JP3660087B2 - ガスの加湿装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、水透過性膜の一方の面に被加湿用のガスを導入するとともに、前記水透過性膜の他方の面に加湿用の水を導入するガスの加湿装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、固体高分子電解質膜を挟んでアノード側電極とカソード側電極とを対設した燃料電池構造体を、セパレータによって挟持して複数積層することにより構成された燃料電池が開発され、種々の用途に実用化されつつある。
【0003】
この種の燃料電池は、燃料ガス(水素)をアノード側電極に供給するとともに、酸化剤ガス(空気または酸素)をカソード側電極に供給することにより、前記燃料ガスがイオン化して固体高分子電解質膜内を流れ、これにより外部に電気エネルギが得られるように構成されている。
【0004】
この場合、上記燃料電池では、有効な発電機能を発揮させるために、固体高分子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により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して構成することにより、前記加湿された燃料ガスや酸化剤ガスを燃料電池構造体に供給するものが知られている。
【0005】
ところで、加湿装置は、通常、加湿膜の両面を燃料ガス流路が形成されたセパレータと加湿水流路が形成されたセパレータとで挟持した第1積層体と、他の加湿膜の両面を酸化剤ガス流路が形成されたセパレータと加湿水流路が形成されたセパレータとで挟持した第2積層体とを交互に積層し、両端にエンドプレートを設けてボルトにより一体的に締め付けるように構成されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の加湿装置では、両端のエンドプレートとボルトの締め付け力により面圧を確保しようとしているが、構造上、このボルトを加湿部である第1および第2積層体の中央部分に設けることができない。これにより、加湿部で所望の面圧を得ることができず、燃料ガス、酸化剤ガスおよび加湿水が、セパレータの各流路を流れずに前記セパレータの導入口から導出口に向かって直接流れるおそれがある。従って、加湿部の面積が有効に利用されず、加湿性能が大幅に低下するという問題が指摘されている。
【0007】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、加湿装置内の中央部分で所望の面圧を確保することができ、加湿性能を有効に維持することが可能なガスの加湿装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために、本発明は、被加湿用のガスを導入するためのガス流路が形成された第1セパレータと加湿用の水を導入するための水流路が形成された第2セパレータとが、水透過性膜の両側に配設されるとともに、前記第1および第2セパレータの両方に近接して設けられた圧力室に導入される圧力媒体の加圧作用下に、前記第1および第2セパレータと前記水透過性膜とが互いに密着される。このため、加湿部である第1および第2セパレータと水透過性膜との中央部分に所望の面圧を確保することができ、加湿性能を有効に維持することが可能になる。
【0009】
また、圧力室に供給される圧力媒体の温度が調整されることにより、加湿装置内の温度分布を均一化することができ、加湿性能がより一層向上する。
【0010】
さらに、水流路が、加湿用の水を下方から反重力方向に向かって供給するように構成される。従って、水に含まれている気泡は、水流路内に滞留することがなく、速やかに排出される。
【0011】
さらにまた、被加湿用のガスが、固体高分子型燃料電池に供給される燃料ガスおよび/または酸化剤ガスである。これにより、所望の加湿状態に維持されたガスを燃料電池に確実に供給することが可能になる。また、圧力媒体は液体であることが好ましく、さらに、前記液体は水であることが好ましい。さらにまた、第1および第2セパレータの積層方向両端にエンドプレートが配設されるとともに、前記エンドプレートの内面は、圧力室の壁面の一部を構成することが好ましい。また、エンドプレートには、圧力室に連通する圧力媒体導入口および圧力媒体導出口が形成されることが好ましい。
