(57)【要約】【課題】  燃料電池セットの反応ガス温度／湿度調節装置の提供。【解決手段】  温度調節セクションと湿度調節セクションを具え、該温度調節セクションは加熱セクションガス導流板、冷却液導流板、加熱セクション隔板を具え、調節される反応ガスが加熱セクションガス導流板のガスチャネルを通過する時、冷却液が該冷却液導流板の冷却液チャネルを通過し、反応ガスを冷却液により加熱する。該湿度調節セクションは加湿セクションガス導流板、排出ガス導流板、湿気交換セクションを具え、該温度調節セクションで加熱後のガスが該加湿セクションガス導流板のガスチャネルを通過する時、排出ガスも該排出ガス導流板の排出ガスチャネルを通過し、且つ反応ガスが該湿気交換セクションを通り排出ガス中の水気を吸収する。【選択図】        図１
2005085753.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
調節されるガスに温度／湿度調節を行なう燃料電池セットの反応ガス温度／湿度調節装置であり、該反応ガス温度／湿度調節装置は温度調節セクションと湿度調節セクションを具え、
該温度調節セクションは、少なくとも一つの加熱セクションガス導流板と、少なくとも一つの冷却液導流板と、少なくとも一つの加熱セクション隔板を具え、
該少なくとも一つの加熱セクションガス導流板は、ガスチャネルを具え、該ガスチャネルが第１端と第２端を具え、調節されるガスが該ガスチャネルの第１端より流入し該ガスチャネルを通り該ガスチャネルの第２端に至り、
該少なくとも一つの冷却液導流板は、冷却液チャネルを具え、該冷却液チャネルが第１端と第２端を具え、冷却液が該冷却液チャネルの第１端より流入し、該冷却液チャネルを通り該冷却液チャネルの第２端に至り、
該少なくとも一つの加熱セクション隔板は該加熱セクションガス導流板と冷却液導流板の間に挟まれるよう設置され、
調節される反応ガスが加熱セクションガス導流板のガスチャネルを通過する時、冷却液が冷却液導流板の冷却液チャネルを通過し、反応ガスが該冷却液により加熱され、
該湿度調節セクションは、少なくとも一つの加湿セクションガス導流板、少なくとも一つの排出ガス導流板、少なくとも一つの湿気交換セクションを具え、
該少なくとも一つの加湿セクションガス導流板はガスチャネルを具え、このガスチャネルは第１端と第２端を具え、温度調節セクションにより加熱後のガスが中央隔板のガス導通孔を通り、該加湿セクションガス導流板のガスチャネルの第１端より流入して第２端に至り、
該少なくとも一つの排出ガス導流板は、排出ガスチャネルを具え、該排出ガスチャネルは第１端と第２端を具え、水気を含有する排出ガスが該排出ガスチャネルの第１端より流入して該排出ガスチャネルを通り該排出ガスチャネルの第２端に至り、
該少なくとも一つの湿気交換セクションは、透水性を有するが通気性を有さない材料で形成されて該加湿セクションガス導流板と排出ガス導流板の間に挟まれるよう設置され、  該温度調節セクションで加熱後のガスが加湿セクションガス導流板のガスチャネルを通過する時、排出ガスが排出ガス導流板の排出ガスチャネルを通過し、該反応ガスが湿気交換セクションを通り排出ガス中の水気を吸収して加湿セクションガス導流板の第２端より送出されるガスが加湿されることを特徴とする、燃料電池セットの反応ガス温度／湿度調節装置。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池セットの反応ガス温度／湿度調節装置において、温度調節セクションと湿度調節セクションの間に中央隔板があり、該中央隔板がガス導通孔を具え、並びに加熱セクションガス導流板のガスチャネルの第２端に対応し、温度調節セクションで加熱されたガスを加湿セクションガス導流板のガスチャネルの第１端に導入することを特徴とする、燃料電池セットの反応ガス温度／湿度調節装置。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池セットの反応ガス温度／湿度調節装置において、温度調節セクション中の加熱セクション隔板が熱伝導材料で形成されたことを特徴とする、燃料電池セットの反応ガス温度／湿度調節装置。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池セットの反応ガス温度／湿度調節装置において、湿度調節セクション中の湿気交換セクションが透水性を有するが通気性を有さない湿気交換膜と、該湿気交換膜の両側に形成されたガス拡散層を具えたことを特徴とする、燃料電池セットの反応ガス温度／湿度調節装置。
【請求項５】
請求項１記載の燃料電池セットの反応ガス温度／湿度調節装置において、加熱セクションガス導流板のガスチャネル、加湿セクションガス導流板のガスチャネル、冷却液導流板の冷却液チャネル、排出ガス導流板の排出ガスチャネルがいずれもＵ形チャネルの構造を呈することを特徴とする、燃料電池セットの反応ガス温度／湿度調節装置。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池セットの反応ガス温度／湿度調節装置において、Ｕ形チャネルが相互に平行に延伸された複数のチャネルを具え、平行に延伸された各チャネルの間にリブが形成されたことを特徴とする、燃料電池セットの反応ガス温度／湿度調節装置。
