JP2005228528A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池システムを構成する部材や部品に用いられる材料を選定することによって、燃料電池システムの電圧および耐久性を維持・向上させる。
【解決手段】 燃料電池システムにおいて、少なくとも原料ガス配管、燃料ガス配管および酸化剤ガス配管に用いる遮断弁を通過した後のガスのＴＯＣが５００μｇ／ｍ³以下とし、少なくとも燃料ガス配管と燃料生成器との間、燃料ガス配管と燃料電池との間、および酸化剤ガス配管と燃料電池との間に、フッ素系樹脂製ガスケットまたは金属製ガスケットを用いた接続部を設ける。
【選択図】図４

Description

本発明は燃料電池システムに関し、具体的には、構成部材からの不純物によって電圧や耐久性が低下することを抑制し得る燃料電池システムに関する。

高分子電解質型燃料電池は、水素などの燃料ガスと空気などの酸化剤ガスを、ガス拡散層を有する電極によって電気化学的に反応させ、電気と熱とを同時に発生させる。なお、燃料ガスと酸化剤ガスとを合わせて反応ガスともいう。
従来の一般的な高分子電解質型燃料電池の構成および動作について、図１および２を用いて説明する。図１は、燃料電池における単電池の構造を示す部分断面図である。図１に示すように、高分子電解質型燃料電池を構成する単電池においては、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１の両面に、白金系の金属触媒をカーボン粉末に担持させて得られる触媒体を主成分とする触媒層２ａおよび２ｃが密着して配置されている。

触媒層２ａおよび２ｃの外面には、ガス通気性と導電性を兼ね備えたガス拡散層３ａおよび３ｃがそれぞれ配置される。このガス拡散層３ａおよび３ｃと触媒層２ａおよび２ｃとでそれぞれ電極４ａおよび４ｃが構成される。燃料ガスの関与する電極４ａをアノードといい、酸化剤ガスの関与する電極４ｃをカソードと呼ぶ。そして、高分子電解質膜１と一対の電極４ａおよび４ｃとの接合体を、電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）５という。
そして、燃料電池を構成する際には、隣接するＭＥＡ５を機械的に固定するとともに互いに電気的に直列に接続し、また、電極に反応ガスを供給し、反応により発生したガスや余剰のガスを運び去るためのガス流路をＭＥＡ５に接する面に形成した導電性セパレータ７ａおよび７ｃでＭＥＡ５を挟む。

基本的には、高分子電解質膜１と、一対の電極４ａおよび４ｃと、一対の導電性セパレータ７ａおよび７ｃとによって、基本の燃料電池単位（単電池）が構成される。導電性セパレータ７ａおよび７ｃは、ＭＥＡ５とは反対の面において、隣の単電池の導電性セパレータ７ｃおよび７ａと接する。また、隣接する導電性セパレータ７ａおよび７ｃ間には冷却水通路８が設けられ、ここを冷却水が流れる。
ＭＥＡ用のガスケット１１はＭＥＡ５と導電性セパレータ７ａおよび７ｃとの封止を行い、導電性セパレータ用のガスケット１０は導電性セパレータ７ａおよび７ｃ間を封止する。

つぎに、単電池を積層してなるスタック（燃料電池）について図２を用いて説明する。図２は、単電池複数個を積層して得られるスタックの概略斜視図である。
単電池の電圧は低いため、単電池２０を複数個を直列に積層してスタックを構成することが通常行われている。なお、図２においては、便宜上、４個の単電池を積層した様子を示している。そして、集電板２１ａおよび２１ｃ、ならびに絶縁板２２ａおよび２２ｃを配し、端板２３ａおよび２３ｃはスタックを締結して機械的に保持する。

つぎに、燃料電池を用いた燃料電池システムについて説明する。図３は、従来の燃料電池システムの構成を示す図である。図３に示す燃料電池システム３０には、原料ガス配管３１、原料ガスから水素を含む燃料ガスを生成する燃料ガス生成器３２、燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池３３、燃料ガス生成器３２から燃料ガスを燃料電池３３に供給する燃料ガス配管３４、燃料電池３３からのオフガスを燃料ガス生成器３２に供給するオフガス配管３５、酸化剤ガス配管３６、酸化剤ガスを加湿する加湿器３７、加湿された酸化剤ガスを燃料電池３３に供給する加湿酸化剤ガス配管３８とを含む。

