JP2007123181A - 反応ガス用加湿装置 - Google Patents

Abstract

【課題】積層方向に延在する連通孔と水透過性膜に沿って延在する流路との連結流路部における圧損を良好に低減することを可能にする。
【解決手段】加湿装置１４は、水透過性膜４０の両側に配置される第１及び第２セパレータ４２、４４を備える。第１セパレータ４２は、略Ｕ字状に屈曲乃至湾曲する複数の溝部５２ａ、５２ｂを有する第１及び第２反応ガス流路５２、５４を設ける。第１及び第２反応ガス流路５２、５４の一方の開放端部には、空気入口連通孔４８ａに連結される第１入口連結流路部６０ａが設けられるとともに、この第１入口連結流路部６０ａを構成する溝部５２ｂ、５４ｂの流路高さは、前記第１及び第２反応ガス流路５２、５４の中央側の溝部５２ａ、５４ａの流路高さよりも大きく設定される。
【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水透過性膜を設ける反応ガス用加湿装置に関する。

通常、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。

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構成が知られている。

例えば、特許文献１に開示されている加温・加湿システム装置では、図９に示すように、高分子膜１の両側に、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。

このような構成において、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に吸水されている。そして、この吸水された水は、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）中に蒸発して前記気体を加湿するとともに、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、上記の加温・加湿システム装置では、所定数の第１セパレータ２、高分子膜１及び第２セパレータ３を、順次、積層して積層体スタックを構成する際には、気体及び温水となった冷却水を、それぞれ積層方向に供給するための連通孔が設けられる場合がある。そして、各連通孔に沿って積層方向に流れる気体や冷却水は、それぞれ高分子膜１の両面に形成されている加温・加湿気体流路溝４及び冷却水流路溝５に分流されることにより、上記の加温・加湿処理が遂行されることになる。

しかしながら、連通孔と加温・加湿気体流路溝４及び冷却水流路溝５との連結部位では、気体及び冷却水の流れの方向が急激に変化するとともに、それぞれの流速の変化も相当に大きなものとなっている。これにより、前記の各連結部位における気体や冷却水の圧損が増大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、積層方向に延在する連通孔と水透過性膜に沿って延在する流路との連結流路部における圧損を良好に低減す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水透過性膜を設ける反応ガス用加湿装置である。

この反応ガス用加湿装置は、一方の反応ガスを積層方向に流す反応ガス入口連通孔と、加湿された前記一方の反応ガスを前記積層方向に流す反応ガス出口連通孔と、前記反応ガス入口連通孔と前記反応ガス出口連通孔とに連通し、水透過性膜に沿って前記一方の反応ガスを流して前記一方の反応ガスを加湿する反応ガス流路とを設けている。

そして、反応ガス流路の開放端部には、少なくとも反応ガス入口連通孔又は反応ガス出口連通孔に連結される連結流路部が設けられるとともに、前記連結流路部の流路断面積は、前記反応ガス流路の中央側の流路断面積よりも大きく設定されている。

また、反応ガス用加湿装置は、加湿流体を積層方向に流す加湿流体入口連通孔と、一方の反応ガスを加湿した後の前記加湿流体を前記積層方向に流す加湿流体出口連通孔と、前記加湿流体入口連通孔と前記加湿流体出口連通孔とに連通し、水透過性膜に沿って前記加湿流体を流す加湿流体流路とを設け、前記加湿流体流路の開放端部には、少なくとも前記加湿流体入口連通孔又は前記加湿流体出口連通孔に連結される連結流路部が設けられるとともに、前記連結流路部の流路断面積は、前記加湿流体流路の中央側の流路断面積よりも大きく設定されることことが好ましい。

