(57)【要約】固体高分子型燃料電池および固体高分子型燃料電池システムの簡素化、コンパクト化／軽量化を図るために次のようにした。各単位電池（４）相互の対向する面並びに該単位電池（４）の反対向面の少なくとも一方に配設し、各々が対向する面に燃料ガス供給路例えば溝（２２）と酸化剤ガス供給路例えば溝（４９）をそれぞれ設けた複数の反応ガス供給セパレータ（８）と、少なくとも触媒層（４２）と溝（２２）の間に設けた導電性多孔質性の撥水層（５１）と、溝（２２）であって燃料ガスの導入部（２３）に液状の水を供給する水供給手段と、燃料ガス導入部（２３）に供給する水量制御手段（３１）を備えたもの。
2002103829.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子型燃料電池において、
固体高分子膜（１）の両面に触媒層（４２）を有する燃料極（２）と触媒層（４４）を有する酸化剤極（３）をそれぞれ配置した複数の単位電池（４）と、
前記各単位電池（４）の前記燃料極（２）に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路を設けた反応ガス供給セパレータ（８）と、
前記燃料極（２）の触媒層（４２）と前記反応ガス供給セパレータ（８）の間に設けた導電性多孔質性の撥水層と、
前記燃料ガス供給路に液状の水を供給する水供給手段と、
を具備したことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
固体高分子型燃料電池において、
固体高分子膜（１）の両面に触媒層（４２）を有する燃料極（２）と触媒層（４４）を有する酸化剤極（３）をそれぞれ配置した複数の単位電池（４）と、
前記各単位電池（４）の前記燃料極（２）に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路を設けた反応ガス供給セパレータ（８）と、
前記燃料極の触媒層（４２）と前記反応ガス供給セパレータ（８）の間に設けた導電性多孔質性の撥水層と、
前記燃料ガス供給路に液状の水を供給することにより、前記固体高分子膜（１）を加湿するとともに前記反応ガス供給セパレータ（８）に対して潜熱冷却を行う加湿潜熱冷却手段と、
を具備したことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
前記燃料ガス供給路に供給する水の量を制御する水量制御手段を、さらに具備したことを特徴とする請求の範囲１又は２記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項４】
前記水供給手段又は前記加湿潜熱冷却手段は、少なくとも前記反応ガス供給セパレータ（８）を貫通するように形成した水マニホールド（２１）と、該反応ガス供給セパレータ（８）に設けた燃料ガス供給路の燃料ガス導入部（２３）に形成した燃料ガスと水を混合するヘッダ（２６）と、前記反応ガス供給セパレータ（８）であって前記ヘッダ（２６）と前記水マニホールド（２１）をつなぐ水供給路部とで構成したことを特徴とする請求の範囲１〜３のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項５】
前記水供給手段又は前記加湿潜熱冷却手段は、少なくとも前記反応ガス供給セパレータ（８）を貫通するように形成した水マニホールド（２１）と、該反応ガス供給セパレータ（８）に設けた燃料ガス供給路の燃料ガス導入部（２３）に形成した燃料ガスと水を混合するヘッダ（２６）と、前記反応ガス供給セパレータ（８）であって前記ヘッダ（２６）に配設した圧損要素としての多孔質体（５０）と、前記反応ガス供給セパレータ（８）であって前記ヘッダ（２６）と前記水マニホールド（２１）をつなぐ水供給路部とで構成したことを特徴とする請求の範囲１〜３のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項６】
前記水供給手段又は前記加湿潜熱冷却手段は、少なくとも前記反応ガス供給セパレータ（８）を貫通するように形成した水マニホールド（２１）と、該反応ガス供給セパレータ（８）の片面に形成した燃料ガス供給路と、該反応ガス供給セパレータ（８）に設けた燃料ガス供給路の燃料ガス導入部（２３）に形成した燃料ガスと水を混合するヘッダ（２６）と、前記反応ガス供給セパレータ（８）であって前記ヘッダ（２６）と前記水マニホールドをつなぐ水供給路と、前記反応ガス供給セパレータであって前記水供給路に配設した圧損要素としての多孔質体（５０）と、で構成したことを特徴とする請求の範囲１〜３のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項７】
前記水供給手段又は前記加湿潜熱冷却手段は、少なくとも前記反応ガス供給セパレータ（８）を貫通するように形成した水マニホールド（２１）と、該反応ガス供給セパレータ（８）の片面に形成した燃料ガス供給路と、前記反応ガス供給セパレータ（８）であって前記燃料ガス供給路が形成されている面に存在する燃料ガス導入部（２３）とは反対側の裏面に形成し、前記水マニホールド（２１）と連通する水供給路と、前記反応ガス供給セパレータ（８）であって前記燃料ガス導入部（２３）と前記水供給路をつなぐ連通孔（３１）と、で構成したことを特徴とする請求の範囲１〜３のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項８】
前記水供給手段又は前記加湿潜熱冷却手段は、少なくとも前記反応ガス供給セパレータ（８）を貫通するように形成した水マニホールド（２１）と、該反応ガス供給セパレータの片面に形成した燃料ガス供給路と、前記反応ガス供給セパレータ（８）であって前記燃料ガス供給路が形成されている面に存在する燃料ガス導入部（２３）とは反対側の裏面に形成し、前記水マニホールド（２１）と連通する水供給路と、前記反応ガス供給セパレータ（８）であって前記燃料ガス導入部（２３）と前記水供給路をつなぐ連通孔（３１）と、前記連通孔（３１）を覆うように配置した圧損要素としての多孔質体（５０）と、で構成したことを特徴とする請求の範囲１〜３のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項９】
前記多孔質体（５０）の平均気孔径は２０μｍ以下（０を含まず）であることを特徴とする請求の範囲５、６、８のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１０】
固体高分子型燃料電池発電システムにおいて、
固体高分子膜（１）の両面に触媒層（４２）を有する燃料極（２）と触媒層（４４）を有する酸化剤極（３）をそれぞれ配置した複数の単位電池（４）と、
前記各単位電池（４）の前記燃料極（２）に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路を設けた反応ガス供給セパレータ（８）と、
前記燃料極（２）の触媒層（４２）と前記反応ガス供給セパレータ（８）の間に設けた導電性多孔質性の撥水層と、
前記燃料ガス供給路に液状の水を４供給する水供給手段又は前記燃料ガス供給路に液状の水を供給することにより、前記固体高分子膜（１）を加湿するとともに前記反応ガス供給セパレータ（８）に対して潜熱冷却を行う加湿潜熱冷却手段と
前記単位電池（４）より排出される燃料排ガスおよび酸化剤排ガスからの水の熱を回収する熱回収手段と、
前記熱回収手段で回収された回収水を供給する回収水供給手段と、
前記回収水供給手段からの供給水量を制御する供給水量制御手段と、
を具備したことを特徴とする固体高分子型燃料電池発電システム。
【請求項１１】
前記供給水量を制御する供給水量制御手段は、各単位電池（４）の発電電圧および負荷電流から給水量を演算する演算手段と、前記演算手段の演算結果の信号により回収水の供給水量を制御する定量ポンプ（３２）と、で構成したことを特徴とする請求の範囲１０に記載の固体高分子型燃料電池発電システム。
【請求項１２】
前記演算手段は、発電電圧Ｖ（Ｖ／セル）、負荷電流Ｉ（Ａ）、積層電池枚数Ｃ（セル）、水の蒸発潜熱ｈ（Ｊ／ｇ）、電池反応により水蒸気が発生するときの生成エンタルピー変化ΔＨ（Ｊ／ｍｏｌ）、ファラデー定数Ｆ（Ｃ／ｍｏｌ）としたとき、（１）式に基づき、供給水量Ｗ（ｇ／ｍｉｎ）を求めるものであり、前記供給水量制御手段は該供給水量の２０倍量までの任意の水量を、前記燃料ガス供給路に供給制御を行うことを特徴とする請求の範囲１０又は１１に記載の固体高分子型燃料電池発電システム。
