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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6202771
(24)【登録日】2017年9月8日
(45)【発行日】2017年9月27日
(54)【発明の名称】水輸送構造体
(51)【国際特許分類】
H01M 8/04 20160101AFI20170914BHJP
H01M 8/04119 20160101ALI20170914BHJP
H01M 8/10 20160101ALN20170914BHJP
【ＦＩ】
H01M8/04 N
H01M8/04 K
!H01M8/10
【請求項の数】50
【全頁数】25
(21)【出願番号】特願2016-506857(P2016-506857)
(86)(22)【出願日】2014年4月4日
(65)【公表番号】特表2016-520958(P2016-520958A)
(43)【公表日】2016年7月14日
(86)【国際出願番号】EP2014056806
(87)【国際公開番号】WO2014166832
(87)【国際公開日】20141016
【審査請求日】2015年12月2日
(31)【優先権主張番号】202013003566.8
(32)【優先日】2013年4月9日
(33)【優先権主張国】DE
(73)【特許権者】
【識別番号】505467753
【氏名又は名称】レインツ デッチタングス ゲー エム ベー ハー
(74)【代理人】
【識別番号】110000877
【氏名又は名称】龍華国際特許業務法人
(74)【代理人】
【識別番号】100103894
【弁理士】
【氏名又は名称】家入 健
(72)【発明者】
【氏名】シェラー ヨアヒム
(72)【発明者】
【氏名】グリュク ライナー
(72)【発明者】
【氏名】シュテール トーマス
(72)【発明者】
【氏名】ビュンツ ヴェルナー
(72)【発明者】
【氏名】ブリュール マンフレート
【審査官】
大内 俊彦
(56)【参考文献】
【文献】
特開２００８−１０３３４（ＪＰ，Ａ）
【文献】
米国特許出願公開第２０１１／０２９４０３２（ＵＳ，Ａ１）
【文献】
特開２００６−１５６０９９（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１０−５５１５（ＪＰ，Ａ）
【文献】
米国特許出願公開第２００９／００９２８６３（ＵＳ，Ａ１）
【文献】
特開２００４−１３９７８４（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｈ０１Ｍ ８／００−８／２４９５
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
燃料電池のプロセスガスの加湿のために好適に使用することができる水輸送構造体（４）であって、
透水性と実質的に気密性を備える水輸送層（５）と、
少なくとも一部において水およびガスに対して気密性を備える少なくとも一つの熱可塑性保護層（６）と、を備え、
前記水輸送層および前記熱可塑性保護層は、少なくとも一部において互いに重畳し、第１および第２の重畳領域（１０、１１）を形成し、
前記熱可塑性保護層を通して前記水輸送層（５）の前記第１の重畳領域に湿潤ガスが到達可能であり、
前記水輸送構造体（４）は、前記水輸送層（５）の前記第２の重畳領域（１１）に圧縮された熱可塑性保護層（６）を通して湿潤ガスが侵入しないように、前記第２の重畳領域において熱圧着されている、
構造体。
透水性と実質的に気密性を備える水輸送層（５）と、
少なくとも一部において水およびガスに対して気密性を備える少なくとも一つの熱可塑性保護層（６）と、を備え、
前記水輸送層および前記熱可塑性保護層は、少なくとも一部において互いに重畳し、第１および第２の重畳領域（１０、１１）を形成し、
前記熱可塑性保護層を通して前記水輸送層（５）の前記第１の重畳領域に湿潤ガスが到達可能であり、
前記水輸送構造体（４）は、前記水輸送層（５）の前記第２の重畳領域（１１）に圧縮された熱可塑性保護層（６）を通して湿潤ガスが侵入しないように、前記第２の重畳領域において熱圧着されている、
構造体。
【請求項2】
熱可塑性保護層（６）は、前記水輸送層（５）の両側にそれぞれ配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の構造体。
【請求項3】
前記第２の重畳領域（１１）の厚さは前記第１の重畳領域（１０）の厚さと比べて薄いことを特徴とする、請求項１または２に記載の構造体。
【請求項4】
前記第２の重畳領域（１１）は、前記第１の重畳領域の少なくとも２つの長手方向の縁部において、前記第１の重畳領域（１０）の範囲を定めることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項5】
前記第２の重畳領域は、前記第１の重畳領域を円周方向において取り囲んでいることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項6】
前記第１の重畳領域（１０）の厚さ（ｄ１）は、３５〜６００μｍであることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項7】
前記第２の重畳領域（１１）の厚さ（ｄ２）は、前記第１の重畳領域（１０）の厚さ（ｄ１）の１０〜７５％であることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項8】
前記第１の重畳領域（１０）における前記熱可塑性保護層（６）は多孔質であり、好ましくは５０〜９５％の気孔率を有することを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項9】
前記第２の重畳領域（１１）における前記熱可塑性保護層（６）は本質的に非多孔質であることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項10】
前記第２の重畳領域（１１）は、切り抜き、打ち抜き、又はレーザ加工によって形成された開口部（７）を備えることを特徴とする、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項11】
前記構造体（４）の外側形状は、前記第２の重畳領域（１１）の少なくとも一部において、切り抜き、打ち抜き、又はレーザによって加工されていることを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項12】
前記熱可塑性保護層は、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフタルアミド、ポリエチレンテレフタレート、及び／又はポリブチレンテレフタレートを含み、又はこのような材料から成ることを特徴とする、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項13】
前記水輸送層（５）は非補強の膜を用いて実現されていることを特徴とする、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項14】
前記非補強の膜は、熱可塑性繊維紙、繊維ロービング（fiber rovings）、フリースまたはポリマー繊維を使用した繊維織り（fiber weave）を含む支持体上に載置されていることを特徴とする、請求項１３に記載の構造体。
【請求項15】
前記水輸送層（５）は補強された膜を用いて実現されていることを特徴とする、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項16】
前記水輸送層（５）は、コーティングされた及び／又は含浸された織り（Texapore、Venturi）、層状膜（ゴアテックス）、イオンが含浸された膜、アイオノマー膜（ナフィオン）、親水性膜、又は隔膜を用いて実現されていることを特徴とする、請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項17】
燃料電池のプロセスガスの加湿に好適に用いることができる加湿モジュール（８）であって、
第１の流板（２．１）と、第２の流板（２．２）と、請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の水輸送構造体（４）と、を少なくとも備え、
