JP2004006099A - 燃料電池の加湿装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】性能の向上、特に、圧力損失の低減の向上を図った燃料電池の加湿装置を提供する。
【解決手段】ケース１１に設けられた導入孔１１ａ及び排出孔１１ｂの付近においては、ケース１１の壁面と中空糸膜束１２との間に隙間Ｓが全周にわたって設けられており、導入孔１１ａ及び排出孔１１ｂから離れた位置（ケース中央付近）では、壁が厚く設けられた厚壁部１１ｃが設けられ、ケース１１と中空糸膜束１２は全周にわたって当接している。
【選択図】 図２
【解決手段】ケース１１に設けられた導入孔１１ａ及び排出孔１１ｂの付近においては、ケース１１の壁面と中空糸膜束１２との間に隙間Ｓが全周にわたって設けられており、導入孔１１ａ及び排出孔１１ｂから離れた位置（ケース中央付近）では、壁が厚く設けられた厚壁部１１ｃが設けられ、ケース１１と中空糸膜束１２は全周にわたって当接している。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池における隔壁（イオン交換膜）を保湿するための加湿装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、クリーンな発電システムとして、燃料電池が注目されており、活発な開発が行われている。燃料電池においては、水素と酸素の反応により電気と水蒸気が発生するが、この反応時に発生した電気は水分子を伴って移動するため、隔壁（イオン交換膜）を常に保湿しておく必要がある。
【０００３】
この場合、水タンク等から水分を隔壁に供給することも考えられるが、定置用あるいは車載用ともに屋外での使用が前提となるため、冬場における凍結の問題があり、水タンク等を設けることは適切ではない。
【０００４】
そこで、この保湿を行うために、燃料電池において反応により発生した水蒸気を有効に回収して、再び燃料電池に送り込もうという試みが行われている。
【０００５】
そのために、ガス中に含まれる水分を分離可能な水蒸気透過膜を利用した加湿装置が開発されている。
【０００６】
図１１を参照して、従来技術に係る燃料電池の加湿装置について説明する。図１１は燃料電池の加湿装置の一部破断模式図である。
【０００７】
この加湿装置は、中空糸透過膜によって形成された中空糸膜をモジュール化した中空糸膜モジュールを利用したものである。図示のように、加湿装置１００は、円筒状のケース１０１と、ケース１０１内に充填される複数の中空糸膜からなる中空糸膜束１０２とを備えている。
【０００８】
ケース１０１には、一端側に気体を導入するための複数の導入孔１０１ａを有し、かつ他端側に気体を排出するための複数の排出孔１０１ｂを有する。
【０００９】
また、ケース１０１の両端においては、それぞれ、中空糸膜の中空内部のみが外部に開放されるように、各中空糸膜の外壁面間及びケース１０１の内壁面間を封止固定するポッティング部１０３が設けられている。
【００１０】
以上の構成によって、中空糸膜の中空内部を通る第１経路（図中矢印Ｘ１，Ｘ２）と、複数の導入孔１０１ａからケース１０１内に導入され、中空糸膜の膜外を通り、複数の排出孔１０１ｂからケース１０１外に排出されていく第２経路（図中矢印Ｙ１，Ｙ２）が形成される。
【００１１】
そして、これら第１経路と第２経路のうちのいずれか一方に、例えばコンプレッサによって加湿対象気体（乾燥空気）を流し、他方に水蒸気を含んだ気体（湿潤空気）を流す。これにより、中空糸膜の膜分離作用によって、湿潤空気中の水蒸気が選択的に膜を透過して、加湿対象気体が加湿される。そして、この加湿された気体を、燃料電池における隔壁（イオン交換膜）に送り込む。
【００１２】
ここで、上述のように、燃料電池からの排気ガス（反応後の気体）には、水蒸気が含まれており、これを上記湿潤空気として利用する。
【００１３】
ところで、燃料電池に用いられる加湿装置においては、車用の燃料電池の場合には、通常、空気流量２００〜３５００ＮＬ／ｍｉｎ（約５０ＫＷ），圧力２０〜２００ＫＰａ，温度７０〜８０℃の環境条件で使用され、定置用の燃料電池の場合には、通常、空気流量１００〜１５００ＮＬ／ｍｉｎ（約１〜２０ＫＷ），圧力１０〜１００ＫＰａ，温度７０〜８０℃の環境条件で使用される。
【００１４】
ここで、燃料電池に用いられる加湿装置に求められる基本的性能としては、一般的に、次ぎのようなことが挙げられる。
【００１５】
第一に、圧力損失を極力下げることである。これは、圧力損失が高いほど、コンプレッサによって送り込む気体の圧力を高くしなければならないため、コンプレッサの動力を大きくしなければならないからである。また、コンプレッサの動力は、燃料電池から得ることから、燃料電池を機能させるためのコンプレッサに対して、燃料電池からの電力をコンプレッサに多く費やしてしまうと、燃料電池で発生する電力の多くを自己のために消費することになり、有効な電力の生産率が低くなってしまうからである。
【００１６】
第二に、中空糸膜が折れたり切れたりしないことである。これは、中空糸膜が折れたり切れたりすると、加湿機能が低下してしまうからである。このような中空糸膜の折れや切れは、通常、ポッティング部との境界面（ポッティング部の表面付近）で起こり易い。何故ならば、流体（気体）の流れによって中空糸膜が揺れるため、揺れの起点となる上記境界面の部分に応力が集中するためである。
【００１７】
第三に、加湿効率（加湿対象気体側への水の透過量）を向上させることである。加湿装置として当然要求される性能である。
【００１８】
ここで、燃料電池においては、装置の小型化の要求等に応えるべく、電力の生産効率を高める必要があり、上述したように、圧力損失を抑制する必要がある。
【００１９】
しかし、燃料電池の加湿装置においては、中空糸膜の折れや切れを抑制するために中空糸膜の揺れを抑えること、及び中空糸膜の加湿効率を高めることも必要であることから、ケース内の中空糸膜の充填率をある程度高める必要もある。
【００２０】
そのため、従来、中空糸膜束の外周面はケースの内周壁面に当接するように配設されていたため、ケースに設けられた孔からケース内に導入された気体は、中級糸膜束の外周面に当たり、束の内部に進入しにくく、圧力損失が大きかった。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
上記の通り、従来技術の場合には、圧力損失が問題になっていた。
【００２２】
本発明の目的は、性能の向上、特に、圧力損失の低減の向上を図った燃料電池の加湿装置を提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明にあっては、中空糸膜束が充填されるケースに設けられた孔の付近においては、ケースの壁面と中空糸膜束との間に、全周にわたって隙間が設けられているように構成した。
【００２４】
このように構成したことにより、ケースに設けられた孔から導入された気体は、上記隙間によって、全周に行き渡るため、圧力損失を抑制することができる。
【００２５】
