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公開番号2021158054
公報種別公開特許公報(A)
公開日20211007
出願番号2020059413
出願日20200330
発明の名称加湿器
出願人株式会社アイシン
代理人特許業務法人R&C
主分類H01M 8/04 20160101AFI20210910BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】長期に亘って使用しても、セパレータと水交換膜とを密着させ良好なシール性を維持できる加湿器を構成する。
【解決手段】加湿器Aは、一方の面に含水ガス流路が形成され、他方の面に乾燥ガス流路が形成された板状の複数のセパレータと、複数のセパレータが積層される状態で、隣接する含水ガス流路および乾燥ガス流路の境界に挟み込まれる水交換膜とを備え、積層された複数のセパレータの含水ガス流路に含水ガスを供給する含水ガス供給部と、積層された複数のセパレータの乾燥ガス流路に乾燥ガスを供給する乾燥ガス供給部21,22,23と、外部から供給されるガスのガス圧により、複数のセパレータに対して積層方向に圧力を作用させる加圧ユニットPを備えた。
【選択図】図5
特許請求の範囲【請求項1】
一方の面に含水ガス流路が形成され、他方の面に乾燥ガス流路が形成された板状の複数のセパレータと、
前記含水ガス流路と前記乾燥ガス流路とが交互になるように複数の前記セパレータが積層された状態で、隣接する前記セパレータの境界に挟み込まれる水交換膜と、
積層された複数の前記セパレータの前記含水ガス流路に含水ガスを供給する含水ガス供給部と、
積層された複数の前記セパレータの前記乾燥ガス流路に乾燥ガスを供給する乾燥ガス供給部と、
外部から供給されるガスのガス圧により、複数の前記セパレータに対して積層方向に圧力を作用させる加圧ユニットを備えている加湿器。
続きを表示(約 510 文字)【請求項2】
前記加圧ユニットが、積層された複数の前記セパレータのうち積層方向の端部位置のものに対し隣接して配置される加圧体と、
乾燥ガスのガス圧の作用により前記積層方向に沿う方向に作動することで、前記加圧体に対し前記積層方向に沿う方向に圧力を作用させるピストンと、
前記乾燥ガス供給部から供給される乾燥ガスの一部を前記ピストンに供給する加圧流路と、を備えている請求項1に記載の加湿器。
【請求項3】
前記ピストンのうち乾燥ガスの圧力が作用する面積が、前記積層方向に沿う方向視での前記セパレータの面積より大きい請求項2に記載の加湿器。
【請求項4】
前記乾燥ガス供給部が、乾燥ガスを送り出すポンプと、前記ポンプからの乾燥ガスが供給される乾燥ガス供給路と、前記乾燥ガス供給路を開閉する開閉バルブとを備え、前記加圧流路が、前記乾燥ガス供給路のうち、前記開閉バルブの上流側に接続している請求項2又は3に記載の加湿器。
【請求項5】
複数の前記セパレータを互いに圧接させる方向に付勢力を作用させる付勢部材を備えている請求項1〜4の何れか一項に記載の加湿器。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、加湿器に関する。
続きを表示(約 5,000 文字)【背景技術】
【0002】
燃料電池のカソード側に供給されるカソードガスを加湿するための加湿器は、ガスを案内するセパレータと、複数の水を透過する膜とを交互に配置する構成が多く採用され、例えば、以下に説明する特許文献1と特許文献2とが存在する。
【0003】
特許文献1には、燃料電池を構成する複数の発電セル、及び、加湿器を構成する複数のセパレータと水透過性膜とを積層し、複数のボルトにより連結した燃料電池システムが記載されている。つまり、複数の締め付けボルトの締結により複数の発電セルと、複数のセパレータとを積層状態に維持している。また、複数の締め付けボルトに対し弾性円筒体を外嵌することにより、加湿器全体のばね定数を調整するように構成されている。
【0004】
この燃料電池システムは、加湿器の外面となる第3エンドプレートに形成した空気入口連通孔から加湿器に空気を供給し、加湿器で加湿された空気を燃料電池に供給する。また、燃料電池から排出される含水空気を加湿器に供給することで、空気入口連通孔から供給された空気に水分を与え、この加湿器で加湿した後の空気を空気オフガス出口排出連通口孔から排出するように構成されている。
【0005】
特許文献2にはセパレータと加湿膜とを交互に配置して積層し、これらの積層方向の外端に加圧板を配置し、両端の加圧板を貫通する複数のねじ棒の一端側にナットと座金とバネを備えた加湿器が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
特開2007−234314号公報
特開2007−163035号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
