JP5657119B2 - 燃料電池用加湿器 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用加湿器に関し、より具体的には、向上した加湿性能を有する燃料電池用加湿器に関する。

燃料電池とは、水素と酸素を結合して電気を生産する発電型電池である。燃料電池は、乾電池や蓄電池などの一般の化学電池と異なり、水素と酸素が供給される限り継続して電気を生産することができ、熱損失がないため内燃機関より２倍ほど効率が高い。また、水素と酸素との結合によって発生する化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換するので、公害物質の排出が少ない。従って、燃料電池は、環境にやさしいとともに、化石燃料の枯渇に対する心配を減少できるという利点を有する。

このような燃料電池は、使用される電解質の種類によって高分子電解質型燃料電池、リン酸型燃料電池、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きく分類することができる。

高分子電解質型燃料電池の性能を向上させるのに最も主要な要因の一つは、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維持することである。これは、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ためである。

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膜加湿方式がある。

膜加湿方式は、排気ガス中に含まれた水蒸気のみを選択的に透過させる膜を用いて排気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、加湿器を軽量化及び小型化できるという利点を有する。

このような膜加湿方式に使用される選択的透過膜は、モジュールを形成する場合、単位体積当たり透過面積の大きい中空糸膜であることが望ましい。すなわち、中空糸膜を用いて加湿器を製造すると、接触表面積の広い中空糸膜の高集積化が可能であるため小容量でも燃料電池の加湿を十分に行うことができ、低価素材の使用が可能であり、燃料電池から高温で排出される未反応ガスに含まれた水分と熱を回収して加湿器を通して再活用できるという利点を有する。

通常、燃料電池用加湿器は、中空部に流れる反応ガスに水分を供給するための中空糸膜束が集積された膜ハウジングと、高湿の未反応ガスを流入させる流入口と、この未反応ガスを排出させる排出口とを含んで構成されている。

しかし、従来の加湿器に使用される中空糸膜は、構造上、多量の水分を含有できないという短所を有する。従って、自動車の運行中の急加速によってガス流入速度が瞬間的に上昇する場合、それに対応した迅速な加湿が不可能である。その結果、十分に加湿されていないガスが加湿器から燃料電池に提供されるので、瞬間的に燃料電池システムの出力が低下するという問題が発生し得る。

このような問題を防止するために、中空糸膜の厚さを増加させ、中空糸膜の含湿量を向上させる技術を提案できるが、中空糸膜の厚さ増加による水分伝達の困難さによって加湿性能が低下する逆効果をもたらし得る。

本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、本発明の一側面は、高速走行時の瞬間的な出力低下を防止できる、向上した加湿性能を有する燃料電池用加湿器を提供することにある。

このような本発明の一側面によって、第１及び第２の末端部を含む膜ハウジング；前記膜ハウジングの内部空間内に位置し、両末端が前記膜ハウジングの第１及び第２の末端部にそれぞれポッティングされた中空糸膜束；前記膜ハウジングの内部空間に位置する湿気保有体（ｈｕｍｉｄｉｔｙ ｒｅｔａｉｎｅｒ）；スタックから排出された高湿の未反応ガスのための流入口を有し、前記膜ハウジングの第１の末端部に装着された第１のカバー部；及び加湿に使用された未反応ガスのための排出口を有し、前記膜ハウジングの第２の末端部に装着された第２のカバー部；を含む燃料電池用加湿器が提供される。

本発明は、次のような効果を有する。

第一に、本発明に係る加湿器は、水分を多量含有できる湿気保有体を含んでおり、急加速時にも十分な水分を燃料電池に供給することができる。

第二に、本発明に係る加湿器は、膜ハウジング内に分割板を有しており、高湿の未反応ガスを膜ハウジング内に集積された全ての中空糸膜に均一に提供することができる。

本発明の一実施例に係る燃料電池用加湿器の概略図である。 図１のＩ―Ｉ’線断面図である。

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、当業者にとって自明であろう。従って、本発明は、特許請求の範囲に記載の発明及びその均等物の範囲内の変形を全て含む。

以下では、添付の図面を参照して本発明に係る燃料電池用加湿器の各実施例を詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施例に係る燃料電池用加湿器の概略図である。

図１に示したように、本発明の燃料電池用加湿器は、膜ハウジング３１０を含む。前記膜ハウジング３１０は、第１のホール３１１が形成された第１の末端部と、前記第１の末端部の反対側に位置し、第２のホール３１２が形成された第２の末端部とを含む。前記膜ハウジング３１０は内部空間を有する。

