(57)【要約】【課題】冷却系補機数を少なく、あるいはなくすことができ、小型軽量化が可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。【解決手段】  本発明は、燃料電池スタックと、燃料電池スタックのアノードへ液体燃料を供給する液体燃料供給手段と、燃料電池スタックのカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段を具備する燃料電池において、前記燃料電池スタックの温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段で検出した前記燃料電池スタックの温度に基づいて、前記酸化剤ガス供給手段から供給される酸化剤ガスの供給量を制御する制御手段とを有する燃料電池システムを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロトン導電性固体高分子膜と、前記プロトン導電性固体高分子膜の一方の面に形成され、液体の燃料を酸化するアノードと、前記プロトン導電性固体高分子膜の他方の面に形成され、酸化剤ガスを還元するカソードと、前記アノード及びカソードに前記燃料又は前記酸化剤ガスを供給する流路が形成された一対のセパレータとを有する燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックと、前記アノードへ液体燃料を供給する液体燃料供給手段と、前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段を具備する燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックの温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段で検出した前記燃料電池スタックの温度に基づいて、前記酸化剤ガス供給手段から供給される酸化剤ガスの供給量を制御する制御手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記アノードへ供給する燃料流の顕熱による冷却量よりも前記カソードでの潜熱による冷却量が大きくなるように酸化剤ガスの供給量を制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記セパレータの前記酸化剤ガスを流通するための流路表面は、親水化されていることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１記載の親水化された流路表面と水との接触角は、０°以上３０°以下であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
前記セパレータの前記酸化剤ガスを流通するための流路表面に、炭素からなる環状化合物または炭素と酸素からなる環状化合物がグルコシド結合を介して連結されたセルロース系ポリマーを存在させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５記載のセルロース系ポリマーは、セルロースと導電性粉末を有する混合物を有していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
前記液体燃料はメタノールと水を含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体の燃料を用いた燃料電池システムに関する。より具体的には、アノード，電解質膜，カソード，拡散層から構成される膜／電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）のアノードで液体燃料が酸化され、カソードで酸素が還元される燃料電池の冷却方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近の電子技術の進歩によって、電話器，ノート型パソコン，オーデオ・ビジュアル機器，カムコーダ、あるいは個人情報端末機器などの携帯電子機器が急速に普及している。
