(57)【要約】【課題】セパレータに一体成形されたシール部材に、ブリスターによるシール不良が発生することを確実に阻止することを可能にする。【解決手段】加湿装置１０は、水透過性膜５０を挟んで配設される第１金属セパレータ５２及び第２金属セパレータ５４を備える。第１金属セパレータ５２のシール付設部位には、シール部材７０が一体成形される。シール部材７０には、複数の第１貫通孔７１ａが形成されるとともに、シール付設部位には、複数の第２貫通孔７１ｂが設けられ、前記第１及び第２貫通孔７１ａ、７１ｂは、互いに積層方向に対してオフセットしている。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側に電極を設けた電解質膜・電極構造体と、セパレータとを積層し、反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスが供給される固体高分子型燃料電池において、前記固体高分子型燃料電池に供給される少なくとも一方の反応ガスを、加湿流体によって加湿するための反応ガス用加湿装置であって、
水透過性膜と、
前記水透過性膜と交互に配設され、前記水透過性膜の両面側に前記一方の反応ガスと前記加湿流体とを個別に流すための流路が設けられるセパレータと、
を備え、
前記セパレータのシール付設部位には、シール部材が一体成形されるとともに、
前記シール付設部位又は前記シール部材の少なくとも一方には、貫通孔が形成されることを特徴とする反応ガス用加湿装置。
【請求項２】
請求項１記載の反応ガス用加湿装置において、前記シール付設部位に第１の貫通孔が設けられる一方、前記シール部材に第２の貫通孔が設けられ、
前記第１の貫通孔と前記第２の貫通孔とは、前記水透過性膜と前記セパレータとの積層方向に対して互いにオフセットする位置に設定されることを特徴とする反応ガス用加湿装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜の両側に電極を設けた電解質膜・電極構造体と、セパレータとを積層し、反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスが供給される固体高分子型燃料電池において、前記固体高分子型燃料電池に供給される少なくとも一方の反応ガスを、加湿流体によって加湿するための反応ガス用加湿装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この燃料電池において、アノード側電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）が供給される一方、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されている。
【０００４】
この場合、上記の燃料電池では、有効な発電機能を発揮させるために、電解質膜を適度な湿潤状態に維持することが必要とされている。このため、燃料ガスや酸化剤ガスを、予め水を介して加湿する加湿装置を用意し、この加湿装置を燃料電池に連結することにより、前記加湿された燃料ガスや酸化剤ガスを燃料電池に供給するものが知られている。
【０００５】
例えば、特許文献１に開示されている加温・加湿システム装置は、図１１に示すように、高分子膜１の両側には、第１セパレータ２と第２セパレータ３とが配置されている。第１セパレータ２には、加温・加湿させたい気体（例えば、水素、酸素又は空気）を導く加温・加湿気体流路溝４が設けられている。第２セパレータ３には、温水となった冷却水を導く冷却水流路溝５が設けられている。そして、冷却水流路溝５に温水となった冷却水を導くことにより、この温水は、高分子膜１に吸水され、その吸水された水は、加温・加湿気体流路溝４に導かれた加温・加湿させたい気体中に蒸発して加湿させるとともに、前記温水の持つ熱によって前記加温・加湿させたい気体を加温させることができる、としている。
【０００６】
