JP2008096074A - 加湿モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、加湿モジュール内の湿度を保つ手段を実現する。
【解決手段】加湿モジュール１ａは、ガス流路（矢印１００ａが示すウェットガス流路）に設置されている。また、加湿モジュール１ａは、中空糸膜１０ａを複数束ねている。この中空糸膜１０ａは、水分を透過する微細孔を有する膜により円筒を形成し、ガス流路を通流するガスが円筒の内側又は外側を通流することにより、ガスの加湿を行う。この加湿モジュール１ａは、さらに、中空糸膜１０ａの束に接触するよう設けられた水分調整材３０ａ−１及び３０ａ−２を備えている。この水分調整材３０ａ−１及び３０ａ−２は、水分を保持する保水性を有しており、中空糸膜１０ａの水分含有量に応じて中空糸膜１０ａに対して水分を放出又は中空糸膜１０ａの水分を吸収する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムなどに搭載される加湿モジュールに関する。

電気自動車の動力源として燃料電池システムが注目されている。この燃料電池システムは、水素タンクから燃料電池の水素ガス流路に供給された水素（燃料ガス）が水素イオン化する際に放出する電子を直流電流として取り出すシステムである。このように発生した水素イオンは、（固体高分子）電解質膜を介して酸素ガス流路に供給され、酸素及び電子と結合し水になる。

ところで、燃料電池システムに用いられる電解質膜は、そのイオン透過性を保持するために適度な湿度を必要とする。このため、燃料電池システムでは、前述した酸素や水素は適度な湿度で燃料電池に供給される。このような、酸素や水素の加湿に中空糸膜を複数束ねた加湿モジュールが用いられている（特許文献１〜３）。

加湿モジュールは、ドライとウェットの二つの流路の境界に設置され、前述したように、中空糸膜を複数束ねて形成される。この中空糸膜は、水分を透過する微細孔を有する膜により円筒を形成しており、その内側をウェットガス（例えば、燃料電池の酸素ガス流路から排気されたオフガス）が通流し、その外側をドライガス（例えば、外部から供給されたガス）が通流することにより、ウェットガスとドライガスとの間で水分交換（ドライガスの加湿）が行われる。

特開２００２−７５４２１号公報 特開２００５−７９００６号公報 特開２００５−２４９２５６号公報

加湿モジュールにおける加湿性能は、燃料電池から排気されたオフガスの湿度に応じて決まる。しかしながら、前述したような加湿モジュールでは、燃料電池システムが停止している間に中空糸膜が乾燥してしまい、燃料電池システムの始動時に加湿不足が発生することがある。また、中空糸膜の乾燥状態が続くと加湿モジュールの性能が劣化することがある。

このような加湿モジュールの乾燥を防ぐために、加湿モジュールのガスの出入口にバルブを設け、燃料電池システムの動作終了時にそのバルブを閉めて密閉状態にする、といった構成が考えられる。しかしながら、このような構成では、密閉状態を作るためには最低でも４個のバルブが必要であり、加湿モジュールの構成が大型化してしまう。さらに、加湿モジュール内の湿度が、燃料電池システムを停止したときの湿度に依存してしまい、適切な湿度にすることができない（例えば、適切な湿度に比べて乾燥した状態で密閉されてしまうことも考えられる）。

また、特許文献１に記載されたような中空糸膜内に冷却水を通流させる構成は、燃料電池の始動時における加湿不足を解消するものの、その構成が大型化してしまう。さらに、特許文献１では、燃料電池システムが停止している間に、加湿モジュール内の湿度を保つといった課題に対しては検討がなされていない。したがって、簡単な構成で、加湿モジュール内の湿度を保つ何らかの手段を実現することが望まれる。

本発明は、水分を透過する微細孔を有する膜により円筒を形成し、第１のガス流路を通流する第１のガスが前記円筒の内側を通流し、第２のガス流路を通流する第２のガスが前記円筒の外側を通流することにより、前記第１及び第２のガスの間で水分交換を行う中空糸膜を複数束ねた加湿モジュールであって、水分を保持する保水性を有するとともに前記複数の中空糸膜に接触するよう設けられ、前記中空糸膜の水分含有量に応じて前記中空糸膜に対して水分を放出又は前記中空糸膜の水分を吸収する水分調整材を備えることを特徴とする。