前記第１の流板（２．１）および前記第２の流板（２．２）はそれぞれ、ガスをガイドするための流路構造（３）を備える、
加湿モジュール。
第１の流板（２．１）と、第２の流板（２．２）と、請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の水輸送構造体（４）と、を少なくとも備え、
前記第１の流板（２．１）および前記第２の流板（２．２）はそれぞれ、ガスをガイドするための流路構造（３）を備える、
加湿モジュール。
【請求項18】
前記水輸送構造体（４）は、その第２の重畳領域の少なくとも一部において前記第１の流板（２．１）及び／又は前記第２の流板（２．２）に接着接合されていることを特徴とする、請求項１７に記載の加湿モジュール。
【請求項19】
前記接着接合は、前記水輸送構造体（４）、及び／又は前記第１の流板（２．１）、及び／又は前記第２の流板（２．２）の外側縁部において実施されていることを特徴とする、請求項１８に記載の加湿モジュール。
【請求項20】
前記水輸送構造体（４）は、その第２の重畳領域の少なくとも一部において前記第１の流板（２．１）及び／又は前記第２の流板（２．２）に、接着、溶融、溶接、又は超音波溶接を用いて接合されていることを特徴とする、請求項１７に記載の加湿モジュール。
【請求項21】
前記第１の流板（２．１）及び／又は前記第２の流板（２．２）は、前記流路構造（３）を取り囲むシール領域を備え、前記水輸送構造体（４）は、前記シール領域に配置されることで前記第１及び／又は第２の流板に圧力ばめによって接続されている、請求項１７に記載の加湿モジュール。
【請求項22】
前記第１の流板（２．１）及び前記第２の流板（２．２）はそれぞれ、前記流路構造（３）を取り囲むシール領域を備え、前記第１の流板（２．１）及び前記第２の流板（２．２）は少なくとも一部において相補的な構造を備え、前記水輸送構造体（４）は、これらの相補的な構造の間に固定され、圧力ばめによって圧縮されている、請求項１７に記載の加湿モジュール。
【請求項23】
前記第１の流板（２．１）及び／又は前記第２の流板（２．２）は、積層方向において媒体をガイドするための開口部を備え、当該開口部は水輸送構造体（４）の第２の重畳領域（１１）の開口部と少なくとも一部において重なることを特徴とする、請求項１７乃至２２のいずれか一項に記載の加湿モジュール。
【請求項24】
前記第１の流板（２．１）及び／又は前記第２の流板（２．２）は、積層方向において媒体をガイドするための開口部（７）を備え、媒体をガイドするための全ての開口部（７）は、前記水輸送構造体（４）によってカバーされる前記各々の流板（２．１、２．２）の領域の外部に配置されていることを特徴とする、請求項１７乃至２２のいずれか一項に記載の加湿モジュール。
【請求項25】
前記流板（２．１、２．２）の少なくとも一部は、熱可塑性材料、弾性プラスチック、又は熱硬化性樹脂で形成されており、及び／又は、少なくとも一部は腐食安定性金属材料を含む、請求項１７乃至２４のいずれか一項に記載の加湿モジュール。
【請求項26】
前記水輸送構造体（４）の前記第１の重畳領域（１０）は、少なくとも一部において前記第１の流板（２．１）及び前記第２の流板（２．２）の流路構造（３）と重なることを特徴とする、請求項１７乃至２５のいずれか一項に記載の加湿モジュール。
【請求項27】
前記第１の流板（２．１）及び前記第２の流板（２．２）は、材料の選択、流路の形状、流路の方向、及びシーリングの外形の少なくとも一つにおいて互いに異なることを特徴とする、請求項１７乃至２６のいずれか一項に記載の加湿モジュール。
【請求項28】
前記第１の流板（２．１）はＡの形状を備え、前記第２の流板（２．２）はＢの形状を備え、前記第１の流板（２．１）および前記第２の流板（２．２）の積層順序がＡ−Ｂ−Ａ−Ｂである、請求項１７に記載の加湿モジュール。
【請求項29】
前記第１の流板（２．１）及び前記第２の流板（２．２）はそれぞれ両面に流路構造（３）を備え、水輸送構造体（４）は、前記流路構造（３）を備える各々の表面の間にそれぞれ配置されている、請求項２８に記載の加湿モジュール。
【請求項30】
乾燥ガス（Ｂ）が注入される第１の注入口と、湿潤ガス（Ｃ）が排出される第１の排出口と、
湿潤ガス（Ａ）が注入される第２の注入口と除湿されたガス（Ｄ）が排出される第２の排出口と、
請求項１７乃至２９のいずれか一項に記載された少なくとも一つの加湿モジュール（８）と、を備え、
前記加湿モジュールの流路構造はそれぞれ、上記注入口または排出口の少なくとも一つに接続されている、
加湿器（１）。
湿潤ガス（Ａ）が注入される第２の注入口と除湿されたガス（Ｄ）が排出される第２の排出口と、
請求項１７乃至２９のいずれか一項に記載された少なくとも一つの加湿モジュール（８）と、を備え、
前記加湿モジュールの流路構造はそれぞれ、上記注入口または排出口の少なくとも一つに接続されている、
加湿器（１）。
【請求項31】
水輸送構造体（４）、加湿モジュール、及び／又は加湿器の製造方法であって、
水輸送層（５）および少なくとも一つの多孔質熱可塑性保護層（６）を連続的または非連続的に供給し、
前記水輸送層と前記少なくとも一つの熱可塑性保護層とを、圧着される領域が水およびガスに対して気密性を備えるように、少なくとも部分的に熱圧着する、
製造方法。
水輸送層（５）および少なくとも一つの多孔質熱可塑性保護層（６）を連続的または非連続的に供給し、
前記水輸送層と前記少なくとも一つの熱可塑性保護層とを、圧着される領域が水およびガスに対して気密性を備えるように、少なくとも部分的に熱圧着する、
製造方法。
【請求項32】
２つの熱可塑性保護層（６）の間に前記水輸送層（５）を供給することで、前記連続的または非連続的な供給が達成されることを特徴とする請求項３１に記載の方法。
【請求項33】
前記連続的な供給はコイル（１５）を用いて実現されていることを特徴とする、請求項３１または３２に記載の方法。
【請求項34】
前記非連続的な供給はブランクの供給によって実現されていることを特徴とする、請求項３１または３２に記載の方法。
【請求項35】
前記方法は追加的に、前記熱圧着された水輸送構造体を切断する工程を備え、
前記切断する工程は、前記熱圧着された水輸送構造体の端部を切断する工程と、前記熱圧着された水輸送構造体に開口部を形成する工程と、を含むことを特徴とする、請求項３１乃至３４のいずれか一項に記載の方法。
前記切断する工程は、前記熱圧着された水輸送構造体の端部を切断する工程と、前記熱圧着された水輸送構造体に開口部を形成する工程と、を含むことを特徴とする、請求項３１乃至３４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項36】
前記切断は、レーザ（１７）、又は打ち抜き装置を用いることで実現されていることを特徴とする、請求項３５に記載の方法。
【請求項37】
熱圧着および開口部の切り抜き及び／又は端部の切断は、単一の製造装置で実施されていることを特徴とする、請求項３５または３６に記載の方法。
【請求項38】
前記方法は追加的に、同一又は異なる大きさの水輸送構造体（４）および流板（２．１、２．２）を予め定められた順序で積層することを特徴とする、請求項３１乃至３７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項39】
請求項３８に記載の方法は少なくとも、
ａ）水輸送構造体（４）を連続的に形成する際の出発生産物として、水輸送層（５）と、上層および下層の多孔質熱可塑性保護層（６）と、を連続的に供給し、
ｂ）連続的な形状を備える水輸送構造体（４）に熱圧着を実施し、
ｃ）連続的な形状を備える水輸送構造体（４）に開口部を形成し、
ｄ）前記水輸送構造体の分離された一片（１９）と下にある流板（２．１、２．２）とを接合して加湿モジュール及び／又は加湿モジュールの積層構造を形成するために、連続的な形状を備える水輸送構造体（４）の下に流板（２．１、２．２）を積層し、連続的な形状を備える水輸送構造体を個々の一片（１９）に分離する。
ａ）水輸送構造体（４）を連続的に形成する際の出発生産物として、水輸送層（５）と、上層および下層の多孔質熱可塑性保護層（６）と、を連続的に供給し、
ｂ）連続的な形状を備える水輸送構造体（４）に熱圧着を実施し、
ｃ）連続的な形状を備える水輸送構造体（４）に開口部を形成し、
