(57)【要約】【課題】  湿度と温度を簡便に管理することができる燃料電池を提供することを目的とする。【解決手段】  電解質膜と、前記電解質膜の両側にそれぞれ配置されたアノード触媒層及びカソード触媒層と、前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層の前記電解質膜側とは反対側にそれぞれ配置されたアノードガス拡散層及びカソードガス拡散層とを含む膜電極接合体と、前記カソードガス拡散層の前記カソード触媒層側とは反対側に配置され、空気より電気伝導率が大きく、かつ、前記カソードガス拡散層と接触する表面がその裏面よりも親水性を有するカソード多孔体と、前記アノードガス拡散層の前記アノード触媒層側とは反対側に配置され、燃料の流路を有するアノード流路板と、前記カソード多孔体の端部に空気を供給するための空気供給手段と、を有することを特徴とする燃料電池。【選択図】図１
2009158202.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、前記電解質膜の両側にそれぞれ配置されたアノード触媒層及びカソード触媒層と、前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層の前記電解質膜側とは反対側にそれぞれ配置されたアノードガス拡散層及びカソードガス拡散層とを含む膜電極接合体と、
前記カソードガス拡散層の前記カソード触媒層側とは反対側に配置され、空気より電気伝導率が大きく、かつ、前記カソードガス拡散層と接触する表面がその裏面よりも親水性を有するカソード多孔体と、
前記アノードガス拡散層の前記アノード触媒層側とは反対側に配置され、燃料の流路を有するアノード流路板と、
前記カソード多孔体の端部に空気を供給するための空気供給手段と、
を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記空気供給手段から空気を供給される前記カソード多孔体の端部は、その少なくとも一部が膜電極接合体の外形の輪郭よりも突出していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記カソード多孔体は、多孔質焼結金属あるいは多孔質カーボンで形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記カソード多孔体は、前記空気供給手段から供給される空気の一部を流通させるための流路を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項５】
流線方向に対する前記流路の断面の面積の少なくとも一部が他部の面積に比べて小さいことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記カソード多孔体は、前記カソードガス拡散層とは反対側にカソード集電体を有することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記燃料電池を複数積層した時に前記カソード集電体は、隣接するアノード流路板と兼用されることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記カソードガス拡散層に接触する側の前記カソード多孔体の中央部の親水性は、前記空気供給手段から空気を供給される前記カソードガス拡散層に接触する面の前記カソード多孔体の端部の親水性よりも優れていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記空気供給手段の下流側に配置された弁を有することを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記カソード多孔体の端部の気孔径が、前記カソード多孔体の中央部の気孔径よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記カソード多孔体の端部の親水性が、前記カソード多孔体の中央部の親水性よりも高いことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記膜電極接合体を含む発電部の温度が所定の温度よりも高い場合に、前記空気供給手段からの空気供給量を増加させる信号を発する制御部を更に有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１３】
前記膜電極接合体を含む発電部の温度が所定の温度よりも低い場合に、前記空気供給手段からの空気供給量を減少させる信号を発する制御部を更に有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、本発明は、燃料電池に関し、特に固体高分子型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の一つとして、出力密度が高いという特徴を有する固体高分子型燃料電池が知られている。このような固体高分子型の安定稼動には発電部の温度と湿度の管理が重要である。
【０００３】
湿度については特にカソード側における適正な湿度管理が重要である。カソード側には、カソード反応において生成する水、およびアノード側から電解質膜を通ってカソード側へ移動する水が存在する。このようなカソード側の水を外部に完全に排出することができずにカソードガス拡散層内に液体の水が蓄積された場合、水が蓄積された領域にはカソード反応に用いられる空気の供給が困難になり、全体として発電効率が低下する。特に、カソードガス拡散層と接するカソード流路板の凸部の直下の領域には、カソード集電体の開口部直下の凹部の領域と比較して空気が供給されにくいため、液体の水は蓄積されやすく空気の供給が阻害されやすい。
【０００４】
この問題に対して、反応生成物を保持する保持体を正極の酸化剤ガス流路に配する燃料電池が提案されている（特許文献１）。
【０００５】
しかし、このような構成を有する燃料電池も保持材が配置されている部分は水の除去ができるが、それ以外の部分については水の除去は適切に行われない。そうすると、一枚の電極の面内に発電効率が高い領域と低い領域が存在することとなり、全体の発電効率を高めることができないのみならず、局所的な電流密度の濃淡ができた運転になることで、長期的な信頼性も低下してしまう問題がある。
【０００６】
これに対し、膜電極接合体に撥水性かつ導電性を有するカソード多孔体を接合ないし接触する形で配置し、面内に接触による圧力の疎密を設けることで圧力が密な領域から疎な領域への水の移動を促進し、多孔体内での水の蓄積を防止する燃料電池が提案されている（特許文献２）。
【０００７】
しかし、このような構成を有する燃料電池は、カソード多孔体断面を貫通して液体を透過させるため、多孔体の内部全体に対しても水を排出させるための処理が必要となり、電気伝導性の低下や機械的強度低下を招くといった問題がある。
【０００８】
一方、温度については、発電セルから発生する熱を熱抵抗が低い伝熱部材、例えば多孔質体を通じて外部に放出する燃料電池が提案されている（特許文献３［００７２］）。
【０００９】
しかし、このような構成を有する燃料電池も、多孔体は水の管理がなされておらず、水の除去が適切に行われないため、上記のような発電効率の低下は免れない。
【００１０】
これに対し、温度と湿度を発電に適した温度領域、湿度領域に収まるように制御する燃料電池システムとして、空気供給手段および冷却手段が各々独立に制御する燃料電池が提案されている。
【００１１】
この燃料電池は、燃料電池への空気の供給を単独ファンによって行う。これは燃料電池の乾燥と冷却の両機能を単独のファンが兼ねていると、燃料電池が低温度かつ高湿度の状況下でファンによる送風を行うと、湿度は低下するが温度は更に低下してしまい、発電効率が低下してしまうという問題があることに対してなされたものである（特許文献４［０００６］）。
【００１２】
しかし、ファンを複数設けると制御は容易になるが、システムが大掛かりになり、かつ消費電力も大きくなるという問題がある。
