(57)【要約】      （修正有）【課題】簡便で効率よく連続的且つ安定的に燃料電池の発電を維持できる燃料電池発電システムを提供する。【解決手段】酸素を還元する正極と、水素を酸化する負極と、正極と負極との間に配置された固体高分子電解質膜とを有する電極・電解質一体化物１００を含む燃料電池１と、燃料電池１に供給するための水素を製造する水素製造装置２と、充放電可能な二次電池４と、燃料電池１で発生された電力を昇圧して二次電池４に充電させる昇圧充電回路３と、を含む燃料電池発電システム３００であって、燃料電池１の発電中に電極・電解質一体化物１００の正極と負極とを短絡させる短絡部６を含み、短絡部６による短絡は、２〜６０秒に１回の頻度で行われ、且つ１回の短絡時間が、０．０５〜１秒であり、短絡部６による短絡を行っている間は、昇圧充電回路３を遮断させ、二次電池４からのみ外部に電力を供給する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素を還元する正極と、水素を酸化する負極と、前記正極と前記負極との間に配置された固体高分子電解質膜とを有する電極・電解質一体化物を含む燃料電池と、
前記燃料電池に供給するための水素を製造する水素製造装置と、
充放電可能な二次電池と、
前記燃料電池で発生された電力を昇圧して前記二次電池に充電させる昇圧充電回路と、を含む燃料電池発電システムであって、
前記燃料電池の発電中に前記電極・電解質一体化物の前記正極と前記負極とを短絡させる短絡部を更に含み、
前記短絡部による前記短絡は、２〜６０秒に１回の頻度で行われ、且つ１回の短絡時間が、０．０５〜１秒であり、
前記短絡部による前記短絡を行っている間は、前記昇圧充電回路を遮断させ、前記二次電池からのみ外部に電力を供給することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記燃料電池内の圧力を検出するための圧力センサと、
前記燃料電池内のガスを、前記燃料電池発電システム外に排出するためのパージバルブとを更に含み、
前記圧力センサにより検出された圧力に基づいて、前記パージバルブの開閉動作を制御し、
前記圧力センサにより検出された圧力が所定値を下回る場合、前記短絡部による前記短絡を行わない請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記圧力センサにより検出された圧力が所定値を下回る場合、前記燃料電池の出力電圧を上げる、または前記燃料電池の出力電流を下げる請求項２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記短絡部による前記短絡は、４〜１０秒に１回の頻度で行われる請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記短絡部による１回の短絡時間は、０．１〜０．５秒である請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
前記短絡部が、前記電極・電解質一体化物の前記正極と前記負極とを接続する抵抗及びスイッチを含む請求項１〜５に記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
環境温度を検出するための温度センサを更に含み、
前記温度センサにより検出された環境温度に基づいて、前記短絡時間及び／又は前記短絡頻度を制御する請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
環境湿度を検出するための湿度センサを更に含み、
前記温度センサにより検出された環境温度及び前記湿度センサにより検出された環境湿度に基づいて、前記短絡時間及び／又は前記短絡頻度を制御する請求項７に記載の燃料電池発電システム。
【請求項９】
システムを駆動した際の開始時刻を出力するための計時部を更に含み、
前記計時部により出力された前回の開始時刻と今回の開始時刻との差が所定値を超える場合、前記短絡時間及び／又は前記短絡頻度を所定時間の間変更し、且つ前記燃料電池の出力電圧を下げる及び／又は前記燃料電池の出力電流を上げる請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項１０】
前記燃料電池は、複数の前記電極・電解質一体化物を有しており、
前記短絡部は、各々の前記電極・電解質一体化物に備えられる請求項１〜９のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項１１】
前記燃料電池から排出されたガス中の水素を消費するための水素消費装置を更に含む請求項２又は３に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１２】
前記水素消費装置は、酸素を還元する正極と、燃料を酸化する負極と、正極と負極との間に配置された固体高分子電解質膜とを有する電極・電解質一体化物、及び該電極・電解質一体化物の前記正極と前記負極とを接続する抵抗を含む請求項１１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１３】
前記水素製造装置は、水との発熱反応により水素を発生する水素発生物質を含む水素発生材料に、水を供給して水素を製造する請求項１〜１２のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項１４】
前記水素発生材料に含まれる前記水素発生物質が、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、マグネシウム及びこれらの元素を主体とする合金からなる群から選択される少なくとも１種以上の金属材料である請求項１３に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１５】
前記水素発生材料が、金属水素化合物である請求項１３に記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素を燃料として発電する燃料電池と、上記燃料電池に供給するための水素を製造する水素製造装置とを含む燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、パーソナルコンピュータ、携帯電話などのコードレス機器の普及に伴い、その電源である電池は、ますます小型化、高容量化が要望されている。現在、エネルギー密度が高く、小型軽量化を図り得る二次電池としてリチウムイオン二次電池が実用化されており、ポータブル電源としての需要が増大している。しかし、このリチウムイオン二次電池は出力容量に限界があり、使用されるコードレス機器の種類によっては十分な連続使用時間を保証する程度までには至っていない。
【０００３】
このような状況の中で、上記要望に応え得る電池の一例として、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）が検討されている。燃料電池は、酸素及び燃料の供給さえ行えば連続的に使用することが可能である。正極と、負極と、電解質としての固体高分子電解質膜とからなる電極・電解質一体化物である膜・電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を備え、正極活物質に空気中の酸素、負極活物質に各種燃料を用いるＰＥＦＣは、リチウムイオン二次電池よりも高エネルギー密度化が期待できる電池として注目されている。
【０００４】
一般的に、ＰＥＦＣに用いられる固体高分子電解質膜は、分子中にプロトン（水素イオン）交換基を有し、固体高分子電解質膜内で数個の水分子を伴ってプロトンが伝導する。そのため、固体高分子電解質膜は、加湿された状態でプロトン伝導性電解質としての機能を発揮する。言い換えれば、固体高分子電解質膜の伝導性は膜の湿潤性に依存されるため、乾燥した反応ガスが供給され続けると、固体高分子電解質膜が乾燥して固体高分子電解質膜の伝導性が低下し、これに伴い、内部抵抗が増大してＰＥＦＣの出力特性が低下する。
【０００５】
そこで、例えば特許文献１では、燃料電池に供給される酸素や水素といった反応ガスを加湿する加湿器を備え、加湿器の温度をＰＥＦＣの運転温度を基準として所定の温度差に維持する燃料電池発電システムが提案されている。この特許文献１に開示の技術によれば、固体高分子電解質膜の過度の乾燥や濡れを防止でき、容易且つ安定した燃料電池の始動を可能とする。
【０００６】
