(57)【要約】【課題】本発明は、運転始動時等やアノードデッドエンドでの運転時であっても、発電性能が低下することのない燃料電池を提供することを主目的とするものである。【解決手段】上記目的を達成するために、本発明は、固体電解質膜と、上記固体電解質膜の両側の面上に形成された触媒電極層と、上記触媒電極層上に形成されたガス拡散層と、上記ガス拡散層上に形成されたセパレータとを有する燃料電池であって、上記固体電解質膜の一方の側に形成された上記触媒電極層および上記ガス拡散層を有するアノードでは、上記アノード内を通流するガスの通流方向の下流側で、上記固体電解質膜と接する部分に窒素ガスを保持する窒素ガス保持部を有し、上記窒素ガス保持部には、上記触媒電極層が形成されていないことを特徴とする燃料電池を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質膜と、前記固体電解質膜の両側の面上に形成された触媒電極層と、前記触媒電極層上に形成されたガス拡散層と、前記ガス拡散層上に形成されたセパレータとを有する燃料電池であって、
前記固体電解質膜の一方の側に形成された前記触媒電極層および前記ガス拡散層を有するアノードでは、前記アノード内を通流するガスの通流方向の下流側で、前記固体電解質膜と接する部分に窒素ガスを保持する窒素ガス保持部を有し、前記窒素ガス保持部には、前記触媒電極層が形成されていないことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
固体電解質膜、前記固体電解質膜の両側の面上に形成された触媒電極層、前記触媒電極層上に形成されたガス拡散層および、前記ガス拡散層上に形成されたセパレータを有する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックを有し、前記固体電解質膜の一方の側に形成された前記触媒電極層および前記ガス拡散層を有するアノードでは、前記アノード内を通流するガスの通流方向の下流側を閉塞する閉塞手段を有する燃料電池システムであって、
前記アノードでは、前記アノード内を通流するガスの通流方向の下流側で、前記固体電解質膜と接する部分に窒素ガスを保持する窒素ガス保持部を有し、前記窒素ガス保持部には、前記触媒電極層が形成されていない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、運転始動時等やアノード内を通流するガスの通流方向の下流側が閉塞した状態（以下、アノードデッドエンドと称する場合がある。）での運転時であっても、発電性能の低下を防ぐことが可能な燃料電池および燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質型燃料電池（以下、単に燃料電池と称する場合がある。）の最小発電単位である単位セルは、一般に固体電解質膜の両側に触媒電極層が接合されている膜電極複合体を有し、この膜電極複合体の両側にはガス拡散層が配されている。さらに、その外側にはガス流路を備えたセパレータが配されており、ガス拡散層を介して膜電極複合体の触媒電極層へと供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスを通流させるとともに、発電により得られた電流を外部に伝える働きをしている。一般に、このような単位セルにおいて、燃料ガスが供給されるガス拡散層および触媒電極層をアノード、酸化剤ガスが供給されるガス拡散層および触媒電極層をカソードという。
【０００３】
このような単位セルによって構成された燃料電池を稼動させるための燃料電池システムとしては、アノードからの排ガスを排出する排出路に開閉バルブを設け、開閉バルブを閉とした状態で発電を行い、窒素や水分の滞留により水素濃度の低下が検知されると開閉バルブを開として窒素や水分を排出する開閉制御手段を備えた燃料電池システムが提案されている（特許文献１）。このような燃料電池システムによれば、実際に水素濃度が低下した際に、アノード内の窒素や水分を排出することができるため、燃料ガス中の水素濃度が低下することなく、発電反応を効率よく行うことができる。
