JP2006302706A - 燃料電池用加湿装置 - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数を削減することにより、シール面の削減、信頼性向上、組み付け性向上などの効果が得られ、ひいては製造コストの削減可能な燃料電池用加湿装置を提供する。
【解決手段】複数の透湿部材１８を積層し、この透湿部材１８を介して温湿度交換を行う燃料電池用加湿装置であって、隣り合う透湿部材１８によりガス流路１２，１４を形成してなる。透湿部材１８は、好ましくは親水基を有する樹脂で処理した多孔質膜である。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池の電極に供給するガスを加湿する燃料電池用加湿装置に関する。

近年、燃料電池に関するさまざまな研究開発が行われている。燃料電池には、使用する電解質の違いによりさまざまな種類のものが提案され、研究が進められているが、自動車業界においては特に電解質として固体高分子を使用した固体高分子型燃料電池に関する研究が盛んに行われている。この固体高分子型燃料電池の他の燃料電池に対する利点としては、作動温度が約６０℃〜約１００℃程度と比較的低温であること、移動や振動による電解質の漏洩がないこと、等が挙げられる。

この固体高分子膜は、湿潤状態ではプロトン導電性電解質膜として機能し、これを用いた固体高分子型燃料電池は所定の機能を発揮する一方、乾燥状態ではプロトン導電性が低下するためにエネルギ変換効率が低下し、出力が急激に低下する。このため、固体高分子型燃料電池システムでは、固体高分子からなる電解質膜を所定の湿度以上に保つ必要がある。そこで、燃料電池システム運転時に燃料電池の電極へ供給されるガスを、加湿装置により加湿することで固体高分子膜へ水分を補給し、湿潤状態を維持する技術が提案されている。

ここで、従来の加湿装置の一例について、図面に基づいて説明する。なお、各図面において同じ構成については、同じ符号を付し、その説明を省略する。

図６は、従来の加湿装置３００の断面概略図である。乾燥ガスと湿潤ガスとの湿度交換を行う湿度交換エリア３０の外側にガスマニホールド１２ａ，１２ｂ，１４ａ，１４ｂを備え、その外側を外側部材２０が覆っている。

図７に示すように、湿度交換エリア３０には燃料電池に供給するガスを流通させる供給ガス流路１２と、燃料電池より排出されるガスを流通させる排出ガス流路１４とがそれぞれ複数設けられ、供給ガス流路１２と排出ガス流路１４はそれぞれを流通するガスが直接接触しないように配設されている。供給ガスマニホールド１２ａ，１２ｂは燃料電池の各セルに供給するガスが流通し、一方、排出ガスマニホールド１４ａ，１４ｂは燃料電池の各セルより排出されたガスが流通する。

供給ガスマニホールド１２ａ，１２ｂは、複数の供給ガス流路１２により連接されている。外部から取り入れた被加湿ガスが図示しない配管を通って供給ガスマニホールド１２ａに入り、矢印２２のように流れる間に湿度交換エリア３０で水分を受け取り、加湿ガスとなって供給ガスマニホールド１２ｂに向かう。このように、乾燥した被加湿ガスは、加湿装置３００内に導入されることにより、供給ガスマニホールド１２ｂから図示しない配管を通って燃料電池内に送られる、湿潤した加湿ガスとなる。

一方、排出ガスマニホールド１４ａ，１４ｂは、複数の排出ガス流路１４で連接されている。燃料電池内部から排出され、湿潤した高湿潤ガスは、排出ガスマニホールド１４ａから加湿装置３００に導入され、湿度交換エリア３０で水分を受け渡して低湿潤ガスとなり、排出ガスマニホールド１４ｂを経由して外部に排出される。なお、図６では、簡単のために同一面内にある供給ガス流路１２のみを図示し、その下層にある排出ガス流路１４における排出ガス流通方向は矢印２４のみで示した。

図７は、従来の加湿装置３００のガス流路を含む湿度交換エリア３０の構造の要部を示したものである。図６における加湿装置３００を側面から見た断面の一部を示した図に相当するが、縮尺は図６と必ずしも一致しない。

