JPH08273687A

JPH08273687A - 燃料電池の供給ガス加湿装置

Info

Publication number: JPH08273687A
Application number: JP7073864A
Authority: JP
Inventors: Futoshi Fujikawa; 太藤川; Yasuaki Hasegawa; 泰明長谷川; Shogo Watanabe; 正五渡辺
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1995-03-30
Filing date: 1995-03-30
Publication date: 1996-10-18

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】加湿効率の高いコンパクトな加湿装置の提供。【構成】一対の仕切り板１３、１４に挟まれたジャケッ
ト１２の内部空間は水チャンバ１８を構成し、各仕切り
板１３、１４に近接した位置には水の入口１９および出
口２０が形成され冷却水配管が接続され、燃料ガスはジ
ャケット１２の一対の仕切り板１３、１４に支持された
中空糸膜束１１の一方の仕切り板の側１３から各中空糸
膜の内部空間に導入され、他方の仕切り板１４の側に向
かって流通し他方のガスチャンバ１７に導かれ、一方、
冷却水はガスの出口側の仕切板１４の側に設けられた入
口１９からジャケット１２の内部空間１８に導入され、
中空糸膜１の外側からその内部を流通しているガスと間
接的に接觸しつつガスの流動方向とは対向方向に流れ
て、ガスの入口側の仕切り板１３の側から排出され、燃
料ガスは加湿装置７において冷却水と対向方向に流動す
るように導入され、中空糸膜を介して冷却水と接触して
加湿される、燃料電池の供給ガス加湿装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体高分子型燃料電池
に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子型燃料電池は、一般的に、水
素イオン伝導性の固体高分子を白金触媒を担持したカー
ボン電極で挟み込んで構成される発電素子すなわち固体
高分子電解質膜−電極接合体及び各電極面にそれぞれの
反応ガスを供給するためのガス通路を画成するともに、
発電素子を両側から支持するガス分離部材とを積層した
構造を有する。そして、一方の電極に水素ガスすなわち
燃料ガスを供給し、他方の電極に酸素あるいは空気すな
わち酸化剤ガスを供給して、燃料ガスの酸化還元反応に
かかる化学エネルギーを直接電気エネルギーとして抽出
するようになっている。すなわち、アノード側で水素ガ
スがイオン化して固体高分子電解質中を移動し、電子
は、外部負荷を通ってカソード側に移動し、酸素と反応
して水を生成する一連の電気化学反応による電気エネル
ギーを取り出すことができるものである。固体高分子電
解質膜中を水素イオンは伴い移動するため固体高分子電
解質膜が乾燥してしまうと、イオン伝導率が低下し、エ
ネルギー変換効率が低下してしまう。よって良好なイオ
ン伝導を保つために固体高分子電解質膜に水分を供給す
る必要がある。

【０００３】

【解決しようとする課題】従来の固体高分子型燃料電池
においては、加湿機構によって反応ガスを積極的に加湿
して高い反応速度を維持するようにしている。この加湿
装置は、ガスと水とを接触させることによってガスを加
湿するようになっているが、所望のガスの湿潤状態を確
保するためには、所定のガスと水との接触面積を確保す
ることが必要となる。従来の構造では、多孔質のカーボ
ン板を介して反応ガスと水との接触を行わせることによ
ってガスを加湿することが行われる。しかし、この構成
では、必ずしも加湿効率が良好ではなく、装置が大型化
するという問題があった。また、特開昭平６−１３２０
３８号公報には、燃料ガスの加湿装置として、水蒸気透
過膜を用いたものが開示されている。この開示された加
湿装置では、水蒸気透過膜を介して燃料ガスとオフガス
を接触させて供給ガスを加湿するようになっている。し
かし、この装置においては、構造上上記同様に装置が大
型化するという問題がある。

