(57)【要約】【課題】中空糸膜モジュールを挟むように一対の発電部を積層した場合に、腐食を防止しつつも、外部配線を用いなくとも発電部間の導電性を確保する。【解決手段】中空糸膜モジュールと、当該中空糸膜モジュールを収納する筐体とを備え、筐体が一対の発電部によって挟持され、筐体及び一対の発電部が積層されるように配置される加湿器である。加湿器の筐体は、絶縁性を有し、なおかつ前記中空糸膜モジュールが収容された領域の周辺に積層方向に沿った貫通孔が形成されている。貫通孔には、一対の発電部を導通させる導電部材が設けられている。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空糸膜モジュールと、前記中空糸膜モジュールを収納する筐体とを備え、前記筐体が一対の発電部によって挟持され、前記筐体及び前記一対の発電部が積層されるように配置される加湿器であって、
前記筐体は、絶縁性を有し、なおかつ前記中空糸膜モジュールが収容された領域の周辺に積層方向に沿った貫通孔が形成されていて、
前記貫通孔には、前記一対の発電部を導通させる導電部材が設けられていることを特徴とする加湿器。
【請求項２】
請求項１記載の加湿器において、
前記貫通孔は、前記中空糸膜モジュールが収容された領域の周囲を囲むように複数設けられていて、
複数の前記貫通孔のそれぞれに、前記導電部材が設けられていることを特徴とする加湿器。
【請求項３】
請求項２記載の加湿器において、
複数の前記貫通孔の間隔のうち、少なくとも１つには、前記発電部及び前記筐体を締結するための締結治具が挿入される締結用孔が、前記積層方向に沿うように形成されていることを特徴とする加湿器。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の加湿器において、
前記導電部材は、前記貫通孔から突出していることを特徴とする加湿器。
【請求項５】
請求項４記載の加湿器において、
前記導電部材は、弾性を有することを特徴とする加湿器。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の加湿器において、
前記筐体は、樹脂から形成されていることを特徴とする加湿器。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の加湿器において、
前記筐体には、
前記中空糸膜モジュールが収容される領域に前記積層方向に貫通した開口部と、
前記積層方向における前記開口部の両端を覆うように絶縁性及び弾性を有する膜とが設けられていることを特徴とする加湿器。
【請求項８】
筐体が一対の発電部によって挟持され、前記筐体及び前記一対の発電部が積層されるように配置される加湿器であって、
前記筐体は、絶縁性を有し、中央の領域に水を収容し、なおかつ前記水が収容された周辺の領域に前記積層方向に沿った貫通孔が形成されていて、
前記貫通孔には、前記一対の発電部を導通させる導電部材が設けられていることを特徴とする加湿器。
【請求項９】
請求項８に記載の加湿器において、
前記筐体には、
前記水が収容される領域に前記積層方向に貫通した開口部と、
前記積層方向における前記開口部の両端を覆うように絶縁性及び弾性を有する膜とが設けられていることを特徴とする加湿器。
【請求項１０】
請求項７又は９記載の加湿器において、
前記膜は、樹脂から形成されていることを特徴とする加湿器。
【請求項１１】
請求項１０に記載の加湿器において、
前記膜の厚みは、０．２μｍ〜２０μｍの範囲内に収められていることを特徴とする加湿器。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の加湿器と、
前記加湿器の前記筐体を挟持する一対の発電部とを備えることを特徴とする燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加湿器及び燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池装置においては、イオン交換膜の保湿のために、反応ガスを加湿して運転する必要がある。このため、燃料電池装置には加湿器が搭載されている。加湿器に中空糸膜モジュールと、この中空糸膜モジュールを収納する金属製の筐体とを備えたものが知られている（例えば特許文献１参照）。特許文献１には、金属製の筐体への通電を防止するために、加湿器と集電板との間に絶縁性の樹脂フィルムを配置した加湿器が記載されている。
【特許文献１】特開２００８−１０２０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、複数の発電部が積層された平板型の燃料電池装置においては、積層方向における温度のバラツキが生じやすい。発電効率を高く維持すべく、温度のバラツキを抑制することが望まれる。このため発電部間に１つ以上の加湿器を介在させて、加湿器と発電部との間で熱交換を行うことにより、温度のバラツキを抑制することが検討されている。
