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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023039633
(43)【公開日】2023-03-22
(54)【発明の名称】親水化処理方法及び燃料電池システム
(51)【国際特許分類】
H01M 4/86 20060101AFI20230314BHJP
H01M 8/1004 20160101ALI20230314BHJP
H01M 8/1233 20160101ALI20230314BHJP
H01M 8/0444 20160101ALI20230314BHJP
H01M 8/04746 20160101ALI20230314BHJP
H01M 8/04 20160101ALI20230314BHJP
【ＦＩ】
H01M4/86 H
H01M8/1004
H01M8/1233
H01M8/0444
H01M8/04746
H01M8/04 J
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021146853
(22)【出願日】2021-09-09
(71)【出願人】
【識別番号】000001247
【氏名又は名称】株式会社ジェイテクト
(71)【出願人】
【識別番号】504160781
【氏名又は名称】国立大学法人金沢大学
(74)【代理人】
【識別番号】110000648
【氏名又は名称】弁理士法人あいち国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】辻口 拓也
(72)【発明者】
【氏名】古橋 資丈
(72)【発明者】
【氏名】中井 基生
(72)【発明者】
【氏名】齊藤 利幸
(72)【発明者】
【氏名】久保 厚
(72)【発明者】
【氏名】武田 恭英
(72)【発明者】
【氏名】武井 智行
(72)【発明者】
【氏名】河内 達磨
(72)【発明者】
【氏名】仲曽根 歩
(72)【発明者】
【氏名】中根 淳志
(72)【発明者】
【氏名】林 裕二
【テーマコード（参考）】
5H018
5H126
5H127
【Ｆターム（参考）】
5H018BB16
5H018HH05
5H018HH10
5H126BB06
5H127AC05
5H127BA01
5H127BB02
5H127BB12
5H127BB37
5H127DB82
5H127DC02
(57)【要約】
【課題】簡便な方法によりアノード拡散層の表面及び内部の親水性を向上させることができるアノード拡散層の親水化処理方法及びこの方法を実施できるように構成された燃料電池システムを提供する。
【解決手段】親水化処理方法は、電解質膜１１１と、電解質膜１１１上に設けられたアノード１１２及びカソード１１３と、アノード１１２上に設けられたアノード拡散層１１４と、を備えた膜電極接合体１１を含み、ギ酸を燃料として使用可能に構成された燃料電池１における、アノード拡散層１１４に適用される。アノード拡散層１１４に濃度が２０質量％以上９８質量％以下であるギ酸を接触させることにより、アノード拡散層１１４におけるギ酸に接触した領域の親水性を高めることができる。
【選択図】図１
【解決手段】親水化処理方法は、電解質膜１１１と、電解質膜１１１上に設けられたアノード１１２及びカソード１１３と、アノード１１２上に設けられたアノード拡散層１１４と、を備えた膜電極接合体１１を含み、ギ酸を燃料として使用可能に構成された燃料電池１における、アノード拡散層１１４に適用される。アノード拡散層１１４に濃度が２０質量％以上９８質量％以下であるギ酸を接触させることにより、アノード拡散層１１４におけるギ酸に接触した領域の親水性を高めることができる。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電解質膜と、前記電解質膜上に設けられたアノード及びカソードと、前記アノード上に設けられたアノード拡散層と、を備えた膜電極接合体を含み、ギ酸を燃料として使用可能に構成された燃料電池における、前記アノード拡散層の親水化処理方法であって、
前記アノード拡散層に濃度が２０質量％以上９８質量％以下であるギ酸を接触させることにより、前記アノード拡散層における前記ギ酸に接触した領域の親水性を高める、アノード拡散層の親水化処理方法。
前記アノード拡散層に濃度が２０質量％以上９８質量％以下であるギ酸を接触させることにより、前記アノード拡散層における前記ギ酸に接触した領域の親水性を高める、アノード拡散層の親水化処理方法。
【請求項2】
前記アノード拡散層と前記ギ酸との接触時間が１０秒以上４時間以下である、請求項１に記載のアノード拡散層の親水化処理方法。
【請求項3】
電解質膜と、前記電解質膜上に設けられたアノード及びカソードと、前記アノード上に設けられたアノード拡散層と、を備えた膜電極接合体を含み、ギ酸を燃料として使用可能に構成された燃料電池と、
濃度が２０質量％以上９８質量％以下であるギ酸を前記燃料電池に供給可能に構成されたギ酸タンクと、を備え、
前記ギ酸タンク内のギ酸を前記アノード拡散層に供給することにより請求項１または２に記載のアノード拡散層の親水化処理方法を実施することができるように構成された燃料電池システム。
濃度が２０質量％以上９８質量％以下であるギ酸を前記燃料電池に供給可能に構成されたギ酸タンクと、を備え、
前記ギ酸タンク内のギ酸を前記アノード拡散層に供給することにより請求項１または２に記載のアノード拡散層の親水化処理方法を実施することができるように構成された燃料電池システム。
【請求項4】
前記燃料電池システムは、前記ギ酸タンク内のギ酸を前記燃料電池に直接供給することができるように構成されている、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項5】
前記燃料電池システムは、さらに、
前記ギ酸タンク内のギ酸の濃度を測定可能に構成された濃度計と、
前記ギ酸タンクから前記燃料電池に至るギ酸の経路上に配置され、前記燃料電池へギ酸を送出可能に構成されたギ酸ポンプと、
前記濃度計及び前記ギ酸ポンプに接続された制御装置と、を有しており、
前記制御装置は、前記濃度計から取得したギ酸の濃度に基づいて前記ギ酸ポンプから前記燃料電池への前記ギ酸の送出量を設定することができるように構成されている、請求項４に記載の燃料電池システム。
前記ギ酸タンク内のギ酸の濃度を測定可能に構成された濃度計と、
前記ギ酸タンクから前記燃料電池に至るギ酸の経路上に配置され、前記燃料電池へギ酸を送出可能に構成されたギ酸ポンプと、
前記濃度計及び前記ギ酸ポンプに接続された制御装置と、を有しており、
前記制御装置は、前記濃度計から取得したギ酸の濃度に基づいて前記ギ酸ポンプから前記燃料電池への前記ギ酸の送出量を設定することができるように構成されている、請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項6】
前記燃料電池システムは、さらに、前記燃料電池に燃料としてのギ酸を供給可能に構成された燃料タンクを有しており、前記ギ酸タンクは前記燃料電池及び前記燃料タンクにギ酸を供給可能に構成されている、請求項４または５に記載の燃料電池システム。
【請求項7】
前記燃料電池システムは、さらに、前記燃料電池に燃料としてのギ酸を供給可能に構成された燃料タンクを有しており、前記燃料タンクを介して前記ギ酸タンク内のギ酸を前記燃料電池に供給可能に構成されている、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項8】
前記燃料電池システムは、さらに、
ギ酸の経路上における前記ギ酸タンクと前記燃料タンクとの間に配置され、前記ギ酸タンク内のギ酸を前記燃料タンクへ送出可能に構成されたギ酸ポンプと、
前記燃料タンク内のギ酸の濃度を測定可能に構成された濃度計と、
