(57)【要約】【課題】不純物による燃料電池１の発電性能の低下を抑制する燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料極１１及び酸化剤極１２を有する燃料電池１と、燃料電池１の燃料極１１に燃料を供給する燃料通路２と、燃料電池１の酸化剤極１２に酸化剤を供給する酸化剤通路３とを具備する。燃料電池１の発電運転中において、燃料通路２を流れる燃料及び酸化剤通路３を流れる酸化剤のうちの少なくとも一方に酸を供給する酸供給部４が設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極及び酸化剤極を有する燃料電池と、前記燃料電池の前記燃料極に供給する燃料が流れる燃料通路と、前記燃料電池の前記酸化剤極に供給する酸化剤が流れる酸化剤通路とを具備する燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の発電運転中において、前記燃料通路を流れる燃料及び前記酸化剤通路を流れる酸化剤のうちの少なくとも一方に、酸を供給する酸供給部が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１において、前記酸化剤通路は、前記燃料電池の前記酸化剤極に供給される前の酸化剤を加湿する酸化剤用加湿部を有しており、且つ、
前記酸供給部は、前記酸化剤通路において、前記酸化剤用加湿部、前記酸化剤用加湿部の下流、前記酸化剤用加湿部の上流のうちの少なくとも一つに酸を供給することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記燃料通路は、前記燃料電池の前記燃料極に供給される前の燃料を加湿する燃料極用加湿部を有しており、且つ、
前記酸供給部は、前記燃料通路において、前記燃料極用加湿部、前記燃料極用加湿部の下流、前記燃料極用加湿部の上流のうちの少なくとも一つに酸を供給することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のうちのいずれか一項において、前記酸供給部を制御する制御部が設けられており、
前記制御部は、前記燃料通路及び前記酸化剤通路のうちの少なくとも一方に酸を供給する酸供給工程と、当該一方への酸の供給を停止するか低減させる酸供給停止・低減工程とを切り替えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４において、前記燃料電池の発電出力が低下したとき、酸供給停止・低減時間が経過したとき、洗浄操作が要請されるときのうちの少なくとも一つの条件が満たされたとき、前記制御部は前記酸供給工程に切り替え、且つ、
前記燃料電池の発電出力が回復したとき、酸供給停止・低減時間が経過したとき、洗浄操作が要請されないときのうちの少なくとも一つの条件が満たされたとき、前記制御部は前記酸供給停止・低減工程に切り替えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
燃料極及び酸化剤極を有する燃料電池と、前記燃料電池の前記燃料極に供給する燃料が流れる燃料通路と、前記燃料電池の前記酸化剤極に供給する酸化剤が流れる酸化剤通路とを具備する燃料電池システムにおいて、
前記燃料通路及び前記酸化剤通路のうちの少なくとも一方において前記燃料電池の上流に設けられたガス浄化部を有しており、
前記ガス浄化部は、
酸溶液を収容する容器と、前記容器に収容されている前記酸溶液に燃料または酸化剤のガスを吹き込む１次管と、前記容器に収容されている前記酸溶液の液面上方で開口すると共に前記燃料電池に繋がる２次管とを備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
燃料極及び酸化剤極を有する燃料電池と、前記燃料電池の前記燃料極に供給する燃料が流れる燃料通路と、前記燃料電池の前記酸化剤極に供給する酸化剤が流れる酸化剤通路とを具備する燃料電池システムにおいて、
前記燃料通路及び前記酸化剤通路のうちの少なくとも一方において前記燃料電池の上流に設けられたガス浄化部を有しており、
前記ガス浄化部は、
燃料または酸化剤を含むウェットなガスに含まれている水分を凝縮させて液化させる凝縮室を有すると共に、当該ガスに含まれている不純物を液化に伴い当該ガスから前記凝縮室に回収する液化容器を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１〜請求項７のうちのいずれか一項において、前記酸は、硫酸、硝酸、塩酸のうちの少なくとも１種を主要成分とすることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料極及び酸化剤極を有する燃料電池を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池システムは、燃料極及び酸化剤極を有する燃料電池と、燃料電池の燃料極に供給する燃料が流れる燃料通路と、燃料電池の酸化剤極に供給する酸化剤が流れる酸化剤通路とを有する（特許文献１）。このものによれば、燃料電池に水を循環させて供給する水タンクを設け、この水タンクの水を電解質膜の燃料極側に供給し、電解質膜全体を保水状態に維持することにしている。
