JP4062198B2 - 燃料電池の加湿装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の加湿装置に関し、詳しくは燃料電池の電極に供給する燃料ガスを加湿する加湿装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池では、次式に示すように、アノードでは水素ガスを水素イオンと電子にする反応が、カソードでは酸素ガスと水素イオンおよび電子から水を生成する反応が行なわれる。
【０００３】
アノード反応：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ-
カソード反応：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2Ｏ
【０００４】
アノードで発生した水素イオンは、水和状態（Ｈ+・ｘＨ2Ｏ）となって電解質膜中をカソードに移動する。このため、電解質膜のアノード側表面付近では、水が不足する状態となり、上述の反応を連続して行なうには、この不足する水を補給する必要がある。固体高分子型燃料電池に用いられる電解質膜は、湿潤状態で良好な電気伝導性を有するが、含水率が低下すると、電解質膜の電気抵抗が大きくなって電解質として十分に機能しなくなり、場合によっては、電極反応を停止させてしまう。
【０００５】
この水の補給は、燃料ガスを加湿することにより行なうのが一般的である。燃料ガスを加湿する装置としては、燃料ガスをバブリングして加湿する装置や、燃料ガスに加圧水を直接噴霧して加湿する装置（例えば、特開平５−５４９００号公報）、水蒸気を透過するガス拡散膜を介して燃料ガスを加湿する装置（例えば、特開平３−２０９７１号公報）、四フッ化エチレン樹脂製の多孔質膜を介して燃料ガスを加湿する装置（例えば、特開平３−２６９９５８号公報）等が提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの加湿装置では、いずれも加湿する水の量（加湿量）を適正かつ容易にコントロールすることができないという問題があった。バブリングして加湿する装置では、加湿量は、燃料ガスの温度や燃料ガスと水との接触時間等により定まり、燃料ガス量に対して所望の加湿量とはならない。燃料ガスに加圧水を直接噴霧して加湿する装置では、噴射量を制御することにより加湿量をコントロールすることができるが、噴霧ノズルの状態により噴霧状態が変化し、時には噴霧ノズルに異物が詰まり加湿できない場合を生じる。ガス拡散膜を用いて加湿する装置では、液相の水を用いることができず、水蒸気とするために水を加熱しなければならない。四フッ化エチレン樹脂製の多孔質膜を用いる加湿装置では、多孔質膜上で気化した水の量だけ多孔質膜に隣接した多孔体から液相の水が補給される構造であり、その補給される水量を精度よく調節或いは設定することは困難である。
【０００７】
加湿量を調整できないこのような旧来の装置では、燃料ガスを過剰に加湿してしまうことがあり、この場合には、水蒸気が電極上で結露して電極を濡らし、電極への燃料ガスの供給を妨げ、燃料電池の性能を低下させてしまうという問題をも生じる。
【０００８】
本発明の燃料電池の加湿装置は、こうした問題を解決し、加湿量を適正かつ容易にコントロールすることを目的としてなされ、次の構成を採った
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池の加湿装置は、燃料電池の電極に供給される２種類の燃料である水素ガスと酸素ガスのうちの一方を含む燃料ガスを加湿する加湿装置であって、
前記燃料ガスの流路および水の流路に接し、該燃料ガスと該水との圧力差に応じて該水を透過する多孔膜と、
前記燃料ガスの流路内の燃料ガス圧を測定する圧力計と、
前記水の流路内の水圧を測定する圧力計と、
圧力差調整手段と、
を備え、
前記圧力差調整手段は、前記圧力差を設定し、前記燃料ガスと前記水のそれぞれの圧力計を用いて測定される圧力差が前記設定した圧力差になるように前記燃料ガスの圧力と前記水の圧力のうちの少なくとも一方を調整することを要旨とする。
【００１０】
ここで、前記加湿装置において、前記多孔膜は、直径１０-8ｍないし１０-7ｍの孔を多数有するポリオレフィン系（ＣnＨ2n）樹脂フィルムである構成とすることもできる。また、前記加湿装置において、前記多孔膜の前記燃料ガスの流路側に設けられ、該多孔膜を透過した水を該燃料ガスに気化させる親水層を備えた構成とすることもできる。この親水層は、前記多孔膜にラミネートした不織布である構成とすることもできる。
【００１１】
【作用】
以上のように構成された本発明の燃料電池の加湿装置は、多孔膜が、圧力差調整手段により設定され調整された燃料ガスと水との圧力差に応じて水を透過する。透過した水は、気化して水蒸気となり燃料ガスと混合する。この結果、多孔膜を透過する水量の調整が可能となり、ひいては燃料ガスの加湿量の調整が可能となる。
【００１２】
ここで、多孔膜の燃料ガスの流路側に多孔膜を透過した水を燃料ガスに気化させる親水層を備えた加湿装置とすれば、燃料ガスと水との接触面積が大きくなり、加湿能力が増す。特に、親水層を多孔膜にラミネートした不織布とすれば、製造も容易となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以上説明した本発明の構成・作用を一層明らかにするために、以下本発明の好適な実施例について説明する。図１は、本発明の燃料電池の加湿装置の実施例を適用した固体高分子型燃料電池１０の概略構成を例示した模式図である。固体高分子型燃料電池１０は、単電池のセル１００と冷却水流路２００とをその厚み方向に複数積層してなる発電ゾーン２０と、水素ガスを加湿する水素ガス加湿層３００および酸素含有ガスを加湿する酸素含有ガス加湿層４００からなる加湿ゾーン３０と、水素ガス加湿層３０で水素ガスの加湿量を制御する制御装置８００とを備える。
【００１４】
セル１００は、その構造の概略を例示した図２のように、電解質膜１１０と、この電解質１１０を両側から挟んでサンドイッチ構造とするカソード１２０およびアノード１３０と、このサンドイッチ構造を両側から挟むと共にカソード１２０およびアノード１３０とでカソード側燃料およびアノード側燃料の流路を形成する集電極１４０および１５０と、集電極１４０および１５０の外側に配置されセル１００を積層した際の隔壁をなすセパレータ１６０とにより構成されている。
【００１５】
