(57)【要約】【課題】燃料ガスから余分な水分を除き或いは水分を調整して加湿や除湿を行うことで、燃料電池の内部の湿度を常に一定の適正な状態に維持することができる燃料電池および燃料電池の湿度制御方法を提供する。【解決手段】燃料ガスとは異なる湿度を有する排出気体および燃料ガスを水分の搬送を行う水分搬送体で隔て、水分搬送体を用いて燃料ガスと排出気体との間で水分の搬送を行う。燃料電池での発電によって生成した水分によって、発電素子の発電に適さない湿度状態になったとしても、排出気体と燃料ガスとの間での水分搬送が繰り返されることによって、燃料電池の内部の湿度を、常に一定の適正な状態に維持することができる。【選択図】        図１
2004253359.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極と酸素極とで電解質を挟持した発電素子と、
前記酸素極に酸素を供給するための酸素流路が形成された酸素極側セパレータと、
前記燃料極に燃料ガスを供給するための燃料流路が形成された燃料極側セパレータと、
前記燃料ガスに接触して配され、前記燃料ガスとは異なる湿度を有する排出気体に接触し、前記燃料ガスと前記排出気体との間での水分の搬送を行う水分搬送体と、
を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記排出気体が流れる排出流路を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記発電素子を複数有し、
前記水分搬送体が第一の発電素子と第二の発電素子との間に配置され、
前記水分搬送体が接触する排出気体が酸素を含んで、前記第二の発電素子の酸素極側に供給される
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項４】
前記水分搬送体は、パーフルオロスルホン酸系ポリマーを含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項５】
前記排出気体として当該燃料電池の外部に存在する大気を用いることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項６】
燃料電池の燃料極側に供給される燃料ガスと接触するように水分搬送体を設け、
前記燃料ガスとは異なる湿度を有する排出気体および前記燃料ガスを前記水分搬送体で隔て、
前記水分搬送体を用いて前記燃料ガスと前記排出気体との間で水分の搬送を行うことを特徴とする燃料電池の湿度制御方法。
【請求項７】
前記排出気体が酸素を含み、前記燃料電池の酸素極側に供給されることを特徴とする請求項６記載の燃料電池の湿度制御方法。
【請求項８】
前記排出気体として当該燃料電池の外部に存在する大気を用いることを特徴とする請求項６記載の燃料電池の湿度制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素を含む燃料ガスを用いて連続して発電するようにした燃料電池及び、その燃料電池の制御、運転、維持管理等のために用いられる燃料電池の湿度制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池としては、例えば、ノート型パソコン等のポータブル機器に搭載するための電源システムであって、燃料として水素を用い、空気を酸化剤とする超小型の固体高分子型燃料電池を用いた機器搭載用燃料電池装置がある（特許文献１）。
【０００３】
この特許文献１に記載された機器搭載用燃料電池装置は、水素と空気を用いて発電する燃料電池本体と、この燃料電池本体に供給する水素を貯蔵するための水素吸蔵ボンベと、この水素吸蔵ボンベを着脱可能な手段と、空気を供給するための手段と、発電により生成した水を回収する構成と、上記燃料電池本体に供給する水素を加湿する手段と、発電動作を制御する制御部と、これらを一体的に収納し、空気の吸排気口ならびに機器と電気的に結合する端子部を備えたケースとを有することを特徴としている。この燃料電池装置によれば、ポータブル機器に着脱自在に搭載することによって新しい電源システムを提供することができ、従来の電池にはない長時間の作動を可能とすると共に、燃料の補給により繰り返し利用することができる。
【０００４】
また、従来の燃料電池としては、例えば、特開２００２−１００３８４号公報（特許文献２）に記載されているようなものがある。この特許文献２には、燃料電池及びこれに好適に用いられる水蒸気透過膜に関するものが記載されている。
【０００５】
