JP2004055526A - 加湿モジュールを備える燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】加湿モジュールを備える燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池組と加湿モジュールからなる。燃料電池組は水素供給源と連通し、水素供給源が供給する水素と第一湿潤空気とを作用させ、エネルギーを生成すると共に、第二湿潤空気を排出する。加湿モジュールは燃料電池上に設置され、燃料電池組及び外気とそれぞれ連通し、外気中から空気を引き込んで、第一引入空気を形成し、第二湿潤空気中の水分を第一引入空気に送って、第一湿潤空気を形成する。
【選択図】 図２
【解決手段】燃料電池組と加湿モジュールからなる。燃料電池組は水素供給源と連通し、水素供給源が供給する水素と第一湿潤空気とを作用させ、エネルギーを生成すると共に、第二湿潤空気を排出する。加湿モジュールは燃料電池上に設置され、燃料電池組及び外気とそれぞれ連通し、外気中から空気を引き込んで、第一引入空気を形成し、第二湿潤空気中の水分を第一引入空気に送って、第一湿潤空気を形成する。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用加湿モジュール及びそのユニットに関するもので、特に、燃料電池内の湿度を確保する燃料電池用の加湿ユニットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近来の空気汚染は非常に深刻で、大部分は、ガソリンエンジンからの排ガスによるものである。よって、ガソリンエンジン（ｇａｓｏｌｉｎｅ ｅｎｇｉｎｅ）による汚染は軽視してはならぬ問題であり、更によい環境品質を追求するため、汚染を伴わない燃料電池（ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）により、汚染度が高いガソリンエンジンを代替することが重要である。
【０００３】
燃料電池は主に、水素と酸素を化学反応させて水を生成し、エネルギーを放出し、陽極、陰極、電解質及び外部回路からなり、水素は陽極に、酸素（或いは空気）は陰極に入る。陽極の水素イオンは電解質を通過して陰極に達し、陽極の電子は外部回路を通過して陰極に達し、陰極で水素が反応して水を生成し、エネルギーを放出する。
【０００４】
現在、燃料電池は、アルカリ燃料電池、燐酸型燃料電池、固体酸化物燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、プロトン交換膜型燃料電池、等があり、各燃料電池はそれぞれ、長短所があるが、本発明はプロトン交換膜型燃料電池に改良を加えたものなので、以下では、プロトン交換膜型燃料電池により説明する。
【０００５】
プロトン交換膜型燃料電池のプロトン交換膜（電解質とする）において、液体の水がなければプロトン（水素イオン）を伝送することができない。又、低温で乾燥した空気が、高温の燃料電池に進入する時、湿度差が大きく、イオン交換膜中の水分が大量に蒸発して水分が失われ、スムーズにプロトンを伝送することが出来なくなる。
【０００６】
公知のイオン交換膜燃料電池において、燃料電池中に空気を進入させて湿度を上昇させる加湿装置が設置されておらず、燃料電池の温度が上昇するにつれて、燃料電池の効率が低下する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、燃料電池用の加湿モジュール及びそのユニットを提供し、燃料電池内の湿度を確保することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するため、本発明は、加湿モジュールを備え、水素供給源と連通する燃料電池を提供し、燃料電池組と加湿モジュールとからなる。燃料電池組は水素供給源と連通し、水素供給源が供給する水素と第一湿潤空気とを作用させ、エネルギーを生成すると共に、第二湿潤空気を排出する。加湿モジュールは燃料電池組上に設置され、燃料電池組及び外気とそれぞれ連通し、外気中から空気を引き込んで、第一引入空気を形成し、第二湿潤空気中の水分を第一引入空気に送って、第一湿潤空気を形成する。
【０００９】
好ましい具体例において、加湿モジュールは、重畳される複数の加湿ユニットを備え、それぞれ、第一導気板、第二導気板、及び中間層を備えている。第一導気板は燃料電池組と連通し、第一導基板上は複数の第一溝を備え、第一引入空気を加湿した後、第一湿潤空気を形成して燃料電池に流入させる。第二導気板は燃料電池組と連通し、第二導気板上は複数の第二溝を備え、第二湿潤空気を第二溝から加湿ユニットの外部に流れさせる。第二導気板は、第二溝が第一導気板の第一溝に面するように設置されている。中間層は第一導気板と第二導気板間に形成され、第一溝と第二溝中で流動する気体を隔離し、且つ、第二湿潤空気中の水分を第一引入空気に送り、第一湿潤空気を形成する。
【００１０】
又、前記中間層は、透水層と吸水層とを備える。透水層は第二溝中で流動する第二湿潤空気中の水分を第一溝まで通過させるのに用いられる。吸水層は、透水層が面する第二導気板の表面上に設置され、第二溝中で流動する第二湿潤空気中の水分を吸収するのに用いられる。
【００１１】
又、第一溝と第二溝間は互いに交差するように設置されている。
又、第一導気板は第一溝の延伸方向に、第一開口と第二開口とをそれぞれ形成し、且つ、第二導気板は、第一開口と第二開口にそれぞれ対応する第三開口と第四開口を、それぞれ形成する。これにより、第一引入空気は第一開口と第三開口とから第一溝に進入し、第二開口と第四開口から加湿ユニットを離れる第一湿潤空気を形成する。
【００１２】
好ましい具体例において、加湿モジュールを備える燃料電池は、更に、空気注入口を備え、第一引入空気を第一開口と第三開口に引入する上端板を備える。
【００１３】
又、第二導気板は第二溝の延伸方向に、第五開口を形成し、且つ、第一導気板は、第五開口に対応する第六開口を形成する。これにより、燃料電池組からの第二湿潤空気は第五開口と第六開口から第二溝に進入する。
【００１４】
また、燃料電池組は、第一導気板、第二導気板、及び重畳する複数の燃料電池ユニットを備える。燃料電池ユニットは第一導電板と第二導電板間に設置され、陽極双極板、陰極双極板、及び膜−電極アセンブリを備える。陽極双極板は水素供給源と連通し、複数の第三溝を備え、水素供給源が提供する水素を通過させるのに用いられる。陰極双極板は加湿モジュールと連通し、その上に複数の第四溝を備え、第一湿潤空気を通過させるのに用いるとともに、第一湿潤空気により反応して生じる水分は、第二湿潤空気を形成して、加湿モジュールに送りこまれる。膜−電極アセンブリは、第三溝中の水素と第四溝中の第一湿潤空気作用に、エネルギーを生じさせ、膜−電極アセンブリは、陽極気体拡散層と、プロトン交換膜、及び陰極気体拡散層を備え、順序通りに、陽極双極板及び陰極双極板間に挟設される。
【００１５】