そして、原料ガスから不純物を除去するためにガス清浄部３９を設け、清浄化された原料ガスからは燃料ガス生成器３２に供給される。流体制御弁４０は原料ガスの流れを制御する。
ブロワー４１は酸化剤ガスを酸化剤ガス配管３６を経て燃料電池３３に導く。排気管４２は燃料電池３３から排出された酸化剤ガスを燃料電池システム外に排出し、燃料電池３３で利用されなかった燃料ガスは、オフガス配管３５によって再び燃料ガス生成器３２に流れ込む。オフガス配管３５からのオフガスは燃料ガス生成器３２の燃焼などに用いられ、原料ガスから燃料ガスを生成するための吸熱反応等に利用される。また、余分なオフガスは排気管３５’から外部に排出される。

電力回路部４３は燃料電池３３から電力を取り出し、制御部４４は流体制御弁４０および電力回路部４３などを制御する。ポンプ４５は、冷却水入口配管４６から燃料電池３３の冷却水流路に水を流す。
燃料電池３３を流れた水は冷却水出口配管４７から外部に水が運ばれる。燃料電池３３から水が流れることにより、発熱した燃料電池３３の温度を一定に保ちながら、発生した熱を燃料電池システム外部で利用することができる。

燃料電池システムは、特に家庭において使用される場合、性能低下が少なく、性能を長期間維持できることが必要である。このような課題を解決すべく、例えば、起動時にシステムの外部負荷接続を開始するまで別途システム内に電力消費する手段を接続し、開回路電位になるのを防ぐ方法（特許文献１）、システム内に開回路電圧の抑制のための放電手段を設置する方法（特許文献２）、保管時にもイオン交換膜を保水状態に保つために加湿された不活性ガスを封入する方法（特許文献３）、および酸化剤極の酸化または不純物付着を防止すべく、酸化剤ガスの供給を停止した状態で発電し、酸素消費操作を行い耐久性の向上を図る方法（特許文献４）などがある。
特開平５−２５１１０１号公報 特開平８−２２２２５８号公報 特開平６−２５１７８８号公報 特開２００２−９３４４８号公報

しかし、実際には、原料ガス、燃料ガスおよび酸化剤ガスなどに不可避的に含まれる不純物や、燃料電池システムを構成する部材や部品から溶出する不純物などの影響によって、電圧および耐久性が低下する傾向にある。

本発明者らの検討によれば、例えば、配管を構成する材料、配管を接続する部分などから流出するクロロフルオロカーボンなどの有機カーボンといった不純物が大きく影響することを見出した。
上記特許文献１〜４記載の技術によっては、かかる問題を部分的に解消することもできるが、特に燃料電池システムを構成する部材や部品に用いられる材料を選定することによって、燃料電池システムの電圧および耐久性を維持・向上させようとする試みはなされていなかった。
そこで、本発明は、燃料電池システムを構成する特定の部材や部品に用いられる材料を適宜選定することによって、その電圧および耐久性の維持・向上を図ることを目的とする。

上記の課題を解決すべく、本発明は、原料ガス配管と；原料ガスから水素を含む燃料ガスを生成する燃料ガス生成器と；前記燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と；前記燃料ガス生成器から前記燃料ガスを前記前記燃料電池に供給する燃料ガス配管と；前記燃料電池からのオフガスを前記燃料ガス生成器に供給するオフガス配管と；前記燃料ガス配管と前記オフガス配管とを接続する追加配管と；酸化剤ガス配管と；酸化剤ガスを加湿する加湿器と；加湿された前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する加湿酸化剤ガス配管とを含む燃料電池システムにおいて改良を加えた。

具体的には、本発明に係る燃料電池システムは、少なくとも前記原料ガス配管、燃料ガス配管および酸化剤ガス配管に、それぞれ第１の遮断弁、第２の遮断弁および第３の遮断弁を配置し、前記第１の遮断弁を通過した後の原料ガス、前記第２の遮断弁を通過した後の燃料ガスおよび前記第３の遮断弁を通過した後の酸化剤ガスのＴＯＣ（total organic carbon；全有機カーボン量）が５００μｇ／ｍ³以下であり、少なくとも前記燃料ガス配管と燃料生成器との間、前記燃料ガス配管と燃料電池との間、および前記酸化剤ガス配管と燃料電池との間に、それぞれフッ素系樹脂製ガスケットもしくは金属製ガスケットを介する接続部を配置することを特徴とする。

