JP5368734B2 - 燃料電池の加湿装置 - Google Patents

Description

本発明は燃料電池の加湿装置に関し、更に詳しくは、二種材料の中空糸膜を用いてなる燃料電池の加湿装置に関する。

燃料電池の作動のためには、燃料電池内の電解質を加湿する必要があり、この時の加湿装置として、燃料電池からの湿潤空気中の水分と燃料電池へ供給する供給ガスとの間で水分交換する方式の加湿装置が使用されている。

燃料電池の加湿装置は、電力消費量が少なく、設置空間が小さいコンパクトな加湿装置が要求され、燃料ガスに加圧水を直接噴霧して加湿する装置（例えば、特許文献１参照）、超音波霧化装置による加湿（例えば、特許文献２参照）、水蒸気を透過するガス拡散膜を介して燃料ガスを加湿する装置（例えば、特許文献３参照）、ポリテトラフルオロエチレン系、ポリプロピレン系、ポリエチレン系の多孔膜を水蒸気透過膜とする燃料電池の加湿装置（例えば、特許文献４参照）、中空糸膜を利用した装置（例えば、特許文献５参照）などが提案されている。最近では、中空糸膜を利用した加湿装置が最も多く採用されている。

図１は、燃料電池システムの空気供給システムを説明する概略図である。燃料電池システムの空気供給システムは、加湿装置１００を有し、加湿装置１００にはブロワー２０２により外部から乾燥空気が供給され、同時に燃料電池スタック２００からの排出ガス（以降、加湿装置での役割から「湿潤空気」と記す。）が通過し、湿潤空気に含まれた水分が加湿装置内の中空糸膜を通過して乾燥空気が加湿される。

図２は、中空糸膜を用いた燃料電池の加湿装置の構成及び動作を説明する概略断面図である。加湿装置１００のハウジング１０１には外部からの乾燥空気を導入される第１流入口１０２、水分が加わった加湿空気が出る第１流出口１０３が形成され、ハウジング１０１の内部には中空糸膜モジュール１０７が配置され、さらに中空糸膜モジュール１０７の内部には多数の中空糸膜１０６が収納されて、第１流入口１０２から入った空気は、中空糸膜１０６の内側を通って第１流出口１０３に通じる流れとなる。

一方、燃料電池スタック（図示してない）からの湿潤空気は、ハウジング１０１側面にある第２流入口１０４から中空糸膜モジュール１０７の内部に供給され、中空糸膜１０６の外側を通り、第２流出口１０５に通じる流れとなる。
従って、中空糸膜モジュール１０７では、中空糸膜１０６の内側に乾燥空気、外側に
湿潤空気が流れることになり、湿潤空気中の水分が中空糸膜１０６の外側から内側に移動して乾燥空気に水分が加えられ、加湿空気となって第１流出口１０３から出て、燃料電池（図示していない）に送られる。

中空糸膜モジュール１０７は、多数の中空糸膜１０６が密に束になっている形態であり、第１流入口１０２から流入した乾燥空気は、中空糸膜モジュール１０７においてその構造から、中空糸膜モジュール１０７の中央部（図２の点線で表した領域）に多く流れている。

一方、第２流入口１０４から流入した湿潤空気は、中空糸膜モジュール１０７において中空糸膜１０６の束の中央部に浸透、拡散する速度が非常に遅いため、主に中空糸膜１０６の束の外周部、すなわちハウジング１０１の内壁に沿って流れ（図２の矢印）、中空糸膜モジュール１０７の中央部に流れるのは少ない。

結局、乾燥空気が多く流れる中空糸膜モジュール１０７の束の中央部では湿潤空気が少なく、湿潤空気が多く流れる中空糸膜モジュール１０７の束の外周部では乾燥空気が少い、といった流れ分布となっている。このような理由から、従来の中空糸膜モジュール１０７においては、中空糸膜モジュール１０７で充分に水分交換ができず、加湿効率を低下させる原因となっている。

このような従来の燃料電池の加湿装置にある問題点をシミュレーション実験した結果を、図３にグラフに示している。この図からもわかるように、乾燥空気の大部分が中空糸膜モジュール１０７の中央部にのみ流れることがはっきり分かる。このような問題点は、特に乾燥空気の流量が大きい時、即ち燃料電池スタックで高出力を出す時に大きな影響を及ぼす。

