WO2004062016A1 - 水素ガス湿度制御装置、燃料電池、水素ガス湿度制御方法および燃料電池の湿度制御方法 - Google Patents

Abstract

燃料ガスから余分な水分を除き、或いは水分を調整して加湿や除湿を行うことで、燃料電池の内部の湿度を、常に一定の適正な状態に維持することができる水素ガス湿度制御装置と、その水素ガス湿度制御装置を用いた燃料電池および水素ガス湿度制御方法を提供することを目的とする。　水分搬送体又はプロトン伝導体と触媒と電圧印加手段を用いて、水素流路又は水素室の余分な水分を除き、或いは水分を調整して加湿や除湿を行う。水素ガスが供給される燃料側ガス拡散室と、水素ガスが供給される水素ガス室と、燃料側ガス拡散室７２と水素ガス室７３とを分離すると共に水分を通すプロトン伝導体で水素ガス湿度制御装置および燃料電池を構成する。

Description

明 細 書 水素ガス湿度制御装置、 燃料電池、 水素ガス湿度制御方法および燃料 電池の湿度制御方法

技術分野

本発明は、 水素を含む燃料ガスを用いて連続して発電するようにした 燃料電池と、 その燃料電池の制御、 運転、 維持管理等のために用いられ る燃料電池の湿度制御装置及び湿度制御方法に関するものである。 背景技術

従来の燃料電池としては、 例えば、 ノート型パソコン等のポータブル 機器に搭載するための電源システムであって、 燃料として水素を用い、 空気を酸化剤とする小型の固体高分子型燃料電池を用いた機器搭載用燃 料電池装置が知られている （特開平 9 一 2 1 3 3 5 9号公報 （第 3〜 4 頁、 図 1 9 ) ) 。

この特開平 9 - 2 1 3 3 5 9号公報に記載されている機器搭載用燃料 電池装置は、 水素と空気を用いて発電する燃料電池本体と、 この燃料電 池本体に供給する水素を貯蔵するための水素吸蔵ボンベと、 この水素吸 蔵ボンべを着脱可能な手段と、 空気を供給するための手段と、 発電によ り生成した水を回収する構成と、 上記燃料電池本体に供給する水素を加 湿する手段と、発電動作を制御する制御部と、これらを一体的に収納し、 空気の吸排気口ならびに機器と電気的に結合する端子部を備えたケース とを有することを特徴としている。 この燃料電池装置によれば、 ポータ ブル機器に着脱自在に搭載することによって新しい電源システムを提供 することができ、従来の電池にはない長時間の作動を可能とすると共に、 燃料の補給により繰り返し利用することができる。

また、 従来の燃料電池としては、 例えば、 特開 2 0 0 2— 1 0 0 3 8 4号公報 （第 5〜 7頁、 図 1 ) に記載されているようなものがある。 こ の特開 2 0 0 2— 1 0 0 3 8 4号公報には、 燃料電池及ぴこれに好適に 用いられる水蒸気透過膜に関するものが記載されている。

この特開 2 0 0 2— 1 0 0 3 8 4号公報 2に記載されている燃料電池 は、 電池反応を行う電池部と、 電池部へ供給する原料気体を加湿する加 湿部とを備え、 前記電池部は、 固体高分子電解質膜とその両側に配置さ れた電極とからなる電池セルを有するものであり、 前記加湿部は、 原料 気体が導入される原料気体用流路と、 電池部からの排出気体が導入され る排出気体用流路と、 これらの流路を分離する水蒸気透過膜とで構成さ れ、 排出気体に含まれる水蒸気を、 水蒸気透過膜を透過させて排出気体 用流路から原料気体用流路内に入れ、 この水蒸気と原料気体用流路内の 原料ガスとを接触させることにより原料ガスを加湿するものである燃料 電池において、 前記水蒸気透過膜は、 力ルポキシル基の金属塩を官能基 として有する繰り返し単位を 7 0重量％以上有する水溶性高分子が、 架 橋剤で架橋されている物質からなる、 ことを特徴としている。

更に、 従来の燃料電池としては、 特開 2 0 0 2— 1 1 7 8 7 8号公報 (第 4〜 5頁、 図 1 ) に記載されているようなものもある。 この特開 2 0 0 2 - 1 1 7 8 7 8号公報には、 燃料電池及ぴ燃料電池に供給する原 料ガスを加湿するのに好適に用いられる水蒸気透過膜に関するものが記 載されている。

この特開 2 0 0 2— 1 1 7 8 7 8号公報に記載されている燃料電池は、 電池反応を行う電池部と、 電池部へ供給する原料気体を加湿する加湿部 とを備え、 前記電池部は、 固体高分子電解質膜とその両側に配置された 電極とからなる電池セルを有するものであり、 前記加湿部は、 原料気体 が導入される原料気体用流路と、 電池部からの排出気体が導入される排 出気体用流路と、 これらの流路を分離する水蒸気透過膜とで構成され、 排出気体に含まれる水蒸気を、 水蒸気透過膜を透過させて排出気体用流 路から原料気体用流路内に入れ、 この水蒸気と原料気体用流路内の原料 ガスとを接触させることにより原料ガスを加湿するものである燃料電池 において、 前記水蒸気透過膜は、 高分子樹脂多孔'膜の表面に硬化したパ 一フルォロスルホン酸系イオン交換樹脂からなる透湿性樹脂層を設けた、 ことを特徴としている。

また、 本出願人は、 例えば、 図 2 4に示すような構成の燃料電池を開 発した。 この図 2 4に示す燃料電池は、 発電部に燃料ガスを供給するこ とによって電力を発生させる装置であり、 4個の発電セル 1 , 2， 3及 び 4によって構成されている。 4個の発電セル 1〜4は、 燃料である水 素の供給路に関して直列に接続されるように構成されている。 4個の発 電セル 1〜 4は同一の構成を有しており、 その構成を、 第 4の発電セル 4を例にとって説明する。

発電セル 4は、 上下両面に触媒が担持されたプロ トン伝導体膜電極接 合体 5と、 このプロ トン伝導体膜電極接合体 5の一面側に配置された酸 化剤電極側セパレータ 6と、 プロ トン伝導体膜電極接合体 5の他面側に 配置された燃料電極側セパレータ 7とを備えて構成されている。そして、 プロ トン伝導体膜電極接合体 5 と各セパレータ 6， 7 との間には、 それ ぞれ電極 8 , 9が介在され、 これらを締め付けて一体化させることによ つて発電セル 4が構成されている。 酸化剤電極側セパレータ 6には、 酸 素、 空気等の酸化剤を取り入れる酸化剤供給口 6 aが設けられている。 また、 燃料電極側セパレータ 7には、 燃料である水素が流通される複数 の流路もしくは燃料室が形成されている。

このような構成を有する燃料電池によれば、 例えば、 次のようにして 発電が行われる。燃料の水素ガスが燃料電極側セパレータ 7に供給され、 酸化剤の空気が酸化剤電極側セパレータ 6に供給される。 燃料の水素ガ ス （H₂) が送られてく ると、 プロ トン伝導体膜電極接合体 5の触媒に 水素 （H₂) が接触して電子 （ e— ) が飛び出し、 プロ トン （H+) が発 生する （H₂→ 2 H + + 2 e— ) 。 このプロ トン （H+) が高分子電解質膜 の中を伝道して反対側に移動する。 その反対側では、 送られてきた空気 中の酸素が触媒の力で、 プロ トン （H⁺) 及び仕事を終えて戻ってきた 電子 （ e— ) と反応して水になる （O ₂+ 4 H + + 4 e—→ 2 H₂0) 。

この化学反応により、 プロ トン伝導体膜電極接合体 5の酸化剤電極側 セパレータ 6側には水が次々に生成される。 この水がプロ トン伝導体膜 電極接合体 5の触媒やガス拡散層を覆う と、 発電に十分な量の酸素が水 の被膜もしくは高い水蒸気分圧によって中に入り込むことができなくな る。 これにより、 水素と酸素を供給し続けることで継続される発電が行 われなくなるため、 生成された前記水は外部に排水する必要がある。 一方、 固体高分子型燃料電池 （P E F C) では、 プロ トン伝導膜のプ 口 トン伝導物質が水 （以下 「搬送水」 という。 ） であるため、 搬送水が 無い乾燥した状態ではプロ トンの移動は行われない。 そのため、 プロ ト ン伝導膜では適切な水分管理が必要になる。 更に、 P E F Cのプロ トン 伝導膜は、 カソード側で生成された水分をァノード側へ逆拡散するよう になっているが、 条件によってはアノード側が水分過多の状態になるた め、 力ソード側と同様に、 アノード側の水分管理も重要になる。

なお、 図 24に示す符号 1 0 a， 1 0 b , 1 0 c , 1 0 d及び 1 0 e は、 第一の発電セル 1より供給されて第 4の発電セル 4から排出される 水素の流量を示している。 符号 1 0 aは、 供給される水素の流量が 1 0 0 %の状態にあることを示しており、 符号 1 0 bは、 第一の発電セル 1 で消費された水素量を除いた水素流量を表している。 更に、 符合 1 0 c は、 第二の発電セル 2で消費された.水素量を除いた水素流量を表してお り、 符合 1 0 dは、 同じく第 3の発電セル 3で消費された水素量を除い た水素流量を表している。 そして、 符号 1 0 eは、 第 4の発電セル 4で 消費された水素量を除いた水素流量を表しており、 必要により残りの水 素が第 4の発電セル 4から大気中に放出される。 符号 1 1は、 第 4の発 電セル 4に設けられた水素流路用のス トップ弁である。

しかしながら、 上述した特開平 9 - 2 1 3 3 5 9号公報には、 燃料電 池本体で生成された水を回収して保水する保水手段を備えることが記載 されている。 この保水手段は、 電池装置ケースの底部に、 燃料電池本体 の水生成側に密接させてシート状に敷設されており、 これが水素吸蔵ボ ンベの下面にも接するように延在されている。 この保水手段の材料は、 紙おむつや生理用品などの衛生用品、 土壌保水材などの農業園芸用品等 に使用される各種の高吸水性高分子が応用できる、 としている。

そのため、 保水手段の吸水性が極めて高いことから、 保水手段自体の 湿度が容易に 1 0 0 %近くまで増加してしまい、 水分過剰な状態になり 易いばかりでなく、 水分の湿度調整を簡単に行うことができない、 とい う課題があった。

また、 図 2 4に示した燃料電池では、 常温近くでの運転条件下におい ては、 燃料ガスに対する加湿が過剰になり、 或いは水分の逆拡散によつ て湿度が高くなることが多い。 そのため、 4個の発電セル 1〜 4に対し て水素 （燃料） をデッ ドエンドにて供給する場合を考えると、 水素と水 若しくは水蒸気の分圧特性は、 図 2 4において符号 1 2で示すような傾 向になる。

この水素と水等の分圧特性 1 2は、 4個の発電セル 1〜 4の燃料ガス の上流端における水素分圧を 1 0 0 %とすると共に、 最下端における水 及ぴ水蒸気分圧を 1 0 0 %として表したものである。 即ち、 第一の発電 セル 1の燃料ガスの供給側（上流端）では水素の流量が 1 0 0 %であり、 その流れに伴い水素の割合が徐々に減少して、 第 4の発電セル 4の排出 側 （下流端） では水素の流量が 0 % (これと反対に、 水若しくは水蒸気 の分圧が 1 0 0 % ) となる。

その結果、 燃料流路の下流側では、 水等の分圧が上がって水素が欠乏 した状態になる。 そして、 最終的に水素流量が 0 %となり、 触媒やガス 拡散層が水の結露により若しくは水蒸気の拡散が悪いために水素の供給 が皆無になると、 プロ トンが酸素とまったく接触できなくなって発電が 不能となる。 一方、 燃料流路の上流側では水若しくは水蒸気が皆無とな ることで、 プロ トンの伝導に必要な搬送水が不足することになり、 その ため、 発電が好ましい状態ではなくなる場合が生ずる。

本発明は、 このような従来の課題に鑑みてなされたものであり、 燃料 ガスから余分な水分を除き、 或いは水分を調整して加湿や除湿を行うこ とで、 燃料電池の内部の湿度を、 常に一定の適正な状態に維持すること ができる水素ガス湿度制御装置と、 その水素ガス湿度制御装置を用いた 燃料電池、 水素ガス湿度制御方法および燃料電池の湿度制御方法を提供 することを目的としている。 発明の開示

上述したような課題を解決し、 上記目的を達成するために、 本出願の 請求項 1に記載の水素ガス湿度制御装置は、 少なく とも水素ガスが供給 される第一の水素流路又は水素室と、 少なく とも水素ガスが供給される 第二の水素流路又は水素室と、 第一の水素流路又は水素室と第二の水素 流路又は水素室とを分離すると共に水及び/又は水蒸気を通す水分搬送 体と、 からなることを特徴としている。

本出願の請求項 2に記載の水素ガス湿度制御装置は、 水素ガスが、 燃 料改質により発生した水素ガスであることを特徴としている。

本出願の請求項 3に記載の水素ガス湿度制御装置は、 少なく とも水素 ガスが供給される第一の水素流路又は水素室と、 少なく とも水素ガスが 供給される第二の水素流路又は水素室と、 第一の水素流路又は水素室と 第二の水素流路又は水素室とを分離するプロ トン伝導体と、 からなるこ とを特徴としている。

本出願の請求項 4に記載の水素ガス湿度制御装置は、 プロ トン伝導体 は、 第一の水素流路又は水素室に臨む面と第二の水素流路又は水素室に 臨む面の少なく とも一方に触媒が配置されていることを特徴としている。 本出願の請求項 5に記載の水素ガス湿度制御装置は、 第一の水素流路 又は水素室に第一の電圧印加用電極を設けると共に、 第二の水素流路又 は水素室に第二の電圧印加用電極を設け、 プロ トン伝導体が第一の電圧 印加用電極と第二の電圧印加用電極との間に挟持されていることを特徴 としている。

本出願の請求項 6に記載の水素ガス湿度制御装置は、 第一の電圧印加 用電極と第二の電圧印加用電極との間に電圧を印加することを特徴とし ている。

本出願の請求項 7に記載の水素ガス湿度制御装置は、 触媒は白金を含 んでいることを特徴としている。

本出願の請求項 8に記載の水素ガス湿度制御装置は、 水素ガスが、 燃 料改質により発生した水素ガスであることを特徴としている。

本出願の請求項 9に記載の燃料電池は、 燃料が供給される燃料電極側 セパレータと、 酸化剤が供給される酸化剤電極側セパレータと、 燃料電 極側セパレータと酸化剤電極側セパレータとの間に挟持されたプロ トン 伝導体膜電極接合体と、 を有する 1個又は 2個以上の発電セルと、 燃料 が供給される水素流路及ぴ Z又は水素室に組み込まれた 1個又は 2個以 上の水素ガス湿度制御装置と、 を備え、 水素ガス湿度制御装置は、 第一 の支持板と、 第二の支持板と、 第一の支持板と第二の支持板との間に挟 持された水分搬送体とからなり、 第一の支持板に水素と水及び/又は水 蒸気の混合気体が接しており、 第二の支持板に少なく とも水素が接して いることを特徴としている。

また、 本出願の請求項 1 0に記載の燃料電池は、 燃料が供給される燃 料電極側セパレータと、酸化剤が供給される酸化剤電極側セパレータと、 燃料電極側セパレータと酸化剤電極側セパレータとの間に挟持されたプ 口 トン伝導体膜電極接合体と、を有する 1個又は 2個以上の発電セルと、 燃料が供給される水素流路及びノ又は水素室に組み込まれた 1個又は 2 個以上の水素ガス湿度制御装置と、 を備え、 水素ガス湿度制御装置は、 第一の電極と、 第二の電極と、 第一の電極と第二の電極との間に挟持さ れたプロ トン伝導体とからなり、 第一の電極に水素と水及び Z又は水蒸 気の混合気体が接しており、 第二の電極に少なく とも水素が接している ことを特徴としている。

また、 本出願の請求項 1 1に記載の水素ガス湿度制御方法は、 第一の 電極と、 第二の電極とでプロ トン伝導体を挟持し、 第一の電極と第二の 電極との間に電圧を加えることにより、 第一の電極に接触する水素と第 二の電極接触する水素の間での水分の搬送を行うことを特徴としている。 上述のように構成したことにより、 本出願の請求項 1に記載の水素ガ ス湿度制御装置では、 第一の水素流路又は水素室と第二の水素流路又は 水素室を水分搬送体によって分離させているため、 2つの水素流路又は 水素室内の水及び Z又は水蒸気の割合が異なる場合には、 その割合が高 い方から低い方に水分搬送体を介して水及び/又は水蒸気が搬送される。 これにより、 2つの水素流路又は水素室間における水及ぴ Z又は水蒸気 の割合を同じくするように水素湿度を制御することができる。 本出願の請求項 2に記載の水素ガス湿度制御装置では、 水素ガスが、 燃料改質により発生した水素ガスであり、 水蒸気改質等により発生する 水素は、 水分を多く含むため、 水分が不足する状況を回避し易いという 好ましい効果が得られる。

