(57)【要約】【課題】燃料極中のＣＯ濃度および過酸化水素発生量を低減する。【解決手段】燃料電池システムに、第１ガス流路を形成する第１ガス流路板４４と第１ガス拡散層４３と第１触媒層４２とを積層した第１電極４１と、第２ガス流路を形成する第２ガス流路板５４と第２ガス拡散層５３と第２触媒層５２とを積層した第２電極５１と、これらの電極に挟まれる高分子電解質膜１７と、第１ガス流路と第２ガス流路とを連結する中間配管６５と、第１電極４１と第２電極５１との間に電圧を印加する電源とを備えたＣＯ低減装置４０を設ける。第１ガス流路は、燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給源に連結されている。第２ガス流路は、燃料電池の燃料極に連結されている。【選択図】図１
2010146744.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極と酸化剤極とを備えた燃料電池と、
前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給源と、
前記燃料ガス供給源に連結された第１ガス流路が形成されて触媒を含有する第１電極と、前記燃料極に連結された第２ガス流路が形成されて触媒を含有する第２電極と、前記第１電極および前記第２電極で挟まれた高分子電解質膜と、前記第１ガス流路と前記第２ガス流路とを連結する流路を形成する中間流路形成体と、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加する電源と、を備えたＣＯ低減装置と、
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ＣＯ低減装置の温度を測定する温度計と、
前記ＣＯ低減装置の温度に基づいて前記電源が印加する電圧を制御する制御装置と、
を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記第１ガス流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス追加供給装置をさらに有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記酸化剤ガス追加供給装置は、前記酸化剤極に供給される酸化剤ガスの一部を前記第１ガス流路に供給するものであることを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
燃料電池の燃料極に供給される燃料ガス中のＣＯを低減させるＣＯ低減装置において、
前記燃料ガスが供給される第１ガス流路が形成されて触媒を含有する第１電極と、
前記燃料極に連結された第２ガス流路が形成されて触媒を含有し、前記第１電極との間に電圧を印加可能に設けられた第２電極と、
前記第１電極および前記第２電極で挟まれた高分子電解質膜と、
前記第１ガス流路と前記第２ガス流路とを連結する流路を形成する中間流路形成体と、
を有することを特徴とするＣＯ低減装置。
【請求項６】
燃料電池の燃料極に供給される燃料ガス中のＣＯを低減させるＣＯ低減装置において、
前記燃料ガスが供給される第１ガス流路が形成されて触媒を含有する第１電極と、
上流側が前記第１ガス流路の下流側に連結され下流側が前記燃料極に連結された第２ガス流路が形成されて触媒を含有し、前記第１電極との間に電圧を印加可能に設けられた第２電極と、
前記第１電極および前記第２電極で挟まれた高分子電解質膜と、
を有することを特徴とするＣＯ低減装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＯ低減装置およびそれを用いた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、水素などの燃料と空気などの酸化剤を燃料電池に供給して、電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換して外部へ取り出す発電装置である。この燃料電池システムは、比較的小型であるにもかかわらず高効率で、環境性に優れている。また、発電に伴う発熱を温水や蒸気として回収することにより、コージェネレーションシステムとしての適用が可能である。このため、工場や病院などの業務用、一般家庭用、自動車用など、幅広い用途への採用が期待されている。
【０００３】
