JP5019673B2

JP5019673B2 - Humidifier

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Publication number: JP5019673B2
Application number: JP2001099715A
Authority: JP
Inventors: 昭浩大森; 洋介小泉; 克彦濱中
Original assignee: Asahi Kasei Chemicals Corp
Current assignee: Asahi Kasei Chemicals Corp
Priority date: 2001-03-30
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2021-03-30
Also published as: JP2002298884A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に供給する原料ガスを加湿するのに好適に用いられる加湿装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、燃料電池は、水素等の燃料ガスと空気（酸素）等の酸化剤ガスを、電解質を介して反応させることにより、電気エネルギーを得るものである。電解質として固体高分子膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池の電池セルは、固体高分子電解質膜とその両側に配置された電極とで構成されている。
この固体高分子電解質型燃料電池では、固体高分子電解質膜として例えばプロトン交換基を有するイオン交換膜を用いている。この膜は、飽和含水状態でプロトン交換を行うことによって、イオン導電性電解質として機能する。そのため、固体高分子電解質型燃料電池は、一般に、電池反応を行う電池部と、電池部へ供給する原料気体を加湿する加湿部とを備えた構成となっている。
【０００３】
この加湿部の従来例としては、例えば、特開平１１−３５４１４２号公報に、電池部からの排出気体に含まれている水蒸気を、水蒸気を選択的に透過する半透膜を介して原料ガスとを接触させる自己加湿部が記載されている。
また、特開平６−１３２０３８号公報には、前記加湿部として、原料気体が導入される原料気体用流路と、電池部からの排出気体が導入される排出気体用流路と、これらの流路を分離する水蒸気透過膜とで構成され、排出気体に含まれている水蒸気を、水蒸気透過膜を透過させて排出気体用流路から原料気体用流路内に入れ、この水蒸気と原料気体用流路内の原料ガスとを接触させることにより、原料ガスを加湿するものが記載されている。
【０００４】
また、特開平８−２７３６８７号公報には、水蒸気透過膜が中空糸膜であることを特徴とする加湿装置が記載されている。
ここで、空気（酸化剤）側で、電池部から排出された気体には、電池反応で生成した水蒸気、加湿部から供給されて固体高分子電解質膜に吸収されなかった水蒸気、加湿部から供給されて電池反応に使用されなかった酸素と酸素以外の空気成分（窒素等）が含まれている。この排出気体をそのまま原料ガスと混合すると、電池部へ供給される原料ガスの酸素濃度が変化するため、前記加湿部は、水蒸気は透過するが他の気体は透過させない気密性が要求される。
【０００５】
また、原料気体は、電池部で損失される圧力降下を考慮して、加湿部に高い圧力で供給されるため、加湿部の原料気体用流路と、電池部から排出される気体が導入される排出気体用流路には圧力差が発生する。そこで、前記加湿部の原料気体用流路と排出気体用流路を分離する水蒸気透過膜と加湿器には、耐圧性が要求される。
これらの要求に対し、先の従来技術には次のような問題点があった。
【０００６】
特開平１１−３５４１４２号公報の、スタック型の自己加湿部は、膜面積を広くとりかつ加湿装置の容積をコンパクトにするには、セパレータを薄くする必要があり、セパレータの加工にコストがかかってしまう。
また、特開平６−１３２０３８号公報の、蛇腹状に折り畳んだ水蒸気透過膜では、折り畳んだ水蒸気透過膜は平面状であるため、耐圧性を持たせるには、圧力を保持する容器の壁厚を厚くする、もしくはリブを入れる必要があり、コンパクト化が難しい。また、箱形のため機密的にシールするのも難しいという問題がある。
【０００７】
また、特開平８−２７３６８７号公報の、中空糸膜状の水蒸気透過膜では、中空糸束は密集して容器内に納められているため、中空糸外側の気体の接触効率が悪く、加湿性能が低い傾向がある。
また、水蒸気透過膜に関しては、特開平１１−３５４１４２号公報には、自己加湿部の半透膜の材質については何ら記載がない。また、特開平６−１３２０３８号公報では、水蒸気透過膜の例として旭硝子社製の「ＳＵＮＳＥＰ−Ｗ」が挙げてある。この「ＳＵＮＳＥＰ−Ｗ」の材質は、スルフォン酸基を有するフッ素系の共重合体である。また、特開平８−２７３６８７号公報では、水蒸気透過膜として、パーフルオロカーボンスルホン酸等のイオン交換膜で中空糸膜であることを特徴とする加湿装置が提案されている。
【０００８】
上記のような水蒸気透過膜の厚さは薄いほどよい。それは、水分が水蒸気透過膜を透過する際に、移動距離が短い方が水分の透過速度を早くすることができ、また、パーフルオロスルホン酸系イオン交換樹脂は非常に高価な材料であり、その使用量を出来る限り減らして製造コストを小さくすることができるからである。
しかし、薄いパーフルオロスルホン酸系イオン交換膜単独で使用するには、必要な機械的強度を与えるために、一定の厚みをもたせなければならない。そのため、水蒸気透過膜の厚さを小さくするには限度があった。
【０００９】
また、原料気体は、電池部で損失される圧力降下を考慮して、加湿部に高い圧力で供給されるため、加湿部の原料気体用流路と、電池部から排出される気体が導入される排出気体用流路には圧力差が発生する。そこで、前記加湿部の原料気体用流路と排出気体用流路を分離する水蒸気透過膜には、耐圧性が要求される。
さらに、薄いパーフルオロスルホン酸系イオン交換膜単独では、シート状の水蒸気透過膜をひだ折りにするプリーツ加工時や円筒形のカートリッジに組立加工する時に傷等によるピンホールが発生し、気体の漏れが発生するという問題点があった。
【００１０】
【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、耐圧性と水蒸気透過性能に優れ、組立加工性が良く、ピンホール等の欠陥が無い信頼性の高い燃料電池用の加湿装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記課題を解決すべき鋭意検討を重ねた結果、２枚の高分子樹脂多孔膜に挟まれた間に、硬化したパーフルオロスルホン酸系イオン交換樹脂からなる透湿性樹脂層を設けたシート状の水蒸気透過膜をひだ折りにして、円筒プリーツ状に丸め、その合わせ目、および、円筒の両端を気密的にシールした構造をとることにより、透湿性樹脂層が２枚の高分子樹脂多孔膜で挟まれているため、組立加工時にピンホール等の欠陥が発生しにくいと同時に、水蒸気透過性能に優れ、円筒形をとるため高い耐圧性を有することを見出し本発明を完成するに至った。
【００１２】
すなわち、本発明は以下の通りである。
（１）電池反応を行う電池部と、電池部へ供給する原料気体を加湿する加湿装置とを備えた燃料電池であり、
前記電池部は、固体高分子電解質膜とその両側に配置された電極とからなる電池セルを有するものであり、
前記加湿装置は、カートリッジがハウジング内に収められた加湿装置であり、
前記カートリッジは、
両端が開口している内筒と、内筒の一端部に設けられたドーナツ板状の第１の端板と、内筒の他端部に設けられたドーナツ板状の第２の端板と、内筒の外周に設けられた、ひだ折りされた円筒プリーツ状の水蒸気透過膜と、円筒プリーツ状の水蒸気透過膜のさらに外周に設けられた外筒と、を備え、
円筒プリーツ状の水蒸気透過膜の両端が、前記第１の端板及び第２の端板で気密的にシールされ、
内筒は、内筒の両端の壁面を貫通する連通孔を有し、内筒の中心部の両端が、整流板で気密的に塞がれていることで、内筒の内側の空間から連通孔を経て円筒プリーツ状の水蒸気透過膜の隙間内へと繋がる内側流路が形成されているカートリッジであり、
前記カートリッジと前記ハウジングがシールされて、前記カートリッジの内側流路と、水蒸気透過膜の外側の外側流路が気密的に分離され、
前記ハウジングが、気体導入口１、気体排出口１、気体導入口２、及び気体排出口２を有し、
気体導入口１から、外側流路を経て、気体排出口１に繋がる原料気体用流路、及び、気体導入口２から、内側流路を経て、気体排出口２に繋がる排出気体用流路が形成された加湿装置であり、
電池部からの排出気体に含まれている水蒸気を、水蒸気透過膜を透過させて排出気体用流路から原料気体用流路内に入れ、この水蒸気と原料気体用流路内の原料ガスとを接触させることにより原料ガスを加湿する燃料電池において、
前記水蒸気透過膜は、２枚の高分子多孔膜に挟まれた間に、脱溶剤したパーフルオロスルホン酸系イオン交換樹脂からなる透湿性樹脂層を設けたことを特徴とする燃料電池。
（２）パーフルオロスルホン酸系イオン交換樹脂のスルホン酸基の対イオンが、プロトンであることを特徴とする、（１）に記載の燃料電池。
（３）両端が開口している内筒と、
内筒の一端部に設けられたドーナツ板状の第１の端板と、
内筒の他端部に設けられたドーナツ板状の第２の端板と、
内筒の外周に設けられた、円筒プリーツ状の水蒸気透過膜と、
円筒プリーツ状の水蒸気透過膜のさらに外周に設けられた外筒と、を備え、
円筒プリーツの水蒸気透過膜の両端が、前記第１の端板及び第２の端板で気密的にシールされ、内筒は、両端が整流板で気密的に塞がれた中心部壁面と、連通孔を有する端部壁面とを有するカートリッジにおいて、
