JPH08138705A

JPH08138705A - 燃料電池の加湿装置

Info

Publication number: JPH08138705A
Application number: JP6302831A
Authority: JP
Inventors: Nariyuki Kawazu; 成之河津
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1994-11-10
Filing date: 1994-11-10
Publication date: 1996-05-31

Abstract

(57)【要約】【目的】多孔質膜を介してガス流路側から水流路側に
進入する水素ガスに起因して加湿機能が低下するのを防
いで、燃料電池の発電能力の低下を防止する。【構成】水素ガス加湿器２０は、多孔質膜２１と、そ
の片側表面に設けられた触媒反応層２２と、両者２１，
２２を両側から挟みつつ水素ガス及び水の流路２３ｐ，
２４ｐを形成するセパレータ２４とにより構成されてい
る。触媒反応層２２は、白金２２ａを担持したカーボン
粒子２２ｂを多孔質膜２１の片側表面に分散付着させた
ものである。水流路２４ｐを流れる水の圧力と水素ガス
流路２３ｐを流れる水素ガスの圧力との差に応じて、水
流路２４ｐ中の水が多孔質膜２１及びび触媒反応層２２
を透過する。一方、水素ガス流路２３ｐ側から多孔質膜
２１を透過して触媒反応層２２に水素ガスが逆流する
が、この水素ガスは、白金２２ａの作用により、水中に
溶解している酸素と反応して水となり、消滅する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池の電極に供給
する燃料ガスを加湿する燃料電池の加湿装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池の一つである固体高分子型燃料
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が
よく知られている。ところが、例えば電気自動車に搭載
された燃料電池スタックへこのバブリング加湿装置を用
いようとすると、大容積のバブラーを用意し、電気ヒー
タで加熱しなければならず、容積、消費エネルギーの点
で現実的とは言いがたい。

【０００６】そこで、他の加湿装置として、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）が提案さ
れている。これは、水とガスを多孔質膜をはさんで流
し、水の圧力をガスの圧力よりも高くすることにより、
圧力差によって、多孔質膜を介して水をガス側に透過さ
せて、しかも、その多孔質膜の表面で水を気化すること
により、ガスを加湿しようとするものである。

【０００７】こうした多孔質膜を用いた加湿装置は、固
体高分子型燃料電池スタックの内部に組み込んだり、固
体高分子型燃料電池スタックの外側に一体として組み付
けたりすることが可能であり、加湿部をコンパクト化す
ることができ、さらには、燃料電池の反応に伴う発熱を
水の気化の為の熱として使うことができるので、電気ヒ
ータのような加熱手段を必要とせず、消費エネルギーの
点でも優れている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この加
湿装置では、多孔質膜を介して水がガス側に透過するば
かりでなく、ガスが多孔質膜を介して水側に逆流する現
象が生じる。実際、水の圧力がガスの圧力よりかなり大
きい場合には、その逆流はほとんど発生しないが、水の
圧力とガスの圧力との差圧△Ｐが小さくなると、その逆
流は大きなものとなる。

【０００９】これに対して、多孔質膜は、薄く強度の低
いものであることから、大きな圧力がかかると破損し易
いという性質があり、この性質を考え合わせると、多孔
質膜を介してガスが水側に逆流することはある程度容認
せざるを得ない。

【００１０】ガスが水側に漏れ出ると、多孔質膜と水と
の間にガスの層が生じ、加湿機能を低下させる問題や、
水の流路にガスが混入して水の流れを悪化させる問題が
生じた。これらの問題は、延いては、その加湿ガスが供
給される燃料電池の発電能力を低下させるに至った。

【００１１】この発明の燃料電池の加湿装置は、これら
問題に鑑みてなされたもので、加湿機能の低下や、水の
流路の流れの悪化を防ぎ、延いては燃料電池の発電能力
の低下を防止することを目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
べく、前記課題を解決するための手段として、以下に示
す構成をとった。

【００１３】即ち、本発明の第１の燃料電池の加湿装置
は、燃料電池の電極に供給する燃料ガスを加湿する加湿
装置であって、水の流路と前記燃料ガスの流路とに接
し、該水と該燃料ガスとの圧力差に応じて該水を透過す
る多孔質膜を備えるとともに、前記多孔質膜の内部また
は前記水の流路側の表面の少なくとも一方に触媒を設け
たことを、要旨としている。

