(57)【要約】【課題】  システム外に排出するガス中の水素量を低減でき、小型化も容易な燃料電池発電システムを提供する。【解決手段】  電極・電解質一体化物を備えた燃料電池、および燃料電池に連結された水素供給源を有する燃料電池発電システムであって、燃料電池内のガスを、燃料電池発電システム外に排出するための排気手段を備えており、排気手段は、燃料電池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を有しており、水素消費装置は、前記水素供給源から排出された水素も消費でき、燃料電池を停止するに際し、水素供給源から排出される水素が水素消費装置で消費できる量になってから、水素供給源から燃料電池への水素の供給経路を閉じ、水素供給源から排出される水素を水素消費装置へ供給する機構を有することを特徴とする燃料電池発電システムにより、前記課題を解決する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素を還元する正極と、燃料を酸化する負極と、正極と負極との間に配置された固体高分子電解質膜とを有する電極・電解質一体化物を備えた燃料電池、および前記燃料電池に連結された水素供給源を有する燃料電池発電システムであって、
前記燃料電池発電システムは、燃料電池内のガスを、燃料電池発電システム外に排出するための排気手段を備えており、
前記排気手段は、燃料電池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を有しており、
前記水素消費装置は、前記水素供給源から排出された水素も消費でき、
前記燃料電池の発電を停止するに際し、前記水素供給源から排出される水素が前記水素消費装置で消費できる量になってから、前記水素供給源から前記燃料電池への水素の供給経路を閉じ、前記水素供給源から排出される水素を前記水素消費装置へ供給する機構を有することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
燃料電池に供給される単位時間当たりの水素量Ｈｓを直接または間接的に見積もる手段を備えており、
燃料電池の発電を停止するに際し、予め設定しておいた燃料電池に供給される単位時間当たりの水素量Ｈｓ１と、前記水素量Ｈｓとが、Ｈｓ≦Ｈｓ１となる関係を満たした場合に、水素供給源から燃料電池への水素の供給経路を閉じ、水素供給源から排出される水素を水素消費装置へ供給する請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
燃料電池により発電された電気エネルギーを蓄積する電気エネルギー蓄積手段を備えており、
燃料電池の発電を停止するに際し、水素供給源から排出される水素の量が水素消費装置で消費し得る量を超えている場合、燃料電池による発電を継続し、発電された電気エネルギーを前記電気エネルギー蓄積手段に蓄積する請求項１または２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
燃料電池内に水を供給できる機構を有しており、燃料電池の発電を停止するに際し、水素供給源から前記燃料電池への水素の供給経路を閉じ、燃料電池内に水を供給することによって、燃料電池内の水素を置換できる請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
水を供給して燃料電池内の水素を置換する際に、燃料電池の負極に残留する水素を水素消費装置へ供給できる請求項４に記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
水素消費装置は、酸素を還元する正極と、燃料を酸化する負極と、正極と負極との間に配置された固体高分子電解質膜とを有する電極・電解質一体化物、および正極と負極とを接続する抵抗を備えている請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
燃料電池は複数の電極・電解質一体化物を有しており、その一部が水素消費装置として使用される請求項６に記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
水素消費装置は、水素を酸化し得る触媒を有している請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項９】
排気手段は、燃料電池と水素消費装置との間に、燃料電池内のガスを燃料電池外に間欠的に排出するためのパージバルブを有している請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項１０】
パージバルブと水素消費装置との間に、燃料電池から排出されたガス中に含まれる水を回収するための水回収手段を有している請求項９に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１１】
燃料電池内の圧力を測定するための圧力センサを有しており、前記圧力センサにより得られた圧力情報に基づいて、パージバルブの開閉動作を制御する請求項９または１０に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１２】
水素供給源が、水素発生物質と水との反応により発生する水素を供給する機構を有する水素製造装置である請求項１〜１１のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項１３】
水素発生物質が、金属水素化物である請求項１２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１４】
水素発生物質が、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、マグネシウムおよびこれらの１種以上の元素を主体とする合金よりなる群から選択される少なくとも１種の金属である請求項１２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１５】
前記水回収手段により回収された水を、水素発生物質との反応に供する機構を有している請求項１２〜１４のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項１６】
燃料電池に供給する水を、水素供給源または前記水回収手段から供給できる請求項１０〜１５のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、システム外に排出するガス中の水素量を低減できる燃料電池発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、パソコン、携帯電話などのコードレス機器の普及に伴い、その電源である電池には、ますます小型化、高容量化が要望されている。現在、リチウムイオン二次電池は、エネルギー密度が高く、小型軽量化を図り得る電池として実用化されており、ポータブル電源としての需要が増大している。しかし、このリチウムイオン二次電池は、一部のコードレス機器に対して、十分な連続使用時間を保証することができないという問題がある。
【０００３】
前記問題の解決に向けて、例えば固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）などの燃料電池の開発が進められている。燃料電池は、燃料および酸素の供給を行えば、連続的に使用することが可能である。
【０００４】
そして、ＰＥＦＣは、空気中の酸素を還元する正極（カソード）と、水素を酸化する負極（アノード）と、これら正極と負極との間に配置される固体高分子電解質膜とで構成された電極・電解質一体化物（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ａｓｓｅｍｂｌｙ）を有しており、リチウムイオン二次電池よりもエネルギー密度が高い電池として注目されている。
【０００５】
ところで、ＰＥＦＣでは、発電に伴って生成する水や正極に取り込まれた空気中の不純ガスが負極側に蓄積することによって発電性能が低下する。そのため、一般的なＰＥＦＣでは、前記の不純ガスや生成水を適時外部に排出するためのバルブなどが設けられている。
【０００６】
ところが、負極では、供給された水素の全てが発電で消費されるとは限らないため、不純ガスや生成水と共に、残存している水素もＰＥＦＣ外へ排出されてしまう。例えば、負極には、発電に必要な量を上回る量の水素を供給し、その供給圧力を利用して生成水をＰＥＦＣ外へ排出することが行われることもあるが、このような場合には、負極に供給した水素が比較的多く残存するため、前記の不純ガスや生成水と共にＰＥＦＣ外に排出される水素量も多くなる。