ｄ）前記水輸送構造体の分離された一片（１９）と下にある流板（２．１、２．２）とを接合して加湿モジュール及び／又は加湿モジュールの積層構造を形成するために、連続的な形状を備える水輸送構造体（４）の下に流板（２．１、２．２）を積層し、連続的な形状を備える水輸送構造体を個々の一片（１９）に分離する。
【請求項40】
請求項３８に記載の方法は少なくとも、
ａ）水輸送構造体（４）を連続的に形成する際の出発生産物として、水輸送層（５）と、上層および下層の多孔質熱可塑性保護層（６）と、を連続的に供給し、
ｂ）連続的な形状を備える水輸送構造体（４）に熱圧着を実施し、
ｃ）水輸送構造体（４）の外面形状を切断し、選択的に水輸送構造体（４）に開口部を形成し、
ｄ）水輸送構造体の分離された一片（１９）を搬送し、
ｅ）前記水輸送構造体の分離された一片（１９）と上側及び／又は下側にある流板（２．１、２．２）とを接合して加湿モジュール（８）又は加湿モジュール（８）の積層構造を形成するために、水輸送構造体（４）の分離された一片（１９）の下側及び／又は上側に流板（２．１、２．２）を積層する。
ａ）水輸送構造体（４）を連続的に形成する際の出発生産物として、水輸送層（５）と、上層および下層の多孔質熱可塑性保護層（６）と、を連続的に供給し、
ｂ）連続的な形状を備える水輸送構造体（４）に熱圧着を実施し、
ｃ）水輸送構造体（４）の外面形状を切断し、選択的に水輸送構造体（４）に開口部を形成し、
ｄ）水輸送構造体の分離された一片（１９）を搬送し、
ｅ）前記水輸送構造体の分離された一片（１９）と上側及び／又は下側にある流板（２．１、２．２）とを接合して加湿モジュール（８）又は加湿モジュール（８）の積層構造を形成するために、水輸送構造体（４）の分離された一片（１９）の下側及び／又は上側に流板（２．１、２．２）を積層する。
【請求項41】
請求項１乃至３０のいずれか一項に記載の、水輸送構造体（４）、加湿モジュール及び／又は加湿器の生産に用いるデバイスであって、
水輸送層（５）および少なくとも一つの多孔質熱可塑性保護層（６）の連続的な又は非連続的な供給のための装置（１３）と、
圧縮された領域が水およびガスに対して気密性を備えるように、水輸送層と少なくとも一つの熱可塑性保護層とを少なくとも部分的に熱圧着するための装置（１４）と、を備える。
水輸送層（５）および少なくとも一つの多孔質熱可塑性保護層（６）の連続的な又は非連続的な供給のための装置（１３）と、
圧縮された領域が水およびガスに対して気密性を備えるように、水輸送層と少なくとも一つの熱可塑性保護層とを少なくとも部分的に熱圧着するための装置（１４）と、を備える。
【請求項42】
連続的または非連続的な供給をするための前記装置（１３）は、前記水輸送層（５）が２つの熱可塑性保護層（６）の間に配置されるように設計されていることを特徴とする、請求項４１に記載のデバイス。
【請求項43】
前記連続的な供給はコイル（１５）を用いて実現されていることを特徴とする、請求項４１または４２に記載のデバイス。
【請求項44】
前記非連続的な供給はブランクの供給によって実現されていることを特徴とする、請求項４１または４２に記載のデバイス。
【請求項45】
前記熱圧着された水輸送構造体の端部を切断し、前記熱圧着された水輸送構造体に開口部を形成するための切断装置を追加的に備えることを特徴とする、請求項４１乃至４４のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項46】
前記切断装置（１６）は、レーザを用いた切断装置（１７）、又は打ち抜き装置を用いて実現されていることを特徴とする、請求項４５に記載のデバイス。
【請求項47】
熱圧着と開口部の切り抜き及び／又は縁部の切断は、単一の製造装置で実施されることを特徴とする、請求項４５または４６に記載のデバイス。
【請求項48】
同一又は異なる形状を備える水輸送構造体（４）および流板（２．１、２．２）を所定の順序に積層する積層装置（１８、２８）を追加的に有することを特徴とする、請求項４１乃至４７のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項49】
請求項４８に記載のデバイスは少なくとも、
ａ）水輸送構造体（４）を連続的に形成する際の出発生産物として、水輸送層（５）と、上層および下層の多孔質熱可塑性保護層（６）と、を連続的に供給するためのコイル供給部を有する装置（１３）と、
ｂ）連続的な形状を備える水輸送構造体（４）に熱圧着を実施するための装置（１８）と、
ｃ）連続的な形状を備える水輸送構造体（４）に開口部を形成するための装置（１６）と、
ｄ）前記水輸送構造体の分離された一片（１９）と下にある流板（２．１、２．２）とを接合して加湿モジュール（８）及び／又は加湿モジュールの積層構造を形成するために、連続的な形状を備える水輸送構造体（４）の下に流板（２．１、２．２）を積層し、連続的な形状を備える水輸送構造体を個々の一片（１９）に分離するための装置（１８）と、を備える。
ａ）水輸送構造体（４）を連続的に形成する際の出発生産物として、水輸送層（５）と、上層および下層の多孔質熱可塑性保護層（６）と、を連続的に供給するためのコイル供給部を有する装置（１３）と、
ｂ）連続的な形状を備える水輸送構造体（４）に熱圧着を実施するための装置（１８）と、
ｃ）連続的な形状を備える水輸送構造体（４）に開口部を形成するための装置（１６）と、
ｄ）前記水輸送構造体の分離された一片（１９）と下にある流板（２．１、２．２）とを接合して加湿モジュール（８）及び／又は加湿モジュールの積層構造を形成するために、連続的な形状を備える水輸送構造体（４）の下に流板（２．１、２．２）を積層し、連続的な形状を備える水輸送構造体を個々の一片（１９）に分離するための装置（１８）と、を備える。
【請求項50】
請求項４８に記載のデバイスは少なくとも、
ａ）水輸送構造体（４）を連続的に形成する際の出発生産物として、水輸送層（５）と、上層および下層の多孔質熱可塑性保護層（６）と、を連続的に供給するためのコイル供給部を有する装置と、
ｂ）連続的な形状を備える水輸送構造体（４）に熱圧着を実施するための装置（１８）と、
ｃ）水輸送構造体（４）の外面形状を切断し、選択的に水輸送構造体（４）に開口部を形成するための装置（１６）と、
ｄ）水輸送構造体の分離された一片（１９）を搬送するための装置（２２）と、
ｅ）他の装置と空間的に分離されており、前記水輸送構造体の分離された一片（１９）と上側及び／又は下側にある流板（２．１、２．２）とを接合して加湿モジュール（８）又は加湿モジュール（８）の積層構造を形成するために、水輸送構造体（４）の分離された一片（１９）の下側及び／又は上側に流板（２．１、２．２）を積層するための装置（２８）と、を備える。
ａ）水輸送構造体（４）を連続的に形成する際の出発生産物として、水輸送層（５）と、上層および下層の多孔質熱可塑性保護層（６）と、を連続的に供給するためのコイル供給部を有する装置と、
ｂ）連続的な形状を備える水輸送構造体（４）に熱圧着を実施するための装置（１８）と、
ｃ）水輸送構造体（４）の外面形状を切断し、選択的に水輸送構造体（４）に開口部を形成するための装置（１６）と、
ｄ）水輸送構造体の分離された一片（１９）を搬送するための装置（２２）と、
ｅ）他の装置と空間的に分離されており、前記水輸送構造体の分離された一片（１９）と上側及び／又は下側にある流板（２．１、２．２）とを接合して加湿モジュール（８）又は加湿モジュール（８）の積層構造を形成するために、水輸送構造体（４）の分離された一片（１９）の下側及び／又は上側に流板（２．１、２．２）を積層するための装置（２８）と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、水輸送構造体、加湿モジュール、加湿器、及び水輸送構造体を製造するための装置に関する。水輸送構造体は、燃料電池のプロセスガスの加湿に好適に用いられる。
【背景技術】
【0002】
特に、燃料電池は、電流を生成するために水素分子および酸素分子のような気体状のプロセス媒体を使用する。
【0003】
このような燃料電池は、通常、ポリマー電解質膜（ＰＥＭ：polymer-electrolyte membranes）を使用する。動作中に、このようなＰＥＭは、８０℃または９０℃まで加熱される。ＰＥＭの領域において、温度および湿度を相対的に安定した状態とすることは、燃料電池の効率化のためだけではなく、ＰＥＭの耐久性のためにも重要である。特に、ＰＥＭの乾燥は、燃料電池の耐久性と効率化に悪影響を及ぼす。
