(57)【要約】【課題】触媒や金属イオンなどの不純物を除去して、燃料ガスおよび酸化剤ガスを洗浄する機能を備えた燃料電池システムを提供することを目的とする。【解決手段】燃料電池システムの燃料および酸化剤ガス経路内に、キレート剤や多孔質延伸フッ素フィルムなどを用いた不純物捕集器を設ける。【選択図】        図１
2004227844.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質型燃料電池と、前記燃料電池に供給される燃料に含まれる不純物を除去するためのキレート剤を含む第一の不純物捕集器および前記燃料電池に供給される酸化剤ガスに含まれる不純物を除去するためのキレート剤を含む第二の不純物捕集器の少なくとも一方とを具備することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記キレート剤が、エチレンジアミン四酢酸、ヒドロキシエチルエチレンジアミン三酢酸、ジエチレントリアミン五酢酸、トリエチレンテトラミン六酢酸、ニトリロ三酢酸、グルコン酸、ヒドロキシエチルイミノ二酢酸、ピロリジンおよびヒドロキシエタンジホスホン酸よりなる群から選択される少なくとも１種であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記不純物捕集器が多孔質延伸フッ素樹脂フィルムを含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第一の不純物捕集器および前記第二の不純物捕集器が、それぞれ前記燃料電池における燃料用入口部および酸化剤ガス用入口部の上流側に設置されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高分子電解質型燃料電池を含む燃料電池システムに関し、特に燃料電池に触媒や金属イオンなどが混入することを有効に防止し得る燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の高分子電解質型燃料電池を含む燃料電池システムは、図２に示すような構成をしている。図２は、従来の燃料電池システムの構成を示す図である。すなわち、従来の燃料電池システムは、原料ガスから水素リッチな燃料ガスを発生させる改質器１と、改質器１の下流に配管を介して接続された変成器２と、変成器２の下流に配管を介して接続された一酸化炭素除去器３と、一酸化炭素除去器３の下流に配管を介して接続された燃料電池４を備えている。
【０００３】
改質器１の内部には、改質反応を進行させるための改質触媒１ａが充填されている。また、変成器２の内部には、変成反応を進行させるための変成触媒２ａが充填されている。さらに、一酸化炭素除去器３内部には、一酸化炭素除去反応を進行させるための一酸化炭素除去触媒３ａが充填されている。そして、燃料電池スタック４の内部には、水素イオンを選択的に輸送するための高分子電解質膜４ｂ、および高分子電解質膜４ｂの表面に形成された燃料極４ａ、および空気極４ｃが設けられている。空気は、送気装置６により、必要に応じて加湿器７を介して燃料電池４に供給される。
【０００４】
つぎに、従来の高分子電解質型燃料電池スタックの一般的な構成を説明する。高分子電解質を用いた燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気などの酸素を含有する酸化剤ガスとを、電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させる。図３は、固体高分子電解質型燃料電池の単電池の一部の構造を説明するための概略断面図である。図３に示すように、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１１の両面に、白金系の金属触媒を炭素粉末に担持させて得られる触媒体と、水素イオン伝導性高分子電解質との混合物で触媒層１２が形成される。
【０００５】
現在、高分子電解質膜１１としては、化学式（１）：
【０００６】
【化１】
2004227844.tif 000003
【０００７】
