(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】  複数の電極・電解質一体化物からなる単位セルの少なくとも一部が電気的に直列または並列に接続されてなる燃料電池を有し、外部負荷に電力を供給するための燃料電池発電システムであって、燃料電池は、空気中の酸素を正極拡散層に導入するための、開閉可能な扉を備えた正極開口部と、燃料電池内の水素流路と燃料電池外部とを繋ぐ通気経路を有しており、かつ通気経路には、燃料電池内の水素流路から燃料電池外部へ排気する方向のみに流路を開放する逆流防止手段、および燃料電池外部から燃料電池内の水素流路に外気が流入する方向のみに流路を開放する逆流防止手段の少なくとも一方が設置されている燃料電池発電システムである。【選択図】  図６
2009123469.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極拡散層および正極触媒層を有し酸素を還元する正極と、負極拡散層および負極触媒層を有し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する複数の単位セル、および前記複数の単位セルのそれぞれに水素を供給するための水素流路を備え、かつ前記複数の単位セルの少なくとも一部が電気的に直列または並列に接続されてなる燃料電池を有し、外部負荷に電力を供給するための燃料電池発電システムであって、
前記燃料電池は、開閉可能な扉を備えた、空気中の酸素を前記正極拡散層に導入するための正極開口部、および前記燃料電池内の水素流路と燃料電池外部とを繋ぐ通気経路を有しており、
前記通気経路には、前記燃料電池内の水素流路から前記燃料電池外部へ排気する方向のみに流路を開放する逆流防止手段、および前記燃料電池外部から前記燃料電池内の水素流路に外気が流入する方向のみに流路を開放する逆流防止手段の、少なくとも一方が設置されていることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
開閉可能な扉の開閉を制御することで正極開口部の開口度が調節可能である請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
通気経路には、燃料電池内の水素流路から前記燃料電池外部へ排気する方向のみに流路を開放する逆流防止手段と、前記燃料電池外部から前記燃料電池内の水素流路に外気が流入する方向のみに流路を開放する逆流防止手段とが設置されている請求項１または２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
燃料電池に水素を供給するための水素供給装置が、水素流路を介して燃料電池に連結されている請求項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】
水素供給装置が、水素発生物質と水との反応により発生する水素を供給する機構を有する水素製造装置である請求項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】
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、または金属水素化物である請求項５に記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
燃料電池と水素供給装置との間に、燃料電池と水素供給装置とを連結する水素流路内の水素を除去するための水素除去装置が設けられている請求項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】
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する電極・電解質一体化物を備えている請求項７に記載の燃料電池発電システム。
【請求項９】
外部負荷への電力供給の停止後に、燃料電池の有する単位セルを利用して前記燃料電池内部に残留する水素を消費する手段を備えている請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素を燃料と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、特に携帯機器における高機能化に伴って、かかる携帯機器の電源に使用される電池にも、ますます小型化、高容量化が要請されている。このような要請から、電池のエネルギー密度を向上させる必要があり、また、エネルギーおよびＣＯ２削減の問題も相俟って、従来から利用されているリチウムイオン二次電池の代替として燃料電池が着目されている。
【０００３】
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。例えば、高分子電解質膜型燃料電池（ＰＥＭＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌｌ  Ｃｅｌｌ）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電解質膜とで構成された電極・電解質一体化物（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ａｓｓｅｍｂｌｙ）である単位セルを有している。
【０００４】
ところで、燃料電池の実用化への課題として、燃料電池運転時における燃料電池内の異常な圧力変動の抑制が挙げられる。燃料電池は前記の通り、空気（酸素）や水素といったガスを内部に取り込んで発電するが、これらのガスが過剰に取り込まれた際には燃料電池内部の圧力が上昇し、他方、燃料電池運転時にガスの供給速度よりも発電によるガスの消費速度が速くなるなどした場合には、燃料電池内部の圧力が低下する。このような燃料電池運転時の異常な圧力変動によって燃料電池が破損する虞がある。
【０００５】
前記のような燃料電池内の異常な圧力変動を抑制する手段として、燃料電池の内部と外部とを繋ぐ通気経路を設けることも考えられるが、この場合には、例えば通気経路から燃料電池内部の負極側に空気が侵入すると電圧が低下するなど、出力の安定性が損なわれる虞もある。
【０００６】
例えば、特許文献１には、正極への酸素の供給圧力と負極への水素の供給圧力とを測定し、一方の供給圧力が高い場合に、供給圧力の高い方の気体を燃料電池内に導入せずにバイパスを通して排気することで、正極と負極との内圧差が大きくなることによる燃料電池の破損を防止する方法が提案されている。更に、特許文献１の燃料電池では、正極および負極の排気経路に逆流防止弁を設置し、正極への酸素の供給圧力よりも正極からの排気圧力が大きい場合、および負極への水素の供給圧力よりも負極からの排気圧力が大きい場合に、正極内や負極内へ外気が逆流するのを防止して、正常な発電を保ち得るようにしている。
【０００７】
また、燃料電池（ＰＥＭＦＣ）の実用化への他の課題として、ＭＥＡの乾燥に伴う出力の低下抑制が挙げられる。ＰＥＭＦＣにおいては、良好な出力を維持するにあたり、ＭＥＡ（固体電解質膜）がある程度湿潤していることが好ましい。
【０００８】
ＰＥＭＦＣの負極および正極では、以下の反応が生じる。
負極  ：  Ｈ２  →  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−
正極  ：  １／２Ｏ２  ＋  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−  →  Ｈ２Ｏ
【０００９】
前記の反応式中の水素と酸素が水になる場合の生成熱（ΔＨ＝−２８５．８ｋＪ／ｍｏｌ）の温度Ｔで決まるエントロピーロス（ＴΔＳ＝−４８．７ｋＪ／ｍｏｌ）は、反応に伴う発熱量Ｑであり、これはＰＥＭＦＣの出力反応が発熱反応であることを意味している。つまり、ＰＥＭＦＣの出力反応が進むにつれて、水素イオンと幾つかの水分子が結びつき、その水分子と共に水素イオンが移動して正極側で水が生成する場合、ＭＥＡの固体電解質膜中の水分が蒸発しやすくなり、電池特性が低下することがある。そのため、ＰＥＭＦＣでは、供給する燃料に加湿水素を用いるのが一般的である。
【００１０】
しかしながら、ＰＥＭＦＣの動作環境によっては、反応で生成した水分や、供給された水素中の水分が蒸発し、ＭＥＡが乾燥して電池性能が低下することがあるため、出力の安定性が損なわれる虞がある。これは、燃料電池内に空気を送るためのポンプのような補機を持たない自然吸気型（パッシブ型）の燃料電池発電システムにおいて、特に問題となりやすい。
【００１１】
このようなことから、自然吸気型の燃料電池におけるＭＥＡの湿潤状態を適切に保つ技術も提案されている。例えば、特許文献２には、自然吸気型の燃料電池において、正極の空気取り入れ口に開閉可能な扉を配置することで、外気が乾燥状態の場合においても固体電解質膜の湿潤状態を適切な状態に維持し得る技術が開示されている。
【００１２】
【特許文献１】特開２００７−８０７２１号公報
【特許文献２】特開２００５−２２８６８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、特許文献１に記載されている技術では、ＭＥＡの湿潤状態を適切な状態に維持し得ないため、ＭＥＡの乾燥による出力低下を回避し難い。
【００１４】