前記水蒸気透過膜は、２枚の高分子多孔膜に挟まれた間に、脱溶剤したパーフルオロスルホン酸系イオン交換樹脂からなる透湿性樹脂層を設けたカートリッジが、ハウジング内に収められ、
前記ハウジングが、気体導入口１、気体排出口１、気体導入口２、及び気体排出口２を有し、
前記カートリッジと前記ハウジングがシールされた加湿装置であり、
気体導入口１から、水蒸気透過膜の外側の外側流路を経て、気体排出口１に繋がる流路と、
気体導入口２から、内筒の一端の内側から連通孔を通って、円筒プリーツ状の水蒸気透過膜の内側に入り、連通孔を通って内筒の他端の内側へと繋がる内側流路を経て、気体排出口２に繋がる流路と、が形成されていることを特徴とする加湿装置。
（４）前記カートリッジの前記外筒の壁面に、連通孔を有することを特徴とする（３）に記載の加湿装置。
（５）前記カートリッジの前記中心部壁面の長さが、円筒長の２０〜９０％であることを特徴とする（３）又は（４）に記載の加湿装置。
（６）前記カートリッジの前記第１の端板及び前記第２の端板の外周と、前記ハウジングとがシールされていることを特徴とする（３）〜（５）のいずれか１つに記載の加湿装置。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図１〜３を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明の加湿装置の一実施形態を示す燃料電池システム概略構成図である。
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、水素側はメタノールの改質反応で得られ、加湿状態で供給されるため、空気側にのみ加湿部を備えた構成となっている。すなわち、この燃料電池は、電池反応を行う電池部１と、空気側の加湿部２とを備えている。電池部１は、固体高分子電解質膜と、その両側に配置された電極（酸化極および燃料剤極）とからなる電池セルを、内部に有するものである。
【００１４】
加湿部２は、原料気体が導入される原料気体用流路２１と、電池部１からの排出気体が導入される排出気体用流路２２と、これらの流路を分離する水蒸気透過膜２３とで構成されている。
この加湿部２の原料気体用流路２１の気体導入口２１１には、空気供給源であるコンプレッサー３が配管３１で接続されている。この原料気体用流路２１の気体導出口２１２は、電池部１の酸化剤極側のガス通路の入口と、配管３２で接続されている。排出気体用流路２２の気体導入口２２１は、電池部１の酸化剤極側のガス通路の出口と、配管３３で接続されている。排出気体用流路２２の気体導出口２２２には、排気用の配管３４が接続されている。
【００１５】
水素供給源４は、電池部１の燃料極側のガス通路の入口と、配管４１で接続されている。電池部１の燃料極側のガス通路の出口には、排気用の配管４２が接続されている。
この燃料電池によれば、電池部１の酸化剤極側のガス通路の出口から配管３３には、電池反応で生成された水蒸気、加湿部２の原料気体用流路２１から供給されて固体高分子電解質膜に吸収されなかった水蒸気、加湿部２の原料気体用流路２１から供給されて電池反応に使用されなかった酸素と酸素以外の空気成分（窒素等）を含む気体が排出される。この排出気体は、配管３３から、加湿部２の排出気体用流路２２内に導入される。
【００１６】
ここで、水蒸気透過膜２３は、この排出気体用流路２２内の排出気体に含まれている気体のうち水蒸気のみを透過して、水蒸気以外の気体を透過させない。そのため、排出気体用流路２２内の排出気体に含まれている気体のうち水蒸気のみが排出気体用流路２２から原料気体用流路２１内に入る。そして、この原料気体用流路２１内で、排出気体に含まれていた水蒸気とコンプレッサー（空気供給源）３から供給された空気（原料ガス）が接触して、空気が加湿される。この加湿された空気が、配管３２から電池部１の酸化剤極側のガス通路の入口に導入される。
【００１７】
したがって、この加湿部２によれば、電池部１へ供給される空気の酸素濃度を変化させずに、十分な加湿作用を得ることができる。その結果、特に自動車用として好適な燃料電池が得られる。
なお、この実施形態の燃料電池は、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、水素側はメタノールの改質反応で加湿状態で供給されるため、空気側にのみ加湿部２を備えている。しかしながら、本発明の加湿装置はこれに限定されず、水素等からなる燃料ガス側にのみ加湿部を設けた構成、燃料ガス側と酸化剤ガス側の両方に加湿部を設けた構成にも適用できる。
【００１８】
また、本発明の加湿装置は、燃料電池の加湿部以外の用途にも適用できる。
図２を用いて、本発明の加湿装置の実施例についてさらに説明する。
図２は、本発明の加湿装置の断面の１例を示す概略図である。
水蒸気透過膜２３は、カートリッジ５と呼ばれる円筒内に、ひだ折り状に折られ収納されている。そして、カートリッジの円筒の内側と外側は水蒸気透過膜２３および後述するカートリッジ構成部材により、気密的にシールされている。
【００１９】
さらに、このカートリッジは、ハウジング６と呼ばれる密閉可能な容器に取り付けられて使用される。
このとき、カートリッジはＯリング等のシール材７を用いてハウジングに固定され、カートリッジとハウジングの隙間が、気体の流路となるように構成される。
これにより、ひだ折り状に折られた水蒸気透過膜に囲まれた円筒の内側の空間（内側流路８）を、燃料電池の排出気体用流路２２とし、水蒸気透過膜とハウジングに挟まれた空間（外側流路９）を、燃料電池の原料気体用流路２１とする、加湿装置が構成される。
【００２０】
原料気体は、気体導入口２１１からハウジング内に入り、水蒸気透過膜とハウジングの隙間から構成される外側流路９を通り、気体排出口２１２から排出され、燃料電池へ供給される。
一方、燃料電池の排出気体は、気体導入口２２１からハウジング内に入り、円筒状の水蒸気透過膜に囲まれた内側流路８を通る。水蒸気透過膜と接触した気体は、再び気体排出口２２２から排出される。
【００２１】
このように、この加湿装置は、２種類の流体が水蒸気透過膜を介して向流接触になるように構成されている。
また、内側の流路を排出気体用流路、外側の流路を原料気体用流路としたが、逆の構成をとることもできる。
図３は、本発明加湿装置のカートリッジ構成の一例を示す概略図である。
本発明の加湿装置のカートリッジは、両端が開口している内筒５０、内筒５０の一端部５０ａに設けるドーナツ板状の第１の端板５１ａ、内筒５０の他端部５０ｂに設けるドーナツ板状の第２の端板５１ｂ、内筒５０の外周にひだ折りされた円筒プリーツ状の水蒸気透過膜２３、および水蒸気透過膜２３のさらに外周にある外筒５２を主な構成要素とする。
【００２２】
内筒５０、端板５１、外筒５２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製でも樹脂製でも特に限定されるものではない。
これらの素材の組み合わせは、同一であっても違っても構わない。
強度構造部材として作用する内筒５０は円筒形であり、内側流路と外側流路を隔てる水蒸気透過膜にかかる、軸線方向の荷重に対して十分な強度を有している。
【００２３】
内筒５０の両端の壁面５３ａ、５３ｂには、連通孔５４が形成されている。連通孔５４は、気体を内側流路から、円筒プリーツ状の水蒸気透過膜２３の隙間に導入するための役割をする。
一方、内筒５０の中心部の壁面５５には、連通孔は存在しない。さらに、壁面５５の両端は、整流板５６で気密的に塞ぎ、円筒内を気体が素通りしないようにする。整流板５６の固定方法は、エポキシ等の接着剤による方法、溶接法等を適宜選択できる。また、整流板の形状は、気体の流れをスムースにし圧力損失を抑える目的で、円錐形等の形状をとることもできる。
【００２４】
このような連通孔５４と整流板５６を有する内筒の構成とることにより、気体は、連通孔５４の一端から円筒プリーツ状の水蒸気透過膜の隙間内に導入され、水蒸気透過膜と接触し、再び他端からカートリッジの外へ排出されるため、接触効率を飛躍的に改善することができる。
内筒５０の両端の開口部（連通孔を有する部分）壁面５３aおよび５３ｂの長さは、気体の流量により随時設計される。すなわち、流量が多い場合には、開口部を広くとり、気体が円筒プリーツ状の水蒸気透過膜に導入するときの圧力損失を低くする必要がある。好ましい開口部の長さは特に限定されるものではないが、円筒長の５〜４０％、さらに好ましくは１０〜３０％の長さである。
【００２５】
また、中心部（連通孔の無い部分）壁面５５の長さは、気体と水蒸気透過膜の接触時間により設計される。すなわち、中心部壁面５５が短い場合には接触時間（距離）が短くなり、十分な湿度の交換ができない。長すぎると、圧力損失が大きくなり、系全体の効率が損なわれる。好ましい中心部壁面の長さは特に限定されるものではないが、円筒長の２０〜９０％であり、さらに好ましくは４０〜８０％である。
【００２６】
連通孔５４の形も、丸形、四角、長方形、菱形等、特に限定されるものではないが、丸形が一般的で加工性に優れるため好ましい。
連通孔５４の開孔率も圧力損失を低くするために、強度を損なわない範囲で大きい方が好ましい。好ましい開孔率の範囲は特に限定されるものではないが、２０％〜８５％、さらに好ましくは３０〜８０％である。
端板５１は、内筒５０の外周側に環状に突出したドーナツ板状をしている。さらに端板５１の外周には、ハウジングとのシールに用いるＯリング等のシール面５７をもつ構造をとることができる。
【００２７】
端板の外周部にはさらに外筒５２が設けられ、水蒸気透過膜を保護する。外筒の壁面には、その厚み方向に貫通する気体流通用の連通孔５９を、ほぼ全域にわたって有する。連通孔５９の形も、丸形、四角、長方形、菱形等、特に限定されるものではないが、丸形が一般的で加工性に優れるため好ましい。連通孔５９の開孔率も圧力損失を低くするために、強度を損なわない範囲で大きい方が好ましい。好ましい開孔率の範囲は特に限定されるものではないが、２０％〜８５％、さらに好ましくは３０〜８０％である。
