JP4891158B2 - 燃料電池のための膜加湿機 - Google Patents

Description

本発明は燃料電池に関し、より詳細には燃料電池のための膜加湿機に関する。

燃料電池システムは、広範囲にわたる様々なアプリケーションにおける電源として、その使用がますます増加している。たとえば、車両などの動力消費体に内燃機関の代替として使用するための燃料電池システムが提案されている。参照によりその全体が本明細書に組み込まれている、本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第１０／４１８，５３６号に、このようなシステムが開示されている。燃料電池は、据置発電所として建物および住宅に使用することも可能であり、また、簡易移動電力としてビデオカメラ、コンピュータなどに使用することも可能である。燃料電池は、通常、バッテリを充電し、あるいは電動機に電力を提供するために使用される電気を生成している。

燃料電池は、水素などの燃料と酸素などの酸化剤が直接化合して電気を生成する電気化学デバイスである。酸素は、通常、空気流によって供給される。水素と酸素が化合して水が形成される。たとえば天然ガス、メタノール、ガソリンおよび石炭誘導合成燃料などの他の燃料を使用することも可能である。

燃料電池に使用される基本プロセスは、有効で、実質的に非汚染性であり、静かで、かつ、可動部品がなく（空気圧縮機、冷却ファン、ポンプおよびアクチュエータを除く）、また、副産物として熱および水のみを残すように構築することができる。「燃料電池」という用語は、通常、燃料電池が使用されるコンテキストに応じて、単一の電池または複数の電池のいずれかを表すために使用されている。複数の電池の場合、通常、これらの複数の電池が一般的には電気的に直列に配置されたスタックが形成されるよう、まとめて束ねられ、かつ、配置される。単一の燃料電池の場合、様々なサイズのスタックにアセンブルすることができるため、所望のエネルギー出力レベルが生成されるようにシステムを設計することができ、したがって異なるアプリケーションに対する設計の柔軟性が提供される。

たとえば、リン酸、アルカリ、溶融炭酸塩、固体酸化物および陽子交換膜（ＰＥＭ）などの異なるタイプの燃料電池を提供することができる。ＰＥＭタイプの燃料電池の基本コンポーネントは、重合体膜電解液によって分離された２つの電極である。電極の各々は、その一方の面が薄い触媒層でコーティングされている。これらの電極、触媒および膜が相俟って膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を形成している。

典型的なＰＥＭタイプの燃料電池の場合、ＭＥＡは、「アノード」と「カソード」の拡散媒体（以下、「ＤＭ」と呼ぶ）の間、つまり炭素織物または紙などの、弾力性があり、かつ、導電性のガス浸透性材料から形成された拡散層の間にはさまれている。ＤＭは、アノードおよびカソードのための一次電流コレクタと機能しており、また、ＭＥＡに機械的なサポートを提供している。別法としては、ＤＭは、触媒層を含有し、かつ、膜と接触していてもよい。ＤＭおよびＭＥＡは、一次電流コレクタからの電流を集電するための二次電流コレクタとして機能している一対の電子導電性プレートの間に押し付けられている。プレートがバイポーラプレートの場合、これらのプレートによって、隣接する電池と電池の間でスタックの内部で電流が流れる。また、（スタックの端部のプレートがモノポーラの場合）これらのプレートによってスタックの外部に電流が流れる。

二次電流コレクタプレートの各々には、アノードおよびカソードの主面全体にガス状反応物を分配する少なくとも１つの活性領域が含まれている。流れ場としても知られているこれらの活性領域には、通常、一次電流コレクタと係合し、それらの間に複数の溝すなわち流路を画定する複数のランドが含まれている。これらの流路によって、ＰＥＭの両面の電極に水素および酸素が供給される。詳細には、水素が流路を通ってアノードへ流れ、そこで触媒によって陽子と電子への分離が促進される。ＰＥＭの反対側の面では、酸素が流路を通ってカソードへ流れ、そこで水素陽子がＰＥＭを介して酸素に引き付けられる。有用なエネルギーとして電子が外部回路を介して捕獲され、陽子および酸素と結合して、カソード側に水蒸気が生成される。

重合体電解液膜とも呼ばれている陽子交換膜を備えたＰＥＭタイプの燃料電池などの多くの燃料電池には内部膜が使用されている。所望する効率範囲内で実行するためには、膜を湿った状態に維持することが望ましい。したがって、燃料電池の膜を湿った状態に維持するための手段を提供する必要がある。膜を湿った状態に維持することにより、膜の損傷または膜の寿命の短縮が積極的に回避され、かつ、所望の動作効率が維持される。たとえば、膜は、その水分が少ないほど陽子伝導抵抗が大きくなり、したがってオーム電圧損失が大きくなる。膜、とりわけ入口領域の膜の十分な水分を維持するためには、詳細にはカソード入口の供給ガスを加湿することが望ましい。それぞれ参照によりその全体が本明細書に組み込まれている、本発明の譲受人に譲渡された、Ｇｏｅｂｅｌらに対する米国特許出願第１０／７９７，６７１号、本発明の譲受人に譲渡された、Ｓｅｎｎｏｕｎらに対する米国特許出願第１０／９１２，２９８号、および本発明の譲受人に譲渡された、Ｆｏｒｔｅに対する米国特許出願第１１／０８７，９１１号に、燃料電池の加湿が考察されている。

