(57)【要約】【課題】  燃料の利用率の高い燃料電池、該燃料電池を有する燃料電池発電システム、および該燃料電池発電システムを用いた発電方法を提供する。【解決手段】  複数個の電極・電解質一体化物で構成され、その負極側に燃料流路を有する電極・電解質一体化物ユニットが複数積層されてなり、燃料入口側から数えて少なくとも３組の電極・電解質一体化物ユニットにおける各燃料流路が互いに並列に接続されるように燃料流路接続部が配置されており、燃料出口に接続される燃料流路が、燃料出口に最も近い電極・電解質一体化物ユニットに係る燃料流路のみであることを特徴とする燃料電池、水素発生物質に水を供給して水素を発生させる水素製造装置と前記燃料電池とを有する燃料電池発電システム、および前記燃料電池発電システムを用いて燃料電池に供給した燃料のうち８０〜１００％を発電で消費する発電方法である。【選択図】  図１８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素を還元する正極、燃料を酸化する負極、および前記正極と前記負極との間に配置された固体電解質を有する電極・電解質一体化物を複数個有し、それぞれの同一極が同じ向きになるように、前記複数個の電極・電解質一体化物が平面的に配置されてなる電極・電解質一体化物ユニットを、４組以上積層させてなる燃料電池であって、
前記燃料電池は、内部に燃料を導入するための燃料入口と、内部の余剰のガスを外部に排出するための燃料出口とを有しており、
前記電極・電解質一体化物ユニットは、隣接する電極・電解質一体化物ユニットの同一極側が互いに対向するように積層されており、
前記電極・電解質一体化物ユニットの正極側には、該正極に空気を供給するための空気流路が設けられ、
前記電極・電解質一体化物ユニットの負極側には、該負極に燃料を供給するための燃料流路が設けられ、
前記隣接する電極・電解質一体化物ユニット間では、前記空気流路および前記燃料流路が共有されており、
各々の前記燃料流路は、前記燃料入口から導入された燃料が、前記燃料出口に向けて内部を流通できるように燃料流路接続部によって接続されており、
前記燃料入口側から数えて少なくとも３組の電極・電解質一体化物ユニットにおける各燃料流路が、互いに並列に接続されるように前記燃料流路接続部が設置されており、
前記燃料出口に接続される燃料流路が、前記燃料出口に最も近い電極・電解質一体化物ユニットにおける燃料流路のみであることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
電極・電解質一体化物ユニットが５組以上積層され、燃料出口側から数えて全積層数の１／３以上の電極・電解質一体化物ユニットにおける各燃料流路が順に直列に接続されるように燃料流路接続部が配置されている請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
酸素を還元する正極、燃料を酸化する負極、および前記正極と前記負極との間に配置された固体電解質を有する電極・電解質一体化物を複数個有し、それぞれの同一極が同じ向きになるように、前記複数個の電極・電解質一体化物が平面的に配置されてなる電極・電解質一体化物ユニットを、３組ないし６組積層させてなる燃料電池であって、
前記燃料電池は、内部に燃料を導入するための燃料入口と、内部の余剰のガスを外部に排出するための燃料出口とを有しており、
前記電極・電解質一体化物ユニットは、隣接する電極・電解質一体化物ユニットの同一極側が互いに対向するように積層されており、
前記電極・電解質一体化物ユニットの正極側には、該正極に空気を供給するための空気流路が設けられ、
前記電極・電解質一体化物ユニットの負極側には、該負極に燃料を供給するための燃料流路が設けられ、
前記隣接する電極・電解質一体化物ユニット間では、前記空気流路および前記燃料流路が共有されており、
各々の前記燃料流路は、前記燃料入口から導入された燃料が、前記燃料出口に向けて内部を流通できるように、燃料流路接続部によって順に直列に接続されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
酸素を還元する正極、燃料を酸化する負極、および前記正極と前記負極との間に配置された固体電解質を有する電極・電解質一体化物を複数個有し、それぞれの同一極が同じ向きになるように、前記複数個の電極・電解質一体化物が平面的に配置されてなる電極・電解質一体化物ユニットを、２組積層させてなる燃料電池であって、
前記燃料電池は、内部に燃料を導入するための燃料入口と、内部の余剰のガスを外部に排出するための燃料出口とを有しており、
前記電極・電解質一体化物ユニットは、隣接する電極・電解質一体化物ユニットの正極極側が互いに対向するように積層されており、
前記電極・電解質一体化物ユニットの正極側には、該正極に空気を供給するための空気流路が設けられ、
前記電極・電解質一体化物ユニットの負極側には、該負極に燃料を供給するための燃料流路が設けられ、
前記隣接する電極・電解質一体化物ユニット間では、前記空気流路が共有されており、
前記燃料流路は、前記燃料入口から導入された燃料が、前記燃料出口に向けて内部を流通できるように、燃料流路接続部によって直列に接続されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
各電極・電解質一体化物が、正極と負極とが導通可能に構成されている請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項６】
各電極・電解質一体化物の正極には、空気流路から正極に空気を供給するための空気供給孔が形成された正極集電板が配置され、各電極・電解質一体化物の負極には、燃料流路から負極に燃料を供給するための燃料供給孔が形成された負極集電板が配置されており、前記正極集電板および前記負極集電板には、電極・電解質一体化物同士を電気的に接続するための集電タブが、燃料電池の外周部に相当する位置に２つ形成されている請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項７】
少なくとも燃料電池と燃料供給源とを有する燃料電池発電システムであって、
前記燃料電池が、請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池であり、
前記燃料供給源が、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であることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項８】
水素発生物質が、水素化化合物である請求項７に記載の燃料電池発電システム。
【請求項９】
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種の金属である請求項７に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１０】
燃料電池と燃料供給源との間に、水素を消費することが可能な水素除去装置を有している請求項７〜９のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【請求項１１】
水素除去装置が、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る固体電解質膜とを有し、かつ前記正極と前記負極とが導通可能に構成された電極・電解質一体化物を備えたものである請求項１０に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１２】
