JP2007220611A - 燃料電池の加湿装置 - Google Patents

Abstract

【課題】中空糸膜束が占める容積当たりの加湿性能のより一層の向上が実現できる燃料電池の加湿装置を提供する。
【解決手段】複数本の中空糸膜１３を束ねてなる中空糸膜束４を筒状のケース５で収容する中空糸膜モジュール６とを備え、中空糸膜１３の内部を通る第１流路に酸化剤ガスを流通し、ケースに形成されたガス導入孔７Ａから中空糸膜１３の膜外を通ってケース壁に形成されたガス排出孔７Ｂからケース外へと流通する第２流路に排出ガスを流通し、そして、中空糸膜モジュール６内を流れる排出ガスの流速の遅い部分である中空糸膜モジュール６の端部の形状を、中心部がすり鉢状にへこんだすり鉢凹部１７を設けた。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池の加湿装置に関し、詳細には加湿効率の向上を図る技術に関する。

例えば、燃料電池自動車では、その特有の問題としてレイアウト要件が厳しく、酸化剤ガスを加湿して燃料電池へと供給するための加湿装置も例外ではない。特に、加湿装置においては、中空糸膜束が占める容積当たりの加湿性能の向上が重要であり、これまでに加湿性能の向上を目的とした種々の手段が講じられている。ここでいう加湿性能は水蒸気の移動量として定義される。

例えば、加湿性能向上手段の一例としては、中空糸膜の材質、大きさ、モジュール内の充填率などを変えたり、或いは、モジュールケースのガス導入部形状を、導入部に近い開口部を小さく遠い開口部を大きくしてガス流の均一化を図る方法（例えば、特許文献１など参照）などが挙げられる。
特開２００２−６６２６５号公報

しかしながら、これまでの手段では、何れも中空糸膜束が占める容積当たりの加湿性能が充分ではなく、それ以上の加湿性能の向上が求められている。

そこで本発明は、上記した実状に鑑みて提案されたものであり、中空糸膜束が占める容積当たりの加湿性能のより一層の向上が実現できる燃料電池の加湿装置を提供することを目的とする。

本願出願人は、加湿装置における収容ケース内に収容した中空糸膜束を流れるガスの流速には大きな偏りが在り、水蒸気交換の寄与率（加湿性能）が他の部位に比べて相対的に小さいガスの流速が遅い部位が、中空糸膜モジュールの端部であることを鋭意検討した結果見出した。

そこで本発明では、ガスの流速が遅くなる中空糸膜モジュールの端部の中空糸膜束を削って、その中空糸膜モジュールの端部の形状を当該ガスの流速分布に応じた形状、具体的には、中心部をへこんだ形状とする。

本発明の加湿装置によれば、中空糸膜モジュールの端部の形状を、収容ケース内に収容された中空糸膜束を流れるガスの流速分布に応じた形状とすることで、水蒸気交換の寄与率の低い部位を無くし、中空糸膜束が占める容積当たりの加湿性能を高めることができる。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

「第１実施形態」
図１は第１実施形態における燃料電池の加湿装置の一例を示す構成図、図２は図１のハウジング部分を破断して内部の収容ケースを示した加湿装置の縦断面図、図３は中空糸膜束が配置される部分まで破断して示す加湿装置の縦断面図、図４（Ａ）は収容ケース内に収容された中空糸膜束の端部形状を示す要部拡大斜視図、図４（Ｂ）は図３中Ａ部分における中空糸膜端部の要部拡大斜視図、図４（Ｃ）は図３中Ｂ部分における中空糸膜端部の要部拡大斜視図、図５は比較例の加湿装置の縦断面図、図６は従来構造の加湿装置におけるガスの流速分布図である。

本実施形態の加湿装置１に接続される燃料電池２は、水素ガスが供給されるアノードと酸素を含有する空気（酸化剤ガス）が供給されるカソードとが電解質・電極触媒複合体（膜電極接合体（MEA:membrane electrode assembly））を挟んで重ね合わせた発電セルを、多段積層したスタック構造をなし、電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギへと変換する。

アノードでは、供給される水素が、水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、カソードにそれぞれ移動する。カソードでは、供給された空気中の酸素と上記水素イオンおよび上記電子が反応して水が生成されて外部に排出される。

燃料電池２の電解質には、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化などを考慮して、例えば固体高分子電解質を用いる。固体高分子電解質は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜など、イオン伝導性の高分子膜からなり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能することから、この燃料電池においては水を供給して供給ガス（酸化剤ガス）を加湿することが必要となる。

