CN101506591A - 加湿器用隔板、加湿器以及具备该加湿器的燃料电池系统 - Google Patents

加湿器用隔板、加湿器以及具备该加湿器的燃料电池系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种加湿器用隔板，其特征在于：具备与水蒸气透过膜(2)相接的主面、由在该主面上形成的凸凹的凹部(66、81)构成的流体流路(3、4)、从所述凸凹的凸部(67、82)的前端开始至少达到一定深度而形成的弹性层(1a、1c)。

Description

加湿器用隔板、加湿器以及具备该加湿器的燃料电池系统
技术领域
本发明涉及加湿器用的隔板、加湿器以及具备该加湿器的燃料电池系统，特别是有关隔板的结构。
背景技术
高分子电解质型燃料电池是通过使富氢的燃料气体与空气等的含氧的氧化剂气体发生电化学反应而产生电力和热的装置。对于在该燃料电池中使用的高分子电解质膜，为了保持电解质(氢离子)的离子传导性，对燃料气体和氧化剂气体(将这些称为反应气体)中的至少一种进行加湿而供给是必须的。在通常的燃料电池系统中，将从电池堆排出的高湿度的尾气或排放冷却水作为热源和水源，由全热交换型加湿器实施反应气体的加湿。
作为像这样的加湿器，已知有叠层隔板和水蒸气透过膜、连结该叠层体而形成的加湿器，上述隔板在一个主面上形成被加湿的反应气体流通的流路槽，在另一个主面上形成排放冷却水或尾气流通的流路槽(例如，参照专利文献1或专利文献2)。
在专利文献1或专利文献2公开的加湿器中，在支撑隔板的水蒸气透过膜的部分、特别是在位于反应气体流通的流路槽之间的部分，由于反应气体与尾气之间的压力差或排放冷却水冻结而引起的膨胀等，水蒸气透过膜偏向于一个隔板侧，就会存在水蒸气透过膜破损的问题。即，在使用作为被加湿气体的反应气体(二次流体)和作为加湿气体的尾气(一次流体)的加湿器的情况下，如果两气体之间的压力差较大则在压力低的一侧就会有水蒸气透过膜发生弯曲的情况。此外，在使用作为被加湿气体的反应气体(二次流体)和作为加湿流体的排放冷却水(一次流体)的加湿器的情况下，由于排放冷却水冻结而引起的膨胀在反应气体一侧会有水蒸气透过膜发生弯曲的情况。为此，在支撑水蒸气透过膜的部分(凸部)和位于反应气体或排放冷却水流通的流路槽(凹部)的部分，会产生施加于水蒸气透过膜的应力差，如果该应力差持续的局部作用，就会产生水蒸气透过膜破损的问题。
因此，鉴于水蒸气透过膜的机械强度较低、容易破损，提出了使用机械强度高的水蒸气透过膜的加湿装置的方案(例如，参照专利文献3)。
此外，还提出了下述方案：为了防止机械强度低的水蒸气透过膜的破损，设置具有网目状或多个透孔并且能够抑制水蒸气透过膜的弯曲的膜引导部件(例如，参照专利文献4)。
专利文献1：日本专利特开平9-7621号公报
专利文献2：日本专利特开2001-23662号公报
专利文献3：日本专利特开2000-348747号公报
专利文献4：日本专利特开2006-210150号公报
发明内容
但是，加湿器的加湿性能如通式(1)所示。如式(1)所示，每单位时间的能够从水向气体移动的水蒸气量与所使用的水蒸气透过膜的水蒸气透过膜系数、膜面积、水蒸气透过膜的两侧的水蒸气差压成比例。还有，在热交换型加热器的情况下，作为加湿领域的水蒸气差压的算术平均使用式(2)的对数平均水蒸气差压。
加湿能力(kg/sec)＝水蒸气透过系数(kg/sec/m2/Pa)×膜面积(m2)×水蒸气差压(Pa)……(1)
对数平均水蒸气差压＝{(Psat1-Psat3)-(Psat2-Psat4)}/LN{(Psat1-Psat3)/(Psat2-Psat4)}……(2)
在此，
Psat1：由入加湿流体(温水)的温度计算的饱和水蒸气压
Psat2：由出加湿流体(温水)的温度计算的饱和水蒸气压
Psat3：由入被加湿流体(干燥气体)的露点计算的饱和水蒸气压
Psat4：由出被加湿流体(加湿气体)的露点计算的饱和水蒸气压
综上可知，在专利文献4公开的加湿装置中，对应于在作为膜支撑部件的金属板上设置的多孔(开口)的开口率，有效的膜面积降低等而使得膜支撑部件成为水透过的阻抗，因此每单位面积的加湿能力降低。因此，为了进行补偿，就有必要增加膜面积即叠层段数，这样就会增加制造成本，因此还有可以进行改善的余地。
本发明就是鉴于以上的课题而悉心研究的结果，其目的在于提供一种简单结构的能够充分地抑制水蒸气透过膜的破损的加湿器用的隔板、通过具备上述隔板而能够进行安全运转、且加湿能力优异的加湿器、以及具备该加湿器的燃料电池系统。
为了解决上述现有的课题，本发明涉及的加湿器用的隔板具备：与水蒸气透过膜相接的主面；由在所述主面上形成的凸凹的凹部构成的流体的流路；和从所述凸凹的凸部的前端开始至少达到一定深度而形成的弹性层。
由此，能够缓冲并吸收施加于水蒸气透过膜的外力，并能够充分抑制水蒸气透过膜的破损。
本发明所涉及的隔板，所述弹性层的厚度可以是所述水蒸气透过膜的厚度的1.66倍以上。
本发明所涉及的隔板，可以由所述弹性层和刚性层构成。
由此，隔板即使在较薄的情况下，也能够具有充分的强度。
本发明所涉及的隔板，在所述刚性层的表面突出设置有所述弹性层构成的壁部，所述壁部构成所述凸凹的凸部，所述壁部之间的空间构成作为所述凸凹的凹部的流路。
本发明所涉及的隔板，整个所述凸部可以由所述弹性层构成。
本发明所涉及的隔板，具备设置于一个所述主面的第一弹性层和设置于另一个所述主面的第二弹性层，所述第一弹性层和所述第二弹性层通过设置于所述刚性层的贯通孔而连接。
本发明所涉及的隔板，所述隔板的整体由所述弹性层构成。
本发明所涉及的隔板，所述弹性层优选构成为，含有不含硫的氟橡胶或EPDM。