【０００７】
ＰＥＦＣの用途は、例えば前記のように、小型のコードレス機器の電源用途などが想定されているが、このような機器は比較的狭い空間内で使用されることが多い。そのため、ＰＥＦＣ内から排出されるガスに含まれる水素量は、できる限り少ないことが好ましい。
【０００８】
例えば、特許文献１には、燃料電池の負極側から排出される水素を含むガスを処理するために、前記ガスを支燃ガスとして触媒燃焼させる触媒体を備えた燃料電池の排出水素処理装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−１４２１３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
例えば、水素発生物質と水とを反応させて得られる水素を燃料電池の発電に利用する場合には、燃料電池での発電を終了するために水素発生物質への水の供給を停止しても、暫くの間水素の発生が継続し、これが燃料電池内に供給される。ところが、特許文献１に記載の排出水素処理装置の場合、燃料電池の排気側に設置されていることから、前記のように燃料電池による発電を止めた後に発生し続けている水素は、一旦燃料電池を通過させてからでないと処理できない。そのため、特許文献１の装置では、前記のように瞬時に水素発生を停止できない方法で得られた水素を燃料とする燃料電池の場合には、発電の停止後に、燃料電池が水素に長時間曝されることになって、劣化の生じる虞がある。
【００１１】
このようなことから、発電を停止するに際し、燃料電池が水素に曝されることで生じる劣化を抑制しつつ、システム外に排出される水素量を低減できる技術の開発が求められる。
【００１２】
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、システム外に排出するガス中の水素量を低減できる燃料電池発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記目的を達成し得た本発明の燃料電池発電システムは、酸素を還元する正極と、燃料を酸化する負極と、正極と負極との間に配置された固体高分子電解質膜とを有する電極・電解質一体化物（以下、「ＭＥＡ」という。）を備えた燃料電池、および前記燃料電池に連結された水素供給源を有する燃料電池発電システムであって、前記燃料電池発電システムは、燃料電池内のガスを、燃料電池発電システム外に排出するための排気手段を備えており、前記排気手段は、燃料電池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を有しており、前記水素消費装置は、前記水素供給源から排出された水素も消費でき、前記燃料電池の発電を停止するに際し、前記水素供給源から排出される水素が前記水素消費装置で消費できる量になってから、前記水素供給源から前記燃料電池への水素の供給経路を閉じ、前記水素供給源から排出される水素を前記水素消費装置へ供給する機構を有することを特徴とするものである。
【００１４】
本発明の燃料電池発電システムは、燃料電池内のガスをシステム外に排出するための排気手段を有しており、該排気手段中に、燃料電池から排出されたガス中の水素を消費できる水素消費装置を有している。そのため、発電中に燃料電池から排出されるガス中の水素を、前記水素消費装置によって処理し得るため、システム外に排出される水素量を低減することができる。また、水素消費装置は、水素供給源から排出される水素も消費することができる。よって、燃料電池の発電を停止する際に、水素供給源から水素の発生が継続していても、かかる水素を水素消費装置によって消費できるため、燃料電池内への水素の侵入を抑えて、燃料電池の劣化を抑制することもできる。
【００１５】
なお、本発明の燃料電池発電システムでは、燃料電池の発電を停止するに際し、水素供給源から排出される水素を、水素消費装置で消費できる量になってから水素消費装置へ供給する。そのため、例えば、水素消費装置で処理できない量の水素については、燃料電池での発電を継続し、得られた電気エネルギーを二次電池などに蓄積するなど、有効利用を図ることも可能であり、水素消費装置を経由してシステム外に排出されるガスに、水素消費装置で処理できない分の水素が含まれないようにすることもできる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、システム外に排出するガス中の水素量を低減でき、小型化も容易な燃料電池発電システムを提供することができる。また、本発明の燃料電池発電システムでは、簡素な構成で前記の各効果を確保できるため、システムの小型化も容易である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の燃料電池発電システムの一例を示す概略図である。
【図２】本発明の燃料電池発電システムに係る回路制御部の一例を示す概略図である。
【図３】本発明の燃料電池発電システムにおいて、燃料電池の発電を停止する際に、水素供給源から排出される水素の流路を、燃料電池から水素消費装置へ切替えるための判定方法の一例を表すフローチャートである。
【図４】本発明の燃料電池発電システムにおいて、燃料電池の発電を停止する際に、水素供給源から排出される水素の流路を、燃料電池から水素消費装置へ切替えるための判定方法の他の例を表すフローチャートである。
【図５】本発明の燃料電池発電システムの他の例を示す概略図である。
【図６】本発明の燃料電池発電システムの他の例を示す概略図である。
【図７】本発明の燃料電池発電システムの他の例を示す概略図である。
【図８】本発明の燃料電池発電システムに用い得る燃料電池の一例を示す断面模式図である。
【図９】本発明の燃料電池発電システムに用い得る水素消費装置の一例を示す一部断面模式図である。
【図１０】実施例１の燃料電池発電システムの発電試験結果を示すグラフである。
【図１１】比較例１の燃料電池発電システムの発電試験結果を示すグラフである。
【図１２】実施例１の燃料電池発電システムの発電試験結果を示す別のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１に本発明の燃料電池発電システムの一例の概略図を示す。図１中、５００は燃料電池であり、電気的に直列に接続された複数のＭＥＡ（図示しない）を有している。６００は、燃料電池５００へ燃料を供給するための水素供給源である。水素供給源６００は、水素発生物質６０４を収容した水素発生容器６０３と、水６０２を収容した水容器６０１とを有している水素製造装置である。水容器６０１からポンプ２０１を用い配管１０１、１０２を通じて水６０２を水素発生容器６０３に供給すると、水素発生物質６０４と水６０２との反応によって水素が発生し、この水素が、配管１０３、水トラップ（凝縮水分離器）８０１、配管１０４、１０５、１０６を通じて燃料電池５００へ供給される。図１における配管の矢印は、原則的なガス（水素など）の流れ方向を意味している（後記の図５、図６および図７においても、同じである。）。
【００１９】
５０１は送風ファンであり、燃料電池５００の正極への空気の供給、水素消費装置９００への空気の供給および燃料電池５００の冷却のためのものである。また、図１中の送風ファン５０１から出ている矢印は、送風ファン５０１により送られる空気の流れの方向を示している（後記の図５、図６および図７においても、同じである。）。本発明の燃料電池発電システムにおいて、送風ファン５０１は必須の構成要素ではないが、燃料電池発電システムは送風ファン５０１を有していることが好ましい。
【００２０】
図１に示す燃料電池発電システムは、燃料電池内のガスを燃料電池発電システム外に排出するための排気手段を有している。図１のシステムに係る排気手段は、配管１０７、パージバルブ３１０、配管１０９、水容器６０１、配管１１０、水素消費装置９００および配管１１４により構成されている。
【００２１】
図１に示す燃料電池発電システムでは、燃料電池５００による発電に伴って、燃料電池５００の負極側にガス（発電に関与しなかった残留水素およ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）や生成水が蓄積するため、燃料電池５００による発電と平行して、前記排気手段を通じて前記のガスをシステム外に排出する。その際に、燃料電池５００から排出された水素を含むガスは、前記排気手段の有する水素消費装置９００に導入される。図１に示すシステムに係る前記排気手段の有する水素消費装置９００は、燃料電池５００の有するＭＥＡによる発電と同じ機構によって、ガス中の水素を消費できる。水素消費装置９００に連結されている配管１１４は外気と接しており、水素消費装置９００によって水素が除去されたガスは、配管１１４を通じてシステム外に排出される。なお、図１に示すシステムでは、配管１１４の出口が、送風ファン５０１からの送風が当たるように配置することで、水素消費装置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。