請求項７〜１１のいずれかに記載の燃料電池発電システムを使用し、燃料電池に供給した燃料のうち８０〜１００％を、前記燃料電池の発電で消費することを特徴とする発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、該燃料電池を用いた燃料電池発電システム、および該燃料電池発電システムを用いた発電方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境対策や、既存のエネルギーおよび電池の代替などを目的として、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、燃料および空気（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。正極と負極と電解質としての固体高分子電解質とからなる電極・電解質一体化物（ＭＥＡ）を備え、正極活物質に空気中の酸素、負極活物質に水素を用いるＰＥＦＣは、室温から発電が可能であり、自動車用、家庭用分散型電源、既存電池の代替として注目されている。
【０００３】
通常ＰＥＦＣは、単セル（単一のＭＥＡ）の電圧が０．５〜０．８Ｖと低いため、数枚から数百枚のＭＥＡを積層することで構成されている。そのため、積層数が多くなると、ＰＥＦＣがかさ高くなってしまう。そこで、例えば特許文献１には、平面状に２つ以上のＭＥＡを配置して、コンパクト化を可能にした燃料電池が提案されている。また、特許文献１に開示の技術では、正極同士および負極同士を対向させて配置する方式を採用することにより、酸素や燃料の供給構造の容易化、および積層するＭＥＡの電気的接続の容易化を実現している。
【０００４】
【特許文献１】特開平８−１７４５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池には、以下の問題点がある。
【０００６】
特許文献１に記載の燃料電池における燃料の供給構造では、隣接するＭＥＡにおいて対向する負極同士に対し、燃料のメイン流路から分岐してそれぞれの負極へ燃料（水素）を供給している。このような構造の場合、下記の理由から、反応に必要な流量の１．３〜１．５倍の量の水素を燃料のメイン流路に供給しなければならない。
【０００７】
燃料のメイン流路に供給された水素は、各ＭＥＡの負極に少しずつ供給されて次第に消費されていくため、燃料流路を通過する水素の流速は次第に遅くなる。よって、前記よりも少ない流量で水素をメイン流路に供給すると、燃料流路がＭＥＡ毎に分岐している場合、燃料の出口に近づくと水素の流速が非常に遅くなるため、このような箇所において、発電による生成水が燃料流路上に溜まった場合、前記生成水を押し流すことができなくなり、対向するＭＥＡのうちの一方に係る負極に供給される水素の流れが止まってしまう。その結果、前記一方のＭＥＡでは発電ができなくなり、更に該ＭＥＡの負極の劣化が生じてしまう。
【０００８】
しかしながら、燃料流路内での生成水の滞留による前記の問題を回避するために、反応に必要な流量よりも多い量の燃料（水素）を燃料メイン流路に供給することは、燃料の利用率の低下を引き起こす他、燃料電池から排出されるガス中の水素量が多くなり、安全性の面でも問題が生じる虞がある。よって、複数のＭＥＡを積層した構成の燃料電池においては、燃料の有効利用や安全性の観点から、なるべく余剰の水素を無駄に供給せずに発電できる構造を有することが望まれる。
【０００９】
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、燃料の利用率の高い燃料電池、該燃料電池を有する燃料電池発電システム、および該燃料電池発電システムを用いた発電方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的を達成し得た本発明の燃料電池は、酸素を還元する正極、燃料を酸化する負極、および前記正極と前記負極との間に配置された固体電解質を有する電極・電解質一体化物を複数個有し、それぞれの同一極が同じ向きになるように、前記複数個の電極・電解質一体化物が平面的に配置されてなる電極・電解質一体化物ユニットを、４組以上積層させてなる燃料電池であって、前記燃料電池は、内部に燃料を導入するための燃料入口と、内部の余剰のガスを外部に排出するための燃料出口とを有しており、前記電極・電解質一体化物ユニットは、隣接する電極・電解質一体化物ユニットの同一極側が互いに対向するように積層されており、前記電極・電解質一体化物ユニットの正極側には、該正極に空気を供給するための空気流路が設けられ、前記電極・電解質一体化物ユニットの負極側には、該負極に燃料を供給するための燃料流路が設けられ、前記隣接する電極・電解質一体化物ユニット間では、前記空気流路および前記燃料流路が共有されており、各々の前記燃料流路は、前記燃料入口から導入された燃料が、前記燃料出口に向けて内部を流通できるように燃料流路接続部によって接続されており、前記燃料入口側から数えて少なくとも３組の電極・電解質一体化物ユニットにおける各燃料流路が、互いに並列に接続されるように前記燃料流路接続部が設置されており、前記燃料出口に接続される燃料流路が、前記燃料出口に最も近い電極・電解質一体化物ユニットにおける燃料流路のみであることを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明の燃料電池の別の態様は、酸素を還元する正極、燃料を酸化する負極、および前記正極と前記負極との間に配置された固体電解質を有する電極・電解質一体化物を複数個有し、それぞれの同一極が同じ向きになるように、前記複数個の電極・電解質一体化物が平面的に配置されてなる電極・電解質一体化物ユニットを、３組ないし６組積層させてなる燃料電池であって、前記燃料電池は、内部に燃料を導入するための燃料入口と、内部の余剰のガスを外部に排出するための燃料出口とを有しており、前記電極・電解質一体化物ユニットは、隣接する電極・電解質一体化物ユニットの同一極側が互いに対向するように積層されており、前記電極・電解質一体化物ユニットの正極側には、該正極に空気を供給するための空気流路が設けられ、前記電極・電解質一体化物ユニットの負極側には、該負極に燃料を供給するための燃料流路が設けられ、前記隣接する電極・電解質一体化物ユニット間では、前記空気流路および前記燃料流路が共有されており、各々の前記燃料流路は、前記燃料入口から導入された燃料が、前記燃料出口に向けて内部を流通できるように、燃料流路接続部によって順に直列に接続されていることを特徴とするものである。
【００１２】
更に、本発明の燃料電池の別の態様は、酸素を還元する正極、燃料を酸化する負極、および前記正極と前記負極との間に配置された固体電解質を有する電極・電解質一体化物を複数個有し、それぞれの同一極が同じ向きになるように、前記複数個の電極・電解質一体化物が平面的に配置されてなる電極・電解質一体化物ユニットを、２組積層させてなる燃料電池であって、前記燃料電池は、内部に燃料を導入するための燃料入口と、内部の余剰のガスを外部に排出するための燃料出口とを有しており、前記電極・電解質一体化物ユニットは、隣接する電極・電解質一体化物ユニットの正極極側が互いに対向するように積層されており、前記電極・電解質一体化物ユニットの正極側には、該正極に空気を供給するための空気流路が設けられ、前記電極・電解質一体化物ユニットの負極側には、該負極に燃料を供給するための燃料流路が設けられ、前記隣接する電極・電解質一体化物ユニット間では、前記空気流路が共有されており、前記燃料流路は、前記燃料入口から導入された燃料が、前記燃料出口に向けて内部を流通できるように、燃料流路接続部によって直列に接続されていることを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明の燃料電池発電システムは、少なくとも燃料電池と燃料供給源とを有するものであって、前記燃料電池が本発明の燃料電池であり、前記燃料供給源が、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であることを特徴とするものである。
