(57)【要約】【課題】水が水滴状としてガス流路内で滞留するおそれを低減し、ガス流路が塞がれてしまうおそれを低減し、ガスの流れにムラが発生してしまうおそれを低減するのに有利な燃料電池用加湿器を提供する。【解決手段】この加湿器は、水分保持部材２７で仕切られる第１ガス流路６２および第２ガス流路６１の少なくとも一方を形成するセパレータ２１を有する。セパレータ２１において、第１ガス流路６２および第２ガス流路６１の少なくとも一方を形成するセパレータ流路壁面２１ｆは親水化されている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水分保持部材で仕切られる第１ガス流路および第２ガス流路を有する燃料電池用加湿器において、前記第１ガス流路および前記第２ガス流路の少なくとも一方を形成するセパレータのセパレータ流路壁面は、親水化されていることを特徴とする燃料電池用加湿器。
【請求項２】
請求項１において、前記セパレータ流路壁面は、ポーラス状またはスポンジ状とされて親水化されていることを特徴とする燃料電池用加湿器。
【請求項３】
請求項１または２において、前記第１ガス流路および前記第２ガス流路のうち結露が発生し易い側の親水性は、前記第１ガス流路および前記第２ガス流路のうち結露が発生しにくい側の親水性よりも高く設定されていることを特徴とする燃料電池用加湿器。
【請求項４】
請求項１〜３のうち一項において、前記親水化は、溶射材料を溶射して形成された溶射層で実現されていることを特徴とする燃料電池用加湿器。
【請求項５】
請求項１〜４のうちの一項において、前記セパレータは、前記セパレータ本体を形成する芯材と、前記第１ガス流路および前記第２ガス流路のうちの少なくとも一方を形成するように前記芯材に被覆された親水性をもつ被覆層とを備えていることを特徴とする燃料電池用加湿器。
【請求項６】
請求項５において、前記被覆層は、前記芯材の少なくとも一部を覆う防錆用の内層と、前記第１ガス流路および前記第２ガス流路のうちの少なくとも一方に対面するように前記内層に被覆された外層とを備えており、前記外層の表面粗度は前記芯材の表面粗度よりも粗くされていることを特徴とする燃料電池用加湿器。
【請求項７】
請求項１〜６のうちの一項において、前記第１ガス流路および前記第２ガス流路のうちの一方は、前記燃料電池から排出された後のオフガスが流れるオフガス流路であり、且つ、前記第１ガス流路および前記第２ガス流路のうちの他方は、前記燃料電池に供給される前のフレッシュガスが流れるフレッシュガス流路であることを特徴とする燃料電池用加湿器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池用加湿器に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池に供給される前のフレッシュガスが過剰に乾燥していると、燃料電池の発電性能が充分に得られない。そこで、燃料電池に供給されて発電反応に使用されるガスを加湿する加湿器が開示されている（特許文献１，２）。この加湿器は、燃料電池から排出された後のオフガスが流れるオフガス流路と、燃料電池に供給される前のフレッシュガスが流れるフレッシュガス流路と、オフガス流路およびフレッシュガス流路を仕切る水分保持部材とを備えている。このものによれば、燃料電池から排出された発電反応後のオフガスは、高い湿度をもつ。そこで、湿度が高いオフガスをオフガス流路に流すと共に、湿度が低いフレッシュガスをフレッシュ流路に流す。ここで、湿度が高いオフガスの水分は、オフガス流路において凝縮して凝縮水を生成する。
【０００３】
凝縮水等の水または水蒸気は水分保持部材に吸収され、水分保持部材を介して、湿度が低いフレッシュガスの側に移行する。これにより燃料電池に供給される前のフレッシュガスが加湿される。この場合、燃料電池の発電が良好に実施される。
【０００４】
更に、特許文献３には、燃料ガスを加湿する燃料電池の加湿装置が開示されている。このものによれば、複数のセパレータ間において、燃料ガスを流れる燃料ガス流路と水流路とを仕切る水透過層が設けられている。水透過層は、水流路に対面するように設けられた孔径１０−８〜１０−７メートルのポーラスフィルムと、燃料ガス流路に対面するようにポーラスフィルムに積層された親水層とからなる。このものによれば、燃料ガス流路と水流路との圧力差を調整することにより、水透過層を透過する水量を調整することができる。
【特許文献１】特開２００４−１３９７８４号公報
【特許文献２】特開２００５−２４３５５３号公報
【特許文献３】特開平７−１３５０１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記した特許文献に係る加湿器によれば、凝縮水等の水がガス流路において結露して水滴状として滞留し易い。この場合、上記したガス流路が塞がれてしまうおそれがある。この結果、ガス流路におけるガスの流れにムラが発生してしまうおそれがあり、燃料電池の良好な発電性能を得るには好ましくない。
【０００６】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、水がガス流路において水滴状として滞留するおそれが低減され、ガス流路の流路空間が水滴状の水で塞がれてしまうおそれが低減され、ガスの流れにムラが発生してしまうおそれが低減されるのに有利な燃料電池用加湿器を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）様相１に係る燃料電池用加湿器は、水分保持部材で仕切られる第１ガス流路および第２ガス流路を有する燃料電池用加湿器において、第１ガス流路および第２ガス流路の少なくとも一方を形成するセパレータのセパレータ流路壁面は、親水化されていることを特徴とするものである。
【０００８】
