(57)【要約】【課題】この発明は、ガス中の水蒸気結露による流路圧力損失の増大抑制、及び電池性能や加湿性能の低下を抑制することができる燃料電池ユニットを得る。【解決手段】この発明に係る燃料電池ユニット１００は、燃料電池スタック１の内部を酸化ガスが流れる燃料電池ガス流路及び酸化オフガスが流れる燃料電池オフガス流路は、ともに流れ方向に沿って下り勾配または水平であり、熱交換型加湿器２の内部を酸化ガス７ｂが流れる加湿器ガス流路及び酸化オフガス６ｂが流れる加湿器オフガス流路は、ともに流れ方向に沿って下り勾配または水平であり、また連通板４に設けられた、酸化オフガス６ｂが通る酸化オフガス連通路及び酸化ガス７ｂが通る酸化ガス連通路２５の少なくとの一方は流れ方向に沿って上り勾配である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を燃料極及び酸素極で挟んだ構成された単電池が複数段積層され、電池反応で発電する固体高分子形の燃料電池スタックと、
この燃料電池スタックに連通板を介して設けられ、前記単電池を通過した後の水分を含むオフガスと単電池を通過する前のガスとの間で全熱交換膜を介して熱交換及び湿度交換を行う全熱交換型加湿器とを備え、
前記燃料電池スタックの内部を前記ガスが流れる燃料電池ガス流路及び前記オフガスが流れる燃料電池オフガス流路は、ともに流れ方向に沿って下り勾配または水平であり、
前記全熱交換型加湿器の内部を前記ガスが流れる加湿器ガス流路及び前記オフガスが流れる加湿器オフガス流路は、ともに流れ方向に沿って下り勾配または水平であり、
また前記連通板に設けられた、前記オフガスが通るオフガス連通路及び前記ガスが通るガス連通路の少なくとの一方は流れ方向に沿って上り勾配であることを特徴とする燃料電池ユニット。
【請求項２】
前記連通板には、前記燃料電池スタックから排出される冷却水が流通する冷却水流路が設けられており、前記連通板は、前記単電池を冷却した後の前記冷却水により温度調整されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池ユニット。
【請求項３】
前記燃料電池スタック及び前記全熱交換型加湿器は、前記連通板の片側面にそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池ユニット。
【請求項４】
前記連通板を挟んで前記燃料電池スタックと前記全熱交換型加湿器とは、同軸線方向に配置されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の燃料電池ユニット。
【請求項５】
前記加湿器ガス流路の一部に、前記全熱交換膜と非接触であって流れ方向に沿って上り勾配の非接触流路が形成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の燃料電池ユニット。
【請求項６】
前記非接触流路は、迂回して前記連通板に形成されたガス連通通路であることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池ユニット。
【請求項７】
前記ガス連通路またはオフガス連通路の下部には、ドレン排出孔が設けられていることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の燃料電池ユニット。
【請求項８】
前記ガスは酸化ガスであり、前記オフガスは前記酸素極から排出される前記酸化オフガスであることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の燃料電池ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、固体高分子形の燃料電池スタックと全熱交換型加湿器とを備えた燃料電池ユニットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
環境に優しい電源として定置用や車載用の固体高分子形燃料電池の開発が進められている。この燃料電池に供給する燃料ガス及び酸化ガスは、電解質膜が良好なイオン伝導を保持するために加湿することが必要不可欠である。