図７に示すように、湿度交換エリア３０には隣り合う２枚のセパレータ３６で形成される空間を二分するように透湿膜３８が設けられており、２枚のセパレータ３６で仕切られた空間に透湿膜３８を介して１組の供給ガス流路１２及び排出ガス流路１４が形成される。セパレータ３６と透湿膜３８のそれぞれの両端は、それぞれシール部材２６と接続、固定されている。供給及び排出ガス流路１２，１４は、シール部材２６により仕切られるとともにガスマニホールド１２ａ，１２ｂ，１４ａ，１４ｂにそれぞれ連接されている。

透湿膜３８は、水蒸気、または水の状態で水分を透過することが可能であって、透湿膜を挟んで流れる、湿度の異なるガス間の湿度交換を行う。この透湿膜３８を加湿装置３００に採用することにより、図７のように湿度交換エリア３０を通過する排出ガス流路１４中の水分が矢印３２のように供給ガス流路１２に移動する。このとき、供給ガス流路１２を流通する被加湿ガスは、湿度交換エリア３０において加湿され、加湿ガスとなる。

また、透湿膜３８またはセパレータ３６のいずれか、または双方が熱伝導性の部材で構成されている場合には、被加湿ガスと高湿潤ガスとの温度が異なると、湿度交換エリア３０で温度交換も同時に行うことが出来る。

図８は、従来の加湿装置３００において、図６に示したＢ−Ｂ断面について、湿度交換エリア３０の構造の要部を示した図である。図８に示すように、セパレータ３６と透湿膜３８との間の空間を複数に仕切る仕切りがセパレータ３６の両面に設けられ、この複数の仕切りにより形成されたそれぞれの空間は、透湿膜３８を挟み、それぞれがガス流路を構成し、透湿膜３８の一方面に複数の供給ガス流路１２、他方面に複数の排出ガス流路１４が形成され、供給ガス流路１２と排出ガス流路１４との間で湿度交換が行われる。

燃料電池用加湿装置、およびそれを使用した燃料電池については、先に述べた加湿装置３００を利用したものや、さらに省スペースやコストダウンを図るべく、さまざまな提案がなされている。

特許文献１には、水分透過性のある中空糸を燃料電池スタック内の供給ガスの流路に接触するように配設し、中空糸内を通過する冷却水を利用して供給ガスを加湿する加湿装置を備えた燃料電池について記載されている。

特許文献２には、積層された水分透過性の膜の変形を防止する補強膜を備えた燃料電池用加湿装置について記載されている。

さらに、特許文献３には、積層された水分透過性の膜の変形を防止するために、膜の材質として、比較的強度が高いポリイミド樹脂を用いた燃料電池用加湿装置について記載されている。

また、特許文献４には、ガスの流入口と流出口とを有する枠体と透湿膜とを交互に積層させた、軽量かつ十分な強度を備えた燃料電池用湿度交換器について開示されている。

特開平７−２４５１１６号公報 特開平１０−１７２５９１号公報 特開２０００−３４８７４７号公報 特開２００３−３１４９８３号公報

しかしながら、特許文献２，３，４についても、先に述べた従来の加湿装置と同様に、セパレータ、もしくは枠体間に透湿膜が設けられているために加湿装置を構成する部品点数を十分削減しているとは言えず、加湿装置自体の大きさは従来のものと大差ない。

特許文献１によれば、加湿装置は燃料電池スタックと一体であり、コンパクトな燃料電池システムとすることが可能である。その一方で、十分な加湿効果を得るためには相当数の中空糸膜が必要であるにもかかわらず、透過膜として使用する中空糸膜は高価であるため、コストダウンが十分に図れないおそれがある。また、燃料電池スタックを冷却するために使用する冷却水を再びスタック内に導入する必要があるため、ポンプの出力を高める必要があり、このために使用される電力がロスとなるおそれがある。

本発明はかかる課題に鑑み、加湿装置を製造する際の部品点数を削減することを目的とする。これにより、シール面の削減、信頼性向上、組み付け性向上などの効果が得られ、ひいては製造コストの削減につながる。

また、本発明の他の目的は、従来よりも省スペースでかつ同等以上の性能を持つ加湿装置を提供可能することである。

上記目的を達成するために、本発明は、複数の透湿部材を積層し、この透湿部材を介して温湿度交換を行う燃料電池用加湿装置であって、隣り合う透湿部材によりガス流路を形成してなることを特徴とする。

