JP2010272346A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池内部に浸入した水分によるフラッディングを抑制でき、連続して安定した発電が可能な燃料電池を提供する。
【解決手段】 酸素を還元する正極触媒層を有する正極と、燃料を酸化する負極触媒層を有する負極と、前記正極と前記負極との間に配置される固体高分子電解質膜とを有する電極・電解質一体化物を、セパレータを介して上下に複数積層してなる燃料電池であって、積層した複数の電極・電解質一体化物のうち、最下部の電極・電解質一体化物よりも下に、前記セパレータと平面視での面積が同等の排水機構を有することを特徴とする燃料電池により、前記課題を解決する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、主に燃料となる水素中に含まれる水分によるフラッディングを抑制でき、連続して安定した発電が可能な燃料電池に関するものである。

近年、パーソナルコンピューター、携帯電話などのコードレス機器の普及に伴い、その電源である電池には、より一層の小型化、高容量化が要望されている。現在、エネルギー密度が高く、小型軽量化を図り得る二次電池としてリチウムイオン二次電池が実用化されており、ポータブル電源としての需要が増大している。しかし、このリチウムイオン二次電池は、一部のコードレス機器に対しては、十分な連続使用時間を保証することができないという問題がある。

このような問題の解決に向けて、例えば固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）などの燃料電池の開発が進められている。燃料電池は、燃料および酸素の供給を行えば連続的に使用することが可能である。そして、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（以下、「ＭＥＡ」という場合がある。）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、リチウムイオン二次電池よりもエネルギー密度が高い電池として注目されている。

一般的なＰＥＦＣでは、ＭＥＡが複数積層されて構成されており、各ＭＥＡは、酸素流路（酸化剤流路）を形成した正極側セパレータと燃料流路を形成した負極側セパレータとの２種類のセパレータで挟持された状態で積層されている。そして、ＰＥＦＣの酸素流路および燃料流路のそれぞれにガス（酸素および燃料となる水素）が供給され、電気化学反応を起こすことにより発電する。

ところが、ＰＥＦＣでは、通常、燃料が加湿された状態で供給されるが、燃料中の水分が電池内部で結露し、こうして生じた浸入水によって電極表面が閉塞されるフラッディングが生じて、急激な出力低下を起こす虞があった。このようなことから、前記の浸入水によって生じる電極表面の閉塞を抑制することが求められる。

このような要求に応えるため、燃料電池内に浸入した水を排出する試みが検討されており、例えば、ＭＥＡ間のセパレータに排水用の溝を形成したり、ＭＥＡ外に排水部を設けたり、複雑な構成の除湿機構を設けたりするなど、様々な提案がなされている（特許文献１〜７参照）。

特開２００２−３４３３８２号公報 特開２００４−３２７０５８号公報 特開２００６−１９１１６号公報 特開２００６−３５１３２３号公報 特許第３７５３０１３号公報 特開２００４−３２７０５９号公報 特許第３５１９９８７号公報

しかしながら、セパレータに排水用の複雑なパターンを形成すると、高コストになるだけでなく、セパレータの強度が低下することが問題とされている。また、ＭＥＡとは別に排水部を設けると燃料電池全体の体積が大幅に増加するため、エネルギー密度の低下という問題が生じてしまう。更に、複雑な除湿機構を設けると高コストになるという問題がある。

このようなことから、燃料電池の高コスト化（それに伴う燃料電池の生産性の低下）や体積増加に伴うエネルギー密度の低下を回避しつつ、燃料電池内に浸入する水を良好に排出して、燃料電池の連続して安定した発電を可能とする技術の開発が求められる。

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、燃料電池内部に浸入した水分によるフラッディングを抑制でき、連続して安定した発電が可能な燃料電池を提供することにある。

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触媒層を有する正極と、燃料を酸化する負極触媒層を有する負極と、前記正極と前記負極との間に配置される固体高分子電解質膜とを有する電極・電解質一体化物を、セパレータを介して上下に複数積層してなる燃料電池であって、積層した複数の電極・電解質一体化物のうち、最下部の電極・電解質一体化物よりも下に、前記セパレータと平面視での面積が同等の排水機構を有することを特徴とするものである。

本発明の燃料電池では、燃料ガス中に含まれ、燃料電池内で結露して生じた浸入水が、重力の影響によってＭＥＡ積層群の最下部に溜まりやすいことに着目し、その最下部のＭＥＡよりも下に浸入水を燃料電池系外へ排出するための排水機構を設置することで、浸入水を各ＭＥＡまで到達し難くしてフラッディングを抑制し、連続して安定した発電を可能とした。

しかも、排水機構は、各ＭＥＡ間に配置されるセパレータと平面視での面積が同等で、ＭＥＡ積層群と積層することが容易であることから、燃料電池の製造も容易で、また簡易な構成であるため、燃料電池の高コスト化（それに伴う生産性の低下）や無用な体積増加も抑えることができる。

本発明によれば、燃料電池内部に浸入した水分によるフラッディングを抑制でき、連続して安定した発電が可能な燃料電池を提供することができる。

本発明の燃料電池の一例の概略を表す斜視図である。 図１の燃料電池の一例を表す要部分解図である。 図１の燃料電池の一例を表す要部断面図である。 図１の燃料電池の一例の、図３とは別の部分の断面図である。 本発明の燃料電池に係るセパレータの一例の概略図で、（ａ）は負極拡散層に配置される側の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は正極拡散層に配置される側の平面図である。 本発明の燃料電池に係る電極・電解質一体化物における正極触媒層、固体高分子電解質膜および負極触媒層の積層体の一例の概略図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。 本発明の燃料電池に係る電極・電解質一体化物における正極拡散層の一例の概略図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。 本発明の燃料電池に係る電極・電解質一体化物における負極拡散層の一例の概略図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。 本発明の燃料電池に係る排水機構の一例の概略図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。 本発明の燃料電池を用いた燃料電池発電システムの一例を表す模式図である。 本発明の燃料電池と、水素消費装置との一体化物の一例の概略を表す斜視図である。 本発明の燃料電池を用いた燃料電池発電システムの他の例を表す模式図である。 本発明の燃料電池を用いた燃料電池発電システムの他の例を表す模式図である。 実施例１および比較例１の燃料電池における定電圧運転試験結果を表すグラフである。

本発明の燃料電池の一例の概略を表す斜視図を図１に示す。図１に示す燃料電池１００は、複数のＭＥＡ２０が、セパレータ１０を介して上下に積層されている。また、積層されたＭＥＡ２０群における最下部のＭＥＡより下には、排水機構６０が配置されている。そして、ＭＥＡ２０群と排水機構６０との積層体の両端がエンドプレート７０、７０で挟持され、ボルトとナットで固定されている。また、図１における８０は燃料供給口、９０は燃料排出口である。燃料供給口８０から燃料が燃料電池内に導入され、各ＭＥＡ２０の負極に供給されて発電に利用される。そして、各ＭＥＡ２０で消費されなかった燃料が、燃料排出口９０から、燃料電池外に排出される。

また、各ＭＥＡ２０内に導入された燃料中に含まれている浸入水は、排水機構６０を通じて燃料排出口９０から燃料電池外へ排出される。

本発明の燃料電池は、酸素を還元する正極触媒層を有する正極と、燃料を酸化する負極触媒層を有する負極と、前記正極と前記負極との間に配置される固体高分子電解質膜とを有するＭＥＡを複数有し、これらがセパレータを介して上下に積層されており、更に、これら積層されたＭＥＡ群における最下部のＭＥＡよりも下に、前記の機能を有する排水機構が設けられていればよく、燃料電池の各構成要素の詳細については特に制限はないが、以下に、本発明の燃料電池の好ましい態様について、詳細に説明する。

