JP5019672B2

JP5019672B2 - Humidifier

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Publication number: JP5019672B2
Application number: JP2001049155A
Authority: JP
Inventors: 昭浩大森; 洋介小泉; 克彦濱中
Original assignee: Asahi Kasei Chemicals Corp
Current assignee: Asahi Kasei Chemicals Corp
Priority date: 2001-02-23
Filing date: 2001-02-23
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2021-02-23
Also published as: JP2002252012A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に供給する原料ガスを加湿するのに好適に用いられる加湿装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、燃料電池は、水素等の燃料ガスと空気（酸素）等の酸化剤ガスを、電解質を介して反応させることにより、電気エネルギーを得るものである。電解質として固体高分子膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池の電池セルは、固体高分子電解質膜とその両側に配置された電極とで構成されている。
この固体高分子電解質型燃料電池では、固体高分子電解質膜として例えばプロトン交換基を有するイオン交換膜を用いている。この膜は、飽和含水状態でプロトン交換を行うことによって、イオン導電性電解質として機能する。そのため、固体高分子電解質型燃料電池は、一般に、電池反応を行う電池部と、電池部へ供給する原料気体を加湿する加湿部とを備えた構成となっている。
【０００３】
この加湿部の従来例としては、例えば、特開平１１−３５４１４２号公報に、電池部からの排出気体に含まれている水蒸気を、水蒸気を選択的に透過する半透膜を介して原料ガスとを接触させる自己加湿部が記載されている。
また、特開平６−１３２０３８号公報には、前記加湿部として、原料気体が導入される原料気体用流路と、電池部からの排出気体が導入される排出気体用流路と、これらの流路を分離する水蒸気透過膜とで構成され、排出気体に含まれている水蒸気を、水蒸気透過膜を透過させて排出気体用流路から原料気体用流路内に入れ、この水蒸気と原料気体用流路内の原料ガスとを接触させることにより、原料ガスを加湿するものが記載されている。
【０００４】
また、特開平８−２７３６８７号公報には、水蒸気透過膜が中空糸膜であることを特徴とする加湿装置が記載されている。
ここで、空気（酸化剤）側で、電池部から排出された気体には、電池反応で生成された水蒸気、加湿部から供給されて固体高分子電解質膜に吸収されなかった水蒸気、加湿部から供給されて電池反応に使用されなかった酸素と酸素以外の空気成分（窒素等）が含まれている。この排出気体をそのまま原料ガスと混合すると、電池部へ供給される原料ガスの酸素濃度が変化するため、前記加湿部は、水蒸気は透過するが他の気体は透過させない気密性が要求される。
【０００５】
また、原料気体は、電池部で損失される圧力降下を考慮して、加湿部に高い圧力で供給されるため、加湿部の原料気体用流路と、電池部から排出される気体が導入される排出気体用流路には圧力差が発生する。そこで、前記加湿部の原料気体用流路と排出気体用流路を分離する水蒸気透過膜と加湿器には、耐圧性が要求される。
これらの要求に対し、先の従来技術には次のような問題点があった。
【０００６】
特開平１１−３５４１４２号公報のスタック型の自己加湿部は、膜面積を広くとりかつ加湿装置の容積をコンパクトにするには、セパレータを薄くする必要があり、セパレータの加工にコストがかかってしまう。
また、特開平６−１３２０３８号公報の、蛇腹状に折り畳んだ水蒸気透過膜では、折り畳んだ水蒸気透過膜は平面状であるため、耐圧性を持たせるには、圧力を保持する容器の壁厚を厚くするもしくは、リブを入れる必要があり、コンパクト化が難しい。また、箱形のため機密的にシールするのも難しいという問題がある。
【０００７】
また、特開平８−２７３６８７号公報の、中空糸膜状の水蒸気透過膜では、中空糸束は密集して容器内に納められているため、中空糸外側の気体の接触効率が悪く、加湿性能が低いという問題がある。
また、水蒸気透過膜に関しては、特開平１１−３５４１４２号公報には、自己加湿部の半透膜の材質については何ら記載がない。また、特開平６−１３２０３８号公報では、水蒸気透過膜の例として旭硝子社製の「ＳＵＮＳＥＰ−Ｗ」が挙げてある。この「ＳＵＮＳＥＰ−Ｗ」の材質は、スルフォン酸基を有するフッ素系の共重合体である。また、特開平８−２７３６８７号公報では、水蒸気透過膜として、パーフルオロカーボンスルホン酸等のイオン交換膜で中空糸膜であることを特徴とする加湿装置が提案されている。
【０００８】
上記のような水蒸気透過膜の厚さは小さいほどよい。それは、水分が水蒸気透過膜を透過する際に、移動距離が短い方が水分の透過速度を早くすることができ、また、パーフルオロスルホン酸系イオン交換樹脂は非常に高価な材料であり、その使用量を出来る限り減らして製造コストを小さくすることができるからである。
しかし、薄いパーフルオロスルホン酸系イオン交換膜単独で使用するには、必要な機械的強度を与えるために、一定の厚みをもたせなければならない。そのため、水蒸気透過膜の厚さを小さくするには限度があった。
【０００９】
また、原料気体は、電池部で損失される圧力降下を考慮して、加湿部に高い圧力で供給されるため、加湿部の原料気体用流路と、電池部から排出される気体が導入される排出気体用流路には圧力差が発生する。そこで、前記加湿部の原料気体用流路と排出気体用流路を分離する水蒸気透過膜には、耐圧性が要求される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、従来技術に見られる前記問題点を解決し、コンパクト性と、水蒸気透過性能に優れ、コスト的に安く、耐圧強度が高く使用寿命の長い燃料電池用の加湿装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記課題を解決すべき鋭意検討を重ねた結果、シート状の水蒸気透過膜をひだ折りにして、円筒プリーツ状に丸め、その合わせ目、および、円筒の両端を気密的にシールした構造をとることにより、単位体積あたりの膜面積が広くとれるため加湿性能が高く、円筒形をとるため、高い耐圧性を有することを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１２】
すなわち、本発明は以下の通りである。
（１）電池反応を行う電池部と、電池部へ供給する原料気体を加湿する加湿装置とを備えた燃料電池であり、
前記電池部は、固体高分子電解質膜とその両側に配置された電極とからなる電池セルを有するものであり、
前記加湿装置は、カートリッジがハウジング内に収められた加湿装置であり、
前記カートリッジは、
両端が開口している内筒と、内筒の一端部に設けられたドーナツ板状の第１の端板と、内筒の他端部に設けられたドーナツ板状の第２の端板と、内筒の外周に設けられた、ひだ折りされた円筒プリーツ状の水蒸気透過膜と、円筒プリーツ状の水蒸気透過膜のさらに外周に設けられた外筒と、を備え、
円筒プリーツ状の水蒸気透過膜の両端が、前記第１の端板及び第２の端板で気密的にシールされ、
内筒は、内筒の両端の壁面を貫通する連通孔を有し、内筒の中心部の両端が、整流板で気密的に塞がれていることで、内筒の内側の空間から連通孔を経て円筒プリーツ状の水蒸気透過膜の隙間内へと繋がる内側流路が形成されているカートリッジであり、
前記カートリッジと前記ハウジングがシールされて、前記カートリッジの内側流路と、水蒸気透過膜の外側の外側流路が気密的に分離され、
前記ハウジングが、気体導入口１、気体排出口１、気体導入口２、及び気体排出口２を有し、
気体導入口１から、外側流路を経て、気体排出口１に繋がる原料気体用流路、及び、気体導入口２から、内側流路を経て、気体排出口２に繋がる排出気体用流路が形成された加湿装置であり、
電池部からの排出気体に含まれている水蒸気を、水蒸気透過膜を透過させて排出気体用流路から原料気体用流路内に入れ、この水蒸気と原料気体用流路内の原料ガスとを接触させることにより原料ガスを加湿することを特徴とする燃料電池。
【００１３】
（２）水蒸気透過膜が、パーフルオロスルホン酸系イオン交換膜であることを特徴とする（１）記載の燃料電池。
（３）パーフルオロスルホン酸系イオン交換樹脂のスルホン酸基の対イオンが、プロトンであることを特徴とする、（２）に記載の燃料電池。
（４）両端が開口している内筒と、
内筒の一端部に設けられたドーナツ板状の第１の端板と、
内筒の他端部に設けられたドーナツ板状の第２の端板と、
内筒の外周に設けられた、円筒プリーツ状の水蒸気透過膜と、
円筒プリーツ状の水蒸気透過膜のさらに外周に設けられた外筒と、を備え、
円筒プリーツの水蒸気透過膜の両端が、前記第１の端板及び第２の端板で気密的にシールされ、
内筒は、両端が整流板で気密的に塞がれた中心部壁面と、連通孔を有する端部壁面とを有するカートリッジが、ハウジング内に収められ、
前記ハウジングが、気体導入口１、気体排出口１、気体導入口２、及び気体排出口２を有し、
前記カートリッジと前記ハウジングがシールされた加湿装置であり、
気体導入口１から、水蒸気透過膜の外側の外側流路を経て、気体排出口１に繋がる流路と、
気体導入口２から、内筒の一端の内側から連通孔を通って、円筒プリーツ状の水蒸気透過膜の内側に入り、連通孔を通って内筒の他端の内側へと繋がる内側流路を経て、気体排出口２に繋がる流路と、が形成されていることを特徴とする加湿装置。
（５）前記カートリッジの前記外筒の壁面に、連通孔を有することを特徴とする（４）に記載の加湿装置。
（６）前記カートリッジの前記中心部壁面の長さが、円筒長の２０〜９０％であることを特徴とする（４）又は（５）に記載の加湿装置。
（７）前記カートリッジの前記第１の端板及び前記第２の端板の外周と、前記ハウジングとがシールされていることを特徴とする（４）〜（６）のいずれか１つに記載の加湿装置。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図１〜３を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明の加湿装置の一実施形態を示す燃料電池システム概略構成図である。
この燃料電池システムは、原料ガスとして、水素からなる燃料ガスと空気からなる酸化剤ガスを用い、水素側はメタノールの改質反応で得られ、加湿状態で供給されるため、空気側にのみ加湿部を備えた構成となっている。すなわち、この燃料電池は、電池反応を行う電池部１と、空気側の加湿部２とを備えている。電池部１は、固体高分子電解質膜と、その両側に配置された電極（酸化極および燃料剤極）とからなる電池セルを、内部に有するものである。