こうした燃料電池システムに用いられる燃料電池には、たとえば固体高分子形燃料電池がある。固体高分子形燃料電池は、高分子電解質膜の両面に燃料極および酸化剤極を接合した膜電極接合体を、その両側に燃料ガス流路および酸化剤ガス流路が形成されたセパレータで挟んだ構造を有している。また、燃料極および酸化剤極の一部を構成する触媒層は、白金や白金合金などの金属触媒を担持した炭素担体と高分子電解質との複合体で形成されている。一般に、燃料電池は、このような構造を備えた単セルを多数積層してなるスタックを有している。
【０００４】
燃料極に供給される水素は、たとえば都市ガスなどの炭化水素系ガスをあらかじめ改質器で水素を主成分とした燃料ガスに改質して供給される。この場合、燃料極に供給される燃料ガスは、ＣＯを含んでいる可能性がある。供給される燃料ガス中のＣＯ濃度が高いと、燃料極中の白金触媒が被毒され、燃料電池システムの特性が大幅に低下することがある。こうしたＣＯ被毒及び燃料電池システムの特性低下を防止する手段として、燃料極に微量の空気を追加供給し、燃料極内の触媒に被毒しているＣＯを酸化除去し、触媒上のＣＯ被毒を解消することで燃料電池システムの特性低下を防止する方法がある（たとえば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−２４１２３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料極に微量の空気を追加供給し、燃料極内の触媒に被毒しているＣＯを酸化除去する方法では、燃料極内に酸素分子が存在することとなる。燃料極の電極電位は水素電極電位に近く、この電極電位で酸素分子が水に還元される際には副生成物である過酸化水素生成量が急激に増加することが知られている。
【０００６】
過酸化水素やその分解物であるヒドロキシラジカルは、燃料電池の高分子電解質膜劣化を顕著に加速する。また、燃料ガス中に含まれるＣＯ濃度が高い場合には、燃料極に追加供給する空気流量を増加する必要がある。空気流量が増加すると燃料極中での過酸化水素生成量も増加するため、高分子電解質膜劣化がさらに加速する。
【０００７】
そこで、本発明は、燃料極中のＣＯ濃度および過酸化水素発生量を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の目的を達成するため、本発明は、燃料電池システムにおいて、燃料極と酸化剤極とを備えた燃料電池と、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給源と、前記燃料ガス供給源に連結された第１ガス流路が形成されて触媒を含有する第１電極と、前記燃料極に連結された第２ガス流路が形成されて触媒を含有する第２電極と、前記第１電極および前記第２電極で挟まれた高分子電解質膜と、前記第１ガス流路と前記第２ガス流路とを連結する流路を形成する中間流路形成体と、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加する電源と、を備えたＣＯ低減装置と、を有することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、燃料電池の燃料極に供給される燃料ガス中のＣＯを低減させるＣＯ低減装置において、前記燃料ガスが供給される第１ガス流路が形成されて触媒を含有する第１電極と、前記燃料極に連結された第２ガス流路が形成されて触媒を含有し、前記第１電極との間に電圧を印加可能に設けられた第２電極と、前記第１電極および前記第２電極で挟まれた高分子電解質膜と、前記第１ガス流路と前記第２ガス流路とを連結する流路を形成する中間流路形成体と、を有することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、燃料電池の燃料極に供給される燃料ガス中のＣＯを低減させるＣＯ低減装置において、前記燃料ガスが供給される第１ガス流路が形成されて触媒を含有する第１電極と、上流側が前記第１ガス流路の下流側に連結され下流側が前記燃料極に連結された第２ガス流路が形成されて触媒を含有し、前記第１電極との間に電圧を印加可能に設けられた第２電極と、前記第１電極および前記第２電極で挟まれた高分子電解質膜と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、燃料極中のＣＯ濃度および過酸化水素発生量を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明に係る燃料電池システムの実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１３】