加湿装置１は、図１に示すように、一般的に燃料電池２のカソードから排出された水蒸気を豊富に含む排出ガス（膨潤空気）と、空気導入部であるコンプレッサ３で加圧・昇温された供給ガス（乾燥した酸化剤ガス）との間で水蒸気を交換するためのものであり、本発明で使用する水透過型の加湿装置は、水透過膜として中空糸膜を用いた中空糸膜モジュール（中空糸膜束とそれを収容するケースのこと）を備えている。

以上のような構成の水透過膜型の加湿装置１では、例えば水分を含んだ湿潤空気が中空糸膜内に供給されると、中空糸膜内に形成された細孔(毛細管)内に水分が凝縮(毛細管凝縮)及び分離し、中空糸膜の外側に供給される乾燥ガス（乾燥した酸化剤ガス）との水蒸気分圧差により、水分が当該中空糸膜の内側から外側へと透過する。この透過した水分は、中空糸膜束の外側に供給された乾燥ガスと接触し気化することで加湿される。

水分の透過としては、湿潤空気を中空糸膜の内部に流し、乾燥ガスを中空糸膜の外側に流す場合と、その逆の場合どちらでも、水交換が行われる。

加湿装置１は、図１から図４に示すように、中空糸膜束４と、この中空糸膜束４を内部に収容する収容ケース５とからなる中空糸膜モジュール６と、この中空糸膜モジュール６を内部に収容するハウジング７とから構成される。

中空糸膜束４は、長手方向に亘って貫通する流通路となる第１流路８を内部に形成した断面円形状の細長いストロー形状をなす中空糸膜９からなり、それら中空糸膜９の複数本を束ねて円柱形状とされたものである。この中空糸膜９の内部に形成された第１流路８には、前記したコンプレッサ３で加圧・昇温された乾燥した酸化剤ガスが導入される。

中空糸膜モジュール６は、ほぼ円柱状とされた中空糸膜束４を内部に収容する両端を開放した円筒体として形成されている。中空糸膜束４と収容ケース５は、その長手方向の両端部にポッティング剤１０（接着剤）が塗布されることにより固定されている。ポッティング剤１０は、中空糸膜９と収容ケース５との接合だけでなく、束ねられた中空糸膜９同士を接合させてポッティング部を形成する。

中空糸膜モジュール６の一端の側面（一方の端面近くの側面）には、排出ガスを供給するためのガス導入孔１１Ａが全周にわたり複数形成されている。ガス導入孔１１Ａは、例えば円形孔として所定間隔を置いて周方向に複数形成されている。同様に、中空糸膜モジュール６の他端の側面（他方の端面近くの側面）には、ガス排出孔１１Ｂが全周にわたり複数形成され、ガス排出孔１１Ｂも同じく円形孔として所定間隔を置いて周方向に複数形成されている。

また、収容ケース５のケース側面５ａには、ハウジング７と該収容ケース５との間をシールする円環状のシール部材１２が設けられている。シール部材１２は、ガス導入孔１１Ａ及びガス排出孔１１Ｂの外側の位置と、これらガス導入孔１１Ａとガス排出孔１１Ｂとの間にそれぞれ設けられ、後述するハウジング７の内壁７ａに密着するように設けられている。

ハウジング７は、中空糸膜モジュール６を内部に収容するに足る大きさの円柱体として形成されている。このハウジング７には、コンプレッサ３で加圧・昇温された乾燥した酸化剤ガスを内部に導入する第２ガス導入管１３と、中空糸膜モジュール６内で加湿された酸化剤ガスを燃料電池２へと供給する第２ガス導出管１４と、燃料電池２から排出された水分を含む排出ガス（湿潤ガス）をガス導入孔１１Ａを介して中空糸膜モジュール６内に導入させる第１ガス導入管１５と、中空糸膜モジュール６内に供給された排出ガスをガス排出孔１１Ｂを介してケース外へと排出させる第１ガス導出管１６とが設けられている。

そして、中空糸膜モジュール６においては、前記ガス導入孔１１Ａからその収容ケース５の内部に収容された中空糸膜９の膜外を通ってガス排出孔１１Ｂからケース外へと流通するガス流路としての第２流路が形成されている。

このように構成された加湿装置１では、コンプレッサ３で加圧・昇温された乾燥した酸化剤ガスは、ハウジング７に設けられた第２ガス導入管１３からその内部に導入された後、中空糸膜モジュール６の各中空糸膜９に形成された第１流路８をそれぞれ流れる。この一方、燃料電池２のカソードから排出された水分を含む排出ガスは、ハウジング７に設けられた第１ガス導入管１５からその内部に導入された後、収容ケース５の側面５ａに形成された各ガス導入孔１１Ａから中空糸膜束４へと供給される。

