WO2008072657A1

WO2008072657A1 - 加湿器用のセパレータ、加湿器、及びそれを備える燃料電池システム

Info

Publication number: WO2008072657A1
Application number: PCT/JP2007/073939
Authority: WO
Inventors: Susumu Kobayashi; Susumu Hatano
Original assignee: Panasonic Corporation
Priority date: 2006-12-14
Filing date: 2007-12-12
Publication date: 2008-06-19
Also published as: CN101506591A; CN101506591B; JPWO2008072657A1; JP4854747B2; EP2053316A1; US8277985B2; EP2053316A4; US20090325034A1

Abstract

水蒸気透過膜（２）と当接する主面と、該主面に形成された凸凹の凹部（６６、８１）からなる流体の流路（３、４）と、前記凸凹の凸部（６７、８２）の先端から少なくとも一定の深さに亘るように形成された弾性層（１ａ、１ｃ）と、を備える、加湿器用セパレータ。

Description

明細書

加湿器用のセパレータ、加湿器、及びそれを備える燃料電池システム技術分野

[0001] 本発明は、加湿器用のセパレータ、加湿器、及びそれを備える燃料電池システム、特にセパレータの構造に関する。

背景技術

[0002] 高分子電解質形燃料電池は、水素リッチな燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガスを電気化学的に反応させることで、電力と熱を発生させる装置である。この燃料電池に使用される高分子電解質膜は、電解質 (水素イオン)のイオン導伝性を保っために、燃料ガス及び酸化剤ガス（これらを反応ガスという）の少なくとも一方を加湿して供給することが必要である。一般的な燃料電池システムでは、スタックから排出される高湿度のオフガスゃ排冷却水を熱源および水源として、全熱交換型加湿器により反応ガスの加湿を行ってレ、る。

[0003] このような加湿器として、一方の主面に加湿される反応ガスが通流する流路溝が形成され、他方の主面に排冷却水又はオフガスが通流する流路溝が形成されたセパレータと、水蒸気透過膜と、を積層し、この積層体を締結した加湿器が知られている（例えば、特許文献 1、又は特許文献 2参照）。

[0004] 特許文献 1、又は特許文献 2に開示されている加湿器では、セパレータの水蒸気透過膜を支持する部分、特に、反応ガスが通流する流路溝の間に位置する部分で、反応ガスとオフガスとの間の圧力の差ゃ排冷却水の凍結による膨張等によって、水蒸気透過膜が一方のセパレータ側に偏り、水蒸気透過膜が破損するという問題があつた。即ち、被加湿ガスである反応ガス（二次流体）、及び加湿ガスであるオフガス（一次流体）を用いる加湿器の場合、両ガス間の圧力差が大き!/、と圧力の低!/、側に水蒸気透過膜が橈む場合があった。また、被加湿ガスである反応ガス（二次流体）、及び加湿流体である排冷却水（一次流体）を用いる加湿器の場合、排冷却水の凍結による膨張によって反応ガス側に水蒸気透過膜が橈む場合があった。そのため、水蒸気透過膜を支持する部分（凸部）と反応ガス又は排冷却水が通流する流路溝（凹部）に位置する部分とで、水蒸気透過膜にかかる応力の差が生じ、この応力の差が局所的に作用し続けると、水蒸気透過膜が破損するという課題があった。

[0005] そこで、水蒸気透過膜の機械的強度が低ぐ破損し易いことを鑑みて、機械的強度が高レ、水蒸気透過膜を用いる加湿装置が提案されて!/、る (例えば、特許文献 3参照

)。

[0006] また、機械的強度が低い水蒸気透過膜の破損を防止することを意図して、網目状又は多数の透孔を有し、水蒸気透過膜の橈みを抑制する膜ガイド部材を設けることが提案されて!/、る（例えば、特許文献 4参照）。

特許文献 1 :特開平 9 7621号公報

特許文献 2：特開 2001— 23662号公報

特許文献 3：特開 2000— 348747号公報

特許文献 4 :特開 2006— 210150号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0007] しかしながら、加湿器の加湿性能は、一般的に式（1)で示される。式（1)に示すように、単位時間当たりの水からガスへ移動可能な水蒸気量は、使用される水蒸気透過膜の水蒸気透過係数、膜面積、水蒸気透過膜の両側の水蒸気差圧に比例する。なお、熱交換型加湿器の場合には、加湿領域の水蒸気差圧の算術平均として、式（2) による対数平均水蒸気差圧が用いられてレ、る。

[0008] 加湿倉力 (kg/ sec) =水蒸気透過係数 (kg/sec/m²/Pa) X膜面積（m²) X水蒸気差圧 (Ρ&) · · · (1)

対数平均水蒸気差圧 = { (Psatl— Psat3)— (Psat2 -Psat4) } /LN{ (Psatl -P sat3) / (Psat2 -Psat4)レ · ·（2)

ここで、 Psatl：入加湿流体（温水）の温度から計算される飽和水蒸気圧

Psat2：出加湿流体（温水）の温度から計算される飽和水蒸気圧

Psat3：入被加湿流体（乾燥ガス）の露点から計算される飽和水蒸気圧 Psat4：出被加湿流体 (加湿ガス）の露点から計算される飽和水蒸気圧従って、特許文献 4に開示されている加湿装置では、膜支持部材である金属板に設けられた多孔（開口）の開口率に応じて、実効的な膜面積が低下する等、膜支持部材が水透過抵抗となるために、単位面積当たりの加湿能力が低下することとなる。このため、これを補償するために膜面積、すなわち、積層段数を増加させる必要が生じ、製造コストが増加することになり、未だ改善の余地があった。

[0009] 本発明は、以上の課題を鑑みてなされたものであり、簡易な構成で、水蒸気透過膜の破損を充分に抑制することができる加湿器用のセパレータ、及び、このようなセパレータを備えることにより、安全に運転することが可能で、加湿能力が優れた加湿器及びそれを備える燃料電池システムを提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0010] 上記従来の課題を解決するために、本発明に係る加湿器用のセパレータは、水蒸気透過膜と当接する主面と、前記主面に形成された凸凹の凹部からなる流体の流路と、前記凸凹の凸部の先端から少なくとも一定の深さに亘るように形成された弾性層と、を備える。

[0011] これにより、水蒸気透過膜に加えられる外力を緩衝、吸収することが可能となり、水蒸気透過膜の破損を充分に抑制することが可能となる。

[0012] 本発明に係るセパレータでは、前記弾性層の厚みは前記水蒸気透過膜の厚みの 1

. 66倍以上であってもよい。

[0013] 本発明に係るセパレータでは、前記弾性層と剛性層とで構成されていてもよい。

[0014] これにより、セパレータが薄い場合であっても十分な強度を有することが可能である

[0015] 本発明に係るセパレータでは、前記剛性層の表面に前記弾性層からなる壁部が突設され、前記壁部が前記凸凹の凸部を構成し、前記壁部の間の空間が前記凸凹の凹部としての流路を構成して!/、てもよレ、。

[0016] 本発明に係るセパレータでは、前記凸部全体が前記弾性層で構成されて!/、てもよい。

[0017] 本発明に係るセパレータでは、一方の前記主面に設けられた第 1弾性層と、他方の前記主面に設けられた第 2弾性層とを備え、前記第 1弾性層及び前記第 2弾性層は、前記剛性層に設けられた貫通孔を通じて接続されていてもよい。 [0018] 本発明に係るセパレータでは、前記セパレータの全体が前記弾性層で構成されていてもよい。

