JP2009121729A - 加湿器用セパレータ板、それを用いた加湿器及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】凍結による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器及びそれに用いられるセパレータ板を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の加湿器用セパレータ板は、一方の主面１Ａに高湿側入口６３から高湿側出口６４を結んで延びる高湿側流路溝３が形成されている、加湿器用セパレータ板であって、高湿側流路溝３の底部に毛管構造体７が配設されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、水蒸気透過膜を用いた加湿器に用いられる加湿器用セパレータ板、それを用いた加湿器及び燃料電池システムに関する。

高分子電解質形燃料電池（以下、「ＰＥＦＣ」という）は、電解質に高分子電解質膜を用いる燃料電池であって、水素を含有する還元剤ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを反応ガスとして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ＰＥＦＣ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、還元剤ガス及び酸化剤ガス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。また、一般的な燃料電池システムでは、反応ガス及び冷却水はＰＥＦＣにおいて加熱されて、供給時点よりも高温状態で排出される。さらに、排出される反応ガス（以下、「オフガス」という）はＰＥＦＣの電気化学反応による生成水を含むので供給時点に比べて高温多湿状態で排出される。

したがって、燃料電池システムにおいては、高温多湿なオフガスあるいは高温の冷却水を熱源および水源として利用して反応ガスの加湿を行う構造の加湿器が合理的である。一般的には、好適な加湿器として、水蒸気透過膜を利用した加湿器が燃料電池システムに用いられている。すなわち、水蒸気透過膜を隔膜として高湿側から低湿側へと水分が移動することによって、低湿側の気体が加湿される構造の加湿器が燃料電池システムでは用いられている。より具体的には、加湿器の構造は、冷却水あるいはオフガスが通流する高湿側流路溝が形成されている高湿側セパレータ板の主面と、反応ガスが通流する低湿側流路溝が形成されている低湿側セパレータ板の主面との間に水蒸気透過膜が挟まれ、かつ、水蒸気透過膜が高湿側流路溝と低湿側流路溝との隔膜を構成している。そして、この高湿側セパレータ板、低湿側セパレータ板及び水蒸気透過膜を１つの加湿ユニットとして、当該加湿ユニットが複数積層してなる加湿器が知られている（例えば、特許文献１、又は特許文献２参照）。

ここで、水蒸気透過膜を利用した加湿器は、寒冷地では凍結によって損傷する問題があった。すなわち、内部に水分を滞留させたまま停止すると、凍結によって水分が膨張し、水蒸気透過膜に圧力が加わり、水蒸気透過膜が破損するという問題があった。しかも、水分は表面張力等により水滴として流路内に局部的に滞留し易いので、運転停止時に加湿器の高湿側流路溝からの水抜きを完全に達成するには時間とエネルギーを要し、改善の余地があった。

一方で、特許文献３では、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。

また、特許文献４では、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水蒸気透過膜の補強部材として設ける技術が提案されている。
特開平９−７６２１号公報 特開２００１−２３６６２号公報 特開２０００−３４８７４７号公報 特開２００６−２１０１５０号公報

しかしながら、特許文献３に開示されている技術においては、水蒸気透過膜の強度は水分の凍結時の膨張による圧力に対し十分に抗しきれないおそれがあった。

また、特許文献４に開示されている技術においても、補強部材から露出している部分における水蒸気透過膜の破損のおそれは残るので、改善の余地があった。

本発明は、以上の課題を鑑みてなされたものであり、凍結による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器及びそれに用いられるセパレータ板を提供することを目的とする。

上記課題に対する従来の研究は、特許文献３，４のように水蒸気透過膜の強度を向上させる技術の研究、あるいは、加湿器からの排水をより短時間かつ低エネルギー消費で達成する技術の研究が専らであった。

ここで、発明者は、水分によって水蒸気透過膜が圧力を受ける構造自体の解消に着目して鋭意研究を重ねた結果、従来の研究とは異なる解決方法に想到した。すなわち、運転停止状態時には、セパレータ板の流路溝表面の水分は水滴となって局部的に滞留する。そして、凍結時にはこの水滴が膨張して、水蒸気透過膜に接触及び水蒸気透過膜を押圧することとなる。したがって、運転停止状態時におけるセパレータ板の流路溝表面の水滴を消滅させることで、水蒸気透過膜の損傷問題を解決できると考えた。