ここで、本発明が適用される燃料電池の加湿装置の基本的な構成は、中空糸膜の膜内を通る経路を第１経路とし、ケースに設けられた孔を通り、かつ中空糸膜束内であって中空糸膜の膜外を通る経路を第２経路とし、これら第１経路及び第２経路のうち、一方は、加湿対象気体を送り込み、加湿後の加湿気体を燃料電池（隔壁（イオン交換膜））に送り込む経路として利用し、他方は、燃料電池から排出される水分を含んだ気体を導入する経路として利用する構成である。
【００２６】
つまり、膜を介して一方（中空糸膜の場合には、中空内部あるいは膜外のいずれか一方に相当する）に加湿対象気体を流し、膜を介して他方に水分を含んだ気体を流すことで、膜分離作用を利用して、選択的に水分を加湿対象気体側に移動させることで、加湿対象気体を加湿する原理を利用したものである。
【００２７】
また、ケースに設けられた孔から離れた位置では、ケースの壁面と中空糸膜束は、全周にわたって当接しているように構成すると好適である。
【００２８】
このように構成することで、孔から導入された気体が、中空糸膜束とケースの壁面との間から抜けてしまうことを防止できる。すなわち、孔から導入された気体は中空糸膜束内部へと導かれるため、加湿効率を高めることができる。
【００２９】
また、ケースに設けられた孔から離れた位置に、ケースの壁面と中空糸膜束との間の隙間を封止する封止部材を備える構成とすることも好適である。
【００３０】
このような構成によっても、孔から導入された気体が、中空糸膜束とケースの壁面との間から抜けてしまうことを防止できる。すなわち、孔から導入された気体は中空糸膜束内部へと導かれるため、加湿効率を高めることができる。
【００３１】
また、ケースに設けられた孔と中空糸膜束の該孔に対向する対向面との間に、該孔から流入する気体の衝撃を緩衝する緩衝部材を備えると好適である。
【００３２】
このように緩衝部材を備えれば、孔からケース内に流入された気体は、緩衝部材によって衝撃が緩衝された後に中空糸膜束内に送り込まれるため、中空糸膜が受ける衝撃を抑えることが可能となる。これにより、中空糸膜の揺れを抑え、中空糸膜の折れや切れを低減できる。
【００３３】
また、上述した緩衝部材の一部が、ポッティング部（中空糸膜の中空内部のみが外部に開放されるように、中空糸膜の外壁面間、及びケースの壁面との間を封止固定する部分）の内部に埋没するように配置され、該緩衝部材が、中空糸膜束のポッティング部との境界面で該中空糸膜束を支持するように構成すると好適である。
【００３４】
このように構成すれば、通常最も中空糸膜の折れや切れが発生しやすい中空糸膜におけるポッティング部との境界面付近で中空糸膜束が支持されるため、この付近における中空糸膜の揺れを抑制でき、効果的に中空糸膜の折れや切れを抑制できる。
【００３５】
また、ポッティング部は、外側の硬質素材からなる層と内側の軟質素材からなる層の２層構造とすると好適である。
【００３６】
ポッティング部をこのような２層構造とすれば、中空糸膜が揺れる際に、軟質素材からなる層が、中空糸膜に追随するため、中空糸膜に対する応力集中を緩和することができ、中空糸膜の折れや切れを抑制できる。
【００３７】
また、中空糸膜束を構成する複数の中空糸膜は、そのうちの数本ずつを束にして、あるいは、中空糸膜１本１本に、繊維状物が螺旋状に巻きつけられていると好適である。
【００３８】
このように構成することで、中空糸膜が補強されると共に、中空糸膜の揺れを抑制できるため、中空糸膜の折れや切れをより一層抑えられる。更に、繊維状物によって、中空糸膜束内を流れる気体の乱流を生じさせることができるため、加湿効率を高めることができる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００４０】
（第１の実施の形態）
図１及び図２を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池の加湿装置について説明する。図１は燃料電池と燃料電池内の隔壁を加湿するための加湿装置全体のシステム構成図である。図２は本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池の加湿装置の一部破断模式図である。
【００４１】
まず、特に、図１を参照して、燃料電池と燃料電池内の隔壁を加湿するための加湿装置全体のシステムについて説明する。
【００４２】
図１に示すように、本システムは、主として、加湿装置１０とコンプレッサ２０と燃料電池３０から構成される。
【００４３】
加湿装置１０は、主として、ケース１１と、ケース１１内に充填される複数の中空糸膜１２ａからなる中空糸膜束１２と、各中空糸膜１２ａの中空内部のみが外部に開放されるように、各中空糸膜１２ａの外壁面間及びケース１１の内壁面間を封止固定するポッティング部１３とを備えている。なお、ケース１１内への中空糸膜１２ａの充填率は３０〜７０％、好ましくは４５〜６０％である。
【００４４】
ここで、ケース１１は円筒形状の部材であり、その一端側の側壁面に導入孔１１ａを備え、その他端側の側壁面に排出孔１１ｂを備えている。
【００４５】
このように構成された加湿装置１０においては、各中空糸膜１２ａの膜内（中空内部）を通る第１経路（矢印Ｘ１，Ｘ２）と、ケース１１に設けられた導入孔１１ａを通り、中空糸膜束１２内であって中空糸膜１２ａの膜外を通り、更にケース１１に設けられた排出孔１１ｂを通る第２経路（矢印Ｙ１，Ｙ２）と、が形成される。
【００４６】
燃料電池３０は、主として、水素を供給する水素供給部３１と、アノード電極３２及びカソード電極３３と、これらアノード電極３２及びカソード電極３３のそれぞれに電気的に接続され、得られた電気（電子）を所望の箇所に配電するための配電電極３４と、アノード電極３２とカソード電極３３との間に設けられ、イオンを移動させるための隔壁（イオン交換膜）３５と、を備える。
【００４７】
このようなシステムにより、図１に示すように、コンプレッサ２０から加湿装置１０における導入孔１１ａを介して加湿対象気体（乾燥空気）をケース１１内に送り込む（矢印Ｙ１）。
【００４８】
ケース１１内に送り込まれた加湿対象気体は、上述のように中空糸膜束１２内であって中空糸膜１２ａの膜外を通り、この過程によって加湿された後に、ケース１１に設けられた排出孔１１ｂよりケース１１の外部へと排出される（矢印Ｙ２）。
【００４９】
排出孔１１ｂから排出された加湿された気体は、燃料電池３０内へと送り込まれる。これにより、燃料電池３０内の隔壁３５等は、保湿された状態が保たれる。
【００５０】
また、燃料電池３０からの排ガス、すなわち、電気を生成するための反応後の水蒸気が含まれた湿潤ガスは、加湿装置１０におけるケース１１の一端側から中空糸膜１２ａの膜内（中空内部）へと送り込まれる（矢印Ｘ１）。
【００５１】
中空糸膜１２ａの膜内に送り込まれた湿潤ガスは、そのままケース１１の他端側からケース１１外部に放出される。
【００５２】
ここで、加湿装置１０における加湿原理について、簡単に説明する。
【００５３】
図１中、Ｐには、加湿装置１０の内部を拡大した模式図を示している。
【００５４】