また、特許文献２では、発電可能な状態で、ＰＥＦＣの両極間に、１秒以内の時間で大電流を生じさせる電流制御のサイクルを繰り返し行う活性化工程を含む燃料電池の活性化方法が提案されている。この特許文献２に開示の技術によれば、ＰＥＦＣを組み立て直後に作動させる場合や、または長時間未使用のまま放置したＰＥＦＣを再作動させる場合において電池性能を早期に引き出すことができる。
【０００７】
また、特許文献３では、電気生成反応により電流を生成するセルと、上記セルと負荷とを電気的に連結して上記負荷への電流供給経路を形成する負荷回路と、上記セルを、上記負荷を経由しない電気的閉ループに連結するショート回路と、上記セルの温度を測定する温度センサと、上記温度センサの測定結果に応じ、上記セルで生成された電流を上記負荷回路とショート回路のいずれかに通電させるコントローラと、を備える燃料電池発電システムが提案されている。この特許文献３に開示の技術によれば、必要時にセルの温度を急速に加熱可能な燃料電池の活性化方法を提供することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平７−２８８１３４号公報
【特許文献２】特開２０１０−２７２３６２号公報
【特許文献３】特開２００８−１０３３２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１では、反応ガスを加湿する加湿器が必要となるため、燃料電池発電システムの大型化が問題となり、ポータブル電源用途には不適である。
【００１０】
また、特許文献２における燃料電池の活性化は、燃料電池の発電中は実施できず、燃料電池の活性化を行っている間は、外部に電力を供給できない。
【００１１】
また、特許文献３では、燃料電池の温度に基づいて燃料電池の活性化を実施するかどうかを判別している。しかし、上述のように、燃料電池の出力特性は、固体高分子電解質膜の湿潤性に依存するため、加湿器等を用いずに燃料電池の発電を行うと、例えば環境温度または環境湿度などの使用条件によって、燃料電池が発電している最中にも固体高分子電解質膜が乾燥し、出力特性が低下する問題が考えられる。
【００１２】
本発明は、上記問題を解消するためになされたものであり、簡便で効率よく、連続的且つ安定的に発電を維持できる燃料電池発電システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池発電システムは、酸素を還元する正極と、水素を酸化する負極と、上記正極と上記負極との間に配置された固体高分子電解質膜とを有する電極・電解質一体化物を有する燃料電池と、上記燃料電池に供給するための水素を製造する水素製造装置と、充放電可能な二次電池と、上記燃料電池で発生された電力を昇圧して上記二次電池に充電させる昇圧充電回路と、を備えた燃料電池発電システムであって、上記燃料電池の発電中に上記電極・電解質一体化物の上記正極と上記負極とを短絡させる短絡部を備え、上記短絡部による上記短絡は、２〜６０秒に１回の頻度で行われ、且つ１回の短絡時間が、０．０５〜１秒であり、上記短絡部による上記短絡を行っている間は、上記昇圧充電回路を遮断させ、上記二次電池からのみ外部に電力を供給することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、簡便で効率よく、連続的且つ安定的に発電を維持できる燃料電池発電システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の燃料電池発電システムの一例を示す模式図である。
【図２】本発明の燃料電池発電システムに用いられる水素製造装置の一例を示す模式図である。
【図３】本発明の燃料電池発電システムに用いられる水素消費装置の一例を示す模式図である。
【図４】実施例１の燃料電池発電システムに用いられる燃料電池を示す模式断面図である。
【図５】図５Ａは、図４に示す燃料電池を構成する電極・電解質一体化物の平面図であり、図５Ｂは、図５Ａの正面図である。
【図６】図４に示す燃料電池を構成する正極パネルプレートの平面図である。
【図７】図４に示す燃料電池を構成する正極端部集電プレートの平面図である。
【図８】図４に示す燃料電池を構成する正極集電プレートの平面図である。
【図９】図９Ａは、図４に示す燃料電池を構成する正極絶縁プレートの平面図であり、図９Ｂは、図９ＡのＩ−Ｉ線断面図である。
【図１０】図１０Ａは、図４に示す燃料電池における燃料タンク部の平面図であり、図１０Ｂは、図１０ＡのＩＩ−ＩＩ線断面図であり、図１０Ｃは、図１０ＡのＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図１１】図４に示す燃料電池におけるシール材の平面図である。
【図１２】実施例１の燃料電池発電システムの構成を示す模式図である。
【図１３】実施例５の燃料電池発電システムに用いられる燃料電池を示す外観斜視図である。
【図１４】実施例５の燃料電池発電システムに用いられる燃料電池の要部分解図である。
【図１５】図１５Ａは、図１４に示す燃料電池を構成するセパレータの一例の平面図であり、図１５Ｂは、図１５ＡのＩＶ−ＩＶ線断面図であり、図１５Ｃは、図１５Ａの裏面図である。
【図１６】図１６Ａは、図１４に示す燃料電池を構成する電極・電解質一体化物の平面図であり、図１６Ｂは、図１６ＡのＶ−Ｖ線断面図である。
【図１７】実施例５の燃料電池発電システムの構成を示す模式図である。
【図１８】実施例５及び比較例４の燃料電池発電システムにおける燃料電池の発電試験結果を表すグラフである。
【図１９】実施例５の燃料電池発電システムにおける燃料電池において、負極側末端のＭＥＡの正極−負極間電圧の時間変化の一部を示すグラフである。
【図２０】実施例６の燃料電池発電システムにおける燃料電池において、負極側末端のＭＥＡの正極−負極間電圧の時間変化の一部を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の燃料電池発電システムは、酸素を還元する正極と、水素を酸化する負極と、上記正極と上記負極との間に配置された固体高分子電解質膜とを有する電極・電解質一体化物を有する燃料電池と、上記燃料電池に供給するための水素を製造する水素製造装置と、充放電可能な二次電池と、上記燃料電池で発生された電力を昇圧して上記二次電池に充電させる昇圧充電回路と、を備えた燃料電池発電システムであって、上記燃料電池の発電中に上記電極・電解質一体化物の上記正極と上記負極とを短絡させる短絡部を備え、上記短絡部による上記短絡は、２〜６０秒に１回の頻度で行われ、且つ１回の短絡時間が、０．０５〜１秒であり、上記短絡部による上記短絡を行っている間は、上記昇圧充電回路を遮断させ、上記二次電池からのみ外部に電力を供給することを特徴とする。これにより、燃料電池の発電中に燃料電池の活性化を実施できるとともに、燃料電池の活性化中に外部に電力を供給できるため、従来のように反応ガスを加湿する加湿器を必要とすることなく、簡便で効率よく、連続的且つ安定的に発電を維持できる。
【００１７】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。
【００１８】
（燃料電池発電システム）
図１に、本発明の実施形態にかかる燃料電池発電システムの概略構成図を示す。
【００１９】
本実施形態の燃料電池発電システム３００は、燃料電池１、水素製造装置２、昇圧充電回路３、二次電池４、圧力センサ７、パージバルブ８、水素消費装置９、制御部１０、温度センサ１１、湿度センサ１２、計時部としてのリアルタイムクロック１３、及びスイッチ１６を備えている。燃料電池１と水素製造装置２とは、燃料供給管１４を介して連結されている。また、燃料電池１には、燃料排出管１５が接続されており、燃料排出管１５の途中に、パージバルブ８、水素消費装置９が配置されている。
【００２０】
燃料電池１は、電気的に直列に接続された複数の電極・電解質一体化物（ＭＥＡ）１００を有し、水素を燃料源として発電する。ＭＥＡ１００は、酸素を還元する正極と、水素を酸化する負極と、上記正極と上記負極との間に配置された固体高分子電解質膜とを有する。
【００２１】
燃料電池１を構成する各ＭＥＡ１００には、燃料電池１の発電中にＭＥＡ１００の正極と負極とを短絡させる短絡部６が設けられている。本実施形態の燃料電池発電システム３００は、短絡部６により所定の短絡頻度及び短絡時間においてＭＥＡ１００の正極と負極とを短絡させ、スイッチ１６をオフにして昇圧充電回路３を遮断させ、二次電池４からのみ電力を外部に供給する。これにより、燃料電池の発電中に燃料電池の活性化を実施できるとともに、燃料電池の活性化中に外部に電力を供給できるため、燃料電池に供給される酸素や水素といった反応ガスを加湿する加湿器を必要とせず、簡便で効率よく、連続的且つ安定的に発電を維持できる。燃料電池の発電中にＭＥＡの正極と負極とを短絡させるにより連続的且つ安定的に発電を維持できる理由については不明であるが、短絡により燃料電池１内で生成した水が固体高分子電解質膜の湿潤性に影響を及ぼしているのではないかと推察される。