［第１の実施の形態］
図２は、本発明に係る燃料電池システムの第１の実施の形態におけるブロック図である。図３は、本実施の形態における単電池の断面図である。
【００１４】
燃料電池システム７１は、燃料電池１２と、燃料ガス供給源２１と、酸化剤ガス供給源３１と、ＣＯ低減装置４０と、制御装置５０とを有している。燃料電池１２は、燃料極８２および酸化剤極９２を備えており、たとえば複数の単電池１０を積層したものである。
【００１５】
燃料ガス供給源２１と燃料電池１２の燃料極８２との間は、燃料ガス供給配管２２で連結されている。酸化剤ガス供給源３１と燃料電池１２の酸化剤極９２との間は、酸化剤ガス供給配管３２で連結されている。また、燃料電池１２の燃料極８２には、燃料ガス排出配管２３が連結されている。燃料電池１２の酸化剤極９２には、酸化剤ガス排出配管３３が連結されている。
【００１６】
燃料ガス供給源２１は、たとえば都市ガスなどの炭化水素系ガスを、水素を含む燃料ガスに改質する改質器である。酸化剤ガス供給源３１は、たとえば大気中の空気を供給するブロアやポンプである。酸化剤ガス供給源３１として、酸素ボンベや空気ボンベを用いることもできる。
【００１７】
ＣＯ低減装置４０は、燃料ガス供給配管２２の途中に設けられている。制御装置５０は、ＣＯ低減装置４０を制御可能に設けられている。
【００１８】
単電池１０は、燃料極８２および酸化剤極９２で高分子電解質膜１６を挟み込んで形成される。燃料極８２は、高分子電解質膜１６に面する燃料極触媒層８３に、燃料極ガス拡散層８４および燃料極ガス流路板８５を順次積層したものである。燃料極ガス流路板８５には、燃料極ガス拡散層８４に面するように燃料ガス流路８８が形成されている。燃料極ガス拡散層８４は、カーボンペーパーやカーボンクロス、またはこれらに炭素粉末を結着したもので形成されている。燃料極触媒層８３は、炭素担体と、金属粒子および電解質で形成されている。この金属粒子は、たとえば白金とルテニウムの合金であり、炭素担体に担持されて燃料極触媒層８３中に保持されている。
【００１９】
酸化剤極９２は、高分子電解質膜１６に面する酸化剤極触媒層９３に、酸化剤極ガス拡散層９４および酸化剤極ガス流路板９５を順次積層したものである。酸化剤極ガス流路板９５は、酸化剤極ガス拡散層９４に面するように酸化剤ガス流路９８を形成している。酸化剤極ガス拡散層９４は、カーボンペーパーやカーボンクロス、またはこれらに炭素粉末を結着したもので形成されている。酸化剤極触媒層９３は、炭素担体と、この炭素担体に担持された金属微粒子および電解質で形成されている。この金属微粒子は、たとえば白金もしくは白金とコバルトの合金である。
【００２０】
また、高分子電解質膜１６は、燃料極触媒層８３および燃料極ガス拡散層８４、ならびに、酸化剤極触媒層９３および酸化剤極ガス拡散層９４から外周部分がはみ出すように形成されている。このはみ出した高分子電解質膜１６と、燃料極ガス流路板８５および酸化剤極ガス流路板９５との間には、それぞれ燃料極ガスケット８７および酸化剤極ガスケット９７が設けられている。燃料極ガス流路板８５は、隣り合う単電池１０の酸化剤極ガス流路板９５と一体として形成してもよい。
【００２１】
図１は、本実施の形態におけるＣＯ低減装置のブロック図である。
【００２２】
ＣＯ低減装置４０は、第１電極４１と、第２電極５１と、高分子電解質膜１７と、中間配管６４と、電源１８とを有している。ＣＯ低減装置４０の高分子電解質膜１７は、第１電極４１および第２電極５１で挟まれている。また、電源１８には、制御装置５０が接続されている。制御装置５０には、ＣＯ低減装置４０の温度を測定する温度計１９が接続されている。
【００２３】
第１電極４１は、燃料ガス供給源２１に連結された第１ガス流路が形成されていて、触媒を含有している。より具体的には、第１電極４１は、第１触媒層４２と、第１ガス拡散層４３とを有している。また、第１電極４１は、第１ガス流路が形成された第１ガス流路板４４を備えている。第１触媒層４２は、高分子電解質膜１７に接合されている。第１ガス拡散層４３は、第１触媒層４２に接合されている。第１ガス流路板４４は、第１ガス拡散層４３に接合されている。
【００２４】
第１ガス流路板４４が形成する第１ガス流路の上流側には、第１ガス配管４５が接続されている。第１ガス配管４５は、燃料ガス供給配管２２を介して燃料ガス供給源２１に接続されている。
【００２５】
