置９００はＭＥＡを有しており（図示しない）、燃料電池１００の有するＭＥＡによる発電と同じ機構によって、上記ガス中の水素を消費する。水素消費装置９００によって水素が除去されたガスは、配管５０９を経てシステム外に排出される。なお、図１１に示すシステムでは、配管５０９の出口が、排出用送気部９０からの送風が当たるように配置しているため、水素消費装置９００で処理しきれずに僅かに水素が残留していても、希釈しつつシステム外に排出することができる。
【０１３５】
また、水素消費装置９００の後には水蒸散装置（図示せず）を設置してもよい。燃料電池１００の発電で生じた微量の生成水や、気液分離容器８００で分離しきれなかった水が燃料電池１００に導入され、圧力センサ３００とバルブ４０３の制御によって、燃料電池１００の外部へ排出される水が、配管５０７を経て、水素消費装置９００に導入され、水素が除去されて残った水が、水蒸散装置に供給される。この水蒸散装置を設置することで、燃料電池発電システムの外部へ水を排出することを抑制することができる。また、この水蒸散装置は、水素消費装置９００を兼ねることもできる。
【０１３６】
ところで、一般的に、燃料電池では、発電が停止している際に、燃料電池内の正極に空気、負極に水素がそれぞれ貯留した状態が長時間継続すると、電極の劣化が生じる。この原因は定かではないが、この場合、電圧が発電時よりも高い状態で維持されるために、正負極の炭素や触媒が酸化するためではないかと推測される。よって、燃料電池発電システムでは、発電の終了時に、燃料電池内への水素の侵入を防止できるように構成されていたり、燃料電池内に残留する水素を除去できるように構成されていたりすることが好ましい。
【０１３７】
図１１に示すシステムでは、水素製造装置６００からの水素を燃料電池へ導入するための配管５０４と配管５０５との間にバルブ４０２が設けられている。また、このバルブ４０２は、配管５０６を経由して水素消費装置９００に接続されている。そのため、燃料電池１００の発電終了時に、バルブ４０２を作動させて、水素製造装置６００からの水素を、燃料電池１００に送らずに、配管５０６を通じて水素消費装置９００に直接供給し、処理することができる。同時にバルブ４０３は、配管５０７と逆止弁７００が通じる方向に切り替えることもできる。これは、燃料電池１００内の残存水素を消費させるため、燃料電池１００の正負極をショートさせることで残存水素を消費することができる。この場合、燃料電池１００の内部が減圧され、ＭＥＡが破損する虞がある。このため、バルブ４０３を配管５０７と逆止弁７００が通じる方向に切り替え、外気を取り入れることで燃料電池１００の内圧低下を防止することができる。これらの操作により、図１１に示すシステムでは、燃料電池１００による発電の終了時に、燃料電池１００内への水素の侵入を防止して、かかる水素による燃料電池１００の劣化を抑制することができる。
【０１３８】
本実施形態の燃料電池発電システムに係る水素消費装置は、システム内の水素を消費して除去できるものであれば特に制限はないが、例えば、ＭＥＡを有し、燃料電池に係るＭＥＡによる発電と同じ機構により水素を消費する装置や、水素を酸化し得る触媒を有する装置などが挙げられる。
【０１３９】
燃料電池に係るＭＥＡによる発電と同じ機構により水素を消費する装置としては、具体的には、図４及び図５に示した燃料電池を構成するＭＥＡのように、正極拡散層、正極触媒層、固体高分子電解質膜、負極触媒層及び負極拡散層が順次積層されており、正極と負極とが、例えば、スイッチ及び抵抗を介して導通可能なように接続されている構成のＭＥＡを有する水素消費装置が挙げられる。
【０１４０】
水素消費装置のＭＥＡに係る正極拡散層、正極触媒層、固体高分子電解質膜、負極触媒層及び負極拡散層については、燃料電池のＭＥＡに係る正極拡散層、正極触媒層、固体高分子電解質膜、負極触媒層及び負極拡散層として、先に記載したものと同じものが使用できる。
【０１４１】
上記の水素消費装置の場合、ガス中の水素を消費する必要が生じたときに、正極と負極との接続部におけるスイッチを入れ、ＭＥＡの正極−負極間を導通させることで、ガス中の水素を消費できる。これにより、燃料電池内から排気され、システム外に排出する必要のあるガス中の水素や、燃料電池による発電の終了時に、水素製造装置から燃料電池内に侵入する水素を、完全に無くすか、またはそれらの水素量を大幅に低減することができる。
【０１４２】
