(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の発電部に供給される燃料および／または酸化剤としてのガスを加湿するための加湿装置であって、
水透過性部材と、
前記水透過性部材の一方の面側に形成されるガス通路と、
前記水透過性部材の他方の面側に形成される加湿用水路と、
前記加湿用水路側のみに設けられ該水透過性部材が膨潤変形して前記加湿用水路が閉塞されることを阻止する補強部材と、
からなることを特徴とする燃料電池用ガスの加湿装置。
【請求項２】
請求項１記載の加湿装置において、前記補強部材は、樹脂製のメッシュ材で構成されることを特徴とする燃料電池用ガスの加湿装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の加湿装置において、前記補強部材は、前記水透過性部材の加湿用水路側のみに溶着されることを特徴とする燃料電池用ガスの加湿装置。
【請求項４】
請求項１記載の加湿装置において、前記ガス通路または前記加湿用水路は、流路幅が３ｍｍ以上に設定されることを特徴とする燃料電池用ガスの加湿装置。
【請求項５】
請求項１記載の加湿装置において、前記水透過性部材の一方の面側に配設されて前記ガス通路を形成する第１の供給板と、
前記水透過性部材の他方の面側に配設されて前記加湿用水路を形成する第２の供給板と、
を備えるとともに、
前記ガス通路および前記加湿用水路は、蛇行流路を構成することを特徴とする燃料電池用ガスの加湿装置。
【請求項６】
請求項１記載の加湿装置において、前記水透過性部材は、イオン交換膜で構成されるとともに、前記補強部材は、ポリエチレンテレフタレートで構成されることを特徴とする燃料電池用ガスの加湿装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に供給されるガスを加湿するための燃料電池用ガスの加湿装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子電解質膜を挟んでアノード側電極とカソード側電極とを対設した燃料電池構造体を、セパレータによって挟持して複数積層することにより構成した燃料電池が開発され、種々の用途に実用化されつつある。
【０００３】
この種の燃料電池は、一般的に水素ガス（燃料ガス）をアノード側電極に供給するとともに、酸化剤ガス（空気または酸素ガス）をカソード側電極に供給することにより、前記水素ガスがイオン化して固体高分子電解質膜内を流れ、これにより外部に電気エネルギが得られるように構成されている。
【０００４】
この場合、上記燃料電池では、有効な発電機能を発揮させるには、固体高分子電解質膜を適度な湿潤状態に維持することが必要とされている。このため、燃料ガスや酸化剤ガスを予め水により加湿する加湿装置を用意し、この加湿装置を燃料電池に連結して構成することにより、前記加湿された燃料ガスや酸化剤ガスを発電部である燃料電池構造体に供給するものが知られている。
【０００５】
通常、この種の加湿装置は、図６に示すように、燃料ガスまたは酸化剤ガス用の第１供給板２と、加湿水用の第２供給板４とが、水透過膜（水透過性部材）６を挟んで配設されており、前記第１供給板２にガス通路２ａが設けられるとともに、前記第２供給板４に加湿用水路４ａが設けられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の加湿装置では、ガスの加湿量が加湿面積により変化するため、同一流路長でガスの加湿量を多くしようとすると、有効な加湿面積を確保すべく、ガス通路２ａおよび水路４ａの流路幅Ｈを大きく設定する必要がある。
【０００７】
しかしながら、ガス通路２ａに供給されるガスの圧力と水路４ａに供給される加湿水の圧力とに差圧が発生し易いため、通常、ガスの圧力を介して水透過膜６が水路４ａ側に膨潤変形してしまう。しかも、特に流路幅Ｈが大きくなると、水透過膜６によって水路４ａが閉塞されてしまうという問題が指摘されている。これにより、加湿セクションを設計する上で、自由度が低いという問題も指摘されている。
【０００８】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、有効な加湿面積を確保するとともに、簡単な構成で、ガス圧と水圧との差圧による水透過性部材の変形を確実に阻止して設計上の自由度を向上させることが可能な燃料電池用ガスの加湿装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために、本発明は、水透過性部材の一方の面側にガス通路が形成されるとともに、この水透過性部材の他方の面側に加湿用水路が形成され、前記水透過性部材の加湿用水路側のみに補強部材が固着（例えば、溶着）される。従って、例えば、ガス通路内のガス圧が加湿用水路内の水圧よりも大きくなっても、補強部材の作用下に水透過性部材が前記加湿用水路側に膨潤変形して前記加湿用水路が閉塞されることを確実に阻止できる。これにより、水路幅を大きく設定することができ、ガス加湿能力が向上する。