【０００４】
しかしながら、上述の文献に記載された加湿器を発電部間に配置すると、筐体が金属製であるがゆえに、当該筐体に電流が流れてしまう。こうなってしまうと、燃料電池等の加湿用途における所定温度・湿度環境下において金属材料が腐食するおそれがある。
【０００５】
この腐食を防止するため、絶縁性のフィルムを中空糸膜モジュールと発電部の間に配置することも考えられるが、上述のように加湿器と発電部との間に絶縁性フィルムを介在させると、中空糸膜モジュールと発電部との導電性が絶たれてしまう。このため中空糸膜モジュールを介して隣接する一対の発電部を電気的に接続するには外部配線を用いる必要が生ずる。外部配線を用いると装置の大型化だけでなく、配線作業の手間も増加してしまう。
【０００６】
本発明の課題は、中空糸膜モジュールを挟むように一対の発電部を積層した場合に、腐食を防止しつつも、外部配線を用いなくとも発電部間の導電性を確保することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一の態様によれば、
中空糸膜モジュールと、前記中空糸膜モジュールを収納する筐体とを備え、前記筐体が一対の発電部によって挟持され、前記筐体及び前記一対の発電部が積層されるように配置される加湿器であって、
前記筐体は、絶縁性を有し、なおかつ前記中空糸膜モジュールが収容された領域の周辺に積層方向に沿った貫通孔が形成されていて、
前記貫通孔には、前記一対の発電部を導通させる導電部材が設けられていることを特徴とする加湿器が提供される。
【０００８】
上記の加湿器において好ましくは、前記貫通孔は、前記中空糸膜モジュールが収容された領域の周囲を囲むように複数設けられていて、
複数の前記貫通孔のそれぞれに、前記導電部材が設けられている。
上記の加湿器において好ましくは、複数の前記貫通孔の間隔のうち、少なくとも１つには、前記発電部及び前記筐体を締結するための締結治具が挿入される締結用孔が、前記積層方向に沿うように形成されている。
上記の加湿器において好ましくは、前記導電部材は、前記貫通孔から突出している。
上記の加湿器において好ましくは、前記導電部材は、弾性を有する。
上記の加湿器において好ましくは、前記筐体は、樹脂から形成されている。
上記の加湿器において好ましくは、前記筐体には、
前記中空糸膜モジュールが収容される領域に前記積層方向に貫通した開口部と、
前記積層方向における前記開口部の両端を覆うように絶縁性及び弾性を有する膜とが設けられている。
【０００９】
本発明の他の態様によれば、
筐体が一対の発電部によって挟持され、前記筐体及び前記一対の発電部が積層されるように配置される加湿器であって、
前記筐体は、絶縁性を有し、中央の領域に水を収容し、なおかつ前記水が収容された周辺の領域に前記積層方向に沿った貫通孔が形成されていて、
前記貫通孔には、前記一対の発電部を導通させる導電部材が設けられていることを特徴とする加湿器が提供される。
【００１０】
上記の加湿器において好ましくは、前記筐体には、
前記水が収容される領域に前記積層方向に貫通した開口部と、
前記積層方向における前記開口部の両端を覆うように絶縁性及び弾性を有する膜とが設けられている。
上記の加湿器において好ましくは、前記膜は、樹脂から形成されている。
上記の加湿器において好ましくは、前記膜の厚みは、０．２μｍ〜２０μｍの範囲内に収められている。
【００１１】
本発明の他の態様によれば、
上記の加湿器と、
前記加湿器の前記筐体を挟持する一対の発電部とを備えることを特徴とする燃料電池装置が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、筐体が絶縁性を有し、積層方向に沿った貫通孔内に導電部材が設けられているので、中空糸膜モジュールを挟むように一対の発電部を積層すると、導電部材が一対の発電部を導通させることになる。したがって、両端部に一対の発電部を積層した場合に、筐体の腐食を防止しつつも、外部配線を用いなくとも発電部間の導電性を確保できる加湿器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。
【００１４】
図１は、燃料電池装置１を備えた発電装置４００のブロック図である。この発電装置４００は、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話機、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、電子手帳、腕時計、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、ゲーム機器、遊技機、その他の電子機器に備え付けられたものであり、電子機器本体を動作させるための電源として用いられる。
【００１５】