電解質膜１１０は、高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気電導性を示す。カソード１２０およびアノード１３０は、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形成されており、このカーボンクロスには、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金等を担持したカーボン粉がクロスの隙間に練り込まれている。集電極１４０および１５０は、多孔質でガス透過性を有する気孔率が４０ないし８０％のポーラスカーボンにより形成されている。集電極１４０は、カソード１２０の表面とでカソード燃料の酸素含有ガスの流路をなすと共にカソード１２０で生成する水の集水路をなす酸素ガス流路１４８を形成する。また、集電極１５０は、アノード１３０の表面とでアノード燃料の水素ガスと水蒸気との混合ガスの流路をなす水素ガス流路１５８を形成する。セパレータ１６０は、カーボンを圧縮してガス不透過としたガス不透過カーボンにより形成されており、電解質膜１１０，電極１２０，１３０，集電極１４０および１５０により構成されるセルをその厚み方向に積層する際の隔壁をなす。
【００１６】
水素ガス加湿層３００は、その構造の概略を例示した図３のように、水素ガス加湿層３００の中央層を形成する水流路構造体３０５と、水流路構造体３０５の両側に配置して水流路構造体３０５とで水流路３０８を形成すると共に水流路３０８の水を透過する水透過層３１０と、水透過層３１０の外側に配置され水素ガス加湿層３００の外層をなすと共に水透過層３１０とで水素ガス流路３４８を形成するガス流路構造体３４０とにより構成されている。以下に、さらに詳しく説明する。
【００１７】
水流路構造体３０５は、カーボンを圧縮してガス不透過としたガス不透過カーボンにより形成されている。水流路構造体３０５は、所定の厚みの枠形状をしており、その厚み方向の両側を水透過層３１０で挟まれることにより水流路３０８を形成する。この水流路３０８は、水流路構造体３０５と水透過層３１０とをシール部材３０６によりシールすることにより水密となっている。なお、実施例では水流路構造体３０５をガス不透過カーボンにより形成したが、水に対して安定な材質であれば如何なる材質により形成してもかまわない。
【００１８】
水透過層３１０は、ポリプロピレン製で孔径１０-8ないし１０-7の孔を多数有するフィルム状のマイクロポーラスフィルム３１２と、このマイクロポーラスフィルム３１２のガス流路構造体３４０側の表面にラミネートした親水層３１４とからなる。
【００１９】
マイクロポーラスフィルム３１２は、フィルムを境とした両側の圧力差に応じて水を透過する。マイクロポーラスフィルム３１２に作用する圧力とマイクロポーラスフィルム３１２を透過する水量との関係の一例を表わしたグラフを図４に示す。図中、直線Ａは、最大孔径０．２５×０．０７５μｍ，空孔率４５％，厚み２５μｍのマイクロポーラスフィルムが、その表面を界面活性剤により親水処理された場合に示す特性であり、直線Ｂは、最大孔径０．１２５×０．０５μｍ，空孔率３８％，厚み２５μｍのマイクロポーラスフィルムが、その表面を界面活性剤により親水処理された場合に示す特性である。マイクロポーラスフィルムの両側に作用する燃料ガスと水の圧力差に対して、このフィルムを透過する水の量は、マイクロポーラスフィルムの孔径や空孔率，厚み，フィルムの表面状態によって定まる。マイクロポーラスフィルム３１２は、例えば、ダイセル化学工業から商品名「セルガード」として入手することができる。
【００２０】
親水層３１４は、ポリプロピレンを材料とした不織布からなり、マイクロポーラスフィルム３１２を透過した水と水素ガスとの接触面積を大きくして、加湿能力を高める。なお、実施例では、親水層３１４を備えた水透過層３１０としたが、親水層３１４のない構成でもかまわない。
【００２１】
ガス流路構造体３４０は、ガス不透過カーボンにより形成されている。ガス流路構造体３４０の水透過層３１０側の表面には、平行に配列された複数の凸部３４２が設けられており、複数の凸部３４２と水透過層３１０とで複数の水素ガス流路３４８を形成する。また、ガス流路構造体３４０と水透過層３１０は、シール部材３４６によりシールされている。なお、実施例ではガス流路構造体３４０をガス不透過カーボンにより形成したが、水素ガスに侵されない材質であれば如何なる材質により形成してもかまわない。
【００２２】
また、水素ガス加湿層３００の水流路３０８と水素ガス流路３４８には、水流路３０８内の水圧を測定する圧力計３０９と、水素ガス流路３４８内の水素ガス圧を測定する圧力計３４９とが設けられており、圧力計３０９および圧力計３４８は、制御装置８００に接続されている。
【００２３】
こうして構成された水素ガス加湿層３００は、水流路３０８を流れる水の圧力と水素ガス流路３４８を流れる水素ガスの圧力との差に応じて水流路３０８の水がマイクロポーラスフィルム３１２を透過する。この透過した水は、親水層３１４で水素ガス中に気化して水素ガスを加湿する。
【００２４】
固体高分子型燃料電池１０に用いられる燃料ガスのうち酸素含有ガスを加湿する酸素含有ガス加湿層４００は、水素ガス加湿層３００を構成する水流路構造体３０５，水透過層３１０およびガス流路構造体３４０と同一の水流路構造体４０５，水透過層４１０およびガス流路構造体４４０を備え、水素ガス加湿層３００の水流路４０８および水素ガス流路３４８に相当する水流路４０８および酸素ガス流路４４８とを有する。また、水透過層４１０は、水透過層３１０と同様にマイクロポーラスフィルム４１２と親水層４１４とから構成されている。したがって、酸素含有ガス加湿層４００は、水流路４０８を流れる水の圧力と酸素ガス流路４４８を流れる酸素含有ガスの圧力との差に応じて水流路４０８の水がマイクロポーラスフィルム４１２を透過する。この透過した水は、親水層４１４で酸素含有ガス中に気化して酸素含有ガスを加湿する。
【００２５】
次に、セル１００の燃料ガスの流路１４８および１５８，冷却水流路２００，水素ガス加湿層３００の水流路３０８および水素ガス流路３４８，酸素含有ガス加湿層４００の水流路４０８および酸素ガス流路４４８等の接続状態について説明する。発電ゾーン２０の冷却水流路２００の入口は、水通路５２０，ポンプ５００を介して図示しない貯水槽に接続されており、冷却水流路２００の出口は、水通路５２２を介して水素ガス加湿層３００の水流路３０８および酸素含有ガス加湿層４００の水流路４５８の入口に接続されている。したがって、発電ゾーン２０で冷却水として用いられた水が、水素ガス加湿層３００の水流路３０８および酸素含有ガス加湿層４００の水流路４５８へ供給される。また、水流路３０８および水流路４５８の出口は、水通路５２４を介して図示しない熱交換器および貯水槽に接続されている。
【００２６】
また、ポンプ５００には、ポンプ５００の回転数を可変する電動機５１０が設けられている。この電動機５１０は、制御装置８００に接続されており、制御装置８００からの制御信号に基づいて回転数でポンプ５００を駆動する。したがって、ポンプ５００の回転数を変えることで、冷却水流路２００および水流路３０８内の水圧を調整することができる。
【００２７】
水素ガス加湿層３００のガス流路構造体３４０に形成された水素ガス流路３４８の入口は、水素ガス通路６２０，ブロワ６００を介して水素ガス貯蔵槽（図示せず）に接続されており、水素ガス流路３４８の出口は、水素ガス通路６２２を介してセル１００の集電極１５０に形成された水素ガス流路１５８の入口に接続されている。したがって、水素ガス流路１５８には、水素ガスと水蒸気との混合ガスが流入する。また、水素ガス流路１５８の出口は、水素ガス通路６２４を介して水素ガス回収槽（図示せず）に接続されている。