そして、この加湿手段である、電池反応部を通過した後の酸化ガスと電池反応部を通過する前の酸化ガスとの熱交換及び湿度交換を行う全熱交換型加湿器を、燃料電池スタックと一体構造にすることで、高効率化、コンパクト化及び低コスト化を図った燃料電池ユニットが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特許第３８３９９７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記燃料電池ユニットの場合には、燃料電池スタックの、ガス供給流路、ガス排出流路及び電池反応流路、並びに全熱交換器型加湿器の全熱交換流路のいずれかにガスの流れに沿って上り勾配の流路が形成されている。
燃料電池スタック及び全熱交換型加湿器の流路を流通するガス中の水蒸気分圧が飽和蒸気圧に近い場合、ガス温度が低下すれば水蒸気の結露が進行する。
そして、上り勾配の流路で結露が生じた場合には、流路閉塞等による流路圧力損失増大及び補機動力の増大のみならず、電池反応部に結露水が滞留して単電池電圧の低下を招き、また全熱交換型加湿器の性能低下等の問題点があった。
【０００５】
この発明は、上述のような問題点を解決することを課題とするものであって、その目的は、ガス中の水蒸気結露による流路圧力損失の増大抑制、及び電池性能や加湿性能の低下を抑制することができる等の燃料電池ユニットを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る燃料電池ユニットは、電解質膜を燃料極及び酸素極で挟んだ構成された単電池が複数積層され、電池反応で発電する固体高分子形の燃料電池スタックと、この燃料電池スタックに連通板を介して設けられ、前記単電池を通過した後の水分を含むオフガスと単電池を通過する前のガスとの間で全熱交換膜を介して熱交換及び湿度交換を行う全熱交換型加湿器とを備え、前記燃料電池スタックの内部を前記ガスが流れる燃料電池ガス流路及び前記オフガスが流れる燃料電池オフガス流路は、ともに流れ方向に沿って下り勾配または水平であり、前記全熱交換型加湿器の内部を前記ガスが流れる加湿器ガス流路及び前記オフガスが流れる加湿器オフガス流路は、ともに流れ方向に沿って下り勾配または水平であり、また前記連通板に設けられた、前記オフガスが通るオフガス連通路及び前記ガスが通るガス連通路の少なくとの一方は流れ方向に沿って上り勾配である。
【発明の効果】
【０００７】
この発明に係る燃料電池ユニットによれば、ガス中の水蒸気結露による流路圧力損失の増大抑制、及び電池性能や加湿性能の低下を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、この発明の各実施の形態を図に基づいて説明するが、各図において、同一または相当の部材、部位については、同一符号を付して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る燃料電池ユニット１００の全体斜視図、図２は図１における全熱交換型加湿器（以下、加湿器と略称する）２の内部部位を矢印Ａ方向に沿って視たときの部分縦断面図、図３は図２の第１のセパレータ板１７ａを矢印Ｂ方向に沿って視たときの概略図、図４は図２の第２のセパレータ板１７ｂを矢印Ｃ方向に沿って視たときの概略図である。なお、図３及び図４において、加湿器酸化ガス流路１９及び酸化オフガス流路２０は省略されている。
【０００９】
この燃料電池ユニット１００は、電解質膜を燃料極及び酸素極で挟んだ構成された単電池が複数段積層されてなる固体高分子形の燃料電池スタック１と、この燃料電池スタック１を通過した後の酸化オフガスと燃料電池スタック１を通過する前の酸化ガスとの熱交換及び湿度交換を行う加湿器２と、この加湿器２と燃料電池スタック１とを繋ぐ連通板４とを備えている。
燃料電池スタック１は、単電池が複数段積層された電池本体の両側面が第１の絶縁板１３ａ、第２の絶縁板１３ｂを介して、第１の端板３ａと連通板４の上部とで挟持されている。第１の端板３ａの上部の片側には、単電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給孔１１が形成されている。第１の端板３ａの下部の片側には、単電池からの燃料ガスを排出する燃料ガス排出孔１２が形成されている。また、第１の端板３ａの下端部には、複数の単電池を冷却するための冷却水を供給する冷却水供給孔１０、及び冷却水を排出する冷却水排出孔９が形成されている。
燃料電池スタック１の内部に形成された、酸化ガスが流れる燃料電池ガス流路及び酸化オフガスが流れる燃料電池オフガス流路は、ともに流れ方向に沿って下り勾配または水平である。
