JP5350965B2 - 加湿用モジュール - Google Patents

Description

本発明は、複数の中空糸膜が筒状ケーシング内に収容される加湿用モジュールに関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定数の単位セルを積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

この種の燃料電池では、良好なイオン伝導性を確保するために、電解質膜を所望の湿潤状態に維持する必要がある。このため、酸化剤ガスや燃料ガスは、一般的に、燃料電池に供給される前に加湿装置を介して加湿されている。

例えば、特許文献１に開示されている固体高分子電解質型燃料電池では、水蒸気透過膜と、この水蒸気透過膜により画成された加湿ガス室及び被加湿ガス室とを備え、反応ガス通路から排出されるオフガスを加湿ガス、前記反応ガス通路に供給される反応ガスを被加湿ガスとして反応ガスを加湿する反応ガス加湿装置が設けられている。

しかしながら、この特許文献１では、略平面状の水蒸気透過膜を介装し、その両面側から加湿ガスと被加湿ガスとを接触させて水分移動を行っている。このため、水分の接触領域が小さく、加湿効率が低下するという問題がある。

そこで、例えば、特許文献２に開示されている供給ガス加湿装置が知られている。この供給ガス加湿装置では、図５に示すように、ジャケット１内に中空糸膜の集合体からなる中空糸膜束２を収容するとともに、前記中空糸膜束２の両端は、一対の仕切り板３、４により前記ジャケット１内に固定されている。

仕切り板３、４の外側には、ガスチャンバ５ａ、５ｂが形成されるとともに、前記ガスチャンバ５ａ、５ｂには、燃料ガス供給ラインが接続されている。ガスチャンバ５ａ、５ｂは、中空糸膜束２の内部空間２ａに連通している。ジャケット１の内部空間は、水チャンバ６を構成するとともに、前記水チャンバ６は、水入口７ａ及び水出口７ｂに連通している。

そこで、燃料ガスは、一方の仕切り板３から各中空糸膜の内部空間２ａに導入され、他方の仕切り板４側に向かって流通する一方、水入口７ａから水チャンバ６に冷却水が導入されている。ジャケット１内では、燃料ガスと冷却水とが対向する方向に流動し、各中空糸膜を介して前記燃料ガスが前記冷却水に接触して加湿されている。

特開平６−１３２０３８号公報 特開平８−２７３６８７号公報

ところで、上記の特許文献２では、中空糸膜束２を構成する各中空糸膜は、両端が仕切り板３、４に固定される際、加湿時の膨潤を考慮して、予め前記中空糸膜間に空隙を設けて配設されている。このため、各中空糸膜は、変形可能であり、水入口７ａから導入される冷却水の水圧により、前記水入口７ａ側で大きく変形し易い。従って、冷却水は、各中空糸膜間に導入されずにバイパスしてしまい、燃料ガスの加湿効率が低下するという問題がある。

一方、水出口７ｂ側では、冷却水により中空糸膜束２が前記水出口７ｂ側に変形し易い。これにより、水出口７ｂが部分的に閉塞され、前記水出口７ｂの圧損が増加するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、複数の中空糸膜全体を有効に使用することができ、加湿効率を良好に向上させることが可能な加湿用モジュールを提供することを目的とする。

本発明は、筒状ケーシングと、前記筒状ケーシング内に収納される複数の中空糸膜と、前記中空糸膜の内側に形成され、第１流体を流通させる第１流路と、前記中空糸膜の外側と前記筒状ケーシングの内壁との間に形成され、第２流体を流通させて前記第１流体と前記第２の流体との間で水分の移動を行う第２流路とを備える加湿用モジュールに関するものである。

加湿用モジュールは、筒状ケーシング内に配設され、中空糸膜の延長方向に交差する方向に延在する複数のスリットが設けられるスリット板を備え、少なくとも複数の前記スリットのいずれかに、２以上の前記中空糸膜が互いに配列して一体に充填される一方、前記中空糸膜が充填されない前記スリットを貫くとともに、配列された２以上の前記中空糸膜により一体に構成される壁面に沿って第２流路が形成されている。

