(57)【要約】【課題】本発明は、固体高分子質型燃料電池の加湿装置に関するものであり、固体高分子電解質膜を加湿する構成を簡単とし、全体の電気変換エネルギー効率を高めるとともに、運転範囲の拡大と耐久信頼性の向上と、かつフラッディングを防止する。【解決手段】複数の固体高分子電解質膜１１ａ、１１ｂを設け、この固体高分子電解質膜１１ａ、１１ｂの間１７に水を供給する手段１９を構成したことにより、固体高分子電解質膜を加湿する構成を簡単とし、かつフラッディングを防止し、加湿量を広範囲に制御して運転範囲の拡大と反応量を均一化させて耐久信頼性の向上と電気変換エネルギー効率を高めた。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の固体高分子電解質膜を挟持する一対のガス拡散電極と、前記ガス拡散電極の各々の面に燃料ガスと酸化ガスをそれぞれの入口マニホールドから出口マニホールドに導く流路溝を形成したセパレータより構成し、前記固体高分子電解質膜の間に水を供給する手段を構成した固体高分子型燃料電池の加湿装置。
【請求項２】
複数の固体高分子電解質膜の少なくとも一部は密接して構成した請求項１記載の固体高分子型燃料電池の加湿装置。
【請求項３】
複数の固体高分子電解質膜の少なくとも一部に間隙を設けるスペーサを介して間隙を設けた請求項１又は２記載の固体高分子型燃料電池の加湿装置。
【請求項４】
スペーサを固体高分子電解質膜で構成した請求項３記載の固体高分子型燃料電池の加湿装置。
【請求項５】
複数の固体高分子電解質膜に蛇行した間隙を構成した請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池の加湿装置。
【請求項６】
セパレータの流路溝により複数の固体高分子電解質膜に蛇行した間隙を構成した請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池の加湿装置。
【請求項７】
水を供給する手段に加圧機能を付加した請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池の加湿装置。
【請求項８】
水の入口と出口を設けて構成した請求項１〜７のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池の加湿装置。
【請求項９】
燃料電池の温度に応じて、水の流量を増減した請求項１〜８のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池の加湿装置。
【請求項１０】
複数の固体高分子電解質膜をあらかじめ一体構成とした請求項１記載の固体高分子型燃料電池の加湿装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質型燃料電池の加湿装置に関し、固体高分子電解質膜に対して、燃料や酸化剤による加湿を不要とし信頼性の向上と、その発電効率の向上を図る固体高分子型燃料電池の加湿装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の燃料電池は、イオン導電性が付与された固体高分子電解質膜の両面に触媒を担持したガス拡散電極を両面に重ね合わせて発電セルを構成している。そして、この発電セルは複数個を接続して所定の電圧を得る。このため、発電セル間にセパレータを介在させ発電セルを積層してスタック化する。そして、セパレータの両側にそれぞれ燃料ガス及び酸化ガスを供給してそれぞれのガス拡散電極に燃料ガス及び酸化ガスを供給すると、固体高分子膜でのイオン導電と各ガス拡散電極の化学反応が進行して一対のガス拡散電極間に電圧が発生し、集電電極の機能を持つ両端側の一対のセパレータを介して外部回路に給電する。
【０００３】
その固体高分子電解質としては具体的にはイオン交換樹脂等の膜が使用され、この固体高分子電解質膜を挟んで負極（アノ−ド）及び正極（カソ−ド）の両電極を配置し、負極側に例えば水素ガス等の燃料を、また正極側には酸素又は空気を供給して、電気化学反応を起こし電気を発生させるものである。固体高分子型燃料電池用の上記固体高分子電解質膜としては、部分的にスルフォン化したポリスチレン膜等用いられるが、これら固体高分子電解質膜は、その電解質としての機能を発揮し、また電気抵抗を少なくして、電気化学反応をするためには、その固体高分子電解質膜に常に水分が十分供給することが重要である。
