JP2006004767A - Humidification device for reactant gas - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水透過性膜の一方の面に被加湿用の反応ガスを導入するとともに、前記水透過性膜の他方の面に加湿流体を導入して前記反応ガスを加湿する反応ガス用加湿装置に関する。 The present invention provides a humidifying reaction gas that introduces a humidifying reaction gas into one surface of a water permeable membrane and humidifies the reactive gas by introducing a humidifying fluid into the other surface of the water permeable membrane. Relates to the device.
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。 For example, a polymer electrolyte fuel cell has a power generation cell in which an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode side electrode and a cathode side electrode are arranged on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane is sandwiched by separators. I have. This type of fuel cell is normally used as a fuel cell stack by stacking a predetermined number of power generation cells.
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。アノード側電極に供給された燃料ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。 In this fuel cell, a fuel gas, for example, a gas mainly containing hydrogen (hereinafter also referred to as hydrogen-containing gas) is supplied to the anode side electrode, while an oxidant gas, for example, A gas or air mainly containing oxygen (hereinafter also referred to as oxygen-containing gas) is supplied. In the fuel gas supplied to the anode side electrode, hydrogen is ionized on the electrode catalyst and moves to the cathode side electrode side through the electrolyte membrane. Electrons generated during that time are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy.
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。 In this case, in the fuel cell described above, it is necessary to maintain the electrolyte membrane in an appropriate wet state in order to exhibit an effective power generation function. For this reason, a humidifier that humidifies fuel gas and oxidant gas in advance through water is prepared, and the humidified fuel gas and oxidant gas are supplied to the fuel cell by connecting the humidifier to the fuel cell. What is supplied is known.
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１４に示すように、加湿膜１を挟んで一対の樹脂製の板部材２が配置され、これらが積層されてスタックを構成している。加湿膜１の一方の面と一方の板部材２との間には、燃料電池の空気極に供給される前の空気を通過させるための加湿往路３が設けられるとともに、前記加湿膜１の他方の面と他方の板部材２との間には、前記燃料電池の空気極から吐出された反応後のオフガスを通過させる加湿復路４が設けられている。
For example, as shown in FIG. 14, a humidifier for a fuel cell disclosed in Patent Document 1 includes a pair of
ところで、上記の加湿器では、複数の板部材２と加湿膜１とが積層されており、各加湿往路３に空気を供給する往路連通孔と、各加湿復路４にオフガスを供給する復路連通孔とを、積層方向に貫通して設ける構成が採用されている。その際、往路連通孔及び復路連通孔の周囲には、空気やオフガスの洩れを阻止するために、シール部材が配設されている。
By the way, in the humidifier, a plurality of
ここで、加湿効率の向上を図るため、例えば、加湿往路３及び加湿復路４を蛇行する複数の流路溝等に構成する場合がある。このため、加湿膜１を挟んで２枚の板部材２が配設される際、互いの流路溝同士が交差する部分が発生し、例えば、シール部材が前記流路溝内に垂れ下がってしまう。これにより、所望のシール機能を維持することができず、しかも積層方向の剛性が低下するという問題がある。
Here, in order to improve the humidification efficiency, for example, the humidification outward path 3 and the humidification return path 4 may be configured with a plurality of flow channel grooves or the like meandering. For this reason, when the two
本発明はこの種の問題を解決するものであり、シールの面圧を維持してシール性の向上を図るとともに、積層方向の剛性を確保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。 The present invention solves this type of problem, and provides a humidifying device for reactive gas that can maintain the surface pressure of the seal to improve the sealing performance and ensure the rigidity in the stacking direction. With the goal.
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である。加湿装置は、水透過性膜の一方の面に配設され、前記一方の面側に反応ガスを供給する複数の第１流路溝を有する第１セパレータと、前記水透過性膜の他方の面に配設され、前記他方の面側に加湿流体を供給する複数の第２流路溝を有する第２セパレータとを備えている。 The present invention is a reactive gas humidifier for humidifying at least one reactive gas supplied to a polymer electrolyte fuel cell with a humidifying fluid. The humidifier is disposed on one surface of the water permeable membrane, and has a first separator having a plurality of first flow grooves for supplying reaction gas to the one surface side, and the other of the water permeable membrane. And a second separator having a plurality of second flow grooves for supplying a humidified fluid to the other surface side.
