(57)【要約】【課題】  電気化学反応で発生した水を内部エネルギーにより安定して排出する。【解決手段】  水素と酸素の電気化学反応により発電を行う固体高分子型燃料電池システム１０１において、アノード極に水素を供給する水素発生部１０３と、電気化学反応により発生した水を水素の圧力により回収する回収手段とを備え、電気化学反応で発生した水を内部エネルギーにより安定して排出する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と酸素の電気化学反応により発電を行う燃料電池システムにおいて、
アノード極に水素を供給する水素供給手段と、
電気化学反応により発生した水を内部エネルギーにより回収する水回収手段と
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１において、水回収手段は、少なくともアノードの水を回収することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２において、
水素供給手段は、閉鎖系の水素貯留部位を備え、水素貯留部位に存在する水を回収する水回収手段を備え、系内で水を回収することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、
水素供給手段は、加水分解反応によって発生させた水素を供給することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１において、
水素供給手段は、水素吸蔵合金を用いて水素を供給すると共に、水回収手段は水素の供給圧力により水を外部に排出して回収することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項３または４のいずれかにおいて、
水を回収する内部エネルギーは、半透膜を用いた浸透圧により水を移動させるエネルギーであることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項３〜５のいずれかにおいて、
水を回収する内部エネルギーは、発電による状態差に基づく温度勾配を用いた温度差により水を移動させるエネルギーであることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項３または４のいずれかにおいて、
水を回収する内部エネルギーは、発電による状態差に基づくアノード極に供給される水素の圧力状態に応じて水を移動させるエネルギーであることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１〜４のいずれかにおいて、
水を回収する内部エネルギーは、発電による状態差に基づくアノード極に供給される水素の圧力状態と、発電による状態差に基づく温度勾配を用いた温度差とにより水を移動させるエネルギーであることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項１〜４のいずれかにおいて、
内部エネルギーは、発電による状態差に基づくアノード極に供給される水素の圧力状態と、半透膜を用いた浸透圧とにより水を移動させるエネルギーであることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１１】
触媒水溶液を貯留する触媒槽と、
燃料電池によって生成された生成水を貯留する貯水槽と、
前記触媒槽と前記貯水槽の間に設けられ浸透圧により前記生成水を前記触媒槽から前記貯水槽へ移動させる半透膜とからなる液体タンクと、
水素を発生させる反応器と、
前記液体タンクと前記反応器を接続し、前記触媒水溶液を前記反応器に送る送液管と、
前記水素により発電を行う固体高分子型燃料電池と、
前記反応器と前記燃料電池とを接続し、前記水素を前記燃料電池に供給するガス供給管と、
前記燃料電池と前記貯水タンクとを接続し、前記燃料電池で生成した前記生成水を前記燃料電池から前記貯水槽への一方向に送り、前記生成水の逆流を防止する逆止弁を有する導水管と
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１２】
発電素子としてプロトン導電性の樹脂からなる電解質層の一方の面にアノード極と他方の面にカソード極を有する固体高分子型燃料電池において、
前記アノード極もしくは前記カソード極は前記電解質層側から順に、触媒層、ガス拡散層、集電体を有し、
前記アノード極に水素が供給されるアノード室を備え、
前記アノード室を構成する部材の一部に冷却部を設け、
前記冷却部と前記発電素子の間に温度勾配をもたせたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１３】
プロトン導電性を有する樹脂からなる電解質、前記電解質の両面に配置される触媒層からなる膜電極接合体と、それぞれガス拡散層、集電体層からなるアノード極及びカソード極とから構成される発電部と、
前記発電部と接続され、該発電部に導入される水素ガスを供給する水素供給手段と
を備えた固体高分子型燃料電池システムにおいて、
前記水素供給手段が、前記アノード極の内部圧力状態と水素供給系の圧力状態との差によって水素を供給する受動型水素発生機構を具備し、
前記受動型水素発生機構により発生した水素ガスのガス圧により、発電によって生じた水を前記アノード極に備えられた排出口からアノード極の外部に排出する水排出機構を具備することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１４】
プロトン導電性を有する樹脂からなる電解質、前記電解質の両面に配置される触媒層からなる膜電極接合体と、
それぞれガス拡散層、集電体層からなるアノード極及びカソード極とから構成される発電部と、
発電部と接続され、発電部に導入する水素ガスを発生し、触媒水溶液を貯留する触媒槽と金属水素化物を貯蔵し、触媒水溶液と反応させて水素を発生させる反応器から構成される水素発生部とを備えた固体高分子型燃料電池システムにおいて、
発電部外部に設置され発電部のアノード極と接続された貯水部と、
前記貯水部と水素発生部の触媒槽と接続する導水路と、
前記導水路に設置された逆止弁と、
前記触媒槽に設置された圧調整構造と
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１５】
請求項１４において、
発電部の外部に設置された貯水部を冷却する冷却手段と、
発電部のアノード極／カソード極の少なくともいずれかから貯水部へ水あるいは水蒸気を排出する排出路と
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１６】
請求項１４または１５において、
前記アノード極から貯水部にいたる水あるいは水蒸気の排出路が断熱構造であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１７】
プロトン導電性を有する樹脂からなる電解質、前記電解質の両面に配置される触媒層からなる膜電極接合体と、
それぞれガス拡散層、集電体層からなるアノード極及びカソード極とから構成される発電部と、
発電部と接続され、発電部に導入する水素ガスを発生し、触媒水溶液を貯留する触媒槽と金属水素化物を貯蔵し、触媒水溶液と反応させて水素を発生させる反応器から構成される水素発生部とを備えた固体高分子型燃料電池システムにおいて、
発電部外部に設置され発電部のアノード極と接続された貯水部と、
発電部のアノード極／カソード極の少なくともいずれかから貯水部へ水あるいは水蒸気を排出する排出路と、
前記貯水部から移送された水が溜められる、前記触媒槽と隣接して設置される貯水槽と、
触媒槽と貯水槽の間に設けられ浸透圧により生成水を貯水槽から触媒槽へ移動させる半透膜と、
前記排出路に設けられた逆止弁とを備え、
前記貯水部と発電部に温度勾配が保持される