図２に、図１の燃料電池の一例の要部分解図を、図３に、図１の燃料電池の一例の要部断面図を、それぞれ示す。図中、２０ａは、上から、負極触媒層（図３中、２４）、固体高分子電解質膜（図３中、２３）、正極触媒層（図３中、２２）の順に積層された積層体であり、その上側には負極拡散層２５が配置され、下側には正極拡散層２１が配置されてＭＥＡを構成している。ＭＥＡの上下には、セパレータ１０、１０が配置されている。なお、図３は断面図であるが、各構成要素の燃料供給マニホールドおよび燃料排出マニホールドにより形成される燃料の流路の理解を容易にする目的で、上側のセパレータ１０の上端、および下側のセパレータ１０の下端以外については、背面部分を省略している。

セパレータ１０、１０には、燃料供給マニホールド１１および燃料排出マニホールド１２が形成されている。セパレータ１０、１０は平面視での形状が四角形で、それぞれが１枚で構成されている。そして、燃料供給マニホールド１１が、四角形を構成する４辺のうちの１辺の近傍に形成されており、燃料排出マニホールド１２が、前記１辺と対向する１辺の近傍に形成されている。

また、セパレータ１０、１０は、その片面に、溝状の酸素流路１３が複数形成されており、他面が平板状である。セパレータ１０、１０の酸素流路１３は、燃料供給マニホールド１１および燃料排出マニホールド１２が近傍に形成された対向する２辺とは別の２辺を直線状に繋ぐように、互いに平行または略平行に形成されている。

更に、積層体２０ａに係る正極触媒層、固体高分子電解質および負極触媒層にも、セパレータ１０、１０の燃料供給マニホールド１１に相当する位置に燃料供給マニホールドが、燃料排出マニホールド１２に相当する位置に燃料排出マニホールドが、それぞれ形成されている。

また、正極拡散層２１は、下側のセパレータ１０における酸素流路１３形成部の全面を覆うように配置されている。そして、正極拡散層２１における、セパレータ１０の酸素流路１３と平行または略平行な２辺の外側には、燃料ガスの流入を抑制するための正極ガスシール３０が配置されており、正極ガスシール３０の、セパレータ１０、１０の燃料供給マニホールド１１に相当する位置に燃料供給マニホールドが、燃料排出マニホールド１２に相当する位置に燃料排出マニホールドが、それぞれ形成されている。

更に、負極拡散層２５は、上側のセパレータ１０の平板面と接しており、その外周外側に、燃料ガスの流出を抑制するための負極ガスシール４０が配置されている。そして、負極ガスシール４０の、セパレータ１０、１０の燃料供給マニホールド１１に相当する位置に燃料供給マニホールドが、燃料排出マニホールド１２に相当する位置に燃料排出マニホールドが、それぞれ形成されている。

図２および図３では、酸素を含む空気の流れを点線矢印で、燃料ガスの流れを実線矢印で示している。燃料供給マニホールド１１から導入された燃料は、負極拡散層２５を通って負極触媒層２４に供給される。そして、発電反応に関与せず消費されなかった燃料は、負極拡散層２５を通って燃料排出マニホールド１２から外部へ排出される。

また、セパレータ１０、１０の有する酸素流路１３は、平面視で、四角形のセパレータの対向する２辺を直線的に繋ぐように形成されており、その両端部が、セパレータの側面において開口している。そのため、例えば、燃料電池の側面（セパレータ１０における酸素流路１３が開口している側の側面）からファンなどを用いて酸素を含む空気を送ることで、酸素流路１３内へ空気が導入される。そして、酸素流路１３内に導入された空気（酸素）が、ＭＥＡの正極拡散層２１を通じて正極触媒層２２に供給される。また、発電反応に関与せず、消費されなかった酸素、および空気中の酸素以外の成分は、燃料電池の側面（空気を送り込んだ側面とは反対側の側面）における酸素流路１３の開口端から外部に排出される。

なお、詳しくは後述するが、負極に係る負極拡散層は、撥水処理をした多孔質炭素シートのように、その内部を燃料が流通可能な材料で構成されることが一般的である。そのため、本発明の燃料電池では、燃料供給マニホールドから導入された燃料は、負極拡散層内の孔を経て負極触媒層に供給され、消費されなかった燃料は、負極拡散層内の孔を経て燃料排出マニホールドから外部へ排出される。よって、図２や図３に示すように、隣り合うＭＥＡ間に介在させるセパレータには、酸素流路のみを形成すればよく、燃料流路を形成する必要はないことから、セパレータを１枚で構成でき、また、セパレータ自体を薄くすることが可能である。従って、本発明の燃料電池は、このようなセパレータを備えていることが好ましく、これにより、よりコンパクトな構造とすることができる。

なお、図２および図３に示す燃料電池では、酸素流路１３を通過する空気が冷却媒体としても作用する。そのため、酸素流路１３が冷却媒体流路を兼ねているため、セパレータに別途冷却媒体流路を形成する必要がないことから、セパレータを１枚の層で構成し、片面を平面状としてセパレータを薄くしても、冷却媒体による冷却が可能である。

図４に、図１の燃料電池の別の要部の断面図を示す。図４に示す断面図は、排水機構６０と、燃料排出マニホールドとを含む部分を示している。なお、図４も、図３と同様に、各構成要素の燃料排出マニホールドにより形成される燃料の流路の理解を容易にする目的で、セパレータ１０の上端以外については、背面部分を省略しており、また、燃料排出口９０を簡略化して示している。

図４では、積層体２０ａの下側に正極拡散層２１が配置され、更にその下側にセパレータ１０が配置されている。また、積層体２０ａの上側には負極拡散層２５が配置されており、更にその上側にもセパレータ１０が配置されている。そして、正極拡散層２１と積層体２０ａと負極拡散層２５とでＭＥＡを構成している。このＭＥＡが、積層されたＭＥＡ群における最下部のＭＥＡに該当する。そして、ＭＥＡの正極拡散層２１の下側に配置されたセパレータ１０の更に下側には、各ＭＥＡから生じた電力を外部へ取り出すための集電板５０、およびガスシールと絶縁とを行うためのゴムシート５２を挟んで排水機構６０が配置されている。５１は集電板の外側に配置されたガスシールである。なお、ゴムシート５２は、排水機構６０とエンドプレート７０との間にも配置されている。

排水機構６０は、例えば、燃料に含まれ、燃料電池内で結露することで生じた浸入水を、燃料供給口９０側へ流すための水通過層６０ａを有しており、また、水通過層６０ａの外周外側に、ガスの出入りを抑制するためのガスシール６０ｂを有している。そして、ガスシール６０ｂの、セパレータ１０の燃料供給マニホールドに相当する位置に燃料供給マニホールドが、燃料排出マニホールド１２に相当する位置に燃料排出マニホールドが、それぞれ形成されている。

図４では、燃料ガスの流れを実線矢印で示しているが、燃料電池内で結露して生じた浸入水は、燃料ガスの流れに伴って排水機構６０の水通過層６０ａを通過して燃料排出マニホールドに達し、発電反応に関与せず消費されずに、セパレータやＭＥＡの燃料排出マニホールドにより形成された燃料排出流路を通過してきた燃料と共に燃料排出口９０から外部に排出される。このように、本発明の燃料電池では、燃料ガスに伴って浸入した水を効率よく燃料電池外に排出できるため、これら浸入水によるフラッディングを効果的に抑制できる。

