(57)【要約】【課題】生産性を高めるとともに加湿性能を向上することのできる燃料電池用膜加湿器を提供する。【解決手段】複数積層配置される燃料電池間に介装される燃料電池用膜加湿器１である。水透過膜２の両面に一対のガス拡散層５，６を配設し、さらに、その両外側にガス分離板１５，１６をそれぞれ設ける。それぞれのガス拡散層５，６にガスを供給可能とし、前記一対のガス拡散層５の一方に供給するガスを前記燃料電池に供給する反応ガスとし、該反応ガスに他方のガスの水分を前記水透過膜２を介して供給可能とした。【選択図】　　　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数積層配置される燃料電池間に介装される燃料電池用膜加湿器において、
水透過膜の両面に一対のガス拡散層を配設し、さらに、その両外側にガス分離板をそれぞれ設けて、それぞれのガス拡散層にガスを供給可能とし、
一方のガス拡散層に供給するガスを前記燃料電池に供給する反応ガスとし、他方のガス拡散層に供給するガスの水分を前記水透過膜を介して前記反応ガスに供給可能としたことを特徴とする燃料電池用膜加湿器。
【請求項２】
前記他方のガス拡散層に供給するガスが、前記燃料電池から排出される排出ガスであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用膜加湿器。
【請求項３】
前記ガス拡散層は、焼成カーボンを用いた不織布を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池用膜加湿器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数積層配置される燃料電池間に介装される燃料電池用膜加湿器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば図９に示したように、従来の燃料電池３６には、固体高分子電解質膜３１の両側にアノード電極３２とカソード電極３３を設け、その両側から一対のセパレータ３４、３５で挟持してなるものがある。両セパレータ３４、３５には燃料ガスや酸化剤ガスを供給するためのガス通路孔３７、３８が形成されている。
【０００３】
前記燃料電池３６においては、前記ガス通路孔３７を通してアノード電極３２に燃料ガス（例えば、水素ガス）を供給すると、アノード電極３２の表面で水素がイオン化され、固体高分子電解質膜３１を介してカソード電極３３側に移動する。この間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。カソード電極３３においては酸化剤ガス（例えば、酸素を含む空気）が供給されているため、水素イオン、電子、及び酸素が反応して水が生成される。
そして、図９に示したように、前記燃料電池３６を複数積層させて燃料電池スタック３０を形成して、該スタック３０の複数の燃料電池３６で発電させることにより、所定の電圧（例えば、数百Ｖ）で電力を取り出せるようにしている。
【０００４】
ところで、両電極３２、３３に供給される反応ガスが過度に乾燥していると、前記反応ガスが固体高分子電解質膜３１から水分を奪ってしまい、固体高分子電解質膜３１を傷めてしまう場合がある。これを防止するため、図９に示したように、反応ガスを加湿させる加湿器４１を前記燃料電池３６間に設けている。
【０００５】
このような加湿器４１としては、水透過膜４２の両側を、ガス分離板４５、４６により挟持してなるものがある。前記ガス分離板４５、４６は、前記セパレータ３４，３５と同じカーボンを材料としている。そして、前記ガス分離板４５、４６には、ガス通路孔４３、４４がそれぞれ形成されている。また、前記ガス通路孔４３、４４間の凸部は隔壁部４７、４８とされ、該隔壁部４７、４８によりガス通路孔４３，４４にガス（反応ガス、加湿用ガス）を案内するとともに、積層方向（図９の上下方向）の耐久性を高めている。
【０００６】
これらのガス通路孔４３、４４の一方（例えばガス通路孔４３）に反応ガス（燃料ガスまたは酸化剤ガス）が供給され、他方（例えばガス通路孔４４）に湿度の高い加湿用ガスが供給される。このガス通路孔４４中の加湿用ガスの水分が、水透過膜４２を介して前記ガス通路孔４３中の反応ガスに供給される。これにより、加湿された反応ガスを燃料電池３６の電極３２、３３に供給することができ、固体高分子電解質膜３１の保護が図られる。