本出願の請求項 3に記載の水素ガス湿度制御装置では、 第一の水素流 路又は水素室と第二の水素流路又は水素室をプロ トン伝導体によって分 離させているため、 2つの水素流路又は水素室内の水及ぴ 又は水蒸気 の割合が異なる場合には、 その割合が高い方から低い方に、 或いは低い 方から高い方にプロ トン伝導体を介して水及びノ又は水蒸気が搬送され る。 また、 その割合が同じ場合であっても、 一方から他方にプロ トン伝 導体を介して水及び Z又は水蒸気が搬送される。 これにより、 2つの水 素流路又は水素室間における水及び/又は水蒸気の割合を同じく したり、 任意の割合に設定するように水素湿度を制御することができる。

本出願の請求項 4に記載の水素ガス湿度制御装置では、 プロ トン伝導 体の第一の水素流路又は水素室に臨む面と第二の水素流路又は水素室に 臨む面の少なく とも一方に触媒が配置されているため、 その触媒によつ て水素をプロ トンに分離させ、 また、 プロ トンを水素に転換させること ができる。

本出願の請求項 5に記載の水素ガス湿度制御装置では、 第一の水素流 路又は水素室には第一の電圧印加用電極が設けられ、 第二の水素流路又 は水素室には第二の電圧印加用電極が設けられ、 これら電極間にプロ ト ン伝導体が挟持されているため、 これらでプロ トンポンプを構成して水 素ガスの湿度制御を行うことができる。 従って、 水素流路又は水素室内 の水素湿度を最適な状態に保っための加湿 · 除湿装置、 湿度センサ、 減 圧レギユレータ、 昇圧コンプレッサ、 流量コントローラ等として用いる ことができる。 本出願の請求項 6に記載の水素ガス湿度制御装置では、 第一の電圧印 加用電極と第二の電圧印加用電極の間に電圧を印加させることにより、 プロ トン伝導体を介してプロ トンを電圧の高い側から電圧の低い側に向 けて移動させることができる。

本出願の請求項 7に記載の水素ガス湿度制御装置では、 触媒として白 金を用いることにより、 水素をプロ トンに分離させ、 或いは、 プロ トン を水素に転換させることを効率良く行うことができる。

本出願の請求項 8に記載の水素ガス湿度制御装置では、 水素ガスが、 燃料改質により発生した水素ガスであり、 水蒸気改質等により発生する 水素は、 水分を多く含むため、 水分が不足する状況を回避し易いという 好ましい効果が得られる。

本出願の請求項 9に記載の燃料電池では、 燃科電極側セパレータと酸 化剤電極側セパレータとプロ トン伝導体膜電極接合体とを有する 1個又 は 2個以上の発電セルと、 水素ガス湿度制御装置とを備えた燃料電池に おいて、 水素ガス湿度制御装置の第一の支持板と第二の支持板との間に 水分搬送体が挟持され、 第一の支持板に水素と水及び/又は水蒸気の混 合気体が接触し、 第二の支持板に少なく とも水素が接触しているため、 燃料が供給される水素流路又は水素室内の水素湿度が高い場合には余分 な水及び Z又は水蒸気を水分搬送体で低い側に伝導させて除湿し、また、 その水素流路又は水素室内の水素湿度が低い場合には水分搬送体で高い 側から伝導させて加湿して、 発電動作を効率良く継続させることができ る。

また、 本出願の請求項 1 0に記載の燃料電池では、 燃料電極側セパレ ータと酸化剤電極側セパレータとプロ トン伝導体膜電極接合体とを有す' る 1個又は 2個以上の発電セルと、 水素ガス湿度制御装置とを備えた燃 料電池において、 水素ガス湿度制御装置の第一の電極と第二の電極との 間にプロ トン伝導体が挟持され、 第一の電極に水素と水及び/又は水蒸 気の混合気体が接触し、 第二の電極に少なく とも水素が接触しているた め、 両電極間に電圧を印加することにより、 電圧の高い側から低い側に 向けて水及び/又は水蒸気を移動させることができ、 その電圧の印加方 向を制御することで 2つの水素流路又は水素室の水素湿度を調整し、 発 電動作を効率良く継続させることができる。

また、 本出願の請求項 1 1に記載の水素ガス湿度制御方法によれば、 第一の電極と、 第二の電極とでプロ トン伝導体を挟持し、 第一の電極と 第二の電極との間に電圧を加えることにより、 燃料電池の燃料極に供給 されて第一の電極に接触する水素と、 第一の電極に接触する水素とは異 なる湿度を有し第二の電極に接触する水素の間での水分の搬送を行うた め、 電圧の高い側から低い側に向けて水及び/又は水蒸気を移動させる ことができ、 その電圧の印加方向を制御することで 2つの水素流路又は 水素室の水素湿度を調整し、 燃料電池での発電動作を効率良く継続させ ることができる。

更に、 上記課題を解決するために本出願の燃料電池は、 燃料極と酸素 極とで電解質を挟持した発電セルと、 前記酸素極に酸素を供給するため の酸素流路が形成された酸素極側セパレータと、 前記燃料極に燃料ガス を供給するための燃料流路が形成された燃料極側セパレータと、 前記燃 料ガスに接触して配され、 前記燃料ガスとは異なる湿度を有する排出気 体に接触し、 前記燃料ガスと前記排出気体との間での水分の搬送を行う 水分搬送体と、 を有することを特徴とする。

水分搬送体が燃料ガスと排出気体に接触し、 燃料ガスと排出気体との 間での水分搬送を行うことにより、 燃料ガスが排出気体よりも高湿度な 場合には燃料ガス側から排出気体側への水分の移動が行われ、 燃料ガス が排出気体よりも低湿度な場合には排出気体側から燃料ガス側への水分 の移動が行われる。 したがって、 燃料電池での発電によって生成した水 分によって、 発電セルの発電に適さない湿度状態になったとしても、 排 出気体と燃料ガスとの間での水分搬送が繰り返されることによって、 燃 料電池の内部の湿度を、常に一定の適正な状態に維持することができる。 また、 燃料電池は排出気体が流れる排出流路を有するとしてもよく、 排出気体が酸素を含み燃料電池の酸素極側に供給されるとしてもよい。 排出気体が流れる排出流路を燃料電池が有していることで、 排出気体と して燃料電池の外から空気を排出流路に送り込むことなどで、 排出気体 を効果的に水分搬送体に接触させることができ、 燃料電池内部の湿度を 適正な状態に維持することが容易となる。 排出気体が酸素を含み、 燃料 電池の酸素極側に供給されることで、 排出気体'を用いて燃料電池が発電 を行うことができるため、 排出気体を有効に利用して発電を行うことが 可能となる。

また、 水分搬送体がパーフルォロスルホン酸系ポリマーを含むとする ことで、 水分を水分搬送体によって確実かつ容易に搬送することができ る。

また、 上記課題を解決するために本出願の燃料ガス湿度制御方法は、 燃料電池の燃料極側に供給される燃料ガスと接触するように水分搬送体 を設け、 前記燃料ガスとは異なる湿度を有する排出気体および前記燃料 ガスを前記水分搬送体で隔て、 前記水分搬送体を用いて前記燃料ガスと 前記排出気体との間で水分の搬送を行うことを特徴とする。 図面の簡単な説明

図 1は、 本発明の水素ガス湿度制御装置を用いた燃料電池の第 1の実 施例の概略構成を示す説明図である。

図 2は、 本発明の水素ガス湿度制御装置を用いた燃料電池の第 1の実 施例に係る発電セルの組立状態の概略構成を示す説明図である。

図 3は、 本発明の水素ガス湿度制御装置を用いた燃料電池の第 1の実 施例に係る発電セルの配管構成の他の例を示す説明図である。

図 4は、 本発明の水素ガス湿度制御装置を用いた燃料電池の第 2の実 施例の概略構成を示す説明図である。

図 5は、 本発明の水素ガス湿度制御装置を用いた燃料電池の第 3の実 施例の概略構成を示す説明図である。

図 6は、 本発明の水素ガス湿度制御装置を用いた燃料電池の第 4の実 施例の原理を説明するための説明図である。

図 7は、 本発明の水素ガス湿度制御装置を用いた燃料電池の原理を説 明するための説明図である。

図 8は、図 7に示す実施例の変形例の詳細な構成を示す説明図である。 図 9は、 本発明の水素ガス湿度制御装置を用いた燃料電池の第 5の実 施例の原理を説明するための説明図である。

図 1 0 Aは、 本発明の水素ガス湿度制御装置を用いた燃料電池に係る 発電セルを示す、 発電セルの第 1の実施例の概略構成を示す説明図であ る。

図 1 0 Bは、 本発明の水素ガス湿度制御装置を用いた燃料電池に係る 発電セルを示す、 発電セルの第 2の実施例の概略構成を示す説明図であ る。

図 1 1 Aは、 本発明の水素ガス湿度制御装置を用いた燃料電池に係る 発電セルを示す、 発電セルの第 3の実施例の概略構成を示す説明図であ る。

図 1 1 Bは、 本発明の水素ガス湿度制御装置を用いた燃料電池に係る 発電セルを示す、 発電セルの第 4の実施例の概略構成を示す説明図であ る。 図 1 2は、 本発明の水素ガス湿度制御装置を用いた燃料電池に係る発 電セルの第 5の実施例の概略構成を示す説明図である。

図 1 3 Aは、 本発明の水素ガス湿度制御装置を用いた燃料電池に係る 発電セルを示す、 発電セルの第 6の実施例の概略構成を示す説明図であ る。

図 1 3 Bは、 本発明の水素ガス湿度制御装置を用いた燃料電池に係る 発電セルを示す、 発電セルの第 7の実施例の概略構成を示す説明図であ る。

図 1 4 Aは、 本発明の水素ガス湿度制御装置を用いた燃料電池に係る 発電セルを示す、 発電セルの第 8の実施例の概略構成を示す説明図であ る。

図 1 4 Bは、 本発明の水素ガス湿度制御装置を用いた燃料電池に係る 発電セルを示す、 発電セルの第 9の実施例の概略構成を示す説明図であ る。

図 1 5 Aは、 本発明の水素ガス湿度制御装置を用いた燃料電池に係る 発電セルを示す、 発電セルの第 1 0の実施例の概略構成を示す説明図で ある。

図 1 5 Bは、 本発明の水素ガス湿度制御装置を用いた燃料電池に係る 発電セルを示す、 発電セルの第 1 1の実施例の概略構成を示す説明図で ある。

図 1 6 Aは、 本発明の水素ガス湿度制御装置を用いた燃料電池に係る 発電セルを示す、 発電セルの第 1 2の実施例の概略構成を示す説明図で ある。

図 1 6 Bは、 本発明の水素ガス湿度制御装置を用いた燃料電池に係る 発電セルを示す、 発電セルの第 1 3の実施例の概略構成を示す説明図で める。 図 1 7 Aは、 本発明の水素ガス湿度制御装置を用いた燃料電池の水素 湿度と水素流路との関係を示すグラフである。

図 1 7 Bは、 本発明の水素ガス湿度制御装置を用いた燃料電池の水素 湿度と水素流路との関係を示すグラフである。

図 1 8は、 本発明の湿度制御方法を用いた燃料電池の原理を説明する ための説明図である。

図 1 9は、 本発明の湿度制御方法を用いた燃料電池の概略構成を示す 説明図である。

図 2 0は、 図 1 9に示した本発明の湿度制御方法を用いた燃料電池の 変形例を示す説明図である。

図 2 1は、 本発明の湿度制御方法を用いた燃料電池の電圧と時間との 関係の出力特性を示すグラフである。

図 2 2は、 本発明の湿度制御方法を用いた燃料電池の電圧と内部抵抗 との関係の出力特性を示すグラフである。

図 2 3は、 本発明の湿度制御方法を用いた燃料電池の電圧と電流との 関係の出力特性を示すグラフである。

図 2 4は、 従来の燃料電池の概略構成を示す説明図である。 発明を実施するための最良の形態

以下、 本発明の実施の形態を、 添付図面を参照して説明する。 図 1乃 至図 2 3は、 本発明の実施の例を示すものである。 即ち、 図 1は本発明 の燃料電池の第一の実施例の概略構成を示す説明図、 図 2は第一の実施 例に係る発電セルの組立状態の概略構成を示す説明図、 図 3は第一の実 施例に係る発電セルの配管構成の他の例を示す説明図、 図 4は本発明の 燃料電池の第二の実施例の概略構成を示す説明図、 図 5は本発明の燃料 電池の第 3の実施例の概略構成を示す説明図、 図 6は本発明の燃料電池 の原理説明図、 図 7は図 6の詳細な構成の一例を示す説明図、 図 8は図 7の詳細な構成の他の例を示す説明図、 図 1 0 A， B、 図 1 1 A， B、 図 1 2、 図 1 3 A， B、 図 1 4A， B、 図 1 5 A， B及ぴ図 1 6 A， B は発電セルとプロ トンポンプの関係をそれぞれ説明する説明図、 図 1 7 A， Bは水素湿度と水素流路との関係を説明するグラフである。

図 1 8は本発明の湿度制御方法を用いた燃料電池の原理説明図、 図 1 9は本発明の湿度制御方法を用いた燃料電池の概略構成を示す説明図、 図 2 0は図 1 9の変形例を示す説明図である。

図 2 1は本発明に係る燃料電池の出力特性を示すものでセル電圧 (V) と時間 （ s e c ) との関係を示すグラフ、 図 2 2は同じくセル電 圧 （V) と時間 （ s e c ) と抵抗 （Ω) との関係を示すグラフ、 図 2 3 は同じくセル電圧 （V) と時間 （ s e c ) との関係を示すグラフである。 本発明の燃料電池は、 アノード （陽極） で水素 （H₂) をプロ トン （ 2 H+) と電子 （2 e— ) に分解し、 このときに生じる電子を電気として取 り出すものである。 この際、 力ソード （陰極） では、 酸素 （0₂) と電 解質膜を移動したプロ トン及ぴ外部回路を通ってきた電子とが結合し、 水が副産物として生成される。

燃料電池に用いられるプロ トン伝導体がプロ トンを移動させるために は水が必要であるので、 この生成水をプロ トン伝導体内に拡散させ、 プ 口 トンの伝導率を高めるために積極的に活用されている。 その一方、 生 成水がプロ トン伝導体内で過剰になると、 生成水が酸素の移動を妨げる ことになり、その結果、燃料電池の発電が阻害されることになる。また、 プロ トン伝導体を通じて水素 （アノード） 側に拡散した生成水が水素の 移動を妨げる場合もある。 そのため、 燃料電池で安定な発電動作を連続 させるためには、 プロ トン伝導体内の水分を常に一定範囲内に保つこと が重要になる。 また、 水素ガス湿度制御装置は、 燃料電池に用いられる燃料ガス （特 に水素） の湿度を制御するもので、 水分を介在させてプロ トンを移動さ せるプロ トンポンプを用いる。 プロ トンポンプは、 水素をプロ トン経由 にて移動すると共に、 それに伴う水素又は水分の移動を目的とするもの で、 移動対象物は水素と水分である。 このプロ トンポンプを伝導する水 素と水分の移動量は、 例えば、 プロ トン伝導体膜電極接合体の両面に設 けられた電極間に印加する電圧又は電流を大小変化させることによって 調整することができる。

図 1に示すように、 本発明に係る水素ガス湿度制御装置の第 1の実施 例として示すプロ トンポンプは、 水素流路が直列に接続された 4個の発 電セル 1 5， 1 6 , 1 7及び 1 8のうち、 最も下流に位置する第四の発 電セル 1 8に組み立てられて一体的に構成されている。

このうち、 第一の発電セル 1 5、 第二の発電セル 1 6及び第 3の発電 セル 1 7の 3個の発電セルは、 従来例として示した図 2 4の発電セル 4 と同様の構成を有している。即ち、第 第三の発電セル 1 5〜1 7は、 ともに上下両面に触媒が担持されたプロ トン伝導体膜電極接合体 5と、 このプロ トン伝導体膜電極接合体 5の一面側に配置された酸化剤電極側 セパレータ 6 と、 プロ トン伝導体膜電極接合体 5の他面側に配置された 燃料電極側セパレータ 7と、 プロ トン伝導体膜電極接合体 5と各セパレ ータ 6， 7との間にそれぞれ介在された電極 8， 9とを備えて構成され ている。

一方、 第四の発電セル 1 8は、 図 2 4に示した発電セル 4と同様の構 成からなる発電部 1 9を有しているが、 その発電部 1 9に加えて、 水素 ガス湿度制御装置であるプロ トン伝導体 2 0が燃料電極セパレータ 2 4 側に組み込まれている。 発電部 1 9とプロ トン伝導体 2 0の組み合わせ がー体的に構成されることによって第四の発電セル 1 8が構成されてい る。 この第四の発電セル 1 8を含む 4個の発電セル 1 5〜 1 8を、 水素 が供給される水素流路を直列に接続して一体化させることにより、 4個 の発電セル 1' 5〜 1 8の組み合わせからなる燃料電池 1 4が構成されて レヽる。