Ｗ＝３０・Ｉ・Ｃ・（ΔＨ／Ｆ−２Ｖ）／ｈ  （１）式
【発明の詳細な説明】
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型燃料電池および固体高分子型燃料電池発電システムに関する。
背景技術
燃料電池は水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより、燃料ガスのもつ化学的エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。
図１２は、この燃料電池の一例である従来の固体高分子型燃料電池の一例を説明するための概念断面図であり、燃料電池本体１１は以下に述べる基本構成０１を複数機械的に積重ねて各々を電気的に直列接続したものである。各基本構成０１は、イオン導電性を有する固体高分子膜１の両面に、サブストレート４１と触媒層４２からなる燃料極（電極）２及びサブストレート４３と触媒層４４からなる酸化剤極（電極）３を当接（触媒層４２、４３が固体高分子膜１に対向するように当接）してなる単位電池４と、燃料極２に反応ガスを供給するための燃料ガス供給路４６が形成された導電性を有するガス不透過性の燃料ガス供給セパレータ５を当接し、燃料ガス供給セパレータ５に冷却水供給溝４７を設けた冷却水供給セパレータ７を当接し、また酸化剤極３に反応ガスを供給するための酸化剤ガス供給溝４８が形成された導電性を有するガス不透過性の酸化剤ガス供給セパレータ６を当接したものである。
燃料極２に水素を主成分する燃料ガスを、酸化剤極３に空気などの酸化剤ガスをそれぞれ供給すると単位電池４の一対の電極で下記の電気化学反応が進行し、電極２，３間で起電力が生じる。
燃料極２：２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−  （２）式
酸化剤極３：Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ  （３）式
燃料極２の触媒層４２では（２）式に示すように供給した水素は水素イオンと電子に解離する。水素イオンは固体高分子膜１を通って、電子は外部回路を通って酸化剤極３にそれぞれ移動する。
一方、酸化剤極３の触媒層４４では（３）式に示すように供給した酸化剤ガス中の酸素と上記の水素イオンおよび電子が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。
なお、（２）式、（３）式の反応により生成した水は電池で消費されなかったガス（既反応ガス）と共に電池外に排出され、さらに（３）式の反応は発熱反応であることから、燃料電池の発電に伴い燃料電池本体１１は発熱する。
このため通常、冷却水供給セパレータ７に冷却水を流通するか、後に示す酸化剤極３での水の蒸発を利用した潜熱冷却方式により燃料電池本体１１の冷却を行っている。
ところで、前述の固体高分子膜１としてイオン導電性のパーフルオロカーボンスルホン酸（ナフィオンＲ：米国、デュポン社）等で知られているが、この固体高分子膜１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し、逆に膜の含水量が少なくなるとイオン抵抗が高くなり電解質の機能が低下する特徴がある。このため、固体高分子型燃料電池において、高い電池性能を得るためには固体高分子膜１を常に飽和含水としておくことが必要となる。
次に、従来の固体高分子型燃料電池発電システムについて、図１３の系統図を参照して説明するが、図１３は流体制御用のバルブ、温度や圧力の測定機器は省略している。
以下にシステムの構成を説明する。発電のための燃料として、メタノール等の炭化水素を使用する場合は、改質器１０にて炭化水素と水蒸気を反応させ水素を主成分とする燃料ガスに変換する必要がある。改質された燃料ガスは燃料電池本体１１に供給され水素が電池反応により消費される。消費されなかった水素、ＣＯ２等の不活性ガスおよび水蒸気は燃料電池本体１１から既反応ガスとして排出される。
既反応ガスは電池出口で冷却器１５により冷却され水分を回収された後に改質器１０にて燃焼する。なお、燃料として純水素を使用する場合は直接燃料電池に供給できるため、改質器１０は不要となりシステムは比較的簡素化する。
酸化剤としては通常、空気を例えばブロア１４により昇圧し、燃料電池本体１１に供給する。燃料電池本体１１に供給する空気は予め加湿が必要となるため、酸化剤ガス供給ラインには加湿器１２を設けている。
燃料電池本体１１内で酸素が消費された残りの既反応ガス、生成水、燃料極側から移動した水蒸気は既反応ガスとして燃料電池本体１１外へ排出される。既反応ガスは電池出口において冷却器１５により冷却され、ドレインポット１６により水分を回収された後大気に放出される。
一方、燃料電池本体１１は発電に伴い反応熱を生成するため、水供給システム１３からの冷却水を、冷却板１７と加湿器１２を順次介して水供給システム１３に循環することにより燃料電池本体１１を冷却している。既反応ガスおよび冷却水で回収した熱は温水として給湯できる。
また、固体高分子型燃料電池発電システムでは水の自立が必要不可欠であることから、上記のシステムでは燃料電池本体１１から排出される既反応ガスに含まれる水分を回収して、燃料改質、空気加湿、燃料電池本体の冷却にそれぞれ使用している。
これまでの従来の技術では以下のような課題があった。
（イ）燃料電池本体に供給する反応ガスを予め加湿するシステムでは、反応ガスを加湿するために燃料電池の既反応ガスから回収した水を使用するが、加湿器１２にて多量の水を反応ガス中に蒸発させる必要があり、その分の熱量（蒸発潜熱）を水に与えなければならず、大きな加湿器１２が必要となる。このことが、発電システムのコンパクト化、軽量化の妨げとなっていた。
（ロ）燃料電池本体１１の動作温度を冷却水の循環により制御するシステムでは、多量の冷却水を循環し温度制御するための大きな水供給システム１３（ポンプ、ドレインポット、制御装置等）が必要となる。また、燃料電池本体１１の構成部材として発電に寄与しない冷却水供給セパレータ７が必要となるため燃料電池本体が大きくなる。これらのことが、発電システムのコンパクト化／軽量化および低コスト化の妨げとなっていた。
そこで、本発明の第１の目的は、反応ガスを予め加湿しないでも固体高分子膜の乾燥を防止でき、しかも冷却水循環システムを必要とせず高負荷時や大きな負荷変動時においても安定した発電が可能となる固体高分子型燃料電池を提供することである。
本発明の第２の目的は、複数の単位電池を積層してなる燃料電池において、各単位電池に水を均等に供給する安価な固体高分子型燃料電池を提供することである。
本発明の第３の目的は、負荷変動に対して安定した発電が可能な固体高分子型燃料電池システムを提供することである。
発明の開示
第１の局面に対応する発明は、固体高分子型燃料電池において、
固体高分子膜の両面に触媒層を有する燃料極と触媒層を有する酸化剤極をそれぞれ配置した複数の単位電池と、
前記各単位電池の前記燃料極に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路を設けた反応ガス供給セパレータと、
前記燃料極の触媒層と前記反応ガス供給セパレータの間に設けた導電性多孔質性の撥水層と、
前記燃料ガス供給路に液状の水を供給する水供給手段と、
を具備した固体高分子型燃料電池である。
第１の局面に対応する発明によれば、燃料ガスと共に供給した水の一部は燃料ガス供給溝で水蒸気となり、燃料極に形成した多孔質体を通過し触媒層に到達する。燃料極の触媒層では燃料ガスの消費に伴い水蒸気は凝集して水となり固体高分子膜を通過して酸化剤極に移動して蒸発する。このことにより、固体高分子膜は常に湿潤状態に維持され、酸化剤ガスの加湿が不要となる。
ここで、燃料極に形成した導電性多孔質性の撥水層は重要な役割を果たす。すなわち、撥水層は水蒸気を容易に通過させるが、液体（液状）としての水の通過を防止することができるため、燃料ガス供給路に過剰の水を供給することにより、酸化剤極で蒸発する十分な水量を供給でき、しかも触媒層の過剰濡れによる電圧低下を防止することができる。このため、負荷変動時には予め供給する水量を多めに設定できることから、大きな負荷変動時でも安定した運転が可能となる。
第２の局面に対応する発明は、固体高分子型燃料電池において、