【特許文献１】特開２００３−１５７８７９号公報
【特許文献２】特開２００７−７７８３９号公報
【特許文献３】特開２００４−３１０９６号公報
【特許文献４】特開２００４−１９２９７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
このように、従来の燃料電池は湿度と温度を簡便に管理することに問題があった。
【００１４】
本発明は係る問題点を解決するためになされたものであり、湿度と温度を簡便に管理することができる燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係る燃料電池は、電解質膜と、前記電解質膜の両側にそれぞれ配置されたアノード触媒層及びカソード触媒層と、前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層の前記電解質膜側とは反対側にそれぞれ配置されたアノードガス拡散層及びカソードガス拡散層とを含む膜電極接合体と、前記カソードガス拡散層の前記カソード触媒層側とは反対側に配置され、空気より電気伝導率が大きく、かつ、前記カソードガス拡散層と接触する表面がその裏面よりも親水性を有するカソード多孔体と、前記アノードガス拡散層の前記アノード触媒層側とは反対側に配置され、燃料の流路を有するアノード流路板と、前記カソード多孔体の端部に空気を供給するための空気供給手段と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明により、湿度と温度を簡便に管理することができる燃料電池が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００１８】
また、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに限定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１９】
〔第１の実施の形態〕
以下、本発明の第１の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明においては、燃料にメタノール水溶液を用いた直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）を一例として説明する。
【００２０】
図１は第１の実施の形態に係る燃料電池の発電スタックの１セル分に相当する部分の断面模式図である。
【００２１】
本発明の実施の形態に係る燃料電池は、電解質膜１と、この電解質膜１の両側にそれぞれ配置されたアノード触媒層２及びカソード触媒層３と、アノード触媒層２及びカソード触媒層３の電解質膜側とは反対側にそれぞれ配置されたアノードガス拡散層４及びカソードガス拡散層５とを含む膜電極接合体６と、カソードガス拡散層５のカソード触媒層側とは反対側に配置され、空気より電気伝導率が大きく、カソードガス拡散層５と接触する表面７がその裏面８よりも親水性を有するカソード多孔体９と、アノードガス拡散層４のアノード触媒層側とは反対側に配置され、燃料の流路１５を有するアノード流路板１０と、カソード多孔体９のカソードガス拡散層側とは反対側に配置されるカソード集電板２１ｂ、カソード多孔体９の端部９ａ、９ｂに空気を供給するための空気供給手段１１と、を有する。
【００２２】
なお、図１では空気供給手段１１は紙面に対して下方から上方に空気１２を供給するように図示されているが、実際には、紙面に対し手前から奥に紙面に対して直行する方向、またはその逆方向に向けて供給される。
【００２３】
これらに加え、燃料および空気１２のリークを抑制するためにアノードガスケット１３、カソードガスケット１４を有する。
【００２４】
〔膜電極接合体〕
膜電極接合体６は、電解質膜１と、電解質膜１の両側にそれぞれ配置されたアノード触媒層２及びカソード触媒層３と、アノード触媒層２及びカソード触媒層３の電解質膜側とは反対側にそれぞれ配置されたアノードガス拡散層４及びカソードガス拡散層５とを含む。
【００２５】
〔電解質膜〕
電解質膜１には、例えばＤｕｐｏｎｔ社のＮａｆｉｏｎ膜（商標）を用いることができる。電解質膜１はアノード触媒層２で生成したプロトン（Ｈ＋）をカソード触媒層３へ移送する媒体として機能する。
【００２６】
〔アノード触媒層・カソード触媒層〕
この電解質膜１の両側にはアノード触媒層２及びカソード触媒層３が配置される。メタノール水溶液を燃料とする場合、アノード触媒層２には、例えばＰｔ−Ｒｕ触媒を用いることができる。また、カソード触媒層３にはＰｔ触媒を用いることができる。
【００２７】
アノード触媒層は前記Ｐｔ−Ｒｕ触媒をパーフルオルスルホン酸樹脂溶液（ナフィオン溶液（商標））、水、及びエチレングリコールと混合して分散させた後、電解質膜上にスプレー法によって塗布することで作製することができる。
【００２８】
また、カソード触媒は前記Ｐｔ触媒をパーフルオルスルホン酸樹脂溶液（ナフィオン溶液（商標））、水、及びエチレングリコールと混合して分散させた後、電解質膜上にスプレー法によって塗布することで作製することができる。
【００２９】
〔アノードガス拡散層、カソードガス拡散層〕
アノード触媒層２及びカソード触媒層３の電解質膜側とは反対側にそれぞれ配置されたアノードガス拡散層４及びカソードガス拡散層５が配置される。アノードガス拡散層４およびカソードガス拡散層５にはカーボンペーパー、カーボンクロスもしくはカーボン不織布等を用いることができる。ガス拡散層に主としてカーボン粉末とＰＴＦＥから成るカーボン緻密撥水層（マイクロポーラスレイヤー：ＭＰＬ）を設けても良い。
【００３０】
アノードガス拡散層４はアノード触媒層２への燃料供給、生成物排出、集電を円滑に行う機能を提供する。カソードガス拡散層５はカソード触媒層３への空気供給、生成物排出、集電を円滑に行う機能を提供する。
【００３１】
〔膜電極接合体のスタック方法〕
膜電極接合体６は、例えば、アノード触媒層２及びカソード触媒層３が両面に塗布された電解質膜１と、アノードガス拡散層４及びカソードガス拡散層５とを接合して作製される。あるいは、電解質膜１と、アノード触媒層２が塗布されたアノードガス拡散層４及びカソード触媒層３が塗布されたカソードガス拡散層５とを接合しても良い。それぞれ高い圧力で接合することにより、アノード触媒層１２及びカソード触媒層１３と接する界面の接触抵抗を低減することができる。
【００３２】
なお、ここで「接合」とは、両者が予めプレス機等を用いて圧縮されることで一体化し、一の部材と他の部材の相対する一部が融着等により、簡単な工具を用いた程度では部材の変形を伴わずに分離することが困難な加工方法、またはその結果の状態を意味する。例えば、膜電極接合体６についてもこのことが当て嵌まる。膜電極接合体６として接合した後の部材は、もとの部材の厚みに比べて全面において厚みが薄くなっている。一方、後述する「接触」とは、両者が予め圧縮によって一体化されることなく、膜電極接合体６を分解した場合に容易に両者を容易に分離可能な状態を意味し、「接合」とは区別される。
【００３３】
〔カソード多孔体〕
カソード多孔体９は、カソードガス拡散層５のカソード触媒層側とは反対側に配置される。カソード多孔体９は空気供給手段１１から供給される空気１２を膜電極接合体６へ供給するため流路の壁（仕切り）１７に区切られた流路１６ａ、１６ｂを有する。
【００３４】
カソード多孔体９は以下に述べるように、全体が高い電気伝導性を有し、かつその表面７が裏面８よりも高い液体透過性を有するよう、例えば、多孔質金属の表面７に親水化処理を施したものを用いることができる。多孔質金属のほか、多孔質焼結金属、多孔質カーボンも用いることができる。
【００３５】
（親水性）
このカソード多孔体９は、カソードガス拡散層５と接触する表面７が親水性を有する。これにより、膜電極接合体６から排出される水を表面７に吸収し、カソード多孔体９の端部９ａ、９ｂに水を移送することができる。換言すれば、カソード多孔体９の表面７は液体透過性を有する。
【００３６】
