JP2009026624A - 燃料電池用ガスの加湿装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で、凍結時に内部水蒸気透過膜の破損を充分に防止することができる加湿装置の構造および構成により、特に寒冷地における信頼性を高めることが図れた燃料電池用のガス加湿装置を提供する。
【解決手段】燃料電池の発電部に供給されるガスを加湿するための加湿装置であって、枠体８６と一体で形成した水蒸気透過膜２と、水蒸気透過膜２の一方の面側に配置される被加湿流体流路４と水蒸気透過膜２の他方の面側に配置される加湿流体流路３とを形成したセパレータ１とを有し、水蒸気透過膜２の下端が加湿流体流路３に残り得る水の喫水面よりも上方に位置させるものである。
【選択図】図３

Description

本発明は、特に高分子電解質型燃料電池を駆動するための燃料電池用ガスの加湿装置の構造に関する。

高分子電解質形燃料電池は、水素リッチな燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガスを電気化学的に反応させることで、電力と熱を発生させる装置である。この燃料電池に使用される高分子電解質膜は、電解質（水素イオン）のイオン導伝性を保つために、燃料ガス及び酸化剤ガス（これらを反応ガスという）の少なくとも一方を加湿して供給することが必要である。一般的な燃料電池システムでは、スタックから排出される高湿度のオフガスや排冷却水を熱源および水源として、全熱交換型加湿装置により反応ガスの加湿を行っている。

このような加湿装置として、一方の主面に加湿される反応ガスが通流する流路溝が形成され、他方の主面に排冷却水又はオフガスが通流する流路溝が形成されたセパレータと、水蒸気透過膜と、を積層し、この積層体を締結した加湿装置が知られている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。

特許文献１又は特許文献２に開示されている加湿装置では、特に寒冷地での使用に際し、停止時の凍結によって内部残留水が膨張し、特に反応ガスが通流する流路溝の間に位置する部分で、水蒸気透過膜が一方のセパレータ側に偏り、水蒸気透過膜が破損するという問題があった。

そこで、水蒸気透過膜の機械的強度が低く、破損し易いことを鑑みて、機械的強度が高い水蒸気透過膜を用いる加湿装置が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

また、機械的強度が低い水蒸気透過膜の破損を防止することを意図して、網目状又は多数の透孔を有し、水蒸気透過膜の撓みを抑制する膜ガイド部材を設けることが提案されている（例えば、特許文献３参照）。
特開平９−７６２１号公報 特開２００１−２３６６２号公報 特開２０００−３４８７４７号公報

しかしながら、特に寒冷地において経済効果が高い定置用コージェネレーションシステムにおいては、その耐用期間（１０年以上）を考慮して、数百回の凍結融解を想定する必要がある。

このとき、特許文献３に開示されている形態の補強部材を併用した場合においても耐久性が不足する恐れがある。この抜本的な解決策は、運転停止時に加湿装置から水抜きを行い、かつ局部的に流路溝に滞留する水を、少なくとも加湿膜に当接しないレベルまで下げる（＝均す、ないし平準化するか、完全に排除する）ことであるが、この観点から設計された加湿装置はこれまでになく、改善の余地の大きいものであった。

本発明は、以上の課題を鑑みてなされたものであり、簡易な構成で、凍結時に内部水蒸気透過膜の破損を充分に防止することができる加湿装置の構造および構成を提供することにより、特に寒冷地における信頼性を高めることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、燃料電池の発電部に供給されるガスを加湿するための加湿装置であって、枠体と一体で形成した水蒸気透過膜と、前記水蒸気透過膜の一方の面側に配置される被加湿流体流路と前記水蒸気透過膜の他方の面側に配置される加湿流体流路とを形成したセパレータとを有し、前記水蒸気透過膜の下端が前記加湿流体流路に残り得る水の喫水面よりも上方に位置する加湿セルを有するものである。

