JP4900018B2 - 燃料電池用加湿器 - Google Patents

Description

本発明は、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により、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、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備え、他方に被加湿流体またはガスを供給排出する流路を有する一対のセパレータからなる単加湿器を複数個積層して構成される燃料電池用加湿器が一般的に使用されている。

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どうし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。

前記溝に被加湿ガスや加湿流体を供給するためには、ガスを供給する配管を、使用するセパレータの枚数に分岐して、その分岐先をセパレータの溝に直接つなぎ込む配管治具が必要となる。この治具をマニホールドと呼ぶ。

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、実用可能になるように加湿能力を高めることができる。

この種の燃料電池の高分子電解質膜には、パーフルオロスルホン酸系の材料が使われている。この高分子電解質膜は、水分を含んだ状態でイオン伝導性を発現するため、通常では燃料ガスや酸化剤ガスを加湿して供給する必要があり、しかも、電池の高性能化のためには供給ガスの相対湿度１００％の近い湿度、または相対湿度１００％以上になるように加湿することが好ましい。

しかし、カソード側では反応によって水が生成されるため、電池の動作温度より高い露点を有するようにガスを加湿して供給すると、電池内部の流路や電極内部で結露が発生し、水詰まりなどの現象によって、かえって電池性能が安定しない、または性能が低下するという問題があった。

通常、前記のような濡れ過ぎによる電池性能の低下や動作不安定が発現する現象をフラッディング現象と呼ぶ。この現象がアノード側で発生すると、燃料ガスの欠乏を招き、燃料ガスが不足している状態で負荷電流を強制的に取り出すと、電子とプロトンを生成しようとして、アノード側の触媒を担持しているカーボンが雰囲気中の水と反応してしまい、その結果、触媒層のカーボンが溶出して触媒層が破壊される。

このような異常状態が継続すると、本来、アノード極に比べてプラスの電位状態であったカソード極が、ゼロボルト以下の電位状態となり、電池にとっては致命的となってしまう。この状態を転極という。

このように、燃料電池に供給する燃料ガスや酸化剤ガスの加湿状態が不安定になると、燃料電池に致命傷を与えかねない。

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どうし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構造である加湿器は、加湿流体または被加湿ガスを通すマニホールドがあり、そのマニホールドはセパレータと枠体に開いている穴で構成される。

前記マニホールドを通る加湿流体または被加湿ガスを、それぞれの単加湿器にあるセパレータにバラツキなく供給するために、セパレータと枠体に開いている穴の形状を工夫するとよいことが考えられる（特許文献１参照）。
特開２００６−２１０１５０号公報

燃料電池が実用される場合、前記の定常状態の安定運転以外に、起動・停止や負荷変動など、運転状態の頻繁な変更の際に生じる過渡状態においても、安定な運転切り替えと、切り替え動作自体による性能劣化を抑制することが求められる。

上述したように燃料電池を構成する各加湿器はマニホールド穴を有し、これらのマニホールド穴が積層することでマニホールドが形成される。そして、供給配管から供給された流体が入り口マニホールドを通じて各々の単加湿器に分配供給され、各加湿器から排出された流体が出口マニホールドを通じて排出配管から排出される。

しかし、各加湿器への加湿流体および被加湿ガスの流入のタイミングが均一でないと、加湿器から燃料電池に供給される加湿ガスが所定の加湿率になるために時間がかかってしまう。所定の加湿率になるまでの間、被加湿ガスに水蒸気の濃淡、すなわち、露点のばらつきができ、このガスが充分混合されないまま燃料電池スタックに行くと、フラッディングや転極などの動作不良を引き起こしてしまう。

しかしながら、加湿開始可能な状態に達するタイミングは積層方向の単加湿器によってばらつきがある。したがって、起動時に投入する通常のガスは、できるだけ時間のズレがなく、全ての単加湿器にいき亘らせなければならない。しかし、通常、ガス投入から最初の単加湿器が加湿可能になる時間を正確に測定することは困難であるので、事実上、起動時に投入する通常のガスは、できるだけ短時間で全加湿器にいき亘らせなければならない。

本発明は、前記従来技術の課題を解決し、積層される全単加湿器へ、定常運転時に均一なガスを供給できるだけでなく、起動・停止・負荷変更などの過渡運転状態においても、積層される全単加湿器へできるだけ短時間で均一なガスを供給することができ、安定な運転切り替えと切り替え動作による加湿率や流量の変動を抑制す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、本発明の燃料電池用加湿器は、燃料流体と酸化剤流体とを用いて発電を行う燃料電池に用いられ、水蒸気透過膜と、シール部が形成された枠体と、一方に加湿流体を供給排出する流路を有し、他方に被加湿流体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燃料電池用加湿器であって、前記セパレータに形成されたマニホールドの外側の内面壁の一部を前記マニホールドの内部かつ前記水蒸気透過膜に向かって突出させて突出部を設け、積層方向に隣り合うセパレータに形成された前記突出部の高さが異なることを特徴とし、この構成によって、積層される全単加湿器へ短時間で均一なガスを供給することができる。

