(57)【要約】  燃料電池システムは、燃料を消費して発電する燃料電池と、燃料電池に燃料を含む循環液を送る燃料送給部と、燃料電池から排出された未消費の燃料を含む循環液を回収する回収部と、燃料電池と回収部とを接続する第１液体流路と、回収部と燃料送給部とを接続する第２液体流路と、燃料送給部と燃料電池とを接続する第３液体流路、とを具備する。回収部、第１液体流路、第２液体流路および第３液体流路の合計質量はＭ１である。回収部、第１液体流路、第２液体流路および第３液体流路を、温度ＴＨ１の循環液、またはその同等物に、時間ＴＭ１の間、浸漬したとき、循環液等に溶出する有機物の質量Ｍ２の質量Ｍ１に対する比率：Ｍ２／Ｍ１は、ヘキサデカン換算で２０ｐｐｍ以下である。
2014141339.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を消費して発電する燃料電池と、
前記燃料電池に前記燃料を含む循環液を送る燃料送給部と、
前記燃料電池から排出された未消費の前記燃料を含む前記循環液を回収する回収部と、
前記燃料電池と前記回収部とを接続する第１液体流路と、
前記回収部と前記燃料送給部とを接続する第２液体流路と、
前記燃料送給部と前記燃料電池とを接続する第３液体流路、とを具備し、
前記回収部、前記第１液体流路、前記第２液体流路および前記第３液体流路の合計質量がＭ１であり、前記回収部、前記第１液体流路、前記第２液体流路および前記第３液体流路を、温度ＴＨ１の前記循環液、またはその同等物に、時間ＴＭ１の間、浸漬したとき、前記循環液または前記同等物に溶出する有機物の質量Ｍ２の前記質量Ｍ１に対する比率：Ｍ２／Ｍ１が、ヘキサデカン換算で２０ｐｐｍ以下である、燃料電池システム。
【請求項２】
前記循環液、またはその同等物の質量Ｍ３が前記質量Ｍ１の２０倍以上、かつ４０倍以下であり、前記温度ＴＨ１が６０℃以上、かつ８０℃以下であり、前記時間ＴＭ１が４０時間以上、かつ６０時間以下である、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記回収部、前記第１液体流路、前記第２液体流路および前記第３液体流路が樹脂成形品である、請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記同等物が、２質量％のメタノール、および質量比で３００ｐｐｍの蟻酸を含み、水素イオン指数が３の水溶液である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
燃料電池から排出された未消費の燃料を含む循環液を回収する回収部と、
前記燃料電池と前記回収部とを接続する第１液体流路と、
前記回収部と、前記燃料電池に前記循環液を送る燃料送給部とを接続する第２液体流路と、
前記燃料送給部と前記燃料電池とを接続する第３液体流路、とを具備し、
前記回収部、前記第１液体流路、前記第２液体流路および前記第３液体流路の合計質量がＭ１であり、前記回収部、前記第１液体流路、前記第２液体流路および前記第３液体流路を、温度ＴＨ１の前記循環液、またはその同等物に、時間ＴＭ１の間、浸漬したとき、前記循環液または前記同等物に溶出する有機物の質量Ｍ２の前記質量Ｍ１に対する比率：Ｍ２／Ｍ１が、ヘキサデカン換算で２０ｐｐｍ以下である、燃料電池システム用燃料循環システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メタノール等の液体燃料を消費して発電する、直接酸化型燃料電池を含む燃料電池システムの経時的な性能低下を抑制する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電気化学反応によって発電する装置であり、熱機関を使用した発電装置と比較すると、カルノー効率に依存しないことから発電効率が高い。また、騒音や振動も少ないために、アウトドア用途等の民生用の発電装置としても普及が期待されている。特に、燃料としてメタノールを使用するＤＭＦＣ（directmethanolfuelcell：直接メタノール型燃料電池）等の直接酸化型燃料電池は、小型化が容易である。したがって、携帯機器用の電源としても開発が期待されている。【０００３】