上記のＭＥＡを有する水素消費装置において、ＭＥＡの正極と負極とを抵抗を介して接続する場合、かかる抵抗としては、例えば、水素消費装置内に水素が導入されてから、ＭＥＡの正極−負極間の電圧が０．１Ｖ以下となるのに要する時間が１分以内となるような抵抗値を有するものを用いればよい。また、抵抗を用いなくても、このような時間でＭＥＡの正極−負極間の電圧を上記のように下げることができるのであれば、ＭＥＡの正極と負極とは、抵抗を用いずにスイッチのみを介してリード体などで接続して、導通可能としてもよい。
【０１４３】
水素消費装置は、上記の通り、燃料電池と同様にＭＥＡを備えているため、例えば、燃料電池に複数のＭＥＡを有するもの（スタック）を使用し、その一部のＭＥＡ（例えば、１つ、２つ、３つなど）を水素消費装置として使用する形態で、燃料電池と水素消費装置とを一体化（図示せず）した構成とすることもできる。
【０１４４】
水素を酸化し得る触媒を有する水素消費装置としては、例えば、上記触媒を含有するフィルター、筒状などの外装体に上記触媒を充填したもの、などが例示できる。なお、水素を酸化し得る触媒としては、例えば、ＭＥＡの負極触媒層における触媒として先に例示した各種触媒などを用いることができる。
【０１４５】
供給用送気部９１及び排出用送気部９０の送気方向は、燃料電池システムを動作させる周囲の環境温度などによって適宜変えることもできる。燃料電池１００は、制御するための補機類や回路と共にシステムの筐体内に設置させる必要がある。また筐体内部の補機類や回路からは、発電の制御に伴い、発熱を伴うこともある。燃料電池１００を効率よく発電させるためには、５℃以上５０℃以下の範囲が好ましい。５℃未満では、燃料電池１００の発電効率が低下し、また燃料電池１００の内部に残存している水が凍結する虞もある。一方、５０℃を大きく越える場合、燃料電池１００内の水が蒸散しやすくなり、発電効率が低下する虞がある。
【０１４６】
このため、燃料電池発電システムを作動させる環境が低い温度（例えば、０℃付近）の場合、筐体内部の補機類や回路で発熱した酸化剤ガス（例えば、空気）を用いることで安定に発電することができる。このため、供給用送気部９１及び排出用送気部９０は、筐体内部の補機類や回路を経た気体を燃料電池１００に供給する方向に送気させるのが好ましい。一方、環境温度が高い温度（例えば、６０℃付近）の場合、燃料電池１００へ供給される酸化剤ガス（例えば、空気）の温度は、外気を取り込む方向（例えば、排出用送気部９０から供給用送気部９１の方向）に送気するのが好ましい。
【０１４７】
上記実施形態１〜３において、図１〜図１２を用いて本発明の燃料電池システム及び本発明の燃料電池システムを用いた燃料電池発電システムについて説明したが、図１〜図１２は、本発明の燃料電池、燃料電池システム及び燃料電池発電システムに使用可能な構成要素の一部を示したものに過ぎず、本発明の燃料電池システムや、本発明の燃料電池システムを用いた燃料電池発電システムは、これらの図面に示すもの、またはこれらの図面に示す構成要素を有するものに限定される訳ではない。
【実施例】
【０１４８】
以下、実施例に基づいて本発明を詳細に述べる。ただし、下記実施例は、本発明を制限するものではない。
【０１４９】
（実施例１）
＜燃料電池の作製＞
まず、図２に示すものと同様の構造の燃料電池１００を作製した。
【０１５０】
正極触媒層、固体高分子電解質膜、及び負極触媒層の積層体には、図７に示す構成のものを用いた。固体高分子電解質膜には、デュポン社製「ナフィオン（登録商標）１１２」を用いた。Ｐｔ担持カーボン（田中貴金属社製「ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ」）と、５質量％濃度のＮａｆｉｏｎ溶液（Ａｌｄｒｉｃｈ社製）とを所定量で混合し、これをポリテトラフルオロエチレンシートの片面に塗布し、乾燥させた。そして、固体高分子電解質膜の両面に、ポリテトラフルオロエチレンシートを、Ｐｔ担持カーボンとＮａｆｉｏｎ溶液との混合物の塗布面が固体高分子電解質膜側となるように重ねてホットプレスを行い、ポリテトラフルオロエチレンシートを除去し、正極触媒層、固体高分子電解質膜及び負極触媒層の積層体を得た。その後、上記積層体を、外形が２４ｍｍ×８５．５ｍｍとなるように切り出した。
【０１５１】
ＳＧＬカーボン社製の「ＧＤＬ１０ＤＣ」（厚み４７０μｍ）を２４ｍｍ×７１．５ｍｍのサイズに切り出して正極拡散層に用いた。また、正極ガスシールには、２４ｍｍ×７ｍｍのシリコンゴムシート（厚み０．３ｍｍ）を２枚用意し、いずれにも２０ｍｍ×３ｍｍの穴（燃料供給マニホールド及び燃料排出マニホールド）を形成した。
【０１５２】