この燃料電池 1 4の第四の発電セル 1 8の発電部 1 9 と第 第三の 発電セル 1 5〜 1 7とは、 上述した発電セル 1〜 4の構成と同一である ため、 ここでは発電部 1 9を代表させて、 その構成および発電反応を簡 単に説明する。

発電セル 1 5〜 1 8の発電部 1 9は、 中央に配置されたプロ トン伝導 体膜電極接合体 2 2と、 このプロ トン伝導体膜電極接合体 2 2の一面側 に配置された酸化剤電極側セパレータ 2 3 と、 プロ トン伝導体膜電極接 合体 2 2の他面側に配置された燃料電極側セパレータ 2 4と、 2枚の集 電板電極 2 5， 2 6を備えている。

プロ トン伝導体膜電極接合体 2 2は、 中央に配置されたプロ トン伝導 体膜と、 このプロ トン伝導体膜の両面に設けられた第一及び第二の触媒 との三層構造とされている。 プロ トン伝導体膜は、 常温で高いプロ トン ( H +) 伝導性を示す高分子膜であり、 例えば、 パーフルォロスルホン 酸膜、 ナフイオン膜 （フッ素樹脂系） 等を用いることができる。 また、 第一及び第二の触媒としては、 例えば、 白金、 白金 · ルテニウム、 或い はカーボン粉に白金等を担持させたもの、 その他の触媒を用いることが できる。

このプロ トン伝導体膜電極接合体 2 2の第一の触媒側に燃料側の集電 板電極 2 5が配置され、 プロ トン伝導体膜電極接合体 2 2の第二の触媒 側に酸化剤側の集電板電極 2 6が配置されている。 このように三層構造 とされた集電板電極 2 5、 プロ トン伝導体膜電極接合体 2 2及び集電板 電極 2 6を、 その両面から酸化剤電極側セパレータ 2 3 と燃料電極側セ パレータ 2 4とで挟持することにより発電部 1 9が構成されている。 酸化剤電極側セパレータ 2 3は、例えば、薄い平板状の部材からなり、 その中央部には、 一方の面から他方の面まで貫通する酸素、 空気等の酸 化剤を取り入れるための酸素取入口 2 7が設けられている。 また、 この 酸化剤電極側セパレータ 2 3 とプロ トン伝導体膜電極接合体 2 ≥ との間 に、 同じく酸素取入口を有する酸化剤側の集電板電極 2 6が配置されて いる。 酸素取入口 2 7から大気中の酸素が取り入れられ、 その酸素が集 電板電極 2 6を介してプロ トン伝導体膜電極接合体 2 2の第二の触媒に 供給される。

また、 燃料電極側セパレータ 2 4も同様に、 例えば、 薄い板状の部材 からなり、 その側面には、 燃料の一具体例である水素が供給される燃料 供給口が設けられている。 この燃料電極側セパレータ 2 4の両面には、 水素を電極と接触させるための水素接触部が設けられている。 この水素 接触部が燃料供給口と連通されていて、 燃料供給口から供給された水素 力 S、 内部通路を通って燃料電極側セパレータ 2 4の両面に設けられた水 素接触部に放出される。 したがって、 燃料電極側セパレータ 2 4 とプロ トン伝導体膜電極接合体 2 2 との間に配置されている燃料側の集電板電 極 2 5側には水素接触部から水素が供給され、 プロ トン伝導体 2 0側に も水素接触部から水素が供給される。

燃料電極側セパレータ 2 4は、 プロ トン伝導体 2 0の一方のセパレー タである第一のセパレータを兼ねている。 尚、 第一の発電セル 1 5から 第三の発電セル 1 7においては発電部のみで構成されていて、 プロ トン ポンプ部がないため、 それらの燃料電極側セパレータ 7には、 その一面 のみに水素接触部が設けられ、 他面には燃料ガスが漏れない構造とされ ている。

このような構成を有する燃料電池によれば、 例えば、 次のようにして 発電が行われる。 燃料の水素ガスが燃料電極側セパレータ 24に供給さ れ、 酸化剤の空気が酸化剤電極側セパレータ 2 3に供給される。 燃料の 水素ガス （H₂) が送られてく ると、 プロ トン伝導体膜電極接合体 2 2 の触媒に水素 （H₂) が接触して電子 （ e— ) が飛び出し、 プロ トン （H +) が発生する （H₂→2 H ⁺ + 2 e— ) 。 このプロ トン （H+) がプロ ト ン伝導体膜中を伝道して反対側に移動する。 その反対側では、 送られて きた空気中の酸素が触媒の力で、 プロ トン （H+) 及び仕事を終えて戻 つてきた電子 （ e— ) と反応して水になる （0₂+ 4 H + + 4 e—→2 H₂ O) 。

次にプロ トン伝導体 2 0の構成と動作について説明する。 プロ トン伝 導体膜の特性は、 プロ トンのみを移動することであるが、 プロ トンの移 動のために水 （H₂O) を OH— Hの形で保有し、 その一Hを足場とし て、 プロ トン （H+) を移動するのが基本である。 そのため、 プロ トン 伝導体膜は、 実際には、 プロ トンのみを伝導するのではなく、 同時に水 も透過させることができる。 このプロ トン伝導体膜の水の透過性を利用 することにより、 ポンプ装置等の外部装置を用いることなく、 燃料電池 内部の過剰な水分を外部に排出したり、 水分の流れる方向、 水分の流量 その他の水分の制御が可能となる。

第一のセパレータ 24を用いて構成されるプロ トン伝導体 2 0は、 第 一のセノ レータ 24の他に、 第二のセパレータ 2 8 と、 両セパレータ 2 4， 2 8間に挟持されたプロ トン伝導体膜電極接合体 2 9と、 2枚の印 加電極 3 0， 3 1を備えて構成されている。 第二のセパレータ 2 8は、 第一のセパレータ 24と同様に水素ガスが流通されるもので、 戻り配管 3 3の一端が接続されている。 この第二のセパレータ 2 8に到達した水 素ガス （H₂) が、 戻り配管 3 3を介して上流側の発電セル （この実施 例では第一の発電セル 1 5) に戻される構成となっている。 プロ トン伝導体膜電極接合体 2 9は、 発電部 1 9のプロ トン伝導体膜 電極接合体 2 2と同様の構成とすることができる。 この実施例ではプロ トン伝導体膜電極接合体 2 9は、 プロ トン伝導体膜電極接合体 2 2と同 様の構成とされており、 中央に配置されたプロ トン伝導体膜と、 このプ 口 トン伝導体膜の両面に設けられた第一の触媒及び第二の触媒の三層構 造とされている。 そして、 第一の触媒側に第一の印加電極 3 0が配置さ れ、 第二の触媒側に第二の印加電極 3 1が配置されている。

このように三層構造とされた第一の印加電極 3 0、 プロ トン伝導体膜 電極接合体 2 9及び第二の印加電極 3 1を、 その両面から第一のセパレ ータ 2 4と第二のセパレータ 2 8 とで挟持することによりプロ トン伝導 体 2 0が構成されている。 第一の印加電極 3 0と第二の印加電極 3 1に はポンプ側電気回路 4 8が接続され、 第一の印加電極 3 0と第二の印加 電極 3 1 との間の電位差を変更可能となっている。 後述するようにプロ トン伝導体 2 0は、 ポンプ側電気回路 4 8が第一の印加電極 3 0と第二 の印加電極 3 1 との間に生じさせる電位差によって、 第一のセパレータ 2 4からプロ トン伝導体 2 0、 第一の印加電極 3 0、 プロ トン伝導体膜 電極接合体 2 9及ぴ第二の印加電極 3 1を経て第二のセパレータ 2 8に 向けて水素および水分を搬送することができる。 また、 第二のセパレー タ 2 8側から第一のセパレータ 2 4側に水素おょぴ水分を搬送すること もできる。

第一の印加電極 3 0と第二の印加電極 3 1は、 ポンプ側電気回路 4 8 によってその正極 （+極） 及び負極 （一極） を変更可能な状態 （電圧の 印加方向が可変）で互いに電気的に接続されている。 この場合、例えば、 第一の印加電極 3 0の電圧が第二の印加電極 3 1の電圧よりも高くなる ように電圧を印加すると、 水素 （H ₂ ) が第一のガス拡散層の触媒と接 触して電子 （ 2 e— ) が飛び出す。 これと共に、 プロ トン （ 2 H +) がプ ラスイオンであるためマイナス側に引っ張られ、 プロ トン伝導体膜電極 接合体 2 9を透過するように移動する。

このとき、 第一のセパレータ 24から供給される水素 （H₂) は、 3 個の発電セル 1 5〜 1 7を通過してきた後の逆拡散水による水分を十分 に含んだウエッ ト水素であり、 それ自体が含有する水分によってプロ ト ン伝導体膜電極接合体 2 9を伝導する際の搬送水の機能が確保されてい る。 そのため、 第一の印加電極 3 0側にあるプロ トン （H+) は、 搬送 水 （H₂0) により搬送されてプロ トン伝導体膜電極接合体 2 9を透過 し、 第二の印加電極 3 1側に容易に移動することができる。 そして、 第 二の印加電極 3 1側に移動したプロ トン （H+) は、 電子 （ e— ) と反応 して水素 （H₂) となる （ 2 H + + 2 e—→H₂) 。 その後、 水分を多量に 含んだウエッ ト水素 （H₂) は、 第二のセパレータ 2 8から戻り配管 3 3に流される。 その結果、 発電部 1 9に供給される水素の水分を低くす ることができ、 これにより、 ウエッ ト状態で発電部 1 9に供給される水 素を発電に適する湿度にすることができる。

これとは逆に、 第二の印加電極 3 1の電圧が第一の印加電極 3 0の電 圧よりも高くなるように電圧を印加すると、 第二の印加電極 3 1側にあ るプロ トン （H+) は、 搬送水 （H₂0) により搬送されてプロ トン伝導 体膜電極接合体 2 9を透過し、 第一の印加電極 3 0側に容易に移動する ことができる。 そして、 第一の印加電極 3 0側に移動したプロ トン （H ⁺ ) は、電子（ e -) と反応して水素（H₂) となる （ 2 H + + 2 e—→H₂)。 この水素が第一のセパレータ 24を介して発電部 1 9に供給されると、 燃料の水素として発電に使用される。

このように、 第二のセパレータ 2 8側に多くの水分があり、 発電部 1 9に連通された第一のセパレータ 24側にある水素が乾いている場合に は、 水分を多く含んだ水素 （H₂) を、 プロ トン伝導体膜電極接合体 2 9を介して第一のセパレータ 2 4側に戻すことができる。 その結果、 発 電部 1 9に供給される水素の水分を高くすることができ、 これにより、 ドライ状態で発電部 1 9に供給される水素を発電に適する湿度にするこ とができる。

このように、 ポンプ側電気回路 4 8でプロ トン伝導体 2 0の第一の印 加電極 3 0及び第二の印加電極 3 1間における電圧の印可方向を変える ことにより、 プロ トン伝導体 2 0を正方向と逆方向に移動する割合を調 整して、 混合後の水素の湿度を決定することができる。 即ち、 プロ トン 伝導体 2 0を透過して第一の印加電極 3 0から第二の印加電極 3 1に移 動する水素の水分量を高く したり、 これとは逆に、 第二の印加電極 3 1 から第一の印加電極 3 0に移動する水素の水分量を高く したり して、 そ の水分量を自在に調整することが可能となる。

この場合、 プロ トン伝導体 2 0が第四の発電セル 1 8のみに設けられ ているため、 第四の発電セル 1 8の発電部 1 9のみが集中して加湿若し くは除湿されることになる。 更に、 そのプロ トン伝導体 2 0に連通され た第二のセパレータ 2 8には戻り配管 3 3が接続されているため、 その 戻り配管 3 3からの水素及ぴ水分の逆流によってもプロ トン伝導体 2 0 の水素湿度が影響を受けることになる。

第二のセパレータ 2 8の燃料排出口に一端が接続された戻り配管 3 3 内には、 プロ トン伝導体 2 0の第二のセパレータ 2 8から排出されたゥ エツ ト水素若しくは水分を貯蔵しておく ことができる水分貯蔵器 （リザ 一パー） 3 4が設けられている。 この水分貯蔵器 3 4は、 第二のセパレ ータ 2 8内又はその近傍に設けるようにしてもよい。 水分貯蔵器 3 4に はドレン配管 3 5が設けられていて、 ドレン配管 3 5の開口側には開閉 弁 3 6が取り付けられている。 この水分貯蔵器 3 4には、 内部に発生し た結露を水素と分離させる機能が備えられており、 その結露が集まって できた水が開閉弁 3 6を開放することによって大気中に排出される。 こ の水分貯蔵器 3 4で水分が適当に取り除かれた水素が、 第一の発電セル 1 5の燃料供給口のある燃料電極側セパレータ 7に還流される。

上述したプロ トン伝導体 2 0によれば、 水素も水も共にポンプするこ とができるが、 その場合に必要とされるエネルギーについて説明する。 水素の 1原子 （ 1 Ζ 2 · Η ₂) に対してプロ トン （Η+) は 1個であり、 このときの電子 （ e— ) は 1 X 1 . 6 X 1 0 ^{_ l a} [C] であって、 この水 素のための搬送水（同伴水） は、一般的に 1〜 2. 5個といわれており、 ここではそのように仮定する。 すると、 水素 1分子 （H₂) の場合は、 1原子のときの 2倍であるため、 プロ トン （H+) は 2個となり、 電子 ( e -) は 2 X 1 . 6 X 1 0— ¹⁹ [C] であって、 搬送水は 2〜 5個であ る。

これを水素 1 [in o 1 ] に換算すると、 プロ トン （H+) は 2 X 6 . 0 2 X 1 0 ²³個となり、 電子 （ e ) は 2 X 1 . 6 X 1 0— ¹⁹ Χ 6 · 0 2 X 1 0 ²³ [C] であって、 搬送水は 2〜 5 [m o 1 ] である。 これを、 搬 送水の 1 [m o 1 ] に換算すると、 電子 （ e ) は 2 X 1 . 6 X 1 0 _¹⁹ X 6. 0 2 Χ 1 0 ²³ Χ ΐ / 2〜 ΐ / 5 [C]、 プロ トン （Η+) は 2 X 6. 0 2 Χ 1 0 ²³ Χ 1 / 2〜 1 Ζ5個、水素は l X l / 2〜 l / 5 [m o 1 ] である。

ここで、 1秒当りの水素量を 1 0— ⁶ [m o l Z s ] (= 1 . 3 4 c c / s ) とすると、 得られる電子量は 0. 1 9 3 [A] であり、 このとき の搬送水は 5 X 1 0— ⁶ [m o l Z s ]である。発電セル 1 8においては、 1 [A] の電流を得るために必要な水素量は 7 [ c c m i n ] となり、 このとき生成水は 5. 1 9 X 1 0— ⁶ [m o l Z s ]が発生する。従って、 例えば、 全生成水が逆拡散した最悪の状態を仮定した場合でも、 プロ ト ン伝導体 2 0は、 極めて低い電圧を用いて、 発電電流の 1 / 2〜 1Z 5 の電流で全生成水をプロ トンの搬送水として循環させて、 湿度の持ち出 しを行うことができる。

一般に、 1個の発電セルの発電量 [W] は、 電流を 5 [A] としたと き、 電圧が 0. 6〜 0. 7 [V] であれば、 3. 0〜 3. 5Wとなる （例 えば、 0. 6 [V] X 5 [A] = 3 [W] ) 。

これに対して、 プロ トン伝導体 20の動作に必要な電力量（消費電力） は、 電流を 5 [A] として、 電圧を 5 0 [mV] とすると、 0. 2 5 [W] となる （5 0 [m V] X 5 [A] = 0. 2 5 [W] ) 。 従って、 発電セ ルで 3 5 [ c c /m i n ] の水素消費があり、 プロ トン伝導体 2 0で 3 5 [ c c /m i n] の水素循環がなされた状態で運転されるものとする と、 発電セルに対するプロ ドンポンプの効率は、 効率 = 3 [W] ÷ 0. 2 5 [W] = 1 2倍となる。

また、 発電セルを 3 5 [ c c /m i n ] で運転し、 そのうち 1 4 [ c c /m i n] を戻り配管 3 3から戻すものとして、 プロ トン伝導体 20 の駆動電流が 2 [A] であって、 電圧が 2 0 [mV] であるとすると、 このときの消費電力は 0. 04 [W] となる （0. 0 2 [V] X 2 [A] = 0. 04 [W] ) 。 従って、 この場合における、 発電セルに対するプ 口 トンポンプの効率は、 効率 = 3 [W] ÷ 0. 04 [W] = 8 0倍とな る。

