JP7384098B2

JP7384098B2 - 加湿器

Info

Publication number: JP7384098B2
Application number: JP2020059413A
Authority: JP
Inventors: 宇管
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2020-03-30
Filing date: 2020-03-30
Publication date: 2023-11-21
Anticipated expiration: 2040-03-30
Also published as: JP2021158054A

Description

本発明は、加湿器に関する。

燃料電池のカソード側に供給されるカソードガスを加湿するための加湿器は、ガスを案内するセパレータと、複数の水を透過する膜とを交互に配置する構成が多く採用され、例えば、以下に説明する特許文献１と特許文献２とが存在する。

特許文献１には、燃料電池を構成する複数の発電セル、及び、加湿器を構成する複数のセパレータと水透過性膜とを積層し、複数のボルトにより連結した燃料電池システムが記載されている。つまり、複数の締め付けボルトの締結により複数の発電セルと、複数のセパレータとを積層状態に維持している。また、複数の締め付けボルトに対し弾性円筒体を外嵌することにより、加湿器全体のばね定数を調整するように構成されている。

この燃料電池システムは、加湿器の外面となる第３エンドプレートに形成した空気入口連通孔から加湿器に空気を供給し、加湿器で加湿された空気を燃料電池に供給する。また、燃料電池から排出される含水空気を加湿器に供給することで、空気入口連通孔から供給された空気に水分を与え、この加湿器で加湿した後の空気を空気オフガス出口排出連通口孔から排出するように構成されている。

特許文献２にはセパレータと加湿膜とを交互に配置して積層し、これらの積層方向の外端に加圧板を配置し、両端の加圧板を貫通する複数のねじ棒の一端側にナットと座金とバネを備えた加湿器が記載されている。

特開２００７－２３４３１４号公報特開２００７－１６３０３５号公報

特許文献１、特許文献２に示されるように加湿器は、ガス流路が両面に形成されたプレート状部材（以下、セパレータと称する）と、水の透過が可能な膜（以下、水交換膜と称する）とを交互に配置し、これらを積層する構成が多く採用されている。

このような加湿器では、セパレータと水交換膜との間のシール性能を維持するために、これらを適切な荷重で圧接させることが必要となる。また、従来からの加湿器では、セパレータが樹脂材の成形物であるため、寸法精度に僅かなバラツキが発生し、また、成形時の歪みにより僅かに湾曲する等の変形を招くおそれがある。このようなセパレータを用いる場合には、積層方向に適切な荷重を加えることにより、実用上は不都合を生ずることなく、必要とする性能を発揮させるために何らかの対策が必要であった。

しかしながら、例えば、特許文献２に記載されるようにバネの荷重を作用させる構成で、バネの荷重が過大でない場合でも、継続的に荷重が作用することによりセパレータが樹脂クリープ現象により変形するおそれがあり、また、樹脂が経年劣化する現象も加わるため、水透過膜を挟んで隣合う位置のセパレータの当接する全面の圧力が不均一になり、シール性能に悪影響を与えることが起こり得る。

このような理由から、長期に亘って使用しても、セパレータと水交換膜とを良好に密着させシール性を維持できる加湿器が求められる。

本発明に係る加湿器の特徴構成は、一方の面に含水ガス流路が形成され、他方の面に乾燥ガス流路が形成された板状の複数のセパレータと、前記含水ガス流路と前記乾燥ガス流路とが交互になるように複数の前記セパレータが積層された状態で、隣接する前記セパレータの境界に挟み込まれる水交換膜と、積層された複数の前記セパレータの前記含水ガス流路に含水ガスを供給する含水ガス供給部と、積層された複数の前記セパレータの前記乾燥ガス流路に乾燥ガスを供給する乾燥ガス供給部と、外部から供給されるガスのガス圧により、複数の前記セパレータに対して積層方向に圧力を作用させる加圧ユニットを備え、前記加圧ユニットが、積層された複数の前記セパレータのうち積層方向の端部位置のものに対し隣接して配置される加圧体と、乾燥ガスのガス圧の作用により前記積層方向に沿う方向に作動することで、前記加圧体に対し前記積層方向に沿う方向に圧力を作用させるピストンと、前記乾燥ガス供給部から供給される乾燥ガスの一部を前記ピストンに供給する加圧流路と、を備えている点にある。

この特徴構成によると、加湿器で加湿を行う場合に外部からガスを供給することで、ガスを供給している間だけセパレータと水交換膜との積層方向に荷重（ガス圧）を作用させることが可能となり、ガス供給が停止しているときには積層方向に荷重を作用させないので、バネ等を用いて荷重を得る構成のように継続的に荷重を作用させた場合の変形を緩和できる。
従って、長期に亘って使用しでも、セパレータと水交換膜とを良好に密着させシール性を維持できる加湿器が構成された。

