CN102470321B - 水分交换用空心丝膜模块 - Google Patents
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Abstract
提供一种水分交换用空心丝膜模块，其可以对供应给空心丝膜内的干燥的氧化剂气体进行充分加湿，抑制填充的空心丝膜的偏斜，使湿润的废气均匀流通。其具备：筒状外部壳体；与外部壳体同轴地被内置的筒状内部壳体；在外部以及内部壳体之间的填充空间沿轴向延伸而被填充的多个空心丝膜；在填充空间的两端固定多个空心丝膜而密封填充空间的密封部；在内部或外部壳体的一方设置的导入口；在外部或内部壳体的另一方设置的排出口；从空心丝膜的一端侧经由空心丝膜的空心内部而到达另一端侧的第一流体路径；从导入口经由空心丝膜的外侧而到达排出口的第二流体路径；以及在填充空间内延伸并介于空心丝膜之间且与外部以及内部壳体同轴配置的筒状多孔体。
Description
技术领域
本发明涉及一种例如适于用在燃料电池系统中的水分交换用空心丝膜模块，尤其涉及一种使对被加湿气体的加湿效率提高的技术。
背景技术
作为燃料电池，公知有一种将在平板状的膜电极构造体(MEA：MembraneElectrodeAssembly)的两侧层叠了隔板的层叠体作为单电池，并将多个单电池例如层叠数百层而形成燃料电池堆而构成的燃料电池。膜电极构造体是在构成正极(空气极、阴极)以及负极(燃料极、阳极)的一对电极之间夹有由离子交换树脂等形成的电解质膜的三层构造。根据这种燃料电池，例如当在面对燃料极侧的气体扩散电极的气体流路中流通燃料气体，在面对空气极侧的气体扩散电极的气体流路中流通氧化剂气体时，引起电化学反应，进行发电。
在此，为了使上述这样的电化学反应稳定，希望膜电极构造体湿润。例如，在专利文献1中公开了一种燃料电池系统，该燃料电池系统通过在燃料气体流路内使发电生成水变成水蒸气并加入到燃料气体中，由此，将水蒸气分压上升了的使用后(使役後)的阳极排出气体作为加湿气体，对未使用的燃料气体进行加湿。
但是，近年来伴随着燃料电池的高性能化，膜电极构造体存在变薄的倾向，从而产生通过电化学反应生成并流出向空气极侧的水会向燃料极侧移动的现象。因此，若对燃料气体进行加湿，则燃料极的湿润状态变得过剩，产生妨碍燃料与燃料极接触的被称为溢流的现象。另一方面，在空气极侧，即便是湿润的程度过剩，有时也不会对电化学反应产生多大影响。因此，最近，相比于对燃料气体进行加湿，对氧化剂气体进行加湿的技术更加受重视。
作为对氧化剂气体进行加湿的现有的机动车用燃料电池系统，例如在专利文献2中公开一种技术，其向被水蒸气透过膜划分的加湿器的一方的空间供应干燥的未使用的氧化剂气体，向另一方的空间供应湿润的使用后的氧化剂气体的排气(废气)，并使水分从废气经水蒸气透过膜向氧化剂气体移动。
但是，在上述技术中，由于经大致平面状的水蒸气透过膜从其两侧使气体接触而进行水分移动，因此接触区域小，相对于连续供给的氧化剂气体而言，水分移动跟不上，从而存在加湿效率不足的问题。
针对这种问题，例如在专利文献3～6中公开了一种技术，其在加湿器内填充空心丝膜，使未使用的氧化剂气体在空心丝膜的空心内部流通并且使使用后的废气以接触于空心丝膜外壁的方式流通，从而经空心丝膜来进行水分移动。根据这些技术，由于在加湿器内填充有大量细微的空心丝膜，所以用于进行水分移动的接触区域显著增加，与专利文献1记载的技术相比，加湿效率提高。
