(57)【要約】【課題】  熱効率および水自給率を向上すると同時に、スタックの金属汚染を防ぐことで、長寿命の固体高分子型燃料電池発電システムを提供する。【解決手段】  燃料ガスと酸化剤ガスを反応させて電力を発生させるスタックと、前記スタックを冷却する冷却水を循環させる冷却系統と、前記スタックから排出される水を回収し、前記冷却水、酸化剤排ガスおよび、燃料排ガスに添加する水回収系統と、前記燃料排ガスあるいは前記酸化剤排ガスの少なくとも一方により、前記燃料ガスあるいは前記酸化剤ガスの少なくとも一方を加温しかつ加湿すると同時に、前記冷却水により前記燃料ガスあるいは前記酸化剤ガスの少なくとも一方を加温しかつ加湿しない熱交換器とを有し、ガスおよび水の通ずる流路のうち、熱交換器から水回収系統までを結ぶ流路および水回収系統において、ガスおよび水に接する部分である内面がフッ化水素酸耐性の素材で構成されている。【選択図】      図１
2006127842.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスを反応させて発電するスタックと、
前記スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、
前記スタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給流路と、
前記スタックから未反応の燃料ガスである燃料排ガスを排出する燃料ガス排出流路と、
前記スタックから未反応の酸化剤ガスである酸化剤排ガスを排出する酸化剤ガス排出流路と、
前記スタックを、冷却水を循環させて冷却する冷却系統と、
前記スタックから排出される水を回収し、前記冷却水、前記酸化剤排ガスおよび、前記燃料排ガスに添加する水回収系統と、
前記燃料排ガスおよび前記酸化剤排ガスの少なくとも一方により、前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスの少なくとも一方を加温しかつ加湿すると同時に、前記冷却水により前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスの少なくとも一方を加湿しないで加温する熱交換器とを有し、
前記燃料ガス供給流路のうち、前記熱交換器の中に存在する部分および前記熱交換器と前記スタックとを結ぶ部分、前記酸化剤ガス供給流路のうち、前記熱交換器の中に存在する部分および前記熱交換器と前記スタックとを結ぶ部分、
前記燃料ガス排出流路のうち、前記スタックと前記熱交換器とを結ぶ部分、前記熱交換器の中に存在する部分、および前記熱交換器と水回収系統とを結ぶ部分、
前記酸化剤ガス排出流路のうち、前記スタックと前記熱交換器とを結ぶ部分、前記熱交換器の中に存在する部分、および前記熱交換器と水回収系統とを結ぶ部分、
前記水回収系統、
およびスタック内部において前記燃料ガス、前記燃料排ガス、前記酸化剤ガス、前記酸化剤排ガスが通じる部分の流路である内部流路において、
ガスおよび水に接する部分である内面がフッ化水素酸耐性の素材で構成されている、
固体高分子型燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記内部流路が、フッ化水素酸耐性の素材で構成されている、
請求項１に記載の固体高分子型燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記内部流路の表面処理によって、前記内面をフッ化水素酸耐性の素材で構成する、
請求項１に記載の固体高分子型燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記内面が、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミド、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリウレタン、シリコーン、フッ素樹脂、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、シンジオタクチック・ポリスチレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、液晶ポリマー、ポリエーテルニトリル、変性ポリフェニレンエーテル、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリアリレート、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、および熱可塑性ポリイミドからなる樹脂群のうち少なくとも一種類を用いて構成される、
請求項1に記載の固体高分子型燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池発電システムに関する。より詳しくは、排ガス中の水を回収利用すると同時に、ガスの供給と排出の流路および水回収の流路の内面がフッ化水素酸耐性の素材で構成され、排ガスは供給ガスの加温と加湿に利用され、かつ、冷却水は供給ガスの加温のみに利用され、加湿には利用されない固体高分子型燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池システムは、高分子電解質膜を陰極と陽極とで挟んでなるセルが積層されたスタックと呼ばれる構造を有する。そして、燃料ガスと酸化剤ガスがそれぞれ、各セルの高分子電解質膜の陰極側と陽極側に供給され、電気化学的反応により電力が発生する。ここで、電力が発生するためには、高分子電解質膜がプロトン透過性を持つことが必要である。プロトン透過性は、高分子電解質膜がイオン交換能力を持つことで生じる。高分子電解質膜のイオン交換能力を維持するためには、高分子電解質膜の水分含量を高く維持する必要がある。このため、固体高分子型燃料電池システムの運転においては、十分な水を高分子電解質膜に供給する必要がある。一般には、酸化剤ガスや燃料ガス（以下、反応ガス）を加湿し、これらの反応ガスを通じて間接的に水が高分子電解質膜に供給される。
【０００３】
上述の通り、燃料電池発電システムは大量の水を必要とするため、製品化において水の利用効率（以下、水自給率）を上げる必要がある。さらに言えば、固体高分子型燃料電池は、スタックの温度が摂氏１００度前後で動作する。このため、酸化剤ガスや燃料ガスは、加湿されると同時に加温もされる必要がある。よって、システムの熱効率を上げるために、効率よく反応ガスの加温を行う必要もある。
【０００４】
スタックからは、未反応（消費されなかった）の反応ガス（以下、排ガス）が排出される。排ガスには、加湿に由来する水や、プロトンと酸素が反応して生じた水（以下、生成水）などが含まれている。このため、スタックから出てくる排ガスは水分含量が高い。また、スタックは高温で動作することから、スタックの冷却水や、スタックから出てくる排ガスは、温度も高い。よって、全熱交換を利用して、排ガスや冷却水による酸化剤ガスや燃料ガスの加温と加湿を行えば、水自給率および熱効率を上げることができる。さらに、排ガスを冷却することで、排ガス中の水を凝縮水として回収することで、水自給率を向上させることもできる。
【０００５】
ここで、酸化剤ガスや燃料ガス中の水は、純粋な気体として存在する訳ではなく、ある程度液体の水としても存在する。一方、高分子電解質膜ではプロトンが発生するため、排ガス中の水は酸性を帯びている。全熱交換膜は、水だけでなくイオンも透過する。よって、排ガス中の水が酸性であれば、酸化剤ガスや燃料ガスに含まれる水も酸性となる。配管等が金属で構成されていると、金属イオンが前記ガス中の水へ溶出する。前記金属イオンがガスの流れに乗ってスタックに入ると、高分子電解質膜を汚染する。その結果、プロトン透過性等が低下し、ひいては電池の特性が劣化する。
【０００６】
上記問題を防止する手段として、凝縮水の循環配管をステンレスなどの耐酸性の素材で構成するもの（特開２００２−２９８８９４）や、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水の出入り口を耐食性とするもの（特開２０００−１６４２３８）などがある。
【特許文献１】特開２００２−２９８８９４号公報
【特許文献２】特開２０００−１６４２３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、発明者らは、前記特許文献に開示されている手法では、燃料電池発電システムの寿命を高めるには不十分であることを発見した。家庭用に開発されている燃料電池発電システムの寿命としては、例えば６万時間程度が要求されている。しかしながら、現行のシステムではせいぜい８千時間程度の寿命しか得られない。先行技術は、要求されている寿命を達成する上でまだまだ未熟である。
【０００８】
本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、簡易かつ安価な構成により、高い熱効率および水自給率を有しながら長寿命である固体高分子型燃料電池発電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】
【０００９】
本願発明者らは、燃料電池発電システムの寿命について、鋭意研究した。その結果、燃料電池発電システムの寿命向上を阻む原因の一つとして考えられたのが、金属イオンによる高分子電解質膜の汚染である。
【００１０】
本願発明者らの研究によれば、耐酸性を有するステンレスで配管を構成したシステムにおいても、排ガスや冷却水には、１ｍｇ／Ｌ前後の金属イオンが含まれることが判明した。同じ水のｐＨは３．８程度であり、さらに１ｍｇ／Ｌ程度のフッ化物イオンも含まれていた。すなわち、排ガス中の水や冷却水は、微弱なフッ化水素酸酸性であることが明らかとなった。セルを構成する高分子電解質膜には、一般にパーフルオロスルホン酸膜が用いられる。よって、高分子電解質膜そのものがフッ素を含んでいる。また、高分子電解質膜では発電によりプロトンも発生する。このために、排ガス中の水そのものがフッ化水素酸酸性となると考えられる。フッ化物イオンは全熱交換膜を通過する。このため、排ガスや冷却水と反応ガスの全熱交換を行うと、反応ガス中の水や冷却水までフッ化水素酸酸性となる。
【００１１】
ステンレスの耐酸性は、主に酸化クロム水和物による酸化物不動態皮膜による。しかし、フッ化水素酸はこの酸化物不動態皮膜を侵すため、ステンレスからも金属イオンが溶出する。したがって、特許文献１のように、凝縮水の循環配管を耐酸性の素材で構成しても、前記素材がフッ化水素酸耐性を有しなければ、循環配管からの金属イオンの溶出を防ぐことはできない。さらに、循環配管のみを耐酸性としてもその他の部分の配管から金属イオンが溶出しうる。また、特許文献２のように、ガスや冷却水の出入り口のみを耐食性としても、その他の部分からの金属イオンの溶出を防ぐことはできない。したがって、これらの先行技術では、高分子電解質膜の金属イオン汚染による電池特性の劣化は防止できないことが分かる。
【００１２】
