燃料電池発電システム及び固体高分子形燃料電池
【課題】固体高分子電解質膜を、状況に応じて適切に加湿して適切な湿潤状態に保つことができ、発電効率の高い燃料電池発電システム及び固体高分子形燃料電池を提供する。
【解決手段】ＰＥＦＣ１と、水素ガスをアノード側セパレータに供給する水素ガス供給パイプ７２及び水素ガス用ポンプ１２２と、空気をカソード側セパレータに供給する空気供給パイプ７３及び空気用ポンプ１２３と、供給対象流体（水素ガス，空気）を加湿する加湿水を供給する加湿水供給パイプ７１及び加湿水用ポンプ１２１と、供給対象流体（水素ガス，空気）と加湿水とを混合するクロス流路セパレータの混合流路及び拡散層の細孔化連通孔と、ＰＥＦＣ１に対する発電要求情報を検出する検出センサ１４０と、発電要求情報に基づいて、供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水の供給量を制御するコントロールユニット１３０とを備えた。
【解決手段】ＰＥＦＣ１と、水素ガスをアノード側セパレータに供給する水素ガス供給パイプ７２及び水素ガス用ポンプ１２２と、空気をカソード側セパレータに供給する空気供給パイプ７３及び空気用ポンプ１２３と、供給対象流体（水素ガス，空気）を加湿する加湿水を供給する加湿水供給パイプ７１及び加湿水用ポンプ１２１と、供給対象流体（水素ガス，空気）と加湿水とを混合するクロス流路セパレータの混合流路及び拡散層の細孔化連通孔と、ＰＥＦＣ１に対する発電要求情報を検出する検出センサ１４０と、発電要求情報に基づいて、供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水の供給量を制御するコントロールユニット１３０とを備えた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、固体高分子電解質膜を挟む燃料極と酸化剤極とを有し、燃料を燃料極に供給するとともに、酸化剤ガスを酸化剤極に供給し、燃料と酸化剤ガスとの発電化学反応により発電する固体高分子形燃料電池、及び固体高分子形燃料電池を用いた燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
エネルギー使用量が急激に増大している状況の中、化石燃料に比べて変換効率の高い燃料電池が注目されており、従来より、燃料電池に関していろいろな技術が提案されるとともに、実施されている。
そもそも、燃料電池は、燃料の発電化学反応を電気エネルギーに変化させて取り出すことができるものであり、発電メカニズムの異なる複数の燃料電池が存在している。
【０００３】
その中で、特許文献１に提案される固体高分子形燃料電池は、水素を燃料とするとともに、空気を酸化剤として用いており、作動温度が低く、単位面積当たりの電気出力が高いため、自動車の動力用の電源や移動用の電源等の利用用途が広い。なお、酸化剤として用いられる空気のうち酸素が酸化剤として作用している。
【０００４】
固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜を挟む燃料極と酸化剤極とを有し、燃料（水素）と酸化剤（空気）が直接反応しないように隔離しながら、燃料極で生成する水素イオン（プロトン）を酸化剤極まで移動させて発電している。このため、イオン導伝性を確保すべく、固体高分子電解質膜を適度な湿潤状態に保つ必要がある。この固体高分子電解質膜の湿潤状態が損なわれると、イオン導伝性が低下し、発電効率が低減するという問題がある。
【０００５】
そのため、従来構造の固体高分子形燃料電池では、加湿した燃料と、加湿した酸化剤をそれぞれ燃料極と酸化剤極とに供給することで、固体高分子電解質膜を適度な湿潤状態で保っていた。
【０００６】
しかし、固体高分子形燃料電池の作動温度や発電状況によっても固体高分子電解質膜を適度な湿潤状態に保つための加湿量は異なり、燃料や酸化剤に対する加湿量を制御できない従来構造では、作動状況に応じて固体高分子電解質膜を適度な湿潤状態で保つことができなかった。
【０００７】
そこで、上記特許文献１に記載の燃料電池システムでは、水素を主とする燃料ガスに酸素を混入させて燃料極に供給することで、燃料極に水素を供給するとともに、燃料ガスの水素と混入させた酸素とにより水を生成し、固体高分子電解質膜の湿潤状態を確保することができるとされている。
【０００８】
しかし、この場合、燃料ガスにおいて、燃料として燃料極に供給される水素と、混入された酸素と反応して水を生成するための水素とのバランスを状況に応じて適宜制御することは困難であった。
【０００９】
詳しくは、例えば、必要な発電量が刻々と変化するような使用状況においては、固体高分子電解質膜を適度な湿潤状態に保つための加湿量はそれぞれ必要発電量に応じて変化するため、燃料として燃料極に供給される水素と、混入された酸素と反応して水を生成するための水素とのバランスを必要発電量に応じて適宜制御することは困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００７−２４２４４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
そこで本発明では、固体高分子電解質膜を、状況に応じて適切に加湿して適切な湿潤状態に保つことができ、発電効率の高い燃料電池発電システム及び固体高分子形燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明は、固体高分子電解質膜、該固体高分子電解質膜を挟む態様の電極触媒層、及び該電極触媒層の外側に配置するセパレータで構成するセルを有するとともに、前記固体高分子電解質膜の一方側に配置する燃料極及び他方側に配置する酸化剤極で前記電極触媒層を構成し、供給された燃料を前記燃料極に導通させる流路を備えた燃料極側セパレータ及び供給された酸化剤ガスを前記酸化剤極に導通させる流路を備えた酸化剤極側セパレータで前記セパレータを構成する固体高分子形燃料電池と、前記燃料を前記燃料極側セパレータに供給する燃料供給手段と、前記酸化剤ガスを前記酸化剤極側セパレータに供給する酸化剤ガス供給手段と、前記固体高分子形燃料電池の発電に関する発電情報を検出する発電情報検出手段とを備え、前記燃料供給手段及び前記酸化剤ガス供給手段のうち少なくとも一方の供給手段を、前記セパレータに供給する対象である供給対象流体を供給する対象流体供給機構及び前記供給対象流体を加湿する加湿流体を供給する加湿流体供給機構で構成するとともに、前記供給対象流体と前記加湿流体とを混合する混合手段と、前記発電情報に基づいて、前記供給対象流体及び前記加湿流体のうち少なくとも一方の供給量を制御する供給制御手段とを備えた燃料電池発電システムであることを特徴とする。
【００１３】
上記固体高分子電解質膜は、イオン交換膜とも呼ばれ、例えば、パーフルオロ型のスルホン酸膜、ポリエーテルエーテルケトンをスルホン化した膜、炭化水素系電解質膜、多孔質基材に電解質ポリマーを充填した細孔フィリング電解質膜あるいはイオン交換樹脂をｅＰＴＦＥメンブレンで補強したイオン交換膜などで構成し、１００℃以下の低温で高い水素イオン導伝性を有する膜、もしく水酸化イオン導伝性を有する膜等とすることができる。
【００１４】
上記電極触媒層は、上述のように燃料極を構成する燃料極触媒層と、酸化剤極を構成する酸化剤極触媒層とで構成するとともに、当該電極触媒層と固体高分子電解質膜とで膜・電極接合体（ＭＥＡ）を構成することができる。
上記セパレータは、バイポーラ板、隔壁板あるいは集電板ともいう。
【００１５】
上記燃料は、水素ガスや、メタノール等のアルコール水溶液、ヒドラジン水溶液等とすることができ、上記酸化剤ガスは、空気や酸素ガス等とすることができる。なお、上記供給対象流体は、これら燃料及び酸化剤ガスのうち少なくとも一方を示している。
【００１６】
上記固体高分子形燃料電池は、水素ガスを燃料とした、いわゆるＰＥＦＣと呼ばれる燃料電池や、メタノール水溶液を燃料とし、燃料極に直接供給するダイレクトメタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）とすることができる。さらに、上述のセルを有する固体高分子形燃料電池は、単一あるいは複数のセルによって構成される固体高分子形燃料電池とすることができる。
【００１７】
上記燃料供給手段や上記酸化剤ガス供給手段は、例えば、タンクに貯蔵された供給対象物を供給するポンプや、タンクに貯蔵された高圧の供給対象物の供給量を調整するバルブ等、あるいはこれらを組み合わせて構成することができる。
【００１８】
上述の固体高分子形燃料電池の発電に関する発電情報は、固体高分子形燃料電池に対する発電制御情報、固体高分子形燃料電池に要求される発電量に関する情報、燃料電池の発電作動時の温度、固体高分子電解質膜の湿度、あるいは燃料電池から排出されるガスの濃度や生成水の温度等の発電に関する情報のうちのひとつ、もしくは複数とすることができる。
【００１９】
上記発電情報検出手段は、制御信号の受信センサ、または、ガス濃度、温度あるいは湿度等を検出する検出センサ等のひとつ、もしくは複数とすることができる。
上記加湿流体は、水蒸気、水、アルカリ性水溶液、あるいは酸性水溶液とすることができる。
【００２０】
上記混合手段は、燃料と加湿流体、あるいは酸化剤ガスと加湿流体を混合する混合手段であり、固体高分子形燃料電池の内部あるいは外部に配置する手段とすることができる。
上記供給制御手段は、メモリやプログラム等と協働して供給手段を制御するＣＰＵとすることができる。
【００２１】
この発明の構成により、固体高分子電解質膜を、状況に応じて適切に加湿して適切な湿潤状態に保つことができ、高い発電効率で発電することができる。
詳しくは、固体高分子形燃料電池に対して、燃料を供給する燃料供給手段、及び酸化剤ガスを酸化剤極側セパレータに供給する酸化剤ガス供給手段のうち少なくとも一方の供給手段を、供給対象流体を供給する対象流体供給機構及び供給対象流体を加湿する加湿流体を供給する加湿流体供給機構で構成しているため、燃料及び酸化剤ガスとのうち少なくとも一方を、電極触媒層に対してそれぞれ独立した供給量で供給することができるとともに、供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）と加湿流体とを独立した供給量で供給することができる。
【００２２】
また、供給対象流体と加湿流体とを混合する混合手段を備えるため、対象流体供給機構及び加湿流体供給機構で構成する供給手段によって供給された供給対象流体と加湿流体とを混合した状態で電極触媒層に対して供給することができる。
【００２３】
さらには、供給制御手段が、発電情報検出手段によって検出された発電情報に基づいて、供給対象流体及び加湿流体のうち少なくとも一方の供給量を制御するため、発電状況に応じて、供給対象流体と加湿流体とを適切な供給量及び／又は供給比で供給し、発電することができる。
【００２４】
さらに詳述すると、固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜によって、燃料（水素）と酸化剤（空気）が直接反応しないように隔離しながら、燃料極で生成する水素イオンを酸化剤極まで移動させて発電している。
【００２５】
このため、固体高分子電解質膜のイオン導伝性を確保すべく、適度な湿潤状態に保つ必要がある。しかし、水素イオンは膜中においても水和しており、燃料極から酸化剤極に水を持ち去るため、水の供給量が少ない場合、固体高分子電解質膜が乾燥するおそれがある。
【００２６】
したがって、従来構造の固体高分子形燃料電池では水とともに燃料や酸化剤ガスを供給するが、発電量が多くなるとその分、多量の水の供給が必要となる。これに対し、発電量が少なくなると、少ない水の供給で足りる。
【００２７】
また、固体高分子形燃料電池の開始時では、固体高分子形燃料電池内部の温度が低いため、水の供給量は少なくて済むが、固体高分子形燃料電池内部の温度が上がると、固体高分子形燃料電池内部の水が蒸発するため、供給量を増加させる必要がある。
【００２８】
このように、水の供給量が状況に応じて適切でない場合、例えば、水の供給量が少ないと、固体高分子電解質膜が乾燥してイオン導伝性が低下し、発電効率が低下する。逆に、水の供給量が多いと、フラッディング現象が生じて発電効率が低下する。
【００２９】
この発明の構成により、これらの問題に対し、発電情報検出手段によって検出された発電情報に基づいて、供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体のうち少なくとも一方の供給量を独立して制御し、発電状況に応じた適切な供給量、且つ供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体を混合した状態で電極触媒層に対して供給することができる。
したがって、固体高分子電解質膜を適切な湿潤状態で保つことができ、発電効率の低下を防止することができる。
【００３０】
また、１００℃以下の低温範囲で機能するとされている固体高分子電解質膜を有する固体高分子形燃料電池は、作動温度を１００℃以下の低温範囲において高温化することによって発電効率を向上することができる。しかし、従来構造の固体高分子形燃料電池では、固体高分子電解質膜が乾燥しやすくなるため、１００℃以下の低温範囲において高温化できず、作動温度による発電効率の向上が図れなかった。
【００３１】
これに対し、本発明の固体高分子形燃料電池を用いた燃料電池発電システムは、上記構成により、１００℃以下の低温範囲において作動温度を高温化しても、固体高分子電解質膜を適切な湿潤状態で保つことができるため、発電効率を向上することができる。
【００３２】
この発明の態様として、前記流路を、前記供給対象流体の導通を許容する供給対象流体用流路と、前記加湿流体の導通を許容する加湿流体用流路とで構成し、前記電極触媒層と前記セパレータとの間に配置するとともに、前記セパレータから前記電極触媒層に向かう方向、及び前記電極触媒層と前記セパレータとの対向面方向において互いに連通する連通孔を有し、該連通孔を通り、前記電極触媒層と前記セパレータとの対向面方向に拡散しながら前記セパレータから前記電極触媒層に向かって前記流路を導通する導通流体が浸透する拡散層を備え、前記混合手段を、前記固体高分子形燃料電池の内部に配置することができる。
【００３３】
上述のセパレータから前記電極触媒層に向かう方向は、例えば、幅方向において、固体高分子電解質膜を挟む態様の電極触媒層の外側にセパレータを配置したセルを有する固体高分子形燃料電池である場合、幅方向外側から幅方向内側に向かう方向とすることができる。
【００３４】
上述の電極触媒層とセパレータとの対向面方向は、例えば、幅方向において、固体高分子電解質膜を挟む態様の電極触媒層の外側にセパレータを配置し、固体高分子電解質膜、電極触媒層及びセパレータを面状に構成したセルを有する固体高分子形燃料電池である場合、幅方向に対して交差する面上の方向とすることができる。
上記導通流体は、流路を導通する供給対象流体及び加湿流体を含む概念である。
【００３５】
この発明の構成により、固体高分子電解質膜を、状況に応じて適切に加湿して適切な湿潤状態を確実に保つことができ、より高い発電効率で発電することができる。
詳しくは、前記セパレータにおける前記流路を、前記供給対象流体の導通を許容する供給対象流体用流路と、前記加湿流体の導通を許容する加湿流体用流路とで構成することによって、供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体をそれぞれ対応する流路に導通することができる。
【００３６】
また、前記セパレータから前記電極触媒層に向かう方向、及び前記電極触媒層と前記セパレータとの対向面方向において互いに連通する連通孔を有する拡散層を、前記電極触媒層と前記セパレータとの間に配置することによって、それぞれ対応する流路を導通する導通流体（供給対象流体及び加湿流体）が前記連通孔を通り、前記電極触媒層と前記セパレータとの対向面方向に拡散しながら前記セパレータから前記電極触媒層に向かって浸透することができる。
【００３７】
また、前記混合手段を、前記固体高分子形燃料電池の内部に配置することにより、外部から供給された供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体を、固体高分子形燃料電池で混合して、電極触媒層に供給することができる。
【００３８】