一方、特許文献２に開示されているような開閉可能な扉を燃料電池の空気取り入れ口に配置し、外部環境や燃料電池内部の状況に応じて空気取り入れ口の開度を適切に調整して固体電解質膜の湿潤状態を適切な状態に維持することで、ＭＥＡでのプロトン伝導性を良好に保ち、燃料電池の次回起動時および運転中における内部抵抗の増大を抑制して、出力の安定性を高め得る可能性がある。
【００１５】
しかしながら、前記の技術では、扉の開閉によって固体電解質膜の湿潤状態を維持したとしても、燃料供給の圧力変動などで燃料電池の負極側に不要な外気が流入して、水素の空気（酸素）が混合することによる出力安定性の低下は抑制することができない。
【００１６】
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】
【００１７】
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、正極拡散層および正極触媒層を有し酸素を還元する正極と、負極拡散層および負極触媒層を有し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する複数の単位セル、および前記複数の単位セルのそれぞれに水素を供給するための水素流路を備え、かつ前記複数の単位セルの少なくとも一部が電気的に直列または並列に接続されてなる燃料電池を有し、外部負荷に電力を供給するための燃料電池発電システムであって、前記燃料電池は、開閉可能な扉を備えた、空気中の酸素を前記正極拡散層に導入するための正極開口部、および前記燃料電池内の水素流路と燃料電池外部とを繋ぐ通気経路を有しており、前記通気経路には、前記燃料電池内の水素流路から前記燃料電池外部へ排気する方向のみに流路を開放する逆流防止手段、および前記燃料電池外部から前記燃料電池内の水素流路に外気が流入する方向のみに流路を開放する逆流防止手段の、少なくとも一方が設置されていることを特徴とするものである。
【００１８】
本発明の燃料電池発電システムは、空気中の酸素を正極拡散層に正極開口部に開閉可能な扉を有しており、前記扉によって正極開口部の開口度を調節できる。そのため、例えば、乾燥している外気条件下で運転を行う場合には、乾燥した空気が燃料電池内部に侵入することで固体電解質膜が乾燥して出力が低下しやすいが、前記扉によって正極開口部の開口度を比較的小さくすることで固体電解質膜の乾燥を抑制でき、これによる出力の低下を抑えることができる。また、例えば、高出力で燃料電池を運転する場合では、長時間運転を行うことで単位セル本体の発熱により固体電解質膜が乾燥して出力が低下しやすいが、前記扉によって正極開口部の開口度を大きくすることで固体電解質膜の乾燥を抑制でき、これによる出力の低下を抑えることができる。このように、本発明の燃料電池発電システムでは、前記扉によって状況に応じて正極開口部の開口度を調節できるため、固体電解質膜の乾燥を抑制して、出力の安定化を図ることができる。
【００１９】
また、本発明の燃料電池発電システムは、燃料電池に、逆流防止手段を備えた通気経路を有しており、燃料電池運転時における燃料電池内の異常な圧力変動を抑制することが可能である。すなわち、逆流防止手段が燃料電池内の水素流路から燃料電池外部へ排気する方向のみに流路を開放するものの場合には、燃料電池内の圧力が異常に上昇したときに燃料電池内のガスを排気できる。また、逆流防止手段が燃料電池外部から燃料電池内の水素流路に外気が流入する方向のみに流路を開放するものの場合には、燃料電池内の圧力が低下した場合に外気を燃料電池内に取り込むことができる。よって、本発明の燃料電池発電システムでは、燃料電池内の圧力変動によって生じ得る出力低下を抑えて、出力の安定化を図ることもできる。
【００２０】
しかも、本発明の燃料電池発電システムでは、前記の逆流防止手段を備えた通気経路といった極めて簡単な装置構成でかかる圧力変動による燃料電池の破損を防止して、安全性を確保することも可能であり、また、特に逆流防止手段が燃料電池内の水素流路から燃料電池外部へ排気する方向のみに流路を開放するものの場合、燃料電池内に不要な外気が流入して、負極において水素と空気（酸素）とが混合することによる単位セルの劣化や出力低下も防止できる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、出力安定性が良好な燃料電池発電システムを提供できる。また、本発明の燃料電池発電システムは、燃料電池内の異常な圧力変動による破損を防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１に、本発明の燃料電池発電システムに係る燃料電池の一例を模式的に示す。燃料電池１は、電気的に直列に接続された複数（３つ）の単位セル１００を内部に有している。そして、正極側には、空気（酸素）を取り入れて単位セル１００の正極に導入するための正極開口部２０１と、該正極開口部２０１の開口度を調節するための開閉扉（開閉可能な扉）２００が設けられている。なお、図１に示す開閉扉２００はスライド式であり（正極開口部２０１の開口度を小さくする際には、図中矢印の方向にスライドさせる）、正極開口部２０１の開口端よりも燃料電池１の内部側に設置されている。
【００２３】
本発明の燃料電池発電システムでは、正極開口部に設けられた開閉扉の開閉を制御することによって正極開口部の開口度を調節可能である。
【００２４】
開閉扉が図１に示すようなスライド式の場合に、これを動かすための駆動部の一例について、図２を参照しつつ説明する。図２のスライド式開閉扉は、開閉扉２００、ピン２０２、ワイヤー２０３、モーター２０４およびレール２０５から構成されている。また、開閉扉２００とピン２０２とは一体化してあり、ワイヤー２０３とピン２０２とは一方向側（図２では手前側）で接続されている。
【００２５】
例えば、モーター２０４を反時計回りに一定時間回転させてワイヤー２０３を巻き取ることで、ピン２０２を介してワイヤー２０３と接続している開閉扉２００が、このワイヤー２０３の動きに連動して正極開口部が閉じる方向に作動する。また、反対にモーター２０４を時計回りに一定時間回転させることで、開閉扉２００が正極開口部を開く方向に作動する。
【００２６】
図２に示す機構であれば、図中手前側および奥側の各ピン２０２がレール２０５にはめ込まれているために、開閉扉２００を無理なくスライドさせることができる。よって、モーター２０４の駆動時間を調整して開閉扉２００の開閉を制御することによって正極開口部２０１の開口度が調節可能となる。
【００２７】
図３に、正極開口部を多数有する燃料電池の一例を模式的に示す。本発明の燃料電池発電システムに係る燃料電池では、図３に示すように、予め複数の開口部２０１ａを形成したプレート状の開閉扉２０６を使用することもできる。すなわち、例えば、図３に示す燃料電池１では、プレート状の開閉扉２０６に、各々が正極開口部２０１と同じサイズの開口部２０１ａを、正極開口部２０１の半数だけ形成している。そして、例えばプレート状の開閉扉２０６の開口部２０１ａの全てが正極開口部２０１を開口するように開閉扉２０６を位置させることで、正極開口部２０１の開口度を５０％とすることができ、また、例えば図３に示しているように、正極開口部２０１の全てが開口するように開閉扉２０６を位置させることで、正極開口部２０１の開口度を１００％に調節できる。このように、図３に示す構成を採用する場合には、各正極開口部２０１に別個にスライド式の開閉扉を設置するよりも比較的簡単な機構とすることができる。
【００２８】
図４に、本発明の燃料電池発電システムに係る燃料電池の他の例を模式的に示す。図４に示す燃料電池１は、開き戸式の開閉扉２００を有している。開閉扉２００は、その面積が、正極開口部２０１を完全に塞ぐことができるように、各正極開口部２０１よりも僅かに大きく、また、燃料電池１の正極開口部２０１の片側長辺部に支点２０９を介して連結しており、更に、別の開閉扉２００、２００とは２つの連結器２０７、２０７で繋がっている。また、これらの開閉扉２００のうちの１枚は、その短辺において、上下駆動する調節器２０８と支点２０９で連結している。
【００２９】
開閉扉が図４に示すように開き戸式の場合に、これを動かすための駆動部の一例について、図５を参照しつつ説明する。図５では、開き戸式の開閉扉２００の側面と、開閉扉２００を駆動させるための駆動装置２２０の内部構造とを示している。図５の開き戸式開閉扉は、開閉扉２００、連結器２０７、調節器２０８、支点２０９、駆動装置２２０から構成されている。また、駆動装置２２０は、ギア２１０、歯車２１１、ボールネジ２１２およびモーター２０４を有しており、調節器２０８の先端部が駆動装置２２０内に挿入されており、調節器２０８の前記先端部とギア２１０とが接続されている。なお、調節器２０８は燃料電池１の外装に設けられた貫通孔（図示しない）に挿入されて、駆動装置２２０のギア２１０と接続しているが、前記貫通孔の周囲には、燃料電池１内部の水素などが漏出しないようにシールが施されていることが好ましい。
【００３０】
