(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子から成る電解質膜が燃料極と酸化剤極との間に配置された単電池を少なくとも一つ有する電池スタックと、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給管と、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給管とを備えた固体高分子電解質型燃料電池システムにおいて、
前記燃料供給管及び前記酸化剤供給管の少なくとも一方に、水蒸気若しくは微粒化された水を供給する加湿手段が設けられ、
前記加湿手段は、前記燃料供給管内及び前記酸化剤供給管内の少なくとも一方に設けられた回転円盤と、前記回転円盤に向かって水を供給するノズルと、前記ノズルの上流側に水を供給するポンプとによって構成されていることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子電解質型燃料電池システムに係り、固体高分子膜の加湿状態の保持機能と、スペース効率に改良を施した固体高分子電解質型燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は水素などの燃料と空気などの酸化剤を電気化学的に反応させることにより、燃料のもつ化学的エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。その中でも、電解質に高分子イオン交換膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池は、出力密度が高いこと、構造が単純であること、動作温度が比較的低いことなどの特徴があり、より一層の技術開発への期待が高まっている。
【０００３】
このような固体高分子電解質型燃料電池における単電池の基本構成を、図１４に従って以下に説明する。すなわち、イオン導電性を有する固体高分子膜１０２を挟んで、アノード電極１０３、カソード電極１０４が配置され、単電池１０１が構成されている。アノード電極１０３は、アノード触媒層１０３ａとアノード多孔質カーボン平板１０３ｂとによって形成されている。カソード電極１０４は、カソード触媒層１０４ａとカソード多孔質カーボン平板１０４ｂとによって形成されている。
【０００４】
この単電池１０１の上下には、導電性を有するガス不透過性のセパレータ１０５が配置されている。このセパレータ１０５には、アノード電極１０３及びカソード電極１０４に反応ガスを供給するための溝１０３ｃ，１０４ｃが設けられている。
【０００５】
以上のような固体高分子電解質型燃料電池においては、アノード電極１０３に燃料ガスを、カソード電極１０４に酸化剤ガスをそれぞれ供給すると、単電池１０１の一対の電極間で電気化学反応により、以下のように起電力が生じる。すなわち、通常、燃料ガスとしては水素が使用され、酸化剤ガスとしては空気が使用されるが、まず、アノード電極１０３に水素、カソード電極１０４に空気をそれぞれ供給すると、アノード電極１０３では、供給された水素はアノード触媒層１０３ａにおいて水素イオンと電子に解離する。そして、水素イオンは固体高分子膜１０２を通り、電子は外部回路を通って、それぞれカソード電極１０４に移動する。
【０００６】
一方、カソード電極１０４においては、供給された空気中の酸素と上記水素イオンと電子がカソード触媒層１０４ａにおいて反応して水を生成する。このとき、外部回路を通った電子は電流となり電力を供給することができる。つまり、アノード電極１０３とカソード電極１０４においては、それぞれ以下の式１、式２に示す反応が進行する。なお、生成された水は、未反応ガスと共に電池外に排出される。
【０００７】
【化１】
アノード反応：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-…式１
【化２】
カソード反応：２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ…式２
ところで、単電池１０１の起電力は、１Ｖ以下と低いため、通常の実用型燃料電池システムは、数十〜数百枚の単電池１０１を、上記セパレータ１０５を介して積層した電池スタックを有し、この電池スタックによる発電を行っている。そして、このような電池スタックは発電に伴って昇温することになるが、かかる昇温を制御するため冷却板が数枚の電池毎に挿入されている。
