(57)【要約】【課題】  高い出力安定性を有す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、燃料を酸化する負極と、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・電解質一体化物を備えた燃料電池、および前記負極に供給する燃料を加湿する加湿装置とを有する燃料電池発電システムであって、前記加湿装置は、前記燃料を、ミスト状の水分を含有させた状態で前記負極に供給することを特徴とする燃料電池発電システムにより、前記課題を解決する。【選択図】  図１
2009259736.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素を還元する正極と、燃料を酸化する負極と、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・電解質一体化物を備えた燃料電池、および前記負極に供給する燃料を加湿する加湿装置を有する燃料電池発電システムであって、
前記加湿装置は、前記燃料を、ミスト状の水分を含有させた状態で前記負極に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】
加湿装置は、加湿用の水を内部に貯留したタンクであって、前記負極に隣接して設けられ、前記水の中を前記燃料が流通することにより該燃料にミスト状の水分を含有させることができる請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
水素発生物質と水との反応により水素を発生させる水素製造装置を備えた請求項１または２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
水素発生物質が、アルミニウム、ケイ素、亜鉛およびマグネシウム、およびこれらの１種以上の元素を主体とする合金よりなる群から選択される少なくとも１種の金属、または、水素化化合物である請求項３に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
加湿装置の有する燃料を加湿するための水を、水素製造装置より供給することができる請求項３または４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、燃料電池と、燃料を加湿状態で供給する加湿装置とを有する燃料電池発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、パソコン、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に対して、更なる小型化、高容量化が要望されている。現在、リチウムイオン二次電池は、エネルギー密度が高く、小型軽量化を図り得る電池として実用化されており、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、一部のコードレス機器に対して、十分な連続使用時間を保証することができないという問題がある。
【０００３】
前記問題の解決に向けて、例えば固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）などの燃料電池の開発が進められている。燃料電池は、燃料および酸素の供給を行えば、連続的に使用することが可能である。
【０００４】
そして、ＰＥＦＣは、空気中の酸素を還元する正極（カソード）と、水素を酸化する負極（アノード）と、これら正極と負極との間に配置される固体高分子電解質膜とで構成された電極・電解質一体化物（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ａｓｓｅｍｂｌｙ）を有しており、リチウムイオン二次電池よりもエネルギー密度が高い電池として注目されている。
【０００５】
ところで、燃料電池では、発電を継続すると、ＭＥＡ中の水分が減少して乾燥する。ＭＥＡの有する固体高分子電解質膜は、乾燥するとイオン伝導性が低下するため、このような状態となった燃料電池では、十分に出力を取り出すことができなくなる。
【０００６】
こうした問題を解決する技術も提案されている。例えば、特許文献１には、７５〜７８℃の温水を保持し、この温水中に燃料ガスを通すことで燃料ガスを加湿するための燃料ガス加湿タンクと、温水を保持し、この温水中に酸素などの酸化剤を加湿するための酸化剤加湿タンクとを備えた燃料電池が開示されている。特許文献１に記載の技術のように、燃料電池のＭＥＡに供給する燃料ガスおよび酸化剤（酸素）を加湿することで、発電に伴うＭＥＡの乾燥を防いで、出力の安定化を図ることができる。
【０００７】
また、特許文献２には、燃料電池用の燃料に好適な水素を製造するための水素発生材料や、これを水素源として用いた燃料電池が記載されている。前記の水素発生材料は、水と反応して水素を発生する金属材料を含むものであるため、かかる水素発生材料を用いて得られる水素は、水素発生反応のために供給された水分の一部を含んでいる。よって、前記の水素発生材料により得られる水素を燃料とする燃料電池では、水素の供給によってＭＥＡに継続して水分が供給されるため、発電に伴うＭＥＡの乾燥が抑制される。
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−２１７６２０号公報
【特許文献２】特開２００６−３０６７００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前記の通り、特許文献１に開示の技術によれば、燃料電池の出力の安定化に一定の効果が認められるものの、７０℃以上に加温された水の中でバブリングを行うことから、燃料ガスの温度が上昇するため、相対湿度を高めるのが難しく、ＭＥＡからの水分の蒸発を必ずしも抑制できるものではなかった。
【００１０】
一方、特許文献２に記載の技術によれば、ＭＥＡの乾燥を防ぐための部材を別途設けることなく、燃料電池内のＭＥＡに水分を供給することができる。しかし、水素を発生させる反応が発熱反応であり、反応の状況によっては、取り出される水素ガスの温度が７０℃以上になる場合もあり、特許文献１に記載の技術と同様に、ＭＥＡの乾燥による出力低下を抑制できない場合があった。
【００１１】
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、高い出力安定性を有する燃料電池発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記目的を達成し得た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、燃料を酸化する負極と、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・電解質一体化物を備えた燃料電池と、前記負極に供給する燃料を加湿する加湿装置とを有する燃料電池発電システムであって、前記加湿装置は、前記燃料を、ミスト状の水分を含有させた状態で前記負極に供給することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、高い出力安定性を有する燃料電池発電システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
まず、図面を用いつつ本発明の燃料電池発電システムの詳細を説明する。図１は、本発明の燃料電池発電システムを構成する燃料電池および加湿装置の一例を示す断面模式図である。なお、図１は断面図であるが、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。
【００１５】
図１の燃料電池では、正極拡散層１３および正極触媒層１４からなる正極と、固体高分子電解質膜１５と、負極拡散層１７および負極触媒層１６からなる負極とが、順次積層されてなる電極・電解質一体化物（ＭＥＡ）１００を３個有しており、これらのＭＥＡが平面的に配置されている。
【００１６】
それぞれのＭＥＡ１００の正極側には、正極集電プレート５、６、正極絶縁プレート３、および正極パネルプレート１が順次配置されている。また、それぞれのＭＥＡ１００の負極側には、負極集電プレート７、８、負極絶縁プレート４、および負極パネルプレート２が順次配置されている。
【００１７】
そして、全てのＭＥＡ１００が、正極パネルプレート１と負極パネルプレート２とに挟持されて一体化している。また、図１では明らかにしていないが、隣り合うＭＥＡ１００同士は、正極集電プレート５、６と負極集電プレート７、８との電気的接続によって、直列に接続されている。
【００１８】
