JP2009054401A - 中空糸膜モジュール及び燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】水漏れの生じにくい中空糸膜モジュール及び燃料電池を提供する。
【解決手段】複数の燃料電池セルが積層されて構成される燃料電池スタック１１０の積層方向に重ねられ、前記燃料電池スタック１１０から排出される排ガスに含まれる水分を利用して、前記燃料スタック１１０に供給される反応ガスを加湿する中空糸膜モジュール１であって、中空糸膜モジュール１の内部と外部とを連通する流路に疎水化処理を施したことを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、中空糸膜の膜分離作用を利用して、気体の加湿、除湿、分離、ならびに液体の分離等を行う中空糸膜モジュール及び該中空糸膜モジュールを備えた燃料電池に関するものである。

固体高分子型燃料電池は、一般的に、水素イオン伝導性の固体高分子を白金触媒を担持したカーボン電極で挟み込んで構成される発電素子すなわち固体高分子電解質膜−電極複合体および各電極面にそれぞれの反応ガスを供給するためのガス流路を形成するとともに発電素子を両側から支持するガス分離部材とを積層した構造を有する。そして、一方の電極に水素ガス、すなわち、酸化還元反応にかかる化学エネルギーを直接電気エネルギーとして抽出するようになっている。その際、副生成物として水素イオンと水酸イオンとが反応した水が発生し、この水蒸気を含んだ排ガスが燃料電池スタックから排出される。

一方、一般に用いられている固体高分子電解質膜は、乾燥状態になると発電効率が著しく低下するため、毛管凝縮タイプの膜モジュールを加湿膜モジュールとして搭載して排ガスに含まれる水蒸気を分離回収し、燃料電池スタックへと戻すという方式が知られている。そして、このような用途において、燃料電池スタックとの一体化に好適な中空糸膜モジュールが、特許文献１に開示されている。

燃料電池においては、無発電時にはガスの供給が停止されモジュール内部に分離・回収された水蒸気が結露した状態で保持される場合が多い。そして、燃料電池スタックと一体化された中空糸膜モジュールは、小型化の要請から非常にコンパクトに設計されるため、モジュール内部に保持された結露水がちょっとした衝動等により簡単にシステム外部に排出されてしまう。したがって、携帯機器用に搭載した場合には、かかる機器の持ち運び時等において、例えば、鞄や着衣のポケットの中等で水漏れを生じてしまうおそれがある。
特開２００６−２２４０９６号公報

本発明は上記の従来技術の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、水漏れの生じにくい中空糸膜モジュール及び燃料電池を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明における中空糸膜モジュールは、
複数の燃料電池セルが積層されて構成される燃料電池スタックの積層方向に重ねられ、
前記燃料電池スタックから排出される排ガスに含まれる水分を利用して前記燃料スタックに供給される反応ガスを加湿する中空糸膜モジュールであって、
中空糸膜モジュールの内部と外部とを連通する流路に疎水化処理を施したことを特徴とする。

これにより、燃料電池の無発電時等において、中空糸膜モジュール内部に結露を生じても、結露水がモジュール外部に漏れを生じるのが抑制される。

ケースと、
複数本の中空糸膜によって形成され、前記ケースに収容される中空糸膜束と、
ケース内壁と前記中空糸膜間との間に充填された液状接着剤が硬化することによって形
成される、前記中空糸膜束を前記ケース内に封止固定する中空糸膜束固定部と、
前記複数本の中空糸膜を結束する結束部であって、結束部端面において前記中空糸膜の中空内部を開口し、かつ、前記液状接着剤が前記結束部端面側に流出するのを防止する結束部と、
を備えているとよい。

疎水化処理を施される前記流路は、前記排ガスがケース内部において前記中空糸膜の膜外部側を通る流路とケース外部とを連通する流路であってもよいし、前記排ガスをケース内部からケース外部に排出するための流路であってもよい。

これにより、かかる流路からの水漏れを防止することができる。

前記結束部に疎水化処理を施すのも好適である。

これにより、水漏れ防止効果を高めることができる。

また、上記目的を達成するために、本発明における燃料電池は、
複数の燃料電池セルが積層されて構成される燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの積層方向に重ねられ、前記燃料電池スタックから排出される排ガスに含まれる水分を利用して、前記燃料スタックに供給される反応ガスを加湿する中空糸膜モジュールと、
を備える燃料電池において、
前記中空糸膜モジュールは、中空糸膜モジュールの内部と外部とを連通する流路に疎水化処理を施したことを特徴とする。