で示されるパーフルオロカーボンスルホン酸からなる高分子電解質膜（例えば、米国Ｄｕ  Ｐｏｎｔ社製のＮａｆｉｏｎ膜など）が一般的に使用されている。そして、前記触媒層１２の外面には、通気性および電子伝導性を併せ持つ、例えば撥水処理を施したカーボンペーパーでガス拡散層１３が形成される。この触媒層１２とガス拡散層１３とを合わせて電極１４と呼ぶ。
【０００８】
次に、供給する燃料ガスおよび酸化剤ガスが外にリークしたり、２種類のガスが互いに混合しないように、電極の周囲には高分子電解質膜を挟んでガスシール材やガスケットが配置される。このシール材やガスケットは、電極および高分子電解質膜と一体化してあらかじめ組み立てられ、これらすべてを組み合わせたものをＭＥＡ（電解質膜電極接合体）１５と呼ぶ。
【０００９】
図４に示すように、ＭＥＡ１５の外側には、ＭＥＡ１５を機械的に固定するための導電性セパレータ板２１が配置される。図４は、固体高分子電解質型燃料電池の単電池の構造を説明するための概略断面図である。セパレータ板２１のＭＥＡ１５と接触する部分には、電極の面に反応ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るためのガス流路２２が形成される。ガス流路はセパレータ板と別に設けることもできるが、セパレータ板の表面に溝を設けてガス流路を形成する方式が一般的である。このように、一対のセパレータ板２１でＭＥＡ１５を固定し、片側のガス流路に燃料ガスを供給し、他方のガス流路に酸化剤ガスを供給することで、一つの単電池で０．８Ｖ程度の起電力を発生させることができる。
【００１０】
ＭＥＡを一対のセパレータ板で固定して得られるものを単電池２３と呼ぶ。しかし、通常、燃料電池を電源として使うときは、数ボルトから数百ボルトの電圧が必要とされるため、実際には、単電池２３を必要とする個数だけ直列に連結する。このとき、セパレータ２１の裏表の両面にガス流路２２を形成し、セパレータ／ＭＥＡ／セパレータ／ＭＥＡの繰り返しで、直列の連結構成にする。
【００１１】
ガス流路にガスを供給するためには、ガスを供給する配管を、使用するセパレータ板の枚数に対応する数に分岐し、その分岐先を直接セパレータ状の溝につなぎ込む配管用の治具が必要となる。この治具をマニホールドと呼び、特に上記のような燃料ガスを供給するための配管から直接つなぎ込むタイプのマニホールドを外部マニホールドを呼ぶ。また、このマニホールドには、構造をより簡単にした内部マニホールドと呼ぶ形式のものがある。内部マニホールドとは、ガス流路を形成したセパレータ板に、貫通した孔を設け、ガス流路の出入り口をこの孔まで通し、この孔から直接ガスをガス流路に供給するものである。
【００１２】
以上のような燃料電池の電極を構成するガス拡散層１０１および触媒層１０２について、図５を用いて説明する。ガス拡散層１０１は、主につぎの３つの機能を持つ。第一の機能は、ガス拡散層１０１のさらに外面に位置するガス流路から、触媒層１０２中の触媒１０３へ、均一に燃料ガスまたは酸化剤ガスなどの反応ガスを供給するために、反応ガスを拡散させる機能である。第二の機能は、触媒層１０２で反応により生成した水を速やかにガス流路に排出する機能である。第三の機能は、反応に必要な電子または生成される電子を伝導する機能である。すなわち、ガス拡散層には、高い反応ガス透過性、水蒸気透過性および電子伝導性が必要となる。
【００１３】
従来の一般的な技術として、ガス透過性をもたせるために、ガス拡散層１０１に発達したストラクチャー構造を有する炭素微粉末、造孔材、カーボンペーパーおよびカーボンクロスなどの導電性多孔質基材を用い、ガス拡散層１０１に多孔質構造を持たせることが行われている。また、水蒸気透過性を持たせるために、フッ素樹脂を代表とする撥水性高分子などをガス拡散層などの中に分散させることが行われている。さらに、電子伝導性を持たせるために、カーボン繊維１０５、金属繊維および炭素微粉末などの電子伝導性材料でガス拡散層を構成することが行われている。
【００１４】
