(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガスを含有する燃料ガスが流れる燃料ガス流路を一方の電極との間に形成する燃料ガス流路形成部材と、酸素ガスを含有する酸化ガスが流れる酸化ガス流路を他方の電極との間に形成する酸化ガス流路形成部材とを備え、前記燃料ガス流路に対して前記燃料ガスの供給を受けると共に、前記酸化ガス流路に対して前記酸化ガスの供給を受け、前記水素ガスおよび酸素ガスを利用した電気化学反応により起電力を得る燃料電池を備える燃料電池装置であって、
メタノールまたはエタノールを、前記燃料ガス流路に供給する前記燃料ガスまたは前記酸化ガス流路に供給する前記酸化ガスに対して導入する導入手段をさらに備えることを特徴とする
燃料電池装置。
【請求項２】
水素ガスを含有する燃料ガスが流れる燃料ガス流路を一方の電極との間に形成する燃料ガス流路形成部材と、酸素ガスを含有する酸化ガスが流れる酸化ガス流路を他方の電極との間に形成する酸化ガス流路形成部材とを備え、前記燃料ガス流路に対して前記燃料ガスの供給を受けると共に、前記酸化ガス流路に対して前記酸化ガスの供給を受け、前記水素ガスおよび酸素ガスを利用した電気化学反応により起電力を得る燃料電池の運転方法であって、
ａ）メタノールまたはエタノールを、前記燃料ガスまたは前記酸化ガスに対して導入する工程と
ｂ）前記工程（ａ）の後に、前記燃料ガス流路に対して前記燃料ガスを供給すると共に、前記酸化ガス流路に対して前記酸化ガスを供給する工程と、
を備えることを特徴とする燃料電池の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池装置および燃料電池の運転方法に関し、詳しくは、ガスの供給を受けて電気化学反応により起電力を得る燃料電池を備える燃料電池および燃料電池の運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、アノード側には水素を含有する燃料ガスを供給し、カソード側には酸素を含有する酸化ガスを供給することで、各電極で電気化学反応が進行して起電力が得られるが、このような電気化学反応が進行する際に、アノード側またはカソード側において生成水が生じる。以下に電池反応で生じる生成水の例として、燃料電池の一種である固体高分子型燃料電池の電極で進行する反応を示す。
【０００３】
Ｈ2  →  ２Ｈ+＋２ｅ-                           …（１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-  →  Ｈ2Ｏ          …（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ                   …（３）
【０００４】
（１）式はアノードにおける反応を、（２）式はカソードにおける反応を示し、電池全体としては（３）式に示す反応が進行する。このように固体高分子型燃料電池では、電池反応の進行に伴ってカソード側に生成水が生じる。通常、生じた生成水は、カソードに供給されている酸化ガス中に気化し、酸化ガスとともに燃料電池外に排出される。しかしながら、生じる生成水の量が多くなると、酸化ガス中に気化させるだけでは生成水を排出しきれなくなってしまう。このように酸化ガス中に気化されずに残った生成水がカソードの周辺で凝縮して水滴を成すと、ガス流路が閉塞されてカソード周辺での酸化ガスの流れが妨げられて電池性能の低下につながるおそれがある。
【０００５】
このようなガス流路の閉塞は、カソード側ばかりでなくアノード側でも起こり得る。固体高分子型燃料電池のアノードでは電池反応によって上記したような生成水が生じることはないが、アノードに供給される燃料ガス中の水蒸気の凝縮が起きる。既述した電気化学反応が進行するとき、アノード側では上記（１）式の反応で生じたプロトンは所定の数の水分子と水和した状態で電解質膜中をカソード側へ移動する。従って通常は、電解質膜のアノード側において水分が不足して導電性が低下してしまうのを防ぐために、アノード側に供給する燃料ガスを加湿して、電解質膜に対して水を補う構成となっている。このように燃料ガス中に加えられた水蒸気は、燃料電池の始動時や、燃料電池の運転温度が低下して飽和蒸気圧が下がったときなどに、ガス流路において凝縮してしまうことがある。このような場合には、アノード側においてもガスの流路が閉塞されて燃料ガスの流れが妨げられて、電池性能の低下が引き起こされるおそれがある。
【０００６】
なお、上記したように（１）式の反応で生じたプロトンは水和した状態でカソード側に移動するため、カソード側では、既述した生成水の他にプロトンの移動と共に持ち込まれる水分子も加わって、さらに水が過剰な状態となり、凝縮水がガス流路に生じ易くなる。
【０００７】
そこで従来、燃料電池内でガス流路を形成する部材に対して親水化の処理を施し、これによって生成水の排水性の向上が図られてきた（例えば、特開平８−１３８６９２号公報等）。燃料電池内でガス流路を形成する部材に対して親水化の処理を施すことによって、生成水は親水性を有する部材表面を伝ってガス流路から排出され易くなり、水滴として留ってガス流路を塞いでしまうのを防ぐことができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようにガス流路を形成する部材に対して親水化の処理を施す場合には、ガス流路を形成するための部材を成形して、ガス流路を成す凹凸形状を設けた後に、塗布などの方法によってこの部材の表面に親水性物質を付着させるなどの処理が必要となる。また、用いる親水性物質が充分な導電性を有しない場合には、ガス流路を形成する部材において、導電性を確保すべき領域に付着した親水性物質を取り除くなどの処理がさらに必要となる場合もある。このように、ガス流路を形成する部材に対して親水化の処理を施す場合には、この部材の製造工程が煩雑化してしまい、これによって製造コストが上昇してしまうという問題があった。