発明者らは、この着想をさらに具体化させて、水蒸気透過膜の強度及び高湿側流路溝からの排水方法を従来のままとして、流路表面の水滴を消滅させることによって、上記課題を解決することができる技術に想到した。

第１の本発明の加湿器用セパレータ板は、一方の主面に高湿側入口から高湿側出口を結んで延びる高湿側流路溝が形成されている、加湿器用セパレータ板であって、前記高湿側流路溝の底部に毛管構造体が配設されている。

このような構成により、高湿側流路溝において局部的に滞留する水分は毛管構造体に吸収されてしまい、滞留水による水滴は消滅する。したがって、本発明の加湿器用セパレータ板は、例え水分が高湿側流路溝に局部的に滞留しても、水蒸気透過膜に過大な圧力を与えないような状態とすることができるので、凍結による水蒸気透過膜の破損を充分に防止することができる。

なお、毛管構造体の配設位置は、水分の凍結に伴う毛管構造体の膨張によっても毛管構造体が水分透過膜に接触しない位置であればよい。したがって、底部とは、広義に解釈され、溝縁から離れた位置の溝壁をいう。

第２の本発明の加湿器用セパレータ板は、前記毛管構造体は前記高湿側入口及び前記高湿側出口の少なくともいずれかまで延びている延伸部を有するとよい。

このような構成により、高湿側流路溝の滞留水を高湿側流路溝の外部へと毛管作用によって排水することができるので、運転停止時に高湿側流路溝からの排水を外部労力を要さずに促進することができる。

第３の本発明の加湿器用セパレータ板は、前記毛管構造体が、織布、不織布、紐、多孔質体の少なくともいずれかからなるとよい。

このような構成により、本発明をより確実に実施することができる。

第４の本発明の加湿器用セパレータ板は、さらに他方の主面に低湿側入口から低湿側出口を結んで延びる低湿側流路溝が形成されていて、前記低湿側流路溝の底部に毛管構造体が配設されているとよい。

このような構成により、低湿側流路溝において局部的に滞留する水分も毛管構造体に吸収されてしまい、滞留水による水滴は消滅する。したがって、より確実に凍結による水蒸気透過膜の破損を防止することができる。

第５の本発明の加湿器は、一方の主面に高湿側入口から高湿側出口を結んで延びる高湿側流路溝が形成され、他方の主面に低湿側入口から低湿側出口を結んで延びる低湿側流路溝が形成されている、加湿器用セパレータ板と、水蒸気透過膜と、を備え、前記水蒸気透過膜が前記高湿側流路溝と前記低湿側流路溝との隔膜となるようにして、前記加湿器用セパレータ板及び前記水蒸気透過膜が交互に積層して締結されている、加湿器であって、
前記高湿側流路溝の底部に毛管構造体が配設されている。

このような構成により、高湿側流路溝において局部的に滞留する水分は毛管構造体に吸収されてしまい、滞留水による水滴は消滅する。したがって、本発明の加湿器は、例え水分が高湿側流路溝に局部的に滞留しても、水蒸気透過膜に過大な圧力を与えないような状態とすることができるので、凍結による水蒸気透過膜の破損を充分に防止することができる。

第６の本発明の燃料電池システムは、反応ガス及び冷却水が燃料電池に供給されるように構成されている燃料電池システムであって、請求項５に記載の加湿器を有し、前記反応ガスが前記低湿側流路溝に通流し、前記燃料電池から排出された反応ガスあるいは冷却水のいずれかが前記高湿側流路溝に通流するように構成されている。

このような構成により、加湿器の高湿側流路溝において局部的に滞留する水分は毛管構造体に吸収されてしまい、滞留水による水滴は消滅する。したがって、本発明の燃料電池システムは、例え水分が高湿側流路溝に局部的に滞留しても、水蒸気透過膜に過大な圧力を与えないような状態とすることができるので、凍結による加湿器の破損を充分に防止することができる。ひいては、本発明の燃料電池システムは、燃料電池システムの耐久性を向上させることができる。

本発明の加湿器用セパレータ板は、高湿側流路溝において局部的に滞留する水分は毛管構造体に吸収されてしまい、滞留水による水滴は消滅する。したがって、本発明の加湿器用セパレータ板は、例え水分が高湿側流路溝に局部的に滞留しても、水蒸気透過膜に過大な圧力を与えないような状態とすることができるので、凍結による水蒸気透過膜の破損を充分に防止することができる。

