JP5350966B2

JP5350966B2 - 加湿用モジュール

Info

Publication number: JP5350966B2
Application number: JP2009229532A
Authority: JP
Inventors: 拓素井加田; 敏勝片桐; 洋平日高
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2009-10-01
Filing date: 2009-10-01
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2029-10-01
Also published as: JP2011075242A

Description

本発明は、複数の中空糸膜が筒状ケーシング内に収容される加湿用モジュールに関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

この種の燃料電池では、良好なイオン伝導性を確保するために、電解質膜を所望の湿潤状態に維持する必要がある。このため、酸化剤ガスや燃料ガスは、一般的に、燃料電池に供給される前に加湿装置を介して加湿されている。

例えば、特許文献１に開示されている固体高分子電解質型燃料電池では、水蒸気透過膜と、この水蒸気透過膜により画成された加湿ガス室及び被加湿ガス室とを備え、反応ガス通路から排出されるオフガスを加湿ガス、前記反応ガス通路に供給される反応ガスを被加湿ガスとして反応ガスを加湿する反応ガス加湿装置が設けられている。

しかしながら、この特許文献１では、略平面状の水蒸気透過膜を介装し、その両面側から加湿ガスと被加湿ガスとを接触させて水分移動を行っている。このため、水分の接触領域が小さく、加湿効率が低下するという問題がある。

そこで、例えば、特許文献２に開示されている供給ガス加湿装置が知られている。この供給ガス加湿装置では、図８に示すように、ジャケット１内に中空糸膜の集合体からなる中空糸膜束２を収容するとともに、前記中空糸膜束２の両端は、一対の仕切り板３、４により前記ジャケット１内に固定されている。

仕切り板３、４の外側には、ガスチャンバ５ａ、５ｂが形成されるとともに、前記ガスチャンバ５ａ、５ｂには、燃料ガス供給ラインが接続されている。ガスチャンバ５ａ、５ｂは、中空糸膜束２の内部空間２ａに連通している。ジャケット１の内部空間は、水チャンバ６を構成するとともに、前記水チャンバ６は、水入口７ａ及び水出口７ｂに連通している。

そこで、燃料ガスは、一方の仕切り板３から各中空糸膜の内部空間２ａに導入され、他方の仕切り板４側に向かって流通する一方、水入口７ａから水チャンバ６に冷却水が導入されている。ジャケット１内では、燃料ガスと冷却水とが対向する方向に流動し、各中空糸膜を介して前記燃料ガスが前記冷却水に接触して加湿されている。

特開平６−１３２０３８号公報特開平８−２７３６８７号公報

ところで、上記の特許文献２では、中空糸膜束２を構成する各中空糸膜は、両端が仕切り板３、４に固定される際、加湿時の膨潤を考慮して、予め前記中空糸膜間に空隙を設けて配設されている。このため、各中空糸膜は、変形可能であり、水入口７ａから導入される冷却水の水圧により、前記水入口７ａ側で大きく変形し易い。従って、冷却水は、各中空糸膜間に導入されずにバイパスしてしまい、燃料ガスの加湿効率が低下するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、複数の中空糸膜全体を有効に使用することができ、加湿効率を良好に向上させることが可能な加湿用モジュールを提供することを目的とする。

本発明は、筒状ケーシングと、前記筒状ケーシング内に収納される複数の中空糸膜と、前記中空糸膜の内側に形成され、第１流体を流通させる第１流路と、前記中空糸膜の外側と前記筒状ケーシングの内壁との間に形成され、第２流体を流通させて前記第１流体と前記第２流体との間で水分の移動を行う第２流路と、前記筒状ケーシングの外周部に設けられ、前記第２流路の入口側に連通する入口部及び前記第２流路の出口側に連通する出口部とを備える加湿用モジュールに関するものである。

