(57)【要約】【課題】単一種類のセパレータを使用して経済的に構成することができるとともに、加湿効率の向上を図ることを可能にする。【解決手段】加湿装置の積層方向一端に配置される第１端部セパレータ５２ｅｎｄは、エンドプレートに向かう第１流路溝６４ａを閉塞する閉塞部材７４を設ける。閉塞部材７４は、弾性材料で形成されており、板状部７６と複数の膨出部７８とを一体的に設ける。膨出部７８は、空気供給連通孔５８ａに連通する第１流路溝６４ａの入口側に嵌合することにより、前記第１流路溝６４ａを閉塞し、使用前の空気が前記空気供給連通孔５８ａから前記第１流路溝６４ａに導入されることを阻止する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
水透過性膜と交互に配設される単一種類のセパレータを備え、
前記水透過性膜の一方の面に対向する前記セパレータは、前記一方の面に沿って前記反応ガスを流通させる反応ガス流路溝を設けるとともに、
前記水透過性膜の他方の面に対向する前記セパレータは、前記他方の面に沿って前記加湿流体を流通させる加湿流体流路溝を設け、
前記セパレータの中、積層方向端部に配設される端部セパレータは、エンドプレートに向かう前記反応ガス流路溝又は前記加湿流体流路溝を閉塞するための閉塞部材を設け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、前記セパレータは、波板形状を有する金属セパレータで構成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、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（以下、水素含有ガスともいう）や酸化剤ガス（以下、酸素含有ガスともいう）を、予め水により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。
【０００４】
例えば、特許文献１に開示されている燃料電池用加湿器は、図８に示すように、複数のセパレータ１を厚さ方向に積層した積層体２の両端に、締結板としてエンドプレート３が配設されている。隣接する２枚のセパレータ１間には、水透過性膜４が配設されている。水透過性膜４の一方の面側には、酸化剤オフガス流路５が設けられるとともに、前記水透過性膜４の他方の面側には、酸化剤ガス流路６が設けられている。
【０００５】
従って、酸化剤オフガス流路５を流れる反応後の酸化剤オフガスに含まれる水分は、水透過性膜４を透過して酸化剤ガス流路６を流れる反応前の酸化剤ガスに供給されている。このため、反応前の酸化剤ガスは、加湿された後、燃料電池（図示せず）に供給されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２４３５５３号公報（図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記の加湿器では、積層体２の両端を構成する各端部セパレータ１ａがエンドプレート２に対向している。このため、端部セパレータ１ａとエンドプレート２との間には、酸化剤オフガス流路５や酸化剤ガス流路６が形成されており、加湿処理に使用されない酸化剤オフガスや酸化剤ガスが流れてしまう。従って、端部セパレータ１ａとして、他のセパレータ１とは構成の異なる、例えば、一方の面に酸化剤オフガス流路５や酸化剤ガス流路６を設けない新たなセパレータ部材を作製する必要があり、経済的ではないという問題がある。
【０００８】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、単一種類のセパレータを使用して経済的に構成することができるとともに、加湿効率の向上を図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】
【０００９】
本発明は、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ものである。
【００１０】
この加湿装置は、水透過性膜と交互に配設される単一種類のセパレータを備え、前記水透過性膜の一方の面に対向する前記セパレータは、前記一方の面に沿って反応ガスを流通させる反応ガス流路溝を設けるとともに、前記水透過性膜の他方の面に対向する前記セパレータは、前記他方の面に沿って加湿流体を流通させる加湿流体流路溝を設けている。そして、セパレータの中、積層方向端部に配設される端部セパレータは、エンドプレートに向かう反応ガス流路溝又は加湿流体流路溝を閉塞するための閉塞部材を設けている。
【００１１】
また、セパレータは、波板形状を有する金属セパレータで構成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明では、水透過性膜と交互に配設される単一種類のセパレータを備えるため、多種類のセパレータが用いられる従来の構成に比べて、前記セパレータを経済的に製造することができる。これにより、加湿装置全体の製造コストが良好に削減されるとともに、前記セパレータの取り扱い作業性が一挙に向上する。
【００１３】
しかも、積層方向端部に配設される端部セパレータは、エンドプレートに向かう反応ガス流路溝又は加湿流体流路溝が、閉塞部材によって閉塞されている。このため、反応ガス又は加湿流体が、加湿処理に使用されずに通過することを阻止することができ、効率的な加湿処理が良好に遂行可能になる。
