(57)【要約】【課題】水蒸気透過膜を用いて加湿する加湿器を構成する単加湿器ごとに断熱性能を高め、通常運転時に生じやすい積層方向の温度分布を抑制し、加湿開始時の昇温時間を短縮して熱効率を高める。【解決手段】水蒸気透過膜一体シール１と被加湿側セパレータ１１と加湿側セパレータ１２を一体化して単加湿器を形成する際、枠体３における各マニホールド５，７，８の内周と外周との突出部９が、流路導入部でのみ加湿側セパレータ１２とつながっているメガネ状のマニホールド１０の外周部を覆い、加湿側セパレータ１２のマニホールド１０の流路導入部１０ａと、枠体３のマニホールド８の内周の導入流路５ａを連通する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料流体と酸化剤流体とを用いて発電を行う固体高分子型燃料電池に用いられ、前記燃料流体または前記酸化剤流体の少なくとも一方を加湿するため、水蒸気透過膜と、シール材が一体に形成された枠体と、いずれか一方に加湿流体を供給排出する流路を有し、他方に被加湿流体を供給排出する流路を有する一対のセパレータからなる単加湿器を複数個積層して構成される燃料電池用加湿器であって、
前記枠体のうちマニホールドの内外周に突出部を有し、前記突出部は、流路導入部でセパレータ加湿部と接続される前記セパレータのマニホールドを覆い、かつ前記セパレータのマニホールドの流路導入部と、前記枠体のマニホールドのうち内周に形成された流路導入部とが連通していることを特徴とする燃料電池用加湿器。
【請求項２】
加湿流体用マニホールドと被加湿流体用マニホールドは前記枠体のみに形成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用加湿器。
【請求項３】
前記枠体のマニホールドの内外周に形成された突出部は、積層方向と直交する方向に突出した突起を有し、かつ前記セパレータのマニホールドの内外周と前記突起の先端で接触すると共に、前記セパレータとの間に隙間が形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池用加湿器。
【請求項４】
前記枠体のマニホールドの内外周に形成された複数の前記突出部の少なくとも一方は、積層方向の一方の先端に凸形状を有し、他方の先端に凹形状を有し、前記単加湿器積層時に凸凹が嵌合することを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の燃料電池用加湿器。
【請求項５】
前記枠体のマニホールドの内外周に形成された複数の突出部の少なくとも一方は、積層方向の一方の内周と他方の外周とにテーパー面を有すると共に、前記単加湿器同士を積層時する際に両者が接合することを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の燃料電池用加湿器。
【請求項６】
前記枠体のマニホールドの内外周に形成された複数の突出部の少なくとも一方は、積層方向の一方の先端にシール材が一体成形されており、前記単加湿器同士を積層時する際に密閉されることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の燃料電池用加湿器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料流体と酸化剤流体とを用いて発電を行う固体高分子型燃料電池に適用される燃料電池用加湿器に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムでは、燃料電池において水素を含む燃料ガスと、酸素を含む酸化剤ガスとを反応させることにより、発電と発熱が行われることが知られている。前記燃料電池により発生した熱は、冷却水を循環させることにより搬送され、燃料電池の温度を発電に適した所定の温度範囲内に保持し、さらに冷却水の熱を給湯器等で利用することにより、燃料電池システムのエネルギー効率が向上する。また、燃料電池システムでは、必要な電力量に応じて、発電量を変化させるために、燃料ガス流量，酸化剤ガス流量、および冷却水流量などを調整して運転状態を変化させる。
【０００３】
固体高分子型燃料電池では、電解質としてプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いるが、この固体高分子電解質膜は、湿潤状態である必要があり、乾燥状態または湿潤不足状態ではプロトン伝導性が悪化して発電性能が低下するため、燃料ガスと酸化剤ガスとの少なくとも一方を、加湿手段により加湿して、燃料電池に供給する構成としている。
【０００４】