ここで、凝縮水に含まれるフッ化物イオンや金属イオンをイオン交換樹脂により除去すれば、問題を解決できるとも思われる。しかし、イオン交換樹脂そのものの能力も寿命や事故等により低下する。不慮の事故等によりフッ化物イオン（フッ化水素酸）や金属イオンが反応ガスの配管に侵入する場合がある。このとき、配管からフッ化水素酸に侵されて溶出した金属イオンや、凝縮水から侵入した金属イオンが、スタックに入れば、高分子電解質膜は汚染され使用不能となる。固体高分子型燃料電池発電システムを構成する部材のうち、最も高価で修理が困難なのは高分子電解質膜である。よって、高分子電解質膜が使用不能となれば、実質的に燃料電池発電システムそのものが再生不能となる。スタックの金属イオン汚染を防ぐためには、反応ガス中の水へ金属イオンが混入することを極力防ぐ必要がある。そのための方策としては、全ての配管をプラスチック等のフッ化水素酸耐性の素材で構成することが考えられる。
【００１３】
しかし、冷却系統は、熱交換を行うため、熱伝導性の高い材質で構成される必要がある。したがって、冷却系統の部品をすべてプラスチック類で構成することは困難である。熱伝導性が高く、しかもフッ化水素酸耐性を有する素材としては、黒鉛を混入したプラスチックを利用する方法等も考えられる。しかしながら、現実にこうした素材で冷却系統を全て構成することは、採算面で困難であると言わざるを得ない。よって、冷却系統にはフッ化水素酸耐性を有しない金属製部品を使用しつつ、かつ、高い熱効率や高い水効率を有する燃料電池発電システムを構築する必要がある。
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明に係る固体高分子型燃料電池発電システムは、燃料ガスと酸化剤ガスを反応させて発電するスタックと、前記スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、前記スタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給流路と、前記スタックから未反応の燃料ガスである燃料排ガスを排出する燃料ガス排出流路と、前記スタックから未反応の酸化剤ガスである酸化剤排ガスを排出する酸化剤ガス排出流路と、前記スタックを、冷却水を循環させて冷却する冷却系統と、前記スタックから排出される水を回収し、前記冷却水、前記酸化剤排ガスおよび、前記燃料排ガスに添加する水回収系統と、前記燃料排ガスおよび前記酸化剤排ガスの少なくとも一方により、前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスの少なくとも一方を加温しかつ加湿すると同時に、前記冷却水により前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスの少なくとも一方を加湿しないで加温する熱交換器とを有し、前記燃料ガス供給流路のうち、前記熱交換器の中に存在する部分および前記熱交換器と前記スタックとを結ぶ部分、前記酸化剤ガス供給流路のうち、前記熱交換器の中に存在する部分および前記熱交換器と前記スタックとを結ぶ部分、前記燃料ガス排出流路のうち、前記スタックと前記熱交換器とを結ぶ部分、前記熱交換器の中に存在する部分、および前記熱交換器と水回収系統とを結ぶ部分、前記酸化剤ガス排出流路のうち、前記スタックと前記熱交換器とを結ぶ部分、前記熱交換器の中に存在する部分、および前記熱交換器と水回収系統とを結ぶ部分、前記水回収系統、およびスタック内部において前記燃料ガス、前記燃料排ガス、前記酸化剤ガス、前記酸化剤排ガスが通じる部分の流路である内部流路において、ガスおよび水に接する部分である内面がフッ化水素酸耐性の素材で構成されている（請求項１）。
【００１５】
これにより、燃料排ガスおよび酸化剤排ガスに含まれる水および熱、および冷却水に含まれる熱、を有効に利用しつつ、内部流路において金属イオンの発生を防ぐことができる。また、これにより、冷却系統と加湿系統が分離される。よって、冷却水の流路を、ステンレス等の安価でかつ熱伝導性の高い素材で構成しても、冷却水中に含まれる金属イオンが燃料ガスおよび酸化剤ガスに混入するのを防ぐことができる。よって、スタックにある高分子電解質膜の金属イオンによる汚染を防ぐことが可能となる。これにより、簡易かつ安価な構成により、固体高分子型燃料電池発電システムの寿命を飛躍的に向上させることができる。
【００１６】
上記固体高分子型燃料電池発電システムにおいて、前記内部流路が、フッ化水素酸耐性の素材で構成されていてもよい（請求項２）。
【００１７】
これにより、内面は当然にフッ化水素酸耐性となり、内部流路において金属イオンの発生を確実に防ぐことができる。よって、スタックにある高分子電解質膜の金属イオンによる汚染を防ぐことが可能となる。したがって、固体高分子型燃料電池発電システムの寿命を飛躍的に向上させることができる。
【００１８】
上記固体高分子型燃料電池発電システムにおいて、前記内部流路の表面処理によって、前記内面をフッ化水素酸耐性の素材で構成してもよい（請求項３）。
【００１９】
これにより、前記内部流路および水回収系統そのものがフッ化水素酸耐性を有さない場合にあっても、内部流路および水回収系統において金属イオンの発生を防ぐことができる。よって、スタックにある高分子電解質膜の金属イオンによる汚染をより容易に防ぐことが可能となる。したがって、固体高分子型燃料電池発電システムの寿命を飛躍的に向上させることができる。
【００２０】
上記固体高分子型燃料電池発電システムにおいて、前記内面が、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミド、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリウレタン、シリコーン、フッ素樹脂、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、シンジオタクチック・ポリスチレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、液晶ポリマー、ポリエーテルニトリル、変性ポリフェニレンエーテル、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリアリレート、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、および熱可塑性ポリイミドからなる樹脂群のうち少なくとも一種類を用いて構成されてもよい（請求項４）。
【００２１】
これにより、プラスチックを用いて前記内面を構成することが可能となる。プラスチックはフッ化水素酸耐性を有する上、金属も含まないため、内部流路において金属イオンの発生を確実に防ぐことができる。よって、スタックにある高分子電解質膜の金属イオンによる汚染を防ぐことが可能となる。したがって、固体高分子型燃料電池発電システムの寿命を飛躍的に向上させることができる。
【００２２】
なお、特許請求の範囲に記載された「フッ化水素酸耐性」とは、フッ化水素酸を含む溶液に接触しても金属イオンを溶出しない性質をいう。より好ましくは、フッ化物イオン濃度０．１ｍｇ／Ｌの溶液を水温摂氏７０度で通流したときに、腐蝕速度が一年あたり０．０１ｍｍ以下であることをいう。
【発明の効果】
【００２３】
本発明は、以上に説明したような構成を有する。これにより、燃料排ガスおよび酸化剤排ガスに含まれる水および熱、および冷却水に含まれる熱、を有効に利用しつつ、内部流路においては金属イオンの発生を防ぐことができる。同時に、冷却水中に金属イオンが溶出しても、前記金属イオンが燃料ガスおよび酸化剤ガスに混入するのを防ぐことができる。よって、スタックにある高分子電解質膜の金属イオンによる汚染を防ぐことが可能となる。したがって、本発明は、固体高分子型燃料電池発電システムの寿命を飛躍的に向上させることができる、という効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態における固体高分子型燃料電池発電システムの概略構成を示すブロック図である。以下、図１を参照しながら、本実施の形態の燃料電池発電システムについて説明する。
【００２５】
図１に示す通り、本実施の形態の固体高分子型燃料電池発電システムは、燃料ガスおよび酸化剤ガスを利用して発電するスタック１０と、原料を改質して燃料である水素リッチなガスを発生させる水素生成装置２０と、酸化剤ガスをスタック１０に供給する酸化剤ガス供給器２５と、スタック１０から排出される未反応の酸化剤ガスである酸化剤排ガスとの全熱交換により酸化剤ガスを加温および加湿し、かつ内部冷却水により酸化剤ガスを加温するカソード熱交換器３１と、スタック１０から排出される未反応の燃料ガスである燃料排ガスとの全熱交換により燃料ガスを加温および加湿し、かつ内部冷却水により燃料ガスを加温するアノード熱交換器３３と、スタック１０を冷却する冷却水を循環させる冷却系統４０と、燃料排ガス、酸化剤排ガス、水素生成装置排ガスに含まれる水を凝縮水として回収し、前記原料、前記冷却水、前記酸化剤ガスおよび、前記燃料ガスに添加する、水回収系統６０とを備えている。
【００２６】
水素生成装置２０は、原料と水を用いて改質反応を行う改質器２２と、改質器２２により生成された水素リッチなガス中の一酸化炭素を変成反応により除去する変成器２３と、変成器２３から出てくる水素リッチなガス中の一酸化炭素を選択酸化反応により除去する選択酸化器２４と、改質器２２を改質反応に必要な温度に加熱するバーナ２１とを備えている。
【００２７】
冷却系統４０は、内部冷却水と外部冷却水との間で熱交換を行う冷却用熱交換器４１と、内部冷却水を貯留する内部冷却水タンク４３と、内部冷却水をスタック１０へ供給する内部冷却水供給配管４４と、スタック１０から排出される内部冷却水を冷却用熱交換器４１を経由して内部冷却水タンク４３へ供給する内部冷却水排出配管４５と、外部冷却水が循環する外部冷却水循環配管４６と、外部冷却水を冷却する外部冷却回路４２と、外部冷却水により酸化剤排ガスを冷却して酸化剤排ガス中の水を凝縮水として回収する酸化剤排ガス凝縮器５１と、外部冷却水により燃料排ガスを冷却して燃料排ガス中の水を凝縮水として回収する燃料排ガス凝縮器５２と、水素生成装置２０のバーナ２１から排出される燃焼ガスである水素生成装置排ガスを外部冷却水により冷却し、水素生成装置排ガス中の水を凝縮水として回収する水素生成装置排ガス凝縮器５３とを備えている。
【００２８】
水回収系統６０は、凝縮水を貯留する凝縮水タンク６１と、凝縮水をろ過するフィルタ６２と、ろ過された凝縮水をイオン交換により浄化するイオン交換部６３とを備えている。
【００２９】
水素生成装置２０とスタック１０（正確には燃料ガス供給マニフォールド）との間は燃料ガス供給配管２６により接続されている。スタック１０（正確には燃料ガス排出マニフォールド）には、燃料ガス排出配管２７が接続されてる。燃料ガス排出配管２７は、アノード熱交換器３３、バーナ２１、水素生成装置排ガス凝縮器５３を経て、系外へと未反応の燃料ガス（以下、燃料排ガス）を排出可能に配管されている。酸化剤ガス供給器２５とスタック１０（正確には酸化剤ガス供給マニフォールド）との間は酸化剤ガス供給配管２８により接続されている。スタック１０（正確には酸化剤ガス排出マニフォールド）には、酸化剤ガス排出配管２９が接続されている。酸化剤ガス排出配管２９は、カソード熱交換器３１、酸化剤排ガス凝縮器５１を経て、系外へと未反応の酸化剤ガス（以下、酸化剤排ガス）を排出可能に配管されている。
【００３０】
なお、図１中の矢印は、気体および液体が流れる方向を示す。
【００３１】
図１に示すように、本実施の形態にかかる個体高分子型燃料電池発電システムには、スタック１０から発生する電力を負荷する電力負荷回路７０が接続されている。