また、本発明の加湿器は、本発明の加湿器用セパレータ板を有するので、凍結による水蒸気透過膜の破損を充分に防止することができる。

さらに、本発明の燃料電池システムは、本発明の加湿器を有するので、凍結による加湿器の破損を充分に防止することができ、ひいては燃料電池システムの耐久性を向上させることができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

（第１実施形態）
［システム］
まず、本発明の第１実施形態の燃料電池システムを説明する。

図１は、本発明の第１実施形態の燃料電池システムの構成を概略的に示す構成図である。

図１に示すように、燃料電池システム１０００は、ＰＥＦＣ５００と、酸化剤ガス供給系統３００と、還元剤ガス供給系統２００と、加湿器１００と、冷却系統４００と、を有している。

酸化剤ガス供給系統３００は、シロッコファン（sirocco fan）等の送風器を有してなる供給装置３１０と、供給装置３１０とＰＥＦＣとを結ぶ流路３２０と、を有して構成されている。

還元剤ガス供給系統２００は、天然ガス供給系統等の外部の炭化水素系原料供給系統に接続されている改質装置２１０と、改質装置２１０とＰＥＦＣとを結ぶ流路２２０と、を有して構成されている。なお、改質装置２１０は、炭化水素系原料を水蒸気改質反応によって水素含有ガスに改質する装置である。

冷却系統４００は、冷却水タンク４１０と、ポンプ４２０と、放熱器４３０と、これら機器を接続する流路４４０と、を有している。流路４４０は冷却水をＰＥＦＣ５００に流通させながら循環させるように構成されている。

加湿器１００は、水蒸気透過膜を利用して高湿側流体と低湿側流体との間において低湿側流体を加湿する装置である。加湿器１００は、酸化剤ガス供給系統の流路３２０と冷却系統４００の流路４４０とに接続されている。

冷却系統４００の流路４４０は、冷却水の流通方向においてＰＥＦＣ５００の下流側において、冷却水が加湿器１００の高湿側供給用マニホールド２３から高湿側排出用マニホールド２４へと流れるように接続されている。

酸化剤ガス供給系統の流路３２０は、酸化剤ガスの流通方向においてＰＥＦＣ５００の上流側において、酸化剤ガスが加湿器１００の低湿側供給用マニホールド２１から低湿側排出用マニホールド２２へと流れるように接続されている。

これら個々の系統機器は、加湿器１００を除いて公知のものを使用しているので、その詳細な説明は省略する。

燃料電池システム１０００の動作を説明する。

改質装置２１０から水蒸気改質された水素ガスがＰＥＦＣ５００に供給される。また、供給装置３１０から空気がＰＥＦＣ５００に供給される。ＰＥＦＣ５００は電気化学反応によって発電する。また、冷却系統４００は、所定温度、所定水量の冷却水でＰＥＦＣ５００を冷却する。これによって、ＰＥＦＣ５００は電気化学反応に適した温度に調整される。

加湿器１００において、ＰＥＦＣ５００から排出される冷却水が水源および熱源となり、供給される酸化剤ガス（空気）が加湿される。

［加湿器］
ここで、本発明の特徴である加湿器１００を説明する。

図２は、図１の加湿器の概略構成を示す模式図である。

図２に示すように、加湿器１００は、加湿器用セパレータ板（以下、「セパレータ板」と略称する）１と水蒸気透過膜２とが交互に積層されてなる積層部５０と、積層部５０の積層方向両端に配置された第１及び第２の端板４１、４２と、セパレータ板１と水蒸気透過膜２とを圧着させるようにして第１及び第２の端板４１、４２を締結する締結具（図示せず）と、を有している。水蒸気透過膜２と平板状のセパレータ板１とは、鉛直面に平行に延在している。

積層部５０の周縁部には、積層部５０を積層方向に貫通するように低湿側供給用マニホールド２１が形成されている。低湿側供給用マニホールド２１の一端は、第１の端板４１に形成された貫通孔に連通し、この貫通孔にはノズル等の接続部材が装着されて、当該接続部材に供給装置３１０から延びる流路３２０が接続されている。低湿側供給用マニホールド２１の他端は、第２の端板４２によって閉鎖されている。

積層部５０の周縁部には、積層部５０を積層方向に貫通するように低湿側排出用マニホールド２２が形成されている。低湿側排出用マニホールド２２の一端は、第２の端板４２に形成された貫通孔に連通し、この貫通孔にはノズル等の接続部材が装着されて、当該接続部材にＰＥＦＣ５００に繋がる流路３２０が接続されている。低湿側排出用マニホールド２２の他端は、第１の端板４１によって閉鎖されている。

