(57)【要約】【課題】触媒被毒を除去し，触媒活性を極大化することができる燃料電池システムを提供すること。【解決手段】一酸化炭素を酸化させて，触媒被毒を除去して，触媒活性を極大化することができるように，水素が含まれている燃料を供給する燃料供給源１０と，酸素を供給する酸素供給源２０と，燃料供給源１０から供給される燃料または燃料から発生した水素ガスの酸化と酸素供給源２０から供給される酸素の還元により生じる電気化学的な反応によって，電気を発生させる一つ以上の電気発生部４０と，電気発生部４０において，一酸化炭素による触媒被毒が発生し，電圧が設定値未満に低下した際に，逆電圧を印加して触媒被毒を除去する被毒除去部８０と，を備える燃料電池システムを提供する。【選択図】図１
2006216555.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素が含まれている燃料を供給する燃料供給源と;
酸素を供給する酸素供給源と;
前記燃料供給源から供給される燃料，または前記燃料から発生した水素と，前記酸素供給源から供給される酸素との電気化学的な反応によって，電気を発生させる一以上の電気発生部と;
前記電気発生部において，一酸化炭素による触媒被毒が発生して，電圧が設定値未満に低下した際に，逆電圧を印加して，前記触媒被毒を除去する被毒除去部と；
を備えることを特徴とする，燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料供給源から供給される燃料から，水素を含む改質ガスを発生させて，前記電気発生部に供給する改質装置をさらに備え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】
前記被毒除去部は，前記電気発生部で発生する電圧を感知する電圧感知部と;
前記電圧感知部において感知された電圧が，設定値未満に低下した際に，前記電気発生部に逆電圧を印加するように制御する制御部と;
前記制御部の制御信号によって，前記電気発生部に逆電圧を印加する補助電源と；
を備えることを特徴とする，請求項１または２のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御部は，前記電気発生部に逆電圧を印加する際に，同時に，前記補助電源から外部機器に対して，駆動電圧を印加するように制御することを特徴とする，請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御部は，逆電圧を印加する時間を０．１〜１０秒の範囲で設定して制御することを特徴とする，請求項３または４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記補助電源は，１次電池，２次電池，または，前記電気発生部と連結設置して電気発生部の余裕電力によって充電されるキャパシターの中で一つ以上を選択して構成されることを特徴とする，請求項３〜５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御部は，前記電気発生部で発生する電圧が，正常な駆動電圧の８０％未満に低下した場合に，前記補助電源から，前記電気発生部に逆電圧を印加するように制御することを特徴とする，請求項３〜６のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料供給源は，水素を含む燃料を貯蔵する燃料タンクと，前記燃料タンクに貯蔵された燃料を供給するように，前記燃料タンクに連結設置される燃料ポンプを備えることを特徴とする，請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記酸素供給源は，所定のポンピング力で空気を吸入して，前記電気発生部に空気を供給できる送風装置を備えたことを特徴とする，請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記電気発生部は，電解質膜を中心に置いて，その両側にアノード電極とカソード電極とが位置する膜−電極接合体と，前記膜−電極接合体の両面にそれぞれ配置され，水素または空気が通過する通路が形成されるセパレータとを含むことを特徴とする，請求項１〜９のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記アノード電極は，燃料または水素を酸化反応させる触媒層と，前記水素を触媒層に円滑に移動させるための気体拡散層とで構成され，前記触媒層は，白金または白金とルテニウムの合金からなることを特徴とする，請求項１０に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに関し，より詳しくは，水素ガスが供給されるアノード電極を被毒させる一酸化炭素を除去する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に，燃料電池は，酸素とメタノール，エタノール，天然ガスのような炭化水素系の物質内に含まれている水素の化学反応エネルギーを直接電気エネルギーに変換させる発電システムで，作動される温度によって，高温型燃料電池と低温型燃料電池とに分類される。