つぎに、触媒層１０２は、主につぎの４つの機能を持つ。第一の機能は、ガス拡散層から供給された燃料ガスまたは酸化剤ガスなどの反応ガスを、触媒層の反応サイトに供給する機能である。第二の機能は、触媒１０３上の反応に必要な水素イオンまたは生成される水素イオンを速やかに電解質膜に伝達する機能である。さらに、第三の機能は、反応に必要な電子または生成される電子を伝導する機能である。第四の機能は、速やかに反応させるための高い触媒性能とその広い反応面積である。すなわち、触媒層には高い反応ガス透過性、水素イオン透過性、電子伝導性および触媒性能が必要となる。
【００１５】
従来の一般的な技術として、ガス透過能を持たせるために、発達したストラクチャー構造を有する炭素微粉末１０４や造孔材を用い、触媒層１０２に多孔質構造を持たせ、ガスチャネル１０７を構成することが行われている。また、水素イオン透過能を持たせるために、高分子電解質１０５を触媒層中の触媒近傍に分散させ、かつ水素イオンネットワーク１０８を形成させることが行われている。
【００１６】
また、電子伝導性を持たせるために、炭素微粉末や炭素繊維などの電子伝導性材料で触媒担体１０４を用い、電子チャネル１０６を構成することが行われている。さらに、触媒性能を向上させるために、白金に代表される反応活性の高い金属触媒１０３を、粒径が数ｎｍの非常に微細な粒子として炭素微粉末上に担持させ、得られた触媒体を触媒層中に高分散させることが行われている。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような燃料電池の電極における発電反応が長期にわたりスムーズに安定して行われるためには、燃料ガスや空気中の不純物を除去する必要がある。そこで、従来の高分子電解質型燃料電池システムでは、空気吸入口付近にＨＥＰＡフィルターを用い、加湿器や改質器などにつながる冷却水系統にイオン交換樹脂を用いるなどして、空気系や燃料系の不純物を除去する工夫が行われている。例えば、特許文献１には、空気中の不純物を低減するためのフィルターが開示されており、特許文献２には、改質器において、触媒粉末などの不純物を除去するための数ミクロンの金属メッシュを用いたフィルターが開示されている。
【００１８】
ここで、改質器からは、触媒であるＮｉおよびＲｕなどと、これらの担体であるＡｌ２Ｏ３、ＺｎＯ２、ＴｉＯ２およびＭｇＯなどが脱落し、変成器からは、遷移金属系触媒であるＣｕ−ＺｎおよびＦｅ−Ｃｒなど、貴金属系触媒であるＰｔ、Ｐｄ、ＲｈおよびＲｕなど、これらの担体であるＡｌ２Ｏ３、ＺｎＯ２、ＴｉＯ２およびＭｇＯなどが脱落する。また、一酸化炭素除去器からは、貴金属触媒であるＰｔおよびＲｕなど、その担体であるＡｌ２Ｏ３、ＺｎＯ２、ＴｉＯ２およびＭｇＯなどが脱落する。さらに、特許文献３には、燃料電池の生成水を改質ガスに用いるシステムにおける不純物の除去方法に関して、イオン交換ユニットと粒子フィルターを用いる例が開示されている。
【００１９】
しかし、水蒸気を含む燃料ガスの一部はミスト状であり、ミスト中に溶解した各種容器や配管を構成する材料からの金属イオン、上記触媒粉末から溶解した金属イオン、および非常に微少な触媒粉末などは、上記特許文献２記載のような従来例の金属メッシュを用いる方法では、除去することができない。すなわち、ミスト状の不純物を除去することができない。また、上記特許文献３記載のようにイオン交換ユニットを用いてもミスト状の不純物を除去することは困難であった。
【００２０】
また、燃料ガスは水素リッチな還元性ガスであるため、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）などの非常に腐食性の小さい金属を容器や配管に用いた場合でも、ステンレス鋼の表面にある耐食性の酸化被膜が還元され、Ｆｅ、ＮｉおよびＣｒなどの金属イオンが溶出し易くなっている。しかし、上記の従来の方法では、触媒粉末の場合と同様に、ミスト中に含まれる金属イオンを除去することは困難であった。さらに、空気に含まれる不純物は、通常ＨＥＰＡフィルターや活性炭フィルターを用いて除去されるが、上記燃料ガスと同様に、加湿器の後段のガス中に含まれる容器および配管などからの金属イオンを除去することは困難であった。
【００２１】
【特許文献１】
特開２００２−２１６８２８号公報
【特許文献２】
特開平１１−５４１３９号公報