さらに、連結流路部の流路高さは、中央側の流路高さよりも高く設定されることが好ましい。

さらにまた、水透過性膜と交互に積層される金属セパレータを備え、前記金属セパレータは、両面に一方の反応ガス又は加湿流体のいずれかを流す複数の流路溝が形成された波板形状を有するとともに、連結流路部は、隣接する金属セパレータの少なくとも一方に向かって突出し、前記連結流路部の流路高さを拡大させる膨出形状部を有することが好ましい。

さらに、加湿流体は、固体高分子型燃料電池から排出される使用済みの一方の反応ガスであることが好ましい。

本発明では、反応ガス流路の開放端部に設けられる連結流路部の流路断面積が、前記反応ガス流路の中央側の流路断面積よりも大きく設定されている。このため、反応ガス入口連通孔から連結流路部に加湿前の反応ガスが導入される際、及び／又は、前記連結流路部から反応ガス出口連通孔に加湿後の反応ガスが導入される際、前記反応ガスの圧損を良好に低減させることができる。これにより、反応ガス流路に沿って反応ガスを円滑且つ確実に流動させることが可能になり、所望の加湿処理が効率的に遂行される。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る反応ガス用加湿装置を組み込む燃料電池システム１０の概略構成説明図であり、図２は、前記燃料電池システム１０の概略斜視図である。

燃料電池システム１０は、例えば、自動車等の車両に搭載されており、固体高分子型燃料電池１２と、平膜型加湿装置１４とを積層方向（矢印Ａ方向）にスタックして構成される。燃料電池１２は、複数の発電セル１６を矢印Ａ方向に積層するとともに、積層方向両端にターミナルプレート１７ａ、１７ｂ及び絶縁プレート１９ａ、１９ｂを介装して第１及び第２エンドプレート１８ａ、１８ｂが配置される。

第２エンドプレート１８ｂには、加湿装置１４が直接積層される。加湿装置１４を構成する第３エンドプレート１８ｃは、第１エンドプレート１８ａに対し、第２エンドプレート１８ｂを介装して複数の締め付けボルト２１により積層方向に締め付けられる（図２参照）。

図１に示すように、発電セル１６は、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を挟持する一対の金属製又はカーボン製セパレータ２２、２４とを備える。

燃料電池１２内には、それぞれ矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガス（以下、空気ともいう）を供給するための酸化剤ガス供給連通孔２６ａ、前記酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔２６ｂ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔２８ａ、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔２８ｂ、燃料ガス、例えば、水素含有ガス（以下、水素ともいう）を供給するための燃料ガス供給連通孔３０ａ、及び前記燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３０ｂが設けられる。

セパレータ２２の電解質膜・電極構造体２０に向かう面には、燃料ガス供給連通孔３０ａと燃料ガス排出連通孔３０ｂとを連通する燃料ガス流路３２が形成される。セパレータ２２の反対側の面には、冷却媒体供給連通孔２８ａと冷却媒体排出連通孔２８ｂとを連通する冷却媒体流路３４が形成される。

セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２０に向かう面には、酸化剤ガス供給連通孔２６ａと酸化剤ガス排出連通孔２６ｂとに連通する酸化剤ガス流路３６が設けられる。セパレータ２４の反対側の面には、セパレータ２２と重なり合って冷却媒体流路３４が一体的に形成される。

図３及び図４に示すように、加湿装置１４は、水透過性膜４０の一方の面４０ａに配設される第１セパレータ４２と、前記水透過性膜４０の他方の面４０ｂに配設される第２セパレータ４４とを備える。第１及び第２セパレータ４２、４４は、水透過性膜４０を介装して交互に矢印Ａ方向に積層されて積層体４６を構成する。第１及び第２セパレータ４２、４４は、金属製プレートを波形状に成形して構成される。なお、この第１及び第２セパレータ４２、４４は、例えば、カーボンプレートに削り加工等を施して構成してもよい。

図３に示すように、積層体４６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）を導入する空気入口連通孔（反応ガス入口連通孔）４８ａと、加湿された反応前の空気を燃料電池１２に供給する空気出口連通孔（反応ガス出口連通孔）４８ｂとが矢印Ｃ方向に配列して形成される。