このとき、前記突出部において、積層される前記単加湿器の中心部のものが最も高くなるように設置すると好適である。

また、前記突出部を、１つまたは複数の切り込みを有し、かつ前記単加湿器の積層組立時に積層する単加湿器の順番に従って前記切り込みの中から１つを選択して該切り込みから先を切除できる構成にして、前記各突出部の長さが前記マニホールドへの供給・排出配管接続部から積層方向に向かって均等にならないように設定可能にすることが好ましい。

以上のように、本発明の燃料電池用加湿器によれば、積層される全単加湿器へ、定常運転時に均一なガスを供給できるだけでなく、起動・停止・負荷変更などの過渡運転状態においても、積層される全単加湿器へ短時間で均一なガスを供給することができ、したがって、安定な運転切り替えと、切り替え動作自身による性能劣化を抑制できるため、燃料電池の耐久性を向上することができる。

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。

（実施形態１）
図１（ａ）は本発明の実施形態１の燃料電池用加湿器における水蒸気透過膜一体シールの加湿面側を示す図、図１（ｂ）は実施形態１における水蒸気透過膜一体シールの被加湿面側を示す図である。

本例では縦１５０ｍｍ，横１５０ｍｍの水蒸気透過膜２の周囲に、縦２２０ｍｍ，横２２０ｍｍの熱可塑性樹脂の枠体３が形成されるようにインサート成形する。水蒸気透過膜２は、水分を選択的に透過させる膜であって高分子電解質膜が用いられる。高分子電解質膜としては、本例では３０μｍの厚さのＧＯＲＥ社製のＬＣ−０１を用い、トムソン型により打ち抜いて形成した。

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特性を有する。

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）、液晶ポリマー（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ないなど耐熱水性を有する。

例えば、ガスケットの圧縮弾性率は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・ポリスチレン、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ばれる。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の加湿側に加湿流体を供給・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５と水蒸気透過膜２を包含するように形成する。被加湿側のマニホールド７と加湿側のマニホールド８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。

図２（ａ）は本実施形態の加湿側セパレータ１０の加湿側の正面図であって、該セパレータ１０の加湿側面１１と水蒸気透過膜一体シール１の加湿側面を当接して単加湿器の加湿側を形成し、さらに、図１（ｂ）に示す水蒸気透過膜一体シール１の被加湿面の図と図２（ｂ）の被加湿側セパレータ１０ａの被加湿側面１１ｂとを当接して、単加湿器を作成する。

加湿側のマニホールド５において、内面壁の一部が該マニホールド５内部に向かって突出している突出部９ａを有し、該突出部９ａが、マニホールド５を供給・排出配管側５ａとセパレータガス流路出入り口側５ｂとに二分割するように配置される。図３に示す実施形態１における積層された燃料電池用加湿器の一部を破断して示す斜視図において、破断部分にて説明すると、この単加湿器を積層する際、突出部９ａの長さを変更しながら積層することにより、供給・排出配管側５ａからセパレータ流路出入り口側５ｂへのガス通過部分の面積が、ガス配管の接続位置から単加湿器の積層方向に向かって進むほど小さくなり、さらに進むと次第に大きくなるように、すなわち、空気供給配管１２の接続位置から単加湿器の積層方向に向かって極小値を持つようにする。

被加湿側のマニホールド７にも、加湿側のマニホールド５と同様に突出部９ｂが設けられ、マニホールド７を二分割７ａ，７ｂするようにしている。

本水蒸気透過膜一体シール１において、具体的には、加湿側のマニホールド５，８は幅１０ｍｍ，長さ３０ｍｍ、は幅１０ｍｍ，長さ２０ｍｍで重力方向縦長に配置し、４つのコーナーを径１５ｍｍの円形の長円とする。また、マニホールド５と水蒸気透過膜２との連絡部分６の最下位置に対応するマニホールド５とマニホールド７の外側内壁に、水蒸気透過膜側２に向かって幅１．５ｍｍの両突出部９ａと９ｂを突設させる。この突出部９ａ，９ｂの長さは、３ｍｍから９ｍｍまで２ｍｍ刻みに４種類のものを用い、ガス配管入り口から積層方向に向かって全積層距離の４分の１のところで長さが極大となるように配置することが好ましい。

