專(zhuān)利名稱(chēng)：燃料電池用加濕裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及適合用于對(duì)燃料電池的供給氣體進(jìn)行加濕的、采用中空紗膜的加濕裝置。本發(fā)明的燃料電池用加濕裝置，可在抑制壓力損失的同時(shí)高效率地進(jìn)行加濕，可抑制除水蒸氣以外的其他成分的透過(guò)，很經(jīng)濟(jì)。特別是，在從燃料電池排出的排出氣體中回收水分對(duì)供給燃料電池的供給氣體進(jìn)行加濕這一點(diǎn)上看，是很合適的加濕裝置。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，作為電動(dòng)汽車(chē)及靜置型小型發(fā)電裝置，以全氟化碳磺酸膜這樣的固體高分子膜作為電解質(zhì)膜的燃料電池受到注目。這種固體高分子，在含水狀態(tài)下可用作質(zhì)子導(dǎo)電性電解質(zhì)，而在干燥狀態(tài)下在質(zhì)子導(dǎo)電性降低的同時(shí)固體高分子電解質(zhì)膜和電極出現(xiàn)接觸不良而其輸出急劇下降。因此，在固體高分子型燃料電池系統(tǒng)中，為使固體高分子電解質(zhì)膜保持一定的濕度，要對(duì)供給氣體加濕供給。因此，正在對(duì)用來(lái)對(duì)供給氣體進(jìn)行加濕的加濕裝置進(jìn)行各種研討。
在日本專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)亻_(kāi)平6-132038號(hào)公報(bào)中披露了一種利用水蒸氣透過(guò)膜，將燃料電池排出的排出氣體用作加濕用氣體對(duì)供給燃料電池的供給氣體進(jìn)行加濕的方法。
在日本專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)亻_(kāi)平8-273687號(hào)公報(bào)中披露了一種在利用中空紗膜的加濕裝置中對(duì)燃料電池的供給氣體進(jìn)行加濕的方法。
對(duì)于燃料電池用加濕裝置要求即使是在燃料電池的運(yùn)行溫度80℃左右的溫度及水蒸氣、氧氣以及氫氣等存在的氣氛中長(zhǎng)時(shí)間暴露也可以穩(wěn)定地進(jìn)行加濕；即使是使用低壓氣體也可以高效率地進(jìn)行加濕；可以抑制氣體的壓力損失；可以抑制除水蒸氣以外的其他成分的透過(guò)等等。
然而，例如，在日本專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)亻_(kāi)2001-351660號(hào)公報(bào)中提出了在中空紗水透過(guò)膜型加濕裝置中增加由冷凝器及噴水閥構(gòu)成的輔助加濕裝置的方案。這一提案可以解決在低壓下運(yùn)行為了增加加濕量需要增大尺寸時(shí)壓力損失增大而使得采用中空紗水透過(guò)膜型加濕裝置受到限制的問(wèn)題。
這樣，對(duì)使用中空紗膜的燃料電池用加濕裝置而言存在需要改良的余地。
包含本發(fā)明人在內(nèi)的發(fā)明人在美國(guó)專(zhuān)利第6464755號(hào)說(shuō)明書(shū)中披露了一種氣體透過(guò)速度高、具有實(shí)用水平的機(jī)械強(qiáng)度、同時(shí)具有更優(yōu)異的耐水性及耐熱性的非對(duì)稱(chēng)中空紗氣體分離膜，還談到此非對(duì)稱(chēng)中空紗氣體分離膜也可用于對(duì)燃料電池的供給氣體的加濕的可能性。不過(guò)，在美國(guó)專(zhuān)利第6464755號(hào)說(shuō)明書(shū)中，未像本發(fā)明這樣對(duì)于將中空紗氣體分離膜應(yīng)用于燃料電池用加濕器的場(chǎng)合的有用的參數(shù)進(jìn)行具體的研討并予以公開(kāi)。
另外，日本專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)亻_(kāi)2002-219339號(hào)公報(bào)中披露了，因?yàn)樵谑褂弥锌占喣さ募訚衿髂K中，在填充中空紗膜束的區(qū)域最短長(zhǎng)度L和在該區(qū)域中連接的對(duì)角線的長(zhǎng)度A的比L/A或填充中空紗膜束的區(qū)域的中空紗膜束的高度D和在該區(qū)域中連接的最短長(zhǎng)度L的比D/L在特定的范圍內(nèi)時(shí)，在圓柱狀殼體內(nèi)的各中空紗膜的外面有干燥氣體均勻地流過(guò)，可提高加濕器的加濕能力。然而，日本專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)亻_(kāi)2002-219339號(hào)公報(bào)未像本發(fā)明這樣披露了加濕器模塊的中空紗膜的壓力損失的問(wèn)題的解決法。
本發(fā)明的目的在于提供一種加濕裝置，即使是在燃料電池的運(yùn)行溫度80℃左右的溫度及水蒸氣、氧氣以及氫氣等存在的氣氛中長(zhǎng)時(shí)間暴露也可以穩(wěn)定地進(jìn)行加濕；即使是使用低壓氣體也可以在抑制氣體的壓力損失的同時(shí)高效率地進(jìn)行加濕；可以抑制除水蒸氣以外的其他成分的透過(guò)；并且適用于經(jīng)濟(jì)的燃料電池。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的燃料電池用加濕裝置，其構(gòu)成為，將在多個(gè)中空紗膜構(gòu)成的中空紗膜束的兩端部上形成有在開(kāi)口狀態(tài)下固接中空紗膜的板管的中空紗膜元件，安裝在至少具有第一氣體供給口、第一氣體排出口、第二氣體供給口以及第二氣體排出口的容器內(nèi)，使得通向中空紗膜的中空側(cè)的空間與通向中空紗膜的外側(cè)的空間相隔絕，其特征在于(a)中空紗膜的內(nèi)徑＞400μm，優(yōu)選為＞500且＜1500μm；(b)中空紗膜的水蒸氣的透過(guò)速度(P′H2O)≥0.5×10-3cm3(STP)/cm2·sec·cmHg；(c)中空紗膜的水蒸氣和氧氣的透過(guò)速度比(P′H2O/P′O2)≥10；(d)中空紗膜在100℃的熱水中進(jìn)行50小時(shí)熱水處理之后的拉伸斷裂延伸率保持為熱水處理前的≥80％；特別涉及在中空紗膜元件的有效長(zhǎng)度為L(zhǎng)，安裝上述中空紗膜元件的容器的內(nèi)徑為D時(shí)，L/D≥1.8的燃料電池用加濕裝置。
另外，優(yōu)選地，構(gòu)成中空紗膜元件的中空紗膜束的膜填充率為35～55％；構(gòu)成中空紗膜元件的中空紗膜束的外周部的≥50％的部分由膜狀物質(zhì)覆蓋；流過(guò)中空紗膜的中空側(cè)的第一氣體和流過(guò)中空紗膜的外側(cè)的空間的第二氣體夾著中空紗膜對(duì)流流動(dòng)；在構(gòu)成中空紗膜元件的中空紗膜束的大致中心部上設(shè)置沿著中空紗膜束配置的芯管，在上述芯管上形成連通芯管內(nèi)和芯管外的連通孔，第二氣體從第二氣體供給口導(dǎo)入到上述芯管內(nèi)，通過(guò)上述連通孔導(dǎo)入到中空紗膜的外側(cè)空間。