【請求項７】
調節されるガスに対して湿度調節を行なった後に燃料電池セットに供給する燃料電池セットの反応ガス湿度調節装置であり、該反応ガス湿度調節装置は、少なくとも一つの加湿セクションガス導流板と、少なくとも一つの排出ガス導流板と、少なくとも一つの湿気交換セクションを具え、
該少なくとも一つの加湿セクションガス導流板は、ガスチャネルを具え、このガスチャネルはＵ形チャネル構造を呈して第１端と第２端を具え、調整されるガスが該加湿セクションガス導流板のガスチャネルの第１端より流入し、該ガスチャネルを通り第２端に至り、
該少なくとも一つの排出ガス導流板は、排出ガスチャネルを具え、該排出ガスチャネルはＵ形チャネル構造を呈して第１端と第２端を具え、水気を含有する排出ガスが排出ガスチャネルの第１端より流入して該排出ガスチャネルを通り第２端に至り、
該少なくとも一つの湿気交換セクションは、透水性を有するが通気性を有さない材料で形成されて加湿セクションガス導流板と排出ガス導流板の間に挟まれるよう設置され、
調節されるガスが該加湿セクションガス導流板のガスチャネルを通過する時、排出ガスも排出ガス導流板の排出ガスチャネルを通過し、且つ反応ガスの水気が該湿気交換セクションで吸収されて加湿セクションガス導流板の第２端より送出されるガスが加湿されることを特徴とする、燃料電池セットの反応ガス湿度調節装置。
【請求項８】
請求項７記載の燃料電池セットの反応ガス湿度調節装置において、湿気交換セクションが透水性を有するが通気性を有さない湿気交換膜と、該湿気交換膜の両側に形成されたガス拡散層を具えたことを特徴とする、燃料電池セットの反応ガス湿度調節装置。
【請求項９】
請求項７記載の燃料電池セットの反応ガス湿度調節装置において、Ｕ形チャネルが相互に平行に延伸された複数のチャネルを具え、平行に延伸された各チャネルの間にリブが形成されたことを特徴とする、燃料電池セットの反応ガス湿度調節装置。
【請求項１０】
請求項７記載の燃料電池セットの反応ガス湿度調節装置において、調節されるガスが送風装置により供給され、加湿セクションガス導流板のガスチャネルの第２端が燃料電池セットのガス入口に連通することを特徴とする、燃料電池セットの反応ガス湿度調節装置。
【請求項１１】
請求項７記載の燃料電池セットの反応ガス湿度調節装置において、排出ガス導流板の排出ガスチャネルの第１端が燃料電池セットのガス出口に連通することを特徴とする、燃料電池セットの反応ガス湿度調節装置。
【請求項１２】
反応ガス温度／湿度調節装置を具えた燃料電池システムにおいて、
少なくとも一つのガス入口、ガス出口、冷却液入口、冷却液出口を具えた燃料電池セットと、
反応ガス温度／湿度調節装置とを具え、
該反応ガス温度／湿度調節装置は、
内部にガスチャネルと冷却液チャネルを具えた温度調節セクションと、
内部にガスチャネルと排出ガスチャネルを具えてそのガスチャネルの第１端が該温度調節セクションのガスチャネルの第２端に連通する湿度調節セクションと、
該温度調節セクションのガスチャネルの第１端に連通して調節される反応ガスを該温度調節セクションのガスチャネル中に引き込み、更に温度調節セクションのガスチャネルの第２端より送出される反応ガスを湿度調節セクションのガスチャネルの第１端に送出するガス導入端と、
該温度調節セクションの冷却液チャネルの第１端と燃料電池セットの冷却液出口の間に接続されて、燃料電池セットの冷却液出口より送出される冷却液を該温度調節セクションの冷却液チャネル中に導入し、冷却液により温度調節セクションのガスチャネル中の反応ガスを加熱する冷却液導入端と、
該湿度調節セクションの排出ガスチャネルの第１端と燃料電池セットのガス出口の間に接続され、燃料電池セットのガス出口より送出される水気を含有する排出ガスを湿度調節セクションの排出ガスチャネル中に導入し、該湿度調節セクションのガスチャネル中を流れる反応ガスを加湿し、並びに湿度調節セクションのガスチャネルの第２端より加熱及び加湿後の反応ガスを送出する排出ガス導入端と、
を具えたことを特徴とする、反応ガス温度／湿度調節装置を具えた燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項１２記載の反応ガス温度／湿度調節装置を具えた燃料電池システムにおいて、反応ガス温度／湿度調節装置が、冷却液導出端を具え、該冷却液導出端は温度調節セクションの冷却液チャネルの第２端と燃料電池セットの冷却液入口の間に接続されて反応ガス温度／湿度調節装置を通過した後の冷却液を燃料電池セットの冷却液入口に送ることを特徴とする、反応ガス温度／湿度調節装置を具えた燃料電池システム。
【請求項１４】
請求項１２記載の反応ガス温度／湿度調節装置を具えた燃料電池システムにおいて、燃料電池セットの冷却液出口が送出する冷却液の温度が摂氏約６０〜７０度とされたことを特徴とする、反応ガス温度／湿度調節装置を具えた燃料電池システム。
【請求項１５】