これによると、加圧流路から供給される乾燥ガスの圧力でピストンを作動させ、このピストンの圧力を、加圧体を介して複数のセパレータに対して積層方向に作用させるため、ピストンを作動させるために専用のガス供給源を用いる必要がない。また、ピストンの圧力を加圧体の広い面を介してセパレータに作用させるため、セパレータに対して均一の圧力を作用させることも可能となる。

上記構成に加えた構成として、前記ピストンのうち乾燥ガスの圧力が作用する面積が、前記積層方向に沿う方向視での前記セパレータの面積より大きくても良い。

また、乾燥ガスがセパレータを離間させる方向に作用させる単位面積あたりの圧力より、ピストンからセパレータに作用させる単位面積あたりの圧力を大きくして、セパレータ同士を確実に密着させることが可能となる。

上記構成に加えた構成として、前記乾燥ガス供給部が、乾燥ガスを送り出すポンプと、前記ポンプからの乾燥ガスが供給される乾燥ガス供給路と、前記乾燥ガス供給路を開閉する開閉バルブとを備え、前記加圧流路が、前記乾燥ガス供給路のうち、前記開閉バルブの上流側に接続しても良い。

これによると、例えば、燃料電池の発電を一時的に停止した場合のように、開閉バルブが閉じた状態であっても、複数のセパレータの圧着状態を維持でき、複数のセパレータと水交換膜との間からガスを漏出させることもない。

上記構成に加えた構成として、複数の前記セパレータを互いに圧接させる方向に付勢力を作用させる付勢部材を備えても良い。

これによると、ガス圧が作用しない場合でも複数のセパレータの圧着状態を維持することが可能となる。

加湿器の斜視図である。加湿器とガス流路とを示す平面図である。上部プレートとセパレータと水交換膜と配置を示す分解斜視図である。セパレータの下面を示す斜視図である。加湿器の断面と供給路と加圧流路とを示す図である。別実施形態（ａ）の加湿器の断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
〔基本構成〕
図１～図３、図５に示すように、上端の上部プレート１と、下端の下部ケース２とを複数の連結ロッド３の連結により一体化した本体フレーム部Ｆを備え、下部ケース２の上側に対し上下に移動自在な加圧体４を配置し、上部プレート１と加圧体４の間に加湿ユニットＨを配置し、外部の加圧流路２４から供給される空気（ガスの一例）の空気圧（ガス圧の一例）により加圧体４を作動させ、上部プレート１と加圧体４との間に加湿ユニットＨの複数のセパレータ６を挟み込むことで複数のセパレータ６に積層方向に荷重を作用させる加圧ユニットＰを備えて加湿器Ａが構成されている。

図５に示すように、この加湿器Ａでは、コンプレッサ２１（ポンプの一例）で加圧された空気（乾燥ガスの一例）が供給路２２（乾燥ガス供給路の一例）と開閉バルブ２３とを介して供給される。この構成では、コンプレッサ２１と、供給路２２と、開閉バルブ２３とで乾燥ガス供給部が構成されている。また、図２に示すように、加湿器Ａに対して燃料電池Ｂから排出された含水ガスが供給される含水ガス供給部の一部としての含水ガス供給管路１７が形成されている。

燃料電池Ｂは、水素ガスを含む燃料ガスと、酸素ガスを含む空気とを供給することで発電が行われる。燃料電池Ｂは、発電により燃料電池Ｂから排出される反応後の空気に多くの水が水蒸気の状態で含まれる。このように水を含む空気を含水空気と称する。

加湿器Ａは、燃料電池Ｂに供給される空気（以下、乾燥空気と称する）を加湿する。つまり、加湿器Ａは、含水空気と、乾燥空気とを供給することにより加湿ユニットＨにおいて、含水空気に含まれる水分を、乾燥空気に与え、加湿空気を作り出すように機能する。尚、図１、図５の加湿器Ａでは、上端に上部プレート１を配置した姿勢を示しているが、この加湿器Ａは、この姿勢で用いるものに限らず横向き姿勢や斜め姿勢で用いても良い。