したがって、供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体をそれぞれ独立して、固体高分子形燃料電池に供給するだけで、固体高分子形燃料電池内部において、供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体を、固体高分子形燃料電池で混合して、電極触媒層に供給することができる。このため、簡単な構成の供給手段で供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体をそれぞれ独立して供給し、固体高分子電解質膜を、状況に応じて適切に加湿して適切な湿潤状態を確実に保つことができ、より高い発電効率で発電することができる。
【００３９】
また、混合手段を電極触媒層に近い固体高分子形燃料電池内部に配置しているため、混合手段で混合された供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体が電極触媒層に達するまでの距離を短縮することができる。したがって、変化する固体高分子電解質膜の状況に応じて素早く対応でき、状況に応じて適切に加湿し、適切な湿潤状態を確実に保つことができる。
【００４０】
またこの発明の態様として、前記供給対象流体用流路と前記加湿流体用流路とを導通可能に接続する流路接続部を設け、前記混合手段を、前記供給対象流体用流路、前記加湿流体用流路及び前記流路接続部で構成することができる。
【００４１】
この発明の構成により、固体高分子形燃料電池内部において混合手段を構成することができる。
詳しくは、前記供給対象流体用流路と前記加湿流体用流路とを導通可能に接続する流路接続部によって、それぞれ対応する流路を導通する供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体を混合することができる。したがって、別途の混合手段を設けて供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体を混合する場合と比較して、簡単な構造であるため、製造コストやスペースのメリットを得ることができるとともに、耐久性を向上することができる。
【００４２】
なお、前記供給対象流体用流路と前記加湿流体用流路とを流路方向において前記流路接続部を複数設けた場合、前記流路接続部毎に、それぞれの流路を導通する供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体を混合することができるため、流路方向において下流側になるほど確実に供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体を混合することができる。
【００４３】
またこの発明の態様として、前記拡散層を、前記セパレータから前記電極触媒層に向かって前記連通孔が細孔化する細孔化拡散層で構成するとともに、前記混合手段を、前記細孔化拡散層で構成することができる。
【００４４】
上述のセパレータから電極触媒層に向かって連通孔が細孔化するということは、段階的な細孔化、あるいは徐々に細孔化すること等を含み、さらには、孔数は変化せず単に細孔化すること、また細孔化しながら孔数を増加させること等を含むものである。
【００４５】
この発明の構成により、固体高分子形燃料電池内部において混合手段を構成することができる。
詳しくは、それぞれ対応する流路を導通する供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体が、連通孔を通って拡散しながら浸透する際に、供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体を連通孔内で混合することができる。
【００４６】
また、連通孔を、電極触媒層に向かって連通孔が細孔化しているため、電極触媒層に向かうほど、供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体を確実に混合することができる。したがって、別途の混合手段を設けて供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体を混合する場合と比較して、簡単な構造であるため、製造コストやスペースのメリットを得ることができるとともに、耐久性を向上することができる。
【００４７】
またこの発明の態様として、前記混合手段を、前記固体高分子形燃料電池の外部に配置することができる。
上述の混合手段を前記固体高分子形燃料電池の外部に配置するとは、固体高分子形燃料電池の外部において、混合手段を固体高分子形燃料電池と一体構成として、あるいは別体構成で配置することを含む。
【００４８】
この発明の構成により、従来構造の固体高分子形燃料電池であっても、固体高分子電解質膜を、状況に応じて適切に加湿して適切な湿潤状態に保つことができ、高い発電効率で発電することができる。
【００４９】
詳しくは、燃料及び酸化剤ガスのうち少なくとも一方を、独立した供給量で制御して供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体を供給するとともに、前記固体高分子形燃料電池の外部に配置した前記混合手段で供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体を混合して固体高分子形燃料電池に供給することができる。したがって、固体高分子電解質膜を適切な湿潤状態で保つことができ、発電効率の低下を防止することができる。
【００５０】
またこの発明は、固体高分子電解質膜、該固体高分子電解質膜を挟む態様の電極触媒層、及び該電極触媒層の外側に配置するセパレータで構成するセルを有するとともに、前記固体高分子電解質膜の一方側に配置する燃料極及び他方側に配置する酸化剤極で前記電極触媒層を構成し、供給された燃料を前記燃料極に導通させる流路を備えた燃料極側セパレータ及び供給された酸化剤ガスを前記酸化剤極に導通させる流路を備えた酸化剤極側セパレータで前記セパレータを構成する固体高分子形燃料電池であって、前記流路を、前記燃料極側セパレータに供給される前記燃料及び前記酸化剤極側セパレータに供給される前記酸化剤ガスのうち少なくとも一方の供給対象流体の導通を許容する供給対象流体用流路と、前記供給対象流体を加湿する加湿流体の導通を許容する加湿流体用流路とで構成するとともに、前記電極触媒層と前記セパレータとの間に配置するとともに、前記セパレータから前記電極触媒層に向かう方向、及び前記電極触媒層と前記セパレータとの対向面方向において互いに連通する連通孔を有し、該連通孔を通り、前記電極触媒層と前記セパレータとの対向面方向に拡散しながら前記セパレータから前記電極触媒層に向かって前記流路を導通する導通流体が浸透する拡散層と、前記供給対象流体と前記加湿流体とを混合する混合手段とを備えたことを特徴とする。
【００５１】
この発明の構成により、それぞれ独立して供給された供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体を混合手段で混合して、発電することができる。また、混合手段を電極触媒層に近い固体高分子形燃料電池内部に配置しているため、混合手段で混合された供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体が電極触媒層に達するまでの距離を短縮することができる。したがって、変化する固体高分子電解質膜の状況に応じて素早く対応でき、状況に応じて適切に加湿し、適切な湿潤状態を確実に保つことができるとともに、高効率に発電することができる。
【００５２】
この発明の態様として、前記供給対象流体用流路と前記加湿流体用流路とを導通可能に接続する流路接続部を設け、前記混合手段を、前記供給対象流体用流路、前記加湿流体用流路及び前記流路接続部で構成することができる。
【００５３】
この発明の構成により、固体高分子形燃料電池内部において、前記供給対象流体用流路と前記加湿流体用流路とを導通可能に接続する流路接続部によって、それぞれ対応する流路を導通する供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体を混合することができる。
【００５４】
したがって、別途の混合手段を設けて供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体を混合する場合と比較して、簡単な構造であるため、製造コストやスペースのメリットを得ることができるとともに、耐久性を向上することができる。
【００５５】
なお、前記供給対象流体用流路と前記加湿流体用流路とを流路方向において前記流路接続部を複数設けた場合、前記流路接続部毎に、それぞれの流路を導通する供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体を混合することができるため、流路方向において下流側になるほど供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体を確実に混合することができる。
【００５６】
またこの発明の態様として、前記拡散層を、前記セパレータから前記電極触媒層に向かって前記連通孔が細孔化する細孔化拡散層で構成するとともに、前記混合手段を、前記細孔化拡散層で構成することができる。
【００５７】
この発明の構成により、固体高分子形燃料電池内部において、流路を導通する供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体が、前記拡散層の連通孔を通って拡散しながら浸透する際に、供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体を連通孔内で混合することができる。また、電極触媒層に向かって連通孔が細孔化しているため、電極触媒層に向かうほど、供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体を確実に混合することができる。
【００５８】
したがって、別途の混合手段を設けて供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体を混合する場合と比較して、簡単な構造であるため、製造コストやスペースのメリットを得ることができるとともに、耐久性を向上することができる。
【００５９】
またこの発明の態様として、発電情報検出手段によって検出された発電に関する発電情報に基づいて、供給量を制御する供給制御手段によって供給制御された前記供給対象流体及び前記加湿流体のうち少なくとも一方の供給を受け付けることができる。
この発明の構成により、固体高分子電解質膜を、状況に応じて適切に加湿して適切な湿潤状態を確実に保つことができ、高い発電効率で発電することができる。
【発明の効果】
【００６０】
本発明により、固体高分子電解質膜を、状況に応じて適切に加湿して適切な湿潤状態に保つことができ、発電効率の高い燃料電池発電システム及び固体高分子形燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】ＰＥＦＣの正面を透過した斜視図。
【図２】発電メカニズムを説明するためのＰＥＦＣの縦断面図。
【図３】クロス２流路セパレータにおける混合流路についての説明図。
【図４】カソード側セパレータにおける混合流路と、カソード側拡散層における細孔化連通孔について説明するための拡大縦断面図。
【図５】カーボンメッシュで構成した拡散層の分解斜視図。
【図６】カーボンメッシュで構成した拡散層の斜視図。
【図７】パラレル２流路セパレータにおけるパラレル流路についての説明図。
【図８】別のパラレル２流路セパレータにおけるパラレル流路についての説明図。
【図９】ＰＥＦＣ発電システムの概念図。
【図１０】別の実施形態のＰＥＦＣ発電システムの概念図。
【図１１】さらに別の実施形態の外部混合ＰＥＦＣ発電システムの概念図。
【発明を実施するための形態】
【００６２】
この発明の一実施形態を以下図面と共に説明する。
図１はＰＥＦＣ１の正面を透過した斜視図を示し、図２はＰＥＦＣ１における発電メカニズムを説明するための縦断面図を示し、図３はクロス２流路セパレータ５０における混合流路５１についての説明図を示している。
【００６３】
また、図４はカソード側セパレータ５０ｂにおける混合流路５１と、カソード側拡散層４０ｂにおける細孔化連通孔４１について説明するための拡大縦断面図を示し、図５はカーボンメッシュ４３で構成した拡散層４０の分解斜視図を示し、図６はカーボンメッシュ４３で構成した拡散層４０の斜視図を示している。
【００６４】
固体高分子形燃料電池１（以下において「ＰＥＦＣ１」という）は、幅方向に配置した複数のセル１０で構成し、供給機構７０及び排水機構８０を接続している。
供給機構７０は、燃料である水素ガスを供給する水素ガス供給パイプ７２と、酸化剤である酸素を含む空気を供給する空気供給パイプ７３と、水素ガスや空気を加湿するための加湿水を供給する加湿水供給パイプ７１とで構成している。なお、空気供給パイプ７３で供給される空気は、空気中に含まれる酸素が酸化剤として作用するため、空気の代わりに酸素ガスを供給してもよい。
【００６５】
そして、水素ガス供給パイプ７２は、後述するアノード側セパレータ５０ａに接続する接続枝管７２ａを備え、空気供給パイプ７３は、後述するカソード側セパレータ５０ｂに接続する接続枝管７３ａを備え、さらには、加湿水供給パイプ７１は、アノード側セパレータ５０ａ，カソード側セパレータ５０ｂのそれぞれに接続する接続枝管７１ａを備えている。
【００６６】
排水機構８０は、アノード側セパレータ５０ａからの排水を受ける排水枝管８１ａを有するアノード側排水パイプ８１と、カソード側セパレータ５０ｂからの排水を受ける排水枝管８２ａを有するカソード側排水パイプ８２とで構成している。
【００６７】
セル１０は、幅方向Ｗ（図１，２において左右方向）中心の固体高分子電解質膜２０から幅方向Ｗ両側に向かって、電極触媒層３０、拡散層４０、クロス２流路セパレータ５０及び函体６０を配置している。
【００６８】
そして、図２において左側の電極触媒層３０をアノード側電極触媒層３０ａ、右側をカソード側電極触媒層３０ｂとしている。
同様に、図２において左側の拡散層４０をアノード側拡散層４０ａ、右側をカソード側拡散層４０ｂとし、左側のクロス２流路セパレータ５０をアノード側セパレータ５０ａ、右側をカソード側セパレータ５０ｂとしている。
【００６９】
固体高分子電解質膜２０は、パーフルオロ型のスルホン酸膜で形成するイオン交換膜である。
電極触媒層３０は、図示省略する電極触媒と電極とで構成している。また、アノード側電極触媒層３０ａとカソード側電極触媒層３０ｂとには、外部抵抗９１を有する外部回路９０を接続している。
【００７０】
クロス２流路セパレータ５０における拡散層４０との対向面側には、図３に示すような混合流路５１を備えている。
混合流路５１は、導通対象流体である水素ガスや空気、あるいは加湿水の導通を許容する導通路であり、電極触媒層３０へ供給する供給対象流体である水素ガスあるいは空気を導通する供給対象流路５２と、加湿水を導通する加湿水流路５３とを有している。
【００７１】
そして、供給対象流路５２は、縦方向に適宜の間隔を隔てて配置した幅方向流路５２ａと、幅方向流路５２ａ同士を縦方向に接続する縦方向流路５２ｂとで、略格子状に形成している。
同様に、加湿水流路５３は、縦方向に適宜の間隔を隔てて配置した幅方向流路５３ａと、幅方向流路５３ａ同士を縦方向に接続する縦方向流路５３ｂとで、略格子状に形成している。
【００７２】
なお、供給対象流路５２の幅方向流路５２ａと、加湿水流路５３の幅方向流路５３ａとは、縦方向位置がずれるように配置している。
そして、縦方向流路５２ｂと幅方向流路５３ａとの交差部分、及び幅方向流路５２ａと縦方向流路５３ｂの交差部分において、それぞれが導通可能な導通接続部５４を構成している。
【００７３】
また、供給対象流路５２の最上段の幅方向流路５２ａには、接続枝管７２ａ，７３ａが接続され、加湿水流路５３の最上段の幅方向流路５３ａには接続枝管７１ａが接続されている。さらには、加湿水流路５３の最下段の幅方向流路５３ａには、アノード側排水パイプ８１やカソード側排水パイプ８２につながる排水枝管８１ａ，８２ａが接続されている。
【００７４】
なお、図４に示すように、混合流路５１は、函体６０から拡散層４０へ向かう幅方向Ｗに複数段形成し、混合流路５１同士を導通接続部５４で接続しているが、１段構成の混合流路５１であってもよい。
【００７５】
拡散層４０は、幅方向Ｗに連通する細孔化連通孔４１を有している。なお、カソード側拡散層４０ｂにおける下方には、図４に示すように、電極触媒層３０で生成された水を集水して排水するための排水機構４５を備えているが、アノード側拡散層４０ａにはなく、細孔化連通孔４１が下方まで形成されている。
