(57)【要約】高分子電解質膜（１）と高分子電解質膜（１）を挟むアノード（４ａ）及びカソード（４ｂ）を有するＭＥＡ（５）と、ＭＥＡ（５）を挟むように配設されたアノードセパレータ（６ａ）及びカソードセパレータ（６ｂ）と、を有するセル（１１）と、セル（１１）が積層されたセルスタック（５１）と、を備え、アノード（４ａ）に燃料ガスと空気を供給するアノードガス内部供給路を有し、アノードガス内部供給路には、ＣＯ除去触媒を含むＣＯ除去触媒層（６１）が形成されている、高分子電解質形燃料電池。
2007116785.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜と該高分子電解質膜を挟むアノード及びカソードを有するＭＥＡと、該ＭＥＡを挟むように配設されたアノードセパレータ及びカソードセパレータと、を有するセルと、該セルが積層されたセルスタックと、を備え、
前記セルスタックの内部の前記アノードに燃料ガスと空気を供給するアノードガス内部供給路を有し、
前記アノードガス内部供給路には、ＣＯ除去触媒を含むＣＯ除去触媒層が形成されている、高分子電解質形燃料電池。
【請求項２】
前記ＣＯ除去触媒層には、前記ＣＯ除去触媒を担持する担体が更に含まれている、請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項３】
前記アノードガス内部供給路は、前記アノードセパレータの内面に形成された溝状のアノードガス流路である、請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項４】
前記アノードセパレータには、前記アノードガス流路の始端に前記燃料ガスと空気を供給するための積層方向に貫通したアノードガス供給用マニホールド孔が形成され、
前記セルが積層されることにより、前記アノードガス供給用マニホールド孔が連通してアノードガス供給用マニホールドが形成され、
前記アノードガス内部供給路は、前記アノードガス供給用マニホールドで構成されている、請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項５】
前記アノードガス内部供給路は、前記アノードガス流路と前記アノードガス供給用マニホールドから構成されている、請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項６】
前記アノードガス供給用マニホールド内に、ＣＯ除去体が配設されている、請求項４に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項７】
前記ＣＯ除去体は、前記ＣＯ除去触媒と、前記ＣＯ除去触媒を担持した担体と、非導電性で、かつ、通気性を有する容器と、を有し、
前記担体は、前記容器に収納されている、請求項６に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項８】
前記担体は、前記容器内が通気性を有するように前記容器に収容されている、請求項７に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項９】
前記担体は、多孔質体で形成されている、請求項８に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項１０】
前記担体は、ペレット状に形成されている、請求項８に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項１１】
前記ＣＯ除去触媒は、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ａｕ、及びＲｈからなる金属群より選択される少なくとも一種の金属元素を構成元素として含んでいる、請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項１２】
前記ＣＯ除去触媒層は、前記ＣＯ除去触媒を構成する前記金属群及び前記金属群を構成する金属の酸化物からなる金属酸化物群から選ばれる少なくとも二以上の金属及び／又は金属の酸化物の単体が、互いに当接するように前記担体に担持されている、請求項２に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項１３】
請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池と、
前記アノードに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
前記アノードガス内部供給路に前記空気を供給する空気供給装置と、
前記カソードに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、を有する、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、高分子電解質形燃料電池及びそれを備える燃料電池システム、特に、高分子電解質形燃料電池の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質形燃料電池（以下、ＰＥＦＣという）は、都市ガスなどの原料ガスを改質した水素リッチな燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガスを電気化学的に反応させることで、電力と熱を発生させる装置である。ＰＥＦＣの単電池（セル）は、高分子電解質膜及び一対のガス拡散電極（アノード及びカソード）から構成されるＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質膜−電極接合体）と、ガスケットと、導電性のセパレータと、を有している。ガス拡散電極は、触媒層とガス拡散層を有しており、セパレータには、ガス拡散電極と当接する面に燃料ガス又は酸化剤ガスを流すための溝状のガス流路が設けられている。【０００３】
ところで、ＰＥＦＣを家庭用燃料電池コージェネレーションシステムや燃料電池自動車に搭載して運転する場合に、ＰＥＦＣの発電時の燃料として用いられる燃料ガス（水素ガス）は、一般的なインフラとして整備がされていないため、例えば天然ガスやプロパンガス、メタノールあるいはガソリン等の既存のインフラから得られる原料を水蒸気改質反応させて水素ガスを生成させる水素生成装置を併設することが多い。【０００４】
水素生成装置で生成された燃料ガスには、原料由来の一酸化炭素（ＣＯ）が数ｐｐｍから数十ｐｐｍ含まれている。このため、ＣＯによってＰＥＦＣのアノード触媒が被毒されてアノードの分極が増大することにより、電池性能が低下するという問題があった。【０００５】
このような問題に対して、ＣＯ選択酸化触媒をアノードの燃料ガス拡散層に担持させることによって、ＣＯをアノード触媒に到達する前に除去させてアノード触媒の被毒を回避することができる燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平９−１２９２４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載されている燃料電池では、ＣＯ選択酸化触媒を燃料ガス拡散層内にのみ設置しているために、その担持できる量が限られ、起動時や負荷変動時のような過渡時にＣＯ濃度が増加するとＣＯを完全に除去できず、電池性能の低下を引き起こすので、ＣＯ除去触媒の表面積をより多く確保する必要があった。【０００７】
また、最近、ＣＯ被毒による電池性能低下対策としてＰｔとＲｕの合金触媒がアノード触媒として用いられているが、ＰＥＦＣの起動停止時などの電位変化によって触媒中のＲｕが溶出して、ＣＯに対する耐性が低下するという課題があった。特許文献１に記載されている燃料電池では、触媒層に隣接して配設されている燃料ガス拡散層内に触媒を担持させているため、Ｐｔ／Ｒｕ合金を触媒に用いても、電位変化の影響を受けて、Ｒｕが溶出して、ＣＯに対する耐性が低下するという課題は改善されていなかった。【０００８】
本発明は、以上の課題を鑑みてなされたものであり、燃料ガスに含まれるＣＯをより確実に除去することができる高分子電解質形燃料電池及びそれを備え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】
【０００９】
このような課題を解決するために、本発明の高分子電解質形燃料電池は、高分子電解質膜と該高分子電解質膜を挟むアノード及びカソードを有するＭＥＡと、該ＭＥＡを挟むように配設されたアノードセパレータ及びカソードセパレータと、を有するセルと、該セルが積層されたセルスタックと、を備え、前記セルスタックの内部の前記アノードに燃料ガスと空気を供給するアノードガス内部供給路を有し、前記アノードガス内部供給路には、ＣＯ除去触媒を含むＣＯ除去触媒層が形成されている。【００１０】
これにより、燃料ガス中に含まれるＣＯを、ＰＥＦＣを構成するアノードのより上流側で除去させ、確実に電池性能低下を回避することができる。また、ＣＯ除去触媒層をセルスタック内部に設けることにより、省スペース化を図ることができ、さらに、セルスタック内の温度により、ＣＯ除去触媒を加熱することなく触媒活性が得られるので、省エネルギー化を図ることができる。【００１１】
前記ＣＯ除去触媒層には、前記ＣＯ除去触媒を担持する担体が更に含まれていてもよい。【００１２】
前記アノードガス内部供給路は、前記アノードセパレータの内面に形成された溝状のアノードガス流路であってもよい。【００１３】
これにより、ＣＯ除去触媒の担持量をセル毎に充分に確保することができ、燃料ガス中に含まれるＣＯを、ＰＥＦＣを構成するアノードのより上流側で確実に除去させることができる。【００１４】
前記アノードセパレータには、前記アノードガス流路の始端に前記燃料ガスと空気を供給するための積層方向に貫通したアノードガス供給用マニホールド孔が形成され、前記セルが積層されることにより、前記アノードガス供給用マニホールド孔が連通してアノードガス供給用マニホールドが形成され、前記アノードガス内部供給路は、前記アノードガス供給用マニホールドで構成されていてもよい。【００１５】
これにより、セルスタック内部に形成されたアノードガス供給用マニホールドにＣＯ除去触媒層を設けて、セルスタック内の空間を有効に利用することができる。また、ＣＯ除去触媒の担持量を充分に確保することができ、燃料ガス中に含まれるＣＯを、ＰＥＦＣを構成するアノードのより上流側で確実に除去させることができる。【００１６】
前記アノードガス内部供給路は、前記アノードガス流路と前記アノードガス供給用マニホールドから構成されていてもよい。【００１７】
前記アノードガス供給用マニホールド内に、ＣＯ除去体が配設されていてもよい。【００１８】
これにより、ＰＥＦＣ本体に導入された燃料ガス中のＣＯ濃度を各セルに導入する前により低減することができ、アノードガス内部供給路だけにＣＯ除去触媒を形成した場合よりも大きな効果を得ることができる。【００１９】
前記ＣＯ除去体は、前記ＣＯ除去触媒と、前記ＣＯ除去触媒を担持した担体と、非導電性で、かつ、通気性を有する容器と、を有し、前記担体は、前記容器に収納されていてもよい。【００２０】
前記担体は、前記容器内が通気性を有するように前記容器に収容されていてもよい。【００２１】
前記担体は、多孔質体で形成されていてもよい。【００２２】
前記担体は、前記担体は、ペレット状に形成されていてもよい。【００２３】
前記ＣＯ除去触媒は、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ａｕ、及びＲｈからなる金属群より選択される少なくとも一種の金属元素を構成元素として含んでいてもよい。【００２４】
前記ＣＯ除去触媒層は、前記ＣＯ除去触媒を構成する前記金属群及び前記金属群を構成する金属の酸化物からなる金属酸化物群から選ばれる少なくとも二以上の金属及び／又は金属の酸化物の単体が、互いに当接するように前記担体に担持されていてもよい。【００２５】
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記高分子電解質形燃料電池と、前記アノードに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、前記アノードガス内部供給路に前記空気を供給する空気供給装置と、前記カソードに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、を有する。【００２６】
これにより、燃料ガス中に含まれるＣＯを、高分子電解質形燃料電池を構成するアノードのより上流側で除去させ、確実に電池性能低下を回避することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の高分子電解質形燃料電池及びそれを備える燃料電池システムによれば、燃料ガスに含まれるＣＯをアノード触媒に到達する前に除去させることができるため、アノード触媒のＣＯ被毒による電池性能低下をより確実に回避することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。
【図２】図２は、図１の燃料電池システムの高分子電解質形燃料電池の概略を示す模式図である。
【図３】図３は、図２に示した高分子電解質形燃料電池を構成するセルの構造の概略を示す断面図である。
【図４】図４は、図３に示すセルのアノードセパレータの内面形状を示す模式図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムにおける高分子電解質形燃料電池の構成の一部を示した模式図である。