中空糸膜束４に供給された排出ガスは、当該中空糸膜束４の外側からその内部へと流れた後、同じくケース側面５ａに形成された各ガス排出孔１１Ｂから排出され、最終的にハウジング７に設けられた第１ガス導出管１６よりケース外へと排出される。この水分を含む排出ガスが中空糸膜束４の内部を流れると、乾燥した酸化剤ガスとの水蒸気分圧差により、当該水分が中空糸膜９の外側から内側へ透過する。同時に透過する水分が各中空糸膜９内に形成された毛管（第１流路８）内に凝縮（毛細管凝縮）し、水蒸気以外の透過を防ぐ働きをし、結果として水蒸気だけが移動する。この透過した水分が乾燥した酸化剤ガスと接触、気化することで、各中空糸膜９の内部を流れる酸化剤ガスが加湿される。加湿された酸化剤ガスは、中空糸膜モジュール６の排出側より燃料電池２に供給される。

中空糸膜モジュール６内を流れる排出ガスは、図５の比較例の場合（中空糸膜モジュール６の端面が乾燥した酸化剤ガスの流れ方向と垂直なフラット面である場合）、中空糸膜モジュール６の軸を通る断面における流速分布は図６に示すようになる。図６中、排出ガスの流速を小、中、大、極大と表記し、その順序で流速が早いものとする。また、ガス導入孔１１Ａおよびガス排出孔１１Ｂの断面への投影形状を破線にて示す。この流速分布から中空糸膜モジュール６の長手方向両端におけるポッティング部の略中心部分が、水分を含んだ排出ガスの流速が遅い部分であることが判る。この流速が遅い部分では、排出ガスの流速が低く水蒸気交換の寄与率が相対的に非常に小さい。

そこで、本実施形態では、中空糸膜モジュール６の端面を中空糸膜束４の他方の端部に向けて湾入するような凹部形状とし、凹部形状の中空糸膜モジュール６の端面からの深さを、ガス導入孔１１Ａより流入するガスの中空糸膜モジュール６内における流速分布に応じて異ならせる。つまり流速が小い部分での中空糸膜束４の凹部を深くすることで水蒸気交換の寄与率が少ない領域を無くし、中空糸膜束４が占める容積当たりの加湿性能（水交換性能）のより一層の向上を図る。具体的には、図３に示すように、中空糸膜モジュール６の端面の形状を、中心部がすり鉢状にへこんだ形状とする。本実施形態では、すり鉢凹部１７を形成することで、水蒸気交換の寄与率が少ない領域がなくなる為、中空糸膜束４が占める容積当たりの加湿性能を高めることができる。

また、中空糸膜モジュール６の端面をすり鉢形状とすることで、その中心部における中空糸膜９以外の中空糸膜９の先端開口形状が斜めになり（図４（Ｂ）参照）、第１流路８の開口面積が増大する。これにより、中空糸膜束４のガス流入出端部における圧力損失が低減する。

また、第２ガス導入管１３から収容ケース５内に導入された乾燥した酸化剤ガスは、中空糸膜束４のガス流入出端部前方に形成された空気層１８で一度拡大した後、それぞれの中空糸膜９の第１流路８内に流入する経路をとる。この空気層１８の体積（厚さ）が大きい程、圧力損失が低減でき、及び乾燥した酸化剤ガスを各中空糸膜９へ均等に供給でき水交換性能向上につながる。

したがって、本実施形態のように、中空糸膜モジュールの端部に凹部１７を形成すれば、空気層１８の体積拡大も同時に達成でき、さらなる圧力損失低減効果を得ることができる。

なお、上記した第１実施形態では、中空糸膜９の内部（第１流路８）に乾燥した酸化剤ガスを流し、中空糸膜９の外側に水分を含んだ排出ガスを流したが、これとは逆に、中空糸膜９の内部に燃料電池２から排出された水分を含んだ排出ガスを流し、中空糸膜９の外側に乾燥した酸化剤ガスを流すようにしてもよい。

さらに、凹部１７は、図５で示した比較例のフラットな中空糸膜モジュール６の端面を機械加工で削り取ることで簡単に製造することができるものである。

「第２実施形態」
図７は第２実施形態の加湿装置の縦断面図である。第２実施形態では、第１実施形態と異なる部分のみ説明するものとし、第１実施形態と同一の部分についての説明は省略する。