固体高分子膜の両面に触媒層を有する燃料極と触媒層を有する酸化剤極をそれぞれ配置した複数の単位電池と、
前記各単位電池の前記燃料極に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路を設けた反応ガス供給セパレータと、
前記燃料極の触媒層と前記反応ガス供給セパレータの間に設けた導電性多孔質性の撥水層と、
前記燃料ガス供給路に液状の水を供給することにより、前記固体高分子膜を加湿するとともに前記反応ガス供給セパレータに対して潜熱冷却を行う加湿潜熱冷却手段と、
を具備した固体高分子型燃料電池である。
第２の局面に対応する発明によれば、酸化剤極では燃料極からの移動水と電池反応で生成した反応水が蒸発する。水が蒸発するときに５３９ｃａｌ／ｇ程度の蒸発潜熱を吸収するため、酸化剤ガスは電池反応により発生した熱を吸収し、燃料電池本体を潜熱冷却して電池本体外部に排出される。潜熱による冷却能力は燃料電池本体内での水の蒸発量に依存するため、燃料電池本体の温度が高いほど、燃料電池本体の温度と供給する酸化剤ガスの露点温度差が大きいほど、また、酸化剤ガスの利用率が低いほど、水の蒸発量が増し潜熱冷却能力は高くなる。
このため、供給する酸化剤ガスの露点温度および酸化剤ガスの利用率が一定の時である場合、燃料電池本体の温度が低い時に潜熱冷却量は小さく、燃料電池本体の温度が上昇することになる。さらに、燃料電池本体の温度が十分高くなると潜熱冷却量は大きくなり、やがて燃料電池本体の発熱量と潜熱冷却量が釣り合い、燃料電池本体の温度は一定となる。
また、酸化剤ガスの露点温度、負荷電流、反応ガスの利用率、周囲の温度等の運転条件が変化した場合でも、外部からの温度制御をしないでも、発熱量と潜熱冷却量が釣り合うまで燃料電池本体温度は変化して安定する。このため、電池本体の温度を制御する手段を必要としない。また、水の蒸発潜熱は水の顕熱と比較して非常に大きいこと、電池本体に供給する水の量は極めて少ないことから、供給する水の温度制御も必要としない。
但し、発熱量を潜熱冷却するために必要十分な水量が燃料電池本体に供給されないと、燃料電池本体の温度は異常上昇することになる。このため、発熱量を冷却するために必要な水を供給するための水量の制御手段が重要となる。
以上のことから燃料電池本体を簡素化でき、コンパクト化／軽量化、低コスト化が可能となる。
上記のことから第２の局面に対応する発明の固体高分子型燃料電池では複数の単位電池を積層してなる燃料電池本体において、各単位電池の燃料極に水を供給することにより、反応ガスを予め加湿しないでも固体高分子膜の乾燥を防止できしかも大きな冷却水循環システムを必要とせず、高負荷時や大きな負荷変動時においても安定した発電が可能となる燃料電池を提供することができる。また、大きな負荷変動時でも燃料電池本体に適切な水量を制御供給することにより、負荷変動が生じても発熱量に応じた潜熱冷却ができ、安定した発電が可能な燃料電池発電システムを提供することができる。
第３の局面に対応する発明は、次のように構成したものである。すなわち、前記燃料ガス供給路に供給する水の量を制御する水量制御手段を、さらに具備した第１又は第２の局面に対応する固体高分子型燃料電池である。
第４の局面に対応する発明は、次のように構成したものである。すなわち、前記水供給手段又は前記加湿潜熱冷却手段は、少なくとも前記反応ガス供給セパレータを貫通するように形成した水マニホールドと、該反応ガス供給セパレータに設けた燃料ガス供給路の燃料ガス導入部に形成した燃料ガスと水を混合するヘッダと、前記反応ガス供給セパレータであって前記ヘッダと前記水マニホールドをつなぐ水供給路部とで構成した第１〜第３の局面のいずれかに対応する固体高分子型燃料電池である。
第４の局面に対応する発明によれば燃料電池の外部から反応ガス供給セパレータを貫通して配置した水マニホールドに供給された水は水供給路を通り、各単位電池の燃料ガス導入部に配置されたヘッダにそれぞれ供給される。ヘッダでは供給された燃料ガスと水が混合され、燃料ガス供給路に均一に配流される。上記のことから燃料電池本体に積層した単位電池の各燃料ガス供給路に水を均一に供給することができる。また、水を供給する手段を反応ガス供給セパレータの少なくても片面を加工して設けることにより、反応ガスセパレータにガス供給路を成形する時に水をガス供給路に供給するための水供給路（水供給手段）も同時成形できるため、極めて低コストで前記の水供給手段を設けることができる。
第５の局面に対応する発明は、次のように構成したものである。すなわち、前記水供給手段又は前記加湿潜熱冷却手段は、少なくとも前記反応ガス供給セパレータを貫通するように形成した水マニホールドと、該反応ガス供給セパレータに設けた燃料ガス供給路の燃料ガス導入部に形成した燃料ガスと水を混合するヘッダと、前記反応ガス供給セパレータであって前記ヘッダに配設した圧損要素としての多孔質体と、前記反応ガス供給セパレータであって前記ヘッダと前記水マニホールドをつなぐ水供給路部とで構成した第１〜第３の局面に対応する発明の固体高分子型燃料電池本体である。
第５の局面に対応する発明によれば、燃料電池本体の外部から反応ガス供給セパレータを貫通して配置した水マニホールドに供給された水は水供給路を通り、各単位電池の燃料ガス導入部に配置されたヘッダにそれぞれ供給される。ヘッダでは供給された燃料ガスと水が混合され、多孔質体を通過して燃料ガス供給路に配流される。ここで、燃料ガスと水の混合流が多孔質体を通過するときの圧損により、混合流は流れと垂直方向に広がり、均等に燃料ガス供給路に配流される。
第６の局面に対応する発明は、次のように構成したものである。すなわち、前記水供給手段又は前記加湿潜熱冷却手段は、少なくとも前記反応ガス供給セパレータを貫通するように形成した水マニホールドと、該反応ガス供給セパレータに設けた燃料ガス供給路の燃料ガス導入部に形成した燃料ガスと水を混合するヘッダと、前記反応ガス供給セパレータであって前記ヘッダに配設した圧損要素としての多孔質体と、前記反応ガス供給セパレータであって前記ヘッダと前記水マニホールドをつなぐ水供給路部とで構成した第１〜第３の局面のいずれかに対応する固体高分子型燃料電池である。
第６の局面に対応する発明によれば、燃料電池本体の外部から反応ガス供給セパレータを貫通して配置した水マニホールドに供給された水は水供給路に配置した多孔質体を通り、各単位電池の燃料ガス導入部に配置されたヘッダにそれぞれ供給される。ヘッダでは供給された燃料ガスと水が混合され、燃料ガス供給路に配流される。
ここで、水マニホールドから水供給路に配置した多孔質体を通して水をヘッダに供給することにより、ヘッダで水を分散して燃料ガスと均等に混合でき、燃料ガス供給路に混合流を均等に供給することができる。また、多孔質体に水が流通するときに圧損が生じるため、燃料電池本体に積層した単位電池に水を均等に供給することができる。
さらに、多孔質体の気孔径を選定することにより、燃料ガスの圧力が供給水の圧力よりも高くなっても、多孔質体の毛細管力により燃料ガスが供給水側に漏れることを防止できる。
第７の局面に対応する発明は、次のように構成したものである。すなわち、前記水供給手段又は前記加湿潜熱冷却手段は、少なくとも前記反応ガス供給セパレータを貫通するように形成した水マニホールドと、該反応ガス供給セパレータの片面に形成した燃料ガス供給路と、前記反応ガス供給セパレータであって前記燃料ガス供給路が形成されている面に存在する燃料ガス導入部とは反対側の裏面に形成し、前記水マニホールドと連通する水供給路と、前記反応ガス供給セパレータであって前記燃料ガス導入部と前記水供給路をつなぐ連通孔と、で構成した第１〜第３の局面のいずれかに対応する発明の固体高分子型燃料電池本体である。
第７の局面に対応する発明によれば、燃料電池本体の外部から反応ガス供給セパレータを貫通して配置した水マニホールドに供給された水は水供給路を通り、各単位電池の燃料ガス導入部に配置された連通孔を通過し燃料ガス導入部にそれぞれ供給される。燃料ガス導入部では供給された燃料ガスと水が混合され、燃料ガス供給路に流通する。
ここで、連通孔を各燃料ガス供給路に設けることにより、燃料ガス導入部に設けるヘッダを小さくでき、各燃料ガス供給路に水を均等に供給することができる。
