(57)【要約】【目的】  不動態膜を形成する合金たとえばステンレス材から構成される金属セパレータの耐食性を向上させる燃料電池の作動方法およびその燃料電池を有する発電装置を提供する。【解決手段】  燃料ガスと酸化剤ガスとがそれぞれ供給されることにより発電する複数個の単位電池３４の間に金属製セパレータ５０が介在させられた形式の燃料電池１６を備えた発電装置１０では、水素を主成分とし且つ酸化性ガスが混入させられた燃料ガスが用いられるので、金属製セパレータ５０の耐食性が高められ、燃料電池１６の金属製セパレータ５０の腐食や接触抵抗の増加が好適に抑制される。また、その金属製セパレータ５０の腐食が抑制されるので、その腐食によって溶出した金属イオンが電解質膜を劣化させることも解消される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとがそれぞれ供給されることにより発電する複数個の単位電池の間に金属製セパレータが介在させられた形式の燃料電池の運転方法であって、
水素を主成分とし且つ酸化性ガスが混入させられたガスを前記燃料ガスとして用いることを特徴とする金属製セパレータを用いた燃料電池の作動方法。
【請求項２】
前記酸化性ガスは、酸素ガスまたは空気であることを特徴とする請求項２の金属製セパレータを用いた燃料電池の運転方法。
【請求項３】
前記酸化性ガスは、酸素が前記燃料ガスの爆発限界値よりも低い割合となるように、該燃料ガス中に混入させられるものである請求項１または２の金属製セパレータを用いた燃料電池の運転方法。
【請求項４】
前記酸化性ガスは、前記燃料ガスに対して酸素が１００ｐｐｍ以上であって４００００ｐｐｍ以下の濃度となるように混入されたものである請求項１乃至３のいずれかの金属製セパレータを用いた燃料電池の運転方法。
【請求項５】
前記金属製セパレータは、不動態膜を表面に形成する材質から成るものであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの金属製セパレータを用いた燃料電池の運転方法。
【請求項６】
前記金属製セパレータは、ステンレス鋼、Ｎｉ基合金，Ｔｉ、Ｔｉ合金、Ａｌ、Ａｌ合金から構成されたものであることを特徴とする請求項５の金属製セパレータを用いた燃料電池の運転方法。
【請求項７】
前記燃焼ガスは、前記酸化性ガスが所定の時間毎に周期的に混入されるものであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかの金属製セパレータを用いた燃料電池の運転方法。
【請求項８】
燃料ガスと酸化剤ガスとがそれぞれ供給されることにより発電する複数個の単位電池の間に金属製セパレータが介在させられた金属製セパレータを用いた燃料電池を有する発電装置であって、
水素を主成分とし且つ酸化性ガスが混入させられたガスを前記燃料ガスとして前記燃料電池に供給する燃料ガス供給装置を含むことを特徴とする金属製セパレータを用いた燃料電池を有する発電装置。
【請求項９】
前記燃料ガス供給装置は、酸素ガスまたは空気が前記酸化性ガスとして混入された燃料ガスを前記燃料電池に供給するものであることを特徴とする請求項８の金属製セパレータを用いた燃料電池を有する発電装置。
【請求項１０】
前記燃料ガス供給装置は、酸素が前記燃料ガスの爆発限界値よりも低い割合となるように、前記酸化性ガスを該燃料ガス中に混入させるものである請求項８または９の金属製セパレータを用いた燃料電池を有する発電装置。
【請求項１１】
前記燃料ガス供給装置は、前記燃料ガスに対して酸素が１００ｐｐｍ以上であって４００００ｐｐｍ以下の濃度となるように、前記酸化性ガスを該燃料ガス中に混入させるものであることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれかの金属製セパレータを用いた燃料電池を有する発電装置。
【請求項１２】
前記金属製セパレータは、不動態膜を表面に形成する材質から成ることを特徴とする請求項８乃至１１のいずれかの金属製セパレータを用いた燃料電池を有する発電装置。
【請求項１３】
前記金属製セパレータは、ステンレス鋼、Ｎｉ基合金，Ｔｉ、Ｔｉ合金、Ａｌ、Ａｌ合金から構成されたものであることを特徴とする請求項１２の金属製セパレータを用いた燃料電池を有する発電装置。
【請求項１４】
前記燃料ガス供給装置は、前記酸化性ガスが所定の時間毎に周期的に混入された燃焼ガスを前記燃料電池に供給するものであることを特徴とする請求項８乃至１３のいずれかの金属製セパレータを用いた燃料電池を有する発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されることにより発電する複数個の単位電池の間に金属製セパレータが介在させられた金属製セパレータを用いた燃料電池の運転方法、およびその金属製セパレータを用いた燃料電池を有する発電装置の改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素を含有する燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、燃料ガスの持つ化学的エネルギを電気的エネルギに変換する装置として燃料電池が知られている。このような燃料電池には、電解質の相違によって複数種類のタイプがある。