但是，空心丝膜由于水分移动时的吸湿而膨润，所以在向加湿器内填充时必须考虑其尺寸变化，并在空心丝膜间预先设置空隙来填充，从而无法密实地填充。这样，在空心丝膜间存在空隙，而且由于空心丝膜还可能弹性变形，所以当向加湿器内导入废气时，在气体流速最大的导入部分废气将空心丝膜压退，从而形成间隙。废气以该间隙作为支路而流通，所以无法在加湿器内均匀流通，从而存在加湿效率低下的问题。
针对这种问题，在专利文献4记载的技术中，制造大量的将数根空心丝膜与刚性棒一起捆束并固定而成的构造体，并将其填充在加湿器中，由此抑制空心丝膜的移动。另外，在专利文献5以及6记载的技术中，通过在加湿器内设置分隔板，由此引导废气的流路，另外，抑制空心丝膜向特定的方向偏斜。
现有技术文献
专利文献1：日本实开昭61-3671号公报
专利文献2：日本特开平6-132038号公报
专利文献3：日本特愿2002-147802号公报
专利文献4：日本特愿2004-311287号公报
专利文献5：日本特愿2005-40675号公报
专利文献6：日本特愿2007-323982号公报
但是，在专利文献4记载的技术中，由于需要制造大量的将空心丝膜与刚性棒一起捆束的构造体，所以工序数增大，并不优选。另外，在专利文献5以及6记载的技术中，虽然相比于现有技术能够抑制空心丝膜的移动，但是难以抑制在被分隔板划分的区域内偏斜，另外，由于需要使气体流通，所以无法做成将分隔板完全封闭的构造，无法抑制在其开口部分的偏斜。
发明内容
因此，本发明为了解决上述现有技术的问题而提出，其目的在于提供一种水分交换用空心丝膜模块，其不仅可对供应给空心丝膜内的干燥的燃料电池未使用的气体进行充分加湿，而且还能抑制填充在加湿器内的空心丝膜的偏斜，能够使湿润的燃料电池使用后的废气在加湿器内均匀流通。
本发明的水分交换用空心丝膜模块，其特征在于，具备：
筒状的外部壳体；
与外部壳体同轴地被内置的筒状的内部壳体；
在外部壳体与内部壳体之间围起来的空间中沿轴向延伸并被填充的多个空心丝膜；
位于空间内且在筒状构造的两端固定多个空心丝膜而密封所述空间的密封部；
在内部壳体或外部壳体之中的一方设置的导入口；
在内部壳体或外部壳体之中的另一方设置的排出口；
从空心丝膜的一端侧经由空心丝膜的空心内部而到达另一端侧的第一流体路径；
从导入口经由所述空间中且空心丝膜的外侧而到达排出口的第二流体路径；以及
在所述空间内延伸且介于多个空心丝膜之间，并与外部壳体以及内部壳体同轴配置的筒状多孔体。
在上述结构的水分交换用空心丝膜模块中，当在经由空心丝膜内的第一流体路径流通例如干燥的未使用的气体(氧化剂气体或燃料气体)，在经由空心丝膜外的第二流体路径流通例如湿润的使用后的废气，并使废气的水分向未使用的气体移动时，由于在填充有空心丝膜的空间中设有筒状多孔体，所以空心丝膜在被该筒状多孔体包围的区域内被约束，即使在气体流速大的导入口附近也抑制空心丝膜的移动。由此，由于未形成空心丝膜和内部壳体的间隙，所以废气在空心丝膜模块内均匀流通，可效率良好地进行水分交换。
优选包围空心丝膜的筒状多孔体至少其一端由密封部固定。根据该方式，在气体流通时即使施加有力，筒状多孔体的移动也被抑制，因此，抑制筒状多孔体和空心丝膜的摩擦引起的空心丝膜的损伤。
