(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水素ガス湿度制御装置と、その水素ガス湿度制御装置を用いた燃料電池および水素ガス湿度制御方法を提供することを目的とする。【解決手段】水分搬送体又はプロトン伝導体と触媒と電圧印加手段を用いて、水素流路又は水素室の余分な水分を除き、或いは水分を調整して加湿や除湿を行う。水素ガスが供給される燃料側ガス拡散室と、水素ガスが供給される水素ガス室と、燃料側ガス拡散室７２と水素ガス室７３とを分離すると共に水分を通すプロトン伝導体で水素ガス湿度制御装置および燃料電池を構成する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも水素ガスが供給される第一の水素流路又は水素室と、
少なくとも水素ガスが供給される第二の水素流路又は水素室と、
前記第一の水素流路又は水素室と前記第二の水素流路又は水素室とを分離すると共に水及び／又は水蒸気を通す水分搬送体と、
からなることを特徴とする水素ガス湿度制御装置。
【請求項２】
前記水素ガスは、燃料改質により発生した水素ガスであることを特徴とする請求項１に記載の水素ガス湿度制御装置。
【請求項３】
少なくとも水素ガスが供給される第一の水素流路又は水素室と、
少なくとも水素ガスが供給される第二の水素流路又は水素室と、
前記第一の水素流路又は水素室と前記第二の水素流路又は水素室とを分離するプロトン伝導体と、からなることを特徴とする水素ガス湿度制御装置。
【請求項４】
前記プロトン伝導体は、前記第一の水素流路又は水素室に臨む面と前記第二の水素流路又は水素室に臨む面の少なくとも一方に触媒が配置されていることを特徴とする請求項３に記載の水素ガス湿度制御装置。
【請求項５】
前記第一の水素流路又は水素室に第一の電圧印加用電極を設けると共に、前記第二の水素流路又は水素室に第二の電圧印加用電極を設け、前記プロトン伝導体が前記第一の電圧印加用電極と前記第二の電圧印加用電極との間に挟持されていることを特徴とする請求項３に記載の水素ガス湿度制御装置。
【請求項６】
前記第一の電圧印加用電極と前記第二の電圧印加用電極との間に電圧を印加することを特徴とする請求項３に記載の水素ガス湿度制御装置。
【請求項７】
前記触媒は白金を含んでいることを特徴とする請求項４に記載の水素ガス湿度制御装置。
【請求項８】
前記水素ガスは、燃料改質により発生した水素ガスであることを特徴とする請求項３に記載の水素ガス湿度制御装置。
【請求項９】
燃料が供給される燃料電極側セパレータと、酸化剤が供給される酸化剤電極側セパレータと、前記燃料電極側セパレータと前記酸化剤電極側セパレータとの間に挟持されたプロトン伝導体膜電極接合体と、を有する１個又は２個以上の発電セルと、
前記燃料が供給される水素流路及び／又は水素室に組み込まれた１個又は２個以上の水素ガス湿度制御装置と、を備え、
前記水素ガス湿度制御装置は、第一の支持板と、第二の支持板と、前記第一の支持板と前記第二の支持板との間に挟持された水分搬送体とからなり、
前記第一の支持板に水素と水及び／又は水蒸気の混合気体が接しており、前記第二の支持板に少なくとも水素が接していることを特徴とする燃料電池。
【請求項１０】
燃料が供給される燃料電極側セパレータと、酸化剤が供給される酸化剤電極側セパレータと、前記燃料電極側セパレータと前記酸化剤電極側セパレータとの間に挟持されたプロトン伝導体膜電極接合体と、を有する１個又は２個以上の発電セルと、
前記燃料が供給される水素流路及び／又は水素室に組み込まれた１個又は２個以上の水素ガス湿度制御装置と、を備え、
前記水素ガス湿度制御装置は、第一の電極と、第二の電極と、前記第一の電極と前記第二の電極との間に挟持されたプロトン伝導体とからなり、
前記第一の電極に水素と水及び／又は水蒸気の混合気体が接しており、前記第二の電極に少なくとも水素が接していることを特徴とする燃料電池。
【請求項１１】
第一の電極と、第二の電極とでプロトン伝導体を挟持し、
前記第一の電極と前記第二の電極との間に電圧を加えることにより、
燃料電池の燃料極に供給されて前記第一の電極に接触する水素と、前記第一の電極に接触する水素とは異なる湿度を有し前記第二の電極に接触する水素の間での水分の搬送を行うことを特徴とする水素ガス湿度制御方法。
【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と、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装置及び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知られている（特許文献１）。
【０００３】
この特許文献１に記載されている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に記載されている燃料電池は、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に記載されている燃料電池は、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１８に示すような構成の燃料電池を開発した。この図１８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流路もしくは燃料室が形成されている。
【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伝道し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、発電に十分な量の酸素が水の被膜もしくは高い水蒸気分圧によって中に入り込むことができなくなる。これにより、水素と酸素を供給し続けることで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逆拡散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１８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、必要により残りの水素が第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１９）
【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１８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１８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水素ガス湿度制御装置と、その水素ガス湿度制御装置を用いた燃料電池および水素ガス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】
上述したような課題を解決し、上記目的を達成するために、本出願の請求項１に記載の水素ガス湿度制御装置は、少なくとも水素ガスが供給される第一の水素流路又は水素室と、少なくとも水素ガスが供給される第二の水素流路又は水素室と、第一の水素流路又は水素室と第二の水素流路又は水素室とを分離すると共に水及び／又は水蒸気を通す水分搬送体と、からなることを特徴としている。
【００２２】
本出願の請求項２に記載の水素ガス湿度制御装置は、水素ガスが、燃料改質により発生した水素ガスであることを特徴としている。
【００２３】
本出願の請求項３に記載の水素ガス湿度制御装置は、少なくとも水素ガスが供給される第一の水素流路又は水素室と、少なくとも水素ガスが供給される第二の水素流路又は水素室と、第一の水素流路又は水素室と第二の水素流路又は水素室とを分離するプロトン伝導体と、からなることを特徴としている。
【００２４】
本出願の請求項４に記載の水素ガス湿度制御装置は、プロトン伝導体は、第一の水素流路又は水素室に臨む面と第二の水素流路又は水素室に臨む面の少なくとも一方に触媒が配置されていることを特徴としている。
【００２５】
本出願の請求項５に記載の水素ガス湿度制御装置は、第一の水素流路又は水素室に第一の電圧印加用電極を設けると共に、第二の水素流路又は水素室に第二の電圧印加用電極を設け、プロトン伝導体が第一の電圧印加用電極と第二の電圧印加用電極との間に挟持されていることを特徴としている。
【００２６】
本出願の請求項６に記載の水素ガス湿度制御装置は、第一の電圧印加用電極と第二の電圧印加用電極との間に電圧を印加することを特徴としている。
【００２７】
本出願の請求項７に記載の水素ガス湿度制御装置は、触媒は白金を含んでいることを特徴としている。
【００２８】
本出願の請求項８に記載の水素ガス湿度制御装置は、水素ガスが、燃料改質により発生した水素ガスであることを特徴としている。
【００２９】
本出願の請求項９に記載の燃料電池は、燃料が供給される燃料電極側セパレータと、酸化剤が供給される酸化剤電極側セパレータと、燃料電極側セパレータと酸化剤電極側セパレータとの間に挟持されたプロトン伝導体膜電極接合体と、を有する１個又は２個以上の発電セルと、燃料が供給される水素流路及び／又は水素室に組み込まれた１個又は２個以上の水素ガス湿度制御装置と、を備え、水素ガス湿度制御装置は、第一の支持板と、第二の支持板と、第一の支持板と第二の支持板との間に挟持された水分搬送体とからなり、第一の支持板に水素と水及び／又は水蒸気の混合気体が接しており、第二の支持板に少なくとも水素が接していることを特徴としている。
【００３０】
また、本出願の請求項１０に記載の燃料電池は、燃料が供給される燃料電極側セパレータと、酸化剤が供給される酸化剤電極側セパレータと、燃料電極側セパレータと酸化剤電極側セパレータとの間に挟持されたプロトン伝導体膜電極接合体と、を有する１個又は２個以上の発電セルと、燃料が供給される水素流路及び／又は水素室に組み込まれた１個又は２個以上の水素ガス湿度制御装置と、を備え、水素ガス湿度制御装置は、第一の電極と、第二の電極と、第一の電極と第二の電極との間に挟持されたプロトン伝導体とからなり、第一の電極に水素と水及び／又は水蒸気の混合気体が接しており、第二の電極に少なくとも水素が接していることを特徴としている。
【００３１】
また、本出願の請求項１１に記載の水素ガス湿度制御方法は、第一の電極と、第二の電極とでプロトン伝導体を挟持し、第一の電極と第二の電極との間に電圧を加えることにより、第一の電極に接触する水素と第二の電極接触する水素の間での水分の搬送を行うことを特徴としている。
【００３２】
上述のように構成したことにより、本出願の請求項１に記載の水素ガス湿度制御装置では、第一の水素流路又は水素室と第二の水素流路又は水素室を水分搬送体によって分離させているため、２つの水素流路又は水素室内の水及び／又は水蒸気の割合が異なる場合には、その割合が高い方から低い方に水分搬送体を介して水及び／又は水蒸気が搬送される。これにより、２つの水素流路又は水素室間における水及び／又は水蒸気の割合を同じくするように水素湿度を制御することができる。