【特許文献３】
特開２００２−７５４２８号公報
【００２２】
上記金属イオンが、燃料電池の発電部の電極１０９および１１０ならびに高分子電解質膜１１１に供給された場合、まず、触媒の表面にコーティングされた高分子電解質１０５のイオン交換基において、水素イオンが金属イオンで置換され、水素イオンの伝導パスが阻害され、水素イオンネットワーク１０８の水素イオン導電性が低下する。また、金属イオンに置換されたイオン交換基の水和量が低減するため、高分子電解質１０５の含水率が低下する。
【００２３】
その結果、さらに近傍のイオン交換基の含水率が低下し、水素イオンの伝導ネットワーク１０８が減少し水素イオン導電率が低下する。そして、電極のイオン抵抗が増大し、電極電圧が低下する。金属イオンの供給量が増大すると、この現象は、高分子電解質膜１１１においても生じ、電池の系全体の水素イオン伝導率が低下、すなわち電池の内部抵抗が増加し、電池電圧が低下する。この現象は、燃料極１０９においても空気極１１０においても生じる。
【００２４】
また、上記触媒粉末などの微粒子が電極１０９および１１０に供給された場合、ガス拡散層１０１や触媒層１０２のガスチャネル１０７の空隙が詰まり、燃料ガスの供給が阻害されることがある。その結果、燃料ガスの濃度分極が増大し、電池電圧が低下する。また、Ａｌ２Ｏ３、ＺｎＯ２、ＴｉＯ２およびＭｇＯなどの触媒担体は親水性であるため、触媒粉末の付着したガスチャネル１０７は親水性となり、加湿水が詰まり易く、水による目詰まり、すなわちフラッディング現象が起こり易くなる。
【００２５】
さらに、燃料電池システムを停止して水素ガスが除去された場合に、燃料極の電位が上昇する。このとき触媒金属の溶出が起こり、上記金属イオンの場合に生じたような高分子電解質の汚染が生ずる。さらに、上記金属イオンや、触媒粉末から溶出した金属が電極中の触媒の表面に析出し、触媒の活性面積を低下する問題も生ずる。
そこで、本発明は、上述のような問題点を考慮し、触媒・金属イオンなどの不純物を除去して、燃料ガスおよび空気を洗浄する機能を備えた高分子電解質型燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、高分子電解質型燃料電池と、前記燃料電池に供給される燃料に含まれる不純物を除去するためのキレート剤を含む第一の不純物捕集器および前記燃料電池に供給される酸化剤ガスに含まれる不純物を除去するためのキレート剤を含む第二の不純物捕集器の少なくとも一方とを具備することを特徴とする燃料電池システムに関する。
【００２７】
また、前記キレート剤が、エチレンジアミン四酢酸、ヒドロキシエチルエチレンジアミン三酢酸、ジエチレントリアミン五酢酸、トリエチレンテトラミン六酢酸、ニトリロ三酢酸、グルコン酸、ヒドロキシエチルイミノ二酢酸、ピロリジンおよびヒドロキシエタンジホスホン酸よりなる群から選択される少なくとも１種であるのが好ましい。
【００２８】
また、前記不純物捕集器が多孔質延伸フッ素樹脂フィルムを含むのが好ましい。
また、前記第一の不純物捕集器および前記第二の不純物捕集器が、それぞれ前記燃料電池における燃料用入口部および酸化剤ガス用入口部の上流側に設置されているのが好ましい。
【００２９】
このような構成を有する本発明によれば、触媒・金属イオンなどの不純物を除去して、燃料ガスおよび空気を洗浄する機能を備え、長期にわたり、高いガス拡散能と水素イオン導電性を維持した、より高い性能を発揮する高分子電解質型燃料電池システムを提供することが可能となる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
本発明は、高分子電解質型燃料電池と、前記燃料電池に供給される燃料に含まれる不純物を除去するための第一の不純物捕集器および前記燃料電池に供給される酸化剤ガスに含まれる不純物を除去するための第二の不純物捕集器の少なくとも一方とを具備することを特徴とする燃料電池システムに関する。
本発明に係る燃料電池システムの実施の形態を、図面を参照しながら以下に説明する。図１は、本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
