(57)【要約】【課題】フラッディングを抑制するとともに、発電性能の低下防止や、出力向上に寄与しうる燃料電池セルおよび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、第１のカソード触媒を有する第１の燃料電池セルと、前記第１のカソード触媒とは異なる第２のカソード触媒を有する第２の燃料電池セルと、を備え、前記第１の燃料電池セル内で生成した生成水は、第２の燃料電池セル内に流入し、前記第２の燃料電池セル内で生成した生成水とともに排出される。第１の燃料電池セルと、第２の燃料電池セルと、は電気的に並列に接続されていてもよいし、電気的に直列に接続されていてもよい。またそれぞれの燃料電池セルに替えて、燃料電池セルスタックを用いてもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のカソード触媒を有する第１の燃料電池セルと、
前記第１のカソード触媒とは異なる第２のカソード触媒を有する第２の燃料電池セルと、を備え、
前記第１の燃料電池セル内で生成した生成水は、第２の燃料電池セル内に流入し、
前記第２の燃料電池セル内で生成した生成水とともに排出される、燃料電池システム。
【請求項２】
第１のカソード触媒を有する第１の燃料電池セルを積層した第１の燃料電池セルスタックと、
前記第１のカソード触媒とは異なる第２のカソード触媒を有する第２の燃料電池セルを積層した第２の燃料電池セルスタックと、を備え、
前記第１の燃料電池セルスタック内で生成した生成水は、前記第２の燃料電池セルスタック内に流入し、
前記第２の燃料電池セルスタック内で生成した生成水とともに排出される、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記第１の燃料電池セルスタックと、前記第２の燃料電池セルスタックと、
は電気的に並列に接続されている、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記第１の燃料電池セルスタックと、前記第２の燃料電池セルスタックと、
は電気的に直列に接続されている、燃料電池システム。
【請求項５】
前記第１のカソード触媒は、前記第２のカソード触媒と比較して、触媒活性が高い、
請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
第１のカソード触媒を有する第１のカソード部と、
前記第１のカソード触媒とは異なる第２のカソード触媒を有する第２のカソード部と、
を有し、
前記第１のカソード部と前記第２のカソード部とが並設されている、燃料電池セルであって、
前記第１のカソード部で生成した生成水は、前記第２のカソード部に流入し、
前記第２のカソード部で生成した生成水とともに排出される、燃料電池セル。
【請求項７】
前記第１のカソード触媒は、前記第２のカソード触媒と比較して、触媒活性が高い、
請求項６に記載の燃料電池セル。
【請求項８】
請求項６または７に記載の燃料電池セルを複数積層させた燃料電池セルスタックを備える、燃料電池システム。
【請求項９】
前記第１のカソード触媒は、白金系触媒であり、
前記第２のカソード触媒は、ベースメタル系触媒である、
請求項５または８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記ベースメタル系触媒は、ポルフィリン系触媒またはカルコゲナイド系触媒である、
請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
第３の燃料電池セルと、
生成する水の分圧が前記第３の燃料電池セルよりも低い第４の燃料電池セルと、
を備え、
前記第３の燃料電池セル内で生成した生成水は、前記第４の燃料電池セル内に流入し、
前記第４の燃料電池セル内で生成した生成水とともに排出される、燃料電池システム。
【請求項１２】
第３の燃料電池セルを積層した、第３の燃料電池セルスタックと、
生成する水の分圧が前記第３の燃料電池セルよりも低い第４の燃料電池セルを積層した、第４の燃料電池セルスタックと、
を備え、
前記第３の燃料電池セルスタック内で生成した生成水は、前記第４の燃料電池セルスタック内に流入し、