【０００４】
しかしながら、排出路の開閉バルブを閉とした状態で発電を行うと、カソード側からアノード側へと透過した窒素が、アノードの排出路付近に滞留してしまい、電位が上昇するため、この部分に対向するカソード部分が異常電位となる。このため、セル内で内部電池が形成されてしまい、カソードにおける触媒電極層内のカーボンの腐食や触媒の溶出等が起こり、発電性能が低下してしまうといった不具合が生じる場合があった。
【０００５】
また、燃料電池システムとして、燃料電池セルを積み重ねてなる燃料電池スタックを本体とし、このアノードに供給する水素等の燃料ガスを貯蔵した燃料タンクや、未使用の燃料ガスを含むアノードからの排ガスをアノードに戻すためのポンプ等が付設された循環型のものも挙げられる。このような燃料電池システムは、排ガス中に含まれる未使用の燃料ガスを有効利用できるという利点を有するものである。
【０００６】
しかしながら、このような循環型の燃料電池システムの運転始動時等においては、アノードの排ガスの出口付近の水素濃度が低い場合があり、このような場合も、上記特許文献１における燃料電池システムと同様、セル内で内部電池が形成され、触媒電極層が腐食し、発電性能が低下してしまうという問題を有するものであった。
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−７７５０６号公報
【特許文献２】特開２００３−６８３２３号公報
【特許文献３】特開平１−５９７７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、運転始動時等やアノードデッドエンドでの運転時であっても、発電性能が低下することのない燃料電池の提供が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、固体電解質膜と、上記固体電解質膜の両側の面上に形成された触媒電極層と、上記触媒電極層上に形成されたガス拡散層と、上記ガス拡散層上に形成されたセパレータとを有する燃料電池であって、上記固体電解質膜の一方の側に形成された上記触媒電極層および上記ガス拡散層を有するアノードでは、上記アノード内を通流するガスの通流方向の下流側で、上記固体電解質膜と接する部分に窒素ガスを保持する窒素ガス保持部を有し、上記窒素ガス保持部には、上記触媒電極層が形成されていないことを特徴とする燃料電池を提供する。
【００１０】
本発明においては、アノードデッドエンドでの運転時に、カソードから透過してきた窒素ガスが上記窒素ガス保持部に溜まった場合であっても、上記窒素ガス保持部には触媒電極層が形成されていないことにより、上記窒素ガス保持部では触媒反応が起こらない。これにより、セル内での内部電池の形成を防ぐことができる。したがって、カソードにおける触媒電極層の腐食を防ぐことができ、アノードデッドエンドでの運転時に発電性能が低下することのない燃料電池とすることができる。
また本発明によれば、運転始動時等において、アノード内を通流するガスの通流方向の下流側の水素濃度が低い場合であっても、上記窒素ガス保持部には触媒電極層が形成されていないことにより、内部電池の形成を防ぐことができ、上記アノードデッドエンドでの運転時と同様の効果を得ることができる。
さらに本発明によれば、アノードデッドエンドの状態で燃料電池を運転させた際、上記窒素ガス保持部に高濃度の窒素ガスが保持されることになる。高濃度の窒素ガスが保持された窒素ガス保持部は、固体電解質膜と接していることから、窒素ガス保持部とそれに対向するカソード部分との窒素ガスの分圧差により、固体電解質膜を通して窒素ガスを上記カソードに容易に移動させることができる。したがって、窒素ガス保持部に保持された窒素ガスを排出することが可能となる。
【００１１】