正極集電プレート５、６、正極絶縁プレート３および正極パネルプレート１には、燃料電池外の酸素を空気として正極に導入するための酸素導入孔が複数設けられている。そして、正極集電プレート５、６の酸素導入孔、正極絶縁プレート３の酸素導入孔、および正極パネルプレート１の酸素導入孔により、正極パネルプレート１の外表面からＭＥＡ１００の正極拡散層１３にまで到達する開口部１１が複数形成されており、これら開口部１１から、燃料電池外の酸素（空気）が拡散により正極拡散層１３に供給される構造となっている。
【００１９】
また、図１の燃料電池では、負極集電プレート７、８、負極絶縁プレート４および負極パネルプレート２には、加湿装置１０から燃料を負極に導入するための燃料導入孔が複数設けられている。そして、負極集電プレート７、８の燃料導入孔、負極絶縁プレート４の燃料導入孔、および負極パネルプレート２の燃料導入孔により、負極パネルプレート２の加湿装置１０側表面からＭＥＡ１００の負極拡散層１７にまで到達する開口部１２が複数形成されており、これら開口部１２から、加湿装置１０内の燃料が負極拡散層１７に供給される構造となっている。
【００２０】
図１の燃料電池では、正極パネルプレート１と負極パネルプレート２（更には加湿装置１０）は、間隔を持って配置された固定部により固定されており、前記固定部では、ボルト１８とナット１９による固定がなされている。図１中、９ａおよび９ｂはシールである。
【００２１】
図１では、ＭＥＡ１００を３個平面的に配置した燃料電池を示しているが、ＭＥＡの数は、特に制限されない。また、複数のＭＥＡを配置する場合は、平面的に配置してもよく、また上下に積層するように配置してもよい。
【００２２】
図２に、図１の燃料電池の負極に隣接して設けられた加湿装置１０の模式図を示す。図２中、（ａ）は平面図である。また、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図であるが、これらの断面図では固定部２０（ネジ穴）の配置を点線で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。加湿装置１０は、ＭＥＡの負極に供給する燃料に、ミスト状の水分を含有させ、その状態でＭＥＡの負極へ供給するために設けられる。
【００２３】
本発明の燃料電池発電システムに係る加湿装置は、例えば、加湿用の水を内部に貯留したタンクで構成することができる。この場合、前記加湿用の水の中を燃料が流通するよう水量などを調整することにより、燃料の気泡がはじけて生じるミスト状の水分（すなわち、完全に気化した状態ではなく、霧のように微小な粒子の状態の水）を燃料中に含有させることができ、また、ＭＥＡの負極に隣接して前記タンクを設けることにより、ミスト状の水分を含有した状態のまま燃料を負極に供給することができる。これにより、過飽和状態で水分を含有する燃料を負極に供給することができ、加湿不足が解消される。
【００２４】
図２に示す加湿タンク１０は、燃料と加湿用の水とをタンク内部２１に導入するための供給口２２と、タンク内部２１から余剰の燃料および水をタンク外に排出するための排出口２３が設けられており、これらの供給口２２と排出口２３とによって、タンク内部２１に、燃料を加湿するための水を貯留することができる。２０は、正極パネルプレートと負極パネルプレートとを固定するための固定部（ボルトを通すネジ穴）であり、正極パネルプレートと負極パネルプレートとの固定部の位置に合わせて設けられる。
【００２５】
より具体的には、図２に示す加湿タンク１０では、供給口２２並びに排出口２３の配置を、燃料電池の使用時に、供給口２２の方が下部になるようにしている（すなわち、図中上側が、燃料電池の使用時にも上側となるように、燃料電池を設置する）。図２に示す加湿タンク１０を有する燃料電池において、供給口２２から水を供給することで、この水が、加湿タンク１０のタンク内部２１に貯留される。そして、この状態で加湿タンク１０に燃料を供給すると、供給された燃料は、加湿タンク１０内に貯留されている水によって加湿される。なお、燃料電池は発電に伴って発熱するが、ＭＥＡの負極に隣接して加湿タンクを設けることにより、ＭＥＡを冷却する効果も期待できる。
【００２６】
しかも、前記の通り、加湿タンク１０における供給口２２および排出口２３の配置を、燃料電池の使用時に供給口２２の方が下部になるようにすることで、加湿タンク１０内に貯留される水の量を制御することができる。すなわち、供給口２２から供給された水は、重力によってタンク内部２１の図中下側に溜まり、その水位が排出口２３の位置に達すると、排出口２３から水が加湿タンクの外部に排出される。そのため、供給口２２からの水の供給を連続的または断続的に継続することで、タンク内部２１での水が一定量以下に減ることを防止し、かつ、少なくとも、供給口２２からの水の供給速度を、排出口２３から水の排出できる速度よりも小さくしておくことで、タンク内部２１の水位を、排出口２３の位置以下に保つことができる。
【００２７】
タンク内部２１の水が多くなると、水が負極表面を閉塞して負極への燃料供給を阻害する虞があり、また、タンク内部２１の水の量が少なくなりすぎると、ミスト状の水分を燃料に含有させることができなくなるが、図２に示すように、加湿タンク１０が、貯留する水の量を制御できる機構を有することで、これらの問題の発生を回避することができる。
【００２８】
なお、加湿タンク１０における供給口２２および排出口２３の配置や、供給口２２からの水の供給速度および供給のタイミングについては、貯留された水が負極への燃料供給を阻害しすぎず、かつ良好に燃料が加湿できるような範囲で、適宜設定すればよい。例えば、負極への水の影響を可及的に低減するためには、ＭＥＡの負極が排出口２３よりも図２中上側に位置するように、排出口２３を配置することができる。一方、燃料電池のサイズを可及的に小さくするためには、ＭＥＡの負極が排出口２３よりも図２中下側に位置し、かつ燃料の加湿が不十分とならない範囲で、できるだけＭＥＡの負極表面における水と接する部分が小さくなるように、排出口２３を配置することができる。
【００２９】
なお、図２に示す加湿タンク１０（図１の燃料電池に係る燃料タンク部１０）は独立のものであるが、例えば、加湿タンクを負極パネルプレートと一体化した構造にしてもよい。
【００３０】
加湿タンク１０の材質は、燃料による腐食や形態変化がなければよい。具体的には、例えば、ガラスエポキシ樹脂；ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂［ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）など］のプラスティック；ステンレス鋼、ニッケル、銅、グラファイト、チタンなどの金属；が好適である。
【００３１】
図３に、正極パネルプレート１の平面模式図を示す。正極パネルプレート１には、各ＭＥＡの正極拡散層の位置に合わせて酸素導入孔１１ａが設けられており、該酸素導入孔１１ａは、正極絶縁プレートの酸素導入孔および正極集電プレートの酸素導入孔と共に、前記開口部を形成する。２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅは正極パネルプレート１と負極パネルプレートとを固定するためのボルトを通すネジ穴であり、正極パネルプレート１と負極パネルプレートとを固定するための固定部となる。
【００３２】
正極パネルプレート１は、ＭＥＡの抑え込みの際に、たわみの発生を抑制する観点から、金属製であることが好ましい。また、ＭＥＡの抑え込みの際のたわみをより少なくする観点から、正極パネルプレート１を構成する金属は、曲げ試験により求められるヤング率が５００００ＭＰａ以上であることが好ましい。具体的な金属としては、例えば、炭素鋼、合金鋼、ステンレス鋼、超合金、アルミニウム合金、マグネシウム合金、チタン合金、ニッケル合金などが挙げられる。なお、本明細書でいう曲げ試験により求められるヤング率とは、両端を支持した板状の試料の中央部に荷重をかけた特に生じたたわみ量を測定して求められる値である。
【００３３】
また、正極パネルプレート１の厚みは、０．５〜３．５ｍｍであることが好ましい。正極パネルプレート１が薄すぎると、ＭＥＡの抑え込み時のたわみが大きくなって、ＭＥＡの抑え込みの均一性が損なわれることがある。また、正極パネルプレート１が厚すぎると、正極パネルプレート１、正極絶縁プレートおよび正極集電プレートの総厚みが大きくなってしまい、正極への酸素の供給量が低下することがある。
【００３４】
なお、負極パネルプレートには、前記の正極パネルプレートと同じ構成（形状および材質）のものを用いることができる。
【００３５】
