JP4773067B2 - 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１７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）

上記の加湿器では、加湿往路３及び加湿復路４が、それぞれ板部材２の壁部に仕切られた複数の流路溝を備えている。このため、いずれかの流路溝に異物の混入や堆積が発生したり、前記流路溝に水が滞留したり、加湿膜１の垂れ下がりによって前記流路溝が閉塞したり、あるいは、前記流路溝への配流性の低下が生じたりすると、急激な圧損の上昇や前記加湿膜１の損傷等が発生するという問題がある。

さらに、屈曲乃至湾曲する流路溝では、各流路溝の流路長が異なってしまう。従って、特に短尺な流路溝では、反応後のオフガス中の水分を反応前の空気に十分に供給することができず、水蒸気透過性能が低下するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、圧損の上昇や水透過性膜の損傷を良好に低減するとともに、簡単且つ経済的な構成で、反応ガスを効率的に加湿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である。加湿装置は、水透過性膜の一方の面に配設され、前記一方の面に反応ガスを流通させる第１流路溝を設ける第１セパレータと、前記水透過性膜の他方の面に配設され、前記他方の面に加湿流体を流通させる第２流路溝を設ける第２セパレータとを備えている。

そして、少なくとも第１セパレータ又は第２セパレータには、第１流路溝又は第２流路溝を仕切る壁部に、前記第１流路溝間又は前記第２流路溝間を連通する開口部が形成されている。前記開口部が形成された前記第１セパレータ又は前記第２セパレータには、前記第１流路溝又は前記第２流路溝を、Ｕ字状且つ異なる流路長で複数設け、前記開口部を、流路屈曲部に設けてもよい。

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、加湿流体を流通させる第４流路溝を設け、前記開口部が形成された前記第１セパレータ又は前記第２セパレータには、前記第３流路溝又は前記第４流路溝を、Ｕ字状且つ異なる流路長で複数設けてもよい。そして、少なくとも前記第１流路溝と前記第３流路溝又は前記第２流路溝と前記第４流路溝は、前記開口部を介して互いに連通することが好ましい。

本発明では、壁部により仕切られている第１流路溝間又は第２流路溝間が、開口部を介して互いに連通するため、部分的な流路の閉塞や配流性の低下が生じた際に、反応ガスや加湿流体は、前記開口部を介してバイパスすることができる。これにより、圧損の上昇や水透過性膜の損傷等を良好に低減するとともに、簡単且つ経済的な構成で、反応ガスを効率的に加湿することが可能になる。

図１は、本発明に関連する加湿装置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、例えば、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が一体的に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が一体的に配設される。

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、板状シール部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、シール部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のシール部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、シール部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、図６及び図７に示すように、第１セパレータ５２には、各溝部６２ａ間を仕切る壁部に、開口部７８ａ、７８ｂが交互に形成される。開口部７８ａは、溝部６２ａと溝部６４ａとを連通するとともに、開口部７８ｂは、前記溝部６４ａと他の溝部６２ａとを連通する。

図７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方向の所定の位置に且つ矢印Ｃ方向に同一線上に配置されている。開口部７８ａ、７８ｂは、図４及び図６に示すように、第１セパレータ５２の矢印Ｂ方向の略中央位置で、矢印Ｃ方向に延在する開口部領域７９を構成する。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８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８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には、各溝部８０ａ間を仕切る壁部に、開口部８９ａ、８９ｂが交互に形成される。開口部８９ａは、溝部８０ａと溝部８２ａとを連通するとともに、開口部８９ｂは、前記溝部８２ａと他の溝部８０ａとを連通する。開口部８９ａ、８９ｂは、開口部７８ａ、７８ｂと同一の形状に設定されるとともに、図４及び図８に示すように、開口部領域９１を構成する。

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９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、空気供給流路連通孔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６４ a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８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、加湿装置１０では、図３及び図７に示すように、第１セパレータ５２には、溝部６２ａ、６４ａ間の壁部に開口部７８ａ、７８ｂが交互に形成され、前記開口部７８を介して前記溝部６２ａ、６４ａ同士が連通している。

このため、例えば、溝部６２ａに異物の混入や堆積が発生して、この溝部６２ａの一部に圧損の上昇が惹起されると、前記溝部６２ａに供給される反応前の空気は、開口部７８ａ、７８ｂを介して溝部６４ａに移動する。一方、溝部６４ａの一部に閉塞が発生すると、この溝部６４ａに供給される反応前の空気は、開口部７８ａ、７８ｂを通って溝部６２ａに導入される。

