JP2007123177A - 反応ガス用加湿装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、反応ガスの加湿効率を良好に向上させることを可能にする。
【解決手段】加湿装置１０は、水透過性膜５０を挟んで配設される第１多孔質セパレータ５２及び第２多孔質セパレータ５４を備える。第１及び第２多孔質セパレータ５２、５４には、反応前の空気及びオフガスを隣接して流すための第１及び第２反応ガス流路６２ａ、６８ａと、第１及び第２加湿流体流路６４ａ、６６ａとが、多孔質壁部６５、６９を介して分割形成されている。この多孔質壁部６５、６９は、オフガス中の水分を透過して、この水分を反応前の空気に供給しており、これによって前記空気の加湿が行われる。
【選択図】図３

Description

本発明は、電解質膜の両側に電極を設けた電解質膜・電極構造体と、セパレータとを積層し、反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスが供給される固体高分子型燃料電池において、前記固体高分子型燃料電池に供給される少なくとも一方の反応ガスを、加湿流体によって加湿するための反応ガス用加湿装置に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

この燃料電池において、アノード側電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）が供給される一方、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されている。

この場合、上記の燃料電池では、有効な発電機能を発揮させるために、電解質膜を適度な湿潤状態に維持することが必要とされている。このため、燃料ガスや酸化剤ガスを、予め水を介して加湿する加湿装置を用意し、この加湿装置を燃料電池に連結することにより、前記加湿された燃料ガスや酸化剤ガスを燃料電池に供給するものが知られている。

例えば、特許文献１に開示されている加温・加湿システム装置は、図８に示すように、高分子膜１の両側には、第１セパレータ２と第２セパレータ３とが配置されている。第１セパレータ２には、加温・加湿させたい気体（例えば、水素、酸素又は空気）を導く加温・加湿気体流路溝４が設けられている。第２セパレータ３には、温水となった冷却水を導く冷却水流路溝５が設けられている。そして、冷却水流路溝５に温水となった冷却水を導くことにより、この温水は、高分子膜１に吸水され、その吸水された水は、加温・加湿気体流路溝４に導かれた加温・加湿させたい気体（以下、単に気体という）中に蒸発して加湿させるとともに、前記温水の持つ熱によって前記気体を加温させることができる、としている。

特開平６−１２４７２２号公報（図４）

ところで、上記の第１及び第２セパレータ２、３では、冷却水流路溝５に導かれた冷却水から加温・加湿気体流路溝４に導かれた気体に水分を供給する際、実際上、高分子膜１に接する部位からのみ水分の移動が行われている。従って、加温・加湿気体流路溝４では、高分子膜１から離間する壁部側を流れる気体の加湿が不十分となり易く、加湿効率が著しく低下するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、反応ガスの加湿効率を良好に向上させることが可能な反応ガス用加湿装置を提供することを目的とする。

本発明は、電解質膜の両側に電極を設けた電解質膜・電極構造体と、セパレータとを積層し、反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスが供給される固体高分子型燃料電池において、前記固体高分子型燃料電池に供給される少なくとも一方の反応ガスを、加湿流体によって加湿するための反応ガス用加湿装置である。

この反応ガス用加湿装置は、水透過性膜と、前記水透過性膜と交互に積層されるとともに、前記加湿流体に含まれる水分を透過可能な多孔質セパレータとを備えている。そして、多孔質セパレータには、一方の反応ガス及び加湿流体を隣接して流すための反応ガス流路及び加湿流体流路が多孔質壁部を介して分割形成されている。

また、反応ガス流路と加湿流体流路とは、多孔質セパレータの両面に形成されることが好ましい。さらに、加湿流体は、燃料電池から排出される一方の反応ガスであることが好ましい。

本発明では、水透過性膜の両面に一方の反応ガスと加湿流体とが流れることにより、前記加湿流体から前記水透過性膜を透過して前記一方の反応ガスに水分が供給され、前記一方の反応ガスが加湿される。

