(57)【要約】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。
2008072657.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項３】
前記弾性層と剛性層とで構成されている、請求項１に記載の加湿器用のセパレータ。
【請求項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。
【請求項５】
前記凸部全体が前記弾性層で構成されている、請求項１に記載の加湿器用のセパレータ。
【請求項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。
【請求項７】
前記セパレータの全体が前記弾性層で構成されている、請求項１に記載の加湿器用のセパレータ。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項１０】
請求項１〜７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。
【請求項１１】
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い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。
【発明の詳細な説明】
【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つために、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や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いる。【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や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った。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いと圧力の低い側に水蒸気透過膜が撓む場合があった。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撓む場合があった。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く、破損し易いことを鑑みて、機械的強度が高い水蒸気透過膜を用いる加湿装置が提案されている（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、水蒸気透過膜の撓みを抑制する膜ガイド部材を設けることが提案されている（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】
【発明が解決しようとする課題】
【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いる。【０００８】
加湿能力（ｋｇ／ｓｅｃ）＝水蒸気透過係数（ｋｇ／ｓｅｃ／ｍ２／Ｐａ）×膜面積（ｍ２）×水蒸気差圧（Ｐａ）・・・（１）
対数平均水蒸気差圧＝｛（Ｐｓａｔ１−Ｐｓａｔ３）−（Ｐｓａｔ２−Ｐｓａｔ４）｝／ＬＮ｛（Ｐｓａｔ１−Ｐｓａｔ３）／（Ｐｓａｔ２−Ｐｓａｔ４）｝・・・（２）
ここで、Ｐｓａｔ１：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いてもよい。【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いてもよい。【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ＥＰＤＭを含むように構成されていることが好ましい。【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ＤＵＲＯＭＥＴＥＲ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い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が可能となる。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】
【００２７】
【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る。
【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ＩＩＩａ−ＩＩＩａ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。
【図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。
【図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。
【図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。
【図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。
【図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】
【００２８】
１  セパレータ
１ａ  弾性層
１ｂ  剛性層
１ｃ  弾性層
１ｄ  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  二次流体供給用マニホールド
２２  二次流体排出用マニホールド
２３  一次流体供給用マニホールド
２４  一次流体排出用マニホールド
３１  二次流体供給用配管
３２  二次流体排出用配管
３３  一次流体供給用配管
３４  一次流体排出用配管
４１ａ  第１の端板
４１ｂ  第２の端板
５０  加湿セル積層体
５１  加湿セルスタック
６１  二次流体供給用マニホールド孔
６２  二次流体排出用マニホールド孔
６３  一次流体供給用マニホールド孔
６４  一次流体排出用マニホールド孔
６５  貫通孔
６６  第１凹部
６７  第１凸部
６８  角部
６９  凹部
７０  凸部
７１  二次流体供給用マニホールド孔
７３  一次流体供給用マニホールド孔
８１  第２凹部
８２  第２凸部
１００  加湿器
１００ａ  加湿器
１００ｂ  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に係る加湿器について説明する。
［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、４１ｂとを加湿セル１１の積層方向において締結する図示されない締結具と、を有している。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、該加湿セル積層体５０の積層方向に貫通するように二次流体供給用マニホールド２１が形成されている。二次流体供給用マニホールド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。二次流体供給用マニホールド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ニホールド２２が形成されている。二次流体排出用マニホールド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が接続されている。二次流体排出用マニホールド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ニホールド２３が形成されている。一次流体供給用マニホールド２３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。一次流体供給用マニホールド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ニホールド２４が形成されている。一次流体排出用マニホールド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。一次流体排出用マニホールド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ニホールド孔７１や一次流体供給用マニホールド孔７３等のマニ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、パーフルオロスルホン酸樹脂（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が配設されている。セパレータ１は、一対の第１弾性層１ａ及び第２弾性層１ｃと、板状の剛性層１ｂと、を有しており、剛性層１ｂの両主面に第１弾性層１ａ及び第２弾性層１ｃ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１ａ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１ｃ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ニホールド孔６１や一次流体供給用マニホールド孔６３等のマニ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ニホールド孔６１等のマニホールド孔は、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、二次流体供給用マニホールド２１等のマニ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が、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１ｂの概略構成を示し、図２のＩＩＩａ−ＩＩＩａ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１ｂ、第１弾性層１ａ、又は第２弾性層１ｃ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１ｂの周縁部には、厚み方向に貫通する二次流体供給用マニホールド孔６１、二次流体排出用マニホールド孔６２、一次流体供給用マニホールド孔６３、及び一次流体排出用マニホールド孔６４が設けられている。