JP7196303B2 - 燃料電池用膜加湿器 - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池用膜加湿器に関し、より詳細には、別途のガスフィルター装置がなくても加湿過程で窒素酸化物（ＮＯＸ）、硫黄酸化物（ＳＯＸ）、アンモニア（ＮＨ３）などのガスを除去することによって、燃料電池の性能低下を防止できる燃料電池用膜加湿器に関する。
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違い、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、熱損失がなくて内燃機関に比べて効率が２倍程度高いという利点がある。
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するので、公害物質の排出が少ない。このため、燃料電池は、環境に優しいだけでなく、エネルギー消費増加による資源枯渇に対するおそれを減らすことができるという利点がある。
このような燃料電池は、用いられる電解質の種類によって、大きく、高分子電解質型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＰＥＭＦＣ）、リン酸型燃料電池（Ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃ Ａｃｉｄ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＭＣＦＣ）、固体酸化物型燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＳＯＦＣ)、及びアルカリ型燃料電池（Ａｌｋａｌｉｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＡＦＣ）などに分類できる。
これらの燃料電池のそれぞれは、根本的に同じ原理によって作動するが、使われる燃料の種類、運転温度、触媒、電解質などが互いに異なる。このうち、高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は、他の燃料電池に比べ、低温で動作するという点、及び出力密度が高くて小型化が可能な点から、小規模据置型発電装備の他に輸送システムにおいても最も有望なものと知られている。
高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）の性能を向上させる上で最も重要な要素の一つは、膜－電極組立体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）の高分子電解質膜（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ又はＰｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ：ＰＥＭ）に一定量以上の水分を供給して含水率を維持させることである。高分子電解質膜が乾燥すれば、発電効率が急に低下するからである。
高分子電解質膜を加湿する方法としては、１）耐圧容器に水を満たした後、対象気体を拡散器（ｄｉｆｆｕｓｅｒ）に通過させて水分を供給するバブラー（ｂｕｂｂｌｅｒ）加湿方式、２）燃料電池反応に必要な供給水分量を計算し、ソレノイドバルブを介してガス流動管に直接水分を供給する直接噴射（ｄｉｒｅｃｔ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）方式、及び３）高分子分離膜を用いてガスの流動層に水分を供給する加湿膜方式などがある。
これらの中でも、排気ガス中に含まれる水蒸気のみを選択的に透過させる膜を用いて水蒸気を、高分子電解質膜に供給されるガスに提供することによって、高分子電解質膜を加湿する加湿膜方式が、加湿器を軽量化及び小型化できるという点で有利である。
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、単位体積当たり透過面積の大きい中空糸膜が好ましい。すなわち、中空糸膜を用いて膜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であり、小容量でも燃料電池を十分に加湿することができ、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、加湿器を通じて再利用できるという利点を有する。
一方、一般的な燃料電池用膜加湿器は、ハウジング部の内部に中空糸膜を収容し、ポッティング部によって中空糸膜はハウジング部の内壁に接着される。中空糸膜は、スタックの所望出力値に応じて特定の本数がハウジング部内に収容され、ポッティング部によってハウジング部に接着及び固定される。燃料電池用膜加湿器には、ブロワーから流入した高温の空気及びスタックから流入した高温多湿な空気が流入する。