なお、排水機構６０の有する水通過層６０ａは、負極に係る負極拡散層と同じ構造であることが好ましく、具体的には、負極拡散層と同様に、撥水処理をした多孔質炭素シートなどの、その内部を燃料および水が流通可能な材料で構成されることが好ましい。このような構造の水通過層を備えることで、別途水通過用の溝などを形成する必要がなく、簡易な構成の排水機構とすることができる。また、排水機構の圧力損失がＭＥＡより低ければ、浸入水がない場合にＭＥＡ全体に燃料が行き渡らず、発電効率が低下する虞があるが、水通過層が負極拡散層と同じ構造である場合には、排水機構が、発電部に当たるＭＥＡと同等の圧力損失を有するようになるため、浸入水がない場合にもＭＥＡ全体に燃料が良好に行き渡るようにでき、発電効率も高く維持することができる。

なお、図２から図４では、上から、負極、固体高分子電解質膜、正極の順に積層されたＭＥＡを有する燃料電池の例を示しているが、本発明の燃料電池では、上から、正極、固体高分子電解質膜、負極の順に積層された構成のＭＥＡを有していてもよい。

また、排水機構は、積層されたＭＥＡ群における最下部のＭＥＡよりも下に配置すればよく、例えば、積層されたＭＥＡ群の上面および下面には集電板を配置することが通常であるため、排水機構と、前記最下部のＭＥＡとの間に集電板（更には、ガスシールと絶縁とを目的としたゴムシートなど）が介在していてもよい。また、例えば、図４に示すように、上から、負極、固体高分子電解質膜、正極の順に積層したＭＥＡを有する燃料電池の場合には、最下部のＭＥＡの正極に酸素を良好に供給するために、酸素流路を設けたセパレータを、前記最下部のＭＥＡの下に配置することが好ましい。よって、この場合には、排水機構と、前記最下部のＭＥＡとの間には、図４に示すように、セパレータおよび集電板（更にはゴムシート）が介在していてもよい。他方、上から、正極、固体高分子電解質膜、負極の順に積層したＭＥＡを有する燃料電池の場合には、最下部のＭＥＡの下にセパレータを配置しなくてもよい。よって、このような構成の燃料電池の場合には、排水機構と前記最下部のＭＥＡとの間には、例えば集電板（更にはゴムシート）のみが介在するような構成としてもよく、また、集電板を積層したＭＥＡ群の上面および下面以外の位置に配置するような場合には、排水機構と前記最下部のＭＥＡとが直接接していてもよい。

図２から図４に示すセパレータ１０の詳細を図５に示す。図５の（ａ）は酸素流路１３が形成されていない面側の平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は酸素流路１３が形成されている面側の平面図である。

セパレータ１０では、燃料供給マニホールド１１および燃料排出マニホールド１２は、平面視で四角形を構成する４辺のうちの対向する２辺の近傍に、それぞれ配置する。セパレータの燃料供給マニホールドおよび燃料排出マニホールドを前記のような配置とし、ＭＥＡの正極、負極および固体高分子電解質膜、並びに排水機構に形成する燃料供給マニホールドおよび燃料排出マニホールドを、セパレータの燃料供給マニホールドおよび燃料排出マニホールドに相当する位置に形成することで、負極における燃料が良好に流通する領域、すなわち、燃料供給マニホールドと燃料排出マニホールドとで挟まれた領域をより大きくとることができ、発電に良好に関与できる電極面積をより大きくすることが可能となって、より効率的な発電が達成できる。

また、セパレータ１０の片面は平面状であり［図５（ａ）］、他面［図５（ｃ）］には、前記の通り、平面視で四角形を構成する４辺のうちの、燃料供給マニホールド１１および燃料排出マニホールド１２が形成された対向する２辺とは別の２辺を直線状に繋ぐ複数の酸素流路１３が、互いに平行または略平行に形成されている。酸素流路１３は、溝状であり、隣り合う酸素流路間には、リブ１４が存在している。なお、（ｃ）では、酸素流路１３とリブ１４とを識別しやすくするために、酸素流路１３を、ドットを入れて示している。セパレータに係る酸素流路における「互いに平行または略平行」とは、基本的には、各酸素流路は互いに平行に形成されるが、多少平行からずれている場合であっても、本発明の効果が損なわれない範囲であれば、許容される意味である。

セパレータにおける酸素流路方向の長さ［図５（ａ）および（ｃ）中、縦方向の長さ］は、電極面積を十分に確保する観点から、１０ｍｍ以上であることが好ましい。また、前記の通り、酸素流路を通過する空気は、酸素（酸化剤）の供給源となる他、冷却媒体としても機能させることができるが、セパレータにおける酸素流路方向の長さが長すぎると、燃料電池の発電時における発熱を、酸素流路を通過する空気によって十分に冷却できない虞がある。そのため、セパレータにおける酸素流路方向の長さは、１００ｍｍ以下であることが好ましい。

セパレータにおける燃料供給マニホールドと燃料排出マニホールドとの間の距離（最短の距離。燃料供給マニホールドと燃料排出マニホールドとの間の距離について、以下同じ。）は、電極面積を十分に確保する観点から、１０ｍｍ以上であることが好ましい。また、燃料供給マニホールドと燃料排出マニホールドとの間が長すぎると、燃料流路が長くなって、燃料流通の圧損が大きくなることがある。そのため、セパレータにおける燃料供給マニホールドと燃料排出マニホールドとの間の距離は、３００ｍｍ以下であることが好ましい。

セパレータにおける燃料供給マニホールドおよび燃料排出マニホールドの幅［図５（ａ）および（ｃ）中、横方向の長さ］は、燃料流通時の圧損を小さくするためには、ガスシール性を確保できる範囲でできる限り大きくすることが好ましい。

なお、燃料供給マニホールドおよび燃料排出マニホールドは、平面視で四角形のセパレータの、４辺のうちの対向する２辺の近傍にそれぞれ設けるが、具体的には、燃料供給マニホールドは、図５（ａ）および（ｃ）中で、ガスシール性を確保できる範囲で、左側の縦の辺からの距離ができる限り短くなるように配置することが好ましい。また、燃料排出マニホールドも、図５（ａ）および（ｃ）中で、ガスシール性を確保できる範囲で、右側の縦の辺からの距離ができる限り短くなるようにすることが好ましい。

本発明の燃料電池において、ＭＥＡの有する正極、負極および固体高分子電解質膜、並びに排水機構に形成する燃料供給マニホールドおよび燃料排出マニホールドは、セパレータの燃料供給マニホールドおよび燃料排出マニホールドの存在位置に相当する箇所に配置する。これにより、セパレータ、ＭＥＡおよび排水機構の燃料供給マニホールドが重なり、また、セパレータ、ＭＥＡおよび排水機構の燃料排出マニホールドが重なることで、燃料電池の厚み方向（セパレータ、ＭＥＡおよび排水機構の積層方向）に燃料流路が形成される。

なお、ＭＥＡの有する正極、負極および固体高分子電解質膜の燃料供給マニホールドと燃料排出マニホールド、セパレータの燃料供給マニホールドと燃料排出マニホールド、並びに排水機構の燃料供給マニホールドと燃料排出マニホールドの形成位置の決定に当たっては、後述する正極ガスシール、負極ガスシール、および排水機構におけるガスシールの幅を考慮することが好ましい。

セパレータにおいて、酸素流路の幅［図５（ｂ）および（ｃ）中、横方向の長さ］は、空気の流通をより良好にする観点から、０．５ｍｍ以上とすることが好ましく、また、セパレータの強度低下を抑制する観点から、５ｍｍ以下とすることが好ましい。

酸素流路の高さ（溝の高さ）は、空気の流通をより良好にする観点から、０．５ｍｍ以上とすることが好ましく、また、セパレータの厚みの増大を抑制する観点から、５ｍｍ以下とすることが好ましい。

酸素流路間のリブの幅［図５（ｂ）および（ｃ）中、横方向の長さ］は、セパレータの強度低下を抑制する観点から、０．５ｍｍ以上とすることが好ましく、また、酸素流路での空気の流通を良好にする観点から、５ｍｍ以下とすることが好ましい。