このように、 本実施例の発電セル 1 8及ぴ燃料電池 1 4によれば、 発 電部 1 9で発電された電力の一部をプロ トン伝導体 20で消費するが、 その消費量は発電量に比べて極めて少ないため（発電電圧 0. 6又は 0. 6〜 0. 7 Vに対して、 消費電圧 0. 0 5 V位） 、 発電効率の低下を最 小限に抑えつつ、 発電動作を効率良く継続させることができる。

図 1に示した構成を有する燃料電池 1 4の作用は、 例えば、 次のよう なものである。 4個の発電セル 1 5〜 1 8を、 これらに供給される水素 の流路を直列に接続する。 そして、 第一の発電セル 1 5から第二の発電 セル 1 6及び第三の発電セル 1 7を介して第四の発電セル 1 8に向けて、 燃料としての水素を供給する。 なお、 燃料は水素を直接供給してもよい し、 燃料改質等により発生する水素を使用してもよい。 特に水蒸気改質 等により発生する水素は、 水分を多く含むため、 水分が不足する状況を 回避し易く、 本発明により好ましい効果が得られる。

このように接続された 4個の発電セル 1 5 ~ 1 8に対して燃料として の水素をデッ ドエンドにて供給した場合、 3個の発電セル 1 5〜 1 7及 び発電セル 1 8の発電部 1 9で逆拡散水が顕著に発生し、 これらの水が 水素の流れに応じて下流側に押し流されることで水素と水若しくは水蒸 気の分圧特性が徐々に変化する。 この分圧特性の変化は、 水分が水の場 合と水蒸気の場合とでは異なるが、 水として結露すると、 その水分は水 素ガスの流れに乗りにくいものとなる。

いま、 4個の発電セル 1 5〜 1 8において発電電流が等しいものと仮 定する。 この状態で、 水等の分圧特性を水素の流量で考えると、 デッ ド ェンドの場合、 下流端の水素流量 5 6が 0 c c / m ί nであるため、 上 流端である第一の発電セル 1 5の水素流量 5 2を l O O c c / m i nと すると、 第二の発電セル 1 6の供給側では水素流量 5 3は 7 5 c c / m i n、 第三の発電セル 1 7の供給側では水素流量 5 4は 5 0 c c / m i n、 第四の発電セル 1 8の供給側では水素流量 5 5は 2 5 c c / m i n となり、 これらの値が妥当な理想値と考えられる。

このような環境状態において、 第一〜第三の発電セル 1 5〜 1 7及ぴ 第四の発電セル 1 8の発電部 1 9では、 例えば、 次のようにして発電が 行われる。 即ち、 燃料の水素ガスが燃料電極側セパレータ 7若しくは 2 4に供給されると共に、 酸化剤の空気が大気中から酸化剤電極側セパレ ータ 6若しくは 2 3に供給される。 その結果、 燃料の水素ガス （H ₂ ) がプロ トン伝導体膜電極接合体 5若しくは 2 2の第一の触媒と接触して 電子 （ e— ) が飛び出し、 プロ トン （H +) が発生する （H ₂→2 H + + 2 ） 。

このプロ トン （H +) がプロ トン伝導体膜電極接合体 5若しくは 2 2 のプロ トン伝導体膜を通り抜けて反対側の第二の触媒に向かう。 この第 二の触媒では、 送られてきた空気中の酸素が触媒の力でプロ トン （H +) 及び仕事を終えて戻ってきた電子 （ e _) と反応し、 これにより水が生 成される （O ₂ + 4 H + + 4 e—→ 2 H ₂ 0 ) 。

この化学反応により、 プロ トン伝導体膜電極接合体 5若しくは 2 2の 酸化剤電極側セパレータ 6若しくは 2 3側には水がどんどん生成される。 このような水及び逆拡散水の拡散過程は、 4個の発電セル 1 5〜 1 8に おいて同様に行われるが、 上流側の発電セルに供給される水素に逆拡散 した水分量よりも下流側の発電セルに供給される水素の水分量が大とな る。 これは、 水素が下流に移動するに伴って逆拡散水も押し流され、 第 四の発電セル 1 8において吹き溜まり となって次から次へと蓄積される。 そこで、 第四の発電セル 1 8の発電部 1 9で生成され且つ水分を多く含 んだ水素を、 プロ トン伝導体 2 0から排出し、 戻り配管 3 3に戻すよう にする。

この場合、 プロ トン伝導体 2 0のポンプ側電気回路 4 8では、 第一の 印加電極 3 0の電位が第二の印加電極 3 1の電位以上になるように電圧 を印加させる。その結果、第一のセパレータ 2 4から供給される水素（H ₂ ) が第一の触媒と接触して電子 （ e―) が飛び出すと共に、 プロ トン （H +) が第一の触媒からプロ トン伝導膜を伝導して第二の触媒に向かって 移動する。

このとき、 第一のセパレータ 2 4から供給される水素 （H ₂) は、 上 流の 3個の発電セル 1 5〜 1 7を通過する際に水分を吸収して湿度が高 められた後のゥエツ ト水素であり、 その水素自体が十分な水分を含有し ている。 そのため、 この水素 （H ₂ ) には、 それ自体を移動させるに必 要な搬送水の機能が確保されている。 従って、 第一の触媒で発生したプ 口 トン （H +) は、 プロ トン伝導膜を伝導して第二の触媒に向かって容 易に移動することができる。

更に、 第二の触媒側に移動したプロ トン （H +) は、 電子 （ e— ) と反 応して水素 （H ₂ ) となる （2 H + + 2 e—→H ₂ ) 。 これにより、 水分を 多量に含んだ水素 （H ₂ ) が生成される。 その後、 水分を多量に含んだ ゥエツ ト水素は、 第二のセパレータ 2 8カゝら戻り配管 3 3に送られる。 戻り配管 3 3に送られたゥエツ ト水素は、 水分貯蔵器 3 4に一時的に蓄 えられ、 一部は水分が十分に高められて結露となり、 残部は水分が取り 除かれて適度な湿気を有する水素に変換される。

この適度な湿度を有する水素が第一の発電セル 1 5に戻され、 新規な ドライ水素と混合されて、 再び発電に供される。 このようなサイクルが 連続されることにより、 燃料電池 1 4によって連続した発電動作が行わ れると共に、 下流側の発電セル 1 8から十分に水分が含まれた水素を排 出させて、 発電動作の実行を確保することができる。

ここに述べた燃料電池の作用は、 多数の発電セルを直列に接続した場 合のものであるが、これは単一の発電セルにおいても同様である。即ち、 1個の発電セルにおいても、 水素ガスの上流部と下流部とで同様に当て はまることである。

図 2は、 図 1に示した第四の発電セル 1 8の原理確認用の装置を表し たものであり、 その発電セルの組立状態及びその配管構造等の概略構成 を示している。 燃料電極側セパレータ （第一のセパレータ） 2 4には水 素流路 4 0が接続されていて、 その水素流路 4 0には、 供給される水素 の圧力を検出する圧力計 4 1が設けられている。 この水素流路 4 0に供 給される水素は、 水分を含まないか又は含む水分の少ない、 いわゆる ド ライ水素と呼ばれるものである。 また、 酸化剤電極側セパレータ 2 3に は、 大気中の空気が酸素取入口 2 7から供給される。

更に、 第二のセパレータ 2 8に一端が接続された戻り配管 3 3の他端 力 S、 水素流路 4 0の圧力計 4 1 の下流側に接続されている。 この戻り配 管 3 3には、 第二のセパレータ 2 8から近い順に湿度計 4 3と圧力計 4 4と流量計 4 5 と逆止弁 4 6が配設されている。 湿度計 4 3は、 第二の セパレータ 2 8から水素流路 4 0に戻される水素の湿度を測定するもの である。 また、 圧力計 4 4は、 戻り配管 3 3内の圧力、 即ち、 第二のセ パレータ 2 8から水素流路 4 0に戻される水素の圧力を測定するもので ある。

また、 流量計 4 5は、 戻り配管 3 3内を流れる水素の流量を測定する ものである。 そして、 逆止弁 4 6は、 水素流路 4 0から戻り配管 3 3に 向かって水素が流れ込むのを防止するものである。 通常、 戻り配管 3 3 内の水素の圧力は、 水素流路 4 0内の水素の圧力と同等か'若しくは高い ため、 水素流路 4 0内のドライ水素に混ぜて再循環させるように構成さ れている。

尚、 圧力計 4 1、 湿度計 4 3、 圧力計 4 4、 流量計 4 5及び逆止弁 4 6は、 あくまでもプロ トンポンプの原理を確認するために必要とされる ものである。 そして、 これら圧力計 4 1等の配置、 配列は、 この実施例 のものに限定されるものではない。 更に、 デバイス装置としての実用に 際しては、 圧力計 4 1等は必要に応じて用いられるものであって、 不要 時にはそれぞれ省略することが可能なものである。

この発電セル 1 8の発電部 1 9には発電側電気回路 4 7が形成されて いる。 この発電側電気回路 4 7には、 燃料電極側セパレータ 2 4からプ 口 トン伝導体膜電極接合体 2 2を経て酸化剤電極側セパレータ 2 3に向 かう方向に流れる図 2において時計方向の電流が発生される。 また、 発 電セル 1 8のプロ トン伝導体 2 0にはポンプ側電気回路 4 8が形成され る。 このポンプ側電気回路 4 8には、 第二のセパレータ 2 4からプロ ト ン伝導体膜電極接合体 2 9を経て第二のセパレータ 2 8に向かう方向に 流れる図 2において反時計方向の電流が印加される。

このポンプ側電気回路 4 8は、 プロ トン伝導体 2 0の第一の印加電極 3 0と第二の印加電極 3 1 との間に適当な大きさの電圧を印加できるよ うに構成したことによるものである。更に、ポンプ側電気回路 4 8には、 印加される電圧の大きさ及びその電圧の印加方向を変更可能な可変電源 4 9が設けられている。 このポンプ側電気回路 4 8では、 通常、 第一の 印加電極 3 0の電位が第二の印加電極 3 1の電位以上に高くなるように 電圧を印加させるようにする。 これにより、 プロ トン伝導体 2 0にボン プ作用が生じ、 水分を多く含んだゥエツ ト水素を戻り配管 3 3に流すこ とができる。

これとは反対に、 第一の印加電極 3 0の電位が第二の印加電極 3 1の 電位よりも低くなるように電圧を印加させると、 水分を多く含んだゥェ ッ ト水素が第二のセパレータ 2 8側から第一のセパレータ 2 4側に向か つて移動する。 これにより、 水分を多く含んだウエッ ト水素が、 第一の セパレータ 2 4から発電部 1 9に供給され、 その水分が発電部 1 9にお いて発電等に利用されて、 有効な発電その他の働き （搬送水の役割等） に利用される。

図 3は、 図 2の回路構成を変形した実施例を示すものであり、 図 2と 同一部分には同一の符号を付している。 この実施例では、 戻り配管 3 3 に変えて迂回配管 5 0を設け、 迂回配管 5 0の一端を第二のセパレータ 2 8に接続し、 その他端を第一のセパレータ 2 4に接続するように構成 されている。 迂回配管 5 0には、 第二のセパレータ 2 8に近い側から順 に圧力計 4 4、 湿度計 4 3及び流量計 4 5が配設されているが、 逆止弁 は省略されている。 この圧力計 4 4等の配置、 配列については、 これに 限定されるものではなく、 また、 逆止弁を設ける構成としてもよい。 こ のような接続構成とすることによつても、 図 2の実施例と同様の効果を 得ることができる。

図 1 7 A， Bは、 水素湿度と水素流路との関係を説明するグラフであ る。図 1 7 Aにおいて、符号 5 7は、従来の湿度分布を示すものであり、 水素流路の上流部では水素密度が高くなっていて、 下流部に移動するに 従って比例的に水素密度が低くなつている。 符号 5 8は、 従来の水素の 湿度分布に対して、 湿度制御による加湿、 除湿制御を行った範囲を示す ものである。 この場合、 水素流路の上流部と下流部では水素湿度に相対 差があるため、 これだけでは好ましいものではないので、 符号 5 9に示 すように、 湿度循環による湿度勾配を平均化するようにする。

図 1 7 Bは、 本実施例のように水素湿度を制御し、 湿度循環による湿 度勾配を平均化すると共に、 平均化された水素湿度 （符号 5 9 ) の湿度 分布範囲 （符号 6 0 ) を示すものである。 このように水素湿度の平均化 を図ることにより、 発電効率の低下を最小限に抑えつつ、 発電動作を効 率良く継続させることができる。

しかも、 本発明によれば、 プロ トン伝導体 2 0は、 プロ トン伝導体膜 のドライアップ時 （水分が不足した乾燥時） には、 一般的に作動しにく いが、 水素循環が必要となるのは水素流路が水によって閉塞されたとき であるため、 その水によってプロ トンポンプを動作させるための湿度を 十分に確保することができる。 更に、 本実施例のように、 発電部 1 9 と プロ トン伝導体 2 0を互いに近接させて設けることにより、 発電部 1 9 に向かう水素の湿度とプロ トン伝導体 2 0に向かう水素の湿度を同等レ ベルに保持することができる。 その結果、 プロ トン伝導体 2 0の内部抵抗 （=印加電圧/電流） を観 測することで水素極 （燃料極） 全体の湿度を同時にセンシングすること ができ、 これによつて湿度センサの役割を果たすことができる。 また、 上述したように、 一対のガス拡散層間における電圧の印加方向を反転さ せることにより、 ポンプ方向を反転させて湿度の高い水素を逆方向に移 動させることができる。 しかも、 ポンプ量 （ポンプスピー ド） は、 水素 流量を調整することによって自由に設定することができ、 プロ トンボン プの面積、 印加電圧、 電流、 プロ トン伝導体膜の材料等とのマッチング を図ることにより、 ポンプ効率を高めて最適化を図ることができる。 また、 プロ トンポンプによれば、 プロ トン伝導体膜を通じて行われる プロ トンの伝導に加えて、 搬送水の移動を促進させることができる （水 素と水分の移動） 。 これにより、 燃料である水素の湿度を発電に適した ものに調整することが出来るため、 発電部のプロ トン伝導体の過乾燥や 水没による発電反応の低下を防止することが可能となる。 更に、 水分の 移動に関しては、 使用箇所によって除湿若しくは加湿の効果を発揮させ ることができる。 更に又、 水素の移動には、 その圧力や流量の調整を図 ることができ、 減圧レギユレータ、 昇圧コンプレッサ、 或いは流量コン トローラとして機能させることもできる。 そして、 この際の圧力勾配に より、 循環流の一方化を図り、 水素の逆流防止を行うことができる。 尚、 燃料ガスとしては、 純粋の水素のみからなる水素ガスばかりでな く、 成分の一部に水素を含む水素混合ガス （例えば、 メタン、 メタノー ル、 プロパン、 ブタン、 ガソリン等） を用いることができる。 即ち、 高 圧ボンべや液体水素タンク、 水素吸蔵合金等を用いて水素そのものを供 給する方法の他、 天然ガス （メタン） 、 メタノール等の既存の炭化水素 系燃料を改質して水素リ ツチな改質ガスを供給する方法等が用いられる。 また、 酸素の供給も同様であり、 空気を供給する方法の他、 酸素そのも のを供給する方法を用いることもできる。

図 4は、 本発明の燃料電池の第 2の実施例を示すものであり、 この実 施例に示す燃料電池 6 2は、上述した第一の実施例の水分貯蔵器 3 4に、 新たなドライ水素 6 3を供給し、 戻り配管 3 3内の水素の状態を調整す るように構成したものである。 他の構成は、 上述した図 1の場合と同様 であるため、 同一部分には同一の符号を付して、 それらの説明を省略す る。 尚、 戻り配管 3 3は、 この実施例においても前記実施例と同様に、 管状の部材を用いて配管として接続する構成として図示したが、 配管に よる接続に限られるものではなく、 例えば、 セパレータ同士を接合させ て戻り管路を形成する等の他の接続構成を含むことは勿論である。

この第 2の実施例によれば、 予めゥエツ ト水素によって適度な湿度が 与えられたドライ水素が、 4個の発電セル 1 5〜 1 8のうち第一の発電 セル 1 5の燃料供給口に供給される。 そのため、 4個の発電セル 1 5〜 1 8の直列とされた水素流路を通して、 略平均化された湿度を有する水 素を流通させることができる。

図 5は、 本発明の燃料電池の第 3の実施例を示すものであり、 この実 施例に示す燃料電池 6 4は、 上述した第 2の実施例の第一の発電セル 1 5を第四の ¾電セル 1 8 と同一の構成として第一の発電セル 1 5 Aを設 け、 最上流に位置する発電セルにもプロ トン伝導体 2 0を設けたもので ある。 第一の発電セル 1 5 Aは第四の発電セル 1 8 と同様の構成を有し ており、戻り配管 3 3の先端が第一の発電セル 1 5 Aに接続されている。 燃料電池 6 4の他の構成は、 図 4に示した第 2の実施例と同様であるた め、 同一部分には同一の符号を付して、 それらの説明を省略する。