燃料電池システムにおいて、圧縮機及びブロワーから発生する高温の空気は、加湿器を通ってスタックに流入するが、前記空気中に含まれている窒素酸化物（ＮＯＸ）、硫黄酸化物（ＳＯＸ）、アンモニア（ＮＨ３）などの物質が燃料電池のスタックに流入すれば、スタックの性能が低下することがある。したがって、空気圧縮機の前端又は後端に、このような物質を除去できる別途のガスフィルター装置が使われている実情がある。
本発明の目的は、別途のガスフィルター装置がなくても、加湿過程で窒素酸化物（ＮＯＸ）、硫黄酸化物（ＳＯＸ）、アンモニア（ＮＨ３）などのガスを除去して、燃料電池の性能低下を防止することができる燃料電池用膜加湿器を提供することである。
前記目的を達成するための本発明の燃料電池用膜加湿器は、第１流体が流入する第１流体流入口、第１流体が流出する第１流体流出口、第２流体が流入する第２流体流入口、及び第２流体が流出する第２流体流出口を含むハウジング部（前記第１流体流入口を介して流入する前記第１流体の湿度は、前記第２流体流入口を介して流入する前記第２流体の湿度と異なる）；前記ハウジング部の内部に設けられ、複数の中空糸膜を収容した少なくとも一つの第１カートリッジ；及び前記第１カートリッジの内部に設けられたり、或いは前記ハウジング部の内周面と前記第１カートリッジとの間に設けられ、前記第１及び第２流体のうち少なくとも一つに含まれた有害ガスを捕集可能に構成されており、前記中空糸膜と異なる形態を有するガスフィルター（前記有害ガスは、窒素酸化物（ＮＯＸ）、硫黄酸化物（ＳＯＸ）、アンモニア（ＮＨ３）、又はこれらのうち２つ以上の混合物を含む）を含む
前記燃料電池用膜加湿器は、前記ハウジング部の内部に設置された少なくとも一つの第２カートリッジをさらに含むことができ、前記第２カートリッジは、前記ガスフィルターのみで充填されてよい。
前記ガスフィルターは、前記第１カートリッジの内部に前記中空糸膜と一緒に配列されてよい。
前記ガスフィルターは、不織布及び該不織布に塗布されたガス捕集物質を含むことができる。
前記ガスフィルターは、原糸及び該原糸に塗布されたガス捕集物質を含むことができる。
前記燃料電池用膜加湿器は、複数の前記第１カートリッジを含むことができ、前記ガスフィルターは、前記ハウジング部の内部で複数の前記第１カートリッジを全て取り囲むように装着されてよい。
前記ガスフィルターは、前記第１カートリッジの内周面又は外周面に、前記複数の中空糸膜を取り囲むように装着されてよい。
前記ガスフィルターは、不織布及び該不織布に塗布されたガス捕集物質を含むことができる。
前記ガス捕集物質は、バイオ炭（ｂｉｏｃｈａｒ）、チャコール（ｃｈａｒｃｏａｌ）、活性炭（ａｃｔｉｖｅ ｃａｒｂｏｎ）、酸性ポリマー（ａｃｉｄｉｃ ｐｏｌｙｍｅｒ）、ゼオライト（ｚｅｏｌｉｔｅ）、白金、硫酸銅－硫酸チタン混合物、ニオビウム（Ｎｂ)、炭酸水素ナトリウム及びこれらのうち２つ以上の混合物よりなる群から選択されるいずれかであってよい。
前記酸性ポリマーは、ポリ（ペルフルオロスルホン酸)（ＰＦＳＡ）、スルホン化されたポリエーテルスルホン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｓｕｌｆｏｎｅ，Ｓ－ＰＥＳ）、スルホン化されたポリアリールエーテルスルホン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙａｒｙｌｅｔｈｅｒｓｕｌｆｏｎｅ，Ｓ－ＰＡＥＳ）、スルホン化されたポリスチレン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ，Ｓ－ＰＳ）、スルホン化されたポリエーテルケトン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｋｅｔｏｎｅ，Ｓ－ＰＥＫ）、スルホン化されたポリエーテルエーテルケトン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｅｔｈｅｒｋｅｔｏｎｅ，Ｓ－ＰＥＥＫ）及びこれらのうち２つ以上の混合物よりなる群から選択されるいずれかであってよい。
前記ガスフィルターは、前記ハウジング部の内部に装着されるが、前記第１流体流入口を介して流入する前記第１流体が前記中空糸膜の中空内に流入する前に、前記ガスフィルターを通過するように装着されてよい。
前記ハウジング部は、前記第１カートリッジが装着され、前記第２流体流入口及び第２流体流出口が形成されたミドルケースと、該ミドルケースの両側にそれぞれ結合し、前記第１流体流入口及び第１流体流出口をそれぞれ有する一対のキャップケースを含み、前記ガスフィルターは、前記第１流体流入口を有するキャップケースと前記ミドルケースとの間に着脱可能に装着されてよい。
前記ガスフィルターは、フィルター部及び該フィルター部を取り囲むように結合しているフレーム部を含むことができ、前記フィルター部は、不織布及び該不織布に塗布されたガス捕集物質を含むことができる。