請求項１２記載の反応ガス温度／湿度調節装置を具えた燃料電池システムにおいて、湿度調節セクションが湿気交換セクションを具え、該湿気交換セクションが透水性を有するが通気性を具備しない湿気交換膜を具えたことを特徴とする、反応ガス温度／湿度調節装置を具えた燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一種の燃料電池セットの加湿装置に係り、特に、一種の燃料電池セットの反応ガス温度／湿度調節装置の構造設計に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池（Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）は電気化学反応により、直接水素含有燃料と空気を利用して電力を発生する装置である。燃料電池は低汚染、高効率、高いエネルギー密度等の長所を有するため、近年各国の研究開発と推奨の対象となっている。各種の燃料電池中、プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）の操作温度は比較的低く、起動が迅速で、体積と重量のエネルギー密度が比較的高いため、最も産業上の価値がある。
【０００３】
典型的な燃料電池セットは、複数の膜電極アセンブリ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｅｓ；ＭＥＡ）が組み合わされてなり、各膜電極アセンブリ中には陽極触媒層、高分子プロトン交換膜と陰極触媒層が包含される。該膜電極アセンブリにガス拡散層と両極板が重ね合わされて、基本の燃料電池単電池が構成される。
【０００４】
燃料電池は反応時に、高分子プロトン交換膜が伝送する水素イオンにより電気化学反応を完成し、その電池性能と各種の操作条件、例えば温度、湿度、水素ガス流量、空気流量等はいずれも関係がある。例えば湿度条件に関しては、燃料電池の高分子プロトン交換膜を適合する操作湿度下に維持してこそ燃料電池に高い性能を保持させることができる。
【０００５】
現存の技術では、燃料電池を適当な操作湿度に維持するための一般的な方法として、反応ガス供給管線中に加湿器を配置し、反応ガスが該加湿器を通過する時にその相対湿度を高め、その後に更に燃料電池に供給する、という方法がとられている。例えば空気（酸素ガス）の供給に関しては、一般の方法は送風機の後ろに該加湿器を配置し、その後に更に燃料電池中の陰極反応ガス導入孔に接続し、該空気が該燃料電池中に進入する時に適当な相対湿度を得られるようにしている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述の従来の燃料電池反応ガス加湿技術は、反応ガス相対湿度を制御する目的を達成できはするが、実際に使用すると多くの改善点があることが分かる。例えば、加湿器の管線配置、加湿器の性能、エネルギー回収循環利用等の各方面でさらなる研究改良が待たれる。
【０００７】
更に、操作温度の制御に関して、燃料電池は反応時に発生する熱エネルギーえを適宜冷却しなければならず、一般に水冷式の燃料電池の設計では、水を燃料電池中の冷却液チャネルに通して燃料電池内部の熱量を奪い取っている。通常、燃料電池の冷却液出口で測定される冷却液温度はほぼ摂氏６０〜７０度であり、その相対湿度は１００％に達する。如何に有効にこの熱エネルギーを回収するかが重要な課題である。
【０００８】
従来の技術中、該冷却液の熱エネルギーを回収し循環させて水素ボンベを加熱する技術があるが、如何に該冷却液の熱エネルギーを回収し並びに加湿システムに結合させて反応ガスの相対湿度を調節すると共に熱エネルギーの全体効率を向上するかについては未だ十分な研究と実際の使用がなされていない。
【０００９】
更に従来の技術中には熱エネルギーの冷却液熱エネルギーを加湿器の加熱に利用する技術もあるが、一部の冷却液を消耗するため、随時水を補充する必要があり、実際の使用上、不便である。
【００１０】
このため、本発明の主要な目的は、燃料電池セットの反応ガス温度／湿度調節装置を提供し、その制御により、燃料電池セットを最適の操作条件下で操作できるようにすることにある。
【００１１】
本発明のもう一つの目的は、燃料電池セットの反応ガス温度／湿度調節装置を提供し、燃料電池セットに送入する反応ガスが適当な温度と湿度調節を受けられるようにすることにある。
【００１２】
本発明の別の目的は、燃料電池冷却液エネルギーを有効に回収利用できる燃料電池加湿制御装置を提供し、良好な反応ガス加湿機能を達成するのみならず、燃料電池セットの冷却液を有効に回収循環利用できるようにすることにある。
【００１３】
上述の目的を達成するため、本発明の燃料電池セットの反応ガス温度／湿度調節装置は温度調節セクションと湿度調節セクションを具え、該温度調節セクションは加熱セクションガス導流板、冷却液導流板、加熱セクション隔板を具え、調節される反応ガスが加熱セクションガス導流板のガスチャネルを通過する時、冷却液が該冷却液導流板の冷却液チャネルを通過し、反応ガスを冷却液により加熱する。該湿度調節セクションは加湿セクションガス導流板、排出ガス導流板、湿気交換セクションを具え、該温度調節セクションで加熱後のガスが該加湿セクションガス導流板のガスチャネルを通過する時、排出ガスも該排出ガス導流板の排出ガスチャネルを通過し、且つ反応ガスが該湿気交換セクションを通り排出ガス中の水気を吸収する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