【００１５】
加湿部２は、原料気体が導入される原料気体用流路２１と、電池部１からの排出気体が導入される排出気体用流路２２と、これらの流路を分離する水蒸気透過膜２３とで構成されている。
この加湿部２の原料気体用流路２１の気体導入口２１１には、空気供給源であるコンプレッサー３が配管３１で接続されている。この原料気体用流路２１の気体導出口２１２は、電池部１の酸化剤極側のガス通路の入口と、配管３２で接続されている。排出気体用流路２２の気体導入口２２１は、電池部１の酸化剤極側のガス通路の出口と、配管３３で接続されている。排出気体用流路２２の気体導出口２２２には、排気用の配管３４が接続されている。
【００１６】
水素供給源４は、電池部１の燃料極側のガス通路の入口と、配管４１で接続されている。電池部１の燃料極側のガス通路の出口には、排気用の配管４２が接続されている。
この燃料電池によれば、電池部１の酸化剤極側のガス通路の出口から配管３３には、電池反応で生成された水蒸気、加湿部２の原料気体用流路２１から供給されて固体高分子電解質膜に吸収されなかった水蒸気、加湿部２の原料気体用流路２１から供給されて電池反応に使用されなかった酸素と酸素以外の空気成分（窒素等）を含む気体が排出される。この排出気体は、配管３３から、加湿部２の排出気体用流路２２内に導入される。
【００１７】
ここで、水蒸気透過膜２３は、この排出気体用流路２２内の排出気体に含まれている気体のうち水蒸気のみを透過して、水蒸気以外の気体を透過させない。そのため、排出気体用流路２２内の排出気体に含まれている気体のうち水蒸気のみが排出気体用流路２２から原料気体用流路２１内に入る。そして、この原料気体用流路２１内で、排出気体に含まれていた水蒸気とコンプレッサー（空気供給源）３から供給された空気（原料ガス）が接触して、空気が加湿される。この加湿された空気が、配管３２から電池部１の酸化剤極側のガス通路の入口に導入される。
【００１８】
したがって、この加湿部２によれば、電池部１へ供給される空気の酸素濃度を変化させずに、十分な加湿作用を得ることができる。その結果、特に自動車用として好適な燃料電池が得られる。
なお、この実施形態の燃料電池は、原料ガスとして、水素からなる燃料ガスと空気からなる酸化剤ガスを用い、水素側はメタノールの改質反応で加湿状態で供給されるため、空気側にのみ加湿部２を備えている。しかしながら、本発明の加湿装置はこれに限定されず、水素等からなる燃料ガス側にのみ加湿部を設けた構成、燃料ガス側と酸化剤ガス側の両方に加湿部を設けた構成にも適用できる。
【００１９】
また、本発明の加湿装置は、燃料電池の加湿部以外の用途にも適用できる。
図２を用いて、本発明の加湿装置の実施例についてさらに説明する。
図２は、本発明の加湿装置の断面の１例を示す概略図である。
水蒸気透過膜２３は、カートリッジ５と呼ばれる円筒内に、ひだ折り状に折られ収納されている。そして、カートリッジの円筒の内側と外側は水蒸気透過膜２３および後述するカートリッジ構成部材により、気密的にシールされている。
【００２０】
さらに、このカートリッジは、ハウジング６と呼ばれる密閉可能な容器に取り付けられて使用される。
このとき、カートリッジはＯリング等のシール材７を用いてハウジングに固定され、カートリッジとハウジングの隙間が、気体の流路となるように構成される。
これにより、ひだ折り状に折られた水蒸気透過膜に囲まれた円筒の内側の空間（内側流路８）を、燃料電池の排出気体用流路２２とし、水蒸気透過膜とハウジングに挟まれた空間（外側流路９）を、燃料電池の原料気体用流路２１とする、本発明の加湿装置が構成される。
【００２１】
原料気体は、気体導入口２１１からハウジング内に入り、水蒸気透過膜とハウジングの隙間から構成される外側流路９を通り、気体排出口２１２から排出され、燃料電池へ供給される。
一方、燃料電池の排出気体は、気体導入口２２１からハウジング内に入り、円筒状の水蒸気透過膜に囲まれた内側流路８を通る。水蒸気透過膜と接触した気体は、再び気体排出口２２２から排出される。
【００２２】
このように、この加湿装置は、２種類の流体が水蒸気透過膜を介して向流接触になるように構成されている。
また、内側の流路を排出気体用流路、外側の流路を原料気体用流路としたが、逆の構成をとることもできる。
図３は、本発明加湿装置のカートリッジ構成の一例を示す概略図である。
本発明の加湿装置のカートリッジは、両端が開口している内筒５０、内筒５０の一端部５０ａに設けるドーナツ板状の第１の端板５１ａ、内筒５０の他端部５０ｂに設けるドーナツ板状の第２の端板５１ｂ、内筒５０の外周にひだ折りされた円筒プリーツ状の水蒸気透過膜２３、および水蒸気透過膜２３のさらに外周にある外筒５２を主な構成要素とする。
【００２３】
内筒５０、端板５１、外筒５２の材質は、圧力、温度、腐食に対する耐性を有するものであれば金属製でも樹脂製でも特に限定されるものではない。
これらの素材の組み合わせは、同一であっても違っても構わない。
強度構造部材として作用する内筒５０は円筒形であり、内側流路と外側流路を隔てる水蒸気透過膜にかかる、軸線方向の荷重に対して十分な強度を有している。
【００２４】
内筒５０の両端の壁面５３ａ、５３ｂには、連通孔５４が形成されている。連通孔５４は、気体を内側流路から、円筒プリーツ状の水蒸気透過膜２３の隙間に導入するための役割をする。
一方、内筒５０の中心部の壁面５５には、連通孔は存在しない。さらに、壁面５５の両端は、整流板５６で気密的に塞ぎ、円筒内を気体が素通りしないようにする。整流板５６の固定方法は、エポキシ等の接着剤による方法、溶接法等を適宜選択できる。また、整流板の形状は、気体の流れをスムースにし圧力損失を抑える目的で、円錐形等の形状をとることもできる。
【００２５】
このような連通孔５４と整流板５６を有する内筒の構成とることにより、気体は、連通孔５４の一端から円筒プリーツ状の水蒸気透過膜の隙間内に導入され、水蒸気透過膜と接触し、再び他端からカートリッジの外へ排出されるため、接触効率を飛躍的に改善することができる。
内筒５０の両端の開口部（連通孔を有する部分）壁面５３aおよび５３ｂの長さは、気体の流量により随時設計される。すなわち、流量が多い場合には、開口部を広くとり、気体が円筒プリーツ状の水蒸気透過膜に導入するときの圧力損失を低くする必要がある。好ましい開口部の長さは特に限定されるものではないが、円筒長の５〜４０％、さらに好ましくは１０〜３０％の長さである。
【００２６】
また、中心部（連通孔の無い部分）壁面５５の長さは、気体と水蒸気透過膜の接触時間により設計される。すなわち、中心部壁面５５が短い場合には接触時間（距離）が短くなり、十分な湿度の交換ができない。長すぎると、圧力損失が大きくなり、系全体の効率が損なわれる。好ましい中心部壁面の長さは特に限定されるものではないが、円筒長の２０〜９０％であり、さらに好ましくは４０〜８０％である。
【００２７】
連通孔５４の形も、丸形、四角、長方形、菱形等、特に限定されるものではないが、丸形が一般的で加工性に優れるため好ましい。
連通孔５４の開孔率も圧力損失を低くするために、強度を損なわない範囲で大きい方が好ましい。好ましい開孔率の範囲は特に限定されるものではないが、２０％〜８５％、さらに好ましくは３０〜８０％である。
端板５１は、内筒５０の外周側に環状に突出したドーナツ板状をしている。さらに端板５１の外周には、ハウジングとのシールに用いるＯリング等のシール面５７をもつ構造をとることができる。
【００２８】
端板の外周部にはさらに外筒５２が設けられ、水蒸気透過膜を保護する。外筒の壁面には、その厚み方向に貫通する気体流通用の連通孔５９を、ほぼ全域にわたって有する。連通孔５９の形も、丸形、四角、長方形、菱形等、特に限定されるものではないが、丸形が一般的で加工性に優れるため好ましい。連通孔５９の開孔率も圧力損失を低くするために、強度を損なわない範囲で大きい方が好ましい。好ましい開孔率の範囲は特に限定されるものではないが、２０％〜８５％、さらに好ましくは３０〜８０％である。
【００２９】
内側流路の管径すなわち内筒の径は、水蒸気透過膜の膜面積と、水蒸気透過膜や補強用のネット等のプリーツを構成する部材の厚みにより設計される。内筒の円周上には、水蒸気透過膜をひだ折りにしたときにできる折り山が一列に並ぶ。多くの膜面積を詰め込もうとすると山数が多くなり、内筒径も大きくなる。また、プリーツの構成部材が厚いと折り山の曲率も大きくなり、内筒の円周上に多くの山を詰め込むことができない。
【００３０】
本発明の加湿装置のカートリッジの内径は特に限定されるものではないが、内径をカートリッジの外径の半分程度に設計するのが、単位体積当たりの膜面積を最大にできるため好ましい。
本発明の加湿装置のカートリッジの組立方法は、まず、シート状の水蒸気透過膜をひだ折りにして、円筒プリーツ状に丸め、その合わせ目を接着剤等を用いて気密的にシールする。次ぎに、その円筒プリーツ状の水蒸気透過膜に、内筒５０および、外筒５２を挿入し、さらに、円筒の両端を、第１の端板５１ａと第２の端板５１ｂを用いて、接着剤５８でシールする。
【００３１】
シールの方法は、特に限定されるものではなく、いずれも従来から知られた公知技術によって行われる。例えば、エポキシ系樹脂やウレタン系樹脂等の接着剤により固定される。
水蒸気透過膜は、膜の保護と圧力に対する強度を保つため、補強材とともにひだ折り状に折られる。補強剤は、通常ネットや不織布等が用いられる。ネットの材質は金属、樹脂、金属に樹脂のコーティングをしたもの等が一般的に用いられ、不織布は、主に樹脂製のものが使用される。
【００３２】
これらの補強剤の素材は、耐熱性や耐圧性を考慮して適宜選択でき、単独および組み合わせて用いることができる。
また、補強材の表面開孔率は、気体と水蒸気透過膜の接触効率、加湿性能、補強材としての強度の観点から決定される。
好ましいネットの開孔率は特に限定されるものではないが、３０〜８０％が好ましく、さらに好ましくは５０〜８０％である。
【００３３】
不織布は通常、水蒸気透過膜の保護の目的で使用される場合が多い。好ましい不織布の目付量は特に限定されるものではないが、気体の水蒸気透過膜への接触性を考慮して１０〜１００ｇ／ｍ²が好ましく、さらに好ましくは１５〜８０ｇ／ｍ²である。
カートリッジを納めるハウジングは、カートリッジを納めて密閉可能な容器で、内側の流路と外側の流路が気密的に分離できる構成であれば特に限定されるものではないが、胴体部と両端に蓋のある構成とした方が、使用済みのカートリッジは交換でき、ハウジングは繰り返し使用できるため、経済性がよく好ましい。
本発明に用いられる、パーフルオロスルホン酸系イオン交換樹脂としては、下記一般式（１）で表される単位の共重合体が好適に用いられる。
【００３４】
【化１】

【００３５】
特に、水蒸気透過性能の点で下記一般式（２）で表される旭化成（株）社製、商品名Ａｃｉｐｌｅｘが好適に用いられる。
【００３６】
【化２】

【００３７】
膜厚は、特に限定されるものではないが５〜２００μｍ、好ましくは１０〜１００μｍである。膜厚が薄いほど、水蒸気透過速度は速くなる。また、膜厚の下限値は、シートに必要とされる機械的強度によって決まる。