この第 3の実施例では、 第四の発電セル 1 8のプロ トン伝導体 2 0か ら排出されたウエッ ト水素が水分貯蔵器 3 4に供給され、 その水素は水 分貯蔵器 3 4に供給される新たなドライ水素 6 3と混合される。 その混 合後の適度に湿度が調整された水素が、 第一の発電セル 1 5 Aのプロ ト ン伝導体 2 0の第二のセパレータ 2 8 に供給される。 この第二のセパレ ータ 2 8から供給された水素は、 プロ トン伝導体 2 0を通過する際に上 述したポンプ作用に供される。 その後、 プロ トン伝導体 2 0を通過した 水素の一部が発電部 1 9に移動して上述した発電作用に供される。

一方、 プロ トン伝導体 2 0を通過した水素のうち発電部 1 9で消費さ れた分を除く残部は、 第一のセパレータ 2 4から第二の発電セル 1 6側 に移動する。 この水素の一部は第二の発電セル 1 6において発電に供さ れ、 その残部が第三の発電セル 1 7に供給される。 更に、 第三の発電セ ル 1 7に移動した水素は、 その一部が発電に供され、 残部が第四の発電 セル 1 8に供給される。 そして、 第四の発電セル 1 8において、 上述し たように、 発電部 1 9による発電作用とプロ トン伝導体 2 0によるボン プ作用とが行われる。

尚、 図 5における水分貯蔵器 （リザーバー） 3 4は、 第一の発電セル 1 5 A或いは第四の発電セル 1 8の内部に設ける構成としてもよい。 ま た、 4個の発電セル 1 5 A， 1 6〜 1 8のすベてを一体に構成し、 その 内部に水分貯蔵器 3 4を内蔵する構成とすることもできる。

図 6は、 本発明の燃料電池の実施例の原理を説明する図である。 この 燃料電池 6 5は、 互いに重ね合わされる酸化剤電極側セパレータ 6 6、 燃料電極側セパレータ 6 7及ぴ第三のセパレータ 6 8と、発電部 6 9 と、 水素ガス湿度制御装置の一具体例を示すプロ トン伝導体 7 0を備えて構 成されている。 酸化剤電極側セパレータ 6 6 と燃料電極側セパレータ 6 7は発電部 6 9を介して重ね合わされており、 両セパレータ 6 6， 6 7 の内部に形成された空間部が発電部 6 9によって酸化剤側ガス拡散室 7 1 と燃料側ガス拡散室 7 2とに仕切られている。 第三のセパレータ 6 8 は燃料電極側セパレータ 6 7の外側に重ね合わされており、 これにより 両セパレータ 6 7， 6 8の内部に、 水素ガスが供給される第二の水素流 路又は水素室の一具体例を示す水素ガス室 7 3が形成されている。

更に、 酸化剤電極側セパレータ 6 6には酸素供給口 7 4が設けられて おり、この酸素供給口 7 4が酸化剤側ガス拡散室 7 1に連通されている。 この酸素供給口 7 4には、 大気中の空気 （特に酸素） 或いは酸素貯蔵器 から酸素が供給される。 また、 燃料電極側セパレータ 6 9には燃料供給 口 7 5が設けられており、 この燃料供給口 7 5が燃料側ガス拡散室 7 2 に連通されている。 この燃料供給口 7 5には、 水素貯蔵器等の燃料供給 源が接続され、 その燃料供給源から燃料 （特に水素） が供給される。 第 三のセパレータ 6 8には水素供給口 7 6が設けられており、 この水素供 給口 7 6が水素ガス室 7 3に連通されている。この水素供給口 7 6には、 前記水素貯蔵器等の燃料供給源又は別個に設けた水素供給源が接続され、 その水素供給源から水素が供給される。

これら酸化剤電極側セパレータ 6 6、 燃料電極側セパレータ 6 7及び 第三のセパレータ 6 8の材質としては、 例えば、 非伝導性のセラミック スゃプラスチック等を適用できることは勿論のこと、 伝導性を有するァ ルミニゥム合金、 ステンレス合金、 或いはカーボン材等を適用すること もできる。 図 6に示す実施例は、 3つのセパレータを伝導性の材料で形 成したものであり、 この場合、 酸化剤電極側セパレータ 6 6と燃料電極 側セパレータ 6 7 との間、 及ぴ燃料電極側セパレータ 6 7と第三のセパ レータ 6 8の間には、 それぞれ絶縁性のシール部材 7 7を介在させるよ うにするとよい。

燃料電池 6 5の発電部 6 9は、 酸化剤電極側セパレータ 6 6と燃料電 極側セパレータ 6 7との間に保持された発電用のプロ トン伝導体膜 7 8 と、 このプロ トン伝導体膜 7 8の両面に設けられた一対の触媒層 7 9， 8 0を備えている。 これら触媒層 7 9， 8 0の材質としては、 例えば、 白金や白金 ·ルテニウム等の触媒を用いることができる。 一方の触媒層

7 9の周囲を囲う酸化剤側ガス拡散室 7 1が酸化剤側のガス拡散層とさ れていて、 他方の触媒層 8 0の周囲を囲う燃料側ガス拡散室 7 2が燃料 電極側のガス拡散層とされている。 これらガス拡散層の材質としては、 例えば、 カーボンクロス、 カーボンペーパー等を用いることができる。

また、 燃料電極側セパレータ 6 7には、 燃料側ガス拡散室 7 2 と水素 ガス室 7 3を連通する開口部 8 3が設けられている。 この開口部 8 3に はプロ トン伝導体 7 0が取り付けられており、 これらの水分搬送体若し くはプロ トン伝導体によって開口部 8 3が仕切られて、 第一の水素流路 又は水素室である燃料側ガス拡散室 7 2と第二の水素流路又は水素室で ある水素ガス室 7 3 とが分離されている。 図 6に示す実施例は、 燃料側 ガス拡散室 7 2と水素ガス室 7 3をプロ トン伝導体 7 0で仕切って分離 させた例を示すものである。

このプロ トン伝導体 7 0は、 発電部 6 9 と同様の構成を備えており、 高分子電解質膜であるプロ トン伝導体膜 8 4と、 このプロ トン伝導体膜

8 4の両面に設けられた第一の触媒 8 5及び第二の触媒 8 6を有してい る。 更に、 第一の触媒 8 5の燃料側ガス拡散室 7 2に臨む面には第一の 電圧印加用電極が設けられ、 第二の触媒 8 6の水素ガス室 7 3に臨む面 には第二の電圧印加用電極が設けられている。 これら第一及び第二の電 圧印加用電極間では、 その電圧の印加方向を選択的に変更可能とされて いる。 従って、 第一の電圧印加用電極の印加電圧を第二の電圧印加用電 極の印加電圧よりも高くすることができ、 これとは逆に、 第二の電圧印 加用電極の印加電圧を第一の電圧印加用電極の印加電圧よりも高くする こともできる。

プロ トン伝導体膜 8 4は、 開口部 8 3の全体を完全に塞ぐように燃料 電極側セパレータ 6 7の内側に固定されている。 これにより、 プロ トン 伝導体膜 8 4の一面に配された第一の触媒 8 5が発電に供される燃料ガ スが供給される燃料側ガス拡散室 （第一の水素流路又は水素室） 7 2に 対向され、 その他面に配された第二の触媒 8 6が水分の搬送に供される 燃料ガスが供給される水素ガス室 （第二の水素流路又は水素室） 7 3に 対向されている。

このような構成を有する燃料電池 6 5の作用を概略説明すると、 例え ば、 次のようなものである。 図 6において、 燃料電池 6 5の水素供給口 7 6に対して燃料ガスを供給すると共に、 酸素供給口 74に対して空気 を供給する。 この場合、 酸素供給口 74が大気に開放されているもので ある場合には、 大気中から自動的に空気が供給される。 その結果、 燃料 電極側セパレータ 6 7内のァノード側では水素 （H₂) がプロ トン （H+) と電子 （e一） に分解され、 酸化剤電極側セパレータ 6 6内の力ソード 側では酸素 （0₂) とプロ トン伝導体膜 7 8を移動したプロ トン （H+) 及び外部回路を通ってきた電子 （e— ) が結合される。 これにより、 発 電部 6 9で発電された電子 （ e一） が電力として取り出される。

この際、 発電部 6 9のカソード側では、 酸素 （0₂) とプロ トン （H+) 及び電子 （ e -) が結合することにより、 水が生成される （4 H + + 4 e —→2 H₂+0₂= 2 H₂0) 。 この発電部 6 9で生成された水は、 酸化剤 電極側セパレータ 6 6側の触媒層 7 9及ぴプロ トン伝導体膜 7 8を逆拡 散して燃料電極側セパレータ 6 7側の触媒層 8 0に逆拡散される。 そし て、 水分は触媒層 8 0を通過して燃料電極側セパレータ 6 7側の表面に 染み出し、 燃料側ガス拡散室 7 2内の水素中に蒸発する。 これにより、 燃料側ガス拡散室 7 2内の湿度が高くなり、 その水分がガス拡散層を介 してプロ トン伝導体 7 0に伝導される。

プロ トン伝導体 70に伝導された水分は、 第一の触媒 8 5からその内 部に染み込み、 プロ トン伝導体膜 8 4を介して反対側の第二の触媒 8 6 に搬送される。 この場合、 プロ トン伝導体膜 8 4の両面に印加される電 圧の印加方向を変えることにより、 水分 （H ₂ 0 ) 及びプロ トン （H +) の移動方向を変えることができる。 即ち、 図示するように、 プロ トン伝 導体膜 8 4の第一の触媒側電極の電圧を第二の触媒側電極の電圧よりも 高くすることにより、 水分 （H ₂ 0 ) 及びプロ トン （H +) は、 第一の触 媒 8 5 ( +極） 側から第一の触媒 8 6 (—極） 側に伝導される。 このと き、 発電部 6 9側の湿度は低くなり、 その燃料ガスは乾燥される傾向に なる。

これとは逆に、 プロ トン伝導体膜 8 4の第二の触媒側電極の電圧を第 一の触媒側電極の電圧よりも高くすることにより、 水分 （H ₂ 0 ) 及び プロ トン （H +) は、 +極となる第二の触媒 8 6側から一極となる第一 の触媒 8 5側に伝導される。このとき、発電部 6 9側の湿度は高くなり、 その燃料ガスは湿潤される傾向になる。 従って、 プロ トン伝導体膜 8 4 の電圧の印加方向を制御することにより、 水分及ぴプロ トンの移動方向 を変更させて発電部 6 9における燃料ガスの湿度を調整することができ る。

尚、 プロ トン伝導体膜 8 4に代えて水分搬送体を用いることによって も、 燃料ガスの湿度を調整することができる。 この場合、 '水分搬送体で は電圧の印加が行われず、 湿度差による自然拡散を用いて水分を移動さ せる湿度調整が行われる。 この水分搬送体は、 表面に接触する水分を吸 収してその水分を保持するのではなく、 湿度が高い側から低い側に水分 を搬送して反対側の面から排出する機能を有するものである。 例えば、 燃料側ガス拡散室 7 2内の湿度が水素ガス室 7 3内の湿度よりも高くな ると、 その水分が水分搬送体を介して水素ガス室 7 3内に染み出す。 そ の染み出し量が所定量を超えることにより、 その水分がまとまって滴と なり、 水素ガス室 7 3から、 例えば外部に放出され、 或いは他の発電セ ルの水分調整に供される。

このようなプロ トン伝導体 7 0 (或いは水分搬送体） による水素の湿 度制御が繰り返されることにより、 発電部 6 9で水が連続的に生成され る場合にも、 その発電部 6 9における水素の湿度を調整して、 発電に最 適な湿度の燃料ガスを発電部 6 9に供給することができると共に、 余分 な水分を発電部 6 9から除去することができる。

このように、 本実施例の燃料電池 6 5によれば、 プロ トン伝導体 7 0 (又は水分搬送体） を燃料電極側セパレータ 6 7側に設けたために、 発 電時における燃料電池 6 5内部の湿度を一定の適正な状態に維持するこ とができ、 常に最適な状態で発電部 6 9による発電動作を連続させるこ とができる。

図 7は、 図 6に示した燃料電池 6 5の他の具体的な構成例を示す説明 図である。図 7において、図 6 と同一部分には同一の符号を付している。 また、 図 8は、 図 7に示す燃料電池 6 5 の変形実施例である燃料電池 8 8を示すものである。

図 7の燃料電池 6 5および図 8に示した燃料電池 8 8は、 多数の発電 部と 1個 （或いは 1組） のプロ トン伝導体 7 0で構成したものである。 前述したような構成を有する複数個の酸化剤電極側セパレータ 6 6と、 これと同数の燃料電極側セパレータ 6 7が交互に重ね合わされ、 最後の 燃料電極側セパレータ 6 7の一面に第三のセパレータ 6 8が積層されて いる。

図 8に示した燃料電池 8 8では、 これらセパレータ積層体が、 横に向 けられた状態で 1個のプロ トン伝導体 7 0に载置されている。 そして、 プロ トン伝導体 7 0が第四のセパレータ 8 9に載置されている。 横並べ とされたセパレータ積層体に対して、 上方から燃料である水素が供給さ れ、 空気は側方から供給されている。 そして、 発電部で発電動作に供さ れた後の余分な水分が、 プロ トン伝導体 7 0の下方から側方に排出され る構成となっている。 かかる構成とすることによつても、 前記実施例と 同様の効果を得ることができる。

また図 9は、 図 6に示した燃料電池 6 5 の変形例である燃料電池 9 5 の構成を示す断面図である。 燃料電池 9 5は発電部 6 9と、 プロ トン伝 導体 7 0と、 水分搬送体 9 1を備えた構成とされている。 即ち、 燃料電 池 9 5は、 互いに重ね合わされる酸化剤電極側セパレータ 6 6、 燃料電 極側セパレータ 6 7及び第三のセパレータ 6 8 と、 プロ トン伝導体 7 0 用の高分子電解質膜であるプロ トン伝導体膜 8 4と、 水分搬送体の一具 体例を示す水分搬送体 9 1 とを備えて構成されている。

この水分搬送体 9 1は、 湿度差による自然拡散を用いて水分を移動さ せるようにしたもので、 表面に接触する水分を吸収し、 その水分を保持 するのではなく、 湿度が低い側に搬送して反対側の面から外部に排出す る機能を有するものである。 この水分搬送体 9 1は、 燃料電極側セパレ ータ 6 9の内側に取り付ける構成としてもよい。 水分搬送体 9 1は、 例 えばプロ トン伝導膜であるパーフルォロスルホン酸膜、ナフイオン膜（フ ッ素樹脂系） や多孔質セラミックス等を用いることができる。

酸化剤電極側セパレータ 6 6と、 燃料電極側セパレータ 6 7 と、 両セ パレータ 6 6， 6 7間に配設された発電部 6 9 と、 第三のセパレータ 6 8に取り付けられた水分搬送体 9 1 と、 発電部 6 9のプロ トン伝導体膜 7 8 と酸化剤電極側セパレータ 6 6及ぴ燃料電極側セパレータ 6 7間を シールするシール部材 7 7とは、 上述した図 6の燃料電池 6 5 とそれぞ れ同様である。 そして、 酸化剤電極側セパレータ 6 6には酸素供給口 7 4が設けられ、 燃料電極側セパレータ 6 7には水素供給口 7 6が設けら れている。

更に、 燃料電極側セパレータ 6 7の水分排出口である内側開口部 8 3 にプロ トン伝導体 7 0が設けられている。 このプロ トン伝導体 7 0は、 発電部 6 9 と同様の構成を備えており、 高分子電解質膜であるプロ トン 伝導膜 8 4と、 このプロ トン伝導体膜 8 4の両面に設けられた第一の触 媒 8 5及ぴ第二の触媒 8 6を有している。 プロ トン伝導体膜 8 4は内側 開口部 8 3を閉じるように燃料電極側セパレータ 6 7の内側に取り付け られており、 その一面に配された第一の触媒 8 5が発電に供される燃料 ガスの供給されるガス拡散層 7 2に対向され、 その他面に配された第二 の触媒 8 6が水分持出し用に供される燃料ガスの供給される水素ガス室 7 3に対向されている。

また、 第三のセパレータ 6 8は、 シール部材 7 7を介して燃料電極側 セパレータ 6 7と重なり合うように設けられ、 3個のセパレータが全体 として三層構造とされている。 第三のセパレータ 6 8には、 水分の排出 口である外側開口部 9 2が設けられている。 この第三のセパレータ 6 8 の内面に、 外側開口部 9 2を塞ぐように水分搬送体 9 1が接着剤、 挟持 その他の固着手段によって取り付けられている。 そして、 第三のセパレ ータ 6 8の側部には、 プロ トン伝導体 7 0を伝導して第三のセパレータ 6 8側に染み出した水分を外部に持ち出すための水分持出用燃料が供給 される水素供給口 7 6が設けられている。

