(57)【要約】  燃料電池組立体は、高分子電解質膜（２）と空気極（４）と燃料極（３）とを有する燃料電池スタック（１）と、空気を供給する空気供給装置（１９）と、燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置（２０）と、湿潤空気流路（６）から乾燥空気流路（７）へ水分を移動させることのできる湿度調整モジュール５と、を具備する。空気極（４）は、上流側空気極（４ａ）と下流側空気極（４ｂ）とに分割される。空気供給装置（１９）から供給される空気は、乾燥空気流路（７）に流通させてから上流側空気極（４ａ）に供給され、上流側空気極（４ａ）から排出された空気は、湿潤空気流路（６）に流通させてから下流側空気極（４ｂ）に供給される。
2005537623.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一と第二の酸素極(4a,4b)と、水素極(3)と、第一と第二の酸素極(4a,4b)と水素極(1) との間に配置される電解質膜(2)を有する燃料電池(1)と
水素極(3)に対面して、水素含有燃料ガスを水素極(3)に供給する水素ガス通路(40)と、
第一の酸素極(4a)に対面して、酸化剤ガスを第一の酸素極(4a)に供給する第一の酸化剤ガス通路(50a)と、
第二の酸素極(4b)に対面して、第一の酸化剤ガス通路(50a)を通過した酸化剤ガスを第二の酸素極(4b)に供給する第二の酸化剤ガス通路(50b)と、
第一の酸化剤ガス通路(50a)の下流でかつ第二の酸化剤ガス通路(50b)の上流に配置され、第一の酸化剤ガス通路(50a)を通過した酸化剤ガスを除湿する除湿器(6,8)と、を備えることを特徴とする燃料電池組立体。
【請求項２】
第一の酸化剤ガス通路(50a)に供給される酸化剤ガスを加湿するための加湿器(7,8)を備え、
前記加湿器(7,8)は、前記除湿器(6,8)が取り除いた水分を、第一の酸化剤ガス通路(50a)に供給される酸化剤ガスに加えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池組立体。
【請求項３】
前記除湿器(6,8)と前記加湿器(7,8)が一体化されて湿度調整モジュール(5)を構成し、
湿度調整モジュール(5)は、湿潤空気流路(6)と、乾燥空気流路(7)と、湿潤空気流路(6)と乾燥空気流路(7)との間の水選択透過膜(8)を備え、湿潤空気流路(6)から乾燥空気流路(7)へ水分を移動させることができ、
第一の酸化剤ガス通路(50a)を通過した酸化剤ガスは前記湿潤空気流路(6)を通過し、第一の酸化剤ガス通路(50a)に供給される酸化剤ガスは前記乾燥空気流路(7)を通過することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池組立体。
【請求項４】
前記一体化された湿度調整モジュール(5)は、直接的に燃料電池の積層方向に平行な側面に結合され、第一と第二の酸化剤ガス通路(50a,50b)に直接結合するマニホールドとして機能することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池組立体。
【請求項５】
湿度調整モジュール(5)は、中空糸である複数の水選択透過膜(108)を備えており、水選択透過膜(108)の密度は燃料電池から遠ざかるにつれて減少することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池組立体。
【請求項６】
第一の酸化剤ガス通路(50a) と前記湿度調整モジュール(5)の前記乾燥空気流路(7)をつなぐ空気供給通路(77)、及び、水素ガス通路(40)からの燃料ガスを集める燃料ガスマニホールド(95b)をさらに備え、空気供給通路(77)と燃料ガスマニホールド(95b)が一体化されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池組立体。
【請求項７】
前記乾燥空気流路(6)の出口(6a)と前記湿潤空気流路(7)の入口(7b)との間に圧力調整弁(12)を備えることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池組立体。
【請求項８】
燃料電池(1)の要求電力に応じて、圧力調整弁(12)の開度を制御するコントローラ(15)を有することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池組立体。
【請求項９】
水素ガス通路(40)に供給される予定の水素含有燃料ガスを加湿するための加湿器(8,37)を備え、
前記加湿器(8,37)は、前記除湿器(6,8)が酸化剤ガスから取り除いた水分の一部を、水素ガス通路(40)に供給される水素含有燃料ガスに加えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池組立体。
【請求項１０】
前記除湿器(6,8)と前記加湿器(8,37)が一体化されて湿度調整モジュール(5)を構成し、
