JP2007194070A - 燃料電池用加湿器 - Google Patents

Abstract

【課題】水蒸気透過膜の変形を防いで十分なガス流路を確保し、圧損の上昇を抑制することができる燃料電池用加湿器を提供する。
【解決手段】酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流路と、前記酸化剤ガスより含水率の高い含水ガスが流通する含水ガス流路と、酸化剤ガス流路と含水ガス流路とを仕切る水蒸気透過膜１２とを備え、当該水蒸気透過膜１２が、少なくとも、含水ガス流路側から酸化剤ガス流路側へ突出するように複数の棒状部材１０により張架されてプリーツ形状となっていることを特徴とする燃料電池用加湿器である。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池に供給する酸化剤ガスを加湿するのに好適に用いられる燃料電池用加湿器に関する。

燃料電池用加湿器は、燃料電池に供給する酸化剤ガスに水蒸気を透過させて加湿するために用いられる。燃料電池用加湿器の構成としては種々のものが知られている。

凹凸断面を有するプリーツ状の水蒸気透過膜と、水蒸気透過膜の面方向から支持する凹凸を有する保持板と、をそれぞれの凹凸が噛み合うように配置して水蒸気透過膜の変形を抑制する燃料電池用加湿器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、燃料電池の供給ガスと排出ガスとの間で水の授受を行う場合、供給ガス側の方が圧力が高くなってしまう。そうすると、水蒸気透過膜による凹凸が供給ガス側で広くなり、排出ガス側で狭くなることがある。その結果、保持板の凸部と水蒸気透過膜による凹部との間の隙間が少なくなり、圧力損失が上昇してガスが流れにくくなる可能性がある。

そこで、平膜状の水蒸気透過膜をネットで挟み込み、一体的に折り込むことでプリーツ形状とすることが考えられる。しかし、この場合、水蒸気透過膜とネットとが擦れあって変形や破損などが起こったり、コーティングが剥がれてクロスリークが発生したりしてしまうことが懸念される。また、圧損が高くなることもある。
特開２００４−３５６００１号公報

本発明は、上記従来の課題を解決することを目的とする。すなわち、本発明は、水蒸気透過膜の変形を防いで十分なガス流路を確保し、圧損の上昇を抑制することができる燃料電池用加湿器を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、下記本発明に想到し当該課題を解決できることを見出した。

すなわち、本発明は、酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流路と、前記酸化剤ガスより含水率の高い含水ガスが流通する含水ガス流路と、酸化剤ガス流路と含水ガス流路とを仕切る水蒸気透過膜とを備え、当該水蒸気透過膜が、少なくとも、前記含水ガス流路側から前記酸化剤ガス流路側へ突出するように複数の棒状部材により張架されてプリーツ形状となっていることを特徴とする燃料電池用加湿器である。

燃料電池システムにおける加湿器の使用圧力は、ＷＥＴ側（含水ガス流路）よりＤＲＹ側（酸化剤ガス流路）の方が高いため、水蒸気透過膜が変形して、ＤＲＹ側の流路は開き、ＷＥＴ側の流路は狭くなる。その結果、流路の十分な確保が困難となる。このような現象に対し、本発明の燃料電池用加湿器では、プリーツ形状となっている水蒸気透過膜が複数の棒状部材により張架されているので、水蒸気透過膜の変形を抑制することができる。また、棒状部材の無いところでは、ガス流路を十分に確保することが可能で、圧損の上昇を抑制することができる。

前記含水ガス流路側にはさらに、前記水蒸気透過膜に接触してこれを支持する支持部材を備えることが好ましい。かかる支持部材を設けることで、ＷＥＴ側へ水蒸気透過膜が変形する現象を抑制することができる。その結果、ＷＥＴ側の流路が狭くなるのを抑制してガス流路をより良好に確保することができる。

前記棒状部材および前記支持部材の断面形状は、膜の傷つけを抑制する観点から、円または楕円であることが好ましい。

本発明において、「水蒸気透過膜」とは、複数成分よりなる混合ガスの中から選択的に水蒸気の透過性が高い膜をいう。また、プリーツ形状とは、例えば、シート状から一定または任意の間隔でひだ折にすることにより得られる形状をいう。プリーツ形状とすることで、同じ膜面積で外寸を小さくし、小型化を図ることができる。

また、棒状部材は、水蒸気透過膜とその幅方向に平行に位置して設けられ、水蒸気透過膜を張架する部材である。棒状部材および任意の支持部材に覆れていない水蒸気透過膜で仕切られた開口部はガスの流路となる。そして、この流路は、酸化剤ガスや含水ガスが流れる流路となる。