このような構成を有する燃料電池 9 5では、 図 6を用いて説明したの と同様の発電反応とプロ トン伝導体 7 0による水分の反応が行われて、 プロ トン伝導体 7 0の電圧の印加方向を制御することにより、 水分及び プロ トンの移動方向を変更させて発電部 6 9における燃料ガスの湿度を 調整することができる。

このよ う に、 プロ トン伝導体 7 0の触媒層 8 6の湿度が高くなり、 第 三のセパレータ 6 8で囲まれた水素ガス室 7 3内の湿度が高くなると、 その水分が水分搬送体 9 1内に染み込む。 そして、 水分搬送体 9 1内の 湿度がある程度高くなり、 外気と接触している表面に水分が染み出し、 その染み出し量が所定量を超えることにより、 その水分がまとまって滴 となり、 外部に放出される。

また、 水分搬送体 9 1に伝達された水分は、 その内部に染み込んで反 対側の面まで伝導され、 その面に染み出して外気に接触される。 水分搬 送体 9 1 と接触する外気の湿度は、 第三のセパレータ 6 8内部の湿度よ りも低いため、 水分搬送体 9 1に含まれる水分は外気中に放出されるこ とになる。 このよ うなプロ トン伝導体 7 0及び水分搬送体 9 1における 水分の伝導が繰り返されることにより、 発電部 6 9で水が連続的に生成 される場合にも、 その湿度を調整して最適な湿度の燃料ガスを発電部 6 9に供給すると共に、 余分な水分を外部に排出することができる。

このように、 本実施例の燃料電池 9 5によれば、 プロ トン伝導体 7 0 及び水分搬送体 9 1を燃料電極側セパレータ 6 7側に設けることにより、 発電時に燃料電池 6 5内部で生成される水分を燃料電極側セパレータ 6 9側から外部に放出し、 発電時における燃料電池 9 5内部の湿度を一定 の適正な状態に維持することができ、 常に最適な状態で発電動作を連続 させることができる。

図 1 O A〜図 1 6 Bには、 上述したような発電部にプロ トン伝導体を 組み合わせて構成される発電セルの他の実施例を示す。 図 1 0 Aは、 図 1に示した第四の発電セル 1 8と略同様の構成を有するもので、 酸化剤 電極側セパレータ 2 3の酸素取入れ方式を大気開放式とした実施例であ る。 この発電セル 1 0 0は、 発電部 1 9とプロ トン伝導体 2 0を備えて 構成されている。

燃料電極側セパレータ 2 4と第三のセパレータ 2 8は、 水素を流通さ せる水素配管 1 2 0で連通されていて、 両セパレータ 2 4， 2 8のどち ら側からも他方に対して水素が供給できるようにされている。 尚、 第三 のセパレータ 2 8及ぴ水素配管 1 2 0については、 吸湿性の材料を用い ることができ、 また、 結露トラップ等のように外部に水素を排出できる 構造とすることもできる。

図 1 0 Bは、図 1 0 Aに示した発電セル 1 0 0の変形例を示すもので、 酸化剤電極側の酸素取入れ方式を空気圧送式としたものである。 この発 電セル 1 0 1は、 酸化剤電極側セパレータ 1 2 1を有する発電部 1 9 A を備えている。 酸化剤電極側セパレータ 1 2 1 の内面には、 空気 （酸素） が圧送される多数の連通溝 1 2 2が設けられている。 他の構成は、 発電 セル 1 0 0と同様である。

図 1 1 Aに示す発電セル 1 0 2は、 図 1 0 Bに示す発電セル 1 0 1 の うち、 燃料電極側セパレータ 2 4に上下の電極 2 5， 3 0を貼り合わせ る等して一体化させて燃料電極側セパレータ 1 2 3を構成し、 同じく酸 化剤電極側セパレータ 1 2 1に集電板電極 2 6を一体化させて酸化剤電 極側セパレータ 1 2 4を構成し、 更に、 第三のセパレータ 2 8に電極 3 1を一体化させて第三のセパレータ 1 2 5を構成したものである。 これ により、 各セパレータ 1 2 3， 1 2 4， 1 2 5に電極の機能を持たせ、 これらのセパレータ 1 2 3， 1 2 4， 1 2 5を介して集電機能や電圧の 印加等が行えるように構成されている。

更に、 酸化剤電極側セパレータ 1 2 4の機能に合わせて燃料電極側セ パレータ 1 2 3及ぴ第三のセパレータ 1 2 5を、 空気圧送式に適合する 構成としている。 そして、 プロ トン伝導体 2 0の燃料電極側セパレータ 1 2 3と第三のセパレータ 1 2 5を水素配管 1 2 0で連通することによ り、 両セパレータ 1 2 3， 1 2 5間において互いに水素を流動させるこ とができるようにしている。 この実施例によれば、 発電セルの部品点数 を削減して装置の薄型化、 小型化を図ることができる。

図 1 1 Bに示す発電セル 1 0 3は、 図 1 0 Aに示す発電セル 1 0 0の うち、 燃料電極側セパレータ 2 4の上下に電極 2 5 , 3 0を貼り合わせ る等して一体化させて集電板 1 2 6を構成し、 発電セル 1 0 3の構造の 簡略化を図ったものである。 集電板 1 2 6は水素配管 1 2 0を介して第 三のセパレータ 2 8と連通されている。 この実施例の場合、 燃料ガスで ある水素は、 集電板 1 2 6及び第三のセパレータ 2 8から発電部 1 9及 びプロ トン伝導体 2 0に供給される。

図 1 2に示す発電セル 1 0 4は、 発電部 1 9 Αに供給される燃料ガス の湿度制御を、 プロ トン伝導体 2 0 Aと水分搬送体 1 2 7の 2つの水素 ガス湿度制御装置で行うようにしたものである。 発電部 1 9 Aの下側に プロ トン伝導体 2 0 Aが配置され、 その下側に水分搬送体 1 2 7が配置 されている。 この発電セル 1 0 4では、 発電部 1 9 Aのプロ トン伝導体 膜電極接合体 2 2の湿度調整がプロ トン伝導体 2 0 Aによって行われ、 更に、 プロ トン伝導体 2 0 Aの湿度調整が水分搬送体 1 2 7によって行 われる。

更に、 プロ トン伝導体 2 O Aは、 発電部 1 9 Aの燃料電極側セパレー タを兼ねる燃料電極側セパレータ 2 4と、 第三のセパレータ 1 2 8と、 両セパレータ 2 4 , 1 2 8間に介在されたプロ トン伝導体膜電極接合体 2 9及ぴその上下に配置された電極 3 0 , 3 1 とから構成されている。 そして、 燃料電極側セパレータ 2 4と第三のセパレータ 1 2 8は、 水素 配管 1 2 0により連通されて水素ガスが移動できるように構成されてい る。

また、 水分搬送体 1 2 7は、 プロ トン伝導体 2 0 Aの第三のセパレー タ 1 2 8と、 大気が供給される第四のセパレータ 1 2 9 と、 両セパレー タ 1 2 8， 1 2 9間に介在された水分搬送体 1 3 0及ぴその上下に配置 された多孔質板 1 3 1， 1 3 2とから構成されている。 水分搬送体 1 3 0には触媒が無いため、 集電効果がいらないことから多孔質板 1 3 1， 1 3 2は必ずしも必要とされるものではない。

図 1 3 A〜図 1 6 Bに示す発電セル 1 0 5， 1 0 6， 1 0 7 , 1 0 8， 1 0 9， 1 1 0， 1 1 1及び 1 1 2は、 発電部 1 9 A， 1 9 Bのプロ ト ン伝導体膜電極接合体 2 2に対して、プロ トン伝導体 1 3 7， 1 3 7 A, 1 3 7 B , 1 3 8のプロ トン伝導体膜電極接合体 1 3 9の総面積の比が 小さくなるように構成したものである。

図 1 3 Aに示す発電セル 1 0 5は、 発電部 1 9 Bとプロ トン伝導体 1 3 7とから構成されている。 発電部 1 9 Bは、 酸化剤電極側セパレータ 1 2 1 と、 燃料電極側セパレータ 1 3 5と、 プロ トン伝導体膜電極接合 体 2 2と、 酸化剤電極側セパレータ 1 2 1 とプロ トン伝導体膜電極接合 体 2 2との間に介在された集電板電極 2 6 と、 プロ トン伝導体膜電極接 合体 2 2と燃料電極側セパレータ 1 3 5との間に介在された電極 1 3 3 とから構成されている。 そして、 一方の電極 1 3 3には、 プロ トン伝導 体膜電極接合体 2 2の触媒層の全面に渡って水素を展開させるために九 十九折状に延在された連通溝 1 3 4が設けられている。

また、 プロ トン伝導体 1 3 7は、 燃料電極側セパレータ 1 3 5、 第三 のセパレータ 1 4 2とを有し、 これらセノ、。レータ 1 3 5， 1 4 2間に 1 個の小型のプロ トン伝導体 1 3 7が設けられている。 プロ トン伝導体 1 3 7は、 プロ トン伝導体膜電極接合体 1 3 9 と、 その両面に配置された 電極 1 4 0， 1 4 1 とから構成されている。 そして、 プロ トン伝導体膜 電極接合体 1 3 9の面積は、 発電部 1 9 Bのプロ トン伝導体膜電極接合 体 2 2の面積に比べて大幅に小さい構成とされている。

このよ う に、 発電部 1 9 Bの大きさに比べてプロ トン伝導体 1 3 7の 大きさを小さくすることによつても、 発電部 1 9 Bにおける水素ガスの 湿度制御を行うことができる。 特に、 プロ トン伝導体 1 3 7を小型に構 成する場合には、 発電部 1 9 Bの任意の場所における湿度制御を集中的 に行うことができる。 そのため、 この実施例によれば、 1個の発電部 1 9 Bにおいて、 例えば、 上流側と下流側とで湿度差が大きい場合に、 そ の湿度が高い側のみ （或いは低い側でもよい。 ） を集中的に湿度制御で きるという利点がある。

更に、 プロ トン伝導体 1 3 7は、 プロ トンポンプとしてのポンプ容量 に見合った大きさのプロ トン伝導体膜電極接合体 1 3 9を有し、 そのプ 口 トン伝導体膜電極接合体 1 3 9は、 中央に配置されたプロ トン伝導膜 と、 その上下両面に設けられた触媒層とから構成されている。 このプロ トン伝導体膜電極接合体 1 3 9に対応して、 燃料電極側はセパレータ 1 3 5に、 その大きさに見合った大きさを有する水素取入口 1 3 6が設け られ、 第三のセパレータ 1 4 2には、 同様の大きさを有する収納凹部 1 4 3が設けられている。 そして、 両セパレータ 1 3 5， 1 4 2には、 水 素取入口 1 3 6又は収納凹部 1 4 3 と連通される水素流路がそれぞれ設 けられている。

また、 第三のセパレータ 1 4 2には、 プロ トン伝導体 1 3 7でポンプ 'された湿度の高い水素の逆流を防止するための逆止弁 1 4 4が設けられ ている。 この実施例によれば、 小型のプロ トン伝導体を用いてポンプ作 用を行わせることができ、 発電効率の低下をより少なくすることができ る。 尚、 逆止弁 1 4 4は無くてもよい。

図 1 3 Bに示す発電セル 1 0 6は、 発電部 1 9 Bのプロ トン伝導体膜 電極接合体 2 2に比べてプロ トン伝導体 1 3 7 Aのプロ トン伝導体膜電 極接合体 1 3 9が大幅に小さい 2個のプロ トンポンプを用いて水素ガス の湿度制御を行うようにしたものである。 この実施例に示す発電セル 1 0 6が図 1 3 Aに示す発電セル 1 0 5と異なるところは、 プロ トン伝導 体膜電極接合体 1 3 9等が 2個に増えたことと、 これに対応して、 燃料 電極側セパレータ 1 3 5 Aに 2個の水素取入口 1 3 6， 1 3 6を設ける と共に、 第三のセパレータ 1 4 2 Aに 2個の収納凹部 1 4 3 A， 1 4 3 Bを設けた点である。 他の構成は、 上記実施例と同様である。

図 1 4 Aに示す発電セル 1 0 7は、 図 1 3 Bに示す発電セル 1 0 6の 下に下部発電部 1 9 Cを設けた実施例である。 下部発電部 1 9 Cは、 上 部発電部 1 9 Bと同様の構成を有しているが、 その積層順序が逆に設定 されていて、 上部発電部 1 9 Bを逆さまにした状態で燃料電極側セパレ ータ 1 3 5 Aの下に配置されている。 この実施例では、 上下 2個の発電 部 1 9 B， 1 9 Cが水素の供給側を中心に上下に対向するように配設さ れているため、酸化剤側電極も同様に対向させることができる。従って、 水素の両側から酸素を供給することにより、 水素極の結露を防ぐための 保温効果にも役立つという利点がある。

図 1 4 Bに示す発電セル 1 0 8は、 図 1 3 Bに示す発電セル 1 0 6の プロ トン伝導体 1 3 7 Bに多数のプロ トン伝導体を設けた実施例である。 これに対応して、 燃料電極側セパレータ 1 3 5 Bには同じ数の水素取入 口 1 3 6が設けられ、 第三のセパレータ 1 4 2 Bには同じ数の収納凹部 1 4 3が設けられている。 この実施例では、 発電部 1 9 Aに対して水素 の循環路を随時切り替え可能とすることができ、 これにより、 発電部 1 9 Aにおける随所の湿度制御 （除湿及ぴ加湿） を独立に行うことができ る。 更に、 水素流路の上流、 中流及び下流の入れ替えを行うこともでき る。

図 1 5 A及ぴ図 1 5 Bに示す発電セル 1 0 9、 1 1 0は、 図 1 3 Aに 示す発電セル 1 0 6の変形実施例を示すもので、 水素ガス湿度制御装置 として水分搬送体を用いたものである。 水分搬送体は、 一例として触媒 の無いプロ トン伝導体膜 1 4 5と、 このプロ トン伝導体膜 1 4 5の両面 に配置された多孔質板 1 4 6， 1 4 7とから構成されている。 他の構成 は、 図 1 3 Aに示す実施例の発電セル 1 0 6 と同様であるため、 それら の説明は省略する。 尚、 図 1 5 Aは、 水素が燃料電極側セパレータ 1 3 5から発電部 1 9 Bに供給される場合を示している。また、図 1 5 Bは、 水素が第三のセパレータ 1 4 2からプロ トン伝導体膜 1 4 5に供給され、 更に、 燃料電極側セパレータ 1 3 5を介して発電部 1 9 Bに供給される 場合を示している。

図 1 5 Aに示す実施例によれば、 小型の水分搬送体を用いて水分の自 然拡散による水分搬送を行うことができる。 従って、 発電部 1 9 Bで発 電された電気を水分調整に用いないため、 発電効率の低下を防ぐことが できる。 また、 図 1 5 Bに示す実施例によれば、 小型の水分搬送体に水 素を供給して水分を強制的に拡散させ、 積極的な水分搬送を行うことが できる。 更に、 図 1 5 A及び図 1 5 Bに示す実施例では、 触媒がないこ とによる印加電流がないため、 集電板の使用を廃止して構成の簡赂化を 図ることができるという利点がある。

図 1 6 Aに示す発電セル 1 1 1は、 図 1 5 Bに示す発電セル 1 1 0の 変形実施例を示すものである。 即ち、 発電セル 1 1 0の水分搬送体 1 3 8の下側に、 上述したプロ トン伝導体 1 3 7が配設され、 これらを重ね 合わせることによって発電セル 1 1 1が構成されている。 また、 図 1 6 Bに示す発電セル 1 1 2は、 図 1 3 Aに示す発電セル 1 0 5の変形実施 例を示すものである。 即ち、 発電セル 1 0 5のプロ トン伝導体 1 3 7の 下側に、 同様の構成を有する第二のプロ トン伝導体 1 3 7 Cが配設され て、 これらを重ね合わせることによって発電セル 1 1 2が構成されてい る。 ' これらの実施例では、 発電部 1 9 Bに対して、 水素と湿度の循環制御 を上部の水分搬送体 1 3 8又はプロ トン伝導体 1 3 7を用いて行い、 更 に、 その水素の湿度の増減調整を、 下部のプロ トン伝導体 1 3 7又はプ 口 トン伝導体 1 3 7 Cで行うようにしている。 他の構成は、 同図の実施 例と同様であるため、 それらの説明は省略する。 更に、 図 1 0 A〜図 1 6 Bに示す実施例において、 発電部並びにプロ トン伝導体及び水分搬送 体の作用は、 図 1等で述べたことと同様であるため、 ここでの説明は省 略する。

本発明の第 1 4の実施例の燃料電池は、 アノード （陽極） で水素 （H ₂) をプロ トン （ 2 H +) と電子 （2 e一） に分解し、，このときに生じる 電子の一部を電気として取り出すものである。 この際、 力ソード （陰極） では、 酸素 （0 ₂ ) と電解質膜を移動したプロ トン及び外部回路を通つ てきた電子とが結合し、 水が副産物として生成される。

