JP7102857B2 - 燃料電池用加湿器の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池から導出される湿潤ガスから透湿膜を介して伝達される水分により、燃料電池に導入される乾燥ガスを加湿する燃料電池用加湿器の製造方法に関する。
従来の加湿器は、射出成形あるいはホットプレス等により樹脂が充填された透湿膜と、乾燥ガスが流れる乾燥ガス流路が透湿膜の片方の面に面するように設けられる乾燥ガスセパレータと、湿潤ガスが流れる湿潤ガス流路が透湿膜の他方の面に面するように設けられる湿潤ガスセパレータと、を有する。そして、個々の透湿膜と、乾燥ガスセパレータと、湿潤ガスセパレータとを、乾燥ガスセパレータ、透湿膜、湿潤ガスセパレータ、透湿膜の順に必要な枚数積み重ね合わせた後、これらをホットプレスする。このホットプレスにより、透湿膜に充填されている樹脂が再溶融して、透湿膜に乾燥ガスセパレータと湿潤ガスセパレータが両側からシール部に対応する位置で接着される。この様に、透湿膜は、乾燥ガスセパレータ、湿潤ガスセパレータに積み重ねた後に、初めて、乾燥ガスセパレータ、湿潤ガスセパレータと一体化される。(例えば、特許文献1参照)。
特開2006-156099号公報
個々の透湿膜は、乾燥ガスセパレータと、湿潤ガスセパレータと積み重ねた状態にて、初めて、乾燥ガスセパレータと、湿潤ガスセパレータと一体化されるため、個々の透湿膜の取扱いは煩わしいものであった。そこで、セパレータを積み重ねる前に、透湿膜とセパレータとをユニット化することが望まれている。
そこで、本発明は、セパレータを積み重ねる前に、透湿膜とセパレータとをユニット化することができる燃料電池用加湿器の製造方法の提供を目的とする。
上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池用加湿器の製造方法は、平板状のセパレータと透湿膜とを交互に積み重ねて形成され、前記透湿膜の一方の面に当接する前記セパレータの当接面に燃料電池に導入される乾燥ガスが流れる乾燥ガス流路が形成され、前記透湿膜の他方の面に当接する前記セパレータの当接面に前記乾燥ガスと比較して湿度の高くて前記燃料電池から導出される湿潤ガスが流れる湿潤ガス流路が形成され、前記湿潤ガス流路の湿潤ガスからの水分が前記透湿膜を通って前記乾燥ガス流路の乾燥ガスを加湿する燃料電池用加湿器の製造方法であって、前記セパレータの一方の面に前記透湿膜を設け、前記セパレータの一方の面に前記乾燥ガスまたは前記湿潤ガスが外部に流出するのを防止するシール部材を設けることにより、前記セパレータの前記一方の面に前記透湿膜および前記シール部材を一体的に設けたセパレータユニットを複数形成し、前記セパレータユニットの一方の面に別の前記セパレータユニットの他方の面を当接させて、前記セパレータユニットを積み重ねることにより形成されることを要旨とする。
本発明に係る燃料電池用加湿器の製造方法によれば、セパレータの一方の面に透湿膜を設け、セパレータの一方の面に乾燥ガスまたは湿潤ガスが外部に流出するのを防止するシール部材を設けることにより、セパレータの一方の面に透湿膜およびシール部材を一体的に設けたセパレータユニットを形成する。これにより、セパレータを積み重ねる前に、透湿膜とセパレータとが一体化されたセパレータユニットを構成できる。従って、セパレータを積み重ねる前に、透湿膜とセパレータとをユニット化することができる。
本発明の一実施形態における燃料電池用加湿器を示す概略図である。 燃料電池用加湿器を模式的に示す斜視図である。 セパレータの正面図である。 セパレータの背面図である。 図3AのA-A線断面図である。 シール枠を設けたセパレータの背面図である。 図4AのB-B線断面図である。 透湿膜を仮留めしたセパレータの正面図である。 図5AのC-C線断面図である。 セパレータユニットの正面図である。 図6AのD-D線断面図である。 図6Bに示すセパレータユニットを積み重ねた状態を説明する図である。 位置決めガイド部材を設けたセパレータユニットの正面図である。 位置決めガイド部材を設けたセパレータユニットの背面図である。 図8のE-E線断面図である。 図10に示すセパレータユニットを積層した状態を示す断面図である。 セパレータユニットの別の例を示す図4Bと同様な断面図である。