第８の局面に対応する発明は、次のように構成したものである。すなわち、前記水供給手段又は前記加湿潜熱冷却手段は、少なくとも前記反応ガス供給セパレータを貫通するように形成した水マニホールドと、該反応ガス供給セパレータの片面に形成した燃料ガス供給路と、前記反応ガス供給セパレータであって前記燃料ガス供給路が形成されている面に存在する燃料ガス導入部とは反対側の裏面に形成し、前記水マニホールドと連通する水供給路と、前記反応ガス供給セパレータであって前記燃料ガス導入部と前記水供給路をつなぐ連通孔と、前記連通孔を覆うように配置した圧損要素としての多孔質体と、で構成した第１〜第３の局面のいずれかに対応する発明の固体高分子型燃料電池本体である。
第８の局面に対応する発明によれば、第７の局面に対応する発明と同様に燃料ガス導入部に設けるヘッダを小さくでき、各燃料ガス供給路に水を均等に供給することができる。また、多孔質体に水が流通するときに圧損が生じるため、燃料電池本体に積層した単位電池に水を均等に供給することができる。さらに、多孔質体の気孔径を選定することにより、燃料ガスの圧力が供給水の圧力よりも高くなっても、多孔質体の毛細管力によリ燃料ガスが供給水側に漏れることを防止できる。
第９の局面に対応する発明は、次のように構成したものである。すなわち、前記多孔質体の平均気孔径は２０μｍ以下（０を含まず）である第５、第６、第８の局面のいずれかに対応する発明の固体高分子型燃料電池本体である。
第９の局面に対応する発明によれば、多孔質体の平均気孔径を２０μｍ以下とすることにより、多孔質体の気孔に保持された水の毛細管力は５ｋＰａ以上となり、５ｋＰａ以下の差圧において多孔質体はガスに対してウエットシール効果を発揮する。
ところで、燃料電池本体において、燃料ガス供給路の圧損は小さいほど好ましいが、燃料供給路を燃料が通過する時に通常３ｋＰａ程度の圧損が生じる。このため燃料ガス供給圧力はそれ以上に設定する必要がある。よって、水供給系のトラブルにより水の供給圧力がなくなった場合、燃料ガスの圧力が供給水の圧力より３ｋＰａ以上大きくなることがある。多孔質体の平均気孔径を２０μｍ以下とすることによリ、上記のようなトラブル発生時でも、燃料ガスが供給水側に漏れ込むことはない。
第１０の局面に対応する発明は、固体高分子型燃料電池発電システムにおいて、
固体高分子膜の両面に触媒層を有する燃料極と触媒層を有する酸化剤極をそれぞれ配置した複数の単位電池と、
前記各単位電池の前記燃料極に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路を設けた反応ガス供給セパレータと、
前記燃料極の触媒層と前記反応ガス供給セパレータの間に設けた導電性多孔質性の撥水層と、
前記燃料ガス供給路に液状の水を供給する水供給手段又は前記燃料ガス供給路に液状の水を供給することにより、前記固体高分子膜を加湿するとともに前記反応ガス供給セパレータに対して潜熱冷却を行う加湿潜熱冷却手段と、
前記単位電池より排出される燃料排ガスおよび酸化剤排ガスからの水の熱を回収する熱回収手段と、
前記熱回収手段で回収された回収水を供給する回収水供給手段と、
前記回収水供給手段からの供給水量を制御する供給水量制御手段と、
を具備したことを特徴とする固体高分子型燃料電池発電システムである。
第１０の局面に対応する発明によれば、燃料極に水を供給して潜熱冷却を行う固体高分子型燃料電池本体より排出される燃料排ガスおよび酸化剤排ガスの両方から水を回収し、燃料ガスとともに燃料電池本体の燃料極に供給する。燃料極に水を供給して潜熱冷却を行う固体高分子型燃料電池本体では、燃料排ガスに含まれる水量は酸化剤排ガスに含まれる水量と同様に多いため、両方の排ガスから水を回収することにより、必要となる水をシステム内で確保できる。
また、燃料極に供給する水の流量は電池本体の発熱量に依存するため、過少であると十分な潜熱冷却性能が得られないこと、また過剰であると余分な水を供給することで、システム効率を低下させることから、水の供給水量を制御することにより安定した高いシステム効率を維持できる。
また、第１０の局面に対応する発明では、次のような効果が得られる。
（１）酸化剤ガスの加湿器が不要となる。
（２）水の潜熱による冷却能は水の顕熱による冷却能より高いため、従来の顕熱冷却で必要であった燃料電池本体への冷却水供給量と比較して、極めて少ない量の水供給で足りるため、水回収システム、水供給システムをコンパクト化、軽量化できることから、発電システム全体をコンパクト化・軽量化できる。
第１１の局面に対応する発明は、次のように構成したものである。すなわち、前記供給水量を制御する供給水量制御手段は、各単位電池の発電電圧および負荷電流から給水量を演算する演算手段と、前記演算手段の演算結果の信号により回収水の供給水量を制御する定量ポンプとで構成した第１０の局面に対応する発明の固体高分子型燃料電池発電システムである。
第１１の局面に対応する発明によれば、発電電圧および負荷電流から電池本体の発熱量を計算し、その発熱量を潜熱冷却できる水量を定量ポンプにより燃料電池本体に供給するようにした。このことから、負荷電流など運転条件が変化しても常に最適量の水を燃料電池本体に供給でき、大きな負荷変動時でも安定した発電が可能となり、常に高いシステム効率を維持することができる。
第１２の局面に対応する発明は、次のように構成したものである。すなわち、前記演算手段は、発電電圧Ｖ（Ｖ／セル）、負荷電流Ｉ（Ａ）、積層電池枚数Ｃ（セル）、水の蒸発潜熱ｈ（Ｊ／ｇ）、電池反応により水蒸気が発生するときの生成エンタルピー変化ΔＨ（Ｊ／ｍｏｌ）、ファラデー定数Ｆ（Ｃ／ｍｏｌ）としたとき、（１）式に基づき、供給水量Ｗ（ｇ／ｍｉｎ）を求めるものであり、前記供給水量を制御する手段は該供給水量の２０倍量までの任意の水量を前記固体高分子型燃料電池本体に供給制御を行う第９の局面又は第１０の局面に対応する発明の固体高分子型燃料電池発電システムである。
Ｗ＝３０・Ｉ・Ｃ・（ΔＨ／Ｆ−２Ｖ）／ｈ  （１）式
である。
第１２の局面に対応する発明によれば、燃料電池本体を潜熱冷却するために必要な供給水量を上記の（４）式により演算できる。（４）式は電池反応により生成した水がすべて水蒸気になるとして発電電圧および負荷電流から計算される発熱量（冷却すべき発熱量）に相当する蒸発潜熱量を有する水量である。上記の式で演算した値以上の水量を燃料電池本体に供給することにより、常に最大の潜熱冷却能力を確保でき、高負荷時および大きな負荷変動時でも安定した電池特性が得られる。また、演算した量の２０倍量以上を供給すると各単位電池の電池電圧にバラツキが生じる。これは過剰の水を供給することにより、各単位電池に供給する水素ガスの配流にバラツキが生じるためである。通常の負荷電流変動幅（１０％〜１００％）では供給水を１０倍量以上の幅で制御すれば安定した運転が可能となる。以上のことから、電池反応により生成した水が゛すべて水蒸気になるとして発電電圧および負荷電流から計算される発熱量（冷却すべき発熱量）に相当する蒸発潜熱量を有する水量以上、その２０倍量以下の水を燃料電池本体に供給するように制御することにより、大きな負荷変動時でも安定した発電が可能となり、常に高いシステム効率を維持することができる。
なお、上記の（４）式は以下の導入式により導かれる。
導入式：
負荷電流をＩ（Ａ）とした時に電池１枚に流れる電気量はＩ（Ｃ／ｓｅｃ）である。よって、１分間に流れる電気量は６０・Ｉ（Ｃ／ｍｉｎ）となる。ここで、水素１ｍｏｌは消費されると２・Ｆ（Ｃ）の電気量が得られる。但し、Ｆ（Ｃ／ｍｏｌ）はファラデー常数である。よって、負荷電流をＩ（Ａ）とした時に電池１枚で消費される水素量は（５）式により計算できる。
６０・Ｉ／２Ｆ＝３０・Ｉ／Ｆ  （５）式
よって、積層電池枚数Ｃ（セル）のスタックで消費される水素量Ｍ（ｍｏｌ／ｍｉｎ）は、負荷電流Ｉ（Ａ）、積層電池枚数Ｃ（セル）およびファラデー常数Ｆ（Ｃ／ｍｏｌ）により（６）式で計算できる。
Ｍ＝３０・Ｉ・Ｃ／Ｆ  （６）式
固体高分子型燃料電池本体で電池反応により生成した水がすべて水蒸気になるとした（７）式の反応における生成エンタルピー変化をΔＨ（Ｊ／ｍｏｌ）とすると、
Ｈ２（ｇ）＋１／２Ｏ２（ｇ）→Ｈ２Ｏ（ｇ）  （７）式
消費水素の総エネルギー変化Ｕ（Ｊ／ｍｉｎ）は（８）式で計算できる。
Ｕ＝ΔＨ・Ｍ＝３０・ΔＨ・Ｉ・Ｃ／Ｆ  （８）式
電池本体の発熱量Ｑ（Ｊ／ｍｉｎ）は、消費水素の総エネルギー変化Ｕ（Ｊ／ｍｉｎ）から発電電力を減じた量となることから、単位電池の電池電圧をＶ（Ｖ／セル）とすると、発熱量は（９）式で計算できる。
Ｑ＝Ｕ−６０・Ｉ・Ｖ・Ｃ  （９）式
（９）式に（８）式を代入すると、
Ｑ＝３０・Ｉ・Ｃ・（ΔＨ／Ｆ−２・Ｖ）  （１０）式