ここで「カソード多孔体９の表面７」とは、カソード多孔体９の表面近傍を意味する。すなわち、カソード多孔体９がカソードガス拡散層５と接触する面を「一の面」、この裏の面を「他の面」とすると、「表面」とはこの一の面から他の面にかけてのカソード多孔体の深さ方向の全領域を意味するのではなく、カソード多孔体の一の面から他の面に至る途中までの深さ、すなわち所定の厚みを有する、体積を持った領域をいう。図１の表面７はこれを模式的に表したものである。
【００３７】
この表面７の厚みは、膜電極接合体６の発電量と面積に応じて決められる。例えば、単位面積当たりの発電量が大きい場合には後述するカソード反応により発生する水の量が多くなるため、これを排出するために所定の厚みを有する必要がある。単位時間、単位面積当たり排出が必要な水の量をｗ（ｃｍ３／（ｃｍ２・ｓ））、表面７の領域の空隙率をｐ（ｖｏｌ％）とすれば、表面７の厚みｔ（ｃｍ）は少なくとも（式１）を満たすことが好ましい。ここでｔ０（ｃｍ）はカソード多孔体の平均膜厚である。平均膜厚はカソード多孔体９の複数の点（例えば１０点）を測定してその総加平均を求めればよい。
【数１】
2009158202.tif 000003
【００３８】
「カソードガス拡散層５と接触するカソード多孔体９の表面７がその裏面８よりも親水性を有する」とは、上記カソード多孔体９のカソードガス拡散層５と接触する上記所定の厚みを有する領域（カソード多孔体の表面７）において、カソード多孔体９は親水性を有するが、それ以外の領域（カソード多孔体の裏面８）については表面７の領域に比較して親水性に劣る、ということを意味する。なお、カソード多孔体９の一の面と他の面の親水性の比較はそれぞれの面における水の接触角を測定することにより優劣を比較することにより求めることができる。
【００３９】
さらに、カソード多孔体が膜電極接合体からの水の排出能力を向上させるために、カソード多孔体の親水化の状態を、中央部の仕切り１７およびその近傍と端部９a、９ｂで変化させることができる。端部９ａ、９ｂの親水性を中央部の親水性よりも高めた場合、中央部の仕切り１７およびその近傍の水は端部９ａ、９ｂへとより移動しやすくなる。ここで、親水性を変化させるには、親水効果をもたらす樹脂の親水性、添加量を変化させる方法が適用できる。その他、多孔体の気孔径を変化させる方法も採用できる。親水性を有する樹脂の添加量を中央部の仕切り１７およびその近傍より端部９ａ、９ｂで増加させた場合、端部の親水性が高まることから毛管力は中央部の仕切り１７およびその近傍より端部９ａ、９ｂで高くなって水が端部９ａ、９ｂへと移動できる。親水性は水の接触角値より求めることができる。すなわち、水との接触角が小さい程、親水性は高いと判断されるので、中央部の仕切り１７およびその近傍と端部９ａ、９ｂにおける接触角をそれぞれ測定することにより、評価することが可能である。
【００４０】
また、中央部の仕切り１７およびその近傍と端部９ａ、９ｂで親水性を有する多孔体を塗布する際の空隙率を変化させ、端部９ａ、９ｂの多孔体の気孔径を小さくすることで毛管力は中央部の仕切り１７およびその近傍より端部９ａ、９ｂで大きくなり水が端部９ａ、９ｂへと移動しやすくなる。
【００４１】
（電気伝導率）
カソード多孔体９は空気よりも大きい電気伝導性を有する。後述するカソード反応（式３）に用いるエレクトロン（ｅ−）をアノード触媒層２からアノードガス拡散層４、アノード流路板１０、外部回路（図示せず）を経由し、カソード集電体２１ｂを通じて最終的にカソードガス拡散層５、カソード触媒層３へ供給する機能を提供するためである。
【００４２】
（空気透過性）
カソード多孔体９は空気供給手段１１（例えばファン）から空気１２を取り入れる流路１６ａ、１６ｂが設けられている。なお、第２の実施の形態ではカソード多孔体９の空隙率を高め、空気透過性を高くすることでカソード多孔体９自体に発電に必要な空気１２の供給を確保する役割をもたせている。一方、金属板のように多孔性を有さない部材の表面に親水化処理を施すのみの部材をカソード多孔体９として適用することはできない。これは毛管力を利用した水の移送が利用できず、効果が得にくいからである。すなわち、毛管力を利用した水を移送する効果を得るためには、使用する部材に毛管力を与えるために必要な、一定の空隙率が必要だからである。なお、ここで空隙率とはカソード多孔体９の単位体積あたりに対して空隙の占める体積の割合をいい、水銀圧入法により測定することができる。
【００４３】
（流路）
本実施の形態におけるカソード多孔体９は、空気供給手段１１から供給される空気１２の一部を膜電極接合体６へ供給するため、流路の壁（仕切り）１７に区切られた、凹状の流路１６ａ、１６ｂを有している。このような流路１６ａ、１６ｂを有する構造は、単位面積当たり高い出力密度を要求される場合に有効である。
【００４４】
なお、ここで凹状とは、流路１６ａ、１６ｂがくぼみを有していることを意味する。すなわち、その流線方向に対する前記流路の断面の形状が矩形状のものに限定されるのではなく、半円状、半楕円形状など、流体を流す構造を有していればその形状は任意である。
【００４５】
（技術的効果）
従来のカソード多孔体が主として断面方向（図１では紙面に対して左右の方向）に液体の透過性をもたせる場合に比較して、本発明に係るカソード多孔体９がカソードガス拡散層５と接触する表面７の近傍に、その面方向にのみ液体透過性（親水性）をもたせることにより、カソード多孔体９の断面を貫通して水などの液体を透過させるための親水化処理が不要になる。このため、カソード多孔体９のカソードガス拡散層５と接触する表面７の近傍のみを親水化処理すればよく、従来のカソード多孔体９よりも加工が容易になり、かつ加工コストの削減が見込まれる。
【００４６】
また、従来のカソード多孔体は液体透過性を上げるために樹脂等添加物をカソード多孔体全体に加えることによりカソード多孔体の電気伝導性の低下を引き起こしていた。しかし、本発明に係るカソード多孔体９は、樹脂等を添加処理すべき厚さが表面近傍のみで済むため、カソード多孔体９の電気伝導性の低下を従来よりも軽減することができ、ひいては発電効率の向上が可能となる。
【００４７】
さらに、従来ではカソード多孔体９の断面を貫通して水などの液体を透過させるための親水化処理を行うことにより、カソード多孔体９の全域において機械的強度が低下してしまう問題が生じていたが、本発明に係る実施の形態においてはカソードガス拡散層５と接触する表面７の近傍のみが親水化処理されるため、表面７の近傍以外で機械的強度を損なうことがない。よって従来のカソード多孔体９に比較し、全体としての機械的強度の低下を抑制することが可能となる。
【００４８】
このようにカソード多孔体９のカソードガス拡散層５と接触する表面７にのみ親水性を持たせることにより、電気伝導性、機械的強度を確保した上でカソード多孔体９は膜電極接合体６から排出される水をカソード多孔体９の表面７の領域を通じて膜電極接合体６の外部へ移送することが可能となる。
【００４９】
（形状）
膜電極接合体６から排出される水はカソード多孔体９の表面７に吸収され、カソード多孔体９の端部９ａ、９ｂに移送される。端部９ａ、９ｂから水は発電スタックの系外へ除去される。このとき、空気供給手段１１から供給される空気１２が、その表面７に水を含んだカソード多孔体９の端部９ａ、９ｂに接触し、その端部９ａ、９ｂから水を気化して排出する構造となっている。このことにより、「端部９ａ、９ｂからの水の除去」と「カソード多孔体９の冷却」の両方の機能及び効果を持たせることができる。水の気化熱を利用して、カソード多孔体９を冷却することができるからである。
【００５０】
端部９ａ、９ｂが空気供給手段１１から供給される空気１２に接触できる構成となっていることが必要であるが、冷却効果も含めた温度調節効果を有効に活用するためには、カソード多孔体９の端部９ａ、９ｂは、少なくともその一部が膜電極接合体６の輪郭よりも突出していることが好ましい。ここで「突出」するとは、カソード多孔体９の長さ（以下Ｌ１とする。図１参照。）が膜電極接合体６のガスケットを含む外形の輪郭の長さ（以下Ｌ２とする。図１参照。）よりも長いことを意味する。このようにＬ１＞Ｌ２とすることでカソード多孔体９が空気１２と接する面積を大きくすることができる。これにより端部９a、９ｂにおける水の気化を促進させ、カソード多孔体９を通じて発電スタック全体に対する冷却能力を向上させることができる。