【０００３】
上記燃料電池として代表的な固体高分子形燃料電池は、電解質層として機能する固体高分子膜をその両面から燃料電極層と酸化剤電極層とで挟持した単電池を、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路を表面および裏面に有する金属製セパレータを介して、複数個積層することにより構成される。たとえば、特許文献１に記載された燃料電池がそれである。
【特許文献１】特開平１０−２２８９１４号公報
【０００４】
このような従来の固体高分子形燃料電池に用いられる金属製セパレータは、耐腐食性の観点からステンレス鋼などが好適に用いられ、そのステンレス鋼の０．１ｍｍ程度の板材からプレス成形などの塑性加工により所定の寸法形状に成形され得るので、カーボン材から粉末成形や射出成形により構成されるセパレータに比較して、厚みが薄くなることによって燃料電池全体として小型となり、プレス成形で構成されることによって安価となり、衝撃による割れが解消される利点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記従来の金属製セパレータにおいては、電解質膜を挟む燃料電極層および酸化剤電極層と接触する部分にその部分の接触抵抗を低くするための金メッキが施されているため、高価な貴金属である金を材料として用いるとともに金メッキ工程が必要となるため、製造価格が高くなることが避けられなかった。
【０００６】
これに対し、金メッキを施さない金属たとえば比較的耐腐食性の高いステンレス材すなわちＳＵＳ材を始めとする不動態膜を形成する合金を基材とした金属製セパレータを用いることが考えられるが、通常のＳＵＳ材では特に燃料ガスと接触する側（アノード側）で簡単に腐食が発生して接触抵抗が上昇するとともに、その腐食によって溶出した金属イオンが電解質膜を劣化させるという問題があった。
【０００７】
本発明は以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、不動態膜を形成する合金たとえばステンレス材から構成される金属セパレータの耐食性を向上させる燃料電池の作動方法およびその燃料電池を有する発電装置を提供することにある。
【０００８】
本発明者は、以上の事情を背景として種々検討を重ねるうち、燃料電池へ供給される、都市ガス（メタン）、プロパンガス（天然ガス）、灯油等の炭化水素系燃料を改質して得られた水素含有ガスや水素ガスなどの燃料ガス中に、空気や酸素などの酸化性ガスを僅かに混入させると、金属製セパレータの耐食性が高められ、燃料電池の金属製セパレータの腐食や接触抵抗の増加が好適に抑制されることを見出した。本発明はこのような知見に基づいて為されたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
すなわち、前記目的を達成するための請求項１に係る発明の燃料電池の運転方法の要旨とするところは、燃料ガスと酸化剤ガスとがそれぞれ供給されることにより発電する複数個の単位電池の間に金属製セパレータが介在させられた形式の燃料電池の運転方法であって、水素を主成分とし且つ酸化性ガスが混入させられたガスを前記燃料ガスとして用いることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項２に係る発明の要旨とするところは、前記請求項１に係る発明において、前記酸化性ガスは、酸素ガスまたは空気であることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項３に係る発明の要旨とするところは、前記請求項１または２に係る発明において、前記酸化性ガスは、酸素が前記燃料ガスの爆発限界値よりも低い割合となるように該燃料ガス中に混入させられるものである。
【００１２】
また、請求項４に係る発明の要旨とするところは、前記請求項１乃至３のいずれかに係る発明において、前記酸化性ガスは、前記燃料ガスに対して酸素が１００ｐｐｍ以上であって４００００ｐｐｍ以下の濃度となるように混入されたものである。
【００１３】
また、請求項５に係る発明の要旨とするところは、前記請求項１乃至４のいずれかに係る発明において、前記金属製セパレータは、不動態膜を表面に形成する材質から成るものであることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項６に係る発明の要旨とするところは、前記請求項５に係る発明において、前記金属製セパレータは、ステンレス鋼、Ｎｉ基合金，Ｔｉ、Ｔｉ合金、Ａｌ、Ａｌ合金から構成されたものであることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項７に係る発明の要旨とするところは、前記請求項１乃至６のいずれかに係る発明において、前記燃焼ガスは、前記酸化性ガスが所定の時間毎に周期的に混入されるものであることを特徴とする。
