(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスから水素を含む燃料ガスを生成する燃料ガス生成器と；
前記原料ガスを前記燃料ガス生成器に供給する原料ガス配管と；
前記燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と；
前記燃料ガス生成器から前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス配管と；
前記燃料電池からのオフガスを、前記燃料ガス生成器に燃焼用の燃料として供給するオフガス配管と；
前記酸化剤ガスを加湿する加湿器と；
前記酸化剤ガスを前記加湿器に供給する酸化剤ガス配管と；
加湿された前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する加湿酸化剤ガス配管と
を含む燃料電池システムであって、
ミストが前記燃料電池に混入することを防止するミスト混入防止手段を具備し、
前記ミスト混入防止手段が、加湿された前記酸化剤ガスが重力方向において上向きに流れるように、前記加湿酸化剤ガス配管に設けられた、高低差が１５〜１００ｃｍの上り勾配部分であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記加湿器が、全熱交換型加湿器である請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記加湿酸化剤ガス配管が重力方向において上下するサーペンタイン状部分を有し、
前記サーペンタイン状部分は、前記上り勾配部分を含む請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記サーペンタイン状部分の下部に水抜き弁を有する請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
重力方向において前記燃料電池および前記加湿器の位置を調節する高さ設定手段を具備する請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記高さ設定手段により、前記燃料電池は前記加湿器よりも重力方向において高い位置に設けられ、前記燃料電池と前記加湿器との高低差が１５〜１００ｃｍである請求項５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、具体的には、加湿された酸化剤ガスが燃料電池に供給される際に水蒸気の結露により発生するミスト、さらにガス流の動圧によって発生する不純物を含むミストが、燃料電池に混入することを防止し得る燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質型燃料電池は、水素などの燃料ガスと空気などの酸化剤ガスを、ガス拡散層を有する電極によって電気化学的に反応させ、電気と熱とを同時に発生させる。なお、燃料ガスと酸化剤ガスとを合わせて反応ガスともいう。
従来の一般的な高分子電解質型燃料電池の構造および動作について、図１および２を用いて説明する。図１は、燃料電池における単電池の構造を示す部分断面図である。図１に示すように、高分子電解質型燃料電池を構成する単電池においては、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１の両面に、白金系の金属触媒をカーボン粉末に担持させて得られる触媒体を主成分とする触媒層２ａおよび２ｃが密着して配置されている。
【０００３】
触媒層２ａおよび２ｃの外面には、ガス通気性と導電性を兼ね備えたガス拡散層３ａおよび３ｃがそれぞれ配置される。このガス拡散層３ａおよび３ｃと触媒層２ａおよび２ｃとでそれぞれ電極４ａおよび４ｃが構成される。燃料ガスの関与する電極４ａをアノードといい、酸化剤ガスの関与する電極４ｃをカソードと呼ぶ。そして、高分子電解質膜１と一対の電極４ａおよび４ｃとの接合体を、電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）５という。
そして、燃料電池を構成する際には、隣接するＭＥＡ５を機械的に固定するとともに互いに電気的に直列に接続し、また、電極に反応ガスを供給し、反応により発生したガスや余剰のガスを運び去るためのガス流路をＭＥＡ５に接する面に形成した導電性セパレータ７ａおよび７ｃでＭＥＡ５を挟む。
【０００４】