加湿用モジュールは、筒状ケーシング内に配設され、中空糸膜の延長方向に交差する方向に延在する複数のスリットが設けられるスリット板を備え、少なくとも複数の前記スリットのいずれかに、２以上の前記中空糸膜が一体に挿通される一方、前記筒状ケーシングには、第２流路の入口側に連通する入口部及び前記第２流路の出口側に連通する出口部が、第１流路の流れ方向に交差する方向に流れ方向を有して設けられるとともに、前記スリットの長手方向は、前記入口部及び前記出口部の流れ方向に沿って設定されている。

また、２以上の中空糸膜は、複数のスリットに対して１つ置きに挿通されることが好ましい。

さらにまた、スリット板は、中空糸膜の延長方向に沿って複数配設されることが好ましい。

また、スリット板は、少なくとも入口部又は出口部に近接して設けられることが好ましい。

本発明によれば、筒状ケーシング内に配設されたスリット板により、複数の中空糸膜が拘束されるため、第２流体の流れによる前記中空糸膜の変形を抑制することができる。これにより、中空糸膜全体を有効に使用して加湿効率を良好に向上させることが可能になる。

本発明の実施形態に係る加湿用モジュールを組み込む燃料電池システムの概略構成図である。 前記加湿用モジュールの概略斜視説明図である。 前記加湿用モジュールの断面側面図である。 前記加湿用モジュールを構成するスリット板の斜視説明図である。 特許文献２に開示されている供給ガス加湿装置の説明図である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る加湿用モジュール１０は、燃料電池システム１２に組み込まれる。この燃料電池システム１２は、図示しない燃料電池車両に搭載される。

燃料電池システム１２は、燃料電池スタック１４と、前記燃料電池スタック１４に冷却媒体を供給するための冷却媒体供給機構１６と、前記燃料電池スタック１４に酸化剤ガス（反応ガス）を供給するための酸化剤ガス供給機構１８と、前記燃料電池スタック１４に燃料ガス（反応ガス）を供給するための燃料ガス供給機構２０とを備える。

冷却媒体供給機構１６は、ラジエータ２４を備える。このラジエータ２４には、冷媒用ポンプ２６を介して冷却媒体供給配管２８及び冷却媒体排出配管３０が接続される。

酸化剤ガス供給機構１８は、空気用ポンプ３２を備える。この空気用ポンプ３２に一端が接続される空気供給配管３４は、加湿用モジュール１０に他端が接続される。この加湿用モジュール１０には、加湿空気供給配管３８を介して燃料電池スタック１４が接続される。

加湿用モジュール１０には、使用済みの生成水を含んだ酸化剤ガス（以下、オフガスともいう）を加湿流体として燃料電池スタック１４から供給するためのオフガス排出配管３９が設けられる。また、加湿用モジュール１０からのオフガスの排出側には、背圧弁（図示せず）が配設される。

燃料ガス供給機構２０は、燃料ガスとして水素ガス（Ｈ₂ガス）が貯留される燃料ガスタンク（燃料タンク）４０を備える。この燃料ガスタンク４０には、燃料ガス供給配管４２の一端が接続され、前記燃料ガス供給配管４２には、遮断弁４４、レギュレータ４６及びエゼクタ４８が接続されるとともに、前記エゼクタ４８は、燃料電池スタック１４に接続される。

燃料電池スタック１４には、使用済みの燃料ガスを排出するための排出燃料ガス配管５０が接続される。この排出燃料ガス配管５０は、リターン配管５２を介してエゼクタ４８に接続されるとともに、一部がパージ弁５４に連通する。なお、パージ弁５４の下流には、図示しないが、希釈器が配設される。

燃料電池スタック１４は、複数の発電セル５６が車長方向である水平方向又は重力方向に積層される。各発電セル５６は、図示しないが、電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体を挟持する一対のセパレータとを備える。電解質膜・電極構造体は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜を挟持するアノード側電極及びカソード側電極とを備える。

