(57)【要約】【課題】水分の高圧噴射が可能で、均等な微細水滴を各層の燃料電池用反応ガスごとに導入でき、構造が簡易で小型化を促進し得る燃料電池スタックを提供すること。【解決手段】燃料電池スタック１００は、燃料電池ＦＣを複数個積層して成る。燃料電池ＦＣは、膜電極複合体１０と燃料極室２０と空気極室３０と、燃料電池ＦＣ同士を区画するとともに燃料極室２０と空気極室３０を形成するセパレータ４０とを備える。  燃料電池スタック１００において、セパレータ４０の一端には、燃料ガスと微細水滴との混合気を生成する燃料−水分混合ランプ５０が設置され、生成した燃料−水滴混合気が各燃料極室２０に供給される。【選択図】図１
2007087805.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側に燃料極及び空気極に相当するガス拡散電極をそれぞれ配置した膜電極複合体と、この膜電極複合体の両側に燃料極室及び空気極室をそれぞれ形成するセパレータとを備える燃料電池を、複数層積層して成る燃料電池スタックであって、
各層の燃料電池は、当該燃料極室を形成するセパレータの一端で燃料ガスと微細水滴との混合気を生成する燃料−水分混合ランプ、及び当該空気極室を形成するセパレータの一端で空気と微細水滴との混合気を生成する空気−水分混合ランプの少なくとも一方を備え、
上記燃料−水分混合ランプは燃料ガス流路と水分流路とこれら両流路の合流部位を有し、上記空気−水分混合ランプは空気流路と水分流路とこれら両流路の合流部位を有し、
上記燃料ガス流路、上記空気流路及び上記水分流路は、各層の燃料電池にそれぞれ燃料、空気及び水分を供給する燃料ガス供給マニホールド、空気供給マニホールド及び水分供給マニホールドとぞれぞれ連通している、ことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
上記燃料−水分混合ランプにおいて、上記燃料ガス流路に供給される燃料ガス流及び上記水分流路に供給される水流のいずれか一方の流れ方向が、上記燃料電池の積層方向とほぼ平行で、且つ他方の流れ方向が上記セパレータの他端方向とほぼ平行であって、両流れがほぼ垂直をなし、
上記空気−水分混合ランプにおいて、上記空気流路に供給される空気流及び上記水分流路に供給される水流のいずれか一方の流れ方向が、上記燃料電池の方向とほぼ平行で、且つ他方の流れ方向が上記セパレータの他端方向とほぼ平行であって、両流れがほぼ垂直をなす、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
上記燃料−水分混合ランプは上記燃料ガス流路が上記水分流路を包囲する２重管状部位を有し、上記空気−水分混合ランプは上記空気流路が上記水分流路を包囲する２重管状部位を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
上記燃料−水分混合ランプの２重管状部位が、先細管形状をなす燃料ガス流路と直管形状をなす水分流路で形成され、
上記空気−水分混合ランプの２重管状部位が、先細管形状をなす空気流路と直管形状をなす水分流路で形成されている、ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
上記先細管形状をなす燃料ガス流路がその先細部位に連続する拡開部位を更に有し、上記先細管形状をなす空気流路がその先細部位に連続する拡開部位を更に有し、これら拡開部位がそれぞれ上記合流部位として機能することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
上記合流部位が多孔質体で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
上記各層の燃料電池が、上記燃料−水分混合ランプを有し、上記空気−水分混合ランプを有さないことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つの項に記載の燃料電池スタック。
【請求項８】
リサイクル燃料ガスを上記各層の燃料電池の燃料極室に供給するリサイクル燃料ガス供給マニホールドを付加したことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池スタック。
【請求項９】
上記各層の燃料電池の燃料極室における燃料−水分混合ランプの合流領域よりも下流側に、上記リサイクル燃料ガス供給マニホールドと連通するリサイクル燃料ガス導入路を設けたことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池スタック。
【請求項１０】