【特許文献１】特開平６−１２４７２２号公報（図４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記の第１及び第２セパレータ２、３は、特に薄肉化を図るために金属セパレータで構成される場合がある。その際、金属セパレータでは、気体や冷却水の漏洩防止を図るために、金属製プレートにシール部材を一体成形する構成が採用されている。
【０００８】
しかしながら、上記のように、金属製プレートにシール部材が一体化されていると、前記金属製プレートの面と前記シール部材との間に気泡や液体等が進入し易く、ブリスターが惹起されるおそれがある。これにより、シール部材が所望のシール性を維持することができず、シール不良が発生するという問題がある。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、セパレータに一体成形されたシール部材に、ブリスターによるシール不良が発生することを確実に阻止することが可能な反応ガス用加湿装置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】
【００１０】
本発明は、電解質膜の両側に電極を設けた電解質膜・電極構造体と、セパレータとを積層し、反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスが供給される固体高分子型燃料電池において、前記固体高分子型燃料電池に供給される少なくとも一方の反応ガスを、加湿流体によって加湿するための反応ガス用加湿装置である。
【００１１】
この反応ガス用加湿装置は、水透過性膜と、前記水透過性膜と交互に配設され、前記水透過性膜の両面側に一方の反応ガスと加湿流体とを個別に流すための流路が設けられるセパレータとを備えている。そして、セパレータのシール付設部位には、シール部材が一体成形されるとともに、前記シール付設部位又は前記シール部材の少なくとも一方には、貫通孔が形成されている。
【００１２】
また、シール付設部位に第１の貫通孔が設けられる一方、シール部材に第２の貫通孔が設けられ、前記第１の貫通孔と前記第２の貫通孔とは、水透過性膜とセパレータとの積層方向に対して互いにオフセットする位置に設定されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明では、セパレータのシール付設部位又はシール部材の少なくとも一方には、貫通孔が形成されており、前記シール付設部位と前記シール部材との間に進入した気泡や液体等は、前記貫通孔から前記セパレータの外部に排出される。これにより、シール部材は、所望のシール性を確実に維持することができ、シール不良を良好に阻止することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る加湿装置１０を組み込む燃料電池システム１２の概略構成説明図である。
【００１５】
燃料電池システム１２は、例えば、自動車等の車両に搭載されており、燃料電池スタック１４を備える。この燃料電池スタック１４は、複数の発電セル１６を矢印Ａ方向に積層するとともに、積層方向両端にエンドプレート１８ａ、１８ｂが配置されており、前記エンドプレート１８ａ、１８ｂが図示しない締め付けボルトにより積層方向に締め付けられている。
【００１６】
発電セル１６は、例えば、固体高分子電解質膜２０ａの両側にアノード側電極２０ｂとカソード側電極２０ｃとを配置した電解質膜・電極構造体２０と、前記電解質膜・電極構造体２０を挟持する一対のセパレータ２２、２４とを備える。アノード側電極２０ｂには、燃料ガスとして、例えば、水素ガスが供給される一方、カソード側電極２０ｃには、酸化剤ガスとして、例えば、酸素を含む空気が供給される。
【００１７】
エンドプレート１８ａには、発電セル１６に水素ガスを供給するための水素供給口２６ａと、前記発電セル１６から排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを燃料電池スタック１４から排出するための水素排出口２６ｂとが設けられる。エンドプレート１８ｂには、発電セル１６に空気を供給するための空気供給口２８ａと、前記発電セル１６から排出される空気（以下、オフガスともいう）を燃料電池スタック１４から排出するための空気排出口２８ｂとが設けられる。
【００１８】