例えば、開閉扉２００を開く方向に作動させる場合、モーター２０４を一定時間回転させ、ボールネジ２１２、歯車２１１およびギア２１０を介して調節器２０８を図中上方向に駆動させる。これにより、調節器２０８と支点２０９を介して連結している開閉扉２００（図中最右の開閉扉）が正極開口部を開く方向に作動し、また、前記開閉扉２００と連結器２０７を介して連結している他の開閉扉２００、２００も正極開口部を開く方向に作動する。反対に、調節器２０８が図中下方向に駆動するようにモーター２０４を一定時間回転させることで、各開閉扉２００、２００、２００が正極開口部を閉じる方向に作動する。よって、モーター２０４の駆動時間を調整して開き戸式開閉扉２００の開閉を制御でき、これにより正極開口部の開口度の調節が可能となる。
【００３１】
開閉扉の構成材料としては、気密性と耐腐食性とを有するものであれば特に限定されないが、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、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−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）などの公知の耐熱性フッ素樹脂；ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリアセタール樹脂などの公知の高分子；などが好適であり、また、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、Ｔｉなどの耐腐食性の金属薄板も使用できる。開閉扉は、前記例示の構成材料の１種のみで構成されていてもよく、２種以上を併用して構成されていてもよい。
【００３２】
図６に、本発明の燃料電池発電システムの構成の一例を示す。図６に示す燃料電池発電システムは、電気的に直列に接続された複数の単位セル１００を有し、かつ、各単位セル１００の正極に空気を導入するための正極開口部の開口度を制御可能な開閉扉２００を有する燃料電池１、燃料電池１に水素を供給する水素供給装置２、および水素供給装置２と燃料電池１との間の水素流路７に設けられた水素除去手段である水素除去装置３を備えている。また、図６に示す燃料電池発電システムに係る燃料電池１は、スイッチ１１を介して外部負荷４（燃料電池発電システムが適用される電子機器など）に接続されている。
【００３３】
水素供給装置２で生成された水素は、水素流路７を通って燃料電池１を構成する単位セル１００の負極に供給される。８は通気経路で、燃料電池１内の水素流路と燃料電池１外部とを繋いでいる。９ａおよび９ｂは逆流防止手段であり、９ａは、燃料電池１内の水素流路から燃料電池１外部へ排気する方向のみに流路を開放でき、９ｂは、燃料電池１外部から燃料電池１内の水素流路に外気が流入する方向のみに流路を開放できる。
【００３４】
また、図６に示す燃料電池発電システムでは、水素供給装置２と水素除去装置３との間にストップバルブ５が設けられており、燃料電池発電システムを停止するときには、このストップバルブ５が閉じられて、以後水素が燃料電池１に供給されないようになる。ただし、ストップバルブ５は本発明の燃料電池発電システムにおいて必須のものではなく、適宜採用を省略することができる。
【００３５】
燃料電池１には、図６に示すように開閉扉２００を制御するための検出手段６が設けることができる。そして、マイクロコンピューターなどの情報処理装置である制御手段１０を設けておき、図６に矢印で示しているように検出手段６からの検出信号を制御手段１０に送ることで、前記検出信号に基づいて制御手段１０によって開閉扉２００の動作を制御することができる。なお、同じく図６に矢印で示しているように、制御手段１０によって、ストップバルブ５の制御や燃料電池１に接続された外部負荷４への電気出力の制御も併せて行うようにすることもできる。
【００３６】
図６に示す燃料電池発電システムでは、燃料電池１の正極開口部に設けられた開閉扉２００は、制御手段１０からの制御信号（図６中の矢印）によってその動作を制御できるが、例えば制御手段１０の制御信号によらず手動などの手法で開閉扉２００を作動させることも可能であり、また、制御手段１０を設けずに、検知手段６の検出結果などに基づくなどして、手動などの手法で開閉扉２００を作動させるようにしてもよい。なお、制御手段１０を省略した場合には、燃料電池発電システムを小型軽量化が容易になるという利点がある。
【００３７】
前記のように、燃料電池１の発電時の温度などのパラメーターに基づいて開閉扉２００を制御して正極開口部の開口度を調節することで、適切な固体電解質膜の湿潤状態を良好に保持することができ、出力の安定化を図ることができる。
【００３８】
また、運転時の燃料電池１において、水素流路７や通気経路８内が異常に高圧になった場合には、逆流防止手段９ａが作動して燃料電池１外へ水素を排出し、水素流路７や通気経路８内が異常に減圧した場合には、逆流防止手段９ｂにより燃料電池１内に外気を逸早く取入れることができ、これらの作用によって燃料電池１内の異常な圧力変動や通気経路８内への不要な外気の流入による燃料電池１の負極側への空気流入を抑えて、出力の安定化を図ることができ、更には、燃料電池１の破損や燃料電池１からの水素の漏出を抑制することもできる。
【００３９】
本発明の燃料電池発電システムでは、回避すべき圧力変動（異常な圧力上昇または異常な減圧）に応じて、燃料電池内の水素流路から燃料電池外部へ排気する方向のみに流路を開放する逆流防止手段と、燃料電池外部から燃料電池内の水素流路に外気が流入する方向のみに流路を開放する逆流防止手段との、いずれか一方を設置していればよいが、両者を設置していることが好ましく、その場合には、燃料電池内の異常な圧力変動による問題を、より確実に回避できる。
【００４０】
本発明の燃料電池発電システムに用い得る逆流防止手段としては、気密性を有するものであって一方向の通気孔機能を有するものであれば特に限定されないが、平行移動する弁体を有するリフト型逆止弁、蝶番運動をする弁体を有するスイング型逆止弁、球状の弁体を有するボール弁などの方向逆止弁；減圧弁、安全弁、逃がし弁（チェックバルブ）などの、一定の圧力変動以上で自然に弁によるガスが排出される構造を有する圧力制御弁；などが好適に用いられる。また、前記例示の弁を電気的に駆動可能な電磁弁とすることで、燃料電池からのガスの排気や燃料電池内への外気の取り込みを電気的に制御することもできる。
【００４１】
逆流防止手段における開放開始作動圧力の好適値は、燃料電池発電システムの大きさなどによって変動し得るが、例えば、ゲージ圧で０．５ＭＰａ以下であることが好ましい。また、燃料電池発電システムが、燃料電池内の水素流路から燃料電池外部へ排気する方向のみに流路を開放する逆流防止手段（図６中９ａ）と、燃料電池外部から燃料電池内の水素流路に外気が流入する方向のみに流路を開放する逆流防止手段（図６中９ｂ）の両者を備えている場合における両逆流防止手段の差圧値（逆流防止手段９ａの開放開始作動圧力と逆流防止手段９ｂの開放開始作動圧力との差）の好適値も、燃料電池発電システムの大きさによって変動し得るが、０〜０．１ＭＰａであることが好ましい。なお、逆流防止手段９ａと開放開始作動圧力と逆流防止手段９ｂの開放開始作動圧力とに差を付ける場合には、燃料電池の運転中に燃料電池内に外気が取り込まれることによる出力低下を防止するため、逆流防止手段９ｂの開放開始作動圧力を、逆流防止手段９ａの開放開始作動圧力よりも高くすることが好ましい。
【００４２】
逆流防止手段の構成材料としては、気密性と耐腐食性とを有するものであれば特に限定されないが、例えば、ＰＴＦＥ、ＥＴＦＥ、ＦＥＰ、ＰＦＡなどの公知の耐熱性フッ素樹脂；ＰＰ、ポリアセタール樹脂などの公知の高分子；などが好適である。
【００４３】
また、本発明の燃料電池発電システムでは、図６に示すように、水素除去装置３を、燃料電池１と水素供給装置２との間に設置することが好ましい。水素除去装置３は、外部負荷４がオフになった際、すなわち、燃料電池１の運転が停止した際に作動させる。これによって、水素供給装置２から燃料電池１への水素供給が継続してしまう場合や、ストップバルブ５によって水素供給を停止しても燃料電池１内へ水素が漏れ込んでしまう場合に、水素除去装置３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ことから、かかる水素による燃料電池１内の単位セルの劣化を抑制することができ、燃料電池１の寿命を長期化することができる。
【００４４】
図７に、本発明の燃料電池発電システムの他の構成例を示す。図７の燃料電池発電システムでは、燃料電池１の有する個々の単位セル１００において、その正極と負極とが、導通可能となるように、抵抗１２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おり、燃料電池内に残留する水素を消費する手段、すなわち水素除去装置として利用可能なように構成されている。
【００４５】
燃料電池発電システムに係る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、これによって単位セルの正極および負極が劣化し、燃料電池の寿命が損なわれることがある。しかし、図７に示す燃料電池発電システムでは、外部負荷４がオフとなり、燃料電池１の運転が停止した際に、個々の単位セル１００を利用して、例えば、図７に示しているように、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１内に残留している水素を消費することができる。このように、図７に示す燃料電池発電システムでは、水素除去装置３とは別に、燃料電池１内に残留している水素を消費する手段を更に備えているため、燃料電池１内に残留する水素による燃料電池１の劣化を抑制して、燃料電池１を更に長寿命化することができる。