ギ酸の経路上における前記燃料タンクと前記燃料電池との間に配置され、前記燃料タンク内のギ酸を前記燃料電池へ送出可能に構成された燃料ポンプと、
前記濃度計、前記ギ酸ポンプ及び前記燃料ポンプに接続された制御装置と、を有しており、
前記制御装置は、前記濃度計から取得したギ酸の濃度に基づいて前記ギ酸ポンプから前記燃料タンクへの前記ギ酸の送出量及び前記燃料タンクから前記燃料電池への前記ギ酸の送出量を設定することができるように構成されている、請求項７に記載の燃料電池システム。
ギ酸の経路上における前記ギ酸タンクと前記燃料タンクとの間に配置され、前記ギ酸タンク内のギ酸を前記燃料タンクへ送出可能に構成されたギ酸ポンプと、
前記燃料タンク内のギ酸の濃度を測定可能に構成された濃度計と、
ギ酸の経路上における前記燃料タンクと前記燃料電池との間に配置され、前記燃料タンク内のギ酸を前記燃料電池へ送出可能に構成された燃料ポンプと、
前記濃度計、前記ギ酸ポンプ及び前記燃料ポンプに接続された制御装置と、を有しており、
前記制御装置は、前記濃度計から取得したギ酸の濃度に基づいて前記ギ酸ポンプから前記燃料タンクへの前記ギ酸の送出量及び前記燃料タンクから前記燃料電池への前記ギ酸の送出量を設定することができるように構成されている、請求項７に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、親水化処理方法及び燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【0002】
固体高分子形燃料電池等の燃料電池は、電解質膜と、電解質膜の一方の面上に設けられたアノードと、電解質膜の他方の面上に設けられたカソードと、を含む膜電極接合体（いわゆるＭＥＡ）を有している。燃料電池は、ＭＥＡのアノードに燃料を供給するとともに、カソードに酸化剤を供給することにより、各電極において電極反応を生じさせることができる。そして、これらの電極反応の結果、アノードとカソードとの間に起電力を生じさせ、発電を行うことができる。
【0003】
ＭＥＡにおけるアノードは、細孔や隙間を有する材料からなるアノード拡散層により覆われていることがある。アノード拡散層としては、例えば、紫外線やプラズマを照射することにより親水性を高めたカーボンクロスやカーボンペーパー等が用いられている。また、特許文献１には、ガス拡散層を、水に浸漬する浸漬工程、および、膜・電極接合体に接触するように、ガス拡散層を積層する積層工程を備えることを特徴とする、直接メタノール形燃料電池の製造方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０１２－１３８２７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
近年、燃料電池のエネルギー密度を向上させる観点から、アノードに供給する燃料としてギ酸を用いる直接ギ酸形燃料電池が注目されている。直接ギ酸形燃料電池の燃料であるギ酸は、直接メタノール形燃料電池の燃料であるメタノールに比べてアノード拡散層との親和性が低いため、直接ギ酸形燃料電池に用いられるアノード拡散層は、直接メタノール形燃料電池に用いられるアノード拡散層よりもさらに親水性を高くする必要がある。それ故、特許文献１に記載された直接メタノール形燃料電池の製造方法を、そのまま直接ギ酸形燃料電池の製造方法に適用することは難しい。
【0006】
また、紫外線やプラズマ等を用いてアノード拡散層に親水化処理を施す場合、紫外線等がアノード拡散層の内部まで到達しにくいため、アノード拡散層における細孔や隙間の内部における親水性を向上させることが難しい。一方、紫外線等をアノード拡散層の内部まで到達させるために紫外線などの照射強度を高くすると、アノード拡散層の劣化を招くおそれがある。さらに、紫外線やプラズマなどをアノード拡散層に照射する処理を行うに当たっては、専用の設備を用いて親水化処理を行う必要があり、燃料電池の製造工程が煩雑になりやすいという問題がある。
【0007】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、アノード拡散層の劣化を抑制しつつ、アノード拡散層の表面及び内部の親水性を向上させることができるアノード拡散層の親水化処理方法及びこの方法を実施できるように構成された燃料電池システムを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明の一態様は、電解質膜と、前記電解質膜上に設けられたアノード及びカソードと、前記アノード上に設けられたアノード拡散層と、を備えた膜電極接合体を含み、ギ酸を燃料として使用可能に構成された燃料電池における、前記アノード拡散層の親水化処理方法であって、
前記アノード拡散層に濃度が２０質量％以上９８質量％以下であるギ酸を接触させることにより、前記アノード拡散層における前記ギ酸に接触した領域の親水性を高める、アノード拡散層の親水化処理方法にある。
前記アノード拡散層に濃度が２０質量％以上９８質量％以下であるギ酸を接触させることにより、前記アノード拡散層における前記ギ酸に接触した領域の親水性を高める、アノード拡散層の親水化処理方法にある。
【0009】
本発明の他の態様は、電解質膜と、前記電解質膜上に設けられたアノード及びカソードと、前記アノード上に設けられたアノード拡散層と、を備えた膜電極接合体を含み、ギ酸を燃料として使用可能に構成された燃料電池と、
濃度が２０質量％以上９８質量％以下であるギ酸を前記燃料電池に供給可能に構成されたギ酸タンクと、を備え、
前記ギ酸タンク内のギ酸を前記アノード拡散層に供給することにより前記の態様のアノード拡散層の親水化処理方法を実施することができるように構成された燃料電池システムにある。
濃度が２０質量％以上９８質量％以下であるギ酸を前記燃料電池に供給可能に構成されたギ酸タンクと、を備え、
前記ギ酸タンク内のギ酸を前記アノード拡散層に供給することにより前記の態様のアノード拡散層の親水化処理方法を実施することができるように構成された燃料電池システムにある。
【発明の効果】
【0010】
前記アノード拡散層の親水化処理方法においては、濃度が前記特定の範囲であるギ酸をアノード拡散層に接触させる。ギ酸は液体であるため、アノード拡散層における細孔や隙間等の内部まで容易に浸透することができる。また、アノード拡散層に濃度が前記特定の範囲であるギ酸を接触させることにより、アノード拡散層の劣化を抑制しつつアノード拡散層の表面及び内部を改質することができる。
【0011】
また、前記の態様の燃料電池システムは、前記燃料電池と、前記燃料電池に前記ギ酸を供給可能に構成されたギ酸タンクと、を有している。それ故、ギ酸タンクから燃料電池に濃度が前記特定の範囲であるギ酸を供給することにより、アノード拡散層を容易に親水化することができる。
【0012】
以上のように、前記の態様によれば、アノード拡散層の劣化を抑制しつつアノード拡散層の表面及び内部の親水性を向上させることができるアノード拡散層の親水化処理方法及びこの方法を実施できるように構成された燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【発明を実施するための形態】
【0014】
（実施形態１）
前記アノード拡散層の親水化処理に係る実施形態について、図１～図３を参照して説明する。本実施形態におけるアノード拡散層の親水化処理方法は、図１に示すような、電解質膜１１１と、電解質膜１１１上に設けられたアノード１１２及びカソード１１３と、アノード１１２上に設けられたアノード拡散層１１４と、を備えた膜電極接合体１１（以下、膜電極接合体を「ＭＥＡ」という。）を含み、ギ酸を燃料として使用可能に構成された燃料電池１におけるアノード拡散層１１４に適用することができる。アノード拡散層１１４の親水化処理方法においては、アノード拡散層１１４に濃度が２０質量％以上９８質量％以下であるギ酸を接触させる。これにより、アノード拡散層１１４におけるギ酸に接触した領域の親水性を高めることができる。