另外，燃料電池用加濕裝置構(gòu)成為，對(duì)燃料電池的供給氣體經(jīng)過(guò)了加濕；第一氣體是來(lái)自燃料電池的陰極的排出氣體；第2氣體是供給燃料電池的陰極的空氣。


圖1為構(gòu)成本發(fā)明的燃料電池用加濕裝置的中空紗膜元件的一例的概略縱剖圖。
圖2為本發(fā)明的燃料電池用加濕裝置的一例的概略縱剖圖。
圖3為本發(fā)明的燃料電池用加濕裝置的一例的概略縱剖圖，其中示出L及D。
圖4為本發(fā)明的燃料電池用加濕裝置的另一例的概略縱剖圖。
圖5為示出本發(fā)明的燃料電池用加濕裝置的使用形態(tài)的一例的概略圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的燃料電池用加濕裝置構(gòu)成為，將在多個(gè)中空紗膜構(gòu)成的中空紗膜束的兩端部上形成有在開(kāi)口狀態(tài)下固接中空紗膜的板管的中空紗膜元件，安裝在至少具有第一氣體供給口、第一氣體排出口、第二氣體供給口以及第二氣體排出口的容器內(nèi)，使得通向中空紗膜的中空側(cè)的空間與通向中空紗膜的外側(cè)的空間相隔絕。
構(gòu)成本發(fā)明的燃料電池用加濕裝置的中空紗膜元件的一例的概略縱剖圖示于圖1。多個(gè)(通常為數(shù)十個(gè)至數(shù)十萬(wàn)個(gè))中空紗膜1大致平行地束起而形成中空紗膜束。在該中空紗膜束的兩端部，例如，將以聚烯烴等熱可塑性樹(shù)脂及環(huán)氧樹(shù)脂等硬化性樹(shù)脂構(gòu)成的管板2、2′在中空紗膜保持開(kāi)口狀態(tài)下固接于兩端面而構(gòu)成中空紗膜元件3。另外，中空紗膜，在每1～100個(gè)相對(duì)軸方向以≤30°的小角度交互排列的所謂的綾織狀態(tài)下作為中空紗膜束整體大致平行形成集束是優(yōu)選的。
圖2為本發(fā)明的燃料電池用加濕裝置的一例的概略縱剖圖。上述中空紗膜元件3的至少一個(gè)安裝到至少具有第一氣體供給口4、第一氣體排出口5、第二氣體供給口6以及第二氣體排出口7的容器內(nèi)，使得通向中空紗膜的中空側(cè)的空間與通向中空紗膜的外側(cè)的空間隔絕。
就是說(shuō)，利用管板將容器內(nèi)的空間分割，在容器內(nèi)的兩個(gè)管板2、2′之間的空間各中空紗膜的中空側(cè)的空間和中空紗膜的外側(cè)的空間分開(kāi)。從第一氣體供給口4供給的第一氣體從管板2端面的中空紗膜的開(kāi)口導(dǎo)入到中空紗膜的中空側(cè)，流過(guò)中空紗膜的中空側(cè)，從反對(duì)側(cè)的管板2′的端面的中空紗膜的開(kāi)口流出而從第一氣體排出口5排出。另一方面，從第二氣體供給口6供給的第二氣體從中空紗膜的外側(cè)的空間流過(guò)，從第二氣體排出口7排出。其間，因?yàn)楦鱾€(gè)氣體在接觸中空紗膜的內(nèi)外表面中流動(dòng)，水蒸氣分壓高的氣體側(cè)的水蒸氣，有選擇地通過(guò)中空紗膜進(jìn)入到水蒸氣分壓低的氣體側(cè)進(jìn)行加濕。
還有，圖2中的箭頭表示氣體的流動(dòng)方向。
供給固體高分子型燃料電池的氣體及排出的氣體的壓力取決于該燃料電池的使用條件，大概為1個(gè)氣壓至4個(gè)氣壓左右(表壓為0～3個(gè)氣壓)，特別為1個(gè)氣壓至3個(gè)氣壓左右(表壓為0～2個(gè)氣壓)的低壓。將在燃料電池的陰極上發(fā)生的包含大量水分的陰極的排出氣體作為加濕氣體來(lái)考慮對(duì)供給陰極的空氣進(jìn)行加濕的場(chǎng)合可以明了，燃料電池用加濕裝置，對(duì)低壓氣體可以以低壓氣體進(jìn)行加濕并且為了盡量減小用來(lái)對(duì)氣體加壓的動(dòng)力，必須將壓力損失抑制到很低的水平。
加濕裝置的壓力損失，主要發(fā)生于氣體流過(guò)中空紗膜的中空側(cè)時(shí)和氣體流過(guò)中空紗膜的外側(cè)的空間時(shí)。
作為用來(lái)抑制通過(guò)中空紗膜的中空側(cè)的氣體的壓力損失的方法，可考慮縮短中空紗膜的方法。然而，在使用短中空紗膜時(shí)，中空紗膜的兩端部埋入管板中，不能用來(lái)加濕的膜面積的比例變大，很難獲得經(jīng)濟(jì)的加濕裝置。并且，因?yàn)樵诳s短中空紗膜而要獲得同等的加濕量時(shí)，就必需更多的中空紗膜，如以下所述，在中空紗膜元件的有效長(zhǎng)度為L(zhǎng)，安裝上述中空紗膜元件的容器的內(nèi)徑為D時(shí)，由于L/D變小，在中空紗膜的外側(cè)的空間中氣體的流動(dòng)會(huì)引起偏流而降低加濕效率。
在本發(fā)明的加濕裝置中使用的中空紗分離膜的內(nèi)徑＞400μm。內(nèi)徑的優(yōu)選下限值為＞400μm，更優(yōu)選是＞500μm，并且內(nèi)徑的優(yōu)選上限值為＜1500μm，特別是＜800μm。典型值為在＞400μm至＜1500μm范圍內(nèi)，更優(yōu)選是在＞500μm至＜1500μm范圍內(nèi)。中空紗膜的內(nèi)徑＞400μm，尤其是≥410μm，特別是＞500μm時(shí)，即使是使用內(nèi)徑數(shù)百倍以上的長(zhǎng)度的中空紗膜，也可以將壓力損失抑制到極低的水平。因此，利用管板就可以使不能用于加濕的膜面積的比例變小而可以得到經(jīng)濟(jì)的加濕裝置。另外，如下所述，因?yàn)樵谥锌占喣ぴ挠行чL(zhǎng)度為L(zhǎng)，安裝上述中空紗膜元件的容器的內(nèi)徑為D時(shí)，L/D可以具有一定值以上的數(shù)值，所以加濕效率可以提高。
另一方面，在中空紗膜的內(nèi)徑≥1500μm時(shí)，在規(guī)定的容積內(nèi)可以安裝的中空紗膜的個(gè)數(shù)受到限制而使有效面積減小，難以提高加濕效率，否則就必須使裝置變成為大型，不是優(yōu)選。并且，在中空紗膜的內(nèi)徑≥1500μm時(shí)，中空紗膜容易變形，中空紗膜的制造難度增加。為了使中空紗膜的強(qiáng)度提高而增加膜厚時(shí)，因?yàn)樗魵獾耐高^(guò)速度減小，很難得到加濕效率高的加濕裝置。
本發(fā)明的加濕裝置中使用的中空紗膜的水蒸氣透過(guò)速度(P′H2O)，在80℃的溫度下為≥0.5×10-3cm3(STP)/cm2·sec·cmHg，優(yōu)選是2.0×10-3cm3(STP)/cm2·sec·cmHg，并且水蒸氣和氧氣的透過(guò)速度比(P′H2O/P′O2)，在80°的溫度下為≥10，優(yōu)選是≥100。
因?yàn)樵谥锌占喣さ乃魵馔高^(guò)速度(P′H2O)＜0.5×10-3cm3(STP)/cm2·sec·cmHg時(shí)，得不到充分的加濕量，而為了得到同樣的加濕量，就必須多使用中空紗膜，不是優(yōu)選。另外，因?yàn)樵谒魵夂脱鯕獾耐高^(guò)速度比(P′H2O/P′O2)＜10時(shí)，水蒸氣以外的氣體成分容易通過(guò)中空紗膜，不是優(yōu)選。例如，在使用陰極的排出氣體來(lái)對(duì)供給陰極的空氣進(jìn)行加濕時(shí)，排出氣體的氧氣分壓變得比空氣的氧氣分壓小，氧氣有可能從空氣透過(guò)到排出氣體側(cè)。此時(shí)，水蒸氣和氧氣的透過(guò)速度比(P′H2O/P′O2)＜10，大量的氧氣透過(guò)使供給的空氣中的氧氣濃度減小，燃料電池的輸出降低，不是優(yōu)選。