湿度調整モジュール(5)は、湿潤空気流路(6)と、乾燥燃料ガス流路(37)と、湿潤空気流路(6)と乾燥燃料ガス流路(37)との間の水選択透過膜(8)を備え、湿潤空気流路(6)から乾燥燃料ガス流路(37)へ水分を移動させることができ、
第一の酸化剤ガス通路(50a)を通過した酸化剤ガスは前記湿潤空気流路(6)を通過し、前記水素ガス通路(40)に供給される水素含有燃料ガスは前記乾燥燃料ガス流路(37)を通過することを特徴とする請求項９に記載の燃料電池組立体。
【請求項１１】
第一の酸化剤ガス通路(50a)は、燃料ガスの流れに関して下流側に位置し、第二の酸化剤ガス通路(50b)は、燃料ガスの流れに関して上流側に位置することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池組立体。
【請求項１２】
燃料ガスは、略鉛直下向きに水素ガス通路(40)を流れることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池組立体。
【請求項１３】
酸化剤ガスは、第一の酸化剤ガス通路(50a)と第二の酸化剤ガス通路(50b)を略水平方向に流れることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池組立体。
【請求項１４】
第一の酸化剤ガス通路(50a)に対面する第一の酸素極(4a)と第二の酸化剤ガス通路(50b)に対面する第二の酸素極(4b)が、物理的に分離されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池組立体。
【請求項１５】
第一の酸化剤ガス通路(50a)に対面する第一の酸素極(4a)と第二の酸化剤ガス通路(50b)に対面する第二の酸素極(4b)が、物理的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池組立体。
【請求項１６】
第一の酸素極(4a)と第二の酸素極(4b)とを、それぞれ個別の電力調整素子(13,14)を介した後で正極(17)に電気的に結合させることを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池組立体。
【請求項１７】
空気極(4)と、燃料極(3)と、空気極(4)と燃料極(3)との間に配置される電解質膜(2)とを有する燃料電池(1)と、
前記空気極(4)に流通させる空気を供給する空気供給装置(19)と、
前記燃料極(3)に流通させる燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置(20)と、
湿潤空気流路(7)と乾燥空気流路(6)を持ち、湿潤空気流路(7)から乾燥空気流路(6)へ水分を移動させることのできる湿度調整モジュール(5)とを備え、
前記空気極(4)は、供給された空気の流れに関して、上流側部分(4a)と下流側部分(4b)に分割され、
前記空気供給装置(19)から供給される空気は、前記乾燥空気流路(7)を通過してから空気極の上流側部分(4a)を通過し、
空気極の上流側部分(4a)から排出された空気は、前記湿潤空気流路(6)を通過してから空気極の下流側部分(4b)に供給されることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する、特に、燃料電池の酸素極つまりカソードの水管理に関する。
【背景技術】
【０００２】
日本国特許庁が２０００年に発行した特開２０００−１６４２３２号は、燃料電池の空気極（酸素極）からの排気通路に配置した湿潤空気流路と燃料電池の空気極への空気供給通路に配置した乾燥空気流路とを備える湿度調整モジュールを開示する。ここで、水分量の多い排出空気が湿潤空気流路を、水分量の少ない供給空気が乾燥空気流路を流れる。その結果、排出空気に含まれた水分が供給空気に移動するので、燃料電池に供給する空気が加湿される。
【０００３】
空気極における反応（1/2O2+2H++2e---->H2O）より、発電反応の反応率に応じて酸素が消費される。この酸素消費に対して、水は倍の量だけ生成される。
【０００４】
従来の燃料電池システムにおいては、空気極出口下流側の湿潤空気流路の空気に含まれる水分は乾燥空気流路に戻る。空気極に対向する空気流路において、空気は、空気極入口付近の水を吸収して、空気極出口付近に吸収した水を運ぶため、空気極出口付近の空気通路は、空気極での生成水からの水分に加えて乾燥空気流路で加えた水分を含む。一方、酸素が空気極に面する空気通路を通過する間消費されるので、空気極出口付近の空気通路で、空気中の酸素のモル分率は低くなる。このように、水のモル分率が過剰になり、酸素のモル分率が不足となる場合には、空気通路での酸素分圧の低下や、空気極での過度な凝縮水の生成が生じ易い。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明は、空気極出口付近において、水分量の過剰と空気中の酸素量の不足を抑制できる燃料電池組立体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第一と第二の酸素極、水素極、第一と第二の酸素極と水素極との間に配置される電解質膜を有する燃料電池と、水素極に対面して水素含有燃料ガスを水素極に供給する水素ガス通路と、第一の酸素極に対面して、酸化剤ガスを第一の酸素極に供給する第一の酸化剤ガス通路と、第二の酸素極に対面して、第一の酸化剤ガス通路を通過した酸化剤ガスを第二の酸素極に供給する第二の酸化剤ガス通路と、第一の酸化剤ガス通路の下流でかつ第二の酸化剤ガス通路の上流に配置され、第一の酸化剤ガス通路を通過した酸化剤ガスを除湿する除湿器と、を備えることを特徴とする燃料電池組立体を提供する。