燃料電池スタック１４には、発電セル５６の積層方向に延在して、酸化剤ガス、例えば、空気を供給するための酸化剤ガス供給連通孔５８ａ、燃料ガス、例えば、水素ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔６０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔６２ａ、前記酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔５８ｂ、前記燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔６０ｂ及び前記冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔６２ｂが設けられる。

酸化剤ガス供給連通孔５８ａ及び酸化剤ガス排出連通孔５８ｂは、加湿空気供給配管３８及びオフガス排出配管３９に連通する。燃料ガス供給連通孔６０ａ及び燃料ガス排出連通孔６０ｂは、燃料ガス供給配管４２及び排出燃料ガス配管５０に連通する。冷却媒体供給連通孔６２ａ及び冷却媒体排出連通孔は、冷却媒体供給配管２８及び冷却媒体排出配管３０を介してラジエータ２４に連通する。

図２及び図３に示すように、加湿用モジュール１０は、例えば、正面視長方形状（角筒形状）を有する筒状ケーシング７０を備え、前記筒状ケーシング７０は、矢印Ａ方向に長尺に構成される。筒状ケーシング７０は、矢印Ａ方向両端が開放されるとともに、矢印Ａ１方向の端縁部には、入口部７２が形成される一方、矢印Ａ２方向の端縁部には、出口部７４が形成される。入口部７２と出口部７４とは、互いに対向する壁面（対角位置）に設けられる。

筒状ケーシング７０内には、入口部７２の内側近傍及び出口部７４の内側近傍にスリット板７６が配設される。スリット板７６は、図２及び図４に示すように、正面視で長方形状を有し、筒状ケーシング７０の内壁面に嵌合（必要に応じて接着）される。

スリット板７６には、複数のスリット７８が矢印Ｂ方向（スリット板７６の長手方向）に所定の間隔ずつ（等間隔ずつ）離間して設けられる。各スリット７８は、矢印Ｃ方向（スリット板７６の短手方向）、すなわち、後述する中空糸膜８０の延長方向に交差する方向に延在する。なお、スリット板７６は、少なくとも入口部７２の内側近傍又は出口部７４の内側近傍のいずれか一方にのみ配設してもよい。

筒状ケーシング７０内には、スリット板７６を介して複数の中空糸膜８０が収納される。スリット板７６では、複数のスリット７８に対して１つ置きに２以上の中空糸膜８０が同数ずつ一体に挿通される。各中空糸膜８０の両端は、筒状ケーシング７０の軸線方向両端にシール部８２、８２を介して固定される。

中空糸膜８０は、例えば、フェノールスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリトリフルオロスチレンスロホン酸、パーフルオロカーボンスルホン酸等の高分子イオン交換膜や、高分子樹脂系あるいはセラミック系の材料等で構成される。各中空糸膜８０の内側には、入口側に空気供給配管３４が連通する一方、出口側に加湿空気供給配管３８が連通し、使用前の酸化剤ガス（第１流体）が流通する酸化剤ガス流路（第１流路）８４が形成される。

筒状ケーシング７０内では、スリット板７６の中空糸膜８０が挿通されていない各スリット（以下、空のスリットともいう）７８に沿って、前記中空糸膜８０の外側にオフガス（第２流体）を流通させるためのオフガス流路（第２流路）８６が形成される。

オフガス流路８６は、入口側に入口部７２が連通するとともに、出口側に出口部７４が連通する。入口部７２及び出口部７４の流れ方向（矢印Ｃ方向）は、酸化剤ガス流路８４の流れ方向（矢印Ａ方向）と交差しており、スリット板７６の各スリット７８の長手方向は、前記入口部７２及び前記出口部７４の流れ方向に沿って設定される。

図３に示すように、入口部７２は、オフガス排出配管３９に連通し、このオフガス排出配管３９から供給されるオフガスは、オフガス流路８６に沿って矢印Ａ２方向に流通する。空気供給配管３４から各酸化剤ガス流路８４に供給される酸化剤ガスは、この酸化剤ガス流路８４に沿って矢印Ａ１方向に流通する。オフガス流路８６と酸化剤ガス流路８４とは、対向流に設定される。