その際、多孔質セパレータには、多孔質壁部を介して反応ガス流路と加湿流体流路とが分割して形成されている。従って、加湿流体に含まれる水分は、多孔質壁部を透過して反応ガス流路に導入され、この反応ガス流路を流れる一方の反応ガスを加湿することができる。これにより、反応ガス流路を流れる一方の反応ガスは、水透過性膜及び多孔質壁部を透過する水分によって加湿されるため、加湿面積を一挙に増加させることが可能になる。このため、簡単な構成で、反応ガスの加湿効率を良好に向上させることができる。

図１は、本発明の実施形態に係る加湿装置１０を組み込む燃料電池システム１２の概略構成説明図である。

燃料電池システム１２は、例えば、自動車等の車両に搭載されており、燃料電池スタック１４を備える。この燃料電池スタック１４は、複数の発電セル１６を矢印Ａ方向に積層するとともに、積層方向両端にエンドプレート１８ａ、１８ｂが配置されている。エンドプレート１８ａ、１８ｂは、図示しない締め付けボルトにより積層方向に締め付けられている。

発電セル１６は、例えば、固体高分子電解質膜２０ａの両側にアノード側電極２０ｂとカソード側電極２０ｃとを配置した電解質膜・電極構造体２０と、前記電解質膜・電極構造体２０を挟持する一対のセパレータ２２、２４とを備える。アノード側電極２０ｂには、燃料ガスとして、例えば、水素ガスが供給される一方、カソード側電極２０ｃには、酸化剤ガスとして、例えば、酸素を含む空気が供給される。

エンドプレート１８ａには、発電セル１６に水素ガスを供給するための水素供給口２６ａと、前記発電セル１６から排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを燃料電池スタック１４から排出するための水素排出口２６ｂとが設けられる。エンドプレート１８ｂには、発電セル１６に空気を供給するための空気供給口２８ａと、前記発電セル１６から排出される空気（以下、オフガスともいう）を燃料電池スタック１４から排出するための空気排出口２８ｂとが設けられる。

燃料電池システム１２は、燃料電池スタック１４に水素ガスを供給する水素供給流路３０と、前記燃料電池スタック１４から排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを、前記水素供給流路３０の途上に戻して該燃料電池スタック１４に供給するための水素循環流路３２とを備える。

水素供給流路３０には、高圧水素を貯留する水素タンク３４と、前記水素タンク３４から供給される水素ガスの圧力を減圧するレギュレータ３６と、減圧された前記水素ガスを燃料電池スタック１４に供給するとともに、水素循環流路３２から排ガスを吸引して前記燃料電池スタック１４に戻すためのエゼクタ３８とが配設される。

燃料電池システム１２は、燃料電池スタック１４に空気を供給する空気供給流路４０と、前記燃料電池スタック１４から排出されるオフガスを、外部に排気するための空気排出流路４２とを備える。空気供給流路４０には、空気を圧縮して供給するためにスーパーチャージャ（又はポンプ）４４が設けられる。

燃料電池スタック１４には、エンドプレート１８ｂに連結されて加湿装置１０が装着される。図２〜図４に示すように、加湿装置１０は、水透過性膜５０の一方の面５０ａに配設される第１多孔質セパレータ５２と、前記水透過性膜５０の他方の面５０ｂに配設される第２多孔質セパレータ５４とを備える。

第１及び第２多孔質セパレータ５２、５４は、水蒸気透過性を保持させるために、例えば、発泡剤を膨張させた発泡体、多価アルコールや塩の脱落等で作製した多孔質樹脂、又はパンチング材等で構成されている。また、ロブ−スラリーヤン法等により、多孔質セパレータ表面にスキン層を持たせた非対称構造を作製してもよい。さらに、スルホン基やエステル基等により親水性を持たせたり、シリコン等の水蒸気選択性を有する材料、あるいは、限外ろ過や精密ろ過で用いられるポリイミド、ポリスチレン、ポリアミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン又はＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）により形成された別体の水蒸気透過膜を多孔質セパレータ表面に配置してもよい。さらにまた、親水基であるスルホン基やエステル基等を有する高分子を多孔質セパレータ内に含浸させて構成してもよい。

第１及び第２多孔質セパレータ５２、５４は、水透過性膜５０を介装して交互に矢印Ａ方向に積層されて積層体５６を構成する。積層体５６の矢印Ａ方向両端には、エンドプレート５７ａ、５７ｂが配置され、前記エンドプレート５７ａ、５７ｂ間は、複数の締め付けロッド５９を介して締め付け保持される（図２及び図３参照）。

