JP2000208156A - 固体高分子型燃料電池システム - Google Patents

固体高分子型燃料電池システム

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JP2000208156A
JP2000208156A JP11005437A JP543799A JP2000208156A JP 2000208156 A JP2000208156 A JP 2000208156A JP 11005437 A JP11005437 A JP 11005437A JP 543799 A JP543799 A JP 543799A JP 2000208156 A JP2000208156 A JP 2000208156A
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gas
fuel cell
water
polymer electrolyte
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Taiji Kogami
泰司 小上
Kazuo Saito
和夫 齊藤
Soichiro Shimotori
宗一郎 霜鳥
Atsushi Oma
敦史 大間
Atsuo Muneuchi
篤夫 宗内
Michio Hori
美知郎 堀
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Original Assignee
Toshiba Corp
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    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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Abstract

(57)【要約】 【課題】不純物を含む加湿水を使用しても電池特性が低
下することがなく、また外気温が氷点下になるような環
境下に置かれた場合でも、システムにダメージを与えず
に短時間で起動することができ、さらにコンパクトで安
価とすること。 【解決手段】燃料極・酸化剤極間に固体高分子電解質膜
を挟持させてなる単電池101 を、燃料極・酸化剤極に燃
料ガス・酸化剤ガスを供給する燃料ガス供給通路105a・
酸化剤ガス供給通路106aを有するガス不透過性のセパレ
ータ105,106 を介して複数積層して成る固体高分子型燃
料電池スタックに、燃料ガス・酸化剤ガスを供給して両
者の電気化学的反応により発電を行う固体高分子型燃料
電池システムにおいて、水だけが選択的に透過する逆浸
透膜３と膜内に浸透した水が膜表面から蒸発する浸透気
化膜４とからなる複合膜８を介して、逆浸透膜３側に加
湿水を、浸透気化膜４側に反応ガスを夫々供給すること
により、反応ガスを加湿する。

Description

【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型燃料電池スタックを備え
た固体高分子型燃料電池システムに係り、特に固体高分
子型燃料電池スタックに供給する反応ガスである燃料ガ
スおよび酸化剤ガスの加湿手段を改良した固体高分子型
燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】一般に、燃料電池は、反応ガスである水
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、燃料の持つ化学エネルギーを直接
電気エネルギーに変換する装置である。この燃料電池
は、電解質の違い等により様々なタイプのものに分類さ
れるが、その一つとして、電解質に固体高分子膜を用い
た固体高分子型燃料電池が知られている。
【０００３】図８は、この種の固体高分子型燃料電池に
おける固体高分子型燃料電池スタックの基本構成（単位
電池構成）の一例を示す模式断面図である。
【０００４】図８において、固体高分子型燃料電池は、
イオン導電性を有する固体高分子電解質膜（以下、固体
高分子膜と称する）１０２を挟んで配置した燃料極（以
下、アノード電極と称する）１０３、および酸化剤極
（以下、カソード電極と称する）１０４からなる単電池
１０１と、それぞれの電極に反応ガスである燃料ガスお
よび酸化剤ガスを供給するための燃料ガス供給通路１０
５ａ、酸化剤ガス供給通路１０６ａをそれぞれ設けた導
電性を有するガス不透過性の燃料ガス供給通路付きセパ
レータ１０５、酸化剤ガス供給通路付きセパレータ１０
６とから基本的に構成されている。
【０００５】ここで、アノ一ド電極１０３は、アノ一ド
触媒層１０３ａとアノ一ド多孔質カーボン平板１０３ｂ
とから、またカソード電極１０４は、カソード触媒層１
０４ａとカソード多孔質カーボン平板１０４ｂとからそ
れぞれ形成されている。
【０００６】さらに、アノ一ド電極１０３側の反応ガス
供給通路付きセパレータ１０５の反応ガス供給通路の裏
面には、冷却媒体である冷却水が流通する冷却水流通路
１０５ｂが形成されている。
【０００７】なお、各単位電池１０１毎に冷却をしない
場合には、ガス不透過性の反応ガス供給通路付きセパレ
ータとして、一方の面に酸化剤ガスを、他方の面に燃料
ガスをそれぞれ供給する溝を形成したものが用いられ
る。
【０００８】アノ一ド電極に燃料ガスを、カソード極に
酸化剤ガスをそれぞれ供給すると、単位電池１０１の一
対の電極間で電気化学反応により起電力が生じる。通
常、燃料ガスとして水素、酸化剤ガスとして空気が使用
されている。
【０００９】以上のような構成の固体高分子型燃料電池
スタックを備えた固体高分子型燃料電池において、アノ
一ド電極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起電力が生じる。ここで、
通常、燃料ガスとして水素、酸化剤ガスとして空気がそ
れぞれ使用されている。
【００１０】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１０
３では、供給された水素はアノ一ド触媒層１０３ａで水
素イオンと電子に解離し、水素イオンは固体高分子膜１
０２を通って、電子は外部回路を通って、カソード電極
１０４にそれぞれ移動する。
【００１１】一方、カソード電極１０４では、供給した
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で反応して水を生成する。この時、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。すなわち、アノ一ド電極１０３とカソード電極１０
４では、それぞれ以下のような反応が進行する。なお、
生成した水は、未反応ガスと共に電池外に排出される。
【００１２】アノード反応 ： Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- カソード反応 ： ２Ｈ+ ＋１／２Ｏ2 ＋２ｅ- → Ｈ
2 Ｏ 単位電池１０１の起電力は、１Ｖ以下と低いため、通常
は、上記セパレータ１０５，１０６を介して数十〜数百
枚の単位電池１０１を積層し、固体高分子型燃料電池ス
タックとして使用される。また、発電に伴なって固体高