又、陽極双極板が第三溝の延伸方向に、第七開口と第八開口とを形成し、且つ、陰極双極板が第七開口と第八開口に対応する第九開口と第十開口とをそれぞれ形成し、これにより、水素は第七開口と第九開口から第三溝に進入すると共に、第八開口と第十開口により、燃料電池ユニットを離れる。
【００１６】
又、陰極双極板が第四溝の延伸方向に、第十一開口と第十二開口とをそれぞれ形成し、且つ、陰極双極板が第十一開口と第十二開口に対応する第十三開口と第十四開口とを形成し、これにより、第一湿潤空気は第十一開口と第十三開口から第四溝に進入し、第二湿潤空気は、第十二開口と第十四開口により、燃料電池ユニットを離れる。
【００１７】
好ましい実施例において、加湿モジュールを備える燃料電池は、更に、気体転向板を備え、燃料電池組と加湿モジュール間に設置され、第二開口、第四開口と第十一開口、第十三開口を連通させ、更に、第五開口、第六開口と第十二開口、第十四開口とを連通させる。
【００１８】
又、気体転向板は、更に、水素注入口を備え、第七開口、第九開口及び水素供給源を連通させる。
【００１９】
好ましい実施例において、加湿モジュールを備える燃料電池は更に、下端板を備え、燃料電池組と気体転向板と相対する側に設置され、下端板は水素供給源と連通する水素出口を備え、第八開口と第十開口から排出される余分な水素を、水素供給源に戻すのに用いられる。
【００２０】
好ましい実施例において、加湿モジュールを備える燃料電池は、更に、冷却剤供給源を備え、燃料電池組に冷却剤を供給して、燃料電池組を冷却する。
【００２１】
又、陽極双極板は複数の第五溝を備え、冷却剤供給源が提供する冷却剤を通過させるのに用いられる。
【００２２】
又、陽極双極板は第五溝の延伸方向に、第十五開口を備え、且つ、陰極双極板は、第十五開口と対応する第十六開口を形成する。これにより、冷却剤供給源からの冷却剤は、第十五開口と第十六開口から第五溝に進入する。
【００２３】
好ましい実施例において、冷却剤は空気で、第五溝から空気を排出する。
もう一つの好ましい実施例において、陽極双極板は第五溝の延伸方向にそれぞれ、第十五開口と第十七開口を形成し、且つ、陰極双極板は第十七開口と対応する第十八開口を形成し、これにより、冷却剤は第五溝から、第十七開口と第十八開口により、燃料電池を離れ、冷却剤供給源に戻る。
【００２４】
【発明の実施の形態】
上述した本発明の目的、特徴、及び長所をいっそう明瞭にするため、以下に本発明の好ましい実施の形態を挙げ、図を参照にしながらさらに詳しく説明する。実施例：
本発明の燃料電池は主に、加湿モジュール組により、酸素と水素が反応して生じる水を回収し、湿潤空気中の水を乾燥空気中に引入し、空気の相対湿度を上げると同時に、燃料電池内のプロトン交換膜は水分が不足して作用が維持できないということが発生しない。
【００２５】
図１を参照すると、本発明の加湿モジュールを備える燃料電池は、燃料電池組２０と加湿モジュール１０と、からなる。燃料電池組２０は、陽極双極板２１０、陰極双極板２２０、及び、膜−電極アセンブリ２３０（ｍｅｍｂｒａｎｅ−ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ、ＭＥＡ）からなり、陽極双極板２１０は水素を通過させることが出来、陽極双極板２１０内を通過する水素は、膜−電極アセンブリ２３０中で作用して電子を生成することが出来、酸素と水素の反応により生じる水は、空気により加湿モジュール１０中に進入する。図１で示されるように、加湿モジュール１０は、第一導気板１１０、第二導気板１２０、及び中間層１３０からなり、中間層１３０は透水性の薄膜で、第二導気板１２０中の湿潤空気の水分を、第一導気板１１０から空気中に引入する。
【００２６】
第一実施例：
図２及び図３を参照すると、図２は本発明の第一実施例による水冷式燃料電池の立体図である。図３は図２中の燃料電池の分解図で、加湿空気の流れを示す図である。第一実施例の燃料電池は水冷式燃料電池１で、上端板３２、加湿モジュール１０、気体転向上蓋３３、気体転向板３４、燃料電池組２０、下端板３５、及び二つの導電板、からなり、ねじ（図示しない）により、上端板３２、気体転向板３４、下端板３５に固定され、これらのパーツが整合されて加湿モジュールの水冷式燃料電池１になる。
【００２７】
図４〜図９を参照する。図４は加湿ユニットの分解図で、図５は加湿ユニットの気体の流れを示す図で、図６〜図９は第一及び第二導気板の上視図と底視図である。本発明の水冷式燃料電池１が使用する加湿ユニット１００は、この加湿ユニット１００が重畳されて、図２及び図３で示されるような加湿モジュール１０になる。本発明の第一実施例において、水冷式燃料電池１は加湿ユニット１００により、燃料電池２０に進入する空気に対して加湿することが出来、第一導気板１１０、第二導気板１２０、及び中間層１３０からなる。
【００２８】
図３で示されるように、第一導気板１１０は燃料電池２０と連通することが出来、且つ、図６及び図７で示されるように、その表面上に複数の第一溝１１１を形成し、その周囲にそれぞれ、二つの第一開口１１２、二つの第二開口１１３、二つの第六開口１１４を形成し、第一開口１１２、第二開口１１３は第一溝１１１の延伸方向に形成されている。
【００２９】
第二導気板１２０は燃料電池２０と連通することが出来、且つ図８及び図９で示されるように、その表面上に、複数の第二溝１２１を形成し、その周辺の三つの辺縁にそれぞれ、二つの第三開口１２２、二つの第四開口１２３、二つの第五開口１２４を形成している。図５で示されるように、燃料電池２０からの気体は、第二導気板１２０上の第二溝１２１から、加湿ユニット１００の外部に流れ出すことができ、第三開口１２２、第四開口１２３はそれぞれ、第一導気板１１０上の第一開口１１２、第二開口１１３と対応し、第五開口１２４は第二溝１２１の延伸方向に形成されると共に、第一導気板１１０の第六開口１１４と対応している。
【００３０】
又、図４参照すると、加湿ユニット１００中、第二導気板１２０は第二溝１２１が第一導気板１１０の第一溝１１１に面するように設置され、第一溝１１１と第二溝１２１は、互いに交差するように設置されている。
【００３１】
図４で示されるように、第一導気板と第二導気板間に、透水層１３１と吸水層１３２とを備える中間層１３０が形成される。透水層１３１は中間層１３０のベースで、透水、不通気の材質からなり、第一溝と第二溝中で流動する気体を隔離し、且つ、第二溝中で流動する気体中の水分を通過させて、第一溝に送る。
【００３２】
吸水層１３２は、透水層１３１が面する第二導気板１２０表面に設置され、親水性の材質からなり、第二溝１２１中で流動する気体中の水分を吸収する。吸水層１３２は透水層１３１に接着されて中間層１３０を構成する。透水層１３１は両側に、二つの第一粘着部１３１１と二つの第二粘着部１３１２を備え、中間層１３０は第一導気板１１０と第二導気板１２０上に接着されている。注意すべきことは、第一粘着部１３１１と第二粘着部１３１２の透水層１３１上の位置で、第一導気板１１０と第二導気板１２０が組み合わされた後、気体の第一溝１１１と第二溝１２１中の流動に影響してはいけない。
【００３３】