【００３２】
本実施の形態では、原料には、例えばＬＰＧ、ＬＮＧ、ガソリン等の少なくとも炭素及び水素からなる有機化合物が用いられる。酸化剤ガスには、例えば、空気が用いられる。また、酸化剤ガス供給器２５には例えばブロワやコンプレッサ等が用いられる。カソード全熱交換器３０およびアノード全熱交換器３２に使用する全熱交換膜には、例えば、スタック１０で用いられている高分子電解質膜、より具体的には、例えば、パーフルオロスルフォン酸膜が好適に用いられる。
【００３３】
次に、スタック１０の内部構造について説明する。スタック１０は、セル１１が多数積層され、その両端に一対の端板が配置され、かつその一対の端板に一対の電気出力端子が配設されるようにして構成されている。図１２に示すように、セル１１は、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ：高分子電解質膜―電極接合体）１３を有している。ＭＥＡ１３は、高分子電解質膜１４と、この高分子電解質膜１４の周縁部を除く部分（内側部分）の両面にそれぞれ形成されたアノード１５ａ及びカソード１５ｂとを有している。アノード１５ａは、高分子電解質膜１４の上に形成された触媒層１６ａとこの触媒層１６ａの上に形成されたガス拡散電極層１７ａとで構成されている。カソード１５ｂは、高分子電解質膜１４の上に形成された触媒層１６ｂとこの触媒層１６ｂの上に形成されたガス拡散電極層１７ｂとで構成されている。そして、このＭＥＡ１３の高分子電解質膜１４の周縁部（外側部分）の両面に、中央部に開口を有する一対のガスケット１８、１８が、その開口にそれぞれアノード１５ａ及びカソード１５ｂが位置するようにして、配設されている。従って、アノード１５ａ及びカソード１５ｂはこのＭＥＡ１３とガスケット１８、１８との接合体（以下、ＭＥＡ−ガスケット接合体という）の両面の中央部（内側部分）に露出している。このＭＥＡ−ガスケット接合体のアノード側の主面に接するようにアノードセパレータ１９ａが配設され、ＭＥＡ−ガスケット接合体のカソード側の主面に接するようにカソードセパレータ１９ｂが配設されている。
【００３４】
アノードセパレータ１９ａには、その内面に溝状の燃料ガス流路８０が形成され、その外面に溝状の内部冷却水流路８２ａが形成されている。アノードセパレータ１９ａの周縁部には該周縁部を貫通するように、燃料ガス供給マニフォールド孔８３ａ、酸化剤ガス供給マニフォールド孔８４ａ、内部冷却水供給マニフォールド孔８５ａ、燃料ガス排出マニフォールド孔８３ｂ、酸化剤ガス排出マニフォールド孔８４ｂ、及び内部冷却水排出マニフォールド孔８５ｂがそれぞれ形成されている。そして、燃料ガス流路８０は燃料ガス供給マニフォールド孔８３ａと燃料ガス排出マニフォールド孔８３ｂとを接続するように形成され、内部冷却水流路８２ａは内部冷却水供給マニフォールド孔８５ａと内部冷却水排出マニフォールド孔８５ｂとを接続するように形成されている。
【００３５】
また、カソードセパレータ１９ｂは、その内面に溝状の酸化剤ガス流路８１が形成され、その外面に溝状の内部冷却水流路８２ｂが形成されている。カソードセパレータ１９ｂの周縁部には該周縁部を貫通するように、燃料ガス供給マニフォールド孔８３ａ、酸化剤ガス供給マニフォールド孔８４ａ、内部冷却水供給マニフォールド孔８５ａ、燃料ガス排出マニフォールド孔８３ｂ、酸化剤ガス排出マニフォールド孔８４ｂ、及び内部冷却水排出マニフォールド孔８５ｂがそれぞれ形成されている。そして、酸化剤ガス流路８１は酸化剤ガス供給マニフォールド孔８４ａと酸化剤ガス排出マニフォールド孔８４ｂとを接続するように形成され、内部冷却水流路８２ｂは内部冷却水供給マニフォールド孔８５ａと内部冷却水排出マニフォールド孔８５ｂとを接続するように形成されている。そして、ＭＥＡ−ガスケット接合体の周縁部にも、アノードセパレータ１９ａ及びカソードセパレータ１９ｂに対応するように、該周縁部を貫通するようにして燃料ガス供給マニフォールド孔８３ａ、酸化剤ガス供給マニフォールド孔８４ａ、内部冷却水供給マニフォールド孔８５ａ、燃料ガス排出マニフォールド孔８３ｂ、酸化剤ガス排出マニフォールド孔８４ｂ、及び内部冷却水排出マニフォールド孔８５ｂが形成されている。
【００３６】
これにより、スタック１０には、各セル１１の燃料ガス供給マニフォールド孔８３ａ、酸化剤ガス供給マニフォールド孔８４ａ、内部冷却水供給マニフォールド孔８５ａ、燃料ガス排出マニフォールド孔８３ｂ、酸化剤ガス排出マニフォールド孔８４ｂ、及び内部冷却水排出マニフォールド孔８５ｂがそれぞれ繋がって燃料ガス供給マニフォールド、酸化剤ガス供給マニフォールド、内部冷却水供給マニフォールド、燃料ガス排出マニフォールド、酸化剤ガス排出マニフォールド、及び内部冷却水排出マニフォールドが形成されている。また、アノードセパレータ１９ａの外面の内部冷却水流路８２ａとカソードセパレータ１９ｂの外面の内部冷却水流路８２ｂとが合わさって、隣接する２つのセル１１の間に１つの内部冷却水流路が形成されている。
【００３７】
そして、燃料ガス供給マニフォールドに燃料ガス供給配管２６が接続され、燃料ガス排出マニフォールドに燃料ガス排出配管２７が接続されている。また、酸化剤ガス供給マニフォールドに酸化剤ガス供給配管２８が接続され、酸化剤ガス排出マニフォールドに酸化剤ガス排出配管２９が接続されている。さらに、内部冷却水供給マニフォールドに内部冷却水供給配管４４が接続され、冷却水排出マニフォールドに内部冷却水排出配管４５が接続されている。
【００３８】
なお、図１２には、燃料ガス供給マニフォールド孔８３ａ、酸化剤ガス供給マニフォールド孔８４ａ、及び冷却水供給マニフォールド孔８５ａが２本の破線で示され、同様に燃料ガス排出マニフォールド孔８３ｂ、酸化剤ガス排出マニフォールド孔８４ｂ、及び冷却水排出マニフォールド孔８５ｂが２本の破線で示されているが、これは図１２の断面視においてこれらが重なっていることを示しているのであり、これらが１つのマニフォールド孔を共用しているのではなく個別に形成されているのは言うまでもない。また、各マニフォールド孔８３ａ〜８５ａ、８３ｂ〜８５ｂを任意に配置することができることは言うまでもない。
【００３９】
次に、カソード熱交換器３１の内部構造について説明する。カソード熱交換器３１は、熱交換ユニット９０が多数積層され、その両端に一対の端板が配置されるようにして構成されている。図１３に示すように、熱交換ユニット９０は、ＭＧＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｇａｓｓ−ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ−ｌａｙｅｒ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ：全熱交換膜―ガス拡散層接合体）９１を有している。ＭＧＡ９１は、全熱交換膜９２と、この全熱交換膜９２の周縁部を除く部分（内側部分）の両面にそれぞれ形成された反応ガス拡散層９３及び排ガス拡散層９４とを有している。そして、このＭＧＡ９１の全熱交換膜９２の周縁部（外側部分）の両面に、中央部に開口を有する一対のガスケット９５、９５が、その開口にそれぞれ反応ガス拡散層９３及び排ガス拡散層９４が位置するようにして、配設されている。従って、反応ガス拡散層９３及び排ガス拡散層９４はこのＭＧＡ９１とガスケット９５、９５との接合体（以下、ＭＧＡ−ガスケット接合体という）の両面の中央部（内側部分）に露出している。このＭＧＡ−ガスケット接合体の反応ガス側の主面に接するように反応ガス熱交換プレート９６が配設され、ＭＧＡ−ガスケット接合体の排ガス側の主面に接するように排ガス熱交換プレート９７が配設されている。
【００４０】
反応ガス熱交換プレート９６には、その内面に溝状の反応ガス流路９８が形成され、その外面に溝状の内部冷却水流路１００ａが形成されている。反応ガス熱交換プレート９６の周縁部には該周縁部を貫通するように、反応ガス供給マニフォールド孔１０１ａ、排ガス供給マニフォールド孔１０２ａ、内部冷却水供給マニフォールド孔１０３ａ、反応ガス排出マニフォールド孔１０１ｂ、排ガス排出マニフォールド孔１０２ｂ、及び内部冷却水排出マニフォールド孔１０３ｂがそれぞれ形成されている。そして、反応ガス流路９８は反応ガス供給マニフォールド孔１０１ａと反応ガス排出マニフォールド孔１０１ｂとを接続するように形成され、内部冷却水流路１００ａは内部冷却水供給マニフォールド孔１０３ａと内部冷却水排出マニフォールド孔１０３ｂとを接続するように形成されている。
【００４１】
また、排ガス熱交換プレート９７は、その内面に溝状の排ガス流路９９が形成され、その外面に溝状の内部冷却水流路１００ｂが形成されている。排ガス熱交換プレート９７の周縁部には該周縁部を貫通するように、反応ガス供給マニフォールド孔１０１ａ、排ガス供給マニフォールド孔１０２ａ、内部冷却水供給マニフォールド孔１０３ａ、反応ガス排出マニフォールド孔１０１ｂ、排ガス排出マニフォールド孔１０２ｂ、及び内部冷却水排出マニフォールド孔１０３ｂがそれぞれ形成されている。そして、排ガス流路９９は排ガス供給マニフォールド孔１０２ａと排ガス排出マニフォールド孔１０２ｂとを接続するように形成され、内部冷却水流路１００ｂは内部冷却水供給マニフォールド孔１０３ａと内部冷却水排出マニフォールド孔１０３ｂとを接続するように形成されている。そして、ＭＥＡ−ガスケット接合体の周縁部にも、反応ガス熱交換プレート９６及び排ガス熱交換プレート９７に対応するように、該周縁部を貫通するようにして反応ガス供給マニフォールド孔１０１ａ、排ガス供給マニフォールド孔１０２ａ、内部冷却水供給マニフォールド孔１０３ａ、反応ガス排出マニフォールド孔１０１ｂ、排ガス排出マニフォールド孔１０２ｂ、及び内部冷却水排出マニフォールド孔１０３ｂが形成されている。
【００４２】
これにより、カソード熱交換器３１には、各熱交換ユニット９０の反応ガス供給マニフォールド孔１０１ａ、排ガス供給マニフォールド孔１０２ａ、内部冷却水供給マニフォールド孔１０３ａ、反応ガス排出マニフォールド孔１０１ｂ、排ガス排出マニフォールド孔１０２ｂ、及び内部冷却水排出マニフォールド孔１０３ｂがそれぞれ繋がって反応ガス供給マニフォールド、排ガス供給マニフォールド、内部冷却水供給マニフォールド、反応ガス排出マニフォールド、排ガス排出マニフォールド、及び内部冷却水排出マニフォールドが形成されている。また、反応ガス熱交換プレート９６の外面の内部冷却水流路１００ａと排ガス熱交換プレート９７の外面の内部冷却水流路１００ｂとが合わさって、隣接する２つの熱交換ユニット９０の間に１つの内部冷却水流路が形成されている。
【００４３】
なお、図１３には、反応ガス供給マニフォールド孔１０１ａ、排ガス供給マニフォールド孔１０２ａ、及び内部冷却水供給マニフォールド孔１０３ａ、が２本の破線で示され、同様に反応ガス排出マニフォールド孔１０１ｂ、排ガス排出マニフォールド孔１０２ｂ、及び内部冷却水排出マニフォールド孔１０３ｂが２本の破線で示されているが、これは図１２の断面視においてこれらが重なっていることを示しているのであり、これらが１つのマニフォールド孔を共用しているのではなく個別に形成されているのは言うまでもない。また、各マニフォールド孔１０１ａ〜１０３ａ、１０１ｂ〜１０３ｂを任意に配置することができることは言うまでもない。