従来の中空糸膜を用いた加湿装置は、車両用燃料電池スタック（具体的にＭＥＡ）に対して、実用上使用可能な中空糸膜の材料が限られ、ナフィオン（登録商標）が多く使用されており、非常に高価であり、経済面においての問題も指摘されている。

燃料電池システムでは、低電流領域では十分な加湿を要し、高出力及び高電力領域ではカソードで加湿を要さない程度に多量の水が生成するが、それにもかかわらず現在の加湿装置は低電流領域と高電流領域での加湿量に差を置かずに稼動され、特に中空糸膜としてナフィオン（登録商標）材料のみを適用した場合、高電流領域でもＲＨ＝８０％以上の加湿性能を発揮している。

燃料電池システムの高電流領域において、多量の水が生成されると共に、加湿装置の加湿性能が発揮されるに従って、高電流領域でカソード物質伝達抵抗の増加と合せてフラッディングが発生することがあり、これにより局部的なカソード劣化を引き起こし、結局燃料電池の触媒劣化を加速させて燃料電池の耐久性を減少させるという問題点がある。

更に、中空糸膜モジュール１０７に配置される中空糸膜１０６の束全体がナフィオン（登録商標）であるとき、その特性上、水分を吸収すると膨潤して中空糸膜自体が長さ方向に膨張してきれいに広がらず、ぐにゃぐにゃになる現象（図４参照）が起こり、相対的に加湿装置内の圧力降下が大きくなり、これにより加湿装置内に空気を供給する空気ブロワーの負荷がおおきくなるという問題点がある。

このように、中空糸膜としてナフィオン（登録商標）のみを使用したときの問題点があり、このような問題点を解決する方案が要求されている。

特開平５−５４９００号公報 特開平７−０１４５９７号公報 特開平３−２０９７１号公報 特開２００１−１８５１９４号公報 特開２００８−１０８４７３号公報

かかる問題点を改善すべく本発明の目的は、中空糸膜モジュールにおける乾燥空気の加湿効率を損なうことなく、圧力損失を少なくし、かつ経済的に低価格で実現できる燃料電池の加湿装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は内部に中空糸膜の束が配置された中空糸膜モジュールを用いた燃料電池の加湿装置であって、中空糸膜の束の中央部に、親水性を有した第１中空糸膜を配し、中空糸膜の束の外周部分に、第１中空糸膜よりも相対的に親水性の低い性状の第２中空糸膜を配した燃料電池の加湿装置において、第２中空糸膜は、第１中空糸膜より密にパッキングされたことを特徴とする。

好ましくは、第１中空糸膜が、末端にスルホン酸を持つポリテトラフルオロエチレンを材料とし、第２中空糸膜が、ポリフェニルスルホンを材料としてそれぞれ製造されたことを特徴とする。

特に、外周部分に配される第２中空糸膜の数は、中央部に配される第１中空糸膜の数より多くするのがよい。

本発明に係る燃料電池の加湿装置によると、加湿装置の中空糸膜モジュールでの圧力損失が少なく、ブロワーの負荷を大きくすることなく乾燥空気を供給することができ、供給された乾燥空気は中空糸膜モジュールにおいて湿潤空気から効率よく水分を受けることができ、燃料電池スタックの高出力領域でのフラッディング現象を防止することができる。さらに、高価なナフィオン（登録商標）材料の使用量を減らすことで、価格的にも有利な加湿装置を製造することができる。

以下、添付図面を参照にしつつ、本発明に係る燃料電池の加湿装置について説明する。
燃料電池の加湿装置は、その内部に中空糸膜モジュールが内設され、この中空糸膜モジュールは、多数の中空糸膜が束にした形態で配置され、ブロワーなどにより外部から供給された乾燥空気は、中空糸膜内側を流れ、燃料電池スタックからの湿潤空気は、中空糸膜の外側を流れる。このとき、乾燥空気は中空糸膜の束の中央部に多く流れ、湿潤空気は中空糸膜の束の外周部に沿って多く流れようとしており、この形態そのものは従来の中空糸膜加湿装置と同じである。