図３、図１０及び図１１を参照する。図１０は燃料電池ユニットの分解図で、図１１は燃料電池ユニットの気体の流れを示す図である。図３で示されるように、本発明の水冷式燃料電池１が使用する燃料電池組２０は、第一導電板２４、第二導電板２５、図１０、図１１で示される複数の燃料電池ユニット２００により構成される。本発明の第一実施例において、水冷式燃料電池１の燃料電池２００は、外部の水素供給源３が供給する水素、及び加湿モジュール１０が供給する湿潤空気を反応させるとともに、冷却剤供給源４が供給する冷却材により冷却し、それぞれ、陽極双極板２１０、陰極双極板２２０、及び、膜−電極アセンブリ２３０を備える。
【００３４】
図１０、図１２及び図１３を参照すると、陽極双極板２１０はその表面に複数の第三溝２１１を形成し、もう一つの表面に複数の第五溝２１８を形成し、その周囲にそれぞれ、二つの第七開口２１２、二つの第八開口２１３、第十三開口２１４、第十四開口２１５、第十五開口２１６及び第十七開口２１７を形成し、第七開口２１２、第八開口２１３は第三溝２１１の延伸方向に位置し、且つ、第三溝２１１と連通し、第十三開口２１４、第十四開口２１５、第十五開口２１６及び第十七開口２１７は、第五溝の延伸方向に位置するが、第十五開口２１６と第十七開口２１７はだけが第五溝と連通している。
【００３５】
図１０、図１４、図１５で示されるように、表面上に複数の第四溝２２１を形成し、その周囲にそれぞれ、二つの第九開口２２２、二つの第十開口２２３、第十一開口２２４、第十二開口２２５、第十六開口２２６及び第十八開口２２７を形成する。第九開口２２２、第十開口２２３は、それぞれ、陽極双極板２１０上の第七開口２１２、第八開口２１３と対応し、第十一開口２２４、第十二開口２２５、第十六開口２２６及び第十七開口２２７は、第四層２２１の延伸方向に形成されるとともに、それぞれ、陽極双極板２１０上の第十三開口２１４、第十四開口２１５、第十五開口２１６及び第十七開口２１７と対応しているが、第十一開口２２４と第十二開口２２５だけが第四溝に連通している。
【００３６】
図１０、図１１を参照すると、燃料電池ユニット２００において、陰極双極板２２０は第四溝２２１が陽極双極板２１０の第三溝２１１に面するように設置され、第三溝２１１と第四溝２２１は交差して設置されている。膜−電極アセンブリ２３０は陽極気体拡散層２３１、プロトン交換膜２３３及び陰極気体拡散層２３２を備え、順序通りに、陽極双極板及び陰極双極板間に挟設される。膜−電極アセンブリ２３０は熱圧縮により形成され、酸素と水素を反応させて、水とエネルギーを生成させるのに用いられる。陽極双極板２１０、陰極双極板２２０、膜−電極アセンブリ２３０は、不透水のゲルにより接着されてなり、燃料電池ユニット２００を形成している。
【００３７】
図３、図４Ａを参照すると、第一実施例の水冷式燃料電池１は、接合口３１及び空気注入口３２１を備える上端板３２を備え、接合口３１は空気注入口３２１を密封し、外部の送風機（図示しない）と連通することが出来、空気を燃料電池組２０の第一開口１１２及び第三開口１２２中に引入するのに用いられる。
【００３８】
図３、図４、図１０、図１１、図１６を参照すると、製造過程において、燃料電池組２０と加湿モジュール１０は別々に製造される。燃料電池組２０と加湿モジュール１０を結合するために、又、燃料電池組２０内に通じる気体を均等に分布するために、本発明の第一実施例の水冷式燃料電池１は、気体転向板上蓋３３と気体転向板３４とを備える。気体転向板３４は三角形の凹溝３４３を備え、凹溝３４３が対応する燃料電池組２０の第七開口２１２及び第九開口２２２の一側に、二つの転接口３４３１を備える。転接口３４３１の向かい側に燃料電池組２０に相対する第八開口２１３及び第十開口２２３は、二つの空気回流口３４４を備える。この他、気体転向板３４上の、燃料電池組２０の第十三開口２１４及び第十一開口２２４に相対する所に、水素転向口３４１１及び連通する水素注入口３４１を備え、この水素注入口３４１により、図１１中の水素供給源３と連接することが出来る。気体転向板３４上の、燃料電池組２０の第十五開口２１６及び第六開口２２６に相対する所に、冷却剤転向口３４２１及び連通する冷却剤注入口３４２を備え、この冷却剤注入口３４２により、図１１中の冷却剤供給源４と連接することができる。気体転向板上蓋３３は、それぞれ、加湿モジュール１０の第二開口１１３、第四開口１２３、第五開口１２４及び第十六開口１１４に対応して四つの開口を形成し、加湿モジュール１０からの空気を気体転向板３４の凹溝３４３内に進入させ、一方で、戻りの空気を加湿モジュール１０に流れるようにする。
【００３９】
図３、図１０、図１１を参照すると、第一実施例の水冷式燃料電池１は、下端板３５を備え、燃料電池２０と気体転向板３４の相対する側に設置され、下端板３５は水素出口３５１を備え、水素供給源３と連通し、第八開口２１３及び第十開口２２３が排出する余分な水素を、水素供給源３に戻すのに用いられる。この他、第一実施例は水冷式燃料電池であるため、水を再利用しなければならない。よって、下端板は冷却剤出口３５２を更に備え、第十七開口２１７及第十八開口２２７から流れ出る水を、冷却剤供給源４に戻すのに用いられる。
【００４０】
図３、図１０、図１１、図１６を参照すると、図１１中のＤ２は水素流動経路である。水素は水素供給源３から水素注入口３４１、水素転向口３４１１、第十三開口２１４及び第十一開口２２４を通じて、陰極双極板の第四溝２２１に進入し、その後、第十四開口２１５、第十二開口２２５、水素出口３５１により、水素供給源３に戻り、水素の流動経路が完成する。
【００４１】
図３、図１０、図１１、図１６を参照すると、図１１中の燃料電池ユニット２００が燃料電池組２０に組み立てられ、冷却剤は陽極双極板の第五溝から、燃料電池ユニットに対し冷却を実行する。図１１中のＤ３は冷却剤の流動経路で、第一実施例中では、冷却剤の流動経路である。冷却水は冷却剤供給源４（加圧ポンプ）から、冷却剤注入口３４２、冷却剤転向口３４２１、第十五開口２１６及び第十六開口２２６を経て、陽極双極板の外側の第五溝２２１に進入し、更に、第十七開口２１７、第十八開口２２７、冷却剤出口３５２から、冷却剤供給源４に戻り、冷却流動経路が完成する。
【００４２】
図３、図５、図１１を参照すると、図中のＤ１は空気流動経路を示す。外気は第一開口１１２と第三開口１２２から第一導気板１１０の第一溝１１１に進入し、第一引入気体を形成し、第二溝１２１からの水を吸収した後、第一湿潤空気を形成し、その後、第二開口１１３と第四開口１２４から加湿ユニット１００を離れて、燃料電池組２０に流れる。燃料電池組２０は燃料電池ユニット２００が重畳されてなり、図１１で示されるように、第一湿潤空気は気体転向板３４により転向された後、第七開口２１２及び第九開口２２２より、陽極双極板の第三溝に進入し、水素と酸素により生じる水を運んで、第二湿潤空気を形成し、第八開口２１３及び第十開口２２３から燃料電池ユニット２００を離れ、第二湿潤空気は気体転向板３４を経た後、第五回口１２４と第六開口１１４から、第二溝１２１に進入し、吸水層１３２で水分が吸収された後、第二湿潤空気は第二導気板１２０のまだ封鎖されない側から加湿ユニット１１０を離れる。
【００４３】