【００１０】
加湿器２は、加湿器本体の両側面が連通板４の下部と第２の端板３ｂで挟持されている。加湿器本体は、全熱交換膜１８の両面が第１のセパレータ板１７ａと第２のセパレータ板１７ｂとで挟まれて構成された加湿単体が複数段積層されている。第１のセパレータ板１７ａの一面には、加湿器ガス流路である加湿器酸化ガス流路１９が形成され、他面には加湿器オフガス流路である加湿器酸化オフガス流路２０が形成されている。第２のセパレータ板１７ｂの一面に加湿器酸化ガス流路１９が形成され、他面には加湿器酸化オフガス流路２０が形成されている。全熱交換膜１８を介して加湿器酸化ガス流路１９と加湿器酸化オフガス流路２０とが対向している。
【００１１】
矩形状をした各第１のセパレータ板１７ａ及び各第２のセパレータ板１７ｂのそれぞれの上側縁部には、第１の酸化ガスマニホールド１４ａが形成されている。各第１のセパレータ板１７ａ及び各第２のセパレータ板１７ｂのそれぞれの下側縁部で第１の酸化ガスマニホールド１４ａの対角線上には、第２の酸化ガスマニホールド１４ｂが形成されている。
また、各第１のセパレータ板１７ａ及び各第２のセパレータ板１７ｂのそれぞれの上側縁部には、第１の酸化ガスマニホールド１４ａと対向して第１の酸化オフガスマニホールド１５ａが形成されている。各第１のセパレータ板１７ａ及び各第２のセパレータ板１７ｂのそれぞれの下側縁部には、第２の酸化ガスマニホールド１４ｂと対向して第２の酸化オフガスマニホールド１５ｂが形成されている。
第２の端板３ｂの上部には、酸化ガス供給孔５が形成され、下部には酸化オフガス排出孔８が形成されている。
【００１２】
連通板４は、内部に鉛直方向に延び、第２の酸化ガスマニホールド１４ｂと燃料電池スタック１の酸素極とを連通した酸化ガス連通路２５が設けられ、また水平方向に貫通し燃料電池スタック１の酸素極と第１の酸化オフガスマニホールド１５ａとを連通した酸化オフガス連通路が設けられている。
【００１３】
次に、上記構成の燃料電池ユニット１００の動作について、動作最高温度が約７０℃として説明する。なお、図１において、点線矢印は、電池反応前の酸化ガスを示し、二重矢印線は、電池反応後の酸化オフガスを示している。なお、後述する、図５〜図１０においても同様である。
燃料電池スタック１の酸素極に必要な酸化ガス７は、室温で加湿器２の酸化ガス供給孔５から、第１の酸化ガスマニホールド１４ａに流入する。加湿器２内の酸化ガス７ｂは、第１の酸化ガスマニホールド１４ａに沿って途中分流しつつ水平方向に流通する。分流した酸化ガス７ｂは、図３に示すように、下り勾配及び水平の加湿器酸化ガス流路１９に沿って第２のガスマニホールド１４ｂに向かって流れる。
一方、加湿器２内では、燃料電池スタック１の酸素極から排出された、電池反応後の水蒸気含有の酸化オフガス６ａは、酸化オフガスマニホールド１５ａに流入する。加湿器２内の酸化オフガス６ｂは、第１の酸化オフガスマニホールド１５ａに沿って途中分流しつつ水平方向に流通する。分流した酸化オフガス６ｂは、図４に示すように、下り勾配及び水平の酸化オフガス流路２０に沿って第２のオフガスマニホールド１５ｂに向かって流れる。
【００１４】
こうして、加湿器２内では、加湿器酸化ガス流路１９を流れる酸化ガス７ｂは、全熱交換膜１８を介して酸化オフガス流路２０を流れる、約７０℃程度で飽和水蒸気に近い酸化オフガス６ｂによって、加湿されるとともに受熱する。
酸化ガス７ｂは、全熱交換膜１８を介して、酸化オフガス６ｂとの熱交換により室温から約６５℃程度に加温され、かつ飽和蒸気圧近くまで加湿される。
【００１５】
この加温、加湿された酸化ガス７ｂは、第２の酸化ガスマニホールド１４ｂを通過し、連通板４に設けた鉛直方向に延びた第１の酸化ガス連通路２５を通じて燃料電池スタック１に流入する。
燃料電池スタック１の上部から流入した酸化ガス７ａは、燃料電池スタック１内で水平方向及び下り勾配の燃料電池ガス流路を流れ、下式（１）、（２）に示す電池反応によって生成された水蒸気を多く含有した酸化オフガス６ａとなる。この酸化オフガス６ａは、水平方向及び下り勾配の燃料電池オフガス流路を流れ、連通板４の水平方向に貫通した酸化オフガス連通路を通じて燃料電池スタック１から加湿器２の第１の酸化オフガスマニホールド１５ａに供給される。
【００１６】
（燃料極）        Ｈ２  →  ２Ｈ＋ ＋２e−‥‥‥‥‥‥‥‥‥（１）
