(57)【要約】【課題】水蒸気透過膜に生じる形状変化を抑制することができる燃料電池用加湿装置を提供する。【解決手段】燃料電池に供給されて電気化学反応に供される反応ガスを加湿するための燃料電池用加湿装置であって、加湿ガスと被加湿ガスとの間に配置される水蒸気透過膜９１と、水蒸気透過膜９１に埋没するように形成されたネット状をなす形状保持用の補強材９２とを有する。補強材９２で水蒸気透過膜９１の強度を向上させ、その形状変化を抑制する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に供給されて電気化学反応に供される反応ガスを加湿するための燃料電池用加湿装置であって、
加湿ガスと被加湿ガスとの間に配置される水蒸気透過膜と、該水蒸気透過膜に埋没するように形成されたネット状をなす形状保持用の補強材と、を有する燃料電池用加湿装置。
【請求項２】
燃料電池に供給されて電気化学反応に供される反応ガスを加湿するための燃料電池用加湿装置であって、
加湿ガスと被加湿ガスとの間に配置される水蒸気透過膜と、該水蒸気透過膜に埋没された形状保持用の補強材と、を有し、
前記補強材は、互いに異なる方向に延びる複数の糸状体が直接あるいは他の前記糸状体を介して連結されてなる燃料電池用加湿装置。
【請求項３】
前記水蒸気透過膜が非孔質膜である請求項１又は２に記載の燃料電池用加湿装置。
【請求項４】
前記補強材の空隙率が５０％〜９０％である請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池用加湿装置。
【請求項５】
前記水蒸気透過膜が中空円筒状をなす請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池用加湿装置。
【請求項６】
前記水蒸気透過膜の外径をＤ１、内径をＤ２とし、前記補強材の外径をｄ１、内径をｄ２とした際に、
ｄ１＝（０．６〜０．８）×（Ｄ１−Ｄ２）＋Ｄ２であり、
ｄ２＝（０．２〜０．４）×（Ｄ１−Ｄ２）＋Ｄ２である請求項５に記載の燃料電池用加湿装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に供給されて電気化学反応に供される反応ガスを加湿するための燃料電池用加湿装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスと酸化ガス（以下、これらを反応ガスという。）との電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とした燃料電池システムにおいては、燃料電池の発電部に供給される反応ガスを加湿するために、加湿装置が設けられる場合がある。このような加湿装置に用いることが可能な水蒸気透過膜として、スパイラルワイヤを骨材に有機多孔質層が形成されて構成された複合中空糸膜がある（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−３２０８３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記したスパイラルワイヤは、物理的洗浄に対する耐久性を向上させるものであるが、その構造上、スプリングのように水蒸気透過膜の延在方向に沿って伸縮可能であることから、上記の燃料電池用加湿装置のように高温から氷点下までの広い温度領域で用いる際には、水蒸気透過膜に形状変化を生じる虞がある。
【０００４】
そこで、本発明は、水蒸気透過膜に生じる形状変化を抑制することができる燃料電池用加湿装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明は、燃料電池に供給されて電気化学反応に供される反応ガスを加湿するための燃料電池用加湿装置であって、加湿ガスと被加湿ガスとの間に配置される水蒸気透過膜と、該水蒸気透過膜に埋没するように形成されたネット状をなす形状保持用の補強材とを有している。
【０００６】
この構成によれば、補強材の面方向に沿う伸縮が抑制されるので、水蒸気透過膜の強度を向上することができ、その形状変化を抑制することができる。また、ネット状の補強材が水蒸気透過膜に埋没するように形成されているため、接着剤等を介在させることなく強固にこれらを接合することができ、また、これにより、水蒸気透過膜と補強材との境界部分に水分が溜まることも抑制することができる。
【０００７】
この場合、前記水蒸気透過膜が非孔質膜であっても良い。この構成によれば、低温時に水蒸気透過膜内で水が凍結することを防止することができるため、水蒸気透過膜の耐久性を向上できる。
【０００８】
また、前記補強材の空隙率が５０％〜９０％（より好ましくは、７５±１０％）、言い換えれば、前記補強材の容積率が１０％〜５０％（より好ましくは、２５±１０％）であっても良い。この構成によれば、水蒸気透過膜に補強材を埋設することによる強度の向上と加湿性能の低下抑制とを両立させることができる。
