JP6032785B2 - 燃料電池用膜加湿器 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用膜加湿器に係り、より詳しくは、膜加湿器の内部において、外郭部から中心部まで全体的に中空糸膜に対して均一な加湿が行われるように湿潤空気及び乾燥空気の配分特性を改善して加湿性能を向上させた燃料電池用膜加湿器に関する。

燃料電池スタック作動のためには、燃料電池スタック内の高分子電解質膜を加湿する必要があり、燃料電池スタックから排出される湿潤気体の排出ガス（ｅｘｈａｕｓｔ ｇａｓ）の水分と外気から供給される乾燥気体が互いに水分を交換する方式で作動する別途の膜加湿器が使用されている。
加湿器のタイプには気泡（ｂｕｂｂｌｅｒ）タイプ、注入（ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）タイプ、吸着剤タイプ、など様々な方法があるが、燃料電池自動車の場合は、パッケージ面で制限されるため、相対的に体積が小さくて特に動力を必要としない膜加湿器が適用されており、特に、燃料電池に用いられる膜加湿器として中空糸膜が適している。

図５に示すように、燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックに空気（酸素）を供給する空気供給システムは膜加湿器を含み、空気ブロワー２０２の吸入作動により、外部の乾燥空気が膜加湿器１００に供給され、同時に燃料電池スタック２００から排出された排出ガスが膜加湿器１００内を通過するが、この時、排出ガスに含まれた水分が膜加湿器１００内の中空糸膜を通過して乾燥空気が加湿される。

以下に、図６に示す中空糸膜を含む従来の膜加湿器の構成及び作用について詳細に説明する。
図６に示すように、従来の膜加湿器１００はハウジング１０１（ｈｏｕｓｉｎｇ）を含み、このハウジング１０１には乾燥空気（ａｉｒ）を導入する第１流入口１０２及び加湿された乾燥空気を排出する第１流出口１０３が形成され、ハウジング１０１の内部には多数の中空糸膜１０６が密になっている中空糸膜束１０７が収納されている。
また、ハウジング１０１には、燃料電池スタックから排出された湿潤空気を流入するための第２流入口１０４が形成され、その反対側には湿潤空気を排出するための第２流出口１０５が形成されている。

このような構成を有する中空糸膜を用いた膜加湿器では、反応を終えて燃料電池スタックから排出された排出ガス、すなわち湿潤空気がハウジング１０１の第２流入口１０４から中空糸膜束１０７側に供給されると、各中空糸膜１０６の毛細管作用により湿潤空気中の水分が分離され、分離された水分は中空糸膜１０６の毛細管内を透過して凝縮され、中空糸膜１０６の内部に移動する。
次に、水分が分離された湿潤空気は、そのまま中空糸膜１０６の外部に沿って移動してハウジング１０１の第２流出口１０５を介して排出される。

一方、空気ブロワーの駆動により外気（乾燥空気）がハウジング１０１の第１流入口１０２を介して供給されるが、第１流入口１０２を介して供給される乾燥空気は、中空糸膜１０６の内側を移動し、この時、湿潤空気から分離された水分が中空糸膜１０６の内側に既に移動している状態であるため、この水分により乾燥空気が加湿され、加湿された乾燥空気は第１流出口１０３を通過して燃料電池スタック側に供給される。
しかし、中空糸膜束１０７は、内部に多数の中空糸膜１０６が密になったコンパクトな形態であるため、第２流入口１０４を通って流入した湿潤空気が中空糸膜束１０７の内部に侵入し難く、さらに湿潤空気が中空糸膜により拡散する速度が非常に遅いため、湿潤空気が中空糸膜の内部に侵入することは一層困難である。

特に、ハウジング１０１の内部で、中空糸膜束１０７の外側を通過する湿潤空気が、図８及び図９の点線で示した中空糸膜束１０７の中心部に侵入できず、図８及び図９の矢印で示すように、主に外周部に流れ、結局、湿潤空気が中空糸膜束１０７の中心部側に拡散する速度が非常に遅いため、乾燥空気に対する加湿効率を低下させる原因となっている。
また、ハウジング１０１の第１流入口１０２を通って流入する乾燥空気が主に中空糸膜束１０７の中央部（図６及び図７で点線で示した部分）に多く流れるため、加湿器内の中空糸膜の活用度が低下して全体的な加湿装置の効率をさらに低下させる問題点がある。