第２電極５１は、下流側が燃料極８２に連結された第２ガス流路が形成されていて、触媒を含有している。より具体的には、第２電極５１は、第２触媒層５２と、第２ガス拡散層５３とを有している。また、第２電極５１は、第２ガス流路が形成された第２ガス流路板５４を備えている。第２触媒層５２は、高分子電解質膜１７に接合されている。第２ガス拡散層５３は、第２触媒層５２に接合されている。第２ガス流路板５４は、第２ガス拡散層５３に接合されている。
【００２６】
第２ガス流路板５４が形成する第２ガス流路の下流側には、第２ガス配管５５が接続されている。第２ガス配管５５は、燃料ガス供給配管２２を介して燃料電池１２の燃料極８２に接続されている。
【００２７】
第１触媒層４２および第２触媒層５２は、金属微粒子が担持された炭素担体と、高分子電解質で形成されている。この金属粒子は、ルテニウム、もしくは、白金とルテニウムの合金であり、炭素担体に担持されて高分子電解質膜１７に固定されている。
【００２８】
第１ガス拡散層４３および第２ガス拡散層５３は、カーボンペーパーやカーボンクロス、またはこれらに炭素粉末を結着したもので形成されている。第１ガス流路板４４および第２ガス流路板５４は、炭素あるいは金属などの電子伝導性を持つ材料で形成されている。
【００２９】
中間配管６４は、第１ガス流路板４４に形成された第１ガス流路の下流側と第２ガス流路板５４に形成された第２ガス流路の上流側とを連結する中間流路を形成している。電源１８は、第１電極４１と第２電極５１との間に電圧を印加する。電源１８が第１電極４１と第２電極５１との間に印加する電圧は、制御装置５０によって制御される。制御装置５０は、温度計１９が測定したＣＯ低減装置４０の温度に基づいて電源１８が印加する電圧を制御する。
【００３０】
このような燃料電池システム７１を用いて、燃料電池１２の燃料極８２に高純度水素を燃料ガスとして供給し、酸化剤極９２に空気などの酸化剤ガスを供給することにより、燃料電池１２は発電する。このようにして発電する燃料電池１２から、外部に電流を取り出して利用される。
【００３１】
燃料ガス供給源２１から供給される燃料ガスは、燃料ガス供給配管２２を通ってＣＯ低減装置４０に送られる。ＣＯ低減装置４０は、供給される燃料ガス中に含まれる一酸化炭素（ＣＯ）の濃度を低減する。ＣＯ濃度が低減された燃料ガスは、燃料電池１２の燃料ガス流路８８に供給される。燃料ガス流路８８から排出される燃料ガスは、燃料ガス排出配管２３を通って排出される。
【００３２】
酸化剤ガス供給源３１から供給される酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給配管３２を通って燃料電池１２の酸化剤極９２に供給される。酸化剤極９２から排出される酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出配管３３を通って排出される。
【００３３】
次に、本実施の形態のＣＯ低減装置４０の動作について説明する。
【００３４】
燃料ガス供給配管２２から送られてきた燃料ガスは、第１ガス配管４５を点線の矢印４６の方向に流れて第１ガス流路板４４に供給される。第１ガス流路板４４に供給された燃料ガスは、第１ガス流路板４４が形成する第１ガス流路内を流れる。第１ガス流路板４４から排出された燃料ガスは、中間配管６４を点線の矢印６５の方向に流れて、第２ガス流路板５４に供給される。
【００３５】
第２ガス流路板５４に供給された燃料ガスは、第２ガス流路板５４が形成する第２ガス流路内を流れる。第２ガス流路板５４から排出された燃料ガスは、第２ガス配管５５を通って燃料電池１２の燃料極８２に供給される。
【００３６】
第１ガス流路板４４が形成する第１ガス流路内の燃料ガスは、第１ガス拡散層４３内を拡散し、第１触媒層４２に至る。このとき、燃料ガスに含まれるＣＯは、第１の触媒層４２内の白金−ルテニウム合金触媒上に吸着される。
【００３７】
第１触媒層４２の電位が、第２触媒層５２の電位に対して所定の電位差（ＣＯ酸化開始電位）以上とすると、第１触媒層４２内の白金−ルテニウム合金触媒に吸着したＣＯは、次式に従って電気化学的に酸化される。
【００３８】
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−      …（式１）
また、この際、燃料ガス中の一部の水素は、次式に従って電気化学的に酸化される。
【００３９】
Ｈ２  →  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−      …（式２）