【００２８】
酸素含有ガス加湿層４００のガス流路構造体４４０に形成された酸素ガス流路４４８の入口は、酸素ガス通路７２０を介してブロワ７００に接続されており、酸素ガス流路４４８の出口は、酸素ガス通路７２２を介してセル１００の集電極１４０に形成された酸素ガス流路１４８の入口に接続されている。したがって、酸素ガス流路１４８には、酸素含有ガスと水蒸気との混合ガスが流入する。また、酸素ガス流路１４８の出口は、酸素ガス通路７２４を介して外部大気と接続されている。
【００２９】
制御装置８００は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算等を実行するＣＰＵ８１０、ＣＰＵ８１０で各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭ８２０、同じくＣＰＵ８１０で各種演算処理を実行するのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭ８３０、圧力計３０８および圧力計３４９からの検出信号を入力する入力処理回路８４０、ＣＰＵ８１０での演算結果に応じて電動機５１０に制御信号を出力する出力処理回路８５０を備えている。
【００３０】
こうして構成された固体高分子型燃料電池１０は、上述した化学反応により化学エネルギを直接電気エネルギに変換するが、加湿ゾーン３０で加湿された燃料ガスにより、この化学反応がスムーズに行なわれている。
【００３１】
すなわち、アノード１３０では、水素が水素イオンと電子となる反応が行なわれ、生じた水素イオンが、アノード１３０付近の水と結合して水和状態となって電解質膜１１０内を移動する。このため、そのままでは電解質膜１１０のアノード１３０付近で水が不足するが、この不足は、水素ガスと水蒸気との混合ガス中の水蒸気により補給される。この結果、電解質膜１１０は常に湿潤状態となり、水素イオンは電解質膜１１０内をスムーズに移動することができ、アノード反応がスムーズに行なわれる。カソード１２０では、水素イオンと電子と酸素とにより水を生成する反応が行なわれる。酸素含有ガスと水蒸気の混合ガス中の水蒸気は、運転開始直後の電解質膜１１０の湿潤状態を確保すると共にカソード１２０と集電極１４０等との接触抵抗を低減させる。
【００３２】
次に、水素ガス加湿層３００での加湿量の制御を図５に基づいて説明する。図５は、制御装置８００のＣＰＵ８１０で実行される差圧制御ルーチンを例示したフローチャートである。この差圧制御ルーチンは、ＲＯＭ８２０に記憶されており、固体高分子型燃料電池１０が運転された後、所定時間毎（例えば１０ｍｓｅｃ毎）に実行される。
【００３３】
本ルーチンが実行されると、まずＣＰＵ８１０は、圧力計３０９により測定される水圧Ｐｗと圧力計３４９により測定される水素ガス圧Ｐｈとを入力処理回路８４０を介して読み込む（ステップＳ１００）。次に、固体高分子型燃料電池１０が要求する加湿量Ｗ＊に基づいて水圧と水素ガス圧との設定差圧ΔＰｓｅｔを定める（ステップＳ１１０）。加湿量Ｗ＊は、固体高分子型燃料電池１０の運転状態等により求められるものである。続いて、ステップＳ１００で読み込んだ水圧Ｐｗから水素ガス圧Ｐｈを減じて差圧ΔＰを求め（ステップＳ１２０）、この差圧ΔＰと設定差圧ΔＰｓｅｔとの差の絶対値と閾値Ｐｒｅｆと比較する（ステップＳ１３０）。ここで、閾値Ｐｒｅｆは、差圧ΔＰが設定差圧ΔＰｓｅｔから許容される圧力差の最大値である。この閾値Ｐｒｅｆは、ポンプ５００の回転数を制御できる最小値等により定められる。
【００３４】
差圧ΔＰと設定差圧ΔＰｓｅｔとの差の絶対値が閾値Ｐｒｅｆ以下のときには、適正な加湿量を得るのに適切な差圧であると判断して本ルーチンを終了する。閾値Ｐｒｅｆより大きいときには、差圧ΔＰと設定差圧ΔＰｓｅｔとの差に制御ゲインＫを乗じて回転数増減量ΔＦを求め（ステップＳ１４０）、ＣＰＵ８１０から出力処理回路８５０を介して電動機５１０に制御信号を出力して、ポンプ５００の回転数を回転数増減量ΔＦだけ増減させる（ステップＳ１５０）。こうして水圧Ｐｗと水素ガス圧Ｐｈとの差圧ΔＰを設定差圧ΔＰｓｅｔにして適正な加湿量とする。
【００３５】
次に、固体高分子型燃料電池１０の特性を具体例を用いて説明する。図６は、固体高分子型燃料電池１０の電流密度と電圧との関係の一例を例示したグラフである。図中曲線Ｃは、次の固体高分子型燃料電池１０が示す運転特性である。この固体高分子型燃料電池１０の発電ゾーン２０は、電解質膜１１０としてデュポン社製Ｎａｆｉｏｎ膜（商品名）を用い、白金０．４ｍｇ／ｃｍ2 を担持したカーボンクロスのカソード１２０およびアノード１３０とをホットプレス法により電解質膜１１０に圧着し、電極面積１４４ｃｍ2 として形成したセル１００を５０セル積層して構成されている。また、加湿ゾーン３０は、図４の直線Ａの特性を持つマイクロポーラスフィルム３１２にポリプロピレン製の不織布をラミネートし、透過面積１４４ｃｍ2 として形成した水透過層３１０，４１０を用いた水素ガス加湿層３００および酸素含有ガス加湿層４００により構成されている。燃料ガスおよび冷却水の運転条件は、水素ガスの圧力および酸素含有ガスの圧力は共に２ｋｇ／ｃｍ2 で、冷却水の圧力は２．２ｋｇ／ｃｍ2 である。
【００３６】
燃料ガスの圧力と冷却水の圧力との差である０．２ｋｇ／ｃｍ2 は、固体高分子型燃料電池１０を電流密度１Ａ／ｃｍ2で運転しても十分な補給水を得ることができることを意味する。すなわち、この固体高分子型燃料電池１０を電流密度１Ａ／ｃｍ2 で運転するには、水素ガスは理論流量５０リットル／ｍｉｎ、ストイキ比１．３として６５リットル／ｍｉｎが必要となる。この場合、水素イオンが電解質膜１１０内を３分子の水と水和した状態で移動し、カソード１２０で生成する水が電解質膜１１０内へ拡散することを考慮して、水素イオン１個に対して０．２分子の水が不足すると仮定すれば、電解質膜１１０で不足する水量は、約２２ｇ／ｍｉｎとなり、単位面積（１ｃｍ2 ）当たりに換算するとの０．０８ｇ／ｍｉｎとなる。この透過流量を得るマイクロポーラスフィルム３１２の圧力は、図４の直線Ａから０．１９ｋｇ／ｃｍ2 と求められる。したがって、圧力差０．２ｋｇ／ｃｍ2 は、固体高分子型燃料電池１０を電流密度１Ａ／ｃｍ2 で運転しても十分な水を補給し得る値である。
【００３７】
図中曲線Ｄは、曲線Ｃの特性を示す固体高分子型燃料電池１０と水透過層３１０のみが異なる固体高分子型燃料電池が、同一の燃料ガスおよび冷却水の運転条件で運転したときに示す運転特性である。この固体高分子型燃料電池の水透過層３１０は、マイクロポーラスフィルム３１２のみで構成され、親水層３１４のないものである。また、図中曲線Ｅは、曲線Ｃの特性を示す固体高分子型燃料電池１０の発電ゾーン２０と同一構成で、固体高分子型燃料電池１０の加湿ゾーン３０に代えて水素ガスおよび酸素含有ガスをバブリングする加湿装置を用いた固体高分子型燃料電池が、曲線Ｃと同一の条件で運転したときに示す運転特性である。