そして、第１及び第２セパレータには、第１流路溝に連通して積層方向に貫通する第１連通孔と、第２流路溝に連通して積層方向に貫通する第２連通孔とが形成され、少なくとも前記第１セパレータは、前記第１連通孔の近傍にシールを設けている。このシールは、第２セパレータの第２流路溝間に設けられる直線状凸部と積層方向に重なり合うとともに、前記直線状凸部の上面は、前記シールのシール面に沿って平坦面を構成している。 The first and second separators include a first communication hole that communicates with the first flow path groove and penetrates in the stacking direction, and a second communication hole that communicates with the second flow path groove and penetrates in the stacking direction. And at least the first separator is provided with a seal in the vicinity of the first communication hole. The seal overlaps with the linear protrusion provided between the second flow path grooves of the second separator in the stacking direction, and the upper surface of the linear protrusion forms a flat surface along the seal surface of the seal. ing.
また、シールのシール幅寸法は、直線状凸部の幅寸法よりも小さく設定されることが好ましい。このため、剛体である第１及び第２セパレータ同士が接触することにより水透過性膜を確実に挟持することができ、積層強度の向上が図られる。しかも、水蒸気透過面ではない直線状凸部でシールするため、第１及び第２セパレータの面内で水蒸気透過有効面積を効率的に拡大させることが可能になる。 Moreover, it is preferable that the seal width dimension of a seal | sticker is set smaller than the width dimension of a linear convex part. For this reason, the first and second separators, which are rigid bodies, come into contact with each other, so that the water-permeable membrane can be securely sandwiched, and the lamination strength can be improved. And since it seals with the linear convex part which is not a water vapor transmission surface, it becomes possible to expand a water vapor transmission effective area efficiently in the surface of a 1st and 2nd separator.
さらに、シールが設けられる第１流路溝の流れ方向は、直線状凸部間における第２流路溝の流れ方向と交差することが好ましい。さらにまた、シールは、第１流路溝の内側に設けられることが好ましい。従って、第１及び第２セパレータの面内で水蒸気透過有効面積を効率的に拡大させることができ、水蒸気透過性能の向上が容易に可能になる。 Furthermore, it is preferable that the flow direction of the 1st flow path groove in which a seal | sticker is provided cross | intersects the flow direction of the 2nd flow path groove between linear convex parts. Furthermore, the seal is preferably provided inside the first flow path groove. Therefore, the water vapor transmission effective area can be efficiently expanded in the planes of the first and second separators, and the water vapor transmission performance can be easily improved.
本発明では、第１セパレータのシールが、第２セパレータの直線状凸部の平坦面と積層方向に重なり合うため、前記シールは、前記直線状凸部により確実に支持される。従って、簡単な構成で、シールの面圧を維持してシール性の向上を図るとともに、積層方向の剛性を確保することが可能になる。しかも、シール面全体が平坦面を構成するため、シール面に段差が発生することがなく、特に、水透過性膜の変形による圧損の増大やシールの変形による洩れ等を良好に阻止することができる。 In the present invention, since the seal of the first separator overlaps with the flat surface of the linear protrusion of the second separator in the stacking direction, the seal is reliably supported by the linear protrusion. Therefore, with a simple configuration, it is possible to maintain the surface pressure of the seal to improve the sealing performance and to secure the rigidity in the stacking direction. Moreover, since the entire sealing surface forms a flat surface, there is no level difference on the sealing surface, and in particular, it is possible to satisfactorily prevent an increase in pressure loss due to deformation of the water permeable membrane or leakage due to deformation of the seal. it can.