また、本発明は、固体電解質膜、上記固体電解質膜の両側の面上に形成された触媒電極層、上記触媒電極層上に形成されたガス拡散層および、上記ガス拡散層上に形成されたセパレータを有する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックを有し、上記固体電解質膜の一方の側に形成された上記触媒電極層および上記ガス拡散層を有するアノードでは、上記アノード内を通流するガスの通流方向の下流側を閉塞する閉塞手段を有する燃料電池システムであって、上記アノードでは、上記アノード内を通流するガスの通流方向の下流側で、上記固体電解質膜と接する部分に窒素ガスを保持する窒素ガス保持部を有し、上記窒素ガス保持部には、上記触媒電極層が形成されていないことを特徴とする燃料電池システムを提供する。
【００１２】
本発明によれば、上記閉塞手段により上記アノード内を通流するガスの通流方向の下流側を閉塞させて燃料電池を運転させた場合であっても、窒素ガス保持部には触媒電極層が形成されていないことにより、セル内での内部電池の形成を防ぐことができる。したがって、カソードにおける触媒電極層の腐食を防ぐことができ、運転時に発電性能が低下することのない燃料電池システムとすることができる。
また本発明においては、上記閉塞手段により上記アノード内を通流するガスの通流方向の下流側を閉塞させて燃料電池を運転させた際、上記窒素ガス保持部に高濃度の窒素ガスが保持される。これにより、窒素ガス保持部とそれに対向するカソード部分とに窒素ガスの分圧差が生じ、この分圧差を利用して、窒素ガスを窒素ガス保持部からカソードへ移動させて排出することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、運転始動時等やアノードデッドエンドでの運転時であっても、セル内での内部電池の形成を防ぐことができる。したがって、カソードにおける触媒電極層の腐食を防ぐことができ、運転始動時等やアノードデッドエンドでの運転時に発電性能が低下することのない燃料電池とすることができる。また、アノードデッドエンドでの運転時に、窒素ガス保持部に保持された窒素ガスを、窒素ガスの分圧差を利用して固体電解質膜を通してカソードへと排出することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明は、燃料電池および燃料電池システムに関するものである。以下、これらについて説明する。
【００１５】
Ａ．燃料電池
図１は、本発明の燃料電池の最小単位である単位セルの構造の一例を示すものである。本発明の燃料電池の単位セル（以下、燃料電池セルとする場合がある。）は、例えば図１に示すように、固体電解質膜１の一方の面上に触媒電極層２および窒素ガス保持部３が形成され、その上にはガス拡散層４、セパレータ５がこの順で積層され、また固体電解質膜１の他方の面上には、触媒電極層２、ガス拡散層４、セパレータ５がこの順で積層されている。また、窒素ガス保持部３を有するアノード７には、燃料ガスとして水素ガス６が供給され、またカソード９には、酸素を含む酸化剤ガスとして空気８が供給される。
【００１６】
このような本発明の燃料電池は、アノード内を通流するガスの通流方向の下流側（以下、単にアノードの下流側と記載する場合がある。）の固体電解質膜と接する部分に、窒素ガスを保持する窒素ガス保持部を有し、上記窒素ガス保持部には、触媒電極層が形成されていないものであるので、例えばアノードデッドエンドでの運転時において、カソードから透過してきた窒素ガスがアノード内を通流するガスの流れに沿って移動し、上記窒素ガス保持部に溜まった場合であっても、上記窒素ガス保持部では触媒反応が起こらないため、アノードの下流側およびそれに対向するカソード部分の電位が、内部電池が形成され得る電位に達し、内部電池が形成されるといった不具合を防ぐことができる。したがって、カソードにおける触媒電極層の腐食を防ぐことができ、発電時に発電性能が低下することのない燃料電池とすることができるのである。
【００１７】
また、燃料電池の運転始動時や間欠運転時において、アノードの下流側の水素濃度が低い場合であっても、上記窒素ガス保持部には触媒電極層が形成されていないことから、アノードデッドエンドでの運転時の場合と同様に、セル内で内部電池が形成されることを防ぐことができるため、触媒電極層が腐食し、発電性能が低下してしまうことを抑制することができるのである。