本发明所涉及的隔板，所述弹性层的硬度优选以由JIS K6200规定的DUROMETER硬度表示为A标度30～100。
由此，能够将隔板兼用作流体密封用的密封部件，并且能够将加湿器制成更加简单的结构。
此外，本发明所涉及的加湿器具备隔板和水蒸气透过膜，利用设置有所述弹性层的隔板的所述主面夹持所述水蒸气透过膜的方式叠层并连结所述隔板和水蒸气透过膜，一次流体在与所述水蒸气透过膜相接的一个主面上的第一流路中流通，二次流体在与所述水蒸气透过膜相接的另一个主面上的第二流路中流通，由此，所述一次流体中所含的水分透过所述水蒸气透过膜，对所述二次流体进行加湿。
由此，本发明所涉及的加湿器，具有简单的结构，能够充分抑制水蒸气透过膜的破损，并且，加湿能力优异、能够安全运转。
此外，本发明所涉及的燃料电池系统具备使用燃料气体和氧化剂气体进行发电的燃料电池、在所述燃料气体和所述氧化剂气体中的至少任一个的气体供给路径上设置的上述加湿器。
由此，能够抑制由于在加湿器中的水蒸气透过膜的差压、冻结等的原因引起的物理性的损伤，因此能够提高燃料电池系统的可靠性。
发明效果
根据本发明的加湿器用的隔板、加湿器以及具备该加湿器的燃料电池系统，利用极为简单的结构，能够抑制由于差压、冻结等的原因而引起的水蒸气透过膜的物理性的损伤，并且，与目前的相比较能够构成高性能的加湿器。再有，通过将本发明的加湿器搭载于燃料电池系统中，相对于差压、冻结等问题能够提高燃料电池系统的可靠性。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1的加湿器的概略结构的模式图。
图2是示意性地表示由图1所示的加湿器的加湿单元的概略结构的截面图。
图3(a)是表示构成图2中的隔板的刚性层的概略结构，并且是沿着图2的IIIa-IIIa线的截面图。
图3(b)是图2中的隔板的正面图。
图3(c)是图2中的隔板的背面图。
图4(a)是示意性地表示在比较例1的加湿器中的加湿单元叠层体的概略结构的截面图。
图4(b)是表示由图4(a)所示的加湿单元的隔板的概略结构的模式图。
图5(a)是示意性地表示在比较例2的加湿器中的加湿单元叠层体的概略结构的截面图。
图5(b)是表示由图5(a)所示的加湿单元的隔板的概略结构的模式图。
图6是标绘从实施例1的加湿器和比较例2的加湿器排出的氧化剂气体的露点和水蒸气透过系数的图表。
图7是表示使用本实施方式1的加湿器的燃料电池系统的概略结构的框图。
图8是表示在实施例1的加湿器和比较例2的加湿器中的设计条件的表。
图9是示意性地表示在支撑水蒸气透过膜的凸部和凹部上，在产生水蒸气透过膜的应力差时的加湿器单元的状态的截面图。
图10是表示由图9所示的曲率半径R、水蒸气透过膜的膜厚t和应力集中的程度(即应力集中系数)的关系的图表。
图11是示意性地表示本发明的实施方式2的加湿器的隔板的概略结构的正面图。
图12是表示本发明的实施方式3的加湿器中的隔板的概略结构的模式图。
图13是示意性地表示本发明的实施方式4的加湿器的加湿单元叠层体的概略结构的截面图。
图14是示意性地表示本发明的实施方式5的加湿器的加湿单元叠层体的概略结构的截面图。
图15是示意性地表示本发明的实施方式6的加湿器的加湿单元叠层体的概略结构的截面图。
图16是表示使用本实施方式1的加湿器的燃料电池系统的概略结构的框图。
图17是表示构成由图14所示的加湿单元叠层体的隔板的刚性层的概略结构的模式图。
图18是示意性地表示本发明的实施方式7的加湿器的加湿单元叠层体的概略结构的截面图。
符号说明
1 隔板
1a 弹性层
1b 刚性层
1c 弹性层
1d 弹性体
2 水蒸气透过膜
3 第一流路(冷却水流路)
4 第二流路(氧化剂气体流路)
5 垫圈(流体密封)
6 槽
7 突起部
11 加湿单元
21 二次流体供给用歧管
22 二次流体排出用歧管
23 一次流体供给用歧管
24 一次流体排出用歧管
31 二次流体供给用配管
32 二次流体排出用配管
33 一次流体供给用配管
34 一次流体排出用配管
41a 第一端板
41b 第二端板
50 加湿单元叠层体
51 加湿单元堆
61 二次流体供给用歧管孔
62 二次流体排出用歧管孔
63 一次流体供给用歧管孔
64 一次流体排出用歧管孔
65 贯通孔
66 第一凹部
67 第一凸部
68 角部
69 凹部
70 凸部
71 二次流体供给用歧管孔
73 一次流体供给用歧管孔
81 第二凹部
82 第二凸部
100 加湿器
100a 加湿器
100b 加湿器
101 高分子电解质型燃料电池(PEFC)
102 氧化剂气体供给装置
103 总热量交换器
104 冷却水供给装置
具体实施方式
以下参照附图对本发明的优选的实施方式进行说明。其中，在所有的附图中，在相同或相当部分标注相同符号，省略重复说明。
(实施方式1)
首先，对本发明的实施方式1的加湿器进行说明。
[加湿器]
图1是表示本发明的实施方式1的加湿器的概略结构的模式图。其中，在图1中，将加湿器中的上下方向作为图上的上下方向表示。
如图1所示，本实施方式1的加湿器100具有加湿单元堆51。加湿单元堆51包括：具有板状的整体形状的加湿单元11在其厚度方向上叠层而形成的加湿单元叠层体50、在加湿单元叠层体50的两端配置的第一和第二端板41a、41b、在加湿单元11的叠层方向上连结加湿单元叠层体50与第一和第二端板41a、41b的未图示的连结具。其中，板状的加湿单元11与垂直面平行而延伸，加湿单元11的叠层方向为水平方向。