このような流れの特性を勘案し、本発明では中空糸膜に二種の材料を用い、この異なる材料の中空糸膜を適切に配列している。以下の説明では、二種材料の中空糸膜について、中央部に配置する中空糸膜を「第１中空糸膜」、外周部に配置する中空糸膜を「第２中空糸膜」に分けて記載する。

図５は、本発明による燃料電池の加湿装置に第１中空糸膜と第２中空糸膜の配列を示す概略図であり、ここでは中空糸膜の平行配列に対しての断面図である。尚、図では、説明のため、中空糸膜の断面は大きく、中空糸膜の数は少なく描いている。

中空糸膜モジュール１０に配置される中空糸膜の束の配列において、中央部にある第１中空糸膜１１は、相対的に親水性が高い材料を用い、外周部の第２中空糸膜１２は、相対的に親水性が低いが、水分による膨潤が少ない材料を用いている。

第１中空糸膜１１は、相対的に親水性が高い材料でなり、従って乾燥空気に対する加湿性能が優れ、水分による膨潤率が高い材料で、好適な材料は、末端にスルホン酸を持つポリテトラフルオロエチレンであり、「ナフィオン」（デュポン（株）、登録商標）の名称である市販品が使用できる。
第２中空糸膜１２は、相対的に親水性が低い材料でなり、従って乾燥空気に対する加湿性能は第１中空糸膜１１より劣るが、水分による膨潤が少ない材料で、ポリエーテルイミド、ポリフェニルスルホンなどが使用できる。

第１中空糸膜１１は、加湿性能が良いため、湿潤空気の量が少なくとも大きい加湿性能を発揮することができるため、中空糸膜の束の中央部に配列させる。
すなわち、中空糸膜の束の中央部では、ブロワーにより供給された外気、即ち乾燥空気は多いが、燃料電池スタックからの湿潤空気は少ないので、その少ない湿潤空気から効率よく水分を受取ることができるように相対的に親水性が高い材料である第１中空糸膜１１を配置する。

第２中空糸膜１２は、加湿性能が第１中空糸膜１１より相対的に劣るが、湿潤空気の量が多いので、中空糸膜の束の外周部に配列させる。
すなわち、中空糸膜の束の外周部は、湿潤空気は多いが、乾燥空気は少ない環境にあるので、相対的に親水性が低い材料である第２中空糸膜１２を配置する。

これにより、第２中空糸膜１２は第１中空糸膜１１に比べて加湿性能が落ちるが、第２中空糸膜１２のある中空糸膜の束の外周側は、中央部に比べて乾燥空気の流量が相対的に少なく、一方燃料電池スタックからの湿潤空気が多いので、従来の加湿装置と同等な加湿性能を維持させることができる。

親水性の高い材料は、一般に水分による膨潤率が高く、従って、親水性の高い材料でなる中空糸膜は、長さ方向の両末端が固定されているために水分により膨潤して長さ方向の配列が乱れて、所謂「ぐにゃぐにゃ」の状態になり、かつ中空糸内側の流路が狭まることで、乾燥空気の流れが阻害され圧力損失が大きくなり、ブロワーの負荷が増えてくる。そこで、本発明では、中空糸膜の束の中央部にのみ親水性の高い第１中空糸膜１１を配している。

一方、中空糸膜の束の外周部には、第１中空糸膜１１に比べて相対的に親水性が低いが、水分による膨潤が少ない材料でなる第２中空糸膜１２を配している。第２中空糸膜１２は、親水性が低いので、上に述べたような膨潤によりガスの流れが阻害されて圧力損失が大きくなるという問題は少ない。

本発明では、中空糸膜モジュール１０の中央部に第１中空糸膜１１を、外周部に第２中空糸膜１２を配している。図６は、第１中空糸膜と第２中空糸膜の水分による形体変化を説明する概略図である。第１中空糸膜１１は、水分により膨潤して長さが長くなり、平行の配列が乱れている。図には描かれていないが中空糸膜の内側流路も狭くなって、内側を流れる乾燥空気の流れが悪くなり、圧力損失も大きくなる。一方、第２中空糸膜１２は、平行な直線状態を維持し、内側流路は狭くならないので、内側の流れが良好であり、圧力損失は少ない。従って、外周部にある第２中空糸膜１２は、中央部の第１中空糸膜１１よりパッキング密度を大きくすることができる。