本発明に係る燃料電池用加湿器の製造方法の一実施形態について、以下、図面に基づいて説明する。
燃料電池用加湿器10は、図1に示す如く、燃料電池11に導入されるカソードガス(反応ガス)を加湿する。カソードガスは、大気をコンプレッサ12により取り込みした空気であり乾燥ガスである。燃料電池用加湿器10は、燃料電池11に導入する乾燥ガスを、燃料電池11から導出される湿潤ガスからの水分が透湿膜(後述する)を通って乾燥ガスを加湿する。燃料電池11から導出される湿潤ガスは、乾燥ガスと比較して湿度の高いガスである。透湿膜は、水分子を透過しガスを透過しないイオン交換樹脂膜、電解質膜等が利用可能である。
燃料電池用加湿器10は、図2に示す如く、複数のセパレータ20を積み重ねて形成したセパレータ群20gを積み重ねて積層方向(矢印X方向)に第一端プレート21および第二端プレート22で挟んで形成されている。
第一端プレート21は、乾燥ガスが流入する乾燥ガス入口21aと、湿潤ガスを流出させる湿潤ガス出口21bとを有する。第二端プレート22は、乾燥ガスが燃料電池11に向けて流出する乾燥ガス出口22aと、燃料電池11から導出された湿潤ガスが流入する湿潤ガス入口22bとを有する。
一つのセパレータ20の一方の面20aには、乾燥ガスが流れる乾燥ガス流路24が形成され、その一つのセパレータ20の他方の面20bには湿潤ガスが流れる湿潤ガス流路25が形成される。即ち、乾燥ガス流路24と湿潤ガス流路25は、各セパレータ20の表裏に設けられる。
セパレータ20は、乾燥ガス流路24に連通する乾燥ガス導入孔26と、乾燥ガス流路24に連通する乾燥ガス導出孔27と、湿潤ガス流路25に連通する湿潤ガス導入孔28と、湿潤ガス流路25に連通する湿潤ガス導出孔29とを、セパレータ20の厚み方向に貫通させて形成している。透湿膜23は隣接するセパレータ20に挟まれる構成であり、透湿膜23の一方の面23aに乾燥ガス流路24が構成され、透湿膜23の他方の面23bに湿潤ガス流路25が形成される(図7及び図11に示す)。
複数のセパレータ20が積み重ねて形成されたセパレータ群20gにおいて、各セパレータ20の乾燥ガス導入孔26は、セパレータ20の積層方向(矢印X方向)に重ねられて連通するガスマニホールド26xを形成している。各セパレータ20の乾燥ガス導出孔27は、積層方向(矢印X方向)に重ねられて連通するガスマニホールド27xを形成している。
各セパレータ20の湿潤ガス導入孔28は、積層方向(矢印X方向)に重ねられて連通するガスマニホールド28xを形成している。各セパレータ20の湿潤ガス導出孔29は、積層方向(矢印X方向)に重ねられて連通するガスマニホールド29xを形成している。
ガスマニホールド26xは、乾燥ガス入口21aと接続され、ガスマニホールド27xは、乾燥ガス出口22aと接続され、ガスマニホールド28xは、湿潤ガス入口22bと接続され、ガスマニホールド29xは、湿潤ガス出口21bと接続される。
図3Aは、乾燥ガス流路24が形成されるセパレータ20の一方の面20aを示す。図3Aに示すように、セパレータ20は、平板状をなしており、その互いに対向する対角隅部に、乾燥ガス導入孔26および乾燥ガス導出孔27が、乾燥ガス流路24に連通しつつ、セパレータ20の厚み方向に貫通するように形成されている。セパレータ20は、例えば、SUS(ステンレス鋼)等で形成されている。