固体高分子電解質を用いた燃料電池は、加湿温調された水素を含有する燃料ガスと、加湿温調された空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させるものである。一般的には、加湿温調された燃料ガスや酸化剤ガスを供給するために、水蒸気透過膜とシール材とが一体で形成された枠体と、いずれか一方に加湿ガス（流体）を供給排出する流路を有し、他方に被加湿ガスを供給排出する流路を有する一対のセパレータからなる単加湿器を複数個積層して構成される燃料電池用加湿器が用いられる。ここでいう加湿流体は、スタックからのオフガスでも冷却水であってもよい。
【０００５】
供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスが外部にリークしたり、２種のガスが互いに混合したりしないように、水蒸気透過膜を挟んでガスシール材やガスケットが配置される。水蒸気透過膜の外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接する水蒸気透過膜同士を互いに直列に接続するためのセパレータが配置される。セパレータの水蒸気透過膜と接触する部分には、被加湿側に反応ガスを供給するための空間や流路が形成される。空間や流路はセパレータの表面に溝を設けて形成するのが一般的である。さらに、水蒸気透過膜とシール材が一体で形成された枠体とを、一対のセパレータから構成される単加湿器を複数個積層して水蒸気透過膜同士を互いに直列に接続することにより、実用可能な程度にまで加湿能力を高めることが一般的である。
【０００６】
各単加湿器はマニホールド穴を有し、これらのマニホールド穴が積層することによってマニホールドが形成される。供給配管から供給された流体が入り口マニホールドを通じて各々の単加湿器に分配供給され、各単加湿器から排出された流体が出口マニホールドを通じて排出配管から排出される。
【０００７】
図８は従来の燃料電池用加湿器の分解斜視図であり、１は水蒸気透過膜２が一体に形成されたシール、１１は被加湿側セパレータ、１２は加湿側セパレータ、２１は排出配管を具備する端部モジュールであって、各部にマニホールド５，７，８，１０が設けられており、シール１と被加湿側セパレータ１１と加湿側セパレータ１２とからなる単加湿器と、端部モジュール２１とが締結用ボルトおよびナット２０，２２，２３などにて連結されてユニット化されている。
【０００８】
しかし、加湿器は温水によって加熱するため、マニホールドの流体がその影響を受け、積層方向に温度分布が生じるという問題がある。つまり、単加湿器の積層方向の端部では端面からの放熱の割合が多く比較的低温になりやすく、積層方向の中央では放熱の割合が小さく比較的高温になりやすい。つまり単加湿器ごとに加湿性能にバラツキが発生しやすい。
【０００９】
燃料電池に反応適正温度よりも高い流体が供給されると、燃料電池の電圧低下や触媒劣化による性能劣化が生じやすく、反応適正温度よりも低い流体が供給されると、結露によるフラッディング，ガス不足，部分的な転極を誘発し、触媒劣化が促進しやすいという問題がある。
【００１０】
このような問題を回避するため、マニホールドの内周の少なくとも一部に断熱材を配設するなど、種々の技術が提案されている（例えば特許文献１，２参照）。
【特許文献１】特開２００６−１９６２４９号公報
【特許文献２】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】
【００１１】
前記従来の技術において、燃料電池を構成する単加湿器はマニホールド穴を有し、これらのマニホールド穴が積層することでマニホールドが形成される。そして、供給配管から供給された流体が入り口マニホールドを通じて各々の単加湿器に分配供給され、各加湿器から排出された流体が出口マニホールドを通じて排出配管から排出される。
【００１２】
しかしながら、加湿器は温水によって加熱されるため、前記のように単加湿器ごとに加湿性能にバラツキが発生しやすく、また、反応適正温度よりも低い流体が供給されると結露によるフラッディング、ガス不足、部分的な転極を誘発し、触媒劣化が促進しやすいという問題がある。
【００１３】
このような通常運転時のほか、運転開始時にも同様の理由により、燃料電池の発電以外、例えば都市ガスの燃焼や電気ヒーターなどの加熱手段によって、燃料電池の温度を適正な反応温度まで昇温する必要がある。しかし、実用する上では昇温する時間は短くなければならず、昇温時の熱効率は高くなければならない。
【００１４】
本発明は、前記従来の課題を解決するため、燃料電池用加湿器を構成する各加湿器ごとに断熱性能を高めることにより、通常運転時に生じやすい積層方向の温度分布を抑制し、加湿開始時の昇温時間を短縮し、熱効率を高めることが可能な燃料電池用加湿器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】