在加湿单元叠层体50的一个侧部(以下称为第一侧部)的上部，以在该加湿单元叠层体50的叠层方向上贯通的方式形成二次流体供给用歧管21。二次流体供给用歧管21的一端与在第一端板41a上形成的贯通孔连通，二次流体供给用配管31与该贯通孔连接。二次流体供给用歧管21的另一端被第二端板41b封闭。
此外，在加湿单元叠层体50的另一个侧部(以下称为第二侧部)的下部，以在该加湿单元叠层体50的叠层方向贯通的方式形成二次流体排出用歧管22。二次流体排出用歧管22的一端与在第二端板41b上形成的贯通孔连通，二次流体排出用配管34与该贯通孔连接。二次流体排出用歧管22的另一端被第一端板41a封闭。
在加湿单元叠层体50的第一侧部的下部，以在该加湿单元叠层体50的叠层方向上贯通的方式形成一次流体供给用歧管23。一次流体供给用歧管23的一端与在第二端板41b上形成的贯通孔连通，一次流体供给用配管33与该贯通孔连接。一次流体供给用歧管23的另一端被第一端板41a封闭。
此外，在加湿单元叠层体50的第二侧部的上部，以在该加湿单元叠层体50的叠层方向上贯通的方式形成一次流体排出用歧管24。一次流体排出用歧管24的一端与在第一端板41a上形成的贯通孔连通，一次流体排出用配管34与该贯通孔连接。一次流体排出用歧管24的另一端被第二端板41b封闭。
接着，对本实施方式1的加湿器100的加湿单元11进行说明。
图2是示意性地表示图1所示的加湿器100的加湿单元叠层体50的概略结构的截面图。其中，在图2中省略了其一部分。
如图2所示，加湿单元11具有板状的一对隔板1和片状的水蒸气透过膜2。在水蒸气透过膜2的周边部上设置有在厚度方向上贯通的二次流体供给用歧管孔71、一次流体供给用歧管孔73等的歧管孔。并且，水蒸气透过膜2能够用设置有多个使水蒸气透过的在厚度方向上贯通的微小孔的膜(例如，旭化成株式会社生产，商品名Hipore 7025)或具有水蒸气透过能力的膜(例如，全氟磺酸树脂(Du Pond公司制造，商品名Nafion)构成，只要能够透过水蒸气就没有特别限定。
于是，以夹持水蒸气透过膜2的方式配设一对隔板1。隔板1具有一对第一弹性层1a和第二弹性1c、以及板状的刚性层1b，在刚性层1b的两个主面上形成第一弹性层1a和第二弹性层1c。在隔板1的一个主面(第一弹性层1a的外面)上设置有用于流通二次流体的第二流路4，在另一个主面(第二弹性层1c的外面)上设置有用于流通一次流体的第一流路3。此外，在隔板1的周边部上设置在厚度方向上贯通的二次流体供给用歧管孔61、一次流体供给用歧管孔63等的歧管孔。
通过在这样形成的加湿单元11的厚度方向上叠层加湿单元11，形成加湿单元叠层体50。设置于隔板1和水蒸气透过膜2的二次流体供给用歧管孔61等歧管孔，在叠层加湿单元11的情况下，在厚度方向上各个连接，分别形成二次流体供给用歧管21等的歧管。于是，通过使一次流体在设置于各加湿单元11的第一流路3中流通，且使在二次流体在第二流路4中流通，一次流体中所含的水分透过水蒸气透过膜2而对二次流体进行加热。
接着，参照图3对隔板1的结构进行详细说明。
图3(a)是表示构成图2中的隔板1的刚性层1b的概略结构，并且是沿着图2的IIIa-IIIa线的截面图。图3(b)是图2中的隔板1的正面图。图3(c)是图2中的隔板1的背面图。其中，在图3(a)至图3(c)中，在隔板1的刚性层1b、第一弹性层1a或第二弹性层1c上的上下方向在图中以上下方向表示。
如图3(a)所示，在刚性层1b的周边部上设置在厚度方向上贯通的二次流体供给用歧管孔61、二次流体排出用歧管孔62、一次流体供给用歧管孔63和一次流体排出用歧管孔64。并且，在刚性层1b上，在上述各歧管孔设置的部分以外的部分上设置在厚度方向上贯通的贯通孔65。在该贯通孔65上，以连接第一弹性层1a和第二弹性层1c的方式埋设有与构成第一弹性层1a和第二弹性层1c的弹性层相同的弹性体1d(参照图2)。由此，能够确保刚性层1c的两个主面与第一弹性层1a和第二弹性层1c的内面的紧密附着性。
如图3(b)所示，在第一弹性层1a的周边部上设置在厚度方向上贯通的二次流体供给用歧管孔61、二次流体排出用歧管孔62、一次流体供给用歧管孔63和一次流体排出用歧管孔64。此外，在第一弹性层1a的外面形成第一凹部66。在此，第一凹部66以正面观察(从厚度方向进行观察)具有大致四边形状，其角部形成为带有圆弧的形状。此外，在第一凹部66上设置有从其底面向厚度方向突出的多个第一凸部67。于是，由第一凹部66和第一凸部67构成第一凸凹，第一凹部66的没有设置第一凸部67的部分构成第二流路4。再有，第二流路4的上端部4a从第一凹部66的上端延伸至上方，并且，第二流路4的下端部4b从第一凹部66的下端延伸至下方。
此外，如图3(c)所示，与第一弹性层1a相同，在第二弹性层1c的周边部上设置在厚度方向上贯通的二次流体供给用歧管孔61、二次流体排出用歧管孔62、一次流体供给用歧管孔63和一次流体排出用歧管孔64。并且，在第二弹性层1c的外面形成第二凹部81。在此，第二凹部81从背面观察(从厚度方向进行观察)具有大致四边形状，其角部形成为带有圆弧的形状。此外，在第二凹部81上设置有从其底面向厚度方向突出的多个第二凸部82。于是，由第二凹部81和第二凸部82构成第二凸凹，第二凹部81的没有设置第二凸部82的部分构成第一流路3。此外，第一流路3的上端部3a从第二凹部81的上端延伸至上方，而第一流路3的下端部3b从第二凹部81的下端延伸至下方。
并且，在此，第二流路4虽然在第一凹部66的没有设置第一凸部67的部分上构成，但是并不限定于此，如果以二次流体在第一弹性层1a的主面的大致全部区域流通、由该主面凹下的方式形成，则例如也可以以多个槽形成。此外，第一流路3也同样，如果是以一次流体在第二弹性层1c的主面的大致全部区域流通、由该主面凹下的方式形成，则例如也可以以多个槽形成。