乾燥ガス流路24には、乾燥ガス導入孔26から乾燥ガス導出孔27に向けて乾燥ガスを拡散しながら案内する複数のフィン30が形成されている。複数のフィン30に、透湿膜23が、図5Aに示す如く取り付けられる。セパレータ20は、湿潤ガス導入孔28が乾燥ガス流路24に連通しないように、周知のシール構造を備える。セパレータ20は、同様に湿潤ガス導出孔29が乾燥ガス流路24に連通しないように、周知のシール構造を備える。
従って、乾燥ガスは、乾燥ガス導入孔26から乾燥ガス流路24に至る。更に乾燥ガスは、乾燥ガス流路24において後述する透湿膜23により加湿されつつ、乾燥ガス導出孔27に向けて流れ、乾燥ガス導出孔27に導出される。なお、セパレータ20の一方の面20aには、図3Cに示す如く、透湿膜23及びシール部材40(後述する)が取付けられる取付け部41が設けられている。
図3Bは、湿潤ガス流路25が形成されるセパレータ20の他方の面20bを示す。図3Bに示すように、平板状のセパレータ20において、その互いに対向する対角隅部に、湿潤ガス導入孔28および湿潤ガス導出孔29が、湿潤ガス流路25に連通しつつ、セパレータ20の厚み方向に貫通するように形成されている。
湿潤ガス流路25には、湿潤ガス導入孔28から湿潤ガス導出孔29に向けて湿潤ガスを拡散しながら案内する複数のフィン31が形成されている。セパレータ20は、乾燥ガス導入孔26が湿潤ガス流路25に連通しないように、周知のシール構造を備える。セパレータ20は、同様に乾燥ガス導出孔27が湿潤ガス流路25に連通しないように、周知のシール構造を備える。
従って、湿潤ガスは、湿潤ガス導入孔28から湿潤ガス流路25に至る。更に湿潤ガスは、湿潤ガス流路25において透湿膜23により吸湿されつつ、湿潤ガス導出孔29に向けて流れ、湿潤ガス導出孔29に導出される。
セパレータ20の他方の面20aには必要に応じて、図3Cに示す如く、シール枠50(後述する)が取付けられる取付け部51が設けられている。なお、シール枠50は、必要に応じて、セパレータ20の他方の面20bにおけるシール性能を確保するものである。従って、セパレータ20の他方の面20bにおけるシール性能を確保できる場合には、シール枠50、取付け部51を設ける必要はないものである。
この様なセパレータ20からセパレータユニット20uを形成する燃料電池用加湿器10の製造方法について、以下説明する。セパレータ20は、必要に応じて、図4Aに示す如く、セパレータ20の他方の面20bに、シール枠50を設け、シール枠50は、図4Bに示す如く、取付け部51に嵌る構造である。シール枠50は、シール性を確保するためのものであり、例えば、材料として、PPS(ポリフェニレンサルファイド)等の樹脂が利用でき、熱圧着等にて、取付け部51に嵌めて設けることができる。
シール枠50は、図4Aに示す如く。外壁部50a、隔壁部50b及び隔壁部50cを有する。外壁部50aは、セパレータ20の他方の面20bの外縁全周に沿って設けられ、湿潤ガス流路25を流れる湿潤ガスが外部に流出するのを防止する。隔壁部50bは、乾燥ガス導入孔26の周囲を囲む様に設けられて、乾燥ガス導入孔26から乾燥ガスが湿潤ガス流路25に流出するのを防止する。隔壁部50cは、乾燥ガス導出孔27の周囲を囲む様に設けられて、乾燥ガス導出孔27から乾燥ガスが湿潤ガス流路25に流出するのを防止する。
次に、図5Aに示す如く、セパレータ20の一方の面20aに、透湿膜23を配置する。透湿膜23は、図5Aに示す如く、セパレータ20の一方の面積よりも小さい面積を有し、図5Bに示す如く、複数のフィン30上の取付け部41に、配置される。透湿膜23は、取付け部41に仮留めする。なお、透湿膜23は、仮留めに代えて、熱圧着等により、セパレータ20即ち複数のフィン30と一体化してもよい。
次に、図6Aに示す如く、シール部材40を、セパレータ20の一方の面20aの取り付け部41に取り付ける。シール部材40の取付け部41への取付けは、射出成形、熱圧着等にて行なうことができる。