本発明の燃料電池用加湿器によれば、水蒸気透過膜の変形を防いで十分なガス流路を確保し、圧損の上昇を抑制することができる。

以下、本発明の燃料電池用加湿器について図面を参照して説明する。図１は、本発明の燃料電池用加湿器の分解図である。複数の棒状部材１０により張架されたプリーツ形状の水蒸気透過膜１２により仕切られて、酸化剤ガス流路と含水ガス流路とが形成されている。そして、水蒸気透過膜１２などはフレーム１４によって結合固定されている。結合固定された後は、図２に示すように、「ＷＥＴ側」と表示されている側が含水ガス流路２２となり、「ＤＲＹ側」と表示されている側が酸化剤ガス流路２１となる。なお、棒状部材は、少なくとも含水ガス流路２２側にあればよい。

図３および図４は、それぞれ、本発明の燃料電池用加湿器を含む燃料電池システム概略構成図および燃料電池用加湿器概略構成図である。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る。

図３において、燃料電池１からの排出ガスである含水ガス（原料ガス）は、電池内の反応により加湿状態でカソードより配管３３、排出ガス導入部２２４を経由して高湿度で燃料電池用加湿器２の排出ガス導入口２２３より、燃料電池用加湿器２内に導入される。導入された含水ガスは、水蒸気透過膜１２で隔てられた含水ガス流路２２を流れ、排出ガス導出口２２１より排出ガス導出部２２２、配管３４を経て排出される。

一方、酸化剤ガスである空気は、コンプレッサー３より圧縮されて配管３１、酸化剤ガス導入部２１２を経由して低湿度状態で燃料電池用加湿器２の酸化剤ガス導入口２１１より燃料電池用加湿器２の酸化剤ガス流路２１を流れ、酸化剤ガス導出口２１３より酸化剤ガス導出部２１４、配管３２を経て燃料電池１のカソード側に送られる。

なお、水素供給源４は、燃料電池１のアノード側と配管４１で接続されている。また燃料電池１のアノード側には排気用の配管４２が接続されている。

図４では、含水ガス流路２２を高湿度の含水ガスが図面上、例えば左から右に流れ、酸化剤ガス流路２１を含水ガスより含水率の低い（低湿度）の酸化剤ガスが水蒸気透過膜１２を境に、含水ガスに対して向流で流れる。水蒸気は水蒸気透過膜１２を透過することができるが、水蒸気以外の他の気体は水蒸気透過膜１２を透過しにくい。したがって、含水ガス流路２２内の含水ガスに含まれる水蒸気が優先的に酸化剤ガス流路２１内に入る（図４中の点線の矢印参照）。

こうして、酸化剤ガス流路２１内でコンプレッサー３（図３参照）から供給された酸化剤ガス（空気）と水蒸気とが接触することにより酸化剤（空気）が加湿される。

このように、燃料電池用加湿器２は水蒸気以外の気体組成や圧力を変化させることなく、燃料電池運転に必要な加湿を安定して行うことができる。このため、本発明の燃料電池用加湿器は、特に、車載用の燃料電池に適している。

棒状部材の材質は、圧力、温度、腐食に対する耐性を有するものであれば金属性でも樹脂製でもよく、制限されるものでは無い。棒状部材の断面形状も、円形に制限されるものでなく、後述するように楕円形としてもよい。

フレームは枠形状をした構造物であり、少なくとも水蒸気透過膜を固定するものである。具体的には、枠形状で、その内周部と水蒸気透過膜の外周部とが接着結合される。

フレームは、みぞ形の断面を有していることが好ましく、図１に示すように枠を構成する。フレームの材質は、圧力、温度、腐食に対する耐性を有するものであれば金属性でも樹脂製でもよく、制限されるものでは無い。フレームにみぞ形があれば、このみぞ形に沿ってプリーツ膜を収納することが容易となる。

水蒸気透過膜の少なくとも片面には、多孔質構造のシートを設けてもよい。例えば、不織布、ネット等の多孔質状シート等、それ自身に流路となる孔等の構造を含むシート等が含まれる。これにより、流路の確保をすることで、ガスと水蒸気透過膜の接触面積も確保することができ、水蒸気透過膜の保護、補強となる。

水蒸気透過膜は、それ自体、または水蒸気透過膜を上記シートである不織布、ネット等の多孔質シートで挟んだ後、ひだ折にプリーツ成形したものである。この場合、プリーツ成形の方法に制限は無く、適宜な方法により行うことができる。例えば、公知のアコーディオンプリーツマシンやロータリープリーツマシンを用いて成形することができる。プリーツ膜のピッチ、山（谷）の数、大きさ等は、使用条件に応じて適宜選定される。

水蒸気透過膜は、ガス透過性の観点から決定され、膜厚、開口率、材質等には限定されない。燃料電池に用いる場合のガス透過性は、特に水蒸気透過膜の両側にある気体中の水蒸気を優先的に透過し、他の気体成分は透過しないようにする為に、水蒸気以外の透過性は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１０００秒／１００ｃｃ）は、１００ｃｃのガスを透過させるのに必要な時間が１０００秒かかることを意味する。