【００１４】本発明の第２の燃料電池の加湿装置は、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で
あって、水の流路と前記燃料ガスの流路とに接し、該水
と該燃料ガスとの圧力差に応じて該水を透過する多孔質
膜を備えるとともに、通水性を有し、かつ、触媒を担持
する支持体を、前記水の流路中に設けたことを、要旨と
している。

【００１５】ここで、燃料ガスとは、燃料電池のアノー
ド電極に供給する水素ガスもしくは水素含有ガスであ
る。

【００１６】本発明の第３の燃料電池の加湿装置は、燃
料電池の電極に供給する材料ガスを加湿する加湿装置で
あって、水を貯える貯留路と前記材料ガスの流路とに接
し、該水と該材料ガスとの圧力差に応じて該水を透過す
る多孔質膜と、前記水の貯留路中に滞留するガスの量を
検出するガス量検出手段と、前記滞留したガスを前記貯
留路から排気するガス抜き通路と、該ガス抜き通路を開
閉する開閉弁と、前記ガス量検出手段で検出されたガス
量に応じて前記開閉弁を開閉制御する制御手段とを備え
たことを、要旨としている。

【００１７】ここで、材料ガスとは、燃料電池のアノー
ド電極に供給する水素ガスもしくは水素含有ガスであっ
てもよく、あるいは、カソード電極に供給する酸素含有
ガスであってもよい。

【００１８】

【作用】以上のように構成された本発明の第１の燃料電
池の加湿装置によれば、多孔質膜を透過して水の流路側
に現われた燃料ガス中の水素が、多孔質膜の内部または
前記水の流路側の表面の少なくとも一方に設けた触媒と
接することにより、水中に溶解している酸素と前記水素
とが反応して水となる。これにより、多孔質膜と水との
間にガス層を形成することがない。

【００１９】なお、前記反応に寄与する水は、触媒が多
孔質膜の水流路側の表面に設けられている場合、その水
流路中の水であり、触媒が多孔質膜の内部に設けられて
いる場合には、水の流路側から燃料ガス側へ移動中の多
孔質内の水である。

【００２０】本発明の第２の燃料電池の加湿装置によれ
ば、多孔質膜を透過して水の流路側に進入した水素ガス
が、水の流路中に設けた支持体に担持させた触媒と接す
ることにより、水中に溶解している酸素と前記水素とが
反応して水となる。これにより、水の流路側に進入した
水素ガスを除去する。

【００２１】本発明の第３の燃料電池の加湿装置によれ
ば、ガス量検出手段で検出した水の貯留路中に滞留する
ガス量に応じて、制御手段によりガス抜き通路の開閉弁
を開閉制御する。これにより、多孔質膜を透過して水の
貯留路中に進入した材料ガスをガス抜き通路から逃す。

【００２２】

【実施例】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。

【００２３】図１は、本発明の燃料電池の加湿装置を備
えた第１実施例としての固体高分子型燃料電池の発電シ
ステム１の概略構成図である。この燃料電池発電システ
ム１は、複数の電池セルからなる燃料電池本体１０と、
水素ガスを加湿する水素ガス加湿器２０と、酸素含有ガ
ス（空気）を加湿する酸素含有ガス加湿器３０と、水を
貯える共用水タンク４０とを備える。

【００２４】共用水タンク４０は、管路５０，加圧ポン
プ５０Ｐを介して水素ガス加湿器２０と接続され、管路
６０，加圧ポンプ６０Ｐを介して酸素含有ガス加湿器３
０と接続され、さらに、管路７０，加圧ポンプ７０Ｐを
介して燃料電池本体１０の冷却部１０ａと接続されてい
る。したがって、共用水タンク４０から水素ガス加湿器
２０，酸素含有ガス加湿器３０および冷却部１０ａに水
が供給される。

【００２５】水素ガス加湿器２０は、管路８０を介して
燃料電池本体１０のアノード側流路（後述する水素ガス
流路１５ｐ）の入口１０ｂと接続され、酸素含有ガス加
湿器３０は、管路９０を介して燃料電池本体１０のカソ
ード側流路（後述する酸素ガス流路１４ｐ）の入口１０
ｃに接続されている。したがって、水素ガス加湿器２０
で加湿された水素ガスは燃料電池本体１０のアノード側
流路に、酸素含有ガス加湿器３０で加湿された酸素含有
ガスは燃料電池本体１０のカソード側流路に送られる。
なお、図中、１０ｄはアノード側流路出口であり、１０
ｅはカソード側流路出口である。