負極ガスシールには、正極ガスシールと同じシリコンゴムシートを用い、サイズを２４ｍｍ×８５．５ｍｍとし、かつ、負極拡散層を挿入すると共に燃料供給マニホールド及び燃料排出マニホールドを構成するための、２０ｍｍ×８１．５ｍｍのサイズの穴を形成した。負極拡散層には、正極拡散層に用いたものと同じ材料を使用し、２０ｍｍ×７５．５ｍｍのサイズに切り出して用いた。
【０１５３】
上記の積層体、正極拡散層、正極ガスシール、負極拡散層及び負極ガスシールを、図４に示す順序及び配置で積層したＭＥＡを１５個作製した。
【０１５４】
セパレータには、カーボン製（最も厚い部分の厚みが２ｍｍ）で、図６に示す構成のものを用いた。外形は２４ｍｍ×８５．５ｍｍとし、燃料供給マニホールド１１及び燃料排出マニホールド１２のサイズは２０ｍｍ×３ｍｍとした。酸化剤ガス流路（冷却媒体流路を兼ねた酸化剤ガス流路）１３は、幅１．５ｍｍ、深さ１．５ｍｍとし、酸化剤ガス流路１３間のリブ１４の幅は１ｍｍとした。
【０１５５】
上記１５個のＭＥＡを、上記セパレータを酸化剤ガス流路形成面側が正極拡散層側となるようにして各ＭＥＡ間に介在させつつ重ね、これら積層体の上下を２枚のエンドプレート（アルミニウム製で、サイズが３８ｍｍ×９０ｍｍ）で挟持し、ボルト及びナットを用いて固定して、図２に示す構造の燃料電池１００を作製した。
【０１５６】
＜燃料電池システムの作製＞
上記燃料電池１００に、図１及び図３に示すように供給用送気部９１及び排出用送気部９０を設置することにより、燃料電池システム１０１を作製した。供給用送気部９１及び排出用送気部９０には、４０ｍｍ角のＤＣファンを用いた。供給用送気部９１及び排出用送気部９０は、エンドプレート５０との間の距離を０ｍｍとして固定し、供給口５１及び排気口５２を密閉するように、ダクト８０を設置した。
【０１５７】
＜水素製造装置の作製＞
図１１に示す水素製造装置６００を作製した。水素発生物質収容容器６０３には、内容積５０ｃｍ3のポリプロピレン製角柱状の容器を用い、その中に、平均粒径６μｍのアルミニウム粉末（水素発生物質）２０．７ｇと、酸化カルシウム（発熱物質）３．５ｇとを入れた。
【０１５８】
＜燃料電池発電システムの組み立て＞
燃料電池システム１０１と、水素製造装置６００と、排気手段としての圧力センサ３００、水素消費装置９００、逆止弁７００を用いて、図１１に示す燃料電池発電システムを組み立てた。
【０１５９】
（比較例１）
比較例１では、供給口５１側に供給用送気部９１及びダクト８０を設置しなかったこと以外は、上記実施例１と同様にして燃料電池システムを作製した。図１３に、比較例１の燃料電池システムの概略構成を示し、図１４に、図１３に示す燃料電池システムのＶＩ−ＶＩ線断面図を示す。図１３及び図１４において、図１及び図３と同一構成要素には同一符号を付している。なお、図１４の断面図では、酸化剤ガス流路を省略し、排出用送気部９０を簡略化して表している。また、図１４ではハッチングを省略している。
【０１６０】
本比較例の燃料電池システムでは、排出用送気部９０として、４０ｍｍ角のＤＣファンを１個設置した。エンドプレート５０と４０ｍｍ角のＤＣファンとの間の距離は０ｍｍとし、排気口５２には、ダクト８０を設置した。そして、この燃料電池システムを用いて、実施例１と同様にして燃料電池発電システムを組み立てた。
【０１６１】
＜発電試験＞
実施例１の燃料電池発電システム及び比較例１の燃料電池発電システムの発電試験を行った。具体的には、水収容容器６０１内の水６０２を水素発生物質収容容器６０３へ供給して水素を発生させ、供給口５１から排気口５２の方向に酸化剤ガス（酸素を含む空気）を送気し、外部負荷（図示せず）によって９．５Ｖの定電圧で発電試験を行った。
【０１６２】
実施例１及び比較例１の燃料電池発電システムでの発電特性の結果を図１５に示す。図１５において、縦軸は出力（Ｗ）を示し、横軸は時間（分）を示している。図１５から、排気口のみに送気部を設置している比較例１と比べ、供給口と排気口の双方にそれぞれ１個送気部を設置している実施例１の方が、発電性能が長時間に亘り安定していることが分かった。よって、安定に発電して省スペース化を達成するためには、供給口及び排気口の双方に送気部があるのが好ましいと言える。
【産業上の利用可能性】
【０１６３】
本発明の燃料電池システムは、パソコン、携帯電話などのコードレス機器といった高機能のポータブル型電子機器の電源用途を始めとして、従来の燃料電池が使用されている各種用途に好ましく用いることができる。
【符号の説明】
【０１６４】
１０ セパレータ
１１ 燃料供給マニホールド
１２ 燃料排出マニホールド
１３ 酸化剤ガス流路
１４ リブ
２０ ＭＥＡ
２０ａ 積層体
２１ 正極拡散層
２２ 正極触媒層
２３ 固体電解質膜
２４ 負極触媒層
２５ 負極拡散層
３０ 正極ガスシール