また、剛性層１ｂには、前記各マニ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１ａ及び第２弾性層１ｃを構成する弾性体と同じ弾性体１ｄが、第１弾性層１ａと第２弾性層１ｃ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１ｃの両主面と、第１弾性層１ａ、及び第２弾性層１ｃ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１ａの周縁部には、厚み方向に貫通する二次流体供給用マニホールド孔６１、二次流体排出用マニホールド孔６２、一次流体供給用マニホールド孔６３、及び一次流体排出用マニホールド孔６４が設けられている。また、第１弾性層１ａ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が、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っており、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１ｃの周縁部には、第１弾性層１ａと同様に、厚み方向に貫通する二次流体供給用マニホールド孔６１、二次流体排出用マニホールド孔６２、一次流体供給用マニホールド孔６３、及び一次流体排出用マニホールド孔６４が設けられている。また、第２弾性層１ｃ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８１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１ａ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１ｃ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。【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１ａ、１ｃ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１ａの厚みＴ（第１弾性層１ａの水蒸気透過膜２と当接する表面（第１弾性層１ａの外面）からの深さ）は、第１弾性層１ａ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１ａ）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１ａの圧縮された厚み）ΔＴは、角部６８の曲率半径Ｒと同じとなる（ΔＴ＝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１ａ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が破損しないことがわかる。【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１ａ、１ｃ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１ａと第２弾性層１ｃは同様の構成をしているため、第１弾性層１ａ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１ｃ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６７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１ａ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１ａの圧縮された厚みをΔＴとすると、ΔＴ／Ｔ≦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１ａ）が最も圧縮されたときの厚みＴは、Ｔ＝０．３×ΔＴ・・・（８）となる。そして、上述したように、第１凸部６７（第１弾性層１ａ）が最も圧縮されたときに、水蒸気透過膜２が破損しない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を有している必要がある。【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、Ｔ≧１．６６×ｔ・・・（９）となり、第１弾性層１ａ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１ａの厚みＴが、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が、第１弾性層１ａの厚みＴ＝ｔ×１．６６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１ａ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ってその表層部を弾性体で構成された第１弾性層１ａ、又は第２弾性層１ｃ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ができる。【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１ａ、１ｃ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、エラストマー及び／又はプラスチックフォームから構成されている。エラストマーとしては、ゴムや熱可塑性エラストマーが挙げられ、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１ａ、１ｃ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く、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、ポリオレフィン系熱可塑性エラストマー（例えば、エクソン社製  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１ａ、１ｃ）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以上であることが好ましく、水蒸気透過膜２の物理的損傷を抑制する観点から、ＪＩＳ  Ｋ６２００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スケール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１ｂ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、フェノール樹脂、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、ポリ塩化ビニル、ＡＢＳ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１ａ、又は第２弾性層１ｃ）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１ｂ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１ａ及び第２弾性層１ｃを形成して製造してもよく、また、剛性層１ｂをポリプロピレンで形成し、第１弾性層１ａ及び第２弾性層１ｃをポリオレフィン系熱可塑性エラストマー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１ａ、１ｃと剛性層１ｂとから構成したが、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いて説明する。
［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１０２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、ＰＥＦＣ１０１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）を加湿したが、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く、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が、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、ＰＥＦＣ１０１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の図示されないバ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が、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が、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が形成されている。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、その底面から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が、第１凹部６６の底面を剛性層１ｂ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１ｂの表面に第１及び第２弾性層１ａ、１ｃが突設されている。