本様相によれば、セパレータは、第１ガス流路および第２ガス流路の少なくとも一方を形成する。セパレータのうち、第１ガス流路および第２ガス流路のうちの少なくとも一方を形成するセパレータ流路壁面は、親水化されている。親水化とは、水の接触角が小さくなることをいう。水の接触角が小さくなると、水が水滴よりも、薄い水膜として存在し易くなる。故に、第１ガス流路および第２ガス流路において水が水滴状として滞留するおそれが低減される。従って、セパレータのガス流路が塞がれてしまうおそれが低減される。故に、セパレータにおいてガスの流れにムラが発生してしまうおそれが低減される。
【０００９】
親水化としては、例えば、セパレータ流路壁面の表面にポーラス層を形成したり、あるいは、セパレータ流路壁面の表面にスポンジ層を形成したり、あるいは、セパレータ流路壁面の表面に親水性物質を担持させた層を形成したり、あるいは、親水性物質をバインダで結合した層を形成したり、あるいは、表面粗度を粗くした層を形成したりすることにより実現することができる。
【００１０】
ポーラス層を形成するにあたり、例えば、溶射材料を溶射することにより形成できる。あるいは、水等の溶媒に溶出可能な溶出物質をセパレータ表面に担持させた後、溶出物質を水等の溶媒に溶解させることによりセパレータ表面をポーラス化できる。表面粗度を粗くした層を形成する手段としては、溶射材料を溶射して溶射層を形成する溶射処理、または、ショット材、グリッド材、砂粒子等の投射材を投射するブラスト処理、または、コロナ放電処理などが例示される。
【００１１】
親水性物質としては、酸化シリコン（シリカ）、酸化アルミニウム（アルミナ）、酸化チタン（チタニア）等の親水性セラミックスの粉末粒子が例示される。更に親水性物質としては、水酸基、カルボキシル基等の親水性の官能基を含むものが例示される。場合によっては、水ガラス、セルロース、デンプン・アクリル酸共重合体、ポリアクリル酸塩、ポリビニルアルコール、イオン交換樹脂、吸水性多糖類も親水性物質として例示される。水の接触角としては４０°以下が好ましく、更には３０°以下が好ましい。殊に２０°以下、１０°以下が好ましい。水の接触角が小さい方が、親水性が富み、水は薄い膜となり易い。
【００１２】
本様相によれば、セパレータは、水分保持部材で仕切られる第１ガス流路および第２ガス流路を形成する。セパレータは金属製でも、セラミックス製でも、樹脂製でも、カーボン製でも良い。第１ガス流路および第２ガス流路のうちの一方は、燃料電池から排出された後のオフガスが流れるオフガス流路とすることができる。且つ、第１ガス流路および第２ガス流路のうちの他方は、燃料電池に供給される前のフレッシュガスが流れるフレッシュガス流路とすることができる。
【００１３】
本様相によれば、第１ガス流路および第２ガス流路のうち結露が発生し易い側の親水性は、第１ガス流路および第２ガス流路のうち結露が発生しにくい側の親水性よりも高く設定されていることが好ましい。結露による水滴の生成に対処するためである。なお、セパレータとしては、第１ガス流路および第２ガス流路のうちのいずれか一方を形成するものでも良いし、あるいは、第１ガス流路および第２ガス流路のうちの双方を形成するものでも良い。
【００１４】
（２）様相２に係る燃料電池用加湿器によれば、上記した様相において、セパレータ流路壁面は、ポーラス状またはスポンジ状とされて親水化されていることを特徴とする。セパレータ流路壁面がポーラス状またはスポンジ状とされて親水化されているため、セパレータ流路壁面において水が薄い水膜として残り易くなる。故に、ガス流路において水が水滴状として滞留するおそれが低減される。従って、セパレータのガス流路が塞がれてしまうおそれが低減される。故に、セパレータにおいてガスの流れにムラが発生してしまうおそれが低減される。
【００１５】
（３）様相３に係る燃料電池用加湿器によれば、上記した様相において、セパレータは、セパレータ本体を構成する芯材と、第１ガス流路および第２ガス流路のうちの少なくとも一方を形成するように芯材に被覆された親水性をもつ被覆層とを備えていることを特徴とする。芯材の材質としては、金属、樹脂、セラミックス（例えばアルミナなど）、カーボンが例示される。芯材の製法としてはプレス成形、圧縮成形、射出成形などで形成できる。この場合、被覆層は、溶射材料を溶射して形成された溶射層で構成されている形態、親水性をもつ樹脂フィルムを貼り付ける形態が例示される。溶射層は空孔を有すると共に表面粗度が粗いため、被覆層に接触する水は、水滴状になりにくく、薄い水膜状となり易い。
【００１６】
（４）様相３に係る燃料電池用加湿器によれば、上記した様相において、被覆層は、芯材の少なくとも一部を覆う樹脂製の防錆用の内層と、第１ガス流路および第２ガス流路のうちの少なくとも一方に対面するように内層に被覆された外層とを備えており、外層の表面粗度は芯材の表面粗度よりも粗くされていることを特徴とする。本様相によれば、芯材は内層により防錆されるため、芯材の耐久性が高くなる。外層の表面粗度は芯材の表面粗度よりも粗い。このため、外層においては水は水滴状になりにくく、薄い水膜状となり易い。
【００１７】
第１ガス流路および第２ガス流路のうちの一方は、燃料電池から排出された後のオフガスが流れるオフガス流路であり、且つ、第１ガス流路および第２ガス流路のうちの他方は、燃料電池に供給される前のフレッシュガスが流れるフレッシュガス流路である形態が例示される。ここで、オフガス流路およびフレッシュガス流路は、親水性をもつ被覆層に対面していることが好ましい。この場合、オフガス流路に対面する被覆層における親水性は、フレッシュガス流路に対面する被覆層における親水性よりも高く設定されていることが好ましい。湿度が高いオフガスが流れるオフガス流路においては、結露により水滴が生成され易いためである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る燃料電池用加湿器によれば、水がセパレータのガス流路において水滴状として滞留するおそれが低減される。故に、セパレータのガス流路の流路空間が塞がれてしまうおそれが低減される。よってセパレータのガス流路を流れるガスの流れのムラが抑制され、加湿ムラが低減される。この場合、燃料電池の発電性能を向上させるのに貢献できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