図４に示すように、積層体５６の矢印Ｂ方向の一端縁部には、互いに矢印Ａ方向に貫通して、反応前の空気（一方の反応ガス）を供給する空気供給連通孔５８ａと、反応前の空気を加湿した後のオフガス（加湿流体）を排出するオフガス排出連通孔６０ｂとが上下（矢印Ｃ方向）に設けられる。

積層体５６の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、オフガスが供給されるオフガス供給連通孔６０ａと、加湿された反応前の空気を排出する空気排出連通孔５８ｂとが上下方向に配列されて設けられる。

図１に示すように、空気供給連通孔５８ａは、空気供給流路４０に連通し、空気排出連通孔５８ｂは、燃料電池スタック１４の空気供給口２８ａに連通する。オフガス供給連通孔６０ａは、燃料電池スタック１４の空気排出口２８ｂに連通し、オフガス排出連通孔６０ｂは、空気排出流路４２に連通する。

図４に示すように、第１多孔質セパレータ５２は、水透過性膜５０の一方の面５０ａに向かう第１面５２ａ側に、空気供給連通孔５８ａと空気排出連通孔５８ｂとを連通し、矢印Ｂ方向に１往復半のサーペンタイン形状の複数の第１反応ガス流路６２ａと、複数の第１凸部６２ｂとを交互に設ける。

図５に示すように、第１多孔質セパレータ５２の第１面５２ａとは反対の第２面５２ｂ側には、オフガス供給連通孔６０ａとオフガス排出連通孔６０ｂとを連通し、矢印Ｂ方向に１往復半のサーペンタイン形状の複数の第１加湿流体流路６４ａと、複数の第１凸部６４ｂとが交互に設けられる。

図３に示すように、第１反応ガス流路６２ａと第１加湿流体流路６４ａとは、第１多孔質セパレータ５２を構成する多孔質壁部６５を介して分割形成される。多孔質壁部６５は、第１加湿流体流路６４ａを流れるオフガスに含まれる水分を透過させ、第１反応ガス流路６２ａを流れる反応ガス前の空気に供給する機能を有する。第１凸部６２ｂ、６４ｂは、同様に多孔質壁部を構成する。

第２多孔質セパレータ５４は、図６に示すように、水透過性膜５０の他方の面５０ｂに向かう第３面５４ａ側に、オフガス供給連通孔６０ａとオフガス排出連通孔６０ｂとを連通し、矢印Ｂ方向に１往復半のサーペンタイン形状の複数の第２加湿流体流路６６ａと、複数の第２凸部６６ｂとを交互に設ける。

図４に示すように、第２多孔質セパレータ５４は、第３面５４ａとは反対の第４面５４ｂ側に、空気供給連通孔５８ａと空気排出連通孔５８ｂとを連通し、矢印Ｂ方向に１往復半のサーペンタイン形状の複数の第２反応ガス流路６８ａと、複数の第２凸部６８ｂとを交互に設ける。

図３に示すように、第２加湿流体流路６６ａと第２反応ガス流路６８ａとは、第２多孔質セパレータ５４を構成する多孔質壁部６９を介して分割形成される。多孔質壁部６９は、第２加湿流体流路６６ａを流れる空気のオフガスに含まれる水分を透過させ、第２反応ガス流路６８ａを流れる反応ガス前の空気に供給する機能を有する。第２凸部６６ｂ、６８ｂは、同様に多孔質壁部を構成する。

第１及び第２多孔質セパレータ５２、５４には、図示しないがガスケット等のシール部材が設けられる。このシール部材は、第１多孔質セパレータ５２の第１面５２ａで、空気供給連通孔５８ａ及び空気排出連通孔５８ｂを第１反応ガス流路６２ａに連通するとともに、第２面５２ｂで、オフガス供給連通孔６０ａ及びオフガス排出連通孔６０ｂを第１加湿流体流路６４ａに連通する。