【００４６】
図７の燃料電池発電システムでは、燃料電池１の有する各単位セル１００における正極と負極とを、抵抗１２を介して接続しているが、かかる抵抗１２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、単位セル１００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。また、二次電池などの蓄電装置を設けて、単位セル１００の出力を前記蓄電装置に導くこともできる。
【００４７】
図７では、全ての単位セル１００が水素除去装置として利用可能なように構成されている例を示したが、燃料電池１内の一部の単位セル１００のみを水素除去装置として利用可能なように構成してもよい。燃料電池１内の少なくとも１つの単位セル１００を水素除去装置として利用可能なように構成することで、燃料電池１内の各単位セル１００の水素による劣化を防止できる。
【００４８】
なお、燃料電池１内の一部の単位セル１００のみを水素除去装置として利用可能なように構成する場合には、より水素供給装置２に近い位置の単位セル１００を水素除去装置として利用可能なように構成することが好ましい。燃料電池１の停止後における水素による単位セル１００の劣化は、前記の通り、燃料電池１内に残存する水素の他に、水素供給装置２から継続して供給されてしまう水素により引き起こされる虞があるため、水素供給装置２により近い位置（燃料電池１の水素導入口により近い位置、好ましくは水素導入口に最も近い位置）に配置された単位セル１００を水素除去装置とすることで、燃料電池１内に侵入した水素を逸早く消費して、各単位セル１００の劣化をより防止し易くなるからである。
【００４９】
また、水素除去装置として利用可能なように構成した単位セル１００は、その他の単位セル１００（水素除去装置として利用可能な構成にしていない単位セル１００）とは接続せず、水素除去装置としてだけ機能させることもできる。
【００５０】
更に、図７では、燃料電池１内の単位セル１００を、水素除去装置として利用可能なように構成しつつ、燃料電池１と水素供給装置２との間に水素除去装置３を配置した例を示しているが、燃料電池１内の単位セル１００の少なくとも１つを水素除去装置として利用可能なように構成した場合には、燃料電池１と水素供給装置２との間の水素除去装置３は省略することもでき、これにより燃料電池発電システムをより小型にすることができる。他方、図７に示すように、燃料電池１内の単位セル１００の少なくとも１つを、水素除去装置として利用可能なように構成しつつ、燃料電池１と水素供給装置２との間に水素除去装置３を配置した場合には、前記の通り、燃料電池１をより長寿命化できる。
【００５１】
なお、図７の燃料電池発電システムでは、停止時に外部負荷４をオフにし、個々の単位セル１００において、正極−負極間を繋ぐリード体に設けたスイッチをオンにして燃料電池１内の残留水素を消費すると、燃料電池１内の圧力が低下する。この場合、逆流防止手段９ｂが自動的に開放され、燃料電池１内に外気を取り込んで内圧の低下を防止するため、燃料電池１内部の破壊を抑制することができる。
【００５２】
更に、図８に、本発明の燃料電池発電システムの他の構成例を示している。図８に示す燃料電池発電システムでは、燃料電池１が２つの通気経路８ａ、８ｂを有しており、通気経路８ａに逆流防止手段９ａが、通気経路８ｂに逆流防止手段９ｂが、それぞれ設置されている。図６や図７に示す燃料電池発電システムのように、通気経路８をＴ字分岐とし、分岐した経路のそれぞれに逆流防止手段９ａ、９ｂを設置した場合には、逆流防止手段９ａによって燃料電池１内の水素流路から燃料電池１外部へ排気する際に、燃料電池１内で発生した水などが通気経路８内に侵入し、かかる水によって逆流防止手段９ｂが詰まるなどして、その機能が低下することもある。しかし、図８に示す燃料電池発電システムのように、逆流防止手段９ａを設置する通気経路と、逆流防止手段９ｂを設置する通気経路とを別にすることで、燃料電池１内の水素流路から燃料電池１外部へ排気する際に通気経路内に侵入した水による逆流防止手段９ｂの詰まりを防止することができる。その一方で、図６および図７に示す燃料電池発電システムのように、通気経路８をＴ字分岐とし、分岐した経路のそれぞれに逆流防止手段９ａ、９ｂを設置する場合には、システムをより小型化しやすくなるという利点がある。
【００５３】
また、図９に、本発明の燃料電池発電システムの他の構成例を示している。図９に示す燃料電池発電システムは、燃料電池１が、通気経路８ａと、そこに設置された逆流防止手段９ａ、および通気経路９ｂと、そこに設置された逆流防止手段８ｂとを、それぞれ複数個有している。図９の燃料電池発電システムによれば、図６〜８に示した燃料電池発電システムよりも、燃料電池１内の突発的な圧力変動に、より迅速に対応することが可能となる。
【００５４】
前記の通り、燃料電池発電システムには、燃料電池内の通気経路から燃料電池外部へ排気する方向のみに流路を開放する逆流防止手段と、燃料電池外部から燃料電池内の通気経路に外気が流入する方向のみに流路を開放する逆流防止手段のいずれか一方を設置していればよいが、両者を設置していることが好ましく、また、図９に示すように、燃料電池内の通気流路から燃料電池外部へ排気する方向のみに流路を開放する逆流防止手段および燃料電池外部から燃料電池内の通気流路に外気が流入する方向のみに流路を開放する逆流防止手段を、それぞれ複数個（２個、３個、４個など）設置していてもよい。特に大型の燃料電池発電システムの場合には、図９に示すように、両逆流防止手段を複数個備えていることが好ましい。
【００５５】
図１０は、本実施形態にかかる燃料電池発電システムにおける燃料電池１の一例の要部断面を示す模式図である。ただし、図１０においては、各構成要素の理解を容易にするため、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省略している。なお、図１０においては、３つの単位セル１００が組み合わさって一つの燃料電池１を構成している状態を示すが、これはあくまで例示であって、一単位としての燃料電池における単位セルの数は３つに限定されず、また、複数の単位セルから構成される一単位の燃料電池を、複数接続して全体を一つの燃料電池とすることもできる。
【００５６】
図１０に示す燃料電池１では、正極拡散層１０１および正極触媒層１０２からなる正極と、固体電解質膜１０３と、負極拡散層１０５および負極触媒層１０４からなる負極とが、順次積層されて単位セル１００を構成し、これらの単位セル１００が３つ平面状に配置されている。
【００５７】
それぞれの単位セル１００の正極側には、正極集電プレート１１４、１１６ａ、１１６ｂ、正極絶縁プレート１１２、開閉扉２００、および正極パネルプレート１１０が順次配置されている。また、それぞれの単位セル１００の負極側には、負極集電プレート１１５、１１７ａ、１１７ｂ、負極絶縁プレート１１３、および負極パネルプレート１１１が順次配置されている。そして、前記３つの単位セル１００が、正極パネルプレート１１０と負極パネルプレート１１１とに挟持されて一体化している。また、図１０では図示していないが、隣り合う単位セル１００同士は、正極集電プレート１１４、１１６ａ、１１６ｂと負極集電プレート１１５、１１７ａ、１１７ｂとの電気的接続によって、直列に接続されている。
【００５８】
正極集電プレート１１４、１１６ａ、１１６ｂ、正極絶縁プレート１１２および正極パネルプレート１１０には、燃料電池１外の空気中の酸素を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１１４、１１６ａ、１１６ｂの酸素導入孔、正極絶縁プレート１１２の酸素導入孔、および正極パネルプレート１１０の酸素導入孔により、正極パネルプレート１１０の外表面から単位セル１００の正極拡散層１０１にまで到達する正極開口部２０１が複数形成されている。開閉扉２００はスライド式であり、図中の左右にスライドさせることで、正極開口部２０１の開口度を調節できる。図１０では、正極開口部２０１のうち一部（図１０では５０％）を開閉扉２００で塞いでいる状態を示しており、開閉扉２００で塞がれずに正極拡散層１０１にまで開いている正極開口部２０１でのみ、空気中の酸素が拡散により正極拡散層１０１に供給される。
【００５９】
また、図１０に示す燃料電池１では、負極集電プレート１１５、１１７ａ、１１７ｂ、負極絶縁プレート１１３および負極パネルプレート１１１に、燃料タンク部１１９内の水素を負極に導入するための水素導入孔が複数設けられている。そして、負極集電プレート１１５、１１７ａ、１１７ｂの水素導入孔、負極絶縁プレート１１３の水素導入孔、および負極パネルプレート１１１の水素導入孔により、負極パネルプレート１１１の燃料タンク部１１９側表面から単位セル１００の負極拡散層１０５にまで到達する負極開口部１２１が複数形成されており、これら負極開口部１２１から、燃料タンク部１１９内の水素が負極拡散層１０５に供給される構造となっている。
【００６０】
そして、燃料電池１は、正極パネルプレート１１０と負極パネルプレート１１１、更には燃料タンク部１１９が、ボルト１２２とナット１２３によって一体化されて固定されている。なお、図１０中の１１８ａおよび１１８ｂはシールである。