上述のような構成を有する本発明に係る燃料電池システムは、原料ガス、燃料ガスおよび酸化剤ガスなどに溶出、存在する不純物を極力少なくすることができ、これによって燃料電池システムの電圧低下および耐久性低下を抑制することができる。

本発明に係る燃料電池システムを、図面を参照しながら説明する。図４は、本発明に係る燃料電池システムの構成を示す図である。本発明に係る燃料電池システムは、原料ガス配管１０１、原料ガスから水素を含む燃料ガスを生成する燃料ガス生成器１０２、燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池１０３、燃料ガス生成器１０２から燃料ガスを燃料電池１０３に供給する燃料ガス配管１０４、燃料電池１０３からのオフガスを燃料ガス生成器１０２に供給するオフガス配管１０５、酸化剤ガス配管１０６、酸化剤ガスを加湿する加湿器１０７、加湿された酸化剤ガスを燃料電池１０３に供給する加湿酸化剤ガス配管１０８とを含む。

ここで、本発明に係る燃料電池システムの最大の特徴は、少なくとも原料ガス配管１０１、燃料ガス配管１０４および酸化剤ガス配管１０６に、流体制御弁として、それぞれ第１の遮断弁１１０、第２の遮断弁１１８および第３の遮断弁１１９を有することにある。
そして、第１の遮断弁１１０を通過した後の原料ガス、第２の遮断弁１１８を通過した後の燃料ガスおよび第３の遮断弁１１９を通過した後の酸化剤ガスのＴＯＣが５００μｇ／ｍ³以下であることが必要である。

通常の流体制御弁にはグリースが用いられているが、本発明者らはこのグリースが燃料電池システム内への不純物となって悪影響を及ぼすことをつきとめた。そこで、本発明に係る燃料電池システムの第１の遮断弁１１０、第２の遮断弁１１８および第３の遮断弁１１９においては、グリースを用いないか、または、遮断弁通過後のガスのＴＯＣが５００μｇ／ｍ³以下であることを満たすような組成、量、種類のグリースを用いる。例えば、半導体製造装置に用いられるグリースレス遮断弁などを用いることができる。前記ＴＯＣは１００μｇ／ｍ³以下であるのが好ましい。

これによって、グリースに起因する燃料電池システムへの不純物の混入を防止することができ、燃料電池システムの電圧低下および耐久性低下を抑制することができる。
なお、ＴＯＣの測定は、所定のガスをTenax GC または Tenax TA を用いて捕集したサンプルを、無極性キャピラリーカラムを用いたGC-MS で行った。検出された物質は、可能な限り固定・定量し、同定できない物質はトルエン換算値とした。

さらに、本発明者らは、燃料電池システムにおける各構成部材の接続部に用いられるシール材が、種類によっては不純物として悪影響を及ぼすことをつきとめた。そこで、本発明に係る燃料電池システムにおいては、少なくとも燃料ガス配管１０１と燃料生成器１０２との間（例えば接続部１０１ａ）、燃料ガス配管１０４と燃料電池１０３との間（例えば接続部１０４ａ）、および酸化剤ガス配管１０６と燃料電池１０３との間（例えば接続部１０６ａ）に、それぞれフッ素系樹脂製ガスケットまたは金属製ガスケットを介する接続部を構成する。
これによって、通常用いられているガスケットから原料ガス、燃料ガスおよび酸化剤ガスなどに溶出して、燃料電池システムの性能に悪影響を及ぼす不純物を排除することができ、よって燃料電池システムの電圧低下および耐久性低下を抑制することができる。もちろん、その他の構成部材を接続する部分においても、すべてフッ素系樹脂製ガスケットまたは金属製ガスケットを用いるのが好ましい。

配管を構成する材料としては、ＳＵＳ３１６Ｌなどの耐腐食性に優れるステンレス鋼を用いるのが好ましい。
フレキシブル配管を用いる場合は、ＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＥＴＦＥもしくはＦＥＰなどのフッ素樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレンもしくはそれらの共重合体樹脂等のオレフィン系樹脂、デュポン社製のバイトンに代表されるフッ素ゴム等で構成された配管を用いればよい。また、これらの材料で内面をコーティングした配管を用いてもよい。

