(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水透過性膜の一方の面に被加湿用のガスを導入するためのガス流路が形成された第１セパレータと、
前記水透過性膜の他方の面に加湿用の水を導入するための水流路が形成された第２セパレータと、
前記第１および第２セパレータと前記水透過性膜とを互いに積層方向に密着させるために、内部に圧力媒体を導入して前記積層方向に加圧力を発生させる圧力室が形成されたプレート部材と、
を備えるとともに、
前記第１セパレータ、前記第２セパレータおよび前記プレート部材には、前記積層方向に貫通して被加湿用ガスの通路および加湿用水の通路が形成されることを特徴とするガスの加湿装置。
【請求項２】
請求項１記載の加湿装置において、前記圧力室は、前記第１および第２セパレータの両方に近接して設けられることを特徴とするガスの加湿装置。
【請求項３】
水透過性膜の一方の面に被加湿用のガスを導入するためのガス流路が形成された第１セパレータと、
前記水透過性膜の他方の面に加湿用の水を導入するための水流路が形成された第２セパレータと、
前記第１および第２セパレータと前記水透過性膜とを互いに積層方向に密着させるために、内部に圧力媒体を導入して前記積層方向に加圧力を発生させる圧力室と、
前記圧力室に供給される前記圧力媒体の温度を調整するための温度制御手段と、
を備えることを特徴とするガスの加湿装置。
【請求項４】
請求項１または３記載の加湿装置において、前記水流路は、前記加湿用の水を下方から反重力方向に向かって供給するように構成されることを特徴とするガスの加湿装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の加湿装置において、前記被加湿用のガスは、固体高分子型燃料電池に供給される燃料ガスおよび／または酸化剤ガスであることを特徴とするガスの加湿装置。
【請求項６】
請求項１または３記載の加湿装置において、前記圧力媒体は液体であることを特徴とするガスの加湿装置。
【請求項７】
請求項６記載の加湿装置において、前記液体は水であることを特徴とするガスの加湿装置。
【請求項８】
水透過性膜の一方の面に被加湿用のガスを導入するためのガス流路が形成された第１セパレータと、
前記水透過性膜の他方の面に加湿用の水を導入するための水流路が形成された第２セパレータと、
前記第１および第２セパレータと前記水透過性膜とを互いに積層方向に密着させるために、内部に圧力媒体を導入して前記積層方向に加圧力を発生させる圧力室と、
を備え、
前記第１および第２セパレータの積層方向両端にエンドプレートが配設されるとともに、
前記エンドプレートの内面は、前記圧力室の壁面の一部を構成することを特徴とするガスの加湿装置。
【請求項９】
請求項８記載の加湿装置において、前記エンドプレートには、前記圧力室に連通する圧力媒体導入口および圧力媒体導出口が形成されることを特徴とするガスの加湿装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水透過性膜の一方の面に被加湿用のガスを導入するとともに、前記水透過性膜の他方の面に加湿用の水を導入する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され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、燃料ガス（水素）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）をカソード側電極に供給することにより、前記燃料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ために、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燃料電池構造体に供給するものが知られている。
【０００５】
ところで、加湿装置は、通常、加湿膜の両面を燃料ガス流路が形成されたセパレータと加湿水流路が形成されたセパレータとで挟持した第１積層体と、他の加湿膜の両面を酸化剤ガス流路が形成されたセパレータと加湿水流路が形成されたセパレータとで挟持した第２積層体とを交互に積層し、両端にエンドプレートを設けてボルトにより一体的に締め付けるように構成されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の加湿装置では、両端のエンドプレートとボルトの締め付け力により面圧を確保しようとしているが、構造上、このボルトを加湿部である第１および第２積層体の中央部分に設けることができない。これにより、加湿部で所望の面圧を得ることができず、燃料ガス、酸化剤ガスおよび加湿水が、セパレータの各流路を流れずに前記セパレータの導入口から導出口に向かって直接流れるおそれがある。従って、加湿部の面積が有効に利用されず、加湿性能が大幅に低下するという問題が指摘されている。