シール部材40は、例えばフッ素ゴムが用いられ、外壁部40a、隔壁部40b、隔壁部40c及ぶ接合部40dを有する。外壁部40aは、セパレータ20の一方の面20aの外縁全周に沿って設けられ、乾燥ガス流路24を流れる乾燥ガスが外部に流出するのを防止する。隔壁部40bは、湿潤ガス導入孔28の周囲を囲む様に設けられて、湿潤ガス導入孔28から湿潤ガスが乾燥ガス流路24に流出するのを防止する。隔壁部40cは、湿潤ガス導出孔29の周囲を囲む様に設けられて、湿潤ガス導出孔29から湿潤ガスが乾燥ガス流路24に流出するのを防止する。
シール部材40の接合部40dは、図6Bに示す如く、透湿膜23をセパレータ20の一方の面20aに具体的には複数のフィン30に接合する。この様に、図6A及び図6Bに示す如く、シール部材40を設けたことにより、セパレータ20の一方の面20aに透湿膜23及びシール部材40を一体的に設けたセパレータユニット20uを形成することができる。
次に、図7に示す如く、セパレータユニット20uの一方の面20uaに別のセパレータユニット20uの他方の面20ubを当接させて、セパレータユニット20uを積み重ねてセパレータユニット群20ugを形成して、燃料電池用加湿器10を形成することができる。
図7に示す如く、セパレータユニット群20ugにおいて、平板状のセパレータ20と透湿膜23とを交互に積み重ねて、透湿膜23の一方の面23aに当接するセパレータ20の当接面(一方の面20aが相当する)に燃料電池11に導入される乾燥ガスが流れる乾燥ガス流路24が形成される。
透湿膜23の他方の面23bに当接するセパレータ20の当接面(他方の面20bが相当する)に乾燥ガスと比較して湿度の高くて燃料電池11から導出される湿潤ガスが流れる湿潤ガス流路25が形成される。これにより、湿潤ガス流路25の湿潤ガスからの水分が透湿膜23を通って乾燥ガス流路24の乾燥ガスを加湿する燃料電池用加湿器10を形成することができる。
セパレータユニット20uの一方の面20uaに別のセパレータユニット20uの他方の面20ubを当接させて、セパレータユニット20uを積み重ねる際に、セパレータユニット20u相互の位置決めができる例を、図8乃至図11に基づいて説明する。互いに嵌合する対の位置決めガイド部材60をガイド突起60aとガイド穴60bにて構成する。
ガイド突起60aは、図8及び図10に示す如く、例えば、セパレータユニット20uの一方の面20ua具体的にはシール部材40に、二個設けられる。ガイド穴60bは、図9及び図10に示す如く、セパレータユニット20uの他方の面20ub具体的にはシール枠50に、二個設けられる。ガイド突起60aは、シール部材40と同様な方法により形成することができる。また、ガイド穴60bは、シール枠50の形成と同様な方法により形成することができる。なお、位置決めガイド部材60は、ガイド突起60aをセパレータユニット20uの他方の面20ubに設け、ガイド穴60bをセパレータユニット20uの一方の面20uaに設けることも可能である。
位置決めガイド部材60が設けられたセパレータユニット20uは、図11に示す如く、ガイド突起60aを対象のセパレータユニット20uのガイド穴60bに嵌めてセパレータユニット20u相互の位置決めを行なわれる。位置決めガイド部材60にて位置決めされるセパレータユニット20uは、その積み重ねを精度よく行なうことができ、セパレータユニット群20ugの形勢が容易となる。
次に、シール枠50を備えないセパレータユニット20uに、前述の位置決めガイド部材60と同様な位置決めガイド部材61を形成する例を、図12に基づいて説明する。位置決めガイド部材61は、位置決めガイド部材60と同様に、ガイド突起61aとガイド穴61bにて構成する。ガイド突起61aは、ガイド突起60aと同様に、シール部材40に二個設けられる。ガイド穴61bは、図12に示す如く、セパレータユニット20uの他方の面20ubに二個設けられる。ガイド突起61aは、シール部材40と同様な方法により形成することができる。また、ガイド穴61bは、セパレータ20の形成と同様な方法により形成することができる。位置決めガイド部材61の作用は、位置決めガイド部材60と同様である。