この加湿用モジュールは、筒状ケーシング内に配設され、中空糸膜の延長方向に沿って延在し前記筒状ケーシング内を複数の中空糸膜層に仕切るとともに、前記延長方向に交差する方向の開口寸法が異なる複数の筒状多孔体を備えている。そして、各中空糸膜層には、中空糸膜が収納される一方、最大開口寸法を有する筒状多孔体を最外周に配置し、相対的に開口寸法の小さな前記筒状多孔体を相対的に開口寸法の大きな前記筒状多孔体の内部に配置して前記中空糸膜層を多層に構成し、少なくとも１つの前記筒状多孔体は、入口部を構成する筒状ケーシングの内壁部に固定されている。

また、入口部と出口部とは、筒状ケーシングの外周部に対して互いに対称となる位置に設けられることが好ましい。

さらに、この加湿用モジュールは、最大開口寸法を有する筒状多孔体と筒状ケーシングとの間には、中空糸膜が設けられておらず、最大開口寸法を有する前記筒状多孔体と出口部との間には、間隙を形成して張り付き防止部が設けられることが好ましい。

さらにまた、筒状多孔体は、筒状ケーシングの内壁部に対し、入口部から延長方向に沿って固定されることが好ましい。

また、筒状多孔体は、円筒形状又は角筒形状に構成されることが好ましい。

本発明によれば、筒状ケーシング内が筒状多孔体により複数の中空糸膜層に仕切られており、前記中空糸膜層には、複数の中空糸膜が収納保持されている。従って、中空糸膜の変形が良好に抑制される。

しかも、少なくとも１つの筒状多孔体は、入口部を構成する筒状ケーシングの内壁部に固定されている。このため、入口部から導入される流体により、前記入口部の近傍の中空糸膜が変形することを阻止することができ、前記入口部の近傍で前記流体がバイパスすることを良好に抑制することが可能になる。

これにより、流体の流れを最適化することができるとともに、中空糸膜の変形を抑制することが可能になり、前記中空糸膜全体を有効に使用して加湿効率を良好に向上させることができる。

本発明の第１の実施形態に係る加湿用モジュールを組み込む燃料電池システムの概略構成図である。前記加湿用モジュールの概略斜視説明図である。前記加湿用モジュールの断面側面図である。前記加湿用モジュールの一方の端部からの正面説明図である。前記加湿用モジュールの他方の端部からの正面説明図である。本発明の第２の実施形態に係る加湿用モジュールの概略斜視説明図である。前記加湿用モジュールの断面側面図である。特許文献２に開示されている供給ガス加湿装置の説明図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る加湿用モジュール１０は、燃料電池システム１２に組み込まれる。この燃料電池システム１２は、図示しない燃料電池車両に搭載される。

燃料電池システム１２は、燃料電池スタック１４と、前記燃料電池スタック１４に冷却媒体を供給するための冷却媒体供給機構１６と、前記燃料電池スタック１４に酸化剤ガス（反応ガス）を供給するための酸化剤ガス供給機構１８と、前記燃料電池スタック１４に燃料ガス（反応ガス）を供給するための燃料ガス供給機構２０とを備える。

冷却媒体供給機構１６は、ラジエータ２４を備える。このラジエータ２４には、冷媒用ポンプ２６を介して冷却媒体供給配管２８及び冷却媒体排出配管３０が接続される。

酸化剤ガス供給機構１８は、空気用ポンプ３２を備える。この空気用ポンプ３２に一端が接続される空気供給配管３４は、加湿用モジュール１０に他端が接続される。この加湿用モジュール１０には、加湿空気供給配管３８を介して燃料電池スタック１４が接続される。

加湿用モジュール１０には、使用済みの生成水を含んだ酸化剤ガス（以下、オフガスともいう）を燃料電池スタック１４から加湿流体として供給するためのオフガス排出配管３９が設けられる。また、加湿用モジュール１０からのオフガスの排出側に、背圧弁（図示せず）が配設される。

燃料ガス供給機構２０は、燃料ガスとして水素ガス（Ｈ₂ガス）が貯留される燃料ガスタンク（燃料タンク）４０を備える。この燃料ガスタンク４０には、燃料ガス供給配管４２の一端が接続され、前記燃料ガス供給配管４２には、遮断弁４４、レギュレータ４６及びエゼクタ４８が接続されるとともに、前記エゼクタ４８は、燃料電池スタック１４に接続される。