請求項１の発明は、調節されるガスに温度／湿度調節を行なう燃料電池セットの反応ガス温度／湿度調節装置であり、該反応ガス温度／湿度調節装置は温度調節セクションと湿度調節セクションを具え、
該温度調節セクションは、少なくとも一つの加熱セクションガス導流板と、少なくとも一つの冷却液導流板と、少なくとも一つの加熱セクション隔板を具え、
該少なくとも一つの加熱セクションガス導流板は、ガスチャネルを具え、該ガスチャネルが第１端と第２端を具え、調節されるガスが該ガスチャネルの第１端より流入し該ガスチャネルを通り該ガスチャネルの第２端に至り、
該少なくとも一つの冷却液導流板は、冷却液チャネルを具え、該冷却液チャネルが第１端と第２端を具え、冷却液が該冷却液チャネルの第１端より流入し、該冷却液チャネルを通り該冷却液チャネルの第２端に至り、
該少なくとも一つの加熱セクション隔板は該加熱セクションガス導流板と冷却液導流板の間に挟まれるよう設置され、
調節される反応ガスが加熱セクションガス導流板のガスチャネルを通過する時、冷却液が冷却液導流板の冷却液チャネルを通過し、反応ガスが該冷却液により加熱され、
該湿度調節セクションは、少なくとも一つの加湿セクションガス導流板、少なくとも一つの排出ガス導流板、少なくとも一つの湿気交換セクションを具え、
該少なくとも一つの加湿セクションガス導流板はガスチャネルを具え、このガスチャネルは第１端と第２端を具え、温度調節セクションにより加熱後のガスが中央隔板のガス導通孔を通り、該加湿セクションガス導流板のガスチャネルの第１端より流入して第２端に至り、
該少なくとも一つの排出ガス導流板は、排出ガスチャネルを具え、該排出ガスチャネルは第１端と第２端を具え、水気を含有する排出ガスが該排出ガスチャネルの第１端より流入して該排出ガスチャネルを通り該排出ガスチャネルの第２端に至り、
該少なくとも一つの湿気交換セクションは、透水性を有するが通気性を有さない材料で形成されて該加湿セクションガス導流板と排出ガス導流板の間に挟まれるよう設置され、  該温度調節セクションで加熱後のガスが加湿セクションガス導流板のガスチャネルを通過する時、排出ガスが排出ガス導流板の排出ガスチャネルを通過し、該反応ガスが湿気交換セクションを通り排出ガス中の水気を吸収して加湿セクションガス導流板の第２端より送出されるガスが加湿されることを特徴とする、燃料電池セットの反応ガス温度／湿度調節装置としている。
請求項２の発明は、請求項１記載の燃料電池セットの反応ガス温度／湿度調節装置において、温度調節セクションと湿度調節セクションの間に中央隔板があり、該中央隔板がガス導通孔を具え、並びに加熱セクションガス導流板のガスチャネルの第２端に対応し、温度調節セクションで加熱されたガスを加湿セクションガス導流板のガスチャネルの第１端に導入することを特徴とする、燃料電池セットの反応ガス温度／湿度調節装置としている。
請求項３の発明は、請求項１記載の燃料電池セットの反応ガス温度／湿度調節装置において、温度調節セクション中の加熱セクション隔板が熱伝導材料で形成されたことを特徴とする、燃料電池セットの反応ガス温度／湿度調節装置としている。
請求項４の発明は、請求項１記載の燃料電池セットの反応ガス温度／湿度調節装置において、湿度調節セクション中の湿気交換セクションが透水性を有するが通気性を有さない湿気交換膜と、該湿気交換膜の両側に形成されたガス拡散層を具えたことを特徴とする、燃料電池セットの反応ガス温度／湿度調節装置としている。
請求項５の発明は、請求項１記載の燃料電池セットの反応ガス温度／湿度調節装置において、加熱セクションガス導流板のガスチャネル、加湿セクションガス導流板のガスチャネル、冷却液導流板の冷却液チャネル、排出ガス導流板の排出ガスチャネルがいずれもＵ形チャネルの構造を呈することを特徴とする、燃料電池セットの反応ガス温度／湿度調節装置としている。
請求項６の発明は、請求項５記載の燃料電池セットの反応ガス温度／湿度調節装置において、Ｕ形チャネルが相互に平行に延伸された複数のチャネルを具え、平行に延伸された各チャネルの間にリブが形成されたことを特徴とする、燃料電池セットの反応ガス温度／湿度調節装置としている。
請求項７の発明は、調節されるガスに対して湿度調節を行なった後に燃料電池セットに供給する燃料電池セットの反応ガス湿度調節装置であり、該反応ガス湿度調節装置は、少なくとも一つの加湿セクションガス導流板と、少なくとも一つの排出ガス導流板と、少なくとも一つの湿気交換セクションを具え、
該少なくとも一つの加湿セクションガス導流板は、ガスチャネルを具え、このガスチャネルはＵ形チャネル構造を呈して第１端と第２端を具え、調整されるガスが該加湿セクションガス導流板のガスチャネルの第１端より流入し、該ガスチャネルを通り第２端に至り、