電力回路部１１３は燃料電池１０３から電力を取り出し、制御部１１４は第１の遮断弁１１０および電力回路部１１３などを制御する。ポンプ１１５は、冷却水入口配管１１６から燃料電池１０３の冷却水流路に水を流す。
燃料電池１０３を流れた水は冷却水出口配管１１７から外部に水が運ばれる。燃料電池１０３から水が流れることにより、発熱した燃料電池１０３の温度を一定に保ちながら、発生した熱を燃料電池システム外部で利用することができる。

図４に示す本発明に係る燃料電池システムをさらに詳しく説明する。燃料電池システム１００において、外部から原料ガス配管１０１を経て取り入れられた原料ガスは、燃料電池１０３に悪影響を与える物質を除去するガス清浄部１０９で清浄化された後、清浄化原料ガス配管１０１’を経て燃料ガス生成器１０２に導かれる。原料ガス配管１０１には第１の遮断弁１１０が設けられており、原料ガスの流れを制御する。
燃料ガス生成器１０２は、原料ガスから少なくとも水素を含む燃料ガスを生成する。燃料ガス生成器１０２から燃料電池１０３には、燃料ガス配管１０４を介して燃料ガスが導かれる。

酸化剤ガスとしての空気はブロワー１１１により、外部から酸化剤ガス配管１０３を経て燃料電池１０３に導かれる。燃料電池１０３で使用されなかった酸化剤ガスは排気管１１２から燃料電池システムの外に排出される。
また、燃料電池には水分が必要であるため、燃料電池１０３に流れ込む酸化剤ガスは、加湿器１０７で加湿される。燃料電池１０３で使用されなかった燃料ガスは、オフガス配管１０５によって再び燃料ガス生成器１０２に流れ込む。オフガス配管１０５からのオフガスは燃料ガス生成器１０２の燃焼などに用いられ、原料ガスから燃料ガスを生成するための吸熱反応等に利用される。また、余分なオフガスは排気管１０５’から外部に排出される。

清浄化原料ガス配管１０１’には分配弁１２０を設けてもよく、酸化剤ガス配管１０６には本発明の必須構成要素である第３の遮断弁１１９として分配弁を設ける。すなわち、第３の遮断弁１１９は、燃料電池１０３に流入する酸化剤ガスの量を制御するとともに、酸化剤ガス配管１０６と原料ガス配管１０１とを接続することもできる。分配弁１２０と第３の遮断弁１１９はバイパス配管１２１によってつながっている。
分配弁１２０は、ガス清浄部１０９で浄化された後の清浄化原料ガスを燃料ガス生成器１０２に流すガス量と、バイパス配管１２１に流すガス量とを調節し、第３の遮断弁１１９はブロワー１１１から送り込まれた酸化剤ガスと、バイパス配管１２１から送られてきた清浄化原料ガスを任意の比率で混合し、燃料電池１０３に送ることができる。

燃料ガス配管１０４には、本発明の必須構成要件である第２の遮断弁１１８が設けられており、燃料電池１０３への燃料ガスの流量を制御する。また、オフガス配管１０５にも遮断弁１２２を設けてもよく、この場合、燃料電池１０３の燃料ガスの排出経路であるオフガス配管１０５におけるオフガスの流れを制御することができる。
ここで、第２の遮断弁１１８と遮断弁１２２との間に追加配管１２３を設けるのが有効である。燃料ガス生成器１０２において原料ガスがしっかりと改質されれば、そのまま生成された燃料ガスを燃料電池１０３に供給すればよい。しかし、例えば燃料電池システムの起動時などにおいては、燃料ガス生成器１０２における改質反応が完全には行われず、生成された燃料ガスに一酸化炭素が比較的多く含まれる。この場合、追加配管１２３を経て起動時の燃料ガスを燃料ガス生成器１０２に供給し、その燃焼などに用いるのが好ましい。