【００１４】
更に、本発明の発電方法は、本発明の燃料電池発電システムを使用し、燃料電池に供給した燃料のうち８０〜１００％を、前記燃料電池の発電で消費することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、燃料の利用率の高い燃料電池、該燃料電池を有する燃料電池発電システム、および該燃料電池発電システムを用いた発電方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１に本発明の燃料電池の一例を模式的に示す。図１は燃料電池１の断面図であるが、各構成要素の理解を容易にするため、断面であることを示す斜線は付していない（後記の図２においても同様である）。また、図１には、燃料流路および燃料流路接続部について、接続構造の理解を容易にする目的で符号を付しているが、これらは負極セパレータ、正極セパレータおよびＭＥＡ内に設けられるものである（後記の図２、図１７〜図２０においても同様である）。
【００１７】
図１中、２はＭＥＡユニットで、２つのＭＥＡ２ａ、２ｂが平面的に配置されている。そして、燃料電池１は、ＭＥＡユニット２が１１組積層されて構成されている。隣接するＭＥＡユニット２、２同士は、負極同士または正極同士が対向しており、負極同士が対向する箇所では負極セパレータ３Ａ、３Ｂ、３Ｃが隣接するＭＥＡユニット２、２同士の間に配置され、正極同士が対向する箇所では、正極セパレータ４が隣接するＭＥＡユニット２、２同士の間に配置されている。５は燃料電池１の外装を構成するエンドプレートであり、最外層に位置するＭＥＡユニット２のうち、負極側がエンドプレート５と対向する側（図中左側）では、負極とエンドプレート５との間にも負極セパレータ３Ａが配置されている。また、最外層に位置するＭＥＡユニット２のうち、正極側がエンドプレート５と対向する側（図中右側）では、正極とエンドプレート５との間にも正極セパレータ４が配置されている。図中の矢印は、燃料（水素）の流れる方向を示しており、６は燃料電池１の内部に燃料（水素）を導入するための燃料入口、７は発電に関与しなかった燃料やその他のガスなどの余剰のガスを、燃料電池１の外部に排出するための燃料出口である。
【００１８】
負極セパレータ３Ａ、３Ｂ、３Ｃには、燃料（水素）を流し、ＭＥＡユニット２の負極に燃料を供給するための燃料流路が、正極セパレータ４には、空気を流し、ＭＥＡユニット２の正極に空気を供給するための空気流路が、それぞれ設けられている。よって、隣接するＭＥＡユニット２、２の負極同士が対向する箇所では、これらＭＥＡユニット２、２同士が燃料流路を共有している。また、隣接するＭＥＡユニット２、２の正極同士が対向する箇所では、これらＭＥＡ２、２同士が空気流路を共有している。
【００１９】
また、負極セパレータ３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、正極セパレータ４、およびＭＥＡユニット２には、各ＭＥＡユニットの負極側に存在する燃料流路同士を、燃料入口６から導入された燃料が燃料出口７に向けて内部を流通できるように接続するための燃料流路接続部、および各ＭＥＡユニットの正極側に存在する空気流路同士を、空気が内部を流通できるように接続するための空気流路接続部も設けられている［後記の図４に示す貫通穴２０６、図６に示すマニホールドまたはガス導入口３０６、図９〜図１１、図１４に示すマニホールド（水素マニホールドまたは空気マニホールド）３２１、３２３、４２１、４２３、または水素導入口３２２が、燃料流路接続部および空気流路接続部を構成する］。
【００２０】
負極セパレータは、燃料入口６に近い側から３つが負極セパレータ３Ａであり、これら負極セパレータ３Ａには、各燃料流路を並列に接続する燃料流路接続部を形成できるように水素マニホールドが設けられている。そして、最右の負極セパレータ３Ａの右側に配置されている負極セパレータ３Ｃ、その右に配置されている負極セパレータ３Ｂ、および更にその右に配置されている負極セパレータ３Ｃには、各燃料流路を直列に接続する燃料流路接続部を形成できるように水素マニホールドおよび水素導入口が設けられている。
【００２１】
すなわち、図１に示す燃料電池１では、燃料入口６側から数えて７組のＭＥＡユニット２に係る燃料流路１０、１１、１２、１３が互いに並列に接続されるように、燃料流路接続部４０、４１、４２、４３、４４、４５が配置されている。そして、燃料出口７側のＭＥＡユニット２に係る燃料流路１５、１４、１３が順に直列に接続されるように、燃料流路接続部４７、４６が配置されている。
【００２２】
このように、本発明の燃料電池の第一の態様では、燃料出口に接続される燃料流路が、燃料出口に最も近いＭＥＡユニットにおける燃料流路のみとなるように、少なくとも、燃料流路に最も近い燃料流路と、その次に燃料出口に近い燃料流路とが直列に接続されるように燃料流路接続部が配置されている［すなわち、後記の図２０に示すように、燃料出口７に最も近い燃料流路３３と、その次に燃料出口７に近い燃料流路３２とが並列に接続されている場合、燃料流路３２も、燃料流路３３を介することなく（燃料流路接続部６６を介して）燃料出口７と接続するようになる。］。よって、第一の態様の燃料電池では、供給する水素を、例えば、発電に必要な量と同等か、それより僅かに多い程度に減らしても、水素の流量の少なくなる燃料出口近くの燃料流路において、生成水を押し出し得る程度の流量を確保できる。そのため、発電に関与しない余剰の水素の供給量を可及的に低減できることから、水素の利用率（供給する全水素のうち、発電に使用される水素の割合）を高めることができ、また、燃料出口から排出されるガス中の水素量を低減して、安全性を高めることもできる。
【００２３】
なお、第一の態様の燃料電池ではＭＥＡユニットの積層数が４組以上であるが、燃料電池はＭＥＡユニットの積層数が多くなると、その燃料流路の多くが直列に接続されていた場合、燃料入口からの燃料の供給圧力を非常に高くする必要が生じる。そこで、第一の態様の燃料電池では、燃料出口近くの各燃料流路を直列に接続する一方で、燃料入口側から少なくとも３組のＭＥＡユニットにおける各燃料流路を互いに並列に接続するようにすることで、燃料入口からの燃料の供給圧力を低くできるようにして、より効率的な発電を可能としている。
【００２４】
他方、燃料電池を構成するＭＥＡユニットの積層数が少ない場合、各燃料流路を全て直列に接続しても、燃料入口からの燃料の供給圧力を、さほど高くする必要がない。そこで、本発明の第二の態様の燃料電池（ＭＥＡユニットの積層数が３組ないし４組）および本発明の第三の態様の燃料電池（ＭＥＡユニットの積層数が２組）では、全ての燃料流路を直列に接続するように燃料流路接続部を配置し、水素の利用率の向上と、燃料出口から排出されるガス中の水素量を低減することによる安全性の向上とを達成している。
【００２５】
図２に、本発明の燃料電池の第三の態様の一例の断面模式図を示す。図２の燃料電池１は、ＭＥＡユニット２、２を２組有するものであり、これらＭＥＡユニット２、２は、正極セパレータ４を介して正極同士が対向するように配置されており、正極セパレータ４に設けられた空気流路を共有している。また、両ＭＥＡユニット２、２の負極は、それぞれ負極セパレータ３Ｂ、３Ｃを介してエンドプレート５、５と対向している。そして、負極セパレータ３Ｃに設けられた燃料流路１６と、負極セパレータ３Ｂに設けられた燃料流路１７とが、燃料流路接続部４８によって直列に接続している。