【００１６】
また、前記目的を達成するための請求項８に係る発明の要旨とするところは、燃料ガスと酸化剤ガスとがそれぞれ供給されることにより発電する複数個の単位電池の間に金属製セパレータが介在させられた燃料電池を有する発電装置であって、水素を主成分とし且つ酸化性ガスが混入させられたガスを前記燃料ガスとして前記燃料電池に供給する燃料ガス供給装置を含むことを特徴とする。
【００１７】
また、請求項９に係る発明の要旨とするところは、前記請求項８に係る発明において、前記燃料ガス供給装置は、酸素ガスまたは空気が前記酸化性ガスとして混入された燃料ガスを前記燃料電池に供給するものであることを特徴とする。
【００１８】
また、請求項１０に係る発明の要旨とするところは、前記請求項８または９に係る発明において、前記燃料ガス供給装置は、酸素が前記燃料ガスの爆発限界値よりも低い割合となるように、前記酸化性ガスを該燃料ガス中に混入させるものであることを特徴とする。
【００１９】
また、請求項１１に係る発明の要旨とするところは、前記請求項８乃至１０のいずれかに係る発明において、前記燃料ガス供給装置は、前記燃料ガスに対して酸素が１００ｐｐｍ以上であって４００００ｐｐｍ以下の濃度となるように、前記酸化性ガスを該燃料ガス中に混入させるものであることを特徴とする。
【００２０】
また、請求項１２に係る発明の要旨とするところは、前記請求項８乃至１１のいずれかに係る発明において、前記金属製セパレータは、不動態膜を形成する材質から成ることを特徴とする。
【００２１】
また、請求項１３に係る発明の要旨とするところは、前記請求項１２に係る発明において、前記金属製セパレータは、ステンレス鋼、Ｎｉ基合金，Ｔｉ、Ｔｉ合金、Ａｌ、Ａｌ合金から構成されたものであることを特徴とする。
【００２２】
また、請求項１４に係る発明の要旨とするところは、前記請求項８乃至１３のいずれかに係る発明において、前記燃料ガス供給装置は、前記酸化性ガスが所定の時間毎に周期的に混入された燃焼ガスを前記燃料電池に供給するものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
前記請求項１に係る発明では、燃料ガスと酸化剤ガスとがそれぞれ供給されることにより発電する複数個の単位電池の間に金属製セパレータが介在させられた形式の金属製セパレータを用いた燃料電池の運転方法において、水素を主成分とし且つ酸化性ガスが混入させられたガスが前記燃料ガスとして用いられるので、金属製セパレータの耐食性が高められ、燃料電池の金属製セパレータの腐食や接触抵抗の増加が好適に抑制される。また、その金属製セパレータの腐食が抑制されるので、その腐食によって溶出した金属イオンが電解質を劣化させることも解消される。
【００２４】
また、請求項２に係る発明では、前記請求項１に係る発明において、前記酸化性ガスとして酸素ガスまたは空気が用いられる。この場合には、燃料ガスが酸素ガスまたは空気中の酸素とを電気化学的に反応させることにより、燃料ガスの持つ化学的エネルギが電気的エネルギに変換される。
【００２５】
また、請求項３に係る発明では、前記請求項１または２に係る発明において、前記燃料ガス中には、酸素がその爆発限界値よりも低い割合で前記酸化性ガスが混入させられるので、高い安全性が得られる。
【００２６】
また、請求項４に係る発明では、前記請求項１乃至３のいずれかに係る発明において、前記燃料ガス中には、酸素が１００ｐｐｍ以上であって４００００ｐｐｍ以下の濃度となるように前記酸化性ガスが混入されることから、金属製セパレータの耐食性が高められると同時に、高い安全性が得られる。
【００２７】
また、請求項５に係る発明では、前記請求項１乃至４のいずれかに係る発明において、前記金属製セパレータが不動態膜を表面に形成する材質から構成されることから、前記燃料ガス中の酸化性ガスによりその燃料ガスに接触する側の表面に形成される不動態膜の破壊が好適に防止されて、金属製セパレータの耐食性が高められる。
【００２８】
また、請求項６に係る発明では、前記請求項５に係る発明において、前記金属製セパレータが、ステンレス鋼、Ｎｉ基合金，Ｔｉ、Ｔｉ合金、Ａｌ、Ａｌ合金から構成される。このような金属により構成された金属製セパレータは、その表面に不動態膜を形成することにより高い耐食性を獲得する性質があるので、前記燃料ガス中の酸化性ガスによりその燃料ガスに接触する側の表面に形成される不動態膜の破壊が好適に防止されて、金属製セパレータの耐食性が高められる。
【００２９】
また、請求項７に係る発明では、前記請求項１乃至６のいずれかに係る発明において、前記燃焼ガスには、前記酸化性ガスが所定の時間毎に周期的に混入される。このように酸化性ガスが周期的に混入されても、金属製セパレータの耐食性が高められ、燃料電池の金属製セパレータの腐食や接触抵抗の増加が好適に抑制される。
【００３０】
