(57)【要約】【課題】  酸化抑制剤を必要な時に必要な量だけ供給ないし補充することのできる手段を備えてなる燃料電池システムを提供する。【解決手段】  電解質膜の両面にそれぞれ接合されるアノード触媒層とカソード触媒層、アノードガス拡散層とカソードガス拡散層から構成される接合体を、前記接合体に供給するガス流路を備えたセパレータで挟持してなるセルを複数積層した燃料電池スタックと、前記ガス流路にそれぞれガスを供給、排気する配管を備えた燃料電池システムにおいて、  前記燃料電池スタックの上流側のガスを導入する配管に、酸化抑制剤供給装置を備えることを特徴とする燃料電池システム。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面にそれぞれ接合されるアノード触媒層とカソード触媒層、アノードガス拡散層とカソードガス拡散層から構成される接合体を、前記接合体に供給するガス流路を備えたセパレータで挟持してなるセルを複数積層した燃料電池スタックと、前記ガス流路にそれぞれガスを供給、排気する配管を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックの上流側のガスを導入する配管に、酸化抑制剤供給装置を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池スタックの触媒層に、酸化抑制剤を外部から供給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】
前記酸化抑制剤は、溶剤に溶解させた溶液にして、燃料電池スタックに供給することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記酸化抑制剤は、溶剤に溶解させた溶液を霧化した状態で、燃料電池供給ガスにのせて燃料電池スタックに供給することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記溶液の霧化は、超音波霧化器を使用することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記溶剤は、低級アルコールとすることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記酸化抑制剤は、Ｎ−ヒドロキシコハク酸イミド、Ｎ−ヒドロキシマレイン酸イミド、Ｎ−ヒドロキシヘキサヒドロフタル酸イミド、Ｎ，Ｎ’−ジヒドロキシシクロヘキサンテトラカルボン酸イミド、Ｎ−ヒドロキシフタルイミド、Ｎ−ヒドロキシテトラブロモフタル酸イミド、Ｎ−ヒドロキシテトラクロロフタル酸イミド、Ｎ−ヒドロキシヘット酸イミド、Ｎ−ヒドロキシハイミック酸イミド、Ｎ−ヒドキシトリメリット酸イミド、Ｎ，Ｎ’−ジヒドロキシピロメリット酸イミドおよびＮ，Ｎ’−ジヒドロキシナフタレンテトラカルボン酸イミドよりなる群から選ばれてなる少なくとも１種であることを特徴とする請求項２〜６のいずれか１項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する。より詳細には、酸化抑制剤を燃料電池スタックの触媒層に供給ないし補充する手段を備えてなる燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の電極反応で副生する過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）やそれから産出するヒドロキシラジカル（ＯＨラジカル）等が、高分子で構成される電解質膜や一般に電解質膜と同様な成分が用いられている電極触媒層のバインダと酸化反応する。これにより、これら電解質膜等の高分子のイオン導電性等の機能を劣化させる。そのため、これらＨ２Ｏ２やＯＨラジカルをトラップする働きのある酸化抑制剤を燃料電池スタックの製造段階で直接バインダや電解質膜を構成する高分子に添加ないし結合して配合する燃料電池技術が提案されている。これにより、酸化抑制剤が発電中に発生するＨ２Ｏ２やＯＨラジカルをトラップし、電解質膜やバインダを構成する高分子との酸化反応による劣化を防止することができるというものである（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００３】
一方、特許文献３のように本発明と異なる技術分野では、液体還元剤を供給する手段として脱硝装置用液体還元剤の供給装置が提案されている。詳しくは、液体還元剤として炭化水素を用いる排ガス脱硝装置において、排気管内に触媒を備えた脱硝反応部が設けられ、各触媒の前段に還元剤供給手段が配置され、該還元剤供給手段が液体還元剤の噴霧機構と加熱機構を有する気化器に接続され、気化した還元剤が排ガスに供給できる脱硝装置用液体還元剤の供給装置が記載されている。この排ガス脱硝装置では、液体還元剤を排ガスに供給するに際し、気化器で液体還元剤を噴霧・加熱して効率良く気化させて排ガスに供給することで、脱硝率を向上させることができるというものである。
【特許文献１】特開２００１−１１８５９１号公報
【特許文献２】特開２００３−２０１３５２号公報
【特許文献３】特開２００２−２２１０２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１、２に記載の燃料電池技術では、燃料電池の発電中に電解質膜やバインダに配合した酸化抑制剤がＨ２Ｏ２やＯＨラジカルをトラップして消費（トラップ機能が消失）されて漸減してくる。そのため、長期にわたってＨ２Ｏ２やラジカルをトラップすることは困難であった。
【０００５】
即ち、酸化抑制剤を燃料電池スタックに必要なときに必要な量だけ供給ないし補充する手段を備えてなる燃料電池システムに関する報告はなく、未だ十分な開発がなされていないのが現状である。
【０００６】
また、上記特許文献３に記載された脱硝装置技術は、ディーゼルエンジンの排気ガスを利用した還元剤の供給手段に関するものであり、燃料電池用として適していないという問題点があった。
【０００７】
即ち、上記特許文献３に記載された本発明とは異なる技術分野に属する脱硝装置技術を燃料電池システムの技術分野に適用（当業者が必要に応じて行う改良や設計変更を含む）しようとすると次のような問題があった。すなわち、特許文献３に記載された脱硝装置技術を利用して酸化抑制剤を燃料電池スタックに供給しようとしても、燃料電池の排気ガスに当たる水素排気ガスや空気排気ガスが、原料ガスの水素ガスないし空気と混合されて燃料電池スタック内に導入されることになる。原料ガス中にこうした不純物が混入されることで、水素や酸素濃度の低下、ひいては発電性能そのものが低下し、劣化が進行してしまうことになり、当該技術の燃料電池への転用は困難であることがわかった。