【０００９】
本発明の燃料電池装置および燃料電池の運転方法は、こうした問題を解決し、燃料電池の製造の際に煩雑な加工の工程を要することなく、燃料電池内ガス流路における排水性を向上させることを目的としてなされ、次の構成を採った。
【００１０】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の燃料電池装置は、水素ガスを含有する燃料ガスが流れる燃料ガス流路を一方の電極との間に形成する燃料ガス流路形成部材と、酸素ガスを含有する酸化ガスが流れる酸化ガス流路を他方の電極との間に形成する酸化ガス流路形成部材とを備え、前記燃料ガス流路に対して前記燃料ガスの供給を受けると共に、前記酸化ガス流路に対して前記酸化ガスの供給を受け、前記水素ガスおよび酸素ガスを利用した電気化学反応により起電力を得る燃料電池を備える燃料電池装置であって、
メタノールまたはエタノールを、前記燃料ガス流路に供給する前記燃料ガスまたは前記酸化ガス流路に供給する前記酸化ガスに対して導入する導入手段をさらに備えることを要旨とする。
【００１１】
以上のように構成された本発明の第１の燃料電池装置は、流路形成部材上に水滴が存在する場合、該水滴中に混合されることによって、該水滴表面と前記流路形成部材表面とが成す接触角を小さくする働きを有する物質を、流路形成部材の表面が形成する流路に供給するガスに対して導入する。この流路形成部材を備える燃料電池は、前記ガスの供給を受け、電気化学反応により起電力を得る。
【００１２】
本発明の燃料電池の運転方法は、水素ガスを含有する燃料ガスが流れる燃料ガス流路を一方の電極との間に形成する燃料ガス流路形成部材と、酸素ガスを含有する酸化ガスが流れる酸化ガス流路を他方の電極との間に形成する酸化ガス流路形成部材とを備え、前記燃料ガス流路に対して前記燃料ガスの供給を受けると共に、前記酸化ガス流路に対して前記酸化ガスの供給を受け、前記水素ガスおよび酸素ガスを利用した電気化学反応により起電力を得る燃料電池の運転方法であって、
ａ）メタノールまたはエタノールを、前記燃料ガスまたは前記酸化ガスに対して導入する工程と
ｂ）前記工程（ａ）の後に、前記燃料ガス流路に対して前記燃料ガスを供給すると共に、前記酸化ガス流路に対して前記酸化ガスを供給する工程と、
を備えることを要旨とする。
【００１３】
このような本発明の燃料電池装置、および、本発明の燃料電池の運転方法によれば、燃料電池内の流路においてこの流路を通過するガス中の水蒸気が凝縮して水滴を成しても、水滴表面と流路形成部材とが成す接触角を小さくする働きを有する物質が、この水滴中に含有されることになるため、凝縮水からなる水滴と流路形成部材との濡れ性が向上し、凝縮水は流路形成部材表面に導かれて容易に排出される。したがって、凝縮水がガス流路に滞留してガスの流れを妨げるのを防止することができる。ガスの流れが妨げられるのを防止することにより、凝縮水に起因して燃料電池の性能が低下してしまうのを抑えることができる。メタノールおよびエタノールは、いずれも、上記接触角を小さくする効果、および、水への溶解度が充分に高いため、前記燃料ガスまたは前記酸化ガス中に導入することで、容易に既述した効果を得ることができる。
【００１７】
また、本発明の燃料電池装置において、
前記燃料電池の運転状態を検知する運転状態検知手段と、
前記運転状態検知手段の検知結果に基づいて、前記導入手段によって前記燃料ガスまたは前記酸化ガスに対して導入するメタノールまたはエタノールの量を制御する制御手段と
をさらに備えることとしても良い。
【００１８】
このような構成とすれば、燃料電池の運転状態が変動しても、凝縮水中に含まれるメタノールまたはエタノールの量を常に所定の量（の範囲）とすることができる。すなわち、燃料電池の運転状態が変動することによって燃料電池内で生じる凝縮水の量が変動する場合にも、凝縮水の滞留を防ぐ効果を常に確保することができる。ここで、燃料電池の運転状態に基づくときには、燃料電池の運転温度に基づいたり、燃料電池の発電量あるいは燃料電池に接続される負荷の大きさに基づいたり、負荷の変動量に基づいたりすることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以上説明した本発明の構成・作用を一層明らかにするために、以下本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。
（１）燃料電池装置の全体構成：
図１は、本発明の好適な一実施例である燃料電池１０を備える燃料電池装置１５の構成の概略を表わす説明図である。燃料電池装置１５は、燃料電池１０の他、水素ボンベ４０，ブロワ４１，加湿器４２，４３，添加部４４，４５，制御部５０を主な構成要素として備えている。
【００２７】
水素ボンベ４０は、水素ガスを貯蔵する貯蔵装置であり、燃料ガス供給路４６を介して燃料電池１０に接続している。燃料ガス供給路４６において、水素ボンベ４０の近傍にはバルブ９５が設けられており、このバルブ９５によって、水素ボンベ４０から燃料電池１０に供給される水素ガス量が調節される。燃料ガス供給路４６は、バルブ９５が設けられた位置よりもさらに燃料電池１０側で加湿器４２を経由する。燃料ガス供給路４６内を通過する水素ガスは、この加湿器４２によって加湿される。加湿器４２による加湿の方法としては、例えば、バブリングによって水素ガスを加湿することとしても良いし、あるいは、液体は透過しないが気体は透過する通気性膜を介して水素ガスと水とを接触させて、水素ガスを加湿することとしても良い。
【００２８】