基本的には、高分子電解質膜１と、一対の電極４ａおよび４ｃと、一対の導電性セパレータ７ａおよび７ｃとによって、基本の燃料電池単位（単電池）が構成される。導電性セパレータ７ａおよび７ｃは、ＭＥＡ５とは反対の面において、隣の単電池の導電性セパレータ７ｃおよび７ａと接する。また、隣接する導電性セパレータ７ａおよび７ｃ間には冷却水通路８が設けられ、ここを冷却水が流れる。
ＭＥＡ用のガスケット１１はＭＥＡ５と導電性セパレータ７ａおよび７ｃとの封止を行い、導電性セパレータ用のガスケット１０は導電性セパレータ７ａおよび７ｃ間を封止する。
【０００５】
つぎに、単電池を積層してなるスタック（燃料電池）について図２を用いて説明する。図２は、単電池複数個を積層して得られるスタックの概略斜視図である。
単電池の電圧は低いため、単電池２０を複数個を直列に積層してスタックを構成することが通常行われている。なお、図２においては、便宜上、４個の単電池を積層した様子を示している。そして、集電板２１ａおよび２１ｃ、ならびに絶縁板２２ａおよび２２ｃを配し、端板２３ａおよび２３ｃはスタックを締結して機械的に保持する。
【０００６】
上述のような燃料電池は燃料電池システムに用いられ、コージェネレーションシステムなどに応用される。
燃料電池システムは、主として原料ガスから水素を含む燃料ガスを生成する燃料ガス生成器、燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池、酸化剤ガスを加湿する加湿器を含む。燃料電池に用いられる高分子電解質膜は湿潤状態でその機能を発揮するため、酸化剤ガスは加湿して供給する必要がある。
【０００７】
そのため、加湿後の酸化剤ガスに含まれる水蒸気が結露してミストや水滴になったりしないように、通常は加湿器と燃料電池とを接続する配管は断熱・保温されている。
結露した水が存在すると、外部から混入した不純物や燃料電池システム内の不純物（例えば配管などを構成する材料に起因する金属片やクロロフルオロカーボンなどの有機物など）が、前記水とともに燃料電池に供給されたり、燃料電池への水蒸気の充分な供給が妨げられ、電池性能の低下を招いてしまうという問題があるからである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、上述のような従来の燃料電池システムにおいては、加湿された酸化剤ガスにおける結露防止効果が不充分であったり、また、供給される酸化剤ガスの動圧が存在することに起因し、水蒸気の結露により生じるミストやガス流の動圧によって発生した不純物を含むミストが燃料電池に混入する。そして、この混入を効果的に抑制することができず電池性能の低下を招いているのが実情である。
【０００９】
そこで、本発明は、酸化剤ガスなどの反応ガスが燃料電池に供給される際に、水蒸気が結露して生じるミストや、ガス流の動圧によって発生した不純物を含むミストが燃料電池に混入することを効果的に抑制し得る燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、原料ガスから水素を含む燃料ガスを生成する燃料ガス生成器と；前記原料ガスを前記燃料ガス生成器に供給する原料ガス配管と；前記燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と；前記燃料ガス生成器から前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス配管と；前記燃料電池からのオフガスを前記燃料ガス生成器に供給するオフガス配管と；前記酸化剤ガスを加湿する加湿器と；前記酸化剤ガスを前記加湿器に供給する酸化剤ガス配管と；加湿された前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する加湿酸化剤ガス配管とを含む燃料電池システムに関し、ミストが前記燃料電池に混入することを防止するミスト混入防止手段を設け、
前記ミスト混入防止手段が、加湿された前記酸化剤ガスが重力方向において上向きに流れるように、前記加湿酸化剤ガス配管に設けられた、高低差が１５〜１００ｃｍの上り勾配部分であることを特徴とする。
【００１１】
この場合、前記加湿酸化剤ガス配管がサーペンタイン状であるのも有効であり、サーペンタイン状部分が重力方向において上下するように配置し、前記サーペンタイン状部分が前記上り勾配部分を含み、前記サーペンタイン状部分の下部に水抜き弁を設けるのが有効である。
【００１２】
上記の加湿器としては、例えば、全熱交換型加湿器が用いられる。
【００１３】
さらに、本発明に係る燃料電池システムには、重力方向において前記燃料電池および前記加湿器の位置を調節する高さ設定手段を設けるのも有効であり、この際、前記高さ設定手段により前記燃料電池を前記加湿器よりも重力方向において高い位置に設け、前記燃料電池と前記加湿器との高低差を１５〜１００ｃｍとするのが有効である。