【００３８】
図示するように、水透過層３１０を用いた固体高分子型燃料電池（曲線Ｃおよび曲線Ｄ）は、バブリングにより加湿した固体高分子型燃料電池（曲線Ｅ）に比較して、電流密度の全領域において内部抵抗が小さく、高い電圧を示す。特に高電流密度領域では、顕著な差を示す。親水層３１４を備えた水透過層３１０を用いた固体高分子型燃料電池１０（曲線Ｃ）は、マイクロポーラスフィルム３１２のみで親水層３１４のない水透過層３１０を用いた固体高分子型燃料電池（曲線Ｄ）に比して電流密度の全領域で高い電圧を示す。
【００３９】
以上説明した固体高分子型燃料電池１０では、水透過層３１０にマイクロポーラスフィルム３１２を用いたので液相の水を透過して、燃料ガスを加湿することができる。また、マイクロポーラスフィルム３１２の透過水量は、マイクロポーラスフィルム３１２に作用する燃料ガスの圧力と水の圧力との差によって定まるので、圧力差を調整することにより加湿量を容易にコントロールすることができる。したがって、固体高分子型燃料電池１０の運転状態に応じて圧力差を制御して加湿量をコントロールすることも可能である。
【００４０】
また、マイクロポーラスフィルム３１２の表面にポリプロピレン製の不織布をラミネートして親水層３１４を設けたので、燃料ガスと水との接触面積を大きくすることができ、加湿能力を高めることができる。この結果、加湿ゾーン３０を小型化できる。さらに、燃料ガスを加湿する水に固体高分子型燃料電池１０の冷却水を用いたので、固体高分子型燃料電池１０の構造をシンプルとすることができ、小型化および低コスト化することができる。このように固体高分子型燃料電池を小型化およびシンプル化することができるので、自動車等の移動体に搭載する電池として有効なものとなる。
【００４１】
なお、本実施例では、加湿装置を加湿ゾーン３０として固体高分子型燃料電池本体の発電ゾーン２０と一体としたが、固体高分子型燃料電池本体と別体とする構成も好適である。また、実施例では、燃料ガスを加湿する水に発電ゾーン２０の冷却水を用いたが、加湿専用の水を用いる構成も差し支えない。さらに、実施例では、燃料ガスを加湿するのに水素ガス加湿層３００と酸素含有ガス加湿層４００とを設けそれぞれに水の流路を形成したが、水の流路を挟む二つのガス流路構造体により形成される流路の一方を水素ガスの流路とし、他方を酸素ガスの流路とした構成も好適である。もとより、セル１００および冷却水流路２００からなる発電ゾーン２０は、如何なる積層数および冷却水流路２００の配置であってもかまわない。
【００４２】
また、本実施例では、固体高分子型燃料電池１０に水素ガス貯蔵槽（図示せず）から水素ガスを供給したが、メタノール改質等により水素リッチガスを生成して固体高分子型燃料電池１０に供給する構成も好適である。この場合、固体高分子型燃料電池１０内への水素リッチガスの流入温度を通常の加湿器を用いる場合に比べて若干高め（例えば、９０℃程度）としておき、気化熱によって水素ガス温度が所定温度（例えば８０℃）以下となるのを防止するのが望ましい。メタノール改質にて生成される水素リッチガスの温度は、通常２００℃〜３００℃であり、固体高分子型燃料電池１０の作動温度よりかなり高温なので、温度を下げるために熱交換器等を備えている。よって、この熱交換器等の設定温度を高めに設定することで水素リッチガスの流入温度を調節し得る。
【００４３】
本実施例では、水圧Ｐｗと水素ガス圧Ｐｈとの差圧ΔＰをポンプ５００の回転数を変えることにより調整したが、ブロワ６００の加圧量を変えることにより調整する構成、ポンプ５００の回転数およびブロワ６００の加圧量を変えることにより調整する構成も好適である。また、本実施例では酸素含有ガスの加湿量は、水素ガスの加湿量の調整に伴って調整される構成としたが、ブロワ７００の加圧量を調整することにより水素ガスの加湿量とは独立に調整する構成も好適である。
【００４４】
以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の燃料電池の加湿装置では、多孔膜に作用する燃料ガスの圧力と水の圧力との差を調整することにより多孔膜を透過する水量を容易に調整することができるという効果を奏する。したがって、燃料ガスの加湿を適正に行なうことができる。
【００４６】
また、親水層を備えた加湿装置とすれば、燃料ガスと水との接触面積を大きくすることができ、加湿能力を高めることができる。この結果、装置を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例である燃料電池の加湿装置を備えた固体高分子型燃料電池１０の構造の概略を例示したのブロック図である。
【図２】 セル１００の構造の概略を例示した構造図である。
【図３】 水素ガス加湿層３００の構造の概略を例示した構造図である。
【図４】 マイクロポーラスフィルム３１２に作用する圧力と透過する水量との関係の一例を表わしたグラフである。
【図５】 制御装置８００のＣＰＵ８１０で実行される差圧制御ルーチンを例示したフローチャートである。
【図６】 固体高分子型燃料電池１０の電流密度と電圧との関係の一例を例示したグラフである。
【符号の説明】
１０…固体高分子型燃料電池
２０…発電ゾーン
３０…加湿ゾーン
１００…セル
１１０…電解質膜
１２０…カソード
１３０…アノード
１４０…集電極
１４８…酸素ガス流路
１５０…集電極
１５８…水素ガス流路
１６０…セパレータ
２００…冷却水流路
３００…水素ガス加湿層
３０５…水流路構造体
３０６，３４６…シール部材
３０８…水流路
３０９…圧力計
３１０…水透過層
３１２…マイクロポーラスフィルム
３１４…親水層
３４０…ガス流路構造体
３４２…凸部
３４８…水素ガス流路
３４９…圧力計
４００…酸素含有ガス加湿層
４０５…水流路構造体
４０８…水流路
４１０…水透過層
４１２…マイクロポーラスフィルム
４１４…親水層
４４０…ガス流路構造体
４４８…酸素ガス流路
５００…ポンプ
５１０…電動機
５２０，５２２，５２４…水通路
６００，７００…ブロワ
６２０，６２２，６２４…水素ガス通路
７２０，７２２，７２４…酸素ガス通路
８００…制御装置
８１０…ＣＰＵ
８２０…ＲＯＭ
８３０…ＲＡＭ
８４０…入力処理回路
８５０…出力処理回路
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の加湿装置に関し、詳しくは燃料電池の電極に供給する燃料ガスを加湿する加湿装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池では、次式に示すように、アノードでは水素ガスを水素イオンと電子にする反応が、カソードでは酸素ガスと水素イオンおよび電子から水を生成する反応が行なわれる。
【０００３】
アノード反応：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ-
