JP4899965B2

JP4899965B2 - 燃料電池用加湿器

Info

Publication number: JP4899965B2
Application number: JP2007078710A
Authority: JP
Inventors: 光生吉村; 徳彦川畑; 隆志森本; 敏宏松本; 宏幸永井
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-03-26
Filing date: 2007-03-26
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2027-03-26
Also published as: JP2008243418A

Description

本発明は、燃料流体と酸化剤流体とを用いて発電を行う固体高分子型燃料電池に適用される燃料電池用加湿器に関する。

固体高分子電解質を用いた燃料電池は、加湿温調された水素を含有する燃料ガスと、加湿温調された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、電力と熱とを同時に発生させるものである。

加湿温調された燃料ガスや酸化剤ガスを供給するためには、水蒸気透過膜と、シール材が一体で形成された枠体と、いずれか一方に加湿流体またはガスを供給排出する流路を有し、他方に被加湿ガスを供給排出する流路を有する一対のセパレータとからなる単加湿器を複数個積層して構成される固体高分子型燃料電池用加湿器を使用することが一般的である。

図８は従来の燃料電池用加湿器の分解斜視図であり、１は水蒸気透過膜２が一体に形成されたシール、１１は被加湿側セパレータ、１２は加湿側セパレータ、２１は排出配管を具備する端部モジュールであって、各部にマニホールド５，７，８，１０が設けられており、シール１と被加湿側セパレータ１１と加湿側セパレータ１２とからなる単加湿器と、端部モジュール２１とが締結用ボルトおよびナット２０，２２，２３などにて連結されてユニット化されている。

前記のように供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスが外部にリークしたり、２種のガスが互いに混合したりしないように、水蒸気透過膜を挟んでガスシール材やガスケットが配置される。水蒸気透過膜の外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接する水蒸気透過膜同士を互いに直列に接続するためのセパレータが配置される。セパレータの水蒸気透過膜と接触する部分には、被加湿側に反応ガスを供給するための空間や流路が形成される。空間や流路はセパレータの表面に溝を設けて形成することが一般的である。

さらに、水蒸気透過膜と、シール材が一体で形成された枠体と、一対のセパレータから構成される単加湿器を複数個積層して、水蒸気透過膜同士を互いに直列に接続することにより、実用可能なように加湿能力を高めることが一般的である。

水蒸気透過膜と、シール材が一体で形成された枠体と、一対のセパレータとを組合せて単加湿器を作成する際、水蒸気透過膜の面とセパレータの流路面に位置ずれが生じると有効な加湿面積が小さくなり、所定の加湿能力が得られないことになる。

また、単加湿器の積層作業によって水蒸気透過膜と、シール材が一体で形成された枠体と、セパレータとの位置ずれが生ずることを防止するためには、単加湿器を構成する水蒸気透過膜と、シール材が一体で形成された枠体と、一対のセパレータとが一体となっている必要がある。

このように、単加湿器の水蒸気透過膜と、シール材が一体で形成された枠体と、一対のセパレータとの位置を規制しながら一体化するために、従来の加湿器では、水蒸気透過膜と、シール材が一体で形成された枠体と、一対のセパレータにおける加湿面以外の場所に貫通穴を設け、位置決めピンを貫通させ、反対側から止め輪部品によりピンの抜けを防止しようとするものがある（特許文献１参照）。

また、水蒸気透過膜と、シール材が一体で形成された枠体と、一対のセパレータの外周端部をクリップ状の部品で挟み込んで一体化するもの、あるいはセパレータに形成された樹脂製の吸盤により、水蒸気透過膜と、シール材が一体で形成された枠体とを挟み込んだ状態でセパレータと一体化するものなどがある（特許文献１，２参照）
特開２００６−１９６２４９号公報特開２００６−２１０１５０号公報

上述したように、燃料電池用加湿器が実用される場合、水蒸気透過膜と、シール材が一体で形成された枠体の水蒸気透過面と、セパレータの流路面との位置ずれによる有効加湿面積の低下により、所定の加湿割合が得られないということを防止するため、単加湿器を構成する水蒸気透過膜と、シール材が一体で形成された枠体と、一対のセパレータとの位置を規制しながら一体とする必要がある。

また、単加湿器同士の位置ずれにより、隣接するセパレータ間のシールラインがずれて流体がリークすることを防止するために、単加湿器同士も位置を規制しながら一体となっている必要がある。

