(57)【要約】【課題】装置自体の小型化と耐圧性を高めながら、かつ、ガス透過膜の変形を抑えることにより、ガス透過の流路を確保し、結果としてガス透過性能にも優れたガス透過装置を提供することにあり、特に、燃料電池、更には車載用の燃料電池に必要な加湿器である水蒸気透過型のガス透過装置を提供することにある。【解決手段】凹凸断面を有するガス透過膜、ガス透過膜の両面に設けられ、ガス透過膜を面方向から保持する２枚の凹凸を有する保持板、ガス透過膜と保持板との間に形成された複数の流路、およびガス透過膜と保持板を結合するフレームよりなるガス透過装置。【選択図】  図１
2004356001.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹凸断面を有するガス透過膜、ガス透過膜の両面に設けられ、ガス透過膜を面方向から保持する２枚の、凹凸を有する保持板、ガス透過膜と保持板との間に形成された複数の流路、およびガス透過膜と保持板を結合するフレームよりなるガス透過装置。
【請求項２】
流路に介在物が設けられている請求項１記載のガス透過装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池用ガス透過装置。
【請求項４】
燃料電池が自動車用である請求項３記載のガス透過装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に供給する酸化剤ガスを加湿するのに好適に用いられるガス透過装置に関する。更に詳しくは、凹凸断面を有するガス透過膜を用いたガス透過装置である。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池に供給する酸化剤ガスに水蒸気を透過させて加湿するのに用いられてきたガス透過装置には、ガス透過膜が中空糸膜である加湿装置（例えば、特許文献１参照）、シート状の膜がひだ折りにされている加湿装置（例えば、特許文献２参照）、の２種類が主に用いられてきた。また、近年、車載される燃料電池においては、高圧の気体が用いられている。
【０００３】
中空糸膜を用いる加湿器は、数百〜数千本の中空糸を束にして円筒容器に入れて用いることから、小型化と耐圧性には有利であるが、中空糸の回りに流れるガスが束内部まで行き渡らず、必ずしも加湿性能が十分とは言いがたい。一方、シート状の膜は、ひだ折にすることにより、膜自体の小型化は可能となった。またその構造上からもガスの流れの均一性は中空糸膜を用いる場合より優れているが、それを納める容器は箱型となり、それに耐圧性を持たせる為に容器の壁厚を厚くすること等が必要となり、装置としての小型化は十分でなかった。
【０００４】
またひだ折にされたガス透過膜の両端をシールして円筒状にし、円環状の容器を用いる耐圧性を考慮した加湿器（例えば、特許文献３参照）も知られているが、円環中心の体積を有効に使えず、これも小型化には十分ではなかった。
一方、ひだ折にされたプリーツ形状のエアフィルター製造の際に、突片をプリーツの谷間に挿入し、突片をプリーツの谷間に挿入することにより、プリーツ形状を安定的に保持することを可能にしたエアフィルター（例えば、特許文献４参照）が知られているが、この突片は装置には組み込まれていない上、ガス自体がフィルターを通り向けると言うエアフィルターであるため、フィルターに沿った流れのためのガス流路を確保するとい言う配慮もされていない。
【０００５】
以上のように、水蒸気透過膜をひだ折にすることにより、加湿器は小型化されてきたが、ガス圧力が高く、装置に耐圧性が望まれる車載用燃料電池の加湿装置としては、小型化という点で十分では無かった。また水蒸気透過膜を介しての物質移動には、各流路を均一にガスが流れることが必須であるが、ひだ折にされたガス透過膜は膜の外周を固定しても張力が働かず、柔構造であるため、ヒダ形状が変形してガス流路をふさぐ恐れもある。
【０００６】
【特許文献１】
特開平７−１７１９５号公報
【特許文献２】
特開平６−１３２０３８号公報（第３頁）
【特許文献３】
特開２００２−２５２０１２号公報（第４−７頁）
【特許文献４】