【発明の効果】
【００１４】
上述のような構造を有する本発明に係る燃料電池システムにおいては、加湿器付近の構造を工夫することにより、酸化剤ガスなどの反応ガスが燃料電池に供給される際に水蒸気が結露して生じたミストや、ガス流の動圧によって発生した不純物を含むミストが燃料電池に混入することを効果的に抑制することができる。したがって、本発明に係る燃料電池システムは、ミストに起因する電池性能低下を起こしにくいという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の従来例および実施例における高分子電解質型燃料電池の単電池の構造を示す図である。
【図２】本発明の従来例および実施例における高分子電解質型燃料電池（スタック）の構造を示す図である。
【図３】本発明の従来例および実施例における燃料電池システムの構成を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムの加湿器付近の構成を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムの加湿器付近の構成を示す別の図である。
【図６】参考の形態に係る燃料電池システムの加湿器付近の構成を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムの加湿器付近の構成を示す図である。
【図８】本発明の実施例、参考例、および比較例において行った耐久試験の結果を示すグラフである。
【図９】本発明の実施例および比較例における高低差Ｈ（ｃｍ）と平均単電池低下電圧ΔＶ（ｍＶ）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】
【００１６】
本発明に係る燃料電池システムを図面を参照しながら説明する。図３は、本発明の一実施の形態に係る燃料電池システムの構造を示す図である。燃料電池システム３０には、原料ガス配管３１、原料ガスから水素を含む燃料ガスを生成する燃料ガス生成器３２、燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池３３、燃料ガス生成器３２から燃料ガスを燃料電池３３に供給する燃料ガス配管３４、燃料電池３３からのオフガスを燃料ガス生成器３２に供給するオフガス配管３５、酸化剤ガス配管３６、酸化剤ガスを加湿する加湿器３７、加湿された酸化剤ガスを燃料電池３３に供給する加湿酸化剤ガス配管３８とを含む。
【００１７】
そして、原料ガスから不純物を除去するためにガス清浄部３９を設け、清浄化された原料ガスは燃料ガス生成器３２に供給される。流体制御弁４０は原料ガスの流れを制御する。
ブロワー４１は酸化剤ガスを酸化剤ガス配管３６を経て燃料電池３３に導く。排気管４２は燃料電池３３から排出された酸化剤ガスを燃料電池システム外に排出し、燃料電池３３で利用されなかった燃料ガスは、オフガス配管３５によって再び燃料ガス生成器３２に流れ込む。
【００１８】
オフガス配管３５からのオフガスは燃料ガス生成器３２の燃焼などに用いられ、原料ガスから燃料ガスを生成するための吸熱反応などに利用される。また、余分なオフガスは排気管３５'から外部に排出される。
電力回路部４３は燃料電池３３から電力を取り出し、制御部４４は流体制御弁４０および電力回路部４３などを制御する。ポンプ４５は、冷却水入口配管４６から燃料電池３３の冷却水流路に水を流す。
【００１９】
燃料電池３３を流れた水は冷却水出口配管４７から外部に水が運ばれる。燃料電池３３から水が流れることにより、発熱した燃料電池３３の温度を一定に保ちながら、発生した熱を燃料電池システム外部で利用することができる。
ここで、本発明に係る燃料電池システムは、加湿器〜燃料電池の間における構造に最大の特徴を有するが、加湿器のタイプとしては種々のものを採用することができる。
【００２０】
例えば、バブラーを用いるバブラー型加湿器、全熱交換型加湿器および温水交換型加湿器などが挙げられる。
全熱交換型加湿器は、ガスを隔離し水分を透過する透湿膜として燃料電池に用いられる高分子電解質膜と同じ膜を用い、この透湿膜の一方 の側に低温低加湿の供給ガスを流し、他方の側に燃料電池からの高温高加湿の排出ガスを流し、熱および水分を交換して加湿する。また 市販されている複数の透湿微細配管より構成される除湿器も同様に微細配管の内外にそれぞれ供給ガス、排出ガスを流すことにより全熱交換型加湿器として利用可能である。
【００２１】