【０００９】
さらに、前記水蒸気透過膜が中空円筒状をなした、いわゆる中空糸膜あるいは該中空糸膜の束（中空糸束）であっても良い。
【００１０】
この場合、前記水蒸気透過膜の外径をＤ１、内径をＤ２とし、前記補強材の外径をｄ１、内径をｄ２とした際に、ｄ１＝（０．６〜０．８）×（Ｄ１−Ｄ２）＋Ｄ２であり、ｄ２＝（０．２〜０．４）×（Ｄ１−Ｄ２）＋Ｄ２の関係を満たすように構成しても良い。
【００１１】
この構成によれば、補強材が水蒸気透過膜の表面（表裏面、内外面）から食み出ることなく埋設されると共に、加湿性能の低下抑制と強度向上との両立が可能となる。
【００１２】
本発明は、燃料電池に供給されて電気化学反応に供される反応ガスを加湿するための燃料電池用加湿装置であって、加湿ガスと被加湿ガスとの間に配置される水蒸気透過膜と、該水蒸気透過膜に埋没された形状保持用の補強材と、を有し、前記補強材は、互いに異なる方向に延びる複数の糸状体が直接あるいは他の前記糸状体を介して連結されてなる構成でもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、水蒸気透過膜に埋没するように形成されたネット状の補強材、あるいは、互いに異なる方向に延びる複数の糸状体が直接あるいは他の糸状体を介して連結されてなる補強材を用いることで、水蒸気透過膜の強度を向上させてその形状変化を抑制することができる。また、当該補強材が水蒸気透過膜に埋没するように形成されることで、接着剤等を介在させることなく強固にこれらを接合することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
まず、本発明に係る燃料電池用加湿装置の一実施形態が適用された燃料電池システムの全体構成を説明する。この燃料電池システムは燃料電池車両の車載発電システムであるが、車載用の燃料電池システム以外にも、船舶，航空機，電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体用の燃料電池システムや、例えば燃料電池が建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用の燃料電池システムへの適用も可能である。
【００１５】
図１に示すように、酸化ガス（反応ガス）としての空気は、空気供給路７１を介して燃料電池２０の空気供給口に供給される。空気供給路７１には、空気から微粒子を除去するエアフィルタＡ１、空気を加圧するコンプレッサＡ３、及び空気に所要の水分を加える加湿装置（燃料電池用加湿装置）Ａ２１が設けられている。コンプレッサＡ３は、モータによって駆動される。このモータは、制御部５０によって駆動制御される。
【００１６】
燃料電池２０から排出される空気オフガスは、排気路７２を経て外部に放出される。排気路７２には、加湿装置Ａ２１、及び圧力調整弁Ａ４が設けられている。圧力調整弁Ａ４は、燃料電池２０への供給空気圧を設定する調圧器として機能する。制御部５０は、コンプレッサＡ３のモータ回転数及び圧力調整弁Ａ４の開度面積を調整することによって、燃料電池２０への供給空気圧や供給空気流量を設定する。
【００１７】
燃料ガス（反応ガス）としての水素ガスは、水素供給源３０から燃料供給路７４を介して燃料電池２０の水素供給口に供給される。燃料供給路７４には、水素供給源３０から水素を供給しあるいは供給を停止する遮断弁Ｈ１００、燃料電池２０への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁Ｈ９、及び燃料電池２０の水素供給口と燃料供給路７４間を開閉する遮断弁Ｈ２１が設けられている。
【００１８】
燃料電池２０で消費されなかった水素ガスは、水素オフガスとして水素循環路７５に排出され、燃料供給路７４の水素調圧弁Ｈ９の下流側に戻される。水素循環路７５には、水素オフガスから水分を回収する気液分離器Ｈ４２、回収した生成水を水素循環路７５外の図示しないタンク等に回収する排水弁Ｈ４１、及び水素オフガスを加圧する水素ポンプＨ５０が設けられている。
【００１９】
遮断弁Ｈ２１は、燃料電池２０のアノード側を閉鎖する。水素ポンプＨ５０は、制御部５０によって動作が制御される。水素オフガスは、燃料供給路７４で水素ガスと合流し、燃料電池２０に供給されて再利用される。遮断弁Ｈ１００，Ｈ２１は、制御部５０からの信号で駆動される。
【００２０】
水素循環路７５は、排出制御弁Ｈ５１を介して、パージ流路７６によって排気路７２に接続されている。排出制御弁Ｈ５１は、電磁式の遮断弁であり、制御部５０からの指令によって作動することにより、水素オフガスを外部に排出（パージ）する。このパージ動作を間欠的に行うことによって、水素オフガスの循環が繰り返されて燃料極側の水素ガスの不純物濃度が増すことによるセル電圧の低下を防止することができる。