【００１５】
前記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、燃料流体と酸化剤流体とを用いて発電を行う固体高分子型燃料電池に用いられ、前記燃料流体または前記酸化剤流体の少なくとも一方を加湿するため、水蒸気透過膜と、シール材が一体に形成された枠体と、いずれか一方に加湿流体を供給排出する流路を有し、他方に被加湿流体を供給排出する流路を有する一対のセパレータからなる単加湿器を複数個積層して構成される燃料電池用加湿器であって、前記枠体のうちマニホールドの内外周に突出部を有し、前記突出部は、流路導入部でセパレータ加湿部と接続される前記セパレータのマニホールドを覆い、かつ前記セパレータのマニホールドの流路導入部と、前記枠体のマニホールドのうち内周に形成された流路導入部とが連通していることを特徴とし、この構成によって、枠体のマニホールドの内周と外周との突出部が、流路導入部でのみセパレータ加湿部とつながっているセパレータのマニホールドを覆い、このセパレータのマニホールドの流路導入部と枠体のマニホールド内周の導入流路とが連通するため、セパレータ外周に別途断熱材や保護材を配設することなく、通常運転時の積層方向の温度分布を抑制し、加湿開始時の昇温工程における熱効率を高めることができる。
【００１６】
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の燃料電池用加湿器において、加湿流体用マニホールドと被加湿流体用マニホールドは枠体のみに形成されていることを特徴とし、この構成によって、被加湿側セパレータの加湿流体用のマニホールドや、加湿側セパレータの被加湿流体用のマニホールドのように、流路導入不要なガスのマニホールドは枠体のみで形成することで断熱性を高めることができる。
【００１７】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の燃料電池用加湿器において、枠体のマニホールドの内外周に形成された突出部は、積層方向と直交する方向に突出した突起を有し、かつセパレータのマニホールドの内外周と突起の先端で接触すると共に、セパレータとの間に隙間が形成されていることを特徴とし、この構成によって、セパレータとの間に隙間を形成することにより、断熱性を高めることができる。
【００１８】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３いずれか１項記載の燃料電池用加湿器において、枠体のマニホールドの内外周に形成された複数の突出部の少なくとも一方は、積層方向の一方の先端に凸形状を有し、他方の先端に凹形状を有し、単加湿器積層時に凸凹が嵌合することを特徴とし、この構成によって、単加湿器積層時に凸凹が嵌合することにより、断熱性を高めることができる。
【００１９】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜３いずれか１項記載の燃料電池用加湿器において、枠体のマニホールドの内外周に形成された複数の突出部の少なくとも一方は、積層方向の一方の内周と他方の外周とにテーパー面を有すると共に、単加湿器同士を積層時する際に両者が接合することを特徴とし、この構成によって、単加湿器同士を積層時する際に両者が接合することにより、断熱性を高めることができる。
【００２０】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜３いずれか１項記載の燃料電池用加湿器において、枠体のマニホールドの内外周に形成された複数の突出部の少なくとも一方は、積層方向の一方の先端にシール材が一体成形されており、単加湿器同士を積層時する際に密閉されることを特徴とし、この構成によって、単加湿器同士を積層時する際にシール材により密閉されることにより、断熱性を高めることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の高分子電解質型燃料電池用加湿器によれば、通常運転時に生じやすい積層方向の温度分布を抑制し、加湿開始時の昇温時間を短縮し、熱効率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。本実施形態における単加湿器は、図８に示すような構成にて実施されるものである。
【００２３】
（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１における水蒸気透過膜一体シールと加湿側セパレータと被加湿側セパレータを加湿側からみた分解斜視図である。本例では縦１５０ｍｍ，横１５０ｍｍの水蒸気透過膜２の周囲に、縦２２０ｍｍ，横２２０ｍｍの樹脂製の枠体３が形成されるようにインサート成形されている。