また、温水交換型加湿器は、排出ガスに代えて温水を流す他は上記全熱交換型加湿器と同じメカニズムを有する。さらにこれらの異なるタイプの加湿器を組み合わせて使用することも可能であり、実システムにおいては全熱交換型＋温水交換型を組み合わせて使用するのがエネルギー効率を高めるために好適である。
以下においては、バブラー型加湿器を用いる場合に代表させて、本発明に係る燃料電池システムを図面を参照しながら説明する。
【００２２】
第１の実施の形態
図４は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムにおける加湿器３７付近の構造を説明するための図である。図４に示すように、加湿器３７は水を含む容器３７ａおよびヒーターなどの加熱手段（図示せず）を具備する。
この加湿器はバブラーと呼ばれ、酸化剤ガス配管３６から供給された酸化剤ガスを、加熱手段によって容器３７ａ内で適温に加熱された水（温水）に通し、水蒸気を含む加湿後酸化剤ガスを加湿酸化剤ガス配管３８から燃料電池３３に供給する。
【００２３】
酸化剤ガスを水に通すため、酸化剤ガス配管の出口側端部３６ａは、容器３７ａ内の水面以下に配置させる。また、水蒸気を含む加湿後酸化剤ガスを燃料電池３３に供給するため、加湿酸化剤ガス配管の入口側端部３８ａを容器３７ａ内の水面より上に配置させる。
そして、加湿酸化剤ガス中の水蒸気が結露してミスト（水滴や不純物も含み得る）が燃料電池に供給されてしまわないように、ミスト混入防止手段として、加湿酸化剤ガスが重力方向において上に向かって流れるように、加湿酸化剤ガス配管３８に高低差Ｈを有する部分（上り勾配部分）３８ｂを設ける。
【００２４】
この高低差Ｈを有する部分３８ｂにおいては加湿酸化剤ガスが重力方向上向きに流れ、当該加湿酸化剤ガスに含まれるミストや不純物を含むミストは、重力によってその場に止まったり下方に落ちたりし、燃料電池３３に混入することはない。
ここで、高低差Ｈを有する部分３８ｂは重力方向に対して平行であっても、また、ある程度の角度を有していてもよく、ミストなどが重力によってその場に止まったり下方に落ちたりして燃料電池３３に混入することはない範囲で適宜設計変更することが可能である。
【００２５】
例えば、図５に示すように、加湿酸化剤ガス配管３８をサーペンタイン状にし、サーペンタイン状部分３８ｃに高低差Ｈを設けてもよい。ただし、この場合は、重力方向において配管が上下するように加湿酸化剤ガス配管３８を設置する。図５においては、ターン数（折れ曲がり部分）を１つとしたが、複数あってもよい。
また、このようなサーペンタイン状部分３８ｃを設ける場合は、ミストなどをサーペンタイン状部分３８ｃの下部に溜めることができ、燃料電池３３に混入することを防止することができる。そして、水抜き弁３８ｄを設け、溜まった水（ドレン水）をここから排出すればよい。
【００２６】
ここで、加湿酸化剤ガス配管３８における高低差Ｈは１５〜１００ｃｍであるのが有効である。１５ｃｍ未満の場合は、ミストがガス流の動圧により重力に逆らい、燃料電池に混入され得るため、電圧低下を招く傾向にある。１５ｃｍ以上であると、ミストが重力に負けて燃料電池３３に混入せず、電圧低下を招きにくい。また、高低差Ｈが大きいほどミスト混入防止の効果は高いが、燃料電池システムの大きさの制約から、上限は１００ｃｍ程度であるのが好ましい。
【００２７】
なお、図５においては加湿酸化剤ガス配管３８のサーペンタイン状部分３８ｃを加湿器３７内に設けたが、本発明に係る燃料電池システムにおいて、加湿酸化剤ガス配管３８またはサーペンタイン状部分３８ｃは加湿器３７の外側に位置してもよい。
【００２８】
参考の形態
図６は、参考の形態に係る燃料電池システムにおける加湿器３７付近の構造を説明するための図である。図６に示すように、加湿器３７は水を含む容器３７ａおよびヒーターなどの加熱手段（図示せず）を具備する。
この加湿器はバブラーと呼ばれ、酸化剤ガス配管３６から供給された酸化剤ガスを、加熱手段によって容器３７ａ内で適温に加熱された水（温水）に通し、水蒸気を含む加湿後酸化剤ガスを加湿酸化剤ガス配管３８から燃料電池３３に供給する。
【００２９】
酸化剤ガスを水に通すため、酸化剤ガス配管の出口側端部３６ａは、容器３７ａ内の水面以下に配置させる。また、水蒸気を含む加湿後酸化剤ガスを燃料電池３３に供給するため、加湿酸化剤ガス配管の入口側端部３８ａを容器３７ａ内の水面より上に配置させる。
そして、ミスト混入防止手段として、さらにミストを物理的に捕捉するミスト捕捉容器３７ｂを加湿器３７に設ける。このミスト捕捉容器３７ｂは、加湿酸化剤ガスが当該容器を通過する際、加湿酸化剤ガス中の水蒸気が結露してミストが生成されると、このミストを容器の底に物理的に捕捉し、燃料電池３３に供給されるのを防ぐ。
