JP4854747B2 - 加湿器用のセパレータ、加湿器、及びそれを備える燃料電池システム - Google Patents
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Description
このような加湿器として、一方の主面に加湿される反応ガスが通流する流路溝が形成され、他方の主面に排冷却水又はオフガスが通流する流路溝が形成されたセパレータと、水蒸気透過膜と、を積層し、この積層体を締結した加湿器が知られている(例えば、特許文献1、又は特許文献2参照)。
特許文献1、又は特許文献2に開示されている加湿器では、セパレータの水蒸気透過膜を支持する部分、特に、反応ガスが通流する流路溝の間に位置する部分で、反応ガスとオフガスとの間の圧力の差や排冷却水の凍結による膨張等によって、水蒸気透過膜が一方のセパレータ側に偏り、水蒸気透過膜が破損するという問題があった。即ち、被加湿ガスである反応ガス(二次流体)、及び加湿ガスであるオフガス(一次流体)を用いる加湿器の場合、両ガス間の圧力差が大きいと圧力の低い側に水蒸気透過膜が撓む場合があった。また、被加湿ガスである反応ガス(二次流体)、及び加湿流体である排冷却水(一次流体)を用いる加湿器の場合、排冷却水の凍結による膨張によって反応ガス側に水蒸気透過膜が撓む場合があった。そのため、水蒸気透過膜を支持する部分(凸部)と反応ガス又は排冷却水が通流する流路溝(凹部)に位置する部分とで、水蒸気透過膜にかかる応力の差が生じ、この応力の差が局所的に作用し続けると、水蒸気透過膜が破損するという課題があった。
対数平均水蒸気差圧={(Psat1−Psat3)−(Psat2−Psat4)}/LN{(Psat1−Psat3)/(Psat2−Psat4)}・・・(2)
ここで、Psat1:入加湿流体(温水)の温度から計算される飽和水蒸気圧
Psat2:出加湿流体(温水)の温度から計算される飽和水蒸気圧
Psat3:入被加湿流体(乾燥ガス)の露点から計算される飽和水蒸気圧
Psat4:出被加湿流体(加湿ガス)の露点から計算される飽和水蒸気圧
従って、特許文献4に開示されている加湿装置では、膜支持部材である金属板に設けられた多孔(開口)の開口率に応じて、実効的な膜面積が低下する等、膜支持部材が水透過抵抗となるために、単位面積当たりの加湿能力が低下することとなる。このため、これを補償するために膜面積、すなわち、積層段数を増加させる必要が生じ、製造コストが増加することになり、未だ改善の余地があった。
これにより、本発明に係る加湿器では、簡易な構成で、水蒸気透過膜の破損を充分に抑制することが可能となり、また、加湿能力に優れ、安全に運転することが可能となる。
(実施の形態1)
まず、本発明の実施の形態1に係る加湿器について説明する。
[加湿器]
図1は、本発明の実施の形態1に係る加湿器の概略構成を示す模式図である。なお、図1においては、加湿器における上下方向を、図における上下方向として表している。
[燃料電池システム]
図7及び図16は、本実施の形態1に係る加湿器を用いた燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。なお、図7及び図16においては、一部を省略している。
図11は、本発明の実施の形態2に係る加湿器におけるセパレータの概略構成を模式的に示す正面図である。
図12は、本発明の実施の形態3に係る加湿器におけるセパレータの概略構成を示す模式図である。
図13は、本発明の実施の形態4に係る加湿器の加湿セル積層体の概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図13においては、その一部を省略している。
図14は、本発明の実施の形態5に係る加湿器の加湿セル積層体の概略構成を模式的に示す断面図であり、図17は、図14に示す加湿セル積層体50のセパレータ1を構成する剛性層1bの概略構成を示す模式図である。なお、図14においては、その一部を省略している。
図15は、本発明の実施の形態6に係る加湿器の加湿セル積層体の概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図15においては、その一部を省略している。
図18は、本発明の実施の形態7に係る加湿器の加湿セル積層体の概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図18においては、その一部を省略している。
実施例1の加湿器は、本実施の形態1に係る加湿器100の構成となるように作成した。
図4(a)は、比較例1の加湿器100aにおける加湿セル積層体50の概略構成を模式的に示す断面図である。図4(b)は、図4(a)に示す加湿セル11のセパレータ1の概略構成を示す模式図である。なお、図4(a)において、一部を省略している。
図5(a)は、比較例2の加湿器100bにおける加湿セル積層体50の概略構成を模式的に示す断面図である。図5(b)は、図5(a)に示す加湿セル11のセパレータ1の概略構成を示す模式図である。なお、図5(a)において、一部を省略している。
性能評価試験1では、一対のセパレータ1で水蒸気透過膜2を挟んで積層した(これを単段という)実施例1の加湿器100と単段の比較例2の加湿器100bを用いて行った。試験方法としては、冷却水流路3に70℃の冷却水を3.3m/secの流量で通流させ、一方、酸化剤ガス流路4に露点換算温度(気体中の全水分量を露点に換算した温度)が10℃以下である乾燥空気(酸化剤ガス)を30m/secの流量で通流させ、それぞれの加湿器から排出された酸化剤ガスの水蒸気量(露点)を測定した。そして、測定した露点と上述の式1及び式2から水蒸気透過係数を算出し、酸化剤ガスの流速とともにプロットした。その結果を示したのが、図6である。