結局、中空糸膜束１０７の中心部に位置する中空糸膜１０６には、十分な水分が供給されず、このような理由から、加湿器の全体的な効率が低下する問題点があった。
このような問題点をシミュレーション実験した結果を図８に示している。
すなわち、図８に示すように、乾燥空気の大部分が中空糸膜束１０７の中央部にのみ流れることがはっきり分かる。
具体的には、ハウジング１０１の第１流入口１０２を通って流入する乾燥空気は中空糸膜束１０７の中央部（図６及び図７の点線で示した部分）に主に流れ、第２流入口１０４を通って流入する湿潤空気は中空糸膜束１０７の外周部に流れるため、膜加湿器の加湿効率が低下する問題点が発生する。このような問題点は、特に乾燥空気の流量が大きい時、すなわち燃料電池スタックで高出力を出す時に大きい影響を及ぼす。

上記のように、膜加湿器に供給される湿潤空気（ａｉｒ）は反応を終えて燃料電池から排出される空気であり、水蒸気のみではなく反応により生成された水も湿潤空気と共に膜加湿器に供給される。
したがって、寒い天候の場合、膜加湿器の内部に流入する水が凍り、この水が凍る現象により、中空糸膜が加湿機能をうまく発揮できない問題点が生じ、その場合、膜加湿器を使用するためには、中空糸膜に凍りついた水分が溶けるまで待たなければならなかった。
また、従来の膜加湿器は、中空糸膜の表面が凍結と融解を繰り返すことにより、湿潤空気が主に流れる中空糸膜束の外郭部分、すなわち中空糸膜の外周部に損傷や断線が発生する問題点がある（図９参照）。

図９に示す通り、膜加湿器は、ハウジング１０１内に中空糸膜束１０７が密になった状態で内蔵され、中空糸膜束１０７の両側端部がポッティング物質１０８によりハウジング１０１の内側端部に固定されることにより、中空糸膜束１０７の位置が固定される。
これによって、湿潤空気が主に流れる中空糸膜束１０７の外郭端部に位置しているポッティング物質１０８が損傷したり、破れたりすることにより、外郭部の中空糸膜が断線する恐れがある。
また、中空糸膜の表面が凍結と融解を繰り返することにより損傷すると、結局、損傷された中空糸膜はスタック性能に悪影響を及ぼし、膜加湿器自体を交換しなければならない問題点がある。

また、膜加湿器の製造にかかる費用で、最も大きい比重を占めるものは高分子物質からなる高価の中空糸膜であって、現在、加湿性能をうまく維持するために必要以上の中空糸膜束を使用しているため、製造費用が上昇し、また、多くの中空糸膜束が使用されるため、性能に比べて膜加湿器が大きくなるという問題点がある。
また、従来の膜加湿器は１つの中空糸膜モジュールであって、その中に多数の中空糸膜が束の形態で収納されることにより、中空糸膜がハウジング内に均一に分布するよう製造することが出来ず、片側に傾くなど中空糸膜が不均一に分布したものが出来るという問題がある（図１０参照）。

特開２００９−１３５０１１号公報

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであって、外郭部から中心部まで全体的に均一な加湿が行われる空気加湿性能を向上させた燃料電池用膜加湿器を提供することにその目的がある。

前記目的を達成するための本発明は、複数の第１湿潤空気流入孔と複数の第１湿潤空気排出孔を有する中空の上位ケースと、中空の上位ケース内に、乾燥空気の移動方向に沿って相互に分離されて収納されたカートリッジ形態の交換可能な複数の単位膜モジュールから成る膜モジュール集合体と、を含み、
複数の前記単位膜モジュールそれぞれは、乾燥空気の移動方向に沿って中空糸膜束を囲んで収容する中空の下位ケースを備え、複数の前記単位膜モジュールそれぞれは、前記中空の上位ケース内に、間を開けて構成され、前記中空糸膜束は、複数の中空糸膜が束の形態で構成され、前記膜モジュール集合体は、少なくとも２つ以上の互いに異なる直径を有する前記単位膜モジュールで混合構成され、相対的に大直径を有する単位膜モジュールの中の中空糸膜の量は、相対的に小直径を有する単位膜モジュールの中の中空糸膜の量より多いことを特徴とする燃料電池用膜加湿器。

前記中空の下位ケースは、第２湿潤空気流入孔及び第２湿潤空気排出孔を両側端部の外周部に有することを特徴とする。

前記膜モジュール集合体は、上位ケースの中心部に前記相対的に小直径を有する単位膜モジュールが配置され、前記上位ケースの中心部から外郭部に行くほどその内側に配置された単位膜モジュールよりも前記相対的に大直径を有する単位膜モジュールが配置されることを特徴とする。