本発明に用いられる、高分子樹脂多孔膜の表面および細孔中に硬化させる、パーフルオロスルホン酸系イオン交換樹脂としては、同様に一般式（１）で表される単位の共重合体が好適に用いられる。
【００３８】
特に、水蒸気透過性能の点で一般式（２）で表される旭化成（株）社製、商品名Ａｃｉｐｌｅｘ−ＳＳが好適に用いられる。Ａｃｉｐｌｅｘ−ＳＳは、溶液の状態で入手可能なため、高分子樹脂多孔膜にコーティングするのに加工性に優れる。
本発明に用いられる高分子樹脂多孔膜の素材としては、特に限定されるものではないが、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスルホン、ポリフッ化ビニリデン、ポリアクリルニトリル、ポリカーボネート、ポリテトラフルオロエチレン、ポリテトラフルオロエチレン／ヘキサフロロプロピレン共重合体、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）等が挙げられる。
【００３９】
耐熱性、耐薬品性の点でポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）が特に好ましい。
このような高分子樹脂多孔膜の孔径は、特に限定されるものではないが、多孔膜の製造上の観点から０．０１μｍ以上が好ましく、透湿性樹脂を均一にコーティングする観点から１０μｍ以下が好ましい。より好ましくは０．１〜５μｍである。
【００４０】
また、本発明に用いられる高分子樹脂多孔膜の空孔率は、特に限定されるものではないが、透湿性能の観点から２０％以上が好ましく、多孔膜の強度の観点から９８％以下が好ましい。より好ましくは３０〜９５％である。
高分子樹脂多孔膜の厚さは、特に限定されるものではないが、５〜２００μｍが好ましく、より好ましくは１０〜１００μｍである。高分子樹脂多孔膜シートの膜厚が薄いほど、水蒸気透過速度は速くなる。また、高分子樹脂多孔膜シートの膜厚の下限値は、高分子樹脂多孔膜シートに必要とされる機械的強度によって決まる。
【００４１】
本発明に用いられる高分子樹脂多孔膜の表面に硬化した透湿性樹脂層を設けた構造とは、透湿性樹脂層が多孔膜の表面近傍の細孔を埋没するとともに、表面にもコーティング層をもつ構造をいう。
ここで、硬化したとは、コーティング操作後に、透湿性樹脂が脱溶媒され、流動性がなくなる状態をいう。
高分子樹脂多孔膜の表面形状は凹凸であるため、界面で極めて大きな接着面積がとれる。また、透湿性樹脂層の一部が高分子樹脂多孔膜の細孔を一部埋めることで、アンカー効果が得られ、密着性は極めて高いものとなる。
【００４２】
透湿性樹脂のコーティング層の厚みは、特に限定されるものではないが、高分子樹脂多孔膜の厚みに対して、１〜６０％が好ましく、さらに好ましくは５〜５０％である。
本発明で用いる高分子樹脂多孔膜の細孔中に硬化した透湿性樹脂層を設けた構造とは、高分子樹脂多孔膜の細孔中に、透湿性樹脂の硬化物を埋没した構造をいう。
【００４３】
高分子樹脂多孔膜の細孔中に埋没させる透湿性樹脂の量は、多孔膜の細孔の全部を充填させる量であっても良いが、好ましくはその細孔の一部のみを充填させるような量であり、かつ、多孔膜の片面から反対面まで貫通孔が存在しない量である。
充填量が少ない、もしくは不均一であると貫通孔が存在し、水蒸気以外の成分の移動が起こり、電池部へ供給される原料ガスの酸素濃度が変化してしまう。
【００４４】
また、このような構造を有する本発明で用いる水蒸気透過膜では、表面にはコーティング層が無いため、剥離が生じにくいという利点がある。
また、本発明で用いる水蒸気透過膜は、疎水性の多孔膜の孔に、パーフルオロスルホン酸系イオン交換樹脂が充填された構造となっているため、イオン交換樹脂が多量の水を含んだ場合でも、膜全体で膨張することが防止される。したがって、ひだ折り状の円筒プリーツ構造のカートリッジを製造する場合に膜の寸法変化が少ないことは設計、製作が容易になる。
【００４５】
本発明で用いる水蒸気透過膜は、膜の両側にある気体中の水蒸気のみを透過し、他の気体成分は透過させないようにするため、水蒸気以外の気体の透過率は、「ＪＩＳ−Ｐ８１１７」に示す透気度で、１０００秒／１００ｃｃ以上が好ましく、より好ましくは１００００秒／１００ｃｃ以上である。この値（透気度１００００秒／１００ｃｃ以上）は、１００ｃｃの気体を透過させるために必要な時間が１００００秒以上であることを意味する。
【００４６】
本発明で用いるパーフルオロスルホン酸系イオン交換樹脂のスルホン酸基の対イオンは、プロトン型がナトリウム等の金属イオンよりも水蒸気透過性能が高く好ましい。
本発明で用いる水蒸気透過膜の作製方法としては、特に限定されるものではないが、パーフルオロスルホン酸系イオン交換基を有するポリマー溶液をアルコール、ケトン、エステルのような有機溶媒中に溶解、分散させた溶液を高分子樹脂多孔膜に塗布した後、脱溶媒する方法が挙げられる。
【００４７】
塗布の具体的方法としては、特に限定されるものではないが、グラビアロール、リバースロール、ドクターロール、キスロール等を用いた方法や、噴霧、浸漬、ろ過等の方法が挙げられる。高分子樹脂多孔膜の表面に透湿性樹脂層を設ける場合には、ロールによる方法、噴霧法が好ましく、高分子樹脂多孔膜の細孔中に透湿性樹脂層を設ける場合は、浸漬法、ろ過法が特に好ましい。
以下、本発明の加湿装置について、実施例および比較例を用いて、より具体的に説明する。
【００４８】
【実施例１】
パーフルオロスルホン酸系イオン交換膜（商品名Ａｃｉｐｌｅｘ−Ｓ１１０２、膜幅４００ｍｍ、膜厚５６μｍ、旭化成（株）社製）を、ポリプロピレン製で目付量５０ｇ／ｍ²の不織布の間に挟み、さらに金網（線径０．１８ｍｍ、１８メッシュ）の間にはさんで、ひだ幅２４ｍｍにプリーツし、その９４山分のひだをとって円筒状に丸め、その合わせ目をエポキシ接着剤とＶ字のステンレス製板でかしめてシールした。
【００４９】
この円筒プリーツの中に、内筒を差込み、さらに、円筒プリーツの外側には外筒を差込み、両端をドーナツ板状の端板で、エポキシ接着剤を用いてシールしてカートリッジを完成した。
内筒は、ステンレス鋼製の板（板厚１ｍｍ、幅４００ｍｍ）の両端部１００ｍｍの幅に連通孔（φ７ｍｍ、ピッチ１０ｍｍ、開孔率４４％）を開けた板を丸めて、合わせ目をスポット溶接し、内径９０ｍｍの円筒を製作した。さらに円筒内には両端部から１００ｍｍのところに直径９０ｍｍの円板をエポキシ樹脂で固定して、円筒の中心部には気体が流入しない構造とした。
【００５０】
外筒も同じく、板厚１ｍｍ、幅４００ｍｍのステンレス鋼製の板の全面に連通孔（φ７ｍｍ、ピッチ１０ｍｍ、開孔率４４％）を開けた板を丸めて、合わせ目をスポット溶接し、内径１５０ｍｍの円筒を製作した。
カートリッジを納めるハウジングは胴体部と両端に蓋のある構成とし、カートリッジを出し入れでき、カートリッジのみ交換できるようにした。胴体部は、ステンレス鋼製のパイプに、カートリッジを挿入した時の端板の位置にＯリング溝を加工し、胴部の両端に、軸線方向にノズルを溶接した。
【００５１】
蓋は、ステンレス鋼製の円板にノズルを溶接し、胴体部とはパッキンを介してクランプで締め付けて気密的にシールできる構成とした。
カートリッジをハウジングの中に収納し、本発明の加湿装置を完成した。本発明の加湿装置の膜面積は１．８ｍ²、体積は約９リットルであり、コンパクトな体積中に多くの膜面積を詰め込むことができた。
この加湿装置の性能（水蒸気透過性と水蒸気以外の気体の非透過性）を、評価した。
【００５２】
ハウジングの４ヶのノズルの内、内側流路の一端を、加湿空気入口とし、他端を加湿空気出口とした。そして、外側流路の一端を乾燥窒素入口とし、他端を乾燥窒素出口とした。このとき水蒸気透過膜を介して乾燥窒素と加湿空気が向流接触になるように配管した。
この加湿装置の加湿空気入口に、相対湿度７０％ＲＨで温度７７℃の加湿空気を、流量１０００リットル／分で供給するとともに、乾燥窒素入口に、相対湿度６％ＲＨで温度７７℃の乾燥窒素を流量１０００リットル／分で供給した。これらの加湿空気および乾燥窒素の供給を３０分間行った後に、乾燥窒素出口内の気体の相対湿度と酸素濃度を測定した。その結果、相対湿度は４２％ＲＨであり、酸素濃度は０％であった。
【００５３】
【実施例２】
水蒸気透過膜に後述する、コーティング膜を使用すること以外は、実施例１と全く同じ方法、構成で加湿装置を製作した。
水蒸気透過膜は、下記のように製造した。
先ず、パーフルオロスルホン酸系イオン交換樹脂（商品名Ａｃｉｐｌｅｘ−ＳＳ−１０８０、旭化成（株）社製）をエタノール（和光純薬工業（株）社製）で２倍に希釈しコーティング液を調整した。
【００５４】
この溶液を、連続スプレイコータを用いて、膜厚２０μｍ、膜幅４００mm、空孔率４７％のポリプロピレン製多孔膜（商品名ユーポアＺ０３１、宇部興産（株）社製）の上に、吐出量５０ｇ／ｍｉｎでスプレイし、次いで、ドラム速度２０ｍ／ｈｒ、ドラム温度８０℃、雰囲気温度２９℃の条件で乾燥を行い、溶媒のエタノールを除去した。これにより、ポリプロピレン製多孔膜の表面に均一なコーティング層をもつ本発明の水蒸気透過膜が得られた。得られた本発明の水蒸気透過膜の厚みは、２１．５μｍであった。
【００５５】
コーティング後乾燥したコーティング膜の質量から、コーティングを行う前のポリプロピレン製多孔膜の質量を引いて、膜面上にコーティングされたパーフルオロスルホン酸イオン交換樹脂の単位面積あたりの質量を求めたところ、６．４ｇ／ｍ²であった。
この加湿装置の性能を実施例１と同じ方法で評価した。すなわち、この加湿装置の加湿空気入口に、相対湿度７０％ＲＨで温度７７℃の加湿空気を、流量１０００リットル／分で供給するとともに、乾燥窒素入口に、相対湿度６％ＲＨで温度７７℃の乾燥窒素を流量１０００リットル／分で供給した。これらの加湿空気および乾燥窒素の供給を３０分間行った後に、乾燥窒素出口内の気体の相対湿度と酸素濃度を測定した。その結果、相対湿度は４５％ＲＨであり、酸素濃度は０％であった。
【００５６】
【実施例３】
水蒸気透過膜に後述する、コーティング膜を使用すること以外は、実施例１と全く同じ方法、構成で加湿装置を製作した。
水蒸気透過膜は、下記のように製造した。
まず、実施例２と同様のコーティング液を調整した。次ぎに、膜厚２０μｍ、膜幅４００mm、空孔率４７％のポリプロピレン製多孔膜（商品名ユーポアＺ０３１、宇部興産（株）社製）を上記コーティング液に浸漬して含浸した後、この膜を液から引き上げて、ドラム速度２０ｍ／ｈｒ、８０℃のドラム温度、雰囲気温度２９℃で乾燥操作を行い、エタノールを除去した。この浸漬、乾燥工程を１０回繰り返した。これにより、ポリプロピレン製多孔膜の細孔中に、パーフルオロスルホン酸イオン交換樹脂が硬化した本発明の水蒸気透過膜が得られた。得られた本発明の水蒸気透過膜の厚みは、２２μｍであった。
【００５７】
コーティング後乾燥したコーティング膜の質量から、コーティングを行う前のポリプロピレン製多孔膜の質量を引いて、膜面上にコーティングされたパーフルオロスルホン酸イオン交換樹脂の単位面積あたりの質量を求めたところ、２３．０ｇ／ｍ²であった。