【０００４】本発明はこのような観点で構成されたもの
で、加湿効率の高いコンパクトな加湿装置を提供するこ
とによって、固体高分子型燃料電池を小型化することを
目的とする。さらに本発明の目的は、独特の加湿機構を
固体高分子型燃料電池に組み込むことによって特別の加
湿装置を設けることなく有効に固体高分子型燃料電池を
小さくすることである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は以下のように構成される。すなわち、本発
明にかかる燃料電池の供給ガスの加湿装置は、固体子電
解質膜と該高分子電解膜の両側に配置される電極構成部
材とから構成される発電素子と、該発電素子に沿って配
置され、前記発電素子に供給される反応ガスのためのガ
ス流通路を発電素子との間で画成する導電性材料からな
るガス分離部材と、前記発電素子の両側にそれぞれの反
応ガスが発電素子に対して供給可能に設けられることに
よって構成されるセルを有する燃料電池において、前記
反応ガスと水とを中空糸膜を介して接触せしめ反応ガス
を加湿するようにしたことを特徴とする。より具体的に
は、上記において、前記加湿装置は、反応ガスが流通す
るガスチャンバと水が流通する水チャンバを備えてお
り、ガスチャンバは前記燃料電池への反応ガス供給管に
接続され、水チャンバは前記燃料電池の冷却水用配管に
接続される。また、内部を水が流通するように構成され
た前記中空糸膜を前記ガス分離部材によって画成された
ガス流通領域に所定量の前記中空糸膜を配置するように
してもよい。

【０００６】さらに、前記燃料電池は、前記セルを積層
することによって構成されるとともにセルの積層方向に
各セルに対して反応ガスを供給するためのガス供給通路
が設けられる。この場合、上記のガス供給通路内には所
定量の前記中空糸膜が配設され、前記中空糸膜の内部に
水が流通するように構成される。または、別の態様で
は、各セルを区分する領域内に冷却水の排水通路が設け
られる。そして、このような排水通路内に水分のみを流
通させることかできる所定量の中空糸膜を配置されてい
るとともに、該中空糸膜内にガスが流通させられるよう
になっている。

【０００７】

【作用】上記したように高分子電解膜の水素イオン伝導
を良好に保ち、かつ電気化学反応の活性を高く維持する
ためには、供給ガスの湿度を高くする必要がある。供給
ガスを加湿するために、本発明では、中空糸膜を利用す
ることを特徴とする。中空糸膜は、文字通り中空状の細
い糸の膜であって、膜の性質は、ガスの流通は阻止する
が、水分すなわち水分子の流通は許容するという性質を
有する。この場合、水分は水蒸気分圧の高い方向から低
い方向に中空糸膜を介して流通する。したがって、中空
糸膜の内側に水、外側にガスを存在せしめると水分は中
空糸膜を介して外側のガス相に移動する。逆に中空糸膜
の内側にガスを流通させ外側に水を流通させると水分は
中空糸膜の外側から内部に浸透し、ガス中に拡散する。
したがって、本発明に適用するためにガスの加湿装置を
構成する場合中空糸膜の内部または外部のどちらのガス
または水を存在せしめるかは設計的事項であり適宜選択
することができる。上記の中空糸膜を介しての水蒸気の
物質移動は以下の式によって表すことができる。