所望の湿気レベルを維持するために、空気加湿機がしばしば使用され、燃料電池に使用される空気流が加湿されている。空気加湿機は、通常、空気加湿機のハウジング内に設置される丸形または箱形の空気加湿モジュールからなっている。参照によりその全体が本明細書に組み込まれている、Ｔａｎｉｈａｒａらに対する米国特許出願第１０／５１６，４８３号、および参照によりその全体が本明細書に組み込まれている米国特許第６，４７１，１９５号に、このタイプの空気加湿機の例が示され、かつ、記載されている。

また、燃料電池加湿要求事項を満足するために、膜加湿機が利用されている。車両用燃料電池加湿アプリケーションの場合、このような膜加湿機は、コンパクトで、圧力降下が小さく、かつ、高い性能特性を有していなければならない。

膜加湿機を設計するためには、質量輸送抵抗と圧力降下のバランスを取る必要がある。ウェット側からドライ側へ膜を介して輸送するためには、水の分子は、ウェット流路内およびドライ流路内の対流質量輸送抵抗、膜を介した拡散輸送抵抗および膜サポート材料を介した拡散輸送抵抗のうちのいくつかの組合せを克服しなければならない。コンパクトで、かつ、高性能の膜加湿機には、通常、水輸送レートが高い（つまりＧＰＵで１００００〜１２０００の範囲の）膜材料が必要である。ＧＰＵすなわちガス浸透単位は、分圧正規化流束であり、１ＧＰＵ＝１０^−６ｃｍ^３（ＳＴＰ）／（ｃｍ^２ ｓｅｃ ｃｍ Ｈｇ）である。したがって、ウェット流路、ドライ流路および膜サポート材料の輸送抵抗の最小化が設計の焦点になっている。
米国特許出願第１０／４１８，５３６号 米国特許出願第１０／７９７，６７１号 米国特許出願第１０／９１２，２９８号 米国特許出願第１１／０８７，９１１号 米国特許出願第１０／５１６，４８３号 米国特許第６，４７１，１９５号

燃料電池のための、質量輸送抵抗および圧力降下が最小化された膜加湿機が製造されることが望ましい。
驚くべきことには、本発明と一致する矛盾しない、質量輸送抵抗および圧力降下が最小化された、燃料電池のための膜加湿機が見出された。

一実施形態では、燃料電池のための膜加湿機は、第１のガスの流れの通過を容易にするようになされた少なくとも１つの実質的に真直ぐな流路が中に形成された実質的に平らな第１のプレートと、第２のガスの流れの通過を容易にするようになされた少なくとも１つの実質的に真直ぐな流路が中に形成された実質的に平らな第２のプレートであって、第１のプレートの流路と第２のプレートの流路が実質的に直角をなしている第２のプレートと、第１のプレートと第２のプレートの間に配置された、水蒸気の移動を可能にするようになされた拡散媒体と、第１のプレートと第２のプレートの間に配置された、水蒸気の移動を可能にするようになされた膜であって、第１のガス中の水蒸気が拡散媒体および膜を介して第２のガスへ移動する膜とを備えている。

他の実施形態では、燃料電池のための膜加湿機は、ウェットガスの流れの通過を容易にするようになされた複数の流路が中に形成されたウェット側プレートと、ドライガスの流れの通過を容易にするようになされた複数の流路が中に形成されたドライ側プレートであって、ウェット側プレートの流路が、ドライ側プレートの流路と共に直交流パターンを生成しているドライ側プレートと、ウェット側プレートとドライ側プレートの間にウェット側プレートに隣接して配置された、水蒸気の移動を可能にするようになされた第１の拡散媒体と、ウェット側プレートとドライ側プレートの間にドライ側プレートに隣接して配置された、水蒸気の移動を可能にするようになされた第２の拡散媒体と、第１の拡散媒体と第２の拡散媒体の間に配置された、水蒸気の移動を可能にするようになされた膜であって、ウェットガス中の水蒸気が、第１の拡散媒体、膜および第２の拡散媒体を介してドライガスへ移動する膜とを備えている。