〔加湿ユニット〕
図３、図４に示すように、加湿ユニットＨは、樹脂材で成る複数の板状のセパレータ６と、樹脂膜で成る複数の水交換膜７とを交互に重ね合わせて積層されている。セパレータ６は、一方の面（実施形態では上面）に乾燥ガス流路６Ｄが形成され、他方の面（実施形態では下面）に含水ガス流路６Ｗが形成されている。そして、積層状態で、隣接する含水ガス流路６Ｗ、及び、乾燥ガス流路６Ｄの境界に挟み込まれる位置に水交換膜７が配置される。

含水ガス流路６Ｗは、含水ガス供給口６Ｗａから含水ガス排出口６Ｗｂに向けて対角線に沿う方向に乾燥ガスを流し、乾燥ガス流路６Ｄは、乾燥ガス供給口６Ｄａから乾燥ガス排出口６Ｄｂに向け、含水ガスが流れる方向と交差する対角線に沿う方向に含水ガスを流すように流路の姿勢が設定されている。セパレータ６と水交換膜７との中央には後述するセンターロッド１０が挿通する貫通孔が形成されている。

このように含水ガス流路６Ｗと乾燥ガス流路６Ｄとが形成されるため、加湿ユニットＨでは、図２、図５に示すように、積層された複数のセパレータ６の夫々の含水ガス供給口６Ｗａが積層方向に延びる１つの空間となり、積層された複数のセパレータ６の夫々の含水ガス排出口６Ｗｂが、積層方向に延びる１つの空間となる。これと同様に、積層された複数のセパレータ６の夫々の乾燥ガス供給口６Ｄａが積層方向に延びる１つの空間となり、積層された複数のセパレータ６の夫々の乾燥ガス排出口６Ｄｂが積層方向に延びる１つの空間となる。

尚、図２には、夫々の空間に対して含水ガス供給口６Ｗａ、含水ガス排出口６Ｗｂ、乾燥ガス供給口６Ｄａ、乾燥ガス排出口６Ｄｂの夫々と共通する符号を付している。

加圧体４は、積層された複数のセパレータ６のうち積層方向の下端部位置のものに対し下側に隣接して配置されている。この加圧体４には、図２に示すように、含水ガス供給口６Ｗａに連通する含水ガス供給ポート４Ｗａと、含水ガス排出口６Ｗｂに連結する含水ガス排出ポート４Ｗｂと、乾燥ガス供給口６Ｄａに連通する乾燥ガス供給ポート４Ｄａと、乾燥ガス排出口６Ｄｂに連通する乾燥ガス排出ポート４Ｄｂとが形成されている。

尚、この加圧体４は、図２に示すように、乾燥ガス供給ポート４Ｄａに対して供給路２２から乾燥空気が供給され、含水ガス供給ポート４Ｗａに対して含水ガス供給管路１７から含水空気が供給される。

〔本体フレーム部と加圧ユニット〕
図１、図２に示すように、前述した上部プレート１は平面視で多角形状に成形され、前述した下部ケース２は平面視で円形に成形されている。図５に示すように、加湿器Ａは、上部プレート１の中央と、下部ケース２の中央とを結ぶセンターラインＸと同軸芯でセンターロッド１０を備えている。このセンターロッド１０は、上部プレート１と、複数のセパレータ６と、複数の水交換膜７と、加圧体４と、下部ケース２とが積層された状態で上下に貫通するように備えられ、センターロッド１０の上端部に抜け止めプレート１０ａが一体形成され、下端部が下部ケース２の底部に対してボルト１１により固定されている。

また、下部ケース２は、中央部にスプリング収容空間２ａを形成し、この外部にリング状に形成されたシリンダ状空間２ｂが形成されている。

加圧ユニットＰは、スプリング収容空間２ａに収容された圧縮コイル型のスプリング１２（付勢部材の一例）と、シリンダ状空間２ｂに収容されたピストン１３と、加圧体４と加圧流路２４とを有している。また、ピストン１３の外周と、シリンダ状空間２ｂとの間にシールリング１４を備えている。

ピストン１３は、加圧体４を加湿ユニットＨの方向に作動させる荷重を発生させるものであり、ピストン１３の押圧面と、加圧体４の受圧面との間にゴムシート１５を配置することでピストン１３の作動による荷重を押圧面から加圧体４の受圧面の全面に等しく作用させ、複数のセパレータ６と水交換膜７とを全面に亘って良好に密着させている。

加圧ユニットＰは、下部ケース２のスプリング１２とピストン１３と有すると共に、加圧体４を有し、ピストン１３に乾燥ガスを供給する加圧流路２４を有している。

加圧体４の乾燥ガス供給ポート４Ｄａは、コンプレッサ２１（ポンプの一例）からの乾燥ガスとしての空気を供給する供給路２２が接続されており、この供給路２２には電磁式の開閉バルブ２３が介装されている。また、加圧流路２４は、コンプレッサ２１と開閉バルブ２３との間の供給路２２に分岐接続されており、この加圧流路２４からの空気が下部ケース２の底面の供給プラグ２５を介してシリンダ状空間２ｂに供給される。