よって、冷却すべき発熱量は（１０）式で計算できる。ここで、供給水の顕熱および供給する反応ガスの顕熱による冷却量は小さいこと、実プラントにおいて燃料電池本体は断熱されており、燃料電池本体表面からの放熱は防止されていることから、上記の発熱量Ｑに相当する潜熱冷却量を有する水量を少なくても燃料電池本体に供給する必要がある。
供給水量をＷ（ｇ／ｍｉｎ）、水の蒸発潜熱をｈ（Ｊ／ｇ）とすると、
Ｗ＝Ｑ／ｈ  （１１）式
（１１）式に（１０）式を代入すると、
Ｗ＝３０・Ｉ・Ｃ・（ΔＨ／Ｆ−２Ｖ）／ｈ  （１２）式
ここで、Ｃ、Ｆは定数、ΔＨ、ｈは温度に依存するが、ほぼ定数と見なすことができる。よって、（１２）式より、電池本体を潜熱冷却するのに必要な最低供給水量は発電電圧と負荷電流により演算できる。
発明を実施するための最良の形態
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の固体高分子型燃料電池の第１の実施形態を説明するための概念断面図であり、燃料電池本体１１は以下に述べる基本構成０２を複数機械的に積重ねて各々を電気的に直列接続したものである。なお、図１では積層面の間のシール剤、各ガス供給溝に反応ガスを供給するためのガスマニホールド、水供給溝、水マニホールドおよび積層端部の構成は省略している。
各基本構成０２は、イオン導電性を有する固体高分子膜１の一方の板面に、サブストレート４１と触媒層４２の間に撥水層を形成する導電性多孔質体５１を設けてなる燃料極（電極）２を配設し、固体高分子膜１の他方の板面に、サブストレート４３と触媒層４４からなる酸化剤極（電極）３を配設（触媒層４２、４３が固体高分子膜１に対向するように当接）してなる単位電池４と、燃料極２のサブストレート４１に当接され板面に燃料ガスを供給するため燃料ガス供給路、例えば複数の燃料ガス供給溝２２が形成され、かつ該単位電池４とは異なる隣接の単位電池４の酸化剤極３のサブストレート４３に当接され板面に当接され板面に酸化剤ガスを供給するための複数の酸化剤ガス供給溝４９が形成された反応ガス供給セパレータ８とからなっている。
このような基本構成０２を５０枚積層した燃料電池本体１１を得た。この場合、固体高分子膜１として例えばデュポン社のナフィオンを、又サブストレート４１、４３は例えば気孔率８０％のカーボンペーパを使用した。また、燃料極２の多孔質体５１は例えばカーボン粉末とポリテトラフルオロエチレンからなるペーストをサブストレート４１に塗布した後、３６０℃で熱処理することにより得られるものを使用した。触媒層４２、４４は例えばカーボンに白金を４０％担持した触媒を使用した。反応ガス供給セパレータ８は例えばモールド加工により溝を成形したカーボン板を使用した。
以上のように構成した第１の実施形態の燃料電池では、従来の冷却水供給セパレータ７を積層していないため、従来の燃料電池本体と比較して積層高さを２５％小さくすることができた。
以上述べた第１の実施形態では、燃料極２にしか導電性多孔質体５１を形成しなかったが、同様に酸化剤極３のサブストレート４３と触媒層４４の間にも導電性多孔質体を形成してもよい。
次に、反応ガス供給セパレータ８の構成について図２を参照して説明する。図２Ａはセパレータ８の概略を示す上面図であり、図２Ｂは図２ＡのＡ−Ｂ線に沿って切断し矢印方向に見た断面図である。図２Ａに示すようにセパレータ８の一方の板面（上面）の周縁部であって上方側に横方向で肉厚方向に貫通するように、形成された複数の貫通孔からなる燃料ガスマニホールド２０が形成され、又セパレータ８の周縁部であって側方側に縦方向で肉厚方向に貫通するように、形成された複数の貫通孔からなる水マニホールド２１が形成され、セパレータ８の一方の板面（上面）の中央部であって燃料ガスマニホールド２０に対して所定領域の燃料ガス導入部２３だけ離れた位置から下方に向かう複数の直線状の燃料ガス供給溝２２がそれぞれ等間隔に形成されている。
セパレータ８の一方の板面（上面）であって燃料ガス導入部２３に水平方向に、水マニホールド２１を構成している貫通孔の一つ及び各燃料ガス供給溝２２とそれぞれ連通する水供給溝２８が形成されている。さらに、セパレータ８の一方の板面（上面）であって燃料ガス導入部２３において、水供給溝２８と各燃料ガス供給溝２２の上端間に、各燃料ガス供給溝２２相互の中心に対応して複数の突起２５が形成されている。
図２Ａに示すようにセパレータ８の一方の板面（上面）であって燃料ガスマニホールド２０に隣接して複数の隔壁２４が形成されている。この場合、各隔壁２４は該マニホールドを構成する貫通孔相互間に位置し、該マニホールド２０からの燃料ガスが各燃料ガス供給溝２２にそれぞれ例えば最短距離で導かれるようになっている。以上のようなセパレータ８は、例えばモールド加工により製作され、各隔壁２４、各突起２５、水供給溝２８、燃料ガス供給溝２２はいずれもモールド加工時に同時に形成される。
以上のように構成されたセパレータ８において、燃料ガスはセパレータ８を貫通して配置した燃料ガスマニホールド２０から分岐して燃料ガス導入部２３に配置したヘッダ２６に供給される。
また、水はセパレータ８を貫通して配置した水マニホールド２１から分岐して水供給溝２８からヘッダ２６に供給される。ヘッダ２６に供給された水は、ヘッダ２６で燃料ガス中に混合され、この混合ガスは各燃料ガス供給溝２２に配流される。
前述した基本構成０２を積層した燃料電池本体１１では、燃料ガスおよび水を各セパレータ８にそれぞれ配流した後にヘッダ２６で混合され燃料ガス供給溝２２に供給していることから、各セパレータ８への燃料ガスおよび水の配流が均一となる。
水供給溝２８は燃料ガス供給溝２２と同時にモールド加工（粉体を加圧硬化）しているために、従来のセパレータと同等の価格で製作が可能である。
図６は、図２の変形例を説明するための図であり、図６Ａはセパレータ８の概略を示す上面図であり、図６Ｂは図６ＡのＡ−Ｂ線に沿って切断し矢印方向に見た断面図である。この場合、水供給溝２８の数を多くし、ヘッダ２６の領域を広くするため、燃料ガスマニホールド２０と水マニホールド２１の形成する位置を図２とは逆にし、水マニホールド２１に隣接して複数の隔壁２９を形成したものである。このように水供給溝２８の数を多くし、ヘッダ２６の領域を広くすることにより、燃料ガス中への水の分散がより均等となる。
なお、図２及び図６のセパレータ８は、一枚のセパレータ構成板の対向する面に燃料ガス供給溝２２及び酸化剤ガス供給溝を形成してもよく、又従来の技術と同様に片面に燃料ガス供給溝を形成した燃料ガス供給セパレータと、片面に酸化剤ガス供給溝を形成した酸化剤ガス供給セパレータを背中同士で張り合わせて製作してもよい。
次に、図１と図２又は図６の構成からなる燃料電池本体を用いた本発明の固体高分子型燃料電池発電システムの実施形態について、図３の系統図を参照して説明する。なお、図３には流体制御用のバルブ、温度／圧力の測定機器、制御装置は省略している。
図３は、図１３の従来の技術で説明した加湿器１２と、水供給システム１３と、冷却器１５と、冷却板１７を設けず、新たに以下に述べる熱回収システム３０と、演算・制御装置３４と、ダイヤフラム式定量ポンプ３２と、スタック水供給ライン３３を設けたものである。
熱回収システム３０は、本発明の水回収手段を構成するもので、例えば燃料電池本体１１の燃料極２及び酸化剤極３とドレインポット１６の配管経路に設けるものであり、燃料電池本体１１から排出される燃料排ガス及び酸化剤排ガスから水の熱を回収するものである。
演算・制御装置３４は、本発明の水量制御手段を構成するもので、例えば概略燃料電池本体１１の発電電圧及び負荷電流から給水量を演算するものであり、この詳細については後述する。
定量ポンプ３２は、ドレインポット１６と改質器１０をつなぐ改質水供給ライン１８並びにドレインポット１６と燃料電池本体１１の燃料極２をつなぐスタック水供給ライン３３の途中に配設され、演算・制御装置３４の演算結果の信号により回収水の供給水量を制御するものである。
図１〜図３、図６において、例えば水マニホールド２１と、燃料ガス供給溝２２と、燃料ガス導入部２３と、ヘッダ２６と、水供給溝２８と、後述する多孔質体５０とで、本発明の水供給手段を構成する。
このような構成のものにおいて、燃料としてはメタノールを使用し、改質器１０にて水素ガスを主成分とする燃料ガスに改質した後、燃料電池本体１１に供給し、又燃料電池本体１１から排出された燃料排ガスは熱回収システム３０により冷却し水分を回収した後、改質器１０で燃焼してから大気に放出するようにしたものである。