（酸素極）        １／２ Ｏ２  ＋２Ｈ＋  ＋２e−  →  Ｈ２Ｏ‥（２）
【００１７】
加湿器２内に流入した、約７０℃程度で飽和水蒸気に近い酸化オフガス６ｂは、全熱交換膜１８を介して、酸化オフガス流路２０を流れる酸化ガス７ｂに加湿、与熱することで、約４０℃程度で飽和水蒸気分圧に近いガスになり、第２の酸化オフガスマニホールド１５ｂを通過して酸化オフガス排出孔８から外部に排出される。
【００１８】
上記電池反応では、燃料電池スタック１で消費されたエネルギーに対して、約４９％程度が電気に変換され、残りの約５１％程度は熱になる。
この発生熱量は、冷却水供給孔１０から約６５℃程度の冷却水が燃料電池スタック１内に供給されて除去される。燃料電池スタック１内では、冷却水は、各単電池に分配されて、発生した熱を除去し、約７０℃に加温されて冷却水排出孔９から外部に排出される。排出された冷却水は、６５℃程度まで熱回収された後、冷却水供給孔１０に循環する。
【００１９】
ところで、連通板４は、燃料電池スタック１の電池反応によって発生する熱量によって、保温されるように伝熱設計がなされている。連通板４と単電池によって挟み込まれた第２の絶縁板１３ｂは、複数の材質の組み合わせで構成され、燃料電池スタック１の温度が最も高い領域に隣接する部位は伝熱性の高い材料、例えばアルミナやマグネシア（３０〜５０Ｗ/ｍＫ程度）を用い、燃料電池スタック１の温度が低い領域は熱伝導性の低い材料、例えばポリカーボネイト樹脂やポリプロピレン樹脂（１〜２Ｗ/ｍＫ程度）等が用いられている。
また、連通板４には、高い熱伝導性を有する材料、例えばステンレスやアルミニウム（１６〜１５０Ｗ/ｍＫ程度）などが用いられている。これによって、連通板４の温度が燃料電池スタック１の最高温度（この実施の形態では７０℃）に近づけることが可能となる。
【００２０】
実際、本願発明者は、第２の絶縁板１３ｂの約１７％を高い熱伝導性材料で、残りの約８３％を低い熱伝導性材料で構成した場合の温度低下を実験により求めたところ、連通板４の低下温度は、燃料電池スタック１の最高温度より約１℃程度に過ぎないことが分かった。
そのため、加湿器２から排出され、燃料電池スタック１内に供給される飽和水蒸気に近い酸化ガス７ｂは、鉛直上り勾配の連通板４の酸化ガス連通路２５内で生じた結露で流路が塞がれるようなことはなく、燃料電池スタック１の第１の酸化ガスマニホールド１４ａに脈動もなく円滑に供給される。
【００２１】
この実施の形態による燃料電池ユニット１００によれば、燃料電池ガス流路、燃料電池オフガス流路、加湿器酸化ガス流路１９及び加湿器酸化オフガス流路２０は、ともに流れ方向に沿って下り勾配または水平であるので、燃料電池スタック１内での電池反応、及び加湿器２内での全熱交換に伴って生ずる各温度分布に対して、局部的に結露が発生しても、この結露水を速やかに排出することができる。
従って、酸化ガス７ａ、７ｂ、酸化オフガス６ａ，６ｂ中の水蒸気結露による流路圧力損失の増大が抑制され、また脈動発生が防止される。
また、電池反応部や全熱交換部に結露水が滞留しないことから燃料電池スタック１の電池性能や加湿器２の加湿性能の低下が抑制される。
さらに、流路抵抗の増大を防止することからブロワの動力を低減させることができる。
【００２２】
また、連通板４は、高い熱伝導性を有する材料で構成されているので、酸化ガス連通路２５では、酸化ガス７ｂが鉛直上方向に流れるものの、燃料電池スタック１から発生した熱で加温され、酸化ガス連通路２５内での水蒸気結露の進行を防止することができる。
【００２３】
実施の形態２．
図５は実施の形態２の燃料電池ユニット１００を示す全体斜視図である。
この実施の形態では、連通板４の下端部に冷却水排出孔９が形成されており、冷却水供給孔１０から燃料電池スタック１内に流入した冷却水は、各単電池に分配されて、発生した熱を除去した後、連通板４を通過して冷却水排出孔９から外部に排出される。
その他の構成は、実施の形態１と同じである。
【００２４】
この実施の形態２の燃料電池ユニット１００によれば、燃料電池スタック１を通過した約７０℃の冷却水は、そのまま連通板４を流通しており、連通板４を保温している。
【００２５】
例えば、出力１ｋＷ級の固体高分子形の燃料電池ユニット１００を考えると、酸化ガス７ａを６５℃から７０℃まで上昇させるのに必要な熱量は、約７Ｊ／ｓ程度である。この熱量が全て冷却水で賄ったとしても、冷却水の温度低下は、０．０５℃程度に過ぎない。従って、冷却水の温度を殆ど低下することなく熱回収に利用することができる。