分子型燃料電池スタックは発熱するが、冷却水流通路１
０５ｂに供給する冷却水にて燃料電池スタックの温度コ
ントロールを行なっている。
【００１３】一方、イオン導電性を有する固体高分子膜
１０２としては、例えばブ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
ボン社）が知られている。
【００１４】この固体高分子膜１０２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、燃料ガスと酸化
剤ガスとを分離する機能も有する。
【００１５】逆に、固体高分子膜１０２の含水量が少な
くなると、イオン抵抗が高くなり、燃料ガスと酸化剤ガ
スとの混合（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、高い電池性能を得るために
は、固体高分子型燃料電池では、固体高分子膜１０２を
常に飽和含水としておくことが望ましい。
【００１６】一方、発電によりアノ一ド電極１０３で解
離した水素イオンが、固体高分子膜１０２を通りカソー
ド電極１０４に移動する時に、水も一緒に移動するた
め、アノ一ド電極１０３側では、固体高分子膜１０２は
乾燥傾向になる。
【００１７】また、供給する燃料ガスまたは酸化剤ガス
である空気に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１０２は乾燥傾向にな
る。
【００１８】以上のような理由から、固体高分子型燃料
電池を運転する時には、以下に示すような外部加湿方
式、または内部加湿方式により、反応ガスである燃料ガ
スおよび酸化剤ガスを加湿することが般的である。
【００１９】外部加湿方式は、燃料電池に反応ガスを供
給する前に、あらかじめ加湿器により反応ガスを加湿す
る方法である。
【００２０】加湿器の例としては、タンクに蓄えた加湿
水に反応ガスをバッブリングして加湿するバブラー加湿
方式や、反応ガスと加湿水とを水分透過膜を介して接さ
せて加湿する膜加湿方式（例えば、特開平３−２０９７
１号）等が上げられる。上記方法において、加湿水とし
て電池を冷却する冷却水や、反応ガスから凝縮回収した
生成水が使用されている。
【００２１】内部加湿方式は、電池に接して形成した反
応ガス供給通路に、直接冷却水等を加湿水として直接供
給する方法である。
【００２２】例えば、図８において、冷却水流通路１０
５ｂと反応ガス流通溝１０５ａとを多孔性の板または膜
で仕切り、冷却水を反応ガス供給通路に圧力差で押し出
すことにより、反応ガスを加湿する直接膜加湿方法等が
ある（例えば、特開平６ー６８８８４号、特開平８−１
６７４１７号）。この方法は、電池部で加湿水が蒸発す
るため、電池の発熱を潜熱冷却できるというメリットが
ある。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
従来の加湿方法では、加湿水に不純物が含まれると、不
純物も加湿に伴なって反応ガス側に移動し、その不純物
が固体高分子膜や触媒層に吸着して電池特性を低下させ
る。このため、加湿水として不純物を含まない純水を使
用する必要がある。
【００２４】一方、加湿水として純水を用いる固体高分
子型燃料電池システムでは、外気温が氷点下になるよう
な環境下に置かれた場合、運転を休止している間にシス
テム内部の水が凍結するといった問題がある。例えば、
バプラー式加湿方法では、タンク内に蓄えた加湿水が凍
結すると、反応ガスは流れなくなり、場合によっては、
タンク、配管の変形、さらには破壊といった問題が生じ
る恐れがある。
【００２５】また、膜加湿方法、直接膜加湿方法では、
加湿水配管内および加湿膜に接する加湿水流通路内で加
湿水が凍結することにより、配管や加湿ユニットが破壊
されるという重大な問題が生じる恐れがある。
【００２６】さらに、加湿水として冷却水を使用する場
合には、冷却水も必然的に純水を用いる必要があること
から、固体高分子型燃料電池スタック内の冷却水配管に
貯まった水が凍結する可能性があり、加湿ユニットの場
合と同様に、流路の閉塞、スタックの変形、破壊といっ
た致命的な問題に発展する恐れがある。
【００２７】そこで、これらの問題を回避するために、
凍結の恐れのある箇所に加熱源を設けて、凍結の可能性
のある条件では常にシステムを加熱して凍結しないよう
にする手段の採用が考えられるが、この場合には、加熱
するためのエネルギーが膨大な量になり、省エネといっ
た観点から他のシステムに比べて非常に不利なシステム
になる。
【００２８】また、システム内部のダクト内にある水を
空気等で吹き飛ばすといった方法も考えられるが、全部
の水を確実に吹き飛ばずことは困難であり、さらにシス
テム立ち上げに時間がかかったり、また制御が複雑化す
るといった問題がある。
【００２９】本発明の目的は、不純物を含む加湿水を使
用しても電池特性が低下することがなく、また外気温が
氷点下になるような環境下に置かれた場合でも、システ
ムにダメージを与えずに短時間で起動することが可能な
コンパクトでかつ安価な固体高分子型燃料電池システム
を提供することにある。
【００３０】
【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、請求項１の発明では、燃料極および酸化剤極から
なる一対のガス拡散電極間に固体高分子電解質膜を挟持
させてなる単電池を、燃料極および酸化剤極に反応ガス
である燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するための燃料
ガス供給通路および酸化剤ガス供給通路を有するガス不
透過性のセパレータを介して複数積層して成る固体高分
子型燃料電池スタックを備え、固体高分子型燃料電池ス
タックに燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給して両者の電
気化学的反応により発電を行ない電気的出力を発生する
固体高分子型燃料電池システムにおいて、水だけが選択
的に透過する逆浸透膜または限外濾過膜と膜内に浸透し
た水が膜表面から蒸発する浸透気化膜とからなる複合膜
を介して、逆浸透膜または限外濾過膜側に加湿水を、浸
透気化膜側に反応ガスをそれぞれ供給することにより、
反応ガスを加湿するようにしている。
【００３１】従って、請求項１の発明の固体高分子型燃
料電池システムにおいては、水だけが選択的に透過する
逆浸透膜または限外濾過膜と膜内に浸透した水が膜表面
から蒸発する浸透気化膜とからなる複合膜を介して、逆
浸透膜または限外濾過膜側に加湿水を、浸透気化膜側に
反応ガスをそれぞれ供給することで反応ガスを加湿する
ことにより、加湿水に不純物が混入しても、逆浸透膜ま
たは限外濾過膜によって不純物の透過を防止でき、水の
みを浸透気化膜に移動することができる。浸透気化膜に
移動した水は、反応ガス側で蒸発することにより、反応
ガスを加湿することができる。この時、反応ガスに蒸発
する水の量は、反応ガスの温度に応じた飽和水蒸気圧で
制限されるため、反応ガス側に過剰な水を押し出すこと
なく、適量に反応ガスを加湿することができる。なお、
複合膜を使用することにより、逆浸透膜または限外濾過
膜の厚さを限界まで薄くすることができ、水の透過性能
を向上することが可能となる。以上により、不純物を含