上記電解質膜が、イオン液体を含むことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つの項に記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックに係り、更に詳細には、各層の燃料電池ごとにほぼ均一な微細水滴を供給でき、小型化を促進し得る燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、超微小粒径ミストを安定且つ連続して発生噴出させる噴射ノズル式ミスト発生器が提案されており、かかるミスト発生器を固体高分子型燃料電池の燃料ガスや酸化剤ガスの反応ガスの加湿装置として用いると、これにより、燃料電池の電解質膜を適正な含水状態に保持できるともに、ミストが水蒸気になる際に反応ガスから蒸発潜熱を奪うので、反応ガスを冷却できることが開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２０００−３１７３５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、かかる従来の噴射ノズル式ミスト発生器にあっては、構造が複雑で大型化し易く、これを用いた燃料電池スタックも大型化してしまう。
また、この噴射ノズル式ミスト発生器は、燃料電池を複数層積層して成る燃料電池スタックに対して原則として１台装着できるにとどまり、複数層の燃料電池を１台のミスト発生器で賄わなければならず、反応ガスや水の高圧噴射が困難であるばかりか、水分導入量のバラツキを生じ易く、これに起因して反応ガスの冷却効果にバラツキが生じ易いという問題があった。
【０００４】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、水分の高圧噴射が可能で、均等な微細水滴を各層の燃料電池用反応ガスごとに導入でき、構造が簡易で小型化を促進し得る燃料電池スタックを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、所定構造の混合ランプを各層の燃料電池ごとに設置することなどにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００６】
即ち、本発明の燃料電池スタックは、電解質膜の両側に燃料極及び空気極に相当するガス拡散電極をそれぞれ配置した膜電極複合体と、この膜電極複合体の両側に燃料極室及び空気極室をそれぞれ形成するセパレータとを備える燃料電池を、複数層積層して成る燃料電池スタックである。
この燃料電池スタックにおいて、各層の燃料電池は、当該燃料極室を形成するセパレータの一端で燃料ガスと微細水滴との混合気を生成する燃料−水分混合ランプ、及び当該空気極室を形成するセパレータの一端で空気と微細水滴との混合気を生成する空気−水分混合ランプの少なくとも一方を備え、
上記燃料−水分混合ランプは燃料ガス流路と水分流路とこれら両流路の合流部位を有し、上記空気−水分混合ランプは空気流路と水分流路とこれら両流路の合流部位を有し、  上記燃料ガス流路、上記空気流路及び上記水分流路は、各層の燃料電池にそれぞれ燃料、空気及び水分を供給する燃料ガス供給マニホールド、空気供給マニホールド及び水分供給マニホールドとそれぞれ連通している、ことを特徴とする
【０００７】
また、本発明の燃料電池スタックの好適形態は、上記燃料−水分混合ランプにおいて、上記燃料ガス流路に供給される燃料ガス流及び上記水分流路に供給される水流のいずれか一方の流れ方向が、上記燃料電池の積層方向とほぼ平行で、且つ他方の流れ方向が上記セパレータの他端方向とほぼ平行であって、両流れがほぼ垂直をなし、
上記空気−水分混合ランプにおいて、上記空気流路に供給される空気流及び上記水分流路に供給される水流のいずれか一方の流れ方向が、上記燃料電池の方向とほぼ平行で、且つ他方の流れ方向が上記セパレータの他端方向とほぼ平行であって、両流れがほぼ垂直をなす、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、所定構造の混合ランプを各層の燃料電池ごとに設置することなどととしたため、水分の高圧噴射が可能で、均等な微細水滴を各層の燃料電池ごとに導入でき、構造が簡易で小型化を促進し得る燃料電池スタックを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の燃料電池スタックにつき、図面を参照して若干の実施形態により詳細に説明する。
【００１０】
（実施形態１）
図１は、本発明の燃料電池スタックの一実施形態を示す断面図である。
同図において、この燃料電池スタック１００は、燃料電池ＦＣを複数個積層して構成されている。これら燃料電池ＦＣは、膜電極複合体１０と、その両側（下面側及び上面側）に形成された燃料極室２０及び空気極室３０と、燃料電池ＦＣ同士を区画するとともに燃料極室２０及び空気極室３０を形成するセパレータ４０と、を備えている。
【００１１】
なお、膜電極複合体１０には、電解質膜１の両側に、触媒層とガス拡散層で形成されるガス拡散電極３及び５が配設されており、図１に示す構成では、ガス拡散電極３が燃料極に相当し、ガス拡散電極５が空気極に相当する。
【００１２】
そして、本実施形態の燃料電池スタック１００において、上記セパレータ４０の一端には、燃料ガスと微細水滴との混合気を生成する燃料−水分混合ランプ５０が設置されており、生成した燃料−水滴混合気が燃料極室２０に供給されるようになっている。
【００１３】
図２は、図１に示した燃料電池スタックの燃料−水分混合ランプ近傍を示す図であり、図２（Ａ）は燃料−水分混合ランプ近傍を示す部分断面図、図２（Ｂ）は燃料−水分混合ランプの分解斜視図である。なお、図２（Ｂ）は図２（Ａ）と天地逆転した状態を示している。