【０００８】Ｑ＝Ｐ×Ａｍ×（Ｐｆ−Ｐｐ）ここで、Ｑ：水蒸気透過速度（cm3/sec) Ｐ：水蒸気透過係数（cm3/cm2/sec/cmHg) Ａｍ：膜面積 (cm2) Ｐｆ：供給側水蒸気分圧（cmHg）Ｐｐ：透過側水蒸気分圧（cmHg）本発明の上記加湿装置に有効に適用できるような中空糸
膜の透過係数は、１．０×１０^-8〜１．０×１０^-5（cm
3/cm2/sec/cmHg) が好ましい。本発明に好適な中空糸膜
の材質としてフェノールスルホン酸、ポリスチレンスル
ホン酸、ポリトリフルオロスチレンスルホン酸、パーフ
ルオロカーボンスルホン酸等の高分子イオン交換膜が挙
げられ、高分子系樹脂あるいはセラミック系等上記の透
過係数を有するものであれば任意のものを選択すること
ができる。また、中空糸膜は、３ｍｍ程度以下の外径で
あれば、数ミクロンレベルのものまで有効に用いること
ができる。上記の中空糸膜によって加湿装置を構成する
と、ガスおよび水の単位使用量当たりの膜の面積が、従
来の平面状の膜に比べて極めて大きくなりしたがって、
効率的に水−ガスの接触面積を確保することができる。
特に、本発明の用途において中空糸膜を使用する場合に
は、中空糸膜の所定量を束状にして用いるのでその容積
比率に対して膜の表面積が極めて大きくなる。したがっ
て、従来の加湿装置を大幅に小型にすることができる。

【０００９】また、上記の束状の中空糸膜を固体高分子
型燃料電池の各セルに対する共通の水あるいはガス通路
に配置して水−ガス接触を行わせるように構成すること
ができる。たとえば、セルの積層方向にのびるガス供給
通路、排出通路、冷却水供給排出通路などのスペースを
利用して、ガスまたは水を中空糸膜の内部に流通させ該
中空糸膜を介して水分を移動させてガスを加湿させるこ
とができる。この場合、既存の構造の内部に中空糸膜束
を組み込むだけであるので特別にガス加湿装置を設ける
必要がなくなる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。図
１には、本発明に適用することができる中空糸膜の原理
図が示されている。中空糸膜１は、数ミリから数ミクロ
ンレベルの外径の微細なチューブ状のイオン交換膜から
成る。この本発明に好適に用いることができる中空糸膜
は、水分の流通は許容するがガスの流通は阻止するとい
う性質を有する。この場合、水分は、水蒸気分圧の高い
側から低い側に流通する。したがって、中空糸膜の一方
の側に水、他方の側にガスが存在する場合には、常に水
相からガス相に中空糸膜を介して水の物質移動が生じ
る。すなわち、水分はガスの湿度を高める方向に流通す
る。図１において、中空糸膜１の外部には水が流通し、
内部に燃料ガスまたは酸化剤ガスが流通するようになっ
ている。上記の性質によって当初中空糸膜に導入された
乾燥ガス（空気）は、入口側（図において下側）におい
ては水分を含まない乾燥状態となっている。すなわち、
窒素分子２および酸素分子３のみを含む。しかし、出口
（図において上方）に向かって、中空糸膜１の内部空間
１ａを流通するにしたがって、中空糸膜１の外部に存在
する水４が中空糸膜内部に浸透し水蒸気５となって中空
糸膜１の内部空間１ａに拡散して内部のガスの湿度は上
昇する。中空糸膜１の水蒸気透過係数は予め分かってい
るので、燃料電池の供給ガスの所定の湿潤状態が得られ
るように、中空糸膜１の全体の表面積を設定することに
よって中空糸膜１の量あるいは長さを適宜設定すること
ができる。

【００１１】図２および図３を参照すると上記中空糸膜
を所定量用意することによって加湿装置を構成する例が
示されている。図２において、本発明が適用できる固体
高分子型燃料電池６が配置されている。本例の加湿装置
７は、燃料電池６に対して外部付加装置として設けられ
る。すなわち、図示の加湿装置は、燃料ガスの加湿装置
として機能するものであって、一方において、燃料電池
６とは独立して設置され、燃料電池への燃料ガスの供給
ラインが接続される。燃料電池６は発電素子としてのプ
レート状のセル８を所定数積層し、その両端部にエンド
プレート９を取り付けることによって構成される。加湿
用の水として、本例では、冷却水が使用される。この目
的のために燃料電池の冷却水ライン１０が加湿装置７に
接続されている。図３を参照すると、上記加湿装置７の
概略断面図が示されており、本例の加湿装置７は、多管
式熱交換器のような構造になっており多管すなわち中空
糸膜の集合体である中空糸膜束１１の内部を燃料ガスが
流通し、中空糸膜束１１を収容したジャケット１２内を
冷却水が流通するようになっている。この場合、中空糸
膜１の外側を水が流通し、中空糸膜の内部を燃料ガスが
流通する。そして、中空糸膜束１１の両端は、ジャケッ
ト１２の内面と中空糸膜束１１の該表面の間の空間を水
密状態で遮断する仕切り板１３、１４によって固定され
ている。その一対の仕切り板１３、１４の外側は、ジャ
ケット１２の延長部として、ガスチャンバ１６、１７が
画成される。このガスチャンバ１６、１７には、燃料ガ
ス供給ライン１５が接続される。