積層体４６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、空気オフガスが供給される空気オフガス入口連通孔（加湿流体入口連通孔）５０ａと、反応前の空気を加湿した後の空気オフガスを排出する空気オフガス出口連通孔（加湿流体出口連通孔）５０ｂとが矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

第１セパレータ４２は、水透過性膜４０の一方の面４０ａに向かう面４２ａ側に、空気入口連通孔４８ａと空気出口連通孔４８ｂとを連通し、略Ｕ字状に屈曲乃至湾曲する複数の溝部５２ａを有する第１反応ガス流路５２を設ける。各溝部５２ａは、凸部５３間に形成される（図４参照）。

第１セパレータ４２の面４２ａとは反対の面４２ｂ側には、空気入口連通孔４８ａと空気出口連通孔４８ｂとを連通し、略Ｕ字状の複数の溝部５４ａを有する第２反応ガス流路５４が設けられる（図３参照）。各溝部５４ａは、凸部５５間に形成される。第１反応ガス流路５２と第２反応ガス流路５４とは、第１セパレータ４２の中立面４２ｃの両側に交互に且つ同一距離ずつ突出して形成され、全体として波形状を有している（図４参照）。

第２セパレータ４４は、図３に示すように、水透過性膜４０の他方の面４０ｂに向かう面４４ａ側に空気オフガス入口連通孔５０ａと空気オフガス出口連通孔５０ｂとを連通する略Ｕ字状の複数の溝部５６ａを有する第１加湿流体流路５６を設ける。各溝部５６ａは、凸部５７間に形成される。

第２セパレータ４４は、面４４ａとは反対の面４４ｂ側に、空気オフガス入口連通孔５０ａと空気オフガス出口連通孔５０ｂとを連通する略Ｕ字状の複数の溝部５８ａを有する第２加湿流体流路５８を設ける。各溝部５８ａは、凸部５９間に形成される。第１加湿流体流路５６と第２加湿流体流路５８とは、第２セパレータ４４の中立面４４ｃの両側に交互に且つ同一距離ずつ突出して形成され、全体として波形状を有している（図４参照）。

図３に示すように、第１及び第２反応ガス流路５２、５４の少なくとも一方の開放端部、第１の実施形態では、両方の開放端部に、空気入口連通孔４８ａに連結される第１入口連結流路部６０ａと、空気出口連通孔４８ｂに連結される第１出口連結流路部６０ｂとが設けられる。同様に、第１及び第２加湿流体流路５６、５８の両方の開放端部には、空気オフガス入口連通孔５０ａに連結される第２入口連結流路部６２ａと、空気オフガス出口連通孔５０ｂに連結される第２出口連結流路部６２ｂとが設けられる。

図３、図５及び図６に示すように、第１入口連結流路部６０ａは、空気入口連通孔４８ａに開放される複数の溝部５２ｂ、５４ｂを有する。溝部５２ｂ、５４ｂの流路高さｈ１は、第１及び第２反応ガス流路５２、５４の中央側の溝部５２ａ、５４ａの流路高さｈ２よりも高く（ｈ１＞ｈ２）設定される（図５及び及び図６参照）。すなわち、溝部５２ｂ、５４ｂの流路断面積は、溝部５２ａ、５４ａの流路断面積よりも大きく設定される。

具体的には、第１入口連通流路部６０ａでは、第１セパレータ４２に隣接する第２セパレータ４４のうち、例えば、第１反応ガス流路５２に対向する第２セパレータ４４側に向かって突出する膨出形状部５３ａを有する。この膨出形状部５３ａは、凸部５３から連続して形成されており、この凸部５３の端部から第２セパレータ４４側に突出する。膨出形状部５３ａは、第２セパレータ４４の中立面４４ｃに近接乃至接触することにより、溝部５２ｂ、５４ｂの流路高さｈ１が溝部５２ａ、５４ａの流路高さｈ２よりも高く設定される。