特許文献1、特許文献2に示されるように加湿器は、ガス流路が両面に形成されたプレート状部材(以下、セパレータと称する)と、水の透過が可能な膜(以下、水交換膜と称する)とを交互に配置し、これらを積層する構成が多く採用されている。
【0008】
このような加湿器では、セパレータと水交換膜との間のシール性能を維持するために、これらを適切な荷重で圧接させることが必要となる。また、従来からの加湿器では、セパレータが樹脂材の成形物であるため、寸法精度に僅かなバラツキが発生し、また、成形時の歪みにより僅かに湾曲する等の変形を招くおそれがある。このようなセパレータを用いる場合には、積層方向に適切な荷重を加えることにより、実用上は不都合を生ずることなく、必要とする性能を発揮させるために何らかの対策が必要であった。
【0009】
しかしながら、例えば、特許文献2に記載されるようにバネの荷重を作用させる構成で、バネの荷重が過大でない場合でも、継続的に荷重が作用することによりセパレータが樹脂クリープ現象により変形するおそれがあり、また、樹脂が経年劣化する現象も加わるため、水透過膜を挟んで隣合う位置のセパレータの当接する全面の圧力が不均一になり、シール性能に悪影響を与えることが起こり得る。
【0010】
このような理由から、長期に亘って使用しても、セパレータと水交換膜とを良好に密着させシール性を維持できる加湿器が求められる。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明に係る加湿器の特徴構成は、一方の面に含水ガス流路が形成され、他方の面に乾燥ガス流路が形成された板状の複数のセパレータと、前記含水ガス流路と前記乾燥ガス流路とが交互になるように複数の前記セパレータが積層された状態で、隣接する前記セパレータの境界に挟み込まれる水交換膜と、積層された複数の前記セパレータの前記含水ガス流路に含水ガスを供給する含水ガス供給部と、積層された複数の前記セパレータの前記乾燥ガス流路に乾燥ガスを供給する乾燥ガス供給部と、外部から供給されるガスのガス圧により、複数の前記セパレータに対して積層方向に圧力を作用させる加圧ユニットを備えている点にある。
【0012】
この特徴構成によると、加湿器で加湿を行う場合に外部からガスを供給することで、ガスを供給している間だけセパレータと水交換膜との積層方向に荷重(ガス圧)を作用させることが可能となり、ガス供給が停止しているときには積層方向に荷重を作用させないので、バネ等を用いて荷重を得る構成のように継続的に荷重を作用させた場合の変形を緩和できる。
従って、長期に亘って使用しでも、セパレータと水交換膜とを良好に密着させシール性を維持できる加湿器が構成された。
【0013】
上記構成に加えた構成として、前記加圧ユニットが、積層された複数の前記セパレータのうち積層方向の端部位置のものに対し隣接して配置される加圧体と、乾燥ガスのガス圧の作用により前記積層方向に沿う方向に作動することで、前記加圧体に対し前記積層方向に沿う方向に圧力を作用させるピストンと、前記乾燥ガス供給部から供給される乾燥ガスの一部を前記ピストンに供給する加圧流路と、を備えても良い。
【0014】
これによると、加圧流路から供給される乾燥ガスの圧力でピストンを作動させ、このピストンの圧力を、加圧体を介して複数のセパレータに対して積層方向に作用させるため、ピストンを作動させるために専用のガス供給源を用いる必要がない。また、ピストンの圧力を加圧体の広い面を介してセパレータに作用させるため、セパレータに対して均一の圧力を作用させることも可能となる。
【0015】
上記構成に加えた構成として、前記ピストンのうち乾燥ガスの圧力が作用する面積が、前記積層方向に沿う方向視での前記セパレータの面積より大きくても良い。
【0016】
また、乾燥ガスがセパレータを離間させる方向に作用させる単位面積あたりの圧力より、ピストンからセパレータに作用させる単位面積あたりの圧力を大きくして、セパレータ同士を確実に密着させることが可能となる。
【0017】
上記構成に加えた構成として、前記乾燥ガス供給部が、乾燥ガスを送り出すポンプと、前記ポンプからの乾燥ガスが供給される乾燥ガス供給路と、前記乾燥ガス供給路を開閉する開閉バルブとを備え、前記加圧流路が、前記乾燥ガス供給路のうち、前記開閉バルブの上流側に接続しても良い。
【0018】
これによると、例えば、燃料電池の発電を一時的に停止した場合のように、開閉バルブが閉じた状態であっても、複数のセパレータの圧着状態を維持でき、複数のセパレータと水交換膜との間からガスを漏出させることもない。
【0019】
上記構成に加えた構成として、複数の前記セパレータを互いに圧接させる方向に付勢力を作用させる付勢部材を備えても良い。
【0020】