【特許文献１】特開平１１−１１１３１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
燃料電池システムによれば、水で加湿されたガスを用いるが、燃料電池の内部や配管内に、沈殿物が不純物として生じ、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）の表面に付着したりするおそれがある。この場合、ＭＥＡの発電性能を長期にわたり良好に発揮させるには好まくない。例えば、配管系から溶出した金属イオンが酸化物となり、沈殿物が生成するものと推察される。
【０００４】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、配管系における不純物の蓄積を抑制することができる燃料電池システムを提供することを共通の課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者は燃料電池システムについて鋭意開発を進めている。金属の酸化は酸性化では起こりにくいため、配管系等における沈殿物の生成が抑制され易いことに着目し、本発明を完成させた。
【０００６】
（１）様相１に係る燃料電池システムは、燃料極及び酸化剤極を有する燃料電池と、燃料電池の燃料極に供給する燃料が流れる燃料通路と、燃料電池の酸化剤極に供給する酸化剤が流れる酸化剤通路とを具備する燃料電池システムにおいて、
燃料電池の発電運転中において、燃料通路を流れる燃料及び酸化剤通路を流れる酸化剤のうちの少なくとも一方に、酸を供給する酸供給部が設けられていることを特徴とするものである。
【０００７】
様相１に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の発電運転中において、酸供給部は、燃料通路を流れる燃料及び酸化剤通路を流れる酸化剤のうちの少なくとも一方に、酸を供給する。これにより燃料通路及び／または酸化剤通路における沈殿物の生成、沈殿が抑えられると共に、燃料通路及び／または酸化剤通路が洗浄される。これにより不純物による発電性能の低下が抑制される。
【０００８】
様相１に係る燃料電池システムによれば、好ましくは、酸化剤通路は、燃料電池の酸化剤極に供給される前の酸化剤を加湿する酸化剤用加湿部を有しており、且つ、酸供給部は、酸化剤通路において、酸化剤用加湿部、酸化剤用加湿部の下流、酸化剤用加湿部の上流のうちの少なくとも一つに酸を供給する構成を採用することができる。なお酸の供給形態としては、酸の噴霧、酸の滴下、酸の吸い込み等が例示される。
【０００９】
酸供給部が酸化剤用加湿部に酸を供給する場合には、酸が酸化剤用加湿部の湿分により希釈される。また、酸供給部が酸化剤用加湿部の下流に酸を供給する場合には、酸化剤用加湿部の下流以降の部位が酸で洗浄される。ここで、酸化剤用加湿部の下流以降の部位としては、酸化剤用加湿部から燃料電池までの通路、燃料電池自体、燃料電池よりも下流側の通路が挙げられる。
【００１０】
また、酸供給部が酸化剤用加湿部の上流に酸を供給する場合には、酸化剤用加湿部の上流以降の部位が酸で洗浄される。ここで、酸化剤用加湿部の上流以降の部位としては、酸化剤用加湿部よりも上流側の通路、酸化剤用加湿部から燃料電池までの通路、燃料電池自体、燃料電池よりも下流側の通路が挙げられる。
【００１１】
なお、燃料通路を流れる燃料は燃料の他に燃料オフガスも含む意味である。酸化剤通路を流れる酸化剤は酸化剤の他に酸化剤オフガスも含む意味である。従って様相１に係る燃料電池システムによれば、燃料電池に供給される燃料が流れる配管、燃料電池に供給される酸化剤が流れる配管に酸を供給するばかりか、燃料電池から吐出される燃料オフガスが流れる配管、燃料電池から吐出される酸化剤オフガスが流れる配管に酸を供給しても良い。
【００１２】
更に、様相１に係る燃料電池システムによれば、好ましくは、燃料通路は、燃料電池の燃料極に供給される前の燃料を加湿する燃料極用加湿部を有しており、且つ、酸供給部は、燃料極用加湿部、燃料極用加湿部の下流、燃料極用加湿部の上流のうちの少なくとも一つに酸を供給する構成を採用することができる。酸供給部が燃料用加湿部に酸を供給する場合には、酸が燃料用加湿部の湿分により希釈される。また、酸供給部が燃料用加湿部の下流に酸を供給する場合には、燃料用加湿部の下流以降の部位が酸で洗浄される。ここで、燃料用加湿部の下流以降の部位としては、燃料用加湿部から燃料電池までの通路、燃料電池自体、燃料電池よりも下流側の通路が挙げられる。また、酸供給部が燃料用加湿部の上流に酸を供給する場合には、燃料用加湿部の上流以降の部位が洗浄される。ここで、燃料用加湿部の上流以降の部位としては、燃料用加湿部よりも上流側の通路、燃料用加湿部から燃料電池までの通路、燃料電池自体、燃料電池よりも下流側の通路が挙げられる。
【００１３】
様相１に係る燃料電池システムによれば、好ましくは、酸供給部を制御する制御部が設けられている構成を採用できる。この場合、制御部は、燃料通路及び酸化剤通路のうちの少なくとも一方に酸を供給する酸供給工程と、当該一方への酸の供給を停止するか低減する酸供給停止・低減工程とを切り替える構成を採用することができる。これにより必要時には酸を供給し、酸があまり必要とされないときには、酸の供給を停止したり、あるいは単位時間あたりの酸の供給量を低減させたりする。このため洗浄力を確保しつつ酸の使用量を低減でき、コストを低減できると共に、過剰の洗浄を抑えることができる。
