(57)【要約】【課題】運転を一時停止させることなく、出力特性を維持安定化した燃料電池システムを提供する。【解決手段】モニタ１８で監視し、モニタ１８がＦＣスタック１０から撥水剤が排出されていることを検出すると、流量コントローラ１４に必要量の撥水剤の供給を指示し、流量コントローラ１４は、撥水剤貯留タンク１２から必要量の撥水剤を混合供給装置１６に供給する。次に、カソード側ポンプ４０から酸化剤ガスが混合供給装置１６に供給され、混合供給装置１６において、撥水剤は酸化剤ガスと混合され、ＦＣスタック１０の酸化剤ガス供給流路に供給される。ＦＣスタック１０の酸化剤ガス排出流路から排出された反応水と撥水剤と排出酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出流路上に設けられた回収手段２０において、撥水剤と、反応水および排出酸化剤ガスとに分離され、撥水剤は回収される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜に燃料極と空気極からなる接合体と、前記接合体を挟持する一対のセパレータとから構成されるセルを積層してなる燃料電池と、
前記燃料電池へ反応ガスを供給する反応ガス供給流路と、を有する燃料電池システムにおいて、
さらに、前記燃料電池のセル内部に設けられた反応ガス供給流路に対し撥水性を付与するために前記反応ガス供給流路内に撥水剤を供給する撥水剤供給装置を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
さらに、前記撥水剤が、飽和脂肪酸、不飽和脂肪酸、シリコン樹脂粉末、パラフィン、ワックス、フッ素樹脂粉末、クレオソート油からなる群から選択される少なくとも１種の物質であ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または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記撥水剤供給装置は、前記撥水剤を前記空気極のあるカソード側に供給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から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
さらに、前記燃料電池から排出される排出ガスを流通させる排出ガス流路と、
前記排出ガス流路に設けられ前記撥水剤を捕捉するトラップ手段と、を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
さらに、前記燃料電池から排出される排出ガスを流通させる排出ガス流路と、
前記排出ガス流路上に設けられ前記撥水剤を捕捉する第１のトラップ装置と、
前記反応ガス供給流路上に設けられ前記撥水剤を捕捉可能な第２のトラップ装置と、
前記第１のトラップ装置および第２のトラップ装置の捕捉量に応じて、反応ガスの供給路を、前記反応ガス供給流路と排出ガス流路のいずれかに選択して切り替えるガス流路切替装置と、を有す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、発電中に生成する反応水によって、引き起こされるフラッティングを抑制するために電極部の撥水機能を持続させ、燃料電池の発電効率を維持安定化させる燃料電池システムの改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、図７に示すように、固体高分子膜からなる電解質膜５２を燃料極５０と空気極５４との２枚の電極で挟んだ接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を、さらに２枚のセパレータ３０に挟持してなるセルを最小単位とし、通常、このセルを複数積み重ねて燃料電池スタック（ＦＣスタック）とし、高圧電圧を得るようにしている。
【０００３】
固体高分子型燃料電池の発電の仕組みは、一般に、燃料極（アノード側電極）５０に燃料ガス、例えば水素含有ガスが、一方、空気極（カソード側電極）５４には酸化剤ガス、例えば主に酸素（Ｏ2）を含有するガスあるいは空気が供給される。水素含有ガスは、セパレータ３０の表面に加工された細かい溝を通って燃料極５０に供給され、電極の触媒の作用により電子と水素イオン（Ｈ+）に分解される。電子は外部回路を通って、燃料極５０から空気極５４に移動し、電流を作り出す。一方、水素イオン（Ｈ+）は電解質膜５２を通過して空気極５４に達し、酸素および外部回路を通ってきた電子と結合し、反応水（Ｈ2Ｏ）になる。水素（Ｈ2）と酸素（Ｏ2）および電子の結合反応と同時に発生する熱は、冷却水によって回収される。また、空気極５４のあるカソード側に生成した水（以下「反応水」という）は、カソード側から排出される。