（実施形態１）
以下、本発明の実施形態１について図１〜図４を参照しつつ具体的に説明する。図１は概念図を示す。燃料電池システムは、固体高分子型の燃料電池１と、燃料電池１に供給されて発電反応に使用されるガス（酸化剤ガス、一般的には空気等の酸素含有ガス）を加湿する加湿器２とを有する。燃料電池１は、空気（酸化剤ガス）が供給される空気極１０（酸化剤極）と、高分子型の電解質膜１１と、燃料が供給される燃料極１２とを有する。空気極１０は、発電反応前のフレッシュガスが供給されるインポート１０ｉと、発電反応後のオフガスが排出されるアウトポート１０ｏとをもつ。燃料電池１では、発電反応により電気エネルギが取り出されると共に、発電反応に伴い燃料電池１の空気極１０において水が生成される。従って、燃料電池１の空気極１０から排出された発電反応後の空気オフガスであるオフガスについては、温度および湿度（相対湿度）は高い。これに対して、燃料電池１の空気極１０に供給される前の空気、つまり発電反応前のフレッシュガスについては、温度および湿度はオフガスよりも低い。換言すると、燃料電池１の空気極１０から排出された直後のオフガスは、加湿器２に供給される直前のフレッシュガスよりも、温度および湿度が高い。
【００２０】
本実施形態によれば、加湿器は燃料電池１の空気極１０（酸化剤極）に供給される空気（酸化剤ガス）適用される。このため、便宜上、燃料電池１の空気極１０に供給される前、つまり、発電反応前のガスを『フレッシュガス』と定義する。燃料電池１の空気極１０から排出された発電反応後のガスを『オフガス』と定義する。
【００２１】
図１に示すように、加湿器２は、上下方向に延設された複数の板状をなすセパレータ２１を厚み方向に積層した積層体２２と、積層体２２を厚み方向に挟む第１エンドプレート２３および第２エンドプレート２４とを有する。セパレータ２１は上下方向（重力方向，矢印Ｇ方向）に沿ってのびている縦型のほぼ四角形状をなしている。セパレータ２１の積層方向は横方向とされている。セパレータ２１の基材は樹脂製、カーボン製、金属製（ステンレス鋼等）でも良く、要請される性能及びコストを考慮して選択する。
【００２２】
加湿器２の第１エンドプレート２３の下部２３ｄには、管状のフレッシュガス入口管体３１および管状のオフガス出口管体３２が形成されている。加湿器２の第２エンドプレート２４の上部２４ｕには、管状のオフガス入口管体３６および管体状のフレッシュガス出口管体３７が形成されている。
【００２３】
図１に示すように、セパレータ２１は、隅部に形成されたフレッシュガス入口４１と、フレッシュガス入口４１の対角上方に形成されたフレッシュガス出口５１と、フレッシュガス入口４１およびフレッシュガス出口５１を繋ぐようにセパレータ２１の一方の表面流路で形成されたフレッシュガス流路６１とを備えている。
【００２４】
更にセパレータ２１は、隅部に形成されたオフガス入口４２と、オフガス入口４２の対角下方に形成されたオフガス出口５２と、オフガス入口４２およびオフガス出口５２を繋ぐようにセパレータ２１の他方の表面流路で形成されたオフガス流路６２とをもつ。
【００２５】
図１に示すように、複数のセパレータ２１が積層されて加湿器２が形成されているため、各セパレータ２１を厚み方向に貫通するフレッシュガス入口４１は矢印Ｅ１方向に積層されている。従って、フレッシュガスは各フレッシュガス入口４１を矢印Ｅ１方向（セパレータ積層方向）に流れる。また各セパレータ２１を貫通するフレッシュガス出口５１は矢印Ｃ１方向に積層されている。従って、フレッシュガスは各フレッシュガス出口５１を矢印Ｃ１方向（セパレータ積層方向）に流れる。各セパレータ２１を厚み方向に貫通するオフガス入口４２は矢印Ｄ１方向に積層されている。従って、オフガスは各オフガス入口４２を矢印Ｄ１方向（セパレータ積層方向）に流れる。また各セパレータ２１を厚み方向に貫通するオフガス出口５２は矢印Ｆ１方向に積層されている。従って、オフガスは各オフガス出口５２を矢印Ｆ１方向（セパレータ積層方向）に流れる。
【００２６】
更に説明を加える。図２はセパレータ２１の一方の表面を示す。図２に示すように、セパレータ２１は縦形の四角形状をなしており、互いに平行な上辺２１ｕ（上部）および下辺２１ｄ（下部）と，上辺２１ｕおよび下辺２１ｄを繋ぐように重力方向（矢印Ｇ方向）に沿って延びている２つの側辺２１ｓ（側部）とをもつ。セパレータ２１の一方の表面には、燃料電池１から排出されたオフガスがセパレータ２１の表面に沿って下向き（矢印Ｂ１方向）に流れるオフガス流路６２（第１ガス流路）が形成されている。オフガス流路６２には、案内突起６２ｘと共に案内溝６２ｙが多数個形成されている。
【００２７】
図２に示すように、オフガス流路６２から外方にオフガスが洩れないように、シール部２１ｘがセパレータ２１の外縁に沿って設けられている。更に、オフガス流路６２に連通すると共にオフガス流路６２にオフガスを供給するオフガス入口４２が、セパレータ２１の上辺２１ｕ側の角部に形成されている。オフガス流路６２に連通すると共にオフガス流路６２からオフガスを排出するオフガス出口５２が、セパレータ２１の下辺２１ｄ側の角部に形成されている。
【００２８】
ここで、図２に示すように、オフガス入口４２およびオフガス出口５２は、三角形状をなしており、互いに対向するようにセパレータ２１の角部に設けられている。更に、フレッシュガス入口４１およびフレッシュガス出口５１は、三角形状をなしており、互いに対向するようにセパレータ２１に設けられている。
【００２９】