【０００７】
さらに、空気極、燃料極、空気極と燃料極との間に配置される電解質膜とを有する燃料電池と、前記空気極に流通させる空気を供給する空気供給装置と、前記燃料極に流通させる燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、湿潤空気流路と乾燥空気流路を持ち、湿潤空気流路から乾燥空気流路へ水分を移動させることのできる湿度調整モジュールとを備える燃料電池システムを提供する。前記空気極は、供給された空気の流れに関して、上流側部分と下流側部分に分割され、前記空気供給装置から供給される空気は、前記乾燥空気流路を通過してから空気極の上流側部分を通過し、空気極の上流側部分から排出された空気は、前記湿潤空気流路を通過してから空気極の下流側部分に供給される。
【０００８】
本発明の他の特徴と利点は、下記の明細書と図面に開示される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１と図２を参照して、第１の実施形態を説明する。燃料電池スタック１は固体高分子型の燃料電池である。燃料電池スタック１は、バイポーラプレート１６（セパレータ）で分離される複数のユニットセル３０から構成される。ユニットセル３０は、高分子電解質膜２と、燃料極３（水素極）と空気極４（酸素極）を有する膜-電極接合体３５（MEA）と、を備える。燃料極３と空気極４の間に高分子電解質膜２が配置されるよう燃料極３と空気極４は高分子電解質膜２を狭持する。各電極は、ガス拡散電極であり、高分子電解質膜２に接する薄い白金触媒層と、白金触媒層の外側にある多孔性のガス拡散層を備える。
【００１０】
図１を参照すると、バイポーラプレート１６とMEA３５とを交互に積層することにより燃料電池スタック１が構成される。バイポーラプレート１６の空気極４側の部分は、分離した上流側酸化剤ガス通路５０aと下流側酸化剤ガス通路５０ｂを形成する。上流側酸化剤ガス通路５０aと下流側酸化剤ガス通路５０ｂは、隣接するように平行に配置される。つまり、バイポーラプレート１６の空気極４側の中心部に水平の敷板１６ａを配置することにより、上流側酸化剤ガス通路５０aと下流側酸化剤ガス通路５０ｂは分離される。このとき、上流側酸化剤ガス通路５０aを流れる空気と、下流側酸化剤ガス通路５０ｂとを流れる空気は、互いに逆向きに流れる。また、燃料ガス供給口１１ａから供給される水素は、上流側酸化剤ガス通路５０aと下流側酸化剤ガス通路５０ｂとを流れる空気の流れに垂直に燃料極３を通って流れ、燃料ガス排出口１１ｂから排出される。
【００１１】
図２は、燃料電池スタック１と除湿-加湿システムを有する燃料電池システムを示す。ここで、簡単のため、燃料電池スタック１のうちユニットセル３０だけが示されている。燃料極３には、燃料ガス供給装置２０から燃料ガス通路４０（水素ガス通路）を介して水素を含んだ燃料ガスが供給される。空気極４には酸化剤ガスとして空気が空気供給装置１９から上流側酸化剤ガス通路５０a、下流側酸化剤ガス通路５０ｂを介して空気が供給される。上流側酸化剤ガス通路５０aは、酸化剤ガスの流れに関して下流側酸化剤ガス通路５０ｂの上流に位置する。燃料極３から空気極４へ高分子電解質膜２内をプロトンが移動することにより、燃料電池スタック１は起電力を生じる。
【００１２】
燃料電池スタック１のユニットセルは、上流側酸化剤ガス通路５０a(第一の酸化剤ガス通路)に対向する上流側空気極４ａ（第一酸素電極）と、下流側酸化剤ガス通路５０ｂ(第二の酸化剤ガス通路)に対向する下流側空気極４ｂ（第二酸素電極）を備える。空気極４は、供給する空気の流れに関して、上流側空気極４ａと下流側空気極４ｂに分離している。上流側空気極４ａと下流側空気極４ｂは、物理的には接続している。しかし、上流側空気極４ａと下流側空気極４ｂは、酸素が供給されず化学反応が起こらない空気極の部分４ｃにより機能的に分離されている。従って、上流側空気極４ａと下流側空気極４ｂは、独立の電極として機能する。
【００１３】
燃料電池スタック１は、湿潤空気流路６と乾燥空気流路７とを有する湿度調整モジュール５を備える。空気供給装置１９から供給される空気は、乾燥空気流路７へ導入され、乾燥空気流路７から排出された空気は空気供給通路７７を通って上流側酸化剤ガス通路５０aに供給される。さらに、上流側酸化剤ガス通路５０aから排出された空気は湿潤空気流路６へ空気通路８１を通って導入し、湿潤空気流路６から排出された空気は下流側酸化剤ガス通路５０ｂに空気通路８３を通って供給される。
【００１４】