【０００４】
一般に、両電極およびその拡散層は、撥水処理が施され、水が速やかに燃料電池の系外に排出される構造を有している。しかしながら、図７に示すように、燃料電池の運転中（発電中）において、反応水は空気極５４の表面の電解質膜５２に接する部分に発生する。そして、燃料電池の運転に伴い、この反応水を燃料電池系外に効率良く排出できない場合には、空気極５４の拡散層とセパレータ３０との間の空間に反応水が滞留しすぎるため、拡散層の濡れ性が過剰な状態となり、その結果、反応ガス、特に酸化剤ガスの拡散が阻害され、いわゆるフラッティング現象が生じてしまう。かかる場合、燃料電池の発電効率が低下する傾向が見られた。
【０００５】
そこで、燃料電池内の電極の拡散層の濡れ性を改善する工夫が提案されている。例えば、特許文献１には、一方面に撥水性樹脂と導電性微粒子からなる層を有し、この一方面の水との接触角が１０８度以上である炭素繊維電極材料を電極として用いた燃料電池が提案されている。
【０００６】
しかしながら、特許文献１で提案された炭素電極材料も、その表面の撥水性樹脂が燃料電池の運転に伴い、徐々に劣化してゆき、同様に、燃料電池における排水性を長期に亘って維持することは困難であった。
【０００７】
また、燃料電池から反応水を効率良く排出する工夫もいくつか提案されている。例えば、特許文献２には、燃料電池のセパレータ成形体の表面に、水との接触角が４０度以下となる被覆層、特に親水性ポリマー層を設けることが提案され、また、特許文献３には、燃料電池用のカーボン主成分のセパレータの表面に真空紫外光を照射して、セパレータ表面の濡れ性を改良することが提案されている。
【０００８】
しかし、特許文献２，３において提案されたセパレータは、燃料電池の運転時間に伴い、セパレータの親水性表面は反応水により徐々に剥がれてゆき、その結果、表面の親水性能が低下してゆき、燃料電池における排水性を長期に亘ってい維持することは困難であった。
【０００９】
また、特許文献４には、リン酸型燃料電池の運転時に、カソード電極の触媒層が濡れ過剰になり、電池出力特性が低下した場合、図８に示すように、単位セル電圧と予め定めた制限値とを比較判定し（Ｓ２００）、単位セルの発電電圧が制限値以下になったとき、カソード側電極の触媒層の濡れ過剰による電池出力特性の低下と判定し、燃料電池の昇温状体のまま燃料電池の運転を一時停止させ（Ｓ２０２）、カソード側電極への酸化剤ガスの供給を停止させ、その後、カソード側電極への窒素ガスの流通を開始し、カソード側電極に残った酸化剤ガスの酸素分をパージし（Ｓ２０４）、次いで、カソード側電極への窒素ガスの流通を充分に行ったのち、親水性官能基除去ガスとして水素ガスの流通を実施し、カソード側電極を水素還元処理し（Ｓ２０６）、カソード側電極触媒層中の担持体カーボン表面に生成した親水性官能基を還元除去し、その後、カソード側電極への窒素ガスの流通を再び行い、カソード側電極に残った親水性官能基除去ガスである水素をパージし（Ｓ２０８）、燃料電池の運転を再開させる（Ｓ２１０）燃料電池の運転方法が提案されている。
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−２１３５６３号公報
【特許文献２】特開２０００−２５１９０３号公報
【特許文献３】特開２００３−１４２１１６号公報
【特許文献４】特開平７−３０７１６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記特許文献４に提案された燃料電池の運転方法では、随時燃料電池の運転を停止させ、カソード側電極の触媒層の濡れ性を改善しなければならず、燃料電池の運転効率が著しく損なわれるおそれがあった。さらに、親水性官能基除去ガスとして水素を用いる場合、この水素ガスと後に運転時に供給する酸化剤ガスとの遭遇を回避するために、窒素ガスにより入念に水素ガスを酸化剤ガス流路から排除しなければならず、運転停止時間がかさみ、さらに燃料電池の運転効率が低下してしまうおそれがあった。