【０００３】
高温型燃料電池としては，溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ），固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）等があり，低温型燃料電池としては，アルカリ電解質型燃料電池（ＡＦＣ），リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ），高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ），直接液体燃料電池（ＤＬＦＣ）等がある。
【０００４】
各々の燃料電池は，同一原理によって機能するように形成され，使用される燃料の種類，運転温度，触媒，電解質などによって区分される。
【０００５】
高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は，他の燃料電池に比べて出力特性が優れており，作動温度が低く，速い始動，および速い応答特性を有し，自動車のような移動用電源はもちろん，住宅，公共建物のような分散用電源，および電子機器用のような小型電源等，その応用範囲が広い長所を有する。
【０００６】
高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は，燃料ポンプの作動により，燃料タンク内の燃料を改質装置に供給し，改質装置で燃料を改質して水素を発生させ，スタックで水素と酸素とを電気化学的に反応させて，電気エネルギーを発生させるように，システムを構成する。スタックには，酸素を供給するために，酸素が含まれている空気を強制的に送風する構成を連結して設置することができる。
【０００７】
改質装置は，熱エネルギーによる化学触媒反応によって，水素を含む燃料から水素を発生させる装置である。改質装置で発生した改質ガスには，水素だけでなく一酸化炭素（ＣＯ）が微量含まれているので，この一酸化炭素を除去するための装置が追加的に設けられる。
【０００８】
直接液体燃料電池（ＤＬＦＣ）は，メタノール，エタノールなどの有機化合物液体燃料を直接使用するために，改質装置などの周辺装置を設ける必要がなく，燃料の貯蔵，および燃料の供給が容易であり，エネルギー密度，および電力密度が非常に高いという長所を有する。メタノールを燃料として使用する場合には，直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）と言う。
【０００９】
直接液体燃料電池（ＤＬＦＣ）は，燃料ポンプの作動により，燃料タンク内の燃料をスタックに供給し，スタックでメタノールなどの有機化合物液体燃料と酸化剤である酸素とが電気化学的に反応して，電気エネルギーを発生させるように，システムを構成する。スタックには，酸素を供給するために，酸素が含まれた空気を強制的に送風する構成が連結設置される。
【００１０】
このような高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ），直接液体燃料電池（ＤＬＦＣ）等の燃料電池システムにおいて，電気を実質的に発生させるスタックは，膜−電極接合体（ＭＥＡ）と，両面に密着するセパレータで構成される単位セルとが数個〜数十個積層された構造からなり，膜−電極接合体は電解質膜を間において，アノード電極とカソード電極とが付着された構造からなる。
【００１１】
セパレータは，各々の膜−電極接合体を分離し，燃料電池の反応に必要な水素と酸素とを各々膜−電極接合体のアノード電極とカソード電極とに供給する通路の役割と，各膜−電極接合体のアノード電極とカソード電極とを直列に連結させる伝導体の役割とを同時に担う。つまり，セパレータを通じて，アノード電極には，水素が供給される反面，カソード電極には，酸素が供給され，この過程でアノード電極では，触媒による水素の酸化反応が起こり，カソード電極では，触媒による酸素の還元反応が起こる。この際に生成される電子の移動によって，電気と，熱と，水分とが発生する。
【００１２】
従来高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）において，改質装置で一酸化炭素を除去するための装置を設置したとしても，一酸化炭素を除去するための化学触媒反応を完全に行うことが難しく，微量の一酸化炭素を含有している改質ガスが膜−電極接合体に供給される。
【００１３】