んだ加湿水を使用しても、不純物を含まず反応ガスを適
度に加湿することができるため、固体高分子電解質膜や
触媒層にダメージを与えることがない。
【００３２】また、請求項２の発明では、上記請求項１
の発明の固体高分子型燃料電池システムにおいて、加湿
水として凝固点降下剤を混合した不凍液を供給して、反
応ガスを加湿するようにしている。
【００３３】従って、請求項２の発明の固体高分子型燃
料電池システムにおいては、加湿水として凝固点降下剤
を混合した不凍液を供給して、反応ガスを加湿すること
により、加湿水に凝固点降下剤が含まれていても、不純
物（凝固点降下剤）を含まず、固体高分子電解質膜や触
媒層にダメージを与えることなしに、反応ガスを適度に
加湿することができる。また、加湿水として不凍液を供
給できると共に、不凍液から直接反応ガスを加湿できる
ため、反応ガスを加湿するための純水を貯めておく加湿
水タンクが不要となり、外気温が氷点下になるような環
境下に置かれた場合でも、システムの凍結によるダメー
ジを受けることはなく、短時間でシステムを起動するこ
とができる。
【００３４】一方、燃料極および酸化剤極からなる一対
のガス拡散電極間に固体高分子電解質膜を挟持させてな
る単電池を、燃料極および酸化剤極に反応ガスである燃
料ガスおよび酸化剤ガスを供給するための燃料ガス供給
通路および酸化剤ガス供給通路を有するガス不透過性の
セパレータ、および冷却水が流通する冷却板を介して複
数積層して成る固体高分子型燃料電池スタックを備え、
固体高分子型燃料電池スタックに燃料ガスおよび酸化剤
ガスを供給して両者の電気化学的反応により発電を行な
い電気的出力を発生する固体高分子型燃料電池システム
において、請求項３の発明では、燃料ガス供給通路また
は酸化剤ガス供給通路のうちの少なくとも一方の反応ガ
ス供給通路と冷却板に形成された冷却水供給通路とを、
水だけが選択的に透過する逆浸透膜または限外濾過膜と
膜内に浸透した水が膜表面から蒸発する浸透気化膜とか
らなる複合膜により少なくとも隔離し、逆浸透膜または
限外濾過膜側に冷却水を、浸透気化膜側に反応ガスをそ
れぞれ供給することにより、反応ガスを加湿するように
している。
【００３５】従って、請求項３の発明の固体高分子型燃
料電池システムにおいては、燃料ガス供給通路または酸
化剤ガス供給通路のうちの少なくとも一方の反応ガス供
給通路と冷却板に形成された冷却水供給通路とを、水だ
けが選択的に透過する逆浸透膜または限外濾過膜と膜内
に浸透した水が膜表面から蒸発する浸透気化膜とからな
る複合膜により少なくとも隔離し、逆浸透膜または限外
濾過膜側に冷却水を、浸透気化膜側に反応ガスをそれぞ
れ供給することで反応ガスを加湿することにより、加湿
水に不純物が混入しても、逆浸透膜または限外濾過膜に
よって不純物の透過を防止でき、水のみを浸透気化膜に
移動することができる。浸透気化膜に移動した水は、反
応ガス側で蒸発することにより、反応ガスを加湿するこ
とができる。この時、反応ガスに蒸発する水の量は、反
応ガスの温度に応じた飽和水蒸気圧で制限されるため、
反応ガス側に過剰な水を押し出すことなく、適量に反応
ガスを加湿することができる。なお、複合膜を使用する
ことにより、逆浸透膜または限外濾過膜の厚さを限界ま
で薄くすることができ、水の透過性能を向上することが
可能となる。以上により、不純物を含んだ加湿水を使用
しても、不純物を含まず反応ガスを適度に加湿すること
ができるため、固体高分子電解質膜や触媒層にダメージ
を与えることがない。さらに、反応ガス供給通路に冷却
水を蒸発させる加湿方法としていることにより、別個に
加湿器を必要としない。また、発電中に電池が発生する
熱を、潜熱冷却で電池面内を均一冷却することができ
る。
【００３６】また、請求項４の発明では、燃料ガス供給
通路または酸化剤ガス供給通路のうちの少なくとも一方
の反応ガス供給通路と冷却板に形成された冷却水供給通
路とを、水だけが選択的に透過する逆浸透膜または限外
濾過膜と膜内に浸透した水が膜表面から蒸発する浸透気
化膜とからなる複合膜により少なくとも隔離し、逆浸透
膜または限外濾過膜側に冷却水を、浸透気化膜側に反応
ガスをそれぞれ供給すると共に、冷却水として凝固点降
下剤を混合した不凍液を供給することにより、反応ガス
を水蒸気加湿するようにしている。
【００３７】従って、請求項４の発明の固体高分子型燃
料電池システムにおいては、上記請求項３の発明の固体
高分子型燃料電池システムに加えて、冷却水として凝固
点降下剤を混合した不凍液を供給することにより、冷却
水に凝固点降下剤が含まれていても、不純物（凝固点降
下剤）を含まず電池内で直接反応ガスを適度に加湿する
ことができるため、固体高分子電解質膜や触媒層にダメ
ージを与えることはない。また、冷却水として不凍液を
供給できると共に、不凍液から直接反応ガスを加湿でき
るため、反応ガスを加湿するための純水を貯めておく加
湿水タンクが不要となり、外気温が氷点下になるような
環境下に置かれた場合でも、システムの凍結によるダメ
ージを受けることはなく、短時間でシステムを起動する
ことができる。
【００３８】一方、請求項５の発明では、上記請求項１
乃至請求項４のいずれか１項の発明の固体高分子型燃料
電池システムにおいて、水だけが選択的に透過する逆浸
透膜または限外濾過膜と膜内に浸透した水が膜表面から
蒸発する浸透気化膜とからなる複合膜を、浸透気化膜側
で撥水性の多孔質体に少なくとも支持するようにしてい
る。
【００３９】従って、請求項５の発明の固体高分子型燃
料電池システムにおいては、上記複合膜の加湿性能は、
薄膜にするほど高くなり、薄くするほどその強度は低下
する難点があることから、複合膜を浸透気化膜側で撥水
性の多孔質体に少なくとも支持することにより、加湿水
または冷却水圧力と反応ガス圧力との差圧に対して、強
度を持たせることができる。また、多孔質体は撥水性で
あるため、浸透気化膜表面から蒸発した水蒸気は多孔質
体内部に滞留することなく、速やかに反応ガス側に移動
して反応ガスを加湿することができるため、加湿能力は
低下することはない。
【００４０】また、請求項６の発明では、上記請求項１
乃至請求項４のいずれか１項の発明の固体高分子型燃料
電池システムにおいて、水だけが選択的に透過する逆浸
透膜または限外濾過膜と膜内に浸透した水が膜表面から
蒸発する浸透気化膜とからなる複合膜を、逆浸透膜また
は限外濾過膜側で親水性の多孔質体に少なくとも支持す
るようにしている。
【００４１】従って、請求項６の発明の固体高分子型燃
料電池システムにおいては、複合膜を逆浸透膜または限
外濾過膜側で親水性の多孔質体に少なくとも支持するこ
とにより、加湿水または冷却水圧力と反応ガス圧力との
差圧に対して、強度を持たせることができる。また、多
孔質体は親水性であるため、逆浸透膜または限外濾過膜
の全面を加湿水または冷却水で覆うことができ、浸透気
化膜側への水の移動を阻害することはない。
【００４２】一方、請求項７の発明では、燃料極および
酸化剤極からなる一対のガス拡散電極間に固体高分子電
解質膜を挟持させてなる単電池を、燃料極および酸化剤
極に反応ガスである燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給す
るための燃料ガス供給通路および酸化剤ガス供給通路を
有するガス不透過性のセパレータ、および冷却媒体が流