該少なくとも一つの排出ガス導流板は、排出ガスチャネルを具え、該排出ガスチャネルはＵ形チャネル構造を呈して第１端と第２端を具え、水気を含有する排出ガスが排出ガスチャネルの第１端より流入して該排出ガスチャネルを通り第２端に至り、
該少なくとも一つの湿気交換セクションは、透水性を有するが通気性を有さない材料で形成されて加湿セクションガス導流板と排出ガス導流板の間に挟まれるよう設置され、
調節されるガスが該加湿セクションガス導流板のガスチャネルを通過する時、排出ガスも排出ガス導流板の排出ガスチャネルを通過し、且つ反応ガスの水気が該湿気交換セクションで吸収されて加湿セクションガス導流板の第２端より送出されるガスが加湿されることを特徴とする、燃料電池セットの反応ガス湿度調節装置としている。
請求項８の発明は、請求項７記載の燃料電池セットの反応ガス湿度調節装置において、湿気交換セクションが透水性を有するが通気性を有さない湿気交換膜と、該湿気交換膜の両側に形成されたガス拡散層を具えたことを特徴とする、燃料電池セットの反応ガス湿度調節装置としている。
請求項９の発明は、請求項７記載の燃料電池セットの反応ガス湿度調節装置において、Ｕ形チャネルが相互に平行に延伸された複数のチャネルを具え、平行に延伸された各チャネルの間にリブが形成されたことを特徴とする、燃料電池セットの反応ガス湿度調節装置としている。
請求項１０の発明は、請求項７記載の燃料電池セットの反応ガス湿度調節装置において、調節されるガスが送風装置により供給され、加湿セクションガス導流板のガスチャネルの第２端が燃料電池セットのガス入口に連通することを特徴とする、燃料電池セットの反応ガス湿度調節装置としている。
請求項１１の発明は、請求項７記載の燃料電池セットの反応ガス湿度調節装置において、排出ガス導流板の排出ガスチャネルの第１端が燃料電池セットのガス出口に連通することを特徴とする、燃料電池セットの反応ガス湿度調節装置としている。
請求項１２の発明は、反応ガス温度／湿度調節装置を具えた燃料電池システムにおいて、
少なくとも一つのガス入口、ガス出口、冷却液入口、冷却液出口を具えた燃料電池セットと、
反応ガス温度／湿度調節装置とを具え、
該反応ガス温度／湿度調節装置は、
内部にガスチャネルと冷却液チャネルを具えた温度調節セクションと、
内部にガスチャネルと排出ガスチャネルを具えてそのガスチャネルの第１端が該温度調節セクションのガスチャネルの第２端に連通する湿度調節セクションと、
該温度調節セクションのガスチャネルの第１端に連通して調節される反応ガスを該温度調節セクションのガスチャネル中に引き込み、更に温度調節セクションのガスチャネルの第２端より送出される反応ガスを湿度調節セクションのガスチャネルの第１端に送出するガス導入端と、
該温度調節セクションの冷却液チャネルの第１端と燃料電池セットの冷却液出口の間に接続されて、燃料電池セットの冷却液出口より送出される冷却液を該温度調節セクションの冷却液チャネル中に導入し、冷却液により温度調節セクションのガスチャネル中の反応ガスを加熱する冷却液導入端と、
該湿度調節セクションの排出ガスチャネルの第１端と燃料電池セットのガス出口の間に接続され、燃料電池セットのガス出口より送出される水気を含有する排出ガスを湿度調節セクションの排出ガスチャネル中に導入し、該湿度調節セクションのガスチャネル中を流れる反応ガスを加湿し、並びに湿度調節セクションのガスチャネルの第２端より加熱及び加湿後の反応ガスを送出する排出ガス導入端と、
を具えたことを特徴とする、反応ガス温度／湿度調節装置を具えた燃料電池システムとしている。
請求項１３の発明は、請求項１２記載の反応ガス温度／湿度調節装置を具えた燃料電池システムにおいて、反応ガス温度／湿度調節装置が、冷却液導出端を具え、該冷却液導出端は温度調節セクションの冷却液チャネルの第２端と燃料電池セットの冷却液入口の間に接続されて反応ガス温度／湿度調節装置を通過した後の冷却液を燃料電池セットの冷却液入口に送ることを特徴とする、反応ガス温度／湿度調節装置を具えた燃料電池システムとしている。
請求項１４の発明は、請求項１２記載の反応ガス温度／湿度調節装置を具えた燃料電池システムにおいて、燃料電池セットの冷却液出口が送出する冷却液の温度が摂氏約６０〜７０度とされたことを特徴とする、反応ガス温度／湿度調節装置を具えた燃料電池システムとしている。
請求項１５の発明は、請求項１２記載の反応ガス温度／湿度調節装置を具えた燃料電池システムにおいて、湿度調節セクションが湿気交換セクションを具え、該湿気交換セクションが透水性を有するが通気性を具備しない湿気交換膜を具えたことを特徴とする、反応ガス温度／湿度調節装置を具えた燃料電池システムとしている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明はその採用する技術手段により、燃料電池セットに本発明の提供する温度／湿度調節制御の下で、最良の相対湿度を有する反応ガスを提供して燃料電池セットが最良の操作条件下で操作されるようにする。且つ本発明の反応ガス温度／湿度調節装置は燃料電池冷却液エネルギーと排出ガスを有効に回収利用し、良好な反応ガス加熱及び加湿機能を達成するのみならず、該燃料電池セットの冷却液及び排出ガスを有効に回収循環利用できるようにする。
