WO2013011609A1 - 直接酸化型燃料電池システム - Google Patents

Abstract

　カソードとアノードを備える燃料電池と、カソードに空気を供給する空気ポンプと、アノードに燃料水溶液を供給する送液ポンプと、アノードから排出されたアノード流体を回収する回収タンクと、を具備する直接酸化型燃料電池システムであって、回収タンクは、アノード流体を回収タンク内の液体と合流させるアノード流体回収口を有し、燃料電池システムの通常運転中および運転停止中の少なくとも一方において、回収タンク内の液体の体積が、第一下限値以上になるように制御されており、ただし、第一下限値は、アノード流体回収口が、回収タンク内の液体の液面より重力方向における下部に位置するように設定されている、直接酸化型燃料電池システム。

Description

直接酸化型燃料電池システム

　本発明は、直接酸化型燃料電池システムに関し、特にアノード排流体を回収する回収タンクを備える燃料電池の構造および回収タンク内の液量制御に関する。

　携帯電話、ノートＰＣ、デジタルカメラ等のモバイル機器の高性能化に伴い、その電源として、固体高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池が期待されている。固体高分子型燃料電池（以下、単に「燃料電池」とする）の中でも、燃料としてメタノールなどの液体燃料を直接アノードへ供給する直接酸化型燃料電池は、小型軽量化に適しており、モバイル機器用電源やポータブル発電機として開発が進められている。

　燃料電池は、膜電極接合体（ＭＥＡ）を具備する。ＭＥＡは、電解質膜と、その両面にそれぞれ接合されたアノード（燃料極）およびカソード（空気極）とから構成されている。アノードは、アノード触媒層とアノード拡散層からなり、カソードは、カソード触媒層とカソード拡散層からなる。ＭＥＡが一対のセパレータで挟み込まれることで、セルが構成される。アノード側セパレータは、アノードに水素ガスやメタノールなどの燃料を供給する燃料流路を有する。カソード側セパレータは、カソードに、酸素ガスや空気などの酸化剤を供給する酸化剤流路を有する。複数のセルが電気的に直列に積層されることでスタックが構成される。

　直接酸化型燃料電池スタックからは、発電時に水を含む液体が排出される。カソードからは発電反応によって生成された水が排出され、アノードからは余剰の燃料水溶液が排出される。直接酸化型燃料電池の燃料はアノードで酸化されるが、酸化反応には水が必要となるため、通常は燃料と水を混合した燃料水溶液としてアノードに供給される。また、通常は発電電流から算出される理論的な燃料の必要量よりも多くの量をアノードに供給するため、未反応の燃料水溶液は燃料電池スタックから排出されることになる。

　このような排出液を燃料電池システムから無為に排出することは好ましくないため、燃料電池スタックから排出された液体を回収するための機構を備えた燃料電池システムが提案されている。回収された液体を蓄えておく水回収タンクを備えており、水回収タンクの液体は、気化して散逸させる、使用済みの燃料タンクに移す、あるいは燃料と混合して燃料水溶液とすることで再利用する、などの処理がされる。

　水回収タンクの液体を燃料と混合して燃料水溶液をアノードに供給する燃料電池システムでは、発電中に生成した水を再利用しているため、水回収タンクの液体が増え続けないようにすることができる。また、燃料を燃料電池システム内で水と混合しているため、燃料タンクの燃料濃度を、アノードに供給する燃料水溶液の燃料濃度よりも高くすることができる。燃料タンクをより小さくすることができるため、燃料電池システムを小型軽量化することができる。

　ところで、燃料電池は、発電時間を重ねるに従って徐々に出力が低下していく。家庭用電源として使用する場合には延べ４００００時間以上の出力維持が、またモバイル機器用電源やポータブル発電機としてでも延べ５０００時間以上の出力維持が求められる。このような寿命特性の実現のためには、さまざまな技術が必要となる。

　発電時間の経過に伴う出力低下にはいくつかの原因があり、その１つはアノード触媒層の劣化である。アノード触媒としては、白金（Ｐｔ）とルテニウム（Ｒｕ）の合金の微粒子であるＰｔＲｕブラック触媒や、ＰｔＲｕ合金の微粒子をカーボン（Ｃ）粒子上に担持させたＰｔＲｕ／Ｃ触媒などが使用される。また、アノード触媒層には、イオン伝導性を持つ高分子電解質も含まれている。長期間の発電を経過した後には、アノード触媒層において、ＰｔやＲｕの溶出、カーボンの腐食、高分子電解質の分解などが起こっていることが報告されている。これらはアノードの性能を低下させ、出力低下を引き起こす。

　また、アノードから溶出したＲｕは電解質膜を通過してカソードへ析出していることも報告されている。ＲｕはカソードのＰｔ触媒の活性を低下させる作用があるため、カソードの性能を低下させる。

　このようなアノード触媒層の劣化は、アノード電位が上昇することによって促進されることが報告されている。つまり、燃料電池の寿命特性を向上するためには、アノード電位を常に低い状態に保っておくことが必要となる。

　また、直接酸化型燃料電池を利用するシステムは、長期保存への対策が必要である。直接酸化型燃料電池は、ユーザーやアプリケーションによっては、長期間使用されずに保存されたままになることも考えられる。そうした長期保存を経た際にも燃料電池としての性能を維持することが求められる。

　長期保存によって直接酸化型燃料電池に起こり得る変化にはいくつかの要素が考えられる。その１つは、燃料電池システム内からの水の散逸である。アノードでの燃料の酸化反応には水が必要である。しかし、水回収タンクの液体を燃料と混合して燃料水溶液とする燃料電池システムでは、水回収タンクの液体が長期保存によって散逸してしまい、アノードへ適正な濃度の燃料水溶液を供給できなくなる場合がある。

　通常、高濃度の燃料水溶液が供給されると燃料電池スタックの発電特性は低下してしまうため、長期保存後には十分な性能を発揮できなくなる。また、一時的な性能低下だけではなく、高濃度の燃料水溶液の供給は、ＭＥＡに用いられている高分子電解質の大幅な膨張を引き起こす可能性があり、ＭＥＡ内の各層の変形や剥離など、不可逆な劣化の要因となることが考えられる。これにより、ＭＥＡの寿命特性を低下させてしまうことがある。さらに、燃料タンクから水を含まない燃料のみを供給する場合には、燃料電池システム内に水が不足してしまうため、アノードでの酸化反応が起こらなくなり、燃料電池スタックの発電を開始することができなくなる。

　このように、長期保存によって燃料電池システム内から水が散逸してしまうと、燃料電池システムの性能を大きく低下させてしまうため、長期間使用されない場合にも燃料電池システム内に常に水を保持しておく必要がある。

　特許文献１、２には、燃料電池の発電中において、回収タンクの液体の量を所定の範囲内に収まるように燃料電池スタックから回収する液体の量を制御する機構を備えた燃料電池システムが提案されている。

　特許文献３には、燃料電池の起動時に、前回の使用時からの経過時間が長期間である場合には電解質膜の含水処理を行う機構を備えた燃料電池システムが提案されている。

特開２００６－０８６１１１号公報 特開２００６－１０７７８６号公報 特開２００５－２４３５６８号公報

　直接酸化型燃料電池の寿命特性を向上するためには、アノード電位を常に低い状態に保っておくことが必要となるが、発明者らは、下記のようなメカニズムで発電の停止中にアノード電位が高くなる可能性があることを見出した。

　発電が停止した瞬間には、アノードの空間体積はほとんどが発電反応によって生成した二酸化炭素（ＣＯ₂）などのガスで占められている。発電の停止によって燃料電池の温度が下がっていくにつれて、これらガスの体積は大きく収縮する。また、アノードに残存している燃料水溶液は、徐々に電解質膜を透過してカソードへ移動し、カソードに残存している酸素と反応して消費される。この現象は燃料のクロスオーバーと呼ばれ、燃料がメタノールである場合には、メタノールクロスオーバー（ＭＣＯ）と呼ばれる。

　つまり、発電の停止中には、アノードの空間体積を占めていたガスや液体の体積が減少していく。このとき、スタックのアノード側の空間が、アノードの排出口以外には外気との連通がない密閉空間であって、アノードの排出口のみが外気に開放されていれば、そこからアノードへ酸素が侵入することになる。これは、停止中にアノード電位が高くなる原因となり得ると考えられ、発電と停止の繰り返しによるアノード電位の上下が繰り返されることで、上述したような劣化が促進されると考えられる。

　酸素の侵入によってアノードの電位が上昇すると、通常アノード触媒として用いられている白金（Ｐｔ）とルテニウム（Ｒｕ）の合金触媒（Ｐｔ－Ｒｕ）からＲｕが溶出することが報告されている。Ｒｕの溶出は、アノード触媒の活性を低下させる。

　一方、長期保存後における燃料電池システムの発電特性を維持し、かつＭＥＡの劣化を抑制するためには、保存時の燃料電池システム内からの水の散逸を抑制することが求められる。