４０ 負極ガスシール
５０ エンドプレート
５１ 供給口
５２ 排気口
６０ 燃料供給口
７０ 燃料排出口
８０ ダクト
９０ 排出用送気部
９１ 供給用送気部
１００ 燃料電池
１０１ 燃料電池システム
２０１ ポンプ
３００ 圧力センサ
４０１、４０２、４０３ バルブ
５０１、５０２、５０３、５０４、５０５、５０６、５０７、５０８、５０９、５１０、５１１ 配管
６００ 水素製造装置
６０１ 水収容容器
６０２ 水
６０３ 水素発生物質収容容器
６０４ 水素発生物質
７００ 逆止弁
８００ 気液分離容器
８０１ 導入管
８０２ 排気管
８０３、８０４ 排液管
８０５ 吸水管
８０６ 錘
８０７ 吸気管
８０８ 吸気口
８０９ 吸水口
８１０ 固定バンド
９００ 水素消費装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素を還元する正極触媒層を有する正極と、燃料を酸化する負極触媒層を有する負極と、前記正極と前記負極との間に配置される固体高分子電解質膜とを有する電極・電解質一体化物をセパレータを介して複数積層してなる燃料電池と、
前記セパレータの一主面に形成され、酸化剤ガスの供給口及び排出口を有する酸化剤ガス流路と、
酸化剤ガスを前記酸化剤ガス流路の前記供給口に供給する供給用送気部と、
前記酸化剤ガス流路内の酸化剤ガスを前記酸化剤ガス流路の前記排出口から外部に排出する排出用送気部とを含む、ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記供給用送気部または前記排出用送気部を複数含む請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
複数の前記供給用送気部または複数の前記排出用送気部をそれぞれ制御可能である請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記供給用送気部及び前記排出用送気部の風量は、前記燃料電池の温度が一定範囲内になるよう調整される請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記電極・電解質一体化物は、平面視での形状が四角形であり、
前記セパレータは、平面視での形状が四角形であり、かつ単一部材で構成されており、
前記電極・電解質一体化物、及び前記セパレータには、前記四角形を構成する４辺のうちの１辺の近傍に燃料供給マニホールドが形成され、前記１辺に対向する１辺の近傍に燃料排出マニホールドが形成されており、
前記酸化剤ガス流路は、前記セパレータの一主面における、前記燃料マニホールド及び前記燃料排出マニホールドが近傍に形成された対向する２辺とは別の２辺を直線状に繋ぐように複数個平行または略平行に形成されており、その両端部が酸化剤ガスの前記供給口と前記排出口である請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記電極・電解質一体化物の前記負極は、前記セパレータの前記酸化剤ガス流路が形成されていない側の面に接するように配置された負極拡散層を有し、
前記負極拡散層は、平面視での形状が四角形であり、前記負極拡散層の外周外側には、燃料ガスの流出を抑制するための負極ガスシールが形成されており、
前記負極拡散層の前記四角形を構成する４辺のうちの１辺と前記負極ガスシールとで燃料供給マニホールドが形成され、かつ、前記負極拡散層の前記１辺に対向する１辺と前記負極ガスシールとで燃料排出マニホールドが形成されている請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記電極・電解質一体化物の前記正極は、前記セパレータの前記酸化剤ガス流路が形成されている側の面に接するように配置された正極拡散層を有し、
前記正極拡散層は、平面視での形状が四角形であり、前記四角形を構成する４辺のうち、前記セパレータの前記酸化剤ガス流路と平行または略平行な２辺の外側に、燃料ガスの流出を抑制するための正極ガスシールが配置されており、
前記正極ガスシールには、燃料供給マニホールド及び燃料排出マニホールドが形成されている請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記セパレータの前記酸化剤ガス流路は、冷却媒体流路を兼ねている請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記正極触媒層と、前記負極触媒層と、前記固体高分子電解質とが、平面視で同一形状である請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１】