【００１２】一方、一対の仕切り板１３、１４に挟まれ
たジャケット１２の内部空間は、水チャンバ１８を構成
する。この水チャンバ１８内において各仕切り板１３、
１４に近接した位置には、水の入口１９および出口２０
が形成され、この出入口に冷却水配管が接続される。こ
の場合、燃料ガスは、ジャケット１２の一対の仕切り板
１３、１４に支持された中空糸膜束１１の一方の仕切り
板の側１３から（図３において左側から）各中空糸膜の
内部空間に導入され、他方の仕切り板１４の側に向かっ
て流通し他方のガスチャンバ１７に導かれる。一方、冷
却水はガスの出口側の仕切り板１４の側に設けられた入
口１９からジャケット１２の内部空間１８に導入され、
中空糸膜１の外側からその内部を流通しているガスと間
接的に接触しつつガスの流動方向とは対向方向に流れ
て、ガスの入口側の仕切り板１３の側から排出される。
上記のように、燃料ガスは加湿装置７において冷却水と
対向方向に流動するように導入され、中空糸膜を介して
冷却水と接触して加湿される。この場合、中空糸膜は上
記のように集合体として加湿装置７に組み込まれている
ので、平面状の膜を用いてガス−水の接触を行わせる場
合に比べて、単位ガス量当たりの接触面積を大幅に増大
せしめることができる。したがって、加湿装置をコンパ
クトに構成することができる。

【００１３】図４を参照すると本発明の他の実施例にか
かる加湿装置７が示されている。本例の加湿装置７も前
例と同様に、燃料電池６に対して外部付加型のものであ
る。本例の構造の前例と異なる点は、中空糸膜１の内部
に冷却水を、外部に燃料ガスを流通させることによって
中空糸膜を介してガス−水の接触を行わせるように構成
している点である。したがって、燃料ガスは加湿装置の
ジャケット１２の仕切り板１３に近接して設けられた入
口１９から導入され、中空糸膜束１１に沿って流動し
て、もう一方の仕切り板１４近傍に設けられ出口２０か
ら排出される。一対の仕切り板１３、１４の外側の領域
は、冷却水チャンバ１６、１７を構成する。そして、一
方の（本例では、図４において右側）チャンバ１７から
一つ一つの中空糸膜の内部に導入され、ガスと対向方向
に中空糸膜内を流動して他方の仕切り板１３の側に排出
される。本例においても、前例と同様の効果が得られ
る。図５および図６を参照して本発明のさらに別の実施
例について説明する。本発明が適用される固体高分子型
燃料電池３０は、薄板状の発電セル３１を積層して構成
される。そして、各セル３１は、さらに、図５に示すよ
うに固体高分子膜３２を間に挟んで両側から触媒電極３
３、３４が配置され、一方がアノード電極、他方がカソ
ード電極を構成する。さらにその両側に集電機能を備え
る一対のセパレータ３５、３６が配置され、アノード電
極に対して燃料ガスを、カソード電極に対しては酸化剤
ガスをそれぞれ供給するためのガス通路３７、３８を構
成するための凹凸が形成され、凸部３９が電極に当接す
ることによって各電極面との間で空間部が画成され、ガ
ス通路３７、３８を構成する。