このため、従来は位置決めピンなどの締結部品を用いて行うことが一般的であったが、部品点数の増大と、製作コストと製作リードタイムの長期化を引き起こすという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、単加湿器を構成する水蒸気透過膜と、枠体と、一対のセパレータとを位置規制された状態で一体化することができ、また単加湿器を積層する際に単加湿器間の位置を規制することができる燃料電池用加湿器を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、マニホールドが形成された枠体、前記枠体の内部に配置された水蒸気透過膜、前記マニホールドと前記水蒸気透過膜を包含するシール部とが一体で形成された水蒸気透過膜一体シールと、前記水蒸気透過膜一体シールを挟んで配置された一対のセパレータとからなる単加湿器を積層して構成される燃料電池用加湿器であって、前記枠体は前記枠体の両面に先端が鍵状の係合突起を有し、かつ前記一対のセパレータはそれぞれ段差付の係止孔を有し、前記枠体の係合突起と、前記一対のセパレータの係止孔とが係止して一体化されたことを特徴とし、この構成によって、セパレータと枠体を積層方向に押圧することにより、単加湿器として一体化することができるため、水蒸気透過膜と、シール材が一体で形成された枠体と、一対のセパレータ以外の締結専用部品を用いることなく、簡素化された構成で容易に単加湿器の一体化を行うことができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の燃料電池用加湿器において、枠体とセパレータとを位置決めした状態で係合突起を係止孔に係止させ、単加湿器として一体にしたことを特徴とし、この構成によって、枠体と一対のセパレータが位置決めされた状態で、水蒸気透過膜と、シール材が一体で形成された枠体と、一対のセパレータ以外の締結専用部品を用いることなく、単加湿器として一体化することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１記載の燃料電池用加湿器において、セパレータと枠体とを積層方向に押圧することにより、係合突起を係止孔に係止させ、単加湿器として一体にしたことを特徴とし、この構成によって、セパレータと枠体とを積層方向に押圧することにより、容易に前記一体化を行うことができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３いずれか１項記載の燃料電池用加湿器において、係合突起と係止孔を複数設け、係合突起の少なくとも１つを弾性変形する低剛性突起とし、他の係合突起を位置決め用の高剛性突起としたことを特徴とし、この構成によって、係合突起を、変形して係止が容易に行える低剛性突起と、位置決めを確実にする高剛性突起にすることにより、前記一体化作業を容易かつ確実なものにすることができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４いずれか１項記載の燃料電池用加湿器は、枠体における積層方向の側部に複数の係合突起と係止孔とを交互に設け、対向設置される枠体における積層方向の側部に、係合突起を係止する複数の係止孔と係止孔に係止される係合突起とを設け、各枠体の係合突起を係止孔に係止させて単加湿器群として一体にしたことを特徴とし、この構成によって、複数の各枠体に設けた係合突起と係止孔とを係止することにより、複数の単加湿器群としての一体化が、簡素化された構成で容易に行うことができる。

請求項６に記載の発明は、請求項５記載の燃料電池用加湿器において、係合突起と係止孔とを相対向させて複数の枠体を積層させた後に押圧し、各枠体の係合突起を係止孔に係止させて単加湿器群として一体にしたことを特徴とし、この構成によって、複数の単加湿器同士を積層させた後に押圧することにより、係合突起が係止孔に係止して複数の単加湿器群として容易に一体化することができる。

請求項７に記載の発明は、請求項１〜６いずれか１項記載の燃料電池用加湿器において、樹脂製のガス供給排出マニホールドを備えた端部モジュールに、枠体の係合突起あるいは係止孔に係合あるいは係止する係止孔あるいは係合突起を設け、端部ユニットを単加湿器の積層後の押圧により単加湿器群と一体に設置したことを特徴とし、この構成によって、単加湿群と端部ユニットとを、係合突起と係止孔との簡素化された構成で容易に一体化することができる。

以上のように、本発明の燃料電池用加湿器によれば、単加湿器を構成する水蒸気透過膜と、シール材が一体で形成された枠体と、一対のセパレータとが位置規制された状態で一体化することができる。また、単加湿器を積層する際にも単加湿器間の位置を規制することができる。さらに、水蒸気透過膜と、シール材が一体で形成された枠体と、一対のセパレータ以外の締結専用部品を用いることなく前記一体化と位置規制とを行うことができるため、安定した加湿割合を発揮でき、しかも、製作工程が簡便で安価な燃料電池用加湿器を提供することができる。