そして、細孔化連通孔４１は、幅方向Ｗにおいてクロス２流路セパレータ５０側から電極触媒層３０に向かって、細孔化しながら連通している。
【００７６】
このような構成の拡散層４０は、例えば、図５に示すように、太径カーボンファイバで構成した太カーボンメッシュ４３ａ、中径カーボンファイバで構成した中カーボンメッシュ４３ｂ、及び細径カーボンファイバで構成した細カーボンメッシュ４３ｃを重ね合わせることで構成することができる。
【００７７】
詳しくは、このようにして、太径カーボンファイバで構成した太カーボンメッシュ４３ａは開口が小さくなり、細径カーボンファイバで構成した細カーボンメッシュ４３ｃは開口が大きくなるため、太カーボンメッシュ４３ａ、中カーボンメッシュ４３ｂ、及び細カーボンメッシュ４３ｃを重ね合わせることにより、図６に示すような、厚み方向に細孔化された細孔化連通孔４１を容易に構成することができる。
【００７８】
なお、複数の径の異なる孔や開口を有するシートをずらして重ね合わせたり、同じ径の孔や開口を異なる配列で配置したシートを複数枚重ね合わせて、厚み方向に細孔化された細孔化連通孔４１を有する拡散層４０を構成してもよい。
【００７９】
ＰＥＦＣ１を、上述のように構成したため、供給機構７０で供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水をそれぞれ独立して電極触媒層３０に供給することができる。したがって、変化する固体高分子電解質膜２０の状況に応じて素早く対応でき、状況に応じて適切に加湿し、適切な湿潤状態を確実に保つことができる。
【００８０】
詳しくは、セル１０を、固体高分子電解質膜２０、固体高分子電解質膜２０を挟む態様の電極触媒層３０、及び電極触媒層３０の外側に配置するクロス２流路セパレータ５０で構成し、電極触媒層３０を、固体高分子電解質膜２０の一方側に配置するアノード側電極触媒層３０ａ及び他方側に配置するカソード側電極触媒層３０ｂで構成するとともに、クロス２流路セパレータ５０を、供給された水素ガスをアノード極に導通させる混合流路５１を備えたアノード側セパレータ５０ａ及び供給された空気をカソード極に導通させる混合流路５１を備えたカソード側セパレータ５０ｂで構成し、混合流路５１を、供給対象流体（水素ガス，空気）の導通を許容する供給対象流路５２と、供給対象流体（水素ガス，空気）を加湿する加湿水の導通を許容する加湿水流路５３とで構成するとともに、供給対象流路５２と加湿水流路５３とを導通可能に接続する導通接続部５４を設け、電極触媒層３０とクロス２流路セパレータ５０との間に配置した拡散層４０の連通孔を、クロス２流路セパレータ５０から電極触媒層３０に向かって細孔化する細孔化連通孔４１で構成しているため、セル１０内部において、導通接続部５４と細孔化連通孔４１によって、それぞれ対応する混合流路５１を導通する供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水を混合することができる。
【００８１】
なお、混合流路５１の流路方向において導通接続部５４を複数設けているため、導通接続部５４毎に、それぞれの混合流路５１を導通する供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水を混合することができ、流路方向において下流側になるほど確実に供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水を混合することができる。
【００８２】
また、細孔化連通孔４１を通って浸透する供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水を細孔化連通孔４１内で混合することができる。また、細孔化連通孔４１は、電極触媒層３０に向かって細孔化されるため、電極触媒層３０に向かうほど、供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水を確実に混合することができる。
【００８３】
したがって、別途の混合手段を設けて供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水を混合する場合と比較して、簡単な構造であるため、製造コストやスペースのメリットを得ることができるとともに、耐久性を向上することができる。
【００８４】
また、セル１０内部において、導通接続部５４と細孔化連通孔４１によって、それぞれ対応する混合流路５１を導通する供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水を混合するため、混合された供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水が電極触媒層３０に達するまでの距離を短縮することができる。したがって、固体高分子電解質膜２０の状態変化に対してすばやく対応し、適切な供給量で加湿し、固体高分子電解質膜２０を適切な湿潤状態で保つことができる。
【００８５】
なお、上述のＰＥＦＣ１では、導通接続部５４で供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水を混合することのできる混合流路５１を有するクロス２流路セパレータ５０と、細孔化される細孔化連通孔４１によって浸透する供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水を混合する拡散層４０とを併用したが、混合流路５１と細孔化連通孔４１とのいずれか一方で供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水を混合する構成であってもよい。
【００８６】
例えば、供給対象流路５２と加湿水流路５３とにそれぞれ導通することによって導通接続部５４で供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水を混合することのできる混合流路５１を有するクロス２流路セパレータ５０のみを用いる場合、幅方向Ｗに孔サイズが一定である連通孔を有する拡散層４０を用いればよい。
【００８７】
逆に、細孔化される細孔化連通孔４１によって浸透する供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水を混合する拡散層４０のみを用いる場合は、例えば、供給対象流路５２と加湿水流路５３とがそれぞれ独立したパラレル流路５１’を有するパラレル２流路セパレータ５０’（図７参照）や、直線状の供給対象流路５２と加湿水流路５３が複数、平行して交互に配置されたパラレル流路５１’’を有するパラレル２流路セパレータ５０’’（図８参照）を用いてもよい。
【００８８】
なお、図８に示すパラレル２流路セパレータ５０’’において直線状の供給対象流路５２と加湿水流路５３とを幅方向に接続する導通接続部を複数備えることにより、混合流路５１を構成することもできる。
【００８９】
また、アノード側セパレータ５０ａ及びカソード側セパレータ５０ｂに排水枝管８１ａ，８２ａを接続しているため、図２に示すように、混合流路５１を通過した余剰の供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水を排水枝管８１ａ，８２ａを介してＰＥＦＣ１外部に排水するとともに、電気化学反応によって生成された生成水を排水枝管８２ａを介してＰＥＦＣ１の外部に排水することができる。なお、アノード側セパレータ５０ａに排水枝管８１ａを接続せず、つまりアノード側排水パイプ８１を備えずに、アノード側セパレータ５０ａの混合流路５１を出口のないデッドエンドで構成してもよい。
【００９０】
続いて、ＰＥＦＣ１を用いたＰＥＦＣ発電システム１００について、ＰＥＦＣ発電システム１００の概要図を示す図９とともに説明する。
ＰＥＦＣ発電システム１００は、上述のＰＥＦＣ１と、貯蔵タンク１１０と、貯蔵タンク１１０とＰＥＦＣ１とを接続する上述の供給機構７０に配置する供給ポンプ１２０と、供給ポンプ１２０を制御するコントロールユニット１３０と、ＰＥＦＣ１に対する発電要求情報を検出する検出センサ１４０とで構成している。
【００９１】
貯蔵タンク１１０は、加湿水のための水タンク１１１、水素ガスを貯蔵する水素ガスタンク１１２、及び空気を貯蔵する空気タンク１１３で構成している。
そして、水タンク１１１には上述の供給機構７０の加湿水供給パイプ７１が接続され、水素ガスタンク１１２には水素ガス供給パイプ７２が接続され、空気タンク１１３には空気供給パイプ７３が接続されている。
【００９２】
供給ポンプ１２０は、水タンク１１１に接続された加湿水供給パイプ７１に配置された加湿水用ポンプ１２１と、水素ガスタンク１１２に接続された水素ガス供給パイプ７２に配置された水素ガス用ポンプ１２２と、空気タンク１１３に接続された空気供給パイプ７３に配置された空気用ポンプ１２３とで構成している。
【００９３】
コントロールユニット１３０は、図示省略するＣＰＵ、メモリやプログラムとが協動して、電気的に接続された供給ポンプ１２０や検出センサ１４０を制御する電子制御ユニットである。
検出センサ１４０は、ＰＥＦＣ１に対して発電要求する発電要求情報を検出するセンサである。なお、例えば、電気自動車における駆動用電気を供給するためのＰＥＦＣ発電システム１００である場合、この発電要求情報は、アクセルの踏み込み操作による情報であり、家庭用のＰＥＦＣ発電システム１００の場合、必要電力量に応じた情報となる。
【００９４】
上述したような構成でＰＥＦＣ発電システム１００を構成したことにより、ＰＥＦＣ１の固体高分子電解質膜２０を、状況に応じて適切に加湿して適切な湿潤状態に保つことができ、高い発電効率で発電することができる。
【００９５】
詳しくは、ＰＥＦＣ発電システム１００を、ＰＥＦＣ１と、水素ガスをアノード側セパレータ５０ａに供給する水素ガス供給パイプ７２及び水素ガス用ポンプ１２２と、空気をカソード側セパレータ５０ｂに供給する空気供給パイプ７３及び空気用ポンプ１２３と、加湿水を供給する加湿水供給パイプ７１及び加湿水用ポンプ１２１と、ＰＥＦＣ１の発電に関する発電情報を検出する検出センサ１４０とを備え、供給対象流体（水素ガス，空気）と加湿水とを混合流路５１や細孔化連通孔４１で混合し、検出センサ１４０で検出した発電情報に基づいて、供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水の供給をコントロールユニット１３０で制御するため、供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水を、電極触媒層３０に対してそれぞれ独立した供給量で供給することができる。
【００９６】
また、コントロールユニット１３０が、検出センサ１４０によって検出された発電情報に基づいて、供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水の供給量を制御するため、発電状況に応じて、供給対象流体（水素ガス，空気）と加湿水とを適切な供給量で供給することができる。
したがって、発電状況に応じて供給対象流体（水素ガス，空気）と加湿水とを適切な供給量及び／又は供給比で供給し、発電することができる。
【００９７】
さらに詳述すると、ＰＥＦＣ発電システム１００におけるＰＥＦＣ１は、固体高分子電解質膜２０によって、水素ガス（水素）と酸化剤（空気）が直接反応しないように隔離しながら、アノード側電極触媒層３０ａで生成する水素イオンをカソード側電極触媒層３０ｂまで移動させて発電している。
【００９８】
このため、固体高分子電解質膜２０のイオン導伝性を確保すべく、固体高分子電解質膜２０を適度な湿潤状態に保つ必要がある。しかし、水素イオンは膜中においても水和しており、アノード側電極触媒層３０ａからカソード側電極触媒層３０ｂに水を持ち去るため、加湿水の供給量が少ない場合、固体高分子電解質膜２０が乾燥するおそれがある。なお、発電量が多くなるとその分、多量の加湿水の供給が必要となり、発電量が少なくなると、少ない加湿水の供給で足りる。
【００９９】
また、ＰＥＦＣ１の開始時では、ＰＥＦＣ１内部の温度が低いため、加湿水の供給量は少なくて済むが、ＰＥＦＣ１内部の温度が上がると、ＰＥＦＣ１内部の加湿水が蒸発するため、供給量を増加させる必要がある。
このように、状況に応じて適切な供給量で加湿水を供給しない場合、例えば、加湿水の供給量が少ないと、固体高分子電解質膜２０が発電効率が低下する。
【０１００】
また、水素ガスと空気との発電化学反応によって生成された生成水は、カソード側の排水機構４５に集水して排水するものの、カソード側セパレータ５０ｂに供給される空気の圧力によって排水するため、例えば、空気の供給量が少ない場合、十分に生成水が排水されず、フラッディング現象が生じて発電効率が低下する。
【０１０１】
しかし、ＰＥＦＣ発電システム１００では、検出センサ１４０によって検出された発電情報に基づいて、供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水の供給を独立して制御し、発電状況に応じた適切な供給量で、供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水を混合した状態で電極触媒層３０に対して供給することができるため、上述したように、乾燥してイオン導伝性が低下したり、フラッディング現象が生じたりすることなく、固体高分子電解質膜２０を適切な湿潤状態で保つことができ、発電効率の低下を防止することができる。
【０１０２】
また、ＰＥＦＣ発電システム１００では、コントロールユニット１３０により、検出センサ１４０が検出した発電要求情報に基づいて、供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水をそれぞれ独立して供給制御しているため、加湿した水素ガスと加湿した空気とを供給する従来の燃料電池発電システムと比べて、ＰＥＦＣ１における固体高分子電解質膜２０の湿潤状態を確実に確保できるため、作動温度を例えば９０℃まで高温化することができる。
【０１０３】
このように、固体高分子電解質膜２０の湿潤状態を保持しながら、作動温度を高温化すると、クロス２流路セパレータ５０における電極反応は化学反応の一種であるため、アレニウスの法則に従い、活性化抵抗が低減し、発電効率を高効率化することができる。
【０１０４】
さらに、ＰＥＦＣ発電システム１００は、検出センサ１４０によって検出した発電情報に素早く対応し、状況に応じて適切に加湿し、適切な湿潤状態を確実に保つことができる。
【０１０５】
なお、上述のＰＥＦＣ発電システム１００では、空気タンク１１３に貯蔵した空気を空気供給パイプ７３を介して空気用ポンプ１２３でカソード側セパレータ５０ｂに供給したが、空気タンク１１３を備えず、空気供給パイプ７３の先端を開放し、空気用ポンプ１２３を稼動させて、大気から直接空気を供給してもよい。なお、この場合、フィルター等を設けて、大気のゴミを取り除いてからカソード側セパレータ５０ｂに供給することで、混合流路５１の目詰まり等を防止することができる。
【０１０６】
また、ＰＥＦＣ１で発電した際に生成した生成水等を排水機構８０から排水しているが、この生成水を水タンク１１１に導入し循環させてもよい。この場合、生成水を加湿水として利用することができるため、そのまま、排水機構８０から生成水を排水する場合と比較して、水タンク１１１の容量を小型化することができる。したがって、ＰＥＦＣ発電システム１００の小型化やコストダウンを図ることができる。
【０１０７】
さらには、排水機構８０を水タンク１１１に接続して生成水を加湿水として利用する場合において、アノード側セパレータ５０ａとカソード側セパレータ５０ｂとのそれぞれに加湿水を供給するように２つの水タンク１１１を装備するとともに、排水機構８０を構成するアノード側排水パイプ８１と、カソード側排水パイプ８２とをそれぞれに対応する水タンク１１１に接続する構成としてもよい。
【０１０８】
このような構成によれば、アノード側排水パイプ８１から排水される生成水に含有される水素や、カソード側排水パイプ８２から排水される生成水に含有される酸素が他方側の供給パイプ７２，７３を介して他方側の電極触媒層３０に供給されることを防止することができる。
【０１０９】
また、ＰＥＦＣ１における発電化学反応による生じる発熱によって、排水機構８０から排水される生成水は高温化されているため、水タンク１１１に導入することによって、水タンク１１１に貯蔵される水が高温化し、熱交換システムを併用することによって、発電化学反応により生じる熱の有効利用を図ることができる。