【００３３】
本出願の請求項２に記載の水素ガス湿度制御装置では、水素ガスが、燃料改質により発生した水素ガスであり、水蒸気改質等により発生する水素は、水分を多く含むため、水分が不足する状況を回避し易いという好ましい効果が得られる。
【００３４】
本出願の請求項３に記載の水素ガス湿度制御装置では、第一の水素流路又は水素室と第二の水素流路又は水素室をプロトン伝導体によって分離させているため、２つの水素流路又は水素室内の水及び／又は水蒸気の割合が異なる場合には、その割合が高い方から低い方に、或いは低い方から高い方にプロトン伝導体を介して水及び／又は水蒸気が搬送される。また、その割合が同じ場合であっても、一方から他方にプロトン伝導体を介して水及び／又は水蒸気が搬送される。これにより、２つの水素流路又は水素室間における水及び／又は水蒸気の割合を同じくしたり、任意の割合に設定するように水素湿度を制御することができる。
【００３５】
本出願の請求項４に記載の水素ガス湿度制御装置では、プロトン伝導体の第一の水素流路又は水素室に臨む面と第二の水素流路又は水素室に臨む面の少なくとも一方に触媒が配置されているため、その触媒によって水素をプロトンに分離させ、また、プロトンを水素に転換させることができる。
【００３６】
本出願の請求項５に記載の水素ガス湿度制御装置では、第一の水素流路又は水素室には第一の電圧印加用電極が設けられ、第二の水素流路又は水素室には第二の電圧印加用電極が設けられ、これら電極間にプロトン伝導体が挟持されているため、これらでプロトンポンプを構成して水素ガスの湿度制御を行うことができる。従って、水素流路又は水素室内の水素湿度を最適な状態に保つための加湿・除湿装置、湿度センサ、減圧レギュレータ、昇圧コンプレッサ、流量コントローラ等として用いることができる。
【００３７】
本出願の請求項６に記載の水素ガス湿度制御装置では、第一の電圧印加用電極と第二の電圧印加用電極の間に電圧を印加させることにより、プロトン伝導体を介してプロトンを電圧の高い側から電圧の低い側に向けて移動させることができる。
【００３８】
本出願の請求項７に記載の水素ガス湿度制御装置では、触媒として白金を用いることにより、水素をプロトンに分離させ、或いは、プロトンを水素に転換させることを効率良く行うことができる。
【００３９】
本出願の請求項８に記載の水素ガス湿度制御装置では、水素ガスが、燃料改質により発生した水素ガスであり、水蒸気改質等により発生する水素は、水分を多く含むため、水分が不足する状況を回避し易いという好ましい効果が得られる。
【００４０】
本出願の請求項９に記載の燃料電池では、燃料電極側セパレータと酸化剤電極側セパレータとプロトン伝導体膜電極接合体とを有する１個又は２個以上の発電セルと、水素ガス湿度制御装置とを備えた燃料電池において、水素ガス湿度制御装置の第一の支持板と第二の支持板との間に水分搬送体が挟持され、第一の支持板に水素と水及び／又は水蒸気の混合気体が接触し、第二の支持板に少なくとも水素が接触しているため、燃料が供給される水素流路又は水素室内の水素湿度が高い場合には余分な水及び／又は水蒸気を水分搬送体で低い側に伝導させて除湿し、また、その水素流路又は水素室内の水素湿度が低い場合には水分搬送体で高い側から伝導させて加湿して、発電動作を効率良く継続させることができる。
【００４１】
また、本出願の請求項１０に記載の燃料電池では、燃料電極側セパレータと酸化剤電極側セパレータとプロトン伝導体膜電極接合体とを有する１個又は２個以上の発電セルと、水素ガス湿度制御装置とを備えた燃料電池において、水素ガス湿度制御装置の第一の電極と第二の電極との間にプロトン伝導体が挟持され、第一の電極に水素と水及び／又は水蒸気の混合気体が接触し、第二の電極に少なくとも水素が接触しているため、両電極間に電圧を印加することにより、電圧の高い側から低い側に向けて水及び／又は水蒸気を移動させることができ、その電圧の印加方向を制御することで２つの水素流路又は水素室の水素湿度を調整し、発電動作を効率良く継続させることができる。
【００４２】
また、本出願の請求項１１に記載の水素ガス湿度制御方法によれば、第一の電極と、第二の電極とでプロトン伝導体を挟持し、第一の電極と第二の電極との間に電圧を加えることにより、燃料電池の燃料極に供給されて第一の電極に接触する水素と、第一の電極に接触する水素とは異なる湿度を有し第二の電極に接触する水素の間での水分の搬送を行うため、電圧の高い側から低い側に向けて水及び／又は水蒸気を移動させることができ、その電圧の印加方向を制御することで２つの水素流路又は水素室の水素湿度を調整し、燃料電池での発電動作を効率良く継続させることができる。
【００４３】
【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１７は、本発明の実施の例を示すものである。即ち、図１は本発明の燃料電池の第一の実施例の概略構成を示す説明図、図２は第一の実施例に係る発電セルの組立状態の概略構成を示す説明図、図３は第一の実施例に係る発電セルの配管構成の他の例を示す説明図、図４は本発明の燃料電池の第二の実施例の概略構成を示す説明図、図５は本発明の燃料電池の第３の実施例の概略構成を示す説明図、図６は本発明の燃料電池の原理説明図、図７は図６の詳細な構成の一例を示す説明図、図８は図７の詳細な構成の他の例を示す説明図、図１０Ａ，Ｂ、図１１Ａ，Ｂ、図１２、図１３Ａ，Ｂ、図１４Ａ，Ｂ、図１５Ａ，Ｂ及び図１６Ａ，Ｂは発電セルとプロトンポンプの関係をそれぞれ説明する説明図、図１７Ａ，Ｂは水素湿度と水素流路との関係を説明するグラフである。
【００４４】
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。
【００４５】
燃料電池に用いられるプロトン伝導体がプロトンを移動させるためには水が必要であるので、この生成水をプロトン伝導体内に拡散させ、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、生成水がプロトン伝導体内で過剰になると、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。また、プロトン伝導体を通じて水素（アノード）側に拡散した生成水が水素の移動を妨げる場合もある。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、プロトン伝導体内の水分を常に一定範囲内に保つことが重要になる。
【００４６】
また、水素ガス湿度制御装置は、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、水分を介在させてプロトンを移動させるプロトンポンプを用いる。プロトンポンプは、水素をプロトン経由にて移動すると共に、それに伴う水素又は水分の移動を目的とするもので、移動対象物は水素と水分である。このプロトンポンプを伝導する水素と水分の移動量は、例えば、プロトン伝導体膜電極接合体の両面に設けられた電極間に印加する電圧又は電流を大小変化させることによって調整することができる。
【００４７】
図１に示すように、本発明に係る水素ガス湿度制御装置の第１の実施例として示すプロトンポンプは、水素流路が直列に接続された４個の発電セル１５，１６，１７及び１８のうち、最も下流に位置する第四の発電セル１８に組み立てられて一体的に構成されている。
【００４８】
このうち、第一の発電セル１５、第二の発電セル１６及び第３の発電セル１７の３個の発電セルは、従来例として示した図１８の発電セル４と同様の構成を有している。即ち、第一〜第三の発電セル１５〜１７は、ともに上下両面に触媒が担持されたプロトン伝導体膜電極接合体５と、このプロトン伝導体膜電極接合体５の一面側に配置された酸化剤電極側セパレータ６と、プロトン伝導体膜電極接合体５の他面側に配置された燃料電極側セパレータ７と、プロトン伝導体膜電極接合体５と各セパレータ６，７との間にそれぞれ介在された電極８，９とを備えて構成されている。
【００４９】
一方、第四の発電セル１８は、図１８に示した発電セル４と同様の構成からなる発電部１９を有しているが、その発電部１９に加えて、水素ガス湿度制御装置であるプロトンポンプ部２０が燃料電極セパレータ２４側に組み込まれている。発電部１９とプロトンポンプ部２０の組み合わせが一体的に構成されることによって第四の発電セル１８が構成されている。この第四の発電セル１８を含む４個の発電セル１５〜１８を、水素が供給される水素流路を直列に接続して一体化させることにより、４個の発電セル１５〜１８の組み合わせからなる燃料電池１４が構成されている。
【００５０】
この燃料電池１４の第四の発電セル１８の発電部１９と第一〜第三の発電セル１５〜１７とは、上述した発電セル１〜４の構成と同一であるため、ここでは発電部１９を代表させて、その構成および発電反応を簡単に説明する。
【００５１】
発電セル１５〜１８の発電部１９は、中央に配置されたプロトン伝導体膜電極接合体２２と、このプロトン伝導体膜電極接合体２２の一面側に配置された酸化剤電極側セパレータ２３と、プロトン伝導体膜電極接合体２２の他面側に配置された燃料電極側セパレータ２４と、２枚の集電板電極２５，２６を備えている。
【００５２】
プロトン伝導体膜電極接合体２２は、中央に配置されたプロトン伝導体膜と、このプロトン伝導体膜の両面に設けられた第一及び第二の触媒との三層構造とされている。プロトン伝導体膜は、常温で高いプロトン（Ｈ＋）伝導性を示す高分子膜であり、例えば、パーフルオロスルホン酸膜、ナフィオン膜（フッ素樹脂系）等を用いることができる。また、第一及び第二の触媒としては、例えば、白金、白金・ルテニウム、或いはカーボン粉に白金等を担持させたもの、その他の触媒を用いることができる。
【００５３】
このプロトン伝導体膜電極接合体２２の第一の触媒側に燃料側の集電板電極２５が配置され、プロトン伝導体膜電極接合体２２の第二の触媒側に酸化剤側の集電板電極２６が配置されている。このように三層構造とされた集電板電極２５、プロトン伝導体膜電極接合体２２及び集電板電極２６を、その両面から酸化剤電極側セパレータ２３と燃料電極側セパレータ２４とで挟持することにより発電部１９が構成されている。
【００５４】
酸化剤電極側セパレータ２３は、例えば、薄い平板状の部材からなり、その中央部には、一方の面から他方の面まで貫通する酸素、空気等の酸化剤を取り入れるための酸素取入口２７が設けられている。また、この酸化剤電極側セパレータ２３とプロトン伝導体膜電極接合体２２との間に、同じく酸素取入口を有する酸化剤側の集電板電極２６が配置されている。酸素取入口２７から大気中の酸素が取り入れられ、その酸素が集電板電極２６を介して高分子電解質膜電極接合体２２の第二の触媒に供給される。