従来、こうした携帯用電子機器は二次電池によって駆動するシステムであり、シール鉛蓄電池からＮｉ／Ｃｄ電池，Ｎｉ／水素電池、更にはＬｉイオン二次電池へと新型の高エネルギー密度二次電池の出現により、携帯機器はより小型・軽量化が進んだ。一方では携帯機器の高機能化が図られてきた。種々の二次電池、中でもＬｉイオン二次電池のエネルギー密度をより一層高めるために、電池活物質の開発や高容量電池構造の開発が進められ、より一充電での使用時間の長い電源を実現する努力が払われている。
【０００３】
しかしながら、二次電池は一定の電力を使用したあとに、必ず充電操作を必要とし、充電設備と比較的長い充電時間が必要となるため、携帯機器を何時でも、何処でも、長時間にわたって連続的に駆動するには多くの問題が残されている。今後、携帯機器は増加する情報量とその高速化，高機能化に対応して、より高出力密度で高エネルギー密度の電源、すなわち、連続駆動時間の長い電源を必要とする方向に向かっている。そのために、充電を必要としない小型発電機、即ち、容易に燃料補給ができる小型発電機の必要性が高まっている。
【０００４】
こうした背景から、上記した要請に応え得るものとして燃料電池電源が考えられる。燃料電池は少なくとも固体又は液体の電解質及び所望の電気化学反応を誘起する二個の電極，アノード及びカソードから構成され、その燃料が持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに高効率で変換する発電機である。燃料には純水素をはじめ、化石燃料或いは水などから化学変換された水素、通常の環境で液体或いは溶液であるメタノール，エタノール，アルカリハイドライドやヒドラジン又は加圧液化ガスであるジメチルエーテルなどが用いられる。また、酸化剤ガスには空気又は酸素ガスが用いられる。燃料はアノードにおいて電気化学的に酸化され、カソードでは酸素が還元されて、両電極間には電気的なポテンシャルの差が生じる。このときに外部回路として負荷が両極間にかけられると電解質中にイオンの移動が生起し外部負荷には電気エネルギーが取り出される。このために各種の燃料電池は、火力機器代替の大型発電システム、小型分散型コージェネレーションシステムやエンジン発電機代替の電気自動車電源としての期待は高く、実用化開発が活発に展開されている。
【０００５】
こうした燃料電池の中でも、固体高分子形燃料電池や直接メタノール形燃料電池は、高分子からなる膜状の固体電解質膜が白金等の触媒を担持したカーボン電極で構成されている膜／電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を用いている点が主な特徴である。燃料および酸化剤ガスをこのＭＥＡへ供給するための流路をもち、かつ集電作用を有する一対のセパレータを、燃料や酸化剤ガスの漏洩を防止するシール材を介してＭＥＡを挟持したものを単セルといい、燃料電池は、所望の電力が得られるように、この単セルを複数個直列あるいは並列に接続して構成されている。
【０００６】
燃料電池は、発電時に発熱を伴うことから、適正な温度範囲内で発電を継続させるために冷却手段が講じられている。燃料電池の冷却手段としては、冷却水を循環し、ラジエータ等の熱交換器と冷却ファンを用いて、冷却する方法が一般的であり、特許文献１をはじめ、多数の文献が開示されている。直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）等の液体燃料を用いる燃料電池では、特許文献２に開示されているように、液体燃料自体を熱交換器と冷却ファンにより冷却する方法が用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３８９３９２９号
【特許文献２】特開２００７−３１１３６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の冷却手段は、水冷式と空冷式の２つの方法が挙げられ、主に液体の顕熱を利用した水冷式が用いられている。顕熱による冷却量は、冷却前後のエンタルピー変化によることから、（１）式によって求められる。
【０００９】
冷却量（Ｗ）＝顕熱（Ｊ／ｇ）×冷媒流量（ｇ／ｓ）                ・・・（１）
顕熱は、（２）式で表される。
【００１０】
顕熱（Ｊ／ｇ）＝冷媒比熱（Ｊ／ｇ・℃）×（Ｔout−Ｔin）（℃）   ・・・（２）
ここで、Ｔoutは燃料電池出口側の冷媒温度、Ｔinは燃料電池入口側の冷媒温度である。
【００１１】
