JP4469663B2 - 反応ガス用加湿装置 - Google Patents

Description

本発明は、水透過性膜の一方の面に被加湿用の反応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流体を導入して前記反応ガスを加湿する反応ガス用加湿装置に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

この燃料電池において、アノード側電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）が供給される一方、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されている。アノード側電極に供給された燃料ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。

この場合、上記の燃料電池では、有効な発電機能を発揮させるために、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に供給するものが知られている。

例えば、特許文献１に開示されている燃料電池用加湿器は、図１６に示すように、加湿膜１を挟んで一対の樹脂製の板部材２が配置され、これらが積層されてスタックを構成している。加湿膜１の一方の面と一方の板部材２との間には、燃料電池の空気極に供給される前の空気を通過させるための加湿往路３が設けられるとともに、前記加湿膜１の他方の面と他方の板部材２との間には、前記燃料電池の空気極から吐出された反応後のオフガスを通過させる加湿復路４が設けられている。

特開２００３−１８７８３９号公報（図３）

しかしながら、上記の加湿器では、加湿膜１を挟んで加湿往路３に反応前の空気が供給される一方、加湿復路４にオフガスが供給されるため、オフガス側から反応前の空気への加湿は、前記加湿膜１の近傍のみでしか行われていない。これにより、加湿往路３を流れる反応前の空気全体を、加湿復路４を流れるオフガス中の水分によって効率的に加湿することができないという問題がある。

その際、反応前の空気を十分に加湿しようとすると、加湿器全体が相当に大型化してしまい、前記加湿器の配置スペースが拡大し、例えば、車載用として採用することができないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、反応ガスを効率的且つ確実に加湿することができるとともに、加湿装置全体を容易に小型化することが可能な反応ガス用加湿装置を提供することを目的とする。

本発明は、水透過性膜を間に介装して交互に積層される第１セパレータ及び第２セパレータを有し、固体高分子型燃料電池に供給される少なくとも一方の反応ガスを、加湿流体によって加湿するための反応ガス用加湿装置であり、水透過性膜の一方の面に配設される第１セパレータと、前記水透過性膜の他方の面に配設される第２セパレータとを備えている。第１セパレータは、水透過性膜の一方の面に反応ガスを流通させる第１流路溝を設けるとともに、第２セパレータは、前記水透過性膜の他方の面に加湿流体を流通させる第２流路溝を設け、前記第１セパレータ及び前記第２セパレータは、前記第１流路溝間の凸部及び前記第２流路溝間の凸部に、それぞれ開口部を形成するとともに、前記第１セパレータの開口部と前記第２セパレータの開口部とは、前記第１セパレータと前記第２セパレータとが前記水透過性膜を介装して積層される際、積層方向に略同一位置に配置される。

また、第１セパレータは、第１流路溝とは反対側に、反応ガス又は加湿流体を流通させる第３流路溝を設けるとともに、第２セパレータは、第２流路溝とは反対側に、加湿流体又は反応ガスを流通させる第４流路溝を設けることが好ましい。

さらに、第１セパレータ及び第２セパレータは、第１流路溝を形成する凹部及び第２流路溝を形成する凹部に、それぞれ開口部を形成することが好ましい。

さらにまた、前記第３流路溝は前記第１流路溝間の前記凸部の裏面に形成されるとともに、前記第４流路溝は前記第２流路溝間の前記凸部の裏面に形成され、前記第１流路溝と前記第２流路溝とは、前記水透過性膜のみを挟んで対向する部分と、前記開口部及び前記水透過性膜を挟んで対向する部分とを有して積層配置され、前記第３流路溝と前記第４流路溝とは、前記水透過性膜のみを挟んで対向する部分と、前記開口部及び前記水透過性膜を挟んで対向する部分とを有して積層配置されることが好ましい。

また、第１セパレータ及び第２セパレータは、金属製プレートを波形状に成形して構成されることが好ましい。

本発明では、第１セパレータの第１流路溝間の凸部及び第２セパレータの第２流路溝間の凸部に、それぞれ開口部が形成されており、前記開口部を介して加湿流体から反応ガスに加湿が行われている。このため、第１流路溝と第２流路溝とによる反応ガスの加湿に加え、開口部を介して前記反応ガスの加湿が可能になり、水蒸気透過量を有効に増加させることができる。

しかも、凸部内面側は、水蒸気分圧が大きくなっており、この凸部に開口部が形成されることによって、水蒸気分圧差を利用して水蒸気透過量の増加が図られる。これにより、反応ガスを効率的且つ確実に加湿することができるとともに、加湿装置全体を容易に小型化することが可能になる。

さらに、第１セパレータ及び第２セパレータは、凸部に開口部が形成されるため、軽量化が確実に遂行されるとともに、凹凸形状を有するために前記第１セパレータ及び前記第２セパレータの強度を確保することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る加湿装置１０を組み込む燃料電池システム１２の概略構成説明図である。