【０００７】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、加湿装置内の中央部分で所望の面圧を確保することができ、加湿性能を有効に維持することが可能なガスの加湿装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【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、被加湿用のガスを導入するためのガス流路が形成された第１セパレータと加湿用の水を導入するための水流路が形成された第２セパレータとが、水透過性膜の両側に配設されるとともに、前記第１および第２セパレータの両方に近接して設けられた圧力室に導入される圧力媒体の加圧作用下に、前記第１および第２セパレータと前記水透過性膜とが互いに密着される。このため、加湿部である第１および第２セパレータと水透過性膜との中央部分に所望の面圧を確保することができ、加湿性能を有効に維持することが可能になる。
【０００９】
また、圧力室に供給される圧力媒体の温度が調整されることにより、加湿装置内の温度分布を均一化することができ、加湿性能がより一層向上する。
【００１０】
さらに、水流路が、加湿用の水を下方から反重力方向に向かって供給するように構成される。従って、水に含まれている気泡は、水流路内に滞留することがなく、速やかに排出される。
【００１１】
さらにまた、被加湿用のガスが、固体高分子型燃料電池に供給される燃料ガスおよび／または酸化剤ガスである。これにより、所望の加湿状態に維持されたガスを燃料電池に確実に供給することが可能になる。また、圧力媒体は液体であることが好ましく、さらに、前記液体は水であることが好ましい。さらにまた、第１および第２セパレータの積層方向両端にエンドプレートが配設されるとともに、前記エンドプレートの内面は、圧力室の壁面の一部を構成することが好ましい。また、エンドプレートには、圧力室に連通する圧力媒体導入口および圧力媒体導出口が形成されることが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る加湿装置１０の概略縦断面説明図である。加湿装置１０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（第１セパレータ）１２と、第１水透過性膜１４ａと、加湿水用の第２供給板（第２セパレータ）１６と、第２水透過性膜１４ｂと、酸化剤ガスおよび燃料ガス用の第３供給板（第１セパレータ）１８と、第３水透過性膜１４ｃと、前記第２供給板１６と、第４水透過性膜１４ｄと、酸化剤ガス用の第４供給板（第１セパレータ）２０とを一体的に配置しており、その積層方向両端にエンドプレート２２ａ、２２ｂが設けられる。
【００１３】
図１および図３に示すように、第１供給板１２は、その一面側の中央部に比較的広範囲にわたって第１凹部２４を有し、この第１凹部２４は、前記第１供給板１２がエンドプレート２２ａ、２２ｂ間に組み付けられる際に第１圧力室２６を構成する（図１参照）。
【００１４】
第１供給板１２の他面側には、図１および図２に示すように、水平方向に延在する複数の突起２８を設けることにより、第１水透過性膜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流路３０ａが形成される。第１供給板１２の下部側には、燃料ガス通路３２ａ、加湿水通路３４ａおよび酸化剤ガス通路３６ａが形成されるとともに、この第１供給板１２の上部側には、燃料ガス通路３２ｂ、加湿水通路３４ｂおよび酸化剤ガス通路３６ｂが形成される。燃料ガス通路３２ａ、３２ｂは、溝部３７ａ、３７ｂを介して燃料ガス流路３０ａに連通している。
【００１５】
第１供給板１２の両面には、それぞれの下部および上部に燃料ガス通路３２ａ、加湿水通路３４ａ、酸化剤ガス通路３６ａと、燃料ガス通路３２ｂ、加湿水通路３４ｂ、酸化剤ガス通路３６ｂとを囲繞してシール溝３８ａ、３８ｂが形成される。
【００１６】
第１水透過性膜１４ａは、例えばイオン交換膜で構成されており、その下部側に燃料ガス通路４０ａ、加湿水通路４２ａおよび酸化剤ガス通路４４ａが貫通形成される一方、その上部側に燃料ガス通路４０ｂ、加湿水通路４２ｂおよび酸化剤ガス通路４４ｂが貫通形成される。第２〜第４水透過性膜１４ｂ〜１４ｄは、第１水透過性膜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】