図示のように、中空糸膜１２ａの膜内（中空内部）には、燃料電池３０から送られた湿潤ガスが流れている（矢印ｘ１，ｘ２）。一方、中空糸膜１２ａの膜外には、加湿対象気体が流れている（矢印ｙ）。
【００５５】
そして、中空糸膜１２ａの膜分離作用によって、湿度の高い膜内側から水分のみが選択的に膜を透過して、膜外へと移動する（矢印ｘ３）。
【００５６】
これにより、膜外を流れる加湿対象気体は加湿される。
【００５７】
次に、燃料電池３０における発電原理について、簡単に説明する。
【００５８】
図１中、Ｑには、燃料電池３０の内部を拡大した模式図を示している。
【００５９】
図中、水素供給部３１には、水素が供給される（矢印Ｚ）。これによりアノード電極３２においては、水素がイオン分解される（Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−）。そして、電子は配電電極３４に送り込まれる。なお、配電電極３４において、矢印Ｅは電子の流れを示している。
【００６０】
一方、イオン分解された水素イオンは隔壁３５によってカソード電極３３に向かって移動する。
【００６１】
一方、カソード電極３３側には、加湿された気体（水蒸気と空気）が送り込まれる。そして、カソード電極３３に送り込まれた空気中の酸素と、隔壁３５を伝わってきた水素イオンが反応して水蒸気が発生する（（１／２）Ｏ２＋２ｅ−＋２Ｈ＋→Ｈ２Ｏ）。
【００６２】
そして、反応により発生した水蒸気と、反応によって酸素が少なくなった空気が、排気ガスとして排気される（矢印Ｘ１）。
【００６３】
このような原理によって、電圧を供給できる。
【００６４】
次に、加湿装置１０について、特に図２を参照して、更に詳しく説明する。
【００６５】
本実施の形態においては、ケース１１に設けられた導入孔１１ａ及び排出孔１１ｂの付近においては、ケース１１の壁面と中空糸膜束１２との間に隙間Ｓが全周にわたって設けられている。
【００６６】
これにより、ケース１１に設けられた導入孔１１ａからケース１１内に導入された加湿対象気体は、隙間から全周に行き渡る。従って、圧力損失を抑制することが可能である。
【００６７】
また、ケース内への導入側及びケース外への排出側のいずれにおいても、中空糸膜束１２とケース１１との間に隙間Ｓが全周にわたって設けられているため、中空糸膜束内部への気体の進入及び中空糸膜束外部への気体の排出が、全周にわたって行われるため、加湿効率も向上する。
【００６８】
また、導入孔１１ａ及び排出孔１１ｂから離れた位置（ケース中央付近）では、壁が厚く設けられた厚壁部１１ｃが設けられている。これにより、ケース１１と中空糸膜束１２は全周にわたって当接している。
【００６９】
従って、ケース１１に設けられた導入孔１１ａからケース１１内に導入された加湿対象気体が、ケース１１の壁面と中空糸膜束１２との間の隙間を抜けて、そのままケース１１に設けられた排出孔１１ｂから排出されてしまうことを防止できる。つまり、導入孔１１ａからケース１１内に導入された加湿対象気体を、ほぼ確実に中空糸膜束１２の内部へと導くことができ、加湿効率を高めることができる。
【００７０】
また、本実施の形態においては、ケース１１に設けられた導入孔１１ａと中空糸膜束１２におけるこの導入孔１１ａに対向する対向面との間に、導入孔１１ａから流入する気体の衝撃を緩衝する緩衝部材としてのフィルム１４が設けられている。
【００７１】
このフィルム１４は、気体を透過しない非透過性の部材で構成されており、かつ導入孔１１ａに対向する対向面の全面をカバーするように配設されている。これにより、導入孔１１ａから導入される気体は、フィルム１４に衝突して方向をほぼ９０°変えられることによって衝撃を緩衝する仕組みである。ただし、導入孔１１ａに対向する対向面の全面をカバーしない場合であっても衝撃はある程度緩和することができる。また、加湿効率を高めるために、非透過性ではなく、メッシュ状のものなど、気体を透過するものであっても、衝撃を緩衝することができる。
【００７２】
従って、導入孔１１ａから流入された気体は、フィルム１４によって衝撃が緩衝された後に中空糸膜束１２内に送り込まれるため、中空糸膜１２ａが受ける衝撃を抑えることが可能となる。これにより、中空糸膜１２ａの揺れを抑え、中空糸膜１２ａの折れや切れを低減することが可能となる。
【００７３】
また、ケース１１に設けられた排出孔１１ｂと中空糸膜束１２におけるこの排出孔１１ｂに対向する対向面との間にも、同様にフィルム１４が設けられている。
【００７４】
また、フィルム１４は、その一部がポッティング部１３内に埋没しており、ポッティング部１３によって位置決め固定されている。
【００７５】
そして、このフィルム１４は、中空糸膜束１２を覆うように巻かれている。これにより、中空糸膜束１２は、ポッティング部１３との境界面でフィルム１４によって支持されている。
【００７６】
従って、通常最も中空糸膜の折れや切れが発生しやすい中空糸膜におけるポッティング部１３との境界面（ポッティング部表面）付近で中空糸膜束１２は支持されるため、この付近における中空糸膜１２ａの揺れを抑制でき、効果的に中空糸膜１２ａの折れや切れを抑制することができる。
【００７７】
なお、０ＮＬ／ｍｉｎと２０００ＮＬ／ｍｉｎを１サイクルとする耐久試験を行ったところ、フィルムがない場合には、２００サイクルで中空糸膜の切れによるリークが発生したが、フィルムがある場合には、５０００サイクル終了時においてもリークは確認されなかった。
【００７８】
なお、これまでの説明においては、第１経路（矢印Ｘ１，Ｘ２）に湿潤ガス（燃料電池からの排ガス）を流し、第２経路（矢印Ｙ１，Ｙ２）に加湿対象気体（乾燥空気）を流す場合を例にして説明したが、これとは逆に、第２経路に湿潤ガスを流し、第１経路に加湿対象気体（乾燥空気）を流すようにして利用することができることは言うまでもない。
【００７９】
（第２の実施の形態）
図３には、本発明の第２の実施の形態が示されている。本実施の形態では、加湿装置の基本構成が上記第１の実施の形態の場合とは異なる構成（インナーパイプ型）について説明する。なお、燃料電池，コンプレッサ及びこれらと加湿装置間の流体（乾燥空気と湿潤空気）経路構成については、上記第１の実施の形態の場合と同様であるので、その説明は適宜省略する。
【００８０】
図３は本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池の加湿装置の一部破断模式図である。
【００８１】
本実施の形態に係る加湿装置５０は、主として、筒状（円筒状）の外ケース５１と、外ケース５１内に配設される内ケース（インナーパイプ）５５と、外ケース５１と内ケース５５との間の隙間に充填される複数の中空糸膜５２ａからなる中空糸膜束５２と、各中空糸膜５２ａの中空内部のみが外部に開放されるように、各中空糸膜５２ａの外壁面間及び外ケース５１及び内ケース５５の壁面間を封止固定するポッティング部５３とを備えている。
【００８２】
内ケース５５には、導入孔５５ａを備えており、外ケース５１には排出孔５１ａを備えている。ただし、外ケース５１側の排出孔５１ａを導入孔として用い、内ケース５５側の導入孔を排出孔として用いることもできる。