【００５５】
また、燃料電極側セパレータ２４も同様に、例えば、薄い板状の部材からなり、その側面には、燃料の一具体例である水素が供給される燃料供給口が設けられている。この燃料電極側セパレータ２４の両面には、水素を電極と接触させるための水素接触部が設けられている。この水素接触部が燃料供給口と連通されていて、燃料供給口から供給された水素が、内部通路を通って燃料電極側セパレータ２４の両面に設けられた水素接触部に放出される。したがって、燃料電極側セパレータ２４とプロトン伝導体膜電極接合体２２との間に配置されている燃料側の集電板電極２５側には水素接触部から水素が供給され、プロトンポンプ部２０側にも水素接触部から水素が供給される。
【００５６】
燃料電極側セパレータ２４は、プロトンポンプ部２０の一方のセパレータである第一のセパレータを兼ねている。尚、第一の発電セル１５から第三の発電セル１７においては発電部のみで構成されていて、プロトンポンプ部がないため、それらの燃料電極側セパレータ７には、その一面のみに水素接触部が設けられ、他面には燃料ガスが漏れない構造とされている。
【００５７】
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２４に供給され、酸化剤の空気が酸化剤電極側セパレータ２３に供給される。燃料の水素ガス（Ｈ２）が送られてくると、プロトン伝導体膜電極接合体２２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＋）がプロトン伝導体膜中を伝道し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）。
【００５８】
次にプロトンポンプ部２０の構成と動作について説明する。プロトン伝導体膜の特性は、プロトンのみを移動することであるが、プロトンの移動のために水（Ｈ２Ｏ）をＯＨ−Ｈの形で保有し、その−Ｈを足場として、プロトン（Ｈ＋）を移動するのが基本である。そのため、プロトン伝導体膜は、実際には、プロトンのみを伝導するのではなく、同時に水も透過させることができる。このプロトン伝導体膜の水の透過性を利用することにより、ポンプ装置等の外部装置を用いることなく、燃料電池内部の過剰な水分を外部に排出したり、水分の流れる方向、水分の流量その他の水分の制御が可能となる。
【００５９】
第一のセパレータ２４を用いて構成されるプロトンポンプ部２０は、第一のセパレータ２４の他に、第二のセパレータ２８と、両セパレータ２４，２８間に挟持されたプロトン伝導体膜電極接合体２９と、２枚の印加電極３０，３１を備えて構成されている。第二のセパレータ２８は、第一のセパレータ２４と同様に水素ガスが流通されるもので、戻り配管３３の一端が接続されている。この第二のセパレータ２８に到達した水素ガス（Ｈ２）が、戻り配管３３を介して上流側の発電セル（この実施例では第一の発電セル１５）に戻される構成となっている。
【００６０】
プロトン伝導体膜電極接合体２９は、発電部１９のプロトン伝導体膜電極接合体２２と同様の構成とすることができる。この実施例ではプロトン伝導体膜電極接合体２９は、プロトン伝導体膜電極接合体２２と同様の構成とされており、中央に配置されたプロトン伝導体膜と、このプロトン伝導体膜の両面に設けられた第一の触媒及び第二の触媒の三層構造とされている。そして、第一の触媒側に第一の印加電極３０が配置され、第二の触媒側に第二の印加電極３１が配置されている。
【００６１】
このように三層構造とされた第一の印加電極３０、プロトン伝導体膜電極接合体２９及び第二の印加電極３１を、その両面から第一のセパレータ２４と第二のセパレータ２８とで挟持することによりプロトンポンプ部２０が構成されている。第一の印加電極３０と第二の印加電極３１にはポンプ側電気回路４８が接続され、第一の印加電極３０と第二の印加電極３１との間の電位差を変更可能となっている。後述するようにプロトンポンプ部２０は、ポンプ側電気回路４８が第一の印加電極３０と第二の印加電極３１との間に生じさせる電位差によって、第一のセパレータ２４からプロトンポンプ部２０、第一の印加電極３０、プロトン伝導体膜電極接合体２９及び第二の印加電極３１を経て第二のセパレータ２８に向けて水素および水分を搬送することができる。また、第二のセパレータ２８側から第一のセパレータ２４側に水素および水分を搬送することもできる。
【００６２】
第一の印加電極３０と第二の印加電極３１は、ポンプ側電気回路４８によってその正極（＋極）及び負極（−極）を変更可能な状態（電圧の印加方向が可変）で互いに電気的に接続されている。この場合、例えば、第一の印加電極３０の電圧が第二の印加電極３１の電圧よりも高くなるように電圧を印加すると、水素（Ｈ２）が第一のガス拡散層の触媒と接触して電子（２ｅ−）が飛び出す。これと共に、プロトン（２Ｈ＋）がプラスイオンであるためマイナス側に引っ張られ、プロトン伝導体膜電極接合体２９を透過するように移動する。
【００６３】
このとき、第一のセパレータ３０から供給される水素（Ｈ２）は、３個の発電セル１５〜１７を通過してきた後の逆拡散水による水分を十分に含んだウエット水素であり、それ自体が含有する水分によってプロトン伝導体膜電極接合体２９を伝導する際の搬送水の機能が確保されている。そのため、第一の印加電極３０側にあるプロトン（Ｈ＋）は、搬送水（Ｈ２Ｏ）により搬送されてプロトン伝導体膜電極接合体２９を透過し、第二の印加電極３１側に容易に移動することができる。そして、第二の印加電極３１側に移動したプロトン（Ｈ＋）は、電子（ｅ−）と反応して水素（Ｈ２）となる（２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２）。その後、水分を多量に含んだウエット水素（Ｈ２）は、第二のセパレータ２８から戻り配管３３に流される。その結果、発電部１９に供給される水素の水分を低くすることができ、これにより、ウェット状態で発電部１９に供給される水素を発電に適する湿度にすることができる。
【００６４】
これとは逆に、第二の印加電極３１の電圧が第一の印加電極３０の電圧よりも高くなるように電圧を印加すると、第二の印加電極３１側にあるプロトン（Ｈ＋）は、搬送水（Ｈ２Ｏ）により搬送されてプロトン伝導体膜電極接合体２９を透過し、第一の印加電極３０側に容易に移動することができる。そして、第一の印加電極３０側に移動したプロトン（Ｈ＋）は、電子（ｅ−）と反応して水素（Ｈ２）となる（２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２）。この水素が第一のセパレータ２４を介して発電部１９に供給されると、燃料の水素として発電に使用される。
【００６５】
このように、第二のセパレータ２８側に多くの水分があり、発電部１９に連通された第一のセパレータ２４側にある水素が乾いている場合には、水分を多く含んだ水素（Ｈ２）を、プロトン伝導体膜電極接合体２９を介して第一のセパレータ２４側に戻すことができる。その結果、発電部１９に供給される水素の水分を高くすることができ、これにより、ドライ状態で発電部１９に供給される水素を発電に適する湿度にすることができる。
【００６６】
このように、ポンプ側電気回路４８でプロトンポンプ部２０の第一の印加電極３０及び第二の印加電極３１間における電圧の印可方向を変えることにより、プロトンポンプ部２０を正方向と逆方向に移動する割合を調整して、混合後の水素の湿度を決定することができる。即ち、プロトンポンプ部２０を透過して第一の印加電極３０から第二の印加電極３１に移動する水素の水分量を高くしたり、これとは逆に、第二の印加電極３１から第一の印加電極３０に移動する水素の水分量を高くしたりして、その水分量を自在に調整することが可能となる。
【００６７】
この場合、プロトンポンプ部２０が第四のセル１８のみに設けられているため、第四のセル１８の発電部１９のみが集中して加湿若しくは除湿されることになる。更に、そのプロトンポンプ部２０に連通された第二のセパレータ２８には戻り配管３３が接続されているため、その戻り配管３３からの水素及び水分の逆流によってもプロトンポンプ部２０の水素湿度が影響を受けることになる。
【００６８】
第二のセパレータ２８の燃料排出口に一端が接続された戻り配管３３内には、プロトンポンプ部２０の第二のセパレータ２８から排出されたウエット水素若しくは水分を貯蔵しておくことができる水分貯蔵器（リザーバー）３４が設けられている。この水分貯蔵器３４は、第二のセパレータ２８内又はその近傍に設けるようにしてもよい。水分貯蔵器３４にはドレン配管３５が設けられていて、ドレン配管３５の開口側には開閉弁３６が取り付けられている。この水分貯蔵器３４には、内部に発生した結露を水素と分離させる機能が備えられており、その結露が集まってできた水が開閉弁３６を開放することによって大気中に排出される。この水分貯蔵器３４で水分が適当に取り除かれた水素が、第一の発電セル１５の燃料供給口のある燃料電極側セパレータ７に還流される。
【００６９】
上述したプロトンポンプ部２０によれば、水素も水も共にポンプすることができるが、その場合に必要とされるエネルギーについて説明する。水素の１原子（１／２・Ｈ２）に対してプロトン（Ｈ＋）は１個であり、このときの電子（ｅ−）は１×１．６×１０−１９［Ｃ］であって、この水素のための搬送水（同伴水）は、一般的に１〜２．５個といわれており、ここではそのように仮定する。すると、水素１分子（Ｈ２）の場合は、１原子のときの２倍であるため、プロトン（Ｈ＋）は２個となり、電子（ｅ−）は２×１．６×１０−１９［Ｃ］であって、搬送水は２〜５個である。
【００７０】
これを水素１［ｍｏｌ］に換算すると、プロトン（Ｈ＋）は２×６．０２×１０２３個となり、電子（ｅ−）は２×１．６×１０−１９×６．０２×１０２３［Ｃ］であって、搬送水は２〜５［ｍｏｌ］である。これを、搬送水の１［ｍｏｌ］に換算すると、電子（ｅ−）は２×１．６×１０−１９×６．０２×１０２３×１／２〜１／５［Ｃ］、プロトン（Ｈ＋）は２×６．０２×１０２３×１／２〜１／５個、水素は１×１／２〜１／５［ｍｏｌ］である。
【００７１】
ここで、１秒当りの水素量を１０−６［ｍｏｌ／ｓ］（＝１．３４ｃｃ／ｓ）とすると、得られる電子量は０．１９３［Ａ］であり、このときの搬送水は５×１０−６［ｍｏｌ／ｓ］である。発電セル１８においては、１［Ａ］の電流を得るために必要な水素量は７［ｃｃ／ｍｉｎ］となり、このとき生成水は５．１９×１０−６［ｍｏｌ／ｓ］が発生する。従って、例えば、全生成水が逆拡散した最悪の状態を仮定した場合でも、プロトンポンプ部２０は、極めて低い電圧を用いて、発電電流の１／２〜１／５の電流で全生成水をプロトンの搬送水として循環させて、湿度の持ち出しを行うことができる。
【００７２】
一般に、１個の発電セルの発電量［Ｗ］は、電流を５［Ａ］としたとき、電圧が０．６〜０．７［Ｖ］であれば、３．０〜３．５Ｗとなる（例えば、０．６［Ｖ］×５［Ａ］＝３［Ｗ］）。