酸素流路部分の最薄部の厚み（酸素流路の底部から他面までの長さ）は、セパレータの強度を確保して、割れ、ゆがみなどを防止する観点から、０．２ｍｍ以上とすることが好ましく、また、セパレータの厚みの増大を抑制する観点から、５ｍｍ以下であることが好ましい。

セパレータの材質としては、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無いが、例えば、黒鉛、カーボンと樹脂との混練物、ステンレス鋼、ステンレス鋼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、ステンレス鋼−銅クラッド、ステンレス鋼−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。

図２から図４に示す正極触媒層、固体高分子電解質膜および負極触媒層の積層体２０ａの詳細を図６に示す。図６の（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ線断面図である。

燃料電池において、ＭＥＡを構成する正極触媒層と、固体高分子電解質膜と、負極触媒層とは、図６に示すように平面視で同一形状であることが好ましい。これにより、正極触媒層と固体高分子電解質膜と負極触媒層とで構成される積層体の全面で厚みを均一にできるため、正負極の拡散層および正負極のガスシールを介したセパレータ（ＭＥＡの両面に配置される２枚のセパレータ）による締め付けが均一になり、ガス漏れがより良好に抑制できるようになる。また、ＭＥＡの製造時において、固体高分子電解質膜を挟んで正極触媒層と負極触媒層との位置を精度よく決定する必要もなくなるため、ＭＥＡの製造、ひいては燃料電池の製造がより容易となり、その生産性を高めることができる。

燃料電池の有するＭＥＡに係る正極触媒層は、正極拡散層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。正極触媒層としては、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おり、また、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。

正極触媒層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。

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１０〜２０００ｍ^２／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。

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。

正極触媒層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。

正極触媒層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。

正極触媒層に係るバインダとしては、特に制限はないが、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（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。

正極触媒層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。

正極触媒層の厚みは、１〜５０μｍであることが好ましい。

負極触媒層は、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おり、また、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。

負極触媒層に係る触媒は、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。

負極触媒層の厚みは、１〜５０μｍであることが好ましい。

固体高分子電解質膜は、プロトンを輸送可能であり、かつ電子伝導性は示さない材料で構成された膜であれば、特に制限はない。固体高分子電解質膜を構成し得る材料としては、例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂、具体的には、デュポン社製の「ナフィオン（登録商標）」、旭硝子社製の「フレミオン（登録商標）」、旭化成工業社製の「アシプレックス（商品名）」などが挙げられる。その他、スルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂、スルホン化ポリイミド樹脂、硫酸ドープポリベンズイミダゾールなども、固体高分子電解質膜の材料として用いることができる。

固体高分子電解質膜の厚みは、５〜１５０μｍであることが好ましい。

なお、図４に示すゴムシート５２は、その平面形状を、例えば、図６の（ａ）に示す積層体２０ａと同じ形状とすることができる。よって、ゴムシート５２には、例えば、セパレータの燃料供給マニホールドおよび燃料排出マニホールドに相当する位置に、燃料供給マニホールドおよび燃料排出マニホールドを形成することが好ましい。

図２から図４に示す正極拡散層および正極ガスシールの詳細を図７に示す。図７の（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ線断面図である。正極拡散層２１は、前記の通り、セパレータの酸素流路の形成部全面を覆うように配置される。

正極拡散層２１における、セパレータの酸素流路と平行または略平行な２辺［図７（ａ）中、縦の２辺］の外側には、燃料ガスの流出を抑制するための正極ガスシール３０が配置され、燃料供給マニホールド３１および燃料排出マニホールド３２が、正極ガスシール３０に形成されていることが好ましい。前記のように正極ガスシールを配置した場合、セパレータの酸素流路の開口端に相当する位置に正極ガスシールが存在しないため、固体高分子電解質膜の、燃料による圧力や水分によって生じ得る膨張収縮の応力を緩和することができる。

なお、正極拡散層２１と正極ガスシール３０との界面の位置は、セパレータの酸素流路の形成部よりも外側（燃料供給マニホールド側および燃料排出マニホールド側）に相当する位置とすることが好ましい。前記の界面がセパレータの酸素流路に相当する位置や、酸素流路と、これに隣り合う酸素流路との間に相当するリブの位置に存在していた場合、ガスシール性が低下する虞がある。

正極ガスシールの幅［図７（ａ）中、ａやｂの長さ］は、ガスシール性をより良好にする観点からは、０．５ｍｍ以上であることが好ましく、また、電極面積のロスを低減する観点からは、５ｍｍ以下であることが好ましい。

正極拡散層の厚みは、１００〜１０００μｍであることが好ましい。また、正極ガスシールの厚みは、５０〜１０００μｍであることが好ましい。

なお、図４に示す集電板５０およびガスシール５１からなる層は、その平面形状を、例えば、図７の（ａ）に示す正極拡散層２１およびガスシール３０からなる層と同じ形状とすることができる。すなわち、図７の（ａ）における正極拡散層２１を集電板５０に置き換え、ガスシール３０をガスシール５１に置き換えた形状とすることができる。よって、平面視で、集電体５０の対向する両端に配置されるガスシール５１、５１には、それぞれ、例えばセパレータの燃料供給マニホールドおよび燃料排出マニホールドに相当する位置に、燃料供給マニホールドおよび燃料排出マニホールドを形成することが好ましい。

図２から図４に示す負極拡散層および負極ガスシールの詳細を図８に示す。図８の（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ線断面図である。燃料電池においては、負極拡散層２５が、セパレータの平面（酸素流路が形成されている面と反対の面）と接するようにセパレータが配置される。

本発明の燃料電池では、図８に示すように、平面視で四角形の負極拡散層２５の外周外側に、燃料ガスの流出を抑制するための負極ガスシール４０を配置し、負極拡散層２５の前記四角形を構成する４辺のうちの１辺［図８（ａ）中、左側の縦の辺］と負極ガスシール４０とで燃料供給マニホールド４１を形成し、かつ、負極拡散層２５の前記１辺に対向する１辺［図８（ａ）中右側の縦の辺］と負極ガスシール４０とで燃料排出マニホールド４２を形成することが好ましい。

前記の通り、負極拡散層２５は、その内部に、燃料ガスが流通可能な孔を有する材料で構成することが一般的であるが、負極拡散層２５、負極ガスシール４０、燃料供給マニホールド４１および燃料排出マニホールド４２を前記のように配置することで、負極拡散層２５の全体に、燃料供給マニホールド４１から燃料排出マニホールド４２へ向かう燃料流路が形成されることになり、例えば、負極内に水分量の多い燃料が供給されたり、発電に伴って水が生成したりしても、これらを良好に排出することができるようになる。

なお、負極拡散層２５には、図８（ａ）に示すように、燃料流路を形成しなくてもよく、これにより、全面がセパレータと接することになるため、電気的な接触抵抗を最小限に抑えることが可能となる。

負極ガスシールの幅［図８（ａ）中、ｃやｄの長さ］は、ガスシール性をより良好にする観点からは、０．５ｍｍ以上であることが好ましく、また、電極面積のロスを低減する観点からは、５ｍｍ以下であることが好ましい。

負極拡散層の厚みは、１００〜１０００μｍであることが好ましい。また、負極ガスシールの厚みは、５０〜１０００μｍであることが好ましい。

正極拡散層および負極拡散層は、多孔性の電子導電性材料で構成され、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、正極拡散層および負極拡散層の触媒層側には、更なる撥水性向上および触媒層との接触向上を目的として、フッ素樹脂粒子（ＰＴＦＥ樹脂粒子など）を含む炭素粉末のペーストを塗布してもよい。