これにより、運転停止時に加湿装置から水抜きを行ったあともなお加湿流体流路に局部的に残り得る水の喫水面よりも、水蒸気透過膜の下端が上方に位置することにより、凍結時に水蒸気透過膜に氷を接触させないように（凍結時の水の体積膨張率１０％）することが可能となる。

すなわち本発明の燃料電池用ガスの加湿装置によれば、きわめて簡単な構成により、凍結による水蒸気透過膜の物理的損傷を防止することが可能であり、燃料電池システムの信頼性向上が図れるとともに、凍結による水蒸気透過膜の物理的損傷を防止することが可能であることから設置場所での周囲温度範囲の拡大を図ることが可能となる。

第１の発明は、枠体と一体で形成した水蒸気透過膜と、水蒸気透過膜の一方の面側に配置される被加湿流体流路と水蒸気透過膜の他方の面側に配置される加湿流体流路とを形成したセパレータとを有し、前記水蒸気透過膜の下端が前記加湿流体流路に残り得る水の喫水面よりも上方に位置する加湿セルを有するものである。

運転停止時に加湿装置から水抜きを行ったあともなお加湿流体流路に局部的に残り得る水の喫水面よりも、水蒸気透過膜の下端が上方に位置することにより、凍結時に水蒸気透過膜に氷を接触させないよう（凍結時の水の体積膨張率１０％）することが可能となる。

第２の発明は、枠体と一体で形成した水蒸気透過膜と、その水蒸気透過膜を枠体に係止する係止部材と、水蒸気透過膜の一方の面側に配置される被加湿流体流路と水蒸気透過膜の他方の面側に配置される加湿流体流路とを形成したセパレータとを有し、係止部材は水蒸気透過膜の下部に位置し、係止部材の上端はセパレータと水蒸気透過膜の間に残り得る水の喫水面よりも上方に位置するものである。

運転停止時に加湿装置から水抜きを行ったあともなお加湿流体流路に局部的に残り得る水の喫水面よりも、係止部材の上端が上方に位置することにより、凍結時に水蒸気透過膜に氷を接触させないよう（凍結時の水の体積膨張率１０％）することが可能となる。

第３の発明は、特に第２の発明において、係止部材をセパレータの加湿流体流路内の被加湿流体流路側と水蒸気透過膜の間に配設したものであり、水が残り得る加湿流体流路内に係止部材を設けることにより、凍結時に、確実に水蒸気透過膜に氷を接触させないようにすることができる。

第４の発明は、特に第２または第３の発明において、係止部材を枠体の一部で構成したものであり、部品点数の削減が行えるとともに、別部材であった係止部材がなくなることにより、セパレータと水蒸気透過膜の位置合わせが容易にかつ正確に行える。

まず、本発明の実施の形態１に係る燃料電池用ガスの加湿装置を含む燃料電池システムについて説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るものを含む、基本的な燃料電池システム６００の系統構成図である。なお、図１においては、一部を省略している。

図１に示すように、燃料電池システム６００は、燃料電池スタック５００と、空気供給装置３００と、加湿装置１００と、改質装置２００と、冷却水タンク４１０、ポンプ４２０および外部放熱装置４３０を有する冷却系統４００を有している。なお、燃料電池システム６００を構成する個々の機器は、加湿装置１００を除いて公知のものを使用しているため、その詳細な説明は省略する。

燃料電池スタック５００に対し、改質装置２００から水蒸気改質された改質ガス（水素濃度７５〜８０％）が、空気供給装置３００から空気が供給されて、燃料電池システム６００が発電を行う。このとき、燃料電池スタック５００を所定の温度条件に保つために冷却水タンク４１０、ポンプ４２０、外部放熱装置４３０を有する冷却系統４００が、所定温度、所定水量の冷却水で燃料電池スタック５００を冷却する。