燃料電池システム１２は、燃料電池スタック１４に水素ガスを供給する水素供給流路３０と、前記燃料電池スタック１４から排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを、前記水素供給流路３０の途上に戻して該燃料電池スタック１４に供給するための水素循環流路３２とを備える。
【００１９】
水素供給流路３０には、高圧水素を貯留する水素タンク３４と、前記水素タンク３４から供給される水素ガスの圧力を減圧するレギュレータ３６と、減圧された前記水素ガスを燃料電池スタック１４に供給するとともに、水素循環流路３２から排ガスを吸引して前記燃料電池スタック１４に戻すためのエゼクタ３８とが配設される。
【００２０】
燃料電池システム１２は、燃料電池スタック１４に空気を供給する空気供給流路４０と、前記燃料電池スタック１４から排出されるオフガスを、外部に排気するための空気排出流路４２とを備える。空気供給流路４０には、空気を圧縮して供給するためにスーパーチャージャ（又はポンプ）４４が設けられる。
【００２１】
燃料電池スタック１４には、エンドプレート１８ｂに連結されて加湿装置１０が装着される。図２〜図４に示すように、加湿装置１０は、水透過性膜５０の一方の面５０ａに配設される第１金属セパレータ５２と、前記水透過性膜５０の他方の面５０ｂに配設される第２金属セパレータ５４とを備える。第１及び第２金属セパレータ５２、５４は、水透過性膜５０を介装して交互に矢印Ａ方向に積層されて積層体５６を構成する。
【００２２】
積層体５６の矢印Ａ方向両端には、エンドプレート５７ａ、５７ｂが配置され、前記エンドプレート５７ａ、５７ｂ間は、複数の締め付けロッド５９を介して締め付け保持される（図２及び図３参照）。
【００２３】
図４に示すように、積層体５６の矢印Ｂ方向の一端縁部には、互いに矢印Ａ方向に貫通して、反応前の空気（一方の反応ガス）を供給する空気供給連通孔５８ａと、反応前の空気を加湿した後の空気のオフガスを排出するオフガス排出連通孔６０ｂとが上下（矢印Ｃ方向）に設けられる。
【００２４】
積層体５６の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、オフガスが供給されるオフガス供給連通孔６０ａと、加湿された反応前の空気を排出する空気排出連通孔５８ｂとが上下方向に配列されて設けられる。
【００２５】
図１に示すように、空気供給連通孔５８ａは、空気供給流路４０に連通し、空気排出連通孔５８ｂは、燃料電池スタック１４の空気供給口２８ａに連通する。オフガス供給連通孔６０ａは、燃料電池スタック１４の空気排出口２８ｂに連通し、オフガス排出連通孔６０ｂは、空気排出流路４２に連通する。
【００２６】
図３〜図６に示すように、第１金属セパレータ５２は、水透過性膜５０の一方の面５０ａに向かう第１面５２ａ側に、空気供給連通孔５８ａと空気排出連通孔５８ｂとを連通し、矢印Ｂ方向に１往復半のサーペンタイン形状の複数の第１流路溝６２ａと、複数の第１凸部６２ｂとを交互に設ける。
【００２７】
第１金属セパレータ５２の第１面５２ａとは反対の第２面５２ｂ側には、空気供給連通孔５８ａと空気排出連通孔５８ｂとを連通し、矢印Ｂ方向に１往復半のサーペンタイン形状の複数の第１流路溝６４ａと、複数の第１凸部６４ｂとが交互に設けられる。第１流路溝６４ａは、第１流路溝６２ａと交互に形成され、全体として波形状を有している（図３参照）。
【００２８】
第２金属セパレータ５４は、図７に示すように、水透過性膜５０の他方の面５０ｂに向かう第３面５４ａ側にオフガス供給連通孔６０ａとオフガス排出連通孔６０ｂとを連通し、矢印Ｂ方向に１往復半のサーペンタイン形状の複数の第２流路溝６６ａと、複数の第２凸部６６ｂとを交互に設ける。
【００２９】
第２金属セパレータ５４は、第３面５４ａとは反対の第４面５４ｂ側に、オフガス供給連通孔６０ａとオフガス排出連通孔６０ｂとを連通し、矢印Ｂ方向に１往復半のサーペンタイン形状の複数の第２流路溝６８ａと、複数の第２凸部６８ｂとを交互に設ける。第２流路溝６８ａは、第２流路溝６６ａと交互に形成され、全体として波形状を有している（図３参照）。
【００３０】