前記第４の燃料電池セルスタック内で生成した生成水とともに排出される、燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項１２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記第３の燃料電池セルスタックと、前記第４の燃料電池セルスタックと、
は電気的に並列に接続されている、燃料電池システム。
【請求項１４】
請求項１２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記第３の燃料電池セルスタックと、前記第４の燃料電池セルスタックと、
は電気的に直列に接続されている、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、燃料電池セルおよび燃料電池システムに関し、特に固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）セルまたはＰＥＦＣセルを積層させたＰＥＦＣセルスタックを使用する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池に関するさまざまな研究開発が行われている。燃料電池には、使用する電解質の違いによりさまざまな種類のものが提案され、研究が進められているが、自動車業界においては特に電解質として固体高分子を使用した固体高分子電解質型燃料電池に関する研究が盛んに行われている。この固体高分子電解質型燃料電池の、他の燃料電池に対する利点としては、作動温度が約６０℃〜約１００℃程度と比較的低温であること、移動や振動による電解質の漏洩がないこと、等が挙げられる。
【０００３】
ここで、従来の固体高分子電解質型燃料電池の一例について、図面に基づいて説明する。なお、各図面において同じ構成については、同じ符号を付し、その説明を省略する。
【０００４】
図４は、従来の固体高分子電解質型燃料電池セル４００の断面概略図である。燃料極（アノード）５６と、高分子電解質膜４０と、空気極（カソード）５８が順に積層した、いわゆる膜−電極接合体（ＭＥＡ）を、２枚のセパレータ４６で挟持した構造となっており、一般にこれらは単セルまたはセルと称される。燃料極５６は、燃料極拡散層５２と燃料極触媒層５４とを有しており、空気極５８は、同様に、空気極拡散層４８と空気極触媒層５０とを有している。
【０００５】
燃料極拡散層５２では、複数の燃料ガス供給流路６２を通じて供給された、例えば水素ガスなどの燃料ガスが、燃料極触媒層５４に向けて拡散される。また、燃料極触媒層５４には、例えば、白金または白金合金などを含むアノード触媒が担持されており、燃料極拡散層５２を経由して供給された水素ガスを、アノード触媒の作用により、次の式に従って、水素イオンと電子とに解離させる。
【０００６】
Ｈ２  →  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−    （Ｈは水素、ｅ−は電子）
【０００７】
例えば、パーフルオロ系、パーフルオロスルホン酸系などのフッ素系イオン交換樹脂などが用いられる高分子電解質膜４０は、プロトン導電性電解質として機能する。燃料極触媒層５４の触媒作用により生成された水素イオン（プロトン）は、プロトン導電性を有する高分子電解質膜４０を透過して空気極５８へと送られる。また、燃料極５６で発生した電子は、図示しない外部回路を通じて空気極５８へと送られる。なお、高分子電解質膜４０は、湿潤状態では優れたプロトン導電性を発揮する一方、乾燥状態ではプロトン導電性が低下するためにエネルギ変換効率が低下してしまう、いわゆるドライアップという現象が発生してしまうので、常に適度な湿潤状態に保たれている。
【０００８】
一方、空気極５８では、複数の酸化ガス供給流路４２を通じて空気極拡散層４８内に供給された、例えば空気などの酸化ガス（酸素供給源）が、空気極触媒層５０に向けて拡散される。空気極触媒層５０では、高分子電解質膜４０を透過した水素イオンと、外部回路を通じ供給された電子とが、空気極触媒層５０内に分散または担持されているカソード触媒の作用により酸素と反応し、次の式に従い、水を生成する。
【０００９】