燃料電池システム１２は、例えば、自動車等の車両に搭載されており、燃料電池スタック１４を備える。この燃料電池スタック１４は、複数の発電セル１６を矢印Ａ方向に積層するとともに、積層方向両端にエンドプレート１８ａ、１８ｂが配置されており、前記エンドプレート１８ａ、１８ｂが図示しない締め付けボルトにより積層方向に締め付けられている。

発電セル１６は、例えば、固体高分子電解質膜２０ａの両側にアノード側電極２０ｂとカソード側電極２０ｃとを配置した電解質膜・電極構造体２０と、前記電解質膜・電極構造体２０を挟持する一対のセパレータ２２、２４とを備える。アノード側電極２０ｂには、燃料ガスとして、例えば、水素ガスが供給される一方、カソード側電極２０ｃには、酸化剤ガスとして、例えば、酸素を含む空気が供給される。

エンドプレート１８ａには、発電セル１６に水素ガスを供給するための水素供給口２６ａと、前記発電セル１６から排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを燃料電池スタック１４から排出するための水素排出口２６ｂとが設けられる。エンドプレート１８ｂには、発電セル１６に空気を供給するための空気供給口２８ａと、前記発電セル１６から排出される空気（以下、オフガスともいう）を燃料電池スタック１４から排出するための空気排出口２８ｂとが設けられる。

燃料電池システム１２は、燃料電池スタック１４に水素ガスを供給する水素供給流路３０と、前記燃料電池スタック１４から排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを、前記水素供給流路３０の途上に戻して該燃料電池スタック１４に供給するための水素循環流路３２とを備える。

水素供給流路３０には、高圧水素を貯留する水素タンク３４と、前記水素タンク３４から供給される水素ガスの圧力を減圧するレギュレータ３６と、減圧された前記水素ガスを燃料電池スタック１４に供給するとともに、水素循環流路３２から排ガスを吸引して前記燃料電池スタック１４に戻すためのエゼクタ３８とが配設される。

燃料電池システム１２は、燃料電池スタック１４に空気を供給する空気供給流路４０と、前記燃料電池スタック１４から排出されるオフガスを、外部に排気するための空気排出流路４２とを備える。空気供給流路４０には、空気を圧縮して供給するためにスーパーチャージャ（又はポンプ）４４が設けられる。

燃料電池スタック１４には、エンドプレート１８ｂに連結されて加湿装置１０が装着される。図２及び図３に示すように、加湿装置１０は、水透過性膜５０の一方の面５０ａに配設される第１セパレータ５２と、前記水透過性膜５０の他方の面５０ｂに配設される第２セパレータ５４とを備える。第１及び第２セパレータ５２、５４は、水透過性膜５０を介装して交互に矢印Ａ方向に積層されて積層体５６を構成する。

積層体５６の矢印Ａ方向両端には、エンドプレート５７ａ、５７ｂが配置され、前記エンドプレート５７ａ、５７ｂ間は、複数の締め付けロッド５９を介して締め付け保持される。第１及び第２セパレータ５２、５４は、金属製プレートを波形状に成形して構成される。

図４に示すように、積層体５６の矢印Ｂ方向の一端縁部には、互いに矢印Ａ方向に貫通して、反応前の空気（一方の反応ガス）を供給する空気供給連通孔５８ａと、加湿された反応前の空気を排出する空気排出連通孔５８ｂとが上下（矢印Ｃ方向）に設けられる。

積層体５６の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、オフガスが供給されるオフガス供給連通孔６０ａと、反応前の空気を加湿した後のオフガスを排出するオフガス排出連通孔６０ｂとが上下方向に配列されて設けられる。

図１に示すように、空気供給連通孔５８ａは、空気供給流路４０に連通し、空気排出連通孔５８ｂは、燃料電池スタック１４の空気供給口２８ａに連通する一方、オフガス供給連通孔６０ａは、前記燃料電池スタック１４の空気排出口２８ｂに連通し、オフガス排出連通孔６０ｂは、空気排出流路４２に連通する。

図４に示すように、第１セパレータ５２は、水透過性膜５０の一方の面５０ａに向かう第１面５２ａ側に、空気供給連通孔５８ａと空気排出連通孔５８ｂとを連通し、略Ｕ字状に屈曲乃至湾曲する第１流路６２を設ける。この第１流路６２は、第１面５２ａに設けられた複数の溝部（第１流路溝）６２ａにより構成される。

第１セパレータ５２の第１面５２ａとは反対の第２面５２ｂ側には、空気供給連通孔５８ａと空気排出連通孔５８ｂとを連通し、略Ｕ字状の第２流路６４が設けられる。この第２流路６４は、第２面５２ｂに設けられた複数の溝部（第３流路溝）６４ａにより構成されており、この溝部６４ａは、第１流路６２を構成する各溝部６２ａと交互に形成され、全体として波形状を有している（図５参照）。