【００１２】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、燃料電池からの反応水排出を良好に行い、燃料電池システムの運転効率を維持安定化させる燃料電池システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは以下の特徴を有する。
【００１４】
（１）電解質膜に燃料極と空気極からなる接合体と前記接合体を挟持する一対のセパレータとから構成されるセルを積層してなる燃料電池と、前記燃料電池へ反応ガスを供給する反応ガス供給流路と、を有する燃料電池システムにおいて、さらに、前記燃料電池のセル内部に設けられた反応ガス供給流路に対し撥水性を付与するために前記反応ガス供給流路内に撥水剤を供給する撥水剤供給装置を有する燃料電池システムである。
【００１５】
反応ガスに撥水剤を供給して、反応ガスとともに燃料電池内に供給することによって、反応ガスの拡散に伴い、撥水剤も均一に電極の拡散層および触媒層に拡散する。したがって、撥水剤によって、燃料電池の運転を停止させることなく、セル内の電極の拡散層および触媒層の撥水性能を維持することができ、その結果、反応ガスの拡散効率が低下するおそれがなく、フラッティング現象が生じ難くくなり、燃料電池の出力特性を維持安定させることができる。
【００１６】
（２）上記（１）に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、前記撥水剤が、飽和脂肪酸、不飽和脂肪酸、シリコン樹脂粉末、パラフィン、ワックス、フッ素樹脂粉末、クレオソート油からなる群から選択される少なくとも１種の物質である。
【００１７】
上記撥水剤は、反応ガスと反応するおそれがなく、且つ撥水機能が高く、燃料電池内の電極への吸着性が高いため、セル内の電極の拡散層および触媒層の撥水性能を維持することができる。
【００１８】
（３）上記（１）または（２）に記載の燃料電池システムにおいて、前記撥水剤供給装置は、前記撥水剤を前記空気極のあるカソード側に供給する。
【００１９】
上述したように、燃料電池のセル内では、カソード側に反応水が生成する。したがって、カソード側に撥水剤を供給することによって、効率よく反応水を排出することができ、電極の拡散層および触媒層の濡れ過剰を防止することができる。
【００２０】
（４）上記（１）から（３）のいずれか１つに記載の燃料電池システムにおいて、さらに、前記燃料電池から排出される排出ガスを流通させる排出ガス流路と、前記排出ガス流路に設けられ前記撥水剤を捕捉するトラップ手段と、を有する。
【００２１】
撥水剤を捕捉し回収することによって、再利用することができ、より効率良くコスト低減が図られた燃料電池システムを提供することができる。
【００２２】
（５）上記（１）から（３）のいずれか１つに記載の燃料電池システムにおいて、さらに、前記燃料電池から排出される排出ガスを流通させる排出ガス流路と、前記排出ガス流路上に設けられ前記撥水剤を捕捉する第１のトラップ装置と、前記反応ガス供給流路上に設けられ前記撥水剤を捕捉可能な第２のトラップ装置と、前記第１のトラップ装置および第２のトラップ装置の捕捉量に応じて、反応ガスの供給路を、前記反応ガス供給流路と排出ガス流路のいずれかに選択して切り替えるガス流路切替装置と、を有する。
【００２３】
上記構成により、第１および第２のトラップ装置に捕捉された撥水剤を、反応ガスとともに、燃料電池内に再供給することができるため、撥水剤の補充を限りなく少なくすることができ、撥水機能を維持しつつより効率良くコスト低減が図られた燃料電池システムを提供することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、撥水剤によって、燃料電池の運転を停止させることなく、セル内の反応水が燃料電池系外に効率よく排出されるため、フラッティング現象が生じ難く、燃料電池の出力特性を維持安定させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。
【００２６】
本発明の好適な実施の形態の燃料電池システムは、例えば、固体高分子膜からなる電解質膜を燃料極と空気極との２枚の電極で挟んだ接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を、さらに２枚のセパレータに挟持してなるセルを最小単位とし、図１に示すように、このセルを複数積み重ねてスタック状にした燃料電池スタック（以下「ＦＣスタック」という）１０と、撥水剤を貯留している撥水剤貯留タンク１２と、撥水剤貯留タンク１２から供給される撥水剤の流量を制御する流量コントローラ１４と、流量コントローラ１４から供給される撥水剤と酸化剤ガスとを混合しＦＣスタック１０の酸化剤ガス供給流路に供給する混合供給装置１６と、混合供給装置１６に酸化剤ガスを供給するカソード側ポンプ４０と、ＦＣスタック１０から排出される撥水剤の量を検出するモニタ１８と、ＦＣスタック１０より排出される反応水と撥水剤と排出酸化剤ガスとから撥水剤を捕捉回収するトラップ手段でもある回収手段２０とを有する。