【００２８】
内側流路の管径すなわち内筒の径は、水蒸気透過膜の膜面積と、水蒸気透過膜や補強用のネット等のプリーツを構成する部材の厚みにより設計される。内筒の円周上には、水蒸気透過膜をひだ折りにしたときにできる折り山が一列に並ぶ。多くの膜面積を詰め込もうとすると山数が多くなり、内筒径も大きくなる。また、プリーツの構成部材が厚いと折り山の曲率も大きくなり、内筒の円周上に多くの山を詰め込むことができない。
【００２９】
本発明の加湿装置のカートリッジの内径は特に限定されるものではないが、内径をカートリッジの外径の半分程度に設計するのが、単位体積当たりの膜面積を最大にできるため好ましい。
本発明の加湿装置のカートリッジの組立方法は、まず、シート状の水蒸気透過膜をひだ折りにして、円筒プリーツ状に丸め、その合わせ目を接着剤等を用いて気密的にシールする。次ぎに、その円筒プリーツ状の水蒸気透過膜に、内筒５０および、外筒５２を挿入し、さらに、円筒の両端を、第１の端板５１ａと第２の端板５１ｂを用いて、接着剤５８でシールする。
【００３０】
シールの方法は、特に限定されるものではなく、いずれも従来から知られた公知技術によって行われる。例えば、エポキシ系樹脂やウレタン系樹脂等の接着剤により固定される。
水蒸気透過膜は、膜の保護と圧力に対する強度を保つため、例えば補強材とともに、ひだ折り状に折られる。補強剤は、通常ネットや不織布等が用いられる。ネットの材質は金属、樹脂、金属に樹脂のコーティングをしたもの等が一般的に用いられ、不織布は、主に樹脂製のものが使用される。
【００３１】
これらの補強剤の素材は、耐熱性や耐圧性を考慮して適宜選択でき、単独および組み合わせて用いることができる。
また、補強材の表面開孔率は、気体と水蒸気透過膜の接触効率、加湿性能、補強材としての強度の観点から決定される。
好ましいネットの開孔率は特に限定されるものではないが、３０〜８０％が好ましく、さらに好ましくは５０〜８０％である。
【００３２】
不織布は通常、水蒸気透過膜の保護の目的で使用される場合が多い。好ましい不織布の目付量は特に限定されるものではないが、気体の水蒸気透過膜への接触性を考慮して１０〜１００ｇ／ｍ²が好ましく、さらに好ましくは１５〜８０ｇ／ｍ²である。
カートリッジを納めるハウジングは、カートリッジを納めて密閉可能な容器で、内側の流路と外側の流路が気密的に分離できる構成であれば特に限定されるものではないが、胴体部と両端に蓋のある構成とした方が、使用済みのカートリッジは交換でき、ハウジングは繰り返し使用できるため、経済性がよく好ましい。
本発明に用いられる、２枚の高分子樹脂多孔膜の間に硬化させる、パーフルオロスルホン酸系イオン交換樹脂としては、一般式（１）で表される単位の共重合体が好適に用いられる。
【００３３】
【化１】

【００３４】
特に、水蒸気透過性能の点で一般式（２）で表される単位の共重合体が好適に用いられる。具体的には、旭化成（株）社製、商品名「Ａｃｉｐｌｅｘ−ＳＳ」等が挙げられ、「Ａｃｉｐｌｅｘ−ＳＳ」は溶液の状態で入手可能なため、高分子樹脂多孔膜にコーティングするのに加工性に優れる。
【００３５】
【化２】

【００３６】
本発明に用いられる高分子樹脂多孔膜の素材としては、特に限定されるものではないが、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、ポリカーボネート、ポリテ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、耐薬品性の点でポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）が特に好ましい。
【００３７】
このような高分子樹脂多孔膜の孔径は、特に限定されるものではないが、多孔膜の製造上の観点から０．０１μｍ以上が好ましく、透湿性樹脂を均一にコーティングする観点から１０μｍ以下が好ましい。より好ましくは０．１〜５μｍである。
また、本発明に用いられる高分子樹脂多孔膜の空孔率は、特に限定されるものではないが、透湿性能の観点から２０％以上が好ましく、多孔膜の強度の観点から９８％以下が好ましい。より好ましくは３０〜９５％である。
【００３８】
高分子樹脂多孔膜の厚さは、特に限定されるものではないが、５〜２００μｍが好ましく、より好ましくは１０〜１００μｍである。高分子樹脂多孔膜シートの膜厚が薄いほど、水蒸気透過速度は速くなる。また、高分子樹脂多孔膜シートの膜厚の下限値は、高分子樹脂多孔膜シートに必要とされる機械的強度によって決まる。
本発明による、２枚の高分子樹脂多孔膜に挟まれた間に硬化したパーフルオロスルホン酸系イオン交換樹脂からなる透湿性樹脂層を設けた構造とは、透湿性樹脂層が、少なくとも１枚の高分子樹脂多孔膜の表面近傍の細孔を埋没するとともに、表面にもコーティング層をもつ構造をいう。
【００３９】
ここで、硬化したとは、コーティング操作後に、透湿性樹脂が脱溶媒され、流動性がなくなる状態をいう。
高分子樹脂多孔膜の表面形状はマクロに見ると平滑であるが、ミクロに見ると凹凸であるため、界面で極めて大きな接着面積がとれる。よって、透湿性樹脂層の一部が高分子樹脂多孔膜の細孔を一部埋めることで、アンカー効果が得られ、密着性は極めて高いものとなる。
【００４０】
このような本発明に用いる水蒸気透過膜の構造をとることにより、不織布等の目の粗い補強布を積層する場合と比べて、アンカー効果と密着性に優れるため、プリーツ加工する時の、不織布やネット等の補強材との接触摩擦や傷に対する耐性が高く、ピンホールの発生やピンホールに至らないまでも潜在的な欠陥を防止できるため、気体の漏れない信頼性の高い加湿装置を得ることができる。
なお、２枚の高分子樹脂多孔膜の素材、膜厚、空孔率等は、同一であっても、違うものであっても特に限定されるものではないが、同一である方が膨潤、収縮等の寸法変化が等しいため、剥がれを防止する点でより好ましい。
【００４１】
透湿性樹脂のコーティング層の厚みは、特に限定されるものではないが、高分子樹脂多孔膜の厚みに対して、１〜６０％が好ましく、さらに好ましくは５〜５０％である。
本発明で用いる高分子樹脂多孔膜の細孔中に硬化した透湿性樹脂層を設けた構造とは、高分子樹脂多孔膜の細孔中に、透湿性樹脂の硬化物を埋没した構造をいう。
【００４２】
また、本発明で用いる水蒸気透過膜は、疎水性の多孔膜の孔に、パーフルオロスルホン酸系イオン交換樹脂が充填された構造となっているため、イオン交換樹脂が多量の水を含んだ場合でも、膜全体で膨張することが防止される。したがって、ひだ折り状の円筒プリーツ構造のカートリッジを製造する場合に膜の寸法変化が少ないことは設計、製作が容易になる。
本発明で用いる水蒸気透過膜は、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させないようにするため、水蒸気以外の気体の透過率は、「ＪＩＳ−Ｐ８１１７」に示す透気度で、１０００秒／１００ｃｍ³以上が好ましく、より好ましくは１００００秒／１００ｃｍ³以上である。この値（透気度１００００秒／１００ｃｍ³以上）は、１００ｃｍ³の気体を透過させるために必要な時間が１００００秒以上であることを意味する。
【００４３】
本発明で用いるパーフルオロスルホン酸系イオン交換樹脂のスルホン酸基の対イオンは、プロトン型がナトリウム等の金属イオンよりも水蒸気透過性能が高く好ましい。
本発明の水蒸気透過膜の作製方法としては、特に限定されるものではないが、例えばパーフルオロスルホン酸系イオン交換基を有するポリマー溶液をアルコール、ケトン、エステルのような有機溶媒中に溶解、分散させた溶液を高分子樹脂多孔膜の表面に塗布した後、もう一方の高分子樹脂多孔膜を貼り合わせ、その後、脱溶媒する方法が挙げられる。
【００４４】
また、高分子樹脂多孔膜の表面にパーフルオロスルホン酸系イオン交換基を有するポリマーを塗布して、その後脱溶媒して、高分子樹脂多孔膜の表面にパーフルオロスルホン酸系イオン交換樹脂が硬化したコーティング膜を作成した後、２枚のコーティング膜を、互いのコーティング面を内側にして重ね合わせてひだ折り状にプリーツ加工することもできる。この構成の場合は、一方のコーティング層にピンホールが存在しても、そのピンホールの直近で他方のコーティング層にピンホールがある確率は少ないため、全体としての漏れを大幅に低減することができる。
【００４５】
塗布の具体的方法としては、特に限定されるものではないが、例えばグラビアロール、リバースロール、ドクターロール、キスロール等を用いた方法や、噴霧、浸漬、ろ過等の方法が挙げられる。
２枚の高分子樹脂多孔膜を貼り合わせる方法としては、特に限定されるものではないが、各種のラミネータ装置を用いて貼り合わせることができる。
以下、本発明の加湿装置について、実施例および比較例を用いて、より具体的に説明する。
【００４６】
【実施例１】
先ず、水蒸気透過膜を下記のように作成した。
パーフルオロスルホン酸系イオン交換樹脂（商品名Ａｃｉｐｌｅｘ−ＳＳ−１０８０、旭化成（株）社製）をエタノール（和光純薬工業（株）社製）で２倍に希釈しコーティング液を調整した。
この溶液を、連続スプレイコータを用いて、膜厚２０μｍ、膜幅４００mm、空孔率４７％のポリプロピレン製多孔膜（商品名ユーポアＺ０３１、宇部興産（株）社製）の上に、吐出量５０ｇ／ｍｉｎでスプレイして膜面上に均一なコーティング層を作り、続いて、同じポリプロピレン製多孔膜を重ねた後、ドラム速度２０ｍ／ｈｒ、ドラム温度８０℃、雰囲気温度２９℃の条件で乾燥を行い、溶媒のエタノールを除去した。これにより、２枚のポリプロピレン製多孔膜の間に硬化した透湿性樹脂層をもつ本発明に用いる水蒸気透過膜が得られた。得られた本発明の水蒸気透過膜の厚みは、４４μｍであった。
【００４７】