また、本発明の燃料電池用加湿装置において、透湿部材の一方面に、燃料電池へ供給する供給ガスが流通する供給ガス流路を形成し、透湿部材の他方面に、燃料電池から排出された排出ガスが流通する排出ガス流路を形成してなることを特徴とする。

また、本発明の燃料電池用加湿装置において、透湿部材は、親水基を有する樹脂で処理した多孔質膜であることを特徴とする。

また、本発明の燃料電池用加湿装置において、多孔質膜は、少なくとも樹脂が含浸されていることを特徴とする。

また、本発明は、親水基を有する樹脂で処理した多孔質膜からなる透湿部材を介して温湿度交換を行う燃料電池用加湿装置であって、透湿部材の一方面に乾燥ガスを、他方面に湿潤ガスを、それぞれ流通させることを特徴とする。

また、本発明は、燃料電池用加湿装置に使用する透湿部材の成形方法であって、多孔質膜を成型後、親水基を有する樹脂を含浸させてなることを特徴とする。

また、本発明は、燃料電池用加湿装置に使用する透湿部材の成形方法であって、多孔質膜に親水基を有する樹脂を含浸させた後に成形することを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池用加湿装置を製造する際の部品点数を削減することが可能となり、このため、シール面の削減、信頼性向上、組み付け性向上などの効果が得られ、ひいては製造コストの削減につながる。

また、部品点数の削減により、さらに燃料電池用加湿装置のコンパクト化を図ることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。なお、各図面において同じ構成については、同じ符号を付し、その説明を省略する。

図１は、本発明の実施の形態における燃料電池用加湿装置１００の構成の概略を示す断面図である。全体の構造については、湿度交換エリア１０の構成が相違するだけであとは図６に示した従来の加湿装置３００の構成とほぼ同一である。

図２に示すように、湿度交換エリア１０には燃料電池に供給するガスを流通させる供給ガス流路１２と、燃料電池より排出されるガスを流通させる排出ガス流路１４とがそれぞれ複数設けられ、供給ガス流路１２と排出ガス流路１４はそれぞれを流通するガスが直接接触しないように配設されている。供給ガスマニホールド１２ａ，１２ｂは燃料電池の各セルに供給するガスが流通し、一方、排出ガスマニホールド１４ａ，１４ｂは燃料電池より排出されたガスが流通する。

供給ガスマニホールド１２ａ，１２ｂは、複数の供給ガス流路１２により連接されている。外部から取り入れた被加湿ガスが図示しない配管を通って供給ガスマニホールド１２ａに入り、矢印２２のように流れる間に湿度交換エリア１０で水分を受け取り、加湿ガスとなって供給ガスマニホールド１２ｂに向かう。このように、乾燥した被加湿ガスは、燃料電池用加湿装置１００内に導入されることにより、供給ガスマニホールド１２ｂから図示しない配管を通って燃料電池内に送られる湿潤した加湿ガスとなる。

一方、排出ガスマニホールド１４ａ，１４ｂは、複数の排出ガス流路１４で連接されている。燃料電池内部から排出され、湿潤した高湿潤ガスは、排出ガスマニホールド１４ａから燃料電池用加湿装置１００に導入され、湿度交換エリア１０で水分を受け渡して低湿潤ガスとなり、排出ガスマニホールド１４ｂを経由して外部に排出される。なお、図１では、簡単のために同一面内にある供給ガス流路１２のみを図示し、その下層にある排出ガス流路１４における排出ガス流通方向は矢印２４のみで示した。

図２は、本発明の実施の形態における燃料電池用加湿装置１００のガス流路を含む湿度交換エリア１０の構造の要部を示したものである。図１における燃料電池用加湿装置１００を側面から見た断面の一部を示した図に相当するが、縮尺は図１と必ずしも一致しない。