【０００８】
以上のような固体高分子電解質型燃料電池に使用されるイオン導電性を有する固体高分子膜１０２としては、例えば、プロトン交換膜であるパーフルオロロカーボンスルホン酸（ナフィオンR：米国、デュポン社）が知られている。この膜は、分子中に水素イオンの交換基を持ち、飽和含水することによりイオン導電性電解質として機能すると共に、燃料と酸化剤を分離する機能も有する。逆に、膜の含水量が少なくなるとイオン抵抗が高くなり、燃料と酸化剤が混合するクロスオーバが発生し、電池での発電が不可能となる。このため、固体高分子膜は飽和含水としておくことが望ましい。
【０００９】
一方、発電によりアノード電極で分離した水素イオンが固体高分子膜を通りカソード電極に移動する時に、水も一緒に移動するため、アノード電極側では固体高分子膜は乾燥する傾向にある。また、供給する燃料又は空気の含まれる水蒸気が少ないと、それぞれの反応ガス入り口付近で固体高分子膜は乾燥する傾向にある。上記の理由から、固体高分子電解質型燃料電池には、予め加湿した燃料と酸化剤を供給することが一般的に行われている。
【００１０】
この加湿方法としては、従来から様々な試みがなされている。最も一般的に知られているものとしては、米国特許ＵＳ−５，２８４，７１８に示されている燃料電池がある。これは、図１５に示すように、電池スタック内部に加湿領域を設けたものである。すなわち、燃料ガスと酸化剤ガスは、電池部である反応領域に入る前に、加湿器による加湿領域において加湿される。この加湿方法は、水と反応ガスを半透膜を介して隣接させ、水分子が半透膜を通過することにより加湿を行うものである。加湿量は、水と反応ガスの圧力差、温度、半透膜固有の物性値、面積、厚み、枚数によって左右される。
【００１１】
また、他の従来技術として、特開平７−２９５９１において提案されている加湿方法が知られている。これは、一般にバブラー方式と呼ばれているものであって、図１６に示すように、燃料ラインにヒータを備えた水タンクＴを設置し、水の中に燃料ガスを通過させることにより加湿を行うものである。加湿量は燃料ガス量とタンク内の水の温度とタンクの幾何学的形状に左右される。
【００１２】
さらに、他の従来技術として、特開平６−２３１７８８において提案されている超音波振動子を用いたものが知られている。この方法は、図１７に示すように、水のタンクＴの内部に、パワーユニットＰに接続された超音波振動子Ｓを設置し、超音波による水の霧化を行うことで、反応ガス入り口Ｉから入った反応ガスを加湿し、反応ガス出口Ｏから排出するものである。加湿量は超音波振動子Ｓの出力に左右される。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、以上のような従来の固体高分子電解質型燃料電池システムには次のような問題点があった。
【００１４】
（１）半透膜を用いた加湿器方式による問題点
半透膜を用いた加湿器による方式では、電池スタック内部に加湿器を組み込む必要があるために、電池スタック全体が大きくなり重量化する。
【００１５】
また、加湿状態を最適なものとするためには、加湿量を運転状況に応じてコントロールする必要がある。しかし、燃料ガスと酸化剤ガスを反応領域に入れる前に加湿領域において加湿する方式では、加湿量のコントロールが非常に難しくなる。なぜなら、ある負荷条件が設定された場合には、温度や反応ガス圧力を大きく変化させることはできず、反応膜の面積や枚数を変化させることは、実用上不可能だからである。
【００１６】
従って、この方式においては、加湿量は常時相対湿度が１００％となるように、余裕を持って設計することになり、運転状況に合わせて多少相対湿度が低いガスを流すことは不可能となる。また、かかる方式では、加湿量が多過ぎて、電池接触層のフラッディングによる電池性能の低下を起こしやすい。
【００１７】
（２）バブラー方式による問題点
バブラーによる加湿方式では、電池スタックには加湿部がないため、電池スタックの大型化や重量化の問題はない。しかし、加湿器としては、さらに大きな水タンクＴが必要になるので、システム全体が大型化、重量化する。また、熱源として電気ヒータＨを用いる場合には、電池で発電した電気を使用することになるので、システムの効率を落とすという問題がある。また、熱源として電池で反応時に発生する熱を利用するには、大きな熱交換器が必要となる。
【００１８】