[0019] 本発明に係るセパレータでは、前記弾性層は硫黄を含有しないフッ素ゴム又は EP DMを含むように構成されて!/、ること力 S好ましレ、。

[0020] 本発明に係るセパレータでは、前記弾性層の硬度は JIS K6200に定める DURO METER硬度で Aスケール 30〜100であることが好ましい。

[0021] これにより、セパレータを流体シール用のシール部材と兼用することができ、加湿器をさらに簡易な構成にすることが可能となる。

[0022] また、本発明に係る加湿器は、セパレータと、水蒸気透過膜と、を備え、前記弾性層が設けられたセパレータの前記主面で前記水蒸気透過膜を挟むようにして、前記セパレータ及び前記水蒸気透過膜が積層されて締結されており、前記水蒸気透過膜に当接する一方の主面上の第 1流路に一次流体が通流し、前記水蒸気透過膜に当接する他方の主面上の第 2流路に二次流体が通流することにより、前記一次流体に含まれる水分が前記水蒸気透過膜を透過して前記二次流体が加湿される。

[0023] これにより、本発明に係る加湿器では、簡易な構成で、水蒸気透過膜の破損を充分に抑制することが可能となり、また、加湿能力に優れ、安全に運転することが可能となる。

[0024] また、本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも!/、ずれか一方のガスの供給経路に設けられた上記加湿器と、を備える。

[0025] これにより、加湿器における水蒸気透過膜の差圧、凍結等の理由による物理的損傷を抑制することができることから、燃料電池システムの信頼性が向上する。

発明の効果

[0026] 本発明の加湿器用のセパレータ、加湿器、及びそれを備える燃料電池システムによれば、きわめて簡単な構成により、差圧、凍結等の理由による水蒸気透過膜の物理的損傷を抑制することが可能であり、また、従来に比して高性能の加湿器を構成すること力 S可能となる。さらに、本発明の加湿器を燃料電池システムに搭載すれことにより、差圧、凍結等の問題に対して燃料電池システムの信頼性向上が可能となる。図面の簡単な説明

[図 1]図 1は、本発明の実施の形態 1に係る加湿器の概略構成を示す模式図である。

[図 2]図 2は、図 1に示す加湿器の加湿セルの概略構成を模式的に示す断面図であ

[図 3(a)]図 3 (a)は、図 2におけるセパレータを構成する剛性層の概略構成を示し、図

2の Ilia— Ilia線に沿った断面図である。

[図 3(b)]図 3 (b)は、図 2におけるセパレータの正面図である。

[図 3(c)]図 3 (c)は、図 2におけるセパレータの背面図である。

[図 4(a)]図 4 (a)は、比較例 1の加湿器における加湿セル積層体の概略構成を模式的に示す断面図である。

[図 4(b)]図 4 (b)は、図 4 (a)に示す加湿セルのセパレータの概略構成を示す模式図である。

[図 5(a)]図 5 (a)は、比較例 2の加湿器における加湿セル積層体の概略構成を模式的に示す断面図である。

[図 5(b)]図 5 (b)は、図 5 (a)に示す加湿セルのセパレータの概略構成を示す模式図である。

[図 6]図 6は、実施例 1の加湿器及び比較例 2の加湿器から排出された酸化剤ガスの露点と水蒸気透過係数をプロットしたグラフである。

[図 7]図 7は、本実施の形態 1に係る加湿器を用いた燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。

[図 8]図 8は、実施例 1の加湿器及び比較例 2の加湿器における設計条件を示す表である。

[図 9]図 9は、水蒸気透過膜を支持する凸部と凹部とで、水蒸気透過膜にかかる応力の差が生じたときの加湿器セルの状態を模式的に示す断面図である。

[図 10]図 10は、図 9に示す曲率半径 R、水蒸気透過膜の膜厚 t、及び応力集中の度合い (すなわち、応力集中係数)との関係を示したグラフである。

[図 11]図 11は、本発明の実施の形態 2に係る加湿器におけるセパレータの概略構成を模式的に示す正面図である。園 12]図 12は、本発明の実施の形態 3に係る加湿器におけるセパレータの概略構成を示す模式図である。

園 13]図 13は、本発明の実施の形態 4に係る加湿器の加湿セル積層体の概略構成を模式的に示す断面図である。

園 14]図 14は、本発明の実施の形態 5に係る加湿器の加湿セル積層体の概略構成を模式的に示す断面図である。

園 15]図 15は、本発明の実施の形態 6に係る加湿器の加湿セル積層体の概略構成を模式的に示す断面図である。

[図 16]図 16は、本実施の形態 1に係る加湿器を用レ、た燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。

[図 17]図 17は、図 14に示す加湿セル積層体のセパレータを構成する剛性層の概略構成を示す模式図である。

園 18]図 18は、本発明の実施の形態 7に係る加湿器の加湿セル積層体の概略構成を模式的に示す断面図である。

符号の説明

1 セノレータ

la 弾性層

lb 剛性層

lc 弾性層

Id 弾性体

2 水蒸気透過膜

3 第 1流路 (冷却水流路）

4 第 2流路（酸化剤ガス流路）

5 ガスケット（流体シール）

6 溝

7 突起部

11 加湿セル

21 二次流体供給用マ二ホールド二次流体排出用マ二ホールド一次流体供給用マ二ホールド一次流体排出用マ二ホールド二次流体供給用配管二次流体排出用配管一次流体供給用配管一次流体排出用配管a 第 1の端板

b 第 2の端板

加湿セル積層体

加湿セルスタック

二次流体供給用マ二ホールド孔二次流体排出用マ二ホールド孔一次流体供給用マ二ホールド孔一次流体排出用マ二ホールド孔貫通孔

第 1凹部

第 1凸部

角部

凹部

凸部

二次流体供給用マ二ホールド孔一次流体供給用マ二ホールド孔第 2凹部

第 2凸部

0 加湿器

0a 加湿器

0b 加湿器 101 高分子電解質形燃料電池 (PEFC)

102 酸化剤ガス供給装置

103 全熱交換器

104 冷却水供給装置

発明を実施するための最良の形態

[0029] 以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

(実施の形態 1)

まず、本発明の実施の形態 1に係る加湿器につ!/、て説明する。

[加湿器]

図 1は、本発明の実施の形態 1に係る加湿器の概略構成を示す模式図である。なお、図 1においては、加湿器における上下方向を、図における上下方向として表している。

[0030] 図 1に示すように、本実施の形態 1に係る加湿器 100は、加湿セルスタック 51を有している。加湿セルスタック 51は、板状の全体形状を有する加湿セル 11がその厚み方向に積層されてなる加湿セル積層体 50と、加湿セル積層体 50の両端に配置された第 1及び第 2の端板 41a、 41bと、加湿セル積層体 50と第 1及び第 2の端板 41a、 41 bとをカロ湿セル 11の積層方向にお!/、て締結する図示されな!/、締結具と、を有して!/、る。なお、板状の加湿セル 11は、鉛直面に平行に延在しており、加湿セル 11の積層方向は水平方向となっている。

[0031] 加湿セル積層体 50の一方の側部（以下、第 1の側部という）の上部には、該加湿セノレ積層体 50の積層方向に貫通するように二次流体供給用マ二ホールド 21が形成されている。二次流体供給用マ二ホールド 21の一端は、第 1の端板 41aに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔には二次流体供給用配管 31が接続されている。二次流体供給用マ二ホールド 21の他端は、第 2の端板 41bによって閉鎖されている。