【００２２】
また、図１に示すシステムに係る前記排気手段は、パージバルブ３１０を有しているため、燃料電池５００の発電中に、前記のガスや生成水が燃料電池５００内に蓄積し、これらによって燃料電池５００内（および配管１０６内）の圧力がある程度高まった時点で、パージバルブ３１０によって前記のガスや生成水を配管１０９側に排出できる。このように、パージバルブ３１０の作用によって、燃料電池５００内のガスや生成水を間欠的に燃料電池５００外に排出できるため、例えば、水素供給源から供給する水素のうち、発電に必要な量を上回る分を低減しても、生成水を良好に排出できることから、ガス中に含まれる水素量を減らすことができる。このように、本発明の燃料電池発電システムは、前記排気手段がパージバルブを有していることが好ましい。
【００２３】
また、図１に示すシステムでは、圧力センサ４００を備えており、この圧力センサ４００によって燃料電池５００内の圧力を測定しながら、適時パージバルブ３１０を開いて、燃料電池５００からのガスや生成水を配管１０９側へ排出できる。このように、本発明の燃料電池発電システムでは、燃料電池５００の負極側の圧力を圧力センサ４００で測定し、これにより得られた圧力情報に基づいて、パージバルブ３１０の開閉動作を制御することが好ましい。なお、圧力センサは、燃料電池の圧力損失を考慮して、燃料電池へ水素を供給するための配管（図１中、配管１０６）に設置することが好ましい。
【００２４】
パージバルブは、燃料電池内の負極の圧力と外部の圧力（例えば大気圧）との差圧が５〜３００ｋＰａに達した段階で開閉動作を行うように制御することが好ましい。パージバルブの開く差圧を小さくしすぎると、水を排出する能力が低下し、パージバルブが開く差圧を大きくしすぎると、燃料電池の内圧が高くなりすぎてＭＥＡを破損する虞がある。
【００２５】
前記のように排気手段と共に圧力センサを備えた構成とすることで、燃料電池内の圧力情報を測定しながら適性に発電を行うことができるため、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る。また、燃料電池の出力状態と圧力情報とを考慮して、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。
【００２６】
図１に示すシステムでは、燃料電池５００から排出されたガスや生成水は、配管１０９から、水素供給源６００の水容器６０１へ導入される。水容器６０１は、水トラップとしても作用するため、燃料電池５００から排出された生成水が水容器６０１で回収される。このように、本発明の燃料電池発電システムでは、燃料電池から排出されたガス中に含まれる水（生成水）を回収するために、水トラップなどの水回収手段を、排気手段の燃料電池と水素消費装置との間（より好ましくは、パージバルブと水素消費装置との間）に備えていることが好ましい。このような構成とすることで、燃料電池から排出されたガス中の生成水を除去した上で、前記ガスを水素消費装置に供給できるため、水素消費装置内で生成水が溜まることによる水素消費効率の低下を抑制することができ、より効率的な水素除去が可能となる。
【００２７】
また、本発明の燃料電池発電システムでは、水回収手段により回収した燃料電池内の生成水を、水素発生物質との反応に利用することが好ましい。図１のシステムでは、水素供給源６００の水容器６０１が水回収手段を兼ねているため、燃料電池５００から排出された生成水を、水素製造用の水として利用することができる。このような構成とすることで、システムをコンパクトにすることができると共に、エネルギーの利用率を高めることができる。
【００２８】
なお、燃料電池では、一般に、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（詳しくは後述する。）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。
【００２９】
本発明の燃料電池発電システムでは、前記排気手段に設けられた水素消費装置によって、水素供給源から排出される水素も消費することができる。
【００３０】
図１に示すシステムでは、水素供給源６００からの水素を燃料電池へ導入するための配管１０４と配管１０５との間に三方形弁３０２が設けられており、この三方形弁３０２は配管１１１とも接続しており、更に、この配管１１１は、配管１０９と接続している。そのため、燃料電池５００の発電を停止するに際し、三方形弁３０２を作動させて、水素供給源６００からの水素を、燃料電池５００に送らずに、配管１１１、１０９を通じて水容器６０１に送り、余分な水を除去した後に、配管１１０から水素消費装置９００に直接供給し、処理することができる。これにより、図１に示すシステムでは、燃料電池５００による発電を停止する際に、燃料電池５００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５００の劣化を大幅に抑制することができる。
【００３１】
なお、本発明の燃料電池発電システムでは、燃料電池の発電を停止するに際し、水素供給源から燃料電池への水素の供給が継続してしまう場合に、水素供給源から排出される水素が水素消費装置で消費できる量になってから、水素供給源から燃料電池への水素の供給経路を閉じ、水素供給源から排出される水素を水素消費装置へ供給して処理する。
【００３２】
図２に、本発明の燃料電池発電システムにおいて、燃料電池の発電を停止するに際し、水素供給源から排出される水素を水素消費装置へ供給して処理するための回路制御部の一例を概略的に示している。図２中の細線は電気的な接続を示している。また、図２中の太線は水素の流路を示していて、その矢印は水素の流れる方向を意味している。
【００３３】
図２に示す回路制御部では、燃料電池５００に電圧検出器１０を並列接続していて、これにより燃料電池５００の電圧を検出し、また、電流検出器１１を直列接続していて、これにより燃料電池５００の電流を検出する。また、水素消費装置９００の電圧および電流も、電圧検出器１０および電流検出器１１で検出できる。そして、水素消費装置９００を、例えば、燃料電池５００のＭＥＡと同様のＭＥＡを有するものとした場合、図２に示すように、水素消費装置９００の正負極を負荷１８を介して接続することで、水素を消費することができる。
【００３４】
図２に示す回路制御部は、電気エネルギー蓄積手段として、二次電池の充電回路１４と、その制御部１３とを備えている。前記の通り、本発明の燃料電池発電システムは、燃料電池の発電を停止するに際し、水素供給源から燃料電池への水素の供給が継続してしまう場合に、水素供給源から排出される水素が水素消費装置で消費できる量になってから、水素供給源から燃料電池への水素の供給経路を閉じ、水素供給源から排出される水素を水素消費装置へ供給して処理する。よって、燃料電池発電システムが、前記のような電気エネルギー蓄積手段を備えている場合、水素供給源から排出される水素が水素消費装置で消費できる量を超えているときには燃料電池による発電を継続し、得られた電気エネルギーを二次電池のような電気エネルギー蓄積手段に蓄積できる。そして、その後、水素供給源からの水素排出量が低下し、水素消費装置で消費できる量になった段階で、水素供給源から燃料電池への水素の供給経路を閉じて燃料電池による発電を停止し、水素供給源から排出される水素を水素消費装置へ供給して処理することができる。このように、本発明の燃料電池発電システムは、燃料電池の発電を停止するに際し、水素供給源から排出される水素の量が水素消費装置で消費し得る量を超えている場合に、燃料電池による発電を継続して得られる電気エネルギーを蓄積するための電気エネルギー蓄積手段を備えていることが好ましく、これにより、水素供給源からの水素をより有効に利用しつつ、燃料電池の停止後に、燃料電池が水素に長時間曝されることによる劣化を抑制することができる。
【００３５】
なお、図２に示す回路制御部では、電圧検出器１０で検出した電圧と電流検出器１１で検出した電流を、二次電池充電回路制御部１３に入力することで、二次電池を充電するための制御を行う。二次電池充電回路制御部１３は、二次電池の特性に合わせた充電制御を行うことができ、これによる制御に従って、二次電池充電回路１４によって二次電池１５の充電を行う。また、二次電池充電回路１４は、ＤＣ−ＤＣコンバータなどで昇圧する部分を含んでおり、具体的には、ＤＣ−ＤＣコンバータ１６を介して、安定した直流電流を外部負荷１７に供給する。