ことを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム、特に、固体高分子型燃料電池システムに関し、更に詳しくは、燃料電池セルで生成されてセル内部に滞留した水をセル外部に回収することができる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質膜を挟んでアノード極とカソード極を有する燃料電池において、電極反応や逆拡散によりアノード極とカソード極の何れからも水が発生する。この水は、適量であれば固体高分子電解質膜を湿潤させることで電子の解離を促進するため燃料電池の出力を向上させることができる。しかし、この水が過多になる場合は燃料の流路や空気の流通路を閉塞させて燃料電池の出力の低減や発電停止を引き起こす問題があった。特にアノード極が閉鎖系（燃料の水素が循環されて燃料タンク等に回収される系）の燃料電池システムにおいては、アノード極に滞留する水を排出する必要があった。水の排出には別途動力（電力）を利用することは、限られた電力源を使用することになるため、好ましくはなく、無動力（パッシブ）で水を排出することが求められている。
【０００３】
このような状況から、ポンプを用いて流通させた燃料ガスを圧送することで、流路上に存在する水を押し流すようにし、水をアノード極外に排出することが従来から提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、特許文献１の技術では、燃料ガスを圧送する流路を設けると同時にアノード極の排気ガスを再度燃料ガスと混和して循環させることで、アノード極の排気ガス中に含まれる未反応ガスを再利用することができる。更に、特許文献１の技術は、ガス循環部の一部に水を回収する機構を設けることで水を分離することができる構造としている。
【０００４】
同様に、前述した状況から、燃料の圧送に連動してカソード極の水を吸引する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２の技術は、燃料タンクと水回収タンクが隣接して設置され、燃料タンクと水回収タンクはそれぞれ内部にピストンを備え、それぞれのピストンが連結ロッドにより連結されて同期してタンク内を摺動する構成となっている。そして、予め封入された圧縮ガスによって燃料タンク側のピストンが押され、燃料が発電セルへ供給されると共に、連結ロッドにより連結された水回収タンク側のピストンが引かれることで水タンク内の圧力が減圧され、発電セルのカソード極で発生した水が吸引されて発電セルから水が除去される。
【０００５】
しかし、前述した特許文献１の技術では、補機として水透過膜式除湿器やポンプを必要とするため、燃料電池システム全体の体積及び重量が大型となり、特に小型携帯用の燃料電池システムには不適である。また電力を供給して駆動する補機を搭載することにより燃料電池システム全体の体積エネルギー密度の点からも不利である。
【０００６】
一方、特許文献２の技術では補機は用いられていないため、小型化あるいは高体積エネルギー密度化の観点からは有利ではあるものの、燃料供給あるいは水回収のためにピストンを動作させる駆動力が圧縮ガスであり、動作及び停止の制御が困難であるという問題がある。また、ピストンが移動すると圧縮ガスの内圧が減退するため、燃料電池の運転初期と終期ではピストンを動作させる駆動力にばらつきが生じて安定的な水回収能力を確保できないことが予想される。また、カソード極側で発生した水は回収できるが、アノード極側で滞留する水を排出することができないため、特に水素ガスを燃料として用いる燃料電池システムではアノード極側の水が電極触媒を閉塞させ、発電が停止する虞があった。
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−７１３４８号公報
【特許文献２】特開２００４−２４７１３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、アノード極あるいはカソード極で発生した水を安定して排出することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００９】
特に、アノード極が閉鎖系となっている燃料電池システムにおいて、無動力で水を排出することができ、排出した水を燃料に導入する水循環機構が構築された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】
【００１０】
上記目的を達成するための本発明の第１の態様は、水素と酸素の電気化学反応により発電を行う燃料電池システムにおいて、アノード極に水素を供給する水素供給手段と、電気化学反応により発生した水を内部エネルギーにより回収する水回収手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システムにある。
【００１１】
本発明の第１の態様では、電気化学反応で発生した水を内部エネルギーにより安定して排出することができる。
【００１２】
本発明の第２の態様は、第１の態様において、水回収手段は、少なくともアノードの水を回収することを特徴とする燃料電池システムにある。
【００１３】
第２の態様では、アノードの水を安定して回収することができる。
【００１４】
本発明の第３の態様は、第１または２の態様において、水素供給手段は、閉鎖系の水素貯留部位を備え、水素貯留部位に存在する水を回収する水回収手段を備え、系内で水を回収することを特徴とする燃料電池システムにある。
【００１５】
第３の態様では、アノード極が閉鎖系となっている燃料電池システムにおいて内部エネルギーにより安定して水を回収することができる。
【００１６】
本発明の第４の態様は、第１〜３のいずれかの態様において、水素供給手段は、加水分解反応によって発生させた水素を供給することを特徴とする燃料電池システムにある。
【００１７】
第４の態様では、加水分解で得られた水素を供給することができる。
【００１８】
本発明の第５の態様は、第１の態様において、水素供給手段は、水素吸蔵合金を用いて水素を供給すると共に、水回収手段は水素の供給圧力により水を外部に排出して回収することを特徴とする燃料電池システムにある。
【００１９】
第５の態様では、燃料の水素を直接供給することができる。
【００２０】
本発明の第６の態様は、第３または第４の態様において、水を回収する内部エネルギーは、半透膜を用いた浸透圧により水を移動させるエネルギーであることを特徴とする燃料電池システムにある。
【００２１】
第６の態様では、浸透圧により水の循環を行うことができる。
【００２２】
本発明の第７の態様は、第３〜第５のいずれかの態様において、水を回収する内部エネルギーは、発電による状態差に基づく温度勾配を用いた温度差により水を移動させるエネルギーであることを特徴とする燃料電池システムにある。
【００２３】
第７の態様では、発電の状態差に基づく温度差により水の凝集・循環を行うことができる。
【００２４】
本発明の第８の態様は、第３または第４の態様において、水を回収する内部エネルギーは、発電による状態差に基づくアノード極に供給される水素の圧力状態に応じて水を移動させるエネルギーであることを特徴とする燃料電池システムにある。
【００２５】
第８の態様では、発電による状態差に基づく水素の圧力状態により水の循環及び移送を行うことができる。
【００２６】
本発明の第９の態様は、第１〜第４のいずれかの態様において、水を回収する内部エネルギーは、発電による状態差に基づくアノード極に供給される水素の圧力状態と、発電による状態差に基づく温度勾配を用いた温度差とにより水を移動させるエネルギーであることを特徴とする燃料電池システムにある。
【００２７】
第９の態様では、発電による状態差に基づく水素の圧力状態により水の循環及び移送を行うことができると共に、発電による状態差に基づく温度差により水の凝集・循環を行うことができる。
【００２８】