なお、この種の技術として、特許文献１に、単位燃料電池のセパレータに、水透過膜を装着するための周縁部を備えるとともに、凹状の溝を形成して、反応ガス用の加湿部を一体に内蔵したものが開示されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平９−９２３０８号公報（段落番号［００３７］〜［００３９］、第１図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の技術においては、前記ガス分離板４５，４６にガス通路孔４３，４４を形成するために、切削加工を行う必要があるため、作業負担が大きいという問題があった。
また、前記隔壁部４７，４８と水透過膜４２との間に隙間が生じると、前記ガス通路孔４３、４４に流通するガスが、前記隙間に流入してショートカットしてしまい、反応ガスを十分に加湿することができなくなる虞がある。これを防止するためには隔壁部４７，４８を水透過膜４２に確実に密着させる必要があり、隔壁部４７、４８に高い精度の平坦度が要求され、前記隔壁部４７，４８を形成する作業に多大な負担がかかる。したがって、前記ガス通路孔４３、４４形成のための作業負担と、前記隔壁部４７，４８を形成する作業負担とが重なって、生産性が悪化するという問題があった。
【０００９】
また、加湿器の加湿性能を高めるためには、前記水透過膜４２の全面に亘ってそれぞれのガス（反応ガス、加湿用ガス）を供給することが望ましいが、前記水透過膜４２において、前記隔壁部４７，４８に接触する部位には、前記ガスが供給されない。したがって、この部位の水透過膜４２は加湿に利用できず、その分加湿性能が制限されてしまうという問題があった。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、生産性を高めるとともに加湿性能を向上することのできる燃料電池用膜加湿器を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に係る発明は、複数積層配置される燃料電池（例えば、実施の形態における燃料電池３６）間に介装される燃料電池用膜加湿器（例えば、実施の形態における加湿器１、２０）において、水透過膜（例えば、実施の形態における水透過膜２）の両面に一対のガス拡散層（例えば、実施の形態におけるガス拡散層５，６）を配設し、さらに、その両外側にガス分離板（例えば、実施の形態におけるガス分離板１５，１６）をそれぞれ設けて、それぞれのガス拡散層にガスを供給可能とし、一方のガス拡散層に供給するガスを前記燃料電池に供給する反応ガスとし、他方のガス拡散層に供給するガスの水分を前記水透過膜を介して供給可能としたことを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、前記反応ガスは前記水透過膜の一方の面に設けられたガス拡散層に供給され、前記他方のガス拡散層に供給するガス（他方のガス）は前記水透過膜の他方の面に設けられたガス拡散層に供給される。これにより、前記他方のガスの水分が、前記水透過膜を介して前記反応ガスに供給され、反応ガスを加湿する。
【００１２】
そして、前記反応ガスは前記一方の面に設けられたガス拡散層内を拡散しつつ、前記水透過膜の一方の面に沿うように流通する。また、前記他方のガスは前記他方の面に設けられたガス拡散層内を拡散しつつ、前記水透過膜の他方の面に沿うように流通する。
【００１３】
これにより、前記水透過膜は、その両側に設けたガス拡散層に接触する部位全面に亘り、加湿を行わせることができるので、加湿性能を向上させることができる。
また、それぞれのガスは、前記ガス拡散層内を通過するため、従来のようにガスを流通させるための通路やそれを仕切るための隔壁を形成する必要が無くなり、生産性を高めることができる。
【００１４】
本発明の請求項２に係る発明は、請求項１に記載のものであって、前記のガス拡散層に供給するガスが、前記燃料電池から排出される排出ガスであることを特徴とする。
この発明によれば、排出ガスは燃料電池が発電の際に生成する水を含んでいるため、排出ガスは反応ガスに比して湿度が高くなっており、この排出ガスにより反応ガスを供給することで、反応ガスの加湿を行うことができる。これにより、加湿用のガスや水源を新たに設ける必要がなく、その分コストを低減できる。
【００１５】