また、この加圧ユニットＰでは、積層方向に沿う方向視において加圧体４に圧力を作用させるピストン１３の面積が、積層方向に沿う方向視におけるセパレータ６の面積より大きい値に設定されている。これにより、乾燥ガス、あるいは、含水ガスがセパレータ６を離間させる方向に作用させる単位面積あたりの圧力より、ピストン１３からセパレータ６に作用させる単位面積あたりの圧力が大きくなり、複数のセパレータ６の夫々を確実に密着させる。

また、スプリング１２の付勢力は、加湿ユニットＨにガスが供給されない状態で、複数のセパレータ６が密着する状態を維持する値に設定している。

図２に示すように、加湿器Ａは、乾燥ガス排出ポート４Ｄｂから加湿空気を排出し、この加湿空気が燃料電池Ｂのカソード側に供給される。また、燃料電池Ｂのカソード側から排出される反応後の空気（カソードオフガス）には多くの水蒸気が含まれる含水空気となるため、この含水空気は、加湿器Ａの含水ガス供給ポート４Ｗａに供給される。

このように含水ガス供給ポート４Ｗａから含水空気が加湿ユニットＨに供給され、乾燥ガス供給ポート４Ｄａから供給される乾燥空気が加湿される。

〔加圧ユニットによる加圧作動〕
前述したように加圧ユニットＰが構成されているため、燃料電池Ｂで発電を行うためにコンプレッサ２１を作動させた場合には、加圧流路２４に加圧された空気（乾燥空気）が供給されるため、空気の圧力で下部ケース２のピストン１３を作動させ、このピストン１３の作動により、加圧体４からの荷重で複数のセパレータ６を圧着させる。

この空気の圧力による荷重は、コンプレッサ２１を作動させてシリンダ状空間２ｂに乾燥空気が供給された場合にのみ作用し、コンプレッサ２１を停止させてシリンダ状空間２ｂに乾燥空気が供給されないときには作用しないので、例えば、ばねを用いてセパレータ６を圧接させる構成と比較すると、ばねにより常時圧力が作用することでセパレータ６の一部を樹脂クリープ現象により塑性変形させることや、セパレータ６を湾曲させる等の不都合を招くことがない。

また、燃料電池Ｂでの発電を一時的に停止するために開閉バルブ２３を閉じた場合にも加圧流路２４からの空気をピストン１３に供給できるため、セパレータ６を圧接状態に維持でき、セパレータ６と水交換膜７とを全面に亘って密着させ、良好なシール性を維持できる。また、ピストン１３で圧力を作用させる面積が、セパレータ６の面積より大きいため、常にセパレータ６と水交換膜７とを確実に密着させ、空気を無駄に漏出させることもない。

〔別実施形態〕
本発明は、上記した実施形態以外に以下のように構成しても良い（実施形態と同じ機能を有するものには、実施形態と共通の番号、符号を付している）。

（ａ）図６に示す加湿器Ａは、上端の上部プレート１と、下端の下部ケース２とを上下に貫通するセンターロッド１０をセンターラインＸと同軸芯で備え、下部ケース２のシリンダ状空間２ｂにピストン１３を上下方向に移動自在に収容し、ピストン１３をシールするシールリング１４を下部ケース２に備えている。また、センターロッド１０の上端には、このセンターロッド１０を上方に引き上げる付勢力を作用させる圧縮コイル型のスプリング１２を備えている。

この別実施形態（ａ）の加湿器Ａは、ピストン１３の上面に加圧体４を備えており、この加圧体４の上面と上部プレート１との間に加湿ユニットＨが配置されている。また、加圧体４は、供給路２２を介して外部から乾燥ガス（乾燥空気）を受け入れる乾燥ガス供給ポート４Ｄａと、加湿されたガス（加湿空気）を排出する乾燥ガス排出ポート４Ｄｂとを備えている。

更に、この別実施形態（ａ）の加湿器Ａでは、乾燥ガス供給口６Ｄａに供給された乾燥ガスの一部をシリンダ状空間２ｂに供給する加圧流路２４を備えている。

図６には示していないが、この別実施形態（ａ）は、加湿ユニットＨは実施形態と同様に一方の面に含水ガス流路６Ｗが形成され、他方の面に乾燥ガス流路６Ｄが形成された樹脂材で成る板状のセパレータ６と、セパレータ６が積層される状態で、隣接する含水ガス流路６Ｗ、及び、乾燥ガス流路６Ｄの境界に挟み込まれる水交換膜７とを有している。