【００２２】
短絡部６による短絡は、２〜６０秒に１回の頻度で、且つ一回の短絡時間が、０．０５〜１秒と設定できる。特に、４〜１０秒に１回の頻度で行うことが好ましく、短絡部６による１回の短絡時間が、０．１〜０．５秒であることが好ましい。短絡の頻度が多い場合、あるいは短絡時間が長い場合、短絡による水素の消費量が増加し、燃料電池の出力が低下してしまう。一方、短絡の頻度が少ない場合、あるいは短絡時間が短い場合、上述した短絡の効果が薄い。そのため、上記短絡の頻度あるいは上記短絡時間は、上述の範囲内であることが好ましい。
【００２３】
短絡部６の設置位置は、例えば、後述する図１７（実施例５）に示すように、電気的に直列に接続された複数のＭＥＡのうち、一方端（正極側末端）のＭＥＡの正極と、他方端（負極側末端）のＭＥＡの負極とを連結するように短絡部６を設けてもよいが、図１に示すように、各ＭＥＡに短絡部６を設ける方が好ましい。これは、各ＭＥＡに短絡部６を設けることにより、短絡による各ＭＥＡの正極−負極間の電圧降下の不均一化を抑制できるからである。
【００２４】
短絡部６は、図１では、ＭＥＡ１００の正極に接続されるリード体と、ＭＥＡ１００の負極に接続されるリード体と、これらリード体を連結する抵抗６ａ及びスイッチ６ｂとからなる。抵抗６ａとしては、例えば短絡を行う場合、ＭＥＡ１００の正極−負極間の電圧が０．１Ｖ以下となるような抵抗値を有するものを用いる。なお、抵抗６ａを用いずにスイッチ６ｂのみを介して上記２つのリード体を連結してなるものを、短絡部６として用いることもできる。
【００２５】
燃料電池１としては、公知のものを使用できるが、本出願人による特開２００９−１２９６０８号公報、特開２０１０−１３５１５６号公報で開示された燃料電池を好適に用いることができる。
【００２６】
水素製造装置２は、燃料電池１に水素を供給する水素供給源である。水素製造装置２の詳細な構成については後述する。
【００２７】
昇圧充電回路３は、燃料電池１から供給された電力を昇圧して二次電池４に充電させる。二次電池４は、出力端子５を介して外部に電力を供給する。昇圧充電回路３及び二次電池４としては、周知のものを使用することでき、電力の充電機構としても、公知のものをそのまま使用できる。
【００２８】
圧力センサ７は、燃料電池１の圧力を測定する。圧力センサ７の設置位置は、燃料電池１内の圧力を検出できれば特に限定されないが、燃料電池の圧力変動をすぐに察知するためには、図１に示すように、燃料供給管１４の途中に設置するのが望ましい。
【００２９】
パージバルブ８は、燃料排出管１５内の途中で、且つ、燃料電池１と水素消費装置９との間に配置されており、制御部１０からの制御に従って、開閉動作を行う。パージバルブ８を開くと、燃料電池１内のガスが燃料排出管１５内に排出され、水素消費装置９に導入される。
【００３０】
水素消費装置９は、燃料電池１から排出されてきたガスに含まれる水素を消費する。水素消費装置９としては、燃料電池１内の水素を消費できるものであれば特に制限はないが、例えば、ＭＥＡを有し、燃料電池に係るＭＥＡによる発電と同じ機構により水素を消費する装置や、水素を酸化し得る触媒を有する装置などが挙げられる。水素消費装置９の詳細な構成については後述する。
【００３１】
制御部１０は、燃料電池１、昇圧充電回路３、圧力センサ７、パージバルブ８、温度センサ１１、湿度センサ１２、リアルタイムクロック１３、及びスイッチ１６に接続されており、検出された情報についての検出信号や制御信号のやりとりが行われる。そのため、制御部１２はマイコン等のプログラミング可能な制御装置を用いることが好ましい。
【００３２】
温度センサ１１は、環境温度を計測するものである。湿度センサ１２は、環境湿度を計測するためのものである。本発明の燃料電池発電システムにおける制御部１０は、温度センサ１１により検出された環境温度に基づいて、短絡時間及び／又は短絡頻度を制御することが好ましく、より好ましくは、温度センサ１１により検出された環境温度及び湿度センサ１２により検出された環境湿度に基づいて、短絡時間及び／又は短絡頻度を制御することである。これは、上述のように、燃料電池の出力特性は、固体高分子電解質膜の湿潤性に依存されるためである。環境温度または環境湿度などの条件によって、短絡時間及び／又は短絡頻度を制御することにより、より効率よく連続して安定した発電を行うことができる。具体的には、例えば、温度センサ１１によって検出された環境温度が所定値（例えば、４０℃）以上になると、短絡時間及び／又は短絡頻度を増加させる制御を行い、環境温度が所定値より低くなると、元の短絡時間及び短絡頻度に戻す。また、湿度センサ１２によって検出された環境湿度が所定値（例えば、６５℃）以下になると、短絡時間及び／又は短絡頻度を減少させる制御を行い、環境湿度が所定値より高くなると、元の短絡時間及び／又は短絡頻度に戻す。
【００３３】
リアルタイムクロック１３は、燃料電池発電システム３００の駆動開始時刻及び駆動停止時刻を出力する計時部である。燃料電池を長期間使用せずに放置していると、固体高分子電解質膜が乾燥して、該燃料電池の使用の際に燃料電池の出力が低下する問題がある。そこで、本発明の燃料電池発電システムにおける制御部１０は、リアルタイムクロック１３により出力された前回駆動させたときの駆動停止時刻と今回駆動の際の駆動開始時刻との差が所定値（例えば、１ヶ月）を超える場合、所定時間の間、短絡時間及び／又は短絡頻度を増加させ、且つ燃料電池の出力電圧を下げる及び／又は燃料電池の出力電流を上げる制御を行うことにより、上記問題を解決する。なお、上記「所定時間」は、特に制限されないが、長期間放置された燃料電池が、当該燃料電池本来の出力に戻るまでに要する時間あるいは燃料電池の出力が安定するまでの時間として設定できる。例えば、３０分と設定できる。
【００３４】
燃料供給管１４は、水素製造装置２で製造された水素を燃料電池１に供給するための燃料供給流路である。燃料排出管１５は、燃料電池１内から排出された水素を外部に排出するための燃料排出流路である。
【００３５】
ここで、本実施形態の燃料電池発電システム３００が圧力センサ７及びパージバルブ８を備える理由について説明する。
【００３６】
通常、燃料電池１による発電に伴って、燃料電池１の負極側にガス（発電に関与しなかった残留水素及び発電の際に正極側から拡散してくる不純ガスを含むガス）や生成水が蓄積し、燃料電池１内及び燃料供給管１４内の圧力が上昇する。
【００３７】
そこで、本実施形態では、圧力センサ７によって燃料電池１の負極側の圧力（ここでは、燃料供給管１４内の圧力）を測定し、測定した圧力がある程度高まった時点でパージバルブ８を開き、上記のガスや生成水を燃料排出管１５を介して外部に排出する。これにより、燃料電池１内の圧力を測定しながら適性に発電を行うことができるため、圧力が高くなりすぎて燃料電池１から水素が漏れ出たり、燃料電池１が破裂したりすることを抑制できる。また、燃料電池１の出力状態と圧力情報とを考慮して、出力を適正に維持できるように発電させることも可能となる。
【００３８】
また、本実施形態では、パージバルブ８の開閉動作の制御は圧力センサ７により検出された圧力に基づいて行い、且つ圧力センサ７により検出された圧力が所定値を下回る場合、短絡部６による短絡を行わない。これは、燃料電池１内の圧力が低い状態で短絡を行うと、短絡条件や発電条件などによっては、燃料電池１を構成するＭＥＡ１００の電圧が０Ｖ以下まで低下し、ＭＥＡ１００が劣化する虞があるからである。よって、短絡部６による短絡を行わないと判定するための基準値となる所定値は、燃料電池内の負極の圧力と外部の圧力（例えば大気圧）との差圧が３ｋＰａ以上とすること好ましい。
【００３９】
圧力センサ７により検出された圧力が所定値を下回る場合、燃料電池１の出力電圧を上げる、または燃料電池１の出力電流を下げることが好ましい。これにより、燃料電池１が消費する水素量が減り、水素ガス圧力を高くすることができる。
【００４０】
パージバルブ８の開閉動作の制御は、燃料電池１内の負極の圧力と外部の圧力（例えば大気圧）との差圧が５〜５０ｋＰａに達した段階で行うことが望ましい。差圧が５ｋＰａ未満で開く場合は、圧力差が小さすぎて水を排出する能力が低下し、差圧が５０ｋＰａを超えるまで開かない場合は、内圧が高くなりすぎてＭＥＡを破損する虞が生じる。
