JP7639174B2 - 燃料電池の膜加湿器 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の膜加湿器に係り、さらに具体的には、カートリッジを構成するインナーケースとミッドケースとの間隙を密封し、排ガスがバイパスされることを防止することができる燃料電池の膜加湿器に関する。

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。該燃料電池は、乾電池や蓄電池のような一般化学電池と異なり、水素と酸素とが供給される限り、続けて電気を生産することができ、熱損失がなく、内燃機関より効率が２倍ほど高いという長所がある。
また、水素と酸素との結合によって生じ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に、公害物質排出が少ない。従って、燃料電池は、環境にやさしいだけではなく、エネルギー消費増大による資源枯渇に対する心配を減らすことができるという長所がある。
そのような燃料電池は、使用される電解質の種類により、大きく見て、高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ：polymer electrolyte membrane fuel cell）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ：phosphoric acid fuel cell）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ：molten carbonate fuel cell、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：solid oxide fuel cell）及びアルカリ型燃料電池（ＡＦＣ：alkaline fuel cell）などに分類されうる。
それらそれぞれの燃料電池は、根本的に同一原理によって作動されるが、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。そのうち、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、小型化が可能であるために、小規模据え置き型発電装備だけではなく、輸送システムにおいても、最も有望であると知られている。
高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）の性能を向上させるにおき、最も重要な要因のうち一つは、膜・電極組立体（ＭＥＡ：membrane electrode assembly）の高分子電解質膜（ＰＥＭ：polymer electrolyte membraneまたはproton exchange membrane）に一定量以上の水分を供給することにより、関数率を維持させることである。該高分子電解質膜が乾燥すれば、発電効率が急激に低下されるためである。

高分子電解質膜を加湿する方法として、１）耐圧容器に水をいっぱいにした後、対象気体をして、拡散器（diffuser）を通過させ、水分を供給するバブラ（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、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）高分子分離膜を利用し、ガス流動層に水分を供給する加湿膜方式などがある。
それらのうちにおいても、排ガス中に含まれる水蒸気だけを選択的に透過させる膜を利用し、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り、高分子電解質膜を加湿する膜加湿方式が、膜加湿器の軽量化及び小型化という点において有利である。
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、単位体積当たり透過面積が大きい中空糸膜が望ましい。すなわち、該中空糸膜を利用し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なされ、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排ガス（off-gas）に含まれた水分と熱とを回収し、膜加湿器を介し、再使用することが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の膜加湿器が図示された分解斜視図であり、図２は、従来技術による燃料電池の膜加湿器の問題点について説明するための断面図である。
図１及び図２を参照すれば、従来技術の燃料電池の膜加湿器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水分交換が起こる加湿モジュール１１、及び加湿モジュール１１の両端に結合されたキャップ１２を含む。
キャップ１２のうち一つは、外部から供給される空気を加湿モジュール１１に供給し、他の一つは、加湿モジュール１１によって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１１は、排ガス流入口（off-gas inlet）１１ｂと排ガス排出口（off-gas outlet）１１ｃとを有するミッドケース（mid-case）１１ａ、及びミッドケース１１ａ内に配された少なくとも１つのカートリッジ２０を含む。図面においては、１つのカートリッジが例示されている。カートリッジ２０は、インナーケース２３を具備し、インナーケース２３内部には、多数の中空糸膜２１と、中空糸膜２１束の両末端を固定させるポッティング部２２と、が形成される。ポッティング部２２は、一般的に、キャスティング（casting）方式を介し、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２０とミッドケース１１ａとの間には、樹脂層１１ｅが形成され、樹脂層１１ｅは、カートリッジ２０をミッドケース１１ａに固定させ、キャップ１２の内部空間と、ミッドケース１１ａの内部空間とを遮断する。
ミッドケース１１ａの内部空間は、隔壁１１ｄ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２３は、第１空間Ｓ１との流体連通のために、メッシュ形態に配列された第１メッシュホール部ＭＨ１、及び第２空間Ｓ２との流体連通のために、メッシュ形態に配列された第２メッシュホール部ＭＨ２を具備する。
排ガス流入口１１ｂを介し、ミッドケース１１ａの第１空間Ｓ１に流入された排ガスは、第１メッシュホール部ＭＨ１を介し、インナーケース２３内に流れ込み、中空糸膜２１の外表面と接触する。続けて、水分を奪われた排ガスは、第２メッシュホール部ＭＨ２を介して第２空間Ｓ２に抜け出した後、排ガス排出口１１ｃを介し、ミッドケース１１ａから排出される。そのようなインナーケース２３を含むカートリッジ２０は、ミッドケース１１ａに容易に組み込まれるだけではなく、容易に交換されうるという長所を有する。
図２を参照すれば、インナーケース２３は、隔壁１１ｄの一面に接触するリブ２５と、隔壁１１ｄの他面に接触するフック２４と、を具備する。フック２４は、傾斜面を具備する。キャップ１２とミッドケース１１ａとが分離された状態で、図面の左側から右側の方向にカートリッジ２０をミッドケース１１ａに挿入するとき、フック２４の傾斜面が隔壁１１ｄと接触しながら、締まり嵌め方式で隔壁間に挿入され、その後、カートリッジ２０は、続けて挿入されていて、リブ２５が隔壁１１ｄに接触すれば、それ以上挿入されずに固定される。

