JP2002252012A

JP2002252012A - 加湿装置

Info

Publication number: JP2002252012A
Application number: JP2001049155A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Omori; 昭浩大森; Yosuke Koizumi; 洋介小泉; Katsuhiko Hamanaka; 克彦濱中
Original assignee: Asahi Kasei Corp
Current assignee: Asahi Kasei Corp
Priority date: 2001-02-23
Filing date: 2001-02-23
Publication date: 2002-09-06
Anticipated expiration: 2021-02-23
Also published as: JP5019672B2

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料電池用の加湿装置で、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
ることができるコンパクトな加湿装置を提供する。【解決手段】この加湿装置は、燃料電池の原料気体が
導入される原料気体用流路２１と、燃料電池からの排出
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とから構成される。さら
に、水蒸気透過膜２３は、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、その合わせめ、
および、円筒の両端を気密的にシールした構造をとる。
この加湿装置は、単位体積あたりの膜面積が広くとれる
ためコンパクトで、加湿性能が高く、円筒形をとるた
め、高い耐圧性を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【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、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、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
加湿する燃料電池において、前記加湿装置は、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、その合わせめを気密的にシールし、円筒プリーツの
両端はドーナツ状の端板により気密的にシールした円筒
プリーツ構造を有し、水蒸気透過膜を介して、原料気体
と排出気体を接触せしめ、原料気体を加湿するようにし
たことを特徴とする加湿装置。

【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
載の加湿装置。（３）水蒸気透過膜が、高分子樹脂多孔膜の表面に硬化
したパーフルオロスルホン酸系イオン交換樹脂からなる
透湿性樹脂層を設けた構造を有することを特徴とする
（１）記載の加湿装置。（４）水蒸気透過膜が、高分子樹脂多孔膜の細孔中に硬
化したパーフルオロスルホン酸系イオン交換樹脂からな
る透湿性樹脂層を設けた構造を有することを特徴とす
（１）記載の加湿装置。（５）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）、（３）または（４）のいずれかに記載の加
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５
５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Ａｃｉｐｌ
ｅｘ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１０
μｍ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３０〜９
５％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１００
００秒／１００ｃｃ以上である。この値（透気度１００
００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４００ｍ
ｍ、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３
０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８
０℃、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％Ｒ
Ｈ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Ｚ０
３１、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２
９℃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、２２μ
ｍ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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 3L055 AA10 BA01 5H026 AA06 5H027 AA06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項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、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、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燃料電池におい
て、前記加湿装置は、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、その合わせめを気密的に
シールし、円筒プリーツの両端はドーナツ状の端板によ
り気密的にシールした円筒プリーツ構造を有し、水蒸気
透過膜を介して、原料気体と排出気体を接触せしめ、原
料気体を加湿するようにしたことを特徴とする加湿装
置。
【請求項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請求項１記載
の加湿装置。
【請求項３】水蒸気透過膜が、高分子樹脂多孔膜の表
面に硬化したパーフルオロスルホン酸系イオン交換樹脂
からなる透湿性樹脂層を設けた構造を有することを特徴
とする請求項１記載の加湿装置。
【請求項４】水蒸気透過膜が、高分子樹脂多孔膜の細
孔中に硬化したパーフルオロスルホン酸系イオン交換樹
脂からなる透湿性樹脂層を設けた構造を有することを特
徴とする請求項１記載の加湿装置。
【請求項５】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、３、または４のいずれかに記載
の加湿装置。