【００５１】
また、このような構造を有することによりすなわち、発電用の空気供給手段と冷却用の空気供給手段１１を兼用させることができるので、特別に冷却用のフィンを設ける必要がなくなり、燃料電池の小型化、簡素化が可能となる。
【００５２】
（操作方法）
膜電極接合体６を含む発電スタックが所定の温度より高温になっている場合には空気１２の供給量を増加して水の気化を多くすることにより、カソード多孔体９を冷却することができる。冷却されたカソード多孔体９はこれに接触しているカソードガス拡散層５を冷却し、冷却されたカソードガス拡散層５がカソード触媒層３も冷却する。これを所定の時間連続的あるいは断続的に行うことにより、発電スタック全体を所望の温度範囲に冷却することができる。発電スタックが所定の温度よりも低温の場合にはこれとは逆の操作を行うことにより、発電スタックを所定の温度範囲にすることができる。発電スタックの温度は発電スタックのいずれかの場所に設置した熱電対を設置して測定することができる。本発明に係る実施の形態ではアノード流路板１５の中央部に熱電対を挿入し、温度を計測した。
【００５３】
このようなカソード多孔体９としては、上述した多孔質焼結金属が熱伝導性についても優れているため、上記温度調節を行うのに適している。
【００５４】
なお、上記に加えて、カソード多孔体９の表面７と同等あるいはそれ以上に親水性に富んだ部材を端部９ａ、９ｂに連結させることによりカソード多孔体９から連続的に水を排出することができる。このような連結部材としては、不織布や海綿体、紙などを用いることができる。さらに、水回収タンクなどの貯留部を連結させることにより、水を貯留することも可能となる。カソード多孔体９の表面７は常にある程度湿った状態を保持する必要があるため、このように端部に貯留部を有することは有効な手段の一つとなる。
【００５５】
〔カソード集電板〕
本発明の実施の形態に係る燃料電池のカソード集電板２１ｂは、カソード多孔体９のカソードガス拡散層側とは反対側に配置される。カソード集電体２１ｂは発電スタックを積層した時の強度を確保しつつ、膜電極接合体６からの電気を集電する役割を果たす。集電板２１ｂとしては、例えば、チタンを用いることができる。他にも、導電性が高く、強度の高い材料、例えば、ステンレス等の金属材料、緻密カーボンなどを用いることができる。カソード集電体２１ｂは平板形状の他、凹凸などの任意の形状を有することも可能である。
【００５６】
〔アノード流路板〕
本発明の実施の形態に係る燃料電池のアノード流路板１０は、アノードガス拡散層４のアノード触媒層側とは反対側に配置され、燃料の流路１５を有する。すなわち、アノード拡散層４を通じてアノード触媒層２へと燃料供給する目的と、アノード反応（式２）により生じた生成物を排出する目的のために流路１５が設けられたものである。
【００５７】
アノード流路板１０に設けられる流路１５は、例えば、サーペンタイン流路や、複数の流路が平行に走るパラレル流路とすることができる。
【００５８】
〔空気供給手段〕
本発明の実施の形態に係る燃料電池の空気供給手段１１は、押出し式のファンを用いることができる。もちろん、吸引式のブロアを用いても良い。空気供給手段１１はカソード多孔体９の端部９ａ、９ｂに空気１２を供給することにより、カソード多孔体９は水の気化熱も含めて冷却される。この他、膜電極接合体６でカソード反応（式３）を行うために必要な酸素も供給する。
【００５９】
燃料電池への空気１２の供給を単独ファンにより行う場合、すなわち発電スタックの乾燥と冷却の両機能を単独のファンが兼ねている場合には、燃料電池が低温度かつ高湿度の状況下で湿度を低下させるためにはファンによる送風を行う。しかし、この場合には湿度低下の効果があまり得られず、温度のみが低下し発電効率が低下してしまう。これには主として２つの要因がある。１つは、膜電極接合体６への空気供給量の増加と同時に、冷却空気流量も増大してしまうためである。もう１つは、膜電極接合体６への空気１２の供給量を増加させると、電解質膜１を通してアノード側からカソード側へ移動する水の量が増大してしまい、より水をカソード触媒層３に溜め込んでしまうためである（例えば、特開２００５−３６０７００号公報参照）。
【００６０】
しかし、本発明に係る実施の形態においては、カソード多孔体９の中央部に仕切り１７が設けられている。カソード多孔体９の仕切り１７を空気１２が透過するための圧力はファンの空気供給可能な圧力よりも高いことから対流による空気供給が抑制される。つまり、図１の１６aと1６ｂの空間は、仕切り１７によって分割されているため、１６aと１６bの圧力差が空気供給手段１１の流れ分布により与えられたとしても、対流は起こらない。よって膜電極接合体６への空気１２の供給は自然な拡散による効果のみで行われる。このため、発電スタックの冷却を制御するためにファンが送る空気流量を増加、減少させても膜電極接合体６に供給される空気１２の流量は拡散による寄与で一意に定まる。
【００６１】
一方、膜電極接合体６から排出される、カソード多孔体９の表面７の毛管力により端部９ａ、９ｂに運ばれた水は空気１２によって除去される。この結果、カソード多孔体９を介して膜電極接合体６の湿度を低下することができる。すなわち、湿度は膜電極接合体６への流入する空気量を変化させずに多孔体の毛管力によって所定の範囲内に維持しつつ、温度は冷却のための空気１２の供給量によって制御する。よって、単独の空気供給手段１１で湿度および温度の管理が可能となる。なお、供給する空気１２として周囲の大気を用いる場合、例えば季節により含水率が異なる場合がある。この場合に備えて空気供給手段１１と膜電極接合体６の間に除湿剤を介挿してもよい。除湿剤としては例えばシリカゲルを用いることができる。除湿剤を用いない場合でも、湿度計を用いて空気供給手段１１から端部９ａ、９ｂに供給する空気１２の供給量を変化させてもよい。空気供給手段１１から端部９ａ、９ｂに供給する空気１２の供給量を変化させるには、後述する図７の空気供給開閉弁３５により調節してもよい。
【００６２】
〔燃料電池の機能〕
次に図１に示した発電スタックの基本的な機能について、図７も併用して説明する。今回、特に燃料としてメタノール水溶液をアノード流路板１０からカソードガス拡散層４を通じてアノード触媒層２に供給し、空気１２をカソード触媒層３に空気供給手段１１から供給する場合について説明する。
【００６３】
まず、メタノール水溶液は燃料混合タンク３３から混合燃料供給ポンプ３４等を用いてアノード流路板１０へ供給され、この中のアノード流路１５を流れて、アノードガス拡散層４を通してアノード触媒層２へ供給される。膜電極接合体６のアノード触媒層２においては（式２）に示すアノード反応が起こる。
【数２】
2009158202.tif 000004
【００６４】
（式２）に基づき、アノード触媒層２で生成したプロトン（Ｈ＋）はアノード触媒層２から電解質膜１を通りカソード触媒層３へと流れる。電子（ｅ−）はアノードガス拡散層２、アノード集電体２１ａ、外部回路（図示省略）、カソード集電体２１ｂ、カソード多孔体９、カソードガス拡散層５を経由してカソード触媒層３へと運ばれる。アノード触媒層２で生成した二酸化炭素（ＣＯ２）はアノードガス拡散層４、アノード流路１５を通して外部へ排出される。
【００６５】
このプロトン及びエレクトロンは、空気供給手段１１から供給される空気１２によりカソード触媒層３において（式３）に示すカソード反応で用いられる。なお、図１において、空気１２はカソード多孔体９とカソードガス拡散層５の間の流路１６ａ、１６ｂを通じてカソードガス拡散層５へ供給される。
【数３】
2009158202.tif 000005
【００６６】
一般に、カソード反応（式３）が起こる際、プロトンの移動と共にメタノール（ＣＨ３ＯＨ）および水（Ｈ２Ｏ）も電解質膜１を通過して移動する。このように電解質膜１を透過したメタノールは空気供給手段１１から供給される空気１２によりカソード触媒層３において（式４）に示す酸化反応を起こし、水を生じる。