本例で用いたセパレータでは、その板面が地面の垂直となり、温水の入り口のマニホールド８が上位となるように加湿器が設置される。加湿側セパレータと水蒸気透過膜一体シールと被加湿側セパレータを積層して単加湿器を組み立て、マニホールドの突出部の長さが上述したように単加湿器を１０セル積層した後、ポリフェニレンサルファイド製の端板で挟み、両端板を締結ロッドで締結した。この場合、締結圧は加湿膜面の単位面積あたり１００Ｎ／ｃｍ^２とすることが好ましい。

（実施形態２）
図４は本発明の実施形態２の燃料電池用加湿器における水蒸気透過膜一体シールの加湿面側を示す図である。なお、以下の説明において、既に説明してある部材に対応する部材には同一符号を付した。

実施形態２において、実施形態１と同様にマニホールド５，７に突出部９ａ，９ｂが設けられ、加湿側のマニホールド５には、内面壁の一部に、該マニホールド５内部に向う方向でかつ枠体３の外側に向かう方向に突出するように突出部９ａを設け、該突出部９ａが、マニホールド５を供給・排出配管側５ａとセパレータのガス流路出入り口側５ｂとに二分割するように配置されている。

そして、単加湿器を積層する際、突出部９ａの長さを変更しながら積層することにより、供給・排出配管側５ａからセパレータ流路出入り口側５ｂへのガス通過部分の面積が、ガス配管の接続位置から単加湿器の積層方向に向かって進むほど小さくなり、さらに進むと次第に大きくなるように、すなわち、加湿流体供給配管１２の接続位置から単加湿器の積層方向に向かって極小値を持つようにする。

例えば、マニホールド５と水蒸気透過膜２の連絡部分６の最下位置に対応して、マニホールド５，７の内壁を枠体３やセパレータの外側に向かって幅１．５ｍｍの突出部９ａと９ｂを突出させる。この突出部９ａ，９ｂの長さは、３ｍｍから９ｍｍまで２ｍｍ刻みに４種類のものを用い、ガス配管入り口から積層方向に向かって全積層距離の４分の１のところで長さが極大となるよう配置することが好ましい。

（実施形態３）
図５は本発明の実施形態３の水蒸気透過膜一体シールを単加湿器として形成した後に積層した燃料電池用加湿器を示す斜視図、図６は実施形態３における加湿側マニホールド部分の拡大図である。

実施形態３において、水蒸気透過膜一体シール１の枠体３を成形する際に、突出部９ａに複数の切り込み９ｃを設け、単加湿器の積層組立時に積層する単加湿器の順番に従って、切り込み９ｃの中から１つを選択して該切り込み９ｃから先を切除し、この切り込み９ｃが設けられた突出部９ａの長さを変え、各突出部９ａの長さが加湿流体供給配管１２の接続部から積層方向に向かって均等でないようにしている。

これにより、供給・排出配管側５ａからセパレータ流路出入り口側５ｂへのガス通過部分の面積が、ガス配管の接続位置から単加湿器の積層方向に向かって進むほど小さくなり、さらに進むと次第に大きくなるように、すなわち、ガス配管の接続位置から単加湿器の積層方向に向かって極小値を持つようする。

例えば、マニホールド内壁から外側に向かって幅１．５ｍｍ，長さ９ｍｍの突出部９ａを突出させ、各突出部９ａの先端から２ｍｍ，４ｍｍ，６ｍｍの部分に幅０．３ｍｍ，深さ０．５ｍｍの楔型切欠きをもつ形状として切り込み９ｃを形成する。単加湿器を組み立てる際、積層する順番に従って突出部９ａの長さが９ｍｍ，７ｍｍ，５ｍｍ，３ｍｍとなるように切り込み９ｃのうち０個または１個を選択し、そこから先端を切除する。

このようにして、突出部９ａの長さ調整をすることにより、金型製作費用の大幅な削減と、金型の組み換え変更時間などを含めた製作時間の大幅な短縮を図ることができる。

この場合、前記のようにして突出部の長さが異なる単加湿器を、ガス配管入り口から積層方向に向かって全積層距離の４分の１のところで長さが極大となるように配設することが好ましい。

（実施形態４）
図７は本発明の実施形態４の水蒸気透過膜一体シールを単加湿器として形成した後に積層した燃料電池用加湿器における加湿側マニホールド部分の拡大図である。

実施形態４において、水蒸気透過膜一体シール１の枠体３とセパレータ１０の両方のマニホールドが、該マニホールドを二分割する橋梁部９ｄおよび９ｅを有してお互いに密着しており、この橋梁部９ｄ，９ｅが、マニホールドへの供給・排出配管の軸線１３と、該セパレータの流路と、マニホールドの接続部６との間に位置し、枠体３とセパレータ１０における橋梁部９ｄ，９ｅの少なくとも一方、本例では、枠体３側の橋梁部９ｄを横断する方向にガス流路９ｆを設け、このガス通過部分の面積が、ガス配管の接続位置から単加湿器の積層方向に向かって進むほど小さくなり、さらに進むと次第に大きくなるように、すなわち、ガス配管の接続位置から単加湿器の積層方向に向かって極小値を持つように配置している。