【００４４】
ここで、反応ガス供給マニフォールドは、酸化剤ガス供給配管２８を介して酸化剤ガス供給器２５に接続され、反応ガス排出マニフォールドは、酸化剤ガス供給配管２８を介してスタック１０に接続されている。また、排ガス供給マニフォールドは、酸化剤排ガス排出配管２９を介してスタック１０に接続され、排ガス排出マニフォールドは、酸化剤排ガス排出配管２９を介して酸化剤排ガス凝縮器５１に接続されている。さらに、内部冷却水供給マニフォールドは、内部冷却水排出配管４５を介してアノード熱交換器３３に接続され、冷却水排出マニフォールドは、内部冷却水排出配管４５を介して冷却用熱交換器４１に接続されている。ただし、カソード熱交換器３１とアノード熱交換器３３とを隣接して設置する場合には、配管を介さず、内部冷却水供給マニフォールドとアノード熱交換器３３を直接に接続してもよい。また、カソード熱交換器３１とスタック１０を隣接して設置する場合には、配管を介さず、カソード熱交換器３１とスタック１０を直接に接続してもよい。
【００４５】
図１４に、本実施の形態におけるカソード熱交換器３１の概略的な分解斜視図を示す。図１４を見れば分かるように、ＭＧＡ９１、反応ガス熱交換プレート９６、排ガス熱交換プレート９７の周縁部に、反応ガス供給マニフォールド孔１０１ａ、排ガス供給マニフォールド孔１０２ａ、内部冷却水供給マニフォールド孔１０３ａ、反応ガス排出マニフォールド孔１０１ｂ、排ガス排出マニフォールド孔１０２ｂ、及び内部冷却水排出マニフォールド孔１０３ｂが形成されている。さらに、これらがそれぞれに繋がって、反応ガス供給マニフォールド、排ガス供給マニフォールド、内部冷却水供給マニフォールド、反応ガス排出マニフォールド、排ガス排出マニフォールド、及び内部冷却水排出マニフォールドが形成されている。そして、酸化剤ガスは、反応ガス供給マニフォールド、反応ガス流路９８、反応ガス排出マニフォールドの順に通過する。また、酸化剤排ガスは、排ガス供給マニフォールド、排ガス流路９９、排ガス排出マニフォールドの順に通過する。また、内部冷却水は内部冷却水供給マニフォールド、内部冷却水流路、内部冷却水排出マニフォールドの順に通過する。
【００４６】
以上の構成により、カソード熱交換器３１の内部においては、反応ガス流路９８に酸化剤ガスが、排ガス流路９９に酸化剤排ガスが、内部冷却水流路には内部冷却水が通じるこことになる。そして、反応ガス流路９８と排ガス流路９９は全熱交換膜を介してつながっているため、酸化剤ガスと酸化剤排ガスとの間の全熱交換によって、酸化剤排ガス中の熱と水分が酸化剤ガスに移動する。すなわち、酸化剤排ガスにより、酸化剤ガスの加温および加湿が行われる。また、反応ガス流路９８、排ガス流路９９は、内部冷却水流路と熱交換プレートを介してつながっているため、酸化剤ガス、酸化剤排ガスと内部冷却水との熱交換によって、内部冷却水中の熱と水分が酸化剤ガスに移動する。しかし、熱交換プレートは水分およびイオンを通過させない。したがって、内部冷却水により、酸化剤ガスの加湿は行われず、加温のみが行われる。
【００４７】
アノード熱交換器３３の内部構造は、カソード熱交換器３１のものと同様である。よって、説明を省略する。なお、アノード熱交換器３３においては、反応ガス供給マニフォールドは、燃料ガス供給配管２６を介して水素生成装置２０に接続され、反応ガス排出マニフォールドは、燃料ガス供給配管２６を介してスタック１０に接続されている。また、排ガス供給マニフォールドは、燃料排ガス排出配管２７を介してスタック１０に接続され、排ガス排出マニフォールドは、燃料排ガス排出配管２７を介して燃料排ガス凝縮器５１に接続されている。さらに、内部冷却水供給マニフォールドは、内部冷却水排出配管４５を介してスタック１０に接続され、内部冷却水排出マニフォールドは、内部冷却水排出配管４５を介してカソード熱交換器３１に接続されている。ただし、カソード熱交換器３１とアノード熱交換器３３とを隣接して設置する場合には、配管を介さず、内部冷却水排出マニフォールドとカソード熱交換器３１を直接に接続してもよい。また、アノード熱交換器３３とスタック１０を隣接して設置する場合には、配管を介さず、カソード熱交換器３３とスタック１０を直接に接続してもよい。
【００４８】
以上の構成により、アノード熱交換器３３の内部においては、反応ガス流路に燃料ガスが、排ガス流路に燃料排ガスが、内部冷却水流路には内部冷却水が通じることになる。そして、反応ガス流路と排ガス流路は全熱交換膜を介してつながっているため、燃料ガスと燃料排ガスとの間の全熱交換によって、燃料排ガス中の熱と水分が燃料ガスに移動する。すなわち、燃料排ガスにより、燃料ガスの加温および加湿が行われる。また、反応ガス流路、排ガス流路は、内部冷却水流路と熱交換プレートを介してつながっているため、燃料ガス、燃料排ガスと内部冷却水との熱交換によって、内部冷却水中の熱と水分が燃料ガスに移動する。しかし、熱交換プレートは水分およびイオンを通過させない。したがって、内部冷却水により、燃料ガスの加湿は行われず、加温のみが行われる。
【００４９】
以上のような構成を有する本実施の形態の燃料電池発電システムの動作について、以下、概略的に説明する。
【００５０】
まず、燃料ガスおよび酸化剤ガスの流れについて説明する。原料および水が改質器２２に供給される。改質器２２において、前記原料および前記水から、水蒸気改質反応により水素リッチなガスが発生する。改質器２２の温度は、バーナ２１により、水蒸気改質反応に好適な温度に維持される。前記水素リッチなガスには一酸化炭素が含まれる。前記一酸化炭素は変成器２３および選択酸化器２４において水素リッチなガスから適宜な程度に除去される。実施の形態において、前記水素リッチなガスが特許請求の範囲で言うところの燃料ガスである。前記燃料ガスは、アノード熱交換器３３において、所定の温度および湿度に調整され、スタック１０へと供給される。また、実施の形態において、空気が特許請求の範囲で言うところの酸化剤ガスである。酸化剤ガス供給器２５により供給された前記酸化剤ガスは、カソード熱交換器３１において、所定の温度および湿度に調整され、スタック１０へと供給される。スタック１０の各セル１１において、燃料ガスと酸化剤ガスが電気化学的反応により電力を発生させる。前記電力は、電力負荷回路７０を通じて利用される。
【００５１】
スタック１０では、燃料排ガスおよび酸化剤排ガスが発生する。前記燃料排ガスおよび前記酸化剤排ガスは、それぞれ燃料ガス排出配管２７および酸化剤ガス排出配管２９を通じて系外へと排出される。燃料排ガスおよび酸化剤排ガスは、それぞれ、燃料ガスおよび酸化剤ガスに比べ、温度および露点が高い。よって、カソード熱交換器３１においては、酸化剤排ガスにより酸化剤ガスの加温および加湿が行われる。また、アノード熱交換器３３においては、燃料排ガスにより燃料ガスの加温および加湿が行われる。これにより、燃料排ガスおよび酸化剤排ガス中の熱および水を有効に利用することが可能となる。よって、燃料電池発電システムの熱効率および水自給率が向上する。
【００５２】
カソード熱交換器３１から排出された前記酸化剤排ガスは、酸化剤排ガス凝縮器５１を経て、系外へと排出される。また、アノード熱交換機３３から排出された前記燃料排ガスは、燃料排ガス凝縮器２を経て、バーナ２１に供給され、燃焼される。バーナ２１からの排ガス（以下、水素生成装置排ガス）は、水素生成装置排ガス凝縮器５３を経て系外へと排出される。
【００５３】
次に、冷却系統４０の動作について説明する。
【００５４】
まず、内部冷却水の流れについて説明する。スタック１０における電気化学的反応を効率よく発生させるためには、スタック１０の温度を摂氏１００度前後に保つ必要がある。前記電気化学的反応が起こると熱が発生する。前記熱は、内部冷却水によりスタック１０から除去される。スタック１０から出てきた内部冷却水は高温であるため、アノード熱交換器３３およびカソード熱交換器３１において、それぞれ、燃料ガスおよび酸化剤ガスの加温に用いられる。これにより、内部冷却水中の熱を有効に利用することが可能となる。よって、燃料電池発電システムの熱効率が向上する。なお、内部冷却水の流路と燃料ガスおよび酸化剤ガスの流路は分離されており、水やイオンは交換されないような構成となっている。また、内部冷却水はさらに冷却用熱交換器４１に送られる。冷却用熱交換器４１において、内部冷却水の熱は外部冷却水へと伝達される。これにより、内部冷却水の温度は一定に保たれる。
【００５５】
次に外部冷却水の流れについて説明する。外部冷却水は、外部冷却回路４２を通じて、酸化剤排ガス凝縮器５１、燃料排ガス凝縮器５２、水素生成装置排ガス凝縮器５３に供給される。酸化剤排ガス凝縮器５１において、酸化剤排ガスは外部冷却水により冷却される。これにより、酸化剤排ガス中の水は凝縮して、水回収系統６０へと流出する（ＤＷ１）。燃料排ガス凝縮器５２において、燃料排ガスは外部冷却水により冷却される。これにより、燃料排ガス中の水は凝縮して、水回収系統６０へと流出する（ＤＷ２）。水素生成装置排ガス凝縮器５３において、水素生成装置排ガスは外部冷却水により冷却される。これにより、水素生成装置排ガス中の水は凝縮して、水回収系統６０へと流出する（ＤＷ３）。
【００５６】
次に、水回収系統６０の動作について説明する。酸化剤排ガス凝縮器５１、燃料排ガス凝縮器５２、水素生成装置排ガス凝縮器５３から流出する凝縮水（ＤＷ１、ＤＷ２、ＤＷ３）は、まず凝縮水タンク６１に集まる。凝縮水タンク６１中の凝縮水の一部は、浄化せずにそのまま、必要に応じて、酸化剤ガスの加温および加湿に用いられる前の酸化剤排ガスへ（ＤＷ４）、燃料ガスの加温および加湿に用いられる前の燃料排ガスへ（ＤＷ５）、あるいは内部冷却水へ（ＤＷ７）と添加される。また、凝縮水タンク６１中の凝縮水の一部は、フィルタ６２およびイオン交換部６３により浄化され、必要に応じて、原料へ（ＤＷ６）と添加される。これにより、酸化剤排ガス、燃料排ガス、水素生成装置排ガスのそれぞれに含まれる凝縮水を再利用することが可能となる。よって、燃料電池発電システムの水自給率が向上する。なお、凝縮水タンク６１中の凝縮水のうち、過剰となった分は、系外へと排出される。
【００５７】
次に、本発明の特徴である、配管の素材および系統の分離について以下に説明する。
【００５８】
まず、配管の素材について説明する。本実施の形態において、１）アノード熱交換器３３およびカソード熱交換器３１の中に存在する、反応ガス供給マニフォールド、反応ガス流路、反応ガス排出マニフォールド、排ガス供給マニフォールド、排ガス流路、排ガス排出マニフォールド、２）燃料ガス供給配管２６のうち、アノード熱交換器３３とスタック１０とを結ぶ部分、３）酸化剤ガス供給配管２８のうち、カソード熱交換器３１とスタック１０とを結ぶ部分、４）燃料ガス排出配管２７のうち、スタック１０とアノード熱交換器３３とを結ぶ部分、およびアノード熱交換器３３と水回収系統６０とを結ぶ部分、５）酸化剤ガス排出配管２９のうち、スタック１０とカソード熱交換器３１とを結ぶ部分、およびカソード熱交換器と水回収系統６０とを結ぶ部分、６）水回収系統６０、および７）スタック１０の中に存在する、燃料ガス供給マニフォールド、燃料ガス流路８０、燃料ガス排出マニフォールド、酸化剤ガス供給マニフォールド、酸化剤ガス流路８１、酸化剤排出マニフォールド、すなわち、図１の二重線で示されている部分（本実施の形態においては、以上の部分が、特許請求の範囲で言うところの「内部流路」である）の、ガスおよび水に接触する部分（以下、内面）が、フッ化水素酸耐性の素材で構成されている。かかる構成とすることにより、内部流路においては金属イオンが溶出しなくなる。よって、凝縮水をそのまま酸化剤ガスおよび燃料ガスに添加しても、金属イオンがスタック１０に侵入しなくなる。よって、スタック１０に含まれる高分子電解質膜が金属イオンにより汚染されることを防止することが可能となる。これにより、燃料電池発電システムの寿命が飛躍的に向上する。
