JP5194394B2 - 中空糸膜モジュール及び燃料電池 - Google Patents

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、イオン交換膜の保湿のため、反応ガス（水素等の燃料ガス、酸素等の酸化剤ガスなど）を加湿して運転する必要がある。この加湿手段としては、加湿用の中空糸膜モジュールを使用して燃料電池から排出される湿潤反応排ガスにより燃料電池に供給する反応ガスを加湿する方法がある（特許文献１参照）。

一般に、この種の中空糸膜モジュールは、円筒ケース内に詰めた中空糸膜の両端部をポッティング剤により封止した中空糸膜カートリッジを作成し、このカートリッジをハウジングケースに収納するか、あるいは、カートリッジの両端に流体集束用のヘッド（特許文献２参照）を取り付けて使用される。

この種の中空糸膜モジュールの製造工程について図１２を参照して説明する。図１２は、従来技術に係る中空糸膜モジュールの製造工程図である。ただし、図１２では、各工程における中空糸膜モジュールの状態のみを模式的断面図で示している。

まず始めに、図１２（ａ）に示すように、複数の中空糸膜４０２をケース４０３内に充填する。次に、図１２（ｂ）に示すように、エポキシ樹脂等の封止剤（ポッティング剤）を充填して封止部４０４を作成する。なお、図中４０５は封止剤が漏れないようにケース４０３の端部に固定した蓋である。

そして、図１２（ｃ）に示すように、封止部４０４の硬化後、ケース４０３の両端部において、封止部４０４の一部を含む位置で、蓋４０５ごと、ケース４０３の両端を切り落とす。これにより、中空糸膜４０２の中空内部のみが開口されるようにして、開口部４０６が形成される。

上述のように、従来の中空糸膜モジュールで使用される中空糸膜カートリッジは、中空糸膜束の両端部をケースごと切断して開口端面を形成しているため、中空糸膜カートリッジを更にハウジングに収納したり、両端にヘッドを取付けて、流体の流通口を設ける必要があった。

このような中空糸膜モジュールは、開口端面の精度やヘッド部の取付精度によって、組立時の流通口の位置のズレ等が大きくなるため、モジュールの流通口と燃料電池の流通口とを直接連結させることができなかった。すなわち、中空糸膜モジュールの流通口と燃料電池側の流通口とは、途中に設けられたガス配管等を介して連結する必要があった。

一方、固体高分子型燃料電池の用途として、最近では、例えば、モバイル用途向けの小出力タイプの燃料電池が提案されている。この種の燃料電池は、発電量が総じて小さいことから、供給される反応ガス流量も少なくなる。したがって、この種の燃料電池においては、燃料電池自体の小型化が最大の課題であり、これに使用される加湿用の中空糸膜モジュールも極力小型のものが要求されている。

そこで、出願人は、従来のようにポッティング部を切断する等の工程が不要となり、ま
た、モジュールをハウジングへ更に収納したり、ヘッド等を取付ける必要のない中空糸膜モジュール及びその製造方法ついて既に出願している。

係る中空糸膜モジュールについて、その概要を図１３を参照して説明する。図１３は、参考例としての出願人が既に出願した発明に係る中空糸膜モジュールの概略構成及びその使用例を示す模式図であり、（ａ）は、中空糸膜モジュールと燃料電池スタックとの間に集電板を挟んだ構成を示し、（ｂ）は、中空糸膜モジュールと燃料電池スタックを直接取り付け、集電板を中空糸膜モジュールの外側に取り付けた構成を示す。

参考例に係る中空糸膜モジュール３０１は、燃料電池スタック３０２から送り込まれる湿潤反応排ガス（矢印Ｊ）に含まれる水分を利用して、燃料電池スタック３０２に供給される反応ガス（矢印Ｋ）を加湿する。

この中空糸膜モジュール３０１は、中空糸膜束を収容しているケース自体を取付相手に直接取付ることができるとともに、ケースの取付相手（燃料電池スタック３０２又は集電板３０３）との取付面上に、取付相手側のガス導入・排出口と中空糸膜の中空内部及び膜外側の空間とを連通することができる開口部が一体的に形成されている。