【００４１】
＜水素製造装置＞
図２は、本発明の燃料電池発電システムに用いられる水素製造装置２の一例を示す概略構成図である。本実施形態における水素製造装置２は、水素発生材料と水とを反応させて水素を製造する機構を有している。
【００４２】
図２に示す水素製造装置２は、反応容器３４、水収容容器３５、ポンプ３６、及び気液分離容器３７を有している。反応容器３４と水収容容器３５は、水供給管３８を介して連結されている。水収容容器３５と気液分離容器３７は、水回収管４１を介して連結されている。反応容器３４と気液分離容器３７は、水素導出管３９を介して連結されている。気液分離容器３７は、水素導出管４０を介して図１に示す燃料供給管１４に連結されている。
【００４３】
反応容器３４は、水との発熱反応により水素を発生する水素発生物質を含む水素発生材料３４ａを収容している。この反応容器３４に水収容容器３５内の水３５ａが供給されると、反応容器３４内で水素発生材料３４ａと水３５ａとが反応して水素が発生する。発生した水素は、水素導出管３９、４０を経て図１に示す燃料電池１に供給される。
【００４４】
反応容器３４としては、内部に水素発生材料３４ａを収納可能なものであれば、その材質や形状は特に限定されない。具体的な容器の材質としては、水及び水素を透過しにくく、且つ１００℃程度に加熱しても容器が破損しない材質が好ましく、例えば、アルミニウム、鉄、ステンレス等の金属、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等の樹脂を用いることができる。また、容器の形状としては、角柱状、円柱状等が採用できる。
【００４５】
水素発生材料３４ａと水３５ａとが反応することにより生じる反応生成物は、通常、水素発生材料３４ａよりも体積が大きい。そのため、反応容器３４は、こうした反応生成物の生成に伴う内蔵物の体積膨張が生じた場合に破損してしまわないように、水素発生材料３４ａと水３５ａとの反応に応じて変形可能であることが好ましい。このような観点からは、反応容器３４の材質としては、上記例示の材質の中でもＰＥやＰＰ等の樹脂がより好ましい。
【００４６】
水収容容器３５は、水３５ａを収容している。水収容容器３５としては、水を収容可能であれば、その材質や形状は特に限定されず、例えば、従来の水素製造装置に使用されているものと同様の水を収容するタンクなどが採用できる。
【００４７】
反応容器３４及び水収容容器３５は脱着式とすることもできる。これにより、反応容器３４内の水素発生材料３４ａが消費されつくしたり、水収容容器３５内の水３５ａがなくなったりした場合に、これらを取り外し、水素発生材料が充填された反応容器３４や水が充填された水収容容器３５を新たに取り付けることで、再び水素製造を行うことが可能となる。
【００４８】
ポンプ３６は、水供給管３８の途中に配置されており、水収容容器３５内の水３５ａを水供給管３８を介して反応容器３４に送液する。ポンプ３６としては、水の供給量（供給速度）を正確に調整でき、且つ水供給の開始又は停止を迅速にコントロールできるものであれば特に限定されず、例えば、チューブポンプ、ダイヤフラムポンプあるいはシリンジポンプ等が用いられる。
【００４９】
気液分離容器３７は、水素を含む気体（ガス）と液体とを含む気液混合流体を、重力差によって水素を含むガスと液体に分離するものである。この気液分離容器３７は、反応容器３４から図１の燃料電池１に水素を供給するための水素導出流路の途中（図２では、水素導出管３９と水素導出管４０との間）に配置されている。ところで、反応容器３４内で水素発生材料３４ａと水３５ａとの反応により発生した水素を含むガスと共に、反応容器３４内に存在する水素発生材料３４ａと反応しなかった水や水蒸気などの水分が水素導出管３９に排出されることがある。この水分は、水素導出管３９内で冷却され凝縮水となり、この凝縮水は重力によって気液分離容器３７内で下部に落下し、気液分離容器３７内で水素を含むガスと水とに分離される。分離された水素ガスは、水素導出管４０などを通じて図１の燃料電池１に供給される。なお、気液分離容器３７は必須のものではないが、気液分離容器３７を設けた場合には、上述したように、燃料電池１に供給される水素を含むガス中の液体成分量を削減でき、水分が供給されることによる燃料電池１の不具合の発生を抑制できる。
【００５０】
気液分離容器３７としては、耐熱性及び耐腐食性に優れ、容器が変形しない不撓性材料からなるものであれば特に限定されないが、水や水素が漏れない材質や、５０ｋＰａ程度の減圧及び加圧などの内圧変動に耐えうる構造がより好ましい。具体的な容器の材質としては、水及び水素を透過しにくく、かつ１２０℃程度に加熱しても容器が破損しない材質が好ましく、例えば、アルミニウム、鉄などの金属、アクリル樹脂、硬質のポリプロピレンやポリエチレンなどの樹脂を用いることができる。また、容器の形状としては、角柱状、円柱状、球状、半球状などが採用できる。
【００５１】
また、図２では、気液分離容器３７と水収容容器３５とは、水回収管４１を介して連結されているため、気液分離容器３７で分離された水を水収容容器３５に回収でき、水素発生のために供給する水の効率的な利用が可能となり、水収容容器３５をよりコンパクトにすることができる。なお、気液分離容器３７と水収容容器３５とを連結する水回収管４１の途中に、水を送液するためのポンプを設置してもよい。
【００５２】
水収容容器３５に収容される水３５ａは、中性の水、酸性水溶液、アルカリ性水溶液など、少なくとも水を含む液体であればよく、使用する水素発生物質との反応性などに応じて好適なものを選択すればよい。
【００５３】
反応容器３４に収容される水素発生材料３４ａとしては、水と反応して水素を発生させる水素発生物質を含むものであれば特に制限はないが、水と１２０℃以下の低温で反応して水素を発生し得る水素発生物質を含むことが望ましい。
【００５４】
水素発生材料３４ａに含まれる水素発生物質としては、水との反応により水素を発生するものであれば特に限定されないが、例えば、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、マグネシウム及びこれらの元素を主体とする合金からなる群から選択される少なくとも１種の金属材料や、それら材料の水酸化物を用いることができる。なお、合金の場合には、主体となる元素以外の金属成分は特に限定されない。また、主体とは、合金全体に対して８０重量％以上、より好ましくは、９０重量％以上含有されている物質をいう。上記金属材料は、常温では水と反応しにくいが、加熱することにより水との発熱反応が容易となる物質である。なお、ここで「常温」とは、２０〜３０℃の範囲の温度である。
【００５５】
このような金属材料は、少なくとも常温以上に加温された状態において、水と反応して水素を発生させることができる。しかし、表面に安定な酸化皮膜が形成されるため、低温下、あるいは、板状、ブロック状などのバルクの形状では、水素を発生しないか、又は水素を発生し難い材料である。ただし、酸化皮膜の存在により、空気中での取り扱いは容易である。
【００５６】
また、その他の水素発生材料としては、金属水素化合物を用いることができる。例えば、水素化ホウ素ナトリウム又は水素化ホウ素カリウムなどが好ましく用いられる。これらの水素発生材料は、アルカリ水溶液中では比較的安定であるが、触媒が存在する場合、速やかに水と反応して水素を発生することができる。触媒としては、例えば、白金、ニッケルなどの金属や酸などを用いることができる。
【００５７】
また、上記金属材料は、その平均粒径によって特に限定されないが、その平均粒径が０．１μｍ以上１００μｍ以下とすることが好ましく、０．１μｍ以上５０μｍ以下がより好ましい。上述したように、上記金属材料は、一般に、表面に安定な酸化皮膜が形成されている。そのため、板状、ブロック状及び粒径１ｍｍ以上のバルク状などの金属材料は、加熱しても水との反応が進行せず、実質的に水素を発生させない場合もある。しかし、金属材料の平均粒径を１００μｍ以下とすると、酸化皮膜による水との反応抑制作用が減少し、常温では水と反応しにくいものの、加熱すれば水との反応性が高まり、水素発生反応が持続するようになる。また、金属材料の平均粒径を５０μｍ以下とすると、４０℃程度の穏和な条件でも水と反応して水素を発生させることができる。
【００５８】
上記金属材料の平均粒径が５０μｍを超える場合であっても、金属材料が鱗片状であり、且つその厚みが５μｍ以下である場合には、水との反応性を高めて、より効率よく水素を生じさせることができ、特に金属材料の厚みが３μｍ以下の場合には、反応効率をより一層向上させることができる。