【００２６】燃料電池本体１０の構成について次に説明
する。ここでは、簡単なため燃料電池本体１０が一つの
電池セルから構成されている場合についてまず説明す
る。図２の構造図に示すように、電池セルは、電解質膜
１１と、この電解質膜１１を両側から挟んでサンドイッ
チ構造とするガス拡散電極としてのカソード１２および
アノード１３と、このサンドイッチ構造を両側から挟み
つつカソード１２およびアノード１３とで酸素含有ガス
および燃料ガスの流路を形成するセパレータ１４，１５
と、セパレータ１４，１５の外側に配置されカソード１
２およびアノード１３の集電極となる集電板１６，１７
とにより構成されている。

【００２７】電解質膜１１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１２およびアノ
ード１３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。

【００２８】セパレータ１４，１５は、ち密質のカーボ
ンプレートにより形成されている。カソード１２側のセ
パレータ１４は、カソード１２の表面とで材料ガスであ
る酸素含有ガスの流路をなすと共にカソード１２で生成
する水の集水路をなす酸素ガス流路１４ｐを形成する。
また、アノード１３側のセパレータ１５は、アノード１
３の表面とで燃料ガスである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１５ｐを形成する。集電
板１６，１７は、銅（Ｃｕ）により形成されている。

【００２９】これが単セルの基本的な構成であり、実際
には、セパレータ１４，カソード１２，電解質膜１１，
アノード１３，セパレータ１５をこの順に複数組積層し
て、その外側に集電板１６，１７を配置することによ
り、燃料電池本体１０は構成されている。

【００３０】水素ガス加湿器２０の構成について次に説
明する。水素ガス加湿器２０は、図３の構造図に示すよ
うに、多孔質膜２１と、この多孔質膜２１の片側表面に
設けられた触媒反応層２２と、多孔質膜２１および触媒
反応層２２を両側から挟みつつ水素ガスおよび水の流路
２３ｐ，２４ｐを形成するセパレータ２３，２４とによ
り構成されている。なお、触媒反応層２２は水の流路２
４ｐを形成するセパレータ２４側に位置している。

【００３１】多孔質膜２１は、ポリオレフィン系の多孔
質のフィルムであって、空孔率が５０［％］以上で、平
均孔径が０．０５［μｍ］程度のものである。この多孔
質膜２１は、フィルムを境とした両側の圧力差に応じて
水を透過するものである。多孔質膜２１は、例えば、旭
化成工業から商品名「ハイポア１０００」として入手す
ることができる。

【００３２】触媒反応層２２は、図４に示すように、触
媒としての白金２２ａを担持したカーボン粒子２２ｂを
多孔質膜２１の片側表面に分散付着させたものであり、
次のようにして多孔質膜２１上に接着される。

【００３３】まず、前記カーボン粒子２２ｂを適当な溶
媒中に分散させて、分散溶液を作り、次いで、多孔質膜
２１を加圧ろ過用ホルダにセットして、その分散溶液を
加圧ろ過する。この結果、溶媒のみは多孔質膜２１を通
過し、前記カーボン粒子２２ｂが多孔質膜表面に残留す
る。続いて、この状態の多孔質膜２１の表面に、プロト
ン導電性固体電解質の溶液（例えば米国アルドリッチ社
から販売されているナフィオン５％溶液）を少量摘下し
たうえで、ホットプレスする。この結果、プロトン導電
性固体電解質の溶液が固化する過程で、いわば接着剤の
ような役目を果たしながら、前記カーボン粒子２２ｂは
多孔質膜２１表面に固着される。なお、このプロトン導
電性固体電解質は水も水素も、酸素も通過させるので、
たとえ、カーボン粒子２２ｂの表面が、プロトン導電性
固体電解質で覆われたとしても問題ない。

【００３４】白金２２ａを担持したカーボン粒子２２ｂ
は次のような方法で作成されている。塩化白金酸水溶液
とチオ硫酸ナトリウムを混合して、亜硫酸白金錯体の水
溶液を得る。この水溶液を攪拌しながら、過酸化水素水
を摘下して、水溶液中にコロイド状の白金粒子を析出さ
せる。次に担体となるカーボンブラック〔例えばＶｕｌ
ｃａｎＸＣ−７２（米国のＣＡＢＯＴ社の商標）やデ
ンカブラック（電気化学工業株式会社の商標）〕を添加
しながら、攪拌し、カーボンブラックの表面にコロイド
状の白金粒子を付着させる。次に溶液を吸引ろ過または
加圧ろ過して白金粒子が付着したカーボンブラックを分
離した後、脱イオン水で繰り返し洗浄した後、室温で完
全に乾燥させる。次に、凝集したカーボンブラックを粉
砕器で粉砕した後、水素還元雰囲気中で、２５０℃〜３
５０℃で２時間程度加熱することにより、カーボンブラ
ック上の白金を還元するとともに、残留していた塩素を
完全に除去して、白金触媒が完成する。