【０００８】
そこで、本発明が目的とするところは、燃料電池スタック内の触媒層に、酸化抑制剤を必要な時に必要な量だけ供給することのできる手段を備えてなる燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、燃料電池スタックの上流側のガス導入配管に酸化抑制剤供給装置を設け、該装置と燃料電池用供給ガスを用いて酸化抑制剤を触媒層までガス導入配管を通じて供給し得る電池システムにより、上記目的が達成できることを見出したものである。
【００１０】
すなわち、本発明は、電解質膜の両面にそれぞれ接合されるアノード触媒層とカソード触媒層、アノードガス拡散層とカソードガス拡散層から構成される接合体を、前記接合体に供給するガス流路を備えたセパレータで挟持してなるセルを複数積層した燃料電池スタックと、前記ガス流路にそれぞれガスを供給、排気する配管を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの上流側のガスを導入する配管に、酸化抑制剤供給装置を備えることを特徴とする燃料電池システムにより上記目的が達成される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、燃料電池スタックへの供給ガス配管に酸化抑制剤供給装置を備えたため、供給ガスなどをキャリアガスにして酸化抑制剤を燃料電池スタックに供給できる。これにより、燃料電池の発電中に消失（消費）される酸化抑制剤量に応じて、燃料電池スタックの触媒層内に必要な時に必要な量の酸化抑制剤を供給できる。そのため、触媒層内のバインダや電解質膜の酸化反応による劣化を長期間安定して防止することができる。その結果、燃料電池の発電性能を長期間安定して維持することができ、燃料電池スタックの長寿命化を図ることができる。さらに、燃料電池スタックの交換等のメンテナンス頻度も大幅に低減でき、長期的なランニングコスト（メンテナンスコスト含む）が低減されるなど、経済的な面（コスト面）でも優れている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を用いて説明する。
【００１３】
図１は、本発明を実施するための最良の一実施形態を示す燃料電池システムの基本構成を模式的に表した概略図である。図２は、図１に示した燃料電池スタックの内部構成（一部省略）を模式的に表した断面概略図である。図３は、図２に示した燃料電池スタックを構成する電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ；Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙの略）の構成を詳細に表した断面図である。
【００１４】
図１に示すように、本発明に係る燃料電池システム１１では、燃料電池スタック１２が設けられており、燃料電池スタック１２の上流には水素（燃料ガス）と空気（または酸素；反応ガス）を供給するための配管１３、１４が接続されている。また燃料電池スタック１２の下流には、排水素、排空気を排気するための配管１５、１６が接続されている。さらに、本実施形態では、酸化抑制剤供給装置として配管１３、１４の途中に酸化抑制剤を添加するための霧化器１７、１８が設けられており、これらの霧化器１７、１８には酸化抑制剤を供給するための配管１９、２０が接続されている。
【００１５】
次に、図２に示すように、燃料電池スタック１２の内部構成は、ＭＥＡ２４を、該ＭＥＡ２４に供給するガス流路を備えたアノード側と接するセパレータ２５ａとカソード側と接するセパレータ２５ｂで挟持してなるセル２６を複数積層したものである。ＭＥＡ２４は、電解質膜２１の両面にそれぞれ接合されてなるアノード触媒層２２ａとカソード触媒層２２ｂ、アノードガス拡散層２３ａとカソードガス拡散層２３ｂから構成されている。また、燃料電池スタック１２内部に供給される酸化抑制剤を含有する水素と空気をセパレータ２５ａ、２５ｂの各ガス流路２９ａ、２９ｂにそれぞれ分配することができるように水素流路２７及び空気流路２８が設けられている。これにより、配管１３、１４を通じて燃料電池スタック１２内部に供給される酸化抑制剤を含有する水素と空気は、水素流路２７と空気流路２８からそれぞれのセパレータ２５ａ、２５ｂに備えられた燃料ガス流路２９ａと反応ガス流路２９ｂに分配される。また、ＭＥＡ２４内で電極反応に供された水素及び空気は、ＭＥＡ２４からの排水素、排空気を配管１５、１６を通じて排気することができるように、水素排気流路３０及び空気排気流路３１が設けられている。これにより、それぞれのセパレータのガス流路２９ａ、２９ｂからＭＥＡに供給された酸化抑制剤を含有する水素と空気は、電極反応及び酸化防止反応に利用された後、排水素、排空気として水素排気流路３０、空気排気流路３１を通じて配管１５、１６に排気される。またＭＥＡ２４とセパレータ２５から構成されるセル２６を複数積層した燃料電池スタック１２本体の側面にはアノード側集電体３２ａとカソード側集電体３２ｂが設けられており、発生した電力を取り出せる構成となっている。
【００１６】
次に、図３では、電解質膜２１、アノード触媒層２２ａとカソード触媒層２２ｂ、アノードガス拡散層２３ａとカソードガス拡散層２３ｂから構成されるＭＥＡ２４、及び該ＭＥＡ２４に酸化抑制剤溶液３３が供給されている状態を表している。詳しくは、セパレータに備えられた燃料ガス流路および反応ガス流路（図示せず）面に当接する各ガス拡散層２３ａ、２３ｂの表面から酸化抑制剤溶液３３が、各ガス拡散層２３ａ、２３ｂ内を浸透して触媒層２２ａ、２２ｂに達する様子を矢印にて示している。なお、図示していないが、酸化抑制剤溶液中の溶剤量や霧化粒子の粒径、供給する際のＭＥＡの温度等を調節することで、触媒層２２の内部、更には電解質膜２１の内部にまで酸化抑制剤溶液を浸透させることができる。そのため、バインダ及び電解質膜を構成する高分子の酸化による劣化を効果的に防止することができる。
【００１７】
上述した図１〜３に示す実施形態では、燃料電池スタック１２の触媒層２２に、酸化抑制剤を外部から供給する装置構成としたため、必要な時に必要な量を供給でき、酸化抑制剤の消失によるバインダ（触媒層２２）や電解質膜２１の酸化劣化を防止できる。
【００１８】