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。
FIG. 1 is a schematic configuration explanatory view of a
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。
The
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。
The
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。
The
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。
The
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。
In the hydrogen
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。
The
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。
The
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。第１及び第２セパレータ５２、５４は、金属製プレートを波形状に成形して構成される。なお、この第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構成してもよい。
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（第１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（第１連通孔）５８ｂとが上下（矢印Ｃ方向）に設けられる。
As shown in FIG. 4, the air supply communication hole (first reaction gas) that feeds air before reaction (one reaction gas) through one end edge in the direction of arrow B of the
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（第２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（第２連通孔）６０ｂとが上下方向に配列されて設けられる。
The other end edge of the
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に連通し、オフガス供給連通孔６０ａは、前記燃料電池スタック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。
As shown in FIG. 1, the air
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、略Ｕ字状に屈曲乃至湾曲する第１流路６２を設ける。この第１流路６２は、第１面５２ａに設けられた複数の溝部（第１流路溝）６２ａにより構成される。
As shown in FIG. 4, the
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、略Ｕ字状の第２流路６４が設けられる。この第２流路６４は、第２面５２ｂに設けられた複数の溝部６４ａにより構成されており、この溝部６４ａは、第１流路６２を構成する各溝部６２ａと交互に形成され、全体として波形状を有している。
On the
第１流路６２の空気供給連通孔５８ａの近傍（入口近傍）及び空気排出連通孔５８ｂの近傍（出口近傍）には、前記第１流路６２を閉塞する第１シール部材（シール）６６が配設されるとともに、第２流路６４の前記空気供給連通孔５８ａの近傍及び前記空気排出連通孔５８ｂの近傍には、前記第２流路６４を閉塞する第２シール部材６８が配設される。
A first seal member (seal) 66 that closes the
図５に示すように、第１及び第２シール部材６６、６８は、弾性材料、例えば、ゴム材料で形成されており、シール部７０ａ、７０ｂと複数の膨出部７２ａ、７２ｂとを一体的に設ける。第１セパレータ５２は、波形状の両側の山部に第１及び第２流路６２、６４の入口近傍から出口近傍にわたって矢印Ｃ方向に近在してそれぞれ凹部７４ａ、７４ｂが設けられる。凹部７４ｂは、凹部７４ａの内方にオフセットしているが、前記凹部７４ａ、７４ｂは、第１セパレータ５２の両側に対して同一位置に設けてもよい。
As shown in FIG. 5, the first and
第１シール部材６６は、シール部７０ａが凹部７４ａに挿入されるとともに、各膨出部７２ａが第１流路６２を構成する各溝部６２ａに挿入される。第１シール部材６６のシール部７０ａは、第１面５２ａ側に突出する山部平面部分と同一平面上に配置される一方、各膨出部７２ａにより第１流路６２が閉塞される。
In the
第２シール部材６８は、シール部７０ｂが凹部７４ｂに挿入されるとともに、各膨出部７２ｂが第２流路６４の各溝部６４ａに配置されて前記第２流路６４を閉塞する。
In the
図５及び図６に示すように、第１セパレータ５２には、第１流路６２と第２流路６４とを仕切る壁部に、第１シール部材６６と第２シール部材６８との間に位置して、第１流路６２と第２流路６４とを連通する第１貫通孔７６ａが形成される。第１セパレータ５２には、第２シール部材６８の内方に位置して、第１流路６２と第２流路６４とを連通する第２貫通孔７６ｂが形成される。
