(57)【要約】【課題】燃料電池発電システムにおいて、不活性ガスである窒素が燃料側に混入して水素濃度が低下することを防止し、セル電圧を高く維持するとともに、燃料電池の内部で生成水を再利用し、排ガスの露点を高くする。【解決手段】アノードとカソードとの間に電解質膜を挟み込んだ構成を有する膜−電極接合体と、燃料流路を有するアノード側セパレータと、酸化剤流路を有するカソード側セパレータとを含み、前記膜−電極接合体を前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータとの間に挟み込んだ構成を有する単位セルを含む燃料電池と、前記燃料電池に燃料を供給する燃料供給路と、前記燃料電池に酸素を含む酸化剤を供給する酸化剤供給路と、前記酸素の濃度を高くするための酸素濃縮器とを含み、前記燃料電池から排出される酸化剤排ガスの露点を前記燃料電池の作動温度以上とした。【選択図】図１
2010225430.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードとカソードとの間に電解質膜を挟み込んだ構成を有する膜−電極接合体と、燃料流路を有するアノード側セパレータと、酸化剤流路を有するカソード側セパレータとを含み、前記膜−電極接合体を前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータとの間に挟み込んだ構成を有する単位セルを含む燃料電池と、前記燃料電池に燃料を供給する燃料供給路と、前記燃料電池に酸素を含む酸化剤を供給する酸化剤供給路と、前記酸素の濃度を高くするための酸素濃縮器とを含み、前記燃料電池から排出される酸化剤排ガスの露点を前記燃料電池の作動温度以上としたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記酸素濃縮器が、分子ふるい機能を有する多孔質繊維又は多孔質膜を含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記酸素濃縮器を通過した前記酸化剤に含まれる酸素の濃度が４０％以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
さらに、前記排ガスから窒素を分離するための窒素分離器を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
窒素を分離して水素濃度を高めた前記排ガスを還流させるための流路を設けたことを特徴とする請求項４記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
相隣る前記単位セルの前記アノード側セパレータの前記燃料流路を流れる前記燃料と前記カソード側セパレータの前記酸化剤流路を流れる前記酸化剤との間で熱交換可能としたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
前記アノード側セパレータ又は前記カソード側セパレータに、セルロースと導電性粉末とを含む混合物が塗布されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
アノードとカソードとの間に電解質膜を挟み込んだ構成を有する膜−電極接合体と、燃料流路を有するアノード側セパレータと、酸化剤流路を有するカソード側セパレータとを含み、前記膜−電極接合体を前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータとの間に挟み込んだ構成を有する単位セルを含む燃料電池と、前記燃料電池に燃料を供給する燃料供給路と、前記燃料電池に酸素を含む酸化剤を供給する酸化剤供給路と、前記酸素の濃度を高くするための酸素濃縮器とを含む燃料電池発電システムの運転方法であって、前記燃料電池から排出される排ガスの流量、及び、この排ガスに含まれる水分の量から前記排ガスの露点を算出する工程と、前記排ガスの露点を前記燃料電池の作動温度以上とするため、前記燃料電池に供給する前記酸化剤の利用率を制御する工程とを含むことを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素或いは有機化合物の改質燃料を用いる固体高分子形燃料電池は、騒音が小さく、運転温度が低いこと（約７０〜８０℃）などの特長を有する。そのため、可搬式電源、電気自動車の電源、電動バイク或いはアシスト式自転車、さらには、医療介護用の車椅子やシニアカーなどの軽車両用電源として、幅広い用途が期待されている。
【０００３】
また、将来においては、太陽光や風力を電気エネルギーに変換し、そのエネルギーを利用して水を電気分解し、運搬可能な水素を製造することが予想される。水素製造が普及すれば、水素を利用したエネルギーシステムが、究極のクリーンエネルギーシステムとして脚光を浴びることになると思われる。太陽エネルギー等は再生可能であり、クリーンで無尽蔵に存在するため、現在の化石エネルギー社会を脱却するための最有力のエネルギー源である。
【０００４】
水素吸蔵合金などを利用して高密度で水素を貯蔵すれば、二次電池に蓄積したエネルギーよりも高効率にエネルギーの輸送も可能となる。太陽光などの再生可能エネルギーを活用できるようになれば、二酸化炭素を大幅に削減できる持続可能なエネルギー社会を構築されるものと予想される。このような未来社会において、水素を高効率で電気に再変換できる固体高分子形燃料電池への期待は大きい。
【０００５】
固体高分子形燃料電池は、プロトンを移動させる電解質膜を用い、水素と酸素との再結合反応を直接に電気エネルギーに変換させる電気化学デバイスである。プロトンを移動させる電解質膜は、その両面に電極が形成されている。これを膜−電極接合体（以下、ＭＥＡと略記する。）と呼ぶ。この電極のそれぞれに対向するように設置したセパレータからなる単位セルを有している。このセパレータには、燃料又は酸化剤を流通させるための流路（チャンネル）が形成されている。
【０００６】
電解質膜に水が含まれていないと、電解質膜中のプロトン（水素イオン）移動速度が極めて遅くなることがよく知られている。そのため、燃料或いは酸化剤に予め水分を添加し、それを燃料電池に供給している。このように水分を添加する操作は加湿と呼ばれている。これにより、電解質膜の乾燥を抑制することができ、水素の酸化によって生成した水がさらに加わり、電解質膜の湿潤状態が保たれている。よって、従来技術では、加湿をしないと固体高分子形燃料電池を動作させることができないという点で改善が求められていた。
【０００７】
特許文献１には、燃料電池を備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池のカソード電極に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給部と、前記燃料電池のアノード電極に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給部と、前記酸化ガスの前記燃料電池への流入を制御する第１のバルブと、前記燃料電池からのカソード排ガスの流出を制御する第２のバルブと、前記燃料電池システムの動作を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、（ａ）少なくとも前記第１のバルブが開いた状態で前記酸化ガスを前記燃料電池内に充填する工程と、（ｂ）前記第１と第２のバルブを閉じる工程と、（ｃ）前記第１と第２のバルブを閉じた状態で所定の発電を行った後に前記第１と第２のバルブを開く工程と、を繰り返し行うことを特徴とする燃料電池システムが開示されている。また、特許文献１には、中空糸膜の束を用いる膜分離法、ＰＳＡ法（吸着法）又は深冷分離法を利用した酸素窒素分離器及び加湿器を有する燃料電池システムが開示されている。