ラミネート後に乾燥したラミネート膜の質量から、透湿性樹脂を塗布する前のポリプロピレン製多孔膜の質量（２枚分）を引いて、膜面間にラミネートされたパーフルオロスルホン酸イオン交換樹脂の単位面積あたりの質量を求めたところ、４．２ｇ／ｍ²であった。
次ぎに、この水蒸気透過膜を用いて、下記のようにカートリッジを作成した。
得られた水蒸気透過膜膜を、ポリプロピレン製で目付量５０ｇ／ｍ²の不織布の間に挟み、さらに金網（線径０．１８ｍｍ、１８メッシュ）の間にはさんで、ひだ幅２４ｍｍにプリーツし、その９４山分のひだをとって円筒状に丸め、その合わせ目をエポキシ接着剤とＶ字のステンレス製板でかしめてシールした。
【００４８】
この円筒プリーツの中に、内筒を差込み、さらに、円筒プリーツの外側には外筒を差込み、両端をドーナツ板状の端板で、エポキシ接着剤を用いてシールしてカートリッジを完成した。
内筒は、ステンレス鋼製の板（板厚１ｍｍ、幅４００ｍｍ）の両端部１００ｍｍの幅に連通孔（φ７ｍｍ、ピッチ１０ｍｍ、開孔率４４％）を開けた板を丸めて、合わせ目をスポット溶接し、内径９０ｍｍの円筒を製作した。さらに円筒内には両端部から１００ｍｍのところに直径９０ｍｍの円板をエポキシ樹脂で固定して、円筒の中心部には気体が流入しない構造とした。
【００４９】
外筒も同じく、板厚１ｍｍ、幅４００ｍｍのステンレス鋼製の板の全面に連通孔（φ７ｍｍ、ピッチ１０ｍｍ、開孔率４４％）を開けた板を丸めて、合わせ目をスポット溶接し、内径１５０ｍｍの円筒を製作した。
カートリッジを納めるハウジングは胴体部と両端に蓋のある構成とし、カートリッジを出し入れでき、カートリッジのみ交換できるようにした。胴体部は、ステンレス鋼製のパイプに、カートリッジを挿入した時の端板の位置にＯリング溝を加工し、胴部の両端に、軸線方向にノズルを溶接した。
【００５０】
蓋は、ステンレス鋼製の円板にノズルを溶接し、胴体部とはパッキンを介してクランプで締め付けて気密的にシールできる構成とした。
カートリッジをハウジングの中に収納し、本発明の加湿装置を完成した。本発明の加湿装置の膜面積は１．８ｍ²、体積は約９リットルであり、コンパクトな体積中に多くの膜面積を詰め込むことができた。
この加湿装置の性能（水蒸気透過性と水蒸気以外の気体の非透過性）を、評価した。
【００５１】
ハウジングの４ヶのノズルの内、内側流路の一端を、加湿空気入口とし、他端を加湿空気出口とした。そして、外側流路の一端を乾燥窒素入口とし、他端を乾燥窒素出口とした。このとき水蒸気透過膜を介して乾燥窒素と加湿空気が向流接触になるように配管した。
この加湿装置の加湿空気入口に、相対湿度７０％ＲＨで温度７７℃の加湿空気を、流量１０００リットル／分で供給するとともに、乾燥窒素入口に、相対湿度６％ＲＨで温度７７℃の乾燥窒素を流量１０００リットル／分で供給した。これらの加湿空気および乾燥窒素の供給を３０分間行った後に、乾燥窒素出口内の気体の相対湿度と酸素濃度を測定した。その結果、相対湿度は３８％ＲＨであり、酸素濃度は０％であった。
【００５２】
【実施例２】
実施例１の水蒸気透過膜を、０．１Ｎ水酸化ナトリウム水溶液に所定時間浸漬することにより、パーフルオロスルホン酸系イオン交換膜のスルホン酸基のＨをナトリウムに置換した膜を用いること以外は実施例１と同様の方法、構成で加湿装置を製作した。
この加湿装置の性能（水蒸気透過性と水蒸気以外の気体の非透過性）を、実施例１と同じ方法で調べた。
【００５３】
すなわち、この加湿装置の加湿空気入口に、相対湿度７０％ＲＨで温度７７℃の加湿空気を、流量１０００リットル／分で供給するとともに、乾燥窒素入口に、相対湿度６％ＲＨで温度７７℃の乾燥窒素を流量１０００リットル／分で供給した。これらの加湿空気および乾燥窒素の供給を３０分間行った後に、乾燥窒素出口内の気体の相対湿度と酸素濃度を測定した。その結果、相対湿度は１２％ＲＨであり、酸素濃度は０％であった。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の加湿装置によれば、電池部へ供給される空気の酸素濃度を変化させずに十分な加湿作用を得ることができ、かつ、加湿装置はコンパクトであり、透湿性樹脂層は２枚の高分子樹脂多孔膜で挟まれているため、ピンホール等の組立時に発生する欠陥を防止できることにより信頼性が高くなるため、特に自動車用燃料電池の加湿装置として適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の加湿装置を備えた燃料電池の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】本発明の加湿装置の断面の１例を示す概略構成図である。
【図３】本発明の加湿装置のカートリッジ構成の一例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１電池部
２加湿部
２１原料気体用流路
２１１気体導入口
２１２気体導出口
２２排出気体用流路
２２１気体導入口
２２２気体導出口
２３水蒸気透過膜
３コンプレッサー（空気供給源）
３１配管
３２配管
３３配管
３４配管
４水素供給源
４１配管
４２配管
５カートリッジ
５０内筒
５１端板
５２外筒
５３端部壁面
５４連通孔
５５中心部壁面
５６整流板
５７シール面
５８接着剤
５９連通孔
６ハウジング
７シール材
８内側流路
９外側流路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a humidifier that is suitably used to humidify a source gas supplied to a fuel cell.
[0002]
[Prior art]
In general, a fuel cell obtains electric energy by reacting a fuel gas such as hydrogen and an oxidant gas such as air (oxygen) through an electrolyte. A battery cell of a solid polymer electrolyte fuel cell using a solid polymer membrane as an electrolyte is composed of a solid polymer electrolyte membrane and electrodes disposed on both sides thereof.
In this solid polymer electrolyte fuel cell, for example, an ion exchange membrane having a proton exchange group is used as the solid polymer electrolyte membrane. This membrane functions as an ion conductive electrolyte by performing proton exchange in a saturated water-containing state. Therefore, the solid polymer electrolyte fuel cell is generally configured to include a battery part that performs a battery reaction and a humidifying part that humidifies a raw material gas supplied to the battery part.
[0003]
As a conventional example of this humidifying part, for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-354142, the water vapor contained in the exhaust gas from the battery part is mixed with the source gas through a semipermeable membrane that selectively permeates the water vapor. The self-humidifying part which contacts is described.
Japanese Patent Laid-Open No. 6-132038 discloses, as the humidifying part, a raw material gas flow path into which a raw material gas is introduced, an exhaust gas flow path into which exhaust gas from the battery part is introduced, and these flows. A water vapor permeable membrane that separates the path, and the water vapor contained in the exhaust gas is allowed to permeate the water vapor permeable membrane and enter the flow channel for the exhaust gas from the flow channel for the exhaust gas. A material that humidifies the source gas by contacting the source gas in the flow path is described.