これによると、ガス圧が作用しない場合でも複数のセパレータの圧着状態を維持することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0021】
加湿器の斜視図である。
加湿器とガス流路とを示す平面図である。
上部プレートとセパレータと水交換膜と配置を示す分解斜視図である。
セパレータの下面を示す斜視図である。
加湿器の断面と供給路と加圧流路とを示す図である。
別実施形態(a)の加湿器の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0022】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
〔基本構成〕
図1〜図3、図5に示すように、上端の上部プレート1と、下端の下部ケース2とを複数の連結ロッド3の連結により一体化した本体フレーム部Fを備え、下部ケース2の上側に対し上下に移動自在な加圧体4を配置し、上部プレート1と加圧体4の間に加湿ユニットHを配置し、外部の加圧流路24から供給される空気(ガスの一例)の空気圧(ガス圧の一例)により加圧体4を作動させ、上部プレート1と加圧体4との間に加湿ユニットHの複数のセパレータ6を挟み込むことで複数のセパレータ6に積層方向に荷重を作用させる加圧ユニットPを備えて加湿器Aが構成されている。
【0023】
図5に示すように、この加湿器Aでは、コンプレッサ21(ポンプの一例)で加圧された空気(乾燥ガスの一例)が供給路22(乾燥ガス供給路の一例)と開閉バルブ23とを介して供給される。この構成では、コンプレッサ21と、供給路22と、開閉バルブ23とで乾燥ガス供給部が構成されている。また、図2に示すように、加湿器Aに対して燃料電池Bから排出された含水ガスが供給される含水ガス供給部の一部としての含水ガス供給管路17が形成されている。
【0024】
燃料電池Bは、水素ガスを含む燃料ガスと、酸素ガスを含む空気とを供給することで発電が行われる。燃料電池Bは、発電により燃料電池Bから排出される反応後の空気に多くの水が水蒸気の状態で含まれる。このように水を含む空気を含水空気と称する。
【0025】
加湿器Aは、燃料電池Bに供給される空気(以下、乾燥空気と称する)を加湿する。つまり、加湿器Aは、含水空気と、乾燥空気とを供給することにより加湿ユニットHにおいて、含水空気に含まれる水分を、乾燥空気に与え、加湿空気を作り出すように機能する。尚、図1、図5の加湿器Aでは、上端に上部プレート1を配置した姿勢を示しているが、この加湿器Aは、この姿勢で用いるものに限らず横向き姿勢や斜め姿勢で用いても良い。
【0026】
〔加湿ユニット〕
図3、図4に示すように、加湿ユニットHは、樹脂材で成る複数の板状のセパレータ6と、樹脂膜で成る複数の水交換膜7とを交互に重ね合わせて積層されている。セパレータ6は、一方の面(実施形態では上面)に乾燥ガス流路6Dが形成され、他方の面(実施形態では下面)に含水ガス流路6Wが形成されている。そして、積層状態で、隣接する含水ガス流路6W、及び、乾燥ガス流路6Dの境界に挟み込まれる位置に水交換膜7が配置される。
【0027】
含水ガス流路6Wは、含水ガス供給口6Waから含水ガス排出口6Wbに向けて対角線に沿う方向に乾燥ガスを流し、乾燥ガス流路6Dは、乾燥ガス供給口6Daから乾燥ガス排出口6Dbに向け、含水ガスが流れる方向と交差する対角線に沿う方向に含水ガスを流すように流路の姿勢が設定されている。セパレータ6と水交換膜7との中央には後述するセンターロッド10が挿通する貫通孔が形成されている。
【0028】
このように含水ガス流路6Wと乾燥ガス流路6Dとが形成されるため、加湿ユニットHでは、図2、図5に示すように、積層された複数のセパレータ6の夫々の含水ガス供給口6Waが積層方向に延びる1つの空間となり、積層された複数のセパレータ6の夫々の含水ガス排出口6Wbが、積層方向に延びる1つの空間となる。これと同様に、積層された複数のセパレータ6の夫々の乾燥ガス供給口6Daが積層方向に延びる1つの空間となり、積層された複数のセパレータ6の夫々の乾燥ガス排出口6Dbが積層方向に延びる1つの空間となる。
【0029】
尚、図2には、夫々の空間に対して含水ガス供給口6Wa、含水ガス排出口6Wb、乾燥ガス供給口6Da、乾燥ガス排出口6Dbの夫々と共通する符号を付している。
【0030】
加圧体4は、積層された複数のセパレータ6のうち積層方向の下端部位置のものに対し下側に隣接して配置されている。この加圧体4には、図2に示すように、含水ガス供給口6Waに連通する含水ガス供給ポート4Waと、含水ガス排出口6Wbに連結する含水ガス排出ポート4Wbと、乾燥ガス供給口6Daに連通する乾燥ガス供給ポート4Daと、乾燥ガス排出口6Dbに連通する乾燥ガス排出ポート4Dbとが形成されている。
(【0031】以降は省略されています)

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