２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−  ＋  （１／２）Ｏ２  →  Ｈ２Ｏ    （Ｏは酸素）
【００１０】
上記燃料極５６、高分子電解質膜４０および空気極５８における一連の反応により、固体高分子電解質型燃料電池セル４００は、外部への電力供給が可能となる。なお、通常使用される燃料電池システムにおいては、図４で説明した固体高分子電解質型燃料電池セル４００をＭＥＡの積層方向に更に積層させたセルスタックとして、所望の起電力が得られるようにしている。
【００１１】
固体高分子電解質型燃料電池セル４００において、空気極触媒層５０において生成した水は、一部は再び高分子電解質膜４０の加湿状態の維持に寄与するものの、大半は空気極拡散層４８を通り、後に説明する酸化ガス排出流路から、反応に使用されなかった酸化ガスとともに外部に排出される。
【００１２】
図３は、従来の固体高分子電解質型燃料電池システム３００において、特に固体高分子電解質型燃料電池セル３０の空気極５８側における酸化ガスと生成水の流れに着目した構成の概略を示す図である。酸化ガス供給流路１２を介して固体高分子電解質型燃料電池セル３０内に流入した酸化ガスは、その一部を利用して水を生成する一方、反応に寄与せずに残った酸化ガスは、固体高分子電解質型燃料電池セル３０内で生成した水とともに酸化ガス排出流路１４を介して外部に排出される。このとき、酸化ガス排出流路１４を介して排出される生成水の状態は、液体の場合もあるし、気体、つまり水蒸気の場合もあるが、固体高分子電解質型燃料電池システム３００の運転時には、少なくとも一部は気体状態で排出される。なお、ここでいう生成水には、空気極５８内のあらゆる水分が含まれ、空気極触媒層５０内での触媒反応によるものの他、例えば、加湿して供給された酸化ガスや燃料ガスに直接または間接に由来するものも含まれる。
【００１３】
ところで、固体高分子電解質型燃料電池システム３００の出力を増加させると、それに伴い、固体高分子電解質型燃料電池セル３０内で生成する生成水の量も増加する。固体高分子電解質型燃料電池セル３０内で生成した生成水の量が、何らかの要因により酸化ガス排出流路１４から排出される量よりも多くなってしまうと、水分、特に液体状態の水が空気極触媒層５０付近に排出されずに残存してしまい、フラッディング（ｆｌｏｏｄｉｎｇ）という現象がおきる。フラッディングがおきてしまうと、空気極拡散層４８内に供給された酸化ガスの、空気極触媒層５０に担持されたカソード触媒への拡散が妨げられ、燃料電池システムとしての一連の反応が円滑に行なわれなくなる。このように、フラッディングがおきると、燃料電池システムとしての発電性能が低下してしまうおそれがあるため、空気極５８内部、特に空気極触媒層５０付近の水分を速やかに排出し、フラッディングを防止するための対策について提案されている。
【００１４】
特許文献１には、寒冷時の燃料電池スタック内の凍結を防止するために、燃料電池の停止時にスタック内を減圧し乾燥させる技術について記載されている。
【００１５】
特許文献２には、別途設けられた吸引部材により、スタック内部に貯留する生成水を吸引し排出する燃料電池スタックについて開示されている。
【００１６】
特許文献３には、燃料の流路、酸化剤の入口で水分を除去する燃料電池用の水管理装置について開示されている。
【００１７】
【特許文献１】特開２００１−１８５１７９号公報
【特許文献２】特開２００１−２６６９２５号公報
【特許文献３】特表２００２−５３９５８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながら、特許文献１〜３に記載されたこれらの技術はいずれも、空気極内の生成水を排出するためだけに用いられる、部材またはシステムを新たに搭載することになるため、省スペース化の妨げとなったり、またはコストアップに繋がったりといった不具合が生じてしまうおそれがある。
【００１９】
本発明はかかる課題に鑑み、フラッディングを抑制するとともに、発電にも寄与しうる排水システムを備えた燃料電池システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、第１のカソード触媒を有する第１の燃料電池セルと、第１のカソード触媒とは異なる第２のカソード触媒を有する第２の燃料電池セルと、を備え、第１の燃料電池セル内で生成した生成水は、第２の燃料電池セル内に流入し、第２の燃料電池セル内で生成した生成水とともに排出される。