燃料電池に用いられるプロ トン伝導膜がプロ トンを移動させるために は水が必要であるので、 この生成水を拡散性電極内部に拡散させ、 プロ トンの伝導率を高めるために積極的に活用されている。 その一方、 生成 水が拡散性電極内部で過剰になると、 生成水が酸素の移動を妨げること になり、その結果、燃料電池の発電が阻害されることになる。そのため、 燃料電池で安定な発電動作を連続させるためには、 プロ トン伝導膜の水 分を常に一定範囲内に保つことが重要になる。

また、 本発明の燃料電池の湿度制御方法は、 燃料電池に用いられる燃 料ガス （特に水素） の湿度を制御するもので、 水及び/又は水蒸気を通 すが燃料ガスを通さない水分搬送体が用いられる。 ここで、 水分搬送体 について概説すると、 次のようなものである。

水分搬送体は、 湿度差による自然拡散を用いて対象物を移動させるこ とを目的とするもので、 移動対象物は水分である。 この水分搬送体を透 過する水分の移動量は、 例えば、 エアの流量、 エアの湿度や温度等を制 御することによって調整することができる。

尚、 燃料ガスとしては、 純粋の水素のみからなる水素ガスばかりでな く、 成分の一部に水素を含む水素混合ガス （例えば、 メタン、 メタノー ル、 プロパン、 ブタン、 ガソ リ ン等） を用いることができる。 即ち、 高 圧ボンべや液体水素タンク、 水素吸蔵合金等を用いて水素そのものを供 給する方法の他、 天然ガス （メタン） 、 メタノール等の既存の炭化水素 系燃料を改質して水素リ ツチな改質ガスを供給する方法等が用いられる。 また、 酸素の供給も同様であり、 空気を供給する方法の他、 酸素そのも のを供給する方法を用いることもできる。

図 1 8は、本発明の燃料電池に係る実施例の原理を説明する図である。 この実施例として示す燃料電池 2 6 5は、 発電部 2 6 6 と、 水分搬送体 2 6 7 とで構成したものである。 即ち、 燃料電池 2 6 5は、 互いに重ね 合わされる酸化剤電極側セパレータ 2 6 8及び燃料電極側セパレータ 2 6 9と、 発電部 2 6 6用の高分子電解質膜であるプロ トン伝導膜 2 7 0 と、 水分搬送体 2 6 7を備えて構成されている。

酸化剤電極側セパレータ 2 6 8及ぴ燃料電極側セパレータ 2 6 9は、 重ね合わせることによって内部に適当な大きさの空間部が形成される部 材からなり、 その空間部に発電部 2 6 6用のプロ トン伝導膜 2 7 0が保 持されている。 これらセパレータ 2 6 8， 2 6 9の材質としては、 例え ば、 非伝導性のセラミ ックスやプラスチック等を適用できることは勿論 のこ と、 伝導性を有するアルミニウム合金、 ステンレス合金、 或いは力 一ボン材等を適用することもできる。 図 1 8に示す実施例は、 酸化剤電 極側セパレータ 2 6 8及び燃料電極側セパレータ 2 6 9を共に伝導性の 材料で形成したものであり、 この場合、 各セパレータ 2 6 8， 2 6 9 と プロ トン伝導膜 2 7 0 との間には、 それぞれ絶縁性のシール部材 2 7 2 を介在させるようにするとよい。

上側に配される酸化剤電極側セパレータ 2 6 8には、 空気が供給され る酸素供給口 2 7 3が設けられている。 また、 下側に配される燃料電極 側セパレータ 2 6 9には、 燃料が供給される水素供給口 2 7 4が設けら れている。 更に、 燃料電極側セパレータ 2 6 9の略中央部には、 燃料電 池 2 6 5の内部で発生した水分を外部に排出するための水分排出口 2 7 5が設けられている。 この水分排出口 2 7 '5を覆うように燃料電極側セ パレータ 2 6 9の外面には、 水分搬送体 2 6 7であるプロ トン伝導膜が 接着剤、 挟持その他の固着手段によって取り付けられている。

この水分搬送体 2 6 7は、 湿度差による自然拡散を用いて水分を移動 させるようにしたもので、 表面に接触する水分を吸収し、 その水分を保 持するのではなく、 湿度が低い側に搬送して反対側の面から外部に排出 する機能を有するものである。 この水分搬送体 2 6 7は、 燃料電極側セ パレータ 2 6 9の内側に取り付ける構成としてもよい。 水分搬送体 2 6 7は、 例えばプロ トン伝導膜であるパーフルォロスルホン酸膜、 ナフィ オン膜（フッ素樹脂系）や多孔質セラミックス等を用いることができる。 また、 発電部 2 6 6のプロ トン伝導膜 2 7 0の両面、 即ち、 酸化剤電 極側セパレータ 2 6 8側の面には触媒層 2 7 6が設けられ、 燃料電極側 セパレータ 2 6 9側の面には触媒層 2 7 7が設けられている。 各触媒層 2 7 6 , 2 7 7の材質としては、 例えば、 白金や白金 ·ルテニウム等の 触媒を用いることができる。更に、各触媒層 2 7 6 , 2 7 7の外側には、 それぞれガス拡散層 2 7 8， 2 7 9が設けられている。 これらガス拡散 層 2 7 8， 2 7 9の材質としては、 例えば、 カーボンクロス、 カーボン ペーパー等を用いることができる。

図 1 9は、 図 1 8に示した燃料電池 2 6 5の一実施例の概略構成を示 す説明図であり、 同一部分には同一の符号を付している。 燃料電池 2 6 5は、 上述した 2個のセパレータ 2 6 8， 2 6 9に加えて第三のセパレ ータ 2 8 0を有しており、 この第三のセパレータ 2 8 0と燃料電極側セ パレータ 2 6 9で水分搬送体 2 6 7としてのプロ トン伝導膜が挟持され ている。 更に、 第三のセパレータ 2 8 0には、 水分搬送体 2 6 7を伝導して第 三のセパレータ 2 8 0側に染み出した水分を外部に持ち出すための水分 持出用空気が供給される空気供給口 2 8 1が設けられている。 この空気 供給口 2 8 1から注入された水分持^用空気は、 第三のセパレータ 2 8 0と水分搬送体 2 6 7 との間の供給路 2 8 2を通って外部に取り出され る。

図 1 9に示す符号 2 8 3は、 燃料電極側セパレータ 2 6 9と第三のセ パレータ 2 8 0 との間を封止するシール部材である。 また、 符号 2 8 4 は、 水分搬送体 2 6 7の両面に設けた捕強材である。 この補強材 2 8 4 は、 例えば、 ポーラスな網目状のガーゼのような材料からなり、 水分の 持ち出し量の調整、 或いはシール部材 2 8 3を用いたことによる水分搬 送体 2 6 7と第三のセパレータ 2 8 0との間の隙間調整等を目的として 用いられている。

このような構成を有する燃料電池 2 6 5の作用を概略説明すると、 例 えば、 次のようなものである。 図 1 8において、 燃料電池 2 6 5に対し て、 水素供給口 2 7 4からァノード側の燃料電極側セパレータ 2 6 9内 に燃料を供給すると共に、 酸素供給口 2 7 3からカソード側の酸化剤電 極側セパレータ 2 6 8内に空気を供給する。 これにより、 アノードでは 水素 （H 2 ) がプロ トン （2 H + ) と電子 （ 2 e _ ) に分離し、 カソー ドでは酸素 （O 2 ) とプロ トン伝導膜 2 7 0を移動したプロ トン （ 2 H + ) 及び外部回路を通ってきた電子 （ 2 e— ) とが結合される。 これに より、 発電部 2 6 6で発電された電子 （ 2 e —） の一部が電力として取 り出される。

この際、 発電部 2 6 6の酸化剤電極側セパレータ 2 6 8内では、 酸素 ( 0 ₂ ) とプロ トン （ 2 H +) 及び電子 （ 2 e — ) が結合することにより、 水が生成される （ 4 H + + 4 e _→ 2 H ₂ + O ₂ = 2 H ₂0 ) 。 この発電部 2 6 6で生成された水は、 酸化剤電極側セパレータ 2 6 8側の触媒層 2 7 6及ぴプロ トン伝導膜 2 7 0を伝導して燃料電極側セパレータ 2 6 9 側の触媒層 2 7 7に逆拡散される。 そして、 触媒層 2 7 7を通過して燃 料電極側セパレータ 2 6 9側の表面に染み出す。 これにより、 燃料電極 側セパ レータ 2 6 9内部の湿度が高くなり、 その水分がガス拡散層 2 7 9を介して水分搬送体 2 6 7に伝達される。 この場合、 排出されるもの は、液体としての水ではなく、水蒸気であってもよいことは勿論である。 また、 水分搬送体 2 6 7に伝達された水分は、 その内部に染み込んで 反対側の面まで伝導され、 その面に染み出して外気に接触される。 水分 搬送体 2 6 7と接触する外気の湿度は、 燃料電極側セパレータ 2 6 9内 部の湿度よりも低いため、 水分搬送体 2 6 7に含まれる水分は外気中に 放出されることになる。 このような水分の伝導が繰り返されることによ り、 発電部 2 6 6で水が連続的に生成される場合にも、 その水を外部に 連続的に排出することができる。 従って、 燃料電極側セパレータ 2 6 9 に水分排出口 2 7 5を形成して水分搬送体 2 6 7を設けることにより、 発電時に燃料電池 2 6 5内部で生成される水分を燃料電極側セパ レータ 2 6 9側から外部に放出し、 燃料電池 2 6 5内部の湿度を、 常に一定の 適正な状態に維持することができる。

この場合、 図 1 9の実施例では、 水分搬送体 2 6 7に伝導された水分 は、 これを伝導して第三のセパレータ 2 8 0側で排出気体である水分持 ち出し用の空気に放出される。 そして、 空気供給口 2 8 1から供給され る水分持出し用の空気により、 第三のセパレータ 2 8 0に形成された流 路を通って外部に持ち出される。 従って、 発電時に燃料電池 2 6 5内部 で生成される水分を外部に放出し、 燃料電池 2 6 5内部の湿度を、 常に 一定の適正な状態に維持することができる。

図 2 0は、 図 1 8及び図 1 9に示した実施例に係る燃料電池 2 6 5を 二層構造とした例の概略構成を示す説明図である。この図 2 0において、 図 1 8及び図 1 9 と同一部分には同一の符号を付して、 それらの説明を 省略する。 燃料電池 2 6 5は、 上述した 2個のセパレータ 2 6 8， 2 6 9 , 2 8 7に加えて 2個の中間セパレータ 2 9 4， 2 9 5を有している。 酸化剤電極側セパレータを兼ねる第一の中間セパレータ 2 9 4は燃料電 極側セパレータ 2 6 9の下側に配置され、 第一の中間セパレータ 2 9 4 の下側に第二の中間セパレータ 2 9 5が配置されている。 第二の中間セ パレータ 2 9 5は燃料電極側セパレータを兼ねており、 この第二の中間 セパレータ 2 9 5の下側に第三のセパレータ 2 8 7が配置されている。 また、 酸化剤電極側セパレータ 2 6 8 と燃料電極側セパレータ 2 6 9 との間に第一の発電部 2 6 6が配設され、 燃料電極側セパレータ 2 6 9 と第一の中間セパレータ 2 9 4との間に第一の水分搬送体 2 6 7が配設 されている。 更に、 第一の中間セパレータ 2 9 4と第二の中間セパレー タ 2 9 5どの間に第二の発電部 2 9 6が配設され、 第二の中間セパレー タ 2 9 5と第三のセパレータ 2 8 7との間に第二の水分搬送体 2 9 7が 配設されている。 そして、 第一の中間セパレータ 2 9 4には、 発電用の 酸素と水分持出し用の空気を兼ねる空気を供給するための兼用供給口 2 9 8が設けられている。 また、 第二の中間セパレータ 2 9 5には、 第二 の発電部 2 9 6に対して燃料ガスである水素を供給するための第二の水 素供給口 2 9 9が設けられている。

第二の発電部 2 9 6は第一の発電部 2 6 6と同様の構成を有するもの であり、 また、 第二の水分搬送体 2 9 7は第一の水分搬送体 2 6 7と同 様の構成を有するものである。 しかしながら、 第一の発電部 2 6 6 と第 二の発電部 2 9 6の構成、 及び第一の水分搬送体 2 6 7 と第二の水分搬 送体 2 9 7の構成は、 共に異なる構造のものであってもよいことは勿論 である。 また、 第一及び第二の中間セパレータ 2 9 4， 2 9 5の材質と しては、 燃料電極側セパレータ 2 6 9等と同様に、 例えば、 非伝導性の セラミ ックスやプラスチック等を適用できることは勿論のこと、 伝導性 を有するアルミニウム合金、ステンレス合金等を適用することもできる。 図 2 0に示すように、 発電部及び水分搬送体が複数個積み重ねられた 多層構造の燃料電池 2 6 5の作用を概略説明すると、 次のようなもので ある。第一の発電部 2 6 6及び第二の発電部 2 9 6における発電動作は、 上述した図 2 0の説明と同様であり、 各発電部 2 6 6及ぴ 2 9 6におい て個別に発電が行われ、 それぞれで発電された電気が電気回路を介して 一まとめにされて外部に取り出される。

この場合、 兼用供給口 2 9 8から供給される水分持出しを兼ねる発電 用の空気は、 燃料電極側セパレータ 2 6 9内部よりも湿度が低いため、 第一の発電部 2 6 6で発生した余分な水分は、 第一の水分搬送体 2 6 7 の働きによって第一の中間セパレータ 2 9 4側に持ち出される。 第一の 水分搬送体 2 6 7によって第一の中間セパレータ 2 9 4側の空気中に放 出された水分は、 第一の中間セパレータ 2 9 4に形成された流路を通つ て外部に持ち出される。 従って、 発電時に第一の発電部 2 6 6内部で生 成される水分を外部に放出し、 第一の発電部 2 6 6内部の湿度を、 常に 一定の適正な状態に維持することができる。

また、 空気供給口 2 9 3から供給される水分持出し用の空気は、 第二 の中間セパレータ 2 9 5内部よりも湿度が低いため、 第二の発電部 2 9 6で発生した余分な水分は、 第二の水分搬送体 2 9 7の働きによって第 三のセパレータ 2 8 7側に持ち出される。 第二の水分搬送体 2 9 7によ つて第三のセパレータ 2 8 7側の空気中に放出された水分は、 第三のセ パレータ 2 8 7に形成された流路を通って外部に持ち出される。従って、 発電時に第二の発電部 2 9 6内部で生成される水分を外部に放出し、 第 二の発電部 2 9 6内部の湿度を、 常に一定の適正な状態に維持すること ができる。

図 1 8乃至図 2 0では、 水分搬送体 2 6 7や第二の水分搬送体 2 9 7 を燃料電池の発電部 2 6 6や第二の発電部に隣接する位置に形成した例 を示しているが、 発電部から離れた位置であっても、 燃料ガスが流れる 燃料流路上に取り付けられて、 水分持ち出し用の空気と接触するとして もよい。 水分搬送体 2 6 7や第二の水分搬送体 2 9 7が燃料ガスと水分 持ち出し用の空気との間で水分の搬送を行うことで、 発電時に発電部で 生成される水分を外部に放出し、 発電部の湿度を、 常に一定の適正な状 態に維持することができる。

次に、 図 2 0に示す実施例に基づく試験モデルを製作して行った試験 について説明する。 この試験は、 水素側の水分管理に水分搬送体を用い てパッシブな仕組みとして行ったものということができる。 この試験モ デルの構造の概略は図 2 0に示す通りであり、 2箇所の水分搬送体とし てナフイオン膜を使用した。

この試験モデルの発電部で生成された水分は、 ナフイオン膜を通して 外気と同じ湿度パランスを保つように移動するため、 水素供給部に水が 溜まることはない。 このナフイオン膜と第二の発電部とを重ね合わせ、 その間に空気供給路を設けることにより、 空気の供給を共用させてスタ ック構造を構成することができる。 また、 試験モデルのすべての燃料供 給路及び空気供給路の末端部分をクローズしてポンプで燃料及び空気を 圧送する機構とすれば、 水素側及ぴ空気側の水分持出量を独立して制御 することができ、 従って、 更に精密な湿度制御が可能となる。

尚、 図 2 0の実施例において、 第三のセパレータ 2 8 7に開口部を設 け、 その開口部を覆う水分搬送体 2 6 7から水分を外部に排出する構成 としてもよいことは勿論である。 また、 1個の燃料電池を構成する積層 された発電部及び水分搬送体の数は、 この実施例に限定されるものでは なく、 3個以上適当な数を重ね合わせることができるものである。