【図６】図６は、図５に示す高分子電解質形燃料電池におけるＣＯ除去体の変形例を示す模式図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムにおける高分子電解質形燃料電池の構成の一部を示した模式図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  高分子電解質膜
２ａ  アノード触媒層
２ｂ  カソード触媒層
３ａ  アノードガス拡散層
３ｂ  カソードガス拡散層
４ａ  アノード
４ｂ  カソード
５  ＭＥＡ
６ａ  アノードセパレータ
６ｂ  カソードセパレータ
７  アノードガス流路
７ａ  水平部
７ｂ  鉛直部
８  カソードガス流路
９ａ  伝熱媒体流路
９ｂ  伝熱媒体流路
１０  ガスケット
１１  セル
１２Ｅ  アノードガス排出用マニホールド孔
１２Ｉ  アノードガス供給用マニホールド孔
１３Ｅ  カソードガス排出用マニホールド孔
１３Ｉ  カソードガス供給用マニホールド孔
１４Ｅ  伝熱媒体排出用マニホールド孔
１４Ｉ  伝熱媒体供給用マニホールド孔
２２Ｅ  アノードガス排出用マニホールド
２２Ｉ  アノードガス供給用マニホールド
２３Ｅ  カソードガス排出用マニホールド
２３Ｉ  カソードガス供給用マニホールド
２４Ｅ  伝熱媒体排出用マニホールド
２４Ｉ  伝熱媒体供給用マニホールド
３２Ｅ  アノードガス排出用配管
３２Ｉ  アノードガス供給用配管
３３Ｅ  カソードガス排出用配管
３３Ｉ  カソードガス供給用配管
３４Ｅ  伝熱媒体排出用配管
３４Ｉ  伝熱媒体供給用配管
４１ａ  第一の端板
４１ｂ  第二の端板
５０  セル積層体
５１  セルスタック
５１ａ  セルスタック
６０  当接部分
６１  ＣＯ除去触媒層
６２  容器
６３  担体
６３ａ  担体
６４  ＣＯ除去体
６４ａ  ＣＯ除去体
１００  高分子電解質形燃料電池
１００ａ  高分子電解質形燃料電池
１０１  燃料ガス供給装置
１０２  ＣＯ酸化用空気供給装置
１０３  酸化剤ガス供給装置
１０４  伝熱媒体供給装置
１０５  燃料ガス供給路
１０６  空気供給路
１０７  燃料ガス排出路
１０８  酸化剤ガス供給路
１０９  酸化剤ガス排出路
１１０  伝熱媒体供給路
１１１  伝熱媒体排出路
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。【００３１】
まず、本実施の形態１に係る燃料電池システムの構成について説明する。【００３２】
図1に示すように、本実施の形態１に係る燃料電池システムは、高分子電解質形燃料電池（以下、ＰＥＦＣという）１００と、燃料ガス供給装置１０１と、燃料ガス供給路１０５と、ＣＯ酸化用空気供給装置１０２と、空気供給路１０６と、燃料ガス排出路１０７と、酸化剤ガス供給装置１０３と、酸化剤ガス供給路１０８と、酸化剤ガス排出路１０９と、伝熱媒体供給装置１０４と、伝熱媒体供給路１１０と、伝熱媒体排出路１１１と、を有している。【００３３】
ＰＥＦＣ１００には、燃料ガス供給路１０５が接続されており、燃料ガス供給路１０５には、燃料ガス供給装置１０１が接続されている。燃料ガス供給装置１０１は、燃料ガス供給路１０５を介してＰＥＦＣ１００のアノード４ａに燃料ガスを供給する。燃料ガス供給装置１０１は、ここでは、天然ガス供給インフラから供給される天然ガス（原料ガス）を燃料処理器（図示せず）に送出するプランジャーポンプ（図示せず）と、その送出量を調整することができる流量調整具（図示せず）と、送出された天然ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する燃料処理器とを有している。燃料処理器では、天然ガスと水蒸気とを改質反応させ、改質ガスが生成され、この改質ガスに含まれるＣＯを１ｐｐｍ程度まで減少させて燃料ガスが生成される。また、ＰＥＦＣ１００には、燃料ガス排出路１０７が接続されており、燃料ガス排出路１０７は、燃料ガス供給装置１０１の燃料処理器と接続されている。【００３４】
燃料ガス流路１０５には、空気供給路１０６が接続されており、空気供給路１０６には、ＣＯ酸化用空気供給装置１０２が接続されている。ＣＯ酸化用空気供給装置１０２は、燃料ガスに含まれるＣＯを酸化するための空気を空気供給路１０６及び燃料ガス供給路１０５を介してＰＥＦＣ１００のアノード４ａに供給する。ＣＯ酸化用空気供給装置１０２は、ここでは、吸入口が大気開放されているブロワ（図示せず）で構成されており、このブロワは、回転速度を変化させることにより空気供給量を調整することができる。なお、ＣＯ酸化用空気供給装置１０２は、シロッコファンなどのファン類を用いる構成としてもよい。【００３５】
ＰＥＦＣ１００には、酸化剤ガス供給路１０８が接続されており、酸化剤ガス供給路１０８には、酸化剤ガス供給装置１０３が接続されている。酸化剤ガス供給装置１０３は、酸化剤ガス供給路１０８を介してＰＥＦＣ１００のカソード４ｂに酸化剤ガスを供給する。酸化剤ガス供給装置１０３は、ここでは、吸入口が大気開放されているブロワ（図示せず）で構成されている。なお、酸化剤ガス供給装置１０３は、シロッコファンなどのファン類を用いる構成としてもよい。【００３６】
また、ＰＥＦＣ１００には、酸化剤ガス排出路１０９が接続されており、未反応の酸化剤ガスをシステム外に排出する。【００３７】
さらに、ＰＥＦＣ１００には、伝熱媒体供給路１１０及び伝熱媒体排出路１１１が、接続されており、これらの流路は伝熱媒体供給装置１０４と接続されている。伝熱媒体供給装置１０４は、電池を適切な温度に維持するために、ＰＥＦＣ１００に伝熱媒体を供給し、排出された伝熱媒体を冷却又は加熱するように構成されている。なお、ここでは、伝熱媒体として水を使用している。【００３８】
ＰＥＦＣ１００では、燃料ガス供給装置１０１から供給された水素を含む燃料ガスと、酸化剤ガス供給装置１０３から供給された酸素を含む酸化剤ガスと、が電気化学的に反応して、水が生成し、電気が発生する。このとき、未反応の燃料ガスは、燃料ガス排出路１０７を介して燃料ガス供給装置１０１の燃料処理器にオフガスとして供給される。【００３９】
次に、本実施の形態１に係る燃料電池システムのＰＥＦＣ１００の構成を説明する。【００４０】
図２は、図１の燃料電池システムのＰＥＦＣ１００の概容を示す模式図である。なお、図２においては、ＰＥＦＣ１００における上下方向を、図における上下方向として表している。【００４１】
図２に示すように、ＰＥＦＣ１００は、セルスタック５１を有している。セルスタック５１は、板状の全体形状を有するセル１１がその厚み方向に積層されてなるセル積層体５０と、セル積層体５０の両端に配置された第一及び第二の端板４１ａ、４１ｂと、セル積層体５０と第一及び第二の端板４１ａ、４１ｂとをセル１１の積層方向において締結する図示されない締結具と、を有している。また、第一及び第二の端板４１ａ、４１ｂには、集電板及び絶縁板がそれぞれ配設されているが図示を省略している。なお、板状のセル１１は、鉛直面に平行に延在しており、セル１１の積層方向は水平方向となっている。【００４２】
セル積層体５０の一方の側部（以下、第一の側部という）の上部には、該セル積層体５０の積層方向に貫通するようにアノードガス供給用マニホールド２２Ｉが形成されている。アノードガス供給用マニホールド２２Ｉの一端は、第一の端板４１ａに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔にアノードガス供給用配管３２Ｉが接続されている。アノードガス供給用マニホールド２２Ｉの他端は、第二の端板４１ｂによって閉鎖されている。アノードガス供給用配管３２Ｉには、燃料ガス供給路１０５（図１参照）が接続されている。また、セル積層体５０の他方の側部（以下、第二の側部という）の下部には、該セル積層体５０の積層方向に貫通するようにアノードガス排出用マニホールド２２Ｅが形成されている。アノードガス排出用マニホールド２２Ｅの一端は、第二の端板４１ｂに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔にアノードガス排出用配管３２Ｅが接続されている。アノードガス排出用マニホールド２２Ｅの他端は、第一の端板４１ａによって閉鎖されている。アノードガス排出用配管３２Ｅには、燃料ガス排出路１０７（図１参照）が接続されている。アノードガス供給用マニホールド２２Ｉは、ここでは、鉛直方向に長い長孔形状（短形の対抗する直線の２辺が半円の２辺に置換された形状）の断面形状を有している。【００４３】
セル積層体５０の第一の側部の下部には、該セル積層体５０の積層方向に貫通するようにカソードガス排出用マニホールド２３Ｅが形成されている。カソードガス排出用マニホールド２３Ｅの一端は、第一の端板４１ａに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔にカソードガス排出用配管３３Ｅが接続されている。カソードガス排出用マニホールド２３Ｅの他端は、第二の端板４１ｂによって閉鎖されている。カソードガス排出用配管３３Ｅには、酸化剤ガス排出路１０９（図１参照）が接続されている。また、セル積層体５０の第二の側部の上部には、該セル積層体５０の積層方向に貫通するようにカソードガス供給用マニホールド２３Ｉが形成されている。カソードガス供給用マニホールド２３Ｉの一端は、第二の端板４１ｂに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔にカソードガス供給用配管３３Ｉが接続されている。カソードガス供給用マニホールド２３Ｉの他端は、第一の端板４１ａによって閉鎖されている。カソードガス供給用配管３３Ｉには、酸化剤ガス供給路１０８（図１参照）が接続されている。【００４４】
セル積層体５０の第一の側部のカソードガス排出用マニホールド２３Ｅが配設されている下部の内側には、該セル積層体５０の積層方向に貫通するように伝熱媒体排出用マニホールド２４Ｅが形成されている。伝熱媒体排出用マニホールド２４Ｅの一端は、第一の端板４１ａに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔に伝熱媒体排出用配管３４Ｅが接続されている。伝熱媒体排出用マニホールド２４Ｅの他端は、第二の端板４１ｂによって閉鎖されている。伝熱媒体排出用配管３４Ｅには、伝熱媒体排出路１１１（図１参照）が接続されている。また、セル積層体５０の第二の側部のカソードガス供給用マニホールド２３Ｉが配設されている上部の内側には、該セル積層体５０の積層方向に貫通するように伝熱媒体供給用マニホールド２４Ｉが形成されている。伝熱媒体供給用マニホールド２４Ｉの一端は、第二の端板４１ｂに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔に伝熱媒体供給用配管３４Ｉが接続されている。伝熱媒体供給用マニホールド２４Ｉの他端は、第一の端板４１ａによって閉鎖されている。伝熱媒体供給用配管３４Ｉには、伝熱媒体供給路１１０（図１参照）が接続されている。【００４５】
次に、本実施の形態１に係るＰＥＦＣ１００のセル１１の構造について説明する。【００４６】
図３は、図２に示したＰＥＦＣ１００を構成するセル１１の構造の概容を示す断面図である。なお、図３においては、その一部を省略している。【００４７】
図３に示すように、セル１１は、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質膜−電極接合体）５と、ガスケット１０と、アノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂと、を有している。【００４８】
ＭＥＡ５は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１とアノード４ａとカソード４ｂを有している。高分子電解質膜１の両面には、その周縁部より内方に位置するようにアノード４ａとカソード４ｂがそれぞれ設けられている。アノード４ａは、高分子電解質膜１の一方の主面上に設けられ、白金系金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とするアノード触媒層２ａと、アノード触媒層２ａの上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたアノードガス拡散層３ａと、を有している。同様に、カソード４ｂは、高分子電解質膜１の他方の主面上に設けられ、白金系金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とするカソード触媒層２ｂと、カソード触媒層２ｂの上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたカソードガス拡散層３ｂと、を有している。なお、高分子電解質膜としては、水素イオンを選択的に透過するイオン交換機能を有する膜が好適に挙げられる。さらに、このような膜としては、−ＣＦ2−を主鎖骨格として、スルホン酸基が側鎖の末端に導入された構造を有する高分子電解質膜が好適に挙げられる。このような構造を有する膜としては、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸膜が好適に挙げられる。【００４９】