積層部５０の周縁部には、低湿側排出用マニホールド２２に平行して、積層部５０を積層方向に貫通するように高湿側供給用マニホールド２３が形成されている。高湿側供給用マニホールド２３の一端は、第２の端板４２に形成された貫通孔に連通し、この貫通孔にはノズル等の接続部材が装着されて、当該接続部材にＰＥＦＣ５００から延びる流路４４０が接続されている。高湿側供給用マニホールド２３の他端は、第１の端板４１によって閉鎖されている。

積層部５０の周縁部には、低湿側供給用マニホールド２１に平行して、積層部５０を積層方向に貫通するように高湿側排出用マニホールド２４が形成されている。高湿側排出用マニホールド２４の一端は、第１の端板４１に形成された貫通孔に連通し、この貫通孔にはノズル等の接続部材が装着されて、当該接続部材に放熱器４３０に繋がる流路４４０が接続されている。高湿側排出用マニホールド２４の他端は、第２の端板４２によって閉鎖されている。

このような構成によって、供給装置３１０から供給された空気（酸化剤ガス）は、低湿側供給用マニホールド２１に流れ込み、各セパレータ板１に分岐して通流し、低湿側排出用マニホールド２２に再度集合して、ＰＥＦＣ５００へと供給される。また、ＰＥＦＣ５００から排出された冷却水は、高湿側供給用マニホールド２３に流れ込み、各セパレータ板１に分岐して通流し、高湿側排出用マニホールドに再度集合して、放熱器４３０へと供給される。

締結具（図示せず）には、一般的な締結具を用いることができ、本実施形態ではボルト及びナットが用いられる。

図３は、図２の加湿器のセパレータ板の表裏面を構成する高湿側主面及び低湿側主面を示す平面図である。

図３において、セパレータ板１の周縁部には、低湿側供給用マニホールド２１を構成する低湿側供給用マニホールド孔６１、低湿側排出用マニホールド２２を構成する低湿側排出用マニホールド孔６２、高湿側供給用マニホールド２３を構成する高湿側供給用マニホールド孔６３、高湿側排出用マニホールド２４を構成する高湿側排出用マニホールド孔６４、及び、締結具が通される複数の貫通孔６５が、それぞれセパレータ板１の厚さ方向に貫通して形成されている。

低湿側主面１Ｂの中央部には、低湿側主面１Ｂから掘り下げるように低湿側流路溝４が形成されている。低湿側流路溝４は、低湿側供給用マニホールド孔（低湿側入口）６１及び低湿側排出用マニホールド孔（低湿側出口）６２を結んで延び、低湿側主面１Ｂの中央部全体に流域を拡げるように形成されている。このような構造により、低湿側供給用マニホールド２１内の空気は、各セパレータ板１の低湿側流路溝４に分岐して供給される。そして、空気は、低湿側主面１Ｂの中央部全体を流域として通流した後、低湿側排出用マニホールド２２へと排出される。

本実施形態では、低湿側流路溝４は、低湿側主面１Ｂの中央部においてさらに多くの流路に分割されて、かつ通流途上において混合するように、格子状の流路溝を形成している。あるいは、サーペンタイン（serpentine）状、又は複数の流路溝が直線状に平行して並ぶ平行状に形成されてもよい。流路溝の平面形状は、加湿能力や、流路の圧力損失等の要因となるが、本発明の限定条件とはならない。

高湿側主面１Ａの中央部には、高湿側主面１Ａから掘り下げるように高湿側流路溝３が形成されている。高湿側流路溝３は、高湿側供給用マニホールド孔（高湿側入口）６３及び高湿側排出用マニホールド孔（高湿側出口）６４を結んで延び、高湿側主面１Ａの中央部全体に流域を拡げるように形成されている。このような構造により、高湿側供給用マニホールド２３内の冷却水は、各セパレータ板１の高湿側流路溝３に分岐して供給される。そして、冷却水は、高湿側主面１Ａの中央部全体を流域として通流した後高湿側排出用マニホールド２４へと排出される。

本実施形態では、低湿側流路溝４と同様に、高湿側主面１Ａの中央部においてさらに多くの流路に分割されて、かつ通流途上において混合するように、格子状の流路溝を形成している。ここでは、高湿側主面１Ａの中央部に略矩形状に拡がる凹部３Ｐの底部に複数の円柱状の凸部３Ｑが格子状に林立するようにして、格子状の流路溝が形成されている。