【００８３】
これら導入孔５５ａと排出孔５１ａは、ケース長手方向のそれぞれ異なる端部に設けられている。
【００８４】
このように構成された加湿装置５０においては、各中空糸膜５２ａの膜内（中空内部）を通る第１経路（矢印Ｘ１，Ｘ２）と、内ケース５５に設けられた導入孔５５ａを通り、中空糸膜束５２内であって中空糸膜５２ａの膜外を通り、更に外ケース５１に設けられた排出孔５１ａを通る第２経路（矢印Ｙ１，Ｙ２）と、が形成される。本実施の形態においては、第２経路は、必ず、円筒形状の中空糸膜束５２の内周面から外周面へと貫く経路が形成されるため、加湿効率に優れる。
【００８５】
そして、コンプレッサから加湿装置５０における導入孔５５ａを介して加湿対象気体（乾燥空気）を外ケース５１と内ケース５５との間の隙間に送り込む（矢印Ｙ１）。
【００８６】
この隙間に送り込まれた加湿対象気体は、上述のように中空糸膜束５２内であって中空糸膜５２ａの膜外を通り、この過程によって加湿された後に、外ケース５１に設けられた排出孔５１ａより外ケース５１の外部へと排出される（矢印Ｙ２）。
【００８７】
排出孔５１ａから排出された加湿された気体は、燃料電池内へと送り込まれる。これにより、燃料電池内の隔壁等は、保湿された状態が保たれる。
【００８８】
また、燃料電池からの排ガス、すなわち、電気を生成するための反応後の水蒸気が含まれた湿潤ガスは、加湿装置５０におけるケースの一端側から中空糸膜５２ａの膜内（中空内部）へと送り込まれる（矢印Ｘ１）。
【００８９】
中空糸膜５２ａの膜内に送り込まれた湿潤ガスは、そのままケースの他端側からケース外部に放出される。
【００９０】
なお、加湿装置５０における加湿原理については、上記第１の実施の形態で説明した通りであるので、その説明は省略する。
【００９１】
そして、本実施の形態においては、内ケース５５に設けられた導入孔５５ａの付近においては中空糸膜束５２と内ケース５５の壁面との間、外ケース５１に設けられた排出孔５１ａ付近においては中空糸膜束５２と外ケース５１の壁面との間に、それぞれ隙間Ｓが全周にわたって設けられている。
【００９２】
これにより、内ケース５５に設けられた導入孔５５ａからケース内に導入された加湿対象気体は、隙間Ｓから全周に行き渡る。従って、圧力損失を抑制することが可能である。
【００９３】
また、ケース内への導入側及びケース外への排出側のいずれにおいても、中空糸膜束とケースとの間に隙間Ｓが全周にわたって設けられているため、中空糸膜束内部への気体の進入及び中空糸膜束外部への気体の排出が、全周にわたって行われるため、加湿効率も向上する。
【００９４】
また、導入孔５５ａから離れた位置では、内ケース５５の径が大きく設定されている。これにより、内ケース５５と中空糸膜束５２は全周にわたって当接している。更に、排出孔５１ａから離れた位置では、外ケース５１の内径が小さく設定されている。これにより、外ケース５１と中空糸膜束５２は全周にわたって当接している。
【００９５】
従って、内ケース５５の壁面と中空糸膜束５２との間の隙間、及び外ケース５１と中空糸膜束５２との間の隙間をなくすことができるため、加湿対象気体を、中空糸膜束５２の内部へと積極的に導くことができ、加湿効率を高めることができる。
【００９６】
また、本実施の形態に係る加湿装置５０においては、内ケース５５に設けられた導入孔５５ａと中空糸膜束５２におけるこの導入孔５５ａに対向する対向面との間に、導入孔５５ａから流入する気体の衝撃を緩衝する緩衝部材としてのフィルム５４ａが設けられている。
【００９７】
従って、導入孔５５ａから流入された気体は、フィルム５４ａによって衝撃が緩衝された後に中空糸膜束５２内に送り込まれるため、中空糸膜５２ａが受ける衝撃を抑えることが可能となる。これにより、中空糸膜５２ａの揺れを抑え、中空糸膜５２ａの折れや切れを低減することが可能となる。
【００９８】
また、外ケース５１に設けられた排出孔５１ａと中空糸膜束５２におけるこの排出孔５１ａに対向する対向面との間にも、同様にフィルム５４ｂが設けられている。
【００９９】
また、フィルム５４ａ，５４ｂは、その一部がポッティング部５３内に埋没しており、ポッティング部５３によって位置決め固定されている。
【０１００】
そして、このフィルム５４ａ，５４ｂは、中空糸膜束５２を覆うように巻かれている（フィルム５４ａは筒状の中空糸膜束５２の内周面を覆うように巻かれ、フィルム５４ｂは、この中空糸膜束５２の外周面を覆うように巻かれている）。これにより、中空糸膜束５２は、ポッティング部５３との境界面でフィルム５４ａ，５４ｂによって支持されている。
【０１０１】
従って、通常最も中空糸膜の折れや切れが発生しやすい中空糸膜におけるポッティング部５３との境界面（ポッティング部表面）付近で中空糸膜束５２は支持されるため、この付近における中空糸膜５２ａの揺れを抑制でき、効果的に中空糸膜５２ａの折れや切れを抑制することができる。
【０１０２】
なお、これまでの説明においては、第１経路（矢印Ｘ１，Ｘ２）に湿潤ガス（燃料電池からの排ガス）を流し、第２経路（矢印Ｙ１，Ｙ２）に加湿対象気体（乾燥空気）を流す場合を例にして説明したが、これとは逆に、第２経路に湿潤ガスを流し、第１経路に加湿対象気体（乾燥空気）を流すようにして利用することができることは言うまでもない。
【０１０３】
（第３の実施の形態）
図４及び図５には、本発明の第３の実施の形態が示されている。本実施の形態では、中空糸膜の束ね方を工夫した構成を示している。
【０１０４】
その他の構成については、上記第１の実施の形態あるいは第２の実施の形態の構成を適用できるので、その説明は省略する。
【０１０５】
図４は本実施の形態に係る中空糸膜の状態を示す斜視図の一部である。図５は本実施の形態に係る中空糸膜の束ね方を用いた場合の気体の流れ方を説明する図である。
【０１０６】
本発明の実施の形態においては、中空糸膜１２ａを３本束ねて、その外周表面に繊維状物６０が巻き付けられている。そして、３本ずつ束ねた束を複数束ねることで、中空糸膜束１２としている。なお、ポッティング部によって固定されている部分についても繊維状物６０が巻き付けられている。
【０１０７】
これにより、中空糸膜１２ａが繊維状物６０によって補強されるため、強度が向上する。また、中空糸膜１２ａの揺れが抑制される。従って、より一層、中空糸膜１２ａの折れや切れを低減することが可能となる。
【０１０８】
また、ケース内に流入され、中空糸膜１２ａの膜外を流れる気体は、繊維状物６０が巻き付けられていることによって、図５（ａ）に示すように、乱流を形成する。このため、中空糸膜表面に絶えず新しい気体が接するため、中空糸膜１２ａを横切る物質透過が促進される。
【０１０９】
また、中空糸膜表面上に存在する繊維状物６０によって隣り合う中空糸膜同士が密接に接触しないため、有効に使用される膜表面の減少を抑えることができると共に、各膜間の間隔も均一となるため、気体が膜間に均一に流入し、中空糸膜束を構成する中空糸膜全体が効率良く機能することになる。従って、加湿効率が向上する。
【０１１０】