燃料ガス供給路４６は、さらに添加部４４を経由しており、加湿された水素ガスは、この添加部４４においてさらにエタノールが添加される。この添加部４４の構成は、後述する添加部４５と共に本発明の要部に対応するものであり、後で詳しく説明する。添加部４４でエタノールが添加された水素ガスは、燃料ガスとして燃料電池１０のアノード側に供給される。
【００２９】
ブロワ４１は、空気を取り込んでこれを圧縮する装置であり、酸化ガス供給路４７を介して燃料電池１０に接続している。ブロワ４１の駆動状態によって、燃料電池１０に供給される圧縮空気量が調節される。酸化ガス供給路４７は、上記燃料ガス供給路４６と同様に加湿器４３および添加部４５を経由しており、酸化ガス供給路４７内を通過する圧縮空気は、加湿器４３によって加湿され、添加部４５によってエタノールが添加される。添加部４５でエタノールが添加された圧縮空気は、酸化ガスとして燃料電池１０のカソード側に供給される。
【００３０】
制御部５０は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵ５２と、ＣＰＵ５２で各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭ５４と、同じくＣＰＵ５２で各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭ５６と、上記燃料電池１０の運転状態に関わる信号を入力すると共にＣＰＵ５２での演算結果に応じて既述した燃料電池装置１５の各構成要素に種々の駆動信号を出力する入出力ポート５８等を備える。
【００３１】
（２）燃料電池１０の構成：
燃料電池１０は、固体高分子型燃料電池であり、単セルを積層してなるスタック構造を有しており、上記燃料ガスおよび酸化ガスの供給を受けて、電気化学反応により起電力を得る。以下に、燃料電池１０内で進行する電気化学反応を示す。
【００３２】
Ｈ2  →  ２Ｈ+＋２ｅ-                           …（１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-  →  Ｈ2Ｏ          …（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ                   …（３）
【００３３】
（１）式はアノードにおける反応、（２）式はカソードにおける反応を表わし、燃料電池全体では（３）式に示す反応が進行する。このように、電気化学反応が進行する際には、カソード側において水が生じる。本発明は、このカソード側で生じる生成水に関わる。燃料電池１０には、図示しない負荷が接続されており、燃料電池１０に対して充分量の燃料ガスおよび酸化ガスを供給することによって、燃料電池１０は負荷に対して必要量の電力を供給することが可能となる。
【００３４】
図２は、燃料電池１０を構成する単セル１２の構成を表わす断面図であり、図３は、単セル１２の構成を表わす分解斜視図である。単セル１２は、電解質膜２１を、アノード２２およびカソード２３で挟持し、このサンドイッチ構造をさらに両側からセパレータ３０で挟持することによって構成されている（図２参照）。このような単セル１２を所定数積層することによって、スタック構造が構成される。
【００３５】
電解質膜２１は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。本実施例では、ナフィオン膜（デュポン社製）を使用した。電解質膜２１の表面には、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金が担持されている。アノード２２およびカソード２３は、ガス拡散電極である。これらは、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスや、カーボンペーパ、あるいはカーボンフエルトなど、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって構成される。セパレータ３０は、充分な導電性と強度と耐食性とを有する材料によって形成される。本実施例では、カーボン材料をプレス成形することによってセパレータ３０を形成したが、充分な耐食性を実現可能であれば、金属など他の材料によってセパレータ３０を形成することとしてもよい。
【００３６】
セパレータ３０が、電解質膜２１，アノード２２，カソード２３と共に積層されて単セル１２を形成し、さらにスタック構造を構成するときには、セパレータ３０とガス拡散電極との間には、単セル内ガス流路が形成される。すなわち、セパレータ３０と、これに隣接するアノード２２との間には単セル内燃料ガス流路２４Ｐが形成され、もう一方のセパレータ３０と、これに隣接するカソード２３との間には単セル内酸化ガス流路２５Ｐが形成される。
【００３７】
図４は、セパレータ３０の構成を表わす平面図である。セパレータ３０は、板状部材であるが、その外周部周辺に８つの孔部を備えている。すなわち、酸化ガス供給孔３３，酸化ガス排出孔３４，燃料ガス供給孔３５，燃料ガス排出孔３６と、４つの冷却水孔３７を備えている。酸化ガス供給孔３３は、上記スタック構造を構成する他の各々のセパレータ３０が備える酸化ガス供給孔３３と重なり合って、スタック構造を積層方向に貫通する酸化ガス供給マニホールドを形成する。同様に、酸化ガス排出孔３４は酸化ガス排出マニホールドを、燃料ガス供給孔３５は燃料ガス供給マニホールドを、燃料ガス排出孔３６は燃料ガス排出マニホールドを、冷却水孔３７は冷却水マニホールドを形成する。
【００３８】