カソード反応：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2Ｏ
【０００４】
アノードで発生した水素イオンは、水和状態（Ｈ+・ｘＨ2Ｏ）となって電解質膜中をカソードに移動する。このため、電解質膜のアノード側表面付近では、水が不足する状態となり、上述の反応を連続して行なうには、この不足する水を補給する必要がある。固体高分子型燃料電池に用いられる電解質膜は、湿潤状態で良好な電気伝導性を有するが、含水率が低下すると、電解質膜の電気抵抗が大きくなって電解質として十分に機能しなくなり、場合によっては、電極反応を停止させてしまう。
【０００５】
この水の補給は、燃料ガスを加湿することにより行なうのが一般的である。燃料ガスを加湿する装置としては、燃料ガスをバブリングして加湿する装置や、燃料ガスに加圧水を直接噴霧して加湿する装置（例えば、特開平５−５４９００号公報）、水蒸気を透過するガス拡散膜を介して燃料ガスを加湿する装置（例えば、特開平３−２０９７１号公報）、四フッ化エチレン樹脂製の多孔質膜を介して燃料ガスを加湿する装置（例えば、特開平３−２６９９５８号公報）等が提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの加湿装置では、いずれも加湿する水の量（加湿量）を適正かつ容易にコントロールすることができないという問題があった。バブリングして加湿する装置では、加湿量は、燃料ガスの温度や燃料ガスと水との接触時間等により定まり、燃料ガス量に対して所望の加湿量とはならない。燃料ガスに加圧水を直接噴霧して加湿する装置では、噴射量を制御することにより加湿量をコントロールすることができるが、噴霧ノズルの状態により噴霧状態が変化し、時には噴霧ノズルに異物が詰まり加湿できない場合を生じる。ガス拡散膜を用いて加湿する装置では、液相の水を用いることができず、水蒸気とするために水を加熱しなければならない。四フッ化エチレン樹脂製の多孔質膜を用いる加湿装置では、多孔質膜上で気化した水の量だけ多孔質膜に隣接した多孔体から液相の水が補給される構造であり、その補給される水量を精度よく調節或いは設定することは困難である。
【０００７】
加湿量を調整できないこのような旧来の装置では、燃料ガスを過剰に加湿してしまうことがあり、この場合には、水蒸気が電極上で結露して電極を濡らし、電極への燃料ガスの供給を妨げ、燃料電池の性能を低下させてしまうという問題をも生じる。
【０００８】
本発明の燃料電池の加湿装置は、こうした問題を解決し、加湿量を適正かつ容易にコントロールすることを目的としてなされ、次の構成を採った
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池の加湿装置は、燃料電池の電極に供給される２種類の燃料である水素ガスと酸素ガスのうちの一方を含む燃料ガスを加湿する加湿装置であって、
前記燃料ガスの流路および水の流路に接し、該燃料ガスと該水との圧力差に応じて該水を透過する多孔膜と、
前記燃料ガスの流路内の燃料ガス圧を測定する圧力計と、
前記水の流路内の水圧を測定する圧力計と、
圧力差調整手段と、
を備え、
前記圧力差調整手段は、前記圧力差を設定し、前記燃料ガスと前記水のそれぞれの圧力計を用いて測定される圧力差が前記設定した圧力差になるように前記燃料ガスの圧力と前記水の圧力のうちの少なくとも一方を調整することを要旨とする。
【００１０】
ここで、前記加湿装置において、前記多孔膜は、直径１０-8ｍないし１０-7ｍの孔を多数有するポリオレフィン系（ＣnＨ2n）樹脂フィルムである構成とすることもできる。また、前記加湿装置において、前記多孔膜の前記燃料ガスの流路側に設けられ、該多孔膜を透過した水を該燃料ガスに気化させる親水層を備えた構成とすることもできる。この親水層は、前記多孔膜にラミネートした不織布である構成とすることもできる。
【００１１】
【作用】
以上のように構成された本発明の燃料電池の加湿装置は、多孔膜が、圧力差調整手段により設定され調整された燃料ガスと水との圧力差に応じて水を透過する。透過した水は、気化して水蒸気となり燃料ガスと混合する。この結果、多孔膜を透過する水量の調整が可能となり、ひいては燃料ガスの加湿量の調整が可能となる。
【００１２】
ここで、多孔膜の燃料ガスの流路側に多孔膜を透過した水を燃料ガスに気化させる親水層を備えた加湿装置とすれば、燃料ガスと水との接触面積が大きくなり、加湿能力が増す。特に、親水層を多孔膜にラミネートした不織布とすれば、製造も容易となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以上説明した本発明の構成・作用を一層明らかにするために、以下本発明の好適な実施例について説明する。図１は、本発明の燃料電池の加湿装置の実施例を適用した固体高分子型燃料電池１０の概略構成を例示した模式図である。固体高分子型燃料電池１０は、単電池のセル１００と冷却水流路２００とをその厚み方向に複数積層してなる発電ゾーン２０と、水素ガスを加湿する水素ガス加湿層３００および酸素含有ガスを加湿する酸素含有ガス加湿層４００からなる加湿ゾーン３０と、水素ガス加湿層３０で水素ガスの加湿量を制御する制御装置８００とを備える。
【００１４】
セル１００は、その構造の概略を例示した図２のように、電解質膜１１０と、この電解質１１０を両側から挟んでサンドイッチ構造とするカソード１２０およびアノード１３０と、このサンドイッチ構造を両側から挟むと共にカソード１２０およびアノード１３０とでカソード側燃料およびアノード側燃料の流路を形成する集電極１４０および１５０と、集電極１４０および１５０の外側に配置されセル１００を積層した際の隔壁をなすセパレータ１６０とにより構成されている。
【００１５】
電解質膜１１０は、高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気電導性を示す。カソード１２０およびアノード１３０は、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形成されており、このカーボンクロスには、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金等を担持したカーボン粉がクロスの隙間に練り込まれている。集電極１４０および１５０は、多孔質でガス透過性を有する気孔率が４０ないし８０％のポーラスカーボンにより形成されている。集電極１４０は、カソード１２０の表面とでカソード燃料の酸素含有ガスの流路をなすと共にカソード１２０で生成する水の集水路をなす酸素ガス流路１４８を形成する。また、集電極１５０は、アノード１３０の表面とでアノード燃料の水素ガスと水蒸気との混合ガスの流路をなす水素ガス流路１５８を形成する。セパレータ１６０は、カーボンを圧縮してガス不透過としたガス不透過カーボンにより形成されており、電解質膜１１０，電極１２０，１３０，集電極１４０および１５０により構成されるセルをその厚み方向に積層する際の隔壁をなす。