【００１４】
図２において、燃料−水分混合ランプ５０は、ランプ本体５１とセパレータ４０の端部で構成されており、燃料ガス流路５３と水分流路５５と合流領域５７を有しており、セパレータ端部には燃料ガス入口５３ａ、ランプ本体５１には水分入口５５ａがそれぞれ設けられいる。
【００１５】
また、燃料ガス流路５３は燃料ガス供給マニホールド６０と連通し、水分流路５５は水分供給マニホールド７０と連通している。
簡易的に図示したが、燃料ガス供給マニホールド６０及び水分供給マニホールド７０は、各層の燃料電池ＦＣ（の燃料極室２０）にそれぞれ燃料ガス及び水分をほぼ均等に供給できる構成を有している。
【００１６】
図３は、燃料−水分混合ランプ５０における燃料ガスと水分との混合を示す斜視説明図であり、図３（Ａ）はランプ本体５１による混合形式を示しており、同図（Ｂ）はランプ本体５１の概略的な部分平面図である。
【００１７】
図３（Ｂ）に示すように、このランプ本体５１は、水分流路５５を燃料ガス流路５３が包囲した２重管状部位Ｔと、これに連続する拡開部位Ｅを有しており、ここに燃料ガス流路５３と水分流路５５との合流部位５７が形成されいる。
なお、２重管状部位Ｔは、先細管形状をなす燃料ガス流路５３と直管形状をなす水分流路５５で形成されている（図３（Ａ）参照。）。
【００１８】
図３（Ａ）において、上述の構成を有する燃料−水分混合ランプ５０では、燃料ガス供給マニホールド６０から供給される燃料ガスは、矢印Ｆで示すように燃料電池スタックの積層方向とほぼ垂直に燃料ガス流路５３に進入し、一方、水分供給マニホールド７０から供給される水分は、矢印Ｗで示すように、セパレータ４０の他端方向（図１参照）、即ちガス拡散電極３の面に沿った方向に進入する。
【００１９】
換言すると、燃料ガス流Ｆと水流Ｗの方向は相互にほぼ垂直をなす。
従って、燃料ガス流Ｆと水流Ｗとはほぼ垂直をなして燃料−水分混合ランプ５０に進入し、２重管部位Ｔを介して合流部位５７で合流し、あたかも高速道路などのランプウェイでの自動車合流のように合流して、微細水滴が燃料ガスに均一に分散した混合気を形成する。
【００２０】
上述のような燃料−水分混合５０ランプは、各層を構成している燃料電池の燃料極室ごとに設けられており、これにより、複数個の燃料電池を積層した１つの燃料電池スタックに対して１台しか設置できない従来の噴射ノズル式ミスト発生器の場合とは異なり、いずれの階層の燃料極室についてもほぼ均等な燃料−水滴混合気が供給されることになる。
よって、各層の燃料極室をほぼ均一に冷却できることになり、燃料電池スタックに熱分布が発生するのを抑制でき、熱応力による燃料電池スタックの破損を防止できる。従って、本実施形態の燃料電池スタックによれば、１００〜２００℃で作動する中温作動型燃料電池システムの構築が可能になる。
【００２１】
また、従来の噴射ノズル式ミスト発生器では、１台で複数層の燃料電池を賄うことになるため、局所的な高圧による破損などを回避すべく、燃料ガスや空気流、水流などの高圧化（高圧噴射）を実現できなかった。
これに対し、本実施形態に示す燃料−水分混合ランプによれば、これら流体の高圧噴射が可能で、水滴の更なる微細化や高分散が実現でき、水分の凝集も回避でき、燃料極室の冷却効率を向上できる。
【００２２】
更に、本実施形態の燃料電池スタックは、従来のＣＳＡ外部マニホールドでは、セパレータ・電解質スタッキング部へシールを介して結合されるマニホールドが装着されるために、シール部の高圧対応の実現が困難であった燃料ガス流路や空気流路などにおける耐圧構造を実現するものである。
しかも、燃料−水分混合ランプ５０は簡易な構造を有し、占有体積が小さい。従って、燃料電池スタック自体の小型化にも資するものである。
【００２３】
上述の如く、水滴の高分散化によって水の気化熱を利用した直接冷却が可能になるので、クーラント冷却が不要となる。よって、燃料電池間の伝熱面積を低減でき、燃料極室や燃料ガス流路の壁と膜電極複合体との接触断面の厚さを薄くした構造を実現できるので、燃料電池の出力密度を向上できる。
また、クーラントループを燃料電池スタックから排除できるので、凝縮水からのイオン回収を行う必要もなくなる。
【００２４】
なお、本実施形態の燃料電池スタックにおいては、空気−水分混合ランプを有していないが、燃料−水分混合ランプの代わりに空気−水分混合ランプを設置することも可能である。但し、水分の回収に必要な加圧エネルギーを低減し、燃料電池の冷却に必要な熱交換量を低減する（例えば、ラジエータ容積の低減）観点からは、燃料−水分混合ランプの方がエネルギー効率に優れる。
【００２５】
（実施形態２）
図４は、本発明の燃料電池スタックの他の実施形態を示す断面図である。以下、上述の部材・要素と実質的に同一の部材・要素については同一符号を付し、その説明を省略する。
本実施形態の燃料電池スタック１００’は、上記燃料電池スタック１００とほぼ同様の構成を有するが、上記燃料−水分混合ランプの代わりに多孔質体から構成される燃料−混合ランプ５０’を備えるとともに、リサイクル燃料ガス供給マニホールド８０と、これに連通するリサイクル燃料ガス導入路８１を備える。
【００２６】