また、セパレータ３０の一方の面（図４に示した面）側には、酸化ガス供給孔３３と酸化ガス排出孔３４とを連通させる凹部３１が形成されている。凹部３１には、その底面から突出して形成された複数の凸部３２が設けられている。セパレータ３０の他方の面側には、燃料ガス供給孔３５と燃料ガス排出孔３６とを連通させる同様の凹部が形成されており、この凹部には、その底面から突出して形成された同様の複数の凸部３２が設けられている（図示せず）。燃料電池内では、これらの凹部の底面と各凸部の側面とは、このセパレータ３０に隣接するガスセパレータの表面との間で記述した単セル内ガス流路を形成する。なお、各セパレータの表面に形成された凸部３２の形状は、ガス流路を形成してガス拡散電極に対して燃料ガスまたは酸化ガスを供給可能であれば良い。図３および図４に示した形状に限るものではなく、例えば、平行に形成された複数の溝状に形成するなど、他の形状とすることができる。
【００３９】
既述したように、燃料電池１０は、燃料ガス供給路４６を介して、加湿されエタノールが添加された水素ガスを、燃料ガスとして供給される。燃料電池１０に供給された燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールドを介して、各単セル内に形成される単セル内燃料ガス流路２４Ｐに分配され、電気化学反応に供される。各単セル内燃料ガス流路２４Ｐから排出された燃料ガスは、燃料ガス排出マニホールドに集合して、燃料ガス排出路４８を介して燃料電池外部に排出される。また、燃料電池１０は、酸化ガス供給路４７を介して、加湿されエタノールが添加された圧縮空気を、酸化ガスとして供給される。燃料電池１０に供給された酸化ガスは、酸化ガス供給マニホールドを介して、各単セル内に形成される単セル内酸化ガス流路２５Ｐに分配され、電気化学反応に供される。各単セル内酸化ガス流路２５Ｐから排出された酸化ガスは、酸化ガス排出マニホールドに集合して、酸化ガス排出路４９を介して燃料電池外部に排出される（図１参照）。
【００４０】
また、燃料電池１０は、所定の温度範囲（例えば約８０〜１００℃）で運転されるが、電池反応は発熱を伴うため、燃料電池１０の内部温度が上昇し過ぎるのを防ぐために冷却水が用いられている。冷却水は、燃料電池１０の外部に設けられた所定の冷却水供給装置から燃料電池１０に供給され、既述した冷却水マニホールドを介して燃料電池内の冷却水路を通過することによって燃料電池１０内部を降温させ、その後燃料電池１０の外部に設けられた所定の冷却水処理装置に排出される。
【００４１】
（３）添加部の構成と凝縮水：
添加部４４は、既述したように、水素ガスにエタノールを添加する装置である。添加部４４は、インジェクタ９１とエタノールタンク９３とを備えている。インジェクタ９１は、エタノールを貯蔵するエタノールタンク９３に接続しており、加湿器４２を経由して加湿された水素ガスに対して、所定量のエタノールを噴霧することによって添加する。同様に、圧縮空気にエタノールを添加する装置である添加部４５は、インジェクタ９２とエタノールタンク９４とを備えている。インジェクタ９２は、エタノールを貯蔵するエタノールタンク９４に接続しており、加湿器４３を経由して加湿された圧縮空気に対して、所定量のエタノールを噴霧することによって添加する。本実施例では、それぞれの添加部は、水素ガスあるいは圧縮空気に対して、０．２％の割合でエタノールを添加することとした。なお、本実施例では、添加部４４，４５はそれぞれ別個にエタノールタンク９３，９４を備えているが、添加部４４，４５は単一のエタノールタンクを共用することとしても良い。
【００４２】
ここで、燃料電池１０内で生じる凝縮水について説明する。（２）式に示したように、電気化学反応の進行と共にカソード側では水が生じるが、このカソード側に生じた生成水は、酸化ガス中に気化して、酸化ガスと共に燃料電池１０内から排出される。しかしながら、燃料電池内で進行する電気化学反応の量が多い場合や、外気温など周囲の環境の影響によって燃料電池１０中で部分的に温度が低下する場合や、負荷の変動と共に電気化学反応の量が変動して、これに伴って燃料電池１０内部の温度が変動した場合などには、飽和蒸気圧を超えた量の生成水がガス流路内で凝縮することがある。
【００４３】
このような凝縮水の様子を図４に示した。図４では、単セル内酸化ガス流路で生じる凝縮水の様子を、セパレータ３０が備える凹部３１上に設けられた複数の凸部３２間に、水滴Ｄとして表わした。ここで、燃料電池１０に供給される酸化ガスには、０．２％のエタノールが添加されているため、単セル内酸化ガス流路内で生じる凝縮水も所定量のエタノールを含有することになる。凝縮水にエタノールが溶け込むことで、水滴Ｄの表面とセパレータ３０の表面とが成す接触角は、エタノールを含有しない場合よりもより小さくなる。すなわち、セパレータ３０と水滴Ｄとの間の濡れ性が向上する。このように濡れ性が向上することで、水滴Ｄは、セパレータ３０の表面に導かれて、酸化ガスの流れと重力とに従って容易に単セル内酸化ガス流路から排出される。
【００４４】
なお、燃料電池１０に供給される酸化ガスは、既述したように加湿器４３によって加湿されている。カソード側では上記したように生成水が生じるが、酸化ガスは圧縮空気であるため、このような高圧のガスが接触することによって電解質膜２１表面が部分的に乾いてしまうおそれがある。したがって、このような電解質膜の乾燥を防ぐ目的で、酸化ガスの加湿が行なわれる。このように加湿器４３を備える場合には、エタノールと共に凝縮する水滴Ｄは、電気化学反応で生じた生成水の他に、加湿器４３によって加えられた水を含んでいる。もとより、電解質膜２１のカソード側における乾燥が許容範囲であれば、加湿器４３は設けないこととしても良い。
【００４５】