【００１８】
また、本発明の燃料電池をアノードデッドエンドの状態で運転させた際、上記窒素ガス保持部に高濃度の窒素ガスが保持されることになる。高濃度の窒素ガスが保持された窒素ガス保持部は、固体電解質膜と接していることから、窒素ガス保持部とそれに対向するカソード部分との窒素ガスの分圧差により、固体電解質膜を通して窒素ガスを上記カソードに容易に移動させ、排出することが可能となる。この様子を、図２に示す模式図を用いて詳しく説明する。図２に示すように、まず、カソードからアノードへ透過してきた窒素ガス１０は、アノード内を通流する水素ガスの流れに沿って、通流方向の下流側へと向かい、アノード内を通流する水素ガスは、通流方向の下流側へ流れるに従って消費される。このため、アノード内を通流するガスの通流方向の下流側へと向かった窒素ガス１０は、窒素ガス保持部３内で濃縮され、窒素ガス保持部３内における窒素ガス１０は高濃度となる。これにより、窒素ガス保持部３と窒素ガス保持部３に対向するカソード部分とに窒素ガスの分圧差が生じ、この分圧差を利用して窒素ガス１０をカソードに移動させることができる。したがって、窒素ガス保持部３に保持された窒素ガスをカソードへと排出することができるのである。
以下、本発明の燃料電池について、各構成ごとに詳しく説明する。
【００１９】
１．窒素ガス保持部
まず、本発明における窒素ガス保持部について説明する。本発明における窒素ガス保持部は、アノード内を通流するガスの通流方向の下流側で、上記固体電解質膜と接する部分に形成され、触媒電極層が形成されていないものである。
【００２０】
本発明において「ガスの通流方向の下流側」とは、ガスが通流するガス流路の形状（構造）によって示す位置が異なる場合がある。ここで、ガス流路としては、例えば溝によって形成される溝流路や、多孔構造を有する多孔体流路等が挙げられる。
【００２１】
上記ガス流路が溝流路である場合、「ガスの通流方向の下流側」とは、例えば図３に示すように、水素ガス６が通流する溝流路の最下流側（例えば、図中Ｘで示す領域）を示すこととする。通常、このような溝流路は、後述するセパレータに形成される。
【００２２】
また上記ガス流路が多孔体流路である場合、「ガスの通流方向の下流側」とは、ガスの供給口から最も遠い位置を示すこととする。このような多孔体流路が、例えば図４に示すような、一箇所の供給口から水素ガス６が供給される構造である場合、水素ガス６の供給口から最も遠い位置（例えば、図中Ｙで示す領域）をガスの通流方向の下流側とする。また、このような多孔体流路が、例えば図５に示すような、対角線上で仕切られて２等分され、二箇所の供給口から水素ガス６が供給される構造である場合、「ガスの通流方向の下流側」とは、それぞれの水素ガス６の供給口から最も遠い位置（例えば、図中Ｚで示す領域）をガスの通流方向の下流側とする。通常、このような多孔体流路は、後述するガス拡散層とされる。
【００２３】
また、本発明において「触媒電極層が形成されていない」とは、触媒反応が起こらない状態、すなわち触媒が存在していない状態であれば特に限定されるものではない。したがって、窒素ガス保持部は、触媒電極層そのものが形成されていない空隙であってもよく、また触媒を含有しない層が形成されていてもよい。このような触媒を含有しない層としては、例えば触媒が担持されていない導電性材料や電解質材料等が含有された層等を挙げることができる。本発明においては、窒素ガス保持部を空隙とする場合、窒素ガス保持部内の窒素ガスをカソードへ拡散させやすくなるという利点を有する。
【００２４】
本発明において、上記窒素ガス保持部は、固体電解質膜とセパレータとで密閉された状態であればよく、窒素ガス保持部とセパレータとの間にガス拡散層が形成されていてもよく、形成されていなくてもよい。すなわち、本発明においては、例えば図１に示すように、窒素ガス保持部３とセパレータ５との間にガス拡散層４が形成されていてもよく、図６に示すように、窒素ガス保持部３とセパレータ５との間にガス拡散層が形成されていなくてもよい。