本発明の第１０の態様は、第１〜第４のいずれかの態様において、内部エネルギーは、発電による状態差に基づくアノード極に供給される水素の圧力状態と、半透膜を用いた浸透圧とにより水を移動させるエネルギーであることを特徴とする燃料電池システムにある。
【００２９】
第１０の態様では、発電による状態差に基づく水素の圧力状態により水の循環及び移送を行うことができると共に、浸透圧により水の循環を行うことができる。
【００３０】
本発明の第１１の態様は、触媒水溶液を貯留する触媒槽と、燃料電池によって生成された生成水を貯留する貯水槽と、前記触媒槽と前記貯水槽の間に設けられ浸透圧により前記生成水を前記触媒槽から前記貯水槽へ移動させる半透膜とからなる液体タンクと、水素を発生させる反応器と、前記液体タンクと前記反応器を接続し、前記触媒水溶液を前記反応器に送る送液管と、前記水素により発電を行う固体高分子型燃料電池と、前記反応器と前記燃料電池とを接続し、前記水素を前記燃料電池に供給するガス供給管と、前記燃料電池と前記貯水タンクとを接続し、前記燃料電池で生成した前記生成水を前記燃料電池から前記貯水槽への一方向に送り、前記生成水の逆流を防止する逆止弁を有する導水管とを有することを特徴とする燃料電池システムにある。
【００３１】
本発明の第１２の態様は、発電素子としてプロトン導電性の樹脂からなる電解質層の一方の面にアノード極と他方の面にカソード極を有する固体高分子型燃料電池において、前記アノード極もしくは前記カソード極は前記電解質層側から順に、触媒層、ガス拡散層、集電体を有し、前記アノード極に水素が供給されるアノード室を備え、前記アノード室を構成する部材の一部に冷却部を設け、前記冷却部と前記発電素子の間に温度勾配をもたせたことを特徴とする燃料電池システムにある。
【００３２】
本発明の第１３の態様は、プロトン導電性を有する樹脂からなる電解質、前記電解質の両面に配置される触媒層からなる膜電極接合体と、それぞれガス拡散層、集電体層からなるアノード極及びカソード極とから構成される発電部と、前記発電部と接続され、該発電部に導入される水素ガスを供給する水素供給手段とを備えた固体高分子型燃料電池システムにおいて、前記水素供給手段が、前記アノード極の内部圧力状態と水素供給系の圧力状態との差によって水素を供給する受動型水素発生機構を具備し、前記受動型水素発生機構により発生した水素ガスのガス圧により、発電によって生じた水を前記アノード極に備えられた排出口からアノード極の外部に排出する水排出機構を具備することを特徴とする燃料電池システムにある。
【００３３】
本発明の第１４の態様は、プロトン導電性を有する樹脂からなる電解質、前記電解質の両面に配置される触媒層からなる膜電極接合体と、それぞれガス拡散層、集電体層からなるアノード極及びカソード極とから構成される発電部と、発電部と接続され、発電部に導入する水素ガスを発生し、触媒水溶液を貯留する触媒槽と金属水素化物を貯蔵し、触媒水溶液と反応させて水素を発生させる反応器から構成される水素発生部とを備えた固体高分子型燃料電池システムにおいて、発電部外部に設置され発電部のアノード極と接続された貯水部と、前記貯水部と水素発生部の触媒槽と接続する導水路と、前記導水路に設置された逆止弁と、前記触媒槽に設置された圧調整構造とを備えたことを特徴とする燃料電池システムにある。
【００３４】
第１４の態様では、前記固体高分子型燃料電池システムにおいて、発電部外部に設置され発電部のアノード極と接続された貯水部と、前記貯水部と水素発生部の触媒槽と接続する導水路と、前記導水路に設置された逆止弁と、前記触媒槽に設置された圧調整構造を備え、アノード極から貯水部にいたる水あるいは水蒸気の排出路が断熱構造とすることにより、発電部で生成されアノード極に滞留した水あるいは水蒸気は貯水部で凝縮する。さらに水素発生部にて発生した水素ガス圧で導水路を介して触媒槽まで移送される。導水路は逆止弁構造が具備されているので触媒槽の内部液体が貯水部へ逆流することを防止する。また触媒槽には圧調整構造が具備され、その内圧は大気圧相当に保持される。
【００３５】
本発明の第１５の態様は、第１４の態様において、発電部の外部に設置された貯水部を冷却する冷却手段と、発電部のアノード極／カソード極の少なくともいずれかから貯水部へ水あるいは水蒸気を排出する排出路とを備えたことを特徴とする燃料電池システムにある。
【００３６】
第１５の態様では、前記固体高分子型燃料電池システムにおいて、発電部の外部に設置された貯水部を冷却する冷却手段と、発電部のアノード極／カソード極の少なくともいずれかから貯水部へ水あるいは水蒸気を排出する排出路を備え、前記発電部と排出路が断熱構造である場合、アノード極の水あるいは水蒸気だけでなく、カソード極から放出される水蒸気の一部も貯水部で凝縮する。貯水部に凝縮して保持された水は、上述したように発生水素のガス圧により、触媒槽へ移送される。
【００３７】
本発明の第１６の態様は、第１４または第１５の態様において、前記アノード極から貯水部にいたる水あるいは水蒸気の排出路が断熱構造であることを特徴とする燃料電池システムにある。
【００３８】
本発明の第１７の態様は、プロトン導電性を有する樹脂からなる電解質、前記電解質の両面に配置される触媒層からなる膜電極接合体と、それぞれガス拡散層、集電体層からなるアノード極及びカソード極とから構成される発電部と、発電部と接続され、発電部に導入する水素ガスを発生し、触媒水溶液を貯留する触媒槽と金属水素化物を貯蔵し、触媒水溶液と反応させて水素を発生させる反応器から構成される水素発生部とを備えた固体高分子型燃料電池システムにおいて、発電部外部に設置され発電部のアノード極と接続された貯水部と、発電部のアノード極／カソード極の少なくともいずれかから貯水部へ水あるいは水蒸気を排出する排出路と、前記貯水部から移送された水が溜められる、前記触媒槽と隣接して設置される貯水槽と、触媒槽と貯水槽の間に設けられ浸透圧により生成水を貯水槽から触媒槽へ移動させる半透膜と、前記排出路に設けられた逆止弁とを備え、前記貯水部と発電部に温度勾配が保持されることを特徴とする燃料電池システムにある。
【００３９】
第１７の態様では、前記固体高分子型燃料電池システムにおいて、発電部外部に設置され発電部のアノード極と接続された貯水部と、前記貯水部と水素発生部の触媒槽と接続する導水路と、前記導水路に設置された逆止弁と、前記触媒槽に設置された圧調整構造を備え、アノード極から貯水部にいたる水あるいは水蒸気の排出路が断熱構造とすることにより、発電部で生成されアノード極に滞留した水あるいは水蒸気は貯水部で凝縮する。さらに水素発生部にて発生した水素ガス圧で導水路を介して貯水槽まで移送される。貯水槽は、燃料タンクと隣接されており、その境界に半透膜が備えられていることから、浸透圧によって、貯水槽に貯留された水は、タンクへ循環される。
【発明の効果】
【００４０】
本発明の燃料電池システムは、アノード極あるいはカソード極で発生した水を安定して排出することができる燃料電池システムとなる。特に、アノード極が閉鎖系となっている燃料電池システムにおいて、無動力で水を排出することができ、排出した水を燃料に導入する水循環機構が構築された燃料電池システムとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
図１に基づいてアノード極に供給される水素の圧力状態により水を移動させる実施形態例（第１実施形態例）を説明する。図１には本発明の第１実施形態例に係る燃料電池システムの全体を表す概略構成を示してある。
【００４２】
図に示すように、固体高分子型燃料電池システム１０１は、発電部１０２と水素発生部１０３から構成される。
【００４３】