一方、酸化剤ガスとして大気中の空気をブロア１４にて燃料電池本体１１に直接供給した。燃料電池本体１１から排出された酸化剤排ガスは熱回収システム３０により冷却し水分を回収した後、大気放出とした。燃料排ガスおよび酸化剤排ガスから回収した水は、ドレインポット１６に回収し、定量ポンプ３２により、燃料電池本体１１の燃料極２と改質器１０にそれぞれ供給している。
電池本体１１の燃料極２に供給する水量は演算・制御装置３４により制御した。演算・制御装置３４では、測定した燃料電池本体１１の発電電圧Ｖおよび負荷電流Ｉから（１３）式により、最低水供給流量Ｗを演算し、その２倍量の水を電池本体１１に供給するようにダイヤフラムポンプの振動周期を制御している。
Ｗ＝３０・Ｉ・Ｃ・（ΔＨ／Ｆ−２Ｖ）／ｈ  （１３）式
最低水供給水量：Ｗ（ｇ／ｍｉｎ）、発電電圧：Ｖ（Ｖ／セル）、負荷電流：Ｉ（Ａ）積層電池枚数：Ｃ（セル）、水の蒸発潜熱：ｈ（Ｊ／ｇ）、電池反応により水蒸気が発生するときの反応生成エンタルピー変化：ΔＨ（Ｊ／ｍｏｌ）、ファラデー定数：Ｆ（Ｃ／ｍｏｌ）上記の燃料電池発電システムを常温から起動した。燃料電池本体から負荷電流を取り始めると、燃料電池本体１１の温度は徐々に昇温して、負荷電流０．４Ａ／ｃｍ２（１１６Ａ）、燃料利用率７０％、空気利用率４０％の運転条件では７７℃程度で安定した。この時の電池電圧は０．７Ｖ／セルであった。
上記の運転条件における最低水供給量Ｗは、（１３）式からは８５ｃｃ／ｍｉｎとなるので、水供給量は１７０ｃｃ／ｍｉｎであった。同量の発熱量を冷却水の顕熱で冷却する場合、温度差を３℃とすると１５２８１ｃｃ／ｍｉｎの冷却水を供給する必要がある。完全潜熱冷却では供給する水は極めて少量であることがわかる。
さらに、供給する空気の露点温度、供給する水の温度、周囲の温度、負荷電流、空気利用率等の運転条件変化に対し、燃料電池本体の温度は７４℃〜８０℃の範囲で変化したが、何れの場合も電池本体は完全に潜熱冷却されており安定して発電することができた。なお、負荷電流が０．１Ａ／ｃｍ２（２９Ａ）〜１Ａ／ｃｍ２（２９０Ａ）の範囲で変動した場合も、供給水量は３５ｃｃ／ｍｉｎ〜５４２ｃｃ／ｍｉｎで変動し、電池本体を完全に潜熱冷却することができた。
次に、潜熱冷却のメカニズムについて図４を参照して説明する。燃料ガスと共に供給した水の一部は燃料ガス供給溝２２で水蒸気となり、燃料極２に形成した撥水層である導電性多孔質体５１を通過し触媒層４２に到達する。燃料極２の触媒層４２では燃料ガスの消費に伴い水蒸気は凝集して水となり、固体高分子膜１を通過して酸化剤極３に移動して蒸発する。
このようなことから、固体高分子膜１は常に湿潤状態（加湿・保湿）に維持され、酸化剤ガスの加湿が不要となる。ここで、燃料極２に形成した多孔質体５１は重要な役割を果たしている。すなわち、多孔質体５１は水蒸気を容易に通過させるが、液体としての水の通過を防止することができるため、燃料ガス供給溝２２に過剰の水を供給することにより、酸化剤極３で蒸発する十分な水量を供給でき、しかも触媒層４２，４４の過剰漏れによる電圧低下を防止することができる。
なお、実験結果によれば、燃料極２に多孔質体５１を形成しない例にあっては、運転時間経過に伴い電池電圧は徐々に低下した。これは供給した水により触媒層４２，４４が過剰に濡れて分極が大きくなることが原因であると思われる。
一方、酸化剤極３では移動水と電池反応で生成した反応水が蒸発する。水が蒸発するときに５３９ｃａｌ／ｇの蒸発潜熱を吸収するため、空気は電池反応によリ発生した熱を吸収し、燃料電池本体１１を潜熱冷却して電池本体１１外部に排出される。
潜熱による冷却能力は燃料電池本体１１内での水の蒸発量に依存するため、燃料電池本体１１の温度が高いほど、燃料電池本体１１の温度と供給する空気露点温度の差が大きいほど、空気利用率が低いほど、水の蒸発量が増し潜熱冷却能力は高くなる。
このため、供給する空気露点温度および空気利用率が一定の時である場合、燃料電池本体１１の温度が低い時に潜熱冷却量は小さく、燃料電池本体１１の温度が上昇することになる。逆に、燃料電池本体１１の温度が十分高くなると潜熱冷却量は大きくなり、やがて燃料電池本体１１の発熱量と潜熱冷却量が釣り合い、燃料電池本体１１の温度は一定となる。また、空気露点温度、負荷電流、反応ガスの利用率、周囲の温度等の運転条件が変化した場合でも、外部からの温度制御をしないでも、発熱量と潜熱冷却量が釣り合うまで燃料電池本体１１の温度は変化して安定する。
次に、燃料極２への供給水量と電池運転温度および電池電圧の関係について、図５を参照して説明する。燃料電池本体１１で電池反応により生成した水がすべて水蒸気になるとして発電電圧および負荷電流から計算される発熱量に相当する蒸発潜熱量を有する水量Ｗを１として燃料極に供給する水の量を横軸に、そのときの電池本体の温度および電池電圧を縦軸にそれぞれ示している。なお、本実施形態の運転条件において最低水供給量Ｗは８５ｃｃ／ｍｉｎであった。
図５から明らかなように、供給水量が１倍量以下の場合に電池本体温度は急激に上昇した。これは酸化剤極３での水の蒸発量が少なくなり、潜熱冷却量が減少したためであると考えられる。この時、固体高分子膜１は乾燥傾向となり、電池抵抗が上昇し、電池電圧は急激に低下した。
一方、供給水量が１倍量以上２０倍量以下の場合は、電池本体温度はほぼ一定であり、電池電圧も安定している。これは、供給水量が１倍量以上の場合は酸化剤極３の空気の飽和度が１００％に近くなり、十分な潜熱冷却量が得られていることにより、燃料電池本体１１は完全に潜熱冷却できていることを示している。
一方、供給水量が２０倍量以上となった場合は、電池電圧が急激に低下する傾向が見られた。過剰の供給水が水素の拡散を阻害して、燃料極２側で分極が増大したことが原因と考えられる。よって、燃料電池本体１１に供給する水量を、固体高分子型燃料電池本体で電池反応により生成した水がすべて水蒸気になるとして発電電圧および負荷電流から計算される発熱量に相当する蒸発潜熱量を有する水量以上かつその２０倍量以下とすることにより、固体高分子膜１を湿潤状態に維持し、また完全に電池本体１１を完全に潜熱冷却で、安定した発電出力を得ることができた。
第１の実施形態では燃料電池本体１１の燃料極２に既定量の水を供給することにより、従来の技術で必要であった冷却水供給セパレータ７が不要となり、燃料電池本体１１をコンパクト化できること、固体高分子膜１の湿潤状態を保ち燃料電池本体１１を完全に潜熱冷却ができ、大きな負荷変動時においても安定して運転できることを確認した。ここで、完全に潜熱冷却ができるということは、従来の図１２に示す冷却水供給セパレータ７を何ら使用することなく、潜熱冷却ができることを意味している。
また上記の燃料電池本体１１を使用した燃料電池発電システムでは、従来必要であった空気の加湿器１５が不要となること、従来の顕熱冷却で必要であった冷却水供給量と比較して、極めて少ない量の水供給で足りることから燃料発電システムをコンパクト化・軽量化できることが分かった。
＜第２の実施形態＞
図７は、本発明の第２の実施形態を説明するための図であり、図７Ａはセパレータ８の概略を示す上面図であり、図７Ｂは図７ＡのＡ−Ｂ線に沿って切断し矢印方向に見た断面図である。図７Ａに示すように、反応ガス供給セパレータ８であってヘッダ２６に圧損要素（流体均一配列部材）としての多孔質体５０を設けたものであり、これ以外の点は図２と同一である。
ここで、多孔質体５０としては、耐食性材料を樹脂で結着した複合材料、不識布、焼結体、メッシュ等、内部に連通した気孔を有する材料であればなんでもよい。好ましくは、耐食性に優れ、比較的安価なカーボン材を用いた方がよい。
この結果、燃料ガスはセパレータ８を貫通して配置した燃料ガスマニホールド２０から分岐して燃料ガス導入部２３に配置したヘッダ２６に供給される。また、水はセパレータ８を貫通して配置した水マニホールド２１から分岐して水供給溝２８からヘッダ２６に供給される。供給した燃料ガスと水はヘッダ２６で混合流となり、多孔質体５０を通過して燃料ガス供給溝２２に配流される。ここで使用する多孔質体５０の平均気孔径は５００μｍの金属焼結体を使用している。
第２の実施形態では、燃料ガスと水の混合流が多孔質体５０を通過するときの圧損により、混合流は流れと垂直方向に広がり、セパレータ面内で均等に燃料ガス供給溝２２に配流されるようになった。また、燃料電池本体１１では負荷電流密度を１Ａ／ｃｍ２とした燃料ガスの流量が多い条件でも、水と燃料ガスを均等に混合でき、安定した発電ができた。