[0032] また、加湿セル積層体 50の他方の側部（以下、第 2の側部という）の下部には、該加湿セル積層体 50の積層方向に貫通するように二次流体排出用マ二ホールド 22が形成されている。二次流体排出用マ二ホールド 22の一端は、第 2の端板 41bに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔には二次流体排出用配管 34が接続されて!/、る。二次流体排出用マ二ホールド 22の他端は、第 1の端板 41aによって閉鎖されている

[0033] 加湿セル積層体 50の第 1の側部の下部には、該加湿セル積層体 50の積層方向に貫通するように一次流体供給用マ二ホールド 23が形成されている。一次流体供給用マ二ホールド 23の一端は、第 2の端板 4 lbに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔には一次流体供給用配管 33が接続されている。一次流体供給用マ二ホールド 23 の他端は、第 1の端板 41aによって閉鎖されている。

[0034] また、加湿セル積層体 50の第 2の側部の上部には、該加湿セル積層体 50の積層方向に貫通するように一次流体排出用マ二ホールド 24が形成されている。一次流体排出用マ二ホールド 24の一端は、第 1の端板 41aに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔には一次流体排出用配管 34が接続されている。一次流体排出用マ二ホールド 24の他端は、第 2の端板 41bによって閉鎖されている。

[0035] 次に、本実施の形態 1に係る加湿器 100の加湿セル 11について説明する。

[0036] 図 2は、図 1に示す加湿器 100の加湿セル積層体 50の概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図 2においては、その一部を省略している。

[0037] 図 2に示すように、加湿セル 11は、板状の一対のセパレータ 1と片状の水蒸気透過膜 2を有している。水蒸気透過膜 2の周縁部には、厚み方向に貫通する二次流体供給用マ二ホールド孔 71や一次流体供給用マ二ホールド孔 73等のマ二ホールド孔が設けられている。なお、水蒸気透過膜 2は、水蒸気を透過させる、厚み方向に貫通する微小な孔が多数設けられている膜 (例えば、旭化成社製商品名ハイポア 7025) や水蒸気透過能力を有する膜 (例えば、パーフルォロスルホン酸樹脂（Du Pond社製商品名 Nafion)で構成することができ、水蒸気を透過することができれば、特に限定されない。

[0038] そして、水蒸気透過膜 2を挟むようにして一対のセパレータ 1が配設されて!/、る。セパレータ 1は、一対の第 1弾性層 la及び第 2弾性層 lcと、板状の剛性層 lbと、を有しており、剛性層 lbの両主面に第 1弾性層 la及び第 2弾性層 lcが形成されている。セパレータ 1の一方の主面（第 1弾性層 laの外面）には、二次流体を通流させるための第 2流路 4が設けられており、他方の主面（第 2弾性層 lcの外面）には、一次流体を通流させるための第 1流路 3が設けられている。また、セパレータ 1の周縁部には、厚み方向に貫通する二次流体供給用マユホールド孔 61や一次流体供給用マユホールド孔 63等のマ二ホールド孔が設けられている。

[0039] このように形成された加湿セル 11をその厚み方向に積層することにより、加湿セル積層体 50が形成されている。セパレータ 1及び水蒸気透過膜 2に設けられた二次流体供給用マ二ホールド孔 61等のマ二ホールド孔は、加湿セル 11を積層したときに厚み方向にそれぞれつながって、二次流体供給用マ二ホールド 21等のマ二ホールドがそれぞれ形成される。そして、各加湿セル 11に設けられた第 1流路 3に一次流体を通流させ、第 2流路 4に二次流体を通流させることにより、一次流体に含まれる水分力水蒸気透過膜 2を透過して二次流体が加湿される。

[0040] 次に、セパレータ 1の構成について、図 3を参照しながら詳細に説明する。

[0041] 図 3 (a)は、図 2におけるセパレータ 1を構成する剛性層 lbの概略構成を示し、図 2 の Ilia— Ilia線に沿った断面図である。図 3 (b)は、図 2におけるセパレータ 1の正面図である。図 3 (c)は、図 2におけるセパレータ 1の背面図である。なお、図 3 (a)乃至図 3 (c)においては、セパレータ 1の剛性層 lb、第 1弾性層 la、又は第 2弾性層 lcにおける上下方向を、図における上下方向として表している。

[0042] 図 3 (a)に示すように、剛性層 lbの周縁部には、厚み方向に貫通する二次流体供給用マ二ホールド孔 61、二次流体排出用マ二ホールド孔 62、一次流体供給用マ二ホールド孔 63、及び一次流体排出用マ二ホールド孔 64が設けられている。また、剛性層 lbには、前記各マ二ホールド孔が設けられている部分以外の部分に、厚み方向に貫通する貫通孔 65が設けられている。該貫通孔 65には、第 1弾性層 la及び第 2弾性層 1 cを構成する弾性体と同じ弾性体 1 dが、第 1弾性層 1 aと第 2弾性層 lcを接続するように埋められている（図 2参照）。これにより、剛性層 lcの両主面と、第 1弾性層 la、及び第 2弾性層 lcの内面との密着性が確保されている。

[0043] 図 3 (b)に示すように、第 1弾性層 laの周縁部には、厚み方向に貫通する二次流体供給用マ二ホールド孔 61、二次流体排出用マ二ホールド孔 62、一次流体供給用マ二ホールド孔 63、及び一次流体排出用マ二ホールド孔 64が設けられている。また、第 1弾性層 l aの外面には、第 1凹部 66が形成されている。第 1凹部 66は、ここでは、正面視にて (厚み方向から見て）略 4角形状を有しており、その角部が丸みを帯びるように形成されている。また、第 1凹部 66には、その底面から厚み方向に突出した多数の第 1凸部 67が設けられている。そして、第 1凹部 66と第 1凸部 67から第 1凸凹が構成され、第 1凹部 66の第 1凸部 67が設けられていない部分力第 2流路 4を構成している。さらに、第 2流路 4の上端部 4aは、第 1凹部 66の上端から上方に延びて至つており、また、第 2流路 4の下端部 4bは、第 1凹部 66の下端から下方に延びている。

[0044] また、図 3 (c)に示すように、第 2弾性層 lcの周縁部には、第 1弾性層 laと同様に、厚み方向に貫通する二次流体供給用マユホールド孔 61、二次流体排出用マユホーノレド孔 62、一次流体供給用マ二ホールド孔 63、及び一次流体排出用マ二ホールド孔 64が設けられている。また、第 2弾性層 lcの外面には、第 2凹部 81が形成されている。第 2凹部 81は、ここでは、背面視にて (厚み方向から見て）略 4角形状を有しており、その角部が丸みを帯びるように形成されている。また、第 2凹部 81には、その底面から厚み方向に突出した多数の第 2凸部 82が設けられている。そして、第 2凹部 8 1と第 2凸部 82から第 2凸凹が構成され、第 2凹部 81の第 2凸部 82が設けられていない部分が、第 1流路 3を構成している。さらに、第 1流路 3の上端部 3aは、第 2凹部 81 の上端から上方に延びて至っており、また、第 1流路 3の下端部 3bは、第 2凹部 81の下端から下方に延びている。