あるいは、サーペンタイン（serpentine）状、又は複数の流路溝が直線状に平行して並ぶ平行状に形成されてもよい。流路溝の流路形状は、加湿能力や流路の圧力損失等の要因となるが、本発明の限定条件とはならない。

高湿側主面１Ａ及び低湿側主面１Ｂには、セパレータ板１と水蒸気透過膜２との圧着状態において水あるいは気体が外部に漏出しないようにガスケット５が配設されている。本実施形態では高湿側主面１Ａ及び低湿側主面１Ｂに形成された溝にフッ素系ゴムを埋め込むように配設してガスケット５を配設している。

なお、ガスケット５は、高湿側流路溝３、低湿側流路溝４、低湿側供給用マニホールド孔６１、低湿側排出用マニホールド孔６２、高湿側供給用マニホールド孔６３、及び高湿側排出用マニホールド孔６４のそれぞれの周囲を包囲するように構成されている。

また、図３（ａ）に示すように、高湿側主面１Ａの高湿側流路溝３の底部には毛管構造体７が配設されている。

図４は、図３のセパレータ板の高湿側流路溝の底部に配設されている毛管構造体の平面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。

図３及び図４に示すように、毛管構造体７は、高湿側流路溝３の底面を覆うように格子状に構成されている。ここでは、毛管構造体７は、高湿側主面１Ａの凹部３Ｐに収容される形状に形成されている。つまり、略矩形の外形を有し、複数の貫通孔７Ａが格子状に形成されている。そして、貫通孔７Ａに高湿側主面１Ａの凸部３Ｑが通されて毛管構造体７が格子状の流路溝３に嵌め込まれている。

毛管構造体７は、毛管作用により水分を吸収する素材からなる板状の部材であり、毛管構造体７の厚さは高湿側流路溝３の溝深さに比べ十分薄い（図６参照）。換言すれば、高湿側流路溝３の溝深さは、毛管構造体７を配設した状態においても、加湿器１００の運転動作中において必要となる流量を確保できる程度の空間を残す程度に形成されている。

毛管構造体７としては、具体的には、綿糸等の親水性素材の織布、不織布、紐、多孔質体（例えば、旭化成社製、商品名BEMCOT-M3）、表面酸化によって親水性を付与した樹脂糸等からなる織布、不織布、紐、多孔質体（例えば、日本バイリーン（Japan Vilene Company, Ltd.）社製一次電池用セパレータFT310P）、焼結金属ないしはセラミックの発泡体ないし多孔質体（例えば、三菱マテリアル社製SUS316発泡メタル 気孔径５０μｍ）を用いることができる。

このような構成によって、燃料電池システムの運転動作中、すなわち加湿器１００の運転動作中において、毛管構造体７が高湿側流路溝３の冷却水の通流に有意な支障を生じることはない。また、燃料電池システムの運転停止後に高湿側供給用マニホールド２３から水抜きを行った後は、高湿側流路溝３内に局部的に残留する水滴を毛管構造体７が吸収するので、水滴は消滅する。

また、延伸部８が毛管構造体７の高湿側供給用マニホールド孔６３側の端から高湿側供給用マニホールド孔６３まで延伸している。この延伸部８によって、毛管構造体７に吸収された水分は、毛管作用によって延伸部８に導かれ、延伸部８において滴下あるいは蒸散して外部に排水されるので、高湿側流路溝３内の排水を外部労力を要さずに促進することができる。

なお、加湿器１００の設置において、高湿側排出用マニホールド６４が高湿側供給用マニホールド孔６３よりも下方となるように配設すると良い。これによって、重力によって毛管構造体７内の水分はより延伸部８に集まり、滴下により排水を促進させることができる。

また、高湿側供給用マニホールド孔（高湿側入口）６３及び高湿側排出用マニホールド孔（高湿側出口）６４の両方に毛管構造体７を延伸させるとよい。これによって、高湿側供給用マニホールド孔（高湿側入口）６３及び高湿側排出用マニホールド孔（高湿側出口）６４の両方において毛管作用による排水が促進されるので、高湿側流路溝３内の水分の排水を外部労力を要さずにより促進することができる。

以上から、高湿側供給用マニホールド孔（高湿側入口）６３あるいは高湿側排出用マニホールド孔（高湿側出口）６４の少なくともいずれかに毛管構造体７を延伸させることによって、高湿側流路溝３内の水分の排水を外部労力を要さずに促進することができる。