【００３１】
本実施の形態に係る燃料電池システムは、原料ガスから水素リッチな燃料ガスを発生させる改質器１と、改質器１の下流に配管を介して接続された変成器２と、変成器２の下流に配管を介して接続された一酸化炭素除去器３と、一酸化炭素除去器３の下流に配管を介して接続された第一の不純物捕集器５ａと、第一の不純物捕集器５ａの下流に配管を介して接続された燃料電池４を備えている。
改質器１の内部には、改質反応を進行させるための改質触媒１ａが充填されている。変成器２の内部には、変成反応を進行させるための改質触媒２ａが充填されている。一酸化炭素除去器３の内部には一酸化炭素除去反応を進行させるための一酸化炭素除去触媒３ａが充填されている。
【００３２】
燃料電池４の内部には、水素イオンを選択的に輸送するための高分子電解質膜４ｂ、高分子電解質膜４ｂの表面に形成された燃料極４ａおよび空気極４ｃが設けられている。
また、空気は送気装置６により、必要に応じて加湿器７と、加湿器７を介して接続された第二の不純物捕集器５ｂと、第二の不純物捕集器５ｂの下流に配管を介して接続された燃料電池４とに供給される。
【００３３】
図６を用いて、第一の不純物捕集器５ａおよび第二の不純物捕集部５ｂの構造について詳細を説明する。第一の不純物捕集器５ａおよび第二の不純物捕集部５ｂは基本的に同じ構造を有する。図６は、不純物捕集器の構造を説明するための概略部分断面図である。
不純物を含む燃料ガスまたは空気は、導入管５３を介して、液状の不純物捕集剤５１に導入（通気（バブリング））され、不純物は、不純物捕集剤５１に捕集される。不純物捕集剤５１内においてもミストが発生し、ミスト中に不純物が混入する可能性がある。そのため、好ましくはさらなる不純物捕集部として気液分離フィルター５２を設置し、ミスト状の不純物を不純物捕集器内に残し、燃料ガスまたは空気および水蒸気のみを接続管５６を経て排出させてもよい。
【００３４】
不純物捕集剤５１に用いる不純物捕集剤としては、例えば、エチレンジアミン四酢酸、ヒドロキシエチルエチレンジアミン三酢酸、ジエチレントリアミン五酢酸、トリエチレンテトラミン六酢酸、ニトリロ三酢酸、グルコン酸、ヒドロキシエチルイミノ二酢酸、およびピロリジンよりなる群から選択される少なくとも１種のキレート剤を用いることができる。
キレート剤は、水中で金属イオンと１：１で結びつき、化学的には配位結合によって錯イオンを形成して金属封鎖すると説明されている。キレート剤は、イメージ的にカニのハサミのような形の分子構造を有しており、そのハサミの部分が金属イオンを包み込むようにして封鎖する。すなわち、このキレート剤の作用により、燃料ガスまたは空気中の金属イオンを除去することができる。
【００３５】
上記キレート剤の具体的な代表例としては、以下のものが挙げられる。
エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）としては、例えばナガセケムテックス社製のクレワットＮ２、クワレットＳ２、クワレットＡＭおよびクワレットＢＭ、ならびにライオン社製のディゾルビンＥ−３９などが挙げられ、ヒドロキシエチルエチレンジアミン三酢酸（ＨＥＤＴＡ）としては、例えばナガセケムテックス社製のクワレットＯＨ３５などが挙げられる。
また、ジエチレントリアミン五酢酸（ＤＴＰＡ）としては、例えばナガセケムテックス社製のクレワットＤＰ８０、ならびにライオン社製のディゾルビンＤ−５０などが挙げられ、トリエチレンテトラミン六酢酸（ＴＴＨＡ）としては、例えばナガセケムテックス社製のクレワットＴＨなどが挙げられる。
【００３６】
ニトリロ三酢酸（ＮＴＡ）としては、例えばライオン社製のディゾルビンＡ−４０などが挙げられ、グルコン酸としては、例えばナガセケムテックス社製のクレワットＧＬなどが挙げられる。また、ヒドロキシエチルイミノ二酢酸（ＨＩＭＤＡ）としては、例えばナガセケムテックス社製のアクロマーＳＨ２５０などが挙げられ、ピロリジンとしては、例えばオリエンタル技研工業社製のオリトールＳ−３０００などが挙げられる。さらに、ヒドロキシエタンジホスホン酸としては、例えばライオン社製のフェリオックス１１５などが挙げられる。
【００３７】