【００２４】
枠体３を構成する熱可塑性樹脂は、高分子電解質型燃料電池用加湿器の運転温度以下において、化学的に清浄かつ安定であって、適度の弾性率と比較的高い加重たわみ温度を有する。
【００２５】
具体的には枠体３は化学的安定性の観点から、非晶性樹脂ではなく結晶性樹脂で構成されることが好ましく、その中でも機械的強度が大きく、かつ耐熱性の高い材料が好ましい。例えば、いわゆるスーパーエンジニアリングプラスチックグレードのものが好適であり、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ），ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ），結晶ポリマー（ＬＣＰ），ポリエーテルニトリル（ＰＥＮ）などを例示できる。これらは、数千から数万ＭＰａの圧縮弾性率と、１５０℃以上の撓み荷重温度を有しており好適な材料である。また、汎用されている樹脂材料であっても、例えば、ガラスフィラーが充填されたポリプロピレン（ＧＦＰＰ）などは、非充填のポリプロピレン（圧縮弾性率１０００〜１５００ＭＰａ）の数倍の弾性率を有し、かつ１５０℃近い撓み荷重温度を有しており、好適に使用できる。本実施形態においては、熱可塑性樹脂であるガラスフィラー添加ポリプロピレン（出光石油化学株式会社製Ｒ３５０Ｇ）が用いられている。
【００２６】
また、この枠体３には、熱可塑性樹脂または熱可塑性エラストマーを２色成形することによりシール部４を形成する。この熱可塑性樹脂または熱可塑性エラストマーは、加湿器の運転条件下において化学的に安定であって、特に加水分解を発生させないなど耐熱水性を有する。
【００２７】
例えば、ガスケットとしての圧縮弾性率は２００ＭＰａ以下であることが好ましい。好適な材料は、ポリエチレン，ポリプロピレン，ポリブチレン，ポリスチレン，ポリ塩化ビニル，ポリ塩化ビニリデン，ポリビニルアルコール，ポリアクリルアミド，ポリアミド，ポリカーボネート，ポリアセタール，ポリウレタン，シリコーン，フッ素樹脂，ポリブチレンテレフタレート，ポリエチレンテレフタレート，シンジオタクチック・ポリスチレ，ポリフェニレンサルファイド，ポリエーテルエーテルケトン，ポリスルホン，ポリエーテルサルホン，ポリアリレート，ポリアミドイミド，ポリエーテルイミド、および熱可塑性ポリイミドなどからなる群より選ぶことができる。これによって、加湿器の締結荷重において良好なシール性を確保することができる。本実施形態においては、ポリオレフィン系熱可塑性エラストマーであるサントプレン８２０１−６０(Advanced Elasotomer System社製)を用いている。
【００２８】
このシール部４は、水蒸気透過膜２の加湿側に加湿ガスを供給・排出するマニホールド５と水蒸気透過膜２を連絡する部分６には設けず、他の部分にガスが漏れないように、マニホールド７，８と水蒸気透過膜２を包含するように形成する。加湿側のマニホールド８と被加湿側のマニホールド７には、外部との漏れがないように、該マニホールド７，８を取り巻くようにシール部４を形成する。
【００２９】
水蒸気透過膜一体シール１と被加湿側セパレータ１１と加湿側セパレータ１２を一体化して単加湿器を形成する際、枠体３における各マニホールド５，７，８の内周と外周との突出部９が、流路導入部でのみ加湿側セパレータ１２とつながっているメガネ状のマニホールド１０の外周部を覆い、加湿側セパレータ１２のマニホールド１０の流路導入部１０ａと、枠体３のマニホールド８の内周の導入流路５ａが連通するようにする。このとき、加湿流体用のマニホールド５，８と被加湿流体用のマニホールド７は枠体３のみに形成されている。
【００３０】
（実施形態２）
図２は本発明の実施形態２における組み立て後の単加湿器の部分詳細断面図である。
【００３１】
図２において、枠体３のマニホールド８の内周と外周の突出部９が、加湿側セパレータ１２のメガネ状のマニホールド１０の外周部を覆い、枠体３の突起部９から積層方向と直交する方向に突出した楔型突起９ａでメガネ状のマニホールド１０の外周部と接するようにしている。これにより断熱性を高めることができる。
【００３２】
（実施形態３）
図３は本発明の実施形態３における組み立て後の単加湿器の部分詳細断面図である。
【００３３】
図３において、枠体３のマニホールド８の内周と外周の突出部９が、加湿側セパレータ１２のメガネ状のマニホールド１０の外周部を覆い、加湿側セパレータ１２のメガネ状のマニホールド１０の外周部から積層方向と直交する方向に突出した楔型突起１０ｂで突出部９と接するようにしている。これにより断熱性を高めることができる。
【００３４】
（実施形態４）
図４は本発明の実施形態４の組み立て後の単加湿器を積層した単加湿器群の部分詳細断面図である。
【００３５】