ここでは代表例として、液体を水，気体を空気として水冷式と空冷式の冷却効果を比較する。水と空気の冷媒比熱はそれぞれ、室温で約４Ｊ／ｇ・℃および約１Ｊ／ｇ・℃であり、水の比熱の方が約４倍大きい。また、空気の密度は水の密度と比較して約１／１０００であることから、ΔＴが同じ時に空冷式が、水冷式と同じ冷却量を得るためには、空気流量を体積で表すと、水流量の約４０００倍の流量が必要となる。したがって、水冷式は少ない流量で効果的な熱の持ち出しがなされる。
【００１２】
特許文献１および特許文献２で開示されている技術は、液体の顕熱を利用した冷却方法であり、上述したように液体の比熱は大きいため、燃料電池を効率良く冷却することが可能である。しかしながら、熱交換器や冷却ファンのような、液体を冷却するための冷却系補機を用いるため、その設置容積の必要性から燃料電池システムの小型化が困難である。
【００１３】
本発明は、これらの課題を解決するものであり、冷却系補機数を少なく、あるいはなくすことができ、小型軽量化が可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、プロトン導電性固体高分子膜と、前記プロトン導電性固体高分子膜の一方の面に形成され、液体の燃料を酸化するアノードと、前記プロトン導電性固体高分子膜の他方の面に形成され、酸化剤ガスを還元するカソードと、前記アノード及びカソードに前記燃料又は前記酸化剤ガスを供給する流路が形成された一対のセパレータとを有する燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックと、前記アノードへ液体燃料を供給する液体燃料供給手段と、前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段を具備する燃料電池において、前記燃料電池スタックの温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段で検出した前記燃料電池スタックの温度に基づいて、前記酸化剤ガス供給手段から供給される酸化剤ガスの供給量を制御する制御手段とを有する燃料電池システムを特徴とする。
【００１５】
また、制御手段は、アノードへ供給する燃料流の顕熱による冷却量よりもカソードでの潜熱による冷却量が大きくなるように酸化剤ガスの供給量を制御することを特徴とする。また、セパレータの酸化剤ガスを流通するための流路表面が親水化されていることを特徴とする。また、親水化された流路表面と水との接触角は、０°以上３０°以下であることを特徴とする。また、液体燃料がメタノールと水を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、燃料電池ユニットを冷却するための熱交換器や冷却ファンのような冷却系補機の削減が可能となり、小型軽量化やエネルギー効率向上に寄与できる燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施例による燃料電池システム概略構成図である。
【図２】従来の燃料電池システム概略構成図の一例である。
【図３】燃料電池スタックの断面図およびその拡大図である。
【図４】作動流体である水の移動をミクロな視点で概略的に示した図である。
【図５】本発明による作動流体排出量の温度制御フローチャートの一例である。
【図６】本発明の実施形態２における、親水処理を施したセパレータを用いた燃料電池スタックの断面構造図である。
【図７（ａ）】本発明の実施形態２における、発電中の水の状態を示した図である。
【図７（ｂ）】本発明の実施形態２における、作動流体である水の蒸発をミクロな視点で概略的に示した図である。
【図７（ｃ）】本発明の実施形態２における、作動流体である水の凝縮をミクロな視点で概略的に示した図である。
【図８】本発明の実施例２における、発電トレンドを示した図である。
【図９】本発明の比較例２における、発電トレンドを示した図である。
【図１０】本発明の実施例３における、発電トレンドを示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に本発明に係る実施の形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。
【００１９】
〔実施形態１〕