　発電の停止中にアノードの排出口から酸素が混入することを抑制するため、また、長期保存時の水の散逸を抑制するために、燃料電池発電ユニットが外気と連通している箇所に弁などを設け、燃料電池の停止中に弁を閉じる方法も考えられる。しかし、この方法では、燃料電池発電ユニットの全体または一部が完全な密閉空間となってしまい、温度の変化などによって燃料電池発電ユニット内のガスや液体の体積が変化した場合には、密閉空間の部分が高圧あるいは低圧になってしまう。このような大きな圧力変化は、ＭＥＡ、配管、ポンプなどに負荷をかけることになり、電解質膜や配管の破断、ポンプ類の故障などを引き起こす可能性がある。

　また、燃料電池の起動時に水の散逸に対する処理を行う手段では、ユーザーが燃料電池システムを使用したい時に、通常の発電が開始されるまでに一定の時間を要することになる。ユーザーに待ち時間を要求するため、利便性が損なわれるだけでなく、燃料電池システムの起動を緊急に必要とする場合には、ユーザーの要望に応えられないことが考えられる。

　保存期間の長さから水の散逸の程度を判断することも考えられるが、保存期間と水の散逸の程度との相関性は保存時の温度や湿度によって大きく左右される。このため、水の散逸の程度を誤って判断してしまう可能性がある。

　本発明の一局面は、カソードとアノードを備える燃料電池と、前記カソードに空気を供給する空気ポンプと、前記アノードに燃料水溶液を供給する送液ポンプと、前記アノードから排出されたアノード流体を回収する回収タンクと、を具備する直接酸化型燃料電池システムであって、前記回収タンクは、前記アノード流体を前記回収タンク内の液体と合流させるアノード流体回収口を有し、前記燃料電池システムの通常運転中および運転停止中の少なくとも一方において、前記回収タンク内の前記液体の体積が、予め定められた第一下限値以上になるように制御されており、ただし、前記第一下限値は、前記アノード流体回収口が、前記回収タンク内の前記液体の液面より下部に位置するように設定されている、直接酸化型燃料電池システムに関する。

　本発明の別の局面は、カソードとアノードを備える燃料電池と、前記カソードに空気を供給する空気ポンプと、前記アノードに燃料水溶液を供給する送液ポンプと、前記アノードから排出されたアノード流体を回収する回収タンクと、を具備する直接酸化型燃料電池システムであって、前記回収タンクは、前記アノード流体を前記回収タンク内の液体と合流させるアノード流体回収口を有し、前記燃料電池システムの通常運転の停止後に、前記送液ポンプから前記アノードを経由して前記回収タンク内の液体に至るまでのアノード側空間が、前記回収タンク中の液体を吸入するように構成されている、直接酸化型燃料電池システムに関する。

　本発明によれば、燃料電池システムの運転停止中、アノード側空間を占めていたガスや液体の体積減少に伴って、アノード流体回収口から、アノード側空間に回収タンクの液体が流入する。よって、発電の停止中に大気中の酸素がアノードに侵入することを抑制できる。回収タンク内の液体は、燃料水溶液を含むため、この液体がアノードに流入することで、アノードの電位を低い状態に保つことができる。このため、触媒の溶出などの劣化を抑制することができ、燃料電池の寿命特性を向上させることができる。

　また、燃料電池システムが長期間使用されずに保存された場合でも、回収タンク内には燃料電池システムの起動に必要な量の液体が保持される。従って、ユーザーは、メンテナンスを気にすることなく、長期間、燃料電池システムを保存することができる。また、燃料電池システムの起動時に、回収タンク内の液体の体積や濃度が適正値になるまで待つ必要もなくなる。更に、燃料電池システムの通常運転中および運転停止中に、回収タンクに水を補充する手間を要さない。よって、ユーザーの利便性が大きく向上する。

本発明の一実施形態に係る直接酸化型燃料電池のセルを概略的に示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る直接酸化型燃料電池システムを概略的に示す図である。 本発明の別の実施形態に係る直接酸化型燃料電池システムを概略的に示す図である。 本発明の更に別の実施形態に係る直接酸化型燃料電池システムを概略的に示す図である。

　本発明の直接酸化型燃料電池システムは、カソードとアノードを備える直接酸化型燃料電池（例えば直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ））と、カソードに空気を供給する空気ポンプと、アノードに燃料水溶液を供給する送液ポンプと、アノードから排出されたアノード流体（通常は、水、二酸化炭素および未使用燃料を含む液体）を、アノード流体回収口から回収する回収タンクと、を具備する。そして、燃料電池システムの通常運転中および運転停止中の少なくとも一方において、回収タンク内の液体の体積が、予め定められた第一下限値以上になるように制御されている。
　ここで、第一下限値は、燃料電池システムの通常運転中および運転停止中の少なくとも一方において、アノード流体回収口が、回収タンク内の液体の液面より重力方向における下部に位置するように設定される。

　上記構成によれば、アノード流体回収口は、通常、常に液体で塞がれている状態が維持される。従って、燃料電池システムの通常運転の停止後、送液ポンプからアノードを経由して回収タンク内の液体に至るまでのアノード側空間が減圧状態になろうとすると、回収タンク中の液体がアノード側空間に吸入される。よって、発電の停止中に大気中の酸素がアノードに侵入することを抑制できる。

　ここで、アノード流体回収口は、回収タンクの壁部（側面、底面など）に設けられたアノードと連通する貫通孔であり得る。また、アノード流体回収口は、回収タンク内の液体に挿入等されるアノードと連通する管路に設けられたアノード流体が流出する開口であり得る。貫通孔や開口が複数存在する場合には、重力方向において最も上部に位置する貫通孔や開口が、回収タンク内の液体の液面より下部に位置すればよい。

　本発明の直接酸化型燃料電池システムは、アノード流体が全て回収タンク内に回収される構成であることが好ましい。

　回収タンク内の液体の体積が第一下限値であるとき、アノード流体回収口より上部に存在する液体の体積は、送液ポンプからアノードを経由して回収タンク内の液体中のアノード流体回収口に至るまでのアノード側空間の体積よりも大きいことが望ましい。これにより、燃料電池システムの通常運転の停止後、アノード側空間のほぼ全体を回収タンク内の液体で満たすことが容易になる。アノード側空間のほぼ全体を液体で満たすことで、アノードが負圧になることもない。従って、ＭＥＡや燃料ポンプに負荷がかからず、システムの故障が防止される。

　本発明の直接酸化型燃料電池システムは、運転停止中、回収タンク内の液体の体積が、第一下限値に達した場合には、自動的に一定時間だけ補助運転が行われるように構成されていることが望ましい。あるいは、燃料電池システムは、運転停止中、回収タンク内の液体の体積が、第一下限値とは異なる第二下限値に達した場合に、自動的に一定時間だけ補助運転が行われるように構成してもよい。すなわち、下限値は一段階に設けてもよく、二段階以上に設けてもよい。

　補助運転を行うことが想定される場合、回収タンクは、カソードから排出されたカソード流体の少なくとも一部を回収するカソード流体回収口を備えることが望ましい。

　直接メタノール型燃料電池システム（ＤＭＦＣ）のアノード及びカソードでの反応を以下にそれぞれ示す。カソードに導入される酸素は、一般に、大気中から取り入れられる。
　アノード：　ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^- 
　カソード：　（３／２）Ｏ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^-→３Ｈ₂Ｏ

　アノードでは、メタノールと水が反応して、二酸化炭素が生成する。二酸化炭素と未反応燃料とを含む燃料排液は排液タンクに送られる。一方、カソードでは、アノードで消費される以上の水が生成する。つまり、補助運転を行い、カソードで生成する水の一部を回収タンクに回収することで、回収タンク内の液体の体積を増加させることができる。

　少なくとも第二下限値は、燃料電池システムの通常運転を開始するときに、必要な最低限の液体を回収タンクに保持できるように設定される。第一下限値は、アノード流体回収口より上部に存在する液体の体積がアノード側空間の体積よりも大きくなるように設定することが望ましいが、第二下限値は、より小さくてもよい。

　燃料電池システムの運転停止中でも、回収タンク内の液体が所定値未満になると自動的に燃料電池システムの補助運転を行うことにより、燃料電池システムが長期間使用されずに保存された場合でも、回収タンク内の液体が完全に散逸してしまうことがない。回収タンク内に、常に、一定量以上の液体が保持されている場合、起動時は常にアノードに適正濃度の燃料水溶液を供給することが可能となる。つまり、高濃度な燃料水溶液による発電や、水を含まない燃料による発電が起こることがない。よって、ＭＥＡに余計な劣化要因を与えることがなく、寿命特性を向上させることができる。

　本発明において、通常運転とは、補助運転以外の運転を意味する。通常運転は、回収タンク内の液体を増量させるだけの目的で行われる補助運転とは異なり、外部負荷に対して電力を供給する運転を意味する。また、運転とは、燃料電池の発電を伴う燃料電池システムの稼動状態を意味する。運転停止中は、発電停止中であることも意味する。