図 2 1は、 試験モデルにより得られた出力特性を示すグラフであり、 縦軸にセル電圧 （V) を取り、 横軸に時間 （ s e c ) を取っている。 発 電部及び水分搬送体の高分子電解質膜電極接合体 （MEA) としては 2 2. 5 c m²の大きさのものを 1枚使用した。 試験条件は、 3 A (アン ペア） の電流を連続して流し、 室温と同程度となるよう送風ファンで冷 却した。 その結果、 図 2 1では、 次のような事項が明らかになった。

図 2 1において、 運転直後の t 1点から t 2点 （約 2 5 0 s e c ) ま での電圧変化は、 セッ トアップ時における各種電子機器、 部品等の性能 が安定するまでの変動によるものである。 また、 t 3点 （約 1 5 0 0 s e c ) から t 4点までの落ち込みは、 測定条件の設定のために生じた電 圧変動であり、 本試験の計測領域外のものである。 この非計測領域 （ t 3点から t 4点まで） を除く、 計測領域 （ t 2点から t 3点まで及ぴ t 4点から t 5点まで） の全体としては終始安定した電圧出力 （約 0. 6 2 V) が得られた。

図 2 2は、 電流 4 Aで 8時間の連続運転を行ったときの最後の約 2時 間におけるセル電圧と内部抵抗との関係を示すグラフである。 この試験 は、 第一の発電セル （V 1 1， R 1 ) と第二の発電セル （V 1 2， R 2 ) の 2個について行った。 この電圧 （V) —抵抗 （Ω) グラフによれば、 第一の発電セルでは、 電圧出力 （ V 1 1 ) は約 0. 6 40 Vであり、 内 部抵抗 （R 1 ) は約 0. 0 1 70 (Ω) であった。 また、 第二の発電セ ルでは、 電圧出力 （V 1 2 ) は約 0. 6 34 Vであり、 内部抵抗 （R 2 ) は約 0. 0 1 8 0 (Ω) であった。

この結果から明らかなように、 電圧の偏差は ± l mV、 抵抗値は 0. Ι πιΩに収まっており、 安定した運転が維持できていることを確認する ことができた。 この間、 水素パージは必要なく、 また、 燃料供給路等に おける結露や燃料不足の不具合は発生していなかった。

図 2 3は、 上記試験における電流 （A ) と電圧 （V ) の関係を示すグ ラフである。この試験は、第一の発電セル及ぴ第二の発電セルについて、 それぞれ 2回ずつ試験した。 この I 一 V (電流一電圧） 特性のグラフに よれば、 第一の発電セル （記号暴と〇） 及び第二の発電セル （記号讕と □) のいずれにおいても、 7アンペア （A ) 程度の電流まで問題なく出 力できることを確認することができた。

図 2 1乃至図 2 3に示したように、 水分搬送体が燃料ガスと排出気体 に接触し、 燃料ガスと排出気体との間での水分搬送を行うことにより、 燃料ガスが排出気体よりも高湿度な場合には燃料ガス側から排出気体側 への水分の移動が行われ、 燃料ガスが排出気体よりも低湿度な場合には 排出気体側から燃料ガス側への水分の移動が行われる。 したがって、 燃 料電池での発電によって生成した水分によって、 発電セルの発電に適さ ない湿度状態になったとしても、 排出気体と燃料ガスとの間での水分搬 送が繰り返されることによって、 燃料電池の内部の湿度を、 常に一定の 適正な状態に維持することができ、 良好な発電を継続して行うことがわ かる。

以上説明したが、 本発明は上記実施の例に限定されるものではなく、 例えば、 酸化剤としての酸素の供給方法については、 上述した大気開放 式及び空気圧送式に限定されるものではない。 このよ うに、 本発明は、 その趣旨を逸脱しない範囲で種々に変更できるものである。 産業上の利用可能性

以上説明したように、 本出願の請求項 1に記載の水素ガス湿度制御装 置によれば、 第一の水素流路又は水素室と第二の水素流路又は水素室を 水分搬送体によって分離させる構成としたため、 2つの水素流路又は水 素室内の水及ぴ 又は水蒸気の割合が異なる場合には、 その割合が高い 方から低い方に水分搬送体を介して水及ぴ Z又は水蒸気を搬送すること ができる。 これにより、 2つの水素流路又は水素室間における水及びノ 又は水蒸気の割合を同じくするように水素湿度を制御することができる という効果が得られる。

本出願の請求項 2に記載の水素ガス湿度制御装置では、 水素ガスが、 燃料改質により発生した水素ガスであり、 水蒸気改質等により発生する 水素は、 水分を多く含むため、 水分が不足する状況を回避し易いという 好ましい効果が得られる。

本出願の請求項 3に記載の水素ガス湿度制御装置によれば、 第一の水 素流路又は水素室と第二の水素流路又は水素室をプロ トン伝導体によつ て分離させる構成としたため、 2つの水素流路又は水素室内の水及ぴ Z 又は水蒸気の割合が異なる場合には、 その割合が高い方から低い方に、 或いは低い方から高い方にプロ トン伝導体を介して水及び/又は水蒸気 が搬送される。 また、 その割合が同じ場合であっても、 一方から他方に プロ トン伝導体を介して水及び Z又は水蒸気が搬送される。これにより、 2つの水素流路又は水素室間における水及び/又は水蒸気の割合を同じ く したり、 任意の割合に設定するように水素湿度を自由に制御すること ができるという効果が得られる。

本出願の請求項 4に記載の水素ガス湿度制御装置によれば、 プロ トン 伝導体の第一の水素流路又は水素室に臨む面と第二の水素流路又は水素 室に臨む面の少なく とも一方に触媒を配置される構成としたため、 その 触媒によって水素をプロ トンに分離させ、 また、 プロ トンを水素に転換 させることができるという効果が得られる。 '

本出願の請求項 5に記載の水素ガス湿度制御装置によれば、 第一の水 素流路又は水素室には第一の電圧印加用電極を設け、 第二の水素流路又 は水素室には第二の電圧印加用電極を設けて、 これら電極間にプロ トン 伝導体を挟持させるとしたため、 これらでプロ トンポンプを構成して水 素ガスの湿度制御を行うことができる。 従って、 水素流路又は水素室内 の水素湿度を最適な状態に保っための加湿 · 除湿装置、 湿度センサ、 減 圧レギユレータ、 昇圧コンプレッサ、 流量コン トローラ等として用いる ことができるという効果が得られる。

本出願の請求項 6に記載の水素ガス湿度制御装置によれば、 第一の電 圧印加用電極と第二の電圧印加用電極の間に電圧を印加させる構成とし たため、 プロ トン伝導体を介してプロ トンを電圧の高い側から電圧の低 い側に向けて移動させることができるという効果が得られる。

本出願の請求項 7に記載の水素ガス湿度制御装置によれば、 触媒とし て白金を用いる構成としたため、 水素をプロ トンに分離させ、 或いは、 プロ トンを水素に転換させることを効率良く行うことができるという効 果が得られる。

本出願の請求項 8に記載の水素ガス湿度制御装置では、 水素ガスが、 燃料改質により発生した水素ガスであり、 水蒸気改質等により発生する 水素は、 水分を多く含むため、 水分が不足する状況を回避し易いという 好ましい効果が得られる。

本出願の請求項 9に記載の燃料電池によれば、 燃料電極側セパレータ と酸化剤電極側セパレータとプロ トン伝導体膜電極接合体とを有する 1 個又は 2個以上の発電セルと、 水素ガス湿度制御装置とを備えた燃料電 池において、 水素ガス湿度制御装置の第一の支持板と第二の支持板との 間に水分搬送体を挟持し、 第一の支持板に水素と水及び Z又は水蒸気の 混合気体を接触し、 第二の支持板に少なく とも水素を接触させる構成と したため、 燃料が供給される水素流路又は水素室内の水素湿度が高い場 合には余分な水及び/又は水蒸気を水分搬送体で低い側に伝導させて除 湿し、 また、 その水素流路又は水素室内の水素湿度が低い場合には水分 搬送体で高い側から伝導させて加湿して、 発電動作を効率良く継続させ ることができるという効果が得られる。

本出願の請求項 1 0に記載の燃料電池によれば、 燃料電極側セパレー タと酸化剤電極側セパレータとプロ トン伝導体膜電極接合体とを有する 1個又は 2個以上の発電セルと、 水素ガス湿度制御装置とを備えた燃料 電池において、 水素ガス湿度制御装置の第一の電極と第二の電極との間 にプロ トン伝導体を挟持し、 第一の電極に水素と水及び/又は水蒸気の 混合気体を接.触し、 第二の電極に少なく とも水素が接触する構成とした ため、 両電極間に電圧を印加することにより、 電圧の高い側から低い側 に向けて水及び/又は水蒸気を移動させることができ、 その電圧の印加 方向を制御することで 2つの水素流路又は水素室の水素湿度を調整し、 発電動作を効率良く継続させることができるどいう効果が得られる。 また、 本出願の請求項 1 1に記載の水素ガス湿度制御方法によれば、 第一の電極と、 第二の電極とでプロ トン伝導体を挟持し、 第一の電極と 第二の電極との間に電圧を加えることにより、 燃料電池の燃料極に供給 されて第一の電極に接触する水素と、 第一の電極に接触する水素とは異 なる湿度を有し第二の電極に接触する水素の間での水分 搬送を行うた め、 電圧の高い側から低い側に向けて水及ぴ 又は水蒸気を移動させる ことができ、 その電圧の印加方向を制御することで 2つの水素流路又は 水素室の水素湿度を調整し、 燃料電池での発電動作を効率良く継続させ ることができる。

また、 水分搬送体が燃料ガスと排出気体に接触し、 燃料ガスと排出気 体との間での水分搬送を行うことにより、 燃料ガスが排出気体よりも高 湿度な場合には燃料ガス側から排出気体側への水分の移動が行われ、 燃 料ガスが排出気体よりも低湿度な場合には排出気体側から燃料ガス側へ の水分の移動が行われる。 したがって、 燃料電池での発電によって生成 した水分によって、 発電セルの発電に適さない湿度状態になったとして も、 排出気体と燃料ガスとの間での水分搬送が繰り返されることによつ て、 燃料電池の内部の湿度を、 常に一定の適正な状態に維持することが できる。 燃料電池内部の湿度が常に適正な状態に維持できるため、 発電 部が乾燥しすぎることや水没することなどを防止することができ、 良好 な発電状態を継続することが可能となる。

また、 燃料電池は排出気体が流れる排出流路を有するとしてもよく、 排出気体が酸素を含み燃料電池の酸素極側に供給されるとしてもよい。 排出気体が流れる排出流路を燃料電池が有していることで、 排出気体と して燃料電池の外から空気を排出流路に送り込むことなどで、 排出気体 を効果的に水分搬送体に接触させることができ、 燃料電池内部の湿度を 適正な状態に維持することが容易となる。 排出気体が酸素を含み、 燃料 電池の酸素極側に供給されることで、 排出気体を用いて燃料電池が発電 を行うことができるため、 排出気体を有効に利用して発電を行うことが 可能となる。

また、 水分搬送体がパーフルォロスルホン酸系ポリマーを含むとする ことで、 水分を水分搬送体によって確実かつ容易に搬送することができ る。

請求の範囲

1 . 少なく とも水素ガスが供給される第一の水素流路又は水素室と、 少なく とも水素ガスが供給される第二の水素流路又は水素室と、 前記第一の水素流路又は水素室と前記第二の水素流路又は水素室とを 分離すると共に水及び/又は水蒸気を通す水分搬送体と、 からなること を特徴とする水素ガス湿度制御装置。

2 . 前記水素ガスは、 燃料改質により発生した水素ガスであることを 特徴とする請求項 1に記載の水素ガス湿度制御装置。

3 . 少なく とも水素ガスが供給される第一の水素流路又は水素室と、 少なく とも水素ガスが供給される第二の水素流路又は水素室と、 前記第一の水素流路又は水素室と前記第二の水素流路又は水素室とを 分離するプロ トン伝導体と、 からなることを特徴とする水素ガス湿度制 御装置。

4 . 前記プロ トン伝導体は、 前記第一の水素流路又は水素室に臨む面 と前記第二の水素流路又は水素室に臨む面の少なく とも一方に触媒が配 置されていることを特徴とする請求項 3に記載の水素ガス湿度制御装置。

5 . 前記第一の水素流路又は水素室に第一の電圧印加用電極を設ける と共に、前記第二の水素流路又は水素室に第二の電圧印加用電極を設け、 前記プロ トン伝導体が前記第一の電圧印加用電極と前記第二の電圧印加 用電極との間に挟持されていることを特徴とする請求項 3に記載の水素 ガス湿度制御装置。

Claims

6 . 前記第一の電圧印加用電極と前記第二の電圧印加用電極との間に 電圧を印加するこ とを特徴とする請求項 3に記載の水素ガス湿度制御装 置。 7 . 前記触媒は白金を含んでいることを特徴とする請求項 4に記載の 水素ガス湿度制御装置。

8 . 前記水素ガスは、 燃料改質により発生した水素ガスであることを 特徴とする請求項 3に記載の水素ガス湿度制御装置。

9 . 燃料が供給される燃料電極側セパレータと、 酸化剤が供給される 酸化剤電極側セパレータと、 前記燃料電極側セパレータと前記酸化剤電 極側セパレータとの間に挟持されたプロ トン伝導体膜電極接合体と、 を 有する 1個又は 2個以上の発電セルと、

前記燃料が供給される水素流路及びノ又は水素室に組み込まれた 1個 又は 2個以上の水素ガス湿度制御装置と、 を備え、

前記水素ガス湿度制御装置は、 第一の支持板と、 第二の支持板と、 前 記第一の支持板と前記第二の支持板との間に挟持された水分搬送体とか らなり、

前記第一の支持板に水素と水及び/又は水蒸気の混合気体が接してお り、 前記第二の支持板に少なく とも水素が接していることを特徴とする 燃料電池。

1 0 . 燃料が供給される燃料電極側セパレータと、 酸化剤が供給され る酸化剤電極側セパレータと、 前記燃料電極側セパレータと前記酸化剤 電極側セパレータとの間に挟持されたプロ トン伝導体膜電極接合体と、 を有する 1個又は 2個以上の発電セルと、

前記燃料が供給される水素流路及ぴ Z又は水素室に組み込まれた 1個 又は 2個以上の水素ガス湿度制御装置と、 を備え、

前記水素ガス湿度制御装置は、 第一の電極と、 第二の電極と、 前記第 一の電極と前記第二の電極との間に挟持されたプロ トン伝導体とからな り、

前記第一の電極に水素と水及び Z又は水蒸気の混合気体が接しており、 前記第二の電極に少なく とも水素が接していることを特徴とする燃料電 池。

1 1 . 第一の電極と、 第二の電極とでプロ トン伝導体を挟持し、 前記第一の電極と前記第二の電極との間に電圧を加えることにより、 燃料電池の燃料極に供給されて前記第一の電極に接触する水素と、 前 記第一の電極に接触する水素とは異なる湿度を有し前記第二の電極に接 触する水素の間での水分の搬送を行うことを特徴とする水素ガス湿度制 御方法。

1 2 . 燃料極と酸素極とで電解質を挟持した発電セルと、

前記酸素極に酸素を供給するための酸素流路が形成された酸素極側セ パレータと、

前記燃料極に燃料ガスを供給するための燃料流路が形成された燃料極 側セパレータと、

前記燃料ガスに接触して配され、 前記燃料ガスとは異なる湿度を有す る排出気体に接触し、 前記燃料ガスと前記排出気体との間での水分の搬 送を行う水分搬送体と、

を有することを特徴とする燃料電池。

1 3 . 前記排出気体が流れる排出流路を有することを特徴とする請求 項 1 2記載の燃料電池。

1 4 . 前記発電セルを複数有し、

前記水分搬送体が第一の発電セルと第二の発電セルとの間に配置され、 前記水分搬送体が接触する排出気体が酸素を含んで、 前記第二の発電 セルの酸素極側に供給される

ことを特徴とする請求項 1 2記載の燃料電池。

1 5 . 前記水分搬送体は、 パーフルォロスルホン酸系ポリマーを含む ことを特徴とする請求項 1 2記載の燃料電池。 '

1 6 . 前記排出気体として当該燃料電池の外部に存在する大気を用い ることを特徴とする請求項 1 2記載の燃料電池。

1 7 . 燃料電池の燃料極側に供給される燃料ガスと接触するように水 分搬送体を設け、

前記燃料ガスとは異なる湿度を有する排出気体および前記燃料ガスを 前記水分搬送体で隔て、

前記水分搬送体を用いて前記燃料ガスと前記排出気体との間で水分の 搬送を行うことを特徴とする燃料電池の湿度制御方法。

1 8 . 前記排出気体が酸素を含み、 前記燃料電池の酸素極側に供給さ れることを特徴とする請求項 1 7記載の燃料電池の湿度制御方法。

1 9 . 前記排出気体として当該燃料電池の外部に存在する大気を用い ることを特徴とする請求項 1 7記載の燃料電池の湿度制御方法。