As shown in FIGS. 5 and 6, the
図４及び図７に示すように、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とを連通する略Ｕ字状の第３流路８０を設ける。第３流路８０は、第３面５４ａに設けられた複数の溝部（第２流路溝）８０ａにより構成される。
As shown in FIGS. 4 and 7, the
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とを連通する略Ｕ字状の第４流路８２を設ける。この第４流路８２は、複数の溝部８２ａを有し、各溝部８２ａは、溝部８０ａと交互に配設される。
The
第３流路８０の入口近傍から出口近傍にわたって矢印Ｃ方向に延在し、この第３流路８０を閉塞する第３シール部材（シール）８４が配設される一方、第４流路８２の入口近傍から出口近傍にわたって矢印Ｃ方向に延在し、この第４流路８２を閉塞し且つ前記第３シール部材８４に対し矢印Ｂ方向にオフセットして第４シール部材８６が配設される。なお、第３及び第４シール部材８４、８６は、第２セパレータ５４の両側に対して同一位置に設けてもよい。
A third seal member (seal) 84 that extends in the direction of arrow C from the vicinity of the inlet of the
第３及び第４シール部材８４、８６は、第１及び第２シール部材６６、６８と同一に構成されており、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。
The third and
第２セパレータ５４には、図７に示すように、第３流路８０と第４流路８２とを仕切る壁部に、前記第３流路８０と前記第４流路８２とを連通する第１貫通孔８８ａが第３シール部材８４と第４シール部材８６との間に設けられる。第２セパレータ５４には、第４シール部材８６の内方に、第３流路８０と第４流路８２とを連通する第２貫通孔８８ｂが形成される。
As shown in FIG. 7, the
図４及び図６に示すように、第１セパレータ５２の第１面５２ａには、この第１セパレータ５２が水透過性膜５０を介装して第２セパレータ５４と積層される際、前記第２セパレータ５４の第３シール部材８４と積層方向に重なり合う第１直線状凸部８９ａが設けられる。第１直線状凸部８９ａは、溝部６２ａ間に設けられて矢印Ｃ方向に延在するとともに、その矢印Ｃ方向両端部には、前記溝部６２ａを閉塞して凸状部が設けられ、前記第１直線状凸部８９ａの上面は、第３シール部材８４の全長にわたって矢印Ｃ方向に延在する平坦面を構成する。
As shown in FIGS. 4 and 6, when the
図８に示すように、第１直線状凸部８９ａの両端部には、分断された溝部６２ａを溝部６４ａ側で連結するための流路連結開口部９１ａが形成される。図９に示すように、第１直線状凸部８９ａの平坦面幅寸法Ｈ１は、第３シール部材８４のシール幅寸法Ｈ２よりも大きく設定されており、前記第１直線状凸部８９ａの幅方向両端は、前記第３シール部材８４を跨いで第２セパレータ５４の凸部に対向する。
As shown in FIG. 8, at both ends of the first linear
図４及び図７に示すように、第１及び第２セパレータ５２、５４が、水透過性膜５０を介装して積層された際、前記第２セパレータ５４の第３面５４ａには、前記第１セパレータ５２の第１シール部材６６と積層方向に重なり合う第２直線状凸部８９ｂが設けられる。第２直線状凸部８９ｂは、上記の第１直線状凸部８９ａと同様に、溝部８０ａ間の凸部が矢印Ｃ方向に延在するとともに、矢印Ｃ方向両端の前記溝部８０ａの一部を閉塞する。第２直線状凸部８９ｂの上面は、第１シール部材６６の全長にわたって矢印Ｃ方向に延在する平坦面を構成する。矢印Ｃ方向両端の溝部８０ａは、第２直線状凸部８９ｂの両端に位置して連結流路開口部９１ｂにより溝部８２ａ側で連結される。
As shown in FIGS. 4 and 7, when the first and
第１セパレータ５２には、外周縁部を覆ってシール９０が一体成形される。このシール９０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６２と第２流路６４とに連通するとともに、前記第１及び第２流路６２、６４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。
A
第２セパレータ５４には、その外周縁部を覆ってシール９２が一体成形される。このシール９２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３流路８０及び第４流路８２に連通する一方、前記第３及び第４流路８０、８２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。
A
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。
The operation of the
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。
As shown in FIG. 1, the hydrogen gas supplied from the
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。