【０００８】
また、逆に、加湿が過剰になり、セル内部で形成された生成水がセパレータの流路或いは電極表面で水が付着し、水素酸化や酸素還元の反応を阻害する現象が起こる場合がある。例えば、セパレータの流路に燃料又は酸化剤を流通させ、発電を開始させると、セパレータの流路及びセパレータに接するＭＥＡの電極表面に水が付着する場合がある。この水は、アノード及びカソードのいずれの面でも形成される。
【０００９】
この水によって、流路が閉塞される、或いは、ＭＥＡが過剰に濡らされるなどの現象が発生すると、触媒への燃料や酸化剤の供給が阻害される。その結果、セル電圧が降下し、燃料電池の出力が低下する。特に、触媒層の内部及び表面に水分が付着し、それが触媒と燃料又は酸化剤との接触を妨害すると、顕著な電圧降下をもたらす。このような出力の低下は、高電流密度の発電の際に顕著となる場合が多い。
【００１０】
特許文献２には、高電流運転時にもフラッディング現象を防ぎ、生成水逸散性と出力とを高めることを目的として、カソード触媒層が、酸素を還元する部分と、酸素を還元する部分に比較して高い撥水性を示す部分とを有し、高い撥水性を示す部分は、カソード触媒層の面上を観察すると偏在しているという特徴を持つ燃料電池が開示されている。
【００１１】
さらに、特許文献３には、ガス流路形成部材を多孔体材料で形成し、水分維持体を配設した燃料電池セルが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００８−４１５１６号公報
【特許文献２】特開２００４−１７１８４７号公報
【特許文献３】特開２００６−４０５６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は、不活性ガスである窒素が燃料側に混入して水素濃度が低下することを防止し、セル電圧を高く維持するとともに、燃料電池の内部で生成水を再利用し、排ガスの露点を高くすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の燃料電池発電システムは、アノードとカソードとの間に電解質膜を挟み込んだ構成を有する膜−電極接合体と、燃料流路を有するアノード側セパレータと、酸化剤流路を有するカソード側セパレータとを含み、前記膜−電極接合体を前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータとの間に挟み込んだ構成を有する単位セルを含む燃料電池と、前記燃料電池に燃料を供給する燃料供給路と、前記燃料電池に酸素を含む酸化剤を供給する酸化剤供給路と、前記酸素の濃度を高くするための酸素濃縮器とを含み、前記燃料電池から排出される排ガスの露点を前記燃料電池の作動温度以上としたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、不活性ガスである窒素が燃料側に混入して水素濃度が低下することを防止し、セル電圧を高く維持するとともに、燃料電池の内部で生成水を再利用し、排ガスの露点を高くすることができる。
【００１６】
また、本発明によれば、酸化剤の酸素濃度を高め、酸化剤の流量を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明による実施例のセルの構造を示す断面図である。
【図２】本発明による実施例のセパレータの構造を示す平面図である。
【図３】本発明による実施例のセルスタックの構造を示す断面図である。
【図４】本発明による実施例の燃料電池発電システムを示す模式構成図である。
【図５】本発明による変形実施例のセパレータの構造を示す平面図である。
【図６】本発明による他の実施例の燃料電池発電システムを示す模式構成図である。
【図７】本発明による他の実施例のセルの構造を示す断面図である。
【図８】本発明による実施例の燃料電池における水素濃度とセル電圧との関係を示すグラフである。
【図９】本発明による実施例の燃料電池における酸化剤利用率と排ガスの露点との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明は、高効率な燃料電池発電システムに関する。
【００１９】
我々は、従来技術を鑑み、高効率な燃料電池発電システムを提供するために必要な構成を検討した。そして、高効率な発電システムを構築するためには、少ない酸化剤の供給量でありながらセル電圧が高く、かつ、燃料中の水素濃度の減少によるセル電圧の低下を抑制することが重要であると考えた。
【００２０】
以下では、高効率な発電システムを実現する上で、問題となる技術項目について、詳細に説明していく。
【００２１】
図１は、本発明で対象とする燃料電池の単セル構造を示す。
【００２２】
この単セルの断面中央には、ＭＥＡが設けてある。このＭＥＡは、電解質膜１０３を、アノード１０１とカソード１０２とで挟み込んだ三層構造を有している。
【００２３】
燃料側セパレータ１０４は、燃料を流通させる多孔質流路板１０５を有し、多孔質流路板１０５の一方の面がアノード１０１に接するように配置されている。多孔質流路板１０５は、ガスを透過させる細孔をもち、かつ、導電性を有している。また、多孔質流路板１０５の他方の面はセパレータ１０４と密着しているので、アノード１０１上で燃料が酸化された電子が、多孔質流路板１０５を介してセパレータ１０４へ流れることができる。
【００２４】
酸化剤側セパレータ１０６は、酸化剤を流通させる多孔質流路板１０７を有し、多孔質流路板１０７の一方の面はカソード１０２に接している。多孔質流路板１０７も細孔をもち、かつ、導電性を有している。酸化剤を還元させる電子は、その多孔質流路板１０７を介して、セパレータ１０６からカソード１０２へ流れるようになっている。
【００２５】
燃料側セパレータ１０４及び酸化剤側セパレータ１０６の外周部には、燃料及び酸化剤が外部に漏れ出さないように、かつ、一方の反応物質が他方の反応物質の流路に浸入しないように、ガスケット１０８及び１０９を設けている。なお、多孔質流路板１０４に燃料を供給し、あるいは排出するための燃料用マニホールドは、ガスケット１０８、１０９を貫通するように形成され、断面図では重なり合うため、図１では省略されている。多孔質流路板１０７に酸化剤を供給し、あるいは排出するための酸化剤用マニホールドも、同様の理由により、図１では省略されている。
【００２６】
また、図１の多孔質流路板１０５、１０７の代わりに、燃料側セパレータ１０４及び酸化剤側セパレータ１０６に流路となる溝を形成し、多孔質流路板を省略することも可能である。この場合のセル断面構造の一例は、図７に示すものである。
【００２７】
図７において、ＭＥＡは、電解質膜７０３の上面にアノード７０１を、下面にカソード７０２を積層した三層構造となっている。燃料側セパレータ７０４は、燃料を流通させる流路７０５を有し、その流路面をアノード７０１に接するように配置されている。酸化剤側セパレータ７０６は、酸化剤を流通させる流路７０７を有し、その流路面はカソード７０２に接している。セパレータの外周部には、燃料及び酸化剤が外部に漏れ出さないように、かつ、一方の反応物質が他方の反応物質の流路に浸入しないように、ガスケット７０８及び７０９を設けている。なお、流路の幅及び深さは任意の寸法を、パターンは任意の形状を選択することができる。
【００２８】
本発明で用いる燃料は、水素分子、又は水素原子を分子内に含む化合物を含むガスとする。燃料は、濃度１００％の水素であることが、高い出力又は高い発電効率を得る上で望ましい。ただし、図１のアノード１０１（図７では７０１）の触媒を劣化させない物質であれば、燃料は窒素等の不活性ガスを含む混合ガスであってもよい。触媒改質処理によって天然ガスや灯油等から得られた水素を含むガスを、燃料として電池に供給しても良い。
