JP2004139784A

JP2004139784A - Membrane humidifier for fuel cells

Info

Publication number: JP2004139784A
Application number: JP2002301739A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Matsumoto; 松本　広嗣; Tomoki Kobayashi; 小林　知樹; Yoshio Nuitani; 縫谷　芳雄
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-10-16
Filing date: 2002-10-16
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2022-10-16
Also published as: JP3910518B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a membrane humidifier for a fuel cell capable of enhancing productivity and improving a humidifying performance. <P>SOLUTION: The membrane humidifier 1 for the fuel cell is interposed between fuel cells arranged laminated in the plural number. A pair each of gas diffusion layers 5, 6 are arranged on both sides of water-permeable membranes 2, on both outside faces of which, gas separation plates 15, 16 are arranged. Each gas diffusion layer 5, 6 can be supplied with gas, one supplied to one of the pair of the gas diffusion layer 5 to be a reactive gas, to which, moisture of the gas of the other layer is to be enabled to be supplied through the water-permeating membrane 2. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【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[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell membrane humidifier interposed between a plurality of stacked fuel cells.
[0002]
[Prior art]
For example, as shown in FIG. 9, in a conventional fuel cell 36, an anode electrode 32 and a cathode electrode 33 are provided on both sides of a solid polymer electrolyte membrane 31, and are sandwiched between a pair of separators 34 and 35 from both sides. There is something. Gas passage holes 37 and 38 for supplying fuel gas and oxidizing gas are formed in both separators 34 and 35.
[0003]
In the fuel cell 36, when a fuel gas (for example, hydrogen gas) is supplied to the anode 32 through the gas passage hole 37, hydrogen is ionized on the surface of the anode 32, and the hydrogen is ionized on the surface of the solid polymer electrolyte membrane 31. It moves to the electrode 33 side. The electrons generated during this time are taken out to an external circuit and used as DC electric energy. Since an oxidant gas (for example, air containing oxygen) is supplied to the cathode electrode 33, hydrogen ions, electrons, and oxygen react to generate water.
Then, as shown in FIG. 9, a plurality of the fuel cells 36 are stacked to form a fuel cell stack 30, and a plurality of fuel cells 36 of the stack 30 generate power to generate a predetermined voltage (for example, The power can be taken out at 100V).
[0004]
If the reaction gas supplied to both electrodes 32 and 33 is excessively dry, the reaction gas deprives the solid polymer electrolyte membrane 31 of moisture and damages the polymer electrolyte membrane 31. There is. To prevent this, a humidifier 41 for humidifying the reaction gas is provided between the fuel cells 36 as shown in FIG.
[0005]
As such a humidifier 41, there is a humidifier 41 in which both sides of a water permeable membrane 42 are sandwiched between gas separation plates 45 and 46. The gas separation plates 45 and 46 are made of the same carbon material as the separators 34 and 35. The gas separation plates 45 and 46 have gas passage holes 43 and 44, respectively. The projections between the gas passage holes 43, 44 are formed as partition walls 47, 48, and guide the gas (reactive gas, humidifying gas) to the gas passage holes 43, 44 by the partition walls 47, 48. The durability in the stacking direction (the vertical direction in FIG. 9) is enhanced.
[0006]
A reactive gas (fuel gas or oxidizing gas) is supplied to one of the gas passage holes 43 and 44 (for example, the gas passage hole 43), and a humidifying gas having a high humidity is supplied to the other (for example, the gas passage hole 44). You. The moisture of the humidifying gas in the gas passage hole 44 is supplied to the reaction gas in the gas passage hole 43 via the water permeable membrane 42. Thereby, the humidified reaction gas can be supplied to the electrodes 32 and 33 of the fuel cell 36, and the protection of the solid polymer electrolyte membrane 31 is achieved.
As a technique of this type, Patent Document 1 discloses that a separator of a unit fuel cell is provided with a peripheral portion for mounting a water-permeable membrane, and a concave groove is formed to integrally form a humidifying portion for a reaction gas. Is disclosed.
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-9-92308 (paragraph numbers [0037] to [0039], FIG. 1)
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the prior art, there is a problem that the work load is large because it is necessary to perform a cutting process in order to form the gas passage holes 43 and 44 in the gas separation plates 45 and 46.