On the other hand, air is supplied to the
図５及び図１０に示すように、第１セパレータ５２では、空気供給連通孔５８ａに第１流路６２及び第２流路６４の入口端部が開放されるとともに、前記第１流路６２の入口近傍が第１シール部材６６によって閉塞されている。このため、空気供給連通孔５８ａに供給された空気は、第２流路６４を構成する各溝部６４ａに導入された後、第２シール部材６８の各膨出部７２ｂによって前方への移動が阻止され、第１貫通孔７６ａを通って第１流路６２を構成する溝部６２ａに移動する。
As shown in FIGS. 5 and 10, in the
この空気は、各溝部６２ａに沿って移動するとともに、一部が第２貫通孔７６ｂを介して溝部６４ａに分流され、前記空気が各溝部６２ａ、６２ｂに沿って移動する。従って、反応前の空気は、Ｕ字状の第１流路６２及び第２流路６４に沿って移動し、前記第１流路６２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２流路６４に沿って移動する空気は、他の水透過性膜５０の他方の面５０ｂに接触する（図３参照）。
The air moves along the
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３流路８０及び第４流路８２に導入される。
In the
図４及び図７に示すように、第３及び第４流路８０、８２には、第３及び第４シール部材８４、８６が配設されており、第１セパレータ５２と同様に、オフガスは、先ず、第４流路８２の溝部８２ａに一旦導入された後、第１貫通孔８８ａを通って第３流路８０の各溝部８０ａに導入される。オフガスは、さらに第２貫通孔８８ｂを通るとともに、一部が溝部８２ａに分流し、Ｕ字状の第３及び第４流路８０、８２に沿って移動する。
As shown in FIGS. 4 and 7, third and
このため、第３流路８０を移動するオフガスは、水透過性膜５０の他方の面５０ｂに接触する一方、第４流路８２に沿って移動するオフガスは、また別の水透過性膜５０の一方の面５０ａに接触する（図３参照）。
For this reason, the off gas moving in the
従って、第２セパレータ５４の第３流路８０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６２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２流路６４に沿って移動する反応前の空気は、第４流路８２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。
Therefore, the moisture in the off-gas that moves along the
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。
As shown in FIG. 1, this humidified air is supplied to the cathode-
この場合、第１の実施形態では、第１セパレータ５２と第２セパレータ５４とには、水透過性膜５０を介装して互いに積層される際、第３シール部材８４と積層方向に重なり合う第１直線状凸部８９ａと、第１シール部材６６と積層方向に重なり合う第２直線状凸部８９ｂとが設けられている（図６及び図７参照）。
In this case, in the first embodiment, the
このため、第１及び第２セパレータ５２、５４が水透過性膜５０を介装して積層された積層体５６では、積層方向に締め付け荷重が付与される際に、第１シール部材６６が第２直線状凸部８９ｂに支持されるとともに、第３シール部材８４が第１直線状凸部８９ａに支持される。従って、簡単な構成で、第１及び第３シール部材６６、８４の面圧を維持することができ、シール性の向上を図るとともに、積層方向の剛性を確保することが可能になるという効果が得られる。
For this reason, in the
しかも、図９に示すように、第１直線状凸部８９ａの幅寸法Ｈ１は、第３シール部材８４のシール幅寸法Ｈ２よりも大きく設定されており、前記第１直線状凸部８９ａの幅方向両端縁部は、水透過性膜５０を介装して第２セパレータ５４の凸部に重なり合っている。これにより、第１及び第２セパレータ５２、５４は、剛体である該第１及び第２セパレータ５２、５４自体の接触により支持されており、積層体５６全体の積層方向の剛性が確実に向上する。
In addition, as shown in FIG. 9, the width dimension H1 of the first
さらに、第１の実施形態では、第１及び第２直線状凸部８９ａ、８９ｂは、それぞれ矢印Ｃ方向両端部の溝部６２ａ、８０ａを覆って矢印Ｃ方向に延在する平坦面を構成しており、この平坦面に対応して第３シール部材８４及び第１シール部材６６の各シール部７０ａが配設されている。このため、第１及び第３シール部材６６、８４のシール面に段差が発生することがなく、例えば、水透過性膜５０の変形（垂れ下がり）による圧力の増大や、第１及び第３シール部材６６、８４の変形（垂れ下がり）による漏れ等を良好に阻止することができるという利点がある。
Furthermore, in the first embodiment, the first and second linear
さらにまた、第１及び第３シール部材６６、８４は、第１及び第３流路６２、８０の内側に設けられている。従って、第１及び第２セパレータ５２、５４の面内で、水蒸気透過有効面積を効率的に拡大させることができ、水蒸気透過性能の向上が容易に可能になる。