【０１１０】
なお、作動温度を高温化した場合、排水機構８０から排水される生成水も高温化するため、熱交換システムを併用した場合における熱の有効利用可能性を拡大することができる。例えば、熱エネルギーが増加するため、増加した熱エネルギーを、冷媒を冷却するために利用し、冷却効果を得ることもできる。
【０１１１】
また、アノード側セパレータ５０ａに排水枝管８１ａを接続せず、つまりアノード側排水パイプ８１を備えずに、アノード側セパレータ５０ａの混合流路５１を出口のないデッドエンドで構成してもよい。この場合であっても、検出センサ１４０によって検出された発電情報に基づいて、供給対象流体である水素ガス及び加湿水の供給を独立して制御し、発電状況に応じた適切な供給量で、供給対象流体である水素ガス及び加湿水を混合した状態で電極触媒層３０に対して供給することができるため、上述したように、乾燥してイオン導伝性が低下したり、フラッディング現象が生じたりすることなく、固体高分子電解質膜２０を適切な湿潤状態で保つことができ、発電効率の低下を防止することができる。
【０１１２】
また、貯蔵タンク１１０に各貯蔵対象を貯蔵し、供給パイプ７１，７２，７３を介して、供給ポンプ１２０で供給したが、供給ポンプ１２０の代わりに調整バルブを供給パイプ７１，７２，７３に設けるとともに、貯蔵対象を加圧して貯蔵タンク１１０に貯蔵し、調整バルブで供給量を調整する構成であってもよい。また、供給ポンプ１２０と調整バルブとを併用し、供給ポンプ１２０による供給量を調整バルブ部で高精度で調整する構成であってもよい。
【０１１３】
さらにまた、上述のＰＥＦＣ発電システム１００では、ＰＥＦＣ１に対して、１つの加湿水供給パイプ７１でアノード側セパレータ５０ａとカソード側セパレータ５０ｂの両方に加湿水を供給していたが、図１０に示すＰＥＦＣ発電システム１００ａのように、アノード側セパレータ５０ａとカソード側セパレータ５０ｂに対して、それぞれ別々の加湿水用ポンプ１２１を備えた加湿水供給パイプ７１を接続して加湿水を供給してもよい。
【０１１４】
また、ＰＥＦＣ発電システム１００ａのように、発電要求情報を検出する検出センサ１４０に加え、ＰＥＦＣ１内部の作動温度や、固体高分子電解質膜２０の湿度等の状態情報を検出する状態検出センサ１４１をコントロールユニット１３０に接続し、検出センサ１４０が検出した発電要求情報に加えて、状態検出センサ１４１が検出した状態情報に基づいて、供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水をそれぞれ独立して供給制御してもよい。
【０１１５】
このように、ＰＥＦＣ発電システム１００ａは、ＰＥＦＣ発電システム１００で得ることのできる効果に加え、供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水を、ＰＥＦＣ１の状態を精度よく反映した独立供給制御することができ、ＰＥＦＣ１の固体高分子電解質膜２０の湿潤状態を確実に保持して、発電効率を高効率化することができる。
【０１１６】
なお、図１０に示すＰＥＦＣ発電システム１００ａでは、２つの加湿水供給パイプ７１に対してそれぞれ別々の水タンク１１１を設けているが、もちろんひとつの水タンク１１１に２つの加湿水供給パイプ７１を接続して、ひとつの水タンク１１１から別々に加湿水を供給する構成であってもよい。
【０１１７】
また、コントロールユニット１３０に対して検出センサ１４０と状態検出センサ１４１との両方を接続し、検出センサ１４０が検出した発電要求情報に加えて、状態検出センサ１４１が検出したＰＥＦＣ１内部の状態情報に基づいて、供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水をそれぞれ独立して供給制御せずとも、例えば、検出センサ１４０が検出した発電要求情報と、状態検出センサ１４１が検出したＰＥＦＣ１内部の状態情報のいずれか一方の情報に基づいて供給制御してもよく、また、発電要求情報と状態情報とに重み付けをして、重み付けした両情報を掛け合わせた情報に基づいて供給制御してもよい。
【０１１８】
さらには、これまでの説明におけるＰＥＦＣ１を用いたＰＥＦＣ発電システム１００，１００ａでは、供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水を供給機構７０によってそれぞれ独立して供給し、ＰＥＦＣ１内部の混合流路５１や細孔化連通孔４１で混合して電極触媒層３０に供給していたが、これに限定することはない。例えば、図１１に示すように、供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水をコントロールユニット１３０によってそれぞれ独立して供給制御するが、ＰＥＦＣ１の外部で供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水を混合してＰＥＦＣ１に供給する外部混合ＰＥＦＣ発電システム１００ｂであってもよい。
【０１１９】
この場合、上述のＰＥＦＣ発電システム１００，１００ａと異なり、貯蔵タンク１１０とＰＥＦＣ１との間の供給機構７０に混合装置１５０を備える必要がある。
【０１２０】
詳しくは、空気タンク１１３に接続された空気供給パイプ７３と、水タンク１１１に接続された加湿水供給パイプ７１とを接続し、空気−加湿水混合装置１５１を配置し、空気−加湿水混合装置１５１で空気を加湿水で加湿し、加湿空気供給パイプ７４でカソード側セパレータ５０ｂに加湿空気として供給する。
【０１２１】
同様に、水素ガスタンク１１２に接続された水素ガス供給パイプ７２と、水タンク１１１に接続された加湿水供給パイプ７１とを接続し、水素ガス−加湿水混合装置１５２を配置し、水素ガス−加湿水混合装置１５２で水素ガスを加湿水で加湿し、加湿水素ガス供給パイプ７５でアノード側セパレータ５０ａに加湿水素ガスとして供給する。
【０１２２】
この外部混合ＰＥＦＣ発電システム１００ｂにおけるＰＥＦＣ１は、ＰＥＦＣ１の外部で供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水が混合されてＰＥＦＣ１に供給されるため、混合流路５１を有するクロス２流路セパレータ５０や細孔化連通孔４１を有する拡散層４０を用いずとも、すなわち従来構造のＰＥＦＣ１であっても、固体高分子電解質膜２０を、状況に応じて適切に加湿して適切な湿潤状態に保つことができ、高い発電効率で発電することができる。
【０１２３】
詳しくは、水素ガス及び空気を、コントロールユニット１３０によって独立した供給量で制御して供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水を供給するとともに、ＰＥＦＣ１の外部に配置した混合装置１５０で供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水を混合してＰＥＦＣ１に供給することができるため、固体高分子電解質膜２０を適切な湿潤状態で保つことができ、発電効率の低下を防止することができる。
なお、図１１では、混合装置１５０とＰＥＦＣ１とを別体構成で構成したが、一体的に構成してもよい。
【０１２４】
以上、本発明の構成と、前述の実施態様との対応において、
本実施形態の燃料極は、アノード側電極触媒層３０ａに対応し、
以下同様に、
酸化剤極は、カソード側電極触媒層３０ｂに対応し、
セパレータは、クロス２流路セパレータ５０及びパラレル２流路セパレータ５０’，５０’’に対応し、
流路は、混合流路５１及びパラレル流路５１’，５１’’に対応し、
燃料極側セパレータは、アノード側セパレータ５０ａに対応し、
酸化剤極側セパレータは、カソード側セパレータ５０ｂに対応し、
固体高分子形燃料電池は、ＰＥＦＣ１に対応し、
燃料供給手段は、水素ガス供給パイプ７２及び水素ガス用ポンプ１２２に対応し、
酸化剤ガス供給手段は、空気供給パイプ７３及び空気用ポンプ１２３に対応し、
発電情報検出手段は、検出センサ１４０及び状態検出センサ１４１に対応し、
対象流体供給機構は、水素ガス供給パイプ７２及び水素ガス用ポンプ１２２、あるいは空気供給パイプ７３及び空気用ポンプ１２３に対応し、
加湿流体供給機構は、加湿水供給パイプ７１及び加湿水用ポンプ１２１に対応し、
混合手段は、細孔化連通孔４１、導通接続部５４を有する混合流路５１、混合装置１５０、空気−加湿水混合装置１５１あるいは水素ガス−加湿水混合装置１５２に対応し、
供給制御手段は、コントロールユニット１３０に対応し、
燃料電池発電システムは、ＰＥＦＣ発電システム１００，１００ａ及び外部混合ＰＥＦＣ発電システム１００ｂに対応し、
供給対象流体用流路は、供給対象流路５２に対応し、
加湿流体用流路は、加湿水流路５３に対応し、
セパレータから電極触媒層に向かう方向は、幅方向Ｗに対応し、
連通孔は、細孔化連通孔４１に対応し、
流路接続部は、導通接続部５４に対応し、
細孔化拡散層は、細孔化連通孔４１を有する拡散層４０に対応し、
燃料は、水素ガスに対応し、
酸化剤ガスは、空気に対応し、
発電情報は、発電要求情報及び状態情報に対応し、
加湿流体は、加湿水に対応するも、上記実施形態に限定するものではない。
【０１２５】
例えば、固体高分子電解質膜２０は、パーフルオロ型のスルホン酸膜に限定されず、例えばポリエーテルエーテルケトンをスルホン化した膜などで構成してもよい。また、加湿水としてアルカリ性水溶液を用いてもよい。
【０１２６】
また、上述のＰＥＦＣ１では、供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水すべてを供給制御したが、供給対象流体（水素ガス，空気）を一定の供給量で供給し、加湿水の供給量を検出センサ１４０や状態検出センサ１４１による情報に基づいてコントロールユニット１３０で供給制御してもよい。
【０１２７】
また、供給対象流体（水素ガス，空気）のうち、燃料である水素ガスと、水素ガスを加湿する加湿水のみを、検出センサ１４０や状態検出センサ１４１による情報に基づいてコントロールユニット１３０で供給制御してもよい。
【０１２８】
例えば、アノード側電極触媒層３０ａで生成される水素イオンは固体高分子電解質膜の膜中においても水和しており、アノード側電極触媒層３０ａからカソード側電極触媒層３０ｂに水を持ち去るため、アノード側とカソード側を比較すると、燃料である水素ガス、及び水素ガスを加湿する加湿水を、アノード側セパレータ５０ａに供給する構成がよい。
【０１２９】
また、上述のＰＥＦＣ１の代用として、燃料として水素ガスを用いたが、燃料としてメタノール水溶液を用い、アノード側電極触媒層３０ａに直接供給するダイレクトメタノール形水素ガス電池（ＤＭＦＣ）を用いてもよい。
【符号の説明】
【０１３０】
１…ＰＥＦＣ
１０…セル
２０…固体高分子電解質膜
３０…電極触媒層
３０ａ…アノード側電極触媒層
３０ｂ…カソード側電極触媒層
４０…拡散層
４０ａ…アノード側拡散層
４０ｂ…カソード側拡散層
４１…細孔化連通孔
５０…クロス２流路セパレータ
５０’…パラレル２流路セパレータ
５０ａ…アノード側セパレータ
５０ｂ…カソード側セパレータ
５１…混合流路
５１’…パラレル流路
５２…供給対象流路
５３…加湿水流路
５４…導通接続部
７１…加湿水供給パイプ
７２…水素ガス供給パイプ
７３…空気供給パイプ
１００，１００ａ…ＰＥＦＣ発電システム
１００ｂ…外部混合ＰＥＦＣ発電システム
１２１…加湿水用ポンプ
１２２…水素ガス用ポンプ
１２３…空気用ポンプ
１３０…コントロールユニット
１４０…検出センサ
１４１…状態検出センサ
１５０…混合装置
１５１…空気−加湿水混合装置
１５２…水素ガス−加湿水混合装置
Ｗ…幅方向
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、固体高分子電解質膜を挟む燃料極と酸化剤極とを有し、燃料を燃料極に供給するとともに、酸化剤ガスを酸化剤極に供給し、燃料と酸化剤ガスとの発電化学反応により発電する固体高分子形燃料電池、及び固体高分子形燃料電池を用いた燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
エネルギー使用量が急激に増大している状況の中、化石燃料に比べて変換効率の高い燃料電池が注目されており、従来より、燃料電池に関していろいろな技術が提案されるとともに、実施されている。
そもそも、燃料電池は、燃料の発電化学反応を電気エネルギーに変化させて取り出すことができるものであり、発電メカニズムの異なる複数の燃料電池が存在している。
【０００３】
その中で、特許文献１に提案される固体高分子形燃料電池は、水素を燃料とするとともに、空気を酸化剤として用いており、作動温度が低く、単位面積当たりの電気出力が高いため、自動車の動力用の電源や移動用の電源等の利用用途が広い。なお、酸化剤として用いられる空気のうち酸素が酸化剤として作用している。
【０００４】
固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜を挟む燃料極と酸化剤極とを有し、燃料（水素）と酸化剤（空気）が直接反応しないように隔離しながら、燃料極で生成する水素イオン（プロトン）を酸化剤極まで移動させて発電している。このため、イオン導伝性を確保すべく、固体高分子電解質膜を適度な湿潤状態に保つ必要がある。この固体高分子電解質膜の湿潤状態が損なわれると、イオン導伝性が低下し、発電効率が低減するという問題がある。
【０００５】
そのため、従来構造の固体高分子形燃料電池では、加湿した燃料と、加湿した酸化剤をそれぞれ燃料極と酸化剤極とに供給することで、固体高分子電解質膜を適度な湿潤状態で保っていた。
【０００６】
しかし、固体高分子形燃料電池の作動温度や発電状況によっても固体高分子電解質膜を適度な湿潤状態に保つための加湿量は異なり、燃料や酸化剤に対する加湿量を制御できない従来構造では、作動状況に応じて固体高分子電解質膜を適度な湿潤状態で保つことができなかった。
【０００７】
そこで、上記特許文献１に記載の燃料電池システムでは、水素を主とする燃料ガスに酸素を混入させて燃料極に供給することで、燃料極に水素を供給するとともに、燃料ガスの水素と混入させた酸素とにより水を生成し、固体高分子電解質膜の湿潤状態を確保することができるとされている。
【０００８】
しかし、この場合、燃料ガスにおいて、燃料として燃料極に供給される水素と、混入された酸素と反応して水を生成するための水素とのバランスを状況に応じて適宜制御することは困難であった。
【０００９】
詳しくは、例えば、必要な発電量が刻々と変化するような使用状況においては、固体高分子電解質膜を適度な湿潤状態に保つための加湿量はそれぞれ必要発電量に応じて変化するため、燃料として燃料極に供給される水素と、混入された酸素と反応して水を生成するための水素とのバランスを必要発電量に応じて適宜制御することは困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００７−２４２４４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
そこで本発明では、固体高分子電解質膜を、状況に応じて適切に加湿して適切な湿潤状態に保つことができ、発電効率の高い燃料電池発電システム及び固体高分子形燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明は、固体高分子電解質膜、該固体高分子電解質膜を挟む態様の電極触媒層、及び該電極触媒層の外側に配置するセパレータで構成するセルを有するとともに、前記固体高分子電解質膜の一方側に配置する燃料極及び他方側に配置する酸化剤極で前記電極触媒層を構成し、供給された燃料を前記燃料極に導通させる流路を備えた燃料極側セパレータ及び供給された酸化剤ガスを前記酸化剤極に導通させる流路を備えた酸化剤極側セパレータで前記セパレータを構成する固体高分子形燃料電池と、前記燃料を前記燃料極側セパレータに供給する燃料供給手段と、前記酸化剤ガスを前記酸化剤極側セパレータに供給する酸化剤ガス供給手段と、前記固体高分子形燃料電池の発電に関する発電情報を検出する発電情報検出手段とを備え、前記燃料供給手段及び前記酸化剤ガス供給手段のうち少なくとも一方の供給手段を、前記セパレータに供給する対象である供給対象流体を供給する対象流体供給機構及び前記供給対象流体を加湿する加湿流体を供給する加湿流体供給機構で構成するとともに、前記供給対象流体と前記加湿流体とを混合する混合手段と、前記発電情報に基づいて、前記供給対象流体及び前記加湿流体のうち少なくとも一方の供給量を制御する供給制御手段とを備えた燃料電池発電システムであることを特徴とする。
