JP4651639B2

JP4651639B2 - 加湿器

Info

Publication number: JP4651639B2
Application number: JP2007104357A
Authority: JP
Inventors: 隆志森本; 弘樹日下部; 敏宏松本; 宏幸永井; 淳村田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-04-12
Filing date: 2007-04-12
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2027-04-12
Also published as: JP2008261546A

Description

固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）などに構成部品として使用されている加湿器に関するものである。

固体高分子電解質型燃料電池は、図１３に示すように構成されている。
スタック３０は、燃料電池セルが複数個直列に接続された積層構造を有している。外部からこのスタック３０に、燃料ガスＡと酸素含有ガスＢとが供給されて、これを電気化学的に反応させることで電力、熱、及び水が同時に発生する。スタック３０にて発電された電気は、電気出力部４１を介して取り出されている。

ここで、発電効率を向上させるために、燃料ガスＡは加湿器３２で加湿処理した上でスタック３０に供給され、酸素含有ガスＢは加湿器３３で加湿処理した上でスタック３０に供給されている。

加湿器３２，３３は、図１４に示すように乾燥ガスセパレータ１３と湿潤ガスセパレータ１４とを加湿膜１２を介して重ね合わせたものを１単位として、これを複数単位だけ積層して、乾燥ガスセパレータ１３と加湿膜１２との間に形成された通路と、湿潤ガスセパレータ１４と加湿膜１２との間に形成された通路とが、加湿膜１２を介して接触するように構成されている。

特許文献１では、図１５に示すようにシールが必要な個所には、加湿膜１２に予め合成樹脂５１を染み込ませておき、この適当な個所に合成樹脂を染み込ませた加湿膜１２を挟んで、乾燥ガスセパレータ１３と湿潤ガスセパレータ１４を積み重ねたものを、平盤５５，５５の間に挟んで加熱してプレスすることによって、加湿膜５１に染み込ませておいた合成樹脂を再溶融させてシール構造を達成している。
特開２００６−１５６０９９公報

特許文献１などの構成によると、シール材の塗布を、乾燥ガスセパレータ１３と湿潤ガスセパレータ１４を積み重ね工程において実行しなくても済み、作業性が良好であるが、更なる作業の改善を要求されているのが現状である。

本発明は、シール性に富んだ加湿器を提供することを目的とする。

本発明の請求項１記載の加湿器は、第１の凹部が形成された乾燥ガスセパレータと第２の凹部が形成された湿潤ガスセパレータとに挟まれて加湿膜が設けられ、前記両セパレータの各々に形成された凹部の外側に樹脂が充填された貫通流路がそれぞれ形成されると共に前記両セパレータに形成された貫通流路のそれぞれの表面の開口径が異なり、かつ、前記樹脂は前記両セパレータに跨って充填されていることを特徴とする。

本発明の請求項２記載の加湿器は、請求項１において、両セパレータに形成された貫通流路のうち、少なくとも一方の貫通流路は表面の開口径が中間の開口径よりも大きいことを特徴とする。

この構成によると、乾燥ガスセパレータと湿潤ガスセパレータとを加湿膜を挟んで重ね合わせた後に、この積層体に対して外部から合成樹脂を注入することによって、乾燥ガス流路と湿潤ガス流路とをシールできるとともに、積層体の乾燥ガスセパレータと湿潤ガスセパレータと連結固定できる。

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。
本発明の実施形態にかかる燃料電池用スタックを備える燃料電池を図１２に示す。
燃料電池１０１は、例えば固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）であって、水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを、電気化学的に反応させることで電力、熱、及び水を同時に発生させるものである。燃料電池１０１には、アノード及びカソードの一対の極を備える燃料電池セル（あるいは単セル）が複数個直列に接続された積層構造を有するスタック３０と、燃料ガスＡから水素を取り出す燃料処理器３１と、燃料処理器３１にて取り出された水素を含む燃料ガスを加湿することで発電効率を向上させる加湿器３２と、酸素含有ガスＢに対しての加湿を行う加湿器３３と、燃料ガスと酸素含有ガスとをそれぞれ供給するためのポンプ３４，３５とが備えられている。