【００２５】
また、上記窒素ガス保持部が形成される領域としては、アノード内を通流するガスの通流方向の下流側で、実際の発電反応において窒素ガス濃度が高くなる領域とされることが好ましい。このような窒素ガス濃度が高くなる領域は、燃料電池の運転条件やセパレータの構造等によって、その範囲が変動するものである。本発明においては、例えばアノードおよびカソードの触媒電極層が同一面積で形成された燃料電池セルを用い、そのセル内の電流分布測定または窒素ガス濃度分布測定を行うことにより窒素ガス濃度が高くなる領域を決定することができる。
【００２６】
電流分布測定の方法としては、まず上記燃料電池セルにおける触媒電極層を分割し、発電させ、分割した各触媒電極層について所定の電流値での電圧を測定し、電圧の値がほぼ一定になるまで、発電を継続させる。この時、アノード内を通流するガスの通流方向の上流側の触媒電極層から下流側の触媒電極層に向けて電圧が降下し、あるポイントで一定の電圧となる。少なくとも一定の電圧となった触媒電極層部分の領域は、窒素ガスが溜まっている領域である。したがって、この一定の電圧となった領域は、少なくとも窒素ガス濃度が高くなる領域であるといえる。
【００２７】
また、窒素ガス濃度分布測定としては、まず燃料電池セルを用いて発電させ、出力がほぼ一定となったところで、触媒電極層の複数の領域からシリンジ等でガスを採取し、ガスクロマトグラフィーにより窒素ガス濃度を測定する。この時、上記電流分布測定の場合と同様、窒素ガス濃度が一定となった領域は、窒素ガスが溜まっている領域となる。したがって、この窒素濃度が一定となった領域は、少なくとも窒素ガス濃度が高くなる領域であるといえる。
【００２８】
なお、上記窒素ガス保持部は、カソードに供給される空気中に含まれる窒素ガスが滞留し、保持されるものであるが、窒素ガス以外の酸素ガスや水蒸気等が上記窒素ガス保持部に保持される場合がある。このような場合、窒素ガスが窒素ガス保持部内で高濃度となり、カソード側へ排出される際、上記酸素ガスや水蒸気等も同様に排出させることが可能である。
【００２９】
２．その他
本発明の燃料電池の構成において、上述した窒素ガス保持部以外の構成に関しては、特に限定されるものではなく、一般的な燃料電池の構成と同様のものを用いることができる。一般的な燃料電池の構成としては、例えば固体電解質膜の両側の表面に触媒電極層が接合され、その外側の表面にはガス拡散層が配され、さらに、その外側にはセパレータが配されているもの等を挙げることができる。本発明においては、このような一般的な構成を有する燃料電池のアノード内を通流するガスの通流方向の下流側の固体電解質膜と接する部分に窒素ガス保持部を有し、この窒素ガス保持部には、触媒電極層が形成されていないことを特徴とするものである。
【００３０】
本発明に用いられるセパレータとしては、水素ガス（燃料ガス）をアノードへ、空気（酸化剤ガス）をカソードへ供給することが可能なものであれば特に限定されるものではなく、上記水素ガスおよび空気が通流するガス流路が設けられたものであってもよく、上記ガス流路が設けられていないものであってもよい。
【００３１】
上記ガス流路が設けられたセパレータとしては、例えば図３に示すような溝流路が設けられたものを挙げることができる。上記溝流路としては、図３に示すように、一続きの溝流路であることが好ましい。これにより、窒素ガスを局所的に溜めることができるため、窒素ガス保持部を狭くすることができ、アノード内における触媒反応の効率の低下を防ぐことができるからである。また、窒素ガスを局所的にためることができるため、窒素ガス保持部と窒素ガス保持部に対向するカソード部分とに窒素ガスの分圧差が生じやすく、窒素ガスを容易に排出することができるからである。
【００３２】