【００１４】そして、この凸部３９は、電極に当接する
ことによって発生する電力を抽出する集電部を構成す
る。この高分子電解膜３２、一対の触媒電極３３、３４
および一対のセパレータ３５、３６が１つの前記セル３
１を構成する。そしてこのセル３１を所定数積層すると
ともに、積層部の両端部にエンドプレートを配置するこ
とによって１個の燃料電池３０が構成される。この場
合、電解反応によって発生する熱を除去するために、所
定数のセル３１を積層する毎に冷却水通路を設けたプレ
ートを配置し、このプレート上に冷却水通路を設けて、
平面全体が満遍なく冷却するようにしている。そして、
積層されたそれぞれのセル３１に対して所定のガスを導
入するため、および所定数のセルの積層段ごとに冷却水
を導入するために、燃料電池３０には、セルの積層方向
に延び、かつ各セルに共通のガスの供給、排出通路およ
び冷却水の供給、排出通路がそれぞれ設けられる。すな
わち、１つの積層段に１つのセルが形成される場合に
は、燃料ガス、酸化ガスおよび冷却水の供給、排出通路
が必要となるので、合計６つの積層方向に延びる通路が
形成される。この通路は、各積層段においては、セルが
形成される部分以外の領域の上記の通路に対応する部分
に開口を形成することによって形成される。

【００１５】本実施例においては、図６に示すように、
燃料ガスの供給共通通路４０に中空糸膜束４１を配置
し、この中空糸膜束４１の内部空間を冷却水の排出通路
の一部を構成するようにしている。すなわち、図６にお
いて、冷却水は破線の矢印方向に延びる冷却水供給共通
通路４４によって燃料電池３０に導入され、所定の積層
段においてセルの延びる平面に沿って平行に流通させら
れ、それぞれの平面の終端部において１つの排水通路４
５に集められ、冷却水導入側とは反対側に導かれる。そ
して、他端側において、流動方向が反転させられて燃料
ガスの供給通路４２に配置された中空糸膜束４３の内部
空間内に導入される。そして、燃料ガスの導入方向に対
向する方向に流動させられる。これに対し、燃料ガス
は、積層構造の燃料電池の一方の端部（図８において
は、左端部）から導入され、中空糸膜４３の外側の空間
を、上記の冷却水の流動方向とは逆方向に流動する。こ
の間、燃料ガスと冷却水とは中空糸膜を介して接触し、
燃料ガスは所定の湿潤状態に到達する。この後燃料ガス
は、図において矢印で示すように各セル３１の電極面に
沿ったガス通路に導入されるようになっている。

【００１６】なお、図６の例では、燃料ガスの供給通路
に中空糸膜束４１を配置して冷却水と燃料ガスとの接触
を行わせるように構成したが、酸化剤ガスについても同
様の構成によって、酸化剤ガスの所定の湿潤状態が得ら
れるようになっている。本例では、既存の燃料ガスの供
給通路４０に中空糸膜束を配置することによって加湿機
構を構成することができるので、加湿装置を燃料電池と
別個に設ける必要がなく、燃料電池３０を小さくするこ
とができる。図７を参照すると、本発明のさらに他の実
施例が示されている。本例の構成では、前例と異なり、
燃料電池３０の積層方向に延びる冷却水の排出通路４２
内に中空糸膜束４３が配置され、この内部を燃料ガスが
通されるようになっている。すなわち、本例の構成で
は、中空糸膜束４３の内部空間は燃料ガスの供給通路４
２の一部に使用される。本例においても、前例と同様の
効果を得ることができる。図８を参照すると、本発明の
さらに別の実施例にかかる加湿装置が示されている。前
２例においては、中空糸膜束が、セルの積層方向に延び
る通路すなわち各セルに対する共通通路４０、４２内に
配置されるものであるが、本例においては、セルの所定
の積層段ごとに設けられるセパレータ５７、５８から構
成される冷却水供給プレートにおける各冷却水通路４６
に燃料ガスが内部を流通する中空糸膜４７を配置するこ
とによって加湿機構を構成している。