第１金属セパレータ５２には、片面（又は両面）を覆ってシール部材７０が一体成形される。シール部材７０は、例えば、ＥＰＤＭ（エチレン−プロピレンゴム）、シリコーンゴム、ニトリルゴム又はアクリルゴムで構成される。
【００３１】
このシール部材７０は、第１及び第２面５２ａ、５２ｂで、空気供給連通孔５８ａ及び空気排出連通孔５８ｂを第１流路溝６２ａ、６４ａに連通するとともに、前記第１流路溝６２ａ、６４ａをオフガス供給連通孔６０ａ及びオフガス排出連通孔６０ｂからシールする（図６参照）。
【００３２】
図５及び図６に示すように、シール部材７０には、シールライン７０ａを避けて複数の第１貫通孔７１ａが形成される。第１金属セパレータ５２のシール付設部位（シール部材７０が成形される面部位）には、複数の第２貫通孔７１ｂが形成されるとともに、第１貫通孔７１ａと第２貫通孔７１ｂとは、積層方向（矢印Ａ方向）に対して互いにオフセットする位置に設定される。
【００３３】
第１及び第２貫通孔７１ａ、７１ｂは、開口断面形状が円形状に設定されているが、これに限定されるものではない。開口断面形状としては、例えば、三角形状、長円形状、楕円形状又は多角形状等に設定することができる。
【００３４】
第２金属セパレータ５４には、片面（又は両面）を覆ってシール部材７２が一体成形される。このシール部材７２は、第３及び第４面５４ａ、５４ｂにおいて、それぞれオフガス供給連通孔６０ａ及びオフガス排出連通孔６０ｂを第２流路溝６６ａ、６８ａに連通する一方、前記第２流路溝６６ａ、６８ａを空気供給連通孔５８ａ及び空気排出連通孔５８ｂからシールする（図７参照）。
【００３５】
図５及び図７に示すように、シール部材７２には、シールライン７２ａを避けて複数の第３貫通孔７３ａが形成される。第２金属セパレータ５４のシール付設部位（シール部材７２が成形される面部位）には、複数の第４貫通孔７３ｂが形成されるとともに、第３貫通孔７３ａと第４貫通孔７３ｂとは、積層方向（矢印Ａ方向）に対して互いにオフセットする位置に設定される。第３及び第４貫通孔７３ａ、７３ｂは、上記の第１及び第２貫通孔７１ａ、７１ｂと同様に構成される。
【００３６】
図４に示すように、第１金属セパレータ５２は、第１流路溝６２ａと空気供給連通孔５８ａとの連結部位、及び前記第１流路溝６２ａと空気排出連通孔５８ｂとの連結部位に対応する複数の第１凸部６２ｂに、それぞれ板状部材７４ａが配設される。第１金属セパレータ５２は、同様に、第１流路溝６４ａと空気供給連通孔５８ａとの連結部位、及び前記第１流路溝６４ａと空気排出連通孔５８ｂとの連結部位に対応する複数の第１凸部６４ｂに、それぞれ板状部材７４ｂが配設される。
【００３７】
第２金属セパレータ５４は、第２流路溝６６ａとオフガス供給連通孔６０ａとの連結部位、及び前記第２流路溝６６ａとオフガス排出連通孔６０ｂとの連結部位に対応する複数の第２凸部６６ｂに、それぞれ板状部材７６ａが配設される。第２金属セパレータ５４は、同様に、第２流路溝６８ａとオフガス供給連通孔６０ａとの連結部位、及び前記第２流路溝６８ａとオフガス排出連通孔６０ｂとの連結部位に対応する複数の第２凸部６８ｂに、それぞれ板状部材７６ｂが配設される。
【００３８】
このように構成される燃料電池システム１２の動作について、加湿装置１０との関連で以下に説明する。
【００３９】
図１に示すように、水素タンク３４から水素供給流路３０に供給される水素ガスは、レギュレータ３６を介して所定の圧力に減圧され、エゼクタ３８を通って燃料電池スタック１４の水素供給口２６ａに供給される。水素供給口２６ａに供給された水素は、各発電セル１６を構成するアノード側電極２０ｂに沿って移動した後、未使用の水素を含む排ガスが、水素排出口２６ｂから水素循環流路３２に排出される。この排ガスは、エゼクタ３８の吸引作用下に、水素供給流路３０の途上に戻された後、再度、燃料電池スタック１４内に燃料ガスとして供給される。
【００４０】
一方、スーパーチャージャ４４を介して空気供給流路４０に空気が供給される。この空気は、加湿装置１０を構成するエンドプレート５７ｂから積層体５６の空気供給連通孔５８ａに供給される。
【００４１】