例えば、水蒸気透過膜２とマニホールド５を連絡する部分６より下部に幅１．５ｍｍの橋梁部を設け、この橋梁部にガス流路９ｆとしての奥行き１．５ｍｍの矩形穴を形成し、この矩形穴の長さが２ｍｍ，４ｍｍ，６ｍｍ，８ｍｍのものを４種類製作する。そして、この場合、ガス配管入り口から積層方向に向かって全積層距離の４分の１のところで、矩形穴の長さが極小となるよう配置することが好ましい。本実施形態４では、実施形態２と比べ、封入済窒素と空気の入れ替わり時間が長くなるが、マニホールド内の濃度分布がより均一になる。

（実施形態５）
図８（ａ）は本発明の実施形態５の水蒸気透過膜一体シールを単加湿器として形成した後に積層した燃料電池用加湿器における加湿側マニホールド部分の拡大図である。

実施形態５では、前記実施形態における突出部を、水蒸気透過膜一体シール１の枠体３を成形する際に形成された突出部９ｇの断面が板状の整流板としており、図８（ｂ）に示すように、突出部９ｇの長軸１４と重力方向１５がなす角度１６が積層された単加湿器によって一定ではなく、ガス配管の接続位置から単加湿器の積層方向に向かって進むほど大きくなり、さらに進むと次第に小さくなるように、すなわち、積層方向に極大値を持つように配置している。

例えば、マニホールド内壁から外側に向かって長軸１．５ｍｍ，短軸０．５ｍｍの楕円を断面とする突出部９ｇを突出させ、楕円の長軸と重力方向上向きのなす角度１６が０度，３０度，６０度，９０度の４種類のものを作製する。この場合、ガス配管入り口から積層方向に向かって全積層距離の４分の１の部位で、角度１６が極大となるように配置することが好ましい。

実施形態５では、楕円断面の突出部の整流作用により、封入済窒素と空気の入れ替わり遅延を生ずることなく、マニホールド内の濃度分布をより均一にすることできる。

（実施形態６）
図９（ａ）は本発明の実施形態６の水蒸気透過膜一体シールを単加湿器として形成した後に積層した燃料電池用加湿器における加湿側マニホールドの拡大図である。

実施形態６では、実施形態４に示す橋梁部を、水蒸気透過膜一体シール１の枠体３を成形する際に形成された橋梁部９ｈの断面が板状の整流板としており、図９（ｂ）に示すように、橋梁部９ｈの長軸１４と重力方向１５がなす角度１６が積層された単加湿器によって一定ではなく、ガス配管の接続位置から単電池の積層方向に向かって進むほど大きくなり、さらに進むと次第に小さくなるように、すなわち、積層方向に極大値を持つように配置している。

例えば、水蒸気透過膜２とマニホールド５を連絡する部分６より下部に長軸１．５ｍｍ，短軸０．５ｍｍの楕円を断面とする幅１．５ｍｍの橋梁部９ｈを設けて、楕円の長軸と重力方向上向きの成す角度が０度，３０度，６０度，９０度の４種類のものを作製する。この場合、ガス配管入り口から積層方向に向かって全積層距離の４分の１の部位で、角度１６が極大となるよう配置することが好ましい。

実施形態６では、楕円断面の橋梁部の整流作用により、封入済窒素と空気の入れ替わり遅延を生ずることなく、マニホールド内の濃度分布がより均一になることが期待できる。さらに、本実施形態においては、実施形態５に比べ、橋梁部部分の剛性が高く、水蒸気透過膜一体シールの成形後の変形が少なく、組立時においてミスアライメントを防止することができる。

（実施形態７）
図１０は本発明の実施形態７の水蒸気透過膜一体シールを単加湿器として形成した後に積層した燃料電池用加湿器の加湿側マニホールドにおける拡大図である。

実施形態７では、水蒸気透過膜一体シール１の枠体３を成形する際に形成された突出部９ｉの先端が、該先端以外の部分より積層方向に厚く、中央に中央穴９ｊを有する断面が略円形のパイプであり、突出部９ｉの先端部どうしが密着して配管９ｋを形成し、該配管９ｋの側面にガスの吹き出し口９ｌを有し、その吹き出し口９ｌの面積が単加湿器の積層方向によって極小値を持つように配置されており、前記のように形成された配管９ｋの積層方向末端にて外部からの配管を接続する。