【0012】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の第1の実施形態に係る加湿装置10の概略縦断面説明図である。加湿装置10は、積層方向(矢印X方向)に向かって、燃料ガス用の第1供給板(第1セパレータ)12と、第1水透過性膜14aと、加湿水用の第2供給板(第2セパレータ)16と、第2水透過性膜14bと、酸化剤ガスおよび燃料ガス用の第3供給板(第1セパレータ)18と、第3水透過性膜14cと、前記第2供給板16と、第4水透過性膜14dと、酸化剤ガス用の第4供給板(第1セパレータ)20とを一体的に配置しており、その積層方向両端にエンドプレート22a、22bが設けられる。
【0013】
図1および図3に示すように、第1供給板12は、その一面側の中央部に比較的広範囲にわたって第1凹部24を有し、この第1凹部24は、前記第1供給板12がエンドプレート22a、22b間に組み付けられる際に第1圧力室26を構成する(図1参照)。
【0014】
第1供給板12の他面側には、図1および図2に示すように、水平方向に延在する複数の突起28を設けることにより、第1水透過性膜14aの一方の面側に鉛直方向に向かって蛇行する燃料ガス流路30aが形成される。第1供給板12の下部側には、燃料ガス通路32a、加湿水通路34aおよび酸化剤ガス通路36aが形成されるとともに、この第1供給板12の上部側には、燃料ガス通路32b、加湿水通路34bおよび酸化剤ガス通路36bが形成される。燃料ガス通路32a、32bは、溝部37a、37bを介して燃料ガス流路30aに連通している。
【0015】
第1供給板12の両面には、それぞれの下部および上部に燃料ガス通路32a、加湿水通路34a、酸化剤ガス通路36aと、燃料ガス通路32b、加湿水通路34b、酸化剤ガス通路36bとを囲繞してシール溝38a、38bが形成される。
【0016】
第1水透過性膜14aは、例えばイオン交換膜で構成されており、その下部側に燃料ガス通路40a、加湿水通路42aおよび酸化剤ガス通路44aが貫通形成される一方、その上部側に燃料ガス通路40b、加湿水通路42bおよび酸化剤ガス通路44bが貫通形成される。第2〜第4水透過性膜14b〜14dは、第1水透過性膜14aと同様に構成されており、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。
【0017】
第2供給板16は、両面に水平方向に延在する複数の突起46a、46bを有し、この突起46a、46bと第1および第2水透過性膜14a、14bの他方の面との間に水流路48a、48bが形成される。第2供給板16の下部側には、燃料ガス通路50a、加湿水通路52aおよび酸化剤ガス通路54aが貫通形成されるとともに、この第2供給板16の上部側には、燃料ガス通路50b、加湿水通路52bおよび酸化剤ガス通路54bが貫通形成される。加湿水通路52a、52bは、第2供給板16の両面でそれぞれ溝部55a、55bを介して水流路48a、48bに連通している。第2供給板16の両面には、その下部側にシール溝56aが形成され、その上部側にシール溝56bが形成される。
【0018】
第3供給板18は、その両面に水平方向に延在する複数の突起58a、58bを有する。突起58aと第2水透過性膜14bの一方の面との間に酸化剤ガス流路60aが形成され、突起58bと第3水透過性膜14cの一方の面との間に燃料ガス流路30bが形成される。第3供給板18の下部側および上部側には、燃料ガス通路62a、62b、加湿水通路64a、64bおよび酸化剤ガス通路66a、66bが貫通形成される。酸化剤ガス通路66a、66bは、図示しない溝部を介して酸化剤ガス流路60aに連通するとともに、燃料ガス通路62a、62bは、溝部67a、67bを介して燃料ガス流路30bに連通する。第3供給板18の両面には、その下部側および上部側にシール溝68a、68bが形成される。
【0019】
図1に示すように、第3水透過性膜14cと第4水透過性膜14dとの間に第2供給板16が配置される。第2供給板16の両面と第3および第4水透過性膜14c、14dの他方の面との間には、水流路48c、48dが形成される。
【0020】
第4供給板20は、その一面に水平方向に延在する複数の突起70を設けることにより、この突起70と第4水透過性膜14dの一方の面との間に酸化剤ガス流路60bが形成される。第4供給板20の他方の面には、比較的広範囲にわたって第2凹部72が設けられ、この第2凹部72には、前記第4供給板20がエンドプレート22bに対応して配置される際、第2圧力室74を構成する。
【0021】