【００５９】
一方、上記金属材料の平均粒径を０．１μｍ未満としたり、鱗片状の金属材料の厚みを０．１μｍ未満とすると、発火性が高くなって取り扱いが困難となったり、金属材料の充填密度が低下してエネルギー密度が低下しやすくなったりする。このような理由から、金属材料の平均粒径は０．１μｍ以上が好ましく、また、金属材料が鱗片状の場合には、その厚みは０．１μｍ以上が好ましい。
【００６０】
上記金属材料の平均粒径は、体積基準の積算分率５０％における粒子直径の値であるＤ50を意味する。平均粒径の測定方法としては、例えば、レーザ回折・散乱法などを用いることができる。より具体的には、水などの液相に分散させた測定対象物質にレーザ光を照射することによって検出される散乱強度分布を利用して粒子径分布を測定する。レーザ回折・散乱法による粒子径分布測定装置としては、例えば、日機装社製の「マイクロトラックＨＲＡ（製品名）」などを用いることができる。
【００６１】
また、上記鱗片状の金属材料の厚みは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察することができる。
【００６２】
さらに、上記金属材料の形状も特に限定されないが、例えば、略球状（真球状を含む）やラグビーボール状の他、上記の通り、鱗片状のものなどが挙げられる。略球状やラグビーボール状などの場合には上記した平均粒径を満足するものが好ましく、鱗片状の場合には上記した厚みを満足するものが好ましい。また、鱗片状の金属材料の場合には、上記した平均粒径も満足していることがより好ましい。
【００６３】
また、上述した水素発生物質に、親水性酸化物、炭素及び吸水性高分子からなる群から選ばれる少なくとも１つの物質（以下、添加剤という。）を添加すれば、水素発生物質と水との反応を促進させることができるので好ましい。このような親水性酸化物としては、アルミナ、シリカ、チタニア、マグネシア、ジルコニア、ゼオライト、酸化亜鉛などが使用できる。
【００６４】
水素発生物質と水との反応性を高めるために、水素発生物質と水とが混合された状態で加熱してもよいし、加熱された水を反応容器３４内に供給してもよいが、本発明の水素発生材料として、上記金属材料などの水素発生物質以外の材料であって水と反応して発熱する発熱材料を含む水素発生材料を用いることが好ましい。発熱材料を含む水素発生材料を用いた場合、低温（例えば５℃程度）の水を供給しても、発熱物質の発熱によって反応系内の温度を高めて、迅速な水素発生が可能となる。
【００６５】
上記発熱材料としては、水と発熱反応して水酸化物や水和物となる材料、水と発熱反応して水素を生成する材料などを用いることができる。このような発熱材料のうち、水と反応して水酸化物や水和物となる材料としては、例えば、アルカリ金属の酸化物（例えば、酸化リチウムなど）、アルカリ土類金属の酸化物（例えば、酸化カルシウム、酸化マグネシウムなど）、アルカリ土類金属の塩化物（例えば、塩化カルシウム、塩化マグネシウムなど）、アルカリ土類金属の硫酸化合物（例えば、硫酸カルシウムなど）などを用いることができる。上記水と反応して水素を生成する材料としては、例えば、アルカリ金属（例えば、リチウム、ナトリウムなど）、アルカリ金属水素化物（例えば、水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素カリウム、水素化リチウムなど）などを用いることができる。これらの材料は、単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。
【００６６】
また、上記発熱材料が塩基性材料であれば、水素発生反応に用いられる水に溶解して、高濃度のアルカリ水溶液を形成するので、水素発生物質である金属材料の表面に形成された酸化皮膜を溶解させ、水との反応性を大きくすることができるので好ましい。この酸化皮膜を溶解する反応は、金属材料と水との反応の起点となることもある。特に、発熱材料がアルカリ土類金属の酸化物であれば、塩基性材料であり且つ取り扱いが容易であるのでより好ましい。
【００６７】
なお、上記発熱材料としては、水以外の物質と常温で発熱反応を生じる材料、例えば、鉄粉のように酸素と発熱して発熱する材料も知られている。しかし、水素発生材料が、上記酸素と反応する材料と上記水素発生物質である金属材料とを含む場合、反応のために必要とされる酸素は、同時に、金属材料から発生する水素の純度を低下させたり、金属材料を酸化させて水素発生量を低下させたりするなどの問題を生じることがある。このため、本発明における発熱材料としては、上述のとおり、水と反応して発熱するアルカリ土類金属の酸化物などを用いるのが好ましい。また、同様の理由から、水素発生材料に含まれる発熱材料は、反応時に水素以外の気体を生成しないものが好ましい。もし上記酸素と反応する材料を発熱材料として用いる場合は、酸素を導入する必要があるため、上記材料を反応容器に添加するのではなく、反応容器の外部に配置して使用することが好ましい。
【００６８】
上記水素発生材料全体中における上記金属材料などの水素発生物質の含有率は、より多くの水素を発生させる観点から、好ましくは８５重量％以上、より好ましくは９０重量％以上であり、また、発熱材料の併用による効果をより確実にする観点から、好ましくは９９重量％以下、より好ましくは９７重量％以下である。また、水素発生材料全体中における発熱材料の含有率は、好ましくは１重量％以上、より好ましくは３重量％以上であって、好ましくは１５重量％以下、より好ましくは１０重量％以下である。
【００６９】
上記発熱材料を含有する水素発生材料は、水素発生物質である金属材料などと発熱材料を混合することにより得られる。金属材料と発熱材料との混合の際には、金属材料のみが１ｍｍ以上の凝集体にならないようにすることが好ましい。例えば、金属材料と発熱材料を撹拌混合することにより、金属材料が凝集するのを抑制しつつ、水素発生材料を作製できる。また、金属材料の表面に発熱材料をコーティングして複合化し、水素発生材料としてもよい。
【００７０】
＜水素消費装置＞
図３は、本発明の燃料電池発電システムに用いられる水素消費装置９の一例を示す概略断面図である。なお、図３では、水素消費装置９のみを断面で示しているが、水素消費装置９の各構成要素の理解を容易にするために、一部の構成要素については、断面であることを示す斜線を付していない。
【００７１】
図３に示す水素消費装置９は、正極拡散層２０１及び酸素を還元する正極触媒層２０２からなる正極と、固体高分子電解質膜２０３と、水素を酸化する負極触媒層２０４及び負極拡散層２０５からなる負極とが順次積層されてなるＭＥＡ２００を有する。ＭＥＡ２００を構成する各層の材料は、燃料電池１のＭＥＡ１００と同様の材料を使用できる。
【００７２】
図３において、ＭＥＡ２００は、正極拡散層２０１の上部に配置された正極集電板４２と、負極拡散層２０５の下部に配置された負極集電板４３とによって挟持されており、正極集電板４２と負極集電板４３とは、例えばボルト５０とナット５１により固定されている。図３中、４４はシリコンゴムなどからなるシール材であり、４５は水素を収容（保持）するタンク部である。タンク部４５には、水素を含むガスを水素消費装置９に導入するための燃料排出管１５と、水素消費装置９によって水素が除去された残りのガスを外部に排出するための燃料排出管１５ａが接続されている。
【００７３】
正極集電板４２及び負極集電板４３は、例えば、白金、金などの貴金属や、ステンレス鋼などの耐食性金属、またはカーボンなどから構成される。また、耐食性向上のために、表面にメッキや塗装が施されている場合もある。
【００７４】
正極集電板４２には複数の空気孔４２ａが形成されており、これら空気孔４２ａを通じて大気中の酸素がＭＥＡ２００の正極に供給されるようになっている。一方、負極集電板４３には複数の水素導入孔４３ａが形成されており、これら水素導入孔４３ａを通じて燃料排出管１５からタンク部４５へ導入された水素を含むガスがＭＥＡ２００の負極に供給される。
【００７５】
正極集電板４２の端部には正極リード線４６が、負極集電板４３の端部には負極リード線４７が、それぞれ接続されている。また、これらのリード線４６、４７は、抵抗４８及びスイッチ４９を介して接続されている。そして、水素消費装置９によってガス中の水素を消費する必要が生じた場合に、スイッチ４９をオンにしてＭＥＡ２００の正極−負極間を導通させることで、ガス中の水素を消費できる。これにより、燃料電池１内から排気され、システム外に排出する必要のあるガス中の水素を完全に無くすか、または上記ガス中の水素量を大幅に低減することができる。