【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の外部に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の外部に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の水素供給口２６ａ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の水素排出口２６ｂ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の空気供給口２８ａ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の空気排出口２８ｂ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。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。
【００２１】
図２及び図３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セパレータ５４とを備える。第１及び第２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（図３参照）。
【００２２】
第１及び第２セパレータ５２、５４は、例えば、金属プレートを波板状に成形して構成される単一種類のセパレータ部材である。一方のセパレータ部材を他方のセパレータ部材に対して、図３中、矢印Ｃに示す軸回りに１８０゜回転させることによって、第１及び第２セパレータ５２、５４が構成される。なお、第１及び第２セパレータ５２、５４は、例えば、カーボンプレートに削り加工等を施して波板形状に構成してもよい。
【００２３】
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２参照）。
【００２４】
図３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、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（矢印Ｃ方向）に設けられる。
【００２５】
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、反応前の空気を加湿した後のオフガスを排出するオフガス排出連通孔６０ｂとが上下方向に配列されて設けられる。
【００２６】
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。
【００２７】
図３及び図４に示すように、第１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方向に折り返す略Ｕ字状の複数の第１流路溝（反応ガス流路溝）６２ａと、複数の第１凸部６２ｂとを交互に設ける。
【００２８】
第１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方向に折り返す略Ｕ字状の複数の第１流路溝（反応ガス流路溝）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。
【００２９】
第２セパレータ５４は、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方向に折り返す略Ｕ字状の複数の第２流路溝（加湿流体流路溝）６６ａと、複数の第２凸部６６ｂとを交互に設ける。
【００３０】
第２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方向に折り返す略Ｕ字状の複数の第２流路溝（加湿流体流路溝）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。
【００３１】
第１セパレータ５２には、第１シール７０が一体成形される一方、第２セパレータ５４には、第２シール７２が一体成形される。
【００３２】
図５に示すように、加湿装置１０を構成し積層方向（矢印Ａ方向）一端部、すなわち、エンドプレート５７ａ側の端部に配設される第１端部セパレータ５２ｅｎｄは、前記エンドプレート５７ａに向かう第１流路溝６４ａを閉塞する閉塞部材７４を設ける。閉塞部材７４は、弾性材料、例えば、ゴム材料で形成されており、板状部７６と複数の膨出部７８とを一体的に設ける。膨出部７８は、空気供給連通孔５８ａに連通する第１流路溝６４ａの入口側に嵌合し、前記第１流路溝６４ａを閉塞する。
【００３３】
なお、空気排出連通孔５８ｂから第１流路溝６４ａに空気が逆流するおそれがある際には、前記空気排出連通孔５８ｂに連通する第１流路溝６４ａの出口側にも、閉塞部材７４を設けることが好ましい。
【００３４】
図６に示すように、加湿装置１０を構成し積層方向他端部、すなわち、エンドプレート５７ｂ側の端部に配設される第２端部セパレータ５４ｅｎｄは、前記エンドプレート５７ｂに向かう第２流路溝６８ａを閉塞する閉塞部材７４を設ける。閉塞部材７４を構成する膨出部７８は、オフガス供給連通孔６０ａに連通する第２流路溝６８ａの入口側に嵌合し、前記第２流路溝６８ａを閉塞する。
【００３５】
なお、オフガス排出連通孔６０ｂから第２流路溝６８ａに空気が逆流するおそれがある際には、前記オフガス排出連通孔６０ｂに連通する第２流路溝６８ａの出口側にも、閉塞部材７４を設けることが好ましい。
【００３６】
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、以下に説明する。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