したがって、中空糸膜モジュール３０１を燃料電池スタック３０２等の取付相手に対して一体的に積層組付け可能となっており、部材点数の削減、ガス流路の密封性の向上を図るとともに、省スペース、モジュール並びに燃料電池システムの小型化にも寄与可能となっている。
特開２００３−１１２０１６号公報 特開２００４−１５４７７２号公報

しかしながら、上述した中空糸膜モジュールにおいては、ケースの材料が樹脂材の場合には、燃料電池スタックと一体化させる際の強度の都合上、締結板が必要となる。また、加湿膜モジュールの水蒸気交換効率を有効に発現させるため、あるいは、燃料電池スタックで発生した熱を放熱するためには、伝熱性が高いことが要求される。

これらの課題を解決するためには、モジュール材料を比重の小さい金属とすることが考えられるが、モバイル用途で使用するためには、個々の部品を軽量化することが重要となる。そうすると、加湿膜モジュールのケース材料としては、伝熱性及び比重を考慮してアルミニウム、マグネシウムあるいはそれらの合金とすることが望ましい。

しかし、これらの材料はイオン化傾向が大きいため、加湿膜モジュールの使用条件である、一定の温度条件下において水蒸気あるいは水分が流れることにより容易に腐食してしまう。

この対策として、モジュール材料に金メッキ処理を施すことが考えられるが、燃料電池スタックで発電させた電気を回収するために集電板を使用する場合（図１３（ａ）、矢印Ｌ）、金メッキと集電板が接触していると通電作用を生じ（図１３（ａ）、矢印Ｍ）、電食が生じてしまう。なお、中空糸膜モジュールと燃料電池スタックを直接取り付け、集電板を中空糸膜モジュールの外側に取り付けた場合には、燃料電池スタックで発生した電気が中空糸膜モジュールを介して集電板に捕集されるため、中空糸膜モジュールを通過する電気によって電食が生じてしまう（図１３（ｂ）、矢印Ｌ）。

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、燃料電池スタックに一体的に積層使用しても腐食や電食のおそれのない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、前記燃料電池スタックで発生した電流を捕集して外部への電力供給を可能にする集電板を介して重ねられ、
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、
金属製のケースを有し、
前記ケースの前記集電板との積層面に絶縁性樹脂フィルムを備えると共に、
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。

このように、ケースと集電板との間に絶縁性樹脂フィルムが介在することによって、集電板で捕集した電流が金属製のケースに対して通電作用を及ぼすのを防止すことができる。

前記ケースは、アルミニウム、マグネシウム、もしくはそれらの合金からなるものであってもよい。

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、
金属製のケースを有し、
前記ケースは、積層方向に２分割され、前記燃料電池スタックから排出された排ガスをケース内部に流入させるための開口部と加湿された反応ガスを前記燃料電池スタックに流出させるための開口部とを有するケース蓋と、複数本の中空糸膜によって形成された中空糸膜束を収容するケース本体と、から構成されるとともに、ケース内部に防食処理が施されており、
前記ケース蓋は、耐電食性を備えた金属材料からなり、前記燃料電池スタックで発生した電流を捕集して外部への電力供給を可能にする集電板として機能し、
前記ケース蓋と前記ケース本体との間に絶縁性樹脂フィルムが挟まれていることを特徴とする。

このように、ケース本体とケース蓋との間に絶縁性樹脂フィルムを挟み込むことにより、ケース蓋で捕集した電気がケース本体に通電するのを防止することができる。

また、ケース蓋を集電板として用いることで、燃料電池スタックで発生した電気を捕集するための部材を別途設ける必要がなくなり、部材点数の低減、軽量化を図ることができる。

前記中空糸膜モジュールは、
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、
を備えてもよい。

前記ケース本体は、アルミニウム、マグネシウム、もしくはそれらの合金からなるものであってもよい。

前記絶縁性樹脂フィルムは、前記排ガス及び前記反応ガスの流路をシールするシール部材を一体的に備えてもよい。

これにより、シール部材の位置決めが容易となり組立性が向上される。

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で発生した電流を捕集して外部への電力供給を可能にする集電板と、
金属製のケースを有し、前記集電板を介して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、
前記集電板との間の積層面に絶縁性樹脂フィルムを備えると共に、
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。