また、本発明では、前記水分調整材は前記中空糸膜の複数部位に設けられ、前記水分調整材が放出する水分又は吸収した水分を貯蔵する水分貯蔵タンクを備えることが望ましい。

また、本発明では、前記水分貯蔵タンクをつなぐ水流路を備えることが望ましい。

また、本発明では、前記水分調整材は中空糸膜の端部に設けられていることが望ましい。

また、本発明では、前記第１のガス流路は、燃料電池の酸素ガス流路であることが望ましい。

また、本発明では、前記水分調整材が保持している水分は、燃料電池からの排水であることが望ましい。

また、本発明は、ガス流路に設置され、水分を透過する微細孔を有する膜により円筒を形成し、前記ガス流路を通流するガスが前記円筒の内側又は外側を通流することにより、前記ガスの加湿を行う中空糸膜を複数束ねた加湿モジュールであって、水分を保持する保水性を有するとともに前記複数の中空糸膜に接触するよう設けられ、前記中空糸膜の水分含有量に応じて前記中空糸膜に対して水分を放出又は前記中空糸膜の水分を吸収する水分調整材を備えることを特徴とする。

本発明によれば、簡単な構成で、加湿モジュール内の湿度を保つ手段を実現することができる。

以下、本実施形態に係る加湿モジュールについて、図面を用いて詳細に説明する。なお、本実施形態に示す加湿モジュールは、電気自動車用の燃料電池システムに搭載されているものとする。図１〜５は、第１〜５の実施形態に係る加湿モジュールの構成を表す断面図である。

「第１の実施形態」
まず、図１に示す加湿モジュール１ａの構成について説明する。図１に示す加湿モジュール１ａは、矢印１００ａで示す第１のガス流路（ウェットガス流路）と、矢印２００ａで示す第２のガス流路（ドライガス流路）と、に設置されている。ここで、矢印１００ａで示す第１のガス流路に流れるガスは燃料電池の酸素ガス流路から排気されたウェットガスであり、矢印２００ａで示す第２のガス流路に流れるガスは外部から取り入れられたドライガスである。

加湿モジュール１ａは、その筐体２０ａ内に、中空糸膜１０ａが複数束ねられている。この中空糸膜１０ａは、水分を透過する微細孔を有する膜により円筒を形成している。さらに、中空糸膜１０ａは、燃料電池システムが動作しているときに、その円筒内側に前述した矢印１００ａで示す第１のガス流路のガスが通流し、その円筒外側には矢印２００ａで示す第２のガス流路のガスが通流する。

また、加湿モジュール１ａは、水分を保持する保水性を有する水分調整材３０ａ−１及び３０ａ−２を有している。この水分調整材３０ａ−１及び３０ａ−２は、中空糸膜１０ａに接触するように設置されている（なお、図１では、水分調整材３０ａ−１及び３０ａ−２は中空糸膜１０ａの外側から接触しているが、中空糸膜１０ａの内側の隙間から接触するような構成であってもよい）。また、水分調整材３０ａ−１及び３０ａ−２は、前述した矢印１００ａで示した第１のガス流路の入口及び出口付近のポッティング４０ａ−１及び４０ａ−２付近に設置されている。

水分調整材３０ａ−１及び３０ａ−２は、後述するように水分を含んでおり、前述した中空糸膜１０ａの水分含有量に応じて、中空糸膜１０ａに対して水分を放出したり、中空糸膜１０ａから水分を吸収したりする。これにより、後述するように、加湿モジュール１ａ（の中空糸膜１０ａ）の湿度を保つ。

なお、図１に示す加湿モジュール１ａでは、水分調整材３０ａ−１が主に水分を放出し、水分調整材３０ａ−２が主に水分を吸収する構成となっているが、水分の放出と吸収は逆であってもよいし、また、一方の水分調整材３０ａ−１又は３０ａ−２のみで水分の放出と吸収をおこなってもよい（例えば、中空糸膜１０ａが保水する水分が水分調整材３０ａ−１よりも多い場合では、中空糸膜１０ａが保水する水分は水分調整材３０ａ−１により吸収される）。