【００３０】
また、この容器には、図示しないがヒーターなどの加熱手段を具備させるのが有効である。加熱手段によって前記容器の温度を加湿酸化剤ガスの露点と同等の温度に加熱しておけば、ミスト捕捉容器３７ｂを通過する加湿酸化剤ガスに含まれる水蒸気が結露することを効果的に防止することができるからである。
なお、図６においてはミスト捕捉容器３７ｂを加湿器３７内に設けたが、本発明に係る燃料電池システムにおいては、加湿器３７の外側に別個の部材としてミスト捕捉容器を設けてもよい。また、容器３７ａとミスト捕捉容器３７ｂとの間、およびミスト捕捉容器３７ｂと燃料電池３３との間は、それぞれ加湿酸化剤ガス配管３８および３８'で接続すればよい。
【００３１】
第２の実施の形態
図７は、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムにおける加湿器３７付近の構造を説明するための図である。図７に示すように、加湿器３７は水を含む容器３７ａおよびヒーターなどの加熱手段（図示せず）を具備する。
この加湿器はバブラーと呼ばれ、酸化剤ガス配管３６から供給された酸化剤ガスを、加熱手段によって容器３７ａ内で適温に加熱された水（温水）に通し、水蒸気を含む加湿後酸化剤ガスを加湿酸化剤ガス配管３８から燃料電池３３に供給する。
【００３２】
酸化剤ガスを水に通すため、酸化剤ガス配管の出口側端部３６ａは、容器３７ａ内の水面以下に配置させる。また、水蒸気を含む加湿後酸化剤ガスを燃料電池３３に供給するため、加湿酸化剤ガス配管の入口側端部３８ａを容器３７ａ内の水面より上に配置させる。
そして、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムにおいては、燃料電池３３を加湿器３７よりも重力方向において高い位置に設けるのが好ましい。これは、加湿器３７からミストなどが燃料電池３３に混入するのを防止するためである。
【００３３】
ここで、重力方向において燃料電池３３および加湿器３７（特に容器３７ａ）の位置を調節する高さ設定手段５０を設けてもよい。この高さ設定手段５０としては例えばジャッキ、昇降機またはリフトなどを用い、重力方向において容器３７ａに対する燃料電池３３の高さを自由に設定することができる。もちろんコンピュータなどで制御してもよい。
また、燃料電池３３の高さを固定したい場合には、例えばボルトとナットなどを用いて所定の位置に燃料電池３３を固定すればよい。この場合、ボルトおよびナットも前記高さ設定手段を構成する。
【００３４】
図７においては、上記第１の実施の形態における図４の形態と同様に、加湿酸化剤ガス配管３８にミスト混入防止手段として高低差Ｈを有する部分を設ける場合を示したが、上記第１の実施の形態における図５の形態と同様にサーペンタイン状部分３８ｃを設けても構わない。
上述の第１の実施の形態〜第２の実施の形態に示すような本発明に係る燃料電池システムならびに参考の形態に示すような燃料電池システムにおいては、加湿後の酸化剤ガスに含まれる水蒸気が結露することによって生じたミスト（水滴を含む）や、ガス流の動圧により発生した不純物を含むミストが燃料電池の混入することを効果的に防止することができ、燃料電池システムの電圧低下および耐久性低下を抑制することができる。
また、上記では、酸化剤ガスを加湿するための加湿器について説明したが、必要に応じて、燃料ガスを加湿するための加湿器を設けることもあり、この場合には、燃料ガス用の加湿器付近にも上記のような構造を採用することが好ましい。
【００３５】
加えて、燃料電池システムにおける各構成部材の接続部に用いられるシール材が、種類によっては不純物としてミストに混入して燃料電池に悪影響を及ぼし得る。
そのため、例えば酸化剤ガス配管３６と燃料電池３３との間、燃料ガス配管３４と燃料生成器３２との間、および燃料ガス配管３４と燃料電池３３との間に、それぞれフッ素系樹脂製ガスケットまたは金属製ガスケットを介した接続部を設けるのが有効である。
【００３６】
これによって、通常用いられているガスケットから酸化剤ガス、水蒸気、原料ガスおよび燃料ガスなどに溶出して、燃料電池システムの性能に悪影響を及ぼす不純物を、システム外に排除することができる。
もちろん、その他の構成部材を接続する部分においても、すべてフッ素系樹脂製ガスケットまたは金属製ガスケットを用いるのが好ましい。
【００３７】