この特許文献２に記載された燃料電池は、電池反応を行う電池部と、電池部へ供給する原料気体を加湿する加湿部とを備え、前記電池部は、固体高分子電解質膜とその両側に配置された電極とからなる電池セルを有するものであり、前記加湿部は、原料気体が導入される原料気体用流路と、電池部からの排出気体が導入される排出気体用流路と、これらの流路を分離する水蒸気透過膜とで構成され、排出気体に含まれる水蒸気を、水蒸気透過膜を透過させて排出気体用流路から原料気体用流路内に入れ、この水蒸気と原料気体用流路内の原料ガスとを接触させることにより原料ガスを加湿するものである燃料電池において、前記水蒸気透過膜は、カルボキシル基の金属塩を官能基として有する繰り返し単位を７０重量％以上有する水溶性高分子が、架橋剤で架橋されている物質からなる、ことを特徴としている。
【０００６】
更に、従来の燃料電池としては、特開２００２−１１７８７８号公報（特許文献３）に記載されているようなものもある。この特許文献３には、燃料電池及び燃料電池に供給する原料ガスを加湿するのに好適に用いられる水蒸気透過膜に関するものが記載されている。
【０００７】
この特許文献３に記載された燃料電池は、電池反応を行う電池部と、電池部へ供給する原料気体を加湿する加湿部とを備え、前記電池部は、固体高分子電解質膜とその両側に配置された電極とからなる電池セルを有するものであり、前記加湿部は、原料気体が導入される原料気体用流路と、電池部からの排出気体が導入される排出気体用流路と、これらの流路を分離する水蒸気透過膜とで構成され、排出気体に含まれる水蒸気を、水蒸気透過膜を透過させて排出気体用流路から原料気体用流路内に入れ、この水蒸気と原料気体用流路内の原料ガスとを接触させることにより原料ガスを加湿するものである燃料電池において、前記水蒸気透過膜は、高分子樹脂多孔膜の表面に硬化したパーフルオロスルホン酸系イオン交換樹脂からなる透湿性樹脂層を設けた、ことを特徴としている。
【０００８】
また、本出願人は、例えば、図７に示すような構成の燃料電池を開発した。この図７に示す燃料電池は、発電部に燃料ガスを供給することによって電力を発生させる装置であり、４個の発電セル１，２，３及び４によって構成されている。４個の発電セル１〜４は、燃料である水素及びその水素と化学反応させる酸素（空気）の供給路に関して直列に接続されるように構成されている。４個の発電セル１〜４は同一の構成を有しており、その構成を、第４の発電セル４を例にとって説明する。
【０００９】
発電セル４は、上下両面に触媒が担持された高分子電解質膜電極接合体５と、この高分子電解質膜電極接合体５の一面側に配置された酸化剤電極側セパレータ６と、高分子電解質膜電極接合体５の他面側に配置された燃料電極側セパレータ７とを備えて構成されている。そして、高分子電解質膜電極接合体５と各セパレータ６，７との間には、それぞれ電極８，９が介在され、これらを締め付けて一体化させることによって発電セル４が構成されている。酸化剤電極側セパレータ６には、酸素、空気等の酸化剤を取り入れる酸化剤供給口６ａが設けられている。また、燃料電極側セパレータ７には、燃料である水素が流通される複数の溝が形成されている。
【００１０】
このような構成を有する燃料電池によれば、例えば、次のようにして発電が行われる。燃料の水素ガスが燃料電極側セパレータ７に供給され、酸化剤の空気が酸化剤電極側セパレータ６に供給される。燃料の水素ガス（Ｈ２）が送られてくると、高分子電解質膜電極接合体５の触媒に水素（Ｈ２）が接触して電子（ｅ−）が飛び出し、プロトン（Ｈ＋）が発生する（Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−）。このプロトン（Ｈ＋）が高分子電解質膜の中を通り抜けて反対側に移動する。その反対側では、送られてきた空気中の酸素が触媒の力で、プロトン（Ｈ＋）及び仕事を終えて戻ってきた電子（ｅ−）と反応して水になる（Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ）。
【００１１】
この化学反応により、高分子電解質膜電極接合体５の酸化剤電極側セパレータ６側には水が次々に生成される。この水が高分子電解質膜電極接合体５の触媒やガス拡散層を覆うと、酸素が水の被膜によって中に入り込むことができなくなる。その結果、水素と酸素を供給し続けることにより継続される発電が行われなくなるため、生成された前記水は外部に排水する必要がある。
【００１２】
一方、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）では、プロトン伝導膜のプロトン伝導物質が水（以下「搬送水」という。）であるため、搬送水が無い乾燥した状態ではプロトンの移動は行われない。そのため、プロトン伝導膜では適切な水分管理が必要になる。更に、ＰＥＦＣのプロトン伝導膜は、カソード側で生成された水分をアノード側へ移動するようになっているが、条件によってはアノード側が水分過多の状態になるため、カソード側と同様に、アノード側の水分管理も重要になる。