【００７３】
これに対して、プロトンポンプ部２０の動作に必要な電力量（消費電力）は、電流を５［Ａ］として、電圧を５０［ｍＶ］とすると、０．２５［Ｗ］となる（５０［ｍＶ］×５［Ａ］＝０．２５［Ｗ］）。従って、発電セルで３５［ｃｃ／ｍｉｎ］の水素消費があり、プロトンポンプ部２０で３５［ｃｃ／ｍｉｎ］の水素循環がなされた状態で運転されるものとすると、発電セルに対するプロトンポンプの効率は、効率＝３［Ｗ］÷０．２５［Ｗ］≒１２倍となる。
【００７４】
また、発電セルを３５［ｃｃ／ｍｉｎ］で運転し、そのうち１４［ｃｃ／ｍｉｎ］を戻り配管３３から戻すものとして、プロトンポンプ部２０の駆動電流が２［Ａ］であって、電圧が２０［ｍＶ］であるとすると、このときの消費電力は０．０４［Ｗ］となる（０．０２［Ｖ］×２［Ａ］＝０．０４［Ｗ］）。従って、この場合における、発電セルに対するプロトンポンプの効率は、効率＝３［Ｗ］÷０．０４［Ｗ］≒８０倍となる。
【００７５】
このように、本実施例の発電セル１８及び燃料電池１４によれば、発電部１５で発電された電力の一部をプロトンポンプ部２０で消費するが、その消費量は発電量に比べて極めて少ないため（発電電圧０．６又は０．６〜０．７Ｖに対して、消費電圧０．０５Ｖ位）、発電効率の低下を最小限に抑えつつ、発電動作を効率良く継続させることができる。
【００７６】
図１に示した構成を有する燃料電池１４の作用は、例えば、次のようなものである。４個の発電セル１５〜１８を、これらに供給される水素の流路を直列に接続する。そして、第一の発電セル１５から第二の発電セル１６及び第三の発電セル１７を介して第四の発電セル１８に向けて、燃料としての水素を供給する。なお、燃料は水素を直接供給してもよいし、燃料改質等により発生する水素を使用してもよい。特に水蒸気改質等により発生する水素は、水分を多く含むため、水分が不足する状況を回避し易く、本発明により好ましい効果が得られる。
【００７７】
このように接続された４個の発電セル１５〜１８に対して燃料としての水素をデッドエンドにて供給した場合、３個の発電セル１５〜１７及び発電セル１８の発電部１９で逆拡散水が顕著に発生し、これらの水が水素の流れに応じて下流側に押し流されることで水素と水若しくは水蒸気の分圧特性が徐々に変化する（図１６の符号１２を参照）。この分圧特性の変化は、水分が水の場合と水蒸気の場合とでは異なるが、水として結露すると、その水分は水素ガスの流れに乗りにくいものとなる。
【００７８】
いま、４個の発電セル１５〜１８において発電電流が等しいものと仮定する。この状態で、水等の分圧特性を水素の流量で考えると、デッドエンドの場合、下流端の水素流量５６が０ｃｃ／ｍｉｎであるため、上流端である第一の発電セル１５の水素流量５２を１００ｃｃ／ｍｉｎとすると、第二の発電セル１６の供給側では水素流量５３は７５ｃｃ／ｍｉｎ、第三の発電セル１７の供給側では水素流量５４は５０ｃｃ／ｍｉｎ、第四の発電セル１８の供給側では水素流量５５は２５ｃｃ／ｍｉｎとなり、これらの値が妥当な理想値と考えられる。
【００７９】
このような環境状態において、第一〜第三の発電セル１５〜１７及び第四の発電セル１８の発電部１９では、例えば、次のようにして発電が行われる。即ち、燃料の水素ガスが燃料電極側セパレータ７若しくは２４に供給されると共に、酸化剤の空気が大気中から酸化剤電極側セパレータ６若しくは２３に供給される。その結果、燃料の水素ガス（Ｈ２）がプロトン伝導体膜電極接合体５若しくは２２の第一の触媒と接触して電子（ｅ−）が飛び出し、プロトン（Ｈ＋）が発生する（Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−）。
【００８０】
このプロトン（Ｈ＋）がプロトン伝導体膜電極接合体５若しくは２２のプロトン伝導体膜を通り抜けて反対側の第二の触媒に向かう。この第二の触媒では、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、これにより水が生成される（Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ）。
【００８１】
この化学反応により、プロトン伝導体膜電極接合体５若しくは２２の酸化剤電極側セパレータ６若しくは２３側には水がどんどん生成される。このような水及び逆拡散水の拡散過程は、４個の発電セル１５〜１８において同様に行われるが、上流側の発電セルに供給される水素に逆拡散した水分量よりも下流側の発電セルに供給される水素の水分量が大となる。これは、水素が下流に移動するに伴って逆拡散水も押し流され、第四の発電セル１８において吹き溜まりとなって次から次へと蓄積される。そこで、第四の発電セル１８の発電部１９で生成され且つ水分を多く含んだ水素を、プロトンポンプ部２０から排出し、戻り配管３３に戻すようにする。
【００８２】
この場合、プロトンポンプ部２０のポンプ側電気回路４８では、第一の印加電極３０の電位が第二の印加電極３１の電位以上になるように電圧を印加させる。その結果、第一のセパレータ２４から供給される水素（Ｈ２）が第一の触媒と接触して電子（ｅ−）が飛び出すと共に、プロトン（Ｈ＋）が第一の触媒からプロトン伝導膜を伝導して第二の触媒に向かって移動する。
【００８３】
このとき、第一のセパレータ２４から供給される水素（Ｈ２）は、上流の３個の発電セル１５〜１７を通過する際に水分を吸収して湿度が高められた後のウエット水素であり、その水素自体が十分な水分を含有している。そのため、この水素（Ｈ２）には、それ自体を移動させるに必要な搬送水の機能が確保されている。従って、第一の触媒で発生したプロトン（Ｈ＋）は、プロトン伝導膜を伝導して第二の触媒に向かって容易に移動することができる。
【００８４】
更に、第二の触媒側に移動したプロトン（Ｈ＋）は、電子（ｅ−）と反応して水素（Ｈ２）となる（２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２）。これにより、水分を多量に含んだ水素（Ｈ２）が生成される。その後、水分を多量に含んだウエット水素は、第二のセパレータ２８から戻り配管３３に送られる。戻り配管３３に送られたウエット水素は、水分貯蔵器３４に一時的に蓄えられ、一部は水分が十分に高められて結露となり、残部は水分が取り除かれて適度な湿気を有する水素に変換される。
【００８５】
この適度な湿度を有する水素が第一の発電セル１５に戻され、新規なドライ水素と混合されて、再び発電に供される。このようなサイクルが連続されることにより、燃料電池１４によって連続した発電動作が行われると共に、下流側の発電セル１８から十分に水分が含まれた水素を排出させて、発電動作の実行を確保することができる。
【００８６】
ここに述べた燃料電池の作用は、多数の発電セルを直列に接続した場合のものであるが、これは単一の発電セルにおいても同様である。即ち、１個の発電セルにおいても、水素ガスの上流部と下流部とで同様に当てはまることである。
【００８７】
図２は、図１に示した第四の発電セル１８の原理確認用の装置を表したものであり、その発電セルの組立状態及びその配管構造等の概略構成を示している。燃料電極側セパレータ（第一のセパレータ）２４には水素流路４０が接続されていて、その水素流路４０には、供給される水素の圧力を検出する圧力計４１が設けられている。この水素流路４０に供給される水素は、水分を含まないか又は含む水分の少ない、いわゆるドライ水素と呼ばれるものである。また、酸化剤電極側セパレータ２３には、大気中の空気が酸素取入口２７から供給される。
【００８８】
更に、第二のセパレータ２８に一端が接続された戻り配管３３の他端が、水素流路４０の圧力計４１の下流側に接続されている。この戻り配管３３には、第二のセパレータ２８から近い順に湿度計４３と圧力計４４と流量計４５と逆止弁４６が配設されている。湿度計４３は、第二のセパレータ２８から水素流路４０に戻される水素の湿度を測定するものである。また、圧力計４４は、戻り配管３３内の圧力、即ち、第二のセパレータ２８から水素流路４０に戻される水素の圧力を測定するものである。
【００８９】
また、流量計４５は、戻り配管３３内を流れる水素の流量を測定するものである。そして、逆止弁４６は、水素流路４０から戻り配管３３に向かって水素が流れ込むのを防止するものである。通常、戻り配管３３内の水素の圧力は、水素流路４０内の水素の圧力と同等か若しくは高いため、水素流路４０内のドライ水素に混ぜて再循環させるように構成されている。
【００９０】
尚、圧力計４１、湿度計４３、圧力計４４、流量計４５及び逆止弁４６は、あくまでもプロトンポンプの原理を確認するために必要とされるものである。そして、これら圧力計４１等の配置、配列は、この実施例のものに限定されるものではない。更に、デバイス装置としての実用に際しては、圧力計４１等は必要に応じて用いられるものであって、不要時にはそれぞれ省略することが可能なものである。
【００９１】
この発電セル１８の発電部１９には発電側電気回路４７が形成されている。この発電側電気回路４７には、燃料電極側セパレータ２４からプロトン伝導体膜電極接合体２２を経て酸化剤電極側セパレータ２３に向かう方向に流れる図２において時計方向の電流が発生される。また、発電セル１８のプロトンポンプ部２０にはポンプ側電気回路４８が形成される。このポンプ側電気回路４８には、第二のセパレータ２４からプロトン伝導体膜電極接合体２９を経て第二のセパレータ２８に向かう方向に流れる図２において反時計方向の電流が印加される。
【００９２】
このポンプ側電気回路４８は、プロトンポンプ部２０の第一の印加電極３０と第二の印加電極３１との間に適当な大きさの電圧を印加できるように構成したことによるものである。更に、ポンプ側電気回路４８には、印加される電圧の大きさ及びその電圧の印加方向を変更可能な可変電源４９が設けられている。このポンプ側電気回路４８では、通常、第一の印加電極３０の電位が第二の印加電極３１の電位以上に高くなるように電圧を印加させるようにする。これにより、プロトンポンプ部２０にポンプ作用が生じ、水分を多く含んだウエット水素を戻り配管３３に流すことができる。
【００９３】
これとは反対に、第一の印加電極３０の電位が第二の印加電極３１の電位よりも低くなるように電圧を印加させると、水分を多く含んだウエット水素が第二のセパレータ２８側から第一のセパレータ２４側に向かって移動する。これにより、水分を多く含んだウエット水素が、第一のセパレータ２４から発電部１９に供給され、その水分が発電部１９において発電等に利用されて、有効な発電その他の働き（搬送水の役割等）に利用される。
【００９４】