図４及び図６に示すように、第１金属セパレータ５２では、空気供給連通孔５８ａに第１流路溝６２ａ、６４ａの入口端部が開放されている。このため、空気供給連通孔５８ａに供給された反応前の空気は、サーペンタイン形状の複数の第１流路溝６２ａ、６４ａに沿って移動する。第１流路溝６２ａを流れる空気は、水透過性膜５０の一方の面５０ａに接触するとともに、第１流路溝６４ａに沿って移動する空気は、他の水透過性膜５０の一方の面５０ａに接触する（図３参照）。
【００４２】
加湿装置１０では、燃料電池スタック１４の発電に使用された反応済みの空気であるオフガスが、オフガス供給連通孔６０ａに供給される。このオフガスは、第２金属セパレータ５４のオフガス供給連通孔６０ａに連通する第２流路溝６６ａ、６８ａに導入される。
【００４３】
図４及び図７に示すように、オフガス供給連通孔６０ａに供給されたオフガスは、サーペンタイン形状の複数の第２流路溝６６ａ、６８ａに沿って移動する。このため、第２流路溝６６ａを移動するオフガスは、水透過性膜５０の他方の面５０ｂに接触するとともに、第２流路溝６８ａに沿って移動するオフガスは、また別の水透過性膜５０の他方の面５０ｂに接触する（図３参照）。
【００４４】
従って、第２金属セパレータ５４の第２流路溝６６ａに沿って移動するオフガス中の水分は、水透過性膜５０を透過し第１流路溝６２ａに沿って移動する反応前の空気に供給され、この空気が加湿される。さらに、第１流路溝６４ａに沿って移動する反応前の空気は、第２流路溝６８ａに沿って移動するオフガスにより加湿される。そして、加湿された空気は、空気排出連通孔５８ｂから燃料電池スタック１４の空気供給口２８ａに供給される。
【００４５】
この加湿された空気は、図１に示すように、各発電セル１６のカソード側電極２０ｃに供給され、未使用の空気を含むオフガスが、上記のように空気排出口２８ｂから加湿装置１０に排出される。これにより、各発電セル１６では、アノード側電極２０ｂに供給される水素と、カソード側電極２０ｃに供給される空気中の酸素とが反応して発電が行われる。
【００４６】
この場合、例えば、第１金属セパレータ５２のシール付設部位には、シール部材７０が一体成形されている。従って、第１金属セパレータ５２を含む燃料電池スタック１４が使用される際、特に、シールライン７０ａに外力が作用してこのシールライン７０ａの近傍には、図８に示すように、ブリスター８０が発生し易い。このブリスター８０は、進入したガスや液体の蓄積によって形成され、シール部材７０によるシール性の低下が惹起され易い。
【００４７】
そこで、第１の実施形態では、シール部材７０には、シールライン７０ａを挟んで複数の第１貫通孔７１ａが形成されている。このため、ブリスター８０に溜まり易いガスや液体は、第１貫通孔７１ａを通って第１金属セパレータ５２の外部に円滑に排出される。
【００４８】
さらに、第１の実施形態では、第１金属セパレータ５２のシール付設部位には、複数の第２貫通孔７１ｂが形成されている。従って、ブリスター８０に溜まり易いガスや液体は、第２貫通孔７１ｂを通って前記第１金属セパレータ５２の外部に排出される。これにより、シール部材７０には、ブリスター８０が残存することがなく、所望のシール性を確実に維持することができ、シール不良を良好に阻止することが可能になるという効果が得られる。
【００４９】
また、第２貫通孔７１ｂを通ったガスは、第１金属セパレータ５２の裏面側に排出されているが、この第１金属セパレータ５２の両面には、使用前の空気と空気オフガスとが流れている。このため、ブリスター８０内のガスである空気のリークが問題となることがない。
【００５０】
なお、第１の実施形態では、シール部材７０に第１貫通孔７１ａを設ける一方、シール付設部位に第２貫通孔７１ｂを設けているが、これに限定されるものではない。例えば、第１貫通孔７１ａのみを設けたり、第２貫通孔７１ｂのみを設けたりすることもできる。
【００５１】
図９は、本発明の第２の実施形態に係る加湿装置９０を構成する積層体９２の要部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る加湿装置１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００５２】