【００１３】
なお、図７に示す符号１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ及び１０ｅは、第一の発電セル１より供給されて第４の発電セル４から排出される水素の流量を示している。符号１０ａは、供給される水素の流量が１００％の状態にあることを示しており、符号１０ｂは、第一の発電セル１で消費された水素量を除いた水素流量を表している。更に、符合１０ｃは、第二の発電セル２で消費された水素量を除いた水素流量を表しており、符合１０ｄは、同じく第３の発電セル３で消費された水素量を除いた水素流量を表している。そして、符号１０ｅは、第４の発電セル４で消費された水素量を除いた水素流量を表しており、残りの水素が第４の発電セル４から大気中に放出される。符号１１は、第４の発電セル４に設けられた水素流路用のストップ弁である。
【００１４】
【特許文献１】
特開平９−２１３３５９号公報（第３〜４、図５）
【特許文献２】
特開２００２−１００３８４号公報（第５〜７頁、図１）
【特許文献３】
特開２００２−１１７８７８号公報（第４〜５頁、図１）
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した特許文献１には、燃料電池本体で生成された水を回収して保水する保水手段を備えることが記載されている。この保水手段は、電池装置ケースの底部に、燃料電池本体の水生成側に密接させてシート状に敷設されており、これが水素吸蔵ボンベの下面にも接するように延在されている。この保水手段の材料は、紙おむつや生理用品などの衛生用品、土壌保水材などの農業園芸用品等に使用される各種の高吸水性高分子が応用できる、としている。
【００１６】
そのため、保水手段の吸水性が極めて高いことから、保水手段自体の湿度が容易に１００％近くまで増加してしまい、水分過剰な状態になり易いばかりでなく、水分の湿度調整を簡単に行うことができない、という課題があった。
【００１７】
また、図７に示した燃料電池では、常温近くでの運転条件下においては、燃料ガスに対する加湿が過剰になり、或いは水分の逆拡散によって湿度が高くなることが多い。そのため、４個の発電セル１〜４に対して水素（燃料）をデッドエンドにて供給する場合を考えると、水素と水若しくは水蒸気の分圧特性は、図７において符号１２で示すような傾向になる。
【００１８】
この水素と水等の分圧特性１２は、４個の発電セル１〜４の燃料ガスの上流端における水素分圧を１００％とすると共に、最下端における水及び水蒸気分圧を１００％として表したものである。即ち、第一の発電セル１の燃料ガスの供給側（上流端）では水素の流量が１００％であり、その流れに伴い水素の割合が徐々に減少して、第４の発電セル４の排出側（下流端）では水素の流量が０％（これと反対に、水若しくは水蒸気の分圧が１００％）となる。
【００１９】
その結果、燃料流路の下流側では、水等の分圧が上がって水素が欠乏した状態になる。そして、最終的に水素流量が０％となり、触媒やガス拡散層が水の結露により若しくは水蒸気の拡散が悪いために水素の供給が皆無になると、プロトンが酸素とまったく接触できなくなって発電が不能となる。一方、燃料流路の上流側では水若しくは水蒸気が皆無となることで、プロトンの伝導に必要な搬送水が不足することになり、そのため、発電が好ましい状態ではなくなる場合が生ずる。
【００２０】
本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたものであり、燃料ガスから余分な水分を除き、或いは水分を調整して加湿や除湿を行うことで、燃料電池の内部の湿度を、常に一定の適正な状態に維持することができる燃料電池および燃料電池の湿度制御方法を提供することを目的としている。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本出願の燃料電池は、燃料極と酸素極とで電解質を挟持した発電素子と、前記酸素極に酸素を供給するための酸素流路が形成された酸素極側セパレータと、前記燃料極に燃料ガスを供給するための燃料流路が形成された燃料極側セパレータと、前記燃料ガスに接触して配され、前記燃料ガスとは異なる湿度を有する排出気体に接触し、前記燃料ガスと前記排出気体との間での水分の搬送を行う水分搬送体と、を有することを特徴とする。
【００２２】