前記中空糸膜モジュールは、
ケースと、
複数本の中空糸膜によって形成され、前記ケースに収容される中空糸膜束と、
ケース内壁と前記中空糸膜間との間に充填された液状接着剤が硬化することによって形成される、前記中空糸膜束を前記ケース内に封止固定する中空糸膜束固定部と、
前記複数本の中空糸膜を結束する結束部であって、結束部端面において前記中空糸膜の中空内部を開口し、かつ、前記液状接着剤が前記結束部端面側に流出するのを防止する結束部と、
を備えているとよい。

前記中空糸膜モジュールの疎水化処理を施される前記流路は、前記排ガスが前記中空糸膜モジュールのケース内部において前記中空糸膜の膜外部側を通る流路とケース外部とを連通する流路であってもよいし、前記排ガスを前記中空糸膜モジュールのケース内部からケース外部に排出するための流路であってもよい。

前記中空糸膜モジュールは、前記結束部に疎水化処理を施すとよい。

以上説明したように、本発明により、水漏れを生じにくくすることができる。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

（実施例）
＜中空糸膜モジュールの構成及び概要＞
まず、図１〜３を参照して、本発明の実施例に係る中空糸膜モジュールについて説明する。図１（ａ）は、本実施例に係る中空糸膜モジュールの模式的斜視図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）において矢印Ａの方向から見た本実施例に係る中空糸膜モジュールの模式的平面図である。図１（ｃ）は、図１（ａ）において矢印Ｂの方向から見た本実施例に係る中空糸膜モジュールの模式的正面図である。図２は、本実施例に係る中空糸膜モジュールの概略構成を説明する模式的斜視分解図である。図３は、本実施例に係る中空糸膜モジュールの図１（ｃ）のＣ−Ｃ断面の模式図である。

本発明の実施例に係る中空糸膜モジュール１は、中空糸膜束２と、ケース３と、を備える。

中空糸膜束２は、複数の中空糸膜４を束ね、各中空糸膜４の両端面を開口した状態で、その両端部を例えばシリコン、ウレタン等の柔軟性のある弾性材料で結束（結束部５）している。

略六面体形状のケース３は、ケース蓋３１と、ケース本体３２とからなり。流体を中空糸膜４の膜内部に流通させるための一対の第１開口部６１、６２と、流体を中空糸膜の膜外部に流通させるための一対の第２開口部７１、７２とが設けられている。

ケース３には中空糸膜モジュール１を燃料電池スタック等の取付相手（図示せず）に取付けるためのピン穴８が設けられており、該ピン穴８に通したネジ等により、中空糸膜モジュール１と取付相手とを積層して一体に組付け締結することができる。

本実施例においては、取付相手への取付手段としてピン穴を用いているが、例えば、モジュールケースに設けた凸部と取付相手に設けた凹部とを嵌合させることにより取付ける等の、他の位置決め手段を用いることも可能である。

さらに、開口部と取付用ピン穴とが、モジュールケース３に一体的に設けられているので、これらの位置精度を高くすることができ、また、位置精度が高いことにより中空糸膜モジュール１の開口部と取付相手側のガス導入・排出口とを、ガス配管等を介さずに直接連結することができる。したがって、部材点数の削減、ガス流路の密封性の向上を図ることができ、更には、省スペース、モジュールの小型化にも寄与する。

弾性材料からなる結束部５は、第１開口部６１と第２開口部７１との間、及び第１開口部６２と第２開口部７２との間に配置されている。

結束部５と第２開口部７１、７２との間には、例えば、エポキシ、ウレタン等の液状接着剤が充填され、液状接着剤の硬化により中空糸膜束２はケース内に封止固定される（固定部９）。

第２開口部７１，７２、液状接着剤の注入口１０、液状接着剤の排出口１１は、中空糸膜束２の結束部５の収容箇所よりも内側に設けられており、中空糸膜４の充填領域とケース３の外部とを連通している。