図４に示すように、第１流路６２の空気供給連通孔５８ａの近傍（入口近傍）及び空気排出連通孔５８ｂの近傍（出口近傍）には、前記第１流路６２を閉塞する第１シール部材６６が配設されるとともに、第２流路６４の前記空気供給連通孔５８ａの近傍及び前記空気排出連通孔５８ｂの近傍には、前記第２流路６４を閉塞する第２シール部材６８が配設される。

図５に示すように、第１及び第２シール部材６６、６８は、弾性材料、例えば、ゴム材料で形成されており、板状部７０ａ、７０ｂと複数の膨出部７２ａ、７２ｂとを一体的に設ける。第１セパレータ５２は、波形状の両側の山部に第１及び第２流路６２、６４の入口近傍から出口近傍にわたり矢印Ｃ方向に近在してそれぞれ凹部７４ａ、７４ｂが設けられる。凹部７４ｂは、凹部７４ａの内方にオフセットしている。

第１シール部材６６は、板状部７０ａが凹部７４ａに挿入されるとともに、各膨出部７２ａが第１流路６２を構成する各溝部６２ａに挿入される。第１シール部材６６の板状部７０ａは、第１面５２ａ側に突出する山部平面部分と同一平面上に配置される一方、各膨出部７２ａにより第１流路６２が閉塞される。

第２シール部材６８は、板状部７０ｂが凹部７４ｂに挿入されるとともに、各膨出部７２ｂが第２流路６４の各溝部６４ａに配置されて前記第２流路６４を閉塞する。

図５及び図６に示すように、第１セパレータ５２には、第１流路６２と第２流路６４とを仕切る壁部に、第１シール部材６６と第２シール部材６８との間に位置して、第１流路６２と第２流路６４とを連通する第１貫通孔７６ａが形成される。第１セパレータ５２には、第２シール部材６８の内方に位置して、第１流路６２と第２流路６４とを連通する第２貫通孔７６ｂが形成される。

図３及び図６に示すように、第１セパレータ５２は、各溝部６２ａ間の凸部（各溝部６４ａを形成する凹部）に開口部７８ａを形成するとともに、前記溝部６２ａを形成する凹部に開口部７８ｂを設ける。開口部７８ａは、各溝部６４ａを水透過性膜５０の一方の面５０ａに開放するとともに、開口部７８ｂは、溝部６２ａを他の水透過性膜５０の他方の面５０ｂに開放する。

図６に示すように、開口部７８ａ、７８ｂは、矢印Ｂ方向に長尺な長方形状に設定されており、この矢印Ｂ方向に対して複数列、例えば、６列に且つ矢印Ｃ方向に同一線上に配置されている。なお、開口部７８ａ、７８ｂの形状は、長方形状に限定されるものではなく、例えば、長円状、正方形状又は円形状等の種々の形状に設定可能である。

図４及び図７に示すように、第２セパレータ５４は、水透過性膜５０の他方の面５０ｂに向かう第３面５４ａ側にオフガス供給連通孔６０ａとオフガス排出連通孔６０ｂとを連通する略Ｕ字状の第３流路８０を設ける。第３流路８０は、第３面５４ａに設けられた複数の溝部（第２流路溝）８０ａにより構成される。

第２セパレータ５４は、第３面５４ａとは反対の第４面５４ｂ側に、オフガス供給連通孔６０ａとオフガス排出連通孔６０ｂとを連通する略Ｕ字状の第４流路８２を設ける。この第４流路８２は、複数の溝部（第４流路溝）８２ａを有し、各溝部８２ａは、溝部８０ａと交互に配設される。

第３流路８０の入口近傍から出口近傍にわたって矢印Ｃ方向に延在し、この第３流路８０を閉塞する第３シール部材８４が配設される一方、第４流路８２の入口近傍から出口近傍にわたって矢印Ｃ方向に延在し、この第４流路８２を閉塞し且つ前記第３シール部材８４に対し矢印Ｂ方向にオフセットして第４シール部材８６が配設される。

第３及び第４シール部材８４、８６は、第１及び第２シール部材６６、６８と同一に構成されており、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。

第２セパレータ５４には、図７に示すように、第３流路８０と第４流路８２とを仕切る壁部に、前記第３流路８０と前記第４流路８２とを連通する第１貫通孔８８ａが第３シール部材８４と第４シール部材８６との間に設けられる。第２セパレータ５４には、第４シール部材８６の内方に、第３流路８０と第４流路８２とを連通する第２貫通孔８８ｂが形成される。

図３及び図７に示すように、第２セパレータ５４は、溝部８０ａ間の凸部（溝部８２ａを形成する凹部）に開口部８９ａを形成するとともに、前記溝部８０ａを形成する凹部に開口部８９ｂが設けられる。開口部８９ａは、溝部８２ａを水透過性膜５０の他方の面５０ｂに開放するとともに、開口部８９ｂは、溝部８０ａを他の水透過性膜５０の一方の面５０ａに開放する。開口部８９ａ、８９ｂの形状は、上記の開口部７８ａ、７８ｂと同様に設定される。