　燃料電池システムは、回収タンク内の液体の体積を検出する液量検出手段と、燃料電池システムの運転状態を制御する運転制御手段とを備えることができる。この場合、運転制御手段は、液量検出手段により検出された回収タンク内の液体の体積に基づいて、燃料電池システムの通常運転または補助運転の状態を制御することができる。そして、通常運転または補助運転の状態を適正に制御することで、回収タンク内の液体の体積を増加させたり、減少させたりすることができる。

　本発明の直接酸化型燃料電池システムは、カソード流体の少なくとも一部が回収タンク内に回収される構成であることが好ましい。従って、回収タンクは、カソードから排出されたカソード流体の少なくとも一部を回収するカソード流体回収口を有することが好ましい。

　液量検出手段としては、回収タンク内の液体の体積を直接検出できる水位センサーが好ましい。これにより、温度や湿度によらず、水の散逸の程度を正確に把握することができ、回収タンク内の液体の体積を常に一定以上に保持することが容易となる。

　運転制御手段には、マイクロコンピュータなどの情報処理装置を利用することができる。情報処理装置は、演算部、記憶部、各種インターフェースなどで構成されており、演算部は、記憶部に記憶されているプログラムに沿って通常運転または補助運転に必要な演算を行い、燃料電池システムの各構成要素の出力を制御するのに必要な命令を出力する。例えば、記憶部は、回収タンクに回収される液体の体積（変数Ｙ）と、燃料電池システムの各構成要素の出力に関するパラメータ（Ｘ1、Ｘ2・・・Ｘn）との関係を記憶している。演算部は、変数Ｙに応じたパラメータを出力することができる。

　燃料電池システムは、（i）回収タンク内の液体と混合するための燃料を収容する燃料タンクと、燃料を燃料タンクから回収タンク内の液体（またはそこからシステム内の別の部位に供給される液体）に供給する燃料ポンプとの組、（ii）アノード流体が通過するアノード側ラジエータと、アノード側ラジエータを冷却するアノード側ラジエータ冷却ファンとの組、（iii）カソード流体が通過するカソード側ラジエータと、カソード側ラジエータを冷却するカソード側ラジエータ冷却ファンとの組、および、燃料電池を冷却するスタック冷却ファン、よりなる群から選択される少なくとも１つを更に備えることができる。

　運転制御手段は、液量検出手段により検出された液体の体積に基づいて、燃料電池の発電電力、空気ポンプの出力（流量）、送液ポンプの出力（流量）、燃料ポンプの出力（流量）、アノード側ラジエータ冷却ファンの出力（流量）、カソード側ラジエータ冷却ファンの出力（流量）およびスタック冷却ファンの出力（流量）よりなる群から選択される少なくとも１つを制御すればよい。以上のように、運転制御手段と液量検出手段を利用すれば、回収タンク内の液体の体積を任意に制御することが可能である。

　直接酸化型燃料電池システムは、その通常運転中、回収タンク内の液体の体積が第一下限値未満であることを検知した場合には、回収タンクへの水の補充を促す警告を出力するものであることが望ましい。また、燃料電池システムは、一定時間の補助運転後にも、依然として回収タンク内の液体の体積が第一下限値または第二下限値未満であることを検知した場合には、回収タンクへの水の補充を促す警告を出力するものであることが望ましい。

　以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施形態１）
　本実施形態に係る直接酸化型燃料電池システムは、カソードとアノードを備える直接酸化型燃料電池（燃料電池スタック）と、カソードに空気を供給する空気ポンプと、アノードに燃料水溶液を供給する送液ポンプと、少なくともアノードから排出されたアノード流体を回収する回収タンクとを備える。アノード流体は、回収タンク内の液体の液面よりも下部に流入するように構成されている。アノード側空間は、送液ポンプから回収タンク内の液体に合流するまでの空間であり、密閉空間となっている。本実施形態に係る燃料電池システムでは、アノード側空間が減圧状態となったときに、アノード側空間の少なくとも一部、好ましくは全体を満たすことができるように、回収タンク内の液体の体積は、予め定められた第一下限値以上になるように制御される。

　図１のセル１は、アノード２、カソード３、およびアノード２とカソード３との間に介在する電解質膜４を含む膜電極接合体（ＭＥＡ）５を有する。ＭＥＡ５の一方の側面には、アノード２を封止するようにガスケット１４が配置され、他方の側面には、カソード３を封止するようにガスケット１５が配置されている。

　ＭＥＡ５は、アノード側セパレータ１０およびカソード側セパレータ１１に挟持されている。アノード側セパレータ１０は、アノード２に接し、カソード側セパレータ１１は、カソード３に接している。アノード側セパレータ１０は、アノード２に燃料を供給する燃料流路１２を有する。燃料流路１２は、燃料が流入するアノード入口と、反応で生成したＣＯ₂や未使用の燃料などを排出するアノード排出口を有する。カソード側セパレータ１１は、カソード３に酸化剤を供給する酸化剤流路１３を有する。酸化剤流路１３は、酸化剤が流入するカソード入口と、反応で生成した水や未使用の酸化剤などを排出するカソード排出口を有する。

　図１のようなセルを複数設け、各セルを電気的に直列に積層することで、スタックが構成される。この場合、通常はアノード側セパレータ１０とカソード側セパレータ１１は一体のものとして形成される。すなわち、一枚のセパレータの一方の面がアノード側セパレータ、他方の面がカソード側セパレータとなる。各セルのアノード入口は、マニホールドを用いるなどして通常１つに集約される。アノード排出口、カソード入口およびカソード排出口も同様に、それぞれ集約される。

　図２～３の直接酸化型燃料電池システムは、燃料電池スタックの少なくともアノード２から排出された燃料水溶液を回収する回収タンク２０を有する。回収タンク２０には、アノード２から排出された燃料水溶液を含む液体２１が貯留されている。スタックのアノード排出口からのアノード流体は、チューブなどを用いて回収タンク２０の液体の中に流入するように構成されている。チューブを液体の中に挿入する場合、チューブの先端の開口がアノード流体回収口となる。アノード流体が確実に液体の中に流入するように、アノード流体回収口は、回収タンク２０の底面または底面近傍の側面に設けられている。

　燃料電池の停止中にアノード２へ酸素が侵入することがないように、燃料電池システムにおけるアノード側空間、すなわち送液ポンプ２５からアノードを経由して回収タンク内の液体に至るまでの空間は、密閉空間となっている。ＭＥＡ５のアノード２は、アノード入口とアノード排出口以外が外部と連通しないように、ガスケット１４で封止されている。

　好ましくは、燃料電池システムの通常運転中、回収タンク内の液体２１の体積は、アノード側空間の体積よりも大きくなるように制御される。アノード流体回収口が回収タンクの底面近傍に設けられているため、燃料電池システムの通常運転中、アノード流体回収口は、常に、回収タンク内の液体の液面より下部に位置することになる。また、回収タンク内の液体２１の体積は、アノード側空間の体積よりも大きいため、アノード側空間のほぼ全体を液体で満たすことも可能になる。

　アノード側空間の体積は、燃料電池システムの構成にもよるが、例えば、燃料流路１２の容積、アノード入口やアノード排出口となるマニホールドの容積、送液ポンプ２５からアノード入口側のマニホールドまでの接続配管、アノード排出口側のマニホールドから回収タンク内の液体２１中のアノード流体回収口までの容積、通常は多孔質であるアノード２の空隙の容積などが含まれる。回収タンク内の液体２１の体積がこれよりも大きくなるように制御されることで、燃料電池の停止中にアノード排出口からアノード２へ酸素が侵入することを抑制することができる。

　回収タンク内の液体２１の体積は、アノード側空間体積よりも僅かに大きくするのではなく、液体２１が不足しないように、充分に大きくすることが望ましい。燃料電池の停止中にアノード２へ流入した回収タンク内の液体２１は、電解質膜４を透過して、カソード３へ移動すると考えられるからである。

　アノード流体回収口を回収タンクの底面近傍に設けない場合には、運転を停止したときに、回収タンク内の液体２１の多くがアノード側空間に吸入されずに回収タンク２０に残留し得る。このような場合には、回収タンク内の液体２１の下限値を、アノード側空間の体積よりも充分に大きい値に設定することが望ましい。ただし、回収タンク内の液体２１が多すぎる場合には、水圧によってアノード流体を回収タンク２０に流入させる際の抵抗が大きくなる。アノード流体の流れが抑制されると、発電特性に影響を与える可能性がある。

　より具体的には、回収タンク内の液体２１の体積の第一下限値は、アノード側空間の体積の１．５～５倍に設定することが好ましく、特にアノード流体回収口より上部に存在する液体の体積がアノード側空間の体積の１．５～５倍になるように設定することが好ましい。

　回収タンク２０の容積は、燃料電池システムの運転を円滑に行うために必要となる液体２１の体積を考慮して決定される。回収タンク２０の容積は大きくてもよいが、容積が大き過ぎると、燃料電池システム全体の体積も大きくなる。体積効率の観点から、回収タンク２０の容積は、第一下限値に対応する回収タンク内の液体２１の体積（アノード側空間の体積より大きい体積）の更に１．５～５倍程度とすることが好ましい。