此外，在本發(fā)明的加濕裝置中使用的中空紗分離膜，具有在100℃的熱水中進(jìn)行50小時(shí)熱水處理之后的拉伸斷裂延伸率保持為熱水處理前的≥80％，優(yōu)選是可以保持≥90％的耐熱水性。由于固體高分子型燃料電池堆是在大約80℃的溫度下使用，加濕裝置也在同樣程度的溫度條件下運(yùn)行。所以，中空紗膜在大約80℃的溫度條件下不斷地接觸包含大量水蒸氣的氣體。即使在100℃的熱水中進(jìn)行50小時(shí)的熱處理之后，也可以保持熱處理前的拉伸斷裂延伸率的≥80％的拉伸斷裂延伸率的中空紗膜，由于不是受100℃的熱水加水分解的中空紗膜，可以長(zhǎng)時(shí)間可靠性高地應(yīng)用于加濕。
在本發(fā)明的加濕裝置中使用的中空紗分離膜，是多孔性膜或非多孔性膜都沒(méi)有關(guān)系，但由于在多孔性膜的情況下存在水蒸氣以外的成分容易混入到供給氣體中等等問(wèn)題，所以優(yōu)選是非多孔性膜。特別是，因?yàn)榉菍?duì)稱(chēng)的非多孔性膜水蒸氣透過(guò)速度高，是優(yōu)選。關(guān)于膜的材質(zhì)，從在大約80℃的高溫中與水蒸氣及氧氣等接觸的使用條件出發(fā)，耐熱性、耐藥品性、耐久性及耐加水分解性優(yōu)異的材料為優(yōu)選。
就多孔性膜而言，可以列舉的材質(zhì)，例如，可以是具有磺酸基的全氟化碳樹(shù)脂、聚乙烯樹(shù)脂、聚丙烯樹(shù)脂、聚偏氟乙烯樹(shù)脂、聚四氟乙烯樹(shù)脂、聚砜樹(shù)脂、聚醚砜樹(shù)脂、聚酰胺樹(shù)脂、聚酰胺酰亞胺樹(shù)脂、聚醚酰亞胺樹(shù)脂、聚碳酸酯樹(shù)脂、纖維素衍生物樹(shù)脂等。
就非多孔性膜而言，可以列舉的材質(zhì)，例如，可以是聚酰亞胺樹(shù)脂、聚砜樹(shù)脂、具有磺酸基的全氟化碳樹(shù)脂、聚醚砜樹(shù)脂、聚酰胺樹(shù)脂、聚酰胺酰亞胺樹(shù)脂、聚醚酰亞胺樹(shù)脂、聚碳酸酯樹(shù)脂、聚亞苯基氧樹(shù)脂、聚乙炔樹(shù)脂、纖維素衍生物樹(shù)脂等。
作為在本發(fā)明的燃料電池用加濕裝置中使用的中空紗膜，特別優(yōu)選的是由芳香族聚酰亞胺組成的非對(duì)稱(chēng)中空紗膜。由芳香族聚酰亞胺組成的非對(duì)稱(chēng)中空紗膜，例如，如在包含本發(fā)明的發(fā)明人在內(nèi)的發(fā)明人在美國(guó)專(zhuān)利第6464755號(hào)說(shuō)明書(shū)所詳述的，耐熱性及耐久性優(yōu)異，水蒸氣透過(guò)速度高，因?yàn)榭梢灾圃炷蜔崴詢?yōu)異的制品，可以得到極高效率和高可靠性的加濕裝置。
可以在本發(fā)明的加濕裝置中使用的非對(duì)稱(chēng)中空紗分離膜，可以利用溶解上述樹(shù)脂的聚合物溶液，采用Loeb等人(例如，在美國(guó)專(zhuān)利第3133132中)提議的方法，即將聚合物溶液從噴頭擠出成為目的形狀物通過(guò)空氣或氮?dú)鈿夥湛臻g之后，浸漬于凝固浴的所謂的干濕式法很容易制得。
另外，在本發(fā)明的加濕裝置中使用的中空紗分離膜，在一種優(yōu)選方式中，如美國(guó)專(zhuān)利第6464755號(hào)專(zhuān)利說(shuō)明書(shū)中所述，具有由表層(分離層)和多孔質(zhì)層(支持層)構(gòu)成的非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，多孔質(zhì)層的氣體透過(guò)速度，氦氣的透過(guò)速度(P′He)≥2.5×10-3cm3(STP)/cm2·sec·cmHg，更優(yōu)選為≥3.0×10-3cm3(STP)/cm2·sec·cmHg，拉伸強(qiáng)度≥2.5kgf/mm2，更優(yōu)選為3.0kgf/mm2，并且斷裂延伸率為≥10％，更優(yōu)選為≥15％。
中空紗分離膜的多孔質(zhì)層(支持層)的氦氣的透過(guò)速度是表示膜的多孔質(zhì)層(支持層)的氣體透過(guò)阻力(其中值越大，阻力越小)，是以下面的方法測(cè)定的值。就是說(shuō)，將非對(duì)中空紗膜通過(guò)氧氣等離子體處理將表層去掉，氦氣和氮?dú)獾耐高^(guò)速度比是到達(dá)實(shí)質(zhì)上不能認(rèn)為是均質(zhì)膜的透過(guò)速度比的區(qū)域時(shí)的氦氣的透過(guò)速度(P′He)。具體言之，是將在等離子體處理前的氦氣和氮?dú)獾耐高^(guò)速度比(P′He/P′N(xiāo)2)≥20的膜減小等離子體處理，在上述透過(guò)速度比(P′He/P′N(xiāo)2)變?yōu)椤?.2時(shí)的氦氣的透過(guò)速度。
另外，中空紗分離膜的機(jī)械強(qiáng)度，以膜為中空紗時(shí)的拉伸試驗(yàn)的拉伸強(qiáng)度和斷裂延伸率表示。這些值是在溫度為23℃利用拉伸試驗(yàn)機(jī)在試樣的有效長(zhǎng)度為20mm，拉伸速度為10mm/分鐘的條件下測(cè)定的值。拉伸強(qiáng)度是以中空紗膜拉伸斷裂時(shí)的應(yīng)力除以中空紗的膜的剖面面積的值(單位kgf/mm2)，斷裂延伸率是在中空紗的原來(lái)長(zhǎng)度為L(zhǎng)0，拉伸斷裂時(shí)的長(zhǎng)度為L(zhǎng)時(shí)的(L-L)/L0×100(單位％)。
中空紗膜的拉伸強(qiáng)度優(yōu)選為≥2.5kgf/mm2，斷裂延伸率優(yōu)選為≥10％。具有這種機(jī)械強(qiáng)度的中空紗膜可減小處理而不容易破損和斷裂，并且因?yàn)榫哂袃?yōu)異的耐壓性和耐久性而特別有用。
滿足上述這樣的多孔質(zhì)層的氦氣的透過(guò)速度(P′He)、中空紗膜的拉伸強(qiáng)度及斷裂延伸率的非對(duì)稱(chēng)中空紗分離膜的制法披露于美國(guó)專(zhuān)利第6464755號(hào)專(zhuān)利說(shuō)明書(shū)中(參照該敘述，包含于本說(shuō)明書(shū))。
可以在本發(fā)明的加濕裝置中使用的中空紗分離膜的膜厚，通常表層為10～200nm，優(yōu)選為20～100nm，多孔質(zhì)層為20～200nm，優(yōu)選為30～100nm。
在本發(fā)明的加濕裝置中，在中空紗膜元件的有效長(zhǎng)度為L(zhǎng)，安裝中空紗膜元件的容器的內(nèi)徑為D時(shí)，L/D≥1.8，特別是為2～6的結(jié)構(gòu)，因?yàn)榧訚裥矢叨m用。
在作為在容器內(nèi)安裝中空紗膜元件的一例的概略縱剖圖的圖3中示出L及D。另外，圖3中的箭頭表示氣體的流動(dòng)方向。