また、前記請求項８に係る発明では、燃料ガスと酸化剤ガスとがそれぞれ供給されることにより発電する複数個の単位電池の間に金属製セパレータが介在させられた金属製セパレータを用いた燃料電池を有する発電装置において、水素を主成分とし且つ酸化性ガスが混入させられたガスを前記燃料ガスとして前記燃料電池に供給する燃料ガス供給装置が設けられることから、その燃料ガス供給装置により、水素を主成分とし且つ酸化性ガスが混入させられたガスが燃料ガスとして燃料電池へ供給されるので、燃料電池の金属製セパレータの耐食性が高められ、燃料電池の金属製セパレータの腐食や接触抵抗の増加が好適に抑制される。また、その金属製セパレータの腐食が抑制されるので、その腐食によって溶出した金属イオンが電解質を劣化させることも解消される。
【００３１】
また、請求項９に係る発明では、前記請求項８に係る発明において、前記燃料ガス供給装置は、酸素ガスまたは空気が前記酸化性ガスとして混入された燃料ガスを前記燃料電池に供給するので、燃料ガスが酸素ガスまたは空気中の酸素とを電気化学的に反応させることにより、燃料ガスの持つ化学的エネルギが電気的エネルギに変換される。
【００３２】
また、請求項１０に係る発明では、前記請求項８または９に係る発明において、前記燃料ガス供給装置は、酸素が前記燃料ガスの爆発限界値よりも低い割合となるように、前記酸化性ガスを該燃料ガス中に混入させるので、その燃料ガス中にはその爆発限界値よりも低い割合で前記酸化性ガスが混入させられるので、高い安全性が得られる。
【００３３】
また、請求項１１に係る発明の要旨とするところは、前記請求項８乃至１０のいずれかに係る発明において、前記燃料ガス供給装置は、前記燃料ガスに対して酸素が１００ｐｐｍ以上であって４００００ｐｐｍ以下の濃度となるように、前記酸化性ガスを該燃料ガス中に混入させるので、金属製セパレータの耐食性が高められると同時に、高い安全性が得られる。
【００３４】
また、請求項１２に係る発明の要旨とするところは、前記請求項８乃至１１のいずれかに係る発明において、前記金属製セパレータは、不動態膜を形成する材質から成ることから、前記燃料ガス中の酸化性ガスによりその燃料ガスに接触する側の表面に形成される不動態膜の破壊が好適に防止されて、金属製セパレータの耐食性が高められる。
【００３５】
また、請求項１３に係る発明の要旨とするところは、前記請求項１２に係る発明において、前記金属製セパレータは、ステンレス鋼、Ｎｉ基合金，Ｔｉ、Ｔｉ合金、Ａｌ、Ａｌ合金から構成されたものである。このような金属により構成された金属製セパレータは、その表面に不動態膜を形成することにより高い耐食性を獲得する性質があるので、前記燃料ガス中の酸化性ガスによりその燃料ガスに接触する側の表面に形成される不動態膜の破壊が好適に防止されて、金属製セパレータの耐食性が高められる。
【００３６】
また、請求項１４に係る発明の要旨とするところは、前記請求項８乃至１３のいずれかに係る発明において、前記燃料ガス供給装置は、前記酸化性ガスが所定の時間毎に周期的に混入された燃焼ガスを前記燃料電池に供給するものである。このように酸化性ガスが周期的に混入されても、金属製セパレータの耐食性が高められ、燃料電池の金属製セパレータの腐食や接触抵抗の増加が好適に抑制される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
ここで、前記燃料ガスとして、天然ガスや灯油等の炭化水素系燃料の改質にて得られた水素含有ガスまたは水素ガスや、水の電気分解、太陽光による光触媒分解、バイオマスによる発酵分解などにより得られた水素含有ガスまたは水素ガスなどが用いられる。
【００３８】
前記単位電池は、電解質膜（層）とそれを挟む一対のアノード（燃料ガス）電極層およびカソード（酸化剤ガス）電極層とから構成される。上記電解質膜（層）としては、耐食性、耐熱性、耐久性に優れた物質であって、たとえば分子中に水素イオンの交換基を有し、飽和状態に含水させられることにより高いイオン伝導性を有するとともに、燃料ガスおよび酸化剤ガスを分離する機能を有する物質が用いられる。たとえば、樹脂骨格にフッ素基を側鎖にスルホン酸基を複合化させたパーフルオロカーボン系スルホン酸膜などの固体高分子形が好適に用いられる。また、他の電解質としては、たとえば固体酸化物形を用いたものや、リン酸形を用いたもの、或いは、溶融炭酸塩やアルカリ電解質を用いたものなどがある。
【００３９】
上記アノード電極層は、触媒活性を有する物質を含むアノード触媒層と、反応ガス（燃料ガス）の拡散を促すためのガス拡散機能とそのアノード触媒層を支持する機能とを有する多孔質支持層とが積層されることにより構成される。また、上記カソード電極層は、好適には、触媒活性を有する物質を含むカソード触媒層と、反応ガス（酸化剤ガス）の拡散を促すためのガス拡散層とそのカソード触媒層を支持する機能とを有する多孔質支持層とが積層されることにより構成される。それらアノード電極層およびカソード電極層は、導電性およびガス透過性を有して水分を保持するための水分保持層をさらに備えてもよいし、上記触媒層や支持層に水分を保持するための粒子が混入されていてもよい。その水分保持層は、たとえばガスを透過させつつ水分の蒸散を抑制するための拡散層よりも小さく細かな気孔を有する多孔材料、金属酸化物、表面を浸水処理した無機物等の親水性材料、フッ素樹脂、フッ化カーボン、カーボンおよび撥水処理したカーボンなどの撥水材料などから構成される。