Furthermore, the first and
なお、第１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。
In the first embodiment, air that is one reaction gas is humidified and supplied to the
さらに、第１の実施形態では、空気供給連通孔５８ａ及びオフガス供給連通孔６０ａを空気排出連通孔５８ｂ及びオフガス排出連通孔６０ｂの上方に配置しているが、これとは逆に、該空気排出連通孔５８ｂ及び該オフガス排出連通孔６０ｂの下方に配置してもよい。
Furthermore, in the first embodiment, the air
図１１は、本発明の第２の実施形態に係る加湿装置１００の要部分解斜視説明図である。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。また、以下に説明する第３及び第４の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
FIG. 11 is an exploded perspective view of a main part of the
加湿装置１００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１０２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１０４とを備える。加湿装置１００では、空気供給連通孔５８ａと空気排出連通孔５８ｂとが一方の対角位置に設けられるとともに、オフガス供給連通孔６０ａとオフガス排出連通孔６０ｂとが他方の対角位置に設けられる。
The
第１セパレータ１０２は、水透過性膜５０の一方の面５０ａに向かう第１面１０２ａ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第１流路１０６を設けるとともに、前記第１面１０２ａとは反対の第２面１０２ｂ側に、前記空気供給連通孔５８ａと前記空気排出連通孔５８ｂとを連通するサーペンタイン形状の第２流路１０８が設けられる。サーペンタイン形状に設定することにより、流路長を長くすることができ、加湿量の増加が図られる。
The
第１流路１０６を構成する複数の溝部１０６ａ（第１流路溝）と、第２流路１０８を構成する複数の溝部１０８ａとは交互に設けられており、その両端が空気供給連通孔５８ａと空気排出連通孔５８ｂとに、直接、開放される。
The plurality of
第１流路１０６には、空気供給連通孔５８ａ及び空気排出連通孔５８ｂの近傍に第１シール部材（シール）１１０ａ、１１０ｂが配設されるとともに、第２流路１０８には、前記第１シール部材１１０ａ、１１０ｂに対し内方にオフセットして第２シール部材１１２ａ、１１２ｂが配設される。
The
第２セパレータ１０４は、水透過性膜５０の他方の面５０ｂに向かう第３面１０４ａ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第３流路１１４を設けるとともに、前記第３面１０４ａとは反対の第４面１０４ｂ側には、前記オフガス供給連通孔６０ａと前記オフガス排出連通孔６０ｂとを連通するサーペンタイン形状の第４流路１１６が設けられる。
The
第３流路１１４を構成する複数の溝部（第２流路溝）１１４ａと、第４流路１１６を構成する複数の溝部１１６ａとは、交互に設けられる。第３流路１１４のオフガス供給連通孔６０ａ及びオフガス排出連通孔６０ｂの近傍に第３シール部材（シール）１１８ａ、１１８ｂが配設される一方、第４流路１１６の前記オフガス供給連通孔６０ａ及びオフガス排出連通孔６０ｂの近傍に前記第３シール部材１１８ａ、１１８ｂに対し内方にオフセットして第４シール部材１２０ａ、１２０ｂが配設される。
The plurality of groove portions (second flow channel grooves) 114a constituting the
第１セパレータ１０２の第１面１０２ａには、水透過性膜５０を介装して第２セパレータ１０４と積層される際、第３シール部材１１８ａ、１１８ｂと積層方向に重なり合う第１直線状凸部１２２ａ、１２２ｂが設けられる。第１直線状凸部１２２ａ、１２２ｂは、矢印Ｃ方向に延在しており、それぞれの矢印Ｃ方向両端が溝部１０６ａの一部を閉塞することにより、前記第１直線状凸部１２２ａ、１２２ｂの上面は、第３シール部材１１８ａ、１１８ｂの全長にわたって平坦面を構成する。溝部１０６ａの閉塞部分は、流路連結開口部１２４ａを介して溝部１０８ａ側で連通している。
On the
第２セパレータ１０４の第３面１０４ａには、第１及び第２セパレータ１０２、１０４が水透過性膜５０を介装して積層される際、第１シール部材１１０ａ、１１０ｂと積層方向に重なり合う第２直線状凸部１２６ａ、１２６ｂが設けられる。第２直線状凸部１２６ａ、１２６ｂは、矢印Ｃ方向に延在してそれぞれの両端が溝部１１４ａの一部を閉塞し、前記第２直線状凸部１２６ａ、１２６ｂの上面は、第１シール部材１１０ａ、１１０ｂの全長にわたって平坦面を構成する。溝部１１４ａの閉塞部分は、流路連結開口部１２８ａ、１２８ｂを介して溝部１１４ｂ側で連通する。
When the first and
図１２は、本発明の第３の実施形態に係る加湿装置１３０の要部分解斜視説明である。
FIG. 12 is an exploded perspective view of a main part of a