これにより、第１及び第２流路６２、６４に供給される反応前の空気は、各溝部６２ａ、６４ａに沿って円滑に流れ、前記溝部６２ａ、６４ａの閉塞や配流性の低下が生じた際にも、前記反応前の空気は、開口部７８ａ、７８ｂを介してバイパスすることができる。

さらに、第２セパレータ５４では、第１セパレータ５２と同様に、各溝部８０ａ、８２ａ間を連通する開口部８９ａ、８９ｂが設けられている。従って、溝部８０ａ、８２ａの圧損の上昇が生じた部位では、オフガスが開口部８９ａ、８９ｂを介して良好にバイパスすることが可能となり、前記オフガスは、第３及び第４流路８０、８２に沿って円滑に流れることができる。

このため、加湿装置１０内では、圧損の上昇や水透過性膜５０の損傷等を良好に低減するとともに、簡単且つ経済的な構成で、反応前の空気を効率的に加湿することが可能になるという効果が得られる。

さらにまた、第１〜第４流路６２、６４、８０及び８２では、各溝部６２ａ、６４ａ、８０ａ及び８２ａがＵ字状に構成されている。これにより、溝部６２ａ、６４ａ、８０ａ及び８２ａは、それぞれ外周溝部側と中央溝部側とで流路長が異なっており、特に、短尺な内周溝部側では、水蒸気透過量が減少するおそれがある。

そこで、加湿装置１０では、例えば、第１セパレータ５２の各溝部６２ａ、６４ａが、開口部７８ａ、７８ｂにより連通しており、流路長の短い溝部（内周溝部側）６２ａ、６４ａから流路長の長い溝部（外周溝部側）６２ａ、６４ａに反応前の空気が移動する。従って、反応前の空気は、比較的長尺な流路長を維持することができ、加湿装置１０内における水蒸気透過性能の向上を図ることが可能になる。

なお、加湿装置１０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、加湿装置１０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。

図１０は、本発明の第１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、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２〜第７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。第１セパレータ１０２には、第１及び第２流路６２、６４の２つのコーナー部の間に、矢印方向に延在して開口部領域１０６が設けられる。この開口部領域１０６は、開口部領域７９と同様に、溝部６２ａ、６４ａ間を連通する開口部８９ａ、８９ｂにより構成される。

第２セパレータ１０４は、第３及び第４流路８０、８２の２つのコーナー部の間に位置し、矢印Ｂ方向に延在する開口部領域１０８を設ける。この開口部領域１０８は、開口部領域９１と同様に、溝部８０ａ、８２ａ間を連通する開口部８９ａ、８９ｂにより構成される。

この第１の実施形態では、空気供給連通孔５８ａから第１及び第２流路６２、６４に供給された反応前の空気は、各溝部６２ａ、６２ｂを通ってオフガス供給連通孔６０ａ近傍の第１のコーナー部で水平方向から鉛直下方向に移動する。その際、反応前の空気は、遠心力によって開口部８９ａ、８９ｂを介し外側の溝部６２ａ、６４ａ側に移動することができる。

このため、流路長の短い内側の溝部６２ａ、６４ａを流れる反応前の空気は、第１のコーナー部を通過して遠心力により流路長の長い外側の溝部６２ａ、６４ａに移動し、第１及び第２流路６２、６４における前記反応前の空気の移動距離が有効に長くなる。

同様に、第２セパレータ１０４では、オフガス供給連通孔６０ａから第３及び第４流路８０、８２に導入されたオフガスは、水平方向に沿って移動した後、第１のコーナー部を介して鉛直下方向に移動するとともに、遠心力によって開口部８９ａ、８９ｂから外側の溝部８０ａ、８２ａに移動する。

従って、流路長の短い内側の溝部８０ａ、８２ａに供給されたオフガスは、遠心力によって開口部８９ａ、８９ｂを介して外側の流路長の長い溝部８０ａ、８２ａに移動することができる。これにより、加湿装置１００では、オフガス及び反応前の空気は、水透過性膜５０の面５０ａ、５０ｂに沿って移動する流路長が長尺となり、水蒸気透過性能が有効に向上するという効果が得られる。