また、ガス流路が設けられていないセパレータとしては、例えばアノード側のガス拡散層に水素ガスを供給する水素ガス供給口およびアノード側のガス拡散層から水素の排ガスを排出する水素排ガス排出口と、カソード側のガス拡散層に空気を供給する空気供給口およびカソード側のガス拡散層から空気の排ガスを排出する空気排ガス排出口とを備えた平板状のものを挙げることができる。このようなガス流路が設けられていないセパレータを用いる場合、後述するガス拡散層として多孔体構造を有するものを用いることにより、このガス拡散層をガス流路として用いることができる。また、このようなセパレータを用いる場合、水素排ガス排出口側がアノード内を通流するガスの通流方向の下流側となるため、水素排ガス排出口付近に窒素ガス保持部が形成されることとなる。なお、上記水素ガス供給口、水素排ガス排出口、空気供給口および空気排ガス排出口の形成位置、形成数、形状等は、ガス流路の形状等に応じて適宜選択される。
【００３３】
また、本発明に用いられるセパレータの材質としては、通常の燃料電池に用いられているものを用いることができる。具体的には、カーボンタイプのもの、金属タイプのもの等を用いることができる。
【００３４】
本発明に用いられる固体電解質膜は、プロトン伝導性に優れ且つ電流を流さない材料からなるものであれば特に限定されるものではない。現在汎用されている材料としてはパーフルオロスルホン酸系ポリマー（商品名：Nafion、デュポン株式会社製）等のフッ素系樹脂や、プロトン伝導基を有するポリイミド等の炭化水素系樹脂等を挙げることができる。
【００３５】
また、本発明に用いられる触媒電極層は、燃料電池に一般的に用いられているものを使用することができ、特に限定されるものではない。具体的には、パーフルオロスルホン酸系ポリマー（商品名：Nafion、デュポン株式会社製）等のプロトン伝導材、カーボンブラック等の導電性材料、および上記導電性材料に担持された白金等の触媒を含むものである。
【００３６】
さらに、本発明に用いられるガス拡散層としては、通常の燃料電池に用いられているものを用いることができる。具体的には、カーボン繊維から成るカーボンクロスやカーボンペーパーなどの多孔体が好適に用いられる。
ここで、上述したようにガス拡散層をガス流路として用いる場合、ガス拡散層は、例えば図４に示すように、全面が多孔体とされていてもよく、また図５に示すように、対角線上で仕切られている分割された多孔体とされていてもよい。なお、図５に示すような分割された多孔体であるガス拡散層は、水素ガスの通流方向の下流側（図中、Ｚで示す領域）に効率的に窒素ガスを集積することが可能であるという利点を有している。
【００３７】
本発明の燃料電池においては、アノード内を通流するガスの通流方向の下流側に対向するカソード側に、空気の供給口が設けられていてもよく、また空気の排ガスを排出する排出口が設けられていてもよい。本発明においては、中でもアノード内を通流するガスの通流方向の下流側に対向するカソード側に、空気の供給口が設けられていることが好ましい。これにより、例えば図７に示すように、窒素ガス保持部３に対向するカソード部分は、空気８の通流方向の上流側となり、空気８が通流方向の上流側から下流側に通流するに従って、空気８中の酸素ガスが消費されるため、空気８の通流方向の上流側では、窒素ガス１０の分圧は低くなる。したがって、窒素ガス保持部３より窒素ガス保持部に対向するカソード側の方が窒素ガス分圧が低くなるため、窒素ガス保持部３からの窒素ガス１０の移動が容易となり、窒素ガス１０を効率的にカソード９側へ排出することが可能となるからである。
【００３８】
また、本発明の燃料電池は、上述した窒素ガス保持部が形成されていることにより、アノードにおける触媒電極層の燃料電池における含有量は、上記窒素ガス保持部が形成されていない場合と比較して、減少する。しかしながら、本発明においては、アノード内における触媒反応の効率は良好であるため、窒素ガス保持部によって燃料電池における触媒電極層の含有量が多少減少したとしても、発電効率は大幅に変わらないものとすることができる。
【００３９】
Ｂ．燃料電池システム