【００１６】
水素ガス加湿層３００は、その構造の概略を例示した図３のように、水素ガス加湿層３００の中央層を形成する水流路構造体３０５と、水流路構造体３０５の両側に配置して水流路構造体３０５とで水流路３０８を形成すると共に水流路３０８の水を透過する水透過層３１０と、水透過層３１０の外側に配置され水素ガス加湿層３００の外層をなすと共に水透過層３１０とで水素ガス流路３４８を形成するガス流路構造体３４０とにより構成されている。以下に、さらに詳しく説明する。
【００１７】
水流路構造体３０５は、カーボンを圧縮してガス不透過としたガス不透過カーボンにより形成されている。水流路構造体３０５は、所定の厚みの枠形状をしており、その厚み方向の両側を水透過層３１０で挟まれることにより水流路３０８を形成する。この水流路３０８は、水流路構造体３０５と水透過層３１０とをシール部材３０６によりシールすることにより水密となっている。なお、実施例では水流路構造体３０５をガス不透過カーボンにより形成したが、水に対して安定な材質であれば如何なる材質により形成してもかまわない。
【００１８】
水透過層３１０は、ポリプロピレン製で孔径１０-8ないし１０-7の孔を多数有するフィルム状のマイクロポーラスフィルム３１２と、このマイクロポーラスフィルム３１２のガス流路構造体３４０側の表面にラミネートした親水層３１４とからなる。
【００１９】
マイクロポーラスフィルム３１２は、フィルムを境とした両側の圧力差に応じて水を透過する。マイクロポーラスフィルム３１２に作用する圧力とマイクロポーラスフィルム３１２を透過する水量との関係の一例を表わしたグラフを図４に示す。図中、直線Ａは、最大孔径０．２５×０．０７５μｍ，空孔率４５％，厚み２５μｍのマイクロポーラスフィルムが、その表面を界面活性剤により親水処理された場合に示す特性であり、直線Ｂは、最大孔径０．１２５×０．０５μｍ，空孔率３８％，厚み２５μｍのマイクロポーラスフィルムが、その表面を界面活性剤により親水処理された場合に示す特性である。マイクロポーラスフィルムの両側に作用する燃料ガスと水の圧力差に対して、このフィルムを透過する水の量は、マイクロポーラスフィルムの孔径や空孔率，厚み，フィルムの表面状態によって定まる。マイクロポーラスフィルム３１２は、例えば、ダイセル化学工業から商品名「セルガード」として入手することができる。
【００２０】
親水層３１４は、ポリプロピレンを材料とした不織布からなり、マイクロポーラスフィルム３１２を透過した水と水素ガスとの接触面積を大きくして、加湿能力を高める。なお、実施例では、親水層３１４を備えた水透過層３１０としたが、親水層３１４のない構成でもかまわない。
【００２１】
ガス流路構造体３４０は、ガス不透過カーボンにより形成されている。ガス流路構造体３４０の水透過層３１０側の表面には、平行に配列された複数の凸部３４２が設けられており、複数の凸部３４２と水透過層３１０とで複数の水素ガス流路３４８を形成する。また、ガス流路構造体３４０と水透過層３１０は、シール部材３４６によりシールされている。なお、実施例ではガス流路構造体３４０をガス不透過カーボンにより形成したが、水素ガスに侵されない材質であれば如何なる材質により形成してもかまわない。
【００２２】
また、水素ガス加湿層３００の水流路３０８と水素ガス流路３４８には、水流路３０８内の水圧を測定する圧力計３０９と、水素ガス流路３４８内の水素ガス圧を測定する圧力計３４９とが設けられており、圧力計３０９および圧力計３４８は、制御装置８００に接続されている。
【００２３】
こうして構成された水素ガス加湿層３００は、水流路３０８を流れる水の圧力と水素ガス流路３４８を流れる水素ガスの圧力との差に応じて水流路３０８の水がマイクロポーラスフィルム３１２を透過する。この透過した水は、親水層３１４で水素ガス中に気化して水素ガスを加湿する。
【００２４】
固体高分子型燃料電池１０に用いられる燃料ガスのうち酸素含有ガスを加湿する酸素含有ガス加湿層４００は、水素ガス加湿層３００を構成する水流路構造体３０５，水透過層３１０およびガス流路構造体３４０と同一の水流路構造体４０５，水透過層４１０およびガス流路構造体４４０を備え、水素ガス加湿層３００の水流路４０８および水素ガス流路３４８に相当する水流路４０８および酸素ガス流路４４８とを有する。また、水透過層４１０は、水透過層３１０と同様にマイクロポーラスフィルム４１２と親水層４１４とから構成されている。したがって、酸素含有ガス加湿層４００は、水流路４０８を流れる水の圧力と酸素ガス流路４４８を流れる酸素含有ガスの圧力との差に応じて水流路４０８の水がマイクロポーラスフィルム４１２を透過する。この透過した水は、親水層４１４で酸素含有ガス中に気化して酸素含有ガスを加湿する。
【００２５】
次に、セル１００の燃料ガスの流路１４８および１５８，冷却水流路２００，水素ガス加湿層３００の水流路３０８および水素ガス流路３４８，酸素含有ガス加湿層４００の水流路４０８および酸素ガス流路４４８等の接続状態について説明する。発電ゾーン２０の冷却水流路２００の入口は、水通路５２０，ポンプ５００を介して図示しない貯水槽に接続されており、冷却水流路２００の出口は、水通路５２２を介して水素ガス加湿層３００の水流路３０８および酸素含有ガス加湿層４００の水流路４５８の入口に接続されている。したがって、発電ゾーン２０で冷却水として用いられた水が、水素ガス加湿層３００の水流路３０８および酸素含有ガス加湿層４００の水流路４５８へ供給される。また、水流路３０８および水流路４５８の出口は、水通路５２４を介して図示しない熱交換器および貯水槽に接続されている。
【００２６】
また、ポンプ５００には、ポンプ５００の回転数を可変する電動機５１０が設けられている。この電動機５１０は、制御装置８００に接続されており、制御装置８００からの制御信号に基づいて回転数でポンプ５００を駆動する。したがって、ポンプ５００の回転数を変えることで、冷却水流路２００および水流路３０８内の水圧を調整することができる。
【００２７】
水素ガス加湿層３００のガス流路構造体３４０に形成された水素ガス流路３４８の入口は、水素ガス通路６２０，ブロワ６００を介して水素ガス貯蔵槽（図示せず）に接続されており、水素ガス流路３４８の出口は、水素ガス通路６２２を介してセル１００の集電極１５０に形成された水素ガス流路１５８の入口に接続されている。したがって、水素ガス流路１５８には、水素ガスと水蒸気との混合ガスが流入する。また、水素ガス流路１５８の出口は、水素ガス通路６２４を介して水素ガス回収槽（図示せず）に接続されている。
【００２８】
酸素含有ガス加湿層４００のガス流路構造体４４０に形成された酸素ガス流路４４８の入口は、酸素ガス通路７２０を介してブロワ７００に接続されており、酸素ガス流路４４８の出口は、酸素ガス通路７２２を介してセル１００の集電極１４０に形成された酸素ガス流路１４８の入口に接続されている。したがって、酸素ガス流路１４８には、酸素含有ガスと水蒸気との混合ガスが流入する。また、酸素ガス流路１４８の出口は、酸素ガス通路７２４を介して外部大気と接続されている。