加湿装置１００はスタックから排出される温冷却水を水源および熱源として、供給される空気を加湿する。ここに、加湿装置の動作にける、水を供給する側の流体（ここでは、排冷却水）を加湿流体と定義し、水を受け取る側の流体（ここでは、空気）を被加湿流体と定義する。

上記の説明では、排冷却水をもって空気を加湿する加湿装置のみを有する燃料電池システムについて説明したが、燃料ガスを被加湿流体として加湿する加湿装置（アノード加湿装置）、あるいは加湿流体にスタックから排出される湿潤空気を用いて、スタックに供給される空気を加湿する加湿装置(全熱交換器)が併用されることもある。ただ、これら加湿装置も同様の構成をしており、これらについての詳細な説明は省略する。

次に、本発明の実施の形態１に係る燃料電池用ガスの加湿装置について説明する。

図２は、本発明の実施の形態１に係るものを含む、積層型加湿装置の概観構成を示す模式図である。なお、図２においては、加湿装置における上下方向を、図における上下方向として表している。

図２に示すように、本実施の形態１に係る加湿装置１００は、加湿セルスタック５１を有している。加湿セルスタック５１は、板状の全体形状を有する加湿セル１１がその厚み方向に積層されてなる加湿セル積層体５０と、加湿セル積層体５０の両端に配置された第１及び第２の端板４１ａ、４１ｂと、加湿セル積層体５０と第１及び第２の端板４１ａ、４１ｂとを加湿セル１１の積層方向において締結する図示されない締結具と、を有している。なお、板状の加湿セル１１は、鉛直面に平行に延在しており、加湿セル１１の積層方向は水平方向となっている。

加湿セル積層体５０の一方の側部（以下、第１の側部という）の上部には、その加湿セル積層体５０の積層方向に貫通するように被加湿流体供給用マニホールド２１が形成されている。

被加湿流体供給用マニホールド２１の一端は、第１の端板４１ａに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔には被加湿流体供給用配管３１が接続されている。被加湿流体供給用マニホールド２１の他端は、第２の端板４１ｂによって閉鎖されている。

また、加湿セル積層体５０の他方の側部（以下、第２の側部という）の下部には、その加湿セル積層体５０の積層方向に貫通するように被加湿流体排出用マニホールド２２が形成されている。

被加湿流体排出用マニホールド２２の一端は、第２の端板４１ｂに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔には被加湿流体排出用配管３４が接続されている。被加湿流体排出用マニホールド２２の他端は、第１の端板４１ａによって閉鎖されている。

加湿セル積層体５０の第１の側部の下部には、その加湿セル積層体５０の積層方向に貫通するように加湿流体供給用マニホールド２３が形成されている。加湿流体供給用マニホールド２３の一端は、第２の端板４１ｂに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔には加湿流体供給用配管３３が接続されている。加湿流体供給用マニホールド２３の他端は、第１の端板４１ａによって閉鎖されている。

また、加湿セル積層体５０の第２の側部の上部には、該加湿セル積層体５０の積層方向に貫通するように加湿流体排出用マニホールド２４が形成されている。加湿流体排出用マニホールド２４の一端は、第１の端板４１ａに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔には加湿流体排出用配管３４が接続されている。加湿流体排出用マニホールド２４の他端は、第２の端板４１ｂによって閉鎖されている。

次に、本発明の実施の形態１に係る燃料電池用ガスの加湿装置１００の加湿セル１１およびこれに用いるセパレータ１の構成について説明する。

図３は、図２に示す加湿装置１００の加湿セル１１の内部構成を模式的に示す断面図である。なお、図３においては、その一部を省略している。

図３に示すように、加湿セル１１は、板状の一対のセパレータ１と片状の水蒸気透過膜２を有している。水蒸気透過膜２の周縁部には、厚み方向に貫通する図４、図６に示す被加湿流体供給用マニホールド孔６１や加湿流体供給用マニホールド孔６３等のマニホールド孔が設けられている。

