(57)【要約】【課題】  窒素ガスの電解質膜の透過を抑制して長時間に渡り安定して発電することができ、且つ、水素ガス供給量に対する発電効率の高い燃料電池及びこれを用いた燃料電池システムを提供する。【解決手段】  触媒を備えた触媒層１２Ａを有し水素ガスが供給されるアノード電極１２と、触媒を備えた触媒層１４Ａを有し空気が供給されるカソード電極１４と、アノード電極１２とカソード電極１４とに挟持された電解質膜１６と、を備えた燃料電池１０であって、カソード電極１４に空気から酸素を選択的に分離する酸素富化膜２４が備えられた燃料電池１０である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒を備えた触媒層を有し水素ガスが供給されるアノード電極と、触媒を備えた触媒層を有し空気が供給されるカソード電極と、前記アノード電極と前記カソード電極とに挟持された電解質膜と、を備えた燃料電池であって、前記カソード電極に前記空気から酸素を選択的に分離する酸素分離手段が備えられた燃料電池。
【請求項２】
前記酸素分離手段が、酸素富化膜である請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記酸素分離手段が、酸素吸着カーボンであり、前記カソード電極の触媒層が、前記酸素吸着カーボンを含んで構成された請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記酸素分離手段が酸素富化膜成分であり、前記酸素富化膜成分が前記カソード電極の触媒層に含有された請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載された燃料電池と、前記燃料電池のアノード電極に水素ガスを供給する水素ガス供給手段と、前記燃料電池のカソード電極に空気を供給する空気供給手段と、前記燃料電池のカソード電極からカソードオフガスを排出するカソードオフガス排出手段と、を備えた燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池のアノード電極からアノードオフガスを排出するアノードオフガス排出手段を備え、前記アノードオフガス排出手段は前記水素ガス供給手段に前記アノードオフガスを供給することなく、アノードオフガスを排出するようにした請求項５に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、及びこれを用いた燃料電池システムに関し、特にアノード電極において水素ガスを循環させないデッドエンド方式に好適な燃料電池及びこれを用いた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化石燃料の埋蔵量が激減しており、その代替となる燃料の開発が求められている。化石燃焼の代替燃料としては、容易に生成することが可能であり、環境に対する負荷の少ない水素が注目されている。水素ガスを用いたエネルギー源としては、発電の際に二酸化炭素等を発生せず、クリーンなエネルギー源である燃料電池が注目されており、各種開発が盛んに行われている。
【０００３】
燃料電池の一種である固体高分子型燃料電池は、水素などの燃料ガスが供給されるアノード電極と、空気などの酸化剤ガスが供給されるカソード電極と、前記電極に挟持される電解質膜と、を備えて構成されており、各電極には白金等の触媒が備えられている。固体高分子型燃料電池は、電極に備えられた触媒上で水素と酸素を電気化学的に反応させ、電気を発生させるものである。
【０００４】
従来の固体高分子型燃料電池では、水素ガスの利用効率を高めるために、アノード電極において電気化学反応に寄与しなかった余剰水素ガス等（アノードオフガス）を、再び水素ガスに混入しアノード電極に供給する水素ガス循環方式が多く採用されている。
【０００５】
一方、固体高分子型燃料電池のカソード電極には、酸化剤として空気が供給される。通常、カソード電極に供給される空気には、酸素ガスと共に窒素ガスが多く含まれている。しかし、窒素ガスは固体高分子型燃料電池の電解質膜を透過しやすいため、電解質膜を透過してアノード電極にまで移動してしまう。かかる窒素ガスの移動量が増加すると、アノード電極における触媒上での水素ガスの反応を阻害し、水素ガス供給量に対する燃料電池の発電効率が低下してしまう。
【０００６】
上記水素ガス循環方式を採用する燃料電池においては、水素ガスを循環させていることから、窒素ガスがアノード電極に移動していても、循環ラインの水素濃度が飽和することにより、窒素の透過は抑制される。
【０００７】
しかし、係る状態においては燃料電池の発電に必要な消費量以上の水素ガスを供給する必要があり、結果として水素ガスの利用効率が低下してしまう。