図２に示すように、オフガスがフレッシュガス入口４１に流入しないように、フレッシュガス入口４１にシール部４１ｘが設けられている。更に、オフガスがフレッシュガス出口５１に流入しないように、フレッシュガス出口５１にシール部５１ｘが設けられている。なお、シール部５１ｘ，４１ｘ，２１ｘは、ゴム、軟質樹脂、軟質メタル等のシール材料で形成されている。
【００３０】
図３はセパレータ２１の他方の表面（一方の表面の裏側）を示す。図３に示すように、セパレータ２１の他方の表面には、燃料電池１に供給される前のフレッシュガスがセパレータ２１の表面に沿って上向き（矢印Ａ１方向）に流れるフレッシュガス流路６１（第２ガス流路）が形成されている。図３に示すように、フレッシュガス流路６１に連通すると共にフレッシュガス流路６１にフレッシュガスを供給するフレッシュガス入口４１が、セパレータ２１の下辺２１ｄの角部に形成されている。フレッシュガス流路６１に連通すると共にフレッシュガス流路６１からフレッシュガスを排出するフレッシュガス出口５１が、セパレータ２１の上辺２１ｕの角部に形成されている。なお、図１および図２に示す矢印Ｂ１方向は、オフガスの基本流れ方向を模式的に示す。図１および図３に示す矢印Ａ１方向は、フレッシュガスの基本流れ方向を模式的に示す。
【００３１】
更に、図３に示すように、フレッシュガスがオフガス入口４２に流入しないように、オフガス入口４２にはシール部４２ｘが設けられている。オフガス出口５２にオフガスが流入しないように、オフガス出口５２にはシール部５２ｘが設けられている。
【００３２】
図４に示すように、隣接するセパレータ２１間には、加湿要素として機能できる膜状をなす水分保持部材２７が配置されている。水分保持部材２７は、吸水性を有すると共にガス難透過性を有するイオン交換膜（高分子電解質膜）等の水分保有性をもつ膜で形成されており、水分を保持して湿潤することができる。図４に示すように、水分保持部材２７のうちの一方の表面２７ｃは、フレッシュガス流路６１に対面している。水分保持部材２７のうちの他方の表面２７ａは、オフガス流路６２に対面している。換言すると、オフガス流路６２およびフレッシュガス流路６１は、水分保持部材２７を介して対面している。
【００３３】
本実施形態によれば、図４に示すように、オフガスおよびフレッシュガスの基本流れが逆となる対向流方式が採用されている。故に、オフガス流路６２においてオフガスは下向き（斜め下向き，矢印Ｂ１方向）に流れる。フレッシュガス流路６１においてフレッシュガスは上向き（斜め上向き，矢印Ａ１方向）に流れる。この場合、オフガス流路６２においてオフガスから生成された凝縮水ＷＡ等の水を水分保持部材２７またはセパレータ２１に沿って重力方向（矢印Ｇ方向）に重力により流下させ易い。故に、水分保持部材２７の全体を均一に吸水させるのに貢献でき、加湿ムラの低減に有利である。
【００３４】
燃料電池１では、発電反応に伴い水および熱が生成される。燃料電池１から排出されるオフガスは、生成された水および熱を燃料電池１から持ち去る。このため、加湿器２のオフガス流路６２に供給されるオフガスは、加湿器２に供給される前のフレッシュガスよりも、相対的に水分を含むと共に相対的に高温である。燃料電池１の空気極１０から吐出されたオフガスの相対湿度は一般的には８０％以上、９０％以上または９５％以上である。従って、加湿器２のオフガス流路６２を流れるオフガスは、フレッシュガス流路６１を流れるフレッシュガスと熱交換されて冷却される。このとき、オフガスに含まれる水分は、オフガス流路６２において凝縮して凝縮水ＷＡ（図４参照）となる。凝縮水ＷＡは水分保持部材２７に吸水され、水分保持部材２７の水分保持量が増加する。このため、フレッシュガス流路６１を流れるフレッシュガスは、水分保持部材２７により加湿される。このように加湿されたフレッシュガスは、フレッシュガス出口５１から吐出され、燃料電池１の空気極１０に供給され、発電に使用される。
【００３５】
ところで、加湿器２によれば、オフガスに含まれている水分が凝縮して凝縮水が生成される。この場合、オフガス流路６２においては水が水滴として滞留するおそれがある。この場合、オフガス流路６２の流路空間が水滴状の水で塞がれてしまうおそれがあり、オフガスの流れにムラが発生してしまうおそれがある。フレッシュガス流路６１についても、条件によっては、同様に流路空間が水滴状の水で塞がれるおそれがある。なお、加湿器２のサイズを抑えつつ、セパレータ２１の枚数を増加させているため、オフガス流路６２の流路幅ＤＥ、フレッシュガス流路６１の流路幅ＤＦ（図４参照）は小さく、（例えば５ミリメートル以下、７ミリメートル以下）、従って水滴でガス流路が詰まるおそれがある。
【００３６】
この点について本実施形態によれば、図２に示すように、セパレータ２１のうちオフガス流路６２を形成するセパレータ流路壁面２１ｆには、親水化された親水層２１０が被覆層として被覆されている。同様に、セパレータ２１のうちフレッシュガス流路６１を形成するセパレータ流路壁面２１ｆには、親水化された親水層２１０が被覆層として被覆されている。ここで、親水層２１０は、例えばイオン交換樹脂等の親水性物質を基材として形成されている。
【００３７】
このように親水層２１０が形成されているため、水の接触角が小さくなり、水が薄い水膜として生成され易くなる。故に、オフガス流路６２およびフレッシュガス流路６１において水が水滴状として滞留するおそれが低減される。従って、オフガス流路６２の流路幅ＤＥおよびフレッシュガス流路６１の流路幅ＤＦが小さいときであっても、オフガス流路６２およびフレッシュガス流路６１が水滴で塞がれてしまうおそれが低減される。故に、セパレータ２１においてガスの流れにムラが発生してしまうおそれが低減される。なお、水の接触角α（図４参照）は、平坦面において水の外表面と平坦面とがなす角度として定義される。
【００３８】