ところが、特にメタノール等の有機燃料を燃料電池の燃料として使用する場合には、燃料タンクから有機物等の不純物が燃料に溶出することが問題となり得る。この点に関し、特許文献１は、特定の性状を有する直鎖状ポリエチレンを燃料タンクの材料として使用することで、燃料タンクから不純物が燃料に溶出するのを抑えることを提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２４２０７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のように、特許文献１は、燃料タンクの材質をコントロールすることで、不純物である有機物等の燃料への溶出を抑えることを提案している。そのような不純物が燃料に混入すると、その影響により、燃料極であるアノードの触媒が劣化する等して、燃料電池の出力が低下することがある。このため、燃料タンクの材料として、不純物の溶出が少ない素材を選定することは重要である。ところが、本発明者の研究によれば、燃料電池の経時的な出力低下は、特許文献１が提案する方法だけでは、十分に抑えられない場合があることが判明した。【０００６】
そこで、本発明は、不純物である有機物の燃料への混入に起因する、燃料電池の経時的な出力低下を抑えることができる、燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一局面は、燃料を消費して発電する燃料電池と、
前記燃料電池に前記燃料を含む循環液を送る燃料送給部と、
前記燃料電池から排出された未消費の前記燃料を含む前記循環液を回収する回収部と、
前記燃料電池と前記回収部とを接続する第１液体流路と、
前記回収部と前記燃料送給部とを接続する第２液体流路と、
前記燃料送給部と前記燃料電池とを接続する第３液体流路、とを具備し、
前記回収部、前記第１液体流路、前記第２液体流路および前記第３液体流路の合計質量がＭ１であり、前記回収部、前記第１液体流路、前記第２液体流路および前記第３液体流路を、温度ＴＨ１の前記循環液、またはその同等物に、時間ＴＭ１の間、浸漬したとき、前記循環液または前記同等物に溶出する有機物の質量Ｍ２の前記質量Ｍ１に対する比率：Ｍ２／Ｍ１が、ヘキサデカン換算で２０ｐｐｍ以下である、燃料電池システムに関する。【０００８】
本発明の別の一局面は、燃料電池から排出された未消費の燃料を含む循環液を回収する回収部と、
前記燃料電池と前記回収部とを接続する第１液体流路と、
前記回収部と、前記燃料電池に前記循環液を送る燃料送給部とを接続する第２液体流路と、
前記燃料送給部と前記燃料電池とを接続する第３液体流路、とを具備し、
前記回収部、前記第１液体流路、前記第２液体流路および前記第３液体流路の合計質量がＭ１であり、前記回収部、前記第１液体流路、前記第２液体流路および前記第３液体流路を、温度ＴＨ１の前記循環液、またはその同等物に、時間ＴＭ１の間、浸漬したとき、前記循環液または前記同等物に溶出する有機物の質量Ｍ２の前記質量Ｍ１に対する比率：Ｍ２／Ｍ１が、ヘキサデカン換算で２０ｐｐｍ以下である、燃料電池システム用燃料循環システムに関する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、燃料の循環系で燃料に混入する、不純物である有機物の質量を基準値以下にすることで、そのような不純物に起因して、燃料電池の出力が低下するのを抑えることができる。【００１０】
本発明の新規な特徴を添付の請求の範囲に記述するが、本発明は、構成及び内容の両方に関し、本発明の他の目的及び特徴と併せ、図面を照合した以下の詳細な説明によりさらによく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】同システムに使用される燃料電池の基本的な構造を示す、断面図である。
【図３】不純物である有機物の循環液への溶出量と、燃料電池システムの出力低下率との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明は、燃料を消費して発電する燃料電池と、燃料電池に燃料を含む循環液を送る燃料送給部と、燃料電池から排出された未消費の燃料を含む循環液を回収する回収部と、燃料電池と回収部とを接続する第１液体流路と、回収部と燃料送給部とを接続する第２液体流路と、燃料送給部と燃料電池とを接続する第３液体流路、とを具備する燃料電池システムに関する。燃料送給部の例としては、循環液を燃料電池に送る送液ポンプ（液体ポンプ）が挙げられる。回収部の例としては、容器、およびタンクが挙げられる。液体流路の例としては、チューブやパイプ等の配管が挙げられる。配管には、通常、樹脂成形品が用いられる。また、配管の接続部等には金属が使用されていてもよい。
【００１３】
燃料の例としては、メタノールが挙げられる。このとき、循環液の例としては、メタノール水溶液が挙げられる。燃料は、別に設けられた燃料タンクから燃料送給部に送られ、そこで、循環液と合流する。
【００１４】