【００５９】
なお、本実施の形態においては、カソード熱交換器３１およびアノード熱交換器３３とスタック１０を結ぶ流路、および、カソード熱交換器３１およびアノード熱交換器３３と水回収系統６０とを結ぶ流路は、パイプ状の配管により構成した。しかし、カソード熱交換器３１およびアノード熱交換器３３とスタック１０を一体で成型する場合等においては、流路は特定の部材中に形成された溝や孔等であってもよい。
【００６０】
また、本実施の形態においては、アノードセパレータ１９ａおよびカソードセパレータ１９ｂの全体を、フッ化水素酸耐性を有し、かつ電気伝導性の高い素材、例えば黒鉛を含む樹脂により構成する。しかし、セパレータの流路を構成する部分はフッ化水素酸耐性を有する樹脂等で構成し、流路以外の部分に通電部を設けてもよい。この場合には、インサート成型等により、金属等の電気伝導性を有する素材で構成した通電部が、ガス拡散電極層と電極を結ぶように設けられる。セパレータは、内部に存在する流路の内面がフッ化水素酸耐性を有し、かつ、ガス拡散電極層１７ａ、１７ｂにおいて発生した電力を取り出せるように電導性を有すべく構成されたものであれば、いかなる構成であってもよい。
【００６１】
また、本実施の形態において、カソード熱交換器３１およびアノード熱交換器３３の構成要素である、ガスケット、反応ガス熱交換プレート、排ガス熱交換プレートは、フッ化水素酸耐性を有し、かつ熱伝導性の高い素材、例えば黒鉛を含む樹脂により構成する。しかし、構成素材そのものが必ずしもフッ化水素酸耐性を有する素材である必要はない。素材そのものは、ステンレスなど、フッ化水素酸耐性を有さない素材で構成し、反応ガス供給マニフォールド、排ガス供給マニフォールド、内部冷却水供給マニフォールド、反応ガス排出マニフォールド、排ガス排出マニフォールド、及び内部冷却水排出マニフォールド、反応ガス流路、排ガス流路において、その内面を、樹脂などの表面処理によってフッ化水素酸耐性を有するように構成されていてもよい。
【００６２】
次に、系統の分離について説明する。本実施の形態において、冷却系統４０は、燃料ガスおよび酸化剤ガスの配管および流路とは分離されている。すなわち、カソード熱交換器３１およびアノード熱交換器３３において、内部冷却水により、酸化剤ガスおよび燃料ガスの加温は行われるものの、加湿は行われない。また、その余の部分において、酸化剤ガスおよび燃料ガスは、冷却水と接触しない。よって、冷却水中に金属イオンが溶出しても、前記金属イオンがスタック１０へと侵入することはない。したがって、冷却系統４０の配管については、フッ化水素酸耐性の素材を用いる必要はない。これにより、高い熱伝導性を要求される冷却系統の部品については、ステンレス等の安価な金属を素材として利用することが可能となる。
【００６３】
以上の構成および動作により、本実施の形態にかかる燃料電池発電システムでは、酸化剤排ガスおよび燃料排ガスに含まれる熱および水、および、冷却水に含まれる熱を有効に利用しつつ、スタック１０への金属イオンの流入を防ぐことが可能となる。よって、燃料電池発電システムの熱効率および水自給率を高めると同時に、燃料電池発電システムの寿命を飛躍的に高めることが可能となる。
【００６４】
なお、水回収系統６０において、凝縮水タンクと冷却水タンクを接続する部分については、必ずしもフッ化水素酸耐性の素材を用いる必要はない。これは、冷却水については酸化剤ガスおよび燃料ガスに接触することがないため、金属イオンが溶出しても、スタック１０の汚染原因となる恐れがないためである。
【００６５】
また、改質器２２へ供給する水（ＤＷ６）については、フィルタおよびイオン交換により浄化が行われる。これは、改質器２２に含まれる触媒を保護するためである。
【００６６】
なお、配管の内面をフッ化水素酸耐性の素材で構成する方法としては、配管そのものの素材をフッ化水素酸耐性としてもよい。あるいは、前記内面を樹脂等により表面処理してもよい。いずれの方法にせよ、前記内面がフッ化水素酸耐性を有するように構成するものであれば、如何なるものでもよい。
【００６７】
また、フッ化水素酸耐性の素材としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミド、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリウレタン、シリコーン、フッ素樹脂、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、シンジオタクチック・ポリスチレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、液晶ポリマー、ポリエーテルニトリル、変性ポリフェニレンエーテル、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリアリレート、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、および熱可塑性ポリイミドからなる樹脂群のうち少なくとも一種類を用いて構成されていてもよい。
【００６８】
なお、本実施の形態では、フッ化水素酸耐性の素材として、ポリプロピレンが特に好適に用いられる。その理由として第一に挙げられるのは、ポリプロピレンは安価でありながら優れたフッ酸耐性を有していることである。次に、高分子電解質形燃料電池の運転温度には充分耐えられることが挙げられる。ポリプロピレンを用いた配管部材は汎用配管部材として上市されている。また、凝縮水タンク６１、フィルタ６２、イオン交換部６３等の筐体素材としても、上述の樹脂が好ましい。また、ポンプ、弁その他の流体部品については、その内面が樹脂製のものが多数上市されており、これらの使用が好ましい。
［比較例１］
スタックの金属汚染と電池の寿命との関係を調べるべく、同一仕様の試験用スタックを３種類の試験系（試験系Ａ、試験系Ｂ、試験系Ｃ）を用いて運転し、１セルあたりの平均電圧の変化を測定した。
【００６９】
まず前記試験用スタックについて説明する。前記試験用スタックは、１ＫＷ級燃料電池スタックである。その仕様は、以下の通りである。電極面積は１６９ｃｍ２、段数は５０段、定格電流密度は０．２Ａ／ｃｍ２とした。燃料ガスは、後述する水素生成装置により得られた水素リッチなガス（二酸化炭素２０％を含む）とした。燃料ガスの基本定格運転条件は、ガス露点を６７℃、燃料利用率を７５％とした。また酸化剤ガスは空気とした。酸化剤ガスの基本定格運転条件は、供給露点を６７±２℃、空気利用率を５０％とした。前記スタックは、内部冷却水の流路を、ひとつの電極面につき一段ずつ備える構成とした。また、定格運転時には、水量１．６Ｌ／分の内部冷却水により前記試験用スタックが冷却されるように調整された。投入温度を６０度とした場合、排出される内部冷却水の温度は約７０℃であった。
【００７０】
前記試験用スタックに使用される高分子電解質膜−電極接合体（以下、ＭＥＡ）は、商品名プライメアとして上市されているジャパンゴアテックス社製ものを用いた。セパレータには樹脂と黒鉛を組成として含むセパレータ（大日本インキ製：試作品）を用いた。これにより、セパレータは導電性を有すると同時に、セル内部の燃料ガス、酸化剤ガス、内部冷却水の流路の内面がフッ化水素酸耐性を有することになる。
【００７１】
また、セルのシールを含めた流体シールに使用される部材は、フッ素ゴム製のシール（ＮＯＫ製：試作品）とした。さらに、前記試験用スタックにおける流体の供給、排出および配管締結の様式は、本発明の発明者らが特公開２００３−３３１９０５によって開示したものとし、金属製の端板および集電板と流体との接触はないように構成した。
【００７２】
次に、試験系Ａについて説明する。図２は、試験系Ａの概略構成を示すブロック図である。以下、図２を参照しながら、試験系Ａのハードウェア構成について説明する。図２において、図１と対応する構成要素には同一符号が付されている。試験系Ａは、実施の形態における水回収系統６０および凝縮水を回収する系統（酸化剤排ガス凝縮器５１、燃料排ガス凝縮器５２、水素生成装置排ガス凝縮器５３）および熱交換の系統（カソード熱交換器３１、アノード熱交換器３３）が省略され、酸化剤ガスバブラ３８、燃料ガスバブラ３９が追加されたものであり、他の構成要素は実施の形態と同じである。よって、試験系Ａと実施の形態との間で対応する構成要素（図１と図２において同一符号が付されている構成要素）については説明を省略する。なお、試験系Ａにおいて、スタック１０が前記試験用スタックとなっている。
【００７３】
酸化剤ガスバブラ３８、燃料ガスバブラ３９は、それぞれ酸化剤ガスおよび燃料ガスを加湿するために設置されているバブラである。試験系Ａにおいては、酸化剤ガスバブラ３８、燃料ガスバブラ３９として、従来の加湿装置であるバブラが用いられた。
【００７４】
次に、試験系Ａの動作について説明する。酸化剤ガス供給器２５は酸化剤ガスとして空気を供給する。前記酸化剤ガスは酸化剤バブラ３８を用いて加湿され、その後にスタック１０へ供給される。前記酸化剤ガスは、スタック１０において所定の空気利用率で消費された後、廃棄される。また、水素生成装置２０は燃料ガスとして水素リッチなガスを供給する。前記燃料ガスは、燃料ガスバブラ３９を用いて加湿され、その後にスタック１０へ供給される。前記燃料ガスは、スタック１０において所定の燃料利用率で消費された後、廃棄される。また、冷却用熱交換器４１、外部冷却回路4２、冷却水タンク４３、からなる冷却系統４０により、所定の温度に冷却がなされる。
【００７５】
なお、試験系Ａが、上市されている通常の試験装置の形態である。
【００７６】
次に、試験系Ｂについて説明する。図３は、試験系Ｂの概略構成を示すブロック図である。以下、図３を参照しながら、試験系Ｂのハードウェア構成について説明する。図３において、図１と対応する構成要素には同一符号が付されている。試験系Ｂは、実施の形態における水回収系統６０、凝縮水を回収する系統（酸化剤排ガス凝縮器５１、燃料排ガス凝縮器５２、水素生成装置排ガス凝縮器５３）、および内部冷却水により酸化剤ガスおよび燃料ガスを加温する系統（カソード熱交換器３１およびアノード熱交換器３３）が省略され、カソード全熱交換器３０、カソード温水加湿器３６、アノード全熱交換器３２、アノード温水加湿器３７が追加されたものであり、他の構成要素は実施の形態と同じである。よって、試験系Ｂと実施の形態との間で対応する構成要素（図１と図３において同一符号が付されている構成要素）については説明を省略する。なお、試験系Ｂにおいて、スタック１０が前記試験用スタックとなっている。
【００７７】
カソード全熱交換器３０は、酸化剤排ガスと酸化剤ガスとの間の全熱交換により、酸化剤ガスの加温および加湿を行う全熱交換器である。カソード全熱交換器３０の内部には、酸化剤ガスが通じる酸化剤ガス流路と、酸化剤排ガスが通じる酸化剤排ガス流路とが形成されている。前記酸化剤ガス流路と前記酸化剤排ガス流路とは、全熱交換膜を介してつながっている。試験系Ｂにおいて、前記全熱交換膜には、例えば、スタック１０で用いられている高分子電解質膜、より具体的には、例えば、パーフルオロスルフォン酸膜が好適に用いられる。