加湿装置９０は、第１金属セパレータ９４、水透過性膜５０及び第２金属セパレータ９６を備えている。第１金属セパレータ９４には、片面（又は両面）にシール部材９８が一体成形される一方、第２金属セパレータ９６には、シール部材が設けられていない。シール部材９８には、図９及び図１０に示すように、シールライン９８ａを避けて複数の第１貫通孔１００ａが形成される。
【００５３】
第１金属セパレータ９４のシール付設部位には、シールライン９８ａ以外の部位に対応して複数の第２貫通孔１００ｂが形成されるとともに、前記シールライン９８ａに沿って第３貫通孔１００ｃが形成される。第１及び第２貫通孔１００ａ、１００ｂは、例えば、開口断面円形状に設定される一方、第３貫通孔１００ｃは、開口断面長円状に設定される。
【００５４】
このように構成される第２の実施形態では、シール部材１００とシール付設部位との間に進入するガスや液体は、第１〜第３貫通孔１００ａ、１００ｂ及び１００ｃを介して第１金属セパレータ９４の外部に円滑且つ確実に排出される。これにより、シール部材９８による所望のシール性を確実に維持することができる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５５】
なお、第１及び第２の実施形態では、一方の反応ガスである空気を加湿して燃料電池スタック１４に供給するように構成しているが、これに限定されるものではなく、他方の反応ガスである燃料ガスを加湿する構造を採用してもよい。また、加湿流体として燃料電池スタック１４から排出される空気であるオフガスを用いているが、これに限定されるものではなく、他の加湿ガス、例えば、専用の水蒸気ガスや純水又は液体等を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る加湿装置を組み込む燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図２】前記加湿装置の概略斜視説明図である。
【図３】前記加湿装置の一部断面側面図である。
【図４】前記加湿装置の要部分解斜視説明図である。
【図５】前記加湿装置の一部拡大断面図である。
【図６】前記加湿装置を構成する第１金属セパレータの正面図である。
【図７】前記加湿装置を構成する第２金属セパレータの正面図である。
【図８】前記第１金属セパレータにブリスターが発生した際の説明図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る加湿装置の一部拡大断面図である。
【図１０】前記加湿装置を構成する第１金属セパレータの一部拡大正面図である。
【図１１】特許文献１の加温・加湿システム装置の説明図である。
【符号の説明】
【００５７】
１０、９０…加湿装置              １２…燃料電池システム
１４…燃料電池スタック            １６…発電セル
２０…電解質膜・電極構造体        ２０ａ…固体高分子電解質膜
２０ｂ…アノード側電極            ２０ｃ…カソード側電極
２２、２４、５２、５４、９４、９６…セパレータ
２６ａ…水素供給口                ２６ｂ…水素排出口
２８ａ…空気供給口                ２８ｂ…空気排出口
４０…空気供給流路                ４２…空気排出流路
５０…水透過性膜                  ５６、９２…積層体
５８ａ…空気供給連通孔            ５８ｂ…空気排出連通孔
６０ａ…オフガス供給連通孔        ６０ｂ…オフガス排出連通孔
６２ａ、６４ａ、６６ａ、６８ａ…流路溝
６２ｂ、６４ｂ、６６ｂ、６８ｂ…凸部
７０、７２、９８、１００…シール部材
７０ａ、７２ａ、９８ａ…シールライン
７１ａ、７１ｂ、７３ａ、７３ｂ、１００ａ〜１００ｃ…貫通孔
【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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