前記本発明に係る燃料電池用膜加湿器によると、別途のガスフィルター装置がなくても、加湿過程で窒素酸化物（ＮＯＸ）、硫黄酸化物（ＳＯＸ）、アンモニア（ＮＨ３）などのガスを除去することによって、燃料電池の性能低下を防止することができる。
図１は、本発明の一実施例による燃料電池用膜加湿器を示す分解斜視図であり、図２は、本発明の第１実施例による膜加湿器を示す断面図であり、図３は、ガスフィルターの形態に関する実施例を示す断面図である。
本発明の一実施例による燃料電池用膜加湿器は、ハウジング部、及びハウジング部の内部に設置された複数のカートリッジ１５０を含む。前記カートリッジ１５０の少なくとも一つは、内部に複数の中空糸膜１６０を収容した第１カートリッジである。ハウジング部は、ミドルケース１１０とキャップケース１２０とが結合して形成されてもよく、一体に形成されてもよい。
ミドルケース１１０は、その両側で一対のキャップケース１２０と結合して膜加湿器の外形をなす。ミドルケース１１０及びキャップケース１２０は、ポリカーボネートなどの硬質プラスチック又は金属からなり得る。ミドルケース１１０及びキャップケース１２０は、図１に示すように、幅方向断面形状が多角形であってもよく、又は幅方向断面形状が円形であってもよい。前記多角形は、方形、正方形、台形、平行四辺形、五角形、六角形などであってよく、前記多角形は角部が丸まった形態であってもよい。また、前記円形は楕円形であってもよい。
ミドルケース１１０には、第２流体が供給される第２流体流入口１１２と、第２流体が排出される第２流体流出口１１３がそれぞれ形成されている。
ミドルケース１１０の両端にそれぞれ結合したキャップケース１２０のいずれか一方のキャップケース１２０には第１流体流入口１２１が形成され、他方のキャップケース１２０には第１流体流出口１２２が形成される。前記第１流体流入口１２１からハウジング部内に流入した第１流体は、第１カートリッジ１５０の内部に収容された中空糸膜１６０の内部管路を通過した後、第１流体流出口１２２から排出される。第１流体流入口１２１と第１流体流出口１２２が互いに位置を換えて形成され、第１流体の流動方向が反対になってもよい。
中空糸膜１６０は、例えば、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）材料、ポリエーテルイミド（ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｉｍｉｄｅ）材料、ポリイミド（ＰＩ）材料、ポリフェニルスルホン（ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｓｕｌｆｏｎｅ）材料、ポリスルホン（ＰＳ）材料、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）材料の中空糸膜であってよい。
第１カートリッジ１５０の一側には、第２流体流入口１１２から膜加湿器に流入した第２流体を前記第１カートリッジ１５０の内部に流入させるためのメッシュ部１５２が形成され、他側には、中空糸膜カートリッジ１５０の内部で水分交換を行った第２流体を前記第１カートリッジ１５０の外部に流出させるためのメッシュ部１５２が形成されてよい。
前記第１カートリッジ１５０の両端部には、中空糸膜１６０を結束するとともに中空糸膜１６０間の空隙を埋めるポッティング部が形成される。これにより、前記第１カートリッジ１５０の両端部はポッティング部によって塞がり、その内部には第２流体が通過する流路が形成される。ポッティング部の材料は公知のものにしており、本明細書で詳細な説明は省略する。
前記ミドルケース１１０には、第２流体流入口１１２及び第２流体流出口１１３が形成されている。
前記第１流体は、低湿の流体（例えば、ブロワーにより供給される外部空気）であり、第２流体は高湿の流体（例えば、燃料電池スタックから排出される高湿のオフガス）であってよい。逆に、前記第２流体が低湿の外部空気であり、第１流体が高湿のオフガスであってもよい。
ミドルケース１１０内には、前記複数のカートリッジ１５０が装着され得る複数個の挿入口１４０が形成され、それぞれの挿入口１４０にはカートリッジ１５０が挿入されてよい。
本発明によれば、前記第１及び第２流体の少なくとも一つに含まれた有害ガスを捕集できるように構成されており、前記中空糸膜１６０と異なる形態を有するガスフィルターが、前記第１カートリッジ１５０の内部に設けられたり、或いは前記ハウジング部の内周面と前記第１カートリッジ１５０との間に設けられる。前記有害ガスは、窒素酸化物（ＮＯＸ）、硫黄酸化物（ＳＯＸ）、アンモニア（ＮＨ３）、又はこれらのうち２つ以上の混合物を含む。したがって、本発明の燃料電池用膜加湿器１００は、ハウジング部の内部にガスフィルターを備えることによって、別途のガスフィルター装置がなくても加湿過程で有害ガスを捕集し、燃料電池の性能低下を防止することができる。