図１は、本実施形態の燃料電池のシステム構成を概略的に示したものである。図１中に示すように、燃料電池システムは、起電部である燃料電池スタック２１，空気を燃料電池スタックへ供給する空気供給ファン３１，液体燃料を燃料電池スタックへ循環供給する燃料循環ポンプ３０，燃料電池スタックへ循環供給する燃料の濃度を調整する混合タンク１２，混合タンクへメタノールおよび水をそれぞれ供給する燃料供給ポンプ３２および水供給ポンプ３３，メタノールあるいは高濃度メタノール水溶液を収納する燃料カートリッジ４０，水を収納する水カートリッジ４１，燃料電池システム全体を制御する制御部５０を備える。
【００２０】
燃料電池スタック２１は、燃料を酸化するアノード４および酸化剤を還元するカソード５がプロトン導電性固体高分子膜の両面に設置されて構成するＭＥＡ１が、セパレータ３を介して複数積層された構造となっている。セパレータ３には、アノード及びカソードにそれぞれ液体燃料及び酸化剤ガスを供給する流路及びマニホールドが形成されている。燃料電池２１は、アノードに液体燃料としてメタノール水溶液を、カソードに酸化剤ガスとして空気をそれぞれ供給されることで発電するものである。
【００２１】
燃料カートリッジ４０および水カートリッジ４１は、それぞれ燃料供給ポンプ３２および水供給ポンプを介して混合タンク１２と接続し、混合タンク内の燃料が所定の濃度，量となるように燃料供給ポンプおよび水供給ポンプを制御することでそれぞれ供給する。各部品の接続には配管を用いるが、配管は金属系や樹脂系チューブ等を用いることができ、特に制限はない。
【００２２】
ここで、水カートリッジおよび水供給ポンプは、燃料カートリッジ内のメタノール濃度を調整したり、カソード側で生成した水を回収し、混合タンクへ供給したりすること等により省略することが可能である。
【００２３】
混合タンク１２は、燃料循環ポンプ３０を介して燃料電池スタック２１のアノード４と接続し、さらにアノード４から排出する燃料が混合タンク１２へ戻るように接続することで、液体燃料を燃料電池スタックへ循環供給する。燃料電池スタックから排出する燃料には、未反応の燃料に加えて電池反応により生成する炭酸ガスを含むため、燃料電池スタック２１と混合タンク１２の間に気液分離器を備えてガス成分を排出しても良い。
【００２４】
燃料電池スタック２１のカソード５には、空気供給ファン３１を接続することによって空気を供給する。カソード５より排出した空気は水分を含むため、混合タンクと接続することで、液化した水を燃料として再利用することができる。
【００２５】
空気供給ファン３１は、供給空気流量を調整する機能を有し、燃料電池スタック２１の温度を温度センサ２２により検出し、検出した温度に基づいて制御部５０によって供給空気流量を制御する。
【００２６】
図３は、燃料電池スタック２１の断面図である。燃料電池スタックは、複数の燃料電池セルの構成体であることから、簡単のためにその中の１セルに着目して説明する。図３中の断面拡大図に示すように、燃料電池スタックは、プロトン導電性固体高分子膜２を介して、燃料を酸化するアノード４と酸化剤ガスを還元するカソード５が対向して配置される。このアノード４およびカソード５にはそれぞれセパレータ３が接しており、燃料および酸化剤ガスは、アノード４あるいはカソード５の面とセパレータ３の溝部で構成される空間を流路として流れることができ、アノード４には燃料を、カソード５には酸化剤ガスを供給できる構成である。
【００２７】
潜熱冷却における作動流体は、水やアルコール、アルコール水溶液等が挙げられ、液体と気体の相変化を起こすものであれば、理論上これらに限定されないが、水は、１ｇ気化する際に２〜２.５Ｊの熱量を吸収する性質を有し、安全で取扱性も良いことから、作動流体として好ましい。
【００２８】
潜熱による冷却量は、（３）式によって求められる。
【００２９】
冷却量（Ｗ）＝潜熱（ｋＪ／kg）×絶対湿度差（kg／kg(ＤＡ)）×流体流量(kg／ｓ)
・・・（３）
潜熱は温度により変化する量で、水の場合には０℃において約２.５ｋＪ／kgである。実用温度の範囲において、潜熱はクラウジウス−クラペイロンの式により求めることができる。
【００３０】
絶対湿度差について、カソード入口側の湿度は、大気を用いる場合には制御不可能な値であるため、絶対湿度差を最大限活用するためには、カソード出口側の相対湿度が１００％となるようにすればよい。
【００３１】