第4供給板20の下部側および上部側には、燃料ガス通路76a、76b、加湿水通路78a、78bおよび酸化剤ガス通路80a、80bが形成され、この酸化剤ガス通路80a、80bは、図示しない溝部を介して酸化剤ガス流路60bに連通する。第4供給板20の両面には、その下部側および上部側にシール溝82a、82bが形成される。
【0022】
図1に示すように、第1〜第4水透過性膜14a、14b、14cおよび14dと、第1〜第4供給板12、16、18および20とは、所定の配置状態でエンドプレート22a、22bを介して挟持され、このエンドプレート22a、22bが締付けボルト84とナット86とを介して一体的に締め付けられる。シール溝38a、38b、56a、56b、68a、68bおよび82a、82bには、それぞれシールリング88が介装されており、各部材の間に所望のシール状態を維持している。
【0023】
エンドプレート22aは、燃料ガスである水素を燃料ガス通路32a等に導入するための燃料ガス導入口90と、酸化剤ガス通路36aに酸化剤ガスである空気(または酸素)を導入するための酸化剤ガス導入口92とを、その下部側に設けている。エンドプレート22aの上部側には、加湿された水素を燃料ガス通路32bから図示しない燃料電池に送り出すための燃料ガス導出口94と、加湿後の空気を酸化剤ガス通路36bから前記図示しない燃料電池に送り出すための酸化剤ガス導出口96とが設けられる。エンドプレート22aには、さらに第1圧力室26に連通する圧力媒体導入口98および圧力媒体導出口100が形成される。
【0024】
エンドプレート22bの下部側には、加湿水通路78aに連通する加湿水導入口102が設けられ、その上部側には、加湿水通路78bに連通する加湿水導出口104が設けられる。エンドプレート22bの略中央部下方に第2圧力室74に連通する圧力媒体導入口106が設けられ、その略中央部上方に前記第2圧力室74に連通する圧力媒体導出口108が形成される。
【0025】
図4に示すように、加湿装置10は、圧力媒体導入口98、106と圧力媒体導出口100、108とに連通して第1および第2圧力室26、74に圧力媒体を循環供給するための循環系110を備える。
【0026】
循環系110は、圧力媒体として、例えば圧力水を貯留する水タンク112を有し、この水タンク112と加湿装置10とを連通する循環路114には、水循環用ポンプ116と、圧力水の温度調整を行う温度制御手段を構成するヒータ118と、圧力調整レギュレータ120と、流量制御バルブ122とが配設される。ヒータ118および流量制御バルブ122は、CPU124を介して駆動制御されており、このCPU124には、加湿装置10内に配置された図示しない温度検出センサからの温度信号が入力される。
【0027】
このように構成される加湿装置10の動作について、以下に説明する。
【0028】
先ず、図1に示すように、燃料ガス(水素)がエンドプレート22aの燃料ガス導入口90に供給される。燃料ガスは、図2に示すように、第1供給板12の燃料ガス通路32aから第3供給板18の燃料ガス通路62aに導入され、この第1供給板12と第1水透過性膜14aの一方の面との間、および前記第3供給板18と第3水透過性膜14cとの一方の面との間に形成された燃料ガス流路30a、30bに沿って反重力方向に蛇行しながら移動する。
【0029】
一方、酸化剤ガス(空気または酸素)がエンドプレート22aの酸化剤ガス導入口92に供給されると、この酸化剤ガスは第1供給板12の酸化剤ガス通路36aから第4供給板20の酸化剤ガス通路80aに導入される。酸化剤ガスは、第3供給板18と第2水透過性膜14bの一方の面との間に形成された酸化剤ガス流路60a、および第4供給板20と第4水透過性膜14dの一方の面との間に形成された酸化剤ガス流路60bに導入され、反重力方向に蛇行しながら移動する。
【0030】
また、エンドプレート22bの加湿水導入口102に加湿水が供給されると、この加湿水は、第4供給板20の加湿水通路78aから第2供給板16の加湿水通路52aに導入される。この加湿水は、2板の第2供給板16と第1〜第4水透過性膜14a〜14dの他方の面との間に形成された水流路48a〜48dに沿って反重力方向に蛇行しながら移動する。
【0031】
これにより、第1〜第4水透過性膜14a〜14dの一方の面に反重力方向に沿って移動する燃料ガスおよび酸化剤ガスは、前記第1〜第4水透過性膜14a〜14dの他方の面に沿って反重力方向に移動する加湿水を介して加湿される。次いで、加湿された燃料ガスおよび酸化剤ガスは、エンドプレート22aの燃料ガス導出口94および酸化剤ガス導出口96から図示しない燃料電池内に供給される。
【0032】