図５は、図１の加湿器に用いられている水蒸気透過膜の平面図である。

図５に示すように、水蒸気透過膜２は、平面視においてセパレータ板１と同じ外形を有している。また、水蒸気透過膜２の周縁部には、セパレータ板１と同様に、低湿側供給用マニホールド孔６１、低湿側排出用マニホールド孔６２、高湿側供給用マニホールド孔６３、高湿側排出用マニホールド孔６４、及び、複数の貫通孔６５がそれぞれ厚み方向に貫通して形成されている。

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、旭化成社製 商品名Hipore７０２５）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（Ｄｕ Ｐｏｎｔ社製 商品名Ｎａｆｉｏｎ）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。

図６は、図３及び図４のＶＩ−ＶＩ線断面における図１の加湿器の積層部の断面の一部を示す断面図である。図において、説明の便宜上、積層構造の一部を分解して示している。

図６に示すように、高湿側主面１Ａ及び低湿側主面１Ｂの間に水蒸気透過膜２が挟まれ、かつ、水蒸気透過膜２が高湿側流路溝３と低湿側流路溝４との隔膜を構成している。このような構成により、高湿側流路溝３を通流する高湿側流体の水分が、水蒸気透過膜２を透過して、低湿側流路溝４を通流する低湿側流体が加湿される。

以上のように、本実施形態の加湿器１００は、高湿側流路溝３において局部的に滞留する水分は毛管構造体７に吸収されてしまい、高湿側流路溝３の滞留水による水滴は消滅する。したがって、本発明のセパレータ板１、及び加湿器１００は、例え水分が高湿側流路溝３に局部的に滞留しても、水蒸気透過膜２に過大な圧力を与えないような状態とすることができるので、凍結による水蒸気透過膜２の破損を充分に防止することができる。

次に、本実施形態の加湿器１００の実施例の凍結試験を説明する。

（実施例１）
加湿器１００は、高湿側流路溝３、低湿側流路溝４、毛管構造体７及び水蒸気透過膜２を有して構成される加湿ユニットが１０体となるように構成した。すなわち、１１枚のセパレータ板１と１０枚の水蒸気透過膜２とを交互に積層して締結した。なお、両端に位置するセパレータ板１に外側面は流路溝を形成する必要がないので、内側に位置する高湿側流路溝３あるいは低湿側流路溝４のみが形成され、外側面は流路溝が省略されている。

セパレータ板１の高湿側流路溝３及び低湿側流路溝４はセパレータ板１の央部における流域範囲を１００ｍｍｘ５０ｍｍの矩形とした。つまり、加湿器１００の実効加湿面積を０．０５ｍ²とした。

セパレータ板１は、ガラスフィラー入りのPPS（FZ2140 大日本インキ）を用いて、射出成形により作成した。高湿側流路溝３及び低湿側流路溝４の深さは２ｍｍとした。

水蒸気透過膜２には、パーフルオロスルホン酸膜（Ｄｕ Ｐｏｎｔ社製 商品名Ｎａｆｉｏｎ１１７）を使用した。

毛管構造体７には、日本バイリーン（Japan Vilene Company, Ltd.）社製電池用セパレータFT310Pを用い、マニホールド孔６１，６２，６３，６４，及び貫通孔６５は打ち抜いて形成した。厚みは０．２ｍｍであった。

（比較例）
実施例１の加湿器から毛管構造体７を省略した加湿器を比較例として作成した。

（凍結試験）
実施例及び比較例のそれぞれの加湿器に対して同条件の凍結試験を行った。

高湿側供給用マニホールド２３には水を供給し、低湿側供給用マニホールド２１には乾燥空気を供給した。

常温において高湿側供給用マニホールド２３に所定量の水を一分間流し、その後、高湿側供給用マニホールド２３を開放して、３分間水抜きを行った。

水抜き後、加湿器を恒温槽内に保持した。そして、加湿器を−２０℃で、６時間冷却してその内部を凍結させた。

凍結後、恒温槽内を常温（２０℃）に戻して６時間保持して凍結水を融解させた。

この一連の動作を１サイクルとして、このサイクルを繰り返した。

２０サイクル毎に、高湿側流路溝３と低湿側流路溝４との間に０．５ｋＰａの差圧を加えて、両流路間のリーク（クロスリーク）の程度を測定した。２ｘ１０^-6ｍ³／ｍｉｎ以下の漏れ量であれば合格として、凍結試験を継続させた。