下面，针对如此构成的本实施方式1的加湿器100的水蒸气透过膜2的厚度与隔板1的第一和第二弹性层1a、1c的厚度的关系进行说明。
首先，参照图2和图9对水蒸气透过膜2破损的原因进行说明。图9是示意性地表示在支撑水蒸气透过膜2的第一凸部67和第一凹部66上，在产生施加于水蒸气透过膜2的应力差时的加湿器单元11的状态的截面图。其中，在图9中省略了一部分，并且省略了剖面线。
如图2和图9所示，第一弹性层1a的厚度T(距离第一弹性层1a的与水蒸气透过膜2相接的表面(第一弹性层1a的外面)的深度)为第一弹性层1a的外面和内面之间的距离。
此外，如图9所示，一次流体和二次流体之间的压力差较大的情况下(在此，是指二次流体的压力比一次流体的压力大)，第一凸部67的角部68局部的施加压力P(应力集中)。然后，在本实施方式1的隔板1上，第一凸部67以弹性体(第一弹性层1a)构成，因此第一凸部67的角部68会发生弹性变形。此时，角部68的弹性变形量(第一弹性层1a的被压缩的厚度)ΔT与角部68的曲率半径R相同(ΔT＝R…(5))。
然后，如图9所示，水蒸气透过膜2的膜厚t或曲率半径R较小的情况下，水蒸气透过膜2会发生破损。因此，可以知道，隔板1的第一弹性层1a中的第一凸部67的角部68发生弹性变形时，如果具有规定的曲率半径R，水蒸汽透过膜2就不会发生破损。
接着，针对水蒸气透过膜2的厚度和隔板1的第一和第二弹性层1a，1c的厚度关系进行说明。并且，在此，第一弹性层1a和第二弹性层1c具有同样的结构，因此，仅对第一弹性层1a的厚度和水蒸气透过膜2的厚度的关系进行说明，省略有关第二弹性层1c的说明。
图10是表示由图9所示的曲率半径R、水蒸气透过膜2的膜厚t和应力集中的程度(即应力集中系数)的关系的图表。如图10所示，应力集中系数在1.5以下，应力集中系数的值基本上没有变化。因此，如果按照应力集中系数为1.5以下，换言之，按照曲率半径R/膜厚t为0.5以上(R/t≥0.5…(6))的方式调整水蒸气透过膜2的膜厚和隔板1的第一凸部67的角部68的曲率半径R，则施加于水蒸气透过膜2的应力的集中会得到缓和，能够抑制水蒸气透过膜2的破损。
但是，构成第一弹性层1a的弹性体的一般极限压缩率(不发生弹性破坏的压缩率)为30％，如果以第一弹性层1a的被压缩的厚度为ΔT，则ΔT/T≤0.3…(7)成立。在此，在式(7)中，在第一凸部67(第一弹性层1a)为最大被压缩时的厚度T，为T＝0.3×ΔT…(8)。于是，如上所述，在第一凸部67(第一弹性层1a)被最大压缩时，为了避免水蒸气透过膜2破损，第一凸部67的角部68必须具有规定的曲率半径R。
因此，将式(5)和式(8)代入式(6)，经整理成为T≥1.66×t…(9)，第一弹性层1a的厚度T优选为水蒸气透过膜2的厚度t的1.66倍以上。
此外，如上所述的第一弹性层1a的厚度T虽然优选为水蒸气透过膜2的厚度t的1.66倍以上，但是第一弹性层1a的厚度T＝t×1.66是为了抑制水蒸气透过膜的破损的理论下限值，因此从提高可靠性的角度出发，第一弹性层1a的厚度T更优选至少是水蒸气透过膜厚度t的2倍以上。
如上所述，在隔板1的与水蒸气透过膜的2相接的整个主面上，其表层部以弹性体构成其表层部的第一弹性层1a、或者以第二弹性层1c构成，由此就能够缓冲并吸收一次流体和二次流体的压力差以及由于排放冷却水的冻结而引起的施加于水蒸气透过膜2的外力，并能够更进一步抑制水蒸气透过膜2的物理性损伤。
接着，对隔板1的各个构成要素进行如下说明。
在此，构成隔板1的第一和第二弹性层1a，1c的弹性体是有机高分子弹性体，具体来说，由弹性体(elastomer)和/或多孔塑料(plasticfoam)构成。作为弹性体(elastomer)，可以列举橡胶或热塑性弹性体，作为多孔塑料优选开孔发泡塑料或者软质的多孔塑料。此外，作为构成隔板1的第一和第二弹性层1a、1c的弹性体，在燃料电池中使用铂催化剂的情况下，从维持催化剂的活性的观点出发，优选使用不含硫的氟橡胶或过氧化物交联EPDM，并且，从隔板的制造容易或低成本化的观点出发，优选使用聚烯烃类热塑性弹性体(例如，EXXON公司制造的商品名サントプレ—ン)。
此外，作为弹性体(第一和第二弹性层1a，1c)的硬度，从维持第一凸部67、81的形状的观点出发，优选以由JIS K6200规定的DUROMETER硬度表示为A标度30以上，从抑制水蒸气透过膜2的物理性损伤的观点出发，优选为以由JIS K6200规定的DUROMETER硬度表示为A标度100以下。此外，如果形成为上述结构，通常形成与配置于隔板周边部的密封部件的硬度(例如，在O形环上，以由JISK6200规定的DUROMETER硬度表示为A标度60)相同的硬度，因此，即使不配置密封部件也能够防止二次流体等泄漏到加湿器的外部，能够以更为简易的结构且低成本制造加湿器。
作为构成隔板1的刚性层1b的部件，如果能够保持隔板1的外形，就可以使用铝、铜、铁、不锈钢等的金属、酚醛树脂、环氧树脂等的热固化性树脂、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、ABS树脂、AS树脂、丙烯酸树脂、聚甲醛、聚碳酸酯、聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚砜等的热塑性树脂，并没有特别的限定。
通过具有刚性层，能够制成具有充分强度的隔板。