この場合、本実施形態では、第1および第4供給板12、20の一面側に第1および第2凹部24、72が形成されることにより、この第1および第4供給板12、20とエンドプレート22a、22bとの間に第1および第2圧力室26、74が設けられる。そして、図4に示すように、ポンプ116の作用下に、水タンク112から循環路114に沿って圧力水が圧力媒体導入口98、106を介して第1および第2圧力室26、74に導入される。
【0033】
このため、第1供給板12、第2供給板16、第3供給板18、第2供給板16および第4供給板20は、第1〜第4水透過性膜14a〜14dを介装した状態で積層方向(図1中、矢印X方向)に加圧され、互いに密着状態を維持することができる。従って、締付けボルト84とナット86とによりエンドプレート22a、22bの周縁部のみを締め付け固定するものに比べ、加湿部である加湿装置10の中央部分に所望の面圧を確実に付与することが可能になる。
【0034】
これにより、例えば、第1供給板12と第1水透過性膜14aとが中央部分で互いに離間することがなく、燃料ガスが燃料ガス流路30aに沿って蛇行することなく燃料ガス通路32bに直接排出されることを阻止することが可能になる。すなわち、燃料ガスは、燃料ガス流路30aに沿って確実に流れることができ、この燃料ガスに加湿水を十分に付与し得る等、ガス加湿性能を有効に向上させるという効果がある。
【0035】
さらに、第1の実施形態では、加湿装置10内の温度が図示しないセンサにより検出され、その温度信号がCPU124に送られている。このため、CPU124は、ヒータ118および流量制御バルブ122を制御することにより、加湿装置10内の温度分布を均一化することができる。従って、特に加湿装置10の両端での温度低下を抑制することが可能になり、ガス加湿性能がより一層向上するという利点が得られる。
【0036】
さらにまた、加湿装置10では、加湿水がエンドプレート22bの下部側に設けられた加湿水導入口102から導入され、反重力方向に移動してこのエンドプレート22bの上部側に設けられた加湿水導出口104から排出される。このため、水流路48a〜48d内にエアが混入することがなく、第1〜第4水透過性膜14a〜14dと加湿水との接触面積が有効に増加し、前記第1〜第4水透過性膜14a〜14dの加湿機能が向上するという効果がある。
【0037】
なお、燃料ガスおよび酸化剤ガスは、エンドプレート22aの下部側から反重力方向に導入されてこのエンドプレート22aの上部側から図示しない燃料電池に送られるように構成されているが、これとは逆に重力方向に導入される構成であってもよい。
【0038】
図5は、本発明の第2の実施形態に係る加湿装置160の概略縦断面説明図である。なお、第1の実施形態に係る加湿装置10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。
【0039】
加湿装置160は、エンドプレート22a、22bと第1および第4供給板12、20との間に加圧板162、164を介装している。加圧板162、164の一面側は平坦状に構成されており、それぞれの他面側に比較的大きな凹部166、168が形成される。凹部166、168は、加圧板162、164がエンドプレート22a、22b間に維持される際、第1および第2圧力室170、172を構成する。
【0040】
加圧板162、164の下部側および上部側には、図示しないがそれぞれ加湿水通路、燃料ガス通路および酸化剤ガス通路が設けられるとともに、シールリング88を嵌合するためのシール溝174、176が両面のそれぞれの下部側および上部側に形成されている。
【0041】
このように構成される加湿装置160では、エンドプレート22a、22bの圧力媒体導入口98、106に圧力水が導入されると、この圧力水は、加圧板162、164と前記エンドプレート22a、22bとの間に形成された第1および第2圧力室170、172に供給される。これにより、加湿部である加湿装置160の中央部分は、第1および第2圧力室170、172に供給された圧力水を介して積層方向に加圧され、所定の面圧を確保することができる。従って、加湿装置160は、第1の実施形態に係る加湿装置10と同様の効果が得られる。
【0042】
なお、第1および第2の実施形態では、圧力媒体として圧力水を用いているが、これに限定されるものではなく、油や空気等の種々の媒体を使用することが可能である。また、加湿装置10、160の両側に第1および第2圧力室26、170および74、172を設けているが、これに代替し、あるいはこれに付加して前記加湿装置10、160の中間部分、すなわち第2および第3水透過性膜14b、14cの間に圧力室を設けることもできる。