（１）式に示したように、電気化学反応によってアノード側ではプロトンが生じるが、生じたプロトンは、複数の水分子と共に水和した状態でカソード側に向かって電解質膜２１内を移動する。このように、電解質膜２１のアノード側では水が不足した状態となりやすいため、電解質膜２１の乾燥を防ぐために、加湿器４２を設けて燃料ガスの加湿を行なっている。加湿器４２によって燃料ガスに加えられた水蒸気も、部分的あるいは一時的に燃料電池の温度が低下したときなどに単セル内ガス流路で凝縮するが、その際にはエタノールを所定量含有する状態で凝縮する。凝縮水にエタノールが溶け込むことで、凝縮水からなる水滴の表面とセパレータ３０の表面とが成す接触角は、エタノールを含有しない場合よりもより小さくなると共に、セパレータ３０と水滴との間の濡れ性が向上する。このように濡れ性が向上することで、凝縮水は、セパレータ３０の表面に導かれて、燃料ガスの流れに従って容易に単セル内燃料ガス流路から排出される。
【００４６】
以上のように構成された本実施例の燃料電池装置１５によれば、燃料電池１０に供給する燃料ガスおよび酸化ガスに対してエタノールを添加することによって、単セル内ガス流路内で凝縮した凝縮水がガス流路を塞いでしまうのを防止することができる。すなわち、ガス流路に生じた凝縮水はエタノールを含有するため、凝縮水とセパレータ表面との間の濡れ性が向上して、凝縮水はセパレータ表面に導かれて容易にガス流路から排出され、水滴が単セル内ガス流路に滞留してしまうのを抑えることができる。水滴が単セル内ガス流路に滞留するとガスの流れが阻害され（フラッディング現象が起こり）、電気化学反応の進行が抑えられてしまう。このような場合には、燃料電池から所定量以上の電流を取り出そうとすると急激な電圧降下が起きる。本実施例の燃料電池装置１５は、ガスにエタノールを添加することによって、フラッディングに起因するこのような不都合を防ぐことができる。
【００４７】
上記した説明では、燃料ガスと酸化ガスとの両方にエタノールを添加することとしたが、どちらか一方のガスにエタノールを添加する場合にも、対応するガス流路における排水性を向上させ、凝縮水の滞留を防止する所定の効果を得ることができる。例えば、電解質膜２１が充分に薄く、カソード側で生じる生成水によってアノード側の乾燥を防ぐことが可能であるならば、燃料ガス供給路４６には、加湿器４２および添加部４４を設けないこととしても差し支えなく、この場合には、酸化ガスにエタノールを添加するだけで充分に凝縮水の影響を防ぐことができる。また、エタノールは、電解質膜が含有する水に溶解するため、電解質膜を経由してエタノールの添加を行なっていないガスの流路においても効果を現わすことが可能である。特に、燃料ガスだけにエタノールを添加する場合には、電解質膜が含有する水に溶解して電解質膜のカソード側に到達したエタノールは、カソード側で生じる生成水と共に酸化ガス中に気化するため、燃料ガスだけにエタノールを添加することで、両方のガスの流路において凝縮水の滞留を防ぐことが可能になる。
【００４８】
なお、上記した説明では、単セル内ガス流路において凝縮水が滞留しない効果について述べたが、セパレータ表面と凝縮水表面とが成す接触角が小さくなることによって、単セル内ガス流路だけでなく、単セル内ガス流路とガスマニホールドとの接続部位やガスマニホールドなど、燃料電池内に設けられたガス流路の他の領域でも、ガス流路を形成する部材の表面と凝縮水表面とが成す接触角が小さくなる効果が得られ、すなわち、濡れ性を向上させる効果が得られ、凝縮水が滞留してしまうのを抑えることができる。
【００４９】
上記実施例では、ガスに添加するエタノール量は、ガス量の０．２％としたが、添加するエタノール量は異なる割合としてもよい。セパレータ表面と凝縮水表面とが成す接触角が小さくなる効果は、セパレータを構成する材料や、セパレータの表面の状態などによって変わるため、加えたエタノールが燃料電池に及ぼす影響が許容できる範囲で、凝縮水が成す接触角を充分に小さくできる量を加えることとすればよい。
【００５０】
また、上記実施例では、ガスにエタノールを添加する際にインジェクタを用い、ガス中にエタノールを噴霧する構成としたが、異なる方法でエタノールをガスに添加することとしても良い。例えば、加湿器４２，４３において、ガスを加湿するために用いる水にエタノールを混合しておき、加湿と同時にエタノールの添加を行なうこととしてもよい。インジェクタを用いる場合には、添加するエタノール量を正確に制御することが容易であるため、所望の量のエタノールをガスに添加する上で有利である。なお、加湿器で加湿を行なう際に充分な飽和水蒸気圧を確保するためにガスを加熱したり、ブロワ４１によって空気を圧縮することによって、添加部に供給されるガスが充分に昇温している場合には、噴霧したエタノールは速やかに気化してガス中に混合されるが、ガスの昇温状態が不十分である場合には、エタノールの噴霧に先立ってガスを加熱することとしても良い。
【００５１】
また、ガスに添加するエタノール量を制御する際には、燃料電池の運転状態に応じてエタノール量を調節することで、常に所望の濃度のエタノールをガス中に存在させることができる。燃料電池の運転状態に応じてエタノールの添加量を制御する際は、燃料電池に接続される負荷の大きさに基づいても良く、あるいは、負荷に関する情報を基にして決定される水素供給量や空気供給量に基づいても良く、燃料電池に供給されるガス中のエタノール量が所定の値の範囲（上記した説明では０．２％）となるような制御が行なわれればよい。
【００５２】
なお、上記した実施例では、ガスに添加する物質としてエタノールを用いたが、セパレータ表面と凝縮水表面とが成す接触角を小さくする効果を有するものであれば、エタノール以外の物質を用いることとしても良い。親水基を有する物質を添加すれば、効果的にセパレータ表面と凝縮水表面とが成す接触角を小さくすることができる。ここで、親水基を有する物質とは、例えば、−ＳＯ4，−ＣＯ2，−ＳＯ3，−Ｎ，−ＣＯＯＨ，−ＯＨ，−Ｏ−の中から選択される親水基を有する物質である。特に、分子量の小さい（炭素数の少ない）アルコール類は、水に対する溶解度が高く、ガスに添加することで効率よく凝縮水に混合することができ、ガスに添加する物質として優れている。分子量の小さいアルコールとしては、例えば、本実施例で用いたエタノールの他、メタノールやブタノールやイソプロピルアルコールなどを挙げることができる。