すなわち、燃料処理器３１，加湿器３２，及びポンプ３４により燃料ガスＡをスタック３０の各セルに供給する燃料供給装置が構成されており、また、加湿器３３とポンプ３５とにより酸素含有ガスＢをスタック３０の各セルに供給する酸化剤供給装置が構成されている。

燃料電池１０１には、発電の際にスタック３０にて発生される熱を効率的に除去するための冷却水Ｄを循環供給するためのポンプ３６と、この冷却水（例えば、導電性を有さない液体、例えば純水）により除去された熱を、水道水等の流体に熱交換するための熱交換器３７と、熱交換された水道水を貯留させる貯湯タンク３８とが備えられている。さらに、燃料電池１０１には、このようなそれぞれの構成部を互いに関連付けて発電のための運転制御を行う運転制御装置４０と、スタック３０にて発電された電気を取り出す電気出力部４１とが備えられている。

加湿器３２，３３として用いられる加湿器は、次のようにして製造されている。
（実施の形態１）
図１〜図５は本発明の実施の形態１を示す。

図１は製造工程を示している。
図１（ａ）では、乾燥ガスセパレータａと湿潤ガスセパレータｂとを加湿膜ｃを挟んで重ね合わせたものを一単位としている。乾燥ガスセパレータａは乾燥ガス流路用の第１の凹部６１を加湿膜ｃの側に向けて積層され、湿潤ガスセパレータｂは湿潤ガス流路用の第２の凹部６２を加湿膜ｃの側に向けて積層されている。図２（ａ）はこの積層の際の乾燥ガスセパレータａと湿潤ガスセパレータｂおよび加湿膜ｃの斜視図を示し、図２（ｂ）は図２（ａ）のＸ−ＸＸ方向から見た矢視を示している。図１は図２（ａ）のＡ−ＡＡ断面図である。

乾燥ガスセパレータａには、図２（ａ）に示すように乾燥ガス入口６３と乾燥ガス出口６４と湿潤ガス供給路６５，６６が形成されている。乾燥ガスセパレータａの一方の面６７ｕには、乾燥ガス入口６３の周囲に第１の溝６８が形成され、乾燥ガス出口６４の周囲には第２の溝６９が形成され、湿潤ガス供給路６５，６６の周囲には第３，第４の溝７０，７１が形成されている。

第１の溝６８で囲まれた内側で乾燥ガスセパレータａの中心寄りの位置には、他方の面６７ｄに貫通した乾燥ガス供給路７６が形成されている。第２の溝６９で囲まれた内側で乾燥ガスセパレータａの中心寄りの位置には、他方の面６７ｄに貫通した乾燥ガス供給路７７が形成されている。

第１の溝６８と第２の溝６９の間、第１の溝６８と第３の溝７０の間、第３の溝７０と第４の溝７１の間、第４の溝７１と第２の溝６９の間は、それぞれ第５，第６，第７，第８の溝７２，７３，７４，７５で接続されている。第１，第２，第３，第４の溝６８，６９，７０，７１には、外部に延びる溝７９，８０，８１，８２が形成されている。

さらに、第１の溝６８で前記溝７９の付近には、他方の面６７ｄに貫通した第１，第２貫通流路８３，８４が形成されている。第２の溝６９で前記溝８０の付近には、他方の面６７ｄに貫通した第３，第４貫通流路８５，８６が形成されている。第３の溝７０で前記溝８１の付近には、他方の面６７ｄに貫通した第５，第６貫通流路８７，８８が形成されている。第４の溝７１で前記溝８２の付近には、他方の面６７ｄに貫通した第７，第８貫通流路８９，９０が形成されている。第６の溝７３には、他方の面６７ｄに貫通した第９，第１０貫通流路９１，９２が形成されている。第８の溝７５には、他方の面６７ｄに貫通した第１１，第１２貫通流路９３，９４が形成されている。

さらに、乾燥ガスセパレータａの他方の面６７ｄには、図２（ｂ）に示すように、前記乾燥ガス入口６３と乾燥ガス供給路７６を仕切る位置と前記乾燥ガス出口６４と乾燥ガス供給路７７を仕切る位置を通過する第９の溝９５と、前記湿潤ガス供給路６５，６６よりも乾燥ガスセパレータａの中心寄りの位置を通過する第１０の溝９６と、第９の溝９５と第１０の溝９６の端部を接続する第１１，第１２の溝９７，９８が形成されている。第１１の溝９７の中では、第６の溝７３に形成されていた第９，第１０貫通流路９１，９２が開口している。第１２の溝９８の中では、第８の溝７５に形成されていた第１１，第１２貫通流路９３，９４が開口している。