前記膜ハウジング３１０の内部空間には各中空糸膜３７０が集積されている。前記各中空糸膜３７０の両末端は、前記膜ハウジング３１０の第１及び第２の末端部にそれぞれポッティングされている。前記中空糸膜３７０の両末端は開放状態で存在するので、膜ハウジング３１０の外部からの流体が中空糸膜３７０の中空に沿って流れるようになる。

膜ハウジング３１０内の各中空糸膜３７０に高湿の未反応ガスを供給するために、膜ハウジング３１０の第１の末端部の上部及び下部に多数の第１のホール３１１が形成されている。また、前記各中空糸膜３７０に水分が奪われた未反応ガスを膜ハウジング３１０の外部に排出するために、膜ハウジング３１０の第２の末端部の上部及び下部に多数の第２のホール３１２が形成されている。

燃料電池に提供される反応ガスが中空糸膜３７０の中空に沿って流れ、膜ハウジング３１０の第１のホール３１１を介して膜ハウジング３１０の内部空間に高湿の未反応ガスが提供されるとき、前記反応ガスと前記高湿の未反応ガスは中空糸膜３７０によって物理的に遮断される。ただし、高湿の未反応ガスに含有された水分のみが選択的に中空糸膜３７０を透過することによって、中空糸膜３７０の中空に沿って流れる反応ガスが加湿される。

前記膜ハウジング３１０の第１の末端部に第１のカバー部３２０が装着されている。前記第１のカバー部３２０には、スタックから排出された高湿の未反応ガスを加湿器内に流入させるための流入口３２１が形成されている。前記流入口３２１を介して流入した高湿の未反応ガスは、前記膜ハウジング３１０の外部に流れてから、各第１のホール３１１を介して膜ハウジング３１０の内部空間に移動する。

前記第１のカバー部３２０の内面と前記膜ハウジング３１０の第１の末端部との間にはシーリング部（図示せず）が設置されており、高湿の未反応ガスが膜ハウジング３１０の内部空間のみに流れるようになる。すなわち、前記第１のカバー部３２０の流入口３２１が前記多数の第１のホール３１１のみと流体連通するので、前記流入口３２１を介して流入した高湿の未反応ガスは、多数の第１のホール３１１を介してのみ前記膜ハウジング３１０の内部空間に移動するようになる。

前記膜ハウジング３１０の第２の末端部に第２のカバー部３３０が装着されている。前記第２のカバー部３３０には、水分が奪われた未反応ガスを加湿器の外部に排出するための排出口（図示せず）が形成されている。

前記第２のカバー部３３０の内面と前記膜ハウジング３１０の第２の末端部との間にはシーリング部（図示せず）が設置されており、水分が奪われた未反応ガスは、第２のカバー部３３０の排出口を介してのみ加湿器の外部に排出される。

反応ガス排出口３５１を有する第１のキャップ３５０が前記第１のカバー部３２０の末端に装着される。中空糸膜３７０の中空に沿って流れながら加湿された反応ガスは、前記反応ガス排出口３５１を介して加湿器の外部に排出され、燃料電池に供給される。

反応ガス流入口３４１を有する第２のキャップ３４０が前記第２のカバー部３３０の末端に装着される。乾燥した反応ガスは、燃料電池に供給される前に前記反応ガス流入口３４１を介して加湿器内に流入する。

図２は、図１のＩ―Ｉ’線断面図である。

図２に示したように、本発明の燃料電池用加湿器は、前記膜ハウジング３１０の内部空間に配置された湿気保有体２００を含む。

前記湿気保有体２００は、多量の水分を保有しながら、隣接した中空糸膜３７０の水分含有量が急激に低くなると、保有している水分を前記中空糸膜３７０に供給する役割をする。

従来の加湿器に使用される中空糸膜３７０は、構造上、多量の水分を含有できないという問題を有する。従って、燃料電池自動車の運行中の急加速時に反応ガス流入速度が瞬間的に上昇する場合、反応ガスに十分な水分を提供することができず、その結果、瞬間的に燃料電池システムの出力が低下するという問題が発生する。

このような問題を解決するために、本発明の燃料電池用加湿器は、高速での運行時に中空糸膜３７０の中空に多量の反応ガスが急激に流入するとしても、前記反応ガスに水分を十分に供給できるように多量の水分を含有できる湿気保有体２００を膜ハウジング３１０内の空間に挿入する。