【００２７】
そして、上記モニタ１８としては、撥水剤を検出可能な分析機器、例えば、ガスクロマトグラフィーや液体クロマトグラフィーなどを用いることができる。
【００２８】
次に、図１および図２を用いて、本実施の形態の燃料電池システムの動作を説明する。
【００２９】
モニタ１８で監視し（Ｓ１００）、モニタ１８がＦＣスタック１０から撥水剤が排出されていることを検出すると（Ｓ１０２）、モニタ１８は、流量コントローラ１４に必要量の撥水剤の供給を指示する。モニタ１８より指示を受けた流量コントローラ１４は、撥水剤貯留タンク１２から必要量の撥水剤を混合供給装置１６に供給する（Ｓ１０４）。ここで、流量コントローラ１４における撥水剤の供給は、間欠的であっても連続であってもどちらでもよいが、間欠的に供給した場合、撥水剤の消費量を連続供給に比べ抑えることができる。次いで、カソード側ポンプ４０から酸化剤ガスが混合供給装置１６に供給され、混合供給装置１６において、撥水剤は酸化剤ガスと混合され、ＦＣスタック１０の酸化剤ガス供給流路に供給される。これにより、酸化剤ガスの拡散に伴い、酸化剤ガスの排出流路まで撥水剤が供給され、空気極（カソード側）における過剰反応水を燃料電池系外に排出することができ、燃料電池内の電極の拡散層および触媒層の濡れ過剰を防止でき、反応ガスの拡散効率が維持できるため、燃料電池の出力特性を安定化させることができる。さらに、ＦＣスタック１０の酸化剤ガス排出流路から排出された反応水と撥水剤と排出酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出流路上に設けられた回収手段２０において、撥水剤と、反応水および排出酸化剤ガスとに分離され、撥水剤は回収され、例えば撥水剤貯留タンク１２に戻してもよい。
【００３０】
なお、上記実施の形態では、モニタ１８として撥水剤を検出可能な分析機器を用いたが、これに限るものではなく、例えば、燃料電池の使用状態、例えば、燃料電池の使用（運転）経過時間、燃料電池の発電状態、燃料電池内のセル温度、燃料電池の発電特性によるフラッティング現象の有無を測定するものであってもよい。
【００３１】
さらに詳細に説明すると、「燃料電池の使用（運転）経過時間」を用いる場合には、モニタ１８は、時計機能を有し、予め測定され『使用（運転）経過時間の制限時間』として設定された燃料電池における電極の拡散層の濡れ過剰となる時間になると、流量コントローラ１４に、電極の拡散層の濡れ過剰となる時間において生成していると推定される反応水の量に応じて、必要量の撥水剤を供給するように指示するモニタであればよい。
【００３２】
また、「燃料電池の発電状態」を用いる場合には、モニタ１８は、燃料電池の出力電流を測定する電流計の機能を有し、電流量に応じて反応水が推定できるため、濡れ過剰となる反応水の量になった時点で、反応水量に応じた必要量の撥水剤を供給するように、流量コントローラ１４に指示するモニタであればよい。
【００３３】
また、「燃料電池内のセル温度」を用いる場合、モニタ１８は、温度測定機能を有し、通常運転時のセル温度、例えば８０℃が、閾値セル温度以下、例えば３０℃以下まで低下した場合には、予め測定されたセル温度と反応水の量との関係に基づいて、閾値セル温度以下において生成していると推定される反応水の量に応じて、必要量の撥水剤を供給するように、流量コントローラ１４に指示するモニタであればよい。
【００３４】
また、「燃料電池の発電特性によるフラッティング現象の有無の判定」を用いる場合、モニタ１８は電圧測定機能を有し、予め燃料電池においてフラッティング現象の生じる電圧値を測定し、この測定された電圧値を閾値電圧値とし、この閾値電圧値になった時点で、流量コントローラ１４に、フラッティング現象において生成していると推定される反応水の量に応じて、必要量の撥水剤を供給するように指示するモニタであればよい。
【００３５】