さらに、加湿量のコントロールは、ある決められた負荷条件においては水タンクＴ内の水の温度を変えることで対応せざるを得ないが、水タンクＴ内の水の量が大きく、水タンクＴ自体の熱容量も大きいことから、良好な応答性が期待し難い。また、この方式の場合には、反応ガスの温度はバブラーの温度によって決まるので、自由にコントロールすることができない。
【００１９】
（３）超音波方式による問題点
超音波による加湿方式では、バブラー方式に比べて自由度が比較的大きく、加湿量は超音波振動子の出力でコントロールできるため、反応ガスの温度は独立して変化させることが可能である。しかし、水タンクＴが必要であることには変わりなく、システム全体の大型化、重量化といった点に問題がある。また、超音波により微粒化された水を運ぶために、わざわざ水タンクＴ内に反応ガスを導いて、水滴と混合させたのち電池へ供給することになるので、バブラー方式ほどではないが、応答が遅くなる。
【００２０】
（４）共通の問題点
上記の３つの従来例は代表的なものであるが、これらの方式の共通の基本的な概念は、加湿器内に反応ガスを導入し、混合させた後、電池へと供給するものである。しかし、かかる方式にすると、水蒸気側にほとんど流れがないため、混合速度が遅くなる。従って、混合状態を十分なものとするためには、大きなスペースが必要となる。
【００２１】
本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、固体高分子電解質膜に適度な水分を与え、負荷条件等作動条件が変化しても、燃料電池として最適な状態で動作できるように、反応ガスへの加湿量をコントロール可能な固体高分子電解質型燃料電池システムを提供することにある。
【００２２】
また、本発明の他の目的は、小形化、軽量化及び低コスト化が可能な固体高分子電解質型燃料電池システムを提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は、固体高分子から成る電解質膜が燃料極と酸化剤極との間に配置された単電池を少なくとも一つ有する電池スタックと、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給管と、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給管とを備えた固体高分子電解質型燃料電池システムにおいて、以下のような技術的特徴を有する。
【００２４】
すなわち、請求項１記載の発明は、前記燃料供給管及び前記酸化剤供給管の少なくとも一方に、水蒸気若しくは微粒化された水を供給する加湿手段が設けられ、前記加湿手段は、前記燃料供給管内及び前記酸化剤供給管内の少なくとも一方に設けられた回転円盤と、前記回転円盤に向かって水を供給するノズルと、前記ノズルの上流側に水を供給するポンプとによって構成されていることを特徴とする。
【００２５】
以上のような請求項１記載の発明では、加湿手段によって加湿量を任意にコントロールできるので、必要な時に必要な量だけ反応ガスを加湿することによって、応答性がよく確実な加湿が可能となり、電池スタックを常時最適な運転状態に維持することができる。さらに、燃料供給管内の燃料ガス、酸化剤供給管内の酸化剤ガス及び水蒸気には、十分に速い流速があり、混合速度が速くなるために、大きな加湿器や、大きなバブラーなどを必要とせず、コンパクトで軽量なシステム構成が可能となる。また、回転円盤を高速で回転させ、その円盤に水を供給することにより、遠心力による円盤からの水の剥離現象を利用して水を微粒化する。微粒化された水は周囲の反応ガス内で直ちに蒸発し、反応ガスを加湿する。反応ガス内部の速い流速で強制的に混合加湿されるため、拡散を主体とする加湿に比べて、加湿手段をはるかにコンパクトにすることができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図面に従って以下に説明する。
【００５４】
（１）本発明の実施の形態
（構成）
本発明の実施の形態を、図９に従って説明する。本実施の形態は、下記の第４の参考例とほぼ同様の構成であるが、回転霧化方式を採用している点が異なる。すなわち、燃料供給管２内の一部には、霧化室２９が設けられており、その中に、モータ２８につながれた回転円盤２７が配置されている。この回転円盤２７には、テーパ部分が設けられ、テーパ部分に近接する位置に、水供給管２２の先端部が配設されている。
【００５５】
（作用）