他の実施形態では、燃料電池のための膜加湿機は、ウェットガスの流れの通過を容易にするようになされた複数の流路が中に形成された複数のウェット側プレートと、ドライガスの流れの通過を容易にするようになされた複数の流路が中に形成された複数のドライ側プレートであって、ウェット側プレートの流路が、ドライ側プレートの流路と共に直交流パターンを生成しているドライ側プレートと、複数の第１の拡散媒体であって、そのうちの１つがウェット側プレートとドライ側プレートの各々の間にウェット側プレートに隣接して配置された、水蒸気の移動を可能にするようになされた第１の拡散媒体と、複数の第２の拡散媒体であって、そのうちの１つがウェット側プレートとドライ側プレートの各々の間にドライ側プレートに隣接して配置された、水蒸気の移動を可能にするようになされた第２の拡散媒体と、第１の拡散媒体と第２の拡散媒体の各々の間に配置された、水蒸気の移動を可能にするようになされた膜であって、ウェットガス中の水蒸気が、第１の拡散媒体、膜および第２の拡散媒体を介してドライガスへ移動する膜とを備えている。

本発明の上記ならびに他の利点については、好ましい実施形態についての以下の詳細な説明を添付の図面に照らして考察することにより、当業者には容易に明らかになるであろう。

以下の詳細な説明および添付の図面は、本発明の様々な例示的実施形態を記述し、かつ、図に示したものである。以下の説明および図面は、当業者による本発明の構築および使用を可能にするためのものであり、本発明の範囲を何ら制限するものではない。

図１は、本発明の一実施形態による、燃料電池（図示せず）のための膜加湿機アセンブリ１０を示したものである。膜加湿機アセンブリ１０は、ウェットプレート１２およびドライプレート１４を備えている。本明細書において示し、かつ、説明する実施形態では、燃料電池のカソード側の膜加湿機アセンブリ１０が説明されている。しかしながら、膜加湿機アセンブリ１０は、必要に応じて燃料電池のアノード側に使用することも可能であることを理解されたい。

ウェットプレート１２には、複数の流路１６がその中に形成されている。流路１６は、燃料電池のカソードから排気（図示せず）へウェットガスを運ぶようになされている。図に示す実施形態では、流路１６は、幅Ｗ_ＣＷおよび深さＨ_ＣＷを備えている。ランド１８は、ウェットプレート１２中の隣接する流路１６と流路１６の間に形成されている。ランド１８は、幅Ｗ_ＬＷを備えている。ウェットプレート１２は、たとえば鋼、重合体および複合材料などの従来の任意の材料を使用して形成することができる。

ドライプレート１４には、複数の流路２０がその中に形成されている。流路２０は、ガス源（図示せず）から燃料電池のカソードへドライガスを運ぶようになされている。本明細書において使用されているように、ウェットガスは、たとえば、水蒸気および／または水蒸気中の液体水（ドライガスの液体水レベルを超えるレベルの液体水）を含有した、空気およびＯ_２、Ｎ_２、Ｈ_２Ｏ、Ｈ_２のガス混合物などのガスを意味している。ドライガスは、たとえば、水蒸気を含有していない、あるいは水蒸気および／または水蒸気中の液体水（ウェットガスの液体水レベル未満のレベルの液体水）を含有した、空気およびＯ_２、Ｎ_２、Ｈ_２ＯおよびＨ_２のガス混合物などのガスを意味している。必要に応じて他のガスまたはガスの混合物を使用することも可能であることを理解されたい。図に示す実施形態では、流路２０は、幅Ｗ_ＣＤおよび深さＨ_ＣＤを備えている。ランド２２は、ドライプレート１４中の隣接する流路２０と流路２０の間に形成されている。ランド２２は、幅Ｗ_ＬＤを備えている。ドライプレート１４は、たとえば鋼、重合体および複合材料などの従来の任意の材料を使用して形成することができる。

拡散媒体すなわち拡散層２４は、ウェット側プレート１２に隣接して配置されており、ウェット側プレート１２のランド１８と接触している。同様に、拡散媒体すなわち拡散層２６は、ドライ側プレート１４に隣接して配置されており、ドライ側プレート１４のランド２２と接触している。拡散媒体２４、２６は、たとえば炭素織物、紙およびガラス繊維などの、弾力性があり、かつ、ガス浸透性の材料から形成されている。

膜２８は、拡散媒体２４と拡散媒体２６の間に配置されている。膜２８は、たとえば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）の商標で販売されている過フルオロスルホン酸（ＰＦＳＡ）、親水性重合体膜および重合体複合膜などの従来の任意の膜であってもよい。コンパクトな燃料電池加湿機アプリケーションの場合、通常、膜２８は、８０００ＧＰＵを超えるパーミアンスを有していることが望ましく、通常、１００００〜１２０００ＧＰＵの範囲である。