なお、水蒸気透過膜２は、水蒸気を透過させる、厚み方向に貫通する微小な孔が多数設けられている膜（例えば、商品名ハイポア７０２５（旭化成社製））や水蒸気透過能力を有する膜（例えば、パーフルオロスルホン酸樹脂（商品名Ｎａｆｉｏｎ（ＤｕＰｏｎｄ社製））で構成することができ、水蒸気を透過することができれば、特に限定されない。

そして、水蒸気透過膜２を挟むようにして一対のセパレータ１が配設されている。

セパレータ１の一方の主面（水蒸気膜透過膜に当接する部位）には、この主面から掘り下げるように加湿流体を通流させるための加湿流体流路３が設けられており、他方の主面には、同様に被加湿流体を通流させるための被加湿流体流路４が設けられている。また、セパレータ１の周縁部には、厚み方向に貫通する図４、図６に示す被加湿流体供給用マニホールド孔６１や加湿流体供給用マニホールド孔６３等のマニホールド孔が設けられている。

このように形成された加湿セル１１をその厚み方向に積層することにより、加湿セル積層体５０が形成されている。セパレータ１及び水蒸気透過膜２に設けられた図４、図６に示す被加湿流体供給用マニホールド孔６１等のマニホールド孔は、加湿セル１１を積層したときに厚み方向にそれぞれつながって、被加湿流体供給用マニホールド２１等のマニホールドがそれぞれ形成される。

そして、各加湿セル１１に設けられた加湿流体流路３に加湿流体を通流させ、被加湿流体流路４に被加湿流体を通流させることにより、加湿流体に含まれる水分が、水蒸気透過膜２を透過して被加湿流体が加湿される。

また、セパレータの加湿流体側と被加湿流体側には、その流路内に膜を支持する複数の支柱８８ａと８８ｂが配設されている。

さらに、図３（ａ）に示す加湿セル１１の構成では、水蒸気透過膜２は枠体８６により、水蒸気透過膜２の外周部で係止かつシールされている。枠体８６は運転停止時に下側の加湿流体マニホールドから水抜き（１０秒から６０秒）を行った後も、水蒸気透過膜２および加湿流体流路に付着していた水滴が、１分から６０分以上の時間をかけてゆっくりと落下し、水蒸気透過膜２とセパレータ１の加湿流体流路３の間の下部に残留する。

この残留した水と水蒸気透過膜２が接しないように、残留した水の喫水面より上部まで高い位置に枠体８６を形成する。この構成によって特に寒冷地において、運転停止時に流路に滞留した水が凍結し、その膨張によって水蒸気透過膜２が被加湿流体側の主面に押し付けられて破損する事故を防止することが可能となる。

また、図３（ｂ）に示す加湿セル１１の構成では、水蒸気透過膜２は枠体８６に設けた係止部材８７により、水蒸気透過膜２の外周部で係止かつシールされている。係止部材８７は少なくともセパレータ１の加湿流体流路３内の被加湿流体流路４側と水蒸気透過膜２の間に配設している。

そして、係止部材８７は運転停止時に下側の一次流体マニホールドから水抜き（１０秒から６０秒）を行った後も、水蒸気透過膜２および加湿流体流路に付着していた水滴が、１分から６０分以上の時間をかけてゆっくりと落下し、水蒸気透過膜２とセパレータ１の加湿流体流路３の間の下部に残留する。

この残留した水と水蒸気透過膜２が接しないように、残留した水の喫水面より上部まで高い位置に係止部材８７を設ける。この機構によって特に寒冷地において、運転停止時に流路に滞留した水が凍結し、その膨張によって水蒸気透過膜２が被加湿二次流体側の主面に押し付けられて破損する事故を防止することが可能となる。

次に、セパレータ１の構成について、図４〜図６の三面図（第三角法による）を参照しながら詳細に説明する。

図４は、図３におけるセパレータ１において加湿流体が流れる面を示す正面概略図であって、このＸ−Ｘ線に沿った断面図を図５に示す。図６は、背面外略図であって、被加湿流体の流れる面を示している。なお、図４〜図６においては、セパレータ１の上下方向は図２および図３の上下方向と一致している。