以上のような本実施の形態では、モータ２８によって回転円盤２７が高速で回転する。そして、水供給管２２から供給される水は、回転円盤２７のテーパ部分によって、遠心力効果で回転円盤２７端部へと移動し、当該端部から液滴となって燃料供給管２の一部である霧化室２９へと散布される。散布された水は、下流側にいくに従って蒸発し、燃料ガスを加湿する。このときの加湿量は、下記の第４の参考例と同様の制御でコントロールされる。
【００５６】
（効果）
以上のような本実施の形態によれば、下記第１の参考例と同様の作用効果が得られるとともに、幅広い水の流量に応じて、常に一定の粒径の液滴を供給することができるので、極めて安定した加湿を実現できる。
【００３１】
（２）第１の参考例
（構成）
第１の参考例を、図１及び図２に従って以下に説明する。すなわち、図１に示すように、固体高分子電解質型燃料電池の電池スタック１には、燃料ガスである水素を供給する燃料供給管２と、酸化剤ガスである空気を供給する空気供給管３が接続されている。また、電池スタック１には、冷却水供給管４が接続されている。
【００３２】
これらの燃料供給管２と空気供給管３には、水蒸気を供給する水蒸気発生装置５が接続されている。ここで、図中の６，７は、それぞれ水蒸気が燃料供給管２と空気供給管３に噴出される入り口を示している。水蒸気発生装置５から燃料供給管２及び空気供給管３への流路には、流量制御弁１６，１７が設けられており、それぞれ燃料供給管２及び空気供給管３への加湿量をコントロールできる構成となっている。
【００３３】
そして、水蒸気発生装置５には、水を供給するための水供給管８が接続されている。この水供給管８には、下流側の反応ガスの圧力条件によっては、ポンプを設ける場合もあり、加圧手段として、反応ガス上流側の圧力を利用して水を加圧する方法もある。
【００３４】
また、電池スタック１には、電池スタック１内で反応しきれなかった燃料ガスと空気を排出する燃料ガス排出管１０及び空気排出管９と、冷却水を排出する冷却水排出管１１が接続されている。
【００３５】
さらに、電池スタック１には、燃料電池の作動状態をモニターするセンサーとして、固体高分子電解質膜の電気抵抗値を検出する抵抗値センサー１８と、燃料電池の出力電圧を検出する電圧センサー１９とが組み込まれている。この抵抗値センサー１８及び電圧センサー１９は、制御装置１２に接続されている。制御装置１２は、電池の作動状態を判断し、水蒸気発生量を指示できるように、水蒸気発生装置５に接続されている。
【００３６】
（作用）
以上のような本参考例の作用は以下の通りである。すなわち、電池スタック１に対して、燃料ガスである水素が燃料供給管２から供給され、酸化剤ガスである空気が空気供給管３から供給されることによって、発電が行われる。そして、冷却水供給管４から供給される冷却水によって、電池内部で発生する熱が、水の顕熱の形で吸収され、電池が適正な温度に保持される。さらに、電池スタック１内で反応しきれなかった燃料ガスと空気は、それぞれ燃料ガス排出管１０、空気排出管９を通って排出される。また、冷却水は冷却水排出管１１を通って排出される。
【００３７】
このような発電過程において、燃料供給管２と空気供給管３には、水蒸気発生装置５からの水蒸気が入り口６，７から噴出され、燃料ガス及び空気が加湿される。制御装置１２は、電池の作動状態を判断し、水蒸気発生装置５からの水蒸気供給量を制御する。
【００３８】
より具体的には、電気抵抗値が高いと固体高分子電解質膜が乾燥状態にあるが、電気抵抗値が低く、かつ出力電圧が低いと固体高分子電解質膜がフラッディング気味で濡れすぎの状態にあることを表しているので、膜の濡れ状態は、電気抵抗値と出力電圧値によって知ることができる。従って、抵抗値センサー１８によって検出された電気抵抗値と、電圧センサー１９によって検出された出力電圧値に基づいて、制御装置１２が水蒸気発生装置５に発生量を指示することにより、適切な濡れ状態が維持される。
【００３９】
このような制御装置１２による制御シーケンスの一例を、図２に示す。なお、膜抵抗値はＲ、電圧値はＶとし、それぞれのしきい値をＲｓ，Ｖｓとする。すなわち、制御装置１２に、抵抗値センサー１８からの膜抵抗値Ｒと電圧センサー１９からの電圧値Ｖが入力されると（ステップ２０１）。Ｒがしきい値Ｒｓよりも大きい場合には（ステップ２０２）、水蒸気発生装置５に対して加湿量増加指令が出される（ステップ２０３）。
【００４０】