この加湿装置の性能を実施例１と同じ方法で評価した。すなわち、この加湿装置の加湿空気入口に、相対湿度７０％ＲＨで温度７７℃の加湿空気を、流量１０００リットル／分で供給するとともに、乾燥窒素入口に、相対湿度６％ＲＨで温度７７℃の乾燥窒素を流量１０００リットル／分で供給した。これらの加湿空気および乾燥窒素の供給を３０分間行った後に、乾燥窒素出口内の気体の相対湿度と酸素濃度を測定した。その結果、相対湿度は４４％ＲＨであり、酸素濃度は０％であった。
【００５８】
【実施例４】
実施例１の水蒸気透過膜を、０．１Ｎ水酸化ナトリウム水溶液に所定時間浸漬することにより、パーフルオロスルホン酸系イオン交換膜のスルホン酸基のプロトンをナトリウムに置換した膜を用いること以外は実施例１と同様の方法、構成で加湿装置を製作した。
この加湿装置の性能（水蒸気透過性と水蒸気以外の気体の非透過性）を、実施例１と同じ方法で調べた。
【００５９】
すなわち、この加湿装置の加湿空気入口に、相対湿度７０％ＲＨで温度７７℃の加湿空気を、流量１０００リットル／分で供給するとともに、乾燥窒素入口に、相対湿度６％ＲＨで温度７７℃の乾燥窒素を流量１０００リットル／分で供給した。これらの加湿空気および乾燥窒素の供給を３０分間行った後に、乾燥窒素出口内の気体の相対湿度と酸素濃度を測定した。その結果、相対湿度は１５％ＲＨであり、酸素濃度は０％であった。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の加湿装置によれば、電池部へ供給される空気の酸素濃度を変化させずに十分な加湿作用を得ることができ、かつ、加湿装置はコンパクトであるため、特に自動車用燃料電池の加湿装置として適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の加湿装置を備えた燃料電池の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】本発明の加湿装置の断面の１例を示す概略構成図である。
【図３】本発明の加湿装置のカートリッジ構成の一例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１電池部
２加湿部
２１原料気体用流路
２１１気体導入口
２１２気体導出口
２２排出気体用流路
２２１気体導入口
２２２気体導出口
２３水蒸気透過膜
３コンプレッサー（空気供給源）
３１配管
３２配管
３３配管
３４配管
４水素供給源
４１配管
４２配管
５カートリッジ
５０内筒
５１端板
５２外筒
５３端部壁面
５４連通孔
５５中心部壁面
５６整流板
５７シール面
５８接着剤
５９連通孔
６ハウジング
７シール材
８内側流路
９外側流路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a humidifier that is suitably used to humidify a source gas supplied to a fuel cell.
[0002]
[Prior art]
In general, a fuel cell obtains electric energy by reacting a fuel gas such as hydrogen and an oxidant gas such as air (oxygen) through an electrolyte. A battery cell of a solid polymer electrolyte fuel cell using a solid polymer membrane as an electrolyte is composed of a solid polymer electrolyte membrane and electrodes disposed on both sides thereof.
In this solid polymer electrolyte fuel cell, for example, an ion exchange membrane having a proton exchange group is used as the solid polymer electrolyte membrane. This membrane functions as an ion conductive electrolyte by performing proton exchange in a saturated water-containing state. Therefore, the solid polymer electrolyte fuel cell is generally configured to include a battery part that performs a battery reaction and a humidifying part that humidifies a raw material gas supplied to the battery part.
[0003]
As a conventional example of this humidifying part, for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-354142, the water vapor contained in the exhaust gas from the battery part is mixed with the source gas through a semipermeable membrane that selectively permeates the water vapor. The self-humidifying part which contacts is described.
Japanese Patent Laid-Open No. 6-132038 discloses, as the humidifying part, a raw material gas flow path into which a raw material gas is introduced, an exhaust gas flow path into which exhaust gas from the battery part is introduced, and these flows. A water vapor permeable membrane that separates the path, and the water vapor contained in the exhaust gas is allowed to permeate the water vapor permeable membrane and enter the flow channel for the exhaust gas from the flow channel for the exhaust gas. A material that humidifies the source gas by contacting the source gas in the flow path is described.
[0004]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-273687 discloses a humidifying device in which the water vapor permeable membrane is a hollow fiber membrane.
Here, on the air (oxidant) side, the gas discharged from the battery part includes water vapor generated by the battery reaction, water vapor supplied from the humidification part and not absorbed by the solid polymer electrolyte membrane, from the humidification part Oxygen that is supplied and not used for the battery reaction and air components other than oxygen (such as nitrogen) are included. When this exhaust gas is mixed with the raw material gas as it is, the oxygen concentration of the raw material gas supplied to the battery unit changes, so that the humidifying unit is required to have airtightness that allows water vapor to pass through but does not allow other gases to pass through.
[0005]
In addition, since the source gas is supplied to the humidifying unit at a high pressure in consideration of the pressure drop lost in the battery unit, the source gas flow path of the humidifying unit and the gas discharged from the battery unit are introduced. A pressure difference is generated in the exhaust gas flow path. Therefore, pressure resistance is required for the water vapor permeable membrane and the humidifier that separate the raw material gas flow path and the exhaust gas flow path of the humidifying section.
In response to these requirements, the prior art has the following problems.
[0006]
The stack type self-humidifying portion of Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-354142 requires that the separator be thin in order to increase the membrane area and make the volume of the humidifier compact, and the processing of the separator is costly. .