乾燥ガスセパレータａの他方の面６７ｄには、乾燥ガス供給路７６，７７が開口した前記第１の凹部６１が形成されており、前記湿潤ガス供給路６５，６６は前記第１の凹部６１の外部に形成されている。

乾燥ガスセパレータａの他方の面６７ｄで乾燥ガス入口６３の付近には、両端が第９の溝９５に接続されて乾燥ガス入口６３を取り囲む第１３の溝９９が形成されている。第１３の溝９９の中では、第１の溝６８に形成されていた第１，第２貫通流路８３，８４が開口している。

乾燥ガスセパレータａの他方の面６７ｄで乾燥ガス出口６４の付近には、両端が第９の溝９５に接続されて乾燥ガス出口６４を取り囲む第１４の溝１００が形成されている。第１４の溝１００の中では、第２の溝６９に形成されていた第３，第４貫通流路８５，８６が開口している。

乾燥ガスセパレータａの他方の面６７ｄで湿潤ガス供給路６５，６６の付近には、両端が第１０の溝９６に接続されて湿潤ガス供給路６５，６６を取り囲む第１５，第１６の溝１０１，１０２が形成されている。第１５の溝１０１の中では、第３の溝７０に形成されていた第５，第６貫通流路８７，８８が開口している。第１６の溝１０２の中では、第４の溝７１に形成されていた第７，第８貫通流路８９，９０が開口している。

このようにして、乾燥ガスセパレータａの他方の面６７ｄに形成されている前記第１の凹部６１の周囲は、第９の溝９５，第１１の溝９７，第１０の溝９６，第１２の溝９８とで囲まれており、また、前記第１の凹部６１の内側には、ボス１０３が形成されている。

湿潤ガスセパレータｂには、図２（ｂ）に示すように乾燥ガスセパレータａの湿潤ガス供給路６５，６６に対応した位置に湿潤ガス入口１０４と湿潤ガス出口１０５が、一方の面１０６ｄから他方の面１０６ｕに貫通して形成されている。湿潤ガスセパレータｂの他方の面１０６ｕには、図２（ａ）に示すように前記第２の凹部６２が形成されている。湿潤ガス入口１０４と湿潤ガス出口１０５の近傍で、湿潤ガスセパレータｂの中心寄りの位置には、前記第２の凹部６２で開口した湿潤ガス供給路１０７，１０８が形成されている。

また、湿潤ガスセパレータｂには、前記第２の凹部６２の外部で、乾燥ガスセパレータａの乾燥ガス入口６３と乾燥ガス出口６４に対応した位置に、乾燥ガス供給路１０９，１１０が形成されている。第２の凹部６２の内側には、第１の凹部６１のボス１０３に対応した位置にボス１１１が形成されている。

さらに、湿潤ガスセパレータｂには、乾燥ガスセパレータａの第１〜第１２貫通流路８３〜９４に対応した位置に、他方の面１０６ｕに貫通した第１３〜第２４貫通流路１１２〜１２３が形成されている。

ここで加湿膜ｃの大きさは、乾燥ガスセパレータａに形成された前記第９の溝９５，第１１の溝９７，第１０の溝９６，第１２の溝９８の内周縁よりも僅かに大きく、前記第９の溝９５，第１１の溝９７，第１０の溝９６，第１２の溝９８の外周縁よりも僅かに小さい大きさである。

このように構成されて複数を積層した状態を図１（ｂ）に示す。この積層体を図３（ａ）に示す断面の成形型１２４に入れて、合成樹脂注入口１２５から合成樹脂１２６を注入すると、注入された合成樹脂１２６は、湿潤ガスセパレータｂの一方の面１０６ｄと乾燥ガスセパレータａの外部に延びる溝７９，８０，８１，８２から第１〜第８の溝６８〜７５に流れるとともに、第１〜第１２貫通流路８３〜９４を介して第１３〜１６の溝９９〜１０２に合成樹脂１２６が注入され、第９，第１０の溝９５，９６を経由して第１１，第１２の溝９７，９８に合成樹脂１２６が注入される。ここでは合成樹脂として三井化学株式会社製のミラストマー（登録商標）Ｍ３８００を使用した。