【数４】
2009158202.tif 000006
【００６７】
カソード反応（式３）で生成した水、および透過した水の一部は電解質膜１を通してアノード触媒層２へ逆拡散する。残りの水は膜電極接合体６からカソード多孔体９の表面７を通して外部へと移送される。
【００６８】
ここでカソード反応の空気供給に大きな影響を与えるカソード触媒層３とカソードガス拡散層５を一つの系（以下、系Ｘとする）と考え、この系Ｘにおける水の単位時間当たりの物質収支（ｍｏｌ／ｓ）を考えるため、以下のＡ乃至Ｅを定義する。これらは全て単位時間当たりの量とする。なお、系Ｘから直接気化する水の量は、これらＡ乃至Ｅの量に比較し無視できると考えている。
【００６９】
Ａ  ＝  系Ｘからカソード多孔体９を通じて外部への移送される水の量
＝  Ｑｃ（ファン冷却空気流量）×Ａｒｅａ（多孔体がファン空気と接する面積）×γ（係数）
Ｂ  ＝  系Ｘから電解質膜１を通じてアノード触媒層２からカソード触媒層３へ移動する水の量
Ｃ  ＝  系Ｘ内でカソード反応（式３）により生成する水の量
Ｄ  ＝  系Ｘ内でメタノールの酸化反応（式４）により生成する水の量
そうすると、膜電極接合体における水の収支は以下のＦとＧで考慮することができる。
【００７０】
Ｅ  ＝  系Ｘにおける水の単位時間当たりの減少量  ＝  （Ａ）
Ｆ  ＝  系Ｘにおける水の単位時間当たりの増加量  ＝  （Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）
ここで、ＥとＦが等量である時に、膜電極接合体６の水の収支はバランスしている。一方、ＥがＦよりも小さい時、膜電極接合体６の系Ｘ内において水の滞留が発生する。水の滞留が発生すると、その滞留した領域においては空気の供給不足となり、その結果、燃料電池の出力が低下し、燃料電池全体として発電効率が低下することは前述の通りである。
【００７１】
よって、高い発電効率を安定して維持するには、ＥがＦよりも大きくなるように膜電極接合体６のカソード触媒層３およびカソードガス拡散層５から円滑に水を移送し、系Ｘ内の水の滞留を抑制する必要がある。発電スタックの冷却に必要な空気１２の流量はカソード反応（式３）に供給すべき空気１２の流量よりも多い。この時、カソード多孔体７がファンを接する面積Ａを所定の値以上に大きくすることで、発電スタックの冷却に必要な空気１２中に含むことのできる水の量（＝Ｅ）をＦより多くすることができる。このようにして本発明に係る実施の形態では水の排出を促進することができる。
【００７２】
一方、ＥをＦより極度に大きくした場合（Ｅ＞＞Ｆの場合）、電解質膜１が乾燥し、発電効率が低下してしまう。このような場合においても、カソード多孔体７は水の排出と同時に水をそのカソード多孔体７の中の空隙内部に一部貯えることができるため、乾燥を抑制することが可能となる。つまり、カソード多孔体７はカソード多孔体７内の水の蓄積が過剰な場合にも、逆に減少しすぎて乾燥している場合にも膜電極接合体６内の水分状態を適度に保つ役割を果たす。
【００７３】
（積層した発電スタック）
図２に上記で説明した発電スタックを複数直列に積層して発電スタックとした時の、主要な構成部品を展開して斜視した概念図である。
【００７４】
発電スタック２０は膜電極接合体６、カソード多孔体９、アノード流路板１０、カソード多孔体９、燃料および空気のリークを防止するアノードガスケット１３、カソードガスケット１４から構成される発電スタックを１セル分とする。
【００７５】
発電スタック２０の端部には、全セルからの電気を集電するための集電板２１ａ、２１ｂおよび各セルの固定と締付を行う締付板２２ａ、２２ｂが設けられている。
【００７６】
また、図１と同様に空気供給手段１１が設けられ（図示省略）、カソード多孔体９の長手方向に空気１２ａ乃至１２ｃが供給される。
【００７７】
（カソード多孔体）
図３（Ａ）は図２に係るカソード多孔体９を上面から見た詳細図、図３（Ｂ）は図２に係るカソード多孔体９を正面からみた詳細図である。カソード多孔体９は、膜電極接合体６と接触する膜電極接合体６との接触領域Ａ１（図３の破線で囲まれる領域）と、その周囲の水排出領域Ａ２からなる。カソード多孔体９が膜電極接合体６と接する面には、膜電極接合体６への空気１２の供給を行うための凹状の流路１６ａ、１６ｂが流路の壁２５によりそれぞれ区画されている。また、膜電極接合体６の中央には、凸状の仕切り１７が形成され、流路１６ａと流路１６ｂが分離され、流路１６ａと流路１６ｂを非貫通な流路構造としている。
【００７８】
カソード多孔体９の水排出領域Ａ２の上下面には、それぞれ空気供給手段１１から空気１２が供給される。空気１２を、流路１６ａ、１６ｂを通じて拡散によって膜電極接合体との接触領域Ａ１に取り込まれる。
【００７９】
ここで、水排出領域Ａ２は、空気供給手段１１から供給される空気１２が効率良く接触するよう、膜電極接合体６の輪郭、すなわち接触領域Ａ１に対して突出した端部９ａ、９ｂを有する。ここでカソード多孔体７の親水性を（Ａ２における親水性）＞（Ａ１における親水性）とした場合、接触領域Ａ１の水を、排出領域Ａ２へと効率よく移動させることができる。親水性を変化させるには、前述の方法を用いることができる。
【００８０】
〔第２の実施の形態〕
以下、本発明の第２の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００８１】
図４に第２の実施の形態に係る発電スタックの１セルあたりの構成を示す。１セルは膜電極接合体６、アノード流路板１０、カソード多孔体９、カソード集電体２１ｂ、燃料および空気のリークを防止するアノードガスケット１３、カソードガスケット１４から構成される。なお、以下は第１の実施の形態と同一の構成、作用、効果については説明を省略し、異なる点について説明する。
【００８２】
第１の実施の形態の場合と異なり、膜電極接合体６はその全面においてカソード多孔体９と接触している。すなわち、流路１６ａ、１６ｂ、仕切り１７、流路の壁２５を有さない構成となっている。
【００８３】
このため、膜電極接合体６の輪郭から突出したカソード多孔体９の端部９ａ、９ｂには空気供給手段１１から供給される空気１２が接触して、この部分からのみ水の気化を行いうる構成となっている。
【００８４】
水及び空気の透過性能を上げるためにカソード多孔体９の気孔率を高めることと、発電スタックの機械的な強度、形状加工容易性の確保はトレードオフの関係にある。このため、第１の実施の形態では機械的な強度を確保した多孔体に別途空気１２を取り入れるための流路１６ａ、１６ｂを加工して設けることにより、空気１２の供給能力を確保している。
【００８５】
これに対し、本実施の形態では空気１２の供給は気孔率の高いカソード多孔体９が行い、発電スタックの機械的な強度の確保はカソード集電体２１ｂが行うよう、それぞれに役割を分担させる。これにより両者それぞれの作用及び目的を実現するための仕様を確保が容易になる。カソード多孔体９としてカソードガス拡散層５と同様、薄くてかつ空気透過性の高い材料を用い、水の円滑な排出と空気の供給を実現することができる。
【００８６】
このような、気孔率の高いカソード多孔体９を用いることで、別途流路１６ａ、１６ｂを設ける必要がなくなるため、製作工程およびコストの削減が可能となる。空気供給手段１１から供給される空気１２の一部をカソード多孔体９の内部に拡散させることにより、膜電極接合体６へ空気１２を供給する場合、カソード多孔体９の厚さが増加すると空気１２の取入幅（取り入れ面積）が増加することから空気１２の拡散量が増加する。よって、その表面に親水化処理を施したカソード多孔体９をいくつか重ね合わせるなどして厚さを調節することで、空気拡散量を増加させて高負荷運転を行うことができる。ここで、カソード多孔体９の表面７の親水条件を、膜電極接合体６と接する領域に対してその「外部（端部）９ａ、９ｂ」で高めることで水の排出能力を高めることが可能となる。
【００８７】
（効果）