【０００４】
従来、この水分の維持、供給は燃料として負極側に供給する水素ガスを加湿し、また正極側に供給する酸素又は空気を加湿することにより行われており、しかもこの加湿は、充分量の蒸留水を通常温度７０〜９０℃に加熱して行われている。そのため、燃料電池の水素ガスと酸素又は空気のそれぞれにバブリング形式等の加熱装置が付属した加湿器を取り付け、加湿器の中には蒸留水等の純水が収容されている。水素と酸素又は空気は、これら加湿器に送られて加湿、加温された後、燃料電池へ送られ、この加湿によってその中に設置された固体高分子電解質膜へ水分を供給する。
【０００５】
しかし、固体高分子電解質膜に対する加湿を水素ガス等の燃料、また酸素や空気等の酸化剤への加湿により行う場合、これら燃料や酸化剤への加湿手段を別途設ける必要があり、しかもその際７０〜９０℃という高温に加熱をする必要もあることから、エネルギ−効率上、問題であり、このため燃料電池システム全体としての効率向上も限度があった。
【０００６】
また、加湿した燃料ガスや酸化剤ガスは、発電に使われて体積が減少し、さらに、発電反応で水分が発生する為、途中で水分が結露し上記ガスの流れを妨げ、ついには発電が停止するフラッディング現象を生じ運転に支障をすることがあった。
【０００７】
そこで、固体高分子型燃料電池の冷却に用いる水の一部を電解質膜に直接供給することにより電解質を加湿する構成が記載されている。図４は、この従来の固体高分子電解質型燃料電池の概略図である。１はセパレ−タ、２はパッキン、３は固体高分子電解質膜であり、また４はその膜面上に設置された電極である。セパレ−タ１には、水素ガス等の燃料ガス供給口５、同排出口６、冷却水供給口７、同排出口８が設けられている。パッキン２はその周縁帯状部に冷却水を固体高分子電解質膜に供給するための所要数の孔が設けられ、この帯状部の孔にセパレ−タ１の下部周縁部に設けられた水供給用の溝又は孔が当接、配置される。
【０００８】
そして、冷却水供給口７からの冷却水は、この供給口７と連結した溝から閉通路溝へ流通しながら電池を間接的に冷却するとともに、その水の一部は、同じく溝から開口を通してパッキン２の孔へ入り、これら孔から固体高分子電解質膜３の面へ直かに供給される。この供給水が固体高分子電解質膜３に浸透し、電池作動中、この固体高分子電解質膜３を常時湿潤状態に保つことができるものである（例えば、特許文献１参照。）。
【０００９】
また、固体高分子型燃料電池に水分を含ませることで、イオン電導性を高めるとともに、反応ガスの水蒸気の煩わしい調節を不要とする構成が記載されている。これは、固体高分子電解質膜の内部に水を供給するための細い通路を設け、ポンプによってこの通路から水を供給することにより、強制的にも加湿量および加湿速度が変えられるものである（例えば、特許文献２参照。）。
【００１０】
【特許文献１】
特許第３２５８３９０号公報
【特許文献２】
特開平６−１９６１８２号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
固体高分子型燃料電池においてはこの固体高分子電解質膜への水分の供給は必修条件である。これを従来のように水素ガス等の燃料ガスや酸素又は空気等の酸化剤ガスへの加湿により行うことは、加湿手段を別途設ける必要からエネルギ−効率が悪く、また、それぞれのガスにより外側から固体高分子電解質膜を加湿するため、前記ガスは、飽和に近い水蒸気圧に設定する必要があり、水分が結露し上記ガスの流れを妨げフラッディング現象を生じ運転に支障をすることがあった。
【００１２】