発電部１０２は、カソード極１０４、ＭＥＡ１０５、アノード極１０６から構成され、カソード極１０４はカソードエンドプレート１０７と図示しないガス拡散層、集電体層を備え、ＭＥＡ１０５は図示しない電解質の両面に触媒層がそれぞれ配置される構成である。またアノード極１０６はアノードエンドプレート１０８とアノード室１０９と図示しないガス拡散層から構成される。アノード極１０６には図示しない集電体層が含まれていても良い。アノード極１０６に集電体層を含まない構成とする場合は、アノードエンドプレート１０８に導線を接続して集電する構成としても良い。アノード室１０９には、水素発生部１０３から水素リッチガスを供給する供給口１１１が設けられている。
【００４４】
また、アノード極１０６の滞留水を水素発生部１０３に導水するための導水路１１０を備えている。アノード極１０６の滞留水を外部に排出する構成にすることも可能である。
【００４５】
水素発生部１０３は、水素発生物質１１２が格納される第１の容器１１３と、水素発生促進物質１１４が格納される第２の容器１１５と、第１の容器１１３と第２の容器１１５を接続し第１の容器１１３側の先端にノズル１１６を備えた管１１７から構成される。
【００４６】
導水路１１０はアノード室１０９の内部と第２の容器１１５の内部とに亘って設けられ、導水路１１０のアノード室１０９側の端部は中空ボルト１１８及びナット１１９により発電部１０２に固定されている。尚、中空ボルト１１８及びナット１１９はＭＥＡ１０５、カソードエンドプレート１０７、アノードエンドプレート１０８等を締結するためのボルトを中空状態にしたものである。導水路１１０の固定は中空ボルト１１８及びナット１１９を用いた構造に限定されるものではない。
【００４７】
導水路１１０の第２の容器１１５側の管口１２０は水素発生促進物質１１４に向けて開口し、導水路１１０には逆止弁１２１が設けられている。逆止弁１２１によりアノード室１０９側から第２の容器１１５側にのみ流体の流通が許容されている。つまり、アノード室１０９の内圧が、第２の容器１１５の内圧よりも低くなったときに、水素発生促進物質１１４がアノード室１０９内へ逆流することを防ぐ構成とされている。
【００４８】
尚、図中の符号で１２２は、アノード室１０９内の水を導水路１１０に排出するために導水路１１０に形成された排出口である。
【００４９】
逆止弁１２１は、アノード室１０９の内圧が第２の容器１１５の内圧よりも減圧状態となったときに閉じられる構造であれば、全て適用可能であるが、好ましくは２枚の板バネ先端を重ね合わせた構成である。板バネのバネ係数は、水素発生時のアノード室１０９の内圧と大気圧の差圧で逆止弁１２１が開かれるよう調整され、好ましくは、５ｋＰａ以上の差圧で開かれるよう調整されたバネ係数である。またバネの材質は、耐食性、耐酸性に優れた材質であれば全て適用可能であるが、好ましくはステンレス鋼を用いる。
【００５０】
尚、逆止弁１２１に代えて、管口１２０の形状を逆止構造にすることも可能である。
【００５１】
また、第２の容器１１５には圧力調整機構として、ガス抜きの貫通孔１２３が備えられ、貫通孔１２３には伸張性に富む膜体１２４が設置されている。膜体１２４が設置されることで、第２の容器１１５の内圧が高圧になる場合は、膜体１２４が膨らむことで第２の容器１１５の内圧を大気圧相当に維持することができる。膜体１２４は伸張性に優れた材料であれば全て適用可能であるが、好ましくは低弾性ゴム、シリコンゴム、ブチルゴム等のゴム材料を用いる。
【００５２】
尚、膜体１２４を設けない構成とすることも可能である。
【００５３】
圧調整機構としては、アノード室１０９の内圧が規定の圧力以上となったときに開いて水素を逃がすベント構造として、通常のシール性は、ベントと第２の容器１１５にそれぞれ備えられた磁石の引力によって確保される構造としても良い。また通常のシール性を、ベントと第２の容器１１５に接続されたバネによって確保される構造としても良い。
【００５４】
水素発生物質１１２としては、好ましくは水素化ホウ素ナトリウムであり、水素発生促進物質１１４としては、好ましくはリンゴ酸水溶液であり、以下で水素化ホウ素ナトリウムとリンゴ酸水溶液を用いる例を記載するが、水素発生物質は加水分解型の金属水素化物であれば全て適用可能で、水素発生促進物質は有機酸および無機酸あるいはルテニウムなど、水素発生触媒であれば全て適用可能である。さらに、水素発生物質１１２が水素化ホウ素ナトリウム水溶液で水素発生促進物質１１４がリンゴ酸粉末というように、水素発生物質１１２と水素発生促進物質１１４の組み合わせは、混合することによって水素を発生する物質であれば全て適用可能である。
【００５５】
また、水素発生部に用いられる反応としては、金属と塩基性あるいは酸性水溶液の組み合わせであっても良い。さらに水素発生部においては、アルコール、エーテル、ケトン類を水蒸気改質して水素を得るメタノール改質型や、ガソリン、灯油、天然ガスといった炭化水素を水蒸気改質して水素を得る炭化水素改質型など、加水により水素を発生する構成であれば全て適用可能である。
【００５６】
水素発生部１０３で発生した水素は発電部１０２のアノード室１０９に備えられた供給口１１１を介してアノード室１０９に導入され、発電のために消費される。水素が消費されるとアノード室１０９と、アノード室と接続される第1の容器１１３の内圧が減圧され、第２の容器１１５の内圧との差圧によって第２の容器１１５に格納される水素発生促進物質１１４（リンゴ酸水溶液）が第１の容器１１３に導入されて次の水素発生が生じる。
【００５７】
ノズル１１６のノズル径は、前回発生した水素により発電が持続中に次の水素発生が生じる周期で水素発生促進物質１１４（リンゴ酸水溶液）が第１の容器１１３に導入されるように調整され、好ましくは差圧が５ｋＰａ以下で水素発生促進物質１１４（リンゴ酸水溶液）が導入されるように調整される。
【００５８】
発電時にアノード室１０９にはカソード側の触媒層で発生した水が逆拡散して凝縮される水、ＭＥＡ１０５を透過した酸素とアノード室１０９に存在する水素がアノード側の触媒層で反応して生成した水、水素発生部１０３から発生した水素に含まれる水蒸気が凝縮した水等をあわせたアノード極滞留水が蓄積される。アノード室１０９の底面は、図に示すように平面であってもよいし、アノード極滞留水を一箇所に収集するために勾配を持っていても良い。
【００５９】
導水１１０には逆止弁１２１が設けられているので、アノード室１０９の内圧が第２の容器１１５の内圧よりも低くなったときに水素発生促進物質１１４（リンゴ酸水溶液）がアノード室１０９内へ逆流することを防ぐ構成とされる。第２の容器１１５はガス抜きの貫通孔１２３を備えるため、常に大気圧相当に保たれるのに対し、アノード室１０９は発電で水素が消費され減圧状態となるが、このとき逆止弁１２１は閉じられるので水素を発生するために必要な、第２の容器１１５とアノード室１０９の差圧が得られ、水素発生部１０３は正常に駆動する。
【００６０】
従って、上述した第１実施形態例では、内部エネルギー（発電により発生する水素の圧力差）により、燃料を循環させる系で水を回収することができる。
【００６１】
図２に基づいて温度勾配を用いた温度差により水を移動させる実施形態例（第２実施形態例）を説明する。図２には本発明の第２実施形態例に係る燃料電池システムの概略断面を示してある。
【００６２】
プロトン導電性の樹脂からなる電解質層１３１の両面にそれぞれアノード極及びカソード極を配置する。アノード極は電極の電解質層１３１側からアノード極触媒層１３２、アノード極触媒層１３２に隣接するガス拡散層１３３、アノード極集電材１３４の順で配置される。同様に、カソード極は電極の電解質層１３１側からカソード極触媒層１３５、カソード極触媒層１３５に隣接するガス拡散層１３６、カソード極集電材１３７、カソード極集電材１３７の集電材押さえ１３８の順で配置される。さらに、カソード極集電材１３７にはカソード極リード１３９が接続されている。
【００６３】