前記単位膜モジュールは、両側端部の外周部にそれぞれ第２湿潤空気流入孔及び第２湿潤空気排出孔を有する中空型の下位ケースと、この下位ケースの内部に乾燥空気の移動方向に長く収納される中空糸膜束と、から構成されることを特徴とする。

本発明による燃料電池用膜加湿器は、上位ケースの内部に互いに異なる直径を有するカートリッジ形態の単位膜モジュールを収納構成して湿潤空気及び乾燥空気の配分特性を改善することにより、膜加湿器の外郭部から中心部まで全体的に均一な加湿が行われ、これによって、加湿性能が向上する。

本発明の実施例による燃料電池用膜加湿器を概略的に示す斜視図である。 本発明の実施例による燃料電池用膜加湿器を概略的に示す斜視図である。 図１の燃料電池用膜加湿器の断面構造を示す図面である。 本発明による燃料電池用膜加湿器における湿潤空気の流れを概略的に示す図面である。 燃料電池システムの空気供給システムを示す概略図である。 従来の燃料電池用膜加湿器の加湿原理を説明する断面図である。 従来の燃料電池用膜加湿器における湿潤空気の流れを示す断面図である。 従来の燃料電池用膜加湿器の問題点を説明するシミュレーション実験結果グラフである。 従来の燃料電池用膜加湿器による問題点を説明するための概略図である。 従来の燃料電池用膜加湿器による問題点を説明するための概略図である。

以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。
図６により説明したように、一般的な燃料電池用膜加湿器は、内蔵された中空糸膜束１０７を用いた水分交換により乾燥空気の加湿が行われるが、乾燥空気（外気）は中空糸膜束１０７の中央に配列された中空糸膜の内部に沿って主に流れ、反応を終えて燃料電池スタックから排出される湿潤空気は、中空糸膜束１０７の外郭部に配列された中空糸膜の外部に沿って主に流れるため、乾燥空気と湿潤空気との間の接触程度が減少する構造的矛盾があり、中空糸膜の活用度及び加湿効率が低下する問題点があった。

本発明は、膜加湿器の上位ケース１０の内部にカートリッジ形態の多様な直径を有する単位膜モジュール１６，１７，１８を収納構成し、上位ケース１０の外郭部から中心部まで湿潤空気が全体的に円滑に移動するようにし、乾燥空気の流れを上位ケース１０の外郭部に誘導して中空糸膜の均一な加湿が行われる。
このために本発明による燃料電池用膜加湿器は、中空型の上位ケース１０と、この上位ケース１０内に乾燥空気の移動方向に長く収納される多数の単位膜モジュール１６，１７，１８と、を含んで構成される。
単位膜モジュール１６，１７，１８は、上位ケース１０の内部に束の形態で収納されて膜モジュール集合体１５を形成する。

単位膜モジュール１６，１７，１８は、下位ケース２０の内部に中空糸膜束２３を内蔵させてカートリッジタイプのモジュールにして形成されるものであって、上位ケース１０内に多数構成され、上位ケース１０内に構成された多数の単位膜モジュール１６，１７，１８、すなわち、膜モジュール集合体１５は、少なくとも２つ以上の互いに異なる直径を有する単位膜モジュール１６，１７，１８で混合構成される。
そして、膜モジュール集合体１５は、上位ケース１０の中心部に相対的に小直径の単位膜モジュール１６が配置され、上位ケース１０の外郭部に行くほど大直径の単位膜モジュール１７，１８が配置されるように構成される。

以下、膜モジュール集合体が３種類の互いに異なる直径を有する単位膜モジュールからなる実施例について詳細に説明する。
図１から３に示すように、本発明の実施例による膜加湿器は、中空型の上位ケース１０と、この上位ケース１０内に内蔵される膜モジュール集合体１５と、を含んで構成される。
膜モジュール集合体１５は、多数の単位膜モジュール１６，１７，１８が集まって束の形態に形成されたものであって、それぞれの単位膜モジュール１６，１７，１８は、中空型の下位ケース２０と、この下位ケース２０内に乾燥空気の移動方向に長く収納される中空糸膜束２３と、で構成される。