そして、Ｒがしきい値Ｒｓよりも小さく、電圧値Ｖがしきい値Ｖｓよりも小さい場合には（ステップ２０４）、水蒸気発生装置５に対して加湿量減少指令が出される。Ｒがしきい値Ｒｓよりも小さく、電圧値Ｖがしきい値Ｖｓよりも大きい場合には、水蒸気発生装置の加湿量は維持され、膜抵抗値Ｒと電圧値Ｖの入力待ちとなる（ステップ２０６）。
【００４１】
（効果）
以上のような本参考例によれば、電池スタック１の作動状態を絶えずモニターしながら燃料ガス及び空気の加湿量をコントロールするので、作動条件が変化しても、この変化に合わせて固体高分子電解質膜の濡れ状態を良好なものとし、常に最適な運転状態を維持することができる。
【００４２】
また、上記の従来技術のように電池スタック１内に加湿部分を設ける必要がないので、電池スタック１の小形化、軽量化が可能となる。さらに、燃料供給管２内の燃料ガス、空気供給管３内の酸化剤ガスには、十分に速い流速があり、供給される水蒸気との混合速度が速くなるので、大きな加湿器や大きなバブラーなどを必要せず、システム全体の小形化、軽量化が実現できる。
【００４３】
（３）第２の参考例
（構成）
第２の参考例を、図３に従って以下に説明する。すなわち、本参考例は、燃料供給管２と空気供給管３に設けられた水蒸気の入り口６，７の下流側に、それぞれ湿度センサー１３，１４が設けられている。そして、湿度センサー１３，１４は、制御装置１２に接続されている。このように抵抗値センサー１８及び電圧センサー１９の代わりに湿度センサー１３，１４を設けた以外の構成は、上記の第１の参考例と同様である。
【００４４】
（作用効果）
以上のような本参考例では、電池スタック１が作動中、燃料ガスと空気が予め設定された湿度に維持できるよう、湿度センサー１３，１４によって測定される湿度をモニターしながら、制御装置１２によって水蒸気発生装置５及び流量制御弁１６，１７がコントロールされる。従って、第１の参考例と同様の作用効果が得られるとともに、燃料ガスと空気の湿度を直接測定するので、必要な加湿量をより正確にコントロールすることができる。
【００４５】
（４）第３の参考例
（構成）
第３の参考例を、図４及び図５に従って説明する。すなわち、本参考例においては、燃料供給管２の内部に、噴霧ノズル２１が設置されている。この噴霧ノズル２１は、水供給管２２を介して高圧ポンプ２０に接続され、高圧ポンプ２０は、外部から水を供給するための水供給管８に接続されている。そして、高圧ポンプ２０は、その回転数が制御装置１２によって制御可能に設けられている。このように水蒸気発生装置５、流量制御弁１６，１７の代わりに、噴霧ノズル２１及び高圧ポンプ２０を設けた以外の構成は、上記の第１の参考例と同様である。
【００４６】
（作用）
以上のような本参考例では、水供給管８から供給された水は、高圧ポンプ２０によって高圧となり、水供給管２２を介して噴霧ノズル２１に供給される。そして、図５に示すように、高圧水が微細孔を持つ噴霧ノズル２１を通過する際、直径数十ミクロン程度の小さな液滴に微粒化され、燃料供給管２内へ散布される。微粒化された液滴は燃料ガス内で予め蒸発し、燃料ガスを加湿する。このときの加湿量は、第１の参考例と同様に、制御装置１２において、燃料電池の作動状態から必要な加湿量を判断し、それを高圧ポンプ２０の回転数へとフィードバックし、加湿量を増加したいときは回転数を上げ、低減したいときは回転数を下げる制御を行うことによってコントロールする。
【００４７】
（効果）
以上のような本参考例によれば、第１の参考例と同様な作用効果が得られるとともに、非常に単純な構造と小さな部材によって、加湿手段を構成することができるので、より一層コンパクトで軽量となる。
【００４８】
（５）第４の参考例
（構成）
第４の参考例を、図６及び図７に従って説明する。すなわち、本参考例においては、燃料供給管内２内に、超音波ノズル２４が設けられている。この超音波ノズル２４には、流量制御バルブ２３が設けられた水供給管２２が接続されている。そして、水供給管２２は、外部から水を供給するための水供給管８に接続されている。超音波ノズル２４及び流量制御バルブ２３は、制御装置１２に接続されている。このように水蒸気発生装置５、流量制御弁１６，１７の代わりに、超音波ノズル２４及び流量制御バルブ２３を設けた以外の構成は、上記の第１の参考例と同様である。
【００４９】
（作用）