【００１４】
この場合、燃料電池の発電出力が低下したとき、酸供給停止・低減時間が経過したとき、洗浄操作が要請されるときのうちの少なくとも一つの条件が満たされたとき、制御部は酸供給工程に切り替える構成を採用することができる。
【００１５】
また、燃料電池の発電出力が回復したとき、酸供給停止・低減時間が経過したとき、洗浄操作が要請されないときのうちの少なくとも一つの条件が満たされたとき、制御部は酸供給停止・低減工程に切り替える構成を採用することができる。なお、酸供給停止・低減工程では、純水などの水で燃料や酸化剤を加湿することが好ましい。
【００１６】
様相１に係る燃料電池システムによれば、酸は、硫酸、硝酸、塩酸のうちの少なくとも１種を主要成分とすることができる。酸の濃度としては、過剰であれば、酸の使用量が増加すると共に洗浄力が過剰となるおそれがある。過小であれば、洗浄力が低下するおそれがある。これらの事情を考慮して、様相１に係る燃料電池システムによれば、酸の容量モル濃度としては、１Ｍ以下とすることができる。あるいは、０．１Ｍ以下、あるいは、０．０１Ｍ以下とすることができるが、これらに限定されるものではない。容量モル濃度によれば、溶媒１リットルにａ［ｍｏｌ］の溶質がとけているとき、その濃度をａ［Ｍ］とする。酸は常温領域でも良いし、場合によっては加熱しても良い。硫酸は揮発性が少ないので、加熱して、溶解性を高めても良い。塩酸、硝酸は常温領域で用いることができる。但しこれらに限られるものではない。
【００１７】
なお、燃料電池の酸化剤極に供給される酸化剤としては、酸素ガス、酸素含有ガス（空気を含む）を例示できる。燃料電池の燃料極に供給される燃料としては、水素ガス、水素含有ガス（改質ガスを含む）を例示できる。
【００１８】
（２）様相２に係る燃料電池システムは、燃料極及び酸化剤極を有する燃料電池と、燃料電池の燃料極に供給する燃料が流れる燃料通路と、燃料電池の酸化剤極に供給する酸化剤が流れる酸化剤通路とを具備する燃料電池システムにおいて、
燃料通路及び酸化剤通路のうちの少なくとも一方において燃料電池の上流に設けられたガス浄化部を有しており、
ガス浄化部は、酸溶液を収容する容器と、容器に収容されている酸溶液に燃料または酸化剤のガスを吹き込む１次管と、容器に収容されている酸溶液の液面上方で開口すると共に燃料電池に繋がる２次管とを備えていることを特徴とするものである。
【００１９】
様相２に係る燃料電池システムによれば、燃料または酸化剤のガスが１次管により容器の酸溶液に吹き込まれるため、当該ガスに不純物が含まれているときであっても、不純物は容器の酸溶液に溶解または分散する等して回収され、当該ガスは清浄化される。このように清浄化されたガスは、容器の酸溶液の液面上方で開口する２次管を経て燃料電池に供給される。よって配管系における不純物の蓄積を抑制し、不純物に起因する燃料電池の発電性能の低下が抑制される。
【００２０】
様相２に係る燃料電池システムによれば、酸は、硫酸、硝酸、塩酸のうちの少なくとも１種を主要成分とすることができる。容器内の酸溶液の酸濃度としては、過剰であれば、酸の使用量が増加すると共に洗浄力が過剰となるおそれがある。過小であれば、洗浄力が低下するおそれがある。これらの事情を考慮して、容器内の酸の容量モル濃度としては、１Ｍ以下とすることができ、あるいは、０．１Ｍ以下、０．０１Ｍ以下とすることができる。
【００２１】
（３）様相３に係る燃料電池システムは、燃料極及び酸化剤極を有する燃料電池と、燃料電池の燃料極に供給する燃料が流れる燃料通路と、燃料電池の酸化剤極に供給する酸化剤が流れる酸化剤通路とを具備する燃料電池システムにおいて、
燃料通路及び酸化剤通路のうちの少なくとも一方において燃料電池の上流に設けられたガス浄化部を有しており、ガス浄化部は、燃料または酸化剤を含むウェットなガスに含まれている水分（液分）を凝縮させて液化させる凝縮室を有すると共に、当該ガスに含まれている不純物を液化に伴い当該ガスから凝縮室に回収する液化容器を備えていることを特徴とするものである。
【００２２】
様相３に係る燃料電池システムによれば、燃料または酸化剤を含むウェットなガスに含まれている水分（液分）は、液化容器の凝縮室において凝縮して液化する。凝縮の際には、当該ガスに含まれている不純物は当該ガスから除去されて液化部分に移り易い。このように清浄化されたガスは燃料電池に供給される。よって燃料通路及び酸化剤通路のうちの少なくとも一方によれば、配管系における不純物の蓄積を抑制し、不純物に起因する燃料電池の発電性能の低下が抑制される。
【００２３】
（４）各様相に係る燃料電池システムによれば、酸化剤通路は、燃料電池の酸化剤極に供給する酸化剤のガスを圧縮するコンプレッサを有している構成を採用することができる。コンプレッサで圧縮された酸化剤のガスは圧縮熱をもつ。故に、酸化剤に供給される酸は、酸化剤の圧縮熱で加熱されて反応活性が高まり、洗浄力を高めることが期待される。故に、洗浄力を確保しつつ、酸の希釈度を高めることを期待でき、酸の使用量を低減するのに有利となる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係る燃料電池システムによれば、配管系における不純物の蓄積が抑制される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００２６】