【００５３】
（４）第２実施例の燃料電池装置１１５：
図５は、第２実施例の燃料電池装置１１５の構成の概略を表わす説明図である。第１実施例の燃料電池装置１５では、燃料電池１０に供給するガスにエタノールを添加することによって、ガス流路内において凝縮水が滞留するのを防いだが、第２実施例の燃料電池装置１１５は、燃料ガスとしてメタノールを改質して得られる水素リッチな改質ガスを用い、改質ガス中に所定量のメタノールを残留させることで、ガス流路内で凝縮水が滞留するのを防ぐ。以下、燃料電池装置１１５における燃料ガスの供給に関わる構成について説明する。
【００５４】
燃料電池装置１１５は、燃料ガスとして、上記したように改質ガスを用いる。改質ガスの供給に関わる構成として、燃料電池装置１１５は、メタノールを貯蔵するメタノールタンク８０，水を貯蔵する水タンク８１，バーナ８５を併設してメタノールおよび水を気化させる蒸発器８２，メタノールを用いて改質反応を進行する改質器８３，改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減するＣＯ低減部８４を備えている。さらに、燃料電池装置１５が備える制御部５０と同様の制御部１５０を備えている。
【００５５】
メタノールタンク８０から蒸発器８２に原燃料であるメタノールを送り込むメタノール流路６０には第２ポンプ７１が設けられており、蒸発器８２に供給するメタノール量を調節可能となっている。この第２ポンプ７１は、制御部１５０に接続されており、制御部１５０から出力される信号によって駆動され、蒸発器８２に供給するメタノール流量を調節する。
【００５６】
水タンク８１から蒸発器８２に水を送り込む水供給路６２には第３ポンプ７２が設けられており、蒸発器８２に供給する水の量を調節可能となっている。この第３ポンプ７２は、第２ポンプ７１と同じく制御部１５０に接続されており、制御部１５０から出力される信号によって駆動され、蒸発器８２に供給する水量を調節する。上記メタノール流路６０と水供給路６２とは合流して第１燃料供給路６３を形成し、この第１燃料供給路６３は蒸発器８２に接続する。メタノール流量と水量とは上記第２ポンプ７１と第３ポンプ７２とによって調節されるため、所定量ずつ混合されたメタノールと水とは第１燃料供給路６３を介して蒸発器８２に供給される。
【００５７】
蒸発器８２は、メタノールおよび水を気化させるための熱源として、バーナ８５を備えている。バーナ８５は、燃焼のための燃料を、燃料電池１１０のアノード側およびメタノールタンク８０から供給される。燃料電池１１０は、メタノールを改質器８３で改質して生成した水素リッチガスを燃料として電気化学反応を行なうが、燃料電池１１０に供給されたすべての水素が電気化学反応において消費されるわけではなく、消費されずに残った水素を含む燃料排ガスは燃料排出路６７に排出される。バーナ８５は、この燃料排出路６７に接続して燃料排ガスの供給を受け、消費されずに残った水素を完全燃焼させて燃料の利用率の向上を図っている。通常はこのような排燃料だけではバーナ８５における燃焼反応のための燃料として不足するため、この不足分に相当する燃料、および燃料電池装置１１５の起動時のように燃料電池１１０から排燃料の供給を受けられないときの、バーナ８５における燃焼反応のための燃料は、メタノールタンク８０から供給される。バーナ８５へメタノールを供給するためにメタノール分岐路６１が設けられている。このメタノール分岐路６１は、メタノールタンク８０から蒸発器８２にメタノールを供給するメタノール流路６０から分岐している。メタノール分岐路６１には、第１ポンプ７０が設けられている。この第１ポンプ７０は、制御部１５０に接続されており、制御部１５０から出力される信号によって駆動され、バーナ８５に供給するメタノール流量を調節する。蒸発器８２で気化・昇温されたメタノールと水とからなる原燃料ガスは、第２燃料供給路６４に導かれて改質器８３に伝えられるが、バーナ８５に供給するメタノール量を制御することで、原燃料ガスの加熱量を制御することができる。
【００５８】
改質器８３は、供給されたメタノールと水とからなる原燃料ガスを改質して水素リッチな改質ガスを生成する。改質器８３は、表面にＣｕ−Ｚｎ触媒を担持したメタルハニカムからなる触媒部を備えており、この触媒上に原燃料ガスを通過させることによって改質反応を進行させる。改質器８３で生成された改質ガスは、第３燃料供給路６５に排出されて、ＣＯ低減部８４に導かれる。改質器８３では、水蒸気改質反応および酸化反応（部分酸化反応）が進行し、これらの反応によって水素リッチガスを生成する。以下に、これらの反応を示す。
【００５９】
0005017739.tif 000002
【００６０】
（４）式は、メタノールの水蒸気改質反応、（５）式は、メタノールの酸化反応の一例（部分酸化反応）を表わす。（４）式に示すように、水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、改質反応を進行させるためには熱エネルギを供給する必要がある。また、（５）式に示すように、酸化反応は発熱反応である。本実施例では、改質器８３で進行する酸化反応の量を調節し、この酸化反応で生じた熱を水蒸気改質反応で利用している。改質器８３で進行する酸化反応の量は、改質器８３に供給する酸素量によって調節することができる。改質器８３にはブロワ７４が併設されており、酸素を含有する圧縮空気が、空気供給路７６を介してブロワ７４から供給される。ブロワ７４は制御部１５０と接続しており、制御部１５０からの駆動信号によって、改質器８３に供給する圧縮空気量、すなわち酸素量が制御される。