すなわち、燃料電池システムにおいて、圧縮器及びブロワーから供給される高温の空気は加湿器を通してスタックに流入するが、前記空気中に含まれている（ｉ）一酸化窒素（Ｎｉｔｒｉｃ ｏｘｉｄｅ，ＮＯ）、二酸化窒素（Ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｄｉｏｘｉｄｅ，ＮＯ２）、一酸化二窒素（Ｄｉｎｉｔｒｏｇｅｎ ｍｏｎｏｘｉｄｅ，Ｎ２Ｏ）、三酸化二窒素（Ｄｉｎｉｔｒｏｇｅｎ ｔｒｉｏｘｉｄｅ，Ｎ２Ｏ３）、四酸化二窒素（Ｄｉｎｉｔｒｏｇｅｎ ｔｅｔｒｏｘｉｄｅ，Ｎ２Ｏ４）、五酸化二窒素（Ｄｉｎｉｔｒｏｇｅｎ ｐｅｎｔｏｘｉｄｅ， Ｎ２Ｏ５）などの窒素酸化物（ＮＯＸ）、（ｉｉ）二酸化硫黄（ＳＯ２）、三酸化硫黄（ＳＯ３)、亜硫酸（Ｈ２ＳＯ３）、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）などの硫黄酸化物（ＳＯＸ）、(ｉｉｉ）アンモニア（ＮＨ３）などの有害物質が燃料電池のスタックに流入すれば、スタックの性能を低下させることがある。本発明においては、前記空気を加湿するとき、膜加湿器１００に設けられたガスフィルターを用いて前記有害物質を捕集して除去することによって、燃料電池の性能低下を防止することができる。
図２に示すように、本発明の第１実施例によれば、前記複数のカートリッジ１５０は、複数の中空糸膜１６０が収容された少なくとも一つの第１カートリッジ及び前記ガスフィルターのみで満たされた少なくとも一つの第２カートリッジを含むことができる。
図２には、ミドルケース１１０内に装着された３個のカートリッジ１５０のうち２個の第１カートリッジ内に中空糸膜１６０が配置され、１個の第２カートリッジ内に複数のフィルター部材２１０が配置された実施例が示されている。しかしながら、前記ミドルケース１１０内に４個以上のカートリッジ１５０が装着される場合、２個以上のカートリッジ１５０にフィルター部材２１０が収容されてもよい。
第１実施例の膜加湿器１００では、低湿空気が第２流体流入口１１２からハウジング部の内部に流入する。低湿空気のうち一部は、フィルター部材２１０の収容された第２カートリッジ１５０を通過しつつ有害ガスが捕集されてフィルタリングされ、残りの空気は、中空糸膜１６０の収容された第１カートリッジ１５０を通過しつつ、高湿のオフガスである第１流体と水分交換して加湿される。各カートリッジ１５０を通過しつつフィルタリングされたり加湿されたりした空気は合わせられ、第２流体流出口１１３から排出されて燃料電池スタックに供給される。
図３には、ガスフィルターの２つの形態が示されている。図３Ａに示すガスフィルターは、不織布２１３、及び該不織布２１３に塗布されたガス捕集物質２１１を含む。不織布２１３は、繊維を織らずに機械的、化学的又は熱的に処理し、繊維集合体を結束させて布状物にしたものであり、接着布ともいう。不織布２１３は、シート（ｓｈｅｅｔ）又はフィルム状に形成され、ガス捕集物質２１１を固定する基板の役割を担う。
ガスフィルターは、ガス捕集物質２１１を液状に溶解又は分散させ、これを不織布２１３に塗布した後に乾燥して作ってもよく、粉状のガス捕集物質２１１を不織布２１３に噴射して製作してもよい。特に、不織布２１３にガス捕集物質２１１を塗布した後、ガス捕集物質２１１上に不織布２１３を覆って結合させたものがより好ましい。ガス捕集物質２１１の流失が防止できるからである。
不織布２１３にガス捕集物質２１１を塗布して作ったフィルター部材２１０は、中空糸膜１６０と同じ長さ又はそれよりも短い長さと所定の幅を有するように裁断し、第１及び／又は第２カートリッジ１５０内に配置しポッティングして固定することができる。
図３Ｂに示したガスフィルターは、原糸２１４及び該原糸２１４に塗布されたガス捕集物質２１２を含む。原糸２１４は、ポリフッ化ビニリデン、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリメチルメタアクリレート、ポリ塩化ビニル及びガラス繊維で構成された構成から一つ以上選択されたモノフィラメント、マルチフィラメント、又はモノフィラメントとマルチフィラメントとの混合糸であってよい。
ガス捕集物質２１２は、図３Ａのガス捕集物質２１１と同じ種類のものを用いることができる。図３Ｂのガスフィルターは，円形断面を有する原糸２１４の外周面に液状のガス捕集物質２１２を塗布した後、乾燥して作ることができる。
前記ガス捕集物質２１１，２１２は、バイオ炭（ｂｉｏｃｈａｒ）、チャコール（ｃｈａｒｃｏａｌ）、活性炭（ａｃｔｉｖｅ ｃａｒｂｏｎ）、酸性ポリマー（ａｃｉｄｉｃ ｐｏｌｙｍｅｒ）、ゼオライト（ｚｅｏｌｉｔｅ）、白金、硫酸銅－硫酸チタン混合物、ニオビウム（Ｎｂ)、炭酸水素ナトリウム及びこれらのうち２つ以上の混合物よりなる群から選択されるいずれかであってよい。