図３は、図２の回路構成を変形した実施例を示すものであり、図２と同一部分には同一の符号を付している。この実施例では、戻り配管３３に変えて迂回配管５０を設け、迂回配管５０の一端を第二のセパレータ２８に接続し、その他端を第一のセパレータ２４に接続するように構成されている。迂回配管５０には、第二のセパレータ２８に近い側から順に圧力計４４、湿度計４３及び流量計４５が配設されているが、逆止弁は省略されている。この圧力計４４等の配置、配列については、これに限定されるものではなく、また、逆止弁を設ける構成としてもよい。このような接続構成とすることによっても、図２の実施例と同様の効果を得ることができる。
【００９５】
図１７Ａ，Ｂは、水素湿度と水素流路との関係を説明するグラフである。図１７Ａにおいて、符号５７は、従来の湿度分布を示すものであり、水素流路の上流部では水素密度が高くなっていて、下流部に移動するに従って比例的に水素密度が低くなっている。符号５８は、従来の水素の湿度分布に対して、湿度制御による加湿、除湿制御を行った範囲を示すものである。この場合、水素流路の上流部と下流部では水素湿度に相対差があるため、これだけでは好ましいものではないので、符号５９に示すように、湿度循環による湿度勾配を平均化するようにする。
【００９６】
図１７Ｂは、本実施例のように水素湿度を制御し、湿度循環による湿度勾配を平均化すると共に、平均化された水素湿度（符号５９）の湿度分布範囲（符号６０）を示すものである。このように水素湿度の平均化を図ることにより、発電効率の低下を最小限に抑えつつ、発電動作を効率良く継続させることができる。
【００９７】
しかも、本発明によれば、プロトンポンプ部２０は、プロトン伝導体膜のドライアップ時（水分が不足した乾燥時）には、一般的に作動しにくいが、水素循環が必要となるのは水素流路が水によって閉塞されたときであるため、その水によってプロトンポンプを動作させるための湿度を十分に確保することができる。更に、本実施例のように、発電部１９とプロトンポンプ部２０を互いに近接させて設けることにより、発電部１９に向かう水素の湿度とプロトンポンプ部２０に向かう水素の湿度を同等レベルに保持することができる。
【００９８】
その結果、プロトンポンプ部２０の内部抵抗（＝印加電圧／電流）を観測することで水素極（燃料極）全体の湿度を同時にセンシングすることができ、これによって湿度センサの役割を果たすことができる。また、上述したように、一対のガス拡散層間における電圧の印加方向を反転させることにより、ポンプ方向を反転させて湿度の高い水素を逆方向に移動させることができる。しかも、ポンプ量（ポンプスピード）は、水素流量を調整することによって自由に設定することができ、プロトンポンプの面積、印加電圧、電流、プロトン伝導体膜の材料等とのマッチングを図ることにより、ポンプ効率を高めて最適化を図ることができる。
【００９９】
また、プロトンポンプによれば、プロトン伝導体膜を通じて行われるプロトンの伝導に加えて、搬送水の移動を促進させることができる（水素と水分の移動）。これにより、燃料である水素の湿度を発電に適したものに調整することが出来るため、発電部のプロトン伝導体の過乾燥や水没による発電反応の低下を防止することが可能となる。更に、水分の移動に関しては、使用箇所によって除湿若しくは加湿の効果を発揮させることができる。更に又、水素の移動には、その圧力や流量の調整を図ることができ、減圧レギュレータ、昇圧コンプレッサ、或いは流量コントローラとして機能させることもできる。そして、この際の圧力勾配により、循環流の一方化を図り、水素の逆流防止を行うことができる。
【０１００】
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。
【０１０１】
図４は、本発明の燃料電池の第２の実施例を示すものであり、この実施例に示す燃料電池６２は、上述した第一の実施例の水分貯蔵器３４に、新たなドライ水素６３を供給し、戻り配管３３内の水素の状態を調整するように構成したものである。他の構成は、上述した図１の場合と同様であるため、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。尚、戻り配管３３は、この実施例においても前記実施例と同様に、管状の部材を用いて配管として接続する構成として図示したが、配管による接続に限られるものではなく、例えば、セパレータ同士を接合させて戻り管路を形成する等の他の接続構成を含むことは勿論である。
【０１０２】
この第２の実施例によれば、予めウエット水素によって適度な湿度が与えられたドライ水素が、４個の発電セル１５〜１８のうち第一の発電セル１５の燃料供給口に供給される。そのため、４個の発電セル１５〜１８の直列とされた水素流路を通して、略平均化された湿度を有する水素を流通させることができる。
【０１０３】
図５は、本発明の燃料電池の第３の実施例を示すものであり、この実施例に示す燃料電池６４は、上述した第２の実施例の第一の発電セル１５を第四の発電セル１８と同一の構成として第一の発電セル１５Ａを設け、最上流に位置する発電セルにもプロトンポンプ部２０を設けたものである。第一の発電セル１５Ａは第四の発電セル１８と同様の構成を有しており、戻り配管３３の先端が第一の発電セル１５Ａに接続されている。燃料電池６４の他の構成は、図４に示した第２の実施例と同様であるため、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。
【０１０４】
この第３の実施例では、第四の発電セル１８のプロトンポンプ部２０から排出されたウエット水素が水分貯蔵器３４に供給され、その水素は水分貯蔵器３４に供給される新たなドライ水素６３と混合される。その混合後の適度に湿度が調整された水素が、第一の発電セル１５Ａのプロトンポンプ部２０の第二のセパレータ２８に供給される。この第二のセパレータ２８から供給された水素は、プロトンポンプ部２０を通過する際に上述したポンプ作用に供される。その後、プロトンポンプ部２０を通過した水素の一部が発電部１９に移動して上述した発電作用に供される。
【０１０５】
一方、プロトンポンプ部２０を通過した水素のうち発電部１９で消費された分を除く残部は、第一のセパレータ２４から第二の発電セル１６側に移動する。この水素の一部は第二の発電セル１６において発電に供され、その残部が第三の発電セル１７に供給される。更に、第三の発電セル１７に移動した水素は、その一部が発電に供され、残部が第四の発電セル１８に供給される。そして、第四の発電セル１８において、上述したように、発電部１９による発電作用とプロトンポンプ部２０によるポンプ作用とが行われる。
【０１０６】
尚、図５における水分貯蔵器（リザーバ）３４は、第一の発電セル１５Ａ或いは第四の発電セル１８の内部に設ける構成としてもよい。また、４個の発電セル１５Ａ，１６〜１８のすべてを一体に構成し、その内部に水分貯蔵器３４を内蔵する構成とすることもできる。
【０１０７】
図６は、本発明の燃料電池の実施例の原理を説明する図である。この燃料電池６５は、互いに重ね合わされる酸化剤電極側セパレータ６６、燃料電極側セパレータ６７及び第三のセパレータ６８と、発電部６９と、水素ガス湿度制御装置の一具体例を示すプロトン伝導体７０を備えて構成されている。酸化剤電極側セパレータ６６と燃料電極側セパレータ６７は発電部６９を介して重ね合わされており、両セパレータ６６，６７の内部に形成された空間部が発電部６９によって酸化剤側ガス拡散室７１と燃料側ガス拡散室７２とに仕切られている。第三のセパレータ６８は燃料電極側セパレータ６７の外側に重ね合わされており、これにより両セパレータ６７，６８の内部に、水素ガスが供給される第二の水素流路又は水素室の一具体例を示す水素ガス室７３が形成されている。
【０１０８】
更に、酸化剤電極側セパレータ６６には酸素供給口７４が設けられており、この酸素供給口７４が酸化剤側ガス拡散室７１に連通されている。この酸素供給口７４には、大気中の空気（特に酸素）或いは酸素貯蔵器から酸素が供給される。また、燃料電極側セパレータ６９には燃料供給口７５が設けられており、この燃料供給口７５が燃料側ガス拡散室７２に連通されている。この燃料供給口７５には、水素貯蔵器等の燃料供給源が接続され、その燃料供給源から燃料（特に水素）が供給される。第三のセパレータ６８には水素供給口７６が設けられており、この水素供給口７６が水素ガス室７３に連通されている。この水素供給口７６には、前記水素貯蔵器等の燃料供給源又は別個に設けた水素供給源が接続され、その水素供給源から水素が供給される。
【０１０９】
これら酸化剤電極側セパレータ６６、燃料電極側セパレータ６７及び第三のセパレータ６８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６に示す実施例は、３つのセパレータを伝導性の材料で形成したものであり、この場合、酸化剤電極側セパレータ６６と燃料電極側セパレータ６７との間、及び燃料電極側セパレータ６７と第三のセパレータ８７の間には、それぞれ絶縁性のシール部材７７を介在させるようにするとよい。
【０１１０】
燃料電池６５の発電部６９は、酸化剤電極側セパレータ６６と燃料電極側セパレータ６７との間に保持された発電用のプロトン伝導体膜７８と、このプロトン伝導体膜７８の両面に設けられた一対の触媒層７９，８０を備えている。これら触媒層７９，８０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。一方の触媒層７９の周囲を囲う酸化剤側ガス拡散室７１が酸化剤側のガス拡散層とされていて、他方の触媒層８０の周囲を囲う燃料側ガス拡散室７２が燃料電極側のガス拡散層とされている。これらガス拡散層の材質としては、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。
【０１１１】
また、燃料電極側セパレータ６７には、燃料側ガス拡散室７２と水素ガス室７３を連通する開口部８３が設けられている。この開口部８３にはプロトン伝導体７０が取り付けられており、これらの水分搬送体若しくはプロトン伝導体によって開口部８３が仕切られて、第一の水素流路又は水素室である燃料側ガス拡散室７２と第二の水素流路又は水素室である水素ガス室７３とが分離されている。図６に示す実施例は、燃料側ガス拡散室７２と水素ガス室７３をプロトン伝導体７０で仕切って分離させた例を示すものである。
【０１１２】
このプロトン伝導体７０は、発電部６９と同様の構成を備えており、高分子電解質膜であるプロトン伝導体膜８４と、このプロトン伝導体膜８４の両面に設けられた第一の触媒８５及び第二の触媒８６を有している。更に、第一の触媒８５の燃料側ガス拡散室７２に臨む面には第一の電圧印加用電極が設けられ、第二の触媒８６の水素ガス室７３に臨む面には第二の電圧印加用電極が設けられている。これら第一及び第二の電圧印加用電極間では、その電圧の印加方向を選択的に変更可能とされている。従って、第一の電圧印加用電極の印加電圧を第二の電圧印加用電極の印加電圧よりも高くすることができ、これとは逆に、第二の電圧印加用電極の印加電圧を第一の電圧印加用電極の印加電圧よりも高くすることもできる。
【０１１３】