発電装置４００は、燃料容器４０１、燃料ポンプ４０２、気化器４０３、改質器４０４、一酸化炭素除去器４０５、空気ポンプ４０６及び燃料電池装置１を備える。
燃料容器４０１は、メタノール等の燃料と水を別々に又は混合した状態で貯留するものである。燃料ポンプ４０２は、燃料容器４０１から燃料と水を吸引し気化器４０３に供給するものである。気化器４０３は、燃料ポンプ４０２を介して燃料容器４０１から供給された燃料と水を気化して混合気を生成するものである。改質器４０４は、気化器４０３から供給された燃料と水の混合気から下記の化学反応式（１）、（２）のように水素ガスと二酸化炭素ガス等を生成するものである。
【００１６】
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ２  …（１）
２ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→５Ｈ２＋ＣＯ＋ＣＯ２  …（２）
【００１７】
一酸化炭素除去器４０５は、改質器４０４から供給された混合気中の一酸化炭素を下記の化学反応式（３）のように酸化させることで混合気から一酸化炭素を除去して燃料ガスを生成するものである。
【００１８】
２ＣＯ＋Ｏ２→２ＣＯ２  …（３）
【００１９】
空気ポンプ４０６は、外気の空気を吸引するとともに吸引した空気を一酸化炭素除去器４０５及び燃料電池装置１に供給するものである。
【００２０】
燃料電池装置１は、一酸化炭素除去器４０５から供給された燃料ガスのうち水素ガスと、空気ポンプ４０６から供給された酸素ガスとの電気化学反応により電気エネルギーを生成するものである。
【００２１】
図２は燃料電池装置の概略構成を示す斜視図である。図２に示すように、燃料電池装置１は、一対の発電部２と、一対の発電部２に挟持された加湿器３とを備える。
【００２２】
一対の発電部２のそれぞれは、複数の単セル２１が積層されて形成されている。単セル２１は、膜電極接合体２２と、膜電極接合体２２を厚さ方向で挟持した一対のセパレータ２３とを備える。この単セル２１内には、加湿器３を介して水素ガス及び酸素ガスが流入し、これらがセパレータ２３及び膜電極接合体２２を通過することで、発電反応が生ずることになる。なお、一対の発電部２のそれぞれは、少なくとも１つの単セル２１を含んでいればよい。
そして、一対の発電部２及び加湿器３は、本発明にかかる締結治具である複数のネジ２５により締結されている。
【００２３】
図３は加湿器３を上から見た上面図であり、図４は図３のＩＶ−ＩＶ断面図である。図３，４に示すように、加湿器３は、中空糸膜モジュール３０と、当該中空糸膜モジュール３０を収納する筐体４０とを備える。
【００２４】
中空糸膜モジュール３０は、中空糸膜３１と、中空糸膜３１の両端部に設けられた中空糸支持体３２とからなる。
中空糸膜３１は、中心部に空洞を有する多数の中空糸を有しており、水分子の透過性を有する膜である。中空糸膜３１が水に浸漬されていると、水分子が中空糸膜３１内に浸透し、中空糸膜３１内を流れるガスが加湿されることになる。
このような中空糸膜３１としては、ポリイミドやフッ素系の高分子膜等からなるものを用いることができる。また、ポリエチレン、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオライド）、ポリエーテルスルホン、ポリアクリロニトリル、酢酸セルロース等からなる中空糸膜を用いてもよい。
【００２５】
中空糸支持体３２は、例えば加熱硬化樹脂、自然硬化する樹脂、光硬化樹脂等が硬化されて形成されており、中空糸膜３１の両端部を固定するものである。固定された状態では、中空糸膜３１の両端部は露出していて、その端部から中空糸膜３１内に流体が入流出可能な状態となっている。
【００２６】
筐体４０は、絶縁性を有する例えばポリプロピレン、ポリエチレン等の樹脂から形成されている。筐体４０は、一対の発電部２によって挟持されていて、これにより筐体４０及び一対の発電部２が積層されることになる。筐体４０には、積層方向に貫通した開口部４１が形成されている。この開口部４１が、中空糸膜モジュール３０が収容される領域である。
【００２７】
また、開口部４１の周辺には、積層方向に沿った貫通孔４２が、開口部４１を囲むように複数形成されている。この貫通孔４２には、一対の発電部２を導通させる導電部材４３が設けられている。導電部材４３は、例えば弾性を有する導電性エラストマーである。具体的に導電性エラストマーは、例えば、シリコンゴムにカーボン粒子や金属粒子を高分散させることで形成されている。導電部材４３の両端部は図４に示すように貫通孔４２から突出していて、一対の発電部２により筐体４０が挟持されることで導電部材４３の突出した箇所が収縮して発電部２に密着する。
また、複数の貫通孔４２間のそれぞれには、図３に示すようにネジ２５が挿入される締結用孔４４が積層方向に沿うように形成されている。
【００２８】