【００２９】
酸化剤には、空気が一般に用いられている。後述するが、本発明においては、空気を精製し、酸素濃度を２１％より高めたガスを用いる。酸素濃度を高める理由は後述する。
【００３０】
水素を燃料に用いた燃料電池においては、アノードで下記反応式（１）で示す反応、カソードで下記反応式（２）で示す反応が起こり、全体では水素及び酸素から水を生成する反応が進行する。
【００３１】
Ｈ２  →  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−    （１）
２Ｈ＋  ＋  １／２  Ｏ２  ＋  ２ｅ−  →  Ｈ２Ｏ    （２）
上述の反応を燃料電池にて速やかに進行させるためには、触媒上で形成された水、又は電解質膜を透過した水を触媒近傍から排除することが必要である。余剰となる水が存在すると、燃料や酸化剤の供給が妨げられ、セル電圧が不安定になるからである。
【００３２】
また、触媒近傍の水分が不足すると、電解質バインダの内部を移動する水素イオンの移動抵抗が増大するため、セル電圧が低下してしまう。これは、インピーダンス測定などによってＭＥＡの反応抵抗として測定される。
【００３３】
このように、触媒近傍では、触媒（固相）と電解質バインダ（電解質）と反応物質相（気相又は液相）とからなる三相界面が形成され、そのような領域が広いほど、触媒が有効に働き、セル電圧の向上、出力の増加がもたらされる。すなわち、触媒近傍では有効な三相界面を形成するための適切な水分量があり、その管理が重要となる。
【００３４】
なお、以下で説明する「三相界面」とは、触媒−電解質−反応物質相からなる三相界面と定義する。また、水素を燃料とする燃料電池における反応物質相とは、水素を含む燃料ガスからなる気相或いは酸素を含む酸化剤ガスからなる気相を意味する。
【００３５】
触媒近傍の水分が不足する典型的な状況は、酸化剤（例えば空気）を加湿しないで、燃料電池に供給した場合である。加湿しない空気を燃料電池に供給すると、起動初期において生成水がＭＥＡ上に生成していないため、酸化剤の上流側では加湿量が著しく不足し、セル電圧が急激に降下することが知られている。これは、酸化剤流路の上流を、ＭＥＡを介して燃料流路の下流に合わせるような流路パターンの調整を行なった場合でも同じである。発電初期には、ＭＥＡ近傍に生成水が形成されていないためであり、特に酸化剤に空気を用いた場合は、カソード流路を流れるガス流量が大きいために、電圧の安定性が著しく悪化する。
【００３６】
起動初期に急激な電圧降下が起こると、酸化剤の下流で比較的水分を多く含んだＭＥＡにて、過大な電流が流れてしまい、発熱によってＭＥＡの触媒層が急速に劣化してしまう。
【００３７】
この対策として酸化剤の上流に加湿器を設けると、電解質膜が局所的に乾燥してしまうことがないため、起動初期からセル電圧が安定する。この場合、酸化剤が加湿器を通過する際に発生する圧力損失が、酸化剤供給装置（例えば、コンプレッサ、ブロアなど）の消費電力の増加をもたらし、システムの発電効率が低下することが問題となる。
【００３８】
また、燃料電池の酸化剤出口からの排ガスを、配管を用いて酸化剤入口に戻す循環構造にすれば、生成水をリサイクルさせることができる。しかし、その循環のための配管が必要となり、システムが大型になる問題がある。
【００３９】
他方、燃料側に目を向けると、別の問題が見出される。すなわち、燃料側に純水素（１００％の水素）を供給して発電を継続していくと、酸化剤中の窒素分子が電解質膜を徐々に透過し、燃料流路の水素濃度が低下する。水素濃度がある程度十分であれば、例えば、少なくとも２０％以上であれば、セル電圧が急速に低下することもなく、高いセル電圧が得られる。
【００４０】
しかし、水素濃度が２０％未満になるまで、窒素ガスが燃料側に混入してしまうと、セル電圧が急激に低下する。これは、不活性ガスである窒素が水素の拡散を阻害し、アノードへの水素の拡散速度が減少するためである。
【００４１】
窒素ガスの混入を防止するために、酸素ボンベを燃料電池システムに併設し、酸化剤ガスとして純酸素或いは高濃度の酸素ガスを含むガスを燃料電池に供給する構成が考えられる。この構成により、酸化剤側から燃料側への窒素の混入を防止し、セル電圧の低下を抑制することができる。
【００４２】
しかし、多量の酸素ボンベを設置するか、頻繁なボンベ交換を避けることができない問題がある。その結果、燃料電池発電システムの寸法が非常に大きく、かつ、過重量になり、使い勝手の悪いものになってしまう。
【００４３】
酸素ボンベの併設が実用的でないことから、水素濃度が低下した場合に、燃料の一部を排出し、或いはパージして、新たな水素を追加することによって、燃料中の水素濃度の低下を回避する方法が採られている。しかしながら、このような方法を採っても、水素を無駄にするため、発電の効率が低下する。
【００４４】
以上で説明した技術的課題を整理して２項目にまとめた。
【００４５】
第一の課題は、起動時から十分な水が存在し得るセル構造及びシステム構成と、運転条件を提供することである。
【００４６】
従来のセルでは、酸化剤として空気を用いる場合が主流であり、窒素の含有量が高いため、酸化剤の排ガス流量が大きかった。そのため、生成水が水蒸気として取り込まれる量が増大し、燃料電池を予め加湿しない限り、セル電圧が急激に降下し、発電することができなかった。これは、電解質膜の乾燥によるものである。
【００４７】
酸化剤の排ガス流量を低下させれば、排ガスとして放出される水分量を低減することができる。しかし、これには大幅な酸化剤利用率の増加が必要であることが、発明者らの検討でわかっている。
【００４８】
例えば、室温の空気を燃料電池に供給し、排ガスの露点が燃料電池の温度（想定として７２℃とした。）と等温になるようにして、カソードのみに着目した生成水量と放出水量とのバランス条件を見積もった。そのような平衡状態を実現するには、酸化剤利用率をほぼ１００％にしなければならない。現状のセパレータにおける酸化剤利用率が６０％前後であることを鑑みると、実際上、無加湿運転は不可能になると言える。本課題の内容は、後述の図９の実施例にて再度、詳述される。
【００４９】
第二の課題は、アノード側の水素濃度が低下したときに、定期的にアノードのガスをフレッシュな燃料に置換する操作（燃料の一部の排出或いはパージ）を省略しうるシステム構成及び運転方法を提供することである。
【００５０】
従来の技術によると、燃料の排出等が燃料の損失をもたらすだけでなく、水素を大気に放出することになるため、爆発限界まで希釈するか、触媒等を用いて水素を燃焼しなければならなかった。燃料を吐き出すときに特別な装置を必要とする点に問題がある。
【００５１】
また、アノード側には水素を供給しているため、水素を消費している分だけ水素が燃料電池に供給されていれば、水素濃度が低下することはない。しかし、燃料電池のカソード側から窒素が電解質膜を透過し、アノード側に徐々に漏れ出し、アノード側の水素濃度が低下する。その結果、不活性な窒素がアノード側にそのまま残留し、水素をアノード側に押し込むことができなくなる。
【００５２】
特に、水素濃度が２０％以下になると、アノードの電位が上昇し始め、セルの出力低下をもたらす。このような状況は、カソードに空気を供給していたときに、空気中の窒素濃度が７９％であるため、平衡論的に考えると、アノードの窒素濃度は最大で７９％に達することを意味する。したがって、空気を酸化剤に用いている限り、アノードを燃料ガスでパージするか、水素を精製することが不可避となる。
【００５３】