【００２６】
なお、ＭＥＡユニットの積層数は６組程度までは、各燃料流路を全て直列に接続しても燃料供給にさほど支障が生じないが、積層数が７組以上になると燃料流路での圧損が大きくなり、燃料電池への水素の供給圧力を高くする必要が生じるため、第一の態様のように、燃料入口側の一部の燃料流路を互いに並列に接続する必要が生じる。また、水素の供給圧力をより低くできる点からは、ＭＥＡユニットの積層数が４組以上の場合には、第一の態様の燃料電池とすることがより好ましい。
【００２７】
本発明の燃料電池を構成するＭＥＡユニットの積層数は、複数であれば特に制限はなく、用途に応じて燃料電池に要求される出力や電圧を確保できるように適宜決定すればよい。例えば、第三の態様の燃料電池のように２組でもよく、第二の態様の燃料電池のように３組ないし６組でもよく、第一の態様の燃料電池のように４組以上でも構わないが、通常は１００組程度までである。
【００２８】
他方、燃料電池を構成するＭＥＡユニットの数が多いほど、燃料出口近くの燃料流路内での水素の流量は低下するため、ＭＥＡユニットを５組以上（好ましくは６組以上、より好ましくは７組以上、更に好ましくは８組以上）積層してなる燃料電池では、全ＭＥＡユニットのうち、燃料出口側から数えて全積層の１／３以上のＭＥＡユニットにおける燃料流路が、順に直列に接続するように燃料流路接続部が配置されていることが好ましい。このような構成とすることにより、本発明の効果をより良好に確保できるようになる。
【００２９】
図３に、本発明の燃料電池の一例の一部分解図を示す。ＭＥＡユニット２は、１枚の固体電解質膜に２組の電極（正極および負極）が配置されることで、２つのＭＥＡが平面的に配置された構造をとっている。ＭＥＡユニット２の上下には、シール８が配置されており、これにより水素および空気の漏れを抑制している。
【００３０】
隣接する２つのＭＥＡユニットの負極同士の間に配置される負極セパレータ３は、負極集電板３ａ、３ｂが、負極絶縁体３ｃの両面にそれぞれ配置されて構成されている。また、隣接する２つのＭＥＡユニットの正極同士の間に配置される正極セパレータ４は、正極集電板４ａ、４ｂが、正極絶縁体４ｃの両面にそれぞれ配置されて構成されている。
【００３１】
図４に、本発明の燃料電池に係るＭＥＡユニットの一例の斜視図を、図５に、図４のＭＥＡユニットの断面図を示す。図４および図５に示すＭＥＡユニット２は、１枚の固体電解質膜２０３上に、正極拡散層２０１と正極触媒層２０２で構成される正極と、負極拡散層２０５と負極触媒層２０４で構成される負極とからなる２組の電極が配置されており、これにより２つＭＥＡが平面状に配置された構造をとっている。なお、図４中、２０６は、正極に供給される空気が通過する空気流路または負極に供給される水素が通過する貫通穴であり、後記の負極セパレータおよび正極セパレータにおけるマニホールドと連結している。また、２０７は、燃料電池を形成するために各構成要素を纏めてボルトとナットにより固定する際に使用されるボルト穴である。
【００３２】
正極拡散層２０１および負極拡散層２０５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２０１や負極拡散層２０５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［ポリテトラフルオロエチレン（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。
【００３３】
正極触媒層２０２は、正極拡散層２０１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２０２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。
【００３４】
正極触媒層２０２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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
正極触媒層２０２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。
【００３８】
正極触媒層２０２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。
【００３９】
正極触媒層２０２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が用いることができる。
【００４０】
正極触媒層２０２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。
【００４１】
負極触媒層２０４は、負極拡散層を介して拡散してきた水素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。
【００４２】
負極触媒層２０４に係る触媒は、水素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。
【００４３】
固体電解質膜２０３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。固体電解質膜２０３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、固体電解質膜２０３の材料として用いることができる。
【００４４】
なお、図４および図５では、平面的に配置された２つのＭＥＡが、１枚の固体電解質膜２０３を共有している構成のＭＥＡユニット２を示したが、本発明の燃料電池に係るＭＥＡユニットを構成するＭＥＡは、それぞれが個別に固体電解質膜を有していてもよい。また、図４および図５では、２つのＭＥＡで構成されたＭＥＡユニットを示したが、本発明に係るＭＥＡユニットは、複数個のＭＥＡを有していればよいので、ＭＥＡを３つ以上（３つ、４つ、５つなど）有していても構わない。
【００４５】
なお、燃料電池においては、その運転が停止した後においても、燃料電池内に水素が残留し、これによってＭＥＡの正極および負極が劣化して、燃料電池の寿命が損なわれることがある。よって、ＭＥＡユニットを構成する個々のＭＥＡは、その正極と負極とが、導通可能となるように、例えば抵抗およびスイッチを介してリード体などにより接続されていることが好ましい。このような構成のＭＥＡを有する燃料電池の場合には、燃料電池の運転が停止した際に、個々のＭＥＡにおいて、例えば、正極−負極間を繋ぐリード体に設けたスイッチをオンにするなどして正極と負極とを導通させることにより、燃料電池内に残留している水素を消費することができる。よって、前記のような構成のＭＥＡを有する燃料電池であれば、内部に残留する水素による燃料電池の劣化を抑制して、その寿命を長期化することができる。
【００４６】
また、ＭＥＡの正極と負極とを導通可能にするにあたり、正極と負極との間に介在させる抵抗としては、例えば、燃料電池の停止後、ＭＥＡ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ればよく、抵抗を用いなくても、このような時間でＭＥＡの正極−負極間の電圧を前記のように下げることができるのであれば、ＭＥＡの正極と負極とは、抵抗を用いずにスイッチのみを介してリード体などで接続して、導通可能としてもよい。
【００４７】