プロトン伝導体膜８４は、開口部８３の全体を完全に塞ぐように燃料電極側セパレータ６７の内側に固定されている。これにより、プロトン伝導体膜８４の一面に配された第一の触媒８５が発電に供される燃料ガスが供給される燃料側ガス拡散室（第一の水素流路又は水素室）７２に対向され、その他面に配された第二の触媒８６が水分の搬送に供される燃料ガスが供給される水素ガス室（第二の水素流路又は水素室）７３に対向されている。
【０１１４】
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６において、燃料電池６５の水素供給口７５に対して燃料ガスを供給すると共に、酸素供給口７４に対して空気を供給する。この場合、酸素供給口７４が大気に開放されているものである場合には、大気中から自動的に空気が供給される。その結果、燃料電極側セパレータ６７内のアノード側では水素（Ｈ２）がプロトン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）に分解され、酸化剤電極側セパレータ６６内のカソード側では酸素（Ｏ２）とプロトン伝導体膜７８を移動したプロトン（Ｈ＋）及び外部回路を通ってきた電子（ｅ−）が結合される。これにより、発電部６９で発電された電子（ｅ−）が電力として取り出される。
【０１１５】
この際、発電部６９のカソード側では、酸素（Ｏ２）とプロトン（Ｈ＋）及び電子（ｅ−）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６９で生成された水は、酸化剤電極側セパレータ６６側の触媒層７９及びプロトン伝導体膜７８を逆拡散して燃料電極側セパレータ６７側の触媒層８０に逆拡散される。そして、水分は触媒層８０を通過して燃料電極側セパレータ６７側の表面に染み出し、燃料側ガス拡散湿７２内の水素中に蒸発する。これにより、燃料側ガス拡散室７２内の湿度が高くなり、その水分がガス拡散層を介してプロトン伝導体７０に伝導される。
【０１１６】
プロトン伝導体７０に伝導された水分は、第一の触媒８５からその内部に染み込み、プロトン伝導体膜８４を介して反対側の第二の触媒８６に搬送される。この場合、プロトン伝導体膜８４の両面に印加される電圧の印加方向を変えることにより、水分（Ｈ２Ｏ）及びプロトン（Ｈ＋）の移動方向を変えることができる。即ち、図示するように、プロトン伝導体膜８４の第一の触媒側電極の電圧を第二の触媒側電極の電圧よりも高くすることにより、水分（Ｈ２Ｏ）及びプロトン（Ｈ＋）は、第一の触媒８５（＋極）側から第一の触媒８６（−極）側に伝導される。このとき、発電部６９側の湿度は低くなり、その燃料ガスは乾燥される傾向になる。
【０１１７】
これとは逆に、プロトン伝導体膜８４の第二の触媒側電極の電圧を第一の触媒側電極の電圧よりも高くすることにより、水分（Ｈ２Ｏ）及びプロトン（Ｈ＋）は、＋極となる第二の触媒８６側から−極となる第一の触媒８５側に伝導される。このとき、発電部６９側の湿度は高くなり、その燃料ガスは湿潤される傾向になる。従って、プロトン伝導体膜８４の電圧の印加方向を制御することにより、水分及びプロトンの移動方向を変更させて発電部６９における燃料ガスの湿度を調整することができる。
【０１１８】
尚、プロトン伝導体膜８４に代えて水分搬送体を用いることによっても、燃料ガスの湿度を調整することができる。この場合、水分搬送体では電圧の印加が行われず、湿度差による自然拡散を用いて水分を移動させる湿度調整が行われる。この水分搬送体は、表面に接触する水分を吸収してその水分を保持するのではなく、湿度が高い側から低い側に水分を搬送して反対側の面から排出する機能を有するものである。例えば、燃料側ガス拡散室７２内の湿度が水素ガス室７３内の湿度よりも高くなると、その水分が水分搬送体を介して水素ガス室７３内に染み出す。その染み出し量が所定量を超えることにより、その水分がまとまって滴となり、水素ガス室７３から、例えば外部に放出され、或いは他の発電セルの水分調整に供される。
【０１１９】
このようなプロトン伝導体７０（或いは水分搬送体）による水素の湿度制御が繰り返されることにより、発電部６９で水が連続的に生成される場合にも、その発電部６９における水素の湿度を調整して、発電に最適な湿度の燃料ガスを発電部６９に供給することができると共に、余分な水分を発電部６９から除去することができる。
【０１２０】
このように、本実施例の燃料電池６５によれば、プロトン伝導体７０（又は水分搬送体）を燃料電極側セパレータ６７側に設けたために、発電時における燃料電池６５内部の湿度を一定の適正な状態に維持することができ、常に最適な状態で発電部６９による発電動作を連続させることができる。
【０１２１】
図７は、図６に示した燃料電池６５の他の具体的な構成例を示す説明図である。図７において、図６と同一部分には同一の符号を付している。また、図８は、図７に示す燃料電池６５の変形実施例である燃料電池８８を示すものである。
【０１２２】
図７および図８に示した燃料電池８８は、多数の発電部と１個（或いは１組）のプロトン伝導体７０で構成したものである。前述したような構成を有する複数個の酸化剤電極側セパレータ６６と、これと同数の燃料電極側セパレータ６７が交互に重ね合わされ、最後の燃料電極側セパレータ６７の一面に第三のセパレータ６８が積層されている。
【０１２３】
図８に示した燃料電池８８では、これらセパレータ積層体が、横に向けられた状態で１個のプロトン伝導体７０に載置されている。そして、プロトン伝導体７０が第四のセパレータ８９に載置されている。横並べとされたセパレータ積層体に対して、上方から燃料である水素が供給され、空気は側方から供給されている。そして、発電部で発電動作に供された後の余分な水分が、プロトン伝導体７０の下方から側方に排出される構成となっている。かかる構成とすることによっても、前記実施例と同様の効果を得ることができる。
【０１２４】
また図９は、図６に示した燃料電池６５の変形例である燃料電池９５の構成を示す断面図である。燃料電池９５は発電部６９と、プロトンポンプ部７０と、水分搬送体９１を備えた構成とされている。即ち、燃料電池９５は、互いに重ね合わされる酸化剤電極側セパレータ６６、燃料電極側セパレータ６７及び第三のセパレータ６８と、プロトンポンプ部７０用の高分子電解質膜であるプロトン伝導膜８４と、水分搬送体の一具体例を示す水分搬送体９１とを備えて構成されている。
【０１２５】
この水分搬送体９１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９１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９１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。
【０１２６】
酸化剤電極側セパレータ６６と、燃料電極側セパレータ６７と、両セパレータ６６，６７間に配設された発電部６９と、第三のセパレータ６８に取り付けられた水分搬送体９１と、発電部６９のプロトン伝導膜７８と酸化剤電極側セパレータ６６及び燃料電極側セパレータ６７間をシールするシール部材７７とは、上述した図６の燃料電池６５とそれぞれ同様である。そして、酸化剤電極側セパレータ６６には酸素供給口７４が設けられ、燃料電極側セパレータ６７には水素供給口７５が設けられている。
【０１２７】
更に、燃料電極側セパレータ６７の水分排出口である内側開口部８３にプロトンポンプ部７０が設けられている。このプロトンポンプ部７０は、発電部６９と同様の構成を備えており、高分子電解質膜であるプロトン伝導膜８４と、このプロトン伝導膜８４の両面に設けられた第一の触媒８５及び第二の触媒８６を有している。プロトン伝導膜８４は内側開口部８３を閉じるように燃料電極側セパレータ６７の内側に取り付けられており、その一面に配された第一の触媒８５が発電に供される燃料ガスの供給されるガス拡散層７２に対向され、その他面に配された第二の触媒８６が水分持出し用に供される燃料ガスの供給される水素ガス室７３に対向されている。
【０１２８】
また、第三のセパレータ６８は、シール部材７７を介して燃料電極側セパレータ６７と重なり合うように設けられ、３個のセパレータが全体として三層構造とされている。第三のセパレータ６８には、水分の排出口である外側開口部９２が設けられている。この第三のセパレータ６８の内面に、外側開口部９２を塞ぐように水分搬送体９１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。そして、第三のセパレータ６８の側部には、プロトンポンプ部７０を伝導して第三のセパレータ６８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燃料が供給される供給口７６が設けられている。
【０１２９】
このような構成を有する燃料電池９５では、図６を用いて説明したのと同様の発電反応とプロトンポンプ部７０による水分の反応が行われて、プロトンポンプ部７０の電圧の印加方向を制御することにより、水分及びプロトンの移動方向を変更させて発電部６９における燃料ガスの湿度を調整することができる。
【０１３０】
このように、プロトンポンプ部７０の触媒層８６の湿度が高くなり、第三のセパレータ６８で囲まれた水素ガス室７３内の湿度が高くなると、その水分が水分搬送体９１内に染み込む。そして、水分搬送体９１内の湿度がある程度高くなり、外気と接触している表面に水分が染み出し、その染み出し量が所定量を超えることにより、その水分がまとまって滴となり、外部に放出される。
【０１３１】
また、水分搬送体９１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９１と接触する外気の湿度は、第三のセパレータ６８内部の湿度よりも低いため、水分搬送体９１に含まれる水分は外気中に放出されることになる。このようなプロトンポンプ部７０及び水分搬送体９１における水分の伝導が繰り返されることにより、発電部６９で水が連続的に生成される場合にも、その湿度を調整して最適な湿度の燃料ガスを発電部６９に供給すると共に、余分な水分を外部に排出することができる。
【０１３２】
このように、本実施例の燃料電池９５によれば、プロトンポンプ部７０及び水分搬送体９１を燃料電極側セパレータ６７側に設けることにより、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、発電時における燃料電池９５内部の湿度を一定の適正な状態に維持することができ、常に最適な状態で発電動作を連続させることができる。
【０１３３】
図１０〜図１６には、上述したような発電部にプロトン伝導体を組み合わせて構成される発電セルの他の実施例を示す。図１０Ａは、図１に示した第四の発電セル１８と略同様の構成を有するもので、酸化剤電極側セパレータ２３の酸素取入れ方式を大気開放式とした実施例である。この発電セル１００は、発電部１９とプロトン伝導体２０を備えて構成されている。