そして、この剛性層１ｂの表面における第１及び第２弾性層１ａ、１ｃが設けられていない部分が、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１ａ、１ｃの剛性層１ｂ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１ａ、１ｃの体積を小さくすることができ、第１及び第２弾性層１ａ、１ｃ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１ｂ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１ｂ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１ｂ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１ｂ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１ａ、１ｃが設けられている。そして、剛性層１ｂ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１ａ、１ｃ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１ａ、１ｃの厚みＴが、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１ａ、１ｃ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１ａ、１ｃ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１ｂ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の形状を長期に亘っ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が、剛性層１ｂ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１ｂで構成し、第１凸部６７及び第２凸部８２が剛性層１ｂ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１ｂと第１及び第２弾性層１ａ、１ｃを、同じオレフィン系の材料（例えば、剛性層１ｂをポリプロピレンで形成し、第１弾性層１ａ及び第２弾性層１ｃをポリオレフィン系熱可塑性エラストマーで形成する）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１ａ、１ｃ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１ａ、１ｃ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が、剛性層１ｂの主面に剛性層１ｂ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１ａ、１ｃ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１ａ、１ｃ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１ａ、１ｃ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１ｂ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の形状を長期に亘っ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１〜４、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が、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１ｂ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１ｂで形成する構成としてもよい。
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Ｒ３５０Ｇ）と、ポリオレフィン系熱可塑性エラストマー（エクソン社製  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５０ｍｍとし（実効加湿面積は０．０３ｍ２）、深さ寸法を１ｍｍとなるように形成した。【００８８】
水蒸気透過膜２として、パーフルオロスルホン酸膜（Ｄｕ  Ｐｏｎｄ社製  商品名Ｎａｆｉｏｎ１１７）を使用し、所定の位置に酸化剤ガス供給用マニホールド孔７１等のマニ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と同じであるが、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ニホールド孔６１等のマニ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１ａ及び第２弾性層１ｃ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１ｂ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と同じであるが、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の上端面の位置から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６６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を用いて行った。試験方法としては、冷却水流路３に７０℃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℃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＝１．４３×１０-7Ｌｎ（ｘ）＋２．８６×１０-7・・・（３）
ｙ＝１．０８×１０-7Ｌｎ（ｘ）＋２．２５×１０-7・・・（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が、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℃で飽和状態までに加湿された燃料ガスが、５９．４Ｌ／ｍｉｎ、同じく、６３℃で飽和状態までに加湿された酸化剤ガスが、２１２．２Ｌ／ｍｉｎ必要となる。また、ＰＥＦＣ１０１のセルスタックには、６０℃に保たれた冷却水が、５．８Ｌ／ｍｉｎ供給されて、セルスタック内で熱交換を行い、７１．５℃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いて説明する。【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で加湿されるが、このとき、酸化剤ガスは、露点が５８℃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℃になるまで加湿されるためには、図８に示すように、加湿器の加湿能力が１２．５０ｇ／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℃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、それぞれの加湿器から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℃の範囲に収まっており、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１１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ができる。【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０．５ｋＰａ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。酸化剤ガスが、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℃で、６時間冷却して、その内部を凍結し、その後、加湿器を＋１０℃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。酸化剤ガスが、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、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。
【図１】
2008072657.tif 000003
【図２】
2008072657.tif 000004
【図３（ａ）】
2008072657.tif 000005
【図３（ｂ）】
2008072657.tif 000006
【図３（ｃ）】
2008072657.tif 000007
【図４（ａ）】
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【図４（ｂ）】
2008072657.tif 000009
【図５（ａ）】
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【図５（ｂ）】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2008072657.tif 000021
【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年12月1日(2008.12.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項３】
前記弾性層と剛性層とで構成されている、請求項１に記載の加湿器用のセパレータ。
【請求項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。
【請求項５】
前記凸部全体が前記弾性層で構成されている、請求項１に記載の加湿器用のセパレータ。
【請求項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。