図３に示すように、第１セパレータ５２では、空気供給連通孔５８ａに供給された反応前の空気は、略Ｕ字状の複数の第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４参照）。
【００４０】
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。
【００４１】
図３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、略Ｕ字状の複数の第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４参照）。
【００４２】
従って、第２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。
【００４３】
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。
【００４４】
この場合、本実施形態では、第１及び第２セパレータ５２、５４が、金属プレートを波板状に成形した単一種類のセパレータ部材で構成されている。そして、一方のセパレータ部材を他方のセパレータ部材に対して１８０°反転させるだけで、第１及び第２セパレータ５２、５４が構成されている。
【００４５】
従って、加湿装置１０では、多種類のセパレータが用いられる従来の加湿装置に比べて、第１及び第２セパレータ５２、５４を経済的に製造することができる。これにより、加湿装置１０全体の製造コストが良好に削減されるとともに、第１及び第２セパレータ５２、５４の取り扱い作業性が一挙に向上する。
【００４６】
しかも、図５に示すように、エンドプレート５７ａ側の端部（積層方向一端部）に配設される第１端部セパレータ５２ｅｎｄは、前記エンドプレート５７ａに向かう第１流路溝６４ａが閉塞部材７４により閉塞されている。このため、使用前の空気が加湿処理に使用されずに第１流路溝６４ａとエンドプレート５７ａとの間に沿って流れることを、確実に阻止することができる。
【００４７】
一方、図６に示すように、エンドプレート５７ｂ側の端部（積層方向他端部）に配設される第２端部セパレータ５４ｅｎｄは、前記エンドプレート５７ｂに向かう第２流路溝６８ａが閉塞部材７４により閉塞されている。従って、オフガスが、加湿処理に使用されずに第２流路溝６８ａとエンドプレート５７ｂとの間に沿って流れることを、良好に阻止することができる。
【００４８】
これにより、第１及び第２端部セパレータ５２ｅｎｄ、５４ｅｎｄとして、それぞれ第１及び第２セパレータ５２、５４を用いることができるとともに、使用前の空気及びオフガスが、加湿処理に使用されずに通過することを阻止することが可能になる。このため、効率的な加湿処理が、良好且つ確実に遂行されるという効果が得られる。
【００４９】
なお、本実施形態では、第１及び第２端部セパレータ５２ｅｎｄ、５４ｅｎｄの第１及び第２流路溝６４ａ、６８ａを閉塞するために閉塞部材７４を用いているが、これに限定されるものではない。
【００５０】
例えば、図７に示すように、第１端部セパレータ５２ｅｎｄの第１流路溝６４ａ毎に、閉塞部材としてシール９０を挿入することができる。このシール９０は、各第１流路溝６４ａの長手方向に沿って複数の個所に設けてもよい。また、シール９０に代えて、第１流路溝６４ａ全体をシールする閉塞部材を採用することも可能である。
【００５１】
さらにまた、第１及び第２流路溝６２ａ、６４ａ、６６ａ及び６８ａの流路形状は、略Ｕ字状に限定されず、サーペンタイン等の種々の流路形状を採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明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分解斜視説明図である。
【図４】前記加湿装置の一部断面説明図である。
【図５】前記加湿装置の一端部に配設される第１端部セパレータの一部斜視説明図である。
【図６】前記加湿装置の他端部に配設される第２端部セパレータの一部斜視説明図である。
【図７】他の閉塞部材を説明する前記第１端部セパレータの正面説明図である。
【図８】特許文献１の燃料電池用加湿器の側面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０…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
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          ２６ａ…水素供給口
２６ｂ…水素排出口              ２８ａ…空気供給口
２８ｂ…空気排出口              ５０…水透過性膜
５２、５４…セパレータ          ５２ｅｎｄ、５４ｅｎｄ…端部セパレータ
５６…積層体                    ５７ａ、５７ｂ…エンドプレート
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、９０…シール        ７４…閉塞部材
７６…板状部                    ７８…膨出部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2007234439.tif 000006
【図５】
2007234439.tif 000007
【図６】
2007234439.tif 000008
【図７】
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【図８】
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