[0045] なお、第 2流路 4、ここでは、第 1凹部 66の第 1凸部 67が設けられていない部分で構成したが、これに限定されず、第 1弾性層 laの主面のほぼ全域を二次流体が通流し、該主面から窪むように形成されていれば、例えば、複数の溝で形成してもよい。また、第 1流路 3についても同様に、第 2弾性層 lcの主面のほぼ全域を一次流体が通流し、該主面から窪むように形成されていれば、例えば、複数の溝で形成してもよい

〇

[0046] 次に、このように構成された本実施の形態 1に係る加湿器 100における水蒸気透過膜 2の厚みとセパレータ 1の第 1及び第 2弾性層 la、 lcの厚みとの関係について、説明する。 [0047] まず、水蒸気透過膜 2が破損する理由について、図 2及び図 9を参照しながら説明する。図 9は、水蒸気透過膜 2を支持する第 1凸部 67と第 1凹部 66とで、水蒸気透過膜 2にかかる応力の差が生じたときの加湿器セル 11の状態を模式的に示す断面図である。なお、図 9においては、一部を省略し、また、ハッチングを省略している。

[0048] 図 2及び図 9に示すように、第 1弾性層 laの厚み T (第 1弾性層 laの水蒸気透過膜 2と当接する表面（第 1弾性層 laの外面）からの深さ）は、第 1弾性層 laの外面と内面との間の距離となる。

[0049] また、図 9に示すように、一次流体と二次流体との間の圧力差が大きい場合 (ここでは、二次流体のほうが一次流体よりも圧力が高いとする）、第 1凸部 67の角部 68に局所的に圧力 Pがかかる (応力が集中する）。すると、本実施の形態 1に係るセパレータ 1では、第 1凸部 67は、弾性体（第 1弾性層 la)で構成されているため、第 1凸部 67 における角部 68が弾性変形をする。このとき、角部 68の弾性変形量 (第 1弾性層 la の圧縮された厚み） ΔΤは、角部 68の曲率半径 Rと同じとなる（AT=R' ' ' (5) )。

[0050] そして、図 9に示すように、水蒸気透過膜 2の膜厚 t、又は曲率半径 Rが小さい場合に水蒸気透過膜 2が破損する。したがって、セパレータ 1の第 1弾性層 laにおける第 1凸部 67の角部 68の弾性変形したときに、所定の曲率半径 Rを有すれば水蒸気透過膜 2が破損しな!/、ことがわかる。

[0051] 次に、水蒸気透過膜 2の厚みとセパレータ 1の第 1及び第 2弾性層 la、 lcの厚みとの関係について、説明する。なお、ここでは、第 1弾性層 laと第 2弾性層 lcは同様の構成をしているため、第 1弾性層 laの厚みと水蒸気透過膜 2の厚みとの関係について説明し、第 2弾性層 lcについては、その説明を省略する。

[0052] 図 10は、図 9に示す曲率半径 R、水蒸気透過膜 2の膜厚 t、及び応力集中の度合い（すなわち、応力集中係数）との関係を示したグラフである。図 10に示すように、応力集中係数が 1. 5以下では、応力集中係数の値はほとんど変化しない。このため、応力集中係数が 1. 5以下となるように、換言すると、曲率半径 R/膜厚 tが 0. 5以上（ R/t≥0. 5 · · · (6) )となるように、水蒸気透過膜 2の膜厚とセパレータ 1の第 1凸部 6 7における角部 68の曲率半径 Rを調整すれば、水蒸気透過膜 2にかかる応力の集中が緩和され、水蒸気透過膜 2の破損を抑制することができる。 [0053] ところで、第 1弾性層 laを構成する弾性体の一般的な限界圧縮率（弾性破壊を起こさない圧縮率）は、 30%であり、第 1弾性層 laの圧縮された厚みを ΔΤとすると、 Δ Τ/Τ≤0. 3 · · · (7)が成立する。ここで、式（7)において、第 1凸部 67 (第 1弾性層 1 a)が最も圧縮されたときの厚み Τは、 Τ=0. 3 Χ ΔΤ· · · (8)となる。そして、上述したように、第 1凸部 67 (第 1弾性層 la)が最も圧縮されたときに、水蒸気透過膜 2が破損しな!/、ようにするためには、第 1凸部 67の角部 68が所定の曲率半径 Rを有して!/、る必要がある。

[0054] したがって、式（6)に、式（5)及び式（8)を代入して、整理すると、 Τ≥1 · 66 X t- - -

(9)となり、第 1弾性層 laの厚み Tは、水蒸気透過膜 2の厚み tの 1 · 66倍以上であることが好ましい。

[0055] なお、上述のように第 1弾性層 laの厚み T力水蒸気透過膜 2の厚み tの 1. 66倍以上であることが好ましいとした力 S、第 1弾性層 laの厚み T = t X l . 66は水蒸気透過膜の破損抑制のための理論下限値であるため第 1弾性層 laの厚み Tは、信頼性の向上のため少なくとも水蒸気透過膜厚み tの 2倍以上であることがより好ましい。

[0056] このように、セパレータ 1の水蒸気透過膜 2と当接する主面の全体に亘つてその表層部を弾性体で構成された第 1弾性層 la、又は第 2弾性層 lcで構成することにより、一次流体と二次流体との圧力の差、排冷却水の凍結等による水蒸気透過膜 2に加えられる外力を緩衝、吸収することができ、水蒸気透過膜 2の物理的損傷をより抑制すること力 Sでさる。

[0057] 次に、セパレータ 1の各構成要素について説明する。

[0058] セパレータ 1の第 1及び第 2弾性層 la、 lcを構成する弾性体は、ここでは、有機高分子の弾性体であり、具体的には、エラストマ一及び/又はプラスチックフォームから構成されている。エラストマ一としては、ゴムや熱可塑性エラストマ一が挙げられ、プラスチックフォームとしては、連続気泡、又は軟質のものが好ましい。また、セパレータ 1 の第 1及び第 2弾性層 la、 lcを構成する弾性体としては、燃料電池で白金触媒を使用するような場合、触媒の活性を維持する観点から、硫黄が含有していないフッ素ゴム、又は過酸化物架橋 EPDMを使用することが好ましぐまた、セパレータの製造の容易さや低コスト化の観点から、ポリオレフイン系熱可塑性エラストマ一（例えば、エタソン社製商品名サントプレーン)を使用することが好ましい。

[0059] また、弾性体（第 1及び第 2弾性層 la、 lc)の硬度としては、第 1凸部 67、 81の形状を維持する観点から、 JIS K6200に定める DUROMETER硬度で Aスケール 30以上であること力 S好ましく、水蒸気透過膜 2の物理的損傷を抑制する観点から、 JIS K 6200に定める DUROMETER硬度で Aスケール 100以下であることが好ましい。また、このような構成にすると、通常、セパレータの周縁部に配置されるシール部材の硬度（例えば、 Oリングでは、 JIS K6200に定める DUROMETER硬度で Aスケーノレ 60)と同程度の硬度となるため、シール部材を配置しなくても、二次流体等が加湿器の外部にリークされることを防止することができ、より簡易な構成で、かつ、低コストで加湿器を製造することができる。

[0060] セパレータ 1の剛性層 lbを構成する部材としては、セパレータ 1の外形を保つことができれば、アルミ、銅、鉄、ステンレス等の金属や、フエノール樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビュル、 A BS樹脂、 AS樹脂、アクリル樹脂、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリスルホン等の熱可塑性樹脂を使用することができ、特に限定はされない。