回収部、第１液体流路、第２液体流路および第３液体流路の合計質量をＭ１とする。適宜の容器（例えばガラス容器）を用意し、それに適宜質量の循環液（例えば、回収部から第２液体流路２４内の循環液と同様の成分の循環液）を入れ、その温度をＴＨ１に保つ。例えば、回収部、第１液体流路、第２液体流路および第３液体流路をそれぞれ適宜の大きさ（その容器に入る程度の大きさ）の断片（以下、試験物と総称する）に切断し、それらの断片を容器の中の循環液に浸漬する。このとき、試験物の粉状体やごく小さな破片が生ずれば、それらが容器の中に混入しないように、除去することが好ましい。適宜の大きさの断片だけで試験を行うことで、回収部等が燃料電池で実際に使用されているときと同様の条件で試験を行うことができる。また、接続部等の金属は除去する。
【００１５】
試験物を循環液に浸漬した状態で、時間ＴＭ１が経過したときに、容器から試験物を取り出す。そして、容器に残った循環液について、例えばＧＣ／ＭＳ（ガスクロマトグラフ・質量分析）により、試験物から溶出した、不純物である有機物の溶出量を検出する。つまり、循環液に溶出した、不純物である有機物（以下、溶出不純物という）の質量Ｍ２の質量Ｍ１に対する比率α：Ｍ２／Ｍ１を求める。本発明の燃料電池システムにおいては、その比率α（以下、単に質量比ともいう）が、ヘキサデカン換算で２０ｐｐｍ以下である素材を使用して、回収部、第１液体流路、第２液体流路および第３液体流路が作製されている。
【００１６】
２０ｐｐｍという基準値は、実験により求められたものであり、溶出不純物の質量比αがその基準値を超えると、図３に示すように、燃料電池の出力低下が加速度的に増大する。したがって、上記試験により測定される溶出不純物の質量比αが上記基準値以下となる素材を使用して、回収部、第１液体流路、第２液体流路および第３液体流路を形成することで、燃料電池の出力低下を抑えることができる。つまり、例えば特許文献１のように、燃料タンク（カートリッジタンクを含む）の材質をコントロールすることで燃料タンクから燃料への不純物の溶出を抑えることに加えて、回収部等からの燃料への溶出不純物をも低減することで、燃料電池の出力低下を効果的に抑えることができる。
【００１７】
なお、溶出不純物の質量比αが上記基準値を超えたときに燃料電池の出力低下が加速度的に増大する原因としては、分子量が比較的に小さいメタノール等の燃料と比較して、分子量が大きい有機物等の不純物（例えば、酸化防止剤、可塑剤、滑剤）は、循環液中の濃度がある程度以上の濃度に達しないと、アノード触媒まで拡散せずにそのままアノードから排出されて、単に循環するだけであることが考えられる。そして、溶出不純物の循環液中の濃度が、そのような濃度を超えると、溶出不純物がアノード触媒まで到達し始めるために、そのときから燃料電池の出力低下が急激に増大するものと考えられる。つまり、燃料電池の出力低下は、溶出不純物の循環液中の濃度に対してリニアに増大するのではなく、溶出不純物の循環液中の濃度が所定濃度を超えたときから急激な上昇を開始する。本発明は、回収部、第１液体流路、第２液体流路および第３液体流路に関し、上記濃度と密接に関連する上記質量比αについての基準値を適切に設定することで、燃料電池の出力低下を効果的に抑えることを目的としている。換言すれば、本発明は、燃料送給部（例えば送液ポンプ）、回収部、第１液体流路、第２液体流路、および第３液体流路から構成される燃料循環系の中で、通常、樹脂成形品から形成される回収部、第１液体流路、第２液体流路、および第３液体流路（以下、燃料循環システムともいう）の素材を、上記の基準値により適正化する。
【００１８】
なお、燃料タンク（カートリッジタンクを含む）、および燃料タンクから燃料送給部まで燃料を導入する燃料導入路は、高濃度の燃料と接触することが予定されている部分である。したがって、通常は、溶出不純物について既に十分な対策がとられているので、溶出不純物については、その影響を考慮する必要がない。燃料タンクからの高濃度の燃料が流入する送液ポンプや、燃料タンクから送液ポンプに燃料を送る燃料ポンプについても同様である。本発明は、そのような通常のシステムへの適用を想定している。
【００１９】
一方で、循環液は燃料電池から排出されたものであるために、燃料タンクから導入される液体に比べて、燃料の濃度は低いものの、温度が高く、かつ水素イオン指数（ｐＨ）は低い。このため、循環液が流通する部分（燃料循環システム）に対しては、燃料タンク等に対するのとは異なる特別の試験条件で溶出不純物による弊害を評価する必要がある。なお、燃料電池自体からの溶出不純物についても、本発明は、燃料電池の内部の燃料流路を形成する材料（カーボン等）として既に適切な材料が選択されており、その影響を考慮する必要がないことを想定している。
【００２０】