前記ケースは、アルミニウム、マグネシウム、もしくはそれらの合金からなるものであってもよい。

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、
を備える燃料電池であって、
前記中空糸膜モジュールは、金属製のケースを有し、
前記ケースは、積層方向に２分割され、前記燃料電池スタックから排出された排ガスをケース内部に流入させるための開口部と加湿された反応ガスを前記燃料電池スタックに流
出させるための開口部とを有するケース蓋と、複数本の中空糸膜によって形成された中空糸膜束を収容するケース本体と、から構成されるとともに、ケース内部に防食処理が施されており、
前記ケース蓋は、耐電食性を備えた金属材料からなり、前記燃料電池スタックで発生した電流を捕集して外部への電力供給を可能にする集電板として機能し、
前記ケース蓋と前記ケース本体との間に絶縁性樹脂フィルムが挟まれていることを特徴とする。

前記燃料電池は、
前記中空糸膜モジュールが、
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、
を備えるのもよい。

前記ケース本体は、アルミニウム、マグネシウム、もしくはそれらの合金からなるものであってもよい。

前記絶縁性樹脂フィルムは、前記排ガス及び前記反応ガスの流路をシールするシール部材を一体的に備えてもよい。

以上説明したように、本発明により、燃料電池スタックに一体的に積層使用しても腐食や電食の発生のおそれがなくなる。

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１）
＜中空糸膜モジュールの構成及び概要＞
まず、図１及び図２を参照して、本発明の実施例１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図１（ｃ）のＣ−Ｃ断面の模式図である。

本発明の第１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には、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）。

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。

すなわち、中空糸膜モジュールのケースとして一般的な材料である樹脂材製のものを用いた場合、燃料電池スタックの内部で発生した電流を捕集して外部に供給するためには別途集電板を用いる必要があり、また樹脂製ケースの強度の関係上締結板が必要となる。そのため、燃料電池システムとして大きくなってしまうとともに、構成が複雑となってしまうおそれがある。

そこで、ケース３を金属材料からなるものとすれば、ケース３に適宜な配線を施すことで、その電気伝導性により中空糸膜モジュール１を集電板として機能させることが可能となる。

また、剛性が高められるので、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
タックの締め付けを、締結板によらずに中空糸膜モジュールによって直接行うことができる。締め付けは、例えば、ピン穴８にボルト等の締結用部材を通すことで行うことができる。

さらに、その熱伝導性により、発電によって発生する熱の放熱を中空糸膜モジュールを介して行うことが可能となる。

したがって、集電板、締結板等が不要となり、部材点数の削減、燃料電池システムの小型化、単純化を図ることができる。

また、金属製のケース表面には金メッキ処理等を施すことにより、中空糸膜モジュールの耐食性を向上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。

このようにすることによって、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、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。

＜中空糸膜束の製造方法＞
次に、本実施例に係る中空糸膜モジュールに使用する中空糸膜束の製造方法について図３〜図５を参照して説明する。図３は、本実施例に係る中空糸膜モジュールに使用する中空糸膜束の製造に使用する治具の模式図である。図４は、中空糸膜束の結束部の中空糸膜
開口端面の模式的斜視図である。図５は、本実施例に係る中空糸膜モジュールに使用する中空糸膜束の模式的製造工程図である。

図３に示すように、中空糸膜製造用冶具は、冶具本体１２と冶具蓋１３とからなる。当該冶具は、例えば、アクリル樹脂系の材料からなる。

冶具本体１２及び冶具蓋１３にフッ素系離型剤を塗布し、中空糸膜４を複数束ねて封入する（図５（ａ））。治具蓋１３はタッピングネジ１４等で治具本体１２に固定する。

中空糸膜４を治具の端面で切断する。中空糸膜４を揃えて、その両端をエポキシ等の接着剤で封止する（封止部１５）。

接着剤の硬化後、シリコン挿入用のノズル１６を一方のポッティング箇所に固定し、治具を回転式のポッティング装置（図示せず）に固定する。

ポッティング装置を起動し、シリコンを冶具本体１２と冶具蓋１３との間に流し込み、シリコンの充填を行う（図５（ｂ））。余分なシリコンは脇に流れ出る（矢印Ｇ）。

３０分間室温で回転させた後、６０℃の恒温槽内にて３時間保持する。

反対側も同様にシリコンポッティングを行う。

冶具蓋１３を取り外し、封止部１５端面付近をカッターで切断する。短冊を冶具本体１２から取り出し、ポッティング部（結束部５）が２〜３ｍｍとなるようにカッターで切断する（図５（ｃ））。治具はアクリル製のケースであり、また、離型剤の効果により、ポッティング部が冶具にくっつくことなく中空糸膜束２を取外すことができる。

