JP5564580B2 - 燃料電池用加湿器 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用の加湿器に係り、より具体的には、加湿性能を向上させるための燃料電池用加湿器に関する。

燃料電池とは、水素と酸素を結合させて電気を生産する発電型電池のことである。燃料電池は、乾電池や蓄電池などの一般化学電池とは異なり、水素と酸素が供給される限り電気を生産し続けることができ、熱損失がなくて内燃機関より２倍程度効率が高い。また、水素と酸素の結合により発生する化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換できるため、公害物質の排出量が少ない。したがって、燃料電池は、環境親和的でかつ化石燃料の枯渇を心配する必要がないという利点がある。

かかる燃料電池は、用いられる電解質の種類により、高分子電解質型燃料電池、燐酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、及びアルカリ型燃料電池などに大別される。

高分子電解質型燃料電池の性能を向上させるにおいて、もっとも重要な要因の一つは、膜−電極接合体の高分子電解質膜に所定の水分を供給することによって含水率を保ち続けることである。なぜなら、高分子電解質膜が乾燥すると、発電効率が急激に低下するからである。

高分子電解質膜を加湿する方法の一つとして、高分子分離膜を用いて乾燥した反応ガスに水分を供給する加湿膜方式がある。

加湿膜方式は、未反応ガスの中に含まれている水蒸気だけを選択的に透過させる膜を用いて、未反応ガス中の水蒸気を高分子電解質膜に提供する方式であって、加湿器を軽量化かつ小型化できるという利点がある。

かかる加湿膜方式に用いられる選択的透過膜は、モジュールを形成する場合、単位体積当たりの透過面積の大きい中空糸膜が望ましい。すなわち、中空糸膜を用いて加湿器を製造する場合、接触表面積の広い中空糸膜の高集積化が可能になるため、体積を小さくしても燃料電池の加湿が十分に行われて、安価な素材を用いることができる。さらに、燃料電池から高温で排出される未反応ガスに含まれている水分と熱を回収し、加湿器を通してリサイクルできるという利点がある。

図１０と図１１は、従来の燃料電池用加湿器を示したものであり、この燃料電池用加湿器は、中空部を流れる反応ガスに水分を供給するための中空糸膜２７０の束が集積された膜ハウジング２１０と、高湿の未反応ガスを流入させる第２流入口２２１と、これを排出させる第２排出口とを備えて構成されている。

しかしながら、従来の燃料電池用加湿器においては、膜ハウジング２１０内に流入された高湿の未反応ガスが、圧力の最も低い部分、すなわち中空糸膜２２０が低い密度で集積されている部分に集中して流入してしまう問題があった。すなわち、高湿の未反応ガスと集中的に接触した中空糸膜２２０に流入された反応ガスのみに水分が円滑に供給されて、高湿の未反応ガスと接触していない中空糸膜２２０に流入された反応ガスには水分が供給されなくなる問題があった。しがたって、燃料電池用加湿器は加湿性能が低下し、高湿の未反応ガスが中空糸膜２２０と不均一に接触することによって、中空糸膜２２０の汚染のばらつきが激しくなり、中空糸膜２２０の交換周期が早まる問題があった。

本発明は、かかる問題点を解決するために案出されたものであって、本発明はハウジングの内部に流入された高湿の未反応ガスが、圧力の低い部分に偏って流れることを防止するための燃料電池用加湿器を提供することをその目的とする。

上述したような目的を達成するために、本発明は、膜ハウジング；前記膜ハウジングの内部空間を多数の単位空間に分割する分割板；前記単位空間内の中空糸膜；及び前記膜ハウジングの一端に装着され、スタックから排出された高湿の未反応ガスが流入されるための流入口を有するカバー部を備えて、前記膜ハウジングには前記単位空間のそれぞれに対応する多数の分配孔が形成されたことを特徴とする燃料電池用加湿器を提供する。

本発明には次のような効果がある。

本発明に係る燃料電池用加湿器は、流入される高湿の未反応ガスが膜ハウジング内に集積されたすべての中空糸膜と均一に接触するため、前記それぞれの中空糸膜の内部を流れる反応ガスが均等に加湿される。したがって、本発明の燃料電池用加湿器には、加湿性能が向上される効果がある。