水蒸気透過膜としては、高分子多孔膜及び高分子多孔膜に透湿性樹脂をコーティングしたものを用いることができる。高分子多孔膜の素材としては、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、ポリカーボネイト、ポリ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。耐熱性および耐薬品性の点で、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリトラフルオロエチレン、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、およびポリエーテルケトン（ＰＥＫ）が好ましい。

高分子多孔膜の空孔率は、透湿性の観点から２０％以上が好ましい。強度の観点からは９８％以下が好ましく、より好ましくは３０〜９５％である。高分子多孔膜の厚さは５〜２００μｍが好ましく、より好ましくは１０〜１００μｍである。高分子多孔膜の膜厚が薄いほど透湿性は向上するが、膜厚の薄さの限界は高分子多孔膜シートに必要とされる機械的強度により決まる。コーティングに用いられる透湿性樹脂は、パーフルオロスルホン酸系イオン交換樹脂が好ましい。

上記シートであるネット、不織布等は、流路確保の観点から決定される。ネットの開口率は限定されるものではないが、３０〜９０％が好ましく、より好ましくは５０〜９０％である。不織布は、上記流路確保に加えて水蒸気透過膜の保護の目的も担うことも可能である。不織布の目付け量は限定されるものではないが１０〜１００ｇ／ｍ２が好ましく、より好ましくは１０〜８０ｇ／ｍ²である。不織布の材質は、主に樹脂製のものが、ネットには、樹脂、金属、および金属に樹脂をコーティングしたもの等が用いられる。

以上のような本発明の燃料電池用加湿器には、本発明の効果をより向上させることを目的として、下記のような態様を適用することが好ましい。

まず、図２との対応部分には同一の符号を付して示す図５のように、含水ガス流路２２側に、水蒸気透過膜１２に接触してこれを支持する支持部材１６を備えることが好ましい。

かかる支持部材１６を設けることで、含水ガス流路２２側へ水蒸気透過膜１２が変形する現象を抑制することができる。その結果、含水ガス流路２２側の流路が狭くなるのを防止してガス流路をより確実に確保することができる。

支持部材１６の材質としては、既述の棒状部材と同じものを使用することが可能であり、その寸法や形状も、棒状部材と同一としてもよい。

また、図２との対応部分には同一の符号を付して示す図６のように、棒状部材１０Ａおよび支持部材１６Ａの断面形状は、楕円形状としてもよい。楕円とすることで、水蒸気透過膜１２との接触面積が増加し、流路の変形をより効果的に抑制することができる。なお、支持部材および棒状部材は、装置の軽量化や膜の利用効率向上、プリーツ内の気流を効率よく導くことを目的として、多孔材料を使用することが好ましい。

以上のような本発明の燃料電池用加湿器は、これを複数用いて、各流路を並列または直列に繋ぐことにより、更に性能を上げることができる。燃料電池用加湿器を直列に繋ぐことにより、向流距離を増やすことができる。燃料電池用加湿器を並列に繋ぐことにより、流路断面積を増加させ、ガス流速を低くして圧力損失を減少させることができる。

本発明の燃料電池用加湿器を例示する分解図である。 本発明の燃料電池用加湿器の内部を概略的に示す構成図である。 本発明の燃料電池用加湿器を備えた燃料電池（燃料電池システム）の概略を例示する構成図である。 本発明の燃料電池用加湿器のガスの流れを説明する説明図である。 本発明の燃料電池用加湿器の内部を概略的に示す構成図である。 本発明の燃料電池用加湿器の内部を概略的に示す構成図である。

符号の説明

２・・・燃料電池用加湿器
３・・・コンプレッサー（空気供給源）
４・・・水素供給源
１０，１０Ａ・・・棒状部材
１２・・・水蒸気透過膜
１４・・・フレーム
１６，１６Ａ・・・支持部材
２１・・・酸化剤ガス流路
２１１・・・酸化剤ガス（空気）導入口
２１２・・・酸化剤ガス（空気）導入部
２１３・・・酸化剤ガス（空気）導出口
２１４・・・酸化剤ガス（空気）導出部
２２・・・含水ガス流路
２２１・・・排出ガス導出口
２２２・・・排出ガス導出部
２２３・・・排出ガス導入口
２２４・・・排出ガス導入部
３２，４２・・・配管

Claims (4)

1. 酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流路と、前記酸化剤ガスより含水率の高い含水ガスが流通する含水ガス流路と、酸化剤ガス流路と含水ガス流路とを仕切る水蒸気透過膜とを備え、
   当該水蒸気透過膜が、少なくとも、前記含水ガス流路側から前記酸化剤ガス流路側へ突出するように複数の棒状部材により張架されてプリーツ形状となっていることを特徴とする燃料電池用加湿器。
2. 前記含水ガス流路側に、前記水蒸気透過膜に接触してこれを支持する支持部材を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用加湿器。
3. 前記棒状部材の断面形状が、円または楕円であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池用加湿器。
4. 前記支持部材の断面形状が、円または楕円であることを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池用加湿器。

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