【0004】
燃料電池に供給されるプロセスガスの湿度を意図的に設定するために、通常、それらが燃料電池に供給される前に、特定のプロセスガスを加湿している。この目的のために、流路を含む２つの流板（flow plates）の間に透水性膜が配置されている加湿器が知られている。この透水性膜または水輸送層は、その一方の側で加湿される乾燥ガスの流れと、他方の側で除湿される必要があるガスの流れとを分離する。
【0005】
少なくとも最小限の加湿特性を備える透水性膜は実質的に気密であるので、両方のガス中の水分量は所定の値に到達し、またこれらのガスの混合は防止される。しかしながら、既知の加湿器は生産するのにとても費用がかかり、また、所望の湿度交換を保証するために、製造公差と取付公差とが非常に近くなるようにする必要があるため、不利である。
【0006】
これらの構造体は、従来技術において使用されるように、この目的のために使用される。特に、透水性膜は、水輸送層が極端に薄く軟弱なため、特定の困難を引き起こす。もし、熱可塑性保護層が脆弱な膜（membrane）の保護に使用されたら、その多孔性は、自動化されたプロセスで使用される真空把持装置を用いて把持および位置決めすることを妨げる。このため、位置決め手順が非常に複雑になり、ほんの僅かな不正確性でリークが発生する。例えば、折り畳まれた、または誤って挿入された膜によって引き起こされる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
したがって、加湿器とそれに接続された燃料電池システムが完璧に動作することができるような、水輸送構造体、加湿モジュール、加湿器、及び、これらに関する製品を大量生産し、費用効率の高い巧妙なデザインを与えるための装置ならびに方法を提供することが本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【0008】
この目的は、独立請求項の構成要件によって達成される。第１に、これは水輸送構造体であり、特に、燃料電池のプロセスガスの加湿のために使用され、次の要件を含む。
透水性と実質的に気密性を備える水輸送層、ならびに、
少なくとも一つの熱可塑性保護層。
水輸送層および熱可塑性保護層は、少なくとも一部において互いに重畳し、第１および第２の重畳領域を形成する。
水輸送構造体は前記第１の重畳領域において透水性を有し、前記第２の重畳領域において熱圧着されることで、水およびガスに対して気密性を備える。
【0009】
接合の前に、水輸送層や熱可塑性保護層または複数の層が少なくとも部分的に重畳するように、それぞれ配置されている。しかしながら、これは、これらが同一の外縁を有する必要があることを意味するものではない。ここでは、重なりが存在していることのみが必要とされている。
【0010】
本発明において、この重なりは２つの領域、つまり第１の重畳領域と第２の重畳領域とを有する。
【0011】
この点に関して、第１の重畳領域では、熱可塑性保護層を介して湿気または湿潤ガスが通過できることが重要である。これは、少なくとも一部において水輸送構造体が有する熱可塑性保護層が、本発明の実現を可能にするために、透水性および気体透過性を備える必要があることを意味する。
【0012】
熱圧着されている第２の重畳領域において、ガス、特に湿気のあるガスに対して透過性を備えず、したがって熱可塑性保護層の下に位置する水輸送層に湿気のあるガスが到達できないように、熱可塑性保護層は熱圧着されている。これは、第２の重畳領域において、前述したように圧縮された熱可塑性保護層が、好ましくはその平面方向とその平面方向と垂直な方向との両方において、水やガスに対して透過性を備えないことを意味する。一般的に、下にある水輸送層は、全面において少なくともガスに対して透過性を備えないが、液体に対しては透過性を備える。これは面と垂直な方向において特にそうである。
【0013】
熱圧着の際、圧力を用いて、接続される領域に熱間圧延または熱間鍛造が施される。本発明にかかる水輸送構造体では、使用される典型的な圧力は、０．１〜５ＭＰａであり、好ましくは０．８〜２ＭＰａであり、典型的な温度は、１５０〜３００℃、好ましくは２２０〜２７０℃である。使用される正確な条件は、特に使用される材料に依存する。
【0014】
本発明の有用な変形例は、他の請求項に記載されている。
【0015】
有用な変形例では、熱可塑性保護層は、水輸送層の両側に設けられている。これは、この手段を備える水輸送層が両側で保護されるので、水輸送層の非常に優れた保護を可能にする。しかしながら、この三層構造は、本発明の必須の要素ではない。二層構造、並びに更なる層を備える構造、または追加の中間層を備える構造はそれぞれ、本発明に含まれる。
【0016】
有用な変形例では、第２の重畳領域の厚さは第１の重畳領域の厚さと比べて薄い。
【0017】
ここで、第２の重畳領域の最小の厚さは、この領域が湿潤ガスを通過させない程度の厚さとすることができる。第１の重畳領域の厚さは、第１の重畳領域の最大の厚さを採用することができる。技術的な理由のために、層の厚さの様々な変形例は、第２の重畳領域から第１の重畳領域に向かって安定的に厚さが増加する移行領域において示される。この移行領域では、少なくともある程度の湿潤ガスは通過することができる。しかし、本明細書では、この移行領域は第１の重畳領域の一部であるものとする。
【0018】
更なる形態では、第２の重畳領域は、第１の重畳領域の少なくとも２つの長手方向の縁部において、第１の重畳領域の範囲を定める。これは、コイル材料のアセンブリが連続的に水輸送構造体を形成する際に特に有利である。この場合は、個々の部分（segments）、例えば、コイルの長手方向の縁部に垂直な成分を分離することができる。
【0019】
しかしながら、これはまた、第２の重畳領域が円周方向において第１の重畳領域の範囲を定めることを可能にする。このように、水輸送構造体のいわゆる活性領域の側面のシーリングはこのような簡単な方法で実現することができる。
【0020】
有用な変形例では、第１の重畳領域の厚さは３５〜６００μｍであり、第２の重畳領域の厚さは、第１の重畳領域の厚さの１０〜７５％、好ましくは２０〜５０％である。厚さは、１つ又は２つの熱可塑性保護層が存在しているかどうかに強く依存する。一般的に、第１の重畳領域における熱可塑性保護層自身の厚さは、３０〜２５０μｍであり、好ましくは８０〜１１０μｍである。第１の重畳領域における水輸送層の厚さは、一般的に８〜３０μｍであり、好ましくは１５〜３０μｍである。
【0021】
有用な変形例では、第１の重畳領域における熱可塑性保護層は多孔質（porous）であり、好ましくは５０〜９５％の気孔率を有する。
【0022】
ここで、この多孔構造により、湿潤ガスが熱可塑性保護層を通り水輸送層まで拡散する。多孔構造は、熱的にも機械的にも熱圧着の影響を受けない熱可塑性保護層の領域であると考えられている。よって、第２の重畳領域に向かう移行領域でもない。また、有用な実施形態では、第２の重畳領域における熱可塑性保護層は本質的に非多孔質であり（多孔構造ではない）、よって、この領域における熱可塑性保護層の密度は、上述した第１の重畳領域の多孔構造の領域の密度よりも高い。
【0023】
一実施形態では、第２の重畳領域において、開口部は切り抜き、打ち抜き、レーザ加工によって形成される。これは、第２の重畳領域に完全に囲まれた、所謂、内部領域に関連している。しかし、少なくとも第２の重畳領域における水輸送構造体の外周部分はまた、別な方法として、又は追加的に、切り抜き、打ち抜き、レーザ加工によって形成することができる。
【0024】
好ましい実施形態では、水輸送層は、支持体上に載置することができる非補強の膜（non-reinforced membrane）を用いて構成することができる。保護層と同様に、支持体には、熱可塑性繊維紙、繊維ロービング（fiber rovings）、フリースまたはポリマー繊維を使用した繊維織り（fiber weave）を用いることができる。他の有用な実施形態では、水輸送層は、補強された膜を用いて実現されている。
【0025】
一実施形態では、熱可塑性保護層は、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフタルアミド、ポリエチレンテレフタレート、及び／又はポリブチレンテレフタレートを含み、又はこのような材料から成る。これは、上述の材料が単一の状態で使用されることを意味する。しかしながら、熱可塑性保護層は、これらの材料を積層して形成してもよく、またはこれらの材料を混合して形成してもよい。