【００６１】
改質器８３に対しては、蒸発器８２から供給される原燃料ガス自身によっても熱がもたらされる。したがって、バーナ８５に供給する燃料の量と、改質器８３に供給する（酸素）量を調節することで、改質器８３の内部温度を制御することができる。改質器８３には温度センサ７３が設けられており、温度センサ７３が検出した改質器８３の内部温度に関する情報は制御部１５０に入力される。また、制御部１５０には、燃料電池１１０に接続される負荷の大きさ、あるいは、負荷の変動に関する情報も入力される（図示せず）。制御部１５０は、これら負荷に関する情報（発電すべき電力量）に基づいて改質器８３に供給する原燃料ガス量を調節すると共に、上記負荷に関する情報と温度センサ７３からの情報とに基づいて、既述した各ポンプやブロワを駆動して、改質器８３の内部温度を制御する。
【００６２】
改質器８３内で進行する反応は化学反応であるため、このような温度制御によって、内部で進行する反応の状態（反応量）を制御することができる。本実施例では、上記したように改質器８３の内部温度を制御することによって、改質器から排出される改質ガス中に残留するメタノール量が所定量（略０．２％）となるように制御される。
【００６３】
なお、改質器８３において、酸化反応を行なうことなく、水蒸気改質反応だけを行なうこととし、改質器８３にヒータを設け、ヒータの発熱量によって改質器の内部温度を制御することとしても良い。また、蒸発器８２から持ち込まれる熱量だけで改質反応に要する熱量を賄うこととし、バーナ８５に供給する燃料の量によって改質器８３の内部温度を制御することとしても良い。
【００６４】
ＣＯ低減部８４は、第３燃料供給路６５を介して改質器８３から供給された改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減させる装置である。メタノールの一般的な改質反応はすでに（４）式に示したが、実際に改質反応が行なわれるときにはこのような反応が理想的に進行するわけではなく、改質器８３で生成された改質ガスは所定量の一酸化炭素を含んでいる。燃料電池に共有する燃料ガス中に一酸化炭素が含まれると、燃料電池の触媒に一酸化炭素が吸着して電気化学反応を妨げるおそれがあるため、ＣＯ低減部８４を設けることで、燃料電池１１０に供給する燃料ガス中の一酸化炭素濃度の低減を図っている。
【００６５】
ＣＯ低減部８４においては、改質ガス中の水素に優先して一酸化炭素の酸化が行なわれる。ＣＯ低減部８４には、一酸化炭素の選択酸化触媒である白金触媒、ルテニウム触媒、パラジウム触媒、金触媒、あるいはこれらを第１元素とした合金触媒を担持した担体が充填されている。このＣＯ低減部８４で処理された燃料ガス中の一酸化炭素濃度は、ＣＯ低減部８４の運転温度、供給される改質ガス中の一酸化炭素濃度、ＣＯ低減部８４への単位触媒体積当たりの燃料ガスの供給流量等によって定まる。ＣＯ低減部８４には図示しない一酸化炭素濃度センサが設けられており、この測定結果に基づいてＣＯ低減部８４の運転温度や供給する燃料ガス流量を調節し、処理後の燃料ガス中の一酸化炭素濃度が所定の値以下となるように制御している。なお、ＣＯ低減部８４にはブロワ７５が併設されており、酸素を含有する圧縮空気が、空気供給路７７を介してブロワ７５から供給される。ブロワ７５は制御部１５０と接続しており、制御部１５０からの駆動信号によって、ＣＯ低減部８４に供給される酸素量が制御される。
【００６６】
ＣＯ低減部８４で上記のように一酸化炭素濃度が下げられた燃料ガスは、第４燃料供給路６６によって燃料電池１１０に導かれ、アノード側における電池反応に供される。燃料電池１１０で電池反応に用いられた後の燃料排ガスは、既述したように燃料排出路６７に排出されてバーナ８５に導かれ、この燃料排ガス中に残っている水素が燃焼のための燃料として消費される。
【００６７】
燃料電池１１０のカソード側に酸化ガスを供給する装置は第１実施例と同様であるが、本実施例では、燃料ガス中にメタノールを残留させるのに合わせて、第１実施例の添加部４５に代えて、酸化ガスにメタノールを添加する添加部１４５を備えることとした。もとより、酸化ガス側には第１実施例と同様にエタノールを添加することとしても構わない。電池反応に用いられた残りの酸化排ガスは、酸化排ガス路６９を介して外部に排出される。
【００６８】
以上のように構成された燃料電池装置１１５によれば、改質器８３における改質反応の進行状態を制御することによって、燃料ガス中に所定量のメタノールを残留させるため、燃料電池内の燃料ガス流路で凝縮水が生じても、凝縮水の水滴表面とセパレータ表面とが成す接触角がより小さくなって濡れ性が向上する。したがって、第１実施例と同様に、凝縮水はセパレータ表面に導かれて容易に排出され、凝縮水が燃料ガス流路に滞留してガスの流れを妨ることで電池性能が低下するのを防止することができる。なお、従来は、改質器においてより完全に改質反応を進行させて水素の生成効率を向上させることで燃料電池の性能を高めようとされてきたが、本実施例のように、積極的に所定量のメタノールを燃料ガス中に残存させることで、燃料電池内のガス流路における排水性を向上させ、これによって燃料電池の性能をさらに高めることが可能になる。
【００６９】
また、上記実施例のように燃料電池に供給する燃料ガス中に所定量のメタノールを残留させることにより、この残留メタノールは、電解質膜２１を介してカソード側にも移動して、電気化学反応に伴ってカソード側で生じる生成水と共に酸化ガス中に気化する。したがって、酸化ガスにメタノールを添加する添加部１４５を設けないこととしても、燃料電池内の酸化ガス流路中で凝縮水が滞留するのを防止する所定の効果を得ることができる。
【００７０】