図２に示すように、湿度交換エリア１０は、図７に示す従来の加湿装置３００における湿度交換エリア３０のセパレータ３６と透湿膜３８のそれぞれに替えて、透湿膜１８のみが積層されている構造であることを除き、他の構成はほぼ同一である。本実施の形態では、透湿膜１８の一方面に供給ガス、透湿膜１８の他方面に排出ガスが流通するように透湿膜１８の両面にそれぞれ１組の供給ガス流路１２及び排出ガス流路１４が形成されている。それぞれの透湿膜１８の両端は、それぞれシール部材２６と接続、固定されている。供給及び排出ガス流路１２，１４は、シール部材２６により仕切られるとともにガスマニホールド１２ａ，１２ｂ，１４ａ，１４ｂにそれぞれ連接されている。

透湿膜１８は、水蒸気、または水の状態で水分を透過することが可能であって、透湿膜を挟んで流れる、湿度の異なるガス間の湿度交換を行う。湿度交換エリア１０を通過する排出ガス流路１４中の水分が矢印３２のように排出ガス流路１４を形成する２枚の透湿膜１８を経て供給ガス流路１２に移動することで、供給ガス流路１２を流通する被加湿ガスは加湿され、加湿ガスとなる。

図３は、本発明の実施の形態における燃料電池用加湿装置１００において、図１に示したＡ−Ａ断面について、湿度交換エリア１０の構造の要部を示した図である。図３に示すように、隣り合う２枚の透湿膜１８間の空間を複数に仕切る仕切りがそれぞれの透湿膜１８の両面にそれぞれ設けられ、この複数の仕切りにより形成されたそれぞれの空間は、それぞれがガス流路を構成し、透湿膜１８の一方面に複数の供給ガス流路１２、他方面に複数の排出ガス流路１４が形成され、供給ガス流路１２と排出ガス流路１４との間で湿度交換が行われる。

図３において、透湿膜１８は串型形状となっているが、これに限らない。積層した透湿膜１８間に所定の間隔を保つことによりガス流路を形成することができればいかなる形状でもよい。したがって、形状としては、例えば、平面状でもよく、また、図４に示すように平面状の膜を折り曲げて蛇腹状にした透湿膜２８のようなものでもよく、また、透湿膜１８の表面をエンボス加工またはリンクル加工したもの、またはこれらの組み合わせ等、いかなる形状のものを使用してもよい。したがって、透湿膜１８は水分を透過する部材であればいかなる形状であってもよい。

また、透湿膜１８は、各透湿膜間に所定の流路が形成されればどのように積層させてもよいが、好適には、図４のように折り曲げる等して表面積を大きくした隣接する透湿膜２８の山３４と山３４とが重なるように積層させてもよい。このとき、例えば、透湿膜２８の山３４と山３４との間に相当する部分に、所定のガス流路１２，１４が形成される。

透湿膜１８，２８自体に水分を透過可能な程度に気密性が確保され、また透湿膜１８，２８の強度が十分に保たれていれば、隣り合う透湿膜１８，２８は、シール部材２６のみで固定されていればよく、特に制限はないが、例えば、好適な接続部材等で隣り合う透湿膜１８，２８を接続させたり、接着剤等を用いて接着させたりしてもよい。

また、透湿膜１８の表面積を大きくし、必要な表面積を確保することにより、透湿膜１８を何層にも積層させずに、例えば単一膜で加湿装置として使用することも可能となる。図５は、本発明の他の実施形態における燃料電池用加湿装置２００の構成の概略を示す断面図である。

図５に示すように、燃料電池用加湿装置２００は、ハウジングが透湿膜２８を挟持するように２分割され、一方のハウジング４２ａには、供給ガス入口１２ｃ、供給ガス出口１２ｄを備え、供給ガス流路１２を設け、他方のハウジング４２ｂには、排出ガス入口１４ｃ、排出ガス出口１４ｄを備え、排出ガス流路１４を設け、供給ガス流路１２と排出ガス流路１４との間に表面積を大きくした透湿膜２８を挟持し、クリップ４０等の挟持部材によりハウジング４２ａ，４２ｂの間に透湿膜２８を配置して締結している。

図５に示した燃料電池用加湿装置２００の構成であれば、透湿膜２８と、ハウジング４２ａ，４２ｂを固定する挟持部材はクリップ４０等の簡単な構成でもよいが、従来から使用されている、例えば、ボルト等で固定してもよい。ハウジング４２ａ，４２ｂや、クリップ４０は、金属製や、樹脂製のものなど、どのような材料を用いてもよいが、例えば樹脂製のものであれば、８０℃〜１００℃程度でも加水分解や酸化等により劣化しないものが望ましく、ＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）や、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等が好適に使用される。