通する冷却板を介して複数積層して成る固体高分子型燃
料電池スタックを備え、燃料ガスとして水素または水素
を含有するガスを、酸化剤ガスとして空気を、冷却媒体
として凝固点降下剤を水に含有する不凍液をそれぞれ供
給して両者の電気化学的反応により発電を行ない電気的
出力を発生する固体高分子型燃料電池システムにおい
て、固体高分子型燃料電池スタック上流側の燃料ガス供
給経路または酸化剤ガス供給経路のうちの少なくとも一
方に反応ガス加湿ユニットを設け、反応ガス加湿ユニッ
トは、選択的に水分を透過する水分透過膜を介して冷却
媒体と燃料ガスまたは酸化剤ガスとを接触させている。
【００４３】従って、請求項７の発明の固体高分子型燃
料電池システムにおいては、固体高分子型燃料電池スタ
ックを冷却する冷却媒体に不凍液を用い、この冷却媒体
によって反応ガスを直接加湿することにより、反応ガス
を加湿するための純水を貯蔵する加湿水タンクが不要と
なり、外気温が氷点下になるような環境下に置かれた場
合でも、システムの凍結によるダメージを受けることは
なく、短時間でシステムを起動することができる。
【００４４】また、請求項８の発明では、上記請求項７
の発明の固体高分子型燃料電池システムにおいて、反応
ガス加湿ユニットは、固体高分子型燃料電池スタックに
一体化している。
【００４５】従って、請求項８の発明の固体高分子型燃
料電池システムにおいては、固体高分子型燃料電池スタ
ックと反応ガス加湿ユニットとを一体化としていること
により、余分な配管は必要とせず、コンパクトなシステ
ムとすることができる。
【００４６】さらに、請求項９の発明では、上記請求項
７の発明の固体高分子型燃料電池システムにおいて、冷
却媒体は、固体高分子型燃料電池スタックを通過した後
に反応ガス加湿ユニットヘ供給するようにしている。
【００４７】従って、請求項９の発明の固体高分子型燃
料電池システムにおいては、冷却媒体を、固体高分子型
燃料電池スタックを通過させた後に反応ガス加湿ユニッ
トヘ供給することにより、固体高分子型燃料電池スタッ
クを通過した直後の冷却媒体は最も温度が高く、反応ガ
スとの熱および水蒸気交換の能力が最も高いことから、
より一層多くの水蒸気を反応ガスに供給することができ
る。
【００４８】また、請求項１０の発明では、上記請求項
７の発明の固体高分子型燃料電池システムにおいて、燃
料ガスの排出経路または酸化剤ガスの排出経路のうちの
少なくとも一方に、凝縮水をトラップする手段を設け、
凝縮水を冷却媒体に供給する手段を設けている。
【００４９】従って、請求項１０の発明の固体高分子型
燃料電池システムにおいては、冷却媒体によって反応ガ
スを加湿すると、冷却媒体中の水分が消費されて不凍液
濃度が高くなるため水を補給する必要があることから、
固体高分子型燃料電池スタックから排出される未反応の
燃料ガスまたは酸化剤ガスから水を凝縮して、これを冷
却媒体に直接供給することにより、純水を貯蔵するタン
クを必要とせず、不凍液の濃度を一定に保つことができ
る。
【００５０】以上により、外気温が氷点下になるような
環境下に置かれた場合でも、システムの凍結によるダメ
ージを受けることはなく、短時間でシステムを起動する
ことができる。
【００５１】さらに、請求項１１の発明では、上記請求
項１０の発明の固体高分子型燃料電池システムにおい
て、冷却媒体に含まれる凝固点降下剤の濃度が一定とな
るように、凝縮水の供給量を制御する手段を設けてい
る。
【００５２】従って、請求項１１の発明の固体高分子型
燃料電池システムにおいては、凝縮水の供給量を制御す
る手段を設けることにより、不凍液の濃度を常に一定レ
ベルに容易に維持することができる。
【００５３】以上により、外気温が氷点下になるような
環境下に置かれた場合でも、システムの凍結によるダメ
ージを受けることはなく、短時間でシステムを起動する
ことができる。
【００５４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。
【００５５】（第１の実施の形態：請求項１に対応）図
１は、本実施の形態による固体高分子型燃料電池システ
ムにおける加湿器の構成例を示す断面図である。
【００５６】図１において、加湿器１は、サブストレー
ト２を支持体として、水だけが選択的に透過する逆浸透
膜３と膜内に浸透した水が膜表面から蒸発する浸透気化
膜４とからなる複合膜８を、反応ガス流通路を設けた反
応ガス流通セパレータ５と加湿水流通路を設けた加湿水
流通セパレータ６との間に挟持した構成としている。
【００５７】また、サブストレート２側、すなわち逆浸
透膜３側に加湿水を、浸透気化膜４側に反応ガスをそれ
ぞれ供給することにより、反応ガスを加湿するようにし
ている。
【００５８】次に、以上のように構成した本実施の形態
による加湿器１を備えた固体高分子型燃料電池システム
においては、水だけが選択的に透過する逆浸透膜３と膜
内に浸透した水が膜表面から蒸発する浸透気化膜４とか
らなる複合膜８を介して、逆浸透膜３側に加湿水を、浸
透気化膜４側に反応ガスをそれぞれ供給することで反応
ガスを加湿していることにより、加湿水に不純物が混入
しても、逆浸透膜３によって不純物の透過を防止でき、
水のみを浸透気化膜４に移動することができる。浸透気
化膜４に移動した水は、反応ガス側で蒸発することによ
り、反応ガスを加湿することができる。
【００５９】この時、反応ガスに蒸発する水の量は、反
応ガスの温度に応じた飽和水蒸気圧で制限されるため、
反応ガス側に過剰な水を押し出すことなく、適量に反応
ガスを加湿することができる。
【００６０】なお、複合膜８を使用することにより、逆
浸透膜３の厚さを限界まで薄くすることができ、水の透
過性能を向上することができる。
【００６１】以上により、不純物を含んだ加湿水を使用
しても、不純物を含まず反応ガスを適度に加湿すること
ができるため、固体高分子電解質膜や触媒層にダメージ
を与えることがなく、電池性能が低下することがなく、
長期間安定して運転を行なうことが可能となる。
【００６２】ここで、特に本実施の形態では、浸透気化
膜４として、平均細孔径１μｍ、厚さ１００ｐｍの多孔
質膜を使用する。
【００６３】また、前記浸透気化膜４表面に、平均細孔
径０．００５μｍ、厚さ１μｍの逆浸透膜３を形成して
複合膜８とする。
【００６４】さらに、サブストレート２は、厚さ３５０
ｐｍのカーボン製の多孔質体とする。
【００６５】一方、加湿水として、不純物の多く含む水
道水を８０℃を使用し、反応ガス圧力に対して５０ｋＰ
ａ程度高い圧力で、加湿水流通セパレータ６に供給す
る。反応ガス流通セパレータ５から排出される反応ガス
は８０℃、相対湿度９０％程度まで加湿されることを確
認した。また、反応ガスに蒸発した水蒸気に含まれる不
純物は、加湿水の不純物に対して１／２０以下となって
いた。
【００６６】図２は、本実施の形態の加湿器１の加湿原
理を模式的に示す図である。
【００６７】すなわち、本実施の形態の加湿器１では、
加湿水に不純物が混入しても、逆浸透膜３により不純物
の透過を防止でき、水のみを浸透気化膜４に移動するこ
とができる。また、浸透気化膜４に移動した水は、反応
ガス側で蒸発することにより、反応ガスを加湿すること
ができる。
【００６８】この時、浸透気化膜４の加湿水側の圧力
を、浸透気化膜４の気孔径から決定される水の毛細管圧
力（ΔＰ＝２σＣＯＳθ／ｒ Ｐ：毛細管力 σ：表面