すなわち、カートリッジ２０のフック２４とリブ２５は、隔壁１１ｄを挟み、隔壁１１ｄの一面と他面とに固定され、それにより、カートリッジ２０は、ミッドケース１１ａ内に固定されうる。
このとき、フック２４とリブ２５との間隔と、隔壁１１ｄの幅サイズとが実質的に同一に製造されなければならない。そうでなければ、排ガス流入口１１ｂを介して流入された排ガスが、リブ２５と隔壁１１ｄとの間隙、フック２４と隔壁１１ｄとの間隙を介し、排ガス排出口１１ｃに排出される。すなわち、加湿に使用されなければならない排ガスが加湿を行わずにバイパスし、外部に排出される（図２の符号「ＢＦ」参照）。
しかしながら、誤組み立てまたは寸法公差により、フック２４とリブ２５との間隔と、隔壁１１ｄの幅サイズとが異なりうる。そのために、バイパスする排ガスが生じ、加湿効率が低下されるという問題がある。

本発明は、カートリッジを構成するインナーケースとミッドケースとの間隙を密封し、排ガスがバイパスされることを防止することができる燃料電池の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よる燃料電池の膜加湿器は、
内部空間を区切る隔壁が形成されたミッドケースと、前記ミッドケースと締結されるキャップと、前記ミッドケース内に配され、内部に複数の中空糸膜を収容するインナーケースと、前記インナーケースの一側に突設され、前記隔壁の一面に接触するリブと、前記キャップと前記インナーケースとの間に配され、前記キャップと前記ミッドケースとの締結力を前記リブに伝達し、前記インナーケースと前記隔壁との間隙を密封し、第１硬度を有するガスケットと、を含む。
また、本発明の実施形態による燃料電池の膜加湿器は、
内部空間を区切る隔壁が形成されたミッドケースと、前記ミッドケースと締結されるキャップと、前記ミッドケース内に配され、内部に複数の中空糸膜を収容するインナーケースと、前記インナーケースの他側に突設され、前記隔壁の他面に接触するフックと、前記キャップと前記インナーケースとの間に配され、前記キャップと前記ミッドケースとの締結力を前記フックに伝達し、前記インナーケースと前記隔壁との間隙を密封し、第２硬度を有するガスケットと、を含む。

本発明の実施形態による燃料電池の膜加湿器において、前記ガスケットは、前記ガスケットと前記インナーケースとが接するインナーケース境界面と、前記ガスケットと前記キャップとが接するキャップ境界面と、前記キャップの端部と、前記ミッドケースの端部との間に挿入される挿入突起と、を含むものでもある。
本発明の実施形態による燃料電池の膜加湿器において、前記キャップ境界面と接触する前記キャップの底面は、前記キャップ境界面と対応する大きさにも形成される。
本発明の実施形態による燃料電池の膜加湿器において、前記リブは、前記インナーケースの外表面周囲を取り囲む閉曲線形状を有しうる。
本発明の実施形態による燃料電池の膜加湿器において、前記フックは、前記インナーケースの外表面周囲を取り囲む閉曲線形状を有しうる。
また、本発明の実施形態による燃料電池の膜加湿器は、
内部空間を区切る隔壁が形成されたミッドケースと、前記ミッドケースの一側と締結される第１キャップと、前記ミッドケースの他側と締結される第２キャップと、前記ミッドケース内に配され、内部に複数の中空糸膜を収容するインナーケースと、前記インナーケースの一側に突設され、前記隔壁の一面に接触するリブと、前記インナーケースの他側に突設され、前記隔壁の他面に接触するフックと、前記第１キャップと前記インナーケースとの間に配され、前記第１キャップと前記ミッドケースとの締結力を前記リブに伝達する第１ガスケットと、前記第２キャップと前記インナーケースとの間に配され、前記第２キャップと前記ミッドケースとの締結力を前記フックに伝達する第２ガスケットと、を含む。
本発明の実施形態による燃料電池の膜加湿器において、前記第１ガスケットと前記第２ガスケットは、異なる硬度を有しうる。
本発明の実施形態による燃料電池の膜加湿器において、前記リブは、前記インナーケースの外表面周囲を取り囲む閉曲線形状を有し、前記フックは、閉曲線形状ではない場合、前記第１ガスケットの硬度が前記第２ガスケットの硬度より大きく形成されうる。