上述の燃料−水分混合ランプ５０’において、ランプ本体５１’はほぼ直方体状をなし、燃料ガス流路５３及び水分流路５５と連通している。よって、これらの流路を介してランプ本体５１’に流入した燃料ガスと水分は、多孔質体であるランプ本体５１’に存在するランダムな孔部を通過しながら相互に混合を繰り返すことになるので、燃料ガスと水分との混合が促進され、微細水滴の燃料ガスへの高分散が実現される。
【００２７】
また、従来の燃料電池スタックにおいて、リサイクル燃料ガスは燃料ガス流路に戻されるのが通例であるが、本実施形態の燃料電池スタックにおいては、燃料ガス流路とは別個のリサイクル燃料ガスマニホールド８０に戻される（図４参照。）。
よって、従来とは異なり、リサイクル燃料ガスを高圧加圧する必要がなく、リサイクル燃料ガスを圧送するリサイクルポンプの消費エネルギーを低減できるので、リサイクルポンプの容量を低減し、また場合によってはリサイクルポンプの設置を省略することが可能になる。
【００２８】
更に、上述のリサイクル燃料ガス供給マニホールド８０は、リサイクル燃料ガスを一箇所に供給する大容量マニホールドとは異なり、図４に示すように、各層の燃料電池の燃料極室２０に個別に供給する構成となっている。よって、混合を行う部位が多く存在し、燃料ガスと水分との十分な混合を実現できる。
【００２９】
また、かかるリサイクル燃料ガス供給マニホールド８０と燃料極室とを連通させているリサイクル燃料ガス導入路８１は、燃料−水分混合ランプ５１’よりも下流側に位置している。
よって、導入路８１では、上流部（燃料ガス流路５３近傍）の合流ランプよりも低い流路圧力であるため、リサイクル燃料ガスの導入圧力を低くすることが可能となる。このため、リサイクルガスを高圧加圧する必要がなく、リサイクル燃料ガスを圧送するリサイクルポンプの消費エネルギーを低減できる。
【００３０】
なお、上述の実施形態１及び実施形態２にも示したが、特に、燃料極側に噴霧された水は、出口付近で消費されなかった燃料との混合気として排出されるため、多量の窒素との混合気として排出される空気極と比べ、高い温度で凝縮水を得ることができる。
このため、燃料極に液体の水を全て導入して燃料電池を冷却することにより、簡易な冷却水凝縮回収システムを得ることができる。この構成は、特に高温且つ水を必要としないイオン液体型燃料電池で実現が容易となる。
【００３１】
次に、以上に説明した部材・要素などの材質などにつき説明する。
まず、膜電極複合体１０を構成する電解質膜１は、プロトン伝導性の高分子膜から成るものであり、フッ素樹脂系イオン交換膜、代表的にはナフィオン（登録商標）膜を挙げることができる。
【００３２】
また、触媒層は、白金その他の金属触媒をカーボンに担持した粒子と電解質から成る触媒層前駆体を、ガス拡散層（カーボンクロスやカーボンペーパー）に塗布して成る。
【００３３】
なお、本明細書及び請求の範囲において、「燃料ガス」と記載したが、水素ガスをはじめとしてガソリンその他の低級炭化水素などの炭化水素ガス、メタノールその他の低級アルコールであってよい。同様に、「空気」と記載したが、酸素ガスや酸素を含むガスであってもよい。
【００３４】
更に、燃料−水分混合ランプ５０’のランプ本体５１’を構成する多孔質体としては、特に限定されるものではないが、カーボン、高分子、金属から成る多孔材を挙げることができる。
【００３５】
なお、近年、イオン液体を燃料電池の電解質として用いることが提案されているが、本願出願人は、イオン液体に水その他の極性物質を含有させることにより、意外にも電解質としてのイオン液体のプロトン伝導性が向上し、燃料電池のＩＶ特性などを向上できることを見出し、その内容を平成１７年６月７日付けの特許出願（特願２００５−１６７４７４）にて提案している。
【００３６】
本発明は、燃料ガスや空気に微細水滴を高分散させた混合気を電解質に供給し得るものであり、従って、イオン液体から成るか又はイオン液体を含む電解質を用いることにより、上記特許出願に係る発明の利点を享受できる。
イオン液体の電解質化（膜化ないしは固体化）は、ナフィオン（登録商標）その他の高分子材料と混合して成形したり、高分子材料やセラミックスにイオン液体を含浸ないしは担持したり、カラーギーナンなどのゲル化材料でゲル化したりすることにより行うことができる。
また、イオン液体への水分供給を円滑にすべく、各種吸水性樹脂などの吸湿材をイオン液体に混入することも可能である。
【００３７】
なお、使用するイオン液体としては、特に限定されるものではないが、原子性カチオン成分と原子性アニオン成分を含むイオン液体、例えば塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）、適当な原子性カチオン成分とＦ−、Ｃｌ−、Ｂｒ−及びＩ−などのハロゲン化物を含むイオン液体の外に、以下に示す分子性のカチオン成分と分子性のアニオン成分を任意に組み合わせて含むものを挙げることができる。
【００３８】
上記カチオン成分の一種である分子性カチオンとしては、例えばイミダゾリウム誘導体カチオン、更に具体的には化学式１で表される一置換イミダゾリウム誘導体カチオン（Ｍｏｎｏｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄ  Ｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍ  Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ  Ｃａｔｉｏｎ）；