張力θ：接触角 ｒ：細孔半径）よりも小さく設定する
ことにより、反応ガス側に過剰な水が押し出されること
なく、反応ガスの温度に応じた飽和水蒸気圧になるまで
水分を反応ガス中に蒸発させることができる。
【００６９】なお、本実施の形態では、毛細管圧力は
０．２２ＭＰａ程度である。
【００７０】本実施の形態の加湿器１により加湿した反
応ガスを、固体高分子燃料電池スタックに供給して発電
試験を行なった。その結果、従来の多孔質体を介して加
湿水を反応ガスに押し出す加湿器では、２０００時間程
度の運転で電池抵抗が徐々に増加するのに伴ない電池電
圧が低下するのに対して、本実施の形態の加湿器１で
は、２０００時間を超えても電池電圧は低下せず、安定
して発電することができた。
【００７１】なお、本実施の形態では、不純物を濾過す
る目的で逆浸透膜３を使用したが、不純物の分子が大き
い時には、平均細孔径の大きい限外濾過膜を逆浸透膜３
の代わりに使用するようにすることにより、加湿水の圧
力を低減することができる。
【００７２】（第２の実施の形態：請求項２に対応）本
実施の形態では、前述した第１の実施の形態の加湿器１
において、加湿水として、水に凝固点降下剤であるエチ
レングリコールを２０％混合した不凍液を供給して、反
応ガスを加湿するようにしている。
【００７３】次に、以上のように構成した本実施の形態
による加湿器１を備えた固体高分子型燃料電池システム
においては、加湿水として、凝固点降下剤であるエチレ
ングリコールを混合した不凍液を供給して、反応ガスを
加湿していることにより、加湿水に凝固点降下剤が含ま
れていても、不純物（凝固点降下剤）を含まず、固体高
分子電解質膜や触媒層にダメージを与えることなしに、
反応ガスを適度に加湿することができる。
【００７４】すなわち、前述した第１の実施の形態の加
湿器１において、反応ガスに加湿された蒸気の中には、
殆どエチレングリコールは含まれていなかったが、これ
は同実施の形態で説明したように、逆浸透膜３がエチレ
ングリコールの透過を抑制したためである。
【００７５】本実施の形態では、加湿水にエチレングリ
コールが含まれていても、反応ガスにはメタノ一ルが含
まれず、固体高分子電解質膜や触媒層にダメージを与え
ることなしに、反応ガスを適度に加湿することができ
る。
【００７６】また、加湿水として不凍液を供給できると
共に、不凍液から直接反応ガスを加湿できるため、反応
ガスを加湿するための純水を貯めておく加湿水タンクが
不要となり、外気温が氷点下になるような環境下に置か
れた場合でも、システムの凍結によるダメージを受ける
ことはなく、短時間でシステムを起動することが可能と
なる。
【００７７】（第３の実施の形態：請求項３に対応）図
３は、本実施の形態による固体高分子型燃料電池システ
ムにおける直接内部加湿構造を有する固体高分子型燃料
電池スタックの基本構成例を示す模式断面図であり、図
１および図８と同一要素には同一符号を付して示してい
る。
【００７８】図３において、固体高分子型燃料電池は、
イオン導電性を有する固体高分子電解質膜を、２枚のガ
ス拡散電極であるアノード電極およびカソード電極で挟
持してなる単位電池１０１を、燃料ガス供給通路１０５
ａおよび酸化剤ガス供給通路１０６ａをそれぞれ設けた
導電性を有するガス不透過性の燃料ガス供給通路付きセ
パレータ１０５および酸化剤ガス供給通路付きセパレー
タ１０６で挟み、さらに燃料ガス供給側のセパレータ１
０５には、逆浸透膜３と浸透気化膜４との複合膜８をサ
ブストレート２に支持した加湿板を介して冷却水流通路
１０５ｂを形成した冷却水供給板７を配置した構成とし
ている。
【００７９】ここで、燃料ガス供給通路付きセパレータ
１０５は、水蒸気が透過できる多孔質体で形成してい
る。
【００８０】次に、以上のように構成した本実施の形態
の固体高分子型燃料電池スタックを備えた固体高分子型
燃料電池システムにおいては、燃料ガス供給通路１０５
ａまたは酸化剤ガス供給通路１０６ａのうちの少なくと
も一方の反応ガス供給通路と冷却水供給板７に形成され
た冷却水流通路１０５ｂとを、水だけが選択的に透過す
る逆浸透膜３と膜内に浸透した水が膜表面から蒸発する
浸透気化膜４とからなる複合膜８により隔離し、逆浸透
膜３側に冷却水を、浸透気化膜側４に反応ガスをそれぞ
れ供給することで反応ガスを加湿していることにより、
冷却水を循環方式として水の品質を管理しなくても、加
湿水に不純物が混入しても、逆浸透膜３によって不純物
の透過を防止でき、水のみを浸透気化膜４に移動するこ
とができるため、固体高分子電解質膜や触媒層への不純
物吸着を抑制でき、長期間安定した電池出力を得ること
ができる。
【００８１】また、電池本体に供給する反応ガスをあら
かじめ加湿する必要がなく、冷却水の特別な水管理も必
要とせず、システムを簡素化、コンパクト化することが
でき、製造コストも低減することができる。
【００８２】さらに、加湿水の圧力を制御する必要がな
いため、固体高分子型燃料電池発電システムの制御が容
易となり、しかも負荷変動に対しても安定した電池出力
を得ることができる。
【００８３】さらにまた、電池本体内のそれぞれの単位
電池１０１近傍で水が蒸発するため、電池を潜熱冷却で
きるため、電池温度を均−に維持でき、長期間安定した
電池出力を得ることができる。
【００８４】ここで、特に本実施の形態では、複合膜８
は、平均細孔径１μｍ、厚さ１００ｐｍの浸透気化膜４
の表面に、平均細孔径０．００５μｍ、厚さ０．５μｍ
の逆浸透膜膜３を形成した膜とする。
【００８５】また、サブストレート２は、厚さ１８０μ
ｍのカーボン製の多孔質体とする。
【００８６】さらに、冷却水は、電池入口温度を８０℃
とし、反応ガス圧力に対して３０ｋＰａ程度高い圧力
で、冷却水供給板７に供給する。
【００８７】なお、冷却水は循環方式として、冷却水循
環系統には濾過器等を設置せず水質確保を行なわない。
【００８８】本実施の形態の固体高分子燃料電池スタッ
クの発電試験を行なった。その結果、従来の多孔質体を
介して冷却水を反応ガスに押し出す構造の燃料電池スタ
ックでは、２５００時間程度の運転で電池抵抗が徐々に
増加するのに伴ない電池電圧が低下するのに対して、本
実施の形態の構成の燃料電池スタックでは、２５００時
間を超えても電池電圧は低下せず、安定して発電するこ
とができた。
【００８９】（第４の実施の形態：請求項４に対応）本
実施の形態では、前述した第３の実施の形態の固体高分
子型燃料電池システムにおいて、冷却水として、水に凝
固点降下剤であるエチレングリコールを２０％混合した
不凍液を供給して、反応ガスを水蒸気加湿するようにし
ている。
【００９０】次に、以上のように構成した本実施の形態
による加湿器１を備えた固体高分子型燃料電池システム
においては、冷却水として、凝固点降下剤であるエチレ
ングリコールを混合した不凍液を供給していることによ
り、冷却水に凝固点降下剤が含まれていても、不純物
（凝固点降下剤）を含まず、電池内で直接反応ガスを適
度に加湿することができるため、固体高分子電解質膜や
触媒層にダメージを与えることはない。
【００９１】本実施の形態の固体高分子型燃料電池シス
テムにおいても、２５００時間以上電池電圧は安定して
運転することができた。これは、冷却水にエチレングリ
コール（凝固点降下剤）が含まれていても、エチレング
