JP7587697B2 - 燃料電池膜加湿器 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池膜加湿器に関し、より具体的には、加湿モジュール内における流動時間を増加させて加湿効率を向上させることができる燃料電池膜加湿器に関する。

燃料電池とは、水素と酸素と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一般の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、熱損失がないため、内燃機関よりも効率が２倍ほど高いという利点がある。

また、水素と酸素と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ため、公害物質の排出が少ない。従って、燃料電池は環境に優しいだけでなく、エネルギー消費の増加による資源の枯渇に対する心配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、使用される電解質の種類に応じて大きく、高分子電解質型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＰＥＭＦＣ）、リン酸形燃料電池（Ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃ Ａｃｉｄ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＭＣＦＣ）、固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＳＯＦＣ）、およびアルカリ形燃料電池（Ａｌｋａｌｉｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＡＦＣ）などに分類することができる。

これらの各々の燃料電池は基本的に同じ原理で動作するが、使用される燃料の種類、運転温度、触媒、電解質などが互いに異なる。この中で、高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は他の燃料電池に比べて低温で動作する点、及び出力密度が大きく小型化が可能であるため、小規模の据え置き型発電装備だけでなく、輸送システムでも最も有望であることが知られている。

高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）の性能を向上させるにあたって最も重要な要因の一つは、膜－電極接合体（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することによっ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）燃料電池の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、および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空気に提供することによって、高分子電解質膜を加湿する膜加湿方式が、膜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。

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、単位体積当たりの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、接触表面積が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の加湿が十分に行え、低価格素材の使用が可能であり、燃料電池から高温に排出される排ガス（ｏｆｆ－ｇａｓ）に含まれた水分と熱を回収し、膜加湿器を介して再使用できるという利点を有する。

図１は、従来技術による燃料電池膜加湿器を示す分解斜視図であり、図２は、従来技術による燃料電池膜加湿器を示す断面図である。

図１及び図２に示すように、従来技術の燃料電池膜加湿器１０は、外部から供給される空気と燃料電池スタック（図示せず）から排出される排ガスとの間の水分交換が生じる加湿モジュール１１ａ、及び加湿モジュール１１ａの両端に結合されたキャップ１２を含む。

キャップのうちの一つは外部から供給される空気を加湿モジュール１１ａに供給し、もう一つは加湿モジュール１１ａにより加湿された空気を燃料電池スタックに供給する。

加湿モジュール１１ａは、排ガス流入口（ｏｆｆ－ｇａｓ ｉｎｌｅｔ）１１ａａと排ガス排出口（ｏｆｆ－ｇａｓ ｏｕｔｌｅｔ）１１ａｂを有するミッドケース（ｍｉｄ－ｃａｓｅ）１１ａ及びミッドケース１１ａ内に配置された少なくとも一つのカートリッジ１３を含む。図では一つのカートリッジが例示されている。カートリッジ１３はインナーケース１３ａを備え、インナーケース１３ａの内部には多数の中空糸膜１３ｂと中空糸膜１３ｂ束の両末端を固定するポッティング部１３ｃが形成される。ポッティング部１３ｃは、一般にキャスティング（ｃａｓｔｉｎｇ）方式を通じて液状ポリウレタン樹脂のような液状ポリマーを硬化させることによって形成される。

カートリッジ１３とミッドケース１１ａとの間には樹脂層１１ｃが形成され、樹脂層１１ｃはカートリッジ１３をミッドケース１１ａに固定し、キャップ１２の内部空間とミッドケース１１ａの内部空間を遮断する。

ミッドケース１１ａの内部空間は、隔壁（ｐａｒｔｉｔｉｏｎｓ）１１ｃにより第１空間Ｓ１と第２空間Ｓ２とに区画される。インナーケース１３ａは、第１空間Ｓ１との流体連通のためにメッシュ状に配列された第１メッシュホールＭＨ１、及び第２空間Ｓ２との流体連通のためにメッシュ状に配列された第２メッシュホールＭＨ２を備える。

排ガス流入口１１ａａを介してミッドケース１１ａの第１空間Ｓ１に流入した排ガスは、第１メッシュホールＭＨ１を介してインナーケース１３ａ内に流れ込んで中空糸膜１３ｂの外表面と接触する。次いで、水分を奪われた排ガスは第２メッシュホールＭＨ２を介して第２空間Ｓ２に抜けた後、排ガス排出口１１ａｂを介してミッドケース１１ａから排出される。