上記したように本実施形態によれば、オフガス流路６２において水が水滴状として滞留するおそれが低減されるため、オフガス流路６２において水が薄い水膜として重力により流下され易くなり、セパレータ２１のオフガス流路６２においてオフガスの流れにムラが発生してしまうおそれが低減される。
【００３９】
オフガス流路６２に存在する水は、膜状の水分保持部材２７を介してフレッシュガス流路６１に浸透する。このためオフガス流路６２のみならず、フレッシュガス流路６１においても、水が水滴状として滞留するおそれがある。この点本実施形態によれば、フレッシュガスが流れるフレッシュガス流路６１においても親水層２１０が被覆されているため、水が水滴状として滞留するおそれが低減されるため、フレッシュガス流路６１において水が薄い水膜として重力により流下され易くなり、セパレータ２１のフレッシュガス流路６１においてフレッシュガスの流れにムラが発生してしまうおそれが低減される。また、フレッシュガス流路６１において水が水滴状として過剰に滞留するおそれが低減されるため、フレッシュガスが過剰の水を燃料電池１の空気極１０に持ち込むことが低減され、燃料電池１におけるフラッディングの防止に有効である。
【００４０】
なお、本実施例によれば、オフガス流路６２に対面する親水層２１０における水の接触角をα１とし、フレッシュガス流路６２に対面する親水層２１０における水の接触角をα２とするとき、α１＝α２、α１≒α２とされている。換言すると、オフガス流路６２に対面する親水層２１０における親水性と、フレッシュガス流路６２に対面する親水層２１０における親水性とは基本的には同程度とされている。但しこれに限らず、α１＜α２とし、結露が発生し易いオフガス流路６２に対面する親水層２１０における親水性を、フレッシュガス流路６１に対面する親水層２１０における親水性よりも高く設定しても良い。
【００４１】
本実施形態によれば、オフガスおよびフレッシュガスの基本流れが逆となる対向流方式が採用されている。故に、オフガス流路６２においてオフガスは下向き（斜め下向き，矢印Ｂ１方向）に流れる。フレッシュガス流路６１においてフレッシュガスは上向き（斜め上向き，矢印Ａ１方向）に流れる。しかしこれに限らず、オフガスおよびフレッシュガスの基本流れが同じ向きとなる並行流方式が採用されていても良い。この場合、オフガス流路６２においてオフガスは上向き（斜め上向き）に流れ、フレッシュガス流路６１においてフレッシュガスは上向き（斜め上向き）に流れる。あるいは、オフガス流路６２においてオフガスは下向き（斜め下向き）に流れ、フレッシュガス流路６１においてフレッシュガスは下向き（斜め下向き）に流れる形態でも良い。
【００４２】
（実施形態２）
図５は実施形態２を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。図５に示すように、本実施形態によれば、セパレータ２１のうちオフガス流路６２を形成するセパレータ流路壁面２１ｆには、親水化された親水層２１０が形成されている。このようにオフガス流路６２を形成するセパレータ流路壁面２１ｆには親水層２１０が形成されているため、水の接触角が小さくなり、水が水滴状となりにくく、薄い水膜として流下し易くなる。故に、オフガス流路６２において水が水滴状として滞留するおそれが低減される。従って、セパレータ２１のオフガス流路６２が塞がれてしまうおそれが低減される。故に、セパレータ２１においてガスの流れにムラが発生してしまうおそれが低減される。但し本実施形態によれば、図５に示すように、フレッシュガス流路６１を形成するセパレータ流路壁面２１ｆの表面には親水層２１０が形成されていない。燃料電池１に供給される前のフレッシュガスは、燃料電池１から排出された発電後のオフガスに比較して湿度が少ないため、水滴量が少ないと推察されるためである。この場合、親水化面積が少なくなるので、コスト低廉化に有利である。
【００４３】
（実施形態３）
図６は実施形態３を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。図１０に示すように、本実施形態によれば、セパレータ２１のうちオフガス流路６２を形成するセパレータ流路壁面２１ｆに親水層２１０が形成されている。このため前述同様にオフガス流路６２が水滴状の水で塞がれるおそれが低減される。
【００４４】
更に本実施形態によれば、図６に示すように、セパレータ流路壁面２１ｆのうちフレッシュガス流路６１の上流６１ｕ（重力方向の下部分）には、親水層２１０が形成されていない。フレッシュガス流路６１の上流６１ｕを流れるフレッシュガスは、燃料電池１から排出された発電後のオフガスに比較して湿度が遙かに少ないため、結露のおそれが少ないためである。この場合、親水化面積が少なくなるので、コスト低廉化に有利である。但し、セパレータ流路壁面２１ｆのうちフレッシュガス流路６１の下流６１ｄ（重力方向の上部分）には、親水層２１０が形成されている。フレッシュガス流路６１の下流６１ｄを流れるフレッシュガスは、水分保持部材２７によりかなり加湿されているため、条件によっては、凝縮水が生成されるおそれがあるためである。この場合においても、親水化面積が少なくなるので、コスト低廉化に有利である。
【００４５】
（実施形態４）
図７は実施形態４を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。本実施形態によれば、図７に示すように、セパレータ流路壁面２１ｆのうちフレッシュガス流路６１の下流６１ｄ（重力方向の上部分）には親水層２１０が形成されていない。但し、図７に示すように、セパレータ流路壁面２１ｆのうちフレッシュガス流路６１の上流６１ｕ（重力方向の下部分）には親水層２１０が形成されている。オフガス通路６２に存在する水が水分保持部材２７を厚み方向（図７に示す矢印ｔ方向）に浸透してフレッシュガス流路６１の上流６１ｕに移行することがあるためである。
【００４６】
（実施形態５）