図６に、本発明の燃料電池に使用可能な負極セパレータの一例の斜視図を示す。負極セパレータ３は、負極集電板３ａ、３ｂが、負極絶縁体３ｃの両面にそれぞれ配置されて構成されている。３０６はマニホールドまたはガス導入口（空気流路用もしくは燃料流路用のマニホールドまたは空気導入口もしくは水素導入口）であり、３０７は各構成要素を固定するためのボルト穴である。
【００４８】
図７に、図６の負極セパレータに係る負極集電板の平面図を示す。図６の負極セパレータ３では２種類の負極集電板３ａ、３ｂが使用されている。３１０は、燃料電池におけるＭＥＡ同士を電気的に接続するための集電タブであり、燃料電池の外周部に相当する位置に２つ形成されている。また、３１１は燃料供給孔であり、負極セパレータ３が重ねられるＭＥＡユニットにおける負極に相当する位置に設けられている。負極絶縁体に設けられた燃料流路を通過してきた水素は、燃料供給孔３１１から、ＭＥＡユニットに係るＭＥＡの負極へ供給される。
【００４９】
負極集電板に係る集電タブは、燃料電池の外周部に相当する位置に１つだけでもよいが、図７に示すように２つ設けることが好ましい。１つの集電タブによって他の集電板と接続するよりも、２つの集電タブによって接続する方が、集電板間の抵抗が低減されるため、燃料電池の出力をより向上させることができる。
【００５０】
負極集電板３ａ、３ｂを構成する素材としては、電子伝導性および耐食性の高いものであれば特に制限はないが、例えば、黒鉛、カーボンと樹脂の混練物、ステンレス、ステンレスに金や白金をメッキしたもの、チタン、チタンに金や白金をメッキしたもの、ステンレス銅クラッド、ステンレス銅クラッドに金や白金をメッキしたものなどが好適である。
【００５１】
図８〜図１１に、負極セパレータに係る負極絶縁体３ｃを模式的に示す。図８は、負極絶縁体の斜視図である。また、図９は、図１に示した燃料電池に係る負極セパレータ３Ａに使用される負極絶縁体の平面図および断面図であり、（ａ）平面図、（ｂ）Ｘ−Ｘ線断面図、（ｃ）Ｙ−Ｙ線断面図、（ｄ）Ｚ−Ｚ線断面図である。なお、図９中の（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）は断面図であるが、理解を容易にする目的で、断面より背面側の輪郭線を省略しており、また、断面であることを示す斜線を省略している（後記の図１０、図１１、図１４においても同様である）。
【００５２】
負極絶縁体３ｃには、負極セパレータ３が重ねられるＭＥＡユニットにおける負極に相当する位置に燃料流路３２０が形成されており、燃料流路接続部を形成するための水素マニホールド３２１および水素導入口３２２の構成を変えることで、各ＭＥＡユニットの燃料流路同士の接続を直列にしたり並列にしたりすることができる。図９に示す負極絶縁体３ｃは、前記の通り、図１に示した燃料電池に係る負極セパレータ３Ａ、すなわち、ＭＥＡユニットの燃料流路同士を並列に接続する箇所に適用されるものである。
【００５３】
また、図９中、３２３は、ＭＥＡユニットの正極側の空気流路同士を接続する空気流路接続部を形成するための空気マニホールドである。
【００５４】
図９に示す負極絶縁体３ｃでは、（ｄ）に示すように、図中左側の水素マニホールド３２１に図中上側から水素が流入した場合、その一部が燃料流路３２０に流入し、残りは水素マニホールド３２１の図中下部の孔から図中下側に積層されたＭＥＡユニットのマニホールドに向かう。そして、燃料流路３２０に流入した水素はＭＥＡの負極に供給され、ここで消費されなかった水素は、図中右側の水素マニホールド３２１から排出される。
【００５５】
図１０に、図１に示した燃料電池に係る負極セパレータ３Ｂ、すなわち、ＭＥＡユニットの燃料流路同士を直列に接続する箇所に適用される負極絶縁体の平面図および断面図を示す。図１０中、（ａ）平面図、（ｂ）Ｘ−Ｘ線断面図、（ｃ）Ｙ−Ｙ線断面図、（ｄ）Ｚ−Ｚ線断面図である。
【００５６】
図１０に示す負極絶縁体３ｃでは、水素導入口３２２から流入する水素の全てが、燃料流路３２０内に導入される。そして、燃料流路３２０に流入した水素はＭＥＡの負極に供給され、ここで消費されなかった水素は、水素マニホールド３２１から排出される。
【００５７】
図１１に、図１に示した燃料電池に係る負極セパレータ３Ｃ、すなわち、ＭＥＡユニットの燃料流路同士を直列に接続する箇所に適用される負極絶縁体の平面図および断面図を示す。図１１中、（ａ）平面図、（ｂ）Ｘ−Ｘ線断面図、（ｃ）Ｙ−Ｙ線断面図、（ｄ）Ｚ−Ｚ線断面図である。
【００５８】
図１１に示す負極絶縁体３ｃは、図１０に示す負極絶縁体と対称構造となっている。図１１に示す負極絶縁体３ｃでは、水素導入口３２２から流入した水素の全てが燃料流路３２０内に導入される。そして、燃料流路３２０に流入した水素はＭＥＡの負極に供給され、ここで消費されなかった水素は、水素マニホールド３２１から排出される。
【００５９】
負極絶縁体３ｃを構成する素材としては、電気絶縁性のものであれば特に制限はないが、例えば、ポリイミド樹脂、ガラスエポキシ樹脂などが好適である。
【００６０】
本発明の燃料電池に使用する正極セパレータとしては、例えば、前記の負極セパレータと同様の構成のものが使用できる。
【００６１】
すなわち、正極集電板は、図７に示す負極集電板と同様に、燃料電池におけるＭＥＡ同士を電気的に接続するための集電タブ（図７中、３１０）を有し、また、正極セパレータが重ねられるＭＥＡユニットにおける正極に相当する位置に、空気流路を通過してきた空気をＭＥＡユニットに係るＭＥＡの正極へ供給するための空気供給孔（図７中、３１１）を有している。正極集電板における集電タブは、１つだけでもよいが、負極集電板における集電タブと同じ理由から、図７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。
【００６２】
図１２に、正極絶縁体の斜視図を示す。図１２に示す正極絶縁体は、図８に示す負極絶縁体のミラー対称形の構造を有している。また、図１３に、図１に示した燃料電池に係る正極セパレータに適用される正極絶縁体の平面図および断面図を示す。図１３中、（ａ）平面図、（ｂ）Ｘ−Ｘ線断面図、（ｃ）Ｙ−Ｙ線断面図、（ｄ）Ｚ−Ｚ線断面図である。
【００６３】
正極絶縁体４ｃには、正極セパレータ４が重ねられるＭＥＡユニットにおける正極に相当する位置に空気流路４２０が形成されており、空気流路接続部を形成するための空気マニホールド４２３と空気導入口（図示しない）の構成を変えることで、各ＭＥＡユニットの空気流路同士の接続を直列にしたり並列にしたりすることができる。図１３に示す正極絶縁体４ｃを有する正極セパレータを用いれば、ＭＥＡユニットの空気流路同士を並列に接続できる。また、図１３中、４２１は、ＭＥＡユニットの負極側の燃料流路同士を接続する燃料流路接続部を形成するための水素マニホールドであり、４０７は、燃料電池に係る各構成要素を固定するためのボルト穴である。
【００６４】
図１３に示す正極絶縁体３ｃでは、（ｄ）に示すように、図中左側の空気マニホールド４２３に図中上側から空気が流入した場合、その一部が空気流路４２０に流入し、残りは空気マニホールド４２３の図中下部の孔から図中下側に積層されたＭＥＡユニットの貫通穴に向かう。そして、空気流路４２０に流入した空気はＭＥＡの正極に供給され、ここで消費されなかった空気は、図中右側の空気マニホールド４２３から排出される。
【００６５】
本発明の燃料電池において、ＭＥＡユニットにおける空気流路同士は、並列に接続していてもよく、直列に接続していてもよい。空気流路同士を直列に接続する場合には、例えば、図１０および図１１に示す負極絶縁体とミラー対称形の構造を有する正極絶縁体を有する正極セパレータを使用すればよい。
【００６６】
正極集電板の素材は負極集電板と同じものが、正極絶縁体の素材は負極絶縁体と同じものが、それぞれ使用できる。
【００６７】