【００７８】
また、アノード全熱交換器３２は燃料排ガスと燃料ガスとの間の全熱交換により、燃料ガスの加温および加湿を行う全熱交換器である。アノード全熱交換器３２の内部には、燃料ガスが通じる燃料ガス流路と、燃料排ガスが通じる燃料排ガス流路とが形成されている。前記燃料ガス流路と前記燃料排ガス流路とは、全熱交換膜を介してつながっている。試験系Ｂにおいて、前記全熱交換膜には、例えば、スタック１０で用いられている高分子電解質膜、より具体的には、例えば、パーフルオロスルフォン酸膜が好適に用いられる。
【００７９】
カソード温水加湿器３６は、内部冷却水と酸化剤ガスとの間の全熱交換を利用して酸化剤ガスの加湿および加温を行う温水加湿器である。カソード温水加湿器３６の内部には、酸化剤ガスが通じる酸化剤ガス流路と、内部冷却水が通じるカソード冷却水流路とが形成されている。そして、前記酸化剤ガス流路と前記カソード冷却水流路とは、温水加湿膜を介してつながっている。試験系Ｂにおいて、前記温水加湿膜には、例えば、スタック１０で用いられている高分子電解質膜、より具体的には、例えば、パーフルオロスルフォン酸膜が好適に用いられる。
【００８０】
また、アノード温水加湿器３７は、内部冷却水と燃料ガスとの間の全熱交換を利用して燃料ガスの加湿および加温を行う温水加湿器である。アノード温水加湿器３７の内部には、燃料ガスが通じる燃料ガス流路と、内部冷却水が通じるアノード冷却水流路とが形成されている。そして、前記燃料ガス流路と前記アノード冷却水流路とは、温水加湿膜を介してつながっている。試験系Ｂにおいて、前記温水加湿膜には、例えば、スタック１０で用いられている高分子電解質膜、より具体的には、例えば、パーフルオロスルフォン酸膜が好適に用いられる。
【００８１】
次に、試験系Ｂの動作について説明する。酸化剤ガス供給器２５は酸化剤ガスとして空気を供給する。前記酸化剤ガスはカソード全熱交換器３０により加温および加湿される。前記酸化剤ガスはその後カソード温水加湿器３６において、さらに加温および加湿される。カソード全熱交換器３０およびカソード温水加湿器３６において所定の温度および湿度に調整された酸化剤ガスは、スタック１０へ供給される。前記酸化剤ガスは、スタック１０において所定の空気利用率で消費された後、廃棄される。また、水素生成装置２０は燃料ガスとして水素リッチなガスを供給する。前記燃料ガスは、アノード全熱交換器３２により加温および加湿される。前記燃料ガスはその後アノード温水加湿器３７において、さらに加温および加湿される。アノード全熱交換器３２およびアノード温水加湿器３７において所定の温度および湿度に調整された燃料ガスは、スタック１０へ供給される。前記燃料ガスは、スタック１０において所定の燃料利用率で消費された後、廃棄される。また、スタック１０は、冷却用熱交換器４１、外部冷却回路4２、冷却水タンク４３、からなる冷却系統４０により、所定の温度に冷却がなされる。
【００８２】
なお、試験系Ｂにおいて、燃料ガス、燃料排ガス、酸化剤ガス、酸化剤排ガス、および冷却水の配管、継ぎ手類は全てステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）で構成した、またカソード全熱交換器３０、アノード全熱交換器３２、カソード温水加湿器３６、アノード温水加湿器３７の内部において、全熱交換膜および温水加湿膜の保持および伝熱に用いるガス拡散層にはステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）のエッチングプレートを用いた。試験系Ｂは、従来技術であるステンレス配管を用いた場合の構成である。
【００８３】
次に、試験系Ｃについて説明する。図４は、試験系Ｃの概略構成を示すブロック図である。以下、図４を参照しながら、試験系Ｃについて説明する。図４において、図３と対応する構成要素には同一符号が付されている。図４に示すように、試験系Ｃの構成は、配管に用いられる素材を除いては試験系Ｂと同様である。よって、試験系Ｃの構成要素（図３と図４において同一符号が付されている構成要素）の機能、配置およびその動作については説明を省略する。なお、試験系Ｃにおいて、スタック１０が前記試験用スタックとなっている。
【００８４】
試験系Ｃにおいて、燃料ガス、燃料排ガス、酸化剤ガス、酸化剤排ガス、および冷却水の配管、継ぎ手類（図４において二重線で示されている部分）は全てポリプロピレン製配管で構成した、冷却水タンク４３および冷却水のポンプにおいて水に接する部分（内面）の材質もポリプロピレン製配管で構成した。さらに、カソード全熱交換器３０、アノード全熱交換器３２、カソード温水加湿器３６、アノード温水加湿器３７の内部において、全熱交換膜および温水加湿膜の保持および伝熱に用いるガス拡散層にはろ紙を、熱交換プレートには、樹脂含浸黒鉛板（東海カーボン製）を切削加工して製作された熱交換プレート（以下、カーボン熱交換プレート）を用いた。試験系Ｃは、本発明の特徴である、フッ化水素酸耐性を有する素材を配管に用いた場合の構成である。
【００８５】
以上の、試験系Ａ、Ｂ、Ｃを用いて発電を行った場合の１セルあたりの平均電圧の変化を、１００００時間まで測定した。その結果を図７に示す。試験系Ａおよび試験系Ｃにおける電圧の低下率は、１０００時間あたり３ｍＶから４ｍＶであった。一方、試験系Ｂでは、電圧が１０００時間あたり１０ｍＶ程度低下しており、試験系Ａおよび試験系Ｃに比べて特異的に電池の寿命が短くなることが分かった。
【００８６】
上記のような電圧の低下率の違いをもたらした要因を調べるべく、各実験系について水質の分析を行った。すなわち、試験系Ａにおけるアノード排ガスから回収された凝縮水（サンプルＡ）、試験系Ｂを１０００時間動かしたのちの内部冷却水（サンプルＢ）、試験系Ｃを１０００時間動かしたのちの内部冷却水（サンプルＣ）の水質を分析した。ｐＨはｐＨメーターにより測定した。陰イオン濃度についてはイオンクロマトグラフにより測定した。金属類に関しては原子吸光光度法により測定した。全有機態炭素（ＴＯＣ）については触媒燃焼−非分散赤外線吸法によった。結果を図8に示す。
【００８７】
サンプルＡの分析結果から、試験系Ａにおける凝縮水は微弱ながら硫酸酸性およびフッ化水素酸酸性であることが分かった。アノード触媒上では電気化学的反応により水素がプロトンに解離する。また、高分子電解質膜の素材として使われているパーフルオロスルフォン酸膜は、硫酸修飾されたフッ素樹脂からなる。以上のことから、試験系Ａにおける凝縮水中の硫酸イオンとフッ化物イオンは、高分子電解質膜に由来すると推察された。
【００８８】
サンプルＢの分析結果からは、試験系Ｂにおける内部冷却水は、試験系Ａにおける凝縮水と同様に、硫酸イオンとフッ化物イオンを含むことが分かった。カソード全熱交換器３０、カソード温水加湿器３６、アノード全熱交換器３２、およびアノード温水加湿器３７においては、全熱交換膜あるいは温水加湿膜を介してイオンも移動する。したがって、試験系Ｂにおける内部冷却水中の硫酸イオンとフッ化物イオンも、試験系Ａにおける凝縮水と同様に、高分子電解質膜に由来すると考えられた。
【００８９】
また、サンプルＢは、鉄、ニッケル、クロム等の金属類も含んでいた。これらの金属成分は、配管および熱交換器を構成するＳＵＳ３１６ステンレス鋼の構成成分である。ＳＵＳ３１６は耐食性のある金属素材として種々の用途に用いられるものの、硫酸とフッ化水素酸の混酸である凝縮水に対する耐食性は充分ではない。このことから、試験系Ｂにおける内部冷却水中の金属類は、配管や熱交換器から溶出したものであると推定された。
【００９０】
サンプルＣは、硫酸イオンとフッ化物イオンを含むが、金属は含まれていない。これは試験系Ｃが、配管および熱交換器の構成素材としてフッ化水素酸耐性を有するプラスチックを使用しているためと考えられた。
【００９１】
以上の結果を踏まえた解釈を以下に記載する。試験系Ｂにおいては、内部冷却水等のステンレス配管から溶け出した金属が、直接、あるいは全熱交換膜や温水加湿膜を介して、酸化剤ガスおよび燃料ガスに含まれる水へと混入する。これが高分子電解質膜の金属汚染につながる。試験系ＡおよびＣについては、凝縮水が接触する部分の配管は全てフッ化水素酸耐性を有するプラスチックで構成されている。よって、酸化剤ガスおよび燃料ガスに含まれる水に金属が混入することはない。よって、高分子電解質膜の金属汚染が発生しない。すなわち、各試験系における水質の違いが、電池の寿命特性に反映していると推察された。よって、内部流路の内面をフッ化水素酸耐性を有する素材により構成することにより、燃料電池発電システムの寿命を飛躍的に向上させることが可能となることが分かった。
【００９２】
次に、スタック１０に入った金属が、ＭＥＡのどの部位を阻害しているのかを解析すべく、ＭＥＡの抜き取り試験を行った。上述の各試験系を１０００時間連続運転する毎に、スタック１０を一旦分解してＭＥＡ１個を抜き取り、再度組み立てて運転するという方式で、１００００時間分のＭＥＡを採取した。抜き取ったＭＥＡについて、サイクリックボルタモグラム（ＣＶ）試験および、電解質膜イオン交換容量の測定を行った。
【００９３】
試験系Ｂから取り出されたＭＥＡについて、試験開始前および１００００時間後（試験終了後）のサイクリックボルタモグラフを図９に示す。図９を見れば明らかなように、１００００時間の連続運転を行った後も、ＣＶ曲線は初期状態のものと大差がなかった。すなわち、触媒に対する金属イオンの被毒は限定的であると解された。この点は、試験系ＡおよびＣから回収されたＭＥＡについても同様であったので図を省略する。
【００９４】
各試験系について、ＭＥＡのイオン交換容量の経時変化を図１０に示す。図１０を見れば明らかなように、試験系Ｂでは、イオン交換容量の低下が試験系Ａおよび試験系Ｃに比べ顕著であった。試験系Ｂから取り出したＭＥＡの高分子電解質膜を王水に溶解して成分を分析した。その結果、試験系ＢのＭＥＡ触媒層には、本来含まれる白金、ルテニウムのほか、鉄、ニッケル、クロムが含まれることが分かった。
【００９５】
以上の結果を踏まえた解釈を以下に記載する。試験系Ｂにおいては、スタック１０に由来する硫酸とフッ化水素酸によってステンレス配管が侵され、金属が溶出する。前記金属は、酸化剤ガスや燃料ガスに含まれる水に溶解し、スタック１０へと侵入する。そして、前記金属が、イオン交換反応により、高分子電解質膜へ結合し、高分子電解質膜のイオン交換容量を低下させる。これが、電池寿命特性の劣化につながっていると推察された。
【００９６】
以上の事実から、内部流路の内面をフッ化水素酸耐性を有する素材により構成することにより、燃料電池発電システムの寿命を飛躍的に向上させることができることが分かった。
［比較例２］
前記試験用スタックを用いて、２種類の異なる１ＫＷ級燃料電池発電システム（試験系Ｄ、試験系Ｅ）を構築し、１セルあたりの平均電圧の変化を測定した。
【００９７】