【００３５】なお、この実施例では、白金触媒の担持量
は、多孔質膜１ｃｍ² 当たり、白金重量で０．０１ｍｇ
となっている。この白金重量はガスが多孔質膜２１を介
して水側に逆流しやすい場合には（つまり水の圧力とガ
ス圧力との差圧△Ｐが小さいほど）多くする。また、同
じ差圧であれば、単位面積当たりの加湿量の多い多孔質
膜を用いる場合は白金重量を多くする。つまり、それぞ
れの加湿装置の構成条件、運転条件に応じて白金重量の
最適値を決めればよい。また、実施例では、触媒として
白金を用いていたが、これに換えて、白金と他の金属か
らなる合金を用いた構成としても構わない。さらに、実
施例では、担持体として、カーボン粉を用いていたが、
これに換えて、シリカ粉、チタニア粉、アルミナ粉など
を用いた構成としても構わない。

【００３６】セパレータ２３，２４は、カーボンを圧縮
してガス不透過とした緻密質のカーボンプレートにより
形成されている。セパレータ２３，２４の多孔質膜２１
側の表面には、平行に配列された複数の凸部が設けられ
ており、複数の凸部と多孔質膜２１とで複数の水素ガス
流路２３ｐおよび水流路２４ｐを形成する。また、セパ
レータ２３，２４と多孔質膜２１とは、Ｏリング２５，
２６によりシールされており、また、多孔質膜２１の長
手方向の両側はシール部材２７，２８によりシールされ
ている。

【００３７】なお、実施例ではセパレータ２３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
材質かつ熱伝導性に優れている材質であれば如何なる材
質により形成しても構わない。また、セパレータ２４は
水に対して安定な材質でかつ熱伝導性に優れている材質
であれば如何なる材質により形成しても構わない。

【００３８】こうして構成された水素ガス加湿器２０の
水素ガス流路２３ｐの入口は、図示しない改質器と接続
されており、その水素ガス流路２３ｐの出口は、前述し
た管路（燃料電池本体１０のアノード側流路入口１０ｂ
に至る管路）８０と接続されている。また、水素ガス加
湿器２０の水流路２４ｐの入口は、共用水タンク４０に
至る管路５０と接続されており、その水流路２４ｐの出
口は、閉塞されている。この結果、水流路２４ｐを流れ
る水の圧力と水素ガス流路２３ｐを流れる水素ガスの圧
力との差に応じて、図４に示すように、水流路２４ｐ中
の水が多孔質膜２１および触媒反応層２２を透過する。
この透過した水は、多孔質膜２１の表面で気化して水素
ガス流路２３ｐを流れる水素ガスを加湿する。

【００３９】酸素含有ガス加湿器３０は、前述した水素
ガス加湿器２０から触媒反応層２２を除いた構成、即
ち、電解質膜をセパレータで挟んだ構成であり、ここで
は、詳しい説明は省略する。この酸素含有ガス加湿器３
０により、水側の圧力と酸素含有ガス側の圧力との差に
応じて水が多孔質膜１２１を透過する。この透過した水
は、その多孔質膜表面で気化して酸素含有ガスを加湿す
る。

【００４０】こうして構成された燃料電池発電システム
１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、水素ガス加湿器２０および酸素
含有ガス加湿器３０で加湿された水素ガスおよび酸素含
有ガスにより、この化学反応がスムーズに行なわれてい
る。

【００４１】すなわち、燃料電池本体１０のアノード１
３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１３付近の水と結合
して水和状態となって電解質膜１１内を移動する。この
ため、そのままでは電解質膜１１のアノード１３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１１は常に湿潤状態となり、水素イオンは電解質膜１
１内をスムーズに移動することができ、陰極反応がスム
ーズに行なわれる。カソード１２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、電解質膜１
１の湿潤状態を確保する役目を果たしている。