アノード４ａ及びカソード４ｂの周囲には、高分子電解質膜１を挟んで一対のフッ素ゴム製のガスケット１０が配設されている。これにより、燃料ガス、空気や酸化剤ガスが電池外にリークされることが防止され、また、セル１１内でこれらのガスが互いに混合されることが防止される。なお、ガスケット１０の周縁部には、厚み方向の貫通孔からなるアノードガス供給用マニホールド孔１２Ｉ等のマニホールド孔が設けられている。【００５０】
そして、ＭＥＡ５とガスケット１０を挟むように、導電性のアノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂが配設されている。これらのセパレータ６ａ、６ｂは、黒鉛板に、フェノール樹脂が含浸され硬化された樹脂含浸黒鉛板が用いられる。また、ＳＵＳ等の金属材料からなるものを用いてもよい。アノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂにより、ＭＥＡ５が機械的に固定されるとともに、隣接するＭＥＡ同士が互いに電気的に直列に接続される。【００５１】
アノードセパレータ６ａの内面（ＭＥＡ５に当接する面）には、燃料ガス及び空気（アノードガス）を流すための溝状のアノードガス流路７がサーペンタイン状に形成されている。一方、アノードセパレータ６ａの外面には、伝熱媒体を流すための溝状の伝熱媒体流路９ａがサーペンタイン状に形成されている。また、アノードセパレータ６ａの周縁部には、厚み方向の貫通孔からなるアノードガス供給用マニホールド孔１２Ｉ等のマニホールド孔（図４参照）が設けられている。【００５２】
一方、カソードセパレータ６ｂの内面には、酸化剤ガス（カソードガス）を流すための溝状のカソードガス流路８がサーペンタイン状に形成されており、その外面には、伝熱媒体を流すための溝状の伝熱媒体流路９ｂがサーペンタイン状に形成されている。また、カソードセパレータ６ｂの周縁部には、アノードセパレータ６ａと同様に、厚み方向の貫通孔からなるアノードガス供給用マニホールド孔１２Ｉ等のマニホールド孔が設けられている。【００５３】
このように形成したセル１１をその厚み方向に積層することにより、セル積層体５０が形成される。アノードセパレータ６ａ、カソードセパレータ６ｂ及びガスケット１０に設けられたアノードガス供給用マニホールド孔１２Ｉ等のマニホールド孔は、セル１１を積層したときに厚み方向にそれぞれつながって、アノードガス供給用マニホールド２２Ｉ等のマニホールドがそれぞれ形成される。そして、アノードガス供給用マニホールド２２Ｉとアノードガス流路７からアノードガス内部供給路が構成される。【００５４】
次に、アノードセパレータ６ａの内面形状について、図３及び図４を参照して詳しく説明する。【００５５】
図４は、図３に示すセル１１のアノードセパレータ６ａの内面形状を示す模式図である。なお、図４においては、アノードセパレータ６ａにおける上下方向を、図における上下方向として表している。【００５６】
図４に示すように、アノードセパレータ６ａは、アノードガス供給用マニホールド孔１２Ｉ、アノードガス排出用マニホールド孔１２Ｅ、カソードガス供給用マニホールド孔１３Ｉ、カソードガス排出用マニホールド孔１３Ｅ、伝熱媒体供給用マニホールド孔１４Ｉ及び伝熱媒体排出用マニホールド孔１４Ｅを有している。また、アノードセパレータ６ａは、ＭＥＡ５と当接する当接部分６０の略全体に亘って、アノードガス供給用マニホールド孔１２Ｉとアノードガス排出用マニホールド孔１２Ｅを結ぶようにサーペンタイン状に形成された溝状のアノードガス流路７を有している。【００５７】
図４において、アノードガス供給用マニホールド孔１２Ｉは、アノードセパレータ６ａの一方の側部（図面左側の側部：以下、第一の側部という）の上部に設けられ、アノードガス排出用マニホールド孔１２Ｅは、アノードセパレータ６ａの他方の側部（図面右側の側部：以下、第二の側部という）の下部に設けられている。カソードガス供給用マニホールド孔１３Ｉは、アノードセパレータ６ａの第二の側部の上部に設けられ、カソードガス排出用マニホールド孔１３Ｅは、アノードセパレータ６ａの第一の側部の下部に設けられている。伝熱媒体供給用マニホールド孔１４Ｉは、カソードガス供給用マニホールド孔１３Ｉの上部の内側に設けられ、伝熱媒体排出用マニホールド孔１４Ｅは、カソードガス排出用マニホールド孔１３Ｅの下部の内側に設けられている。【００５８】
アノードガス流路７は、本実施の形態では２つの流路で構成されており、各流路は、水平方向に延びる水平部７ａと、鉛直方向に延びる鉛直部７ｂとで実質的に構成されている。具体的には、アノードガス流路７の各流路は、アノードガス供給用マニホールド孔１２Ｉの上部からアノードセパレータ６ａの第二の側部まで水平に延び、そこから、下方にある距離延び、そこから、アノードセパレータ６ａの第一の側部まで延びている。そこから、下方にある距離延びている。そして、そこから、上記の延在パターンを４回繰り返し、その到達点からアノードガス排出用マニホールド孔１２Ｅの下部に至るように水平に延びている。このような各流路の水平に延びる部分が、水平部７ａを形成し、下方に延びる部分が、鉛直部７ｂを形成している。なお、ここでは、アノードガス流路７は、２つの流路で構成したが、これに限られず、本発明の効果を損なわない範囲で任意に設計することができ、水平部７ａ及び鉛直部７ｂについても、同様に、任意に設計することができる。また、アノードガス流路７は、サーペンタイン状に限られず、流路の一方の主流路と他方の主流路との間に複数の支流路を形成するような構成としてもよく、複数の流路が互いに並走するような構成としてもよい。【００５９】
なお、アノードセパレータ６ａの外面に設けられた伝熱媒体流路９ａ、カソードセパレータ６ｂの内面に設けられたカソードガス流路８及びその外面に設けられた伝熱媒体流路９ｂは、それぞれ上述のアノードガス流路７と同様に構成されている。【００６０】
上記のようにして形成したアノードガス流路７の内壁及びアノードガス供給用マニホールド孔１２Ｉを構成する内壁には、図３及び図４に示すようにＣＯ除去触媒層６１が設けられている。ＣＯ除去触媒層６１は、ＣＯ除去触媒と該ＣＯ除去触媒を担持した担体を有している。本実施の形態では、ＣＯ除去触媒としてＰｔとＲｕの合金を用い、担体として炭素粉末を用いた。ＣＯ除去触媒層６１の厚みは、本発明の効果を充分に得られる観点から１０μｍ以上であることが好ましく、アノードガス流路７にアノードガスを充分に通過させる観点から２０μｍ以下であることが好ましい。これにより、ＣＯ除去触媒の触媒作用によって、アノードガス中に含まれるＣＯと酸素とを反応させて、二酸化炭素を生成し、ＣＯを除去することができる。また、ＰＥＦＣ（セルスタック）の内部は、伝熱媒体により所定の温度に保たれているので、ＣＯ除去触媒をセルスタックの内部に設けることにより、ＣＯ除去触媒を触媒の活性温度まで加熱する必要がないため、省エネルギー化が図れる。【００６１】
なお、ここでは、ＣＯ除去触媒として、ＰｔとＲｕの合金を用いたが、これに限られず、ＣＯ除去触媒は、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ａｕ、及びＲｈからなる群より選択される少なくとも一種の金属元素を構成元素として含んでいる触媒であればよい。例えば、ＣＯ除去触媒は、その状態が金属状態のもののみからなっていてもよい。この場合、ＣＯ除去触媒としては、例えば、上記の金属元素のうちの1種のみの金属元素からなる金属単体、当該金属単体を２種以上含むもの、上記の金属元素のうちの２種以上の金属元素からなる合金が挙げられる。また、ＣＯ除去触媒は、上記の群（金属元素の群）のうちの少なくとも１種の金属元素を構成元素として含んでいる金属酸化物からなっていてもよい。この場合、ＣＯ除去触媒としては、例えば、例えば上記の金属元素のうちの１種のみの金属元素からなる金属酸化物、上記の金属元素のうちの２種以上の金属元素からなる合金の酸化物があげられる。更に、ＣＯ除去触媒は、金属状態のもの、及び、金属酸化物を任意に組合せたものからなってもよく、また、ＣＯ除去触媒は、例えば、反応中において、表面の一部がイオン（例えば金属イオン）の状態となるものであってもよい。【００６２】
また、ここでは、ＣＯ除去触媒層６１をＣＯ除去触媒と該ＣＯ除去触媒を担持した担体を有する構成としたが、これに限られず、ＣＯ除去触媒のみで構成されていてもよい。また、ＣＯ除去触媒層６１をアノードガス流路７の内壁及びアノードガス供給用マニホールド孔１２Ｉを構成する内壁の両方に設ける構成としたが、これに限られず、アノードガス流路７の内壁、又は、アノードガス供給用マニホールド孔１２Ｉを構成する内壁のいずれか一方の内壁に設けるような構成としてもよい。【００６３】
次に、本実施の形態１に係る燃料電池システムの動作について図１乃至図４を参照しながら説明する。【００６４】
まず、燃料ガスが、燃料ガス供給装置１０１から燃料ガス供給路１０５を介してＰＥＦＣ１００に供給される。このとき、ＣＯ酸化用空気供給装置１０２から、空気が空気供給路１０６及び燃料ガス供給路１０５を介して、燃料ガスと共にＰＥＦＣ１００に供給される。また、酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給装置１０３から酸化剤ガス供給路１０８を介してＰＥＦＣ１００に供給される。さらに、伝熱媒体が、伝熱媒体供給装置１０４から伝熱媒体供給路１１０を介してＰＥＦＣ１００に供給される。【００６５】
ＰＥＦＣ１００では、燃料ガス供給装置１０１から供給された燃料ガス及び空気が、アノードガス供給用配管３２Ｉを介してアノードガス供給用マニホールド２２Ｉに供給され、アノードガス供給用マニホールド２２Ｉから各セルのアノードガス流路７に供給される。このとき、燃料ガス供給装置１０１から供給された燃料ガスには数十ｐｐｍから数ｐｐｍ（例えば、１ｐｐｍ）のＣＯが含有されているが、アノードガス供給用マニホールド２２Ｉ及びアノードガス流路７に設けられたＣＯ除去触媒層６１のＣＯ除去触媒によって、アノードガス中に含まれるＣＯと供給された空気が反応し、ＣＯが除去され、アノード４ａに供給される燃料ガス中に含まれるＣＯを低減することができる。これにより、燃料ガスに含まれるＣＯをアノード触媒２ａに到達する前に除去させることができるため、アノード触媒２ａのＣＯ被毒による電池性能低下をより確実に回避することができる。【００６６】
また、ＰＥＦＣ１００では、酸化剤ガス供給装置１０３から供給された酸化剤ガスが、カソードガス供給用配管３３Ｉを介してカソードガス供給用マニホールド２３Ｉに供給され、カソードガス供給用マニホールド２３Ｉから各セルのカソードガス流路８に供給される。【００６７】
アノードガス流路７に供給された燃料ガスは、アノードガス拡散層３ａを通過してアノードガス触媒層２ａに供給され、カソードガス流路８に供給された酸化剤ガスは、カソードガス拡散層３ｂを通過してカソードガス触媒層２ｂに供給され、これらのガスが電気化学的に反応して、電気が発生する。未使用の燃料ガスは、アノードガス排出用マニホールド２２Ｅ、アノードガス排出用配管３２Ｅを介して燃料ガス排出路１０７に排出される。そして、未使用の燃料ガスは、燃料ガス供給装置の燃料処理器にオフガスとして供給される。また、未使用の酸化剤ガスは、カソードガス排出用マニホールド２３Ｅ、カソードガス排出用配管３３Ｅを介して酸化剤ガス排出路１０９に排出され、システム外に排出される
さらに、ＰＥＦＣ１００では、伝熱媒体供給装置１０４から供給された伝熱媒体が、伝熱媒体供給用配管３４Ｉを介して伝熱媒体供給用マニホールド２４Ｉに供給され、伝熱媒体供給用マニホールド２４Ｉから各セルの伝熱媒体流路９ａ、９ｂに供給される。伝熱媒体流路９ａ、９ｂに供給された伝熱媒体は、伝熱媒体排出用マニホールド２４Ｅ、伝熱媒体排出用配管３４Ｅを介して伝熱媒体排出路１１１に排出され、伝熱媒体供給装置１０４に供給される。これにより、ＰＥＦＣ１００の内部が適切な温度に保たれる。【００６８】
このような構成とすることにより、本実施の形態１に係る燃料電池システムでは、ＰＥＦＣ１００のアノードガス内部供給路にＣＯ除去触媒層６１を設けることにより、燃料ガスに含まれるＣＯをアノード触媒２ａに到達する前に除去させることができるため、アノード触媒２ａのＣＯ被毒による電池性能低下をより確実に回避することが可能となる。
（実施の形態２）
図５（ａ）は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムにおけるＰＥＦＣ１００ａの構成の一部を示した模式図である。また、図５（ｂ）及び図７は、図５（ａ）に示したＰＥＦＣ１００ａの断面の一部を示した模式図である。【００６９】
図５（ａ）、図５（ｂ）及び図７に示すように、本実施の形態２に係る燃料電池システムのＰＥＦＣ１００ａでは、アノードガス供給用マニホールド２２Ｉの内部に、ＣＯ除去体６４が嵌挿されている。ＣＯ除去体６４は、筒状の容器６２と容器６２の内部に嵌挿されＣＯ除去触媒が担持された柱状の担体６３を有する。そして、容器６２の一方の側面（端部）は、第一の端板４１ａ（正確には、図示されない集電板）の主面と当接するように配置され、他方の側面（端部）は、第二の端板４１ｂ（正確には、図示されない集電板）の主面との間に所定の隙間を有するように（アノードガスが当該部分で通流するように）配置されている。【００７０】
容器６２は、その周壁に多数の小径の通孔を有し、かつ、非導電性を有している。このような材質を有するものとして、例えば、セラミックやアルミナが挙げられる。これにより、積層されたセル間を短絡させることなく電位差が維持される。なお、容器６２は、周壁にアノードガスが通流するための貫通孔を設けてもよい。【００７１】