【００１０】
また、補強部材が、樹脂製のメッシュ材で構成されるため、加湿水を円滑に通過させることができ、ガス加湿を一層確実かつ効率的に遂行することが可能になる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る加湿装置１０の概略構成説明図である。加湿装置１０の内部には、積層方向（矢印Ｘ方向）に向かって、燃料ガス用の第１供給板１２と、第１水透過膜（水透過性部材）１４ａと、加湿水用の第２供給板１６と、第２水透過膜１４ｂと、燃料ガスおよび酸化剤ガス用の第３供給板１８と、第３水透過膜１４ｃと、前記第２供給板１６と、第４水透過膜１４ｄと、酸化剤ガス用の第４供給板２０とが一体的に配置される。
【００１２】
図１および図２に示すように、第１供給板１２は、その一面が平坦であり、その他面には、水平方向に延在する複数の突起２２を設けることによって第１水透過膜１４ａの一方の面側に鉛直方向に向かって蛇行する燃料ガス通路２４ａが形成される。
【００１３】
第２供給板１６は、両面に水平方向に延在する複数の突起２６ａ、２６ｂを有し、この突起２６ａ、２６ｂと第１および第２水透過膜１４ａ、１４ｂの他方の面との間に加湿用水路２８ａ、２８ｂが形成される。第３供給板１８は、その両面に水平方向に延在する複数の突起３０ａ、３０ｂを有する。突起３０ａと第２水透過膜１４ｂの一方の面との間に酸化剤ガス通路３２ａが形成され、突起３０ｂと第３水透過膜１４ｃの一方の面との間に燃料ガス通路２４ｂが形成される。
【００１４】
第４供給板２０は、その一面に水平方向に延在する複数の突起３４を設けることにより、この突起３４と第４水透過膜１４ｄの一方の面との間に酸化剤ガス通路３２ｂが形成される。
【００１５】
第１水透過膜１４ａは、例えば、イオン交換膜で構成されており、その両面に補強膜（補強部材）３６ａ、３６ｂが溶着等によって固着される（図３参照）。補強膜３６ａ、３６ｂは、第１水透過膜１４ａが膨潤して加湿用水路２８ａ側に、場合によっては燃料ガス通路２４ａ側に突出変形することを阻止する機能を有する。
【００１６】
補強膜３６ａ、３６ｂとして必須の要件は、水を透過すること、適度な弾性を有すること、膜厚が薄いこと、水による膨潤がないこと、および第１水透過膜１４ａと化学変化を起こさないこと等が挙げられる。補強膜３６ａ、３６ｂとしては、具体的には、ポリエチレンテレフタレート等の樹脂繊維をメッシュ状に構成した膜が使用される。第２〜第４水透過膜１４ｂ〜１４ｄは、第１水透過膜１４ａと同様に構成されており、同一の構成要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００１７】
図１に示すように、加湿装置１０の下部一端側には、水路２８ａ、２８ｂに加湿水を供給するための加湿水導入口４０が設けられるとともに、前記加湿装置１０の下部他端側には、燃料ガスである水素を燃料ガス通路２４ａ、２４ｂに導入するための燃料ガス導入口４２と、酸化剤ガス通路３２ａ、３２ｂに酸化剤ガスである空気（酸素）を導入するための酸化剤ガス導入口４４とが設けられる。
【００１８】
加湿装置１０の上部一端側には、加湿水を外部に導出するための加湿水導出口４６が設けられ、この加湿装置１０の上部他端側には、加湿された水素を図示しない燃料電池に送り出すための燃料ガス導出口４８と、加湿後の空気を前記図示しない燃料電池に送り出すための酸化剤ガス導出口５０とが設けられる。
【００１９】
このように構成される加湿装置１０の動作について、以下に説明する。
【００２０】
先ず、図１に示すように、燃料ガス導入口４２に供給された燃料ガス（水素）は、第１供給板１２と第１水透過膜１４ａの一方の面との間、および第３供給板１８と第３水透過膜１４ｃとの一方の面との間に形成された燃料ガス通路２４ａ、２４ｂに沿って反重力方向に蛇行しながら移動する。
【００２１】
一方、酸化剤ガス導入口４４に供給された酸化剤ガス（空気）は、第３供給板１８と第２水透過膜１４ｂの一方の面との間に形成された酸化剤ガス通路３２ａ、および第４供給板２０と第４水透過膜１４ｄの一方の面との間に形成された酸化剤ガス通路３２ｂに導入され、反重力方向に蛇行しながら移動する。
【００２２】