可将直径互不相同的多个筒状多孔体同轴地设置在壳体内，导入口可设于内部壳体，排出口可设于外部壳体。此时，优选多个筒状多孔体之中设于最内侧的筒状多孔体与内部壳体的间隔比其他的筒状多孔体彼此之间的间隔中的任一个间隔都小。根据该方式，尤其可以抑制设于最内侧的筒状多孔体和内部壳体之间的区域、即在气体流速最大的内侧部分的空心丝膜的移动。另外，也可以反向将导入口设于外部壳体，将排出口设于内部壳体。此时，优选多个筒状多孔体之中设于最外侧的筒状多孔体与外部壳体的间隔比其他的筒状多孔体彼此之间的间隔中的任一个间隔都小。根据该方式，尤其可以抑制设于最外侧的筒状多孔体和外部壳体之间的区域，即在气体流速最大的外侧部分的空心丝膜的移动。
优选在空心丝膜的干燥状态下，具有在空心丝膜彼此之间以及空心丝膜与筒状多孔体之间形成的空隙部，在空心丝膜的膨润状态下，通过相互接触而使空隙部减少。根据该方式，在水分交换用空心丝膜模块运转时，可使空心丝膜和筒状多孔体相互接触，可靠地抑制沿内部壳体的间隙的形成。
作为筒状多孔体，若例如使用筛网，则可以同时兼顾空心丝膜的约束与气体的流通，所以优选。
发明效果
根据本发明，在填充于模块内的空心丝膜之中最容易产生偏斜的导入口付近的部分，空心丝膜被筒状多孔体保持而被约束，因此，可以抑制因废气的流通而引起的空心丝膜的偏斜，可使模块内的废气均匀流通。
附图说明
图1是表示水分交换用空心丝膜模块的透视立体图。
图2是表示图1的水分交换用空心丝膜模块的侧面剖视图。
图3是表示图1的水分交换用空心丝膜模块的主视图。
图4是表示现有的水分交换用空心丝膜模块中的空心丝膜的偏斜的侧面剖视图。
图5是表示本发明的一实施方式的水分交换用空心丝膜模块中的筒状多孔体的配置的模式图。
图6是表示本发明的其他实施方式的水分交换用空心丝膜模块中的筒状多孔体的配置的模式图。
图7是表示本发明的外部壳体、内部壳体以及筒状多孔体的变更例的剖视图。
符号说明
M…水分交换用空心丝膜模块，
10…外部壳体，
11…空心丝膜，
12…气体导入口，
13…气体排出口，
14…密封部，
15…内部壳体，
20…未使用的气体(低湿润)，
21…未使用的气体(水分交换后)，
22…使用后的废气(高湿润)，
23…使用后的废气(水分交换后)，
30…筒状多孔体，
31…第一筒状多孔体，
32…第二筒状多孔体，
33…第三筒状多孔体。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施方式。首先，在说明实施方式之前，对于可适用本发明的水分交换用空心丝膜模块的一般结构，参照图1～3进行说明。如图1～3所示，水分交换用空心丝膜模块M具有形成为筒状的外部壳体10，在该外部壳体10内与外部壳体10同轴地配置有内部壳体15。
在外部壳体10的内侧且内部壳体15的外侧的空间(即，在外部壳体10和内部壳体15之间围起来的空间。以下，有时将其简称为填充空间)，与外部壳体10以及内部壳体15的轴向平行地填充有多个空心丝膜11。多个空心丝膜11由于在吸湿时膨胀，因此，为了吸收其尺寸变化，而隔着规定的间隔填充。
空心丝膜11的两端被密封部14固定于外部壳体10以及内部壳体10。在图1中，虽然空心丝膜11局部省略图示，但空心丝膜11沿两端的密封部14间延伸。密封部14是通过合成树脂等埋设上述填充空间中的空心丝膜11的外侧的部分，且是仅将填充空间相对于外部密封的部分。即，密封部14在位于上述填充空间、且外部壳体10以及内部壳体15这样的筒状构造的两端将空心丝膜11固定。在此，空心丝膜11的空心内部未被密封，空心丝膜11的空心内部的两端都与外部连通。在本实施方式中，将从空心丝膜11的一端侧(箭头20)经由空心丝膜的空心内部而到达另一端侧(箭头21)的路径定义为第一流体路径。