本実施の形態では、モニタ１８は、電流測定機能と、セル温度測定機能と、供給される反応ガス量を測定できる機能を有するモニタがより好ましく、電流量および反応ガス流量に応じて生成する反応水の量を計算により正確に推定することができ、さらにセル温度によって、セル内に滞留している反応水の量を算定することができる。これにより、滞留反応水に対してより正確な量の撥水剤の供給を行うことができる。
【００３６】
なお、モニタ１８は、例えば、セル内部環境、すなわち、セル温度、外気温度、セルの負荷、化学量論的比（ストイキ比）、運転履歴からセル内部の反応水の量を推定可能なモニタであっても、また上記セル内部環境を予めマッピングしておいたマップ情報を有し、このマップ情報を基に反応水の量を推定可能なモニタであってもよく、ＦＣスタックの水詰まりに伴う圧損を測定し、この圧損から反応水量を推定するモニタであってもよい。
【００３７】
上述のように、燃料電池の使用状態を監視するモニタを用いた場合、モニタ１８において、燃料電池内の使用状態を監視し、燃料電池の出力特性が低下したと判断された場合、反応水の量の推定を行うとともに、反応水の排出量に応じた撥水剤の添加量を計算し、流量コントローラ１４に撥水剤貯留タンク１２から必要量の撥水剤の供給を指示してもよい。
【００３８】
また、図３に、本実施の形態の他の燃料電池システムの一例を示す。なお、図１および図２を用いて説明した燃料電池システムと同一の構成には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００３９】
図３に示す本実施の形態の他の燃料電池システムは、例えば、固体高分子膜からなる電解質膜を燃料極と空気極との２枚の電極で挟んだ接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を、さらに２枚のセパレータに挟持してなるセルを最小単位とし、図３に示すように、このセルを複数積み重ねてスタック状にした燃料電池スタック（以下「ＦＣスタック」という）１０と、撥水剤を貯留している撥水剤貯留タンク１２と、撥水剤貯留タンク１２から供給される撥水剤の流量を制御する流量コントローラ１４と、流量コントローラ１４から供給される撥水剤と酸化剤ガスとを混合しＦＣスタック１０の酸化剤ガス供給流路に供給する混合供給装置１６と、混合供給装置１６に酸化剤ガスを供給するカソード側ポンプ４０とを有し、さらに、カソード側ポンプ４０から供給される酸化剤ガスの流路を切り替えるガス流路切替装置６０と、ガス流路切替装置６０の指示に応じて流路を開閉するとともに流路が排出側になった場合にはＦＣスタック１０から排出される酸化剤ガスと反応水とを排出可能な３方弁を有する連動バルブ４２，４４と、ＦＣスタック１０から排出される撥水剤を捕捉する第１および第２のトラップ装置であるトラッパ４６，４８とを有する。
【００４０】
上記実施の形態において、ガス流路切替装置６０は、反応ガス流路を切り替えるだけでなく、上記トラッパ４６，４８に捕捉可能な撥水剤の捕捉量を予め測定し、さらに、予め反応ガス供給時間とＦＣスタック１０から排出酸化剤ガスとともに排出される撥水剤の量との関係を測定しておき、上記２つの結果から、上記トラッパ４６，４８に捕捉可能な最大撥水剤量に相当する反応ガスの供給時間を算出し、これを規定時間Ｔｒとして格納している。さらに、ガス流路切替装置６０は、時計機能を有し、反応ガス供給時間Ｔをカウントしている。
【００４１】
次に、図３および図４を用いて、本実施の形態の他の燃料電池システムの動作を説明する。
【００４２】
ガス流路切替装置６０は、まず、連動バルブ４２に対し、混合供給装置１６とトラッパ４６とを連通可能に「開」とし、外部排出が「閉」となるように指示を出し、連動バルブ４４に対し、ガス流路切替装置６０とトラッパ４８との連通を「閉」とし、外部排出を「開」とするように指示を出す。次に、ガス流路切替装置６０は、自己の時計機能を用いて、反応ガス供給時間Ｔを「０」から時間をカウントする。同時に、カソード側ポンプ４０から酸化剤ガスをガス流路切替装置６０を介して混合供給装置１６に供給し、一方、流量コントローラ１４は、撥水剤貯留タンク１２から必要量の撥水剤を混合供給装置１６に供給する。混合供給装置１６にて混合された撥水剤と酸化剤ガスは、連動バルブ４２を介してトラッパ４６を経て、ＦＣスタック１０に供給される。酸化剤ガスとともに燃料電池の各セルの酸化剤ガス流路に供給された撥水剤は、空気極の拡散層および触媒層に吸着する。ＦＣスタック１０から排出される排出酸化剤ガスと反応水と一部の撥水剤は、トラッパ４８に搬送され、トラッパ４８にて撥水剤のみ捕捉され、反応水と排出酸化剤ガスは連動バルブ４４を介して外部に排出される。