第２開口部７１は、中空糸膜束２の一方の結束部５の側に、第２開口部７２は、中空糸膜束２の他方の結束部５の側に、それぞれ設けられる。注入口１０は、中空糸膜束２の長手方向において、一方の結束部５と第２開口部７１との間、及び他方の結束部５と第２開
口部７２との間にそれぞれ１つずつ設けられる。排出口１１は、中空糸膜束２の長手方向において、各注入口１０と第２開口部７１、７２との間にそれぞれ一対ずつ設けられる。膜収容部２２の底面には、注入口１０と排出口１１との間に、液状接着剤の膜収容部２２上への回り込みを助けるための溝９２が設けられる。

液状接着剤を注入口１０からケース３内部に流し込む。流し込まれた液状接着剤は、中空糸膜４の開口端面側が結束部５により密封されているため、排出口１１からオーバーフローすることになる。液状接着剤が排出口１１からオーバーフローして排出口１１が液状接着剤で満たされるまで、液状接着剤を流し込み、硬化させる。注入口１０及び排出口１１は硬化した接着剤により塞がれる（固定部９）。

このように、本実施例に係る中空糸膜モジュール１は、中空糸膜束２を予め作成しておき、これをモジュールケース３内に収容して液状接着剤で固定するときに、結束部５が液状接着剤の結束部端面側への流出を防止することにより製造される。

ケース３の内部空間は、結束部５及び固定部９により、ケース内壁面と中空糸膜の中空内部が開口した結束部５の端面とにより形成される空間と、ケース内壁面と中空糸膜４の膜外壁面と固定部９とにより形成される空間とに分割される。

こうして、第１開口部６１、６２と、ケース内壁面及び結束部端面により形成される空間と、中空糸膜４の中空内部とにより、第１の経路が形成され、第２開口部７１、７２と、ケース内壁面、中空糸膜膜外壁面及び固定部９とにより形成される空間とにより、第２の経路が形成される。

ケース３としては、一般的な材料である樹脂材製のものも採用することができるが、中空糸膜モジュール１を燃料電池の反応ガスの加湿用として燃料電池スタックに積層して使用する場合には、ケース３として金属材料、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼、マグネシウム、もしくはこれらの合金からなるものを採用することにより、中空糸膜モジュール１を燃料電池スタックの集電板および締結板としても機能させることができる。

＜中空糸膜モジュールの使用方法＞
次に、以上のように構成された中空糸膜モジュールの使用方法について説明する。

まず、水蒸気を含む空気等の気体や水（以下「気体等」という）を、一方の第１開口部６１からケース３内部に送り込む。ケース３内部に送り込まれた気体等は、中空糸膜４の中空内部を通って、他方の第１開口部６２から排出される。

一方、加湿対象気体を、一方の第２開口部７１からケース３内部に送り込む。ケース３内部に送り込まれた気体等は、中空糸膜４の膜外部を通って、他方の第２開口部７２から排出され、燃料電池等の取付相手内へ送り込まれる。

これにより、水蒸気を含んだ気体等が中空糸膜４の中空内部を通過する過程で、気体等に含まれる水分が膜を透過して中空糸膜４の膜外部に排出される。従って、加湿対象気体は、中空糸膜４の膜外部を通る過程で加湿されて、取付相手内へ送り込まれることになる。

なお、これまでの説明では、中空糸膜４の中空内部側に水蒸気を含む気体等を流し、中空糸膜４の外部側に加湿対象気体を流す場合を説明したが、これとは逆に、中空糸膜４の外部側に水蒸気を含む気体等を流し、中空糸膜４の中空内部側に加湿対象気体を流すようにしても、加湿対象気体を加湿できることは言うまでもない。また、水蒸気を含む気体等
や加湿対象気体を流す向きについても上記説明とは逆の向き（すなわち、第１開口部６２からケース内部３に送り込み、第１開口部６１から排出する、または、第２開口部７２からケース内部３に送り込み、第２開口部７１から排出する）としてもよい。また、ケースにおける各開口部の位置も取付相手の仕様等に応じて適宜変更することができる。

また、本実施例においては、中空糸膜の膜分離作用を利用した気体の加湿を行う場合について説明したが、該膜分離作用を利用した気体の除湿、流体中の異物の除去、分離等を行うことも可能である。

また、燃料電池の反応ガスの加湿用に使用する場合には、上述したように、ケース３を金属材料からなるものとすることにより、燃料電池スタックで発生する電流の捕集、燃料電池スタックの締め付け、発電によって発生する熱の放熱等が可能となり、燃料電池スタックの集電板および締結板としても機能させることができる。