また、配管を構成する材料としては、ＳＵＳ３１６Ｌなどの耐腐食性に優れるステンレス鋼を用いるのが好ましいが、ＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＥＴＦＥもしくはＦＥＰなどのフッ素樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレンもしくはそれらの共重合体樹脂などのオレフィン系樹脂、デュポン社製のバイトンに代表されるフッ素ゴムなどで構成された配管を用いることも可能である。また、これらの材料で内面をコーティングした配管を用いてもよい。
特に、フレキシブル配管は、上記フッ素樹脂、オレフィン系樹脂、フッ素ゴムなどで構成するのが好ましい。
【００３８】
ここで、本発明において用いることのできる高分子電解質型燃料電池（図２）、およびこれを構成する単電池（図１）について説明する。
本発明で用い得る高分子電解質型燃料電池においては、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１の両面に、白金系の金属触媒をカーボン粉末に担持させて得られる触媒体を主成分とする触媒層２ａおよび２ｃが密着して配置されている。この触媒層においては、式（１）：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-の反応と、式（２）：１／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏの反応が行われ、全体としては式（３）：Ｈ2＋１／２Ｏ2→Ｈ2Ｏで示される反応が行われる。
【００３９】
一方の触媒層２ａにおいて、燃料ガスから上記式（１）に示す反応によって水素イオンが生成され、この水素イオンは高分子電解質膜１を介して他方の触媒層２ｃに移動する。当該他方の触媒層２ｃにおいて、水素イオンが酸化剤ガスと式（２）に示す反応をし、水を生成するとともに電気と熱を生ずる。燃料電池全体としては、式（３）に示すように水素と酸素が反応して水が発生する際に、電気と熱を利用できる。
触媒層２ａおよび２ｃの外面には、ガス通気性と導電性を兼ね備えたガス拡散層３ａおよび３ｃがそれぞれ配置される。このガス拡散層３ａおよび３ｃと触媒層２ａおよび２ｃとでそれぞれ電極４ａおよび４ｃが構成される。燃料ガスの関与する電極４ａをアノードといい、酸化剤ガスの関与する電極４ｃをカソードと呼ぶ。そして、高分子電解質膜１と一対の電極４ａおよび４ｃとの接合体を、電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）５という。
【００４０】
そして、燃料電池を構成する際には、隣接するＭＥＡ５を機械的に固定するとともに互いに電気的に直列に接続し、また、電極に反応ガスを供給し、反応により発生したガスや余剰のガスを運び去るためのガス流路をＭＥＡ５に接する面に形成した導電性セパレータ７ａおよび７ｃでＭＥＡ５を挟む。
基本的には、高分子電解質膜１と、一対の電極４ａおよび４ｃと、一対の導電性セパレータ７ａおよび７ｃとによって、基本の燃料電池単位（単電池）が構成される。導電性セパレータ７ａおよび７ｃは、ＭＥＡ５とは反対の面において、隣の単電池の導電性セパレータ７ｃおよび７ａと接する。また、隣接する導電性セパレータ７ａおよび７ｃ間には冷却水通路８が設けられ、ここを冷却水が流れる。冷却水はＭＥＡ５の温度を調整するように熱を移動させる。
【００４１】
ＭＥＡ用のガスケット１１はＭＥＡ５と導電性セパレータ７ａおよび７ｃとの封止を行い、導電性セパレータ用のガスケット１０は導電性セパレータ７ａおよび７ｃ間を封止する。
また、高分子電解質１は固定電荷を有しており、固定電荷の対イオンとして水素イオンが存在している。高分子電解質１には水素イオンを選択的に透過させる機能が求められるが、そのためには高分子電解質１が水分を保持していることが必要である。水分を含むことにより、固定されている固定電荷が電離し、固定電荷の対イオンである水素がイオン化して移動できるからである。
【００４２】
つぎに、単電池を積層してなる高分子電解質型燃料電池（スタック）について図２を用いて説明する。図２は、単電池複数個を積層して得られるスタックの概略斜視図である。
単電池の電圧は通常０．７５Ｖ程度と低いため、単電池２０を複数個を直列に積層し、高電圧が得られるスタックを構成することが通常行われている。なお、図２においては、便宜上、４個の単電池を積層した様子を示している。集電板２１ａおよび２１ｃはスタックから外部に電流を取り出すために設置され、絶縁板２２ａおよび２２ｃは単電池と外部を電気的に絶縁する。端板２３ａおよび２３ｃはスタックを締結して機械的に保持する。
【００４３】
本発明に係る燃料電池システムの基本動作を説明する。図３において、第１の遮断弁４０が開となり、原料ガス配管３１から原料ガスがガス清浄部３９に流れ込む。