図２に示す略図は、流路１６、拡散媒体２４、膜２８、拡散媒体２６および流路２０を備えた膜加湿機アセンブリ１０全体の水の分圧をグラフで示したものである。ウェット側流路１６からドライ側流路２０への水の分子輸送には、いくつかの輸送モードが含まれている。流路１６、２０内では、水蒸気の対流質量輸送が生じる。拡散媒体２４、２６を介して拡散輸送が生じる。また、水蒸気は、膜２８を介した拡散によっても輸送される。さらに、ウェット側プレート１２の流路１６とドライ側プレート１４の流路２０の間に圧力差が存在している場合、流体力学上の力によって膜２８を介して水が移動する。また、ウェット側プレート１２の流路１６とドライ側プレート１４の流路２０の間の温度差も、それらの間の水の輸送に影響することがある。また、ウェット側プレート１２の流路１６とドライ側プレート１４の流路２０の間には、エンタルピー交換が存在している。図２の線Ｐは、膜加湿機アセンブリ１０全体の水の分圧分布を示している。

ウェット側流路１６からドライ側流路２０への水の輸送ステップ毎に水流束を計算することができる。流路１６、２０の水輸送の場合は、

である。
拡散媒体２４、２６を介した水輸送の場合は、

である。
膜２８（説明用として過フルオロスルホン酸膜が使用されている）を介した水輸送の場合は、

である。
図３は、図１に示す膜加湿機アセンブリ１０の分解図を示したものであり、また、図４は、組み立てられた膜加湿機アセンブリ１０を示したものである。図５により明確に示すように、ウェット側プレート１２には、その頂面および底面の両方に流路１６が形成されている。同様に、ドライ側プレート１４には、その頂面および底面に流路２０が形成されている。プレート１２、１４の頂面および底面に流路１６、２０を形成することにより、図６に示すように、プレート１２、１４を水蒸気移動（ＷＶＴ）ユニット３０に積み重ねることができる。図に示す実施形態では、ＷＶＴユニット３０への積み重ねを容易にするために、ウェット側プレート１２の上に追加拡散媒体３２が配置されており、また、ドライ側プレート１４に隣接して拡散媒体３４が配置されている。また、拡散媒体材料を使用して、必要に応じて、ウェット側プレート１２のみ、またはドライ側プレート１４のみを取り囲むことも可能である。本発明の範囲および精神を逸脱することなく、他の構成の拡散媒体を使用することができることを理解されたい。図に示す実施形態では、膜２８は、拡散媒体３２、ウェット側プレート１２および拡散媒体２４の周りに包まれているが、膜２８は、拡散媒体３２、ウェット側プレート１２および拡散媒体２４の上または周りに配置することも可能であることを理解されたい。

図７および８は、ウェット側プレート１２およびドライ側プレート１４の断面図、およびプレート１２、１４の各々の流路１６、２０の直交流構成を示したものである。図に示す実施形態では、膜２８は、接着剤３６によってプレート１２、１４に、プレート１２、１４の外部周囲縁で接着されており、それらの間の密閉特性を最大化している。ガスケットまたは他のシールなどの従来の他の材料を使用することも可能であり、あるいは必要に応じてシールまたは接着剤を使用しなくてもよいことを理解されたい。

拡散媒体２４、３２は、ウェット側プレート１２に形成された空洞３８、４０にそれぞれ配置されている。ドライ側プレート１４にも空洞３９、４１が形成されており、拡散媒体２６、３４を受け取っている。拡散媒体２４、２６、３２、３４は、本発明の範囲および精神を逸脱することなく、プレート１２、１４の外部周囲縁まで展開させることができることを理解されたい。それぞれプレート１２、１４の外部周囲縁に隣接している実質的に平らなシール表面４２、４４、４６、４８が、プレート１２と１４の間の密閉をさらに促進している。

図７および８に示す実施形態では、プレート１２、１４は、押出しプロセスによって形成されているが、必要に応じて他のプロセスを使用してプレート１２、１４を形成することも可能である。流路１６、２０の深さＨ_ＣＷ、Ｈ_ＣＤが０．５ｍｍ以下の場合、有利な結果が得られているが、必要に応じて他の深さＨ_ＣＷ、Ｈ_ＣＤを使用することも可能である。流路１６、２０の深さＨ_ＣＷ、Ｈ_ＣＤが約０．３ｍｍの場合、より有利な結果が得られている。この範囲の深さの流路を使用する場合、流路１６、２０内の輸送抵抗と流路圧力降下のバランスを取る必要がある。流路の深さが浅くなると、流路内の質量輸送抵抗が小さくなる。しかしながら流路圧力降下が大きくなり、そのために燃料電池の効率が低下する。１００ｋＷｅ燃料電池システムの場合、上記の範囲内の深さＨ_ＣＷ、Ｈ_ＣＤによって、ウェット側流路１６およびドライ側流路２０の全圧力降下が３０ｋＰａ未満になる。