本発明は、加湿モジュール内における流動時間を増加させて加湿効率を向上させることができる燃料電池膜加湿器を提供することを目的とする。

本発明の実施形態にかかる燃料電池膜加湿器は、
ミッドケースと、燃料電池スタックから排出された排ガスが流入し、前記ミッドケースの一面に対して既設定された角度に傾斜した方向に形成された排ガス流入口と、前記ミッドケース内に配置され、内部に複数の中空糸膜を収容するインナーケースと、前記中空糸膜の末端を固定するポッティング部を含む少なくとも一つのカートリッジと、を含む。

本発明の実施形態にかかる燃料電池膜加湿器において、前記排ガスが前記ポッティング部の方に流入するように前記排ガス流入口の下端部が前記ポッティング部の方向に傾斜するように形成され得る。

本発明の実施形態にかかる燃料電池膜加湿器において、前記インナーケースは、前記排ガスが流入する第１メッシュホールと、前記第１メッシュホールを介して流入した排ガスが水分交換した後に外部に排出される第２メッシュホールとを含み、前記第１メッシュホールと前記第２メッシュホールは非対称の形状に形成され得る。

本発明の実施形態にかかる燃料電池膜加湿器において、前記第１メッシュホール側のメッシュホールウィンドウの総面積が前記第２メッシュホール側のメッシュホールウィンドウの総面積より大きく形成され得る。

本発明の実施形態にかかる燃料電池膜加湿器において、前記第１メッシュホールと前記第２メッシュホールのメッシュホールウィンドウの大きさが同一である場合、前記第１メッシュホールをなすメッシュホールウィンドウの個数が前記第２メッシュホールをなすメッシュホールウィンドウの個数より多く形成され得る。

本発明の実施形態にかかる燃料電池膜加湿器において、前記第１メッシュホールと前記第２メッシュホールのメッシュホールウィンドウの個数が同一である場合、前記第１メッシュホールをなす個々のメッシュホールウィンドウの面積が前記第２メッシュホールをなす個々のメッシュホールウィンドウの面積より大きく形成され得る。

その他の本発明の多様な側面による実現例の具体的な事項は、以下の詳細な説明に含まれている。

本発明の実施形態にかかると、加湿モジュール内における流動期間を増加させて加湿効率を向上させることができる。

従来技術による燃料電池膜加湿器を示す分解斜視図である。 従来技術による燃料電池膜加湿器を示す断面図である。 本発明の一実施形態にかかる燃料電池膜加湿器を示す分解斜視図である。 本発明の一実施形態にかかる燃料電池膜加湿器を示す断面図である。 本発明の実施形態にかかるカートリッジを含む燃料電池膜加湿器を示す断面図である。 本発明の実施形態にかかるカートリッジを示す平面図である。

本発明は、多様な変換を加えることができ、様々な実施形態を有することができるので、特定の実施形態を例示して詳細な説明に詳しく説明しようとする。しかし、これは、本発明を特定の実施形態に対して限定しようとするものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変換、均等物乃至代替物を含むものと理解されなければならない。

本発明で使用した用語は単に特定の実施形態を説明するために使用されたものであって、本発明を限定しようとする意図ではない。単数の表現は、文脈上明白に異なる意味ではない限り、複数の表現を含む。本発明において、「含む」又は「有する」などの用語は、明細書上に記載された特徴、数字、ステップ、動作、構成要素、部品又はこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであり、一つ又はそれ以上の他の特徴や数字、ステップ、動作、構成要素、部品又はこれらを組み合わせたものの存在又は付加可能性を予め排除しないものと理解されなければならない。以下、図面を参照して、本発明の実施形態にかかる燃料電池膜加湿器を説明する。

図３は、本発明の一実施形態にかかる燃料電池膜加湿器を示す分解斜視図であり、図４は、本発明の一実施形態にかかる燃料電池膜加湿器を示す断面図である。

図３及び図４に示すように、本発明の一実施形態にかかる燃料電池膜加湿器１００は、加湿モジュール１１０及びキャップ１２０を含む。

加湿モジュール１１０は外部から供給される空気と燃料電池スタック（図示せず）から排出される排ガスとの間の水分交換を行う。キャップ１２０は加湿モジュール１１０の両端に結合される。キャップ１２０のうちの一つは外部から供給される空気を加湿モジュール１１０に供給し、もう一つは加湿モジュール１１０により加湿された空気を燃料電池スタックに供給する。