特開２００２−５８９４３号公報（第２−３頁、図３）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、従来技術に見られる前記問題点を解決し、装置自体の小型化と耐圧性を高めながら、かつ、ガス透過膜の変形を抑えることにより、ガス透過の流路を確保し、結果としてガス透過性能にも優れたガス透過装置を提供することにあり、特に、燃料電池、更には車載用の燃料電池に必要な加湿器である水蒸気透過型のガス透過装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、前記課題を解決すべく、鋭意検討を重ねた結果、シート状のガス透過膜の断面を凹凸状にしてガス透過膜を小型化し、その結果生ずる柔構造によるガス透過膜の変形のしやすさを、ガス透過膜を挟む保持板の断面形状に凹凸を設けることによって抑え、同時に保持板の剛性を上げることが可能になり、耐圧性を増すことができることを見出し、本発明に到達した。
【０００９】
すなわち、本発明は、以下のとおりである。
（１）  凹凸断面を有するガス透過膜、ガス透過膜の両面に設けられ、ガス透過膜を面方向から保持する２枚の、凹凸を有する保持板、ガス透過膜と保持板との間に形成された複数の流路、およびガス透過膜と保持板を結合するフレームよりなるガス透過装置。
（２）  流路に介在物が設けられている（１）に記載のガス透過装置。
（３）  （１）または（２）に記載の燃料電池用ガス透過装置。
（４）  燃料電池が自動車用である（３）に記載のガス透過装置。
【００１０】
以下、本発明を詳しく説明する。
本発明において、ガス透過膜とは、複数成分よりなる混合ガスの中から選択的に特定のガスの透過性が高い膜を言う。例えば、水蒸気が含まれる空気において、選択的に水蒸気の透過性が高い膜は加湿に用いることができる。
このガス透過膜が、凹凸断面を有する、とは、膜の断面を観察したときに凹凸を有するものである。例えば、シート状から一定または任意の間隔でひだ折にすることにより凹凸が得られる。その断面形状は波型でも矩形でもよい。ひだ折で無くても、エンボス加工によって凹凸が形成されたものも含まれる。シート断面に凹凸を有することにより、同じ膜面積で外寸を小さくし、小型化を行うことができる。
【００１１】
本発明において、保持板とは、ガス透過膜の凹凸断面を挟むように２枚配置される板のことを言う。保持板の断面が凹凸状とは、板の断面を観察したときに凹凸を有するものである。例えば、保持板自体を曲げ加工したり、複数の板を特定の間隔で、保持板の面に対してある角度をなして配置したもの等が含まれる。保持板の凹とガス透過膜の凸、保持板の凸とガス透過膜の凹を、全てまたは一部を互いに挟み、その間に流路が構成される。
【００１２】
本発明において、フレームとは、枠形状をした構造物で、ガス透過膜および保持板を固定するものである。具体的には、枠形状で、その内周部とガス透過膜の外周部が接着結合される、またフレーム上下面には保持板が結合される。保持板は、ガス透過膜と平行に位置してガス透過膜の中央部を中心に一部を覆う。保持板に覆れていないガス透過膜両端の開口部はガスの導入口または導出口となる。この開口部の外周はフレームと保持板、その内部は保持板に覆われていないガス透過膜より構成される。
【００１３】
本発明において、流路は、ガス透過膜と保持板との間に形成され、酸化剤ガスや排気ガスが流れる流路である。流路に設ける介在物とは、多孔質構造で、保持板とガス透過膜の間に存在するシートである。例えば、不織布、ネット等の多孔質状シート等、それ自身に流路となる孔等の構造を含むシート等が含まれる。これにより、流路の確保と同時に、ガスとガス透過膜の接触面積も確保することができる。
【００１４】
本発明のガス透過装置を複数用いて、各流路を並列または直列に繋ぐことにより、更に性能を上げることができる。ガス透過装置を直列に繋ぐことにより、向流距離を増やすことができる。ガス透過装置を並列に繋ぐことにより、流路断面積を増加させ、ガス流速を低くして圧力損失を減少させることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図１〜６を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明のガス透過装置の分解組み立て図である。ガス透過膜２３またはガス透過膜２３とその両面に積層して配置された介在物６１がひだ折にされたプリーツ膜６、プリーツ膜を保持する保持板７、プリーツ膜と保持板が結合固定されるフレームＡ５１、フレームＢ５２、およびプリーツ膜６と保持板との間に形成された流路よりなる。
【００１６】
図２および図３は、それぞれ、本発明の加湿を行うガス透過装置を含む燃料電池システム概略構成図およびガス透過装置概略構成図である。この燃料電池システムは、原料ガスとして、水素からなる燃料ガスと空気からなる酸化剤ガスを用いる。