[0004]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-273687 discloses a humidifying device in which the water vapor permeable membrane is a hollow fiber membrane.
Here, on the air (oxidant) side, the gas discharged from the battery part is supplied from water vapor generated by the battery reaction, water vapor supplied from the humidifying part and not absorbed by the solid polymer electrolyte membrane, supplied from the humidifying part Thus, oxygen that has not been used for the battery reaction and air components other than oxygen (such as nitrogen) are contained. When this exhaust gas is mixed with the raw material gas as it is, the oxygen concentration of the raw material gas supplied to the battery unit changes, so that the humidifying unit is required to have airtightness that allows water vapor to pass through but does not allow other gases to pass through.
[0005]
In addition, since the source gas is supplied to the humidifying unit at a high pressure in consideration of the pressure drop lost in the battery unit, the source gas flow path of the humidifying unit and the gas discharged from the battery unit are introduced. A pressure difference is generated in the exhaust gas flow path. Therefore, pressure resistance is required for the water vapor permeable membrane and the humidifier that separate the raw material gas flow path and the exhaust gas flow path of the humidifying section.
In response to these requirements, the prior art has the following problems.
[0006]
The stack type self-humidifying part of Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-354142 requires that the separator be made thin in order to increase the membrane area and make the volume of the humidifying device compact, and the processing of the separator is costly. End up.
In addition, in the water vapor permeable membrane folded in a bellows shape in JP-A-6-132038, the folded water vapor permeable membrane has a planar shape. It is necessary to make it thicker or put ribs, making it difficult to make it compact. Moreover, there is a problem that it is difficult to seal secretly because of the box shape.
[0007]
Further, in the water vapor permeable membrane of the hollow fiber membrane disclosed in JP-A-8-273687, the hollow fiber bundle is densely stored in the container, so that the contact efficiency of the gas outside the hollow fiber is poor, and the humidifying performance Tend to be low.
Regarding the water vapor permeable membrane, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-354142 has no description about the material of the semipermeable membrane of the self-humidifying portion. Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-132038 discloses “SUNSEP-W” manufactured by Asahi Glass Co., Ltd. as an example of the water vapor permeable membrane. The material of “SUNSEP-W” is a fluorine-based copolymer having a sulfonic acid group. Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-273687 proposes a humidifier characterized in that the water vapor permeable membrane is an ion exchange membrane such as perfluorocarbon sulfonic acid and is a hollow fiber membrane.
[0008]
The thinner the water vapor permeable membrane as described above, the better. That is, when moisture permeates the water vapor permeable membrane, the shorter the moving distance, the faster the moisture permeation rate, and the perfluorosulfonic acid ion exchange resin is a very expensive material. This is because the production cost can be reduced by reducing the amount used.
However, in order to use a thin perfluorosulfonic acid ion exchange membrane alone, it must have a certain thickness in order to provide the necessary mechanical strength. For this reason, there is a limit to reducing the thickness of the water vapor permeable membrane.
[0009]
In addition, since the source gas is supplied to the humidifying unit at a high pressure in consideration of the pressure drop lost in the battery unit, the source gas flow path of the humidifying unit and the gas discharged from the battery unit are introduced. A pressure difference is generated in the exhaust gas flow path. Therefore, pressure resistance is required for the water vapor permeable membrane that separates the raw material gas flow path and the exhaust gas flow path of the humidifying section.
In addition, a thin perfluorosulfonic acid ion exchange membrane alone can cause pinholes due to scratches when pleating a sheet-like water vapor permeable membrane or assembling it into a cylindrical cartridge, causing gas leakage. There was a problem that occurred.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems found in the prior art, have excellent pressure resistance and water vapor permeation performance, good assembling workability, and highly reliable humidifying device for fuel cells free from defects such as pinholes. Is to provide.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have made a moisture-permeable resin layer made of a perfluorosulfonic acid ion exchange resin cured between two polymer resin porous membranes. The sheet-shaped water vapor permeable membrane provided with a fold is folded into a cylindrical pleat shape, and the seam and the both ends of the cylinder are hermetically sealed, so that two moisture-permeable resin layers are formed. Since it is sandwiched between polymer resin porous membranes, defects such as pinholes are unlikely to occur during assembly processing, and at the same time it has been found that it has excellent water vapor transmission performance and has a high pressure resistance due to its cylindrical shape. It came to do.
[0012]
That is, the present invention is as follows.
(1) A fuel cell including a battery unit that performs a battery reaction, and a humidifier that humidifies a raw material gas supplied to the battery unit,
The battery part has a battery cell composed of a solid polymer electrolyte membrane and electrodes arranged on both sides thereof,
The humidifier is a humidifier in which a cartridge is housed in a housing,
The cartridge is
An inner cylinder having both ends open, a donut plate-like first end plate provided at one end of the inner cylinder, and a donut plate-like second end plate provided at the other end of the inner cylinder; A pleated cylindrical pleated water vapor permeable membrane provided on the outer periphery of the inner cylinder, and an outer cylinder provided on the outer periphery of the cylindrical pleated water permeable membrane,
Both ends of the cylindrical pleated water vapor permeable membrane are hermetically sealed with the first end plate and the second end plate,
The inner cylinder has a communication hole that penetrates the wall surfaces at both ends of the inner cylinder, and both ends of the central portion of the inner cylinder are hermetically closed with a rectifying plate, so that the inner cylinder communicates from the space inside the inner cylinder. It is a cartridge in which an inner flow path connected to a gap in a cylindrical pleated water vapor permeable membrane through a hole is formed,
The cartridge and the housing are sealed, and the inner flow path of the cartridge and the outer flow path outside the water vapor permeable membrane are hermetically separated,
The housing has a gas inlet 1, a gas outlet 1, a gas inlet 2, and a gas outlet 2.
From the gas inlet 1, a raw material gas channel connected to the gas outlet 1 via the outer channel, and an exhaust gas channel connected to the gas outlet 2 from the gas inlet 2 via the inner channel. A humidifying device formed,
Water vapor contained in the exhaust gas from the battery part is allowed to permeate the water vapor permeable membrane and enter the raw material gas flow path from the exhaust gas flow path. In a fuel cell that humidifies the source gas by contacting it,
The fuel cell according to claim 1, wherein the water vapor permeable membrane is provided with a moisture permeable resin layer made of a perfluorosulfonic acid-based ion exchange resin which is desolvated between two polymer porous membranes.
(2) The fuel cell according to (1), wherein the counter ion of the sulfonic acid group of the perfluorosulfonic acid ion exchange resin is a proton.
( 3 ) an inner cylinder that is open at both ends;
A donut plate-like first end plate provided at one end of the inner cylinder;
A donut plate-like second end plate provided at the other end of the inner cylinder;
A cylindrical pleated water vapor permeable membrane provided on the outer periphery of the inner cylinder;
An outer cylinder provided on the outer periphery of a cylindrical pleated water vapor permeable membrane,
Both ends of the water vapor permeable membrane of the cylindrical pleat are hermetically sealed by the first end plate and the second end plate, and the inner cylinder has a central wall surface hermetically closed by both rectifying plates, In a cartridge having an end wall surface having a communication hole,
The water vapor permeable membrane is sandwiched between two polymer porous membranes, and a cartridge provided with a moisture permeable resin layer made of a perfluorosulfonic acid ion exchange resin that has been desolvated is housed in a housing.
The housing has a gas inlet 1, a gas outlet 1, a gas inlet 2, and a gas outlet 2.
A humidifier in which the cartridge and the housing are sealed;
A flow path leading from the gas inlet 1 to the gas outlet 1 via the outer flow path outside the water vapor permeable membrane;
From the gas inlet 2 through the communication hole from the inner side of one end of the inner cylinder, to the inner side of the cylindrical pleated water vapor permeable membrane, and through the communication hole to the inner side of the other end of the inner cylinder Then, a flow path connected to the gas discharge port 2 is formed.
(4) The humidifying device according to (3), wherein a communication hole is provided in a wall surface of the outer cylinder of the cartridge .
(5) The humidifying device according to (3) or (4), wherein the length of the wall surface of the central portion of the cartridge is 20 to 90% of the cylindrical length.
( 6 ) The outer periphery of the first end plate and the second end plate of the cartridge and the housing are sealed, as described in any one of (3) to (5). Humidifier.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system showing an embodiment of a humidifying device of the present invention.
This fuel cell system uses a fuel gas consisting of hydrogen and an oxidant gas consisting of air as raw material gas, and the hydrogen side is obtained by a methanol reforming reaction and is supplied in a humidified state. It is the composition provided with the part. That is, the fuel cell includes a battery unit 1 that performs a cell reaction and a humidifier unit 2 on the air side. The battery part 1 has a battery cell comprising a solid polymer electrolyte membrane and electrodes (oxidation electrode and fuel agent electrode) disposed on both sides thereof.
[0014]
The humidifying unit 2 includes a source gas channel 21 into which source gas is introduced, an exhaust gas channel 22 into which exhaust gas from the battery unit 1 is introduced, and a water vapor permeable membrane 23 that separates these channels. It consists of
A compressor 3, which is an air supply source, is connected by a pipe 31 to the gas inlet 211 of the raw material gas flow path 21 of the humidifying unit 2. The gas outlet port 212 of the raw material gas channel 21 is connected to the inlet of the gas passage on the oxidant electrode side of the battery unit 1 by a pipe 32. The gas inlet 221 of the exhaust gas passage 22 is connected to the outlet of the gas passage on the oxidant electrode side of the battery unit 1 by a pipe 33. An exhaust pipe 34 is connected to the gas outlet port 222 of the exhaust gas passage 22.