注意すべきことは、第二湿潤空気は燃料電池組２０を通過した後、その湿度と温度は上昇し、上述の過程により、第一引入空気が燃料電池組２０に進入する前、加湿ユニット１００の第一溝１１中で、中間層１３０により第二溝１２１中の第二湿潤空気の水分を吸収することが出来、加湿の効果を達成する。よって、第一実施例の加湿モジュールを備える水冷式燃料電池は、一般の加湿モジュールがない燃料電池より供電率が高く、プロトン交換膜２３３が欠水する問題も解決できる。
【００４４】
第二実施例：
図１７及び図１８は、本発明の加湿モジュールを備える燃料電池の第二実施例を示し、本実施例中の燃料電池は、気冷式燃料電池２で、同様に、上端板３２、加湿モジュール１０、気体転向板上蓋３３、気体転向板３４、燃料電池組２０’、下端板３５’及び二つの電極２４、２５’からなり、ねじ（図示しない）により、上端板３２、気体転向板３４、下端板３５’に固定され、これらのパーツが整合されて加湿モジュールの気冷式燃料電池２になる。注意すべきことは、本実施例において、上端板３２、加湿モジュール１０、気体転向板上蓋３３、気体転向板３４は、第一実施例と同じで、同じ名称で記されている。
【００４５】
図１７の気冷式燃料電池２が図３の水冷式燃料電池１と異なる部分は、冷却剤を空気により代替することで、これにより、空気を回収する必要がなく、冷却した空気を直接空気中に排出すればよい。よって、第二実施例中の燃料電池２０’の陽極双極板２１０’は、図１３中の第十七開口２１７及び図１４中の第十八開口２２７を備える必要がなく、下端板は冷却出口３５２が不用である。これにより、燃料電池ユニットの構造を簡単にすることが出来、コストを下げつつも、必要な効果は達成できる。
【００４６】
本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変動や潤色を加えることができ、従って本発明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の加湿モジュールを備える燃料電池を示す図である。
【図２】本発明の第一実施例による水冷式燃料電池の立体図である。
【図３】図２中の燃料電池の分解図である。
【図４】加湿ユニットの分解図である。
【図５】加湿ユニットの気流の流れを示す図である。
【図６】図４中の第一導気板の上視図である。
【図７】図４中の第一導気板の底視図である。
【図８】図４中の第二導気板の上視図である。
【図９】図４中の第二導気板の底視図である。
【図１０】燃料電池ユニットの分解図である。
【図１１】燃料電池ユニットの気流の流れを示す図である。
【図１２】図１０中の陽極双極板の上視図である。
【図１３】図１０中の陽極双極板の底視図である。
【図１４】図１０中の陰極双極板の上視図である。
【図１５】図１０中の陰極双極板の底視図である。
【図１６】図３中の気体転向板の上視図である。
【図１７】本発明の第二実施例による気冷式燃料電池の分解図である。
【図１８】図１７中の気冷式燃料電池陽極双極板の底視図である。
【符号の説明】
１…水冷式燃料電池
２…気冷式燃料電池
３…水素供給源
４…冷却剤供給源
１０…加湿モジュール
１００…加湿ユニット
１１０…第一導気板
１１１…第一溝
１１２…第一開口
１１３…第二開口
１１４…第六開口
１２０…第二導気板
１２１…第二溝
１２２…第三開口
１２３…第四開口
１２４…第五開口
１３０…中間層
１３１…透水層
１３１１…第一粘着部
１３１２…第二粘着
１３２…吸水層
２０…燃料電池組
２００…燃料電池ユニット
２１０…陽極双極板
２１１…第三溝
２１２…第七開口
２１３…第八開口
２１４…第十三開口
２１５…第十四開口
２１６…第十五開口
２１７…第十七開口
２１８…第五溝
２２０…陰極双極板
２２１…第四溝
２２２…第九開口
２２３…第十開口
２２４…第十一開口
２２５…第十二開口
２２６…第十六開口
２２７…第十八開口
２３０…膜−電極アセンブリ
２３１…陽極気体拡散層
２３２…プロトン交換膜
２３３…陰極気体拡散層
２４…第一導電板
２５…第二導電板
３１…接合口
３２…上端板
３２１…第一空気注入口
３３…気体転向板上蓋
３４…気体転向板
３４１…水素注入口
３４１１…水素転向口
３４２…冷却剤注入口
３４２１…冷却剤転向口
３４３…凹溝
３４３１…転接口
３４４…空気回流口
３５…下端板
３５１…水素出口
３５２…冷却剤出口
Ｄ１…空気流動経路
Ｄ２…水素流動経路
Ｄ３…冷却剤流動経路
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用加湿モジュール及びそのユニットに関するもので、特に、燃料電池内の湿度を確保する燃料電池用の加湿ユニットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近来の空気汚染は非常に深刻で、大部分は、ガソリンエンジンからの排ガスによるものである。よって、ガソリンエンジン（ｇａｓｏｌｉｎｅ ｅｎｇｉｎｅ）による汚染は軽視してはならぬ問題であり、更によい環境品質を追求するため、汚染を伴わない燃料電池（ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）により、汚染度が高いガソリンエンジンを代替することが重要である。
【０００３】
燃料電池は主に、水素と酸素を化学反応させて水を生成し、エネルギーを放出し、陽極、陰極、電解質及び外部回路からなり、水素は陽極に、酸素（或いは空気）は陰極に入る。陽極の水素イオンは電解質を通過して陰極に達し、陽極の電子は外部回路を通過して陰極に達し、陰極で水素が反応して水を生成し、エネルギーを放出する。
【０００４】
現在、燃料電池は、アルカリ燃料電池、燐酸型燃料電池、固体酸化物燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、プロトン交換膜型燃料電池、等があり、各燃料電池はそれぞれ、長短所があるが、本発明はプロトン交換膜型燃料電池に改良を加えたものなので、以下では、プロトン交換膜型燃料電池により説明する。
【０００５】
プロトン交換膜型燃料電池のプロトン交換膜（電解質とする）において、液体の水がなければプロトン（水素イオン）を伝送することができない。又、低温で乾燥した空気が、高温の燃料電池に進入する時、湿度差が大きく、イオン交換膜中の水分が大量に蒸発して水分が失われ、スムーズにプロトンを伝送することが出来なくなる。
【０００６】
公知のイオン交換膜燃料電池において、燃料電池中に空気を進入させて湿度を上昇させる加湿装置が設置されておらず、燃料電池の温度が上昇するにつれて、燃料電池の効率が低下する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、燃料電池用の加湿モジュール及びそのユニットを提供し、燃料電池内の湿度を確保することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するため、本発明は、加湿モジュールを備え、水素供給源と連通する燃料電池を提供し、燃料電池組と加湿モジュールとからなる。燃料電池組は水素供給源と連通し、水素供給源が供給する水素と第一湿潤空気とを作用させ、エネルギーを生成すると共に、第二湿潤空気を排出する。加湿モジュールは燃料電池組上に設置され、燃料電池組及び外気とそれぞれ連通し、外気中から空気を引き込んで、第一引入空気を形成し、第二湿潤空気中の水分を第一引入空気に送って、第一湿潤空気を形成する。