（実施形態１）
本実施形態に係る燃料電池システムは、図１に示すように、イオン伝導性（プロトン伝導性）をもつ固体高分子型の電解質膜１０とこれを挟む燃料極１１及び酸化剤極１２を有する燃料電池１を組み付けたスタック１３と、燃料電池１の燃料極１１に供給する燃料が流れる燃料通路２と、燃料電池１の酸化剤極１２に供給する酸化剤が流れる酸化剤通路３とを有する。燃料通路２は、燃料タンク２０と、燃料用加湿部２１と、燃料電池１の燃料極１１と、燃料用ドレインタンク２２とを順につなぐ。酸化剤通路３は、コンプレッサ３０と、酸化剤用加湿部３１と、燃料電池１の酸化剤極１２と、酸化剤用ドレインタンク３２とを順につなぐ。
【００２７】
酸化剤通路３において、燃料電池１の酸化剤極１２側と酸化剤用ドレインタンクとの間の通路３ｐはフッ素樹脂配管とされていると共に、他の通路部分は金属配管（鉄系）、殊にステンレス配管とされている。燃料通路２において、燃料電池１の燃料極１１側と燃料用ドレインタンク２２との通路２ｐはフッ素樹脂配管とされていると共に、他の通路部分は金属配管（鉄系）、殊にステンレス配管とされている。ステンレス配管としては、鉄−クロム系,鉄−クロム−ニッケル系を採用できる。
【００２８】
燃料電池１の発電運転時には、燃料タンク２０から燃料ガス（一般的には水素ガス、水素含有ガス）が燃料通路２を経て燃料電池１の燃料極１１に供給される。コンプレッサ３０により酸化剤ガス（一般的には酸素を含む空気）が酸化剤通路３を経て燃料電池１の酸化剤極１２に供給される。これにより燃料電池１では発電が行われる。
【００２９】
発電運転の際には、電解質膜１０の湿分が低下すると、燃料電池１の発電性能が充分に得られないため、燃料電池１に供給される前の燃料は燃料用加湿部２１により加湿され、燃料電池１に供給される前の酸化剤は酸化剤用加湿部３１により加湿される。このように加湿された燃料ガスが燃料電池１の燃料極１１に供給され、加湿された酸化剤ガスが燃料電池１の酸化剤極１２に加湿され、発電反応が良好に行われる。発電反応により酸化剤極１２では水が生成される。
【００３０】
本実施形態によれば、燃料電池１の発電運転中において、酸化剤通路３を流れる酸化剤ガスに酸を供給する酸化剤用の酸供給部４が設けられている。酸化剤用の酸供給部４は、酸を水（純水）で希釈した酸溶液（常温領域または加温領域）を収容する酸収容容器として機能するタンク４１と、タンク４１と酸化剤用加湿部３１の注入口３１ｘとを繋ぐ酸供給通路４２と、酸供給通路４２を開閉するバルブ４３とをもつ。タンク４１の酸溶液が酸供給通路４２の出口付近、つまり、注入口３１ｘに至ると、酸化剤用加湿部３１を流れる酸化剤ガスの流速により酸化剤用加湿部３１の空間３１ｒに自動的に吸入される。
【００３１】
本実施形態によれば、単位時間当たりの酸供給部４による酸供給量を制御する制御部４４が設けられている。タンク４１に収容されている酸溶液としては、硫酸溶液、硝酸溶液、塩酸溶液とすることができるが、硫酸溶液が好ましい。電解質膜１０はスルホン酸基が存在しており、硫酸溶液は電解質としての機能を有するものと推察される。なお、タンク４１に収容されている酸を希釈した酸水溶液の容量モル濃度は適宜選択でき、１０-5〜１Ｍ、殊に１０-5〜０．０１Ｍとされているが、これに限定されるものではない。
【００３２】
そして、燃料電池１の発電運転中において、制御部４４または手動でバルブ４３が開放操作され、タンク４１の酸溶液が酸供給通路４２を経て酸化剤用加湿部３１に供給される。これによりコンプレッサ３０で搬送された酸化剤ガスは、酸溶液の水成分により加湿されると共に、酸を含む状態で酸化剤用加湿部３１よりも下流側に流れる。この結果、酸化剤加湿部３１よりも下流の部分においては、酸成分により沈殿物の生成、蓄積が抑制されると共に洗浄が行われる。この結果、酸化剤用加湿部３１の下流以降の部位が洗浄される。ここで、酸化剤用加湿部３１の下流以降の部位としては、酸化剤用加湿部３１から燃料電池１の酸化剤極１２までの通路３ｂ、燃料電池１の酸化剤極１２自体、燃料電池１の酸化剤極１２よりも下流側の通路３ｃが挙げられる。
【００３３】
コンプレッサ３０で高圧に圧縮された酸化剤ガスは圧縮熱をもつ。故に、酸化剤ガスに供給される酸は、圧縮熱をもつ酸化剤ガスにより加熱されて反応活性を高め、洗浄力を高めることが期待される。故に、配管などの洗浄力を確保しつつ、酸の希釈度を高めることを期待でき、洗浄力を確保しつつ酸の使用量を低減するのに有利となる。
【００３４】
更に発電運転中の燃料電池１は一般的には７０〜９０℃の温度に昇温するため、酸は酸化剤ガスと共に燃料電池１に進入すると、燃料電池１の熱で加熱されて反応活性を高め、洗浄力を高めることが期待される。故に、洗浄力を確保しつつ、酸の希釈度を高めることを期待でき、酸の使用量を低減するのに有利となる。以上のような構成とされた本実施形態によれば、酸化剤通路３において沈殿物の生成、蓄積を抑えると共に、不純物による燃料電池１の発電性能の低下を抑制することができる。更に酸化剤用加湿部３１に酸溶液を供給することにしているため、酸化剤ガスを酸溶液の水分で加湿することができる。なお、必要に応じて、酸化剤用ドレインタンク３２に中和剤を添加する処理部３５を設けることもできる。