本発明の燃料電池システムは、上述した燃料電池を複数積層した燃料電池スタックを有し、上記燃料電池におけるアノードでは、上記アノード内を通流するガスの通流方向の下流側を閉塞する閉塞手段を有する燃料電池システムである。
【００４０】
本発明の燃料電池システムの概略図を図８に示す。本発明の燃料電池システムは、例えば図８に示すように、アノード内を通流するガスの通流方向の下流側で、固体電解質膜と接する部分に窒素ガス保持部を有する燃料電池１１を複数積層した燃料電池スタック１２を有し、アノード内を通流するガスの通流方向の下流側１３を閉塞する閉塞手段を有している。
【００４１】
ここで、上記閉塞手段とは、アノード内を通流するガスの通流方向の下流側を閉塞することが可能な手段であれば特に限定されるものではなく、例えば図８に示すように、アノード内を通流するガスの通流方向の下流側１３にアノード内の排ガスを燃料電池スタック１２の外部に排出するためのアノード側排出ライン１４と、そのアノード側排出ライン１４に通じる排出口を開閉する開閉バルブ１５とを設け、上記開閉バルブ１５を閉じた状態とする手段であってもよく、また図９に示すように、アノード内を通流するガスの通流方向の下流側１３に上記排出ラインを設けずに、ガスの通流方向の下流側１３を常時、閉塞された状態とする手段であってもよい。
【００４２】
本発明によれば、上記閉塞手段により上記アノード内を通流するガスの通流方向の下流側を閉塞させて燃料電池を運転させた場合であっても、窒素ガス保持部には触媒電極層が形成されていないことにより、セル内での内部電池の形成を防ぐことができる。したがって、カソードにおける触媒電極層の腐食を防ぐことができ、運転時に発電性能が低下することのない燃料電池システムとすることができるのである。
【００４３】
また本発明においては、上記閉塞手段により上記アノード内を通流するガスの通流方向の下流側を閉塞させて燃料電池を運転させた際、上記アノードを通流するガスの下流側の固体電解質膜と接する部分に形成された窒素ガス保持部に高濃度の窒素ガスが保持される。これにより、窒素ガス保持部とそれに対向するカソード部分とに窒素ガスの分圧差が生じ、この分圧差を利用して、窒素ガスを窒素ガス保持部からカソードへ移動させて排出することができるのである。
【００４４】
本発明の燃料電池システムは、上記燃料電池が複数積層された燃料電池スタックを有するものであれば特に限定されるものではないが、通常、図８に示すように、アノードに水素ガスを供給する水素ガス供給ライン１６と、カソードに空気を供給する空気供給ライン１７と、カソードの排ガスを排出するためのカソード側排出ライン１８とを有している。このような水素ガス供給ライン、空気供給ラインおよびカソード側排出ラインとしては、特に限定されるものではなく、一般的な燃料電池システムに用いられているものを使用することができる。
【００４５】
また、本発明の燃料電池システムは、例えば図８に示すようにアノードに、排ガスを燃料電池スタック１２の外部へと排出するアノード側排出ライン１４が設けられたものであってもよい。このようにアノードにアノード側排出ラインが設けられている場合は、アノード側排出ラインに通じる排出口を開閉する開閉手段を設けるものとする。これにより、アノード内を通流するガスの通流方向の下流側を、開閉手段を用いて、閉塞することができるからである。上記開閉手段とは、特に限定されるものではないが、例えば図８に示すようにアノード側排出ライン１４に通じる排出口に設置された開閉バルブ１５を用いるもの等とすることができる。
【００４６】
さらに、本発明の燃料電池システムは、アノードに供給する水素ガスのガス圧を高くし、カソードに供給する酸化剤ガスである空気のガス圧を低くすることが好ましい。これにより、アノード側で窒素ガスが窒素ガス保持部内で高濃度となり、またアノードとカソードとの窒素ガスの分圧差を利用してアノードからカソードに窒素ガスが移動しやすくなり、窒素ガスを効率よく排出することができるからである。
【００４７】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【実施例】