正極ガスシールおよび負極ガスシールの材質には、燃料電池分野などにおいてシール材として公知の各種材料、例えば、シリコンゴム、エチレン−プロピレン−ジエンゴム、ＰＴＦＥフィルム、ポリイミドフィルムなどを用いることができる。

図４に示す排水機構の詳細を図９に示す。図９の（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ線断面図である。排水機構６０は、前記の通り、積層されたＭＥＡ群のうち、最下部のＭＥＡよりも下に配置される。

図９に示すように、排水機構６０は、平面視で四角形の水通過層６０ａの外周外側に、ガスの出入りを抑制するためのガスシール６０ｂを配置し、水通過層６０ａの前記四角形を構成する４辺のうちの１辺［図９（ａ）中、左側の縦の辺］とガスシール６０ｂとで燃料供給マニホールド６１を形成し、かつ、水通過層６０ａの前記１辺に対向する１辺［図９（ａ）中右側の縦の辺］とガスシール６０ｂとで燃料排出マニホールド６２を形成することが好ましい。そして、水通過層６０ａは、ＭＥＡの有する負極拡散層と同じ構造を有していることが好ましい。すなわち、排水機構６０は、ＭＥＡの有する負極拡散層および負極ガスシールにより構成される層と同じ構造を有していることが好ましい。排水機構６０をこのような構造とすることで、前記の通り、排水機構６０が発電部に当たるＭＥＡと同等の圧力損失を有するようになるため、燃料電池の発電効率を高く維持することができる。

よって、排水機構に係る水通過層は、負極拡散層と同様に、多孔性の電子導電性材料で構成されていることが好ましく、例えば、撥水処理を施した多孔質炭素シートなどが好ましく用いられる。このような材料で水通過層を構成することで、層の内部を水（燃料電池内の浸入水）が良好に通過できるため、別途水通過用の溝などを形成する必要がない。なお、水通過層の表面には、更なる撥水性向上を目的として、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を塗布してもよい。

水通過層の厚みは、負極拡散層と同様に、１００〜１０００μｍであることが好ましい。

水通過層の外周外側に配置されるガスシールには、負極ガスシールと同様に、燃料電池分野などにおいてシール材として公知の各種材料、例えば、シリコンゴム、エチレン−プロピレン−ジエンゴム、ＰＴＦＥフィルム、ポリイミドフィルムなどを用いることができる。

水通過層の外周外側に配置されるガスシールの幅［図９（ａ）中、ｅやｆの長さ］は、負極ガスシールと同様に、０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下であることが好ましい。また、水通過層の外周外側に配置されるガスシールの厚みも、負極ガスシールと同様に、５０〜１０００μｍであることが好ましい。

なお、排水機構は、ＭＥＡ間に介在させるセパレータと、平面視での面積が同等であり、これにより、排水機構を含む燃料電池の生産を容易とするが、ここでいう「平面視での面積が同等」とは、実質的に同じであればよく、排水機構やセパレータを含む燃料電池の各層を積層するにあたり、詳細な位置合わせが必要になるなど、積層に支障が出ない程度のサイズのズレは許容する趣旨であるが、具体的には、セパレータの面積に対して、排水機構の面積が９５〜１０５％程度であればよい。

図４に示す集電体５０とガスシール５１からなる層におけるガスシール５１の材質には、負極ガスシールや正極ガスシールと同様に、燃料電池分野などにおいてシール材として公知の各種材料、例えば、シリコンゴム、エチレン−プロピレン−ジエンゴム、ＰＴＦＥフィルム、ポリイミドフィルムなどを用いることができる。また、図４に示すゴムシート５２の材質には、シリコンゴムやエチレン−プロピレン−ジエンゴムを用いることができる。

なお、本発明の燃料電池では、燃料電池を構成するＭＥＡにおいて、正極と負極とを、例えば、抵抗およびスイッチを介してリード体などで接続するなどして、導通可能なように構成していることが好ましい。このような構成のＭＥＡを有する燃料電池では、燃料電池による発電の終了時に、前記のスイッチを入れるなどしてＭＥＡに係る正極と負極とを短絡させて、燃料電池内に残留する水素などの燃料を消費することができる。そのため、燃料電池による発電の終了時に燃料電池内に残留する燃料による燃料電池の劣化を抑制することができる。

燃料電池に係るＭＥＡにおいて、正極と負極とを、前記のように抵抗を介して導通可能なように構成する場合、かかる抵抗としては、例えば、本発明の燃料電池を有するシステム（燃料電池発電システム）において、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、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。

図１０に、本発明の燃料電池を用いた燃料電池発電システムの一例を概略的に示す。図１０中、１００は燃料電池（本発明の燃料電池）で、６００は燃料電池１００へ燃料である水素を供給するための水素供給源である。水素供給源６００は、水素発生物質６０４を収容した水素発生容器６０３と、水６０２を収容した水容器６０１とを有している水素製造装置である。水容器６０１からポンプ２０１を用い配管５０１、５０２を通じて水６０２を水素発生容器６０３に供給すると、水素発生物質６０４と水６０２との反応によって水素が発生し、この水素が、配管５０３、水トラップ（凝縮水分離器）８０１、配管５０４、５０５、５０６を通じて燃料電池１００へ供給される。

１０１は送風ファンであり、燃料電池１００の正極への空気の供給、水素消費装置９００への空気の供給および燃料電池１００の冷却のためのものである。また、図１０中の矢印は、送風ファン１０１により送られる空気の流れの方向を示している（後記の図１２および図１３においても、同じである。）。図１０に示すように、本発明の燃料電池を用いた燃料電池発電システムは、送風ファン１０１を有していることが好ましい。

図１０に示す燃料電池発電システムは、燃料電池１００内のガスをシステム外に排出するための排気手段を有しており、排気手段は、燃料電池１００内のガスを燃料電池１００外に間欠的に排出するためのパージバルブ３１０と、燃料電池１００から排出されたガス中の水素を消費するための水素消費装置９００とを備えている。

図１０に示す燃料電池発電システムに係る排気手段は、配管５０７、圧力センサ４００、パージバルブ３１０、配管５０９、水容器６０１、配管５１０、水素消費装置９００、配管５１４により構成されている。

図１０に示す燃料電池発電システムでは、燃料電池１００による発電に伴って、燃料電池１００の負極側にガス（発電に関与しなかった残留水素および発電の際に正極側から拡散してくる不純ガスを含むガス）などが蓄積し、また、燃料電池１００内の浸入水が排水機構によって配管５０７側へ排出されるが、これらのガスや浸入水によって燃料電池１００内および配管５０７内の圧力がある程度高まった時点で、パージバルブ３１０によって前記のガスや浸入水を配管５０９側に排出できる。このように、パージバルブ３１０の作用によって、燃料電池１００内のガスや浸入水を間欠的に燃料電池１００外に排出できるため、例えば、水素供給源から供給する水素のうち、発電に必要な量を上回る分を低減しても、浸入水を良好に排出でき、ガス中に含まれる水素量を減らすことができる。

なお、図１０に示すシステムでは、圧力センサ４００を備えており、この圧力センサ４００によって配管５０７内の圧力を測定しながら、適時パージバルブ３１０を開いて、燃料電池５００のガスや浸入水を配管５０９側へ排出できる。このように、燃料電池発電システムでは、燃料電池１００の負極側の圧力を圧力センサ４００で測定し、これにより得られた圧力情報に基づいて、パージバルブ３１０の開閉動作を制御することが好ましい。パージバルブは、燃料電池内の負極の圧力と外部の圧力（例えば大気圧）との差圧が５〜３００ｋＰａに達した段階で開閉動作を行うように制御されることが望ましい。差圧が５ｋＰａ未満で開く場合は、圧力差が小さすぎて水を排出する能力が低下し、差圧が３００ｋＰａを超えるまで開かない場合は、内圧が高くなりすぎてＭＥＡを破損する虞が生じる。