ところが，このように微量の一酸化炭素を含有する改質ガスが，膜−電極接合体のアノード電極に供給されれば，一酸化炭素によるアノード電極の触媒被毒によって，触媒の活性が弱化され，結果的に，燃料電池の性能が低下して，寿命が短縮されるという問題がある。
【００１４】
また，従来直接液体燃料電池（ＤＬＦＣ）においても，液体燃料がアノード電極で酸化される過程で，反応副生成物として一酸化炭素が発生し，この一酸化炭素による触媒被毒が発生する。
【００１５】
したがって，従来直接液体燃料電池（ＤＬＦＣ）においては，一酸化炭素による触媒被毒を防止するために，ルテニウム，ロジウム，オスミウム，ニッケルなどのような遷移金属の合金触媒を使用しているが，合金触媒が一酸化炭素による十分な耐性を備えることが難しい。しかし，遷移金属の配合量を増加させる場合には，製造上の困難がある上，触媒の特性変化が発生するため，触媒被毒を完全に防止することは困難である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
そこで，本発明は，上記問題に鑑みてなされたものであり，本発明の目的とするところは，触媒被毒を防止し，触媒活性を極大化することが可能な，新規かつ改良された燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するために，本発明のある観点によれば，水素が含まれている燃料を供給する燃料供給源と;酸素を供給する酸素供給源と;燃料供給源から供給される燃料，または燃料から発生した水素と，酸素供給源から供給される酸素との電気化学的な反応によって，電気を発生させる一つ以上の電気発生部と;電気発生部において，一酸化炭素による触媒被毒が発生して，電圧が設定値未満に低下した際に，逆電圧を印加して，触媒被毒を除去する被毒除去部と；を備えることを特徴とする，燃料電池システムが提供される。
【００１８】
かかる構成により，電気発生部において発生した一酸化炭素を酸化して，触媒被毒を防止することが可能となり，該触媒被毒によって電圧が低下するのを防止することができる。
【００１９】
燃料供給源から供給される燃料から，水素を含む改質ガスを発生させて，電気発生部に供給する改質装置をさらに備えていてもよい。
【００２０】
被毒除去部は，電気発生部で発生する電圧を感知する電圧感知部と;電圧感知部において感知された電圧が，設定値未満に低下した際に，電気発生部に逆電圧を印加するように制御する制御部と;制御部の制御信号によって，電気発生部に逆電圧を印加する補助電源と；を備えていてもよい。かかる構成により，上記触媒被毒を除去するために印加される逆電圧を適正に制御することが可能になり，該触媒被毒を発生させる一酸化炭素を触媒から除去することができる。
【００２１】
制御部は，電気発生部に逆電圧を印加する際に，同時に，補助電源から外部機器に対して，駆動電圧を印加するように制御することができる。かかる構成により，電気発生部に逆電圧を印加して触媒被毒の除去をしている際にも，外部機器に電源を供給することが可能となる。
【００２２】
制御部は，逆電圧を印加する時間を０．１〜１０秒の範囲で設定して制御することができる。かかる構成により，触媒被毒の除去に必要となる電源量が過剰となることを防止することができる。
【００２３】
補助電源は，１次電池，２次電池，または，電気発生部と連結設置して電気発生部の余裕電力によって充電されるキャパシターの中の一つまたは複数により構成されていてもよい。かかる構成により，汎用性の高い構成を有する補助電源を採用することが可能である。
【００２４】
制御部は，電気発生部で発生する電圧が，正常な駆動電圧の８０％未満に低下した場合に，補助電源から，電気発生部に逆電圧を印加するように制御することができる。かかる構成により，駆動電圧が低下した際に，適切に逆電圧を発生させることが可能となる。
【００２５】
燃料供給源は，水素を含む燃料を貯蔵する燃料タンクと，燃料タンクに貯蔵された燃料を供給するように，燃料タンクに連結して設置される燃料ポンプを備えていてもよい。
【００２６】
酸素供給源は，所定のポンピング力で空気を吸入して，電気発生部に空気を供給できる送風装置を備えていてもよい。かかる構成により，電気発生部に円滑に空気を流入させることができる。
【００２７】
電気発生部は，電解質膜を中心に置いて，その両側にアノード電極とカソード電極とが位置する膜−電極接合体と，膜−電極接合体の両面にそれぞれ配置され，水素または空気が通過する通路が形成されるセパレータとを含んでいてもよい。
【００２８】
アノード電極は，燃料または水素を酸化反応させる触媒層と，水素を触媒層に円滑に移動させるための気体拡散層とで構成され，触媒層は，白金または白金とルテニウムの合金からなるとしてもよい。かかる構成により，触媒層に対する触媒被毒を比較的軽減することができる。
【００２９】