【００２１】
燃料電池２０の冷却水出入口には、冷却水を循環させる冷却路７３が設けられている。冷却路７３には、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）Ｃ２、及び冷却水を加圧して循環させるポンプＣ１が設けられている。ラジエータＣ２には、モータによって回転駆動される冷却ファンＣ１３が設けられている。
【００２２】
燃料電池２０は、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて電気化学反応により発電する単セルを所要数積層してなる燃料電池スタックとして構成されている。燃料電池２０が発生した電力は、図示しないパワーコントロールユニットに供給される。パワーコントロールユニットは、車両の駆動モータに電力を供給するインバータと、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種の補機類に電力を供給するインバータと、二次電池等の蓄電手段への充電や該蓄電手段からのモータ類への電力供給を行うＤＣ−ＤＣコンバータなどが備えられている。
【００２３】
制御部５０は、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システム１の各部のセンサ（圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等）から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。
【００２４】
本発明の一実施形態である上記した加湿装置Ａ２１は、燃料電池２０の発電部に供給される空気を加湿するもので、図２に示すように、三つのケース部材８１〜８３からなるケース８０と、ケース８０内に設けられる中空糸束９３と、を有している。
【００２５】
一端側のケース部材８１は、軸線方向一側に小径円筒部８１ａが設けられ、軸線方向他側にこの小径円筒部８１ａと同軸でこの小径円筒部８１ａよりも大径の大径円筒部８１ｂが設けられ、これらの相互近接側を連結部８１ｃで連結した段付き筒状をなしている。
【００２６】
他端側のケース部材８３も、軸線方向一側に小径円筒部８３ａが設けられ、軸線方向他側にこの小径円筒部８３ａと同軸でこの小径円筒部８３ａよりも大径の大径円筒部８３ｂが設けられ、これらの相互近接側を連結部８３ｃで連結した段付き筒状をなしている。
【００２７】
中間のケース部材８２は、円筒状の主円筒部８２ａと、この主円筒部８２ａの外周面からその半径方向に沿って突出する円筒状の口部８２ｂと、主円筒部８２ａの外周面からその半径方向に沿って突出する円筒状の口部８２ｃとを有している。口部８２ｂと口部８２ｃとは、主円筒部８２ａの円周方向の同位置において主円筒部８２ａの軸線方向における位置をずらして形成されている。
【００２８】
そして、ケース部材８２の主円筒部８２ａの軸線方向一側をケース部材８１の大径円筒部８１ｂの内径側に嵌合させるとともに、ケース部材８２の主円筒部８２ａの軸線方向他側をケース部材８３の大径円筒部８３ｂの内径側に嵌合させることで、これら三つのケース部材８１〜８３が一体化されてケース８０が構成される。
【００２９】
中空糸束９３は、加湿ガスと被加湿ガスとの間に配置される複合中空糸膜９０が複数本（例えば、１８００本）束ねられて全体として円柱状をなしており、軸線方向一端側の外周面が例えばエポキシ樹脂等のポッティング材１０１を介して中間のケース部材８２の軸線方向一端側の内周面に接合され、また、軸線方向他端側の外周面が例えばエポキシ樹脂等のポッティング材１０２を介して中間のケース部材８２の軸線方向他端側の内周面に接合されることにより、被加湿ガスと加湿ガスとのクロスリークが回避されるようにしてケース８０内に収納される。
【００３０】
このケース８０には、例えば燃料電池２０に供給される被加湿ガスとしての空気が、ケース部材８２の口部８２ｃから流入し、複合中空糸膜９０の外側を流通した後、口部８２ｂから排出される一方で、燃料電池２０から排出された加湿ガスとしての空気オフガスが、ケース部材８１の小径円筒部８１ａ側から流入し、複合中空糸膜９０の中空部（内側）を流通した後、ケース部材８３の小径円筒部８３ａ側から排出されることによって、複合中空糸膜９０の内側を通過する空気オフガス中の水蒸気が、当該複合中空糸膜９０の外側を通過する空気を加湿する。
【００３１】
複合中空糸膜９０は、図３に示すように、例えばφ１［ｍｍ］×２００［ｍｍ］の中空円筒状の水蒸気透過膜９１と、この水蒸気透過膜９１の径方向の中間部にこの水蒸気透過膜９１と同軸状をなし且つこの水蒸気透過膜９１の軸線方向及び円周方向の全体にわたって埋没するように形成された円筒状の補強材９２とを有している。
【００３２】