従来技術のように、カソード入口より水蒸気等の作動流体を供給する手段を選択した場合、カソード入口側の温度における飽和水蒸気圧が低いため、含有可能な水分量はわずかとなり、効果的な蒸発潜熱冷却量が得られない。この問題を解決するためにカソード入口側の温度を上げ、飽和水蒸気圧を上げることが考えられるが、新たに昇温手段を導入する必要があり、システム全体が大きくなる懸念がある。
【００３２】
図４は、作動流体である水の移動をミクロな視点で概略的に示した図である。本実施形態において、作動流体となる水は次のようにカソード５へ供給される。一つ目は、発電による反応により、カソードで生成される生成水６である。二つ目は、アノード４へ供給されている燃料９に含まれる水分が、発電により生成して移動するプロトンに随伴し、プロトン導電性固体高分子膜を介してカソード５へ到達する同伴水７である。三つ目は、アノード４へ供給されている燃料９の一部が、プロトン導電性固体高分子内を拡散透過することでカソード５へ到達する拡散水８である。
【００３３】
生成水６および同伴水７は、発電時にのみカソードへ供給される流体であり、その量は電流密度と比例関係にある。一方、拡散水８は発電の有無にかかわらず、カソード５へ供給される。
【００３４】
カソード５へ供給される同伴水７の量および拡散水８の量は、プロトン導電性固体高分子膜の材料特性に依存し、例えばプロトン導電性固体高分子膜内のスルホン酸基の比率を変えたりすることで操作でき、所望の水量が得られる高分子膜を選定すればよい。燃料電池システムを運転する条件範囲内において、生成水，同伴水，拡散水の合計水量が、カソード出口側の相対湿度を常に１００％にできるような水量が好ましい。
【００３５】
さらに、この潜熱冷却量を制御するために、本実施形態においては、式（３）右辺第３項の作動流体の排出流量（流体流量）を可変できる手段を備える。排出流量は、燃料電池スタック２１の温度を好ましくはカソード５の出口温度を監視し、温度変化に応じて流量を制御すればよく、式（３）より、流量を増やせば冷却量が増えることから、温度が上がった時に流量を増やすような制御を行えばよい。作動流体を排出する手段は、カソード５へ空気を供給する手段を利用することが好ましく、空気供給と併用することで、部品点数が増えることなく潜熱冷却制御ができる。図５に、作動流体排出量の温度制御フローの一例を示す。空気供給ファンとして、日本電産コパル電子製エアー動圧ターボファンＴＦ０５０Ａを用いた場合、アナログ電圧を操作することでファンの回転数を制御することができることから、温度に対して入力電圧を制御する方法により作動流体排出流量の変更ができる。図５では、所定の温度範囲毎に入力電圧すなわち作動流体排出流量を制御する構成である。この実施形態のように、空気供給量を変化させて作動流体の排出量を制御することで、スタック温度を所望の温度にすることができる。例えば、スタック温度をＴ２で運転する場合、Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３で必要とされる冷却量を１００％として、Ｔ１では冷却量が８０％、Ｔ２では冷却量が１００％、Ｔ３では冷却量が１２０％となるようにＶ１〜Ｖ３の電圧を設定し、空気供給量を制御することでスタック温度をＴ２で安定させることができる。また、このように連続的に空気供給量を制御して冷却量を制御することにより、起動時から所望の温度に至るまでの起動時間を短縮することが可能である。なお、図５ではＴ１〜Ｔ３の３点の温度条件で空気供給量を制御するフローを示しているが、この温度条件を増やすことで冷却量をより精密に制御することができる。
【００３６】
（実施例１）
図１に示す構成の燃料電池システムを、温度２６℃相対湿度３５％の環境下で定格運転した時の冷却量について評価した。なお、本実施例では、図５に示したフローを用いて、Ｔ１＝５５℃，Ｔ２＝６０℃，Ｔ３＝６５℃，Ｖ１＝２.０Ｖ，Ｖ２＝２.５Ｖ，Ｖ３＝３.０Ｖとしてスタック温度が６０℃で安定するように供給空気流量を制御した。ここで、Ｖ１＝２.０Ｖにおける空気流量は２０Ｌ／min，Ｖ２＝２.５Ｖにおける空気流量は３３Ｌ／min，Ｖ３＝３.０Ｖにおける空気流量は５０Ｌ／minである。
【００３７】