[0015]
The hydrogen supply source 4 is connected to the inlet of the gas passage on the fuel electrode side of the battery unit 1 by a pipe 41. An exhaust pipe 42 is connected to the outlet of the gas passage on the fuel electrode side of the battery unit 1.
According to this fuel cell, the water vapor generated by the cell reaction and the raw material gas flow path 21 of the humidification section 2 are supplied from the outlet of the gas passage on the oxidant electrode side of the battery section 1 to the pipe 33, and the solid high Water vapor that has not been absorbed by the molecular electrolyte membrane, gas that is supplied from the raw material gas flow path 21 of the humidifying unit 2 and that is not used for the battery reaction, and air components other than oxygen (such as nitrogen) are discharged. The exhaust gas is introduced from the pipe 33 into the exhaust gas flow path 22 of the humidifying unit 2.
[0016]
Here, the water vapor permeable membrane 23 transmits only water vapor among gases contained in the exhaust gas in the exhaust gas flow path 22 and does not transmit gas other than water vapor. Therefore, only water vapor out of the gas contained in the exhaust gas in the exhaust gas channel 22 enters the raw material gas channel 21 from the exhaust gas channel 22. In the raw material gas channel 21, the water vapor contained in the exhaust gas and the air (raw material gas) supplied from the compressor (air supply source) 3 come into contact with each other to humidify the air. The humidified air is introduced from the pipe 32 to the inlet of the gas passage on the oxidant electrode side of the battery unit 1.
[0017]
Therefore, according to the humidifying unit 2, a sufficient humidifying action can be obtained without changing the oxygen concentration of the air supplied to the battery unit 1. As a result, a fuel cell particularly suitable for automobiles can be obtained.
The fuel cell of this embodiment uses a fuel gas composed of hydrogen and an oxidant gas composed of air as source gases, and the hydrogen side is supplied in a humidified state by a methanol reforming reaction. A humidifying unit 2 is provided. However, the humidifying device of the present invention is not limited to this, and is also applicable to a configuration in which a humidifying unit is provided only on the fuel gas side made of hydrogen or the like, and a configuration in which a humidifying unit is provided on both the fuel gas side and the oxidant gas side. it can.
[0018]
Moreover, the humidifier of this invention is applicable also to uses other than the humidification part of a fuel cell.
The embodiment of the humidifier of the present invention will be further described with reference to FIG.
FIG. 2 is a schematic view showing an example of a cross section of the humidifying device of the present invention.
The water vapor permeable membrane 23 is folded and housed in a fold-like shape in a cylinder called a cartridge 5. The inside and outside of the cylinder of the cartridge are hermetically sealed by a water vapor permeable membrane 23 and a cartridge constituent member to be described later.
[0019]
Further, the cartridge is used by being attached to a sealable container called a housing 6.
At this time, the cartridge is fixed to the housing using a sealing material 7 such as an O-ring, and the gap between the cartridge and the housing is configured as a gas flow path.
Thus, the space (inner flow path 8) inside the cylinder surrounded by the water vapor permeable film folded in a fold-fold is used as the exhaust gas flow path 22 of the fuel cell, and is sandwiched between the water vapor permeable film and the housing. A humidifier is configured in which the space (outer flow path 9) is a raw material gas flow path 21 of the fuel cell.
[0020]
The raw material gas enters the housing from the gas inlet 211, passes through the outer flow path 9 formed by the gap between the water vapor permeable membrane and the housing, is discharged from the gas outlet 212, and is supplied to the fuel cell.
On the other hand, the exhaust gas of the fuel cell enters the housing from the gas inlet 221 and passes through the inner flow path 8 surrounded by the cylindrical water vapor permeable membrane. The gas in contact with the water vapor permeable membrane is again discharged from the gas discharge port 222.
[0021]
Thus, this humidifier is configured so that two types of fluids are in countercurrent contact through the water vapor permeable membrane.
Further, although the inner flow path is the exhaust gas flow path and the outer flow path is the raw material gas flow path, the reverse configuration may be adopted.
FIG. 3 is a schematic view showing an example of the cartridge configuration of the humidifying device of the present invention.
The cartridge of the humidifier of the present invention includes an inner cylinder 50 having both ends open, a donut plate-like first end plate 51a provided at one end 50a of the inner cylinder 50, and a donut provided at the other end 50b of the inner cylinder 50. The main components are the plate-like second end plate 51b, the cylindrical pleated water vapor permeable film 23 folded on the outer circumference of the inner cylinder 50, and the outer cylinder 52 on the outer circumference of the water vapor permeable film 23.
[0022]
The materials of the inner cylinder 50, the end plate 51, and the outer cylinder 52 are not particularly limited as long as they are resistant to pressure, temperature, and corrosion and are made of metal or resin.
The combination of these materials may be the same or different.
The inner cylinder 50 acting as a strength structural member has a cylindrical shape and has sufficient strength against an axial load applied to the water vapor permeable membrane separating the inner flow path and the outer flow path.
[0023]
Communication holes 54 are formed in the wall surfaces 53 a and 53 b at both ends of the inner cylinder 50. The communication hole 54 serves to introduce gas from the inner flow path into the gap between the cylindrical pleated water vapor permeable membranes 23.
On the other hand, there is no communication hole in the wall surface 55 at the center of the inner cylinder 50. Further, both ends of the wall surface 55 are hermetically closed by the current plate 56 so that the gas does not pass through the cylinder. As a method for fixing the current plate 56, a method using an adhesive such as epoxy, a welding method, or the like can be selected as appropriate. Further, the shape of the current plate can be a conical shape for the purpose of smoothing the gas flow and suppressing pressure loss.
[0024]
By adopting an inner cylinder having such a communication hole 54 and a rectifying plate 56, the gas is introduced from one end of the communication hole 54 into the gap between the cylindrical pleated water vapor permeable films, and comes into contact with the water vapor permeable film. Since the toner is again discharged from the other end of the cartridge, the contact efficiency can be drastically improved.
The lengths of the openings (portions having communication holes) wall surfaces 53a and 53b at both ends of the inner cylinder 50 are designed as needed depending on the gas flow rate. That is, when the flow rate is large, it is necessary to widen the opening and reduce the pressure loss when the gas is introduced into the cylindrical pleated water vapor permeable membrane. Although the length of a preferable opening part is not specifically limited, It is 5 to 40% of cylinder length, More preferably, it is 10 to 30% of length.
[0025]
In addition, the length of the central portion (portion having no communication hole) wall surface 55 is designed by the contact time between the gas and the water vapor permeable membrane. That is, when the central wall surface 55 is short, the contact time (distance) is short, and sufficient humidity cannot be exchanged. If it is too long, the pressure loss increases and the efficiency of the entire system is impaired. The length of the wall surface of the central portion is not particularly limited, but is 20 to 90% of the cylindrical length, and more preferably 40 to 80%.
[0026]
The shape of the communication hole 54 is not particularly limited, such as a round shape, a square shape, a rectangular shape, or a rhombus shape, but a round shape is generally preferable because it is excellent in workability.
In order to reduce the pressure loss, it is preferable that the opening ratio of the communication hole 54 is large as long as the strength is not impaired. Although the range of a preferable aperture ratio is not specifically limited, It is 20 to 85%, More preferably, it is 30 to 80%.
The end plate 51 has a donut plate shape protruding in an annular shape on the outer peripheral side of the inner cylinder 50. Furthermore, the outer periphery of the end plate 51 can have a structure having a sealing surface 57 such as an O-ring used for sealing with the housing.
[0027]
An outer cylinder 52 is further provided on the outer periphery of the end plate to protect the water vapor permeable membrane. The wall surface of the outer cylinder has a communication hole 59 for gas circulation penetrating in the thickness direction over substantially the entire area. The shape of the communication hole 59 is not particularly limited, such as a round shape, a square shape, a rectangular shape, or a rhombus shape, but a round shape is generally preferable because it is excellent in workability. In order to reduce the pressure loss, it is preferable that the opening rate of the communication hole 59 is large as long as the strength is not impaired. Although the range of a preferable aperture ratio is not specifically limited, It is 20 to 85%, More preferably, it is 30 to 80%.
[0028]
The tube diameter of the inner flow path, that is, the diameter of the inner cylinder is designed based on the membrane area of the water vapor permeable membrane and the thickness of the members constituting the pleats such as the water vapor permeable membrane and the reinforcing net. On the circumference of the inner cylinder, folds formed when the water vapor permeable membrane is folded are lined up in a row. If many membrane areas are packed, the number of peaks increases and the inner cylinder diameter also increases. In addition, if the pleats are thick, the curvature of the fold mountain becomes large, and many hills cannot be packed on the circumference of the inner cylinder.
[0029]
The inner diameter of the cartridge of the humidifying device of the present invention is not particularly limited, but it is preferable to design the inner diameter to be about half of the outer diameter of the cartridge because the membrane area per unit volume can be maximized.