【０００８】
これに対し、近年においては、アノード電極において水素ガスを循環させないデッドエンド方式が注目されている。かかるデッドエンド方式によれば、燃料電池に発電に必要な量のみ水素ガスを供給すればよく、水素ガスの供給量を必要量に低減することができ、水素ガスの利用効率を更に高めることができる。また、デッドエンド方式によれば、アノードオフガスを再びアノード電極に供給するための循環機構を設ける必要がないことから燃料電池システムの単純化及び小型化を図ることができる。
【０００９】
しかし、かかるデッドエンド方式においては、アノード電極において水素ガスを循環させないことから、アノード電極の水素ガス供給側において水素濃度が飽和しにくく、水素ガス循環方式と比べても窒素ガスの透過を抑制しにくいといった問題がある。このため、従来においては、アノード電極において窒素濃度が一定以上になるとシャットバルブを一定時間解放して、窒素ガスを含む水素ガスをシステム外に排出する必要があった。
【００１０】
このような窒素ガスの電解質膜の透過を防止するためには、予め空気中の酸素濃度が富化された酸素富化空気を燃料電池に供給する方法が提案されている。かかるように酸素富化空気を燃料電池に供給する技術としては、空気中の酸素を濃縮する酸素分離装置を燃料電池スタックのカソード供給側に設置し、酸素富化されたガスをカソード側に供給するとともに、窒素富化されたガスを改質器用燃焼用ガスや回収水脱気用ガス等の用途に用いて、設備のコスト低減、プラント小型化、動力損失低減によるシステム発電効率の向上を目的とした燃料電池発電システムが提案されている（例えば、特許文献１参照。）
【００１１】
かかる燃料電池発電システムによれば、酸素富化空気を燃料電池に供給することができるため、窒素ガスの電解質膜透過をある程度抑制することができることが推測される。しかし、空気中の酸素濃度を凝縮する酸素分離装置を外部装置として設ける必要があることから、装置の大型化、配管・部品数の増加、が必要であり、更に、酸素分離装置の通過抵抗が増大し、システム全体のエネルギー効率が低下してしまう。
【００１２】
【特許文献１】特開２０００−６７８９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上述の諸問題を解決すべく、本発明は、窒素ガスの電解質膜の透過を抑制して長時間に渡り安定して発電することができ、且つ、水素ガス供給量に対する発電効率の高い燃料電池及びこれを用いた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】
【００１４】
上記課題を解決するための手段は以下の通りである。
【００１５】
本発明の燃料電池は、触媒を備えた触媒層を有し水素ガスが供給されるアノード電極と、触媒を備えた触媒層を有し空気が供給されるカソード電極と、前記アノード電極と前記カソード電極とに挟持された電解質膜と、を備えた燃料電池であって、前記カソード電極に前記空気から酸素を選択的に分離する酸素分離手段が備えられて構成される。
【００１６】
本発明の燃料電池によれば、空気の供給側であるカソード電極に設けられた酸素分離手段によって電解質膜にまで到達する空気に含まれる酸素を凝集して酸素濃度を高めることができる。これにより、空気中の酸素分圧が上昇し、窒素ガスが電解質膜を透過しにくくなる。更に、本発明によれば酸素濃度が高い空気（以下、「酸素富化空気」という場合がある。）をカソード電極に供給することができるため、水素ガス供給量に対する燃料電池の発電効率を向上させることができる。また、本発明によれば、酸素富化手段を燃料電池内部に有するため、装置外部において別途酸素富化装置を設置する必要がなく、システムの小型化、簡略化を図ることができる。
【００１７】
本発明において「酸素分離手段」とは、空気中の酸素と窒素とを分離して、空気中の酸素濃度を上昇させることができるものを意味する。酸素富化手段による酸素と窒素との分離方法は特に限定されるものではなく、例えば、多孔質膜内を流れる酸素ガスと窒素ガスとの気体分子の速度差を利用し選択的に酸素のみを透過若しくは窒素を透過しにくくする、或いは、非多孔質膜（均質膜）への気体分子の溶解度や膜中の拡散速度の差を利用して酸素のみを選択して透過させる酸素富化膜や、これに用いられる酸素富化膜成分や、酸素原子と窒素原子との分子粒径差を利用し、細孔により酸素のみを吸着する酸素吸着材等が挙げられる。
【００１８】
上記カソード電極における酸素分離手段の設置部位は、カソード電極に供給された空気が電解質膜に達する前に該空気中の酸素と窒素とを分離できれば特に限定はされない。また、酸素分離手段の形態も特に限定されるものではないが、膜状の酸素分手段を用いて、電解質膜に達する窒素を遮断するのが好ましい。