前記のような構成とすることで、燃料電池内の圧力情報を測定しながら適性に発電を行うことができるため、圧力が高くなりすぎて燃料電池から水素が漏れ出たり、燃料電池が破裂したりすることを抑制できる。また、燃料電池の出力状態と圧力情報とを考慮して、出力を適正に維持できるように発電させることも可能となる。

図１０に示すシステムでは、燃料電池１００から排出されたガスや水（浸入水）は、配管５０９から、水素供給源６００の水容器６０１へ導入される。水容器６０１は、水トラップとしても作用するため、燃料電池１００から排出された水が水容器６０１で回収される。このように、燃料電池発電システムでは、燃料電池から排出されたガス中に含まれる水（浸入水）を回収するために、水トラップなどの水回収手段を、パージバルブと水素消費装置との間に備えていることが好ましい。このような構成とすることで、燃料電池から排出されたガスから水を除去した上で、前記ガスを水素消費装置に供給できるため、水素消費装置内で水が溜まることによる水素消費効率の低下を抑制することができ、より効率的な水素除去が可能となる。

また、燃料電池発電システムでは、水回収手段により回収した燃料電池内の水（浸入水）を、水素発生物質との反応（すなわち、水素の製造）に利用することが好ましい。図１０のシステムでは、水素供給源６００の水容器６０１が水回収手段を兼ねているため、燃料電池１００から排出された水を、水素製造用の水として利用することができる。このような構成とすることで、システムをコンパクトにすることができると共に、エネルギーの利用率を高めることができる。

図１０に示すシステムでは、水容器６０１によって水（浸入水）が除去されたガス（燃料電池１００から排出されたガス）が、配管５１０を通じて水素消費装置９００に導入される。図１０の水素消費装置９００はＭＥＡを有しており（図示しない）、燃料電池１００の有するＭＥＡによる発電と同じ機構によって、ガス中の水素を消費する。水素消費装置９００に連結されている配管５１４は外気と接しており、水素消費装置９００によって水素が除去されたガスは、配管５１４を通じてシステム外に排出される。なお、図１０に示すシステムでは、配管５１４の出口が、送風ファン１０１からの送風が当たるように配置しているため、水素消費装置で処理しきれずに僅かに水素が残留していても、希釈しつつシステム外に排出することができる。

なお、燃料電池では、一般に、発電が停止している際に、燃料電池内の正極に空気、負極に水素がそれぞれ貯留した状態が長時間継続すると、劣化が生じる。この原因は定かではないが、この場合、電圧が発電時よりも高い状態で維持されるために、正負極の炭素や触媒が酸化するためではないかと推測される。よって、燃料電池発電システムでは、発電の終了時に、燃料電池内への水素の侵入を防止できるように構成されていたり、燃料電池内に残留する水素を除去できるように構成されていたりすることが好ましい。

図１０に示すシステムでは、水素供給源６００からの水素を燃料電池へ導入するための配管５０４と配管５０５との間に三方形弁３０２が設けられており、この三方形弁３０２は配管５１１とも接続しており、更に、この配管５１１は、水容器６０１と水素消費装置９００との間に設置された配管５１０に接続している。そのため、燃料電池１００の発電終了時に、三方形弁３０２を作動させて、水素供給源６００からの水素を、燃料電池１００に送らずに、配管５１１、５１０を通じて水素消費装置９００に直接供給し、処理することができる。これにより、図１０に示すシステムでは、燃料電池１００による発電の終了時に、燃料電池１００内への水素の侵入を防止して、かかる水素による燃料電池１００の劣化を抑制することができる。

また、図１０に示すシステムでは、水素供給源６００の水容器６０１と水素発生容器６０３とを接続する配管５０１、５０２に三方形弁３０１が接続されており、この三方形弁３０１は、配管５１２とも接続されている。更に、配管５１２は、三方形弁３０３を介して、水素供給源６００から燃料電池１００へ水素を供給するための配管５０５および配管５０６とも接続されている。そのため、燃料電池１００の発電終了時に、三方形弁３０１、３０３を作動させ、更にパージバルブ３１０を作動させて、水容器６０１内の水を配管５１２および配管５０６を通じて、燃料電池１００内に供給できる。これにより、図１０に示すシステムでは、燃料電池１００による発電の終了時において、燃料電池１００内に残留している水素を水で置換することができるため、かかる水素が燃料電池１００内に残留することによる燃料電池１００の劣化も抑制できる。

また、前記のように、燃料電池１００による発電の終了時において、燃料電池１００内に水を貯留することができるため、燃料電池１００の有するＭＥＡ中の固体高分子電解質膜を湿潤状態に保つことが可能となる。一般に、固体高分子形燃料電池では、長時間停止していると、固体高分子電解質膜が乾燥してしまうが、このような状態となると、再起動時に発電による自己湿潤が必要となり、出力の立ち上がりに時間を要するようになる。しかしながら、図１０に示すシステムでは、前記の通り、燃料電池１００による発電の終了時に、燃料電池１００内を水で満たすことができるため、固体高分子電解質膜の乾燥を防いで、再起動時に初期から高い出力を発揮することが可能となる。

更に、図１０に示すシステムでは、発電の終了時に燃料電池１００内に供給する水を、水素供給源６００の水容器６０１から供給できるため、別途水容器などを備える必要がなく、コンパクトなシステムとすることができる。また、発電の終了時に燃料電池内に供給する水は、前記水回収手段（水トラップ）から直接供給してもよい。

本発明の燃料電池を用いた燃料電池発電システムにおいて、燃料電池に水素を供給するための水素供給源としては、図１０に示すように、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ことが好ましい。

図１０に示すシステムに係る水素製造装置（水素供給源）６００は、前記の通り、水素発生容器６０３と水容器６０１とを有している。水素発生容器６０３は水素発生物質６０４を収容しており、ここに水容器６０１から水６０２を供給し、水素発生容器６０３内で水素発生物質６０４と水６０２とを反応させて水素を製造する。水素発生容器６０３で発生した水素は、配管５０３、５０４、５０５、５０６からなる燃料流路を経て燃料電池１００に供給される。

水容器６０１から水素発生容器６０３に水を供給するための配管５０１、５０２には、水供給ポンプ２０１が設けられている。なお、水容器６０１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、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。

水素発生容器６０３および水容器６０２は脱着式とすることもできる。これにより、水素発生容器６０３内の水素発生物質が消費されつくしたり、水容器６０２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容器６０３や水が充填された水容器６０２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。

水素発生容器６０３に収容される水素発生物質としては、特に制限はないが、水と１２０℃以下の低温で反応して水素を発生し得るものが望ましい。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より選ばれる１種以上の元素を５０質量％以上、好ましくは８０質量％以上、より好ましくは９０質量％以上含有する合金；金属水素化物；などが好適に使用できる。

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、反応性を高めるためには、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、水素発生物質粒子の平均粒径は、１００μｍ以下であることが好ましく、５０μｍ以下であることがより好ましい。また、粒子形状は、反応効率を高めるためにフレークであることが好ましい。粒径が小さすぎると、嵩密度が小さくなり、充填密度が低下するだけでなく、取り扱いが困難になるため、水素発生物質の粒径は、０．１μｍ以上とすることが好ましい。

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。

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。

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。

前記の水素発生物質は、水との反応性を高めるため、水と混合された状態で加熱してもよく、加熱された水を供給してもよい。

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、迅速な水素発生が可能となる。

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、水との反応により水酸化物となるか、または、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。

