JP2011143347A - 水分交換用中空糸膜モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】乾燥した未使役ガスを充分に加湿でき、耐久性が向上して長期に亘る燃料電池の加湿運転が可能な水分交換用中空糸膜モジュール。
【解決手段】筒状外部ケースと、外部ケースと同軸的に内包された筒状内部ケースと、外部／内部ケースとの空間に軸方向に延在させて充填された複数の中空糸膜と、上記空間であって筒状構造両端で複数の中空糸膜を固定して上記空間を封止した第１ポッティング部と、内部または外部ケースの一方に設けられた導入口と、外部または内部ケースの他方に設けられた排出口と、中空糸膜の一端から中空糸膜の中空内部を経由して他端に至る第１流体経路と、導入口から上記空間内でありかつ中空糸膜の外側を経由して排出口に至る第２流体経路とを備え、さらに、内部ケースの内側空間であって、かつ内部ケースの筒状構造において導入口または排出口が設けられている側とは反対側の一端にも第２ポッティング部が設けられている。
【選択図】図４

Description

本発明は、たとえば燃料電池システムに用いて好適な水分交換用中空糸膜モジュールに係り、特に、モジュールの耐久性を向上させる技術に関する。

燃料電池としては、平板状の膜電極構造体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）の両側にセパレータが積層された積層体が単位セルとされ、複数の単位セルが例えば数百層積層されて燃料電池スタックとして構成された燃料電池が知られている。膜電極構造体は、正極（空気極、カソード）および負極（燃料極、アノード）を構成する一対の電極の間にイオン交換樹脂等からなる電解質膜が挟まれた三層構造である。このような燃料電池によると、例えば、燃料極側のガス拡散電極に面するガス流路に燃料ガスを流し、空気極側のガス拡散電極に面するガス流路に酸化剤ガスを流すと電気化学反応が起こり、発電が生じる。

ここで、上記のような電気化学反応を安定させるためには、膜電極構造体が湿潤していることが望ましい。たとえば、特許文献１には、燃料ガス流路内で燃料ガスに発電生成水が水蒸気となって加わることにより、水蒸気分圧が上昇した使役後のアノード排出ガスを加湿ガスとし、未使役の燃料ガスを加湿する燃料電池システムが開示されている。

ところで、近年、燃料電池の高性能化に伴って膜電極構造体は薄くなる傾向にあり、電気化学反応で生成され空気極側に出てくる水が燃料極側へ移動するという現象が生じるようになってきた。このため、燃料ガスを加湿すると燃料極の湿潤状態が過剰となり、燃料と燃料極との接触が妨げられるフラッディングと呼ばれる現象が生じる。一方、空気極側は、湿潤の程度が過剰でも電気化学反応にはさほど差し障りがない場合のあることが知られている。したがって、最近では、燃料ガスを加湿するよりも酸化剤ガスを加湿する技術が重要視されてきている。

酸化剤ガスを加湿する従来の自動車用燃料電池システムとして、たとえば、特許文献２には、水蒸気透過膜で区切られた加湿器の一方の空間に乾燥した未使役の酸化剤ガスを供給し、他方の空間に湿潤した使役後の酸化剤ガスの排気（オフガス）を供給して、水蒸気透過膜を介してオフガスから酸化剤ガスへ水分を移動させる技術が開示されている。

しかしながら、上記技術では、略平面状の水蒸気透過膜を介してその両側からガスを接触させて水分移動を行うため、接触領域が小さく、連続的に供給される酸化剤ガスに対して水分移動が間に合わず、加湿効率が十分ではないという問題があった。

このような問題に対して、たとえば、特許文献３および４には、加湿器内に中空糸膜を充填して、未使役の酸化剤ガスを中空糸膜の中空内部に流通させるともに使役後のオフガスを中空糸膜外壁に接触するように流通させて、中空糸膜を介して水分移動を行う技術が開示されている。これらの技術によれば、加湿器内に微細な中空糸膜が多数充填され、全体として膜面積が広くされているので、水分移動を行うための接触領域は著しく増加しており、特許文献１に記載の技術と比較して加湿効率は向上している。