このようにして製造された中空糸膜束２の結束部５の端面を図４に示す。図に示すように、中空糸膜４の膜外壁間はポッティング剤により封止されており、端面において中空糸膜４の中空内部のみが開口している。

＜中空糸膜モジュールの製造方法＞
次に、本実施例に係る中空糸膜モジュールの製造方法について図６及び図７を参照して説明する。図６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図である。図７は、本実施例に係る中空糸膜モジュールの模式的製造工程図である。なお、図７（ａ）は、中空糸膜束を収容する前のケース本体を示す模式的平面図であり、図７（ｂ）は、ケース本体に中空糸膜束を収容した状態を示す模式的平面図であり、図７（ｃ）は、ケース本体にケース蓋を接着した状態を示す模式的透視平面図である。

略六面体のケース３は、ケース蓋３１と、ケース本体３２とからなる。ケース本体３２は、中空糸膜束２を収容するための膜収容部２２を有する。

膜収容部２２は、ケース蓋３１との合わせ面方向に開口しており、ケース蓋３１とケース本体３２との接着により、中空糸膜束２を収容する空間をケース３内部に形成する。

上述の如く製造した中空糸膜束２をケース本体３２の膜収容部２２に収容し、ケース蓋３１をケース本体３２に接着する。

中空糸膜束２の結束部５は、その外周面全体がケース３の内壁に密着して収容される。

ケース３には、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が、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（矢印Ｈ）。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（矢印Ｉ）。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ため、従来のように、液状接着剤（ポッティング剤）が硬化した後に、中空糸膜の中空内部を開口させるために、硬化した部分を切断する必要がない。

従来は、中空糸膜の開口部を形成するためにポッティング部で切断する等していたため、取付相手の流入出口に適合する開口部を形成することが困難であった。そのため、取付相手の流入出口に適した開口部を備えたハウジングにモジュールを収納したり、該開口部を備えたヘッド等をモジュールの開口部に別途取付けたりする必要があった。

しかし、本発明に係る中空糸膜モジュールは、取付相手の適した開口部をモジュールケース自体に予め設けることができるので、従来のように、モジュールを更にハウジングに収納したり、ヘッド等を取り付ける必要がなく、部材点数の削減、省スペース、モジュールの小型化を図ることができる。

中空糸膜束２の結束部５は、その幅や高さが中空糸膜収容部２２よりも小さいと、注入された液状接着剤が結束部５の端面側に漏れ出したり、逆に、収容部２２よりも大き過ぎると、充填した中空糸膜４が潰れたり、収容部２２に収まらない等の問題が生じる。このため、結束部５の幅や高さの寸法は、収容部２２のそれよりも３〜１５％、好ましくは５〜７％大きく設定される。

結束部５の端面とケース３の内壁とによって形成される空間２４は、ケース蓋３１に設けられた第１開口部６２及びケース本体３２に設けられた第１開口部６１を介してケース３の外部と連通している。したがって、中空糸膜４の中空内部は、空間２４及び第１開口部６１、６２を介してケース３の外部と連通している。

本実施例は、厚み方向（積層方向）で２分割されたケース蓋３１とケース本体３２とを貼り合わせる構成とし、ケース蓋３１上に取付相手への取付用ピン穴８と開口部７１、６２とを形成しているため、取付位置に対する開口部の位置精度を高くすることができる。したがって、位置決め手段と気体流通の開口部とが別々の部材で構成されている従来タイプのモジュールにおいて生じていた、組付け時のズレ等による誤差の影響を受けることが
ない。

＜燃料電池の構成及び概要＞
次に、図８及び図９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８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る。図９は、本実施例に係る燃料電池の概略構成を示す模式的断面図である。