【００１７】セル積層型燃料電池において、各セルに対
する冷却機構は、セルの面に沿って配設される一対のセ
パレータによって構成される。すなわち、図８におい
て、１つのセパレータ５７の背面に凹凸を有する別のセ
パレータ５８が合わせられ、凸部４８が上記１つのセパ
レータ５７の背面に当接状態なることよって、セルの面
に沿った方向に冷却水を流通させる冷却水通路４６が形
成される。そして、各冷却水通路４６に中空糸膜４７が
配置され、その内部を燃料ガスが流通するようになって
いる。この場合、適当な本数の中空糸膜が上記各冷却水
通路に配置される。中空糸膜４７は、燃料ガス供給通路
から直接分岐して冷却水通路４６に配置される構成でも
よく、共通ガス通路に配置された中空糸膜束を分岐する
ことによって各セルの冷却水通路４６に配置するように
してもよい。このようにすることより、積層方向に延び
る冷却水通路に配置する中空糸膜束の表面積を減ずるこ
とができる。この結果、ガスの加湿のための中空糸膜束
を冷却水通路に配置するスペースを確保するために必要
となる冷却水通路の断面積の増大幅を減少することがで
きる。図９を参照すると本発明のさらに別の実施例にか
かる燃料電池の部分拡大断面図が示されている。

【００１８】本例は積層構造の積層面に沿った方向に設
けられる通路に中空糸膜を配置される点において前例と
共通点を有するが、本例においては、セル５０の積層構
造の内部に中空糸膜５１を配置して加湿機構を構成した
点において特徴点を有する。すなわち、本例において
は、高分子電解膜５２の両側に配置される触媒電極５
３、５４に当接するセパレータ５５と該セパレータ５５
が当接する触媒電極面によって形成される燃料ガス通路
内に適当な本数の中空糸膜５１を配置し、その内部を冷
却水が流通するように構成している。この場合、セルの
積層方向に延びる共通冷却水通路から中空糸膜によって
冷却水通路を分岐せしめ各セルの燃料ガス通路５６に該
中空糸膜を配置することによって構成することができ
る。また、共通燃料ガス通路５６に中空糸膜束が配置さ
れる場合には、この中空糸膜束から小さい中空糸膜束５
１を分岐せしめて、各セルの積層面内で形成される燃料
ガス通路に配置するようにしてもよい。本例において
も、前例と同様にガスの加湿のために必要となるガス−
水接触表面積の既存の構造内において確保することがで
きる。上記のように中空糸膜束を燃料ガス供給通路に中
空糸膜束が配置されると燃料ガスの流通のための通路断
面積が減少することとなるが、本例のように中空糸膜を
各セルの積層面内でのガス通路にも配置するようにする
と、上記の積層方向に延びる燃料ガス供給通路に配置す
る中空糸膜束のガス−水接触のための中空糸膜束表面積
をその分少なくすることができる。したがって、燃料電
池に設けられる既存の構造の変更を極力すくなく抑えつ
つ所望の容量の加湿装置を組み込むことができる。