【0026】
一実施の形態では、水輸送層は、多孔質材料、コーティングされた及び／又は含浸された織り（Texapore（登録商標）、Venturi（登録商標））、層状膜（ゴアテックス（登録商標））、イオノマーが含浸された膜、高分子電解質膜（ナフィオン（登録商標））、親水性膜、又は隔膜を用いて実現することができる。これらの材料は市販されているが、一般的に非常に壊れやすい。したがって、本発明は、これらの水輸送層を保護するのに有用である。本明細書に記載の含浸は、水輸送層の特性を改良する含浸である。この含浸は、水輸送層の全領域に適用される。既製の水輸送構造体の外縁に局所的に適用される含浸には関係しない。そのような含浸は、外側への漏れに対する気密性を向上させるために従来技術において使用されている。
【0027】
本発明は更に、加湿モジュール、特に、少なくとも第１及び第２の流板と、上述したように第１の流板と第２の流板との間に配置された水輸送構造体とを備える燃料電池のプロセスガスの加湿のための加湿モジュールに関連する。ここで、第１及び第２の流板はそれぞれ、ガスをガイドするための流路構造を備える。
【0028】
有用な変形例では、水輸送構造体は、その第２の重畳領域の少なくとも一部において第１及び／又は第２の流板に接着接合されている。この方法により、加湿モジュールの気密を確実にすることができる。また、この配置は、前述した保護されていない水輸送構造体と比較して、機械的な応力や曲げに対して強くすることができる。これに関連して、接着剤による接合は、水輸送構造体及び／又は第１及び／又は第２の流板の外縁領域の少なくとも一部において実施されているため有利である。接着、溶融、溶接、特に超音波溶接は、流板と水輸送構造体との間を接合するために用いられる。
【0029】
他の実施形態では、第１及び／又は第２の流板は、流路構造を取り囲むシール領域を備える。ここで、水輸送構造体は、シール領域に配置し、圧力ばめを用いることで、第１及び／又は第２の流板に接続される。
【0030】
他の好ましい実施形態では、第１及び第２の流板は、流路構造を取り囲むシール領域を備える。ここで、構造は両方の流板に形成されており、流板は少なくとも一部において相互補完している（例えば、さね継ぎ）。流板は、このような相補的な構造を用いて互いに接合されている。気密性は、相補的な構造の間に水輸送構造体を固定することで達成することができる。圧縮された第２の重畳領域がこれらの構造の間に固定されることが好ましい。接続は、ポジティブフィット（positive fit）と圧力ばめ(force fit)で実現される。最適なシールを得るために、相補的な構造は、水輸送構造体に取り付けられた際に最適にフィットするように設計される。
【0031】
加湿モジュールの第１及び／又は第２の流板は、積層方向において媒体をガイドするための開口部を備え、この開口部は水輸送構造体の第２の重畳領域の開口部と少なくとも一部において重なるようにすることが有利である。これにより、積層方向において媒体（特にガス）を安全かつ気密にガイドできる。
【0032】
他の実施形態として、第１及び／又は第２の流板が、媒体を積層方向にガイドするための開口部を備えるが、媒体をガイドするためのこれら全ての開口部は、水輸送構造体によってカバーされる各々の流板のその部分の外部に配置されていると有利である。この他の実施形態では、水輸送構造体の外側輪郭は、上記の実施形態に比べて小さくなっており、よって材料を節約することができる。
【0033】
有用な変形例では、流板の少なくとも一部は、熱可塑性材料、弾性プラスチック、又は熱硬化性樹脂で形成されており、及び／又は、少なくとも一部は腐食安定性金属材料からなる。
【0034】
一実施形態では、水輸送構造体の第１の重畳領域は、少なくとも一部において第１及び第２の流板の流路構造と重なる。これにより、水輸送層を通過する湿度は、所望の流路に導かれ、これらのさらなる流路において、加湿モジュールの排出口に到達する。
【0035】
一実施形態では、第１及び第２の流板は、材料の選択、流路の形状、流路の方向、及びシーリングの外形の少なくとも一つにおいて互いに異なる。これは、媒体が異なる流板の所定のコースを通るようにガイドする際に有効である。しかし、これは、流板の構造が同一となることを排除するものではない。
【0036】
しかし、変形例では、Ａの形状を備える流板とＢの形状を備える流板とを、流板の積層がＡ−Ｂ−Ａ−Ｂのような順序となるように配置することが有利である。Ａ−Ｂ−Ａ−Ｂの順序に積層することで、流板Ａの両側において、湿潤ガスが流路構造に流れて加湿され、流板Ｂの両側において、湿潤ガスが流路に流入するので有利である。そして、１つの水輸送構造体が全ての流板の間に配置されることが好ましい。
【0037】
本発明はまた、加湿器、特に燃料電池のプロセスガスを加湿するための加湿器に関し、次の要件を含む。乾燥ガスが注入される第１の注入口と湿潤ガスが排出される第１の排出口と、
湿潤ガスが注入される第２の注入口と除湿されたガスが排出される第２の排出口と、
少なくとも１つの上記加湿モジュールと、を備える。
加湿モジュールの流路構造はそれぞれ、上記の注入口または排出口の少なくとも一つに接続されている。
【0038】
このような加湿器は燃料電池システムに有利に接続することができる。このように、加湿器は、効率的にまた大規模に生産可能であり、燃料電池システムのプロセスガスが必要とする程度に加湿することができる。
【0039】
更に、本発明は、水輸送構造体、加湿モジュール、及び／又は加湿器の生産に用いる装置に関し、次の要件を含む。水輸送層および少なくとも一つの多孔質熱可塑性保護層の連続的な又は非連続的な供給のための装置（arrangement）と、
水輸送層と少なくとも一つの熱可塑性保護層とを少なくとも部分的に熱圧着するための装置（arrangement）と、を備え、
熱圧着は、圧着される領域が水およびガスに対して気密性を備えるように実施される。
【0040】
本発明によれば、装置はこのように連続的又は非連続的に働く。本発明の特性を備えた前述の第１及び第２の重畳領域が得られるように、少なくとも２つの層の熱圧着が実施されることが重要である。
【0041】
一実施形態では、連続的または非連続的な供給をするための装置は、水輸送層が、２つの多孔質熱可塑性保護層の間に配置されるように設計されている。これは好ましい変形例であるが、上述したような層数が異なるバリエーションも可能である。
【0042】
一実施形態では、連続的な供給はコイルを用いて実現される。水輸送層と熱可塑性保護層はそれぞれ、コイル材料を用いることで大規模な工業規模で利用可能である。これにより、連続的な方法で水輸送構造体を容易に製造することができる。別の方法として、個々の材料のブランク（blanks）は、アセンブリを形成するために、熱圧着前に重なるように使用することができる。この別の方法の一実施形態は、各々のブランクが、これらが互いに重なる前に、剥離フィルムで覆われて格納されることで実現される。
【0043】
熱圧着は所定の領域、好ましくは個々の領域で実施され、全面のラミネーションは実施されないことを強調すべきである。個々の領域における熱圧着は、例えば枠状の型（stamp）を用いて実現することができる。他の手法として、長手方向および横方向（コイル材料の供給方向に対して）における熱圧着は別々に実施することができる。この目的のために、長手方向における熱圧着は、加熱されたロールを用いて連続的なプロセスとして実施され、横方向における熱圧着は、単一またはいくつかの加熱された型を用いて個別のプロセスとして実施されることが好ましい。いくつかの型（例えば２つの型）が用いられた場合は、基本的にこれらが互いに平行になるように配置することが好ましい。
【0044】