このようにして、第１触媒層４２内で発生したプロトン（Ｈ＋）は、ＣＯ低減装置４０の高分子電解質膜１７を介して第２触媒層５２に移動する。第２触媒層５２に移動したプロトンは、第２触媒層５２内の白金−ルテニウム合金触媒で、次式に従って水素に還元される。
【００４０】
２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−  →  Ｈ２      …（式３）
第２触媒層５２内で還元された水素は、第２ガス拡散層５３を拡散し第２ガス流路板５４が形成する第２流路に至る。第１電極４１から中間配管６４を通って第２電極５１に送られた燃料ガスは、このプロトン還元反応によって生成した水素と合流し、第２ガス配管５５を点線の矢印５６の方向に流れて燃料電池１２の燃料極８２に供給される。
【００４１】
図４は、５０℃で白金−ルテニウム合金触媒を用いた電極にＣＯを供給した場合の電極電位走査を示すグラフである。図４には、比較のため電極にＣＯを供給しない場合の電極電位走査を併せて示す。図４の横軸は電極間の電位（Ｖ）、縦軸は電流値（ｍＡ）を示す。
【００４２】
電極にＣＯを供給した場合、電極電位を走査していくと、０．３Ｖを超える電位以上で、式１に従ったＣＯ酸化に起因する電流が検出された。一方、電極にＣＯを供給しない場合、電極電位を走査しても電流値に大きな変化は見られなかった。この結果は、白金−ルテニウム合金触媒を用いた電極において、５０℃ではＣＯは０．３Ｖ以上でＣＯ２に酸化されることを示している。つまり、白金−ルテニウム合金触媒を用いた電極において、５０℃ではＣＯ酸化開始電位は約０．３Ｖである。
【００４３】
図５は、白金−ルテニウム触媒を用いた電極におけるＣＯ酸化開始電位の温度変化を示すグラフである。電極の温度は、５０℃〜８０℃の範囲で変化させた。
【００４４】
図５から、ＣＯ酸化開始電極電位と電極温度は直線関係にあり、電極温度が低いほどＣＯ酸化開始電位は高くなることがわかる。したがって、電極間の電位差を、電極の温度に応じて図５において斜線で示した部分とすることによって、ＣＯはＣＯ２に酸化されるということができる。
【００４５】
そこで、本実施の形態の制御装置５０は、温度計１９が測定した第１触媒層４２の温度に応じて電源１８を制御して、第１触媒層４２と第２触媒層５２との電位差が図５の斜線の部分の電位差となるようにする。たとえば、第１触媒層４２の温度が５０℃である場合は、第１触媒層４２の電位を第２触媒層５２の電位に対して０．３Ｖ以上に設定する。これにより、第１触媒層４２内の白金−ルテニウム合金触媒に吸着したＣＯは、式１に従って電気化学的に酸化される。その結果、ＣＯ低減装置４０から燃料極８２に供給される燃料ガス中のＣＯ濃度は、低減される。
【００４６】
ここで、制御装置５０は、第１触媒層４２の温度を監視するとしたが、第１電極４１全体の温度としても良い。また、制御装置５０は、第１触媒層４２と第２触媒層５２の間の電圧差を制御するとしたが、第１電極４１と第２電極５１の間の電圧差を制御するとしても良い。第１触媒層４２と第２触媒層５２とに含有される触媒は白金とルテニウムの合金としているが、それぞれ式１および式３の反応を起こさせる触媒であればどのようなものでもよい。
【００４７】
このように、ＣＯ低減装置４０から燃料極８２に供給される燃料ガスは、ＣＯ濃度が低減されている。このため、燃料極８２内の触媒におけるＣＯ被毒による燃料電池１２および燃料電池システム７１の特性低下を抑制し、燃料電池システム７１の特性を維持できる。
【００４８】
また、ＣＯ濃度の低減させるために燃料ガス中に酸素を混合する方法では、燃料極８２に供給される燃料ガスに酸素が残存していると燃料極８２における過酸化水素の発生が問題となる場合がある。しかし、本実施の形態のＣＯ低減装置４０では、燃料ガス中に酸素を混合させていないため、燃料極８２における過酸化水素の発生は抑制される。なお、燃料ガス中のＣＯ濃度は低減されているため、燃料電池１２の高分子電解質膜１６の劣化を加速しない程度の微量の空気を燃料極８２に追加供給することによって、さらに燃料極８２でのＣＯ濃度を低減することもできる。これにより高分子電解質膜１６の劣化を加速することなく、燃料電池システム７１の特性を維持することができる。
【００４９】
本実施の形態において、ＣＯ低減装置４０は一段構成であるが、直列に連結して多段にしても良い。この場合、ＣＯ低減装置４０から排出される燃料ガス中のＣＯ濃度はより低減されることになる。
【００５０】
また、ＣＯ低減装置４０を、たとえば複数積層して、改質器から送られてくる燃料ガスを並列してＣＯ低減装置４０に供給しても良い。この場合、ＣＯ低減装置４０は、より多くの燃料ガスを処理できるようになる。