図４には、正極集電プレート５、６の平面模式図を示している。図４中、（ａ）の正極集電プレート５は、図１の燃料電池の左端のＭＥＡ１００の正極側に配置するための集電プレート（正極端部集電プレート）であり、燃料電池外部と電気的に接続するための正極集電端子部２４が設けられている。また、図３中、（ｂ）の正極集電プレート６は、図１の燃料電池の中央および右側のＭＥＡ１００の正極側に配置するための集電プレートであり、燃料電池の外周部に相当する位置に正極直列接続タブ２５が設けられている。この正極直列接続タブ２５を、隣に位置するＭＥＡの負極側に配置された負極集電プレートと接触させる（例えば、負極集電プレートに設けられた負極直列接続タブと接触させる）などして電気的に接続することで、各ＭＥＡを直列に接続する。
【００３６】
また、図４の正極集電プレート５、６には、ＭＥＡの正極拡散層の位置に合わせ、かつ正極パネルプレートの酸素導入孔の位置に合わせて酸素導入孔１１ｂが設けられており、該酸素導入孔１１ｂは、正極パネルプレートの酸素導入孔および正極絶縁プレートの酸素導入孔と共に、前記開口部を形成する。更に、図４の正極集電プレート５、６には、正極パネルプレートの固定部（ネジ穴）の位置に合わせて、固定部２０（ネジ穴）が設けられている。
【００３７】
正極集電プレート５における正極集電端子部２４としては、特に制限はないが、例えば、図４に示すように、燃料電池と接続する装置などから引き出された外部端子を接続するための孔などが挙げられる。
【００３８】
正極集電プレート６における正極直列接続タブ２５は、燃料電池の外周部に相当する位置に１つ設けるだけでもよいが、図４に示すように燃料電池の外周部に相当する位置に２つ設けることが好ましい。１つの正極直列接続タブから接続するよりも、２つのタブから接続する方が、集電プレート間の抵抗が低減されるため、電池の出力をより向上させることができる。
【００３９】
正極集電プレート５、６の厚みは０．２〜３．２ｍｍであることが好ましい。正極集電プレート５、６が薄すぎると、その電子抵抗が大きくなって、電池の出力が低下することがある。また、正極集電プレート５、６が厚すぎると、正極パネルプレート、正極絶縁プレートおよび正極集電プレートの総厚みが大きくなってしまい、正極への酸素の供給量が低下することがある。
【００４０】
なお、負極集電プレート（図１の負極端部集電プレート７、および負極集電プレート８）には、前記の正極集電プレート（図４に示す正極端部集電プレート５、および図５に示す正極集電プレート６）と同じ構成（形状）のものを用いることができる。
【００４１】
本発明の燃料電池発電システムを構成する燃料電池では、正極集電プレートおよび負極集電プレートに、良導性金属を有する金属製の基材と、該基材を被覆する耐食性導電材料層とで構成されたものを使用することが好ましく、正極集電プレートおよび負極集電プレートの少なくとも一方に、その金属製の基材が、ＭＥＡの電極面と平行または略平行な２層により構成され、かつ前記２層のうち、電極側の層が耐食性の金属で構成されており、他方の層（電極とは反対側の層）が前記良導性金属で構成されているものを使用することがより好ましい。
【００４２】
前記２層構造の基材と耐食性導電材料層とで構成された正極集電プレート５、６の厚み方向の断面の一部を図５に示す。図５に示す正極集電プレート５、６は、金属製の基材５１と、基材５１を被覆する耐食性導電材料層５２とで構成されている。そして、金属製の基材５１は、ＭＥＡの電極面（正極集電プレートの場合、正極面）と平行または略平行な２層５１ａ、５１ｂにより構成されており、このうち、電極側（正極側）の層５１ａは耐食性の金属で構成され、他方の層５１ｂは良導性金属で構成されている。
【００４３】
前記の素材で構成された正極集電プレートを使用することで、隣接するＭＥＡ間の電気的接続を良好にしつつ、正極との接触による正極集電プレートの腐食を抑制して、燃料電池におけるより良好な出力特性の確保と長寿命化とを両立できる。また、前記の素材で構成された正極集電プレートであれば、集電プレート本来の役割を主に担う正極側とは反対の層５１ｂを構成する良導性金属に、安価である一方で耐食性が劣るＣｕなどを使用しても、その腐食を抑制することができるため、燃料電池のコストダウンを図り、その生産性を高めることもできる。
【００４４】
なお、正極集電プレートおよび負極集電プレートの一方のみが、図５に示すような前記２層構造の基材と耐食性導電材料層とで構成された集電プレートであってもよく、このような場合でも一定の効果を得ることができるが、正極集電プレートは、負極集電プレートに比べてより高い耐食性が要求されることから、少なくとも正極集電プレートが前記２層構造の基材と耐食性導電材料層とで構成された集電プレートであることが更に好ましく、正極集電プレートおよび負極集電プレートの両者が、前記２層構造の基材と耐食性導電材料層とで構成された集電プレートであることが特に好ましく、この場合には、かかる構成の集電プレートを使用することによる前記の効果がより良好に奏される。
【００４５】
すなわち、負極集電プレートに、良導性金属を有する金属製の基材と、該基材を被覆する耐食性導電材料層とで構成されており、その金属製の基材が、ＭＥＡの電極面と平行または略平行な２層により構成され、かつ前記２層のうち、電極（負極）側の層が耐食性の金属で構成されており、他方の層が前記良導性金属で構成されているものを使用した場合にも、隣接するＭＥＡ間の電気的接続を良好にしつつ、電極との接触による負極集電プレートの腐食を抑制して、燃料電池におけるより良好な出力特性の確保と長寿命化とを両立できる。また、前記の素材で構成された負極集電プレートであれば、集電プレート本来の役割を主に担う正極とは反対側の層を構成する良導性金属に、安価である一方で耐食性が劣るＣｕなどを使用しても、その腐食を抑制することができるため、燃料電池のコストダウンを図り、その生産性を高めることもできる。
【００４６】
なお、正極集電プレートおよび負極集電プレートは、良好な電子伝導性を有し、かつ耐酸性の高い素材で構成することが好ましいため、正極集電プレートまたは負極集電プレートを、前記の２層構造の基材と、該基材を被覆する耐食性導電材料層とで構成されたものを使用しない場合には、良導性金属を有する金属製の基材（例えば良導性金属で構成された単層構造の基材）と、該基材を被覆する耐食性導電材料層とで構成されたものを使用することが好ましく、例えば、負極集電プレートに、かかる構成のプレートを使用してもよい。
【００４７】
正極集電プレートおよび負極集電プレートに係る金属製の基材を被覆する層を構成する耐食性導電材料としては、例えば、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄおよびそれらの元素を主体とする合金よりなる群から選択される少なくとも１種の金属；カーボンと熱硬化性樹脂との混合物；などが挙げられる。なお、耐食性導電材料が前記合金の場合、合金中のＡｕ、ＰｔまたはＰｄの含有量は、例えば、８０質量％以上であることが好ましい。また、前記合金における合金成分としては、例えば、イリジウムなどが挙げられる（すなわち、合金としては、例えば、Ｐｔ：８０質量％−Ｉｒ：２０質量％の合金などが挙げられる）。更に、耐食性導電材料がカーボンと熱硬化性樹脂との混合物における熱硬化性樹脂としては、例えば、ポリアミドイミドなどが挙げられる。
【００４８】
耐食性導電材料層の厚みは、０．１〜５０μｍであることが好ましく、耐食性導電材料層の厚みをこのようにしつつ、集電プレートの厚みを前記好適値にすることが推奨される。耐食性導電材料層が薄すぎると、耐食性導電材料層を形成することによる集電プレートの腐食抑制効果が小さくなることがある。また、耐食性導電材料層が厚すぎると、良導性金属を有する金属製の基材が薄くなり、耐食性導電材料の選択によっては、電子抵抗が大きくなったり、集電プレートのコストが増大したりすることがある。
【００４９】
また、正極集電プレートおよび負極集電プレートに係る金属製の基材における良導性金属としては、例えば、Ｎｉ、Ｎｉ合金、ＣｕまたはＣｕ合金が挙げられ、これらを１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。なお、Ｎｉ合金やＣｕ合金の場合、合金中のＮｉまたはＣｕの含有量は、例えば、９５質量％以上であることが好ましい。また、Ｎｉ合金やＣｕ合金における合金成分としては、例えば、ベリリウムなどが挙げられる（すなわち、合金としては、Ｃｕ：９８質量％−Ｂｅ：２質量％の合金や、Ｎｉ：９８質量％−Ｂｅ：２質量％の合金などが挙げられる）。負極集電プレートや正極集電プレートが、前記２層構造の基材を有する場合には、電極とは反対側の層を前記例示の良導性金属で構成することができる。
【００５０】