　図２は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成を概略的に示している。燃料電池のカソード３へは、空気ポンプ２４により空気が供給され、燃料電池のアノード２へは、燃料が送液ポンプ２５により供給される。アノード側から排出される液体２１は、回収タンク２０に回収される。回収タンク２０の内部に貯留する液体２１の過剰分は、ドレイン２２から排出される。このような構成においては、回収タンク内の液体２１の体積は、ドレイン２２の位置により決定される。すなわち、ドレイン２２は、回収タンク内の液体の体積を制御する液量制御手段として機能する。この構成は、発電中に回収タンク内の液体２１が減少することがない場合を想定したものである。

　図３は、本実施形態に係る燃料電池システムの別の構成を概略的に示している。この燃料電池システムは、回収タンク２０の液体２１を、燃料と混合して、燃料水溶液としてアノード２に供給する構成である。また、図３の燃料電池システムでは、カソード３からのカソード流体の少なくとも一部が回収タンク２０に流入するようになっている。燃料タンク２６から燃料ポンプ２３で燃料を回収タンク２０に供給し、回収タンク２０の液体２１の燃料濃度を調整し、回収タンク２０からは濃度調整された燃料水溶液を送液ポンプ２５で燃料電池スタックのアノード２へ供給する。また、回収タンク２０とは別に、液体２１と燃料とを混合して燃料水溶液を調製するための補助タンクを設けてもよい。更に、燃料タンク２６から燃料ポンプ２３を経由する配管と、回収タンク２０から送液ポンプ２５に至る配管とを合流させてもよい。

　図３に示すような燃料電池システムでは、発電中に生成した水を再利用しているため、回収タンク内の液体２１の体積を制御しやすい。また、回収タンク内の液体２１がドレインを通じて燃料電池システムから流れ出ることがないため、ユーザーの利便性も向上する。更に、燃料を燃料電池システム内で回収タンク内の液体と混合しているため、燃料タンク２６の燃料濃度を高くすることができる。燃料濃度を高くすると、燃料タンク２６を小さくすることができるため、燃料電池システムを小型軽量化することができる。

　回収タンク２０にはアノード２の発電反応で生成したＣＯ₂などのガスも流入することになる。そこで、燃料電池システムにドレインを設けない場合には、回収タンク２０の上部、好ましくは天井部を、ガスが通過できる構成とすることが一般的である。例えば、回収タンク２０の上部もしくは天井部に開口を設け、当該開口をガス透過性の多孔質薄膜などで塞ぐことにより、ＣＯ₂などのガスは多孔質薄膜を介して外部に放出される。

　図３の燃料電池システムは、回収タンク内の液体２１の体積を検出する液量検出手段２７と、燃料電池システムの運転状態を制御する運転制御手段２８とを更に備える。回収タンク２０の液体２１をアノード２へ供給する構成では、回収タンク２０の液体２１が発電中に徐々に少なくなっていく可能性がある。従って、液体２１の体積を正確に制御するためには、回収タンク内の液体２１の体積を検出することが望まれる。

　液量検出手段２７には、フロート式、光学式、超音波式、静電容量式など、様々な方式の水位センサーを用いることができる。ただし、回収タンク２０の液体２１がアノード２に流入し得ることを考慮し、ＭＥＡ５の性能に影響を与えないように、回収タンクの液体２１に金属イオンを溶出させない水位センサーが好ましい。

　運転制御手段２８は、液量検出手段２７により検出された液体２１の体積に基づいて、燃料電池システムの運転の状態を制御する。具体的には、液量検出手段２７の検出結果に基づき、回収タンクの液体２１の体積が第一下限値（例えばアノード側空間の体積）よりも大きくなるように、通常運転の状態が制御される。すなわち、運転制御手段２８は、一側面において、回収タンク内の液体の体積を制御する液量制御手段の一部として機能する。液量制御手段は、運転制御手段２８と、燃料電池システムを構成する様々な要素との有機的な連携により実現し得る。

　燃料電池スタックの発電中には、カソード３からは発電反応で生成した水が、アノード２からは未使用の燃料水溶液が排出される。これらの液体の回収量を液量制御手段により制御することで、回収タンクの液体２１の体積を適正に制御することができる。このような制御は、運転制御手段２８の指令により、燃料電池システムに自動的に行わせることができる。

　運転制御手段２８の指令により、例えば、燃料電池１の発電電力、空気ポンプ２４の流量、送液ポンプ２５の流量および燃料ポンプ２３の流量よりなる群から選択される少なくとも１つが制御される。この場合、運転制御手段２８と燃料電池１との連携、運転制御手段２８と空気ポンプ２４との連携、運転制御手段２８と送液ポンプ２５との連携、運転制御手段２８と燃料ポンプ２３との連携は、それぞれ液量制御手段の一部（回収量制御手段）として機能している。従って、運転制御手段２８は、液量検出手段２７、燃料電池１、空気ポンプ２４、送液ポンプ２５および燃料ポンプ２３の各々と接続されている。

　カソード３は、燃料電池１の停止中に大気中の酸素が流入しても、寿命特性に大きな影響を与えない。従って、燃料電池の運転停止中に、カソード３に回収タンク２０の液体２１を導入する必要はない。通常の直接酸化型燃料電池では、酸化剤として空気を使用するため、カソード３からの排出流体の大部分は窒素である。窒素が回収タンク２０の液体２１に導入されると、液体がバブリングされることになり、騒音などの原因となる。従って、カソード流体は、回収タンク２０の上部から流入させるとともに、窒素などのガスは速やかに外部に排出されるようにすることが好ましい。

　燃料電池の発電電力を小さくすれば、燃料の必要量が少なくなるため、アノード２から排出される流体量が多くなる。逆に、燃料電池の発電電力を大きくすれば、アノード２から排出される流体量は少なくなる。

　燃料ポンプ２３の流量を大きくするか、送液ポンプ２５の流量を小さくして、燃料水溶液の濃度を高くすれば、燃料のクロスオーバーが多くなり、カソード３で燃料と酸素との反応によって生成される水の量が多くなる。また、燃料ポンプ２３および送液ポンプ２５の流量を共に大きくして、燃料の余剰分を大きくしても、同様に燃料のクロスオーバーが多くなる。

　空気ポンプ２４の流量を大きくすれば、空気の流れによって燃料電池から持ち出される水分量が多くなり、カソード３から排出される水分量が多くなる。燃料電池は大気よりも高温になっているため、カソード流体に含まれる水分は、燃料電池から排出された時点から凝縮していく。こうした凝縮水を回収タンク２０に流入させることで、カソード排流体から水を回収することができる。

　図３の燃料電池システムは、カソード流体が通過するカソード側ラジエータ２９を備えている。カソード流体の少なくとも一部は、カソード側ラジエータ２９を通過した後に、回収タンク２０に流入する。カソード側ラジエータ２９は、図示しないカソード側ラジエータ冷却ファンにより冷却される。この構成では、カソード流体に含まれる水を凝縮させる効率が高いため、より多くの水を回収タンク２０に回収することができる。なお、燃料電池システムは、アノード流体が通過するアノード側ラジエータと、アノード側ラジエータを冷却するアノード側ラジエータ冷却ファンとを更に備えていてもよい。ただし、アノード側空間は密閉空間とする必要があるため、カソード流体とアノード流体とを同じ経路に流通させることはできない。両流体をラジエータに通過させる場合には、カソード用とアノード用の２つのラジエータを設ける必要がある。燃料電池システムは、カソード側ラジエータおよびその冷却ファンを有さず、アノード側ラジエータおよびその冷却ファンだけを有する構成でもよい。

　ラジエータを有する場合、運転制御手段２８は、液量検出手段２７により検出された液体２１の体積に基づいて、アノード側ラジエータ冷却ファンの流量およびカソード側ラジエータ冷却ファンの流量よりなる群から選択される少なくとも１つを制御してもよい。この場合、運転制御手段２８とアノード側ラジエータ冷却ファンとの連携または運転制御手段２８とカソード側ラジエータ冷却ファンとの連携は、それぞれ液量制御手段の一部（回収量制御手段）として機能する。従って、運転制御手段２８は、アノード側ラジエータ冷却ファンおよびカソード側ラジエータ冷却ファンの各々と接続される。

　ラジエータ冷却ファンの流量を大きくすれば、ラジエータの温度が低くなり、流体に含まれるガス状の水や燃料水溶液が凝縮される量が多くなる。よって、回収タンク２０に回収される液体量を多くすることができる。

　燃料電池システムは、更に、燃料電池（燃料電池スタック）を冷却するためのスタック冷却ファンを備えることができる。このとき、運転制御手段２８は、液量検出手段２７により検出された液体２１の体積に基づいて、スタック冷却ファンの流量を制御することもできる。スタック冷却ファンの流量を大きくすれば、燃料電池の温度が低くなるため、燃料電池から排出されるガス状の水や燃料水溶液の量が少なくなり、液滴として排出される量が多くなる。この場合、運転制御手段２８とスタック冷却ファンとの連携が液量制御手段の一部（回収量制御手段）として機能する。