燃料電池の燃料として使用される水素としては、例えば、メタノールや炭化水素類を熱分解することで製造されるものがある。このようにして製造される水素を燃料として使用する燃料電池では、例えば、燃料電池内に供給する水素を反応に必要な流量の１．３〜１．５倍の量としても、燃料電池外へ排出された未反応の水素を回収して、水素製造用の燃料として利用することができる。しかしながら、本発明の燃料電池は、前記の通り、燃料電池の反応に不必要な余剰水素の供給を可及的に低減しても、効率的に発電が可能であることから、燃料には、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、生成に大きな熱量の供給を要しない製法で得られる水素を使用することが好ましく、この場合には、本発明の効果が顕著に奏される。
【００６８】
本発明の燃料電池は、燃料供給源と共に燃料電池発電システムを構成できる。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使用される。
【００６９】
図１４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１４中、５００は水素製造装置、７００は外部負荷である。６００は水素除去装置で、燃料電池１と水素製造装置５００との間に配置されている。
【００７０】
なお、図１４では、外部負荷７００が、スイッチング可能に燃料電池１に接続された構成を示しているが、外部負荷７００は燃料電池１に常時接続した状態で構成してもよい。
【００７１】
図１５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１５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。
【００７２】
水素製造装置５００は、水素発生物質を収容する水素発生物質収容容器５０１と、水を収容する水収容容器５０２を有しており、水素発生物質収容容器５０１に、水収容容器５０２から水を供給し、容器５０１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５０１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５０１で発生した水素は、水素導出パイプ５０６、５０７で構成される燃料流路を経て、燃料電池１に供給される。
【００７３】
水収容容器５０２から水素発生物質収容容器５０１に水を供給する水供給パイプ５０５には、水供給ポンプ５０３が設けられている。なお、水収容容器５０２に収容する水は、中性の水、酸性水溶液、アルカリ性水溶液などのいずれであってもよく（すなわち、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。
【００７４】
水素発生物質収容容器５０１および水収容容器５０２は脱着式とすることもできる。これにより、容器５０１内の水素発生物質が消費されつくしたり、容器５０２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５０１や水が充填された水収容容器５０２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。
【００７５】
水素発生物質収容容器５０１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。
【００７６】
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する。
【００７７】
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。
【００７８】
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）
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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）
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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１中、５０５）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。
【００９０】
水素発生物質収容容器５０１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。
【００９１】
水収容容器５０２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。
【００９２】
水収容容器５０２中の水が、水供給パイプ５０５を通じて水素発生物質収容容器５０１に供給されることで、容器５０１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５０１内に存在する未反応の水が、発生した水素中に混入し、これらの混合物が水素導出パイプ５０６を通じて水素製造装置５００外に排出される場合がある。
【００９３】
よって、図１５に示すように、水素製造装置５００には、燃料電池１（水素除去装置６００）と水素製造装置５００とを連結する燃料流路内に、凝縮水分離器５０４を設けることが好ましい。凝縮水分離器５０４は、水素導出パイプ５０６を介して水素発生物質収容容器５０１と連結されており、また、水素導出パイプ５０７が取り付けられている。水素発生物質収容容器５０１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５０６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５０４に導入されると、凝縮水が重力によって凝縮水分離器５０４の下部に落下して分離される。
【００９４】
そして、図１５に示しているように、凝縮水分離器５０４と水収容容器５０２とを水回収パイプ５０８で連結しておくことで、凝縮水分離器５０４で分離した水を水収容容器５０２に回収することができる。このように、凝縮水分離器５０４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５０２をよりコンパクトにすることができる。
【００９５】
本発明の燃料電池発電システムは、図１４に示すように、燃料電池１と水素製造装置５００との間に、水素を消費することが可能な水素除去装置６００を有していることが好ましい。
【００９６】
前記の通り、燃料電池停止後に燃料電池内に水素が存在すると、燃料電池のＭＥＡにおける正極や負極が劣化して、燃料電池の寿命が短くなることがある。しかし、水素除去装置６００を備えた燃料電池発電システムにおいて、外部負荷７００がオフになった時、すなわち、燃料電池１の運転が停止した際に、水素除去装置６００をオンにすることで、水素製造装置５００から燃料電池１への水素供給が継続してしまう場合に、水素除去装置６００で燃料電池１へ向かう水素を消費することが可能となる。その結果、燃料電池１内への水素供給がされなくなるか、または、その供給量が大幅に低減されるため、かかる水素による燃料電池の劣化を抑制することができる。
【００９７】
水素除去装置としては、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る固体電解質膜とを有し、かつ前記正極と前記負極とが導通可能に構成されたＭＥＡを備えたものであることが好ましい。
【００９８】