図８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、集電板１２０と、樹脂フィルム１３０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、これら集電板１２０、樹脂フィルム１３０及び中空糸膜モジュール１からなる構成は、積層方向における燃料電池スタック１１０の両側にそれぞれ対称的に形成されるものであるが、図では積層方向の一方側（図８の上下方向を積層方向とした場合の下方側）の構成のみ図示し、他方側（上方側）は省略している。また、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。

集電板１２０は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）等からなる板状部材であり、燃料電池スタック１１０の積層方向両側に重ねられ、燃料電池スタック１１０で発生した電流を捕集して外部への電力供給を可能とする。

中空糸膜モジュール１は、略六面体形状を呈する金属製のケースを有しており、燃料電池スタック１１０の積層方向に、集電板１２０よりも外側に重ねられる。集電板１２０との積層面には樹脂フィルム１３０を備えている。そして、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。

樹脂フィルム１３０は、絶縁性を備えたフィルムであり、集電板１２０と中空糸膜モジュール１との間に挟まれて、集電板１２０で捕集した電流が中空糸膜モジュール１（ケース３）に通電するのを防止する。樹脂フィルム１３０としては、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリイミド（ＰＩ）、四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）、ナイロン等の樹脂材を採用することができる。

集電板１２０及び樹脂フィルム１３０には、燃料電池スタック１１０の不図示の排ガス流路及び反応ガス流路と中空糸膜モジュール１の第２開口部７１及び第１開口部６２とを連通する連通孔１２１、１２２及び連通孔１３１、１３２がそれぞれ形成されている。

燃料電池スタック１１０と集電板１２０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１２１ａ、１２２ａが、集電板１２０の連通孔１２１、１２２の燃料電池スタック１１０側の開口部の外周を囲むように挟み込まれる。

樹脂フィルム１３０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を一体成形することにより、樹脂フィルム１３０の連通孔１３１、１３２の開口部の外周を囲むシール部１３１ａ、１３１ｂ、１３２ａ、１３２ｂが形成されている。

これらシール部材１２１ａ、１２２ａ及びシール部１３１ａ、１３１ｂ、１３２ａ、１３２ｂにより、排ガス流路及び反応ガス流路からの湿潤反応排ガスや反応ガスの漏れが防止される。

燃料電池スタック１１０から排出される湿潤反応排ガスは、集電板１２０の連通孔１２１、樹脂フィルム１３０の連通孔１３１を通って、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、樹脂フィルム１３０の連通孔１３２、集電板１２０の連通孔１２２を通って燃料電池スタック１１０の反応ガス流路（不図示）に供給される（矢印Ｅ２）。

燃料電池スタック１１０で発生した電気は、集電板１２０で捕集されると、集電板１２０と中空糸膜モジュール１との間に介在する樹脂フィルム１３０によって中空糸膜モジュール１に通電することなく、外部へ供給される（矢印Ｆ）。

＜本実施例に係る中空糸膜モジュール及び燃料電池の優れた点＞
本実施例に係る中空糸膜モジュール及び燃料電池によれば、ケースの集電板との積層（取付）面に絶縁性樹脂フィルムを設けることによって、集電板で捕集した電流が金属製のケースに対して通電作用を及ぼすのを防止すことができる。

すなわち、中空糸膜モジュールのケース材料として、強度、伝熱性、軽量化等の観点から金属製のケースを採用する場合には、燃料電池等の加湿用途における所定の温度・湿度環境下において金属材料が腐食するのを防止するため、ケースに金メッキ処理等を施すことになる。しかし、集電板とケースとの間に絶縁性樹脂フィルムを挟んだ構成とすることにより、集電板で捕集した電流によって金メッキを施したケースに電食が生じるのを防止することができる。

また、ガス流路をシールするシール部材を樹脂フィルムに一体成形することにより、シール部材の位置決めが容易となり燃料電池の組立性が向上される。

（実施例２）
＜本実施例に係る中空糸膜モジュール及び燃料電池の構成及び概要＞
図１０及び図１１を参照して、本発明の実施例２に係る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ついて説明する。図１０は、本実施例に係る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の概略構成を示す模式的斜視図である。図１１は、本実施例に係る燃料電池の概略構成を示す模式的断面図である。

