(57)【要約】【課題】運転停止中においても透湿膜の乾燥を防止できる固体高分子型燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池１００は、燃料電池本体１０と加湿装置２０とを備える。燃料電池本体１０は、燃料極１１と、空気極１２と、固体高分子からなる電解質膜１３とを備える。電解質膜１３は、燃料極１１と空気極１２との間に挟まれている。加湿装置２０は、透湿膜２１と、枠２３と、被加湿ガス室２４と、加湿ガス室２５とを備える。枠２３は加湿装置２０内で固定されており、透湿膜２１は、その両端において、枠２３により支えられている。また、透湿膜２１と枠２３との間には、隙間を設けることにより凹部２２が形成されている。この凹部２２には燃料電池本体１０からの凝縮水３０が溜められる。また、被加湿ガス室２４と加湿ガス室２５とは、水平方向に配置された透湿膜２１により、鉛直方向に分離されている。【選択図】図１
2005251619.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子からなる電解質膜を燃料極と空気極との間に挟んだ燃料電池本体と、
前記電解質膜を加湿するための加湿装置と、
を備え、
前記加湿装置は、
反応前のガスを導入する被加湿ガス室と、
反応後のガスを導入する加湿ガス室と、
前記被加湿ガス室と前記加湿ガス室との間に配置され前記加湿ガス室から前記被加湿ガス室へ水蒸気を透過させる透湿膜と、
前記加湿ガス室内に配置され前記透湿膜に接するように水を溜めるための液溜め手段と
を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の固体高分子型燃料電池であって、
前記液溜め手段に水を供給する給水装置
をさらに備えることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子型燃料電池に関し、特に、燃料電池本体に供給される反応ガスの加湿装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、固体高分子型燃料電池においては、固体高分子からなる電解質膜が燃料電池本体に使用されている。この電解質膜は、乾燥すると、導電性が低下し電解質としての機能が失われる。従って、乾燥を防ぐために電解質膜を一定の含水状態に保つ必要がある。そのため、燃料電池本体に加湿装置を付設し、この加湿装置により加湿された反応ガス（反応前のガス）を燃料電池本体に供給して電解質膜を湿潤に保持する手法が一般に採られている。
【０００３】
この反応ガスの加湿装置としては、燃料電池本体を通流する前の反応ガスと燃料電池本体を通流した後のオフガス（反応後のガス）とを透湿膜を介して接触させ反応ガスを加湿するものがある。このような加湿装置においては、外部より加湿用の水を供給する必要がなく、また、加湿時に多量の気化熱を奪われることがないので、熱効率良く利用でき、反応ガスの加湿および予熱を特別の制御を必要とすることなく行うことができる。このような固体高分子型燃料電池の例は、例えば特許文献１に開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１７０５８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
反応ガスとオフガスとを透湿膜を介して接触させ反応ガスを加湿する上記の加湿装置においては、長期の運転停止中には透湿膜に含まれている水蒸気が揮発するので、透湿膜は、湿潤状態が時間と共に失われ乾燥する。透湿膜が乾燥した状態で燃料電池を起動した場合には、すぐには所定の加湿量を得ることができないので、加湿量が足りない反応ガスが燃料電池本体へと供給されることにより燃料電池本体内の電解質膜が乾燥する。よって、電解質膜のプロトン導電性が低くなることにより抵抗が大きくなるので、燃料電池本体におけるセル電圧が低下してしまうという問題点があった。また、その結果、燃料電池の運転の継続が困難となってしまう場合があるという問題点があった。さらに、このような状態で運転を継続した場合には、燃料電池の寿命が短くなってしまうという問題点があった。
【０００６】