燃料電池スタック１４には、使用済みの燃料ガスを排出するための排出燃料ガス配管５０が接続される。この排出燃料ガス配管５０は、リターン配管５２を介してエゼクタ４８に接続されるとともに、一部がパージ弁５４に連通する。なお、パージ弁５４の下流には、図示しないが、希釈器が配設される。

燃料電池スタック１４は、複数の発電セル５６が車長方向である水平方向又は重力方向に積層される。各発電セル５６は、図示しないが、電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体を挟持する一対のセパレータとを備える。電解質膜・電極構造体は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜を挟持するアノード側電極及びカソード側電極とを備える。

燃料電池スタック１４には、発電セル５６の積層方向に延在して、酸化剤ガス、例えば、空気を供給するための酸化剤ガス供給連通孔５８ａ、燃料ガス、例えば、水素ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔６０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔６２ａ、前記酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔５８ｂ、前記燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔６０ｂ及び前記冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔６２ｂが設けられる。

酸化剤ガス供給連通孔５８ａ及び酸化剤ガス排出連通孔５８ｂは、加湿空気供給配管３８及びオフガス排出配管３９に連通する。燃料ガス供給連通孔６０ａ及び燃料ガス排出連通孔６０ｂは、燃料ガス供給配管４２及び排出燃料ガス配管５０に連通する。冷却媒体供給連通孔６２ａ及び冷却媒体排出連通孔は、冷却媒体供給配管２８及び冷却媒体排出配管３０を介してラジエータ２４に連通する。

図２〜図４に示すように、加湿用モジュール１０は、例えば、円筒形状を有する筒状ケーシング７０を備え、前記筒状ケーシング７０は、矢印Ａ方向に長尺に構成される。筒状ケーシング７０は、矢印Ａ方向両端が開放されるとともに、矢印Ａ１方向の端縁部には、例えば、４つの入口部７２ａが形成される一方、矢印Ａ２方向の端縁部には、例えば、４つの出口部７２ｂが形成される。入口部７２ａと出口部７２ｂとは、筒状ケーシング７０の外周部に対して互いに対称となる位置に設けられる。

筒状ケーシング７０の内部には、複数の筒状多孔体、例えば、第１多孔体７４ａ、第２多孔体７４ｂ、第３多孔体７４ｃ及び第４多孔体７４ｄが配設される。第１多孔体７４ａ〜第４多孔体７４ｄは、開口寸法が異なっており、第１の実施形態では、それぞれ直径の異なる円筒形状を有し、前記第４多孔体７４ｄが最大直径（最大開口寸法）に設定される。

第１多孔体７４ａ〜第４多孔体７４ｄは、例えば、金属やプラスチックからなるネット構造やメッシュ構造等を有する。なお、第１多孔体７４ａ〜第４多孔体７４ｄは、収納されている中空糸膜７８（後述する）の移動を防止するために、良好な拘束力が得られる剛性及び弾性のバランスを維持する必要がある。

第１多孔体７４ａの内方には、第１中空糸膜層７６ａが形成され、前記第１多孔体７４ａと第２多孔体７４ｂとの間には、第２中空糸膜層７６ｂが形成される。第２多孔体７４ｂと第３多孔体７４ｃとの間には、第３中空糸膜層７６ｃが形成され、前記第３多孔体７４ｃと第４多孔体７４ｄとの間には、第４中空糸膜層７６ｄが形成される。

第１中空糸膜層７６ａ、第２中空糸膜層７６ｂ、第３中空糸膜層７６ｃ及び第４中空糸膜層７６ｄには、それぞれ複数の中空糸膜７８が収納される。各中空糸膜７８及び第１多孔体７４ａ〜第４多孔体７４ｄの両端は、筒状ケーシング７０の軸線方向両端にシール部８０、８０を介して固定される。