図６は、第２実施例の燃料電池装置１１５と、ガスに対してメタノールの添加を行なわない燃料電池装置との間で、出力特性（出力電流密度と出力電圧の関係）を比較した結果を表わす説明図である。本実施例の燃料電池装置１１５が備える燃料電池１１０の出力特性は、図中、「メタノール添加」と表わした。なお、「エタノール無添加」と記したものは、第１実施例の燃料電池装置１５と同様に水素ガスを燃料ガスとして用い、添加部４４，４５を備えない（ガスにメタノールやエタノールの添加を行なわない）燃料電池装置が備える燃料電池における出力特性を表わす。それぞれの燃料電池に供給する燃料ガスの量は、供給される燃料ガス中の水素量が同じになるように調節した。また、「メタノール無添加」の燃料電池に供給する燃料ガスの加湿量は、改質ガスが含有する水蒸気量と同程度となるように制御した。
【００７１】
図６に示すように、燃料電池からの出力電流密度が小さい間は、両者の間に顕著な差は見られない（改質ガスは水素の他に所定量の二酸化炭素などを含有し、水素分子の拡散が二酸化炭素分子などによって妨げられるため、「メタノール添加」は、純度の高い水素ガスを用いる「メタノール無添加」に比べて、若干出力電圧値が低くなる）。しかしながら、さらに出力電流密度を上げると、「メタノール無添加」では急激に出力電圧値が低下するのに対し、「メタノール添加」では、さらに高い出力電流密度であっても充分な出力電圧値を維持することができた。このように、燃料ガス中に所定量のメタノールを残留させることによって、より高い出力電流密度に対しても充分な出力電圧値を維持することができ、電池性能を向上させることができた。
【００７２】
なお、上記実施例では、改質反応に供する原燃料にメタノールを用いたが、燃料ガス中に残留させて凝縮水中に混合することによって、燃料電池内部のガス流路を構成する部材表面と凝縮水表面とが成す接触角を小さくする作用を有する炭化水素、あるいは炭化水素系化合物であれば、他種の炭化水素あるいは炭化水素系化合物を原燃料として用いても、同様に本発明を適用することができる。
【００７３】
また、上記実施例では、改質器８３の内部温度（触媒温度）によって改質反応の進行状態（残留するメタノール量）を制御したが、触媒温度以外の要素によって、あるいは触媒温度以外の要素をさらに加えて、残留するメタノール量を制御することとしても良い。例えば、改質器８３内に設けられた触媒部を複数個に分割するなどの方法で、実際に改質反応に関与する触媒量を増減することによっても、改質反応の進行状態を調節することが可能である。また、可能であれば、改質器に供給する原燃料ガス量を調節することによっても、改質反応の進行状態を調節することができる。
【００７４】
上記実施例では、負荷変動に応じて改質器の運転状態を制御して、改質ガス中に残留するメタノール量を所定の値（の範囲）となるようにしたが、負荷が一定であったり、改質器における処理量が一定であり、改質器の運転状態がほとんど変動しない場合には、改質器から排出される改質ガス中に残留するメタノール量が所定量となるように、予め改質器の運転条件（ガス流量、触媒量、触媒温度に関わる各ポンプやブロワの駆動状態など）を設定しておけばよい。
【００７５】
また、上記第１および第２実施例では、固体高分子型燃料電池を用いたが、電気化学反応により生じる生成水が流路内に滞留するおそれのある燃料電池であれば、他種の燃料電池に適用することも可能である。例えば、直接メタノール型燃料電池において、カソード側に供給する酸化ガスに、所定量のメタノールあるいはエタノールを添加しても同様の効果を得ることができる。
【００７６】
以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々なる様態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な一実施例である燃料電池１０を備える燃料電池装置１５の構成の概略を表わす説明図である。
【図２】単セル１２の構成を表わす断面図である。
【図３】単セル１２の構成を表わす分解斜視図である。
【図４】セパレータ３０の構成を表わす平面図である。
【図５】燃料電池装置１１５の構成を表わす説明図である。
【図６】メタノール添加が電池性能に与える影響を示す説明図である。
【符号の説明】
１０，１１０…燃料電池
１２…単セル
１５，１１５…燃料電池装置
２１…電解質膜
２２…アノード
２３…カソード
２４Ｐ…単セル内燃料ガス流路
２５Ｐ…単セル内酸化ガス流路
３０…セパレータ
３１…凹部
３２…凸部
３３…酸化ガス供給孔
３４…酸化ガス排出孔
３５…燃料ガス供給孔
３６…燃料ガス排出孔
３７…冷却水孔
４０…水素ボンベ
４１…ブロワ
４２，４３…加湿器
４４，４５，１４５…添加部
４６…燃料ガス供給路
４７…酸化ガス供給路
４８…燃料ガス排出路
４９…酸化ガス排出路
５０，１５０…制御部
５２…ＣＰＵ
５４…ＲＯＭ
５６…ＲＡＭ
５８…入出力ポート
６０…メタノール流路
６１…メタノール分岐路
６２…水供給路
６３…第１燃料供給路
６４…第２燃料供給路
６５…第３燃料供給路
６６…第４燃料供給路
６７…燃料排出路
６９…酸化排ガス路
７０…第１ポンプ
７１…第２ポンプ
７２…第３ポンプ
７３…温度センサ
７４，７５…ブロワ
８０…メタノールタンク
８１…水タンク
８２…蒸発器
８３…改質器
８４…ＣＯ低減部
８５…バーナ
９１，９２…インジェクタ
９３，９４…エタノールタンク
９５…バルブ
【図１】
0005017739.tif 000003
【図２】
0005017739.tif 000004
【図３】
0005017739.tif 000005
【図４】
0005017739.tif 000006
【図５】
0005017739.tif 000007
【図６】
0005017739.tif 000008