加湿器１０７から燃料電池１０３へ加湿した酸化剤ガスを供給する加湿後酸化剤ガス配管１０８にも、遮断弁１２４を設けるのが好ましい。また、燃料電池１０３から酸化剤ガスが排出される排気管１１２にも、遮断弁１２５を設けるのが好ましい。
燃料ガス配管１０４においては、第２の遮断弁１１８の下流側に圧力計１２６を設けるのが有効である。これにより燃料ガス配管１０４内の圧力を計測することができ、燃料電池１０３に供給される燃料ガスの状態を知ることができる。また、加湿後酸化剤ガス配管１０８においても、遮断弁１２４の下流側に圧力計１２７を設けるのが好ましい。これにより、加湿後酸化剤ガス配管１０８内の圧力を計測することができ、燃料電池１０３に供給される酸化剤ガスの状態を知ることができる。

燃料電池スタック１０３の電圧は電圧測定部１２８で計測することができ、電力は電力回路部１１３により取り出され、反応ガスの流量や電力回路部１１３などは制御部１１４で制御される。
ポンプ１１５より、冷却水入口配管１１６から燃料電池１０３内の冷却水流路に水が流され、燃料電池１０３を流れた水は冷却水出口配管１１７から外部に運ばれる。燃料電池１０３を水が流れることにより、発熱した燃料電池１０３の温度を一定に保ちながら、発生した熱を燃料電池システム外で利用することができる。

ここで、本発明において用いることのできる高分子電解質型燃料電池（図２）、およびこれを構成する単電池（図１）についてもう少し詳しく説明する。
本発明で用い得る高分子電解質型燃料電池においては、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１の両面に、白金系の金属触媒をカーボン粉末に担持させて得られる触媒体を主成分とする触媒層２ａおよび２ｃが密着して配置されている。この触媒層においては、式（１）：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-の反応と、式（２）：１／２Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏの反応が行われ、全体としては式（３）：Ｈ₂＋１／２Ｏ₂→Ｈ₂Ｏで示される反応が行われる。

一方の触媒層２ａにおいて、燃料ガスから上記式（１）に示す反応によって水素イオンが生成され、この水素イオンは高分子電解質膜１を介して他方の触媒層２ｃに移動する。当該他方の触媒層２ｃにおいて、水素イオンが酸化剤ガスと式（２）に示す反応をし、水を生成するとともに電気と熱を生ずる。燃料電池全体としては、式（３）に示すように水素と酸素が反応して水が発生する際に、電気と熱を利用できる。
触媒層２ａおよび２ｃの外面には、ガス通気性と導電性を兼ね備えたガス拡散層３ａおよび３ｃがそれぞれ配置される。このガス拡散層３ａおよび３ｃと触媒層２ａおよび２ｃとでそれぞれ電極４ａおよび４ｃが構成される。燃料ガスの関与する電極４ａをアノードといい、酸化剤ガスの関与する電極４ｃをカソードと呼ぶ。そして、高分子電解質膜１と一対の電極４ａおよび４ｃとの接合体を、電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）５という。

そして、燃料電池を構成する際には、隣接するＭＥＡ５を機械的に固定するとともに互いに電気的に直列に接続し、また、電極に反応ガスを供給し、反応により発生したガスや余剰のガスを運び去るためのガス流路をＭＥＡ５に接する面に形成した導電性セパレータ７ａおよび７ｃでＭＥＡ５を挟む。
基本的には、高分子電解質膜１と、一対の電極４ａおよび４ｃと、一対の導電性セパレータ７ａおよび７ｃとによって、基本の燃料電池単位（単電池）が構成される。導電性セパレータ７ａおよび７ｃは、ＭＥＡ５とは反対の面において、隣の単電池の導電性セパレータ７ｃおよび７ａと接する。また、隣接する導電性セパレータ７ａおよび７ｃ間には冷却水通路８が設けられ、ここを冷却水が流れる。冷却水はＭＥＡ５の温度を調整するように熱を移動させる。

ＭＥＡ用のガスケット１１はＭＥＡ５と導電性セパレータ７ａおよび７ｃとの封止を行い、導電性セパレータ用のガスケット１０は導電性セパレータ７ａおよび７ｃ間を封止する。
また、高分子電解質１は固定電荷を有しており、固定電荷の対イオンとして水素イオンが存在している。高分子電解質１には水素イオンを選択的に透過させる機能が求められるが、そのためには高分子電解質１が水分を保持していることが必要である。水分を含むことにより、固定されている固定電荷が電離し、固定電荷の対イオンである水素がイオン化して移動できるからである。