【００１３】
上記固体高分子電解質膜は、イオン交換膜とも呼ばれ、例えば、パーフルオロ型のスルホン酸膜、ポリエーテルエーテルケトンをスルホン化した膜、炭化水素系電解質膜、多孔質基材に電解質ポリマーを充填した細孔フィリング電解質膜あるいはイオン交換樹脂をｅＰＴＦＥメンブレンで補強したイオン交換膜などで構成し、１００℃以下の低温で高い水素イオン導伝性を有する膜、もしく水酸化イオン導伝性を有する膜等とすることができる。
【００１４】
上記電極触媒層は、上述のように燃料極を構成する燃料極触媒層と、酸化剤極を構成する酸化剤極触媒層とで構成するとともに、当該電極触媒層と固体高分子電解質膜とで膜・電極接合体（ＭＥＡ）を構成することができる。
上記セパレータは、バイポーラ板、隔壁板あるいは集電板ともいう。
【００１５】
上記燃料は、水素ガスや、メタノール等のアルコール水溶液、ヒドラジン水溶液等とすることができ、上記酸化剤ガスは、空気や酸素ガス等とすることができる。なお、上記供給対象流体は、これら燃料及び酸化剤ガスのうち少なくとも一方を示している。
【００１６】
上記固体高分子形燃料電池は、水素ガスを燃料とした、いわゆるＰＥＦＣと呼ばれる燃料電池や、メタノール水溶液を燃料とし、燃料極に直接供給するダイレクトメタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）とすることができる。さらに、上述のセルを有する固体高分子形燃料電池は、単一あるいは複数のセルによって構成される固体高分子形燃料電池とすることができる。
【００１７】
上記燃料供給手段や上記酸化剤ガス供給手段は、例えば、タンクに貯蔵された供給対象物を供給するポンプや、タンクに貯蔵された高圧の供給対象物の供給量を調整するバルブ等、あるいはこれらを組み合わせて構成することができる。
【００１８】
上述の固体高分子形燃料電池の発電に関する発電情報は、固体高分子形燃料電池に対する発電制御情報、固体高分子形燃料電池に要求される発電量に関する情報、燃料電池の発電作動時の温度、固体高分子電解質膜の湿度、あるいは燃料電池から排出されるガスの濃度や生成水の温度等の発電に関する情報のうちのひとつ、もしくは複数とすることができる。
【００１９】
上記発電情報検出手段は、制御信号の受信センサ、または、ガス濃度、温度あるいは湿度等を検出する検出センサ等のひとつ、もしくは複数とすることができる。
上記加湿流体は、水蒸気、水、アルカリ性水溶液、あるいは酸性水溶液とすることができる。
【００２０】
上記混合手段は、燃料と加湿流体、あるいは酸化剤ガスと加湿流体を混合する混合手段であり、固体高分子形燃料電池の内部あるいは外部に配置する手段とすることができる。
上記供給制御手段は、メモリやプログラム等と協働して供給手段を制御するＣＰＵとすることができる。
【００２１】
この発明の構成により、固体高分子電解質膜を、状況に応じて適切に加湿して適切な湿潤状態に保つことができ、高い発電効率で発電することができる。
詳しくは、固体高分子形燃料電池に対して、燃料を供給する燃料供給手段、及び酸化剤ガスを酸化剤極側セパレータに供給する酸化剤ガス供給手段のうち少なくとも一方の供給手段を、供給対象流体を供給する対象流体供給機構及び供給対象流体を加湿する加湿流体を供給する加湿流体供給機構で構成しているため、燃料及び酸化剤ガスとのうち少なくとも一方を、電極触媒層に対してそれぞれ独立した供給量で供給することができるとともに、供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）と加湿流体とを独立した供給量で供給することができる。
【００２２】
また、供給対象流体と加湿流体とを混合する混合手段を備えるため、対象流体供給機構及び加湿流体供給機構で構成する供給手段によって供給された供給対象流体と加湿流体とを混合した状態で電極触媒層に対して供給することができる。
【００２３】
さらには、供給制御手段が、発電情報検出手段によって検出された発電情報に基づいて、供給対象流体及び加湿流体のうち少なくとも一方の供給量を制御するため、発電状況に応じて、供給対象流体と加湿流体とを適切な供給量及び／又は供給比で供給し、発電することができる。
【００２４】
さらに詳述すると、固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜によって、燃料（水素）と酸化剤（空気）が直接反応しないように隔離しながら、燃料極で生成する水素イオンを酸化剤極まで移動させて発電している。
【００２５】
このため、固体高分子電解質膜のイオン導伝性を確保すべく、適度な湿潤状態に保つ必要がある。しかし、水素イオンは膜中においても水和しており、燃料極から酸化剤極に水を持ち去るため、水の供給量が少ない場合、固体高分子電解質膜が乾燥するおそれがある。
【００２６】
したがって、従来構造の固体高分子形燃料電池では水とともに燃料や酸化剤ガスを供給するが、発電量が多くなるとその分、多量の水の供給が必要となる。これに対し、発電量が少なくなると、少ない水の供給で足りる。
【００２７】
また、固体高分子形燃料電池の開始時では、固体高分子形燃料電池内部の温度が低いため、水の供給量は少なくて済むが、固体高分子形燃料電池内部の温度が上がると、固体高分子形燃料電池内部の水が蒸発するため、供給量を増加させる必要がある。
【００２８】
このように、水の供給量が状況に応じて適切でない場合、例えば、水の供給量が少ないと、固体高分子電解質膜が乾燥してイオン導伝性が低下し、発電効率が低下する。逆に、水の供給量が多いと、フラッディング現象が生じて発電効率が低下する。
【００２９】
この発明の構成により、これらの問題に対し、発電情報検出手段によって検出された発電情報に基づいて、供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体のうち少なくとも一方の供給量を独立して制御し、発電状況に応じた適切な供給量、且つ供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体を混合した状態で電極触媒層に対して供給することができる。
したがって、固体高分子電解質膜を適切な湿潤状態で保つことができ、発電効率の低下を防止することができる。
【００３０】
また、１００℃以下の低温範囲で機能するとされている固体高分子電解質膜を有する固体高分子形燃料電池は、作動温度を１００℃以下の低温範囲において高温化することによって発電効率を向上することができる。しかし、従来構造の固体高分子形燃料電池では、固体高分子電解質膜が乾燥しやすくなるため、１００℃以下の低温範囲において高温化できず、作動温度による発電効率の向上が図れなかった。
【００３１】
これに対し、本発明の固体高分子形燃料電池を用いた燃料電池発電システムは、上記構成により、１００℃以下の低温範囲において作動温度を高温化しても、固体高分子電解質膜を適切な湿潤状態で保つことができるため、発電効率を向上することができる。
【００３２】
この発明の態様として、前記流路を、前記供給対象流体の導通を許容する供給対象流体用流路と、前記加湿流体の導通を許容する加湿流体用流路とで構成し、前記電極触媒層と前記セパレータとの間に配置するとともに、前記セパレータから前記電極触媒層に向かう方向、及び前記電極触媒層と前記セパレータとの対向面方向において互いに連通する連通孔を有し、該連通孔を通り、前記電極触媒層と前記セパレータとの対向面方向に拡散しながら前記セパレータから前記電極触媒層に向かって前記流路を導通する導通流体が浸透する拡散層を備え、前記混合手段を、前記固体高分子形燃料電池の内部に配置することができる。
【００３３】
上述のセパレータから前記電極触媒層に向かう方向は、例えば、幅方向において、固体高分子電解質膜を挟む態様の電極触媒層の外側にセパレータを配置したセルを有する固体高分子形燃料電池である場合、幅方向外側から幅方向内側に向かう方向とすることができる。
【００３４】
上述の電極触媒層とセパレータとの対向面方向は、例えば、幅方向において、固体高分子電解質膜を挟む態様の電極触媒層の外側にセパレータを配置し、固体高分子電解質膜、電極触媒層及びセパレータを面状に構成したセルを有する固体高分子形燃料電池である場合、幅方向に対して交差する面上の方向とすることができる。
上記導通流体は、流路を導通する供給対象流体及び加湿流体を含む概念である。
【００３５】
この発明の構成により、固体高分子電解質膜を、状況に応じて適切に加湿して適切な湿潤状態を確実に保つことができ、より高い発電効率で発電することができる。
詳しくは、前記セパレータにおける前記流路を、前記供給対象流体の導通を許容する供給対象流体用流路と、前記加湿流体の導通を許容する加湿流体用流路とで構成することによって、供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体をそれぞれ対応する流路に導通することができる。
【００３６】
また、前記セパレータから前記電極触媒層に向かう方向、及び前記電極触媒層と前記セパレータとの対向面方向において互いに連通する連通孔を有する拡散層を、前記電極触媒層と前記セパレータとの間に配置することによって、それぞれ対応する流路を導通する導通流体（供給対象流体及び加湿流体）が前記連通孔を通り、前記電極触媒層と前記セパレータとの対向面方向に拡散しながら前記セパレータから前記電極触媒層に向かって浸透することができる。
【００３７】
また、前記混合手段を、前記固体高分子形燃料電池の内部に配置することにより、外部から供給された供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体を、固体高分子形燃料電池で混合して、電極触媒層に供給することができる。
【００３８】
したがって、供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体をそれぞれ独立して、固体高分子形燃料電池に供給するだけで、固体高分子形燃料電池内部において、供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体を、固体高分子形燃料電池で混合して、電極触媒層に供給することができる。このため、簡単な構成の供給手段で供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体をそれぞれ独立して供給し、固体高分子電解質膜を、状況に応じて適切に加湿して適切な湿潤状態を確実に保つことができ、より高い発電効率で発電することができる。
【００３９】
また、混合手段を電極触媒層に近い固体高分子形燃料電池内部に配置しているため、混合手段で混合された供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体が電極触媒層に達するまでの距離を短縮することができる。したがって、変化する固体高分子電解質膜の状況に応じて素早く対応でき、状況に応じて適切に加湿し、適切な湿潤状態を確実に保つことができる。
【００４０】
またこの発明の態様として、前記供給対象流体用流路と前記加湿流体用流路とを導通可能に接続する流路接続部を設け、前記混合手段を、前記供給対象流体用流路、前記加湿流体用流路及び前記流路接続部で構成することができる。
【００４１】
この発明の構成により、固体高分子形燃料電池内部において混合手段を構成することができる。
詳しくは、前記供給対象流体用流路と前記加湿流体用流路とを導通可能に接続する流路接続部によって、それぞれ対応する流路を導通する供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体を混合することができる。したがって、別途の混合手段を設けて供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体を混合する場合と比較して、簡単な構造であるため、製造コストやスペースのメリットを得ることができるとともに、耐久性を向上することができる。
【００４２】
なお、前記供給対象流体用流路と前記加湿流体用流路とを流路方向において前記流路接続部を複数設けた場合、前記流路接続部毎に、それぞれの流路を導通する供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体を混合することができるため、流路方向において下流側になるほど確実に供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体を混合することができる。
【００４３】
またこの発明の態様として、前記拡散層を、前記セパレータから前記電極触媒層に向かって前記連通孔が細孔化する細孔化拡散層で構成するとともに、前記混合手段を、前記細孔化拡散層で構成することができる。
【００４４】
上述のセパレータから電極触媒層に向かって連通孔が細孔化するということは、段階的な細孔化、あるいは徐々に細孔化すること等を含み、さらには、孔数は変化せず単に細孔化すること、また細孔化しながら孔数を増加させること等を含むものである。
【００４５】
この発明の構成により、固体高分子形燃料電池内部において混合手段を構成することができる。
詳しくは、それぞれ対応する流路を導通する供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体が、連通孔を通って拡散しながら浸透する際に、供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体を連通孔内で混合することができる。
【００４６】
また、連通孔を、電極触媒層に向かって連通孔が細孔化しているため、電極触媒層に向かうほど、供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体を確実に混合することができる。したがって、別途の混合手段を設けて供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体を混合する場合と比較して、簡単な構造であるため、製造コストやスペースのメリットを得ることができるとともに、耐久性を向上することができる。
【００４７】
またこの発明の態様として、前記混合手段を、前記固体高分子形燃料電池の外部に配置することができる。
上述の混合手段を前記固体高分子形燃料電池の外部に配置するとは、固体高分子形燃料電池の外部において、混合手段を固体高分子形燃料電池と一体構成として、あるいは別体構成で配置することを含む。
【００４８】
この発明の構成により、従来構造の固体高分子形燃料電池であっても、固体高分子電解質膜を、状況に応じて適切に加湿して適切な湿潤状態に保つことができ、高い発電効率で発電することができる。
【００４９】
詳しくは、燃料及び酸化剤ガスのうち少なくとも一方を、独立した供給量で制御して供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体を供給するとともに、前記固体高分子形燃料電池の外部に配置した前記混合手段で供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体を混合して固体高分子形燃料電池に供給することができる。したがって、固体高分子電解質膜を適切な湿潤状態で保つことができ、発電効率の低下を防止することができる。
【００５０】
またこの発明は、固体高分子電解質膜、該固体高分子電解質膜を挟む態様の電極触媒層、及び該電極触媒層の外側に配置するセパレータで構成するセルを有するとともに、前記固体高分子電解質膜の一方側に配置する燃料極及び他方側に配置する酸化剤極で前記電極触媒層を構成し、供給された燃料を前記燃料極に導通させる流路を備えた燃料極側セパレータ及び供給された酸化剤ガスを前記酸化剤極に導通させる流路を備えた酸化剤極側セパレータで前記セパレータを構成する固体高分子形燃料電池であって、前記流路を、前記燃料極側セパレータに供給される前記燃料及び前記酸化剤極側セパレータに供給される前記酸化剤ガスのうち少なくとも一方の供給対象流体の導通を許容する供給対象流体用流路と、前記供給対象流体を加湿する加湿流体の導通を許容する加湿流体用流路とで構成するとともに、前記電極触媒層と前記セパレータとの間に配置するとともに、前記セパレータから前記電極触媒層に向かう方向、及び前記電極触媒層と前記セパレータとの対向面方向において互いに連通する連通孔を有し、該連通孔を通り、前記電極触媒層と前記セパレータとの対向面方向に拡散しながら前記セパレータから前記電極触媒層に向かって前記流路を導通する導通流体が浸透する拡散層と、前記供給対象流体と前記加湿流体とを混合する混合手段とを備えたことを特徴とする。