なお、水分調整材３０ａ−１及び３０ａ−２の素材としては、塩化ビニール材、ポリビニルアルコール材、ポリウレタン材といったものが好適であるが、保水性を有する素材であれば、他の素材であってもよい。

また、加湿モジュール１ａは、水分調整材３０ａ−１が放出する水分を貯蔵する水分貯蔵タンク５０ａ−１と、水分調整材３０ａ−２が吸収した水分を貯蔵する水分貯蔵タンク５０ａ−２と、を有している。このような水分貯蔵タンク５０ａ−１及び５０ａ−２を有することにより、水分調整材３０ａ−１及び３０ａ−２の各々を均一に保水させることができ、また、水分の調整の幅を広げることができる。なお、後述するように、水分貯蔵タンク５０ａ−１及び５０ａ−２の容量は、状況に合わせて設計するのが好ましい。

また、加湿モジュール１ａは、各々の水分貯蔵タンク５０ａをつなぐ水流路６０ａを有している。さらに、水流路６０ａには、バルブ７０ａ及びポンプ８０ａが備えられている。このポンプ８０ａは、モータ９０ａにより駆動され、水分貯蔵タンク５０ａ−２に貯蔵された水分を水分貯蔵タンク５０ａ−１に循環させる。これにより、水分調整材３０ａ−１及び３０ａ−２同士を均一に保湿することができ、より加湿モジュール１ａの加湿性能を向上させることができる。

以下、図１に示す加湿モジュール１ａの動作について説明する。

『燃料電池システムが動作しているとき』
燃料電池システムが動作しているとき、燃料電池の酸素極から水分を含むガス（ウェットガス）が排気される。このようなウェットガスは、前述したように、中空糸膜１０ａの内側（矢印１００ａで示す第１のガス流路）に通流する。また、前述したように、外部から取り入れられたドライガスが、中空糸膜１０ａの外側（矢印２００ａで示す第２のガス流路）に通流する。

このように、中空糸膜１０ａの内側と外側を２つのガスが通流することにより、矢印１００ａで示す第１のガス流路を通流するガスと、矢印２００ａで示す第２のガス流路を通流するガスと、の間で水分交換が行われる。また、水分交換（加湿）されたガス（矢印２００ａで示す第２のガス流路を通流するガス）は、燃料電池の空気極に供給される。

また、水分調整材３０ａ−１及び３０ａ−２は、前述したように、水分を含んでおり、前述した中空糸膜１０ａの水分含有量に応じて、中空糸膜１０ａに対して水分を放出したり（水分を吸い取らせたり）、中空糸膜１０ａから水分を吸収したりする。これにより、中空糸膜１０ａ内の湿度、しいては、加湿モジュール１ａ内の湿度が一定に保たれる。また、吸収した水分は、水分貯蔵タンク５０ａ−１及び５０ａ−２に貯蔵される。

『燃料電池システムが停止しているとき』
燃料電池システムが停止すると、燃料電池の酸素極からガス（ウェットガス）が排気されなくなる。さらに、中空糸膜１０ａは、外気に触れているため、保水している水分が蒸発する。このように中空糸膜１０ａから水分が蒸発し始めると、水分調整材３０ａ−１（及び３０ａ−２）から中空糸膜１０ａに対して水分が放出される。

このような水分調整材３０ａ−１（及び３０ａ−２）から放出された水分を中空糸膜１０ａが吸収することにより、燃料電池システムが停止している間に、加湿モジュール１ａ内（の中空糸膜１０ａ）の乾燥が防止され、その内部の湿度が一定に保たれる。

したがって、図１に示す加湿モジュール１ａは、燃料電池システム停止時における（中空糸膜１０ａの）乾燥を防止することができる。さらに、燃料電池システムを再始動したときには、既に加湿モジュール１ａ（の中空糸膜１０ａ）が一定の湿度を保っているため、始動時における加湿不足を解消することができる。