【００３９】
【化１】
2007087805.tif 000003
【００４０】
（式中のＲ１１は、１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。そして、炭化水素基の具体例としては、メチル基やブチル基などを挙げることができる。
【００４１】
また、化学式２で表される二置換イミダゾリウム誘導体カチオン（Ｄｉｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄ  Ｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍ  Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ  Ｃａｔｉｏｎ）；
【００４２】
【化２】
2007087805.tif 000004
【００４３】
（式中のＲ２１及びＲ２２は同一でも異なっていてもよく、１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
【００４４】
そして、Ｒ２１及びＲ２２としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、ペンチル基、ヘキシル基、オクチル基、デシル基、ドデシル基、テトラデシル基、ヘキサデシル基、オクタデシル基、ベンジル基、γ−フェニルプロピル基などを挙げることができる。
【００４５】
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ２１がメチル基であり、Ｒ２２がメチル基、エチル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、オクチル基、デシル基、ドデシル基、テトラデシル基、ヘキサデシル基、オクタデシル基、ベンジル基、γ−フェニルプロピル基であるものや、Ｒ２１がエチル基であり、Ｒ２２がブチル基であるものなどを挙げることができる。
【００４６】
更に、化学式３で表される三置換イミダゾリウム誘導体カチオン（Ｔｒｉｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄ  Ｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍ  Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ  Ｃａｔｉｏｎ）；
【００４７】
【化３】
2007087805.tif 000005
【００４８】
（式中のＲ３１〜Ｒ３３は同一でも異なっていてもよく、１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
【００４９】
そして、Ｒ３１〜Ｒ３３としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、プロピル基、ヘキシル基、ヘキサデシル基などを挙げることができる。
【００５０】
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ３１がエチル基であり、Ｒ３２及びＲ３３がメチル基であるもの、Ｒ３１がプロピル基であり、Ｒ３２及びＲ３３がメチル基であるもの、Ｒ３１がブチル基であり、Ｒ３２及びＲ３３がメチル基であるもの、Ｒ３１がヘキシル基であり、Ｒ３２及びＲ３３がメチル基であるもの、Ｒ３１がヘキサデシル基であり、Ｒ３２及びＲ３３がメチル基であるものなどを挙げることができる。
【００５１】
また、化学式４で表されるピリジニウム誘導体カチオン（Ｐｙｒｉｄｉｎｉｕｍ  Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ  Ｃａｔｉｏｎ）；
【００５２】
【化４】
2007087805.tif 000006
【００５３】
（式中のＲ４１〜Ｒ４４は同一でも異なっていてもよく、水素又は１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
【００５４】
そして、Ｒ４１〜Ｒ４４としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他に水素、エチル基、ヘキシル基、オクチル基などを挙げることができる。
【００５５】
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ４１がエチル基であり、Ｒ４２〜Ｒ４４が水素であるもの、Ｒ４１がブチル基であり、Ｒ４２〜Ｒ４４が水素であるものやＲ４２及びＲ４３が水素でありＲ４４がメチル基であるもの、Ｒ４２及びＲ４４が水素でありＲ４３がメチル基であるもの、Ｒ４２及びＲ４３がメチル基でありＲ４４が水素であるもの、Ｒ４２及びＲ４４がメチル基でありＲ４３が水素であるもの、Ｒ４２及びＲ４３が水素でありＲ４４がエチル基であるもの、Ｒ４１がヘキシル基であり、Ｒ４２〜Ｒ４４が水素であるものやＲ４２及びＲ４３が水素でありＲ４４がメチル基であるもの、Ｒ４２及びＲ４４が水素でありＲ４３がメチル基であるもの、Ｒ４１がオクチル基であり、Ｒ４２〜Ｒ４４が水素であるものやＲ４２及びＲ４３が水素でありＲ４４がメチル基であるもの、Ｒ４２およびＲ４４が水素でありＲ４３がメチル基であるものなどを挙げることができる。