加湿モジュール１１０は、排ガス流入口１１２と排ガス排出口１１３を有するミッドケース１１１、及びミッドケース１１１内に配置された少なくとも一つのカートリッジ１３０を含む。このとき、排ガス流入口１１２は、加湿モジュール１１０内における排ガスの流動時間を増加させて加湿効率を向上させることができるように、既設定された角度に傾斜した方向に形成される。これについては後述する。

ミッドケース１１１とキャップ１２０は、各々独立して硬質プラスチックや金属に形成されることができ、円形又は多角形の幅方向断面を有することができる。円形は楕円形を含み、多角形は丸い角（ｒｏｕｎｄｅｄ ｃｏｒｎｅｒ）を有する多角形を含む。例えば、硬質プラスチックは、ポリカーボネート、ポリアミド（ＰＡ）、ポリフタルアミド（ＰＰＡ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等であり得る。ミッドケース１１１の内部空間は、隔壁（ｐａｒｔｉｔｉｏｎｓ）１１４により第１空間Ｓ１と第２空間Ｓ２とに区画できる。

カートリッジ１３０は、多数の中空糸膜１３２及びこれらを互いに固定させるポッティング部１３３を含むことができる。中空糸膜１３２の末端はポッティング部１３３に固定されることができる。

また、カートリッジ１３０はインナーケース１３１をさらに含むことができる。インナーケース１３１は各末端に開口（ｏｐｅｎｉｎｇ）を有し、中空糸膜１３２がその中に入っている。中空糸膜１３２の端部がポッティングされているポッティング部１３３は、インナーケース１３１の開口を閉鎖させる。

インナーケース１３１は、第１空間Ｓ１との流体連通のためにメッシュ状に配列された第１メッシュホールＭＨ１、及び第２空間Ｓ２との流体連通のためにメッシュ状に配列された第２メッシュホールＭＨ２を備える。

排ガス流入口１１２を介してミッドケース１１１の第１空間Ｓ１に流入した排ガスは、第１メッシュホールＭＨ１を介してインナーケース１３１内に流れ込んで中空糸膜１３２の外表面と接触する。次いで、水分を奪われた排ガスは第２メッシュホールＭＨ２を介して第２空間Ｓ２に抜けた後、排ガス排出口１１３を介してミッドケース１１１から排出される。このようなインナーケース１３１を含むカートリッジ１３０は、ミッドケース１１１に容易に組み立てられるだけでなく、容易に入れ替えることができるという利点を有する。

中空糸膜１３２は、ポリスルホン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、スルホン化ポリスルホン樹脂、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）樹脂、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリエステルイミド樹脂、又はこれらのうち少なくとも２以上の混合物で形成された高分子膜を含むことができ、ポッティング部１３３はディープポッティング、遠心ポッティングなどのキャスティング方式を通じて液状ポリウレタン樹脂のような液状樹脂を硬化させることによって形成されることができる。

カートリッジ１３０とミッドケース１１１との間には樹脂層１１５が形成され、樹脂層１１５はカートリッジ１３０をミッドケース１１１に固定し、キャップ１２０の内部空間とミッドケース１１１の内部空間を遮断する。設計によって、樹脂層１１５は加湿モジュール１１０の各末端に機械的組立を通じて気密に結合されるガスケット組立体に代替され得る。

再度図３及び図４を参照すると、排ガス流入口１１２はミッドケース１１１の一面に対して既設定された角度に傾斜した方向に形成される。

より具体的に、排ガス流入口１１２は、排ガスがポッティング部１３３の方に流入するように排ガス流入口１１２の下端部がポッティング部１３３の方向に傾斜するように形成される。

排ガス流入口１１２がポッティング部１３３の方向に傾斜するように形成されることによって、排ガスはポッティング部１３３の方向に傾斜を形成しながら、第１メッシュホールＭＨ１を介してインナーケース１３１に流入するので、ポッティング部１３３で方向転換されて流動し、インナーケース１３１内における流動時間を増加させることができることになり、全体的に加湿効率を向上させることができることになる。

一方、排ガス排出口１１３は必ずしも傾斜した方向に形成される必要はないが、デザインの統一のために、排ガス流入口１１２と対称となるように形成され得る。

次に、図５及び図６を参照して、本発明の一実施形態にかかる燃料電池膜加湿器に使用できるカートリッジについて説明する。図５は、本発明の実施形態にかかるカートリッジを含む燃料電池膜加湿器を示す断面図であり、図６は、本発明の実施形態にかかるカートリッジを示す平面図である。