材料の長手方向縁部に隣接した箇所の熱圧着は、平坦でオープンな縁部に異なる層が次々と供給されることにより実施することができる。ここで、水輸送層の縁部は、多孔質熱可塑性保護層の端部とぴったり重なるように、又はこの縁部を超えるように、又はこの縁部と離間するように配置される。層の縁部を平坦でオープンな状態にする代わりに、少なくとも一つの層を別の層に折り畳むことで、裾（hem）のようなものを形成することもできる。この後者の実施形態は、熱圧着ロールを用いた連続的なプロセスと組み合わされることが好ましい。３層構造の場合、有利な変形例として、第１層目の多孔質熱可塑性保護層の横方向両側の外側縁部が、水輸送層の横方向の外側縁部に折り畳まれ、連続的なステップにおいて、第２層目の多孔質熱可塑性保護層の横方向両側の外側縁部がこのようにして形成された裾（hem）に折り畳まれる。一方、２つの層をこのような方法で折り畳むことで中間熱圧着が実施され、両方の折り畳みが完了した時点で、第２の熱圧着ステップが実施される。これにより、第３の層が折り畳まれる前に、中間の裾（hem）を平坦にすることができるという利点がある。一方で、裾の形成が完了した時点で、単一の熱圧着ステップが実施される。
【0045】
一実施形態によると、装置は、熱圧着された水輸送構造体を切断し（特に、端部を切断し）、また開口部を形成するための切断装置を追加的に備える。これは、レーザや切断装置、打ち抜き装置を用いることで有利に実現される。
【0046】
これに関連して、熱圧着と開口部の切り抜き及び／又は縁部の切断は、単一の製造装置（work station）で実施することができるがこれは必須ではない。特に組み合わされた工具を用いることで、打ち抜き装置や切断ナイフを用いて熱圧着と同時に切断することで、一連のプロセスを最適化できるという利点がある。
【0047】
一実施形態において、組立装置は、水輸送構造体と流板とを所定の順序に積層するように設計された積層装置を追加的に有する。水輸送構造体と流板は同一のサイズでもよくサイズが異なっていてもよい。このような方法により、対応する積層構造が「成長」する。流板の供給は、例えば横方向において適切なロボットアームを用いることで実現してもよい。そうすることで、水輸送構造体の供給は、個々の層の供給に比べてかなり促進される。水輸送層は気密であるため、熱可塑性保護層の多孔性に起因する負の要因なしに、水輸送構造体を真空グリッパを用いて把持することができる。よって、扱う部品の点数を減らすことに加えて、把持および位置決めが促進される。
【0048】
この組立装置の特有の構造は、少なくとも下記の装置を備える。ａ）水輸送構造体を連続的に形成する際の出発生産物として、水輸送層と、上層および下層の多孔質熱可塑性保護層と、を連続的に供給するためのコイル供給装置、
ｂ）連続的な形状を備える水輸送構造体に熱圧着を実施するための装置、
ｃ）連続的な形状を備える水輸送構造体に開口部を形成するための装置、
ｄ）前記水輸送構造体の分離された一片（section）と下にある流板とを接合して加湿モジュール及び／又は加湿モジュールの積層構造を形成するために、連続的な形状を備える水輸送構造体の下に流板を積層し、連続的な形状を備える水輸送構造体を個々の一片に分離する装置。
【0049】
これにより、大規模な工業規模における連続的なプロセスが実現できるという利点がある。特に、使い残しの材料、つまり、加湿モジュールの積層構造に使用されていない水輸送構造体の一部を、組立装置の端部において連続的に巻き上げることができ、したがって、処分やリサイクルを促進することができるという利点がある。特に、このロール・ツー・ロールの装置によって、折り畳まれたり曲げられやすい箔に張力を与えることができるという利点がある。これにより、連続的な形状を備える水輸送構造体から切断されたブランクを、張力が働いている状態で流板に接続することができる。これは、特に、水輸送層にも当てはまり、熱可塑性保護層にも適用することができる。したがって、折り曲げられたりしわができることを回避することができ、よって、生産される加湿器の気密性を保持できるという利点がある。
【0050】
この組立装置の他の特有の構造は、少なくとも下記の装置を備える。ａ）水輸送構造体を連続的に形成する際の出発生産物として、水輸送層と、上層および下層の多孔質熱可塑性保護層と、を連続的に供給するためのコイル供給装置、
ｂ）連続的な形状を備える水輸送構造体に熱圧着を実施するための装置、
ｃ）水輸送構造体の外面形状を切断し、選択的に水輸送構造体に開口部を形成するための装置、
ｄ）水輸送構造体の分離された一片を搬送するための装置、
ｅ）前記水輸送構造体の分離された一片と上側及び／又は下側にある流板とを接合して加湿モジュール又は加湿モジュールの積層構造を形成するために、水輸送構造体の分離された一片の下側及び／又は上側に流板を積層する装置。
【0051】
ここで、外縁の切断後に残っ材料を巻き上げ、張力が働いた状態で材料の異なる搬送経路を維持することが可能である。水輸送層は気密性を備えるので、水輸送構造体の分離された一片は、真空グリッパを用いて切断装置から容易に取り除くことができ、そして直接的又は間接的に加湿モジュールを形成するための積層装置または接合装置に搬送される。間接的な搬送に関して、水輸送構造体の分離された一片は大量に集められ、その後、既に形成された水輸送構造体の各々は、他の装置から空間的に分離された積層装置または接合装置に供給される。
【0052】
可能な変形例として、熱可塑性保護層、水輸送層、及び上述した他の熱可塑性保護層と同一である個々の材料の拡散媒体、膜および拡散媒体は、装置のコイルから供給され、上下に平行に配置される。片側又は両側から作用する熱間鍛造装置または印圧加工ロールは、構造体（compound）の対向している両端部を溶接して密閉する。このようにすることで、熱可塑性拡散媒体は溶解して圧縮される。この方法により、これらの層の多孔性は、処理された領域内、つまり溶接された領域で消失される。最後に、平坦で主に滑らかな端部構造が得られる。これは、構造体の中心に位置している膜を固定している。更に、端部構造は膜に接着接合され、したがって、機械的ストレスから脆弱な膜を保護することができる。加えて、膜のシーリング又は流板への接着剤の供給のための理想的な領域が形成される。流板に構造体を取り付ける前に、構造体が流板にフィットするように、外縁部分を取り除いて構造体の輪郭が調整される。これは、例えば切り抜き、打ち抜き、又はレーザを用いて実施することができる。輪郭の形成は、例えば、真空グリッパ上で直接的に、又は構造体を直接流板に置いて後者に接続することにより実現することができる。後者の場合、構造体の所定の輪郭が板上で直接的に切り抜かれる。流板へのシーリング接合は、ガスケットを用いて、接着剤を用いて、又は構造体を流板に直接溶融・溶接することで、実現される。水輸送構造体は縁部において既に気密性を備えているので、輸送構造体の流板に対する位置決めはかなり促進され、よって、不整合やリークが改善される。交互に繰り返して層を積層することが促進され、より迅速に、よりコストを低減することができる。
【0053】
多くの加湿器の積層体では、水輸送構造体の両側のシーリング領域は列んでいない。これらは、流板−インターフェース１−水輸送構造体−インターフェース１−流板−インターフェース２−水輸送構造体−インターフェース２−流板・・・のように交互に配置されている。ここで、２つのインターフェース１、２を同一の平面に投影した際、インターフェース１におけるシーリング領域は、インターフェース２におけるシーリング領域に対してシフトしている。この状態において、膜の輪郭は、２つのインターフェース１で適用されたか、又は２つのインターフェース２で適用されたかによって、一般的に異なっている。このような構成により、２つの輪郭のうちの小さい方が必要とする幅よりも広い熱圧着を実現することができ、また熱圧着領域内において順番に必要な輪郭を切り抜くことができるという利点を備える。既に述べたように、これは、レーザ切断を使用することで、高速、高精度かつ柔軟に実施することができる。
【0054】
本発明はいくつかの図面を用いて説明される。図面について議論する際、たとえこれらが明示的に述べられていなくても、異なる図面における同一の符号は同一の要素を示す。追加的な情報として、明細書の最後に記載の符号のリストを参照することができる。
【図面の簡単な説明】
【0055】
【図1A】本発明にかかる加湿器を示す図である。
【図1B】本発明にかかる加湿器を示す図である。
【図2A】２つの流板と、２つの流板の間に配置された本発明にかかる水輸送構造体とを備える加湿モジュールの詳細を示す図である。
【図2B】２つの流板と、２つの流板の間に配置された本発明にかかる水輸送構造体とを備える加湿モジュールの詳細を示す図である。
【図3A】本発明にかかる水輸送構造体の実施形態の詳細を示す図である。
【図3B】本発明にかかる水輸送構造体の実施形態の詳細を示す図である。
【図3C】本発明にかかる水輸送構造体の実施形態の詳細を示す図である。