第１出口連結流路部６０ｂ、第２入口連結流路部６２ａ及び第２出口連結流路部６２ｂでは、必要に応じて上記の第１入口連結流路部６０ａと同様に、流路高さを高く設定することができる。

図３に示すように、第１セパレータ４２の両面（又は片面）には、空気オフガスの漏れを防止するために、第１シール６６が一体成形される一方、第２セパレータ４４の両面（又は片面）には、反応前の空気の漏れを防止するために、第２シール６８が一体成形される。

図１に示すように、燃料電池システム１０は、加湿装置１４側に設けられる酸化剤ガス供給系７０と、燃料電池１２側に設けられる燃料ガス供給系７２及び冷却媒体供給系７４とを備える。

酸化剤ガス供給系７０は、第３エンドプレート１８ｃに接続されて加湿装置１４の空気入口連通孔４８ａに空気を供給する空気供給流路７６と、前記加湿装置１４の空気オフガス出口連通孔５０ｂから排出される空気オフガスを、外部に排気するための空気排出流路７８とを備える。空気供給流路７６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）８０が設けられる。

燃料ガス供給系７２は、第１エンドプレート１８ａに接続されて燃料電池１２の燃料ガス供給連通孔３０ａに水素ガスを供給するための水素供給流路８２と、前記燃料電池１２の燃料ガス排出連通孔３０ｂ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８２の途上に戻して該燃料電池１２に供給するための水素循環流路８４とを備える。

水素供給流路８２には、高圧水素を貯留する水素タンク８６と、前記水素タンク８６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８８と、減圧された前記水素ガスを燃料電池１２に供給するとともに、水素循環流路８４から排ガスを吸引して前記燃料電池１２に戻すためのエゼクタ９０とが配設される。

冷却媒体供給系７４は、第１エンドプレート１８ａに接続されて燃料電池１２の冷却媒体供給連通孔２８ａに冷却媒体を供給するための冷却媒体供給流路９２と、前記燃料電池１２の冷却媒体排出連通孔２８ｂから排出される冷却媒体を冷却媒体タンク９４に戻す冷却媒体循環流路９６と、前記冷却媒体タンク９４内の前記冷却媒体を循環させるポンプ９８とを備える。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。

図１に示すように、水素タンク８６から水素供給流路８２に供給される水素ガスは、レギュレータ８８を介して所定の圧力に減圧された後、エゼクタ９０を通って燃料電池１２の燃料ガス供給連通孔３０ａに供給される。

水素ガスは、各発電セル１６を構成する燃料ガス流路３２に沿って移動し、アノード側電極２０ｂに供給された後、未使用の水素を含む燃料オフガスが、燃料ガス排出連通孔３０ｂに排出される。この燃料オフガスは、水素循環流路８４に排出されてエゼクタ９０の吸引作用下に水素供給流路８２に途上に戻された後、再度、燃料電池１２に燃料ガスとして供給される。

一方、スーパーチャージャ８０を介して、空気供給流路７６に空気が供給される。この空気は、第３エンドプレート１８ｃから加湿装置１４を構成する積層体４６の空気入口連通孔４８ａに供給される。

図３に示すように、加湿装置１４では、第１セパレータ４２の第１及び第２反応ガス流路５２、５４が空気入口連通孔４８ａに連通している。このため、空気入口連通孔４８ａに導入された空気は、略Ｕ字状の第１及び第２反応ガス流路５２、５４に沿って移動する。第１反応ガス流路５２を流れる空気は、水透過性膜４０の一方の面４０ａに接触するとともに、第２反応ガス流路５４に沿って移動する空気は、他の水透過性膜４０の一方の面４０ａに接触する（図４参照）。