このように、図５に示した本発明の実施の形態における燃料電池用加湿装置２００を使用することにより、シール部材２６等の水分及び熱交換に寄与しない部材を省くことが可能となり、また、透湿膜２８は単一膜であっても使用可能であるため、組み立ても容易で、かつ膜の使用面積も低減でき、低コストでコンパクトに設計することが可能となる。

ところで、本発明に使用する透湿膜１８，２８は、湿度交換可能であるのみならず、透湿膜１８，２８自身でガス圧に耐えうるために所定の強度が必要とされる。そこで、湿度交換可能な湿度交換用材料と、強度を保つための基材を併用することが望ましい。

湿度交換用材料として用いられる材料としては、例えば、親水基、例えば、水酸基、カルボキシル基、カルボニル基等のアニオン系の官能基、またはスルホ基、アンモニウム基等のカチオン形の官能基、を有するイオン交換樹脂等、水分を含有することの出来るものが好適に用いられる。この親水基のあるイオン交換樹脂として、例えば、親水性が付与されたフッ素系樹脂材料、炭化水素系樹脂材料等が挙げられる。

基剤として好適に使用されるものとしては、例えば、繊維状または粉体状の炭素系材料、ガラス系すなわちシリカ系材料、樹脂系材料、パルプ等、セルロース系の紙または布状材料等が望ましい。また、基材の形態としては、湿度交換用材料を空隙内に保持させることが可能な多孔質のものが望ましく、例えば、不織布や、織布等が好適に用いられる。

基材と湿度交換用材料とで透湿膜１８，２８を形成する方法としては、例えば、予め基材を所定の形状に成形し、これに溶媒等に溶解または分散させた湿度交換用材料に塗布または浸漬等により含浸させ、その後乾燥させたものでもよく、また、例えば、基材に湿度交換用材料を含浸、乾燥させた後に所定の形状に成形したものでもよいがこれに限らず、従来のいかなる方法により形成してもよい。例えば、基材と湿度交換用樹脂とを一体に成形したものでもよく、好適に用いられる。

また、透湿膜１８，２８は熱伝導性も有するため、排出ガスの温度と供給ガスの温度が異なる燃料電池システムにおいては、湿度交換エリア１０で温度交換も同時に行うことができる。従って、排出ガスの熱と水分とを外部に排出される前に、有効に活用することができる。

透湿膜１８，２８の膜厚は、その違いによりガスの湿度及び温度の交換能力に影響する。つまり、膜厚を薄くすればするほど、交換能力は増加する反面、透湿膜１８の強度が低下してしまう。従って、約１〜約１０００μｍ程度、好ましくは約５〜約７００μｍ程度、さらに好ましくは約１０〜約５００μｍ程度の膜厚のものが用いられる。

また、透湿膜１８，２８の好適な細孔径としては、通気の影響がガス交換に影響しない程度、例えば、通気率を約２ｃｍ^２／ａｔｍ・ｓｅｃ程度以下に制御することが望ましい。膜厚の違いにより異なるが、約２〜約１０μｍ、好ましくは約３〜約８μｍ、更に好ましくは約４〜約５μｍ程度の細孔径を有する透湿膜が好適に使用される。

供給ガス及び排出ガスのガス圧は、どのように制御してもよいが、一般に、透湿膜１８の両面間にかかる、それぞれのガスの圧力に差があればあるほど、つまり差圧が大きいほど、湿度の交換量は増加する。一方で、差圧が大きすぎると、透湿膜１８にかかる圧力が大きくなり、破損等の不具合を生じる恐れがある。このため、供給ガスの圧力は、排出ガスの圧力に対し０〜３００ｋＰａ程度高くすることが望ましい。また、図３に示した本発明の実施の形態において、隣り合う透湿膜１８により形成されたガス流路は、図８に示す従来のガス流路に比べ大きくなっているが、特に制限はなく、どのような大きさとしてもよいが、膜厚やガス圧等の諸条件により好適に規定される。