第１実施形態では、中空糸膜束４のガス流入出端面形状を球形状にへこませたすり鉢形状としたが、第２実施形態では、図７に示すように、中空糸膜束４両側のポッティング部をそれぞれ内側に円錐形状にへこませた形状とする。この円錐形状にへこませた凹部１９を形成することで、中空糸膜束４が占める容積当たりの加湿性能を高めることができる。

「第３実施形態」
図８は第３実施形態の加湿装置の縦断面図、図９は図８に示す加湿装置における排出ガスの中空糸膜モジュール６の軸、第１ガス導入管１５および第１ガス導出管１６の軸を通る断面における流速分布図である。図９において、ガス導入孔１１Ａおよびガス排出孔１１Ｂの断面への投影形状を破線にて示す。第３実施形態では、第１実施形態と異なる部分のみ説明するものとし、第１実施形態と同一の部分についての説明は省略する。

第３実施形態では、第１実施形態に対して、ガス導入孔１１Ａおよびガス排出孔１１Ｂの配置と中空糸膜モジュール６の端面の形状が異なる。

つまり、中空糸膜モジュール６の一端の側面（一方の端部近くの側面）に形成されるガス導入孔１１Ａは、中空糸膜モジュール６の軸心を挟んで第１ガス導入管１５に対向する面に複数形成されている。ガス導入孔１１Ａは、例えば円形孔として所定間隔を置いて上記面に複数形成されている。同様に、中空糸膜モジュール６の他端の側面（他方の端部近くの側面）に形成されるガス排出孔１１Ｂは、中空糸膜モジュール６の軸心を挟んで第１ガス導出管１６に対向する面に複数形成される。ガス排出孔１１Ｂも同じく円形孔として所定間隔を置いて上記面に複数形成されている。

従って、第３実施形態における排出ガスの流速分布は図９の様になり、流速が遅く水蒸気交換の寄与率の少ない領域をなくすよう、図８に示すような中空糸膜モジュール６の端面形状とする。第１ガス導入管１５側にある中空糸膜モジュール６の端面２０Ａは、中空糸膜モジュール６の軸に対し斜めとなる面であり、中空糸膜モジュール６外側に向く法線方向は、第１ガス導入管１５を流れるガス流通方向に対して鈍角をなす。同様に、第１ガス導出管１６側にある中空糸膜モジュール６の他方の端面２０Ｂは、中空糸膜モジュール６の軸に対し斜めとなる面であり、中空糸膜モジュール６外側に向く法線方向は、第１ガス導出管１６を流れるガス流通方向に対して鋭角をなす。したがって、第３実施形態では、流速が遅く水蒸気交換の寄与率の少ない領域をなくす為、中空糸膜束４が占める容積当たりの加湿性能を高めることができる。

さらに、中空糸膜９の先端開口形状が斜めになり、第１流路８の開口面積が増大する。これにより、中空糸膜束４のガス流入出端部における圧力損失が低減する。

また、第３実施形態では、第１及び第２実施形態の凹部１７、１９のようにへこんだ形状に削り取るよりも少ない工数で傾斜面２０Ａ，２０Ｂを形成することができ、加湿装置１の製造コストの低減も実現できる。

以上、本発明を適用した具体的な実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に制限されることなく種々の変更が可能である。

中空糸膜モジュール６の端面の傾斜面２０Ａ，２０Ｂに対して、第２ガス導入管１３と第２ガス導出管１４を垂直に設けてもよい。

このように、中空糸膜９の斜めに開口した先端開口部に対して垂直に酸化剤ガスを導入すれば、より大きな圧力損失低減効果を得ることができる。

第１実施形態における燃料電池の加湿装置の一例を示す構成図である。 図１のハウジング部分を破断して内部の収容ケースを示した加湿装置の縦断面図である。 第１実施形態の中空糸膜束が配置される部分まで破断して示す加湿装置の縦断面図である。 図４（Ａ）は収容ケース内に収容された中空糸膜束の端部形状を示す要部拡大斜視図、図４（Ｂ）は図３中Ａ部分における中空糸膜端部の要部拡大斜視図、図４（Ｃ）は図３中Ｂ部分における中空糸膜端部の要部拡大斜視図である。 第１実施形態の比較例の加湿装置の縦断面図である。 第１実施形態の比較例の加湿装置における排出ガスの流速分布図である。 第２実施形態の加湿装置の縦断面図である。 第３実施形態の加湿装置の縦断面図である。 図８に示す加湿装置における排出ガスの流速分布図である。