【００３５】
（実施形態２）
図２は実施形態２を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、作用効果を有する。共通する部位には共通の符号を付する。以下、相違する部分を中心として説明する。本実施形態に係る燃料電池システムは、図２に示すように、電解質膜１０とこれを挟む燃料極１１及び酸化剤極１２を有する燃料電池１と、燃料電池１の燃料極１１に供給する燃料が流れる燃料通路２と、燃料電池１の酸化剤極１２に供給する酸化剤が流れる酸化剤通路３とを有する。
【００３６】
本実施形態によれば、燃料電池１の発電運転中において、酸化剤通路３を流れる酸化剤ガスに酸を供給する燃料用の酸供給部４Ｂが設けられている。燃料用の酸供給部４Ｂは、酸を希釈した酸溶液（常温領域または加温領域）を酸収容容器として機能する収容するタンク４１Ｂと、タンク４１Ｂと燃料用加湿部２１とを繋ぐ酸供給通路４２Ｂと、酸供給通路４２Ｂを開閉するバルブ４３Ｂとをもつ。タンク４１Ｂに収容されている酸溶液としては、硫酸溶液、硝酸溶液、塩酸溶液とすることができるが、硫酸溶液が好ましい。このタンク４１Ｂに収容されている酸水溶液の容量モル濃度は適宜選択でき、１０-5〜１Ｍ、殊に１０-5〜０．１Ｍ,１０-5〜０．０１Ｍとされているが、これに限定されるものではない。
【００３７】
そして、燃料電池１の発電運転中において、制御部４４Ｂまたは手動でバルブ４３Ｂが開放操作されて、タンク４１Ｂの酸溶液が酸供給通路４２Ｂを介して燃料用加湿部２１に供給されるので、燃料ガスは酸溶液の水成分により燃料用加湿部２１において加湿されると共に、酸を含む状態で燃料用加湿部２１よりも下流側に流れる。この結果、燃料用加湿部２１よりも下流の部分においては、酸成分により沈殿物の生成、蓄積が抑制されると共に洗浄が行われる。この結果、燃料用加湿部２１の下流以降の部位が洗浄される。
【００３８】
ここで、燃料通路２において、燃料用加湿部２１の下流以降の部位としては、燃料用加湿部２１から燃料電池１の燃料極１１までの通路２ｂ、燃料電池１の燃料極１１自体、燃料電池１の燃料極１１よりも下流側の通路２ｃが挙げられる。発電運転中の燃料電池１は一般的には７０〜９０℃の温度に昇温するため、燃料電池１の熱で酸は加熱されて反応活性が高まり、洗浄力を高めることが期待される。故に、洗浄力を確保しつつ、酸の希釈度を高めることを期待でき、酸の使用量を低減するのに有利となる。以上のような構成とされた本実施形態によれば、燃料通路２において沈殿物の生成を抑えると共に、不純物による燃料電池１の発電性能の低下を抑制することができる。更に酸化剤用加湿部３１に酸溶液を供給することにしているため、酸溶液の水分で酸化剤ガスを加湿することができる。なお必要に応じて、燃料用ドレインタンク２２に中和剤を添加する処理部２５を設けることもできる。
【００３９】
（実施形態３）
図３は実施形態３を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、作用効果を有する。共通する部位には共通の符号を付する。以下、相違する部分を中心として説明する。本実施形態に係る燃料電池システムは、図３に示すように、電解質膜１０とこれを挟む燃料極１１及び酸化剤極１２を有する燃料電池１と、燃料電池１の燃料極１１に供給する燃料が流れる燃料通路２と、燃料電池１の酸化剤極１２に供給する酸化剤が流れる酸化剤通路３とを有する。
【００４０】
本実施形態によれば、燃料電池１の発電運転中において、酸化剤通路３を流れる酸化剤ガスに酸を供給する酸化剤用の酸供給部４が設けられている。酸化剤用の酸供給部４は、酸を水（純水）で希釈した酸溶液を収容するタンク４１と、タンク４１と酸化剤用加湿部３１とを繋ぐ酸供給通路４２と、酸供給通路４２を開閉するバルブ４３とをもつ。
【００４１】
更に、燃料通路２を流れる燃料ガスに酸を供給する燃料用の酸供給部４Ｂが設けられている。燃料用の酸供給部４Ｂは、酸を水（純水）で希釈した酸溶液を収容するタンク４１Ｂと、タンク４１Ｂと燃料用加湿部２１とを繋ぐ酸供給通路４２Ｂと、酸供給通路４２Ｂを開閉するバルブ４３Ｂとをもつ。
【００４２】
そして、燃料電池１の発電運転中において、バルブ４３が開放し、酸溶液が酸化剤用加湿部３１に供給されるので、酸化剤ガスは酸溶液の水成分により加湿され、酸を含む状態で下流側に流れる。同様に、バルブ４３Ｂが開放し、酸溶液が燃料用加湿部２１に供給されるので、燃料ガスは酸溶液の水成分により加湿されると共に、酸を含む状態で下流側に流れる。この結果、酸化剤通路３及び燃料通路２の双方においては、酸成分により沈殿物の生成が抑制されると共に洗浄が行われる。以上のような構成とされた本実施形態によれば、酸化剤通路３及び燃料通路２において沈殿物の生成、蓄積を抑えると共に、不純物による燃料電池１の発電性能の低下を抑制することができる。
【００４３】
（実施形態４）