リコールを含まず電池内で直接反応ガスを適度に加湿す
ることができることを示している。
【００９２】以上により、冷却水として不凍液を使用で
きるため、外気温が氷点下になるような環境下に置かれ
た場合でも、冷却水配管内または冷却水流通路内の冷却
水は凍結することはない。
【００９３】また、冷却水として不凍液を供給できると
共に、不凍液から直接反応ガスを加湿できるため、反応
ガスを加湿するための純水を貯めておく加湿水タンクが
不要となり、外気温が氷点下になるような環境下に置か
れた場合でも、システムの凍結によるダメージを受ける
ことはなく、短時間でシステムを起動することができ
る。
【００９４】（第５の実施の形態：請求項５に対応）図
４は、本実施の形態による固体高分子型燃料電池システ
ムにおける加湿器の構成例を示す断面図であり、図１と
同一要素には同一符号を付してその説明を省略し、ここ
では異なる部分についてのみ述べる。
【００９５】すなわち、本実施の形態の加湿器１は、前
述した第１の実施の形態の加湿器１において、サブスト
レート２を複合膜８の浸透気化膜４側に配置した構成と
している。
【００９６】ここで、複合膜８を浸透気化膜４側で支持
するサブストレート２を、例えばポリテトラフルオロエ
チレン（ＰＴＦＥ）にて撥水処理している。
【００９７】次に、以上のように構成した本実施の形態
による加湿器１を備えた固体高分子型燃料電池システム
においては、複合膜８の加湿性能は、薄膜にするほど高
くなり、薄くするほどその強度は低下する難点があるこ
とから、複合膜８を浸透気化膜４側で撥水処理したサブ
ストレート２に支持していることにより、加湿能力の低
下を伴なわず、加湿水または冷却水圧力と反応ガス圧力
との差圧に対して強度を持たせる、すなわち耐差圧強度
を高くすることができる。
【００９８】すなわち、撥水処理したサブストレート２
と撥水処理しないサブストレート２とで、加湿器１の加
湿能力を比較したところ、初期はいずれも同等であった
が、撥水処理をしないサブストレート２を備えた加湿器
１では、経時的に加湿能力が低下したのに対して、撥水
処理したサブストレート２を備えた本実施の形態の加湿
器１では、加湿能力の低下は見られなかった。
【００９９】これは、撥水処理しないサブストレート２
では、浸透気化膜４から気化した水蒸気がサブストレー
ト２内で凝集するため、蒸発速度が遅くなることが原因
であると考えられる。
【０１００】ー方、撥水処理したサブストレート２で
は、水蒸気がスムーズに蒸発するため、加湿能力が低下
しないものと考えられる。
【０１０１】（第６の実施の形態：請求項６に対応）本
実施の形態では、前述した第１の実施の形態の加湿器１
において、複合膜８を逆浸透膜４側でサブストレート２
に支持した構成としている。
【０１０２】ここで、複合膜８を逆浸透膜３側で支持す
るサブストレート２を、例えば０．０１％の界面活性剤
の水溶液に浸潰して親水処理している。
【０１０３】次に、以上のように構成した本実施の形態
による加湿器１を備えた固体高分子型燃料電池システム
においては、親水処理したサブストレート２で複合膜８
の逆浸透膜４側を支持していることにより、加湿能力の
低下を伴なわず、加湿水または冷却水圧力と反応ガス圧
力との差圧に対して強度を持たせる、すなわち耐差圧強
度を高くすることができる。
【０１０４】すなわち、親水処理したサブストレート２
と親水処理しないサブストレート２とで、加湿器１の加
湿能力を比較したところ、親水処理したサブストレート
２を備えた本実施の形態の加湿器１の加湿能力は、親水
処理をしないサブストレート２を備えた加湿器１と比較
して２０％程度高かった。
【０１０５】これは、親水処理したサブストレート２で
は、加湿水が十分サブストレート２内の気孔に浸透し
て、逆浸透膜３の有効面積が増加したことによると考え
られる。
【０１０６】また、サブストレート２は親水性であるた
め、逆浸透膜３の全面を加湿水または冷却水で覆うこと
ができ、浸透気化膜４側への水の移動を阻害することは
ない。
【０１０７】（第７の実施の形態：請求項７、請求項
９、請求項１０、請求項１１に対応）図５は、本実施の
形態による固体高分子型燃料電池スタックを備えた固体
高分子型燃料電池システムの構成例を示す模式図であ
る。
【０１０８】図５において、一対のガス拡散電極である
アノード電極およびカソード電極間に固体高分子電解質
膜を挟持させてなる単電池を、アノード電極およびカソ
ード電極に反応ガスである燃料ガスおよび酸化剤ガスを
供給するための燃料ガス供給通路および酸化剤ガス供給
通路を有するガス不透過性のセパレータ、および冷却媒
体が流通する冷却水供給板を介して複数積層して成る固
体高分子型燃料電池スタック（以下、燃料電池本体と称
する）１１に対し、燃料ガスとして水素または水素を含
有するガスを、酸化剤ガスとして空気をそれぞれ供給す
る燃料ガス供給部１２および空気供給部１３を設けてい
る。
【０１０９】また、空気供給部１３と燃料電池本体１１
との間の配管途中には、反応ガスを加湿するための反応
ガス加湿ユニット１４を設けている。
【０１１０】ここで、反応ガス加湿ユニット１４には、
例えば図６に示すように、前述した第１の実施の形態に
示した選択的に水分を透過する複合膜（水分透過膜）１
４ａがセットされており、この水分透過膜１４ａを介し
て冷却媒体と酸化剤ガスである空気とを接触させて、冷
却媒体の水分のみが空気に移動して加湿が行なわれるよ
うにしている。
【０１１１】一方、燃料電池本体１１を冷却するため
に、凝固点降下剤であるエチレングリコールを２０％水
に含有する不凍液を、冷却媒体として冷却ライン１５を
循環させている。
【０１１２】また、冷却ライン１５には、水ポンプ１
６、タンク１７、熱交換器１８を設けている。
【０１１３】ここで、燃料電池本体１１から排出される
冷却媒体は、燃料電池本体１１を通過した後に、反応ガ
ス加湿ユニット１４ヘ供給するようにしている。
【０１１４】一方、酸化剤ガス排出経路である空気排ガ
スラインには、凝縮水をトラップする手段、および凝縮
水をタンク１７に回収し冷却媒体として供給するライン
を設け、さらに冷却媒体に含まれる凝固点降下剤の濃度
が一定となるように、凝縮水の回収量をコントロールす
るバルブ１９を設けている。
【０１１５】ここで、バルブ１９のコントロールは、タ
ンク１７の不凍液濃度を測定して、この濃度が２０％一
定となるように、バルブ制御部２０で設定するようにし
ている。
【０１１６】なお、図５では、本発明に直接関係のな
い、流量計、逆止弁、制御系等は、その図示および説明
を省略している。
【０１１７】次に、以上のように構成した本実施の形態
による固体高分子型燃料電池スタックを備えた固体高分
子型燃料電池システムにおいては、燃料電池本体１１を
冷却する冷却媒体に不凍液を用い、燃料電池本体１１出
口の冷却媒体によって反応ガスを直接加湿していること
により、反応ガスを加湿するための純水を貯蔵する加湿
水タンクが不要となり、システムを簡素化することがで
きる。
【０１１８】また、固体高分子型燃料電池システムの停
止中に、環境温度が氷点下になるような環境下に置かれ
た場合でも、冷却媒体は凍結せず配管の破損が起こら
ず、システムの凍結によるダメージを受けることはな
い。
【０１１９】さらに、氷点下からでも、システムを短時
間で速やかに起動することができる。