水分搬送体が燃料ガスと排出気体に接触し、燃料ガスと排出気体との間での水分搬送を行うことにより、燃料ガスが排出気体よりも高湿度な場合には燃料ガス側から排出気体側への水分の移動が行われ、燃料ガスが排出気体よりも低湿度な場合には排出気体側から燃料ガス側への水分の移動が行われる。したがって、燃料電池での発電によって生成した水分によって、発電素子の発電に適さない湿度状態になったとしても、排出気体と燃料ガスとの間での水分搬送が繰り返されることによって、燃料電池の内部の湿度を、常に一定の適正な状態に維持することができる。
【００２３】
また、燃料電池は排出気体が流れる排出流路を有するとしてもよく、排出気体が酸素を含み燃料電池の酸素極側に供給されるとしてもよい。排出気体が流れる排出流路を燃料電池が有していることで、排出気体として燃料電池の外から空気を排出流路に送り込むことなどで、排出気体を効果的に水分搬送体に接触させることができ、燃料電池内部の湿度を適正な状態に維持することが容易となる。排出気体が酸素を含み、燃料電池の酸素極側に供給されることで、排出気体を用いて燃料電池が発電を行うことができるため、排出気体を有効に利用して発電を行うことが可能となる。
【００２４】
また、水分搬送体がパーフルオロスルホン酸系ポリマーを含むとすることで、水分を水分搬送体によって確実かつ容易に搬送することができる。
【００２５】
また、上記課題を解決するために本出願の燃料ガス湿度制御方法は、燃料電池の燃料極側に供給される燃料ガスと接触するように水分搬送体を設け、前記燃料ガスとは異なる湿度を有する排出気体および前記燃料ガスを前記水分搬送体で隔て、前記水分搬送体を用いて前記燃料ガスと前記排出気体との間で水分の搬送を行うことを特徴とする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して説明する。図１乃至図６は、本発明の実施の例を示すものである。即ち、図１は本発明の湿度制御方法を用いた燃料電池の原理説明図、図２は本発明の湿度制御方法を用いた燃料電池の概略構成を示す説明図、図３は図２の変形例を示す説明図である。
【００２７】
また、図４は本発明に係る燃料電池の出力特性を示すものでセル電圧（Ｖ）と時間（ｓｅｃ）との関係を示すグラフ、図５は同じくセル電圧（Ｖ）と時間（ｓｅｃ）と抵抗（Ω）との関係を示すグラフ、図６は同じくセル電圧（Ｖ）と時間（ｓｅｃ）との関係を示すグラフである。
【００２８】
本発明の燃料電池は、アノード（陽極）で水素（Ｈ２）をプロトン（２Ｈ＋）と電子（２ｅ−）に分解し、このときに生じる電子の一部を電気として取り出すものである。この際、カソード（陰極）では、酸素（Ｏ２）と電解質膜を移動したプロトン及び外部回路を通ってきた電子とが結合し、水が副産物として生成される。
【００２９】
燃料電池に用いられるプロトン伝導膜がプロトンを移動させるためには水が必要であるので、この生成水を拡散性電極内部に拡散させ、プロトンの伝導率を高めるために積極的に活用されている。その一方、生成水が拡散性電極内部で過剰になると、生成水が酸素の移動を妨げることになり、その結果、燃料電池の発電が阻害されることになる。そのため、燃料電池で安定な発電動作を連続させるためには、プロトン伝導膜の水分を常に一定範囲内に保つことが重要になる。
【００３０】
また、本発明の燃料電池の湿度制御方法は、燃料電池に用いられる燃料ガス（特に水素）の湿度を制御するもので、水及び／又は水蒸気を通すが燃料ガスを通さない水分搬送体が用いられる。ここで、水分搬送体について概説すると、次のようなものである。
【００３１】
水分搬送体は、湿度差による自然拡散を用いて対象物を移動させることを目的とするもので、移動対象物は水分である。この水分搬送体を透過する水分の移動量は、例えば、エアの流量、エアの湿度や温度等を制御することによって調整することができる。
【００３２】
尚、燃料ガスとしては、純粋の水素のみからなる水素ガスばかりでなく、成分の一部に水素を含む水素混合ガス（例えば、メタン、メタノール、プロパン、ブタン、ガソリン等）を用いることができる。即ち、高圧ボンベや液体水素タンク、水素吸蔵合金等を用いて水素そのものを供給する方法の他、天然ガス（メタン）、メタノール等の既存の炭化水素系燃料を改質して水素リッチな改質ガスを供給する方法等が用いられる。また、酸素の供給も同様であり、空気を供給する方法の他、酸素そのものを供給する方法を用いることもできる。
【００３３】
図１は、本発明の燃料電池に係る実施例の原理を説明する図である。この実施例として示す燃料電池６５は、発電部６６と、水分搬送体６７とで構成したものである。即ち、燃料電池６５は、互いに重ね合わされる酸化剤電極側セパレータ６８及び燃料電極側セパレータ６９と、発電部６６用の高分子電解質膜であるプロトン伝導膜７０と、水分搬送体６７を備えて構成されている。