図８は実施形態５を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。本実施形態によれば、図８に示すように、セパレータ２１のうちオフガス流路６２およびフレッシュガス流路６１の双方を形成するセパレータ流路壁面２１ｆには、ポーラス化されたポーラス層２５５が形成されている。このようにポーラス層２５５が形成されているため、水の接触角が小さくなり、水が水滴状よりも水膜状として生成され易くなる。故に、セパレータ２１のオフガス流路６２およびフレッシュガス流路６１が塞がれてしまうおそれが低減される。故に、セパレータ２１のオフガス流路６２およびフレッシュガス流路６１において流れムラが発生してしまうおそれが低減される。但し、場合によっては、結露が生成されにくいフレッシュガス流路６１に対面するセパレータ流路壁面２１ｆには、ポーラス層２５５を形成せずとも良い。更に場合によっては、フレッシュガス流路６１の下流および上流のうちの一方に対面するセパレータ流路壁面２１ｆにはポーラス層２５５を形成するものの、フレッシュガス流路６１の下流６１ｄおよび上流６１ｕのうちの他方に対面するセパレータ流路壁面２１ｆにポーラス層２５５を形成せずとも良い。
【００４７】
（実施形態６）
図９は実施形態６を示す。本実施形態は実施形態５と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。本実施形態によれば、図９に示すように、セパレータ２１のうちオフガス流路６２を形成するセパレータ流路壁面２１ｆに、ポーラス化されたポーラス層２５５Ｂが親水層として被覆されている。セパレータ２１のうちフレッシュガス流路６１を形成するセパレータ流路壁面２１ｆには、ポーラス化されて親水性が高くされたポーラス層２５５Ｃが被覆層として被覆されている。ここで、湿度が高いオフガスに接触するポーラス層２５５Ｂの気孔率は、湿度が低いフレッシュガスに接触するポーラス層２５５Ｃの気孔率よりも高くされている。湿度が高いオフガスに接触するポーラス層２５５Ｂにおける水滴化を効果的に抑え、ガスの流路面積を確保するためである。
【００４８】
（実施形態７）
図１０は実施形態７を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。本実施形態によれば、図１０に示すように、セパレータ２１Ｄは、ステンレス鋼、炭素鋼等の金属の素材をプレス成形することにより形成された板状をなす芯材２１７と、オフガス流路６２およびフレッシュガス流路６１を形成するように芯材２１７に膜状に被覆された親水性をもつ被覆層２１８とを備えている。芯材２１７は、素材（例えば炭素鋼、ステンレス鋼、アルミニウム合金、チタン合金等の金属）をプレス成形することにより形成されているため、セパレータを切削加工で形成する場合に比較して製造時間を大幅に短縮できる。更にセパレータ２１Ｄの芯の部分に金属を用いるため、セパレータ２１Ｄの剛性および強度が高まる。プレス成形で芯材２１７を形成すれば、加工硬化による芯材２１７の強化も期待できる。
【００４９】
親水性をもつ被覆層２１８は、粉末状またはワイヤ状の金属製の溶射材料を溶射ガン（溶射手段）により溶射して形成された溶射層で形成されている。溶射層は多数の空孔を含み、ポーラスとされている。更に、被覆層２１８を構成する溶射層の表面粗度は、芯材２１７の表面粗度よりも粗くされている。このような溶射層が形成されているため、被覆層２１８における水の接触角が小さくなり、被覆層２１８に接触する水は、水滴よりも、薄い水膜となり、水膜として流下し易くなる。故に、セパレータ２１のオフガス流路６２およびフレッシュガス流路６１が塞がれてしまうおそれが低減される。
【００５０】
（実施形態８）
図１１は実施形態８を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、同様の対向流方式、同様の作用効果を有する。本実施形態によれば、図１１に示すように、セパレータ２１Ｅは、ステンレス鋼等の合金の素材をプレス成形することにより形成された板状をなす芯材２１７と、オフガス流路６２およびフレッシュガス流路６１を形成するように芯材２１７に膜状に被覆された被覆層２１８Ｅとを備えている。芯材２１７は、素材をプレス成形することにより形成されているため、切削加工とは異なり、製造時間を大幅に短縮できる。更にセパレータ２１の芯の部分に金属を用いるため、剛性および強度が高まる。
【００５１】
図１１に示すように、被覆層２１８Ｅは、芯材２１７の全体に被覆された樹脂膜状の内層２１８ｉと、オフガス流路６２およびフレッシュガス流路６１に対面するように内層２１８ｉに被覆された樹脂製の外層２１８ｐとで形成されている。内層２１８ｉは芯材２１７の全体に被覆されており、金属製の芯材２１７の防錆効果を高めることができる。外層２１８ｐの表面粗度は内層２１８ｉの表面粗度および芯材２１７の表面粗度よりも粗く設定されている。表面粗度が粗いと、水滴は生成されにくい。従って加湿器２の内部で結露した水分は、外層２１８ｐ上では水滴状態となりにくくなり、薄い水膜状となり易く、水膜として流下し易くなる。故に、加湿器２の内部において水が大きな水滴状として滞留するおそれが低減される。従って、セパレータ２１のオフガス流路６２およびフレッシュガス流路６１が塞がれてしまうおそれが低減される。故に、セパレータ２１においてガスの流れにムラが発生してしまうおそれが低減される。なお表面粗度を粗くするには例えばショット材、グリッド材、砂粒子等の投射材を投射するブラスト処理、または、コロナ放電処理などが例示される。なお本実施形態によれば、オフガス流路６２に対面する外層２１８ｐの表面粗度は、フレッシュガス流路６１に対面する外層２１８ｐの表面粗度と基本的には同一としても良い。但し、これに限らず、結露が発生し易いオフガス流路６２に対面する外層２１８ｐの表面粗度は、フレッシュガス流路６１に対面する外層２１８ｐの表面粗度よりも粗く設定されていても良い。
【００５２】
（実施形態９）