If a gap is formed between the partition walls 47, 48 and the water permeable membrane 42, the gas flowing through the gas passage holes 43, 44 flows into the gap and short-circuits, so that the reaction gas can be sufficiently supplied. May not be able to be humidified. In order to prevent this, the partition walls 47 and 48 need to be firmly adhered to the water permeable membrane 42, and the partition walls 47 and 48 are required to have high precision flatness, and the partition walls 47 and 48 are formed. A heavy burden is placed on the work. Therefore, there is a problem in that the work load for forming the gas passage holes 43 and 44 and the work load for forming the partition walls 47 and 48 overlap, and productivity is deteriorated.
[0009]
In order to improve the humidification performance of the humidifier, it is desirable to supply each gas (reaction gas, humidification gas) over the entire surface of the water permeable membrane 42. The gas is not supplied to portions that come into contact with the partition walls 47 and 48. Therefore, there is a problem that the water permeable membrane 42 in this portion cannot be used for humidification, and the humidification performance is limited accordingly.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to provide a membrane humidifier for a fuel cell, which can increase productivity and improve humidification performance.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the invention according to claim 1 of the present invention provides a fuel cell membrane humidifier (for example, a fuel cell 36 in the embodiment) interposed between a plurality of stacked fuel cells (for example, the fuel cell 36 in the embodiment). For example, in the humidifiers 1 and 20 in the embodiment, a pair of gas diffusion layers (for example, the gas diffusion layers 5 and 6 in the embodiment) are provided on both surfaces of the water permeable membrane (for example, the water permeable membrane 2 in the embodiment). ), And further, gas separation plates (for example, gas separation plates 15 and 16 in the embodiment) are provided on both outer sides thereof, so that gas can be supplied to each gas diffusion layer. The gas supplied to the layer is a reaction gas supplied to the fuel cell, and the moisture of the gas supplied to the other gas diffusion layer can be supplied through the water permeable membrane.
[0011]
According to this invention, the reaction gas is supplied to the gas diffusion layer provided on one surface of the water permeable membrane, and the gas supplied to the other gas diffusion layer (the other gas) is supplied to the water permeable membrane. The gas is supplied to the gas diffusion layer provided on the other surface. Thereby, the moisture of the other gas is supplied to the reaction gas through the water permeable membrane, and humidifies the reaction gas.
[0012]
Then, the reactant gas flows along the one surface of the water permeable membrane while diffusing in the gas diffusion layer provided on the one surface. The other gas flows along the other surface of the water permeable membrane while diffusing in the gas diffusion layer provided on the other surface.
[0013]
Thereby, the water permeable membrane can be humidified over the entire surface in contact with the gas diffusion layers provided on both sides thereof, so that humidification performance can be improved.
In addition, since each gas passes through the gas diffusion layer, it is not necessary to form a passage for flowing the gas and a partition for partitioning the gas as in the related art, and the productivity can be improved.
[0014]
The invention according to a second aspect of the present invention is the invention according to the first aspect, wherein the gas supplied to the gas diffusion layer is an exhaust gas discharged from the fuel cell.
According to the present invention, since the exhaust gas contains water generated by the fuel cell during power generation, the exhaust gas has a higher humidity than the reaction gas, and the exhaust gas supplies the reaction gas. Thereby, the reaction gas can be humidified. Thus, it is not necessary to newly provide a humidifying gas or a water source, and the cost can be reduced accordingly.
[0015]
A third aspect of the present invention is the invention according to the first or second aspect, wherein the gas diffusion layer includes a nonwoven fabric using fired carbon. According to the present invention, since the density can be easily adjusted according to the position of the gas diffusion layer, the partition can be formed by increasing the density of the gas diffusion layer. Thereby, each gas can be guided so as to flow over the entire surface of the gas diffusion layer, and the gas can also flow through the partition, so that the humidification performance can be further improved.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a plan view showing a surface of a humidifier 1 according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a perspective view showing a back surface of the humidifier 1. As shown in FIG. 1, the humidifier 1 includes a water permeable membrane 2 through which moisture passes, a pair of gas diffusion layers 5 and 6 disposed on both sides thereof, and a sealing member for defining a gas flow path. 11 and 12 and gas separation plates 15 and 16 (see FIG. 3) sandwiching these members from both sides.