本発明は以上の問題点を解決するためになされたものであり、運転停止中においても透湿膜の乾燥を防止できる固体高分子型燃料電池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】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本発明に係る固体高分子型燃料電池は、固体高分子からなる電解質膜を燃料極と空気極との間に挟んだ燃料電池本体と、前記電解質膜を加湿するための加湿装置とを備え、前記加湿装置は、反応前のガスを導入する被加湿ガス室と、反応後のガスを導入する加湿ガス室と、前記被加湿ガス室と前記加湿ガス室との間に配置され前記加湿ガス室から前記被加湿ガス室へ水蒸気を透過させる透湿膜と、前記加湿ガス室内に配置され前記透湿膜に接するように水を溜めるための液溜め手段とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る固体高分子型燃料電池は、固体高分子からなる電解質膜を燃料極と空気極との間に挟んだ燃料電池本体と、前記電解質膜を加湿するための加湿装置とを備え、前記加湿装置は、反応前のガスを導入する被加湿ガス室と、反応後のガスを導入する加湿ガス室と、前記被加湿ガス室と前記加湿ガス室との間に配置され前記加湿ガス室から前記被加湿ガス室へ水蒸気を透過させる透湿膜と、前記加湿ガス室内に配置され前記透湿膜に接するように水を溜めるための液溜め手段とを有することを特徴とするので、運転停止中においても透湿膜の乾燥を防止できるという効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
＜実施の形態１＞
図１は、実施の形態１に係る固体高分子型の燃料電池１００を示す模式図である。図１（ａ）において、燃料電池１００は、燃料電池本体１０と加湿装置２０とを備える。
【００１０】
燃料電池本体１０は、燃料極１１と、空気極１２と、固体高分子からなる電解質膜１３とを備える。電解質膜１３は、燃料極１１と空気極１２との間に挟まれている。
【００１１】
加湿装置２０は、透湿膜２１と、枠２３と、被加湿ガス室２４と、加湿ガス室２５とを備える。枠２３は加湿装置２０内で固定されており、透湿膜２１は、その両端において、枠２３により支えられている。また、透湿膜２１と枠２３との間には、隙間を設けることにより凹部２２が形成されている。後述するように、この凹部２２には燃料電池本体１０からの凝縮水３０が溜められる。即ち、凹部２２は、本発明に係る液溜め手段として機能する。また、被加湿ガス室２４と加湿ガス室２５とは、水平方向に配置された透湿膜２１により、鉛直方向に分離されている。図１（ｂ）には、図１（ａ）における透湿膜２１、凹部２２および枠２３の上面図が示されている。
【００１２】
次に、燃料電池１００の動作について説明する。
【００１３】
図１（ａ）に示すように、加湿装置２０の被加湿ガス室２４には、反応前の未加湿空気が導入され、加湿装置２０の加湿ガス室２５には、燃料電池本体１０の空気極１２から排出された反応後のオフガスが導入される。このオフガスは、燃料電池本体１０における発電反応に伴う反応生成水を水蒸気として含んでいるが、この水蒸気は、透湿膜２１を透過して未加湿空気と接触することにより、濃度勾配に従って未加湿空気を加湿する。この時、加湿ガス室２５においては、加湿ガス室２５を構成する部材表面と加湿されたガス（加湿ガス）との間の温度差により一部の水蒸気が結露し、凝縮水３０が生じる。
【００１４】
また、上記の反応生成水のうちの余剰分は、水蒸気としてだけではなく、凝縮水としても加湿ガス室２５に流れ込んでくる。このような凝縮水は、従来の燃料電池であればオフガスと共に加湿ガス室２５外部へ流れ出るが、燃料電池１００においては凹部２２が形成されているので、凹部２２にトラップされる。透湿膜２１は、水蒸気は透過しやすいが液体の水は透過しにくいという性質を有するので、これにより、凹部２２を凝縮水３０で溜められた状態に保つことが可能となる。
【００１５】
燃料電池１００の運転を停止すると、透湿膜２１に含まれている水蒸気は揮発していくが、凹部２２に溜められた凝縮水３０は透湿膜２１と接しているので、凝縮水３０は毛管現象によって透湿膜２１全体に伝わる。よって、凝縮水３０がなくなるまでは透湿膜２１を湿潤な状態に保つことができる。すなわち、透湿膜２１の湿潤状態を長時間維持することができる。また、透湿膜２１が湿潤な状態で燃料電池１００を運転することにより、起動時においても十分な加湿が行われるので、乾燥による電解質膜１３の導電性の低下を防止できる。
【００１６】
また、燃料電池１００の運転中においては、常に凝縮水３０が凹部２２に溜められた状態となるので、起動時と同様に、乾燥による電解質膜１３の導電性の低下を防止できる。
【００１７】
