JP3673044B2 - 燃料電池用ガスの加湿装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に供給されるガスを加湿するための燃料電池用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し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、一般的に水素ガス(燃料ガス)をアノード側電極に供給するとともに、酸化剤ガス(空気または酸素ガス)をカソード側電極に供給することにより、前記水素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には、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発電部である燃料電池構造体に供給するものが知られている。
【0005】
通常、この種の加湿装置は、図6に示すように、燃料ガスまたは酸化剤ガス用の第1供給板2と、加湿水用の第2供給板4とが、水透過膜(水透過性部材)6を挟んで配設されており、前記第1供給板2にガス通路2aが設けられるとともに、前記第2供給板4に加湿用水路4aが設けられている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の加湿装置では、ガスの加湿量が加湿面積により変化するため、同一流路長でガスの加湿量を多くしようとすると、有効な加湿面積を確保すべく、ガス通路2aおよび水路4aの流路幅Hを大きく設定する必要がある。
【0007】
しかしながら、ガス通路2aに供給されるガスの圧力と水路4aに供給される加湿水の圧力とに差圧が発生し易いため、通常、ガスの圧力を介して水透過膜6が水路4a側に膨潤変形してしまう。しかも、特に流路幅Hが大きくなると、水透過膜6によって水路4aが閉塞されてしまうという問題が指摘されている。これにより、加湿セクションを設計する上で、自由度が低いという問題も指摘されている。
【0008】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、有効な加湿面積を確保するとともに、簡単な構成で、ガス圧と水圧との差圧による水透過性部材の変形を確実に阻止して設計上の自由度を向上させることが可能な燃料電池用ガスの加湿装置を提供することを目的とする。
【0009】
【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、水透過性部材の一方の面側にガス通路が形成されるとともに、この水透過性部材の他方の面側に加湿用水路が形成され、前記水透過性部材の加湿用水路側のみに補強部材が固着(例えば、溶着)される。従って、例えば、ガス通路内のガス圧が加湿用水路内の水圧よりも大きくなっても、補強部材の作用下に水透過性部材が前記加湿用水路側に膨潤変形して前記加湿用水路が閉塞されることを確実に阻止できる。これにより、水路幅を大きく設定することができ、ガス加湿能力が向上する。
【0010】
また、補強部材が、樹脂製のメッシュ材で構成されるため、加湿水を円滑に通過させることができ、ガス加湿を一層確実かつ効率的に遂行することが可能になる。
【0011】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の実施形態に係る加湿装置10の概略構成説明図である。加湿装置10の内部には、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12と、第1水透過膜(水透過性部材)14aと、加湿水用の第2供給板16と、第2水透過膜14bと、燃料ガスおよび酸化剤ガス用の第3供給板18と、第3水透過膜14cと、前記第2供給板16と、第4水透過膜14dと、酸化剤ガス用の第4供給板20とが一体的に配置される。
【0012】
図1および図2に示すように、第1供給板12は、その一面が平坦であり、その他面には、水平方向に延在する複数の突起22を設けることによって第1水透過膜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通路24aが形成される。
【0013】
第2供給板16は、両面に水平方向に延在する複数の突起26a、26bを有し、この突起26a、26bと第1および第2水透過膜14a、14bの他方の面との間に加湿用水路28a、28bが形成される。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30a、30bを有する。突起30aと第2水透過膜14bの一方の面との間に酸化剤ガス通路32aが形成され、突起30bと第3水透過膜14cの一方の面との間に燃料ガス通路24bが形成される。
【0014】
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34を設けることにより、この突起34と第4水透過膜14dの一方の面との間に酸化剤ガス通路32bが形成される。
【0015】
第1水透過膜14aは、例えば、イオン交換膜で構成されており、その両面に補強膜(補強部材)36a、36bが溶着等によって固着される(図3参照)。補強膜36a、36bは、第1水透過膜14aが膨潤して加湿用水路28a側に、場合によっては燃料ガス通路24a側に突出変形することを阻止する機能を有する。
【0016】
補強膜36a、36bとして必須の要件は、水を透過すること、適度な弾性を有すること、膜厚が薄いこと、水による膨潤がないこと、および第1水透過膜14aと化学変化を起こさないこと等が挙げられる。補強膜36a、36bとしては、具体的には、ポリエチレンテレフタレート等の樹脂繊維をメッシュ状に構成した膜が使用される。第2〜第4水透過膜14b〜14dは、第1水透過膜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】
図1に示すように、加湿装置10の下部一端側には、水路28a、28bに加湿水を供給するための加湿水導入口40が設けられるとともに、前記加湿装置10の下部他端側には、燃料ガスである水素を燃料ガス通路24a、24bに導入するための燃料ガス導入口42と、酸化剤ガス通路32a、32bに酸化剤ガスである空気(酸素)を導入するための酸化剤ガス導入口44とが設けられる。
【0018】
加湿装置10の上部一端側には、加湿水を外部に導出するための加湿水導出口46が設けられ、この加湿装置10の上部他端側には、加湿された水素を図示しない燃料電池に送り出すための燃料ガス導出口48と、加湿後の空気を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50とが設けられる。
【0019】