y=1.08×10-7Ln(x)+2.25×10-7・・・(4)
ここで、yは、水蒸気透過係数であり、xは、酸化剤ガスの流速である。
性能評価試験2では、図7に示した燃料電池システム200を構築し、PEFC101は、出力電力が4.8kWのものを使用した。
[性能評価試験3]
性能評価試験3では、以下の試験を行った。
(試験1)繰り返し差圧試験
繰り返し差圧試験では、まず、それぞれの加湿器の冷却水流路3及び酸化剤ガス流路4を大気圧開放し、ついで、酸化剤ガス流路4を大気圧開放から一分間0.5kPaに保ち、その後、酸化剤ガス流路4を大気圧開放するサイクルを1サイクルとした。そして、500サイクルを1クールとし、1クール終了時点で冷却水流路3と酸化剤ガス流路4との間でリーク(クロスリーク)が発生しているかを、両流路間を差圧0.5kPaにて測定した。酸化剤ガスが、2cc/min以下の漏れ量であれば1クール合格とし、合格した加湿器は再び次のクールの試験を行い、これを10クール繰り返して最終的な合否を判定した。
繰り返し凍結試験では、まず、それぞれの加湿器の酸化剤ガス流路4を密閉し、また、冷却水流路3を水封して、恒温槽内に保持した。そして、加湿器を−10℃で、6時間冷却して、その内部を凍結し、その後、加湿器を+10℃で6時間インキュベートし、凍結水を融解するサイクルを1サイクルとした。20サイクルを1クールとし、1クール終了時点で冷却水流路3と酸化剤ガス流路4との両流路間のリーク(クロスリーク)を差圧0.5kPaにて測定した。酸化剤ガスが、2cc/min以下の漏れ量であれば1クール合格とした。合格した加湿器は再び次のクールの試験を行い、これを10クール繰り返して最終的な合否を判定した。
1a 弾性層
1b 剛性層
1c 弾性層
1d 弾性体
2 水蒸気透過膜
3 第1流路(冷却水流路)
4 第2流路(酸化剤ガス流路)
5 ガスケット(流体シール)
6 溝
7 突起部
11 加湿セル
21 二次流体供給用マニホールド
22 二次流体排出用マニホールド
23 一次流体供給用マニホールド
24 一次流体排出用マニホールド
31 二次流体供給用配管
32 二次流体排出用配管
33 一次流体供給用配管
34 一次流体排出用配管
41a 第1の端板
41b 第2の端板
50 加湿セル積層体
51 加湿セルスタック
61 二次流体供給用マニホールド孔
62 二次流体排出用マニホールド孔
63 一次流体供給用マニホールド孔
64 一次流体排出用マニホールド孔
65 貫通孔
66 第1凹部
67 第1凸部
68 角部
69 凹部
70 凸部
71 二次流体供給用マニホールド孔
73 一次流体供給用マニホールド孔
81 第2凹部
82 第2凸部
100 加湿器
100a 加湿器
100b 加湿器
101 高分子電解質形燃料電池(PEFC)
102 酸化剤ガス供給装置
103 全熱交換器
104 冷却水供給装置
Claims (9)
- 水蒸気透過膜と当接する主面と、前記主面に形成された凸凹の凹部からなる流体の流路と、前記凸凹の凸部の先端から少なくとも一定の深さに亘るように形成された弾性層と、剛性層と、で構成され、
前記弾性層は、一方の前記主面に設けられた第1弾性層と、他方の前記主面に設けられた第2弾性層と、を備え、
前記第1弾性層及び前記第2弾性層は、前記剛性層に設けられた貫通孔を通じて接続される、加湿器用のセパレータ。 - 前記弾性層の厚みは前記水蒸気透過膜の厚みの1.66倍以上である、請求項1に記載の加湿器用セパレータ。
- 前記剛性層の表面に前記弾性層からなる壁部が突設され、前記壁部が前記凸凹の凸部を構成し、前記壁部の間の空間が前記凸凹の凹部を構成する、請求項1又は2に記載の加湿器用セパレータ。
- 前記凸部全体が前記弾性層で構成されている、請求項1に記載の加湿器用のセパレータ。
- 前記セパレータの全体が前記弾性層で構成されている、請求項1に記載の加湿器用のセパレータ。
- 前記弾性層は硫黄を含有しないフッ素ゴム又はEPDMを含むように構成されている、請求項1に記載の加湿器用のセパレータ。
- 前記弾性層の硬度はJIS K6200に定めるDUROMETER硬度でAスケール30〜100である、請求項1に記載の加湿器用のセパレータ。
- 請求項1〜7に記載のいずれかのセパレータと、
水蒸気透過膜と、を備え、
前記弾性層が設けられたセパレータの前記主面で前記水蒸気透過膜を挟むようにして、前記セパレータ及び前記水蒸気透過膜が積層されて締結されており、前記水蒸気透過膜に当接する一方の主面上の第1流路に一次流体が通流し、前記水蒸気透過膜に当接する他方の主面上の第2流路に二次流体が通流することにより、前記一次流体に含まれる水分が前記水蒸気透過膜を透過して前記二次流体が加湿される、加湿器。 - 燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、
前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくともいずれか一方のガスの供給経路に設けられた請求項8に記載の加湿器と、を備える、燃料電池システム。
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