第２供給板１６は、両面に水平方向に延在する複数の突起４６ａ、４６ｂを有し、この突起４６ａ、４６ｂと第１および第２水透過性膜１４ａ、１４ｂの他方の面との間に水流路４８ａ、４８ｂが形成される。第２供給板１６の下部側には、燃料ガス通路５０ａ、加湿水通路５２ａおよび酸化剤ガス通路５４ａが貫通形成されるとともに、この第２供給板１６の上部側には、燃料ガス通路５０ｂ、加湿水通路５２ｂおよび酸化剤ガス通路５４ｂが貫通形成される。加湿水通路５２ａ、５２ｂは、第２供給板１６の両面でそれぞれ溝部５５ａ、５５ｂを介して水流路４８ａ、４８ｂに連通している。第２供給板１６の両面には、その下部側にシール溝５６ａが形成され、その上部側にシール溝５６ｂが形成される。
【００１８】
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５８ａ、５８ｂを有する。突起５８ａと第２水透過性膜１４ｂの一方の面との間に酸化剤ガス流路６０ａが形成され、突起５８ｂと第３水透過性膜１４ｃの一方の面との間に燃料ガス流路３０ｂが形成される。第３供給板１８の下部側および上部側には、燃料ガス通路６２ａ、６２ｂ、加湿水通路６４ａ、６４ｂおよび酸化剤ガス通路６６ａ、６６ｂが貫通形成される。酸化剤ガス通路６６ａ、６６ｂは、図示しない溝部を介して酸化剤ガス流路６０ａに連通するとともに、燃料ガス通路６２ａ、６２ｂは、溝部６７ａ、６７ｂを介して燃料ガス流路３０ｂに連通する。第３供給板１８の両面には、その下部側および上部側にシール溝６８ａ、６８ｂが形成される。
【００１９】
図１に示すように、第３水透過性膜１４ｃと第４水透過性膜１４ｄとの間に第２供給板１６が配置される。第２供給板１６の両面と第３および第４水透過性膜１４ｃ、１４ｄの他方の面との間には、水流路４８ｃ、４８ｄが形成される。
【００２０】
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７０を設けることにより、この突起７０と第４水透過性膜１４ｄの一方の面との間に酸化剤ガス流路６０ｂが形成される。第４供給板２０の他方の面には、比較的広範囲にわたって第２凹部７２が設けられ、この第２凹部７２には、前記第４供給板２０がエンドプレート２２ｂに対応して配置される際、第２圧力室７４を構成する。
【００２１】
第４供給板２０の下部側および上部側には、燃料ガス通路７６ａ、７６ｂ、加湿水通路７８ａ、７８ｂおよび酸化剤ガス通路８０ａ、８０ｂが形成され、この酸化剤ガス通路８０ａ、８０ｂは、図示しない溝部を介して酸化剤ガス流路６０ｂに連通する。第４供給板２０の両面には、その下部側および上部側にシール溝８２ａ、８２ｂが形成される。
【００２２】
図１に示すように、第１〜第４水透過性膜１４ａ、１４ｂ、１４ｃおよび１４ｄと、第１〜第４供給板１２、１６、１８および２０とは、所定の配置状態でエンドプレート２２ａ、２２ｂを介して挟持され、このエンドプレート２２ａ、２２ｂが締付けボルト８４とナット８６とを介して一体的に締め付けられる。シール溝３８ａ、３８ｂ、５６ａ、５６ｂ、６８ａ、６８ｂおよび８２ａ、８２ｂには、それぞれシールリング８８が介装されており、各部材の間に所望のシール状態を維持している。
【００２３】
エンドプレート２２ａは、燃料ガスである水素を燃料ガス通路３２ａ等に導入するための燃料ガス導入口９０と、酸化剤ガス通路３６ａに酸化剤ガスである空気（または酸素）を導入するための酸化剤ガス導入口９２とを、その下部側に設けている。エンドプレート２２ａの上部側には、加湿された水素を燃料ガス通路３２ｂから図示しない燃料電池に送り出すための燃料ガス導出口９４と、加湿後の空気を酸化剤ガス通路３６ｂから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９６とが設けられる。エンドプレート２２ａには、さらに第１圧力室２６に連通する圧力媒体導入口９８および圧力媒体導出口１００が形成される。
【００２４】
エンドプレート２２ｂの下部側には、加湿水通路７８ａに連通する加湿水導入口１０２が設けられ、その上部側には、加湿水通路７８ｂに連通する加湿水導出口１０４が設けられる。エンドプレート２２ｂの略中央部下方に第２圧力室７４に連通する圧力媒体導入口１０６が設けられ、その略中央部上方に前記第２圧力室７４に連通する圧力媒体導出口１０８が形成される。
【００２５】
図４に示すように、加湿装置１０は、圧力媒体導入口９８、１０６と圧力媒体導出口１００、１０８とに連通して第１および第２圧力室２６、７４に圧力媒体を循環供給するための循環系１１０を備える。
【００２６】