実際には、７０℃の冷却水で、６５℃の酸化ガス７ａを７０℃まで上昇させることはなく、授受される熱量は、その約半分もしくはそれ以下程度でよく、冷却水の温度低下による熱回収損失は、全回収熱量の１％未満に過ぎない。
また、連通板４の温度は、ほぼ燃料電池スタック１の最高温度である７０℃となることから、加湿器２から排出され、燃料電池スタック１に供給される酸化ガス７ｂは、結露することなく燃料電池スタック１に供給することが可能になる。
【００２６】
図６は実施の形態２の他の例を示す燃料電池ユニット１００の全体斜視図である。
この燃料電池ユニット１００は、連通板４の一面側の下部に燃料電池スタック１が接続され、連通板４の他面側の上部に加湿器２が接続されている。即ち、図５に示された燃料電池ユニット１００と比較して、燃料電池スタック１と加湿器２との上下位置関係が逆である。
連通板４には、内部に鉛直上方向に延びた酸化オフガス連通路２６が形成されているとともに、内部に水平方向に延び、酸化ガス７ｂを燃料電池スタック１の酸素極に導く酸化ガス連通路が形成されている。また、連通板４の上端部の片側には冷却水排出孔９が形成されている。
その他の構成は、図５に示した燃料電池ユニット１００と同じである。
【００２７】
この例では、加湿器２内で、全熱交換により約６５℃程度に加温され、かつ飽和蒸気圧近くまで加湿された酸化ガス７ｂは、第２の酸化ガスマニホールド１４ｂ及び連通板４の酸化ガス連通路を通過して、燃料電池スタック１の上部から流入し、酸素極に導かれる。
燃料電池スタック１内に流入した酸化ガス７ａは、燃料電池スタック１内で水平及び下り勾配の燃料電池ガス流路を流れ、電池反応によって生成された水蒸気を多く含有した酸化オフガス６ａとなる。
この酸化オフガス６ａは、水平及び下り勾配の燃料電池オフガス通路を流れた後、連通板４の下部から酸化オフガス連通路２６に流入する。酸化オフガス６ａは、酸化オフガス連通路２６では、鉛直上向きに流され、第１の酸化オフガスマニホールド１５ａに供給される。
その後の加湿器２内の酸化オフガス６ｂの流れは、図５に示した燃料電池ユニット１００と同じであり、最後には酸化オフガス排出孔８から外部に排出される。
【００２８】
この燃料電池ユニット１００によれば、加湿器２から排出され燃料電池スタック１に供給される酸化ガス７ｂは、冷却水により温度調整された連通板４の水平方向に貫通した酸化ガス連通路を流通するので、結露することなく、燃料電池スタック１に供給することが可能になる。
また、燃料電池スタック１から排出された、水蒸気を多く含有した酸化オフガス６ａは、燃料電池スタック１の最高温度とほぼ等しい温度で加温された連通板４の酸化オフガス連通路２６を通じて鉛直方向上向きに流されるために、水の結露は進行しない。
これにより、加湿器２を燃料電池スタック１より鉛直方向の上側に配置することが可能になり、脈動の少ない安定な燃料電池スタック１を得ることができる。
【００２９】
図７は実施の形態２のさらに他の例を示す燃料電池ユニット１００の全体斜視図である。
この例では、連通板４の片側面の下部に加湿器２が設けられ、また同じ片側面の上部に燃料電池スタック１が設けられている。
連通板４には、内部に鉛直方向に延びた酸化ガス連通路２５が形成されているとともに、内部に同じく鉛直方向に延びた酸化オフガス連通路２６が形成され、また下端部の片側には冷却水排出孔９が形成されている。
その他の構成は、図５に示した燃料電池ユニット１００と同じである。
【００３０】
この燃料電池ユニット１００によれば、連通板４の片側の全面において空間が確保されており、図１、図５及び図６にそれぞれ示された燃料電池ユニット１００と比較して、第１の端板３ａ及び連通板４の上部で挟持する燃料電池スタック１の締め付け機構（図示せず）、並びに第２の端板３ｂ及び連通板４の下部で挟持する加湿器２の締め付け機構（図示せず）の設計が容易となる。
また、製作時に床面に置かれた連通板４上に燃料電池スタック１及び加湿器２をそれぞれ並置することが可能となり、締め付け機構の設計の容易と相俟って製造工程が簡略化される。
【００３１】
実施の形態３．
図８は実施の形態３の燃料電池ユニット１００を示す全体斜視図である。