同様に、シール部材は、第２多孔質セパレータ５４の第３面５４ａで、オフガス供給連通孔６０ａ及びオフガス排出連通孔６０ｂを第２加湿流体流路６６ａに連通するとともに、第４面５４ｂで、空気供給連通孔５８ａ及び空気排出連通孔５８ｂを第２反応ガス流路６８ａに連通する。

このように構成される燃料電池システム１２の動作について、加湿装置１０との関連で以下に説明する。

図１に示すように、水素タンク３４から水素供給流路３０に供給される水素ガスは、レギュレータ３６を介して所定の圧力に減圧され、エゼクタ３８を通って燃料電池スタック１４の水素供給口２６ａに供給される。水素供給口２６ａに供給された水素は、各発電セル１６を構成するアノード側電極２０ｂに沿って移動した後、未使用の水素を含む排ガスが、水素排出口２６ｂから水素循環流路３２に排出される。この排ガスは、エゼクタ３８の吸引作用下に、水素供給流路３０の途上に戻された後、再度、燃料電池スタック１４内に燃料ガスとして供給される。

一方、スーパーチャージャ４４を介して空気供給流路４０に空気が供給される。この空気は、加湿装置１０を構成するエンドプレート５７ｂから積層体５６の空気供給連通孔５８ａに供給される。

図４に示すように、第１及び第２多孔質セパレータ５２、５４では、空気供給連通孔５８ａに第１及び第２反応ガス流路６２ａ、６８ａの入口端部が開放されている。このため、空気供給連通孔５８ａに供給された反応前の空気は、サーペンタイン形状の複数の第１及び第２反応ガス流路６２ａ、６８ａに沿って移動する。

図３に示すように、第１反応ガス流路６２ａを流れる空気は、水透過性膜５０の一方の面５０ａに接触するとともに、第２反応ガス流路６８ａに沿って移動する空気は、他の水透過性膜５０の他方の面５０ｂに接触する。

加湿装置１０では、燃料電池スタック１４の発電に使用された反応済みの空気であるオフガスが、オフガス供給連通孔６０ａに供給される。図５及び図６に示すように、第１及び第２多孔質セパレータ５２、５４では、オフガス供給連通孔６０ａに第１及び第２加湿流体流路６４ａ、６６ａの入口端部が開放されている。このため、オフガス供給連通孔６０ａに供給されたオフガスは、サーペンタイン形状の複数の第１及び第２加湿流体流路６４ａ、６６ａに沿って移動する。

このため、図３に示すように、第１加湿流体流路６４ａを移動するオフガスは、水透過性膜５０の一方の面５０ａに接触するとともに、第２加湿流体流路６６ａに沿って移動するオフガスは、また別の水透過性膜５０の他方の面５０ｂに接触する。

従って、第１及び第２多孔質セパレータ５２、５４の第１及び第２加湿流体流路６４ａ、６６ａに沿って移動するオフガス中の水分は、それぞれ水透過性膜５０を透過し、第１及び第２反応ガス流路６２ａ、６８ａに沿って移動する反応前の空気に供給され、この空気が加湿される。そして、加湿された空気は、空気排出連通孔５８ｂから燃料電池スタック１４の空気供給口２８ａに供給される（図１参照）。

この加湿された空気は、各発電セル１６のカソード側電極２０ｃに供給される一方、未使用の空気を含むオフガスは、上記のように空気排出口２８ｂから加湿装置１０に排出される。これにより、各発電セル１６では、アノード側電極２０ｂに供給される水素と、カソード側電極２０ｃに供給される空気中の酸素とが反応して発電が行われる。

この場合、本実施形態では、図３に示すように、第１多孔質セパレータ５２の両面である第１及び第２面５２ａ、５２ｂには、反応前の空気及びオフガスを隣接して流すための第１反応ガス流路６２ａ及び第１加湿流体流路６４ａが、多孔質壁部６５及び第１凸部６２ｂ、６４ｂ（多孔質壁部）を介して分割形成されている。

一方、第２多孔質セパレータ５４の両面である第３及び第４面５４ａ、５４ｂには、同様に、反応前の空気及びオフガスを隣接して流すための第２反応ガス流路６８ａ及び第２加湿流体流路６６ａが、多孔質壁部６９及び第２凸部６６ｂ、６８ｂ（多孔質壁部）を介して分割形成されている。