如上所述，在本实施方式1的加湿器100中，以弹性体(第一弹性体1a或第二弹性体1c)形成构成加湿器100的隔板1的两主面的从该主面直到一定深度的部分，由此，利用弹性体缓冲并吸收由一次流体和二次流体的压力差、排放冷却水的冻结等而造成的施加于水蒸气透过膜2的压力，从而能够防止水蒸气透过膜2的破损。并且，通过将隔板1的主面的硬度制成与通常所配置的密封部件的硬度相同，即使不配置密封部件也能够防止二次流体等的泄漏，从而能够以更简易的构成、更低的成本制造加湿器。
此外，作为具有如此结构的隔板1的制造方法，例如也可以如下所述进行制造：使用将多个贯通孔设置于恰当的位置的金属板形成刚性层1b，在该刚性层1b上对氟橡胶进行锚固成形，由此形成第一弹性层1a和第二弹性层1c而制造；或者，使用聚丙烯形成刚性层1b，使用聚烯烃类热塑性弹性体形成第一弹性层1a和第二弹性层1c，如上所述，通过两种物质成形(double molding)而制造。
另外，在此，虽然由一对第一和第二弹性层1a、1c和刚性层1b构成隔板1，但是并不只限定于此。即，与水蒸气透过膜2相接的部分也可以由弹性体构成。特别是构成第一流路3或第二流路4，与水蒸气透过膜2相接的第一凸部67是容易发生水蒸气透过膜2的损伤的部分，因此，该第一凸部67的与水蒸气透过膜相接的部分可以由弹性体构成。此外，也可以由弹性体构成整个隔板1。
接着，对使用本实施方式1的加湿器的燃料电池系统进行说明。
[燃料电池系统]
图7和图16是表示使用本实施方式1的加湿器的燃料电池系统的概略结构的框图。其中，在图7和图16中省略了一部分。
如图7所示，燃料电池系统200具备PEFC101、氧化剂气体供给装置102、总热量交换器103、加湿器100、冷却水供给装置104。此外，构成燃料电池系统200的各种机器除了加湿器100之外都使用公知的机器，因此省略对这些公知机器的详细说明。
以下对一次流体(此处为排放冷却水)和二次流体(此处为氧化剂气体)的流动进行说明，并兼作燃料电池系统200的结构的说明。
氧化剂气体从氧化剂气体供给装置102供给至总热量交换器103。并且，来自于PEFC101的未反应的氧化剂气体作为尾气被供给至总热量交换器103。在此，使用全热交换率为50％的总热量交换器，在被供给的氧化剂气体和尾气之间进行热交换，此外，氧化剂气体被加湿。然后，被加湿的氧化剂气体被供给加湿器100，被供给的氧化剂气体以如上所述的方式在加湿器100内被进一步加湿。于是，在加湿器100中被加湿的氧化剂气体被供给至PEFC101。在PEFC101中，氧化剂气体与由另外途径供给的燃料气体反应而产生电力，未反应的氧化剂气体被供给至总热量交换器103。
另一方面，冷却水在冷却水供给装置104内被冷却或被加热至适当的温度，然后被供给至PEFC101。被供给至PEFC101的冷却水与构成PRFC101的单元堆进行热交换，然后从PEFC101排出。从PEFC101排出的冷却水(以下称之为排放冷却水)被供给至加湿器100。被供给至加湿器100的排放冷却水与氧化剂气体进行热交换，然后被供给至冷却水供给装置104。
此外，在此，虽然是以两个阶段对氧化剂气体(二次流体)进行加湿，但是并不只限定于此，仅以本实施方式1的加湿器100对氧化剂气体进行加湿也可以，此外，作为对氧化剂气体进行加湿的一次流体，可以使用从燃料电池排出的尾气。此外，也可以由本实施方式1的加湿器100构成总热量交换器103。
此外，如图16所示，将由燃料气体供给装置105供给至PEFC101的燃料气体供给至适用于总热量交换器103的本实施方式1的加湿器的结构也可以。具体来说，由燃料气体供给装置105生成的燃料气体作为二次流体被供给至总热量交换器103。另一方面，在PEFC101中未被使用的未使用燃料气体(以下称之为排放燃料气体)作为一次流体被供给至总热量交换器103，因此，在总热量交换器103中燃料气体被加湿。然后，被加湿的燃料气体被供给至PEFC101。此外，进行燃料气体与水分交换之后的排放燃料气体作为燃烧用燃料被供给至燃料供给装置105的未图示的燃烧炉。
(实施方式2)
图11是示意性地表示本发明的实施方式2的加湿器中的隔板的概略结构的正面图。
如图11所示，本发明的实施方式2的隔板1虽然与实施方式1的隔板1的结构基本相同，但是第一凸部67的结构有所不同。具体来说，在实施方式1中，第一凸部67被形成为：以正面观察(从隔板1的厚度方向进行观察)的形状大致为圆形(参照图3(b))，而在本实施方式2中，从隔板1的厚度方向进行观察，则形成为在隔板1的上下方向延伸的带状。此外，隔板1的背面与隔板1的正面的结构相同(第二凸部82的结构与第一凸部67相同)，因此，在此省略对隔板1的背面的详细说明。
即使是使用如上所述构成的本实施方式2的隔板1的加湿器，也能够得到与实施方式1的加湿器100相同的作用效果。
(实施方式3)
图12是表示本发明的实施方式3的加湿器中的隔板的概略结构的模式图。
如图12所示，本发明的实施方式3的隔板1虽然与实施方式1的隔板1的结构基本相同，但是第一凹部66和第一凸部67的结构有所不同。具体来说，分别在隔板1的上部和下部形成第一凹部66a、66b。第一凹部66a、66b以正面观察，具有大致四边形状，其角部形成为带有圆弧的形状。此外，在第一凹部66a、66b上分别设置有从其底面向厚度方向突出的多个第一凸部67a、67b。于是，以连通第一凹部66a的下端的一方的侧部侧与第一凹部66b的上端的另一方的侧部侧的方式形成槽状的流路69。由该第一凹部66a、66b的不设置第一凸部67a、67b的部分和流路69构成第二流路4。此外，隔板1的背面与隔板1的正面结构相同，因此，在此省略了对隔板1背面的详细的说明。
即使是使用如上所述构成的本实施方式3的隔板1的加湿器，也能够得到与实施方式1的加湿器100相同的作用效果。
(实施方式4)