流路面積比ＡＲは、次の式

で定義される。
流路の幅Ｗ_Ｃが０．５ｍｍと５ｍｍの間である場合、７５〜８５％の範囲の流路面積比ＡＲによって有利な結果が見出されているが、必要に応じて他の比率ＡＲおよび流路幅Ｗ_Ｃを使用することも可能である。このような流路面積比ＡＲおよび流路幅Ｗ_Ｃを選択することにより、ランド１８、２２の下方の膜領域の利用が最大化され、かつ、流路１６、２０への膜２８または他の構造の侵入が最小化される。流路１６、２０を通るガスの流れが層流である場合、さらに有利な結果が得られており、流路１６、２０を介した圧力降下が最小化され、かつ、拡散媒体２４、２６、３２、３４および膜２８を介した水蒸気輸送が最大化される。しかしながら、必要に応じて乱流を提供することも可能である。図７および８に開示されているような直交流構成を使用する場合、それぞれプレート１２、１４を通る実質的に真直ぐな流れの経路を維持することによって流路１６、２０を介した圧力降下が最小化され、スタック３０の実装サイズが最小化され、かつ、ガスの供給要求事項が単純化される。これについては、本明細書においてさらに説明する。拡散媒体２４、２６、３２、３４の厚さが０．２ｍｍ未満、典型的には０．０５ｍｍと０．１５ｍｍの間であり、また、有孔率の範囲が５０〜９５％、典型的には７９％と９０％の間である場合、さらに有利な結果が見出されているが、必要に応じて他の厚さおよび有孔率を使用することも可能である。上に挙げた範囲の拡散媒体２４、２６、３２、３４を使用することにより、ランド１８、２２に隣接している膜２８の領域の有効利用が促進され、かつ、拡散媒体２４、２６、３２、３４の質量輸送抵抗が最小化される。拡散媒体２４、２６、３２、３４を介した水蒸気の輸送が最適化された場合、中のポアサイズの範囲が約０．０１〜１００マイクロメートル、典型的には１マイクロメートルと５０マイクロメートルの間の拡散媒体２４、２６、３２、３４を使用して有利な結果が見出されているが、必要に応じて他のポアサイズを使用することも可能である。流路１６、２０内におけるより大きな圧力降下の原因になる流路１６、２０への拡散媒体２４、２６、３２、３４の侵入を防止するためには、４０，０００ｋＰａより大きい弾性率、より望ましくは１００，０００ｋＰａより大きい弾性率を拡散媒体２４、２６、３２、３４に持たせることが望ましい。

動作中、ウェット側プレート１２に形成された流路１６を通ってウェットガスが流れる。ウェットガスは、ウェットガスサプライから供給される。たとえば流路１６と連絡しているサプライヘッダなどの従来の任意の手段を使用して流路１６にウェットガスを引き渡すことができる。図に示す実施形態では、ウェットガスは、燃料電池の排気流から供給されている。ウェットガスは、流路１６から排気へ流出する。ドライガスは、ドライ側プレート１４に形成された流路２０を通って流れる。ドライガスは、ドライガスサプライから供給される。たとえば流路２０と連絡しているサプライヘッダなどの従来の任意の手段を使用して流路２０にドライガスを引き渡すことができる。ドライガスは、次に、流路２０から流出する。図に示す実施形態では、ドライガスは、圧縮機（図示せず）から供給されている。

図に示す実施形態の場合、ウェットガスの温度は、通常、ドライガスの温度より低い。圧縮機からの乾いた空気の温度は、場合によっては摂氏約１８０度であり、また、燃料電池排気からの湿った空気の温度は、場合によっては摂氏約８０〜９５度である。圧縮機から供給される乾いた空気を空気冷却器（図示せず）を使用して冷却する場合、温度は、場合によっては摂氏９５〜１０５度の範囲である。本発明の範囲および精神を逸脱することなく、他の温度範囲を使用することができることを理解されたい。ウェットガスとドライガスの間に温度差があるため、ドライガスを加湿している間、同じくドライガスが冷却される。また、冷却効果によって、新たに加湿されたガス（ドライガス）の相対湿度が高くなり、したがって燃料電池のコンポーネントに対するガスの乾燥効果が最小化される。

ウェットガスが流路１６を通って流れ、かつ、ドライガスが流路２０を通って流れている間、ウェットガスとドライガスは、直交流をなしている。ガス流の向流を使用して、ウェットガス流からドライガス流への水蒸気の輸送を容易にすることも可能であることを理解されたい。燃料電池加湿アプリケーションの場合、通常、水移動有効性要求事項は厳格ではない。したがって、向流設計と直交流設計の間には、期待される性能の差はほとんどない。ウェットガスからドライガスへの水分子輸送には、場合によっては、Ａ）流路１６、２０内の水蒸気の対流質量輸送モード、Ｂ）拡散媒体２４、２６、３２、３４を介した拡散輸送モード、およびＣ）拡散による膜２８を介した水蒸気輸送モードが必要である。また、ウェット側プレート１２の流路１６とドライ側プレート１４の流路２０の間に圧力差が存在している場合、流体力学上の力によって膜２８を介して水が移動する。さらに、ウェットガス流の温度とドライガス流の温度が異なっている場合、熱い流体から膜２８へ、さらに膜２８から冷たい流体へ伝達される熱も、場合によっては水の移動に影響する。また、水は、バルクフェーズで凝縮または蒸発させることも可能である（つまり、どちらの流体もＲＨ＞１００％で同伴液体水を含有することができる）。また、水流束と結合したウェットガスとドライガスの間にエンタルピー交換を存在させることも可能である。