【００３６】
図２に示す回路制御部によって、燃料電池５００を停止するに際し、水素供給源の水素発生容器６０３から排出される水素の量は、間接的に見積もるか、または直接測定することができる。水素発生容器６０３から排出される水素の量を間接的に見積もる手段としては、燃料電池５００の電流値を電流検出器１１によって検出する手段（Ｃ１）、水素発生容器６０３の温度を、温度検出器２４によって検出する手段（Ｃ２）が挙げられる。
【００３７】
燃料電池５００の電流値や、水素消費装置９００の電流値は、燃料電池５００に供給される水素量（水素供給速度）や、水素消費装置９００に供給される水素量（水素供給速度）によって変動する。よって、燃料電池５００の電流値や、水素消費装置９００の電流値を検出することで、水素発生装置６０３から排出される水素量を（水素供給速度）を間接的に見積もることができる。また、例えば、水素発生容器６０３内の水素発生物質６０４に水を供給し、水素発生物質６０４と水との反応によって水素を製造する場合、水素発生反応は発熱を伴うため、水素発生容器６０３の温度を測定することによって、水素発生反応の程度、すなわち、水素発生容器６０３から排出される水素量を見積もることができる。
【００３８】
また、前記の通り、水素消費装置９００には、燃料電池５００による発電時において、燃料電池５００から排出されるガスが供給され、前記ガス中の水素が、水素消費装置９００で処理された後、システム外に排出される。よって、燃料電池５００による発電を停止する際にも、水素供給源（水素発生容器６０３）から排出され、燃料電池５００に供給された水素は、燃料電池５００から排出されて水素消費装置９００に供給される。よって、燃料電池５００の電流値と共に水素消費装置９００の電流値を電流検出器１１で検出することによっても、水素供給源の水素発生容器６０３から排出される水素の量を間接的に見積もることができる。
【００３９】
図２に示す回路制御部において、水素発生容器６０３から排出される水素の量を直接測定する手段としては、マスフローメーター２５で測定する手段（図中、Ｃ３）が挙げられる。
【００４０】
図２に示す回路制御部は、切替え判定部２０を有しており、切替え判定部２０において、燃料電池５００の発電を停止するに際し、水素発生容器６０３から燃料電池５００へ向かう水素を、水素消費装置９００に向かうように、三方形弁３０２を切替える判定を行う。三方形弁３０２の切替えの判定は、前記の水素発生容器６０３から排出される水素の量に基づいて行うが、水素発生容器６０３から排出される水素の量は、前記の間接的に見積もる手段および直接測定する手段のうちのいずれか一つにより把握してもよく、複数を組み合わせて把握してもよく、全てを組み合わせて把握しても構わない。
【００４１】
切替え判定部２０による三方形弁３０２の切替えの判定は、例えば、以下のようにして行う。前記の水素発生容器６０３から排出される水素の量を間接的に見積もる手段または直接測定する手段による検出信号を、切替え判定部２０の水素発生量算出部２１に送り、この水素発生量算出部２１において、燃料電池５００に供給される単位時間当たりの水素量Ｈｓを算出する。そして、Ｈｓと、予め設定しておいた燃料電池５００に供給される単位時間当たりの水素量Ｈｓ１（水素消費装置９００で処理可能な単位時間当たりの水素量）との関係が、Ｈｓ≦Ｈｓ１の場合には、タイマー２２によって予め設定した時間をカウントする。そして、一定時間ＨｓがＨｓ１を超えない場合に、三方形弁制御部２３によって三方形弁３０２に制御信号を送り、水素発生容器６０３からの水素の流路を、燃料電池５００から水素消費装置９００へ切替えるように、三方形弁３０２を作動させる。
【００４２】
なお、水素発生量算出部２１に予め入力する値Ｈｓ１には、例えば、燃料電池５００の電流値Ｉを検出する手段によって水素量Ｈｓを把握する場合、仮に水素消費装置９００の水素消費能力が２００ｍｌ／ｍｉｎであれば、その水素を燃料電池５００に供給した場合の電流値Ｉ１を用いることができる。そして、Ｉ≦Ｉ１（すなわちＨｓ≦Ｈｓ１）を満たす連続時間ｔａをカウントするタイマー２２に入力する値は、例えば、燃料電池５００の発電を停止するための操作を行ってから、水素消費装置９００が消費可能な水素量になるまでの時間を予め見積もり、その時間（ｔａ）とすることができる。
【００４３】
また、例えば、水素発生容器６０３の温度Ｔを検出する手段によって水素量Ｈｓを把握する場合、水素消費装置９００の水素消費能力が２００ｍｌ／ｍｉｎであれば、その速度で水素を発生している際の水素発生容器の温度Ｔ１を、水素発生量算出部２１に予め入力する値Ｈｓ１として使用することができる。Ｔ≦Ｔ１（すなわちＨｓ≦Ｈｓ１）を満たす連続時間ｔｂには、例えば、燃料電池５００の発電を停止するための操作を行ってから、水素消費装置９００が消費可能な水素量になるまでの時間を水素発生容器６０３の温度から予め見積もり、その時間を用いることができる。
【００４４】
図３に、本発明の燃料電池発電システムにおいて、燃料電池の発電を停止する際に、水素供給源から排出される水素の流路を、燃料電池から水素消費装置へ切替えるための判定方法の一例を表すフローチャートを示している。
【００４５】
パラメータ（α）は、水素流路を切替えるための判定に用いる値であり、水素供給源から排出される単位時間当たりの水素量（燃料電池へ供給される単位時間当たりの水素量）を直接測定する場合には、Ｈｓが該当するが、前記のように、間接的に見積もる手法の場合には、例えば、前記の燃料電池の電流値Ｉや、水素発生容器の温度Ｔであってもよい。
【００４６】
燃料電池の発電停止処理を開始すると、パラメータ値αと、予め設定したパラメータ値α１（前記のＨｓ１、Ｉ１、Ｔ１など）との比較を行う。α≦α１になると、予め設定した時間ｔ（前記のｔａ、ｔｂなど）をカウントし、その間にα≦α１を満足する場合、燃料電池へ水素供給している流路を、水素消費装置へ切替える。しかし、時間ｔ内にαがα１を超えた場合、再びタイマーの時間をリセットし、再度カウントを開始する。
【００４７】
また、図４には、本発明の燃料電池発電システムにおいて、燃料電池の発電を停止する際に、水素供給源から排出される水素の流路を、燃料電池から水素消費装置へ切替えるための判定方法の他の例を表すフローチャートを示している。
【００４８】
図４に示すフローチャートにおいて、パラメータ（α）は、図３に示すフローチャートと同じであり、図４に示すように、パラメータαの単位時間ｔの微分値によっても、水素流路の切替え判定を行うことができる。また、単位時間当たり差分値や平均値などで定めた値をもとに、水素流路の切替え判定を行うことも可能である。
【００４９】
また、本発明の燃料電池発電システムでは、燃料電池内に水を供給できる機構を有しており、燃料電池の発電を停止するに際し、水素供給源から燃料電池への水素の供給経路を閉じ、燃料電池内に水を供給することによって、燃料電池内の水素（水素を含むガス）を置換できることが好ましい。このような機構によっても、燃料電池の発電を停止するに際し、燃料電池内に残存している水素を水で置換し、かかる水素が燃料電池内に残留することによる燃料電池の劣化を抑制できる。
【００５０】
例えば、図１に示すシステムでは、水素供給源６００の水容器６０１と水素発生容器６０３とを接続する配管１０１、１０２に三方形弁３０１が接続されており、この三方形弁３０１は配管１１２とも接続されている。更に、配管１１２は、三方形弁３０３を介して燃料電池５００への水素導入経路である配管１０６とも接続されている。そのため、燃料電池５００の発電を停止するに際し、三方形弁３０１および３０３を作動させ、更にパージバルブ３１０を作動させて、水容器６０１内の水を配管１１２および配管１０６を通じて燃料電池５００内に供給できる。
【００５１】
また、図１に示すシステムでは、燃料電池５００による発電の終了時において、燃料電池５００内に水を貯留することができるため、燃料電池５００の有するＭＥＡ中の固体高分子電解質膜を湿潤状態に保つことができる。
【００５２】
一般に、固体高分子形燃料電池では、長時間停止していると、固体高分子電解質膜が乾燥してしまうが、このような状態になると、再起動時に発電による自己湿潤が必要となり、出力の立ち上がりに時間を要するようになる。しかしながら、図１に示すシステムでは、前記の通り、燃料電池５００を停止するに際し、燃料電池５００内を水で満たすことができるため、固体高分子電解質膜の乾燥を防いで、再起動時に初期から高い出力を発揮することが可能となる。
【００５３】