これによって、湿潤ガスセパレータｂと乾燥ガスセパレータａとの当接面では、乾燥ガス入口６３と乾燥ガス供給路７６が第１の溝６８の合成樹脂１２６によってシールされ、
乾燥ガス出口６４と乾燥ガス供給路７７が第２の溝６９の合成樹脂１２６によってシールされ、湿潤ガス供給路６５が第３の溝７０の合成樹脂１２６によってシールされ、湿潤ガス供給路６６が第４の溝７１の合成樹脂１２６によってシールされる。

加湿膜ｃを挟んで当接している乾燥ガスセパレータａと湿潤ガスセパレータｂと乾燥ガスセパレータａとの当接面では、乾燥ガス入口６３が第１３の溝９９の合成樹脂１２６によってシールされ、乾燥ガス出口６４が第１４の溝１００の合成樹脂１２６によってシールされ、湿潤ガス入口１０４と湿潤ガス供給路６５が第１５の溝１０１の合成樹脂１２６によってシールされ、湿潤ガス出口１０５と湿潤ガス供給路６６が第１６の溝１０２の合成樹脂１２６によってシールされる。

また、乾燥ガスセパレータａと湿潤ガスセパレータｂと加湿膜ｃの外周縁とが、第９〜第１２の溝９５〜９８の合成樹脂１２６によってシールされる。
さらに、湿潤ガスセパレータｂに形成された前記第１３〜第２４貫通流路１１２〜１２３から隣接する乾燥ガスセパレータａへも合成樹脂１２６が注入されて、合成樹脂１２６が硬化することによって、湿潤ガスセパレータｂとこれに隣接する乾燥ガスセパレータａの連結が完了する。

図３（ｂ）は合成樹脂の硬化後に成形型１２４を取り外した状態を示しており、乾燥ガスセパレータａと湿潤ガスセパレータｂの外周に突出して残ったランナー部１２７は、必要に応じて削り取られることもある。

以上の製造工程によって、乾燥ガスセパレータａと湿潤ガスセパレータｂとを加湿膜ｃを挟んで重ね合わせた複数の単位の積層体に対して、合成樹脂１２６の注入を実行するだけで、図１（ｃ）と図４に示すように流路シール工程と積層された複数のセパレータを連結するセパレータ連結工程とを同時に行うことができ、従来よりも少ない工程で加湿器を製造できる。

図５は完成した加湿器を分解した状態を示している。
合成樹脂１２６を注入する前の図２（ａ）と合成樹脂１２６の硬化後の図５（ａ）とを比較することによって、図５（ａ）のように乾燥ガスセパレータａの第１〜第８の溝６８〜７５に合成樹脂１２６が注入されて、図５（ｂ）に示すように第９〜第１２の溝９５〜９８に合成樹脂１２６が行きわたって、必要なシール効果が得られていることがわかる。

さらに、図５（ｂ）に見られるように、前記第１３〜第２４貫通流路１１２〜１２３によって形成された合成樹脂１２６の硬化部分１２８を確認することができ、この硬化部分１２８によって、隣接する乾燥ガスセパレータａと湿潤ガスセパレータｂの間が連結されていることがわかる。

（実施の形態２）
図６〜図８は本発明の実施の形態２を示す。
図６（ａ）は実施の形態１の図２（ａ）と同じ方向から、乾燥ガスセパレータａと湿潤ガスセパレータｂと加湿膜ｃを見た合成樹脂を注入する前の分解図で、乾燥ガスセパレータａの第１〜第８の溝６８〜７５の幅は、実施の形態１のそれと同じである。しかし、図６（ｂ）に示すように乾燥ガスセパレータａの第９〜第１２の溝９５〜９８の幅は、実施の形態１のそれよりも幅広に形成されている。図７（ａ）（ｂ）は、実施の形態１の図５（ａ）（ｂ）に対応している。