【００５６】
更に、化学式５で表されるピロリジニウム誘導体カチオン（Ｐｙｒｒｏｌｉｄｉｎｉｕｍ  Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ  Ｃａｔｉｏｎ）；
【００５７】
【化５】
2007087805.tif 000007
【００５８】
（式中のＲ５１及びＲ５２は同一でも異なっていてもよく、１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
【００５９】
そして、Ｒ５１及びＲ５２としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、プロピル基、ヘキシル基、オクチル基などを挙げることができる。
【００６０】
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ５１がメチル基であり、Ｒ５２がメチル基であるものやエチル基であるもの、ブチル基であるもの、ヘキシル基であるもの、オクチル基であるもの、Ｒ５１がエチル基であり、Ｒ５２がブチル基であるもの、Ｒ５１及びＲ５２がプロピル基、ブチル基、ヘキシル基であるものなどを挙げることができる。
【００６１】
また、化学式６で表されるアンモニウム誘導体カチオン（Ａｍｍｏｎｉｕｍ  Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ  Ｃａｔｉｏｎ）；
【００６２】
【化６】
2007087805.tif 000008
【００６３】
（式中のＲ６１〜Ｒ６４は同一でも異なっていてもよく、１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
【００６４】
そして、Ｒ６１〜Ｒ６４としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、オクチル基などを挙げることができる。
【００６５】
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ６１〜Ｒ６４がメチル基であるものやエチル基であるもの、ブチル基であるもの、Ｒ６１がメチル基であり、Ｒ６２〜Ｒ６４がオクチル基であるものなどを挙げることができる。
【００６６】
更に、化学式７で表されるホスフォニウム誘導体カチオン（Ｐｈｏｓｐｈｏｎｉｕｍ  Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ  Ｃａｔｉｏｎ）；
【００６７】
【化７】
2007087805.tif 000009
【００６８】
（式中のＲ７１〜Ｒ７４は同一でも異なっていてもよく、１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
【００６９】
そして、Ｒ７１〜Ｒ７４としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、イソブチル基、ヘキシル基、オクチル基、テトラデシル基、ヘキサデシル基、フェニル基、ベンジル基などを挙げることができる。
【００７０】
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ７１がメチル基であり、Ｒ７２〜Ｒ７４がブチル基であるものやイソブチル基であるもの、Ｒ７１がエチル基であり、Ｒ７２〜Ｒ７４がブチル基であるもの、Ｒ７１〜Ｒ７４がブチル基であるものやオクチル基であるもの、Ｒ７１がテトラデシル基であり、Ｒ７２〜Ｒ７４がブチル基であるものやヘキシル基であるもの、Ｒ７１がヘキサデシル基であり、Ｒ７２〜Ｒ７４がブチル基であるもの、Ｒ７１がベンジル基であり、Ｒ７２〜Ｒ７４がフェニル基であるものなどを挙げることができる。
【００７１】
また、化学式８で表されるグアニジウム誘導体カチオン（Ｇｕａｎｉｄｉｎｉｕｍ  Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ  Ｃａｔｉｏｎ）；
【００７２】
【化８】
2007087805.tif 000010
【００７３】
（式中のＲ８１〜Ｒ８６は同一でも異なっていてもよく、水素又は１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
【００７４】
そして、Ｒ８１〜Ｒ８６としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他に水素、エチル基、プロピル基、イソプロピル基などを挙げることができる。
【００７５】