なお、図１（ａ）においては、二個の凹部２２を透湿膜２１の両隣にそれぞれ形成しているが、凹部２２の個数は、二個に限らず、一個であっても三個以上であってもよく、あるいは、透湿膜２１上部を窪ませることにより凹部２２を形成してもよい。また、凹部２２の形状は、図１（ｂ）に示されるような矩形状に限らず、任意の形状であってよい。
【００１８】
このように、本実施の形態に係る燃料電池１００においては、凹部２２に凝縮水３０が溜められるので、運転停止中においても透湿膜２１の乾燥を防止できるという効果を有する。
【００１９】
＜実施の形態２＞
実施の形態１に係る燃料電池１００においては、加湿ガス室２５に凹部２２を形成することにより凝縮水３０を溜めているが、凹部２２に代えて、堰を形成してもよい。
【００２０】
図２は、実施の形態２に係る固体高分子型の燃料電池２００を示す模式図である。図２は、図１において、凹部２２に代えて、堰２６を液溜め手段として形成したものである。堰２６は、透湿膜２１又は枠２３上において、上方に突出するように形成されている。また、図２においては、透湿膜２１と枠２３との間には、図１のような隙間は設けられていない。図２において、図１と同様の要素については同一の符号を付してしてあるので、それらのここでの詳細な説明は省略する。
【００２１】
実施の形態１と同様の動作により生じた凝縮水３０は、加湿ガス室２５において、堰２６によって堰き止められることにより透湿膜２１上に溜められる。従って、実施の形態１と同様に、透湿膜２１を湿潤な状態に保つことができる。
【００２２】
このように、本実施の形態に係る燃料電池２００においては、堰２６により凝縮水３０が溜められるので、実施の形態１と同様に、運転停止中においても透湿膜２１の乾燥を防止できるという効果を有する。
【００２３】
なお、上述の実施の形態１，２の説明においては、透湿膜２１が水平方向に配置される例を説明したが、水平方向に限らず、鉛直方向に配置されてもよい。図３は、実施の形態１に係る燃料電池１００において、透湿膜２１を鉛直方向に配置することにより被加湿ガス室２４と加湿ガス室２５とを水平方向に分離させたものである。図３に示される燃料電池３００においては、透湿膜２１と枠２３との間に隙間を設けるのではなく、透湿膜２１又は枠２３にＬ字形の部材２７を設置することにより凹部２２が形成される。
【００２４】
また、上述の実施の形態１，２の説明においては、空気極１２を加湿する手法について説明したが、空気極１２に限らず、燃料極１１を加湿してもよい。この場合には、上述の説明における未加湿空気は、未加湿水素に読み替えられる。
【００２５】
＜実施の形態３＞
実施の形態１，２に係る燃料電池１００，２００は、それぞれ、凹部２２又は堰２６を液溜め手段として有することにより凝縮水３０を溜めているが、これらに加えて、水を供給する給水装置を有してもよい。
【００２６】
図４は、実施の形態３に係る固体高分子型の燃料電池４００を示す模式図である。図４は、図１において、加湿装置２０に給水口２８を設け、起動前に、給水口２８を介して給水装置４０から水を供給するようにしたものである。図４において、図１と同様の要素については同一の符号を付してしてあるので、それらのここでの詳細な説明は省略する。
【００２７】
このように、本実施の形態に係る燃料電池４００においては、起動前に、給水装置４０から水が供給され、凹部２２に溜められる。従って、実施の形態１，２に比べて、運転停止中における透湿膜２１の乾燥をより確実に防止できるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】実施の形態１に係る燃料電池を示す構成図である。
【図２】実施の形態２に係る燃料電池を示す構成図である。
【図３】実施の形態２に係る燃料電池を示す構成図である。
【図４】実施の形態３に係る燃料電池を示す構成図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０  燃料電池本体、１１  燃料極、１２  空気極、１３  電解質膜、２０  加湿装置、２１  透湿膜、２２  凹部、２３  枠、２４  被加湿ガス室、２５  加湿ガス室、２６  堰、２７  部材、２８  給水口、３０  凝縮水、４０  給水装置、１００〜４００  燃料電池。
【図１】
2005251619.tif 000003
【図２】
2005251619.tif 000004
【図３】
2005251619.tif 000005
【図４】
2005251619.tif 000006