担体６３は、ＣＯ除去触媒を担持する面積を大きくする観点から外表面に凹凸を有することが好ましく、燃料ガスの通過をよくする観点から非常に空隙率の大きな多孔質体であることがより好ましい。このような材質を有するものとして、例えば、セラミックやアルミナが挙げられる。さらに、ＣＯ除去触媒を担持する面積を大きくする観点から多孔質体の細孔の内面にＣＯ除去触媒が担持されていることがより好ましい。また、担体６３は、ハニカム状に形成されている。なお、容器６２の断面は、ここでは、楕円であるが、これに限定されず、アノードガス供給用マニホールド２２Ｉの内部に嵌挿されれば多角形等であってもよい。また、担体６３は、ここでは、断面が六角形であるが、これに限定されず、容器６２の内部空間に収容されれば、円形等であってもよい。さらに、担体６３が容器６２から外れないようにするために、容器６２の両側面（第一及び第二の端板４１ａ、４１ｂ（正確には、図示されない集電板）と当接する面）を、通気性を有する蓋部材で蓋をしてもよい。【００７２】
このように形成された本実施の形態２に係る燃料電池システムにおけるＰＥＦＣ１００ａでは、燃料ガス供給装置１０１から燃料ガス供給路１０５（燃料ガス供給用配管３２Ｉ）を介して供給されたアノードガスは、ＣＯ除去体６４を構成する容器６２の内部空間を通流する。このとき、アノードガスに含まれるＣＯと空気（酸素）は、担体６３に担持されたＣＯ除去触媒によって反応し、ＣＯが除去される。そして、容器６２の内部空間を通流するアノードガスは、容器６２の他方の端部で反転して、アノードガス供給用マニホールド２２Ｉと容器６２との間に形成された空間を通流し、各セル１１のアノードセパレータ６ａに設けられたアノードガス流路７を通流する。【００７３】
このような構成とすることにより、本実施の形態２に係る燃料電池システムでは、ＣＯ除去体６４を設けることによりＣＯ除去触媒を担持する表面積が増加するので、ＣＯ除去触媒をより多く担持させることができ、アノードガス中に含まれるＣＯをより確実に除去することが可能となる。【００７４】
なお、本実施の形態２に係る燃料電池システムのその他の構成については、実施の形態１の場合と同様であるので、説明を省略する。【００７５】
次に、本実施の形態２に係る燃料電池システムのＣＯ除去体６４の変形例を、以下に説明する。
［変形例１］
図６は、本実施の形態２の変形例１のＣＯ除去体６４ａの構成を示す模式図である。【００７６】
図６に示すように、変形例１では、ＣＯ除去触媒を担持したペレット状の担体６３ａが、容器６２の内部空間に隙間を有するように充填されている。担体６４は、アノードガス流路７に流入しないような大きさであればよく、形状は限定されない。なお、ここでは、ペレット状の担体６３ａを用いたが、これに限定されず、例えば、板状の担体を容器６２の内部空間に隙間を有するように積層させてもよい。また、ペレット状の担体６３ａが多数の細孔を有する多孔質体で構成されていてもよく、細孔の内面にＣＯ除去触媒が担持されていてもよい。【００７７】
このような構成とすることにより、本変形例の燃料電池システムでは、より多くのＣＯ除去触媒の担持量を維持した上で、アノードガスがＣＯ除去体６４ａの内部（正確には、容器６２の内部空間）を容易に通過することが可能となる。【００７８】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
【実施例】
【００７９】
以下、本発明の実施例について、実施の形態の燃料電池の製造方法の例示を兼ねて説明する。【００８０】
［実施例］
本実施例では、実施の形態１で説明したＰＥＦＣ１００を、以下のプロセスで作製した。【００８１】
まず、ＭＥＡ５の形成について説明する。【００８２】
高分子電解質膜１として、パーフルオロカーボンスルホン酸膜（ＤＵＰＯＮＴ社製 Ｎａｆｉｏｎ１１２（登録商標））を１２５ｍｍ角に切断したものを用いた。【００８３】
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）に白金を担持させて触媒体（５０ｗｔ％がＰｔ）を用意し、この触媒体を６６質量部と、パーフルオロカーボンスルホン酸アイオノマーが５質量％含まれたＮａｆｉｏｎ分散液（米国Ａｌｄｒｉｃｈ社製）を３４質量部（高分子乾燥質量）と、を混合した。この混合液を用いて、スクリーン印刷法により、高分子電解質膜１の両面に１２０ｍｍ角で、厚みが１０〜２０μｍとなるように印刷し、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂを形成した。【００８４】
次に、アノードガス拡散層３ａ及びカソードガス拡散層３ｂを、以下のように作製した。【００８５】
基材として、その直径が２０〜７０μｍである細孔が８０％以上占めるカーボン織布（例えば、日本カーボン（株）製ＧＦ−２０−Ｅ）を用いた。純水と界面活性剤（例えば、トリトン（Ｔｒｉｔｏｎ）Ｘ−５１）とを混ぜ合わせた溶液にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を分散させてＰＴＦＥ分散液を用意した。このＰＴＦＥ分散液に基材を浸漬させ、浸漬させた基材を、３００℃、６０分間遠赤外線乾燥炉を用いて焼成した。次に、別途、純水と界面活性剤（例えば、トリトン（Ｔｒｉｔｏｎ）Ｘ−５１）を混ぜ合わせた溶液を用意し、この混合液にカーボンブラックを加え、プラネタリーミキサーを用いて分散させて、カーボンブラック分散液を用意した。このカーボンブラック分散液にＰＴＦＥと純水をさらに加え、３時間程度混練して、コート層用塗料を用意した。このコート層用塗料を、上述のように焼成した後の基材の主面の片側に、塗工機を用いて塗工した。塗工された基材を、熱風乾燥機を用いて３００℃で２時間焼成する。焼成後の基材を、１２０ｍｍ角となるように切断し、アノードガス拡散層３ａ及びカソードガス拡散層３ｂとした。【００８６】
次に、このアノードガス拡散層３ａ及びカソードガス拡散層３ｂのコート層用塗料が塗工された面を、上記高分子電解質膜１に印刷したアノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂとそれぞれ接するようにホットプレスにより接合し、ＭＥＡ５を作製した。【００８７】
なお、アノードガス拡散層３ａ及びカソードガス拡散層３ｂとなる上記焼成後の基材のコート層塗工面に、上記触媒体とＮａｆｉｏｎ分散液の混合液を、スクリーン印刷法で印刷することにより、アノード４ａ及びカソード４ｂを作製し、このアノード４ａ及びカソード４ｂを高分子電解質膜１にホットプレスにより接合し、ＭＥＡ５を作製してもよい。【００８８】
次に、フッ素ゴム製シートを適宜な形状に打ち抜いて、ガスケット６を作製した。ガスケット６をアノード４ａ及びカソード４ｂの外周に露出する高分子電解質膜１の周縁部に配置し、ホットプレスで接合一体化させた。【００８９】
次に、アノードセパレータ６ａ及びカソードセパレータ６ｂは、フェノール樹脂を含浸させた、厚さが３ｍｍで１５０ｍｍ角の黒鉛板に機械加工によってアノードガス流路７またはカソードガス流路８、伝熱媒体流路９ａ、９ｂ、アノードガス供給用マニホールド孔２２Ｉ及びアノードガス排出用マニホールド孔２２Ｅ等のマニホールド孔等を形成することによって作製した（図３及び図４参照）。アノードガス流路７、カソードガス流路８及び伝熱媒体流路９ａ、９ｂの溝幅は１ｍｍ、深さは１ｍｍ、流路間の幅は１ｍｍとする構成とした。【００９０】
そして、次に、以下のようにして、アノードガス内部供給路にＣＯ除去触媒層６１を形成した。【００９１】
まず、アノードセパレータ６ａのアノードガス流路７及びアノードガス供給用マニホールド１２Ｉとカソードセパレータ６ｂのアノードガス供給用マニホールド１２Ｉに、プラズマを用いて、ＣＯ除去触媒の接着強度を高めるための親水処理を施した。【００９２】
次に、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）にＰｔとＲｕの合金を担持させて触媒体（３０ｗｔ％がＰｔ、２４ｗｔ％がＲｕ）を用意し、この触媒体を６６質量部と、パーフルオロカーボンスルホン酸アイオノマーが５質量％含まれたＮａｆｉｏｎ分散液（米国Ａｌｄｒｉｃｈ社製）を３４質量部（高分子乾燥質量）と、を混合した。この混合液を、溝状のアノードガス流路７の内壁及びアノードガス供給用マニホールド孔１２Ｉを構成する内壁に、スクリーン印刷法により、厚さが１０〜２０μｍとなるように印刷した。なお、Ｎａｆｉｏｎ分散液に代えて、ポリエチレン、フッ素樹脂やエポキシ樹脂などの樹脂や、ＳＢＲなどのゴム材料が溶解された溶解剤を使用することもできる。また、ＣＯ除去触媒層をセパレータのアノードガス流路７の内壁やアノードガス供給用マニホールド１２Ｉを構成する内壁に形成する方法として、真空蒸着などの方法も採用することができる。【００９３】
そして、ＭＥＡ５とガスケット１０をアノードセパレータ６ａ及びカソードセパレータ６ｂで挟み、セル１１を形成した。セル１１を積層し、セル積層体５０を形成し、締結具を用いて、セパレータの面積あたり１０ｋｇｆ／ｃｍ２となるように荷重をかけて締結し、セルスタック５１を形成した。【００９４】
このようにして作製した本実施例のＰＥＦＣは、アノードガスに含まれるＣＯをアノード触媒に到達する前に除去させることができるため、アノード触媒のＣＯ被毒による電池性能低下をより確実に回避することができる。【００９５】
次に、本実施の形態２に係る燃料電池システムの変形例１におけるＣＯ除去体６４ａのＣＯ除去能を調べた試験について説明する。【００９６】
［試験例１］
試験例１では、アノードガス供給用マニホールド２２Ｉに見立てたガス管（長さ４ｃｍ、直径１．９ｃｍ）にＣＯ除去体６４ａ（正確には、シリカ（ＳｉＯ２）とアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）の焼結体にＣＯ除去触媒であるＲｕをＡｌ２Ｏ３に担持したものを塗布した担体６３ａ）を１ｇ充填し、８０℃のアノードガス（組成：Ｈ２  ７３％、ＣＯ２  ２５．５％、空気１．５％、ＣＯ  ２０ｐｐｍ）を１５０ｍｌ／ｍｉｎで流し、ＣＯ除去能を調べた。【００９７】
その結果、アノードガスに含まれていたＣＯの濃度は、２０ｐｐｍから３ｐｐｍにまで低減され、アノードガス供給用マニホールド２２ＩにＣＯ除去体６４ａを設けることで、ＣＯの除去が充分に行えることが確認された。【００９８】
なお、上記実施の形態に係る燃料電池システムを、家庭用燃料電池システムとして説明したが、これに限定されず、自動二輪車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、家電製品、携帯用コンピュータ装置、携帯電話、携帯用音響機器、携帯用情報端末などの携帯電気装置等の燃料電池システムに用いられる。
【産業上の利用可能性】
【００９９】
本発明の高分子電解質形燃料電池及びそれを備える燃料電池システムは、燃料ガスに含まれるＣＯをアノード触媒に到達する前に除去させる燃料電池及びそれを備える燃料電池システムとして有用である。  
【図１】
2007116785.tif 000003
【図２】
2007116785.tif 000004
【図３】
2007116785.tif 000005
【図４】
2007116785.tif 000006
【図５】
2007116785.tif 000007
【図６】
2007116785.tif 000008
【図７】
2007116785.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成20年9月10日(2008.9.10)
【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】
高分子電解質膜と該高分子電解質膜を挟むアノード及びカソードを有するＭＥＡと、該ＭＥＡを挟むように配設されたアノードセパレータ及びカソードセパレータと、を有するセルと、該セルが積層されたセルスタックと、を備え、
前記セルスタックの内部の前記アノードに燃料ガスと空気を供給するアノードガス内部供給路を有し、前記アノードセパレータには、該アノードセパレータの内面に形成された溝状のアノードガス流路及び該アノードガス流路の始端に前記燃料ガスと空気を供給するための積層方向に貫通したアノードガス供給用マニホールド孔が形成され、
前記セルが積層されることにより、前記アノードガス供給用マニホールド孔が連通してアノードガス供給用マニホールドが形成され、
前記アノードガス内部供給路は、前記アノードガス流路とアノードガス供給用マニホールドで構成され、
前記アノードガス供給用マニホールドには、ＣＯ除去触媒を含むＣＯ除去触媒層又はＣＯ除去体のうち少なくともいずれか一方が配設されている、高分子電解質形燃料電池。
【請求項２】
前記ＣＯ除去触媒層には、前記ＣＯ除去触媒を担持する担体が更に含まれている、請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項３】
前記アノードガス供給用マニホールド内に、前記ＣＯ除去体が配設されている、請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項４】
前記アノードガス供給用マニホールド内に、前記ＣＯ除去触媒層が配設されている、請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項５】
前記アノードガス流路に前記ＣＯ除去触媒層が更に配設されている、請求項４に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項６】
前記ＣＯ除去体は、前記ＣＯ除去触媒と、前記ＣＯ除去触媒を担持した担体と、非導電性で、かつ、通気性を有する容器と、を有し、