＜燃料電池の構成及び概要＞
次に、図４を参照して、本実施例に係る中空糸膜モジュールを備えた燃料電池について説明する。図４は、本実施例に係る燃料電池の概略構成を示す模式的斜視図であり、反応ガスの加湿用に用いた場合の構成を示している。

図４に示すように、本実施例に係る燃料電池１００は、燃料電池スタック１１０と、中空糸膜モジュール１とが、燃料電池スタック１１０を構成する燃料電池セルの積層方向に重ねられた構成となっている。

なお、図においては、説明のため燃料電池１００の各構成要素をそれぞれ積層方向に間隔を空けて図示しているが、実際には積層方向に密着した構成となる。

燃料電池スタック１１０は、複数の燃料電池セルがセパレータを介して積層された構成となっている。燃料電池スタック１１０の具体的な構成については、従来技術に係る構成を適宜採用すればよいので、その説明は省略する。

中空糸膜モジュール１は、略六面体形状を呈するケースを有しており、燃料電池スタック１１０から排出される湿潤反応排ガスが含んでいる水分を利用して、燃料電池スタック１１０に供給される反応ガスを加湿する。

燃料電池スタック１１０と中空糸膜モジュール１（ケース蓋３１）との間には、Ｏリングあるいはガスケットシール等のシール部材７１ａ、６２ａが、ケース蓋３１の第２開口部７１、第１開口部６２の外周を囲むように挟み込まれる。

燃料電池スタック１１０から排出される湿潤反応排ガスは、中空糸膜モジュール１の第２開口部７１に流入する（矢印Ｄ１）。

第２開口部７１を介してケース３内部に流入した湿潤反応排ガスは、中空糸膜４の膜外部を通って、第２開口部７２から排出される（矢印Ｄ２）。このとき、湿潤反応ガスに含まれる水分は、湿潤反応排ガスが中空糸膜４の膜外部を通過する過程で中空糸膜４の膜作用により膜を透過し、中空糸膜４の中空内部に排出される。

一方、燃料電池スタック１１０に供給される反応ガスは、中空糸膜モジュール１の第１開口部６１から、ケース３内部に送り込まれる。ケース３内部に送り込まれた反応ガスは、中空糸膜４の中空内部を通って第１開口部６２から排出される（矢印Ｅ１）。

ケース３内部に送り込まれたばかりの反応ガスは乾燥状態にあるが、中空糸膜４の中空内部を通過する過程で、中空糸膜４の膜外部を通過する湿潤反応排ガスから中空内部に透過してきた水分によって加湿されることになる。

加湿されて第１開口部６２から排出された反応ガスは、燃料電池スタック１１０の反応ガス流路（不図示）に供給される（矢印Ｅ２）。

本実施例においては、排ガスが排出される第２開口部７２は、疎水化処理が施されたパイプ等の管部材７２ｂが取付けられている。疎水化処理の方法としては、管部材７２ｂの内部にフッ素系離型剤を塗布（浸漬塗布、スプレー塗布等）するか、疎水性を有する材料からなる管部材７２ｂを用いることなどが挙げられる。

このような燃料電池においては、無発電時、すなわち、ガスの供給が停止された状態においてモジュール内部に分離・回収された水蒸気が結露した状態で保持されやすい。そうすると、小型に設計された中空糸膜モジュールにおいては、モジュール内部に保持された結露水が衝動等により簡単にシステム外部に排出されてしまうおそれがある。

しかし、本実施例に係る中空糸膜モジュール１においては、排ガスの排出路に疎水化処理を施しているので、モジュール内部に保持されている結露水が外部に漏れるのが抑制される。

また、結露水の漏れ防止としては、管部材７２ｂの孔径をできるだけ小さく、例えば、直径１ｍｍ以下、好ましくは０．５ｍｍ以下とすることにより、あるいは、先端部分をハニカム構造とし、水の表面張力を働かせることにより、流出を防止するようにすることもできる。また、中空糸膜束２の結束部５に疎水化処理を施すことも有効である。疎水化処理としては、例えば、結束部５にフッ素系の溶媒内へのディッピングによる浸漬処理を行うこと等が挙げられる。

＜モデル実験＞
次に、図５を参照して、本発明に係る疎水化処理の効果について検証したモデル実験について説明する。本実験においては、図に示す構成の中空糸膜モジュールにおいて、排ガスの排出口である第２開口部７２に上記実施例と同様の疎水化処理を施したものについて、反応ガスとして膜の内部に２５℃の乾燥ガスを、湿潤反応排ガスとして膜の外部に８０℃の温水を一定量流す加湿試験を行った。