なお、セパレータ20の一方の面20aに、透湿膜23とシール部材40を設けて、乾燥ガス流路24が形成された例を説明したが、これに代えて、透湿膜23とシール部材40を設けたセパレータ20の一方の面20aに湿潤ガス流路25を設けることも可能である。
セパレータ20にSUS(ステンレス鋼)を使用した例を説明したが、これに限らず、樹脂例えば、PPS(ポリフェニレンサルファイド)、PPA(ポリフタルアミド)、PEN(ポリエチレンナフタレート)、PES(ポリエーテルサルフォン)、LCP(リキッドクリスタルポリマー)、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)、シリコーンゴム、フッ素ゴム又はEPDM(エチレンプロピレンゴム)等も使用可能である。また、シール枠50は、PPSの例を説明したが、セパレータ20と同様に、上記の樹脂を使用可能である。
また、セパレータ20は、SUSの他、金属例えば、アルミニウム、チタン等が使用可能であり、樹脂や金属材料以外にも、炭素材料、炭素―樹脂複合材料等も使用可能である。
シール部材40としてフッ素ゴムを使用した例を説明したが、その他、シリコーンゴム、EPDM、NBR、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。
上述のように、本発明の実施形態による燃料電池用加湿器の製造方法によれば、平板状のセパレータ20と透湿膜23とを交互に積み重ねて形成され、透湿膜23の一方の面23aに当接するセパレータ20の当接面(一方の面20a)に燃料電池11に導入される乾燥ガスが流れる乾燥ガス流路24が形成され、透湿膜23の他方の面23bに当接するセパレータ20の当接面(他方の面20b)に乾燥ガスと比較して湿度の高くて燃料電池11から導出される湿潤ガスが流れる湿潤ガス流路25が形成され、湿潤ガス流路25の湿潤ガスからの水分が透湿膜23を通って乾燥ガス流路24の乾燥ガスを加湿する燃料電池用加湿器10の製造方法であって、セパレータ20の一方の面20aに透湿膜23を設け、セパレータ20の一方の面20aに乾燥ガスまたは湿潤ガスが外部に流出するのを防止するシール部材40を設けることにより、セパレータ20の一方の面20aに透湿膜23およびシール部材40を一体的に設けたセパレータユニット20uを形成し、セパレータユニット20uの一方の面20uaにセパレータユニット20uの他方の面20ubを当接させて、セパレータユニット20uを積み重ねることにより形成される。これにより、セパレータ20の一方の面20aに透湿膜23を設け、セパレータ20の一方の面20aに乾燥ガスまたは湿潤ガスが外部に流出するのを防止するシール部材40を設けることにより、セパレータ20の一方の面20aに透湿膜23およびシール部材40を一体的に設けたセパレータユニット20uを形成できる。従って、セパレータ20を積み重ねる前に、透湿膜23とセパレータ20とが一体化されたセパレータユニット20uを構成できる。従って、セパレータ20を積み重ねる前に、透湿膜23とセパレータ20とをユニット化することができる。
上述のように、本発明の実施形態による燃料電池用加湿器の製造方法によれば、セパレータユニット20uの一方の面20uaとセパレータユニット20uの他方の面20ubとに、セパレータユニット20uを積み重ねる際の位置決めができる対の位置決めガイド部材60を設けて、セパレータユニット20uを積み重ねる。これにより、セパレータユニット20u相互の位置決めを行なうことができるため、セパレータユニット20uは、その積み重ねを精度よく行なうことができ、セパレータユニット群20ugの形勢が容易となる。