　上記のように、通常運転の状態を制御することにより、回収タンク内の液体の体積を効率的に制御することができる。燃料電池システムの各構成要素の出力は、回収タンク内の液体２１の体積に応じて連続的に変化させてもよいし、段階的に変化させてもよい。例えば、燃料電池の発電電力を、回収タンク内の液体２１の体積に応じて２段階に制御してもよい。液体２１の体積は、連続的に制御する必要はなく、段階的に制御すれば充分である。段階的な制御の方が単純であり、燃料電池システムの部品点数やコストを削減しやすい点でも望ましい。

　本実施形態に係る燃料電池システムでは、回収タンク内の液体２１の体積が第一下限値以上になるように制御されるが、異常時など、運転制御が適切に行えない場合には、回収タンク内の液体２１の体積が第一下限値を下回る場合が想定される。このような場合には、回収タンク２０への水の補充を促す警告が、ユーザーに認識できるような態様で発せられることが好ましい。警告は視認できるものでも、音声のように聴覚で認識できるものでもよい。

　次に、直接酸化型燃料電池システムの各構成要素について、図１を参照しながら説明する。ただし、各構成要素は、下記に限定されるものではない。

　カソード３は、電解質膜４に接するカソード触媒層８およびカソード側セパレータ１１に接するカソード拡散層９を含む。カソード拡散層９は、例えば、カソード触媒層８に接する導電性撥水層と、カソード側セパレータ１１に接する基材層とを含む。

　カソード触媒層８は、カソード触媒と高分子電解質を含む。カソード触媒としては、触媒活性の高いＰｔなどの貴金属が好ましい。カソード触媒は、そのまま用いてもよいし、担体に担持した形態で用いてもよい。担体としては、電子伝導性および耐酸性の高さから、カーボンブラックなどの炭素材料を用いることが好ましい。高分子電解質としては、プロトン伝導性を有するパーフルオロスルホン酸系高分子材料、炭化水素系高分子材料などを用いることが好ましい。パーフルオロスルホン酸系高分子材料としては、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）などを用いることができる。

　アノード２は、電解質膜４に接するアノード触媒層６およびアノード側セパレータ１０に接するアノード拡散層７を含む。アノード拡散層７は、例えば、アノード触媒層６に接する導電性撥水層と、アノード側セパレータ１０に接する基材層とを含む。

　アノード触媒層６は、アノード触媒と高分子電解質を含む。アノード触媒としては、一酸化炭素による触媒の被毒を低減する観点から、ＰｔとＲｕとの合金触媒が好ましい。アノード触媒は、そのまま用いてもよいし、担体に担持した形態で用いてもよい。担体としては、カソード触媒を担持する担体と同様の炭素材料を用いることができる。アノード触媒層６に含まれる高分子電解質としては、カソード触媒層８に用いられる材料と同様の材料を用いることができる。

　アノード拡散層７およびカソード拡散層９に含まれる導電性撥水層は、導電剤と撥水剤を含む。導電性撥水層に含まれる導電剤としては、カーボンブラックなど、燃料電池の分野で常用される材料を特に限定することなく用いることができる。導電性撥水層に含まれる撥水剤は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）など、燃料電池の分野で常用される材料を特に限定することなく用いることができる。

　基材層としては、導電性の多孔質材料が用いられる。導電性の多孔質材料としては、カーボンペーパーなど、燃料電池の分野で常用される材料を特に限定することなく用いることができる。これらの多孔質材料は、燃料の拡散性および生成水の排出性などを向上させるために、撥水剤を含んでいてもよい。撥水剤は、導電性撥水層に含まれる撥水剤と同様の材料を用いることができる。

　電解質膜４としては、例えば、従来から用いられているプロトン伝導性高分子膜を特に限定なく使用できる。具体的には、パーフルオロスルホン酸系高分子膜、炭化水素系高分子膜などを好ましく使用できる。パーフルオロスルホン酸系高分子膜としては、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）などが挙げられる。

　図１に示される直接酸化型燃料電池は、例えば、以下の方法で作製することができる。電解質膜４の一方の面にアノード２を、他方の面にカソード３を、ホットプレス法などを用いて接合して、ＭＥＡ５を作製する。次いで、ＭＥＡ５を、アノード側セパレータ１０およびカソード側セパレータ１１で挟み込む。このとき、ＭＥＡ５のアノード２をガスケット１４で封止し、カソード３をガスケット１５で封止するように配置する。その後、アノード側セパレータ１０およびカソード側セパレータ１１の外側に、それぞれ、集電板１６および１７、端板１８および１９を積層し、これらを締結する。さらに、端板１８および１９の外側に、温度調整用のヒーターを積層してもよい。

（実施形態２）
　本実施形態に係る直接酸化型燃料電池システムは、カソードとアノードを備える直接酸化型燃料電池（燃料電池スタック）と、カソードに空気を供給する空気ポンプと、アノードに燃料水溶液を供給する送液ポンプと、燃料電池から排出される流体から水および未使用燃料を含む液体を回収する回収タンクと、燃料タンクと、燃料タンクから燃料を供給する燃料ポンプとを備えている。回収タンクの液体は、燃料タンクから供給される燃料と混合された後、燃料水溶液としてアノードに供給される。燃料電池システムの運転状態は運転制御手段により制御される。回収タンクの液体の体積は液量検出手段により検出される。

　すなわち、本実施形態に係る燃料電池システムは、実施形態１に係る燃料電池システム（例えば図３の態様）と基本的な構成は同様である。燃料電池の構成も図１と同様である。従って、本実施形態に係る燃料電池システムは、実施形態１に係る燃料電池システムと全く同じ機能を有するものであってもよい。

　ただし、本実施形態の燃料電池システムは、運転停止中、少なくとも液量検出手段に電力を供給する電源を備えている。そして、運転停止中に、回収タンク内の液体の体積が、第二下限値を下回った場合、運転制御手段は、燃料電池システムを自動的に一定時間だけ補助運転させる。補助運転中に燃料電池から排出される流体から、水および未使用燃料を含む液体を回収することにより、回収タンク内の液体の体積を増やすことができる。

　図４は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成を概略的に示している。図３と同じ構成要素には同じ符号を付している。

　燃料電池システムの長期保存時など、運転停止中には、回収タンク内の液体２１の散逸が起る。従って、燃料電池システムの通常運転を停止する際に、第一下限値以上の液体２１が回収タンク内に残留していたとしても、運転停止中の燃料電池システムにおいては、回収タンク内の液体２１は徐々に減少することが予測される。そこで、本実施形態では、燃料電池システムの運転停止中に、少なくとも液量検出手段２７に電力を供給する電源３０を設け、運転停止中にも回収タンク内の液体２１の体積が監視される構成としている。液量検出手段２７の情報は、定期的に運転制御手段２８に送信される。回収タンク内の液体２１の体積が、第二下限値を下回った場合、運転制御手段２８は、燃料電池システムを自動的に始動させる。そして、一定時間だけ、回収タンク内の液体２１の体積を増量させるための補助運転を行う。補助運転は、ユーザーの操作を伴わずに、自動的に行われる。

　燃料電池システムの運転停止中に、少なくとも液量検出手段２７に電力を供給する電源３０としては、乾電池、リチウムイオン二次電池など、種々の化学電池を用いることができる。通常、燃料電池システムの起動時には、空気ポンプ２４、送液ポンプ２５、燃料ポンプ２３などの構成要素にも電力を供給する必要がある。従って、液量検出手段２７に電力を供給する電源３０は、これらの構成要素に電力を供給する電源と同一であってもよい。燃料電池システムの長期保存時でも液量検出手段２７に電力を供給し続けられるように、液量検出手段２７の消費電力は小さい方が好ましい。

　燃料電池システムの補助運転中に、カソード３からは、発電反応や電解質膜４を透過したクロスオーバー燃料の反応で生成した水が回収される。アノード２からは、未使用の燃料水溶液が回収される。運転制御手段２８により、実施形態１と同様に、液体の回収量を制御することで、回収タンク内の液体２１の体積を、第二下限値を上回る所定値まで増やすことができる。

　回収タンク内の液体２１の体積の第二下限値は、燃料電池システムの構成に合わせて適宜決定すればよい。ただし、第二下限値は、少なくとも０より大きい必要がある。ここでも、第二下限値は、燃料電池システムの運転停止中、常に、アノード流体回収口が、回収タンク内の液面より重力方向における下部に位置するように設定することが望ましい。これにより、運転停止中に回収タンク内の液体の体積が大きく変動する場合でも、アノード側空間に空気が流入することを防止できる。

　燃料電池システムを起動させる際に、燃料電池のアノードに充分な燃料水溶液を供給させるためには、実施形態１の第一下限値と同じく、アノード流体回収口より上部に存在する液体の体積がアノード側空間の体積の１．５～５倍になるように、第二下限値を設定することが好ましい。つまり、アノード流体回収口が回収タンクの底面または底面近傍に設置されている場合には、アノード側空間の体積の１．５～５倍の体積を第二下限値とすればよい。