まず試験系Ｄについて説明する。図５は、試験系Ｄの概略構成を示すブロック図である。以下、図５を参照しながら、試験系Ｄのハードウェア構成について説明する。図５において、図１および図３と対応する構成要素には同一符号が付されている。試験系Ｄは、試験系Ｂと同様に、実施の形態における水回収系統６０、凝縮水を回収する系統（酸化剤排ガス凝縮器５１、燃料排ガス凝縮器５２、水素生成装置排ガス凝縮器５３）、および内部冷却水により酸化剤ガスおよび燃料ガスを加温する系統（カソード熱交換器３１およびアノード熱交換器３３）が省略され、カソード全熱交換器３０、カソード温水加湿器３６、アノード全熱交換器３２、アノード温水加湿器３７が追加されたものであり、他の構成要素は実施の形態と同じである。よって、試験系Ｄと実施の形態との間で対応する構成要素（図１と図５において同一符号が付されている構成要素）については説明を省略する。また、カソード全熱交換器３０、カソード温水加湿器３６、アノード全熱交換器３２、アノード温水加湿器３７は、試験系Ｂを構成するものと同様のものである。よって、試験系Ｄと試験系Ｂとの間で対応する構成要素（図３と図５において同一符号が付されている構成要素）については、説明を省略する。試験系Ｄの動作については、実施の形態および比較例１の試験系Ｂと同様であるので説明を省略する。なお、試験系Ｄにおいて、スタック１０が前記試験用スタックとなっている。
【００９８】
試験系Ｄにおいては、比較例１における試験系Ｂと同様に、燃料ガス、燃料排ガス、酸化剤ガス、酸化剤排ガス、および冷却水の配管、継ぎ手類は全てステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）で構成した。冷却水タンク４３および冷却水のポンプにおいて水に接する部分（内面）の材質もステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）で構成した。冷却用熱交換器４１、カソード全熱交換器３０、アノード全熱交換器３２、カソード温水加湿器３６、アノード温水加湿器３７の内部に用いる熱交換プレートも、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）で構成した。さらに、カソード全熱交換器３０、アノード全熱交換器３２、カソード温水加湿器３６、アノード温水加湿器３７の内部において全熱交換膜および温水加湿膜の保持および伝熱に用いるガス拡散層にはステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）のエッチングプレートを用いた。試験系Ｄは、従来技術であるステンレス配管を用いた場合の構成である。
【００９９】
次に、試験系Ｅについて説明する。図６は、試験系Ｅの概略構成を示すブロック図である。図６において、図５と対応する構成要素には同一符号が付されている。図６に示すように、試験系Ｅの構成は、配管の素材を除けば試験系Ｄと同様である。よって、試験系Ｅの構成要素（図６と図５において同一符号が付されている構成要素）の機能、配置、およびその動作については説明を省略する。なお、試験系Ｅにおいて、スタック１０が前記試験用スタックとなっている。
【０１００】
試験系Ｅにおいては、比較例１における試験系Ｃと同様に、燃料ガス、燃料排ガス、酸化剤ガス、酸化剤排ガス、および冷却水の配管、継ぎ手類（図６において二重線で示されている部分）は全てポリプロピレン製配管で構成した。冷却水タンク４３および冷却水のポンプにおいて水に接する部分（内面）の材質もポリプロピレン製配管で構成した。さらに、冷却用熱交換器４１、カソード全熱交換器３０、アノード全熱交換器３２、カソード温水加湿器３６、アノード温水加湿器３７の内部に用いる熱交換プレートには、樹脂含浸黒鉛板（東海カーボン製）を切削加工して製作された熱交換プレートを用いた。また、カソード全熱交換器３０、アノード全熱交換器３２、カソード温水加湿器３６、アノード温水加湿器３７の内部に用いる、全熱交換膜および温水加湿膜の保持および伝熱に用いるガス拡散層にはろ紙を用いた。試験系Ｅは、本発明の特徴である、フッ化水素酸耐性を有する素材を特定の配管に用いた場合の構成である。
【０１０１】
試験系Ｄおよび試験系Ｅの仕様は以下の通りである。電極面積は１６９平方センチ、段数は５０段、定格電流密度は０．２Ａ／ｃｍ２とした。燃料ガスは、水蒸気改質水素（二酸化炭素２０％を含む）とした。燃料ガスの基本定格運転条件は、ガス露点を６７℃、燃料利用率を７５％とした。また酸化剤ガスは空気とした。酸化剤ガスの基本定格運転条件は、供給露点を６７℃、空気利用率を５０％とした。
【０１０２】
試験系Ｄおよび試験系Ｅにおける理論物質収支は以下の通りである。
【０１０３】
反応  Ｈ２＋１／２Ｏ２  →  Ｈ２Ｏ
反応モル数  ５０［段］×１６９［ｃｍ２］×０．２［Ａ／ｃｍ２］／（９６５００×２）＝０．００８７５６４［ｍｏｌ／秒］
必要水素量  ０．００８７５６４［ｍｏｌ／秒］×６０［秒／分］×２２．４［ＮＬ／ｍｏｌ］／０．７５［Ｕｆ］＝  １５．６９［ＮＬ／分］
必要燃料ガス  １５．６９［ＮＬ／分］／０．８［水素分圧］＝１９．６１［ＮＬ／分］
必要酸素量  １／２×０．００８７５６４［ｍｏｌ／秒］×６０［秒／分］×２２．４［ＮＬ／ｍｏｌ］／０．５［Ｕｏ］＝１１．７６［ＮＬ／分］
必要酸化剤ガス  １１．７６［ＮＬ／分］／０．２［酸素分圧］＝５８．８４［ＮＬ／分］
また、水収支に関しては、以下の通りである。
【０１０４】
６７℃における飽和水蒸気分圧  ２０５．０５［ｍｍＨｇ］
必要となる燃料ガスの加湿量  １９．６１［ＮＬ／分］×（１／（７６０［ｍｍＨｇ］−２０５．０５［ｍｍＨｇ］）−１）×（１８［ｇ／ｍｏｌ］／２２．４［ＮＬ／ｍｏｌ］）＝５．８２［ｇ／分］
必要となる酸化剤ガスの加湿量  ５８．８４×（１／（７６０［ｍｍＨｇ］−２０５．０５［ｍｍＨｇ］）−１）×（１８［ｇ／ｍｏｌ］／２２．４［ＮＬ／ｍｏｌ］）＝１７．４６［ｇ／分］
また、試験系Ｄおよび試験系Ｅにおける水素生成装置２０の仕様は以下の通りである。
【０１０５】
水素生成装置２０は、水蒸気改質反応により、メタンガスを原料として燃料ガスである水素リッチなガスを生成する水素生成装置である。前記水素生成装置２０は、定格状態で、組成として２０%の二酸化炭素を含む燃料ガスを１９．６ＮＬ／分の速度で生成すべく調整した。したがって前記水素生成装置２０の水素生成能力は、１５．７ＮＬ／分となった。前記水素生成装置２０は、スチームカーボン比（Ｓ／Ｃ）が２．７（モル比）となるように運転された。また、原料の露点は５８度であった。
【０１０６】
改質機供給加湿量（Ｓ／Ｃ２．７）
５８℃における飽和水蒸気分圧  １３６．１５ｍｍＨｇ
燃料ガスの水分含量  １９．６１［ＮＬ／分］×（１／（７６０［ｍｍＨｇ］−１３６．１５［ｍｍＨｇ］）−１）×（１８［ｇ／ｍｏｌ］／２２．４［ＮＬ／ｍｏｌ］）＝３．４３［ｇ／分］
アノード側で必要となる追加的な加湿量は、必要となる燃料ガスの加湿量から燃料ガスの水分含量を引いたものであり、５．８２−３．４３＝２．３９ｇ／分と計算された。これがアノード全熱交換器３２およびアノード温水加湿器３７が達成すべき追加的な加湿量である。水の蒸発潜熱は、０．５４Ｋｃａｌ／ｇであるから、追加的な加湿に必要な熱量は１．２９Ｋｃａｌ／分となる。そこで、アノード全熱交換器３２およびアノード温水加湿器３７の交換熱容量の合計が１．２９Ｋｃａｌ／分以上となるように、それぞれ適切な設計がなされた。
【０１０７】
また、必要となる酸化剤ガスの加湿量は１７．４６ｇ／分である。ここで、試験系Ｄおよび試験系Ｅにおいて使用されたカソード全熱交換器３６は、エンタルピー効率７０％程度で動作可能であり、カソード排ガスに含まれる水量から計算して約１０．５ｇ／分がカソード全熱交換器３６から供給可能なことが過去の実績より分かっていた。そこで、必要となる酸化剤ガスの加湿量と全熱交換器３６における加湿量の差である約７ｇ／分に相当する３．７８Ｋｃａｌ／分以上の交換熱容量を持つように、カソード温水加湿器３６が設計された。
【０１０８】
試験系Ｄおよび試験系Ｅを用いて、定格出力にて運転を行った場合の１セルあたりの平均電圧の変化を、図１１に示す。図１１を見れば明らかなように、試験系Ｅは試験系Ｄに比べ、電圧の低下が緩やかであった。従って、配管にフッ化水素酸耐性を有する素材を使用すると、配管にステンレス鋼を使用した場合に比べ、電池寿命が改善されることが明らかとなった。
［実施例］
比較例１における試験系Ｃおよび比較例２における試験系Ｅを構築するにあたり、図４および図６には示されない他の部材（継ぎ手、電磁弁、温度調節用三方弁、温度センサ等の検知器類等）についても、樹脂により構成した。金属製の部材を用いる場合には内面にフッ化樹脂を電着処理した専用部材を用いた。しかし、量産型の燃料電池発電システムにおいては、主にコスト削減の必要から、専用部材よりも汎用部材を使用可能とすることが望ましい。ここにおいて、特に冷却系統においては熱伝導性の高い素材を使用することが必要である。プラスチックは、フッ化水素酸耐性は有するものの、熱伝導性が低いために使用することができない。一方、熱伝導性を高めるべく、樹脂含浸黒鉛板を用いた専用部材とすると、製造コストが高価となり製品化が困難となる。そこで、本実施例では、冷却系統と加湿系統の流路を分離し、冷却水を加湿用の水源に利用しない燃料電池発電システムの構築を試みた。
【０１０９】
本発明の課題は、スタックの金属イオンによる汚染を防ぐことで燃料電池発電システムの寿命向上を図るものである。上記のような構成とすることは、かかる課題を解決する点でも有利である。なぜなら、冷却水とガスの配管を分離することにより、冷却水にたとえ金属イオンが含まれていても、これが反応ガスあるいは排ガスに混入することがなくなるからである。すなわち、本実施例では、比較例１の実験系Ｃに比べ、スタックの金属イオンによる汚染をより効果的に防ぐことができる。
【０１１０】
本実施例に係る燃料電池発電システムの概略構成は、図３に示した実施の形態に係る燃料電池発電システムと同様である。よって、各構成要素については説明を省略する。また、本実施例に係る燃料電池発電システムの動作についても実施の形態に係る燃料電池発電システムと同様であるため、説明を省略する。
【０１１１】
本実施例において、カソード熱交換器３１の全熱交換膜には、ゴアセレクト３０μ（ジャパンゴアテックス製）を使用した。また、熱交換ユニット９０の一段あたりの熱交換面積は１５０ｃｍ２とし、これを図１４に示す様式により、３０段積層した。その結果、総熱交換面積は４５００ｃｍ２となった。
【０１１２】
また、本実施例において、アノード熱交換器３３の全熱交換膜には、ゴアセレクト３０μ（ジャパンゴアテックス製）を使用した。また、熱交換ユニットの一段あたりの熱交換面積を１５０ｃｍ２とし、これを図１４に示す様式により、８段積層した。その結果、総熱交換面積は１２００ｃｍ２となった。
【０１１３】
なお、カソード熱交換器３１およびアノード熱交換器３３の流路を構成する熱交換プレートは、樹脂含浸黒鉛板（東海カーボン製）を切削加工して製作した。また、カソード熱交換器３１およびアノード熱交換器３３の内部に用いる、全熱交換膜の保持および伝熱に用いるガス拡散層には厚さ０．２ｍｍのろ紙を用いた。
【０１１４】
カソード熱交換器３１において、酸化剤排ガスの流路には、水回収系統６０により回収された凝縮水が供給された。供給量は、０．１Ａ／ｃｍ２あたり５．０ｇ／分とした。また、アノード熱交換器３２において、燃料排ガスの流路にも、水回収系統６０により回収された凝縮水が供給された。供給量は、０．１Ａ／ｃｍ２あたり１．２ｇ／分とした。定格運転時においては、スタック１０から出た直後の内部冷却水の温度は７０℃であった。内部冷却水は、スタック１０を出た後、アノード冷却水流路、カソード冷却水流路の順に通過すべく配管を接続した。その結果、計画運転時において、酸化剤ガスおよび燃料ガスの露点は、それぞれ、約６７．７℃、６８．３℃となり、仕様を満足するものとなった。