【０１２０】一方、冷却媒体を、燃料電池本体１１を通
過させた後に反応ガス加湿ユニット１４ヘ供給している
ことにより、燃料電池本体１１を通過した直後の冷却媒
体は最も温度が高く、反応ガスとの熱および水蒸気交換
の能力が最も高いことから、より一層多くの水蒸気を反
応ガスに供給することができる。
【０１２１】また、冷却媒体によって反応ガスを加湿す
ると、冷却媒体中の水分が消費されて不凍液濃度が高く
なるため水を補給する必要があることから、燃料電池本
体１１から排出される未反応の酸化剤ガスから水を凝縮
して、これを冷却媒体に直接供給していることにより、
純水を貯蔵するタンクを必要とせず、不凍液の濃度を一
定に保つことができる。
【０１２２】さらに、凝縮水の供給量を制御する手段１
９，２０を設けていることにより、不凍液の濃度を常に
一定レベルに容易に維持することができる。
【０１２３】ここで、特に本実施の形態では、固体高分
子型燃料電池システムを−２０℃の環境下で１日置きに
２０回の起動／停止操作を行なったが、電池特性の低下
は見られなかった。また、冷却媒体の凍結は起こらず、
配管等の破損は確認されなかった。さらに、運転中は、
冷却水の不凍液濃度が一定値を維持するように凝縮水供
給用のバルブ１９をコントロールできた。
【０１２４】なお、反応ガス加湿ユニット１４に、燃料
電池本体１１に供給する前の冷却媒体を供給するように
しても同様の効果は得られるが、燃料電池本体１１出口
の冷却水奮加湿ユニットに供給することにより、より一
層大きな加湿能力を得ることができる。
【０１２５】（第８の実施の形態：請求項８に対応）図
７は、本実施の形態による固体高分子型燃料電池スタッ
クを備えた固体高分子型燃料電池システムの構成例を示
す模式図であり、図５と同一要素には同一符号を付して
その説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述
べる。
【０１２６】すなわち、本実施の形態の固体高分子型燃
料電池システムでは、前述した第７の実施の形態の反応
ガス加湿ユニット１４を、燃料電池本体１１に一体化し
た構成としている。
【０１２７】次に、以上のように構成した本実施の形態
による固体高分子型燃料電池スタックを備えた固体高分
子型燃料電池システムにおいては、燃料電池本体１１と
反応ガス加湿ユニット１４とを一体化としていることに
より、余分な接続配管およびその保温が不要となり、シ
ステムをコンパクト化することができる。
【０１２８】また、反応ガス加湿ユニット１４が燃料電
池本体１１の熱で保温されるため、反応ガス加湿ユニッ
ト１４の能力を最大限に引き出すことができる。
【０１２９】ここで、特に本実施の形態では、固体高分
子型燃料電池システムを、前述した第７の実施の形態と
同様の評価を行ない、同様の効果を得ることができた。
【０１３０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の固体高分
子型燃料電池システムによれば、不純物を含む加湿水で
反応ガスを加湿しても、反応ガスは不純物に汚染される
ことがないため、固体高分子電解質膜や触媒層にダメー
ジを与えることなしに反応ガスを適度に加湿することが
でき、電池性能を長期間安定して運転することが可能と
なる。
【０１３１】また、凝固点降下剤を水に含有する不凍液
を冷却媒体として使用し、この冷却媒体により反応ガス
を加湿するようにしているため、固体高分子型燃料電池
システムをコンパクトにすることが可能となる。
【０１３２】さらに、不凍液から直接反応ガスを加湿で
きるため、反応ガスを加湿するための純水を貯めておく
加湿水タンクが不要となり、外気温が氷点下になるよう
な環境下に置かれた場合でも、システム内の水分は凍結
することがないため、反応ガスの詰まり、配管の破裂等
システムにダメージを与えずに、システムを短時間で起
動することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による固体高分子型
燃料電池システムにおける加湿器の構成例を示す断面
図。
【図２】同第１の実施の形態による固体高分子型燃料電
池システムにおける加湿器の加湿原理を模式的に示す
図。
【図３】本発明の第３の実施の形態による固体高分子型
燃料電池システムにおける直接内部加湿構造を有する固
体高分子型燃料電池スタックの基本構成例を示す模式断
面図。
【図４】本発明の第５の実施の形態による固体高分子型
燃料電池システムにおける加湿器の構成例を示す断面
図。
【図５】本発明の第７の実施の形態による固体高分子型
燃料電池システムの構成例を示す模式図。
【図６】同第７の実施の形態による固体高分子型燃料電
池システムにおける反応ガス加湿ユニットの加湿原理を
模式的に示す図。
【図７】本発明の第８の実施の形態による固体高分子型
燃料電池システムの構成例を示す模式図。
【図８】従来の固体高分子型燃料電池における固体高分
子型燃料電池スタックの基本構成（単位電池構成）の一
例を示す模式断面図。
【符号の説明】
１…加湿器、 ２…サブストレート、 ３…逆浸透膜、 ４…浸透気化膜、 ５…反応ガス流通セパレータ、 ６…加湿水流通セパレータ、 ７…冷却水供給板、 ８…複合膜、 １１…固体高分子型燃料電池スタック（燃料電池本
体）、 １２…燃料ガス供給部、 １３…空気供給部、 １４…反応ガス加湿ユニット、 １４ａ…複合膜（水分透過膜）、 １５…冷却ライン、 １６…水ポンプ、 １７…タンク、 １８…熱交換器、 １９…バルブ、 ２０…バルブ制御部、 １０１…単位電池、 １０２…固体高分子電解質膜、 １０３…アノ一ド電極、 １０３ａ…アノ一ド触媒層、 １０３ｂ…アノ一ド多孔質カーボン平板、 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、 １０５…燃料ガス供給通路付きセパレータ、 １０５ａ…燃料ガス供給通路、 １０５ｂ…冷却水流通路、 １０６…酸化剤ガス供給通路付きセパレータ、 １０６ａ…酸化剤ガス供給通路。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 霜鳥 宗一郎 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 大間 敦史 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 宗内 篤夫 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 堀 美知郎 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CX04 5H027 AA06 CC06

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 燃料極および酸化剤極からなる一対のガ
    ス拡散電極間に固体高分子電解質膜を挟持させてなる単
    電池を、前記燃料極および酸化剤極に反応ガスである燃
    料ガスおよび酸化剤ガスを供給するための燃料ガス供給
    通路および酸化剤ガス供給通路を有するガス不透過性の
    セパレータを介して複数積層して成る固体高分子型燃料
    電池スタックを備え、前記固体高分子型燃料電池スタッ