図３及び図４に示すように開口部４１内に中空糸膜モジュール３０が収納されると、中空糸支持体３２が開口部４１の内周面に密着して、開口部４１内における中空糸支持体３２よりも外側領域４５，４６と、内側領域４７とを閉塞する。これにより、外側領域４５，４６と内側領域４７とが連通しないことになる。また、中空糸膜モジュール３０の中空糸膜３１の両端部は中空糸支持体３２から露出しているために、中空糸膜３１と外側領域４５，４６とが連通することになる。なお、開口部４１の内側領域４７は積層方向に沿って貫通しているが、外側領域４５，４６はそれぞれ上下端部に遮蔽壁４５ａ，４６ａが形成されていて貫通していない。
【００２９】
一対の外側領域４５，４６のうち、一方の外側領域４５の近傍には、一酸化炭素除去器４０５から供給された燃料ガス若しくは空気ポンプ４０６から供給された酸素ガスが流入するガス流入口４８が形成されている。ガス流入口４８は一方の外側領域４５に連通しており、当該ガス流入口４８から流入したガスは一方の外側領域４５を介して中空糸膜３１内に供給される。
【００３０】
また、一対の外側領域４５，４６のうち、他方の外側領域４６の近傍には、当該外側領域４６に連通するガス流出口４９が形成されている。また、ガス流出口４９は、一対の発電部２に連通している。中空糸膜３１を通過したガスは、他方の外側領域４６を介してガス流出口４９から流出し、一対の発電部２に供給される。
【００３１】
内側領域４７の近傍には、当該内側領域４７内に水を流入させる水流入口５０と、内側領域４７内の水を排出させる水排出口５１とが形成されている。水流入口５０及び水排出口５１は、それぞれが内側領域４７の略中心を基準とした点対称となる位置に配置されている。中空糸膜３１は、その内側と外側とにそれぞれ水の分圧が異なる流体を通流させると、液体である水分子が一方から他方に移動する。内側領域４７に水が充満していると、中空糸膜３１の外側に存在する液体である水分子が中空糸膜３１の内側に浸透し、中空糸膜３１内を流れるガスが加湿されることになる。このため、中空糸膜３１が常に十分な水に浸漬されていることが望ましく、加湿で使用される量よりも多くの水が水流入口５０から供給されていることが好ましい。
【００３２】
開口部４１における上下端部には、一方の外側領域４５から他方の外側領域４６にかけて中空糸膜３１が延在する方向に直交する方向に沿って掛け渡される一対の補強材５５がそれぞれ配置されている。
また、筐体４０の上下端部には、内側領域４７の両端を覆うように膜６０がそれぞれ設けられている。膜６０は絶縁性及び弾性を有する膜である。具体的に膜６０としては絶縁性のシリコンゴム、ポリオレフィンなどの樹脂製薄膜が挙げられる。
【００３３】
次に、本実施形態の作用について説明する。
加湿器３が一対の発電部２に挟持されていない場合には、図５に示すように水流入口５０から内側領域４７内を充満させるまで水が流入すると、その水圧によって膜６０が弾性変形して外側に向けて膨らむことになる。ここで、加湿器３が弾性を有する膜６１を備えておらず、筐体４０が弾性を有していない場合、筐体４０の外壁は膨らまずに平坦な状態を維持することになる（図５中点線部参照）。
【００３４】
ここで、加湿器３が一対の発電部２に挟持される際には、組み付けや加工で生じたセパレータ２３の歪みによって図６に示すように加湿器３と発電部２との間に隙間Ｓが生ずる場合がある。加湿器３が弾性を有する膜６１を備えておらず、筐体４０が弾性を有していない場合であれば、内側領域４７に水が充満したとしても膜６１が平坦なままであるので、隙間Ｓがそのまま残存することになる。
【００３５】
加湿器３は、ガスを加湿する以外にも、発電部２が発電することにより発生した熱でガスを昇温させ、燃料電池装置１の駆動温度近傍の露点を持つ、燃料電池駆動に適した湿潤ガスを供給する機能も有している。しかし、隙間Ｓが残存したままであると、発電部２から加湿器３への熱伝導が抑制されてしまう。
ところが、弾性を有する膜６０であると、当該膜６０が膨れたことで、図７に示すようにセパレータ２３の表面に密着し、隙間Ｓがなくなるため、熱伝導量を増大することが可能となる。
【００３６】
また、一般的に樹脂の熱伝導率は０．１〜０．６Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。これは、例えばＳＵＳ３１６＝１６Ｗ／ｍ・Ｋ、アルミニウム＝１８０Ｗ／ｍ・Ｋなどのような金属の熱伝導率と比しても著しく小さい。平板を伝導する熱量をｑ、材質の熱伝導率をλ、厚みをＬ、板両面の温度差をΔθとするとこれらの関係は以下の式（４）で表される。
【００３７】
ｑ＝λ・Δθ／Ｌ・・・（４）
【００３８】