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。

水素発生容器６０３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。

水容器６０１については特に制限はなく、例えば、従来の水素製造装置に使用されているものと同様の水を収容するタンクなどが採用できる。

水容器６０１中の水が、配管５０１、５０２を通じて水素発生容器６０３に供給されることで、水素発生容器６０３内の水素発生物質と反応して水素を発生するが、水素発生容器６０３内に存在する未反応の水が、発生した水素中に混入し、これらの混合物が配管５０３などからなる燃料流路を通じて燃料電池１００に流入する場合がある。

よって、水素製造装置（水素供給源）６００には、燃料電池に水素を供給する燃料流路の途中に、凝縮水分離器（水トラップ）８０１を設けることが好ましい。図１０に示すように、水素発生容器６０３から排出される水素ガスは、配管５０３を通って凝縮水分離器８０１に導入される。この間、水素ガスに含まれる水分は、配管５０３内で冷却され凝縮水となる。凝縮水は、重力によって凝縮水分離器８０１の下部に落下するため、水素ガスを水と分離することができる。分離された水素ガスは、配管５０４などを通じて燃料電池１００に供給される。

また、図１０に示すように、凝縮水分離器８０１と水容器６０１とを水回収用配管５１３で連結すれば、凝縮水分離器８０１で分離した水を水容器６０１に回収することができる。分離した水を回収することにより、水素発生のために供給する水の効率的な利用が可能となり、水容器６０１をよりコンパクトにすることができる。なお、凝縮水分離器８０１と水容器６０１とを連結する水回収用配管５１３には、図１０に示すように、水を送り出すためのポンプ２０２を設置してもよい。

燃料電池発電システムに係る水素消費装置は、システム内の水素を消費して除去できるものであれば特に制限はないが、例えば、ＭＥＡを有し、燃料電池に係るＭＥＡによる発電と同じ機構により水素を消費する装置や、水素を酸化し得る触媒を有する装置などが挙げられる。

燃料電池に係るＭＥＡによる発電と同じ機構により水素を消費する装置としては、具体的には、図２から図４に示した燃料電池を構成するＭＥＡのように、正極拡散層、正極触媒層、固体高分子電解質膜、負極触媒層および負極拡散層が順次積層されており、正極と負極とが、例えば、スイッチおよび抵抗を介して導通可能なように接続されている構成のＭＥＡを有する水素消費装置が挙げられる。

水素消費装置のＭＥＡに係る正極拡散層、正極触媒層、固体高分子電解質膜、負極触媒層および負極拡散層については、燃料電池のＭＥＡに係る正極拡散層、正極触媒層、固体高分子電解質膜、負極触媒層および負極拡散層として、先に記載したものと同じものが使用できる。

前記の水素消費装置の場合、ガス中の水素を消費する必要が生じたときに、正極と負極との接続部におけるスイッチを入れ、ＭＥＡの正極−負極間を導通させることで、ガス中の水素を消費できる。これにより、燃料電池内から排気され、システム外に排出する必要のあるガス中の水素や、燃料電池による発電の終了時に、水素供給源から燃料電池内に侵入する水素を、完全に無くすか、またはそれらの水素量を大幅に低減することができる。

なお、前記のＭＥＡを有する水素消費装置において、ＭＥＡの正極と負極とを抵抗を介して接続する場合、かかる抵抗としては、例えば、水素消費装置内に水素が導入されてから、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い。また、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。

なお、水素消費装置は、前記の通り、燃料電池と同様にＭＥＡを備えているため、例えば、燃料電池に複数のＭＥＡを有するもの（スタック）を使用し、その一部のＭＥＡ（例えば、１つ、２つ、３つなど）を水素消費装置として使用する形態で、燃料電池と水素消費装置とを一体化した構成とすることもできる。

図１０に示す燃料電池発電システムでは、燃料電池１００と水素消費装置９００との一体化物を備えているが、図１１に、前記一体化物の一例を模式的に表す斜視図を示している。図１１に示す一体化物では、セパレータ１０を介して積層された複数のＭＥＡ２０のうち、下側部分が燃料電池１００を構成し、上側部分が水素消費装置９００を構成している。８１はガス供給口であり、例えば図１０中の配管５１０と接続される。また、９１はガス排出口であり、例えば図１０中の配管５１４と接続される。

燃料電池と水素消費装置との一体化物を用いて燃料電池発電システムを構成することで、前記システムの小型化がより容易となる。この場合、水素消費装置として使用するＭＥＡと発電用に使用するＭＥＡとは接続せず、また、水素消費装置で水素を除去したガスを効率よくシステム外に排気でき、かつ効率よく発電できるように、水素消費装置として使用するＭＥＡと発電用に使用するＭＥＡとは、互いに内部のガスが行き来できないように構成する。

図１２に、本発明の燃料電池を用いた燃料電池発電システムの他の例の概略図を示す。図１２に示す燃料電池発電システムは、水素供給源６００からの水素を燃料電池１００に供給するための配管５０５および配管５０６と接続された三方形弁３０３に、更に外気を取り込むための配管５１５が接続されている。そして、燃料電池１００による発電の終了時に、三方形弁３０３を作動させることによって、配管５１５を通じて燃料電池１００の燃料供給口から、その内部に空気を取り込むことができるように構成している。また、図示していないが、燃料電池１００内のＭＥＡは、前記のように、正極と負極とが導通可能なように構成されており、燃料電池１００内に空気を取り込むと共に、正極と負極とを短絡させて、燃料電池１００内に残留している水素を消費できる。

図１２に示す燃料電池発電システムでは、前記の燃料電池１００の燃料供給口から、その内部に空気を取り込むことによる作用と、燃料電池１００のＭＥＡの正極と負極とを短絡させることによる作用とによって、燃料電池による発電の終了時に、燃料電池内に残留する水素による燃料電池の劣化を抑制することができる。

図１３に、本発明の燃料電池を用いた燃料電池発電システムの他の例の概略図を示す。図１３に示す燃料電池発電システムは、水素を酸化し得る触媒を有する水素消費装置９００を備えた例である。水素消費装置９００は、送風ファン１０１から送られる空気を取り込むことのできる位置に配されており、小さなスペースで効率よく水素を消費できるように構成されている。そのため、図１３に示す構成の燃料電池発電システムによっても、その小型化が容易である。

水素を酸化し得る触媒を有する水素消費装置としては、例えば、前記触媒を含有するフィルター、筒状などの外装体に前記触媒を充填したもの、などが例示できる。なお、水素を酸化し得る触媒としては、例えば、ＭＥＡの負極触媒層における触媒として先に例示した各種触媒などを用いることができる。

なお、これまで、図１〜図１３を用いて本発明の燃料電池および本発明の燃料電池を用いた燃料電池発電システムを説明したが、図１〜図１３は、本発明の燃料電池、本発明の燃料電池を用いた燃料電池発電システム、および該システムに使用可能な構成要素の一部を示したものに過ぎず、本発明の燃料電池や、本発明の燃料電池を用いた燃料電池発電システムは、これらの図面に示すもの、またはこれらの図面に示す構成要素を有するものに限定される訳ではない。

以上の通り、本発明の燃料電池であれば、連続して安定した発電が可能である。また、本発明の燃料電池では、先に示した好適な構成を採用することで、燃料電池自体、および燃料電池発電システムの小型化も容易である。よって、本発明の燃料電池は、パソコン、携帯電話などのコードレス機器といった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、従来の燃料電池が使用されている各種用途に好ましく用いることができる。