【００２９】
制御装置８００は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算等を実行するＣＰＵ８１０、ＣＰＵ８１０で各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭ８２０、同じくＣＰＵ８１０で各種演算処理を実行するのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭ８３０、圧力計３０８および圧力計３４９からの検出信号を入力する入力処理回路８４０、ＣＰＵ８１０での演算結果に応じて電動機５１０に制御信号を出力する出力処理回路８５０を備えている。
【００３０】
こうして構成された固体高分子型燃料電池１０は、上述した化学反応により化学エネルギを直接電気エネルギに変換するが、加湿ゾーン３０で加湿された燃料ガスにより、この化学反応がスムーズに行なわれている。
【００３１】
すなわち、アノード１３０では、水素が水素イオンと電子となる反応が行なわれ、生じた水素イオンが、アノード１３０付近の水と結合して水和状態となって電解質膜１１０内を移動する。このため、そのままでは電解質膜１１０のアノード１３０付近で水が不足するが、この不足は、水素ガスと水蒸気との混合ガス中の水蒸気により補給される。この結果、電解質膜１１０は常に湿潤状態となり、水素イオンは電解質膜１１０内をスムーズに移動することができ、アノード反応がスムーズに行なわれる。カソード１２０では、水素イオンと電子と酸素とにより水を生成する反応が行なわれる。酸素含有ガスと水蒸気の混合ガス中の水蒸気は、運転開始直後の電解質膜１１０の湿潤状態を確保すると共にカソード１２０と集電極１４０等との接触抵抗を低減させる。
【００３２】
次に、水素ガス加湿層３００での加湿量の制御を図５に基づいて説明する。図５は、制御装置８００のＣＰＵ８１０で実行される差圧制御ルーチンを例示したフローチャートである。この差圧制御ルーチンは、ＲＯＭ８２０に記憶されており、固体高分子型燃料電池１０が運転された後、所定時間毎（例えば１０ｍｓｅｃ毎）に実行される。
【００３３】
本ルーチンが実行されると、まずＣＰＵ８１０は、圧力計３０９により測定される水圧Ｐｗと圧力計３４９により測定される水素ガス圧Ｐｈとを入力処理回路８４０を介して読み込む（ステップＳ１００）。次に、固体高分子型燃料電池１０が要求する加湿量Ｗ＊に基づいて水圧と水素ガス圧との設定差圧ΔＰｓｅｔを定める（ステップＳ１１０）。加湿量Ｗ＊は、固体高分子型燃料電池１０の運転状態等により求められるものである。続いて、ステップＳ１００で読み込んだ水圧Ｐｗから水素ガス圧Ｐｈを減じて差圧ΔＰを求め（ステップＳ１２０）、この差圧ΔＰと設定差圧ΔＰｓｅｔとの差の絶対値と閾値Ｐｒｅｆと比較する（ステップＳ１３０）。ここで、閾値Ｐｒｅｆは、差圧ΔＰが設定差圧ΔＰｓｅｔから許容される圧力差の最大値である。この閾値Ｐｒｅｆは、ポンプ５００の回転数を制御できる最小値等により定められる。
【００３４】
差圧ΔＰと設定差圧ΔＰｓｅｔとの差の絶対値が閾値Ｐｒｅｆ以下のときには、適正な加湿量を得るのに適切な差圧であると判断して本ルーチンを終了する。閾値Ｐｒｅｆより大きいときには、差圧ΔＰと設定差圧ΔＰｓｅｔとの差に制御ゲインＫを乗じて回転数増減量ΔＦを求め（ステップＳ１４０）、ＣＰＵ８１０から出力処理回路８５０を介して電動機５１０に制御信号を出力して、ポンプ５００の回転数を回転数増減量ΔＦだけ増減させる（ステップＳ１５０）。こうして水圧Ｐｗと水素ガス圧Ｐｈとの差圧ΔＰを設定差圧ΔＰｓｅｔにして適正な加湿量とする。
【００３５】
次に、固体高分子型燃料電池１０の特性を具体例を用いて説明する。図６は、固体高分子型燃料電池１０の電流密度と電圧との関係の一例を例示したグラフである。図中曲線Ｃは、次の固体高分子型燃料電池１０が示す運転特性である。この固体高分子型燃料電池１０の発電ゾーン２０は、電解質膜１１０としてデュポン社製Ｎａｆｉｏｎ膜（商品名）を用い、白金０．４ｍｇ／ｃｍ2 を担持したカーボンクロスのカソード１２０およびアノード１３０とをホットプレス法により電解質膜１１０に圧着し、電極面積１４４ｃｍ2 として形成したセル１００を５０セル積層して構成されている。また、加湿ゾーン３０は、図４の直線Ａの特性を持つマイクロポーラスフィルム３１２にポリプロピレン製の不織布をラミネートし、透過面積１４４ｃｍ2 として形成した水透過層３１０，４１０を用いた水素ガス加湿層３００および酸素含有ガス加湿層４００により構成されている。燃料ガスおよび冷却水の運転条件は、水素ガスの圧力および酸素含有ガスの圧力は共に２ｋｇ／ｃｍ2 で、冷却水の圧力は２．２ｋｇ／ｃｍ2 である。
【００３６】
燃料ガスの圧力と冷却水の圧力との差である０．２ｋｇ／ｃｍ2 は、固体高分子型燃料電池１０を電流密度１Ａ／ｃｍ2で運転しても十分な補給水を得ることができることを意味する。すなわち、この固体高分子型燃料電池１０を電流密度１Ａ／ｃｍ2 で運転するには、水素ガスは理論流量５０リットル／ｍｉｎ、ストイキ比１．３として６５リットル／ｍｉｎが必要となる。この場合、水素イオンが電解質膜１１０内を３分子の水と水和した状態で移動し、カソード１２０で生成する水が電解質膜１１０内へ拡散することを考慮して、水素イオン１個に対して０．２分子の水が不足すると仮定すれば、電解質膜１１０で不足する水量は、約２２ｇ／ｍｉｎとなり、単位面積（１ｃｍ2 ）当たりに換算するとの０．０８ｇ／ｍｉｎとなる。この透過流量を得るマイクロポーラスフィルム３１２の圧力は、図４の直線Ａから０．１９ｋｇ／ｃｍ2 と求められる。したがって、圧力差０．２ｋｇ／ｃｍ2 は、固体高分子型燃料電池１０を電流密度１Ａ／ｃｍ2 で運転しても十分な水を補給し得る値である。
【００３７】
図中曲線Ｄは、曲線Ｃの特性を示す固体高分子型燃料電池１０と水透過層３１０のみが異なる固体高分子型燃料電池が、同一の燃料ガスおよび冷却水の運転条件で運転したときに示す運転特性である。この固体高分子型燃料電池の水透過層３１０は、マイクロポーラスフィルム３１２のみで構成され、親水層３１４のないものである。また、図中曲線Ｅは、曲線Ｃの特性を示す固体高分子型燃料電池１０の発電ゾーン２０と同一構成で、固体高分子型燃料電池１０の加湿ゾーン３０に代えて水素ガスおよび酸素含有ガスをバブリングする加湿装置を用いた固体高分子型燃料電池が、曲線Ｃと同一の条件で運転したときに示す運転特性である。
【００３８】
図示するように、水透過層３１０を用いた固体高分子型燃料電池（曲線Ｃおよび曲線Ｄ）は、バブリングにより加湿した固体高分子型燃料電池（曲線Ｅ）に比較して、電流密度の全領域において内部抵抗が小さく、高い電圧を示す。特に高電流密度領域では、顕著な差を示す。親水層３１４を備えた水透過層３１０を用いた固体高分子型燃料電池１０（曲線Ｃ）は、マイクロポーラスフィルム３１２のみで親水層３１４のない水透過層３１０を用いた固体高分子型燃料電池（曲線Ｄ）に比して電流密度の全領域で高い電圧を示す。