循環系１１０は、圧力媒体として、例えば圧力水を貯留する水タンク１１２を有し、この水タンク１１２と加湿装置１０とを連通する循環路１１４には、水循環用ポンプ１１６と、圧力水の温度調整を行う温度制御手段を構成するヒータ１１８と、圧力調整レギュレータ１２０と、流量制御バルブ１２２とが配設される。ヒータ１１８および流量制御バルブ１２２は、ＣＰＵ１２４を介して駆動制御されており、このＣＰＵ１２４には、加湿装置１０内に配置された図示しない温度検出センサからの温度信号が入力される。
【００２７】
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。
【００２８】
先ず、図１に示すように、燃料ガス（水素）がエンドプレート２２ａの燃料ガス導入口９０に供給される。燃料ガスは、図２に示すように、第１供給板１２の燃料ガス通路３２ａから第３供給板１８の燃料ガス通路６２ａに導入され、この第１供給板１２と第１水透過性膜１４ａの一方の面との間、および前記第３供給板１８と第３水透過性膜１４ｃとの一方の面との間に形成された燃料ガス流路３０ａ、３０ｂに沿って反重力方向に蛇行しながら移動する。
【００２９】
一方、酸化剤ガス（空気または酸素）がエンドプレート２２ａの酸化剤ガス導入口９２に供給されると、この酸化剤ガスは第１供給板１２の酸化剤ガス通路３６ａから第４供給板２０の酸化剤ガス通路８０ａに導入される。酸化剤ガスは、第３供給板１８と第２水透過性膜１４ｂの一方の面との間に形成された酸化剤ガス流路６０ａ、および第４供給板２０と第４水透過性膜１４ｄの一方の面との間に形成された酸化剤ガス流路６０ｂに導入され、反重力方向に蛇行しながら移動する。
【００３０】
また、エンドプレート２２ｂの加湿水導入口１０２に加湿水が供給されると、この加湿水は、第４供給板２０の加湿水通路７８ａから第２供給板１６の加湿水通路５２ａに導入される。この加湿水は、２板の第２供給板１６と第１〜第４水透過性膜１４ａ〜１４ｄの他方の面との間に形成された水流路４８ａ〜４８ｄに沿って反重力方向に蛇行しながら移動する。
【００３１】
これにより、第１〜第４水透過性膜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水透過性膜１４ａ〜１４ｄの他方の面に沿って反重力方向に移動する加湿水を介して加湿される。次いで、加湿された燃料ガスおよび酸化剤ガスは、エンドプレート２２ａの燃料ガス導出口９４および酸化剤ガス導出口９６から図示しない燃料電池内に供給される。
【００３２】
この場合、本実施形態では、第１および第４供給板１２、２０の一面側に第１および第２凹部２４、７２が形成されることにより、この第１および第４供給板１２、２０とエンドプレート２２ａ、２２ｂとの間に第１および第２圧力室２６、７４が設けられる。そして、図４に示すように、ポンプ１１６の作用下に、水タンク１１２から循環路１１４に沿って圧力水が圧力媒体導入口９８、１０６を介して第１および第２圧力室２６、７４に導入される。
【００３３】
このため、第１供給板１２、第２供給板１６、第３供給板１８、第２供給板１６および第４供給板２０は、第１〜第４水透過性膜１４ａ〜１４ｄを介装した状態で積層方向（図１中、矢印Ｘ方向）に加圧され、互いに密着状態を維持することができる。従って、締付けボルト８４とナット８６とによりエンドプレート２２ａ、２２ｂの周縁部のみを締め付け固定するものに比べ、加湿部である加湿装置１０の中央部分に所望の面圧を確実に付与することが可能になる。
【００３４】
これにより、例えば、第１供給板１２と第１水透過性膜１４ａとが中央部分で互いに離間することがなく、燃料ガスが燃料ガス流路３０ａに沿って蛇行することなく燃料ガス通路３２ｂに直接排出されることを阻止することが可能になる。すなわち、燃料ガスは、燃料ガス流路３０ａに沿って確実に流れることができ、この燃料ガスに加湿水を十分に付与し得る等、ガス加湿性能を有効に向上させるという効果がある。
【００３５】
さらに、第１の実施形態では、加湿装置１０内の温度が図示しないセンサにより検出され、その温度信号がＣＰＵ１２４に送られている。このため、ＣＰＵ１２４は、ヒータ１１８および流量制御バルブ１２２を制御することにより、加湿装置１０内の温度分布を均一化することができる。従って、特に加湿装置１０の両端での温度低下を抑制することが可能になり、ガス加湿性能がより一層向上するという利点が得られる。
【００３６】
さらにまた、加湿装置１０では、加湿水がエンドプレート２２ｂの下部側に設けられた加湿水導入口１０２から導入され、反重力方向に移動してこのエンドプレート２２ｂの上部側に設けられた加湿水導出口１０４から排出される。このため、水流路４８ａ〜４８ｄ内にエアが混入することがなく、第１〜第４水透過性膜１４ａ〜１４ｄと加湿水との接触面積が有効に増加し、前記第１〜第４水透過性膜１４ａ〜１４ｄの加湿機能が向上するという効果がある。
【００３７】