In addition, in the water vapor permeable membrane folded in a bellows shape in JP-A-6-132038, the folded water vapor permeable membrane has a planar shape. It is necessary to increase the thickness or insert ribs, making it difficult to reduce the size. Moreover, there is a problem that it is difficult to seal secretly because of the box shape.
[0007]
Further, in the water vapor permeable membrane of the hollow fiber membrane disclosed in JP-A-8-273687, the hollow fiber bundle is densely stored in the container, so that the contact efficiency of the gas outside the hollow fiber is poor, and the humidifying performance There is a problem that is low.
Regarding the water vapor permeable membrane, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-354142 has no description about the material of the semipermeable membrane of the self-humidifying portion. Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-132038 discloses “SUNSEP-W” manufactured by Asahi Glass Co., Ltd. as an example of the water vapor permeable membrane. The material of “SUNSEP-W” is a fluorine-based copolymer having a sulfonic acid group. Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-273687 proposes a humidifier characterized in that the water vapor permeable membrane is an ion exchange membrane such as perfluorocarbon sulfonic acid and is a hollow fiber membrane.
[0008]
The smaller the thickness of the water vapor permeable membrane as described above, the better. That is, when moisture permeates the water vapor permeable membrane, the shorter the moving distance, the faster the moisture permeation rate, and the perfluorosulfonic acid ion exchange resin is a very expensive material. This is because the production cost can be reduced by reducing the amount used.
However, in order to use a thin perfluorosulfonic acid ion exchange membrane alone, it must have a certain thickness in order to provide the necessary mechanical strength. For this reason, there is a limit to reducing the thickness of the water vapor permeable membrane.
[0009]
In addition, since the source gas is supplied to the humidifying unit at a high pressure in consideration of the pressure drop lost in the battery unit, the source gas flow path of the humidifying unit and the gas discharged from the battery unit are introduced. A pressure difference is generated in the exhaust gas flow path. Therefore, pressure resistance is required for the water vapor permeable membrane that separates the raw material gas flow path and the exhaust gas flow path of the humidifying section.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a humidifying device for a fuel cell that solves the above-mentioned problems found in the prior art, is excellent in compactness and water vapor transmission performance, is low in cost, has high pressure strength, and has a long service life. There is.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies to solve the above problems, the inventors of the present invention folded the sheet-like water vapor permeable membrane and rounded it into a cylindrical pleat shape, and hermetic seams and both ends of the cylinder were hermetically sealed. By taking a sealed structure, the membrane area per unit volume can be widened, so the humidification performance is high, and since it takes a cylindrical shape, it has been found that it has high pressure resistance, and the present invention has been completed.
[0012]
  That is, the present invention is as follows.
  (1) A fuel cell including a battery unit that performs a battery reaction, and a humidifier that humidifies a raw material gas supplied to the battery unit,
The battery part has a battery cell composed of a solid polymer electrolyte membrane and electrodes arranged on both sides thereof,
The humidifier is a humidifier in which a cartridge is housed in a housing,
The cartridge is
An inner cylinder having both ends open, a donut plate-like first end plate provided at one end of the inner cylinder, and a donut plate-like second end plate provided at the other end of the inner cylinder; A pleated cylindrical pleated water vapor permeable membrane provided on the outer periphery of the inner cylinder, and an outer cylinder provided on the outer periphery of the cylindrical pleated water permeable membrane,
Both ends of the cylindrical pleated water vapor permeable membrane are hermetically sealed with the first end plate and the second end plate,
The inner cylinder has a communication hole that penetrates the wall surfaces at both ends of the inner cylinder, and both ends of the central portion of the inner cylinder are hermetically closed with a rectifying plate, so that the inner cylinder communicates from the space inside the inner cylinder. It is a cartridge in which an inner flow path connected to a gap in a cylindrical pleated water vapor permeable membrane through a hole is formed,
The cartridge and the housing are sealed, and the inner flow path of the cartridge and the outer flow path outside the water vapor permeable membrane are hermetically separated,
The housing has a gas inlet 1, a gas outlet 1, a gas inlet 2, and a gas outlet 2.
From the gas inlet 1, a raw material gas channel connected to the gas outlet 1 via the outer channel, and an exhaust gas channel connected to the gas outlet 2 from the gas inlet 2 via the inner channel. A humidifying device formed,
Water vapor contained in the exhaust gas from the battery part is allowed to permeate the water vapor permeable membrane and enter the raw material gas flow path from the exhaust gas flow path. A fuel cell characterized in that the source gas is humidified by contact.
[0013]
  (2) The fuel cell according to (1), wherein the water vapor permeable membrane is a perfluorosulfonic acid ion exchange membrane.
  (3) The fuel cell according to (2), wherein the counter ion of the sulfonic acid group of the perfluorosulfonic acid ion exchange resin is a proton.
  (4)An inner cylinder that is open at both ends;
A donut plate-like first end plate provided at one end of the inner cylinder;
A donut plate-like second end plate provided at the other end of the inner cylinder;
A cylindrical pleated water vapor permeable membrane provided on the outer periphery of the inner cylinder;
An outer cylinder provided on the outer periphery of a cylindrical pleated water vapor permeable membrane,
Both ends of the water vapor permeable membrane of the cylindrical pleat are hermetically sealed with the first end plate and the second end plate,
The inner cylinder has a central wall surface whose both ends are hermetically closed with a rectifying plate, and an end wall surface having a communication hole.The cartridge is housed in the housing,
The housing has a gas inlet 1, a gas outlet 1, a gas inlet 2, and a gas outlet 2.
A humidifier in which the cartridge and the housing are sealed;
A flow path leading from the gas inlet 1 to the gas outlet 1 via the outer flow path outside the water vapor permeable membrane;
From the gas inlet 2 through the communication hole from the inner side of one end of the inner cylinder, to the inner side of the cylindrical pleated water vapor permeable membrane, and through the communication hole to the inner side of the other end of the inner cylinder Then, a flow path connected to the gas discharge port 2 is formed.
  (5)Of the cartridgeThe wall surface of the outer cylinder has a communication hole as described in (4)Humidifier.
  (6)Of the cartridge(4) or (5), wherein the length of the central wall surface is 20 to 90% of the cylindrical lengthHumidifier.
  (7) The outer periphery of the first end plate and the second end plate of the cartridge and the housing are sealed.Any one of (4) to (6)The humidifier described in 1.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system showing an embodiment of a humidifying device of the present invention.
This fuel cell system uses a fuel gas consisting of hydrogen and an oxidant gas consisting of air as raw material gas, and the hydrogen side is obtained by a methanol reforming reaction and is supplied in a humidified state. Therefore, only the air side is humidified. It is the composition provided with the part. That is, the fuel cell includes a battery unit 1 that performs a cell reaction and a humidifier unit 2 on the air side. The battery part 1 has a battery cell comprising a solid polymer electrolyte membrane and electrodes (oxidation electrode and fuel agent electrode) disposed on both sides thereof.
[0015]
The humidifying unit 2 includes a source gas channel 21 into which source gas is introduced, an exhaust gas channel 22 into which exhaust gas from the battery unit 1 is introduced, and a water vapor permeable membrane 23 that separates these channels. It consists of
A compressor 3, which is an air supply source, is connected by a pipe 31 to the gas inlet 211 of the raw material gas flow path 21 of the humidifying unit 2. The gas outlet port 212 of the raw material gas channel 21 is connected to the inlet of the gas passage on the oxidant electrode side of the battery unit 1 by a pipe 32. The gas inlet 221 of the exhaust gas passage 22 is connected to the outlet of the gas passage on the oxidant electrode side of the battery unit 1 by a pipe 33. An exhaust pipe 34 is connected to the gas outlet port 222 of the exhaust gas passage 22.
[0016]
The hydrogen supply source 4 is connected to the inlet of the gas passage on the fuel electrode side of the battery unit 1 by a pipe 41. An exhaust pipe 42 is connected to the outlet of the gas passage on the fuel electrode side of the battery unit 1.
According to this fuel cell, the water vapor generated by the cell reaction and the raw material gas flow path 21 of the humidification section 2 are supplied from the outlet of the gas passage on the oxidant electrode side of the battery section 1 to the pipe 33, and the solid high Water vapor that has not been absorbed by the molecular electrolyte membrane, gas that is supplied from the raw material gas flow path 21 of the humidifying unit 2 and that is not used for the battery reaction, and air components other than oxygen (such as nitrogen) are discharged. The exhaust gas is introduced from the pipe 33 into the exhaust gas flow path 22 of the humidifying unit 2.
[0017]
Here, the water vapor permeable membrane 23 transmits only water vapor among gases contained in the exhaust gas in the exhaust gas flow path 22 and does not transmit gas other than water vapor. Therefore, only water vapor out of the gas contained in the exhaust gas in the exhaust gas channel 22 enters the raw material gas channel 21 from the exhaust gas channel 22. In the raw material gas channel 21, the water vapor contained in the exhaust gas and the air (raw material gas) supplied from the compressor (air supply source) 3 come into contact with each other to humidify the air. The humidified air is introduced from the pipe 32 to the inlet of the gas passage on the oxidant electrode side of the battery unit 1.
[0018]
Therefore, according to the humidifying unit 2, a sufficient humidifying action can be obtained without changing the oxygen concentration of the air supplied to the battery unit 1. As a result, a fuel cell particularly suitable for automobiles can be obtained.
The fuel cell of this embodiment uses a fuel gas composed of hydrogen and an oxidant gas composed of air as source gases, and the hydrogen side is supplied in a humidified state by a methanol reforming reaction. A humidifying unit 2 is provided. However, the humidifying device of the present invention is not limited to this, and is also applicable to a configuration in which a humidifying unit is provided only on the fuel gas side made of hydrogen or the like, and a configuration in which a humidifying unit is provided on both the fuel gas side and the oxidant gas side it can.
[0019]
Moreover, the humidifier of this invention is applicable also to uses other than the humidification part of a fuel cell.
The embodiment of the humidifier of the present invention will be further described with reference to FIG.
FIG. 2 is a schematic view showing an example of a cross section of the humidifying device of the present invention.
The water vapor permeable membrane 23 is folded and housed in a fold-like shape in a cylinder called a cartridge 5. The inside and outside of the cylinder of the cartridge are hermetically sealed by a water vapor permeable membrane 23 and a cartridge constituent member to be described later.