【００１９】
上述のように、本発明の燃料電池は、前記酸素分離手段として酸素富化膜を用いることができる。本発明の燃料電池は、酸素分離手段として酸素富化膜を用いることで、電解質膜に達する空気中の酸素分圧を高めることができ、窒素ガスの透過を抑制することができる。
【００２０】
前記酸素富化膜としては、上述のように、多孔質膜内を流れる酸素ガスと窒素ガスとの気体分子の速度差を利用し選択的に酸素のみを透過させるものや、非多孔質膜（均質膜）への気体分子の溶解度や膜中の拡散速度の差を利用して酸素のみを選択して透過させるものが挙げられる。また、酸素富化膜の設置部位としては、発電効率を向上させる観点からは触媒層よりも空気供給側（触媒層の空気供給側にガス拡散層を設ける場合には、触媒層とガス拡散層との間、若しくは、ガス拡散層中、或いは、ガス拡散層と空気供給手段（例えば、セパレータ）との間）に設けるのが好ましいが、酸素富化膜を電解質膜と触媒層との間に設けることもできる。また、酸素富化膜には、カーボン粒子等の電気伝導性を持った物質を膜中に混在させ、電気伝導性を付与するのが好ましい。
【００２１】
本発明の燃料電池は、酸素分離手段として酸素吸着カーボンを用い、前記カソード電極の触媒層を、前記酸素吸着カーボンを含んで構成することができる。本発明の燃料電池によれば、前記酸素分離手段として、酸素吸着カーボン（酸素吸着カーボンを含んで構成された触媒層）を用いることで、触媒層に選択的に酸素ガスを集めることができる。これにより、窒素ガスが電解質膜にまで到達するのを抑制し、その透過を防止することができる。
【００２２】
前記酸素吸着カーボンとは、上述の酸素吸着材の一種であり、窒素と酸素との分子径差による吸着速度（吸着しやすさ）を利用したものである。前記酸素吸着カーボンには、分子径の大きな窒素分子が入りにくく、分子径の大きな酸素分子が入りやすいミクロ孔を複数有していることから、空気中の酸素ガスを吸着して窒素ガスを分離することができる。
【００２３】
また、前記カソード電極の触媒層を前記酸素吸着カーボンで構成することで、触媒の周りに選択的に酸素ガスを多く存在させることができ、更に、発電効率を高めることができる。
【００２４】
更に、本発明の燃料電池は、前記酸素分離手段として酸素富化膜成分を用い、前記酸素富化膜成分を前記触媒層に含有させることができる。本発明の燃料電池によれば、酸素富化膜成分（上述の酸素富化膜を構成する成分）を触媒層に含有させることで、窒素ガスが触媒層内で移動するのを抑制することができるため、窒素ガスの電解質膜の透過を防ぐことができる。更に、触媒の周りに選択的に酸素ガスを多く存在させることができることから、燃料電池の発電効率を更に向上させることができる。
【００２５】
本発明の燃料電池システムは、本発明の燃料電池と、前記燃料電池のアノード電極に水素ガスを供給する水素ガス供給手段と、前記燃料電池のカソード電極に空気を供給する空気供給手段と、前記燃料電池のカソード電極からカソードオフガスを排出するカソードオフガス排出手段と、を備えて構成することができる。本発明の燃料電池システムは、本発明の燃料電池を備えることで、長時間安定した電力を供給することができ、更に、供給される水素ガスに対する発電効率を高めることができる。ここで、「カソードオフガス」とは、カソード電極において、電気化学反応に寄与しなかった余剰空気やカソード電極において生成した水蒸気を含んだものである。更に、カソードオフガスは酸素分離手段により分離された窒素ガスが多く含まれているため、窒素富化ガスとなっている。
【００２６】
また、本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池のアノード電極からアノードオフガスを排出するアノードオフガス排出手段を備え、前記アノードオフガス排出手段は前記水素ガス供給手段に前記アノードオフガスを供給することなく、アノードオフガスを排出するように構成することができる。
【００２７】
本発明の燃料電池システムは、本発明の燃料電池を備えていることから、このようにアノード電極から排出されるアノードオフガスを再びアノード電極に供給しない、即ち、アノード電極において水素ガスを循環させないデッドエンド方式の燃料電池システムとして構成しても、窒素ガスの透過による発電効率の低下がなく、長時間安定して電力を供給することができ、更に、水素ガス供給量に対する発電効率を高めることができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、窒素ガスの電解質膜の透過を抑制して長時間に渡り安定して発電することができ、且つ、水素ガス供給量に対する発電効率の高い燃料電池及びこれを用いた燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の燃料電池システムの実施形態について図を用いて詳細に説明する。