【００４３】
次いで、ガス流路切替装置６０は、反応ガス供給時間Ｔが上記規定時間Ｔｒを超えたか否か判定する（Ｓ１１０）。ガス流路切替装置６０によって、反応ガス供給時間Ｔが上記規定時間Ｔｒを超えると判定された場合には、ガス流路切替装置６０は、連動バルブ４２に対し、混合供給装置１６とトラッパ４６との連通を「閉」にし、外部排出を「開」にするように指示を出し、連動バルブ４４に対し、ガス流路切替装置６０とトラッパ４８との連通を「開」にし、外部排出を「閉」にするように指示を出す（Ｓ１１２）。その後、ガス流路切替装置６０は、自己の時計機能を用いて、反応ガス供給時間Ｔを「０」にし（Ｓ１１４）、新たに時間をカウントする（Ｓ１１６）。同時に、カソード側ポンプ４０から酸化剤ガスをガス流路切替装置６０、連動バルブ４４を介してトラッパ４８に供給する。トラッパ４８に吸着された撥水剤は、供給された酸化剤ガスの流速に引っ張られ、酸化剤ガスとともに、ＦＣスタック１０に供給される。酸化剤ガスとともに燃料電池の各セルの酸化剤ガス流路に供給された撥水剤は、空気極の拡散層および触媒層に吸着する。ＦＣスタック１０から排出される排出酸化剤ガスと反応水と一部の撥水剤は、トラッパ４６に搬送され、トラッパ４６にて撥水剤のみ捕捉され、反応水と排出酸化剤ガスは連動バルブ４２を介して外部に排出される。
【００４４】
同様に、ガス流路切替装置６０は、反応ガス供給時間Ｔが上記規定時間Ｔｒを超えたか否か判定する（Ｓ１１０）。ガス流路切替装置６０によって、反応ガス供給時間Ｔが上記規定時間Ｔｒを超えると判定された場合には、ガス流路切替装置６０は、連動バルブ４２に対し、混合供給装置１６とトラッパ４６との連通を「開」にし、外部排出を「閉」にするように指示を出し、連動バルブ４４に対し、ガス流路切替装置６０とトラッパ４８との連通を「閉」にし、外部排出を「開」にするように指示を出す（Ｓ１１２）。その後、ガス流路切替装置６０は、自己の時計機能を用いて、反応ガス供給時間Ｔを「０」にし（Ｓ１１４）、新たに時間をカウントする（Ｓ１１６）。ここで、流量コントローラ１４から混合供給装置１６には新たな撥水剤を供給しない。そして、同時に、カソード側ポンプ４０から酸化剤ガスをガス流路切替装置６０、連動バルブ４２を介してトラッパ４６に供給する。トラッパ４６に吸着された撥水剤は、供給された酸化剤ガスの流速に引っ張られ、酸化剤ガスとともに、ＦＣスタック１０に供給される。酸化剤ガスとともに燃料電池の各セルの酸化剤ガス流路に供給された撥水剤は、空気極の拡散層および触媒層に吸着する。ＦＣスタック１０から排出される排出酸化剤ガスと反応水と一部の撥水剤は、トラッパ４８に搬送され、トラッパ４８にて撥水剤のみ捕捉され、反応水と排出酸化剤ガスは連動バルブ４４を介して外部に排出される。
【００４５】
上述のように、ガス流路を切り替えることによって、撥水剤の補充を限りなく少なくすることができる。
【００４６】
但し、燃料電池の出力特性が、上記燃料電池システムにおける撥水剤の再利用によっても低下する場合には、図示しないモニタによって、燃料電池の使用状態を監視し、流量コントローラ１４から撥水剤貯留タンク１２を介して撥水剤を適宜新たに混合供給装置１６に供給することが望ましい。
【００４７】
上記撥水剤は、セル内で生成された反応水による電極の拡散層および触媒層の疎水性を維持できるものであって、上記拡散層および触媒層に吸着性が高く、且つ反応ガス（特に酸化剤ガス）と反応するおそれがなく、燃料電池の運提示の温度、例えば７０〜８０℃において液体又は固体で存在可能なものであれば、いかなる物質でもよいが、例えば、飽和脂肪酸、不飽和脂肪酸、シリコン樹脂粉末、パラフィン、ワックス、フッ素樹脂粉末、クレオソート油からなる群から選択される少なくとも１種の物質が好ましく、より好ましくは、人体にほぼ無害である飽和脂肪酸、不飽和脂肪酸、シリコン樹脂粉末であり、さらに好ましくは、オレイン酸、エラインジン酸、リノール酸、リノレン酸、ステアロール酸、アラキドン酸などのＣ１７以上の不飽和脂肪酸が望ましい。
【００４８】
特に、上記撥水剤は、図５に示すように、セル内の電極のガス拡散層７０の表面に対する反応水の表面張力をθGDLからθGDL’に向上させ、そのθGDL’が９０度以上となる薬剤であることが望まれる。上記範囲のθGDL’にすることによって、電極のガス拡散層における充分な濡れ性を保ちながら、濡れ過剰になることを防止し、ガス拡散層７０に付着してガス拡散を妨げる反応水を効率よく燃料電池の系外に排出することができる。