また、本発明の燃料電池用加湿器は、高湿の未反応ガスがすべての中空糸膜と均一に接触するため、中空糸膜の汚染のばらつきを防止することができ、これによって、中空糸膜の交換周期が延長される効果がある。

本発明の一実施例に係る燃料電池用加湿器の分解斜視図である。 本発明の一実施例に係る分割板の平面図である。 本発明の他の実施例に係る燃料電池用加湿器の分解斜視図である。 図３の膜ハウジングの平面図（ａ）及び背面図（ｂ）を示すものである。 図３の１−１’切断面を示すものである。 本発明の他の実施例に係る分割板が設けられた膜ハウジングの斜視図である。 本発明の他の実施例に係る図３のI−I′切断面を示すものである。 本発明の他の実施例に係る膜ハウジングの斜視図である。 本発明の他の実施例に係る膜ハウジングの斜視図である。 従来の燃料電池用加湿器の分解斜視図である。 図１０のI″−I′′′切断面を示すものである。

本発明の技術的思想及び範囲を逸脱しない範囲内で、本発明の多様な変形が可能であることは当業者には明らかであろう。したがって、本発明は特許請求範囲に記載された発明及びその均等物の範囲内に入るあらゆる変形を含む。

膜ハウジング内で高湿の未反応ガスが偏る現象の原因は、二つに大別される。その第一番目の原因は、集積された中空糸膜の密集度の差に起因するチャネリング現象である。このチャネリング現象は、膜ハウジングに中空糸膜を固定するポティング工程で必ず発生するものである。すなわち、中空糸膜を円心形などにポッティングする工程では、力の不均衡のため、局所的に中空糸膜２２０が密集している部分とまばらな部分が形成されざるを得ない。結局、加湿源として作用する高湿の未反応ガスは、中空糸膜２２０が最もまばらな部分に偏って流れるようになり、中空糸膜２２０が密集している部分には流れないため、全体的に加湿効率が急激に低下してしまう。

第二番目の原因は、未反応ガスの排出口の位置による偏重現象である。殆どの加湿器は、燃料電池システムの構造によって流入口及び排出口の位置が決まるが、特に、加湿源である高湿の未反応ガスがホールを通して膜ハウジングの内部に均等に流入される場合でも、片方に偏っている排出口により、排出口に向けて圧力配向が起こるために偏重現象が発生する。かかる圧力配向に起因する編重現象により、排出口から遠く離れている中空糸膜は加湿が正しく行われないため、全体的に加湿効率が急激に低下する。

本発明は、上述したように、未反応ガスの膜ハウジング内の偏重現象を防止して加湿効率が著しく向上された燃料電池用加湿器を提供することを目的としており、その目的を具現するための具体的な手段を詳細に説明する。

以下、添付した図面に基づき本発明に係る燃料電池用加湿器の望ましい実施例について詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施例に係る燃料電池用加湿器を示す分解斜視図である。

図１に示すように、本発明の燃料電池用加湿器は、分配孔３１１の形成された第１末端部及び、前記第１末端部の反対側に位置して排出孔３１２の形成された第２末端部を備えて、内部に空間が形成された膜ハウジング３１０を備える。該膜ハウジング３１０は、その内部に空間が形成されているので中空糸膜３７０を集積することができる。また、該膜ハウジング３１０の内部に集積された中空糸膜３７０に高湿の未反応ガスを供給するために、ハウジング３１０の第１末端部の上部及び下部に多数の分配孔３１１が形成されている。また、該中空糸膜３７０に水分を供給した未反応ガスを外部に排出させるための排出孔３１２が、該膜ハウジング３１０の第２末端部の上部及び下部に多数形成されている。

該中空糸膜３７０の両末端は、該膜ハウジング３１０の両末端部にそれぞれポッティングされている。該中空糸膜３７０の両末端は開放された状態で存在するため、膜ハウジング３１０の外部の流体が中空糸膜３７０の中空を貫通して流れることができる。また、膜ハウジング３１０の両末端がポッティングされているため、膜ハウジング３１０の内部への流体の流入及び排出は、該膜ハウジング３１０の分配孔３１１及び排出孔３１２を通してだけ行われる。また、該中空糸膜３７０は所定直径の気孔を有するため、該中空糸膜３７０の外部に流れる高湿の未反応ガスから水分だけを選択的に受け入れる。