図４に示すように、セパレータ１の周縁部には、厚み方向に貫通する被加湿流体供給用マニホールド孔６１、被加湿流体排出用マニホールド孔６２、加湿流体供給用マニホールド孔６３、及び加湿流体排出用マニホールド孔６４、被加湿および各加湿セルを重層して締結し、加湿装置を組み立てるために必要なボルト孔６５が設けられている。

また図４および図５に示すように、セパレータ１の加湿流体側には水蒸気膜透過膜に当接する部位（主面）と、この主面から掘り下げるように設けられた加湿流体を通流させるための加湿流体流路３が設けられており、加湿流体供給用マニホールド孔６３より供給された加湿流体がその加湿流体流路３を経て加湿流体排出用マニホールド孔６４へ排出される構造となっている。

また同様に、図６および図５に示すように、セパレータ１の被加湿流体側には水蒸気透過膜２に当接する部位（主面）と、この主面から掘り下げるように設けられた被加湿流体を通流させるための被加湿流体流路４が設けられており、被加湿流体供給用マニホールド孔６１より供給された被加湿流体が被加湿流体流路４を経て被加湿流体供給用マニホールド孔６２へ排出される構造となっている。

係止部材８７において、水蒸気透過膜２の下方部側に位置する係止部材の高さは、図示するように水蒸気透過膜２の面の残水滴が、経時的に落下して下方部に滞留しても、水蒸気透過膜２と接触しない高さに設計される。

このように本実施の形態１に係る加湿装置１００では、非常に簡易な構成で、かつ、低コストで、寒冷地において、運転停止時に流路下方部に滞留した水が凍結し、その膨張によって水蒸気透過膜が二次流体側の主面に押し付けられて破損する事故を防止することが可能となる。

次に、本実施の形態１に係る加湿装置１００の性能評価試験について、実施例とともに説明する。なお、以下の説明では、加湿流体として冷却水を使用し、被加湿流体として乾燥空気を使用している。
（実施例１）
実施例１の加湿装置は、本実施の形態１に係る燃料電池用ガスの加湿装置１００の構成となるように作成した。

セパレータ１は、ガラスフィラー入りのＰＰＳ（ＦＺ２１４０（大日本インキ製））を用いて、射出成形により作成した。このとき、セパレータ１の加湿流体流路（以下、冷却水流路）３及び被加湿流体流路（以下、酸化剤ガス流路）４を構成する凹部６６の長手方向の長さ寸法を１００ｍｍ、短手方向の幅寸法を５０ｍｍとし（実効加湿面積は０．０３ｍ^２）、深さ寸法を２ｍｍとなるように形成した。支柱８８ａ，８８ｂの形状は、その支柱８８ａ，８８ｂの上面部を水平方向に対して３０度下方に傾斜して作成した。

水蒸気透過膜２として、パーフルオロスルホン酸膜（商品名Ｎａｆｉｏｎ１１７（ＤｕＰｏｎｄ社製））を使用し、所定の位置に酸化剤ガス供給用マニホールド孔７１等のマニホールド孔を形成した。

このように作成したセパレータ１と水蒸気透過膜２を１０段積層して加湿セル積層体５１を作成し、その加湿セル積層体５１の両端を締結板で挟んで、締結し、加湿装置１００を作成した。なお、締結時に必要なシール部材はフッ素ゴム製の試作品である。（材質Ｆ２０１（ＮＯＫ株式会社試作品））
また比較実験に資するために、係止部材８７ａの高さを滞留水よりも下方に配設して組み立てた点のみが異なる、図７に示す断面形状を有する加湿セル１１ａを別途組み立てた。