ここで、上記の試験に使用する循環液の質量Ｍ３は、回収部、第１液体流路、第２液体流路および第３液体流路の合計質量Ｍ１の２０倍以上、かつ４０倍以下の質量であるのが好ましい。試験中の循環液の温度ＴＨ１は、６０℃以上、かつ８０℃以下の温度であるのが好ましい。試験物から溶出不純物を溶出させる時間ＴＭ１は、４０時間以上、かつ６０時間以下の時間であるのが好ましい。試験条件をこのように設定することで、試験内容を燃料電池の実際の使用状態に近づけることができ、試験の誤差を少なくして、より確実に、燃料電池の出力低下を抑えることができる。
【００２１】
ここで、回収部、第１液体流路、第２液体流路および第３液体流路は、樹脂成形品であればよい。
【００２２】
また、上記試験を行う場合、循環液には、循環液同等物を用いることが好ましい。ＤＭＦＣの循環液同等物としては、メタノール、および蟻酸を含む水素イオン指数（ｐＨ）３の水溶液を用いることができる。蟻酸は、ＤＭＦＣでのメタノールの酸化反応の副生成物であり、これにより、循環液のｐＨは３程度まで低下する。その循環液同等物のメタノール濃度は、２質量％であり、蟻酸濃度は、質量比で３００ｐｐｍである。
【００２３】
また、本発明は、燃料電池から排出された未消費の燃料を含む循環液を回収する回収部と、燃料電池と回収部とを接続する第１液体流路と、回収部と、燃料電池に循環液を送る燃料送給部とを接続する第２液体流路と、燃料送給部と燃料電池とを接続する第３液体流路、とを具備する燃料電池システム用燃料循環システムに関する。このシステムは、燃料電池自体、および燃料送給部（例えば送液ポンプ）は、含んでいない。このシステムの回収部、第１液体流路、第２液体流路および第３液体流路の合計質量は、Ｍ１であり、回収部、第１液体流路、第２液体流路および第３液体流路を、温度ＴＨ１の循環液、またはその同等物に、時間ＴＭ１の間、浸漬したとき、循環液または同等物に溶出する有機物の質量Ｍ２の質量Ｍ１に対する比率α：Ｍ２／Ｍ１は、ヘキサデカン換算で２０ｐｐｍ以下である。
【００２４】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。図１に、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの概略構成をブロック図により示す。図示例の燃料電池システム１０は、ＤＭＦＣ（DirectMethanolFuelCell：メタノール直接形燃料電池）である燃料電池１２を含む。燃料電池１２は、図示しないカソード（酸化剤極）とアノード（燃料極）とを備えている。燃料電池１２は、燃料としてのメタノールと酸化剤とを消費して発電する。
【００２５】
燃料電池システム１０は、さらに、カソードに酸化剤としての空気を供給する空気ポンプ１４と、アノードに、燃料を含む循環液を供給する送液ポンプ（燃料送給部）１６と、アノードから排出された、未消費の燃料を含むアノード流体（循環液）、およびカソードから排出されたカソード流体を回収する回収部１８と、送液ポンプ１６および空気ポンプ１４を制御する制御部２０と、燃料タンク２８とを備える。回収部１８は、容器またはタンクから構成することができる。送液ポンプ１６は、例えば燃料タンク２８内の燃料を吸引し、それを循環液と混合して、アノードに送る。なお、送液ポンプ１６とは別に、燃料タンク２８と送液ポンプ１６との間に、燃料タンク２８内の燃料を送液ポンプ１６に送るための図示しない燃料ポンプを配設することもできる。
【００２６】
燃料電池１２のアノードは第１液体流路２２により回収部１８と接続されている。回収部１８は第２液体流路２４により送液ポンプ１６と接続されている。送液ポンプ１６は第３液体流路２６により燃料電池１２のアノードと接続されている。第１液体流路２２は、燃料電池１２のアノードから排出される、未消費燃料、および反応生成物である二酸化炭素を含む循環液を燃料電池１２から回収部１８に送る。また、回収部１８は、燃料電池１２のカソードから排出される、反応生成物である水を含むカソード流体を回収する。
【００２７】
第１液体流路２２、第２液体流路２４、および第３液体流路２６は、樹脂成形品である、チューブおよびパイプ等の配管から構成することができる。第１液体流路２２、第２液体流路２４、および第３液体流路２６の材料としては、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＦＡ（四フッ化エチレンとパーフルオロアルキルビニルエーテルとの共重合体）、ＦＥＰ（四フッ化エチレンと六フッ化プロピレンとの共重合体）、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド）、変性ＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）、ガラス繊維強化エポキシ樹脂、ガラス繊維強化ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、シリコーンゴムおよびフッ素ゴム等を使用することができる。