上述の実施例１では、絶縁性樹脂フィルムを集電板と中空糸膜モジュールとの間に挟んで、集電板で捕集した電気が中空糸膜モジュールに通電するのを防ぐ構成であった。本実施例に係る燃料電池２００では、モジュールケースのケース蓋３１を集電板として用いるとともに、絶縁性樹脂フィルム２３０をケース蓋３１とケース本体３２との間に挟み込む構成としている。

なお、以下では上記実施例１と異なる点を中心に説明し、言及しなかった構成については、上記実施例１と実質的に同じであるため、同一部分については同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。

ケース蓋３１は、耐電食性を備えた金属材料からなり、燃料電池スタック２１０で発生した電流を捕集して外部への電力供給を可能にする集電板として機能する。また、燃料電池スタック２１０との間の積層面には、Ｏリングあるいはガスケットシール等のシール部材６２ａ、７１ａが、第１開口部６２及び第２開口部７１の外周を囲むように挟み込まれる。ケース蓋３１の材料としては、金コートＳＵＳ等の耐電食性材料が好ましい。

樹脂フィルム２３０は、ケース蓋３１との接合面を形成するケース本体３２の縁枠面３２ａに沿った部分と、ケース蓋３１と結束部５及び固定部９（以下、封止固定部５９）との間の接合面に沿った部分とから構成されており、中空糸膜４を露出する中央の開口部２３１と、その両側で空間２４を開放する一対の開口部２３２とを有している。すなわち、本実施例における樹脂フィルム２３０は、ケース蓋３１とケース本体３２及び封止固定部５９との間の接合面のみに介在する構成となっている。

また、樹脂フィルム２３０は、その両面にそれぞれガスケット等のシール部材が各開口部の外周を囲むように一体成形されている（シール部２３３）。シール部２３３は、封止固定部５９よりも内側の中空糸膜４の膜外壁が露出する空間と封止固定部５９よりも外側の空間２４と間、並びに各空間とケース外部との間をシールする。

ケース内部（ケース本体３２の膜収容部２２の表面及びケース蓋３１の内側面）は、樹脂コーティングあるいは酸化皮膜等の防食処理を施すことによって耐腐食性を向上させることができる。

＜中空糸膜モジュールの製造方法＞
本実施例に係る中空糸膜モジュール１ａの製造方法については、概ね実施例１の場合と同様であるが、中空糸膜束２をケース本体３２の膜収容部２２に収容した後の工程において異なる。すなわち、本実施例においては、ケース蓋３１を直接ケース本体３２に接着するのではなく、樹脂フィルム２３０をケース本体３２のケース蓋３１との接合面に挟んで接着することになる。

＜本実施例に係る中空糸膜モジュール及び燃料電池の優れた点＞
本実施例に係る中空糸膜モジュール及び燃料電池によれば、ケース本体とケース蓋との間に絶縁性樹脂フィルムを挟み込むことにより、金属製のケース本体への通電を防止することができ、ケース本体の電食を防止すことができる。

また、ケース蓋を集電板として用いることが可能となるため、燃料電池スタックで発生した電気を捕集するための部材を別途設ける必要がなくなり、部材点数の低減、軽量化を図ることができる。

さらに、ケース内部に樹脂コーティングあるいは酸化皮膜等の防食処理を施すことによ
り、高温多湿条件下においてケース本体を構成するアルミニウムやマグネシウム等の金属材料の腐食を防止することができる。

本発明の実施例１に係る中空糸膜モジュールの模式的説明図。 本発明の実施例１に係る中空糸膜モジュールの模式的一部拡大断面図。 本発明の実施例１に係る中空糸膜モジュールに使用する中空糸膜束の製造に使用する治具の模式図。 中空糸膜束の結束部の中空糸膜開口端面の模式的斜視図。 本発明の実施例１に係る中空糸膜モジュールに使用する中空糸膜束の模式的製造工程図。 本発明の実施例１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。 本発明の実施例１に係る中空糸膜モジュールの模式的製造工程図。 本発明の実施例１に係る燃料電池の概略構成を示す模式的斜視図。 本発明の実施例１に係る燃料電池の概略構成を示す模式的断面図。 本発明の実施例２に係る中空糸膜モジュール及び燃料電池の概略構成を示す模式的斜視図。 本発明の実施例２に係る中空糸膜モジュール及び燃料電池の概略構成を示す模式的断面図。 従来技術に係る中空糸膜モジュールの製造工程図。 参考例に係る中空糸膜モジュールの概略構成及びその使用例を示す模式図。