【００３０】
（第１の実施の形態）
本実施の形態は、本発明の燃料電池を備えた燃料電池システムであり、水素タンクに貯蔵された水素ガスを燃料電池に供給すると共に、コンプレッサーにより空気を供給して発電反応に用い、燃料電池から排出されるアノードオフガスを再び燃料電池に供給することなくカソードオフガスと共にシステム外に排出するデッドエンド方式を採用した燃料電池システムである。
【００３１】
図１を用いて第１の実施の形態における燃料電池システムについて説明する。図１は、第１の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す概略図である。図１に示すように本発明の燃料電池１０は、燃料である水素ガスが供給されるアノード電極１２と、酸化剤として空気が供給され、酸素富化膜２４を備えたカソード電極１４と、電解質膜１６と、セパレータ１８，２０と、から構成されており、アノード電極１２及びカソード電極１４とに接続された外部回路２２を通じて外部装置４８に電力を供給できるように構成されている。本発明の燃料電池１０は、燃料として供給された水素ガスがアノード電極１２において水素イオンと電子（ｅ-）とを放出し、放出された電子（ｅ-）が外部回路２２を介してカソード電極１４まで移動することで発電する。
【００３２】
また、アノード電極１２に設置されるセパレータ１８の水素供給側には、ポンプＰ１及び調圧バルブＶ１を備えた配管２６の一端が接続されており、水素タンク２８に貯蔵された水素ガスが配管２６を通じて燃料電池１０に供給されるようになっている。
【００３３】
更に、セパレータ１８のアノードオフガス排出側には、シャットバルブＶ２を備えた配管３０の一端が接続されており、シャットバルブＶ２の開閉により配管３０の他端で連結される配管３２を介してアノードオフガスをシステム外に排出できるようになっている。
【００３４】
燃料電池１０のカソード側に設置されるセパレータ２０には、コンプレッサー３４を備えた配管３６の一端が接続されており、コンプレッサーによって送られた空気が配管３６を通じて燃料電池１０に供給されるように構成されている。
【００３５】
更に、セパレータ２０のカソードオフガス排出側には、浄化装置３８が設けられた配管３２の一端が備えられており、燃料電池１０から排出されるカソードオフガスをシステム外に排出できるようになっている。
【００３６】
まず、燃料電池１０の構成について説明する。図１に示すように本発明の燃料電池１０は、アノード電極１２とカソード電極１４とが電解質膜１６の両面と密着するように備えられている。また、アノード電極１２とカソード電極１４との外側には、水素ガス及び空気のガス流路を形成するセパレータ１８及び２０がそれぞれ設置されている。
【００３７】
図１に示すようにカソード電極１４は、酸素吸着カーボンに白金系の金属触媒を担持させた触媒層１４Ａと、酸素富化膜２４と、気孔を有する多孔質部材で形成されたガス拡散層１４Ｂと、から構成されており、触媒層１４Ａが電解質膜１６の一方の面に密着するように配置されている。
【００３８】
触媒層１４Ａとガス拡散層１４Ｂとの間には、酸素富化膜２４が設置されており、後述するセパレータ２０によって形成されるガス流路からガス拡散層１４Ｂを介して供給された空気に含まれる酸素ガスと窒素ガスとのうち、酸素ガスのみを選択的に透過させるようになっている。酸素富化膜２４を透過した空気は、触媒層１４Ａにおいて水素イオン及び電子と反応して水を生成する。
【００３９】
酸素富化膜２４は、主としてポリイミド多孔質膜で形成されており、更に、導電体としてカーボンブラックが混入されている。酸素富化膜２４は、ポリイミド多孔質膜内を流れる酸素ガスと窒素ガスとの気体分子の速度差を利用し酸素のみを選択的（優先的）に透過させることができ、触媒層１４Ａに進入する空気から窒素を分離することができる。また、酸素富化膜２４には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等を添加することができる。
【００４０】
酸素富化膜２４の厚さとしては、本発明の効果を発揮できる程度であれば特に限定はないが、５〜１００μｍ程度が好ましく、５〜１０μｍ程度が更に好ましい。酸素富化膜２４としては、宇部興産製のポリイミド多孔質膜等に導電体等を添加して形成することができる。
【００４１】