＜第３の実施形態＞
図８は、本発明の第３の実施形態を説明するための図であり、図８Ａはセパレータ８の概略を示す上面図であり、図８Ｂは図８ＡのＡ−Ｂ線に沿って切断し矢印方向に見た断面図である。本実施形態は、図８に示すように、概略図６において、反応ガス供給セパレータ８に形成されている各隔壁２９をそれぞれ上下方向中央部を切欠き、該各切欠き部並びに隔壁２９相互間に、連続するように、図７と同一の圧損要素としての多孔質体５０を設けたものであり、これ以外の点は図６と同一である。
このように構成することにより、燃料ガスはセパレータ８を貫通して配置した燃料ガスマニホールド２０から分岐して燃料ガス導入部２３に配置したヘッダ２６に供給される。また、水はセパレータ８を貫通して配置した水マニホールド２１から分岐して水供給溝２８からヘッダ２６に供給される。供給した燃料ガスと水はヘッダ２６で混合流となり、多孔質体５０を通過して燃料ガス供給溝２２に配流される。
第３の実施形態では、水マニホールド２１から水供給溝２８に配置した多孔質体５０を通して水をヘッダ２６に供給することにより、ヘッダ２６で水の分散が良好となり燃料ガスと均等に混合でき、燃料ガス供給溝２２に混合流を均等に供給することができた。
また、燃料電池本体１１では負荷電流密度を１Ａ／ｃｍ２とした燃料ガスの流量が多い条件でも、水と燃料ガスは均等に混合でき、安定した発電ができた。
なお、水供給部を構成する水供給溝２８に配置した多孔質体５０の平均気孔径を２０μｍのカーボン不織布とし、発電中のトラブルを想定して水の供給を停止した。この時、燃料ガスマニホールド２０内の燃料ガス圧力は水マニホールド２１のそれよりも５ｋＰａ高くなったが、水マニホールド２１への燃料ガスの漏れ込みはなかった。
図９は、第３の実施形態の変形例を説明するための図であり、図９Ａはセパレータ８の概略を示す上面図であり、図９Ｂは図９ＡのＡ−Ｂ線に沿って切断し矢印方向に見た断面図である。本実施形態は、図９に示すように、概略図６において、反応ガス供給セパレータ８に形成されている各隔壁２９の相互間に、図７と同一の圧損要素としての多孔質体５０を設けたものであり、これ以外の点は図６と同一である。図９のように構成しても、図８と同様な作用効果が得られる。
＜第４の実施形態＞
図１０は、本発明の第４の実施形態を説明するための図であり、図１０Ａはセパレータ８の概略を示す上面図であり、図１０Ｂは図１０ＡのＡ−Ｂ線に沿って切断し矢印方向に見た断面図である。本実施形態は、概略図２において、反応ガス供給セパレータ８に形成されている複数の突起２５を形成せず、この部分まで複数の燃料ガス供給溝２２をそれぞれ延長し、反応ガス供給セパレータ８であって燃料ガス供給溝２２が形成されている面に存在する燃料ガス導入部２３とは反対側の裏面に、水マニホールド２１と連通する水供給溝２８を形成し、燃料ガス導入部２３と水供給溝２８をつなぐ複数の連通孔３１を等間隔に形成したものである。各連通孔３１は、各燃料ガス供給溝２２に対応して１ヶずつ形成し、この場合各連通孔３１の直径を例えば０．５ｍｍとしたものである。これ以外の構成は、図２と同一である。
このように第４の実施形態では、各燃料ガス供給溝２２に水を直接供給することにより、燃料ガスと均等に混合でき、燃料ガス供給溝２２に混合流をセパレータ面内で均等に供給することができた。
また、負荷電流密度を１Ａ／ｃｍ２とした燃料ガスの流量が多い条件でも、水と燃料ガスが均等に混合され、安定した発電が可能であった。なお、連通孔３１の数および直径は実施形態に限らず任意に設定しても同様の効果が得られる。連通孔３１の孔径は、小さければ小さい方がよいが、実際には燃料ガス供給溝２２の製造技術に左右される。
＜第５の実施形態＞
図１１は、本発明の第５の実施形態を説明するための図であり、図１１Ａはセパレータ８の概略を示す上面図であり、図１１Ｂは図１１ＡのＡ−Ｂ線に沿って切断し矢印方向に見た断面図である。本実施形態は、図１０において、反応ガス供給セパレータ８であって燃料ガス供給溝２２が形成されている面とは反対側の裏面に形成した水供給溝２８に、各連通孔３１を覆うように、図７と同一の圧損要素としての多孔質体５０を設けたものである。
この場合、連通孔３１の直径を９ｍｍとし、多孔質体５０としては、平均気孔径が１０μｍ、厚さ５０μｍのカーボン製不織布を使用した。
このように構成することにより本実施形態では、燃料ガスと均等に混合でき、燃料ガス供給溝に混合流を均等に供給することができた。また、負荷電流密度を１Ａ／ｃｍ２とした燃料ガスの流量が多い条件でも、安定した発電が可能であった。次に、発電中のトラブルを想定して燃料ガスマニホールド２０内の燃料ガス圧力を水マニホールド２１のそれよりも８ｋＰａ高く設定したが、水マニホールド２１への燃料ガスの漏れ込みはなかった。
以上説明した本発明によれば、次のような作用効果が得られる。すなわち、複数の単位電池を積層してなる燃料電池本体において、燃料ガス供給路の燃料ガス導入部に液状の水を供給する水供給手段、又は燃料ガス供給路であって燃料ガスの導入部に液状の水を供給することにより、固体高分子膜を加湿するとともに反応ガス供給セパレータに対して潜熱冷却を行う加湿潜熱冷却手段を設けることにより、反応ガスを予め加湿しないでも固体高分子膜の乾燥を防止でき、高負荷時や大きな負荷変動時においても安定した発電が可能となる燃料電池本体を提供することが可能となる。これ以外に、以下の効果が得られる。
（１）燃料電池本体を冷却するために従来必要であった冷却水供給セパレータを必要としないため、燃料電池本体をコンパクト化、軽量化できる。
（２）燃料電池本体を冷却するために、従来必要であった大きな冷却水循環システム必要としないため、水供給システムをコンパクト化、軽量化できる。
（３）酸化剤ガスを予め加湿しないでも固体高分子膜は乾燥せず、従来必要であった大きな加湿器を必要としない。
又、水供給手段を反応ガス供給セパレータの少なくとも片面を加工して設けたことにより、燃料電池本体のコンパクト化／軽量化ができ、製造コストも大幅に低減できる。
さらに、燃料極の触媒層と燃料ガス供給溝の間に撥水層を構成する多孔質体を設けたことにより、燃料極に過剰の水を供給しても燃料極でのフラッディング現象による電圧低下は起こらず、供給水量許容幅が広がった。また、適切な供給水量を発電電圧Ｖ（Ｖ／セル）および負荷電流Ｉ（Ａ）から演算し、電池本体に供給する水量を制御することにより、大きな負荷変動時においても供給水の過不足が生じず、安定した運転が可能となる。
以上述べたことから本発明によれば、簡素化、コンパクト化／軽量化、高信頼性化、さらにはそれらによる低コスト化が可能な固体高分子型燃料電池および固体高分子型燃料電池システムを提供できる。
＜変形例＞
本発明は、前述した実施形態に限定されず、次のように変形して実施できる。前述の実施形態の反応ガス供給セパレータ８は、燃料ガス供給溝２２を配置した面と反対の面に酸化剤ガス供給溝４９を形成した一体ものについて説明したが、これを燃料ガス供給溝２２を形成した部分と、酸化剤ガス供給溝４９を形成した部分を夫々準備し、これらを接合又は単に当接するようにしてもよい。また、反応ガス供給セパレータ８は、単位電池相互間に、配設するものは、図１に示すように燃料ガス供給溝２２と酸化剤ガス供給溝４９を形成したものであるが、単位電池の容器側のように端部に配設する反応ガス供給セパレータは、燃料ガス供給溝のみを形成したもの又は酸化剤ガス供給溝のみを形成したものいずれかを使用することは言うまでもない。
さらに、前述の実施形態の反応セパレータ８に設けた燃料ガス供給溝２２、酸化剤ガス供給溝４９は、いずれも孔、孔に圧損要素としての多孔質体を設けたもの、管、管内に圧損要素としての多孔質体を設けた燃料ガス供給路、酸化剤ガス供給路のいずれかの構成であってもよい。
また、前述の実施形態では、燃料ガス供給溝であって燃料ガス導入部に水を供給するするものを例にあげて説明したが、該水の供給する位置は、燃料ガス供給路を構成する例えば燃料ガス供給溝の途中であってもよい。
産業上の利用可能性
本発明の固体高分子型燃料電池本体及び固体高分子型燃料電池発電システムは、各種電源例えば車載用電源や定置用電源としても利用が可能である。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明の第１の実施形態に係る固体高分子型燃料電池の構成を説明するための断面図。