実開昭６１−３６７１号公報 特開平６−１３２０３８号公報 特開平８−２７３６８７号公報 特願２００２−１４７８０２号公報

しかしながら、上述した従来の技術においては、例えば図２に示すように、外部ケース１０と内部ケース１５との間の空間に中空糸膜１１が多数充填されており、燃料電池の運転開始および停止時でこの空間に温度差が発生して、特に内部ケース１５において矢印５０で示す応力が生じる。また、外部ケース１０と内部ケース１５を封止しているポッティング部１４にも、同様に矢印５１で示す応力が生じる。これらの応力が繰り返し発生することにより、その界面１４ａを中心に内部ケース１５とポッティング部１４との間に亀裂が入って破断するという問題があった。

したがって、本発明は、上記従来技術の課題を解決するためになされたもので、中空糸膜内に供給される乾燥した燃料電池未使役のガスを充分に加湿することができるのは勿論のこと、内部ケースとポッティング部の破断を抑制し、耐久性が向上して長期に亘る燃料電池の加湿運転が可能な水分交換用中空糸膜モジュールを提供することを目的としている。

本発明の水分交換用中空糸膜モジュールは、筒状の外部ケースと、外部ケースと同軸的に内包された筒状の内部ケースと、外部ケースと内部ケースとの空間に軸方向に延在させて充填された複数の中空糸膜と、外部ケースと内部ケースとの空間であって筒状構造の両端において複数の中空糸膜を固定して上記空間を封止した第１ポッティング部と、内部ケースまたは外部ケースの一方に設けられた導入口と、外部ケースまたは内部ケースの他方に設けられた排出口と、中空糸膜の一端側から中空糸膜の中空内部を経由して他端側に至る第１流体経路と、導入口から上記空間内でありかつ中空糸膜の外側を経由して排出口に至る第２流体経路とを備え、さらに、内部ケースの内側空間であって、かつ内部ケースの筒状構造において導入口または排出口が設けられている側とは反対側の一端にも第２ポッティング部が設けられていることを特徴としている。

上記構成の水分交換用中空糸膜モジュールにあっては、中空糸膜内を経由する第１流体経路に例えば燃料電池用の乾燥した未使役のガス（酸化剤ガスあるいは燃料ガス）を流通させ、中空糸膜外を経由する第２流体経路に例えば燃料電池から排出され湿潤した使役後のオフガスを流通させてオフガスの水分を未使役のガスに移動させているので、効率良く水分交換を行うことができるのは勿論のこと、従来の外部ケースと内部ケースとの間の第１ポッティング部に加えて、内部ケースの内部にも第２ポッティング部を設けているので、内部ケースの剛性が向上し、燃料電池の運転開始および停止を繰り返すことで内部ケースおよびポッティング部に繰り返し応力が発生しても、内部ケースの変形が抑制され、内部ケースとポッティング部の破断を抑制することができる。

本発明においては、内部ケースには、第２ポッティング部に隣接し、筒状構造の径方向に形成された少なくとも一つの孔部を備えることを好ましい態様としている。この態様によれば、この孔部を通して内部ケースの内外に温度差が生じることが抑制されるので、内部ケースおよびポッティング部への応力発生をより緩和することができる。

本発明においては、孔部のうちの少なくとも一つは、その開口方向が鉛直方向であることを好ましい態様としている。この態様によれば、孔部が鉛直方向に形成されているので、外部ケースあるいは内部ケース内に凝縮水が発生したとしても、この凝縮水を鉛直下方向に排出することで溜まることを防止し、局所的に温度差が生じることがより抑制される。