【００４９】
また、撥水剤は、排出されるべき反応水の量に対して０〜０．０１重量％、好ましくは０．０００１〜０．００５重量％添加されることが望ましい。撥水剤の添加量が上記範囲を超える量で供給しても、撥水性の向上はそれ以上望めない。
【００５０】
また、本実施の形態の混合供給装置について、図６を用いて、具体的に以下に説明する。
【００５１】
図６には、混合供給装置として、インジェクション方式の混合供給装置１６ａの一例が示されている。図６に示すように、混合供給装置１６ａには、流量コントローラから供給された撥水剤を霧状に噴射するためのインジェクションノズル２２と、撥水剤の噴射方向に直交するように酸化剤ガスを混合供給装置１６ａ内に導入する酸化剤ガス導入口２４とが設けられている。したがって、必要量の撥水剤は、インジェクションノズル２２より噴射されてミスト状に拡散し、この霧状拡散域に酸化剤ガスが導入されるため、ミスト状の撥水剤は酸化剤ガスの流れにのって均一に分散された状態でＦＣスタック１０に供給されることになる。これにより、ミスト状の撥水剤が反応水に溶解し、セパレータに対する反応水の接触角が小さくなり、反応水の排出が改善される。
【００５２】
上記混合供給装置１６ａは、さらに加熱装置を有してもよく、選択された撥水剤が、常温（２５℃）において固体である場合には、インジェクションノズル２２に供給する前に液状になる温度まで撥水剤を加熱して、液状になった撥水剤をインジェクションノズル２２から噴射することが好ましい。一方、常温において液状である撥水剤の場合には、上記加熱装置を用いて強いて加熱する必要はないが、液状の撥水剤の粘度が高すぎて噴射しにくい場合には、加熱装置を用いて液状撥水剤の粘度を下げることが望ましい。
【００５３】
また、図１，３に示す回収手段２０およびトラッパ４６，４８としては、多孔質であって、撥水剤の吸着性の高いものであれば、いかなるものでもよいが、例えば、ハニカム構造のセラミック、多孔質のグラファイト、多孔質のカーボンチューブなどを用いることができる。
【００５４】
さらに、回収手段２０およびトラッパ４６，４８は、加熱装置が付設されていてもよい。回収手段２０に捕捉された撥水剤を撥水剤貯留タンク１２に戻す際に、付設された加熱装置を用いて、回収手段２０を加熱して、内部に捕捉されている撥水剤を流動可能な液状又は気体にすることが望ましい。また、トラッパ４６，４８に捕捉された撥水剤をＦＣスタックに再供給する際に、付設された加熱装置を用いて、トラッパ４６，４８を加熱して、内部に捕捉されている撥水剤を流動可能な液状にすることが望ましい。
【００５５】
以上、主に、反応水が生成するカソード側への撥水剤の導入について説明したが、これに限るものではなく、アノード側にも、燃料ガス供給手段に図１，３に示すように撥水剤を導入する構成を設けてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池を用いる用途であれば、いかなる用途にも有効であるが、特に車両用の燃料電池に供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の燃料電池システムの一態様の構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す構成の燃料電池システムにおける撥水剤の供給動作の一例を説明するフローチャートである。
【図３】本発明の燃料電池システムの他の態様の構成を示すブロック図である。
【図４】図３に示す燃料電池システムにおける撥水剤の供給動作の一例を説明するフローチャートである。
【図５】撥水剤の添加前と添加後のガス拡散層に対する水の接触角の変化を説明する図である。
【図６】本発明の燃料電池システムの混合供給装置の一例の構成を説明する図である。
【図７】燃料電池のセルの構成および発電時のメカニズムを説明する図である。
【図８】従来の燃料電池の運転方法の一例を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【００５８】
１０  スタック、１２  撥水剤貯留タンク、１４  流量コントローラ、１６  混合供給装置、１８  モニタ、２０  回収手段、４０  カソード側ポンプ。
【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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