この実施の形態の燃料電池ユニット１００では、連通板４の片側面の下部に燃料電池スタック１が設けられ、また同じ片側面の上部に加湿器２が設けられている。即ち、図７に示された燃料電池ユニット１００と比較して、燃料電池スタック１と加湿器２との上下位置関係が逆である。
また、連通板４には、鉛直方向下向きに酸化ガスが流通する酸化ガス連通路２５、及び鉛直方向上向きに酸化オフガスが流通する酸化オフガス連通路２６がそれぞれ設けられている。連通板４の下部には、酸化オフガス連通路２６に連通したドレン排出孔２４が設けられている。このドレン排出孔２４からは、酸化オフガス連通路２６の最下部で貯留するドレンが排出する。連通板４の上端部の片側には、冷却水排出孔９が形成されている。
その他の構成は図７に示した燃料電池ユニット１００と同じである。
【００３２】
この燃料電池ユニット１００によれば、酸化オフガス６ａに液体で存在する水が含まれていても、この液体はドレン排出孔２４から分離され、液体による流路閉塞を防ぐことができる。
また、連通板４の酸化オフガス連通路２６を流通する酸化オフガス６ａは、燃料電池スタック１での電池反応で生じた熱、及び連通板４内を通過する加温された冷却水からの熱で、温度が高く、さらにその温度の飽和蒸気圧とほぼ同じ飽和蒸気圧で加湿器２に供給されるので、加湿器２では、全熱交換膜１８を介して高効率で熱交換及び湿度交換が行われる。
【００３３】
実施の形態４．
図９は実施の形態４の燃料電池ユニット１００を示す全体斜視図である。
この実施の形態の燃料電池ユニット１００では、連通板４を挟んで燃料電池スタック１と、加湿器２とが同軸線方向に設けられている。
連通板４には、加湿器２からの酸化ガス７ｂが流入し、鉛直上方向に流通する酸化ガス連通路２５、及び燃料電池スタック１からの酸化オフガス６ａが流入し、鉛直上方向に流通する酸化オフガス連通路２６が形成されている。
また、冷却水供給孔１０が第１の端板３ａの上部片側に設けられ、冷却水排出孔９が連通板４の上部片側に設けられている。
その他の構成は図１の燃料電池ユニット１００と同じである。
【００３４】
この燃料電池ユニット１００では、全熱交換により約６５℃程度に加温され、かつ飽和蒸気圧近くまで加湿された加湿器２内の酸化ガス７ｂは、第２の酸化ガスマニホールド１４ｂを通過して、酸化ガス連通路２５において鉛直方向上向きに流され、燃料電池スタック１内では酸化ガス７ａとして鉛直方向上部から供給される。
燃料電池スタック１の上部から流入した酸化ガス７ａは、燃料電池スタック１内で水平及び下り勾配の燃料電池ガス流路を流れ、電池反応によって生成された水蒸気を多く含有した酸化オフガス６ａとなる。この酸化オフガス６ａは、水平及び下り勾配の燃料電池オフガス流路、及び連通板４の酸化オフガス連通路２６を通じて燃料電池スタック１から加湿器２の第１の酸化オフガスマニホールド１５ａに供給される。
また、燃料電池スタック１から発生した熱量を除去した冷却水は、連通板４を保温しながら冷却水排出孔９から外部に排出される。
【００３５】
この燃料電池ユニット１００によれば、連通板４を挟んで燃料電池スタック１と加湿器２とが同軸線上に設けられているので、燃料電池スタック１と加湿器２とを共通の締め付け機構を用いて一括で締め付けが可能となり、部材点数が低減されるとともに、製造工程が簡略化される。
【００３６】
実施の形態５．
図１０は実施の形態５の燃料電池ユニット１００を示す全体斜視図、図１１は第１のセパレータ板１７ａの全熱交換膜１８と接触する側の面を示す概略図、図１２は第２のセパレータ板１７ｂの全熱交換膜１８と接触する側の面を示す概略図、図１３はガス温度と飽和蒸気圧との相関図である。なお、図１１及び図１２において、加湿器酸化ガス流路１９及び酸化オフガス流路２０は省略されている。
この実施の形態では、図１１に示すように、第１のセパレータ板１７ａでは、第１の酸化ガス中間マニホールド２２ａ及び第２の酸化ガス中間マニホールド２２ｂが形成されている。第２の端板３ｂには、第１の酸化ガス中間マニホールド２２ａと第２の酸化ガス中間マニホールド２２ｂとを連通する酸化ガス連通流路１６が設けられている。非接触通路である、この酸化ガス連通流路１６は、加湿器酸化ガス流路１９の途中において全熱交換膜１８と接触しない迂回流路である。
また、図１２に示すように、第１の酸化ガス中間マニホールド２２ａと第２の酸化ガス中間マニホールド２２ｂとの間に、酸化オフガス中間マニホールド２３が設けられている。