正極集電プレートや負極集電プレートが、前記２層構造の基材を有する場合、電極側の層を構成する耐食性の金属としては、例えば、ステンレス鋼、Ｔｉ、またはＴｉを主体とする合金が挙げられ、これらを１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。なお、前記合金の場合、合金中のＴｉの含有量は、例えば、９０質量％以上であることが好ましい。また、前記合金における合金成分としては、例えば、Ｐｄ、Ｔａなどが挙げられる（すなわち、合金としては、Ｔｉ：９９．８５質量％−Ｐｄ：０．１５質量％の合金や、Ｔｉ：９５質量％−Ｔａ：５質量％の合金などが挙げられる）。
【００５１】
正極集電プレートおよび負極集電プレートに係る良導性金属を有する金属製の基材の厚みは、正極集電プレートおよび負極集電プレートの前記好適厚み、および耐食性導電材料層の前記好適厚みを満足させつつ、設定することが好ましい。
【００５２】
また、正極集電プレートや負極集電プレートが、前記２層構造の基材を有する場合には、前記基材における電極側の層と、他の層との厚みの比率は、電極側の層の厚みを１としたときに、他の層の厚みが０．２〜３であることが好ましい。電極側の層の厚みに対して他の層が薄すぎると、集電プレートの電子抵抗が大きくなる虞があり、電極側の層の厚みに対して他の層が厚すぎると、電極側の層が薄くなって、これを設けることによる集電プレートの腐食抑制効果が小さくなることがある。
【００５３】
図６に、正極絶縁プレート３の模式図を示す。図６中、（ａ）は平面図である。また、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図であるが、固定部２０（ネジ穴）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３は、金属製の正極パネルプレートと、正極集電プレートとの間に配置され、これらのプレート間を絶縁する役割を担っている。
【００５４】
正極絶縁プレート３には、各ＭＥＡの正極拡散層の位置に合わせ、かつ正極パネルプレートの酸素導入孔および正極集電プレートの酸素導入孔の位置に合わせて酸素導入孔１１ｃが設けられており、該酸素導入孔１１ｃは、正極パネルプレートの酸素導入孔および正極集電プレートの酸素導入孔と共に、前記開口部を形成している。また、正極絶縁プレート３には、正極パネルプレートおよび正極集電プレートの固定部（ネジ穴）の位置に合わせて、固定部２０（ネジ穴）が設けられている。
【００５５】
正極絶縁プレート３には、正極集電プレートを収めるための凹部２６が設けられていることが好ましい。凹部２６によって正極絶縁プレート３と正極集電プレートとを積層したときに段差をなくすことができるため、かかる段差によるガス漏れやＭＥＡの抑え込みの不均一さの発生を抑えることができる。
【００５６】
正極絶縁プレート３の材質は、電子絶縁性のものならば特に制限されないが、例えば、ガラスエポキシ樹脂や、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂（ＰＴＦＥなど）などのプラスティックが好適である。
【００５７】
正極絶縁プレート３のうち、正極集電プレートが収まる凹部２６の厚みは、０．３〜３．３ｍｍであることが好ましい。凹部２６が薄すぎると、強度の不足による割れなどがおこる虞がある。また、凹部２６が厚すぎると、正極パネルプレート、正極絶縁プレートおよび正極集電プレートの総厚みが大きくなってしまい、正極への酸素の供給量が低下することがある。
【００５８】
なお、負極絶縁プレートには、前記の正極絶縁プレートと同じ構成（形状および材質）のものを用いることができる。
【００５９】
本発明の燃料電池発電システムを構成する燃料電池においては、正極パネルプレート、正極絶縁プレートおよび正極集電プレートの総厚みは１ｍｍ以上であることが好ましい。燃料電池の内部抵抗を低くするには、正極パネルプレートと負極パネルプレートとによって、ＭＥＡをある程度の均一性を持って抑え込むことが好ましい。例えば、図１に示すように、正極パネルプレート１と負極パネルプレート２とを、間隔を持った配置された固定部において、ボルト１８とナット１９を用いるなどして固定する場合、正極パネルプレート１、正極絶縁プレート３および正極集電プレート５、６の総厚みが小さすぎると、ＭＥＡ１００の抑え込みの際にこれらのプレートにたわみが生じて、ＭＥＡ１００の抑え込みの均一性が損なわれることがある。
【００６０】
他方、正極パネルプレート１、正極絶縁プレート３および正極集電プレート５、６の総厚みが大きすぎると、開口部１１から正極拡散層１３への酸素の供給量が低下する傾向にあるため、前記総厚みは４ｍｍ以下であることが好ましい。
【００６１】
また、負極パネルプレート２、負極絶縁プレート４および負極集電プレート７、８の総厚みについても、正極パネルプレート１、正極絶縁プレート３および正極集電プレート５、６の総厚みと同様に、ＭＥＡ１００の抑え込みの均一性を高めて電池の内部抵抗を下げる観点から、１ｍｍ以上であることが好ましく、更に、開口部１２から負極拡散層１７への燃料の供給量を高める観点から、４ｍｍ以下であることが好ましい。
【００６２】
図７に、ＭＥＡ１００の模式図を示す。図７中、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）の断面図であるが、（ｂ）では各構成要素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。
【００６３】
ＭＥＡ１００は、酸素を還元する正極触媒層１４と、水素を酸化する負極触媒層１６とを有しており、更に、正極触媒層１４と負極触媒層１６との間に固体高分子電解質膜１５を備えている。また、正極触媒層１４の固体高分子電解質膜１５側の面の反対面には、正極拡散層１３が積層されており、負極触媒層１６の固体高分子電解質膜１５側の面の反対面には、負極拡散層１７が積層されている。
【００６４】
固体高分子電解質膜１５は、平面視で、電極（正極および負極）よりも大きい面積を有していることが好ましい。これは、電極からはみ出る部分を利用してシールを行うためである。シールが行われなければ燃料と空気中の酸素とが混合されてしまうため、燃料電池の機能が果たせないことがある。固体高分子電解質膜１５における電極よりも大きくなる部分の幅は、シールを行うために十分な幅を確保する観点から、１ｍｍ以上であることが好ましい。なお、固体高分子電解質膜１５における電極よりも大きくなる部分の幅をあまり大きくすると、固体高分子電解質膜１５の限られた面積の中でシールを行う面積の比率が大きくなってしまうため、電極の面積が犠牲になってしまうことから、前記の幅は５ｍｍ以下であることが好ましい。
【００６５】
電極の幅は、３〜３５ｍｍであることが好ましい。これは、前記の固体高分子電解質膜１５の好適な大きさと、後述する固定部間の好適距離との関係から導かれるものである。電極の長さには特に制限はなく、燃料電池に要求される出力に鑑みて設定することが可能である。
【００６６】
また、ＭＥＡ１００は、図８に示すように、複数のＭＥＡ１００で固体高分子電解質膜１５を共有する構造としてもよい。図８の（ａ）は平面図で、（ｂ）は（ａ）の断面図であるが、この（ｂ）においても、各構成要素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。
【００６７】
図８中、２７は直列接続タブ接触エリアであり、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を電気的に接触させ、ＭＥＡユニット内の各ＭＥＡを直列に接続することができる。また図８のＭＥＡ１００には、固定部２０（ネジ穴）も設けられている。
【００６８】
正極拡散層１３および負極拡散層１７は、多孔性の電子伝導性材料などから構成され、例えば、撥水処理を施した多孔質炭素シートなどが用いられる。なお、正極拡散層１３や負極拡散層１７の触媒層側には、更なる撥水性向上および触媒層との接触向上を目的として、フッ素樹脂粒子（ＰＴＦＥ樹脂粒子など）を含む炭素粉末のペーストが塗布されている場合もある。
【００６９】
正極触媒層１４は、正極拡散層１３を介して拡散してきた酸素を還元する機能を有している。正極触媒層１４は、例えば、触媒を担持した炭素粉末（触媒担持炭素粉末）と、プロトン伝導性材料とを含有している。また、必要に応じて、樹脂バインダを更に含有していてもよい。
【００７０】
正極触媒層１４の含有する触媒としては、酸素を還元できるものであれば特に制限はないが、例えば、白金微粒子が挙げられる。また、前記触媒は、鉄、ニッケル、コバルト、錫、ルテニウムおよび金よりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属元素と白金との合金で構成される微粒子などであってもよい。
【００７１】
触媒の担体である炭素粉末としては、例えば、ＢＥＴ比表面積が１０〜２０００ｍ２／ｇであり、平均粒子径が２０〜１００ｎｍのカーボンブラックなどが用いられる。炭素粉末への前記触媒の担持は、例えば、コロイド法などで行うことができる。