前記担体は、前記容器に収納されている、請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項７】
前記担体は、前記容器内が通気性を有するように前記容器に収容されている、請求項６に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項８】
前記担体は、多孔質体で形成されている、請求項７に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項９】
前記担体は、ペレット状に形成されている、請求項７に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項１０】
前記ＣＯ除去触媒は、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ａｕ、及びＲｈからなる金属群より選択される少なくとも一種の金属元素を構成元素として含んでいる、請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項１１】
前記ＣＯ除去触媒層は、前記ＣＯ除去触媒を構成する前記金属群及び前記金属群を構成する金属の酸化物からなる金属酸化物群から選ばれる少なくとも二以上の金属及び／又は金属の酸化物の単体が、互いに当接するように前記担体に担持されている、請求項２に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項１２】
請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池と、
前記アノードに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
前記アノードガス内部供給路に前記空気を供給する空気供給装置と、
前記カソードに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、を有する、燃料電池システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子電解質形燃料電池及びそれを備える燃料電池システム、特に、高分子電解質形燃料電池の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質形燃料電池（以下、ＰＥＦＣという）は、都市ガスなどの原料ガスを改質した水素リッチな燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガスを電気化学的に反応させることで、電力と熱を発生させる装置である。ＰＥＦＣの単電池（セル）は、高分子電解質膜及び一対のガス拡散電極（アノード及びカソード）から構成されるＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質膜−電極接合体）と、ガスケットと、導電性のセパレータと、を有している。ガス拡散電極は、触媒層とガス拡散層を有しており、セパレータには、ガス拡散電極と当接する面に燃料ガス又は酸化剤ガスを流すための溝状のガス流路が設けられている。
【０００３】
ところで、ＰＥＦＣを家庭用燃料電池コージェネレーションシステムや燃料電池自動車に搭載して運転する場合に、ＰＥＦＣの発電時の燃料として用いられる燃料ガス（水素ガス）は、一般的なインフラとして整備がされていないため、例えば天然ガスやプロパンガス、メタノールあるいはガソリン等の既存のインフラから得られる原料を水蒸気改質反応させて水素ガスを生成させる水素生成装置を併設することが多い。
【０００４】
水素生成装置で生成された燃料ガスには、原料由来の一酸化炭素（ＣＯ）が数ｐｐｍから数十ｐｐｍ含まれている。このため、ＣＯによってＰＥＦＣのアノード触媒が被毒されてアノードの分極が増大することにより、電池性能が低下するという問題があった。
【０００５】
このような問題に対して、ＣＯ選択酸化触媒をアノードの燃料ガス拡散層に担持させることによって、ＣＯをアノード触媒に到達する前に除去させてアノード触媒の被毒を回避することができる燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平９−１２９２４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載されている燃料電池では、ＣＯ選択酸化触媒を燃料ガス拡散層内にのみ設置しているために、その担持できる量が限られ、起動時や負荷変動時のような過渡時にＣＯ濃度が増加するとＣＯを完全に除去できず、電池性能の低下を引き起こすので、ＣＯ除去触媒の表面積をより多く確保する必要があった。
【０００７】
また、最近、ＣＯ被毒による電池性能低下対策としてＰｔとＲｕの合金触媒がアノード触媒として用いられているが、ＰＥＦＣの起動停止時などの電位変化によって触媒中のＲｕが溶出して、ＣＯに対する耐性が低下するという課題があった。特許文献１に記載されている燃料電池では、触媒層に隣接して配設されている燃料ガス拡散層内に触媒を担持させているため、Ｐｔ／Ｒｕ合金を触媒に用いても、電位変化の影響を受けて、Ｒｕが溶出して、ＣＯに対する耐性が低下するという課題は改善されていなかった。
【０００８】
本発明は、以上の課題を鑑みてなされたものであり、燃料ガスに含まれるＣＯをより確実に除去することができる高分子電解質形燃料電池及びそれを備え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】
【０００９】
このような課題を解決するために、本発明の高分子電解質形燃料電池は、高分子電解質膜と該高分子電解質膜を挟むアノード及びカソードを有するＭＥＡと、該ＭＥＡを挟むように配設されたアノードセパレータ及びカソードセパレータと、を有するセルと、該セルが積層されたセルスタックと、を備え、前記セルスタックの内部の前記アノードに燃料ガスと空気を供給するアノードガス内部供給路を有し、前記アノードガス内部供給路には、ＣＯ除去触媒を含むＣＯ除去触媒層が形成されている。
【００１０】
これにより、燃料ガス中に含まれるＣＯを、ＰＥＦＣを構成するアノードのより上流側で除去させ、確実に電池性能低下を回避することができる。また、ＣＯ除去触媒層をセルスタック内部に設けることにより、省スペース化を図ることができ、さらに、セルスタック内の温度により、ＣＯ除去触媒を加熱することなく触媒活性が得られるので、省エネルギー化を図ることができる。
【００１１】
前記ＣＯ除去触媒層には、前記ＣＯ除去触媒を担持する担体が更に含まれていてもよい。
【００１２】
前記アノードガス内部供給路は、前記アノードセパレータの内面に形成された溝状のアノードガス流路であってもよい。
【００１３】
これにより、ＣＯ除去触媒の担持量をセル毎に充分に確保することができ、燃料ガス中に含まれるＣＯを、ＰＥＦＣを構成するアノードのより上流側で確実に除去させることができる。
【００１４】
前記アノードセパレータには、前記アノードガス流路の始端に前記燃料ガスと空気を供給するための積層方向に貫通したアノードガス供給用マニホールド孔が形成され、前記セルが積層されることにより、前記アノードガス供給用マニホールド孔が連通してアノードガス供給用マニホールドが形成され、前記アノードガス内部供給路は、前記アノードガス供給用マニホールドで構成されていてもよい。
【００１５】
これにより、セルスタック内部に形成されたアノードガス供給用マニホールドにＣＯ除去触媒層を設けて、セルスタック内の空間を有効に利用することができる。また、ＣＯ除去触媒の担持量を充分に確保することができ、燃料ガス中に含まれるＣＯを、ＰＥＦＣを構成するアノードのより上流側で確実に除去させることができる。
【００１６】
前記アノードガス内部供給路は、前記アノードガス流路と前記アノードガス供給用マニホールドから構成されていてもよい。
【００１７】
前記アノードガス供給用マニホールド内に、ＣＯ除去体が配設されていてもよい。
【００１８】
これにより、ＰＥＦＣ本体に導入された燃料ガス中のＣＯ濃度を各セルに導入する前により低減することができ、アノードガス内部供給路だけにＣＯ除去触媒を形成した場合よりも大きな効果を得ることができる。
【００１９】
前記ＣＯ除去体は、前記ＣＯ除去触媒と、前記ＣＯ除去触媒を担持した担体と、非導電性で、かつ、通気性を有する容器と、を有し、前記担体は、前記容器に収納されていてもよい。
【００２０】
前記担体は、前記容器内が通気性を有するように前記容器に収容されていてもよい。
【００２１】
前記担体は、多孔質体で形成されていてもよい。
【００２２】
前記担体は、前記担体は、ペレット状に形成されていてもよい。
【００２３】
前記ＣＯ除去触媒は、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ａｕ、及びＲｈからなる金属群より選択される少なくとも一種の金属元素を構成元素として含んでいてもよい。
【００２４】
前記ＣＯ除去触媒層は、前記ＣＯ除去触媒を構成する前記金属群及び前記金属群を構成する金属の酸化物からなる金属酸化物群から選ばれる少なくとも二以上の金属及び／又は金属の酸化物の単体が、互いに当接するように前記担体に担持されていてもよい。
【００２５】
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記高分子電解質形燃料電池と、前記アノードに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、前記アノードガス内部供給路に前記空気を供給する空気供給装置と、前記カソードに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、を有する。
【００２６】
これにより、燃料ガス中に含まれるＣＯを、高分子電解質形燃料電池を構成するアノードのより上流側で除去させ、確実に電池性能低下を回避することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の高分子電解質形燃料電池及びそれを備える燃料電池システムによれば、燃料ガスに含まれるＣＯをアノード触媒に到達する前に除去させることができるため、アノード触媒のＣＯ被毒による電池性能低下をより確実に回避することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。
【００２９】
まず、本実施の形態１に係る燃料電池システムの構成について説明する。
【００３０】
図1に示すように、本実施の形態１に係る燃料電池システムは、高分子電解質形燃料電池（以下、ＰＥＦＣという）１００と、燃料ガス供給装置１０１と、燃料ガス供給路１０５と、ＣＯ酸化用空気供給装置１０２と、空気供給路１０６と、燃料ガス排出路１０７と、酸化剤ガス供給装置１０３と、酸化剤ガス供給路１０８と、酸化剤ガス排出路１０９と、伝熱媒体供給装置１０４と、伝熱媒体供給路１１０と、伝熱媒体排出路１１１と、を有している。
【００３１】
ＰＥＦＣ１００には、燃料ガス供給路１０５が接続されており、燃料ガス供給路１０５には、燃料ガス供給装置１０１が接続されている。燃料ガス供給装置１０１は、燃料ガス供給路１０５を介してＰＥＦＣ１００のアノード４ａに燃料ガスを供給する。燃料ガス供給装置１０１は、ここでは、天然ガス供給インフラから供給される天然ガス（原料ガス）を燃料処理器（図示せず）に送出するプランジャーポンプ（図示せず）と、その送出量を調整することができる流量調整具（図示せず）と、送出された天然ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する燃料処理器とを有している。燃料処理器では、天然ガスと水蒸気とを改質反応させ、改質ガスが生成され、この改質ガスに含まれるＣＯを１ｐｐｍ程度まで減少させて燃料ガスが生成される。また、ＰＥＦＣ１００には、燃料ガス排出路１０７が接続されており、燃料ガス排出路１０７は、燃料ガス供給装置１０１の燃料処理器と接続されている。
【００３２】
燃料ガス流路１０５には、空気供給路１０６が接続されており、空気供給路１０６には、ＣＯ酸化用空気供給装置１０２が接続されている。ＣＯ酸化用空気供給装置１０２は、燃料ガスに含まれるＣＯを酸化するための空気を空気供給路１０６及び燃料ガス供給路１０５を介してＰＥＦＣ１００のアノード４ａに供給する。ＣＯ酸化用空気供給装置１０２は、ここでは、吸入口が大気開放されているブロワ（図示せず）で構成されており、このブロワは、回転速度を変化させることにより空気供給量を調整することができる。なお、ＣＯ酸化用空気供給装置１０２は、シロッコファンなどのファン類を用いる構成としてもよい。
【００３３】
ＰＥＦＣ１００には、酸化剤ガス供給路１０８が接続されており、酸化剤ガス供給路１０８には、酸化剤ガス供給装置１０３が接続されている。酸化剤ガス供給装置１０３は、酸化剤ガス供給路１０８を介してＰＥＦＣ１００のカソード４ｂに酸化剤ガスを供給する。酸化剤ガス供給装置１０３は、ここでは、吸入口が大気開放されているブロワ（図示せず）で構成されている。なお、酸化剤ガス供給装置１０３は、シロッコファンなどのファン類を用いる構成としてもよい。
【００３４】
また、ＰＥＦＣ１００には、酸化剤ガス排出路１０９が接続されており、未反応の酸化剤ガスをシステム外に排出する。
【００３５】
さらに、ＰＥＦＣ１００には、伝熱媒体供給路１１０及び伝熱媒体排出路１１１が、接続されており、これらの流路は伝熱媒体供給装置１０４と接続されている。伝熱媒体供給装置１０４は、電池を適切な温度に維持するために、ＰＥＦＣ１００に伝熱媒体を供給し、排出された伝熱媒体を冷却又は加熱するように構成されている。なお、ここでは、伝熱媒体として水を使用している。