【００３４】
酸化剤電極側セパレータ６８及び燃料電極側セパレータ６９は、重ね合わせることによって内部に適当な大きさの空間部が形成される部材からなり、その空間部に発電部６６用のプロトン伝導膜７０が保持されている。これらセパレータ６８，６９の材質としては、例えば、非伝導性のセラミックスやプラスチック等を適用できることは勿論のこと、伝導性を有するアルミニウム合金、ステンレス合金、或いはカーボン材等を適用することもできる。図１に示す実施例は、酸化剤電極側セパレータ６８及び燃料電極側セパレータ６９を共に伝導性の材料で形成したものであり、この場合、各セパレータ６８，６９とプロトン伝導膜７０との間には、それぞれ絶縁性のシール部材７２を介在させるようにするとよい。
【００３５】
上側に配される酸化剤電極側セパレータ６８には、空気が供給される酸素供給口７３が設けられている。また、下側に配される燃料電極側セパレータ６９には、燃料が供給される水素供給口７４が設けられている。更に、燃料電極側セパレータ６９の略中央部には、燃料電池６５の内部で発生した水分を外部に排出するための水分排出口７５が設けられている。この水分排出口７５を覆うように燃料電極側セパレータ６９の外面には、水分搬送体６７であるプロトン伝導膜が接着剤、挟持その他の固着手段によって取り付けられている。
【００３６】
この水分搬送体６７は、湿度差による自然拡散を用いて水分を移動させるようにしたもので、表面に接触する水分を吸収し、その水分を保持するのではなく、湿度が低い側に搬送して反対側の面から外部に排出する機能を有するものである。この水分搬送体６７は、燃料電極側セパレータ６９の内側に取り付ける構成としてもよい。水分搬送体６７は、例えばプロトン伝導膜であるパーフルオロスルホン酸膜、ナフィオン膜（フッ素樹脂系）や多孔質セラミックス等を用いることができる。
【００３７】
また、発電部６６のプロトン伝導膜７０の両面、即ち、酸化剤電極側セパレータ６８側の面には触媒層７６が設けられ、燃料電極側セパレータ６９側の面には触媒層７７が設けられている。各触媒層７６，７７の材質としては、例えば、白金や白金・ルテニウム等の触媒を用いることができる。更に、各触媒層７６，７７の外側には、それぞれガス拡散層７８，７９が設けられている。これらガス拡散層７８，７９の材質としては、例えば、カーボンクロス、カーボンペーパー等を用いることができる。
【００３８】
図２は、図１に示した燃料電池６５の一実施例の概略構成を示す説明図であり、同一部分には同一の符号を付している。燃料電池６５は、上述した２個のセパレータ６８，６９に加えて第三のセパレータ８０を有しており、この第三のセパレータ８０と燃料電極側セパレータ６９で水分搬送体６７としてのプロトン伝導膜が挟持されている。
【００３９】
更に、第三のセパレータ８０には、水分搬送体６７を伝導して第三のセパレータ８０側に染み出した水分を外部に持ち出すための水分持出用空気が供給される空気供給口８１が設けられている。この空気供給口８１から注入された水分持出用空気は、第三のセパレータ８０と水分搬送体６７との間の供給路８２を通って外部に取り出される。
【００４０】
図２に示す符号８３は、燃料電極側セパレータ６９と第三のセパレータ８０との間を封止するシール部材である。また、符号８４は、水分搬送体６７の両面に設けた補強材である。この補強材８４は、例えば、ポーラスな網目状のガーゼのような材料からなり、水分の持ち出し量の調整、或いはシール部材８３を用いたことによる水分搬送体６７と第三のセパレータ８０との間の隙間調整等を目的として用いられている。
【００４１】
このような構成を有する燃料電池６５の作用を概略説明すると、例えば、次のようなものである。図１において、燃料電池６５に対して、水素供給口７４からアノード側の燃料電極側セパレータ６９内に燃料を供給すると共に、酸素供給口７３からカソード側の酸化剤電極側セパレータ６８内に空気を供給する。これにより、アノードでは水素（Ｈ２）がプロトン（２Ｈ＋）と電子（２ｅ−）に分離し、カソードでは酸素（Ｏ２）とプロトン伝導膜７０を移動したプロトン（２Ｈ＋）及び外部回路を通ってきた電子（２ｅ−）とが結合される。これにより、発電部６６で発電された電子（２ｅ−）の一部が電力として取り出される。
【００４２】
この際、発電部６６の酸化剤電極側セパレータ６８内では、酸素（Ｏ２）とプロトン（２Ｈ＋）及び電子（２ｅ−）が結合することにより、水が生成される（４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２＋Ｏ２＝２Ｈ２Ｏ）。この発電部６６で生成された水は、酸化剤電極側セパレータ６８側の触媒層７６及びプロトン伝導膜７０を伝導して燃料電極側セパレータ６９側の触媒層７７に逆拡散される。そして、触媒層７７を通過して燃料電極側セパレータ６９側の表面に染み出す。これにより、燃料電極側セパレータ６９内部の湿度が高くなり、その水分がガス拡散層７９を介して水分搬送体６７に伝達される。この場合、排出されるものは、液体としての水ではなく、水蒸気であってもよいことは勿論である。