【００１６】
更に、該温度／湿度調節装置中にあって、燃料電池セットの供給する冷却液は冷却液チャネルを通過する時、閉じたチャネル回路を自己形成し、且つガスチャネル中のガスとは加熱セクション隔板で隔てられ、ゆえに冷却液の損耗の問題がなく、実際の応用時に冷却液を補充する操作を必要としない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は本発明の反応ガス温度／湿度調節装置を燃料電池セットに結合させた時の立体図である。図２は本発明の反応ガス温度／湿度調節装置の立体図である。これらの図に示されるように、燃料電池セット１には本発明の反応ガス温度／湿度調節装置２が配置され、反応ガス温度／湿度調節装置２により適当な温度及び湿度に調節された後の反応ガスが燃料電池セット１に供給される。以下の実施例の説明中、該反応ガスは該燃料電池セット１に供給される空気とされ、該燃料電池セット１は液冷式燃料電池セットとされる。
【００１８】
図３から図６は、図２中の反応ガス温度／湿度調節装置２の正面図、背面図、平面図及び左側面図である。本発明の反応ガス温度／湿度調節装置２はガス導入端２１、ガス導出端２２、排出ガス導入端２３、排出ガス導出端２４、冷却液導入端２５、冷却液導出端２６を具えている。
【００１９】
図７は本発明の反応ガス温度／湿度調節装置を配置した燃料電池システムの表示図である。該反応ガス温度／湿度調節装置２のガス導入端２１は空気を反応ガス温度／湿度調節装置２中に導入し、該反応ガス温度／湿度調節装置２により温度及び湿度が調節された後、空気はガス導出端２２より送出されて該燃料電池セット１のガス入口１１に至り、燃料電池セット１の反応に必要な酸素ガスを供給する。前述のガスは一般に送風装置３１により供給される。
【００２０】
該燃料電池セット１の反応に必要な水素ガスは該燃料電池セット１の水素ガス入口１３より導入されて、水素ガス出口１４より送出される。該水素ガスは周知の水素ボンベ或いはその他の水素ガス発生装置より供給される。
【００２１】
該反応ガス温度／湿度調節装置２の排出ガス導入端２３は該燃料電池セット１のガス出口１２に接続され、該燃料電池セット１のガス出口１２の送出する排出ガスを該反応ガス温度／湿度調節装置２中に回収、導入して湿気源となす。
【００２２】
該反応ガス温度／湿度調節装置２の冷却液導入端２５は該燃料電池セット１の冷却液出口１５に接続され、該冷却液導出端２６はポンプ３２、冷却装置３３を通り燃料電池セット１の冷却液入口１６に接続される。
【００２３】
燃料電池セット１の冷却液入口１６より導入された冷却液は該燃料電池セット１内部の冷却液チャネルを通過した後、燃料電池セット１の運転時の熱エネルギーを奪い、ゆえに冷却液出口１５より約摂氏６０〜７０度の温水が送出される。この排出される温水は該反応ガス温度／湿度調節装置２の加熱源とされる。
【００２４】
図８は本発明の反応ガス温度／湿度調節装置２の関係部品分離時の立体分解図である。該反応ガス温度／湿度調節装置２は温度調節セクション４、湿度調節セクション５、中央隔板６を具え、三者中の各関係部品は周知の締結手段例えばボルトで重畳するよう結合される。
【００２５】
該温度調節セクション４は、端板４１、加熱セクションガス導流板４２、加熱セクション隔板４３、冷却液導流板４４を具えている。該端板４１の一側にガス入口４１１が形成され、反対側に冷却液導入端２５及び冷却液導出端２６が形成されている。
【００２６】
該加熱セクションガス導流板４２にはガスチャネル４２１が形成され、それはＵ形チャネル構造を呈し、第１端４２１ａと第２端４２１ｂを具えている。本発明の好ましい実施例によると、該ガスチャネル４２１は複数の相互に平行に延伸されたチャネルで構成され、平行に延伸された各チャネルの間にリブ４２２が形成されている。このほか、該加熱セクションガス導流板４２の一側に二つの冷却液導通孔４２３、４２４が形成されている。
【００２７】
該加熱セクション隔板４３の一側にガス導通孔４３１が設けられ、反対側に二つの冷却液導通孔４３２、４３３が形成されている。該加熱セクション隔板４３は良好な熱伝導機能を有する材料、例えば薄いアルミ板で製造される。
【００２８】
該冷却液導流板４４に冷却液チャネル４４１が形成され、且つそれはＵ形チャネル構造を呈し、第１端４４１ａと第２端４４１ｂを具えている。本発明の好ましい実施例によると、該冷却液チャネル４４１は複数の相互に平行に延伸されたチャネルで構成され、平行に延伸された各チャネルの間にリブ４４２が形成されている。このほか、該冷却液導流板４４の一側にガス導通孔４４３が形成されている。該冷却液導流板４４と加熱セクションガス導流板４２の間は加熱セクション隔板４３により隔てられている。
【００２９】
送風装置３１の供給する空気が該温度調節セクション４中のガス導入端２１より端板４１のガス入口４１１を通り、加熱セクションガス導流板４２のガスチャネル４２１の第１端４２１ａに送られる。この時、ガスは加熱セクションガス導流板４２の第１端４２１ａよりガスチャネル４２１を通り加熱セクションガス導流板４２の第２端４２１ｂに至る。その後、この第２端４２１ｂより加熱セクション隔板４３のガス導通孔４３１及び冷却液導流板４４のガス導通孔４４３を通り中央隔板６のガス導通孔６１に送られる。