該膜ハウジング３１０のの第１末端部には、第１カバー部３２０が装着されている。該第１カバー部３２０には、スタックから排出された高湿の未反応ガスを流入させるための第２流入口３２１が形成されている。該第２流入口３２１から流入された高湿の未反応ガスは、該膜ハウジング３１０の外部を流れてから分配孔３１１を通して膜ハウジング３１０の内部に移動する。該第１カバー部３２０の内面と該膜ハウジング３１０の第１末端部との間にはシーリング部（不図示）が設けられて、高湿の未反応ガスが膜ハウジング３１０の内部のみに流れるようにする。すなわち、該第１カバー部３２０の第２流入口３２１が該多数の分配孔３１１のみに連通されているので、該第２流入口３２１を通して流入された高湿の未反応ガスは、多数の分配孔３１１を通してのみ該膜ハウジング３１０の内部に移動することができる。

従来は、図１０と図１１に示すように、集積された中空糸膜２７０の密集度の差によって、高湿の未反応ガスが、中空糸膜２７０の密集度の小さい部分に偏って流れることによって、全体的に加湿効率が急激に低下することがあった。また、排出口が片方に偏っているため、排出口に向かい圧力配向が起こり、これによって排出口から遠く離れている中空糸膜２７０は加湿効率が急激に落ちるため、全体的に加湿効率が急激に落ちてしまう問題があった。

ところが、本発明の燃料電池用加湿器は、膜ハウジング３１０の内部に設けられた分割板３６０を備えている。この分割板３６０により、該膜ハウジング３１０の内部は多数の単位空間に分割される。このように形成されたそれぞれの単位空間に中空糸膜３７０が分けられて集積される。よって、それぞれの単位空間は一つの加湿器の役割をすることができる。

かかる膜ハウジング３１０の第１端に形成された多数の分配孔３１１を通して高湿の未反応ガスがそれぞれの単位空間に流入されて、該流入された高湿の未反応ガスは該膜ハウジング３１０の第２端に形成された排出孔３１２を通して排出されるまで、中空糸膜３７０の長さ方向に沿ってそれぞれの単位空間に留まるようになる。したがって、本発明の燃料電池用加湿器は、膜ハウジング３１０の内部に集積された中空糸膜３７０の密集度偏差及び排出口の位置による圧力配向が存在しても、流入された高湿の未反応ガスが中空糸膜３７０の長さ方向に沿って分割されたそれぞれの単位空間内部に沿って均一に流れるため、中空糸膜３７０に均等に水分と熱を供給することによって、加湿効率を最大に発揮することができる。

該分割板３６０の厚さは、中空糸膜３７０の平均直径の１ないし１０倍であってもよい。該分割板３６０の厚さが薄すぎる場合、耐久性が落ち、長時間使用することが困難である反面、該分割板３６０の厚さが厚すぎる場合には、中空糸膜３７０の集積効率が落ちて経済性に劣る恐れがある。

図２は、本発明の一実施例に係る分割板３６０の平面図である。

図２に示すように、該分割板３６０は貫通孔のない密閉型でもよい。このように密閉型の分割板３６０が該膜ハウジング３１０に設けられる場合、供給された未反応ガスはそれぞれの該単位空間だけに沿って流れるようになる。

また、該分割板３６０の貫通孔は多様な形状であってもよいが、円形、楕円形、多角形、スリット、斜線スリットのうちいすれか一つの形状を有する孔型でもよく、メッシュ型でもよい。ところが、該分割板３６０の貫通孔は前述した形状に必ず限定されるものではない。

このように分割板３６０に貫通孔が形成されている場合、該貫通孔を通してそれぞれの単位空間が相互連通し得るので、膜ハウジング３１０の一つの単位空間に留まっていた未反応ガスが別の単位空間に流れていくことも可能であり、よって未反応ガスが膜ハウジング３１０の内部に形成された単位空間のうち特定の単位空間だけに偏って流れ込むことを防止することができる。