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。本実施形態における単加湿器は、図８に示すような構成にて実施されるものである。

（実施形態１）
図１（ａ）は本発明の実施形態１における水蒸気透過膜一体シールと加湿側セパレータと被加湿側セパレータを加湿側からみた分解斜視図、図１（ｂ）は実施形態１の組み立て後の単加湿器の部分詳細断面図である。本例では縦１５０ｍｍ，横１５０ｍｍの水蒸気透過膜２の周囲に、縦２２０ｍｍ，横２２０ｍｍの樹脂製の枠体３が形成されるようにインサート成形されている。

枠体３を構成する熱可塑性樹脂は、高分子電解質型燃料電池用加湿器の運転温度以下において、化学的に清浄かつ安定であって、適度の弾性率と比較的高い加重たわみ温度を有する。

具体的には枠体３は化学的安定性の観点から、非晶性樹脂ではなく結晶性樹脂で構成されることが好ましく、その中でも機械的強度が大きく、かつ耐熱性の高い材料が好ましい。例えば、いわゆるスーパーエンジニアリングプラスチックグレードのものが好適であり、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ），ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ），結晶ポリマー（ＬＣＰ），ポリエーテルニトリル（ＰＥＮ）などを例示できる。これらは、数千から数万ＭＰａの圧縮弾性率と、１５０℃以上の撓み荷重温度を有しており好適な材料である。また、汎用されている樹脂材料であっても、例えば、ガラスフィラーが充填されたポリプロピレン（ＧＦＰＰ）などは、非充填のポリプロピレン（圧縮弾性率１０００〜１５００ＭＰａ）の数倍の弾性率を有し、かつ１５０℃近い撓み荷重温度を有しており、好適に使用できる。本実施形態においては、熱可塑性樹脂であるガラスフィラー添加ポリプロピレン（出光石油化学株式会社製Ｒ３５０Ｇ）が用いられている。

また、この枠体３には、熱可塑性樹脂または熱可塑性エラストマーを２色成形することによりシール部４を形成する。この熱可塑性樹脂または熱可塑性エラストマーは、加湿器の運転条件下において化学的に安定であって、特に加水分解を発生させないなど耐熱水性を有する。

例えば、ガスケットとしての圧縮弾性率は２００ＭＰａ以下であることが好ましい。好適な材料は、ポリエチレン，ポリプロピレン，ポリブチレン，ポリスチレン，ポリ塩化ビニル，ポリ塩化ビニリデン，ポリビニルアルコール，ポリアクリルアミド，ポリアミド，ポリカーボネート，ポリアセタール，ポリウレタン，シリコーン，フッ素樹脂，ポリブチレンテレフタレート，ポリエチレンテレフタレート，シンジオタクチック・ポリスチレ，ポリフェニレンサルファイド，ポリエーテルエーテルケトン，ポリスルホン，ポリエーテルサルホン，ポリアリレート，ポリアミドイミド，ポリエーテルイミド、および熱可塑性ポリイミドなどからなる群より選ぶことができる。これによって、加湿器の締結荷重において良好なシール性を確保することができる。本実施形態においては、ポリオレフィン系熱可塑性エラストマーであるサントプレン８２０１−６０(Advanced Elasotomer System社製)を用いている。

このシール部４は、水蒸気透過膜２の加湿側に加湿ガスを供給・排出するマニホールド５と水蒸気透過膜２を連絡する部分６には設けず、他の部分にガスが漏れないように、マニホールド７，８と水蒸気透過膜２を包含するように形成する。加湿側のマニホールド８と被加湿側のマニホールド７には、外部との漏れがないように、該マニホールド７，８を取り巻くようにシール部４を形成する。

枠体３には、先端が鍵状の複数の係合突起９が一体成形されており、また、加湿側セパレータ１１と被加湿側セパレータ１２とに、枠体３の係合突起９と相対する位置に段差付の係止部である係止孔１０が設けられ、水蒸気透過膜一体シール１と両セパレータ１１，１２とが、組み合わされた状態で積層方向に押圧されると、図１（ｂ）に示すように、前記先端が鍵形状部の係合突起９が、段差付の係止孔１０に係止されることにより、三者が一体となって単加湿器が形成される。

（実施形態２）
図２は本発明の実施形態２における組み立て後の単加湿器の部分詳細断面図である。なお、以下の各実施形態の説明において、既に説明した部材に対応する部材には同一符号を付して詳しい説明は省略する。