以上のような本参考例では、水供給管８から供給された水は、水供給管２２を介して超音波ノズル２４に供給される。超音波ノズル２４においては、超音波による霧化作用により、供給水が直径数十ミクロンまで微粒化され、燃料供給管２内へ散布されて、燃料ガスを加湿する。このときの加湿量は、第１の参考例と同様に、電池スタック１の作動状態から必要な加湿量を判断し、それを流量制御バルブ２３へとフィードバックすることにより制御される。つまり、加湿量を増加するときはバルブ開度を大きくし、低減したいときにはバルブ開度を小さくする制御を行うことによって、加湿量がコントロールされる。
【００５０】
（効果）
以上のような本参考例によれば、第１の参考例と同様の作用効果が得られるとともに、第３の参考例に示した高圧噴霧方式に比べて、高圧ポンプ２０が不要となるので、さらに簡潔な構成とすることができ、より一層のコンパクト化が実現できる。
【００５１】
（６）第５の参考例
（構成）
第５の参考例を、図８に従って説明する。本参考例は、上記の第４の参考例とほぼ同様の構成であるが、燃料供給管２内には絞り部分２６が設けられ、この絞り部分２６に、超音波ノズル２４ではなく水噴霧孔２５が設けられている点が異なる。そして、この水噴霧孔２５には、水供給管２２が接続されている。
【００５２】
（作用）
以上のような本参考例では、高速噴流による水の吸引効果、つまり霧吹き効果によって、燃料ガスを加湿する。すなわち、燃料供給管２を通ってきた燃料は、絞り部分２６に近付くにつれて流速を徐々に増すが、反対に圧力は徐々に下がり、絞り部分２６において最低の圧力となる。すると、水供給管２２から供給される水が、水噴霧孔２５を通って吸引され、高速の燃料ガスによって微粒化されて、加湿される。このときの加湿量は、上記の第４の実施例と同様の制御でコントロールされる。
【００５３】
（効果）
以上のような本参考例によれば、第１の参考例と同様の作用効果が得られるとともに、第４の参考例に比べて、超音波ノズル２４が不要となるので、さらに構造を単純にすることができる。また、流量制御弁２３の制御以外には、水を霧化するための電力を必要としないので、より高い発電効率を得ることができる。
【００５７】
（７）第６の参考例
（構成）
第６の参考例を、図１０に従って説明する。本参考例は、第１の参考例とほぼ同様の構成であるが、加湿水として電池の冷却水を用いる点が異なる。すなわち、電池スタック１の冷却水排出管１１は、ポンプ３０を介してラジエータ３１に接続されている。このラジエータ３１は、戻り管３３を介して冷却水供給管４に接続されている。冷却水供給管４には、補給用バルブ３２が設けられている。また、冷却水排出管１１は、ポンプ３０を介して水蒸気発生器５にも接続されている。
【００５８】
（作用）
以上のような本参考例では、電池スタック１から排出された冷却水は、ポンプ３０によって送られてラジエータ３１に入り、設定温度まで冷却された後、戻り管３３を通って再度電池スタック１へ供給され、循環する。そして、循環水の一部は、水蒸気発生器５に導かれ、反応ガスの加湿に用いられる。このときの加湿量は、上記の第１の実施例と同様の制御でコントロールされる。冷却水量は加湿に用いられると徐々に減ってくるので、補給用バルブ３２を開き、足りない分を補給する。
【００５９】
（効果）
以上のような本参考例によれば、第１の参考例と同様の作用効果が得られるとともに、加湿水が予め電池の廃熱により加熱されるので、水蒸気発生器５における加熱ヒータ等に必要なエネルギーを節減できる。従って、システムの発電効率がより一層向上する。
【００６０】
（８）第７の参考例
（構成）
本発明の第７の参考例を、図１１に従って説明する。本参考例は、上記の第６の参考例とほぼ同様の構成であるが、燃料電池内部で反応時に生成された生成水を加湿水として用いる点が異なる。すなわち、電池スタック１の空気排出管９には、気液分離器３４が設けられている。この気液分離器３４は、ポンプ３０を介して水蒸気発生器５に接続されている。
【００６１】
（作用）
以上のような本参考例では、電池スタック１からの排出空気は、気液分離器３４を通り、空気及び余分な水分が排出管９を通って外部へと排出される。気液分離器３４において分離された液体すなわち水は、ポンプ３０によって水蒸気発生器５に導かれ、水蒸気となって反応ガスの加湿に用いられる。このときの加湿量は、上記の第４の実施例と同様の制御でコントロールされる。
【００６２】
（効果）
以上のような本参考例によれば、第１の参考例と同様の作用効果が得られるとともに、加湿水が予め電池の廃熱により加熱されるので、水蒸気発生器５における加熱ヒータ等に必要なエネルギーを節減できる。従って、システムの発電効率を一層向上させることができる。
【００６３】