前記湿気保有体２００は、前記膜ハウジング３１０内に集積された中空糸膜束の内部に挿入することができる。すなわち、前記湿気保有体２００は、各中空糸膜３７０間に挿入され、隣接した前記中空糸膜３７０の水分保有量が急激に低下すると、これらに水分を供給することができる。このように前記湿気保有体２００が各中空糸膜３７０間に挿入されることによって、各中空糸膜３７０に短時間内に水分を供給できるという利点がある。

また、前記湿気保有体２００は、前記膜ハウジング３１０内に集積された中空糸膜３７０束の外部に配置することができる。すなわち、前記湿気保有体２００は、中空糸膜３７０束の外部に配置されることによって、前記中空糸膜３７０束の水分保有量が急激に低下すると、水分を前記中空糸膜３７０束に容易に供給することができる。このように前記湿気保有体２００が中空糸膜３７０束の外部に配置されることによって、多量の水分を中空糸膜３７０束に容易に供給できるという利点がある。

前記湿気保有体２００は、膜ハウジング３１０の内部空間体積の１〜２０％を占めるように前記中空糸膜３７０間に挿入することができる。前記湿気保有体２００が占める体積が１％未満である場合は、中空糸膜３７０に十分な水分を円滑に供給することができず、高速運行時に出力が低下し得る。その一方、前記湿気保有体２００が占める体積が２０％を超える場合は、有効膜面積が過度に減少し、加湿性能の向上を期待できない。

前記湿気保有体２００は多様な形態で製造することができる。例えば、前記湿気保有体２００は、スポンジ、中空糸膜、繊維、織物、編物、不織布及びブレードのうち少なくとも一つの形態であり得る。

特に、ブレード（ｂｒａｉｄ）形態の湿気保有体２００は、中空糸膜３７０と類似する形状を有することによって集積度を向上できるので、加湿効率を極大化することができ、表面積が広いため物理的に多量の水分を含有できるという利点を有する。

前記湿気保有体２００は、多様な素材で製造することができる。例えば、前記湿気保有体２００は、ナフィオン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリイミド、及びスルホン化ポリアリーレンエーテルのうち少なくとも一つからなる伝導体を含むことができる。このように伝導体を含む湿気保有体２００は、化学的に水分と容易に結合できる水と親水性基を有することによって多量の水分を含有できるようになる。

このような伝導体のうちデュポン社によって開発された商品名であるナフィオンの場合は、速い水分伝達性能と優れた気体障壁効果を有するという利点があるが、高価であるという問題がある。その一方、伝導体のうちスルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリイミド、及びスルホン化ポリアリーレンエーテルの場合は、費用が低廉なだけでなく、ナフィオンと類似する性能を示すことができるという特性がある。

また、前記湿気保有体２００は、物理的に多量の水分を含有できる形態を有し、ポリエチレン及びポリプロピレンのうち少なくとも一つで形成することができる。例えば、多量の空隙を有するスポンジ又はブレード形態のポリエチレンは、物理的に多量の水分を含有できるので、前記中空糸膜３７０に水分を短時間内に円滑に十分に供給できるようになる。

一方、図２に例示したように、本発明の加湿器は、前記膜ハウジング３１０の内部空間を多数の単位空間に分割する分割板をさらに含むことができる。

前記分割板は、二重隔壁構造を有することができる。すなわち、前記分割板は、２個の隔壁を含み、前記２個の隔壁間には、前記膜ハウジングの上部及び下部を連結するスリットを形成することができる。

前記分割板は、このような二重隔壁構造を少なくとも一部分に有することができる。例えば、前記膜ハウジング３１０の第１及び第２の末端部のうち少なくとも一つに対応する前記分割板の部分が二重隔壁構造を有することができる。

前記分割板のスリット３６２は、四角形、円形などの多様な形状の断面を有することができる。

前記分割板の隔壁３６１には貫通ホールｈを形成することができる。膜ハウジング３１０の第１の単位空間にある未反応ガスは、隔壁３６１の貫通ホールｈを介して第２の単位空間に流れるようになる。従って、未反応ガスは、膜ハウジング３１０の内部空間全体に均一に供給することができる。前記貫通ホールｈは、四角形、円形、楕円形、スリット型、斜線スリット型、メッシュ型などの多様な形状を有することができる。