図２Ａ及び図２Ｂは図１の実施形態における反応ガス供給セパレータの燃料ガス導入部の構成を説明するための図。
図３は図１の実施形態における固体高分子型燃料電池発電システムを説明するための系統図。
図４は本発明の潜熱冷却のメカニズムを説明するための図。
図５は本発明の燃料極への供給水量と電池運転温度および電池電圧の関係を説明するための図。
図６Ａ及び図６Ｂは図１の実施形態における反応ガス供給セパレータの燃料ガス導入部の構成を説明するための図。
図７Ａ及び図７Ｂは本発明の第２の実施形態における反応ガス供給セパレータの燃料ガス導入部の構成を説明するための図。
図８Ａ及び図８Ｂは本発明の第３の実施形態における反応ガス供給セパレータの燃料ガス導入部の構成を説明するための図。
図９Ａ及び図９Ｂは本発明の第３の実施形態における反応ガス供給セパレータの燃料ガス導入部の構成を説明するための図。
図１０Ａ及び図１０Ｂは本発明の第４の実施形態における反応ガス供給セパレータの燃料ガス導入部の構成を説明するための図。
図１１Ａ及び図１１Ｂは本発明の第５の実施形態における反応ガス供給セパレータの燃料ガス導入部の構成を説明するための図。
図１２は従来の固体高分子型燃料電池の基本構成の一例を示す概念断面図。
図１３は従来の固体高分子型燃料電池発電システムを示す系統図。
【図１】
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【図２Ａ】
2002103829.tif 000004
【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
2002103829.tif 000015
【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【手続補正書】
【提出日】平成14年9月9日(2002.9.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子型燃料電池において、
固体高分子膜（１）の両面に、触媒層（４２）を有する燃料極（２）と触媒層（４４）を有する酸化剤極（３）をそれぞれ配置した複数の単位電池と、
前記各単位電池（４）の前記燃料極（２）及び前記酸化剤極（３）にそれぞれ反応ガスを供給するための反応ガス供給路を設けた反応ガス供給セパレータ（８）と、
前記反応ガス供給セパレータ（８）の壁面を貫通するように形成した水マニホールド（２１）と、
前記燃料極（２）側及び酸化剤極（３）側の少なくとも一方の反応ガス供給路に液状の水を供給する水供給手段を具備しており、
前記水供給手段は、前記反応ガス供給セパレータ（８）にあって前記水を供給する反応ガス供給路の反応ガス導入部（２３）に形成した反応ガスと水を混合するヘッダ（２６）と、
前記反応ガス供給セパレータであって前記反応ガス供給路と同一面側に形成し、前記ヘッダ（２６）と前記水マニホールド（２１）をつなぐ水供給溝（２８）と、
からなること特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
削除
【請求項３】
削除
【請求項４】
削除
【請求項５】
削除
【請求項６】
固体高分子型燃料電池において、
固体高分子膜（１）の両面に、触媒層（４２）を有する燃料極（２）と触媒層（４４）を有する酸化剤極（３）をそれぞれ配置した複数の単位電池と、
前記各単位電池（４）の前記燃料極（２）及び前記酸化剤極（３）にそれぞれ反応ガスを供給するための反応ガス供給路を設けた反応ガス供給セパレータ（８）と、
前記反応ガス供給セパレータ（８）の壁面を貫通するように形成した水マニホールド（２１）と、
前記燃料極（２）側及び酸化剤極（３）側の少なくとも一方の反応ガス供給路に液状の水を供給する水供給手段を具備しており、
前記水供給手段は、前記反応ガス供給セパレータ（８）にあって前記水を供給する反応ガス供給路の反応ガス導入部（２３）に形成した反応ガスと水を混合するヘッダ（２６）と、
前記水を供給する反応ガス供給路と同一面側に形成し、前記ヘッダ（２６）と前記水マニホールド（２１）をつなぐ水供給溝（２８）と、
前記水供給溝（２８）に配設した平均気孔径が２０μｍ以下（０を含ます）の多孔質体（５０）と、
からなること特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項７】
削除
【請求項８】
削除
【請求項９】
削除
【請求項１０】
固体高分子型燃料電池発電システムにおいて、
固体高分子膜（１）の両面に、触媒層（４２）を有する燃料極（２）と触媒層（４４）を有する酸化剤極（３）をそれぞれ配置した複数の単位電池と、
前記各単位電池（４）の前記燃料極（２）及び前記酸化剤極（３）にそれぞれ反応ガスを供給するための反応ガス供給路を設けた反応ガス供給セパレータ（８）と、
前記反応ガス供給セパレータ（８）の壁面を貫通するように形成した水マニホールド（２１）と、
前記燃料極（２）側及び酸化剤極（３）側の少なくとも一方の反応ガス供給路に液状の水を供給する水供給手段と、
前記複数の単位電池（４）より排出される燃料排ガス及び酸化剤排ガスからの水の熱を回収する熱回収手段と、
前記熱回収手段で回収された回収水を前記単位電池（４）に供給する回収水供給手段と、
前記回収水供給手段からの供給水量を制御する供給水量制御手段と、
を具備したことを特徴とする固体高分子型燃料電池発電システム。
【請求項１１】
固体高分子型燃料電池発電システムにおいて、
固体高分子膜（１）の両面に、触媒層（４２）を有する燃料極（２）と触媒層（４４）を有する酸化剤極（３）をそれぞれ配置した複数の単位電池と、
前記各単位電池（４）の前記燃料極（２）及び前記酸化剤極（３）にそれぞれ反応ガスを供給するための反応ガス供給路を設けた反応ガス供給セパレータ（８）と、
前記反応ガス供給セパレータ（８）の壁面を貫通するように形成した水マニホールド（２１）と、
前記燃料極（２）側及び酸化剤極（３）側の少なくとも一方の反応ガス供給路に液状の水を供給する水供給手段と、
前記複数の単位電池（４）より排出される燃料排ガス及び酸化剤排ガスからの水の熱を回収する熱回収手段と、
前記熱回収手段で回収された回収水を前記単位電池（４）に供給する回収水供給手段と、
前記回収水供給手段からの供給水量を制御する供給水量制御手段を具備しており、
前記供給水量制御手段は、前記各単位電池（４）の発電電圧及び負荷電流から給水量を演算する演算手段と、前記演算手段の演算結果により回収水の供給水量を制御する定量ポンプ（３２）と、で構成したことを特徴とする固体高分子型燃料電池発電システム。
【請求項１２】
固体高分子型燃料電池発電システムにおいて、
固体高分子膜（１）の両面に、触媒層（４２）を有する燃料極（２）と触媒層（４４）を有する酸化剤極（３）をそれぞれ配置した複数の単位電池と、
前記各単位電池（４）の前記燃料極（２）及び前記酸化剤極（３）にそれぞれ反応ガスを供給するための反応ガス供給路を設けた反応ガス供給セパレータ（８）と、
前記反応ガス供給セパレータ（８）の壁面を貫通するように形成した水マニホールド（２１）と、
前記燃料極（２）側及び酸化剤極（３）側の少なくとも一方の反応ガス供給路に液状の水を供給する水供給手段と、
前記複数の単位電池（４）より排出される燃料排ガス及び酸化剤排ガスからの水の熱を回収する熱回収手段と、
前記熱回収手段で回収された回収水を前記単位電池（４）に供給する回収水供給手段と、
前記回収水供給手段からの供給水量を制御するものであって、前記各単位電池（４）の発電電圧及び負荷電流から給水量を演算する演算手段を備えた供給水量制御手段と、
を具備しており、
前記演算手段は、発電電圧Ｖ（Ｖ／セル）、負荷電流Ｉ（Ａ）、積層電池枚数Ｃ（セル）、水の蒸発潜熱ｈ（Ｊ／ｇ）、電池反応により水蒸気が発生するときの生成エンタルピー変化ΔＨ（Ｊ／ｍｏｌ）、ファラデー定数Ｆ（Ｃ／ｍｏｌ）としたとき、（１）式に基づき、供給水量Ｗ（ｇ／ｍｉｎ）を求めるものであり、前記供給水量制御手段は該供給水量の２０倍量までの任意の水量を、前記燃料ガス供給路に供給制御を行うことを特徴とする固体高分子型燃料電池発電システム。
Ｗ＝３０・Ｉ・Ｃ・（ΔＨ／Ｆ−２Ｖ）／ｈ    （１）式
【国際調査報告】
2002103829.tif 000023
2002103829.tif 000024
2002103829.tif 000025
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