符号の説明

１…加湿装置
２…燃料電池
３…コンプレッサ
４…中空糸膜束
５…収容ケース
５ａ…ケース側面
５ｂ…ケース内壁
６…中空糸膜モジュール
７…収容ケース
８…第１流路
９…中空糸膜
１１Ａ…ガス導入孔
１１Ｂ…ガス排出孔
１３…第２ガス導入管
１４…第２ガス導出管
１５…第１ガス導入管
１６…第１ガス導出管
１７、１９…凹部
１８…空気層
２０…傾斜面

Claims (5)

1. 複数本の中空糸膜を束ねてなる中空糸膜束を筒状のケースで収容した中空糸膜モジュールを備え、
   前記中空糸膜の内部を通る第１流路に、乾燥した酸化剤ガスまたは燃料電池から排出される水分を含む排出ガスのいずれかを流通し、
   前記中空糸膜モジュールの側面に形成されたガス導入孔から前記中空糸膜の膜外を通って前記中空糸膜モジュールの側面に形成されたガス排出孔から前記中空糸膜モジュール外へと流通する第２流路に、前記第１流路を流れるガスとは異なるガスを流通し、
   前記酸化剤ガスを前記排出ガスで加湿する燃料電池の加湿装置であって、
   前記中空糸膜モジュールは、一方の端面近くの側面全周にわたり複数の前記ガス導入孔を備え、他方の端面近くの側面全周にわたり複数の前記ガス排出孔とを備える場合、
   前記中空糸膜束の端面の少なくとも一方の形状を、前記中空糸膜束の他方の端部に向けて湾入するような凹部形状とし、該凹部形状の前記中空糸膜モジュールの端面からの深さを、前記ガス導入孔より流入するガスの前記中空糸膜モジュール内における流速分布に応じて異ならせる
   ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。
2. 請求項１に記載の燃料電池の加湿装置であって、
   前記凹部形状は、すり鉢形状である
   ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。
3. 請求項１に記載の燃料電池の加湿装置であって、
   前記凹部形状は、円錐形状である
   ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。
4. 複数本の中空糸膜を束ねてなる中空糸膜束を筒状のケースで収容した中空糸膜モジュールを備え、
   前記中空糸膜の内部を通る第１流路に、乾燥した酸化剤ガスまたは燃料電池から排出される水分を含む排出ガスのいずれかを流通し、
   前記中空糸膜モジュールの側面に形成されたガス導入孔から前記中空糸膜の膜外を通って前記中空糸膜モジュールの側面に形成されたガス排出孔から前記中空糸膜モジュール外へと流通する第２流路に、前記第１流路を流れるガスとは異なるガスを流通し、
   前記酸化剤ガスを前記排出ガスで加湿する燃料電池の加湿装置であって、
   前記中空糸膜モジュールを覆うハウジングの側面には、前記第２流路にガスを供給する第１ガス導入管と、前記第２流路から排出されるガスを前記ハウジングから外部に排出する第１ガス導出管とが設けられ、
   前記ガス導入孔は、その中心が前記中空糸膜モジュールにおける一方の端部近くの側面であって、前記中空糸膜モジュールの軸心を挟んで前記第１ガス導入管に対向する位置となるよう複数設けられ、前記ガス排出孔は、その中心が他方の端部近くの側面であって、前記中空糸膜モジュールの軸心を挟んで前記第１ガス導出管に対向する位置となるよう複数設けられる場合、
   前記第１ガス導出管側にある前記中空糸モジュールの端面の前記中空糸モジュール外側に向く法線方向が、前記第１ガス導出管のガス流通方向に対して鋭角となること、または、前記第１ガス導入管側にある前記中空糸モジュールの端面の前記中空糸モジュール外側に向く法線方向が、前記第１ガス導入管のガス流通方向に対して鈍角となる
   ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。
5. 請求項４に記載の燃料電池の加湿装置であって、
   前記ハウジングの一方の端面は、前記第１流路にガスを供給する第２ガス導入管を備え、前記ハウジングの他方の端面は、前記第１流路から排出されるガスを前記ハウジングから外部に排出する第２ガス導出管とを備え、
   前記第２ガス導入管は、前記第１ガス導出管側にある前記中空糸モジュールの端面に対し垂直となるよう、または、前記第２ガス導出管は、前記第１ガス導入管側にある前記中空糸モジュールの端面に対し垂直となるように配置される
   ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。

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