【００４０】
上記支持層は、好適には、ガス拡散のためにたとえばカーボン繊維を含む布或いは多孔質の板状とされ、集電体としての機能や触媒層を支持する機能を備えている。上記アノード触媒層およびカソード触媒層は、前記アノード反応およびカソード反応をそれぞれの促進させる活性な表面サイトを有する導電性物質から構成され、たとえば含浸法、コロイド法、イオン法などにより粒径数ｎｍの白金或いは白金合金が均一に分散された比表面積の高いカーボン担体（炭素粉末）や、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーンといった微細構造を有する炭素担体材料を用いたものなどが用いられる。
【００４１】
また、前記金属製セパレータは、比較的薄い実質的に１枚の金属板から構成され、前記電解質層とそれを挟むように積層されたアノード電極層およびカソード電極層とから成る単位電池を支持するものである。この金属板は、１枚の金属板であってもよいし、複数の薄い金属板がラミネートされたものであってもよいし、局部的にクラッドされたものであってもよい。
【００４２】
上記の金属製セパレータには、好適には、プレス成形などの塑性加工により波形形状とされることにより、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路が表面および裏面に直線状に成形される。上記カソード電極層およびアノード電極層がカソード反応およびアノード反応に局部的に関与するように構成されている場合は、セパレータの両面に、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路が形成される。
【００４３】
前記金属製セパレータは、それ自体に高い導電性を備えるために、好適には、高導電性の金属、たとえばステンレス鋼（ＳＵＳ材）、Ｎｉ基合金或いはニッケル含有合金、クロム（Ｃｒ）含有合金、アルニミウム（Ａｌ）、アルニミウム（Ａｌ）合金、チタン（Ｔｉ）、チタン（Ｔｉ）含有合金の少なくとも１種から構成される。これらの金属は、不動態膜が表面に形成されることによって高い耐食性を備えている。このセパレータの電極接触部は、必要に応じて、その表面の接触抵抗を一層高めるためのコーティングが表面に施されてもよい。
【実施例】
【００４４】
以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施例において、図は簡略化されており、それら各部の寸法等は必ずしも正確に描かれていない。
【００４５】
図１は、固体高分子形燃料電池（以下、燃料電池という）１６を備えた発電装置１０の構成の要部を説明する図である。図１において、水素ガスが貯留された水素貯留装置１２からは、減圧・流量調節装置１４、気体混合機２８、および調湿装置２３を介して燃料電池１６の燃料ガス入力ポート１８に水素ガスが燃料ガスとして供給される。また、空気を圧送する空気ポンプ２０からは、減圧・流量調節装置２２および調湿装置２４を介して空気が酸化剤ガスとして燃料電池１６の酸化剤ガス入力ポート２６に供給される。上記調湿装置２３および２４は、減圧・流量調節装置１４からの水素、および減圧・流量調節装置２２からの空気を１００％程度の相対湿度にそれぞれ加湿して燃料電池１６に供給する。また、上記気体混合機２８は、減圧・流量調節装置２２から少量の空気（酸化剤ガス）を減圧・流量調節装置１４からの水素（燃料ガス）に混合し、調湿装置２３を介して燃料電池１６の燃料ガス入力ポート１８に供給する。
【００４６】
上記気体混合装置２８は、上記燃料ガス入力ポート１８と上記減圧・流量調節装置１４および２２との間に設けられている。この気体混合装置２８は、たとえば、気体混合割合を設定するための流量制御弁と可動或いは静止形の混合羽根を備えた気体混合器とから構成され、減圧・流量調節装置１４から燃料ガス入力ポート１８へ供給される燃料ガスに、所定の割合で空気すなわち酸素を混入させた後、燃料ガスとして燃料ガス入力ポート１８に供給する。この気体混合装置２８は、酸素が燃料ガスの爆発限界値よりも低い割合となるように、空気を燃料ガス中に混入させる。酸素混合装置２８は、水素に対する酸素（空気）の爆発限界値５（２５）ｖｏｌ（体積）％すなわち５００００ｐｐｍよりも所定値低い値、たとえば酸素（空気）が水素に対して４（１９）ｖｏｌ％すなわち４００００ｐｐｍ以下に設定された濃度となるように、空気を水素に対して混合する。また、酸素混合装置２８は、後述の金属セパレータ５０の好適な耐食性を得るために、酸素（空気）が水素に対して０．０１（０．０４）ｖｏｌ％すなわち１００ｐｐｍ以上に設定された濃度となるように、空気を水素に対して混合する。酸素混合装置２８は、結局、酸素（空気）が水素に対して０．０１（０．０４）ｖｏｌ％すなわち１００ｐｐｍ以上且つ４（１９）ｖｏｌ％すなわち４００００ｐｐｍ以下に設定された濃度となるように、空気を水素に対して混合する。
【００４７】