【００４２】以上詳述したように、この第１実施例の燃
料電池発電システム１では、燃料電池に供給する水素ガ
スを水素ガス加湿器２０で加湿している。この水素ガス
加湿器２０では、多孔質膜２１の表面に触媒反応層２２
が設けられていることから、図４に示すように、水素ガ
ス流路２３ｐ側から多孔質膜２１を透過して触媒反応層
２２に達した水素ガスは、ここで白金２２ａの作用によ
り、水中に溶解している酸素と反応して水となる。これ
により、水素ガス流路２３ｐ側から水流路２４ｐ側に逆
流した水素ガスにより多孔質膜２１と水との間にガス層
が形成されるということを防ぐことができる。なお、反
応して生成された水は、水流路２４ｐ側に存在している
水と混合されることから何の悪影響も与えない。

【００４３】したがって、そのガス層により加湿機能が
低下するのを防止することができ、延いては、燃料電池
本体１０の発電能力の低下を防止することができる。

【００４４】本発明の第２実施例について次に説明す
る。図５は、第２実施例の水素ガス加湿器に用いられる
多孔質膜１２１の模式図である。図５に示すように、こ
の第２実施例の水素ガス加湿器は、第１実施例の水素ガ
ス加湿器２０と比較して、触媒反応層２２がなく、それ
に換えて、多孔質膜１２１の内部に、触媒としての白金
１２２ａを担持したシリカ粒子１２２ｂを有するもので
ある。

【００４５】前記シリカ粒子１２２ｂは多孔質膜１２１
の内部に次のようにして形成される。まず、無機充填物
であるシリカ粒子の表面に白金を担持し、次いで、この
無機充填物を用いて、膜を成膜し、膜の内部に白金が担
持された状態にする。白金触媒の担持量は多孔質膜１ｃ
ｍ² あたり白金重量で０．０１ｍｇとすればよい。

【００４６】なお、前記無機充填物には、この実施例の
ようにシリカ粉が使われているが、これに換えて、チタ
ニア粉や、アルミナ粉も使えるし、コストを気にしない
のであれば、ジルコニア粉や窒化ホウ素粉や窒化アルミ
ニウム粉を使うこともできる。こうした粉末表面に白金
触媒を担持する方法は、広く一般に行なわれており、こ
こでは詳しい説明は省略する。

【００４７】こうした構成の第２実施例の水素ガス加湿
器では、触媒である白金１２２ａを担持するシリカ粒子
１２２ｂが多孔質膜１２１の内部に設けられていること
から、水素ガス流路側から多孔質膜１２１を透過して水
流路側に到達しようとする水素ガスは、多孔質膜１２１
の内部を通過する途中で、白金１２２ａの作用により、
水流路側から膜流路側に至る正常の流れの水の中に溶解
している酸素と反応して水になる。これにより、第１実
施例と同様に、水素ガス流路２３ｐ側から水流路２４ｐ
側に逆流した水素ガスにより多孔質膜２１と水との間に
ガス層が形成されるということを防ぐことができる。し
たがって、第１実施例と同様に、そのガス層により加湿
機能が低下するのを防止することができ、延いては、燃
料電池本体１０の発電能力の低下を防止することができ
る。

【００４８】本発明の第３実施例について次に説明す
る。図６は、この第３実施例としての燃料電池発電シス
テム２０１の概略構成図である。この燃料電池発電シス
テム２０１は、第１実施例の燃料電池発電システム１と
比較して、図６に示すように、水素ガス加湿器２２０の
構成と、共用水タンク４０と水素ガス加湿器２０を結ぶ
管路５０に後述するホルダ３００を設けた点が相違し、
その他の構成については同一である。なお、同一のパー
ツには第１実施例と同じ符号を付けた。

【００４９】この実施例の水素ガス加湿器２２０は、第
１実施例の水素ガス加湿器２０において触媒反応層２２
を除いた構成、即ち、多孔質膜２１だけをセパレータ２
３，２４により挟んだ構成を備える。

【００５０】ホルダ３００について次に説明する。図７
はホルダ３００の斜視図、図８はホルダ３００を分解し
た分解斜視図である。両図に示すように、ホルダ３００
は、互いに重ねた２枚のサポートスクリーン３０１，３
０２の片側表面に、触媒としての白金を担持した膜体３
０３を設け、これらを、２枚のパッキング３０４，３０
５によりシール性を高めつつ内側ボディ３０６と外側ボ
ディ３０７との間に挟み込む。そして、これらをロック
ナット用ガスケット３０８を介してロックナット３０９
により締め付けたものである。なお、内側ボディ３０６
および外側ボディ３０７には貫通孔が設けられており、
こうした構成により、ホルダ３００は流路の途中に膜体
３０３を保持する働きをする。