In the humidifying device cartridge assembly method of the present invention, first, a sheet-like water vapor permeable membrane is folded and rounded into a cylindrical pleat shape, and the seam is hermetically sealed using an adhesive or the like. Next, the inner cylinder 50 and the outer cylinder 52 are inserted into the cylindrical pleated water vapor permeable membrane, and both ends of the cylinder are bonded using the first end plate 51a and the second end plate 51b. Seal with agent 58.
[0030]
The sealing method is not particularly limited, and any sealing method is performed by a conventionally known technique. For example, it is fixed by an adhesive such as an epoxy resin or a urethane resin.
In order to protect the membrane and maintain strength against pressure, the water vapor permeable membrane is folded in a fold shape together with, for example, a reinforcing material. As the reinforcing agent, a net or a nonwoven fabric is usually used. The material of the net is generally a metal, a resin, a metal-coated resin or the like, and the nonwoven fabric is mainly made of resin.
[0031]
The materials for these reinforcing agents can be appropriately selected in consideration of heat resistance and pressure resistance, and can be used alone or in combination.
The surface area ratio of the reinforcing material is determined from the viewpoint of contact efficiency between the gas and the water vapor permeable membrane, humidification performance, and strength as a reinforcing material.
A preferable opening ratio of the net is not particularly limited, but is preferably 30 to 80%, and more preferably 50 to 80%.
[0032]
Nonwoven fabrics are usually often used for the purpose of protecting water vapor permeable membranes. Basis weight of the preferred nonwoven fabrics is not particularly limited, but is preferably 10 to 100 g / m ² in consideration of the contact of the water vapor permeable membrane gas, more preferably from 15 to 80 g / m ^2.
The housing for housing the cartridge is not particularly limited as long as it is a container that can contain the cartridge and can be hermetically sealed, and the inner channel and the outer channel can be hermetically separated. It is preferable to have a configuration with good economic efficiency because the used cartridge can be replaced and the housing can be used repeatedly.
As the perfluorosulfonic acid ion exchange resin to be cured between two porous polymer resin membranes used in the present invention, a copolymer of a unit represented by the general formula (1) is preferably used. .
[0033]
[Chemical 1]

[0034]
In particular, a copolymer of a unit represented by the general formula (2) is preferably used in terms of water vapor transmission performance. Specifically, the product name “Aciplex-SS” manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd. can be mentioned, and since “Aciplex-SS” is available in the state of a solution, it is processed to coat a polymer resin porous membrane. Excellent in properties.
[0035]
[Chemical formula 2]

[0036]
The material of the polymer resin porous membrane used in the present invention is not particularly limited, but polyethylene, polypropylene, polysulfone, polyvinylidene fluoride, polyacrylonitrile, polycarbonate, polytetrafluoroethylene, polytetrafluoroethylene / Examples include hexafluoropropylene copolymer, polyether ether ketone (PEEK), and polyether ketone (PEK).
Polypropylene, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, polyetheretherketone (PEEK), and polyetherketone (PEK) are particularly preferable in terms of heat resistance and chemical resistance.
[0037]
The pore diameter of such a polymer resin porous membrane is not particularly limited, but is preferably 0.01 μm or more from the viewpoint of production of the porous membrane, and is preferably 10 μm or less from the viewpoint of uniformly coating the moisture-permeable resin. . More preferably, it is 0.1-5 micrometers.
The porosity of the polymer resin porous membrane used in the present invention is not particularly limited, but is preferably 20% or more from the viewpoint of moisture permeability, and 98% or less from the viewpoint of the strength of the porous membrane. preferable. More preferably, it is 30 to 95%.
[0038]
Although the thickness of a polymeric resin porous film is not specifically limited, 5-200 micrometers is preferable, More preferably, it is 10-100 micrometers. The thinner the polymer resin porous membrane sheet is, the faster the water vapor transmission rate is. Moreover, the lower limit of the film thickness of the polymeric resin porous membrane sheet is determined by the mechanical strength required for the polymeric resin porous membrane sheet.
According to the present invention, a structure provided with a moisture permeable resin layer made of a perfluorosulfonic acid ion exchange resin cured between two polymer resin porous membranes means that at least one moisture permeable resin layer is provided. This is a structure in which the pores near the surface of the polymer resin porous film are buried and the surface also has a coating layer.
[0039]
Here, “cured” means a state in which the moisture-permeable resin is desolvated after the coating operation and the fluidity is lost.
The surface shape of the polymer resin porous membrane is smooth when viewed macroscopically, but is uneven when viewed microscopically, so that a very large adhesion area can be taken at the interface. Therefore, when a part of the moisture permeable resin layer partially fills the pores of the polymer resin porous membrane, an anchor effect is obtained and the adhesion is extremely high.
[0040]
By taking such a structure of the water vapor permeable membrane used in the present invention, compared with the case of laminating a coarse reinforcing fabric such as a nonwoven fabric, the anchor effect and adhesion are excellent, so that the nonwoven fabric or High resistance to contact friction and scratches with reinforcing materials such as nets, and potential defects can be prevented even if pinholes are not generated or pinholes are reached. Can do.
The material, film thickness, porosity, etc. of the two polymer resin porous membranes are the same or different and are not particularly limited, but the same one swells, Since dimensional changes such as shrinkage are equal, it is more preferable in terms of preventing peeling.
[0041]
The thickness of the moisture-permeable resin coating layer is not particularly limited, but is preferably 1 to 60%, more preferably 5 to 50%, based on the thickness of the polymer resin porous film.
The structure in which the cured moisture-permeable resin layer is provided in the pores of the polymer resin porous film used in the present invention refers to a structure in which the cured product of the moisture-permeable resin is buried in the pores of the polymer resin porous film. .
[0042]
In addition, since the water vapor permeable membrane used in the present invention has a structure in which perfluorosulfonic acid ion exchange resin is filled in the pores of a hydrophobic porous membrane, the ion exchange resin contains a large amount of water. However, expansion of the entire membrane is prevented. Accordingly, when a cartridge having a fold-folded cylindrical pleat structure is manufactured, it is easy to design and manufacture that the dimensional change of the film is small.
The water vapor permeable membrane used in the present invention transmits only water vapor in the gas on both sides of the membrane and does not allow other gas components to permeate. Therefore, the transmittance of gases other than water vapor is “JIS-P8117”. The air permeability shown is preferably 1000 seconds / 100 cm ³ or more, more preferably 10,000 seconds / 100 cm ³ or more. This value (air permeability of 10,000 seconds / 100 cm ³ or more) means that the time required to allow 100 cm ³ of gas to pass through is 10,000 seconds or more.
[0043]
The counter ion of the sulfonic acid group of the perfluorosulfonic acid ion exchange resin used in the present invention is preferable because its proton type has higher water vapor permeability than metal ions such as sodium.
The method for producing the water vapor permeable membrane of the present invention is not particularly limited. For example, a polymer solution having a perfluorosulfonic acid ion exchange group is dissolved and dispersed in an organic solvent such as alcohol, ketone or ester. An example is a method in which after the applied solution is applied to the surface of the polymer resin porous membrane, the other polymer resin porous membrane is bonded, and then the solvent is removed.
[0044]
Also, a polymer having a perfluorosulfonic acid ion exchange group is applied to the surface of the polymer resin porous membrane, and then the solvent is removed to cure the perfluorosulfonic acid ion exchange resin on the surface of the polymer resin porous membrane. After the coating film is formed, the two coating films can be pleated into a fold shape by overlapping each other with the coating surfaces inside. In this configuration, even if there is a pinhole in one coating layer, the probability that there is a pinhole in the other coating layer in the immediate vicinity of the pinhole is low, so the overall leakage can be greatly reduced. it can.
[0045]
Although the specific method of application | coating is not specifically limited, For example, methods, such as a method using a gravure roll, a reverse roll, a doctor roll, a kiss roll, spraying, immersion, filtration, etc. are mentioned.
The method of bonding the two polymer resin porous membranes is not particularly limited, but can be bonded using various laminator devices.
Hereinafter, the humidifying device of the present invention will be described more specifically with reference to Examples and Comparative Examples.
[0046]
[Example 1]
First, a water vapor permeable membrane was prepared as follows.
A coating solution was prepared by diluting a perfluorosulfonic acid ion exchange resin (trade name Aciplex-SS-1080, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.) twice with ethanol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.).
Using a continuous spray coater, this solution is discharged on a polypropylene porous film (trade name: Yupore Z031, manufactured by Ube Industries, Ltd.) having a film thickness of 20 μm, a film width of 400 mm, and a porosity of 47%. After spraying at / min to create a uniform coating layer on the membrane surface, the same polypropylene porous membrane is layered, followed by drying at a drum speed of 20 m / hr, a drum temperature of 80 ° C, and an ambient temperature of 29 ° C. And the solvent ethanol was removed. As a result, a water vapor permeable membrane used in the present invention having a cured moisture permeable resin layer between two polypropylene porous membranes was obtained. The resulting water vapor permeable membrane of the present invention had a thickness of 44 μm.
[0047]
Unit area of perfluorosulfonic acid ion exchange resin laminated between the membrane surfaces by subtracting the mass of the porous membrane made of polypropylene before applying the moisture-permeable resin (2 sheets) from the mass of the laminated membrane dried after lamination The mass per unit area was determined to be 4.2 g / m ² .
Next, using this water vapor permeable membrane, a cartridge was prepared as follows.
