(57)【要約】【課題】加湿器における加湿膜の耐久性を向上させることを目的とする。【解決手段】加湿器２００であって、加湿膜３００と、前記加湿膜３００の外縁部を固定する枠状部材２１０と、を備え、前記加湿膜３００のＭＤ方向は、前記加湿膜３００の長手方向と平行である。【選択図】図３
2010151433.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加湿器であって、
加湿膜と、
前記加湿膜の外縁部を固定する枠状部材と、
を備え、
前記加湿膜のＭＤ方向は、前記加湿膜の長手方向と平行である、加湿器。
【請求項２】
請求項１に記載の加湿器であって、
前記加湿膜の少なくとも一方の面に補強層を備える、加湿器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は加湿器に関し、特に、平膜型加湿器に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池では、反応ガスを適度に加湿することにより、発電効率を向上させることが可能となる。燃料電池の反応ガスを加湿するための加湿器として、発電後のオフガスを流す流路と、発電前の反応ガスを流す流路との間に加湿膜を設け、発電後のオフガスの湿気を用いて反応ガスを加湿する加湿器が知られている（特許文献１）
【０００３】
【特許文献１】特許第３８８１４５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池の運転をオン、オフさせると、オン、オフに伴い加湿膜が膨潤し、あるいは乾燥して収縮する。しかし、従来の技術では、加湿膜の膨潤、収縮を起因とする耐久性については十分に考慮されていなかった。
【０００５】
本発明は上記課題の少なくとも１つを解決し、加湿器における加湿膜の耐久性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
加湿器であって、加湿膜と、前記加湿膜の外縁部を固定する枠状部材と、を備え、前記加湿膜のＭＤ方向は、前記加湿膜の長手方向と平行である、加湿器。
加湿膜のＭＤ方向の乾燥による収縮率は、ＴＤ方向などの他の方向の乾燥による収縮率より小さい。一方、加湿膜を乾燥させて収縮させたときのＭＤ方向の抗張力は、ＴＤ方向の抗張力よりも小さい。したがって、この適用例によれば、加湿膜のＭＤ方向を、前記加湿膜の長手方向と平行にしているので、長手方向の内部応力を緩和することが可能となり、加湿膜の耐久性を向上させることが可能となる。
【０００８】
［適用例２］
適用例１に記載の加湿器であって、前記加湿膜の少なくとも一方の面に補強層を備える、加湿器。
この適用例によれば、補強層により加湿膜の収縮を抑えることが可能となるので、加湿膜の耐久性をさらに向上させることが可能となる。
【０００９】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、加湿器の他、加湿器の加湿膜構造等、様々な形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、本発明の実施例に係る燃料電池システム１０の構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１００と、加湿器２００と、燃料タンク４００と、空気取り入れ装置４５０とを備える。燃料タンク４００は燃料ガス、例えば水素ガスを貯蔵する。燃料タンク４００は、第１の燃料ガス管５１０を介して、加湿器２００の乾燥ガス入口２０１に接続されている。加湿器２００の加湿ガス出口２０２は、第２の燃料ガス管５２０を介して燃料電池スタック１００の燃料ガス供給マニホールド１０１に接続されている。燃料電池スタック１００の燃料ガス排出マニホールド１０２には、燃料ガス排気管５３０が接続されており、燃料ガス排気管５３０は、大気に通じている。空気取り入れ装置４５０は、大気中の空気を取り入れる。空気取り入れ装置４５０は、圧縮ポンプやラジエータ（図示せず）を含んでいる。空気取り入れ装置４５０は、酸化ガス管６１０を介して燃料電池スタック１００の酸化ガス供給マニホールド１０３に接続されている。燃料電池スタック１００の酸化ガス排出マニホールド１０４は、第１の酸化ガス排気管６２０を介して、加湿器２００の加湿ガス入口２０３に接続されている。加湿器２００の排ガス出口２０４には、第２の酸化ガス排気管６３０が接続されており、酸化ガス排気管６３０は、大気に通じている。
【００１１】