その他の構成は、図９に示した燃料電池ユニット１００と同じである。
【００３７】
この燃料電池ユニット１００では、酸化ガス７は、加湿器２内では、室温で酸化ガス供給孔５より供給され、第１の酸化ガスマニホールド１４ａから下り勾配及び水平の加湿器酸化ガス流路１９を流通して第１の酸化ガス中間マニホールド２２ａに流通する。その後、酸化ガス７ｂは、第２の端板３ｂに設けられた酸化ガス連通流路１６にて鉛直方向上向きに流されて第２の酸化ガス中間マニホールド２２ｂに供給される。引き続き、酸化ガス７ｂは、下り勾配及び水平の加湿器酸化ガス流路１９を流通して第２の酸化ガスマニホールド１４ｂに流通する。即ち、加湿器２内に形成された加湿器酸化ガス流路１９は、Ｕターン経路を構成している。
この間、酸化ガス７ｂは、約７０℃程度のガス温度ならびに飽和水蒸気の酸化オフガス６ｂによって、全熱交換膜１８を介して加湿されるとともに受熱する。この酸化オフガス６ｂは、第１の酸化オフガスマニホールド１５ａから一旦酸化オフガス中間マニホールド２３を経由して第２の酸化オフガスマニホールド１５ｂを通る加湿器酸化オフガス流路２０に沿って流通する。加湿器酸化オフガス流路２０は、流れ方向に沿って下り勾配及び水平である。
一方、酸化ガス７ｂに対して全熱交換膜１８を介して与熱及び加湿した後の酸化オフガス６ｂは、約４０℃程度の飽和水蒸気分圧に近いガスになり、第２の酸化オフガスマニホールド１５ｂを通過して、酸化オフガス排出孔８から外部に排出される。
【００３８】
熱交換により約６５℃程度に加温され、かつ飽和蒸気圧近くまで加湿された加湿器２内の酸化ガス７ｂは、第２の酸化ガスマニホールド１４ｂを通過し、連通板４に設けた酸化ガス連通路２５において鉛直方向上向きに流され、燃料電池スタック１内に酸化ガス７ａとして上部から供給される。
この酸化ガス７ａは、水平及び下り勾配の燃料電池酸化ガス流路に沿って流通する。そして、酸化ガス７ａは、単電池で電池反応によって生成された水蒸気を多く含有した酸化オフガス６ａとなり、この酸化オフガス６ａは、水平及び下り勾配の燃料電池酸化オフガス流路に沿って流通する。この後、酸化オフガスは、連通板４に設けた酸化オフガス連通路２６に沿って鉛直上方向に流され、燃料電池スタック１から第１の酸化オフガスマニホールド１５ａに供給される。
【００３９】
なお、連通板４は、第１の端板３ａに設けられた冷却水供給孔１０に供給された冷却水により温度調整される。即ち、冷却水供給孔１０から流入した約６５℃程度の冷却水は、燃料電池スタック１で発生した熱量を除去し、約７０℃に上昇した後、連通板４を加温して冷却水排出孔９から排出される。
【００４０】
一方、温度と飽和蒸気圧の相関から、低いガス温度と高い温度では、温度変化に伴う飽和水蒸気分圧の変化量が異なる。図１３に示すように、例えば６５℃から５℃温度が低下した場合の水蒸気分圧が５．１ｋＰａ低下するのに対して、４０℃から５℃低下した場合は、１．８ｋＰａの低下となる。従って、同じ温度低下でも結露の割合が１／３程度になる。
この実施の形態では、加湿器２内の酸化ガス７ｂの温度が低く、同じ温度低下でも結露の割合が少ないうちに、酸化ガス７ｂを全熱交換膜１８と非接触である酸化ガス連通流路１６を経由して鉛直上方向に流通させ、できるだけ温度が高い領域では水平及び下り勾配となるように加湿器酸化ガス流路１９にしたものである。
従って、水分の結露による影響を少なくすることが可能となり、加湿器２における全熱交換膜１８の横寸法に対する縦寸法の比を大きくしたものであっても、ガス流路幅を適切に設計し、複数の段状流路（酸化ガス連通流路１６）で構成することが可能になる。よって、燃料電池スタック１の断面形状に合わせた加湿器２が容易に設計される。
【００４１】
なお、第１のセパレータ板１７ａ及び第２のセパレータ板１７ｂについては、図１４及び図１５に示したものであってもよい。
このセパレータ板１７ａ，１７ｂでは、燃料電池スタック１から排出され、第１の酸化オフガスマニホールド１５ａからサーペンタイン流路によって水平及び下り勾配の酸化オフガス流路２０を流通してきた約７０℃程度で飽和水蒸気に近い酸化オフガス６ｂによって、加湿器２内の酸化ガス７ｂは、全熱交換膜１８を介して、加湿されるとともに加熱される。
【００４２】
このセパレータ板１７ａ，１７ｂは、図１１、図１２に示したセパレータ板１７ａ，１７ｂと比較して、酸化オフガス中間マニホールド２３が不要となり、セパレータ板１７ａ，１７ｂの構成が簡単化される。