逆電圧を印加する時間は，印加する電圧の大きさ，触媒の材質などによって設定することが好ましく，補助電源の容量に対する負担を減らすためにできるだけ短時間で設定することが好ましい。つまり，逆電圧を印加する間には，補助電源で外部機器に電源を印加するので，逆電圧を印加する時間が長くなれば，それだけ補助電源の容量を増大させなければならない。
【発明の効果】
【００３０】
以上説明したように本発明によれば，電気発生部のアノード電極で一酸化炭素による触媒被毒が発生する場合に，補助電源から逆電圧を印加することによって，被毒された一酸化炭素を二酸化炭素に酸化させ，触媒から容易に除去することができる。さらに，触媒層の触媒活性を向上させて，燃料電池の性能を向上させ，寿命を延長させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書および図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００３２】
まず，本発明による燃料電池システムの第１の実施形態は，図１〜図３に示したように，水素が含まれている燃料を供給する燃料供給源１０と，酸素を供給する酸素供給源２０と，上記燃料供給源１０から供給される燃料から水素を発生させる改質装置３０と，上記改質装置３０から供給される水素と上記酸素供給源２０から供給される酸素との電気化学的な反応を通じて電気を発生させる一つ以上の電気発生部４０と，上記電気発生部４０に一酸化炭素による触媒被毒が発生して，電圧が設定値未満に低下した際に，逆電圧を印加して触媒被毒を除去する被毒除去部８０を含んで構成される。
【００３３】
図１〜図３には，本発明による第１の実施形態にかかり，水素を含む燃料を改質して改質ガスを発生させ，この水素ガスと酸素の電気化学的な反応を通じて，電気エネルギーを発生させる高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）方式を示す。
【００３４】
上記燃料供給源１０から供給される燃料としてはメタノール，エタノール，または天然ガスのように水素を含む燃料があり，以下では便宜上，液状の燃料であるとする。
【００３５】
上記酸素供給源２０からは，上記燃料に含まれた水素と反応する酸素が供給されるが，別途の貯蔵手段に貯蔵された純粋な酸素ガスを使用してもよく，酸素を含有している空気（例えば，大気中の空気）をそのまま使用してもよい。以下では，便宜上，空気を使用する場合について説明する。
【００３６】
上記改質装置３０は，熱エネルギーによる化学触媒反応（水蒸気改質（ＳＲ）触媒反応）を通じて，燃料から水素が含まれた改質ガスを発生させ，上記改質ガスに含まれた一酸化炭素の濃度を低減させる多様な改質装置の構造を適用して実施することが可能である。例えば，上記改質装置３０は，水蒸気改質，部分酸化，または自熱反応などの触媒反応を通じて，上記燃料から水素を含む改質ガスを発生させ，水性ガス転換（ＷＧＳ）法，選択的酸化（ＰＲＯＸ）法などのような触媒反応，或いは，分離膜を利用した水素の精製などのような方法により，改質ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を低減させるように構成することも可能である。
【００３７】
上記燃料供給源１０は，水素を含む燃料を貯蔵する燃料タンク１２と，燃料タンク１２に貯蔵された燃料を上記改質装置３０に供給するように，燃料タンク１２に連結設置される燃料ポンプ１４とを含む。
【００３８】
上記燃料タンク１２と改質装置３０とは，管路形態の燃料供給ライン１５によって連結される。
【００３９】
上記酸素供給源２０は，所定のポンピング力で空気を吸入して，上記電気発生部４０に空気を供給できる送風装置２２を備える。
【００４０】
上記送風装置２２としては，本実施形態の燃料電池システムに連結する外部機器であるノートパソコンのような携帯用電子機器に装着されるファンを利用することもできる。そして，上記送風装置２２は，このようなファンを利用することに限定されず，従来技術の空気ポンプや送風機などを利用して構成することも可能である。
【００４１】
上記送風装置２２と電気発生部４０とは，空気供給ライン２５によって連結され，上記空気供給ライン２５には，供給される空気の流量を調節することができるように流量調節バルブ２４を設置することが好ましい。
【００４２】
上記流量調節バルブ２４は，別途の制御手段から印加される制御信号によって，空気供給ライン２５の流路を選択的に開閉することができる一般的なソレノイドバルブを適用して実施することが可能である。
【００４３】
上記電気発生部４０は，電気自動車やハイブリッド自動車などの駆動部，ノートパソコン，携帯電話機，ＰＤＡ，キャムコーダーなどの外部機器に連結して，駆動電圧を印加するように構成される。
【００４４】