また、アノード極およびカソード極にはガスの漏洩の防止のためと、アノード極触媒層１３２、カソード極触媒層１３５とガス拡散層１３３，１３６の適正な圧縮量を保つためにスペーサーの役目を果たすアノード極パッキン１４１とカソード極パッキン１４２を配置する。アノード極パッキン１４１およびカソード極パッキン１４２は水素の透過を抑制し、パッキンを夾持する材料と密着性が高い材料が好ましい。パッキンの材料として、各種ゴム材料を用いることができ、特にブチルゴムが好ましい。上述した電解質層１３１とそれに対峙して配置したアノード極およびカソード極を併せて、発電素子１４０とする。
【００６４】
本発明において、発電素子１４０を構成するアノード極に隣接した位置に水素を蓄えるアノード室１４３を設ける。発電時において、アノード室１４３は燃料ガスを供給する燃料ガス供給口１４４から導入された水素等のガスで満たされ、発電または発電以外で生じた不純物を排出する導水路１４５が接続される。さらに、本発明においては、アノード室１４３を構成する部材の一部に冷却部１４６を設け、冷却部１４６と発電素子１４０の間に温度勾配を設ける。このアノード室１４３の冷却部１４６を積極的に冷却するために、伝導熱緩衝材１４７を配置する。
【００６５】
本発明の燃料電池で用いるプロトン導電性の樹脂からなる電解質層１３１は、常温で、プロトン導電性を示すパーフルオロ樹脂膜やエンジニアリングプラスチックの複合化等のグラフト重合膜、部分フッ素化膜を用いることが出来るが、それらの材質に限定されない。
【００６６】
カソード極触媒層１３５及びアノード極触媒層１３２に用いる触媒はカーボンに担持した白金を用いることが出来る。また、電極の触媒元素として、白金に限らず各種貴金属やその合金、およびその酸化物を用いる事ができる。カソード極集電材１３７やアノード極集電材１３４として金属多孔質体を用いることができる。特に、カソード極集電材１３７として発泡金属体が優れる。
【００６７】
アノード極のガス拡散層１３３及びカソード極のガス拡散層１３６として、電子伝導性と耐食性とガス透過性を兼ね備えた多孔質体を用いることができる。例えば、紙状の“カーボンファイバーペーパー（以下、CFPと略す）”や複数本の炭素繊維が集合してなる緯糸と経糸とで構成された織物、つまり、布状の“カーボンクロス（以下、CLと略す）”を用いることができる。
【００６８】
アノード室１４３の冷却部１４６と発電素子１４０の間に伝熱を抑制するために、伝導熱緩衝材１４７を配置することができる。伝導熱緩衝材１４７としては、例えば、（I）熱硬化性樹脂として、エポキシ樹脂、ジアリルフタレート樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリウレタン樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂や、（II）熱可塑性樹脂として、アイオノマー樹脂、EEA樹脂、AAS（ASA）樹脂、AS樹脂、ACS樹脂、エチレン酢ビコポリマー、エチレンビニルアルコール共重合樹脂、ABS樹脂、塩化ビニル樹脂、塩素化ポリエチレン、酢酸繊維素樹脂、フッ素樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリアミド樹脂（6ナイロン，66ナイロン）、ポリアリレート樹脂、熱可塑性ポリウレタンエラストマー、熱可塑性エラストマー、液晶ポリマー（LCP）、ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン樹脂、高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、直鎖状低密度ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレー卜（PET）、ポリカーボネート樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂（PPS）、ポリブタジエン樹脂、ポリブチレンテレフタレー卜樹脂、ポリプロピレン樹脂（PP）、メタクリル樹脂（アクリル樹脂）、メチルペンテンポリマー、生分解性プラスチック、や（III）ゴム類として天然ゴム （NR）、イソプレンゴム（IR）、ブタジエンゴム（BR）、スチレンブタジエンゴム（SBR）、クロロプレンゴム（CR）、アクリロニトリルブタジエンゴム（NBR）、ブチルゴム（IIR）、エチレンプロピレンゴム（EPDM）、ウレタンゴム（U）、シリコーンゴム（Q）、クロロスルフォン化ゴム（CSM）、塩素化ポリエチレン（CM）、アクリルゴム（ACM）、エピクロルヒドリンゴム（ECO）、フッ素ゴム（FKM）（IV）各種セラミック材料の中からいずれかの単体または、複合物を用いることができる。また、ゴムや樹脂中にガス等の気泡を混入させ、熱伝導度を低減することができる。特に、アノード室１４３からの水素の漏洩を抑制することを考慮するとブチルゴムやその複合体が好ましい。
【００６９】
冷却部１４６の材質は各種金属材料の単体、合金、または、複合物や、積層物を用いることができる。金属材料としては高い熱伝導率を持つ材料としては、ステンレス、アルミニウム、チタン、マグネシウム合金、金、銀、銅などの金属やグラファイト、アルミナ、シリコンなどの非金属やその酸化物が挙げられる。モバイル機器を考慮すると軽量化が重要で、加工性や強度なども考慮すると、アルミニウムが最も好ましく、次いで、ステンレスなどが好ましい。
【００７０】
アノード室１４３に接するアノード極集電材１３４の表面の一部を撥水処理することが好ましい。これによって、水の結露を抑制し、アノード室１４３に接する冷却部１４６で水蒸気は結露する。また、冷却部１４６のアノード室１４３に接する面の表面を“親水処理”することが好ましい。これによって、結露した水が局在化せず、水滴にならずにアノード室１４３の底部に集められる。
【００７１】
撥水化処理は純金をメッキまたはコートする方法、黒鉛等のカーボンを塗布またはコートする方法、フッ素を含有する有機物を塗布またはコートする方法を用いることで可能となる。金をコートする方法は電解メッキ、無電解メッキ、溶射、蒸着、スパッタリング等のいずれの方法を用いることができる。
【００７２】
カーボンの場合は前述の方法のほかにバインダーと混合した溶液やスラリーを塗布することも可能である。フッ素を含有する有機物をコートの方法として、フッ素含有物を加熱炉中に配置し、前記のフッ素を含有する有機物の分解温度近傍（４００℃未満）まで熱処理し、その分解蒸気を当てることで被覆することができる。
【００７３】
または、おおよそ粒径が１〜１５μｍに揃ったフッ素を含有する有機物の微粒子を水、アルコール又はその他の有機溶剤に分散させた分散溶剤中にアノード極触媒層１３２（金属製多孔質体）を浸漬後、金属製多孔質体を引き上げ、金属製多孔質体の表面に付着した余分な溶剤を除去後、金属製多孔質体にコートされたフッ素を含有する有機物の分散溶剤の溶媒の沸点以上の温度に加熱することにより乾燥除去し、その後、フッ素を含有する有機物の分解温度近傍以下の温度（４００℃未満）を用い加熱炉内で、熱処理することが出来る。
【００７４】
ここで、フッ素を含有する有機物として、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樹脂（ＰＦＡ）、エチレン−テトラフルオロエチレンコポリマー（ＥＴＦＥ）、パーフルオロエチレン−プロペンコポリマー（FEP）、ポリビニリデンフルオライド（PVdF）、エチレン−クロロトリフルオロエチレンコポリマー（ECTFE）などを用いることができる。フッ素を含有する有機物のコートに伴う熱処理は大気中、または、真空中の何れかで実施することが出来るが、真空中で行なうことがより望ましい。
【００７５】
アノード室１４３の底部に導水路１４５を配置することが出来る。アノード室１４３の底部に蓄積された水をＴｉＯ２とナフィオンによって構成された導水材により、セルの外に水を排出することが出来る。また、樹脂の表面を防湿コートすることが好ましい。
【００７６】