【０１１５】
さらに、本実施例において、燃料ガス供給配管２６のうちアノード熱交換器３３とスタック１０とを結ぶ部分と、燃料ガス排出配管２７のうちスタック１０とアノード熱交換器３３とを結ぶ部分およびアノード熱交換器３３と水回収系統６０とを結ぶ部分と、酸化剤ガス供給配管２８のうちカソード熱交換器３１とスタック１０とを結ぶ部分と、酸化剤ガス排出配管２９のうちスタック１０とカソード熱交換器３１とを結ぶ部分およびカソード熱交換器３１と水回収系統６０とを結ぶ部分と、水回収系統６０の配管は全てフッ化水素酸耐性の素材であるポリプロピレンにより構成した。これにより、内部流路（図１において二重線で示されている部分）の内面は全て、フッ化水素酸耐性を有する素材である、樹脂含浸黒鉛板あるいはポリプロピレンにより構成されることになった。また、内部冷却水は反応ガスへ熱を供給するが、水は供給しない構成となった。よって、冷却系統では熱伝導性の高いステンレスなどの素材を使用しても、スタックの金属イオンによる汚染を防ぐことが可能となった。
【０１１６】
本実施例についても、比較例２と同様の試験を行い、配管にステンレス鋼を使用した場合に比べ、電池寿命が改善されることが明らかとなった。これにより、冷却系統と加湿系統を分離した場合でも、十分な加温および加湿を行うと同時に、スタックを金属汚染から保護することが可能であることが明らかとなった。よって、簡易かつ安価な構成により、高い熱効率および水自給率を有しながら長寿命である固体高分子型燃料電池発電システムを提供することが可能となった。
［変形例］
本変形例においては、集積化によって熱損失を低減すべく、燃料電池発電システム用の統合加湿器を製作し、これを用いて燃料電池発電システムを構成した。本変形例に係る燃料電池発電システムの概略構成は、図１においてカソード熱交換器３１とアノード熱交換器３３を統合して、単一の統合加湿器としたものである。その余の部分については図１と同様である。よって、本変形例に係る燃料電池発電システムの概略構成については、図および説明を省略する。
【０１１７】
図１５は、本変形例に係る統合加湿器の概略的な分解斜視図である。図１５に示すように、この統合加湿器では、酸化剤ガスと酸化剤排ガスの熱交換を行う部分であるカソード熱交換部１０４と、燃料ガスと燃料排ガスの熱交換を行う部分であるアノード熱交換部１０５からなる。カソード熱交換部１０４は、上述の実施例におけるカソード熱交換器３１に相当するものである。また、アノード熱交換部１０５は、上述の実施例におけるアノード熱交換器３３に相当するものである。カソード熱交換部１０４の構成要素およびアノード熱交換部１０５の構成要素は、それぞれ、カソード熱交換器３１およびアノード熱交換器３３の構成要素と同様である。よって、図１４と図１５の間で対応する構成要素に同一符号を付して説明を省略する。
【０１１８】
カソード熱交換部１０４およびアノード熱交換部１０５の熱交換面積は、それぞれ１５０ｃｍ２、２０ｃｍ２とした。また、カソード熱交換部１０４およびアノード熱交換部１０５の全熱交換膜の背面に内部冷却水流路を配設した。内部冷却水は、アノード熱交換部１０５を経てカソード熱交換部１０４に供給されるように構成した。内部冷却水流路を出た内部冷却水は、一度端板の外に出た後、冷却用熱交換器４１に戻されるよう構成した。カソード熱交換部１０４およびアノード熱交換部１０５の全熱交換膜には、ゴアセレクト３０μ（ジャパンゴアテックス製）を使用した。カソード熱交換部１０４およびアノード熱交換部１０５を構成する熱交換プレートは、厚さ３ｍｍの樹脂含浸黒鉛板（大日本インキ製：試作品）を用いて製作した。また、セルのシールを含めた流体シールには、フッ素ゴム製のシール（ＮＯＫ製：試作品）を用いた。流路部の形状、深さ、その他の詳細設計条件は、システム運転条件によって定まる交換熱容量、必要流速、圧力損失等の制約に従い、適切に設計された。そして、反応ガス熱交換プレート９６、ＭＧＡ９１、排ガス熱交換プレート９７を、図１５に示す様式により３０段積層して組み立てた。ガスおよび冷却水の供給および排出、配管締結の様式は、本発明の発明者らが特公開２００３−３３１９０５によって開示したものとし、金属製の端板とガスとの接触はないように構成した。また、カソード熱交換部１０４およびアノード熱交換部１０５の内部に用いる、全熱交換膜の保持および伝熱に用いるガス拡散層には厚さ０．２ｍｍのろ紙を用いた。
【０１１９】
本変形例において、燃料ガス供給配管のうちアノード熱交換器とスタックとを結ぶ部分と、燃料ガス排出配管のうちスタックとアノード熱交換器とを結ぶ部分およびアノード熱交換器と水回収系統とを結ぶ部分と、酸化剤ガス供給配管のうちカソード熱交換器とスタックとを結ぶ部分と、酸化剤ガス排出配管のうちスタックとカソード熱交換器とを結ぶ部分およびカソード熱交換器と水回収系統とを結ぶ部分と、水回収系統の配管は全てフッ化水素酸耐性の素材であるポリプロピレンにより構成した。これにより、内部流路の内面は全て、フッ化水素酸耐性を有する素材である、樹脂含浸黒鉛板あるいはポリプロピレンにより構成されることになった。また、内部冷却水は反応ガスへ熱を供給するが、水は供給しない構成となった。よって、冷却系統では熱伝導性の高いステンレスなどの素材を使用しても、スタックの金属イオンによる汚染を防ぐことが可能となった。
【０１２０】
本変形例では、上記統合加湿器を用いて燃料電池発電システムを構成し、比較例２と同様の試験を行い、配管にステンレス鋼を使用した場合に比べ、電池寿命が改善されることが明らかとなった。これにより、実施例にかかる燃料電池発電システムに比べさらに小型化された構成により、十分な加温および加湿を行うと同時に、スタックを金属汚染から保護することが可能であることが明らかとなった。よって、簡易かつ安価な構成により、高い熱効率および水自給率を有しながら長寿命である固体高分子型燃料電池発電システムを提供することが可能となった。
［変形対応］
なお、本実施の形態では、継ぎ手、電磁弁、センサ類など、全ての部材について、内面がフッ化水素酸耐性を有するように専用部材を用いて構成した。しかしながら、全ての部材を専用部材とすることが高コストにより困難である場合等においては、スタックの金属汚染を防止できる範囲において、一部の部材につき、ステンレス等のフッ化水素酸耐性を有しない汎用部材を用いることとしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１２１】
本発明に係る燃料電池発電システムは、簡易かつ安価な構成により、高い熱効率および水自給率を有しながら長寿命である固体高分子型燃料電池発電システムとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１２２】
【図１】本発明の実施の形態および実施例１に係る燃料電池発電システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】比較例１に係る試験系Ａの概略構成を示すブロック図である。
【図３】比較例１に係る試験系Ｂの概略構成を示すブロック図である。
【図４】比較例１に係る試験系Ｃの概略構成を示すブロック図である。
【図５】比較例２に係る試験系Ｄの概略構成を示すブロック図である。
【図６】比較例２に係る試験系Ｅの概略構成を示すブロック図である。
【図７】比較例１における、試験系Ａ、試験系Ｂ、試験系Ｃの１セルあたりの平均電圧の変化を示すグラフである。
【図８】比較例１における、サンプルＡ、サンプルＢ、サンプルＣの水質分析結果を示す表である。
【図９】比較例１における、試験系Ｂの試験前後において取り出されたＭＥＡのサイクリックボルタモグラフを示す図である。
【図１０】比較例１における、試験系Ａ、試験系Ｂ、試験系Ｃに係るＭＥＡのイオン交換容量の経時変化を示すグラフである。
【図１１】比較例２における、試験系Ｄおよび試験系Ｅの１セルあたりの平均電圧の変化を示すグラフである。
【図１２】本発明の実施の形態におけるスタック１０の概略構成を示す図である。
【図１３】本発明の実施の形態における熱交換ユニット９０の概略構成を示す図である。
【図１４】本発明の実施の形態におけるカソード熱交換器３１の概略的な分解斜視図である。
【図１５】本発明の実施の形態の変形例における統合加湿器の概略的な分解斜視図である。
【符号の説明】
【０１２３】
１０  スタック
１１  セル
１３  ＭＥＡ
１４  高分子電解質膜
１５ａ  アノード
１５ｂ  カソード
１６ａ  触媒層
１６ｂ  触媒層
１７ａ  ガス拡散電極層
１７ｂ  ガス拡散電極層
１８  ガスケット
１９ａ  アノードセパレータ
１９ｂ  カソードセパレータ
２０  水素生成装置
２１  バーナ
２２  改質器
２３  変成器
２４  選択酸化器
２５  酸化剤ガス供給器
２６  燃料ガス供給配管
２７  燃料ガス排出配管
２８  酸化剤ガス供給配管
２９  酸化剤ガス排出配管
３０  カソード全熱交換器
３１  カソード熱交換器
３２  アノード全熱交換器
３３  アノード熱交換器
３６  カソード温水加湿器
３７  アノード温水加湿器
３８  酸化剤ガスバブラ
３９  燃料ガスバブラ
４０  冷却系統
４１  冷却用熱交換器
４２  外部冷却回路
４３  内部冷却水タンク
４４  内部冷却水供給配管
４５  内部冷却水排出配管
４６  外部冷却水循環流路
５１  酸化剤排ガス凝縮器
５２  燃料排ガス凝縮器
５３  水素生成装置排ガス凝縮器
６０  水回収系統
６１  凝縮水タンク
６２  フィルタ
６３  イオン交換部
７０  電力負荷回路
８０  燃料ガス流路
８１  酸化剤ガス流路
８２ａ  内部冷却水流路
８２ｂ  内部冷却水流路
８３ａ  燃料ガス供給マニフォールド孔
８３ｂ  燃料ガス排出マニフォールド孔
８４ａ  酸化剤ガス供給マニフォールド孔
８４ｂ  酸化剤ガス排出マニフォールド孔
８５ａ  内部冷却水供給マニフォールド孔
８５ｂ  内部冷却水排出マニフォールド孔
９０  熱交換ユニット
９１  ＭＧＡ
９２  全熱交換膜
９３  反応ガス拡散層
９４  排ガス拡散層
９５  ガスケット
９６  反応ガス熱交換プレート
９７  排ガス熱交換プレート
９８  反応ガス流路
９９  排ガス流路
１００ａ、１００ｂ  内部冷却水流路
１０１ａ  反応ガス供給マニフォールド孔
１０１ｂ  反応ガス排出マニフォールド孔
１０２ａ  排ガス供給マニフォールド孔
１０２ｂ  排ガス排出マニフォールド孔
１０３ａ  内部冷却水供給マニフォールド孔
１０３ｂ  内部冷却水排出マニフォールド孔
１０４  カソード熱交換部
１０５  アノード熱交換部
ＤＷ１  酸化剤排ガスからの凝縮水
ＤＷ２  燃料排ガスからの凝縮水
ＤＷ３  水素生成装置排ガスからの凝縮水
ＤＷ４  酸化剤排ガスへ添加される凝縮水
ＤＷ５  燃料排ガスへ添加される凝縮水
ＤＷ６  原料へ添加される凝縮水
ＤＷ７  内部冷却水へ添加される凝縮水
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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