所謂中空紗膜元件的有效長(zhǎng)度L，是在中空紗膜的兩端部形成的除了管板之外的實(shí)際上水蒸氣可以透過(guò)的部分的長(zhǎng)度，所謂容器的內(nèi)徑D，是相對(duì)安裝中空紗膜元件的容器的中空紗膜束的縱向方向的垂直剖面的直徑。在容器為圓柱狀時(shí)，D是容器的圓剖面的直徑。通常，此容器為圓柱狀。在此容器為長(zhǎng)方體形狀時(shí)，是具有與相對(duì)容器的中空紗膜束的縱向方向的垂直剖面的面積相同的面積的圓的直徑。容器的內(nèi)徑D，是表示導(dǎo)入到中空紗膜的外側(cè)的空間的第二氣體在中空紗膜的外側(cè)的空間內(nèi)流動(dòng)時(shí)的廣度。
在L/D≤1.8時(shí)，因?yàn)橹锌占喣ぴ拈L(zhǎng)度相對(duì)地短，流過(guò)中空紗膜的中空側(cè)的第一氣體的壓力損失可以很容易抑制為很低。然而，另一方面，因?yàn)榕c中空紗膜元件的有效長(zhǎng)度比較，流過(guò)中空紗膜的外側(cè)的空間的第二氣體的廣度相對(duì)大，上述第二氣體流不在中空紗膜的縱向方向上流動(dòng)，而流過(guò)中空紗膜橫切方向的程度變大。就是說(shuō)，在脫離沿著可最大限度發(fā)揮中空紗膜的加濕能力的中空紗膜的活塞流，短路流和偏流，即出現(xiàn)氣體流速快和慢的地點(diǎn)。在出現(xiàn)短路流和偏流時(shí)，加濕效率降低，不是優(yōu)選。
因?yàn)樵贚/D＞6時(shí)，中空紗膜元件的長(zhǎng)度相對(duì)長(zhǎng)，很難將流過(guò)中空紗膜的中空側(cè)的第一氣體的壓力損失抑制為很低。
另外，使用的中空紗膜元件，是將中空紗膜束的外周部以膜狀物質(zhì)覆蓋控制流過(guò)中空子膜的外側(cè)的第二氣體的廣度的單元時(shí)，D不是容器的內(nèi)徑，而是指以膜狀物資包圍的空間的內(nèi)徑。
在本發(fā)明的加濕裝置中，構(gòu)成中空紗膜元件的中空紗膜束的膜填充率，即與構(gòu)成中空紗膜元件的中空紗膜束的縱向方向垂直的剖面面積相對(duì)與構(gòu)成上述中空紗膜束的各中空紗膜的縱向方向垂直的剖面面積的總和的比例為35～55％，優(yōu)選為35～45％。
上述中空紗膜束的膜填充率表示在與中空紗膜束的縱向方向垂直的剖面面積中中空紗膜占據(jù)的面積的比例，從100％減去膜填充率(％)的值(％)表示中空紗膜束中中空紗膜的外側(cè)的空間的比例。
在膜填充率＜35％時(shí)，構(gòu)成中空紗膜束的中空紗膜過(guò)少，難以有效地加濕。并且，容易出現(xiàn)局部膜填充率大的部分和小的部分而成為短路流和偏流的原因。另外，在膜填充率＞45％特別是＞55％時(shí)，中空紗膜束的中空紗膜的外側(cè)的空間變小，成為短路流和偏流的原因，并且難以抑制流過(guò)中空紗膜的外側(cè)的空間的第二氣體流的壓力損失。
在本發(fā)明的加濕裝置中，在中空紗膜元件的加濕有效部分為中空紗膜束的外周部的≥50％的部分，特別是大約為80％～95％時(shí)，優(yōu)選是以膜狀物質(zhì)覆蓋。
在將中空紗膜元件安裝于容器內(nèi)時(shí)，有時(shí)在中空紗膜束的外周部和容器內(nèi)壁表面之間產(chǎn)生空間。在此空間流過(guò)導(dǎo)入到中空紗膜的外側(cè)的空間的第二氣體，由于流過(guò)此空間的第二氣體不接觸中空紗膜，就成為對(duì)水蒸氣透過(guò)完全沒(méi)有作用的氣流。在本發(fā)明的加濕裝置中覆蓋中空紗膜束的外周部的膜狀物質(zhì)就是為了防止上述的對(duì)水蒸氣透過(guò)完全沒(méi)有作用的氣體流而設(shè)置的。
此膜狀物質(zhì)的配置應(yīng)不妨礙設(shè)置于容器中的第一氣體供給口、第一氣體排出口、第二氣體供給口及第二氣體排出口的出入流。
這種膜狀物質(zhì)，使導(dǎo)入到裝置內(nèi)的氣體實(shí)質(zhì)上不能透過(guò)，是難透過(guò)性，只要是在80℃左右的溫度及存在水分及氧氣的氣氛中具有耐久性，由任何材料形成都沒(méi)關(guān)系，例如，可以優(yōu)選使用聚丙烯、聚酯、聚酰亞胺等塑料材料和鋁及不銹鋼的薄膜。對(duì)膜厚沒(méi)有特別限制，數(shù)10μm～數(shù)mm左右為優(yōu)選。
在本發(fā)明的加濕裝置中，流過(guò)中空紗膜的第一氣體流和流過(guò)中空紗膜的外側(cè)的空間的第二氣體流是對(duì)流流動(dòng)的結(jié)構(gòu)為優(yōu)選。
在這些氣體流中，一個(gè)是在水蒸氣的含量高的狀態(tài)下供給的加濕用氣體，另一個(gè)是在水蒸氣含量低的狀態(tài)下供給的被加濕氣體。水蒸氣透過(guò)膜的驅(qū)動(dòng)力通常是夾著膜的兩個(gè)氣體的膜表面附近的水蒸氣分壓的差。因此，在對(duì)加濕用氣體加壓對(duì)被加濕用氣體減壓時(shí)，就可以達(dá)到非常大的水蒸氣的透過(guò)量。不過(guò)，因?yàn)楣┙o燃料電池的氣體和從燃料電池排出的氣體的壓力由該燃料電池的使用條件決定，特別是從1個(gè)氣壓至3個(gè)氣壓左右(表壓為0～2個(gè)氣壓)的低壓，在通過(guò)加大加濕用氣體的壓力來(lái)提高水蒸氣的透過(guò)效率這一點(diǎn)上是有限度的。
特別是在這種條件下，由于以下的理由對(duì)流成為優(yōu)選。
就是說(shuō)，因?yàn)樵谒魵馔高^(guò)膜時(shí)，透過(guò)側(cè)的膜表面附近的水蒸氣分壓上升，接著應(yīng)該出現(xiàn)的水蒸氣的膜透過(guò)的驅(qū)動(dòng)力減弱。將此透過(guò)側(cè)的膜表面附近的水蒸氣分壓上升的氣體以水蒸氣分壓低的被加濕氣體置換時(shí)，水蒸氣透過(guò)膜的驅(qū)動(dòng)力不減弱。
在結(jié)構(gòu)使流過(guò)中空紗膜的內(nèi)側(cè)和中空紗膜的外側(cè)的空間的氣體流成為對(duì)流時(shí)，可將透過(guò)側(cè)的膜表面附近的水蒸氣分壓上升的氣體以水蒸氣分壓低的被加濕氣體連續(xù)地進(jìn)行置換，并且，因?yàn)樯形醇訚竦乃魵夥謮旱偷谋患訚駳怏w流過(guò)水蒸氣透過(guò)使水蒸氣分壓降低的加濕用氣體流過(guò)的地點(diǎn)的膜的透過(guò)側(cè)，可以使水蒸氣在中空紗膜的整個(gè)長(zhǎng)度上透過(guò)，可以使加濕效率提高。
在不是以對(duì)流方式流動(dòng)時(shí)，例如，當(dāng)加濕用氣體和被加濕氣體沿著中空紗膜在同一方向上流動(dòng)，在兩氣體導(dǎo)入開(kāi)始流過(guò)膜的兩側(cè)時(shí)，膜的兩側(cè)的水蒸氣分壓差最大，有大量水蒸氣透過(guò)，但在沿著膜向前流動(dòng)時(shí)，加濕用氣體的水蒸氣分壓下降并且被加濕氣體的水蒸氣分壓上升而使膜的兩側(cè)的水蒸氣分壓差減小，水蒸氣透過(guò)就很難發(fā)生。其結(jié)果，就使整個(gè)中空紗膜的加濕效率降低。