【００４３】
また、水分搬送体６７に伝達された水分は、その内部に染み込んで反対側の面まで伝導され、その面に染み出して外気に接触される。水分搬送体６７と接触する外気の湿度は、燃料電極側セパレータ６９内部の湿度よりも低いため、水分搬送体６７に含まれる水分は外気中に放出されることになる。このような水分の伝導が繰り返されることにより、発電部６６で水が連続的に生成される場合にも、その水を外部に連続的に排出することができる。従って、燃料電極側セパレータ６９に水分排出口７５を形成して水分搬送体６７を設けることにより、発電時に燃料電池６５内部で生成される水分を燃料電極側セパレータ６９側から外部に放出し、燃料電池６５内部の湿度を、常に一定の適正な状態に維持することができる。
【００４４】
この場合、図２の実施例では、水分搬送体６７に伝導された水分は、これを伝導して第三のセパレータ８０側で排出気体である水分持ち出し用の空気に放出される。そして、空気供給口８１から供給される水分持出し用の空気により、第三のセパレータ８０に形成された流路を通って外部に持ち出される。従って、発電時に燃料電池６５内部で生成される水分を外部に放出し、燃料電池６５内部の湿度を、常に一定の適正な状態に維持することができる。
【００４５】
図３は、図１及び図２に示した実施例に係る燃料電池６５を二層構造とした例の概略構成を示す説明図である。この図３において、図１及び図２と同一部分には同一の符号を付して、それらの説明を省略する。燃料電池６５は、上述した２個のセパレータ６８，６９，８７に加えて２個の中間セパレータ９４，９５を有している。酸化剤電極側セパレータを兼ねる第一の中間セパレータ９４は燃料電極側セパレータ６９の下側に配置され、第一の中間セパレータ９４の下側に第二の中間セパレータ９５が配置されている。第二の中間セパレータ９５は燃料電極側セパレータを兼ねており、この第二の中間セパレータ９５の下側に第三のセパレータ８７が配置されている。
【００４６】
また、酸化剤電極側セパレータ６８と燃料電極側セパレータ６９との間に第一の発電部６６が配設され、燃料電極側セパレータ６９と第一の中間セパレータ９４との間に第一の水分搬送体６７が配設されている。更に、第一の中間セパレータ９４と第二の中間セパレータ９５との間に第二の発電部９６が配設され、第二の中間セパレータ９５と第三のセパレータ８７との間に第二の水分搬送体９７が配設されている。そして、第一の中間セパレータ９４には、発電用の酸素と水分持出し用の空気を兼ねる空気を供給するための兼用供給口９８が設けられている。また、第二の中間セパレータ９５には、第二の発電部９６に対して燃料ガスである水素を供給するための第二の水素供給口９９が設けられている。
【００４７】
第二の発電部９６は第一の発電部６６と同様の構成を有するものであり、また、第二の水分搬送体９７は第一の水分搬送体６７と同様の構成を有するものである。しかしながら、第一の発電部６６と第二の発電部９６の構成、及び第一の水分搬送体６７と第二の水分搬送体９７の構成は、共に異なる構造のものであってもよいことは勿論である。また、第一及び第二の中間セパレータ９４，９５の材質としては、燃料電極側セパレータ６９等と同様に、例えば、非伝導性のセラミックスやプラスチック等を適用できることは勿論のこと、伝導性を有するアルミニウム合金、ステンレス合金等を適用することもできる。
【００４８】
図３に示すように、発電部及び水分搬送体が複数個積み重ねられた多層構造の燃料電池６５の作用を概略説明すると、次のようなものである。第一の発電部６６及び第二の発電部９６における発電動作は、上述した図３の説明と同様であり、各発電部６６及び９６において個別に発電が行われ、それぞれで発電された電気が電気回路を介して一まとめにされて外部に取り出される。
【００４９】
この場合、兼用供給口９８から供給される水分持出しを兼ねる発電用の空気は、燃料電極側セパレータ６９内部よりも湿度が低いため、第一の発電部６６で発生した余分な水分は、第一の水分搬送体６７の働きによって第一の中間セパレータ９４側に持ち出される。第一の水分搬送体６７によって第一の中間セパレータ９４側の空気中に放出された水分は、第一の中間セパレータ９４に形成された流路を通って外部に持ち出される。従って、発電時に第一の発電部６６内部で生成される水分を外部に放出し、第一の発電部６６内部の湿度を、常に一定の適正な状態に維持することができる。