図４は実施形態４を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、作用効果を有する。共通する部位には共通の符号を付する。以下、相違する部分を中心として説明する。図４に示すように、酸化剤ガスに酸溶液を供給する酸供給通路４２は、酸化剤用加湿部３１の上流に繋がる第１分岐路４２１と、酸化剤用加湿部３１自体に繋がる第２分岐路４２２と、酸化剤用加湿部３１の下流に繋がる第３分岐路４２３とを有する。バルブ４３は、第１分岐路４２１に繋がる第１バルブ４３１と、第２分岐路４２２に繋がる第２バルブ４３２と、第３分岐路４２３に繋がる第３バルブ４３３とを有する。このように酸化剤ガスに酸溶液を供給する酸供給通路４２は複数の分岐路４２１，４２２，４２３で形成されている。バルブ４３は複数のバルブ４３１，４３２，４３３で形成されている。
【００４４】
酸化剤用加湿部３１の上流を清浄化したいときには、第１バルブ４３１を開放するとよい。酸化剤用加湿部３１自体を清浄化したいときには、第２バルブ４３２を開放するとよい。酸化剤用加湿部３１の下流を清浄化したいときには、第３バルブ４３３を開放するとよい。また、図４に示すように、燃料ガスに酸溶液を供給する酸供給通路４２Ｂは、燃料用加湿部２１の上流に繋がる第１分岐路４２６と、燃料用加湿部２１に繋がる第２分岐路４２７と、燃料用加湿部２１の下流に繋がる第３分岐路４２８とを有する。
【００４５】
バルブ４３Ｂは、第１分岐路４２６に繋がる第１バルブ４３６と、第２分岐路４２７に繋がる第２バルブ４３７と、第３分岐路４２８に繋がる第３バルブ４３８とを有する。燃料用加湿部２１の上流を清浄化したいときには、第１バルブ４３６を開放すると良い。燃料用加湿部２１自体を清浄化したいときには、第２バルブ４３７を開放するとよい。燃料用加湿部２１の下流を清浄化したいときには、第３バルブ４３８を開放するとよい。このように本実施形態によれば、複数のバルブ４３１，４３２，４３３，４３６，４３７，４３８のうち、配管の清浄化に応じてバルブを適宜開放すれば、配管系のうち必要な部位を必要に応じて清浄化させることができる。
【００４６】
（実施形態５）
図５は実施形態５を示す。本実施形態は実施形態１〜４と基本的には同様の構成、作用効果を有する。従って図１〜図４を準用することができる。共通する部位には共通の符号を付する。以下、相違する部分を中心として説明する。燃料電池１の発電出力を検出する発電出力検出手段が設けられている。制御部４４は、酸供給時間と酸供給停止・低減時間とを計測するタイマ機能を有する。そして、制御部４４は、燃料通路２及び酸化剤通路３のうちの少なくとも一方に希釈された酸を供給する酸供給工程ＴＡと、当該一方への酸の供給を停止するかあるいは低減させる酸供給停止・低減工程ＴＢと交互に切り替える。これにより酸の使用量を少なくしつつ、配管系の洗浄力を確保することができる。なお酸供給停止・低減工程ＴＢでは、純水などの水で燃料ガスや酸化剤ガスを加湿すると良い。
【００４７】
具体的には、燃料電池１の発電出力が低下したとき、酸供給停止・低減時間が経過したとき、洗浄操作が要請されるときのうちの少なくとも一つの条件が満たされたとき、制御部４４（４４Ｂ）は、バルブ４３（４３Ｂ）を開放するか、バルブ開度を増加させるので、酸供給停止・低減工程ＴＢから酸供給工程ＴＡに切り替える。
【００４８】
また、燃料電池１の発電出力が回復したとき、酸供給時間が経過したとき、洗浄操作が要請されないときのうちの少なくとも一つの条件が満たされたとき、制御部４４（４４Ｂ）は、バルブ４３（４３Ｂ）を閉じるか、バルブ開度を減少させるので、酸供給工程ＴＡから酸供給停止・低減工程ＴＢに切り替える。これにより酸の供給は停止されるか、低減される。以上のような構成とされた本実施形態によれば、不純物による燃料電池１の発電性能の低下を抑制することができる。なお、燃料電池１の起動開始時には、酸供給停止・低減工程ＴＢあるいは酸供給工程ＴＡのいずれかからスタートしても良い。
【００４９】
（実施形態６）
図６及び図７は実施形態６を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、作用効果を有する。図６に示すように、燃料電池システムは、電解質膜１０を挟持した燃料極１１及び酸化剤極１２を有する燃料電池１と、燃料電池１の燃料極１１に供給する燃料が流れる燃料通路２と、燃料電池１の酸化剤極１２に供給する酸化剤が流れる酸化剤通路３とを有する。酸化剤通路３または燃料通路２において、燃料電池１の上流にはガス浄化部６が設けられている。ガス浄化部６は、第１ガス浄化部６Ａと、第１ガス浄化部６Ａよりも下流の第２ガス浄化部６Ｂとを有する。
【００５０】
図６に示すように、第１ガス浄化部６Ａは、酸溶液６１を収容する容器６０と、容器６０に収容されている酸溶液６１に燃料または酸化剤のガスを吹き込む１次管６２と、容器６０に収容されている酸溶液６１の液面上方で入口６３ａが開口すると共に燃料電池１に繋がる２次管６３とを備えている。酸溶液６１は、硫酸溶液、硝酸溶液、塩酸溶液を採用できるが、硫酸溶液（常温状態または加熱状態）が好ましい。容器６０内の酸溶液６１の酸濃度は、要請される浄化率、不純物の種類などに応じて適宜選択できるが、１０-5〜１Ｍ、１０-5〜０．１Ｍ、殊に１０-5〜０．０１Ｍを例示することができる。但し、容器６０内の酸溶液６１の酸濃度はこれに限定されるものではない。１次管６２の先端部６２ｐは、気泡を生成できるように、容器６０の酸溶液６１に浸漬されている。
【００５１】