触媒層１４Ａは、酸素吸着カーボンと電解質膜成分とから構成されており、更に活性炭等の担持体（酸素吸着カーボンの粉末であってもよい）に担持された金属触媒が備えられている。触媒層１４Ａは酸素吸着カーボンを用いて形成されているため、酸素ガスが触媒層１４Ａに吸着されることから、触媒層１４Ａの多孔質構造内に進入する空気中の酸素濃度は供給された空気と比較して高くなっている。触媒層１４Ａに進入する空気の酸素濃度が高くなると、これに比例して空気中の窒素濃度が低下し、窒素ガスが電解質膜１６を透過するの防止することができる。また、空気の酸素濃度が高い酸素富化空気が触媒層１４Ａに進入すると、触媒層１４Ａに備えられた触媒上を通過する単位時間当たりの酸素量が増えるため、触媒層１４Ａにおける水素イオンと酸素との反応効率を向上させることができる。
【００４２】
図２を用いて触媒層１４Ａの酸素吸着作用について説明する。図２は、第１の実施の形態における触媒層の酸素吸着作用を説明するための概略図である。図２に示すように、触媒層１４Ａを形成する酸素吸着カーボンは、ミクロの細孔を複数有しており、酸素分子と窒素分子との分子径の差（酸素分子：３．８×２．８Å、窒素分子：４．２×３．０Å）を利用して酸素分子と窒素分子とを分離（酸素分子を吸着）することができる。
【００４３】
かかる触媒層１４Ａに設けられた細孔は、分子径の小さい酸素分子４０は入りやすく、酸素分子に比べて分子径の大きな窒素分子４２は入りにくいようになっている。即ち、酸素分子４０は弊害なく触媒層１４Ａの細孔に進入することができるが、分子径の大きい窒素分子４２は細孔に進入することができない。
【００４４】
このため、酸素分子４０のみが次々と細孔に進入していき、残された窒素分子４２と分離される。このように、触媒層１４Ａは酸素分子４０のみを吸着することで、触媒層１４Ａ内に進入する空気の酸素濃度を高めることができる。
【００４５】
また、触媒層１４Ａに備えられる触媒としては、公知の触媒を適宜用いることができ、例えば、Ｐｔ、Ｐｔ−Ｒｈ、Ｐｔ−Ｉｒ、Ｐｔ−Ｒｅ、Ｐｔ−Ｗ、Ｐｔ−Ｒｕ等の貴金属系の金属を用いた炭素担持Ｐｔ触媒、炭素担持Ｐｔ−Ｉｒ複合金属触媒、炭素担持Ｐｔ−Ｒｅ複合金属触媒、炭素担持Ｐｔ−Ｗ複合金属触媒、又はニッケル系金属を使用した触媒等を用いることができる。
【００４６】
触媒層１４Ａは、例えば、カネボウ（株）製の「ベルファイン」等の酸素吸着カーボン粉末と、活性炭に担持された触媒と、電解質膜１６に用いられる高分子膜（電解質）の溶液と、結合剤等とを混合することで形成することができる。
【００４７】
図１に示すように酸素富化膜２４の外側（触媒層１４Ａと密着していない側）にはガス拡散層１４Ｂが設置されており、セパレータ２０から供給される空気を拡散して、空気が均一に触媒層１４Ａに供給されるようになっている。ガス拡散層１４Ｂは気孔を有する多孔性部材で構成されており、該多孔性部材としては、カーボンペーパー、カーボン不織布、又は、カーボンクロス等が挙げられる。
【００４８】
本実施の形態においては、触媒層１４Ａとガス拡散層１４Ｂとの間に酸素分離手段である酸素富化膜２４が設けられているが、例えば、ガス拡散層１４Ｂを２層若しくはそれ以上の複数の層で構成し、各ガス拡散層の間に酸素富化膜を設けてもよい。また、ガス拡散層１４Ｂに、粉状等の酸素富化膜成分を添加してもよく、これにより、更に酸素濃度の高い空気を触媒層１４Ａに供給することができる。
【００４９】
ガス拡散層１４Ｂの外側（酸素富化膜２４と密着していない側）にはセパレータ２０が設置されており、ガス拡散層１４Ｂに空気を供給するため、及び、発電反応後のカソードオフガスを排出するためのガス流路が形成されている。
【００５０】
また、図１に示すようにセパレータ２０の空気供給側（紙面左側）には、コンプレッサー３４及び加湿器４４を備えた配管３６の一端が接続されており、フィルター４６を通過して供給された空気が、加湿器４４に加湿されながらコンプレッサー３４によって燃料電池１０に供給されるようになっている。
【００５１】
更にセパレータ２０のカソードオフガス排出側（紙面右側）には、配管３２の一端が接続されており、カソード電極１４における発電反応によって生じた水や余剰空気等がカソードオフガスとして浄化装置３８を介してシステム外に排出される。
【００５２】
また、図１に示すようにアノード電極１２は、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末等を主成分とする触媒層１２Ａと、気孔を有する多孔質部材で形成されたガス拡散層１２Ｂと、から構成されており、触媒層１２Ａが電解質膜１６の一方の面に密着するように配置されている。セパレータ１８によって形成されるガス流路を通じて供給された水素ガスは、ガス拡散層１２Ｂを通じて触媒層１２Ａに到達するようになっている。
【００５３】
触媒層１２Ａに備えられる触媒としては、上述の触媒層１４Ａに用いられる触媒を用いることができる。また、触媒層１２Ａは、カーボン粉末等に担持した触媒と、電解質膜１６に用いられる高分子膜（電解質）の溶液と、結合剤等とを混合することで形成することができる。