上述のようなキレート剤は水溶液の状態で用いるのが好ましく、その濃度は１０〜３０重量％であればよい。
また、不純物捕集器５を構成する容器に注入するキレート剤の容量、キレート剤の燃料ガスまたは酸化剤ガスの流量に対する量などは、本発明の効果を損なわない範囲で、当業者が適宜選択すればよい。
【００３８】
上述のように、触媒粉末および担体粉末のほとんどは、キレート剤を混入した液体状の不純物捕集剤５１中に捕集することができる。しかし、ごく一部の触媒粉末や触媒担体の粉末などの微粒子は、不純物捕集剤５１中のミストに混入する。そこで、上記微粒子を捕集するために、さらなる不純物捕集部として多孔質延伸フッ素フィルムなどの気液分離フィルター５２を設置するのが好ましい。
前記多孔質延伸フッ素フィルムの具体的な代表例としては、例えばゴアテックスジャパン製のＧＯＲＥ−ＴＥＸ（Ｒ）メンブレンなどが挙げられる。この気液分離フィルターにより、燃料ガスまたは空気と水蒸気のみを透過させることができ、燃料電池の電極に触媒粉末や触媒担体の粉末が供給されることを防ぐことが可能となる。
【００３９】
上述のような不純物捕集器５の効果により、金属イオンが燃料電池の発電部の電極および高分子電解質膜に供給されることを防ぐことができる。そして、触媒の表面にコーティングされた高分子電解質のイオン交換基において、水素イオンと前記金属イオンが置換されることなく、水素イオンの伝導パスを長期にわたって保持し、水素イオンネットワークによる水素イオン導電性を維持することができる。したがって、金属イオンの置換による高分子電解質の含水率の低下も防止することができ、これによっても水素イオンネットワークによる水素イオン導電性の低下を防ぐことができる。その結果、電池の内部抵抗を長期にわたって低く維持することができ、電池の耐久性を向上させることができる。
【００４０】
また、触媒粉末から溶出した金属が電極中の触媒表面に析出することを防止することも可能となり、金属析出による触媒の活性面積の低減を防ぐことも可能となる。したがって、電極の反応面積が長期にわたって維持され、上記の効果の場合と同様に電池の耐久性が向上する。さらに、触媒粉末などの微粒子による電極中の、ガス拡散層や触媒層のガスチャネルの空隙の目詰まりを防止することもできる。その結果、長期にわたって燃料ガスの濃度分極増大による電池電圧が低下しない長寿命の燃料電池を実現することができる。
【００４１】
なお、本発明に係る燃料電池システムにおいては、不純物を長時間捕集し蓄積した不純物捕集器５は、定期的なメンテナンス時に、不純物捕集器５ごと交換することが可能である。また、不純物捕集剤５１を、排出弁５５を解放することにより排出口５４から排出し、新たな不純物捕集剤５１を供給口５７より注入することによっても、交換を行うことが可能である。交換は定期的に行うか否かは不純物捕集剤の導電率などを測定するセンサー５８などによって交換時期を検知して判断することができ、このセンサー５８は、交換時期を知らせる手段となる。
【００４２】
また、その検知結果に基づいて、自動的に排出弁５５を解放し、使用済みの不純物捕集剤を排出するとともに、供給口５７に接続されたリザーバータンク（図示せず）より、自動的に供給弁５８を解放することによって、新たな不純物捕集剤を不純物捕集器５に供給することができる。なお、気液分離フィルター５２も必要に応じて交換することができる。
以下に、実施例を用いて本発明に係る燃料電池システムについてより具体的に説明するが、本発明はそれらのみに限定されるものではない。
【００４３】
【実施例】
《実施例１》
炭素粉末であるアセチレンブラック（電気化学工業（株）製のデンカブラック、粒径３５ｎｍ）を、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の水性ディスパージョン（ダイキン工業（株）製のＤ１）と混合し、乾燥重量としてＰＴＦＥを２０重量％含む撥水インクを調製した。このインクを、ガス拡散層の基材となるカーボンペーパー（東レ（株）製のＴＧＰＨ０６０Ｈ）の上に塗布して含浸させ、熱風乾燥機を用いて３００℃で熱処理し、ガス拡散層（約２００μｍ）を形成した。
【００４４】