在内部壳体15上设有气体的导入口12，在导入口12的下游侧且与其相对的外部壳体10上设有气体的排出口13。在本实施方式中，将从导入口12(箭头22)经由填充空间内且空心丝膜11的外侧而到达排出口13(箭头23)的路径定义为第二流体路径。即，在内部壳体15和外部壳体10之中的任一方即内部壳体15上设有导入口12。而且，在内部壳体15和外部壳体10之中的、未设置导入口12的另一方即外部壳体10上设有排出口13。
在上述的水分交换用空心丝膜模块M中，例如，由于将干燥的燃料电池未使用的气体20导入第一流体路径，并且将在燃料电池使用了该气体之后的排气气体即废气22导入第二流体路径，因此，在干燥的未使用的气体20在空心丝膜11内通过的同时，湿润的使用后的废气22通过填充空间内的空心丝膜11的外侧。空心丝膜11阻止内外的气体交换，但仅可使水分通过存在于其两面的细微的孔而移动，因此，进行从高湿润侧向低湿润侧的水分移动。如此，水分分别在导入第一流体路径以及第二流体路径的干燥的未使用的气体20以及湿润的使用后的废气22中移动，成为加湿了的未使用的气体21以及湿度下降的使用后的废气23并被排出。
图4是用于说明现有的水分交换用空心丝膜模块中的问题点的图。如上所述，空心丝膜11由于湿润而尺寸发生变化，所以在干燥状态下以规定的间隔被固定在填充空间内。另外，空心丝膜11具有弹性变形的性质。因此，如图4所示，当将废气22从导入口12导入时，在气体流速最大的内部壳体15侧，压力升高，废气22将空心丝膜11压退而使其变形，从而沿着内部壳体15产生间隙。废气如箭头24所示经由该间隙而一下子向下游侧(图中右侧)移动，之后，向排出口13流通而被排出。如此，废气在上游侧(图中左侧)并不通过空心丝膜11的空隙，而仅在下游侧进行水分移动，因此，存在空心丝膜11的利用率以及加湿效率低的问题。
第一实施方式
图5是表示能够解决上述现有问题的本发明的水分交换用空心丝膜模块的一实施方式的图。需要说明的是，图5的水分交换用空心丝膜模块除筒状多孔体30以外的构成要素与图1～3是共通的，因此，在此省略共通部分的说明，对第一实施方式特有的构成、作用以及效果进行说明。
如图5所示，在填充空间内与外部壳体10以及内部壳体15同轴地设有筒状多孔体30，筒状多孔体30介于多个空心丝膜11之间。筒状多孔体30具有能够使废气充分流通的开孔率，并由具有即便承受废气的气体压力也不变形的刚性、且可耐得住长期使用的具有耐腐蚀性的材料构成。筒状多孔体30例如由不锈钢等金属或塑料所形成的筛网构成，通过将其两端部埋设于密封部14而被固定。
作为形成本发明中的密封部14的方法，没有特别限定，可以使用任意的固定手段。在本实施方式中，采用的是浇注法，即，在使外部壳体10以及内部壳体15的端部立起的状态下向填充空间填充空心丝膜11以及筒状多孔体30～33，将下端部浸渍在树脂中并固定，接着，使上下翻转，对于另一端部也同样，将其浸渍在树脂中并固定。浇注时，浸渍的树脂将空心丝膜11的内外密封，但由于空心丝膜11彼此的间隔小于空心丝膜11的直径，所以因毛细管现象，树脂的浸渍高度不同，与空心丝膜11的外部相比，内部更浅地被密封。因此，通过将该部分切断除去，从而使空心丝膜11内部与模块外界连通，使树脂仅残存于空心丝膜11外部，可将填充空间密封。
在本实施方式中，预先把握空心丝膜11的因湿润引起的膨胀率。然后，为了在膨胀率达到最大时抑制空心丝膜11的移动，将空心丝膜11彼此之间以及空心丝膜11和筒状多孔体30之间分别配置成相互接触而无间隙地密实填充，或者间隙减小而密度很高地填充。另一方面，在干燥状态下，以之间具有空隙部(间隙)的方式来配置空心丝膜11和筒状多孔体30。