【００２８】
回収部１８は、樹脂成形品である、容器およびタンク等から構成することができる。回収部１８の材料としては、ＰＥ、ＰＰ、ＰＰＳ、ＰＦＡ、ＦＥＰ、ＰＥＩ、変性ＰＰＥ、ガラスエポキシ、およびガラス繊維強化ＰＰＳ等を使用することができる。
【００２９】
そして、回収部１８では、未消費の酸化剤および二酸化炭素の全部、または一部分は、循環液から分離され、外部に放出される。一方、未消費燃料および水の全部、または一部分は、回収され、循環液として、回収部１８から第２液体流路２４を介して送液ポンプ１６に送られる。送液ポンプ１６では、回収部１８からの循環液に、燃料タンク２８からの燃料が混合される。その混合により生成される、新たな循環液は、第３液体流路２６を介して燃料電池１２に送られる。送液ポンプ１６、回収部１８、第１液体流路２２、第２液体流路２４、および第３液体流路２６を循環系と称する。循環系は、燃料電池１２を通して循環液を循環させるための系である。循環系の中で、回収部１８、第１液体流路２２、第２液体流路２４、および第３液体流路２６を、燃料循環システムと称する。その燃料循環システムの構成要素が、本実施形態においては、不純物である有機物の循環液への溶出量がコントロールされるべき対象となっている。燃料循環システムで循環液に溶出した、不純物である有機物は、基本的には外部に放出されずに、システムの内部を循環し続ける。
【００３０】
図２に燃料電池１２を構成するセル（単セル）の構造を示す。セル７０は、アノード３０、カソード３２、およびアノード３０とカソード３２との間に介在する電解質膜３４を含む膜電極接合体（ＭＥＡ）３６を有する。ＭＥＡ３６の一方の側面には、アノード３０を封止するようにガスケット３８が配置され、他方の側面には、カソード３２を封止するようにガスケット４０が配置されている。
【００３１】
ＭＥＡ３６は、アノード側セパレータ４２およびカソード側セパレータ４４に挟持されている。アノード側セパレータ４２は、アノード３０に接し、カソード側セパレータ４４は、カソード３２に接している。アノード側セパレータ４２は、アノード３０に燃料を供給する燃料流路４６を有する。燃料流路４６は、燃料が流入するアノード入口と、反応で生成したＣＯ2や未使用の燃料などを排出するアノード排出口を有する。
【００３２】
カソード側セパレータ４４は、カソード３２に酸化剤を供給する酸化剤流路４８を有する。酸化剤流路４８は、酸化剤が流入するカソード入口と、反応で生成した水や未使用の酸化剤などを排出するカソード排出口を有する。アノード側セパレータ４２およびカソード側セパレータ４４の上には、それぞれ、集電板５０および５２が配置され、その上にさらに端板５４および５６が配置される。端板５４および５６を互いに締結することで、それらの間にセル７０が保持される。端板５４および５６の外側には、温度調整用のヒーターを積層してもよい。
【００３３】
燃料電池１２には、複数のセル７０を含ませることができる。複数のセル７０を例えば直列に接続して積層することで、燃料電池スタックが構成される。この場合、通常はアノード側セパレータ４２とカソード側セパレータ４４は一体のものとして形成される。すなわち、一枚のセパレータの一方の面がアノード側セパレータとなり、その面に燃料流路４６が形成される。一枚のセパレータの他方の面がカソード側セパレータとなり、その面に酸化剤流路４８が形成される。各セルのアノード入口は、マニホールドを用いる等して通常１つに集約される。アノード排出口、カソード入口およびカソード排出口も同様に、それぞれ集約される。
【００３４】
次に、セルの構成要素について、図２を参照しながらさらに説明する。ただし、セルの構成要素は、下記に限定されるものではない。
【００３５】
カソード３２は、電解質膜３４に接するカソード触媒層６２およびカソード側セパレータ４４に接するカソード拡散層６４を含む。カソード拡散層６４は、例えば、カソード触媒層６２に接する導電性撥水層（図示せず）と、カソード側セパレータ４４に接する基材層（図示せず）とを含む。
【００３６】
カソード触媒層６２は、カソード触媒と高分子電解質を含む。カソード触媒としては、触媒活性の高いＰｔなどの貴金属が好ましい。カソード触媒は、そのまま用いてもよいし、担体に担持した形態で用いてもよい。担体としては、電子伝導性および耐酸性の高さから、カーボンブラックなどの炭素材料を用いることが好ましい。高分子電解質としては、プロトン伝導性を有するパーフルオロスルホン酸系高分子材料、炭化水素系高分子材料などを用いることが好ましい。パーフルオロスルホン酸系高分子材料としては、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）などを用いることができる。