式（４）からΔθを一定とすると、５００μｍ程度の厚みのＳＵＳ３１６の熱伝導量はｑ＝０．０３２Δθである。これと同等の熱伝導量となる樹脂の厚さは３．１μｍ〜１９μｍ程度となる。同様に、５００μｍ程度の厚みのアルミニウムと同等の熱伝導量となる樹脂の厚さは０．２８μｍ〜１．７μｍ程度となる。つまり、上述したように膜６０は樹脂製薄膜であるが、ＳＵＳ３１６やアルミニウムと同等の熱伝導量を有するには、厚さが０．２μｍ〜２０μｍの範囲に収めることが望ましい。
【００３９】
そして、一対の発電部２に加湿器３が挟持されると、導電部材４３の突出した部分が押されて導電部材４３が圧縮される。これにより、一対の発電部２と導電部材４３とが密着するため、一対の発電部２が導電部材４３を介して導通することになる。
【００４０】
以上のように、本実施形態によれば、筐体４０が絶縁性を有し、積層方向に沿った貫通孔４２内に導電部材４３が設けられているので、中空糸膜モジュール３０を挟むように一対の発電部２を積層すると、導電部材４３が一対の発電部２を導通させることになる。したがって、両端部に一対の発電部を積層した場合に、筐体４０の腐食を防止しつつも、外部配線を用いなくとも発電部２間の導電性を確保することができる。
【００４１】
また、複数の貫通孔４２のそれぞれに導電部材４３が設けられているので、導電部材４３が１つの場合と比しても抵抗を小さくすることができ、損失を低減することが可能となる。
また、複数の貫通孔４２の間隔のうち、少なくとも１つにネジ２５が挿入される締結用孔４４が形成されているので、貫通孔４２の間隔を有効に活用することができ、装置全体の小型化を図ることが可能となる。
【００４２】
導電部材４３が貫通孔４２から突出しているので、加湿器３が一対の発電部２に挟持されると導電部材４３が押されて収縮する。導電部材４３は弾性復帰しようとするためセパレータ２３との密着性が高まる。
【００４３】
筐体４０や膜６０が樹脂から形成されているので、筐体４０自体が腐食してしまうことを防止することができる。
【００４４】
なお、本発明は上記実施形態に限らず適宜変更可能である。以下の説明において上記実施形態と同一の部分には同一符号を付してその説明を省略する。
【００４５】
例えば、上記実施形態では、導電部材４３自体が弾性を有する素材から形成されている場合を例示したが、図８に示すように形状により弾性を有する導電部材４３ａであってもよい。図８に示す導電部材４３ａは、金属から形成されていて、その両端部４３１が内側に向けて湾曲している。また、貫通孔４２ａの両端部には、導電部材４３ａの両端部４３１の一部が外側に向けて突出するように格納する格納凹部４２１が形成されている。この導電部材４３ａを備えた加湿器３Ａが一対の発電部２に挟持されると、当該導電部材４３ａの両端部４３１が押されて格納凹部４２１内で弾性変形しセパレータ２３に密着することになる。これにより、導電部材４３ａとセパレータ２３との密着性を高めつつも、導電性エラストマーからなる導電部材４３よりも電気伝導性を高めることも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本実施形態の燃料電池装置を備えた発電装置のブロック図である。
【図２】本実施形態の燃料電池装置の概略構成を示す斜視図である。
【図３】図２の燃料電池装置に備わる加湿器を上から見た上面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ断面図である。
【図５】図４の加湿器内に水が充満された状態を示す断面図である。
【図６】弾性を有しない膜を備えた加湿器と一対の発電部のセパレータとの関係を示す断面図である。
【図７】図４の加湿器と一対の発電部のセパレータとの関係を示す断面図である。
【図８】図４の加湿器の第１の変形例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４７】
１      燃料電池装置
２      発電部
３      加湿器
２１      単セル
２２      膜電極接合体
２３      セパレータ
２５      ネジ（締結治具）
３０      中空糸膜モジュール
３１      中空糸膜
３２      中空糸支持体
４０      筐体
４１      開口部
４２      貫通孔
４３      導電部材
４４      締結用孔
４５      外側領域
４６      外側領域
４７      内側領域
４８      ガス流入口
４９      ガス流出口
５０      水流入口
５１      水排出口
５５      補強材
６０      膜
【図１】
2010086857.tif 000003
【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】
2010086857.tif 000008
【図７】
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【図８】
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