燃料電池スタック２１は、セル数が３１セルで、電流密度を０.１５Ａ／cm2とした定格発電を実施し、５時間発電した。燃料電池２１へ循環供給する燃料は、混合タンク内の燃料濃度が５ｗｔ％のメタノール水溶液となるように、メタノールを充填した燃料カートリッジと純水を充填した水カートリッジから各々供給制御した。定常状態となった時の燃料電池スタック出力は１３０Ｗであった。この定常状態での燃料電池スタック温度、燃料出入口温度および空気出入口温度を熱電対により測定した結果、温度はそれぞれ６１℃，５４℃，６１℃および２６℃，６２℃であった。空気出口の相対湿度は、市販の鏡面露点計で測定した結果、１００％ＲＨであった。燃料の流量は０.１６Ｌ／min、空気流量は３３Ｌ／minであり、これらの測定結果から各冷却量を求めたところ、空気による顕熱冷却量は３５Ｗ、燃料による顕熱冷却量は５４Ｗ、水の潜熱冷却量は１６３Ｗであった。
【００３８】
（比較例１）
図２は従来の実施形態における燃料電池システム構成を概略的に示したものである。本構成の燃料電池システムを、実施例１と同様に温度２５℃環境湿度３７％の環境下で、スタック温度が６０℃になるように空気出口温度６０℃以上で冷却ファンが作動するように制御して定格運転したときの冷却量について評価した。
【００３９】
燃料電池スタック２１は、セル数が３１セルで、電流密度を０.１５Ａ／cm2とした定格発電を実施し、５時間発電した。燃料電池２１へ循環供給する燃料は、混合タンク内の燃料濃度が５ｗｔ％のメタノール水溶液となるように、メタノールを充填した燃料カートリッジと純水を充填した水カートリッジから各々供給制御した。定常状態となった時の燃料電池スタック出力は１３５Ｗであった。この定常状態での燃料電池スタック温度、燃料出入口温度および空気出入口温度を熱電対により測定した結果、温度はそれぞれ６３℃、４２℃，６３℃および２５℃，６４℃であった。空気出口の相対湿度は、市販の鏡面露点計で測定したところ、１００％ＲＨであった。燃料の流量は０.１６Ｌ／min、空気流量は１３Ｌ／minであり、これらの測定結果から各冷却量を求めたところ、空気による顕熱冷却量は１７Ｗ、燃料による顕熱冷却量は２２２Ｗ、水の潜熱冷却量は２０Ｗであった。
【００４０】
実施例１と比較例１では、定常時の燃料電池スタック出力およびスタック温度はほぼ同等の値を示しているが、実施例１では、ラジエータ３４および冷却ファン３５を備えていないため、これらの容積分のシステム容積低減ができる。また補機損失は、比較例１に比べて冷却ファン３５の消費電力分の低減ができ、小型化に加えて電力の効率向上ができる。
【００４１】
〔実施形態２〕
図６は、本発明の親水処理を施したセパレータを用いたスタックの断面構造である。セパレータ３の酸化剤ガス流路表面に親水処理層６１を備える。親水処理方法は、ブラスト処理等により流路表面の粗さを増すことで、毛管力による見かけ上の接触角を小さくする方法、基材が金属の場合、塩酸，硝酸，硫酸，フッ酸のような酸に浸漬することで、表面に水酸基を設け、接触角を小さくする方法、酸素プラズマにより、表面を酸化処理する方法，アクリル樹脂，スチレン樹脂，ポリエステル樹脂，アセタール樹脂，ポリカーボネート等のような分子内にエステル結合を有する材料の場合、塩基性の溶液に浸漬することでエステル結合を切断し、親水性の高いカルボン酸塩および／或いは水酸基を生成する方法、蒸着やスパッタ等により流路表面に金属酸化物を形成したり、金属粒子や金属酸化物粒子を含む分散液或いは溶液を用いた塗料を流路表面に塗布する方法等が挙げられるが、これ以外にも特に限定されるものではなく、所望の親水処理方法を選択し、必要であれば複数の処理を組み合わせて親水処理を行えばよい。
【００４２】
この親水処理により潜熱による温度制御が向上することを、図７を用いて説明する。
【００４３】
図７（ａ）は、発電中の水の状態を示した図である。発電中は、流路内の蒸気圧が飽和に達するため、流路壁面において水は、液体と気体の相変化が平衡状態にある。流路壁面の親水性が高いと、水と流路表面との表面張力が水同士の表面張力よりも強いため、流路壁面に水膜が形成される。
【００４４】