【００５１】膜体３０３は、ポリエステルの不織布であ
り、厚さ１５０［μｍ］程度のものであり、水の通過を
阻害しない程度の通水性を備える。この膜体３０３に
は、片側の表面（勿論、両側でも構わない）に白金が担
持されている。なお、白金の担持量は、膜体３０３の１
［ｃｍ² ］あたり、白金重量で０．０５［ｍｇ］程度で
ある。なお膜体３０３はポリエステル系のほか、ポリエ
チレン系、ポリプロピレン系、ポリアミド系、ポリスル
ホン系の不織布であってもよい。

【００５２】こうした構成のホルダ３００は、共用水タ
ンク４０と水素ガス加湿器２０を結ぶ管路５０の間、特
にこの実施例では、加圧ポンプ５０Ｐと水素ガス加湿器
２０との間の管路５０に配設されている。

【００５３】以上詳述したように、この第３実施例の燃
料電池発電システム２０１では、燃料電池に供給する水
素ガスを水素ガス加湿器２２０で加湿しているが、この
加湿の際、多孔質膜２１を介して水素ガス流路側から水
流路側へ水素ガスが進入する。その水素ガスは、その
後、水素ガス加湿器２２０から管路５０を経由して共用
水タンク４０の方向に進むが、その際にホルダ３００に
設けられた膜体３０３の白金と接することにより、水中
に溶解している酸素と反応して水となる。これにより、
管路５０に進入した水素ガスを除去することができる。

【００５４】従来、そうした管路に進入した水素ガス
は、その管路の水の流れを悪化させたり、共用水タンク
に進入して共用水タンクから、再び水素ガス加湿器の水
流路に混入したり、あるいは、酸素含有ガス加湿器の水
流路に混入したりして、両加湿器の加湿機能の低下に結
びつくが、これに対して、この実施例の燃料電池発電シ
ステム２０１では、前述したように管路５０に進入した
水素ガスを除去することができることから、水素ガス加
湿器２２０および酸素含有ガス加湿器２３０の加湿機能
の低下を防止することができ、延いては、加湿がなされ
る燃料電池本体１０の発電能力の低下を防止することが
できる。

【００５５】なお、前記第３実施例において、ホルダ３
００を、水素ガス加湿器２２０の水流路２４ｐの出口側
の集合管に設けた構成としてもよい。

【００５６】本発明の第４実施例について次に説明す
る。図９は、この第４実施例としての水素ガス加湿シス
テムの概略構成図である。図９に示すように、この水素
ガス加湿システム４０１は、加湿器本体４１０を中心に
備える。加湿器本体４１０は、多孔質膜４２１と、この
多孔質膜４２１を挟んで一方に水素ガスの流路４２３ｐ
を、他方に水流路４２４ｐを形成する部材４２３，４２
４とにより構成されている。

【００５７】部材４２３により形成される水素ガス流路
４２３ｐは、改質器から燃料電池本体に至る管路４３０
の途中に配管されており、また、部材４２４により形成
される水流路４２４ｐは、入口側が、加圧ポンプ４４０
を介して水タンク４５０と接続され、出口側は閉塞され
ている。さらに、この水流路４２４ｐには制御バルブ４
６０の設けられたガス抜き管路４７０が接続されてい
る。なお、この出口側が入口側に対して上部に位置する
ように、加湿器本体４１０の配置が定められている。

【００５８】また、この水素ガス加湿システム４０１
は、管路４７０の加湿器本体４１０から制御バルブ４６
０までの間に設けられ、水流路４２４ｐの液面の高さを
検出する水位センサ４８０と、水位センサ４８０に電気
的に接続される電子制御ユニット４９０とを備える。

【００５９】電子制御ユニット４９０は、周知のＣＰ
Ｕ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等を備えたマイクロコンピュータか
ら構成され、水位センサ４８０からの検出信号に応じて
制御バルブ４６０を開閉制御する。詳しくは、電子制御
ユニット４９０のＲＯＭには所定のプログラムが予め記
憶されており、そのプログラムに従って電子制御ユニッ
ト４９０は制御バルブ４６０の開閉制御を行なってい
る。

【００６０】電子制御ユニット４９０のＣＰＵにより実
行される制御バルブ開閉処理について、図１０のフロー
チャートに沿って説明する。図１０に示すように、ＣＰ
Ｕは、まず、水位センサ４８０の検出信号を取り込み
（ステップ５００）、その検出信号から示される水位が
予め定めた所定水位を下回っているか否かを判定する
（ステップ５１０）。ここで、その水位が所定水位を下
回ったと判定されると、水流路４２４ｐには所定量以上
のガスが貯えられたものとして、制御バルブ４６０に制
御信号を送って制御バルブ４６０を開状態に制御する
（ステップ５２０）。