以上で述べた２つの技術課題を同時に解決すべく、発明者らは鋭意検討した結果、本発明に至った。
【００５４】
本発明の燃料電池システムは、燃料を流通させるセパレータと、酸化剤を流通させるセパレータと、アノード及びカソードで電解質膜を挟み込んだ構成を有する膜−電極接合体（ＭＥＡ）とを含み、かつ、このＭＥＡは前記の２つのセパレータの間に挟持されたセルを有する燃料電池と、前記燃料電池に水素を含む燃料ガスを供給する手段と、大気中の酸素を濃縮する酸素濃縮器と、この酸素濃縮器を通過した酸化剤を前記燃料電池に連続的に供給する手段と、前記燃料電池を通過した酸化剤を連続的に排出する手段とを具備することを特徴とする。
【００５５】
第一の解決手段は、前記燃料電池に供給する酸素の濃度が２１％より高く、前記燃料電池から排出される酸素の濃度が２１％より小さくする構成を採ることである。
【００５６】
第二の解決手段は、前記酸素濃縮器が、多孔質繊維又は多孔質膜を用いた分子分離機能を有するものを用いることである。
【００５７】
第三の解決手段は、前記酸素濃縮器を通過した酸化剤に含まれる酸素の濃度が４０％以上となる構成を採ることである。
【００５８】
第四の解決手段は、前記燃料ガスが燃料電池を通過した後の排ガスから水素を回収し、窒素ガスを排出する排ガス処理器を具備させることである。
【００５９】
第五の解決手段は、前記酸化剤が燃料電池のセル内部にて生成した生成水によって加湿される構成を採ることである。
【００６０】
第六の解決手段は、前記燃料電池のセルにおいて、燃料が通過する流路の上流の一部と、酸化剤が通過する流路の下流の一部とが熱交換可能とする、又は、燃料が通過する流路の下流の一部と、酸化剤が通過する流路の上流の一部とが熱交換可能とすることである。
【００６１】
第七の解決手段は、前記燃料電池に用いられているセパレータの表面に、セルロースと導電性粉末とを含む混合物を塗布したことを特徴とする。
【００６２】
第八の解決手段は、前記燃料電池から排出される排ガス流量と、前記排ガス中に含まれる水分の排出速度から計算された露点が、燃料電池のセル温度よりも高くなるように、酸化剤利用率を制御した運転方法を採ることである。
【００６３】
以下では、本発明のセル並びに燃料電池の構成について説明する。
【００６４】
最初に、電極とＭＥＡの作製方法、並びに本発明のＭＥＡを用いた燃料電池の構成を説明する。
【００６５】
図１のアノード１０１及びカソード１０２の触媒には、炭素質粉末の導電材に白金微粒子を担持した粉末を用いた。本発明においては、田中貴金属株式会社製のＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅを選択した。ただし、燃料電池の反応を進行させることができればよいため、これに限定されるものではない。この触媒粉末に含まれる白金の組成は４６．５％（重量百分率）である。
【００６６】
電解質バインダには、ＤｕＰｏｎｔ社製Ｎａｆｉｏｎ溶液を用いた。電解質バインダの添加量は、上述の触媒重量に対して４０％とした。
【００６７】
これらの混合物から水を溶媒としたペーストを調整した。このペーストは混錬機で十分に均一になるように、混ぜ合わせた。手法については特に制約がなく、材料を破壊しないで均質なペーストを調整できる方法であれば、いかなる手段も選択可能である。
【００６８】
これらのペーストは、ブレードコータを用いてＰＴＦＥシート（ポリテトラフルオロエチレン製シート）の表面に塗布し、所定厚さの電極層（湿潤状態）を作製した。電極は１０ｃｍ角の正方形（面積１００ｃｍ２）とした。これを風乾し、溶媒を蒸発させた。
【００６９】
つぎに、電解質膜（ＤｕＰｏｎｔ社製、Ｎａｆｉｏｎ１１２、厚さ５０μｍ）を上記の電極層の上に被せ、この積層物を二枚の金属板の間に挿入して、熱プレスを行った。これによって、ＰＴＦＥシート上の電極層が電解質膜に転写される。
【００７０】
転写後に電解質膜の重量増加分を測定した。その値より、電極単位面積当たりの白金（Ｐｔ）使用量を算出した。本実施例におけるＰｔ使用量は、アノードにて０．５〜０．９ｍｇ／ｃｍ２、カソードにて０．１〜０．８ｍｇ／ｃｍ２であった。
【００７１】
アノード及びカソードの触媒層の表面には、炭素質多孔質シートをガス拡散層に用いた。炭素質多孔質シートには、ＰＴＦＥのディスパージョンを添加し、撥水性を付与した。炭素質多孔質シートの厚さは０．２ｍｍとした。
【００７２】
上述のプロセスによって５０枚のＭＥＡを準備した。
【００７３】
図２は、本発明による実施例のセパレータの構造を示す平面図である。
【００７４】
図２（ａ）は、アノードに接するセパレータ２１０（アノード側セパレータ）、図２（ｂ）は、カソードに接するセパレータ２２０（カソード側セパレータ）である。
【００７５】
燃料は、セパレータ２１０の燃料供給マニホールド２１１から供給される。燃料は、最初にリブ（または凸部とも称される。）２１２で区切られた流路を経由し、多孔質流路面２１４に到達する。多孔質流路面２１４は、多孔質カーボンシートであり、厚さ０．５ｍｍ、空隙率７０％の導電性材料である。材質は、耐食性のあるものであれば任意のものを選択することができる。また、厚さや空隙率も、セルに流す電流やガスの流速に応じて最適な寸法等を選択することができる。多孔質流路面２１４は、セパレータ２１０の中央部に設けられた凹部２１３に収納され、凹部２１３の底面に密着させてある。
【００７６】
なお、リブ２１２は、図１のガスケット１０８、１０９がセパレータ側に垂れ込んで、ガスが流通する空間を塞がないようにするためのものである。リブ２１２の間隔は、０．５〜５ｍｍの範囲に設定することが望ましい。
【００７７】
多孔質流路面２１４は、図１のアノード１０１に接しており、アノード１０１で消費される水素を電極全体に均一に供給する働きをしている。
【００７８】
燃料は、多孔質流路面２１４において全て酸化され、かつ、燃料の定期的な排出処理は省略できるため、燃料を排出するマニホールドは削除されている。
【００７９】
一方、セパレータ２１０には、酸化剤を供給するマニホールド２１５、酸化剤を排出するマニホールド２１６、冷却水を供給するマニホールド２１７、及び、冷却水を排出するマニホールド２１８が形成されている。
【００８０】
セパレータ２１０のアノード側とセパレータ２２０のカソード側とは、ＭＥＡを挟み込む形で対向している。
【００８１】
本実施例では、セパレータ２１０及び２２０は別物として示してあるが、セパレータ２１０のアノード側と反対の面にセパレータ２２０のカソード側を形成し、１枚のセパレータにセパレータ２１０及び２２０の機能を付与してもよい。
【００８２】
セパレータ２２０では、酸化剤供給マニホールド２１５から酸化剤が供給され、リブ２２５で区切られた流路を経由して多孔質流路面２２４に到達する。多孔質流路面２２４はセパレータに形成された凹部２２３に収納され、凹部２２３の底面に密着させてある。多孔質流路面２２４は、図１のカソード１０２に接しており、酸素をカソード１０２に供給する働きをしている。消費されなかった酸化剤ガスは、リブ２２１で区切られた流路を経て酸化剤排出マニホールド２１６よりセルの外に排出される。
【００８３】
セパレータ２２０には、図２（ａ）に対応するように、燃料供給マニホールド２１１、冷却水供給マニホールド２１７及び冷却水排出マニホールド２１８が設けられている。冷却水流路は、図２（ａ）或いは図２（ｂ）の裏面に、任意の形状で形成することができる。
【００８４】
なお、図１に示したガスケット１０８、１０９は、図２のセパレータ２１０、２２０と同一の外形寸法を有している。また、凹部２１３と２２３、リブ２１２と２２５と２２１が形成されている凹部（番号は付していない。）、マニホールド２１１と２１５と２１６と２１８の部分を切除し、それらの部分が開口部となった形状である。これを、図１の断面図に示したように、セパレータと電解質膜の間に挿入した。