燃料とする水素は水素発生物質と発生を促進する物質を組み合わせることで発生させる。ここに、水素発生物質と発生を促進する物質の組み合わせの例をそれぞれ括弧で括り、次に列挙する。（水酸化ナトリウム、金属アルミニウム）、（水素化ホウ素ナトリウム、水）、（水素化ホウ素ナトリウム、硫酸）、（水素化ホウ素ナトリウム、リンゴ酸）、（水素化ホウ素ナトリウム、クエン酸）、（水素化ホウ素ナトリウム、シュウ酸）、（水素化ホウ素ナトリウム）、（水素化ホウ素ナトリウム、塩化コバルト）、（水素化ホウ素ナトリウム、塩化ニッケル）、（水素化ホウ素ナトリウム、金属コバルト粉末）、（水素化ホウ素ナトリウム、ニッケル粉末）、（水素化ホウ素ナトリウム、ホウ酸）、（水素化リチウム、水）、（水素化ナトリウム、水）、（水素化マグネシウム、水）、（水素化カルシウム、水）、（水素化アルミリチウム、水）。
【００７７】
これらの水素発生物質として水素化ホウ素ナトリウムを用いる場合、水以外に、各種無機酸、有機酸、遷移金属の塩化物等を用いることができる。上述した水素は場合によっては、水素発生物質または発生を促進する物質の溶液を含むミストを発生させることがあり、それらのミストを除去するフィルターを設置することが出来る。また、これらの組み合わせで生じた水素は反応の初期において、反応に伴う熱によって水溶液の溶媒として存在する水が蒸気となって含まれることがある。また、水素吸蔵合金を用いることもできる。
【００７８】
本発明の電源を応用が可能な機器を下記の通り、分類して例示する。（I）２〜２０Ｗの機器として、ノートパソコン，タッチパネル入力パソコン，映像機器用外付け電源，照明機器，ハンディクリーナをあげることができ、（II）１〜２Ｗ程度を必要とする機器として、デジタルスチルカメラ，ヘルス機器，携帯電話，ウェアラブル携帯電話，オーダーエントリーシステム端末，携帯プリンタ，電動工具，自動車電話，トランシーバ，ペン入力パソコン，電子ブックプレーヤ，液晶テレビ，ウェアラブルテレビ，電気シェーバ，を上げることができる。更に、（III）１Ｗ未満で動作できる機器、ウェアラブルパソコン，腕型ＰＨＳ，電子辞書，玩具，医療機器，ウェアラブル医療機器，ページャ，ウェアラブル電卓，ウェアラブルＧＰＳシステム，音声入力機器，メモリカード，テープレコーダ，ラジオ，ヘッドホンステレオ，ポータブルＤＶＤ，電子手帳，コードレスフォン子機，ポータブルＭＤ，ポータブルＣＤ，カムコーダー，ゲーム機器，を例示することができる。特に、本発明は（II）、（III）に示す小型または薄型が求められ、さらに軽量であることが必要なアプリケーションにおいて、有効な電源として最も寄与する。
【００７９】
本発明に基づき、カソード極触媒層１３５及びアノード極触媒層１３２が予め電解質層１３１に形成された市販の膜電極接合体の両側から繊維状のガス拡散層１３３及びガス拡散層１３６を用いて挟持した。そのとき、カソード極触媒層１３５とガス拡散層１３６の外周部にスペーサーの役目を兼ねたカソード極パッキン１４２を配置する。同様にアノード極触媒層１３２とガス拡散層１３３の外周部にスペーサーの役目を兼ねたアノード極パッキン１４１を配置する。
【００８０】
この電解質層１３１の厚みは３０μｍである。この電解質層１３１のカソード極側及びアノード極側の両極は共に触媒として白金を０．３ｍｇ／ｃｍ２で担持させたカーボン粒子とプロトン導電性のフッ素系固体電解質によりアノード極触媒層１３２又はカソード極触媒層１３５が構成されている。アノード極触媒層１３２又はカソード極触媒層１３５の寸法は２０ｍｍ×２５ｍｍとした。アノード極パッキン１４１及びカソード極パッキン１４２に用いたゴム硬度は約５０％のブチルゴム製で、厚さ約２００μｍを所望の寸法に切り出して使用した。
【００８１】
このＭＥＡの両側から挟持するガス拡散層１３３又はガス拡散層１３６の厚さは３００〜４４０μｍの厚さを有した。このガス拡散層１３３又はガス拡散層１３６の表面に撥水性を有する導電性のカーボンを含む層を予め形成し、撥水性を有する導電性のカーボンを含む層とアノード極触媒層１３２及びカソード極触媒層１３５が電気的に接続するように配置した。カソードのカーボン製のガス拡散層１３６に電子的接続がされるようにカソード極集電材１３７を配置した。
【００８２】
このカソード極集電材１３７として、厚さ２．０ｍｍのニッケル製の発泡金属体（富山住友電工製、セルメット、品番＃４）を所定の寸法（３０ｍｍ×４２ｍｍ）に切り出して用いた。このカソード極集電材１３７は、セル数が２７〜３３個／インチ、孔径が０．８ｍｍ、比表面積が約２５００ｍ２／ｍ３の特性を有する。このカソード極集電材１３７に電子を取り出すために厚さ０．１ｍｍ、幅７．０ｍｍのニッケル製の帯び状のカソード極リード１３９を抵抗溶接により直接溶接した。カソード極集電材１３７のリード溶接部は予め圧延し、平滑な面を作製する。リードの溶接は３．０ｍｍ間隔で、約３０ｍｍに渡って行なった。発電素子１４０を構成する各部材はカソード極に配置した集電材押さえ１３８とアノード極集電材１３４により挟持し、適度な外力で圧迫することで電気的接続を保つ。
【００８３】
さらに、アノード室１４３の冷却部１４６は伝導熱緩衝材１４７を介してアノード極集電材１３４に隣接する様に配置する。アノード室１４３の冷却部１４６はアルミニウム製で厚さ２ｍｍであり、伝導熱緩衝材１４７は厚さ２ｍｍのブチルゴムを切り出して用いた。この時、燃料ガス供給口１４４は伝導熱緩衝材１４７とアノード室１４３の冷却部１４６に挟まれた位置にある。導水路１４５は中空のチューブを用い、アノード室１４３に接続した。
【００８４】
このように作成したセルに純度９９．９９％で、２４℃なる水素を単位面積あたり、５ｃｃ／ｍｉｎ・ｃｍ２の流量で、ほぼ大気圧近く極低圧になるように調整供給した。カソード側は約４０％ＲＨ、２５℃の大気に暴露した。
【００８５】
予め酸化チタン(IV)（アナターゼ型、和光純薬）とナフィオン溶液（ALDRICH製、５％溶液）を１：２０の体積比で十分混合し、ナイロン製のチューブに流し込み、その後、ナフィオン溶液に含まれる溶媒（IPA）を乾燥させることで、ＴｉＯ２を混入させたナフィオン製の導水路１４５を作成し、アノード室１４３に接続する導水路１４５として使用することも可能である。
【００８６】
冷却部１４６として、切削による凹凸状や山切り状の溝加工を施すことも可能であり、表面積を高めることができる。また、図３に示したように、アルミニウム製の板状フィン１４８を取り付けた冷却部１４６とすることで飛躍的に冷却部１４６の表面積を高めることができる。さらに、冷却部１４６にペルチェを設けたり、冷却部１４６付近に送風するための吸気口及び排気口を設け、それぞれが接続できる位置に送風ファンを接続し、アノード室１４３の冷却部１４６の冷却を促進し、温度勾配を際立たせることもできる。送風ファンによって冷却部を空冷し、冷却に使われた後の風をカソード極側から排気することができる。
【００８７】
また、アノード室１４３の冷却部１４６とカソード極の大気に開放される部分を除き発電部を伝熱抑制物質で覆い、アノード室１４３の冷却部１４６と発電素子１４０の間に温度勾配を付けることも可能である。また、アノード室１４３の燃料ガス供給口１４４を発電素子１４０の近傍に配置したり、アノード室１４３内に保水材を配置することも可能である。また、発電素子１４０の複数個を同一平面上に配置し、アノード極を同一面に配置することで、複数個のアノード室１４３の冷却部１４６を熱的に接続することも可能である。
【００８８】
プロトン導電性の樹脂からなる電解質層１３１の両面にそれぞれアノード極及びカソード極を有し、各電極は電解質層１３１から触媒層、ガス拡散層、集電体の順で配置し構成され、これらをまとめて発電素子１４０と称する固体高分子型燃料電池において、アノード極に隣接した位置に水素を蓄えるアノード室１４３を設け、アノード室１４３を構成する部材の一部に冷却部１４６を設け、冷却部１４６と発電素子１４０の間に温度勾配を設けた構造とすることで、アノード極電極部及びその近傍で凝縮による水滴を作りにくくなるため、流路の一部に液体の水が滞留することによる水素ガスの拡散パスの閉塞は無くなり、水素の安定的な供給が可能となる。