【００１９】なお上記の構成では、燃料電池の１つの積
層単位に単一のセルが構成される燃料電池に関して説明
したが、本発明は、１つの積層単位に複数のセルが組み
込まれる構造の積層型の燃料電池についても同様に適用
することができる。図１０ないし図１３を参照して、本
発明のさらに別の実施例について説明する。本例で
は、酸化剤ガスの排気通路に中空糸膜を備えた加湿装置
を設置しており、中空糸膜の内部に反応供給ガスを流通
せしめ中空糸膜の外側に酸化剤ガスを流通せしめるよう
になっている。この場合、図１０ないし図１２は外部設
置型の加湿装置であり、図１３は、内部設置型の加湿機
構を示している。図１０において、乾燥反応ガス６０
は、中空糸膜１を介して湿潤酸化剤排気ガス６１と対向
接触することによって加湿される。この場合、水分子５
のみが中空糸膜１の内部１ａに移動する。なお、図１１
乃至図１２において使用する参照符号は、加湿装置の構
造は、基本的に図２ないし図４の実施例と同じであるあ
り、ガスと水の中空糸膜を介しての接触を酸化剤排気ガ
スと反応供給ガス（燃焼ガスまたは酸化剤ガス）に置き
換えればよいので同一の符号を用いている。また、図１
３の実施例も同様に酸化剤排気通路内に内部を反応供給
ガスが流通するように中空糸膜束を配置する構造は、図
７の燃料ガスと冷却水との関係と同じであるので同一の
符号を用いている。

【００２０】

【発明の効果】上記したように、本発明によれば、固体
高分子電解膜燃料電池において、加湿装置を単位ガス量
あたりのガス−水接触面積が従来のものに比べて極めて
大きいしたがって、加湿効率の高い中空糸膜を用いて構
成するので、加湿装置を小さくすることができる。ま
た、中空糸膜は、極めて小径であるので、これを適当な
大きさの束状にして加湿機構に用いることによって、既
存の燃料電池の構造の中に組み込むことができる。この
ように構成すれば、加湿装置を燃料電池の外部付加装置
として特別に設ける必要がなくなる。この場合、燃料電
池積層方向に延びる共通ガスあるいは冷却水通路に上記
の中空糸膜束をガス−水接触装置として組み込み加湿装
置として機能せしめることもできるが、これに加えて、
燃料電池の積層面内にあるガス通路または冷却水通路に
中空糸膜を配置することによってさらに効果的にガス−
水接触表面積を確保することができ、燃料電池のコンパ
クト化をさらに推進することができる。また、中空糸膜
束の加湿機構への応用は、単一のセルを１つの積層段に
組み込んだ従来構成の燃料電池に限らず、複数のセル構
造が同一平面上に組み込まれる形式の高分子電解膜積層
型燃料電池においても同様に適用することができるもの
である。

【００２１】酸化剤排気ガス中には、反応により生成し
た水が混在する。従来、この生成水は酸化剤排気ガスと
ともに燃料電池スタックの外部に排出され、加湿（冷
却）水タンクに蓄えられるかシステム外に排出されてい
た。加湿用の水としては、不純物による固体高分子膜が
汚染され性能が低下することを防ぐため純水を用いるこ
とが必要である。よって、冷却水を加湿水として用いる
場合、冷却水の循環時にフィルタによって金属イオン等
の不純物を除去する必要がある。この点、本発明にかか
る加湿装置を用いれば、酸化剤排気ガス中の水分が反応
供給ガス中に移動して加湿されるので、別途、加湿用の
水を供給する必要が無くなり、上記金属イオン等の問題
を考慮する必要はなく、冷却水として不凍液の使用が可
能になる。よって、フィルタが不要になる他に、低温下
での始動性を向上させることができる点において有利と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に適用可能な中空糸膜の動作を説明する
ための概念図、