[0061] 剛性層を有することにより、セパレータを十分な強度にすることができる。

[0062] このように、本実施の形態 1に係る加湿器 100では、加湿器 100を構成するセパレータ 1の両主面の該主面から一定の深さに亘る部分を弾性体（第 1弾性層 la、又は第 2弾性層 lc)で形成することにより、一次流体と二次流体との圧力の差、排冷却水の凍結等によって水蒸気透過膜 2にかかる圧力を弾性体によって緩衝、吸収して、水蒸気透過膜 2の破損を防止することが可能となる。また、セパレータ 1の主面の硬度を、通常配置されるシール部材の硬度と同様に構成することにより、シール部材を配置しなくても、二次流体等がリークされるのを防止することができ、より簡易な構成で、かつ、低コストで加湿器を製造することが可能となる。

[0063] なお、このような構造を有するセパレータ 1の製造方法としては、例えば、適切な位置に複数の貫通孔が設けられた金属板で剛性層 lbを形成し、これにフッ素ゴムを投錨成形することにより、第 1弾性層 la及び第 2弾性層 lcを形成して製造してもよぐまた、剛性層 lbをポリプロピレンで形成し、第 1弾性層 la及び第 2弾性層 lcをポリオレフィン系熱可塑性エラストマ一で形成するようにして、二色成形することによって製造してもよい。

[0064] また、セパレータ 1を、ここでは、一対の第 1及び第 2弾性層 la lcと岡 ij性層 lbと力、ら構成したが、これに限定されない。即ち、水蒸気透過膜 2と当接する部分が、弾性体で構成されていればよい。特に、第 1流路 3又は第 2流路 4を構成し、水蒸気透過膜 2と当接する第 1凸部 67は、水蒸気透過膜 2の損傷が生じやすい部分であるため、この第 1凸部 67の水蒸気透過膜と接する部分が、弾性体で構成されていればよい。また、セパレータ 1全体を弾性体で構成してもよい。

[0065] 次に、本実施の形態 1に係る加湿器を用いた燃料電池システムにつ!/、て説明する

[燃料電池システム]

図 7及び図 16は、本実施の形態 1に係る加湿器を用いた燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。なお、図 7及び図 16においては、一部を省略している

[0066] 図 7に示すように、燃料電池システム 200は、 PEFC101と、酸化剤ガス供給装置 1 02と、全熱交換器 103と、加湿器 100と、冷却水供給装置 104と、を有している。なお、燃料電池システム 200を構成する個々の機器は、加湿器 100を除いて公知のものを使用しているため、その詳細な説明は省略する。

[0067] 以下に、一次流体 (ここでは、排冷却水）と二次流体 (ここでは、酸化剤ガス）の流れについて、燃料電池システム 200の構成の説明を兼ねて説明する。

[0068] 酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給装置 102から全熱交換器 103に供給される。また、全熱交換器 103には、 PEFC101から未反応の酸化剤ガスがオフガスとして供給される。全熱交換器 103は、ここでは、全熱交換率が 50%のものを使用し、供給された酸化剤ガスとオフガスとの間で熱交換が行われ、また、酸化剤ガスは加湿される。次に、加湿された酸化剤ガスは、加湿器 100に供給され、供給された酸化剤ガスは、上述したように加湿器 100内でさらに加湿される。そして、加湿器 100で加湿された酸化剤ガスは、 PEFC101に供給される。 PEFC101では、酸化剤ガスと別途供給された燃料ガスが、反応して電気を発生し、未反応の酸化剤ガスは、全熱交換器 103に供給される。

[0069] 一方、冷却水は、冷却水供給装置 104内で適度な温度に冷却、又は加熱され、 P EFC101に供給される。 PEFC101に供給された冷却水は、 PEFC101を構成するセルスタックと熱交換を行い、 PEFC101から排出される。 PEFC101から排出された冷却水（以下、排冷却水という）は、加湿器 100に供給される。加湿器 100に供給された排冷却水は、酸化剤ガスと熱交換を行い、冷却水供給装置 104に供給される。

[0070] なお、ここでは、二段階で酸化剤ガス（二次流体）を加湿した力これに限定されず、本実施の形態 1に係る加湿器 100のみで、酸化剤ガスを加湿してもよぐまた、酸化剤ガスを加湿する一次流体として、燃料電池から排出されるオフガスを使用してもよい。また、全熱交換器 103を本実施の形態 1に係る加湿器 100で構成してもよい。

[0071] また、図 16に示すように、燃料ガス供給装置 105から PEFC101に供給される燃料ガスを本実施の形態 1に係る加湿器を全熱交換器 103に適用する構成としてもよい。具体的には、燃料ガス供給装置 105で生成された燃料ガス力 S、二次流体として全熱交換器 103に供給される。一方、 PEFC101で使用されなかった未使用の燃料ガス（以下、排燃料ガスという）が、一次流体として全熱交換器 103に供給されるため、全熱交換器 103では、燃料ガスが加湿される。そして、加湿された燃料ガスは、 PEFC 101に供給される。一方、燃料ガスと水分交換を行った排燃料ガスは、燃料供給装置 105の図示されないパーナに燃焼用燃料として供給される。

(実施の形態 2)

図 11は、本発明の実施の形態 2に係る加湿器におけるセパレータの概略構成を模式的に示す正面図である。

[0072] 図 11に示すように、本発明の実施の形態 2に係るセパレータ 1は、実施の形態 1のセパレータ 1と基本的構成は同じである力第 1凸部 67の構成が異なる。具体的には、実施の形態 1においては、第 1凸部 67は、正面視にて（セパレータ 1の厚み方向から見て）、その形状が略円状に形成されているが（図 3 (b)参照）、本実施の形態 2においては、セパレータ 1の厚み方向から見て、セパレータ 1の上下方向に延びるように帯状に形成されている。なお、セパレータ 1の背面は、セパレータ 1の正面と同様に構成されている（第 2凸部 82は、第 1凸部 67と同様に構成されている）ため、セパレータ 1の背面の詳細な説明を省略する。

[0073] このように構成された本実施の形態 2に係るセパレータ 1を用いた加湿器であっても、実施の形態 1に係る加湿器 100と同様の作用効果を奏する。

(実施の形態 3)

図 12は、本発明の実施の形態 3に係る加湿器におけるセパレータの概略構成を示す模式図である。

[0074] 図 12に示すように、本発明の実施の形態 3に係るセパレータ 1は、実施の形態 1のセパレータ 1と基本的構成は同じである力第 1凹部 66及び第 1凸部 67の構成が異なる。具体的には、セパレータ 1の上部及び下部のそれぞれに第 1凹部 66a、 66b力 S 形成されている。第 1凹部 66a、 66bは、正面視にて、略 4角形状を有しており、その角部が丸みを帯びるように形成されている。また、第 1凹部 66a、 66bには、その底面力も厚み方向に突出した多数の第 1凸部 67a、 67bがそれぞれ設けられている。そして、第 1凹部 66aの下端の一方の側部側と、第 1凹部 66bの上端の他方の側部側と、を連通するように溝状の流路 69が形成されている。この第 1凹部 66a、 66bの第 1凸部 67a、 67bが設けられていない部分と流路 69から第 2流路 4が構成される。なお、セパレータ 1の背面は、セパレータ 1の正面と同様に構成されているため、セパレータ 1の背面の詳細な説明を省略する。

[0075] このように構成された本実施の形態 3に係るセパレータ 1を用いた加湿器であっても、実施の形態 1に係る加湿器 100と同様の作用効果を奏する。

(実施の形態 4)