本発明によれば、内部ケースの剛性が向上し、また、ケース内に温度差の発生を抑制する。これにより、燃料電池の運転開始および停止を繰り返すことで内部ケースおよびポッティング部に繰り返し応力が発生しても、内部ケースの変形が抑制され、内部ケースとポッティング部の破断を抑制することができる。結果として、水分交換用中空糸膜モジュールの耐久性を向上させることができる。

従来の水分交換用中空糸膜モジュールを示す透視斜視図である。 図１の水分交換用中空糸膜モジュールを示す側方断面図である。 図２において方向Ａから見た水分交換用中空糸膜モジュールを示す部分透視図である。 本発明の水分交換用中空糸膜モジュールを示す透視斜視図である。 図４の水分交換用中空糸膜モジュールを示す側方断面図である。 図５において方向Ｂから見た水分交換用中空糸膜モジュールを示す部分透視図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。まず、実施形態の説明に先立ち、従来技術に係る水分交換用中空糸膜モジュールの一般的な構成およびその問題点について、図１〜３を参照して説明する。図１〜３に示すように、水分交換用中空糸膜モジュールは、筒状に形成された外部ケース１０を有し、この外部ケース１０内には、外部ケース１０と同軸的に内部ケース１５が配置されている。

外部ケース１０の内側であってかつ内部ケース１５の外側の空間（以下、充填空間と略称する場合がある）には、複数の中空糸膜１１が、外部ケース１０および内部ケース１５の軸方向と平行に充填されている。複数の中空糸膜１１は、吸湿に際して膨張するため、その寸法変化を吸収するために、所定の間隔を介して充填されている。

中空糸膜１１の両端は、ポッティング部１４によって外部ケース１０および内部ケース１０に固定されている。図１では、中空糸膜１１は部分的に省略して図示しているが、中空糸膜１１は両端のポッティング部１４間に延在している。ポッティング部１４は、上記充填空間における中空糸膜１１の外側を合成樹脂等で埋設したものであり、充填空間のみを外部に対して封止するものである。したがって、中空糸膜１１の中空内部は封止されておらず、中空糸膜１１の中空内部は両端とも外部に連通している。本実施形態では、中空糸膜１１の一端側（矢印２０）から中空糸膜の中空内部を経由して他端側（矢印２１）に至る経路を第１流体経路と定義する。

内部ケース１５には、ガスの導入口１２が設けられており、導入口１２の下流側であってかつ対向する外部ケース１０には、ガスの排出口１３が設けられている。本実施形態では、導入口１２（矢印２２）から充填空間内でありかつ中空糸膜１１の外側を経由して排出口１３（矢印２３）に至る経路を第２流体経路と定義する。

上記の水分交換用中空糸膜モジュールにおいては、例えば、乾燥した燃料電池未使役のガス２０を第１流体経路に導入するとともに、このガスを燃料電池で使役した後の排気ガスであるオフガス２２を第２流体経路に導入するので、乾燥した未使役のガス２０が中空糸膜１１内を通過すると同時に、湿潤した使役後のオフガス２２は充填空間内の中空糸膜１１の外側を通過する。中空糸膜１１は、内外のガス交換は阻止するが、その両面に存在する微細な孔を通じて水分のみを移動させることができるため、高湿潤側から低湿潤側への水分移動が行われる。このようにして、第１流体経路および第２流体経路に導入された乾燥した未使役のガス２０および湿潤した使役後のオフガス２２それぞれにおいては、水分が移動し、加湿された未使役のガス２１および湿度が低下した使役後のオフガス２３となって排出される。

上述した従来の水分交換用中空糸膜モジュールにおいては、燃料電池の運転開始によって第１流体経路および第２流体経路に乾燥した未使役のガス２０および湿潤した使役後のオフガス２２が導入され、水分交換用中空糸膜モジュールの温度が上昇する。また、燃料電池の運転停止によって、水分交換用中空糸膜モジュールの温度が下降する。このように、燃料電池の運転開始および停止時でこの中空糸膜の充填空間に温度差が発生して、例えば図２に示すように、内部ケース１５において矢印５０で示す応力が生じる。また、外部ケース１０と内部ケース１５を封止しているポッティング部１４にも、同様に矢印５１で示す応力が生じる。これらの応力が繰り返し発生することにより、内部ケース１５およびポッティング部１４に変形が生じ、その界面１４ａを中心に内部ケース１５とポッティング部１４が破断するという問題があった。