例えば、マニホールド内壁から外側に向かって幅１．５ｍｍの突出部９ｉを突出させ、突出部９ｉの先端に外径５ｍｍ，内径３ｍｍで、長さが水蒸気透過膜一体シール１とセパレータ１０の厚さの合計９ｍｍより約０．０５ｍｍ短いパイプを形成する。このパイプの上面に幅３ｍｍで、長さが７ｍｍ，５ｍｍ，３ｍｍ，１ｍｍの矩形の吹き出し口９ｌを有する４種類のものを作製する。

そして、単加湿器を積層する際に、前記パイプがほぼ接するようにし、ガス配管入り口から積層方向に向かって全積層距離の４分の１の部位で、吹き出し口９ｌの長さが極小となるように配置することが好ましい。

実施形態７では、中央穴９ｊを有するパイプにおける吹き出し口９ｌの分配作用により、短時間で封入済窒素と空気の入れ替わりが完了し、マニホールド内濃度分布がより均一になることが期待できる。

（実施形態８）
図１１は本発明の実施形態８の水蒸気透過膜一体シールを単加湿器として形成した後に積層した燃料電池用加湿器における加湿側マニホールドの拡大図である。

実施形態８では、水蒸気透過膜一体シール１の枠体３を成形する際に形成された橋梁部９ｍの中央が、中央以外の部分より積層方向に厚く、中央に中央穴９ｊを有する断面が略円形であり、橋梁部９ｍの中央部どうしが密着して配管９ｎを形成し、該配管９ｎの側面にガスの吹き出し口９ｌを有し、該吹き出し口９ｌの面積が単加湿器の積層方向によって極小値を持つように配置されており、前記のように形成された配管９ｎの積層方向末端にて外部からの配管を接続する。

例えば、マニホールド５と水蒸気透過膜２を連絡する部分６より下に幅１．５ｍｍの橋梁部９ｍを形成し、橋梁部９ｍの中央に外径５ｍｍ，内径（中央穴）３ｍｍで、長さが水蒸気透過膜一体シール１とセパレータ１０の厚さの合計９ｍｍより約０．０５ｍｍ短いパイプを形成する。このパイプの上面に幅３ｍｍで、長さが７ｍｍ，５ｍｍ，３ｍｍ，１ｍｍの４種類の矩形の穴からなる吹き出し口９ｌを作製する。

そして、単加湿器を積層する際に前記パイプがほぼ接するようにし、ガス配管入り口から積層方向に向かって全積層距離の４分の１の部位で、吹き出し口９ｌの長さが極小となるよう配置することが好ましい。

実施形態８では、実施形態６と同様に、パイプにおける吹き出し口９ｌの分配作用により、短時間で封入済窒素と空気の入れ替わりが完了し、マニホールド内濃度分布がより均一になることが期待できる。さらに実施形態８においては、実施形態７と比べ、橋梁部の剛性が高く、水蒸気透過膜一体シールの成形後の変形が少なく、組立時においてミスアライメントを防止することができる。

（実施形態９）
図１２は本発明の実施形態９の水蒸気透過膜一体シールを単加湿器として形成した後に積層した燃料電池用加湿器における加湿側マニホールドの拡大図である。

実施形態９では、水蒸気透過膜一体シール１の枠体３を成形する際に形成された突出部９ｉの先端が、先端以外の部分より積層方向に厚く、中央に中央穴９ｊを有する断面が略円形であり、突出部９ｉの中央部どうしが密着して配管９ｋを形成し、該配管９ｋの下面にガスの吹き出し口９ｌを有し、該吹き出し口９ｌの面積が単加湿器の積層方向によって極小値を持つように配置されており、前記セパレータの流路とマニホールドを連絡する部分６と反対の方向に向くように配置され、前記のように形成された配管９ｋの積層方向末端にて外部からの配管を接続する。

例えば、マニホールド５と水蒸気透過膜２を連絡する部分６より下に幅１．５ｍｍの突出部９ｉを形成し、該突出部９ｉの先端に外径５ｍｍ，内径３ｍｍで、長さが水蒸気透過膜一体シール１とセパレータ１０の厚さの合計９ｍｍより約０．０５ｍｍ短いパイプを形成する。

前記パイプの下面に幅３ｍｍで、長さが７ｍｍ，５ｍｍ，３ｍｍ，１ｍｍの４種類の矩形の穴からなる吹き出し口９ｌを作製する。そして、単加湿器を積層する際に、前記パイプがほぼ接するようにし、ガス配管入り口から積層方向に向かって全積層距離の４分の１の部位で吹き出し口９ｌの長さが極小となるように配置する。