本発明の実施形態による燃料電池の膜加湿器において、前記フックは、前記インナーケースの外表面周囲を取り囲む閉曲線形状を有し、前記リブは、閉曲線形状ではない場合、前記第２ガスケットの硬度が前記第１ガスケットの硬度より大きく形成されうる。

本発明の実施形態によれば、カートリッジを構成するインナーケースとミッドケースとの間隙を密封し、排ガスがバイパスされることを防止することができる。

従来技術による燃料電池の膜加湿器が図示された分解斜視図である。 従来技術による燃料電池の膜加湿器の問題点について説明するための断面図である。 本発明の一実施形態による燃料電池の膜加湿器が図示された断面図である。 本発明の一実施形態によるガスケットが図示された断面図である。 本発明の一実施形態による燃料電池の膜加湿器において、隔壁が異なる形態に具現されたところが図示された断面図である。

本発明は、多様な変換を加えることができ、さまざまな実施形態を有することができるが、特定実施形態を例示し、詳細な説明によって詳細に説明する。しかし、それらは、本発明を、特定の実施形態について限定するものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変換、均等物ないし代替物を含むと理解されなければならない。本発明で使用された用語は、単に特定実施形態についての説明に使用されたものであり、本発明を限定する意図ではない。単数の表現は、文脈上、明白に取り立てての意味ではない限り、複数の表現を含む。本発明において、「含む」または「有する」というような用語は、明細書上に記載された特徴、数、段階、動作、構成要素、部品、またはそれらの組み合わせが存在するということを指定するものであり、１またはそれ以上の他の特徴、数、段階、動作、構成要素、部品、またはそれらの組み合わせの存在または付加の可能性を事前に排除するものではないと理解されなければならない。以下、図面を参照し、本発明の実施形態による燃料電池の膜加湿器について説明する。

図３は、本発明の一実施形態による燃料電池の膜加湿器が図示された断面図であり、図４は、本発明の一実施形態によるガスケットが図示された断面図であり、図５は、本発明の一実施形態による燃料電池の膜加湿器において、隔壁が異なる形態に具現されたところが図示された断面図である。
図３に図示されているように、本発明の一実施形態による燃料電池の膜加湿器１００は、加湿モジュール１１０、キャップ１２０、ガスケット１３０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、他の一つは、加湿モジュール１１０によって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とを有するミッドケース１１１、及びミッドケース１１１内に配された少なくとも１つのカートリッジ２０を含む。
ここで、設計により、キャップ１２０のうち一つは、排ガスを加湿モジュール１１０に供給し、中空糸膜内部を流れるようにし、他の一つは、水分交換が行われた排ガスを外部に排出させることができる。また、その場合、排ガス流入口１１２または排ガス排出口１１３のうちいずれか一つを介し、外部の空気が流入され、残り一つを介し、加湿モジュール１１０によって加湿された空気が、燃料電池スタックに供給されるようにすることができる。外部空気の流動方向と、排ガスの流動方向は、同じ方向でもあり、あるいは互いに反対方向でもある。

ミッドケース１１１とキャップ１２０は、それぞれ独立して、硬質プラスチックや金属によっても形成され、円形または多角形の幅方向断面を有しうる。円形は、楕円形を含み、多角形は、丸コーナー（rounded corner）を有する多角形を含む。例えば、該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）などでもある。ミッドケース１１１の内部空間は、隔壁１１４により、第１空間Ｓ１と第２空間Ｓ２とに区画されうる。
カートリッジ２０は、多数の中空糸膜２１、ポッティング部２２、インナーケース２３、フック２４、リブ２５を含む。
中空糸膜２１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、ポリフッ化ビニリデン（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、またはそれらのうち少なくとも２以上の混合物によって形成された高分子膜を含むものでもある。
ポッティング部２２は、中空糸膜２１の末端を固定させる。ポッティング部２２は、ディップポッティング、遠心ポッティングのようなキャスティング方式を介し、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うる。
インナーケース２３は、各末端に開口（opening）を有し、内部に多数の中空糸膜２１を収容する。中空糸膜２１の端部がポッティングされているポッティング部２２は、インナーケース２３の開口を閉鎖させる。インナーケース２３は、第１空間Ｓ１との流体連通のために、メッシュ形態に配列された第１メッシュホール部ＭＨ１、及び第２空間Ｓ２との流体連通のために、メッシュ形態に配列された第２メッシュホール部ＭＨ２を具備する。
排ガス流入口１１２を介し、ミッドケース１１１の第１空間Ｓ１に流入された排ガスは、第１メッシュホール部ＭＨ１を介してインナーケース２３内に流れ込み、中空糸膜２１の外表面と接触する。続けて、水分を奪われた排ガスは、第２メッシュホール部ＭＨ２を介して第２空間Ｓ２に抜け出した後、排ガス排出口１１３を介し、ミッドケース１１１から排出される。