【００６１】
正極拡散層１０１および負極拡散層１０５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１０１や負極拡散層１０５の触媒層側には、更なる撥水性の向上と触媒層との接触性の向上を目的として、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。
【００６２】
正極触媒層１０２は、正極拡散層１０１を介して拡散してきた酸素を還元する機能を有していて、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。
【００６３】
正極触媒層１０２に含有される触媒としては、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、白金微粒子を用いることができる。また、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。
【００６４】
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。
【００６５】
炭素粉末と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１０２が構成できる。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、十分な触媒活性を得ることができる。
【００６６】
正極触媒層１０２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。
【００６７】
そして、正極触媒層１０２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。
【００６８】
また、正極触媒層１０２に用いられるバインダとしては、特に制限はないが、例えば、ＰＴＦＥ、ＰＦＡ、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。
【００６９】
正極触媒層１０２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。
【００７０】
負極触媒層１０４は、負極拡散層１０５を介して拡散してきた水素を酸化する機能を有している。負極触媒層１０４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さらに含有していてもよい。
【００７１】
負極触媒層１０４に用いられる触媒は、水素を酸化できれば特に制限はなく、例えば、正極触媒層１０２に用いられ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１０４に用いられる炭素粉末、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１０２に用いられる炭素粉末、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。
【００７２】
固体電解質膜１０３は、プロトンを輸送可能であり、かつ、電子伝導性を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１０３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１０３の材料として用いることができる。
【００７３】
図１１に、本発明の燃料電池発電システムに適用可能な水素供給装置の具体的な構成例を示す。図１１は、水素供給装置のブロック構成図であり、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、水素発生物質と水とを反応させて水素を発生させる構造の水素供給装置を示している。
【００７４】
図１１示す水素供給装置２は、水素発生物質３０２を収容する水素発生物質収容容器３０１と、水３０４を収容する水収容容器３０３とを有しており、水素発生物質収容容器３０１に、水収容容器３０３から水３０４を供給し、水素発生物質３０２と水３０４とを反応させて水素を発生させる。このため、水素発生物質収容容器３０１は、水素発生物質３０２と水３０４との反応容器である水素発生容器としての役割も担っていることになる。水素発生物質収容容器３０１で発生した水素は、水素導出パイプ３０５、３０６を経て水素除去装置３に供給され、更に水素流路７を経て燃料電池１に供給される。なお、水素導出パイプ３０６には、ストップバルブ５が設けられている。
【００７５】
水収容容器３０３から水素発生物質収容容器３０１に水３０４を供給する水供給パイプ３０７には、水供給ポンプ３０８が設けられている。なお、水収容容器３０３に収容する水３０４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、使用する水素発生物質３０２との反応性などに応じて好適なものを選択すればよい。
【００７６】
水素発生物質収容容器３０１および水収容容器３０３は脱着式とすることもできる。これにより、水素発生物質収容容器３０１内の水素発生物質３０２が消費されつくしたり、水収容容器３０３内の水３０４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３０２が充填された水素発生物質収容容器３０１や水３０４が充填された水収容容器３０３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。
【００７７】
水素発生物質収容容器３０１に収容される水素発生物質３０２としては、水３０４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、更には、金属水素化物などが好適に使用できる。
【００７８】
ここで、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用いる場合には、主体となる合金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。なお、これらアルミニウム、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、常温とは、２０〜３０℃の範囲の温度を示すものとする。
【００７９】
ここで、水素発生物質と水との反応を詳細に説明する。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）
【００８０】
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。
【００８１】
なお、ここで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（製品名）」などを用いることができる。
【００８２】
また、水素発生物質として用い得る金属水素化物としては、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が挙げられる。これらの金属水素化物は、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。
【００８３】
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）
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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るものや、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。
【００８７】
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。
【００８８】
また、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金属水素化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。
【００８９】
水素発生物質３０２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３０１に導入する水素発生物質３０２と発熱物質の合計１００質量％中、水素発生物質３０２の量を８５質量％以上とすることが好ましい。水素発生物質３０２と発熱物質の合計中の水素発生物質３０２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ったりする虞がある。
【００９０】
なお、前記の発熱物質は、水素発生物質３０２と均一または不均一に混合した混合物として水素発生物質収容容器３０１に入れてもよく、水素発生物質３０２と別に水素発生物質収容容器３０１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３０１に水３０４を供給する水供給パイプ３０７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。
【００９１】