なお、燃料ガスおよび酸化剤ガスは、エンドプレート２２ａの下部側から反重力方向に導入されてこのエンドプレート２２ａの上部側から図示しない燃料電池に送られるように構成されているが、これとは逆に重力方向に導入される構成であってもよい。
【００３８】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る加湿装置１６０の概略縦断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る加湿装置１０と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。
【００３９】
加湿装置１６０は、エンドプレート２２ａ、２２ｂと第１および第４供給板１２、２０との間に加圧板１６２、１６４を介装している。加圧板１６２、１６４の一面側は平坦状に構成されており、それぞれの他面側に比較的大きな凹部１６６、１６８が形成される。凹部１６６、１６８は、加圧板１６２、１６４がエンドプレート２２ａ、２２ｂ間に維持される際、第１および第２圧力室１７０、１７２を構成する。
【００４０】
加圧板１６２、１６４の下部側および上部側には、図示しないがそれぞれ加湿水通路、燃料ガス通路および酸化剤ガス通路が設けられるとともに、シールリング８８を嵌合するためのシール溝１７４、１７６が両面のそれぞれの下部側および上部側に形成されている。
【００４１】
このように構成される加湿装置１６０では、エンドプレート２２ａ、２２ｂの圧力媒体導入口９８、１０６に圧力水が導入されると、この圧力水は、加圧板１６２、１６４と前記エンドプレート２２ａ、２２ｂとの間に形成された第１および第２圧力室１７０、１７２に供給される。これにより、加湿部である加湿装置１６０の中央部分は、第１および第２圧力室１７０、１７２に供給された圧力水を介して積層方向に加圧され、所定の面圧を確保することができる。従って、加湿装置１６０は、第１の実施形態に係る加湿装置１０と同様の効果が得られる。
【００４２】
なお、第１および第２の実施形態では、圧力媒体として圧力水を用いているが、これに限定されるものではなく、油や空気等の種々の媒体を使用することが可能である。また、加湿装置１０、１６０の両側に第１および第２圧力室２６、１７０および７４、１７２を設けているが、これに代替し、あるいはこれに付加して前記加湿装置１０、１６０の中間部分、すなわち第２および第３水透過性膜１４ｂ、１４ｃの間に圧力室を設けることもできる。
【００４３】
【発明の効果】
以上のように本発明に係るガスの加湿装置では、ガス流路が形成された第１セパレータと水流路が形成された第２セパレータとが、水透過性膜の両側に配置されるとともに、圧力室に導入される圧力媒体の加圧作用下に前記第１および第２セパレータと前記水透過性膜とが互いに密着される。これにより、第１および第２セパレータと水透過性膜とは、全体として所望の面圧を確保することができ、特に加湿部である中央部分を確実に密着して加湿性能を有効に向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る加湿装置の概略縦断面説明図である。
【図２】前記第１の実施形態に係る加湿装置の一部分解斜視説明図である。
【図３】前記第１の実施形態に係る加湿装置を構成する第１供給板の正面説明図である。
【図４】前記第１の実施形態に係る加湿装置に圧力水を供給するための循環系の概略説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る加湿装置の概略縦断面説明図である。
【符号の説明】
１０、１６０…加湿装置            １２、１６、１８、２０…供給板
１４ａ〜１４ｄ…水透過性膜        ２２ａ、２２ｂ…エンドプレート
２４、７２、１６６、１６８…凹部  ２６、７４、１７０、１７２…圧力室
３０ａ、３０ｂ…燃料ガス流路      ４８ａ〜４８ｄ…水流路
６０ａ、６０ｂ…酸化剤ガス流路    １１０…循環系
１１４…循環路                    １１６…ポンプ
１１８…ヒータ                    １２０…圧力調整レギュレータ
１２２…流量制御バルブ            １２４…ＣＰＵ
１６２、１６４…加圧板
【図１】
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【図２】
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【図３】
0003660087.tif 000004
【図４】
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【図５】
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