【００３７】
アノード３０は、電解質膜３４に接するアノード触媒層５８およびアノード側セパレータ４２に接するアノード拡散層６０を含む。アノード拡散層６０は、例えば、アノード触媒層５８に接する導電性撥水層（図示せず）と、アノード側セパレータ４２に接する基材層（図示せず）とを含む。
【００３８】
アノード触媒層５８は、アノード触媒と高分子電解質を含む。アノード触媒としては、一酸化炭素による触媒の被毒を低減する観点から、ＰｔとＲｕとの合金触媒が好ましい。アノード触媒は、そのまま用いてもよいし、担体に担持した形態で用いてもよい。担体としては、カソード触媒を担持する担体と同様の炭素材料を用いることができる。アノード触媒層５８に含まれる高分子電解質としては、カソード触媒層６２に用いられる材料と同様の材料を用いることができる。
【００３９】
アノード拡散層６０およびカソード拡散層６４に含まれる導電性撥水層は、導電剤と撥水剤を含む。導電性撥水層に含まれる導電剤としては、カーボンブラックなど、燃料電池の分野で常用される材料を特に限定することなく用いることができる。導電性撥水層に含まれる撥水剤は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）など、燃料電池の分野で常用される材料を特に限定することなく用いることができる。
【００４０】
基材層としては、導電性の多孔質材料が用いられる。導電性の多孔質材料としては、カーボンペーパーなど、燃料電池の分野で常用される材料を特に限定することなく用いることができる。これらの多孔質材料は、燃料の拡散性および生成水の排出性などを向上させるために、撥水剤を含んでいてもよい。撥水剤は、導電性撥水層に含まれる撥水剤と同様の材料を用いることができる。
【００４１】
電解質膜３４としては、例えば、従来から用いられているプロトン伝導性高分子膜を特に限定なく使用できる。具体的には、パーフルオロスルホン酸系高分子膜、炭化水素系高分子膜などを好ましく使用できる。パーフルオロスルホン酸系高分子膜としては、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）などが挙げられる。
【００４２】
以下、本発明の好ましい形態についての実施例を説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
【００４３】
（実施例１）
第１液体流路、第２液体流路、および第３液体流路として、外径７ｍｍ、内径３ｍｍ、総長１３０ｍｍ、総重量５０ｇ（Ｍａ１とする）のシリコーンゴム製のチューブ（Ａ１社製）を使用した。回収部として、重量２５０ｇ（Ｍｂ１とする）のＰＥ製のタンク（Ｂ１社製）を使用した。シリコーンゴムチューブを切断して、５ｃｍ程度の長さの複数の試験物（以下、チューブ試験物という）を得た。同様に、ＰＥタンクを切断して、３×５ｃｍ程度のサイズの複数の試験物（以下、タンク試験物という）を得た。チューブ試験物およびタンク試験物の総重量が質量Ｍ１と対応する。
【００４４】
試験用循環液（循環液同等物）として、水素イオン指数（ｐＨ）が３である、メタノールおよび蟻酸の水溶液を使用した。試験用循環液のメタノール濃度は２％とし、蟻酸濃度は３００ｐｐｍとした。チューブ試験物の総重量の３０倍の重量の試験用循環液をガラス製のビーカー（Ｃ１１）に入れ、７０℃まで加熱し、そのビーカーを保温室に入れて、試験用循環液の温度を７０℃に維持した。そして、上記のチューブ試験物をビーカーの中に入れ、全てのチューブ試験物を試験用循環液に浸漬し、その状態で５０時間放置した。
【００４５】
タンク試験物の総重量の３０倍の重量の上記試験用循環液をガラス製のビーカー（Ｃ１２）に入れ、７０℃まで加熱し、そのビーカーを保温室に入れて、試験用循環液の温度を７０℃に維持した。そして、タンク試験物をビーカーの中に入れ、全てのタンク試験物を試験用循環液に浸漬し、その状態で５０時間放置した。ビーカー（Ｃ１１）に入れた試験用循環液、およびビーカー（Ｃ１２）に入れた試験用循環液の総重量が質量Ｍ３と対応する。
【００４６】