また、中空糸膜１０ａに保水された水分は、水分調整材３０ａ−２（及び３０ａ−１）により吸収され、水分貯蔵タンク５０ａ−２（及び５０ａ−１）に貯蔵される。この水分貯蔵タンク５０ａ−２に貯蔵された水分は、前述したように、水流路６０ａを介して水分貯蔵タンク５０ａ−１に循環される。したがって、中空糸膜１０ａ内の湿度を一定に保つと共に、中空糸膜１０ａから水分が蒸発するのを最小限に抑えることができる。なお、水分貯蔵タンク５０ａ−１及び５０ａ−２の容量は状況に合わせて設計するのが好ましく、燃料電池システムの停止から再始動までの間に貯蔵した水分が蒸発し尽くさないよう十分な容量を確保するのが好適である。

このように、本実施形態に係る加湿モジュールは、水分を保持する保水性を有するとともに複数の中空糸膜に接触するよう設けられ、中空糸膜の水分含有量に応じて中空糸膜に対して水分を放出又は前記中空糸膜の水分を吸収する水分調整材を備えることにより、中空糸膜内の湿度を一定に保つことができる。

「第２の実施形態」
次に、図２に示す加湿モジュール１ｂの構成について説明する。なお、図１に示す加湿モジュール１ａと同じ又は同様な構成については同じ又は同様な符号で表す。図２に示す加湿モジュール１ｂは、図１に示す加湿モジュール１ａで中空糸膜１０ａから水分を吸収していた水分調整材３０ａ−２に代わり、気液分離器３００ｂによって中空糸膜１０ｂから水分を吸収（回収）するという構成である。

すなわち、中空糸膜１０ｂから排気されたガス（矢印１００ｂで示す第１のガス流路を通流するガス）が、気液分離器３００ｂにより気体と液体に分離され、このように分離された液体が水流路６０ｂにより水分調整材３０ｂに循環する、という構成である。

この構成は、例えば、中空糸膜１０ｂから気液分離器３００ｂまでの間を密封することにより、燃料電池システムが停止している時に、中空糸膜１０ｂから蒸発する水分をより少なくすることができる。したがって、本実施形態に係る加湿モジュールは、より長時間、中空糸膜内の湿度を一定に保つことができる。なお、図１に示すように、水分調整材３０ａ−２を設け、気液分離器３００ｂと共に中空糸膜１０ｂから水分を吸収（回収）する構成としてもよい。

「第３の実施形態」
次に、図３に示す加湿モジュール１ｃの構成について説明する。なお、図１に示す加湿モジュール１ａと同じ又は同様な構成については同様な符号で表す。図３に示す加湿モジュール１ｃは、燃料電池４００ｃのオフガス（水素ガス）から気液分離した液体が水分調整材３０ｃに供給される、という構成である。

燃料電池４００ｃは、イオン化されずに水素極から排気された水素を再利用するためにガス流路５００ｃによる循環系を有している。この、ガス流路５００ｃには、水素極に余分な水分が循環しないように気液分離器３００ｃが設けられている（燃料電池４００ｃの電解質膜に過度な水分が供給されると燃料電池システムの発電効率を著しく低下させてしまうためである）。図３に示す加湿モジュール１ｃには、この気液分離器３００ｃの水分貯留部に貯水された水がバルブ７０ｃを介して、水分調整材３０ｃに供給される。

これにより、燃料電池４００ｃのオフガスの水分をそのまま利用することができるため水分利用効率を向上させることができる。さらに、燃料電池４００ｃのオフガスの水分を利用することにより外部への排水も減らすことができる。また、図３に示す加湿モジュール１ｃについても、図１に示す水分調整材３０ａ−２や図２に示す気液分離器３００ｂを設け、中空糸膜１０ｂから水分を吸収（回収）する構成としてもよい。

「第４の実施形態」
次に、図４に示す加湿モジュール１ｄの構成について説明する。なお、図１に示す加湿モジュール１ａと同じ又は同様な構成については同様な符号で表す。図４に示す加湿モジュール１ｄは、中空糸膜１０ｄの束の外側を水分調整材３０ｄにより覆う、という構成である。