【００５０】
また、空気供給口９３から供給される水分持出し用の空気は、第二の中間セパレータ９５内部よりも湿度が低いため、第二の発電部９６で発生した余分な水分は、第二の水分搬送体９７の働きによって第三のセパレータ８７側に持ち出される。第二の水分搬送体９７によって第三のセパレータ８７側の空気中に放出された水分は、第三のセパレータ８７に形成された流路を通って外部に持ち出される。従って、発電時に第二の発電部９６内部で生成される水分を外部に放出し、第二の発電部９６内部の湿度を、常に一定の適正な状態に維持することができる。
【００５１】
図１乃至図３では、水分搬送体６７や第二の水分搬送体９７を燃料電池の発電部６６や第二の発電部に隣接する位置に形成した例を示しているが、発電部から離れた位置であっても、燃料ガスが流れる燃料流路上に取り付けられて、水分持ち出し用の空気と接触するとしてもよい。水分搬送体６７や第二の水分搬送体９７が燃料ガスと水分持ち出し用の空気との間で水分の搬送を行うことで、発電時に発電部で生成される水分を外部に放出し、発電部の湿度を、常に一定の適正な状態に維持することができる。
【００５２】
次に、図３に示す実施例に基づく試験モデルを製作して行った試験について説明する。この試験は、水素側の水分管理に水分搬送体を用いてパッシブな仕組みとして行ったものということができる。この試験モデルの構造の概略は図３に示す通りであり、２箇所の水分搬送体としてナフィオン膜を使用した。
【００５３】
この試験モデルの発電部で生成された水分は、ナフィオン膜を通して外気と同じ湿度バランスを保つように移動するため、水素供給部に水が溜まることはない。このナフィオン膜と第二の発電部とを重ね合わせ、その間に空気供給路を設けることにより、空気の供給を共用させてスタック構造を構成することができる。また、試験モデルのすべての燃料供給路及び空気供給路の末端部分をクローズしてポンプで燃料及び空気を圧送する機構とすれば、水素側及び空気側の水分持出量を独立して制御することができ、従って、更に精密な湿度制御が可能となる。
【００５４】
尚、図３の実施例において、第三のセパレータ８７に開口部を設け、その開口部を覆う水分搬送体６７から水分を外部に排出する構成としてもよいことは勿論である。また、１個の燃料電池を構成する積層された発電部及び水分搬送体の数は、この実施例に限定されるものではなく、３個以上適当な数を重ね合わせることができるものである。
【００５５】
図４は、試験モデルにより得られた出力特性を示すグラフであり、縦軸にセル電圧（Ｖ）を取り、横軸に時間（ｓｅｃ）を取っている。発電部及び水分搬送体の高分子電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）としては２２．５ｃｍ２の大きさのものを１枚使用した。試験条件は、３Ａ（アンペア）の電流を連続して流し、室温と同程度となるよう送風ファンで冷却した。その結果、図４では、次のような事項が明らかになった。
【００５６】
図４において、運転直後のｔ１点からｔ２点（約２５０ｓｅｃ）までの電圧変化は、セットアップ時における各種電子機器、部品等の性能が安定するまでの変動によるものである。また、ｔ３点（約１５００ｓｅｃ）からｔ４点までの落ち込みは、測定条件の設定のために生じた電圧変動であり、本試験の計測領域外のものである。この非計測領域（ｔ３点からｔ４点まで）を除く、計測領域（ｔ２点からｔ３点まで及びｔ４点からｔ５点まで）の全体としては終始安定した電圧出力（約０．６２Ｖ）が得られた。
【００５７】
図５は、電流４Ａで８時間の連続運転を行ったときの最後の約２時間におけるセル電圧と内部抵抗との関係を示すグラフである。この試験は、第一の発電セル（Ｖ１１，Ｒ１）と第二の発電セル（Ｖ１２，Ｒ２）の２個について行った。この電圧（Ｖ）−抵抗（Ω）グラフによれば、第一の発電セルでは、電圧出力（Ｖ１１）は約０．６４０Ｖであり、内部抵抗（Ｒ１）は約０．０１７０（Ω）であった。また、第二の発電セルでは、電圧出力（Ｖ１２）は約０．６３４Ｖであり、内部抵抗（Ｒ２）は約０．０１８０（Ω）であった。
【００５８】
この結果から明らかなように、電圧の偏差は±１ｍＶ、抵抗値は０．１ｍΩに収まっており、安定した運転が維持できていることを確認することができた。この間、水素パージは必要なく、また、燃料供給路等における結露や燃料不足の不具合は発生していなかった。
【００５９】
図６は、上記試験における電流（Ａ）と電圧（Ｖ）の関係を示すグラフである。この試験は、第一の発電セル及び第二の発電セルについて、それぞれ２回ずつ試験した。このＩ−Ｖ（電流−電圧）特性のグラフによれば、第一の発電セル（記号●と■）及び第二の発電セル（記号○と□）のいずれにおいても、７アンペア（Ａ）程度の電流まで問題なく出力できることを確認することができた。