補強材９２は、水蒸気透過膜９１の形状保持用に埋設されるもので全体としてネット（網）状をなしており、例えば、耐熱性の高いテフロン（登録商標）系材料でネット状に紡糸した後に、空隙率が５０％〜９０％（より好ましくは、７５±１０％）となるように、言い換えれば、補強材９２の容積率が１０％〜５０％（より好ましくは、２５±１０％）となるように延伸して形成される。
【００３３】
このように、補強材９２は、互いに異なる方向に延びる複数の糸状体同士が直接あるいは他の糸状体を介して連結されてなる網目構造を有するので、水蒸気透過膜９１の軸線方向および周方向を含む、面方向におけるあらゆる方向の変形が抑制される。
【００３４】
水蒸気透過膜９１は、上記補強材９２の延伸との連続工程で、この補強材９２をその空隙を埋めつつその外周側及び内周側の両側から包み込む（鋳包む）ように形成されることになる。水蒸気透過膜９１としては、例えばナフィオン（登録商標）系材料からなる非孔質膜が用いられる。
【００３５】
ここで、水蒸気透過膜９１の外径をＤ１、内径をＤ２とし、補強材９２の外径をｄ１、内径をｄ２とした際に、ｄ１＝（０．６〜０．８）×（Ｄ１−Ｄ２）＋Ｄ２であり、ｄ２＝（０．２〜０．４）×（Ｄ１−Ｄ２）＋Ｄ２となっている。
【００３６】
以上に述べた複合中空糸膜９０は、水蒸気透過膜９１に埋没するように形成されたネット状の補強材９２で水蒸気透過膜９１の強度を向上させることができ、その形状変化を抑制することができる。つまり、長時間高温状態となってもネット状の補強材９２が水蒸気透過膜９１の糸切れを防止することになり、耐久性を向上できるため、加湿性能低下及びクロスリーク増大を抑制することができる。
【００３７】
また、水蒸気透過膜９１が非孔質膜からなるため、低温（氷点下）時に水蒸気透過膜９１内で水が凍結して膜脆化することを防止することができる。これにより、応力が負荷されても水蒸気透過膜９１の糸切れを防止することができ、耐久性を向上できることから、この点でも加湿性能低下及びクロスリーク増大を抑制することができる。
【００３８】
また、ネット状の補強材９２が水蒸気透過膜９１に埋没するように形成されているため、接着剤等を介在させることなく強固にこれらを接合することができ、また、これにより、水蒸気透過膜９１と補強材９２との境界部分に水分が溜まることも抑制される。
【００３９】
さらに、補強材９２の空隙率５０％〜９０％と、水蒸気透過膜９１の外径をＤ１、内径をＤ２、補強材９２の外径をｄ１、内径をｄ２とした際の上記したｄ１＝（０．６〜０．８）×（Ｄ１−Ｄ２）＋Ｄ２、ｄ２＝（０．２〜０．４）×（Ｄ１−Ｄ２）＋Ｄ２の関係とにより、より確実に補強材９２を水蒸気透過膜９１の内外面から食み出させることなく埋設することが可能、かつ、強度と加湿性能との両立が可能とされている。
【００４０】
図４（ａ）の実施例に示すように、氷点下での繰り返し応力回数に対する複合中空糸膜９０の糸切れの発生数を見てみると、補強材９２を備えない従来品（破線Ａ１）では、繰り返し応力回数の目標値Ｘ１に達する前に糸切れの発生数が許容値Ｙ１を超えてしまったが、上記の複合中空糸膜９０を用いた場合（実線Ｂ１）には、繰り返し応力回数の目標値Ｘ１に達した後も糸切れの発生数が許容値Ｙ１を下回った。
【００４１】
また、図４（ｂ）の実施例に示すように、使用時に想定される所定の高温時での繰り返し応力回数に対する複合中空糸膜９０の糸切れの発生数を見てみると、補強材９２を備えない従来品（破線Ａ２）では、繰り返し応力回数の目標値Ｘ２（通常Ｘ２＝Ｘ１）に達する前に糸切れの発生数が許容値Ｙ２（通常Ｙ２＝Ｙ１）を超えてしまったが、上記の複合中空糸膜９０を用いた場合（実線Ｂ２）には、繰り返し応力回数の目標値Ｘ２に達した後も糸切れの発生数が許容値Ｙ２を下回った。
【００４２】
このように、上記の複合中空糸膜９０を用いた加湿装置Ａ２１によれば、氷点下から高温までの幅広い温度範囲で使用されても、耐久性を十分に確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明に係る燃料電池用加湿装置の一実施形態が適用された燃料電池システムを概略的に示すシステム構成図である。
【図２】本発明に係る燃料電池用加湿装置の一実施形態を示す断面図である。
【図３】同実施形態の複合中空糸膜を示す一部を破断した斜視図である。
【図４】同実施形態の複合中空糸膜の氷点下での耐久性（ａ）、高温時の耐久性（ｂ）を示す特性線図である。
【符号の説明】
【００４４】
２０…燃料電池、９０…複合中空糸膜、９１…水蒸気透過膜、９２…補強材、９３…中空糸束、Ａ２１…加湿装置（燃料電池用加湿装置）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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