しかしながら、特許文献１の従来例では、固体高分子型燃料電池の冷却に用いる水の一部を固体高分子電解質膜に直接供給することにより固体高分子電解質膜を加湿する構成は、冷却水供給口７からの冷却水の一部は、溝から開口を通してパッキン２の孔へ入り、これら孔から固体高分子電解質膜３の面へ直かに供給され、固体高分子電解質膜３に浸透し、電池作動中、この固体高分子電解質膜３を常時湿潤状態に保つことができることが示されている。しかし、冷却水を流すため、冷却水の通路と水素ガス等の燃料ガスや酸素又は空気等の酸化剤ガスが必ず連通する構成となる。そのため、冷却熱量に合わせて冷却水流量を変化させると固体高分子電解質膜３への加湿量も変化するため、最適に加湿する事が困難である。特に発電量が多い時、冷却水量を著しく増加すると加湿量が多くなり固体高分子電解質膜３表面に水分が溜り、ついにはフラッディング現象で運転を阻害され、運転範囲に制限があった。
【００１３】
また、特許文献２の従来例では、固体高分子電解質膜の内部に水を供給するための細い通路を設け、ポンプによってこの通路から水を供給することは、加湿量および加湿速度が変えられるが、固体高分子電解質膜の内部に水を供給するための細い通路を構成したため、固体高分子電解質膜の膜厚さが場所により異なり、電池反応に分布を生じた。すなわち、固体高分子電解質膜は、水素イオンを選択的に通過させ発電の反応を行うが、前記膜が薄ければ薄いほどこの特性が顕著であるが、あまり薄くすると水素ガスも通過し、カソード側で酸素と反応し燃焼する。そのため、現在は２０〜５０μｍ程度としている。これから、水素の通過を阻止して水を供給するための細い通路を構成すると前記膜の厚さが大きくなり、十分な発電効率が得られなく、電池全体が大きくなる。また、細い通路のある所の膜厚は薄く、細い通路の無い所の膜厚は厚くなるため、発電反応に偏在した分布ができるため、固体高分子電解質膜の両面に重ね合わせたガス拡散電極に担持した触媒が劣化し耐久信頼性に課題を有していた。
【００１４】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、複数の固体高分子電解質膜を設け、この固体高分子電解質膜の間に水を供給する手段を構成したことにより、固体高分子電解質膜を加湿する構成を簡単とし、加湿時における加熱を必要とせず、全体の電気変換エネルギー効率を高め、加えて加湿量を広範囲に制御して運転範囲の拡大と全体としての反応量を均一化させて耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高め、かつフラッディングを防止して信頼性を高めた燃料電池の加湿装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池の加湿装置は、複数の固体高分子電解質膜を挟持する一対のガス拡散電極と、前記ガス拡散電極の各々の面に燃料ガスと酸化ガスをそれぞれの入口マニホールドから出口マニホールドに導く流路溝を形成したセパレータより構成し、前記固体高分子電解質膜の間に水を供給する手段を構成している。
【００１６】
これによって、複数の固体高分子電解質膜の間に水を供給する手段により常に固体高分子電解質膜を加湿でき、固体高分子電解質膜を加湿する構成が簡単となり、かつ加湿時における加熱を必要とせず、全体の電気変換エネルギー効率を高めることが可能となる。また、水を供給する手段によって固体高分子電解質膜の間から常に水を固体高分子電解質膜の全域に供給できるため、この加湿量を広範囲に制御して常に十分な湿潤を保ち固体高分子電解質膜のイオン選択性能を維持し運転範囲を拡大し使用性が向上する。
【００１７】
また、固体高分子電解質膜は膜厚を薄く均一化しながら全域に水を供給できるため全体として反応量を均一化させて耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高め、かつ、フラッディングを防止して、運転中にガスが流れなくなって電流密度の極度の偏在による固体高分子電解質膜の破損を防止でき信頼性を高めることが可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
請求項１記載の発明は、複数の固体高分子電解質膜を挟持する一対のガス拡散電極と、前記ガス拡散電極の各々の面に燃料ガスと酸化ガスをそれぞれの入口マニホールドから出口マニホールドに導く流路溝を形成したセパレータより構成し、前記固体高分子電解質膜の間に水を供給する手段を構成してある。
【００１９】