本実施の形態によれば、カソード多孔体９は流路１６ａ、１６ｂ等がないため、１６aおよび１６bの空間中に液体水が停滞してしまうことを防止できる。また、過剰にカソードから水が除去された場合においても、カソード多孔体９内の空隙率が高いことから、その内部に水分を含むことができる体積が多い。よって膜電極接合体６の極度の乾燥防止機能も備える効果を有する。このため、発電スタックの更なる小型化と機械的な強度の確保が可能となる。
【００８８】
〔第３の実施の形態〕
本発明の第３の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００８９】
図５に第３の実施の形態に係る発電スタックの１セルあたりの構成を示す。
【００９０】
本実施の形態は、さらなる小型化のため、発電スタックを積層した時に隣り合うアノード流路板１０ｂにカソード集電体２１ｂの機能を持たせることにより両者を兼用させるべく一体としたものである。１セルは膜電極接合体６、アノード流路板１０ａ、１０ｂ、カソード多孔体９、燃料および空気のリークを防止するアノードガスケット１３、カソードガスケット１４から構成される。なお、以下は第１の実施の形態、第２の実施の形態と同一の構成、作用、効果については説明を省略し、異なる点について説明する。
【００９１】
アノード流路板１０ｂはその膜電極接合体６のアノードガス拡散層４が接する反対面がカソード多孔体９と接触し、膜電極接合体６のアノード流路板１０からの集電とカソードからの集電を兼用する。この場合、アノード流路板１０がカソード集電体２１ｂの役割を兼ねるため、発電スタックの更なる小型化が可能となる。カソード集電体２１ｂとアノード流路板１０ｂを兼ねる部分は、例えば、チタン板を用いることができる。他にも、導電性と機械的強度を有する緻密カーボン板やステンレス板等を用いることができる。
【００９２】
〔第４の実施の形態〕
本発明の第４の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００９３】
図６に第４の実施の形態に係る発電スタックの１セルあたりの構成を示す。１セルは膜電極接合体６、アノード流路板１０、カソード多孔体９、燃料および空気のリークを防止するアノードガスケット１３、カソードガスケット１４から構成される。なお、以下は第１の実施の形態、第２の実施の形態と同一の構成、作用、効果については説明を省略し、異なる点について説明する。
【００９４】
本実施の形態は、第２の実施の形態の変形例であり、カソード多孔体９の端部９ａ、９ｂに膜電極結合体６と接触する表面７ａとは異なる特性を有する表面７ｂを設けることを特徴としている。
【００９５】
膜電極結合体６と接触する表面７ａは水の吸収および移送を円滑に行うことが主な目的とされるが、端部９ａ、９ｂにおいては水の気化を円滑に行うことが必要であり、吸収よりも放出に対する期待が大きい。この作用および目的を達成させるため、表面７ｂにおいて、表面７ａとは異なるカソード多孔体７ｂを適用することができる。このようにすれば、一の出発材料から、表面７ａと表面７ｂという別の箇所にそれぞれ異なる機能を持たせることができる。表面７ｂにおいて円滑な気化が行われることにより、表面７ａにおける水の吸収および移送を促進することができる。
【００９６】
具体的には表面７ｂを表面７ａに比較して比表面積を増加させることが例示される。これは例えばプレス加工で異なる疎密度を表面７ａと表面７ｂに与えることで一体的に成型することが可能である。
【００９７】
〔第５の実施の形態〕
本発明の第５の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図７は第５の実施の形態に係る発電スタックの１セルあたりの構成を示す。
【００９８】
本実施の形態は、カソード多孔体９とカソード集電体２１ｂの間にフィルタ１８が設けられている。このフィルタ１８は、（式３）および（式４）に示した以外の化学反応により生じたホルムアルデヒド、蟻酸、未反応のメタノール等の有害物を吸収する。ここでフィルタ１８としては、例えば活性炭等を用いることができる。カソード多孔体９は表面７のみに親水化処理された層を有しており、水はこの親水化処理された表面７を通り、端部９a、９ｂへと排出される。そのため、フィルタ１８にカソード触媒層３における化学反応（（式３）、（式４））で生成した液滴が付着することがなく、フィルタ１８の有害物の除去効率の低下が抑制される。
【００９９】
また、フィルタ１８内で生成した水についてはカソード多孔体９に流入する空気１２により排出することができる。フィルタ１８を発電スタック２０内にもたせることで、使用温度が高めることができ、有害物処理効率を高めることが可能となる。なお、フィルタ１８はカソード多孔体９と分離する必要はなく、カソード多孔体９内に組み込み、一体型としても良い。
【０１００】
〔第６の実施の形態〕
本発明の第６の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【０１０１】
図８に第６の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す。１１は空気供給手段、２０は発電スタック、３１は原燃料タンク、３２は原燃料供給ポンプ、３３は燃料混合タンク、３４は混合燃料供給ポンプ、３５は空気供給側開閉弁、３６は空気排出側開閉弁、３７は制御部、４１は燃料タンク計測装置、４２は混合タンク計測装置、４３は発電スタック計測装置を示している。なお、図８は燃料循環型の燃料電池システムを例示しているが、本発明は本実施の形態に限定されるものではない。
【０１０２】
原燃料タンク３１には高濃度のメタノールを含む燃料が収容されている。原燃料供給ポンプ３２は原燃料タンク３１から配管Ｌ１、Ｌ２を通じて燃料混合タンク３３に高濃度のメタノールを供給する。原燃料タンク３１には燃料タンク計測装置４１が設置されている。燃料タンク計測装置４１は原燃料タンク３１の液量、温度をモニタリングし、その値を信号線Ｓ１を通じて制御部３７に送信する。液量をモニタリングするためには、液量計を用いることができる。温度をモニタリングするには熱電対を用いることができる。予め設定した液量の値以下となった場合、制御部３７は警報を発する。警報はモニタ（図示省略）に表示され、発電スタック２０の使用者に原燃料が残りわずかになったことを知らせる。
【０１０３】
燃料混合タンク３３は高濃度のメタノールを発電スタック２０から配管Ｌ５を通じて回収した水により希釈し、低濃度のメタノール水溶液とする。低濃度のメタノール水溶液の濃度は発電スタック２０の運転条件により、その濃度が決定される。燃料混合タンク３３に収容された低濃度のメタノール水溶液の濃度は混合タンク計測装置４２によりモニタリングされ、その値は信号線Ｓ３を通じて制御部３７に送信される。低濃度のメタノール水溶液の濃度が所定の値よりも低い場合には、制御部３７から信号線Ｓ２を通じて原燃料供給ポンプ３２に稼動する旨の信号が送られ、原燃料タンク３１から高濃度のメタノールを加える操作が行われる。所定の濃度に達すると、信号線Ｓ２を通じて原燃料供給ポンプ３２を停止または減速する旨の信号が送られる。
【０１０４】
混合燃料供給ポンプ３４は燃料混合タンク３３から配管Ｌ３、Ｌ４を通じて発電スタック２０に所定の濃度に調整した低濃度のメタノール水溶液を供給する。必要とされる出力などの条件が制御部３７に外部（図示せず）や燃料電池システムの内部の各計測装置（４１、４２、４３）から取り入れられる。この情報に基づいて混合燃料供給ポンプ３４の稼動、停止、加速、減速の各操作を行う信号が信号線Ｓ４を通じて制御部３７から送信される。
【０１０５】
低濃度のメタノール水溶液は、前述の通り発電スタック２０のアノード流路（例えば、図１における１５ａ、１５ｂ、１５ｃ）に供給される。発電スタック２０の温度、電気的出力は発電スタック計測装置４３によりモニタリングされ、その情報は信号線Ｓ６を通じて制御部３７に送信される。
【０１０６】
空気供給手段１１からは空気１２が配管Ｌ１１、空気供給側開閉弁３５、配管Ｌ１２を通じて発電スタック２０に供給される。空気１２はその一部はカソード反応（式３）を促進するために、カソード流路（例えば、図１における１６ａ、１６ｂ）に供給され、残りの空気１２はカソード多孔体９の端部９ａ、９ｂに接触するように供給され、端部９ａ、９ｂに移送された水の気化の用に供される。