【００５１】
本実施の形態では、制御装置５０で第１電極４１の温度を監視し、その温度を基に第１電極４１と第２電極５１の間の電位差を制御したが、電位差を固定しても良い。その際には、燃料電池システム７１を運転する際に想定される第１電極４１の最低温度に応じて電位差を設定する。この最低温度がたとえば−２０℃の場合には、図５より、第２電極５１の電位に対する第１電極４１の電位を０．５Ｖ以上に保持する。
【００５２】
また、ＣＯ低減装置４０の一部または全部を、燃料電池システム７１から取り外し可能に設けておいてもよい。たとえば、第１電極４１と、第２電極５１と、高分子電解質膜１７との積層体を、燃料電池システム７１から取り外し可能に設けておく。この場合、第１電極４１あるいは第２電極５１の触媒の劣化などによってＣＯ低減装置４０の性能が低下したとしても、これらを交換することによりシステム全体としての長寿命化を図ることができる。
【００５３】
［第２の実施の形態］
図６は、本発明に係る燃料電池システムの第２の実施の形態におけるブロック図である。
【００５４】
本実施の形態の燃料電池システム７２は、第１の実施の形態の燃料電池システム７１（図２参照）に、酸化剤ガス追加供給手段を追加したものである。酸化剤ガス追加供給手段は、酸化剤ガス追加供給装置６１と、第１酸化剤ガス追加供給配管６２と、第２酸化剤ガス追加供給配管６３を備えている。第１酸化剤ガス追加供給配管６２は、酸化剤ガス供給配管３２の途中から分岐している。第２酸化剤ガス追加供給配管６３は、燃料ガス供給配管２２に連結されている。酸化剤ガス追加供給装置６１は、第１酸化剤ガス追加供給配管６２および第２酸化剤ガス追加供給配管６３に接続されている。
【００５５】
第１酸化剤ガス追加供給配管６２は、酸化剤ガス供給配管３２を流れる空気の一部を酸化剤ガス追加供給装置６１に送る。酸化剤ガス追加供給装置６１は、その空気の流量を調整し、第２酸化剤ガス追加供給配管６３を介して燃料ガス供給配管２２に供給する。酸化剤ガス追加供給装置６１が燃料ガス供給配管２２に追加供給する空気の流量は、制御装置５０によって制御される。追加供給される空気流量は、ＣＯ低減装置４０に供給される前の燃料ガスに含まれるＣＯ量に対して、モル比で（１／２）倍となる酸素を含み、かつ空気流量はＣＯ低減装置４０に供給される前の燃料ガスに含まれるＨ２量に対して２５％未満となるようにする。
【００５６】
本実施の形態では、ＣＯ低減装置４０内の第１電極４１（図１参照）には、燃料ガスと空気が供給される。燃料ガス中のＣＯは、第１触媒層４２（図１参照）に含まれる白金−ルテニウム触媒上で、式４に従って酸素と反応してＣＯ２となる。
【００５７】
２ＣＯ＋Ｏ２  →  ＣＯ２      …（式４）
ここで、追加供給される空気流量は、ＣＯ低減装置４０に供給される前の燃料ガスに含まれるＣＯ量に対して、モル比で（１／２）倍となる酸素を含むように制御されているため、基本的にはＣＯ低減装置４０に供給される前の燃料ガスに含まれるＣＯは全てＣＯ２となる。しかし、酸素量のずれや、ＣＯの拡散によっては、式４の反応でＣＯ２とならないＣＯも残存することになる。
【００５８】
本実施の形態では、式４の反応を生じなかったＣＯも、第１の実施の形態と同様に式１に従って電気化学的に酸化される。このため、第１電極４１から排出される燃料ガス中のＣＯ濃度はさらに低下する。
【００５９】
式１あるいは式４の反応をしなかったＣＯと未反応の酸素は、次の式５で示す４電子反応、あるいは、式６で示す２電子反応に従って還元される。ここで、式６で生成する過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）は、高分子膜劣化を加速することが知られている。
【００６０】
Ｏ２  ＋  ４Ｈ＋  ＋  ４ｅ−  →  ２Ｈ２Ｏ      …（式５）
Ｏ２  ＋  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−  →  Ｈ２Ｏ２      …（式６）
図７は、電極電位に対する４電子反応と２電子反応との割合を示すグラフである。図７には、第１触媒層４２に白金触媒を用いた電極の場合と、白金−ルテニウム合金触媒を用いた電極の場合について示した。横軸は参照電極（ＲＨＥ：Reversible Hydrogen Electrode）に対する電極電位、縦軸は式６に示す２電子反応の割合である。
【００６１】
２電子反応割合が高いほど、生成物である過酸化水素が増加すし、高分子電解質膜の劣化が顕著となる。