【００８９】
上述したように発電素子１４０と冷却部１４６の温度勾配を設けることで、カソード極とアノード極の水の濃度勾配を付けて発電に伴う電気化学反応によってカソード極で生成した水や水蒸気をアノード極側で回収することも可能となる。アノード極で水を回収することはカソード極で水を蒸発乾燥させる際の負荷を低減できる。また、アノード極側からカソード極側へプロトンを移動させる際の同伴水を確保する効果が期待できる。
【００９０】
従って、上述した第２実施形態例では、内部エネルギー（冷却部１４６を設けて発電による状態差に基づく温度勾配を用いた温度差）により、水を回収することができる。水素の供給系は特に限定されず、閉鎖系により水を循環させることができる。
【００９１】
図４に基づいて半透膜を用いた浸透圧により水を移動させる実施形態例（第３実施形態例）を説明する。図４には本発明の第３実施形態例に係る燃料電池システムの全体を表す概略構成を示してある。
【００９２】
図に示すように、燃料電池システム１５０は、水素と酸素を反応して発電する燃料電池１５１、水素を発生させるための物質を貯蔵する物質貯蔵部として、触媒水溶液１５２を貯蔵する液体タンク１５３及び金属水素化物１５４を貯蔵する反応器１５５、燃料電池１５１で発生する生成水を貯蔵する貯水槽１５６を具備している。
【００９３】
そして、触媒水溶液１５２を液体タンク１５３から反応器１５５に送液するための送液管１５７にて液体タンク１５３と反応器１５５とを連結し、水素を反応器１５５から燃料電池１５１に送るためのガス供給管１５８にて反応器１５５と燃料電池１５１とを連結し、更に、燃料電池１５１で発生する生成水を貯水槽１５６に送液するために導水管１５９にて燃料電池１５１と貯水槽１５６とを連結している。
【００９４】
ここで、導水管１５９には生成水が燃料電池１５１に逆流しないようにするために逆止弁１６０を設けた。そして半透膜１６１を液体タンク１５３と貯水槽１５６の間に備え、半透膜１６１の対向する面に、液体タンク１５３に貯蔵する触媒水溶液１５２と貯水槽１５６に至った生成水とが接するように配置した。また導水管１５９には吸水性を有する綿繊維を挿入した。
【００９５】
システムの構成としては、反応器と貯水槽を一体にして半透膜を設けたり、液体状の燃料（直接メタノールを供給する燃料電池を含む）を用いる構成とすることが可能である。また、燃料電池として、固体高分子電解質膜の両側に負極と正極を配し、負極側に負極室を備えて負極室に水素を一旦保持する構成とすることも可能である。
【００９６】
図示の実施形態例においては、金属水素化物１５４として水素化ホウ素ナトリウムを１０ｇ、及び、触媒水溶液１５２としてリンゴ酸水溶液を２０ｇ用いた。触媒水溶液１５２を反応器１５５に供給すると、金属水素化物１５４と接触して加水分解反応が起き水素を発生する。この水素が燃料電池１５１に移動し、燃料電池１５１で反応して発電する。触媒水溶液１５２の反応器１５５への供給は、燃料電池１５１における水素消費に伴い反応器１５５内が減圧するため、液体タンク１５３から触媒水溶液１５２を反応器１５５側に引き込む現象を用いた。これによれば、触媒水溶液１５２の送液に電力が必要なくなるためである。また半透膜１６１にはＮａｆｉｏｎ（商標）、膜厚２１０μｍを用いた。
【００９７】
燃料電池１５１での反応により生成した生成水は、導水管１５９内に挿入した綿繊維にしみ込みながら貯水槽１５６に至り、半透膜１６１に接触した。ここで、生成水と対向する半透膜１６１の面に液体タンク１５３の触媒水溶液１５２が存在するため浸透圧が生じ、生成水が触媒水溶液１５２に移動する現象が発生した。最終的に生成水は１７ｇ程度回収されたため、触媒水溶液１５２が不足することなく反応器１５５に移動し、水素発生反応に供された。
【００９８】
これまでの実験から、効率的に水素化ホウ素ナトリウムから水素を発生するためには、水素化ホウ素ナトリウム１０ｇに対し、リンゴ酸水溶液を少なくとも３５ｇ程度必要とする事が分かっている。それに対し本実施形態例においては、リンゴ酸水溶液の重量が２０ｇであったことから、リンゴ酸水溶液を１５ｇ減量しても反応が効率的に進行する事が示された。従って、液体タンク２０の体積を１０ｃｃ程度小型化でき、重量及び体積のエネルギー密度を向上することができた。
【００９９】
従って、上述した第３実施形態例では、内部エネルギー（半透膜１６１を用いた浸透圧）により、水を回収することができる。水素の供給系は特に限定されず、閉鎖系により水を循環させることができる。
【０１００】
図５乃至図８に基づいて本発明の第４実施形態例乃至第７実施形態例を説明する。第４実施形態例乃至第７実施形態例は、温度差により水を凝縮・収集し、差圧により水の移送・循環を行うものである。尚、基本的な構成は図１に示した構成であるため、図１に示した部材と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略してある。
【０１０１】
図５には本発明の第４実施形態例に係る燃料電池システムの全体を表す概略構成、図６には本発明の第５実施形態例に係る燃料電池システムの全体を表す概略構成、図７には本発明の第６実施形態例に係る燃料電池システムの全体を表す概略構成、図８には本発明の第７実施形態例に係る燃料電池システムの全体を表す概略構成を示してある。
【０１０２】
図５に示した第４実施形態例の固体高分子型燃料電池システム１６４は、導水路１１０中に貯水部１６５を設置する。発電部１０２の温度が好ましくは、２５℃〜８０℃の範囲で運転されるのに対し、貯水部１６５は室温２５℃程度なので、その温度差により貯水部１６５に水が凝縮する。
【０１０３】
図６に示した第５実施形態例の固体高分子型燃料電池システム１６６は、図５に示した第４実施形態例の構成に加え、発電部１０２のアノード室１０９に断熱層１６７を設置したものである。断熱層１６７を設置することで、貯水部１６５と発電部１０２との温度差が大きく保たれ、貯水部１６５における水の凝縮・収集能力を向上することができる。
【０１０４】
図７に示した第６実施形態例の固体高分子型燃料電池システム１６８は、図６に示した第６実施形態例の構成に加え、貯水部１６５に冷却部１６９を備えると共に、カソード極１０４側に一部開口している押さえ部材１７０を設置し、押さえ部材１７０と貯水部１６５を連通したものである。
【０１０５】
貯水部１６５に冷却部１６９を備えたので、水の凝縮・収集能力を向上させることができる。また、カソード極１０４側に一部開口している押さえ部材１７０を設置して押さえ部材１７０から貯水部１６５に水を導入させるようにしたので、従来は、カソード極１０４で発生した水は全て大気に開放されていたところが、一部水に凝縮して燃料に循環することができる。
【０１０６】
図８に示した第７実施形態例の固体高分子型燃料電池システム１７１は、図７に示した第６実施形態例の断熱層１６７に代えて、発電部１０２全体を覆う断熱層１７２を設けたものである。発電部１０２の全体を覆う断熱層１７２を設けたことにより、発熱するＭＥＡ１０５を含めて発電部１０２の全体が断熱層１７２で覆われるので水の蒸発が促進される。
【０１０７】
図５乃至図８に示した実施形態例のいずれの構成においても、差圧により水素発生部１０３へ水を移送する構成である。水の移送の動作に関しては図１に示した第１実施形態例と同一である。アノード室１０９の部材表面を撥水処理することにより水回収能力を向上することもできる。撥水処理としては特に限定されるものではないが、加工の容易さ等を鑑みると、ＰＴＦＥ処理が好ましい。
【０１０８】
図９、図１０に基づいて本発明の第８実施形態例、第９実施形態例を説明する。第８実施形態例、第９実施形態例は、温度差により水を凝縮・収集し、差圧により水の移送を行い、浸透圧により水の循環を行うものである。尚、基本的な構成は図１及び図５に示した構成であるため、図１及び図５に示した部材と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略してある。