【０１０７】
発電スタック２０の温度の変化は発電スタック計測装置４３によりモニタリングされ、その情報は信号線Ｓ６を通じて制御部３７に送られる。発電スタック２０の温度が所定の値よりも上昇あるいは下降した場合、前述の通りの動作を行うことにより、適切な発電効率の範囲に維持されるように制御部３７からの信号に基づいて、発電スタック２０の温度は制御される。
【０１０８】
具体的には次の通りである。
【０１０９】
例えば、図９に示すように、発電スタック２０を時刻ｔ０から稼動を開始し、時刻ｔ７で停止する操作を開始し、時刻ｔ８で完全に停止する場合について述べる。
【０１１０】
まず、制御部３７に外部から稼動する信号が入力されることにより、発電スタック２０は時刻ｔ０に稼動を開始する。もちろん、手動で制御部３７へ信号入力されてもよい。
【０１１１】
この稼動の指示を受けて、空気供給手段１１から空気１２が発電スタック２０に供給される。この時の空気供給量をＱ１とする。空気供給手段１１がファンを用いている場合には、供給する空気の量をＱ１となるように、そのモーターの回転数を上げるように指示を出す。
【０１１２】
発電スタック２０はヒーター（図示省略）により加熱する。ヒーターで加熱する代わりに、燃料を発電スタック２０に供給し、この時に生じる燃料のクロスオーバーを利用して加熱してもよい。
【０１１３】
発電スタック２０の温度は発電スタック計測装置４３によりモニタリングされ、制御部３７に信号線Ｓ６を通じて信号が送られる。当該信号は制御部３７で解析される。その結果は信号線Ｓ２、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ７、Ｓ８、Ｓ９を通じて燃料電池システムの可制御な構成要素である原燃料供給ポンプ３２、混合燃料供給ポンプ３４、空気供給側開閉弁３５、空気供給手段１１、空気排出側開閉弁３６を制御する。
【０１１４】
時刻ｔ１において発電スタック２０の温度が予め設定した第１の温度Ｔ１を超えると、空気供給量を予め設定した第１の風量Ｑ１から予め設定した第２の風量Ｑ２へ変更する。これに伴い、外部の負荷へ電力の供給が可能となる。この時の温度の上昇と回転数の増加の関係は出荷前に予めデータテーブルを制御部３７に格納しておき、これを参照することにより制御することができる。
【０１１５】
さらに、時刻ｔ２において発電スタック２０の温度が予め設定された第２の温度Ｔ２となる。ここで、空気供給量を予め設定された第２の風量Ｑ２から予め設定された第３の風量Ｑ３に変更する。ここでは安定な定常状態を発電スタック２０の温度がＴ２とＴ３の範囲に維持されている状態とする。
【０１１６】
さらに、時刻ｔ３において、外部負荷の変動等の原因により、発電スタック２０の温度が予め設定された第３の温度Ｔ３になった場合には、空気供給量を予め設定された第３の風量Ｑ３から予め設定された第４の風量Ｑ４へ変更する。これに伴い、端部９ａ、９ｂからの気化が促進され、発電スタック２０の温度は低下する。
【０１１７】
時刻ｔ４において発電スタック２０の温度がＴ３以下となると、再度空気供給量をＱ３からＱ２に変更する。
【０１１８】
時刻ｔ５において発電スタック２０の温度がＴ２以下となると、再度空気供給量をＱ２からＱ１に変更する。これにより、発電スタック２０の温度は上昇に転ずる。
【０１１９】
出荷前に個々の燃料電池システムにつき、供給する風量Ｑ１乃至Ｑ４を求めておくことにより、温度をＴ２とＴ３の間に安定的に維持させることができる。時刻ｔ６から時刻ｔ７にそのような場合を例示する。
【０１２０】
時刻ｔ７に制御部３７が発電スタック２０を停止する指令を受けると、燃料の供給を停止することにより、発電スタック２０の温度は次第に低下し、最終的に時刻ｔ８において室温と同程度の温度となる。
【０１２１】
なお、図９のＥ１の破線に示すように空気供給量をＱ３からＱ４に変更しても、発電スタック２０の温度が更に上昇して予め設定した第４の温度Ｔ４よりも高くなってしまう場合、あるいはＥ２の破線のように空気供給量をＱ３からＱ２に変更しても、発電スタック２０の温度が更に低下してＴ１よりも低くなってしまう場合には、燃料電池システムに何らかの不具合があると考えられるので稼動を停止する。
【０１２２】
上記は一定の空気供給量を例に示したが、発電スタック２０の温度とファンのモーターの回転数をフィードバック制御してもよい。この他、空気供給手段１１の空気供給量は一定にしておき、空気供給側開閉弁３５の開閉により、発電スタック２０への空気１２の供給量を制御する方法を採用することも可能である。
【０１２３】
なお、ここでＴ１≦Ｔ２≦Ｔ３≦Ｔ４、Ｑ１≦Ｑ２≦Ｑ３≦Ｑ４である。
【０１２４】
このように、カソード反応（式３）により発生したオフガスならびに水の気化に供した空気１２は発電スタック２０から配管１３、および空気排出側開閉弁３６、配管１４を通じて外部に排出され、発電スタック２０の温度が制御される。
【０１２５】
アノード反応（式２）により生成したガスおよび未使用の燃料等は発電スタック２０から配管Ｌ５を通じて燃料混合タンク３３に回収される。
【０１２６】
なお、発電スタック２０の温度は、発電スタック２０の表面、例えば締付版（２２ａ、２２ｂ）に熱電対を組み込むことで測定が可能である。熱電対の代わりに温度センサとして白金抵抗体なども用いることができる。温度センサを複数箇所に配置し、その総合データから温度を検出した場合、測定誤差を低減できる。
【０１２７】
ここで、発電スタック２０の温度がＴ１以下の場合、空気流量をＱ１に下げ、所定の温度領域に上がるまでの時間（起動）を早める。この時、空気流量を下げると膜電極接合体６からの水の排出が低減するため、空気拡散が阻害され、出力が低下することがある。しかし、カソード多孔体９が膜電極接合体６から水を吸収するため、空気拡散の低下を抑制し、結果的に出力の低下を抑制する。
【０１２８】
また、発電スタック２０の温度がＴ４以上になった場合、空気流量をＱ４に上げ、所定の温度領域に下がるまでの時間を早める。空気流量を増大させた場合、膜電極接合体６からの水の排出が増加するため、膜電極接合体６の乾燥により出力が低下することがある。しかし、カソード多孔体９内に蓄積された水が流入空気を加湿するため、膜電極接合体６からの水の排出を抑制することが可能となり、結果的に出力低下を抑制する。
【０１２９】
第１の実施の形態の図１に示すカソード多孔体であれば、中央に仕切り１７があるため、対流による流入空気の増加自体を抑制し、空気流量Ｑ４になった場合における乾燥による出力低下をさらに一層抑制することが可能となる。
【０１３０】
（保管）
発電スタック２０を稼動させずに、長時間あるいは高温で保管した場合、膜電極接合体６の内部の水が次第に蒸発し、乾燥した状態となる。この場合、前述した通り、電解質膜１におけるプロトンの移動抵抗が増大し、結果として燃料電池システム全体の発電効率が低下してしまう。また、保管時に埃等が発電スタック２０に進入し、カソード多孔体９に付着した場合、親水化処理した表面７の親水性が低下してしまう畏れがある。
【０１３１】
これに対し、発電スタック２０の稼動停止時に膜電極接合体６と外部との空気の流通を遮断することにより、少なくとも空気の流通に起因する短時間での乾燥することを防ぐことができる。
【０１３２】
この問題に対する解決手段として、本実施の形態に係る燃料電池システムでは、空気供給側開閉弁３５、空気排出側開閉弁３６の少なくとも一方を発電スタック２０の稼動停止時に遮断することにより、膜電極接合体６と外部との空気の流通を抑制することができ、膜電極複合体６の乾燥の程度を減じることができる。
【０１３３】
燃料電池システムの簡略化のために、空気供給側開閉弁３５、空気排出側開閉弁３６のいずれか一方を省略することもできる。その場合、稼動停止時には、残りの開閉弁（３５か３６）を遮断すればよい。
【実施例】
【０１３４】
次に、実施例により本発明を更に詳細に説明する。
【０１３５】
（実施例1）
実施例１においては、図１に示した構成を有する燃料電池スタックの各セルを以下の手法により作成した。
