JP2010044989A - 燃料電池用ガスの加湿装置 - Google Patents

Abstract

【課題】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し、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。
【解決手段】水蒸気透過膜と、その水蒸気透過膜の一方の面側に形成される被加湿流体流路４と、水蒸気透過膜の他方の面側に形成される加湿流体流路３とを有する一対のセパレータ１を有し、セパレータ１には水蒸気透過膜を支える複数の支柱８８が一体成形されている。これにより、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。
【選択図】図４

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または特許文献２参照）。

特許文献１または特許文献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燃料または酸化剤としてのガスを加湿するための燃料電池用ガスの加湿装置であって、水蒸気透過膜と、その水蒸気透過膜の一方の面側に形成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形成される加湿流体流路とを有する一対のセパレータを有し、前記セパレータには前記水蒸気透過膜を支える複数の支柱が一体成形されたものである。

本発明の燃料電池用ガスの加湿装置によれば、支柱間に水が滞留しにくく、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が少なくなり、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、燃料電池の発電部に供給される燃料または酸化剤としてのガスを加湿するための燃料電池用ガスの加湿装置であって、水蒸気透過膜と、その水蒸気透過膜の一方の面側に形成される被加湿流体流路と、水蒸気透過膜の他方の面側に形成される加湿流体流路とを有する一対のセパレータを有し、セパレータには水蒸気透過膜を支える複数の支柱が一体成形したものである。

このような構成とすることにより、セパレータと水蒸気透過膜を支える支柱が一体で構成することができるので、従来のように膜のガイドを設ける必要がないので部品点数を削減することが可能となる。

第２の発明は、特に第１の発明において、セパレータの加湿用流体流路または被加湿用流体流路に配置された加湿流体入り口マニホールドと加湿流体出口マニホールドまたは被加湿流体入り口マニホールドと被加湿流体出口マニホールドが上下方向に配置するようにセパレータを縦置きしたものであり、部品運転停止時に加湿装置から水抜きを行ったあともなお、自然落下により局部的に支柱間の流路溝に水を滞留させないため、凍結時に水蒸気透過膜に氷を接触させなく（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１または第２の発明において、セパレータに一体成形した支柱の配列を縦方向としたものであり、水の落下方向に障害物となる支柱が配置されないため、より確実に、支柱間の流路溝に水を滞留させないようにすることができる。

第４の発明は、特に第３の発明において、セパレータに一体成形した支柱の配列を千鳥配列としたものであり、水蒸気透過膜を支持する３点の支柱間の距離は正三角形となり得るので、水蒸気透過膜の両面で発生した加湿流体と被加湿流体の差圧に対し、たとえば格子状の支柱の配列に比べて均等な力で水蒸気透過膜を支えることができるため、水蒸気透過膜への加圧による損傷を防止することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
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用いた燃料電池システムについて説明する。

図１は、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設けた燃料電池システム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％）と、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の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に係る燃料電池用ガスの加湿装置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の燃料電池用ガスの加湿装置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の端板４１ａおよび第２の端板４１ｂと、加湿セル積層体５０と第１の端板４１ａおよび第２の端板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、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、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３２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、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、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の燃料電池用ガスの加湿装置の加湿セルおよびこれに用いるセパレータ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が一体成形して設けられており、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が一体成形して設けられている。

そして、水蒸気透過膜２は一対のセパレータ１のそれぞれの主面に一体成形された支柱８８によって大きく歪まないように支えられている。

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孔６１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。

次に、セパレータ１の構成について、図４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（ａ）は、図３におけるセパレータ１においてその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（ａ）〜（ｃ）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（ａ）および図４（ｂ）に示すように、セパレータ１の加湿流体側には水蒸気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が一体成形して設けられており、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この加湿流体流路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４（ｂ）および図４（ｃ）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が一体成形して設けられており、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この被加湿流体流路４を経て被加湿流体排出用マニホールド孔６２へ排出される構造となっている。

セパレータ１の加湿流体流路３および被加湿流体流路４に配設される支柱８８は、縦方向に配置し、加湿流体流路３に配設される支柱８８は、さらに千鳥配列している。

これにより前記支柱８８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を行った後も、なお流路内に部分的に残留する水滴が障害なく自然落下して支柱８８間に滞留しないようにし、流路から排除するものである。

さらに、前記支柱８８を千鳥配列とすることで水蒸気透過膜を支持する３点の支柱間の距離は正三角形となり得るので、水蒸気透過膜の両面で発生した加湿流体と被加湿流体の差圧に対し、たとえば格子状の支柱の配列に比べて均等な力で水蒸気透過膜を支えることができるため、水蒸気透過膜への加圧による損傷を防止することが可能となる。

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。

なお、図５は、図３の比較例であり、一対のセパレータ１において、それぞれの支柱８８が対向するように配置した例であり、上記実施の形態１における燃料電池用ガスの加湿装置と同様の作用効果を有する。

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に係る燃料電池用ガスの加湿装置を設けた燃料電池システムの概略構成図 同燃料電池用ガスの加湿装置の概略構成模式図 同燃料電池用ガスの加湿装置の加湿セルの概略構成断面図 （ａ）同燃料電池用ガスの加湿装置の加湿セルの正面図（ｂ）同側面断面図（ｃ）同背面図 同燃料電池用ガスの加湿装置の加湿セルの比較例を示す概略構成断面図

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
１１ 加湿セル
２１ 被加湿流体供給用マニホールド
２２ 被加湿流体排出用マニホールド
２３ 加湿流体供給用マニホールド
２４ 加湿流体排出用マニホールド
３１ 被加湿流体供給用配管
３２ 被加湿流体排出用配管
３３ 加湿流体供給用配管
３４ 加湿流体排出用配管
４１ａ 第１の端板
４１ｂ 第２の端板
５０ 加湿セル積層体
５１ 加湿セルスタック
６１ 被加湿流体供給用マニホールド孔
６２ 被加湿流体排出用マニホールド孔
６３ 加湿流体供給用マニホールド孔
６４ 加湿流体排出用マニホールド孔
８８ 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燃料または酸化剤としてのガスを加湿するための燃料電池用ガスの加湿装置であって、水蒸気透過膜と、その水蒸気透過膜の一方の面側に形成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形成される加湿流体流路とを有する一対のセパレータを有し、前記セパレータには前記水蒸気透過膜を支える複数の支柱が一体成形された燃料電池用ガスの加湿装置。
2. 前記セパレータの前記加湿用流体流路または被加湿用流体流路に配置された加湿流体入り口マニホールドと加湿流体出口マニホールドまたは被加湿流体入り口マニホールドと被加湿流体出口マニホールドが上下方向に配置するように前記セパレータを縦置きした請求項１に記載の燃料電池用ガスの加湿装置。
3. 前記セパレータに一体成形した支柱の配列を縦方向とした請求項１または２に記載の燃料電池用ガスの加湿装置。
4. 前記セパレータに一体成形した支柱の配列を千鳥配列とした請求項３に記載の燃料電池用ガスの加湿装置。

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