一方、炭素粉末であるケッチェンブラック（ケッチェンブラックインターナショナル（株）製のＫｅｔｊｅｎ  Ｂｌａｃｋ  ＥＣ、粒径３０ｎｍ）上にＰｔ触媒を担持させて得られた触媒体（５０重量％がＰｔ）６６重量部を、水素イオン伝導材かつ結着剤であるパーフルオロカーボンスルホン酸アイオノマー（米国Ａｌｄｒｉｃｈ社製の５重量％Ｎａｆｉｏｎ分散液）３３重量部（高分子乾燥重量）と混合し、得られた混合物を成形して触媒層（１０〜２０μｍ）を形成した。
【００４５】
上述のようにして得たガス拡散層と触媒層とを、高分子電解質膜（米国Ｄｕ  Ｐｏｎｔ社のＮａｆｉｏｎ１１２膜）の両面に接合し、図５に示す構造を有する膜電極接合体（ＭＥＡ）を作製した。
つぎに、以上のように作製したＭＥＡの高分子電解質膜の外周部にゴム製のガスケット板を接合し、冷却水、燃料ガスおよび酸化剤ガス流通用のマニホールド穴を形成した。
【００４６】
一方、２０ｃｍ×３２ｃｍ×１．３ｍｍの外寸を有し、かつ深さ０．５ｍｍのガス流路および冷却水流路を有する、フェノール樹脂を含浸させた黒鉛板からなる導電性のセパレータ板を準備した。このセパレータ板を２枚用い、ＭＥＡの一方の面に酸化剤ガス流路が成形されたセパレータ板を重ね合わせ、他方の面に燃料ガス流路が成形されたセパレータ板を重ね合わせ、単電池を得た。
【００４７】
この単電池を２個積層し、冷却水路溝を成形したセパレータ板２枚で、冷却水路溝がＭＥＡ側に位置するようにして挟み込み、２セル積層電池を得た。このパターンを繰り返し、１００セル積層電池（スタック）を作製した。このとき、スタックの両端部には、ステンレス鋼製の集電板、電気絶縁材料の絶縁板および端板を配置し、全体を締結ロッドで固定した。このときの締結圧はセパレータの面積当たり１５ｋｇｆ／ｃｍ２とした。このようにして燃料電池を得た。
【００４８】
以上の方法で作製した燃料電池を、図１に示した燃料電池システムに組み込み、燃料ガス用の第一の不純物捕集器５ａおよび空気用の第二の不純物捕集器５ｂそれぞれに、２００ｍｌのヒドロキシエチルイミノ二酢酸（ＨＩＭＤＡ）水溶液であるナガセケムテックス社製のアクロマーＳＨ２５０の２４重量％溶液を注入した。また、気液分離フィルター５２（図６参照）には、ゴアテックスジャパン製のＧＯＲＥ−ＴＥＸ（Ｒ）メンブレンを用いた。このようにして、本発明の実施例１に係る燃料電池システム１を作製した。
【００４９】
《実施例２》
燃料ガス用の第一の不純物捕集器５ａおよび空気用の第二の不純物捕集器５ｂそれぞれに、２００ｍｌの蒸留水を注入し、気液分離フィルター５２としては、ゴアテックスジャパン製のＧＯＲＥ−ＴＥＸ（Ｒ）メンブレンを用いた他は、実施例１と全く同様の構成を有する燃料電池システム２を作製した。
【００５０】
《比較例》
燃料ガス用の第一の不純物捕集器５ａおよび空気用の第二の不純物捕集器５ｂを設置しなかった他は、実施例１と全く同様の構成を有する比較燃料電池システムを作製した。
【００５１】
［評価試験］
以上のようにして得た燃料電池システム１および２ならびに比較燃料電池システムに、原料ガスとしての１３Ａガスおよび酸化剤ガスとしての空気を、それぞれの電極に供給し、電池温度を７０℃、燃料ガス利用率（Ｕｆ）７０％、および空気利用率（Ｕｏ）４０％の条件で、放電試験を行った。なお、燃料ガスおよび空気は、それぞれ６５℃および７０℃の露点を有するように加湿した。
【００５２】
図７に、燃料電池システム１中の燃料電池Ａ、燃料電池システム２中の燃料電池Ｂ、および比較燃料電池システム中の燃料電池Ｘの寿命特性を示した。図７は、燃料電池の作動時間と単電池（セル）１個当たりの電圧との関係を示すグラフである。
電流密度３００ｍＡ／ｃｍ２において、燃料電池Ａ、ＢおよびＸに含まれる単電池の平均初期電圧は、それぞれ７６９ｍＶ、７６２ｍＶおよび７５１ｍＶであった。２７００時間後の平均電圧は、それぞれ７４５ｍＶ、７２１ｍＶおよび５２８ｍＶであった。比較用の燃料電池Ｘの単電池の平均電圧が２２３ｍＶ低下したのと比較して、実施例である燃料電池ＡおよびＢの単電池の平均電圧は、それぞれ２４ｍＶおよび４１ｍＶの低下にとどまった。
【００５３】