また、上記実施形態では、酸化抑制剤を溶剤に溶解させた溶液（単に、酸化抑制剤溶液という）にして、燃料電池スタック１２に供給する方式としているため、酸化抑制剤が常温常圧で固体であっても、平易に輸送することができる。
【００１９】
さらに、上記実施形態では、上記酸化抑制剤溶液を霧化器１７、１８にて霧化した状態で、燃料電池供給ガス（水素ガス、空気）にのせて燃料電池スタック１２に供給する。そのため、沸点の高い酸化抑制剤など、広い範囲の酸化抑制剤を容易に燃料電池スタック１２に送ることができる。上記実施形態では、酸化抑制剤溶液の霧化を行なう霧化器１７、１８に超音波霧化器を使用するのが望ましい。超音波霧化器を使用することにより、燃料電池スタック１２に供給する酸化抑制剤溶液をキャリアガスでの搬送に好適な形態である霧化粒子としてガス導入配管内に供給することができる。また超音波霧化器では、微量な霧化量を高精度で制御でき、細かく流量調整することもできる。
【００２０】
なお、上記霧化粒子の粒径は、特に制限されるものではない。ＭＥＡ２４（ガス拡散層２３）表面までの搬送経路内への付着量や滞留量を低減できるように、触媒層表面までの搬送経路（配管）長さやキャリアガス流量や酸化抑制剤溶液比重などに応じて、適宜決定すればよい。特に超音波霧化器では、ミクロンオーダーの霧化粒径を得ることができることから、本発明の作用効果を発揮するのに十分な粒径まで細かくすることが可能である。
【００２１】
また、上記実施形態において、上記酸化抑制剤を溶解させる溶剤をメタノール、エタノール、プロパノール、ブタノールなどの低級アルコールとするのが望ましい。この低級アルコールは、高級アルコールと低級アルコールと一般的な分類法により区別されるものであればよく、通常、炭素数８未満であれば問題なく低級アルコールといえるが、これよりも大きなものであってもよい。中でも、系外（大気中）に排出するような場合には、人体への影響が少なく、毒性のないエタノールが望ましい。また、該低級アルコール溶剤を回収して再利用または燃料電池の原料や改質原料として利用する場合には、特に制限されるものではない。前記溶剤に低級アルコールを用いることで、電解質膜２１、触媒層２２、ガス拡散層２３からなるＭＥＡ２４への浸透性を高くでき、効率良く供給できる。すなわち、ＭＥＡ２４のガス拡散層２３等は、通常、撥水処理されているため、水をはじく。そのため前記溶剤に水を用いると、酸化抑制剤溶液もガス拡散層表面ではじかれ、ガス拡散層中に入りにくい。一方、低級アルコール等の溶剤だと、酸化抑制剤溶液がガス拡散層表面に付着後、内部に浸透して触媒層に達し、運転時の熱や運転停止後の余熱でエタノールがすばやく蒸発されて固定化できるものである。ただし、本発明では、水や比較的沸点の高い溶剤であっても、電池の使用用途によっては十分利用可能である。高沸点溶剤を使う際には、発電停止後の余熱でも該溶剤が蒸発され難く、ＭＥＡ内に残る虞がある。そのため、余熱を使って供給できる酸化抑制剤量や供給時間が制約される点に留意して用いる必要がある。一方、上記した低級アルコール等では、こうした制約を受けることがない点でも有利である。なお、本発明の酸化抑制剤溶液には、特に断らない場合には、分散媒に分散させた酸化抑制剤分散液を含むものとする。即ち、本発明では、上記溶剤に代えて酸化抑制剤を溶解しない分散媒を用いてもよい。この際には、酸化抑制剤微粒子を分散媒に分散させた酸化抑制剤分散液を超音波霧化器に供給し、上記酸化抑制剤溶液の霧化粒子と同程度の霧化粒径にできるものであれば使用可能である。更に好ましくは、分散媒が揮発するまでに、ガス拡散層表面から内部に十分浸透することができる酸化抑制剤微粒子の粒径や分散媒の種類を選択するのが望ましい。
【００２２】
上記酸化抑制剤溶液の濃度および粘度についても、特に限定されるものではない。酸化抑制剤供給装置で所望の粒径に霧化することができ、霧化粒子をキャリアガスによって効率よくＭＥＡ表面まで搬送できる程度の濃度および粘度を有していればよい。
【００２３】
また、上記実施形態における酸化抑制剤としては、Ｎ−ヒドロキシコハク酸イミド、Ｎ−ヒドロキシマレイン酸イミド、Ｎ−ヒドロキシヘキサヒドロフタル酸イミド、Ｎ，Ｎ’−ジヒドロキシシクロヘキサンテトラカルボン酸イミド、Ｎ−ヒドロキシフタルイミド、Ｎ−ヒドロキシテトラブロモフタル酸イミド、Ｎ−ヒドロキシテトラクロロフタル酸イミド、Ｎ−ヒドロキシヘット酸イミド、Ｎ−ヒドロキシハイミック酸イミド、Ｎ−ヒドキシトリメリット酸イミド、Ｎ，Ｎ’−ジヒドロキシピロメリット酸イミドおよびＮ，Ｎ’−ジヒドロキシナフタレンテトラカルボン酸イミドよりなる群から選ばれてなる少なくとも１種を用いるのが望ましい。これらの酸化抑制剤では、入手性、作りやすさ、コストの点で優れており、使用しやすい。もちろん上記に例示したもの以外の酸化抑制剤を使用しても良い。
【００２４】
次に上述した図１〜３の図面を用いて本発明の燃料電池スタックによる作用・効果を説明する。
【００２５】
図１に示すように、本発明の燃料電池スタック１２では、酸化抑制剤は、例えば、エタノールなどの溶剤に溶解させて溶液とし、配管１９、２０から霧化器１８、１９を通して霧化し、水素ガス、空気ガスのガス配管１３、１４に添加する。添加された酸化抑制剤は水素又は空気をキャリアガスとして燃料電池スタック１２内へ送られる。
【００２６】
続いて、図２、３に示すように、燃料電池スタック１２内へ送られた上記酸化抑制剤溶液３３は、各ガス経路２７、２８、２９ａ、２９ｂを通過する際にガス拡散層２３ａ、２３ｂ表面に付着後、内部に浸透し、触媒層２２ａ、２２ｂに達する。その後、溶剤（エタノール）が蒸発し、酸化抑制剤３３のみが触媒層２２ａ、２２ｂに残り、酸化防止作用をする。よって、酸化抑制剤３３は、触媒層２２ａ、２２ｂのほか、電解質膜２１にも残るように調整してもよい。
【００２７】
酸化抑制剤を供給するタイミングは、燃料電池による発電（運転）を停止した直後が望ましい。停止直後に酸化抑制剤を霧化器１７、１８に注入し、水素又は空気をキャリアガスとして燃料電池スタック１２に送り込む。この時、発電を防止するために、水素極（アノード）側と空気極（カソード）側への耐酸化触媒たる酸化抑制剤を含むガスの供給は交互に行うことが望ましい。これは、発電中は水が生成され、酸化抑制剤が流されてしまうためである。よって、酸化抑制剤の添加は、水が生成されない時及び条件下に行うのが良い。さらに発電停止後、燃料電池スタック１２が冷える前に供給すれば、酸化抑制剤が触媒層２２に到達後、余熱でエタノールがすばやく蒸発されて、補充（供給）作業が迅速に終了する。かかる観点から、燃料電池による発電を停止した直後が望ましいが、発電中に酸化抑制剤を供給してもよいことはいうまでもない。