【００５４】
更に、触媒層１２Ａの外側（電解質膜１６と密着していない側）に配置されるガス拡散層１２Ｂは、ガス拡散層１４Ｂと同じように、気孔を有する多孔性部材で構成することができる。
【００５５】
ガス拡散層１２Ｂの外側（触媒層１２Ａと密着していない側）には、セパレータ１８が設置されており、ガス拡散層１２Ｂに水素ガスの供給及び余剰水素ガスを排出するためのガス流路が形成されている。また、セパレータ１８のガス供給側（紙面左側）には、ポンプＰ１及び調圧バルブＶ１が備えられた配管２６の一端が接続されており、水素タンク２８に貯蔵されている水素ガスが、ポンプＰ１の駆動によって燃料電池１０に供給されるように構成されている。
【００５６】
更にセパレータ１８のアノードオフガス排出側（紙面右側）には、配管３０の一端が接続されており、アノード電極１２において反応に寄与しなかった余剰水素ガスが配管３２を通じてアノードオフガスとシステム外に排出されるようになっている。
【００５７】
本実施の形態においては、ポンプＰ１の駆動によって水素タンク２８に貯蔵された水素ガスが配管２６を通じて燃料電池１０に供給される。この際、水素ガスは調圧バルブＶ１によって圧力が制御されている。
【００５８】
尚、本実施の形態における燃料電池システムはデッドエンド方式を採用しているため、一度アノード電極１２から排出された水素ガスを再びアノード電極１２に供給することがないため、調圧バルブＶ１の開度を供給毎に調整する必要はなく、調圧バルブＶ１の開度を一定に保てばよい。
【００５９】
また、燃料電池１０に供給された水素ガスは、セパレータ１８によって形成されるガス流路からアノード電極１２に供給される。アノード電極に供給された水素ガスは、ガス拡散層１２Ｂを介して触媒層１２Ａに到達し、触媒層１２Ａに備えられた触媒の作用により、水素イオンと電子とを生成する。
【００６０】
触媒層１２Ａにおいて発生した水素イオンは、電解質膜１６を通過して、カソード電極１４にまで移動し、酸素分子との反応に使用される。一方、電解質膜１６を通過できない電子は、外部回路２２を介してカソード電極１４まで移動する。本発明の燃料電池１０は、この電子の移動により外部装置４８に電力を供給することができる。
【００６１】
また、カソード電極１４には、フィルター４６を通過した空気が配管３６に設けられた加湿器４４によって加湿されながらコンプレッサー３４によって供給されている。
【００６２】
カソード電極１４に供給された空気は、ガス拡散層１４Ｂによって拡散された後、酸素富化膜２４によって窒素が分離され酸素富化空気となって触媒層１４Ａに供給される。
【００６３】
触媒層１４Ａに供給された酸素富化空気は、電解質膜１６を介してカソード電極１４にまで移動した水素イオンと触媒上で、外部回路２２を介して移動してきた電子を受け取って反応し水を生成する。水素イオンと酸素との反応によって生じた水は、反応に寄与せず、分離された窒素ガスを多く含むカソードオフガスと共に、配管３２を通じて浄化装置３８を介してシステム外に排出される。
【００６４】
本実施の形態によれば、カソード電極１４の触媒層１４Ａとガス拡散層１４Ｂとの間に酸素富化膜２４を備えることから、窒素ガスが電解質膜１６にまで達するのを抑制してアノード電極１２にまで移動する窒素ガスの量を低減できるとともに、酸素濃度の高い空気を触媒層１４Ａに供給することで、触媒層１４Ａにおける反応効率を高めることができる。
【００６５】
また、本実施の形態によれば、酸素吸着カーボンを用いて触媒層１４Ａを形成されており、触媒層１４Ａに進入する空気の酸素濃度を高めることで、電解質膜１６にまで到達する窒素ガスの量を抑制することができ、更に、触媒層１４Ａに進入する空気の酸素濃度を高めることで、触媒上を通過する酸素量を高めることができ、酸素分子と水素イオンと電子との反応効率を高めることができる。
【００６６】
（第２の実施の形態）
次に、図３を用いて、本発明の燃料電池の別の例を用いた燃料電池システムについて説明する。図３は、第２の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す概略図である。本実施の形態において用いられる燃料電池５０は、図３に示すように第１の実施の形態におけるカソード電極１４を、ガス拡散層５２Ｂの外側（セパレータ２０とガス拡散層５２Ｂとの間）に非多孔質膜（均質膜）を主成分とする酸素富化膜５４を備えたものである。また、触媒層５２Ａには、酸素富化膜成分として粒状のポリイミド多孔質体（以下、単に「ポリイミド」という場合がある。）が含有されている。本実施の形態における燃料電池５０と第１の実施の形態における燃料電池１０と共通する構成要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００６７】