【００６１】一方、ステップ５１０でその水位が所定水
位を上回っていると判定されたときには、ステップ５２
０を飛ばして、制御バルブ４６０を閉状態のままにして
おく。こうしてこのルーチンで示す処理を一旦終える。

【００６２】以上のように構成された水素ガス加湿シス
テム４０１では、多孔質膜４２１を介して水素ガス流路
４２３ｐ側から水流路４２４ｐ側に進入した水素ガスの
量が所定量以上に達すると、制御バルブ４６０を開状態
とすることで、水流路４２４ｐに滞留した水素ガスをガ
ス抜き管路４７０からリークしている。なお、図示はし
なかったが、このリークしたガスは集めて水素ガス系統
側に戻される。

【００６３】したがって、多孔質膜４２１を透過して水
素ガス流路４２３ｐ側から水流路４２４ｐ側に進入した
水素ガスにより多孔質膜４２１と水との間にガス層が形
成されるということを防ぐことができる、この結果、第
１実施例と同様に、ガス層により加湿機能が低下するの
を防止することができ、延いては、この水素ガス加湿器
４１０で加湿がなされる燃料電池本体の発電能力の低下
を防止することができる。

【００６４】なお、この第４実施例では、水素ガス加湿
システムとして、燃料電池のアノードに供給する水素ガ
スを加湿する構成としていたが、これに換えて、燃料電
池のカソードに供給する酸素含有ガスを加湿する構成と
してもよい。即ち、ガス流路４２３ｐには水素ガスに換
えて酸素含有ガスを流す構成とする。この構成によって
も、第４実施例と同様に、ガス層により加湿機能が低下
するのを防止することができる。

【００６５】前述した実施例に換えて、最も簡単に、多
孔質膜と水流路との間にガス層が形成されるのを防ぐ構
成について次に説明する。その構成を示すのが図１１の
構成図である。図１１に示すように、この水素ガス加湿
器６００は、多孔質膜６２１と、この多孔質膜６２１を
両側から挟みつつ水素ガスおよび水の流路６２３ｐ，６
２４ｐを形成するセパレータ６２３，６２４とを備えた
上で、水流路６２４ｐが水素ガス流路６２３ｐに対して
上側となるように配置されている。

【００６６】図１２には望ましくない例を示した。この
図１２に示すように、水流路が水素ガス流路に対して下
側に来ると、水素ガス流路側から多孔質膜を通過して水
流路側に進入したガスが水流路と多孔質膜の間に滞留し
（図中、Ｇにガスが滞留）、この為、水が多孔質膜に触
れることが出来なくなり、結果として、内部加湿機能が
働かなくなる恐れがある。

【００６７】これに対して、この実施例では、水流路６
２４ｐが水素ガス流路６２３ｐに対して上側となるよう
に配置されていることから、水素ガス流路６２３ｐ側か
ら多孔質膜６２１を通過して水流路６２４ｐ側に進入し
たガスは、水流路６２４ｐの上側（多孔質膜６２１と反
対の側）に溜まり、そのガスが水流路６２４ｐと多孔質
膜６２１の間に滞留することがない。このため、そのガ
スに起因する加湿機能の低下を防止することができ、延
いては、加湿がなされる燃料電池の発電能力の低下を防
止することができる。

【００６８】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、例えば、多孔質膜を、ボリオレフィン系のフィルム
に換えてセルロース系、ポリアミド系、ポリスルホン
系、ポリプロピレン系等のフィルムとした構成等、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。

【００６９】

【発明の効果】以上説明したように請求項１記載の燃料
電池の加湿装置では、多孔質膜の内部または水の流路側
の表面の少なくとも一方に設けた触媒により、多孔質膜
を透過して水の流路側に現われた水素ガスを水に変化さ
せることができる。このため、その水素ガスに起因する
加湿機能の低下を防止することができ、延いては、加湿
がなされる燃料電池の発電能力の低下を防止することが
できる。

【００７０】請求項２記載の燃料電池の加湿装置では、
水の流路中に配置された触媒により、多孔質膜を透過し
て水の流路側に進入した水素ガスを水に変化させること
ができる。このため、水の流路側に進入した水素ガスを
除去することができる。従って、その水素ガスに起因す
る加湿機能の低下を防止することができ、延いては、加
湿がなされる燃料電池の発電能力の低下を防止すること
ができる。