図８は合成樹脂の硬化後の図６（ｂ）のＢ−ＢＢ断面を示しており、乾燥ガスセパレータａと湿潤ガスセパレータｂの積層時に加湿膜ｃの位置ずれが発生しても、確実なシール効果を期待できることがわかる。

（実施の形態３）
図９〜図１１は本発明の実施の形態２を示す。
図９（ａ）は実施の形態１の図２（ａ）と同じ方向から、乾燥ガスセパレータａと湿潤ガスセパレータｂと加湿膜ｃを見た合成樹脂を注入する前の分解図で、乾燥ガスセパレータａの第１〜第８の溝６８〜７５の幅は、実施の形態１のそれと同じである。しかし、図９（ｂ）に示すように乾燥ガスセパレータａの第９〜第１２の溝９５〜９８は、所定間隔で配置された複数本の溝で構成されている。ここでは所定間隔で２本の溝９７ａ，９７ｂで構成されている。図１０（ａ）（ｂ）は、実施の形態１の図５（ａ）（ｂ）に対応している。

図１１は合成樹脂の硬化後の図９（ｂ）のＢ−ＢＢ断面を示しており、乾燥ガスセパレータａと湿潤ガスセパレータｂの積層時に加湿膜ｃの位置ずれが発生しても、確実なシール効果を期待できることがわかる。

上記の各実施の形態では、流路シール工程を実行するために樹脂注入口１２５から注入した合成樹脂１２６が、第１〜第８の溝６８〜７５に拡がると共に、第１〜第８の溝６８〜７５から第１〜第１２貫通流路８３〜９４を介して第９〜第１６の溝９５〜１０２に合成樹脂１２６が流れ、必要個所のシールを施し、さらに、第１３〜第２４貫通流路１１２〜１２３を合成樹脂１２６が流れて乾燥ガスセパレータａと湿潤ガスセパレータｂを連結したが、樹脂注入口１２５から注入した合成樹脂１２６が、第１〜第８の溝６８〜７５に拡がると共に、第１〜第８の溝６８〜７５から第１〜第１２貫通流路８３〜９４を介して第９〜第１６の溝９５〜１０２に合成樹脂１２６が流れ、必要個所のシールを施し、樹脂注入口１２５とは別の樹脂注入口から注入した合成樹脂が、乾燥ガスセパレータａと湿潤ガスセパレータｂを貫通して流れて硬化し、乾燥ガスセパレータａと湿潤ガスセパレータｂを連結するように構成することもできる。この場合には、シール工程の合成樹脂と連結工程の合成樹脂とは、別の材質のものを使用することができる。なお、この場合、シール工程の合成樹脂と連結工程の合成樹脂とを同時に注入することによって、製造の工程数の増加とはならない。また、シール工程の合成樹脂として例えば三井化学株式会社製のミラストマー（登録商標）Ｍ３８００を使用した場合には、連結工程の合成樹脂としては三菱化学株式会社製のゼラス（登録商標）ＭＣ６１６を使用することができる。

上記の各実施の形態の加湿器は、両セパレータの各々に形成された凹部の外側に合成樹脂が充填された第１〜第１２貫通流路８３〜９４，第１３〜第２４貫通流路１１２〜１２３は、図１に図示されているように、第１３〜第２４貫通流路１１２〜１２３の内径が単一であるのに対して、第１〜第１２貫通流路８３〜９４の場合には、表面の開口径が中間の開口径よりも大きく形成されており、両セパレータの僅かな位置ずれが発生しても一方のセパレータから隣接するもう一方のセパレータへ良好に合成樹脂が流れて強固な連結を実現でき、高いシール性を実現できる。

なお、第１〜第１２貫通流路８３〜９４の内径を単一にして、第１３〜第２４貫通流路１１２〜１２３の方を中間よりも表面の方が開口径が大きく形成しても構成できる。
また、上記の各実施の形態では、両セパレータに形成された貫通流路のうち、一方の貫通流路は、表面の開口径を中間の開口径よりも大きく形成したが、両セパレータの貫通流路は何れも表面の開口径を中間の開口径よりも大きく形成しても強固な連結を実現でき、高いシール性を実現できる。