在本發(fā)明的加濕裝置中，為了使加濕用氣體和被加濕氣體沿著中空紗膜以對(duì)流方式流動(dòng)，優(yōu)選是將第一氣體供給口、第一氣體排出口、第二氣體供給口及第二氣體排出口在容器中進(jìn)行適當(dāng)配置，以使第一氣體從中空紗膜元件的一個(gè)端部的管板的開(kāi)口導(dǎo)入到中空紗膜內(nèi)，在中空紗內(nèi)流過(guò)并從中空紗膜元件的另一端部的管板的開(kāi)口排出，而第二氣體在第一氣體排出側(cè)的中空紗膜元件的管板的附近導(dǎo)入到容器內(nèi)的中空紗膜外的空間，流過(guò)容器內(nèi)的中空紗膜外的空間并在第一氣體導(dǎo)入側(cè)的中空紗膜元件的管板附近從容器排出。
第二氣體供給口在容器中也可以配置成為使第二氣體從供給口直接導(dǎo)入到容器內(nèi)的中空紗膜的外側(cè)的空間。
特別優(yōu)選是加濕裝置的結(jié)構(gòu)為在中空紗膜元件的中空紗膜束的大致中心部設(shè)置沿著中空紗膜配置的芯管，該芯管，貫通第一氣體向中空紗膜外流出側(cè)的管板，并且在該管板的附近面向中空紗膜的外側(cè)的空間形成連通芯管內(nèi)外的連通孔，將從第二氣體供給口供給的第二氣體導(dǎo)入到上述芯管，從上述連通孔流出進(jìn)到容器內(nèi)的中空紗膜的外側(cè)的空間，沿著中空紗在中空紗的外側(cè)的空間流動(dòng)，在第一氣體導(dǎo)入中空紗膜內(nèi)的一側(cè)的管板的附近從中空紗膜的外側(cè)的空間從設(shè)置于容器中的第二氣體排出口排出到容器外。
導(dǎo)入的第二氣體，在從中空紗膜束的中心部沿著中空紗膜以對(duì)流方式流動(dòng)的同時(shí)，并且可以以放射狀均勻地向著中空紗膜束的外側(cè)方向流動(dòng)，難于發(fā)生短路流及偏流，可以進(jìn)一步提高加濕效率。
在本發(fā)明的加濕裝置中，優(yōu)選是流過(guò)中空紗膜的內(nèi)側(cè)的第一氣體是加濕用氣體，流過(guò)中空紗膜的外側(cè)的空間的第二氣體是被加濕氣體。
在本發(fā)明的加濕裝置中，容器等的材料，只要是在80℃左右的溫度及存在水分及氧氣的氣氛中具有耐久性，由任何材料形成都沒(méi)關(guān)系，例如，既可以由不銹鋼及鋁合金等金屬形成，也可以由樹(shù)脂及纖維增強(qiáng)樹(shù)脂形成。容器不是整體構(gòu)成，而是由圓柱部和頂部組裝而成也沒(méi)有關(guān)系。需要時(shí)，可以使用密封類(lèi)、粘接劑、螺栓螺母類(lèi)等等。另外，本發(fā)明的加濕裝置，為了除去氣體中雜質(zhì)及可能使膜性能劣化的物質(zhì)，例如，油霧、塵埃、氣體中包含的微量化學(xué)物質(zhì)，可設(shè)置過(guò)濾器類(lèi)等等前處理裝置。此外，可以在需要時(shí)設(shè)置用來(lái)調(diào)整氣體溫度的熱交換器及加熱器之類(lèi)、用來(lái)調(diào)整氣體壓力的壓縮機(jī)等壓力調(diào)整裝置類(lèi)。
下面，利用示出本發(fā)明的加濕裝置另一實(shí)施例的概略縱剖圖的圖4進(jìn)一步進(jìn)行說(shuō)明。
在圖4中，由中空紗膜1構(gòu)成的中空紗膜束的兩端部以管板2、2′在中空紗膜保持開(kāi)口狀態(tài)下固接。在中空紗膜束的大致中心部沿著中空紗膜設(shè)置芯管9。芯管9，埋入第一氣體供給口4一側(cè)的管板2中，貫通第一氣體排出口5一側(cè)的管板2′與第二氣體供給口6連通。另外，在芯管9上，在管板2′附近，沿著芯管的外周配置連通芯管內(nèi)部和中空紗膜外側(cè)的空間的連通孔10。在中空紗膜束的外周部上覆蓋膜狀物質(zhì)11。此膜狀物質(zhì)11，嵌入第一氣體排出口側(cè)的管板2′進(jìn)行固定，而靠近管板2設(shè)置的第二氣體排出口7面對(duì)的部分，中空紗膜不覆蓋膜狀物質(zhì)。
在此裝置中，包含大量水蒸氣的加濕用氣體，從第一氣體供給口4導(dǎo)入，在中空紗膜內(nèi)流過(guò)而從第一氣體排出口5排出。另一方面，應(yīng)該加濕的被加濕氣體從第二氣體供給口6導(dǎo)入，在芯管9內(nèi)流過(guò)并從芯管的連通孔10導(dǎo)入到中空紗膜的外側(cè)的空間，沿著中空紗膜實(shí)質(zhì)上與加濕用氣體流以對(duì)流方式流動(dòng)而從第二氣體排出口7排出。其間，由于加濕用氣體和被加濕氣體分別接觸，水蒸氣分壓高的加濕用氣體中的水蒸氣從中空紗膜內(nèi)向著中空紗膜外透過(guò)中空紗膜。其結(jié)果，流過(guò)中空紗膜的外側(cè)的空間的被加濕氣體受到加濕而從第二氣體排出口排出。
還有，圖4中的箭頭表示氣體的流動(dòng)方向。
本發(fā)明的加濕裝置，因?yàn)槭褂弥锌占喣?，是小型輕量并且不需要復(fù)雜驅(qū)動(dòng)和操作的加濕裝置。此外，即使是在燃料電池的運(yùn)行溫度80℃左右的溫度及水蒸氣、氧氣以及氫氣等存在的氣氛中長(zhǎng)時(shí)間暴露也可以穩(wěn)定地進(jìn)行加濕；即使是使用低壓氣體也可以在抑制壓力損失的同時(shí)高效率地進(jìn)行加濕；可以抑制除水蒸氣以外的其他成分的透過(guò)等；并且，因?yàn)榻?jīng)濟(jì)，適于應(yīng)用于燃料電池。
本發(fā)明的加濕裝置，特別是，可以適用于利用從陰極排出的氣體對(duì)供給燃料電池的陰極的空氣進(jìn)行加濕的場(chǎng)合。
圖5為示出本發(fā)明的燃料電池用加濕裝置的使用形態(tài)的一例的概略圖。還有，圖5中的箭頭表示氣體的流動(dòng)方向。
在圖5中，固體高分子型燃料電池12由陽(yáng)極13、固體高分子電解質(zhì)14陰極15構(gòu)成。對(duì)陰極15供給空氣。該空氣，取自外部氣體，首先從第二氣體供給口6供給本發(fā)明的加濕裝置，通過(guò)連通孔10導(dǎo)入到裝置內(nèi)的中空紗膜的外側(cè)的空間，從第二氣體排出口7排出，供給燃料電池的陰極15。從陰極15排出的排出氣體導(dǎo)入到本發(fā)明的加濕裝置的第一氣體供給口4。之后，上述排出氣體從管板2的中空紗的開(kāi)口部進(jìn)入中空紗膜的中空側(cè)，在中空內(nèi)流過(guò)并從管板2′的中空紗的開(kāi)口部流出而從第一氣體排出口5排出到裝置外。
從陰極15排出的排出氣體的溫度約為80℃并且包含大量在燃料電池12中生成的水。導(dǎo)入到加濕裝置的上述排出氣體和空氣夾著中空紗膜在與膜接觸的同時(shí)互相在對(duì)流的方向上流動(dòng)。其間，上述排出氣體中的水蒸氣透過(guò)膜之后加濕空氣。此外，在此過(guò)程中，空氣接受上述排出氣體的熱量而受到加溫。經(jīng)過(guò)加濕加溫的空氣從第二氣體排出口7排出而供給燃料電池的陰極。
實(shí)施例下面利用實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的加濕裝置進(jìn)一步予以說(shuō)明。還有，本發(fā)明并不限定于以下的實(shí)施例。
實(shí)施例中的測(cè)定方法如下。
(旋轉(zhuǎn)粘度的測(cè)定方法)聚酰亞胺溶液的旋轉(zhuǎn)粘度，利用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)在溫度100℃中測(cè)定。