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。
【0020】
先ず、図1に示すように、燃料ガス導入口42に供給された燃料ガス(水素)は、第1供給板12と第1水透過膜14aの一方の面との間、および第3供給板18と第3水透過膜14cとの一方の面との間に形成された燃料ガス通路24a、24bに沿って反重力方向に蛇行しながら移動する。
【0021】
一方、酸化剤ガス導入口44に供給された酸化剤ガス(空気)は、第3供給板18と第2水透過膜14bの一方の面との間に形成された酸化剤ガス通路32a、および第4供給板20と第4水透過膜14dの一方の面との間に形成された酸化剤ガス通路32bに導入され、反重力方向に蛇行しながら移動する。
【0022】
その際、加湿水導入口40に供給された加湿水は、2板の第2供給板16と第1〜第4水透過膜14a〜14dの他方の面との間に形成された水路28a、28bに沿って反重力方向に蛇行しながら移動する。これにより、第1〜第4水透過膜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が該第1〜第4水透過膜14a〜14dを透過することによって加湿される。この加湿された燃料ガスおよび酸化剤ガスは、燃料ガス導出口48および酸化剤ガス導出口50から図示しない燃料電池の発電部に供給される。
【0023】
ところで、加湿装置10内に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスのガス圧と加湿水の水圧とに差圧が発生し易い。このため、例えば、図3に示すように、燃料ガス通路24a内の圧力が水路28a内の圧力よりも高くなり、第1水透過膜14aが前記水路28a側に変形しようとする傾向がある。
【0024】
しかしながら、本実施形態では、第1水透過膜14aの両面に、樹脂繊維をメッシュ状に構成した補強膜36a、36bが固着されている(図3参照)。このため、第1水透過膜14aが膨潤して水路28a側(場合によっては燃料ガス通路24a側)に突出変形することを阻止することができる。これにより、水路28aまたは燃料ガス通路24aが閉塞されることがなく、特に水路28aの流路幅Hを大きく設定することが可能になり、ガス加湿能力が大幅に向上するという利点が得られる。しかも、流路幅Hを大きくすることができるため、流路設計上の自由度も有効に向上するという効果がある。
【0025】
また、補強膜36a、36bは、樹脂製のメッシュ材で構成されている。従って、加湿水を円滑に通過させることができ、ガス加湿を一層確実かつ効率的に遂行することが可能になる。
【0026】
ここで、具体的に、株式会社旭硝子製のイオン交換膜であるFLEMION(膜厚が160μm)の両面にポリエチレンテレフタレートのメッシュを配置したものを用意し、流路幅を変化させた際の加湿特性の変化を検出する実験を行った。検出条件としては、温度が80℃、キャリアガスとして流量が2NLMの空気を用いており、流路幅を1mm、2mmおよび3mmに変化させた。
【0027】
この結果が、図4に示されている。これにより、従来、水路が閉塞されて実施不可能であった3mm以上の流路幅でも、安定した加湿特性を得ることができ、加湿能力が一挙に向上した。
【0028】
なお、通常、燃料ガスおよび酸化剤ガスのガス圧は、加湿水の水圧よりも高圧になっている。このため、図5に示すように、第1水透過膜14aの水路28a側の面にのみ補強膜36を固着してもよい。従って、第1水透過膜14aは、ガス圧を介して水路28a側に押圧されても、補強膜36によりこの水路28a側に変形することを確実に阻止される。これにより、水路28aが閉塞されることがなく、しかもこの水路28aの流路幅Hを有効に大きく設定することができる。
【0029】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る燃料電池用ガスの加湿装置では、水透過性部材の一方の面側にガス通路が形成されるとともに、この水透過性部材の他方の面側に加湿用水路が形成され、前記水透過性部材の加湿用水路側のみに補強部材が固着される。これにより、ガス圧と水圧とに差圧が発生しても、補強部材の作用下に、水透過性部材が前記加湿用水路側に膨潤変形して前記加湿用水路が閉塞されることを確実に阻止できる。これにより、簡単な構成で、水路幅を大きく設定することができ、ガス加湿能力が有効に向上するとともに、流路設計上の自由度が高くなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る加湿装置の概略構成説明図である。
【図2】前記加湿装置の一部分解斜視説明図である。
【図3】前記加湿装置の要部拡大説明図である。
【図4】流路幅と加湿特性との関係説明図である。
【図5】水透過膜の一方の面にのみ補強膜を設けた際の要部拡大説明図である。
【図6】従来の加湿装置の説明図である。
【符号の説明】
10…加湿装置 12、16、18、20…供給板
14a〜14d…水透過膜 24a、24b…燃料ガス通路
28a、28b…加湿用水路 32a、32b…酸化剤ガス通路
36、36a、36b…補強膜
Claims (6)
- 燃料電池の発電部に供給される燃料および/または酸化剤としてのガスを加湿するための加湿装置であって、
水透過性部材と、
前記水透過性部材の一方の面側に形成されるガス通路と、
前記水透過性部材の他方の面側に形成される加湿用水路と、
前記加湿用水路側のみに設けられ該水透過性部材が膨潤変形して前記加湿用水路が閉塞されることを阻止する補強部材と、
からなることを特徴とする燃料電池用ガスの加湿装置。 - 請求項1記載の加湿装置において、前記補強部材は、樹脂製のメッシュ材で構成されることを特徴とする燃料電池用ガスの加湿装置。
- 請求項1または2記載の加湿装置において、前記補強部材は、前記水透過性部材の加湿用水路側のみに溶着されることを特徴とする燃料電池用ガスの加湿装置。
- 請求項1記載の加湿装置において、前記ガス通路または前記加湿用水路は、流路幅が3mm以上に設定されることを特徴とする燃料電池用ガスの加湿装置。
- 請求項1記載の加湿装置において、前記水透過性部材の一方の面側に配設されて前記ガス通路を形成する第1の供給板と、
前記水透過性部材の他方の面側に配設されて前記加湿用水路を形成する第2の供給板と、
を備えるとともに、
前記ガス通路および前記加湿用水路は、蛇行流路を構成することを特徴とする燃料電池用ガスの加湿装置。 - 請求項1記載の加湿装置において、前記水透過性部材は、イオン交換膜で構成されるとともに、前記補強部材は、ポリエチレンテレフタレートで構成されることを特徴とする燃料電池用ガスの加湿装置。
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