【図２】本発明の１実施例にかかる加湿装置を組み込ん
だ固体高分子型燃料電池の概略図、

【図３】図２における加湿装置の概略断面図、

【図４】本発明の他の実施例にかかる図２と同様の図、

【図５】本発明を適用することができる燃料電池のセル
の構造を概念的に示す断面図、

【図６】本発明のさらに他の実施例にかかる固体高分子
型燃料電池の加湿装置の概略断面図、

【図７】本発明のさらに別の実施例にかかる図６と同様
の図、

【図８】本発明のさらに他の実施例にかかる加湿装置の
概念を示す概略断面図、

【図９】本発明のさらに別の実施例にかかる加湿装置の
図８と同様の図、

【図１０】乾燥反応供給ガスと湿潤酸化剤排気ガスとの
接触状態を示す概念図、

【図１１】反応供給ガスと酸化剤排気ガスとの接触にか
かる実施例を示す図２と同様の図、

【図１２】反応ガスと酸化剤排気ガスとの接触にかかる
実施例の図３と同様の図、

【図１３】反応ガスと酸化剤排気ガスとの接触にかかる
さらに他の実施例の図７と同様の図である。

【符号の説明】

１中空糸膜、２窒素分子、４酸素分子、６燃料電池、７加湿装置、１０冷却水ライン、１１中空糸膜束、１２ジャケット、１３１４仕切り板、１５燃料ガスライン、３０燃料電池、３１セル、３２高分子電解膜、３３、３４触媒電極、３７、３８ガス通路、５０燃料電池、５１中空糸膜、５５セパレータ、５６ガス通路。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体高分子電解質膜と該固体高分子電解膜
の両側に配置される電極構成部材とから構成される発電
素子と、該発電素子に沿って配置され、前記発電素子に供給され
る反応ガスのためのガス流通路を発電素子との間で画成
する導電性材料からなるガス分離部材と、前記発電素子の両側にそれぞれの反応ガスが発電素子に
対して供給可能に設けられることによって構成されるセ
ルを有する燃料電池において、前記反応ガスと水とを中
空糸膜を介して接触せしめ反応ガスを加湿するようにし
たことを特徴とする燃料電池の供給ガス加湿装置。
【請求項２】固体高分子電解質膜と該固体高分子電解膜
の両側に配置される電極構成部材とから構成される発電
素子と、該発電素子に沿って配置され、前記発電素子に供給され
る反応ガスのためのガス流通路を発電素子との間で画成
する導電性材料からなるガス分離部材と、前記発電素子の両側にそれぞれの反応ガスが発電素子に
対して供給可能に設けられることによって構成されるセ
ルを有する燃料電池において、反応供給ガスと酸化剤排気ガスとを中空糸膜を介して接
触せしめ反応供給ガスを加湿するようにしたことを特徴
とする燃料電池の供給ガスが流通するように構成された
ことを特徴とする燃料電池の供給ガス加湿装置。
【請求項３】請求項１において、前記加湿装置は、反応
ガスが流通するガスチャンバと水が流通する水チャンバ
を備えており、ガスチャンバは前記燃料電池への反応ガ
ス供給管に接続され、水チャンバは前記燃料電池の冷却
水用配管に接続されていることを特徴とする燃料電池の
供給ガス加湿装置。
【請求項４】請求項１において、内部を水が流通するよ
うに構成された前記中空糸膜を前記ガス分離部材によっ
て画成されたガス流通領域に所定量の前記中空糸膜を配
置したことを特徴とする燃料電池の供給ガス加湿装置。
【請求項５】請求項１において、前記燃料電池は、前記
セルを積層することによって構成されるとともにセルの
積層方向に各セルに対して反応ガスを供給するためのガ
ス供給通路が設けられており、該ガス供給通路内には所
定量の前記中空糸膜が配設され、前記中空糸膜の内部に
は、水が流通するように構成されたことを特徴とする燃
料電池の供給ガス加湿装置。
【請求項６】請求項１において、前記燃料電池は、前記
セルを積層することによって構成されるとともに、セル
の積層方向に各セルに対して反応ガスを供給、排気する
ためのガス流通路が設けられており、該反応ガス排気通
路内に所定量の前記中空糸膜が配設し、前記中空糸膜の
内部に、反応供給ガスが流通するように構成されたこと
を特徴とする燃料電池の供給ガス加湿装置。
【請求項７】請求項１において、前記燃料電池は、前記
セルを積層することによって構成されるとともにセルの
積層方向に各セルを冷却するための冷却水を供給する水
通路が設けられており、該水通路内に所定量の中空糸膜
が配置されるとともに、該中空糸膜内にガスが流通させ
らるように構成されたことを特徴とする燃料電池の供給
ガス加湿装置。