該膜ハウジング３１０における偏重現象を円滑に防止するために、分割板３６０により形成された単位空間の数をできるだけ多くすることが望ましくあり得る。しかし、膜ハウジング３１０の製造工程や製造コストなどを勘案すると、該膜ハウジング３１０は２ないし９個の単位空間を有することが望ましくあり得る。

また、該分割板３６０は、図１に示すように、第１または第２プレート３６０ａ、３６０ｂを備えてもよく、該第１プレート３６０ａ及び第２プレート３６０ｂは相互直行してもよい。

図３は、本発明の一実施例に係る燃料電池用加湿器の分解斜視図であり、図４は本発明の一実施例に係る膜ハウジング３１０の平面図（ａ）及び背面図（ｂ）を示したものであり、図５は図３のI−I′切断面を示したものである。

該分割板３６０の少なくとも一部分には、二重隔壁３６１が形成されてもよい。例えば、該分割板３６０には、図３ないし図５に示すように、両末端部に二重隔壁３６１が形成されてもよい。このように二重隔壁３６１が両末端部に形成された分割板３６０が該膜ハウジング３１０の内部に設置される場合、反応ガスが入り込むことを防止するために、シーリング剤が該二重隔壁３６１の末端部に設けられてもよい。

一方、該二重隔壁３６１の少なくとも片方の隔壁には、ウインド３６３が形成されるとよい。該ウインド３６３は、二重隔壁３６１の内部空間と膜ハウジング３１０の内部に形成されたそれぞれの単位空間を相互連通させる役割をする。このように二重隔壁３６１に形成されたウインド３６３を通して高湿の未反応ガスが二重隔壁３６１の内部空間及び膜ハウジング３１０の内部に形成されたそれぞれの単位空間を自由に移動することができるようになる。したがって、高湿の未反応ガスが膜ハウジング３１０の一部分に偏ることなく、全体的により均等に流れるようになる。

図６は、本発明の他の実施例に係る分割板が設けられた膜ハウジングの斜視図である。図６に示すように、該膜ハウジング３１０の該分割板３６０と接触する部分のそれぞれに該分割板３６０を挟んで相互対向するように形成された第１及び第２ホールが形成されて、該第１及び第２ホールが連通するように該分割板３６０の内部に貫通路３６２を形成するとよい。このように該分割板３６０の貫通路３６２と、該貫通路３６２と連通された第１及び第２ホールを通して、高湿の未反応ガスが該膜ハウジング３１０の上部及び下部を自由に流れるようになる。したがって、高湿の未反応ガスが膜ハウジング３１０の外部の全体にわたって均一に供給されるようになる。例えば、該膜ハウジング３１０の上部に高湿の未反応ガスが過度に流れる場合、上部を流れる高湿の未反応ガスが該膜ハウジング３１０の第１及び第２ホールと連通された該貫通路３６２を通して下部に流れることによって、高湿の未反応ガスが該膜ハウジング３１０の全体にわたって均一に流入されることができる。

また、図３ないし図５に示すように、該二重隔壁３６１は内部が貫通しているので、内部に貫通路３６２を有するようになる。このように二重隔壁３６１の内部に形成された貫通路３６２を通して、高湿の未反応ガスが該膜ハウジング３１０の上部及び下部をさらに自由に流れることができる。よって、高湿の未反応ガスが該膜ハウジング３１０の外部全体にわたってさらに均一に流れるようになる。

一方、該分割板３６０には、該貫通路３６２と該単位空間を連通させるためのウインド３６３が形成されるとよい。このように該分割板３６０に形成されたウインド３６３を通して高湿の未反応ガスが膜ハウジング３１０の内部に形成されたそれぞれの単位空間を自由に移動できるため、高湿の未反応ガスが該膜ハウジング３１０の内部全体にわたってさらに均一に流れるようになる。