本発明の請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載のものであって、前記ガス拡散層は、焼成カーボンを用いた不織布を含むことを特徴とする。この発明によれば、ガス拡散層の部位に応じて密度を容易に調整することができるため、ガス拡散層の密度を高めて隔壁部を形成することができる。これにより、それぞれのガスをガス拡散層の全面に亘って流通するように案内させることができるとともに、前記隔壁部においてもガスを流通させることができるため、加湿性能をさらに高めることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態に係る加湿器１の表面を示す平面図である。また、図２は前記加湿器１の裏面を示す透視図である。同図に示したように、加湿器１は、水分を透過させる水透過膜２と、その両側に配設された一対のガス拡散層５，６と、ガス流路を確定するためのシール部材１１，１２と、また、これらの部材を両側から挟むガス分離板１５，１６（図３参照）とを備えている。
【００１７】
以下、それぞれについてより詳細に説明する。前記水透過膜２は、平面視で横方向（図１の左右方向）に長い略矩形状に形成されている。また、前記水透過膜２の横方向両端の上部および下部には、縦方向（図１の上下方向）に長い略矩形状のガス連通孔７〜１０がそれぞれ貫通形成されている。本実施の形態においては、横方向右側上部に形成されたガス連通孔９と、横方向左側下部に形成されたガス連通孔８とが、それぞれ反応ガス（燃料ガスまたは酸化剤ガス）の供給口９と排出口８になっていて、それぞれの連通孔８，９の軸方向（図１に垂直な方向）に反応ガスが流通する（図３参照）。
【００１８】
また、前記水透過膜２の横方向左側上部に形成されたガス連通孔７と、横方向右側下部に形成されたガス連通孔１０とが、それぞれ排出ガス（発電使用後の燃料ガスまたは酸化剤ガス）の供給口７と排出口１０になっていて、それぞれの連通孔７，１０の軸方向（図１に垂直な方向）に排出ガスが流通する（図３参照）。
【００１９】
前記水透過膜２の表面３および裏面４のそれぞれには、ガス拡散層５，６が設けられている。ガス拡散層５，６は、水透過膜２と同様に横方向に長い略矩形状に形成されている。そして、前記ガス拡散層５，６は、前記水透過膜２と、中央部が一致して図１における上下方向と左右方向の寸法格差の割合が均等となるように、各連通孔７〜１０間に配置されている。本実施の形態においては、前記ガス拡散層５，６は、焼成カーボンを用いた不織布により形成され、それぞれに供給されるガスを拡散させつつ水透過膜２に沿って流通可能としている。
【００２０】
また、前記水透過膜２の表面３および裏面４には、シール部材１１，１２がそれぞれ取り付けられている。水透過膜２の表面３に取り付けられるシール部材１１は、各連通孔７〜１０の外側を囲むとともに、排出ガスが流通する連通孔７，１０を囲むように形成されている。これにより、連通孔７，１０を流通する排出ガスが、前記水透過膜２の表面３のガス拡散層５に流通することが防止される。
【００２１】
一方、水透過膜２の裏面４に取り付けられるシール部材１２は、各連通孔７〜１０の外側を囲むとともに、反応ガスが流通する連通孔８，９を囲むように形成されている。これにより、連通孔８，９を流通する反応ガスが、前記水透過膜２の裏面４のガス拡散層６に流通することが防止される。
【００２２】
また、前記水透過膜２は、前記ガス拡散層５，６やシール部材１１，１２が取り付けられた状態で、ガス分離板１５，１６により挟持される（図３参照）。ガス分離板１５，１６は、平面視で前記水透過膜２と略同一形状に形成され、水透過膜２の連通孔７〜１０と同じ位置に連通孔７〜１０が貫通形成されている。
【００２３】
このように構成された加湿器１は、図９に示したような燃料電池間に介装され、この燃料電池に供給される反応ガスが前記連通孔９に供給され、また燃料電池から排出される排出ガスが前記連通孔７に供給される。
【００２４】
図３は、図１の加湿器１を複数（この場合は２つ）積層した状態でのＡＡ断面図である。同図に示したように、反応ガスは反応ガス供給口９の上側から供給され、該供給口９から前記水透過膜表面３側の拡散層５に流入する。このとき、前記水透過膜裏面４側にはシール部材１２が設けられているため、裏面４への反応ガスの流入が阻止される。