【００７６】
抵抗４８としては、例えば、水素消費装置９内に水素が導入されてから、ＭＥＡ２００の正極−負極間の電圧が０．１Ｖ以下となるのに要する時間が１分以内となるような抵抗値を有するものを用いることができる。なお、図３では、抵抗４８及びスイッチ４９を介してリード線４６、４７を接続しているが、抵抗４８を用いなくても、ＭＥＡ２００の正極−負極間の電圧を上述したように所定時間内に下げることができるのであれば、抵抗４８を用いずにスイッチ４８のみを介してリード体４６、４７を接続して、ＭＥＡ２００の正極と負極とを導通可能としてもよい。
【００７７】
なお、水素消費装置９は、上記の通り、燃料電池と同様にＭＥＡを備えているため、例えば、燃料電池に複数のＭＥＡを有するもの（スタック）を使用し、その一部のＭＥＡ（例えば、１つ）を水素消費装置として使用する形態で、燃料電池と水素消費装置とを一体化した構成とすることもできる。このような構成とすることで、燃料電池発電システムの小型化がより容易となる。この場合、水素消費装置として使用するＭＥＡと発電用に使用するＭＥＡとは接続せず、また、水素消費装置で水素を除去したガスを効率よくシステム外に排気でき、且つ効率よく発電できるように、水素消費装置として使用するＭＥＡと発電用に使用するＭＥＡとは、互いに内部のガスが行き来できないように構成する。
【実施例】
【００７８】
以下、実施例を用いて本発明をより具体的に説明する。但し、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００７９】
（実施例１）
＜燃料電池の作製＞
まず、図４に示す構造の燃料電池１ａを作製した。図４は、本実施例１における燃料電池１ａを示す模式断面図である。図４に示す燃料電池１ａは、正極拡散層１０１及び正極触媒層１０２からなる正極と、固体高分子電解質膜１０３と、負極触媒層１０４及び負極拡散層１０５からなる負極とが、順次積層されてなるＭＥＡ１００を３個有する。３個のＭＥＡ１００は平面状に配置されている。
【００８０】
また、各ＭＥＡ１００の正極側には、正極集電プレート２４、２５ａ、２５ｂ、正極絶縁プレート２２及び正極パネルプレート２０が順次積層され、各ＭＥＡ１００の負極側には、負極集電プレート２６、２７ａ、２７ｂ、負極絶縁プレート２３及び負極パネルプレート２１が順次積層されている。これにより、全てのＭＥＡ１００は、正極パネルプレート２０と負極パネルプレート２１との間に挟持され、一体化している。また、図４では図示していないが、隣り合うＭＥＡ１００同士は、一方のＭＥＡの正極集電プレート２４（以下、正極端部集電プレートともいう）と他方のＭＥＡの負極集電プレート２６（以下、負極端部集電プレートともいう）とを電気的接続することによって、直列に接続されている。
【００８１】
燃料電池１ａを構成するＭＥＡ１００には、図５Ａ、Ｂに示す構成のものを用いた。図５ＡはＭＥＡ１００の平面図、図５ＢはＭＥＡ１００の正面図である。ＭＥＡ１００の正極（正極拡散層１０１及び正極触媒層１０２）及び負極（負極触媒層１０４及び負極拡散層１０５）には、カーボンクロス上にＰｔ担持カーボンを塗布した電極（Ｅ−ＴＥＫ社製「ＬＴ１４０Ｅ−Ｗ」、Ｐｔ量：０．５ｍｇ／ｃｍ2）を用いた。また、固体高分子電解質膜１０３には、デュポン社製の「ナフィオン１１２」を用いた。各電極の大きさは２５ｍｍ×９２ｍｍ、固体高分子電解質膜１０３の大きさは２９ｍ×９６ｍｍとした。
【００８２】
燃料電池１ａを構成する正極パネルプレート２０には、図６に示す構成のものを用いた。図６は正極パネルプレート２０の平面図である。正極パネルプレート２０には、ステンレス鋼製で厚みが２ｍｍのものを用いた。また、正極パネルプレート２０には、正極パネルプレート２０と図４の負極パネルプレート２１とを図４のボルト３２及びナット３３で固定するためのネジ穴５３を設けた。さらに、正極パネルプレート２０には、各ＭＥＡ１００の正極拡散層１０１と対応するように、酸素導入孔３０ａとして、１×１３ｍｍの長方形型の穴を、各々上下に６個、左右に１２個、合計７２個を１セットとして、合計３セット配置した。図４の負極パネルプレート２１も正極パネルプレート２０と同様の材質、形状とした。すなわち、パネルプレートにおける開口は、正極では正極開口部３０を形成する酸素導入孔となり、負極では負極開口部３１を形成する燃料導入孔となる。
【００８３】
燃料電池１ａを構成する正極集電プレート（正極端部集電プレート）２４には、図７に示す構成のものを用い、正極集電プレート２５ａ、２５ｂには図８に示す構成のものを用いた。図７は正極端部集電プレート２４の平面図、図８は正極集電プレート２５ａ、２５ｂの平面図である。図７において、５４は正極集電端子部であり、図８において、５５は正極直列接続タブである。
【００８４】
正極端部集電プレート２４及び正極集電プレート２５ａ、２５ｂには、ニッケルに金メッキを施した厚み０．３ｍｍのものを用いた。また、正極端部集電プレート２４及び正極集電プレート２５ａ、２５ｂには、酸素導入孔３０ｂ及びネジ孔５３を設けた。酸素導入孔３０ｂ及びネジ穴５３の形状及び配置は、正極パネルプレート２０における酸素導入孔及びネジ穴と同様とした。負極端部集電プレート２６は、正極端部集電プレート２４と同様の材質、形状とし、負極集電プレート２７ａ、２７ｂは正、極集電プレート２５ａ、２５ｂと同様の材質、形状とした。すなわち、集電プレートにおける開口は、正極では正極開口部３０を形成する酸素導入孔となり、負極では負極開口部３１を形成する燃料導入孔となる。
【００８５】
燃料電池１ａを構成する正極絶縁プレート２２には、図９Ａ、Ｂに示す構成のものを用いた。図９Ａは正極絶縁プレート２２の平面図、図９Ｂは図９ＡのＩ−Ｉ線断面図である。図９Ｂの断面図では、ネジ穴５３の配置を点線で示しており、この配置の理解を容易にするために、断面であることを示す斜線を省略している。正極絶縁プレート２２は、金属製の正極パネルプレート２０と、正極集電プレート２４、２５ａ、２５ｂとの間に配置され、これらのプレート間を絶縁するためのものである。図９Ａ、Ｂにおいて、６６は正極集電プレート２４、２５ａ、２５ｂを収めるための凹部である。
【００８６】
正極絶縁プレート２２には、ガラスエポキシ樹脂製で厚みが０．５ｍｍのものを用いた。正極絶縁プレート２２には、酸素導入孔３０ｃ及びネジ孔５３を設けた。酸素導入孔３０ｃ及びネジ穴５３の形状及び配置は、図６に示す正極パネルプレート２０の酸素導入孔及びネジ穴と同様とした。また、負極絶縁プレート２３は、正極絶縁プレート２２と同様の材質、形状とした。すなわち、絶縁プレートにおける開口は、正極では正極開口部３０を形成する酸素導入孔となり、負極では負極開口部３１を形成する燃料導入孔となる。
【００８７】
燃料電池１ａを構成する燃料タンク部２９を図１０Ａ、Ｂ、Ｃに示す。図１０Ａは燃料タンク部２９の平面図、図１０Ｂは図１０ＡのＩＩ−ＩＩ線断面図、図１０Ｃは図１０ＡのＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。図１０Ｂ、Ｃの断面図では、ネジ穴５３の配置を点線を示していることから、この配置の理解を容易にするために、断面であることを示す斜線を省略している。
【００８８】
燃料タンク部２９は、ＭＥＡ１００の負極に供給される燃料をタンク内部７０に保持するものであり、燃料を供給するための燃料供給口６７、燃料を排出するための燃料排出口６８、及び、燃料の供給が各ＭＥＡ１００への燃料供給を均一に行うための燃料流通ガイド部６９が設けられている。
【００８９】
燃料タンク部２９には、ガラスエポキシ樹脂製で厚み３ｍｍのものを用いた。中央のタンク内部７０の深さは２ｍｍとした。
【００９０】
燃料電池１ａを構成するシール材２８ａ、２８ｂには、図１１に示す構成のものを用いた。図１１は、シール材２８ａ、２８ｂの平面図である。シール材２８ａ、２８ｂに設けた孔７２には、図４のＭＥＡ１００の電極（正極及び負極）が収まり、図４の固体高分子電解質膜１０３のうち電極部分からはみ出た部分は、シール材２８ａ、２８ｂで挟まれている。そのため、燃料と空気中の酸素とを隔離して、燃料電池１ａを良好に機能させることが可能となる。また、シール材２８ａ、２８ｂには直列接続タブ接触エリア７１が設けられており、この部分で正極集電プレートの正極直列接続タブと負極集電プレートの負極直列接続タブとが電気的に接触し、各ＭＥＡ１００は直列に接続されている。
【００９１】