(中空紗膜的水蒸氣透過(guò)性能的測(cè)定方法)使用約10個(gè)中空紗膜、不銹鋼管及環(huán)氧樹(shù)脂粘合劑制作有效長(zhǎng)度為20mm的透過(guò)性能評(píng)價(jià)用的單元，將其裝入到不銹鋼容器內(nèi)作為筆形模塊。對(duì)此筆形模塊的中空紗膜的外側(cè)供給一定量的水蒸氣濃度約23體積％的氮?dú)?，在使一定量的載體氣體(Ar氣體)流過(guò)的同時(shí)進(jìn)行水蒸氣分離，由鏡面式露點(diǎn)計(jì)檢測(cè)非透過(guò)氣體及透過(guò)氣體的水蒸氣量。從測(cè)定的水蒸氣量(水蒸氣分壓)和供給氣體量以及有效膜面積計(jì)算出膜的水蒸氣的透過(guò)速度。還有，這些測(cè)定在80℃的溫度下進(jìn)行。
(中空紗膜的氧氣透過(guò)性能的測(cè)定)使用約15個(gè)中空紗膜、不銹鋼管及環(huán)氧樹(shù)脂粘合劑制作有效長(zhǎng)度為10cm的透過(guò)性能評(píng)價(jià)用的單元，將其裝入到不銹鋼容器內(nèi)作為筆形模塊。對(duì)其供給一定壓力的純氧測(cè)定透過(guò)流量。從測(cè)定的透過(guò)氧氣量和供給壓力以及有效膜面積計(jì)算出氧氣的透過(guò)速度。還有，這些測(cè)定在80℃的溫度下進(jìn)行。
(中空紗膜拉伸斷裂延伸率的測(cè)定)利用拉伸試驗(yàn)機(jī)在有效長(zhǎng)度20mm、拉伸速度10mm/分鐘條件下進(jìn)行測(cè)定。還有，測(cè)定在23℃下進(jìn)行。
(中空紗膜的耐熱水性的測(cè)定)以拉伸斷裂延伸率已知的中空紗膜作為試樣，將離子交換水和上述中空紗膜裝入不銹鋼容器內(nèi)密封，將上述容器置于烘箱中在100℃下保持50小時(shí)對(duì)中空紗膜進(jìn)行熱水處理。將熱水處理后的中空紗膜從容器中取出在100℃的烘箱中干燥。干燥后的中空紗膜按照上述的拉伸試驗(yàn)方法測(cè)定拉伸斷裂延伸率。將拉伸斷裂延伸率的保持率(％)表示為耐熱水性的指標(biāo)。
(加濕試驗(yàn))在供給氣體的壓力大致為大氣壓力時(shí)，對(duì)加濕裝置的第一氣體供給口和第二氣體供給口供給保持規(guī)定壓力、溫度、相對(duì)濕度的空氣，供給時(shí)其流量利用各供給口前方的流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。各排出口都開(kāi)放通到大氣。另外，供給氣體的壓力為0.2MPaG時(shí)，對(duì)加濕裝置的各供給口供給保持規(guī)定壓力、溫度、相對(duì)濕度的空氣，從排出口排出的流量利用流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。
在第一氣體供給口和第二氣體供給口的緊前方及排出口的緊后方安裝水壓計(jì)測(cè)定壓力。
另外，對(duì)第一氣體和第二氣體都利用鏡面式露點(diǎn)計(jì)對(duì)供給氣體和排出氣體測(cè)定含水量。
(聚酰亞胺(a)的溶液的制備)將3，3′，4，4′-聯(lián)苯四碳酸二酐52.960g、2，2′，-雙(3，4-偶羧苯)六氟代丙烷二酐53.309g、4，4′，-二氨基二苯乙醚60.793g與溶媒對(duì)苯酚820.37g一起在可分燒瓶中在聚合溫度180℃聚合11小時(shí)，可得到旋轉(zhuǎn)粘度1716泊、聚合物濃度16重量％的聚酰亞胺(a)。
(聚酰亞胺(b)的溶液的制備)將3，3′，4，4′-聯(lián)苯四碳酸二酐88.266g、二氨基二苯乙醚61.273g與溶媒對(duì)苯酚728.38g一起在可分燒瓶中在聚合溫度180℃聚合7小時(shí)，可得到旋轉(zhuǎn)粘度1823泊、聚合物濃度16重量％的聚酰亞胺(b)。
(非對(duì)稱(chēng)聚酰亞胺中空紗膜的制造)將上述聚酰亞胺(a)溶液280g和上述聚酰亞胺(b)溶液120g在可分燒瓶中在溫度130℃攪拌3小時(shí)可得到聚酰亞胺混合物。此混合物溶液的聚合物濃度為16重量％，旋轉(zhuǎn)粘度為1804泊。
將此聚酰亞胺混合物溶液以400號(hào)(網(wǎng)眼)金屬網(wǎng)過(guò)濾之后，從具有圓形開(kāi)口部和芯部開(kāi)口部的中空紗紡紗噴頭的圓形開(kāi)口部噴出，同時(shí)從芯部開(kāi)口部噴出氮?dú)舛蔀橹锌占啝铙w，使噴出的中空紗狀體在氮?dú)鈿夥罩型ㄟ^(guò)之后，在溫度0℃的規(guī)定濃度(70～80重量％)的乙醇水溶液組成的凝固液中浸漬成為潤(rùn)濕紗。將其置于溫度50℃的乙醇中浸漬2小時(shí)結(jié)束脫溶劑處理，再置于溫度70℃的異辛烷中3小時(shí)浸漬清洗進(jìn)行溶劑置換后，在溫度100℃干燥到絕對(duì)干燥狀態(tài)，之后在規(guī)定溫度(200～300℃)進(jìn)行1小時(shí)熱處理。
通過(guò)使用尺寸不同的中空紗紡紗噴頭，調(diào)節(jié)聚酰亞胺溶液的噴出量及從芯部開(kāi)口部噴出的氮?dú)?，可制造?種非對(duì)稱(chēng)聚酰亞胺中空紗膜A～F。所得到的非對(duì)稱(chēng)聚酰亞胺中空紗膜A～F的尺寸及水蒸氣透過(guò)性能示于表1。
表1

(實(shí)施例1)利用聚酰亞胺中空紗膜A(中空紗膜的內(nèi)徑＝710μm)，在內(nèi)徑165mm的圓柱狀容器內(nèi)裝入中空紗膜束的有效長(zhǎng)度(L)為360mm(管板的長(zhǎng)度分別為50mm。以下同此)，膜填充率40％，沿著中空紗膜束的外周將外周面積的約80％以聚酰亞胺膜覆蓋，且該覆蓋的圓柱狀膜的內(nèi)徑為150mm(D)的中空紗膜元件，就制成如圖4所示的加濕裝置。(L/D＝24)作為第一氣體，是以大致為大氣壓、溫度80℃、相對(duì)濕度95％的空氣以流量500N升/分鐘流向中空紗膜的中空側(cè)，而作為第二氣體，是以大致為大氣壓、溫度25℃、相對(duì)濕度10％的空氣以流量500N升/分鐘流向中空紗膜的外側(cè)的空間，第一氣體和第二氣體是以對(duì)流方式供給。
對(duì)各個(gè)氣體的壓力和露點(diǎn)測(cè)定的結(jié)果，在第一氣體流過(guò)中空紗膜的中空側(cè)時(shí)的壓力損失為2.4kPa，在第二氣體流過(guò)中空紗膜的外側(cè)的空間時(shí)的壓力損失為0.1kPa，合計(jì)的壓力損失為2.5kPa。另外，第一氣體含有的水分中的透過(guò)中空紗膜向第二氣體移動(dòng)的水分量的比例為82％。
(比較例1)利用聚酰亞胺中空紗膜B(中空紗膜的內(nèi)徑＝285μm)，制作由具有與實(shí)施例1實(shí)質(zhì)上相同的有效面積，與實(shí)施例1相同的內(nèi)徑165mm的圓柱狀容器構(gòu)成的加濕裝置。具體言之，裝入中空紗膜束的有效長(zhǎng)度(L)為135mm，膜填充率40％，沿著中空紗膜束的外周將外周面積的約80％以聚酰亞胺膜覆蓋，且該覆蓋的圓柱狀膜的內(nèi)徑為150mm(D)的中空紗膜元件，就制成如圖4所示的加濕裝置。(L/D＝0.9)將與實(shí)施例1相同的氣體在同樣條件下流動(dòng)供給此裝置。