さらに、燃料電池システムは、燃料システムのガス流路の流量制御弁やポンプなどの補機を制御する手段としてコントローラ１５を備える。コントローラ１５は、中央演算処理装置（CPU)、読み出し専用メモリ（ROM）、ランダムアクセスメモリ(RAM)、入出力インターフェース（I/O interface）を有するマイクロプロセッサを備える。
【００１５】
図３（Ａ）-（Ｅ）を参照して、燃料電池スタック１の構造を説明する。図３（Ａ）-（Ｅ）には、燃料電池スタック１の外観を示す。図３（Ａ）-（Ｅ）の矢印は燃料電池スタックの積層方向８０を示す。図３（Ａ）-（Ｅ）において、空気は、空気供給口１０ａから上流側酸化剤ガス通路５０aへ供給され、空気中間出口１０ｂから排出される。空気マニホールド９１ａは空気供給口１０ａと燃料電池スタック１の複数の上流側酸化剤ガス通路５０aの間に接続され、複数の上流側酸化剤ガス通路５０aに空気を分配する。同様に、空気マニホールド９１ｂは、空気中間出口１０ｂと複数の上流側酸化剤ガス通路５０aの間に接続され、複数の上流側酸化剤ガス通路５０aから空気を集める。その後、後述する湿度調整モジュール５を通過した後、空気は空気中間入口１０ｃから下流側酸化剤ガス通路５０ｂに導入される。空気中の酸素は、上流側酸化剤ガス通路５０aから上流側空気極４ａ内へ、下流側酸化剤ガス通路５０ｂから下流側空気極４ｂ内へ拡散する。下流側空気極４ｂを通過した後、空気は空気排出口１０ｄから排出される。空気マニホールド９１ｃは空気中間入口１０ｃと燃料電池スタック１の複数の下流側酸化剤ガス通路５０ｂの間に接続され、複数の下流側酸化剤ガス通路５０ｂに空気を分配する。同様に、空気マニホールド９１ｄは、空気排出口１０ｄと燃料電池スタック１の複数の下流側酸化剤ガス通路５０ｂとの間に接続され、複数の下流側酸化剤ガス通路５０ｂから空気を集める。
【００１６】
一方、燃料極３へは、燃料ガス供給口１１ａから燃料ガスが導入され、燃料ガスは、その中の水素が発電反応に用いられた後、燃料ガス排出口１１ｂから排出される。燃料ガスマニホールド９５ａは、燃料ガス供給口１１ａと燃料電池スタック１の複数の燃料ガス通路４０との間に接続され、燃料ガスを複数の燃料ガス通路４０に分配する。同様に、燃料ガスマニホールド９５ｂは、燃料ガス排出口１１ｂと複数の燃料ガス通路４０との間に接続され、燃料ガスを複数の燃料ガス通路４０から集める。このとき、空気極４内の空気の流通方向に対して、燃料極３内での燃料ガスの流通方向は垂直である。
【００１７】
ここで、発電時には、プロトンがプロトン水和物に変換されることで電解質膜２内を移動可能となる。そのため、高分子電解質膜２は常に加湿されている必要がある。燃料極３や空気極４に供給される燃料ガスおよび空気の少なくとも一方を加湿する方法が知られている。一方、燃料電池スタック１の空気極４では、反応（１/2O2+2H++2e---->H2O）に伴って、酸素が１ｍｏｌ消費される毎に水が２ｍｏｌ生成される。湿度調整モジュール５は、空気極４の生成水を用いて、燃料電池スタック１に導入される前に空気極４へ供給する空気を加湿する。
【００１８】
図４に湿度調整モジュール５の概略図を示す。湿度調整モジュール５において、複数の湿潤空気流路６と乾燥空気流路７とが平行に、かつ交互に形成されている。水を選択的に透過させるための水選択透過膜８が、湿潤空気流路６と乾燥空気流路７間に配置され、湿潤空気流路６と乾燥空気流路７を分離する。乾燥空気流路７には、発電に用いる空気、つまり空気極４へ供給する前の空気を流通させる。湿潤空気流路６には、上流側酸化剤ガス通路５０ａから空気中間出口１０ｂを介して排出される空気を流通させる。水選択透過膜８と湿潤空気流路６は、上流側酸化剤ガス通路５０ａを通過した空気を除湿する除湿器を構成する。一方、水選択透過膜８と乾燥空気流路７は、上流側酸化剤ガス通路５０ａに供給される空気を加湿する加湿器を構成する。このとき、湿潤空気流路６内の空気と乾燥空気流路７内の空気との流れ方向が互いに逆になるように各空気の入口を配置する。
【００１９】
図５（Ａ）-（Ｅ）を参照して、燃料電池スタック１と湿度調整モジュール５との組立体６０について述べる。図５（Ａ）-（Ｅ）の矢印は燃料電池スタックの積層方向８０を示す。組立体６０において、乾燥空気流路７の入口側７ａと空気供給装置１９とが、パイプにより接続される。同様に乾燥空気流路７の出口７ｂと上流側空気極４ａへの空気供給口１０ａとが、空気供給通路７７として使用されるパイプにより接続される。また、上流側空気極４ａへの空気中間出口１０ｂと湿潤空気流路６の入口６ａが空気通路８１として使用されるパイプにより接続され、湿潤空気流路６の出口６ｂと空気中間入口１０ｃとが空気通路８３として使用されるパイプにより接続される。
【００２０】