　なお、第一下限値と第二下限値は、異なる値でもよいが、同じ値であることが、燃料電池システムの制御が単純化される点で好ましい。この場合、通常運転中および運転停止中のいずれにおいても、回収タンク内の液体の体積は、共通の下限値以上に維持されることになる。

　補助運転においては、運転制御手段は、燃料電池の発電電力、空気ポンプの流量、送液ポンプの流量、燃料ポンプの流量、アノード側ラジエータ冷却ファンの流量、カソード側ラジエータ冷却ファンの流量およびスタック冷却ファンの流量よりなる群から選ばれる少なくとも１つを、通常運転時とは異なる出力に制御することができる。具体的には、短時間の補助運転で効率的に回収タンク内の液体を増量させることができるように、燃料電池システムの各構成要素の出力が制御される。通常運転時の条件では、回収タンク内の液体２１の体積が大きく増減しないように各構成要素の出力が制御されるため、回収タンク内の液体２１の体積を増やすのに長時間を要する場合がある。なお、燃料電池による発電を行わない場合でも、燃料のクロスオーバーが生じるような補助運転を行えば、カソード３で水が生成するため、水を回収することができる。

　本実施形態に係る燃料電池システムでは、回収タンク内の液体２１の体積が第一または第二下限値以上になるように制御されるが、異常時などには、一定時間だけ補助運転を行っても回収タンク内の液体２１の体積が第一または第二下限値を下回っている場合が想定される。このような場合には、回収タンク２０への水の補充を促す警告が、ユーザーに認識できるような態様で発せられることが好ましい。警告は視認できるものでも、音声のように聴覚で認識できるものでもよい。警告は、補助運転を自動的に停止させる動作を伴ってもよい。

　以下、実施例に基づいて、本発明をより具体的に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

《実施例１》
（ａ）カソード触媒層の作製
　カソード触媒とカソード触媒を担持する触媒担体とを含むカソード触媒担持体を用いた。カソード触媒として、Ｐｔ触媒を用いた。触媒担体としては、カーボンブラック（商品名：ケッチェンブラックＥＣＰ、ケッチェンブラックインターナショナル社製）を用いた。Ｐｔ触媒とカーボンブラックとの合計重量に占めるＰｔ触媒の重量の割合は、５０重量％とした。

　前記カソード触媒担持体をイソプロパノール水溶液に分散させた液と、高分子電解質であるナフィオン（登録商標）の分散液（シグマアルドリッチジャパン（株）製、ナフィオン５重量％溶液）とを混合し、カソード触媒層インクを調製した。カソード触媒層インクを、ドクターブレード法を用いて、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）シート上に塗布し、乾燥して、カソード触媒層を得た。

（ｂ）アノード触媒層の作製
　アノード触媒として、ＰｔＲｕ触媒（原子比Ｐｔ：Ｒｕ＝１：１）を用いた。カソード触媒の代わりに、前記アノード触媒を用いたこと以外、カソード触媒層と同様にして、アノード触媒層を作製した。なお、ＰｔＲｕ触媒とケッチェンブラックとの合計重量に占めるＰｔＲｕ触媒の重量の割合は、５０重量％とした。

（ｃ）導電性撥水層ペーストの調製
　撥水剤分散液と導電剤とを、所定の界面活性剤を添加したイオン交換水に分散混合して、導電性撥水層ペーストを調製した。撥水剤分散液としては、ＰＴＦＥディスパージョン（シグマアルドリッチジャパン（株）製、ＰＴＦＥの含有量６０質量％）を用いた。導電剤には、アセチレンブラック（電気化学工業（株）製、デンカブラック）を用いた。

（ｄ）基材層の作製
　アノード拡散層のアノード基材層を構成する導電性の多孔質材料として、カーボンペーパー（東レ（株）製、ＴＧＰ－Ｈ－０９０、厚み２７０μｍ）を用いた。前記カーボンペーパーを、撥水剤であるＰＴＦＥを含むＰＴＦＥディスパージョン（シグマアルドリッチジャパン（株）製）に浸漬させ、乾燥させた。こうして、カーボンペーパーに、撥水処理を施した。

　カソード拡散層のカソード基材層を構成する導電性の多孔質材料として、カーボンクロス（バラードマテリアルプロダクツ社製、ＡｖＣａｒｂ（登録商標）１０７１ＨＣＢ）を用いた。このカーボンクロスにも、上記と同様の方法で、撥水処理を施した。

（ｅ）アノード拡散層およびカソード拡散層の作製
　前記（ｄ）で作製したアノード基材層の片面に、（ｃ）で作製した導電性撥水層ペーストを塗布し、乾燥して、アノード拡散層を作製した。同様に、前記（ｄ）で作製したカソード基材層の片面に、（ｃ）で作製した導電性撥水層ペーストを塗布し、乾燥して、カソード拡散層を作製した。

（ｆ）ＭＥＡの作製
　前記（ａ）においてＰＴＦＥシート上に形成したカソード触媒層を、電解質膜（商品名：ナフィオン（登録商標）１１２、デュポン（株）製）の一方の面に積層し、前記（ｂ）においてＰＴＦＥシート上に形成したアノード触媒層を、電解質膜の他方の面に積層した。このとき、カソード触媒層およびアノード触媒層は、それぞれ電解質膜の一方の面および他方の面に接するように積層した。この後、カソード触媒層およびアノード触媒層を電解質膜にホットプレス法によって接合するとともに、カソード触媒層およびアノード触媒層からＰＴＦＥシートを剥離した。

　次いで、ホットプレス法により、カソード触媒層にカソード拡散層を接合し、アノード触媒層にアノード拡散層を接合した。こうして、ＭＥＡを作製した。

（ｇ）燃料電池スタックの作製
　ＭＥＡの外周部に露出した電解質膜の両面に、それぞれその電解質膜の露出部を全て覆うようにゴム製ガスケットを配した。アノード側セパレータおよびカソード側セパレータで、ＭＥＡを挟持するように積層した。アノード側セパレータのアノードに接する面には、燃料を供給する燃料流路を形成しておいた。カソード側セパレータのカソードに接する面には、酸化剤を供給する酸化剤流路を形成しておいた。流路はいずれもサーペンタイン型とした。このようにして直接酸化型燃料電池セルを得た。

　同様にして合計１０個のセルを作製し、これらを順に積層した。次に、両端に位置するアノード側セパレータおよびカソード側セパレータの外側に、それぞれ、集電板、絶縁板、端板を、この順で積層した。得られた積層体を、所定の締結手段で締結した。端板の外側に、温度調整用のヒーターを貼り付けた。各セルのカソード入口にマニホールドを取り付け、１つに集約した。同様に、各セルのカソード排出口、アノード入口、アノード排出口にも、マニホールドを取り付けてそれぞれ１つに集約した。このようにして直接酸化型燃料電池スタックを得た。

（ｈ）燃料電池システムの作製
　前記（ｇ）で作製した燃料電池スタックのカソード入口を集約したマニホールドにマスフローコントローラーを、カソード排出口を集約したマニホールドに樹脂チューブを、アノード入口を集約したマニホールドに送液ポンプを、アノード排出口を集約したマニホールドに樹脂チューブを接続した。カソード排出口の樹脂チューブは廃液タンクに、アノード排出口の樹脂チューブは回収タンクに導入した。

　回収タンクは樹脂製の直方体の容器とし、容積を１００ｍＬとした。この中にあらかじめ５０ｍＬのイオン交換水を入れ、アノード排出口の樹脂チューブの先端の開口（アノード流体回収口）を回収タンクの底面に接するまで導入し、アノードから排出される流体が回収タンク内の液体中に流入するようにした。回収タンクの液体の体積が５０ｍＬになる位置の側面にドレインを設け、樹脂チューブで廃液タンクに導入した。カソード排出口の樹脂チューブとドレインからの樹脂チューブは、廃液タンクの上部から流入するようにした。このようにして、実施例１の直接酸化型燃料電池システムを得た。この燃料電池システムでは、回収タンクの側面に設けられたドレインが液量制御手段を構成している。

　この燃料電池システムにおけるアノード側空間の体積は、送液ポンプから回収タンクの液体中のアノード流体回収口までの間で１５ｍＬであった。

《実施例２》
　実施例１と同様にして燃料電池スタックを作製した。燃料電池スタックのカソード入口を集約したマニホールドにマスフローコントローラーを、カソード排出口を集約したマニホールドに樹脂チューブを、アノード排出口を集約したマニホールドに樹脂チューブを取り付けた。カソード排出口の樹脂チューブとアノード排出口の樹脂チューブは、いずれも回収タンクに導入した。

　回収タンクは樹脂製の直方体の容器とし、容積を１００ｍＬとした。この中にあらかじめ５０ｍＬの１ｍｏｌ／Ｌメタノール水溶液を入れ、アノード排出口の樹脂チューブを回収タンクの底面に接するまで挿入し、アノードから排出される流体が液体中に流入するようにした。カソード排出口の樹脂チューブは、回収タンクの上部から流入するようにし、水回収タンクの天井部には多孔質フィルムを張った。