[0017]
Hereinafter, each will be described in more detail. The water-permeable membrane 2 is formed in a substantially rectangular shape that is long in the horizontal direction (the left-right direction in FIG. 1) in plan view. In the upper and lower portions at both ends in the horizontal direction of the water permeable membrane 2, gas communication holes 7 to 10 having a substantially rectangular shape extending in the vertical direction (vertical direction in FIG. 1) are formed respectively. In the present embodiment, a gas communication hole 9 formed on the upper right side in the horizontal direction and a gas communication hole 8 formed on the lower left side in the horizontal direction are provided with supply ports for the reaction gas (fuel gas or oxidizing gas), respectively. A reaction gas flows in the axial direction (a direction perpendicular to FIG. 1) of each of the communication holes 8 and 9 (see FIG. 3).
[0018]
A gas communication hole 7 formed on the upper left side in the lateral direction of the water permeable membrane 2 and a gas communication hole 10 formed on the lower right side in the horizontal direction are each provided with an exhaust gas (fuel gas or oxidant after power generation use). A gas (gas) supply port 7 and a discharge port 10 are provided, and the exhaust gas flows in the axial direction (the direction perpendicular to FIG. 1) of the respective communication holes 7 and 10 (see FIG. 3).
[0019]
Gas diffusion layers 5 and 6 are provided on the front surface 3 and the back surface 4 of the water permeable membrane 2, respectively. The gas diffusion layers 5 and 6 are formed in a substantially rectangular shape that is long in the lateral direction similarly to the water permeable membrane 2. The gas diffusion layers 5 and 6 have respective communication holes 7 to 10 so that the center of the gas diffusion layers 5 and 6 coincide with each other so that the ratio of the dimensional difference between the vertical direction and the horizontal direction in FIG. It is located between them. In the present embodiment, the gas diffusion layers 5 and 6 are formed of a nonwoven fabric using calcined carbon, and can flow along the water permeable membrane 2 while diffusing the gas supplied to each.
[0020]
Further, seal members 11 and 12 are attached to the front surface 3 and the back surface 4 of the water permeable membrane 2, respectively. The seal member 11 attached to the surface 3 of the water permeable membrane 2 is formed so as to surround the outside of each of the communication holes 7 to 10 and to surround the communication holes 7 and 10 through which the exhaust gas flows. This prevents the exhaust gas flowing through the communication holes 7 and 10 from flowing through the gas diffusion layer 5 on the surface 3 of the water permeable membrane 2.
[0021]
On the other hand, the seal member 12 attached to the back surface 4 of the water permeable membrane 2 is formed so as to surround the outside of each of the communication holes 7 to 10 and to surround the communication holes 8 and 9 through which the reaction gas flows. This prevents the reaction gas flowing through the communication holes 8 and 9 from flowing through the gas diffusion layer 6 on the back surface 4 of the water permeable membrane 2.
[0022]
Further, the water permeable membrane 2 is sandwiched by gas separation plates 15 and 16 with the gas diffusion layers 5 and 6 and the sealing members 11 and 12 attached thereto (see FIG. 3). The gas separation plates 15 and 16 are formed in substantially the same shape as the water permeable membrane 2 in a plan view, and communication holes 7 to 10 are formed at the same positions as the communication holes 7 to 10 of the water permeable membrane 2.
[0023]
The humidifier 1 thus configured is interposed between the fuel cells as shown in FIG. 9, and the reaction gas supplied to the fuel cell is supplied to the communication hole 9 and discharged from the fuel cell. Exhaust gas is supplied to the communication hole 7.
[0024]
FIG. 3 is an AA cross-sectional view in a state where a plurality of (two in this case) humidifiers 1 of FIG. 1 are stacked. As shown in the figure, the reaction gas is supplied from above the reaction gas supply port 9 and flows from the supply port 9 into the diffusion layer 5 on the water permeable membrane surface 3 side. At this time, since the seal member 12 is provided on the water permeable membrane back surface 4 side, the inflow of the reaction gas to the back surface 4 is prevented.
The exhaust gas is supplied from below the supply port 7 and flows into the diffusion layer 6 on the water permeable membrane back surface 4 side from the supply port 7. At this time, since the sealing member 11 is provided on the water permeable membrane surface 3 side, the inflow of the exhaust gas to the surface 3 is prevented.
[0025]
The reactant gas flowing into the gas diffusion layer 5 flows along the surface 3 of the water permeable membrane 2 while diffusing in the gas diffusion layer 5. At this time, since the exhaust gas supply port 7 and the exhaust gas exhaust port 10 are surrounded by the seal member 11, the flow of the reaction gas into the exhaust gas communication holes 7, 10 is prevented. Therefore, the reaction gas flowing from the reaction gas supply port 9 flows toward the reaction gas discharge port 8 while diffusing the entire surface of the gas diffusion layer 5 as shown in FIG.