膜モジュール集合体１５は、互いに異なる直径を有する多数の単位膜モジュール１６，１７，１８で構成され、具体的に上位ケース１０の中心部に配置される第１膜モジュール１６と、上位ケース１０の外郭部に円周方向に配置される第３膜モジュール１８と、第１及び第３膜モジュール１６，１８の間で円周方向に配置される第２膜モジュール１７と、で形成される。
第１膜モジュール１６は第２及び第３膜モジュール１７，１８に比べて最も小さい直径を有するように形成され、第２膜モジュール１７は第３膜モジュール１８に比べて相対的に小さい直径を有するように形成される。

具体的に、膜モジュール集合体１５は、上位ケース１０内に配置した単位膜モジュール１６，１７，１８のうち最も小直径の単位膜モジュール１６が上位ケース１０の中心部に配置され、外郭に行くほどその内側に配置された単位膜モジュールよりも大直径の単位膜モジュールが配置される。
この場合、空気ブロワーから流入される乾燥空気が、大直径の単位膜モジュール（小直径の単位膜モジュールに比べてさらに多くの中空糸膜が収納されている）が位置した外郭に誘導され、これによって、上位ケース１０の中央部に主に流れる乾燥空気が外郭に分散誘導されて乾燥空気の配分特性が向上する。

そして、上位ケース１０に流入する湿潤空気は、円周方向に配列され、束の形態に集まっている単位膜モジュール１６，１７，１８の間に移動し、上位ケース１０の外郭部は勿論、上位ケース１０の中心部にある単位膜モジュールまで到達し、これによって、それぞれの単位膜モジュール１６，１７，１８に全体的に供給されて湿潤空気の配分特性が向上し、各単位膜モジュール１６，１７，１８に供給された湿潤空気中の水分が、下位ケース２０に内蔵されている中空糸膜２４の毛細管作用により分離され、中空糸膜２４内に移動する。
ここで、中空糸膜２４の内部に移動した水分は中空糸膜２４に沿ってその内部に移動する乾燥空気を加湿する。

これによって本発明は、従来の膜加湿器において、乾燥空気が中空糸膜束の中央部に主に流れ、湿潤空気が中空糸膜束の外郭部に主に流れることによる問題を改善でき、結果的に上位ケース１０の内部の単位膜モジュール１６，１７，１８に収納された中空糸膜２４に対して全体的に均一な加湿が誘導されるため、加湿性能を向上させることができる。
参考として、図面には示していないが、単位膜モジュール１６，１７，１８はポッティング物質により上位ケース１０の内部に固定される。ポッティング物質は、通常の中空糸膜モジュールにおいて、中空糸膜束をその内部に固定させるための物質である。

一方、図２に示すように、湿潤空気出入のために、上位ケース１０は、両側端部の外周部にそれぞれ第１湿潤空気流入孔１１及び第１湿潤空気排出孔１２が円周方向に多数形成されており、下位ケース２０は、両側端部の外周部にそれぞれ第２湿潤空気流入孔２１及び第２湿潤空気排出孔２２が円周方向に多数形成されている。
特に、第２湿潤空気流入孔２１及び排出孔２２は、下位ケース２０の両側端部で下位ケース２０の円周方向に沿って多数形成されると共に長手方向に一定区間に亘って複数列に形成されている。

次に前記構成を有する膜加湿器の作動について説明する。反応を終えて燃料電池スタックから排出される湿潤空気が上位ケース１０の第１湿潤空気流入孔１１に流入して単位膜モジュール１６，１７，１８の間を通過して移動し、これによって、上位ケース１０の外殻部に位置した単位膜モジュールから上位ケース１０の中心部に位置した単位膜モジュールまで湿潤空気が移動して上位ケース１０の内部に全体的に均一に到達する。
それぞれの単位膜モジュール１６，１７，１８に到達した湿潤空気は、図４に示すように、下位ケース２０の第２湿潤空気流入孔２１に流入し、各中空糸膜２４の毛細管作用により湿潤空気中の水分が分離され、分離された水分は中空糸膜２４の毛細管を透過して凝縮され、中空糸膜２４の内部に移動する。

一方、空気ブロワーの駆動により外気（乾燥空気）が上位ケース１０に流入する。上位ケース１０の一端開口部１３に流入する乾燥空気は、大直径の単位膜モジュールが位置している外郭部に分散誘導されるが、上位ケース１０の中心部から外郭部まで均一に分散移動され、各単位膜モジュール１６，１７，１８の中空糸膜２４に流入して中空糸膜２４の内部に沿って移動する。
この時、湿潤空気から分離された水分が中空糸膜２４の内部に移動した状態であるため、この水分により乾燥空気が加湿され、加湿された乾燥空気は上位ケース１０の他端開口部１４を通って排出されて燃料電池スタック側に供給される。
そして、水分が分離された湿潤空気は、単位膜モジュール１６，１７，１８の中空糸膜束２３の外部に沿って移動して下位ケース２０の第２湿潤空気排出孔２２を通って排出され、上位ケース１０の第１湿潤空気排出孔１２を通って大気に排出される。