図１１は、本発明の第２の実施形態に係る加湿装置１２０の要部分解斜視説明図である。

加湿装置１２０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１２２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１２４とを備える。第１セパレータ１２２には、第１及び第２流路６２、６４の２つのコーナー部間に外側に向かって下方に傾斜する開口部領域１２６が設けられる。この開口部領域１２６は、交互に形成される開口部８９ａ、８９ｂにより構成される。

第２セパレータ１２４には、第３及び第４流路８０、８２の２つのコーナー部間に位置し、外側に向かって鉛直下方向に傾斜する開口部領域１２８が設けられる。この開口部領域１２８は、交互に設けられる複数の開口部８９ａ、８９ｂにより構成される。

この第２の実施形態では、第１及び第２流路６２、６４が傾斜する開口部領域１２６を介して互いに連通する一方、第３及び第４流路８８、８２が傾斜する開口部領域１２８を介して互いに連通している。このため、流路長の短い流路を流れる反応前の空気及びオフガスは、流路長の長い流路側へと容易に移動することができ、水蒸気透過性能が向上する等の効果が得られる。

図１２は、本発明の第３の実施形態に係る加湿装置１４０の要部断面説明図である。この加湿装置１４０は、水透過性膜５０の両側に配置される第１セパレータ１４２と第２セパレータ１４４とを備え、前記第１及び第２セパレータ１４２、１４４は、例えば、カーボンプレートにより構成される。

第１セパレータ１４２には、各溝部６２ａ間を仕切る壁部及び各溝部６４ａ間を仕切る壁部に、それぞれ開口部１４６ａ、１４６ｂが形成されるとともに、前記溝部６２ａ、６４ａを仕切る壁部に、開口部１４６ｃが形成される。開口部１４６ｃは、溝部６２ａ、６４ａ間で反応前の空気の流れを許容する。

第２セパレータ１４４には、各溝部８０ａ間を仕切る壁部及び各溝部８２ａ間を仕切る壁部に、それぞれ開口部１４８ａ、１４８ｂが形成されるとともに、前記溝部８０ａ、８２ａ間を仕切る壁部に、開口部１４８ｃが形成される。開口部１４８ｃは、溝部８０ａ、８２ａ間でオフガスの流れを許容する。

開口部１４６ａ、１４６ｂ及び１４８ａ、１４８ｂの位置は、前述した第１〜第３の実施形態と同様に種々設定可能である。開口部１４６ｃ、１４８ｃの設置位置についても同様に、適宜設定可能である。

図１３は、本発明の第４の実施形態に係る加湿装置１６０の要部断面説明図である。

加湿装置１６０は、水透過性膜５０を挟んで配置される第１セパレータ１６２と第２セパレータ１６４とを備える。第１セパレータ１６２には、各溝部６２ａ間を仕切る壁部及び各溝部６４ａ間を仕切る壁部に、それぞれ開口部１６６ａ、１６６ｂが形成される。第２セパレータ１６４には、各溝部８０ａ間を仕切る壁部及び各溝部８２ａ間を仕切る壁部に、それぞれ開口部１６８ａ、１６８ｂが形成される。

第１セパレータ１６２では、第１流路６２と第２流路６４とには、同一種のガスの他、異種のガスを流すことができる。同様に、第２セパレータ１６４では、第３及び第４流路８０、８２に同一のガス、あるいは異種のガスを流すことが可能である。

図１４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。

加湿装置１８０は、水透過性膜５０の両側に配置される第１セパレータ１８２と第２セパレータ１８４とを備える。第１セパレータ１８２には、第１流路６２と第２流路６４とが千鳥状に設けられるとともに、第２セパレータ１８４には、第３流路８０と第４流路８２とが千鳥状に設けられる。

第１セパレータ１８２には、各溝部６２ａ間を仕切る壁部及び各溝部６４ａ間を仕切る壁部に、それぞれ開口部１８６ａ、１８６ｂが形成される。第２セパレータ１８４には、各溝部８０ａ間を仕切る壁部及び各溝部８２ａ間を仕切る壁部に、それぞれ開口部１８８ａ、１８８ｂが形成される。第１セパレータ１８２では、第１及び第２流路６２、６４に同一又は異種のガスを流すことができるとともに、第２セパレータ１８４では、第３及び第４流路８０、８２に同一又は異種のガスを流すことが可能である。