図１６に、本発明の燃料電池発電システムに係る水素除去装置の一例を模式的に示している。なお、図１６では、水素除去装置６００のみを断面で示しているが、水素除去装置６００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。
【００９９】
図１６に示す水素除去装置は、正極と負極とを導通可能にしたＭＥＡ６０１により構成されている。ＭＥＡ６０１は、酸素を還元する正極触媒層と、水素を酸化する負極触媒層とを有しており、更に、正極触媒層と負極触媒層との間に固体電解質膜を備えている。また、正極触媒層の固体電解質膜側の面の反対面には、積層された正極拡散層を有しており、負極触媒層の固体電解質膜側の面の反対面には、積層された負極拡散層を有している。これらは図５を用いて説明した燃料電池１に係るＭＥＡユニットを構成するＭＥＡと同様の材料で構成することができる。
【０１００】
そして、ＭＥＡ６０１は、正極拡散層の上部に配置された正極集電板６０２と、負極拡散層の下部に配置された負極集電板６０３とで挟持されており、正極集電板６０２と負極集電板６０３とは、例えばボルト６１０とナット６１１により固定されている。なお、６０４はシリコンゴムなどからなるシール材であり、６０５はタンク部（水素タンク部）である。
【０１０１】
そして、水素除去装置６００は、水素導出パイプ５０７を介して水素製造装置５００と連結され、水素供給パイプ６１２を介して燃料電池１と連結されている。
【０１０２】
正極集電板６０２および負極集電板６０３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ている。また、それらの材料に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。
【０１０３】
正極集電板６０２には複数の空気孔６０２ａが形成されており、これら空気孔６０２ａを通じて大気中の酸素がＭＥＡ６０１の正極に供給されるようになっている。一方、負極集電板６０３には複数の水素導入孔６０３ａが形成されており、これら水素導入孔６０３ａを通じて水素導出パイプ５０７からタンク部６０５へ導入された水素がＭＥＡ６０１の負極に供給される。
【０１０４】
正極集電板６０２の端部には正極リード線６０６が、負極集電板６０３の端部には負極リード線６０７が、それぞれ接続されている。また、これらのリード線６０６、６０７は、抵抗６０８およびスイッチ６０９を介して接続されている。そして、燃料電池１の運転が停止した時、すなわち外部負荷がオフになった時に、スイッチ６０９をオンにしてＭＥＡ６０１の正極−負極間を導通させることで、水素製造装置５００から水素除去装置６００内に供給された水素を消費できる。これにより、水素除去装置６００から水素供給パイプ６１２を経て燃料電池１へ向かう水素を完全に無くすか、またはその水素量を大幅に低減することができる。
【０１０５】
なお、図１６に示す水素除去装置６００では、ＭＥＡ６０１の正極と負極とを、抵抗６０８を介して接続しているが、かかる抵抗６０８としては、例えば、燃料電池発電システムに係る燃料電池１の停止後、ＭＥＡ６０１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ればよく、抵抗６０８を用いなくても、このような時間でＭＥＡ６０１の正極−負極間の電圧を前記のように下げることができるのであれば、ＭＥＡ６０１の正極と負極とは、抵抗を用いずにスイッチのみを介してリード体などで接続して、導通可能としてもよい。
【０１０６】
水素除去装置６００と水素製造装置５００とを連結する水素導出パイプ５０７には、ストップバルブを設けてもよい。
【０１０７】
水素除去装置６００と燃料電池１とを連結する水素供給パイプ６１２には、水素製造装置５００から燃料電池１へ向かう水素を燃料電池発電システムの系外に排出できるようにコックなどの排出手段を設けていてもよい。この場合には、前記排出手段によって、燃料電池１の運転停止時に水素製造装置５００から燃料電池１へ侵入する水素を燃料電池発電システム系外に排出して、かかる水素による燃料電池の劣化をより確実に防止することができるが、水素をそのまま系外に排出すると、引火などの危険を伴う。しかし、水素除去装置を有する燃料電池発電システムであれば、前記排出手段により系外に排出される水素を無くすか、極微量にすることができるため、前記の危険を回避することもできる。
【０１０８】
本発明の燃料電池発電システムは、本発明の燃料電池を有していることから、反応に関与しない余剰な水素の供給量を可及的に低減しつつ、良好に発電することができる。具体的には、本発明の燃料電池発電システムによれば、燃料電池に供給する水素のうち、体積基準で８０〜１００％の水素を燃料電池の発電で消費することができ、効率的な発電が可能である。
【０１０９】
なお、これまで図１〜図１６を用いて本発明を説明したが、これらの図面は本発明の一例を図示したものであり、本発明の燃料電池および燃料電池発電システムは、これらの図面に示したものに限定される訳ではない。また、図１〜図１６は本発明の構成を説明するためのものであり、各構成要素のサイズなどは必ずしも正確ではない。
【実施例】
【０１１０】
実施例１
＜燃料電池の作製＞
図１７に、実施例１の燃料電池の断面模式図を示す。なお、図１７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は付していない（後記の図１８〜図２０についても同様である）。実施例１の燃料電池１は、ＭＥＡユニット２が６組積層された構造で、それらの間に負極セパレータと正極セパレータ４とが交互に配置されている。負極セパレータは、燃料入口側から、負極セパレータ３Ｃと負極セパレータ３Ｂとが交互に積層されている。そのため、燃料流路１８、１９、２０、２１は、燃料流路接続部４９、５０、５１によって直列に接続している。
【０１１１】
エンドプレート５には、ステンレス鋼製の厚み５ｍｍのものを用いた。ＭＥＡユニット２は、図４および図５に示す構造のもので、そ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、固体電解質膜には、デュポン社製「ナフィオン１１２」を用いた。各電極のサイズは３８ｍｍ×７３ｍｍ、固体電解質膜のサイズは１００ｍｍ×１００ｍｍとした。
【０１１２】
正極セパレータ４を構成するための正極絶縁体には、図１３に示す構成で、リブ幅１ｍｍ、溝幅１ｍｍ、貫通溝厚み２ｍｍの空気流路を設けたガラスエポキシ樹脂製のものを使用した。正極セパレータ４を構成するための正極集電体（図７中、３ａおよび３ｂと同じ構成のもの）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。
【０１１３】
負極セパレータ３Ｂを構成するための負極絶縁体には、図１０に示す構成で、リブ幅１ｍｍ、溝幅１ｍｍ、貫通溝厚み２ｍｍの燃料流路を設けたガラスエポキシ樹脂製のものを使用し、負極セパレータ３Ｃを構成するための負極絶縁体には、図１１に示す構成で、リブ幅１ｍｍ、溝幅１ｍｍ、貫通溝厚み２ｍｍの燃料流路を設けたガラスエポキシ樹脂製のものを使用した。負極セパレータ３Ｂ、３Ｃを構成するための負極集電体には、図７に示す３ａおよび３ｂと同じ構成で、ニッケルに金メッキを施した厚み０．３ｍｍのものを用いた。
【０１１４】
以上の部材を図１７に示す順序で積層し、ボルトとナットとを用いて締め込んで、実施例１の燃料電池を作製した。
【０１１５】
＜水素製造装置の作製＞