【００３６】
ＰＥＦＣ１００では、燃料ガス供給装置１０１から供給された水素を含む燃料ガスと、酸化剤ガス供給装置１０３から供給された酸素を含む酸化剤ガスと、が電気化学的に反応して、水が生成し、電気が発生する。このとき、未反応の燃料ガスは、燃料ガス排出路１０７を介して燃料ガス供給装置１０１の燃料処理器にオフガスとして供給される。
【００３７】
次に、本実施の形態１に係る燃料電池システムのＰＥＦＣ１００の構成を説明する。
【００３８】
図２は、図１の燃料電池システムのＰＥＦＣ１００の概容を示す模式図である。なお、図２においては、ＰＥＦＣ１００における上下方向を、図における上下方向として表している。
【００３９】
図２に示すように、ＰＥＦＣ１００は、セルスタック５１を有している。セルスタック５１は、板状の全体形状を有するセル１１がその厚み方向に積層されてなるセル積層体５０と、セル積層体５０の両端に配置された第一及び第二の端板４１ａ、４１ｂと、セル積層体５０と第一及び第二の端板４１ａ、４１ｂとをセル１１の積層方向において締結する図示されない締結具と、を有している。また、第一及び第二の端板４１ａ、４１ｂには、集電板及び絶縁板がそれぞれ配設されているが図示を省略している。なお、板状のセル１１は、鉛直面に平行に延在しており、セル１１の積層方向は水平方向となっている。
【００４０】
セル積層体５０の一方の側部（以下、第一の側部という）の上部には、該セル積層体５０の積層方向に貫通するようにアノードガス供給用マニホールド２２Ｉが形成されている。アノードガス供給用マニホールド２２Ｉの一端は、第一の端板４１ａに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔にアノードガス供給用配管３２Ｉが接続されている。アノードガス供給用マニホールド２２Ｉの他端は、第二の端板４１ｂによって閉鎖されている。アノードガス供給用配管３２Ｉには、燃料ガス供給路１０５（図１参照）が接続されている。また、セル積層体５０の他方の側部（以下、第二の側部という）の下部には、該セル積層体５０の積層方向に貫通するようにアノードガス排出用マニホールド２２Ｅが形成されている。アノードガス排出用マニホールド２２Ｅの一端は、第二の端板４１ｂに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔にアノードガス排出用配管３２Ｅが接続されている。アノードガス排出用マニホールド２２Ｅの他端は、第一の端板４１ａによって閉鎖されている。アノードガス排出用配管３２Ｅには、燃料ガス排出路１０７（図１参照）が接続されている。アノードガス供給用マニホールド２２Ｉは、ここでは、鉛直方向に長い長孔形状（短形の対抗する直線の２辺が半円の２辺に置換された形状）の断面形状を有している。
【００４１】
セル積層体５０の第一の側部の下部には、該セル積層体５０の積層方向に貫通するようにカソードガス排出用マニホールド２３Ｅが形成されている。カソードガス排出用マニホールド２３Ｅの一端は、第一の端板４１ａに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔にカソードガス排出用配管３３Ｅが接続されている。カソードガス排出用マニホールド２３Ｅの他端は、第二の端板４１ｂによって閉鎖されている。カソードガス排出用配管３３Ｅには、酸化剤ガス排出路１０９（図１参照）が接続されている。また、セル積層体５０の第二の側部の上部には、該セル積層体５０の積層方向に貫通するようにカソードガス供給用マニホールド２３Ｉが形成されている。カソードガス供給用マニホールド２３Ｉの一端は、第二の端板４１ｂに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔にカソードガス供給用配管３３Ｉが接続されている。カソードガス供給用マニホールド２３Ｉの他端は、第一の端板４１ａによって閉鎖されている。カソードガス供給用配管３３Ｉには、酸化剤ガス供給路１０８（図１参照）が接続されている。
【００４２】
セル積層体５０の第一の側部のカソードガス排出用マニホールド２３Ｅが配設されている下部の内側には、該セル積層体５０の積層方向に貫通するように伝熱媒体排出用マニホールド２４Ｅが形成されている。伝熱媒体排出用マニホールド２４Ｅの一端は、第一の端板４１ａに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔に伝熱媒体排出用配管３４Ｅが接続されている。伝熱媒体排出用マニホールド２４Ｅの他端は、第二の端板４１ｂによって閉鎖されている。伝熱媒体排出用配管３４Ｅには、伝熱媒体排出路１１１（図１参照）が接続されている。また、セル積層体５０の第二の側部のカソードガス供給用マニホールド２３Ｉが配設されている上部の内側には、該セル積層体５０の積層方向に貫通するように伝熱媒体供給用マニホールド２４Ｉが形成されている。伝熱媒体供給用マニホールド２４Ｉの一端は、第二の端板４１ｂに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔に伝熱媒体供給用配管３４Ｉが接続されている。伝熱媒体供給用マニホールド２４Ｉの他端は、第一の端板４１ａによって閉鎖されている。伝熱媒体供給用配管３４Ｉには、伝熱媒体供給路１１０（図１参照）が接続されている。
【００４３】
次に、本実施の形態１に係るＰＥＦＣ１００のセル１１の構造について説明する。
【００４４】
図３は、図２に示したＰＥＦＣ１００を構成するセル１１の構造の概容を示す断面図である。なお、図３においては、その一部を省略している。
【００４５】
図３に示すように、セル１１は、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質膜−電極接合体）５と、ガスケット１０と、アノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂと、を有している。
【００４６】
ＭＥＡ５は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１とアノード４ａとカソード４ｂを有している。高分子電解質膜１の両面には、その周縁部より内方に位置するようにアノード４ａとカソード４ｂがそれぞれ設けられている。アノード４ａは、高分子電解質膜１の一方の主面上に設けられ、白金系金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とするアノード触媒層２ａと、アノード触媒層２ａの上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたアノードガス拡散層３ａと、を有している。同様に、カソード４ｂは、高分子電解質膜１の他方の主面上に設けられ、白金系金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とするカソード触媒層２ｂと、カソード触媒層２ｂの上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたカソードガス拡散層３ｂと、を有している。なお、高分子電解質膜としては、水素イオンを選択的に透過するイオン交換機能を有する膜が好適に挙げられる。さらに、このような膜としては、−ＣＦ2−を主鎖骨格として、スルホン酸基が側鎖の末端に導入された構造を有する高分子電解質膜が好適に挙げられる。このような構造を有する膜としては、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸膜が好適に挙げられる。
【００４７】
アノード４ａ及びカソード４ｂの周囲には、高分子電解質膜１を挟んで一対のフッ素ゴム製のガスケット１０が配設されている。これにより、燃料ガス、空気や酸化剤ガスが電池外にリークされることが防止され、また、セル１１内でこれらのガスが互いに混合されることが防止される。なお、ガスケット１０の周縁部には、厚み方向の貫通孔からなるアノードガス供給用マニホールド孔１２Ｉ等のマニホールド孔が設けられている。
【００４８】
そして、ＭＥＡ５とガスケット１０を挟むように、導電性のアノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂが配設されている。これらのセパレータ６ａ、６ｂは、黒鉛板に、フェノール樹脂が含浸され硬化された樹脂含浸黒鉛板が用いられる。また、ＳＵＳ等の金属材料からなるものを用いてもよい。アノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂにより、ＭＥＡ５が機械的に固定されるとともに、隣接するＭＥＡ同士が互いに電気的に直列に接続される。
【００４９】
アノードセパレータ６ａの内面（ＭＥＡ５に当接する面）には、燃料ガス及び空気（アノードガス）を流すための溝状のアノードガス流路７がサーペンタイン状に形成されている。一方、アノードセパレータ６ａの外面には、伝熱媒体を流すための溝状の伝熱媒体流路９ａがサーペンタイン状に形成されている。また、アノードセパレータ６ａの周縁部には、厚み方向の貫通孔からなるアノードガス供給用マニホールド孔１２Ｉ等のマニホールド孔（図４参照）が設けられている。
【００５０】
一方、カソードセパレータ６ｂの内面には、酸化剤ガス（カソードガス）を流すための溝状のカソードガス流路８がサーペンタイン状に形成されており、その外面には、伝熱媒体を流すための溝状の伝熱媒体流路９ｂがサーペンタイン状に形成されている。また、カソードセパレータ６ｂの周縁部には、アノードセパレータ６ａと同様に、厚み方向の貫通孔からなるアノードガス供給用マニホールド孔１２Ｉ等のマニホールド孔が設けられている。
【００５１】
このように形成したセル１１をその厚み方向に積層することにより、セル積層体５０が形成される。アノードセパレータ６ａ、カソードセパレータ６ｂ及びガスケット１０に設けられたアノードガス供給用マニホールド孔１２Ｉ等のマニホールド孔は、セル１１を積層したときに厚み方向にそれぞれつながって、アノードガス供給用マニホールド２２Ｉ等のマニホールドがそれぞれ形成される。そして、アノードガス供給用マニホールド２２Ｉとアノードガス流路７からアノードガス内部供給路が構成される。
【００５２】
次に、アノードセパレータ６ａの内面形状について、図３及び図４を参照して詳しく説明する。
【００５３】
図４は、図３に示すセル１１のアノードセパレータ６ａの内面形状を示す模式図である。なお、図４においては、アノードセパレータ６ａにおける上下方向を、図における上下方向として表している。
【００５４】
図４に示すように、アノードセパレータ６ａは、アノードガス供給用マニホールド孔１２Ｉ、アノードガス排出用マニホールド孔１２Ｅ、カソードガス供給用マニホールド孔１３Ｉ、カソードガス排出用マニホールド孔１３Ｅ、伝熱媒体供給用マニホールド孔１４Ｉ及び伝熱媒体排出用マニホールド孔１４Ｅを有している。また、アノードセパレータ６ａは、ＭＥＡ５と当接する当接部分６０の略全体に亘って、アノードガス供給用マニホールド孔１２Ｉとアノードガス排出用マニホールド孔１２Ｅを結ぶようにサーペンタイン状に形成された溝状のアノードガス流路７を有している。
【００５５】
図４において、アノードガス供給用マニホールド孔１２Ｉは、アノードセパレータ６ａの一方の側部（図面左側の側部：以下、第一の側部という）の上部に設けられ、アノードガス排出用マニホールド孔１２Ｅは、アノードセパレータ６ａの他方の側部（図面右側の側部：以下、第二の側部という）の下部に設けられている。カソードガス供給用マニホールド孔１３Ｉは、アノードセパレータ６ａの第二の側部の上部に設けられ、カソードガス排出用マニホールド孔１３Ｅは、アノードセパレータ６ａの第一の側部の下部に設けられている。伝熱媒体供給用マニホールド孔１４Ｉは、カソードガス供給用マニホールド孔１３Ｉの上部の内側に設けられ、伝熱媒体排出用マニホールド孔１４Ｅは、カソードガス排出用マニホールド孔１３Ｅの下部の内側に設けられている。
【００５６】
アノードガス流路７は、本実施の形態では２つの流路で構成されており、各流路は、水平方向に延びる水平部７ａと、鉛直方向に延びる鉛直部７ｂとで実質的に構成されている。具体的には、アノードガス流路７の各流路は、アノードガス供給用マニホールド孔１２Ｉの上部からアノードセパレータ６ａの第二の側部まで水平に延び、そこから、下方にある距離延び、そこから、アノードセパレータ６ａの第一の側部まで延びている。そこから、下方にある距離延びている。そして、そこから、上記の延在パターンを４回繰り返し、その到達点からアノードガス排出用マニホールド孔１２Ｅの下部に至るように水平に延びている。このような各流路の水平に延びる部分が、水平部７ａを形成し、下方に延びる部分が、鉛直部７ｂを形成している。なお、ここでは、アノードガス流路７は、２つの流路で構成したが、これに限られず、本発明の効果を損なわない範囲で任意に設計することができ、水平部７ａ及び鉛直部７ｂについても、同様に、任意に設計することができる。また、アノードガス流路７は、サーペンタイン状に限られず、流路の一方の主流路と他方の主流路との間に複数の支流路を形成するような構成としてもよく、複数の流路が互いに並走するような構成としてもよい。
【００５７】
なお、アノードセパレータ６ａの外面に設けられた伝熱媒体流路９ａ、カソードセパレータ６ｂの内面に設けられたカソードガス流路８及びその外面に設けられた伝熱媒体流路９ｂは、それぞれ上述のアノードガス流路７と同様に構成されている。