燃料電池の発電量が可変なシステム構成である場合、システム運転中に燃料電池スタックの発電量を変えると発熱量も変化するが、このような過渡状態においては、燃料電池スタック構成部材の熱伝達率を考慮する必要がある。したがって、スタック温度の監視のみでは温度制御開始までに時差が生じることがあり、条件によっては出力が安定する定常状態となるまでに時間を要する場合がある。そこで、図７（ａ）のように流路表面に親水処理層を設け、水を凝縮させて保持することで、起動直後や発電量変更に起因する急激な発熱量増加により、プロトン導電性固体高分子膜を介した作動流体の供給量が追随できない場合でも、流路壁面の水分が蒸発することで不足分を補完することができる。また、親水処理層の親水性により、保持した水の水膜の厚みを薄くすることで、流路閉塞に起因するカソードへの空気供給量の低下を抑制することができる（図７（ｂ））。反対に、急激に燃料電池スタックの発熱量が低下した場合には、流路内の水蒸気が流路内で凝縮し、凝縮熱により発熱することで急激な温度変化を緩和すると同時に、親水処理層の親水性で凝縮水による流路閉塞を抑制する（図７（ｃ））。このように親水処理層を設けることで、潜熱による発熱量あるいは冷却量を補完し、定常状態となるまでの時間を短縮することができる。
【００４５】
水膜の厚みは、流路表面と水との接触角と比例関係にあるため、流路表面と水との接触角は小さいほど良く、接触角は３０°以下が好ましい。さらには、接触角を２０°以下にすると、より好ましい。
【００４６】
（実施例２）
セパレータ３のカソード流路となる側の面に、末端がグリシジル基のシランカップリング材を１重量部、親水性アルミナ２０重量％分散液を１５重量部、溶媒としてエタノールを２００重量部混合調整した液を塗布し、塗布後のセパレータを恒温槽へ投入し、１００℃×３時間の条件で加熱乾燥した。乾燥後、室温環境下にて冷却した。この塗布工程を２度行うことで、親水処理層６１を設けた。親水処理層を備えた面の水との接触角は、約１１°であった。
【００４７】
このセパレータを用いてセルを組み立て、５℃環境下で、起動から２０００秒間の定電流発電を実施した。電流密度は０.１５Ａ／cm2で、燃料濃度は５ｗｔ％の燃料を循環供給し、酸化剤利用率が４０％となる空気流量をセルへ供給した。セル電圧は、起動後２５０秒付近で若干の不安定な挙動がみられたが、それ以降は安定発電を実現した（図８）。
【００４８】
（比較例２）
セパレータに親水処理層を設けず、５℃環境下で、起動から２０００秒間の定電流発電を実施した。電流密度は０.１５Ａ／cm2で、燃料濃度は５ｗｔ％の燃料を循環供給し、酸化剤利用率が４０％となる空気流量をセルへ供給した。セル電圧は、起動後２５０秒付近から、６００秒付近まで不安定な挙動を示し、その後安定した（図９）。
【００４９】
実施例２は、比較例２と比較して、セル電圧の不安定さが小さくなっている。これは親水処理層の親水性により、凝縮水による流路内の閉塞が抑制されているためと推定できる。また、発電特性が安定となる定常状態に移行するまでの時間が短縮されている。これは親水処理層の親水性により、凝縮水の許容保持量が増加したことで、凝縮による潜熱起因の発熱量が増大し、スタックの昇温速度が向上したためと推定できる。すなわち、親水処理層の作用により、発電性能は過渡状態でも安定し、潜熱による温度制御が向上したと説明できる。
【００５０】
〔実施形態３〕
実施形態２では、親水処理層による効果について説明したが、この親水処理層の代わりにセルロース系ポリマーを用いた処理を施しても良い。
【００５１】
セルロースは、分子内に疎水性と親水性の両部分を有する高分子であり、イス型のグルコピラノース環に対して水平方向には水酸基が配置されており、垂直方向にはＣ−Ｈ基のみが配置されている。すなわち、水酸基は配置されている面が親水性を有し、Ｃ−Ｈ基の配置されている面が疎水性を有する。このため、セパレータ表面に塗布等によりセルロース層を設けると、その表面には疎水性と親水性とを併せ持つ特異な面が形成される。この結果、セパレータ上の流路は、親水性に起因する水による流路閉塞の抑制効果と、疎水性に起因する排水性の向上効果を有した面が形成できる。
【００５２】
セルロースは単体では導電性が低いため、導電性材料を混合したり、酸化処理等によりカルボキシル基をセルロース分子に配置したりすることで導電性を向上させることが好ましい。導電性を向上すなわち電気抵抗を低減することができれば、混合する導電性材料の種類や酸化処理方法について特に制限はない。
【００５３】
（実施例３）