図５を参照すると、本発明の別の実施形態にかかる燃料電池膜加湿器の内部には非対称のメッシュホールを備えたカートリッジを含むことができる。ここで、非対称のメッシュホールは、インナーケース１３１の左右両側に形成されたメッシュホールＭＨ１、ＭＨ２をなすメッシュホールウィンドウＷの総面積が異なって形成されたことを意味する。メッシュホールウィンドウＷは、排ガスが流入されて排出される開口である。

排ガス流入口１１２側に形成される第１メッシュホールＭＨ１側のメッシュホールウィンドウＷの総面積を大きくして、インナーケース１３１の内部への排ガスの流入を円滑にし、排ガス排出口１１３側に形成される第２メッシュホールＭＨ２側のメッシュホールウィンドウＷの総面積を小さくして、インナーケース１３１内における排ガスの流動を促進させることができる。

また、メッシュホールウィンドウＷを非対称形状に形成することによって、対称形状の場合よりも、第１メッシュホールＭＨ１と第２メッシュホールＭＨ２との距離が増加することになり、これによって、インナーケース１３１内における排ガスの流動距離を増加させることができることになる。（図６符号Ｌ１、Ｌ２の比較参照）排ガスの流動距離が増加することによって、排ガスが中空糸膜１３２の表面と接触する時間を増加させることができることになり、全体的に加湿効率を向上させることができることになる。

両側のメッシュホール部のメッシュホールウィンドウＷの大きさが同一である場合、メッシュホールウィンドウＷの総面積は、第１メッシュホールＭＨ１をなすメッシュホールの個数が第２メッシュホールＭＨ２をなすメッシュホールの個数より多くすることができる。

また、両側のメッシュホール部のメッシュホールウィンドウＷの個数が同一である場合、メッシュホールウィンドウＷの総面積は、第１メッシュホールＭＨ１をなす個々のメッシュホールの面積が第２メッシュホールＭＨ２をなす個々のメッシュホールの面積より大きくすることができる。

このように、第１メッシュホールＭＨ１と第２メッシュホールＭＨ２を非対称に形成し、インナーケース１３１内における排ガスの流動促進と排ガスの流動距離の増加による加湿効率の向上を図ることができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、当該技術分野において通常の知識を有する者であれば、特許請求範囲に記載された本発明の思想から外れない範囲内で、構成要素の付加、変更、削除又は追加などにより本発明を多様に修正及び変更させることができ、これもまた本発明の権利範囲内に含まれるといえる。

１００：燃料電池膜加湿器
１１０：加湿モジュール １１１：ミッドケース
１１２：排ガス流入口 １１３：排ガス排出口
１１４：隔壁
１１５：樹脂層
１３０：カートリッジ
１３１：インナーケース
１３２：中空糸膜
１３３：ポッティング部
ＭＨ１：第１メッシュホール
ＭＨ２：第２メッシュホール

Claims (4)

1. ミッドケースと、
   燃料電池スタックから排出された排ガスが流入し、前記ミッドケースの一面に対して既設定された角度に傾斜した方向に形成された排ガス流入口と、
   前記ミッドケース内に配置され、内部に複数の中空糸膜を収容するインナーケースと、前記中空糸膜の末端を固定するポッティング部とを含む少なくとも一つのカートリッジと、
   を含み、
   前記インナーケースは、前記排ガスが流入する第１メッシュホールと、前記第１メッシュホールを介して流入した排ガスが水分交換した後に外部に排出される第２メッシュホールとを含み、
   前記第１メッシュホールと前記第２メッシュホールは非対称の形状に形成され、
   前記第１メッシュホール側のメッシュホールウィンドウの総面積が前記第２メッシュホール側のメッシュホールウィンドウの総面積より大きく形成される、
   燃料電池膜加湿器。
2. 前記排ガスが前記ポッティング部の方に流入するように前記排ガス流入口の下端部が前記ポッティング部の方向に傾斜するように形成される、請求項１に記載の燃料電池膜加湿器。
3. 前記第１メッシュホールと前記第２メッシュホールのメッシュホールウィンドウの大きさが同一である場合、前記第１メッシュホールをなすメッシュホールウィンドウの個数が前記第２メッシュホールをなすメッシュホールウィンドウの個数より多く形成される、請求項１に記載の燃料電池膜加湿器。
4. 前記第１メッシュホールと前記第２メッシュホールのメッシュホールウィンドウの個数が同一である場合、前記第１メッシュホールをなす個々のメッシュホールウィンドウの面積が前記第２メッシュホールをなす個々のメッシュホールウィンドウの面積より大きく形成される、請求項１に記載の燃料電池膜加湿器。

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