【請求項７】
前記セパレータの全体が前記弾性層で構成されている、請求項１に記載の加湿器用のセパレータ。
【請求項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。エチレン
【請求項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。
【請求項１０】
請求項１〜７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。
【請求項１１】
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い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。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【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つために、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や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いる。
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）。
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や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った。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いと圧力の低い側に水蒸気透過膜が撓む場合があった。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撓む場合があった。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。
【０００３】
そこで、水蒸気透過膜の機械的強度が低く、破損し易いことを鑑みて、機械的強度が高い水蒸気透過膜を用いる加湿装置が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００４】
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、水蒸気透過膜の撓みを抑制する膜ガイド部材を設けることが提案されている（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】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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いる。
【０００６】
加湿能力（ｋｇ／ｓｅｃ）＝水蒸気透過係数（ｋｇ／ｓｅｃ／ｍ2／Ｐａ）×膜面積（ｍ2）×水蒸気差圧（Ｐａ）・・・（１）
対数平均水蒸気差圧＝｛（Ｐｓａｔ１−Ｐｓａｔ３）−（Ｐｓａｔ２−Ｐｓａｔ４）｝／ＬＮ｛（Ｐｓａｔ１−Ｐｓａｔ３）／（Ｐｓａｔ２−Ｐｓａｔ４）｝・・・（２）
ここで、Ｐｓａｔ１：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。
【０００７】
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】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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いてもよい。
【００１４】
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いてもよい。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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ＥＰＤＭを含むように構成されていることが好ましい。
【００１８】
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ＤＵＲＯＭＥＴＥＲ硬度でＡスケール３０〜１００であることが好ましい。
【００１９】
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。
【００２０】
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
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。
【００２１】
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い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。
【００２２】
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】
【００２３】
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が可能となる。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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
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に係る加湿器について説明する。
［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。
【００２５】
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、４１ｂとを加湿セル１１の積層方向において締結する図示されない締結具と、を有している。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。
【００２６】
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、該加湿セル積層体５０の積層方向に貫通するように二次流体供給用マニホールド２１が形成されている。二次流体供給用マニホールド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。二次流体供給用マニホールド２１の他端は、第２の端板４１ｂによって閉鎖されている。
【００２７】
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ニホールド２２が形成されている。二次流体排出用マニホールド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が接続されている。二次流体排出用マニホールド２２の他端は、第１の端板４１ａによって閉鎖されている。
【００２８】
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ニホールド２３が形成されている。一次流体供給用マニホールド２３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。一次流体供給用マニホールド２３の他端は、第１の端板４１ａによって閉鎖されている。
【００２９】
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ニホールド２４が形成されている。一次流体排出用マニホールド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。一次流体排出用マニホールド２４の他端は、第２の端板４１ｂによって閉鎖されている。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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ニホールド孔７１や一次流体供給用マニホールド孔７３等のマニ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、パーフルオロスルホン酸樹脂（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。
【００３３】
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が配設されている。セパレータ１は、一対の第１弾性層１ａ及び第２弾性層１ｃと、板状の剛性層１ｂと、を有しており、剛性層１ｂの両主面に第１弾性層１ａ及び第２弾性層１ｃ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１ａ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１ｃ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ニホールド孔６１や一次流体供給用マニホールド孔６３等のマニホールド孔が設けられている。
【００３４】
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ニホールド孔６１等のマニホールド孔は、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、二次流体供給用マニホールド２１等のマニ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が、水蒸気透過膜２を透過して二次流体が加湿される。
【００３５】
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。
【００３６】