    クに燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給して両者の電気化
    学的反応により発電を行ない電気的出力を発生する固体
    高分子型燃料電池システムにおいて、 水だけが選択的に透過する逆浸透膜または限外濾過膜と
    膜内に浸透した水が膜表面から蒸発する浸透気化膜とか
    らなる複合膜を介して、前記逆浸透膜または限外濾過膜
    側に加湿水を、前記浸透気化膜側に反応ガスをそれぞれ
    供給することにより、反応ガスを加湿するようにしたこ
    とを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。
  2. 【請求項２】 前記請求項１に記載の固体高分子型燃料
    電池システムにおいて、 前記加湿水として凝固点降下剤を混合した不凍液を供給
    して、反応ガスを加湿するようにしたことを特徴とする
    固体高分子型燃料電池システム。
  3. 【請求項３】 燃料極および酸化剤極からなる一対のガ
    ス拡散電極間に固体高分子電解質膜を挟持させてなる単
    電池を、前記燃料極および酸化剤極に反応ガスである燃
    料ガスおよび酸化剤ガスを供給するための燃料ガス供給
    通路および酸化剤ガス供給通路を有するガス不透過性の
    セパレータ、および冷却水が流通する冷却板を介して複
    数積層して成る固体高分子型燃料電池スタックを備え、
    前記固体高分子型燃料電池スタックに燃料ガスおよび酸
    化剤ガスを供給して両者の電気化学的反応により発電を
    行ない電気的出力を発生する固体高分子型燃料電池シス
    テムにおいて、 前記燃料ガス供給通路または酸化剤ガス供給通路のうち
    の少なくとも一方の反応ガス供給通路と前記冷却板に形
    成された冷却水供給通路とを、水だけが選択的に透過す
    る逆浸透膜または限外濾過膜と膜内に浸透した水が膜表
    面から蒸発する浸透気化膜とからなる複合膜により少な
    くとも隔離し、前記逆浸透膜または限外濾過膜側に冷却
    水を、前記浸透気化膜側に反応ガスをそれぞれ供給する
    ことにより、反応ガスを加湿するようにしたことを特徴
    とする固体高分子型燃料電池システム。
  4. 【請求項４】 燃料極および酸化剤極からなる一対のガ
    ス拡散電極間に固体高分子電解質膜を挟持させてなる単
    電池を、前記燃料極および酸化剤極に反応ガスである燃
    料ガスおよび酸化剤ガスを供給するための燃料ガス供給
    通路および酸化剤ガス供給通路を有するガス不透過性の
    セパレータ、および冷却水が流通する冷却板を介して複
    数積層して成る固体高分子型燃料電池スタックを備え、
    前記固体高分子型燃料電池スタックに燃料ガスおよび酸
    化剤ガスを供給して両者の電気化学的反応により発電を
    行ない電気的出力を発生する固体高分子型燃料電池シス
    テムにおいて、 前記燃料ガス供給通路または酸化剤ガス供給通路のうち
    の少なくとも一方の反応ガス供給通路と前記冷却板に形
    成された冷却水供給通路とを、水だけが選択的に透過す
    る逆浸透膜または限外濾過膜と膜内に浸透した水が膜表
    面から蒸発する浸透気化膜とからなる複合膜により少な
    くとも隔離し、前記逆浸透膜または限外濾過膜側に冷却
    水を、前記浸透気化膜側に反応ガスをそれぞれ供給する
    と共に、前記冷却水として凝固点降下剤を混合した不凍
    液を供給することにより、反応ガスを水蒸気加湿するよ
    うにしたことを特徴とする固体高分子型燃料電池システ
    ム。
  5. 【請求項５】 前記請求項１乃至請求項４のいずれか１
    項に記載の固体高分子型燃料電池システムにおいて、 前記水だけが選択的に透過する逆浸透膜または限外濾過
    膜と膜内に浸透した水が膜表面から蒸発する浸透気化膜
    とからなる複合膜を、前記浸透気化膜側で撥水性の多孔
    質体に少なくとも支持するようにしたことを特徴とする
    固体高分子型燃料電池システム。
  6. 【請求項６】 前記請求項１乃至請求項４のいずれか１
    項に記載の固体高分子型燃料電池システムにおいて、 前記水だけが選択的に透過する逆浸透膜または限外濾過
    膜と膜内に浸透した水が膜表面から蒸発する浸透気化膜
    とからなる複合膜を、前記逆浸透膜または限外濾過膜側
    で親水性の多孔質体に少なくとも支持するようにしたこ
    とを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。
  7. 【請求項７】 燃料極および酸化剤極からなる一対のガ
    ス拡散電極間に固体高分子電解質膜を挟持させてなる単
    電池を、前記燃料極および酸化剤極に反応ガスである燃
    料ガスおよび酸化剤ガスを供給するための燃料ガス供給
    通路および酸化剤ガス供給通路を有するガス不透過性の
    セパレータ、および冷却媒体が流通する冷却板を介して
    複数積層して成る固体高分子型燃料電池スタックを備
    え、 前記燃料ガスとして水素または水素を含有するガスを、
    前記酸化剤ガスとして空気を、前記冷却媒体として凝固
    点降下剤を水に含有する不凍液をそれぞれ供給して両者
    の電気化学的反応により発電を行ない電気的出力を発生
    する固体高分子型燃料電池システムにおいて、 前記固体高分子型燃料電池スタック上流側の燃料ガス供
    給経路または酸化剤ガス供給経路のうちの少なくとも一
    方に反応ガス加湿ユニットを設け、 前記反応ガス加湿ユニットは、選択的に水分を透過する
    水分透過膜を介して前記冷却媒体と燃料ガスまたは酸化
    剤ガスとを接触させて成ることを特徴とする固体高分子
    型燃料電池システム。
  8. 【請求項８】 前記請求項７に記載の固体高分子型燃料
    電池システムにおいて、 前記反応ガス加湿ユニットは、前記固体高分子型燃料電
    池スタックに一体化していることを特徴とする固体高分
    子型燃料電池システム。
  9. 【請求項９】 前記請求項７に記載の固体高分子型燃料
    電池システムにおいて、 前記冷却媒体は、前記固体高分子型燃料電池スタックを
    通過した後に前記反応ガス加湿ユニットヘ供給するよう
    にしたことを特徴とする固体高分子型燃料電池システ
    ム。
  10. 【請求項１０】 前記請求項７に記載の固体高分子型燃
    料電池システムにおいて、 前記燃料ガスの排出経路または酸化剤ガスの排出経路の
    うちの少なくとも一方に、凝縮水をトラップする手段を
    設け、 前記凝縮水を前記冷却媒体に供給する手段を設けたこと
    を特徴とする固体高分子型燃料電池システム。
  11. 【請求項１１】 前記請求項１０に記載の固体高分子型
    燃料電池システムにおいて、 前記冷却媒体に含まれる凝固点降下剤の濃度が一定とな
    るように、前記凝縮水の供給量を制御する手段を設けた
    ことを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。
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