図２において、燃料電池１からの排出ガスである原料ガスは、電池内の反応により加湿状態でカソードより配管３３、排出ガス導入部２２４を経由して高湿度でガス透過装置２の排出ガス導入口２２３より、ガス透過装置内に導入される。導入された原料ガスは、プリーツ膜６で隔てられた排ガス用流路２２を流れ、排出ガス導出口２２１より排出ガス導出部２２２、配管３４を経て排出される。
【００１７】
一方、酸化剤ガスである空気は、コンプレッサー３より圧縮されて配管３１、酸化剤ガス導入部２１２を経由して低湿度状態でガス透過装置２の酸化剤ガス導入口２１１より加湿装置２の酸化ガス用流路２１を流れ、酸化剤ガス導出口２１３より酸化剤ガス導出部２１４、配管３２を経て燃料電池１のカソード側に送られる。
水素供給源４は、燃料電池１のアノード側と配管４１で接続されている。また燃料電池１のアノード側には排気用の配管４２が接続されている。
【００１８】
図３では、排ガス用流路２２を高湿度の排出ガス２２０が左から右に流れ、酸化剤ガス用流路２１を低湿度の酸化剤ガス２１０がプリーツ膜６を境に、排出ガスに対して向流で流れる。水蒸気２３０はプリーツ膜６を透過することができるが、水蒸気以外の他の気体はガス透過膜２３を透過することができない。したがって、排出ガス流路２２内の排出ガス２２０に含まれる水蒸気２３０のみが酸化剤ガス流路２１内に入る。
【００１９】
こうして酸化剤ガス用流路２１内でコンプレッサー３から供給された酸化剤ガス（空気）２１０と水蒸気２３０が接触することにより酸化剤（空気）が加湿される。
このように、ガス透過装置２は水蒸気以外の気体組成や圧力を変化させることなく、燃料電池運転に必要な加湿を安定して行うことができる。このため、本発明のガス透過装置は、特に燃料電池更には車載用の燃料電池に適している。
【００２０】
図４は、ガス透過装置の斜視図で、保持板７はプリーツ膜６の中央部を中心に一部を覆うことによって排出ガス用流路２２を構成し、フレーム５に結合されている。保持板に覆れなかったプリーツ膜６の両端の開口部は、排出ガス導入口２２３および排出ガス導出口２２１を構成している。排出ガス２２０は排出ガス導入口２２３、排出ガス用流路２２および排出ガス導出口２２１の順に流れる。
もう一枚の保持板は、前記の覆われた面の反対よりプリーツ膜６の中央部を中心に前記と同様に覆い、酸化剤ガス用流路２１を構成し、フレーム５に結合されている。保持板に覆われなかったプリーツ膜６の両端の開口部は、酸化剤ガス導入口２１１および酸化剤ガス導出口２１３を構成している。酸化剤ガス２１０は、酸化剤ガス導入口２１１、酸化剤ガス用流路２１および酸化剤ガス導出口２１３の順に流れる。
【００２１】
前記４つの開口部（排出ガス導入口２２３、排出ガス導出口２２１、酸化剤ガス導入口２１１、酸化剤ガス導出口２１３）の外周は、フレーム５と保持板４より構成され、それぞれの外周と配管に繋がる排出ガス導入部２２４、排出ガス導出部２２２、酸化剤ガス導入部２１２、酸化剤ガス導出部２１４と機密性を保ち結合される。
図４において、開口部がプリーツ膜６の折りと交差する方向に設けられ、そこから導入される排出ガス２２０および酸化剤ガス２１０は、プリーツ膜の折りに沿って流れるが、開口部をプリーツ膜に沿った方向に設けることにより、前記ガスをプリーツ膜の折りと交差するように流すこともできる。
【００２２】
図５は、図４のＡ−Ａ部の断面図で、ひだ折にされたプリーツ膜６の凹凸に保持板７の凸凹が挿入され、それぞれがフレーム５に固定されてガス透過装置が組立てられている。プリーツ膜６と保持板７との間に排出ガス用流路２２および酸化剤ガス用流路２１が、それぞれ設けられている。
保持板及の材質は、圧力、温度、腐食に対する耐性を有するものであれば金属性でも樹脂製でもよく、制限されるものでは無い。保持板の凹凸の断面形状も、矩形や台形に制限されるものでなく、多角形または曲面を有し、プリーツ膜形状に適応していればよい。保持板の凹凸の表面に、更に凹凸を設けて流路を確保して介在物の役割を一部兼ねさせてもよい。具体的には、保持板の凹凸の表面にみぞやエンボスを施すことが挙げられる。
【００２３】