図 13は、本発明の実施の形態 4に係る加湿器の加湿セル積層体の概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図 13においては、その一部を省略している。

[0076] 図 13に示すように、本発明の実施の形態 4に係る加湿器の加湿セル 11では、実施の形態 1に係る加湿器 100の加湿セル 11と基本的構成は同じである力 S、第 1凹部 66 の底面を剛性層 lbが形成するように構成されている点が異なる。すなわち、剛性層 1 bの表面に第 1及び第 2弾性層 la、 lcが突設されている。そして、この剛性層 lbの表面における第 1及び第 2弾性層 la、 lcが設けられていない部分力第 1凹部 66及び第 2凹部 81の底面を構成する。また、第 1及び第 2弾性層 la、 lcの剛性層 lbの表面から突出した部分のうち周縁部以外の部分が、それぞれ、第 1凸部 67及び第 2凸部 82の壁部を構成する。

[0077] このような構成とすることにより、実施の形態 1の作用効果を維持した上で、第 1、又は第 2弾性層 la、 lcの体積を小さくすることができ、第 1及び第 2弾性層 la、 lcを高価な弾性体で構成したときに、セパレータ 1の低コスト化、ひいては、燃料電池システムの低コスト化を図ることができる。

(実施の形態 5)

図 14は、本発明の実施の形態 5に係る加湿器の加湿セル積層体の概略構成を模式的に示す断面図であり、図 17は、図 14に示す加湿セル積層体 50のセパレータ 1 を構成する剛性層 lbの概略構成を示す模式図である。なお、図 14においては、その一部を省略している。

[0078] 図 14及び図 17に示すように、本発明の実施の形態 5に係る加湿器の加湿セル 11 では、実施の形態 1に係る加湿器 100の加湿セル 11と基本的構成は同じであるが、以下の点で異なる。すなわち、剛性層 lbの主面には、正面視にて、略 4角形状の凹部 69が形成されており、剛性層 lbの該凹部 69の底面には、厚み方向に突出する複数の凸部 70が設けられている（図 17参照）。凸部 70には、厚み方向に貫通する貫通孔 65が設けられている。

[0079] また、凸部 70の主面（表面）及び剛性層 lbの主面の周縁部（凹部 69が設けられていない部分)から突出するように、第 1及び第 2弾性層 la、 lcが設けられている。そして、剛性層 lbの凹部 69が、第 1凹部 66又は第 2凹部 81を構成し、凸部 70及び該凸部 70の表面から突設された第 1及び第 2弾性層 la、 lcが、第 1凸部 67及び第 2凸部 82の壁部をそれぞれ構成する。なお、第 1及び第 2弾性層 la、 lcの厚み T力 S、水蒸気透過膜 2の厚み tの 1. 66倍以上（ここでは、 1. 67倍）となるように構成されている。

[0080] このような構成とすることにより、実施の形態 1の作用効果を維持した上で、第 1、又は第 2弾性層 la、 lcの体積をより小さくすることができ、第 1及び第 2弾性層 la、 lcを高価な弾性体で構成したときに、セパレータ 1の低コスト化、ひいては、燃料電池システムの低コスト化を図ることができる。 [0081] また、剛性層 lbが芯材として機能することで、第 1凸部 67又は第 2凸部 82の形状を長期に亘つて安定して保持されるため、第 1凸部 67又は第 2凸部 82の型崩れにより、第 2流路 4又は第 1流路 3が閉塞する等の問題を抑制することができる。

(実施の形態 6)

図 15は、本発明の実施の形態 6に係る加湿器の加湿セル積層体の概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図 15においては、その一部を省略している。

[0082] 図 15に示すように、本発明の実施の形態 6に係る加湿器の加湿セル 11では、実施の形態 1に係る加湿器 100の加湿セル 11と基本的構成は同じである力 S、剛性層 lb に貫通孔 65を設けずに、かつ、第 1凹部 66又は第 2凹部 81の底面を剛性層 lbで構成し、第 1凸部 67及び第 2凸部 82が剛性層 lbの主面から突設されている点が異なる。なお、本実施の形態 6に係る加湿器 11のセパレータ 1は、剛性層 lbと第 1及び第 2弾性層 l a、 lcを、同じォレフィン系の材料（例えば、剛性層 lbをポリプロピレンで形成し、第 1弾性層 la及び第 2弾性層 lcをポリオレフイン系熱可塑性エラストマ一で形成する）を用いて、二色成形することによって製造することができる。

[0083] このような構成とすることにより、実施の形態 1の作用効果を維持した上で、第 1、又は第 2弾性層 la、 lcの体積をより小さくすることができ、第 1及び第 2弾性層 la、 lcを高価な弾性体で構成したときに、セパレータ 1の低コスト化、ひいては、燃料電池システムの低コスト化を図ることができる。

(実施の形態 7)

図 18は、本発明の実施の形態 7に係る加湿器の加湿セル積層体の概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図 18においては、その一部を省略している。

[0084] 図 18に示すように、本発明の実施の形態 7に係る加湿器の加湿セル 11では、実施の形態 6に係る加湿器 100の加湿セル 11と基本的構成は同じである力 S、剛性層 lb の主面に剛性層 lbが厚み方向に突出する複数の突起部 7が設けられ、第 1及び第 2 弾性層 la、 lcが、該突起部 7を覆うように形成されている点が異なる。

[0085] このような構成とすることにより、実施の形態 1の作用効果を維持した上で、第 1、又は第 2弾性層 la、 lcの体積をより小さくすることができ、第 1及び第 2弾性層 la、 lcを高価な弾性体で構成したときに、セパレータ 1の低コスト化、ひいては、燃料電池システムの低コスト化を図ることができる。

[0086] また、剛性層 lbが芯材として機能することで、第 1凸部 67又は第 2凸部 82の形状を長期に亘つて安定して保持されるため、第 1凸部 67又は第 2凸部 82の型崩れにより、第 2流路 4又は第 1流路 3が閉塞する等の問題を抑制することができる。

[0087] なお、上記実施の形態;!〜 4、 6においては、セパレータ 1の一次流体又は二次流体が通流する第 1流路 3又は第 2流路 4を形成する第 1凸部 67又は第 2凸部 82を弾性体で形成されている構成とした力これに限定されず、実施の形態 5または 7に示されるように第 1凸部 67又は第 2凸部 82の水蒸気透過膜 2と当接する表面から所定の範囲（水蒸気透過膜 2の厚み tの 1 · 66倍以上）を弾性体で形成し、第 1凸部 67又は第 2凸部 82の芯材として剛性層 lbが形成される構成としてもよい。また、上記実施の形態 1〜7においては、セパレータ 1の主面の周縁部が弾性体で形成される構成としたが、これに限定されず、セパレータ 1の主面の周縁部は、剛性層 lbで形成する構成としてあよい。

次に、本実施の形態 1に係る加湿器 100の性能評価試験について、実施例とともに説明する。なお、以下の説明では、一次流体として冷却水を使用し、二次流体として酸化剤ガスを使用している。

(実施例 1)