しかも、図１に示すシステムでは、燃料電池５００を停止するに際し、燃料電池５００内に水を貯留した場合、すなわち、燃料電池５００内の水素を水で置換した場合、燃料電池５００から排出された水素を含むガスを、水素消費装置９００によって消費してからシステム外に放出することができるため、安全性も確保できる。更に、図１に示すシステムでは、発電の停止に際し、燃料電池５００内に供給する水を、水素供給源６００の水容器６０１から供給できるため、別途水容器などを備える必要がなく、コンパクトなシステムとすることができる。
【００５４】
ただし、燃料電池内に水を貯留した状態で起動させると、燃料電池内に供給される水素によって、水で充填された燃料電池内に大きな圧力損失を生じ、ＭＥＡの破損の原因ともなる。よって、この場合、例えば、ポンプ２０１を一定時間逆転するなどして燃料電池５００内の水を除去してから、起動させることが好ましい。
【００５５】
更に、図１に示すシステムにおいて、水素発生容器６０３は、取替え可能なカートリッジ方式とすることもできる（後記の図５、図６および図７に示すシステムにおいても、同様である。）。
【００５６】
図５に、本発明の燃料電池発電システムの他の例の概略図を示す。図５に示す燃料電池発電システムの構成要素のうち、図１に示すシステムに係る構成要素と共通するものについては、符号を共通にして重複説明を避ける（後記の図６および図７についても同様である。）。
【００５７】
図５に示す燃料電池発電システムは、発生水素の急激な増大に対応した安全弁を備えたものである。すなわち、図５に示す燃料電池発電システムでは、パージバルブ３１０と配管１０９との間に設置された三方形弁３０４に配管１１５が接続されており、この配管１１５には、三方形弁３０５も接続されている。図５に示すシステムでは、燃料電池５００の発電開始時や発電中、発電終了時において、燃料電池５００に必要量を超える水素が供給された場合、例えば、燃料電池５００の水素供給口に接続されている配管１０６に設置した圧力センサ４００によって異常な圧力損失を検知することで、パージバルブ３１０および三方形弁３０４、３０５を作動させ、余剰な水素をシステム外に排出して、燃料電池５００の破損などを防止することができる。
【００５８】
また、詳しくは後述するが、燃料電池５００の有するＭＥＡは、正極と負極とが導通可能なように構成されていてもよく、例えば、燃料電池５００を停止するに際し、前記のように燃料電池５００内に水を供給することができない場合、一時的に三方形弁３０４、３０５およびパージバルブ３１０を作動させ、燃料電池５００内に空気（外気）を取り込みつつ、燃料電池５００に係るＭＥＡの正極と負極とを短絡させて、燃料電池５００内に残留している水素を消費することができる。これにより、燃料電池の停止後に、燃料電池内に残留する水素による燃料電池の劣化を抑制することができる。
【００５９】
図６に、本発明の燃料電池発電システムの他の例の概略図を示す。図１および図５に示す燃料電池発電システムは、燃料電池５００と水素消費装置９００との一体化物を有する例であるが（詳しくは、後述する。）、図６に示す燃料電池発電システムは、水素を酸化し得る触媒を有する水素消費装置９００を、燃料電池５００とは別に備えた例である。水素消費装置９００は、送風ファン５０１から送られる空気を取り込むことができる位置に配されており、小さなスペースで効率よく水素を消費できるように構成されている。そのため、図６に示す構成の燃料電池発電システムによっても、小型化が容易である。
【００６０】
図７に、本発明の燃料電池発電システムの他の例の概略図を示す。図７に示す燃料電池発電システムは、水素発生容器６０３が、取り外し可能なカートリッジ方式で、水素発生容器６０３を取り外したことを検出して、燃料電池５００への水供給を開始できるシステムの例である。
【００６１】
図７の燃料電池発電システムにおいても、燃料電池５００の停止処理を開始し、水素供給源６００（水素発生容器６０３）から排出される水素量が、水素消費装置９００が消費し得る量になってから、水素供給源６００から排出された水素が水素消費装置９００へ供給されるように三方形弁３０２を切替る。なお、図７に示すシステムでは、燃料電池５００への水供給は、この時点では開始されず、水素発生容器６０３を取り外した際に、これを、水素発生容器取り外し検出器７００によって検出し、ポンプ２０１、２０２、三方形弁３０１、３０２、３０４、３０５およびパージバルブ３１０を作動させて、水容器６０１から、配管１０１、１１２、１１５、１０７を経て、配管１０６、１０５、１０４、１１３に向かう流路で、燃料電池５００内に水を供給することができる。なお、この場合、ポンプ２０１およびポンプ２０２の供給速度が同じであることが好ましい。
【００６２】
また、燃料電池５００内に供給された水は、三方形弁３０４を大気開放する方向に切替え、ポンプ２０２のみを作動させることで、配管１０６、１０５、１０４、１１３を経て、水容器６０１に戻すことができる。
【００６３】
図８は、本発明の燃料電池発電システムにおける燃料電池５００の一例の要部断面を示す模式図である。ただし、図８においては、各構成要素の理解を容易にするため、一部の構成要素については断面であることを示す斜線を省略している。なお、図８においては、３つのＭＥＡ５１０が組み合わさって一つの燃料電池５００を構成している状態を示しているが、これは一例であり、一単位としての燃料電池におけるＭＥＡの数は３つに限定されず、また、複数のＭＥＡから構成される一単位の燃料電池を、複数接続して全体を一つの燃料電池とすることもできる。
【００６４】
図８の燃料電池５００では、正極拡散層５１１および正極触媒層５１２からなる正極と、固体高分子電解質膜５１３と、負極拡散層５１５および負極触媒層５１４からなる負極とが、順次積層されてなるＭＥＡ５１０を３個有しており、これらのＭＥＡ５１０が平面状に配置されている。
【００６５】
それぞれのＭＥＡ５１０の正極側には、正極集電プレート５２４、５２５ａ、５２５ｂ、正極絶縁プレート５２２、および正極パネルプレート５２０が順次配置されている。また、それぞれのＭＥＡ５１０の負極側には、負極集電プレート５２６、５２７ａ、５２７ｂ、負極絶縁プレート５２３、および負極パネルプレート５２１が順次配置されている。
【００６６】
そして、全てのＭＥＡ５１０が、正極パネルプレート５２０と負極パネルプレート５２１とに挟持されて一体化している。また、図８では明らかにしていないが、隣り合うＭＥＡ５１０同士は、正極集電プレート５２４、５２５ａ、５２５ｂと負極集電プレート５２６、５２７ａ、５２７ｂとの電気的接続によって、直列に接続されている。
【００６７】
正極集電プレート５２４、５２５ａ、５２５ｂ、正極絶縁プレート５２２および正極パネルプレート５２０には、燃料電池５００外の酸素を正極に導入するための酸素導入孔が複数設けられている。そして、正極集電プレート５２４、５２５ａ、５２５ｂの酸素導入孔、正極絶縁プレート５２２の酸素導入孔、および正極パネルプレート５２０の酸素導入孔により、正極パネルプレート５２０の外表面からＭＥＡ５１０の正極拡散層５１１にまで到達する正極開口部５３０が複数形成されており、これら正極開口部５３０から、燃料電池外の酸素（空気）が拡散により正極拡散層５１１に供給される構造となっている。
【００６８】
また、図８の燃料電池５１０では、負極集電プレート５２６、５２７ａ、５２７ｂ、負極絶縁プレート５２３および負極パネルプレート５２１には、燃料タンク部５２９内の燃料を負極に導入するための燃料導入孔が複数設けられている。そして、負極集電プレート５２６、５２７ａ、５２７ｂの燃料導入孔、負極絶縁プレート５２３の燃料導入孔、および負極パネルプレート５２１の燃料導入孔により、負極パネルプレート５２１の燃料タンク部５２９側表面からＭＥＡ５１０の負極拡散層５１５にまで到達する負極開口部５３１が複数形成されており、これら負極開口部５３１から、燃料タンク部５２９内の燃料（水素）が負極拡散層５１５に供給される構造となっている。
【００６９】
図８の燃料電池５１０では、正極パネルプレート５２０と負極パネルプレート５２１（更には燃料タンク部５２９）は、ボルト５３２とナット５３３によって固定されている。図８中、５２８ａおよび５２８ｂはシールである。
【００７０】
正極拡散層５１１および負極拡散層５１５は、多孔性の電子伝導性材料などから構成され、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。なお、正極拡散層５１１や負極拡散層５１５の触媒層側には、更なる撥水性向上および触媒層との接触向上を目的として、フッ素樹脂粒子［ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂粒子など］を含む炭素粉末のペーストが塗布されている場合もある。