つぎに、単電池を積層してなる高分子電解質型燃料電池（スタック）について図２を用いて説明する。図２は、単電池複数個を積層して得られるスタックの概略斜視図である。
単電池の電圧は通常０．７５Ｖ程度と低いため、単電池２０を複数個を直列に積層し、高電圧が得られるスタックを構成することが通常行われている。なお、図２においては、便宜上、４個の単電池を積層した様子を示している。集電板２１ａおよび２１ｃはスタックから外部に電流を取り出すために設置され、絶縁板２２ａおよび２２ｃは単電池と外部を電気的に絶縁する。端板２３ａおよび２３ｃはスタックを締結して機械的に保持する。

本発明に係る燃料電池システムの基本動作を説明する。図４において、第１の遮断弁１１０が開となり、原料ガス配管１０１から原料ガスがガス清浄部１０９に流れ込む。原料ガスとしては天然ガス、プロパンガスなど炭化水素系のガスを使用することができる。以下の実施例においては、メタン、エタン、プロパンおよびブタンガスの混合ガスであって主成分をメタンとする都市ガスの１３Ａを用いた。
ここで、燃料電池システムに用いられる各種ガスに含まれうる硫黄化合物は、微量ではあるが、触媒に吸着して触媒毒となって電池反応を阻害したりする。そこで、ガス清浄部１０９として、特にターシャリブチルメルカプタン（ＴＢＭ）、ジメチルサルファイド（ＤＭＳ）、テトラヒドロチオフィン（ＴＨＴ）等の、ガス付臭剤の不純物の除去に用いられる材料を用いるのが有効である。ガス付臭剤は通常不純物として硫黄化合物を含んでいる。

燃料ガス生成器１０２では、式（４）：ＣＨ₄＋２Ｈ₂Ｏ→４Ｈ₂＋ＣＯ₂（−２０３．０ＫＪ／ｍｏｌ）に示す反応などにより、燃料ガスの主成分である水素が生成される。同時に発生する一酸化炭素は、式（５）：ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂に示されるようなシフト反応と、式（６）：ＣＯ＋１／２Ｏ₂→ＣＯ₂で示されるるような一酸化炭素選択酸化反応により、１０ｐｐｍ以下にまで低減される。

ここで、反応に必要な最低限度以上の量の水を入れると、水素と水分を含む燃料ガスが生成し、これが燃料ガス配管１０４を介して燃料電池１０３に流れ込む。酸化剤ガスはブロワー１１１により加湿器１０７を通った後、燃料電池１０３に流れ込み、酸化剤ガスの排ガスは排気管１１２により外部に排出される。
加湿器１０７としては、温水に酸化剤ガスを流すものや、酸化剤ガス中に水を吹き込むもの等が使用できるが、以下の実施例では全熱交換型加湿器を使用した。これは、酸化剤ガスの排ガスが加湿器１０７を通過して排気管１１２を経て放出される際に、当該排ガス中の水と熱を、酸化剤ガス配管１０６から運ばれる酸化剤ガス中に移動させるものである。

冷却水は、ポンプ１１５によって冷却水入口配管１１６から燃料電池１０３の冷却水流路に流された後、冷却水出口配管１１７から外部に運ばれる。図４には図示していないが、冷却水入口配管１１６や冷却水出口配管１１７には、通常給湯器などの熱を溜めるまたは利用する機器などを接続してもよい。これにより燃料電池１０３で発生する熱を取りだし、給湯等に利用できる。
発電する燃料電池１０３の電圧は電圧測定部１２８で測定され、十分発電が行われていると制御部１１４が判断すると、電力回路部１１３により電力が取り出される。電力回路部１１３では燃料電池１０３から取り出した直流の電力を、交流へと変換し、家庭等で利用されている電力線にいわゆる系統連携で接続される。

電力回路部１１３は、燃料電池１０３が発電を開始した後、燃料電池１０３から直流の電力を引き出す役割をする。制御部１１４には、燃料電池システムの他の部分の制御を最適に保つよう制御させるのが有効である。
燃料電池１０３の運転を停止したい場合は、第３の遮断弁１１９である分配弁と、分配弁１２０を動作させ、ガス清浄部１０９で清浄化した後の清浄化原料ガスを燃料電池１０３へ流し込むのが有効である。
以下において、実施例を用いて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。