　回収タンクの側面最下部に送液用の穴を設け、送液ポンプを接続し、送液ポンプを、アノード入口を集約したマニホールドに接続した。燃料ポンプを用いて、回収タンクの液体が１ｍｏｌ／Ｌのメタノール水溶液となるように、１０ｍｏｌ／Ｌのメタノールを併設の燃料タンクから供給した。回収タンクの対向する２つの側面を挟み込むように、静電容量式の水位センサーを取り付けた。

　水位センサー、燃料ポンプ、送液ポンプを運転制御手段である情報処理装置に接続し、以下のような制御プログラムを情報処理装置に実行させた。
　水位センサーが検出する回収タンクの液体の体積が３０ｍＬを下回る場合には、燃料ポンプの流量を大きく、送液ポンプの流量を小さくし、一時的に高い濃度の燃料水溶液がアノードに供給されるようにした。液体の体積が６０ｍＬを上回る場合には、燃料ポンプの流量を小さく、送液ポンプの流量を大きくし、一時的に低い濃度の燃料水溶液がアノードに供給されるようにした。

　上記のようにして、実施例２の直接酸化型燃料電池システムを得た。この燃料電池システムでは、情報処理装置と燃料ポンプとの連携、および情報処理装置と送液ポンプとの連携が、流体の回収量制御手段として機能しており、これらの回収量制御手段の協働が回収タンク内の液体の体積を制御する液量制御手段を構成している。情報処理装置は、液量制御手段の一部を担っている。

　この燃料電池システムにおけるアノード側空間の体積は、送液ポンプから水回収タンクの液体までの間で１５ｍＬであった。

《実施例３》
　実施例１と同様にして燃料電池スタックを作製した。また、カソード側ラジエータとカソード側ラジエータ冷却ファンを用いた。具体的には、燃料電池セルのカソード排出口を集約したマニホールドを、樹脂チューブを用いて、ラジエータに接続した。カソードから排出されるカソード流体は、ラジエータを通過させた後に回収タンクに導入した。

　水位センサーとラジエータ冷却ファンを運転制御手段である情報処理装置に接続し、回収タンクの液体の体積が３０ｍＬを下回る場合には、ラジエータ冷却ファンの流量を大きく、６０ｍＬを上回る場合には、ラジエータ冷却ファンの流量を小さくする制御プログラムを情報処理装置に実行させた。
　上記以外は実施例２と同様にして、実施例３の直接酸化型燃料電池システムを得た。この燃料電池システムでは、情報処理装置とラジエータ冷却ファンとの連携が液量制御手段を構成している。

　この燃料電池システムにおけるアノード側空間の体積は、送液ポンプから水回収タンクの液体までの間で１５ｍＬであった。

《比較例１》
　実施例１と同様にして燃料電池スタックを作製した。回収タンクを設けず、予め準備されたメタノール水溶液をアノードに供給し、アノード排出口を集約したマニホールドに接続された樹脂チューブを、廃液タンクの上部から流入させることで、樹脂チューブの先端の開口を大気に開放した。上記以外は、実施例１と同様にして、比較例１の直接酸化型燃料電池システムを得た。

《実施例４》
　実施例１と同様にして燃料電池スタックを作製した。回収タンクの液体の体積が５ｍＬを下回る場合には、ラジエータ冷却ファンの流量を大きく、１５ｍＬを上回る場合には、ラジエータ冷却ファンの流量を小さくする制御プログラムを情報処理装置に実行させたこと以外は、実施例３と同様にして、比較例２の直接酸化型燃料電池システムを得た。

　この燃料電池システムにおけるアノード側空間の体積は、送液ポンプから水回収タンクの液体までの間で１５ｍＬであった。

［寿命特性の評価］
　作製した実施例１～４および比較例１の燃料電池システムについて、以下の通常運転を行い、寿命特性の評価を行った。
　燃料電池セルのカソードには空気を供給し、アノードには１ｍｏｌ／Ｌのメタノール水溶液を供給した。電子負荷装置により、発電電流を１５０ｍＡ／ｃｍ²の定電流とした。燃料電池の温度は６０℃に保ち、空気の利用率は５０％とし、燃料の利用率は７０％とした。発電時間は６０分間とし、その後６０分間の休止を置いた。上記の操作を１サイクルとし、これを５００サイクル繰り返した。１サイクル目の平均出力に対する５００サイクル目の平均出力の比率を求めた。この出力維持率を寿命特性として評価した。得られた結果を表１に示す。

　アノード流体を回収タンクの液体の中に流入させ、回収タンク内の液体の体積がアノード側空間の体積よりも大きくなるように制御した実施例１～３の燃料電池は、いずれも、アノード流体を大気に開放した比較例１の燃料電池より、寿命特性が大きく向上していた。実施例１～３においては、燃料電池の停止中に、燃料水溶液を含む回収タンクの液体がアノードに流入したため、大気中の酸素がアノードに侵入することも抑制でき、アノード電位を常に低い状態に保つことができた。従って、アノードの劣化を抑制できたものと考えられる。

　回収タンクの液量を制御するために、燃料ポンプの流量と送液ポンプの流量を制御した実施例２では、寿命特性はわずかに低くなっていた。これは、上記制御では一時的に燃料濃度が高くなるため、ＭＣＯが多くなり、カソードの劣化が起こりやすくなったためと考えられる。

　実施例１と実施例３の燃料電池は、ほぼ同等の寿命特性が得られた。ただし、実施例１では回収タンクの液体の過剰分をドレインから排出しているが、実施例３では燃料電池システムから液滴が排出されることがない。従って、実施例３の方が、ユーザーの利便性などを考慮した場合、より好ましいと言える。

　回収タンク内の液体の体積がアノード側空間の体積よりも小さくなるように制御した比較例２の燃料電池では、比較例１に比べると寿命特性が向上したものの、その程度は小さかった。これは、運転停止中にアノードに流入できる回収タンク内の液体の体積が不足し、大気中の酸素がアノードに流入したためと考えられる。

　以上の結果より、本発明によれば、寿命特性が向上した直接酸化型燃料電池システムを得られることがわかった。

《実施例５》
　実施例２と同様の直接酸化型燃料電池システムを作製した。ただし、水位センサー、燃料ポンプ、送液ポンプ、情報処理装置に、常時、電力を供給できるように、各構成要素にリチウムイオン二次電池を接続した。

　燃料電池システムの運転停止時に水位センサーが検出する回収タンクの液体の体積が２０ｍＬを下回る場合には、５０ｍＬを上回るまで、燃料電池システムの補助運転を自動的に行うようにした。補助運転では、通常運転時に推奨される流量よりも、燃料ポンプおよび送液ポンプの流量を大きくし、燃料電池スタックへ余剰の燃料水溶液が多く供給されるようにした。

　なお、送液ポンプの流量については、通常運転時は１．５ｍＬ／ｍｉｎが推奨されるため、補助運転時は３．０ｍＬ／ｍｉｎとした。燃料ポンプの流量については、通常運転時は０．３ｍＬ／ｍｉｎが推奨されるため、補助運転時は０．６ｍＬ／ｍｉｎとした。補助運転中に燃料電池スタックが発電した電力は、リチウムイオン二次電池に充電した。上記のような制御を、情報処理装置に実行させた。このようにして、実施例５の直接酸化型燃料電池システムを得た。

《実施例６》
　実施例５と同様の直接酸化型燃料電池システムを作製した。ただし、カソード側ラジエータとカソード側ラジエータ冷却ファンを用いた。具体的には、実施例３と同様に、燃料電池セルのカソード排出口を集約したマニホールドを、樹脂チューブを用いて、ラジエータに接続した。カソードから排出されるカソード流体は、ラジエータを通過させた後に回収タンクに導入した。

　水位センサーとラジエータ冷却ファンを運転制御手段である情報処理装置に接続し、以下のような制御プログラムを情報処理装置に実行させた。
　回収タンクの液体の体積が２０ｍＬを下回る場合には、５０ｍＬを上回るまで、燃料電池システムの補助運転を自動的に行うようにした。補助運転では、燃料ポンプおよび送液ポンプの流量ではなく、ラジエータ冷却ファンの流量を、通常運転時に推奨される流量よりも、大きくした。

《実施例７》
　実施例５と同様の直接酸化型燃料電池システムを作製した。ただし、燃料電池スタックを冷却するためのスタック冷却ファンを設け、水位センサーとスタック冷却ファンを情報処理装置に接続した。そして、回収タンクの液体の体積が２０ｍＬを下回る場合には、５０ｍＬを上回るまで、燃料電池システムの補助運転を自動的に開始するようにした。補助運転では、燃料ポンプおよび送液ポンプの流量ではなく、スタック冷却ファンの流量を、通常運転時に推奨される流量よりも、大きくした。

《実施例８》
　実施例５と同様の直接酸化型燃料電池システムを作製した。ただし、補助運転では、送液ポンプの流量を１．２ｍＬ／ｍｉｎとし、燃料ポンプの流量を０．８ｍＬ／ｍｉｎとした。