前記酸性ポリマーは、ポリ（ペルフルオロスルホン酸)（ＰＦＳＡ）、スルホン化されたポリエーテルスルホン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｓｕｌｆｏｎｅ，Ｓ－ＰＥＳ）、スルホン化されたポリアリールエーテルスルホン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙａｒｙｌｅｔｈｅｒｓｕｌｆｏｎｅ，Ｓ－ＰＡＥＳ）、スルホン化されたポリスチレン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ，Ｓ－ＰＳ）、スルホン化されたポリエーテルケトン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｋｅｔｏｎｅ，Ｓ－ＰＥＫ）、スルホン化されたポリエーテルエーテルケトン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｅｔｈｅｒｋｅｔｏｎｅ，Ｓ－ＰＥＥＫ）及びこれらのうち２つ以上の混合物よりなる群から選択されるいずれかであってよい。
図４は、本発明の第２実施例による膜加湿器を示す断面図である。
第２実施例による膜加湿器において、ガスフィルターのフィルター部材２２０は、第１カートリッジ１５０の内部に複数の中空糸膜１６０と一緒に配列されてよい。
フィルター部材２２０は、図３に示すように、不織布２１３にガス捕集物質２１１が塗布された形態であってもよく、原糸２１４の外周面にガス捕集物質２１２が塗布された形態であってもよい。
フィルター部材２２０は、図３に示すように、不織布２１３にガス捕集物質２１１が塗布された形態であってもよく、原糸２１４の外周面にガス捕集物質２１２が塗布された形態であってもよい。
図４の実施例では、３個の第１カートリッジ１５０の各内部に、複数の中空糸膜１６０と共にそれらの間に複数のフィルター部材２２０を配列して一緒にポッティングする。
低湿の空気は、第２流体流入口１１２からハウジング部の内部に流入した後、(ｉ)前記中空糸膜１６０の中空に沿って流れながら加湿されるか、(ｉｉ)前記フィルター部材２２０を通過しながらフィルタリングされる。加湿又はフィルタリングされた空気は、各カートリッジ１５０から抜け出た後、第２流体流出口１１３から排出され、燃料電池スタックに供給される。
図５は、本発明の第３実施例による膜加湿器を示す断面図であり、図６は、膜加湿器のミドルケース内部に装着されるガスフィルターの構造を示す概略図である。
第３実施例による膜加湿器１００は、複数の中空糸膜１６０をそれぞれ収容する複数の第１カートリッジ１５０を含み、ガスフィルターのフィルター部材２３０は、ハウジング部の内部に、複数の前記第１カートリッジ１５０を全て取り囲むように装着される。
第３実施例において、フィルター部材２３０は、複数の第１カートリッジ１５０を一度に取り囲み得る形態でなければならず、不織布にガス捕集物質を塗布することによって形成することができる。
ガス捕集物質としては前述と同様のものが使用でき、ガスフィルターのフィルター部材２３０は、不織布の間にガス捕集物質がサンドイッチ状に具備されることが好ましい。
フィルター部材２３０は、多角形パイプ又は円形パイプの形態をなすフィルターフレームの外周面に装着されることが好ましい。図６の実施例において、フィルターフレームは四角形パイプの外周面をなし、中空糸膜の長さ方向の両端部に配置される一対のメインフレーム部２３５と一対のメインメインフレーム部２３５との間を連結する複数の連結フレーム部２３２を含むことができる。
一対のメインフレーム部２３５の対向する内側には、フィルター固定溝２３６が形成されており、フィルター部材２３０の一側端が挿着して固定され得る。
また、メインフレーム部２３５の外周部には、シーリング部材２３８が着座することが好ましい。シーリング部材２３８は、ゴムのような弾性素材からなり、メインフレーム部２３５とミドルケース１１０の内側面との間に圧着され、その間に空隙が生じないように密封することができる。
このように、不織布にガス捕集物質を塗布することによって形成されたフィルター部材２３０が、フレームを取り囲むように装着されることによって、フィルター部材２３０の形態を一定に保持することができ、ガスフィルターのフィルター部材２３０をミドルケース１１０の内周面に容易に装着したり又はそれから分離することができる。
図７は、本発明の第４実施例による膜加湿器を示す断面図であり、図８は、膜加湿器のカートリッジの内部又は外部にガスフィルターが装着される構造を示す概略図である。
第４実施例の膜加湿器において、ガスフィルターのフィルター部材２４０は、複数の第１カートリッジ１５０のそれぞれの内周面又は外周面に、複数の中空糸膜１６０を取り囲むように装着され得る。
図７及び図８の（ａ）には、フィルター部材２４０が第１カートリッジ１５０の内周面に装着されているものが示されている。フィルター部材２４０は、カートリッジ１５０の内周面の形態に対応する形態を有しなければならず、不織布にガス捕集物質を塗布することによって形成することができる。
第１カートリッジ１５０は、両端部が開口されたパイプ状であり、少なくとも２ケ所の側面にメッシュ部１５２が形成され、第２流体がいずれか一方のメッシュ部１５２から流入して他方のメッシュ部１５２から流出される。