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３０２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３０４の供給口や水素の導出口以外から水３０４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３０４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。
【００９２】
水収容容器３０３については特に制限はなく、例えば、従来から水素供給装置に用いられている水３０４を収容するタンクなどが採用できる。
【００９３】
水収容容器３０３中の水３０４が、水供給パイプ３０７を通じて水素発生物質収容容器３０１に供給されることで、水素発生物質収容容器３０１内の水素発生物質３０２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、発生した水素中に混入し、これらの混合物が水素導出パイプ３０５を通じて水素供給装置２外に排出される場合がある。
【００９４】
よって、図１１に示すように、水素供給装置２には、燃料電池１や水素除去装置３へと水素を供給する水素導出パイプ３０６の手前に、凝縮水分離器３０９を設けることが好ましい。凝縮水分離器３０９は、水素導出パイプ３０５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３０６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３０５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３０９に導入されると、凝縮水が重力によって凝縮水分離器３０９の下部に落下して分離される。
【００９５】
そして、図１１に示すように、凝縮水分離器３０９と水収容容器３０３とを水回収パイプ３１０で連結しておくことで、凝縮水分離器３０９で分離した水を水収容容器３０３に回収することができる。このように、凝縮水分離器３０９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３０３をよりコンパクトにすることができる。
【００９６】
なお、図１１では凝集水分離器を水素供給装置の一部として説明したが、凝集水分離器を水素供給装置外のものとして用いてもよく、また、凝集水分離器自体は必須のものではないため、状況に応じて適宜その採用を判断すればよい。
【００９７】
図１２に、本発明の燃料電池発電システムに好適な水素除去手段である水素除去装置３の具体的な構成例を示す。図１２は、水素除去装置３の要部断面模式図である。ただし、図１２では、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は付していない。
【００９８】
図１２に示す水素除去装置は、正極と負極とを導通可能にした燃料電池１の単位セル１００と同じ構造のセル４００により構成されている。すなわちセル４００は、酸素を還元する正極触媒層４０２と水素を酸化する負極触媒層４０４とを有しており、更に、正極触媒層４０２と負極触媒層４０４との間に固体電解質膜４０３を備えている。また、正極触媒層４０２の固体電解質膜４０３側とは反対側の面には、正極拡散層４０１が積層されており、負極触媒層４０４の固体電解質膜４０３側とは反対側の面には、負極拡散層４０５が積層されている。これらは図１１で説明した燃料電池１に係る単位セル１００と同様の材料で構成することができる。
【００９９】
セル４００は、正極拡散層４０１の上部に配置された正極集電板４０６と、負極拡散層４０５の下部に配置された負極集電板４０７とで挟持されており、正極集電板４０６と負極集電板４０７、更には水素が供給される燃料タンク部４１１とは、例えばボルト４０８とナット４０９により固定されている。なお、４１０はシリコンゴムなどからなるシール材である。
【０１００】
そして、図１２に示す水素除去装置３は、水素導出パイプ３０６を介して水素供給装置２と連結され、水素流路７を介して燃料電池１と連結されている。なお、水素導出パイプ３０６には、ストップバルブ５が設けられている。
【０１０１】
正極集電板４０６および負極集電板４０７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。
【０１０２】
正極集電板４０６には複数の空気孔４１２が形成されており、これら空気孔４１２を通じて大気中の酸素がセル４００の正極に供給されるようになっている。一方、負極集電板４０７には複数の水素導入孔４１３が形成されており、これら水素導入孔４１３を通じて水素導出パイプ３０６から燃料タンク部４１１へ導入された水素がセル４００の負極に供給される。
【０１０３】
正極集電板４０６の端部には正極リード線４１４が、負極集電板４０７の端部には負極リード線４１５が、それぞれ接続されている。また、これらのリード線４１４、４１５は、抵抗４１６およびスイッチ４１７を介して接続されている。そして、水素除去装置３を動作させる場合には、手動、または制御手段（例えば、図６中、１０）からの制御信号によって、スイッチ４１７をオンにしてセル４００の正極−負極間を導通させることで、水素供給装置２から水素除去装置３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３から水素流路７を経て燃料電池１へ向かう余剰の水素を除去することができる。
【０１０４】
なお、図１２に示す水素除去装置３では、セル４００の正極と負極とを抵抗４１６を介して接続する例を示したが、この抵抗４１６としては、水素除去装置３の動作開始後、セル４００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い。また、抵抗４１６は必須という訳ではなく、抵抗を用いなくても同様の時間でセル４００の正極−負極間の電圧を０．１Ｖ以下に下げることができるのであれば、セル４００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。
【０１０５】
次に、図１３を用いて、本発明の燃料電池発電システムにおける正極開口部に設けられた開閉可能な扉の制御形態の一例を説明する。図１３は、燃料電池発電システムにおける開閉扉の制御手順を示すフローチャートであり、この図１３に基づいて、燃料電池発電システム起動後の発電時および停止時の状況を説明する。
【０１０６】
なお、ここでは、水素供給装置として図１１に示すような水素発生物質を収容した水素発生物質収容容器内に、水収容容器から水供給ポンプを用いて水を供給する構造のものを使用し、検出手段（図６中、６）として各セルの表面温度を検知できる温度センサを用いた燃料電池発電システムのケースについて説明する。
【０１０７】
図１３に示すフローチャートのように、燃料電池発電システムが起動すると、ステップＳ１で水素供給装置の水供給ポンプがオンとなり、水素発生物質収容容器に水が供給されて水素の生成が始まる。それと同時に、燃料電池の各セルの表面温度を把握するための検出手段である温度センサもオンされる。
【０１０８】
次のステップＳ２では、水素供給装置２から燃料電池１に水素供給されると、外部負荷４に出力供給するため、スイッチ（ＳＷ、図６中、１１）がオンされる。
【０１０９】
その後のステップＳ３は、燃料電池発電システムの大きさによっても異なるが、例えば検出手段の温度水準をα℃、β℃およびγ℃の３水準とした場合について説明する。セルの表面温度（ｔ）がα℃よりも高い場合（例えば、＞５５℃）、固体電解質膜の乾燥を防ぐために開閉扉によって正極開口部の開口度を低下させる。一方、β℃＜ｔ＜α℃である場合（例えば、３０℃＜ｔ＜５５℃）、正極開口部から空気（酸素）を多く取入れることができるように、開閉扉によって正極開口部の開口度を大きくする。また、γ℃＜ｔ＜β℃である場合（例えば、１５℃＜ｔ＜３０℃）、外気温が低いなどの乾燥環境では、固体電解質膜の乾燥を防ぐために開閉扉によって正極開口部の開口度を低下させる。
【０１１０】
次のステップＳ４では、外部負荷をオフとし、スイッチを切る。このとき、燃料電池発電システムが水素除去装置（例えば、図１２に示す水素除去装置）を有していたり、燃料電池発電システムに係る燃料電池の各セルの正負極が同通可能なように構成されていたりする場合（図７）には、ステップＳ４と同時にステップＳ５において、水素除去装置のセルや燃料電池の各単位セルの正負極を導通させ、燃料電池内および燃料電池と水素供給装置との間の水素流路内の余剰の水素を消費する。
【０１１１】
その後は、ステップＳ６において、燃料電池に係る各セルの固体電解質膜の休止時における乾燥防止のために、正極開口部の開口度が０％程度になるように開閉扉を閉じる。
【０１１２】
なお、システムの大きさによっても異なるが、正極開口部の開口度を制御するための検知手段としては、前記の温度センサの他、例えば湿度センサなどが挙げられ、これら温度センサと湿度センサとを併用したり、更に温度センサと湿度センサとを、それぞれ複数使用したりすることも可能である。センサを複数設置した場合、固体電解質膜の乾燥状態をより正確に知ることが可能となる。
【０１１３】