【００７２】
前記炭素粉末と前記触媒との含有比率としては、例えば、炭素粉末１００質量部に対して、触媒が５〜４００質量部であることが好ましい。このような含有比率であれば、十分な触媒活性を有する正極触媒層が構成できるからである。また、例えば、炭素粉末上に触媒を析出させる方法（例えば、コロイド法）で触媒担持炭素粉末が作製される場合には、炭素粉末と触媒とが前記の含有比率であれば、触媒の径が大きくなりすぎず、十分な触媒活性が得られるからである。
【００７３】
正極触媒層１４に含まれるプロトン伝導性材料としては、特に制限はないが、例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂、スルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂、スルホン化ポリイミド樹脂などのスルホン酸基を有する樹脂を用いることができる。ポリパーフルオロスルホン酸樹脂としては、具体的には、デュポン社製の「ナフィオン（登録商標）」、旭硝子社製の「フレミオン（登録商標）」、旭化成工業社製の「アシプレックス（商品名）」などが挙げられる。
【００７４】
正極触媒層１４におけるプロトン伝導性材料の含有量は、触媒担持炭素粉末１００質量部に対して、２〜２００質量部であることが好ましい。プロトン伝導性材料が前記の量で含有されていれば、正極触媒層において十分なプロトン伝導性が得られ、電気抵抗値が大きくなりすぎず、電池性能の良好な燃料電池を得ることができるからである。
【００７５】
正極触媒層１４に係るバインダとしては、特に制限はないが、例えば、ＰＴＦＥ、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体（Ｅ／ＴＦＥ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）およびポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）などのフッ素樹脂や、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン、ポリスチレン、ポリエステル、アイオノマー、ブチルゴム、エチレン・酢酸ビニル共重合体、エチレン・エチルアクリレート共重合体およびエチレン・アクリル酸共重合体などの非フッ素樹脂などを用いることができる。
【００７６】
正極触媒層１４におけるバインダの含有量は、触媒担持炭素粉末１００質量部に対して、０．０１〜１００質量部であることが好ましい。バインダが前記の量で含有されていれば、正極触媒層について十分な結着性が得られ、電気抵抗値が大きくなりすぎず、電池性能の良好な燃料電池を得ることができるからである。
【００７７】
負極触媒層１６は、負極拡散層を介して拡散してきた水素やメタノールなどの燃料を酸化する機能を有している。負極触媒層は、例えば、触媒を担持した炭素粉末（触媒担持炭素粉末）と、プロトン伝導性材料とを含有している。必要に応じて、樹脂などのバインダを更に含有していてもよい。
【００７８】
負極触媒層１６に係る触媒は、水素やメタノールなどの燃料を酸化できれば特に制限はなく、例えば、正極触媒層に係る触媒として例示した前記の各触媒を用いることができる。負極触媒層に係る前記炭素粉末、プロトン伝導性材料、およびバインダについても、正極触媒層に係る炭素粉末、プロトン伝導性材料、およびバインダとして例示した前記の各材料を用いることができる。
【００７９】
固体高分子電解質膜１５は、プロトンを輸送可能であり、かつ電子伝導性は示さない材料で構成された膜であれば、特に制限はない。固体高分子電解質膜１５を構成し得る材料としては、例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂、具体的には、デュポン社製の「ナフィオン（登録商標）」、旭硝子社製の「フレミオン（登録商標）」、旭化成工業社製の「アシプレックス（商品名）」などが挙げられる。その他、スルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂、スルホン化ポリイミド樹脂、硫酸ドープポリベンズイミダゾールなども、固体高分子電解質膜１５の材料として用いることができる。
【００８０】
図９に、シール９ａ、９ｂの平面模式図を示す。このシール９ａ、９ｂは、ＭＥＡの上下に配置される。その際、ＭＥＡの電極はシールに設けた孔２８に収まり、固体高分子電解質膜のうち電極部分からはみ出た部分は、シール９ａ、９ｂに挟まれる。このような構成とすることで、燃料と空気中の酸素とを隔離して、燃料電池を良好に機能させることが可能となる。図９に示すシール９ａ、９ｂには直列接続タブ接触エリア２７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を電気的に接触させ、各ＭＥＡを直列に接続することができる。また図９のシール９ａ、９ｂには、固定部２０（ネジ穴）も設けられている。
【００８１】
シールの材質としては、燃料電池分野などにおいてシール材として公知の各種材料、例えば、シリコンゴム、エチレン−プロピレン−ジエンゴム、ＰＴＦＥフィルム、ポリイミドフィルムなどを用いることができる。
【００８２】
ＭＥＡユニット内の全てのＭＥＡを一体化するための正極パネルプレートと負極パネルプレートとの固定は、各ＭＥＡをある程度の均一性を持って抑え込むことができれば、その手段については特に制限はない。例えば、正極パネルプレート、正極絶縁プレート、正極集電プレート、シール、負極集電プレート、負極絶縁プレートおよび負極パネルプレートにおけるＭＥＡの電極部分以外に相当する部分、並びにＭＥＡの固体高分子電解質膜のうち電極部分からはみ出した部分の全体を、接着するなどして固定してもよい。
【００８３】
しかし、ＭＥＡをより抑え込み易いことから、図１に示すように、間隔を持って配置された固定部において、機械的挟持手段により正極パネルプレートと負極パネルプレートとを固定することが好ましい。この場合、固定部における機械的挟持手段としては、例えば、図１に示すボルトとナットとを用いたネジ止めや、リベット止めなどが好ましく採用できる。
【００８４】
また、前記のように、正極パネルプレートと負極パネルプレートとを、間隔を持って配置された固定部により固定する場合には、ＭＥＡを挟んで隣り合う固定部間のうち、より短い固定部間の距離を１０ｍｍ以上４０ｍｍ以下とすることが好ましい。前記の固定部間が前記のような距離となるように固定部を配置することで、電池特性をより良好にすることができる。
【００８５】
前記の固定部間の距離を、図３を用いて説明すると、固定部２０ａとＭＥＡを挟んで隣り合う固定部としては、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄがあるが、このうち、固定部２０ａとの間の距離がより短くなるのは２０ｃである。「ＭＥＡを挟んで隣り合う固定部間のうち、より短い固定部間の距離が１０ｍｍ以上４０ｍｍ以下」とは、固定部２０ａと固定部２０ｃとの間の距離が１０ｍｍ以上４０ｍｍ以下であることを意味している。
【００８６】
前記の固定部間距離が短すぎると、ＭＥＡの電極部分の面積が小さくなってしまい、長すぎると、機械的挟持手段により締め付けたときのパネルプレートのたわみが大きくなってＭＥＡを均一に抑え込むことが困難となり、電池の内部抵抗が高くなったり、相対的に抑えの効いた部分で電流集中が生じて、電極の劣化を引き起こすことがある。前記の固定部間距離は、１５ｍｍ以上であることがより好ましく、また、３０ｍｍ以下であることがより好ましい。
【００８７】
また、ＭＥＡを挟まずに隣り合う固定部間の距離（例えば、図３では、固定部２０ａと固定部２０ｅとの間の距離）も、前記の「ＭＥＡを挟んで隣り合う固定部間のうち、より短い固定部間の距離」と同じ理由から、好ましくは１０ｍｍ以上、より好ましくは１５ｍｍ以上であって、好ましくは４０ｍｍ以下、より好ましくは３０ｍｍ以下である。
【００８８】
本発明の燃料電池発電システムを構成する燃料電池では、例えば図１に示す正極側の開口部１１の、平面視における総面積を、平面視における正極の面積で割り、それを百分率で表して示される開口率（Ａ）が、１０％以上６０％以下であることが好ましい。正極側の開口率を前記のようにすることで、正極への酸素の供給とＭＥＡから生じる電流の集電をより良好にすることができる。
【００８９】
すなわち、前記開口率（Ａ）が小さすぎると、正極への酸素の供給が低下することがある。また、前記開口率（Ａ）が大きすぎると、ＭＥＡ１００から生じる電流の集電性が低下することがある。前記開口率（Ａ）は、１５％以上であることがより好ましく、また、５０％以下であることがより好ましい。
【００９０】