《比較例２》
　実施例５と同様の直接酸化型燃料電池システムを作製した。ただし、水位センサーを設けず、回収タンクの液体の体積に基づいて自動的に補助運転を行う制御は行わなかった。

《比較例３》
　実施例５と同様の直接酸化型燃料電池システムを作製した。ただし、水位センサーを設けず、回収タンクの液体の体積に基づいて自動的に補助運転を行う制御は行わなかった。更に、回収タンクの天井部およびカソード排出口にそれぞれ電子式の弁を設け、各弁を情報処理装置と接続し、運転停止後に各弁が閉じるように制御した。この機構により、発電の停止後には、燃料電池スタックおよび回収タンクが密閉される。ただし、完全に密閉されないように、弁には微細な隙間を設けた。

［寿命特性の評価］
　作製した実施例５～８および比較例２、３の燃料電池システムについて、以下の評価を行った。
（i）まず、燃料電池システムの通常運転を行った。その際、燃料電池セルのカソードには空気を供給し、アノードには水回収タンクから１ｍｏｌ／Ｌのメタノール水溶液を供給した。発電電流は１５０ｍＡ／ｃｍ²の定電流とした。燃料電池の温度は６０℃に保ち、空気の利用率は５０％とし、燃料の利用率は７０％とした。発電時間は６０分間とした。

（ii）次に、４５℃に保たれた風通しのよい室内に燃料電池システムを置き、外箱やカバーなどの遮蔽物を設けず、燃料電池の発電を停止した状態で、１ヶ月間放置した。そして、放置後の回収タンクの液体の体積を測定した。

（iii）その後、放置後の燃料電池システムを初期と同じ運転条件で発電させ、初期の発電電圧に対する放置後の発電電圧の比率を測定し、発電特性の変化を確認した。
　得られた結果を表２に示す。

　回収タンクの液体の体積が所定値（第二下限値）を下回った場合に、燃料電池を自動的に一定時間だけ補助運転させることで、回収タンク内の液体の体積を増やす制御を行った実施例５～８の燃料電池システムは、いずれも、１月間の放置後でも回収タンク内に液体が十分に残っていた。これにより、１月間の放置後でも燃料電池システムを問題なく起動させることができ、放置前と同等の良好な発電特性を維持できていた。

　一方、回収タンクの液体の散逸を防止する手段を設けなかった比較例１の燃料電池システムは、１月間の放置後には回収タンクの液体が残っていなかった。そのため、放置後の燃料電池システムの起動時には、アノードに高濃度の燃料水溶液が供給されることとなり、発電電圧が大幅に低下した。従って、燃料電池スタックを保護するために、起動を中止した。

　回収タンク内の液体の散逸を抑制するために、弁によって回収タンクおよび燃料電池スタックを密閉した比較例２の燃料電池システムでは、１月間の放置後には、回収タンク内の液体が少量しか残っていなかった。そのため、放置後の燃料電池システムの起動時には、通常よりも高い濃度の燃料水溶液が供給されることとなり、発電電圧が低下した。

　実施例５～８は、それぞれ液体の回収量を増やすために運転制御手段により制御される要素が異なっているが、いずれも回収タンク内の液体の散逸を抑制できている。以上の結果より、本発明によれば、長期間の保存によっても燃料電池システムからの水の散逸を抑制でき、保存後の起動時にも問題がなく、保存前と同等の良好な発電特性を発揮できる直接酸化型燃料電池システムを得られることがわかる。

　本発明によれば、直接酸化型燃料電池システムの寿命特性や長期保存における信頼性を向上することができる。よって、長期にわたって優れた発電特性を維持でき、長期保存を含めた継続的な使用によっても、安定した性能を維持できる直接酸化型燃料電池システムを提供することができる。本発明の直接酸化型燃料電池システムは、ノートＰＣなどの小型機器用の電源、およびポータブル発電機として非常に有用である。

　１：燃料電池セル、２：アノード、３：カソード、４：電解質膜、５：膜電極接合体（ＭＥＡ）、６：アノード触媒層、７：アノード拡散層、８：カソード触媒層、９：カソード拡散層、１０：アノード側セパレータ、１１：カソード側セパレータ、１２：燃料流路、１３：酸化剤流路、１４，１５：ガスケット、１６,１７：集電板、１８,１９：端板、２０：回収タンク、２１：液体、２２：ドレイン、２３：燃料ポンプ、２４：空気ポンプ、２５：送液ポンプ、２６：燃料タンク、２７：液量検出手段、２８：運転制御装置（情報処理装置）、２９：ラジエータ

Claims (10)

1. 　カソードとアノードを備える直接酸化型燃料電池と、
   　前記カソードに空気を供給する空気ポンプと、
   　前記アノードに燃料水溶液を供給する送液ポンプと、
   　前記アノードから排出されたアノード流体を回収する回収タンクと、を具備し、
   　前記回収タンクは、前記アノード流体を前記回収タンク内の液体と合流させるアノード流体回収口を有し、
   　前記燃料電池システムの通常運転中および運転停止中の少なくとも一方において、前記回収タンク内の前記液体の体積が、予め定められた第一下限値以上になるように制御されており、ただし、前記第一下限値は、前記アノード流体回収口が、前記回収タンク内の前記液体の液面より下部に位置するように設定されている、直接酸化型燃料電池システム。
2. 　前記回収タンク内の前記液体の体積が、前記第一下限値であるときに、前記アノード流体回収口より上部に存在する前記液体の体積が、前記送液ポンプから前記アノードを経由して前記回収タンク内の液体中の前記アノード流体回収口に至るまでのアノード側空間の体積よりも大きい、請求項１記載の直接酸化型燃料電池システム。
3. 　前記燃料電池システムの運転停止中、前記回収タンク内の前記液体の体積が、前記第一下限値に達した場合に、自動的に一定時間だけ補助運転が行われる、請求項１または２記載の直接酸化型燃料電池システム。
4. 　前記燃料電池システムの運転停止中、前記回収タンク内の前記液体の体積が、前記第一下限値とは異なる第二下限値に達した場合に、自動的に一定時間だけ補助運転が行われる、請求項１または２記載の直接酸化型燃料電池システム。
5. 　前記回収タンク内の液体の体積を検出する液量検出手段と、
   　前記燃料電池システムの運転状態を制御する運転制御手段と、を更に備え、
   　前記運転制御手段が、前記液量検出手段により検出された前記液体の体積に基づいて、前記燃料電池システムの通常運転の状態を制御することにより、前記回収タンク内の液体の体積を制御する、請求項１～４のいずれか１項に記載の直接酸化型燃料電池システム。
6. 　前記回収タンク内の液体の体積を検出する液量検出手段と、
   　前記燃料電池システムの運転状態を制御する運転制御手段と、を更に備え、
   　前記運転制御手段が、前記液量検出手段により検出された前記液体の体積に基づいて、前記燃料電池システムの補助運転の状態を制御することにより、前記回収タンク内の液体の体積を制御する、請求項３～４のいずれか１項に記載の直接酸化型燃料電池システム。
7. 　前記燃料電池システムは、（i）前記回収タンク内の液体と混合するための燃料を収容する燃料タンクと、前記燃料を前記燃料タンクから前記液体に供給する燃料ポンプとの組、（ii）前記アノード流体が通過するアノード側ラジエータと、前記アノード側ラジエータを冷却するアノード側ラジエータ冷却ファンとの組、（iii）前記カソードから排出されたカソード流体の少なくとも一部を回収する前記回収タンクに設けられたカソード流体回収口と、前記カソード流体が通過するカソード側ラジエータと、前記カソード側ラジエータを冷却するカソード側ラジエータ冷却ファンとの組、および、前記燃料電池を冷却するスタック冷却ファン、よりなる群から選択される少なくとも１つを更に備え、
   　前記運転制御手段が、前記液量検出手段により検出された前記液体の体積に基づいて、前記燃料電池の発電電力、前記空気ポンプの出力、前記送液ポンプの出力、前記燃料ポンプの出力、前記アノード側ラジエータ冷却ファンの出力、前記カソード側ラジエータ冷却ファンの出力および前記スタック冷却ファンの出力よりなる群から選択される少なくとも１つを制御する、請求項５または６記載の直接酸化型燃料電池システム。
8. 　前記燃料電池システムの通常運転中、前記回収タンク内の液体の体積が、前記第一下限値未満となった場合に、前記回収タンクへの水の補充を促す警告が出力される、請求項１～７のいずれか１項に記載の直接酸化型燃料電池システム。
9. 　前記燃料電池システムの前記一定時間の補助運転後、前記回収タンク内の液体の体積が、前記第一下限値未満である場合に、前記回収タンクへの水の補充を促す警告が出力される、請求項３～７のいずれか１項に記載の直接酸化型燃料電池システム。
10. 　前記燃料電池システムの前記一定時間の補助運転後、前記回収タンク内の液体の体積が、前記第二下限値未満である場合に、前記回収タンクへの水の補充を促す警告が出力される、請求項４～７のいずれか１項に記載の直接酸化型燃料電池システム。

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