符号の説明

１ 中空糸膜モジュール
１０ 注入口
１１ 排出口
１２ 治具本体
１３ 冶具蓋
１４ タッピングネジ
１５ 封止部
１６ ノズル
２ 中空糸膜束
２２ 中空糸膜収容部
２４ 空間
３ ケース
３１ ケース蓋
３２ ケース本体
３２ａ 縁枠面
４ 中空糸膜
５ 結束部
６１、６２ 第１開口部
６２ａ シール部材
７１、７２ 第２開口部
８ ピン穴
９ 固定部
５９ 封止固定部
９２ 溝
１００ 燃料電池
１１０ 燃料電池スタック
１２０ 集電板
１２１ａ シール部材
１２１、１２２ 連通孔
１３０ 樹脂フィルム
１３１ａ シール部
１３１、１３２ 連通孔
２１０ 燃料電池スタック
２３０ 樹脂フィルム
２３１、２３２ 開口部
２３３ シール部

Claims (12)

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、前記燃料電池スタックで発生した電流を捕集して外部への電力供給を可能にする集電板を介して重ねられ、
   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、
   金属製のケースを有し、
   前記ケースの前記集電板との積層面に絶縁性樹脂フィルムを備えると共に、
   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中空糸膜モジュール。
2. 前記ケースは、アルミニウム、マグネシウム、もしくはそれらの合金からな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. 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、
   金属製のケースを有し、
   前記ケースは、積層方向に２分割され、前記燃料電池スタックから排出された排ガスをケース内部に流入させるための開口部と加湿された反応ガスを前記燃料電池スタックに流出させるための開口部とを有するケース蓋と、複数本の中空糸膜によって形成された中空糸膜束を収容するケース本体と、から構成されるとともに、ケース内部に防食処理が施されており、
   前記ケース蓋は、耐電食性を備えた金属材料からなり、前記燃料電池スタックで発生した電流を捕集して外部への電力供給を可能にする集電板として機能し、
   前記ケース蓋と前記ケース本体との間に絶縁性樹脂フィルムが挟まれていることを特徴
   とする中空糸膜モジュール。
4. 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３に記載の中空糸膜モジュール。
5. 前記ケース本体は、アルミニウム、マグネシウム、もしくはそれらの合金からなることを特徴とする請求項３又は４に記載の中空糸膜モジュール。
6. 前記絶縁性樹脂フィルムは、前記排ガス及び前記反応ガスの流路をシールするシール部材を一体的に備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の中空糸膜モジュール。
7. 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で発生した電流を捕集して外部への電力供給を可能にする集電板と、
   金属製のケースを有し、前記集電板を介して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、
   前記集電板との間の積層面に絶縁性樹脂フィルムを備えると共に、
   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燃料電池。
8. 前記ケースは、アルミニウム、マグネシウム、もしくはそれらの合金からなることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池。
9. 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、
   を備える燃料電池であって、
   前記中空糸膜モジュールは、金属製のケースを有し、
   前記ケースは、積層方向に２分割され、前記燃料電池スタックから排出された排ガスをケース内部に流入させるための開口部と加湿された反応ガスを前記燃料電池スタックに流出させるための開口部とを有するケース蓋と、複数本の中空糸膜によって形成された中空糸膜束を収容するケース本体と、から構成されるとともに、ケース内部に防食処理が施されており、
   前記ケース蓋は、耐電食性を備えた金属材料からなり、前記燃料電池スタックで発生した電流を捕集して外部への電力供給を可能にする集電板として機能し、
   前記ケース蓋と前記ケース本体との間に絶縁性樹脂フィルムが挟まれていることを特徴
   とする燃料電池。
10. 前記中空糸膜モジュールは、
    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９に記載の燃料電池。
11. 前記ケース本体は、アルミニウム、マグネシウム、もしくはそれらの合金からなることを特徴とする請求項９又は１０に記載の燃料電池。
12. 前記絶縁性樹脂フィルムは、前記排ガス及び前記反応ガスの流路をシールするシール部材を一体的に備えることを特徴とする請求項７〜１１のいずれか一つに記載の燃料電池。

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