JP4753743B2 - 反応ガス用加湿装置 - Google Patents

Description

本発明は、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配設した電解質膜・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（以下、水素含有ガスともいう）や酸化剤ガス（以下、酸素含有ガスともいう）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１０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、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に関するものである。加湿装置は、水透過性膜と交互に配設されるセパレータを備え、前記セパレータは、前記水透過性膜に反応ガス又は加湿流体を流通させる流路溝と、前記水透過性膜に接する凸状部とを交互に設けている。そして、凸状部は、流路溝を形成する側面に凹凸形状部位を設けている。

さらに、セパレータは、金属製プレートで構成されるとともに、前記金属製プレートの側面には、凹凸形状部位である波板形状部位が成形されることが好ましい。

また、波板形状部位は、流路溝の水透過性膜から離間する方向に沿って波形状に変形し且つ前記流路溝の長さ方向に沿って波形状に変形することが好ましい。

さらにまた、凸状部は、水透過性膜から離間する方向に向かって開口幅寸法が狭小に設定されることが好ましい。

本発明では、セパレータの流路溝間に設けられる凸状部は、前記流路溝を形成する側面に凹凸形状部位が設けられるため、前記流路溝内には、反応ガス又は加湿流体の流れに乱れが発生する。これにより、反応ガスと加湿流体との間における水蒸気交換性が良好に向上し、効率的な加湿処理が確実に遂行可能になる。しかも、側面では、凹凸形状部位によって流路溝を形成する表面積が増加するため、前記側面を挟んで隣り合う流路溝間の熱交換効率が有効に向上する。

図１は、第１参考例に係る加湿装置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の外部に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の外部に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（図２参照）。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。なお、この第１及び第２セパレータ５２、５４は、例えば、カーボンプレートに削り加工等を施して波板形状に構成してもよい。

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、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（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、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。オフガス供給連通孔６０ａは、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３及び図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、矢印Ｂ方向に１往復半のサーペンタイン形状の複数の第１流路溝６２ａと、複数の第１凸状部６２ｂとを交互に設ける。

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、矢印Ｂ方向に１往復半のサーペンタイン形状の複数の第１流路溝６４ａと、複数の第１凸状部６４ｂとが交互に設けられる。第１流路溝６４ａは、第１流路溝６２ａと交互に形成され、全体として波形状を有している。

図３及び図５に示すように、第１凸状部６２ｂ、６４ｂは、第１流路溝６２ａ、６４ａを形成する側面６５を共通に有するとともに、前記側面６５に凹凸形状部位が設けられる。側面６５は、具体的には凹凸形状部位として波板形状部位を有しており、第１流路溝６２ａ、６４ａの水透過性膜５０から離間する方向（高さ方向である矢印Ａ方向）に沿って波形状に変形する。換言すると、側面６５は、第１流路溝６２ａ、６４ａの高さ方向に蛇腹状に成形される。

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とを連通し、矢印Ｂ方向に１往復半のサーペンタイン形状の複数の第２流路溝６６ａと、複数の第２凸状部６６ｂとを交互に設ける。

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とを連通し、矢印Ｂ方向に１往復半のサーペンタイン形状の複数の第２流路溝６８ａと、複数の第２凸状部６８ｂとを交互に設ける。第２流路溝６８ａは、第２流路溝６６ａと交互に形成され、全体として波形状を有している。

第２凸状部６６ｂ、６８ｂは、第２流路溝６６ａ、６８ａを形成する側面６９を共通に有するとともに、前記側面６９に凹凸形状部位が設けられる。側面６９は、凹凸形状部位として波板形状部位を有しており、第２流路溝６６ａ、６８ａの水透過性膜５０から離間する方向（高さ方向である矢印Ａ方向）に沿って波形状に変形する。換言すると、側面６９は、第２流路溝６６ａ、６８ａの高さ方向に蛇腹状に成形される。

図４に示すように、第１セパレータ５２には、第１シール７０が一体成形される一方、第２セパレータ５４には、第２シール７２が一体成形される。第１セパレータ５２には、第１流路溝６２ａ、６４ａと空気供給連通孔５８ａとの連結部位に対応して板状部材７４ａ、７４ｂが配設されるとともに、前記第１流路溝６２ａ、６４ａと空気排出連通孔５８ｂとの連結部位に対応して板状部材７６ａ、７６ｂが配設される。板状部材７４ａ、７４ｂ、７６ａ及び７６ｂは、金属プレート又は樹脂プレートで構成される。

第２セパレータ５４には、同様に、第２流路溝６６ａ、６８ａとオフガス供給連通孔６０ａとの連結部位に対応して金属製又は樹脂製の板状部材７８ａ、７８ｂが配設されるとともに、前記第２流路溝６６ａ、６８ａとオフガス排出連通孔６０ｂとの連結部位に対応して金属製又は樹脂製の板状部材８０ａ、８０ｂが配設される。