【００４８】
以下に実施例および比較例を示し、本発明をさらに具体的に説明する。
【００４９】
[実施例１]
アノードおよびカソード用のガス拡散層としてカーボンペーパー（商品名：ＴＧＰ−Ｈ−０６０、東レ株式会社製）を用い、それぞれのガス拡散層上に、白金触媒を担時したカーボンおよびNafion（商品名、デュポン株式会社製）からなる触媒電極層形成用塗工液を塗布し、乾燥させて触媒電極層を形成した。この時、アノード用のガス拡散層においては、塗布領域をガス拡散層上全体の面積の９０％とし、残りの１０％の領域を窒素保持部形成領域とした。次いで、固体電解質膜としてNafion（商品名、デュポン株式会社製）を用い、この固体電解質膜の一方の表面にアノード用ガス拡散層を、もう一方の表面にカソード用ガス拡散層をホットプレスにより圧着し、アノード側に窒素ガス保持部が形成された膜電極複合体を得た。
一方、アノード側のガス拡散層に水素ガスを供給する水素ガス供給口およびガス拡散層から水素の排ガスを排出する水素排ガス排出口と、カソード側のガス拡散層に空気を供給する空気供給口およびガス拡散層から空気の排ガスを排出する空気排ガス排出口とを備えたセパレータを作製した。このセパレータは、水素ガス供給口および水素排ガス排出口を有するアノード側金属板と、水素ガス供給口、水素排ガス排出口、空気供給口および空気排ガス排出口それぞれと連通する連通孔を有する中間金属板と、空気供給口および空気排ガス排出口を有するカソード側金属板とをこの順で重ね、これら３枚の金属板をホットプレスにより圧着し、接合して作製した。なお、ここで用いられる金属板としては、表面にメッキを施したステンレス板を用いた。このセパレータをそれぞれのガス拡散層上に、窒素ガス保持部がアノード内を通流する水素ガスの通流方向の下流側（水素排ガス排出口側）に配置されるように設置し、窒素ガス保持部を有する燃料電池セルを作製した。
[比較例１]
アノード用ガス拡散層における触媒電極層形成用塗工液の塗布領域を全面とし、窒素ガス保持部を形成しなかったこと以外は、実施例１と同様にして燃料電池セルを作製した。
[評価]
実施例１および比較例１の単位セルを用いて発電試験を行った。その結果、窒素ガス保持部を形成しなかった燃料電池セル（比較例１）においては、アノード内を通流するガスの下流側に対向するカソード側の触媒電極層に劣化が見られたが、窒素ガス保持部を形成した燃料電池セル（実施例１）においては、窒素ガス保持部に対向するカソード側の触媒電極層に劣化は見られなかった。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の燃料電池の最小単位である単位セルの構造の一例を示す概略断面図である。
【図２】本発明の燃料電池における発電時の様子の一例を示す概略断面図である。
【図３】本発明におけるガス流路の構造の一例を示す説明図である。
【図４】本発明におけるガス拡散層の構造の一例を示す説明図である。
【図５】本発明におけるガス拡散層の構造の他の例を示す説明図である。
【図６】本発明の燃料電池の最小単位である単位セルの構造の他の例を示す概略断面図である。
【図７】本発明の燃料電池における発電時の様子の他の例を示す概略断面図である。
【図８】本発明の燃料電池システムの一例を示す概略図である。
【図９】本発明の燃料電池システムの他の例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００５１】
１…固体電解質膜
２…触媒電極層
３…窒素ガス保持部
４…ガス拡散層
５…セパレータ
７…アノード
９…カソード
１１…燃料電池
１２…燃料電池スタック
１３…ガスの通流方向の下流側
【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８】
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【図９】
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