图13是示意性地表示本发明的实施方式4的加湿器的加湿单元叠层体的概略结构的截面图。其中，在图13中省略了其一部分。
如图13所示，本发明的实施方式4的加湿器的加湿单元11，与实施方式1的加湿器100的加湿单元11的结构基本相同，但是在将第一凹部66的底面形成为刚性层1b的结构的方面不同。即，将第一和第二弹性层1a、1c突出设置于刚性层1b的表面。然后，该刚性层1b的表面上的没有设置第一和第二弹性层1a、1c的部分构成第一凹部66和第二凹部81的底面。此外，在第一和第二弹性层1a、1b的从刚性层1b的表面突出的部分中周缘部之外的部分，分别构成第一凸部67和第二凸部82的壁部。
通过形成上述的结构，在维持实施方式1的作用效果的基础上，还能够减小第一或第二弹性层1a、1c的体积，在以昂贵的弹性体构成第一和第二弹性层1a、1c时，能够实现隔板1的低成本化，进而能够实现燃料电池系统的低成本化。
(实施方式5)
图14是示意性地表示本发明的实施方式5的加湿器的加湿单元叠层体的概略结构的截面图。图17是表示构成图14所示的加湿单元叠层体50的隔板1的刚性层1b的概略结构的模式图。其中，在图14中省略了其一部分。
如图14和图17所示，本发明的实施方式5的加湿器的加湿单元11，与实施方式1的加湿器100的加湿单元11的结构基本相同，但在以下方面有所不同。即，在刚性层1b的主面上，从正面观察，形成大致四边形的凹部69，在刚性层1b的该凹部69的底面设置有向厚度方向突出的多个凸部70(参照图17)。在凸部70上设置有在厚度方向贯通的贯通孔65。
此外，以从凸部70的主面(表面)和刚性层1b的主面的周边部(没有设置凹部69的部分)突出的方式设置第一和第二弹性层1a、1c。然后，刚性层1b的凹部69构成第一凹部66或第二凹部81，凸部70和从该凸部70的表面突出设置的第一和第二弹性层1a、1c分别构成第一凸部67和第二凸部82的壁部。其中，第一和第二弹性层1a、1c的厚度T构成为水蒸气透过膜2的厚度t的1.66倍以上(在此，为1.67倍)。
通过形成上述的结构，在维持实施方式1的作用效果的基础上，能够进一步减小第一或第二弹性层1a、1c的体积，在以昂贵的弹性体构成第一和第二弹性层1a、1c时，能够实现隔板1的低成本化，进而能够实现燃料电池系统的低成本化。
此外，刚性层1b作为芯材发挥功能，能够长时期稳定并保持第一凸部67或第二凸部82的形状，所以能够抑制由于第一凸部67或第二凸部82的形状崩溃而引起的第二流路4或第一流路3的堵塞等的问题。
(实施方式6)
图15是示意性地表示本发明的实施方式6的加湿器的加湿单元叠层体的概略结构的截面图。其中，在图15中省略了其一部分。
如图15所示，本发明的实施方式6的加湿器的加湿单元11，与实施方式1的加湿器100的加湿单元11的构成基本相同，但在下述方面有所不同：不将贯通孔65设置于刚性层1b，而且由刚性层1b构成第一凹部66或第二凹部81的底面，第一凸部67和第二凸部82从刚性层1b的主面突出设置。此外，本实施方式6的加湿器11的隔板1能够使用相同的烯烃类的材料，通过两种物质成形而制造刚性层1b和第一和第二弹性层1a、1c(例如，使用聚烯烃形成刚性层1b，使用聚烯烃类热塑性弹性体形成第一弹性层1a和第二弹性层1c)。
通过形成上述的结构，在维持实施方式1的作用效果的基础上，能够进一步减小第一或第二弹性层1a、1c的体积，在以昂贵的弹性体构成第一和第二弹性层1a、1c时，能够实现隔板1的低成本化，进而能够实现燃料电池系统的低成本化。
(实施方式7)
图18是示意性地表示本发明的实施方式7的加湿器的加湿单元叠层体的概略结构的截面图。其中，在图18中省略了其一部分。
如图18所示，本发明的实施方式7的加湿器的加湿单元11，与实施方式6的加湿器100的加湿单元11的结构基本相同，但在下述方面有所不同：在刚性层1b的主面设置刚性层1b向厚度方向突出的多个突起部7，并且以覆盖该突起部7的方式形成第一和第二弹性层1a、1c。
通过形成上述结构，在维持实施方式1的作用效果的基础上，能够减小第一或第二弹性层1a、1c的体积，在以昂贵的弹性体构成第一和第二弹性层1a、1c时，能够实现隔板1的低成本化，进而能够实现燃料电池系统的低成本化。
此外，刚性层1b作为芯材起作用，能够在长时期稳定并保持第一凸部67或第二凸部82的形状，因此能够抑制由于第一凸部67或第二凸部82的形状崩溃而引起的第二流路4或第一流路3的堵塞等问题。
此外，虽然在上述实施方式1～4、6中，是通过弹性体形成第一凸部67或第二凸部82的结构，该第一凸部67或第二凸部82形成隔板1的流通一次流体或二次流体的第一流路3或第二流路4，但并不限于此，如实施方式5或7所示的，利用弹性体形成距离第一凸部67或第二凸部82的与水蒸气透过膜2相接的表面的规定范围(水蒸气透过膜2的厚度t的1.66倍以上)，形成作为第一凸部67或第二凸部82的芯材的刚性层1b的结构也可以。此外，在上述实施方式1～7中，隔板1的主面的周边部构成为由弹性体形成，但并不只限定于此，例如，隔板1的主面的周边部也可构成为由刚性层1b形成。
以下，与实施例一起说明本实施方式1的加湿器100的性能评价试验。此外，在以下说明中，使用冷却水作为一次流体，使用氧化剂气体作为二次流体。
(实施例1)
实施例1的加湿器作成为本实施方式1的加湿器100的结构。
隔板1是使用加入了玻璃填料的聚丙烯(PRIME POLYMER公司，商品名R350G)和聚烯烃类热塑性弹性体(EXXON公司制商品名サントプレ—ン8260硬度为A标度60)，以两种物质成形而制作。此时，构成隔板1的第一流路(以下，称为冷却水流路)3和第二流路(以下，称为氧化剂气体流路)4的第一凹部66的长边方向的长度为100mm、短边方向的宽度尺寸为50mm(有效加湿面积为0.03m2)、深度尺寸为为1mm。