【００７１】
正極触媒層５１２は、正極拡散層５１１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５１２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、樹脂バインダを更に含有していてもよい。
【００７２】
正極触媒層５１２の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、前記触媒は、鉄、ニッケル、コバルト、錫、ルテニウムおよ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。
【００７３】
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。炭素粉末への前記触媒の担持は、例えば、コロイド法などで行うことができる。
【００７４】
前記炭素粉末と前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前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。
【００７５】
正極触媒層５１２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。
【００７６】
正極触媒層５１２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前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。
【００７７】
正極触媒層５１２に係るバインダとしては、特に制限はないが、例えば、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）およ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およびエチレン・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。
【００７８】
正極触媒層５１２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。バインダが前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。
【００７９】
負極触媒層５１４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。必要に応じて、樹脂などのバインダを更に含有していてもよい。
【００８０】
負極触媒層５１４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前記の各触媒を用いることができる。負極触媒層に係る前記炭素粉末、プロトン伝導性材料、およ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、およびバインダとして例示した前記の各材料を用いることができる。
【００８１】
固体高分子電解質膜５１３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５１３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５１３の材料として用いることができる。
【００８２】
なお、図８では示していないが、図５に示す燃料電池発電システムについて先に説明したように、燃料電池の有するＭＥＡは、正極と負極とを、例えば、抵抗およ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を有する燃料電池発電システムでは、燃料電池による発電の終了時に、前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水素による燃料電池の劣化を抑制することができる。
【００８３】
燃料電池に係るＭＥＡにおいて、正極と負極とを、前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係る燃料電池の停止後、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−負極間の電圧を前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。
【００８４】
本発明の燃料電池発電システムにおいて、燃料電池に水素を供給するための水素供給源としては、図１（および図５、図６、図７）に示すように、水素発生物質と水との反応により発生する水素を供給する機構を有する水素製造装置であることが好ましい。
【００８５】
図１に示すシステムに係る水素製造装置（水素供給源）６００は、前記の通り、水素発生容器６０３と水容器６０１とを有している。水素発生容器６０３は水素発生物質６０４を収容しており、ここに水容器６０１から水６０２を供給し、水素発生容器６０３内で水素発生物質６０４と水６０２とを反応させて水素を製造する。水素発生容器６０３で発生した水素は、配管１０３、１０４、１０５および１０６からなる燃料流路を経て燃料電池５００に供給される。
【００８６】
水容器６０１から水素発生容器６０３に水を供給するための配管１０１および１０２には、水供給ポンプ２０１が設けられている。なお、水容器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。
【００８７】
水素発生容器６０３は、前記の通り、取り外し可能なカートリッジ方式とすることができ、また、水容器６０１も、取り外し可能なカートリッジ方式とすることができる。これにより、水素発生容器６０３内の水素発生物質が消費されつくしたり、水容器６０１内の水がなくなったりした場合に、これらを取り外し、水素発生物質が充填された水素発生容器６０３や水が充填された水容器６０１を新たに取り付けることで、再び水素製造を行うことが可能となる。
【００８８】
水素発生容器６０３に収容される水素発生物質としては、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。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；アルミニウム、ケイ素、亜鉛、およびマグネシウムより選ばれる１種以上の元素を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％以上含有する合金；金属水素化物；などが好適に使用できる。
【００８９】
なお、前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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
水素発生物質は、前記例示のものを１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。
【００９３】
前記の水素発生物質は、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。
【００９４】
また、前記の水素発生物質を、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、前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。
【００９５】
水と反応して発熱する発熱物質は、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、硫酸化合物などを例示することができる。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、前記の通り、水素発生物質として使用することが可能であるが、前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。
【００９６】
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、およ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、前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前記の金属水素化物を用いる場合には、前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、更に水素発生速度を高めてもよい。