《実施例》
本実施例においては、図１に示す構造を有する単電池、図２に示す構造を有する燃料電池、図４に示す燃料電池システムを作製した。
炭素粉末であるアセチレンブラック（電気化学工業（株）製のデンカブラック、粒径３５ｎｍ）を、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の水性ディスパージョン（ダイキン工業（株）製のＤ１）と混合し、乾燥重量としてＰＴＦＥを２０重量％含む撥水インクを調製した。このインクを、ガス拡散層の基材となるカーボンペーパー（東レ（株）製のＴＧＰＨ０６０Ｈ）の上に塗布して含浸させ、熱風乾燥機を用いて３００℃で熱処理し、ガス拡散層（約２００μｍ）を形成した。

一方、炭素粉末であるケッチェンブラック（ケッチェンブラックインターナショナル（株）製のＫｅｔｊｅｎ Ｂｌａｃｋ ＥＣ、粒径３０ｎｍ）上にＰｔ触媒を担持させて得られた触媒体（５０重量％がＰｔ）６６重量部を、水素イオン伝導材かつ結着剤であるパーフルオロカーボンスルホン酸アイオノマー（米国Ａｌｄｒｉｃｈ社製の５重量％Ｎａｆｉｏｎ分散液）３３重量部（高分子乾燥重量）と混合し、得られた混合物を成形して触媒層（１０〜２０μｍ）を形成した。
上述のようにして得たガス拡散層と触媒層とを、高分子電解質膜（米国ＤｕＰｏｎｔ社のＮａｆｉｏｎ１１２膜）の両面に接合し、ＭＥＡ５を作製した。

つぎに、以上のように作製したＭＥＡ５の高分子電解質膜１の外周部にゴム製のガスケット板を接合し、冷却水、燃料ガスおよび酸化剤ガス流通用のマニホールド穴を形成した。一方、２０ｃｍ×３２ｃｍ×１．３ｍｍの外寸を有し、かつ深さ０．５ｍｍのガス流路および冷却水流路を有する、フェノール樹脂を含浸させた黒鉛板からなる導電性セパレータ板７を用いた。
また、第１の遮断弁１１０、分配弁１２０、第２の遮断弁１１８、第３の遮断弁１１９および遮断弁１２４にはグリースを用いなかった。さらに、原料ガス配管１０１と第１の遮断弁１１０、ガス清浄部１０９、分配弁１２０、清浄化原料ガス配管１０１’および燃料ガス生成器１０２との各接続部、燃料ガス配管１０４と燃料ガス生成器１０２、遮断弁１１８および燃料電池１０３との各接続部、ならびに、酸化剤ガス配管１０６と、ブロワー１１１、分配管１１９、加湿器１０７および遮断弁１２４との各接続部において、従来の液状シール材を用いず、フッ素系樹脂製ガスケットまたは金属製ガスケットを用いた。このようにして本発明に係る燃料電池システムＡを作製した（実施例）。

これに対する比較をするため、第１の遮断弁１１０、分配弁１２０、第２の遮断弁１１８、第３の遮断弁１１９および遮断弁１２４に、ダイキン工業（株）製のダイフロイルを用いた以外は、上記実施例と同様にして、比較用の燃料電池システムＢを作製した（比較例１）。
さらに、第１の遮断弁１１０、分配弁１２０、第２の遮断弁１１８、第３の遮断弁１１９および遮断弁１２４に、ダイキン工業（株）製のダイフロングリースを用い、さらに原料ガス配管１０１と第１の遮断弁１１０、ガス清浄部１０９、分配弁１２０、清浄化原料ガス配管１０１’および燃料ガス生成器１０２との各接続部、燃料ガス配管１０４と燃料ガス生成器１０２、遮断弁１１８および燃料電池１０３との各接続部、ならびに、酸化剤ガス配管１０６と、ブロワー１１１、分配管１１９、加湿器１０７および遮断弁１２４との各接続部において、液状シール剤であるSwagelok社製のSWAKを用いた以外は、上記実施例と同様にして比較用の燃料電池システムＣを作製した（比較例２）。