[0020]
Further, the cartridge is used by being attached to a sealable container called a housing 6.
At this time, the cartridge is fixed to the housing using a sealing material 7 such as an O-ring, and the gap between the cartridge and the housing is configured as a gas flow path.
Thus, the space (inner flow path 8) inside the cylinder surrounded by the water vapor permeable film folded in a fold-fold is used as the exhaust gas flow path 22 of the fuel cell, and is sandwiched between the water vapor permeable film and the housing. The humidifying device of the present invention is configured in which the space (outer flow path 9) is the raw material gas flow path 21 of the fuel cell.
[0021]
The raw material gas enters the housing from the gas inlet 211, passes through the outer flow path 9 formed by the gap between the water vapor permeable membrane and the housing, is discharged from the gas outlet 212, and is supplied to the fuel cell.
On the other hand, the exhaust gas of the fuel cell enters the housing from the gas inlet 221 and passes through the inner flow path 8 surrounded by the cylindrical water vapor permeable membrane. The gas in contact with the water vapor permeable membrane is again discharged from the gas discharge port 222.
[0022]
Thus, this humidifier is configured so that two types of fluids are in countercurrent contact through the water vapor permeable membrane.
Further, although the inner flow path is the exhaust gas flow path and the outer flow path is the raw material gas flow path, the reverse configuration may be adopted.
FIG. 3 is a schematic view showing an example of the cartridge configuration of the humidifying device of the present invention.
The cartridge of the humidifier of the present invention includes an inner cylinder 50 having both ends open, a donut plate-like first end plate 51a provided at one end 50a of the inner cylinder 50, and a donut provided at the other end 50b of the inner cylinder 50. The main components are the plate-like second end plate 51b, the cylindrical pleated water vapor permeable film 23 folded on the outer circumference of the inner cylinder 50, and the outer cylinder 52 on the outer circumference of the water vapor permeable film 23.
[0023]
The materials of the inner cylinder 50, the end plate 51, and the outer cylinder 52 are not particularly limited as long as they are resistant to pressure, temperature, and corrosion and are made of metal or resin.
The combination of these materials may be the same or different.
The inner cylinder 50 acting as a strength structural member has a cylindrical shape and has sufficient strength against an axial load applied to the water vapor permeable membrane separating the inner flow path and the outer flow path.
[0024]
Communication holes 54 are formed in the wall surfaces 53 a and 53 b at both ends of the inner cylinder 50. The communication hole 54 serves to introduce gas from the inner flow path into the gap between the cylindrical pleated water vapor permeable membranes 23.
On the other hand, there is no communication hole in the wall surface 55 at the center of the inner cylinder 50. Further, both ends of the wall surface 55 are hermetically closed by the current plate 56 so that the gas does not pass through the cylinder. As a method for fixing the current plate 56, a method using an adhesive such as epoxy, a welding method, or the like can be selected as appropriate. Further, the shape of the current plate can be a conical shape for the purpose of smoothing the gas flow and suppressing pressure loss.
[0025]
By adopting an inner cylinder having such a communication hole 54 and a rectifying plate 56, the gas is introduced from one end of the communication hole 54 into the gap between the cylindrical pleated water vapor permeable films, and comes into contact with the water vapor permeable film. Since the toner is again discharged from the other end of the cartridge, the contact efficiency can be drastically improved.
The lengths of the openings (portions having communication holes) wall surfaces 53a and 53b at both ends of the inner cylinder 50 are designed as needed depending on the gas flow rate. That is, when the flow rate is large, it is necessary to widen the opening and reduce the pressure loss when the gas is introduced into the cylindrical pleated water vapor permeable membrane. Although the length of a preferable opening part is not specifically limited, It is 5 to 40% of cylinder length, More preferably, it is 10 to 30% of length.
[0026]
In addition, the length of the central portion (portion having no communication hole) wall surface 55 is designed by the contact time between the gas and the water vapor permeable membrane. That is, when the central wall surface 55 is short, the contact time (distance) is short, and sufficient humidity cannot be exchanged. If it is too long, the pressure loss increases and the efficiency of the entire system is impaired. The length of the wall surface of the central portion is not particularly limited, but is 20 to 90% of the cylindrical length, and more preferably 40 to 80%.
[0027]
The shape of the communication hole 54 is not particularly limited, such as a round shape, a square shape, a rectangular shape, or a rhombus shape, but a round shape is generally preferable because it is excellent in workability.
In order to reduce the pressure loss, it is preferable that the opening ratio of the communication hole 54 is large as long as the strength is not impaired. Although the range of a preferable aperture ratio is not specifically limited, It is 20 to 85%, More preferably, it is 30 to 80%.
The end plate 51 has a donut plate shape protruding in an annular shape on the outer peripheral side of the inner cylinder 50. Furthermore, the outer periphery of the end plate 51 can have a structure having a sealing surface 57 such as an O-ring used for sealing with the housing.
[0028]
An outer cylinder 52 is further provided on the outer periphery of the end plate to protect the water vapor permeable membrane. The wall surface of the outer cylinder has a communication hole 59 for gas circulation penetrating in the thickness direction over substantially the entire area. The shape of the communication hole 59 is not particularly limited, such as a round shape, a square shape, a rectangular shape, or a rhombus shape, but a round shape is generally preferable because it is excellent in workability. In order to reduce the pressure loss, it is preferable that the opening rate of the communication hole 59 is large as long as the strength is not impaired. Although the range of a preferable aperture ratio is not specifically limited, It is 20 to 85%, More preferably, it is 30 to 80%.
[0029]
The tube diameter of the inner flow path, that is, the diameter of the inner cylinder is designed based on the membrane area of the water vapor permeable membrane and the thickness of the members constituting the pleats such as the water vapor permeable membrane and the reinforcing net. On the circumference of the inner cylinder, folds formed when the water vapor permeable membrane is folded are lined up in a row. If many membrane areas are packed, the number of peaks increases and the inner cylinder diameter also increases. In addition, if the pleats are thick, the curvature of the fold mountain becomes large, and many hills cannot be packed on the circumference of the inner cylinder.
[0030]
The inner diameter of the cartridge of the humidifying device of the present invention is not particularly limited, but it is preferable to design the inner diameter to be about half of the outer diameter of the cartridge because the membrane area per unit volume can be maximized.
In the humidifying apparatus cartridge assembly method of the present invention, first, a sheet-like water vapor permeable membrane is folded and rounded into a cylindrical pleat shape, and the seam is hermetically sealed using an adhesive or the like. Next, the inner cylinder 50 and the outer cylinder 52 are inserted into the cylindrical pleated water vapor permeable membrane, and both ends of the cylinder are bonded using the first end plate 51a and the second end plate 51b. Seal with agent 58.
[0031]
The sealing method is not particularly limited, and any sealing method is performed by a conventionally known technique. For example, it is fixed by an adhesive such as an epoxy resin or a urethane resin.
The water vapor permeable membrane is folded in a fold shape together with the reinforcing material in order to protect the membrane and maintain strength against pressure. As the reinforcing agent, a net or a nonwoven fabric is usually used. The material of the net is generally a metal, a resin, a metal-coated resin or the like, and the nonwoven fabric is mainly made of resin.
[0032]
The materials for these reinforcing agents can be appropriately selected in consideration of heat resistance and pressure resistance, and can be used alone or in combination.
The surface area ratio of the reinforcing material is determined from the viewpoint of contact efficiency between the gas and the water vapor permeable membrane, humidification performance, and strength as a reinforcing material.
A preferable opening ratio of the net is not particularly limited, but is preferably 30 to 80%, and more preferably 50 to 80%.
[0033]
Nonwoven fabrics are usually often used for the purpose of protecting water vapor permeable membranes. The preferred basis weight of the nonwoven fabric is not particularly limited, but it is 10 to 100 g / m in consideration of the contact property of the gas to the water vapor permeable membrane.²Is more preferable, and 15 to 80 g / m is more preferable.²It is.
The housing for housing the cartridge is not particularly limited as long as it is a container that can contain the cartridge and can be hermetically sealed, and the inner channel and the outer channel can be hermetically separated. It is preferable to have a configuration with good economic efficiency because the used cartridge can be replaced and the housing can be used repeatedly.
As the perfluorosulfonic acid ion exchange resin used in the present invention, a copolymer of a unit represented by the following general formula (1) is preferably used.
[0034]
[Chemical 1]

[0035]
In particular, the product name Aciplex manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd. represented by the following general formula (2) is preferably used in terms of water vapor transmission performance.
[0036]
[Chemical 2]

[0037]
Although a film thickness is not specifically limited, 5-200 micrometers, Preferably it is 10-100 micrometers. The thinner the film thickness, the faster the water vapor transmission rate. Further, the lower limit value of the film thickness is determined by the mechanical strength required for the sheet.
As the perfluorosulfonic acid ion exchange resin to be cured in the surface and pores of the polymer resin porous membrane used in the present invention, a copolymer of a unit represented by the general formula (1) is also suitable. Used for.
[0038]
In particular, the product name Aciplex-SS manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd. represented by the general formula (2) in terms of water vapor transmission performance is preferably used. Since Aciplex-SS is available in the state of a solution, it is excellent in processability for coating on a polymer resin porous membrane.
The material of the polymer resin porous membrane used in the present invention is not particularly limited, but polyethylene, polypropylene, polysulfone, polyvinylidene fluoride, polyacrylonitrile, polycarbonate, polytetrafluoroethylene, polytetrafluoroethylene / Examples include hexafluoropropylene copolymer, polyether ether ketone (PEEK), and polyether ketone (PEK).
[0039]
Polypropylene, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, polyetheretherketone (PEEK), and polyetherketone (PEK) are particularly preferable in terms of heat resistance and chemical resistance.
The pore diameter of such a polymer resin porous membrane is not particularly limited, but is preferably 0.01 μm or more from the viewpoint of production of the porous membrane, and is preferably 10 μm or less from the viewpoint of uniformly coating the moisture-permeable resin. . More preferably, it is 0.1-5 micrometers.
