[发明专利]水分交换用空心丝膜模块

说明书

技术领域

本发明涉及一种例如适于用在燃料电池系统中的水分交换用空心丝膜模块，尤其涉及一种使对被加湿气体的加湿效率提高的技术。

背景技术

作为燃料电池，公知有一种将在平板状的膜电极构造体(MEA：Membrane Electrode Assembly)的两侧层叠了隔板的层叠体作为单电池，并将多个单电池例如层叠数百层而形成燃料电池堆而构成的燃料电池。膜电极构造体是在构成正极(空气极、阴极)以及负极(燃料极、阳极)的一对电极之间夹有由离子交换树脂等形成的电解质膜的三层构造。根据这种燃料电池，例如当在面对燃料极侧的气体扩散电极的气体流路中流通燃料气体，在面对空气极侧的气体扩散电极的气体流路中流通氧化剂气体时，引起电化学反应，进行发电。

在此，为了使上述这样的电化学反应稳定，希望膜电极构造体湿润。例如，在专利文献1中公开了一种燃料电池系统，该燃料电池系统通过在燃料气体流路内使发电生成水变成水蒸气并加入到燃料气体中，由此，将水蒸气分压上升了的使用后(使役後)的阳极排出气体作为加湿气体，对未使用的燃料气体进行加湿。

但是，近年来伴随着燃料电池的高性能化，膜电极构造体存在变薄的倾向，从而产生通过电化学反应生成并流出向空气极侧的水会向燃料极侧移动的现象。因此，若对燃料气体进行加湿，则燃料极的湿润状态变得过剩，产生妨碍燃料与燃料极接触的被称为溢流的现象。另一方面，在空气极侧，即便是湿润的程度过剩，有时也不会对电化学反应产生多大影响。因此，最近，相比于对燃料气体进行加湿，对氧化剂气体进行加湿的技术更加受重视。

作为对氧化剂气体进行加湿的现有的机动车用燃料电池系统，例如在专利文献2中公开一种技术，其向被水蒸气透过膜划分的加湿器的一方的空间供应干燥的未使用的氧化剂气体，向另一方的空间供应湿润的使用后的氧化剂气体的排气(废气)，并使水分从废气经水蒸气透过膜向氧化剂气体移动。

但是，在上述技术中，由于经大致平面状的水蒸气透过膜从其两侧使气体接触而进行水分移动，因此接触区域小，相对于连续供给的氧化剂气体而言，水分移动跟不上，从而存在加湿效率不足的问题。

针对这种问题，例如在专利文献3～6中公开了一种技术，其在加湿器内填充空心丝膜，使未使用的氧化剂气体在空心丝膜的空心内部流通并且使使用后的废气以接触于空心丝膜外壁的方式流通，从而经空心丝膜来进行水分移动。根据这些技术，由于在加湿器内填充有大量细微的空心丝膜，所以用于进行水分移动的接触区域显著增加，与专利文献1记载的技术相比，加湿效率提高。

但是，空心丝膜由于水分移动时的吸湿而膨润，所以在向加湿器内填充时必须考虑其尺寸变化，并在空心丝膜间预先设置空隙来填充，从而无法密实地填充。这样，在空心丝膜间存在空隙，而且由于空心丝膜还可能弹性变形，所以当向加湿器内导入废气时，在气体流速最大的导入部分废气将空心丝膜压退，从而形成间隙。废气以该间隙作为支路而流通，所以无法在加湿器内均匀流通，从而存在加湿效率低下的问题。

针对这种问题，在专利文献4记载的技术中，制造大量的将数根空心丝膜与刚性棒一起捆束并固定而成的构造体，并将其填充在加湿器中，由此抑制空心丝膜的移动。另外，在专利文献5以及6记载的技术中，通过在加湿器内设置分隔板，由此引导废气的流路，另外，抑制空心丝膜向特定的方向偏斜。

现有技术文献

专利文献1：日本实开昭61-3671号公报

专利文献2：日本特开平6-132038号公报

专利文献3：日本特愿2002-147802号公报

专利文献4：日本特愿2004-311287号公报

专利文献5：日本特愿2005-40675号公报

专利文献6：日本特愿2007-323982号公报

但是，在专利文献4记载的技术中，由于需要制造大量的将空心丝膜与刚性棒一起捆束的构造体，所以工序数增大，并不优选。另外，在专利文献5以及6记载的技术中，虽然相比于现有技术能够抑制空心丝膜的移动，但是难以抑制在被分隔板划分的区域内偏斜，另外，由于需要使气体流通，所以无法做成将分隔板完全封闭的构造，无法抑制在其开口部分的偏斜。

发明内容

因此，本发明为了解决上述现有技术的问题而提出，其目的在于提供一种水分交换用空心丝膜模块，其不仅可对供应给空心丝膜内的干燥的燃料电池未使用的气体进行充分加湿，而且还能抑制填充在加湿器内的空心丝膜的偏斜，能够使湿润的燃料电池使用后的废气在加湿器内均匀流通。