【００５８】
上記のようにして形成したアノードガス流路７の内壁及びアノードガス供給用マニホールド孔１２Ｉを構成する内壁には、図３及び図４に示すようにＣＯ除去触媒層６１が設けられている。ＣＯ除去触媒層６１は、ＣＯ除去触媒と該ＣＯ除去触媒を担持した担体を有している。本実施の形態では、ＣＯ除去触媒としてＰｔとＲｕの合金を用い、担体として炭素粉末を用いた。ＣＯ除去触媒層６１の厚みは、本発明の効果を充分に得られる観点から１０μｍ以上であることが好ましく、アノードガス流路７にアノードガスを充分に通過させる観点から２０μｍ以下であることが好ましい。これにより、ＣＯ除去触媒の触媒作用によって、アノードガス中に含まれるＣＯと酸素とを反応させて、二酸化炭素を生成し、ＣＯを除去することができる。また、ＰＥＦＣ（セルスタック）の内部は、伝熱媒体により所定の温度に保たれているので、ＣＯ除去触媒をセルスタックの内部に設けることにより、ＣＯ除去触媒を触媒の活性温度まで加熱する必要がないため、省エネルギー化が図れる。
【００５９】
なお、ここでは、ＣＯ除去触媒として、ＰｔとＲｕの合金を用いたが、これに限られず、ＣＯ除去触媒は、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ａｕ、及びＲｈからなる群より選択される少なくとも一種の金属元素を構成元素として含んでいる触媒であればよい。例えば、ＣＯ除去触媒は、その状態が金属状態のもののみからなっていてもよい。この場合、ＣＯ除去触媒としては、例えば、上記の金属元素のうちの1種のみの金属元素からなる金属単体、当該金属単体を２種以上含むもの、上記の金属元素のうちの２種以上の金属元素からなる合金が挙げられる。また、ＣＯ除去触媒は、上記の群（金属元素の群）のうちの少なくとも１種の金属元素を構成元素として含んでいる金属酸化物からなっていてもよい。この場合、ＣＯ除去触媒としては、例えば、例えば上記の金属元素のうちの１種のみの金属元素からなる金属酸化物、上記の金属元素のうちの２種以上の金属元素からなる合金の酸化物があげられる。更に、ＣＯ除去触媒は、金属状態のもの、及び、金属酸化物を任意に組合せたものからなってもよく、また、ＣＯ除去触媒は、例えば、反応中において、表面の一部がイオン（例えば金属イオン）の状態となるものであってもよい。
【００６０】
また、ここでは、ＣＯ除去触媒層６１をＣＯ除去触媒と該ＣＯ除去触媒を担持した担体を有する構成としたが、これに限られず、ＣＯ除去触媒のみで構成されていてもよい。また、ＣＯ除去触媒層６１をアノードガス流路７の内壁及びアノードガス供給用マニホールド孔１２Ｉを構成する内壁の両方に設ける構成としたが、これに限られず、アノードガス流路７の内壁、又は、アノードガス供給用マニホールド孔１２Ｉを構成する内壁のいずれか一方の内壁に設けるような構成としてもよい。
【００６１】
次に、本実施の形態１に係る燃料電池システムの動作について図１乃至図４を参照しながら説明する。
【００６２】
まず、燃料ガスが、燃料ガス供給装置１０１から燃料ガス供給路１０５を介してＰＥＦＣ１００に供給される。このとき、ＣＯ酸化用空気供給装置１０２から、空気が空気供給路１０６及び燃料ガス供給路１０５を介して、燃料ガスと共にＰＥＦＣ１００に供給される。また、酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給装置１０３から酸化剤ガス供給路１０８を介してＰＥＦＣ１００に供給される。さらに、伝熱媒体が、伝熱媒体供給装置１０４から伝熱媒体供給路１１０を介してＰＥＦＣ１００に供給される。
【００６３】
ＰＥＦＣ１００では、燃料ガス供給装置１０１から供給された燃料ガス及び空気が、アノードガス供給用配管３２Ｉを介してアノードガス供給用マニホールド２２Ｉに供給され、アノードガス供給用マニホールド２２Ｉから各セルのアノードガス流路７に供給される。このとき、燃料ガス供給装置１０１から供給された燃料ガスには数十ｐｐｍから数ｐｐｍ（例えば、１ｐｐｍ）のＣＯが含有されているが、アノードガス供給用マニホールド２２Ｉ及びアノードガス流路７に設けられたＣＯ除去触媒層６１のＣＯ除去触媒によって、アノードガス中に含まれるＣＯと供給された空気が反応し、ＣＯが除去され、アノード４ａに供給される燃料ガス中に含まれるＣＯを低減することができる。これにより、燃料ガスに含まれるＣＯをアノード触媒２ａに到達する前に除去させることができるため、アノード触媒２ａのＣＯ被毒による電池性能低下をより確実に回避することができる。
【００６４】
また、ＰＥＦＣ１００では、酸化剤ガス供給装置１０３から供給された酸化剤ガスが、カソードガス供給用配管３３Ｉを介してカソードガス供給用マニホールド２３Ｉに供給され、カソードガス供給用マニホールド２３Ｉから各セルのカソードガス流路８に供給される。
【００６５】
アノードガス流路７に供給された燃料ガスは、アノードガス拡散層３ａを通過してアノードガス触媒層２ａに供給され、カソードガス流路８に供給された酸化剤ガスは、カソードガス拡散層３ｂを通過してカソードガス触媒層２ｂに供給され、これらのガスが電気化学的に反応して、電気が発生する。未使用の燃料ガスは、アノードガス排出用マニホールド２２Ｅ、アノードガス排出用配管３２Ｅを介して燃料ガス排出路１０７に排出される。そして、未使用の燃料ガスは、燃料ガス供給装置の燃料処理器にオフガスとして供給される。また、未使用の酸化剤ガスは、カソードガス排出用マニホールド２３Ｅ、カソードガス排出用配管３３Ｅを介して酸化剤ガス排出路１０９に排出され、システム外に排出される
さらに、ＰＥＦＣ１００では、伝熱媒体供給装置１０４から供給された伝熱媒体が、伝熱媒体供給用配管３４Ｉを介して伝熱媒体供給用マニホールド２４Ｉに供給され、伝熱媒体供給用マニホールド２４Ｉから各セルの伝熱媒体流路９ａ、９ｂに供給される。伝熱媒体流路９ａ、９ｂに供給された伝熱媒体は、伝熱媒体排出用マニホールド２４Ｅ、伝熱媒体排出用配管３４Ｅを介して伝熱媒体排出路１１１に排出され、伝熱媒体供給装置１０４に供給される。これにより、ＰＥＦＣ１００の内部が適切な温度に保たれる。
【００６６】
このような構成とすることにより、本実施の形態１に係る燃料電池システムでは、ＰＥＦＣ１００のアノードガス内部供給路にＣＯ除去触媒層６１を設けることにより、燃料ガスに含まれるＣＯをアノード触媒２ａに到達する前に除去させることができるため、アノード触媒２ａのＣＯ被毒による電池性能低下をより確実に回避することが可能となる。
（実施の形態２）
図５（ａ）は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムにおけるＰＥＦＣ１００ａの構成の一部を示した模式図である。また、図５（ｂ）及び図７は、図５（ａ）に示したＰＥＦＣ１００ａの断面の一部を示した模式図である。
【００６７】
図５（ａ）、図５（ｂ）及び図７に示すように、本実施の形態２に係る燃料電池システムのＰＥＦＣ１００ａでは、アノードガス供給用マニホールド２２Ｉの内部に、ＣＯ除去体６４が嵌挿されている。ＣＯ除去体６４は、筒状の容器６２と容器６２の内部に嵌挿されＣＯ除去触媒が担持された柱状の担体６３を有する。そして、容器６２の一方の側面（端部）は、第一の端板４１ａ（正確には、図示されない集電板）の主面と当接するように配置され、他方の側面（端部）は、第二の端板４１ｂ（正確には、図示されない集電板）の主面との間に所定の隙間を有するように（アノードガスが当該部分で通流するように）配置されている。
【００６８】
容器６２は、その周壁に多数の小径の通孔を有し、かつ、非導電性を有している。このような材質を有するものとして、例えば、セラミックやアルミナが挙げられる。これにより、積層されたセル間を短絡させることなく電位差が維持される。なお、容器６２は、周壁にアノードガスが通流するための貫通孔を設けてもよい。
【００６９】
担体６３は、ＣＯ除去触媒を担持する面積を大きくする観点から外表面に凹凸を有することが好ましく、燃料ガスの通過をよくする観点から非常に空隙率の大きな多孔質体であることがより好ましい。このような材質を有するものとして、例えば、セラミックやアルミナが挙げられる。さらに、ＣＯ除去触媒を担持する面積を大きくする観点から多孔質体の細孔の内面にＣＯ除去触媒が担持されていることがより好ましい。また、担体６３は、ハニカム状に形成されている。なお、容器６２の断面は、ここでは、楕円であるが、これに限定されず、アノードガス供給用マニホールド２２Ｉの内部に嵌挿されれば多角形等であってもよい。また、担体６３は、ここでは、断面が六角形であるが、これに限定されず、容器６２の内部空間に収容されれば、円形等であってもよい。さらに、担体６３が容器６２から外れないようにするために、容器６２の両側面（第一及び第二の端板４１ａ、４１ｂ（正確には、図示されない集電板）と当接する面）を、通気性を有する蓋部材で蓋をしてもよい。
【００７０】
このように形成された本実施の形態２に係る燃料電池システムにおけるＰＥＦＣ１００ａでは、燃料ガス供給装置１０１から燃料ガス供給路１０５（燃料ガス供給用配管３２Ｉ）を介して供給されたアノードガスは、ＣＯ除去体６４を構成する容器６２の内部空間を通流する。このとき、アノードガスに含まれるＣＯと空気（酸素）は、担体６３に担持されたＣＯ除去触媒によって反応し、ＣＯが除去される。そして、容器６２の内部空間を通流するアノードガスは、容器６２の他方の端部で反転して、アノードガス供給用マニホールド２２Ｉと容器６２との間に形成された空間を通流し、各セル１１のアノードセパレータ６ａに設けられたアノードガス流路７を通流する。
【００７１】
このような構成とすることにより、本実施の形態２に係る燃料電池システムでは、ＣＯ除去体６４を設けることによりＣＯ除去触媒を担持する表面積が増加するので、ＣＯ除去触媒をより多く担持させることができ、アノードガス中に含まれるＣＯをより確実に除去することが可能となる。
【００７２】
なお、本実施の形態２に係る燃料電池システムのその他の構成については、実施の形態１の場合と同様であるので、説明を省略する。
【００７３】
次に、本実施の形態２に係る燃料電池システムのＣＯ除去体６４の変形例を、以下に説明する。
［変形例１］
図６は、本実施の形態２の変形例１のＣＯ除去体６４ａの構成を示す模式図である。
【００７４】
図６に示すように、変形例１では、ＣＯ除去触媒を担持したペレット状の担体６３ａが、容器６２の内部空間に隙間を有するように充填されている。担体６４は、アノードガス流路７に流入しないような大きさであればよく、形状は限定されない。なお、ここでは、ペレット状の担体６３ａを用いたが、これに限定されず、例えば、板状の担体を容器６２の内部空間に隙間を有するように積層させてもよい。また、ペレット状の担体６３ａが多数の細孔を有する多孔質体で構成されていてもよく、細孔の内面にＣＯ除去触媒が担持されていてもよい。
【００７５】
このような構成とすることにより、本変形例の燃料電池システムでは、より多くのＣＯ除去触媒の担持量を維持した上で、アノードガスがＣＯ除去体６４ａの内部（正確には、容器６２の内部空間）を容易に通過することが可能となる。
【００７６】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
【実施例】
【００７７】
以下、本発明の実施例について、実施の形態の燃料電池の製造方法の例示を兼ねて説明する。
【００７８】
［実施例］
本実施例では、実施の形態１で説明したＰＥＦＣ１００を、以下のプロセスで作製した。
【００７９】
まず、ＭＥＡ５の形成について説明する。
【００８０】
高分子電解質膜１として、パーフルオロカーボンスルホン酸膜（ＤＵＰＯＮＴ社製 Ｎａｆｉｏｎ１１２（登録商標））を１２５ｍｍ角に切断したものを用いた。
【００８１】
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）に白金を担持させて触媒体（５０ｗｔ％がＰｔ）を用意し、この触媒体を６６質量部と、パーフルオロカーボンスルホン酸アイオノマーが５質量％含まれたＮａｆｉｏｎ分散液（米国Ａｌｄｒｉｃｈ社製）を３４質量部（高分子乾燥質量）と、を混合した。この混合液を用いて、スクリーン印刷法により、高分子電解質膜１の両面に１２０ｍｍ角で、厚みが１０〜２０μｍとなるように印刷し、アノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂを形成した。
【００８２】
次に、アノードガス拡散層３ａ及びカソードガス拡散層３ｂを、以下のように作製した。
【００８３】
基材として、その直径が２０〜７０μｍである細孔が８０％以上占めるカーボン織布（例えば、日本カーボン（株）製ＧＦ−２０−Ｅ）を用いた。純水と界面活性剤（例えば、トリトン（Ｔｒｉｔｏｎ）Ｘ−５１）とを混ぜ合わせた溶液にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を分散させてＰＴＦＥ分散液を用意した。このＰＴＦＥ分散液に基材を浸漬させ、浸漬させた基材を、３００℃、６０分間遠赤外線乾燥炉を用いて焼成した。次に、別途、純水と界面活性剤（例えば、トリトン（Ｔｒｉｔｏｎ）Ｘ−５１）を混ぜ合わせた溶液を用意し、この混合液にカーボンブラックを加え、プラネタリーミキサーを用いて分散させて、カーボンブラック分散液を用意した。このカーボンブラック分散液にＰＴＦＥと純水をさらに加え、３時間程度混練して、コート層用塗料を用意した。このコート層用塗料を、上述のように焼成した後の基材の主面の片側に、塗工機を用いて塗工した。塗工された基材を、熱風乾燥機を用いて３００℃で２時間焼成する。焼成後の基材を、１２０ｍｍ角となるように切断し、アノードガス拡散層３ａ及びカソードガス拡散層３ｂとした。