酸素を還元する正極触媒層を有する正極と、燃料を酸化する負極触媒層を有する負極と、前記正極と前記負極との間に配置される固体高分子電解質膜とを有する電極・電解質一体化物をセパレータを介して複数積層してなる燃料電池と、
前記セパレータの一主面に形成され、酸化剤ガスの供給口及び排出口を有する酸化剤ガス流路と、
酸化剤ガスを前記酸化剤ガス流路の前記供給口に供給する供給用送気部と、
前記酸化剤ガス流路内の酸化剤ガスを前記酸化剤ガス流路の前記排出口から外部に排出する排出用送気部とを含む、ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記供給用送気部または前記排出用送気部を複数含む請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
複数の前記供給用送気部または複数の前記排出用送気部をそれぞれ制御可能である請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記供給用送気部及び前記排出用送気部の風量は、前記燃料電池の温度が一定範囲内になるよう調整される請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記電極・電解質一体化物は、平面視での形状が四角形であり、
前記セパレータは、平面視での形状が四角形であり、かつ単一部材で構成されており、
前記電極・電解質一体化物、及び前記セパレータには、前記四角形を構成する４辺のうちの１辺の近傍に燃料供給マニホールドが形成され、前記１辺に対向する１辺の近傍に燃料排出マニホールドが形成されており、
前記酸化剤ガス流路は、前記セパレータの一主面における、前記燃料マニホールド及び前記燃料排出マニホールドが近傍に形成された対向する２辺とは別の２辺を直線状に繋ぐように複数個平行または略平行に形成されており、その両端部が酸化剤ガスの前記供給口と前記排出口である請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記電極・電解質一体化物の前記負極は、前記セパレータの前記酸化剤ガス流路が形成されていない側の面に接するように配置された負極拡散層を有し、
前記負極拡散層は、平面視での形状が四角形であり、前記負極拡散層の外周外側には、燃料ガスの流出を抑制するための負極ガスシールが形成されており、
前記負極拡散層の前記四角形を構成する４辺のうちの１辺と前記負極ガスシールとで燃料供給マニホールドが形成され、かつ、前記負極拡散層の前記１辺に対向する１辺と前記負極ガスシールとで燃料排出マニホールドが形成されている請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記電極・電解質一体化物の前記正極は、前記セパレータの前記酸化剤ガス流路が形成されている側の面に接するように配置された正極拡散層を有し、
前記正極拡散層は、平面視での形状が四角形であり、前記四角形を構成する４辺のうち、前記セパレータの前記酸化剤ガス流路と平行または略平行な２辺の外側に、燃料ガスの流出を抑制するための正極ガスシールが配置されており、
前記正極ガスシールには、燃料供給マニホールド及び燃料排出マニホールドが形成されている請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記セパレータの前記酸化剤ガス流路は、冷却媒体流路を兼ねている請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記正極触媒層と、前記負極触媒層と、前記固体高分子電解質とが、平面視で同一形状である請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１２−１１３８７６（Ｐ２０１２−１１３８７６Ａ）
【公開日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６０３１８（Ｐ２０１０−２６０３１８）
【出願日】平成２２年１１月２２日（２０１０．１１．２２）
【出願人】（５１１０８４５５５）日立マクセルエナジー株式会社 (212)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月２２日（２０１０．１１．２２）
【出願人】（５１１０８４５５５）日立マクセルエナジー株式会社 (212)
【Ｆターム（参考）】
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