これによって、複数の固体高分子電解質膜の間に水を供給する手段により常に電解質膜を加湿でき、固体高分子電解質膜を加湿する構成が簡単となり、かつ加湿時における加熱を必要とせず、全体の電気変換エネルギー効率を高めることが可能となる。また、水を供給する手段によって固体高分子電解質膜の間から常に水を固体高分子電解質膜の全域に供給できるため、この加湿量を広範囲に制御して常に十分な湿潤を保ち固体高分子電解質膜のイオン選択性能を維持し運転範囲を拡大し使用性が向上する。
【００２０】
また、固体高分子電解質膜は膜厚を薄く均一化しながら全域に水を供給できるため全体として反応量を均一化させて耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高め、かつ、フラッディングを防止して、運転中にガスが流れなくなって電流密度の極度の偏在による固体高分子電解質膜の破損を防止でき信頼性を高めることが可能となる。
【００２１】
また、従来は、水素ガス等の燃料ガスや酸素又は空気等の酸化剤ガスへの加湿により外側から固体高分子電解質膜を加湿するため、飽和に近い水蒸気圧に設定する必要があり、水分が結露し上記ガスの流れを妨げフラッディング現象を生じ運転に支障をすることがあった。そのため、このフラッディングを防止するために高流速で水を吹き飛ばす設定となっていたが、流速を小さく設定して全体の損失抵抗を小さくすることが可能となるため、送風機の動力も小さくて済み、補機の動力が低減できシステム全体の効率が向上できる。
【００２２】
請求項２記載の発明は、特に請求項１に記載の固体高分子型燃料電池の加湿装置を複数の固体高分子電解質膜の少なくとも一部は密接して構成したことにより、この電解質膜の密接した部分は水素イオンの移動をさらに容易になり、電流密度を大きくしても高発電効率を保つことが出来る。
【００２３】
すなわち、アノード側の固体高分子電解質膜近くで発生した水素イオンはこの膜を通り膜間の空間の水を通過して反対側の固体高分子電解質膜を通りカソード側へと流れる。水素イオンは膜間の水より電解質膜の中の方がより通過しやすい。そこで、複数の固体高分子電解質膜の少なくとも一部は密接して構成したことにより、水素イオンの移動をさらに容易にして、電流密度を大きくしても高発電効率を保つことができ、燃料電池をコンパクト化できる。
【００２４】
請求項３記載の発明は、特に請求項１又は２に記載のの固体高分子型燃料電池の加湿装置を複数の固体高分子電解質膜の少なくとも一部に間隙を設けるスペーサを介して間隙を設けたことにより、水の供給通路が確実に確保され、固体高分子電解質膜は常に湿潤を保つことが出来る。
【００２５】
そのため、発電負荷の変化に応じて発電反応を増減した時、供給水量もこれに応じて増減させても固体高分子電解質膜の全面に常に水が行き渡り、固体高分子電解質膜の水不足による発電反応効率の低下や固体高分子電解質膜の劣化を防止でき、耐久信頼の向上と運転範囲の拡大が図られ使用性の向上ができる。
【００２６】
請求項４記載の発明は、特に請求項３に記載の固体高分子型燃料電池の加湿装置にスペーサを固体高分子電解質膜で構成したことにより、このスペーサ内も水素イオンが流れる。
【００２７】
このため、水素イオンの移動をさらに容易にして電流密度を大きくしても高発電効率を保つことにより燃料電池をコンパクト化でき、かつ、水の供給通路が確実に確保され耐久信頼の向上と運転範囲の拡大がさらに図られ使用性の向上ができる。
【００２８】
請求項５記載の発明は、特に請求項１〜４に記載の固体高分子型燃料電池の加湿装置を複数の固体高分子電解質膜に蛇行した間隙を構成したことにより、水は、この蛇行した間隙を通路として固体高分子電解質膜の全域に確実に供給できる。このため、固体高分子電解質膜全体が常に湿潤に確保され耐久信頼の向上とイオン選択性能を維持し運転範囲の拡大がさらに図られ使用性の向上ができる。
【００２９】
請求項６記載の発明は、特に請求項１〜５に記載の固体高分子型燃料電池の加湿装置をセパレータの流路溝により複数の固体高分子電解質膜に蛇行した間隙を構成したことにより、発電反応のする部分の固体高分子電解質膜に確実に水を供給でき、水素イオンの移動をさらに容易にして電流密度を大きくしても高発電効率を保つことにより燃料電池をコンパクト化が図れるものである。