フィルター部材２４０を第１カートリッジ１５０の内周面に挟めて装着し、その内部に複数の中空糸膜１６０を配列した後、前記中空糸膜１６０及びフィルター部材２４０と第１カートリッジ１５０を一緒にポッティングすることによって、一つのモジュールを製作することができる。この際、フィルター部材２４０は、全てのメッシュ部１５２を塞ぐように装着されることによって、前記第２流体が前記第１カートリッジ１５０内に流入したりそこから流出されるとき、前記フィルター部材２４０を必ず通過するようにすることができる。
図８の（ｂ）に示す本発明の第４実施例によれば、フィルター部材２４２が第１カートリッジ１５０の外周面に装着されている。この場合、複数個のフィルター部材２４２は、前記第１カートリッジ１５０の複数のメッシュ部１５２をそれぞれ外側から塞ぐように装着され得る。
前記フィルター部材２４２は、第１カートリッジ１５０の外周面の少なくとも一部の形態に対応する形態を有しなければならず、不織布にガス捕集物質を塗布することによって形成することができる。
図示してはいないが、前記第１カートリッジ１５０は、各メッシュ部１５２の周囲にフィルター部材２４２を装着するための複数の突出リブを備えることができる。
第１カートリッジ１５０の外周面にフィルター部材２４２を装着し、その内部に複数の中空糸膜１６０を配列した後、中空糸膜１６０及び第１カートリッジ１５０とフィルター部材２４２を一緒にポッティングすることによって、一つのモジュールを製作することができる。
第３実施例及び第４実施例において、ガス捕集物質は、前の実施例で説明したガス捕集物質が用いられてよい。
図９は、本発明の第５実施例による膜加湿器を示す断面図であり、図１０は、膜加湿器のミドルケースとキャップケースとの間に装着されるガスフィルターの構造を示す概略図である。
第５実施例の膜加湿器において、ガスフィルターのフィルター部材２５０は、ハウジング部の内部に装着されるが、前記第１流体流入口１２１から流入する第１流体が、前記第１カートリッジ１５０の中空糸膜１６０の中空内に流入する前に前記ガスフィルターのフィルター部材２５０を通過するように装着される。
前述したように、ハウジング部はミドルケース１１０と一対のキャップケース１２０とが結合する構造を有し得るところ、前記ガスフィルターのフィルター部材２５０は、前記第１流体流入口１２１を有するキャップケース１２０の内部、又は前記ミドルケース１１０と前記第１流体流入口１２１を有するキャップケース１２０との間に着脱可能に装着され得る。
例えば、フィルター部材２５０を第１流体流入口１２１が形成されたキャップケース１２０の内部に装着した後、第１カートリッジ１５０が内部に装着されたミドルケース１１０を前記キャップケース１２０と結合させることができる。
図９では、第１流体流入口１２１が形成されたキャップケース１２０側にのみフィルター部材２５０が装着されているが、第１流体流出口１２２が形成されたキャップケース１２０側にも同様にフィルター部材２５０が装着されてもよい。そうすると、フィルター部材２５０は、膜加湿器１００に流入する第１流体から有害ガスを捕集し、膜加湿器１００を抜け出る第１流体から有害ガスを再度捕集することができる。
図１０に示すように、フィルター部材２５０は、不織布にガス捕集物質を塗布して作られたフィルター部と、フィルター部を取り囲むように結合したフレーム部２５５とを含むことができる。
フレーム部２５５は、ハウジング部の断面形状に対応して全体的に多角形又は円形の形態を有することができる。
図１０の一部拡大断面図に示すように、フレーム部２５５は、フィルター部材２５０の縁部が挿入されるフィルター固定溝２５６をその内周面に有することができる。
また、前記フィルター部材２５０は、フレーム部２５５の端部、特に第１流体流入口１２１を有するキャップケース１２０と結合する端部に設けられるシーリング部材２５８をさらに含むことが好ましい。シーリング部材２５８は、ゴムのような弾性材料からなり、フィルター部材２５０をキャップケース１２０の内側に装着する際に圧着され、フィルター部材２５０とキャップケース１２０間の空隙によるガス漏れを防止することができる。
以下、前述した実施例による膜加湿器を製作してガスフィルターの性能を実験した結果を説明する。
まず、各実施例において、ガスフィルターは、厚さ１００μｍのＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）不織布にＰＦＳＡをコーティングした後、ゼオライト及びニオビウム粒子を塗布後に再び１００μｍのＰＥＴ不織布を融着し、フィルム状のフィルター部材を製作した。
このように製作したフィルター部材を、各実施例の形態に合わせて切って用いた。
４個のカートリッジから構成された膜加湿器において、１個のカートリッジに１０ｍｍ×３００ｍｍに裁断した２５０個のフィルター部材をポッティングし、余り３個のカートリッジには加湿用中空糸膜を入れてポッティングし、これを用いて膜加湿器を製作した。次に、膜加湿器に１０ｐｐｍのＮＨ３、１０ｐｐｍのＮＯ３、及び１０ｐｐｍのＳＯ２ガスをそれぞれ含む３種類の各乾燥空気を第２流体流入口１１２から入れ、第２流体流出口１１３から出てくるガスを捕集して有害ガスの濃度を測定し、ガスフィルターの効果を確認した。