なお、繊維状物を巻きつけない場合には、図５（ｂ）に示すように、中空糸膜束内部を流れる気体は、中空糸膜に沿って層状に流れることになる。
【０１１１】
これまでの説明では、中空糸膜を３本ずつ束ねて繊維状物を巻き付ける構成を示したが、束ねる本数は限定されるものではなく、中空糸膜の径や材質に応じて、適宜、束ねる本数を選択すればよい。また、中空糸膜１本ずつに、それぞれ繊維状物を巻きつけても良い。
【０１１２】
（第４の実施の形態）
図６及び図７には、本発明の第４の実施の形態が示されている。本実施の形態では、ポッティング部を素材の異なる２層からなる構造とした構成を示している。
【０１１３】
その他の構成については、上記第１の実施の形態あるいは第２の実施の形態の構成を適用できるので、その説明は省略する。
【０１１４】
図６は本実施の形態に係るポッティング部を示す模式図である。
【０１１５】
本実施の形態においては、エポキシ樹脂などの硬質材料からなる硬質層１３ａと、シリコン樹脂などの軟質材料からなる軟質層１３ｂの２層構造によってポッティング部を構成した。
【０１１６】
このように構成することによって、中空糸膜１２ａが揺れる場合には、その根本は軟質層１３ｂによって支えられているため、中空糸膜１２ａの揺れに応じて軟質層１３ｂが追随する。従って、中空糸膜１２ａに対する応力集中を緩和することができ、中空糸膜１２ａの折れや切れを、より一層抑制することが可能となる。
【０１１７】
なお、図７に示すように、上記第３の実施の形態で説明したように、中空糸膜１２ａに繊維状物６０を巻き付ける構成においても、ポッティング部を硬質層１３ａと軟質層１３ｂからなる２層構造とすることもできる。これにより、より一層中空糸膜１２ａの折れや切れを抑制できる。
【０１１８】
（第５の実施の形態）
図８には、本発明の第５の実施の形態が示されている。上記第１の実施の形態においては、ケースの一部を肉厚とすることによって、ケースに設けられた孔から離れた位置では中空糸膜束とケースの壁面が全周にわたって当接することで、隙間をなくす場合の構成を示したが、本実施の形態では、封止部材によって隙間をなくす場合の構成を説明する。
【０１１９】
その他の構成については、上記各実施の形態の構成を用いることができるので、ここでは、その説明は省略する。
【０１２０】
図８は本発明の第５の実施の形態に係る燃料電池の加湿装置の模式的断面図の一部である。
【０１２１】
本実施の形態においては、図示のように、ケース１１に設けられた孔（導入孔及び排出孔）から離れた位置において、ケース１１の壁面と中空糸膜束１２との間の隙間には、この隙間を封止する封止部材としてのＯリング７０が配設されている。
【０１２２】
これにより、この隙間から気体が抜けていくことを防止でき、確実に、気体を中空糸膜束１２の内部に導くことができるため、加湿効率が向上する。
【０１２３】
（第６の実施の形態）
図９には、本発明の第６の実施の形態が示されている。上記第１の実施の形態においては、ケースの中央部分全体を肉厚とする構成を示したが、本実施の形態では、一部のみを肉厚にする（凸状部を設ける）場合の構成を説明する。
【０１２４】
その他の構成については、上記各実施の形態の構成を用いることができるので、ここでは、その説明は省略する。
【０１２５】
図９は本発明の第６の実施の形態に係る燃料電池の加湿装置の模式的断面図の一部である。
【０１２６】
本実施の形態においては、図９に示すように、ケース１１に設けられた孔（導入孔及び排出孔）から離れた位置にそれぞれ環状の凸状部１１ｄを設けている。
【０１２７】
このような構成によっても、ケース１１の壁面と中空糸膜束１２との間の隙間から気体が抜けていくことを防止でき、確実に、気体を中空糸膜束１２の内部に導くことができるため、加湿効率が向上する。
【０１２８】
（第７の実施の形態）
図１０には、本発明の第７の実施の形態が示されている。上記第１の実施の形態においては、ケースの一部を肉厚とすることで、孔の付近では隙間を設け、かつ孔から離れた位置では隙間をなくす構成を示したが、本実施の形態では、ケースに小径部分と大径部分を設けることで、孔の付近では隙間を設け、かつ孔から離れた位置では隙間をなくす構成を示す。
【０１２９】
その他の構成については、上記各実施の形態の構成を用いることができるので、ここでは、その説明は省略する。
【０１３０】
図１０は本発明の第７の実施の形態に係る燃料電池の加湿装置の模式的断面図の一部である。
【０１３１】
本実施の形態においては、図１０に示すように、ケース１１は、孔（導入孔及び排出孔）を設ける付近における大径部１１ｅと孔から離れた位置（中央部）における小径部１１ｆとから構成している。
【０１３２】
これにより、大径部１１ｅによって全周にわたり隙間Ｓを形成すると共に、小径部１１ｆにおいては、中空糸膜束１２と全周にわたり当接するように構成している。
【０１３３】
なお、上述した第１，２，６，７の実施の形態の場合のように、封止部材を用いない構成の場合には、ケースのみで隙間Ｓと隙間をなくす部分を形成できるという利点がある。
【０１３４】
また、上述した１，６の実施の形態の場合には、肉厚部分をクッション材（発泡材など）のようなもので作成することもでき、また、第５の実施の形態の場合には、弾性を有する封止部材を用いることができる。これらの場合には、中空糸膜束に対して傷などが付かないように保護できるという利点がある。
【０１３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明により、性能の向上、特に、圧力損失の低減の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池と燃料電池内の隔壁を加湿するための加湿装置全体のシステム構成図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池の加湿装置の一部破断模式図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池の加湿装置の一部破断模式図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係る中空糸膜の状態を示す斜視図の一部である。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係る中空糸膜の束ね方を用いた場合の気体の流れ方を説明する図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態に係るポッティング部を示す模式図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態に係るポッティング部を示す模式図である。
【図８】本発明の第５の実施の形態に係る燃料電池の加湿装置の模式的断面図の一部である。
【図９】本発明の第６の実施の形態に係る燃料電池の加湿装置の模式的断面図の一部である。
【図１０】本発明の第７の実施の形態に係る燃料電池の加湿装置の模式的断面図の一部である。
【図１１】燃料電池の加湿装置の一部破断模式図である。
【符号の説明】
１０ 加湿装置