【００２８】
また、本発明では、アノード側および／またはカソード側の触媒層やガス拡散層２３、あるいは電解質膜２１等に、従来と同様、製造段階で酸化抑制剤を予め添加しておいてもよい。この場合、燃料電池の初期発電中でも酸化防止効果を発揮できる点で優れている。その後、燃料電池の発電・停止を繰り返す間に触媒層等で消失される酸化抑制剤量に応じて、発電中や停止後などに、本発明による燃料電池システムにより酸化抑制剤を外部から供給（補給）することができる。また、製造段階で酸化抑制剤を予め添加しない場合には、燃料電池の組み立て後や初期発電時に、本発明による燃料電池システムにより所望量の酸化抑制剤を外部から供給してもよい。なお、その後は、上記と同様に発電中や停止直後などに消失量に応じた量を補充するようにすればよい。
【００２９】
なお、外部からの酸化抑制剤の供給（補充）量は、例えば、予備実験等で予め取得した発電条件ごとの酸化抑制剤の消失量等のデータから、実際の発電条件や配管１５、１６等から検出される酸化抑制剤の流出量等のデータに応じて決定することができる。ただし、本発明では、これらに何ら制限されるものではなく、本発明の作用効果を奏することができる範囲内であれば、様々なデータに基づき適宜決定することができる。
【００３０】
以上、本発明を実施するための最良の一実施形態を示す燃料電池システムに関する説明であるが、本発明はこれらに制限されるものではない。以下、本発明に係る燃料電池システムの他の実施形態につき説明する。
【００３１】
図１〜３では、前記燃料電池スタックの上流側の水素及び空気ガスを導入する配管１３、１４のそれぞれに、酸化抑制剤供給装置を備えてなる実施形態を示したが、本発明では、これに制限されるものではない。即ち、水素ガス、空気ガスを導入する配管１３及び配管１４のいずれか一方のみに酸化抑制剤供給装置を備えてなるものであってもよい。かかる実施形態によっても、酸化抑制剤を外部から供給するアノード側またはカソード側の触媒層、さらには電解質膜の酸化防止を長期間維持することができるためである。当該実施形態では、発電条件等によってアノード側とカソード側の触媒層内での酸化抑制剤の消失速度に大きな差異があるような場合等に適用可能である。この際、酸化抑制剤を外部から供給しない側の電極触媒層内には、予め酸化抑制剤を添加・配合しておいてもよい。
【００３２】
また、図１〜３では、必要なときに必要な量の酸化抑制剤を供給する手段として、燃料電池スタック１２の触媒層２２に酸化抑制剤を外部から供給する形態を例示したものである。詳しくは、燃料電池スタック１２の上流側のガスを導入する外部配管１３及び１４に酸化抑制剤供給装置を備える実施形態を示したが、本発明はこれに制限されるものではない。例えば、燃料電池スタック１２の上流側の水素及び空気ガスを導入する内部配管に当たる水素流路２６、空気流路２７に酸化抑制剤供給装置を備えてもよい。かかる実施形態でも、燃料電池スタック１２の触媒層２２に、必要な時に必要な量の酸化抑制剤を触媒層外部から供給でき、酸化抑制剤の消失によるバインダ（触媒層２２）や電解質膜２１の酸化劣化を防止できる。詳しくは、それぞれのセパレータ２５ａ、２５ｂに備えたガス流路２９ａ、２９ｂに分配する前の水素流路２６及び／又は空気流路２７に酸化抑制剤供給装置を設けることもできる。酸化抑制剤供給装置として用いられる超音波霧化器１７、１８等は非常に小型で高性能な装置が製品化されており、水素流路２６、空気流路２７への設置も達成可能なためである。更に微細加工技術やマイクロマシン技術の発達により、超小型、軽量で組込み等あらゆるアプリケーションに対応可能となってきており、振動子サイズのレベルまで装置の小型化を図ることができる。そのため、セパレータ２５ａ、２５ｂに備えたガス流路２９ａ、２９ｂごとに分配された各水素流路２６、空気流路２７に超小型の超音波霧化器を備えてもよい。これにより、各セパレータ２５ａ、２５ｂのガス流路２９ａ、２９ｂごとに、酸化抑制剤溶液３３の供給時期や供給量を対応する触媒層２２ａ、２２ｂ内での酸化抑制剤の消失量に応じて、調整（制御）することもできる。
【００３３】
なお、酸化抑制剤供給装置を含めた酸化抑制剤の供給手段については、特に制限されるものではない。図１〜３に示すように、酸化抑制剤供給装置（霧化器１７、１８）の外部に酸化抑制剤を貯蔵するための貯蔵装置（図示せず）を設けておき、該貯蔵装置から配管１９、２０を通じて酸化抑制剤供給装置に酸化抑制剤を供給するようにしてもよい。また、図１〜３に示す実施形態以外にも、例えば、酸化抑制剤供給装置内部に、酸化抑制剤を貯蔵するための貯蔵部と、酸化抑制剤をガス供給配管１３、１４等に供給するための供給部（霧化部）とを設け、該貯蔵部から該供給部に酸化抑制剤を供給するようにしてもよい。これにより、図１〜３に示す酸化抑制剤溶液を酸化抑制剤供給装置（霧化器１７、１８）に送り込むための配管１９、２０の配管長さを短くできる。その結果、酸化抑制剤の供給手段を小型軽量化することができる。これらの貯蔵装置や配管１９、２０には、更に従来既知の供給手段として備えられているような、攪拌装置、あるいは流量調整弁や開閉弁、センサ類などの制御系統の各種装置類が備えられていてもよい。
【００３４】
また、酸化抑制剤供給装置外部ないし内部に設けられる酸化抑制剤溶液の貯蔵容器ないし貯蔵部は、（１）着脱自在なカートリッジ方式として、適宜、カートリッジ貯蔵装置ないし貯蔵部ごと交換するようにしてもよい。あるいは（２）貯蔵容器内の酸化抑制剤溶液が所定残量になった時点で、燃料電池システムの外部から不足分を補充すべく、所定濃度に調整された酸化抑制剤溶液を補充するようにしてもよい。さらに、（３）酸化抑制剤及び溶剤の各貯蔵容器を別途設けておき、酸化抑制剤溶液が所定残量になった時点で、酸化抑制剤及び溶剤の各貯蔵容器から酸化抑制剤溶液の貯蔵容器に酸化抑制剤及び溶剤を適量ずつ供給しするようにしてもよい。本発明では、これらの方式に何ら制限されるものではない。なお、上記（３）の方式でも、酸化抑制剤及び溶剤の各貯蔵容器への酸化抑制剤及び溶剤の補充には、上記（１）又は（２）の方式を採用する必要がある。そのため、酸化抑制剤の供給手段全体の小型軽量化、装置構成の簡素化の点から、酸化抑制剤溶液を燃料電池システムの外部から補充する上記（１）、（２）の方式がよい。
【００３５】