実施形態９では、実施形態６と同様に、吹き出し口９ｌの分配作用により、短時間で封入済窒素と空気の入れ替わりが完了し、マニホールド内濃度分布がより均一になることが期待できる。さらに、実施形態９においては、実施形態７と比べ、橋梁部より下に停留した気体を供給ガスの動圧で追い出す作用により、安定運転時において各単加湿器に供給されるガス濃度変化が少なく、より安定した運転が可能になる。

（実施形態１０）
図１３は本発明の実施形態１０の水蒸気透過膜一体シールを単加湿器として形成した後に積層した燃料電池用加湿器における加湿側マニホールドの拡大図である。

実施形態１０では、水蒸気透過膜一体シール１の枠体３を成形する際に形成された橋梁部９ｐの中央が、中央以外の部分より積層方向に厚く、中央に中央穴９ｊを有する断面が略円形である橋梁部９ｐの中央部どうしが密着して配管９ｑを形成し、該配管９ｑの下面にガスの吹き出し口９ｌを有し、該吹き出し口９ｌの面積が単加湿器の積層方向によって極小値を持つように配置されており、前記セパレータの流路とマニホールドを連絡する部分６と反対の方向に向くように配置され、前記のように形成された配管９ｑの積層方向末端にて外部からの配管を接続する。

例えば、マニホールド５と水蒸気透過膜２を連絡する部分６より下に幅１．５ｍｍの橋梁部９ｐを形成し、該橋梁部９ｐの中央に外径５ｍｍ，内径３ｍｍで、長さが水蒸気透過膜一体シール１とセパレータ１０の厚さの合計９ｍｍより約０．０５ｍｍ短いパイプを形成する。このパイプの下面に幅３ｍｍで、長さが７ｍｍ，５ｍｍ，３ｍｍ，１ｍｍの４種類の矩形の穴からなる吹き出し口９ｌを作製する。

実施形態１０では、単加湿器を積層する際に前記パイプがほぼ接するようにし、ガス配管入り口から積層方向に向かって全積層距離の４分の１の部位で吹き出し口９ｌの長さがが極小となるよう配置する。実施形態１０では、実施形態６と同様に、パイプの吹き出し口９ｌの分配作用により、短時間で封入済窒素と空気の入れ替わりが完了し、マニホールド内濃度分布がより均一になることが期待できる。

さらに実施形態１０においては、実施形態８と比べ、橋梁部より下に停留した気体を供給ガスの動圧で追い出す作用により、安定運転時において各単加湿器に供給されるガス濃度変化が少なく、より安定した運転が可能になる。

（実施形態１１）
図１４は本発明の実施形態１１の燃料電池用加湿器における水蒸気透過膜一体シールの斜視図である。

実施形態１１において、枠体３を成形する際に、マニホールドの突出部９ｒの先端９ｓをゲートとして金型内に樹脂を注入する。このときゲートである先端９ｓの積層方向の高さｈ１は、枠体３の厚さｔとほぼ同一寸法とし、被加湿側セパレータと加湿側セパレータの厚さの合計を超えないようにする。

例えば、マニホールド内壁から外側に向かって幅１．５ｍｍの突出部９ｒを突出させ、突出部９ｒの先端に直径５ｍｍの円柱を形成し、この円柱の底面を射出成形の樹脂注入位置として金型内で樹脂を充填する。残留するゲート９ｓの高さは、円柱の高さとの合計ｈ１が水蒸気透過膜一体シールとセパレータとの厚さの合計９ｍｍよりも低くなるようにする。

実施形態１１では、他の部分を樹脂注入位置として後加工で残留ゲートを削除する場合に比べ、工程数と製作時間を短縮できる。また、実施形態６に用いた水蒸気透過膜一体シールの作成の際、実施形態１１によって作成後、後加工によって、中央のパイプ穴と、噴出し用の矩形穴を形成することもできる。

（実施形態１２）
図１５は本発明の実施形態１２の燃料電池用加湿器における水蒸気透過膜一体シールの斜視図である。

実施形態１２において、枠体３を成形する際に、マニホールドの橋梁部９ｔの中央部９ｓをゲートとして金型内に樹脂を注入する。このときゲート９ｓの積層方向の高さｈ１は、枠体の厚さｔとほぼ同一寸法とし、被加湿側セパレータと加湿側セパレータの厚さの合計を超えないようにする。

例えば、マニホールド５と水蒸気透過膜２を連絡する部分６より下に幅１．５ｍｍの橋梁部９ｔを形成し、該橋梁部９ｔの中央に直径５ｍｍの円柱を形成し、この円柱の底面を射出成形の樹脂注入位置として金型内で樹脂を充填する。残留するゲート９ｓの高さは、円柱の高さとの合計ｈ１が前記水蒸気透過膜一体シールとセパレータの厚さの合計９ｍｍよりも低くなるようにした。このことにより、他の部分を樹脂注入位置として後加工で残留ゲートを削除する場合に比べ、工程数と製作時間を短縮することができる。