上記被毒除去部８０は，図２に示したように，上記電気発生部４０で発生する電圧を感知する電圧感知部８４と，上記電圧感知部８４において感知された電圧が，設定値未満に低下した場合に，上記電気発生部４０に逆電圧を印加するように制御する制御部８２と，上記制御部８２の制御信号によって，上記電気発生部４０に逆電圧を印加する補助電源８６を含んで構成される。
【００４５】
上記補助電源８６は，別途に設置した１次電池や２次電池などで構成してもよく，上記電気発生部４０と連結設置して，電気発生部４０の余裕電力によって充電されるキャパシター，またはスーパーキャパシター等で構成してもよい。上記余裕電力（または，余裕電源）は，電気発生部４０において発生した電力のうち，外部機器に供給した後に余った電力であるとしてもよい。つまり，電気発生部４０は，外部機器に供給される電力量よりも大きい電力を発生可能に設計されていてもよく，外部機器への電力供給量によっては，余裕電力が発生する場合もある。
【００４６】
上記補助電源８６は，上記電気発生部４０に逆電圧を印加するだけでなく，電気発生部４０が電気を発生させることができない状態にある場合に，外部機器に駆動電圧を印加する役割も果たす。
【００４７】
上記制御部８２では，電気発生部４０で発生する電圧が正常な外部機器の駆動電圧の８０％未満に低下する場合に，上記補助電源８６から電気発生部４０に逆電圧を印加するように構成される。
【００４８】
上記補助電源８６から電気発生部４０への逆電圧印加は，補助電源８６のプラス（＋）極を電気発生部４０のカソード電極側に連結し，補助電源８６のマイナス（−）極を電気発生部４０のアノード電極側に連結することにより行われる。
【００４９】
補助電源８６から電気発生部４０への逆電圧印加の可否の制御は，多様な電気的スイッチ，または電子的スイッチを利用して実施することが可能である。
【００５０】
上記制御部８２では，上記補助電源８６から電気発生部４０へ逆電圧を印加する時間をできるだけ短く維持するように制御する。
【００５１】
逆電圧を印加する時間が長くなる場合には，印加する時間に比例して，補助電源８６の容量を増大させなければならず，これは装置の大型化につながる。また，逆電圧を印加する時間は，触媒の被毒を除去するのに十分な時間に設定することが好ましく，これを超過して逆電圧を印加しても，実際には，十分に触媒の被毒を除去することができない。
【００５２】
上記制御部８２は，上記補助電源８６から電気発生部４０に逆電圧を印加する時間をほぼ０．１〜１０秒程度の範囲で設定するように構成される。上記制御部８２で制御する逆電圧印加時間は，印加される逆電圧の大きさと被毒を除去するための電極の大きさなどとに応じて，適切に設定されることが好ましく，おおよそ５秒以内の範囲に設定されることがさらに好ましい。
【００５３】
本実施形態では，上述したように，別途の電圧感知部をおいて，この電圧感知部を通じて感知される電圧値によって，電気発生部に逆電圧を印加するように被毒除去部を構成しているが，本実施形態における被毒除去部の構成は，必ずしも，これに限定されるわけではない。たとえば，一定の周期を有して，自動的に電気発生部に逆電圧を印加して，電気発生部に発生した触媒被毒が除去できるように被毒除去部を構成することもできる。
【００５４】
図９には，白金系触媒のＣＶと一酸化炭素ストリピイングボルタモグラムとを測定したグラフを示している。つまり，白金触媒に一酸化炭素を強制に吸着させた後，電位を−２００ｍＶから１，０００ｍＶまで２０ｍＶ／ｓの速度でスキャンしながら酸化させた場合の一酸化炭素の状態を示す。
【００５５】
図９のグラフに示されているように，一酸化炭素（ＣＯ）が吸着した場合には，すべての水素吸着ピークがなくなるが，一酸化炭素（ＣＯ）が酸化されれば，再び水素吸着ピークが現れる。そして一酸化炭素（ＣＯ）の酸化反応は６００〜７００ｍＶで約５秒以下の時間に完結されることが確認された。より高い電位である１Ｖで一酸化炭素（ＣＯ）の酸化反応を行う場合には，１秒以下の短時間に一酸化炭素（ＣＯ）の酸化反応が完結して触媒の被毒が除去される。
【００５６】
そして，上記制御部８２では，上記電気発生部４０に逆電圧が印加される間に，外部機器へ上記補助電源８６から駆動電圧が印加されるように制御する。
【００５７】
補助電源８６と別途に，外部機器に対して，臨時に駆動電圧を印加するための電源装置をさらに設置することも可能である。
【００５８】
逆電圧を印加する時間を５秒以内の短時間に設定する場合には，補助電源８６を利用して，駆動電圧を印加するように構成することが好ましい。しかし，逆電圧を印加する時間が長く，かつ，駆動電圧が高い場合には，キャパシターからなる補助電源８６のみで十分な容量が確保し難く，一次電池や２次電池などの別途の電源をさらに設置することが好ましい。
【００５９】