前記アノード拡散層の親水化処理に係る実施形態について、図１～図３を参照して説明する。本実施形態におけるアノード拡散層の親水化処理方法は、図１に示すような、電解質膜１１１と、電解質膜１１１上に設けられたアノード１１２及びカソード１１３と、アノード１１２上に設けられたアノード拡散層１１４と、を備えた膜電極接合体１１（以下、膜電極接合体を「ＭＥＡ」という。）を含み、ギ酸を燃料として使用可能に構成された燃料電池１におけるアノード拡散層１１４に適用することができる。アノード拡散層１１４の親水化処理方法においては、アノード拡散層１１４に濃度が２０質量％以上９８質量％以下であるギ酸を接触させる。これにより、アノード拡散層１１４におけるギ酸に接触した領域の親水性を高めることができる。
【0015】
前記親水化処理方法において親水化処理が施されるアノード拡散層１１４としては、直接ギ酸形燃料電池に適用可能なアノード拡散層１１４を用いることができる。より具体的には、アノード拡散層１１４としては、例えば、導電性炭素繊維と炭素との複合材料であるカーボンペーパーや導電性炭素繊維からなるカーボンクロス等の、細孔や隙間を有する導電性炭素材料を用いることができる。
【0016】
前記親水化処理方法に用いられるギ酸の濃度は２０質量％以上９８質量％以下である。アノード拡散層１１４に濃度２０質量％以上のギ酸を接触させることにより、アノード拡散層１１４の表面及び内部を速やかに改質し、親水化処理に要する時間を短縮することができる。親水化処理に要する時間をより短縮する観点からは、ギ酸の濃度は、３０質量％以上であることが好ましく、４０質量％以上であることがより好ましく、５０質量％以上であることがさらに好ましい。親水化処理方法に用いられるギ酸の濃度が２０質量％未満の場合には、アノード拡散層の親水化処理に要する時間が長くなるおそれがある。
【0017】
一方、アノード拡散層１１４に接触されるギ酸の濃度が過度に高くなると、アノード拡散層１１４がギ酸によって過度に酸化されやすくなり、アノード拡散層１１４の劣化を招くおそれがある。アノード拡散層１１４に接触させるギ酸の濃度を９８質量％以下とすることにより、かかる問題を容易に回避することができる。同様の観点から、アノード拡散層１１４に接触させるギ酸の濃度は９０質量％以下であることが好ましく、８０質量％以下であることがより好ましく、７０質量％以下であることがさらに好ましく、６０質量％以下であることが特に好ましい。また、濃度が９０質量％以下であるギ酸は、より濃度の高いギ酸に比べて取扱性に優れている。そのため、前記親水化処理方法に濃度９０％以下のギ酸を用いることにより、前記親水化処理方法をより簡便に実施することができる。
【0018】
前記親水化処理方法において、アノード拡散層１１４とギ酸との接触時間は１０秒以上４時間以下であることが好ましい。アノード拡散層１１４とギ酸との接触時間を前記特定の範囲とすることにより、アノード拡散層１１４の親水性を高めつつ、アノード拡散層１１４の劣化を容易に回避することができる。アノード拡散層１１４の親水性をより高め、直接ギ酸形燃料電池の性能を簡便かつ短時間に発揮させるという観点からは、アノード拡散層１１４とギ酸との接触時間は１分以上２時間以下であることがより好ましく、１分以上１時間以下であることがさらに好ましく、１分以上３０分以下であることが特に好ましい。
【0019】
本実施形態におけるアノード拡散層１１４の親水化処理方法は、燃料電池１に組み込まれる前のアノード拡散層１１４及び燃料電池１に組み込まれた後のアノード拡散層１１４のいずれに対しても適用することができる。すなわち、アノード拡散層１１４の親水化処理方法は、燃料電池１の組立工程の一環として、燃料電池１に組み込まれる前のアノード拡散層１１４に対して適用することができる。また、アノード拡散層１１４の親水化処理方法は、例えば燃料電池１の運転を開始する前に行うコンディショニングの一環として、燃料電池１に組み込まれたアノード拡散層１１４に対して適用することもできる。
【0020】
また、例えば、親水化されたアノード拡散層１１４を有する燃料電池１を長期間運転せずに保管した場合等に、何らかの理由でアノード拡散層１１４の親水性が低下することが考えられる。このような場合においても、前記親水化処理方法によれば、燃料電池１に濃度が前記特定の範囲内であるギ酸を供給することにより、燃料電池１の設置場所においてアノード拡散層１１４に親水化処理を施すことができる。
【0021】
燃料電池１の製造過程における工程数の増加を抑制し、燃料電池１の生産性を向上させる観点からは、燃料電池１に組み込まれた後のアノード拡散層１１４に対して前記アノード拡散層１１４の親水化処理方法を施すことが好ましい。
【0022】
次に、アノード拡散層１１４が組み込まれる燃料電池１について説明する。燃料電池１は、燃料としてギ酸を使用する直接ギ酸形燃料電池として構成されていればよい。直接ギ酸形燃料電池は、アノード１１２に燃料としてのギ酸を供給するとともに、カソード１１３に酸化剤を供給することにより発電することができる。なお、アノード１１２に供給される燃料としてのギ酸の濃度は、通常、前記親水化処理方法に用いられるギ酸の濃度よりも低い。燃料として用いられるギ酸の濃度は、例えば５質量％以上５０質量％未満である。また、燃料電池１に供給される酸化剤としては、例えば空気や酸素ガス等を使用することができる。
【0023】
燃料電池１は、その構成単位となる単セル１４を１個以上有している。燃料電池１が複数の単セル１４を有している場合、これらの単セル１４は、互いに積層されることによりセルスタックを構成していてもよい。また、燃料電池１が複数の単セル１４を有している場合、各単セル１４は、他の単セル１４と電気的に直列に接続されていてもよいし、並列に接続されていてもよい。
【0024】
燃料電池１の単セル１４は、例えば図１に示すように、ＭＥＡ１１、アノード側セパレータ１２及びカソード側セパレータ１３を有している。ＭＥＡ１１は、電解質膜１１１と、電解質膜１１１の一方の面上に設けられたアノード１１２と、電解質膜１１１の他方の面上に設けられたカソード１１３と、アノード１１２上に設けられたアノード拡散層１１４と、を有している。電解質膜１１１は、電気絶縁性を有し、水素イオン（Ｈ＋）等のカチオンを選択的に透過可能に構成されたカチオン交換樹脂からなる。カチオン交換樹脂としては、例えば、パーフルオロアルキルスルホン酸系ポリマー（例えば、デュポン社製「ナフィオン（登録商標）」）等を使用することができる。
【0025】
アノード１１２及びカソード１１３は、電解質膜１１１の中央部に配置されており、電解質膜１１１上に層状に形成されている。アノード１１２及びカソード１１３は、電極反応を触媒可能に構成されている。例えば、アノード１１２及びカソード１１３には、パラジウム（Ｐｄ）や白金（Ｐｔ）などの貴金属触媒を担持した触媒担持カーボンが含まれていてもよい。また、アノード１１２及びカソード１１３には、触媒担持カーボンを保持可能に構成されたバインダが含まれていてもよい。
【0026】
ＭＥＡ１１におけるアノード１１２上には、アノード拡散層１１４が設けられている。アノード拡散層１１４は、電気伝導性を有するとともに、微小な空隙を有している。アノード拡散層１１４として電気伝導性を有する材料を用いることにより、アノード１１２とアノード側セパレータ１２とを電気的に接続し、ＭＥＡ１１で発電した電力を外部に取り出すことができる。また、アノード拡散層１１４に微小な空隙を設けることにより、単セル１４内に供給された燃料をアノード拡散層１１４内において拡散させつつアノード１１２に導くことができる。その結果、燃料をアノード１１２とより効率よく接触させ、発電効率を向上させることができる。
【0027】