また、検知手段にセルの表面温度をモニタする温度センサを使用する場合、その取付け位置は、温度変化を正確に検知できる場所であれば特に限定されないが、例えば、各単位セルの正極開口部付近に設置したり、シール部に直接設置したりなどすることが望ましい。特に、温度センサとしては、例えば、小型で感度が良好なものとして、サーミスタや熱電対が好適に用いられる。
【０１１４】
以上、本発明の燃料電池発電システムについて、具体的な実施形態を説明してきたが、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。例えば、図１０を用いて示した燃料電池の単位セルの構造などはあくまで一つの例であって、高分子電解質膜型燃料電池として知られている様々な具体的形態を採用することができる。
【０１１５】
また、水素供給装置についても、水素発生物質の具体例や、水と水素発生物質とを反応させる機構についても、図１１に示したものは例示に過ぎない。更に、水素供給の手段自体も、水素発生物質と水とを反応させる方法に限定されるものではなく、他の水素供給方法を本発明に適用することができる。特に、例えば水素貯蔵合金から水素を取り出す手法などのように、水素の供給量が時間的に変化しやすい場合には、本発明の燃料電池発電システムに前記の水素除去装置や燃料電池の各セルが余剰水素を除去できる構成を持たせることで、システム内での余剰水素の除去を効果的に行うことができる。
【０１１６】
更に、水素除去装置についても図１２に示した構造に限られず、水素流路から所定量の水素を除去できる他の方法を用いることもできる。
【０１１７】
また、燃料電池の正極開口部の開口度を制御するための基礎となる情報を得るための検知手段として、各単位セルの表面温度を検出する温度センサを用いた場合を説明したが、本発明ではこれに限られる訳ではなく、前記のような湿度センサや水分量を検出するような方法も考えられる。すなわち、水素供給装置の動作開始からの時間経過に応じて変化する各単位セル内の固体電解質膜の水分量を随時検出または予想することができる手段であればよい。
【０１１８】
更に、図６から図９の本発明の燃料電池発電システムの構成例では、燃料電池１と外部負荷４とをスイッチ１１で接続／切り離しを行う形態を示したが、このスイッチ１１はあくまで概念的なものであって、必ずしも回路素子としてのスイッチが存在するわけではない。外部負荷自体の接続と切り離しを行うことで、外部負荷への電力供給のオン／オフを切り替える場合もあれば、外部負荷が回路構成上は常に燃料電池と接続されている場合も想定できる。
【実施例】
【０１１９】
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。
【０１２０】
参考例
［燃料電池の作製］
図１４に示す構成の燃料電池を作製した。単位セル１００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。各電極は２５ｍｍ×９２ｍｍ、固体電解質膜は２９ｍｍ×９６ｍｍとした。そして、３つの単位セル１００、１００、１００を直列に接続して一体化し、燃料電池１を構成した。
【０１２１】
以下、燃料電池１の詳細を、図１０を参照しつつ説明する。正極パネルプレート１１０には、ＳＵＳ３０４製で厚みが２ｍｍのものを用いた。正極開口部２０１を形成するための酸素導入孔は、１×１３ｍｍの長方形の穴を各単位セル１００の正極拡散層１０１上部に当たる部分全域にわたり、合計７２個配置した。負極パネルプレート１１１も、正極パネルプレート１１０と同様の材質、形状とした。すなわち、負極パネルプレートにおいては、正極パネルプレートに係る酸素導入孔が、負極開口部（図１０中、１２１）を形成するための水素導入孔となる。
【０１２２】
正極集電プレート１１４、１１６ａ、１１６ｂ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。酸素導入孔の形状、配置は正極パネルプレート１１０と同様である。負極集電プレート１１５、１１７a、１１７ｂも、正極集電プレート１１４、１１６ａ、１１６ｂと同様の材質、形状とした。
【０１２３】
正極絶縁プレート１１２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。酸素導入孔の形状、配置は正極パネルプレート１１０と同様である。負極絶縁プレート１１３も、正極絶縁プレート１１２と同様の材質、形状とした。
【０１２４】
燃料タンク部１１９には、ガラスエポキシ樹脂製で厚み３ｍｍのものを用いた。中央のタンク内部の深さは２ｍｍである。シール１１８ａ、１１８ｂには、シリコン製で厚み０．２ｍｍのものを用いた。電極の納まる部分に空いた穴のサイズは２６ｍ×９３ｍｍとした。
【０１２５】
以上の部材を図１０に示すように積層し、ボルトとナットを用いて締め込んで燃料電池を組み立てた。なお、図１０に示すように、正極パネルプレート１１０と正極絶縁プレート１１２との間には、図中の左右にスライド可能な開閉扉２００を挟持させた。この開閉扉２００をスライドさせることにより、単位セルの平面視での面積を基準（開口度１００％）とした場合の開口度を、２０％、３０％、および４０％に調整可能とした。
【０１２６】
前記の各燃料電池を用いて図１４に示す構成の燃料電池発電システムを構成し、水素供給源２ａとなる水素ボンベから供給される純度９９．９％の水素ガスを、約２５℃の水中に通してバブリングして加湿した状態とし、これを前記燃料電池発電システムに供給して、燃料電池の発電試験を行った。
【０１２７】
上記の発電試験では、外部負荷４を１時間ごとに変動させ、それと同時に、供給される水素の利用率が９０％以上になるように水素の流量を変化させることによって、燃料電池１の発電電圧が１．８Ｖから２．４Ｖまで、１時間ごとに０．１５Ｖずつ上昇するようにし、それぞれの電圧時において、電流値が安定化したときの値を記録した。
【０１２８】
更に、燃料電池の単位セルの表面温度を測定するために、熱電対（Ｋ型）を正極開口部付近に取付け、前記電流値の測定時の単位セルの表面温度を記録した。なお、計測時の周囲環境は、温度２０℃から２４℃で、相対湿度２２％ＲＨから３１％ＲＨであった。
【０１２９】
図１５に、正極開口部の開口度を２０％、３０％および４０％に固定して前記発電試験を行ったときの、燃料電池の出力の変化を示している。なお、図１５のグラフでは、燃料電池の各出力は、正極開口部の開口度を３０％に調整した場合における１．８Ｖでの発電試験結果の出力を１とした相対値で示している。
【０１３０】
図１５に示す結果から、電圧が２．４Ｖで出力が低い場合、すなわち、水素流量が少ない場合には、開口度が高くなるにつれて出力が低下する傾向が確認される。これは、低出力時には、生成水が少なく周囲環境が乾燥状態となるため、開口度が高いと固体電解質膜が乾燥して出力が低下するためと考えられる。
【０１３１】
一方、１．９５Ｖの高出力時、すなわち、水素流量が多い場合には、多くの酸素を取入れることができる開口度４０％に調整したときの出力が最も高い。しかしながら、更に水素流量が多い１．８０Ｖのときでは、寧ろ開口度が低い方が出力が低下する傾向が見られる。このときの単位セルの表面温度は５６℃を超えており、そのため燃料電池自らの発熱により固体電解質膜が乾燥しやすくなるため、開口度を高くして多くの酸素を取り入れ、発電反応を起こりやすくするよりも、開口度を低くして固体電解質膜の乾燥を防ぐ方が出力の向上に繋がると考えられる。したがって、燃料電池の出力に応じて正極開口部の開口度を調節することで、固体電解質膜の乾燥による出力の低下を防ぐことができる。
【０１３２】
前記の結果に基づいて、正極開口部の開口度を、燃料電池の出力に応じて２０〜４０％の間で変化させて発電試験を行ったときの燃料電池の電力量を、開口度を２０％、３０％および４０％で固定して発電したときの電力量と共に表１に示す。
【０１３３】
【表１】
2009123469.tif 000003
【０１３４】
表１から明らかなように、燃料電池の出力に応じて正極開口部の開口度を調節することにより、燃料電池の出力の低下を抑制することができる。したがって、後述する実施例の燃料電池発電システムに、本参考例の装置を組み込むことにより、前記の効果を得ることができる。
【０１３５】
実施例１
図１６に示す構成の燃料電池発電システムを作製した。
【０１３６】
［燃料電池の作製］
正極と負極とを抵抗１２を介して導通可能にした単位セル１００を６個直列に接続し、開閉扉２００による正極開口部の開口度を、前記予備試験の結果を受けて３０％にした以外は、前記予備試験と同様にして燃料電池を作製した。
【０１３７】
［水素除去装置の作製］
図１２に示す構成の水素除去装置を作製した。セル４００の構成部材は、前記燃料電池の単位セル１００と同様のものを用いた。電極は６ｍｍ四方とし、固体電解質膜は８ｍｍ四方とした。正極集電板４０６には、ＳＵＳ３０４に金メッキを施した厚み２ｍｍのものを用いた。空気孔４１２は１×６０ｍｍの長方形型の穴を図１２に示すようにセル４００の正極拡散層４０１上部に当たる部分全域にわたり配置した。負極集電板４０７も正極集電板４０６と同様の形状、材質とした。
【０１３８】
燃料タンク部４１１には、ガラスエポキシ樹脂製で厚み３ｍｍのものを用いた。中央のタンク内部の深さは２ｍｍである。シール材４１０には、シリコンゴム製で厚み０．２ｍｍのものを用いた。電極の納まる部分に空いた穴のサイズは６１ｍｍ四方とした。
【０１３９】