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ８１〜Ｒ８６の全てが水素であるものやメチル基であるもの、Ｒ８１がエチル基、Ｒ８２〜Ｒ８５がメチル基、Ｒ８６が水素であるもの、Ｒ８１がイソプロピル基、Ｒ８２〜Ｒ８５がメチル基、Ｒ８６が水素であるもの、Ｒ８１がプロピル基、Ｒ８２〜Ｒ８６がメチル基であるものなどを挙げることができる。
【００７６】
更に、化学式９で表されるイソウロニウム誘導体カチオン（Ｉｓｏｕｒｏｎｉｕｍ  Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ  Ｃａｔｉｏｎ）；
【００７７】
【化９】
2007087805.tif 000011
【００７８】
（式中のＲ９１〜Ｒ９５は同一でも異なっていてもよく、水素又は１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示し、Ａ９は酸素原子又は硫黄原子を示す。）を挙げることができる。
【００７９】
そして、Ｒ９１〜Ｒ９５としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他に水素、エチル基などを挙げることができる。
【００８０】
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ａ９が酸素原子（Ｏ）であって、Ｒ９１〜Ｒ９５の全てがメチル基であるものやＲ９１がエチル基、Ｒ９２〜Ｒ９５がメチル基であるもの、Ａ９が硫黄原子（Ｓ）であって、Ｒ９１がエチル基、Ｒ９２〜Ｒ９５がメチル基であるものなどを挙げることができる。
【００８１】
一方、上記分子性アニオンとしては、例えば硫酸アニオン［ＳＯ４２−］、硫酸一水素アニオン［ＨＳＯ４−］又は化学式１０で表される硫酸エステルアニオン（Ｓｕｌｆａｔｅｓ  ａｎｉｏｎ）；
【００８２】
【化１０】
2007087805.tif 000012
【００８３】
（式中のＲ１０１は１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
【００８４】
そして、Ｒ１０１としては、上述したＲ１１と同様のものを挙げることができ、その他にエチル基、ヘキシル基、オクチル基などを挙げることができる。
【００８５】
また、代表的な具体例としては、Ｒ１０１がメチル基やエチル基、ブチル基、ヘキシル基、オクチル基であるものなどを挙げることができる。
【００８６】
また、化学式１１で表されるスルホン酸エステルアニオン（Ｓｕｌｆｏｎａｔｅｓ  ａｎｉｏｎ）；
【００８７】
【化１１】
2007087805.tif 000013
【００８８】
（式中のＲ１１１は１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基、更にはそのフッ素置換体を示す。）を挙げることができる。
【００８９】
そして、代表的な具体例としては、Ｒ１１１がフッ素置換されたメチル基（トリフルオロメタンサルフォネートアニオンに相当）であるもの、更にはｐ−トリル基（ｐ−トルエンスルホン酸アニオンに相当）であるものを挙げることができる。
【００９０】
更に、化学式１２〜１４で表されるアミドアニオン（Ａｍｉｄｅｓ  Ａｎｉｏｎ）又はイミドアニオン（Ｉｍｉｄｅｓ  Ａｎｉｏｎ）；
【００９１】
【化１２】
2007087805.tif 000014
【００９２】
【化１３】
2007087805.tif 000015
【００９３】
【化１４】
2007087805.tif 000016
【００９４】
を挙げることができる。
なお、アミドアニオンやイミドアニオンについては必ずしもこれらに限定されるものではない。
【００９５】
また、化学式１５又は１６で表されるメタンアニオン（Ｍｅｔｈａｎｅｓ  Ａｎｉｏｎ）；
【００９６】
【化１５】
2007087805.tif 000017
【００９７】
【化１６】
2007087805.tif 000018
【００９８】
を挙げることができる。
なお、メタンアニオンについても必ずしもこれらに限定されるものではない。
【００９９】
また、化学式１７〜２３で表されるホウ素含有化合物アニオン；
【０１００】
【化１７】
2007087805.tif 000019
【０１０１】
【化１８】
2007087805.tif 000020
【０１０２】
【化１９】
2007087805.tif 000021
【０１０３】
【化２０】
2007087805.tif 000022
【０１０４】
【化２１】
2007087805.tif 000023
【０１０５】
【化２２】
2007087805.tif 000024
【０１０６】
【化２３】
2007087805.tif 000025
【０１０７】
を挙げることができる。
なお、ホウ素含有化合物アニオンについても必ずしもこれらに限定されるものではない。
【０１０８】
更に、化学式２４〜３２で表されるリン含有化合物アニオン；
【０１０９】
【化２４】
2007087805.tif 000026
【０１１０】
【化２５】
2007087805.tif 000027
【０１１１】
【化２６】
2007087805.tif 000028
【０１１２】
【化２７】
2007087805.tif 000029
【０１１３】
【化２８】
2007087805.tif 000030
【０１１４】
【化２９】