図１０には，電気発生部４０によって印加される駆動電圧と，補助電源８６によって印加される駆動電圧との時間による変化曲線を示している。電気発生部４０で発生される駆動電圧の大きさが設定値以下に低下すると，補助電源８６から逆電圧が印加され，同時に外部機器に駆動電圧が印加される。一方，触媒の被毒が除去されると，電気発生部４０で再び正常な大きさの駆動電圧が印加される。
【００６０】
図１０の斜線部分は，補助電源８６によって駆動電圧が印加される区間を示す。
【００６１】
上記電気発生部４０は，図３〜図６に示したように，電解質膜５１を中心に置いて，その両側にアノード電極５６とカソード電極５２とが位置する膜−電極接合体（ＭＥＡ）５０と，上記膜−電極接合体５０の両面に各々配置されるセパレータ４４，４６を含む。
【００６２】
一つの膜−電極接合体５０と，その両面に配置される一対のセパレータ４４，４６とが一つの単一スタック４２を形成し，上記電気発生部４０は，複数の単一スタック４２が積層された構造からなる（図３および図４参照）。
【００６３】
上記各々のスタック４２において，改質装置３０から供給される水素ガスと酸素供給源２０から供給される空気との酸化反応または還元反応によって，電気エネルギーを各々発生させる。
【００６４】
上記のように，積層される複数のスタック４２の最外郭には，積層されたスタック４２を密着させる密着プレート４８を設置することも可能である。
【００６５】
しかし，本実施形態はこれに限定されず，上記密着プレート４８を排除して複数のスタック４２の最外郭に位置するセパレータ４４，４６によって，上記密着プレート４８の役割を代替するように構成することも可能である。そして，上記密着プレート４８が複数のスタック４２を密着させる機能の他に，セパレータ４４，４６の機能を有するように構成することも可能である。
【００６６】
図５は，図４に示すセパレータのうちの一側に位置するセパレータ４４を旋回させた状態の分解斜視図であり，図６は，図４に示した膜−電極接合体５０とセパレータ４４，４６とが組み立てられた状態の部分断面図である。
【００６７】
上記セパレータ４４，４６は，上記膜−電極接合体５０との密着によって形成される通路４５，４７を備え，上記通路４５，４７は膜−電極接合体５０のアノード電極５６側に備えられる水素通路４７と上記膜−電極接合体５０のカソード電極５２側に備えらえる空気通路４５で構成される。
【００６８】
上記では，隣接するスタック４２の膜−電極接合体５０の間に二つのセパレータ４４，４６が設けられ，各々のセパレータ４４，４６に空気通路４５，または水素通路４７が形成されると説明したが，これに限定されず，隣接するスタック４２の膜−電極接合体５０の間に一つのセパレータを設置し，セパレータの一側面に空気通路を形成し反対側面に水素通路を形成することも可能である。この場合には，上記二つのセパレータ４４，４６を通路４５，４７が形成されていない面を互いに一体に密着させた状態と同一である。
【００６９】
上記アノード電極５６は，セパレータ４６の水素筒に通路４７を通じて水素ガスの供給を受ける部分で，水素ガスを酸化反応させて，電子と水素イオンに変換させる触媒層５７と，上記水素ガスを触媒層５７に円滑に移動させるための気体拡散層（ＧＤＬ）５８とで構成される。上記で，アノード電極５６の触媒層５７は，一酸化炭素の被毒抵抗性を有する白金，または白金とルテニウムの合金からなる。
【００７０】
上記のように，触媒層５７を白金，または白金とルテニウムの合金などで構成する場合，一酸化炭素の酸化反応を誘導する酸素吸着機能によって，一酸化炭素の濃度を低減させることができる。
【００７１】
そして，上記カソード電極５２は，セパレータ４４の空気通路４５を通じて空気の供給を受ける部分で，空気中の酸素を還元反応させて，電子と酸素イオンとに変換させる触媒層５３と，上記酸素を触媒層５３に円滑に移動させるための気体拡散層５４で構成される。
【００７２】
上記電解質膜５１は，厚さが５０〜２００μｍである固体ポリマー電解質で形成されて，アノード電極５６の触媒層５７で生成された水素イオンをカソード電極５２の触媒層５３に移動させ，カソード電極５２の酸素イオンと結合して，水を生成させるイオン交換を可能にする。
【００７３】
そして，図３および図４に示したように，上記密着プレート４８には，改質装置３０から発生される水素をセパレータ４６の水素通路４７に供給するための第１注入部６１と，酸素供給源２０から供給される空気をセパレータ４４の空気通路４５に供給するための第２注入部６５と，膜−電極接合体５０のアノード電極５６で反応して残った未反応水素を排出させるための第１排出部６２と，膜−電極接合体５０のカソード電極５２において，水素と酸素との結合反応によって，生成された水分を含む未反応空気を排出させるための第２排出部６６とが設置される。
【００７４】