シール材２８ａ、２８ｂには、シリコンゴム製で厚み０．２ｍｍのものを用い、ＭＥＡ１００の電極を収めるための孔７２の大きさは２６ｍｍ×９３ｍｍとした。
【００９２】
以上の各部材を図４に示す順序で積層し、ボルト３２とナット３３を用いて一体化し、ＭＥＡ１００を３個直列に接続し、図４に示す燃料電池１ａを得た。
【００９３】
＜水素製造装置の作製＞
次に、図２に示す構成の水素製造装置２を作製した。反応容器３４には、内容積１７０ｃｍ3のポリプロピレン製の角柱状容器を用いた。水供給管３８には、内径２ｍｍ、外径３ｍｍ、水素導出管３９、４０、及び水回収管４１には、内径３ｍｍ、外径４ｍｍのアルミニウム製の配管をそれぞれ用いた。反応容器３４には、水素発生物質として平均粒径６μｍのアルミニウム粉末９８．５ｇと、発熱材料として酸化カルシウム粉末１２．５ｇとの混合物である水素発生材料３４ａを入れた。水収容容器３５には、内容積２００ｃｍ3のポリプロピレン製の角柱状容器を用い、その中に水３５ａを２００ｇ入れた。気液分離容器３７には、内容積３０ｃｍ3のポリカーボネート製の角柱状容器を用いた。
【００９４】
＜燃料電池発電システム＞
上記燃料電池１ａ及び上記水素製造装置２を用いて、図１２に示す構成の燃料電池発電システム３０１を組み立てた。本実施例の燃料電池発電システム３０１では、図４に示す燃料電池１ａを４組直列に接続したものを燃料電池として用いた。すなわち、本実施例における燃料電池を構成するＭＥＡ１００は１２個である。そして、各ＭＥＡ１００の正極及び負極にはリード体を取り付け、これらリード体に、抵抗値が１０Ωの抵抗６ａ及びスイッチ６ｂを接続して、各ＭＥＡ１００の正極−負極間を導通可能とした。
【００９５】
＜発電試験＞
上記燃料電池発電システム３０１を用いて、温度２５℃、相対湿度６５％の環境条件下で次のようにして発電試験を行った。
【００９６】
まず、図２に示す水素製造装置２の水供給ポンプ３６を駆動させて、水収容容器３５内の水３５ａを反応容器３４へ供給して水素を発生させ、発生した水素を図１２の燃料電池１ａに供給した。そして、図１２の昇圧充電回路３及び制御部１０により、７．５Ｖの定電圧で燃料電池１ａを発電させた。そして、燃料電池１ａの発電中に、スイッチ１６をオフにした状態で、短絡頻度が１０秒に１回、短絡時間が５０ミリ秒の短絡を行った。なお、発電試験中は、短絡時のみスイッチ１６をオフにし、短絡時以外はスイッチ１６をオンにした。
【００９７】
（実施例２）
実施例１と同様にして燃料電池発電システムを作製した。そして、短絡時間を１００ミリ秒に変更したこと以外は、実施例１と同条件で発電試験を実施した。
【００９８】
（実施例３）
実施例１と同様にして燃料電池発電システムを作製した。そして、短絡頻度を２０秒に１回に変更し、短絡時間を２００ミリ秒に変更したこと以外は、実施例１と同条件で発電試験を実施した。
【００９９】
（実施例４）
実施例１と同様にして燃料電池発電システムを作製した。そして、短絡頻度を７秒に１回に変更し、短絡時間を５０ミリ秒に変更したこと以外は、実施例１と同条件で発電試験を実施した。
【０１００】
（比較例１）
実施例１と同様にして燃料電池発電システムを作製した。そして、短絡を行わなかったこと以外は、実施例１と同条件で発電試験を実施した。
【０１０１】
（比較例２）
実施例１と同様にして燃料電池発電システムを作製した。そして、短絡頻度を１０秒に１回に変更し、短絡時間を２０００ミリ秒に変更したこと以外は、実施例１と同条件で発電試験を実施した。
【０１０２】
（比較例３）
実施例１と同様にして燃料電池発電システムを作製した。そして、短絡頻度を１００秒に１回に変更し、短絡時間を１００ミリ秒に変更したこと以外は、実施例１と同条件で発電試験を実施した。
【０１０３】
実施例１〜４及び比較例１〜３における短絡頻度、短絡時間、燃料電池の平均出力を表１に示す。なお、「燃料電池の平均出力」は、発電を１時間行った際の燃料電池の出力の平均値とした。
【０１０４】
【表１】
2013020722.tif 000003
【０１０５】
実施例１〜４では、比較例１に比べて燃料電池の平均出力が向上した。この結果から、本発明の燃料電池発電システムは、燃料電池の発電中に燃料電池を活性化することができ、反応ガスを加湿する加湿器を必要とすることなく、簡便で効率よく、連続的且つ安定的に発電を維持できることが可能であることが示唆された。
【０１０６】
また、実施例１と実施例２とを比較すると、短絡時間を５０ミリ秒から１００ミリ秒に増加させることにより、燃料電池の平均出力が更に向上した。これは、短絡時間を適度に増加させることにより、自己加湿の効果が増加したためであると推察された。
【０１０７】
また、短絡時間が１秒を超える比較例２、短絡頻度が６０秒／回よりも多い比較例３は、実施例１〜４よりも燃料電池の平均出力が劣っていた。
【０１０８】
（実施例５）
＜燃料電池の作製＞
図１３に示す構造の燃料電池１ｂを作製した。図１３は、本実施例５の燃料電池１ｂを示す外観斜視図である。図１３において、燃料電池１ｂは、セパレータ８０を介して積層された複数のＭＥＡ８５からなる積層体を、２つのエンドプレート９３で挟持し、ボルトとナットで固定したものである。上側のエンドプレート９３には、燃料供給口９４、燃料排出口９５を設けた。
【０１０９】
図１４に、図１３の燃料電池１ｂの要部の分解斜視図を示した。図１４において、図１３と同一構成要素については同一符号を付している。図１４に示すように、ＭＥＡ８５は、上から、正極拡散層８６、積層体８５ａ、負極拡散層９０が順次積層されたものであり、ＭＥＡ８５の上下には、セパレータ８０、８０が配置されている。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路８３に導入されると、図１４の点線矢印に示すように、正極拡散層８６を通って積層体８５ａの正極触媒層８７（後述の図１６）に供給され、発電反応に関与せず消費されなかった酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路８３を通って外部に排出される。一方、燃料は、図１３の燃料供給口９４から燃料電池１ｂ内に導入されると、図１４の実線矢印に示すように、燃料供給マニホールド８１に導入され、負極拡散層９０を通って積層体８５ａの負極触媒層８９（後述の図１６）に供給され、発電反応に関与せず消費されなかった燃料は、負極拡散層９０、燃料排出マニホールド８２を通って図１３の燃料排出口９５から外部へ排出される。
【０１１０】
セパレータ８０には、図１５に示す構成のものを用いた。図１５Ａは、セパレータ８０の平面図、図１５Ｂは、図１５ＡにおけるＩＶ−ＩＶ線断面図、図１５Ｃは、セパレータ８０の裏面図である。セパレータ８０には、カーボン製（最も厚い部分の厚みが２ｍｍ）で、外形は２４ｍｍ×８５．５ｍｍとし、燃料供給マニホールド８１及び燃料排出マニホールド８２のサイズは２０ｍｍ×３ｍｍとした。セパレータ８０の下面には、冷却媒体流路を兼ねた酸化剤ガス流路８３を複数形成し、酸化剤ガス流路８３の幅は１．５ｍｍ、深さは１．５ｍｍとし、酸化剤ガス流路８３間のリブ８４の幅は１ｍｍとした。なお、図１５Ｃでは、酸化剤ガス流路８３とリブ８４とを識別しやすくするために、酸化剤ガス流路８３を、ドットを入れて示している。
【０１１１】
積層体８５ａには、図１６に示す構成のものを用いた。図１６Ａは平面図、図１６Ｂは図１６ＡにおけるＶ−Ｖ線断面図である。積層体８５ａを構成する固体高分子電解質膜８８には、デュポン社製「ナフィオン（登録商標）１１２」を用いた。そして、この固体高分子電解質膜８８を用いて次のようにして積層体８５ａを得た。まず、Ｐｔ担持カーボン（田中貴金属社製「ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ」）と、５質量％濃度のＮａｆｉｏｎ溶液（Ａｌｄｒｉｃｈ社製）とを所定量で混合し、これをポリテトラフルオロエチレンシートの片面に塗布し、乾燥させた。次に、上記固体高分子電解質膜８８の両面に、上記ポリテトラフルオロエチレンシートを、Ｐｔ担持カーボンとＮａｆｉｏｎ溶液との混合物の塗布面が固体高分子電解質膜８８側となるように重ねてホットプレスを行い、上記ポリテトラフルオロエチレンシートを除去した後、得られた積層体を外形が２４ｍｍ×８５．５ｍｍとなるように切り出すことにより、正極触媒層８７、固体高分子電解質膜８８及び負極触媒層８９からなる積層体８５ａを得た。
【０１１２】