また、図１〜３では、上記酸化抑制剤溶液にして燃料電池スタックに供給する実施形態、とりわけ該酸化抑制剤溶液を霧化した状態で、燃料電池供給ガスにのせて燃料電池スタック１２に供給する好適な実施形態を示したものである。しかしながら、本発明では、これらに何ら制限されるものではない。酸化抑制剤が、使用条件下（温度、圧力条件等）で液化した状態の場合には、溶剤を用いることなく酸化抑制剤供給装置に供給し、霧化した状態で流量を調整しながら燃料電池供給ガスにのせて燃料電池スタック１２に供給してもよい。例えば、燃料電池スタックの水素流路２６、空気流路２７に酸化抑制剤供給装置を備えることで、搬送距離を短くした上で、酸化抑制剤供給装置の貯蔵部で酸化抑制剤を、必要があれば加熱し、液化した状態にする。この液化状態を保持したまま供給部で霧化して素早くガス拡散層表面まで搬送する。これにより、触媒層内部まで浸透させることができる。なお、加熱により液化した場合には、発電後の余熱がなくなれば触媒層内部で冷却固化されて残る。一方、常温常圧で液体の酸化抑制剤であれば、触媒層内部に浸透後も液体状態で残るため、発電中に流動しやすく、配管１５、１６側に流出しやすい。そのため供給量を多目にし、流出された酸化抑制剤を効率よく回収して循環使用できるようにする事が望ましい。上記したように酸化抑制剤は、電池性能への影響や経済性などのメリット・デメリットを総合的に判断して、最適な使用形態（溶液化や液化など）を決定すればよい。
【００３６】
また、図１〜３では、上記酸化抑制剤溶液の霧化に、酸化抑制剤供給装置として超音波霧化器を用いた実施形態を示したものである。詳しくは、燃料電池供給ガスを導入する配管ごとに超音波霧化器を１つずつ備えたのである。しかしながら、本発明では、これらに何ら制限されるものではない。必要があれば、１つの配管に２以上の超音波霧化器を設けてもよい。ただし、燃料電池システムの構造及び制御が複雑化することから、図１〜３に示す形態が望ましいといえる。
【００３７】
また、図１〜３では、酸化抑制剤溶液の霧化粒子のキャリアガスとして、燃料電池用供給ガスである、燃料ガス（水素）と反応ガス（空気）を用いる実施形態を示したものである。しかしながら、本発明では、これらに何ら制限されるものではない。即ち、燃料電池の発電停止後に酸化抑制剤を供給するような場合には、燃料電池用供給ガスを導入する配管１３、１４や２７、２８等を利用して、他のキャリアガスを酸化抑制剤供給装置１８、１９より上流側の当該配管１３、１４２７、２８等に必要なときに必要な量だけ供給することができる装置構成としてもよい。この装置では、排気配管１５、１６から該キャリアガスや溶剤を回収し、再利用することができる装置構成を更に付加してもよい。例えば、外部からＮ２ガスやアルゴンガスなどの不活性ガスを燃料電池用供給ガス配管１３、１４等に供給してキャリアガスとして利用するような場合には、運転停止後にわざわざアノード側とカソード側を交互に稼動させなくともよく、同時に稼動させることができる。そのため、燃料電池の運転停止から再始動までに、あまり時間的余裕がないような場合でも、必要な量の酸化抑制剤をタイミングよくアノード側触媒層２２ａとカソード側触媒層２２ｂに供給（補充）できる点で優れている。
【００３８】
また、本発明では、酸化抑制剤溶液を霧化し燃料電池供給ガスを用いて燃料電池スタックに供給すればよく、触媒層までの経路や装置内での酸化抑制剤溶液や霧化粒子は特に加熱する必要はない。これは、触媒層表面までに加熱することで、霧化粒子中の溶剤成分が揮発する虞れがあるためである。ただし、触媒層までの供給経路や酸化抑制剤溶液の貯蔵容器内での酸化抑制剤溶液または霧化粒子の温度は、使用する溶剤が途中で揮発しない程度であれば加温してもよい。特に、寒冷地など使用環境によっては、低温の霧化粒子を触媒層に供給すると、触媒層表面から内部に酸化抑制剤溶液が浸透する過程で、溶剤を電池の運転停止後の余熱だけで揮発させ難くなるためである。そのため必要があれば、電池の運転停止前に燃料電池の排ガスなどの余熱を利用して、酸化抑制剤溶液または霧化粒子を加温するなどしてもよい。
【００３９】
以上、本発明の燃料電池システムの特徴的な要件である、燃料電池スタックの上流側のガスを導入する配管に、酸化抑制剤供給装置を備えることの要件を中心に説明したものである。本発明の他の構成要件、即ち、電解質膜の両面にそれぞれ接合されるアノード触媒層とカソード触媒層、アノードガス拡散層とカソードガス拡散層から構成される接合体を、前記接合体に供給するガス流路を備えたセパレータで挟持してなるセルを複数積層した燃料電池スタックと、前記ガス流路にそれぞれガスを供給、排気する配管を備えた燃料電池システムについては、特に制限されるものではない。これらに関しては、従来公知の燃料電池システム技術を幅広く適用し得るものである。以下、図１〜３に示す代表的な燃料電池シタックの実施形態の１つである固体高分子型燃料電池スタックを用いた燃料電池システムを中心に、各構成要件ごとに簡単に説明するが、本発明はこれらに何ら制限されるものではない。
【００４０】
［電解質膜］
電解質膜２１は、高いプロトン伝導性を有していればよい。高いプロトン伝導性を有する膜としては、−ＳＯ３Ｈ基などのイオン交換基を有するモノマーの重合体または共重合体；またはイオン交換基を有するモノマーと他のモノマーとの重合体などの公知の材料からなる膜を用いることができる。例えば、化学式１に示すパーフルオロカーボンスルホン酸膜、エチレン−四フッ化エチレン共重合体膜、またはトリフルオロスチレンをベースポリマーとするフッ素含有樹脂膜などを好ましく用いることができる。
【００４１】
【化１】
2006172999.tif 000003
【００４２】
化学式１において、ｋおよびｍは整数、ｐは０〜３の整数、ｑは０または１、ｎは１〜１２の整数、Ｘはフッ素原子またはトリフルオロメチル基であることが好ましい。
【００４３】
上述のパーフルオロカーボンスルホン酸のポリマーからなる膜の具体例として、デュポン株式会社製ＮＡＦＩＯＮＴＭ、旭硝子株式会社製ＦＬＥＭＩＯＮＴＭ、旭化成ケミカルズ株式会社製ＡＣＩＰＬＥＸＴＭ、およびザ・ダウ・ケミカル・カンパニー製ＤＯＷＥＸＴＭなどが挙げられる。
【００４４】
固体高分子電解質膜２１の膜厚は、得られる燃料電池の特性を考慮して適宜決定することができるが、５〜３００μｍが好ましく、より好ましくは１０〜２００μｍ、特に好ましくは１５〜１５０μｍである。固体高分子電解質の膜厚が５μｍ以上であると製膜時の強度や燃料電池作動時の耐久性の点から好ましく、３００μｍ以下であると燃料電池作動時の出力特性の点から好ましい。
【００４５】
［電解質膜の両面にそれぞれ接合されるアノード触媒層とカソード触媒層］