図７は、本発明の他の実施例に係る図３のI−I′切断面を示したものである。

従来は、図１０と図１１に示すように、高湿の未反応ガスが第２流入口２２１から近い位置にある分配孔２１１に集中して流れるため、加湿性能が落ちて、中空糸膜３７０における汚染の偏りが著しくなる。

しかしながら、図７に示すように、本発明の加湿器は、第１カバー部３２０の内部壁面に形成された突出部３２２を備えることができる。該突出部は、第２流入口３２１を通して流入された高湿の未反応ガスが直線的に流れることを妨げることによって、高湿の未反応ガスが該第２流入口３２１と近い膜ハウジング３１０の分配孔３１１だけに集中して流れることを防止することができる。すなわち、高湿の未反応ガスが該膜ハウジング３１０の外部全体にわたって均等に流れて、該膜ハウジング３１０の内部全体に均一に供給されるため、膜ハウジング３１０の内部に集積されたそれぞれの中空糸膜３７０には均一に水分が伝わるようになる。これによって、加湿性能が格段に向上し、中空糸膜３７０における汚染の偏りを防止することができる。

該突出部３２２の形状は特に限定されないものの、半円筒、半球、頂点の丸い円錐形のような屈曲した形状や、多角錘、円錐、多角柱、多角球形のような角張った形状などを用いることができ、さらに、渦流を形成しやすく、流れをさほど妨げない屈曲した形状の流線型がより望ましくあり得る。

また、該突出部３２２は分配孔３１１の上部に位置することにより、未反応ガスが偏って流れることをさらに效果的に防止することができる。一方、該突出部３２２は該第１カバー部３２０の内部壁面に適宜な個数だけ形成されてもよいが、すべての分配孔３１１に均等に高湿の未反応ガスが流れていくように、該すべての分配孔３１１と一対一に対応できるように形成されることが望ましくあり得る。

図８と図９は、本発明の他の実施例に係る膜ハウジング３１０の斜視図である。本発明の燃料電池用加湿器は、図８に示すように、円柱型の膜ハウジング３１０を備えてもよく、図９に示すように、八角柱型の膜ハウジング３１０を備えてもよい。特に、図９に示すように、多角形断面を有する該燃料電池用加湿器は、それぞれの面に一つの二重隔壁３６１及び貫通路３６２が設けられており、該二重隔壁３６１のそれぞれの隔壁にはウインド３６３が形成されることによって、高湿の未反応ガスが膜ハウジング３１０の内部全体にわたってさらに均等に流れるようになる。

一方、該燃料電池用加湿器は、三角柱型、五角柱型、六角柱型など多様な多角柱型を備えてもよく、或いは、楕円柱型などの多様な非円形柱型を備えてもよいが、必ずしもこれらの形状に限定されるものではない。

該膜ハウジング３１０の第２末端部には、低湿の未反応ガスを外部に排出するための第２排出口３３１が形成された第２カバー部３３０が備えられている。該第２排出口３３１は該第２カバー部３３０の下部に形成されてもよく、形状は長方形でよい。

該第２カバー部３３０の内面と該膜ハウジング３１０の第２末端部との間にはシーリング部（不図示）が設けられており、水分を失った未反応ガスが第２排出口３３１のみを通して排出されるようにする。

該第１カバー部３２０の末端には、第１排出口３５１の形成された第１キャップ３５０が装着される。該第１排出口３５１を通して中空糸膜３７０から水分を与えられた反応ガスが排出されて燃料電池に供給される。

該第２カバー部３３０の末端には第１流入口３４１の形成された第２キャップ３４０が装着される。該第１流入口３４１を通して応ガスが流入される。

次に、本発明の一実施例に係る燃料電池用加湿器の動作を具体的に説明すると、次のようになります。

燃料電池に供給される反応ガスが第１流入口３４１を通して加湿器に流入されると同時に、スタックから排出される高湿の未反応ガスが第２流入口３２１を通して第１カバー部３２０の内部に流入される。このように流入された高湿の未反応ガスは、突出部３２２と衝突されることにより、均一に多数の分配孔３１１を通して膜ハウジング３１０の内部に流れ込む。