このように構成される燃料電池システム１２の動作について、本実施形態に係る加湿用モジュール１０との関連で、以下に説明する。

先ず、図１に示すように、酸化剤ガス供給機構１８を構成する空気用ポンプ３２が駆動され、酸化剤ガスである外部空気が吸引されて空気供給配管３４に導入される。この空気は、空気供給配管３４から加湿用モジュール１０内に導入され、各中空糸膜８０内の酸化剤ガス流路８４を矢印Ａ１方向に流通して加湿空気供給配管３８に供給される（図２及び図３参照）。

その際、オフガス排出配管３９から入口部７２を介してオフガス流路８６には、後述するように、反応に使用された酸化剤ガスであるオフガスが供給され、このオフガスが矢印Ａ２方向に流通している。このため、使用前の空気とオフガスとが対向流となり、この使用前の空気には、前記オフガス中に含まれる水分が移動し、前記使用前の空気が加湿される。加湿された空気は、加湿空気供給配管３８から燃料電池スタック１４内の酸化剤ガス供給連通孔５８ａに供給される（図１参照）。

一方、燃料ガス供給機構２０では、遮断弁４４の開放作用下に、燃料ガスタンク４０から導出された燃料ガス（水素ガス）は、レギュレータ４６で降圧された後、エゼクタ４８を通って燃料電池スタック１４内の燃料ガス供給連通孔６０ａに導入される。

さらに、冷却媒体供給機構１６では、冷媒用ポンプ２６の作用下に、冷却媒体供給配管２８から燃料電池スタック１４内の冷却媒体供給連通孔６２ａに冷却媒体が導入される。

燃料電池スタック１４内の各発電セル５６に供給された空気は、電解質膜・電極構造体のカソード側電極に沿って移動する。一方、燃料ガスは、電解質膜・電極構造体のアノード側電極に沿って移動する。従って、各電解質膜・電極構造体では、空気中の酸素と燃料ガス（水素）とが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。次いで、発電反応により消費された空気は、酸化剤ガス排出連通孔５８ｂに沿って流動した後、オフガスとしてオフガス排出配管３９に排出される。

この場合、本実施形態では、図２及び図３に示すように、筒状ケーシング７０内には、スリット板７６が配設されるとともに、前記スリット板７６に形成された複数のスリット７８に対して１つ置きにそれぞれ同数の中空糸膜８０が挿通されている。

このため、筒状ケーシング７０内には、複数の中空糸膜８０が所定数ずつ束になってスリット板７６により拘束され、特にオフガスの流れによる前記中空糸膜８０の変形を確実に抑制することができる。これにより、中空糸膜８０全体を有効に使用して加湿効率を良好に向上させることが可能になるという効果が得られる。

しかも、それぞれ複数の中空糸膜８０は、スリット板７６に形成された複数のスリット７８に対して１つ置きに挿通されている。従って、スリット板７６には、中空糸膜８０が挿通されていない空のスリット７８が１つ置きに設けられている。

このため、空のスリット７８は、オフガス流路８６を構成しており、オフガスの分配性が向上する。これにより、オフガス流路８６に沿ってオフガスが均一に流通することができ、酸化剤ガスの加湿性能が良好に向上するという利点がある。

さらに、スリット板７６の各スリット７８の長手方向は、筒状ケーシング７０入口部７２及び出口部７４の流れ方向に沿って設定されている。従って、入口部７２から筒状ケーシング７０内に矢印Ｃ方向に導入されるオフガスは、このオフガスの流れ方向に長尺な空のスリット７８に円滑且つ確実に導入される。このため、オフガスは、オフガス流路８６を円滑に流通することが可能になり、前記オフガスの圧損を良好に低減させることができる。

また、スリット板７６は、入口部７２及び出口部７４に近接して設けられている。これにより、中空糸膜８０がオフガスの流れによる推力を最も受け易く、大きく変形し易い領域である入口部近傍及び出口部近傍での前記中空糸膜８０の移動を適切に抑制し、オフガスを円滑に流通させて前記オフガスの圧損を良好に低減させることができる。