図１２は実施形態９を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。本実施形態によれば、親水性をもつ被覆層２１８Ｆは、微粉末状の酸化シリコン（シリカ）で形成された親水性粒子をバインダ（無機バインダまたは有機バインダ）で結合して形成された膜状の親水層で形成されている。親水層は多数の空孔を含み、ポーラスとされている。このような二酸化珪素（シリカ）を基材とする親水層が形成されているため、セパレータ流路壁面２１ｆの表面と水との接触角が小さくなり、水が水滴よりも水膜として重力により流下し易くなる。なお本実施形態によれば、オフガス流路６２に対面する被覆層２１８Ｆにおける親水性粒子の配合比率は、フレッシュガス流路６１に対面する被覆層２１８Ｆにおける親水性粒子の配合比率と基本的には同一とされている。但し、これに限らず、結露が発生し易いオフガス流路６２に対面する被覆層２１８Ｆにおける親水性粒子の配合比率は、フレッシュガス流路６１に対面する被覆層２１８Ｆにおける親水性粒子の配合比率よりも多く設定されていても良い。
【００５３】
（実施形態１０）
図１３は実施形態１０を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。本実施形態によれば、図１３に示すように、セパレータ２１Ｈは水平方向（矢印Ｘ方向）に沿っている。複数のセパレータ２１Ｈを高さ方向（重力Ｇ方向）に沿って積層した加湿器２が形成されている。水分保持部材２７の上方にオフガス流路６２が形成され、水分保持部材２７の下方にフレッシュガス流路６１が形成されている。オフガス流路６２を流れる水分が覆いオフガスから凝縮した凝縮水ＷＡが重力により落下すると、水分保持部材２７に吸水される。但しこれに限らず、図示しないものの、水分保持部材２７の下方にオフガス流路６２が形成され、水分保持部材２７の上方にフレッシュガス流路６１が形成されていても良い。
【００５４】
上記したようにセパレータ２１Ｈは、ステンレス鋼等の合金で形成された板状をなす芯材２１７と、オフガス流路６２およびフレッシュガス流路６１を形成するように芯材２１７の表面に膜状に被覆された親水性をもつ被覆層２１８Ｃとを備えている。親水性をもつ被覆層２１８Ｈは、粉末状またはワイヤ状の金属製の溶射材料を溶射ガンにより溶射して形成された膜状の溶射層で形成されている。溶射層は多数の空孔を含み、ポーラスとされている。このような溶射層が形成されているため、水の接触角が小さくなる。故に、オフガス流路６２およびフレッシュガス流路６１において水が大きな水滴状として滞留するおそれが低減される。従って、セパレータ２１のオフガス流路６２およびフレッシュガスガス流路が塞がれてしまうおそれが低減される。故に、セパレータ２１においてガスの流れにムラが発生してしまうおそれが低減される。
【００５５】
（実施形態１１）
図１４は実施形態１１を示す。本実施形態は実施形態５と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。本実施形態によれば、図１４に示すように、セパレータ２１Ｇは重力方向（矢印Ｇ方向）に対して所定角度θ１（例えば１０〜８０°の範囲内の角度）傾斜している。水分保持部材２７の上方にオフガス流路６２が形成され、水分保持部材２７の下方にフレッシュガス流路６１が形成されている。但し、これに限らず、図示しないものの、水分保持部材２７の下方にオフガス流路６２が形成され、水分保持部材２７の上方にフレッシュガス流路６１が形成されていても良い。
【００５６】
（実施形態１２）
図１５は実施形態１２を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。本実施形態によれば、図１５に示すように、セパレータ２１のうち、オフガス流路６２およびフレッシュガス流路６１の双方を形成するセパレータ流路壁面２１ｆには、ポーラス層として、高い気孔率、高い含水性および高い吸水性をもつ軟質の軟質スポンジ層２５８（被覆層）が接着剤等により被覆されている。軟質スポンジ層２５８は水を含有するため、親水性を高めることができる。このため、軟質スポンジ層２５８に接触する水は、水滴状よりも、水膜状として生成され易くなる。故に、セパレータ２１のオフガス流路６２およびフレッシュガス流路６１が塞がれてしまうおそれが低減される。
【００５７】
軟質スポンジ層２５８は高い気孔率、高い含水性および吸水性をもつため、フレッシュガス流路６１に対面する軟質スポンジ層２５８によっても、フレッシュガスを加湿させることができ、フレッシュガスに対する加湿効果を高めることができる。更に、ガス圧を高く調整すれば、軟質の軟質スポンジ層２５８をこれの厚み方向に圧縮させ、軟質スポンジ層２５８に含水されている液相としての水を軟質スポンジ層２５８から吐出させ得、フレッシュガスの加湿量を調整できることも期待できる。
【００５８】
（実施形態１３）
図１６は実施形態１３を示す。本実施形態は実施形態１２と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。本実施形態によれば、図１６に示すように、  湿度が低いフレッシュガスが流れるフレッシュガス流路６１に対面するセパレータ流路壁面２１ｆにのみ、軟質スポンジ層２５８が接着剤等により被覆されている。オフガス流路６２に対面するセパレータ流路壁面２１ｆには、軟質スポンジ層２５８が被覆されていない。前述したように軟質スポンジ層２５８は水を含有するため、親水性を高めることができる。このため、軟質スポンジ層２５８に接触する水は、水滴状よりも、水膜状として生成され易くなる。故に、セパレータ２１のフレッシュガス流路６１が水滴で塞がれてしまうおそれが低減される。
【００５９】