図６（Ａ）を参照すると、空気は、乾燥空気流路７、上流側空気極４ａに対向する上流側酸化剤ガス通路５０ａ、湿潤空気流路６、下流側空気極４ｂに対向する下流側酸化剤ガス通路５０ｂを順に通過する。空気は略水平方向に上流側空気極４ａと下流側空気極４ｂを流れる。図６（Ｂ）を参照すると、燃料電池スタック１において、燃料ガスは、空気の流れに対して垂直に、かつ略鉛直方向下向きに流れる。略鉛直方向下向きの燃料ガスの流れは、重力の作用も手伝って、燃料極３上の水を、燃料ガス排出通路７１から延びる水排出通路７３に好適に運ぶ。（空気極４ａ、４ｂから燃料極３への水の浸透のため通常燃料極３上に水が存在している。）もし、燃料ガスが鉛直方向上向きに流れるなら、ドレインバルブ７５上の水水排出通路７３に溜まった水を吹飛ばすことになる。さらに、上流側酸化剤ガス通路５０ａは、燃料ガスの流れに関して下流側で、かつ下流側酸化剤ガス通路５０ｂの下に位置する。逆に、下流側酸化剤ガス通路５０ｂは、燃料ガスの流れに関して上流側で、かつ上流側酸化剤ガス通路５０ａの上に位置する。この配置は、燃料極３の下流と下流空気極４ｂで発電が起きにくいことを補償することにより、ＭＥＡ３５上での均等な発電を促進する。燃料ガスを用いる発電は、燃料極３上を流れる間燃料ガスが消費されるため、燃料ガス流の下流側で相対的に困難になる。酸素を用いる発電は、上流空気極４ａ上より下流空気極４ｂ上で酸素量が少ないので、相対的に下流空気極４ｂで困難になる。
【００２１】
図６（Ｃ）を参照すると、冷却水は、燃料ガスの流れと逆方向に流れる。図６（Ｄ）を参照すると、電流は、燃料電池スタック１の積層方向に流れる。燃料電池スタック１の両端に設けられる正極１７および負極１８に電気回路を接続して、燃料電池スタック１から電力が取り出される。
【００２２】
湿潤空気流路６に供給される空気中には、湿度調整モジュール５における空気の加湿により供給された水分と、上流側空気極４ａで生成された水分とが含まれている。湿潤空気流路６を流れる空気中の水分の一部を、水選択透過膜８を介して乾燥空気流路７側に移動させることにより、乾燥空気流路７を流れる空気を加湿することができる。
【００２３】
図７を参照して、第１実施形態による燃料電池スタック１の空気極４に沿った空気中の水蒸気および酸素量の空間変化を説明する。比較のために、図８に従来の燃料電池システムにおける空気極４に沿った空気中の水蒸気および酸素量の空間変化を示す。従来の燃料電池システムにおいて、空気極４は分割されず、さらに燃料電池スタック１を通過する途中で空気の除湿はされない。従来の燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック１を完全に通過した後の空気に含まれる水分が除去され、この水分が加湿に用いられる。
【００２４】
図８（Ａ）-（Ｅ）を参照して、従来技術について説明する。図８（Ａ）のように、空気の流れに従って水分含有量（水蒸気量）が大きくなる。これに比べて空気中の酸素は発電反応に伴って消費されるので、図８（Ｂ）に示すように、酸素量は空気の流れに沿って低下する。図８（Ｃ）のように、水蒸気モル分率（水蒸気分圧）は下流側で大きくなる。一方、図８（Ｄ）のように、酸素モル分率（酸素分圧）は下流側で小さくなる。こうして、空気極４の下流側では酸素を用いた発電反応が生じにくくなる。
【００２５】
これに対して、第一実施形態において、空気極４は上流側空気極４ａと下流側空気極４ｂに分割され、上流側空気極４ａに空気を供給する上流側酸化剤ガス通路５０aと上流側空気極４ｂに空気を供給する下流側酸化剤ガス通路５０ｂとの間で、湿度調整モジュール５が空気の除湿を行う。図７（Ａ）と（Ｃ）を参照すると、空気中の水分含有量（水蒸気量）は、上流側空気極４ａと下流側空気極４ｂとの境で、除水量分（つまり、湿潤空気流路６から乾燥空気流路７に移動する水分量）だけ、低減される。また、図７（Ｂ）を参照すると、空気中の酸素量は図８（Ｂ）と同様に、空気が空気排出口１０ｄに近づくとともに、減少する。
【００２６】
空気中の水蒸気のモル分率は、図７（Ｃ）のように、上流側空気極４ａと下流側空気極４ｂとの間で減少する。この減少の後、再び空気が空気排出口１０ｄに近づくに従って、空気中の水蒸気のモル分率増加する。空気極４出口付近において、図８（Ｃ）と比べて空気中の水蒸気のモル分率は小さくなる。下流側空気極４ｂの出口付近では、空気には発電に伴って生成された水分のみが含まれている。
【００２７】
一方、図７（Ｄ）を参照すると、空気中の酸素モル分率は、含有される水蒸気量が減少するに伴って増加する。つまり、上流側空気極４ａと下流側空気極４ａとの間で増加してから再び減少するが、空気極４出口付近では、図８（Ｄ）に比較すると空気中の酸素モル分率は大きな値となる。
【００２８】
図７（Ａ）に示すように、加湿量として加えた分の水分が、湿潤空気流路６から乾燥空気流路７に移動して再利用される。これにより、乾燥空気流路７から排出された空気は、再利用された水分により加湿されるので、上流側空気極４ａにおいて効率のよい発電を行うことができる。
【００２９】
次に、本実施形態による効果を説明する。空気極４を少なくとも二つに分割して構成し、上流側空気極４ａと下流側空気極４ｂへ空気を供給する。この際に、上流側空気極４ａから排出される空気中に含まれる水分の一部を取り除いてから下流側空気極４ｂへ空気を供給する。これにより、空気極４の空気排出口１０ｄ付近における酸素分圧が低下するのを抑制することができ、発電効率を向上することができる。空気極４の空気排出口１０ｄ付近での過剰な凝縮水の生成によるフラッディング（溢水）を抑制することができる。
【００３０】