アノード触媒層２２ａ及びカソード触媒層２２ｂは、いずれも導電性担体に触媒粒子が担持されてなる電極触媒とプロトン導電性を有するバインダで構成されている。さらに、本発明では、必要があれば触媒層中にも酸化抑制剤を有していてもよい。これについては既述した通りであるので説明を省略する。
【００４６】
各触媒層に含まれる電極触媒は、触媒粒子を担持した導電性担体からなる。
【００４７】
導電性担体に担持される触媒粒子としては、アルミニウム、ケイ素、リン、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ガリウム、ゲルマニウム、セレン、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、すず、アンチモン、テルル、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金、金、鉛およびビスマスよりなる群から選択される１種、もしくは、この群から選択される少なくとも２種の合金を用いることができる。発電特性、耐久性、一酸化炭素などに対する耐被毒性および耐熱性などの点から、白金、白金−鉄合金、白金−コバルト合金、白金−ニッケル合金、白金−モリブデン合金、または白金−ルテニウム合金が好ましい。
【００４８】
触媒粒子の平均粒子径は、１〜３０ｎｍが好ましい。平均粒子径が１ｎｍ以上であると比表面積に見合った触媒活性が得られる点から好ましく、３０ｎｍ以下であると触媒活性の点から好ましい。本発明における触媒の平均粒子径は、Ｘ線回折における触媒粒子の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径、または透過型電子顕微鏡像より得られる触媒粒子の粒子径の平均値を求めることにより得ることができる。
【００４９】
導電性担体は、触媒を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、集電体として機能する導電性を有しているものであればよい。導電性担体の材質としては、例えば、ケッチェンブラックＴＭまたはアセチレンブラックなどのカーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛または人造黒鉛などのグラファイト、メソカーボンマイクロビーズ、ガラス状炭素粉体、およびカーボンナノチューブなどの主成分がカーボンであるものが好ましい。なお、「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。場合によっては、燃料電池の特性を向上させるために、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。なお、実質的に炭素原子からなるとは、２〜３質量％程度以下の不純物の混入が許容されることを意味する。
【００５０】
導電性担体の平均一次粒子径は、２ｎｍ〜１μｍが好ましく、より好ましくは５〜２００ｎｍ、特に好ましくは１０〜１００ｎｍである。平均一次粒子径が２ｎｍ以上であると有効な導電性ネットワークを形成するという点から好ましく、１μｍ以下であると触媒層の厚みを適切な範囲で制御できる点から好ましい。
【００５１】
導電性担体への触媒粒子の担持は公知の方法で行うことができる。
【００５２】
例えば、触媒金属を第一の溶媒に溶解して触媒金属水溶液を調製する。次に、カーボン粒子などの導電性担体、触媒金属水溶液、および還元剤を第二の溶媒に加えた混合液を調製し、触媒金属を還元・析出させカーボン粒子などの導電性担体に担持させることができる。次に、濾過により固形分を分離した後、固形分を乾燥することにより電極触媒を得ることができる。
【００５３】
触媒金属水溶液として、触媒として白金を用いる場合、塩化白金酸溶液またはジニトロジアミン白金錯体溶液などを用いることができる。還元剤として例えば、炭素数１〜６の有機酸類、アルコール類、炭素数１〜３のアルデヒド類、水酸化ホウ素ナトリウムおよびヒドラジンなどを用いることができる。炭素数１〜６の有機酸類としては特に限定されないが、ギ酸、酢酸、シュウ酸またはクエン酸などが挙げられる。アルコール類としては特に限定されないが、メタノール、エタノール、エチレングリコール、２−プロパノールまたは１，３−プロパンジオールなどが挙げられる。炭素数１〜３のアルデヒド類としては特に限定されないが、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒドまたはアクロレインなどを用いることができる。第二の溶媒として、水を用いることができる。
【００５４】
導電性担体に対する触媒粒子の含有率は特に限定されないが、５〜８０質量％が好ましく、より好ましくは１０〜７５質量％、特に好ましくは１５〜７０質量％である。触媒粒子の含有量が５質量％以上であると高い触媒活性を維持できる点で好ましく、８０質量％以下であると高い耐久性を維持できる点で好ましい。触媒粒子の担持量は誘導結合プラズマ発光分光法（ＩＣＰ）により求めることができる。
【００５５】
触媒層に含まれるプロトン導電性を有するバインダー（ないし高分子電解質）は、電極触媒の少なくとも一部を被覆しているのが好ましい。これにより、プロトン伝導性などを向上させるだけでなく、電極構造を安定して維持することができ、電極性能を高めることができる。
【００５６】
上記バインダとしては、特に限定されないが、上述の電解質膜の項で記載した高分子電解質を好ましく用いることができる。即ち、Ｎａｆｉｏｎ溶液などのパーフルオロスルホン酸ポリマー系のプロトン導電体、リン酸などの無機酸を炭化水素系高分子化合物にドープさせたもの、一部がプロトン導電体の官能基で置換された有機／無機ハイブリッドポリマー、高分子マトリックスにリン酸溶液や硫酸溶液を含浸させたプロトン導電体などからなるイオン交換樹脂が挙げられる。パーフルオロスルホン酸ポリマー系のプロトン導電体として、具体的には、炭素原子とフッ素原子のみからなる重合体だけではなく、水素原子が全てフッ素原子と置換されていれば酸素原子等を含有するものなどが挙げられ、ＣＦ２＝ＣＦ２に基づく重合単位とＣＦ２＝ＣＦ−（ＯＣＦ２ＣＦＸ）ｍ−Ｏｐ−（ＣＦ２）ｎ−ＳＯ３Ｈに基づく重合単位（式中、Ｘはフッ素原子又はトリフルオロメチル基であり、ｍは０〜３の整数であり、ｎは１〜１２の整数であり、ｐは０又は１である。）とを含む共重合体などがある。
【００５７】