フレームは、みぞ形の断面を有し、図１，４に示すように、枠を構成する。フレームの材質は、圧力、温度、腐食に対する耐性を有するものであれば金属性でも樹脂製でもよく、制限されるものでは無い。フレームのみぞ形に沿ってプリーツ膜を収納後、接着固定し、保持板を固定する。保持板の凸凹を、プリーツ膜両面の凹凸に挿入、組合せ、プリーツ膜形状が組立てに際し変形しないようにする。フレームは、例えば、図１に示すように、フレームＡ５１とフレームＢ５２よりなっており、フレームＡにプリーツ膜と保持板が組合わさった状態で挿入し、その挿入口をフレームＢで閉じ固定する。フレームには、プリーツ膜外周部と接する面に予め接着剤を塗布する。用いられる接着剤に制限は無いが、エチレン系酢酸ビニル樹脂系、熱可塑性ポリウレタン樹脂系、エポキシ系、ポリアミド系、ポリオレフィン系、スチレン系ブロックポリマー等の熱可塑性ゴムなどからなるホットメルト接着剤を用いることが好ましい。
【００２４】
保持板とフレームの間は機密性を保つためにパッキンを施す。シール材としては、耐熱性があるシリコン系ポリマーが好ましい。
ここでは、プリーツ膜と保持板を組合わさった状態でフレームＡに挿入したがプリーツ膜のみを挿入し、フレームＢで開口部を閉じた後に、保持板をプリーツ膜両面の凹凸に挿入してもよい。
図６は、図５において、プリーツ膜６周辺の断面の部分拡大図である。プリーツ膜６は、ガス透過膜２３、またはガス透過膜２３と介在物６１である不織布、ネット等の多孔質シートより構成されている。プリーツ膜断面は三角形になっているが不織布やネットのため先端が多角形でも曲線でもよい。
【００２５】
プリーツ膜６は、ガス透過膜２３、またはガス透過膜２３を介在物６１である不織布、ネット等の多孔質シートで挟んだ後、ひだ折にプリーツ成形したものである。この場合、プリーツ成形の方法に制限は無く、適宜な方法により行うことができる。例えば、公知のアコーディオンプリーツマシンやロータリープリーツマシンを用いて成形することができる。プリーツ膜のピッチ、山（谷）の数、大きさ等は、使用条件に応じて適宜選定される。
【００２６】
保持板７は、保持板の面に対して垂直な凸部がプリーツ膜の凹凸に対応して設けられており、プリーツ膜６の両面からプリーツ膜を保持している。プリーツ膜６と保持板７との間に排出ガス用流路２２および酸化剤ガス用流路２１が、それぞれ設けられている。
ガス透過膜２３は、ガス透過性の観点から決定され、膜厚、開口率、材質等には限定されない。燃料電池に用いる場合のガス透過性は、特にガス透過膜の両側にある気体中の水蒸気のみを透過し、他の気体成分は透過しないようにする為に、水蒸気以外の透過性はＪＩＳ−Ｐ８１１７に示す透気度で１０００秒／１００ｃｃ以上が好ましく、より好ましくは１００００秒／１００ｃｃ以上である。この値（透気度１０００秒／１００ｃｃ）は、１００ｃｃのガスを透過させるのに必要な時間が１０００秒かかることを意味する。
【００２７】
ガス透過膜としては、高分子多孔膜及び高分子多孔膜に樹脂をコーティングしたものを用いることができる。高分子多孔膜の素材としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスルホン、ポリフッ化ビニリデン、ポリアクリルニトリル、ポリカーボネイト、ポリトラフルオロエチレン、ポリテトラフルオロエチレン／ヘキサフロロプロピレン共重合体、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）等が挙げられる。耐熱性および耐薬品性の点で、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリトラフルオロエチレン、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、およびポリエーテルケトン（ＰＥＫ）が好ましい。
【００２８】
高分子多孔膜の空孔率は、透湿性の観点から２０％以上が好ましい。強度の観点からは９８％以下が好ましく、より好ましくは３０〜９５％である。高分子多孔膜の厚さは５〜２００μｍが好ましく、より好ましくは１０〜１００μｍである。高分子多孔膜の膜厚が薄いほど透湿性は向上するが、膜厚の薄さの限界は高分子多孔膜シートに必要とされる機械的強度により決まる。コーティングに用いられる樹脂は、パーフルオロスルホン酸系イオン交換樹脂が好ましい。
【００２９】
介在物であるネット、不織布等は、流路確保の観点から決定される。ネットの開口率は限定されるものではないが、３０〜９０％が好ましく、より好ましくは５０〜９０％である。不織布は、上記流路確保に加えてガス透過膜の保護の目的も担うことも可能である。不織布の目付け量は限定されるものではないが１０〜１００ｇ／ｍ２が好ましく、より好ましくは１０〜８０ｇ／ｍ２である。不織布の材質は、主に樹脂製のものが、ネットには、樹脂、金属、金属に樹脂をコーティングしたもの等が用いられる。
【００３０】
【実施例１】