キャップ１２０とカートリッジ２０との間には、ガスケット１３０が設けられる。具体的には、ガスケット１３０は、カートリッジ２０を構成するインナーケース２３とキャップ１２０との間において、キャップ１２０によって加圧されて設けられる。ガスケット１３０ａは、キャップ１２０とミッドケース１１１との締結力をリブ２５に伝達し、リブ２５が、インナーケース２３と隔壁１１４との間隙を密封する。
同様に、ガスケット１３０ｂは、キャップ１２０とミッドケース１１１との締結力をフック２４に伝達し、フック２４が、インナーケース２３と隔壁１１４との間隙を密封するようにする。
以下の説明において、リブ２５が密封するところを中心に説明するが、フック２４が密封する場合を排除するものではない。フック２４またはリブ２５のうちいずれかが間隙を密封するかということは、フック２４またはリブ２５の形状によって決定されうる。リブ２５が、インナーケース２３の外表面周囲を取り囲む閉曲線形状を有する場合、リブ２５が間隙を密封し、フック２４が、インナーケース２３の外表面周囲を取り囲む閉曲線形状を有する場合、フック２４が間隙を密封することができる。
ガスケット１３０は、インナーケース境界面１３１とキャップ境界面１３２と挿入突起１３３とを具備し、図４に図示されているように、単一閉曲線形態にも形成される。
インナーケース境界面１３１は、ガスケット１３０とインナーケース２３とが接する面であり、インナーケース２３の横断面形態と対応する単一閉曲線形態を有しうる。キャップ境界面１３２は、ガスケット１３０とキャップ１２０とが接する面であり、キャップ１２０の横断面形態と対応する単一閉曲線形態を有しうる。挿入突起１３３は、キャップ１２０の端部と、ミッドケース１１１の端部との間に挿入され、キャップ１２０とミッドケース１１１とを締結して組立てるとき、加圧されながら、キャップ１２０内部の空間と、ミッドケース１１１内部の空間とを密閉させる。

ガスケット１３０は、所定硬度を有するゴムまたはプラスチック材質によってなるので、キャップ１２０とインナーケース２３との間に配された後、ボルトとナットとを利用したキャップ１２０とミッドケース１１１との締結時、キャップ１２０とミッドケース１１１とによって加えられる圧力によって圧縮されながら、キャップ１２０とミッドケース１１１との締結力を、インナーケース２３、及びインナーケースの一側に突設されたリブ２５に伝達することができる。
リブ２５は、インナーケース２３を介してガスケット１３０が受ける締結力（圧縮による圧力または反撥力）を伝達され、隔壁１１４方向に力を加えることになる。従って、製造時、寸法公差がある場合にも、リブ２５は、インナーケース２３と隔壁１１４との間隙を密封することができることになる。その結果、該間隙を介して排ガスがバイパスすることを防止することができることになる。ここで、「寸法公差」は、製造過程において、フック２４とリブ２５との間隔と、隔壁１１４の幅サイズが異なることになる全ての場合を含む意味にも使用される。