上述のように、本発明の実施形態による燃料電池用加湿器の製造方法によれば、位置決めガイド部材60、61をシール部材40に形成する。これにより、位置決めガイド部材60、61はシール部材40を利用して設けることができる。
上述のように、本発明の実施形態による燃料電池用加湿器の製造方法によれば、セパレータユニット20uの一方の面20uaに乾燥ガス流路24が形成され、シール部材40に乾燥ガス流路24へ湿潤ガスが流出するのを防止する隔壁部40b、40cが形成される。隔壁部40b、40cにより、乾燥ガス流路24への湿潤ガスの流入の防止を高めることができ、燃料電池11へ不純物が混入するのを防止できる。
上述のように、本発明の実施形態による燃料電池用加湿器の製造方法によれば、セパレータユニット20uの他方の面20ubに乾燥ガスまたは湿潤ガスが外部に流出するのを防止するシール枠50を設ける。これにより、セパレータユニット20uの他方の面20ubから、乾燥ガスまたは湿潤ガスが外部に流出するのを確実に防止できる。
上述のように、本発明の実施形態による燃料電池用加湿器の製造方法によれば、シール枠50に、湿潤ガス流路25へ乾燥ガスが流出するのを防止する隔壁部50b、50cが形成される。これにより、湿潤ガス流路25へ乾燥ガスが流出するのを確実に防止できる。
なお、複数の実施の形態が存在する場合、特に記載がある場合を除き、各々の実施の形態の特徴部分を適宜組合せることが可能であることは、明らかである。
10…燃料電池用加湿器 11…燃料電池 20…セパレータ 20u…セパレータユニット 23…透湿膜 24…乾燥ガス流路 25…湿潤ガス流路 40…シール部材 40b、40c…隔壁部 50…シール枠 50b、50c…隔壁部 60、61…位置決めガイド部材。

Claims (6)

  1. 平板状のセパレータと透湿膜とを交互に積み重ねて形成され、前記透湿膜の一方の面に当接する前記セパレータの当接面に燃料電池に導入される乾燥ガスが流れる乾燥ガス流路が形成され、前記透湿膜の他方の面に当接する前記セパレータの当接面に前記乾燥ガスと比較して湿度の高くて前記燃料電池から導出される湿潤ガスが流れる湿潤ガス流路が形成され、前記湿潤ガス流路の湿潤ガスからの水分が前記透湿膜を通って前記乾燥ガス流路の乾燥ガスを加湿する燃料電池用加湿器の製造方法であって、
    前記セパレータの一方の面に前記透湿膜を設け、前記セパレータの一方の面に前記乾燥ガスまたは前記湿潤ガスが外部に流出するのを防止するシール部材を設けることにより、前記セパレータの前記一方の面に前記透湿膜および前記シール部材を一体的に設けたセパレータユニットを複数形成し、
    前記セパレータユニットの一方の面に別の前記セパレータユニットの他方の面を当接させて、前記セパレータユニットを積み重ねることにより形成される燃料電池用加湿器の製造方法。
  2. 前記セパレータユニットの前記一方の面に設けた第一ガイド部材前記別の前記セパレータユニットの前記他方の面に設けた第二ガイド部材を位置決めして、前記セパレータユニットを積み重ねる請求項1に記載の燃料電池用加湿器の製造方法。
  3. 前記第一ガイド部材前記シール部材に形成されている請求項2に記載の燃料電池用加湿器の製造方法。
  4. 前記セパレータユニットの前記一方の面に前記乾燥ガス流路が形成され、前記シール部材に前記乾燥ガス流路へ前記湿潤ガスが流出するのを防止する隔壁部が形成される請求項1乃至3のいずれか1項に記載の燃料電池用加湿器の製造方法。
  5. 前記セパレータユニットの前記他方の面に前記乾燥ガスまたは前記湿潤ガスが外部に流出するのを防止するシール枠設けられた請求項1乃至4のいずれか1項に記載の燃料電池用加湿器の製造方法。
  6. 前記シール枠に、前記湿潤ガス流路へ前記乾燥ガスが流出するのを防止する隔壁部が形成される請求項5に記載の燃料電池用加湿器の製造方法。
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