[0040]
The porosity of the polymer resin porous membrane used in the present invention is not particularly limited, but is preferably 20% or more from the viewpoint of moisture permeability, and 98% or less from the viewpoint of the strength of the porous membrane. preferable. More preferably, it is 30 to 95%.
Although the thickness of a polymeric resin porous film is not specifically limited, 5-200 micrometers is preferable, More preferably, it is 10-100 micrometers. The thinner the polymer resin porous membrane sheet is, the faster the water vapor transmission rate is. Moreover, the lower limit of the film thickness of the polymeric resin porous membrane sheet is determined by the mechanical strength required for the polymeric resin porous membrane sheet.
[0041]
The structure in which a cured moisture-permeable resin layer is provided on the surface of the polymer resin porous film used in the present invention means that the moisture-permeable resin layer embeds pores near the surface of the porous film and also has a coating layer on the surface. A structure with
Here, “cured” means a state in which the moisture-permeable resin is desolvated after the coating operation and the fluidity is lost.
Since the surface shape of the polymer resin porous film is uneven, a very large adhesion area can be taken at the interface. Moreover, when a part of the moisture-permeable resin layer partially fills the pores of the polymer resin porous membrane, an anchor effect is obtained and the adhesion is extremely high.
[0042]
The thickness of the moisture-permeable resin coating layer is not particularly limited, but is preferably 1 to 60%, more preferably 5 to 50%, based on the thickness of the polymer resin porous film.
The structure in which the cured moisture-permeable resin layer is provided in the pores of the polymer resin porous film used in the present invention refers to a structure in which the cured product of the moisture-permeable resin is buried in the pores of the polymer resin porous film. .
[0043]
The amount of the moisture-permeable resin embedded in the pores of the polymer resin porous membrane may be an amount that fills all the pores of the porous membrane, but preferably only a part of the pores is filled. The amount is such that there is no through hole from one side of the porous membrane to the opposite side.
If the filling amount is small or non-uniform, there will be through-holes, movement of components other than water vapor will occur, and the oxygen concentration of the raw material gas supplied to the battery part will change.
[0044]
In addition, the water vapor permeable membrane used in the present invention having such a structure has an advantage that peeling does not easily occur because there is no coating layer on the surface.
In addition, since the water vapor permeable membrane used in the present invention has a structure in which perfluorosulfonic acid ion exchange resin is filled in the pores of a hydrophobic porous membrane, the ion exchange resin contains a large amount of water. However, expansion of the entire membrane is prevented. Accordingly, when a cartridge having a fold-folded cylindrical pleat structure is manufactured, it is easy to design and manufacture that the dimensional change of the film is small.
[0045]
The water vapor permeable membrane used in the present invention transmits only water vapor in the gas on both sides of the membrane and does not allow other gas components to permeate. Therefore, the transmittance of gases other than water vapor is “JIS-P8117”. The air permeability shown is preferably 1000 seconds / 100 cc or more, more preferably 10,000 seconds / 100 cc or more. This value (air permeability of 10,000 seconds / 100 cc or more) means that the time required for permeating 100 cc of gas is 10,000 seconds or more.
[0046]
The counter ion of the sulfonic acid group of the perfluorosulfonic acid ion exchange resin used in the present invention is preferable because its proton type has higher water vapor permeability than metal ions such as sodium.
The method for producing the water vapor permeable membrane used in the present invention is not particularly limited, but a polymer solution having a perfluorosulfonic acid ion exchange group is dissolved and dispersed in an organic solvent such as alcohol, ketone or ester. A method of removing the solvent after the applied solution is applied to the polymer resin porous membrane can be mentioned.
[0047]
A specific method of application is not particularly limited, and examples thereof include a method using a gravure roll, a reverse roll, a doctor roll, a kiss roll, and a method such as spraying, dipping, and filtration. When a moisture permeable resin layer is provided on the surface of the polymer resin porous membrane, a method using a roll or a spray method is preferable. When a moisture permeable resin layer is provided in the pores of the polymer resin porous membrane, an immersion method or filtration is used. The method is particularly preferred.
Hereinafter, the humidifying device of the present invention will be described more specifically with reference to Examples and Comparative Examples.
[0048]
[Example 1]
Perfluorosulfonic acid ion exchange membrane (trade name Aciplex-S1102, membrane width 400 mm, film thickness 56 μm, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.) is made of polypropylene and has a basis weight of 50 g / m.²Sandwiched between two non-woven fabrics, and further pleated to a pleat width of 24 mm, sandwiched between wire meshes (wire diameter 0.18 mm, 18 mesh), rounded into a cylindrical shape by taking 94 pleats Was sealed with an epoxy adhesive and a V-shaped stainless steel plate.
[0049]
An inner cylinder was inserted into the cylindrical pleat, an outer cylinder was inserted outside the cylindrical pleat, and both ends were sealed with an end plate having a donut plate shape, and an epoxy adhesive was used to complete the cartridge.
The inner cylinder is made of a stainless steel plate (plate thickness: 1 mm, width: 400 mm). Welded to produce a cylinder with an inner diameter of 90 mm. Further, a 90 mm diameter disc was fixed with epoxy resin at a distance of 100 mm from both ends in the cylinder, so that gas did not flow into the center of the cylinder.
[0050]
Similarly, the outer cylinder is rounded with a hole with a communication hole (φ7 mm, pitch 10 mm, hole area ratio 44%) on the entire surface of a stainless steel plate with a thickness of 1 mm and a width of 400 mm. A 150 mm cylinder was made.
The housing for the cartridge has a body and lids on both ends so that the cartridge can be taken in and out and only the cartridge can be replaced. As for the body part, an O-ring groove was processed at a position of an end plate when a cartridge was inserted into a stainless steel pipe, and nozzles were welded to both ends of the body part in the axial direction.
[0051]
The lid was configured such that a nozzle was welded to a stainless steel disk, and the body portion could be hermetically sealed by clamping with a clamp via a packing.
The cartridge was accommodated in the housing to complete the humidifying device of the present invention. The membrane area of the humidifier of the present invention is 1.8 m.²The volume was about 9 liters, and many membrane areas could be packed in a compact volume.
The performance of this humidifier (water vapor permeability and non-permeability of gases other than water vapor) was evaluated.
[0052]
Of the four nozzles of the housing, one end of the inner flow path was a humidified air inlet, and the other end was a humidified air outlet. Then, one end of the outer channel was used as a dry nitrogen inlet, and the other end was used as a dry nitrogen outlet. At this time, piping was provided so that dry nitrogen and humidified air were in countercurrent contact via a water vapor permeable membrane.
Humidified air having a relative humidity of 70% RH and a temperature of 77 ° C. is supplied to the humidified air inlet of the humidifier at a flow rate of 1000 liters / minute, and dry nitrogen having a relative humidity of 6% RH and a temperature of 77 ° C. is supplied to the humidified air inlet. Was supplied at a flow rate of 1000 l / min. After supplying these humidified air and dry nitrogen for 30 minutes, the relative humidity and oxygen concentration of the gas in the dry nitrogen outlet were measured. As a result, the relative humidity was 42% RH and the oxygen concentration was 0%.
[0053]
[Example 2]
A humidifier was manufactured in exactly the same manner and configuration as in Example 1 except that a coating film described later was used for the water vapor permeable film.
The water vapor permeable membrane was manufactured as follows.
First, perfluorosulfonic acid ion exchange resin (trade name Aciplex-SS-1080, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.) was diluted twice with ethanol (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) to prepare a coating solution. .
[0054]
Using a continuous spray coater, this solution is discharged on a polypropylene porous film (trade name: Yupore Z031, manufactured by Ube Industries, Ltd.) having a film thickness of 20 μm, a film width of 400 mm, and a porosity of 47%. Then, drying was performed under the conditions of a drum speed of 20 m / hr, a drum temperature of 80 ° C., and an ambient temperature of 29 ° C., and the solvent ethanol was removed. As a result, the water vapor permeable membrane of the present invention having a uniform coating layer on the surface of the polypropylene porous membrane was obtained. The thickness of the water vapor permeable membrane of the present invention obtained was 21.5 μm.
[0055]
When the mass per unit area of the perfluorosulfonic acid ion exchange resin coated on the membrane surface was calculated by subtracting the mass of the polypropylene porous membrane before coating from the mass of the coating membrane dried after coating, 6.4 g / m²Met.
The performance of this humidifier was evaluated by the same method as in Example 1. That is, humidified air having a relative humidity of 70% RH and a temperature of 77 ° C. is supplied to the humidified air inlet of the humidifier at a flow rate of 1000 liters / minute, and the dry nitrogen inlet is supplied with a relative humidity of 6% RH and a temperature of 77 ° C. Dry nitrogen was supplied at a flow rate of 1000 l / min. After supplying these humidified air and dry nitrogen for 30 minutes, the relative humidity and oxygen concentration of the gas in the dry nitrogen outlet were measured. As a result, the relative humidity was 45% RH and the oxygen concentration was 0%.
[0056]
[Example 3]
A humidifier was manufactured in exactly the same manner and configuration as in Example 1 except that a coating film described later was used for the water vapor permeable film.
The water vapor permeable membrane was manufactured as follows.
First, the same coating solution as in Example 2 was prepared. Next, a polypropylene porous film (trade name Upore Z031, manufactured by Ube Industries, Ltd.) having a film thickness of 20 μm, a film width of 400 mm, and a porosity of 47% is immersed in the coating solution and impregnated. The solution was pulled up from the solution and dried at a drum speed of 20 m / hr, a drum temperature of 80 ° C., and an ambient temperature of 29 ° C. to remove ethanol. This soaking and drying process was repeated 10 times. Thereby, the water vapor permeable membrane of the present invention in which the perfluorosulfonic acid ion exchange resin was cured in the pores of the polypropylene porous membrane was obtained. The thickness of the obtained water vapor permeable membrane of the present invention was 22 μm.
[0057]
When the mass per unit area of the perfluorosulfonic acid ion exchange resin coated on the membrane surface was calculated by subtracting the mass of the polypropylene porous membrane before coating from the mass of the coating membrane dried after coating, 23.0 g / m²Met.