【０１３４】
燃料電極側セパレータ２４と第三のセパレータ２８は、水素を流通させる水素配管１２０で連通されていて、両セパレータ２４，２８のどちら側からも他方に対して水素が供給できるようにされている。尚、第三のセパレータ２８及び水素配管１２０については、吸湿性の材料を用いることができ、また、結露トラップ等のように外部に水素を排出できる構造とすることもできる。
【０１３５】
図１０Ｂは、図１０Ａに示した発電セル１００の変形例を示すもので、酸化剤電極側の酸素取入れ方式を空気圧送式としたものである。この発電セル１０１は、酸化剤電極側セパレータ１２１を有する発電部１９Ａを備えている。酸化剤電極側セパレータ１２１の内面には、空気（酸素）が圧送される多数の連通溝１２２が設けられている。他の構成は、発電セル１００と同様である。
【０１３６】
図１１Ａに示す発電セル１０２は、図１０Ｂに示す発電セル１０１のうち、燃料電極側セパレータ２４に上下の電極２５，３０を貼り合わせる等して一体化させて燃料電極側セパレータ１２３を構成し、同じく酸化剤電極側セパレータ１２１に電極２６を一体化させて酸化剤電極側セパレータ１２４を構成し、更に、第三のセパレータ２８に電極３１を一体化させて第三のセパレータ１２５を構成したものである。これにより、各セパレータ１２３，１２４，１２５に電極の機能を持たせ、これらのセパレータ１２３，１２４，１２５を介して集電機能や電圧の印加等が行えるように構成されている。
【０１３７】
更に、酸化剤電極側セパレータ１２４の機能に合わせて燃料電極側セパレータ１２３及び第三のセパレータ１２５を、空気圧送式に適合する構成としている。そして、プロトンポンプ部２０の燃料電極側セパレータ１２３と第三のセパレータ１２５を水素配管１２０で連通することにより、両セパレータ１２３，１２５間において互いに水素を流動させることができるようにしている。この実施例によれば、発電セルの部品点数を削減して装置の薄型化、小型化を図ることができる。
【０１３８】
図１１Ｂに示す発電セル１０３は、図１０Ａに示す発電セル１００のうち、燃料電極側セパレータ２４の上下に電極２５，３０を貼り合わせる等して一体化させて集電板１２６を構成し、発電セル１０３の構造の簡略化を図ったものである。集電板１２６は水素配管１２０を介して第三のセパレータ２８と連通されている。この実施例の場合、燃料ガスである水素は、集電板１２６及び第三のセパレータ２８から発電部１９及びプロトン伝導体２０に供給される。
【０１３９】
図１２に示す発電セル１０４は、発電部１９Ａに供給される燃料ガスの湿度制御を、プロトン伝導体２０Ａと水分搬送体１２７の２つの水素ガス湿度制御装置で行うようにしたものである。発電部１９Ａの下側にプロトン伝導体２０Ａが配置され、その下側に水分搬送体１２７が配置されている。この発電セル１０４では、発電部１９Ａのプロトン伝導体膜電極接合体２２の湿度調整がプロトン伝導体２０Ａによって行われ、更に、プロトン伝導体２０Ａの湿度調整が水分搬送体１２７によって行われる。
【０１４０】
更に、プロトン伝導体２０Ａは、発電部１９Ａの燃料電極側セパレータを兼ねる燃料電極側セパレータ２４と、第三のセパレータ１２８と、両セパレータ２４，１２８間に介在されたプロトン伝導体膜電極接合体２９及びその上下に配置された電極３０，３１とから構成されている。そして、燃料電極側セパレータ２４と第三のセパレータ１２８は、水素配管１２０により連通されて水素ガスが移動できるように構成されている。
【０１４１】
また、水分搬送体１２７は、プロトン伝導体２０Ａの第三のセパレータ１２８と、大気が供給される第四のセパレータ１２９と、両セパレータ１２８，１２９間に介在された水分搬送体１３０及びその上下に配置された多孔質板１３１，１３２とから構成されている。水分搬送体１３０には触媒が無いため、集電効果がいらないことから多孔質板１３１，１３２は必ずしも必要とされるものではない。
【０１４２】
図１３〜図１６に示す発電セル１０５，１０６，１０７，１０８，１０９，１１０，１１１及び１１２は、発電部１９Ａ，１９Ｂのプロトン伝導体膜電極接合体２２に対して、プロトン伝導体１３７，１３７Ａ，１３７Ｂ，１３８のプロトン伝導体膜電極接合体１３９の総面積の比が小さくなるように構成したものである。
【０１４３】
図１３Ａに示す発電セル１０５は、発電部１９Ｂとプロトン伝導体１３７とから構成されている。発電部１９Ｂは、酸化剤電極側セパレータ１２１と、燃料電極側セパレータ１３５と、プロトン伝導体膜電極接合体２２と、酸化剤電極側セパレータ１２１とプロトン伝導体膜電極接合体２２との間に介在された電極２６と、プロトン伝導体膜電極接合体２２と燃料電極側セパレータ１３５との間に介在された電極１３３とから構成されている。そして、一方の電極１３３には、プロトン伝導体膜電極接合体２２の触媒層の全面に渡って水素を展開させるために九十九折状に延在された連通溝１３４が設けられている。
【０１４４】
また、プロトン伝導体１３７は、燃料電極側セパレータ１３５、第三のセパレータ１４２とを有し、これらセパレータ１３５，１４２間に１個の小型のプロトン伝導体１３７が設けられている。プロトン伝導体１３７は、プロトン伝導体膜電極接合体１３９と、その両面に配置された電極１４０，１４１とから構成されている。そして、プロトン伝導体膜電極接合体１３９の面積は、発電部１９Ｂのプロトン伝導体膜電極接合体２２の面積に比べて大幅に小さい構成とされている。
【０１４５】
このように、発電部１９Ｂの大きさに比べてプロトン伝導体１３７の大きさを小さくすることによっても、発電部１９Ｂにおける水素ガスの湿度制御を行うことができる。特に、プロトン伝導体１３７を小型に構成する場合には、発電部１９Ｂの任意の場所における湿度制御を集中的に行うことができる。そのため、この実施例によれば、１個の発電部１９Ｂにおいて、例えば、上流側と下流側とで湿度差が大きい場合に、その湿度が高い側のみ（或いは低い側でもよい。）を集中的に湿度制御できるという利点がある。
【０１４６】
更に、プロトン伝導体１３７は、プロトンポンプとしてのポンプ容量に見合った大きさのプロトン伝導体膜電極接合体１３９を有し、そのプロトン伝導体膜電極接合体１３９は、中央に配置されたプロトン伝導膜と、その上下両面に設けられた触媒層とから構成されている。このプロトン伝導体膜電極接合体１３９に対応して、燃料電極側はセパレータ１３５に、その大きさに見合った大きさを有する水素取入口１３６が設けられ、第三のセパレータ１４２には、同様の大きさを有する収納凹部１４３が設けられている。そして、両セパレータ１３５，１４２には、水素取入口１３６又は収納凹部１４３と連通される水素流路がそれぞれ設けられている。
【０１４７】
また、第三のセパレータ１４２には、プロトン伝導体１３７でポンプされた湿度の高い水素の逆流を防止するための逆止弁１４４が設けられている。この実施例によれば、小型のプロトン伝導体を用いてポンプ作用を行わせることができ、発電効率の低下をより少なくすることができる。尚、逆止弁１４４は無くてもよい。
【０１４８】
図１３Ｂに示す発電セル１０６は、発電部１９Ｂのプロトン伝導体膜電極接合体２２に比べてプロトン伝導体１３７Ａのプロトン伝導体膜電極接合体１３９が大幅に小さい２個のプロトンポンプを用いて水素ガスの湿度制御を行うようにしたものである。この実施例に示す発電セル１０６が図１３Ａに示す発電セル１０５と異なるところは、プロトン伝導体膜電極接合体１３９等が２個に増えたことと、これに対応して、燃料電極側セパレータ１３５Ａに２個の水素取入口１３６，１３６を設けると共に、第三のセパレータ１４２Ａに２個の収納凹部１４３，１４３を設けた点である。他の構成は、上記実施例と同様である。
【０１４９】
図１４Ａに示す発電セル１０７は、図１３Ｂに示す発電セル１０６の下に下部発電部１９Ｃを設けた実施例である。下部発電部１９Ｃは、上部発電部１９Ｂと同様の構成を有しているが、その積層順序が逆に設定されていて、上部発電部１９Ｂを逆さまにした状態で燃料電極側セパレータ１３５Ａの下に配置されている。この実施例では、上下２個の発電部１９Ｂ，１９Ｃが水素の供給側を中心に上下に対向するように配設されているため、酸化剤側電極も同様に対向させることができる。従って、水素の両側から酸素を供給することにより、水素極の結露を防ぐための保温効果にも役立つという利点がある。
【０１５０】
図１４Ｂに示す発電セル１０８は、図１３Ｂに示す発電セル１０６のプロトン伝導体１３７Ｂに多数のプロトン伝導体を設けた実施例である。これに対応して、燃料電極側セパレータ１３５Ｂには同じ数の水素取入口１３６が設けられ、第三のセパレータ１４２Ｂには同じ数の収納凹部１４３が設けられている。この実施例では、発電部１９Ａに対して水素の循環路を随時切り替え可能とすることができ、これにより、発電部１９Ａにおける随所の湿度制御（除湿及び加湿）を独立に行うことができる。更に、水素流路の上流、中流及び下流の入れ替えを行うこともできる。
【０１５１】
図１５Ａ及び図１５Ｂに示す発電セル１０９、１１０は、図１３Ａに示す発電セル１０６の変形実施例を示すもので、水素ガス湿度制御装置として水分搬送体を用いたものである。水分搬送体は、一例として触媒の無いプロトン伝導体膜１４５と、このプロトン伝導体膜１４５の両面に配置された多孔質板１４６，１４７とから構成されている。他の構成は、図１３Ａに示す実施例の発電セル１０６と同様であるため、それらの説明は省略する。尚、図１５Ａは、水素が燃料電極側セパレータ１３５から発電部１９Ｂに供給される場合を示している。また、図１５Ｂは、水素が第三のセパレータ１４２からプロトン伝導体膜１４５に供給され、更に、燃料電極側セパレータ１３５を介して発電部１９Ｂに供給される場合を示している。
【０１５２】
図１５Ａに示す実施例によれば、小型の水分搬送体を用いて水分の自然拡散による水分搬送を行うことができる。従って、発電部１８Ｂで発電された電気を水分調整に用いないため、発電効率の低下を防ぐことができる。また、図１５Ｂに示す実施例によれば、小型の水分搬送体に水素を供給して水分を強制的に拡散させ、積極的な水分搬送を行うことができる。更に、図１５Ａ及び図１５Ｂに示す実施例では、触媒がないことによる印加電流がないため、集電板の使用を廃止して構成の簡略化を図ることができるという利点がある。
【０１５３】
図１６Ａに示す発電セル１１１は、図１５Ｂに示す発電セル１１０の変形実施例を示すものである。即ち、発電セル１１０の水分搬送体１３８の下側に、上述したプロトン伝導体１３７が配設され、これらを重ね合わせることによって発電セル１１１が構成されている。また、図１６Ｂに示す発電セル１１２は、図１３Ａに示す発電セル１０５の変形実施例を示すものである。即ち、発電セル１０５のプロトン伝導体１３７の下側に、同様の構成を有する第二のプロトン伝導体１３７Ｃが配設されて、これらを重ね合わせることによって発電セル１１２が構成されている。
【０１５４】