その結果、一定時間運転し装置を停止して冷却後、中空糸膜モジュールが組み付けられた状態でシステムごと移動させたが、中空糸膜モジュールからの結露水の漏れは生じなかった。

また、比較例として、第２開口部７２に上述の疎水化処理を施さなかったものについて同様の試験を行った。その結果、冷却後にシステムごと移動させると中空糸膜モジュールから水漏れが生じた。

実施例に係る中空糸膜モジュールの模式的説明図。 実施例に係る中空糸膜モジュールの概略構成を説明する模式的斜視図。 実施例に係る中空糸膜モジュールの模式的一部拡大断面図。 実施例に係る燃料電池の概略構成を示す模式的斜視図。 モデル実験に使用した中空糸膜モジュールの模式的斜視図。

符号の説明

１ 中空糸膜モジュール
１０ 注入口
１１ 排出口
１５ 封止部
２ 中空糸膜束
３ ケース
３１ ケース蓋
３２ ケース本体
４ 中空糸膜
５ 結束部
６１、６２ 第１開口部
７１、７２ 第２開口部
８ ピン穴
９ 固定部
９２ 溝
１００ 燃料電池
１１０ 燃料電池スタック

Claims (10)

1. 複数の燃料電池セルが積層されて構成される燃料電池スタックの積層方向に重ねられ、
   前記燃料電池スタックから排出される排ガスに含まれる水分を利用して前記燃料スタックに供給される反応ガスを加湿する中空糸膜モジュールであって、
   中空糸膜モジュールの内部と外部とを連通する流路に疎水化処理を施したことを特徴とする中空糸膜モジュール。
2. ケースと、
   複数本の中空糸膜によって形成され、前記ケースに収容される中空糸膜束と、
   ケース内壁と前記中空糸膜間との間に充填された液状接着剤が硬化することによって形成される、前記中空糸膜束を前記ケース内に封止固定する中空糸膜束固定部と、
   前記複数本の中空糸膜を結束する結束部であって、結束部端面において前記中空糸膜の中空内部を開口し、かつ、前記液状接着剤が前記結束部端面側に流出するのを防止する結束部と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の中空糸膜モジュール。
3. 疎水化処理を施される前記流路は、前記排ガスがケース内部において前記中空糸膜の膜外部側を通る流路とケース外部とを連通する流路であることを特徴とする請求項２に記載の中空糸膜モジュール。
4. 疎水化処理を施される前記流路は、前記排ガスをケース内部からケース外部に排出するための流路であることを特徴とする請求項２に記載の中空糸膜モジュール。
5. 前記結束部に疎水化処理を施したことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の中空糸膜モジュール。
6. 複数の燃料電池セルが積層されて構成される燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックの積層方向に重ねられ、前記燃料電池スタックから排出される排ガスに含まれる水分を利用して、前記燃料スタックに供給される反応ガスを加湿する中空糸膜モジュールと、
   を備える燃料電池において、
   前記中空糸膜モジュールは、中空糸膜モジュールの内部と外部とを連通する流路に疎水化処理を施したことを特徴とする燃料電池。
7. 前記中空糸膜モジュールは、
   ケースと、
   複数本の中空糸膜によって形成され、前記ケースに収容される中空糸膜束と、
   ケース内壁と前記中空糸膜間との間に充填された液状接着剤が硬化することによって形成される、前記中空糸膜束を前記ケース内に封止固定する中空糸膜束固定部と、
   前記複数本の中空糸膜を結束する結束部であって、結束部端面において前記中空糸膜の中空内部を開口し、かつ、前記液状接着剤が前記結束部端面側に流出するのを防止する結束部と、
   を備えることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
8. 前記中空糸膜モジュールの疎水化処理を施される前記流路は、前記排ガスが前記中空糸膜モジュールのケース内部において前記中空糸膜の膜外部側を通る流路とケース外部とを連通する流路であることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池。
9. 前記中空糸膜モジュールの疎水化処理を施される前記流路は、前記排ガスを前記中空糸
   膜モジュールのケース内部からケース外部に排出するための流路であることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池。
10. 前記中空糸膜モジュールは、前記結束部に疎水化処理を施したことを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載の燃料電池。

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