【００６０】
図４乃至図６に示したように、水分搬送体が燃料ガスと排出気体に接触し、燃料ガスと排出気体との間での水分搬送を行うことにより、燃料ガスが排出気体よりも高湿度な場合には燃料ガス側から排出気体側への水分の移動が行われ、燃料ガスが排出気体よりも低湿度な場合には排出気体側から燃料ガス側への水分の移動が行われる。したがって、燃料電池での発電によって生成した水分によって、発電素子の発電に適さない湿度状態になったとしても、排出気体と燃料ガスとの間での水分搬送が繰り返されることによって、燃料電池の内部の湿度を、常に一定の適正な状態に維持することができ、良好な発電を継続して行うことがわかるる。
【００６１】
以上説明したが、本発明は上記実施の例に限定されるものではなく、例えば、酸化剤としての酸素の供給方法については、上述した大気開放式及び空気圧送式に限定されるものではない。このように、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で種々に変更できるものである。
【００６２】
【発明の効果】
水分搬送体が燃料ガスと排出気体に接触し、燃料ガスと排出気体との間での水分搬送を行うことにより、燃料ガスが排出気体よりも高湿度な場合には燃料ガス側から排出気体側への水分の移動が行われ、燃料ガスが排出気体よりも低湿度な場合には排出気体側から燃料ガス側への水分の移動が行われる。したがって、燃料電池での発電によって生成した水分によって、発電素子の発電に適さない湿度状態になったとしても、排出気体と燃料ガスとの間での水分搬送が繰り返されることによって、燃料電池の内部の湿度を、常に一定の適正な状態に維持することができる。燃料電池内部の湿度が常に適正な状態に維持できるため、発電部が乾燥しすぎることや水没することなどを防止することができ、良好な発電状態を継続することが可能となる。
【００６３】
また、燃料電池は排出気体が流れる排出流路を有するとしてもよく、排出気体が酸素を含み燃料電池の酸素極側に供給されるとしてもよい。排出気体が流れる排出流路を燃料電池が有していることで、排出気体として燃料電池の外から空気を排出流路に送り込むことなどで、排出気体を効果的に水分搬送体に接触させることができ、燃料電池内部の湿度を適正な状態に維持することが容易となる。排出気体が酸素を含み、燃料電池の酸素極側に供給されることで、排出気体を用いて燃料電池が発電を行うことができるため、排出気体を有効に利用して発電を行うことが可能となる。
【００６４】
また、水分搬送体がパーフルオロスルホン酸系ポリマーを含むとすることで、水分を水分搬送体によって確実かつ容易に搬送することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の湿度制御方法を用いた燃料電池の原理を説明するための説明図である。
【図２】本発明の湿度制御方法を用いた燃料電池の概略構成を示す説明図である。
【図３】図２に示した本発明の湿度制御方法を用いた燃料電池の変形例を示す説明図である。
【図４】本発明の湿度制御方法を用いた燃料電池の電圧と時間との関係の出力特性を示すグラフである。
【図５】本発明の湿度制御方法を用いた燃料電池の電圧と内部抵抗との関係の出力特性を示すグラフである。
【図６】本発明の湿度制御方法を用いた燃料電池の電圧と電流との関係の出力特性を示すグラフである。
【図７】従来の燃料電池の概略構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１，２，３，４    発電セル
５    高分子電解質膜電極接合体
６ａ    酸化剤供給口
６，６８    酸化剤電極側セパレータ
７，６９    燃料電極側セパレータ
８，９    電極
１２    分圧特性
６５    燃料電池
６６，９６    発電部
６７，９７    水分搬送体
７０    プロトン伝導膜
７２    シール部材
７３    酸素供給口
７４    水素供給口
７５    水分排出口
７６，７７    触媒層
７８，７９    ガス拡散層
８０，８７    セパレータ
８１    空気供給口
８２    供給路
８３    シール部材
８４    補強材
９３    空気供給口
９４，９５    中間セパレータ
９８    兼用供給口
９９    水素供給口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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