実施例 1の加湿器は、本実施の形態 1に係る加湿器 100の構成となるように作成した。

セパレータ 1は、ガラスフィラー入りのポリプロピレン（プライムポリマー社商品名 R35 0G)と、ポリオレフイン系熱可塑性エラストマ一（ェクソン社製商品名サントプレーン 8260 硬度 Aスケール 60)と、を用いて、二色成形により作成した。このとき、セパレータ 1の第 1流路（以下、冷却水流路） 3及び第 2流路（以下、酸化剤ガス流路) 4を構成する第 1凹部 66の長手方向の長さ寸法を 100mm、短手方向の幅寸法を 50m mとし（実効加湿面積は 0. 03m²)、深さ寸法を lmmとなるように形成した。

[0088] 水蒸気透過膜 2として、パーフルォロスルホン酸膜（Du Pond社製商品名 Nafio nl l 7)を使用し、所定の位置に酸化剤ガス供給用マ二ホールド孔 71等のマ二ホールド孔を形成した。 [0089] このように作成したセパレータ 1と水蒸気透過膜 2を必要な数だけ積層して加湿セノレ積層体 51を作成し、該加湿セル積層体 51の両端を締結板で挟んで、締結し、加湿器 100を作成した。

(比較例 1)

図 4 (a)は、比較例 1の加湿器 100aにおける加湿セル積層体 50の概略構成を模式的に示す断面図である。図 4 (b)は、図 4 (a)に示す加湿セル 11のセパレータ 1の概略構成を示す模式図である。なお、図 4 (a)において、一部を省略している。比較例 1で使用したセパレータ 1は、基本的構成は実施例 1のセパレータ 1と同じである力以下の点が異なるように作成した。

[0090] 図 4 (b)に示すように、比較例 1で使用したセパレータ 1は、その主面の周縁部にガスケット（流体シール） 5を配置するための溝 6を、冷却水流路 3 (又は、酸化剤ガス流路 4)や酸化剤ガス供給用マ二ホールド孔 61等のマ二ホールド孔を囲むように設けた。また、図 4 (a)に示すように、比較例 1のセパレータ 1は、第 1弾性層 la及び第 2弾性層 lcを構成せず、ガラスフィラー入りのポリプロピレンのみ（即ち、剛性層 lbのみ）で作成した。

[0091] 水蒸気透過膜 2は、実施例 1と同様のものを使用した。また、ガスケット 5は、過酸化物架橋 EPDMを適宜な形状に切断して使用した。

[0092] そして、溝 6にガスケット 5を配置したセパレータ 1と水蒸気透過膜 2を必要な数だけ積層して加湿セル積層体 51を作成し、該加湿セル積層体 51の両端を締結板で挟んで、締結し、加湿器 100aを作成した。

(比較例 2)

図 5 (a)は、比較例 2の加湿器 100bにおける加湿セル積層体 50の概略構成を模式的に示す断面図である。図 5 (b)は、図 5 (a)に示す加湿セル 11のセパレータ 1の概略構成を示す模式図である。なお、図 5 (a)において、一部を省略している。

[0093] 比較例 2の加湿器 100bは、特許文献 3に開示されている膜支持部として、図 5 (a) 及び図 5 (b)に示すような膜保護部材 7を有する構成とした。なお、比較例 2では、実施例 1や比較例 1との対比を容易にするために、比較例 2のセパレータ 1は、基本的構成は比較例 1のセパレータ 1と同じである力以下の点が異なるように作成した。 [0094] 図 5 (a)に示すように、比較例 2のセパレータ 1は、両主面の周縁部が、膜保護部材 7を酸化剤ガス流路 4 (又は、冷却水流路 3)に配置できるように、第 1凸部 67の上端面の位置力厚み方向に膜保護部材 7の厚み寸法だけ突出するように作成した。

[0095] 膜保護部材 7は、ここでは、 60メッシュのポリプロピレンメッシュ（開口率 60%)を使用し、第 1凹部 66に丁度収容できるように切断して使用した。また、水蒸気透過膜 2 は、実施例 1及び比較例 2と同じものを使用した。

[0096] そして、セパレータ 1の溝 6にガスケット 5を配置し、また、膜保護部材 7を第 1凹部 6 6に配置し、これらを配置したセパレータ 1と水蒸気透過膜 2を必要な数だけ積層して加湿セル積層体 51を作成し、該加湿セル積層体 51の両端を締結板で挟んで、締結し、加湿器 100bを作成した。

[0097] 次に、これらの加湿器を用いて、性能評価試験を行った。

[性能評価試験 1]

性能評価試験 1では、一対のセパレータ 1で水蒸気透過膜 2を挟んで積層した (これを単段という）実施例 1の加湿器 100と単段の比較例 2の加湿器 100bを用いて行つた。試験方法としては、冷却水流路 3に 70°Cの冷却水を 3. 3m/secの流量で通流させ、一方、酸化剤ガス流路 4に露点換算温度 (気体中の全水分量を露点に換算した温度）が 10°C以下である乾燥空気（酸化剤ガス）を 30m/_Secの流量で通流させ、それぞれの加湿器から排出された酸化剤ガスの水蒸気量 (露点）を測定した。そして、測定した露点と上述の式 1及び式 2から水蒸気透過係数を算出し、酸化剤ガスの流速とともにプロットした。その結果を示したのが、図 6である。

[0098] 図 6に示すように、実施例 1の加湿器 100における水蒸気透過係数の近似曲線は、式（3)に示すようになり、一方、比較例 2の加湿器 100bにおける水蒸気透過係数の近似曲線は、式 (4)に示すようになった。

y= l . 43 X 10— ⁷Ln (x) + 2. 86 X 10— ⁷ · · · (3)

y= l . 08 X 10— ⁷Ln (x) + 2. 25 X 10— ⁷ · · · (4)

ここで、 yは、水蒸気透過係数であり、 Xは、酸化剤ガスの流速である。

[0099] これにより、比較例 2の加湿器 100bでは、膜保護部材 7の開口率によって、水蒸気透過膜 2の実質的な膜面積が低下し、水蒸気透過膜 2の単位面積当たりの加湿性能が約 20%低下したことがわかった。

[0100] 次に、この加湿性能の差異力実際の燃料電池システムにどのような影響を及ぼすかを試験した。

[性能評価試験 2]

性能評価試験 2では、図 7に示した燃料電池システム 200を構築し、 PEFC101は、出力電力が 4. 8kWのものを使用した。

[0101] そして、このように構成した燃料電池システム 200では、 PEFC101は、上記出力を得るために、燃料ガス利用率 75 %、酸化剤ガス利用率 50 %の余剰反応ガス条件において、 63°Cで飽和状態までに加湿された燃料ガス力 59. 4L/min、同じぐ 63 °Cで飽和状態までに加湿された酸化剤ガス力 212. 2L/min必要となる。また、 P EFC101のセルスタックには、 60°Cに保たれた冷却水カ、 5. 8L/min供給されて、セルスタック内で熱交換を行い、 71. 5°Cの排冷却水として排出される。

[0102] 次に、加湿器で酸化剤ガスを加湿するために必要な加湿器の設計につ!/、て説明する。

[0103] 図 8は、実施例 1の加湿器 100及び比較例 2の加湿器 100bにおける設計条件を示す表である。

[0104] 上述したように、酸化剤ガスは、全熱交換器 103で加湿される力このとき、酸化剤ガスは、露点が 58°Cになるまで加熱及び加湿される。この加湿された酸化剤ガスを露点が 63°Cになるまで加湿されるためには、図 8に示すように、加湿器の加湿能力力 50g/min必要である。