原料ガスとしては天然ガス、プロパンガスなど炭化水素系のガスを使用することができる。以下の実施例においては、メタン、エタン、プロパンおよびブタンガスの混合ガスであって主成分をメタンとする都市ガスの１３Ａを用いた。
【００４４】
ここで、燃料電池システムに用いられる各種ガスに含まれうる硫黄化合物は、微量ではあるが、触媒に吸着して触媒毒となって電池反応を阻害したりする。
そこで、ガス清浄部３９として、特にターシャリブチルメルカプタン（ＴＢＭ）、ジメチルサルファイド（ＤＭＳ）、テトラヒドロチオフィン（ＴＨＴ）等の、ガス付臭剤の不純物の除去に用いられる材料を用いるのが有効である。ガス付臭剤は通常不純物として硫黄化合物を含んでいる。
【００４５】
燃料ガス生成器３２では、式（４）：ＣＨ4＋２Ｈ2Ｏ→４Ｈ2＋ＣＯ2（−２０３．０ＫＪ／ｍｏｌ）に示す反応などにより、燃料ガスの主成分である水素が生成される。
同時に発生する一酸化炭素は、式（５）：ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2に示されるようなシフト反応と、式（６）：ＣＯ＋１／２Ｏ2→ＣＯ2で示されるような一酸化炭素選択酸化反応により、１０ｐｐｍ以下にまで低減される。
【００４６】
ここで、反応に必要な最低限度以上の量の水を入れると、水素と水分を含む燃料ガスが生成し、これが燃料ガス配管３４を介して燃料電池３３に流れ込む。酸化剤ガスはブロワー４１により加湿器３７を通った後、燃料電池３３に流れ込み、酸化剤ガスの排ガスは排気管４２により外部に排出される。
冷却水は、ポンプ４５によって冷却水入口配管４６から燃料電池３３の冷却水流路に流された後、冷却水出口配管４７から外部に運ばれる。図３には図示していないが、冷却水入口配管４６や冷却水出口配管４７には、通常給湯器などの熱を溜めるまたは利用する機器などを接続してもよい。これにより燃料電池３３で発生する熱を取りだし、給湯などに利用できる。
【００４７】
発電する燃料電池３３の電圧を測定し、十分発電が行われていると制御部４４が判断すると、電力回路部４３により電力が取り出される。電力回路部４３では燃料電池３３から取り出した直流の電力を、交流へと変換し、家庭などで利用されている電力線にいわゆる系統連携で接続される。
電力回路部４３は、燃料電池３３が発電を開始した後、燃料電池３３から直流の電力を引き出す役割をする。制御部４４には、燃料電池システムの他の部分の制御を最適に保つよう制御させるのが有効である。
以下において、実施例を用いて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。
【実施例】
【００４８】
本実施例においては、図１に示す構造を有する単電池、図２に示す構造を有する燃料電池、図３に示す燃料電池システムを作製した。また、加湿器３７付近の構造としては、図４〜６のいずれかに示す構造を採用した。
まず、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。
【００４９】
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。
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ＤｕＰｏｎｔ社のＮａｆｉｏｎ１１２膜）の両面に接合し、ＭＥＡ５を作製した。
【００５０】
つぎに、以上のように作製したＭＥＡ５の高分子電解質膜１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。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セパレータ板７を用いた。
このようにして作製した図１に示す構造を有する単電池を６０個積層し、図２に示す構造を有する燃料電池３３を得た。そして、図３に示す構造を有する燃料電池システムを作製した。各構成部材や配管の接続部分には、フッ素系樹脂製ガスケットまたは金属製ガスケットを用いた。
【００５１】
実施例１〜３として、加湿器３７付近の構造として図４に示す構造を採用し、ミスト混入防止手段としての加湿酸化剤ガス配管３８に高低差Ｈを有する部分を設け、その高低差Ｈを１５ｃｍ、５０ｃｍまたは１００ｃｍに設定した。このようにして本発明に係る燃料電池システムＡ〜Ｃを作製した。
また、比較例１および２として、高低差Ｈを５ｃｍまたは１０ｃｍと設定した他は、実施例１と同様にして比較用の燃料電池システムＤおよびＥを作製した。
【００５２】