加湿装置１４では、燃料電池１２の発電に使用された反応済みの空気である空気オフガスが、空気オフガス入口連通孔５０ａに供給される。この空気オフガスは、第２セパレータ４４の空気オフガス入口連通孔５０ａに連通する第３及び第２加湿流体流路５６、５８に導入される。第１加湿流体流路５６を移動する空気オフガスは、水透過性膜４０の他方の面４０ｂに接触するとともに、第２加湿流体流路５８に沿って移動する空気オフガスは、他の水透過性膜４０の他方の面４０ｂに接触する。

従って、第２セパレータ４４の第１加湿流体流路５６に沿って移動する空気オフガス中の水分は、水透過性膜４０を透過し第１反応ガス流路５２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。さらに、第２反応ガス流路５４に沿って移動する反応前の空気は、第２加湿流体流路５８に沿って移動する空気オフガス中の水分により加湿される。そして、加湿された空気は、第１及び第２反応ガス流路５２、５４に連通する空気出口連通孔４８ｂから燃料電池１２の酸化剤ガス供給連通孔２６ａに供給される。

図１に示すように、加湿された空気は、第２エンドプレート１８ｂから各発電セル１６に供給される。この加湿された空気は、セパレータ２４に形成される酸化剤ガス流路３６を流れることによって、カソード側電極２０ｃに供給される。未使用の空気を含む空気オフガスは、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂに排出された後、上記のように、加湿装置１４内で加湿処理に用いられて空気オフガス出口連通孔５０ｂから空気排出流路７８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。

また、冷却媒体供給系７４では、ポンプ９８の作用下に冷却媒体タンク９４内の冷却媒体が、冷却媒体供給流路９２から燃料電池１２の冷却媒体供給連通孔２８ａに供給される。この冷却媒体は、セパレータ２２、２４間に形成される冷却媒体流路３４を通ることによって各発電セル１６を冷却した後、冷却媒体排出連通孔２８ｂから冷却媒体循環流路９６に排出され、冷却媒体タンク９４に戻される。

この場合、第１の実施形態では、図５及び図６に示すように、第１及び第２反応ガス流路５２、５４の一方の開放端部に、空気入口連通孔４８ａに連結される第１入口連結流路部６０ａが設けられるとともに、この第１入口連結流路部６０ａを構成する溝部５２ｂ、５４ｂの流路高さ１ｈは、中央側の溝部５２ａ、５４ａの流路高さｈ２に比べて大きく（ｈ１＞ｈ２）に設定されている。

このため、空気の流れ方向の変化及び流路断面積の変化が最も著しい部位である第１入口連結流路部６０ａの流路断面積は、溝部５２ａ、５４ａの流路断面積よりも大きく設定されている。従って、空気入口連通孔４８ａに沿って矢印Ａ方向に流れる空気が、第１及び第２反応ガス流路５２、５４に導入される際、前記空気の圧損を大幅に低減させることができる。

これにより、空気入口連通孔４８ａから第１及び第２反応ガス流路５２、５４に空気が円滑且つ確実に導入される。このため、空気は、第１及び第２反応ガス流路５２、５４に沿って良好に流れることができ、所望の加湿処理が効率的に遂行可能になるという効果が得られる。さらに、スーパーチャージャ８０の消費電力を有効に削減することができる。

しかも、図６に示すように、第１入口連結流路部６０ａでは、膨出形状部５３ａが第２セパレータ４４の中立面４４ｃに接触している。従って、積層体４６の積層方向（矢印Ａ方向）に対し、第１及び第２セパレータ４２、４４が接触することによる強度の向上が容易に図られる。

一方、図３に示すように、第１及び第２反応ガス流路５２、５４の他方の開放端部には、空気出口連通孔４８ｂに連結される第１出口連結流路部６０ｂが設けられるとともに、この第１出口連結流路部６０ｂは、上記の第１入口連結流路部６０ａと同様に構成されている。従って、第１及び第２反応ガス流路５２、５４から空気出口連通孔４８ｂに対し、加湿後の空気が円滑且つ良好に排出され、前記空気の圧損を良好に低減させることが可能になる。