なお、本実施形態では、スリット板７６の複数のスリット７８に対して、１つ置きに２以上の中空糸膜８０が同数ずつ挿通されているが、これに限定されるものではない。例えば、オフガスの圧損や分配性等の観点から、スリット７８に挿通される中空糸膜８０の数を異ならせることができ、また、任意のスリット７８を空のスリット７８に設置することも可能である。

また、スリット板７６を中空糸膜８０の延長方向に沿って、例えば、３枚以上の複数枚設けてもよい。これにより、中空糸膜８０をより整列させて維持し易くなり、前記中空糸膜８０の変形をさらに抑制して加湿効率を良好に維持及び向上させることができる。

さらに、スリット板７６において、各スリット７８同士の間隔を異なる寸法に設定することもできる。さらにまた、筒状ケーシング７０は、正面視長方形状を有しているが、種々の正面視多角形状の他、正面視円形状や正面視楕円形状も採用することが可能である。

１０…加湿用モジュール １２…燃料電池システム
１４…燃料電池スタック １６…冷却媒体供給機構
１８…酸化剤ガス供給機構 ２０…燃料ガス供給機構
２４…ラジエータ ３４…空気供給配管
３８…加湿空気供給配管 ３９…オフガス排出配管
５６…発電セル ７０…筒状ケーシング
７２…入口部 ７４…出口部
７６…スリット板 ７８…スリット
８０…中空糸膜 ８４…酸化剤ガス流路
８６…オフガス流路

Claims (5)

1. 筒状ケーシングと、
   前記筒状ケーシング内に収納される複数の中空糸膜と、
   前記中空糸膜の内側に形成され、第１流体を流通させる第１流路と、
   前記中空糸膜の外側と前記筒状ケーシングの内壁との間に形成され、第２流体を流通させて前記第１流体と前記第２流体との間で水分の移動を行う第２流路と、
   を備える加湿用モジュールであって、
   前記筒状ケーシング内に配設され、前記中空糸膜の延長方向に交差する方向に延在する複数のスリットが設けられるスリット板を備え、
   少なくとも複数の前記スリットのいずれかに、２以上の前記中空糸膜が互いに配列して一体に充填される一方、
   前記中空糸膜が充填されない前記スリットを貫くとともに、配列された２以上の前記中空糸膜により一体に構成される壁面に沿って前記第２流路が形成されることを特徴とする加湿用モジュール。
2. 筒状ケーシングと、
   前記筒状ケーシング内に収納される複数の中空糸膜と、
   前記中空糸膜の内側に形成され、第１流体を流通させる第１流路と、
   前記中空糸膜の外側と前記筒状ケーシングの内壁との間に形成され、第２流体を流通させて前記第１流体と前記第２流体との間で水分の移動を行う第２流路と、
   を備える加湿用モジュールであって、
   前記筒状ケーシング内に配設され、前記中空糸膜の延長方向に交差する方向に延在する複数のスリットが設けられるスリット板を備え、
   少なくとも複数の前記スリットのいずれかに、２以上の前記中空糸膜が一体に挿通される一方、
   前記筒状ケーシングには、前記第２流路の入口側に連通する入口部及び前記第２流路の出口側に連通する出口部が、前記第１流路の流れ方向に交差する方向に流れ方向を有して設けられるとともに、
   前記スリットの長手方向は、前記入口部及び前記出口部の流れ方向に沿って設定されることを特徴とする加湿用モジュール。
3. 請求項１又は２記載の加湿用モジュールにおいて、２以上の前記中空糸膜は、複数の前記スリットに対して１つ置きに挿通されることを特徴とする加湿用モジュール。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の加湿用モジュールにおいて、前記スリット板は、前記中空糸膜の延長方向に沿って複数配設されることを特徴とする加湿用モジュール。
5. 請求項２記載の加湿用モジュールにおいて、前記スリット板は、少なくとも前記入口部又は前記出口部に近接して設けられることを特徴とする加湿用モジュール。

Images