図３（ａ）は、図２におけるセパレータ１を構成する剛性層１ｂの概略構成を示し、図２のＩＩＩａ−ＩＩＩａ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１ｂ、第１弾性層１ａ、又は第２弾性層１ｃ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。
【００３７】
図３（ａ）に示すように、剛性層１ｂの周縁部には、厚み方向に貫通する二次流体供給用マニホールド孔６１、二次流体排出用マニホールド孔６２、一次流体供給用マニホールド孔６３、及び一次流体排出用マニホールド孔６４が設けられている。また、剛性層１ｂには、前記各マニ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１ａ及び第２弾性層１ｃを構成する弾性体と同じ弾性体１ｄが、第１弾性層１ａと第２弾性層１ｃ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１ｃの両主面と、第１弾性層１ａ、及び第２弾性層１ｃの内面との密着性が確保されている。
【００３８】
図３（ｂ）に示すように、第１弾性層１ａの周縁部には、厚み方向に貫通する二次流体供給用マニホールド孔６１、二次流体排出用マニホールド孔６２、一次流体供給用マニホールド孔６３、及び一次流体排出用マニホールド孔６４が設けられている。また、第１弾性層１ａ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が、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っており、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。
【００３９】
また、図３（ｃ）に示すように、第２弾性層１ｃの周縁部には、第１弾性層１ａと同様に、厚み方向に貫通する二次流体供給用マニホールド孔６１、二次流体排出用マニホールド孔６２、一次流体供給用マニホールド孔６３、及び一次流体排出用マニホールド孔６４が設けられている。また、第２弾性層１ｃ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８１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。
【００４０】
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１ａ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１ｃ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。
【００４１】
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１ａ、１ｃの厚みとの関係について、説明する。
【００４２】
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。
【００４３】
図２及び図９に示すように、第１弾性層１ａの厚みＴ（第１弾性層１ａの水蒸気透過膜２と当接する表面（第１弾性層１ａの外面）からの深さ）は、第１弾性層１ａの外面と内面との間の距離となる。
【００４４】
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１ａ）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１ａの圧縮された厚み）ΔＴは、角部６８の曲率半径Ｒと同じとなる（ΔＴ＝Ｒ・・・（５））。
【００４５】
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１ａ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が破損しないことがわかる。
【００４６】
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１ａ、１ｃ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１ａと第２弾性層１ｃは同様の構成をしているため、第１弾性層１ａ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１ｃについては、その説明を省略する。
【００４７】
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６７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。
【００４８】
ところで、第１弾性層１ａ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１ａの圧縮された厚みをΔＴとすると、ΔＴ／Ｔ≦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１ａ）が最も圧縮されたときの厚みＴは、Ｔ＝０．３×ΔＴ・・・（８）となる。そして、上述したように、第１凸部６７（第１弾性層１ａ）が最も圧縮されたときに、水蒸気透過膜２が破損しない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を有している必要がある。
【００４９】
したがって、式（６）に、式（５）及び式（８）を代入して、整理すると、Ｔ≧１．６６×ｔ・・・（９）となり、第１弾性層１ａ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。
【００５０】
なお、上述のように第１弾性層１ａの厚みＴが、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が、第１弾性層１ａの厚みＴ＝ｔ×１．６６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１ａ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。
【００５１】
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ってその表層部を弾性体で構成された第１弾性層１ａ、又は第２弾性層１ｃ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ができる。
【００５２】
次に、セパレータ１の各構成要素について説明する。
【００５３】
セパレータ１の第１及び第２弾性層１ａ、１ｃ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、エラストマー及び／又はプラスチックフォームから構成されている。エラストマーとしては、ゴムや熱可塑性エラストマーが挙げられ、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１ａ、１ｃ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く、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、ポリオレフィン系熱可塑性エラストマー（例えば、エクソン社製  商品名サントプレーン）を使用することが好ましい。
【００５４】
また、弾性体（第１及び第２弾性層１ａ、１ｃ）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以上であることが好ましく、水蒸気透過膜２の物理的損傷を抑制する観点から、ＪＩＳ  Ｋ６２００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スケール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。
【００５５】
セパレータ１の剛性層１ｂ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、フェノール樹脂、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、ポリ塩化ビニル、ＡＢＳ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。
【００５６】
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。
【００５７】
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１ａ、又は第２弾性層１ｃ）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。
【００５８】
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１ｂ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１ａ及び第２弾性層１ｃを形成して製造してもよく、また、剛性層１ｂをポリプロピレンで形成し、第１弾性層１ａ及び第２弾性層１ｃをポリオレフィン系熱可塑性エラストマー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。
【００５９】
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１ａ、１ｃと剛性層１ｂとから構成したが、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。
【００６０】
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いて説明する。
［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。
【００６１】