【００２１】
また、本発明の燃料電池システムは、第１のカソード触媒を有する第１の燃料電池セルを積層した第１の燃料電池セルスタックと、第１のカソード触媒とは異なる第２のカソード触媒を有する第２の燃料電池セルを積層した第２の燃料電池セルスタックと、を備え、
第１の燃料電池セルスタック内で生成した生成水は、第２の燃料電池セルスタック内に流入し、第２の燃料電池セルスタック内で生成した生成水とともに排出される。
【００２２】
本発明の燃料電池システムにおいて、第１の燃料電池セルスタックと、第２の燃料電池セルスタックと、は電気的に並列に接続されている。
【００２３】
また、本発明の燃料電池システムにおいて、第１の燃料電池セルスタックと、第２の燃料電池セルスタックと、は電気的に直列に接続されていてもよい。
【００２４】
本発明の燃料電池システムにおいて、第１のカソード触媒は、第２のカソード触媒と比較して、触媒活性が高い。
【００２５】
また、本発明の燃料電池セルは、第１のカソード触媒を有する第１のカソード部と、第１のカソード触媒とは異なる第２のカソード触媒を有する第２のカソード部と、を有し、第１のカソード部と第２のカソード部とが並設されている、燃料電池セルであって、第１のカソード部で生成した生成水は、第２のカソード部に流入し、第２のカソード部で生成した生成水とともに排出される。
【００２６】
本発明の燃料電池セルにおいて、第１のカソード触媒は、第２のカソード触媒と比較して、触媒活性が高い。また、本発明の燃料電池システムとしてこの燃料電池セルを複数積層させた燃料電池セルスタックを備えてもよい。
【００２７】
また、本発明の燃料電池システムにおいて、第１のカソード触媒は、白金系触媒であり、第２のカソード触媒は、ベースメタル系触媒である。
【００２８】
また、本発明の燃料電池システムにおいて、ベースメタル系触媒は、好ましくは、ポルフィリン系触媒またはカルコゲナイド系触媒である。
【００２９】
本発明の燃料電池システムは、第３の燃料電池セルと、生成する水の分圧が前記第３の燃料電池セルよりも低い第４の燃料電池セルと、を備え、第３の燃料電池セル内で生成した生成水は、第４の燃料電池セル内に流入し、第４の燃料電池セル内で生成した生成水とともに排出される。
【００３０】
本発明の燃料電池システムは、第３の燃料電池セルを積層した、第３の燃料電池セルスタックと、生成する水の分圧が第３の燃料電池セルよりも低い第４の燃料電池セルを積層した、第４の燃料電池セルスタックと、を備え、第３の燃料電池セルスタック内で生成した生成水は、第４の燃料電池セルスタック内に流入し、第４の燃料電池セルスタック内で生成した生成水とともに排出される。
【００３１】
本発明の燃料電池システムにおいて、第３の燃料電池セルスタックと、第４の燃料電池セルスタックと、は電気的に並列に接続されている。
【００３２】
また、本発明の燃料電池システムにおいて、第３の燃料電池セルスタックと、第４の燃料電池セルスタックと、は電気的に直列に接続されていてもよい。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、フラッディングを抑制するとともに、発電性能の低下防止や、出力向上に寄与しうる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
【００３５】
図１は、本発明の実施の形態における固体高分子電解質型燃料電池システム１００において、特に固体高分子電解質型燃料電池セル１０，１５の空気極５８（図４に示す）側における酸化ガスと生成水の流れに着目した構成の概略を示す図である。固体高分子電解質型燃料電池セル３０に替えて、第１の固体高分子電解質型燃料電池セル１０、生成水導入流路１８、および第２の固体高分子電解質型燃料電池セル１５が配設されている構成であることを除き、あとは図３に示した従来の固体高分子電解質型燃料電池システム３００の構成とほぼ同一である。
【００３６】