【００８５】
セパレータ２１０、２２０では多孔質流路板２１４、２２４を用いているが、燃料供給マニホールド２１１及び酸化剤を供給するマニホールド２１５からセパレータ２１０及び２２０の中央部に向かって流路を形成してもよい。この流路の形状は、凹凸状で、溝幅が０．５〜５ｍｍ、深さが０．３〜２ｍｍであることが望ましい。また、溝の両脇に形成する凸部（リブ）の幅は０．５〜２ｍｍが適している。溝は直線状であってもよいし、蛇行或いは屈曲していてもよい。なお、カソードのセパレータ２２０では、リブ２２１、２２５を連絡するように流路を形成することが可能である。
【００８６】
燃料供給マニホールド２１１から供給された燃料は、多孔質流路面２１４の内部を流れる過程で酸化されて、水蒸気の組成が高くなる。この水蒸気は、セパレータ２１０に対面している酸化剤側セパレータ２２０からＭＥＡを介して供給される。酸化剤は、に酸化剤供給マニホールド２１５から供給され、多孔質流路面２２４の内部を流れて、酸化剤の下流で生成水の量が増大する。この下流は、燃料側セパレータ上では燃料の上流と対面している。そのため、酸化剤側から燃料側に水が移動する。また、多孔質流路面２１４の燃料下流（マニホールド２１１からみて対角位置である。）は、低温の酸化剤上流とＭＥＡを介して熱交換する。さらに、酸化剤供給マニホールド２１５の近傍を流れる低温の酸化剤によって、燃料が冷却され燃料ガス中の水蒸気が凝縮して液体の水となる。この水は、ＭＥＡを拡散し、酸化剤の上流に移動する。
【００８７】
一方、酸化剤供給マニホールド２１５から供給された酸化剤は、多孔質流路面２２４の内部を流れる過程で消費される。そして、残った酸化剤は、多孔質流路面２２４と接しているＭＥＡから蒸発してくる水蒸気を同伴してマニホールド２１６から排出される。この水蒸気は、セパレータ２２０に対面する燃料側セパレータ２１０の多孔質流路面２１４から供給される。特に、多孔質流路面２１４の内部を流れる燃料とＭＥＡを介して熱と水を交換し、酸化剤の下流（マニホールド２１６に近い多孔質流路面２２４）では、より多くの水分を燃料の上流に付与することができる。
【００８８】
上述のように、燃料電池の内部で発生する水蒸気は、供給される酸化剤又は燃料により冷却されて燃料電池の内部に滞留する。また、酸化剤の上流は燃料の下流より、燃料の上流は酸化剤の下流から水分が供給され、全体では生成水がリサイクルされる。これにより、加湿をすることなく、ＭＥＡの湿潤状態が保たれ、セル電圧を維持して発電を継続することができる。
【００８９】
上記の構成は、相隣る単位セルのセパレータ２１０（アノード側セパレータ）の燃料流路を流れる燃料とセパレータ２２０（カソード側セパレータ）の酸化剤流路を流れる酸化剤との間で熱と水を交換可能としている、と言い換えることができる。
【００９０】
なお、上述の熱交換（冷却）によっても凝縮せずに、残った酸化剤とともに燃料電池の外部に流出する水蒸気を、下流側（燃料電池の外部）に設置した凝縮器で凝縮して回収し、燃料電池の内部に還流させる構成としてもよい。還流する水は、燃料供給マニホールド２１１に流入させてもよいし、酸化剤供給マニホールド２１５に流入させてもよい。これと電池内部の水リサイクルを組み合せて、さらに高効率に水分を循環させることが可能となる。その結果、加湿器を省略しても、効率的な発電が可能となる。
【００９１】
上記のセパレータ及びＭＥＡを用いて１ｋＷ級ＰＥＦＣセルスタックを製作した。図３は、その断面構造を示したものである。
【００９２】
上述の方法により製作したＭＥＡ３０２を、ＭＥＡ１枚につき２枚の黒鉛製セパレータ３０４（単セル用セパレータ）に挟持させ、単セル３０１を組み立てた。
【００９３】
黒鉛製セパレータ３０４のアノード側は、図２（ａ）に示した構造を有し、黒鉛製セパレータ３０４のカソード側は、図２（ｂ）に示した構造を有する。
【００９４】
２枚の黒鉛製セパレータ３０４の間にＭＥＡ３０２を挟持させる際に、ガスケット３０５、ＭＥＡ３０２の電解質膜部分、ガスケット３０５の順に積層して圧着することによって、燃料や酸化剤の漏洩を防止する構成とした。
【００９５】
アノード及びカソードともに、触媒層とガス拡散層とを含む構成となっている。本実施例の触媒層は、電解質膜に塗布したものであってもよいし、ガス拡散層に塗布した後に電解質膜に熱圧着したものを代用してもよい。
【００９６】
複数の単セル３０１を直列に接続し、両末端に集電板３１３、３１４を設置し、さらに絶縁板３０７を介して外側より端板３０９で締め付ける。端板が絶縁性の材料であれば、絶縁板３０７を省略することができる。締め付け部品として、ボルト３１６、ばね３１７、ナット３１８を用いる。また、集電板３１３、３１４は、金属板、黒鉛板などの導電性材料を用いることができる。
【００９７】
冷却水流路を有するセパレータは、その流路面を対向させて、冷却水が流れるようにした。これを冷却セル３０８とする。冷却セル３０８は、２つの単セル３０１ごとに１つ設けた。なお、図３においては、集電板３１３、３１４に接する末端のセパレータに、冷却水流路を形成した。そこで、冷却水流路と集電板とが直接接触して集電板が腐食しないようにするために、黒鉛板３０３（冷却水流路に接する平板部品）を挿入した。
【００９８】
燃料は、左側の端板３０９に設けた供給用コネクタ３１０から供給し、各単セル３０１を通過して、燃料がＭＥＡのアノードの表面にて酸化される。本実施形態では、図２のセパレータを用いたため、燃料の排出用コネクタ３２２は不要である。後に述べる図６のセパレータを用いたときには、単セル３０１を通過した燃料排ガスを反対の端板３０９に設けた排出用コネクタ３２２から排出される必要があるため、本実施形態でも排出用コネクタ３２２を残しておいた。本実施例において、燃料は純水素を用いた。ただし、水素は２０％よりも高い濃度で、希釈ガスが不活性な窒素等のガスであれば、低濃度の水素ガスを用いることもできる。
【００９９】
同様に、酸化剤は、図３に示す左側の端板３０９に設けた供給側コネクタ３１１から供給され、反対の端板３０９の排出側コネクタ３２３から排出される。酸化剤は、空気中の酸素濃度（２１％）よりも高めたガスを用いる。酸化剤中の酸素を３０％以上の高濃度にすれば、燃料の水素濃度が３０％以下になることがない。このため、セル電圧の低下を抑制できるため、更に望ましい。
【０１００】
冷却水は、端板３０９に設けた供給側コネクタ３１２から供給され、冷却セル３０８或いは集電板に隣接する冷却セルに流れる。冷却セルを通過して熱を奪った後には、反対の端板３０９の排出側コネクタ３２４から冷却水が排出される。ここから排出された冷却水は、熱交換器（図示省略。）にて冷水により除熱され、再び配管コネクタ３１２に供給される。冷却水の循環にはポンプを用いた。
【０１０１】
このような部品構成により、５０個の単セル３０１を積層したセルスタックを製作した。図３では、５０セル分の部品を記載すると、それらの部品が細かくなりすぎるため、それを避けるためにセル数を少なく表示している。本実施例のセルスタック（固体高分子形燃料電池）は、純水素と空気をそれぞれ別々の外部加湿器を通過させた後に、燃料供給側コネクタ３１０、酸化剤供給側コネクタ３１１へ、加湿された燃料と酸化剤を供給し、初期エージング運転を行った。加湿したガスの露点はともに７０℃とした。電流密度は０．２Ａ／ｃｍ２とし、３時間の発電を行なって、セル電圧が安定したことを確認して、初期エージングを終了させた。このようにして予めＭＥＡは発電可能な状態にしてから、システム（後述の図４、図６）に組み込んだ。初期エージング後のセルスタックをＳ１とする。なお、システム組み込み後に初期エージングは不要であり、一旦、セルスタックのＭＥＡに保持された水は、発電により生じた水のリサイクルによりＭＥＡの乾燥は抑制される。