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。

実施例１
図１に示すものと同様の構造の燃料電池を作製した。正極触媒層、固体高分子電解質膜、および負極触媒層の積層体には、図６に示す構成のものを用いた。固体高分子電解質膜２３には、デュポン社製「ナフィオン（登録商標）１１２」を用いた。Ｐｔ担持カーボン（田中貴金属社製「ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ」）と、５質量％濃度のＮａｆｉｏｎ溶液（Ａｌｄｒｉｃｈ社製）とを所定量で混合し、これをポリテトラフルオロエチレンシートの片面に塗布し、乾燥させた。前記の固体高分子電解質膜の両面に、前記のポリテトラフルオロエチレンシートを、Ｐｔ担持カーボンとＮａｆｉｏｎ溶液との混合物の塗布面が固体高分子電解質膜側となるように重ねてホットプレスを行い、正極触媒雄、固体高分子電解質膜および負極触媒層の積層体を得た。その後、前記積層体を、外形が２４ｍｍ×８５．５ｍｍとなるように切り出した。

ＳＧＬカーボン社製の「ＧＤＬ１０ＤＣ」（厚み４７０μｍ）を２４ｍｍ×７１．５ｍｍのサイズに切り出して正極拡散層に用いた。また、正極ガスシールには、２４ｍｍ×７ｍｍのシリコンゴムシート（厚み０．３ｍｍ）を２枚用意し、いずれにも２０ｍｍ×３ｍｍの穴（燃料供給マニホールドおよび燃料排出マニホールド）を形成した。

負極ガスシールには、正極ガスシールと同じシリコンゴムシートを用い、サイズを２４ｍｍ×８５．５ｍｍとし、かつ、負極拡散層を挿入すると共に燃料供給マニホールドおよび燃料排出マニホールドを構成するための、２０ｍｍ×８１．５ｍｍのサイズの穴を形成した。負極拡散層には、正極拡散層に用いたものと同じ材料を使用し、２０ｍｍ×７５．５ｍｍのサイズに切り出して用いた。

前記の積層体、正極拡散層、正極ガスシール、負極拡散層および負極ガスシールを、図２に示す順序および配置で積層したＭＥＡを１２個作製した。

セパレータには、カーボン製（最も厚い部分の厚みが２ｍｍ）で、図５に示す構成のものを用いた。外形は２４ｍｍ×８５．５ｍｍとし、燃料供給マニホールド１１および燃料排出マニホールド１２のサイズは２０ｍｍ×３ｍｍとした。酸素流路（冷却媒体流路を兼ねた酸素流路）１３は、幅１．５ｍｍ、深さ１．５ｍｍとし、酸素流路間のリブ１４の幅は１ｍｍとした。

排水機構のガスシールには、負極ガスシールと同じシリコンゴムシートを、負極ガスシールと同じサイズに切り出し、更に水通過層を挿入すると共に燃料供給マニホールドおよび燃料排出マニホールドを構成するための、２０ｍｍ×８１．５ｍｍのサイズの穴を形成した。また、排水機構の水通過層には、負極拡散層と同じ材料を、負極拡散層と同じサイズに切り出して用いた。そして、水通過層とガスシールとを、図９に示すように配置して排水機構を作製した。

前記１２個のＭＥＡを、前記のセパレータを酸素流路形成面側が正極拡散層側となるようにして各ＭＥＡ間に介在させつつ重ね、更に最下部となるＭＥＡよりも下に排水機構を重ね、これらの上下を２枚のエンドプレート（アルミニウム製で、サイズが３８ｍｍ×９０ｍｍ）で挟持し、ボルトおよびナットを用いて固定して、図１に示す構造の燃料電池を作製した。

比較例１
排水機構を使用しなかった以外は、実施例１と同様にして燃料電池を作製した。

実施例１および比較例１の燃料電池に、燃料供給口から９０℃で１００％（相対湿度）に加湿した水素を供給し、室温で定電圧（７．５Ｖ）運転を行った。なお、この際、正極には、ブロアを用いて大気を供給した。

前記の定電圧運転試験時における経過時間に対する出力の変化を図１４に示す。図１４から、比較例１の燃料電池では、運転開始から２０分ほどで出力の急激な低下が認められるが、実施例１の燃料電池では、このような急激な出力低下が解消できており、６０分以上にわたって安定に発電できている。これは、実施例１の燃料電池では、排水機構の作用によって、燃料電池内の浸入水を効果的に排出できたことにより、フラッディングが解消されたためであると考えられる。

１０ セパレータ
１１ 燃料供給マニホールド
１２ 燃料排出マニホールド
１３ 酸素流路
２０ 電極・電解質一体化物（ＭＥＡ）
６０ 排水機構
６０ａ 水通過層
６０ｂ ガスシール
１００ 燃料電池

Claims (9)

1. 酸素を還元する正極触媒層を有する正極と、燃料を酸化する負極触媒層を有する負極と、前記正極と前記負極との間に配置される固体高分子電解質膜とを有する電極・電解質一体化物を、セパレータを介して上下に複数積層してなる燃料電池であって、
   積層した複数の電極・電解質一体化物のうち、最下部の電極・電解質一体化物よりも下に、前記セパレータと平面視での面積が同等の排水機構を有することを特徴とする燃料電池。
2. 電極・電解質一体化物、および排水機構の形状が平面視で四角形であり、
   隣り合う２つの電極・電解質一体化物間に配置されるセパレータは、平面視での形状が四角形であり、かつ１枚で構成されており、
   電極・電解質一体化物の有する正極、負極および固体高分子電解質膜、前記セパレータ、および前記排水機構のそれぞれには、四角形を形成する４辺のうちの１辺の近傍に燃料供給マニホールドが、前記１辺と対向する他辺の近傍に燃料排出マニホールドが形成されており、
   前記セパレータの一面には、前記燃料供給マニホールドと前記燃料排出マニホールドとが形成された対向する２辺とは別の２辺を直線状に繋ぐ複数の酸素流路が、互いに平行または略平行に形成されており、かつ前記セパレータの他面が平面状であり、
   前記セパレータは、酸素流路を有する面が電極・電解質一体化物の正極と接し、前記平面状の他面が、前記セパレータを介して前記電極・電解質一体化物と隣り合う電極・電解質一体化物の負極と接している請求項１に記載の燃料電池。
3. 電極・電解質一体化物の負極は負極拡散層を有しており、前記負極拡散層がセパレータと接している請求項１または２に記載の燃料電池。
4. 負極拡散層は、平面視で四角形であり、負極拡散層の外周外側に、燃料ガスの流出を抑制するための負極ガスシールが配置されており、負極拡散層の前記四角形を構成する４辺のうちの１辺と前記負極ガスシールとで燃料供給マニホールドが形成され、かつ、負極拡散層の前記１辺に対向する１辺と前記負極ガスシールとで燃料排出マニホールドが形成されている請求項３に記載の燃料電池。
5. 排水機構は、平面視で四角形で、かつ電極・電解質一体化物の有する負極拡散層と同じ構造の水通過層と、該水通過層の外周外側に配置された、燃料ガスの流出を抑制するためのガスシールとを有しており、水通過層の前記四角形を構成する４辺のうちの１辺と前記ガスシールとで燃料供給マニホールドが形成され、かつ、水通過層の前記１辺に対向する１辺と前記ガスシールとで燃料排出マニホールドが形成されている請求項４に記載の燃料電池。
6. 電極・電解質一体化物の正極は、正極拡散層を有しており、前記正極拡散層が、セパレータの酸素流路全面を覆う箇所に配置されている請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池。
7. 正極拡散層は、平面視で四角形であり、正極拡散層における、セパレータの有する酸素流路と平行または略平行な２辺の外側に、燃料ガスの流出を抑制するための正極ガスシールが配置されており、前記正極ガスシールに燃料供給マニホールドおよび燃料排出マニホールドが形成されている請求項６に記載の燃料電池。
8. セパレータの酸素流路が冷却媒体流路を兼ねている請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池。
9. 電極・電解質一体化物の有する正極触媒層と、負極触媒層と、固体高分子電解質とが、平面視で同じ形状である請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池。

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