第１の固体高分子電解質型燃料電池セル１０と、第２の固体高分子電解質型燃料電池セル１５とは、それぞれの空気極触媒層５０（図４に示す）内のカソード触媒の種類または性質を異にしており、第１の固体高分子電解質型燃料電池セル１０には、第１のカソード触媒を有しており、第２の固体高分子電解質型燃料電池セル１５には、第１のカソード触媒とは異なる第２のカソード触媒を有している。
【００３７】
一般に、固体高分子電解質型燃料電池システムにおけるカソード触媒としては、触媒活性が非常に高く、優れた触媒特性を有する、白金または白金合金を含む、白金系触媒が好適に用いられているが、使用される白金が希少であり高価であることから、代替となる触媒、例えば、ベースメタルを使用したベースメタル触媒の使用についても検討されている。ベースメタル触媒には、例えば、ポルフィリン骨格を有する有機金属錯体を含む、例えばコバルトテトラフェニルポルフィリン等のポルフィリン系触媒や、金属元素と、イオウ、セリン、テルルなどからなるカルコゲン元素とを有し、一般にカルゴゲナイド（ｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅ）と称される化合物を含む、カルゴゲナイド系触媒が含まれる。ベースメタル触媒に使用されるベースメタルとしては、例えば、鉄、ニッケル等の遷移金属であればいかなるものを用いてもよく、またこれらのうち１種または複数を組み合わせて用いてもよい。
【００３８】
ベースメタル触媒は、白金系触媒と比較すると、一般に触媒活性が低く、反応性も劣るため、白金系触媒と同等の性能を維持することは困難であるが、その一方、ベースメタル触媒の、白金系触媒に対する利点としては、例えば、触媒反応が比較的緩やかであるため、生成水によるフラッディングの発生のおそれがほとんどなく、また低出力領域においても安定した触媒性能を発揮する点を挙げることができる。
【００３９】
つまり、図１に示す本発明の実施の形態における固体高分子電解質型燃料電池システム１００において、第１の固体高分子電解質型燃料電池セル１０には、第１のカソード触媒を有しており、第２の固体高分子電解質型燃料電池セル１５には、第１のカソード触媒とは異なる第２のカソード触媒を有している。第１のカソード触媒は、好ましくは、白金系触媒である。また第２のカソード触媒は、好ましくは、第１のカソード触媒よりも触媒活性の低いものであり、より好ましくは、ベースメタル系触媒であり、好適には、ポルフィリン系触媒またはカルゴゲナイド系触媒である。
【００４０】
第１の固体高分子電解質型燃料電池セル１０で生成した生成水は、生成水導入流路１８を介して第２の固体高分子電解質型燃料電池セル１５内に流入し、第２の固体高分子電解質型燃料電池セル１５で生成した水とともに外部に排出される。生成水導入流路１８は、酸化ガス流路を兼ねていてもよいし、また別のものであってもよい。
【００４１】
前に述べたように、燃料電池セル内で生成する生成水は、燃料電池システムの運転時においては、その大部分は気体状態で存在している。同一の運転条件において、特に高出力領域においては、第１の固体高分子電解質型燃料電池セル１０内で生成する生成水は、カソード触媒の活性の相違に基づき、第２の固体高分子電解質型燃料電池セル１５内で生成する生成水と比較して多くなるため、第１の固体高分子電解質型燃料電池セル１０内に存在する水蒸気の分圧は、第２の固体高分子電解質型燃料電池セル１５内に存在する水蒸気の分圧と比較して高くなる。水蒸気の分圧が異なる２つのセルを生成水導入流路１８によって繋ぐことにより、水蒸気の分圧が高い第１の固体高分子電解質型燃料電池セル１０から、水蒸気の分圧が低い第２の固体高分子電解質型燃料電池セル１５へ向けて水蒸気が拡散する。
【００４２】
このため、第１の固体高分子電解質型燃料電池セル１０内で生成した生成水の移動がスムーズに行なわれ、第１の固体高分子電解質型燃料電池セル１０のフラッティングによる出力低下が抑制されるとともに、第２の固体高分子電解質型燃料電池セル１５のドライアップによる出力低下の防止にも寄与する。第２の固体高分子電解質型燃料電池セル１５内で生成した生成水とともに酸化ガス排出流路１４を介して外部へ排出される。なお、生成水導入流路１８は、生成水の分圧差を利用するだけでなく、液体状態の生成水の移動をも容易とする構成であることが好ましいのはいうまでもない。また本発明の他の実施の形態において、生成水の燃料電池外部への排出は、酸化ガス排出流路１４を介さず、別に設けられた流路を介してもよい。