ＭＥＡ１１は、さらに、カソード１１３上に配置されたカソード拡散層１１５を有していてもよい。カソード拡散層１１５としては、例えば、導電性炭素繊維と炭素との複合材料であるカーボンペーパーや導電性炭素繊維からなるカーボンクロス等の、細孔や隙間を有する導電性炭素材料を用いることができる。カソード拡散層１１５として電気伝導性を有する材料を用いることにより、カソード１１３とカソード側セパレータ１３とを電気的に接続し、ＭＥＡ１１で発電した電力を外部に取り出すことができる。また、カソード拡散層１１５に微小な空隙を設けることにより、単セル１４内に供給された酸化剤をカソード拡散層１１５内において拡散させつつカソード１１３に導くことができる。その結果、酸化剤をカソード１１３とより効率よく接触させ、発電効率を向上させることができる。
【0028】
アノード側セパレータ１２は、ＭＥＡ１１におけるアノード１１２を有する側の面上に設けられている。アノード側セパレータ１２は、金メッキが施されたステンレス鋼等の金属材料や、導電性カーボンなどの導電性非金属材料、導電性複合材料等の電気伝導体から構成されていてもよい。電気伝導性を有するアノード側セパレータ１２は、ＭＥＡ１１での電極反応によって生じた電子を集める集電体として機能し、ＭＥＡ１１で発電した電力を外部へ導くことができる。
【0029】
アノード側セパレータ１２における、アノード拡散層１１４と当接する電極当接面１２１には、アノード１１２に燃料を供給可能に構成された燃料流路１２２が設けられている。燃料流路１２２の形状や配置などは、種々の態様を採り得る。例えば、燃料流路１２２は、矩形状、三角形状及び半円状などの断面形状を有し、アノード側セパレータ１２に設けられた溝であってもよい。また、燃料流路１２２は、例えば、互いに平行に並んだ複数の直線部と、各直線部の端部と当該直線部に隣接する直線部の端部とを接続する折り返し部とを有しており、当接面側から見た平面視において、蛇行するように配置されていてもよいが、これ以外の配置も取り得る。
【0030】
ＭＥＡ１１におけるカソード１１３を有する側の面上には、カソード側セパレータ１３が設けられている。カソード側セパレータ１３は、アノード側セパレータ１２と同様に、金メッキが施されたステンレス鋼等の金属材料や、導電性カーボンなどの導電性非金属材料、導電性複合材料等の電気伝導体から構成されていてもよい。電気伝導性を有するカソード側セパレータ１３は、ＭＥＡ１１での電極反応によって生じた電子を集める集電体として機能し、ＭＥＡ１１で発電した電力を外部へ導くことができる。
【0031】
カソード側セパレータ１３における、カソード拡散層１１５と当接する電極当接面１３１には酸化剤流路１３２が設けられている。酸化剤流路１３２の形状や配置などは、燃料流路１２２と同様に種々の態様を採り得る。例えば、酸化剤流路１３２は、矩形状、三角形状及び半円状などの断面形状を有し、アノード側セパレータ１２に設けられた溝であってもよい。また、酸化剤流路１３２は、例えば、互いに平行に並んだ複数の直線部と、各直線部の端部と当該直線部に隣接する直線部の端部とを接続する折り返し部とを有しており、当接面側から見た平面視において、蛇行するように配置されていてもよいが、これ以外の配置も取り得る。
【0032】
単セル１４におけるＭＥＡ１１の電解質膜１１１とアノード側セパレータ１２との間、及び、電解質膜１１１とカソード側セパレータ１３との間にはシール材１５が設けられていてもよい。このようにシール材１５を設けることにより、ＭＥＡ１１とアノード側セパレータ１２との隙間及びＭＥＡ１１とカソード側セパレータ１３との隙間を封止し、これらの隙間からの燃料及び酸化剤の漏出を抑制することができる。
【0033】
本実施形態におけるアノード拡散層１１４の親水化処理方法においては、濃度が前記特定の範囲であるギ酸をアノード拡散層１１４に接触させる。ギ酸は液体であるため、アノード拡散層１１４における細孔や隙間等の内部まで容易に浸透することができる。それ故、アノード拡散層１１４とギ酸とを接触させるという簡便な方法により、アノード拡散層１１４の表面及び内部を親水化することができる。
【0034】
以下に前記親水化処理方法の具体的な例を説明するとともに、親水化処理を施したアノード拡散層１１４の水分保持量及びアノード拡散層１１４を組み込んだ燃料電池１の出力密度－電流密度特性の例を説明する。
【0035】
・アノード拡散層１１４の水分保持量
アノード拡散層１１４として用いられるカーボンクロス（厚み０．３８ｍｍ、嵩密度１．７５ｇ／ｃｍ３）を十分に乾燥させた後、カーボンクロスを切り抜いて直径２５ｍｍの円形を有する試験片を準備する。この試験片を、濃度２０質量％（５ｍｏｌ／Ｌ）のギ酸、濃度４０質量％（１０ｍｏｌ／Ｌ）または濃度６０質量％（１５ｍｏｌ／Ｌ）のギ酸のいずれかに浸漬する。そして、浸漬開始から所定の時間が経過した時点で試験片をギ酸から取り出す。蒸留水を用いて試験片を３回水洗してギ酸を除去し、試験片に蒸留水を十分に含ませる。
アノード拡散層１１４として用いられるカーボンクロス（厚み０．３８ｍｍ、嵩密度１．７５ｇ／ｃｍ３）を十分に乾燥させた後、カーボンクロスを切り抜いて直径２５ｍｍの円形を有する試験片を準備する。この試験片を、濃度２０質量％（５ｍｏｌ／Ｌ）のギ酸、濃度４０質量％（１０ｍｏｌ／Ｌ）または濃度６０質量％（１５ｍｏｌ／Ｌ）のギ酸のいずれかに浸漬する。そして、浸漬開始から所定の時間が経過した時点で試験片をギ酸から取り出す。蒸留水を用いて試験片を３回水洗してギ酸を除去し、試験片に蒸留水を十分に含ませる。
【0036】
以上により得られる、蒸留水を含ませた後の試験片の質量と、乾燥状態の試験片の質量との差を、試験片に保持された水分の量とする。図２に、浸漬開始からの時間を種々変化させた場合の各試験片の水分保持量の変動を示す。なお、図２の縦軸は試験片の水分保持量（単位：ｇ）であり、横軸は親水化処理の処理時間（単位：分）、つまり、試験片とギ酸との接触時間である。また、図２に示すデータ点は、同一の条件で親水化処理を行った３個の試験片の水分保持量の平均値であり、エラーバーはこれらの試験片における水分保持量の最大値及び最小値を示す。
【0037】
・出力密度－電流密度特性
出力密度－電流密度特性の測定には、燃料電池評価装置（北斗電工株式会社製電気化学計測システム「ＨＺ－７０００」）が用いられる。まず、ＭＥＡ１１におけるアノード１１２及びカソード１１３の上に、親水化処理が施されていないカーボンクロス（厚み０．３８ｍｍ、嵩密度１．７５ｇ／ｃｍ３）を重ね合わせ、アノード拡散層１１４及びカソード拡散層１１５とする。次いで、このＭＥＡ１１を用いて評価用セルを構成する。
出力密度－電流密度特性の測定には、燃料電池評価装置（北斗電工株式会社製電気化学計測システム「ＨＺ－７０００」）が用いられる。まず、ＭＥＡ１１におけるアノード１１２及びカソード１１３の上に、親水化処理が施されていないカーボンクロス（厚み０．３８ｍｍ、嵩密度１．７５ｇ／ｃｍ３）を重ね合わせ、アノード拡散層１１４及びカソード拡散層１１５とする。次いで、このＭＥＡ１１を用いて評価用セルを構成する。
【0038】
次に、評価用セルの燃料流路１２２に６０質量％のギ酸を３０分間供給し、アノード拡散層１１４における燃料流路１２２に面した部分をギ酸と接触させることにより親水化処理を行う。親水化処理が完了した後、燃料流路１２２に濃度１０質量％のギ酸を燃料として供給するとともに、酸化剤流路１３２に酸化剤としての空気を供給し、出力密度－電流密度特性の評価を行う。
【0039】
また、親水化処理を施したアノード拡散層１１４との比較のため、親水化処理を施していないアノード拡散層１１４を用いた以外は前記した構成と同様の構成を有する評価用セルを準備し、この評価用セルを用いて出力密度－電流密度特性の評価を行う。図３に、各評価用セルの出力密度－電流密度特性を示す。なお、図３の縦軸は出力密度（単位：ｍＷ／ｃｍ２）であり、横軸は電流密度（単位：ｍＡ／ｃｍ２）である。
【0040】