さらにまた、第１及び第２加湿流体流路５６、５８の開放端部には、空気オフガス入口連通孔５０ａ及び空気オフガス出口連通孔５０ｂに連結される第２入口連結流路部６２ａ及び第２出口連結流路部６２ｂが設けられている。これにより、空気オフガスの流れ方向の変化及び流路断面積の変化が最も大きな部位である第２入口連結流路部６２ａ及び第２出口連結流路部６２ｂにおいて、流路断面積を大きく設定することができ、前記空気オフガスの圧損を良好に低減することが可能になるという効果がある。

図７は、本発明の第２の実施形態に係る反応ガス用加湿装置である平膜型加湿装置１００の一部斜視説明図であり、図８は、前記加湿装置１００の、図７中、ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面図である。なお、第１の実施形態に係る加湿装置１４と同一の構成要素には、同一の参照符号を付してその詳細な説明は省略する。

加湿装置１００は、水透過性膜４０が介装される第１及び第２セパレータ１０２、１０４を備える。第１入口連結流路部６０ａは、空気入口連通孔４８ａに開放される複数の溝部５２ｃ、５４ｃを有する。溝部５２ｃ、５４ｃの流路高さｈ３は、第１及び第２反応ガス流路５２、５４の中央側の溝部５２ａ、５４ａの流路高さｈ２よりも高く、さらに、上記の第１の実施形態の溝部５２ｂ、５４ｂの流路高さｈ１よりも高く設定される（ｈ３＞ｈ１＞ｈ２）。

具体的には、第１入口連結流路部６０ａは、隣接する各第２セパレータ１０４側に突出する膨出形状部５３ａ、５５ａを有する。膨出形状部５５ａは、凸部５５の端部から第２反応ガス流路５４に対向する第２セパレータ１０４に向かって突出し、この第２セパレータ１０４の中立面４４ｃに隣接乃至接触する。

なお、図示しないが、第１出口連結流路部６０ｂ、第２入口連結流路部６２ａ及び第２出口連結流路部６２ｂでは、上記の第１入口連結流路部６０ａと同様に構成することができる。

このように構成される第２の実施形態では、空気入口連通孔４８ａに連結される第１入口連結流路部６０ａにおいて、隣接する両側の第２セパレータ１０４側に向かって突出する膨出形状部５３ａ、５５ａを設けている。このため、第１入口連結流路部６０ａを構成する溝部５２ｃ、５４ｃの流路高さｈ３は、中央側の溝部５２ａ、５４ａの流路高さｈ２に比べて相当に拡大することができる。

これにより、空気入口連通孔４８ａから第１及び第２反応ガス流路５２、５４に空気が円滑且つ確実に導入され、所望の加湿処理が効率的に遂行可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。しかも、第１セパレータ１０２が隣接する両側の第２セパレータ１０４の各中立面４４ｃに膨出形状部５３ａ、５５ａが接触している。従って、加湿装置１００全体の積層方向の剛性を一層有効に向上させることが可能になるという利点がある。

なお、第１及び第２の実施形態では、反応前の空気を空気オフガスで加湿する構成を採用しているが、これに限定されるものではない。例えば、反応前の空気を燃料オフガス（反応後の燃料ガス）で加湿する構成、反応前の燃料ガスを空気オフガスで加湿する構成、反応前の燃料ガスを燃料オフガスで加湿する構成、又は反応前の空気あるいは燃料ガスを純水である燃料電池冷却用冷却水で加湿する構成等を採用してもよい。さらに、流路形状は、略Ｕ字状に限定されず、サーペンタイン等の種々の形状が採用可能である。