【００７１】請求項３記載の燃料電池の加湿装置では、
多孔質膜を透過して水の貯留路中に進入したガス量が多
くなると、外部に排気することができる。このため、そ
のガスに起因する加湿機能の低下を防止することがで
き、延いては、加湿がなされる燃料電池の発電能力の低
下を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池の加湿装置を備えた第１実施
例としての固体高分子型燃料電池の発電システム１の概
略構成図である。

【図２】燃料電池本体の電池セルの構造図である。

【図３】水素ガス加湿器２０の構造図である。

【図４】触媒反応層２２周辺の模式図である。

【図５】第２実施例の水素ガス加湿器に用いられる多孔
質膜１２１の模式図である。

【図６】第３実施例としての燃料電池発電システム２０
１の概略構成図である。

【図７】第３実施例で用いられるホルダ３００の斜視図
である。

【図８】ホルダ３００の分解斜視図である。

【図９】第４実施例としての水素ガス加湿システムの概
略構成図である。

【図１０】電子制御ユニット４９０により実行される制
御バルブ開閉処理を示すフローチャートである。

【図１１】他の実施例の水素ガス加湿器６００の構造図
である。

【図１２】望ましくない比較例の構造図である。

【符号の説明】

１…燃料電池発電システム１０…燃料電池本体１０ａ…冷却部１０ｂ…アノード側流路入口１０ｃ…カソード側流路入口１１…電解質膜１２…カソード１３…アノード１４…セパレータ１４ｐ…酸素ガス流路１５…セパレータ１５ｐ…水素ガス流路１６，１７…集電板２０…水素ガス加湿器２１…多孔質膜２２…触媒反応層２２ａ…白金２２ｂ…カーボン粒子２３…セパレータ２３ｐ…水素ガス流路２４…セパレータ２４ｐ…水流路２５，２６…Ｏリング２７，２８…シール部材３０…酸素含有ガス加湿器４０…共用水タンク５０…管路５０Ｐ…加圧ポンプ６０…管路６０Ｐ…加圧ポンプ７０…管路７０Ｐ…加圧ポンプ８０，９０…管路１２１…多孔質膜１２２ａ…白金１２２ｂ…シリカ粒子２０１…燃料電池発電システム２２０…水素ガス加湿器２３０…酸素含有ガス加湿器３００…ホルダ３０１，３０２…サポートスクリーン３０３…膜体３０４，３０５…パッキング３０６…内側ボディ３０７…外側ボディ３０８…ロックナット用ガスケット３０９…ロックナット４０１…水素ガス加湿システム４１０…加湿器本体４１０…水素ガス加湿器４２１…多孔質膜４２３，４２４…部材４２３ｐ…水素ガス流路４２４ｐ…水流路４３０…管路４４０…加圧ポンプ４５０…水タンク４６０…制御バルブ４７０…管路４８０…水位センサ４９０…電子制御ユニット６００…水素ガス加湿器６２１…多孔質膜６２３，６２４…セパレータ６２３ｐ…水素ガス流路６２４ｐ…水流路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料電池の電極に供給する燃料ガスを加
湿する加湿装置であって、水の流路と前記燃料ガスの流路とに接し、該水と該燃料
ガスとの圧力差に応じて該水を透過する多孔質膜を備え
るとともに、前記多孔質膜の内部または前記水の流路側の表面の少な
くとも一方に触媒を設けた燃料電池の加湿装置。
【請求項２】燃料電池の電極に供給する燃料ガスを加
湿する加湿装置であって、水の流路と前記燃料ガスの流路とに接し、該水と該燃料
ガスとの圧力差に応じて該水を透過する多孔質膜を備え
るとともに、通水性を有し、かつ、触媒を担持する支持体を、前記水
の流路中に設けた燃料電池の加湿装置。
【請求項３】燃料電池の電極に供給する材料ガスを加
湿する加湿装置であって、水を貯える貯留路と前記材料ガスの流路とに接し、該水
と該材料ガスとの圧力差に応じて該水を透過する多孔質
膜と、前記水の貯留路中に滞留するガスの量を検出するガス量
検出手段と、前記滞留したガスを前記貯留路から排気するガス抜き通
路と、該ガス抜き通路を開閉する開閉弁と、前記ガス量検出手段で検出されたガス量に応じて前記開
閉弁を開閉制御する制御手段とを備えた燃料電池の加湿
装置。