発電反応を促進するために空気から取り除いた水分の一部を上流側空気極４ａに供給する空気に含ませることができる。これにより、水の利用効率を向上することができる。
【００３１】
燃料電池システムは、湿潤空気流路６から乾燥空気流路７へ水分を移動させることのできる湿度調整モジュール５を備える。空気極４に供給される予定の空気は、乾燥空気流路７を通った後、上流側空気極４ａに供給される。上流側空気極４ａから排出された空気は湿潤空気流路６を通ってから下流側空気極４ｂに供給される。これにより、上流側空気極４ａに供給される空気へ、上流側空気極４ａから排出された空気中の水分を供給することができる。
【００３２】
このとき、空気供給装置１９から導入される空気の流量が一定の場合には、上流側空気極４ａの上流で加湿のため供給される水量が、上流側空気極４ａから排出された空気から取り除かれる。下流側空気極４ｂの空気に含まれる水蒸気量を抑制することができるので、下流側空気極４ｂで生じ易いフラッディングを抑制することができる。
【００３３】
次に、図９を参照して、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態による燃料電池スタック１および加湿システムの構成を図９に示す。簡単のため、燃料電池スタック１のうちユニットセル３０だけが示されている。
【００３４】
第２の実施形態において、乾燥空気流路７の出口７ｂと湿潤空気流路６の出口６ｂの間に空気圧力を調整するための圧力調整弁１２が配置される。好ましくは、乾燥空気流路７の出口７ｂと上流側空気極４ａの空気供給口１０ａを連結する空気供給通路７７において、空気圧力を調整するための圧力調整弁１２が配置される。乾燥空気流路７の出口７ｂの下流で空気中間出口１０ｂの上流で圧力調整弁１２が配置されてもよい。燃料電池スタック１および湿度調整モジュール５は、第１の実施形態に用いたものと同様である。コントローラ１５は、燃料電池スタック１に要求される電力に応じて、圧力調整弁１２の開度を制御する。
【００３５】
次に、図１０のフローチャートを参照して、コントローラ１５が実行する圧力調整弁１２の制御ルーチンを説明する。
【００３６】
ステップＳ１において、燃料電池スタック１に要求される電力が読み込まれる。例えば燃料電池システムを車両の駆動源として利用する場合には、車両のアクセルペダルは要求電力を検出するセンサ４１として機能し、要求電力は車両のアクセルペダルの踏み込み量に相当する。ステップＳ２において、ステップＳ１で求めた要求電力に応じて圧力調整弁１２の開度が設定される。開度の設定において、予め実験的に求めてコントローラ１５のＲＯＭに格納された図１１に示すようなマップが参照される。
【００３７】
図１１のマップは、要求電力と圧力調整弁１２の開度との関係を示す。低電力時には下流側空気極４ｂの生成水量も少なく、上流側上流側空気極４ａに供給される予定の空気の必要加湿量も少ない。このため、低電力時に、圧力調整弁１２の開度を小さくすることにより、湿度調整モジュール５での加湿量が減らされる。圧力調整弁１２を絞ることにより、空気極４さらに湿潤空気流路６の圧力を減少し、この結果、湿潤空気流路６から乾燥空気流路７へ移行する水分量が減少する。これに対して、高電力時には、下流側空気極４ｂでの生成水量が多く、また上流側上流側空気極４ａでの加湿量も多く必要である。このため、高電力時には、圧力調整弁１２の開度を低電力時よりも大きくすることにより、湿度調整モジュール５において湿潤空気流路６から乾燥空気流路７へ移行する水量を増加する。
【００３８】
ステップＳ３において、ステップＳ２で設定したように圧力調整弁１２の開度を実現するように圧力調整弁１２が制御される。上記の制御ルーチンは、所定時間ごとに繰り返して実行されても良いし、要求電力が変化した時に実行されても良い。
【００３９】
次に、本実施形態の効果を説明する。ここでは、第１の実施形態に加えて以下のような効果を得ることができる。
【００４０】
乾燥空気流路７の出口７ｂと湿潤空気流路６の入口６ａとの間、ここでは、乾燥空気流路７の出口７ｂと上流側空気極４ａの入口１０ａとの間の空気通路に圧力調整弁１２が設けられる。圧力調整弁１２を調整することにより、乾燥空気流路７と湿潤空気流路６の圧力が調整される。こうして、湿度調整モジュール５での水の移動量（再利用する水の量）が調整される。
【００４１】
次に、図１２を参照して、第３の実施形態について説明する。第３の実施形態の湿度調整モジュール５において、第一実施形態の乾燥空気流路７の代わりに乾燥燃料ガス流路３７が設けられる。燃料ガスが、燃料ガス供給装置２０から、乾燥燃料ガス流路３７に導入され、燃料ガスは湿潤空気流路６から乾燥燃料ガス流路３７へ移動した水分により加湿される。その後、加湿された燃料ガスが燃料ガス通路４０の燃料ガス供給口１１ａに供給される。こうして、上流側酸化剤ガス通路５０aから排出された空気から取り除かれた水分の一部が、水選択透過膜８を通って、乾燥燃料ガス流路３７に供給される。一方、上流側酸化剤ガス通路５０aには、空気供給装置１９から直接的に空気が供給される。他の構成は、第一実施形態と同じである。
【００４２】