2007087805.tif 000031
【０１１５】
【化３０】
2007087805.tif 000032
【０１１６】
【化３１】
2007087805.tif 000033
【０１１７】
【化３２】
2007087805.tif 000034
【０１１８】
を挙げることができる。
なお、リン含有化合物アニオンについても必ずしもこれらに限定されるものではない。
【０１１９】
更に、化学式３３又は３４で表されるカルボン酸アニオン；
【０１２０】
【化３３】
2007087805.tif 000035
【０１２１】
【化３４】
2007087805.tif 000036
【０１２２】
を挙げることができる。
なお、カルボン酸アニオンについても必ずしもこれらに限定されるものではない。
【０１２３】
更に、化学式３５又は３６で表される金属元素含有アニオン；
【０１２４】
【化３５】
2007087805.tif 000037
【０１２５】
【化３６】
2007087805.tif 000038
【０１２６】
を挙げることができる。
なお、金属元素含有アニオンについても必ずしもこれらに限定されるものではない。
【０１２７】
更に、本発明においては、イミダゾリウム誘導体カチオン、ピリジニウム誘導体カチオン、ピロリジニウム誘導体カチオン又はアンモニウム誘導体カチオン、及びこれらの任意の組合わせに係る分子性カチオンの混合物と、四フッ化ホウ素アニオン、トリフルオロメタンサルフォネートアニオン、フッ化水素アニオン［（ＨＦｎ）Ｆ−（ｎは実数で１〜３が望ましい。）］、硫酸一水素アニオン又はリン酸二水素アニオン、及びこれらの任意の組合わせに係る分子性アニオンの混合物とから成ることが望ましい。
これらの分子性カチオンと分子性アニオンを組合わせたものは、良好な親水性を示すからである。
【０１２８】
また、本発明においては、上記分子性カチオンが、その骨格内にヘテロ原子を有していることが好ましい。
ヘテロ原子を有する分子性カチオンは、親水性を示すので、吸湿材のみならず、電解質であるイオン液体に水を保持させることが可能になる。よって、当該イオン液体のプロトン伝導性を向上することができる。
【０１２９】
なお、「ヘテロ原子」とは、炭素原子（Ｃ）及び水素原子（Ｈ）以外の原子を意味し、複素環（ヘテロ環）を構成する炭素原子以外の原子に限定されないものとする。代表的には、酸素原子（Ｏ）、窒素原子（Ｎ）、硫黄原子（Ｓ）、リン原子（Ｐ）、フッ素原子（Ｆ）、塩素原子（Ｃｌ）、臭素原子（Ｂｒ）、ヨウ素原子（Ｉ）、ホウ素原子（Ｂ）、コバルト原子（Ｃｏ）及びアンチモン原子（Ｓｂ）などを挙げることができる。
【０１３０】
以上、本発明を若干の好適実施形態により詳細に説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形が可能である。
例えば、実施形態１及び２では、燃料−水分混合ランプしか設置していないが、これに空気−水分混合ランプを付加し、両混合ランプを併用することも可能である。また、この場合、燃料−水分混合ランプと空気−水分混合ランプとの設置位置とを対称位置にすれば、燃料電池スタックに熱分布が生ずるのを更に抑制でき、燃料電池スタックの耐久性などを更に向上することができる。
【０１３１】
また、実施形態１では、ランプ本体５１は、２重管状部位Ｔとこれに連続する拡開部位Ｅを有し、これは拡散後の流速を低減し十分な蒸発を得るのに良好であるが、省略可能である。
更に、２重管状部位Ｔは、先細管形状をなす燃料ガス流路５３と直管形状をなす水分流路５５で形成されていたが、燃料ガス流の流れを水流に比し大きくすれば、燃料流路は先細管形状でなくてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１３２】
【図１】本発明の燃料電池スタックの一実施形態を示す断面図である。
【図２】図１に示した燃料電池スタックの燃料−水分混合ランプ近傍を示す断面及び斜視図である。
【図３】燃料−水分混合ランプにおける燃料ガスと水分との混合を示す斜視説明図である。
【図４】本発明の燃料電池スタックの他の実施形態を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１３３】
１    電解質膜
３    ガス拡散電極（燃料極）
５    ガス拡散電極（空気極）
１０    膜電極複合体
２０    燃料極室
３０    空気極室
４０    セパレータ
５０    燃料−水分混合ランプ
５０’  燃料−水分混合ランプ
５１    ランプ本体
５１’  ランプ本体
５３    燃料ガス流路
５３ａ  燃料ガス入口
５５    水分流路
５５ａ  水分入口
５７    合流領域
６０    燃料ガス供給マニホールド
７０    水分供給マニホールド
８０    リサイクル燃料ガス供給マニホールド
８１    リサイクル燃料ガス導入路
１００    燃料電池スタック
１００’  燃料電池スタック
ＦＣ    燃料電池
【図１】
2007087805.tif 000039
【図２】
2007087805.tif 000040
【図３】
2007087805.tif 000041
【図４】
2007087805.tif 000042