さらに、加湿水は燃料電池の生成水の量で十分足りるので、外部より水を補給する必要がなく、より単純なシステム構成が可能となり、コンパクト化、軽量化が実現できる。
【００６４】
（９）第８の参考例
（構成）
本発明の第８の参考例を、図１２に従って説明する。本参考例の基本構成は、第１の参考例と同様であるが、複数の電池スタックからなるシステムである点が異なる。すなわち、増設された電池スタック３５には、燃料供給管２、空気供給管３及び冷却水供給管４からの分岐部３７，３８，３９が接続されている。水蒸気の入り口６，７は、分岐部３７，３８の上流側に設けられている。また、電池スタック３５からの空気排出管３００、燃料ガス排出管３０１、冷却水排出管３０２は、電池スタック３５からの燃料ガス排出管９、空気排出管１０、冷却水排出管１１に接続されている。
【００６５】
（作用）
以上のような本参考例では、水蒸気の入り口６，７は、分岐部３７，３８の上流側に設けられているので、一つの加湿器で複数の電池スタック１，３５の加湿をまかなうことができる。そして、制御装置１２は、第１の参考例と同様に、電池スタック１の抵抗値センサー１８によって検出される固体高分子電解質膜の電気抵抗値と、電圧センサー１９によって検出される電池スタック１の出力電圧をモニターし、電池の作動状態を判断して加湿量を決定する。制御装置１２は水蒸気発生器５へ必要な加湿量を指令し、これに従って反応ガスが加湿されることになる。
【００６６】
（効果）
以上のような本参考例によれば、複数の電池スタック１，３５を有する燃料電池であっても、各電池スタックごとに加湿手段を設ける必要がないので、大幅なコンパクト化が可能となる。また、部品点数も大幅に少なくなり、製造コストも大きく低減できる。
【００６７】
（１０）第９の参考例
（構成）
本発明の第９の参考例を、図１３に従って以下に説明する。本参考例の基本構成は、第１の参考例と同様であるが、反応ガスを電池スタック１内を通して予熱した後、加湿するようにしている点が異なる。すなわち、燃料ガス供給管２及び空気供給管３は、電池スタック１内に設けられた予熱ダクト４０，４１を貫通している。そして、予熱ダクト４０，４１から出た燃料ガス供給管２及び空気供給管３には、水蒸気の入り口６，７が設けられ、さらに電池スタック１内に導かれている。
【００６８】
（作用）
以上のような本参考例では、燃料ガス供給管２及び空気供給管３より供給された燃料ガスと空気は、電池スタック１内に設けられた予熱ダクト４０，４１を通って予熱される。そして、電池スタック１の外部にて水蒸気発生器５により加湿された後、電池スタック１内に導かれ、反応する。
【００６９】
（効果）
以上のような本参考例によれば、反応ガスが予熱され温度が高い状態で水蒸気が供給されるため、反応ガス内に噴出された水蒸気は凝縮しにくくなり、より広範囲の温度領域で効果的な加湿が可能となる。また、反応ガスの予熱には、電池スタック１の発電により生じた熱を用いるので、効率的である。
【００７０】
（１１）他の参考例
以上のような参考例では、各部材の構成は以下のとおり適宜変更可能である。例えば、第２の参考例における湿度センサー１３，１４の代わりに、電池スタック１の電流を測定する電流センサーを用いても、加湿量決定のための情報とすることができる。すなわち、加湿量はほぼ負荷量に比例するため、予め比例常数を設定すれば、最適な湿度とするために必要な加湿量を算出できることになる。
【００７１】
さらに、システム上、負荷量は利用する側から決定される場合が多いので、その場合には、制御装置１２が負荷量を把握していることになり、センサーを用いない場合であっても、ある程度の制御が可能となる。
【００７２】
また、湿度センサーの代わりに燃料ガスの流量センサーを用いても、加湿量決定のための情報とすることができる。すなわち、加湿量はほぼ燃料流量に比例するため、予め比例常数を設定すれば、最適な湿度とするために必要な加湿量を算出できることになる。空気流量についても全く同様のことが言える。
【００７３】
さらに、システム上、負荷量は利用する側から決定される場合が多く、負荷量はまた反応ガス量にほぼ比例するので、その場合は制御装置１２が反応ガス量を把握していることになり、センサーを用いない場合であっても、ある程度の制御が可能である。
【００７４】