上記のような本発明の燃料電池用膜加湿器により次のような効果が得られる。
１．上位ケースの内部にカートリッジ形態の単位膜モジュールを多様な直径にて収納構成し、上位ケースの中心部から外郭部に行くほど大直径の単位膜モジュールを配置することにより、湿潤空気及び乾燥空気の配分特性が改善され、全体的に中空糸膜の均一な加湿が行われ、これによって、膜活用度が向上し、加湿性能が増大する。
２．湿潤空気の配分特性が改善されることにより、従来の膜加湿器で湿潤空気が中空糸膜束の外郭部に主に流れることにより、外郭部の中空糸膜に損傷や断線が発生する問題を解決することができる。

３．従来の膜加湿器は、多数の中空糸膜が大きな束の形態で内部に収納構成されることにより、製造時、中空糸膜が片側に傾くなど不均一に分布したものが発生したが（図１０参照）、本発明の膜加湿器は、小さな束の形態で中空糸膜束が内在したカートリッジ形態の単位膜モジュールが上位ケースの内部に多数収納されることにより、製造時、中空糸膜が全体的に均一に分布し、従来の中空糸膜が不均一に分布する問題を解決することができる。
４．中空糸膜の損傷または断線による問題が発生する時、問題が発生した中空糸膜が内蔵されている単位膜モジュールのみ交換できるため、交換時に発生する費用を大きく低減することができる。

５．加湿性能が増大することにより、従来に比べて、膜加湿器の製造時に用いられる中空糸膜の数を減らすことができ、これによって、従来の膜加湿器よりも製造原価と膜加湿器のサイズを低減できるため、パッケージの側面においても有利である。
６．カートリッジ形態の単位膜モジュールを使用することにより、湿潤空気の分配性が向上し、これによって、加湿器内の単位膜モジュールにかかる圧力降下量を減少させ、空気ブロワーの負荷を低減することができる。

１０ 上位ケース
１１ 第１湿潤空気流入孔
１２ 第１湿潤空気排出孔
１３ 上位ケースの一端開口部
１４ 上位ケースの他端開口部
１５ 膜モジュール集合体
１６，１７，１８ 単位膜モジュール
２０ 下位ケース
２１ 第２湿潤空気流入孔
２２ 第２湿潤空気排出孔
２３ 中空糸膜束
２４ 中空糸膜

Claims (3)

1. 複数の第１湿潤空気流入孔と複数の第１湿潤空気排出孔とを有する中空の上位ケースと、
   該中空の上位ケース内に、乾燥空気の移動方向に沿って相互に分離されて収納されたカートリッジ形態の交換可能な複数の単位膜モジュールから成る膜モジュール集合体と、
   を含み、
   複数の前記単位膜モジュールそれぞれは、乾燥空気の移動方向に沿って中空糸膜束を囲んで収容する中空の下位ケースを備え、
   複数の前記単位膜モジュールそれぞれは、前記中空の上位ケース内に、間を開けて構成され、
   前記中空糸膜束は、複数の中空糸膜が束の形態で構成され、
   前記膜モジュール集合体は、少なくとも２つ以上の互いに異なる直径を有する前記単位膜モジュールで混合構成され、
   相対的に大直径を有する単位膜モジュールの中の前記中空糸膜の量は、相対的に小直径を有する単位膜モジュールの中の前記中空糸膜の量より多いことを特徴とする燃料電池用膜加湿器。
   
2. 前記膜モジュール集合体は、上位ケースの中心部に前記相対的に小直径を有する単位膜モジュールが配置され、前記上位ケースの中心部から外郭部に行くほどその内側に配置された単位膜モジュールよりも前記相対的に大直径を有する単位膜モジュールが配置されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用膜加湿器。
3. 前記単位膜モジュールは、両側端部の外周部にそれぞれ第２湿潤空気流入孔及び第２湿潤空気排出孔を有する中空型の下位ケースと、この下位ケースの内部に乾燥空気の移動方向に長く収納される前記中空糸膜束と、から構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池用膜加湿器。
   

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