図４〜６は、上述した従来の問題を解決することができる本発明の水分交換用中空糸膜モジュールの一実施形態を示す図である。なお、この水分交換用中空糸膜モジュールにおいて、共通の構成要素の説明は省略し、本発明特有の構成、作用および効果について説明する。

図４〜６に示すように、本発明の水分交換用中空糸膜モジュールにおいては、外部ケース１０と内部ケース１５との間の充填空間の端部に設けられた第１ポッティング部１４に加えて、内部ケース１５の内側にも、第２ポッティング部４０が設けられて内部ケース１５が封止されている。

この水分交換用中空糸膜モジュールにおいては、図５に示すように応力５０および５１が内部ケース１５および第１ポッティング部１４に発生しても、第２ポッティング部４０が内部ケース１５内に充填されて支持しているので、内部ケース１５および第２ポッティング部４０の剛性が向上している。これにより、温度変化によって内部ケース１５および第１ポッティング部１４に繰り返し応力が発生しても、これらの変形を抑制し、その界面１４ａが破断することを抑制することができる。これにより、水分交換用中空糸膜モジュールの耐久性を向上させるという効果を奏する。

本発明の水分交換用中空糸膜モジュールにおいては、内部ケース１５上であって上記した第２ポッティング部４０に隣接する位置において、充填空間内と内部ケース内側空間とを連通する少なくとも１つの孔部３０を有することが好ましい。この孔部３０を有さない場合、充填空間に水蒸気が凝縮して水滴が付着する虞があるため、水滴部分において他の空間部分との間に温度差が生じてしまい、内部ケース１５およびポッティング部１４および４０に発生する応力が増大してしまうが、この孔部３０によれば、凝縮した水分を排出することができるので、充填空間内に発生する温度差を抑制することができる。また、水分が凝縮しない場合でも、二つの空間を連通しているので、空間の温度差を緩和することができる。

また、その孔部３０は、図５に示すように、充填空間内と内部ケース内側空間とを鉛直方向に連通することが好ましい。このような孔部によれば、凝縮した水分を鉛直下方に速やかに排出することができるという効果を奏する。

本発明における第１ポッティング部１４および第２ポッティング部４０を形成する方法としては特に限定されず、任意の固定手段を用いて形成することができる。本実施形態では、外部ケース１０および内部ケース１５の端部を立てた状態で充填空間に中空糸膜１１を充填して、下端部を樹脂に浸漬して固定し、続いて上下を反転させて他端部も同様にして樹脂に浸漬して固定するポッティングを採用している。ポッティングの際、浸漬した樹脂は、中空糸膜１１の内外を封止してしまうが、中空糸膜１１の径よりも中空糸膜１１どうしの間隔の方が小さいため、毛細管現象により樹脂の浸漬高さが異なり、中空糸膜１１の外部と比較して内部の方が浅く封止される。このため、この中空糸膜１１の内部を封止したポッティングの浸漬深さ分、外部ケース１０、内部ケース１５および中空糸膜１１を併せて切断除去することにより、中空糸膜１１内部はモジュール外界に連通させて、中空糸膜１１外部のみに樹脂を残存させ、充填空間を封止することができる。このようにして、第１ポッティング部１４を形成することができる。

第２ポッティング部４０は、第１ポッティング部１４の形成後、中空糸膜１１内部に樹脂が浸入しないようにマスキングを行った上で再度筒状構造体を樹脂に浸漬させ、内部ケース１５の内側のみを封止することで形成することができる。