その際、加湿水導入口４０に供給された加湿水は、２板の第２供給板１６と第１〜第４水透過膜１４ａ〜１４ｄの他方の面との間に形成された水路２８ａ、２８ｂに沿って反重力方向に蛇行しながら移動する。これにより、第１〜第４水透過膜１４ａ〜１４ｄの一方の面に反重力方向に沿って移動する燃料ガスおよび酸化剤ガスは、前記第１〜第４水透過膜１４ａ〜１４ｄの他方の面に沿って反重力方向に移動する加湿水が該第１〜第４水透過膜１４ａ〜１４ｄを透過することによって加湿される。この加湿された燃料ガスおよび酸化剤ガスは、燃料ガス導出口４８および酸化剤ガス導出口５０から図示しない燃料電池の発電部に供給される。
【００２３】
ところで、加湿装置１０内に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスのガス圧と加湿水の水圧とに差圧が発生し易い。このため、例えば、図３に示すように、燃料ガス通路２４ａ内の圧力が水路２８ａ内の圧力よりも高くなり、第１水透過膜１４ａが前記水路２８ａ側に変形しようとする傾向がある。
【００２４】
しかしながら、本実施形態では、第１水透過膜１４ａの両面に、樹脂繊維をメッシュ状に構成した補強膜３６ａ、３６ｂが固着されている（図３参照）。このため、第１水透過膜１４ａが膨潤して水路２８ａ側（場合によっては燃料ガス通路２４ａ側）に突出変形することを阻止することができる。これにより、水路２８ａまたは燃料ガス通路２４ａが閉塞されることがなく、特に水路２８ａの流路幅Ｈを大きく設定することが可能になり、ガス加湿能力が大幅に向上するという利点が得られる。しかも、流路幅Ｈを大きくすることができるため、流路設計上の自由度も有効に向上するという効果がある。
【００２５】
また、補強膜３６ａ、３６ｂは、樹脂製のメッシュ材で構成されている。従って、加湿水を円滑に通過させることができ、ガス加湿を一層確実かつ効率的に遂行することが可能になる。
【００２６】
ここで、具体的に、株式会社旭硝子製のイオン交換膜であるＦＬＥＭＩＯＮ（膜厚が１６０μｍ）の両面にポリエチレンテレフタレートのメッシュを配置したものを用意し、流路幅を変化させた際の加湿特性の変化を検出する実験を行った。検出条件としては、温度が８０℃、キャリアガスとして流量が２ＮＬＭの空気を用いており、流路幅を１ｍｍ、２ｍｍおよび３ｍｍに変化させた。
【００２７】
この結果が、図４に示されている。これにより、従来、水路が閉塞されて実施不可能であった３ｍｍ以上の流路幅でも、安定した加湿特性を得ることができ、加湿能力が一挙に向上した。
【００２８】
なお、通常、燃料ガスおよび酸化剤ガスのガス圧は、加湿水の水圧よりも高圧になっている。このため、図５に示すように、第１水透過膜１４ａの水路２８ａ側の面にのみ補強膜３６を固着してもよい。従って、第１水透過膜１４ａは、ガス圧を介して水路２８ａ側に押圧されても、補強膜３６によりこの水路２８ａ側に変形することを確実に阻止される。これにより、水路２８ａが閉塞されることがなく、しかもこの水路２８ａの流路幅Ｈを有効に大きく設定することができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る燃料電池用ガスの加湿装置では、水透過性部材の一方の面側にガス通路が形成されるとともに、この水透過性部材の他方の面側に加湿用水路が形成され、前記水透過性部材の加湿用水路側のみに補強部材が固着される。これにより、ガス圧と水圧とに差圧が発生しても、補強部材の作用下に、水透過性部材が前記加湿用水路側に膨潤変形して前記加湿用水路が閉塞されることを確実に阻止できる。これにより、簡単な構成で、水路幅を大きく設定することができ、ガス加湿能力が有効に向上するとともに、流路設計上の自由度が高くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る加湿装置の概略構成説明図である。
【図２】前記加湿装置の一部分解斜視説明図である。
【図３】前記加湿装置の要部拡大説明図である。
【図４】流路幅と加湿特性との関係説明図である。
【図５】水透過膜の一方の面にのみ補強膜を設けた際の要部拡大説明図である。
【図６】従来の加湿装置の説明図である。
【符号の説明】
１０…加湿装置                    １２、１６、１８、２０…供給板
１４ａ〜１４ｄ…水透過膜          ２４ａ、２４ｂ…燃料ガス通路
２８ａ、２８ｂ…加湿用水路        ３２ａ、３２ｂ…酸化剤ガス通路
３６、３６ａ、３６ｂ…補強膜
【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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