【００４３】
また、酸化ガス連通流路１６は、第２の端板３ｂに設けられているが、セパレータ板１７ａに形成するようにしてもよい。
【００４４】
なお、上記各実施の形態では、酸素極に送られる酸化ガスを全熱交換型加湿器に送ることで酸化ガスを加湿及び加熱する燃料電池ユニットについて説明したが、この発明は、燃料極に送られる水素ガスを全熱交換型加湿器に送り、水素ガスを加湿及び加熱する燃料電池ユニットについても適用できる。
また、上記各実施の形態では、酸化ガス７ｂ及び酸化オフガス６ｂは、熱交換効率を考慮して、加湿器２内を全熱交換膜１８を挟んで主に対向流で流通した場合について説明したが、勿論このものに限定されるものではない。酸化ガス７ｂ及び酸化オフガス６ｂの流れ方向は、直交流、並行流、またはこれらを組み合わせたものでもよい。
【００４５】
さらに、特に酸化ガス連通路２５を鉛直上方向に流れる酸化ガス７ｂの流速、酸化オフガス連通路２６を鉛直上方向に流れる酸化オフガス６ｂの流速については言及していないが、通過面積を小さくして、結露水が発生してもこれを吹飛ばす流速を上げるように設計してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】この発明の実施の形態１に係る燃料電池ユニットを示す全体斜視図である。
【図２】図１における全熱交換型加湿器を矢印Ａ方向に沿って視たときの部分縦断面図である。
【図３】図２の第１のセパレータ板を矢印Ｂ方向に沿って視たときの概略図である。
【図４】図２の第２のセパレータ板を矢印Ｃ方向に沿って視たときの概略図である。
【図５】この発明の実施の形態２に係る燃料電池ユニットを示す全体斜視図である。
【図６】実施の形態２に係る燃料電池ユニットの他の例を示す全体斜視図である。
【図７】実施の形態２に係る燃料電池ユニットのさらに他の例を示す全体斜視図である。
【図８】この発明の実施の形態３に係る燃料電池ユニットを示す全体斜視図である。
【図９】この発明の実施の形態４に係る燃料電池ユニットを示す全体斜視図である。
【図１０】この発明の実施の形態５に係る燃料電池ユニットを示す全体斜視図である。
【図１１】図１０の燃料電池ユニットに用いられる第１のセパレータ板の全熱交換膜と接触する側の面を示す概略図である。
【図１２】図１０の燃料電池ユニットに用いられる第２のセパレータ板の全熱交換膜と接触する側の面を示す概略図である。
【図１３】水における温度と飽和蒸気圧との相関図である。
【図１４】図１１に示した第１のセパレータ板と異なる例を示す概略図である。
【図１５】図１２に示した第２のセパレータ板と異なる例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００４７】
１  燃料電池スタック、２  全熱交換型加湿器、３ａ  第１の端板、３ｂ  第２の端板、４  連通板、５  酸化ガス供給孔、６ａ  酸化オフガス、６ｂ  酸化オフガス、７  酸化ガス、７ａ  酸化ガス、７ｂ  酸化ガス、８  酸化オフガス排出孔、９  冷却水排出孔、１０  冷却水供給孔、１１  燃料ガス供給孔、１２  燃料ガス排出孔、１３ａ  第１の絶縁板、１３ｂ  第２の絶縁板、１４ａ  第１の酸化ガスマニホールド、１４ｂ  第２の酸化ガスマニホールド、１５ａ  第１の酸化オフガスマニホールド、１５ｂ  第２の酸化オフガスマニホールド、１６  酸化ガス連通流路（非接触流路）、１７ａ  第１のセパレータ板、１７ｂ  第２のセパレータ板、１８  全熱交換膜、１９  加湿器酸化ガス流路（加湿器ガス流路）、２０  加湿器酸化オフガス流路（加湿器オフガス流路）、２２ａ  第１の酸化ガス中間マニホールド、２２ｂ  第２の酸化ガス中間マニホールド、２３  酸化オフガス中間マニホールド、２４  ドレン排出孔、２５  酸化ガス連通路、２６  酸化オフガス連通路、１００  燃料電池ユニット。
【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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【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】
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