水分保持量の測定及び出力密度－電流密度特性の評価に用いたカーボンクロスは、親水化処理を施す前においては親水性が低いため、蒸留水に浸漬しようとしてもほとんど水を含まない。これに対し、図２に示すように、濃度２０質量％以上６０質量％以下のギ酸を用いて親水化処理を行うことにより、カーボンクロスの親水性が向上し、カーボンクロスが水分を保持することができるようになる。また、図２によれば、濃度２０質量％以上６０質量％以下のギ酸を用いて親水化処理を行う場合には、アノード拡散層１１４とギ酸とを少なくとも１５分間接触させることにより、アノード拡散層１１４の親水性を向上可能であることが理解できる。さらに、図２によれば、ギ酸の濃度が高いほどアノード拡散層１１４の親水化に必要な時間が短くなること、及び、濃度２０質量％以上６０質量％以下のギ酸を用いる場合には、アノード拡散層１１４とギ酸との接触時間を１時間以上とすることによりアノード拡散層１１４の親水性を十分に高めることが可能であることが理解できる。
【0041】
また、図３に示すように、親水化処理が施されたカーボンクロスをアノード拡散層１１４として用いた評価用セルは、親水化処理を施す前のカーボンクロスをアノード拡散層１１４として用いた評価用セルに比べて出力密度が格段に上昇する。これは、親水化処理を行うことにより、燃料がアノード拡散層１１４に濡れ広がりやすくなり、燃料とアノード拡散層１１４との接触面積が広くなるとともにアノード１１２に到達する燃料の量が多くなったためと考えられる。また、図３によれば、濃度が前記特定の範囲であるギ酸を用いて親水化処理を行う場合には、アノード拡散層１１４の劣化を抑制できることが理解できる。
【0042】
以上のように、濃度が前記特定の範囲内であるギ酸を用いてアノード拡散層１１４に親水化処理を施すことにより、アノード拡散層１１４の劣化を抑制しつつアノード拡散層１１４の親水性を向上させることができる。
【0043】
（実施形態２）
本実施形態においては、前記親水化処理方法を実施することができるように構成された燃料電池システム２の一例を説明する。なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
本実施形態においては、前記親水化処理方法を実施することができるように構成された燃料電池システム２の一例を説明する。なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
【0044】
本実施形態の燃料電池システム２は、図４に示すように、電解質膜と、電解質膜上に設けられたアノード及びカソードと、アノード上に設けられたアノード拡散層と、を備えたＭＥＡ１１を含み、ギ酸を燃料として使用可能に構成された燃料電池１と、濃度が２０質量％以上９８質量％以下であるギ酸を燃料電池１に供給可能に構成されたギ酸タンク３と、を有している。燃料電池システム２は、ギ酸タンク３内のギ酸をアノード拡散層に供給することにより前記の態様のアノード拡散層の親水化処理方法を実施することができるように構成されている。なお、図４においては、便宜上、電解質膜、アノード、カソード及びアノード拡散層の記載を省略した。
【0045】
本実施形態の燃料電池１は、図４に示すように、複数の単セル１４が互いに積層されてなるセルスタック１６を有している。セルスタック１６を構成する単セル１４は、各単セル１４のアノード側セパレータ１２と、当該単セル１４に隣接する単セル１４のカソード側セパレータ１３とが互いに当接するように配置されている。これにより、複数の単セル１４がアノード側セパレータ１２及びカソード側セパレータ１３を介して電気的に直列に接続されている。
【0046】
セルスタック１６における積層方向の両端には、セルスタック１６を保持するための一対の保持板１６１（１６１ａ、１６１ｂ）が配置されていてもよい。本実施形態の燃料電池１においては、一対の保持板１６１のうち一方の保持板１６１ａに締結部材１６２が挿入されている。締結部材１６２はセルスタック１６を単セル１４の積層方向に貫通しており、一方の保持板１６１ａと他方の保持板１６１ｂとが締結部材１６２によって締結されている。これにより、セルスタック１６が一対の保持板１６１の間に保持されている。また、各保持板１６１は、燃料電池１から生じた電力を外部回路に取り出すための端子１６３を有している。
【0047】
燃料電池システム２は、ギ酸タンク３内のギ酸を燃料電池１に直接供給することができるように構成されていてもよいし、ギ酸タンク３内のギ酸を、他のタンクなどを介して燃料電池１に間接的に供給することができるように構成されていてもよい。ギ酸タンク３と燃料電池１との接続の態様がどのような態様であっても、濃度が前記特定の範囲内であるギ酸を燃料電池１のアノード拡散層１１４に供給することができれば、前記親水化処理方法を実施することができる。
【0048】
本実施形態の燃料電池システム２は、ギ酸タンク３内のギ酸を燃料電池１に直接供給することができるように構成されている。具体的には、図４に示すように、燃料電池システム２はギ酸を保持可能に構成されたギ酸タンク３を有しており、ギ酸タンク３はギ酸供給配管３１を介してセルスタック１６に接続されている。また、ギ酸タンク３から燃料電池１に至るギ酸の経路上、つまり、ギ酸供給配管３１上には、燃料電池１へギ酸を送出可能に構成されたギ酸ポンプ３２が設けられている。ギ酸タンク３には、ギ酸タンク３内のギ酸の濃度を測定可能に構成された濃度計３３が設けられている。
【0049】
濃度計３３及びギ酸ポンプ３２には制御装置４が接続されており、制御装置４は、ギ酸ポンプ３２の動作を制御することができるように構成されている。制御装置４は、例えば、濃度計３３から取得したギ酸の濃度に基づいてギ酸ポンプ３２から燃料電池１へのギ酸の送出量を設定することができるように構成されていてもよい。
【0050】
より具体的には、制御装置４は、例えば、濃度計３３から取得したギ酸の濃度が前記特定の範囲内である場合に、ギ酸ポンプ３２を予め設定した時間動作させ、ギ酸タンク３から燃料電池１にギ酸を供給して親水化処理を施すことができるように構成されていてもよい。ギ酸ポンプ３２を動作させる時間は、例えば、制御装置４内に予め保持された値であってもよいし、制御装置４に外部から入力された値であってもよい。このような動作は、例えば、制御装置４に設けられた電子回路や制御装置４を動作させるためのプログラム等によって実現することができる。
【0051】
本実施形態のギ酸タンク３は、アノード拡散層の親水化処理が完了した後に、燃料電池１に燃料としてのギ酸を供給するための燃料タンクとして使用することができる。ギ酸タンク３を燃料タンクとして使用する場合には、ギ酸タンク３内に水を加えてタンク内のギ酸を希釈することにより、ギ酸タンク３内のギ酸の濃度を燃料として好適な範囲に調整すればよい。
【0052】
また、本実施形態の燃料電池システム２は、セルスタック１６から排出されたギ酸及び燃料を回収するギ酸回収タンク２１と、セルスタック１６を構成する各単セル１４に酸化剤としての空気を供給するためのブロア２２と、各単セル１４での電極反応によって生じた生成水を回収するドレインタンク２３とを有している。ギ酸回収タンク２１、ブロア２２及びドレインタンク２３は、それぞれ、ギ酸回収配管２１１、酸化剤供給配管２２１及び水回収配管２３１を介してセルスタック１６に接続されている。
【0053】
本実施形態の燃料電池システム２を用いて前記親水化処理方法を実施するに当たっては、ギ酸タンク３内に予め濃度が前記特定の範囲内であるギ酸を入れておく。この状態で制御装置４を動作させ、ギ酸タンク３内のギ酸をギ酸ポンプ３２によって燃料電池１に送出する。燃料電池１内に進入したギ酸は、燃料流路を経由してアノード拡散層と接触し、アノード拡散層の表面及び内部を改質する。制御装置４において予め設定された時間が経過すると、ギ酸ポンプ３２が停止する。これにより、アノード拡散層の親水化処理が完了する。
【0054】
アノード拡散層の親水化処理が完了した後、ギ酸タンク３から燃料電池１に燃料を供給するとともに、ブロア２２から燃料電池１に酸化剤を供給することにより、ＭＥＡ１１において発電を行うことができる。発電を行うに当たっては、例えば、ギ酸タンク３内に水や希釈されたギ酸等を入れ、ギ酸タンク３内のギ酸の濃度を燃料として好適な範囲に調整する。その後、ギ酸ポンプ３２を動作させてギ酸タンク３内の燃料を燃料電池１に送出するとともに、ブロア２２から燃料電池１に酸化剤としての空気を供給すればよい。