【００４３】
さらに、本発明の実施の形態における固体高分子電解質型燃料電池システム１００について、第１の固体高分子電解質型燃料電池セル１０と、第２の固体高分子電解質型燃料電池セル１５との間の電気的な接続方法として、並列または直列の、大きく分けて二通りが考えられる。
【００４４】
第１の固体高分子電解質型燃料電池セル１０と、第２の固体高分子電解質型燃料電池セル１５とを、電気的に並列に接続した場合は、高出力領域において、第１の固体高分子電解質型燃料電池セル１０内における生成水が、第２の固体高分子電解質型燃料電池セル１５の存在により効果的に排出され、第１の固体高分子電解質型燃料電池セル１０空気極のフラッディングが抑制され、出力の低下防止が期待できる。
【００４５】
一方、第１の固体高分子電解質型燃料電池セル１０と、第２の固体高分子電解質型燃料電池セル１５とを、電気的に直列に接続した場合は、低電流領域において低活性触媒であるベースメタル触媒の特性が発揮され、高活性触媒のみを使用した燃料電池システムと比較して、低電流領域における出力が向上する。
【００４６】
また、本発明の他の実施の形態として、図１に示す固体高分子電解質型燃料電池システム１００において、第１の固体高分子電解質型燃料電池セル１０に替えて、第１のカソード触媒を有する第１の燃料電池セルを積層した第１の燃料電池セルスタック（図示せず）を配設し、また第２の固体高分子電解質型燃料電池セル１５に替えて、第２のカソード触媒を有する第２の燃料電池セルを積層した第２の燃料電池セルスタック（図示せず）を配設した構成としても同様の効果を奏することができる。
【００４７】
さらに、本発明の他の実施の形態として、図１に示す本発明の実施の形態における固体高分子電解質型燃料電池システム１００を複数設け、つまり第１の固体高分子電解質型燃料電池セル１０と、第２の固体高分子電解質型燃料電池セル１５とが、生成水導入流路１８を介して複数個交互に繰り返された構成としてもよく、同様に第１の燃料電池セルスタック１１０と、第２の燃料電池セルスタック１１５とが、生成水導入流路１８を介して複数個交互に繰り返された構成としてもよい。
【００４８】
図２は、本発明の他の実施の形態における固体高分子電解質型燃料電池システム２００において、特に固体高分子電解質型燃料電池セル２０の、空気極５８（図４に示す）側における酸化ガスと生成水の流れに着目した構成の概略を示す図である。本実施の形態において、固体高分子電解質型燃料電池システム２００は、第１のカソード触媒を有する第１のカソード部２２と、第２のカソード触媒を有する第２のカソード部２４と、が並設された空気極触媒層５０（図４に示す）を有する固体高分子電解質型燃料電池セル２０を備え、好ましくはこの固体高分子電解質型燃料電池セル２０を積層させたセルスタックとして配設されている。第１のカソード部２２と、第２のカソード部２４との並設の方法としては、ＭＥＡ作製時に一方のカソード触媒を先に接合させ、その後、他方のカソード触媒を接合させる方法でもよいし、一種のカソード触媒のみを使用して作製したＭＥＡをその後膜の平面方向に接着させるようにしてもよく、その他いかなる方法を使用してもよい。
【００４９】
固体高分子電解質型燃料電池セル２０において、第１のカソード触媒の作用により第１のカソード部２２において生成した生成水は、第２のカソード部２４に流入し、第２のカソード触媒の作用により第２のカソード部２４において生成した生成水とともに酸化ガス排出流路１４または生成水排出流路を介して排出される。ここで、第１のカソード触媒が第２のカソード触媒と比較して高活性であり、第１のカソード部の水の分圧が第２のカソード部のそれよりも高ければ、第１のカソード部において生成した生成水が速やかに第２のカソード部へと流入し、生成水の排出が容易となる。さらに、本発明の他の実施の形態として、固体高分子電解質型燃料電池セル２０を積層させた燃料電池セルスタックとしても使用できる。このとき、燃料電池セルスタックは、第１のカソード部２２で生成した生成水が第２のカソード部２４に流入するように配設し、かつ、この第２のカソード部２４から排出される生成水を隣の固体高分子電解質型燃料電池セル２０に流入させる際に、第１のカソード部２２側に流入するように順次積層させることが好ましい。なお、所望の起電力を得るために、前述の燃料電池セルスタックを複数使用してもよいことは言うまでもない。