なお、本発明の燃料電池用加湿装置に使用される透湿膜１８，２８により交換されるものとして、ガス同士の水分及び熱の交換として説明したが、供給ガス流路１２を通過するガスが図１における湿度交換エリア１０を通過する際に加湿され、熱を受け取ることができればよいので、排出ガス流路１４を通過する物質としては気体に限らず、例えば、高温の温水でもよい。

また、図１から図３において、本発明の実施の形態の燃料電池用加湿装置で使用する外側部材２０や、シール部材２６は、従来より用いられているものをそのまま利用することができるが、更に部品点数を削減するために、透湿膜１８と同じ材料を用いてもよい。なお、外側部材２０に透湿膜１８と同じ材料を適用する場合には、好ましくは水分やガスの透過を防ぐために、例えば外側部材２０の外側に、水分を透過しない樹脂系材料を含浸させたり、コーティングを施したりといった加工を行うことが好ましい。

本発明の燃料電池用加湿装置は、燃料電池、特に、固体高分子型燃料電池用に加湿装置として好適に使用することができるが、これに限らず、例えば、業務用、家庭用等、他の加湿装置としても使用可能である。

本発明の実施の形態における燃料電池用加湿装置１００の構成の概略を示す断面図である。 本発明の実施の形態における、図１に示す燃料電池用加湿装置１００における湿度交換エリア１０の構成の概略を示す断面図である。 本発明の実施の形態における、図１に示す燃料電池用加湿装置１００における湿度交換エリア１０のＡ−Ａ断面図である。 本発明の実施の形態における透湿膜１８の積層状態の一例を示す図である。 本発明の他の実施の形態における燃料電池用加湿装置２００の構成の概略を示す断面図である。 従来の加湿装置３００の構成の概略を示す断面図である。 図６に示す従来の加湿装置３００における湿度交換エリア３０の構成の概略を示す断面図である。 図６に示す従来の加湿装置３００における湿度交換エリア３０のＢ−Ｂ断面図である。

符号の説明

１０，３０ 湿度交換エリア、１２ 供給ガス流路、１２ａ，１２ｂ 供給ガスマニホールド、１２ｃ 供給ガス入口、１２ｄ 供給ガス出口、１４ 排出ガス流路、１４ａ，１４ｂ 排出ガスマニホールド、１４ｃ 排出ガス入口、１４ｄ 排出ガス出口、１８，２８，３８ 透湿膜（透湿部材）、２０ 外側部材、２２ 供給ガス流通方向（矢印）、２４ 排出ガス流通方向（矢印）、２６ シール部材、３２ 水分移動方向（矢印）、３４ 山、３６ セパレータ、４０ クリップ、４２ａ，４２ｂ ハウジング、１００，２００，３００ （燃料電池用）加湿装置。

Claims (7)

1. 複数の透湿部材を積層し、この透湿部材を介して湿度交換を行う燃料電池用加湿装置であって、
   隣り合う透湿部材によりガス流路を形成してなる、燃料電池用加湿装置。
2. 請求項１に記載の燃料電池用加湿装置において、
   前記透湿部材の一方面に、燃料電池に供給する供給ガスが流通する供給ガス流路を形成し、
   前記透湿部材の他方面に、燃料電池から排出された排出ガスが流通する排出ガス流路を形成してなる、燃料電池用加湿装置。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池用加湿装置において、
   前記透湿部材は、親水基を有する樹脂で処理した多孔質膜である、燃料電池用加湿装置。
4. 請求項３に記載の燃料電池用加湿装置において、
   前記多孔質膜は、少なくとも親水基を有する樹脂が含浸されている、燃料電池用加湿装置。
5. 親水基を有する樹脂で処理した多孔質膜からなる透湿部材を介して湿度交換を行う燃料電池用加湿装置であって、
   前記透湿部材の一方面に乾燥ガスを、他方面に湿潤ガスを、それぞれ流通させる、燃料電池用加湿装置。
6. 請求項３から５のいずれか１項に記載の燃料電池用加湿装置に使用する透湿部材の成形方法であって、
   多孔質膜を成型後、親水基を有する樹脂を含浸させてなる、透湿部材の成形方法。
7. 請求項３から５のいずれか１項に記載の燃料電池用加湿装置に使用する透湿部材の成形方法であって、
   多孔質膜に親水基を有する樹脂を含浸させた後に成形する、透湿部材の成形方法。

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