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４に示すように、第１セパレータ５２では、空気供給連通孔５８ａに供給された反応前の空気は、サーペンタイン形状の複数の第１流路溝６２ａ、６４ａに沿って移動する。第１流路溝６２ａ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１流路溝６４ａに沿って移動する空気は、他の水透過性膜５０の一方の面５０ａ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２流路溝６６ａ、６８ａに導入される。

図４に示すように、オフガス供給連通孔６０ａに供給されたオフガスは、サーペンタイン形状の複数の第２流路溝６６ａ、６８ａに沿って移動する。このため、第２流路溝６６ａを移動するオフガスは、水透過性膜５０の他方の面５０ｂに接触するとともに、第２流路溝６８ａに沿って移動するオフガスは、また別の水透過性膜５０の他方の面５０ｂに接触する（図３参照）。

従って、第２セパレータ５４の第２流路溝６６ａ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流路溝６２ａ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１流路溝６４ａに沿って移動する反応前の空気は、第２流路溝６８ａ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１参考例では、図３に示すように、第１セパレータ５２に設けられる第１凸状部６２ｂ、６４ｂは、第１流路溝６２ａ、６４ａを形成する共通の側面６５に波板形状部位が設けられている。このため、第１流路溝６２ａ、６４ａでは、反応前の空気の流れに乱れが発生する。

一方、第２セパレータ５４の第２凸状部６６ｂ、６８ｂは、第２流路溝６６ａ、６８ａを形成する共通の側面６９に波板形状部位が設けられている。このため、第２流路溝６６ａ、６８ａでは、オフガスの流れに乱れが発生する。

これにより、第１参考例では、反応前の空気とオフガスとの間における水蒸気交換性が良好に向上し、前記反応前の空気に対して効率的な加湿処理が確実に遂行可能になるという効果が得られる。

さらに、第１及び第２セパレータ５２、５４の側面６５、６９は、高さ方向に蛇腹状に成形されており、前記第１及び第２セパレータ５２、５４自体がばね性を有している。従って、水透過性膜５０の厚さ変動等によって加湿装置１０全体の積層方向に寸法の変動が生じても、第１及び第２セパレータ５２、５４自体のばね機能によって前記寸法の変動を良好に吸収することができ、荷重変動の低減が容易且つ確実に図られるという利点がある。

図６は、第２参考例に係る加湿装置９０の一部断面側面図である。なお、第１参考例に係る加湿装置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、以下に説明する本発明の実施形態及び第３参考例においても、同様にその詳細な説明は省略する。

加湿装置９０は、水透過性膜５０を挟持する第１及び第２セパレータ９２、９４を備える。第１セパレータ９２は、反応前の空気を流す、例えば、サーペンタイン形状の複数の第１流路溝６２ａと、オフガスを流す、例えば、サーペンタイン形状の複数の第２流路溝９６ａとを交互に形成する。

第１流路溝６２ａ間に設けられる第１凸状部６２ｂと、第２流路溝９６ａ間に設けられる第２凸状部９６ｂとは、前記第１及び第２流路溝６２ａ、９６ａを形成する共通の側面９８を有するとともに、前記側面９８には、凹凸形状部位、例えば、波板形状部位が設けられる。

第２セパレータ９４は、反応前の空気を流す複数の第１流路溝１００ａと、オフガスを流す複数の第２流路溝６６ａとを交互に形成する。第１流路溝１００ａ間に設けられる第１凸状部１００ｂと、第２流路溝６６ａ間に設けられる第２凸状部６６ｂとは、前記第１及び第２流路溝１００ａ、６６ａを形成する共通の側面１０２を有し、前記側面１０２には、例えば、波板形状部位が設けられる。

このように構成される第２参考例では、上記の第１参考例と同様の効果が得られる他、第１セパレータ９２では、第１及び第２流路溝６２ａ、９６ａを形成する側面９８の表面積が増加している。従って、第１流路溝６２ａを流れる反応前の空気と、第２流路溝９６ａを流れるオフガスとの間の熱交換効率が有効に向上し、前記反応前の空気の加湿効率の向上を図ることができるという効果が得られる。

なお、第２セパレータ９４では、上記の第１セパレータ９２と同様の効果が得られる。

図７は、本発明の一実施形態に係る加湿装置１１０の一部断面側面図である。

加湿装置１１０は、水透過性膜５０を挟持する第１及び第２セパレータ１１２、１１４を備える。第１セパレータ１１２は、第１凸状部６２ｂ、６４ｂを有するとともに、前記第１凸状部６２ｂ、６４ｂは、第１流路溝６２ａ、６４ａを形成する共通の側面１１６を有し、前記側面１１６には、波板形状部位が設けられる。この側面１１６は、水透過性膜５０から離間する方向（矢印Ａ方向）に沿って波形状に変形し、且つ第１流路溝６２ａ、６４ａの長さ方向に沿って波形状に変形する（図８中、矢印Ｂ方向参照）。