加湿装置１３０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１３２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１３４とを備える。
The
第１セパレータ１３２の第１面１３２ａ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２往復するサーペンタイン形状の第１流路１３６が設けられるとともに、前記第１面１３２ａとは反対の第２面１３２ｂ側には、前記空気供給連通孔５８ａと前記空気排出連通孔５８ｂとを連通するサーペンタイン形状の第２流路１３８が設けられる。
On the
第１流路１３６の入口及び出口近傍には、第１シール部材（シール）１４０ａ、１４０ｂが配設されるとともに、第２流路１３８の入口及び出口近傍には、前記第１シール部材１４０ａ、１４０ｂに対し内方にオフセットして第２シール部材１４２ａ、１４２ｂが配設される。
First seal members (seal) 140a, 140b are disposed in the vicinity of the inlet and outlet of the
第２セパレータ１３４の第３面１３４ａ側には、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２往復するサーペンタイン形状の第３流路１４４が設けられるとともに、前記第３面１３４ａとは反対の第４面１３４ｂ側には、前記オフガス供給連通孔６０ａと前記オフガス排出連通孔６０ｂとを連通するサーペンタイン形状の第４流路１４６が設けられる。
Provided on the
第３流路１４４の入口及び出口近傍には、第３シール部材（シール）１４８ａ、１４８ｂが配設される一方、第４流路１４６の入口及び出口近傍には、前記第３シール部材１４８ａ、１４８ｂに対し内方にオフセットして第４シール部材１５０ａ、１５０ｂが配設される。
Third seal members (seal) 148a and 148b are disposed in the vicinity of the inlet and outlet of the
第１セパレータ１３２には、第２セパレータ１３４の第３シール部材１４８ａ、１４８ｂと積層方向に重なり合う第１直線状凸部１５２ａ、１５２ｂが設けられ、前記第１直線状凸部１５２ａ、１５２ｂの上面は、前記第３シール部材１４８ａ、１４８ｂの全長にわたって平坦面を構成する。溝部（第１流路溝）１３６ａの閉塞部分は、流路連結開口部１５４ａ、１５４ｂにより溝部１３６ｂ側で連通する。
The
第２セパレータ１３４の第３面１３４ａには、第１セパレータ１３２の第１シール部材１４０ａ、１４０ｂと積層方向に重なり合う第２直線状凸部１５６ａ、１５６ｂが設けられる。第２直線状凸部１５６ａ、１５６ｂは、両端が溝部（第２流路溝）１４４ａを閉塞し、その上面は前記第１シール部材１４０ａ、１４０ｂの全長にわたって平坦面を構成する。溝部１４４ａの閉塞部分は、流路連結開口部１５８ａ、１５８ｂを介して溝部１４４ｂ側で連通する。
The
図１３は、本発明の第４の実施形態に係る加湿装置１９０の要部分解斜視説明図である。
FIG. 13 is an exploded perspective view of a main part of a
加湿装置１９０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１９２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１９３とを備える。加湿装置１９０の矢印Ｂ方向一端縁部に、オフガス供給連通孔６０ａとオフガス排出連通孔６０ｂとが設けられるとともに、該一端縁部の上下には、空気供給連通孔５８ａと空気排出連通孔５８ｂとが設けられる。
The
第１セパレータ１９２は、第１面１９２ａ側及び第２面１９２ｂ側に、空気供給連通孔５８ａと空気排出連通孔５８ｂとに連通してＵ字状に屈曲乃至湾曲する第１流路１９４及び第２流路１９６を設ける。第１流路１９４を構成する複数の溝部（第１流路溝）１９４ａは、第２流路１９６を構成する複数の溝部１９６ａと交互に設けられる。
The
第２セパレータ１９３は、第３面１９３ａ側及び第４面１９３ｂ側に、第３流路１９８及び第４流路２００を設ける。第３流路１９８及び第４流路２００は、オフガス供給連通孔６０ａとオフガス排出連通孔６０ｂとに連通して略Ｕ字状に構成されるとともに、溝部（第２流路溝）１９８ａ及び溝部２００ａが交互に設けられる。
The
第２セパレータ１９３の第３面１９３ａには、第３流路１９８の入口及び出口近傍にシール部材（シール）２０２が配設されるとともに、第４面１９３ｂには、第４流路２００の入口及び出口近傍に前記シール部材２０２に対し内方にオフセットしてシール部材２０４が配設される。
A seal member (seal) 202 is disposed in the vicinity of the inlet and outlet of the
第１セパレータ１９２の第１面１９２ａには、第２セパレータ１９３のシール部材２０２と積層方向に重なり合う直線状凸部２０６が矢印Ｃ方向に延在して設けられる。直線状凸部２０６は、溝部１９４ａの屈曲部を閉塞しており、この直線状凸部２０６の上面は、シール部材２０２の全長にわたって平坦面を構成する。溝部１９４ａの閉塞部分は、流路連結開口部２０８ａ、２０８ｂにより溝部１９４ｂ側で連通している。
On the
上記のように構成される第２〜第４の実施形態では、上記の第１の実施形態に係る加湿装置１０と同様の効果が得られる。