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１０２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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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、ＰＥＦＣ１０１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。
【００６５】
なお、ここでは、二段階で酸化剤ガス（二次流体）を加湿したが、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く、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。
【００６６】
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が、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、ＰＥＦＣ１０１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の図示されないバーナに燃焼用燃料として供給される。
【００６７】
（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。
【００６８】
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が、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。
【００６９】
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。
【００７０】
（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。
【００７１】
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が、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が形成されている。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、その底面から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。
【００７２】
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。
【００７３】
（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。
【００７４】
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が、第１凹部６６の底面を剛性層１ｂ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１ｂの表面に第１及び第２弾性層１ａ、１ｃが突設されている。そして、この剛性層１ｂの表面における第１及び第２弾性層１ａ、１ｃが設けられていない部分が、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１ａ、１ｃの剛性層１ｂ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。
【００７５】
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１ａ、１ｃの体積を小さくすることができ、第１及び第２弾性層１ａ、１ｃ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。
【００７６】
（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１ｂ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。
【００７７】
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１ｂ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１ｂ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。
【００７８】
また、凸部７０の主面（表面）及び剛性層１ｂ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１ａ、１ｃが設けられている。そして、剛性層１ｂ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１ａ、１ｃ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１ａ、１ｃの厚みＴが、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。
【００７９】
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１ａ、１ｃ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１ａ、１ｃ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。
【００８０】
また、剛性層１ｂ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の形状を長期に亘っ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。
【００８１】
（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が、剛性層１ｂ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１ｂで構成し、第１凸部６７及び第２凸部８２が剛性層１ｂ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１ｂと第１及び第２弾性層１ａ、１ｃを、同じオレフィン系の材料（例えば、剛性層１ｂをポリプロピレンで形成し、第１弾性層１ａ及び第２弾性層１ｃをポリオレフィン系熱可塑性エラストマーで形成する）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１ａ、１ｃ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１ａ、１ｃ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。
【００８４】
（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。
【００８５】
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が、剛性層１ｂの主面に剛性層１ｂ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１ａ、１ｃが、該突起部７を覆うように形成されている点が異なる。
【００８６】
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１ａ、１ｃ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１ａ、１ｃ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。
【００８７】
また、剛性層１ｂ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の形状を長期に亘っ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。
【００８８】
なお、上記実施の形態１〜４、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が、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１ｂ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１ｂで形成する構成としてもよい。
【００８９】
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。
【００９０】
（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。
【００９１】
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Ｒ３５０Ｇ）と、ポリオレフィン系熱可塑性エラストマー（エクソン社製  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５０ｍｍとし（実効加湿面積は０．０３ｍ2）、深さ寸法を１ｍｍとなるように形成した。
【００９２】
水蒸気透過膜２として、パーフルオロスルホン酸膜（Ｄｕ  Ｐｏｎｄ社製  商品名Ｎａｆｉｏｎ１１７）を使用し、所定の位置に酸化剤ガス供給用マニホールド孔７１等のマニホールド孔を形成した。
【００９３】
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１００を作成した。
【００９４】
（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。
【００９５】
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と同じであるが、以下の点が異なるように作成した。
【００９６】
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ニホールド孔６１等のマニ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１ａ及び第２弾性層１ｃ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１ｂのみ）で作成した。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