【００９７】
水素発生容器６０３は、水素を発生させる水素発生物質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、水の供給口や水素の導出口以外から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、水およ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】
水容器６０１中の水が、配管１０１、１０２を通じて水素発生容器６０３に供給されることで、水素発生容器６０３内の水素発生物質と反応して水素を発生するが、水素発生容器６０３内に存在する未反応の水が、発生した水素中に混入し、これらの混合物が配管１０３などからなる燃料流路を通じて燃料電池５００に流入する場合がある。
【０１００】
よって、水素製造装置（水素供給源）６００には、燃料電池に水素を供給する燃料流路の途中に、凝縮水分離器（水トラップ）８０１を設けることが好ましい。図１（および図５、図６、図７）に示すように、水素発生容器６０３から排出される水素ガスは、配管１０３を通って凝縮水分離器８０１に導入される。この間、水素ガスに含まれる水分は、配管１０３内で冷却され凝縮水となる。凝縮水は、重力によって凝縮水分離器８０１の下部に落下するため、水素ガスを水と分離することができる。分離された水素ガスは、配管１０４、１０５および１０６を通じて燃料電池５００に供給される。
【０１０１】
また、図１に示すように、凝縮水分離器８０１と水容器６０１とを水回収用配管１１３で連結すれば、凝縮水分離器８０１で分離した水を水容器６０１に回収することができる。分離した水を回収することにより、水素発生のために供給する水の効率的な利用が可能となり、水容器６０１をよりコンパクトにすることができる。なお、凝縮水分離器８０１と水容器６０１とを連結する水回収用配管１１３には、図１などに示すように、水を送り出すためのポンプ２０２を設置してもよい。
【０１０２】
燃料電池発電システムに係る水素消費装置は、省スペースで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、前述したように、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。
【０１０３】
図９に、ＭＥＡを有する水素消費装置の一例を模式的に示す。なお、図９では、水素消費装置９００のみを断面で示しているが、水素消費装置９００の各構成要素の理解を容易にするために、一部の構成要素については、断面であることを示す斜線を付していない。
【０１０４】
図９に示す水素消費装置９００は、正極と負極とを導通可能にしたＭＥＡ９１０により構成されている。ＭＥＡ９１０は、酸素を還元する正極触媒層９１２と、水素を酸化する負極触媒層９１４とを有しており、更に、正極触媒層９１２と負極触媒層９１４との間に固体高分子電解質膜９１３を備えている。また、正極触媒層９１２の固体高分子電解質膜９１３側の面の反対面には、積層された正極拡散層９１１を有しており、負極触媒層９１４の固体高分子電解質膜９１３側の面の反対面には、積層された負極拡散層９１５を有している。これらは図８で説明した燃料電池５００に係るＭＥＡ５１０と同様の材料で構成することができる。
【０１０５】
そして、ＭＥＡ９１０は、正極拡散層９１１の上部に配置された正極集電板９２１と、負極拡散層９１５の下部に配置された負極集電板９２２とで挟持されており、正極集電板９２１と負極集電板９２２とは、例えばボルト９２９とナット９３０により固定されている。なお、９２３はシリコンゴムなどからなるシール材であり、９２４はタンク部（水素タンク部）である。
【０１０６】
そして、水素消費装置９００は、水素消費装置９００によって水素を除去した残りのガスをシステム外に排出するための配管１１４、および水素を含むガスを水素消費装置９００に導入するための配管１１０と接続されている。
【０１０７】
正極集電板９２１および負極集電板９２２は、例えば、白金、金などの貴金属や、ステンレス鋼などの耐食性金属、またはカーボンなどから構成されている。また、それらの材料に耐食性向上のために、表面にメッキや塗装が施されている場合もある。
【０１０８】
正極集電板９２１には複数の空気孔９２１ａが形成されており、これら空気孔９２１ａを通じて大気中の酸素がＭＥＡ９１１の正極に供給されるようになっている。一方、負極集電板９２２には複数の水素導入孔９２２ａが形成されており、これら水素導入孔９２２ａを通じて配管１１０からタンク部９２４へ導入された水素を含むガスがＭＥＡ９１０の負極に供給される。
【０１０９】
正極集電板９２１の端部には正極リード線９２５が、負極集電板９２２の端部には負極リード線９２６が、それぞれ接続されている。また、これらのリード線９２５、９２６は、抵抗９２７およびスイッチ９２８を介して接続されている。そして、水素消費装置９００によってガス中の水素を消費する必要が生じた場合に、スイッチ９２８を入れ、ＭＥＡ９１０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５００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５００による発電の終了時に、水素供給源６００から燃料電池５００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。
【０１１０】
なお、図９に示す水素消費装置９００では、ＭＥＡ９１０の正極と負極とを、抵抗９２７を介して接続しているが、かかる抵抗９２７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、ＭＥＡ９１０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９２７を用いなくても、このような時間でＭＥＡ９１０の正極−負極間の電圧を前記のように下げることができるのであれば、ＭＥＡ９１０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。
【０１１１】
なお、水素消費装置は、前記の通り、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）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した構成とすることもできる（図１および図５には、燃料電池５００と水素消費装置９００とが一体となった構成を示している。）。このような構成とすることで、燃料電池発電システムの小型化がより容易となる。この場合、水素消費装置として使用するＭＥＡと発電用に使用するＭＥＡとは接続せず、また、水素消費装置で水素を除去したガスを効率よくシステム外に排気でき、かつ効率よく発電できるように、水素消費装置として使用するＭＥＡと発電用に使用するＭＥＡとは、互いに内部のガスが行き来できないように構成する。
【０１１２】
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、前記触媒を含有するフィルター、筒状などの外装体に前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。
【０１１３】
なお、これまで、図１〜図９を用いて本発明の燃料電池発電システムを説明したが、図１〜図９は、本発明の燃料電池発電システム、該システムに使用可能な構成要素の一部、および本発明のシステムで採用し得る判定手段の一例を示したものに過ぎず、本発明の燃料電池発電システムは、これら図３および図４に表したフローチャートで示される判定手段を採用するものや、図１、図２および図５から図９に示す構成要素を有するものに限定される訳ではない。
【０１１４】
本発明の燃料電池発電システムによれば、燃料電池内のガスをシステム外に排出するにあたり、前記ガス中の水素量を低減することができ、また、システムの小型化が容易である。よって、本発明の燃料電池発電システムは、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はじめとして、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。
【実施例】
【０１１５】
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。
【０１１６】
実施例１
＜燃料電池の作製＞