第２セパレータ１１４は、第２凸状部６６ｂ、６８ｂを有するとともに、前記第２凸状部６６ｂ、６８ｂは、第２流路溝６６ａ、６８ａを形成する共通の側面１１８を有し、前記側面１１８には、波板形状部位が設けられる。側面１１８は、上記の側面１１６と同様に、水透過性膜５０から離間する方向に沿って波形状に変形し、且つ第２流路溝６６ａ、６８ａの長さ方向に沿って波形状に変形する。

このように構成される本実施形態では、各側面１１６、１１８が、第１流路溝６２ａ、６４ａ及び第２流路溝６６ａ、６８ａの高さ方向と、前記第１流路溝６２ａ、６４ａ及び前記第２流路溝６６ａ、６８ａの長さ方向とに、それぞれ波形状を有している。これにより、反応前の空気及びオフガスの流れの乱れを一層確実に発生させることができるとともに、表面積の増加が容易に図られる。

従って、反応前の空気とオフガスとの間における水蒸気交換性が良好に向上し、一層効率的な加湿処理が遂行される。しかも、熱交換効率を一層向上させることが可能になるという効果が得られる。

図９は、本発明の第３参考例に係る加湿装置１２０の一部断面側面図である。

加湿装置１２０は、水透過性膜５０を挟持する第１及び第２セパレータ１２２、１２４を備える。第１セパレータ１２２は、第１流路溝１２６ａ、１２８ａと第１凸状部１２６ｂ、１２８ｂとが交互に設けられるとともに、前記第１凸状部１２６ｂ、１２８ｂは、水透過性膜５０から離間する方向に向かって開口幅寸法が狭小に設定される。第１凸状部１２６ｂ、１２８ｂは、共通の側面１３０を有しており、この側面１３０は、凹凸形状部位として、例えば、波板形状部位を設ける。

第２セパレータ１２４は、同様に第２流路溝１３２ａ、１３４ａと、第２凸状部１３２ｂ、１３４ｂとを交互に設けるとともに、前記第２凸状部１３２ｂ、１３４ｂは、水透過性膜５０から離間する方向に向かって開口幅寸法が狭小に設定される。第２凸状部１３２ｂ、１３４ｂは、共通の側面１３６を有するとともに、前記側面１３６は、波形形状部位を設ける。

このように構成される第３参考例では、第１及び第２セパレータ１２２、１２４が、それぞれ断面略山形形状に設定された第１凸状部１２６ｂ、１２８ｂ及び第２凸状部１３２ｂ、１３４ｂを有している。これにより、第１及び第２セパレータ１２２、１２４自体のばね性が有効に向上するという効果が得られる。

なお、本実施形態及び第３参考例では、上記の第２参考例と同様に、反応前の空気とオフガスとを側面９８、１０２を挟んで形成してもよい。

第１参考例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セパレータの一部拡大分解斜視図である。 第２参考例に係る加湿装置の一部断面側面図である。 本発明の一実施形態に係る加湿装置の一部断面側面図である。 前記加湿装置を構成するセパレータの一部拡大分解斜視図である。 第３参考例に係る加湿装置の一部断面側面図である。 特許文献１の加湿器の一部断面図である。

符号の説明

１０、９０、１１０、１２０…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
２２、２４、５２、５４、９２、９４、１１２、１１４、１２２、１２４…セパレータ
５０…水透過性膜 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
６２ａ、６４ａ、６６ａ、６８ａ、９６ａ、１００ａ、１２６ａ、１２８ａ、１３２ａ、１３４ａ…流路溝
６２ｂ、６４ｂ、６６ｂ、６８ｂ、９６ｂ、１００ｂ、１２６ｂ、１２８ｂ、１３２ｂ、１３４ｂ…凸状部
６５、６９、９８、１０２、１１６、１１８、１３０、１３６…側面

Claims (1)

1. 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、
   水透過性膜と交互に配設されるセパレータを備え、
   前記セパレータは、前記水透過性膜に前記反応ガス又は前記加湿流体を流通させる流路溝と、
   前記水透過性膜に接する凸状部と、
   を交互に設けるとともに、
   前記凸状部は、前記流路溝を形成する側面に凹凸形状部位を設け、
   前記セパレータは、金属製プレートで構成されるとともに、
   前記金属製プレートの前記側面には、前記凹凸形状部位である波板形状部位が成形され、
   前記波板形状部位は、前記流路溝の前記水透過性膜から離間する高さ方向に沿って波板状に変形し且つ前記流路溝の長さ方向に沿って波形状に変形することを特徴とする反応ガス用加湿装置。

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