The performance of this humidifier was evaluated by the same method as in Example 1. That is, humidified air having a relative humidity of 70% RH and a temperature of 77 ° C. is supplied to the humidified air inlet of the humidifier at a flow rate of 1000 liters / minute, and the dry nitrogen inlet is supplied with a relative humidity of 6% RH and a temperature of 77 ° C. Dry nitrogen was supplied at a flow rate of 1000 l / min. After supplying these humidified air and dry nitrogen for 30 minutes, the relative humidity and oxygen concentration of the gas in the dry nitrogen outlet were measured. As a result, the relative humidity was 44% RH and the oxygen concentration was 0%.
[0058]
[Example 4]
Except for using a membrane in which the proton of the sulfonic acid group of the perfluorosulfonic acid ion exchange membrane was replaced with sodium by immersing the water vapor permeable membrane of Example 1 in a 0.1N sodium hydroxide aqueous solution for a predetermined time. A humidifier was manufactured by the same method and configuration as in Example 1.
The performance of this humidifier (water vapor permeability and non-permeability of gases other than water vapor) was examined by the same method as in Example 1.
[0059]
That is, humidified air having a relative humidity of 70% RH and a temperature of 77 ° C. is supplied to the humidified air inlet of the humidifier at a flow rate of 1000 liters / minute, and the dry nitrogen inlet is supplied with a relative humidity of 6% RH and a temperature of 77 ° C. Dry nitrogen was supplied at a flow rate of 1000 l / min. After supplying these humidified air and dry nitrogen for 30 minutes, the relative humidity and oxygen concentration of the gas in the dry nitrogen outlet were measured. As a result, the relative humidity was 15% RH and the oxygen concentration was 0%.
[0060]
【The invention's effect】
As described above, according to the humidifying device of the present invention, a sufficient humidifying action can be obtained without changing the oxygen concentration of the air supplied to the battery unit, and the humidifying device is compact. It is particularly suitable as a humidifier for automobile fuel cells.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of a fuel cell equipped with a humidifying device of the present invention.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing an example of a cross section of the humidifying device of the present invention.
FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing an example of a cartridge configuration of the humidifying device of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Battery section
2 Humidification part
21 Raw material gas flow path
211 Gas inlet
212 Gas outlet
22 Exhaust gas flow path
221 Gas inlet
222 Gas outlet
23 Water vapor permeable membrane
3 Compressor (Air supply source)
31 Piping
32 Piping
33 Piping
34 Piping
4 Hydrogen source
41 Piping
42 Piping
5 cartridges
50 inner cylinder
51 End plate
52 outer cylinder
53 End wall
54 communication hole
55 Central wall
56 Rectifier plate
57 Seal surface
58 Adhesive
59 Communication hole
6 Housing
7 Sealing material
8 Inner channel
9 Outer channel

Claims

電池反応を行う電池部と、電池部へ供給する原料気体を加湿する加湿装置とを備えた燃料電池であり、
前記電池部は、固体高分子電解質膜とその両側に配置された電極とからなる電池セルを有するものであり、
前記加湿装置は、カートリッジがハウジング内に収められた加湿装置であり、
前記カートリッジは、
両端が開口している内筒と、内筒の一端部に設けられたドーナツ板状の第１の端板と、内筒の他端部に設けられたドーナツ板状の第２の端板と、内筒の外周に設けられた、ひだ折りされた円筒プリーツ状の水蒸気透過膜と、円筒プリーツ状の水蒸気透過膜のさらに外周に設けられた外筒と、を備え、
円筒プリーツ状の水蒸気透過膜の両端が、前記第１の端板及び第２の端板で気密的にシールされ、
内筒は、内筒の両端の壁面を貫通する連通孔を有し、内筒の中心部の両端が、整流板で気密的に塞がれていることで、内筒の内側の空間から連通孔を経て円筒プリーツ状の水蒸気透過膜の隙間内へと繋がる内側流路が形成されているカートリッジであり、
前記カートリッジと前記ハウジングがシールされて、前記カートリッジの内側流路と、水蒸気透過膜の外側の外側流路が気密的に分離され、
前記ハウジングが、気体導入口１、気体排出口１、気体導入口２、及び気体排出口２を有し、
気体導入口１から、外側流路を経て、気体排出口１に繋がる原料気体用流路、及び、気体導入口２から、内側流路を経て、気体排出口２に繋がる排出気体用流路が形成された加湿装置であり、
電池部からの排出気体に含まれている水蒸気を、水蒸気透過膜を透過させて排出気体用流路から原料気体用流路内に入れ、この水蒸気と原料気体用流路内の原料ガスとを接触させることにより原料ガスを加湿することを特徴とする燃料電池。A fuel cell comprising a battery unit that performs a battery reaction, and a humidifier that humidifies a raw material gas supplied to the battery unit,
The battery part has a battery cell composed of a solid polymer electrolyte membrane and electrodes arranged on both sides thereof,
The humidifier is a humidifier in which a cartridge is housed in a housing,
The cartridge is
An inner cylinder having both ends open, a donut plate-like first end plate provided at one end of the inner cylinder, and a donut plate-like second end plate provided at the other end of the inner cylinder; A pleated cylindrical pleated water vapor permeable membrane provided on the outer periphery of the inner cylinder, and an outer cylinder provided on the outer periphery of the cylindrical pleated water permeable membrane,
Both ends of the cylindrical pleated water vapor permeable membrane are hermetically sealed with the first end plate and the second end plate,
The inner cylinder has a communication hole that penetrates the wall surfaces at both ends of the inner cylinder, and both ends of the central portion of the inner cylinder are hermetically closed with a rectifying plate, so that the inner cylinder communicates from the space inside the inner cylinder. It is a cartridge in which an inner flow path connected to a gap in a cylindrical pleated water vapor permeable membrane through a hole is formed,
The cartridge and the housing are sealed, and the inner flow path of the cartridge and the outer flow path outside the water vapor permeable membrane are hermetically separated,
The housing has a gas inlet 1, a gas outlet 1, a gas inlet 2, and a gas outlet 2.
From the gas inlet 1, a raw material gas channel connected to the gas outlet 1 via the outer channel, and an exhaust gas channel connected to the gas outlet 2 from the gas inlet 2 via the inner channel. A humidifying device formed,
Water vapor contained in the exhaust gas from the battery part is allowed to permeate the water vapor permeable membrane and enter the raw material gas flow path from the exhaust gas flow path. A fuel cell characterized in that the source gas is humidified by contact.

水蒸気透過膜が、パーフルオロスルホン酸系イオン交換膜であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein the water vapor permeable membrane is a perfluorosulfonic acid ion exchange membrane.

パーフルオロスルホン酸系イオン交換樹脂のスルホン酸基の対イオンが、プロトンであることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 2, wherein the counter ion of the sulfonic acid group of the perfluorosulfonic acid ion exchange resin is a proton.

両端が開口している内筒と、
内筒の一端部に設けられたドーナツ板状の第１の端板と、
内筒の他端部に設けられたドーナツ板状の第２の端板と、
内筒の外周に設けられた、円筒プリーツ状の水蒸気透過膜と、
円筒プリーツ状の水蒸気透過膜のさらに外周に設けられた外筒と、を備え、
円筒プリーツの水蒸気透過膜の両端が、前記第１の端板及び第２の端板で気密的にシールされ、
内筒は、両端が整流板で気密的に塞がれた中心部壁面と、連通孔を有する端部壁面とを有するカートリッジが、ハウジング内に収められ、
前記ハウジングが、気体導入口１、気体排出口１、気体導入口２、及び気体排出口２を有し、
前記カートリッジと前記ハウジングがシールされた加湿装置であり、
気体導入口１から、水蒸気透過膜の外側の外側流路を経て、気体排出口１に繋がる流路と、
気体導入口２から、内筒の一端の内側から連通孔を通って、円筒プリーツ状の水蒸気透過膜の内側に入り、連通孔を通って内筒の他端の内側へと繋がる内側流路を経て、気体排出口２に繋がる流路と、が形成されていることを特徴とする加湿装置。 An inner cylinder that is open at both ends;
A donut plate-like first end plate provided at one end of the inner cylinder;
A donut plate-like second end plate provided at the other end of the inner cylinder;
A cylindrical pleated water vapor permeable membrane provided on the outer periphery of the inner cylinder;
An outer cylinder provided on the outer periphery of a cylindrical pleated water vapor permeable membrane,
Both ends of the water vapor permeable membrane of the cylindrical pleat are hermetically sealed with the first end plate and the second end plate,
In the inner cylinder, a cartridge having a center wall surface hermetically closed at both ends by a baffle plate and an end wall surface having a communication hole is housed in a housing,
The housing has a gas inlet 1, a gas outlet 1, a gas inlet 2, and a gas outlet 2.
A humidifier in which the cartridge and the housing are sealed;
A flow path leading from the gas inlet 1 to the gas outlet 1 via the outer flow path outside the water vapor permeable membrane;
From the gas inlet 2 through the communication hole from the inner side of one end of the inner cylinder, to the inner side of the cylindrical pleated water vapor permeable membrane, and through the communication hole to the inner side of the other end of the inner cylinder Then, a flow path connected to the gas discharge port 2 is formed.

前記カートリッジの前記外筒の壁面に、連通孔を有することを特徴とする請求項４に記載の加湿装置。The humidifying device according to claim 4, wherein a communication hole is provided in a wall surface of the outer cylinder of the cartridge .

前記カートリッジの前記中心部壁面の長さが、円筒長の２０〜９０％であることを特徴とする請求項４又は５に記載の加湿装置。The humidifying device according to claim 4 or 5, wherein a length of the wall surface of the central portion of the cartridge is 20 to 90% of a cylindrical length.

前記カートリッジの前記第１の端板及び前記第２の端板の外周と、前記ハウジングとがシールされていることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の加湿装置。The humidifier according to any one of claims 4 to 6 , wherein an outer periphery of the first end plate and the second end plate of the cartridge and the housing are sealed.