［評価］
上述のようにして作製した燃料電池システムＡ〜Ｃを用いて、以下の条件で運転試験をした。
まず、燃料電池を起動させて燃料電池システムで発電と発熱を行った（運転工程）。この運転工程において、原料ガスとしては都市ガスの１３Ａガスを用い、酸化剤ガスとしては空気を用いた。燃料電池１０３の温度を７０℃、燃料ガス利用率（Ｕｆ）を７０％、酸化剤ガス利用率（Ｕｏ）を４０％に設定した。また、燃料ガスおよび空気は、それぞれ６５℃および７０℃の露点を有するように加湿し、電力回路部１１３から電力としてある電圧の電流を取り出した。電流は電極の見かけ面積に対して、０．２Ａ／ｃｍ²の電流密度となるように調整した。

さらに、冷却水入口配管１１６および冷却水出口配管１１７には、図示していないが、貯湯タンクを取り付け、冷却水入口配管１１６中の水の温度が７０℃となり冷却水出口配管１１７中の水の温度が７５℃となるようにポンプ１１５を調節した。
ついで、経時的に電圧変化の測定を行い、電圧低下率を評価した。結果を図５および表１に示す。

図５および表１に示す結果からわかるように、燃料電池システムを構成する部材や部品に用いられる材料を選定すること、特に遮断弁においてグリースを用いず、また、接続部で液状シール剤を用いないことによって、燃料電池システムの電圧および耐久性を維持・向上させることができた。

本発明に係る燃料電池システムにおいては、燃料電池システムを構成する部材や部品に用いられる材料を選定することによって、燃料電池システムの電圧および耐久性を維持・向上させることができ、特に家庭用のコージェネレーションシステムに好適に用いることができる。

本発明の従来例および実施例における高分子電解質型燃料電池の単電池の構造を示す図である。 本発明の従来例および実施例における高分子電解質型燃料電池（スタック）の構造を示す図である。 従来の燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 実施例および比較例における単電池の電圧の時間経過を示す図である。

符号の説明

１ 高分子電解質膜
２ａ 触媒層
２ｃ 触媒層
３ａ ガス拡散層
３ｃ ガス拡散層
４ａ 電極
４ｃ 電極
７ａ 導電性セパレータ
７ｃ 導電性セパレータ
１０２ 燃料ガス生成器
１０７ 加湿器
１０９ ガス清浄部
１１３ 電力回路部
１１４ 制御部
１２８ 電圧測定部

Claims (6)

1. 原料ガス配管と；原料ガスから水素を含む燃料ガスを生成する燃料ガス生成器と；前記燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と；前記燃料ガス生成器から前記燃料ガスを前記前記燃料電池に供給する燃料ガス配管と；前記燃料電池からのオフガスを前記燃料ガス生成器に供給するオフガス配管と；前記燃料ガス配管と前記オフガス配管とを接続する追加配管と；酸化剤ガス配管と；酸化剤ガスを加湿する加湿器と；加湿された前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する加湿酸化剤ガス配管とを含む燃料電池システムであって、
   少なくとも前記原料ガス配管、燃料ガス配管および酸化剤ガス配管に、それぞれ第１の遮断弁、第２の遮断弁および第３の遮断弁を配置し、
   前記第１の遮断弁を通過した後の原料ガス、前記第２の遮断弁を通過した後の燃料ガスおよび前記第３の遮断弁を通過した後の酸化剤ガスのＴＯＣが５００μｇ／ｍ³以下であり、
   少なくとも前記燃料ガス配管と燃料生成器との間、前記燃料ガス配管と燃料電池との間、および前記酸化剤ガス配管と燃料電池との間に、それぞれフッ素系樹脂製ガスケットもしくは金属製ガスケットを介する接続部を配置することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記ＴＯＣが１００μｇ／ｍ³以下である請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池が、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜を挟む一対の電極と、前記電極の一方に燃料ガスを供給・排出するガス流路を有するセパレータと、前記電極の他方に酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有するセパレータとを具備する単電池で構成される請求項１記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料ガス配管において、前記第１の遮断弁の下流側に原料ガス清浄部を具備する請求項１記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池から電力を取り出す電力回路部を具備する請求項１記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池の電圧を測定する電圧測定部を具備する請求項１記載の燃料電池システム。

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