【００６２】
図７から、白金触媒の場合、および、白金−ルテニウム合金触媒の場合のいずれにおいても、２電子反応割合は低電位領域ほど高くなることがわかる。特に、ＲＨＥ基準に対して０．１Ｖ以下では２電子反応割合が急激に増加する。通常、燃料電池１２の燃料極８２の電極電位は０．１Ｖ以下であり、すなわち燃料極８２に直接空気を追加供給すると、２電子反応割合が高くなり、高分子電解質膜の劣化が加速する。
【００６３】
一方、ＣＯ低減装置４０の第１電極４１の電極電位は、制御装置５０によって比較的高電位に保持される。たとえば第１電極４１の温度が５０℃であれば、制御装置５０によって、第１電極４１の電極電位は第２電極５１の電位に対して０．３Ｖ以上に保持される。このため、燃料ガスに追加供給された酸素は、ＣＯ低減装置４０においては０．３Ｖで還元反応を生じるため、燃料極８２で酸素還元反応が生じる場合と比較して、２電子反応割合は小さくなる。したがって、燃料電池１２の燃料極８２に空気を追加供給するよりも、ＣＯ低減装置４０に空気を追加供給した場合の方が、高分子電解質膜の劣化を大幅に抑制することができる。
【００６４】
このように、ＣＯ低減装置４０から燃料極８２に供給される燃料ガスは、ＣＯ濃度が低減されている。このため、燃料極８２内の触媒におけるＣＯ被毒による燃料電池１２および燃料電池システム７２の特性低下を抑制し、燃料電池システム７２の特性を維持できる。
【００６５】
また、本実施の形態では、燃料極８２に直接空気を供給しないため、燃料電池２１の高分子電解質膜１６（図３参照）の劣化を抑制することができる。また、ＣＯ低減装置４０の第１電極４１の電極電位を比較的高電位としているため、第１触媒層４２内の触媒上で生じる２電子反応割合が減少し、ＣＯ低減装置４０の高分子電解質膜１７の劣化も抑制される。仮に、ＣＯ低減装置４０の高分子電解質膜１７が劣化したとしても、ＣＯ低減装置４０全体、あるいは、ＣＯ低減装置４０の高分子電解質膜１７および電極の積層体を交換可能にしておくことにより、システム全体としての長寿命化を図ることができる。
【００６６】
［他の実施の形態］
上述の各実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれらに限定されない。また、各実施の形態の特徴を組み合わせて実施してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの第１の実施の形態におけるＣＯ低減装置のブロック図である。
【図２】本発明に係る燃料電池システムの第１の実施の形態におけるブロック図である。
【図３】本発明に係る燃料電池システムの第１の実施の形態における単電池の断面図である。
【図４】５０℃で白金−ルテニウム合金触媒を用いた電極にＣＯを供給した場合の電極電位走査を示すグラフである。
【図５】白金−ルテニウム触媒を用いた電極におけるＣＯ酸化開始電位の温度変化を示すグラフである。
【図６】本発明に係る燃料電池システムの第２の実施の形態におけるブロック図である。
【図７】電極電位に対する４電子反応と２電子反応との割合を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６８】
１０…単電池、１２…燃料電池、１６…高分子電解質膜、１７…高分子電解質膜、１８…電源、１９…温度計、２１…燃料ガス供給源、２２…燃料ガス供給配管、２３…燃料ガス排出配管、３１…酸化剤ガス供給源、３２…酸化剤ガス供給配管、３３…酸化剤ガス排出配管、４０…ＣＯ低減装置、４１…第１電極、４２…第１触媒層、４３…第１ガス拡散層、４４…第１ガス流路板、４５…第１ガス配管、５０…制御装置、５１…第２電極、５２…第２触媒層、５３…第２ガス拡散層、５４…第２ガス流路板、５５…第２ガス配管、６１…酸化剤ガス追加供給装置、６２…第１酸化剤ガス追加供給配管、６３…第２酸化剤ガス追加供給配管、６４…中間配管、７１…燃料電池システム、７２…燃料電池システム、８２…燃料極、８３…燃料極触媒層、８４…燃料極ガス拡散層、８５…燃料極ガス流路板、８７…燃料極ガスケット、８８…燃料ガス流路、９２…酸化剤極、９３…酸化剤極触媒層、９４…酸化剤極ガス拡散層、９５…酸化剤極ガス流路板、９７…酸化剤極ガスケット、９８…酸化剤ガス流路
【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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