既に説明したように、プレート１２、１４は、押出しプロセスによって形成されている。プレート１２、１４をこの方法で形成することにより、製造の複雑性が最小化される。製造の複雑性が最小化されるため、同じく製造コストが最小化される。

図９および１０は、本発明の他の実施形態を示したものである。図１〜８から繰り返された類似構造が、同じ参照数表示およびプライム（’）符号を使用して示されている。図に示す実施形態では、プレート１２’、１４’は、スタンピングプロセスによって形成されており、それにより図に示すような流路の形になっているが、必要に応じて他のプロセスを使用してプレート１２’、１４’を形成することも可能である。

ウェット側プレート１２’は、折返し縁５０を備えている。折返し縁５０は、実質的に平らなシール表面５２、５４を備えている。図に示す実施形態では、折返し縁５０には、通過するガス流のバイパスを阻止するようになされた充填材５６が中に配置されている。折返し縁５０は、必要に応じて、充填材５６を完全に充填することも、充填材５６を部分的に充填することも、あるいは充填材５６を備えないことも可能であることを理解されたい。

ドライ側プレート１４’は、折返し縁５８を備えている。折返し縁５８は、実質的に平らなシール表面６０、６２を備えている。折返し縁５８は、折返し縁５８を完全に充填し、あるいは折返し縁５８を部分的に充填する充填材６４を備えることができ、あるいは折返し縁５８は、図に示すように充填材を備えなくてもよいことを理解されたい。

スタンピングプロセスによって形成されたウェット側プレート１２’およびドライ側プレート１４’を使用することにより、プレート１２’、１４’の厚さがさらに最小化される。プレート１２’、１４’をこの方法で形成することにより、製造の複雑性が最小化される。製造の複雑性が最小化されるため、同じく製造コストが最小化される。この構造の残りの部分および動作は、図１〜８に関連して上で説明した内容と実質的に同じである。

以上の説明から、当業者は、本発明の本質的な特徴を容易に確認することができ、また、本発明を様々な使用法および条件に適合させるために、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、本発明に様々な変更および修正を加えることができる。

ウェットプレート流路およびドライプレート流路の断面を示す、本発明の一実施形態による膜加湿機アセンブリの一部の略図である。 図１に示す膜加湿機アセンブリ全体の水の分圧分布を示すグラフである。 図１に示す膜加湿機アセンブリの分解斜視図である。 図１および３に示す膜加湿機アセンブリの斜視図である。 図４の円Ａに示す膜加湿機アセンブリの角の部分の拡大部分斜視図である。 複数のスタック膜加湿機アセンブリの斜視図である。 ウェットプレートに形成された流路を示す、図４の線７−７に沿って取った膜加湿機アセンブリの断面図である。 ドライプレートに形成された流路を示す、図４の線８−８に沿って取った膜加湿機アセンブリの断面図である。 ウェットプレートに形成された流路を示す、本発明の他の実施形態による膜加湿機アセンブリの断面図である。 ドライプレートに形成された流路を示す、本発明の他の実施形態による膜加湿機アセンブリの断面図である。

符号の説明

１０ 膜加湿機アセンブリ
１２、１２’ ウェット（側）プレート
１４、１４’ ドライ（側）プレート
１６、２０ 流路
１８、２２ ランド
２４、２６ 拡散層（拡散媒体）
２８ 膜
３０ 水蒸気移動（ＷＶＴ）ユニット
３２ 追加拡散媒体
３４ 拡散媒体
３６ 接着剤
３８、３９、４０、４１ 空洞
４２、４４、４６、４８、５２、５４、６０、６２ シール表面
５０、５８ 折返し縁
５６、６４ 充填材
Ｈ_ＣＤ ドライプレートの流路の深さ
Ｈ_ＣＷ ウェットプレートの流路の深さ
Ｐ 膜加湿機アセンブリ全体の水の分圧分布
Ｗ_ＣＤ ドライプレートの流路の幅
Ｗ_ＣＷ ウェットプレートの流路の幅
Ｗ_ＬＤ、Ｗ_ＬＷ ランドの幅

Claims (35)