正極側の開口部１１および負極側の開口部１２は、方形（長方形、正方形など）、円形（真円形、楕円形など）などの各種の形状とすることができる。なお、正極側の開口部１１は、正極側の平面視において、開口部１１に接し、かつ線間の最短距離が最も短くなる平行な２本の線を引いたときに、前記最短距離（Ｂ）が０．２ｍｍ以上３ｍｍ以下であることが好ましい。
【００９１】
図１１に、正極側の開口部１１の１つを拡大した図を示す。図１１の（ａ）は、開口部１１が長方形の場合を示している。開口部１１が長方形の場合、該開口部１１に接する平行な２本の線としては、図中のIとII、およびiとiiの２つを引くことができる。このうち、２線間の最短距離が最も短くなるのは、図中Iの線とIIの線との間であり、このIの線とIIの線との間の最短距離が０．２ｍｍ以上３ｍｍ以下であることが好ましい。
【００９２】
また、図１１の（ｂ）は、開口部１１が真円形の場合を示しているが、開口部１１が真円形であれば、該開口部１１に接する平行な２本の線としては、図中のIとIIのように、開口部１１の直径を挟む２本の線を引くことができ、開口部１１のいずれの位置に前記２本の線を引いても、それらの線間の距離は開口部１１の直径と等しくなる。よって、開口部１１が真円形の場合には、Iの線とIIの線との間の最短距離、すなわち開口部１１の直径が０．２ｍｍ以上３ｍｍ以下であることが好ましい。
【００９３】
正極側の開口部における前記２線間の最短距離（Ｂ）を前記のようにすることで、正極への酸素の供給とＭＥＡから生じる電流の集電をより良好にすることができる。すなわち、前記２線間の最短距離（Ｂ）が小さすぎると、燃料電池外の大気中の酸素を取り込み難くなることがある。また、前記２線間の最短距離（Ｂ）が大きすぎると、開口部１１が位置する部分での集電が不十分となって、電池の出力が低下することがある。前記２線間の最短距離（Ｂ）は、０．５ｍｍ以上であることがより好ましく、また、２ｍｍ以下であることがより好ましい。
【００９４】
更に、本発明の燃料電池発電システムを構成する燃料電池では、正極側の平面視において、開口部１１以外の箇所（すなわち、正極拡散層１３に到達する開口部１１が形成されておらず、正極パネルプレート１などが存在している箇所）における任意の点から、該任意の点に最も近く位置している開口部１１までの最短距離（Ｃ）が、２ｍｍ以下であることが好ましい。前記の最短距離（Ｃ）を前記上限値以下とすることで、ＭＥＡ１００への酸素の供給の均一性をより高めて、電池の出力をより向上させることができる。
【００９５】
すなわち、前記の最短距離（Ｃ）が短すぎると、正極パネルプレート１などの存在によって、正極拡散層１３の上部が開口していない箇所が部分的に大きくなり、当該箇所には燃料電池外の酸素が供給され難くなる。そのため、ＭＥＡ１００に酸素の供給が不十分な箇所が生じて、電池の出力が低下することがある。前記の最短距離（Ｃ）は、１．５ｍｍ以下であることがより好ましい。なお、前記の最短距離（Ｃ）の下限値については特に制限はなく、前記開口率（Ａ）との兼ね合いで適宜決定される。
【００９６】
また、負極側の開口部１２についても、平面視における負極側の開口部１２の総面積を、平面視における負極の面積で割り、それを百分率で表して示される開口率は、負極への燃料の供給を良好にする観点から、１０％以上であることが好ましく、１５％以上であることがより好ましく、また、集電をより良好にしたりＭＥＡ１００の乾燥を抑制する観点から、６０％以下であることが好ましく、５０％以下であることがより好ましい。
【００９７】
更に、負極側の開口部１２においても、負極側の平面視において、開口部１２に接し、かつ線間の最短距離が最も短くなる平行な２本の線を引いたときに、前記最短距離が、負極への燃料の供給を良好にする観点から、０．２ｍｍ以上であることが好ましく、０．５ｍｍ以上であることがより好ましく、また、集電をより良好にする観点から、３ｍｍ以下であることが好ましく、２ｍｍ以下であることがより好ましい。
【００９８】
加えて、ＭＥＡ１００への燃料の供給の均一性をより高める観点から、負極側の平面視において、開口部１２以外の箇所（すなわち、負極拡散層１７に到達する開口部１２が形成されておらず、負極パネルプレート２などが存在している箇所）における任意の点から、該任意の点に最も近く位置している開口部１２までの最短距離が、２ｍｍ以下であることが好ましく、１．５ｍｍ以下であることがより好ましい。
【００９９】
正極側の開口部１１の個々の面積は、燃料電池外の酸素をより良好に取り込む観点から、好ましくは０．１ｍｍ２以上、より好ましくは０．２ｍｍ２以上である。他方、開口部１１の個々の面積が大きすぎると、正極パネルプレート１などの強度が低下することがあるため、その面積は、４０ｍｍ２以下であることが好ましく、３０ｍｍ２以下であることがより好ましい。
【０１００】
なお、負極側の開口部の個々の面積も、燃料をより良好に取り込む観点から、０．１ｍｍ２以上であることが好ましく、０．２ｍｍ２以上であることがより好ましく、また、負極パネルプレート２などの強度低下を抑制する観点から、４０ｍｍ２以下であることが好ましく、３０ｍｍ２以下であることがより好ましい。
【０１０１】
なお、これまで本発明の燃料電池発電システムを構成する燃料電池を図１〜図１０を用いて説明したが、これらの図面に示したものは一例に過ぎず、本発明に用いられる燃料電池はこれらの図面に示された構造のものに限定される訳ではない。例えば、これまで、複数のＭＥＡを平面的に配置して構成した燃料電池について説明したが、複数のＭＥＡを平面的に配置したＭＥＡユニットを複数積層して燃料電池を構成してもよい。
【０１０２】
本発明の燃料電池発電システムの燃料としては、例えば、水素発生物質と水との反応によって生成する水素など、生成工程において水を使用する燃料が好ましく、この場合には、燃料の生成工程で使用する水と、燃料を加湿する水とを共用することができるため、本発明の燃料電池発電システムを、よりコンパクトにすることができる。
【０１０３】
前記燃料電池は、燃料供給源と共に本発明の燃料電池発電システムを構成することができる。本発明の燃料電池発電システムには、前記の理由から、燃料供給源として、水素発生物質に対して連続的または断続的に水を供給し、前記水素発生物質と前記水とを反応させて水素を発生させる水素製造装置が好ましく使用される。
【０１０４】
図１１に、本発明の燃料電池発電システムの構成例を模式的に示す。図１１中、２００は燃料電池、３００は水素製造装置、４００は外部負荷である。なお、図１１では、外部負荷４００が、スイッチを介して燃料電池２００に接続された構成を示しているが、外部負荷４００は燃料電池２００に直接接続した状態で構成してもよい。
【０１０５】
図１２に、本発明の燃料電池発電システムに係る水素製造装置の一例を模式的に示す。図１２に示す水素製造装置は、水素発生物質に対して連続的または断続的に水を供給し、前記水素発生物質と前記水とを反応させて水素を発生させる機構を有している。
【０１０６】
水素製造装置３００は、水素発生物質を収容する水素発生物質収容容器３０１と、水を収容する水収容容器３０２を有しており、水素発生物質収容容器３０１に、水収容容器３０２から水を供給し、容器３０１内において水素発生物質と水とを反応させて水素を製造する。よって、水素発生物質収容容器３０１は、水素発生物質と水との反応容器としての役割も担っている。容器３０１で発生した水素は、水素導出パイプ３０６、３０７で構成される燃料流路を経て、燃料電池２００に供給される。
【０１０７】
水収容容器３０２から水素発生物質収容容器３０１に水を供給する水供給パイプ３０５には、水供給ポンプ３０３が設けられている。
【０１０８】
水素発生物質収容容器３０１および水収容容器３０２は脱着式とすることもできる。これにより、容器３０１内の水素発生物質が消費されつくしたり、容器３０２内の水がなくなったりした場合に、これらを取り外し、水素発生物質が充填された水素発生物質収容容器３０１や水が充填された水収容容器３０２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。
【０１０９】
水素発生物質収容容器３０１に収容される水素発生物質としては、水と１２０℃以下の低温で反応して水素を発生し得るものであれば特に制限はない。例えば、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、マグネシウムといった金属；アルミニウム、ケイ素、亜鉛、およびマグネシウムの中の１種以上の元素を主体とする合金；水素化化合物；などが好適に使用できる。
【０１１０】
アルミニウム、ケイ素、亜鉛およびマグネシウムの中の１種以上の元素を主体とする合金の場合には、主体となる前記の各元素以外の元素については特に限定されない。ここで、「主体」とは、合金全体に対して８０質量％以上、より好ましくは９０質量％以上含有されていることを意味している。