第１注入部６１は，管路形態の水素供給ライン１６によって改質装置３０と連結して設置され，上記第２注入部６５は，空気供給ライン２５によって酸素供給源２０と連結して設置される。
【００７５】
第１注入部６１と第１排出部６２とは，互いに対角方向に設置され，さらに，第２注入部６５と第２排出部６６とは，互いに対角方向に設置される。
【００７６】
上記セパレータ４４，４６，および膜−電極接合体５０の四つの角部には，上記第１注入部６１と通過孔６３，第２注入部６５と通過孔６７，第１排出部６２と通過孔６４，第２排出部６６と通過孔６８が各々連通されて形成される。
【００７７】
通過孔６３と通過孔６４とは，互いに対角方向で，セパレータ４６の水素通路４７に連結され，通過孔６７と通過孔６８とは，互いに対角方向で，セパレータ４４の空気通路４５に連結されるように形成されている。つまり，スタック４２を構成する四角形のセパレータ４４，４６と膜−電極接合体５０の四隅に形成された４つの通過孔６３，６４，６７，６８は，図５に示すように，通過孔６３と通過孔６４とが該四角形の対角に位置し，通過孔６７と通過孔６８とが該四角形の対角に位置する。そして，上記通過孔６３と通過孔６４とは，セパレータ４４の空気通路４５と断絶され，通過孔６７と通過孔６８とは，セパレータ４６の水素通路４７と断絶されるように形成される。
【００７８】
上記のように構成によれば，上記燃料供給源１０から供給された燃料は，上記改質装置３０を通過しながら水素に変換され，改質装置３０で発生した水素は，水素供給ライン１６を通じて第１注入部６１に流入され，通過孔６３と水素通路４７とを通過しながら，アノード電極５６で酸化反応し，電子と水素イオンに変換される。未反応の水素ガスは，通過孔６４を通過し，第１排出部６２を通じて外部に排出される。
【００７９】
そして，上記空気供給源２０から供給された空気は，空気供給ライン２５を通じて第２注入部６５に流入され，通過孔６７と空気通路４５とを通過しながら，カソード電極５２において，空気中の酸素が還元反応して，電子と酸素イオンとに変換される。未反応の空気は，通過孔６８を通過し，第２排出部６６を通じて外部に排出される。
【００８０】
改質装置３０を通じて発生される改質ガスには，副生成物として一酸化炭素が微量含まれている。これによって，上記水素ガスを膜−電極接合体５０のアノード電極５６に供給する場合，アノード電極５６の触媒層５７が一酸化炭素によって被毒されて，触媒の活性が弱まり，結果的に電気発生部４０の性能，および寿命を短縮させる。
【００８１】
アノード電極５６の触媒層５７が被毒されることによって，触媒の活性が低下し，上記電圧感知部８４から感知される発生電圧が，駆動電圧の８０％未満に低下したと上記制御部８２により判断されると，上記補助電源８６から上記電気発生部４０のアノード電極５６に逆電圧を印加し，外部機器には駆動電圧を印加する。
【００８２】
上記アノード電極５６に逆電圧が印加されると，一酸化炭素（ＣＯ）が，二酸化炭素（ＣＯ２）に酸化されながら，触媒層５７から容易に除去される。
【００８３】
一般に，一酸化炭素（ＣＯ）による白金触媒の被毒現象は，白金の特別な分子構造によって，一酸化炭素が白金の表面に吸着され，これによってアノード電極５６側の気体内の水素分子の白金内触媒的活性点への接近が阻止される現象であると知られている。しかし，白金に吸着された一酸化炭素が，酸化されて二酸化炭素となれば，白金から簡単に脱落する特性がある。
【００８４】
このような点に着眼して，本発明にかかる実施形態においては，被毒されたアノード電極５６に逆電圧を印加して，吸着された一酸化炭素を酸化させて除去する。
【００８５】
そして，本発明による燃料電池システムの第２の実施形態は，図７および図８に示したように，水素が含まれている燃料を供給する燃料供給源１０と，酸素を供給する酸素供給源２０と，上記燃料供給源１０から供給される燃料と上記酸素供給源２０から供給される酸素の電気化学的な反応によって電気を発生させる一つ以上の電気発生部４０と，上記電気発生部４０に一酸化炭素による触媒被毒が発生して，電圧が設定値未満に低下した際に，逆電圧を印加して触媒被毒を除去する被毒除去部８０と，を含んで構成される。
【００８６】
図７および図８には，本発明による第２の実施形態として，メタノール，エタノールなどの有機化合物燃料と酸化剤である酸素の電気化学的な反応を通じて，電気エネルギーを発生させる直接液体燃料電池（ＤＬＦＣ）方式，または直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）を示している。
【００８７】
上記第２の実施形態において，改質装置３０を使用しない点の他，上記第１の実施形態と同様に構成することが可能であり，特に被毒除去部８０の構成は，第１の実施形態と同様に構成することができるので，詳細な説明は省略する。
【００８８】