また、排出ガスは供給口７の下側から供給され、該供給口７から前記水透過膜裏面４側の拡散層６に流入する。このとき、前記水透過膜表面３側にはシール部材１１が設けられているため、表面３への排出ガスの流入が阻止される。
【００２５】
前記ガス拡散層５内に流入した反応ガスは、前記ガス拡散層５内を拡散しつつ、前記水透過膜２の表面３に沿うようにして流通する。このとき、前記シール部材１１により、排出ガス供給口７と排出ガス排出口１０とが取り囲まれているため、排出ガス連通孔７，１０への反応ガスの流入が防止される。このため、反応ガス供給口９から流入した反応ガスは、図１に示すように、前記ガス拡散層５の全面を拡散しながら、反応ガス排出口８に向かって流通することになる。
【００２６】
前記ガス拡散層６内に流入した排出ガスは、前記ガス拡散層６内を拡散しつつ、前記水透過膜２の裏面４に沿うようにして流通する。このとき、前記シール部材１２により、反応ガス供給口９と反応ガス排出口８とが取り囲まれているため、反応ガス連通孔８，９への排出ガスの流入が防止される。このため、排出ガス供給口７から流入した排出ガスは、図２に示すように、前記ガス拡散層６の全面を拡散しながら、排出ガス排出口１０に向かって流通することになる。
【００２７】
前記排出ガスは、発電の際に生成された水をその内部に含んでいるため、前記反応ガスよりも湿度が高くなっている。従って、ガス拡散層６内を流通する排出ガスは、その水分を前記水透過膜２を介して前記ガス拡散層５内を流通する反応ガスに供給して加湿することができる。このように、本実施の形態においては、発電により生じた水を含む排出ガスを加湿用のガスとして用いているため、加湿用のガスや水源を新たに設ける必要がなく、その分コストを低減できる。
【００２８】
本実施の形態においては、それぞれのガス拡散層５，６は、積層方向から見て同一位置に形成されている。このため、前記水透過膜２は、前記ガス拡散層５，６に接触する部位全面に亘り、反応ガスの加湿を行わせることができるので、加湿性能を向上させることができる。
【００２９】
また、反応ガスおよび排出ガスは、前記ガス拡散層５，６内を通過するため、従来のようにガスを流通させるための通路やそれを仕切るための隔壁を形成する必要が無くなり、生産性を高めることができる。
【００３０】
加えて、前記ガス拡散層５，６を焼成カーボンを用いた不織布で形成したため、ガス拡散層５，６の部位に応じて密度を容易に調整することができる。このため、ガス拡散層５，６の部位に応じて密度を高めることで、拡散層５，６内を流通するガスの流路を調整することができる。これについて、図４を用いて説明する。
【００３１】
図４は本発明の第２の実施の形態に係る加湿器２０を示す、図１に相当する平面図である。なお、この図においては、シール部材１１は省略している。本実施の形態においては、ガス拡散層５に、隔壁部２１、２２を形成している点が第１の実施の形態と異なっている。前記隔壁部２１、２２は、焼成カーボンの密度を高めることにより形成している。これにより、ガス拡散層５内を流通する反応ガスに方向性を持たせて（この場合は反応ガスが蛇行するように）、より一層加湿されるように調整することができる。なお、隔壁部２１、２２は焼成カーボンにより形成しているため、隔壁部２１、２２内にも反応ガスを流通させることができ、加湿性能をさらに高めることができる。
また、図示は省略したが、ガス拡散層６にも隔壁部を形成して、排出ガスを調整することができる。
【００３２】
図５は、比較例における加湿器６０、７０の説明図である。図５（ａ）の加湿器６０は、従来と略同様に構成され、従来のガス分離板４５、４６を一体形成した構成のガス分離板５０の両側に水透過膜４２を介装する構造となっている。この加湿器６０の水透過膜４２の枚数を変えずに、ガス分離板５０の高さを変えたものが、図５（ｂ）に示した加湿器７０である。
【００３３】
図５（ａ）に示したガス通路孔４３、４４の幅方向の長さｌａを変えずに、ガス分離板５０の高さを減少させると、ガス通路孔４３、４４を仕切る水透過膜４２が撓んでガス通路孔４３、４４のいずれかに張り付く虞がある。これを防止するには、図５（ｂ）に示したように、ガス通路孔４３、４４の幅方向の長さｌｂを減少させる必要がある。このため、加湿器７０におけるガス流路の断面積ｓｂの総和が、加湿器６０におけるガス流路の断面積ｓａの総和に比べて大きく減少し、これにより、圧力損失が非常に大きくなり水透過膜４２への負担が過大となってしまう。