中空糸膜７８は、例えば、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ロホン酸、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や、高分子樹脂系あるいはセラミック系の材料等で構成される。

各中空糸膜７８の内側には、入口側に空気供給配管３４が連通する一方、出口側に加湿空気供給配管３８が連通し、使用前の酸化剤ガス（第１流体）が流通する酸化剤ガス流路（第１流路）８２が形成される。筒状ケーシング７０内では、中空糸膜７８の外側にオフガス（第２流体）を流通させるためのオフガス流路（第２流路）８４が形成される。

オフガス流路８４は、入口側に入口部７２ａが連通するとともに、出口側に出口部７２ｂが連通する。入口部７２ａ及び出口部７２ｂの流れ方向（矢印Ｂ方向）は、酸化剤ガス流路８２の流れ方向（矢印Ａ方向）と交差する。入口部７２ａは、オフガス排出配管３９に連通し、このオフガス排出配管３９から供給されるオフガスは、オフガス流路８４に沿って矢印Ａ２方向に流通する。空気供給配管３４から各酸化剤ガス流路８２に供給される酸化剤ガスは、この酸化剤ガス流路８２に沿って矢印Ａ１方向に流通する。オフガス流路８４と酸化剤ガス流路８２とは、対向流に設定される。

第１の実施形態では、少なくとも第４多孔体７４ｄが、実質的には、第１多孔体７４ａ〜第４多孔体７４ｄが、入口部７２ａを構成する筒状ケーシング７０の内壁部に固定される。図２及び図４に示すように、第１多孔体７４ａ〜第４多孔体７４ｄの一部は、筒状ケーシング７０の内壁部に、入口部７２ａから中空糸膜７８の延長方向（矢印Ａ方向）に沿って接着される接着部位８６を設ける。

筒状ケーシング７０内には、図５に示すように、最大直径（最大開口寸法）を有する第４多孔体７４ｄと出口部７２ｂとの間に、間隙Ｓを形成して張り付き防止部８８が設けられる。

このように構成される燃料電池システム１２の動作について、第１の実施形態に係る加湿用モジュール１０との関連で、以下に説明する。

先ず、図１に示すように、酸化剤ガス供給機構１８を構成する空気用ポンプ３２が駆動され、酸化剤ガスである外部空気が吸引されて空気供給配管３４に導入される。この空気は、空気供給配管３４から加湿用モジュール１０内に導入され、各中空糸膜７８内の酸化剤ガス流路８２を矢印Ａ１方向に流通して加湿空気供給配管３８に供給される（図２及び図３参照）。

その際、オフガス排出配管３９から入口部７２ａを介してオフガス流路８４には、後述するように、反応に使用された酸化剤ガスであるオフガスが供給され、このオフガスが矢印Ａ２方向に流通している。このため、使用前の空気とオフガスとが対向流となり、この使用前の空気には、前記オフガス中に含まれる水分が移動し、前記使用前の空気が加湿される。加湿された空気は、加湿空気供給配管３８から燃料電池スタック１４内の酸化剤ガス供給連通孔５８ａに供給される（図１参照）。

一方、燃料ガス供給機構２０では、遮断弁４４の開放作用下に、燃料ガスタンク４０から導出された燃料ガス（水素ガス）は、レギュレータ４６で降圧された後、エゼクタ４８を通って燃料電池スタック１４内の燃料ガス供給連通孔６０ａに導入される。

さらに、冷却媒体供給機構１６では、冷媒用ポンプ２６の作用下に、冷却媒体供給配管２８から燃料電池スタック１４内の冷却媒体供給連通孔６２ａに冷却媒体が導入される。

燃料電池スタック１４内の各発電セル５６に供給された空気は、電解質膜・電極構造体のカソード側電極に沿って移動する。一方、燃料ガスは、電解質膜・電極構造体のアノード側電極に沿って移動する。従って、各電解質膜・電極構造体では、空気中の酸素と燃料ガス（水素）とが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。次いで、発電反応により消費された空気は、酸化剤ガス排出連通孔５８ｂに沿って流動した後、オフガスとしてオフガス排出配管３９に排出される。