この別実施形態（ａ）の加湿器Ａは、スプリング１２と、ピストン１３と、加圧体４とで成る加圧ユニットＰを備えている。このような構成から、加圧体４に乾燥空気を供給することで、乾燥空気を加湿ユニットＨに供給して加湿が行われ、加圧体４に供給された乾燥ガスの一部が、加圧流路２４を介してシリンダ状空間２ｂに供給される。これによりピストン１３が作動し、この作動による荷重が加圧体４を介して加湿ユニットＨに圧力を作用させるため、セパレータ６と水交換膜７との良好な圧着を可能にしている。

この別実施形態（ａ）でも、実施形態と同様に、常時圧力が作用することに起因してセパレータ６の一部を塑性変形させることや、セパレータ６を湾曲させる等の不都合を招くことがない。これにより、例えば、ばねを用いてセパレータ６を圧接させる構成と比較すると、セパレータ６と水交換膜７とを全面に亘って密着させ、良好なシール製を維持できる。

（ｂ）加圧ユニットＰから加圧ガスが供給されない状態においても、加湿ユニットＨの複数のセパレータ６を圧着させる付勢部材を、スプリング１２に代えて、例えば、下部ケース２のシリンダ状空間２ｂの底壁となる部材に対して上向きに突出する突起で構成することが考えられる。これと同様に、上部プレート１の下面に下方に向けて突出し、弾性変形可能な突起を形成することも考えられる。このように構成することにより、加湿器Ａを構成する部材の一部の形状を変更することによりスプリング１２を用いずに付勢力を得ることが可能となる。

（ｃ）供給するガスは、専用のポンプで加圧流路２４に供給することも可能である。また、加圧流路２４に供給するガスは、乾燥ガスに限るものではなく、含水ガスを用いても良く、その他の任意のガスを用いることも可能である。

（ｄ）セパレータ６の形状は実施形態に示したものに限るものはなく、加圧体４に形成されるポートの配置も実施形態に示した位置に限らず、任意の位置に配置できる。

本発明は、燃料電池に供給されるガスを加湿する加湿器に利用することができる。

４加圧体
６セパレータ
６Ｄ乾燥ガス流路
６Ｗ含水ガス流路
７水交換膜
１２スプリング（付勢部材：加圧ユニット）
１３ピストン（加圧ユニット）
２１コンプレッサ（ポンプ：乾燥ガス供給部）
２２供給路（乾燥ガス供給部）
２３開閉バルブ（乾燥ガス供給部）
２４加圧流路（加圧ユニット）
Ｐ加圧ユニット

Claims

一方の面に含水ガス流路が形成され、他方の面に乾燥ガス流路が形成された板状の複数のセパレータと、
前記含水ガス流路と前記乾燥ガス流路とが交互になるように複数の前記セパレータが積層された状態で、隣接する前記セパレータの境界に挟み込まれる水交換膜と、
積層された複数の前記セパレータの前記含水ガス流路に含水ガスを供給する含水ガス供給部と、
積層された複数の前記セパレータの前記乾燥ガス流路に乾燥ガスを供給する乾燥ガス供給部と、
外部から供給されるガスのガス圧により、複数の前記セパレータに対して積層方向に圧力を作用させる加圧ユニットを備え、
前記加圧ユニットが、積層された複数の前記セパレータのうち積層方向の端部位置のものに対し隣接して配置される加圧体と、
乾燥ガスのガス圧の作用により前記積層方向に沿う方向に作動することで、前記加圧体に対し前記積層方向に沿う方向に圧力を作用させるピストンと、
前記乾燥ガス供給部から供給される乾燥ガスの一部を前記ピストンに供給する加圧流路と、を備えている加湿器。
前記ピストンのうち乾燥ガスの圧力が作用する面積が、前記積層方向に沿う方向視での前記セパレータの面積より大きい請求項１に記載の加湿器。
前記乾燥ガス供給部が、乾燥ガスを送り出すポンプと、前記ポンプからの乾燥ガスが供給される乾燥ガス供給路と、前記乾燥ガス供給路を開閉する開閉バルブとを備え、前記加圧流路が、前記乾燥ガス供給路のうち、前記開閉バルブの上流側に接続している請求項１又は２に記載の加湿器。
複数の前記セパレータを互いに圧接させる方向に付勢力を作用させる付勢部材を備えている請求項１～３の何れか一項に記載の加湿器。