図３に示すようにカソード電極５２は、酸素吸着カーボンに白金系の金属触媒を担持させた触媒層５２Ａと、気孔を有する多孔質部材で形成されたガス拡散層５２Ｂと、酸素富化膜５４と、から構成されており、触媒層５２Ａが電解質膜１６の一方の面に密着するように配置されている。
【００６８】
また、ガス拡散層５２Ｂの外側（ガス拡散層５２Ｂとセパレータ２０との間）には、酸素富化膜５４が設置されており、後述するセパレータ２０によって形成されるガス流路から供給された空気に含まれる酸素ガスと窒素ガスとの内、酸素ガスのみを選択的に透過させるようになっている。酸素富化膜５４を透過した空気は、ガス拡散層５２Ｂを介して触媒層５２Ａに共有され、水素イオン及び電子と反応して水を生成する。
【００６９】
酸素富化膜５４は、主として非多孔質膜（均質膜）である有機非多孔質高分子膜で形成されており、更に、導電体としてカーボンブラックが混入されている。酸素富化膜５４は、非多孔質膜への気体分子の溶解度や膜中の拡散速度の差を利用して酸素のみを選択的（優先的）に透過させることができ、ガス拡散層５２Ｂに供給する空気から窒素を分離することができる。また、酸素富化膜５４には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等を添加することができる。
【００７０】
酸素富化膜５４を構成する有機非多孔質高分子膜としては、例えば、酢酸セルロース、ポリスルフォン、ポリアミド、ポリイミド、ポルフィリン膜等を挙げることができる。
【００７１】
酸素富化膜５４の厚さとしては、本発明の効果を発揮できる程度であれば特に限定はないが、０．１〜１００μｍ程度が好ましく、０．１〜１μｍが更に好ましい。
【００７２】
触媒層５２Ａは、粉状の活性炭等と、酸素富化膜成分であるポリイミドと、電解質膜成分と、から構成されており、更に活性炭等の担持体に担持された金属触媒が備えられている。触媒層５２Ａは酸素富化膜成分であるポリイミドが含有されているため、触媒層５２Ａに窒素ガスが進入した場合であっても、電解質膜１６に到達する前に酸素富化膜成分によってその移動を抑制することができる。
【００７３】
また、触媒層５２Ａに備えられる触媒としては、第１の実施の形態における触媒層１４Ａと同様の触媒を適宜用いることができる。
【００７４】
また、触媒層５２Ａは、カーボン粉末等に担持した触媒と、電解質膜１６に用いられる高分子膜（電解質）の溶液と、酸素富化膜成分であるポリイミドと、結合剤等とを混合することで形成することができる。
【００７５】
図３に示すように触媒層５２Ａの外側（電解質膜１６と密着していない側）にはガス拡散層５２Ｂが設置されており、セパレータ２０から酸素富化膜５４を通過して供給された空気を拡散して、均一に触媒層５２Ａに供給できるようになっている。ガス拡散層５２Ｂは気孔を有する多孔性部材で構成されており、該多孔性部材としては、カーボンペーパー、カーボン不織布、又は、カーボンクロス等が挙げられる。
【００７６】
本実施の形態においては、触媒層５２Ａに酸素富化膜成分であるポリイミドが含有されているが、例えば、ガス拡散層５２Ｂ中に上記ポリイミドを含有させることもできる。尚、本発明において酸素富化膜成分はポリイミドに限定されるものではなく、酸素富化膜に用いられる成分を本発明の効果を損なわない範囲で適宜選定して用いることができる。
【００７７】
酸素富化膜５４の外側（ガス拡散層５２Ｂと密着していない側）にはセパレータ２０が設置されており、酸素富化膜５４に空気を供給及び発電反応後のカソードオフガスを排出するためのガス流路が形成されている。
【００７８】
また、図３に示すようにセパレータ２０の空気供給側（紙面左側）には、コンプレッサー３４及び加湿器４４を備えた配管３６の一端が接続されており、フィルター４６を通過して供給された空気が、コンプレッサー３４によって加湿器４４に加湿されながら燃料電池５０に供給されるようになっている。
【００７９】
更にセパレータ２０のカソードオフガス排出側（紙面右側）には、配管３２の一端が接続されており、カソード電極５２における発電反応によって生じた水や余剰空気等がカソードオフガスとして浄化装置３８を介してシステム外に排出される。
【００８０】
本実施の形態においては、ポンプＰ１の駆動によって水素タンク２８に貯蔵された水素ガスが配管２６を通じて燃料電池１０に供給される。この際、水素ガスは調圧バルブＶ１によって圧力が制御されている。尚、本実施の形態における燃料電池システムはデッドエンド方式を採用しているため、一度アノード電極１２から排出された水素ガスを再びアノード電極１２に供給することがないことから、調圧バルブＶ１の開度を供給毎に調整する必要はない。