この場合、第１の実施形態では、図２〜図５に示すように、筒状ケーシング内は、第１多孔体７４ａ、第２多孔体７４ｂ、第３多孔体７４ｃ及び第４多孔体７４ｄにより第１中空糸膜層７６ａ、第２中空糸膜層７６ｂ、第３中空糸膜層７６ｃ及び第４中空糸膜層７６ｄに仕切られている。従って、第１中空糸膜層７６ａ、第２中空糸膜層７６ｂ、第３中空糸膜層７６ｃ及び第４中空糸膜層７６ｄには、それぞれ複数の中空糸膜７８が収容保持されており、前記第１中空糸膜層７６ａ〜第４中空糸膜層７６ｄにより保持されることで前記中空糸膜７８の変形が良好に抑制される。

しかも、第１多孔体７４ａ〜第４多孔体７４ｄは、筒状ケーシング７０の内壁部に、入口部７２ａから中空糸膜７８の延長方向（矢印Ａ方向）に沿って接着される接着部位８６を設けている。このため、筒状ケーシング７０の入口部７２ａから導入されるオフガスにより、前記入口部７２ａの近傍の中空糸膜７８が変形することを阻止することができ、前記入口部７２ａの近傍で前記オフガスがバイパスすることを良好に抑制することが可能になる。

これにより、オフガス流路８４におけるオフガスの流れを最適化することができるとともに、中空糸膜７８の変形を抑制することが可能になり、前記中空糸膜７８全体を有効に使用して加湿効率を良好に向上させることができるという効果が得られる。

この第１の実施形態では、第１多孔体７４ａ〜第４多孔体７４ｄが入口部７２ａを構成する筒状ケーシング７０の内壁部に固定されているが、例えば、前記第１多孔体７４ａのみが前記筒状ケーシング７０の内壁部に入口部７２ａから中空糸膜７８の延長方向（矢印Ａ方向）に沿って接着されていてもよい。この場合にも、入口部７２ａの近傍の中空糸膜７８の変形を有効に阻止することができる。

さらに、第１の実施形態では、図５に示すように、第４多孔体７４ｄと出口部７２ｂとの間には、間隙Ｓを形成して張り付き防止部８８が設けられている。従って、オフガス流路８４を流通して出口部７２ｂから排出されるオフガスのガス圧により、中空糸膜７８が筒状ケーシング７０の内壁面に押し付けられて出口部７２ｂが部分的又は全体的に閉塞されることがない。このため、オフガス流路８４の圧損が増加することを可及的に阻止することが可能になる。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る加湿用モジュール１００の概略斜視説明図であり、図７は、前記加湿用モジュール１００の断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る加湿用モジュール１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付してその詳細な説明は省略する。

加湿用モジュール１００は、角筒形状を有する筒状ケーシング１０２を備える。筒状ケーシング１０２内には、筒状形状の第１多孔体１０４ａ、第２多孔体１０４ｂ、第３多孔体１０４ｃ及び第４多孔体１０４ｄが、前記筒状ケーシング１０２の長手方向（矢印Ａ方向）に延在して配設される。

筒状ケーシング１０２内は、第１多孔体１０４ａ〜第４多孔体１０４ｄによって、第１中空糸膜層１０６ａ、第２中空糸膜層１０６ｂ、第３中空糸膜層１０６ｃ及び第４中空糸膜層１０６ｄに仕切られる。第１中空糸膜層１０６ａ〜第４中空糸膜層１０６ｄには、それぞれ複数の中空糸膜７８が収納される。

第２の実施形態では、少なくとも第４多孔体１０４ｄが、実質的には、第１多孔体１０４ａ〜第４多孔体１０４ｄが、入口部７２ａを構成する筒状ケーシング１０２の内壁部に固定される。第１多孔体１０４ａ〜第４多孔体１０４ｄの一部は、筒状ケーシング１０２の内壁部に、入口部７２ａから中空糸膜７８の延長方向（矢印Ａ方向）に沿って接着される接着部位１０８を設ける。