表１に示すように、第１実施例によるガスフィルターのガス捕集性能は、有害ガスの種類によってそれぞれ６４％、３８％、４２％を示した。ガス捕集性能は、ＮＨ３の場合に最も優れていることが分かった。
また、加湿性能を評価するために、乾燥空気（流量：３５００ｓＬＰＭ、温度：８０℃、相対湿度：５～１０％ＲＨ、絶対圧力：１．８ｂａｒ)と湿潤空気（流量：３５００ｓＬＰＭ、温度：８０℃、相対湿度：８０％ＲＨ、絶対圧力：１．６ｂａｒ)を膜加湿器にそれぞれ供給して加湿を行った結果、膜加湿器から排出される加湿した空気の露点は５４℃であった。
３個のカートリッジから構成された膜加湿器において、各カートリッジに１０ｍｍ×３００ｍｍに裁断した８０個のフィルター部材を複数の中空糸膜と共に入れてポッティングし、膜加湿器を製作した。次に、前述した第１実施例と同じ方法でガスフィルターの効果を確認した。
表２に示すように、第２実施例によるガスフィルターのガス捕集性能は、有害ガスの種類によってそれぞれ７２％、５９％、６３％を示した。ガス捕集性能は、ＮＨ３の場合に最も優れていることが分かった。
また、前述した第１実施例と同じ方法で加湿性能を評価した結果、膜加湿器から排出される加湿した空気の露点は５６℃であった。
３個のカートリッジから構成された膜加湿器において、ハウジング部と３個のカートリッジとの間に１２０ｍｍ×４６０ｍｍに裁断したフィルター部材を装着し、膜加湿器を製作した。次に、前述した第１実施例と同じ方法でガスフィルターの効果を確認した。
図３に示すように、第３実施例によるガスフィルターのガス捕集性能は、有害ガスの種類によってそれぞれ９１％、８９％、８７％を示した。ガス捕集性能は、ＮＨ３の場合に最も優れていることが分かった。第３実施例におけるガス捕集性能は、第１実施例及び第２実施例に比べて極めて優れているが、これは、第１実施例及び第２実施例の場合、流入する乾燥空気の一部がガスフィルターを通過するのに対し、第３実施例の場合には、すべての乾燥空気がガスフィルターを通過するように構成されているからである。
前述した第１実施例と同じ方法で加湿性能を評価した結果、膜加湿器から排出される加湿した空気の露点は５５℃であった。
３個のカートリッジから構成された膜加湿器において、各カートリッジの内周面に２８０ｍｍ×２２０ｍｍに裁断したフィルター部材をそれぞれ装着し、中空糸膜束と共にポッティングし、膜加湿器を製作した。次に、前述した第１実施例と同じ方法でガスフィルターの効果を確認した。
表４に示すように、第４実施例によるガスフィルターのガス捕集性能は、有害ガスの種類によってそれぞれ９４％、９３％、９４％を示した。ガス捕集性能は、ＮＨ３とＳＯ２の場合に最も優れていることが分かった。第４実施例におけるガス捕集性能は、第１実施例及び第２実施例に比べて極めて優れているが、これは、第１実施例及び第２実施例の場合、流入する乾燥空気の一部がガスフィルターを通過するのに対し、第４実施例の場合には、すべての乾燥空気がガスフィルターを通過するように構成されているからである。
前述した第１実施例と同じ方法で加湿性能を評価した結果、膜加湿器から排出される加湿した空気の露点は５６℃であった。
３個のカートリッジから構成された膜加湿器において、キャップケースとミドルケースとの間に１７０ｍｍ×１７０ｍｍに裁断したフィルター部材を装着し、膜加湿器を製作した。次に、膜加湿器に１０ｐｐｍのＮＨ３、１０ｐｐｍのＮＯ３、及び１０ｐｐｍのＳＯ２ガスをそれぞれ含む３種類の各乾燥空気を第１流体流入口１２１から入れ、第１流体流出口１２２から出てくるガスを捕集して有害ガスの濃度を測定し、ガスフィルターの効果を確認した。
表５に示すように、第５実施例によるガスフィルターのガス捕集性能は、有害ガスの種類によってそれぞれ９５％、９６％、９６％を示した。ガス捕集性能は、ＮＯ３及びＳＯ２の場合に最も優れていることが分かった。第５実施例のガス捕集性能は、第１実施例及び第２実施例に比べて極めて優れているが、これは、第１実施例及び第２実施例の場合、流入する乾燥空気の一部がガスフィルターを通過するのに対し、第５実施例の場合には、すべての乾燥空気がガスフィルターを通過するように構成されているからである。
前述した第１実施例と同じ方法で加湿性能を評価した結果、膜加湿器から排出される加湿した空気の露点は５７℃であった。
第１実施例～第５実施例において、膜加湿器から排出される加湿した空気の露点は５４～５７℃を示したが、このことから、各実施例における加湿性能はほぼ類似していることが分かった。
本発明の燃料電池用膜加湿器によれば、加湿性能はそのまま維持しながら、乾燥空気に含まれた有害ガスの相当部分を捕集してフィルタリングできるガスフィルターを、膜加湿器に一体に含むことができる。
Claims (11)