【００３０】
請求項７記載の発明は、特に請求項１〜６に記載の固体高分子型燃料電池の加湿装置を水の供給する手段に加圧機能を付加したことにより、固体高分子電解質膜の位置関係に関わらず水を固体高分子電解質膜全体に供給することが可能となり、燃料電池の設置に制限が無くなり施工の自由度が増加できる。
【００３１】
請求項８記載の発明は、特に請求項１〜７に記載の固体高分子型燃料電池の加湿装置を水の入口と出口を設けて構成したことにより、水を供給する手段により固体高分子電解質膜の間に常に水を入口から供給して固体高分子電解質膜を加湿し、余分な水は出口から排水できる。これによって、固体高分子電解質膜の全域に常にかつ十分に水を供給できるため、固体高分子電解質膜は湿潤を保ち固体高分子電解質膜のイオン選択性能を維持し運転範囲の拡大し使用性がさらに向上する。
【００３２】
請求項９記載の発明は、特に請求項１〜８に記載の固体高分子型燃料電池の加湿装置を燃料電池の温度に応じて、水の流量を増減したことにより、固体高分子電解質膜の加湿と発電反応により生じた熱を燃料電池から熱搬送して燃料電池を一定の温度を保ち固体高分子電解質膜のイオン選択性能を維持し運転範囲の拡大し使用性向上と固体高分子電解質膜を反応効率に最適な温度に保ち発電効率を上げながら熱による破損を防止でき信頼性を高めることが可能となる。
【００３３】
請求項１０記載の発明は、特に請求項１〜９に記載の固体高分子型燃料電池の加湿装置を複数の固体高分子電解質膜をあらかじめ一体構成としたことにより、水を流すために設けた固体高分子電解質膜の間の隙間を予め構成してからスタックにセットするため形状が安定して構成できる。また、複数の固体高分子電解質膜をあらかじめ一体としたため、スタック組み立てが容易となり、組み立ての短時間化と信頼性が向上する。
【００３４】
【実施例】
以下本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００３５】
（実施例１）
図１は、本発明の第１の実施例における固体高分子型燃料電池の加湿装置の断面図である。図１において、固体高分子型燃料電池は、イオン伝導性が付与された固体高分子電解質の膜１１ａ、１１ｂを複数とし（実施例は２枚）とし、それぞれの面に触媒を担持したガス拡散電極１２ａ、１２ｂを両面に重ね合わせて固体高分子電解質膜１１ａ、１１ｂを挟持する一対のガス拡散電極として発電セルを構成している。そして、この発電セルは複数個を接続して所定の電圧を得る。このため、発電セル間にセパレータ１３を介在させ発電セルを積層してスタック化する。そして、ガス拡散電極１２ａ、１２ｂの各々の面に燃料ガスと酸化ガスをそれぞれの入口マニホールド１４ａ、１４ｂから出口マニホールド１５ａ、１５ｂに導く流路溝１６を形成したセパレータ１３によりセパレータ１３の両側にそれぞれ燃料ガス及び酸化ガスを供給してそれぞれのガス拡散電極１２ａ、１２ｂに燃料ガス及び酸化ガスを供給すると、固体高分子電解質膜１１ａ、１１ｂでのイオン導電と各ガス拡散電極の電気化学反応が進行して一対のガス拡散電極１２ａ、１２ｂ間に電圧が発生し、集電電極の機能を持つ両端側の一対のセパレータ１３を介して外部回路（図示せず）に給電する。そして、複数の固体高分子電解質膜１１ａ、１１ｂの間１７には所々この固体高分子電解質膜１１ａ、１１ｂが接した密着部１８をなし、この間１７に水を供給する手段１９を構成してある。
【００３６】
以上のように構成された燃料電池の加湿装置について、以下その動作、作用を説明する。
【００３７】
まず、固体高分子型燃料電池においては固体高分子電解質膜への水分の供給は必修条件である。この水は水を供給する手段１９により複数の固体高分子電解質膜の間１７から常に固体高分子電解質膜１１ａ、１１ｂに供給して加湿する。このため、固体高分子電解質膜１１ａ、１１ｂを加湿する構成が簡単となり、かつ加湿時における加熱を必要とせず、全体の電気変換エネルギー効率を高めることが可能となる。また、水を供給する手段１９によって固体高分子電解質膜１１ａ、１１ｂの間１７から常に水を固体高分子電解質膜１１ａ、１１ｂの全域に供給できるため、この加湿量を広範囲に制御して常に十分な湿潤を保ち固体高分子電解質膜１１ａ、１１ｂ内でのイオン選択性能を維持し運転範囲の拡大し使用性が向上する。