燃料電池ＡおよびＢは、比較燃料電池Ｘと比べて、電極への不純物混入が抑えられているために、初期性能が維持されたと考えられる。ただし、燃料電池Ｂの場合は、気液分離フィルターのみの効果であるため、触媒粉末などはフィルターで除去可能であるが、金属イオンが非常に微少なミストとともに、多孔質延伸フッ素フィルムを透過した影響が生じたと考えられる。したがって、好ましくはキレート剤と多孔質延伸フッ素フィルムとを同時に用いた方が好ましい。
【００５４】
上記不純物捕集剤の他に、ヒドロキシエチルエチレンジアミン三酢酸（ＨＥＤＴＡ）として、ナガセケムテックス社製のクワレットＯＨ３５の５〜１００％溶液、ジエチレントリアミン五酢酸（ＤＴＰＡ）として、ナガセケムテックス社製のクレワットＤＰ８０の５〜１００％溶液、およびライオン社製のディゾルビンＤ−５０の５〜１００％溶液、トリエチレンテトラミン六酢酸（ＴＴＨＡ）として、ナガセケムテックス社製のクレワットＴＨの５〜４０％溶液、グルコン酸として、ナガセケムテックス社製のクレワットＧＬの５〜２０％溶液、エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）として、ナガセケムテックス社製のクレワットＮ２の５〜２０％溶液、クワレットＳ２の５〜２０％溶液、クワレットＡＭの５〜２０％溶液およびクワレットＢＭの５〜５０％溶液、ならびにライオン社製のディゾルビンＥ−３９の５〜３９％溶液、ニトリロ酢酸（ＮＴＡ）として、ライオン社製のディゾルビンＡ−４０の５〜３７％溶液、ピロリジン系として、オリエンタル技研工業社製のオリトールＳ−３０００の５〜２０％溶液、ヒドロキシエタンジホスホン酸として、ライオン社製のフェリオックス１１５の５〜６０％溶液などを用いた場合も、実施例１と同様の効果が得られた。
【００５５】
なお、キレート剤水溶液の濃度の上限、下限は、改質器、変成器等からの触媒粉末の排出量と配管部材の金属比表面積量、配管材料等の選択状況により、キレート部材の適切な交換時期が異なることに影響し、本発明の不純物除去の効果に影響するものではない。
【００５６】
【発明の効果】
以上のような構成を有する本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池内の触媒層および拡散層への触媒・ごみ・ほこりなどの拡散を防止することができ、通気性に障害をもたらさないため、長期にわたり性能劣化が少なく信頼性が高い燃料電池システムを実現することができる。
また、燃料電池の電極表面の高分子電解質および高分子電解質膜へに金属イオンの拡散が防止することができ、水素イオン伝導性能に障害をもたらさないため、長期にわたり性能劣化が少なく信頼性が高い燃料電池システムを提供することができる。
さらに、金属イオン種の触媒表面への析出・吸着が防止され、長期にわたり性能劣化が少なく信頼性が高い燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】従来の燃料電池システムの構成を示す図である。
【図３】固体高分子電解質型燃料電池の単電池の一部の構造を説明するための概略断面図である。
【図４】固体高分子電解質型燃料電池の単電池の構造を説明するための概略断面図である。
【図５】単電池の構成を詳細に示す概略断面図である。
【図６】本発明における不純物捕集器の構造を説明するための概略部分断面図である。
【図７】本発明の実施例および比較例において、燃料電池の作動時間と単電池（セル）１個当たりの電圧との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１    改質器
１ａ  改質触媒
２    変成器
２ａ  変成触媒
３    一酸化炭素除去器
３ａ  一酸化炭素除去触媒
４    燃料電池スタック
４ａ  燃料極
４ｂ  高分子電解質膜
４ｃ  空気極
５    不純物捕集器
５ａ  不純物捕集器
５ｃ  不純物捕集器
６    送気装置
７    加湿器
【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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