５０時間後、それぞれの試験物をそれぞれのビーカーから取り出し、それぞれのビーカーに残った試験用循環液について、ＧＣ／ＭＳ（ガスクロマトグラフ・質量分析）により、試験物から溶出した、不純物である有機物（溶出不純物）の試験物に対する質量比αを検出した。より具体的には、ヘキサデカンの検量線を用いて、ＴＩＣ（トータルイオンクロマトグラム）より得られた不純物のピーク面積の総和と同面積値のヘキサデカン量に換算して、溶出不純物の質量比αを検出した。検出された溶出不純物の質量比α（溶出量）は、ビーカー（Ｃ１１）については１．６ｐｐｍ（Ｍａ２とする）であった。ビーカー（Ｃ１２）については１．８ｐｐｍ（Ｍｂ２とする）であった。それらの加重平均（溶出量加重平均＝（Ｍａ２×Ｍａ１＋Ｍｂ２×Ｍｂ１）／（Ｍａ１＋Ｍｂ１））は、約１．６ｐｐｍであった。溶出量加重平均が、比率（α）：Ｍ２／Ｍ１と対応する。
【００４７】
チューブ試験物を得たチューブと同じチューブにより第１液体流路、第２液体流路、および第３液体流路を形成し、タンク試験物を得たタンクと同じタンクを使用して回収部を形成して、燃料電池システムを構成した。燃料電池システムの出力端子は、電子負荷装置に接続し、その出力を測定した。送液ポンプとして、不純物の溶出を無視し得るように対策した液体ポンプを使用した。燃料電池には、定格出力が１００Ｗである、不純物の溶出を無視し得るように対策した試作品を使用した。燃料タンクには、不純物溶出の懸念のないガラス（石英ガラス等）容器を使用した。そのガラス容器と送液ポンプとを接続する燃料導入路にも同様のガラス管を使用した。
【００４８】
回収部からの第２液体流路内の循環液が、上記の試験用循環液とほぼ同じ組成となる条件で、燃料電池システムを運転し、運転開始から１時間後の出力Ｐ１と、１０００時間後の出力Ｐ２とを測定し、出力低下率：｛（Ｐ１−Ｐ２）／Ｐ１｝×１００（％）、を求めた。
【００４９】
（実施例２）
チューブ試験物をフッ素ゴム製のチューブ（Ａ２社製）から得たこと以外は、実施例１と同様にして、溶出不純物の質量比α（各ビーカーにおける溶出量、溶出量加重平均）を検出するとともに、燃料電池システムの出力低下率を求めた。
【００５０】
（実施例３）
チューブ試験物をＰＦＡ製のチューブ（Ａ３社製）から得たこと以外は、実施例１と同様にして、溶出不純物の質量比αを検出するとともに、燃料電池システムの出力低下率を求めた。
【００５１】
（実施例４）
タンク試験物をＰＰ製のタンク（Ｂ２社製）から得たこと以外は、実施例１と同様にして、溶出不純物の質量比αを検出するとともに、燃料電池システムの出力低下率を求めた。
【００５２】
（実施例５）
タンク試験物を変性ＰＰＥ製のタンク（Ｂ３社製）から得たこと以外は、実施例１と同様にして、溶出不純物の質量比αを検出するとともに、燃料電池システムの出力低下率を求めた。
【００５３】
（実施例６）
タンク試験物をＰＰＳ製のタンク（Ｂ４社製）から得たこと以外は、実施例１と同様にして、溶出不純物の質量比αを検出するとともに、燃料電池システムの出力低下率を求めた。
【００５４】
（比較例１）
チューブ試験物をＥＰＤＭ（エチレン−プロピレン−ジエンゴム）製のチューブ（Ａ４社製）から得たこと以外は、実施例１と同様にして、溶出不純物の質量比αを検出するとともに、燃料電池システムの出力低下率を求めた。
【００５５】
（比較例２）
チューブ試験物をＰＥ製のチューブ（Ａ５社製）から得たこと以外は、実施例１と同様にして、溶出不純物の質量比αを検出するとともに、燃料電池システムの出力低下率を求めた。
【００５６】
（比較例３）
チューブ試験物をクロロプレンゴム製のチューブ（Ａ６社製）から得たこと以外は、実施例１と同様にして、溶出不純物の質量比αを検出するとともに、燃料電池システムの出力低下率を求めた。
【００５７】
（比較例４）
タンク試験物をＰＯＭ（ポリオキシメチレン）製のタンク（Ｂ５社製）から得たこと以外は、実施例１と同様にして、溶出不純物の質量比αを検出するとともに、燃料電池システムの出力低下率を求めた。
【００５８】
（比較例５）
タンク試験物をＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）製のタンク（Ｂ６社製）から得たこと以外は、実施例１と同様にして、溶出不純物の質量比αを検出するとともに、燃料電池システムの出力低下率を求めた。
【００５９】
以上の結果を表１および図３のグラフに示す。なお表中の「＜０．１」という記載は、溶出量が０．１ｐｐｍよりも小さいことを示す。
【００６０】
【表１】
2014141339.tif 000003
【００６１】