また、実施形態７や実施形態８に用いた水蒸気透過膜一体シールの作成の際、本実施形態１２によって作成した後、後加工によって、中央のパイプ穴と、噴出し用の矩形穴を形成することもできる。

以上の各実施形態においては、加湿側マニホールドに突出部や橋梁部を形成する場合について説明したが、被加湿側マニホールドにおいても同様に突出部や橋梁部を形成し、起動時や出力変更にための被加湿ガス流量変更の際に、ガスの入れ替えを短時間で行うことができる。

なお、以上の実施形態におけるセパレータは、グラファイトを熱硬化させた樹脂や熱可塑性の樹脂を成形したものや、金属板をプレスしたものでもよく、金属板を使う場合は、上記実施例における突出部や橋梁部をプレスした後、ねじるようにして製作してもよい。

さらに、突出部や橋梁部などの整流板は、排出側マニホールドに設けるようにしてもよく、この際、流路内のガスを排出するタイミングを積層方向の単加湿器によってばらつくことを防止することができる効果がある。

従来の燃料電池用加湿器においては、起動・停止・負荷変更などの過渡運転状態において、積層される全単加湿器に供給するガスが均一化するためには所定の時間を要し、安定な運転切り替えと、切り替え動作自身による性能劣化を抑制することが困難である。

これに対し、以上説明した各実施形態は、セパレータやシールの枠体の一部として形成され、外部からの被加湿ガス、加湿流体を単加湿器に分配供給・排出するためのマニホールドの内面壁の一部が、マニホールド内部かつ水蒸気透過膜に向かって突出しする１つまたは複数の突出部または橋梁部を有し、これらの突出部や橋梁部がマニホールドを供給・排出配管側とセパレータガス流路出入り口側に二分割するように配置されており、供給・排出配管側からセパレータ流路で出入り口側へのガス通過部分の面積が、ガス配管の接続位置から積層方向に向かって極小値を持つように配置されていることが特徴である。

このことによって、積層される全単加湿器へ、定常運転時に均一なガスを供給できるだけでなく、起動・停止・負荷変更などの過渡運転状態においても、積層される全単電池へより短時間で均一なガスを供給でき、したがって、安定な運転切り替えと、切り替え動作自身による性能劣化を抑制できるため、燃料電池用加湿器の信頼性を向上することができる。

また、本実施形態において、前記マニホールドを形成するセパレータまたは枠体の少なくとも一方が、マニホールドを二分割する橋梁部を有してお互いに密着させる場合には、前記橋梁部が、マニホールドへの供給・排出配管の軸線と前記セパレータの流路と前記マニホールドの接続部の間に位置し、セパレータの橋梁または枠体の橋梁のどちらか一方に橋梁と横断する方向に流路を有し、このガス通過部分の面積が、ガス配管の接続位置から単加湿器の積層方向に向かって極小値を持つように配置されていることで、積層される全単加湿器へより短時間で均一なガスを供給することができる。

また、前記セパレータまたは枠体の少なくとも一方に形成された突出部または橋梁部の断面が板状の整流板である場合には、楕円の長軸と重力方向が成す角度が積層された単加湿器によって一定ではなく、積層方向に極大値を持つように配置されていることで、積層される全単加湿器へより短時間で均一なガスを供給することができる。

また、前記マニホールド内に、前記セパレータまたは枠体の少なくとも一方によって形成された突出部の一部が、その部分以外より積層方向に厚い厚肉部となっており、中央に穴を有する断面が略円形であり、突出部や橋梁部の厚肉部どうしが密着して配管を形成する場合には、前記配管の側面にガスの吹き出し口を有し、その吹き出し口の面積が単加湿器の積層方向に向かって積層された単加湿器によって一定ではなく、極小値を持つように配置されることのより、積層される全単加湿器へより短時間で均一なガスを供給できる。

また、前記マニホールド内に、前記セパレータまたは枠体少なくとも一方によって形成された橋梁部の一部が、その部分以外より積層方向に厚い厚肉部となっており、中央に穴を有する断面が略円形であり、橋梁部の厚肉部どうしが密着して配管を形成し、前記配管の側面にガスの吹き出し口を有し、その吹き出し口の面積が単加湿器の積層方向に向かって極小値を持つように配置されている場合には、セパレータの流路とマニホールドを連絡する部分と反対の方向に向けられることにより、積層される全単加湿器へより短時間で均一なガスを供給することができる。