図１５は、本発明の第６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の両側に配置される第１セパレータ２０２と第２セパレータ２０４とを備える。第１セパレータ２０２には、第１流路６２と第２流路６４とが、千鳥状に配設されるとともに、各溝部６２ａ間を仕切る壁部及び各溝部６４ａ間を仕切る壁部に、開口部２０６ａ、２０６ｂが形成される。溝部６２ａ、６４ａは、開口部２０６ａ、２０６ｂに連通する開口部２０８ａ、２０８ｂを介して連通する。

第２セパレータ２０４は、第３流路８０と第４流路８２とを千鳥状に設けるとともに、溝部８０ａ間を仕切る壁部及び溝部８２ａ間を仕切る壁部に、開口部２１０ａ、２１０ｂを設ける。溝部８０ａ、８２ａは、開口部２１０ａ、２１０ｂに連通する開口部２１２ａ、２１２ｂを介して連通する。

図１６は、本発明の第７の実施形態に係る加湿装置２２０の要部断面説明図である。

加湿装置２２０は、水透過性膜５０の両側に配置される第１セパレータ２２２と第２セパレータ２２４とを備える。第１セパレータ２２２は、第１流路６２及び第２流路６４を千鳥状に設けるとともに、溝部６２ａは、屈曲する開口部２２６ａ、２２６ｂを介して前記溝部６２ａの両側に配置されている溝部６４ａに連通する。

第２セパレータ２２４は、第３流路８０及び第４流路８２を千鳥状に設けるとともに、溝部８０ａは、屈曲する開口部２２８ａ、２２８ｂを介して前記溝部８０ａの両側に配置されている溝部８２ａに連通する。

上記のように構成される第２〜第７の実施形態では、上記の第１の実施形態に係る加湿装置１００と同様の効果が得られる。

本発明に関連す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。 第１及び第２セパレータの一部拡大分解斜視図である。 前記第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１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断面説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る加湿装置の要部断面説明図である。 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。 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、１２０、１４０、１６０、１８０、２００、２２０…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、１２２、１２４、１４２、１４４、１６２、１６４、１８２、１８４、２０２、２０４、２２２、２２４…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…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…流路
６２ａ、６２ｂ、６４ａ、８０ａ、８２ａ…溝部
６６、６８、６８a、８４、８６…シール部材
７０ａ、７０ｂ…シール部 ７２ａ、７２ｂ…膨出部
７４ａ、７４ｂ…凹部 ７６ａ、７６ｂ、８８ａ、８８ｂ…貫通孔
７８ａ、７８ｂ、８９ａ、８９ｂ、１４６ａ〜１４６ｃ、１４８ａ〜１４８ｃ、１６６ａ、１６６ｂ、１６８ａ、１６８ｂ、１８６ａ、１８６ｂ、１８８ａ、１８８ｂ、２０６ａ、２０６ｂ、２０８ａ、２０８ｂ、２１０ａ、２１０ｂ、２１２ａ、２１２ｂ、２２６ａ、２２６ｂ、２２８ａ、２２８ｂ…開口部
７９、９１、１０６、１０８、１２８…開口部領域

Claims (2)

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、
   水透過性膜の一方の面に配設され、前記一方の面に反応ガスを流通させる第１流路溝を設ける第１セパレータと、
   前記水透過性膜の他方の面に配設され、前記他方の面に加湿流体を流通させる第２流路溝を設ける第２セパレータと、
   を備え、
   少なくとも前記第１セパレータ又は前記第２セパレータには、前記第１流路溝又は前記第２流路溝を仕切る壁部に、該第１流路溝間又は該第２流路溝間を連通する開口部が形成され、
   前記開口部が形成された前記第１セパレータ又は前記第２セパレータには、前記第１流路溝又は前記第２流路溝が、Ｕ字状且つ異なる流路長で複数設けられ、
   前記開口部は、流路屈曲部に設けら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、前記反応ガスを流通させる第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、前記加湿流体を流通させる第４流路溝を設け、
   前記開口部が形成された前記第１セパレータ又は前記第２セパレータには、前記第３流路溝又は前記第４流路溝が、Ｕ字状且つ異なる流路長で複数設けられ、
   少なくとも前記第１流路溝と前記第３流路溝又は前記第２流路溝と前記第４流路溝は、前記開口部を介して互いに連通することを特徴とする反応ガス用加湿装置。

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