表１、およびそれをグラフ化した図３から、溶出不純物の質量比αが２０ｐｐｍを超えると、燃料電池システムの出力低下率が急激に増大することが理解される。したがって、溶出不純物の質量比αが２０ｐｐｍ以下である素材を使用して回収部および各液体流路を形成することで、燃料電池システムの経時的な出力低下を抑えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明によれば、ＤＭＦＣ等の直接酸化型燃料電池を含む燃料電池システムの経時的な出力低下を抑えることができる。特に、アウトドア用途等の民生用の発電装置では、常時運転されずに、使用間隔が長くなる形態での使用が多い。そのような場合にも、燃料循環系に残留した循環液に、回収部等から有機物が溶出し、これにより出力低下が起こるのを抑えることができる。したがって、様々な使用形態の燃料電池システムの長期的な性能低下を抑えることができる。【００６３】
本発明を現時点での好ましい実施態様に関して説明したが、そのような開示を限定的に解釈してはならない。種々の変形及び改変は、上記開示を読むことによって本発明に属する技術分野における当業者には間違いなく明らかになるであろう。したがって、添付の請求の範囲は、本発明の真の精神及び範囲から逸脱することなく、すべての変形及び改変を包含する、と解釈されるべきものである。
【符号の説明】
【００６４】
１０…燃料電池システム、１２…燃料電池、１４…空気ポンプ、１６…送液ポンプ、１８…回収部、２０…制御部、２２…第１液体流路、２４…第２液体流路、２６…第３液体流路、２８…燃料タンク、３０…アノード、３２…カソード、３４…電解質膜、３６…ＭＥＡ、３８、４０…ガスケット、４２…アノード側セパレータ、４４…カソード側セパレータ、４６…燃料流路、４８…酸化剤流路、５０…集電板、５４…端板、５８…カソード触媒層、６０…カソード拡散層、６２…アノード触媒層、６４…アノード拡散層、７０…セル
【図１】
2014141339.tif 000004
【図２】
2014141339.tif 000005
【図３】
2014141339.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成26年7月25日(2014.7.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を消費して発電する燃料電池と、
前記燃料電池に前記燃料を含む循環液を送る燃料送給部と、
前記燃料電池から排出された未消費の前記燃料を含む前記循環液を回収する回収部と、
前記燃料電池と前記回収部とを接続する第１液体流路と、
前記回収部と前記燃料送給部とを接続する第２液体流路と、
前記燃料送給部と前記燃料電池とを接続する第３液体流路、とを具備し、
前記回収部、前記第１液体流路、前記第２液体流路および前記第３液体流路の合計質量がＭ１であり、前記回収部、前記第１液体流路、前記第２液体流路および前記第３液体流路を、温度７０℃の前記循環液、またはその同等物に、５０時間、浸漬したとき、前記循環液または前記同等物に溶出する有機物の質量Ｍ２の前記質量Ｍ１に対する比率：Ｍ２／Ｍ１が、ヘキサデカン換算で２０ｐｐｍ以下である、燃料電池システム。
【請求項２】
前記循環液、またはその同等物の質量Ｍ３が前記質量Ｍ１の２０倍以上、かつ４０倍以下である、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記回収部、前記第１液体流路、前記第２液体流路および前記第３液体流路が樹脂成形品である、請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記同等物が、２質量％のメタノール、および質量比で３００ｐｐｍの蟻酸を含み、水素イオン指数が３の水溶液である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
燃料電池から排出された未消費の燃料を含む循環液を回収する回収部と、
前記燃料電池と前記回収部とを接続する第１液体流路と、
前記回収部と、前記燃料電池に前記循環液を送る燃料送給部とを接続する第２液体流路と、
前記燃料送給部と前記燃料電池とを接続する第３液体流路、とを具備し、
前記回収部、前記第１液体流路、前記第２液体流路および前記第３液体流路の合計質量がＭ１であり、前記回収部、前記第１液体流路、前記第２液体流路および前記第３液体流路を、温度７０℃の前記循環液、またはその同等物に、５０時間、浸漬したとき、前記循環液または前記同等物に溶出する有機物の質量Ｍ２の前記質量Ｍ１に対する比率：Ｍ２／Ｍ１が、ヘキサデカン換算で２０ｐｐｍ以下である、燃料電池システム用燃料循環システム。                                                    
【国際調査報告】
2014141339.tif 000007
2014141339.tif 000008
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