図２は、加湿器の断面を模式的に示す説明図である。加湿器２００は、セパレータ２１０と、加湿膜３００と、マニホールド２１１〜２１４とを備える。セパレータ２１０と加湿膜３００とは交互に配置されている。図２では、図示の便宜上、２枚の加湿膜３００とその周囲の３枚のセパレータ２１０のみが示されているが、加湿膜は、少なくとも１枚設けられていればよい。加湿膜３００としては、例えば、親水基を有するフッ素樹脂を用いることが可能である。ここで、親水基として、例えば、−ＯＨ（水酸基）、−ＣＯＯＨ（カルボキシル基）、−ＳＯ3Ｈ（スルホン基）、−Ｈ2ＰＯ4（リン酸基）を用いることが可能である。加湿膜３００の両面には、それぞれ、燃料ガス流路２０５と酸化ガス流路２０６が形成されている。この燃料ガス流路２０５と酸化ガス流路２０６は、例えば、セパレータ２１０に設けられた凹部や溝により形成されている。
【００１２】
マニホールド２１１〜２１４は、セパレータ２１０の積層方向に、加湿器２００を貫通するように形成されている。第１のマニホールド２１１は、乾燥ガス入口２０１を介して、第１の燃料ガス管５１０に接続されている。第２のマニホールド２１２は、加湿ガス出口２０２を介して、第２の燃料ガス管５２０に接続されている。第３のマニホールド２１３は、加湿ガス入口２０３を介して、第１の酸化ガス排気管６２０に接続されている。第４のマニホールド２１４は、排ガス出口２０４を介して、第２の酸化ガス排気管６３０に接続されている。
【００１３】
酸化ガス流路２０６には、燃料電池スタック１００（図１）から排出された酸化排ガスが供給される。酸化排ガスは、燃料電池スタック１００における電気化学反応により生じた水を含んでいる。一方、燃料ガス流路２０５には、燃料タンク４００（図１）に貯蔵された乾燥した燃料ガスが供給される。酸化排ガス中の水分は、加湿膜３００を通って乾燥した燃料ガスに移動し、燃料ガスを加湿する。
【００１４】
図３は、セパレータの平面図を示す説明図である。同図（Ａ）はセパレータ２１０を示し、同図（Ｂ）はセパレータ２１０に貼り付けられる加湿膜３００、同図（Ｃ）は、セパレータ２１０に加湿膜３００が貼り付けられた状態を示している。セパレータ２１０は、略長方形形状をしており、四隅にマニホールド２１１〜２１４を形成するための開口部２２１〜２２４を備える。セパレータ２１０は、中央部に六角形形状をした凹部２３１を備える。同図に示す上面では、開口部２２１から、加湿膜３００と凹部２３１の間を通り、開口部２２２へ燃料ガスが流れる。なお、下面側にも同様な凹部が形成されており、開口部２２３から、加湿膜３００と凹部の間を通り、開口部２２４へ酸化排ガスが流れる。凹部２３１には、凹部を流れる燃料ガスを整流するための凸部２３２が形成されている。下面側の凹部についても同様である。
【００１５】
セパレータ２１０の凹部２３１周りの六つの辺には、加湿膜３００を貼り付けるための糊代２４１〜２４６が設けられている。なお、６つの糊代２４１〜２４６のうち、反応ガスが供給、排出される部分の２つの糊代は、糊代と加湿膜３００の間に反応ガスを通すため、他の４つの糊代の高さよりも低く形成されている。例えば、同図に示すセパレータ２１０の上面では、糊代２４１、２４２は、他の糊代２４３〜２４６よりも低く形成されている。なお、同様に、セパレータ２１０の下面では、糊代２４３、２４４の裏側の糊代部分は、糊代２４１、２４２、２４５、２４６の裏側の糊代部分よりも低く形成されている。したがって、加湿膜３００の一方の面は、糊代２４３〜２４６に貼り付けられ、他方の面は、糊代２４１、２４２、２４５、２４６の裏側の糊代に貼り付けられている。なお、糊代２４１、２４２の高さを、他の糊代２４３〜２４６の高さと同じに形成して、糊代２４１、２４２に開口部２２１、２２２と凹部２３１を通じさせる凹部を設けてもよい。こうすると、加湿膜３００の６つの辺とセパレータ２１０とを貼り付けることが可能となる。
【００１６】
加湿膜３００は、六角形形状をしている。加湿膜３００は、略長方形形状の加湿膜を形成した後、四隅を切り取ることにより容易に形成することが可能である。ここで、加湿膜３００の長手方向は、ＭＤ方向（流れ方向）と平行になっている。加湿膜３００を形成するための樹脂は、その形成時における樹脂の流れ方向により、異方性を有している。一般に、樹脂の流れる方向をＭＤ方向と呼び、ＭＤ方向と垂直な方向をＴＤ方向、樹脂の厚さ方向をＺＤ方向と呼んでいる。
【００１７】