【０１３６】
膜電極接合体の作成は、以下の手順で行った。
【０１３７】
まず、市販のＰｔ−Ｒｕアノード触媒、およびＰｔカソード触媒をパーフルオロスルホン酸樹脂溶液（Ｎａｆｉｏｎ（商標）５ｗｔ％溶液）および水、エチレングリコールと混合、攪拌後、スラリーをＰＴＦＥシート上にスプレーで塗布し、乾燥させた。
【０１３８】
次に市販の電解質膜に上記で作成した触媒付きのシートを１２５℃、１００ｋｇｆ／ｃｍ２（９．８ＭＰａ）の圧力で接合させた。接合後にＰＴＦＥシートのみを剥離して、触媒付き電解質膜を作成した。
【０１３９】
アノードガス拡散層は、市販の３０ｗｔ％ＰＴＦＥ含浸済撥水カーボンペーパーの上にカーボン緻密層を取り付けた．カーボン緻密層は、主としてカーボン微粉末（Ｖｕｌｃａｎ−７２Ｒ(商標)）とＰＴＦＥから構成されている。
【０１４０】
水に上記カーボン微粉末とＰＴＦＥを重量比で１対０．６６の割合で混ぜ、３０分間攪拌後、イソプロパノールを前記溶液に滴下した。滴下後、５分間再び攪拌し、この混合溶液をスプレー法により前記のカーボンペーパーの触媒層と接する面に対して吹きつけ、１００℃で１時間、さらに３６０℃で３０分高温処理を行うことでカーボン緻密層付ガス拡散層を形成した。
【０１４１】
カソードガス拡散層は、市販のカーボン緻密層付きのカーボンクロスを用いた。
【０１４２】
上記触媒付き固体高分子膜、カーボン緻密層付きアノードガス拡散層、カソードガス拡散層を１２５℃、５０ｋｇｆ／ｃｍ２（４．９ＭＰａ）の圧力で接合し、膜電極接合体を得た．膜電極接合体の外形形状は８ｍｍ×８０ｍｍで製作した。
【０１４３】
カソード多孔体は親水化処理を施した多孔体カーボンを用いて図３の形状を形成した。外形形状は１８ｍｍ×１０６ｍｍで製作した。
【０１４４】
アノード流路板は市販の緻密カーボンに対し、サーペンタイン形状の流路を切削により製作した。
【０１４５】
以上用意したものを図１のように組み立てた後、発電スタックが６０℃になるように温度制御をかけ、メタノール燃料濃度１．２ｍｏｌ／Ｌの燃料を供給して発電を行った。
【０１４６】
この結果、得られた電圧を図１０に示す。
【０１４７】
（実施例２）
カソード多孔体の形状を膜電極接合体と同様８ｍｍ×８０ｍｍとして製作した以外は実施例１と同様の方法で燃料電池を構成し、実施例２とした。この結果、得られた電圧を図１０に示す。
【０１４８】
（比較例１）
カソード多孔体に代えて外形１８ｍｍ×１０６ｍｍの多孔性を有さないチタン板を用いた以外は実施例１と同様の方法で燃料電池を構成し、比較例１とした
図１０に一定負荷における電圧値を示す。
【０１４９】
図１０において、実施例１では出力電圧０．４３８Ｖ、実施例２では０．４３０Ｖ、比較例１では０．４２１Ｖとなった。実施例１、実施例２は比較例１と比べて高い電圧を得ることができた。また、実施例１は実施例２に比較し、多孔体で水の滞留を抑制する効果が認められた。この結果、得られた電圧を図１０に示す。
【０１５０】
（実施例３）
本実施例においては、図４に示した構成を有する燃料電池スタック各セルを、以下の手法により作成した。膜電極接合体、アノード流路板は前記実施例１記載のものと同様のものを用いた。
【０１５１】
カソード多孔体は市販のＰＴＦＥ未処理カーボンペーパーを１８ｍｍ×１０６ｍｍの外形で切り出し後、親水化処理を施した。
【０１５２】
親水化処理は、親水性カーボンと親水性高分子の混合スラリーをＰＴＦＥ未処理カーボンペーパーにスプレーすることで作成した。ここで、多孔体厚みを平均１．５ｍｍにしたものを実施例３とした。
【０１５３】
運転条件はスタックの温度が６０℃になるように温度制御をかけ、メタノール燃料濃度１．２ｍｏｌ／Ｌの燃料を供給して発電を行った。この結果、得られた電圧を図１１に示す。
【０１５４】
（比較例２）
比較例２として、親水化処理をしないカーボンペーパーをカソード多孔体として用いた以外は実施例３と同様の方法で図４の構成を組んだ。カソード多孔体厚さは平均１．５ｍｍ、多孔体の外形形状は１８ｍｍ×１０６ｍｍと、実施例３と同一とした。この結果、得られた電圧を図１１に示す。
【０１５５】
図１１において、実施例３では出力電圧０．４４３Ｖ、比較例２では０．４２０Ｖとなった。同じ多孔体厚さで比較した場合、親水化処理を施したものは未処理のものに比較して２０ｍＶ以上高い電圧を得ることができ、膜電極接合体の内部に水が滞留することによる出力低下を抑制する効果を確認することができた。
【図面の簡単な説明】
【０１５６】
【図１】本発明の実施形態に係る発電スタックを示す略断面図。
【図２】本発明の実施形態に係る発電スタックを示す斜視図。
【図３】本発明の実施形態に係るカソード多孔体を示す概略図。
【図４】本発明の実施形態に係る発電スタックの変形例を示す略断面図。
【図５】本発明の実施形態に係る他の発電スタックの変形例を示す略断面図。
【図６】本発明の実施形態に係る他の発電スタックの変形例を示す略概略図。
【図７】本発明の実施形態に係る他の発電スタックの変形例を示す略概略図。
【図８】本発明の実施形態に係る燃料電池システムを示す概略図。
【図９】本発明の実施形態に係る温度、風量の概略図。
【図１０】本発明の実施形態に係る実施例の結果。
【図１１】本発明の実施形態に係る実施例の結果。
【符号の説明】
【０１５７】
１  ・・・  電解質膜
２  ・・・  アノード触媒層
３  ・・・  カソード触媒層
４  ・・・  アノードガス拡散層
５  ・・・  カソードガス拡散層
６  ・・・  膜電極接合体
７  ・・・  カソード多孔体の表面
８  ・・・  カソード多孔体の裏面
９  ・・・  カソード多孔体
９ａ、９ｂ  ・・・  カソード多孔体の端部
１０、１０ａ、１０ｂ  ・・・  アノード流路板
１１  ・・・  空気供給手段
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ  ・・・  空気
１３  ・・・  アノードガスケット
１４  ・・・  カソードガスケット
１５、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１５ｆ  ・・・  アノードの流路
１６、１６ａ、１６ｂ  ・・・  カソードの流路
１７  ・・・  仕切り
１８  ・・・  フィルタ
２０  ・・・  発電スタック
２１  ・・・  集電板
２１ａ  ・・・  集電板（カソード側）
２１ｂ  ・・・  集電板（アノード側）
２２ａ、２２ｂ  ・・・  締付板
２３  ・・・  発電スタックの１セル分
２４  ・・・  カソードの流路の壁
３１  ・・・  原燃料タンク
３２  ・・・  原燃料供給ポンプ
３３  ・・・  燃料混合タンク
３４  ・・・  混合燃料供給ポンプ
３５  ・・・  空気供給側開閉弁
３６  ・・・  空気排出側開閉弁
３７  ・・・  制御部
４１  ・・・  燃料タンク計測装置
４２  ・・・  混合タンク計測装置
４３  ・・・  発電スタック計測装置
Ａ１  ・・・  膜電極接合体との接触領域
Ａ２  ・・・  水排出領域
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６、Ｌ７、Ｌ８、Ｌ９、Ｌ１０、Ｌ１１  ・・・  配管
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ８、Ｓ９  ・・・  信号線
【図１】
2009158202.tif 000007
【図２】
2009158202.tif 000008
【図３】
2009158202.tif 000009
【図４】
2009158202.tif 000010
【図５】
2009158202.tif 000011
【図６】
2009158202.tif 000012
【図７】
2009158202.tif 000013
【図８】
2009158202.tif 000014
【図９】
2009158202.tif 000015
【図１０】
2009158202.tif 000016
【図１１】
2009158202.tif 000017