１１ ケース
１１ａ 導入孔
１１ｂ 排出孔
１１ｃ 厚壁部
１１ｄ 凸状部
１１ｅ 大径部
１１ｆ 小径部
１２ 中空糸膜束
１２ａ 中空糸膜
１３ ポッティング部
１３ａ 硬質層
１３ｂ 軟質層
１４ フィルム
２０ コンプレッサ
３０ 燃料電池
３１ 水素供給部
３２ アノード電極
３３ カソード電極
３４ 配電電極
３５ 隔壁
５０ 加湿装置
５１ 外ケース
５２ 中空糸膜束
５１ａ 排出孔
５２ａ 中空糸膜
５３ ポッティング部
５４ａ，５４ｂ フィルム
５５ 内ケース
５５ａ 導入孔
６０ 繊維状物
７０ Ｏリング
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池における隔壁（イオン交換膜）を保湿するための加湿装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、クリーンな発電システムとして、燃料電池が注目されており、活発な開発が行われている。燃料電池においては、水素と酸素の反応により電気と水蒸気が発生するが、この反応時に発生した電気は水分子を伴って移動するため、隔壁（イオン交換膜）を常に保湿しておく必要がある。
【０００３】
この場合、水タンク等から水分を隔壁に供給することも考えられるが、定置用あるいは車載用ともに屋外での使用が前提となるため、冬場における凍結の問題があり、水タンク等を設けることは適切ではない。
【０００４】
そこで、この保湿を行うために、燃料電池において反応により発生した水蒸気を有効に回収して、再び燃料電池に送り込もうという試みが行われている。
【０００５】
そのために、ガス中に含まれる水分を分離可能な水蒸気透過膜を利用した加湿装置が開発されている。
【０００６】
図１１を参照して、従来技術に係る燃料電池の加湿装置について説明する。図１１は燃料電池の加湿装置の一部破断模式図である。
【０００７】
この加湿装置は、中空糸透過膜によって形成された中空糸膜をモジュール化した中空糸膜モジュールを利用したものである。図示のように、加湿装置１００は、円筒状のケース１０１と、ケース１０１内に充填される複数の中空糸膜からなる中空糸膜束１０２とを備えている。
【０００８】
ケース１０１には、一端側に気体を導入するための複数の導入孔１０１ａを有し、かつ他端側に気体を排出するための複数の排出孔１０１ｂを有する。
【０００９】
また、ケース１０１の両端においては、それぞれ、中空糸膜の中空内部のみが外部に開放されるように、各中空糸膜の外壁面間及びケース１０１の内壁面間を封止固定するポッティング部１０３が設けられている。
【００１０】
以上の構成によって、中空糸膜の中空内部を通る第１経路（図中矢印Ｘ１，Ｘ２）と、複数の導入孔１０１ａからケース１０１内に導入され、中空糸膜の膜外を通り、複数の排出孔１０１ｂからケース１０１外に排出されていく第２経路（図中矢印Ｙ１，Ｙ２）が形成される。
【００１１】
そして、これら第１経路と第２経路のうちのいずれか一方に、例えばコンプレッサによって加湿対象気体（乾燥空気）を流し、他方に水蒸気を含んだ気体（湿潤空気）を流す。これにより、中空糸膜の膜分離作用によって、湿潤空気中の水蒸気が選択的に膜を透過して、加湿対象気体が加湿される。そして、この加湿された気体を、燃料電池における隔壁（イオン交換膜）に送り込む。
【００１２】
ここで、上述のように、燃料電池からの排気ガス（反応後の気体）には、水蒸気が含まれており、これを上記湿潤空気として利用する。
【００１３】
ところで、燃料電池に用いられる加湿装置においては、車用の燃料電池の場合には、通常、空気流量２００〜３５００ＮＬ／ｍｉｎ（約５０ＫＷ），圧力２０〜２００ＫＰａ，温度７０〜８０℃の環境条件で使用され、定置用の燃料電池の場合には、通常、空気流量１００〜１５００ＮＬ／ｍｉｎ（約１〜２０ＫＷ），圧力１０〜１００ＫＰａ，温度７０〜８０℃の環境条件で使用される。
【００１４】
ここで、燃料電池に用いられる加湿装置に求められる基本的性能としては、一般的に、次ぎのようなことが挙げられる。
【００１５】
第一に、圧力損失を極力下げることである。これは、圧力損失が高いほど、コンプレッサによって送り込む気体の圧力を高くしなければならないため、コンプレッサの動力を大きくしなければならないからである。また、コンプレッサの動力は、燃料電池から得ることから、燃料電池を機能させるためのコンプレッサに対して、燃料電池からの電力をコンプレッサに多く費やしてしまうと、燃料電池で発生する電力の多くを自己のために消費することになり、有効な電力の生産率が低くなってしまうからである。
【００１６】
第二に、中空糸膜が折れたり切れたりしないことである。これは、中空糸膜が折れたり切れたりすると、加湿機能が低下してしまうからである。このような中空糸膜の折れや切れは、通常、ポッティング部との境界面（ポッティング部の表面付近）で起こり易い。何故ならば、流体（気体）の流れによって中空糸膜が揺れるため、揺れの起点となる上記境界面の部分に応力が集中するためである。
【００１７】
第三に、加湿効率（加湿対象気体側への水の透過量）を向上させることである。加湿装置として当然要求される性能である。
【００１８】
ここで、燃料電池においては、装置の小型化の要求等に応えるべく、電力の生産効率を高める必要があり、上述したように、圧力損失を抑制する必要がある。
【００１９】
しかし、燃料電池の加湿装置においては、中空糸膜の折れや切れを抑制するために中空糸膜の揺れを抑えること、及び中空糸膜の加湿効率を高めることも必要であることから、ケース内の中空糸膜の充填率をある程度高める必要もある。
【００２０】
そのため、従来、中空糸膜束の外周面はケースの内周壁面に当接するように配設されていたため、ケースに設けられた孔からケース内に導入された気体は、中級糸膜束の外周面に当たり、束の内部に進入しにくく、圧力損失が大きかった。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
上記の通り、従来技術の場合には、圧力損失が問題になっていた。
【００２２】
本発明の目的は、性能の向上、特に、圧力損失の低減の向上を図った燃料電池の加湿装置を提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明にあっては、中空糸膜束が充填されるケースに設けられた孔の付近においては、ケースの壁面と中空糸膜束との間に、全周にわたって隙間が設けられているように構成した。
【００２４】
このように構成したことにより、ケースに設けられた孔から導入された気体は、上記隙間によって、全周に行き渡るため、圧力損失を抑制することができる。
【００２５】
ここで、本発明が適用される燃料電池の加湿装置の基本的な構成は、中空糸膜の膜内を通る経路を第１経路とし、ケースに設けられた孔を通り、かつ中空糸膜束内であって中空糸膜の膜外を通る経路を第２経路とし、これら第１経路及び第２経路のうち、一方は、加湿対象気体を送り込み、加湿後の加湿気体を燃料電池（隔壁（イオン交換膜））に送り込む経路として利用し、他方は、燃料電池から排出される水分を含んだ気体を導入する経路として利用する構成である。