【0055】
なお、本実施形態においては、燃料電池１を通過した後のギ酸及び燃料をギ酸回収タンク２１に回収する態様を説明したが、燃料電池１を通過した後のギ酸及び燃料をギ酸タンク３に戻し、燃料電池１に供給するギ酸または燃料として再利用することも可能である。また、本実施形態においては、燃料電池１から排出された生成水をドレインタンク２３に回収する態様を説明したが、ドレインタンク２３とギ酸タンク３とを接続し、燃料電池１から排出された生成水をギ酸の希釈に用いることも可能である。なお、燃料電池１から排出された生成水は無害であるため、本実施形態のように生成水を回収せず、燃料電池１の外部に放出してもよい。
【0056】
（実施形態３）
本実施形態においては、親水化処理に用いるギ酸を燃料電池１に供給するためのギ酸タンク３と、燃料として用いるギ酸を燃料電池１に供給するための燃料タンク５とが別々に設けられている燃料電池システム２０３の例を説明する。図５に示すように、本実施形態の燃料電池システム２０３は、燃料電池１と、ギ酸タンク３と、燃料電池１に燃料としてのギ酸を供給可能に構成された燃料タンク５とを有している。燃料電池システム２０３は、ギ酸タンク３から燃料電池１にギ酸を直接供給することができるように構成されているとともに、ギ酸タンクから燃料タンク５にもギ酸を供給することができるように構成されている。
本実施形態においては、親水化処理に用いるギ酸を燃料電池１に供給するためのギ酸タンク３と、燃料として用いるギ酸を燃料電池１に供給するための燃料タンク５とが別々に設けられている燃料電池システム２０３の例を説明する。図５に示すように、本実施形態の燃料電池システム２０３は、燃料電池１と、ギ酸タンク３と、燃料電池１に燃料としてのギ酸を供給可能に構成された燃料タンク５とを有している。燃料電池システム２０３は、ギ酸タンク３から燃料電池１にギ酸を直接供給することができるように構成されているとともに、ギ酸タンクから燃料タンク５にもギ酸を供給することができるように構成されている。
【0057】
より具体的には、本実施形態の燃料電池システム２０３は、ギ酸タンク３、ギ酸ポンプ３２、燃料タンク５、燃料ポンプ５２、制御装置４０３、三方弁３４及びブロア２２を有している。ギ酸タンク３には、ギ酸供給配管３１を介してギ酸ポンプ３２が接続されている。また、ギ酸ポンプ３２には、ギ酸供給配管３１１を介して三方弁３４が接続されている。三方弁３４の他の接続口には、ギ酸供給配管３１２を介して燃料電池１が接続されているとともに、ギ酸供給配管３１３を介して燃料タンク５が接続されている。三方弁３４は、個々の接続口の開閉状態を切り替えることができるように構成されている。
【0058】
燃料タンク５には、燃料供給配管５１を介して燃料ポンプ５２が接続されている。また、燃料タンク５には、燃料タンク５内のギ酸の濃度を測定可能に構成された濃度計５３が設けられている。燃料ポンプ５２は、燃料タンク５から燃料電池１に燃料を送出可能に構成されている。燃料ポンプ５２における燃料の送出口は、三方弁３４と燃料電池１とを接続するギ酸供給配管３１２に接続されている。これにより、燃料ポンプ５２から送出された燃料をギ酸供給配管３１２において合流させ、燃料電池１に供給することができる。
【0059】
燃料電池システム２０３の制御装置４０３は、ギ酸ポンプ３２、燃料ポンプ５２、三方弁３４及び濃度計５３にそれぞれ接続されており、ギ酸ポンプ３２、燃料ポンプ５２及び三方弁３４の動作を制御することができるように構成されている。制御装置４０３は、例えば、ギ酸ポンプ３２と燃料電池１とが接続されるように三方弁３４の開閉状態を制御するとともに、ギ酸ポンプ３２を予め設定した時間動作させてギ酸タンク３から燃料電池１にギ酸を供給することができるように構成されていてもよい。ギ酸ポンプ３２を動作させる時間は、例えば、制御装置４０３内に予め保持された値であってもよいし、制御装置４０３に外部から入力された値であってもよい。このような動作は、例えば、制御装置４０３に設けられた電子回路や制御装置４０３を動作させるためのプログラム等によって実現することができる。
【0060】
また、制御装置４０３は、例えば、濃度計５３から取得した燃料タンク５内のギ酸の濃度に基づいて、ギ酸ポンプ３２と燃料タンク５とが接続されるように三方弁３４の開閉状態を制御するとともに、ギ酸ポンプ３２から燃料タンク５へのギ酸の送出量及び燃料ポンプ５２から燃料電池１へのギ酸の送出量を設定することができるように構成されていてもよい。このように、燃料タンク５内のギ酸の濃度に基づいてギ酸ポンプ３２から燃料タンク５へのギ酸の送出量及び燃料ポンプ５２から燃料電池１へのギ酸の送出量を制御することにより、燃料タンク５内のギ酸の濃度を燃料として適正な範囲に調整し、燃料電池１の発電効率を高めることができる。
【0061】
本実施形態の燃料電池システム２０３は、セルスタック１６におけるギ酸及び燃料の出口と燃料タンク５とを接続するギ酸回収配管１６４、及び、セルスタック１６における生成水の出口と燃料タンク５とを接続する水回収配管１６５を有している。ギ酸回収配管１６４は、セルスタック１６から排出されたギ酸及び燃料を燃料タンク５に流入させることができる。ギ酸回収配管１６４を介して回収されたギ酸及び燃料は、燃料として再利用される。また、水回収配管１６５は、セルスタック１６から排出された生成水を燃料タンク５に流入させることができる。水回収配管１６５を介して回収された生成水は、燃料タンク５内のギ酸の濃度を調整するために用いられる。
【0062】
本実施形態の燃料電池システム２０３を用いて前記親水化処理方法を実施するに当たっては、ギ酸タンク３内に予め濃度が前記特定の範囲内であるギ酸を入れておく。この状態で制御装置４０３を動作させてギ酸タンク３と燃料電池１とが接続されるように三方弁３４の開閉状態を制御し、次いでギ酸ポンプ３２を動作させることにより、ギ酸タンク３内のギ酸を燃料電池１に送出する。このようにしてギ酸タンク３から燃料電池１に直接供給されたギ酸がアノード拡散層（図示略）と接触することにより、アノード拡散層の表面及び内部を改質することができる。ギ酸タンク３から燃料電池１にギ酸が供給された後、予め設定された時間が経過すると制御装置４０３がギ酸ポンプ３２を停止させる。これにより、アノード拡散層の親水化処理が完了する。
【0063】
アノード拡散層の親水化処理が完了した後、燃料タンク５から燃料電池１に燃料を供給するとともに、ブロア２２から燃料電池１に酸化剤を供給することにより、ＭＥＡ（図示略）において発電を行うことができる。発電を行うに当たっては、例えば、予め燃料タンク５に燃料として好適な範囲の濃度を有するギ酸を入れておき、燃料タンク５内のギ酸を燃料ポンプ５２によって燃料電池１に供給するとともに、ブロア２２から燃料電池１に酸化剤を供給する方法を採用することができる。
【0064】
また、燃料タンク５には、水や希薄なギ酸などを予め入れておくこともできる。この場合、制御装置４０３を動作させてギ酸ポンプ３２と燃料タンク５とが接続されるように三方弁３４の開閉状態を切り替え、次いでギ酸タンク３から燃料タンク５にギ酸を供給することにより、燃料タンク５内のギ酸の濃度を燃料として好適な範囲に調整することができる。燃料タンク５内のギ酸の濃度を燃料として好適な範囲となった後、燃料ポンプ５２を動作させて燃料タンク５内の燃料を燃料電池１に送出するとともに、ブロア２２から燃料電池１に酸化剤としての空気を供給することにより、ＭＥＡにおいて発電を行うことができる。
【0065】