【０００９】
好ましい具体例において、加湿モジュールは、重畳される複数の加湿ユニットを備え、それぞれ、第一導気板、第二導気板、及び中間層を備えている。第一導気板は燃料電池組と連通し、第一導基板上は複数の第一溝を備え、第一引入空気を加湿した後、第一湿潤空気を形成して燃料電池に流入させる。第二導気板は燃料電池組と連通し、第二導気板上は複数の第二溝を備え、第二湿潤空気を第二溝から加湿ユニットの外部に流れさせる。第二導気板は、第二溝が第一導気板の第一溝に面するように設置されている。中間層は第一導気板と第二導気板間に形成され、第一溝と第二溝中で流動する気体を隔離し、且つ、第二湿潤空気中の水分を第一引入空気に送り、第一湿潤空気を形成する。
【００１０】
又、前記中間層は、透水層と吸水層とを備える。透水層は第二溝中で流動する第二湿潤空気中の水分を第一溝まで通過させるのに用いられる。吸水層は、透水層が面する第二導気板の表面上に設置され、第二溝中で流動する第二湿潤空気中の水分を吸収するのに用いられる。
【００１１】
又、第一溝と第二溝間は互いに交差するように設置されている。
又、第一導気板は第一溝の延伸方向に、第一開口と第二開口とをそれぞれ形成し、且つ、第二導気板は、第一開口と第二開口にそれぞれ対応する第三開口と第四開口を、それぞれ形成する。これにより、第一引入空気は第一開口と第三開口とから第一溝に進入し、第二開口と第四開口から加湿ユニットを離れる第一湿潤空気を形成する。
【００１２】
好ましい具体例において、加湿モジュールを備える燃料電池は、更に、空気注入口を備え、第一引入空気を第一開口と第三開口に引入する上端板を備える。
【００１３】
又、第二導気板は第二溝の延伸方向に、第五開口を形成し、且つ、第一導気板は、第五開口に対応する第六開口を形成する。これにより、燃料電池組からの第二湿潤空気は第五開口と第六開口から第二溝に進入する。
【００１４】
また、燃料電池組は、第一導気板、第二導気板、及び重畳する複数の燃料電池ユニットを備える。燃料電池ユニットは第一導電板と第二導電板間に設置され、陽極双極板、陰極双極板、及び膜−電極アセンブリを備える。陽極双極板は水素供給源と連通し、複数の第三溝を備え、水素供給源が提供する水素を通過させるのに用いられる。陰極双極板は加湿モジュールと連通し、その上に複数の第四溝を備え、第一湿潤空気を通過させるのに用いるとともに、第一湿潤空気により反応して生じる水分は、第二湿潤空気を形成して、加湿モジュールに送りこまれる。膜−電極アセンブリは、第三溝中の水素と第四溝中の第一湿潤空気作用に、エネルギーを生じさせ、膜−電極アセンブリは、陽極気体拡散層と、プロトン交換膜、及び陰極気体拡散層を備え、順序通りに、陽極双極板及び陰極双極板間に挟設される。
【００１５】
又、陽極双極板が第三溝の延伸方向に、第七開口と第八開口とを形成し、且つ、陰極双極板が第七開口と第八開口に対応する第九開口と第十開口とをそれぞれ形成し、これにより、水素は第七開口と第九開口から第三溝に進入すると共に、第八開口と第十開口により、燃料電池ユニットを離れる。
【００１６】
又、陰極双極板が第四溝の延伸方向に、第十一開口と第十二開口とをそれぞれ形成し、且つ、陰極双極板が第十一開口と第十二開口に対応する第十三開口と第十四開口とを形成し、これにより、第一湿潤空気は第十一開口と第十三開口から第四溝に進入し、第二湿潤空気は、第十二開口と第十四開口により、燃料電池ユニットを離れる。
【００１７】
好ましい実施例において、加湿モジュールを備える燃料電池は、更に、気体転向板を備え、燃料電池組と加湿モジュール間に設置され、第二開口、第四開口と第十一開口、第十三開口を連通させ、更に、第五開口、第六開口と第十二開口、第十四開口とを連通させる。
【００１８】
又、気体転向板は、更に、水素注入口を備え、第七開口、第九開口及び水素供給源を連通させる。
【００１９】
好ましい実施例において、加湿モジュールを備える燃料電池は更に、下端板を備え、燃料電池組と気体転向板と相対する側に設置され、下端板は水素供給源と連通する水素出口を備え、第八開口と第十開口から排出される余分な水素を、水素供給源に戻すのに用いられる。
【００２０】
好ましい実施例において、加湿モジュールを備える燃料電池は、更に、冷却剤供給源を備え、燃料電池組に冷却剤を供給して、燃料電池組を冷却する。
【００２１】
又、陽極双極板は複数の第五溝を備え、冷却剤供給源が提供する冷却剤を通過させるのに用いられる。
【００２２】
又、陽極双極板は第五溝の延伸方向に、第十五開口を備え、且つ、陰極双極板は、第十五開口と対応する第十六開口を形成する。これにより、冷却剤供給源からの冷却剤は、第十五開口と第十六開口から第五溝に進入する。
【００２３】
好ましい実施例において、冷却剤は空気で、第五溝から空気を排出する。
もう一つの好ましい実施例において、陽極双極板は第五溝の延伸方向にそれぞれ、第十五開口と第十七開口を形成し、且つ、陰極双極板は第十七開口と対応する第十八開口を形成し、これにより、冷却剤は第五溝から、第十七開口と第十八開口により、燃料電池を離れ、冷却剤供給源に戻る。
【００２４】
【発明の実施の形態】
上述した本発明の目的、特徴、及び長所をいっそう明瞭にするため、以下に本発明の好ましい実施の形態を挙げ、図を参照にしながらさらに詳しく説明する。実施例：
本発明の燃料電池は主に、加湿モジュール組により、酸素と水素が反応して生じる水を回収し、湿潤空気中の水を乾燥空気中に引入し、空気の相対湿度を上げると同時に、燃料電池内のプロトン交換膜は水分が不足して作用が維持できないということが発生しない。
【００２５】
図１を参照すると、本発明の加湿モジュールを備える燃料電池は、燃料電池組２０と加湿モジュール１０と、からなる。燃料電池組２０は、陽極双極板２１０、陰極双極板２２０、及び、膜−電極アセンブリ２３０（ｍｅｍｂｒａｎｅ−ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ、ＭＥＡ）からなり、陽極双極板２１０は水素を通過させることが出来、陽極双極板２１０内を通過する水素は、膜−電極アセンブリ２３０中で作用して電子を生成することが出来、酸素と水素の反応により生じる水は、空気により加湿モジュール１０中に進入する。図１で示されるように、加湿モジュール１０は、第一導気板１１０、第二導気板１２０、及び中間層１３０からなり、中間層１３０は透水性の薄膜で、第二導気板１２０中の湿潤空気の水分を、第一導気板１１０から空気中に引入する。
【００２６】
第一実施例：
図２及び図３を参照すると、図２は本発明の第一実施例による水冷式燃料電池の立体図である。図３は図２中の燃料電池の分解図で、加湿空気の流れを示す図である。第一実施例の燃料電池は水冷式燃料電池１で、上端板３２、加湿モジュール１０、気体転向上蓋３３、気体転向板３４、燃料電池組２０、下端板３５、及び二つの導電板、からなり、ねじ（図示しない）により、上端板３２、気体転向板３４、下端板３５に固定され、これらのパーツが整合されて加湿モジュールの水冷式燃料電池１になる。