【００２６】
つまり、膜を介して一方（中空糸膜の場合には、中空内部あるいは膜外のいずれか一方に相当する）に加湿対象気体を流し、膜を介して他方に水分を含んだ気体を流すことで、膜分離作用を利用して、選択的に水分を加湿対象気体側に移動させることで、加湿対象気体を加湿する原理を利用したものである。
【００２７】
また、ケースに設けられた孔から離れた位置では、ケースの壁面と中空糸膜束は、全周にわたって当接しているように構成すると好適である。
【００２８】
このように構成することで、孔から導入された気体が、中空糸膜束とケースの壁面との間から抜けてしまうことを防止できる。すなわち、孔から導入された気体は中空糸膜束内部へと導かれるため、加湿効率を高めることができる。
【００２９】
また、ケースに設けられた孔から離れた位置に、ケースの壁面と中空糸膜束との間の隙間を封止する封止部材を備える構成とすることも好適である。
【００３０】
このような構成によっても、孔から導入された気体が、中空糸膜束とケースの壁面との間から抜けてしまうことを防止できる。すなわち、孔から導入された気体は中空糸膜束内部へと導かれるため、加湿効率を高めることができる。
【００３１】
また、ケースに設けられた孔と中空糸膜束の該孔に対向する対向面との間に、該孔から流入する気体の衝撃を緩衝する緩衝部材を備えると好適である。
【００３２】
このように緩衝部材を備えれば、孔からケース内に流入された気体は、緩衝部材によって衝撃が緩衝された後に中空糸膜束内に送り込まれるため、中空糸膜が受ける衝撃を抑えることが可能となる。これにより、中空糸膜の揺れを抑え、中空糸膜の折れや切れを低減できる。
【００３３】
また、上述した緩衝部材の一部が、ポッティング部（中空糸膜の中空内部のみが外部に開放されるように、中空糸膜の外壁面間、及びケースの壁面との間を封止固定する部分）の内部に埋没するように配置され、該緩衝部材が、中空糸膜束のポッティング部との境界面で該中空糸膜束を支持するように構成すると好適である。
【００３４】
このように構成すれば、通常最も中空糸膜の折れや切れが発生しやすい中空糸膜におけるポッティング部との境界面付近で中空糸膜束が支持されるため、この付近における中空糸膜の揺れを抑制でき、効果的に中空糸膜の折れや切れを抑制できる。
【００３５】
また、ポッティング部は、外側の硬質素材からなる層と内側の軟質素材からなる層の２層構造とすると好適である。
【００３６】
ポッティング部をこのような２層構造とすれば、中空糸膜が揺れる際に、軟質素材からなる層が、中空糸膜に追随するため、中空糸膜に対する応力集中を緩和することができ、中空糸膜の折れや切れを抑制できる。
【００３７】
また、中空糸膜束を構成する複数の中空糸膜は、そのうちの数本ずつを束にして、あるいは、中空糸膜１本１本に、繊維状物が螺旋状に巻きつけられていると好適である。
【００３８】
このように構成することで、中空糸膜が補強されると共に、中空糸膜の揺れを抑制できるため、中空糸膜の折れや切れをより一層抑えられる。更に、繊維状物によって、中空糸膜束内を流れる気体の乱流を生じさせることができるため、加湿効率を高めることができる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００４０】
（第１の実施の形態）
図１及び図２を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池の加湿装置について説明する。図１は燃料電池と燃料電池内の隔壁を加湿するための加湿装置全体のシステム構成図である。図２は本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池の加湿装置の一部破断模式図である。
【００４１】
まず、特に、図１を参照して、燃料電池と燃料電池内の隔壁を加湿するための加湿装置全体のシステムについて説明する。
【００４２】
図１に示すように、本システムは、主として、加湿装置１０とコンプレッサ２０と燃料電池３０から構成される。
【００４３】
加湿装置１０は、主として、ケース１１と、ケース１１内に充填される複数の中空糸膜１２ａからなる中空糸膜束１２と、各中空糸膜１２ａの中空内部のみが外部に開放されるように、各中空糸膜１２ａの外壁面間及びケース１１の内壁面間を封止固定するポッティング部１３とを備えている。なお、ケース１１内への中空糸膜１２ａの充填率は３０〜７０％、好ましくは４５〜６０％である。
【００４４】
ここで、ケース１１は円筒形状の部材であり、その一端側の側壁面に導入孔１１ａを備え、その他端側の側壁面に排出孔１１ｂを備えている。
【００４５】
このように構成された加湿装置１０においては、各中空糸膜１２ａの膜内（中空内部）を通る第１経路（矢印Ｘ１，Ｘ２）と、ケース１１に設けられた導入孔１１ａを通り、中空糸膜束１２内であって中空糸膜１２ａの膜外を通り、更にケース１１に設けられた排出孔１１ｂを通る第２経路（矢印Ｙ１，Ｙ２）と、が形成される。
【００４６】
燃料電池３０は、主として、水素を供給する水素供給部３１と、アノード電極３２及びカソード電極３３と、これらアノード電極３２及びカソード電極３３のそれぞれに電気的に接続され、得られた電気（電子）を所望の箇所に配電するための配電電極３４と、アノード電極３２とカソード電極３３との間に設けられ、イオンを移動させるための隔壁（イオン交換膜）３５と、を備える。
【００４７】
このようなシステムにより、図１に示すように、コンプレッサ２０から加湿装置１０における導入孔１１ａを介して加湿対象気体（乾燥空気）をケース１１内に送り込む（矢印Ｙ１）。
【００４８】
ケース１１内に送り込まれた加湿対象気体は、上述のように中空糸膜束１２内であって中空糸膜１２ａの膜外を通り、この過程によって加湿された後に、ケース１１に設けられた排出孔１１ｂよりケース１１の外部へと排出される（矢印Ｙ２）。
【００４９】
排出孔１１ｂから排出された加湿された気体は、燃料電池３０内へと送り込まれる。これにより、燃料電池３０内の隔壁３５等は、保湿された状態が保たれる。
【００５０】
また、燃料電池３０からの排ガス、すなわち、電気を生成するための反応後の水蒸気が含まれた湿潤ガスは、加湿装置１０におけるケース１１の一端側から中空糸膜１２ａの膜内（中空内部）へと送り込まれる（矢印Ｘ１）。
【００５１】
中空糸膜１２ａの膜内に送り込まれた湿潤ガスは、そのままケース１１の他端側からケース１１外部に放出される。
【００５２】
ここで、加湿装置１０における加湿原理について、簡単に説明する。
【００５３】
図１中、Ｐには、加湿装置１０の内部を拡大した模式図を示している。
【００５４】
図示のように、中空糸膜１２ａの膜内（中空内部）には、燃料電池３０から送られた湿潤ガスが流れている（矢印ｘ１，ｘ２）。一方、中空糸膜１２ａの膜外には、加湿対象気体が流れている（矢印ｙ）。
【００５５】
そして、中空糸膜１２ａの膜分離作用によって、湿度の高い膜内側から水分のみが選択的に膜を透過して、膜外へと移動する（矢印ｘ３）。
【００５６】
これにより、膜外を流れる加湿対象気体は加湿される。