燃料電池１において発電を行うと、燃料中のギ酸が消費されるため、燃料電池１から排出された燃料におけるギ酸の濃度は、燃料電池１に供給される前のギ酸の濃度よりも低くなる。また、燃料タンク５には、燃料電池１において発電に伴って生じた生成水が流入する。従って、燃料電池システム２０３の運転を継続すると、燃料タンク５内の燃料に含まれるギ酸の濃度が次第に低下する。燃料タンク５内のギ酸の濃度が低下した場合には、ギ酸ポンプ３２を動作させて燃料タンク５へ高濃度のギ酸を送出することにより、燃料タンク５内のギ酸の濃度を燃料として好適な範囲に調整することができる。
【0066】
（実施形態４）
本実施形態では、実施形態３の燃料電池システム２０３に、さらに水タンク６を設けた燃料電池システム２０４の例を説明する。図６に示すように、本実施形態の燃料電池システム２０４は、燃料電池１、ギ酸タンク３、ギ酸ポンプ３２、燃料タンク５、燃料ポンプ５２、制御装置４０４、三方弁３４、ブロア２２、水タンク６及び水ポンプ６２を有している。
本実施形態では、実施形態３の燃料電池システム２０３に、さらに水タンク６を設けた燃料電池システム２０４の例を説明する。図６に示すように、本実施形態の燃料電池システム２０４は、燃料電池１、ギ酸タンク３、ギ酸ポンプ３２、燃料タンク５、燃料ポンプ５２、制御装置４０４、三方弁３４、ブロア２２、水タンク６及び水ポンプ６２を有している。
【0067】
水タンク６及び水ポンプ６２は、燃料タンク５に水を供給可能に構成されている。例えば、水タンク６及び水ポンプ６２は、図６に示すように、燃料電池１から燃料タンク５に至る生成水の経路上、つまり、水回収配管１６５上に配置されていてもよい。このように接続された水タンク６は、燃料電池１から排出された生成水を貯留することができる。また、水ポンプ６２は、水タンク６内の水を燃料タンク５に送出することができるように構成されている。水タンク６内の水を燃料タンク５に送出し、燃料タンク５内のギ酸と混合することにより、燃料タンク５内のギ酸の濃度を調節することができる。
【0068】
本実施形態における制御装置４０４は、ギ酸ポンプ３２、燃料ポンプ５２、三方弁３４、濃度計５３及び水ポンプ６２にそれぞれ接続されており、ギ酸ポンプ３２、燃料ポンプ５２、三方弁３４及び水ポンプ６２の動作を制御することができるように構成されている。制御装置４０４は、例えば、実施形態３の制御装置４０３と同様に、ギ酸ポンプ３２と燃料電池１とが接続されるように三方弁３４の開閉状態を制御するとともに、ギ酸ポンプ３２を予め設定した時間動作させてギ酸タンク３から燃料電池１にギ酸を供給することができるように構成されていてもよい。
【0069】
また、制御装置４０４は、例えば、濃度計５３から取得した燃料タンク５内のギ酸の濃度に基づいて、ギ酸ポンプ３２と燃料タンク５とが接続されるように三方弁３４の開閉状態を制御するとともに、ギ酸ポンプ３２から燃料タンク５へのギ酸の送出量、燃料ポンプ５２から燃料電池１へのギ酸の送出量及び水ポンプ６２から燃料タンク５への水の送出量を設定することができるように構成されていてもよい。このように、燃料タンク５内のギ酸の濃度に基づいてギ酸ポンプ３２から燃料タンク５へのギ酸の送出量、燃料ポンプ５２から燃料電池１へのギ酸の送出量及び水タンク６から燃料タンク５への水の送出量を制御することにより、燃料タンク５内のギ酸の濃度を燃料として適正な範囲に調整し、燃料電池１の発電効率を高めることができる。本実施形態の燃料電池システム２０４のその他の部分の構成は実施形態３の燃料電池システム２０３と同様である。
【0070】
本実施形態の燃料電池システム２０４を用いて前記親水化処理方法を実施する方法は、実施形態３の燃料電池システム２０３を用いる場合と同様である。
【0071】
アノード拡散層の親水化処理が完了した後、燃料タンク５から燃料電池１に燃料を供給するとともに、ブロア２２から燃料電池１に酸化剤を供給することにより、ＭＥＡ（図示略）において発電を行うことができる。より具体的には、例えば、予め燃料タンク５に燃料として好適な範囲の濃度を有するギ酸を入れておき、燃料タンク５内のギ酸を燃料ポンプ５２によって燃料電池１に供給するとともに、ブロア２２から燃料電池１に酸化剤を供給する方法を採用することができる。
【0072】
また、例えば、予め水タンク６に水を入れておき、ギ酸タンク３内のギ酸と水タンク６内の水とを燃料タンク５において混合する方法や、発電に伴って水タンク６内に回収される生成水とギ酸タンク３内のギ酸とを燃料タンク５において混合する方法等により、燃料タンク５内において燃料を調製することもできる。燃料タンク５内において燃料を調製するに当たっては、例えば、制御装置４０４によりギ酸ポンプ３２と燃料タンク５とが接続されるように三方弁３４の開閉状態を切り替えた後、ギ酸タンク３から燃料タンク５にギ酸を供給するとともに水タンク６から燃料タンク５に水を供給する。これにより、燃料タンク５内においてギ酸を希釈し、ギ酸の濃度を燃料として好適な範囲に調整することができる。燃料タンク５内のギ酸の濃度が燃料として好適な範囲に調整された後、燃料ポンプ５２を動作させて燃料タンク５内の燃料を燃料電池１に送出するとともに、ブロア２２から燃料電池１に酸化剤としての空気を供給することにより、ＭＥＡにおいて発電を行うことができる。
【0073】
（実施形態５）
本実施形態においては、ギ酸タンク３が燃料タンク５を介して燃料電池１に接続された燃料電池システム２０５の例を説明する。図７に示すように、本実施形態の燃料電池システム２０５は、ギ酸タンク３、ギ酸ポンプ３２、燃料タンク５、燃料ポンプ５２、制御装置４０５及びブロア２２を有している。ギ酸ポンプ３２はギ酸の経路上におけるギ酸タンク３と燃料タンク５との間に配置され、ギ酸を燃料タンク５へ送出可能に構成されている。
本実施形態においては、ギ酸タンク３が燃料タンク５を介して燃料電池１に接続された燃料電池システム２０５の例を説明する。図７に示すように、本実施形態の燃料電池システム２０５は、ギ酸タンク３、ギ酸ポンプ３２、燃料タンク５、燃料ポンプ５２、制御装置４０５及びブロア２２を有している。ギ酸ポンプ３２はギ酸の経路上におけるギ酸タンク３と燃料タンク５との間に配置され、ギ酸を燃料タンク５へ送出可能に構成されている。
【0074】
燃料タンク５には、燃料タンク５内のギ酸の濃度を測定可能に構成された濃度計５３が設けられている。燃料ポンプ５２はギ酸の経路上における燃料タンク５と燃料電池１との間に配置され、燃料タンク５内のギ酸を燃料電池１へ送出可能に構成されている。制御装置４０５は、濃度計５３、ギ酸ポンプ３２及び燃料ポンプ５２に接続されており、ギ酸ポンプ３２及び燃料ポンプ５２の動作を制御することができるように構成されている。
【0075】
より具体的には、ギ酸タンク３は、ギ酸供給配管３１を介してギ酸ポンプ３２に接続されている。また、ギ酸ポンプ３２は、ギ酸供給配管３１１を介して燃料タンク５に接続されており、ギ酸タンク３内のギ酸を燃料タンク５に送出することができるように構成されている。燃料タンク５は、燃料供給配管５１を介して燃料ポンプ５２に接続されている。また、燃料ポンプ５２は、燃料供給配管５１１を介して燃料電池１に接続されており、燃料タンク５内の燃料及びギ酸タンク３から供給されたギ酸を燃料電池１に送出することができるように構成されている。
【0076】
また、本実施形態の燃料電池システム２０５は、セルスタック１６におけるギ酸及び燃料の出口と燃料タンク５とを接続するギ酸回収配管１６４、及び、セルスタック１６における生成水の出口と燃料タンク５とを接続する水回収配管１６５を有している。ギ酸回収配管１６４は、セルスタック１６から排出されたギ酸及び燃料を燃料タンク５に流入させることができる。ギ酸回収配管１６４を介して回収されたギ酸及び燃料は、燃料として再利用される。また、水回収配管１６５は、セルスタック１６から排出された生成水を燃料タンク５に流入させることができる。水回収配管１６５を介して回収された生成水は、燃料タンク５内のギ酸の濃度を調整するために用いられる。
【0077】