バインダと導電性担体との質量比は、順に、０．３：１〜１．３：１が好ましく、より好ましくは０．５：１〜１．１：１である。導電性担体質量に対してバインダ成分である高分子電解質の質量比が０．３倍以上であると触媒層内の良好なイオン伝導性の点で好ましく、１．３倍以下であると触媒層内のガス拡散及び水の排出の点で好ましい。
【００５８】
各触媒層には、さらに、撥水性高分子や、その他の各種添加剤が含まれていてもよい。撥水性高分子が含まれていることにより、得られる触媒層の撥水性を高めることができ、発電時に生成した水などを速やかに排出することができる。撥水性高分子の混合量は、本発明の作用効果に影響を与えない範囲で適宜決定することができる。上述の撥水性高分子として例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、または、ＰＴＦＥ、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレンもしくはこれらのモノマーの共重合体（例えば、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体など）などのフッ素系の高分子材料などを用いることができる。
【００５９】
本発明における触媒層の形成方法としては、公知の方法を用いることができる。
【００６０】
例えば、電極触媒、バインダ、さらに必要に応じて、酸化抑制剤、撥水性高分子やその他の各種添加剤を液体分散媒に混合して、電極触媒インクとして、基材上、ガス拡散層上または高分子電解質膜上にスクリーンプリンター、バーコーター、ダイコーター、リバースコーター、コンマコーター、グラビアコーター、スプレーコーター、ドクターナイフなどを用いて塗布し、乾燥させることにより形成できる。
【００６１】
電極触媒インクに用いられる液体分散媒としては、水；エタノール、１−プロパノール、２−プロパノールなどのアルコール；またはこれらの混合溶媒などを好ましく用いることができる。上記基材としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）製シート、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）製シートなどを好ましく用いることができる。ガス拡散層に関しては、後述のガス拡散層基材、ガス拡散層におけるカーボン粒子層、およびガス拡散層におけるカーボン繊維層の項に記載する。乾燥は、室温〜使用溶媒の沸点＋１０℃程度、１０〜３００分、風乾もしくは乾燥用オーブン等の機器を用いて行うことが好ましい。乾燥用オーブン等の機器を用いるときは、減圧下で行ってもよい。
【００６２】
基材上またはガス拡散層上に触媒層インクを塗布して各触媒層を形成した場合、例えば、ホットプレスにより触媒層と固体高分子電解質膜とを接合させることができる。基材上に触媒層を形成した場合、触媒層を形成した基材を２枚用いて、触媒層が対向するように固体高分子電解質膜を挟持してホットプレスした後、基材のみを剥がせばよい。ガス拡散層上に触媒層を形成した場合、触媒層を形成したガス拡散層を２枚用いて、触媒層が対向するように固体高分子電解質膜を挟持してホットプレスすればよい。
【００６３】
ホットプレスは、１１０〜１７０℃、触媒層側の面に対して０．１〜１０ＭＰａのプレス圧力で行うことが好ましい。上述の範囲でホットプレスを行うことにより、高分子電解質膜と触媒層との接合性を高めることができる。
【００６４】
本発明における触媒層の厚さは特に限定されないが、０．１〜１００μｍが好ましく、より好ましくは１〜２０μｍである。触媒層の厚さが０．１μｍ以上であると所望する発電量が得られる点で好ましく、１００μｍ以下であると高出力を維持できる点で好ましい。
【００６５】
［アノードガス拡散層及びカソードガス拡散層］
触媒層２２ａ、２２ｂに隣接するようにガス拡散層２３ａ、２３ｂを配置することにより、高分子電解質膜２１が均一に加湿されて、高い水素イオン伝導性を発現することができる。
【００６６】
また、カソード側にガス拡散層２３ｂを配置した場合には、酸化剤ガスを連続的に供給することができ、カソード側の化学反応をスムーズに行うことができ、さらに、化学反応により発生した水を分散させて触媒活性の低下を防止させることができる。アノード側にガス拡散層２３ａを配置した場合には、水素含有ガスを連続的に供給することができ、アノード側の化学反応をスムーズに行うことができる。
【００６７】
ガス拡散層２３は、アノード側またはカソード側のどちらか片面にのみ配置してもよし、アノード側およびカソード側の両面に配置してもよい。好ましくは、アノード側およびカソード側の両面にアノードガス拡散層２３ａとカソードガス拡散層２３ｂを配置することである。
【００６８】
本発明で用いられるガス拡散層は、ガス拡散層基材から構成され、さらに撥水性高分子等を含んでいてもよい。
【００６９】
ガス拡散層基材としては、特に限定されず、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性及び多孔質性を有するシート状材料などが挙げられる。
【００７０】
また、ガス拡散層の撥水性をより高めてフラッディング現象などを防ぐために、ガス拡散層基材に撥水性高分子を含むことが好ましい。撥水性高分子としては、特に限定されないが、ポリプロピレン、ポリエチレン、または、ＰＴＦＥ、ＰＶＤＦ、ポリヘキサフルオロプロピレン、もしくはこれらのモノマーの共重合体などのフッ素系の高分子材料よりなる群から選択される少なくとも１種を用いることが好ましい。
【００７１】
フラッディングとは、触媒層中の細孔などのガス拡散流路に水が溜まりガスの拡散を阻害する現象である。
【００７２】
本発明におけるガス拡散層の撥水処理方法としては、公知の方法を用いることができる。例えば、撥水性高分子の分散液にガス拡散層基材を含浸した後、ガス拡散層基材を加熱乾燥することにより撥水処理できる。加熱乾燥は、５０〜１５０℃、１０分〜５時間、オーブンを用いて行うことが好ましい。
【００７３】
各ガス拡散層の厚みは、特に限定されないが、５０〜５００μｍが好ましく、より好ましくは１００〜４００μｍである。ガス拡散層の厚みが５０μｍ以上であるとガスの拡散性の点で好ましく、５００μｍ以下であると電気的抵抗低減の点で好ましい。
【００７４】
［接合体に供給するガス流路を備えたセパレータ］