[0026]
The exhaust gas that has flowed into the gas diffusion layer 6 flows along the back surface 4 of the water permeable membrane 2 while diffusing in the gas diffusion layer 6. At this time, since the reaction gas supply port 9 and the reaction gas discharge port 8 are surrounded by the seal member 12, the flow of the exhaust gas into the reaction gas communication holes 8, 9 is prevented. Therefore, the exhaust gas flowing from the exhaust gas supply port 7 flows toward the exhaust gas exhaust port 10 while diffusing the entire surface of the gas diffusion layer 6 as shown in FIG.
[0027]
Since the exhaust gas contains water generated during power generation, the exhaust gas has a higher humidity than the reaction gas. Therefore, the exhaust gas flowing through the gas diffusion layer 6 can be humidified by supplying its moisture to the reaction gas flowing through the gas diffusion layer 5 through the water permeable membrane 2. As described above, in the present embodiment, since the exhaust gas containing water generated by power generation is used as the humidifying gas, it is not necessary to newly provide a humidifying gas or a water source, thereby reducing costs. it can.
[0028]
In the present embodiment, the respective gas diffusion layers 5 and 6 are formed at the same position when viewed from the lamination direction. For this reason, since the water permeable membrane 2 can humidify the reaction gas over the entire surface in contact with the gas diffusion layers 5 and 6, the humidification performance can be improved.
[0029]
In addition, since the reaction gas and the exhaust gas pass through the gas diffusion layers 5 and 6, there is no need to form a passage for flowing the gas and a partition for partitioning the gas as in the related art, thereby reducing the productivity. Can be enhanced.
[0030]
In addition, since the gas diffusion layers 5 and 6 are formed of a nonwoven fabric using calcined carbon, the density can be easily adjusted according to the location of the gas diffusion layers 5 and 6. Therefore, by increasing the density according to the positions of the gas diffusion layers 5 and 6, the flow path of the gas flowing in the diffusion layers 5 and 6 can be adjusted. This will be described with reference to FIG.
[0031]
FIG. 4 is a plan view, corresponding to FIG. 1, showing a humidifier 20 according to a second embodiment of the present invention. Note that, in this figure, the seal member 11 is omitted. The present embodiment is different from the first embodiment in that the gas diffusion layer 5 has partition portions 21 and 22 formed therein. The partition portions 21 and 22 are formed by increasing the density of fired carbon. Thereby, it is possible to adjust the reaction gas flowing in the gas diffusion layer 5 to have a direction (in this case, to meander the reaction gas) and to further humidify the reaction gas. Since the partition walls 21 and 22 are formed of calcined carbon, a reaction gas can be circulated in the partition walls 21 and 22 and the humidification performance can be further improved.
Although not shown, the gas diffusion layer 6 can also be provided with a partition wall to adjust the exhaust gas.
[0032]
FIG. 5 is an explanatory diagram of the humidifiers 60 and 70 in the comparative example. The humidifier 60 shown in FIG. 5A has substantially the same structure as that of the related art, and has a structure in which the water permeable membrane 42 is interposed on both sides of a gas separation plate 50 having a structure in which the conventional gas separation plates 45 and 46 are integrally formed. Has become. The humidifier 70 shown in FIG. 5B is obtained by changing the height of the gas separation plate 50 without changing the number of the water permeable membranes 42 of the humidifier 60.
[0033]
If the height of the gas separation plate 50 is reduced without changing the width la of the gas passage holes 43 and 44 shown in FIG. 5A, the water permeable membrane 42 that partitions the gas passage holes 43 and 44 can be obtained. May be bent and stick to one of the gas passage holes 43 and 44. In order to prevent this, as shown in FIG. 5B, it is necessary to reduce the length lb of the gas passage holes 43 and 44 in the width direction. For this reason, the sum of the cross-sectional areas sb of the gas passages in the humidifier 70 is greatly reduced as compared with the sum of the cross-sectional areas sa of the gas passages in the humidifier 60, whereby the pressure loss becomes very large, and water permeation increases. The load on the film 42 becomes excessive.