【００３０】
前述のガスが温度調節セクション４中に導入されると同時に、燃料電池セット１の導入した冷却液が端板４１の冷却液導入端２５より導入され、該冷却液が順に加熱セクションガス導流板４２の冷却液導通孔４２３、加熱セクション隔板４３の冷却液導通孔４３２を通過した後に、冷却液導流板４４の冷却液チャネル４４１の第１端４４１ａに送られる。このとき、該冷却液は冷却液導流板４４の第１端４４１ａより冷却液チャネル４４１を通り冷却液導流板４４の第２端４４１ｂに至る。その後、更に第２端４４１ｂより加熱セクション隔板４３の冷却液導通孔４３３、加熱セクションガス導流板４２の冷却液導通孔４２４、端板４１の冷却液導出端２６を通り燃料電池セット１の冷却液入口１６に送られる。
【００３１】
上述の構造設計により、ガスが温度調節セクション４に進入すると同時に、冷却液も独立したチャネルを通り該ガスを温度が高い冷却液（前述したように摂氏約６０〜７０度）により加熱する。更に、冷却液が冷却液チャネル４４１を通過する時、閉じたチャネル回路を自己形成し、且つガスチャネル４２１中のガスとは加熱セクション隔板４３で隔てられているため、冷却液の損耗の問題がなく、実際の応用時に冷却液を補充する必要がない。
【００３２】
湿度調節セクション５に関しては、該湿度調節セクション５は端板５１、加湿セクションガス導流板５２、湿気交換セクション５３、排出ガス導流板５４を具えている。
【００３３】
該端板５１の一側にガス出口５１１が形成され、反対側に排出ガス入口５１２と排出ガス出口５１３が形成されている。
【００３４】
該加湿セクションガス導流板５２にガスチャネル５２１が形成され、それはＵ形チャネル構造を呈し、第１端５２１ａと第２端５２１ｂを具えている。本発明の好ましい実施例によると、該ガスチャネル５２１は複数の相互に平行に延伸されたチャネルで構成され、平行に延伸された各チャネルの間にリブ５２２が形成されている。このほか、該加湿セクションガス導流板５２の一側に二つの排出ガス導通孔５２３、５２４が形成されている。
【００３５】
該湿気交換セクション５３は透水性を有するが通気性を具備せず、それは湿気交換膜５３１、及び該湿気交換膜５３１の両側面に形成されたガス拡散層５３２、５３３を具えている。更に、該湿気交換セクション５３のサイズは加湿セクションガス導流板５２のガスチャネル５２１のほとんどのセクションを被覆可能に設計されるが、該ガスチャネル５２１の第１端５２１ａと第２端５２１ｂは被覆せず、また加湿セクションガス導流板５２の排出ガス導通孔５２３、５２４も被覆しない。
【００３６】
該排出ガス導流板５４に排出ガスチャネル５４１が形成され、且つそれはＵ形チャネル構造を呈し、第１端５４１ａと第２端５４１ｂを具えている。本発明の好ましい実施例によると、該排出ガスチャネル５４１は複数の相互に平行に延伸されたチャネルで構成され、平行に延伸された各チャネルの間にリブ５４２が形成されている。このほか、該排出ガス導流板５４の一側にガス導通孔５４３が形成されている。該排出ガス導流板５４と加湿セクションガス導流板５２の間には湿気交換セクション５３が挟まれ、該排出ガス導流板５４の反対側に隣接するように中央隔板６が結合されている。
【００３７】
前述したように、ガスが該温度調節セクション４の温度調節作用を受けた後、中央隔板６のガス導通孔６１に至る。該ガスはまず排出ガス導流板５４のガス導通孔５４３を通り、その後、加湿セクションガス導流板５２の第１端５２１ａに至る。この時、ガスは加湿セクションガス導流板５２の第１端５２１ａよりガスチャネル５２１を通り該加湿セクションガス導流板５２の第２端５２１ｂに至る。その後、更に該第２端５２１ｂより端い端板５１のガス出口５１１、及びガス導出端２２を通り、燃料電池セット１のガス入口１１に送られる。
【００３８】
前述のガスが燃料電池セット１のガス入口１１に送られると同時に、燃料電池セット１が導入する排出ガスは端板５１の排出ガス導入端２３より導入され、該排出ガスは加湿セクションガス導流板５２の排出ガス導通孔５２３を通り、排出ガス導流板５４の排出ガスチャネル５４１の第１端５４１ａに至る。この時、該排出ガスは該排出ガスチャネル５４１の第１端５４１ａより排出ガスチャネル５４１を通り、排出ガス導流板５４の第２端５４１ｂに至る。その後、更に第２端５４１ｂより加湿セクションガス導流板５２の排出ガス導通孔５２４、端板５１の排出ガス出口５１３、排出ガス導出端２４を通り排出される。
【００３９】
上述の構造設計により、温度調節セクション４で温度調整された後のガスが湿度調節セクション５に進入すると同時に、燃料電池セットの排出する水気を豊富に含む排出ガスが独立したチャネルを通り、この排出ガスの含有する水気が湿気交換セクション５３で吸収され、温度調節の機能が達成される。
【００４０】
上述の本発明の実施例中、温度調節セクションと湿気交換セクションはいずれも基本ユニットを以て説明されているが、実際に製品化されて応用される時には、実際の必要に応じて複数層のユニットが積層された構造とされうる。