本発明において、中空糸膜の束の中央部に第１中空糸膜１１、外周部に第２中空糸膜１２を配置するが、第１中空糸膜１１と第２中空糸膜１２の割合は、それぞれに用いる中空糸膜の組成など化学的性状、中空糸の外径、中空部分（穴）の内径などの物理的形態により、また燃料電池システムを含めた全体の要求度により異なるので一律に決めることができないが、本発明が期待する効果を顕著にするには、好ましくは、第２中空糸膜１２のパッキングを、第１中空糸膜１１に比べ、パッキング密度を大きくし、中空糸の数を多くする。より具体的には、水分などのよる中空糸の変形を考慮しないで、中空糸の外径、中空部分（穴）の内径が同じとし、かつ同じパッキング密度としたとき、第２中空糸膜１２のパッキング領域面積を、第１中空糸膜１１のパキング領域面積に対して、好ましくは１以上、より好ましくは１．５〜４とする。

流入する乾燥空気が少ないときには、その乾燥空気は相対的に中空糸膜の束の中央部に多く流れるが、乾燥空気が多くなるに従い、中空糸膜の束の外周部に多く流れる割合が多くなる。

燃料電池システムでは、低出力領域と高出力の領域で同一加湿条件とすると、高出力領域では多量の水が生成して、燃料電池スタックでのフラッディング現象による触媒の劣化現象を招き、燃料電池スタックの耐久性を損なうという問題点があった。しかし、本発明の中空糸膜モジュール１０では、高出力時の乾燥空気の多いときには外周部に流れる乾燥空気の割合が多くなることから、外周部の第２中空糸膜１２での乾燥空気の割合が増え、高出力時の水分の高い膨潤空気と水分移動を行うので、乾燥空気全体からみれば膨潤空気からの水分移動が抑えられ、加湿空気中の水分量（％）が抑えられて、燃料電池スタック内のフラッディング現象を防止することができる。

また、本発明の第１中空糸膜１１の材料に、末端にスルホン酸を持つポリテトラフルオロエチレンを用いたときに時、この材料は従来のものと同じであるが、第１中空糸膜１１は中空糸膜の束の一部であり、従来のものより使用割合を少なくすることができることで価格的にも有利な加湿装置を製造することができる。

燃料電池システムの空気供給システムを説明する概略図である。 燃料電池の加湿装置の構成及び動作を説明する概略断面図である。 従来の燃料電池の加湿装置で発生する問題点を説明するシミュレーション実験結果のグラフである。 従来の燃料電池の加湿装置で発生するまた別の問題点を説明する概略図である。 本発明による燃料電池の加湿装置に第１及び第２中空糸膜が配列された状態を表す概略図である。 第１中空糸膜と第２中空糸膜の水分による形体変化を説明する概略図である。

符号の説明

１０；中空糸膜モジュール
１１；第１中空糸膜
１２；第２中空糸膜
１００；加湿装置
１０１；ハウジング
１０２；第１流入口
１０３；第１流出口
１０４；第２流入口
１０５；第２流出口
１０６；中空糸膜
１０７；中空糸膜モジュール
２００；燃料電池スタック
２０２；ブロワー

Claims (3)

1. 内部に中空糸膜の束が配置された中空糸膜モジュールを用いた燃料電池の加湿装置であって、
   前記中空糸膜の束の中央部に、親水性を有した第１中空糸膜を配し、
   前記中空糸膜の束の外周部分に、前記第１中空糸膜よりも相対的に親水性の低い性状の第２中空糸膜を配した燃料電池の加湿装置において、
   前記第２中空糸膜は、前記第１中空糸膜より密にパッキングされたことを特徴とする燃料電池の加湿装置。
2. 前記第１中空糸膜が、末端にスルホン酸を持つポリテトラフルオロエチレンを材料とし、
   前記第２中空糸膜が、ポリフェニルスルホンを材料としてそれぞれ製造されたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池の加湿装置。
3. 前記外周部分に配される前記第２中空糸膜の数は、前記中央部に配される前記第１中空糸膜の数より多いことを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池の加湿装置。