【０１１１】
アルミニウム、ケイ素、亜鉛、マグネシウムといった金属や、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、およびマグネシウムの中の１種以上の元素を主体とする合金は、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、本明細書において常温とは、２０〜３０℃の範囲の温度である。
【０１１２】
例えば、アルミニウムと水の場合、水素および酸化生成物を生成する反応は次式のようになる。
２Ａｌ＋６Ｈ２Ｏ  →  Ａｌ２Ｏ３・３Ｈ２Ｏ＋３Ｈ２    （１）
２Ａｌ＋４Ｈ２Ｏ  →  Ａｌ２Ｏ３・Ｈ２Ｏ＋３Ｈ２      （２）
２Ａｌ＋３Ｈ２Ｏ  →  Ａｌ２Ｏ３＋３Ｈ２              （３）
【０１１３】
なお、前記の金属や合金からなる水素発生物質は、表面に酸化皮膜を形成して安定化する。このため、水素発生物質の粒径をできるだけ小さくし、反応面積を大きくすることが好ましい。例えば、水素発生物質の形態としては、０．１〜１００μｍの粒径の粒状またはフレーク状であることが好ましく、粒径は、０．１〜５０μｍであることがより好ましい。水素発生物質の粒径が１００μｍ以下であることにより、スムーズに水素発生が起こるからである。更に水素発生物質の粒径を小さくすると水素発生速度が増加するが、０．１μｍより粒径が小さくなると、引火性が高まり取り扱いが困難になる。また、嵩密度が小さくなるため、水素発生物質の充填密度が低下し、エネルギー密度が低下しやすくなる。このため、水素発生物質の粒径は、０．１μｍ以上とすることが好ましい。
【０１１４】
なお、本明細書でいう水素発生物質の粒径は、平均粒径であり、体積基準の積算分率５０％における粒子直径の値を意味している。平均粒径の測定方法としては、例えば、レーザー回折・散乱法などを用いることができる。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ー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た粒子径分布の測定方法である。レーザー回折・散乱法による粒子径分布測定装置としては、例えば、日機装株式会社製の「マイクロトラックＨＲＡ」などを用いることができる。
【０１１５】
また、水素発生物質として用い得る水素化化合物としては、例えば、水素化ホウ素ナトリウムまたは水素化ホウ素カリウムなどの金属水素化物が挙げられる。これらの水素化化合物は、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Ｐｔ、Ｎｉなどの金属や酸などを用いることができる。
【０１１６】
例えば水素化ホウ素ナトリウムの場合、次式のように反応し、水素を発生することができる。
ＮａＢＨ４＋２Ｈ２Ｏ  →  ＮａＢＯ２＋４Ｈ２          （４）
【０１１７】
水素発生物質は、前記例示のものを１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。
【０１１８】
また、前記の水素発生物質を、水と反応して発熱する発熱物質（水素発生物質以外の物質）と共に用いることにより、低温（例えば５℃程度）の水を供給しても、前記発熱物質の発熱によって反応系内の温度を高めて、迅速な水素発生を可能とし得る。
【０１１９】
水と反応して発熱する発熱物質は、例えば、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、塩化カルシウム、塩化マグネシウム、硫酸カルシウムなどのように、水との反応により水酸化物となったり、水和することにより発熱するアルカリ金属またはアルカリ土類金属の酸化物、塩化物、硫酸化合物などを例示することができる。また、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の金属水素化物などのように水との反応により水素を生成するものは、前記の通り、水素発生物質として使用することが可能であるが、前記の金属や合金を水素発生物質として使用する場合の発熱物質としても用いることができる。
【０１２０】
なお、例えば発熱物質に関して、鉄粉のように酸素と反応して発熱するものも知られている。しかし、鉄粉を発熱物質として使用する場合には、反応時に酸素を導入しなければならず、前記のように水素発生物質と発熱物質が同一の反応容器内に配される場合は、発生する水素の純度が低下したり、水素発生物質が酸素によって酸化されて水素発生量が低下したりするなどの問題が生じやすくなる。そのため、発熱物質としては、水と反応して発熱する材料が好適に用いられる。
【０１２１】
特に、水素発生物質として、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、マグネシウムといった金属や、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、およびマグネシウムの中の１種以上の元素を主体とする合金を使用する場合には、前記発熱物質を併用することが好ましい。他方、水素発生物質として前記の水素化化合物を用いる場合には、前記発熱物質を併用しなくても、比較的良好な速度で水素を製造できるが、発熱物質を併用して、更に水素発生速度を高めてもよい。
【０１２２】
水素発生物質と前記発熱物質を併用する場合には、水素発生物質収容容器に導入する水素発生物質と発熱物質の合計１００質量％中、水素発生物質の量を８５質量％以上とすることが好ましい。水素発生物質と発熱物質の合計中の水素発生物質量が少なすぎると、水素発生量が低下したり、発熱物質量が多すぎることによって発熱が激しくなり水素発生反応を制御し難くなる虞がある。
【０１２３】
なお、前記の発熱物質は、水素発生物質と均一または不均一に混合してなる混合物として水素発生物質収容容器に入れてもよく、水素発生物質と別に水素発生物質収容容器に入れてもよい。後者の場合には、例えば、発熱物質を、水素発生物質収容容器に係る水供給パイプ（図１２中、３０５）の管口部近傍に偏在させて配置することが好ましい。このように発熱物質を配置することにより、より効率的に反応系内を加熱することができる。
【０１２４】
水素発生物質収容容器３０１は、水素を発生させる水素発生物質を収納可能であれば、その材質や形状は特に限定されないが、水の供給口や水素の導出口以外から水や水素が漏れない材質や形状が好ましい。具体的な容器の材質としては、水およ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、ポリエチレン、ポリプロピ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、円柱状などが採用できる。
【０１２５】
水収容容器３０２については特に制限はなく、例えば、従来の水素製造装置と同様の水を収容するタンクなどが採用できる。
【０１２６】
水収容容器３０２中の水が、水供給パイプ３０５を通じて水素発生物質収容容器３０１に供給されることで、容器３０１内の水素発生物質と反応して水素を発生するが、水素発生物質収容容器３０１内に存在する未反応の水が、発生した水素のガス圧力で押され、反応に利用されるべき水が、水素導出パイプ３０６を通じて水素製造装置３００の外に出てくる場合がある。
【０１２７】
よって、図１２に示すように、水素製造装置３００には、燃料電池２００と水素製造装置３００とを連結する燃料流路内に、凝縮水分離器３０４を設けることが好ましい。凝縮水分離器３０４は、水素導出パイプ３０６を介して水素発生物質収容容器３０１と連結されており、また、水素導出パイプ３０７が取り付けられている。水素発生物質収容容器３０１から排出された水素との混合物中の水は、水素導出パイプ３０６内で冷却されることで凝縮水となる。この凝縮水を伴う水素が凝縮水分離器３０４に導入されると、凝縮水が重力によって凝縮水分離器３０４の下部に落下して分離される。
【０１２８】
そして、図１２に示しているように、凝縮水分離器３０４と水収容容器３０２とを水回収パイプ３０８で連結しておくことで、凝縮水分離器３０４で分離した水を水収容容器３０２に回収することができる。このように、凝縮水分離器３０４で分離した水を回収することにより、水素発生のために使用する水の実質的な供給量を少なくすることが可能となり、水収容容器３０２をよりコンパクトにすることができる。
【０１２９】
また、図１２に示す水素製造装置では、水を収容する水収容容器３０２が、燃料電池２００を加湿するための水を供給する機能も有している。すなわち、水収容容器３０２には、燃料電池２００に設けられた加湿タンクに水を供給するための水供給パイプ３１０と水供給ポンプ３０９とが設けられている。このように、燃料電池発電システムを構成する燃料供給源を、水素発生物質と水との反応によって水素を供給する水素製造装置とした場合には、水素発生反応に使用するための水の一部を、燃料を加湿する水として使用する構成にできるため、システムをよりコンパクトにすることができる。