本実施形態によれば、燃料電池１に供給される前の燃料または酸化剤のガスが第１ガス浄化部６Ａの１次管６２により容器６０の酸溶液６１に吹き込まれる。このため、当該ガスに不純物が含まれているときであっても、不純物は第１ガス浄化部６Ａの容器６０の酸溶液６１に溶解または沈殿して回収される。故に、当該ガスは清浄化されると共に、容器６０の酸溶液６１によって加湿されてウェットなガスとなる。このように清浄化されたガスは、容器６０の酸溶液６１の液面上方で開口する２次管６３、更には第２ガス浄化部６Ｂを経て、加湿部６４に至る。そして、上記したように第１ガス浄化部６Ａで清浄化されたガスは加湿部６４で加湿（純水加湿,酸加湿）された後に、燃料電池１に供給される。このように清浄化されたガスが燃料電池１に供給される。このため不純物に起因する燃料電池１の発電性能の低下が抑制される。第１ガス浄化部６Ａが所定以上の加湿力を有すれば、加湿部６４を廃止することもできる。
【００５２】
なお、第１ガス浄化部６Ａにおいては、酸溶液６１に燃料または酸化剤のガスを吹き込む１次管６２の先端部６２ｐに網部材６２ｘを設けておけば、１次管６２の先端部から酸溶液６１にガスが吹き込まれるとき、酸溶液６１に生成される気泡を小さくでき、気泡のガス相と酸溶液６１の液相との境界面積が増加するので、酸溶液６１における不純物の除去に有利である。
【００５３】
図７（Ａ）に示すように、第２ガス浄化部６Ｂは、燃料または酸化剤を含むウェットなガスが供給され、ウェットなガスに含まれている水分を凝縮させて液化させる凝縮室７０を有する液化容器７１を備えている。更に、ウェットなガスを凝縮室７０に吹き込む吹込通路７０１と、凝縮室７０からガスを吐出させる吐出通路７０２とが設けられている。
【００５４】
吹込通路７０１の流路径をＤ１１、吐出通路７０２の流路径をＤ１２、凝縮室７０の流路径をＤ１３とするとき、Ｄ１３＞Ｄ１１，Ｄ１３＞Ｄ１２の関係とされている。ガスが吹込通路７０１、凝縮室７０、吐出通路７０２を流れるとすると、流路径が増加して流速が低下する凝縮室７０での内圧が増加し、凝縮室７０での凝縮化（PV=const）に有利であると推察される。
【００５５】
吹込通路７０１から凝縮室７０に供給された当該ガスは、凝縮室７０において液化が進行して液体成分となり、凝縮室７０の底７０ｂ付近に酸溶液として貯留される。そして、当該ガスに浮遊している不純物は、当該ガスの液化に伴い、当該ガスから凝縮室７０の液体部分（酸溶液）に回収される。当該ガスに浮遊している不純物は、凝縮の核となり、液化を促進させるものと推察される。清浄化されたガスは吐出通路７０２が下流に向けて流れる。
【００５６】
本実施形態によれば、必要に応じて、凝縮室７０を冷却する冷却手段７３を設けることができる。冷却手段７３としては、凝縮室７０を冷却するものであれば、特に限定されず、冷却水等の冷却媒体で冷却しても良いし、送風で冷却しても良い。このように凝縮室７０を冷却すれば、飽和蒸気圧が低下し、凝縮室７０に供給されたウェットなガスに含まれている水分が液化する液化効率を更に高めることができ、不純物の捕集効率を高めることができ、当該ガスを清浄化するのに一層有利となる。凝縮室７０において液化した液体成分は液化容器７１の凝縮室７０の底７０ｂに残留するので、回収溶液（酸溶液）７４として回収する。
【００５７】
以上のような構成とされた本実施形態によれば、ガスに含まれている不純物を浄化でき、酸化剤通路３,燃料通路２において沈殿物の生成、沈殿を抑えると共に、不純物による燃料電池１の発電性能の低下を抑制することができる。
【００５８】
なお、図７（Ｂ）に示すように、吹込通路７０１の流路径Ｄ１１を吐出通路７０２の流路径Ｄ１２よりも大きく設定すれば（Ｄ１１＞Ｄ１２）、凝縮室７０の内圧を増加でき、凝縮室７０での凝縮性を高めるのに有利となる。
【実施例】
【００５９】
実施例によれば、カーボンブラックに白金を４０重量％担持させた白金担持カーボン触媒（ジョンソンマッセイ  HISPEC 4000）と、水と、高分子電解質のアルコール分散液（旭化成株式会社製  Aciplex SS 1080）と、IPA（２  プロパーノール）を、重量比で、１：２．１：１５：１．９の割合で配合し、触媒ペーストを作製した。
【００６０】
また、カーボンペーパ（東レ株式会社製,カーボンペーパ  TGP H 060）の片面に、撥水処理したカーボン粉末層を導電層として塗布した。この場合、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（ダイキン株式会社製  D 1）とカーボンブラックとを混合した混合物を塗布することにより行った。塗布後に、乾燥し、撥水処理したガス拡散層とした。
【００６１】
上記したガス拡散層の片面に対して、前記した触媒ペーストを塗布した。その後、６０℃で乾燥することにより、ガス拡散層の片面に触媒層を形成し、これにより酸化剤極１２用のガス拡散電極と、燃料極１１用のガス拡散電極とをそれぞれ形成した。酸化剤極１２用のガス拡散電極では、触媒層の白金量は０．３ミリグラム／ｃｍ2であり、燃料極１１用のガス拡散電極では、触媒層の白金量は０．４ミリグラム／ｃｍ2とした。
【００６２】
上記したガス拡散電極の触媒層が電解質膜１０に対面するように、酸化剤極１２用のガス拡散電極、電解質膜１０、燃料極１１のガス拡散電極の順でこれらを重ね合わせた積層体を形成した。そして積層体を温度１３０℃、圧力１０kg/cm2の条件で、２分間保持し、ホットプレスにより接合を行った。これにより膜電極接合体（ＭＥＡ）を形成した。