次に、それぞれの加湿装置の凍結信頼性を確認するために、以下に述べる方法による繰り返し凍結試験を行った。
（繰り返し凍結試験）
常温においてそれぞれの加湿装置の加湿流体流路３に所定量の水を一分間流し、その後、冷却水の下側のマニホールドを開放して、３分間水抜きを行う。その後これを恒温槽内に保持した。

そして、加湿装置を−２０℃で、６時間冷却してその内部を凍結し、その後、庫内を２０度に戻して６時間保持して凍結水を融解するサイクルを１サイクルとした。２０サイクルを１クールとし、１クール終了時点で加湿流体流路３と被加湿流体流路４との両流路間のリーク（クロスリーク）を差圧０．５ｋＰａにて測定した。

酸化剤ガスが、２ｃｃ／ｍｉｎ以下の漏れ量であれば１クール合格とした。合格した加湿装置は再び次のクールの試験を行い、これを１０クール繰り返して最終的な合否を判定した。

本試験の結果、実施例１の加湿装置は１０クールにおいてもクロスリークが発生しなかった。一方、比較例１の加湿セル１１ａを用いた加湿装置では、２クール目にクロスリークが発生していた。

なお、比較例１の加湿装置については、試験不合格時点で原因解析のため分解したところ、水蒸気透過膜２にセパレータ１の加湿流体流路３、又は被加湿流体流路４に設けられた凸部との接触によると見られるピンホールが確認された。

一方、実施例１の加湿装置１００については、１０クール終了時点での分解検査によっても水蒸気透過膜２に損傷がないことが確認され、本実施例１の加湿装置１００が、従来例の加湿装置に比して凍結信頼性が高いことが認められた。

本発明の加湿装置によれば、きわめて簡単な構成により凍結による物理損傷を防止することが可能であり、燃料電池システムの信頼性向上と設置可能地域の拡大に有用である。

本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図 本発明の実施の形態１に係る加湿装置の概略構成を示す模式図 図１に示す実施例の加湿装置の加湿セルの概略構成を模式的に示す断面図 図３におけるセパレータの正面図 図４のＸ−Ｘ線に沿った断面図 図３におけるセパレータの背面図 比較例の加湿装置の加湿セルの概略構成を模式的に示す断面図

符号の説明

１ セパレータ
２ 水蒸気透過膜
３ 加湿流体流路
４ 被加湿流体流路
８６ 枠体
８７ 係止部材
８８ａ，８８ｂ 支柱
１００ 加湿装置
５００ 燃料電池スタック
６００ 燃料電池システム

Claims (4)

1. 燃料電池の発電部に供給されるガスを加湿するための加湿装置であって、枠体と一体で形成した水蒸気透過膜と、前記水蒸気透過膜の一方の面側に配置される被加湿流体流路と前記水蒸気透過膜の他方の面側に配置される加湿流体流路とを形成したセパレータとを有し、前記水蒸気透過膜の下端が前記加湿流体流路に残り得る水の喫水面よりも上方に位置する加湿セルを有する燃料電池用ガスの加湿装置。
2. 燃料電池の発電部に供給されるガスを加湿するための加湿装置であって、枠体と一体で形成した水蒸気透過膜と、その水蒸気透過膜を枠体に係止する係止部材と、前記水蒸気透過膜の一方の面側に配置される被加湿流体流路と前記水蒸気透過膜の他方の面側に配置される加湿流体流路とを形成したセパレータとを有し、前記係止部材は前記水蒸気透過膜の下部に位置し、前記係止部材の上端が前記セパレータと前記水蒸気透過膜の間に残り得る水の喫水面よりも上方に位置する加湿セルを有する燃料電池用ガスの加湿装置。
3. 前記係止部材を前記セパレータの前記加湿流体流路内の前記被加湿流体流路側と前記水蒸気透過膜の間に配設した請求項２記載の燃料電池用ガスの加湿装置。
4. 前記係止部材を前記枠体の一部で構成した請求項２または３に記載の燃料電池用ガスの加湿装置。

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