【００２７】
図４〜図９を参照する。図４は加湿ユニットの分解図で、図５は加湿ユニットの気体の流れを示す図で、図６〜図９は第一及び第二導気板の上視図と底視図である。本発明の水冷式燃料電池１が使用する加湿ユニット１００は、この加湿ユニット１００が重畳されて、図２及び図３で示されるような加湿モジュール１０になる。本発明の第一実施例において、水冷式燃料電池１は加湿ユニット１００により、燃料電池２０に進入する空気に対して加湿することが出来、第一導気板１１０、第二導気板１２０、及び中間層１３０からなる。
【００２８】
図３で示されるように、第一導気板１１０は燃料電池２０と連通することが出来、且つ、図６及び図７で示されるように、その表面上に複数の第一溝１１１を形成し、その周囲にそれぞれ、二つの第一開口１１２、二つの第二開口１１３、二つの第六開口１１４を形成し、第一開口１１２、第二開口１１３は第一溝１１１の延伸方向に形成されている。
【００２９】
第二導気板１２０は燃料電池２０と連通することが出来、且つ図８及び図９で示されるように、その表面上に、複数の第二溝１２１を形成し、その周辺の三つの辺縁にそれぞれ、二つの第三開口１２２、二つの第四開口１２３、二つの第五開口１２４を形成している。図５で示されるように、燃料電池２０からの気体は、第二導気板１２０上の第二溝１２１から、加湿ユニット１００の外部に流れ出すことができ、第三開口１２２、第四開口１２３はそれぞれ、第一導気板１１０上の第一開口１１２、第二開口１１３と対応し、第五開口１２４は第二溝１２１の延伸方向に形成されると共に、第一導気板１１０の第六開口１１４と対応している。
【００３０】
又、図４参照すると、加湿ユニット１００中、第二導気板１２０は第二溝１２１が第一導気板１１０の第一溝１１１に面するように設置され、第一溝１１１と第二溝１２１は、互いに交差するように設置されている。
【００３１】
図４で示されるように、第一導気板と第二導気板間に、透水層１３１と吸水層１３２とを備える中間層１３０が形成される。透水層１３１は中間層１３０のベースで、透水、不通気の材質からなり、第一溝と第二溝中で流動する気体を隔離し、且つ、第二溝中で流動する気体中の水分を通過させて、第一溝に送る。
【００３２】
吸水層１３２は、透水層１３１が面する第二導気板１２０表面に設置され、親水性の材質からなり、第二溝１２１中で流動する気体中の水分を吸収する。吸水層１３２は透水層１３１に接着されて中間層１３０を構成する。透水層１３１は両側に、二つの第一粘着部１３１１と二つの第二粘着部１３１２を備え、中間層１３０は第一導気板１１０と第二導気板１２０上に接着されている。注意すべきことは、第一粘着部１３１１と第二粘着部１３１２の透水層１３１上の位置で、第一導気板１１０と第二導気板１２０が組み合わされた後、気体の第一溝１１１と第二溝１２１中の流動に影響してはいけない。
【００３３】
図３、図１０及び図１１を参照する。図１０は燃料電池ユニットの分解図で、図１１は燃料電池ユニットの気体の流れを示す図である。図３で示されるように、本発明の水冷式燃料電池１が使用する燃料電池組２０は、第一導電板２４、第二導電板２５、図１０、図１１で示される複数の燃料電池ユニット２００により構成される。本発明の第一実施例において、水冷式燃料電池１の燃料電池２００は、外部の水素供給源３が供給する水素、及び加湿モジュール１０が供給する湿潤空気を反応させるとともに、冷却剤供給源４が供給する冷却材により冷却し、それぞれ、陽極双極板２１０、陰極双極板２２０、及び、膜−電極アセンブリ２３０を備える。
【００３４】
図１０、図１２及び図１３を参照すると、陽極双極板２１０はその表面に複数の第三溝２１１を形成し、もう一つの表面に複数の第五溝２１８を形成し、その周囲にそれぞれ、二つの第七開口２１２、二つの第八開口２１３、第十三開口２１４、第十四開口２１５、第十五開口２１６及び第十七開口２１７を形成し、第七開口２１２、第八開口２１３は第三溝２１１の延伸方向に位置し、且つ、第三溝２１１と連通し、第十三開口２１４、第十四開口２１５、第十五開口２１６及び第十七開口２１７は、第五溝の延伸方向に位置するが、第十五開口２１６と第十七開口２１７はだけが第五溝と連通している。
【００３５】
図１０、図１４、図１５で示されるように、表面上に複数の第四溝２２１を形成し、その周囲にそれぞれ、二つの第九開口２２２、二つの第十開口２２３、第十一開口２２４、第十二開口２２５、第十六開口２２６及び第十八開口２２７を形成する。第九開口２２２、第十開口２２３は、それぞれ、陽極双極板２１０上の第七開口２１２、第八開口２１３と対応し、第十一開口２２４、第十二開口２２５、第十六開口２２６及び第十七開口２２７は、第四層２２１の延伸方向に形成されるとともに、それぞれ、陽極双極板２１０上の第十三開口２１４、第十四開口２１５、第十五開口２１６及び第十七開口２１７と対応しているが、第十一開口２２４と第十二開口２２５だけが第四溝に連通している。
【００３６】
図１０、図１１を参照すると、燃料電池ユニット２００において、陰極双極板２２０は第四溝２２１が陽極双極板２１０の第三溝２１１に面するように設置され、第三溝２１１と第四溝２２１は交差して設置されている。膜−電極アセンブリ２３０は陽極気体拡散層２３１、プロトン交換膜２３３及び陰極気体拡散層２３２を備え、順序通りに、陽極双極板及び陰極双極板間に挟設される。膜−電極アセンブリ２３０は熱圧縮により形成され、酸素と水素を反応させて、水とエネルギーを生成させるのに用いられる。陽極双極板２１０、陰極双極板２２０、膜−電極アセンブリ２３０は、不透水のゲルにより接着されてなり、燃料電池ユニット２００を形成している。
【００３７】
図３、図４Ａを参照すると、第一実施例の水冷式燃料電池１は、接合口３１及び空気注入口３２１を備える上端板３２を備え、接合口３１は空気注入口３２１を密封し、外部の送風機（図示しない）と連通することが出来、空気を燃料電池組２０の第一開口１１２及び第三開口１２２中に引入するのに用いられる。
【００３８】
図３、図４、図１０、図１１、図１６を参照すると、製造過程において、燃料電池組２０と加湿モジュール１０は別々に製造される。燃料電池組２０と加湿モジュール１０を結合するために、又、燃料電池組２０内に通じる気体を均等に分布するために、本発明の第一実施例の水冷式燃料電池１は、気体転向板上蓋３３と気体転向板３４とを備える。気体転向板３４は三角形の凹溝３４３を備え、凹溝３４３が対応する燃料電池組２０の第七開口２１２及び第九開口２２２の一側に、二つの転接口３４３１を備える。転接口３４３１の向かい側に燃料電池組２０に相対する第八開口２１３及び第十開口２２３は、二つの空気回流口３４４を備える。この他、気体転向板３４上の、燃料電池組２０の第十三開口２１４及び第十一開口２２４に相対する所に、水素転向口３４１１及び連通する水素注入口３４１を備え、この水素注入口３４１により、図１１中の水素供給源３と連接することが出来る。気体転向板３４上の、燃料電池組２０の第十五開口２１６及び第六開口２２６に相対する所に、冷却剤転向口３４２１及び連通する冷却剤注入口３４２を備え、この冷却剤注入口３４２により、図１１中の冷却剤供給源４と連接することができる。気体転向板上蓋３３は、それぞれ、加湿モジュール１０の第二開口１１３、第四開口１２３、第五開口１２４及び第十六開口１１４に対応して四つの開口を形成し、加湿モジュール１０からの空気を気体転向板３４の凹溝３４３内に進入させ、一方で、戻りの空気を加湿モジュール１０に流れるようにする。