実施例４としては、加湿器３７付近の構造として図５に示す構造を採用し、ミスト混入防止手段として加湿酸化剤ガス配管３８にサーペンタイン状部分３８ｃを設け、このサーペンタイン状部分３８ｃにおける高低差Ｈを１５ｃｍに設定した。その他は実施例１と同様にして、本発明に係る燃料電池システムＦを作製した。
【００５３】
さらに、実施例５として、加湿器３７付近の構造に図７に示す構造を採用して燃料電池３３を加湿器３７よりも高い位置に設け、高低差Ｈを１５ｃｍに設定した他は、実施例１と同様にして本発明に係る燃料電池システムＧを作製した。
加えて、参考例として、加湿器３７付近の構造に図６に示す構造を採用してミスト捕捉容器３７ｂおよび水抜き弁３７ｃを設けた他は、実施例１と同様にして燃料電池システムＨを作製した。
【００５４】
［評価］
上述のようにして作製した燃料電池システムＡ〜Ｄを用いて、以下の条件で運転試験をした。
まず、燃料電池を起動させて燃料電池システムで発電と発熱を行った（運転工程）。この運転工程において、原料ガスとしては都市ガスの１３Ａガスを用い、酸化剤ガスとしては空気を用いた。燃料電池３３の温度を７０℃、燃料ガス利用率（Ｕｆ）を７０％、酸化剤ガス利用率（Ｕｏ）を４０％に設定した。また、過ヒーターによって容器３７ａを加熱し、空気が７０℃の露点を有するように加湿した。電力回路部４３から電力としてある電圧の電流を取り出した。電流は電極の見かけ面積に対して、０．２Ａ／ｃｍ2の電流密度となるように調整した。なお、実施例２において、ミスト捕捉手段を構成する容器３７ｂの温度は７０℃に設定した。
【００５５】
さらに、冷却水入口配管４６および冷却水出口配管４７には、図示していないが、貯湯タンクを取り付け、冷却水入口配管４６中の水の温度が７０℃となり冷却水出口配管４７中の水の温度が７５℃となるようにポンプ４５を調節した。
ついで、経時的に電圧変化の測定を行い、電圧低下率を評価する耐久試験を行った。結果を図８に示す。図８からわかるように、燃料電池システムＢ、ＣおよびＨの電圧低下が最も小さく、つぎに燃料電池システムＡ、ＦおよびＧの電圧低下が小さかった。それに対して燃料電池システムＥおよびＤの電圧低下は非常に大きかった。
【００５６】
表１および図９に、加湿酸化剤ガス配管３８における高低差Ｈ（ｃｍ）と１００００時間後の平均単電池低下電圧ΔＶ（ｍＶ）との関係を示した。
高低差Ｈが１５〜１００ｃｍの燃料電池システムの電圧低下は、製品の耐久目標レベルの２０ｍＶ以内であった。それに対して、高低差Ｈが５ｃｍおよび１０ｃｍの燃料電池システムＤおよびＥは、電圧低下が非常に大きく、製品目標レベルに到達していなかった。
【００５７】
【表１】
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【００５８】
これらの結果からわかるように、燃料電池システムＡ〜ＣおよびＦ〜Ｈは、加湿器付近の構成を工夫することにより、従来の構成を有する燃料電池システムＤおよびＥに比して、酸化剤ガスなどの反応ガスが燃料電池に供給される際に水蒸気が結露して生じるミスト（水滴を含む）や、ガス流の動圧によって発生した不純物を含むミストが、燃料電池に混入されることを効果的に抑制することができ、ミストに起因する電池性能低下を起こしにくかった。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明に係る燃料電池システムにおいては、加湿器付近の構成を工夫することにより、酸化剤ガスなどの反応ガスが燃料電池に供給される際に水蒸気が結露して生じるミスト（水滴を含む）や、ガス流の動圧によって発生した不純物を含むミストが、燃料電池に混入することを効果的に抑制することができる。したがって、本発明に係る燃料電池システムは、結露により生じるミスト（水滴を含む）や、ガス流の動圧によって発生した不純物を含むミストの燃料電池への混入に起因する電池性能低下を起こしにくく、特に家庭用のコージェネレーションシステムに好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００６０】
１    高分子電解質膜
２ａ  触媒層
２ｃ  触媒層
３ａ  ガス拡散層
３ｃ  ガス拡散層
４ａ  電極
４ｃ  電極
７ａ  導電性セパレータ
７ｃ  導電性セパレータ
３２  燃料ガス生成器
３３  燃料電池
３７  加湿器
３９  ガス清浄部
４３  電力回路部
４４  制御部
【図８】
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【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９】
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