【０１０２】
セルスタックＳ１は、集電端子３１３、３１４から電力線３１９を引き出し、ＤＣ−ＤＣコンバータ或いはＤＣ−ＡＣコンバータからなる変換器３２０を介して、外部負荷３２１に電力を供給できるようになっている。
【０１０３】
図４は、本発明による実施例の燃料電池発電システムを示す模式構成図である。
【０１０４】
本図において、セルスタック４３０は、上記のセルスタックＳ１を組み込んだものである。
【０１０５】
セルスタック４３０には、燃料供給手段４３１から燃料供給量調節器４３２を経由して燃料が供給される。燃料供給手段４３１（燃料貯蔵設備）は、水素ボンベ、液化水素貯蔵容器又は水素吸蔵合金を用いた水素貯蔵・供給装置など、いずれの機器であってもよい。燃料供給量調節器４３２は、セルスタック４３０のアノードガス圧力を一定にするように燃料を供給する圧力調整弁の他に、セルスタック４３０が出力する電気量から計算した水素流量を制御するマスフローメータなどの流量制御器であってもよい。流量の制御には、演算機能を有するマイコンにより外部から制御される。
【０１０６】
酸化剤は、空気を供給する酸化剤供給手段４３３（空気供給手段）から空気を取り込み、酸素濃縮器４３４を経由して、セルスタック４３０に供給される。酸素濃縮器４３４に取り込まれる外気は、空気供給手段４３３より供給される。その外気の温度は、通常、０〜４０℃であり、４０℃よりも高い温度の外気を取り込んでも良い。また、外気温が氷点下の低温になっても、酸素濃縮器４３４にて水が凍結しなければ、氷点下の低温空気を供給しても良い。望ましくは、０℃以上に加熱した後に酸素濃縮器４３４に供給する方が、凍結による流通不良を回避する利点が得られる。
【０１０７】
また、酸素濃縮器４３４に供給される大気の相対湿度は、通常４０〜８０％である。ただし、季節や地理的環境によって、相対湿度がこの範囲から外れても良い。場合によって氷点下の温度の空気を供給することも想定されるが、酸素濃縮器が起動できる温度まで昇温する必要があるときもある。このようにして酸素濃縮器４３４から、空気よりも酸素濃度の高い酸化剤を供給することができるとともに、酸化剤の流量を小さくすることができる。空気供給手段４３３には、ブロア、コンプレッサ、ファンなど一般的な送風機器を用いることができる。酸素濃縮器４３４は、分子サイズや分子運動速度の違いを利用した分子ふるいを有する機器である。その分子ふるいには、多孔質板や中空繊維などが用いられている。
【０１０８】
なお、予め所定の酸素濃度を有する酸化剤を容器に充填し、その容器から酸化剤を供給することができる場合には、酸素濃縮器４３４を省略し、空気供給手段４３３のみを利用して、酸化剤を燃料電池４３０に供給してもよい。このようにしても、酸素濃縮器４３４の機能を実施したことと、結果的に同じである。
【０１０９】
ここで、酸素濃度は２１％より高くすれば、セルスタック４３０で排出される酸化剤排ガスの露点がセルスタックのセル温度よりも高くすることができる。望ましくは、酸素濃度は３０％以上、より望ましくは４０％以上とする。このようにすれば、酸素と共存する窒素濃度が７０％以下となり、セルスタック４３０の電解質膜を窒素が透過し、アノード側の水素濃度が３０％よりも希釈されることがなくなるので好適である。
【０１１０】
酸素濃度が３０％以上、より望ましくは４０％以上にすれば、セルスタック４３０の酸化剤利用率を６０〜８０％の範囲にすることができ、酸化剤利用率１００％という極限に近い運転を回避することができる。このような条件であれば、カソード排ガスの露点をセル温度よりも高くすることができ、生成水をセルの内部で自立的にリサイクルさせ、加湿器を省略することができる。
【０１１１】
本発明の酸化剤供給方式を採用すれば、高濃度の酸素を含む酸化剤を燃料電池に連続的に供給することが可能となり、酸素ボンベの併設を回避するとともに、不活性ガスである窒素が燃料側に混入して水素濃度が低下することを防止し、これに伴う出力低下を回避することができる。
【０１１２】
図４のシステムでは、燃料電池４３０から酸化剤が外界に排出されているが、その酸化剤の排ガスを熱交換器や凝縮器等の公知の機器に流通させ、水や熱を回収しても良い。
【０１１３】
図２に再び戻り、セル内部での生成水のリサイクルに対する酸化剤の酸素濃度の影響について説明する。生成水はカソードの表面にて形成され、カソードの上流（マニホールド２１５に近い位置で、多孔質流路板２２４に接する電極面）から徐々に増加し、酸化剤の流れによって、下流（マニホールド２１６に近い位置で、多孔質流路板２２４に接する電極面）に流される。したがって、下流での生成水の量が高く、ガス中の蒸気圧も高くなる。
【０１１４】
一方、アノードの表面では、カソードの下流に対向する位置（マニホールド２１１に近い位置で、多孔質流路板２１４に接する電極面）で乾燥状態であり、カソードから生成水を取り込む。その生成水は、燃料の流れに沿って、図２（ａ）の下方に移動する。その結果、生成水は、図２（ａ）の下方で増加する傾向になる。
【０１１５】
アノードの下方では生成水の量が増加するため、この生成水に接する酸化剤の上流に再度、水が取り込まれて、酸化剤が加湿される。
【０１１６】
ここで、酸化剤中の酸素濃度を２１％よりも高くすると、酸化剤の出口における露点がセル温度よりも高くなりやすくなる。すなわち、起動時から酸化剤の排ガスの露点が高くなる。したがって、水が常に結露する状態で発電されるため、起動時からセル電圧が不安定になることがない。この現象は、図９の説明において詳述する。
【０１１７】
このようにして、生成水が酸化剤の下流から燃料の上流に移動し、燃料の下流から酸化剤の上流に再度取り込まれることによって、さらに酸素濃度を２１％よりも高めることによって、起動初期から水のリサイクルが実現される。その結果、加湿器を省略することが可能となる。
【０１１８】
従来の技術によると、酸化剤利用率を高めることができないこと、及び、酸化剤流量が大きい（酸素濃度が２１％と低い）ことによって、生成水のリサイクルが原理的にできなかった。本発明においては、酸素濃度を高めることにより、下流側における酸化剤の露点がセル温度よりも高くなるため、水が過剰状態にあり、水をアノードの上流に移動させやすくなった点が、従来技術と大きく異なる。
【０１１９】
図５（ａ）は、アノードに接するセパレータ５１０（燃料側セパレータ）を表し、図５（ｂ）は、カソードに接するセパレータ５２０（酸化剤側セパレータ）を表している。
【０１２０】
燃料は、セパレータ５１０の燃料供給マニホールド５１１から供給される。燃料は、最初にリブ（凸部）５１２で区切られた流路を経由し、多孔質流路面５１４に到達する。多孔質流路面５１４は、多孔質カーボンシートであり、厚さ０．５ｍｍ、空隙率７０％の導電性材料である。材質は耐食性のあるものであれば任意のものを選択することができる。また、厚さや空隙率もセルに流す電流やガスの流速に応じて最適な寸法等を選択することができる。多孔質流路面５１４は、セパレータ５１０の中央に設けられた凹部５１３に収納され、底面に密着されている。
【０１２１】
なお、リブ５１２は、図１のガスケット１０８、１０９がセパレータ側に垂れ込んで、ガスが流通する空間を塞がないようにするためのものである。リブ５１２の間隔としては０．５〜５ｍｍの範囲に設定することが望ましい。
【０１２２】
多孔質流路面５１４は、図１のアノード１０１に接し、アノード１０１で消費される水素を電極全体に均一に供給している働きをしている。
【０１２３】