本発明の第１の実施形態に係る反応ガス用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。 前記燃料電池システムの概略斜視説明図である。 前記加湿装置の一部分解斜視説明図である。 前記加湿装置の一部断面説明図である。 前記加湿装置の一部斜視説明図である。 前記加湿装置の、図５中、ＶＩ−ＶＩ線断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る反応ガス用加湿装置である平膜型加湿装置の一部斜視説明図である。 前記加湿装置の、図７中、ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面図である。 特許文献１の加温・加湿システム装置の概略説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池システム １２…燃料電池
１４、１００…加湿装置 １６…発電セル
１８ａ〜１８ｃ…エンドプレート 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、４２、４４、１０２、１０４…セパレータ
２６ａ…酸化剤ガス供給連通孔 ２６ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
２８ａ…冷却媒体供給連通孔 ２８ｂ…冷却媒体排出連通孔
３０ａ…燃料ガス供給連通孔 ３０ｂ…燃料ガス排出連通孔
３２…燃料ガス流路 ３４…冷却媒体流路
３６…酸化剤ガス流路 ４０…水透過性膜
４２ｃ、４４ｃ…中立面 ４６…積層体
４８ａ…空気入口連通孔 ４８ｂ…空気出口連通孔
５０ａ…空気オフガス入口連通孔 ５０ｂ…空気オフガス出口連通孔
５２、５４…反応ガス流路 ５２ａ〜５２ｃ、５４ａ〜５４ｃ…溝部
５３、５５…凸部 ５３ａ、５５ａ…膨出形状部
５６、５８…加湿流体流路 ６０ａ、６２ａ…入口連結流路部
６０ｂ、６２ｂ…出口連結流路部 ７０…酸化剤ガス供給系
７２…燃料ガス供給系 ７４…冷却媒体供給系

Claims (5)

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水透過性膜を設ける反応ガス用加湿装置であって、
   前記一方の反応ガスを前記積層方向に流す反応ガス入口連通孔と、
   加湿された前記一方の反応ガスを前記積層方向に流す反応ガス出口連通孔と、
   前記反応ガス入口連通孔と前記反応ガス出口連通孔とに連通し、前記水透過性膜に沿って前記一方の反応ガスを流して前記一方の反応ガスを加湿する反応ガス流路と、
   を設け、
   前記反応ガス流路の開放端部には、少なくとも前記反応ガス入口連通孔又は前記反応ガス出口連通孔に連結される連結流路部が設けられるとともに、前記連結流路部の流路断面積は、前記反応ガス流路の中央側の流路断面積よりも大きく設定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、前記加湿流体を前記積層方向に流す加湿流体入口連通孔と、
   前記一方の反応ガスを加湿した後の前記加湿流体を前記積層方向に流す加湿流体出口連通孔と、
   前記加湿流体入口連通孔と前記加湿流体出口連通孔とに連通し、前記水透過性膜に沿って前記加湿流体を流す加湿流体流路と、
   を設け、
   前記加湿流体流路の開放端部には、少なくとも前記加湿流体入口連通孔又は前記加湿流体出口連通孔に連結される連結流路部が設けられるとともに、前記連結流路部の流路断面積は、前記加湿流体流路の中央側の流路断面積よりも大きく設定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、前記連結流路部の流路高さは、前記中央側の流路高さよりも高く設定されることを特徴とする反応ガス用加湿装置。
4. 請求項３記載の反応ガス用加湿装置において、前記水透過性膜と交互に積層される金属セパレータを備え、
   前記金属セパレータは、両面に前記一方の反応ガス又は前記加湿流体のいずれかを流す複数の流路溝が形成された波板形状を有するとともに、
   前記連結流路部は、隣接する金属セパレータの少なくとも一方に向かって突出し、前記連結流路部の流路高さを拡大させる膨出形状部を有することを特徴とする反応ガス用加湿装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の反応ガス用加湿装置において、前記加湿流体は、前記固体高分子型燃料電池から排出される使用済みの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。

Images