【００５１】
この発明の構成により、それぞれ独立して供給された供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体を混合手段で混合して、発電することができる。また、混合手段を電極触媒層に近い固体高分子形燃料電池内部に配置しているため、混合手段で混合された供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体が電極触媒層に達するまでの距離を短縮することができる。したがって、変化する固体高分子電解質膜の状況に応じて素早く対応でき、状況に応じて適切に加湿し、適切な湿潤状態を確実に保つことができるとともに、高効率に発電することができる。
【００５２】
この発明の態様として、前記供給対象流体用流路と前記加湿流体用流路とを導通可能に接続する流路接続部を設け、前記混合手段を、前記供給対象流体用流路、前記加湿流体用流路及び前記流路接続部で構成することができる。
【００５３】
この発明の構成により、固体高分子形燃料電池内部において、前記供給対象流体用流路と前記加湿流体用流路とを導通可能に接続する流路接続部によって、それぞれ対応する流路を導通する供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体を混合することができる。
【００５４】
したがって、別途の混合手段を設けて供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体を混合する場合と比較して、簡単な構造であるため、製造コストやスペースのメリットを得ることができるとともに、耐久性を向上することができる。
【００５５】
なお、前記供給対象流体用流路と前記加湿流体用流路とを流路方向において前記流路接続部を複数設けた場合、前記流路接続部毎に、それぞれの流路を導通する供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体を混合することができるため、流路方向において下流側になるほど供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体を確実に混合することができる。
【００５６】
またこの発明の態様として、前記拡散層を、前記セパレータから前記電極触媒層に向かって前記連通孔が細孔化する細孔化拡散層で構成するとともに、前記混合手段を、前記細孔化拡散層で構成することができる。
【００５７】
この発明の構成により、固体高分子形燃料電池内部において、流路を導通する供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体が、前記拡散層の連通孔を通って拡散しながら浸透する際に、供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体を連通孔内で混合することができる。また、電極触媒層に向かって連通孔が細孔化しているため、電極触媒層に向かうほど、供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体を確実に混合することができる。
【００５８】
したがって、別途の混合手段を設けて供給対象流体（燃料及び酸化剤ガス）及び加湿流体を混合する場合と比較して、簡単な構造であるため、製造コストやスペースのメリットを得ることができるとともに、耐久性を向上することができる。
【００５９】
またこの発明の態様として、発電情報検出手段によって検出された発電に関する発電情報に基づいて、供給量を制御する供給制御手段によって供給制御された前記供給対象流体及び前記加湿流体のうち少なくとも一方の供給を受け付けることができる。
この発明の構成により、固体高分子電解質膜を、状況に応じて適切に加湿して適切な湿潤状態を確実に保つことができ、高い発電効率で発電することができる。
【発明の効果】
【００６０】
本発明により、固体高分子電解質膜を、状況に応じて適切に加湿して適切な湿潤状態に保つことができ、発電効率の高い燃料電池発電システム及び固体高分子形燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】ＰＥＦＣの正面を透過した斜視図。
【図２】発電メカニズムを説明するためのＰＥＦＣの縦断面図。
【図３】クロス２流路セパレータにおける混合流路についての説明図。
【図４】カソード側セパレータにおける混合流路と、カソード側拡散層における細孔化連通孔について説明するための拡大縦断面図。
【図５】カーボンメッシュで構成した拡散層の分解斜視図。
【図６】カーボンメッシュで構成した拡散層の斜視図。
【図７】パラレル２流路セパレータにおけるパラレル流路についての説明図。
【図８】別のパラレル２流路セパレータにおけるパラレル流路についての説明図。
【図９】ＰＥＦＣ発電システムの概念図。
【図１０】別の実施形態のＰＥＦＣ発電システムの概念図。
【図１１】さらに別の実施形態の外部混合ＰＥＦＣ発電システムの概念図。
【発明を実施するための形態】
【００６２】
この発明の一実施形態を以下図面と共に説明する。
図１はＰＥＦＣ１の正面を透過した斜視図を示し、図２はＰＥＦＣ１における発電メカニズムを説明するための縦断面図を示し、図３はクロス２流路セパレータ５０における混合流路５１についての説明図を示している。
【００６３】
また、図４はカソード側セパレータ５０ｂにおける混合流路５１と、カソード側拡散層４０ｂにおける細孔化連通孔４１について説明するための拡大縦断面図を示し、図５はカーボンメッシュ４３で構成した拡散層４０の分解斜視図を示し、図６はカーボンメッシュ４３で構成した拡散層４０の斜視図を示している。
【００６４】
固体高分子形燃料電池１（以下において「ＰＥＦＣ１」という）は、幅方向に配置した複数のセル１０で構成し、供給機構７０及び排水機構８０を接続している。
供給機構７０は、燃料である水素ガスを供給する水素ガス供給パイプ７２と、酸化剤である酸素を含む空気を供給する空気供給パイプ７３と、水素ガスや空気を加湿するための加湿水を供給する加湿水供給パイプ７１とで構成している。なお、空気供給パイプ７３で供給される空気は、空気中に含まれる酸素が酸化剤として作用するため、空気の代わりに酸素ガスを供給してもよい。
【００６５】
そして、水素ガス供給パイプ７２は、後述するアノード側セパレータ５０ａに接続する接続枝管７２ａを備え、空気供給パイプ７３は、後述するカソード側セパレータ５０ｂに接続する接続枝管７３ａを備え、さらには、加湿水供給パイプ７１は、アノード側セパレータ５０ａ，カソード側セパレータ５０ｂのそれぞれに接続する接続枝管７１ａを備えている。
【００６６】
排水機構８０は、アノード側セパレータ５０ａからの排水を受ける排水枝管８１ａを有するアノード側排水パイプ８１と、カソード側セパレータ５０ｂからの排水を受ける排水枝管８２ａを有するカソード側排水パイプ８２とで構成している。
【００６７】
セル１０は、幅方向Ｗ（図１，２において左右方向）中心の固体高分子電解質膜２０から幅方向Ｗ両側に向かって、電極触媒層３０、拡散層４０、クロス２流路セパレータ５０及び函体６０を配置している。
【００６８】
そして、図２において左側の電極触媒層３０をアノード側電極触媒層３０ａ、右側をカソード側電極触媒層３０ｂとしている。
同様に、図２において左側の拡散層４０をアノード側拡散層４０ａ、右側をカソード側拡散層４０ｂとし、左側のクロス２流路セパレータ５０をアノード側セパレータ５０ａ、右側をカソード側セパレータ５０ｂとしている。
【００６９】
固体高分子電解質膜２０は、パーフルオロ型のスルホン酸膜で形成するイオン交換膜である。
電極触媒層３０は、図示省略する電極触媒と電極とで構成している。また、アノード側電極触媒層３０ａとカソード側電極触媒層３０ｂとには、外部抵抗９１を有する外部回路９０を接続している。
【００７０】
クロス２流路セパレータ５０における拡散層４０との対向面側には、図３に示すような混合流路５１を備えている。
混合流路５１は、導通対象流体である水素ガスや空気、あるいは加湿水の導通を許容する導通路であり、電極触媒層３０へ供給する供給対象流体である水素ガスあるいは空気を導通する供給対象流路５２と、加湿水を導通する加湿水流路５３とを有している。
【００７１】
そして、供給対象流路５２は、縦方向に適宜の間隔を隔てて配置した幅方向流路５２ａと、幅方向流路５２ａ同士を縦方向に接続する縦方向流路５２ｂとで、略格子状に形成している。
同様に、加湿水流路５３は、縦方向に適宜の間隔を隔てて配置した幅方向流路５３ａと、幅方向流路５３ａ同士を縦方向に接続する縦方向流路５３ｂとで、略格子状に形成している。
【００７２】
なお、供給対象流路５２の幅方向流路５２ａと、加湿水流路５３の幅方向流路５３ａとは、縦方向位置がずれるように配置している。
そして、縦方向流路５２ｂと幅方向流路５３ａとの交差部分、及び幅方向流路５２ａと縦方向流路５３ｂの交差部分において、それぞれが導通可能な導通接続部５４を構成している。
【００７３】
また、供給対象流路５２の最上段の幅方向流路５２ａには、接続枝管７２ａ，７３ａが接続され、加湿水流路５３の最上段の幅方向流路５３ａには接続枝管７１ａが接続されている。さらには、加湿水流路５３の最下段の幅方向流路５３ａには、アノード側排水パイプ８１やカソード側排水パイプ８２につながる排水枝管８１ａ，８２ａが接続されている。
【００７４】
なお、図４に示すように、混合流路５１は、函体６０から拡散層４０へ向かう幅方向Ｗに複数段形成し、混合流路５１同士を導通接続部５４で接続しているが、１段構成の混合流路５１であってもよい。
【００７５】
拡散層４０は、幅方向Ｗに連通する細孔化連通孔４１を有している。なお、カソード側拡散層４０ｂにおける下方には、図４に示すように、電極触媒層３０で生成された水を集水して排水するための排水機構４５を備えているが、アノード側拡散層４０ａにはなく、細孔化連通孔４１が下方まで形成されている。
そして、細孔化連通孔４１は、幅方向Ｗにおいてクロス２流路セパレータ５０側から電極触媒層３０に向かって、細孔化しながら連通している。
【００７６】
このような構成の拡散層４０は、例えば、図５に示すように、太径カーボンファイバで構成した太カーボンメッシュ４３ａ、中径カーボンファイバで構成した中カーボンメッシュ４３ｂ、及び細径カーボンファイバで構成した細カーボンメッシュ４３ｃを重ね合わせることで構成することができる。
【００７７】
詳しくは、このようにして、太径カーボンファイバで構成した太カーボンメッシュ４３ａは開口が小さくなり、細径カーボンファイバで構成した細カーボンメッシュ４３ｃは開口が大きくなるため、太カーボンメッシュ４３ａ、中カーボンメッシュ４３ｂ、及び細カーボンメッシュ４３ｃを重ね合わせることにより、図６に示すような、厚み方向に細孔化された細孔化連通孔４１を容易に構成することができる。
【００７８】
なお、複数の径の異なる孔や開口を有するシートをずらして重ね合わせたり、同じ径の孔や開口を異なる配列で配置したシートを複数枚重ね合わせて、厚み方向に細孔化された細孔化連通孔４１を有する拡散層４０を構成してもよい。
【００７９】
ＰＥＦＣ１を、上述のように構成したため、供給機構７０で供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水をそれぞれ独立して電極触媒層３０に供給することができる。したがって、変化する固体高分子電解質膜２０の状況に応じて素早く対応でき、状況に応じて適切に加湿し、適切な湿潤状態を確実に保つことができる。
【００８０】
詳しくは、セル１０を、固体高分子電解質膜２０、固体高分子電解質膜２０を挟む態様の電極触媒層３０、及び電極触媒層３０の外側に配置するクロス２流路セパレータ５０で構成し、電極触媒層３０を、固体高分子電解質膜２０の一方側に配置するアノード側電極触媒層３０ａ及び他方側に配置するカソード側電極触媒層３０ｂで構成するとともに、クロス２流路セパレータ５０を、供給された水素ガスをアノード極に導通させる混合流路５１を備えたアノード側セパレータ５０ａ及び供給された空気をカソード極に導通させる混合流路５１を備えたカソード側セパレータ５０ｂで構成し、混合流路５１を、供給対象流体（水素ガス，空気）の導通を許容する供給対象流路５２と、供給対象流体（水素ガス，空気）を加湿する加湿水の導通を許容する加湿水流路５３とで構成するとともに、供給対象流路５２と加湿水流路５３とを導通可能に接続する導通接続部５４を設け、電極触媒層３０とクロス２流路セパレータ５０との間に配置した拡散層４０の連通孔を、クロス２流路セパレータ５０から電極触媒層３０に向かって細孔化する細孔化連通孔４１で構成しているため、セル１０内部において、導通接続部５４と細孔化連通孔４１によって、それぞれ対応する混合流路５１を導通する供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水を混合することができる。
【００８１】
なお、混合流路５１の流路方向において導通接続部５４を複数設けているため、導通接続部５４毎に、それぞれの混合流路５１を導通する供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水を混合することができ、流路方向において下流側になるほど確実に供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水を混合することができる。
【００８２】
また、細孔化連通孔４１を通って浸透する供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水を細孔化連通孔４１内で混合することができる。また、細孔化連通孔４１は、電極触媒層３０に向かって細孔化されるため、電極触媒層３０に向かうほど、供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水を確実に混合することができる。
【００８３】
したがって、別途の混合手段を設けて供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水を混合する場合と比較して、簡単な構造であるため、製造コストやスペースのメリットを得ることができるとともに、耐久性を向上することができる。
【００８４】
また、セル１０内部において、導通接続部５４と細孔化連通孔４１によって、それぞれ対応する混合流路５１を導通する供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水を混合するため、混合された供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水が電極触媒層３０に達するまでの距離を短縮することができる。したがって、固体高分子電解質膜２０の状態変化に対してすばやく対応し、適切な供給量で加湿し、固体高分子電解質膜２０を適切な湿潤状態で保つことができる。
【００８５】
なお、上述のＰＥＦＣ１では、導通接続部５４で供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水を混合することのできる混合流路５１を有するクロス２流路セパレータ５０と、細孔化される細孔化連通孔４１によって浸透する供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水を混合する拡散層４０とを併用したが、混合流路５１と細孔化連通孔４１とのいずれか一方で供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水を混合する構成であってもよい。
【００８６】
例えば、供給対象流路５２と加湿水流路５３とにそれぞれ導通することによって導通接続部５４で供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水を混合することのできる混合流路５１を有するクロス２流路セパレータ５０のみを用いる場合、幅方向Ｗに孔サイズが一定である連通孔を有する拡散層４０を用いればよい。
【００８７】
逆に、細孔化される細孔化連通孔４１によって浸透する供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水を混合する拡散層４０のみを用いる場合は、例えば、供給対象流路５２と加湿水流路５３とがそれぞれ独立したパラレル流路５１’を有するパラレル２流路セパレータ５０’（図７参照）や、直線状の供給対象流路５２と加湿水流路５３が複数、平行して交互に配置されたパラレル流路５１’’を有するパラレル２流路セパレータ５０’’（図８参照）を用いてもよい。