【実施例】
【００５０】
＜触媒の調製＞
（１）アノード触媒の調製
カーボンブラックを担体とする、白金触媒を調製した。カーボンブラックとしてケッチェンＥＣ（ケッチェン・ブラック・インターナショナル株式会社製）を使用し、塩化白金酸法を用いて、得られる白金触媒に対する白金の含有率が４５重量％となるように白金を担持させた。これをアノード触媒として使用した。
【００５１】
（２−１）カソード触媒（白金系触媒）の調製
カーボンブラックを担体とする、白金系触媒として、白金触媒を調製した。カーボンブラックとしてケッチェンＥＣを使用し、塩化白金酸法を用いて、得られる白金触媒に対する白金の含有率が４０重量％となるように白金を担持させた。これを高活性のカソード触媒として使用した。
【００５２】
（２−２）カソード触媒（ポルフィリン系触媒）の調製
カーボンブラックを担体とする、ベースメタル触媒であるポルフィリン系触媒を調製した。カーボンブラックとして、ケッチェンＥＣを、ポルフィリン骨格を有する有機金属錯体として、テトラフェニル鉄ポルフィリンをそれぞれ使用した。まず、ケッチェンＥＣ１．５ｇと、テトラフェニル鉄ポルフィリン２５０ｍｇと、をアセトン中で混合した。混合後、アセトンをエバポレートし、乾燥させ、これを６００℃で２時間、アルゴンガス雰囲気下で熱処理を行った。これを低活性のカソード触媒として使用した。
【００５３】
［実施例１］
固体高分子電解質膜として、ゴアセレクト（登録商標）３０μ（ジャパンゴアテックス株式会社製）を使用し、（１）で得られたアノード触媒を燃料極側に、（２−１）で得られた高活性カソード触媒を空気極側に、それぞれ配置するようにして、第１のＭＥＡおよびこれを用いた第１の燃料電池セルを作製した。この燃料電池セルを積層させて燃料電池セルスタックを形成し、これを第１の燃料電池セルスタックとした。次に、（２−２）で得られた低活性カソード触媒を空気極側に配置することを除いて、あとは第１のＭＥＡと同様に第２のＭＥＡを作製し、またこれを用いた第２の燃料電池セルを作製した。この燃料電池セルを積層させて燃料電池セルスタックを形成し、これを第２の燃料電池セルスタックとした。図１に示す第１の燃料電池セルスタック内からの酸化ガス排出流路が、第２の燃料電池セルスタック内への酸化ガス供給流路を兼ねるように、異なる２つの燃料電池セルスタックを配設した。また、第１の燃料電池セルスタックと、第２の燃料電池セルスタックとを、電気的に並列となるように接続し、表１に示した運転条件でこの燃料電池システムを運転させた。結果を図５に示す。
【００５４】
【表１】
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【００５５】
［実施例２］
第１の燃料電池セルスタックと、第２の燃料電池セルスタックとを、図１に示す構成とするとともに、第１の燃料電池セルスタックと、第２の燃料電池セルスタックとを電気的に直列となるように接続したことを除いて、あとは実施例１と同じ構成の燃料電池システムを用い、表１に示した運転条件でこの燃料電池システムを運転させた。結果を図６に示す。
【００５６】
［実施例３］
（２−１）で得られた高活性カソード触媒と、（２−２）で得られた低活性カソード触媒とを並設させて、高活性カソード触媒部と低活性カソード触媒部とを有する１つの空気極としたことを除いて、あとは実施例１における第１または第２のＭＥＡと同じ構成のＭＥＡを作成し、またこのＭＥＡを用いた燃料電池セルを作製した。この燃料電池セルは、図２において、第１のカソード部として高活性カソード触媒部を、また第２のカソード部として低活性カソード触媒部を、それぞれ備えたものに相当する。得られた燃料電池セルを積層させ、高活性カソード触媒部で生成した生成水が低活性カソード触媒部に流入するように配設し、かつ、この低活性カソード触媒部から排出される生成水を隣の固体高分子電解質型燃料電池セルに流入させる際に、高活性カソード触媒部側に流入するように順次積層させて燃料電池セルスタックとした。
【００５７】
［比較例１］