- 第１流体が流入する第１流体流入口、第１流体が流出する第１流体流出口、第２流体が流入する第２流体流入口、及び第２流体が流出する第２流体流出口を含むハウジング部（前記第１流体流入口を介して流入する前記第１流体の湿度は、前記第２流体流入口を介して流入する前記第２流体の湿度と異なる）；
前記ハウジング部の内部に設けられ、複数の中空糸膜を収容した少なくとも一つの第１カートリッジ；及び
前記第１及び第２流体のうち少なくとも一つに含まれた有害ガスを捕集可能に構成されており、前記中空糸膜と異なる形態を有する第１ガスフィルター（前記有害ガスは窒素酸化物（ＮＯＸ）、硫黄酸化物（ＳＯＸ）、アンモニア（ＮＨ３）、又はこれらのうち２つ以上の混合物を含む）を含み、
前記ハウジング部は、前記第１カートリッジが装着され、前記第２流体流入口及び第２流体流出口が形成されたミドルケースと、該ミドルケースの両側にそれぞれ結合し、前記第１流体流入口及び第１流体流出口をそれぞれ有する一対のキャップケースとを含み、
前記第１ガスフィルターは、前記第１流体流入口を有するキャップケースと前記ミドルケースとの間に着脱可能に装着され、前記第１流体流入口を介して流入する前記第１流体が前記中空糸膜の中空内に流入する前に前記第１ガスフィルターを通過するように装着されていることを特徴とする、燃料電池用膜加湿器。 - 前記ハウジング部の内部に設置された少なくとも一つの第２カートリッジをさらに含み、
前記第２カートリッジは、第２ガスフィルターのみで充填されてい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。 - 更に第２ガスフィルターが、前記第１カートリッジの内部に前記中空糸膜と一緒に配列されてい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。
- 前記第２ガスフィルターは、不織布、及び該不織布に塗布されたガス捕集物質を含むことを特徴とする、請求項２又は３に記載の燃料電池用膜加湿器。
- 前記第２ガスフィルターは、原糸、及び該原糸に塗布されたガス捕集物質を含むことを特徴とする、請求項２又は３に記載の燃料電池用膜加湿器。
- 前記燃料電池用膜加湿器は、複数の前記第１カートリッジを含み、前記燃料電池用膜加湿器は更に、前記ハウジング部の内部で複数の前記第１カートリッジを全て取り囲むように装着されている第２ガスフィルター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膜加湿器。
- 前記第１カートリッジの内周面又は外周面に、前記複数の中空糸膜を取り囲むように装着される第２ガスフィルターを更に有す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。
- 前記第２ガスフィルターは、不織布、及び該不織布に塗布されたガス捕集物質を含むことを特徴とする、請求項６又は７に記載の燃料電池用膜加湿器。
- 前記ガス捕集物質は、バイオ炭（ｂｉｏｃｈａｒ）、チャコール（ｃｈａｒｃｏａｌ）、活性炭（ａｃｔｉｖｅ ｃａｒｂｏｎ）、酸性ポリマー（ａｃｉｄｉｃ ｐｏｌｙｍｅｒ）、ゼオライト（ｚｅｏｌｉｔｅ）、白金、硫酸銅－硫酸チタン混合物、ニオビウム（Ｎｂ)、炭酸水素ナトリウム及びこれらのうち２つ以上の混合物よりなる群から選択されるいずれかであることを特徴とする、請求項４，５又は８に記載の燃料電池用膜加湿器。
- 前記ガス捕集物質は酸性ポリマーを含み、該酸性ポリマーは、ポリ（ペルフルオロスルホン酸)（ＰＦＳＡ）、スルホン化されたポリエーテルスルホン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｓｕｌｆｏｎｅ，Ｓ－ＰＥＳ）、スルホン化されたポリアリールエーテルスルホン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙａｒｙｌｅｔｈｅｒｓｕｌｆｏｎｅ，Ｓ－ＰＡＥＳ）、スルホン化されたポリスチレン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ，Ｓ－ＰＳ）、スルホン化されたポリエーテルケトン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｋｅｔｏｎｅ，Ｓ－ＰＥＫ）、スルホン化されたポリエーテルエーテルケトン（ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｅｔｈｅｒｋｅｔｏｎｅ，Ｓ－ＰＥＥＫ）及びこれらのうち２つ以上の混合物よりなる群から選択されるいずれかであることを特徴とする、請求項４，５又は８に記載の燃料電池用膜加湿器。
- 前記第１ガスフィルターは、フィルター部、及び該フィルター部を取り囲むように結合したフレーム部を含み、
前記フィルター部は、不織布、及び該不織布に塗布されたガス捕集物質を含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用膜加湿器。
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