【００８４】
次に、このアノードガス拡散層３ａ及びカソードガス拡散層３ｂのコート層用塗料が塗工された面を、上記高分子電解質膜１に印刷したアノード触媒層２ａ及びカソード触媒層２ｂとそれぞれ接するようにホットプレスにより接合し、ＭＥＡ５を作製した。
【００８５】
なお、アノードガス拡散層３ａ及びカソードガス拡散層３ｂとなる上記焼成後の基材のコート層塗工面に、上記触媒体とＮａｆｉｏｎ分散液の混合液を、スクリーン印刷法で印刷することにより、アノード４ａ及びカソード４ｂを作製し、このアノード４ａ及びカソード４ｂを高分子電解質膜１にホットプレスにより接合し、ＭＥＡ５を作製してもよい。
【００８６】
次に、フッ素ゴム製シートを適宜な形状に打ち抜いて、ガスケット６を作製した。ガスケット６をアノード４ａ及びカソード４ｂの外周に露出する高分子電解質膜１の周縁部に配置し、ホットプレスで接合一体化させた。
【００８７】
次に、アノードセパレータ６ａ及びカソードセパレータ６ｂは、フェノール樹脂を含浸させた、厚さが３ｍｍで１５０ｍｍ角の黒鉛板に機械加工によってアノードガス流路７またはカソードガス流路８、伝熱媒体流路９ａ、９ｂ、アノードガス供給用マニホールド孔２２Ｉ及びアノードガス排出用マニホールド孔２２Ｅ等のマニホールド孔等を形成することによって作製した（図３及び図４参照）。アノードガス流路７、カソードガス流路８及び伝熱媒体流路９ａ、９ｂの溝幅は１ｍｍ、深さは１ｍｍ、流路間の幅は１ｍｍとする構成とした。
【００８８】
そして、次に、以下のようにして、アノードガス内部供給路にＣＯ除去触媒層６１を形成した。
【００８９】
まず、アノードセパレータ６ａのアノードガス流路７及びアノードガス供給用マニホールド１２Ｉとカソードセパレータ６ｂのアノードガス供給用マニホールド１２Ｉに、プラズマを用いて、ＣＯ除去触媒の接着強度を高めるための親水処理を施した。
【００９０】
次に、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）にＰｔとＲｕの合金を担持させて触媒体（３０ｗｔ％がＰｔ、２４ｗｔ％がＲｕ）を用意し、この触媒体を６６質量部と、パーフルオロカーボンスルホン酸アイオノマーが５質量％含まれたＮａｆｉｏｎ分散液（米国Ａｌｄｒｉｃｈ社製）を３４質量部（高分子乾燥質量）と、を混合した。この混合液を、溝状のアノードガス流路７の内壁及びアノードガス供給用マニホールド孔１２Ｉを構成する内壁に、スクリーン印刷法により、厚さが１０〜２０μｍとなるように印刷した。なお、Ｎａｆｉｏｎ分散液に代えて、ポリエチレン、フッ素樹脂やエポキシ樹脂などの樹脂や、ＳＢＲなどのゴム材料が溶解された溶解剤を使用することもできる。また、ＣＯ除去触媒層をセパレータのアノードガス流路７の内壁やアノードガス供給用マニホールド１２Ｉを構成する内壁に形成する方法として、真空蒸着などの方法も採用することができる。
【００９１】
そして、ＭＥＡ５とガスケット１０をアノードセパレータ６ａ及びカソードセパレータ６ｂで挟み、セル１１を形成した。セル１１を積層し、セル積層体５０を形成し、締結具を用いて、セパレータの面積あたり１０ｋｇｆ／ｃｍ2となるように荷重をかけて締結し、セルスタック５１を形成した。
【００９２】
このようにして作製した本実施例のＰＥＦＣは、アノードガスに含まれるＣＯをアノード触媒に到達する前に除去させることができるため、アノード触媒のＣＯ被毒による電池性能低下をより確実に回避することができる。
【００９３】
次に、本実施の形態２に係る燃料電池システムの変形例１におけるＣＯ除去体６４ａのＣＯ除去能を調べた試験について説明する。
【００９４】
［試験例１］
試験例１では、アノードガス供給用マニホールド２２Ｉに見立てたガス管（長さ４ｃｍ、直径１．９ｃｍ）にＣＯ除去体６４ａ（正確には、シリカ（ＳｉＯ2）とアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）の焼結体にＣＯ除去触媒であるＲｕをＡｌ2Ｏ3に担持したものを塗布した担体６３ａ）を１ｇ充填し、８０℃のアノードガス（組成：Ｈ2  ７３％、ＣＯ2  ２５．５％、空気１．５％、ＣＯ  ２０ｐｐｍ）を１５０ｍｌ／ｍｉｎで流し、ＣＯ除去能を調べた。
【００９５】
その結果、アノードガスに含まれていたＣＯの濃度は、２０ｐｐｍから３ｐｐｍにまで低減され、アノードガス供給用マニホールド２２ＩにＣＯ除去体６４ａを設けることで、ＣＯの除去が充分に行えることが確認された。
【００９６】
なお、上記実施の形態に係る燃料電池システムを、家庭用燃料電池システムとして説明したが、これに限定されず、自動二輪車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、家電製品、携帯用コンピュータ装置、携帯電話、携帯用音響機器、携帯用情報端末などの携帯電気装置等の燃料電池システムに用いられる。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
本発明の高分子電解質形燃料電池及びそれを備える燃料電池システムは、燃料ガスに含まれるＣＯをアノード触媒に到達する前に除去させる燃料電池及びそれを備える燃料電池システムとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。
【図２】図２は、図１の燃料電池システムの高分子電解質形燃料電池の概略を示す模式図である。
【図３】図３は、図２に示した高分子電解質形燃料電池を構成するセルの構造の概略を示す断面図である。
【図４】図４は、図３に示すセルのアノードセパレータの内面形状を示す模式図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムにおける高分子電解質形燃料電池の構成の一部を示した模式図である。
【図６】図６は、図５に示す高分子電解質形燃料電池におけるＣＯ除去体の変形例を示す模式図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムにおける高分子電解質形燃料電池の構成の一部を示した模式図である。
【符号の説明】
【００９９】
１  高分子電解質膜
２ａ  アノード触媒層
２ｂ  カソード触媒層
３ａ  アノードガス拡散層
３ｂ  カソードガス拡散層
４ａ  アノード
４ｂ  カソード
５  ＭＥＡ
６ａ  アノードセパレータ
６ｂ  カソードセパレータ
７  アノードガス流路
７ａ  水平部
７ｂ  鉛直部
８  カソードガス流路
９ａ  伝熱媒体流路
９ｂ  伝熱媒体流路
１０  ガスケット
１１  セル
１２Ｅ  アノードガス排出用マニホールド孔
１２Ｉ  アノードガス供給用マニホールド孔
１３Ｅ  カソードガス排出用マニホールド孔
１３Ｉ  カソードガス供給用マニホールド孔
１４Ｅ  伝熱媒体排出用マニホールド孔
１４Ｉ  伝熱媒体供給用マニホールド孔
２２Ｅ  アノードガス排出用マニホールド
２２Ｉ  アノードガス供給用マニホールド
２３Ｅ  カソードガス排出用マニホールド
２３Ｉ  カソードガス供給用マニホールド
２４Ｅ  伝熱媒体排出用マニホールド
２４Ｉ  伝熱媒体供給用マニホールド
３２Ｅ  アノードガス排出用配管
３２Ｉ  アノードガス供給用配管
３３Ｅ  カソードガス排出用配管
３３Ｉ  カソードガス供給用配管
３４Ｅ  伝熱媒体排出用配管
３４Ｉ  伝熱媒体供給用配管
４１ａ  第一の端板
４１ｂ  第二の端板
５０  セル積層体
５１  セルスタック
５１ａ  セルスタック
６０  当接部分
６１  ＣＯ除去触媒層
６２  容器
６３  担体
６３ａ  担体
６４  ＣＯ除去体
６４ａ  ＣＯ除去体
１００  高分子電解質形燃料電池
１００ａ  高分子電解質形燃料電池
１０１  燃料ガス供給装置
１０２  ＣＯ酸化用空気供給装置
１０３  酸化剤ガス供給装置
１０４  伝熱媒体供給装置
１０５  燃料ガス供給路
１０６  空気供給路
１０７  燃料ガス排出路
１０８  酸化剤ガス供給路
１０９  酸化剤ガス排出路
１１０  伝熱媒体供給路
１１１  伝熱媒体排出路
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2007116785.tif 000010
【図２】
2007116785.tif 000011
【図３】
2007116785.tif 000012
【図４】
2007116785.tif 000013
【図５】
2007116785.tif 000014
【図６】
2007116785.tif 000015
【図７】
2007116785.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成20年9月11日(2008.9.11)
【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】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
高分子電解質膜と該高分子電解質膜を挟むアノード及びカソードを有するＭＥＡと、該ＭＥＡを挟むように配設されたアノードセパレータ及びカソードセパレータと、を有するセルと、該セルが積層されたセルスタックと、を備え、
前記アノードセパレータには、該アノードセパレータの内面に形成された溝状のアノードガス流路及び該アノードガス流路の始端に前記燃料ガスと空気を供給するための積層方向に貫通したアノードガス供給用マニホールド孔が形成され、
前記セルが積層されることにより、前記アノードガス供給用マニホールド孔が連通してアノードガス供給用マニホールドが形成され、
前記アノードガス供給用マニホールドには、ＣＯ除去触媒を含むＣＯ除去触媒層又はＣＯ除去体のうち少なくともいずれか一方が配設されている、高分子電解質形燃料電池。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１２】
請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池と、
前記アノードに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
前記アノードガス供給マニホールドに前記空気を供給する空気供給装置と、
前記カソードに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、を有する、燃料電池システム。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
このような課題を解決するために、本発明の高分子電解質形燃料電池は、高分子電解質膜と該高分子電解質膜を挟むアノード及びカソードを有するＭＥＡと、該ＭＥＡを挟むように配設されたアノードセパレータ及びカソードセパレータと、を有するセルと、該セルが積層されたセルスタックと、を備え、前記アノードセパレータには、該アノードセパレータの内面に形成された溝状のアノードガス流路及び該アノードガス流路の始端に前記燃料ガスと空気を供給するための積層方向に貫通したアノードガス供給用マニホールド孔が形成され、前記セルが積層されることにより、前記アノードガス供給用マニホールド孔が連通してアノードガス供給用マニホールドが形成され、前記アノードガス供給用マニホールドには、ＣＯ除去触媒を含むＣＯ除去触媒層又はＣＯ除去体のうち少なくともいずれか一方が配設されている。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
これにより、燃料ガス中に含まれるＣＯを、ＰＥＦＣを構成するアノードのより上流側で除去させ、確実に電池性能低下を回避することができる。また、ＣＯ除去触媒層をセルスタック内部に設けることにより、省スペース化を図ることができ、さらに、セルスタック内の温度により、ＣＯ除去触媒を加熱することなく触媒活性が得られるので、省エネルギー化を図ることができる。また、これにより、セルスタック内部に形成されたアノードガス供給用マニホールドにＣＯ除去触媒層を設けて、セルスタック内の空間を有効に利用することができる。また、ＣＯ除去触媒の担持量を充分に確保することができ、燃料ガス中に含まれるＣＯを、ＰＥＦＣを構成するアノードのより上流側で確実に除去させることができる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
これにより、ＰＥＦＣ本体に導入された燃料ガス中のＣＯ濃度を各セルに導入する前により低減することができ、アノードガス内部供給路だけにＣＯ除去触媒を形成した場合よりも大きな効果を得ることができる。
また、前記アノードガス供給用マニホールド内に、前記ＣＯ除去触媒層が配設されていてもよい。
さらに、前記アノードガス流路に前記ＣＯ除去触媒層が更に配設されていてもよい。これにより、ＣＯ除去触媒の担持量をセル毎に充分に確保することができ、燃料ガス中に含まれるＣＯを、ＰＥＦＣを構成するアノードのより上流側で確実に除去させることができる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】削除
【補正の内容】
【国際調査報告】
2007116785.tif 000017
2007116785.tif 000018
2007116785.tif 000019
2007116785.tif 000020
2007116785.tif 000021
2007116785.tif 000022
2007116785.tif 000023