【００３８】
また、固体高分子電解質膜１１ａ、１１ｂは膜厚を薄く均一化しながら全域に水を供給できるため全体として反応量を均一化させて耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高め、かつ、フラッディングを防止して、運転中にガスが流れなくなって電流密度の極度の偏在による固体高分子電解質膜１１ａ、１１ｂの破損を防止でき信頼性を高めることが可能となる。
【００３９】
また、従来は、水素ガス等の燃料ガスや酸素又は空気等の酸化剤ガスへの加湿により外側から固体高分子電解質膜を加湿するため、飽和に近い水蒸気圧に設定する必要があり、水分が結露し上記ガスの流れを妨げフラッディング現象を生じ運転に支障をすることがあった。そのため、このフラッディングを防止するために燃料ガスや酸素又は空気を高流速で水を吹き飛ばす設定となっていたが、流速を小さく設定して全体の損失抵抗を小さくすることが可能となるため、送風機の動力も小さくて済み、補機の動力が低減できシステム全体の効率が向上できる。
【００４０】
また、電流密度が高くなると生成水の発生量が増加し、この水分が結露し流れ抵抗が増加してフラッディング現象を生じガスの流れを阻害されたが、ガス中の水分が少ない状態で供給できるため、電流密度をさらに高く設定しても正常に動作するものである。そのため、電流密度を高くして小さくコンパクト化が可能となる。このことにより、流路の設計自由度が向上し、加工も容易で安価となる。また、電気変換エネルギー効率が高いことは、セパレータをより小さくできコンパクト化が可能となる。
【００４１】
また、複数である固体高分子電解質膜１１ａ、１１ｂは一部を密接した密着部１８を所々構成したことにより、この固体高分子電解質膜１１ａ、１１ｂの密接した部分は水素イオンの移動をさらに容易になり、電流密度を大きくしても高発電効率を保つことが出来る。密着部１８は、固体高分子電解質膜１１ａ、１１ｂを押し付けて構成してもよいし、別の固体高分子電解質膜を介在させて構成してもよい。
【００４２】
アノード側の固体高分子電解質膜１１ａまたは１１ｂ近くで発生した水素イオンはこの膜を通り膜間の空間の水を通過して反対側の固体高分子電解質膜１１ｂまたは１１ａを通りカソード側へと流れる。水素イオンは膜間の水より固体高分子電解質膜１１ａ、１１ｂの中の方がより通過しやすい。そこで、固体高分子電解質膜１１ａ、１１ｂの少なくとも一部は密接して構成したことにより、水素イオンの移動をさらに容易にして、電流密度を大きくしても高発電効率を保つことができ、燃料電池をコンパクト化できる。
【００４３】
（実施例２）
図２は、本発明の第２の実施例における固体高分子型燃料電池の加湿装置の断面図である。実施例１と異なるところは、複数の固体高分子電解質膜１１ａ、１１ｂの少なくとも一部に間隙を設けるスペーサ２０を介して間隙１７ｂを設けたことにより、このスペーサにより水を供給する通路が確実に確保され、固体高分子電解質膜１１ａ、１１ｂは常に湿潤を保つことが出来る。
【００４４】
そのため、発電負荷の変化に応じて発電反応を増減した時、水を供給する手段１９による供給水量もこれに応じて増減させても固体高分子電解質膜１１ａ、１１ｂの全面に常に水が行き渡り、固体高分子電解質膜１１ａ、１１ｂの水不足による発電反応効率の低下や膜の劣化を防止でき、耐久信頼の向上と運転範囲の拡大が図られ使用性の向上ができる。
【００４５】
また、スペーサ２０を固体高分子電解質膜で構成したことにより、このスペーサ２０内も水素イオンが流れる。このため、水素イオンの移動をさらに容易にして電流密度を大きくしても高発電効率を保つことにより燃料電池をコンパクト化でき、かつ、水の供給通路が確実に確保され耐久信頼の向上と運転範囲の拡大がさらに図られ使用性の向上ができる。
【００４６】
（実施例３）