また、上記の第３の参考例における加圧ポンプ２０の代わりに、水蒸気発生装置５を設けることも可能である。また、上記の第３〜５の参考例では、燃料ガス側の加湿を行っているが、同様の方法で空気側の加湿を行うことも可能である。また、上記の第８の参考例では、電池の作動状態として、代表的な電池スタック１の状態をモニターしているが、複数の電池スタック１，３５の平均の値を採用してもよい。また、加湿状態をモニターする手段としては、第２の参考例で述べたような湿度センサーを用いてもよく、流量センサーを用いてもよい。さらに、加湿手段としては、図１２に示す水蒸気発生器に限定されることはなく、第３〜５の参考例で述べたような種々の加湿手段が適用できる。
【００７６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、固体高分子電解質膜に適度な水分を与え、負荷条件等作動条件が変化しても、燃料電池として最適な状態で動作できるように、反応ガスへの加湿量をコントロール可能な固体高分子電解質型燃料電池システムを提供することができる。また、小形化、軽量化及び低コスト化が可能な固体高分子電解質型燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  固体高分子電解質型燃料電池システムの第１の参考例を示す構成図である。
【図２】  図１の参考例における加湿制御の基本シーケンスを表す流れ図である。
【図３】  固体高分子電解質型燃料電池システムの第２の参考例を示す構成図である。
【図４】  固体高分子電解質型燃料電池システムの第３の参考例を示す構成図である。
【図５】  図４の参考例における噴霧ノズル近傍の燃料ガス供給管を示す断面図である。
【図６】  固体高分子電解質型燃料電池システムの第４の参考例を示す構成図である。
【図７】  図６の参考例における超音波ノズル近傍の燃料ガス供給管を示す断面図である。
【図８】  固体高分子電解質型燃料電池システムの第５の参考例における絞り部近傍の燃料ガス供給管を示す断面図である。
【図９】  本発明の固体高分子電解質型燃料電池システムの実施の形態における回転霧化装置近傍の燃料ガス供給管を示す断面図である。
【図１０】  固体高分子電解質型燃料電池システムの第６の参考例を示す構成図である。
【図１１】  固体高分子電解質型燃料電池システムの第７の参考例を示す構成図である。
【図１２】  固体高分子電解質型燃料電池システムの第８の参考例を示す構成図である。
【図１３】  固体高分子電解質型燃料電池システムの第９の参考例を示す構成図である。
【図１４】  従来の燃料電池の単電池構造の一例を表す断面図である。
【図１５】  電池スタック内部に加湿部分を持つ従来の燃料電池システムの一例を示す側面図である。
【図１６】  加湿装置としてバブラーを備えた従来の燃料電池システムの一例を示す構成図である。
【図１７】  加湿装置として超音波霧化装置を備えた従来の電池スタックの一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１，３５…電池スタック
２…燃料供給管
３…空気供給管
４…冷却水供給管
５…水蒸気発生装置
６，７…水蒸気入り口
８，２２…水供給管
９，３００…空気排出管
１０，３０１…燃料ガス排出管
１１，３０２…冷却水排出管
１２…制御装置
１３，１４…湿度センサー
１６，１７，２３，３２…流量制御弁
１８…抵抗値センサー
１９…電圧センサー
２０…高圧ポンプ
２１…噴霧ノズル
２４…超音波ノズル
２５…水噴出口
２６…絞り部
２７…回転円盤
２８…モーター
２９…霧化室
３０…循環ポンプ
３１…ラジエーター
３３…冷却水戻り管
３４…気液分離器
３７，３８，３９…分岐部
４０，４１…予熱ダクト
１０１…単電池
１０２…固体高分子膜
１０３…アノード電極
１０３ａ…アノード触媒層
１０３ｂ…アノード多孔質カーボン平板
１０３ｃ…燃料供給溝
１０４…カソード電極
１０４ａ…カソード触媒層
１０４ｂ…カソード多孔質カーボン平板
１０４ｃ…酸化剤供給溝
１０５…セパレータ
【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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【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】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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