【０１０９】
図９には本発明の第８実施形態例に係る燃料電池システムの全体を表す概略構成、図１０には本発明の第９実施形態例に係る燃料電池システムの全体を表す概略構成を示してある。
【０１１０】
図９に示した第８実施形態例の固体高分子型燃料電池システム１７５は、導水路１１０の末端には、水溶液タンク１１５と隣接した貯水槽１７６が設置され、貯水槽１７６と水溶液タンク１１５の境界に半透膜１７７が設置されている。
【０１１１】
図１０に示した第９実施形態例の固体高分子型燃料電池システム１７８は、導水路１１０の末端には、第１の容器１１３と隣接した貯水槽１７６が設置され、貯水槽１７６と第１の容器１１３の境界に半透膜１７７が設置されている。
【０１１２】
尚、図９、図１０の例は一例であり、貯水槽１７６と水素発生部１０３との接続、位置関係については、特に限定されるものではない。
【０１１３】
図１１、図１２に基づいて本発明の第１０実施形態例、第１１実施形態例を説明する。第１０実施形態例、第１１実施形態例は、水素発生源が水素吸蔵合金であり、高圧水素ボンベを開閉して水素を供給するものである。
【０１１４】
図１１には本発明の第１０実施形態例に係る燃料電池システムの全体を表す概略構成、図１２には本発明の第１１実施形態例に係る燃料電池システムの全体を表す概略構成を示してある。
【０１１５】
図１１に示した第１０実施形態例に係る固体高分子型燃料電池システム１８１は、基本的な構造は図１に示した構造であるが、図１において、水素発生部１０３の構成が、水素化ホウ素ナトリウムなどの水素発生物質１１２とリンゴ酸水溶液などの水素発生促進物質１１４をそれぞれ内包する第１の容器１１３、第２の容器１１５から構成されるのに対し、図１１では水素発生部１８２は、水素吸蔵合金１８３を内包するボンベ１８４と、バルブ１８５と、接続管１８６から構成される。また、本実施形態例の固体高分子型燃料電池システム１８１は、導水路１８８を介してアノード室１０９から排出された水を貯水する貯水部１８７を備えている。
【０１１６】
水素吸蔵合金１８３とは、水素雰囲気下で加圧することにより水素を吸蔵し、減圧することで可逆的に水素を放出することのできる合金であり、水素は金属格子中に主に原子状またはイオンの状態で、金属結合またはイオン結合している。
【０１１７】
バルブ１８５は、その前後の圧力について予め定められた圧力差となったときに開く構成となっている。バルブ１８５の構成は、前記特性を満たすものであれば全て適用可能であるが、例えば２枚の板バネ状の弁で構成され前記板バネの剛性によって開閉する圧力差を設定することができる構成であってよい。
【０１１８】
第１０実施形態例の固体高分子型燃料電池システム１８１におけるアノード室１０９に滞留した水を排出する作用について説明する。
【０１１９】
発電部１０２で生成された水は一部がアノード室１０９内部に滞留し、液面がアノード室１０９と貯水部１８７とを接続する導水路１８８の先端に備えられた排出口１２２よりも高くなる。一方、水素吸蔵合金１８３から発生した水素は、接続管１８６を介してアノード室１０９の内部に導入され、このときのアノード室１０９の内圧と水素吸蔵合金１８３を内包するボンベ１８４の内圧は同一となり、バルブ１８５は閉弁する。
【０１２０】
アノード室１０９の内部の水素は発電部１０２にて発電のために消費され、アノード室１０９の内圧は減少し、ある一定圧まで下がるとボンベ１８４の内圧との差圧によりバルブ１８５が開弁して水素が再びアノード室１０９の内部に導入される。
【０１２１】
従って、ボンベ１８４とアノード室１０９の内圧差によりバルブ１８５が開閉することで、アノード室１０９の内圧は圧力変動するので、加圧状態となるときに、水素圧が上述した水の液面を押し、水は貯水部１８７へ送られてアノード室１０９から排出される。
【０１２２】
尚、本実施形態例は、ボンベ１８４に水素吸蔵合金１８３が備えられている構成であるが、これに限定されず、ボンベ１８４に水素ガスが封入されている構成であっても良い。またこの水素ガスが１０ＭＰａ以上の高圧であっても良い。
【０１２３】
図１２に示した第１１実施形態例に係る固体高分子型燃料電池システム１９１は、貯水部１８７とアノード室１０９を接続する導水路１８８に逆止弁１９２が備えられている。これにより、貯水部１８７に移送された水がアノード室１０９へ逆流することが防止されている。
【産業上の利用可能性】
【０１２４】
本発明は、燃料電池システム、特に、固体高分子型燃料電池システムに関し、更に詳しくは、燃料電池セルで生成されてセル内部に滞留した水をセル外部に回収することができる燃料電池システムの産業分野で利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１２５】
【図１】本発明の第１実施形態例に係る燃料電池システムの全体を表す概略構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態例に係る燃料電池システムの概略断面図である。
【図３】冷却部の他の実施形態例を説明する燃料電池システムの概略断面図である。
【図４】本発明の第３実施形態例に係る燃料電池システムの全体を表す概略構成図である。
【図５】本発明の第４実施形態例に係る燃料電池システムの全体を表す概略構成図である。
【図６】本発明の第５実施形態例に係る燃料電池システムの全体を表す概略構成図である。
【図７】本発明の第６実施形態例に係る燃料電池システムの全体を表す概略構成図である。
【図８】本発明の第７実施形態例に係る燃料電池システムの全体を表す概略構成図である。
【図９】本発明の第８実施形態例に係る燃料電池システムの全体を表す概略構成図である。
【図１０】本発明の第９実施形態例に係る燃料電池システムの全体を表す概略構成図である。
【図１１】本発明の第１０実施形態例に係る燃料電池システムの全体を表す概略構成図である。
【図１２】本発明の第１１実施形態例に係る燃料電池システムの全体を表す概略構成図である。
【符号の説明】
【０１２６】
１０１、１６４，１６６、１６８、１７１、１７５、１７８、１８１、１９１  固体高分子型燃料電池システム
１０２  発電部
１０３  水素発生部
１０４  カソード極
１０５  ＭＥＡ
１０６  アノード極
１０７  カソードエンドプレート
１０８  アノードエンドプレート
１０９、１４３  アノード室
１１０、１４５、１８８  導水路
１１１  供給口
１１２  水素発生物質
１１３  第１の容器
１１４  水素発生促進物質
１１５  第２の容器
１１６  ノズル
１１７  管
１１８  中空ボルト
１１９  ナット
１２０  管口
１２１、１６０、１９２  逆止弁
１２２  排出口
１２３  貫通孔
１２４  膜体
１３１  電解質層
１３２  アノード極触媒層
１３３、１３６  ガス拡散層
１３４  アノード極集電材
１３５  カソード極触媒層
１３７  カソード極集電材
１３８  集電材押さえ
１３９  カソード極リード
１４０  発電素子
１４１  アノード極パッキン
１４２  カソード極パッキン
１４４  燃料ガス供給口
１４６、１６９  冷却部
１４７  伝導熱緩衝材
１４８  板状フィン
１５０  燃料電池システム
１５１  燃料電池
１５２  触媒水溶液
１５３  液体タンク
１５４  金属水素化物
１５５  反応器
１５６、１７６  貯水槽
１５７  送液管
１５８  ガス供給管
１５９  導水管
１６１、１７７  半透膜
１６２  触媒水溶液
１６５、１８７  貯水部
１６７、１７２  断熱層
１７０  押さえ部材
１８２  水素発生部
１８３  水素吸蔵合金
１８４  ボンベ
１８５  バルブ
１８６  接続管
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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