[0034]
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the sweep flow rate (gas flow rate) of the humidifier 60 and the pressure loss in the comparative example. 5 shows the pressure loss according to the sweep flow rate for each humidifier 60 in which the number of the water permeable membrane 42 and the gas separation plate 50 is changed without changing the height of the gas separation plate 50 shown in FIG. Is shown. As shown in FIG. 6, when the number of the water permeable membranes 42 and the gas separation plates 50 is reduced, the total sum of the area sb of the flow path becomes smaller by that amount, so that the pressure loss increases even with the same sweep flow rate. The burden on the water permeable membrane 42 increases. Therefore, in the comparative example having the same structure as that of the related art, it is difficult to reduce the number of the water-permeable membranes 42 and the height of the gas separation plate 50, which is a major obstacle in reducing the size of the humidifier 60. .
[0035]
On the other hand, in the present embodiment, as shown in FIGS. 7A and 7B, even if the height of the gas diffusion layers 5 and 6 is reduced, the gas diffusion layers 5 and 6, the length LB in the width direction is substantially the same as LA, and the density of the gas diffusion layer does not change when viewed from the surface direction of the water permeable membrane 2. Therefore, as shown in the figure, even if the height of the gas diffusion layers 5 and 6 is reduced, the total sum of the cross-sectional areas of the gas flow paths does not decrease so much (SA and SB in FIGS. 7A and 7B). reference). Therefore, in the present embodiment, an increase in pressure loss due to a decrease in the height of the gas diffusion layers 5 and 6 can be suppressed, and downsizing can be achieved.
[0036]
FIG. 8 is an explanatory diagram showing the pressure loss of the humidifier in the example and the comparative example. As shown in the figure, the pressure loss of the humidifier includes a pressure loss at the gas passage inlet (orifice pressure loss) and a pressure loss in the gas passage (flow passage pressure loss). In the present embodiment, as compared with the comparative example, since the effective area of the gas flow path inlet portion and the entire gas flow path can be increased, the orifice pressure loss and the flow path pressure loss can be respectively reduced, and the pressure of the humidifier can be reduced. The overall loss can be significantly reduced.
[0037]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the present invention, the water permeable membrane can be humidified over the entire surface in contact with the gas diffusion layers provided on both sides of the water permeable membrane. Can be improved. In addition, since each gas passes through the gas diffusion layer, it is not necessary to form a passage for flowing the gas and a partition for partitioning the gas as in the related art, thereby improving the productivity. .
Further, the pressure loss can be reduced as compared with the related art.
[0038]
According to the second aspect of the present invention, it is not necessary to newly provide a humidifying gas or a water source, and the cost can be reduced accordingly.
According to the third aspect of the present invention, the partition wall portion can be formed by increasing the density of the gas diffusion layer. Thereby, each gas can be guided so as to flow over the entire surface of the gas diffusion layer, and the gas can also flow through the partition, so that the humidification performance can be further improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view showing a humidifier according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing the back side of the humidifier in FIG. 1;
FIG. 3 is an AA cross-sectional view in a state where a plurality of the humidifiers of FIG. 1 are stacked.
FIG. 4 is a plan view corresponding to FIG. 1, showing a humidifier according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an explanatory diagram of a humidifier in a comparative example.
FIG. 6 is a graph showing a relationship between a sweep flow rate of a humidifier and a pressure loss in a comparative example.
FIG. 7 is an explanatory diagram of a humidifier in the embodiment of the present invention.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a pressure loss of a humidifier in an example and a comparative example.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a humidifier provided in a conventional fuel cell.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Humidifier 2 Water permeable membrane 5, 6 Gas diffusion layer 7-10 Gas communication hole 13 Oxidant gas 14 Fuel gas 15, 16 Gas separation plate

Claims

In a fuel cell membrane humidifier interposed between a plurality of stacked fuel cells,
A pair of gas diffusion layers are provided on both sides of the water permeable membrane, and further, gas separation plates are provided on both outer sides thereof, so that gas can be supplied to each gas diffusion layer,
A gas supplied to one of the gas diffusion layers is a reaction gas supplied to the fuel cell, and the moisture of the gas supplied to the other gas diffusion layer can be supplied to the reaction gas through the water permeable membrane. Membrane humidifier for fuel cells.

The membrane humidifier for a fuel cell according to claim 1, wherein the gas supplied to the other gas diffusion layer is an exhaust gas discharged from the fuel cell.

3. The membrane humidifier for a fuel cell according to claim 1, wherein the gas diffusion layer includes a nonwoven fabric using calcined carbon. 4.