燃料電池５００には、図８に示す構成のもの（ＭＥＡ５１０を３個直列に接続して構成したもの）を２個直列に接続して用いた。
【０１１７】
ＭＥＡ５１０の正極および負極には、５０％Ｐｔ担持カーボン（田中貴金属社製「１０Ｅ５０Ｅ」、Ｐｔ量：０．５ｍｇ／ｃｍ２）と電解質バインダー溶液（アルドリッチ社製、ナフィオン溶液）の混合溶液を塗布して作製したものを用いた。また、固体高分子電解質膜にはデュポン社製「ナフィオン１１２」を用いた。各電極は２５ｍｍ×９２ｍｍ、固体高分子電解質膜は２９ｍｍ×９６ｍｍとした。
【０１１８】
正極パネルプレート５２０には、ステンレス３０４製で厚みが２ｍｍのものを用いた。正極開口部５３０は１×１３ｍｍの長方形型の穴を、図８に示すように各ＭＥＡ５１０の正極拡散層５１１上部に当たる部分全域にわたり、合計７２個配置した。負極パネルプレート５２１も同様の材質、形状とした。すなわち、負極パネルプレート５２１においては、正極パネルプレート５２０に係る酸素導入孔が、負極開口部（図８中、５３１）を形成するための燃料導入孔となる。
【０１１９】
正極集電プレート５２４、５２５ａ、５２５ｂには、ニッケルに金メッキを施した厚み０．３ｍｍのものを用いた。また、正極絶縁プレート５２２には、ガラスエポキシ樹脂製で厚みが０．５ｍｍのものを用いた。正極集電プレート５２４、５２５ａ、５２５ｂ、および正極絶縁プレート５２２の酸素導入孔の配置は、正極パネルプレート５２０の酸素導入孔と共に正極開口部５３０が形成できるような配置とした。
【０１２０】
また、負極集電プレート５２６、５２７ａ、５２７ｂは、正極集電プレート５２４、５２５ａ、５２５ｂと同様の材質、形状とし、負極絶縁プレート５２３も、正極絶縁プレート５２２と同様の材質、形状とした。
【０１２１】
燃料タンク部５２９には、ガラスエポキシ樹脂製で厚み３ｍｍのものを用いた。中央のタンク内部の深さは２ｍｍである。また、シール５２８ａ、５２８ｂには、シリコン製で厚み０．２ｍｍのものを用いた。電極の納まる部分に空いた穴のサイズは２６ｍ×９３ｍｍとした。
【０１２２】
以上の各部材を、図８に示す順序で積層し、ボルト５３２とナット５３３とを用いて締め込んで、ＭＥＡ５１０を３個有する燃料電池５００を２個作製した。
【０１２３】
＜水素消費装置の作製＞
水素消費装置９００には、図９に示す構成のものを用いた。水素消費装置９００のＭＥＡの寸法は、４．０ｍｍ×９．２ｍｍとした。また、ＭＥＡ９１０の構成部材は、前記の燃料電池のＭＥＡと同様のものを用いた。この水素消費装置９００の電極面積は、およそ３，７ｃｍ２であり、その水素消費量は、およそ３００ｍｌ／ｍｉｎであった。
【０１２４】
＜水素供給源（水素製造装置）の作製＞
水素供給源は、図１に示す構成のものを用いた。水容器は、内容積が２５０ｃｍ３のポリプロピレン製の角柱状容器を用い、その中に水を２００ｇ入れた。また、水素発生容器６０３には、内容積２５０ｃｍ３のポリプロピレン製角柱状の容器を用いた。その中に、平均粒径６μｍのアルミニウム粉末（水素発生物質）１０７ｇと、酸化カルシウム（発熱物質）１４．５ｇとを入れた。そして、水供給用の配管１０１、１０２、水素導出用の配管１０３には、内径２ｍｍ、外径３ｍｍのアルミニウム製のパイプを用いた。さらに、水トラップ（凝縮水分離器）８０１には、内容積２０ｃｍ３のポリプロピレン製角柱状の容器を用いた。これらを図１に示す構成にとなるように接続して、水素供給源を組み立てた。
【０１２５】
なお、水素供給源での水素製造時には、ポンプ２０１で水６０２を、０．８〜３．０ｇ／ｍｉｎで水素発生物質６０２に供給した。
【０１２６】
＜燃料電池発電システムの組み立て＞
前記の燃料電池と水素消費装置とを図１に示すように配置して、燃料電池発電システムを組み立てた。この燃料電池発電システムを用いて、下記の発電試験を行った。なお、実施例１の燃料電池発電システムは、図２に示す回路制御部を備えている。
【０１２７】
［発電試験］
水供給ポンプ２０１によって、水容器６０１内の水を水素発生容器６０３に供給して水素を発生させ、外部負荷を用いて、燃料電池５００の発電試験を７．５Ｖの定電圧で２時間行った。なお、燃料電池５００の発電を停止するに際しては、外部負荷を遮断し水供給ポンプ２０１を停止して発電停止処理を開始し、後述する条件を満たした場合に三方形弁３０２を作動させて、水素消費装置９００に余剰の水素を消費させた。
【０１２８】
三方形弁３０２の作動条件は、燃料電池５００の電流値Ｉ１＝１．２Ａ以下の状態が３０秒間保持した場合に作動するように設定した。また、水素消費装置９００の排気口に、モニタリング装置（ＫＯＦＬＯＣ社製「マスフロー８１００」）を取り付け、水素ガスの排出量を検出した。
【０１２９】
比較例１
図２に示す回路制御部を備えていない以外は、実施例１と同様の構成の燃料電池発電システムを組み立て、発電試験を行った。
【０１３０】
なお、比較例１のシステムの発電試験は、燃料電池５００の発電停止処理を開始直後に三方形弁３０２を作動させた以外は、実施例１のシステムの場合と同様の条件で行った。
【０１３１】
実施例１のシステムによる発電試験の結果を図１０に、比較例１のシステムによる発電試験の結果を図１１に、それぞれ示す。図１０および図１１において、横軸は、燃料電池の発電停止処理開始からの時間を示しており、右軸は燃料電池の電流値Ｉ１を、左軸は燃料電池へ供給される水素量および水素消費装置から排出される水素量を、それぞれ示している。
【０１３２】
図１０に示す結果から、実施例１のシステムにおいて、燃料電池５００の電流値Ｉの値が、設定値Ｉ１＝１．２Ａ以下になってから３０ｓｅｃの間で三方形弁３０２を切替えた場合に、水素消費装置から排出される水素量がほぼ０であることから、水素消費装置９００によって水素が消費され、システム外への水素の排出が抑制されていることが分かる。一方、図１１に示す結果から、燃料電池５００の発電停止処理を開始すると同時に三方形弁３０２を切替えた場合、水素消費装置９００からシステム外に水素が排出されている。これらの結果から、燃料電池の発電を停止するに際し、水素供給源から排出される水素量が水素消費装置で消費可能な量になってから、燃料電池への水素供給経路を閉じ、水素供給源から水素消費装置へ水素を供給することが有効であり、燃料電池が水素に長時間曝されることによる劣化を良好に抑制でき、また、システム外に排出される水素量を低減できることが分かる。
【０１３３】
また、実施例１の燃料電池発電システムでの前記の発電試験において、発電継続中に燃料電池へ供給される水素量および水素消費装置から排出される水素量を測定した。図１２に、前記の各水素量が比較的安定した時点でのデータを示す。図１２では、横軸に発電時間を、右軸に水素消費装置から排出される水素量を、左軸に燃料電池へ供給される水素量を、それぞれ示している。図１２から、実施例１のシステムでは、燃料電池による発電継続中に、システム外へ排出されるガス（水素消費装置から排出されるガス）中の水素量が極めて少ないことが分かる。
【０１３４】
また、実施例１の燃料電池発電システムについて、屋内で３日間保存後、燃料電池５００のセル抵抗をミリオームテスター（ＨＩＯＫＩ３５６０ ＡＣ ｍΩ ＨＩＴＥＳＴＥＲ）で計測した。その後、起動前にパージバルブ３１０、三方形弁３０２、３０３および３０４およびポンプ２０１を作動させ、燃料電池５００内に水容器６０１から水を供給し、停止させ、３日後に燃料電池５００のセル抵抗を前記ミリオームテスターで計測した。これらの結果を表１に示す。
【０１３５】
【表１】
2010218929.tif 000003
【０１３６】
表１に示す通り、燃料電池発電システムの燃料電池５００内に水を供給しておくことで、抵抗値が低下しているため、燃料電池の発電を停止するに際し、燃料電池内の水を供給しておくことが有効であることが分かる。
【符号の説明】
【０１３７】
５００    燃料電池
６００    水素供給源
９００    水素消費装置
【図１】
2010218929.tif 000004
【図２】
2010218929.tif 000005
【図３】
2010218929.tif 000006
【図４】
2010218929.tif 000007
【図５】
2010218929.tif 000008
【図６】
2010218929.tif 000009
【図７】
2010218929.tif 000010
【図８】
2010218929.tif 000011
【図９】
2010218929.tif 000012
【図１０】
2010218929.tif 000013
【図１１】
2010218929.tif 000014
【図１２】
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