また、上記の各実施の形態では、前記両セパレータの各々に形成された凹部の外側に合成樹脂が充填された貫通流路がそれぞれ形成され、かつ、前記合成樹脂は前記両セパレータに跨って充填されて両セパレータを連結しているので、例えば、両セパレータをボルトで締結した場合と比べると、両セパレータの密着力が強まり、シール性が高い。その理由は、例えば、両セパレータをボルトで締結した場合、ボルトの締め具合によっては、セパレータのボルト挿入口付近が反り返ることになり、両セパレータの密着力が弱まり、結果としてシール性が低くなるが、上記の各実施の形態の構成では、セパレータの貫通流路の付近が反り返ることはなく、両セパレータの密着力を強めることができるためシール性が高いものである。

本発明は、固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）などに構成部品として使用されている加湿器を、従来よりもより少ない工程で、しかもシール性に富んだ加湿器を製造することができ、固体高分子電解質型燃料電池の普及に寄与することができる。

本発明の加湿器製造方法の実施の形態１の製造工程を示す断面図同実施の形態の合成樹脂注入前の乾燥ガスセパレータ（ａ）と湿潤ガスセパレータ（ｂ）と加湿膜（ｃ）の積層状態の分解斜視図同実施の形態において積層体を成形型に入れて合成樹脂を注入する際の断面図と成形型を取り外した状態の斜視図図２（ａ）のＡ−ＡＡ断面図同実施の形態において合成樹脂注入して硬化後の分解斜視図本発明の実施の形態２の合成樹脂注入前の乾燥ガスセパレータ（ａ）と湿潤ガスセパレータ（ｂ）と加湿膜（ｃ）の積層状態の分解斜視図同実施の形態において合成樹脂注入して硬化後の分解斜視図図７（ｂ）のＢ−ＢＢ断面図本発明の実施の形態３の合成樹脂注入前の乾燥ガスセパレータ（ａ）と湿潤ガスセパレータ（ｂ）と加湿膜（ｃ）の積層状態の分解斜視図同実施の形態において合成樹脂注入して硬化後の分解斜視図図１０（ｂ）のＢ−ＢＢ断面図本発明の加湿器を備えた燃料電池の構成図固体高分子電解質型燃料電池の構成図従来の加湿器の構成図同従来例の加湿器の分解図

符号の説明

ａ乾燥ガスセパレータ
ｂ湿潤ガスセパレータ
ｃ加湿膜
３２，３３加湿器
６１乾燥ガス流路用の第１の凹部
６２湿潤ガス流路用の第２の凹部
６３乾燥ガス入口
６４乾燥ガス出口
６５湿潤ガス供給路
６６湿潤ガス供給路
６７ｕ乾燥ガスセパレータａの一方の面
６７ｄ乾燥ガスセパレータａの他方の面
６８〜７５第１〜第８の溝
７６乾燥ガス供給路
７７乾燥ガス供給路
７９，８０，８１，８２溝
８３〜９４第１〜第１２貫通流路
９５〜９７第９〜第１１の溝
９７ａ，９７ｂ溝
９８〜１０２第１２〜第１６の溝
１０３ボス
１０４湿潤ガス入口
１０５湿潤ガス出口
１０６ｄ湿潤ガスセパレータｂの一方の面
１０６ｕ湿潤ガスセパレータｂの他方の面
１０７，１０８湿潤ガス供給路
１０９，１１０乾燥ガス供給路
１１１ボス
１１２〜１２３第１３〜第２４貫通流路
１２４成形型
１２５合成樹脂注入口
１２６合成樹脂
１２７ランナー部
１２８合成樹脂１２６の硬化部分

Claims

第１の凹部が形成された乾燥ガスセパレータと第２の凹部が形成された湿潤ガスセパレータとに挟まれて加湿膜が設けられ、
前記両セパレータの各々に形成された凹部の外側に樹脂が充填された貫通流路がそれぞれ形成されると共に前記両セパレータに形成された貫通流路のそれぞれの表面の開口径が異なり、かつ、前記樹脂は前記両セパレータに跨って充填されている
加湿器。
両セパレータに形成された貫通流路のうち、少なくとも一方の貫通流路は表面の開口径が中間の開口径よりも大きい
請求項１記載の加湿器。