【００３９】
以上説明した固体高分子型燃料電池１０では、水透過層３１０にマイクロポーラスフィルム３１２を用いたので液相の水を透過して、燃料ガスを加湿することができる。また、マイクロポーラスフィルム３１２の透過水量は、マイクロポーラスフィルム３１２に作用する燃料ガスの圧力と水の圧力との差によって定まるので、圧力差を調整することにより加湿量を容易にコントロールすることができる。したがって、固体高分子型燃料電池１０の運転状態に応じて圧力差を制御して加湿量をコントロールすることも可能である。
【００４０】
また、マイクロポーラスフィルム３１２の表面にポリプロピレン製の不織布をラミネートして親水層３１４を設けたので、燃料ガスと水との接触面積を大きくすることができ、加湿能力を高めることができる。この結果、加湿ゾーン３０を小型化できる。さらに、燃料ガスを加湿する水に固体高分子型燃料電池１０の冷却水を用いたので、固体高分子型燃料電池１０の構造をシンプルとすることができ、小型化および低コスト化することができる。このように固体高分子型燃料電池を小型化およびシンプル化することができるので、自動車等の移動体に搭載する電池として有効なものとなる。
【００４１】
なお、本実施例では、加湿装置を加湿ゾーン３０として固体高分子型燃料電池本体の発電ゾーン２０と一体としたが、固体高分子型燃料電池本体と別体とする構成も好適である。また、実施例では、燃料ガスを加湿する水に発電ゾーン２０の冷却水を用いたが、加湿専用の水を用いる構成も差し支えない。さらに、実施例では、燃料ガスを加湿するのに水素ガス加湿層３００と酸素含有ガス加湿層４００とを設けそれぞれに水の流路を形成したが、水の流路を挟む二つのガス流路構造体により形成される流路の一方を水素ガスの流路とし、他方を酸素ガスの流路とした構成も好適である。もとより、セル１００および冷却水流路２００からなる発電ゾーン２０は、如何なる積層数および冷却水流路２００の配置であってもかまわない。
【００４２】
また、本実施例では、固体高分子型燃料電池１０に水素ガス貯蔵槽（図示せず）から水素ガスを供給したが、メタノール改質等により水素リッチガスを生成して固体高分子型燃料電池１０に供給する構成も好適である。この場合、固体高分子型燃料電池１０内への水素リッチガスの流入温度を通常の加湿器を用いる場合に比べて若干高め（例えば、９０℃程度）としておき、気化熱によって水素ガス温度が所定温度（例えば８０℃）以下となるのを防止するのが望ましい。メタノール改質にて生成される水素リッチガスの温度は、通常２００℃〜３００℃であり、固体高分子型燃料電池１０の作動温度よりかなり高温なので、温度を下げるために熱交換器等を備えている。よって、この熱交換器等の設定温度を高めに設定することで水素リッチガスの流入温度を調節し得る。
【００４３】
本実施例では、水圧Ｐｗと水素ガス圧Ｐｈとの差圧ΔＰをポンプ５００の回転数を変えることにより調整したが、ブロワ６００の加圧量を変えることにより調整する構成、ポンプ５００の回転数およびブロワ６００の加圧量を変えることにより調整する構成も好適である。また、本実施例では酸素含有ガスの加湿量は、水素ガスの加湿量の調整に伴って調整される構成としたが、ブロワ７００の加圧量を調整することにより水素ガスの加湿量とは独立に調整する構成も好適である。
【００４４】
以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の燃料電池の加湿装置では、多孔膜に作用する燃料ガスの圧力と水の圧力との差を調整することにより多孔膜を透過する水量を容易に調整することができるという効果を奏する。したがって、燃料ガスの加湿を適正に行なうことができる。
【００４６】
また、親水層を備えた加湿装置とすれば、燃料ガスと水との接触面積を大きくすることができ、加湿能力を高めることができる。この結果、装置を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例である燃料電池の加湿装置を備えた固体高分子型燃料電池１０の構造の概略を例示したのブロック図である。
【図２】 セル１００の構造の概略を例示した構造図である。
【図３】 水素ガス加湿層３００の構造の概略を例示した構造図である。
【図４】 マイクロポーラスフィルム３１２に作用する圧力と透過する水量との関係の一例を表わしたグラフである。
【図５】 制御装置８００のＣＰＵ８１０で実行される差圧制御ルーチンを例示したフローチャートである。
【図６】 固体高分子型燃料電池１０の電流密度と電圧との関係の一例を例示したグラフである。
【符号の説明】
１０…固体高分子型燃料電池
２０…発電ゾーン
３０…加湿ゾーン
１００…セル
１１０…電解質膜
１２０…カソード
１３０…アノード
１４０…集電極
１４８…酸素ガス流路
１５０…集電極
１５８…水素ガス流路
１６０…セパレータ
２００…冷却水流路
３００…水素ガス加湿層
３０５…水流路構造体
３０６，３４６…シール部材
３０８…水流路
３０９…圧力計
３１０…水透過層
３１２…マイクロポーラスフィルム
３１４…親水層
３４０…ガス流路構造体
３４２…凸部
３４８…水素ガス流路
３４９…圧力計
４００…酸素含有ガス加湿層
４０５…水流路構造体
４０８…水流路
４１０…水透過層
４１２…マイクロポーラスフィルム
４１４…親水層
４４０…ガス流路構造体
４４８…酸素ガス流路
５００…ポンプ
５１０…電動機
５２０，５２２，５２４…水通路
６００，７００…ブロワ
６２０，６２２，６２４…水素ガス通路
７２０，７２２，７２４…酸素ガス通路
８００…制御装置
８１０…ＣＰＵ
８２０…ＲＯＭ
８３０…ＲＡＭ
８４０…入力処理回路
８５０…出力処理回路
Claims (4)
- 燃料電池の電極に供給される２種類の燃料である水素ガスと酸素ガスのうちの一方を含む燃料ガスを加湿する加湿装置であって、
前記燃料ガスの流路および水の流路に接し、該燃料ガスと該水との圧力差に応じて該水を透過する多孔膜と、
前記燃料ガスの流路内の燃料ガス圧を測定する圧力計と、
前記水の流路内の水圧を測定する圧力計と、
圧力差調整手段と、
を備え、
前記圧力差調整手段は、前記圧力差を設定し、前記燃料ガスと前記水のそれぞれの圧力計を用いて測定される圧力差が前記設定した圧力差になるように前記燃料ガスの圧力と前記水の圧力のうちの少なくとも一方を調整する、加湿装置。 - 前記多孔膜は、直径１０-8ｍないし１０-7ｍの孔を多数有するポリオレフィン系（ＣnＨ2n）樹脂フィルムである請求項１記載の加湿装置。
- 請求項１または２記載の加湿装置であって、前記多孔膜の前記燃料ガスの流路側に設けられ、前記多孔膜を透過した水と前記燃料ガスとの接触面積を大きくする親水層を備えた加湿装置。
- 請求項１ないし３のいずれかに記載の加湿装置であって、
前記燃料ガス圧は水素ガス圧である、加湿装置。
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