【００６３】
そして、膜電極接合体（ＭＥＡ）の酸化剤極１２に酸化剤ガス（純酸素ガス）を供給すると共に燃料極１１に燃料ガス（純水素ガス）を供給し、発電運転を行った。発電運転中に、硫酸溶液（酸濃度０．００３Ｍ，０．０１Ｍ,加湿モル比０．１２）を酸化剤ガスに加湿した。そして、燃料電池１の時間と電圧との関係を測定した。図８は、硫酸溶液で酸加湿したときにおける上記した発電運転における時間と電圧との関係を示す。図８において、Ａ１領域では純水加湿とし、Ａ２領域では酸加湿（０．００３Ｍ,Ｈ2ＳＯ4）とし、Ａ３領域では純水加湿とし、Ａ４領域では酸加湿（０．０１Ｍ,Ｈ2ＳＯ4）とした。酸加湿は、純水に硫酸を溶解させた硫酸溶液を用いて行った。この試験によれば、図８の特性線に示すように、セル電圧の低下は認められなかった。更に、配管の洗浄効果も認められた。
【００６４】
また他の試験例として、発電運転中に、硫酸溶液（Ｈ2ＳＯ4）に代えて硝酸溶液（ＨＮＯ3，酸濃度０．０１Ｍ,  加湿モル比０．１２）を用い、硝酸溶液で酸化剤ガス（純酸素ガス）を酸加湿した。そして発電運転における時間と電圧との関係を測定した。図９は、硝酸溶液で酸加湿したときにおける発電運転における時間と電圧との関係を示す。この場合、図９において、Ｂ１領域では純水加湿とし、Ｂ２領域では酸加湿（０．０１Ｍ,ＨＮＯ3）とし、Ｂ３領域では純水加湿とした。この試験によれば、図９の特性線に示すように、酸加湿と共に電圧の低下は多少の認められたものの、配管の洗浄効果は認められた。
【００６５】
上記した硫酸溶液及び硝酸溶液を用いた発電試験によれば、電極面積は１３ｃｍ2であり、電流密度は０．１７アンペア／ｃｍ2であり、燃料ガスは純水素ガス、利用率は８５％、温度は６０℃、バブラー加湿開放とした。酸化剤ガスは空気とし、利用率２０％、温度は４７℃とし、バブラー加湿相当量を注水加湿した。
【００６６】
また、回収水に含まれている金属元素を測定する試験を行った。この場合、
発電終了後に、純水加湿を行いながら、両極に窒素を流し、評価装置の洗浄を行い、その回収水のＩＣＰ分析を行った。
【００６７】
純水加湿後の燃料極の金属濃度は、鉄が０．１８ｐｐｍ、ニッケルが０．１７ｐｐｍ、亜鉛が０．１１ｐｐｍであった。酸化剤極１２については、鉄が０．１７ｐｐｍ、ニッケルが０．０３ｐｐｍ、亜鉛が０ｐｐｍであった。このように純水加湿の場合には、回収水は多くの金属成分を含有していた。
【００６８】
これに対して、加湿形態を硫酸溶液（酸濃度０．０１Ｍ）による加湿に変更したところ、次のようであった。即ち、燃料極１１側の回収水に含まれている金属成分の濃度（ＩＣＰ分析）としては、鉄が０ｐｐｍ、ニッケルが０ｐｐｍ、亜鉛が０ｐｐｍであった。酸化剤側の回収水に含まれている金属成分の濃度（ＩＣＰ分析）としては、鉄が０ｐｐｍ、ニッケルが０ｐｐｍ、亜鉛が０ｐｐｍであった。これは、発電運転において酸加湿を行えば、発電運転を実行しつつ配管系をコンスタントに洗浄できるため、配管系の清浄度が進行し、回収水中の金属成分が少なくなるものと推察される。
【００６９】
(その他)
その他、本発明は上記し且つ図面に示した実施例のみに限定されるものではなく、必要に応じて適宜変更して実施できるものである。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明は車両用の燃料電池、定置用の燃料電池、携帯用の燃料電池などに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】実施形態１に係る配管系を示す構成図である。
【図２】実施形態２に係る配管系を示す構成図である。
【図３】実施形態３に係る配管系を示す構成図である。
【図４】実施形態４に係る配管系を示す構成図である。
【図５】実施形態５に係る制御部の制御形態を示すタイミングチャートである。
【図６】実施形態６に係る第１ガス浄化部を示す構成図である。
【図７】（Ａ）は実施形態７に係る第２ガス浄化部を示す構成図であり、（Ｂ）は実施形態７に係る他の第２ガス浄化部を示す構成図である。
【図８】硫酸溶液を用いて酸加湿したときにおける発電運転時の時間と電圧との関係を示す。
【図９】硝酸溶液を用いて酸加湿したときにおける発電運転時の時間と電圧との関係を示す。
【符号の説明】
【００７２】
図中、１は燃料電池、１０は電解質膜、１１は燃料極、１２は酸化剤極、２は燃料通路、２０は燃料タンク、２１は燃料用加湿部、３は酸化剤通路、３０はコンプレッサ、３１は酸化剤用加湿部、４は酸化剤用の酸供給部、４Ｂは燃料用の酸供給部、４１はタンク、４２は酸供給通路、４３はバルブ、４４は制御部、４１Ｂはタンク、４２Ｂは酸供給通路、４３Ｂはバルブ、４４Ｂは制御部を示す。
【図１】
2005216510.tif 000003
【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】
2005216510.tif 000008
【図７】
2005216510.tif 000009
【図８】
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【図９】
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