第１セパレータ５２と第２セパレータ５４とが水透過性膜５０を介装して互いに積層される際、開口部７８ａ、８９ａ及び７８ｂ、８９ｂは、積層方向（矢印Ａ方向）に略同一位置に配置される（図３参照）。

図４に示すように、第１セパレータ５２には、外周縁部を覆ってシール９０が一体成形される。このシール９０は、第１及び第２面５２ａ、５２ｂで、空気供給連通孔５８ａ及び空気排出連通孔５８ｂを第１流路６２と第２流路６４とに連通するとともに、前記第１及び第２流路６２、６４をオフガス供給連通孔６０ａ及びオフガス排出連通孔６０ｂからシールする。

第２セパレータ５４には、その外周縁部を覆ってシール９２が一体成形される。このシール９２は、第３及び第４面５４ａ、５４ｂにおいて、それぞれオフガス供給連通孔６０ａ及びオフガス排出連通孔６０ｂを第３流路８０及び第４流路８２に連通する一方、前記第３及び第４流路８０、８２を空気供給連通孔５８ａ及び空気排出連通孔５８ｂからシールする。

このように構成される燃料電池システム１２の動作について、加湿装置１０との関連で以下に説明する。

図１に示すように、水素タンク３４から水素供給流路３０に供給される水素ガスは、レギュレータ３６を介して所定の圧力に減圧され、エゼクタ３８を通って燃料電池スタック１４の水素供給口２６ａに供給される。水素供給口２６ａに供給された水素は、各発電セル１６を構成するアノード側電極２０ｂに沿って移動した後、未使用の水素を含む排ガスが、水素排出口２６ｂから水素循環流路３２に排出される。この排ガスは、エゼクタ３８の吸引作用下に、水素供給流路３０の途上に戻された後、再度、燃料電池スタック１４内に燃料ガスとして供給される。

一方、スーパーチャージャ４４を介して空気供給流路４０に空気が供給される。この空気は、加湿装置１０を構成するエンドプレート５７ｂから積層体５６の空気供給連通孔５８ａに供給される。

図５及び図８に示すように、第１セパレータ５２では、空気供給連通孔５８ａに第１流路６２及び第２流路６４の入口端部が開放されるとともに、前記第１流路６２の入口近傍が第１シール部材６６によって閉塞されている。このため、空気供給連通孔５８ａに供給された空気は、第２流路６４を構成する各溝部６４ａに導入された後、第２シール部材６８の各膨出部７２ｂによって前方への移動が阻止され、第１貫通孔７６ａを通って第１流路６２を構成する溝部６２ａに移動する。

この空気は、各溝部６２ａに沿って移動するとともに、一部が第２貫通孔７６ｂを介して溝部６４ａに分流され、前記空気が各溝部６２ａ、６２ｂに沿って移動する。従って、反応前の空気は、Ｕ字状の第１流路６２及び第２流路６４に沿って移動し、前記第１流路６２を流れる空気は、水透過性膜５０の一方の面５０ａに接触するとともに、第２流路６４に沿って移動する空気は、他の水透過性膜５０の他方の面５０ｂに接触する（図３参照）。

加湿装置１０では、燃料電池スタック１４の発電に使用された反応済みの空気であるオフガスが、オフガス供給連通孔６０ａに供給される。このオフガスは、第２セパレータ５４のオフガス供給連通孔６０ａに連通する第３流路８０及び第４流路８２に導入される。

図４及び図７に示すように、第３及び第４流路８０、８２には、第３及び第４シール部材８４、８６が配設されており、第１セパレータ５２と同様に、オフガスは、先ず、第４流路８２の溝部８２ａに一旦導入された後、第１貫通孔８８ａを通って第３流路８０の各溝部８０ａに導入される。オフガスは、さらに第２貫通孔８８ｂを通るとともに、一部が溝部８２ａに分流し、Ｕ字状の第３及び第４流路８０、８２に沿って移動する。

このため、第３流路８０を移動するオフガスは、水透過性膜５０の他方の面５０ｂに接触する一方、第４流路８２に沿って移動するオフガスは、また別の水透過性膜５０の一方の面５０ａに接触する（図３参照）。

従って、第２セパレータ５４の第３流路８０に沿って移動するオフガス中の水分は、水透過性膜５０を透過し第１流路６２に沿って移動する反応前の空気に供給され、この空気が加湿される。さらに、第２流路６４に沿って移動する反応前の空気は、第４流路８２に沿って移動するオフガスにより加湿される。そして、加湿された空気は、空気排出連通孔５８ｂから燃料電池スタック１４の空気供給口２８ａに供給される。

この加湿された空気は、図１に示すように、各発電セル１６のカソード側電極２０ｃに供給され、未使用の空気を含むオフガスが、上記のように空気排出口２８ｂから加湿装置１０に排出される。これにより、各発電セル１６では、アノード側電極２０ｂに供給される水素と、カソード側電極２０ｃに供給される空気中の酸素とが反応して発電が行われる。