図２において、実施形態１と同様の構成からなる水蒸気透過膜一体シール１の枠体３には、先端が鍵状の複数の係合突起９の他に、位置決め用のピン状の係合突起１３が一体成形されており、また、セパレータ１１，１２には、段差付の係止孔１０の他に、ピン状の係合突起１３と相対する位置に位置決め用の係止孔１４が設けられ、両者が係止することにより、水蒸気透過膜一体シール１の枠体３と一対のセパレータ１１，１２とは、位置を規制された状態のままで、先端が鍵状の係合突起９が段差付の係止孔１０に嵌挿されることにより、三者が一体となって単加湿器が形成される。

ここで、鍵状の係合突起９は、係止孔１０に嵌め合わされる際に弾性変形しなければならないので、材料として比較的軟らかく低剛性のものとし、一方、位置決め用のピン状の係合突起１３は、変形しないように高剛性のものとする。これにより係止と位置決め機能とを分離することができるため、組み立てが容易で、かつ位置決め精度のよい構造にすることができる。

（実施形態３）
図３は本発明の実施形態３における組み立て後の単加湿器の部分詳細断面図である。

図３において、水蒸気透過膜一体シール１の枠体３の上外周部には、スリット９ａを介して先端が鍵状の複数の係合突起９が形成され、各セパレータ１１，１２には、係合突起９と相対するように、上外周に係止部である段差部１５が設けられ、両者が係止することにより、樹脂製の水蒸気透過膜一体シール１の枠体３が外周を覆った状態で、三者が一体となって単加湿器が形成される。この場合、係合突起９の外周部は、加湿器の断熱性を高める断熱材として機能する。

（実施形態４）
図４は本発明の実施形態４における組み立て前の単加湿器を加湿側から見た分解斜視図である。

図４において、枠体３の外周における４辺のうち２辺３ａには、弾性変形によって各セパレータ１１，１２の段差部１５（図３参照）が嵌め込まれるように、先端に鍵状の低剛性の係合突起９が連続的に設けられ、また、残りの２辺３ｂには、積層方向と直交する方向にセパレータ１１，１２をスライドすることにより、該セパレータ１１，１２を保持できるように、高剛性のコ字形断面を有する係合突起１６が設けられている。

実施形態４における単加湿器の組み立ての際、セパレータ１１，１２を高剛性の係合突起１６付近に押し当てた後、押圧によって低剛性の係合突起９を弾性変形させて、その鍵状の先端をセパレータ１１，１２の段差部１５に誘い込むようにしながら、前記高剛性のコ字形部の隙間に各セパレータ１１，１２の段差部１５を嵌め込むことにより、水蒸気透過膜一体シール１の枠体３と一対のセパレータ１１，１２とを一体にすることによって、単加湿器を形成する。

（実施形態５）
図５は本発明の実施形態５の組み立て後の単電池群を示す斜視図である。

図５において、水蒸気透過膜一体シール１の枠体３に一体成形された先端が鍵状の係合突起９を、各セパレータ１１，１２に設けられた段差付の係止孔１０に係止させることにより、上述のように単加湿器が一体化される。

さらに、枠体３の上外周にも先端が鍵状の係合突起９が間隔を取って形成され、また枠体３の上外周に段差部１７が形成されており、複数の単加湿器同士が積層されるときに、各単加湿器における枠体３に設けられた先端が鍵状の係合突起９が交互に嵌り合い、かつ段差部１７に嵌合することにより、複数の単加湿器が一体化された状態で単加湿器群１９が形成される。

（実施形態６）
図６は本発明の実施形態６の組み立て後の単加湿器群を示す斜視図である。

図６において、水蒸気透過膜一体シール１の枠体３における積層方向片方に一体成形された先端が鍵状の係合突起９を、各セパレータ１１，１２に設けられた段差付の係止孔１０により単加湿器が一体化される。

さらに、枠体３における上外周にも、その積層方向片方に先端が鍵状の係合突起９がスリット９ａを介して複数形成され、さらに枠体３の上外周に段差部１７が形成されており、複数の単加湿器同士が積層されるときに、各単加湿器における枠体３に設けられた先端が鍵状の係合突起９が、交互に嵌り合いかつ段差部１７に嵌合することにより、複数の単加湿器が一体化された状態で単加湿器群１９が形成される。