1. 燃料電池のための膜加湿機であって、
   第１のガスの流れの通過を容易にするようになされた複数の実質的に真直ぐな流路が中に形成された実質的に平らな第１のプレートであって、第１プレートの頂面および底面の両方に前記流路が形成されている第１のプレートと、
   第２のガスの流れの通過を容易にするようになされた複数の実質的に真直ぐな流路が中に形成された実質的に平らな第２のプレートであって、第２プレートの頂面および底面の両方に前記流路が形成されており、前記第１のプレートの前記流路と前記第２のプレートの前記流路が実質的に直角をなしている第２のプレートと、
   前記第１のプレートと前記第２のプレートの間に配置された、水蒸気の移動を可能にするようになされた拡散媒体と、
   前記第１のプレートと前記第２のプレートの間に配置された、水蒸気の移動を可能にするようになされた膜であって、前記拡散媒体が、該膜および、前記第１プレートと第２プレートとの一方に接触し、前記第１のガス中の水蒸気が前記拡散媒体および前記膜を介して前記第２のガスへ移動する膜と
   を備えた膜加湿機。
2. 前記第１のガスおよび前記第２のガスのうちの少なくとも一方が、空気およびＯ_２、Ｎ_２、Ｈ_２Ｏ、Ｈ_２の少なくとも１つを含有したガス混合物から選択される、請求項１に記載の加湿機。
3. 前記膜が、８０００ＧＰＵを超えるパーミアンスを有する、請求項１に記載の加湿機。
4. 前記第１のプレートおよび前記第２のプレートが、それらの周囲縁に隣接する実質的に平らなシール表面を備えた、請求項１に記載の加湿機。
5. 前記第１のプレートおよび前記第２のプレートが折返し外縁を有する、請求項１に記載の加湿機。
6. 前記第１のプレートの前記折返し外縁および前記第２のプレートの前記折返し外縁のうちの少なくとも一方に充填材が配置された、請求項５に記載の加湿機。
7. 前記第１のプレートおよび前記第２のプレートがスタンピングプロセスによって形成された、請求項１に記載の加湿機。
8. 前記第１のプレートおよび前記第２のプレートが押出しプロセスによって形成された、請求項１に記載の加湿機。
9. 前記第１のプレートの前記流路および前記第２のプレートの前記流路のうちの少なくとも一方の深さが最大０．５ミリメートルである、請求項１に記載の加湿機。
10. 前記第１のプレートの前記流路および前記第２のプレートの前記流路のうちの少なくとも一方の深さが約０．３ミリメートルである、請求項１に記載の加湿機。
11. １００ｋＷｅ燃料電池システムの場合、前記第１のプレートの前記流路および前記第２のプレートの前記流路の全圧力降下が３０キロパスカル未満である、請求項１に記載の加湿機。
12. 式
    

    

    で定義される、前記第１のプレートの前記流路および前記第２のプレートの前記流路のうちの少なくとも一方の流路面積比の範囲が７５〜８５％である、請求項１に記載の加湿機。
13. 前記第１のガスおよび前記第２のガスのうちの少なくとも一方の流れが層流である、請求項１に記載の加湿機。
14. 前記第１のガスの温度が前記第２のガスの温度より低く、そのために、加湿中、前記第２のガスが冷却される、請求項１に記載の加湿機。
15. 前記拡散媒体の厚さが０．２ｍｍ未満であり、有孔率の範囲が５０〜９５％であり、平均ポアサイズの範囲が０．０１ないし１００マイクロメートルであり、また、弾性率が４０，０００ｋＰａより大きい、請求項１に記載の加湿機。
16. 燃料電池のための膜加湿機であって、
    ウェットガスの流れの通過を容易にするようになされた複数の流路が、頂面および底面の両方においてその中に形成されたウェット側プレートと、
    ドライガスの流れの通過を容易にするようになされた複数の流路が、頂面および底面の両方においてその中に形成されたドライ側プレートであって、前記ウェット側プレートの前記流路が、前記ドライ側プレートの前記流路と共に直交流パターンを生成しているドライ側プレートと、
    前記ウェット側プレートと前記ドライ側プレートの間に前記ウェット側プレートに隣接して配置された、水蒸気の移動を可能にするようになされた第１の拡散媒体と、
    前記ウェット側プレートと前記ドライ側プレートの間に前記ドライ側プレートに隣接して配置された、水蒸気の移動を可能にするようになされた第２の拡散媒体と、
    前記第１の拡散媒体と前記第２の拡散媒体の間に配置された、水蒸気の移動を可能にするようになされた膜であって、前記第１の拡散媒体が前記膜と前記ウェット側プレートとに接触し、前記第２の拡散媒体が前記膜と前記ドライ側プレートとに接触し、前記ウェットガス中の水蒸気が、前記第１の拡散媒体、前記膜および前記第２の拡散媒体を介して前記ドライガスへ移動する、前記膜と
    を備えた膜加湿機。
17. 前記ウェットガスおよび前記ドライガスのうちの少なくとも一方が、空気およびＯ _２ 、Ｎ _２ 、Ｈ _２ Ｏ、Ｈ _２ の少なくとも１つを含有したガス混合物から選択される、請求項１６に記載の加湿機。
18. 前記膜が、８０００ＧＰＵを超えるパーミアンスを有する、請求項１６に記載の加湿機。
19. 前記ウェット側プレートと前記ドライ側プレートとが、それらの周囲縁に隣接する実質的に平らなシール表面を備えた、請求項１６に記載の加湿機。
20. 前記ウェット側プレートと前記ドライ側プレートとが、折返し外縁を有する、請求項１６に記載の加湿機。
21. 前記ウェット側プレートの前記折返し外縁および前記ドライ側プレートの前記折返し外縁のうちの少なくとも一方に充填材が配置された、請求項２０に記載の加湿機。
22. 前記ウェット側プレートと前記ドライ側プレートとが、スタンピングプロセスによって形成された、請求項１６に記載の加湿機。
23. 前記ウェット側プレートと前記ドライ側プレートとが、押出しプロセスによって形成された、請求項１６に記載の加湿機。
24. 前記ウェット側プレートの前記流路および前記ドライ側プレートの前記流路のうちの少なくとも一方の深さが最大０．５ミリメートルである、請求項１６に記載の加湿機。
25. 前記ウェット側プレートの前記流路および前記ドライ側プレートの前記流路のうちの少なくとも一方の深さが約０．３ミリメートルである、請求項１６に記載の加湿機。
26. 式
    