本実施形態の制御装置４０５は、濃度計５３から取得した燃料タンク５内のギ酸の濃度に基づいてギ酸ポンプ３２から燃料タンク５へのギ酸の送出量及び燃料ポンプ５２から燃料電池１へのギ酸の送出量を設定することができるように構成されている。より具体的には、制御装置４０５は、例えば、燃料タンク５内のギ酸の濃度が前記特定の範囲内である場合にギ酸ポンプ３２及び燃料ポンプ５２を予め設定した時間動作させ、ギ酸タンク３内のギ酸を燃料タンク５を経由して燃料電池１に供給することができるように構成されていてもよい。このように、燃料タンク５を経由してギ酸を供給する場合であっても、燃料タンク５から燃料電池に送出するギ酸の濃度が前記特定の範囲内であれば、アノード拡散層に親水化処理を施すことができる。
【0078】
燃料ポンプ５２を動作させる時間は、例えば、制御装置４０５内に予め保持された値であってもよいし、制御装置４０５に外部から入力された値であってもよい。このような動作は、例えば、制御装置４０５に設けられた電子回路や制御装置４０５を動作させるためのプログラム等によって実現することができる。
【0079】
また、制御装置４０５は、例えば、燃料タンク５内のギ酸の濃度が前記特定の範囲よりも低い場合にギ酸ポンプ３２を動作させ、ギ酸タンク３から燃料タンク５にギ酸を供給することにより、燃料タンク５内のギ酸の濃度を親水化処理を行うことができる範囲に調整できるように構成されていてもよい。
【0080】
本実施形態の燃料電池システム２０５を用いて前記親水化処理方法を実施するに当たっては、ギ酸タンク３内に予め濃度が前記特定の範囲内であるギ酸を入れておく。この状態で制御装置４０５を作動させ、ギ酸タンク３内のギ酸をギ酸ポンプ３２によって燃料タンク５に送出し、次いで燃料タンク５内のギ酸を燃料ポンプ５２によって燃料電池１に送出する。このようにして燃料電池１に供給されたギ酸がアノード拡散層と接触することにより、アノード拡散層に親水化処理を施すことができる。ギ酸タンク３から燃料電池１にギ酸が供給された後、予め設定された時間が経過すると制御装置４０５がギ酸ポンプ３２及び燃料ポンプ５２を停止させる。これにより、アノード拡散層の親水化処理が完了する。
【0081】
アノード拡散層の親水化処理が完了した後、燃料タンク５から燃料電池１に燃料を供給するとともに、ブロア２２から燃料電池１に酸化剤を供給することにより、ＭＥＡにおいて発電を行うことができる。発電を行うに当たっては、例えば、燃料タンク５内に水や希釈されたギ酸等を入れ、燃料タンク５内のギ酸の濃度を燃料として好適な範囲に調整する。その後、燃料ポンプ５２を動作させて燃料タンク５内の燃料を燃料電池１に送出するとともに、ブロア２２から燃料電池１に酸化剤としての空気を供給すればよい。また、親水化処理を施した後、ギ酸回収配管１６４を介して回収されたギ酸をそのまま発電に用い、発電に伴って生じる生成水により燃料タンク５内のギ酸を希釈することも可能である。
【0082】
燃料電池システム２０５の運転中に燃料タンク５内のギ酸の濃度が低下した場合には、ギ酸ポンプ３２を動作させて燃料タンク５へ高濃度のギ酸を送出し、燃料タンク５内のギ酸の濃度を燃料として好適な範囲に調整すればよい。
【0083】
（実施形態６）
本実施形態においては、実施形態５の燃料電池システム２０５に、さらに水タンク６を設けた燃料電池システム２０６の例を説明する。本実施形態の燃料電池システム２０６は、図８に示すように、燃料電池１、ギ酸タンク３、ギ酸ポンプ３２、燃料タンク５、燃料ポンプ５２、制御装置４０６、ブロア２２、水タンク６及び水ポンプ６２を有している。
本実施形態においては、実施形態５の燃料電池システム２０５に、さらに水タンク６を設けた燃料電池システム２０６の例を説明する。本実施形態の燃料電池システム２０６は、図８に示すように、燃料電池１、ギ酸タンク３、ギ酸ポンプ３２、燃料タンク５、燃料ポンプ５２、制御装置４０６、ブロア２２、水タンク６及び水ポンプ６２を有している。
【0084】
水タンク６及び水ポンプ６２は、燃料タンク５に水を供給可能に構成されている。水タンク６及び水ポンプ６２は、例えば図８に示すように、燃料電池１から燃料タンク５に至る生成水の経路上、つまり、水回収配管１６５上に配置されていてもよい。このように接続された水タンク６は、燃料電池１から排出された生成水を貯留することができる。また、水ポンプ６２は、水タンク６内の生成水を燃料タンク５に送出することができるように構成されている。水タンク６内の生成水を燃料タンク５に送出し、燃料タンク５内のギ酸と混合することにより、燃料タンク５内のギ酸の濃度を調節することができる。
【0085】
本実施形態における制御装置４０６は、ギ酸ポンプ３２、燃料ポンプ５２、濃度計５３及び水ポンプ６２にそれぞれ接続されており、ギ酸ポンプ３２、燃料ポンプ５２及び水ポンプ６２の動作を制御することができるように構成されている。制御装置４０６は、例えば、実施形態５の制御装置４０５と同様に、燃料タンク５内のギ酸の濃度が前記特定の範囲内である場合にギ酸ポンプ３２及び燃料ポンプ５２を予め設定した時間動作させ、ギ酸タンク３から燃料タンク５を介して燃料電池１にギ酸を供給し、アノード拡散層（図示略）の親水化処理を行うことができるように構成されていてもよい。
【0086】
また、制御装置４０６は、例えば、濃度計５３から取得した燃料タンク５内のギ酸の濃度に基づいて、ギ酸ポンプ３２から燃料タンク５へのギ酸の送出量、燃料ポンプ５２から燃料電池１へのギ酸の送出量及び水ポンプ６２から燃料タンク５への水の送出量を設定することができるように構成されていてもよい。このように、燃料タンク５内のギ酸の濃度に基づいてギ酸ポンプ３２から燃料タンク５へのギ酸の送出量、燃料ポンプ５２から燃料電池１へのギ酸の送出量及び水タンク６から燃料タンク５への水の送出量を制御することにより、燃料タンク５内のギ酸の濃度を所望の範囲に調整し、アノード拡散層に親水化処理を施したり、燃料タンク５内のギ酸の濃度を燃料として好適な範囲に調整したりすることができる。本実施形態の燃料電池システム２０６のその他の部分の構成は実施形態５の燃料電池システム２０５と同様である。
【0087】
本実施形態の燃料電池システム２０６を用いて前記親水化処理方法を実施する方法は、実施形態５の燃料電池システム２０６を用いる場合と同様である。
【0088】
アノード拡散層の親水化処理が完了した後、燃料タンク５から燃料電池１に燃料を供給するとともに、ブロア２２から燃料電池１に酸化剤を供給することにより、ＭＥＡ（図示略）において発電を行うことができる。発電を行うに当たっては、例えば、燃料タンク５内に水や希釈されたギ酸等を入れ、燃料タンク５内のギ酸の濃度を燃料として好適な範囲に調整する。その後、燃料ポンプ５２を動作させて燃料タンク５内の燃料を燃料電池１に送出するとともに、ブロア２２から燃料電池１に酸化剤としての空気を供給すればよい。
【0089】
また、例えば、予め水タンク６に水を入れておき、ギ酸タンク３内のギ酸と水タンク６内の水とを燃料タンク５において混合する方法や、発電に伴って水タンク６内に回収される生成水とギ酸タンク３内のギ酸とを燃料タンク５において混合する方法等により、燃料タンク５内において燃料を調製することもできる。燃料タンク５内において燃料を調製するに当たっては、例えば、水タンク６から燃料タンク５に水を供給して燃料タンク５内においてギ酸を希釈すればよい。燃料タンク５内のギ酸の濃度が燃料として好適な範囲に調整された後、燃料ポンプ５２を動作させて燃料タンク５内の燃料を燃料電池１に送出するとともに、ブロア２２から燃料電池１に酸化剤としての空気を供給することにより、ＭＥＡにおいて発電を行うことができる。
【0090】
本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。
【符号の説明】
【0091】
１ 燃料電池
１１ 膜電極接合体
１１１ 電解質膜
１１２ アノード
１１３ カソード
１１４ アノード拡散層
１１ 膜電極接合体
１１１ 電解質膜
１１２ アノード
１１３ カソード
１１４ アノード拡散層
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】