実施例１に示した第１の燃料電池セルスタックのみを用いた燃料電池システムを、表１に示した運転条件で運転させた。結果を図５，６に示す。
【００５８】
［比較例２］
実施例１に示した第２の燃料電池セルスタックのみを用いた燃料電池システムを、表１に示した運転条件で運転させた。結果を図５，６に示す。
【００５９】
図５は、セル電圧（単位：ボルト）の変化に対する、電力（単位：ワット）変化の挙動を示したグラフである。比較例１においては、破線で示したように、電圧を低下させていくと、次第に電力が上昇し、高出力化が可能となることが分かる。また、比較例２においては、一点鎖線で示したように、全電圧領域にわたり、わずかに電力供給に寄与していることが分かる。
【００６０】
一方、実施例１においては、図５において実線で示したように、高出力領域においても電力の上昇が持続しており、比較例１と比べると、高出力領域における顕著な差異が認められた。この理由としては、高出力領域でのフラッディングの発生が、低活性触媒を有する第２の燃料電池セルスタックの存在により抑制されたことによるものであると考えられる。なお、実施例２における結果は図示していないが、第２の燃料電池セルスタックの配設によるフラッディング抑制の効果により、高出力領域において、実施例１とほぼ同等の効果もあわせて得ることができる。
【００６１】
図６は、電流密度（単位：アンペア／ｃｍ２）の変化に対する、電力（単位：ワット）変化の挙動を示したグラフである。比較例１においては、破線で示したように、電流密度の増加に従って、電力上昇の傾向がみられる。また、比較例２においては、一点鎖線で示したように、高電流領域ではほとんど電力は出力されないものの、低電流領域において、電力の増加がみられる。
【００６２】
一方、実施例２においては、図６において実線で示したように、全体としては比較例１に示した結果とほとんど差異はみられないが、特に、低電流領域において、顕著な電力の増加がみられる。
【００６３】
なお、実施例３における結果については図示しないが、高活性カソード触媒部と低活性カソード触媒部との並設による生成水の排出促進作用により、表１に示した運転条件において、実施例１、２にほぼ匹敵する効果を示した。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明は、固体高分子電解質型燃料電池システムに限らず、生成水を効果的に排出し、フラッディングを抑制する必要のあるいかなる燃料電池システムにおいても利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の実施の形態における固体高分子電解質型燃料電池システム１００の、特に固体高分子電解質型燃料電池セル１０，１５の空気極側における構成の概略を示す図である。
【図２】本発明の他の実施の形態における固体高分子電解質型燃料電池システム２００の、特に固体高分子電解質型燃料電池セル２０の空気極側における構成の概略を示す図である。
【図３】従来の固体高分子電解質型燃料電池システム３００の、特に固体高分子電解質型燃料電池セル３０の空気極側における構成の概略を示す図である。
【図４】固体高分子電解質型燃料電池セル４００の構成の概略を示す図である。
【図５】燃料電池システムにおける、セル電圧の変化に対する、電力の変化の挙動を示したグラフである。
【図６】燃料電池システムにおける、電流密度の変化に対する、電力の変化の挙動を示したグラフである。
【符号の説明】
【００６６】
１０  第１の固体高分子電解質型燃料電池セル、１２，４２  酸化ガス供給流路、１４  酸化ガス排出流路または生成水排出流路、１５  第２の固体高分子電解質型燃料電池セル、１８  生成水導入流路、２０，３０，４００  固体高分子電解質型燃料電池セル、２２  第１のカソード部、２４  第２のカソード部、４０  高分子電解質膜、４６  セパレータ、４８  空気極拡散層、５０  空気極触媒層、５２  燃料極拡散層、５４  燃料極触媒層、５６  燃料極、５８  空気極、６２  燃料ガス供給流路、１００，２００，３００  燃料電池システム。
【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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