この場合、第１の実施形態では、図６に示すように、第１セパレータ５２は、各溝部６２ａ間の凸部に複数の開口部７８ａを設ける一方、図７に示すように、第２セパレータ５４は、各溝部８０ａ間の凸部に複数の開口部８９ａを設けている。開口部７８ａ、８９ａは、図３に示すように、水透過性膜５０を挟んで互いに対向している。

ここで、第４流路８２に沿って移動するオフガスは、水透過性膜５０の一方の面から第２流路６４に沿って移動する反応前の空気を加湿するため、各溝部８２ａの底面側の水蒸気分圧が高くなっている。従って、この溝部８２ａの底面側に対応して複数の開口部８９ａが形成されることにより、水蒸気分圧差を利用して、前記溝部８２ａに沿って移動するオフガス中の水分は、他の水透過性膜５０の他方の面５０ｂから開口部８９ａ、７８ａを介し、溝部６４ａに沿って移動している反応前の空気を加湿することができる。

同様に、第１セパレータ５２は、溝部６２ａの凹部に開口部７８ｂを設けるとともに、第２セパレータ５４は、溝部８０ａの凹部に開口部８９ｂを設けている。従って、溝部８０ａに沿って移動するオフガスは、水透過性膜５０を介して溝部６２ａに沿って移動する反応前の空気を加湿するとともに、各開口部７８ｂ、８９ｂを介し、溝部６２ａに沿って移動している反応前の空気を加湿することができる。

このため、溝部８０ａに沿って移動するオフガスは、両側に配置されている水透過性膜５０を介して第１流路６２の両側から反応前の空気を加湿する一方、溝部８２ａに沿って移動するオフガスは、両側に配置されている前記水透過性膜５０を介して第２流路６４の両側から反応前の空気を加湿し、水蒸気透過量が有効に増加する。これにより、反応前の空気は、オフガスを介して効率的且つ確実に加湿されるとともに、加湿装置１０全体を容易に小型化することが可能になるという効果が得られる。

しかも、第１及び第２セパレータ５２、５４は、それぞれ凸部に複数の開口部７８ａ、７８ｂ及び８９ａ、８９ｂが形成されている。従って、第１及び第２セパレータ５２、５４の軽量化が確実に遂行されるとともに、凹凸形状を有することにより前記第１及び第２セパレータ５２、５４自体の強度を確保することができる。

なお、第１の実施形態では、一方の反応ガスである空気を加湿して燃料電池スタック１４に供給するように構成しているが、これに限定されるものではなく、他方の反応ガスである燃料ガスを加湿する構造を採用してもよい。また、加湿流体として燃料電池スタック１４から排出される空気であるオフガスを用いているが、これに限定されるものではなく、他の加湿ガス、例えば、専用の水蒸気ガスや純水又は液体等を用いてもよい。

さらに、第１の実施形態では、空気供給連通孔５８ａ及びオフガス供給連通孔６０ａを空気排出連通孔５８ｂ及びオフガス排出連通孔６０ｂの上方に配置しているが、これとは逆に、該空気排出連通孔５８ｂ及び該オフガス排出連通孔６０ｂの下方に配置してもよい。また、水素供給流路３０と水素循環流路３２とにも、加湿装置１０を設けてもよく、エンドプレート１８ａ、１８ｂの一方にのみ水素供給口２６ａ、水素排出口２６ｂ、空気供給口２８ａ及び空気排出口２８ｂを設けてもよく、その際、水素ガス用と空気用とに別々の加湿装置１０が燃料電池スタック１４の同一側に配置される。

図９は、本発明の第２の実施形態に係る加湿装置１００の要部分解斜視説明図である。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。また、以下に説明する第３〜第８の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

加湿装置１００は、水透過性膜５０の一方の面５０ａに配設される第１セパレータ１０２と、前記水透過性膜５０の他方の面５０ｂに配設される第２セパレータ１０４とを備える。加湿装置１００では、空気供給連通孔５８ａと空気排出連通孔５８ｂとが一方の対角位置に設けられるとともに、オフガス供給連通孔６０ａとオフガス排出連通孔６０ｂとが他方の対角位置に設けられる。

第１セパレータ１０２は、水透過性膜５０の一方の面５０ａに向かう第１面１０２ａ側に、空気供給連通孔５８ａと空気排出連通孔５８ｂとを連通し、矢印Ｂ方向に１往復半のサーペンタイン形状の第１流路１０６を設けるとともに、前記第１面１０２ａとは反対の第２面１０２ｂ側に、前記空気供給連通孔５８ａと前記空気排出連通孔５８ｂとを連通するサーペンタイン形状の第２流路１０８が設けられる。サーペンタイン形状に設定することにより、流路長を長くすることができ、加湿量の増加が図られる。

第１流路１０６を構成する複数の溝部（第１流路溝）１０６ａと、第２流路１０８を構成する複数の溝部（第３流路溝）１０８ａとは交互に設けられており、その両端が空気供給連通孔５８ａと空気排出連通孔５８ｂとに、直接、開放される。第１セパレータ１０２は、各溝部１０６ａ間の凸部に複数の開口部１１０ａを設けるとともに、前記溝部１０６ａを形成する凹部に開口部１１０ｂを設ける。