プリーツ膜には、ガス透過膜としてパーフルオロスルホン酸系イオン交換膜Ａｃｉｐｌｅｘ（商標）−Ｓ１１０２（膜厚５６μｍ、縦横４００×４５００ｍｍ、旭化成（株）製）を、不織布（ポリプロピレン製、目付け５０ｇ／ｍ２）と金網（線径０．１８ｍｍ、１８メッシュ）でそれぞれ両側から挟み、プリーツ山高さ２４ｍｍ、山数９４山となるようにプリーツを施したものを用いた。
【００３１】
フレームには、外寸４００×４７６ｍｍとなるようにステンレス製（ＳＵＳ３０４）のみぞ形断面チャンネル（１×１１×２４  ｍｍ）をスポット溶接したフレームＡと、長さ４７６ｍｍのステンレス製（ＳＵＳ３０４）のみぞ形断面チャンネル（１×１１×２４）のフレームＢを用いた。
保持板としては、ステンレス製（ＳＵＳ３０４）の平板（３５０×４７６  ｍｍ、厚さ１ｍｍ）に、凹凸の断面をつけるために、長さ３４０ｍｍのステンレス製（ＳＵＳ３０４）不等辺アングル（０．５×１５×３  ｍｍ）を９４本、約５ｍｍピッチでチャンネルの３ｍｍの短辺側を平板にスポット溶接したものを用いた。
【００３２】
フレームＡの内周にエポキシ樹脂を塗布し、フレームＡの開口部より保持板と組合わさったプリーツ膜を挿入し、プリーツ膜外周をフレームＡ内周にプリーツ膜の４辺の内３辺を接着した。固定後、フレームＢの内周に接着剤を塗布後、フレームＡの開口部をフレームＢで閉じ、同時にプリーツ膜の接着されていない一辺をフレームＢの内周と接着固定させた。フレームと保持板の中心を合せた後、フレームと保持板の間に機密性を保つためにシリコン系のシーリングパッキン（商品名Ｃ−３００−Ｂ−６−１０シリコングレー、タキゲン社製）を挿入し、かしめた。
【００３３】
保持板とフレームの間にできた開口部は、酸化剤ガスの導入口および導出口、排気ガスの導入口および導出口で、ここに機密性を保ちつつ酸化剤ガスの導入部および導出部、排気ガスの導入部および導出部を結合して繋げた。
このように、プリーツピッチが約５ｍｍに対し、不織布とメッシュの厚さを両側で合せて約２ｍｍ、不等辺アングルの厚さ０．５ｍｍであること、更にプリーツ折によりプリーツ膜自体有する弾力性である為、プリーツ膜と保持板の凹凸のである不等辺アングルの間には隙間は小さくなり、ガス透過膜の変形を防ぐことができると同時に、不織布とメッシュの厚みで流路が確保され、透湿性を高くすることができる。また不等辺アングルが約５ｍｍピッチで平板に溶接されることにより、保持板の剛性も向上し、耐圧性を増すことができる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明のガス透過装置は、従来技術に見られる問題点を解決し、装置自体の小型化と耐圧性を高めながら、かつ、ガス透過膜の変形を抑えることによりガス透過の流路を確保し、結果としてガス透過性能にも優れるものである。特に燃料電池、更には車載用の燃料電池に必要な水蒸気透過型のガス透過装置として、好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガス透過装置の一例の分解組み立て図である。
【図２】本発明の装置を備えた燃料電池の一例を示す概略構成図である。
【図３】本発明のガス透過装置の概略構成図である。
【図４】本発明のガス透過装置の一例を示す斜視図である。
【図５】図４のＡ−Ａ部の断面図である。
【図６】図５の部分拡大図である。
【符号の説明】
１  電池システム
２  加湿装置
２１  酸化剤ガス（空気）用流路
２１０  酸化剤ガス（空気）
２１１  酸化剤ガス（空気）導入口
２１２  酸化剤ガス（空気）導入部
２１３  酸化剤ガス（空気）導出口
２１４  酸化剤ガス（空気）導出部
２２  排出ガス用流路
２２０  排出ガス
２２１  排出ガス導出口（図３では太い破線部）
２２２  排出ガス導出部
２２３  排出ガス導入口（図３では太い破線部）
２２４  排出ガス導入部
２３  ガス透過膜
２３０  水蒸気
３  コンプレッサー（空気供給源）
４  水素供給源
５  フレーム
５１  フレームＡ
５２  フレームＢ
６  プリーツ膜（ガス透過膜２３、またはガス透過膜２３と介在物６１）
６１  介在物
７  保持板
【図１】
2004356001.tif 000003
【図２】
2004356001.tif 000004
【図３】
2004356001.tif 000005
【図４】
2004356001.tif 000006
【図５】
2004356001.tif 000007
【図６】
2004356001.tif 000008