對(duì)各個(gè)氣體的壓力和露點(diǎn)測(cè)定的結(jié)果，在第一氣體流過(guò)中空紗膜的中空側(cè)時(shí)的壓力損失為8.0kPa，在第二氣體流過(guò)中空紗膜的外側(cè)的空間時(shí)的壓力損失為0.1kPa，合計(jì)的壓力損失為8.1kPa。另外，第一氣體含有的水分中的透過(guò)中空紗膜向第二氣體移動(dòng)的水分量的比例為36％。
(實(shí)施例2)利用聚酰亞胺中空紗膜A(中空紗膜的內(nèi)徑＝710μm)，在內(nèi)徑200mm(D)的圓柱狀容器內(nèi)裝入中空紗膜束的有效長(zhǎng)度(L)為600mm，膜填充率40％的中空紗膜元件，就制成如圖2所示的加濕裝置。(L/D＝3.0)作為第一氣體，是以大致為大氣壓、溫度80℃、相對(duì)濕度95％的空氣以流量1500N升/分鐘流向中空紗膜的中空側(cè)，而作為第二氣體，是以大致為大氣壓、溫度25℃、相對(duì)濕度10％的空氣以流量1500N升/分鐘流向中空紗膜的外側(cè)的空間，第一氣體和第二氣體是以對(duì)流方式供給。
對(duì)各個(gè)氣體的壓力和露點(diǎn)測(cè)定的結(jié)果，在第一氣體流過(guò)中空紗膜的中空側(cè)時(shí)的壓力損失為3.6kPa，在第二氣體流過(guò)中空紗膜的外側(cè)的空間時(shí)的壓力損失為0.4kPa，合計(jì)的壓力損失為4.0kPa。另外，第一氣體含有的水分中的透過(guò)中空紗膜向第二氣體移動(dòng)的水分量的比例為87％。
(比較例2)利用聚酰亞胺中空紗膜B(中空紗膜的內(nèi)徑＝285μm)，制作由具有與實(shí)施例2實(shí)質(zhì)上相同的有效面積，與實(shí)施例2相同的容器內(nèi)徑200mm(D)的圓柱狀容器構(gòu)成的加濕裝置。具體言之，裝入中空紗膜束的有效長(zhǎng)度(L)為240mm，膜填充率40％的中空紗膜元件，就制成如圖2所示的加濕裝置。(L/D＝1.2)將與實(shí)施例2相同的氣體在同樣條件下流動(dòng)供給此裝置。
對(duì)各個(gè)氣體的壓力和露點(diǎn)測(cè)定的結(jié)果，在第一氣體流過(guò)中空紗膜的中空側(cè)時(shí)的壓力損失為18.8kPa，在第二氣體流過(guò)中空紗膜的外側(cè)的空間時(shí)的壓力損失為0.6kPa，合計(jì)的壓力損失為19.4kPa。另外，第一氣體含有的水分中的透過(guò)中空紗膜向第二氣體移動(dòng)的水分量的比例為43％。
(實(shí)施例3)利用聚酰亞胺中空紗膜C(中空紗膜的內(nèi)徑＝570μm)，在內(nèi)徑100mm(D)的圓柱狀容器內(nèi)裝入中空紗膜束的有效長(zhǎng)度(L)為320mm，膜填充率40％的中空紗膜元件，就制成如圖2所示的加濕裝置。(L/D＝3.2)作為第一氣體，是以壓力0.2MPaG、溫度80℃、相對(duì)濕度95％的空氣以流量500N升/分鐘流向中空紗膜的中空側(cè)，而作為第二氣體，是以壓力0.2MPaG、溫度25℃、相對(duì)濕度5％的空氣以流量500N升/分鐘流向中空紗膜的外側(cè)的空間，第一氣體和第二氣體是以對(duì)流方式供給。
對(duì)各個(gè)氣體的壓力和露點(diǎn)測(cè)定的結(jié)果，在第一氣體流過(guò)中空紗膜的中空側(cè)時(shí)的壓力損失為2.6kPa，在第二氣體流過(guò)中空紗膜的外側(cè)的空間時(shí)的壓力損失為0.2kPa，合計(jì)的壓力損失為2.8kPa。另外，第一氣體含有的水分中的透過(guò)中空紗膜向第二氣體移動(dòng)的水分量的比例為85％。
(比較例3)
利用聚酰亞胺中空紗膜D(中空紗膜的內(nèi)徑＝145μm)，制作由具有與實(shí)施例3實(shí)質(zhì)上相同的有效面積，與實(shí)施例3相同的容器內(nèi)徑100mm(D)的圓柱狀容器構(gòu)成的加濕裝置。具體言之，裝入中空紗膜束的有效長(zhǎng)度(L)為80mm，膜填充率40％的中空紗膜元件，就制成如圖2所示的加濕裝置。(L/D＝0.8)將與實(shí)施例3相同的氣體在同樣條件下流動(dòng)供給此裝置。
對(duì)各個(gè)氣體的壓力和露點(diǎn)測(cè)定的結(jié)果，在第一氣體流過(guò)中空紗膜的中空側(cè)時(shí)的壓力損失為17.5kPa，在第二氣體流過(guò)中空紗膜的外側(cè)的空間時(shí)的壓力損失為0.4kPa，合計(jì)的壓力損失為17.9kPa。另外，第一氣體含有的水分中的透過(guò)中空紗膜向第二氣體移動(dòng)的水分量的比例為40％。
(實(shí)施例4)利用聚酰亞胺中空紗膜C(中空紗膜的內(nèi)徑＝570μm)，在內(nèi)徑130mm(D)的圓柱狀容器內(nèi)裝入中空紗膜束的有效長(zhǎng)度(L)為380mm，膜填充率40％的中空紗膜元件，就制成如圖2所示的加濕裝置。(L/D＝2.9)作為第一氣體，是以壓力0.2MPaG、溫度80℃、相對(duì)濕度95％的空氣以流量1500N升/分鐘流向中空紗膜的中空側(cè)，而作為第二氣體，是以壓力0.2MPaG、溫度25℃、相對(duì)濕度5％的空氣以流量1500N升/分鐘流向中空紗膜的外側(cè)的空間，第一氣體和第二氣體是以對(duì)流方式供給。
對(duì)各個(gè)氣體的壓力和露點(diǎn)測(cè)定的結(jié)果，在第一氣體流過(guò)中空紗膜的中空側(cè)時(shí)的壓力損失為5.2kPa，在第二氣體流過(guò)中空紗膜的外側(cè)的空間時(shí)的壓力損失為0.5kPa，合計(jì)的壓力損失為5.7kPa。另外，第一氣體含有的水分中的透過(guò)中空紗膜向第二氣體移動(dòng)的水分量的比例為80％。
(比較例4)利用聚酰亞胺中空紗膜D(中空紗膜的內(nèi)徑＝145μm)，制作由具有與實(shí)施例4實(shí)質(zhì)上相同的有效面積，與實(shí)施例4相同的容器內(nèi)徑130mm(D)的圓柱狀容器構(gòu)成的加濕裝置。具體言之，裝入中空紗膜束的有效長(zhǎng)度(L)為90mm，膜填充率40％的中空紗膜元件，就制成如圖2所示的加濕裝置。(L/D＝0.7)將與實(shí)施例4相同的氣體在同樣條件下流動(dòng)供給此裝置。
對(duì)各個(gè)氣體的壓力和露點(diǎn)測(cè)定的結(jié)果，在第一氣體流過(guò)中空紗膜的中空側(cè)時(shí)的壓力損失為33.7kPa，在第二氣體流過(guò)中空紗膜的外側(cè)的空間時(shí)的壓力損失為1.1kPa，合計(jì)的壓力損失為34.8kPa。另外，第一氣體含有的水分中的透過(guò)中空紗膜向第二氣體移動(dòng)的水分量的比例為32％。