加湿膜３００は、一般に、湿潤状態で、セパレータ２１０に貼り付けられる。したがって、燃料電池スタック１００が運転されないときには、加湿された酸化排ガスが供給されないため、加湿膜３００が収縮する。加湿膜３００は、セパレータ２１０に貼り付けられるため、収縮すると、引っ張られて、内部に応力が発生する。燃料電池スタック１００が運転されると、加湿膜は、元の状態に膨潤する。その結果、加湿膜３００の収縮、膨潤が繰り返されると、内部応力により加湿膜３００の破壊が起こり、加湿膜３００の耐久性が減少する。なお、加湿膜３００が、乾燥状態で、セパレータ２１０に貼り付けられると、燃料電池スタック１００の運転により、加湿された酸化排ガスが加湿器２００に供給され時に、加湿膜３００が膨潤して皺が生じるという問題が生じる。
【００１８】
図４は、加湿膜の変位量と引っ張り強度の関係を示す説明図である。膨潤率がＭＤ方向１％、ＴＤ方向５％である膜を、ダンベル状２号形に成形し、両端を引っ張って、その張力と、変位量の関係を求めた。一般に膜を加湿したとき膜は膨潤する。ここで、『膨潤率がＭＤ方向１％、ＴＤ方向５％』とは、ＭＤ方向に１％膨潤したとき、ＴＤ方向には５％膨潤することを意味する。規格値であるＭＤ方向へ１％引き延ばすのに必要な力は１．４Ｎ、であり、ＴＤ方向へ５％引き延ばすのに必要な力は７．３Ｎであった。この加湿膜３００を膨潤状態から乾燥させて収縮させると、例えば、ＭＤ方向に約１％縮んだとき、ＴＤ方向には約５％縮む。そして、その時のＭＤ方向の抗張力は、１．４Ｎであり、ＴＤ方向の抗張力は７．３Ｎとなる。したがって、縮み量が大きくなる膜の長手方向を、縮みが少ないＭＤ方向と一致させることにより、加湿膜３００に生じる内部応力を、全体として緩和することが可能となる。
【００１９】
本実施例では、ＭＤ方向を、加湿膜の長手方向と平行にしている。これにより、加湿膜３００の長手方向の収縮を抑え、内部応力を緩和できる。その結果、加湿膜３００の耐久性を向上させることが可能となる。
【００２０】
図５は、第２の実施例に係る加湿器の断面を示す説明図である。第２の実施例では、第１の実施例における加湿膜３００の両面に補強層３２０が貼り付けられている。補強層３２０は、引っ張りに対する強度があり、通気性あるいは通水性を有していることが好ましい。補強層３２０としては、例えば、カーボンクロスを用いることが可能である。
【００２１】
図６は、第２の実施例に係るセパレータの平面図を示す説明図である。補強層３２０の大きさは、セパレータ２１０の凹部２３１の大きさよりも少し小さい大きさである。補強層３２０の大きさをこのようにすると、補強層３２０を凹部２３１に収めることが可能となる。その結果、セパレータ２１０の積層方向の加湿器２００の大きさが大きくなることを抑制できる。
【００２２】
以上、第２の実施例によれば、加湿膜３００に補強層３２０が貼り付けられているので、加湿膜３００の収縮を抑制し、加湿膜３００の耐久性を向上させることが可能となる。
【００２３】
なお、補強層３２０は、加湿膜３００の一方の面のみに設けるようにしてもよい。こうしても、加湿膜３００の収縮を抑え、加湿膜３００の耐久性を向上させることが可能となる。この場合、加湿膜３００と補強層３２０のうち、水分を蒸散させやすい方を燃料ガス流路２０５側になるように配置することが好ましい。燃料ガスの加湿を促進することが可能となる。
【００２４】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施例に係る燃料電池システム１０の構成を示す説明図である。
【図２】加湿器の断面を模式的に示す説明図である。
【図３】セパレータの平面図を示す説明図である。
【図４】加湿膜の変位量と引っ張り強度の関係を示す説明図である。
【図５】第２の実施例に係る加湿器の断面を示す説明図である。
【図６】第２の実施例に係るセパレータの平面図を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２６】
１０…燃料電池システム
１００…燃料電池スタック
１０１…燃料ガス供給マニホールド
１０２…燃料ガス排出マニホールド
１０３…酸化ガス供給マニホールド
１０４…酸化ガス排出マニホールド
２００…加湿器
２０１…乾燥ガス入口
２０２…加湿ガス出口
２０３…加湿ガス入口
２０４…排ガス出口
２０５…燃料ガス流路
２０６…酸化ガス流路
２１０…セパレータ
２１１〜２１４…マニホールド
２２１〜２２４…開口部
２３１…凹部
２３２…凸部
２４１〜２４６…糊代
３００…加湿膜
３２０…補強層
４００…燃料タンク
４５０…空気取り入れ装置
５１０、５２０…燃料ガス管
５３０…燃料ガス排気管
６１０…酸化ガス管
６２０、６３０…酸化ガス排気管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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