燃料は流路面５１４においてほぼ全量が酸化され、一部の残ガスは排出マニホールド５１９から排出される。残ガスの大部分は、燃料の上流にてカソードからアノードに透過した水蒸気あるいは水により占められている。これらの水分は、アノードからカソードへ、水素イオンとともに移動し、酸化剤の加湿に利用される。
【０１２４】
セパレータ５１０には、酸化剤を供給するマニホールド５１５、酸化剤を排出するマニホールド５１６、冷却水を供給するマニホールド５１７、及び、冷却水を排出するマニホールド５１８が形成されている。
【０１２５】
セパレータ５１０のアノード側は、ＭＥＡを介して、酸化剤側セパレータ５２０のカソード側と対向している。セパレータ５２０は、カソード流路を有するセパレータであり、セパレータ５１０の裏面に形成してもよいし、独立の部品として製作してもよい。
【０１２６】
セパレータ５２０では、酸化剤供給マニホールド５１５から酸化剤が供給され、リブ５２５を経由して、流路面５２４に導入される。流路面５２４はセパレータに形成された凹部５２３に収納され、その底面に密着されている。この流路面５２４は、図１のカソード１０２に接し、酸素がカソード１０２に供給する働きをしている。消費されなかった酸化剤ガスは、リブ５２１を経て、酸化剤排出マニホールド５１６よりセルの外に排出される。
【０１２７】
セパレータ５２０には、図５（ａ）に対応するように、燃料供給マニホールド５１１、燃料排出マニホールド５１９、冷却水供給マニホールド５１７及び冷却水排出マニホールド５１８が設けられている。
【０１２８】
冷却水流路は、図５（ａ）或いは図５（ｂ）の裏面に、任意の形状で形成することができる。
【０１２９】
図５のセパレータを用い、図３に示すセルスタックを製作した。このセルスタックをセルスタックＳ２と呼ぶことにする。なお、本セルスタックについても、Ｓ１と同じ初期エージング処理を行なった。
【０１３０】
図６は、本発明による他の実施例の燃料電池発電システムを示す模式構成図である。
【０１３１】
本図におけるセルスタック６３０がセルスタックＳ２である。
【０１３２】
セルスタック６３０には、燃料供給手段６３１から燃料供給量調節器６３２を経由して、燃料が供給される。燃料供給手段６３１（燃料貯蔵設備）は、水素ボンベ、液化水素貯蔵容器、水素吸蔵合金を用いた水素貯蔵・供給装置など、いずれの機器であってもよい。燃料供給量調節器６３２は、セルスタック６３０のアノードガス圧力を一定にするように燃料を供給する圧力調整弁の他に、セルスタック６３０に流す電気量から計算した水素流量を制御するマスフローメータのような流量制御器であってもよい。流量の制御には、演算機能を有するマイコンにより外部から制御される。
【０１３３】
酸化剤は、空気を供給する空気供給手段６３３から空気を取り込み、酸素濃縮器６３４を経由して、空気よりも酸素濃度の高い酸化剤がセルスタック６３０に供給される。空気供給手段６３３には、ブロア、コンプレッサ、ファンなど、一般的な送風機器を用いることができる。酸素濃縮器６３４には、分子サイズや分子運動速度の違いを利用した分子ふるいを有する機器である。その分子ふるいには、多孔質板や中空繊維などが用いられている。
【０１３４】
ここで、燃料排ガスは、窒素分離器６３５にて処理することにより窒素を分離して排出し、開閉弁６３６を動作させ、窒素のみを外界に放出するようになっている。窒素分離器６３５では、水素の一部を燃料供給量調節器６３１に戻すバイパスを設けてもよい。すなわち、窒素を分離し、水素濃度を高めた燃料排ガスを還流させるための流路を設けてもよい。なお、窒素分離器６３５は、中空繊維を利用した窒素精製器を用いることができる。
【０１３５】
これにより、排ガスに残存する水素を回収して利用することができる。
【０１３６】
なお、ここでは燃料排ガスについて説明したが、排ガスが酸化剤排ガスである場合も同様である。また、燃料排ガスに酸化剤排ガスが混合されて排出される場合も、同様に窒素分離器６３５を用いて水素を分離・回収することができる。すなわち、排ガスの定義には、燃料排ガス及び酸化剤排ガスが含まれる。
【０１３７】
ここで、図４に示す本発明の燃料電池発電システムにおいてセルスタックＳ１を適用したシステムの運転試験の結果について説明する。
【０１３８】
燃料としては、水素（水素濃度１００％）を用いた。酸化剤としては、空気を空気濃縮器４３４に通じて、酸素濃度を４０％にしたガスを燃料電池４３０に供給した。電流密度は０．３Ａ／ｃｍ２、燃料利用率は１００％、酸化剤利用率は７５％とし、セル温度は７０〜７５℃に制御した。セル電圧は７５０ｍＶ以上の高い値となり、高効率の発電をすることができた。
【０１３９】
ここで、酸素濃縮器４３４を除去し、空気を燃料電池４３０に直接供給する構成に変更し、比較試験を行った。その結果、起動初期からセル電圧が０．３Ｖ以下に急降下し、実質的に発電ができないことわかった。このことから、酸素濃縮器４３４を有するシステムが優れていることが明確になった。
【０１４０】
同様に、図６に示す本発明の燃料電池発電システムにおいてセルスタックＳ２を適用したシステムの運転試験を実施した。燃料としては、水素（水素濃度１００％）を用いた。酸化剤としては、空気を酸素濃縮器６３４に通じて、酸素濃度を６０％にしたガスを燃料電池６３０に供給した。電流密度は０．３Ａ／ｃｍ２、燃料利用率は１００％、酸化剤利用率は８０％とし、セル温度は７０〜７５℃に制御した。セル電圧は７４０ｍＶ以上の高い値となり、酸化剤利用率が高くなったにもかかわらず、高効率な発電を実現することができた。
【０１４１】
最後に、図１及び図２に示した多孔質流路板を有するセパレータを、流路を形成したセパレータに変更した実施例を説明する。
【０１４２】
図７は、本実施例のセル構造を示す断面図である。
【０１４３】
まず、燃料側セパレータ７０４に形成した燃料流路７０５は、溝深さ０．５ｍｍ、溝幅１ｍｍとし、アノード７０１に接する凸部７１１（以下ではリブ又はリブ部と呼ぶ。）の幅を１ｍｍとした。他方、酸化剤側セパレータ７０６に形成した酸化剤流路７０７は、溝深さ０．８ｍｍ、溝幅１ｍｍとし、カソード７０２に接する凸部７１２（リブ）の幅は１ｍｍとした。
【０１４４】
つぎに、燃料側セパレータ７０４の溝７０５及びリブ部７１１、並びに酸化剤側セパレータ７０６の溝７０７及びリブ部７１２に、酢酸セルロース、アセチレンブラック及び１−メチル−２−ピロリドンを含む混合物を塗布した。１−メチル−２−ピロリドンの添加量は、酢酸セルロースの全量を溶解させるために必要な量以上を添加すればよく、塗布膜厚さを制御するために適切な濃度になるように希釈して使用することができる。前記混合物は、酢酸セルロースとアセチレンブラックの重量混合比を８０：２０とし、１−メチル−２−ピロリドンの溶媒に混合し、混練機で十分に練り合わせたもの（一般に、スラリと呼ぶ。）である。このスラリを、スプレー法、コーター法、ディップ法などにより、極薄膜状に、セパレータの溝の内壁及びリブに塗布した。塗布量は、単位面積当たりの酢酸セルロースの重量として、５〜７ｍｇ／ｃｍ２になるように、酢酸セルロースの濃度を調整した。
【０１４５】
塗布量は上述の数値に限定されず、リブと電極との間の接触抵抗による電圧ロスがセル電圧よりも相対的に小さければ、塗布量を増やしても減らしてもよい。接触抵抗は、アセチレンブラック等の導電剤の混合比で調整可能である。
【０１４６】
酢酸セルロースは、環状炭素鎖（グルコース）を直鎖状に連なった高分子材料の一つである。これは、環状炭素鎖にアルコール基（−ＣＨ２ＯＨ）を導入した後に、酢酸（ＣＨ３ＣＯＯＨ）と反応させてエステル結合（−ＣＨ２ＯＣＯＣＨ３）を形成させたものである。このエステル結合の酸素原子が水との親和性を示すとともに、セルロース分子全体としては疎水性を有しているため、水に対して特異な表面状態を提供する。すなわち、水に対して親水性及び疎水性の両方の表面を構成する。