さらに、図４に示す加湿モジュール１ｄは、中空糸膜１０ｄの円筒の内側を外部から取り入れたガス（ドライガス）が通流する、という構成である。このように中空糸膜１０ｄの内側を通流したガスは、燃料電池４００ｄの酸素極に供給される。なお、水分調整材３０ｄへは、前述した図３に示す加湿モジュール１ｃと同様に、燃料電池４００ｃの水素ガスから分離した水分が供給される。

このように、図４に示す加湿モジュール１ｄは、中空糸膜１０ｄの束の外側を水分調整材３０ｄにより覆うことにより、より中空糸膜１０ｄを均一に湿潤化し、かつ、その状態を燃料電池システムが停止しているときにも長時間保持することができる。

「第５の実施形態」
次に、図５に示す加湿モジュール１ｅの構成について説明する。なお、図１に示す加湿モジュール１ａと同じ又は同様な構成については同様な符号で表す。図５に示す加湿モジュール１ｅは、水分調整材３０ｄへは、前述した図４に示す加湿モジュール１ｄとは異なり、燃料電池４００ｅの酸素ガスから分離した水分が供給される。

これにより、図５に示す加湿モジュール１ｅは、図４に示す加湿モジュールと同様に、中空糸膜１０ｅを均一に湿潤化し、その状態を燃料電池システムが停止しているときにも長時間保持することができる。

第１の実施形態に係る加湿モジュールの構成を示す断面図である。 第２の実施形態に係る加湿モジュールの構成を示す断面図である。 第３の実施形態に係る加湿モジュールの構成を示す断面図である。 第４の実施形態に係る加湿モジュールの構成を示す断面図である。 第５の実施形態に係る加湿モジュールの構成を示す断面図である。

符号の説明

１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ 加湿モジュール、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ 中空糸膜、３０ａ−１，３０ａ−２，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅ 水分調整材。

Claims (7)

1. 水分を透過する微細孔を有する膜により円筒を形成し、第１のガス流路を通流する第１のガスが前記円筒の内側を通流し、第２のガス流路を通流する第２のガスが前記円筒の外側を通流することにより、前記第１及び第２のガスの間で水分交換を行う中空糸膜を複数束ねた加湿モジュールであって、
   水分を保持する保水性を有するとともに前記複数の中空糸膜に接触するよう設けられ、前記中空糸膜の水分含有量に応じて前記中空糸膜に対して水分を放出又は前記中空糸膜の水分を吸収する水分調整材を備えることを特徴とする加湿モジュール。
2. 請求項１に記載の加湿モジュールであって、
   前記水分調整材は前記中空糸膜の複数部位に設けられ、
   前記水分調整材が放出する水分又は吸収した水分を貯蔵する水分貯蔵タンクを備えることを特徴とする加湿モジュール。
3. 請求項２に記載の加湿モジュールであって、
   前記水分貯蔵タンクをつなぐ水流路を備えることを特徴とする加湿モジュール。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の加湿モジュールであって、
   前記水分調整材は中空糸膜の端部に設けられていることを特徴とする加湿モジュール。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の加湿モジュールであって、
   前記第１のガス流路は、燃料電池の酸素ガス流路であることを特徴とする加湿モジュール。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の加湿モジュールであって、
   前記水分調整材が保持している水分は、燃料電池からの排水であることを特徴とする加湿モジュール。
7. ガス流路に設置され、
   水分を透過する微細孔を有する膜により円筒を形成し、前記ガス流路を通流するガスが前記円筒の内側又は外側を通流することにより、前記ガスの加湿を行う中空糸膜を複数束ねた加湿モジュールであって、
   水分を保持する保水性を有するとともに前記複数の中空糸膜に接触するよう設けられ、前記中空糸膜の水分含有量に応じて前記中空糸膜に対して水分を放出又は前記中空糸膜の水分を吸収する水分調整材を備えることを特徴とする加湿モジュール。

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