図４において、各枠体３のマニホールド８周部における突出部９の内周または外周、および枠体３の外周突出部３ａに、積層方向の一方の先端に凸形状９ｂを形成し、また他方に凹形状９ｃを形成し、単加湿器積層時に凸形状９ｂと凹形状９ｃとが嵌合するようにしている。これにより断熱性を高めることができる。
【００３６】
（実施形態５）
図５は本発明の実施形態５の組み立て後の単加湿器を積層した単加湿器群の部分詳細断面図である。
【００３７】
図５において、各枠体３のマニホールド８周部における突出部９の内周または外周に、積層方向の一方の内周９ｄと他方の外周９ｅとに、それぞれ対応するテーパー面を形成し、単加湿器同士を積層時する際に両者が接合するようにしている。これにより断熱性を高めることができる。
【００３８】
（実施形態６）
図６は本発明の実施形態６の組み立て後の単加湿器を積層した単加湿器群の部分詳細断面図である。
【００３９】
図６において、枠体３のマニホールド８周部における突出部９の内周または外周に、積層方向の一方の先端にシール部分９ｆが枠体３と一体成形されており、単加湿器を積層時する際、シール部分９ｆにより単加湿器同士が密閉されるようにしている。これにより断熱性を高めることができる。
【００４０】
（実施形態７）
図７は本発明の実施形態７の水蒸気透過膜一体シールの一部を断面して示す斜視図である。
【００４１】
図７において、枠体３のマニホールド８周部における突出部９と、枠体３の外周突起３ａとの間をリブ３ｂで連結しており、リブ３ｂ間に隙間３ｃが形成されるようにしている。これにより断熱性を高めることができる。
【００４２】
既述したように、従来の燃料電池用加湿器においては、通常運転時に生じやすい積層方向の温度分布を抑制するために、マニホールドの内周の少なくとも一部に断熱材を配設するものがある。この方法によれば、加湿流体および被加湿流体の温度上昇抑制に効果はあるが、セパレータの外周から外部への放熱抑制に効果はない。したがって、運転開始時の熱効率を高めるためには、セパレータの外側に別途断熱材を配設する必要があり、製作コストの上昇や加湿器の設置スペース拡大につながる可能性がある。
【００４３】
しかし、前記構成の本実施形態によれば、枠体のマニホールドの内周と外周との突出部が、流路導入部でのみセパレータ加湿部とつながっているメガネ形状のセパレータのマニホールド部を覆い、このセパレータのマニホールドの流路導入部と枠体のマニホールド内周の導入流路とが連通していることにより、セパレータ外周に別途断熱材や保護材を配設することなく、通常運転時の積層方向の温度分布を抑制し、加湿開始時の昇温工程における熱効率を高めることができる。
【００４４】
さらに前記実施形態によれば、セパレータ，枠体との間に隙間を形成したり、単加湿器積層時に単加湿器同士を凸凹にて嵌合したり、テーパー面で接合したり、シールで密閉したり、あるいは、リブで間隔を形成したりすることによって、より断熱性を高めることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、ポータブル電源，電気自動車用電源，家庭内コージェネレーションシステムなどに使用される固体高分子電解質を用いた燃料電池などに適用される。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施形態１における水蒸気透過膜一体シールと加湿側セパレータと被加湿側セパレータを加湿側からみた分解斜視図
【図２】本発明の実施形態２における組み立て後の単加湿器の部分詳細断面図
【図３】本発明の実施形態３における組み立て後の単加湿器の部分詳細断面図
【図４】本発明の実施形態４の組み立て後の単加湿器を積層した単加湿器群の部分詳細断面図
【図５】本発明の実施形態５の組み立て後の単加湿器を積層した単加湿器群の部分詳細断面図
【図６】本発明の実施形態６の組み立て後の単加湿器を積層した単加湿器群の部分詳細断面図
【図７】本発明の実施形態７の水蒸気透過膜一体シールの一部を断面して示す斜視図
【図８】従来の燃料電池用加湿器の分解斜視図
【符号の説明】
【００４７】
１  水蒸気透過膜一体シール
２  水蒸気透過膜
３  枠体
３ｂ  リブ
３ｃ  隙間
４  シール部
５，７，８，１０  マニホールド
５ａ  導入流路
９  突出部
９ａ，１０ｂ  楔型突起
９ｂ  凸形状
９ｃ  凹形状
９ｄ  テーパー面が形成された内周
９ｅ  テーパー面が形成された外周
９ｆ  シール部分
１０ａ  流路導入部
１１  被加湿側セパレータ
１２  加湿側セパレータ
【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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