【図3D】本発明にかかる水輸送構造体の実施形態の詳細を示す図である。
【図4】加湿モジュールの分解図である。
【図5A】本発明にかかる製造装置の選択的な詳細を示す図である。
【図5B】本発明にかかる製造装置の選択的な詳細を示す図である。
【図5C】本発明にかかる製造装置の選択的な詳細を示す図である。
【図5D】本発明にかかる製造装置の選択的な詳細を示す図である。
【図6A】本発明にかかる水輸送構造体の実施形態の例を示す図である。
【図6B】本発明にかかる水輸送構造体の実施形態の例を示す図である。
【図7A】加湿器の２つの例示的な生産工程を示す図である。
【図7B】加湿器の２つの例示的な生産工程を示す図である。
【図8A】本発明にかかる水輸送構造体の端部の他の構成例を示す図である。
【図8B】本発明にかかる水輸送構造体の端部の他の構成例を示す図である。
【図9A】本発明にかかる水輸送構造体の外側端部の生産工程の３つの中間状態と最後の状態を示す更なる他の構成例をである。
【図9B】本発明にかかる水輸送構造体の外側端部の生産工程の３つの中間状態と最後の状態を示す更なる他の構成例をである。
【図9C】本発明にかかる水輸送構造体の外側端部の生産工程の３つの中間状態と最後の状態を示す更なる他の構成例をである。
【図9D】本発明にかかる水輸送構造体の外側端部の生産工程の３つの中間状態と最後の状態を示す更なる他の構成例をである。
【図10】加湿器の他の生産工程を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0056】
図１Ａは、２つのエンドプレート９の間に積層され圧縮された複数の層構造の加湿モジュール８を備える加湿器１を示す。ガスはエンドプレートを介して供給、排出される。このように、加湿器１は、燃料電池のプロセスガスを加湿するための加湿器であり、乾燥ガス（矢印Ｂ）を供給するための第１の注入口、加湿されたガス（矢印Ｃ）を排出するための第１の排出口、湿潤ガス（矢印Ａ）を供給するための第２の注入口、除湿されたガス（矢印Ｄ）を排出するための第２の排出口を有する。図１Ｂは全体的な構成を概略的に示しており、乾燥したプロセスガスはコンプレッサＫから供給ラインＢを介して加湿器Ｈに供給され、加湿されたガスは排出口Ｃを通り燃料電池のスタックＳに供給される。燃料電池のスタックＳから放出された湿潤ガスは供給ラインＡを介して加湿器Ｈに供給される。ここでは、コンプレッサＫから供給ラインＢを介して供給された乾燥ガスにこの水分が放出される。除湿されたガスは排出口Ｄを介して加湿器Ｈから放出される。
【0057】
図２Ａは、加湿モジュール８を示す。いくつかのこのような層状の加湿モジュール８は、図１に示した加湿器内において積層されている。加湿モジュール８はまたいくつかの層を備え、これは図２Ｂの分解図を用いて説明される。対照的に、図２Ａの前面では第２の流板２．２が示される。図２Ｂは、図２Ａに示す加湿モジュール８の分解図を示す。
【0058】
第１の流板２．１と第２の流板２．２と間に配置された水輸送構造体４が中央部に示される。水輸送構造体４では、熱可塑性保護層の多孔質領域がハッチングを用いて示されており、周囲部分は多孔質ではないためガスが通過しない。この配置の詳細は、図３Ａおよびそれ以降の図を用いて詳細に説明される。図２Ｂに関連して、第１および第２の流板はそれぞれ、水輸送構造体４に向かってガスをガイドするための流路構造３を備える。これらの流路構造はそれぞれ開口部７を介して注入口Ａ，Ｂの一つ、排水口Ｃ，Ｄの一つに接続されており、これは図１の説明においてすでに説明した。このようにして、湿潤ガスは水輸送構造体４に向かって導かれ、また水輸送構造体４から排出される。流板と水輸送構造体４の開口部７もそれぞれ、注目に値する。これらは、流板または水輸送構造体４の平面と垂直な方向に媒体を輸送するために、積層方向に配置された領域に配置されている。図２Ｂにおける開口部の形状および量は一例であり、他の形状であってもよく、それらはまた図３Ａおよびこれ以降の図面に示した形状に限定されることはない。
【0059】
次に、図３Ａ〜図３Ｄを用いて本発明にかかる水輸送構造体４について説明する。図３Ａは水輸送構造体の上面図である。図３Ｂは、関連する上面図であり、水輸送構造体４と流板２．１及び／又は２．２とをそれぞれ積層する際に位置決めを補助する位置決め孔１２を追加的に備える水輸送構造体４を示す。したがって、この構成では全ての開口部は整列され、構造体のしわや曲げを最大限防止することができ、組み立てられた積層体において最良の気密性が達成される。
【0061】
図３Ａ〜図３Ｄは、燃料電池のプロセスガスの加湿に好適に用いることができる水輸送構造体４を示し、水輸送構造体４は、透水性と基本的に気密性を備える水輸送層５と、少なくとも一部において水およびガスに透過性を示す少なくとも一つの熱可塑性保護層６と、を備える。水輸送層５および熱可塑性保護層６は少なくとも一部において互いに重畳しており、第１の重畳領域１０と第２の重畳領域１１とを備える。第１の重畳領域１０における水輸送層５には熱可塑性保護層６を介して湿潤ガスが侵入可能であり、水輸送構造体は、第２の重畳領域１１における水輸送層５に、圧縮された熱可塑性保護層６を介して湿潤ガスが侵入できないように、第２の重畳領域１１において熱圧着されている。
【0062】
図３Ｃ、図３Ｄ（図３ｃ〜図３ｆ）において、熱可塑性保護層６は水輸送層５の両側に配置されているのは明らかである。異なる層数を有する実施形態も可能である。図３ｃ〜図３ｆにおいて、第２の重畳領域１１の厚さは、第１の重畳領域１０の厚さと比べて薄い。第１の重畳領域１０にける最大厚さは２００μｍであり、図３ｃにおいて両矢印ｄ１で示されている。第２の重畳領域１１における最小厚さは８０μｍであり、両矢印ｄ２で示されている。特に、輸送領域では、図３ｃと図３ｄ（図３ｃの一部を詳細に示している）に示すように、厚さは上述の２つの値の間をとるようにすることができる。湿潤ガスを通すために、例えば、図３ｃ〜図３ｆに示すように、熱可塑性保護層６は第１の重畳領域１０において多孔質である。第２の重畳領域１１において、この層は、湿潤ガスが通過しないように本質的には非多孔質である。第１の重畳領域１０における気孔率は約８０％に達する。
【0063】
図３Ｄ（図３ｅと図３ｆ）は、大きさの他の比率を示す。第１の重畳領域１０における最大厚さｄ１’は約２５０μｍである。第２の重畳領域１１における最小厚さｄ２’は５０μｍである。第１の重畳領域１０における気孔率は９０％よりも高い。
【0064】
図３Ａおよび図３Ｂに示す水輸送構造体は、円周方向に第１の重畳領域を取り囲む第２の重畳領域を有する。これに代わるものとして、周囲が囲われていない構成も可能であり、例えば図６Ａに示すように、第２の重畳領域が、第１の重畳領域の２つの長手方向端部のみにおいて第１の重畳領域を区切ようにすることもできる。これは特に、連続的な形状を備える水輸送構造体に有利である。
【0065】
図３Ａ〜図３Ｄにかかる実施形態は更に、第２の重畳領域における開口部または通気口７が切り出し、打ち抜き、レーザカットされていることを示す。これらは、図３Ａ、図３Ｂに示すように、取り囲む縁を有する開口部または通気口とすることができる。また、構造体の外縁は、第２の重畳領域の少なくとも一部から切り出し、打ち抜き、及び／又はレーザカットされていてもよい。
【0066】
水輸送層または熱可塑性保護層の材料の選択としては、膨大な種類の材料を用いることができる。本実施例では、水輸送層は、イオノマー膜を用いて実現され、多孔質熱可塑性保護層はポリプロピレンを用いて形成することができる。
【0067】
図４は、横方向における加湿モジュール８の分解図を示す。図４では、流板２．１、２．２のそれぞれの表面が水輸送構造体４の方向を向いており、この表面に延びる流路構造３が示されている。反対側の面は滑らかな表面を有し、例えば表面に対して本質的に鏡面対称な構造を備える、多様な構造を有することができる。
【0068】
積層された状態において、例えば、図２Ａに概略的に示されるように、水輸送構造体４は少なくとも一部において第１及び／又は第２の流板に接着接合されている。図４では、流板２．１と２．２に類似の形態が示されている。ここでは、流板２．１と流板２．２の外縁領域において、接着剤を用いて接合している。図４では、第１の流板２．１と第２の重畳領域との間の接合領域および第２の流板２．２と第２の重畳領域との間の接合領域、追加的な材料３０が示されている。この材料は、例えば、接着剤、溶融可能な材料であり、第２の重畳領域１１に接着接合可能な材料である。また、３０はシーリング材料のみでもよく、望まれるシーリング効果が圧力はめ（forcefit）によって達成される。