（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。
【０１００】
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と同じであるが、以下の点が異なるように作成した。
【０１０１】
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の上端面の位置から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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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６６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。
【０１０４】
次に、これらの加湿器を用いて、性能評価試験を行った。
【０１０５】
［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を用いて行った。試験方法としては、冷却水流路３に７０℃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℃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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
ｙ＝１．４３×１０-7Ｌｎ（ｘ）＋２．８６×１０-7・・・（３）
ｙ＝１．０８×１０-7Ｌｎ（ｘ）＋２．２５×１０-7・・・（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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
次に、この加湿性能の差異が、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。
【０１１０】
［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。
【０１１１】
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℃で飽和状態までに加湿された燃料ガスが、５９．４Ｌ／ｍｉｎ、同じく、６３℃で飽和状態までに加湿された酸化剤ガスが、２１２．２Ｌ／ｍｉｎ必要となる。また、ＰＥＦＣ１０１のセルスタックには、６０℃に保たれた冷却水が、５．８Ｌ／ｍｉｎ供給されて、セルスタック内で熱交換を行い、７１．５℃の排冷却水として排出される。
【０１１２】
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いて説明する。
【０１１３】
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。
【０１１４】
上述したように、酸化剤ガスは、全熱交換器１０３で加湿されるが、このとき、酸化剤ガスは、露点が５８℃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℃になるまで加湿されるためには、図８に示すように、加湿器の加湿能力が１２．５０ｇ／ｍｉｎ必要である。
【０１１５】
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℃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。
【０１１６】
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、それぞれの加湿器から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℃の範囲に収まっており、よく設計値と一致した。
【０１１７】
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１１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ができる。
【０１１８】
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０．５ｋＰａ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。酸化剤ガスが、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。
【０１１９】
（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℃で、６時間冷却して、その内部を凍結し、その後、加湿器を＋１０℃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。酸化剤ガスが、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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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、６クール目にクロスリークが発生していた。
【０１２２】
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】
【０１２３】
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。
【図面の簡単な説明】
【０１２４】
【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る。
【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ＩＩＩａ−ＩＩＩａ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。
【図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。
【図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。
【図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。
【図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。
【図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】
【０１２５】
１  セパレータ
１ａ  弾性層
１ｂ  剛性層
１ｃ  弾性層
１ｄ  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  二次流体供給用マニホールド
２２  二次流体排出用マニホールド
２３  一次流体供給用マニホールド
２４  一次流体排出用マニホールド
３１  二次流体供給用配管
３２  二次流体排出用配管
３３  一次流体供給用配管
３４  一次流体排出用配管
４１ａ  第１の端板
４１ｂ  第２の端板
５０  加湿セル積層体
５１  加湿セルスタック
６１  二次流体供給用マニホールド孔
６２  二次流体排出用マニホールド孔
６３  一次流体供給用マニホールド孔
６４  一次流体排出用マニホールド孔
６５  貫通孔
６６  第１凹部
６７  第１凸部
６８  角部
６９  凹部
７０  凸部
７１  二次流体供給用マニホールド孔
７３  一次流体供給用マニホールド孔
８１  第２凹部
８２  第２凸部
１００  加湿器
１００ａ  加湿器
１００ｂ  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                                                                                
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2008072657.tif 000025
【図２】
2008072657.tif 000026
【図３（ａ）】
2008072657.tif 000027
【図３（ｂ）】
2008072657.tif 000028
【図３（ｃ）】
2008072657.tif 000029
【図４（ａ）】
2008072657.tif 000030
【図４（ｂ）】
2008072657.tif 000031
【図５（ａ）】
2008072657.tif 000032
【図５（ｂ）】
2008072657.tif 000033
【図６】
2008072657.tif 000034
【図７】
2008072657.tif 000035
【図８】
2008072657.tif 000036
【図９】
2008072657.tif 000037
【図１０】
2008072657.tif 000038
【図１１】
2008072657.tif 000039
【図１２】
2008072657.tif 000040
【図１３】
2008072657.tif 000041
【図１４】
2008072657.tif 000042
【図１５】
2008072657.tif 000043
【図１６】
2008072657.tif 000044
【図１７】
2008072657.tif 000045
【図１８】
2008072657.tif 000046
【国際調査報告】
2008072657.tif 000047
2008072657.tif 000048
2008072657.tif 000049
2008072657.tif 000050