作为水蒸气透过膜2，使用全氟磺酸膜(Du Pond公司生产，商品名Nafion117)，在规定位置形成氧化剂气体供给用歧管孔71等的歧管孔。
仅叠层必要数目的如上所述制作的隔板1和水蒸气透过膜2，制作加湿单元叠层体51，以连结板夹持该加湿单元叠层体51的两端，进行连结，制作加湿器100。
(比较例1)
图4(a)是示意性地表示在比较例1的加湿器100a中的加湿单元叠层体50的概略结构的截面图。图4(b)是表示由图4(a)所示的加湿单元11的隔板1的概略结构的模式图。其中，在图4(a)中省略了一部分。
在比较例1中所使用的隔板1的基本结构与实施例1的隔板1相同，但在以下方面有所不同。
如图4(b)所示，在比较例1中使用的隔板1设置为：用于在其主面的周边部配置垫圈(流体密封)5的槽6包围冷却水流路3(或氧化剂气体流路4)、氧化剂气体供给用岐管孔61等的岐管孔。此外，如图4(a)所示，比较例1的隔板1不构成第一弹性层1a和第二弹性层1c，仅以加入玻璃填料的聚丙烯(即，仅为刚性层1b)制成。
水蒸气透过膜2使用与实施例1相同的物质。此外，垫圈5使用切成适当形状的过氧化物交联EPDM。
然后，仅叠层必要数目的将垫圈5配置到槽6而制成的隔板1和水蒸气透过膜2，从而制作加湿单元叠层体51，以连结板夹持该加湿单元叠层体51的两端，进行连结，从而制作加湿器100a。
(比较例2)
图5(a)是示意性地表示在比较例2的加湿器100b中的加湿单元叠层体50的概略结构的截面图。图5(b)是表示图5(a)所示的加湿单元11的隔板1的概略结构的模式图。其中，在图5(a)中省略了一部分。
比较例2的加湿器100b构成为：具有作为日本专利文献3公开的膜支撑部的图5(a)和图5(b)所示的膜保护部材7。此外，在比较例2中，为了容易进行与实施例1或者比较例1的对比，比较例2的隔板1虽然其基本结构与比较例1的隔板1相同，但是在以下方面不同。
如图5(a)所示，比较例2的隔板1制成为：两主面的周边部从第一凸部67的上端面的位置向厚度方向仅突出膜保护部材7的厚度尺寸，以使得膜保护部材7配置于氧化剂气体流路4(或冷却水流路3)。
在此，膜保护部材7是使用60目的聚丙烯网状物(开口率60％)，并以能够正好容纳于第一凹部66的方式切断而使用。此外，水蒸气透过膜2使用与实施例1和比较例2相同的物质。
然后，将垫圈5配置于隔板1的槽6，将膜保护部材7配置于第一凹部66，仅以必要数目叠层配置它们的隔板1和水蒸气透过膜2，从而制作加湿单元叠层体51，以连结板夹持该加湿单元叠层体51的两端，进行连结，从而制作加湿器100b。
接着，使用这些加湿器，进行性能评价试验。
[性能评价试验1]
在性能评价试验1中使用以一对隔板1夹持水蒸气透过膜2并进行叠层的(将这称之为单段)实施例1的加湿器100和单段的比较例2的加湿器100b进行。作为试验方法，在冷却水流路3中以3.3m/sec的流量流通70℃的冷却水，此外，在氧化剂气体流路4中以30m/sec的流量流通露点换算温度(将气体中的全水分量换算成露点的温度)为10℃以下的干燥空气(氧化剂气体)，从而测定从各个加湿器排出的氧化剂气体的水蒸气量(露点)。然后，从测定的露点和上述的式1和式2计算出水蒸气透过系数，与氧化剂气体的流速一起进行标绘。其结果示于图6。
如图6所示，实施例1的加湿器100的水蒸气透过系数的近似曲线如式(3)所示，而另一方面，比较例2的加湿器100b的水蒸气透过系数的近似曲线如式(4)所示。
y＝1.43×10-7Ln(x)+2.86×10-7   …(3)
y＝1.08×10-7Ln(x)+2.25×10-7   …(4)
在此，y为水蒸气透过系数，x为氧化剂气体的流速。
由此，可以了解：在比较例2的加湿器100b中，根据膜保护部材7的开口率，水蒸气透过膜2的实质上的膜面积下降，水蒸气透过膜2的每单位面积的加湿性能大约下降了20％。
接着，试验该性能的差异对实际的燃料电池系统会产生什么影响。
[性能评价试验2]
在性能评价试验2中，构筑图7所示的燃料电池系统200，使用的PEFC101输出电力为4.8kW。
于是，在以如此构成的燃料电池系统200中，为了使PEFC101获得上述输出，在燃料气体利用率75％、氧化剂气体利用率50％的剩余反应气体条件中，以63℃加湿到饱和状态为止的燃料气体必须为59.4L/min，同样以63℃加湿到饱和状态为止的氧化剂气体必须为212.2L/min。此外，以5.8L/min向PEFC101的单元堆提供保持在60℃的冷却水，并在单元堆内进行热交换，然后作为71.5℃的排放冷却水排出。
接着，对为了在加湿器中对氧化剂气体进行加湿而必要的加湿器的设计进行说明。
图8是表示在实施例1的加湿器100和比较例2的加湿器100b中的设计条件的表。
如上所述，氧化剂气体虽然由总热量交换器103进行加湿，但是，此时，氧化剂气体被加热、加湿到露点成为58℃。为了将该已被加湿的氧化剂气体进一步加湿到露点为63℃，如图8所示，加湿器的加湿能力有必要为12.50g/min。
因此，根据在图6所示的实施例1的加湿器100和比较例2的加湿器100b中的水蒸气透过系数的近似曲线(式(3)和式(4))计算出各个水蒸气透过系数，从而计算出加湿器的加湿能力。其结果，如图8所示，了解到实施例1的加湿器100，在层叠6段(水蒸气透过膜2被层叠6个的状态)加湿单元11之后加湿能力变成13.71g/min，从而能够将氧化剂气体加湿到露点成为63℃为止。另一方面，在比较例2的加湿器100b中，如图8的比较例2-1所示，即使层叠6段加湿单元11也得不到必要的加湿能力，而必须叠层8段。这是因为通过增加叠层段数来降低空气(氧化剂气体)的流速而需要叠层更多的加湿面积。