【００４１】
例えば、図９は単一基本ユニットにより構成さた温度調節セクションの断面図であり、図１０は複数層のユニットにより構成された温度調節セクションの断面図である。この複層式温度調節セクションの構造中、端板４１と中央隔板６の間に第１の加熱セクションガス導流板５２、第１の加熱セクション隔板４３、第１の冷却液導流板４４、第２の加湿セクション隔板４３ａ、第２の加熱セクションガス導流板４２ａ、第３の加湿セクション隔板４３ｂ、第２の冷却液導流板４４ａが積層されている。各関係部品間の空気チャネル及び冷却液チャネル設計は図８に示される温度調節セクションの対応部品の構造に類似する。
【００４２】
図１１は単一基本ユニットにより構成された本発明の湿度調節セクションの断面図である。図１２は複層のユニットにより構成された本発明の湿度調節セクションの断面図である。この複層式湿度調節セクションの構造中、端板５１と中央隔板６の間に順に第１の加湿セクションガス導流板５２、第１の湿気交換セクション５３、第１の排出ガス導流板５４、第２の湿気交換セクション５３ａ、第２の加湿セクションガス導流板５２ａ、第３の湿気交換セクション５３ｂ、第２の排出ガス導流板５４ａが積層されている。各関係部品間の空気チャネル及び冷却液チャネル設計は図８に示される湿度調節セクションの対応部品の構造に類似する。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の反応ガス温度／湿度調節装置を燃料電池セットに結合させた時の立体図である。
【図２】本発明の反応ガス温度／湿度調節装置の立体図である。
【図３】図２中の反応ガス温度／湿度調節装置の正面図である。
【図４】図２中の反応ガス温度／湿度調節装置の背面図である。
【図５】図２中の反応ガス温度／湿度調節装置の平面図である。
【図６】図２中の反応ガス温度／湿度調節装置の左側面図である。
【図７】本発明の反応ガス温度／湿度調節装置を配置した燃料電池システムの表示図である。
【図８】本発明の反応ガス温度／湿度調節装置２の関係部品分離時の立体分解図である。
【図９】本発明の単一基本ユニットにより構成さた温度調節セクションの断面図である。
【図１０】本発明の複数層のユニットにより構成された温度調節セクションの断面図である。
【図１１】本発明の単一基本ユニットにより構成された本発明の湿度調節セクションの断面図である。
【図１２】本発明の複層のユニットにより構成された本発明の湿度調節セクションの断面図である。
【符号の説明】
【００４４】
１  燃料電池セット
１１  ガス入口
１２  ガス出口
１３  水素ガス入口
１４  水素ガス出口
１５  冷却液出口
１６  冷却液入口
２  反応ガス温度／湿度調節装置
２１  ガス導入端
２２  ガス導出端
２３  排出ガス導入端
２４  排出ガス導出端
２５  冷却液導入端
２６  冷却液導出端
３１  送風装置
３２  ポンプ
３３  冷却装置
４  温度調節セクション
４１  端板
４１１  ガス入口
４２、４２ａ  加熱セクションガス導流板
４２１  ガスチャネル
４２１ａ  第１端
４２１ｂ  第２端
４２２  リブ
４２３、４２４  冷却液導通孔
４３、４３ａ、４３ｂ  加熱セクション隔板
４３１  ガス導通孔
４３２、４３３  冷却液導通孔
４４、４４ａ  冷却液導流板
４４１  冷却液チャネル
４４１ａ  第１端
４４１ｂ  第２端
４４２  リブ
４４３  ガス導通孔
５  湿度調節セクション
５１  端板
５１１  ガス出口
５１２  排出ガス入口
５１３  排出ガス出口
５２、５２ａ  加湿セクションガス導流板
５２１  ガスチャネル
５２１ａ  第１端
５２１ｂ  第２端
５２２  リブ
５２３、５２４  排出ガス導通孔
５３、５３ａ、５３ｂ  湿気交換セクション
５３１  湿気交換膜
５３２、５３３  ガス拡散層
５４、５４ａ  排出ガス導流板
５４１  排出ガスチャネル
５４１ａ  第１端
５４１ｂ  第２端
５４２  リブ
５４３  ガス導通孔
６  中央隔板
６１  ガス導通孔
【図１】
2005085753.tif 000003
【図２】
2005085753.tif 000004
【図３】
2005085753.tif 000005
【図４】
2005085753.tif 000006
【図５】
2005085753.tif 000007
【図６】
2005085753.tif 000008
【図７】
2005085753.tif 000009
【図８】
2005085753.tif 000010
【図９】
2005085753.tif 000011
【図１０】
2005085753.tif 000012
【図１１】
2005085753.tif 000013
【図１２】
2005085753.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成16年9月7日(2004.9.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図７】
2005085753.tif 000015