[0105] そこで、図 6に示した実施例 1の加湿器 100及び比較例 2の加湿器 100bにおける水蒸気透過係数の近似曲線 (式（3)及び式 (4) )から、それぞれの水蒸気透過係数を算出し、加湿器の加湿能力を算出した。その結果、図 8に示すように、実施例 1の加湿器 100では、加湿セル 11を 6段（水蒸気透過膜 2が 6積層された状態)積層すると加湿能力が 13. 71g/minとなり、酸化剤ガスを露点が 63°Cになるまで加湿できることがわかった。一方、比較例 2の加湿器 100bでは、図 8の比較例 2—1に示すように、加湿セル 11を 6段積層しても、必要な加湿能力が得られず、 8段積層する必要があることがわかった。これは、積層段数が増加することによって、空気（酸化剤ガス）流速が低下し、より多くの加湿面積を必要とするためである。

[0106] そして、これら 3種類の加湿器（図 8に示す加湿器)を上記燃料電池システムに搭載して運転を行い、それぞれの加湿器力排出される酸化剤ガスの露点を測定したところ、それぞれの加湿器の加湿能力から算出される設計値の ± 0. 5°Cの範囲に収まつており、よく設計値と一致した。

[0107] このように、実施例 1の加湿器 100では、比較例 2の加湿器 100bよりも、加湿セル 1

1の積層段数がより少ない状態で、加湿性能が高いことが示された。このため、実施例 1の加湿器 100を搭載した燃料電池システムでは、より省スペース及び低コストにすること力 Sでさる。

[0108] 次に、それぞれの加湿器の機械耐久性を確認するための試験を行った。なお、以下の試験では、実施例 1の加湿器 100、比較例 1の加湿器 100a、及び比較例 2の加湿器 100bともに、セル 11を 10段積層して締結したものを使用した。

[性能評価試験 3]

性能評価試験 3では、以下の試験を行った。

(試験 1)繰り返し差圧試験

繰り返し差圧試験では、まず、それぞれの加湿器の冷却水流路 3及び酸化剤ガス流路 4を大気圧開放し、ついで、酸化剤ガス流路 4を大気圧開放から一分間 0. 5kP aに保ち、その後、酸化剤ガス流路 4を大気圧開放するサイクルを 1サイクルとした。そして、 500サイクルを 1クールとし、 1クール終了時点で冷却水流路 3と酸化剤ガス流路 4との間でリーク（クロスリーク）が発生しているかを、両流路間を差圧 0. 5kPaにて測定した。酸化剤ガス力 2cc/min以下の漏れ量であれば 1クール合格とし、合格した加湿器は再び次のクールの試験を行い、これを 10クール繰り返して最終的な合否を判定した。

(試験 2)繰り返し凍結試験

繰り返し凍結試験では、まず、それぞれの加湿器の酸化剤ガス流路 4を密閉し、また、冷却水流路 3を水封して、恒温槽内に保持した。そして、加湿器を— 10°Cで、 6 時間冷却して、その内部を凍結し、その後、加湿器を + 10°Cで 6時間インキュベートし、凍結水を融解するサイクルを 1サイクルとした。 20サイクルを 1クールとし、 1クール終了時点で冷却水流路 3と酸化剤ガス流路 4との両流路間のリーク（クロスリーク）を差圧 0. 5kPaにて測定した。酸化剤ガス力 2cc/min以下の漏れ量であれば 1クール合格とした。合格した加湿器は再び次のクールの試験を行い、これを 10クール繰り返して最終的な合否を判定した。

[0109] 繰り返し差圧試験の結果、実施例 1の加湿器 100及び比較例 2の加湿器 100bは、最終合格、すなわち、冷却水流路 3と酸化剤ガス流路 4との間で、クロスリークが発生しなかった。一方、比較例 1の加湿器 100aでは、 4クール目にクロスリークが発生していた。

[0110] また、繰り返し凍結試験の結果、実施例 1の加湿器 100及び比較例 2の加湿器 100 bは、最終合格、すなわち、冷却水流路 3と酸化剤ガス流路 4との間で、クロスリークが発生しなかった。一方、比較例 1の加湿器 100aでは、 6クール目にクロスリークが発生していた。

[0111] なお、比較例 1の加湿器 100aについては、試験不合格時点で原因解析のため分解したところ、水蒸気透過膜 2にセパレータ 1の冷却水流路 3 (第 1凹部 66)、又は酸化剤ガス流路 4 (第 2凹部 81)に設けられた第 1凸部 67、又は第 2凸部 82との接触によると見られるピンホールが確認された。一方、実施例 1の加湿器 100及び比較例 2 の加湿器 100bについては、最終合格時点での分解検査によっても水蒸気透過膜 2 に損傷がないことが確認され、本実施例 1の加湿器 100が、従来例の加湿器と同等の機械耐久性能を有していることが認められた。

産業上の利用可能性

[0112] 本発明の加湿器用セパレータ、加湿器、及びそれを備える燃料電池システムによれば、きわめて簡単な構成により、差圧、凍結その他の理由による物理損傷を防止することが可能であり、かつ、従来に比して高性能の加湿器を構成することが可能となり、有用である。

Claims

請求の範囲

[1] 水蒸気透過膜と当接する主面と、前記主面に形成された凸凹の凹部からなる流体の流路と、前記凸凹の凸部の先端から少なくとも一定の深さに亘るように形成された弾性層と、を備える、加湿器用のセパレータ。

[2] 前記弾性層の厚みは前記水蒸気透過膜の厚みの 1. 66倍以上である、請求項 1に記載の加湿器用セパレータ。

[3] 前記弾性層と剛性層とで構成されて!/、る、請求項 1に記載の加湿器用のセパレータ。

[4] 前記剛性層の表面に前記弾性層からなる壁部が突設され、前記壁部が前記凸凹の凸部を構成し、前記壁部の間の空間が前記凸凹の凹部を構成する、請求項 3に記載の加湿器用セパレータ。

[5] 前記凸部全体が前記弾性層で構成されて!/、る、請求項 1に記載の加湿器用のセパレータ。

[6] 一方の前記主面に設けられた第 1弾性層と、他方の前記主面に設けられた第 2弾性層とを備え、前記第 1弾性層及び前記第 2弾性層は、前記剛性層に設けられた貫通孔を通じて接続されている、請求項 3に記載の加湿器用のセパレータ。

[7] 前記セパレータの全体が前記弾性層で構成されて!/、る、請求項 1に記載の加湿器用のセノレータ。

[8] 前記弾性層は硫黄を含有しないフッ素ゴム又は EPDMを含むように構成されている

、請求項 1に記載の加湿器用のセパレータ。

[9] 前記弾性層の硬度は JIS K6200に定める DUROMETER硬度で Aスケール 30〜

100である、請求項 1に記載の加湿器用のセパレータ。

[10] 請求項;!〜 7に記載のいずれかのセパレータと、

水蒸気透過膜と、を備え、

前記弾性層が設けられたセパレータの前記主面で前記水蒸気透過膜を挟むようにして、前記セパレータ及び前記水蒸気透過膜が積層されて締結されており、前記水蒸気透過膜に当接する一方の主面上の第 1流路に一次流体が通流し、前記水蒸気透過膜に当接する他方の主面上の第 2流路に二次流体が通流することにより、前記一次流体に含まれる水分が前記水蒸気透過膜を透過して前記二次流体が加湿される、加湿器。

燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、

前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも!/、ずれか一方のガスの供給経路に設けられた請求項 10に記載の加湿器と、を備える、燃料電池システム。