作为本发明中的空心丝膜11，可选择公知的空心丝膜，具体地说，比如由苯酚磺酸、聚苯乙烯磺酸、聚三氟苯乙烯磺酸、全氟碳磺酸等的高分子离子交换膜构成的空心丝膜，高分子树脂系或陶瓷系等的空心丝膜。
根据本实施方式，在从导入口12将废气导入填充空间内时，即使导入口12附近的空心丝膜11受到气体压力，由于筒状多孔体30包围多个空心丝膜11，所以筒状多孔体30和内部壳体15之间的空心丝膜11的移动受到抑制。由此，抑制沿内部壳体15产生间隙，因此废气在填充空间内从上游侧向下游侧均匀流通。由此，空心丝膜11的利用率以及加湿效率提高。
尤其，在本实施方式中，以预先考虑了空心丝膜11的膨胀率的规定空隙来配置空心丝膜11和筒状多孔体30，所以在水分交换用空心丝膜模块的运转时，可使空心丝膜11和筒状多孔体30相互接触，可靠地抑制沿内部壳体15的间隙的形成。
第二实施方式
图6表示本发明的水分交换用空心丝膜模块的其他实施方式，是表示设有多个筒状多孔体的例子的图。如图6所示，在填充空间内，与外部壳体10以及内部壳体15同轴地设有第一筒状多孔体31、第二筒状多孔体32以及第三筒状多孔体33。筒状多孔体31～33和第一实施方式同样，由具有耐腐蚀性的金属或塑料所形成的筛网构成，通过将两端部埋设于密封部14中而被固定。
在上述实施方式中，当将内部壳体15和第一筒状多孔体31的间隔定义为A1，将第一筒状多孔体31和第二筒状多孔体32的间隔定义为A2，将第二筒状多孔体32和第三筒状多孔体33的间隔定义为A3的情况下，最内侧的间隔A1被设定得比其他的间隔A2以及A3的任一个都小。
根据本实施方式，在从导入口12将废气导入填充空间内时，即使导入口12附近的空心丝膜11受到气体压力，由于与第一实施方式同样，第一筒状多孔体31包围最内侧的空心丝膜11，所以也抑制空心丝膜11的移动。此外，由于第二筒状多孔体32以及第三筒状多孔体33进一步还包围外侧的空心丝膜11，所以还可以抑制外侧的空心丝膜11的移动。由此，空心丝膜11的利用率以及加湿效率比第一实施方式进一步提高。尤其，在本实施方式中，由于气体流速在废气的导入口12附近最大，空心丝膜11受到的推力大，所以存在其移动量也变大的倾向。因此，通过使A1最小，可将空心丝膜11的移动量抑制为最小。
在本实施方式中，若至少A1最小，则A2以及A3的关系不被限定，例如可以是A2＝A3、A2＜A3、A2＞A3中的任一种情况。但是，由于导入的废气的气体流速随着越到外侧越衰减，因此尤其优选A1＜A2＜A3。
变形例
在本发明中，多个筒状多孔体不限于第一～第三筒状多孔体，可设置第一～第n(n是2以上的整数)的任意个数的筒状多孔体。此时，优选间隔A1小于其他的间隔A2～An中的任一个，同样也更优选A1＜A2＜…＜An-1＜An。
在上述说明中，说明了在第一流体路径流通干燥的未使用的气体，在第二流体路径流通湿润的使用后的废气的例子，但本发明不仅限于该方式，也可以在第一流体路径流通湿润的使用后的废气，在第二流体路径流通干燥的未使用的气体，从而进行水分交换。
另外，在内部壳体15上设置的导入口12以及在外部壳体10上设置的排出口13并不是将气体的流通方向限定于该方向，本发明也包括从排出口13反向导入气体并从导入口12排出气体的方式。需要说明的是，此时，在图6中，导入气体的一侧即最外侧的间隔A3优选小于更内侧的间隔A2及A1中的任一个，更优选A3＜A2＜A1。