【００８１】
また、燃料電池１０に供給された水素ガスは、セパレータ１８によって形成されるガス流路からアノード電極１２に供給される。アノード電極に供給された水素ガスは、ガス拡散層１２Ｂを介して触媒層１２Ａに到達し、触媒層１２Ａに備えられた触媒の作用により、水素イオンと電子とを生成する。
【００８２】
触媒層１２Ａにおいて発生した水素イオンは、電解質膜１６を通過して、カソード電極１４にまで移動し、酸素分子との反応に使用される。一方、電解質膜１６を通過できない電子は、外部回路２２を介してカソード電極１４まで移動する。本発明の燃料電池１０は、この電子の移動により外部装置４８に電力を供給することができる。
【００８３】
また、カソード電極５２には、フィルター４６を通過した空気が配管３６に設けられた加湿器４４によって加湿されながらコンプレッサー３４によって供給されている。
【００８４】
カソード電極５２に供給された空気は、酸素富化膜５４によって窒素が分離され酸素富化空気となってガス拡散層５２Ｂに供給される。ガス拡散層５２Ｂに供給された酸素富化膜空気は拡散された後、触媒層５２Ａに供給される。
【００８５】
触媒層５２Ａに供給された酸素富化空気は、電解質膜１６を介してカソード電極５２にまで移動した水素イオンと触媒上で、外部回路２２を介して移動してきた電子を受け取って反応し水を生成する。水素イオンと酸素との反応によって生じた水は、反応に寄与せず、分離された窒素ガスを多く含むカソードオフガスと共に、配管３２を通じて浄化装置３８を介してシステム外に排出される。
【００８６】
本実施の形態によれば、ガス拡散層５２Ｂとセパレータ２０との間に酸素富化膜５４を備えることから、窒素ガスが電解質膜１６にまで達するのを抑制してアノード電極１２にまで移動する窒素ガスの量を低減できる。更に、酸素濃度の高い空気を触媒層５２Ａに供給することができるので、触媒層５２Ａにおける反応効率を高めることができる。
【００８７】
また、本実施の形態によれば、触媒層５２Ａに酸素富化膜成分であるポリイミドを含有していることから、触媒層５２Ａに進入する空気に窒素ガスが残存している場合であっても、触媒層５２Ａにおいてその移動を阻害することができるため、電解質膜１６にまで到達する窒素ガスの量を抑制することができる。
【００８８】
尚、本発明においては、第１の実施の形態における酸素吸着カーボンを用いて形成された触媒層にポリイミド等の酸素富化膜成分を含有させることも可能である。
【００８９】
上述の通り、本発明の燃料電池及びこれを用いた燃料電池システムは、カソード電極に備えられた酸素分離手段によって窒素ガスがアノード電極に移動するのを効果的に抑制でき、水素ガス供給量に対する発電効率を高めることができる。更に、本発明の燃料電池及びこれを用いた燃料電池システムによれば、長時間に渡って安定して電力を供給することができる。
【００９０】
また、本発明の燃料電池は、酸素富化空気をカソード電極の触媒に供給できるため、カソード電極に備えられた触媒上を通過する酸素の量を増加させることができ、カソード電極における酸素分子と水素イオンと電子との反応効率を高めることができる。
【００９１】
また、本発明の燃料電池をシステムは、酸素富化空気を得るために外部装置を必要としないことから、システムの小型化・簡略化を図ることができ、車両に搭載される燃料電池システム等として好適に用いることができる。
【００９２】
更に、本実施形態においては単セル構造の燃料電池を例に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、複数のセルを積層した燃料電池として構成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】第１の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す概略図である。
【図２】第１の実施の形態における触媒層の酸素吸着作用を説明するための概略図である。
【図３】第２の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す概略図である。
【符号の説明】
【００９４】
１０，５０  燃料電池
１２        アノード電極
１２Ａ      触媒層
１２Ｂ      ガス拡散層
１４，５２  カソード電極
１４Ａ，５２Ａ  触媒層
１４Ｂ，５２Ｂ  ガス拡散層
１６        電解質膜
１８，２０  セパレータ
２２        外部回路
２４，５４  酸素富化膜
【図１】
2005294107.tif 000003
【図２】
2005294107.tif 000004
【図３】
2005294107.tif 000005