セパレータ３のカソード流路となる面に酢酸セルロースとアセチレンブラックと１−メチル−２−ピロリドンからなる混合物を塗布した。１−メチル−２−ピロリドンの添加量（すなわち、酢酸セルロースの濃度を意味する。）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良く、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（一般にスラリと称される。）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およびリブに塗布した。塗布量は、単位面積当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。
【００５４】
塗布量は上述の数値に限定されず、リブと電極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、塗布量を増加させても減少させても良い。接触抵抗は、アセチレンブラック等の導電性材料の混合比で調整可能である。
【００５５】
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。この酸素元素が水との親和性を示しつつ、セルロース分子全体は疎水性を有しているので、水に対して特異な表面状態を提供する。すなわち、水に対し親水性と疎水性の両方の表面を形成する。
【００５６】
上述のアルコール基は、他のカルボン酸（ＣＨ3ＣＨ2ＣＯＯＨ，Ｃ6Ｈ5ＣＯＯＨ等の有機カルボン酸、および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。本発明では、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。
【００５７】
また、アセチレンブラックは、酢酸セルロースとの混合によって、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。
【００５８】
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，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良い。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。
【００５９】
本実施例では、カソード流路側の面に酢酸セルロースとアセチレンブラックの塗膜を形成した。アノードおよびカソード両面に、塗膜を形成しても良い。
【００６０】
このセパレータを用いてセルを組み立て、５℃環境下で、起動から２０００秒間の定電流発電を実施した。電流密度は０.１５Ａ／cm2で、燃料濃度は５ｗｔ％の燃料を循環供給し、酸化剤利用率が４０％となる空気流量をセルへ供給した。セル電圧は、起動直後から安定な発電を実現した（図１０）。この理由は、凝縮水が増えると水膜の厚みが増すが、酢酸セルロースの作用により、流路の排水性が向上し、余剰な凝縮水を排水できたためと説明できる。
【００６１】
以上に示した実施例は代表的な例であり、これらのみに限定されるものではなく、本発明で説明した要旨を変更しない範囲で実施することが可能であり、本発明の効果である小型軽量化やエネルギー効率向上に寄与できる燃料電池を提供することができる。
【符号の説明】
【００６２】
１  ＭＥＡ（膜／電極接合体）
２  プロトン導電性固体高分子膜
３  セパレータ
４  アノード
５  カソード
６  生成水
７  同伴水
８  拡散水
９  燃料
１０  燃料タンク
１１  水タンク
１２  混合タンク
２１  燃料電池スタック
２２  温度センサ
３０  燃料循環ポンプ
３１  空気供給ファン
３２  燃料供給ポンプ
３３  水供給ポンプ
３４  ラジエータ
３５  冷却ファン
３６  空気供給ポンプ
４０  燃料カートリッジ
４１  水カートリッジ
５０  制御部
６１  親水処理層
６２  水膜
６３  蒸発
６４  凝縮
【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（ａ）】
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【図７（ｂ）】
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【図７（ｃ）】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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