実施例の加湿器１００は、２００サイクル繰り返しても２ｘ１０^-6ｍ³／ｍｉｎ以下の漏れ量を維持した。一方、比較例の加湿器は、４０サイクルの時点で漏れ量が２ｘ１０^-6ｍ³／ｍｉｎを越えたので凍結試験を終了した。

凍結試験後、比較例の加湿器を分解したところ、セパレータ板１の高湿側流路溝３及び低湿側流路溝４の溝縁に当接する部分において水蒸気透過膜２の損傷が確認された。一方、２００サイクル経過後の実施例の加湿器を分解したところ、水蒸気透過膜２の損傷は確認されなかった。本実施例の加湿器が、従来例の加湿器に相当する比較例に比して、凍結による水蒸気透過膜２の破損を充分に防止することができることが確認された。
（第２実施形態）
本実施形態は、第１実施形態において、低湿側流路溝４の底部にも毛管構造体を配設した実施形態である。

図７は、本発明の第２実施形態の加湿器のセパレータ板の表裏面を構成する高湿側主面及び低湿側主面を示す平面図である。

図７において、図３と同一又は相当する部分には同一の符号を付してその説明を省略し、相違点のみを説明する。

図７（ｂ）に示すように、低湿側主面１Ｂの低湿側流路溝４の底部にも毛管構造体９が配設されている。毛管構造体９は、低湿側流路溝４の底面を覆うように格子状に構成されている。また、下方には延伸部８が低湿側供給用マニホールド孔６２まで延伸している。

これによって、低湿側流路溝４において局部的に滞留する水分は毛管構造体９に吸収されてしまい、低湿側流路溝４の滞留水による水滴は消滅する。したがって、本実施形態の加湿器１００は、より確実に凍結による水蒸気透過膜２の破損を防止することができる。

なお、毛管構造体７が配設される高湿側流路溝３及び低湿側流路溝４の溝形状は上記実施形態に限定されない。
（変形例）
図８は、毛管構造体が配設されている高湿側流路溝の溝形状の複数の変形例を例示する断面図である。

図８に示すように、高湿側流路溝７の溝形状は、Ｖ字溝（図８（ａ））あるいはＵ字溝（図８（ｂ））であってもよい。図８（ａ）に示すように、Ｖ字溝の場合、毛管構造体７は、高湿側流路溝３の側壁に挟まれるようにして配設される。また、図８（ｂ）に示すように、Ｕ字溝の場合、毛管構造体７は、高湿側流路溝３の側壁にまで延びて配設される。すなわち、毛管構造体７の配設位置は、水分の凍結に伴う毛管構造体７の膨張によっても毛管構造体７が水分透過膜に接触しない位置であればよい。したがって、本発明における底部とは、広義に解釈され、溝縁３Ａから離れた位置の溝壁をいう。

また、図８（ｃ）に示すように、高湿側流路溝３の溝壁に凸部３Ｂが、毛管構造体７を底部に拘束するように形成されている。これによって、セパレータ板１や加湿器１００の移動の際に、不測の要因により、毛管構造体７が底部から逸脱することを防止することができる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、上記実施形態の燃料電池システムでは、冷却水をもって酸化剤ガスを加湿する構成を例示しているが、冷却水を以て還元剤ガスを加湿するように構成することもできる。すなわち、還元剤ガスが低湿側供給用マニホールド２１から低湿側排出用マニホールド２２へと流通するようにして還元剤ガス系統２００の流路２２０が加湿器１００に接続し、かつ、冷却水が高湿側供給用マニホールド２３から高湿側排出用マニホールド２４へと流通するようにして還元剤ガス系統４００の流路４４０が加湿器１００に接続される。

また、冷却水の代わりにＰＥＦＣ５００から排出される酸化剤ガス（オフガス）を用いて、酸化剤ガスあるいは還元剤ガスを加湿するように構成することもできる。すなわち、冷却系統４００の流路４４０の代わりに、ＰＥＦＣ５００から排出される酸化剤ガス（オフガス）が高湿側供給用マニホールド２３から高湿側排出用マニホールド２４へと流通するようにして加湿器１００に接続して構成することもできる。