然后，将这3种类型的加湿器(由图8所示的加湿器)搭载到上述燃料电池系统中进行运行，测定从各个加湿器排出的氧化剂气体的露点，都在根据各个加湿器的加湿能力计算出的设计值的±0.5℃的范围之内，与设计值完全一致。
如上所述，在实施例1的加湿器100中，加湿单元11的叠层段数在少于比较例2的加湿器100b的状态下，显示了较高的加湿性能。为此，使用搭载了实施例1的加湿器100的燃料电池系统就能够更加省空间、降低成本。
接着，进行用于确认各个加湿器的机械耐久性的试验。其中，在以下的实验中，使用实施例1的加湿器100、比较例1的加湿器100a、和比较例2的加湿器100b，以及叠层10段单元11并连结而得到的装置。
[性能评价试验3]
在性能评价试验3中，进行以下的试验。
(试验1)重复差压试验
在重复差压试验中，首先，将各个加湿器的冷却水流路3和氧化剂气体流路4与大气相连通，接着，将氧化剂气体流路4从与大气相连通保持一分钟0.5kPa，其后，将氧化剂气体流路4与大气相连通，将上述循环作为一个循环。于是，将500个循环作为1个过程，在1个过程结束的时候以两流路之间的差压为0.5kPa测定在冷却水流路3和氧化剂气体流路4之间是否有发生泄漏(交叉泄漏)发生。氧化剂气体如果是在2cc/min以下的泄漏量则1个过程为合格，合格的加湿器再做下一次的过程试验，重复10个过程的这样的试验从而判定是否最终合格。
(试验2)重复冻结试验
在重复冻结试验中，首先，密闭各个加湿器的氧化剂气体流路4，并且，水封冷却水流路3，并保持在恒温槽内。于是，以-10℃冷却加湿器6小时从而冻结其内部，其后，在+10℃下将加湿器恒温6小时，融解冻结水，将上述循环作为一个循环。将20个循环作为1个过程，在1个过程结束时以差压0.5kPa测定冷却水流路3和氧化剂气体流路4的两流路间的泄漏(交叉泄漏)。氧化剂气体如果是在2cc/min以下的泄漏量则1个过程为合格，合格的加湿器再进行下一次的过程试验，重复10个过程的这样的试验从而判定是否最终合格。
重复差压试验的结果显示实施例1的加湿器100和比较例2的加湿器100b为最终合格，即，在冷却水流路3和氧化剂气体流路4之间没有发生交叉泄漏。另一方面，在比较例1的加湿器100a中在第4个过程时发生了交叉泄漏。
此外，重复冻结试验的结果表明实施例1的加湿器100和比较例2加湿器100b为最终合格，即，在冷却水流路3和氧化剂气体流路4之间没有发生交叉泄漏。另一方面，在比较例1的加湿器100a中在第6个过程时发生了交叉泄漏。
此外，关于比较例1的加湿器100a，为了进行试验不合格时的原因解析而进行了分析，确认在隔板1的冷却水流路3(第一凹部66)、霍氧化剂气体流路4(第二凹部81)上设置的第一凸部67、或第二凸部82与水蒸气透过膜2相接触时发现了针孔。另一方面，关于实施例1的加湿器100以及比较例2的加湿器100b，确认了即使通过在最终合格的时候的分解检查也没有发现在水蒸气透过膜2上有损伤的痕迹，因而确认了本实施例1的加湿器100具有与现有例子的加湿器相同的机械耐久性能。
产业上利用的可能性
根据本发明的加湿器用隔板、加湿器和具备该加湿器的燃料电池系统，通过极其简单的结构就能够防止由于差压、冻结以及其他原因而引起的物理损伤，并且与现有的相比较能够构成高性能的加湿器，因此其有用。

Claims (11)

1.一种加湿器用隔板，其特征在于，
具备与水蒸气透过膜相接的主面、由在所述主面形成的凸凹的凹部构成的流体的流路、从所述凸凹的凸部的前端开始至少达到一定深度而形成的弹性层。
2.如权利要求1所述的加湿器用隔板，其特征在于，
所述弹性层的厚度是所述水蒸气透过膜的厚度的1.66倍以上。
3.如权利要求1所述的加湿器用隔板，其特征在于，
所述加湿器用隔板由所述弹性层和刚性层构成。
4.如权利要求3所述的加湿器用隔板，其特征在于，
由所述弹性层构成的壁部突出设置于所述刚性层的表面，所述壁部构成所述凸凹的凸部，所述壁部之间的空间构成所述凸凹的凹部。
5.如权利要求1所述的加湿器用隔板，其特征在于，
所述凸部整体由所述弹性层构成。
6.如权利要求3所述的加湿器用隔板，其特征在于，
具备设置于一个所述主面的第一弹性层和设置于另一个所述主面的第二弹性层，所述第一弹性层和所述第二弹性层通过设置于所述刚性层的贯通孔而连接。
7.如权利要求1所述的加湿器用隔板，其特征在于，
所述隔板的整体由所述弹性层构成。
8.如权利要求1所述的加湿器用隔板，其特征在于，
所述弹性层构成为：含有不含硫的氟橡胶或EPDM。
9.如权利要求1所述的加湿器用隔板，其特征在于，
所述弹性层的硬度以由JIS K6200规定的DUROMETER硬度表示为A标度30～100。
10.一种加湿器，其特征在于，
具备权利要求1～7中任一项所述的隔板、和
水蒸气透过膜，
利用设置有所述弹性层的隔板的所述主面夹持所述水蒸气透过膜，所述隔板和所述水蒸气透过膜叠层、连结，一次流体在与所述水蒸气透过膜相接的一个主面上的第一流路中流通，二次流体在与所述水蒸气透过膜相接的另一个主面上的第二流路中流通，由此所述一次流体中所含的水分透过所述水蒸气透过膜，对所述二次流体进行加湿。
11.一种燃料电池系统，其特征在于，
具备使用燃料气体和氧化剂气体进行发电的燃料电池；和
在所述燃料气体和所述氧化剂气体中的至少任意一个的气体供给通路上设置的权利要求10所述的加湿器。
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