次に、図１５に示す構成の水素製造装置５００を作製した。水素発生物質収容容器５０１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５０５、水素導出パイプ５０６、５０７、および水回収パイプ５０８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５０１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５０２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５０４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。
【０１１６】
＜燃料電池発電システムの組み立て＞
前記の燃料電池１と水素製造装置５００とを、内径２ｍｍ、外径３ｍｍのポリプロピレン製のパイプで連結して、燃料電池発電システムを作製した。
【０１１７】
実施例２
図１８に、実施例２の燃料電池の断面模式図を示す。実施例２の燃料電池１は、ＭＥＡユニット２が６組積層された構造で、それらの間に負極セパレータと正極セパレータ４とが交互に配置されている。負極セパレータは、燃料入口側から、負極セパレータ３Ａ、３Ｃ、３Ｂ、３Ｃの順に配置されている。そのため、燃料流路２２と燃料流路２３とは燃料流路接続部５２、５３によって並列に接続しており、燃料流路２３、２４、２５は燃料流路接続部５４、５５によって直列に接続している。このような構成に変更した以外は実施例１と同様にして、実施例２の燃料電池を作製した。
【０１１８】
また、燃料電池を前記のものに変更した以外は実施例１と同様にして、実施例２の燃料電池発電システムを作製した。
【０１１９】
実施例３
図１９に、実施例３の燃料電池の断面模式図を示す。実施例３の燃料電池１は、ＭＥＡユニット２が６組積層された構造で、それらの間に負極セパレータと正極セパレータ４とが交互に配置されている。負極セパレータは、燃料入口側から、負極セパレータ３Ａ、３Ａ、３Ｃ、３Ｂの順に配置されている。そのため、燃料流路２６、２７、２８は燃料流路接続部５６、５７、５８、５９によって並列に接続しており、燃料流路２８と燃料流路２９とは燃料流路接続部６０によって直列に接続している。このような構成に変更した以外は実施例１と同様にして、実施例３の燃料電池を作製した。
【０１２０】
また、燃料電池を前記のものに変更した以外は実施例１と同様にして、実施例３の燃料電池発電システムを作製した。
【０１２１】
比較例１
図２０に、比較例１の燃料電池の断面模式図を示す。比較例１の燃料電池１は、ＭＥＡユニット２が６組積層された構造で、それらの間に負極セパレータ３Ａと正極セパレータ４とが交互に配置されている。そのため、燃料流路３０、３１、３２、３３は燃料流路接続部６１、６２、６３、６４、６５、６６によって並列に接続している。このような構成に変更した以外は実施例１と同様にして、比較例１の燃料電池を作製した。
【０１２２】
また、燃料電池を前記のものに変更した以外は実施例１と同様にして、比較例１の燃料電池発電システムを作製した。
【０１２３】
実施例１〜３および比較例１の燃料電池発電システムにおける燃料電池に空気および水素を供給し、６Ａの定電流で放電を行った。水素流量は５８０ｃｍ３／ｍｉｎで利用率は９５％（反応に必要な流量の１．０５倍の量）、空気流量は３３００ｃｍ３／ｍｉｎで利用率は４０％とした。試験は室温２５℃で行った。なお、実施例２および実施例３に係る燃料電池では、その水素流量は、実施例１に係る燃料電池における水素流量と同じであるが、これら実施例２および実施例３に係る燃料電池への水素の供給圧力については、実施例１に係る燃料電池への供給圧力よりも低くすることができた。
【０１２４】
以上の発電実験において、実施例１および実施例２の燃料電池発電システムでは、約５０Ｗで発電を連続的に安定して行うことができた。また、実施例３の燃料電池発電システムでは、発電当初は約５０Ｗで発電できたが、約１５分で約４０Ｗまで出力が低下し、その後は連続的に発電を行うことができた。一方、比較例１の燃料電池発電システムでは、約１５分で電圧が低下して発電ができなくなった。
【０１２５】
比較例１の燃料電池発電システムにおける燃料電池では、発電によって生成した水が燃料流路内に溜まり始め、それが除去できないために発電ができなくなったと推察される。一方、実施例３の燃料電池発電システムにおける燃料電池では、生成した水が燃料流路内に溜まり始めるが、これを完全に除去できないだけで、燃料の流通は確保されているために、発電が維持できたと推察される。また、実施例１および実施例２の燃料電池発電システムにおける燃料電池では、生成した水が燃料流路内に溜まり始めるが、スムーズに除去できているために、安定した発電ができたものと推察される。
【図面の簡単な説明】
【０１２６】
【図１】本発明の燃料電池の第一の態様の一例を示す断面模式図である。
【図２】本発明の燃料電池の第三の態様の一例を示す断面模式図である。
【図３】本発明の燃料電池の一例を示す一部分解図である。
【図４】本発明の燃料電池に係る電極・電解質一体化物ユニットの一例を模式的に示す斜視図である。
【図５】図４に示す電極・電解質一体化物ユニットの断面図である。
【図６】本発明の燃料電池に使用可能な負極セパレータの一例を模式的に示す斜視図である。
【図７】図６の負極セパレータに係る負極集電板を模式的に示す平面図である。
【図８】図６の負極セパレータに係る負極絶縁体を模式的に示す斜視図である。
【図９】図１に示す燃料電池に係る負極セパレータ３Ａに使用される負極絶縁体の平面図および断面図である。
【図１０】図１に示す燃料電池に係る負極セパレータ３Ｂに使用される負極絶縁体の平面図および断面図である。
【図１１】図１に示す燃料電池に係る負極セパレータ３Ｃに使用される負極絶縁体の平面図および断面図である。
【図１２】本発明の燃料電池に使用可能な正極セパレータに係る正極絶縁体の一例を模式的に示す斜視図である。
【図１３】図１に示す燃料電池に係る正極セパレータ４に使用される正極絶縁体の平面図および断面図である。
【図１４】本発明の燃料電池発電システムの構成例を示す図である。
【図１５】本発明の燃料電池発電システムに係る水素製造装置の構成例を示す図である。
【図１６】本発明の燃料電池発電システムに好適な水素除去装置の一例を模式的に示す断面図である。
【図１７】実施例１の燃料電池発電システムに係る燃料電池の断面模式図である。
【図１８】実施例２の燃料電池発電システムに係る燃料電池の断面模式図である。
【図１９】比較例１の燃料電池発電システムに係る燃料電池の断面模式図である。
【図２０】比較例２の燃料電池発電システムに係る燃料電池の断面模式図である。
【符号の説明】
【０１２７】
１    燃料電池
２    電極・電解質一体化物ユニット
３、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ    負極セパレータ
４    正極セパレータ
１０〜３３    燃料流路
４０〜６６    燃料流路接続部
【図１】
2009129608.tif 000003
【図２】
2009129608.tif 000004
【図３】
2009129608.tif 000005
【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】
2009129608.tif 000016
【図１５】
2009129608.tif 000017
【図１６】
2009129608.tif 000018
【図１７】
2009129608.tif 000019
【図１８】
2009129608.tif 000020
【図１９】
2009129608.tif 000021
【図２０】
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