第２セパレータ１０４は、水透過性膜５０の他方の面５０ｂに向かう第３面１０４ａ側に、オフガス供給連通孔６０ａとオフガス排出連通孔６０ｂとを連通し、矢印Ｂ方向に１往復半のサーペンタイン形状の第３流路１１４を設けるとともに、前記第３面１０４ａとは反対の第４面１０４ｂ側には、前記オフガス供給連通孔６０ａと前記オフガス排出連通孔６０ｂとを連通するサーペンタイン形状の第４流路１１６が設けられる。

第３流路１１４を構成する複数の溝部（第２流路溝）１１４ａと、第４流路１１６を構成する複数の溝部（第４流路溝）１１６ａとは、交互に設けられ、その両端がオフガス供給連通孔６０ａとオフガス排出連通孔６０ｂとに直接開放される。第２セパレータ１０４は、各溝部１１４ａ間の凸部に複数の開口部１１８ａを設けるとともに、前記溝部１１６ａを形成する凹部に開口部１１８ｂを設ける。

図１０は、本発明の第３の実施形態に係る加湿装置１３０の要部分解斜視説明である。

加湿装置１３０は、水透過性膜５０の一方の面５０ａに配設される第１セパレータ１３２と、前記水透過性膜５０の他方の面５０ｂに配設される第２セパレータ１３４とを備える。

第１セパレータ１３２の第１面１３２ａ側には、空気供給連通孔５８ａと空気排出連通孔５８ｂとを連通し、矢印Ｂ方向に２往復するサーペンタイン形状の第１流路１３６が設けられるとともに、前記第１面１３２ａとは反対の第２面１３２ｂ側には、前記空気供給連通孔５８ａと前記空気排出連通孔５８ｂとを連通するサーペンタイン形状の第２流路１３８が設けられる。

第１流路１３６を構成する複数の溝部（第１流路溝）１３６ａと、第２流路１３８を構成する複数の溝部（第３流路溝）１３８ａとが交互に設けられており、その両端が空気供給連通孔５８ａと空気排出連通孔５８ｂとに直接開放される。第１セパレータ１３２は、各溝部１３６ａ間の凸部に複数の開口部１４０ａを設けるとともに、前記溝部１３６ａを形成する凹部に複数の開口部１４０ｂを設ける。

第２セパレータ１３４の第３面１３４ａ側には、オフガス供給連通孔６０ａとオフガス排出連通孔６０ｂとを連通し、矢印Ｂ方向に２往復するサーペンタイン形状の第３流路１４４が設けられるとともに、前記第３面１３４ａとは反対の第４面１３４ｂ側には、前記オフガス供給連通孔６０ａと前記オフガス排出連通孔６０ｂとを連通するサーペンタイン形状の第４流路１４６が設けられる。

第３流路１４４を構成する複数の溝部（第２流路溝）１４４ａと第４流路１４６を構成する複数の溝部（第４流路溝）１４６ａとは交互に設けられ、その両端がオフガス供給連通孔６０ａとオフガス排出連通孔６０ｂとに連通する。第２セパレータ１３４は、各溝部１４４ａ間の凸部に複数の開口部１４８ａを設けるとともに、前記溝部１４４ａを形成する凹部に複数の開口部１４８ｂを設ける。

図１１は、本発明の第４の実施形態に係る加湿装置１６０の要部分解斜視説明図である。

加湿装置１６０は、水透過性膜５０の一方の面５０ａに配設される第１セパレータ１６２と、前記水透過性膜５０の他方の面５０ｂに配設される第２セパレータ１６４とを備える。

第１セパレータ１６２は、第１面１６２ａと第２面１６２ｂとに、それぞれ矢印Ｂ方向に延在する直線状の第１流路１６６と第２流路１６８とを設ける。第１及び第２流路１６６、１６８は、空気供給連通孔５８ａ及び空気排出連通孔５８ｂに連通するそれぞれ複数の溝部（第１流路溝）１６６ａ及び溝部（第３流路溝）１６８ａを備え、前記溝部１６６ａ、１６８ａが交互に設けられる。

第２セパレータ１６４は、第３面１６４ａと第４面１６４ｂとに、第３流路１７０と第４流路１７２とがそれぞれ矢印Ｂ方向に延在して設けられる。第３及び第４流路１７０、１７２は、それぞれ複数の溝部（第２流路溝）１７０ａ及び溝部（第４流路溝）１７２ａを交互に設けるとともに、オフガス供給連通孔６０ａとオフガス排出連通孔６０ｂとに連通する。

第１セパレータ１６２は、各溝部１６６ａ間の凸部に複数の開口部１７４ａを設けるとともに、前記溝部１６６ａを形成する凹部に複数の開口部１７４ｂを設ける。第２セパレータ１６４は、各溝部１７０ａ間の凸部に複数の開口部１７６ａを設けるとともに、前記溝部１７０ａを形成する凹部に複数の開口部１７６ｂを設ける。