【０１４７】
上記のアルコール基は、他のカルボン酸（ＣＨ３ＣＨ２ＣＯＯＨ、Ｃ６Ｈ５ＣＯＯＨ等の有機カルボン酸、及びＣＦ３ＣＯＯＨなどの置換体）と反応させれば、酢酸セルロース以外のセルロースを合成することができる。本発明においては、燃料電池の使用環境で化学的・熱的に安定であれば、任意のセルロースを用いることができる。
【０１４８】
また、アセチレンブラックを酢酸セルロースに混合することにより、塗布膜に電気伝導性を付与することができ、リブと電極との接触抵抗が増加しないようにすることができる。酢酸セルロース自身は、電気的に絶縁性である。
【０１４９】
ここで、酢酸セルロースに添加する導電性材料は、アセチレンブラックに限定されず、黒鉛の微粉末、非晶質炭素の微粉末、及び、ナノチューブや炭素繊維を短繊維状に切断したものを代用してもよい。さらに、チタンやシリコン等の金属酸化物の粉末からなる半導体材料も用いることができる。
【０１５０】
本実施例においては、燃料流路、酸化剤流路の両方に酢酸セルロースとアセチレンブラックとの混合物の塗膜を形成した。いずれか一方の流路にのみに塗膜を形成してもよい。
【０１５１】
セパレータのマニホールドの配置は、図５に示す通りである。
【０１５２】
本実施例では図７の流路付きセパレータを用いるため、図５の多孔質流路板５１４、５２４は削除される。対角位置にあるマニホールド同士は、サーペンタイン構造の流路パターンで連絡させた。
【０１５３】
図５（ａ）の燃料側セパレータについて更に説明すると、燃料供給マニホールド５１１から５本の流路が図の下方向に平行に進んだ後に、左に折れ曲がり、さらに上方に折り返す。次いで、左に折れ曲がった後に、下方に平行に進んで燃料排出マニホールド５１９に連通される。
【０１５４】
図５（ｂ）の酸化剤側セパレータの流路パターンも、サーペンタイン構造とした。このような構造のセパレータを用い、図３に示すセルスタックを製作した。このセルスタックをＳ３と呼ぶ。なお、本セルスタックについても、Ｓ１と同じ初期エージング処理を行なった。
【０１５５】
セルスタックＳ３を図６に示す燃料電池発電システムに組み込み、上述のセルスタックＳ２と同じ条件で発電試験を行った。燃料としては、水素（水素濃度１００％）を用いた。酸化剤としては、空気を空気濃縮器６３４に通じて、酸素濃度を６０％に高めたガスを燃料電池６３０に供給した。
【０１５６】
電流密度は０．３Ａ／ｃｍ２、燃料利用率は１００％、酸化剤利用率は８０％とし、セル温度は７０〜７５℃に制御した。セル電圧は７４５ｍＶ以上の高い値となり、酸化剤利用率が高くなったにもかかわらず、高効率な発電を実現することができた。Ｓ３がＳ２よりも電圧が高くなった理由は、酢酸セルロースによる表面処理が水のリサイクル量をさらに増大させたためと推定される。すなわち、酢酸セルロースの作用により、流路の排水性が向上し、水のリサイクルが容易になったためと考える。
【０１５７】
図８は、本発明による実施例の燃料電池における水素濃度とセル電圧との関係を示すグラフである。横軸に水素濃度、縦軸にセル電圧をとって示している。パラメータとして酸素濃度をとっている。セル平均温度は７２℃、電流密度は０．５Ａ／ｃｍ２とした。
【０１５８】
本図より、酸素濃度が高いほどセル電圧が高くなることがわかる。また、酸素濃度が２１％（大気中の酸素濃度）の場合、水素濃度が３０％まで低下するとセル電圧が著しく低下することがわかる。これにより、酸素濃度５０％以上の条件では、水素濃度が３０％まで低下してもセル電圧が低下することがなく、発電が可能であることがわかる。さらに、本図より、酸素濃度５０％以上の条件では、水素濃度が２５％となってもセル電圧が低下することがなく、発電が可能であることが推定できる。
【０１５９】
電流密度が大きくなると、酸素濃度２１％でのセル電圧が降下し始める水素濃度が５０％から若干、高濃度側にシフトする傾向がある。そのような場合には、酸素濃度が高くなるように、図４の酸素濃縮器４３４または図６の酸素濃縮器６３４の濃縮能力を高めれば、高い電圧を維持することができる。
【０１６０】
また、本実施例で使用したＭＥＡ（膜−電極接合体）の水素クロスオーバー量は、極めて少なく、１ｍＡ／ｃｍ２（電流換算）以下であるため、クロスオーバーの問題は生じない。その結果、水素クロスオーバーによる電圧不安定化の現象も認められなかった。
【０１６１】
以上より、酸素濃縮器を用いて酸化剤の酸素濃度を高めることにより、セル電圧を高くすることができることがわかる。
【０１６２】
図９は、本発明による実施例の燃料電池における酸化剤利用率と排ガスの露点との関係を示すグラフである。横軸に酸化剤利用率、縦軸に排ガスの露点をとって示している。パラメータとして酸素濃度をとっている。
【０１６３】
本図より、酸素濃度が高いほど排ガスの露点が高くなることがわかる。これにより、排ガスの露点を燃料電池の作動温度以上（例えば７０℃以上）にすることができ、電池内部の水のリサイクルを実現することができる。すなわち、水又は水蒸気の排出量を低減することができる。また、酸化剤の加湿器を不要とすることができる。
【０１６４】
以上より、酸素濃縮器を用いて酸化剤の酸素濃度を高めることにより、排ガスの露点を高くすることができる。
【符号の説明】
【０１６５】
１０１：アノード、１０２：カソード、１０３：電解質膜、１０４：燃料（アノード）側セパレータ、１０５：多孔質流路板、１０６：酸化剤（カソード）側セパレータ、１０７：多孔質流路板、１０８：アノード側ガスケット、１０９：カソード側ガスケット、２１０：燃料（アノード）側セパレータ、２１１：燃料供給マニホールド、２１２：リブ（凸部）、２１３：凹部、２１４：多孔質流路板、２１５：酸化剤供給マニホールド、２１６：酸化剤排出マニホールド、２１７：冷却水供給マニホールド、２１８：冷却水排出マニホールド、２２０：酸化剤（カソード）側セパレータ、２２１：リブ（凸部）、２２３：凹部、２２４：多孔質流路板、２２５：リブ（凸部）、３０１：単セル、３０２：ＭＥＡ、３０３：黒鉛板、３０４：黒鉛製セパレータ、３０５：ガスケット、３０７：絶縁板、３０８：冷却セル、３０９：端板、３１０：燃料配管用コネクタ、３１１：酸化剤配管用コネクタ、３１２：冷却水配管用コネクタ、３１３：集電板、３１４：集電板、３１６：ボルト、３１７：ばね、３１８：ナット、３１９：外部電力線、３２０：変換器、３２１：外部負荷、３２２：燃料配管用コネクタ、３２３：酸化剤配管用コネクタ、３２４：冷却水配管用コネクタ、４３０：セルスタック、４３１：燃料供給手段、４３２：燃料流量調節器、４３３：酸化剤供給手段、４３４：酸素濃縮器、５１０：燃料（アノード）側セパレータ、５１１：燃料供給マニホールド、５１２：リブ、５１３：凹部、５１４：多孔質流路板、５１５：酸化剤供給マニホールド、５１６：酸化剤排出マニホールド、５１７：冷却水供給マニホールド、５１８：冷却水排出マニホールド、５１９：酸化剤排出マニホールド、５２０：酸化剤（カソード）側セパレータ、５２１：リブ、５２３：凹部、５２４：多孔質流路板、５２５：リブ、６３０：セルスタック、６３１：燃料供給手段、６３２：燃料流量調節器、６３３：酸化剤供給手段、６３４：酸素濃縮器、６３５：窒素分離器、６３４：開閉弁、７０１：アノード、７０２：カソード、７０３：電解質膜、７０４：燃料側セパレータ、７０５：燃料流路、７０６：酸化剤側セパレータ、７０７：酸化剤流路、７０８：アノード側ガスケット、７０９：カソード側ガスケット、７１１：凸部（リブ）、７１２：凸部（リブ）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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