本実施例では、上記水素貯留装置１２、減圧・流量調節装置１４、および酸素混合装置２８が、水素を主成分とし且つ酸素（酸化性ガス）が混入させられたガスを燃料ガスとして前記燃料電池１６に供給する燃料ガス供給装置として機能している。
【００４８】
前記燃料電池１６から放出される余剰の空気は大気へ放出されるが、燃料電池１６から放出される余剰の水素は水素回収装置３０により回収されて前記水素貯留装置１２へ供給されることにより燃料ガスが再循環させられる。
【００４９】
前記燃料電池１６は、所定の気密なケース３２内において、たとえば数十個乃至数百個程度の複数個の単位電池３４が金属製セパレータ５０を介して積層され且つ図示しない締結装置によって所定の締結力で厚み方向に押圧されることによって一体化されて構成されている。
【００５０】
図２は、一個の単位電池３４の構成部品を示す組み付け前の状態で示す斜視図である。単位電池３４は、固体高分子製の電解質膜３６がアノード電極（燃料電極）層３８とカソード電極（酸化剤）層４０との間に介在させられた状態で積層されることにより構成されており、単セル、膜／電極接合体、或いはＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly ）とも称されているものである。電解質膜３６は、たとえばプロトン交換膜であるパーフルオロカーボンスルホン酸系樹脂（たとえば米国デュポン社製ナフィオン膜（商品名））が用いられる。上記アノード電極層３８およびカソード電極層４０は、そのアノード電極層３８での(1) 式のアノード反応を促進するための触媒活性を有するアノード触媒（燃料ガス触媒）層４２、および、カソード電極層４０での(2) 式のカソード反応を促進するための触媒活性を有するカソード触媒（酸化剤ガス触媒）層４４と、反応ガスの拡散を促進し且つアノード触媒層４２およびカソード触媒層４４をそれぞれ支持するための多孔質支持層４６および４８とからそれぞれ構成されている。
【００５１】
H2→2H+ ＋2e-               ・・・(1) 
2H+ ＋(1/2)O2 ＋2e- →H2O   ・・・(2) 
【００５２】
上記アノード触媒層４２およびカソード触媒層４４は、たとえばカーボン粉末に担持させた白金触媒、白金を含む白金系合金触媒、その他の金属を含む合金触媒を備えている。また、上記多孔質支持層４６および４８は、たとえば炭素繊維から成るカーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルトなどの高導電性の基材とし、それに親水処理を施したり或いは撥水処理を施したりすることにより構成されている。これにより、多孔質支持層４６および４８は、アノード触媒層４２およびカソード触媒層４４を支持する機能と、反応ガスを均一に拡散させる機能と、集電体としての機能とを備えている。このように構成されたアノード電極層３８とカソード電極層４０とに電解質膜３６が挟持されることにより構成された単電池３４は、その両面から一対の金属製セパレータ５０によって支持されている。
【００５３】
前記金属製セパレータ５０は、たとえば０．１ｍｍ前後の厚みを有する実質的に１枚の金属板材たとえばＳＵＳ材（ステンレス鋼板）がプレス加工によって断面波形に成形され、たとえば０．５ｍｍ程度の溝深さ（断面波形の溝）とされたものである。この波形断面に成形されたセパレータ２８の表面（一面）および裏面（他面）には、直線状の燃料ガス流路５２および酸化剤ガス流路５４を構成する互いに平行な直線状の溝が、セパレータ２８の電極接触部の全域にわたって形成されている。
【００５４】
以上のように構成された発電装置１０では、燃料ガス供給装置を構成する水素貯留装置１２、減圧・流量調節装置１４、および酸素混合装置２８を通して、水素を主成分とし且つ酸素（酸化性ガス）が混入させられたガスを燃料ガスとして燃料電池１６に供給されるとともに、空気ポンプ２０、減圧・流量調節装置２２、および加湿装置２４を通して空気が酸化剤ガスとして燃料電池１６に供給されると、アノード電極層３８での(1) 式のアノード反応とカソード電極層４０での(2) 式のカソード反応とが生起され、アノード電極層３８とカソード電極層４０との間に電圧が出力される。発電装置１０では、複数個の単位電池３４が積層されて直列接続されているので、単位電池３４の出力電圧（０．７Ｖ程度）に積層数を積算した比較的高い電圧が出力される。
【００５５】
このような、水素を主成分とし且つ空気（酸化性ガス）が混入させられたガスが燃料ガスとして発電装置１０に供給する形式の発電装置１０の運転状態では、燃料ガスに含まれる空気の酸化作用によって、金属製セパレータ５０の表面の耐食性が高められる。これにより、金属製セパレータ５０の腐食や接触抵抗の増加が好適に抑制されて燃料電池１６の耐久性が高められるとともに、その金属製セパレータ５０の腐食が抑制されるので、その腐食によって溶出した金属イオンが電解質を劣化させることも解消される。上記金属製セパレータ５０は不動態膜を形成する金属から構成されており、その不動態膜により高い耐食性を獲得する性質があるけれども、上記燃料ガス中の酸化性ガスによりその燃料ガス（水素）に接触する側の表面に形成される不動態膜の破壊されるとともに、単位電池３４での発電が待機状態の場合では常に約１Ｖ（0.76V vs SCE）以上の電位が印加されることになり、酸化被膜が不安定になる過不動態域( 図３) に近いため、金属製セパレータ５０を構成するＳＵＳ材の耐食性が維持され難いのである。しかし、上記燃料ガス中の酸化性ガスによりその燃料ガス（水素）に接触する側の表面に形成される不動態膜の破壊が好適に防止されて、金属製セパレータ５０の耐食性が高められるものと考えられる。