図３は、本発明の第３の実施例における固体高分子型燃料電池の加湿装置の断面図である。実施例１と異なるところは、複数である固体高分子電解質膜１１ａ、１１ｂに蛇行した間隙を構成してある。このことにより、水は、この蛇行した間隙２１を通路として固体高分子電解質膜１１ａ、１１ｂの全域に確実に供給できる。このため、固体高分子電解質膜１１ａ、１１ｂの膜全体が常に湿潤に確保され耐久信頼の向上とイオン選択性能を維持し運転範囲の拡大がさらに図られ使用性の向上ができる。
【００４７】
また、セパレータの流路溝により固体高分子電解質膜１１ａ、１１ｂを押し付けて固体高分子電解質膜１１ａ、１１ｂの間に蛇行した同様の間隙を構成すると、ガスと直接接してここで発電反応のする部分の固体高分子電解質膜１１ａ、１１ｂに確実に水を供給でき、水素イオンの移動をさらに容易にして電流密度を大きくしても高発電効率を保つことにより燃料電池をコンパクト化が図れるものである。
【００４８】
また、水の供給する手段１９を電動ポンプ等の加圧する手段としたことにより、固体高分子電解質膜１１ａ、１１ｂの上下等重力に対する位置関係に関わらず水を固体高分子電解質膜１１ａ、１１ｂ全体に供給することが可能となり、燃料電池の設置に制限が無くなり施工の自由度が増加できる。
【００４９】
また、水の入口２２と出口２３を設けて構成したことにより、水を供給する手段１９により固体高分子電解質膜１１ａ、１１ｂの間２１に常に水を入口２２から供給して固体高分子電解質膜１１ａ、１１ｂを加湿し、余分な水は出口２３から排水できる。これによって、固体高分子電解質膜１１ａ、１１ｂの全域に常にかつ十分に水を供給できるため、固体高分子電解質膜１１ａ、１１ｂは湿潤を保ち固体電解質のイオン選択性能を維持し運転範囲の拡大し使用性がさらに向上する。
【００５０】
また、発電反応により温度上昇する燃料電池の温度に応じて、水の流量を増減することにより、固体高分子電解質膜１１ａ、１１ｂの加湿と発電反応により生じた熱を燃料電池から熱搬送して燃料電池を一定の温度を保ち固体高分子電解質膜１１ａ、１１ｂのイオン選択性能を維持し運転範囲の拡大し使用性向上と電解質を反応効率に最適な温度に保ち発電効率を上げながら熱による破損を防止でき信頼性を高めることが可能となる。  出口２３から出た水は熱交換器等を介して再度入口２２に接続しても良い。
【００５１】
また、固体高分子電解質膜１１ａ、１１ｂをあらかじめ一体構成とすると、水を流すために設けた固体高分子電解質膜１１ａ、１１ｂの間の間隙２１を予め構成してからスタックにセットするため形状が安定して構成できる。また、複数の固体高分子電解質膜をあらかじめ一体としたため、スタック組み立てが容易となり、組み立ての短時間化と信頼性が向上する。
【００５２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、常に固体高分子電解質膜を加湿でき、固体高分子電解質膜を加湿する構成が簡単となり、かつ加湿時における加熱を必要とせず、全体の電気変換エネルギー効率を高めることが可能となる。また、加湿量を広範囲に制御して常に十分な湿潤を保ち固体高分子電解質膜のイオン選択性能を維持し運転範囲の拡大し使用性が向上し、そして全体の損失抵抗を小さくすることが可能となるため、送風機の動力も小さくて済み、補機の動力が低減できシステム全体の効率が向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例における燃料電池の加湿装置の断面図
【図２】本発明の第２の実施例における燃料電池の加湿装置の断面図
【図３】本発明の第３の実施例における燃料電池の加湿装置の断面図
【図４】従来の燃料電池の加湿装置の構成図
【符号の説明】
１１ａ、１１ｂ  固体高分子電解質膜
１２ａ、１２ｂ  ガス拡散電極
１３  セパレータ
１４ａ、１４ｂ  入口マニホールド
１５ａ、１５ｂ  出口マニホールド
１６  流路溝
１７  間
１７ｂ  間隙
１９  水を供給する手段
２０  スペーサ
２１  蛇行した間隙
２２  水の入口
２３  水の出口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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