さらに、上記実施形態の加湿器１００においては、一方の主面に高湿側流路溝３が形成され、他方の主面に低湿側流路溝４が形成されている、セパレータ板１を用いたが、セパレータ板１を高湿側セパレータ板と低湿側セパレータ板に分割して構成することもできる。すなわち、内面に高湿側流路溝３が形成されている高湿側セパレータ板と、内面に低湿側流路溝４が形成されている低湿側セパレータ板との２種類のセパレータ板を用いて加湿器を構成することもできる。この場合、高湿側セパレータ板の内面と低湿側セパレータ板の内面との間に水蒸気透過膜２を挟み込んで、加湿ユニットが構成される。

本発明の加湿器及びそれに用いられるセパレータ板は、凍結による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器及びそれに用いられるセパレータ板として有用である。

本発明の第１実施形態の燃料電池システムの構成を概略的に示す構成図である。 図１の加湿器の概略構成を示す模式図である。 図２の加湿器のセパレータ板の表裏面を構成する高湿側主面及び低湿側主面を示す平面図である。 図３のセパレータ板の高湿側流路溝の底部に配設されている毛管構造体の平面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。 図１の加湿器に用いられている水蒸気透過膜の平面図である。 図３及び図４のＶＩ−ＶＩ線断面における図１の加湿器の積層部の断面の一部を示す断面図である。 本発明の第２実施形態の加湿器のセパレータ板の表裏面を構成する高湿側主面及び低湿側主面を示す平面図である。 毛管構造体が配設されている高湿側流路溝の溝形状の複数の変形例を例示する断面図である。

符号の説明

１ セパレータ板
１Ａ 高湿側主面
１Ｂ 低湿側主面
２ 水蒸気透過膜
３ 高湿側流路溝
３Ａ 溝縁
３Ｂ 凸部
３Ｐ 凹部
３Ｑ 凸部
４ 低湿側流路溝
５ ガスケット
６ 溝
７、９ 毛管構造体
７Ａ 貫通孔
８、１０ 延伸部
２１ 低湿側供給用マニホールド
２２ 低湿側排出用マニホールド
２３ 高湿側供給用マニホールド
２４ 高湿側排出用マニホールド
４１ 第１の端板
４２ 第２の端板
５１ 積層部
６１ 低湿側供給用マニホールド孔
６２ 低湿側排出用マニホールド孔
６３ 高湿側供給用マニホールド孔
６４ 高湿側排出用マニホールド孔
６５ 貫通孔
１００ 加湿器
２００ 還元剤ガス系統
２１０ 改質装置
２２０ 流路
３００ 酸化剤ガス系統
３１０ 供給装置
３２０ 流路
４００ 冷却系統
４１０ 冷却水タンク
４２０ ポンプ
４３０ 放熱器
４４０ 流路
５００ ＰＥＦＣ
１０００ 燃料電池システム

Claims (6)

1. 一方の主面に高湿側入口から高湿側出口を結んで延びる高湿側流路溝が形成されている、加湿器用セパレータ板であって、
   前記高湿側流路溝の底部に毛管構造体が配設されている、加湿器用セパレータ板。
2. 前記毛管構造体は前記高湿側入口及び前記高湿側出口の少なくともいずれかまで延びている延伸部を有する、請求項１に記載の加湿器用セパレータ板。
3. 前記毛管構造体が、織布、不織布、紐、多孔質体の少なくともいずれかからなる、請求項１に記載の加湿器用セパレータ板。
4. さらに他方の主面に低湿側入口から低湿側出口を結んで延びる低湿側流路溝が形成されていて、前記低湿側流路溝の底部に毛管構造体が配設されている、請求項１に記載の加湿器用セパレータ板。
5. 一方の主面に高湿側入口から高湿側出口を結んで延びる高湿側流路溝が形成され、他方の主面に低湿側入口から低湿側出口を結んで延びる低湿側流路溝が形成されている、加湿器用セパレータ板と、水蒸気透過膜と、を備え、前記水蒸気透過膜が前記高湿側流路溝と前記低湿側流路溝との隔膜となるようにして、前記加湿器用セパレータ板及び前記水蒸気透過膜が交互に積層して締結されている、加湿器であって、
   前記高湿側流路溝の底部に毛管構造体が配設されている、加湿器。
6. 反応ガス及び冷却水が燃料電池に供給されるように構成されている燃料電池システムであって、
   請求項５に記載の加湿器を有し、
   前記反応ガスが前記低湿側流路溝に通流し、前記燃料電池から排出された反応ガスあるいは冷却水のいずれかが前記高湿側流路溝に通流するように構成されている、燃料電池システム。

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