二重隔壁構造を有する分割板は、各隔壁３６１間のスリット３６２を介して流体が流れるという長所を有する。すなわち、第１のカバー部３２０の第２の流入口３２１を介して流入した高湿の未反応ガスは、前記スリット３６２を介して膜ハウジング３１０の上部から下部に及びその逆にも自由に移動することができる。その結果、高湿の未反応ガスは、分割板によって形成された多数の単位空間に均一に供給することができる。また、膜ハウジング３１０の上部で高湿の未反応ガスが過度に流れる場合、上部に流れる高湿の未反応ガスが二重隔壁３６１のスリット３６２を介して下部に流れるようになり、前記膜ハウジング３１０の上下部に高湿の未反応ガスを均一に供給することができる。結果的に、前記第１のカバー部３２０の第２の流入口３２１を介して流入した高湿の未反応ガスは、前記膜ハウジング３１０の内部空間で偏り現象なく均一に加湿に用いることができる。

前記膜ハウジング３１０での偏り現象を効果的に防止するためには分割板３６０によって形成される各単位空間が多いほど望ましいが、製造の困難性及び製造費用などを勘案すると、前記膜ハウジング３１０は２〜１０個の単位空間を有することが望ましい。

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。

燃料電池に供給される乾燥した反応ガスが第２のキャップ３４０の反応ガス流入口３４１を介して加湿器に流入すると同時に、スタックから排出される高湿の未反応ガスが第１のカバー部３２０の流入口３２１を介して加湿器に流入する。

乾燥した反応ガスは、中空糸膜３７０の開放された末端を介してその中空に供給され、高湿の未反応ガスは、第１のホール３１１を介して膜ハウジング３１０の内部空間に供給される。このとき、高湿の未反応ガスは、各隔壁３６１間の各スリット３６２を介して膜ハウジング３１０の上部から下部に及びその反対に自由に流れながら膜ハウジング３１０の各単位空間全体に均一に供給される。

膜ハウジング３１０の内部空間に流入した多量の水分を含有している未反応ガスは、各中空糸膜３７０及び湿気保有体２００と接触し、これらに水分を伝達する。

このように水分が蓄積された中空糸膜３７０は、水分の密度差によって中空糸膜３７０の中空に沿って流れる乾燥した反応ガスに水分を供給する。加湿された反応ガスは、反応ガス排出口３３１を介して燃料電池に供給される。

このとき、高速運転によって第２のキャップ３４０の反応ガス流入口３４１を介して急激に多量の反応ガスが流入し、前記中空糸膜３７０の水分が短時間内に多量に奪われる場合、湿気保有体２００は、低湿の前記中空糸膜３７０に水分を迅速に伝達することによって、前記中空糸膜３７０が継続して反応ガスに水分を十分に供給できるようにする。その結果、高速走行中の出力低下を防止することができる。

２００ 湿気保有体
３１０ 膜ハウジング
３２０ 第１のカバー部
３３０ 第２のカバー部
３７０ 中空糸膜

Claims (8)

1. 第１及び第２の末端部を含む膜ハウジング；
   前記膜ハウジングの内部空間内に位置し、両末端が前記膜ハウジングの第１及び第２の末端部にそれぞれポッティングされた中空糸膜束；
   前記膜ハウジングの内部空間に位置する湿気保有体；
   スタックから排出された高湿の未反応ガスのための流入口を有し、前記膜ハウジングの第１の末端部に装着された第１のカバー部；及び
   加湿に使用された未反応ガスのための排出口を有し、前記膜ハウジングの第２の末端部に装着された第２のカバー部；
   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；
   を含み、
   前記分割板は二重隔壁構造を有し、
   前記分割板は２個の隔壁を含み、
   前記２個の隔壁間には、前記膜ハウジングの上部及び下部を連結するスリットが形成されたことを特徴とする、燃料電池用加湿器。
2. 前記湿気保有体は、前記中空糸膜束の内部に挿入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。
3. 前記湿気保有体は前記中空糸膜束の外部に配置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. 前記湿気保有体は、前記膜ハウジングの内部空間体積の１〜２０％を占め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。
5. 前記湿気保有体は、スポンジ、中空糸膜、繊維、織物、編物、不織布及びブレードのうち少なくとも一つの形態であ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。
6. 前記湿気保有体は、ナフィオン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリイミド、及びスルホン化ポリアリーレンエーテルのうち少なくとも一つで形成された伝導体を含む、
   請求項１に記載の燃料電池用加湿器。
7. 前記湿気保有体は、ポリエチレン及びポリプロピレンのうち少なくとも一つからなり、
   物理的に多量の水分を含有できる形態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。
8. 前記各隔壁には貫通ホール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。