【００３９】
図３、図１０、図１１を参照すると、第一実施例の水冷式燃料電池１は、下端板３５を備え、燃料電池２０と気体転向板３４の相対する側に設置され、下端板３５は水素出口３５１を備え、水素供給源３と連通し、第八開口２１３及び第十開口２２３が排出する余分な水素を、水素供給源３に戻すのに用いられる。この他、第一実施例は水冷式燃料電池であるため、水を再利用しなければならない。よって、下端板は冷却剤出口３５２を更に備え、第十七開口２１７及第十八開口２２７から流れ出る水を、冷却剤供給源４に戻すのに用いられる。
【００４０】
図３、図１０、図１１、図１６を参照すると、図１１中のＤ２は水素流動経路である。水素は水素供給源３から水素注入口３４１、水素転向口３４１１、第十三開口２１４及び第十一開口２２４を通じて、陰極双極板の第四溝２２１に進入し、その後、第十四開口２１５、第十二開口２２５、水素出口３５１により、水素供給源３に戻り、水素の流動経路が完成する。
【００４１】
図３、図１０、図１１、図１６を参照すると、図１１中の燃料電池ユニット２００が燃料電池組２０に組み立てられ、冷却剤は陽極双極板の第五溝から、燃料電池ユニットに対し冷却を実行する。図１１中のＤ３は冷却剤の流動経路で、第一実施例中では、冷却剤の流動経路である。冷却水は冷却剤供給源４（加圧ポンプ）から、冷却剤注入口３４２、冷却剤転向口３４２１、第十五開口２１６及び第十六開口２２６を経て、陽極双極板の外側の第五溝２２１に進入し、更に、第十七開口２１７、第十八開口２２７、冷却剤出口３５２から、冷却剤供給源４に戻り、冷却流動経路が完成する。
【００４２】
図３、図５、図１１を参照すると、図中のＤ１は空気流動経路を示す。外気は第一開口１１２と第三開口１２２から第一導気板１１０の第一溝１１１に進入し、第一引入気体を形成し、第二溝１２１からの水を吸収した後、第一湿潤空気を形成し、その後、第二開口１１３と第四開口１２４から加湿ユニット１００を離れて、燃料電池組２０に流れる。燃料電池組２０は燃料電池ユニット２００が重畳されてなり、図１１で示されるように、第一湿潤空気は気体転向板３４により転向された後、第七開口２１２及び第九開口２２２より、陽極双極板の第三溝に進入し、水素と酸素により生じる水を運んで、第二湿潤空気を形成し、第八開口２１３及び第十開口２２３から燃料電池ユニット２００を離れ、第二湿潤空気は気体転向板３４を経た後、第五回口１２４と第六開口１１４から、第二溝１２１に進入し、吸水層１３２で水分が吸収された後、第二湿潤空気は第二導気板１２０のまだ封鎖されない側から加湿ユニット１１０を離れる。
【００４３】
注意すべきことは、第二湿潤空気は燃料電池組２０を通過した後、その湿度と温度は上昇し、上述の過程により、第一引入空気が燃料電池組２０に進入する前、加湿ユニット１００の第一溝１１中で、中間層１３０により第二溝１２１中の第二湿潤空気の水分を吸収することが出来、加湿の効果を達成する。よって、第一実施例の加湿モジュールを備える水冷式燃料電池は、一般の加湿モジュールがない燃料電池より供電率が高く、プロトン交換膜２３３が欠水する問題も解決できる。
【００４４】
第二実施例：
図１７及び図１８は、本発明の加湿モジュールを備える燃料電池の第二実施例を示し、本実施例中の燃料電池は、気冷式燃料電池２で、同様に、上端板３２、加湿モジュール１０、気体転向板上蓋３３、気体転向板３４、燃料電池組２０’、下端板３５’及び二つの電極２４、２５’からなり、ねじ（図示しない）により、上端板３２、気体転向板３４、下端板３５’に固定され、これらのパーツが整合されて加湿モジュールの気冷式燃料電池２になる。注意すべきことは、本実施例において、上端板３２、加湿モジュール１０、気体転向板上蓋３３、気体転向板３４は、第一実施例と同じで、同じ名称で記されている。
【００４５】
図１７の気冷式燃料電池２が図３の水冷式燃料電池１と異なる部分は、冷却剤を空気により代替することで、これにより、空気を回収する必要がなく、冷却した空気を直接空気中に排出すればよい。よって、第二実施例中の燃料電池２０’の陽極双極板２１０’は、図１３中の第十七開口２１７及び図１４中の第十八開口２２７を備える必要がなく、下端板は冷却出口３５２が不用である。これにより、燃料電池ユニットの構造を簡単にすることが出来、コストを下げつつも、必要な効果は達成できる。
【００４６】
本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変動や潤色を加えることができ、従って本発明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の加湿モジュールを備える燃料電池を示す図である。
【図２】本発明の第一実施例による水冷式燃料電池の立体図である。
【図３】図２中の燃料電池の分解図である。
【図４】加湿ユニットの分解図である。
【図５】加湿ユニットの気流の流れを示す図である。
【図６】図４中の第一導気板の上視図である。
【図７】図４中の第一導気板の底視図である。
【図８】図４中の第二導気板の上視図である。
【図９】図４中の第二導気板の底視図である。
【図１０】燃料電池ユニットの分解図である。
【図１１】燃料電池ユニットの気流の流れを示す図である。
【図１２】図１０中の陽極双極板の上視図である。
【図１３】図１０中の陽極双極板の底視図である。
【図１４】図１０中の陰極双極板の上視図である。
【図１５】図１０中の陰極双極板の底視図である。
【図１６】図３中の気体転向板の上視図である。
【図１７】本発明の第二実施例による気冷式燃料電池の分解図である。
【図１８】図１７中の気冷式燃料電池陽極双極板の底視図である。
【符号の説明】
１…水冷式燃料電池
２…気冷式燃料電池
３…水素供給源
４…冷却剤供給源
１０…加湿モジュール
１００…加湿ユニット
１１０…第一導気板
１１１…第一溝
１１２…第一開口
１１３…第二開口
１１４…第六開口
１２０…第二導気板
１２１…第二溝
１２２…第三開口
１２３…第四開口
１２４…第五開口
１３０…中間層
１３１…透水層
１３１１…第一粘着部
１３１２…第二粘着
１３２…吸水層
２０…燃料電池組
２００…燃料電池ユニット
２１０…陽極双極板
２１１…第三溝
２１２…第七開口
２１３…第八開口
２１４…第十三開口
２１５…第十四開口
２１６…第十五開口
２１７…第十七開口
２１８…第五溝
２２０…陰極双極板
２２１…第四溝
２２２…第九開口
２２３…第十開口
２２４…第十一開口
２２５…第十二開口
２２６…第十六開口
２２７…第十八開口
２３０…膜−電極アセンブリ
２３１…陽極気体拡散層
２３２…プロトン交換膜