正極拡散層８６には、ＳＧＬカーボン社製の「ＧＤＬ１０ＤＣ」（厚み４７０μｍ）を２４ｍｍ×７１．５ｍｍのサイズに切り出して用いた。また、正極拡散層８６の一対の短辺の外側にはそれぞれ正極ガスシール９１が配置されており、正極ガスシール９１には、２４ｍｍ×７ｍｍのシリコンゴムシート（厚み０．３ｍｍ）を２枚用意し、いずれにも２０ｍｍ×３ｍｍの穴（セパレータ８０に形成されている燃料供給マニホールド８１及び燃料排出マニホールド８２に対応する穴）を形成した。
【０１１３】
負極拡散層９０には、正極拡散層８６に用いたものと同じ材料を使用し、２０ｍｍ×７５．５ｍｍのサイズに切り出して用いた。負極拡散層９０の外周外側には負極ガスシール９２が配置されており、負極ガスシール９２には、正極ガスシール９１と同じシリコンゴムシートを用い、サイズを２４ｍｍ×８５．５ｍｍとした。また、負極ガスシール９２には、２０ｍｍ×８１．５ｍｍのサイズの穴（セパレータ８０に形成されている燃料供給マニホールド８１及び燃料排出マニホールド８２に対応する穴）を形成した。
【０１１４】
そして、上記積層体８５ａ、上記正極拡散層８６、上記正極ガスシール９１、上記負極拡散層９０及び上記負極ガスシール９２を、図１４に示す順序及び配置で積層したＭＥＡ８５を１５個作製した。
【０１１５】
そして、上記１５個のＭＥＡ８５を、上記セパレータ８０を酸化剤ガス流路形成面側が正極拡散層８６側となるようにして各ＭＥＡ８５間に介在させつつ重ね、上下を２枚のエンドプレート（アルミニウム製で、サイズが３８ｍｍ×９０ｍｍ）で挟持し、ボルト及びナットを用いて固定して、図１３に示す構造の燃料電池１ｂを作製した。
【０１１６】
＜燃料電池発電システム＞
上記燃料電池１ｂ及び上記実施例１で用いた水素製造装置２を用いて、図１７に示す構成の燃料電池発電システム３０２を組み立てた。なお、図１７に示すように、直列に積層した複数のＭＥＡ８５のうち、一端のＭＥＡ８５の正極、及び他端のＭＥＡ８５の負極にそれぞれリード体を取り付け、抵抗値が１０Ωの抵抗６ａ及びスイッチ６ｂをこれらのリード体に接続して、正極−負極間を導通可能とした。また、図１７に示すように、燃料供給管１４に圧力センサ７、燃料排出管１５にパージバルブ８を配置した。そして、圧力センサにより検出された圧力に基づいて、パージバルブの開閉動作を制御することとした。更に、前記圧力センサにより検出された圧力が所定値を下回る場合、上記短絡部による短絡を行わないこととした。
【０１１７】
＜発電試験＞
上記燃料電池発電システム３０２を用いて、温度４０℃、相対湿度６５％の環境条件で次の発電試験を行った。
【０１１８】
まず、図２に示す水素製造装置２の水供給ポンプ３６を駆動させて、水収容容器３５内の水３５ａを反応容器３４へ供給して水素を発生させ、発生した水素を図１７の燃料電池１ｂに供給した。そして、図１７の昇圧充電回路３及び制御部１０により、９．７５Ｖの定電圧で燃料電池１ｂを発電させた。そして、燃料電池１ｂの発電中に、スイッチ１６をオフにした状態で、短絡を行った。このとき、短絡頻度は４秒に１回とし、短絡時間は１５０ミリ秒に設定した。また、圧力センサ７により検出された圧力が２０ｋＰａを超えた場合、パージバルブ８を開き、圧力が１８ｋＰａを下回った場合、パージバルブ８を閉じる制御を行った。なお、発電試験中は、短絡時のみスイッチ１６をオフにし、短絡時以外はスイッチ１６をオンにした。
【０１１９】
（比較例４）
実施例５と同様にして燃料電池発電システムを作製した。そして、燃料電池１ｂの発電中に短絡を行わなかった以外は、実施例５と同様の発電試験を実施した。
【０１２０】
実施例５及び比較例４の燃料電池発電システムにおける燃料電池の発電試験結果を図１８に示す。図１８において、横軸は発電時間（分）を示し、縦軸は燃料電池の出力（Ｗ）を示している。図１８に示すように、比較例４の場合、発電時間の増加に伴い、燃料電池の出力が単調減少した。一方、実施例５の場合、燃料電池の出力は常時約４５Ｗであった。この結果から、本発明の燃料電池発電システムは、反応ガスを加湿する加湿器を必要とすることなく、簡便で効率よく、連続的且つ安定的に発電を維持できることが示唆された。
【０１２１】
（実施例６）
実施例５と同様にして燃料電池発電システムを作製した。そして、圧力センサ７により検出された圧力が３ｋＰａを下回った場合、短絡を行わず、燃料電池の出力電圧を１０．５Ｖに上げ、圧力が３ｋＰａを上回った場合、燃料電池の出力電圧を９．７５Ｖに戻したこと以外は、実施例５と同様の発電試験を実施した。
【０１２２】
上記実施例５及び上記実施例６の燃料電池発電システムにおける燃料電池における、負極側末端のＭＥＡの正極−負極間電圧の時間変化の一部をそれぞれ図１９及び図２０に示す。図１９及び図２０において、横軸は発電時間（秒）を示し、縦軸は燃料電池の出力（Ｗ）を示している。実施例５の場合、図１９に示すように、燃料電池１ｂの発電中で発電時間０．６〜０．８秒のときに短絡を行ったところ、負極側末端のＭＥＡの正極−負極間の電圧が０Ｖを大きく下回る現象が生じた。この現象は、燃料電池内の圧力が低い状態で短絡を行った場合に発生し、燃料電池の劣化につながることが示唆された。一方、実施例６では、図２０に示すように、燃料電池１ｂの発電中の発電時間０〜０．２秒のときに燃料電池の圧力が３ｋＰａを下回ったが、短絡を行わずに、燃料電池の出力電圧を上げたところ、負極側末端のＭＥＡの電圧は０Ｖを維持していた。この結果から、燃料電池の圧力が所定値を下回る場合、短絡を行わずに燃料電池の出力電圧を上げることで、より効率よく連続して安定した発電を行うことが可能であることが示唆された。
【産業上の利用可能性】
【０１２３】
本発明の燃料電池発電システムは、反応ガスを加湿する加湿器を必要とせず、簡便で効率よく連続的且つ安定的に燃料電池の発電を維持できるものであり、エネルギー効率の高い燃料電池発電システムを提供できる。
【符号の説明】
【０１２４】
１、１ａ、１ｂ  燃料電池
２  水素製造装置
３  昇圧充電回路
４  二次電池
５  出力端子
６  短絡部
６ａ  抵抗
６ｂ  スイッチ
７  圧力センサ
８  パージバルブ
９  水素消費装置
１０  制御部
１１  温度センサ
１２  湿度センサ
１３  リアルタイムクロック（計時部）
１４  燃料供給管
１５、１５ａ  燃料排出管
２０  正極パネルプレート
２１  負極パネルプレート
２２  正極絶縁プレート
２３  負極絶縁プレート
２４、２５ａ、２５ｂ  正極集電プレート
２６、２７ａ、２７ｂ  負極集電プレート
２８ａ、２８ｂ  シール材
２９  燃料タンク部
３０  正極開口部
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ  酸素導入孔
３１  負極開口部
３２  ボルト
３３  ナット
３４  反応容器
３４ａ  水素発生材料
３５  水収容容器
３５ａ  水
３６  ポンプ
３７  気液分離容器
３８  水供給管
３９、４０  水素導出管
４１  水回収管
４２  正極集電板
４２ａ  空気孔
４３  負極集電板
４３ａ  水素導入孔
４４  シール材
４５  タンク部
４６  正極リード線
４７  負極リード線
４８  抵抗
４９  スイッチ
５０  ボルト
５１  ナット
５３  ネジ穴
５４  正極集電端子部
５５  正極直列接続タブ
６６  凹部
６７  燃料供給口
６８  燃料排出口
６９  燃料流通ガイド部
７０  タンク内部
７１  直列接続タブ接触エリア
７２  孔
８０  セパレータ
８１  燃料供給マニホールド
８２  燃料排出マニホールド
８３  酸化剤ガス流路
８４  リブ
８５  ＭＥＡ
８５ａ  ＭＥＡ積層体
８６  正極拡散層
８７  正極触媒層
８８  固体高分子電解質膜
８９  負極触媒層
９０  負極拡散層
９１  正極ガスシール
９２  負極ガスシール
９３  エンドプレート
９４  燃料供給口
９５  燃料排出口
１００、２００  ＭＥＡ
１０１、２０１  正極拡散層
１０２、２０２  正極触媒層
１０３、２０３  固体高分子電解質膜
１０４、２０４  負極触媒層
１０５、２０５  負極拡散層
３００、３０１、３０２  燃料電池発電システム
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2013020722.tif 000018
【図１６】
2013020722.tif 000019
【図１７】
2013020722.tif 000020
【図１８】
2013020722.tif 000021
【図１９】
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【図２０】
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