The obtained water vapor permeable membrane is sandwiched between non-woven fabrics made of polypropylene and having a weight per unit area of 50 g / m ² , and is further pleated to a pleat width of 24 mm with a wire mesh (wire diameter 0.18 mm, 18 mesh). The 94 folds were taken and rolled into a cylindrical shape, and the joint was caulked with an epoxy adhesive and a V-shaped stainless steel plate and sealed.
[0048]
An inner cylinder was inserted into the cylindrical pleat, an outer cylinder was inserted outside the cylindrical pleat, and both ends were sealed with an end plate having a donut plate shape, and an epoxy adhesive was used to complete the cartridge.
The inner cylinder is made of a stainless steel plate (thickness of 1 mm, width of 400 mm), rounded with a hole having a communication hole (φ7 mm, pitch of 10 mm, opening rate of 44%) at the width of 100 mm at both ends, and spotting the seam Welded to produce a cylinder with an inner diameter of 90 mm. Further, a 90 mm diameter disc was fixed with epoxy resin at a distance of 100 mm from both ends in the cylinder, so that gas did not flow into the center of the cylinder.
[0049]
Similarly, the outer cylinder is rounded with a hole with a communication hole (φ7 mm, pitch 10 mm, hole area ratio 44%) on the entire surface of a stainless steel plate with a thickness of 1 mm and a width of 400 mm. A 150 mm cylinder was made.
The housing for the cartridge has a body and lids on both ends so that the cartridge can be taken in and out and only the cartridge can be replaced. As for the body part, an O-ring groove was processed at a position of an end plate when a cartridge was inserted into a stainless steel pipe, and nozzles were welded to both ends of the body part in the axial direction.
[0050]
The lid was configured such that a nozzle was welded to a stainless steel disk, and the body portion could be hermetically sealed by clamping with a clamp via a packing.
The cartridge was accommodated in the housing to complete the humidifying device of the present invention. The humidifying device of the present invention has a membrane area of 1.8 m ² and a volume of about 9 liters, so that a lot of membrane area could be packed in a compact volume.
The performance of this humidifier (water vapor permeability and non-permeability of gases other than water vapor) was evaluated.
[0051]
Of the four nozzles of the housing, one end of the inner flow path was a humidified air inlet, and the other end was a humidified air outlet. Then, one end of the outer channel was used as a dry nitrogen inlet, and the other end was used as a dry nitrogen outlet. At this time, piping was provided so that dry nitrogen and humidified air were in countercurrent contact via a water vapor permeable membrane.
Humidified air having a relative humidity of 70% RH and a temperature of 77 ° C. is supplied to the humidified air inlet of the humidifier at a flow rate of 1000 liters / minute, and dry nitrogen having a relative humidity of 6% RH and a temperature of 77 ° C. is supplied to the dry nitrogen inlet. Was supplied at a flow rate of 1000 l / min. After supplying these humidified air and dry nitrogen for 30 minutes, the relative humidity and oxygen concentration of the gas in the dry nitrogen outlet were measured. As a result, the relative humidity was 38% RH and the oxygen concentration was 0%.
[0052]
[Example 2]
Except the use of a membrane in which the water-permeable membrane of Example 1 was immersed in a 0.1N sodium hydroxide aqueous solution for a predetermined time to replace the sulfonic acid group H of the perfluorosulfonic acid ion exchange membrane with sodium. A humidifier was manufactured by the same method and configuration as in Example 1.
The performance of this humidifier (water vapor permeability and non-permeability of gases other than water vapor) was examined by the same method as in Example 1.
[0053]
That is, humidified air having a relative humidity of 70% RH and a temperature of 77 ° C. is supplied to the humidified air inlet of the humidifier at a flow rate of 1000 liters / minute, and the dry nitrogen inlet is supplied with a relative humidity of 6% RH and a temperature of 77 ° C. Dry nitrogen was supplied at a flow rate of 1000 l / min. After supplying these humidified air and dry nitrogen for 30 minutes, the relative humidity and oxygen concentration of the gas in the dry nitrogen outlet were measured. As a result, the relative humidity was 12% RH and the oxygen concentration was 0%.
[0054]
【Effect of the invention】
As described above, according to the humidifier of the present invention, a sufficient humidification action can be obtained without changing the oxygen concentration of the air supplied to the battery unit, and the humidifier is compact and transparent. Since the wet resin layer is sandwiched between two polymer resin porous membranes, it is possible to prevent defects that occur during assembly such as pinholes, thereby increasing reliability. Therefore, the wet resin layer is particularly suitable as a humidifier for automobile fuel cells. Yes.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of a fuel cell equipped with a humidifying device of the present invention.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing an example of a cross section of the humidifying device of the present invention.
FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing an example of a cartridge configuration of the humidifying device of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Battery part 2 Humidification part 21 Raw material gas flow path 211 Gas inlet port 212 Gas outlet port 22 Exhaust gas flow path 221 Gas inlet port 222 Gas outlet port 23 Water vapor permeable membrane 3 Compressor (air supply source)
31 Piping 32 Piping 33 Piping 34 Piping 4 Hydrogen supply source 41 Piping 42 Piping 5 Cartridge 50 Inner tube 51 End plate 52 Outer tube 53 End wall surface 54 Communication hole 55 Center wall surface 56 Current plate 57 Seal surface 58 Adhesive 59 Communication hole 6 Housing 7 Sealing material 8 Inner channel 9 Outer channel

Claims

A fuel cell comprising a battery unit that performs a battery reaction, and a humidifier that humidifies a raw material gas supplied to the battery unit,
The battery part has a battery cell composed of a solid polymer electrolyte membrane and electrodes arranged on both sides thereof,
The humidifier is a humidifier in which a cartridge is housed in a housing,
The cartridge is
An inner cylinder having both ends open, a donut plate-like first end plate provided at one end of the inner cylinder, and a donut plate-like second end plate provided at the other end of the inner cylinder; A pleated cylindrical pleated water vapor permeable membrane provided on the outer periphery of the inner cylinder, and an outer cylinder provided on the outer periphery of the cylindrical pleated water permeable membrane,
Both ends of the cylindrical pleated water vapor permeable membrane are hermetically sealed with the first end plate and the second end plate,
The inner cylinder has a communication hole that penetrates the wall surfaces at both ends of the inner cylinder, and both ends of the central portion of the inner cylinder are hermetically closed with a rectifying plate, so that the inner cylinder communicates from the space inside the inner cylinder. It is a cartridge in which an inner flow path connected to a gap in a cylindrical pleated water vapor permeable membrane through a hole is formed,
The cartridge and the housing are sealed, and the inner flow path of the cartridge and the outer flow path outside the water vapor permeable membrane are hermetically separated,
The housing has a gas inlet 1, a gas outlet 1, a gas inlet 2, and a gas outlet 2.
From the gas inlet 1, a raw material gas channel connected to the gas outlet 1 via the outer channel, and an exhaust gas channel connected to the gas outlet 2 from the gas inlet 2 via the inner channel. A humidifying device formed,
Water vapor contained in the exhaust gas from the battery part is allowed to permeate the water vapor permeable membrane and enter the raw material gas flow path from the exhaust gas flow path. In a fuel cell that humidifies the source gas by contacting it,
The fuel cell according to claim 1, wherein the water vapor permeable membrane is provided with a moisture permeable resin layer made of a perfluorosulfonic acid-based ion exchange resin which is desolvated between two polymer porous membranes.

The fuel cell according to claim 1, wherein the counter ion of the sulfonic acid group of the perfluorosulfonic acid ion exchange resin is a proton.

An inner cylinder that is open at both ends;
A donut plate-like first end plate provided at one end of the inner cylinder;
A donut plate-like second end plate provided at the other end of the inner cylinder;
A cylindrical pleated water vapor permeable membrane provided on the outer periphery of the inner cylinder;
An outer cylinder provided on the outer periphery of a cylindrical pleated water vapor permeable membrane,
Both ends of the water vapor permeable membrane of the cylindrical pleat are hermetically sealed by the first end plate and the second end plate, and the inner cylinder has a central wall surface hermetically closed by both rectifying plates, In a cartridge having an end wall surface having a communication hole,
The water vapor permeable membrane is sandwiched between two polymer porous membranes, and a cartridge provided with a moisture permeable resin layer made of a perfluorosulfonic acid ion exchange resin that has been desolvated is housed in a housing.
The housing has a gas inlet 1, a gas outlet 1, a gas inlet 2, and a gas outlet 2.
A humidifier in which the cartridge and the housing are sealed;
A flow path leading from the gas inlet 1 to the gas outlet 1 via the outer flow path outside the water vapor permeable membrane;
From the gas inlet 2 through the communication hole from the inner side of one end of the inner cylinder, to the inner side of the cylindrical pleated water vapor permeable membrane, and through the communication hole to the inner side of the other end of the inner cylinder Then, a flow path connected to the gas discharge port 2 is formed.

The humidifying device according to claim 3, wherein a communication hole is provided in a wall surface of the outer cylinder of the cartridge .

The humidifying device according to claim 3 or 4, wherein a length of the wall surface of the central portion of the cartridge is 20 to 90% of a cylindrical length.

The humidifier according to any one of claims 3 to 5 , wherein an outer periphery of the first end plate and the second end plate of the cartridge and the housing are sealed.