このため、図７に示すように、例えば、第１反応ガス流路６２ａを流れる反応前の空気は、第２加湿流体流路６６ａを流れるオフガス中の水分が水透過性膜５０を透過することにより加湿されるとともに、隣接する第１加湿流体流路６４ａを流れるオフガス中の水分が多孔質壁部６５を透過して加湿される。さらに、この第１反応ガス流路６２ａを流れる反応前の空気には、反対側の第２加湿流体流路６６ａに存在する水分が、第１及び第２凸部６４ｂ、６８ｂに挟持されている水透過性膜５０を透過して供給される。

従って、第１反応ガス流路６２ａを流れる反応前の空気には、四方向（上下左右）全てからオフガスに含まれる水分が透過して供給されるため、加湿面積が一挙に増加する。これにより、簡単な構成で、反応前の空気の加湿効率を良好に向上させることができるという効果が得られる。

また、第２反応ガス流路６８ａを流れる反応前の空気は、上記の第１反応ガス流路６２ａと同様に、四方向全てから加湿されている。このため、空気の加湿効率が大幅に向上するという利点がある。

なお、本実施形態では、一方の反応ガスである空気を加湿して燃料電池スタック１４に供給するように構成しているが、これに限定されるものではなく、他方の反応ガスである燃料ガスを加湿する構造を採用してもよい。また、加湿流体として燃料電池スタック１４から排出される空気であるオフガスを用いているが、これに限定されるものではなく、他の加湿ガス、例えば、専用の水蒸気ガスや純水又は液体等を用いてもよい。

本発明の実施形態に係る加湿装置を組み込む燃料電池システムの概略構成説明図である。 前記加湿装置の概略斜視説明図である。 前記加湿装置の一部断面側面図である。 前記加湿装置の要部分解斜視説明図である。 前記加湿装置を構成する第１多孔質セパレータの正面図である。 前記加湿装置を構成する第２多孔質セパレータの正面図である。 前記加湿装置の一部拡大断面図である。 特許文献１の加温・加湿システム装置の説明図である。

符号の説明

１０…加湿装置 １２…燃料電池システム
１４…燃料電池スタック １６…発電セル
２０…電解質膜・電極構造体 ２０ａ…固体高分子電解質膜
２０ｂ…アノード側電極 ２０ｃ…カソード側電極
２２、２４…セパレータ ２６ａ…水素供給口
２６ｂ…水素排出口 ２８ａ…空気供給口
２８ｂ…空気排出口 ４０…空気供給流路
４２…空気排出流路 ５０…水透過性膜
５２、５４…多孔質セパレータ ５６…積層体
５８ａ…空気供給連通孔 ５８ｂ…空気排出連通孔
６０ａ…オフガス供給連通孔 ６０ｂ…オフガス排出連通孔
６２ａ、６８ａ…反応ガス流路 ６２ｂ、６４ｂ、６６ｂ、６８ｂ…凸部
６４ａ、６６ａ…加湿流体流路 ６５、６９…多孔質壁部

Claims (3)

1. 電解質膜の両側に電極を設けた電解質膜・電極構造体と、セパレータとを積層し、反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスが供給される固体高分子型燃料電池において、前記固体高分子型燃料電池に供給される少なくとも一方の反応ガスを、加湿流体によって加湿するための反応ガス用加湿装置であって、
   水透過性膜と、
   前記水透過性膜と交互に積層されるとともに、前記加湿流体に含まれる水分を透過可能な多孔質セパレータと、
   を備え、
   前記多孔質セパレータには、前記一方の反応ガス及び前記加湿流体を隣接して流すための反応ガス流路及び加湿流体流路が多孔質壁部を介して分割形成されることを特徴とする反応ガス用加湿装置。
2. 請求項１記載の反応ガス用加湿装置において、前記反応ガス流路と前記加湿流体流路とは、前記多孔質セパレータの両面に形成されることを特徴とする反応ガス用加湿装置。
3. 請求項１又は２記載の反応ガス用加湿装置において、前記加湿流体は、前記燃料電池から排出される前記一方の反応ガスであることを特徴とする反応ガス用加湿装置。

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