この際、高湿の未反応ガスは、膜ハウジング３１０の第１及び第２ホールとこれらと連通された貫通路３６２を通して二重隔壁３６１の内部に流れ、該二重隔壁３６１のそれぞれの隔壁に形成されたウインド３６３を通して膜ハウジング３１０の内部に形成されたそれぞれの単位空間を自由に移動することによって、膜ハウジング３１０の全体に均等に供給される。

一方、第１流入口３４１を通して流入された反応ガスは、中空糸膜３７０の中空部に沿って流れ、第１排出口３５１を通して燃料電池内に送られる。第１流入口３４１を通して流入された反応ガスは乾燥状態であるが、膜ハウジング３１０の内部に流入された未反応ガスは多量の水分を含んでいるため、中空糸膜３７０の内外で湿度差が生じる。このような中空糸膜３７０の内外の湿度差によって、未反応ガスの水分が中空糸膜３７０を通して選択的に透過されて、該中空糸膜３７０の中空部を流れる反応ガスに供給される。

その反面、未反応ガスは中空糸膜３７０を通して反応ガスに水分を供給することによって次第に乾燥し、この乾燥された未反応ガスは多数の排出孔３１２及び第２排出口３３１を通して加湿器の外部に排出される。

結果的に、上述した作動原理により、元々の反応ガスより高い湿度を有する反応ガスを燃料電池に供給することができる。

本発明に係る燃料電池用加湿器によれば、水分を含んだ未反応ガスが加湿器内の中空糸膜３７０に均等に提供されることによって、中空糸膜３７０の汚染現象が一箇所に集中せず、全体的に満遍なく発生するようになる。その結果、中空糸膜３７０の汚染を最大限に抑えて中空糸膜３７０の交換周期を延長することができるため、加湿器の維持及び補修費用を節減することができる。

Claims (10)

1. 膜ハウジング；
   前記膜ハウジングの内部空間を多数の単位空間に分割する分割板；
   前記単位空間内の複数の中空糸膜；及び
   前記膜ハウジングの一端に装着されて、スタックから排出された高湿の未反応ガスが前記膜ハウジングに流入されるための流入口を有するカバー部を備えて、
   前記膜ハウジングには前記単位空間のそれぞれに対応する多数の分配孔が形成されており、
   前記カバー部の流入口を通して流入された未反応ガスが前記単位空間に均等に分配されるように、前記カバー部の内部壁面に複数の突出部が形成されたことを特徴とする燃料電池用加湿器。
2. 前記分割板は第１または第２サブプレートを備え、前記第１及び第２サブプレートが相互交差することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用加湿器。
3. 前記単位空間が相互連通するように、前記分割板には貫通孔が形成されたことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用加湿器。
4. 前記膜ハウジングの前記分割板と接触する部分のそれぞれに前記分割板を挟んで相互対向するように第１及び第２ホールが形成されて、
   前記第１及び第２ホールが連通するように前記分割板の内部に貫通路が形成されていることを特徴とする、請求項１ないし３のうちいずれかに記載の燃料電池用加湿器。
5. 前記分割板には前記貫通路と前記単位空間を連通させるためのウインドが形成されていることを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池用加湿器。
6. 前記分割板は二重隔壁構造を有することを特徴とする、請求項１ないし３のうちいずれかに記載の燃料電池用加湿器。
7. 前記二重隔壁構造のうち少なくとも片方の隔壁にウインドが形成されていることを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池用加湿器。
8. 前記分割板は、中空糸膜の平均直径の１ないし１０倍の厚さを有することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用加湿器。
9. 膜ハウジング；
   前記膜ハウジングの内部空間を多数の単位空間に分割する分割板；
   前記単位空間内の複数の中空糸膜；及び
   前記膜ハウジングの一端に装着されて、スタックから排出された高湿の未反応ガスが前記膜ハウジングに流入されるための流入口を有するカバー部を備えて、
   前記膜ハウジングには前記単位空間のそれぞれに対応する多数の分配孔が形成されており、
   前記分割板は二重隔壁構造を有することを特徴とする燃料電池用加湿器。
10. 前記二重隔壁構造のうち少なくとも片方の隔壁にウインドが形成されていることを特徴とする、請求項９に記載の燃料電池用加湿器。

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