【0043】
【発明の効果】
以上のように本発明に係るガスの加湿装置では、ガス流路が形成された第1セパレータと水流路が形成された第2セパレータとが、水透過性膜の両側に配置されるとともに、圧力室に導入される圧力媒体の加圧作用下に前記第1および第2セパレータと前記水透過性膜とが互いに密着される。これにより、第1および第2セパレータと水透過性膜とは、全体として所望の面圧を確保することができ、特に加湿部である中央部分を確実に密着して加湿性能を有効に向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る加湿装置の概略縦断面説明図である。
【図2】前記第1の実施形態に係る加湿装置の一部分解斜視説明図である。
【図3】前記第1の実施形態に係る加湿装置を構成する第1供給板の正面説明図である。
【図4】前記第1の実施形態に係る加湿装置に圧力水を供給するための循環系の概略説明図である。
【図5】本発明の第2の実施形態に係る加湿装置の概略縦断面説明図である。
【符号の説明】
10、160…加湿装置 12、16、18、20…供給板
14a〜14d…水透過性膜 22a、22b…エンドプレート
24、72、166、168…凹部 26、74、170、172…圧力室
30a、30b…燃料ガス流路 48a〜48d…水流路
60a、60b…酸化剤ガス流路 110…循環系
114…循環路 116…ポンプ
118…ヒータ 120…圧力調整レギュレータ
122…流量制御バルブ 124…CPU
162、164…加圧板
Claims (9)
- 水透過性膜の一方の面に被加湿用のガスを導入するためのガス流路が形成された第1セパレータと、
前記水透過性膜の他方の面に加湿用の水を導入するための水流路が形成された第2セパレータと、
前記第1および第2セパレータと前記水透過性膜とを互いに積層方向に密着させるために、内部に圧力媒体を導入して前記積層方向に加圧力を発生させる圧力室が形成されたプレート部材と、
を備えるとともに、
前記第1セパレータ、前記第2セパレータおよび前記プレート部材には、前記積層方向に貫通して被加湿用ガスの通路および加湿用水の通路が形成されることを特徴とするガスの加湿装置。 - 請求項1記載の加湿装置において、前記圧力室は、前記第1および第2セパレータの両方に近接して設けられることを特徴とするガスの加湿装置。
- 水透過性膜の一方の面に被加湿用のガスを導入するためのガス流路が形成された第1セパレータと、
前記水透過性膜の他方の面に加湿用の水を導入するための水流路が形成された第2セパレータと、
前記第1および第2セパレータと前記水透過性膜とを互いに積層方向に密着させるために、内部に圧力媒体を導入して前記積層方向に加圧力を発生させる圧力室と、
前記圧力室に供給される前記圧力媒体の温度を調整するための温度制御手段と、
を備えることを特徴とするガスの加湿装置。 - 請求項1または3記載の加湿装置において、前記水流路は、前記加湿用の水を下方から反重力方向に向かって供給するように構成されることを特徴とするガスの加湿装置。
- 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の加湿装置において、前記被加湿用のガスは、固体高分子型燃料電池に供給される燃料ガスおよび/または酸化剤ガスであることを特徴とするガスの加湿装置。
- 請求項1または3記載の加湿装置において、前記圧力媒体は液体であることを特徴とするガスの加湿装置。
- 請求項6記載の加湿装置において、前記液体は水であることを特徴とするガスの加湿装置。
- 水透過性膜の一方の面に被加湿用のガスを導入するためのガス流路が形成された第1セパレータと、
前記水透過性膜の他方の面に加湿用の水を導入するための水流路が形成された第2セパレータと、
前記第1および第2セパレータと前記水透過性膜とを互いに積層方向に密着させるために、内部に圧力媒体を導入して前記積層方向に加圧力を発生させる圧力室と、
を備え、
前記第1および第2セパレータの積層方向両端にエンドプレートが配設されるとともに、
前記エンドプレートの内面は、前記圧力室の壁面の一部を構成することを特徴とするガスの加湿装置。 - 請求項8記載の加湿装置において、前記エンドプレートには、前記圧力室に連通する圧力媒体導入口および圧力媒体導出口が形成されることを特徴とするガスの加湿装置。
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