これらの実施例では、発電部１９Ｂに対して、水素と湿度の循環制御を上部の水分搬送体１３８又はプロトン伝導体１３７を用いて行い、更に、その水素の湿度の増減調整を、下部のプロトン伝導体１３７又はプロトン伝導体１３７Ｃで行うようにしている。他の構成は、同図の実施例と同様であるため、それらの説明は省略する。更に、図１０〜図１６に示す実施例において、発電部並びにプロトン伝導体及び水分搬送体の作用は、図１等で述べたことと同様であるため、ここでの説明は省略する。
【０１５５】
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。
【０１５６】
【発明の効果】
以上説明したように、本出願の請求項１に記載の水素ガス湿度制御装置によれば、第一の水素流路又は水素室と第二の水素流路又は水素室を水分搬送体によって分離させる構成としたため、２つの水素流路又は水素室内の水及び／又は水蒸気の割合が異なる場合には、その割合が高い方から低い方に水分搬送体を介して水及び／又は水蒸気を搬送することができる。これにより、２つの水素流路又は水素室間における水及び／又は水蒸気の割合を同じくするように水素湿度を制御することができるという効果が得られる。
【０１５７】
本出願の請求項２に記載の水素ガス湿度制御装置では、水素ガスが、燃料改質により発生した水素ガスであり、水蒸気改質等により発生する水素は、水分を多く含むため、水分が不足する状況を回避し易いという好ましい効果が得られる。
【０１５８】
本出願の請求項３に記載の水素ガス湿度制御装置によれば、第一の水素流路又は水素室と第二の水素流路又は水素室をプロトン伝導体によって分離させる構成としたため、２つの水素流路又は水素室内の水及び／又は水蒸気の割合が異なる場合には、その割合が高い方から低い方に、或いは低い方から高い方にプロトン伝導体を介して水及び／又は水蒸気が搬送される。また、その割合が同じ場合であっても、一方から他方にプロトン伝導体を介して水及び／又は水蒸気が搬送される。これにより、２つの水素流路又は水素室間における水及び／又は水蒸気の割合を同じくしたり、任意の割合に設定するように水素湿度を自由に制御することができるという効果が得られる。
【０１５９】
本出願の請求項４に記載の水素ガス湿度制御装置によれば、プロトン伝導体の第一の水素流路又は水素室に臨む面と第二の水素流路又は水素室に臨む面の少なくとも一方に触媒を配置される構成としたため、その触媒によって水素をプロトンに分離させ、また、プロトンを水素に転換させることができるという効果が得られる。
【０１６０】
本出願の請求項５に記載の水素ガス湿度制御装置によれば、第一の水素流路又は水素室には第一の電圧印加用電極を設け、第二の水素流路又は水素室には第二の電圧印加用電極を設けて、これら電極間にプロトン伝導体を挟持させるとしたため、これらでプロトンポンプを構成して水素ガスの湿度制御を行うことができる。従って、水素流路又は水素室内の水素湿度を最適な状態に保つための加湿・除湿装置、湿度センサ、減圧レギュレータ、昇圧コンプレッサ、流量コントローラ等として用いることができるという効果が得られる。
【０１６１】
本出願の請求項６に記載の水素ガス湿度制御装置によれば、第一の電圧印加用電極と第二の電圧印加用電極の間に電圧を印加させる構成としたため、プロトン伝導体を介してプロトンを電圧の高い側から電圧の低い側に向けて移動させることができるという効果が得られる。
【０１６２】
本出願の請求項７に記載の水素ガス湿度制御装置によれば、触媒として白金を用いる構成としたため、水素をプロトンに分離させ、或いは、プロトンを水素に転換させることを効率良く行うことができるという効果が得られる。
【０１６３】
本出願の請求項８に記載の水素ガス湿度制御装置では、水素ガスが、燃料改質により発生した水素ガスであり、水蒸気改質等により発生する水素は、水分を多く含むため、水分が不足する状況を回避し易いという好ましい効果が得られる。
【０１６４】
本出願の請求項９に記載の燃料電池によれば、燃料電極側セパレータと酸化剤電極側セパレータとプロトン伝導体膜電極接合体とを有する１個又は２個以上の発電セルと、水素ガス湿度制御装置とを備えた燃料電池において、水素ガス湿度制御装置の第一の支持板と第二の支持板との間に水分搬送体を挟持し、第一の支持板に水素と水及び／又は水蒸気の混合気体を接触し、第二の支持板に少なくとも水素を接触させる構成としたため、燃料が供給される水素流路又は水素室内の水素湿度が高い場合には余分な水及び／又は水蒸気を水分搬送体で低い側に伝導させて除湿し、また、その水素流路又は水素室内の水素湿度が低い場合には水分搬送体で高い側から伝導させて加湿して、発電動作を効率良く継続させることができるという効果が得られる。
【０１６５】
本出願の請求項１０に記載の燃料電池によれば、燃料電極側セパレータと酸化剤電極側セパレータとプロトン伝導体膜電極接合体とを有する１個又は２個以上の発電セルと、水素ガス湿度制御装置とを備えた燃料電池において、水素ガス湿度制御装置の第一の電極と第二の電極との間にプロトン伝導体を挟持し、第一の電極に水素と水及び／又は水蒸気の混合気体を接触し、第二の電極に少なくとも水素が接触する構成としたため、両電極間に電圧を印加することにより、電圧の高い側から低い側に向けて水及び／又は水蒸気を移動させることができ、その電圧の印加方向を制御することで２つの水素流路又は水素室の水素湿度を調整し、発電動作を効率良く継続させることができるという効果が得られる。
【０１６６】
また、本出願の請求項１１に記載の水素ガス湿度制御方法によれば、第一の電極と、第二の電極とでプロトン伝導体を挟持し、第一の電極と第二の電極との間に電圧を加えることにより、燃料電池の燃料極に供給されて第一の電極に接触する水素と、第一の電極に接触する水素とは異なる湿度を有し第二の電極に接触する水素の間での水分の搬送を行うため、電圧の高い側から低い側に向けて水及び／又は水蒸気を移動させることができ、その電圧の印加方向を制御することで２つの水素流路又は水素室の水素湿度を調整し、燃料電池での発電動作を効率良く継続させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の水素ガス湿度制御装置を用いた燃料電池の第１の実施例の概略構成を示す説明図である。
【図２】本発明の水素ガス湿度制御装置を用いた燃料電池の第１の実施例に係る発電セルの組立状態の概略構成を示す説明図である。
【図３】本発明の水素ガス湿度制御装置を用いた燃料電池の第１の実施例に係る発電セルの配管構成の他の例を示す説明図である。
【図４】本発明の水素ガス湿度制御装置を用いた燃料電池の第２の実施例の概略構成を示す説明図である。
【図５】本発明の水素ガス湿度制御装置を用いた燃料電池の第３の実施例の概略構成を示す説明図である。
【図６】本発明の水素ガス湿度制御装置を用いた燃料電池の第４の実施例の原理を説明するための説明図である。
【図７】本発明の水素ガス湿度制御装置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８】図７に示す実施例の変形例の詳細な構成を示す説明図である。
【図９】本発明の水素ガス湿度制御装置を用いた燃料電池の第５の実施例の原理を説明するための説明図である。
【図１０】本発明の水素ガス湿度制御装置を用いた燃料電池に係る発電セルを示すもので、同図Ａは発電セルの第１の実施例の概略構成を示す説明図、同図Ｂは発電セルの第２の実施例の概略構成を示す説明図である。
【図１１】本発明の水素ガス湿度制御装置を用いた燃料電池に係る発電セルを示すもので、同図Ａは発電セルの第３の実施例の概略構成を示す説明図、同図Ｂは発電セルの第４の実施例の概略構成を示す説明図である。
【図１２】本発明の水素ガス湿度制御装置を用いた燃料電池に係る発電セルの第５の実施例の概略構成を示す説明図である。
【図１３】本発明の水素ガス湿度制御装置を用いた燃料電池に係る発電セルを示すもので、同図Ａは発電セルの第６の実施例の概略構成を示す説明図、同図Ｂは発電セルの第７の実施例の概略構成を示す説明図である。
【図１４】本発明の水素ガス湿度制御装置を用いた燃料電池に係る発電セルを示すもので、同図Ａは発電セルの第８の実施例の概略構成を示す説明図、同図Ｂは発電セルの第９の実施例の概略構成を示す説明図である。
【図１５】本発明の水素ガス湿度制御装置を用いた燃料電池に係る発電セルを示すもので、同図Ａは発電セルの第１０の実施例の概略構成を示す説明図、同図Ｂは発電セルの第１１の実施例の概略構成を示す説明図である。
【図１６】本発明の水素ガス湿度制御装置を用いた燃料電池に係る発電セルを示すもので、同図Ａは発電セルの第１２の実施例の概略構成を示す説明図、同図Ｂは発電セルの第１３の実施例の概略構成を示す説明図である。
【図１７】本発明の水素ガス湿度制御装置を用いた燃料電池の水素湿度と水素流路との関係を示すグラフである。
【図１８】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】
１４，６２，６４，６５，８８  燃料電池、  １５，１５Ａ，１６，１７，１８，１００，１０１，１０２，１０３，１０４，１０５，１０６，１０７，１０８，１０９，１１０，１１１，１１２  発電セル、  １９，１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃ，６９  発電部、  ２０，２０Ａ，７０，１２７，１３７，１３７Ａ，１３７Ｂ，１３７Ｃ  プロトン伝導体、  ２２，２９，７８，８４，１３０，１３９プロトン伝導体膜電極接合体、  ２３，６６，１２１，１２４  酸化剤電極側セパレータ、  ２４，６７，１２３，１２８  燃料電極側セパレータ、  ２５，２６，３０，３１，１３３，１４０，１４１  電極、  ２８，６８，８９，１２５，１２９，１３５，１３５Ａ，１３５Ｂ，１４２，１４２Ａ  セパレータ、  ３３  戻り配管、  ３４  水分貯蔵器（リザーバー）、  ４７  発電側電気回路、  ４８  ポンプ側電気回路、  ４９  可変電源、  １３０，１４５  プロトン伝導体膜、  ７４  酸素供給口、  ７５  燃料供給口、  ７６  水素供給口、  ８５，８６  触媒、  ８１，８２  ガス拡散層、  ８３  開口部、  １３１，１３２，１４６，１４７  多孔質板
【図１】
2004253358.tif 000003
【図２】
2004253358.tif 000004
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2004253358.tif 000016
【図１５】
2004253358.tif 000017
【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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