次に、図１３を参照して、第４の実施形態について説明する。簡単のため、燃料電池スタック１のうちユニットセル３０だけが示されている。第４の実施形態において、上流側空気極４ａ（第一酸素電極）と下流側空気極４ｂ（第二酸素電極）は、物理的に分離されている。上流側空気極４ａと下流側空気極４ｂは独立の電極として機能する。上流側空気極４ａには、上流側酸化剤ガス通路５０aから酸素が供給され、下流側空気極４ｂには、下流側酸化剤ガス通路５０ｂから酸素が供給される。他の構成は、第一実施形態と同様である。
【００４３】
次に、図１４を参照して、第５の実施形態による燃料電池スタック１および加湿システムの構成とを示す。簡単のため、燃料電池スタック１のうちユニットセル３０だけが示されている。高分子電解質膜２は、第一部分２ａと第二部分２ｂに物理的に分離され、燃料極３も第一部分３ａと第二部分３ｂに物理的に分離されている。
【００４４】
ここでは、上流側空気極４ａから取り出す電力(上流側電力)を調整する電力調整素子１３と、下流側空気極４ｂから取り出す電力(下流側電力)を調整する電力調整素子１４とを設ける。電力調整素子１３、１４は、それぞれ絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)などのトランジスタである。上流側空気極４ａは、第一の電力調整素子１３に電気的に接続され、下流側空気極４ｂは、第二の電力調整素子１４に電気的に接続される。
電力調整素子１３、１４は、正極１７に電気的に接続され、第一部分３ａと第二部分３ｂは、直接負極１８に電気的に接続される。これにより、コントローラ１５は、電力調整素子１３、１４のゲートへ送るＰＷＭ信号を調整することにより、上流側電力と下流側電力をそれぞれ独立して制御する。例えば、コントローラ１５は、下流側電力を上流側電力に比べて小さく制御することにより、下流側の生成水量を減少させることで、下流側において生じ易いフラッディングを抑制することができる。
【００４５】
このように、燃料電池スタック１のうち上流側空気極４ａと、下流側空気極４ｂとを、それぞれ個別の電力調整素子１３、１４を介した後で電気的に結合する。これにより、上流側と下流側の燃料電池の電力を独立して制御することができ、下流側空気極４ｂの生成水量の調整が可能となる。
【００４６】
図１５-１７を参照して、第六実施形態による燃料電池スタックと湿度調整モジュールの組立て体６０について説明する。第六実施形態は、湿度調整モジュールが、直接的に積層方向に平行な燃料電池スタック１の側面に結合し図１５-１７に示す空気マニホールド９１ｂ、９１ｃと一体化される点で、第一実施形態から違っている。本実施形態において、湿度調整モジュール１０５は、その湿潤空気流路からその乾燥空気流路へ水を移動させるとともに、さらに、複数の上流側酸化剤ガス通路５０ａから空気を集め、複数の下流側酸化剤ガス通路５０ｂに空気を分配するマニホールドとして機能する。空気通路８１、８３として使用されるパイプは削除され、コスト削減と組立て体６０の強度の向上につながる。
【００４７】
図１５（Ａ）-（Ｃ）を参照すると、湿度調整モジュール１０５は、それぞれがその中空に乾燥空気流路を構成する複数の中空糸膜１０８と、内部に湿潤空気流路を構成するハウジング１１０を備えている。中空糸膜１０８はハウジング１１０内に配置され、湿潤空気流路はハウジング１１０と中空糸膜１０８間及び中空糸膜１０８どうしの間に形成される空間に相当する。第一実施形態と違って、空間１２０の湿潤空気流路は、直接的に上流及び下流側酸化剤ガス通路５０ａ、５０ｂと結合する。上流側酸化剤ガス通路５０ａから排出される空気は、直接的に空間１２０に導入され、中空糸膜１０８を通しての空間１２０である湿潤空気流路から中空糸膜１０８の内部の乾燥空気流路への水の選択的透過により、除湿される。その後、除湿された空気は、空間１２０の湿潤空気流路から下流側酸化剤ガス流路５０ｂへ排出される。湿度調整モジュール１０５は、空気の流れの方向を上流側酸化剤ガス通路５０ａから下流側酸化剤ガス流路５０ｂへと転換する。なお、明確化のため、図１６（Ａ）と１７（Ａ）に、燃料電池スタック１と湿度調整モジュール１０５からなる組立て体６０の分解斜視図を示す。
【００４８】
図１５（Ａ）に示すように、中空糸膜１０８は、略一定の密度で、均等に配置されてよいが、この場合、空気は空間１２０の湿潤空気流路内で燃料電池スタック１近くを主に流れるので、燃料電池スタック１から遠方側に配置される中空糸膜１０８は、除湿装置または加湿装置としてさほど利用されない。従って、もし、湿度調整モジュール１０５のサイズが図１５（Ａ）より大きくなることが許されるなら、図１５（Ｂ）と図１６（Ｂ）に示すように、中空糸膜１０８は、ハウジング１１０内で、密度が燃料電池スタック１から遠ざかるにつれて減少するように不均一に配置されてもよい。この場合、遠方側で中空糸膜１０８間のすきまが拡大されるので、空気は燃料電池スタック１から離れた側にも充分に流れる。
【００４９】