本発明の燃料電池用加湿器は、積層される全単加湿器へ、定常運転時に均一なガスを供給できるだけでなく、起動・停止・負荷変更などの過渡運転状態においても、積層される全単加湿器へ短時間で均一なガスを供給できる。したがって、安定な運転切り替えと、切り替え動作自身による性能劣化を抑制できるため、燃料電池用加湿器の信頼性を向上することができる。よって、本発明に係る燃料電池用加湿器は、家庭用コージェネレーションシステムや自動車用燃料電池への応用が好適である。

（ａ）は本発明の実施形態１の燃料電池用加湿器における水蒸気透過膜一体シールの加湿面側を示す図、（ｂ）は実施形態１における水蒸気透過膜一体シールの被加湿面側を示す図 （ａ）は実施形態１における加湿側セパレータの加湿側面を示す図、（ｂ）は実施形態１における被加湿側セパレータの被加湿側面を示す図 実施形態１における積層された燃料電池用加湿器の一部を破断して示す斜視図 本発明の実施形態２の燃料電池用加湿器における水蒸気透過膜一体シールの加湿面側を示す図 本発明の実施形態３の水蒸気透過膜一体シールを単加湿器として形成した後に積層した燃料電池用加湿器を示す斜視図 実施形態３における加湿側マニホールド部分の拡大図 本発明の実施形態４の水蒸気透過膜一体シールを単加湿器として形成した後に積層した燃料電池用加湿器における加湿側マニホールド部分の拡大図 （ａ）は本発明の実施形態５の水蒸気透過膜一体シールを単加湿器として形成した後に積層した燃料電池用加湿器における加湿側マニホールド部分の拡大図、（ｂ）は実施形態５における突出部の長軸と重力方向とがなす角度についての説明図 （ａ）は本発明の実施形態６の水蒸気透過膜一体シールを単加湿器として形成した後に積層した燃料電池用加湿器における加湿側マニホールドの拡大図、（ｂ）は実施形態６における橋梁部の長軸と重力方向とがなす角度についての説明図 本発明の実施形態７の水蒸気透過膜一体シールを単加湿器として形成した後に積層した燃料電池用加湿器の加湿側マニホールドにおける拡大図 本発明の実施形態８の水蒸気透過膜一体シールを単加湿器として形成した後に積層した燃料電池用加湿器における加湿側マニホールドの拡大図 本発明の実施形態９の水蒸気透過膜一体シールを単加湿器として形成した後に積層した燃料電池用加湿器における加湿側マニホールドの拡大図 本発明の実施形態１０の水蒸気透過膜一体シールを単加湿器として形成した後に積層した燃料電池用加湿器における加湿側マニホールドの拡大図 本発明の実施形態１１の燃料電池用加湿器における水蒸気透過膜一体シールの斜視図 本発明の実施形態１２の燃料電池用加湿器における水蒸気透過膜一体シールの斜視図

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
５ａ マニホールドの供給・排出配管側
５ｂ マニホールドの流路出入り口側
９ａ，９ｂ，９ｒ 突出部
９ｃ 切り込み
９ｄ，９ｅ，９ｔ 橋梁部
９ｆ ガス流路
９ｇ 突出部（整流板）
９ｈ，９ｐ 橋梁部（整流板）
９ｉ 突出部（パイプ）
９ｊ 中央穴
９ｋ．９ｎ，９ｑ 配管
９ｌ 吹き出し口
９ｍ 橋梁部（パイプ）
９ｓ 突出部の先端
１０ 加湿側セパレータ
１０ａ 被加湿側セパレータ
１２ 空気供給配管
１３ 空気供給配管の軸線
１６ 角度

Claims (3)

1. 燃料流体と酸化剤流体とを用いて発電を行う燃料電池に用いられ、水蒸気透過膜と、シール部が形成された枠体と、一方に加湿流体を供給排出する流路を有し、他方に被加湿流体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燃料電池用加湿器であって、
   前記セパレータに形成されたマニホールドの外側の内面壁の一部を前記マニホールドの内部かつ前記水蒸気透過膜に向かって突出させて突出部を設け、積層方向に隣り合うセパレータに形成された前記突出部の高さが異なることを特徴とする燃料電池用加湿器。
2. 前記突出部において、積層される前記単加湿器の中心部のものが最も高くなるように設置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。
3. 前記突出部を、１つまたは複数の切り込みを有し、かつ前記単加湿器の積層組立時に積層する単加湿器の順番に従って前記切り込みの中から１つを選択して該切り込みから先を切除できる構成にして、前記各突出部の長さが前記マニホールドへの供給・排出配管接続部から積層方向に向かって均等にならないように設定可能にしたことを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池用加湿器。

Images