【００８８】
なお、図８に示すパラレル２流路セパレータ５０’’において直線状の供給対象流路５２と加湿水流路５３とを幅方向に接続する導通接続部を複数備えることにより、混合流路５１を構成することもできる。
【００８９】
また、アノード側セパレータ５０ａ及びカソード側セパレータ５０ｂに排水枝管８１ａ，８２ａを接続しているため、図２に示すように、混合流路５１を通過した余剰の供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水を排水枝管８１ａ，８２ａを介してＰＥＦＣ１外部に排水するとともに、電気化学反応によって生成された生成水を排水枝管８２ａを介してＰＥＦＣ１の外部に排水することができる。なお、アノード側セパレータ５０ａに排水枝管８１ａを接続せず、つまりアノード側排水パイプ８１を備えずに、アノード側セパレータ５０ａの混合流路５１を出口のないデッドエンドで構成してもよい。
【００９０】
続いて、ＰＥＦＣ１を用いたＰＥＦＣ発電システム１００について、ＰＥＦＣ発電システム１００の概要図を示す図９とともに説明する。
ＰＥＦＣ発電システム１００は、上述のＰＥＦＣ１と、貯蔵タンク１１０と、貯蔵タンク１１０とＰＥＦＣ１とを接続する上述の供給機構７０に配置する供給ポンプ１２０と、供給ポンプ１２０を制御するコントロールユニット１３０と、ＰＥＦＣ１に対する発電要求情報を検出する検出センサ１４０とで構成している。
【００９１】
貯蔵タンク１１０は、加湿水のための水タンク１１１、水素ガスを貯蔵する水素ガスタンク１１２、及び空気を貯蔵する空気タンク１１３で構成している。
そして、水タンク１１１には上述の供給機構７０の加湿水供給パイプ７１が接続され、水素ガスタンク１１２には水素ガス供給パイプ７２が接続され、空気タンク１１３には空気供給パイプ７３が接続されている。
【００９２】
供給ポンプ１２０は、水タンク１１１に接続された加湿水供給パイプ７１に配置された加湿水用ポンプ１２１と、水素ガスタンク１１２に接続された水素ガス供給パイプ７２に配置された水素ガス用ポンプ１２２と、空気タンク１１３に接続された空気供給パイプ７３に配置された空気用ポンプ１２３とで構成している。
【００９３】
コントロールユニット１３０は、図示省略するＣＰＵ、メモリやプログラムとが協動して、電気的に接続された供給ポンプ１２０や検出センサ１４０を制御する電子制御ユニットである。
検出センサ１４０は、ＰＥＦＣ１に対して発電要求する発電要求情報を検出するセンサである。なお、例えば、電気自動車における駆動用電気を供給するためのＰＥＦＣ発電システム１００である場合、この発電要求情報は、アクセルの踏み込み操作による情報であり、家庭用のＰＥＦＣ発電システム１００の場合、必要電力量に応じた情報となる。
【００９４】
上述したような構成でＰＥＦＣ発電システム１００を構成したことにより、ＰＥＦＣ１の固体高分子電解質膜２０を、状況に応じて適切に加湿して適切な湿潤状態に保つことができ、高い発電効率で発電することができる。
【００９５】
詳しくは、ＰＥＦＣ発電システム１００を、ＰＥＦＣ１と、水素ガスをアノード側セパレータ５０ａに供給する水素ガス供給パイプ７２及び水素ガス用ポンプ１２２と、空気をカソード側セパレータ５０ｂに供給する空気供給パイプ７３及び空気用ポンプ１２３と、加湿水を供給する加湿水供給パイプ７１及び加湿水用ポンプ１２１と、ＰＥＦＣ１の発電に関する発電情報を検出する検出センサ１４０とを備え、供給対象流体（水素ガス，空気）と加湿水とを混合流路５１や細孔化連通孔４１で混合し、検出センサ１４０で検出した発電情報に基づいて、供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水の供給をコントロールユニット１３０で制御するため、供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水を、電極触媒層３０に対してそれぞれ独立した供給量で供給することができる。
【００９６】
また、コントロールユニット１３０が、検出センサ１４０によって検出された発電情報に基づいて、供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水の供給量を制御するため、発電状況に応じて、供給対象流体（水素ガス，空気）と加湿水とを適切な供給量で供給することができる。
したがって、発電状況に応じて供給対象流体（水素ガス，空気）と加湿水とを適切な供給量及び／又は供給比で供給し、発電することができる。
【００９７】
さらに詳述すると、ＰＥＦＣ発電システム１００におけるＰＥＦＣ１は、固体高分子電解質膜２０によって、水素ガス（水素）と酸化剤（空気）が直接反応しないように隔離しながら、アノード側電極触媒層３０ａで生成する水素イオンをカソード側電極触媒層３０ｂまで移動させて発電している。
【００９８】
このため、固体高分子電解質膜２０のイオン導伝性を確保すべく、固体高分子電解質膜２０を適度な湿潤状態に保つ必要がある。しかし、水素イオンは膜中においても水和しており、アノード側電極触媒層３０ａからカソード側電極触媒層３０ｂに水を持ち去るため、加湿水の供給量が少ない場合、固体高分子電解質膜２０が乾燥するおそれがある。なお、発電量が多くなるとその分、多量の加湿水の供給が必要となり、発電量が少なくなると、少ない加湿水の供給で足りる。
【００９９】
また、ＰＥＦＣ１の開始時では、ＰＥＦＣ１内部の温度が低いため、加湿水の供給量は少なくて済むが、ＰＥＦＣ１内部の温度が上がると、ＰＥＦＣ１内部の加湿水が蒸発するため、供給量を増加させる必要がある。
このように、状況に応じて適切な供給量で加湿水を供給しない場合、例えば、加湿水の供給量が少ないと、固体高分子電解質膜２０が発電効率が低下する。
【０１００】
また、水素ガスと空気との発電化学反応によって生成された生成水は、カソード側の排水機構４５に集水して排水するものの、カソード側セパレータ５０ｂに供給される空気の圧力によって排水するため、例えば、空気の供給量が少ない場合、十分に生成水が排水されず、フラッディング現象が生じて発電効率が低下する。
【０１０１】
しかし、ＰＥＦＣ発電システム１００では、検出センサ１４０によって検出された発電情報に基づいて、供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水の供給を独立して制御し、発電状況に応じた適切な供給量で、供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水を混合した状態で電極触媒層３０に対して供給することができるため、上述したように、乾燥してイオン導伝性が低下したり、フラッディング現象が生じたりすることなく、固体高分子電解質膜２０を適切な湿潤状態で保つことができ、発電効率の低下を防止することができる。
【０１０２】
また、ＰＥＦＣ発電システム１００では、コントロールユニット１３０により、検出センサ１４０が検出した発電要求情報に基づいて、供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水をそれぞれ独立して供給制御しているため、加湿した水素ガスと加湿した空気とを供給する従来の燃料電池発電システムと比べて、ＰＥＦＣ１における固体高分子電解質膜２０の湿潤状態を確実に確保できるため、作動温度を例えば９０℃まで高温化することができる。
【０１０３】
このように、固体高分子電解質膜２０の湿潤状態を保持しながら、作動温度を高温化すると、クロス２流路セパレータ５０における電極反応は化学反応の一種であるため、アレニウスの法則に従い、活性化抵抗が低減し、発電効率を高効率化することができる。
【０１０４】
さらに、ＰＥＦＣ発電システム１００は、検出センサ１４０によって検出した発電情報に素早く対応し、状況に応じて適切に加湿し、適切な湿潤状態を確実に保つことができる。
【０１０５】
なお、上述のＰＥＦＣ発電システム１００では、空気タンク１１３に貯蔵した空気を空気供給パイプ７３を介して空気用ポンプ１２３でカソード側セパレータ５０ｂに供給したが、空気タンク１１３を備えず、空気供給パイプ７３の先端を開放し、空気用ポンプ１２３を稼動させて、大気から直接空気を供給してもよい。なお、この場合、フィルター等を設けて、大気のゴミを取り除いてからカソード側セパレータ５０ｂに供給することで、混合流路５１の目詰まり等を防止することができる。
【０１０６】
また、ＰＥＦＣ１で発電した際に生成した生成水等を排水機構８０から排水しているが、この生成水を水タンク１１１に導入し循環させてもよい。この場合、生成水を加湿水として利用することができるため、そのまま、排水機構８０から生成水を排水する場合と比較して、水タンク１１１の容量を小型化することができる。したがって、ＰＥＦＣ発電システム１００の小型化やコストダウンを図ることができる。
【０１０７】
さらには、排水機構８０を水タンク１１１に接続して生成水を加湿水として利用する場合において、アノード側セパレータ５０ａとカソード側セパレータ５０ｂとのそれぞれに加湿水を供給するように２つの水タンク１１１を装備するとともに、排水機構８０を構成するアノード側排水パイプ８１と、カソード側排水パイプ８２とをそれぞれに対応する水タンク１１１に接続する構成としてもよい。
【０１０８】
このような構成によれば、アノード側排水パイプ８１から排水される生成水に含有される水素や、カソード側排水パイプ８２から排水される生成水に含有される酸素が他方側の供給パイプ７２，７３を介して他方側の電極触媒層３０に供給されることを防止することができる。
【０１０９】
また、ＰＥＦＣ１における発電化学反応による生じる発熱によって、排水機構８０から排水される生成水は高温化されているため、水タンク１１１に導入することによって、水タンク１１１に貯蔵される水が高温化し、熱交換システムを併用することによって、発電化学反応により生じる熱の有効利用を図ることができる。
【０１１０】
なお、作動温度を高温化した場合、排水機構８０から排水される生成水も高温化するため、熱交換システムを併用した場合における熱の有効利用可能性を拡大することができる。例えば、熱エネルギーが増加するため、増加した熱エネルギーを、冷媒を冷却するために利用し、冷却効果を得ることもできる。
【０１１１】
また、アノード側セパレータ５０ａに排水枝管８１ａを接続せず、つまりアノード側排水パイプ８１を備えずに、アノード側セパレータ５０ａの混合流路５１を出口のないデッドエンドで構成してもよい。この場合であっても、検出センサ１４０によって検出された発電情報に基づいて、供給対象流体である水素ガス及び加湿水の供給を独立して制御し、発電状況に応じた適切な供給量で、供給対象流体である水素ガス及び加湿水を混合した状態で電極触媒層３０に対して供給することができるため、上述したように、乾燥してイオン導伝性が低下したり、フラッディング現象が生じたりすることなく、固体高分子電解質膜２０を適切な湿潤状態で保つことができ、発電効率の低下を防止することができる。
【０１１２】
また、貯蔵タンク１１０に各貯蔵対象を貯蔵し、供給パイプ７１，７２，７３を介して、供給ポンプ１２０で供給したが、供給ポンプ１２０の代わりに調整バルブを供給パイプ７１，７２，７３に設けるとともに、貯蔵対象を加圧して貯蔵タンク１１０に貯蔵し、調整バルブで供給量を調整する構成であってもよい。また、供給ポンプ１２０と調整バルブとを併用し、供給ポンプ１２０による供給量を調整バルブ部で高精度で調整する構成であってもよい。
【０１１３】
さらにまた、上述のＰＥＦＣ発電システム１００では、ＰＥＦＣ１に対して、１つの加湿水供給パイプ７１でアノード側セパレータ５０ａとカソード側セパレータ５０ｂの両方に加湿水を供給していたが、図１０に示すＰＥＦＣ発電システム１００ａのように、アノード側セパレータ５０ａとカソード側セパレータ５０ｂに対して、それぞれ別々の加湿水用ポンプ１２１を備えた加湿水供給パイプ７１を接続して加湿水を供給してもよい。
【０１１４】
また、ＰＥＦＣ発電システム１００ａのように、発電要求情報を検出する検出センサ１４０に加え、ＰＥＦＣ１内部の作動温度や、固体高分子電解質膜２０の湿度等の状態情報を検出する状態検出センサ１４１をコントロールユニット１３０に接続し、検出センサ１４０が検出した発電要求情報に加えて、状態検出センサ１４１が検出した状態情報に基づいて、供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水をそれぞれ独立して供給制御してもよい。
【０１１５】
このように、ＰＥＦＣ発電システム１００ａは、ＰＥＦＣ発電システム１００で得ることのできる効果に加え、供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水を、ＰＥＦＣ１の状態を精度よく反映した独立供給制御することができ、ＰＥＦＣ１の固体高分子電解質膜２０の湿潤状態を確実に保持して、発電効率を高効率化することができる。
【０１１６】
なお、図１０に示すＰＥＦＣ発電システム１００ａでは、２つの加湿水供給パイプ７１に対してそれぞれ別々の水タンク１１１を設けているが、もちろんひとつの水タンク１１１に２つの加湿水供給パイプ７１を接続して、ひとつの水タンク１１１から別々に加湿水を供給する構成であってもよい。
【０１１７】
また、コントロールユニット１３０に対して検出センサ１４０と状態検出センサ１４１との両方を接続し、検出センサ１４０が検出した発電要求情報に加えて、状態検出センサ１４１が検出したＰＥＦＣ１内部の状態情報に基づいて、供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水をそれぞれ独立して供給制御せずとも、例えば、検出センサ１４０が検出した発電要求情報と、状態検出センサ１４１が検出したＰＥＦＣ１内部の状態情報のいずれか一方の情報に基づいて供給制御してもよく、また、発電要求情報と状態情報とに重み付けをして、重み付けした両情報を掛け合わせた情報に基づいて供給制御してもよい。
【０１１８】
さらには、これまでの説明におけるＰＥＦＣ１を用いたＰＥＦＣ発電システム１００，１００ａでは、供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水を供給機構７０によってそれぞれ独立して供給し、ＰＥＦＣ１内部の混合流路５１や細孔化連通孔４１で混合して電極触媒層３０に供給していたが、これに限定することはない。例えば、図１１に示すように、供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水をコントロールユニット１３０によってそれぞれ独立して供給制御するが、ＰＥＦＣ１の外部で供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水を混合してＰＥＦＣ１に供給する外部混合ＰＥＦＣ発電システム１００ｂであってもよい。
【０１１９】
この場合、上述のＰＥＦＣ発電システム１００，１００ａと異なり、貯蔵タンク１１０とＰＥＦＣ１との間の供給機構７０に混合装置１５０を備える必要がある。
【０１２０】
詳しくは、空気タンク１１３に接続された空気供給パイプ７３と、水タンク１１１に接続された加湿水供給パイプ７１とを接続し、空気−加湿水混合装置１５１を配置し、空気−加湿水混合装置１５１で空気を加湿水で加湿し、加湿空気供給パイプ７４でカソード側セパレータ５０ｂに加湿空気として供給する。
【０１２１】
同様に、水素ガスタンク１１２に接続された水素ガス供給パイプ７２と、水タンク１１１に接続された加湿水供給パイプ７１とを接続し、水素ガス−加湿水混合装置１５２を配置し、水素ガス−加湿水混合装置１５２で水素ガスを加湿水で加湿し、加湿水素ガス供給パイプ７５でアノード側セパレータ５０ａに加湿水素ガスとして供給する。
【０１２２】
この外部混合ＰＥＦＣ発電システム１００ｂにおけるＰＥＦＣ１は、ＰＥＦＣ１の外部で供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水が混合されてＰＥＦＣ１に供給されるため、混合流路５１を有するクロス２流路セパレータ５０や細孔化連通孔４１を有する拡散層４０を用いずとも、すなわち従来構造のＰＥＦＣ１であっても、固体高分子電解質膜２０を、状況に応じて適切に加湿して適切な湿潤状態に保つことができ、高い発電効率で発電することができる。
【０１２３】