更に、燃料電池１に供給されるフレッシュガスが過剰に乾燥しているとき、フレッシュガス流路６１のフレッシュガスの圧力を高くすれば、殊に瞬間的に高くすれば、軟質の軟質スポンジ層２５８を厚み方向に圧縮できる。故に、軟質スポンジ層２５８に含水されている水を軟質スポンジ層２５８からフレッシュガス流路６１内に吐出させ得、乾燥しているフレッシュガスに対する加湿効果を調整することができる。なお、オフガス流路６２の流路幅ＤＥは、水滴による詰まりを抑えるため、フレッシュガス流路６１の流路幅ＤＦよりも大きく設定されている。図１６に示すように、オフガス流路６２においてオフガスは上向き（斜め上向き）に流れ、フレッシュガス流路６１においてフレッシュガスは上向き（斜め上向き）に流れる並行流方式とされている。
【００６０】
（他の例）
上記した各実施形態の多くについては、セパレータ２１は上下方向に沿っている加湿器２に適用されているが、これに限らず、セパレータ２１が上下方向に対して所定角度傾斜させた加湿器でも良いし、水平方向に沿ったセパレータ２１を重力方向に積層させた加湿器としても良い。上記した各実施形態によれば、加湿器２は、燃料電池１の空気極１０に供給される空気（酸素剤ガス）を加湿するタイプであるが、これに限らず、燃料電池１の燃料極１２に供給される燃料ガスを加湿するタイプに適用しても良い。オフガス流路６２においてオフガスは下向き（斜め下向き）に流れ、フレッシュガス流路６１においてフレッシュガスは下向き（斜め下向き）に流れる方式としても良い。セパレータ２１は四角形状とされているが、これに限らず、三角形状、五角形状、六角形状等でも良い。燃料電池１の燃料極に供給される燃料ガスに加湿器が適用しても良い。この場合、燃料電池１の燃料極に供給される前、つまり、発電反応前のガスを『フレッシュガス』と定義しても良い。燃料電池１の燃料極から排出された発電反応後のガスを『オフガス』と定義しても良い。
【００６１】
本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施可能である。各実施形態に特有の構造および機能は、それが採用されていない実施形態においても適用することができる。セパレータ２１としては、一方の表面にオフガス流路６２を形成し、他方の表面にフレッシュガス流路６１を形成するタイプでも良い。あるいは、オフガス流路６２を形成するセパレータと、フレッシュガス流路６１を形成するセパレータとを組み付けるタイプでも良い。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明は例えば、車両用、定置用、携帯用、電気機器用、電子機器用等の燃料電池システムに使用される加湿器に使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】実施形態１に係り、加湿器の使用状態を示す斜視図である。
【図２】実施形態１に係り、セパレータの一方の表面を模式的に示す正面図である。
【図３】実施形態１に係り、セパレータの他方の表面を模式的に示す正面図である。
【図４】実施形態１に係り、セパレータで形成されているオフガス流路およびフレッシュガス流路を模式的に示す断面図である。
【図５】実施形態２に係り、セパレータで形成されているオフガス流路およびフレッシュガス流路を模式的に示す断面図である。
【図６】実施形態３に係り、セパレータで形成されているオフガス流路およびフレッシュガス流路を模式的に示す断面図である。
【図７】実施形態４に係り、セパレータで形成されているオフガス流路およびフレッシュガス流路を模式的に示す断面図である。
【図８】実施形態５に係り、セパレータで形成されているオフガス流路およびフレッシュガス流路を模式的に示す断面図である。
【図９】実施形態６に係り、セパレータで形成されているオフガス流路およびフレッシュガス流路を模式的に示す断面図である。
【図１０】実施形態７に係り、セパレータを模式的に示す断面図である。
【図１１】実施形態８に係り、セパレータを模式的に示す断面図である。
【図１２】実施形態９に係り、セパレータを模式的に示す断面図である。
【図１３】実施形態１０に係り、水平タイプのセパレータで形成されているオフガス流路およびフレッシュガス流路を模式的に示す断面図である。
【図１４】実施形態１１に係り、傾斜タイプのセパレータで形成されているオフガス流路およびフレッシュガス流路を模式的に示す断面図である。
【図１５】実施形態１２に係り、セパレータで形成されているオフガス流路およびフレッシュガス流路を模式的に示す断面図である。
【図１６】実施形態１３に係り、セパレータで形成されているオフガス流路およびフレッシュガス流路を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００６４】
１は燃料電池、１０は空気極、２は加湿器、２１はセパレータ、２１ｆはセパレータ流路壁面、２２は積層体、２５５はポーラス層、２５８は軟質スポンジ層、２７は水分保持部材、６１はフレッシュガス流路、６２はオフガス流路を示す。
【図１】
2008293742.tif 000003
【図２】
2008293742.tif 000004
【図３】
2008293742.tif 000005
【図４】
2008293742.tif 000006
【図５】
2008293742.tif 000007
【図６】
2008293742.tif 000008
【図７】
2008293742.tif 000009
【図８】
2008293742.tif 000010
【図９】
2008293742.tif 000011
【図１０】
2008293742.tif 000012
【図１１】
2008293742.tif 000013
【図１２】
2008293742.tif 000014
【図１３】
2008293742.tif 000015
【図１４】
2008293742.tif 000016
【図１５】
2008293742.tif 000017
【図１６】
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