上記第１の実施形態における直接液体燃料電池（ＤＬＦＣ）に適していない構成は一般的な直接液体燃料電池（ＤＬＦＣ）或いは直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）の構成を適用して実施することが可能である。
【００８９】
上記のように構成される第２の実施形態においても，燃料の酸化反応過程において，副生成物である一酸化炭素が微量発生し，この一酸化炭素による触媒被毒が発生する場合，上記制御部８２で補助電源８６を制御して，アノード電極５６に逆電圧を印加することによって，被毒された一酸化炭素を二酸化炭素に酸化させて除去する。
【００９０】
図１１は，実験により得られた一酸化炭素の除去に対する測定結果であって，膜−電極接合体のアノード電極に逆電圧を加えることによって，一酸化炭素が酸化して除去されることを示すグラフである。
【００９１】
上記グラフは，アノード電極に任意の電圧を印加し，時間の経過によって電流値が変化することを測定した結果である。
【００９２】
まず，任意の電圧（１００ｍＶ）が上記アノード電極に印加される間に，アノード電極の触媒層である白金（Ｐｔ）の表面には，一酸化炭素が吸着されるが，このときの電流値は０Ａに維持される。
【００９３】
ここで，逆電圧をアノード電極に印加すれば，電流値は，印加される逆電圧の値に応じて，それぞれのピークを示し，変化することがわかる。
【００９４】
なお，上記逆電圧として，それぞれ８００ｍＶ，６００ｍＶ，５００ｍＶ，４００ｍＶをアノード電極に印加しており，印加時間は，全て１ｓｅｃとした。図１１において，経過時間１ｓｅｃ後に示される電流波形において，最下側の電流波形は，８００ｍＶの逆電圧がアノード電極に印加された場合であり，その上へ行くほど次第に逆電圧が小さくなる場合を示している。最上側の電流波形は，４００ｍＶの逆電圧がアノード電極に印加された場合である。
【００９５】
このような電流波形，つまり，電流値が，一定の電圧が印加される間より，逆電圧が印加される間に減少する。これは，瞬間的にアノード電極に逆電圧を印加したことにより，一酸化炭素が酸化されて白金の表面から脱落することを意味する。
【００９６】
以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】本発明による燃料電池システムの第１の実施形態を概略的に示すブロック図である。
【図２】本発明による燃料電池システムの第１の実施形態における被毒除去部の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明による燃料電池システムの第１の実施形態を概略的に示す回路図である。
【図４】本発明による燃料電池システムの第１の実施形態における電気発生部を示す分解斜視図である。
【図５】本発明による燃料電池システムの第１の実施形態におけるセパレータの構成を示す分解斜視図である。
【図６】本発明による燃料電池システムの第１の実施形態における膜−電極接合体の構成を示す部分拡大断面図である。
【図７】本発明による燃料電池システムの第２の実施形態を概略的に示すブロック図である。
【図８】本発明による燃料電池システムの第２の実施形態を概略的に示す回路図である。
【図９】白金系触媒のＣＶとＣＯストリピイングボルタモグラムとを示すグラフである。
【図１０】本発明による燃料電池システムの第１の実施形態において，時間による電圧の変化を示すグラフである。
【図１１】本実施形態によって，アノード電極に逆電圧が印加される場合，経過時間によって電流値が変化することを示すグラフである。
【符号の説明】
【００９８】
１０      燃料供給源
１２      燃料タンク
１４      燃料ポンプ
１５      燃料供給ライン
１６      水素供給ライン
２０      酸素供給源
２２      送風装置
２４      流量調節バルブ
２５      空気供給ライン
３０      改質装置
４０      電気発生部
４２      スタック
４４，４６      セパレータ
４５      空気通路
４７      水素通路
４８      密着プレート
５０      膜−電極接合体
５１      電解質膜
５２      カソード電極
５３，５７      触媒層
５６      アノード電極
５４，５８      気体拡散層
６１      第１注入部
６２      第１排出部
６３，６４，６７，６８      通過孔
６５      第２注入部
６６      第２排出部
８０      被毒除去部
８２      制御部
８４      電圧感知部
８６      補助電源
【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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