詳しくは、水素ガス及び空気を、コントロールユニット１３０によって独立した供給量で制御して供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水を供給するとともに、ＰＥＦＣ１の外部に配置した混合装置１５０で供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水を混合してＰＥＦＣ１に供給することができるため、固体高分子電解質膜２０を適切な湿潤状態で保つことができ、発電効率の低下を防止することができる。
なお、図１１では、混合装置１５０とＰＥＦＣ１とを別体構成で構成したが、一体的に構成してもよい。
【０１２４】
以上、本発明の構成と、前述の実施態様との対応において、
本実施形態の燃料極は、アノード側電極触媒層３０ａに対応し、
以下同様に、
酸化剤極は、カソード側電極触媒層３０ｂに対応し、
セパレータは、クロス２流路セパレータ５０及びパラレル２流路セパレータ５０’，５０’’に対応し、
流路は、混合流路５１及びパラレル流路５１’，５１’’に対応し、
燃料極側セパレータは、アノード側セパレータ５０ａに対応し、
酸化剤極側セパレータは、カソード側セパレータ５０ｂに対応し、
固体高分子形燃料電池は、ＰＥＦＣ１に対応し、
燃料供給手段は、水素ガス供給パイプ７２及び水素ガス用ポンプ１２２に対応し、
酸化剤ガス供給手段は、空気供給パイプ７３及び空気用ポンプ１２３に対応し、
発電情報検出手段は、検出センサ１４０及び状態検出センサ１４１に対応し、
対象流体供給機構は、水素ガス供給パイプ７２及び水素ガス用ポンプ１２２、あるいは空気供給パイプ７３及び空気用ポンプ１２３に対応し、
加湿流体供給機構は、加湿水供給パイプ７１及び加湿水用ポンプ１２１に対応し、
混合手段は、細孔化連通孔４１、導通接続部５４を有する混合流路５１、混合装置１５０、空気−加湿水混合装置１５１あるいは水素ガス−加湿水混合装置１５２に対応し、
供給制御手段は、コントロールユニット１３０に対応し、
燃料電池発電システムは、ＰＥＦＣ発電システム１００，１００ａ及び外部混合ＰＥＦＣ発電システム１００ｂに対応し、
供給対象流体用流路は、供給対象流路５２に対応し、
加湿流体用流路は、加湿水流路５３に対応し、
セパレータから電極触媒層に向かう方向は、幅方向Ｗに対応し、
連通孔は、細孔化連通孔４１に対応し、
流路接続部は、導通接続部５４に対応し、
細孔化拡散層は、細孔化連通孔４１を有する拡散層４０に対応し、
燃料は、水素ガスに対応し、
酸化剤ガスは、空気に対応し、
発電情報は、発電要求情報及び状態情報に対応し、
加湿流体は、加湿水に対応するも、上記実施形態に限定するものではない。
【０１２５】
例えば、固体高分子電解質膜２０は、パーフルオロ型のスルホン酸膜に限定されず、例えばポリエーテルエーテルケトンをスルホン化した膜などで構成してもよい。また、加湿水としてアルカリ性水溶液を用いてもよい。
【０１２６】
また、上述のＰＥＦＣ１では、供給対象流体（水素ガス，空気）及び加湿水すべてを供給制御したが、供給対象流体（水素ガス，空気）を一定の供給量で供給し、加湿水の供給量を検出センサ１４０や状態検出センサ１４１による情報に基づいてコントロールユニット１３０で供給制御してもよい。
【０１２７】
また、供給対象流体（水素ガス，空気）のうち、燃料である水素ガスと、水素ガスを加湿する加湿水のみを、検出センサ１４０や状態検出センサ１４１による情報に基づいてコントロールユニット１３０で供給制御してもよい。
【０１２８】
例えば、アノード側電極触媒層３０ａで生成される水素イオンは固体高分子電解質膜の膜中においても水和しており、アノード側電極触媒層３０ａからカソード側電極触媒層３０ｂに水を持ち去るため、アノード側とカソード側を比較すると、燃料である水素ガス、及び水素ガスを加湿する加湿水を、アノード側セパレータ５０ａに供給する構成がよい。
【０１２９】
また、上述のＰＥＦＣ１の代用として、燃料として水素ガスを用いたが、燃料としてメタノール水溶液を用い、アノード側電極触媒層３０ａに直接供給するダイレクトメタノール形水素ガス電池（ＤＭＦＣ）を用いてもよい。
【符号の説明】
【０１３０】
１…ＰＥＦＣ
１０…セル
２０…固体高分子電解質膜
３０…電極触媒層
３０ａ…アノード側電極触媒層
３０ｂ…カソード側電極触媒層
４０…拡散層
４０ａ…アノード側拡散層
４０ｂ…カソード側拡散層
４１…細孔化連通孔
５０…クロス２流路セパレータ
５０’…パラレル２流路セパレータ
５０ａ…アノード側セパレータ
５０ｂ…カソード側セパレータ
５１…混合流路
５１’…パラレル流路
５２…供給対象流路
５３…加湿水流路
５４…導通接続部
７１…加湿水供給パイプ
７２…水素ガス供給パイプ
７３…空気供給パイプ
１００，１００ａ…ＰＥＦＣ発電システム
１００ｂ…外部混合ＰＥＦＣ発電システム
１２１…加湿水用ポンプ
１２２…水素ガス用ポンプ
１２３…空気用ポンプ
１３０…コントロールユニット
１４０…検出センサ
１４１…状態検出センサ
１５０…混合装置
１５１…空気−加湿水混合装置
１５２…水素ガス−加湿水混合装置
Ｗ…幅方向
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜、該固体高分子電解質膜を挟む態様の電極触媒層、及び該電極触媒層の外側に配置するセパレータで構成するセルを有するとともに、前記固体高分子電解質膜の一方側に配置する燃料極及び他方側に配置する酸化剤極で前記電極触媒層を構成し、供給された燃料を前記燃料極に導通させる流路を備えた燃料極側セパレータ及び供給された酸化剤ガスを前記酸化剤極に導通させる流路を備えた酸化剤極側セパレータで前記セパレータを構成する固体高分子形燃料電池と、
前記燃料を前記燃料極側セパレータに供給する燃料供給手段と、
前記酸化剤ガスを前記酸化剤極側セパレータに供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記固体高分子形燃料電池の発電に関する発電情報を検出する発電情報検出手段とを備え、
前記燃料供給手段及び前記酸化剤ガス供給手段のうち少なくとも一方の供給手段を、前記セパレータに供給する対象である供給対象流体を供給する対象流体供給機構及び前記供給対象流体を加湿する加湿流体を供給する加湿流体供給機構で構成するとともに、
前記供給対象流体と前記加湿流体とを混合する混合手段と、
前記発電情報に基づいて、前記供給対象流体及び前記加湿流体のうち少なくとも一方の供給量を制御する供給制御手段とを備えた
燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記流路を、前記供給対象流体の導通を許容する供給対象流体用流路と、前記加湿流体の導通を許容する加湿流体用流路とで構成し、
前記電極触媒層と前記セパレータとの間に配置するとともに、前記セパレータから前記電極触媒層に向かう方向、及び前記電極触媒層と前記セパレータとの対向面方向において互いに連通する連通孔を有し、該連通孔を通り、前記電極触媒層と前記セパレータとの対向面方向に拡散しながら前記セパレータから前記電極触媒層に向かって前記流路を導通する導通流体が浸透する拡散層を備え、
前記混合手段を、前記固体高分子形燃料電池の内部に配置した
請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記供給対象流体用流路と前記加湿流体用流路とを導通可能に接続する流路接続部を設け、
前記混合手段を、
前記供給対象流体用流路、前記加湿流体用流路及び前記流路接続部で構成した
請求項２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記拡散層を、前記セパレータから前記電極触媒層に向かって前記連通孔が細孔化する細孔化拡散層で構成するとともに、
前記混合手段を、前記細孔化拡散層で構成した
請求項２又は３に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記混合手段を、
前記固体高分子形燃料電池の外部に配置した
請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
固体高分子電解質膜、該固体高分子電解質膜を挟む態様の電極触媒層、及び該電極触媒層の外側に配置するセパレータで構成するセルを有するとともに、前記固体高分子電解質膜の一方側に配置する燃料極及び他方側に配置する酸化剤極で前記電極触媒層を構成し、供給された燃料を前記燃料極に導通させる流路を備えた燃料極側セパレータ及び供給された酸化剤ガスを前記酸化剤極に導通させる流路を備えた酸化剤極側セパレータで前記セパレータを構成する固体高分子形燃料電池であって、
前記流路を、前記燃料極側セパレータに供給される前記燃料及び前記酸化剤極側セパレータに供給される前記酸化剤ガスのうち少なくとも一方の供給対象流体の導通を許容する供給対象流体用流路と、前記供給対象流体を加湿する加湿流体の導通を許容する加湿流体用流路とで構成するとともに、
前記電極触媒層と前記セパレータとの間に配置するとともに、前記セパレータから前記電極触媒層に向かう方向、及び前記電極触媒層と前記セパレータとの対向面方向において互いに連通する連通孔を有し、該連通孔を通り、前記電極触媒層と前記セパレータとの対向面方向に拡散しながら前記セパレータから前記電極触媒層に向かって前記流路を導通する導通流体が浸透する拡散層と、
前記供給対象流体と前記加湿流体とを混合する混合手段とを備えた
固体高分子形燃料電池。
【請求項７】
前記供給対象流体用流路と前記加湿流体用流路とを導通可能に接続する流路接続部を設け、
前記混合手段を、
前記供給対象流体用流路、前記加湿流体用流路及び前記流路接続部で構成した
請求項６に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項８】
前記拡散層を、
前記セパレータから前記電極触媒層に向かって前記連通孔が細孔化する細孔化拡散層で構成するとともに、
前記混合手段を、前記細孔化拡散層で構成した
請求項６又は７に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項９】
発電情報検出手段によって検出された発電に関する発電情報に基づいて、供給量を制御する供給制御手段によって供給制御された前記供給対象流体及び前記加湿流体のうち少なくとも一方の供給を受け付ける
請求項６乃至８のうちいずれかにひとつに記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項１】
固体高分子電解質膜、該固体高分子電解質膜を挟む態様の電極触媒層、及び該電極触媒層の外側に配置するセパレータで構成するセルを有するとともに、前記固体高分子電解質膜の一方側に配置する燃料極及び他方側に配置する酸化剤極で前記電極触媒層を構成し、供給された燃料を前記燃料極に導通させる流路を備えた燃料極側セパレータ及び供給された酸化剤ガスを前記酸化剤極に導通させる流路を備えた酸化剤極側セパレータで前記セパレータを構成する固体高分子形燃料電池と、
前記燃料を前記燃料極側セパレータに供給する燃料供給手段と、
前記酸化剤ガスを前記酸化剤極側セパレータに供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記固体高分子形燃料電池の発電に関する発電情報を検出する発電情報検出手段とを備え、
前記燃料供給手段及び前記酸化剤ガス供給手段のうち少なくとも一方の供給手段を、前記セパレータに供給する対象である供給対象流体を供給する対象流体供給機構及び前記供給対象流体を加湿する加湿流体を供給する加湿流体供給機構で構成するとともに、
前記供給対象流体と前記加湿流体とを混合する混合手段と、
前記発電情報に基づいて、前記供給対象流体及び前記加湿流体のうち少なくとも一方の供給量を制御する供給制御手段とを備えた
燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記流路を、前記供給対象流体の導通を許容する供給対象流体用流路と、前記加湿流体の導通を許容する加湿流体用流路とで構成し、
前記電極触媒層と前記セパレータとの間に配置するとともに、前記セパレータから前記電極触媒層に向かう方向、及び前記電極触媒層と前記セパレータとの対向面方向において互いに連通する連通孔を有し、該連通孔を通り、前記電極触媒層と前記セパレータとの対向面方向に拡散しながら前記セパレータから前記電極触媒層に向かって前記流路を導通する導通流体が浸透する拡散層を備え、
前記混合手段を、前記固体高分子形燃料電池の内部に配置した
請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記供給対象流体用流路と前記加湿流体用流路とを導通可能に接続する流路接続部を設け、
前記混合手段を、
前記供給対象流体用流路、前記加湿流体用流路及び前記流路接続部で構成した
請求項２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記拡散層を、前記セパレータから前記電極触媒層に向かって前記連通孔が細孔化する細孔化拡散層で構成するとともに、
前記混合手段を、前記細孔化拡散層で構成した
請求項２又は３に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記混合手段を、
前記固体高分子形燃料電池の外部に配置した
請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
固体高分子電解質膜、該固体高分子電解質膜を挟む態様の電極触媒層、及び該電極触媒層の外側に配置するセパレータで構成するセルを有するとともに、前記固体高分子電解質膜の一方側に配置する燃料極及び他方側に配置する酸化剤極で前記電極触媒層を構成し、供給された燃料を前記燃料極に導通させる流路を備えた燃料極側セパレータ及び供給された酸化剤ガスを前記酸化剤極に導通させる流路を備えた酸化剤極側セパレータで前記セパレータを構成する固体高分子形燃料電池であって、
前記流路を、前記燃料極側セパレータに供給される前記燃料及び前記酸化剤極側セパレータに供給される前記酸化剤ガスのうち少なくとも一方の供給対象流体の導通を許容する供給対象流体用流路と、前記供給対象流体を加湿する加湿流体の導通を許容する加湿流体用流路とで構成するとともに、
前記電極触媒層と前記セパレータとの間に配置するとともに、前記セパレータから前記電極触媒層に向かう方向、及び前記電極触媒層と前記セパレータとの対向面方向において互いに連通する連通孔を有し、該連通孔を通り、前記電極触媒層と前記セパレータとの対向面方向に拡散しながら前記セパレータから前記電極触媒層に向かって前記流路を導通する導通流体が浸透する拡散層と、
前記供給対象流体と前記加湿流体とを混合する混合手段とを備えた
固体高分子形燃料電池。
【請求項７】
前記供給対象流体用流路と前記加湿流体用流路とを導通可能に接続する流路接続部を設け、
前記混合手段を、
前記供給対象流体用流路、前記加湿流体用流路及び前記流路接続部で構成した
請求項６に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項８】
前記拡散層を、
前記セパレータから前記電極触媒層に向かって前記連通孔が細孔化する細孔化拡散層で構成するとともに、
前記混合手段を、前記細孔化拡散層で構成した
請求項６又は７に記載の固体高分子形燃料電池。
【請求項９】
発電情報検出手段によって検出された発電に関する発電情報に基づいて、供給量を制御する供給制御手段によって供給制御された前記供給対象流体及び前記加湿流体のうち少なくとも一方の供給を受け付ける
請求項６乃至８のうちいずれかにひとつに記載の固体高分子形燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−９４４３８（Ｐ２０１２−９４４３８Ａ）
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４２３８９（Ｐ２０１０−２４２３８９）
【出願日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【出願人】（３０４０２１２８８）国立大学法人長岡技術科学大学 (458)
【出願人】（０００２２９７３７）日本ピラー工業株式会社 (337)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【出願人】（３０４０２１２８８）国立大学法人長岡技術科学大学 (458)
【出願人】（０００２２９７３７）日本ピラー工業株式会社 (337)
【Ｆターム（参考）】
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