进而，在上述说明中，说明了外部壳体10、内部壳体15以及筒状多孔体30～33是圆筒形的情况的例子，但本发明的水分交换用空心丝膜模块不限于圆筒形，例如可以是剖面呈多边形的筒状。即，外部壳体10可是图7(a)、图7(b)、图7(c)那样的四边形，也可以是图7(d)、图7(e)那样的六边形，还可以是图7(f)那样的八边形，还可以是包括五边形或十边形在内的剖面呈多边形的筒状。内部壳体15可以是图7(a)或图7(c)那样的四边形，也可以是图7(d)那样的六边形，还可以是包括五边形或八边形、十边形在内的剖面呈多边形的筒状。另外，筒状多孔体也可以是图7(a)或图7(b)那样的四边形，可以是图7(d)或图7(e)那样的六边形，还可以是包括五边形或八边形、十边形在内的剖面呈多边形的筒状。关于所述外部壳体10、内部壳体15以及筒状多孔体30～33的剖面形状的组合，如图7所示，比如四边形和圆筒和六边形等，可自由组合。
工业实用性
根据本发明，可将从燃料电池排出的废气的水分再利用于未使用的氧化剂气体的加湿，另外，通过提高水分交换的加湿效率，燃料电池可以在适当的加湿量下运转，因此对于严格要求稳定运转的车载用燃料电池系统极其有用。
Claims (5)
1.一种水分交换用空心丝膜模块，其特征在于，具备：
筒状的外部壳体；
与所述外部壳体同轴地被内置的筒状的内部壳体；
在所述外部壳体与所述内部壳体之间围起来的空间中沿轴向延伸并被填充的多个空心丝膜；
位于所述空间内且在筒状构造的两端固定所述多个空心丝膜而密封所述空间的密封部；
在所述内部壳体或所述外部壳体之中的一方设置的导入口；
在所述内部壳体或所述外部壳体之中的另一方设置的排出口；
从所述空心丝膜的一端侧经由所述空心丝膜的空心内部而到达另一端侧的第一流体路径；
从所述导入口经由所述空间中且所述空心丝膜的外侧而到达所述排出口的第二流体路径；以及
在所述空间内延伸且介于多个所述空心丝膜之间，并且通过以预先考虑了空心丝膜的膨胀率的规定空隙而相对于空心丝膜进行配置，由此在第一流体和第二流体流通时与邻接的空心丝膜接触而防止填充在所述外部壳体与所述内部壳体之间的多个所述空心丝膜向筒形状的半径方向移动，且具备能够使第二流体从上游侧朝向下游侧均匀流通的多个孔，并与所述外部壳体以及所述内部壳体同轴配置并且将多个所述空心丝膜包围一周的筒状多孔体，
利用所述筒状多孔体将所述空心丝膜分为外侧区域和筒状多孔体包围的内侧区域，
通过所述第二流体路径的流体在以与轴向垂直的截面进行观察的情况下，在半径方向上流动。
2.如权利要求1所述的水分交换用空心丝膜模块，其特征在于，
所述筒状多孔体至少一端由所述密封部固定。
3.如权利要求1所述的水分交换用空心丝膜模块，其特征在于，
在所述空间内同轴地设有直径不同的多个筒状多孔体，
在所述内部壳体设置所述导入口，在所述外部壳体设置所述排出口，多个筒状多孔体之中设于最内侧的筒状多孔体与所述内部壳体的间隔比其他的筒状多孔体彼此之间的间隔中的任一个间隔都小。
4.如权利要求1所述的水分交换用空心丝膜模块，其特征在于，
在所述外部壳体设置所述导入口，在所述内部壳体设置所述排出口，多个筒状多孔体之中设于最外侧的筒状多孔体与所述外部壳体的间隔比其他的筒状多孔体彼此之间的间隔中的任一个间隔都小。
5.如权利要求1至4中任一项所述的水分交换用空心丝膜模块，其特征在于，
所述筒状多孔体是筛网。
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