（実施形態７）
図７は本発明に係るアノード加湿器の実施形態の組み立て後の状態を示す斜視図である。

図７において、加湿器に改質器からの燃料ガスや燃料電池から排出されるアノードオフガスや温水などの流体を供給，排出する配管部１８ａが一体に成形された樹脂製のガス供給排出マニホールド１８の上外周部に、係止部１８ｂと段差付の係止孔（図示せず）とが交互に形成された端部モジュールを備えている。

そして、上述のように一体化された単加湿器群１９に対して最も近接する枠体３に交互に設けられた先端が鍵状の係合突起９および段差付の係止孔１７と、前記端部モジュールに交互に設けられた前記係止孔と係止部１８ｂとを互いに係止させることにより、アノード加湿器として一体化する。

なお、この加湿器を酸化剤ガスや温水などを用いてカソード加湿器として使用可能なことはいうまでもない。

本発明は、固体高分子型燃料電池における燃料電池用加湿器として有効であり、特にポータブル電源，電気自動車用電源，家庭内コージェネレーションシステムなどに使用される固体高分子電解質を用いた燃料電池用加湿器に適用される。

（ａ）は本発明の実施形態１における水蒸気透過膜一体シールと加湿側セパレータと被加湿側セパレータを加湿側からみた分解斜視図、（ｂ）は実施形態１の組み立て後の単加湿器の部分詳細断面図本発明の実施形態２における組み立て後の単加湿器の部分詳細断面図本発明の実施形態３における組み立て後の単加湿器の部分詳細断面図本発明の実施形態４における組み立て前の単加湿器を加湿側から見た分解斜視図本発明の実施形態５の組み立て後の単電池群を示す斜視図本発明の実施形態６の組み立て後の単加湿器群を示す斜視図本発明に係るアノード加湿器の実施形態の組み立て後の状態を示す斜視図従来の燃料電池用加湿器の分解斜視図

符号の説明

１水蒸気透過膜一体シール
２水蒸気透過膜
３水蒸気透過膜一体シールの枠体
４シール部
５，７，８マニホールド
９係合突起
９ａスリット
１０係止孔
１１，１２セパレータ
１３係合突起
１４係止孔
１５段差部
１６係合突起
１７段差部
１８ガス供給排出マニホールド
１９単加湿器群

Claims

マニホールドが形成された枠体、前記枠体の内部に配置された水蒸気透過膜、前記マニホールドと前記水蒸気透過膜を包含するシール部とが一体で形成された水蒸気透過膜一体シールと、前記水蒸気透過膜一体シールを挟んで配置された一対のセパレータとからなる単加湿器を積層して構成される燃料電池用加湿器であって、
前記枠体は前記枠体の両面に先端が鍵状の係合突起を有し、かつ前記一対のセパレータはそれぞれ段差付の係止孔を有し、前記枠体の係合突起と、前記一対のセパレータの係止孔とが係止して一体化されたことを特徴とする燃料電池用加湿器。
前記枠体と前記セパレータとを位置決めした状態で前記係合突起を前記係止孔に係止させ、前記単加湿器として一体にしたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池用加湿器。
前記セパレータと前記枠体とを積層方向に押圧することにより、前記係合突起を前記係止孔に係止させ、前記単加湿器として一体にしたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池用加湿器。
前記係合突起と前記係止孔を複数設け、前記係合突起の少なくとも１つを弾性変形する低剛性突起とし、他の係合突起を位置決め用の高剛性突起としたことを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の燃料電池用加湿器。
前記枠体における積層方向の側部に複数の係合突起と係止孔とを交互に設け、対向設置される前記枠体における積層方向の側部に、前記係合突起を係止する複数の係止孔と前記係止孔に係止される係合突起とを設け、前記各枠体の前記係合突起を前記係止孔に係止させて単加湿器群として一体にしたことを特徴とする請求項１〜４いずれか１項記載の燃料電池用加湿器。
前記係合突起と前記係止孔とを相対向させて複数の前記枠体を積層させた後に押圧し、前記各枠体の前記係合突起を前記係止孔に係止させて単加湿器群として一体にしたことを特徴とする請求項５記載の燃料電池用加湿器。
樹脂製のガス供給排出マニホールドを備えた端部モジュールに、前記枠体の前記係合突起あるいは前記係止孔に係合あるいは係止する係止孔あるいは係合突起を設け、前記端部ユニットを前記単加湿器の積層後の押圧により前記単加湿器群と一体に設置したことを特徴とする請求項１〜６いずれか１項記載の燃料電池用加湿器。