さらに、図１５（Ｃ）に示すように、第一実施形態においてパイプとして示された空気供給通路７７は、燃料ガス排出通路７１と燃料ガス通路４０の間に配置される燃料ガスマニホールド９５ｂの内部を通過する。そして、空気供給通路７７の一部は、燃料ガスマニホールド９５ｂと燃料電池スタック１の本体と一体化される。燃料ガスマニホールド９５ｂの詳細な構造が、図１７（Ａ）-（Ｂ）に示されている。こうして、さらに、組立て体６０の構造的な強度が、第一実施形態から増加することになる。
【００５０】
上記の教示に基づき、上記の実施形態の変更または修正は当業者によって為されるであろう。
【００５１】
上記実施形態において、空気極４を二つに分割したが、この限りではなく、より多くの個数の部分に分割することもできる。また、空気極４を等分割したが、この限りではない。湿度調整モジュール５の代わりに、単に除湿器が設けられても良い。この場合、上流側空気極４ａから排出された空気中の水分は、除湿器で除湿された後、水タンクに回収される。燃料ガス通路４０、上流側酸化剤ガス通路５０a、下流側酸化剤ガス通路５０ｂは、それぞれ複数の通路の集まりを意味してよい。つまり、燃料ガス通路４０、上流側酸化剤ガス通路５０a、下流側酸化剤ガス通路５０ｂは、図１６（Ａ）と図１７（Ａ）に示すように、互いに平行に延びる複数のより幅の狭い通路に分割されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】第１の実施形態による燃料電池スタックの分解斜視図である。
【図２】第１の実施形態による燃料電池スタックと湿度調整モジュールを有する燃料電池システムの概略構成図である。
【図３】第１の実施形態による燃料電池スタックを示す。（Ａ）は上面図、（Ｂ）は左側面図、（Ｃ）は正面図、（Ｄ）は右側面図、（Ｅ）は下面図である。矢印は、燃料電池スタックの積層方向を示す。
【図４】第１の実施形態による湿度調整モジュールの部分断面切欠図である。
【図５】第１の実施形態による燃料電池スタックと湿度調整モジュールの組立体（アセンブリ)を示す。（Ａ）は上面図、（Ｂ）は左側面図、（Ｃ）は正面図、（Ｄ）は右側面図、（Ｅ）は下面図、である。矢印は、燃料電池スタックの積層方向を示す。
【図６】（Ａ）は空気の流れを示す積層方向に垂直な断面図である。（Ｂ）は燃料ガスの流れを示す積層方向に垂直な断面図である。（Ｃ）は冷却水の流れを示す積層方向の断面図である。（Ｄ）は電流の流れを示す積層方向の断面図である。
【図７】第１の実施形態による、空気中の水蒸気（Ａ）、酸素量（Ｂ）、水蒸気モル分率（Ｃ）、酸素モル分率（Ｄ）の空気の流れに沿った空間変化を示すグラフである。
【図８】それぞれ、従来技術による、空気中の水蒸気（Ａ）、酸素量（Ｂ）、水蒸気モル分率（Ｃ）、酸素モル分率（Ｄ）の空気の流れに沿った空間変化を示すグラフである。
【図９】第２の実施形態による燃料電池スタックと湿度調整モジュールを有する燃料電池システムの概略構成図である。
【図１０】第２の実施形態によるコントローラが実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１１】第２の実施形態に用いる要求電力と圧力調整弁の開度のマップである。
【図１２】第３の実施形態による燃料電池スタックと湿度調整モジュールを有する燃料電池システムの概略構成図である。
【図１３】第４の実施形態による燃料電池スタックと湿度調整モジュールを有する燃料電池システムの概略構成図である。
【図１４】第５の実施形態による燃料電池スタックと湿度調整モジュールを有する燃料電池システムの概略構成図である。
【図１５】第６の実施形態による湿度調整モジュールと燃料電池スタックの組立て体の概略断面図である。（Ａ）は、中空糸膜が均等に配置された湿度調整モジュールを示す。（Ｂ）は、中空糸膜が不均等に配置された湿度調整モジュールを示す。（Ｃ）は、空気供給通路と燃料ガスマニホールドが一体化された組立て体を示す。
【図１６】（Ａ）は、図１５の（Ｂ）に示された組立て体の分解斜視図である。（Ｂ）は、（Ａ）の16B−16Bに沿う断面図である。
【図１７】（Ａ）は、図１５の（Ｃ）に示された組立て体の分解斜視図である。（Ｂ）は、（Ａ）の１７B−１７Bに沿う断面図である。
【図１】
2005537623.tif 000003
【図２】
2005537623.tif 000004
【図３】
2005537623.tif 000005
【図４】
2005537623.tif 000006
【図５】
2005537623.tif 000007
【図６】
2005537623.tif 000008
【図７】
2005537623.tif 000009
【図８】
2005537623.tif 000010
【図９】
2005537623.tif 000011
【図１０】
2005537623.tif 000012
【図１１】
2005537623.tif 000013
【図１２】
2005537623.tif 000014
【図１３】
2005537623.tif 000015
【図１４】
2005537623.tif 000016
【図１５】
2005537623.tif 000017
【図１６】
2005537623.tif 000018
【図１７】
2005537623.tif 000019
【国際調査報告】
2005537623.tif 000020
2005537623.tif 000021