(實(shí)施例5)利用聚酰亞胺中空紗膜E(中空紗膜的內(nèi)徑＝510μm)，在內(nèi)徑100mm(D)的圓柱狀容器內(nèi)裝入中空紗膜束的有效長(zhǎng)度(L)為280mm，膜填充率40％的中空紗膜元件，就制成如圖2所示的加濕裝置。(L/D＝2.8)作為第一氣體，是以壓力0.2MPaG、溫度80℃、相對(duì)濕度95％的空氣以流量500N升/分鐘流向中空紗膜的中空側(cè)，而作為第二氣體，是以壓力0.2MPaG、溫度25℃、相對(duì)濕度5％的空氣以流量500N升/分鐘流向中空紗膜的外側(cè)的空間，第一氣體和第二氣體是以對(duì)流方式供給。
對(duì)各個(gè)氣體的壓力和露點(diǎn)測(cè)定的結(jié)果，在第一氣體流過(guò)中空紗膜的中空側(cè)時(shí)的壓力損失為2.9kPa，在第二氣體流過(guò)中空紗膜的外側(cè)的空間時(shí)的壓力損失為0.2kPa，合計(jì)的壓力損失為3.1kPa。另外，第一氣體含有的水分中的透過(guò)中空紗膜向第二氣體移動(dòng)的水分量的比例為80％。
(實(shí)施例6)利用聚酰亞胺中空紗膜F(中空紗膜的內(nèi)徑＝410μm)，在內(nèi)徑100mm(D)的圓柱狀容器內(nèi)裝入中空紗膜束的有效長(zhǎng)度(L)為230mm，膜填充率40％的中空紗膜元件，就制成如圖2所示的加濕裝置。(L/D＝2.3)
作為第一氣體，是以壓力0.2MPaG、溫度80℃、相對(duì)濕度95％的空氣以流量500N升/分鐘流向中空紗膜的中空側(cè)，而作為第二氣體，是以壓力0.2MPaG、溫度25℃、相對(duì)濕度5％的空氣以流量500N升/分鐘流向中空紗膜的外側(cè)的空間，第一氣體和第二氣體是以對(duì)流方式供給。
對(duì)各個(gè)氣體的壓力和露點(diǎn)測(cè)定的結(jié)果，在第一氣體流過(guò)中空紗膜的中空側(cè)時(shí)的壓力損失為3.9kPa，在第二氣體流過(guò)中空紗膜的外側(cè)的空間時(shí)的壓力損失為0.2kPa，合計(jì)的壓力損失為4.1kPa。另外，第一氣體含有的水分中的透過(guò)中空紗膜向第二氣體移動(dòng)的水分量的比例為71％。
(實(shí)施例7)利用聚酰亞胺中空紗膜E(中空紗膜的內(nèi)徑＝510μm)，在內(nèi)徑130mm(D)的圓柱狀容器內(nèi)裝入中空紗膜束的有效長(zhǎng)度(L)為340mm，膜填充率40％的中空紗膜元件，就制成如圖2所示的加濕裝置。(L/D＝2.6)作為第一氣體，是以壓力0.2MPaG、溫度80℃、相對(duì)濕度95％的空氣以流量1500N升/分鐘流向中空紗膜的中空側(cè)，而作為第二氣體，是以壓力0.2MPaG、溫度25℃、相對(duì)濕度5％的空氣以流量1500N升/分鐘流向中空紗膜的外側(cè)的空間，第一氣體和第二氣體是以對(duì)流方式供給。
對(duì)各個(gè)氣體的壓力和露點(diǎn)測(cè)定的結(jié)果，在第一氣體流過(guò)中空紗膜的中空側(cè)時(shí)的壓力損失為5.9kPa，在第二氣體流過(guò)中空紗膜的外側(cè)的空間時(shí)的壓力損失為0.6kPa，合計(jì)的壓力損失為6.5kPa。另外，第一氣體含有的水分中的透過(guò)中空紗膜向第二氣體移動(dòng)的水分量的比例為75％。
根據(jù)本發(fā)明，在燃料電池的運(yùn)行溫度80℃左右的溫度及水蒸氣、氧氣以及氫氣等存在的氣氛中長(zhǎng)時(shí)間暴露也可以穩(wěn)定地進(jìn)行加濕；即使是使用低壓氣體也可以在抑制壓力損失的同時(shí)高效率地進(jìn)行加濕；可以抑制氣體的壓力損失；以抑制除水蒸氣以外的其他成分的透過(guò)，從而可以提供適用于經(jīng)濟(jì)的燃料電池的加濕裝置，在產(chǎn)業(yè)上是有用的。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池用加濕裝置，其構(gòu)成為，將在多個(gè)中空紗膜構(gòu)成的中空紗膜束的兩端部上形成有在開(kāi)口狀態(tài)下固接中空紗膜的板管的中空紗膜元件，安裝在至少具有第一氣體供給口、第一氣體排出口、第二氣體供給口以及第二氣體排出口的容器內(nèi)，使得通向中空紗膜的中空側(cè)的空間與通向中空紗膜的外側(cè)的空間相隔絕，其特征在于(a)中空紗膜的內(nèi)徑＞400μm；(b)中空紗膜的水蒸氣的透過(guò)速度(P′H2O)≥0.5×10-3cm3(STP)/cm2·sec·cmHg；(c)中空紗膜的水蒸氣和氧氣的透過(guò)速度比(P′H2O/P′O2)≥10；(d)中空紗膜在100℃的熱水中進(jìn)行50小時(shí)熱水處理之后的拉伸斷裂延伸率保持為熱水處理前的≥80％。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池用加濕裝置，其中在中空紗膜元件的有效長(zhǎng)度為L(zhǎng)，安裝上述中空紗膜元件的容器的內(nèi)徑為D時(shí)，L/D≥1.8。
3.如權(quán)利要求1或2所述的燃料電池用加濕裝置，其中中空紗膜的內(nèi)徑為＞500μm且＜1500μm。
4.如權(quán)利要求1～3中任何一項(xiàng)所述的燃料電池用加濕裝置，其中構(gòu)成中空紗膜元件的中空紗膜束的膜填充率為35～55％。
5.如權(quán)利要求1～4中任何一項(xiàng)所述的燃料電池用加濕裝置，其中構(gòu)成中空紗膜元件的中空紗膜束的外周部的≥50％的部分由膜狀物質(zhì)覆蓋。
6.如權(quán)利要求1～5中任何一項(xiàng)所述的燃料電池用加濕裝置，其中流過(guò)中空紗膜的中空側(cè)的第一氣體和流過(guò)中空紗膜的外側(cè)的空間的第二氣體是夾著中空紗膜對(duì)流流動(dòng)。
7.如權(quán)利要求1～6中任何一項(xiàng)所述的燃料電池用加濕裝置，其中在構(gòu)成中空紗膜元件的中空紗膜束的大致中心部上設(shè)置沿著中空紗膜束配置的芯管，在上述芯管上形成連通芯管內(nèi)和芯管外的連通孔，第二氣體從第二氣體供給口導(dǎo)入到上述芯管內(nèi)，通過(guò)上述連通孔導(dǎo)入到中空紗膜的外側(cè)空間。
8.如權(quán)利要求1～7中任何一項(xiàng)所述的燃料電池用加濕裝置，其中對(duì)燃料電池的供給氣體經(jīng)過(guò)了加濕。
9.如權(quán)利要求1～8中任何一項(xiàng)所述的燃料電池用加濕裝置，其中第一氣體是來(lái)自燃料電池的陰極的排出氣體；第2氣體是供給到燃料電池的陰極的空氣。
全文摘要
提供一種燃料電池用加濕裝置，即使是使用低壓氣體也可以在抑制氣體的壓力損失的同時(shí)高效率地進(jìn)行加濕。將中空紗膜元件安裝在容器內(nèi)，使得通向中空紗膜的中空側(cè)的空間與通向中空紗膜的外側(cè)的空間隔絕，其中(a)中空紗膜的內(nèi)徑＞400μm；(b)中空紗膜的水蒸氣的透過(guò)速度(P′
文檔編號(hào)H01M8/04GK1656638SQ0381251
公開(kāi)日2005年8月17日 申請(qǐng)日期2003年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月31日
發(fā)明者谷原望, 吉永利宗 申請(qǐng)人:宇部興產(chǎn)株式會(huì)社