ＭＥＡ２４を挟持するアノード側セパレータ２５ａおよびカソード側セパレータ２５ｂとしては、特に限定されず、公知のものを用いることができる。具体的には、カーボンペーパー、カーボンクロスなど、一般的に用いられているものが挙げられる。セパレータは、酸化ガスと燃料ガスとを分離する機能を有するものであり、それらのガス流路２９ａ、２９ｂを確保するためのガス供給溝（図２参照のこと。）が形成されてもよい。セパレータの厚さ、大きさ、およびガス供給溝の形状などについては、特に限定されず、燃料電池の出力特性などを考慮して、適宜決定すればよい。
【００７５】
さらに、本発明では、燃料電池が所望する電圧等を得られるように、ＭＥＡ２４を、前記ＭＥＡ２４に供給するガス流路２９ａ、２９ｂを備えたセパレータ２５ａ、２５ｂで挟持してなるセル２６を複数積層して直列に繋いだ燃料電池スタック１２が形成される。燃料電池の形状などは特に限定されず、所望する電圧などの電池特性が得られるように適宜決定すればよい。燃料電池スタック１２本体の側面にはアノード側集電体３２ａとカソード側集電体３２ｂが設けられており、発生した電力を取り出せる構成となっている。この集電体の厚さ、大きさ、および形状などについても、特に限定されず、燃料電池の出力特性などを考慮して、適宜決定すればよい。
【００７６】
［燃料電池スタックのガス流路にそれぞれガスを供給、排気する配管系］
燃料電池スタックの上流側のガスを導入する配管系には、上記したように酸化抑制剤供給装置を備えてなるものであればよく、他の構成に関しては特に制限されるものではない。必要があれば、燃料ガスである水素ガスを直接供給することができるような高圧水素タンク等を設けものであってもよい。あるいは、メタン、エタノール、ガソリン等の炭化水素系化合物を改質して水素ガスを生成するための燃料改質系統が接続できるようにしたものであってもよいなど特に制限されるものではない。
【００７７】
燃料電池スタックの下流側のガスを導入する配管系に関しては、特に制限されるものではない。
【００７８】
上記供給及び排気配管系の１例を図面を用いて簡単に説明する。図４は、燃料電池スタックの上流側のガスを導入する配管系に燃料改質系統を接続し、燃料電池スタックの下流側のガスを導入する配管系に燃焼部と蒸発部を設けた燃料電池システムを模式的に表した概略図である。図４に示すように、燃料電池システム４０では、まず、改質部４１に炭化水素などの燃料を供給する。改質部４１においては、通常は水蒸気を用いた水蒸気改質によって、燃料は水素リッチな改質ガスへと改質される。また、水蒸気に加えて、酸素を含むガスを同時に供給し、部分酸化反応を併発させたオートサーマル改質によっても、水素リッチな改質ガスが得られる。次いで、改質部４１において得られた改質ガスをシフト反応部４２に送り、改質ガス中のＣＯ濃度を１体積％程度にまで低減させる。ＣＯ濃度が１体積％程度にまで低減された改質ガスは、続いてＣＯ選択酸化触媒が配置された固体高分子型燃料電池用のＣＯ濃度低減装置４３に送られ、ＣＯ濃度がｐｐｍオーダーにまで低減される。ＣＯ濃度低減装置４３においてＣＯ濃度がｐｐｍオーダーにまで低減された改質ガス（＝水素ガス）と、酸化剤（通常は空気）とを用いて、固体高分子型燃料電池スタック４４において発電反応が進行する。本発明では、この改質ガス（＝水素ガス）と、酸化剤（通常は空気）を導入する配管に、酸化抑制剤供給装置を備えてなるものである（図４には、図示せず。図１〜３参照のこと。）。固体高分子型燃料電池スタック４４からは使用済み燃料ガス（水素排気ガス）および使用済み酸化剤（空気排気ガス）が排出される。燃焼部４５を設けてこの使用済み燃料ガスおよび酸化剤を燃焼させ、蒸発部４６においてその燃焼熱を利用して水を蒸発させ、改質器４１において用いられる水蒸気を発生させることによって、系全体のエネルギー効率を向上させうる。燃焼部４５および蒸発部４６には、必要に応じて炭化水素などを供給してもよい。
【００７９】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池の発電性能を長期間安定して維持することができ、燃料電池スタックの長寿命化を図ることができる。さらに、燃料電池スタックの交換等のメンテナンス頻度も大幅に低減でき、長期的なランニングコストが低減されるなど、経済的な面でも優れており、定置用電源、車両などの移動体用電源などとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明を実施するための最良の一実施形態を示す燃料電池システムの基本構成を模式的に表した概略図である。
【図２】図１に示した燃料電池スタックの内部の詳細な構成（一部省略）を模式的に表した断面概略図である。
【図３】図２に示した燃料電池スタックを構成する電解質膜−電極接合体の構成を詳細に表した断面図である。
【図４】燃料電池スタックの上流側のガスを導入する配管系に燃料改質系統を接続し、燃料電池スタックの下流側のガスを導入する配管系に燃焼部と蒸発部を設けた燃料電池システムを模式的に表した概略図である。
【符号の説明】
【００８１】
１１    燃料電池システム、
１２    燃料電池スタック、
１３    水素の供給用配管、
１４    空気の供給用配管、
１５    排水素の排気用配管、
１６    排空気の排気用配管、
１７    アノード側の霧化器（酸化抑制剤供給装置）、
１８    カソード側の霧化器（酸化抑制剤供給装置）、
１９    アノード側霧化器への酸化抑制剤の供給用配管、
２０    カソード側霧化器への酸化抑制剤の供給用配管、
２１    電解質膜、
２２ａ    アノード触媒層、
２２ｂ    カソード触媒層、
２３ａ    アノードガス拡散層、
２３ｂ    カソードガス拡散層、
２４    電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ）、
２５ａ    アノード側セパレータ、
２５ｂ    カソード側セパレータ、
２６    セル、
２７    水素流路、
２８    空気流路、
２９ａ    燃料ガス流路、
２９ｂ    反応ガス流路、
３０    水素排気流路、
３１    空気排気流路、
３２ａ    アノード側集電体、
３２ｂ    カソード側集電体、
３３    酸化抑制剤溶液、
４０    燃料電池システム、
４１    改質部、
４２    シフト反応部、
４３    ＣＯ濃度低減装置、
４４    固体高分子型燃料電池スタック、
４５    燃焼部、
４６    蒸発部。
【図１】
2006172999.tif 000004
【図２】
2006172999.tif 000005
【図３】
2006172999.tif 000006
【図４】
2006172999.tif 000007