【００５６】
因みに、図３は、金属製セパレータ５０に用いられるＳＵＳ材である３１６Ｌ母材について、ＪＩＳＧ０５７９に規定されたステンレス鋼のアノード分極曲線測定法にて測定した３１６Ｌ母材のデータを示すものである。横軸のＳＣＥはたとえばカロメル電極として知られる参照（基準）電極を示している。以下、前記金属製セパレータ５０の耐食性を評価するために、本発明者が行った実験例を説明する。
【００５７】
［実験例１］  
厚みが０．１ｍｍの各材質のＳＵＳ薄板２枚を、ストレート溝が形成され且つ有効面積１００ｃｍ2 が得られるように、それぞれプレス成形し、その後、電極層に接触する凸部のみに金メッキしてガス拡散層との接触を確保した一対の金属板Ｍを試作した。この金属板Ｍは、材質的に前記金属製セパレータ５０に対応するものである。次いで、図４の燃料電池発電評価装置に示すように、上記２枚の金属板Ｍを単位電池３４を挟む状態で、カーボンセパレータＣと集電板Ｓの積層体間に挟持させ、且つシール材Ａを用いて気密に封止した状態で、図示しない締結装置により相互に密着させて固定した。そして、図５の表に示す各種燃料ガス（アノードガス）をアノード側に連続的に供給し、空気をカソード側に連続的に供給し、アノード側利用率７０％、カソード側利用率４０％、アノード側加湿温度７０℃、カソード側加湿温度７０℃およびセル温度７０℃、出力電流密度０．５Ａ／ｃｍ2 にて１０００時間継続的に運転したとき、上記金属板Ｍの金メッキされていない溝部すなわち溝底面および溝内壁面の腐食状況を評価した。図６は本実験時の上記単位電池３４の出力電圧Ｖの経時的変化を示している。
【００５８】
上記アノード側利用率およびカソード側利用率とは、本実験に用いられた単位電池３４の作動のために、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給量に対して、実際に利用（消費）される燃料ガスおよび酸化剤ガスの割合である。たとえば、電極の有効面積１００ｃｍ2 である単位電池３４を一定の電流密度たとえば１Ａ／ｃｍ2 で連続作動させるために、水素分子を理想気体とし且つ体積を標準状態換算とすると、価数１／２において、０．６９６Ｌ／ｍｉｎの水素が必要とされる。同時に、価数１／４において、０．３４８Ｌ／ｍｉｎの酸素ガスが必要とされるので、１．６５７Ｌ／ｍｉｎの流量が必要とされる。アノード電極層３８でのアノード側利用率７０％では、０．６９６／０．７＝０．９９Ｌ／ｍｉｎの流量で燃料ガスが供給され、カソード電極層４０でのカソード側利用率４０％では、１．６５７／０．４＝４．１４Ｌ／ｍｉｎの流量で空気が供給される。
【００５９】
上記の実験例１によれば、図５に示すように、酸化性ガス（添加ガス）が混入させられた燃料ガスを用いた場合には、混入されない燃料ガスを用いた場合に比較して、１０００時間運転後の金属板Ｍの腐食が全く発生せず大幅に改善された。すなわち、燃料ガス中の酸素が１０ｐｐｍ以下では金属板Ｍの腐食が発生するが、１００ｐｐｍ以上となると金属板Ｍの腐食が全くなく、４００００ｐｐｍに至るまでその効果が確認された。燃料ガス中の酸素の割合は４００００ｐｐｍを超えてもよいが、実用上支障がでない程度の発電効率が得られる範囲で用いられる。
【００６０】
［実験例２］
実験例１と同様に図４の燃料電池発電評価装置を用いて、図７の表に示す燃料（水素）ガス（アノードガス）をアノード側に連続に供給し、空気をカソード側に連続的に供給し、アノード側利用率７０％、カソード側利用率４０％、アノード側加湿温度７０℃、カソード側加湿温度７０℃およびセル温度７０℃、出力電流密度０．５Ａ／ｃｍ2 にて１０００時間継続的に運転したとき、上記金属板Ｍの金メッキされていない溝部すなわち溝底面および溝内壁面の腐食状況を評価した。本実験例２では、図７に示す各条件で、上記燃料（水素）ガス中に酸化剤ガス（空気或いは酸素）が周期的に導入され，その燃料ガス中の酸素の平均濃度が１００ｐｐｍ以上且つ４００００ｐｐｍ以下となるように酸化剤ガスが導入されている。
【００６１】
上記の実験例２によれば、図７に示すように、酸化性ガス（導入ガス）が周期的に混入させられた燃料ガスを用いた場合には、混入されない燃料ガスを用いた場合に比較して、１０００時間運転後の金属板Ｍの腐食が全く発生せず大幅に改善された。すなわち、燃料ガス中に酸素或いは空気が８時間毎に１分間、２４時間時間毎に１分間、１００時間毎に１分間の導入されるいずれの場合も金属板Ｍの腐食が全くないという効果が確認された。
【００６２】