【0069】
図４に追加的に示された加湿モジュール８は、積層方向に媒体をガイドするための通路開口部７を備えた第１および第２の流板２．１、２．２を有する。これらの開口部は、図４に示すように、水輸送構造体４の第２の重畳領域の開口部と少なくとも一部において重畳する。これらの通路開口部７から、板の平面に平行に延びる通気口２７を介して、それぞれの流路構造３に媒体が供給される。
【0070】
流板２．１、２．２は、プラスチック、より正確には繊維強化ポリアミドを用いて形成されている。また、これは、腐食安定な金属材料を使用することもできる。
【0071】
水輸送構造体４の第１の重畳領域は、第１および第２の流板の流路構造３と少なくとも一部において重畳する。
【0072】
ここで、第１および第２の流板は異なるように設計されている。これらは、流路構造に向かう供給ライン２７の配置が互いに異なる。このような供給ライン２７は、板２．２にも形成されているが、この部分には示されていない。一般的に、これらの流板は、材料の選択、流路の形状、流路の方向、及び／又はシーリングの輪郭において異なるようにすることができる。
【0073】
図２Ａに示す加湿モジュール８は、図１Ａの説明で前述したように、積層状に配置されている。流板２．１は表面形状Ａを備え、流板２．２は表面形状Ｂを備え、これらの流板の順番をＡ−Ｂ−Ａ−Ｂとし、流板２．１、２．２がそれぞれ反対の面に流路構造を備え、それぞれの単一の水輸送構造体４が流板の間の流路構造３が形成された面に配置されるようにすることも可能である。
【0074】
以下では、水輸送構造体、加湿モジュール、及び加湿器の製造についてそれぞれ説明する。これは以下で説明されるが、製造方法の全ての詳細が開示され、製造のための装置のみならず、その機能についても説明され、また、製造方法についても明確に説明される。
【0075】
図５Ａは、水輸送層を中央のコイル１５から連続的に供給し、また少なくとも一つの多孔質熱可塑性保護層６を図５Ａの上部および下部のコイルから連続的に供給するための装置１３、及び、水輸送層と少なくとも一つの熱可塑性保護層とを少なくとも部分的に熱圧着するための装置１４を示す。熱圧着は、圧着領域が水やガスに対して気密性を備えるように実現される。図５に示す実施形態では、熱圧着は、例えば、水輸送構造体４が図６Ａに示すように連続的に形成されるように、熱圧着型の２つの突起に沿って実施される。図５Ａでは、熱圧着の次に切断装置１６が配置されている。この装置により、構造体をブランク１９に分離することが可能になる。切断線は、例えば、図６Ａに示すように、第２の重畳領域を水平に分離する中央線に沿っている。
【0076】
図５Ｂは、偏向ミラーを有するレーザ装置の概略を示す。この装置により、水輸送構造体４の切断が可能になり、例えば、縁の再成形や開口部の形成が可能になる。
【0078】
図５Ｄは、図５Ａの一部と類似している更なる装置を示す。しかしながら、ここでは、熱圧着のための装置１４と装置１６とが単一の装置で実現されている。両方の装置は互いに独立して制御することができる。
【0079】
図６Ａおよび図６Ｂは、水輸送構造体４の例を示す。図６Ａでは、第１の重畳領域１０は、第２の重畳領域１１に完全に囲まれていないが、図６Ｂでは、第１の重畳領域１０は、第２の重畳領域１１に完全に囲まれている。
【0080】
最後に、図７は、図５Ｄにかかる装置１３、１４、１６を備えた完全な生産プロセスの２つの変形例を示す。加えて、図７Ａの実施形態では、加湿モジュールまたは流板２．１、２．２を積層するための装置が示されており、これは前述した装置の直後に配置されている。特にこの追加的な積層装置は、下から上への二重矢印で示されている昇降テーブルを有する。更に、装置１８の領域では、レーザ切断装置またはレーザ溶融装置が配置されている。流板２．１、２．２の供給は、不図示のロボットにより実現され、供給は水輸送構造体の下で連続的な形状に張力が働いている状態で行われる。図７Ａの右側には、ブランクを切断した後の水輸送構造体の使い残しのコイルが示されている。これらの使い残しも連続的な形状を備える。図７に示す装置１８では、加湿器積層体のためのブランクは、第２の重畳領域１１が第１の重畳領域１０を完全に囲んだ状態で、水輸送構造体の連続的な材料から切断される。よって、水輸送構造体の連続的な材料は、完全には断片に切断されていない。その結果、機械的な張力は、左側の３つのコイルと右側のコイルとの間に働いている。したがって、向かい合った材料は、下部の流板に対して適切な対向配置となるように滑らかに引っ張られており、これによりこれらは完全に平坦に接合される。
【0081】
図７Ｂは、生産プロセスの装置の変形例であり、まず、水輸送構造体４の分離されたブランク１９は、空間的に分離された製造装置２８で流板に接合して加湿モジュールを形成するために、真空グリッパ２２を用いて引き上げられる。
【0082】
図８Ａ及び図８Ｂは、本発明にかかる水輸送構造体４の端部の他の設計例を示す。水輸送層５の外側縁部と熱可塑性保護層６の外側縁部は、図３および図４の例のように同一平面である必要はなく、水輸送層５が熱可塑性保護層６の外側縁部を超えていてもよく、また水輸送層５が熱可塑性保護層６の外側縁部に到達していなくてもよいことは明らかである。前者ではシーリング効果を向上させることができ、後者では典型的に高価な水輸送層５の材料の使用を減らすことができる。
【0083】
図９Ａ〜図９Ｄでは、本発明にかかる水輸送構造体４の外側縁部の他の設計が説明されている。図９Ａ、図９Ｂ及び図９Ｃは、中間生産ステップを示す。第１のステップでは、第１の熱可塑性保護層６の外側縁部が水輸送層５の外側縁部の周りで折り畳まれて裾（hem）が形成されている。次のステップでは、図９Ｂに示すように、３層構造の外側縁部の領域が熱圧着されて、安定で気密性を有する外側縁部（これは次のステップを促進させる）が形成されている。次のステップでは、第２の熱可塑性保護層６の外側縁部が、第１の熱可塑性保護層６と水輸送層５とで形成された既に熱圧着された外側縁部の周りで折り畳まれる（図９Ｃ参照）。最後のステップでは、この第２の３層構造の外側縁部の領域が再び熱圧着されて、優れた安定性と更に改良された気密性を備える外周縁部が形成される。原理的には、これらの４つのステップは、水輸送構造体４の４つの全ての外側縁部において実施することができる。しかしながら、これは、層の供給方向に延びる２つの端部においてのみ実施されるのが好ましい。この点で、連続的なプロセスで熱ロールを用いて熱圧着が実施されるのが最も好ましい。
【0084】
図１０は、加湿器を生産するための例示的な他の製造工程および生産装置を示す。中央のコイル１５からの水輸送層５ｅの連続的な供給および多孔質熱可塑性保護層６の連続的な供給のための装置１３は、図５ａの例に示したように実現される。しかしながら、熱圧着はここでは２つのステップで実施される。水輸送構造体の横方向の外側縁部は、製造装置２４の横方向の両側端部の加熱ロール３４、３４’を用いて熱圧着される。この目的を達成するために、ガイドロール２３を用いて層が供給される。その後、水輸送層と熱可塑性保護層の横方向の熱圧着が装置１４で実施される。その後の製造装置１６、１８は、図７Ａで例示した装置に対応している。
【符号の説明】
【0085】
１、Ｈ 加湿器２．１ 第１の流板
２．２ 第２の流板
３ 流路構造
４ 水輸送構造体
５ 水輸送層
６ 熱可塑性保護層
７ 開口部
８ 加湿モジュール
９ エンドプレート
１０ 第１の重畳領域
１１ 第２の重畳領域
１２ 位置決め孔
１３ 連続的な又は非連続的な供給のための装置
１４ 熱圧着のための装置
１５ コイル
１６ 切断装置
１７ レーザを用いた切断
１８ 積層装置
１９ 水輸送構造体の一片
２２ 真空グリッパ
２３ ガイドロール
２４ 熱圧着のための製造装置
２７ 流路構造に向かう供給ライン
２８ 空間的に分離された製造装置
３０ 追加的な材料、接着剤、及び／又はシーリング材
３４、３４’ 加熱ロール
Ａ 湿潤ガスの供給のための第２の注入口
Ｂ 乾燥ガスの供給のための第１の注入口
Ｃ 加湿されたガスを排出するための第１の排出口
Ｄ 除湿されたガスを排出するための第２の排出口
Ｋ コンプレッサ
Ｓ 燃料電池スタック
ｄ１、ｄ２ 厚さ