【００３４】
また、図６は比較例における加湿器６０のスイープ流量（ガス流量）と圧力損失との関係を示すグラフである。同図には、図５に示したガス分離板５０の高さを変えずに、水透過膜４２およびガス分離板５０の枚数を変えた加湿器６０ごとの、スイープ流量に応じた圧力損失を示している。図６に示したように、水透過膜４２およびガス分離板５０の枚数を減らすとその分だけ流路の面積ｓｂの総和が小さくなるため、同じスイープ流量であっても圧力損失が大きくなり、水透過膜４２への負担が大きくなる。よって、従来と同様の構造である比較例においては、水透過膜４２の枚数やガス分離板５０の高さを減らすことが困難であり、加湿器６０を小型化するにあたって大きな障害となってしまう。
【００３５】
これに対して、本実施例においては、図７（ａ）（ｂ）に示したように、ガス拡散層５，６の高さを減少させても、ガス流路であるガス拡散層５，６の幅方向の長さＬＢはＬＡと略同一であり、水透過膜２の面方向から見てガス拡散層の密度は変化しない。よって、同図に示したように、ガス拡散層５，６の高さを減少させても、ガス流路の断面積の総和はさほど減少しない（図７（ａ）（ｂ）のＳＡ、ＳＢ参照）。従って、本実施例においては、ガス拡散層５，６の高さ減少に伴う圧力損失の増大を抑制することができ、小型化が可能となる。
【００３６】
図８は実施例と比較例における加湿器の圧力損失を示す説明図である。同図に示したように、加湿器の圧力損失には、ガス流路入口部における圧力損失（オリフィス圧損）と、ガス流路内における圧力損失（流路圧損）とがある。本実施例においては、比較例に比べて、ガス流路入口部やガス流路全体の有効面積を増やすことができるため、オリフィス圧損や流路圧損をそれぞれ低減することができ、加湿器の圧力損失全体を大幅に低減することができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の発明によれば、前記水透過膜は、その両側に設けたガス拡散層に接触する部位全面に亘り、加湿を行わせることができるので、加湿性能を向上させることができる。また、それぞれのガスは、前記ガス拡散層内を通過するため、従来のようにガスを流通させるための通路やそれを仕切るための隔壁を形成する必要が無くなり、生産性を向上することができる。
また、従来に比して圧力損失を低減することができる。
【００３８】
また、請求項２に記載の発明によれば、加湿用のガスや水源を新たに設ける必要がなく、その分コストを低減できる。
また、請求項３に記載の発明によれば、ガス拡散層の密度を高めて隔壁部を形成することができる。これにより、それぞれのガスをガス拡散層の全面に亘って流通するように案内させることができるとともに、前記隔壁部においてもガスを流通させることができるため、加湿性能をさらに高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る加湿器を示す平面図である。
【図２】図１の加湿器の裏側を示す透視図である。
【図３】図１の加湿器を複数積層した状態でのＡＡ断面図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る加湿器を示す、図１に相当する平面図である。
【図５】比較例における加湿器の説明図である。
【図６】比較例における加湿器のスイープ流量と圧力損失との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の実施例における加湿器の説明図である。
【図８】実施例と比較例における加湿器の圧力損失を示す説明図である。
【図９】従来における燃料電池に設けられた加湿器を示す断面図である。
【符号の説明】
１　加湿器
２　水透過膜
５，６　ガス拡散層
７〜１０　ガス連通孔
１３　酸化剤ガス
１４　燃料ガス
１５，１６　ガス分離板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2004139784.tif 000006
【図５】
2004139784.tif 000007
【図６】
2004139784.tif 000008
【図７】
2004139784.tif 000009
【図８】
2004139784.tif 000010
【図９】
2004139784.tif 000011