In the 2nd-4th embodiment comprised as mentioned above, the effect similar to the
１０、１００、１３０、１９０…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、１０２、１０４、１３２、１３４、１９２、１９３…セパレータ
４０…空気供給流路 ４２…空気排出流路
５０…水透過性膜
５０ａ、５０ｂ、５２ａ、５２ｂ、５４ａ、５４ｂ、１０２ａ、１０２ｂ、１０４ａ、１０４ｂ、１３２ａ、１３２ｂ、１３４ａ、１３４ｂ、１９２ａ、１９２ｂ、１９３ａ、１９３ｂ…面
５６…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
６２、６４、８０、８２、１０６、１０８、１１４、１１６、１３６、１３８、１４４、１４６、１９４、１９６、１９８、２００…流路
６２ａ、６２ｂ、６４ａ、８０ａ、８２ａ、１０６ａ、１０８ａ、１１４ａ、１１４ｂ、１１６ａ、１３６ａ、１３６ｂ、１４４ａ、１４４ｂ、１９４ａ、１９４ｂ、１９６ａ、１９８ａ、２００ａ…溝部
６６、６８、８４、８６、１１０ａ、１１０ｂ、１１２ａ、１１２ｂ、１１８ａ、１１８ｂ、１２０ａ、１２０ｂ、１４０ａ、１４０ｂ、１４２ａ、１４２ｂ、１４８ａ、１４８ｂ、１５０ａ、１５０ｂ、２０２、２０４…シール部材
７０ａ、７０ｂ…シール部 ７２ａ、７２ｂ…膨出部
７４ａ、７４ｂ…凹部 ７６ａ、７６ｂ、８８ａ、８８ｂ…貫通孔
８９ａ、８９ｂ、１２２ａ、１２２ｂ、１２６ａ、１２６ｂ、１５２ａ、１５２ｂ、１５６ａ、１５６ｂ、２０６…直線状凸部
DESCRIPTION OF
Claims (4)
水透過性膜の一方の面に配設され、前記一方の面側に前記反応ガスを供給する複数の第１流路溝を有する第１セパレータと、
前記水透過性膜の他方の面に配設され、前記他方の面側に前記加湿流体を供給する複数の第２流路溝を有する第２セパレータと、
を備え、
前記第１及び第２セパレータには、前記第１流路溝に連通して積層方向に貫通する第１連通孔と、
前記第２流路溝に連通して積層方向に貫通する第２連通孔と、
が形成され、
少なくとも前記第１セパレータは、前記第１連通孔の近傍にシールを設け、
前記シールは、前記第２セパレータの前記第２流路溝間に設けられる直線状凸部と積層方向に重なり合うとともに、前記直線状凸部の上面は、前記シールのシール面に沿って平坦面を構成することを特徴とする反応ガス用加湿装置。 A reactive gas humidifier for humidifying at least one reactive gas supplied to a polymer electrolyte fuel cell with a humidified fluid,
A first separator that is disposed on one surface of the water permeable membrane and has a plurality of first flow grooves for supplying the reaction gas to the one surface side;
A second separator disposed on the other surface of the water permeable membrane and having a plurality of second flow grooves for supplying the humidified fluid to the other surface side;
With
In the first and second separators, a first communication hole communicating with the first flow path groove and penetrating in the stacking direction;
A second communication hole communicating with the second flow path groove and penetrating in the stacking direction;
Formed,
At least the first separator is provided with a seal in the vicinity of the first communication hole,
The seal overlaps with a linear protrusion provided between the second flow path grooves of the second separator in the stacking direction, and an upper surface of the linear protrusion has a flat surface along the seal surface of the seal. A humidifying device for reactive gas, characterized in that it is configured.
The reactive gas humidifier according to any one of claims 1 to 3, wherein the seal is provided inside the first flow path groove.
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