以上の部材を図１２に示すように積層し、ボルトとナットを用いて締め込んだ。また、正極集電板４０６の端部に正極リード線４１４を、負極集電板４０７の端部に負極リード線４１５を配し、これらの間に、スイッチ４１７および２０ｍΩの抵抗４１６を接続して、水素除去装置を得た。
【０１４０】
［水素供給装置の作製］
図１１に示す構成の水素供給装置を作製した。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３０７、水素導出パイプ３０５、３０６および水回収パイプ３１０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１２．３ｇと、発熱物質として酸化カルシウム１．６ｇを入れた。水収容容器３０３として内容積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３０ｇ入れた。凝縮水分離器３０９には、内容積３０ｃｍ３のポリプロピレン製角柱状の容器を用いた。
【０１４１】
［燃料電池発電システムの組み立て］
前記の燃料電池１、水素供給源２および水素除去装置３を用いて、図１６に示す構成の燃料電池発電システムを組み立てた。なお、逆流防止手段９ａ、９ｂにはチェックバルブを用いた。また、逆流防止手段９ａ、９ｂの燃料電池１側とは反対側を合流させて通気経路１３を構成し、この通気経路１３にマスフローメーター１４を接続し、燃料電池発電システムの燃料電池１において、通気経路８、１３および逆流防止手段９ａ、９ｂを経由して出入りするガスの流速をモニタリングできるようにした。マスフローメーター１４には、ＫＯＦＬＯＣ社製の「マスフロー８１００」を使用した。
【０１４２】
＜発電試験＞
水供給ポンプ３０８によって、水収容容器３０３内の水を水素発生物質収容容器３０１へ供給して水素を発生させ、外部負荷４によって燃料電池１の発電試験を４．０Ｖの定電圧で１時間行った。また発電試験の開始から４０分後に、燃料電池１の水素供給装置２側の単位セル１００の電圧値（Ａ）と、通気経路８側の単位セル１００の電圧値（Ｂ）とのモニタリングを開始し、前記電圧値（Ａ）および（Ｂ）のモニタリングを２００秒間継続した。また、通気経路８から排出される余剰のガスをモニタリング装置であるマスフローメーター１４で計測した。
【０１４３】
外部負荷４への電力供給を１時間行った後、外部負荷４をオフにすると共に水供給ポンプ３０８による水供給を停止し、同時に水素除去装置３のスイッチ４１７と燃料電池１の各単位セル１００の正極−負極間を繋ぐリード体に設けたスイッチをオンにした。
【０１４４】
比較例１
実施例１と同じ構成の燃料電池発電システムを用い、水素供給装置２の水供給ポンプ３０８によって、水収容容器３０３内の水を水素発生物質収容容器３０１へ供給して水素発生させ、外部負荷４によって燃料電池の発電試験を４．０Ｖの定電圧で開始した。試験は室温２５℃で行った。
【０１４５】
発電試験の開始から４０分後に、燃料電池発電システムから逆流防止手段９ａ、９ｂを取り外し、燃料電池１の電圧が安定してから、前記電圧値（Ａ）および（Ｂ）のモニタリングを２００秒間行った。
【０１４６】
比較例２
水素除去装置３を用いず、また、燃料電池１において、各単位セル１００の正極−負極間を繋ぐリード体および抵抗１１、並びに逆流防止装置９ａ、９ｂを設置しなかった以外は、実施例１と同様にして燃料電池発電システムを作製し、実施例１と同様にして発電試験を行った。
【０１４７】
図１７に、実施例１および比較例１の発電試験による燃料電池１の水素供給装置２側の単位セル１００の電圧値（Ａ）、および通気経路８側の単位セル１００の電圧値（Ｂ）の変化を示す。なお、図１７では、縦軸に、電圧値（Ａ）および（Ｂ）を相対値［電圧相対値（Ａ）および電圧相対値（Ｂ）］で示しているが、実施例１および比較例１における電圧相対値（Ａ）は、実施例１でのモニタリング開始時の電圧値（Ａ）を基準としており、実施例１および比較例１における電圧相対値（Ｂ）は、実施例１でのモニタリング開始時の電圧値（Ｂ）を基準としている。また、図１７の横軸は、電圧値（Ａ）および（Ｂ）のモニタリング開始からの時間を示している。
【０１４８】
図１７に示す結果から、実施例１および比較例１の電圧相対値（Ｂ）を比較すると、比較例１の電圧相対値（Ｂ）が低下している。これは、比較例１の燃料電池発電システムでは、逆流防止装置９ａ、９ｂを設置していない［電圧値（Ａ）および（Ｂ）のモニタリング前に、逆流防止装置９ａ、９ｂを取り外した］ことから、燃料電池１内に供給される水素の圧力変動などによって外気が混入し、これにより、外気の影響を受け易い通気経路８側の単位セルの電圧が低下しているものと考えられる。これに対し、逆流防止装置９ａ、９ｂを設置している実施例１の燃料電池発電システムでは、燃料電池１の運転時における圧力変動を抑制でき且つ外気の混入を抑えることが可能であり、これにより、燃料電池内の単位セルの電圧が、その配置に関わらず安定している。
【０１４９】
以上より、正極開口部を周囲環境に適応した開口度に設定し、かつ逆流防止手段を備えることにより、より出力安定性の高い燃料電池発電システムとし得ることが分かる。
【０１５０】
また、実施例１および比較例２の燃料電池発電システムによる発電試験において、燃料電池１の運転停止後（外部負荷４をオフにすると共に水供給ポンプ３０８による水供給を停止した後）の電圧変化を測定し、燃料電池１の電圧が０．２Ｖに降下するまでにかかった時間を求めた。結果を表２に示す。
【０１５１】
【表２】
2009123469.tif 000004
【０１５２】
水供給ポンプ３０８の停止後も、水素供給装置２から燃料電池１側への水素供給が暫く続いたため、表２に示すように、水素除去装置３を持たず、また、燃料電池１内の残留水素を消費する手段を持たない比較例２の燃料電池発電システムでは、電圧降下にかなりの時間を要したが、水素除去装置３を有する実施例１の燃料電池発電システムでは、水素除去装置３により燃料電池１内に流入する水素を大幅に低減でき、更に、燃料電池１内の各単位セル１００の抵抗１１により残留水素を消費できたため、迅速に電圧を低下させることができた。これらの結果から、水素除去装置３を有する実施例１の燃料電池発電システムでは、燃料電池１内の単位セルの長寿命化が期待できる。
【産業上の利用可能性】
【０１５３】
本発明の燃料電池発電システムでは、比較的簡易な構成で出力の安定化を図ることができ、また、好ましくは燃料電池の長寿命化も可能であることから、システムの小型化も容易である。よって、本発明の燃料電池発電システムは、高機能のポータブル型電子機器の電源用途を始めとして、従来の燃料電池が適用されている各種用途に好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１５４】
【図１】本発明の燃料電池発電システムに係る燃料電池の一例を模式的に示す斜視図である。
【図２】スライド式の開閉可能な扉の機構の一例を説明するための模式図である。
【図３】スライド式の開閉可能な扉の機構の他の例を説明するための模式図である。
【図４】本発明の燃料電池発電システムに係る燃料電池の他の例を模式的に示す斜視図である。
【図５】開き戸式の開閉可能な扉の機構の一例を説明するための模式図である。
【図６】本発明の燃料電池発電システムの構成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の他の構成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の他の構成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の他の構成例を示す模式図である。
【図１０】本発明の燃料電池発電システムに係る燃料電池の一例の要部を模式的に示す断面図である。
【図１１】本発明の燃料電池発電システムに適用可能な水素供給装置の一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に適用可能な水素除去装置の一例の要部を模式的に示す断面図である。
【図１３】本発明の燃料電池発電システムにおける開閉可能な扉の開閉の制御手順の一例を示すフローチャートである。
【図１４】参考例で使用した燃料電池の構成を示す模式図である。
【図１５】参考例の結果を示すグラフである。
【図１６】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１７】実施例１および比較例１の燃料電池発電システムにおける発電試験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１５５】
１    燃料電池
２    水素供給装置
３    水素除去装置
９ａ、９ｂ    逆流防止手段
１００    単位セル
２００    正極開口部
２０１    開閉可能な扉
【図１】
2009123469.tif 000005
【図２】
2009123469.tif 000006
【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】
2009123469.tif 000019
【図１６】
2009123469.tif 000020
【図１７】
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