筒状ケーシング１０２内には、図７に示すように、最大開口寸法を有する第４多孔体１０４ｄと出口部７２ｂとの間に、間隙Ｓを形成して張り付き防止部１１０が設けられる。

このように構成される第２の実施形態では、筒状ケーシング１０２内が、第１多孔体１０４ａ〜第４多孔体１０４ｄにより第１中空糸膜層１０６ａ〜第４中空糸膜層１０６ｄに仕切られるとともに、前記第１多孔体１０４ａ〜前記第４多孔体１０４ｄは、前記筒状ケーシング１０２の内壁部に接着されている。

これにより、中空糸膜７８の変形を抑制することが可能になり、前記中空糸膜７８全体を有効に使用して加湿効率を良好に向上させることができる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、１００…加湿用モジュール１２…燃料電池システム
１４…燃料電池スタック１６…冷却媒体供給機構
１８…酸化剤ガス供給機構２０…燃料ガス供給機構
２４…ラジエータ３４…空気供給配管
３８…加湿空気供給配管３９…オフガス排出配管
５６…発電セル７０、１０２…筒状ケーシング
７２ａ…入口部７２ｂ…出口部
７４ａ〜７４ｄ、１０４ａ〜１０４ｄ…多孔体
７６ａ〜７６ｄ、１０６ａ〜１０６ｄ…中空糸膜層
７８…中空糸膜８２…酸化剤ガス流路
８４…オフガス流路８６、１０８…接着部位
８８、１１０…張り付き防止部

Claims

筒状ケーシングと、
前記筒状ケーシング内に収納される複数の中空糸膜と、
前記中空糸膜の内側に形成され、第１流体を流通させる第１流路と、
前記中空糸膜の外側と前記筒状ケーシングの内壁との間に形成され、第２流体を流通させて前記第１流体と前記第２流体との間で水分の移動を行う第２流路と、
前記筒状ケーシングの外周部に設けられ、前記第２流路の入口側に連通する入口部及び前記第２流路の出口側に連通する出口部と、
を備える加湿用モジュールであって、
前記筒状ケーシング内に配設され、前記中空糸膜の延長方向に沿って延在し該筒状ケーシング内を複数の中空糸膜層に仕切るとともに、前記延長方向に交差する方向の開口寸法が異なる複数の筒状多孔体を備え、
各中空糸膜層には、前記中空糸膜が収納される一方、
最大開口寸法を有する前記筒状多孔体を最外周に配置し、相対的に開口寸法の小さな前記筒状多孔体を相対的に開口寸法の大きな前記筒状多孔体の内部に配置して前記中空糸膜層を多層に構成し、
少なくとも１つの前記筒状多孔体は、前記入口部を構成する前記筒状ケーシングの内壁部に固定されることを特徴とする加湿用モジュール。
請求項１記載の加湿用モジュールにおいて、前記入口部と前記出口部とは、前記筒状ケーシングの外周部に対して互いに対称となる位置に設けられることを特徴とする加湿用モジュール。
請求項１又は２記載の加湿用モジュールにおいて、最大開口寸法を有する前記筒状多孔体と前記筒状ケーシングとの間には、前記中空糸膜が設けられておらず、最大開口寸法を有する前記筒状多孔体と前記出口部との間には、間隙を形成して張り付き防止部が設けられることを特徴とする加湿用モジュール。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の加湿用モジュールにおいて、前記筒状多孔体は、前記筒状ケーシングの内壁部に対し、前記入口部から前記延長方向に沿って固定されることを特徴とする加湿用モジュール。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の加湿用モジュールにおいて、前記筒状多孔体は、円筒形状又は角筒形状に構成されることを特徴とする加湿用モジュール。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の加湿用モジュールにおいて、複数の前記筒状多孔体は、互いに積層された一部が前記筒状ケーシングの内壁部に一体に固定されることを特徴とする加湿用モジュール。