上述のように、燃料ガスと酸化剤ガスとがそれぞれ供給されることにより発電する複数個の単位電池３４の間に金属製セパレータ５０が介在させられた形式の金属製セパレータ５０を用いた燃料電池１６を備えた発電装置１０或いはその運転方法においては、水素を主成分とし且つ酸化性ガスが混入させられた燃料ガスが用いられるので、金属製セパレータ５０の耐食性が高められ、燃料電池１６の金属製セパレータ５０の腐食や接触抵抗の増加が好適に抑制される。また、その金属製セパレータ５０の腐食が抑制されるので、その腐食によって溶出した金属イオンが電解質を劣化させることも解消される。
【００６３】
また、本実施例の発電装置１０或いはその運転方法においては、前記酸化性ガスとして酸素ガスまたは空気が用いられる。この場合には、燃料ガスが酸素ガスまたは空気中の酸素とを電気化学的に反応させることにより、燃料ガスの持つ化学的エネルギが電気的エネルギに変換される。
【００６４】
また、本実施例の発電装置１０或いはその運転方法においては、前記燃料ガス中には、酸素がその爆発限界値よりも低い割合となるように、酸化性ガス（空気或いは酸素）が混入させられるので、高い安全性が得られる。
【００６５】
また、本実施例の発電装置１０或いはその運転方法においては、前記燃料ガス中には、酸素が１００ｐｐｍ以上であって４００００ｐｐｍ以下の濃度となるように前記酸化性ガスが混入されることから、金属製セパレータ５０の耐食性が高められると同時に、高い安全性が得られる。
【００６６】
また、本実施例の発電装置１０或いはその運転方法においては、金属製セパレータ５０が不動態膜を表面に形成する材質から構成されることから、前記燃料ガス中の酸化性ガスによりその燃料ガスに接触する側の表面に形成される不動態膜の破壊が好適に防止されて、金属製セパレータの耐食性が高められる。
【００６７】
また、本実施例の発電装置１０或いはその運転方法においては、金属製セパレータ５０が、ステンレス鋼、Ｎｉ基合金，Ｔｉ、Ｔｉ合金、Ａｌ、Ａｌ合金から構成される。このような金属により構成された金属製セパレータ５０は、その表面に不動態膜を形成することにより高い耐食性を獲得する性質があるので、前記燃料ガス中の酸化性ガスによりその燃料ガスに接触する側の表面に形成される不動態膜の破壊が好適に防止されて、金属製セパレータ５０の耐食性が高められる。
【００６８】
また、本実施例の発電装置１０或いはその運転方法においては、前記燃焼ガスには、前記酸化性ガスが所定の時間毎に周期的に混入される。このように酸化性ガスが周期的に混入されても、金属製セパレータ５０の耐食性が高められ、燃料電池１６の金属製セパレータ５０の腐食や接触抵抗の増加が好適に抑制される。
【００６９】
以上、本発明の一実施例を図面に基づいて説明したが、本発明はその他の態様においても適用される。
【００７０】
たとえば、前述の発電装置１０において、加湿装置２４は必ずしも設けられていなくてもよいし、その加湿装置２４に代えて、燃料電池１６内の反応ガス特に酸化剤ガス内の相対湿度を１００％を超えない範囲で高くする調湿装置が設けられていてもよい。
【００７１】
また、実験例１に示すように、燃料ガス中に酸素或いは空気などの酸化剤ガスが間欠的に導入される場合、その導入割合は金属製セパレータ５０の腐食防止効果が得られ、且つ発電に実用上問題となる影響が出ない範囲で種々の割合が設定され得る。
【００７２】
また、実験例２に示すように、燃料ガス中に酸素或いは空気などの酸化剤ガスが間欠的に導入される場合、その実験例２における導入方法に限定されることはなく、その導入方法は金属製セパレータ５０の腐食防止効果が得られる範囲で周期や導入時間について種々の変更が加えられ得る。
【００７３】
その他、例示はしないが、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の１実施例の固体高分子形燃料電池を備えた発電装置の構成の要部を説明するブロック図である。
【図２】図１の固体高分子形燃料電池の要部の構成を説明する組み立て前の斜視図である。
【図３】図１或いは図２の金属製セパレータに用いられるＳＵＳ材について、ＪＩＳＧ０５７９に規定されたステンレス鋼のアノード分極曲線を示す図である。
【図４】図１の固体高分子形燃料電池の金属セパレータの腐食状態を評価するために用いられる燃料電池発電評価装置の構成を説明する組み立て前の断面図である。
【図５】実験例１における実験条件および実験結果を示す図表である。
【図６】実験例１において単位電池の出力電圧Ｖの経時的変化を示す図である。
【図７】実験例２における図７に示す各条件で、上記燃料（水素）ガス中に酸化剤ガス（空気或いは酸素）が周期的に導入されている。
【００７５】
実験例２における実験条件および実験結果を示す図表である。
【符号の説明】
【００７６】
１０：発電装置
１２：水素貯留装置
１４：減圧・流量調節装置
１６：固体高分子形燃料電池
２８：酸素混合装置（燃料ガス供給装置）
３４：単位電池
５０：金属製セパレータ
【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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