図１２は、本発明の第５の実施形態に係る加湿装置１８０の要部断面説明図である。この加湿装置１８０は、例えば、第４の実施形態に係る加湿装置１６０の第１及び第２セパレータ１６２、１６４をカーボンセパレータ１８２、１８４に代えて構成され、開口部１７４ａ、１７４ｂ、１７６ａ及び１７６ｂに沿って切断した断面図である。この加湿装置１８０は、加湿装置１６０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、その詳細な説明を省略する。

図１３は、本発明の第６の実施形態係る加湿装置１９０の要部断面説明図である。この加湿装置１９０は、第５の実施形態に係る加湿装置１８０において、開口部１７４ａ、１７４ｂ、１７６ａ及び１７６ｂを傾斜して構成しており、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。

図１４は、本発明の第７の実施形態に係る加湿装置２００の要部断面説明図である。加湿装置２００は、水透過性膜５０の一方の面５０ａに配設される第１セパレータ２０２と、前記水透過性膜５０の他方の面５０ｂに配設される第２セパレータ２０４とを備える。

第１セパレータ２０２には、一方の面５０ａに沿って空気又は燃料ガスのオフガスを供給するための第１流路２０６を設けるとともに、この第１流路２０６とは反対側に、反応前の空気を供給するための第２流路２０８を設ける。第１流路２０６は、複数の溝部（第１流路溝）２０６ａを備える一方、第２流路２０８は、複数の溝部（第３流路溝）２０８ａを備える。第１セパレータ２０２には、各溝部２０６ａ間の凸部に開口部２１０を設ける。

第２セパレータ２０４は、他方の面５０ｂに沿って反応前の空気を供給する第３流路２１２と、この第３流路２１２とは反対側に、水素又は燃料ガスのオフガスを供給するための第４流路２１４を設ける。第３流路２１２は、複数の溝部（第２流路溝）２１２ａを有する一方、第４流路２１４は、複数の溝部（第４流路溝）２１４ａを有する。第２セパレータ２０４は、各溝部２１２ａ間の凸部に開口部２１６を設ける。

このように構成される加湿装置２００では、溝部２０６ａから溝部２１２ａに水分の供給が行われるとともに、開口部２１０、２１６を介して溝部２１４ａから溝部２０８ａに水分の供給が行われる。なお、第２及び第３流路２０８、２１２は、空気に代えて燃料ガスを供給してもよく、また、第２流路２０８に空気を供給する一方、第３流路２１２に燃料ガスを供給してもよい。

図１５は、本発明の第８の実施形態に係る加湿装置２３０の要部断面説明図である。加湿装置２３０は、水透過性膜５０の一方の面５０ａ及び他方の面５０ｂに配設される第１セパレータ２３２及び第２セパレータ２３４を備える。第１セパレータ２３２には、一方の面５０ａに沿って空気又は燃料ガスのオフガスを供給する第１流路２３６が設けられるとともに、この第１流路２３６とは反対側に、同一又は異種のオフガスを供給するための第２流路２３８が設けられる。

第１流路２３６及び第２流路２３８は、それぞれ交互に配設される複数の溝部２３６ａ、２３８ａを備え、前記溝部２３６ａ間の凸部には、開口部２４０が形成される。第２セパレータ２３４の両面側には、他方の面５０ａに沿って一方の反応ガスである、例えば、反応前の酸素を供給する第３流路２４２と、他方の反応ガスである燃料ガスを供給するための第４流路２４４とが設けられる。

第３流路２４２及び第４流路２４４は、それぞれ交互に設けられる複数の溝部２４２ａ、２４４ａを設けるとともに、前記溝部２４２ａ間の凸部に開口部２４６が形成される。

これにより、第８の実施形態では、第１及び第２流路２３６、２３８に供給されるオフガスを介して第３流路２４２を流れる反応前の空気と、第４流路２４４を流れる反応前の燃料ガスとが、良好に加湿される。なお、第３及び第４流路２４２、２４４には、空気のみ又は燃料ガスのみを供給してもよい。

上記のように構成される第２〜第８の実施形態では、上記の第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。

本発明の第１の実施形態に係る加湿装置を組み込む燃料電池システムの概略構成説明図である。 前記加湿装置の概略斜視説明図である。 前記加湿装置の一部断面側面図である。 前記加湿装置の要部分解斜視説明図である。 前記加湿装置を構成する第１セパレータの一部拡大分解斜視図である。 前記第１セパレータの正面図である。 前記加湿装置を構成する第２セパレータの正面図である。 前記第１パレータの両面に空気が流れる際の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る加湿装置の要部分解斜視説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る加湿装置の要部分解斜視説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る加湿装置の要部分解斜視説明図である。 本発明の第５の実施形態に係る加湿装置の要部断面説明図である。 本発明の第６の実施形態に係る加湿装置の要部断面説明図である。 本発明の第７の実施形態に係る加湿装置の要部断面説明図である。 本発明の第８の実施形態に係る加湿装置の要部断面説明図である。 特許文献１の加湿器の一部断面図である。