本実施形態においては、中空糸膜１１の湿潤による膨張率を予め把握しておく。そして膨張率が最大に達した際に中空糸膜１１の移動を抑制するため、中空糸膜１１どうしの間が互いに接触して隙間無く密に充填されるよう、あるいは隙間が減って密度が高く充填されるようにそれぞれが配置されている。一方乾燥状態においては、これらの間に空隙部（隙間）をもって中空糸膜１１が配置されている。

本発明における中空糸膜１１としては、公知の中空糸膜を選択することができ、具体的には、フェノールスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリトリフルオロスチレンスルホン酸、パーフルオロカーボンスルホン酸等の高分子イオン交換膜で構成されたものや、高分子樹脂系あるいはセラミック系等の中空糸膜が挙げられる。

上記説明においては、第１流体経路に乾燥した未使役のガスを流し、第２流体経路に湿潤した使役後のオフガスを流した例を説明したが、本発明はこの態様のみに限定されるものではなく、第１流体経路に湿潤した使役後のオフガスを流し、第２流体経路に乾燥した未使役のガスを流して水分交換を行うことも可能である。

また、内部ケース１５に設けられた導入口１２および外部ケース１０に設けられた排出口１３は、ガスの流通方向をこの方向に限定するものではなく、本発明は、排出口１３から逆にガスを導入して導入口１２からガスを排出する態様をも含む。

さらに、上記説明では、外部ケース１０および内部ケース１５が円筒形である場合を例にとり説明したが、本発明の水分交換用中空糸膜モジュールは円筒形に限定されるものではなく、例えば断面が多角形の筒状とすることもできる。

本発明によれば、燃料電池から排出されるオフガスの水分を未使役の酸化剤ガスの加湿に再利用することができ、また、水分交換用中空糸膜モジュールの耐久性を高めることにより長期に亘り燃料電池の適正な加湿が可能となるから、厳格な安定運転が要求される車載用燃料電池システムに適用して極めて有望である。

Ｍ…水分交換用中空糸膜モジュール、
１０…外部ケース、
１１…中空糸膜、
１２…ガス導入口、
１３…ガス排出口、
１４…第１ポッティング部（従来のポッティング部）、
１４ａ…内部ケースと第１ポッティング部の界面、
１５…内部ケース、
２０…未使役のガス（低湿潤）、
２１…未使役のガス（水分交換後）、
２２…使役後のオフガス（高湿潤）、
２３…使役後のオフガス（水分交換後）、
３０…孔部、
４０…第２ポッティング部、
５０…応力（内部ケース）、
５１…応力（ポッティング部）。

Claims (3)

1. 筒状の外部ケースと、
   上記外部ケースと同軸的に内包された筒状の内部ケースと、
   上記外部ケースと上記内部ケースとの空間に軸方向に延在させて充填された複数の中空糸膜と、
   上記外部ケースと上記内部ケースとの空間であって筒状構造の両端において上記複数の中空糸膜を固定して上記空間を封止した第１ポッティング部と、
   上記内部ケースまたは上記外部ケースの一方に設けられた導入口と、
   上記外部ケースまたは上記内部ケースの他方に設けられた排出口と、
   上記中空糸膜の一端側から中空糸膜の中空内部を経由して他端側に至る第１流体経路と、
   上記導入口から上記空間内でありかつ上記中空糸膜の外側を経由して上記排出口に至る第２流体経路とを備え、
   さらに、上記内部ケースの内側空間であって、かつ内部ケースの筒状構造において上記導入口または上記排出口が設けられている側とは反対側の一端にも第２ポッティング部が設けられていることを特徴とする水分交換用中空糸膜モジュール。
2. 前記内部ケースには、前記第２ポッティング部に隣接し、前記筒状構造の径方向に形成された少なくとも一つの孔部を備えることを特徴とする請求項１に記載の水分交換用中空糸膜モジュール。
3. 前記孔部のうちの少なくとも一つは、その開口方向が鉛直方向であることを特徴とする請求項２に記載の水分交換用中空糸膜モジュール。
   
   

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