２３３…陰極気体拡散層
２４…第一導電板
２５…第二導電板
３１…接合口
３２…上端板
３２１…第一空気注入口
３３…気体転向板上蓋
３４…気体転向板
３４１…水素注入口
３４１１…水素転向口
３４２…冷却剤注入口
３４２１…冷却剤転向口
３４３…凹溝
３４３１…転接口
３４４…空気回流口
３５…下端板
３５１…水素出口
３５２…冷却剤出口
Ｄ１…空気流動経路
Ｄ２…水素流動経路
Ｄ３…冷却剤流動経路
Claims (13)
- 加湿モジュールを備え、水素供給源と連通する燃料電池であって、
前記水素供給源と連通し、前記水素供給源が供給する水素と第一湿潤空気と作用させてエネルギーを生成し、第二湿潤空気を排出する燃料電池組と、
前記燃料電池組上に設置され、前記燃料電池組及び外気とそれぞれ連通し、外気中の空気を引入して第一引入空気を形成し、且つ、前記第二湿潤空気中の水分を前記第一引入空気に送って、前記第一湿潤空気を形成する加湿モジュールと、からなり、前記加湿モジュールは重畳される複数の加湿ユニットを備え、それぞれ、
前記燃料電池組と連通し、複数の第一溝を備え、前記第一引入空気を加湿した後、前記第一湿潤空気を形成して前記燃料電池に流入させる第一導気板と、
前記燃料電池組と連通し、複数の第二溝を備え、前記第二湿潤空気を前記第二溝から前記加湿ユニットの外部に流れさせ、前記第二溝が前記第一導気板の前記第一溝に面するように設置されている第二導気板と、
前記第一導気板と前記第二導気板間に形成され、前記第一溝と前記第二溝中で流動する気体を隔離し、前記第二湿潤空気中の水分を前記第一引入空気に送り、前記第一湿潤空気を形成する中間層と、
からなることを特徴とする燃料電池。 - 前記中間層は、
前記第二溝中で流動する前記第二湿潤空気中の水分を、前記第一溝まで通過させる透水層と、
前記透水層が面する前記第二導気板の表面上に設置され、前記第二溝中で流動する前記第二湿潤空気中の水分を吸収する吸水層と、
からなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。 - 前記第一溝と前記第二溝は、互いに交差して設置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
- 前記第一導気板は、前記第一溝の延伸方向にそれぞれ、第一開口と第二開口とを形成し、前記第二導気板は、前記第一開口及び前記第二開口にそれぞれ対応する第三開口と第四開口を形成し、これにより、第一引入空気が前記第一開口と前記第三開口から前記第一溝に進入し、前記第二開口と前記第四開口から前記加湿ユニットを離れる第一湿潤空気を形成することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
- 空気注入口を備える上端板を更に備え、前記第一引入空気を前記第一開口及び前記第三開口に引入することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
- 前記第二導気板は、前記第二溝の延伸方向にそれぞれ、第五開口を形成し、前記第一導気板は前記第五開口と対応する第六開口を形成し、これにより、前記燃料電池組からの前記第二湿潤空気が、前記第五開口と前記第六開口とから前記第二溝に進入することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
- 前記燃料電池組は、
第一導電板と、
第二導電板と、
前記第一導電板と前記第二導電板間に設置され、重畳される複数の燃料電池ユニットと、
からなり、前記燃料電池ユニットはそれぞれ、
前記水素供給源と連通し、その上に複数の第三溝を備え、前記水素供給源が提供する水素を通過させる陽極双極板と、
前記加湿モジュールと連通し、その上に複数の第四溝を備え、前記第一湿潤空気を通過させて、前記第一湿潤空気が反応して生じる水分を運ぶことにより、前記加湿モジュールに送りこまれる前記第二湿潤空気を形成し、前記第四溝が前記陽極双極板の前記第三溝に面するように設置された陰極双極板と、
前記第三溝中の水素と前記第四溝中の第一湿潤空気作用によりエネルギーを生じさせ、陽極気体拡散層と、プロトン交換膜、及び陰極気体拡散層を備え、順序通りに、前記陽極双極板と前記陰極双極板の間に挟設される膜−電極アセンブリと、
からなることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。 - 前記陽極双極板は、前記第三溝の延伸方向にそれぞれ、第七開口と第八開口とを形成し、前記陰極双極板はそれぞれ、前記第七開口と前記第八開口とに対応する第九開口と第十開口を形成し、これにより、水素は前記第七開口と前記第九開口から、前記第三溝に進入し、前記第八開口と前記第十開口から前記燃料電池を離れることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池。
- 前記陰極双極板は、前記第四溝の延伸方向にそれぞれ、第十一開口と第十二開口を形成し、前記陽極双極板はそれぞれ、前記第十一開口と前記第十二開口とに対応する第十三開口と第十四開口とを形成し、これにより、前記第一湿潤空気は前記第十一開口と前記第十三開口から前記第四溝に進入し、前記第二湿潤空気は前記第十二開口と前記第十四開口から前記燃料電池を離れることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池。
- 前記燃料電池組と前記加湿モジュール間に設置された気体転向板を更に備え、前記第二開口、前記第四開口と、前記第十一開口、前記第十三開口と連通させ、前記第五開口、前記第六開口と、前記第十二開口、前記第十四開口を連通させることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池。
- 冷却剤供給源を更に備え、前記燃料電池組に冷却剤を供給して前記燃料電池組を冷却することを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池。
- 前記陽極双極板は、更に複数の第五溝を備え、前記陽極双極板は、前記第五溝の延伸方向にそれぞれ、第十五開口を形成し、前記陰極双極板は、前記第五開口と対応する第十六開口を形成し、これにより、前記冷却剤供給源からの前記冷却剤は、前記第十五開口と前記第十六開口から前記第五溝に進入し、更に、前記第五溝から外気に排出されることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池。
- 前記陽極双極板は、前記第五溝が前記第十五開口と対応する方向にそれぞれ、第十七開口を形成し、前記陰極双極板は、前記第十七開口と対応する第十八開口を形成し、これにより、前記冷却剤は前記第五溝から、前記第十七開口と前記第十八開口を通じて、前記燃料電池ユニットから離れ、前記冷却剤供給源に回収されることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池。
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