符号の説明

１０、１００、１３０，１６０、１８０、１９０、２００、２３０…加湿装置
１２…燃料電池システム
１４…燃料電池スタック １６…発電セル
２０…電解質膜・電極構造体 ２０ａ…固体高分子電解質膜
２０ｂ…アノード側電極 ２０ｃ…カソード側制御部
２２、２４、５２、５４、１０２、１０４、１３２、１３４、１６２、１６４、２０２、２０４、２３２、２３４…セパレータ
４０…空気供給流路 ４２…空気排出流路
５０…水透過性膜
５０ａ、５０ｂ、５２ａ、５２ｂ、５４ａ、５４ｂ、１０２ａ、１０２ｂ、１０４ａ、１０４ｂ、１３２ａ、１３２ｂ、１３４ａ、１３４ｂ、１６２ａ、１６２ｂ、１６４ａ、１６４ｂ…面
５６…積層体 ５８ａ…空気供給連通孔
５８ｂ…空気排出連通孔 ６０ａ…オフガス供給連通孔
６０ｂ…オフガス排出連通孔
６２、６４、８０、８２、１０６、１０８、１１４、１１６、１３６、１３８、１４４、１４６、１６６、１６８、１７０、１７２…流路
６２ａ、６２ｂ、６４ａ、８０ａ、８２ａ、１０６ａ、１０８ａ、１１４ａ、１１６ａ、１３６ａ、１３８ａ、１４４ａ、１４６ａ、１６６ａ、１７０ａ、１７２ａ、２０６ａ、２０８ａ、２１２ａ、２１４ａ、２３６ａ、２３８ａ、２４２ａ、２４４ａ…溝部
６６、６８、８４、８６…シール部材 ７０ａ、７０ｂ…板状部
７２ａ、７２ｂ…膨出部 ７４ａ、７４ｂ…凹部
７６ａ、７６ｂ、８８ａ、８８ｂ…貫通孔
７８ａ、７８ｂ、８９ａ、８９ｂ、１１０ａ、１１０ｂ、１１８ａ、１１８ｂ、１４０ａ、１４０ｂ、１４８ａ、１４８ｂ、１７４ａ、１７４ｂ、１７６ａ、１７６ｂ、２１０、２１６、２４０、２４６…開口部

Claims (5)

1. 水透過性膜を間に介装して交互に積層される第１セパレータ及び第２セパレータを有し、固体高分子型燃料電池に供給される少なくとも一方の反応ガスを、加湿流体によって加湿するための反応ガス用加湿装置であって、
   水透過性膜の一方の面に配設される第１セパレータと、
   前記水透過性膜の他方の面に配設される第２セパレータと、
   を備え、
   前記第１セパレータは、前記水透過性膜の一方の面に反応ガスを流通させる第１流路溝を設けるとともに、
   前記第２セパレータは、前記水透過性膜の他方の面に加湿流体を流通させる第２流路溝を設け、
   前記第１セパレータ及び前記第２セパレータは、前記第１流路溝間の凸部及び前記第２流路溝間の凸部に、それぞれ開口部を形成するとともに、前記第１セパレータの開口部と前記第２セパレータの開口部とは、前記第１セパレータと前記第２セパレータとが前記水透過性膜を介装して積層される際、積層方向に略同一位置に配置されることを特徴とする反応ガス用加湿装置。
2. 請求項１記載の反応ガス用加湿装置において、前記第１セパレータは、前記第１流路溝とは反対側に、反応ガス又は加湿流体を流通させる第３流路溝を設けるとともに、
   前記第２セパレータは、前記第２流路溝とは反対側に、加湿流体又は反応ガスを流通させる第４流路溝を設けることを特徴とする反応ガス用加湿装置。
3. 請求項１又は２記載の反応ガス用加湿装置において、前記第１セパレータ及び前記第２セパレータは、前記第１流路溝を形成する凹部及び前記第２流路溝を形成する凹部に、それぞれ前記積層方向に略同一位置に配置される開口部を形成することを特徴とする反応ガス用加湿装置。
4. 請求項２記載の反応ガス用加湿装置において、前記第３流路溝は前記第１流路溝間の前記凸部の裏面に形成されるとともに、前記第４流路溝は前記第２流路溝間の前記凸部の裏面に形成され、
   前記第１流路溝と前記第２流路溝とは、前記水透過性膜のみを挟んで対向する部分と、前記開口部及び前記水透過性膜を挟んで対向する部分とを有して積層配置され、
   前記第３流路溝と前記第４流路溝とは、前記水透過性膜のみを挟んで対向する部分と、前記開口部及び前記水透過性膜を挟んで対向する部分とを有して積層配置されることを特徴とする反応ガス用加湿装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の反応ガス用加湿装置において、前記第１セパレータ及び前記第２セパレータは、金属製プレートを波形状に成形して構成されることを特徴とする反応ガス用加湿装置。

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