【０１３０】
本発明の燃料電池発電システムは、前記の通り、燃料電池におけるＭＥＡの乾燥に伴う出力低下を抑制して出力の安定化を図りつつ、システム全体をコンパクトにすることも可能であるため、より小型であることが要求される携帯機器などの電源用途を始めとして、各種電子機器の電源用途などに好ましく用いることができる。
【実施例】
【０１３１】
以下、実施例に基づいて本発明を詳細に述べる。ただし、下記実施例は、本発明を制限するものではない。
【０１３２】
実験１
＜燃料電池の作製＞
図１に示す構造の燃料電池を作製した。ＭＥＡ１００には、図８に示す構成のものを用いた。ＭＥＡ１００の正極および負極には、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１５には、デュポン社製「ナフィオン１１２」を用いた。各電極は２５ｍｍ×９２ｍｍ、固体高分子電解質膜は１０５ｍｍ×１００ｍｍとした。
【０１３３】
正極パネルプレート１には、図３に示す構造で、ステンレス３０４で構成された厚みが２ｍｍのものを用いた。開口部を形成するための酸素導入孔１１ａは、１ｍｍ×１３ｍｍの長方形の孔を、各ＭＥＡの正極拡散層上部に当たる部分全域にわたり、各々上下に６個、左右に１２個、合計７２個配置した。また、酸素導入孔１１ａは、左右に１ｍｍ、上下に２ｍｍの距離を空けて配置している。正極側の開口部の電極面積に対する割合（開口率）は４２％である。固定部２０には、φ３ｍｍの穴を、図３に示すように、ＭＥＡの外周部に相当する位置に設けた。ＭＥＡを挟んで隣り合う固定部間のうち、より短い固定部間の距離は３１ｍｍであり、ＭＥＡを挟まずに隣り合う固定部間の距離は１５ｍｍである。
【０１３４】
また、負極パネルプレート２には、正極パネルプレート１と同じ材質・形状のものを用意した。
【０１３５】
正極集電プレート５、６には、図４の（ａ）（正極端部集電プレート）および（ｂ）（正極集電プレート）に示す構造で、図５に示す断面構造のものを用いた。正極集電プレートの電極側の層（厚み０．２３ｍｍ）はＳＵＳ３０４で、電極の反対側の層（厚み０．０７ｍｍ）はＣｕで構成し、全面を厚み０．２μｍでＡｕを蒸着して被覆した。正極集電プレート５、６の酸素導入孔１１ｂおよび固定部２０の形状・配置は、正極パネルプレートと同様である。そして、正極端部集電プレート５には、正極集電端子部２４を設けた。更に、正極集電プレート６には、燃料電池の外周部に相当する位置に、正極直列接続タブ２５を１つ設けた。
【０１３６】
また、負極端部集電プレート７および負極集電プレート８には、正極端部集電プレート５および正極集電プレート６と同じ材質・形状のものを用意した。
【０１３７】
正極絶縁プレート３には、図６示す構造で、ガラスエポキシ樹脂で構成された厚みが０．５ｍｍのものを用いた。正極絶縁プレート３の酸素導入孔１１ｃおよび固定部２０の形状・配置は、正極パネルプレートと同様である。また、負極絶縁プレート４には、正極絶縁プレート３と同じ材質・形状のものを用意した。
【０１３８】
加湿タンク１０には、図２に示す構造で、ガラスエポキシ樹脂で構成された厚み３ｍｍのものを用いた。中央のタンク内部２１の深さは２ｍｍである。また、供給口２２および供給口２３は、タンク内部２１における開口部分の形状を円形（直径：２ｍｍ、面積：３．１４ｍｍ２）とした。そして、供給口２２は、その中心（供給口２２の開口部分の円の中心）からタンク内部の図２中下辺までの直線距離が１ｍｍの箇所に設けた。また、排出口２３は、その中心（排出口２３の開口部分の円の中心）からタンク内部の図２中下辺までの直線距離が５ｍｍの箇所に設けた。
【０１３９】
シール９ａ、９ｂには、図９に示す構造で、シリコンゴムで構成された厚み０．２ｍｍのものを用いた。電極を収めるための孔２８のサイズは２６ｍ×９３ｍｍとした。
【０１４０】
以上の各部材を図１に示す順序で積層し、ボルト１８とナット１９を用いて締め込んで、燃料電池を作製した。
【０１４１】
＜水素製造装置の作製＞
次に、図１２に示す構成の水素製造装置３００を作製した。水素発生物質収容容器３０１には、内容積５０ｃｍ３のポリプロピレン製角柱状の容器を用いた。水供給パイプ３０５、水素導出パイプ３０６、および水回収パイプ３０８には、内径２ｍｍ、外径３ｍｍのポリプロピレン製のパイプを用いた。水素発生物質収容容器３０１に、水素発生物質として平均粒径３μｍのアルミニウム粉末１９．７ｇと、発熱物質として酸化カルシウム２．５ｇを入れた。水収容容器３０２には内容積５０ｃｍ３のポリプロピレン製角柱状の容器を用い、その中に水を４５ｇ入れた。凝縮水分離器３０４には、内容積１０ｃｍ３のポリプロピレン製角柱状の容器を用いた。
【０１４２】
＜燃料電池発電システムの組み立て＞
前記の燃料電池と水素製造装置とを、内径２ｍｍ、外径３ｍｍのポリプロピレン製のパイプ（図１２中、３０７、３１０）で連結して、燃料電池発電システムを作製した。
【０１４３】
前記の燃料電池発電システムにおいて、水素製造装置から水素を発生させ、３．７Ａの定電流で発電試験を行った。なお、試験は室温２５℃で行い、水素製造装置３００の水収容容器３０２から燃料電池２００に水を供給し、加湿タンク１０内に、排出口２３の位置まで水を貯留した状態で発電させた。
【０１４４】
実験２
＜燃料電池の作製＞
水素製造装置に、図１３に示す構成の水素製造装置５００を用いた以外は、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。水素製造装置５００は、水収容容器３０２から燃料電池２００に水を供給する水供給パイプ３１０および、水供給ポンプ３０９が設けられていないこと以外は、水素製造装置３００と同じ構成である。
【０１４５】
前記の燃料電池発電システムを用い、加湿タンク１０内に水を貯留させない以外は、実験１と同様にして発電試験を行った。すなわち、実験２における発電試験は、加湿装置を持たない燃料電池発電システムでの発電試験に相当する。
【０１４６】
実験１および実験２の発電試験結果を図１４に示す。
【０１４７】
図１４から明らかなように、実験１の燃料電池発電システムでは、安定に発電を継続できている。一方、実験２の燃料電池発電システムの場合、発電開始後３０分あたりから連続的に電圧が低下しており、安定に発電を続けることができなかった。
【図面の簡単な説明】
【０１４８】
【図１】本発明の燃料電池発電システムを構成する燃料電池および加湿装置の一例を示す断面模式図である。
【図２】本発明の燃料電池発電システムを構成する加湿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を構成する燃料電池に係る正極パネルプレートの一例を示す平面模式図である。
【図４】本発明の燃料電池発電システムを構成する燃料電池に係る正極集電プレートの一例を示す平面模式図である。
【図５】正極集電プレートの一部の断面模式図である。
【図６】本発明の燃料電池発電システムを構成する燃料電池に係る正極絶縁プレートの一例を示す模式図である。
【図７】本発明の燃料電池発電システムを構成する燃料電池に係る電極・電解質一体化物の一例を示す模式図である。
【図８】本発明の燃料電池発電システムを構成する燃料電池に係る電極・電解質一体化物の他の例を示す模式図である。
【図９】本発明の燃料電池発電システムを構成する燃料電池に係るシールの一例を示す平面模式図である。
【図１０】開口部の形状の説明図である。
【図１１】本発明の燃料電池発電システムの構成例を示す模式図である。
【図１２】本発明の燃料電池発電システムを構成し得る水素製造装置の構成例を示す模式図である。
【図１３】比較例１の燃料電池発電システムに係る水素製造装置の構成を示す模式図である。
【図１４】実施例１および比較例１の燃料電池発電システムの発電試験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１４９】
１０  加湿装置（加湿タンク）
２１  タンク内部
２２  供給口
２３  排出口
１００  電極・電解質一体化物
３００  水素製造装置
【図１】
2009259736.tif 000003
【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】
2009259736.tif 000009
【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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