締結力伝達をさらに効果的にするために、キャップ境界面１３２と接触するキャップ１２０の底面１２２は、キャップ境界面１３２と対応する大きさにも形成される。
リブ２５側の第１ガスケット１３０ａと、フック２４側の第２ガスケット１３０ｂは、同一硬度と同一寸法とでもって形成される場合にも、ガスケット１３０が受ける締結力がリブ２５に伝達されうる。しかしながら、フック２４側の第２ガスケット１３０ｂも、フック２４に締結力を伝達するために、両側の締結力が相殺される心配もある。
それにより、本発明においては、リブ２５側の第１ガスケット１３０ａと、フック２４側の第２ガスケット１３０ｂとが互いに異なる硬度を有するようにするものでもある。リブ２５側の第１ガスケット１３０ａの硬度を第１硬度とし、フック２４側の第２ガスケット１３０ｂの硬度を第２硬度とする。
再び、図３を参照し、膜加湿器組み立て順序を考慮すれば、まず、右側キャップ１２０がミッドケース１１１と締結される。このとき、第２ガスケット１３０ｂは、右側キャップ１２０と共に、ミッドケース１１１に挿入される。その後、カートリッジ２０がミッドケース１１１に挿入される。このとき、傾斜面があるフック２４がまず挿入され、リブ２５は、後で挿入される。フック２４とリブ２５は、隔壁１１４を挟み、隔壁１１４の一面と他面とに固定される。次に、第１ガスケット１３０ａがインナーケース２３及びミッドケース１１１の端部に配された後、左側キャップ１２０がミッドケース１１１と締結される。このとき、左側キャップ１２０とミッドケース１１１との締結力がリブ２５に伝達される。またこのとき、右側キャップ１２０とミッドケース１１１との締結力がフック２４に伝達される。
この状況において、第１硬度を有するリブ２５側の第１ガスケット１３０ａと、第２硬度を有するフック２４側の第２ガスケット１３０ｂとが互いに異なる硬度を有する場合、すなわち、第１硬度と第２硬度とが互いに異なる場合、ある一側の締結力がさらに優勢になり、リブ２５またはフック２４のうち一つが、インナーケース２３と隔壁１１４との間隙を密封することができることになる。

また、第１ガスケット１３０ａと第２ガスケット１３０ｂとが互いに異なる硬度を有するものの、フック２４またはリブ２５の形状により、硬度の大きさが決定されうる。
リブ２５がインナーケース２３の外表面周囲を取り囲む閉曲線形状を有する場合、リブ２５が、インナーケース２３と隔壁１１４との間隙を密封することができるので、リブ２５側の第１ガスケット１３０ａが、フック２４側の第２ガスケット１３０ｂより大きい硬度を有することが望ましい。
同様に、フック２４がインナーケース２３の外表面周囲を取り囲む閉曲線形状を有する場合、フック２４が、インナーケース２３と隔壁１１４との間隙を密封することができるので、フック２４側の第２ガスケット１３０ｂが、さらに大きい硬度を有することが望ましい。
フック２４とリブ２５とがいずれもインナーケース２３の外表面周囲を取り囲む閉曲線形状を有する場合、第１ガスケット１３０ａと第２ガスケット１３０ｂは、互いに異なる硬度を有すればよい。
設計により、隔壁１１４は、図５に図示されているような形状にも形成される。図５を参照すれば、隔壁１１４は、ミッドケース１１１の中央部分が内側に陥没された形態にも形成される。

以上、本発明の一実施形態について説明されたが、当該技術分野において通常の知識を有する者であるならば、特許請求の範囲に記載された本発明の思想から外れない範囲内において、構成要素の付加、変更、削除または追加などにより、本発明を多様に修正及び変更させることができ、それも、本発明の権利範囲内に含まれるものである。

Claims (3)

1. 内部空間を区切る隔壁が形成されたミッドケースと、
   前記ミッドケースの一側と締結される第１キャップと、
   前記ミッドケースの他側と締結される第２キャップと、
   前記ミッドケース内に配され、内部に複数の中空糸膜を収容するインナーケースと、
   前記インナーケースの一側に突設され、前記隔壁の一面に接触するリブと、
   前記インナーケースの他側に突設され、前記隔壁の他面に接触するフックと、
   前記第１キャップと前記インナーケースとの間に配され、前記第１キャップと前記ミッドケースとの締結力を前記リブに伝達する第１ガスケットと、
   前記第２キャップと前記インナーケースとの間に配され、前記第２キャップと前記ミッドケースとの締結力を前記フックに伝達する第２ガスケットと、を含み、
   前記第１ガスケットと前記第２ガスケットは、異なる硬度を有する、
   燃料電池の膜加湿器。
2. 前記リブは、前記インナーケースの外表面周囲を取り囲む閉曲線形状を有し、前記フックは、閉曲線形状ではない場合、
   前記第１ガスケットの硬度が、前記第２ガスケットの硬度より大きい、請求項１に記載の燃料電池の膜加湿器。
3. 前記フックは、前記インナーケースの外表面周囲を取り囲む閉曲線形状を有し、前記リブは、閉曲線形状ではない場合、
   前記第２ガスケットの硬度が、前記第１ガスケットの硬度より大きい、請求項１に記載の燃料電池の膜加湿器。

Images