    

    で定義される、前記ウェット側プレートの前記流路および前記ドライ側プレートの前記流路のうちの少なくとも一方の流路面積比の範囲が７５〜８５％であり、流路の幅が０．５ｍｍないし５ｍｍである、請求項１６に記載の加湿機。
27. １００ｋＷｅ燃料電池システムの場合、前記ウェット側プレートの前記流路および前記ドライ側プレートの前記流路の全圧力降下が３０キロパスカル未満である、請求項２６に記載の加湿機。
28. 前記ウェットガスおよび前記ドライガスのうちの少なくとも一方の流れが層流である、請求項１６に記載の加湿機。
29. 前記ウェットガスの温度が前記ドライガスの温度より低く、そのために、加湿中、前記ドライガスが冷却される、請求項１６に記載の加湿機。
30. 前記第１の拡散媒体と第２の拡散媒体の厚さが０．２ｍｍ未満であり、有孔率の範囲が５０〜９５％であり、平均ポアサイズの範囲が０．０１ないし１００マイクロメートルであり、また、弾性率が４０，０００ｋＰａより大きい、請求項１６に記載の加湿機。
31. 燃料電池のための膜加湿機であって、
    ウェットガスの流れの通過を容易にするようになされた複数の流路が、頂面および底面の両方においてプレートの中に形成された複数のウェット側プレートと、
    ドライガスの流れの通過を容易にするようになされた複数の流路が、頂面および底面の両方においてプレートの中に形成された複数のドライ側プレートであって、前記ウェット側プレートの前記流路が、前記ドライ側プレートの前記流路と共に直交流パターンを生成している、複数のドライ側プレートと、
    複数の第１の拡散媒体であって、第１の拡散媒体の１つが、前記ウェット側プレートと前記ドライ側プレートの各々の間に前記ウェット側プレートに隣接して配置され、水蒸気の移動を可能にするようになされた、複数の第１の拡散媒体と、
    複数の第２の拡散媒体であって、第２の拡散媒体の１つが、前記ウェット側プレートと前記ドライ側プレートの各々の間に前記ドライ側プレートに隣接して配置された、水蒸気の移動を可能にするようになされた、複数の第２の拡散媒体と、
    前記第１の拡散媒体と前記第２の拡散媒体の各々の間に配置され、水蒸気の移動を可能にするようになされた膜であって、前記ウェットガス中の水蒸気が、前記第１の拡散媒体、前記膜および前記第２の拡散媒体を介して前記ドライガスへ移動する、前記膜と
    を備えた膜加湿機。
32. 前記ウェットガスおよび前記ドライガスのうちの少なくとも一方が、空気およびＯ _２ 、Ｎ _２ 、Ｈ _２ Ｏ、Ｈ _２ の少なくとも１つを含有したガス混合物から選択される、請求項３１に記載の加湿機。
33. 前記膜が、８０００ＧＰＵを超えるパーミアンスを有する、請求項３１に記載の加湿機。
34. 前記ウェット側プレートと前記ドライ側プレートとが、それらの周囲縁に隣接する実質的に平らなシール表面を備えた、請求項３１に記載の加湿機。
35. 前記ウェット側プレートと前記ドライ側プレートとが、折返し外縁を有し、前記折返し外縁がそこに配置されるフィルタを有する、請求項３１に記載の加湿機。

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