【００５７】
次に、燃料電池３０における発電原理について、簡単に説明する。
【００５８】
図１中、Ｑには、燃料電池３０の内部を拡大した模式図を示している。
【００５９】
図中、水素供給部３１には、水素が供給される（矢印Ｚ）。これによりアノード電極３２においては、水素がイオン分解される（Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−）。そして、電子は配電電極３４に送り込まれる。なお、配電電極３４において、矢印Ｅは電子の流れを示している。
【００６０】
一方、イオン分解された水素イオンは隔壁３５によってカソード電極３３に向かって移動する。
【００６１】
一方、カソード電極３３側には、加湿された気体（水蒸気と空気）が送り込まれる。そして、カソード電極３３に送り込まれた空気中の酸素と、隔壁３５を伝わってきた水素イオンが反応して水蒸気が発生する（（１／２）Ｏ２＋２ｅ−＋２Ｈ＋→Ｈ２Ｏ）。
【００６２】
そして、反応により発生した水蒸気と、反応によって酸素が少なくなった空気が、排気ガスとして排気される（矢印Ｘ１）。
【００６３】
このような原理によって、電圧を供給できる。
【００６４】
次に、加湿装置１０について、特に図２を参照して、更に詳しく説明する。
【００６５】
本実施の形態においては、ケース１１に設けられた導入孔１１ａ及び排出孔１１ｂの付近においては、ケース１１の壁面と中空糸膜束１２との間に隙間Ｓが全周にわたって設けられている。
【００６６】
これにより、ケース１１に設けられた導入孔１１ａからケース１１内に導入された加湿対象気体は、隙間から全周に行き渡る。従って、圧力損失を抑制することが可能である。
【００６７】
また、ケース内への導入側及びケース外への排出側のいずれにおいても、中空糸膜束１２とケース１１との間に隙間Ｓが全周にわたって設けられているため、中空糸膜束内部への気体の進入及び中空糸膜束外部への気体の排出が、全周にわたって行われるため、加湿効率も向上する。
【００６８】
また、導入孔１１ａ及び排出孔１１ｂから離れた位置（ケース中央付近）では、壁が厚く設けられた厚壁部１１ｃが設けられている。これにより、ケース１１と中空糸膜束１２は全周にわたって当接している。
【００６９】
従って、ケース１１に設けられた導入孔１１ａからケース１１内に導入された加湿対象気体が、ケース１１の壁面と中空糸膜束１２との間の隙間を抜けて、そのままケース１１に設けられた排出孔１１ｂから排出されてしまうことを防止できる。つまり、導入孔１１ａからケース１１内に導入された加湿対象気体を、ほぼ確実に中空糸膜束１２の内部へと導くことができ、加湿効率を高めることができる。
【００７０】
また、本実施の形態においては、ケース１１に設けられた導入孔１１ａと中空糸膜束１２におけるこの導入孔１１ａに対向する対向面との間に、導入孔１１ａから流入する気体の衝撃を緩衝する緩衝部材としてのフィルム１４が設けられている。
【００７１】
このフィルム１４は、気体を透過しない非透過性の部材で構成されており、かつ導入孔１１ａに対向する対向面の全面をカバーするように配設されている。これにより、導入孔１１ａから導入される気体は、フィルム１４に衝突して方向をほぼ９０°変えられることによって衝撃を緩衝する仕組みである。ただし、導入孔１１ａに対向する対向面の全面をカバーしない場合であっても衝撃はある程度緩和することができる。また、加湿効率を高めるために、非透過性ではなく、メッシュ状のものなど、気体を透過するものであっても、衝撃を緩衝することができる。
【００７２】
従って、導入孔１１ａから流入された気体は、フィルム１４によって衝撃が緩衝された後に中空糸膜束１２内に送り込まれるため、中空糸膜１２ａが受ける衝撃を抑えることが可能となる。これにより、中空糸膜１２ａの揺れを抑え、中空糸膜１２ａの折れや切れを低減することが可能となる。
【００７３】
また、ケース１１に設けられた排出孔１１ｂと中空糸膜束１２におけるこの排出孔１１ｂに対向する対向面との間にも、同様にフィルム１４が設けられている。
【００７４】
また、フィルム１４は、その一部がポッティング部１３内に埋没しており、ポッティング部１３によって位置決め固定されている。
【００７５】
そして、このフィルム１４は、中空糸膜束１２を覆うように巻かれている。これにより、中空糸膜束１２は、ポッティング部１３との境界面でフィルム１４によって支持されている。
【００７６】
従って、通常最も中空糸膜の折れや切れが発生しやすい中空糸膜におけるポッティング部１３との境界面（ポッティング部表面）付近で中空糸膜束１２は支持されるため、この付近における中空糸膜１２ａの揺れを抑制でき、効果的に中空糸膜１２ａの折れや切れを抑制することができる。
【００７７】
なお、０ＮＬ／ｍｉｎと２０００ＮＬ／ｍｉｎを１サイクルとする耐久試験を行ったところ、フィルムがない場合には、２００サイクルで中空糸膜の切れによるリークが発生したが、フィルムがある場合には、５０００サイクル終了時においてもリークは確認されなかった。
【００７８】
なお、これまでの説明においては、第１経路（矢印Ｘ１，Ｘ２）に湿潤ガス（燃料電池からの排ガス）を流し、第２経路（矢印Ｙ１，Ｙ２）に加湿対象気体（乾燥空気）を流す場合を例にして説明したが、これとは逆に、第２経路に湿潤ガスを流し、第１経路に加湿対象気体（乾燥空気）を流すようにして利用することができることは言うまでもない。
【００７９】
（第２の実施の形態）
図３には、本発明の第２の実施の形態が示されている。本実施の形態では、加湿装置の基本構成が上記第１の実施の形態の場合とは異なる構成（インナーパイプ型）について説明する。なお、燃料電池，コンプレッサ及びこれらと加湿装置間の流体（乾燥空気と湿潤空気）経路構成については、上記第１の実施の形態の場合と同様であるので、その説明は適宜省略する。
【００８０】
図３は本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池の加湿装置の一部破断模式図である。
【００８１】
本実施の形態に係る加湿装置５０は、主として、筒状（円筒状）の外ケース５１と、外ケース５１内に配設される内ケース（インナーパイプ）５５と、外ケース５１と内ケース５５との間の隙間に充填される複数の中空糸膜５２ａからなる中空糸膜束５２と、各中空糸膜５２ａの中空内部のみが外部に開放されるように、各中空糸膜５２ａの外壁面間及び外ケース５１及び内ケース５５の壁面間を封止固定するポッティング部５３とを備えている。
【００８２】
内ケース５５には、導入孔５５ａを備えており、外ケース５１には排出孔５１ａを備えている。ただし、外ケース５１側の排出孔５１ａを導入孔として用い、内ケース５５側の導入孔を排出孔として用いることもできる。
【００８３】
これら導入孔５５ａと排出孔５１ａは、ケース長手方向のそれぞれ異なる端部に設けられている。
【００８４】
このように構成された加湿装置５０においては、各中空糸膜５２ａの膜内（中空内部）を通る第１経路（矢印Ｘ１，Ｘ２）と、内ケース５５に設けられた導入孔５５ａを通り、中空糸膜束５２内であって中空糸膜５２ａの膜外を通り、更に外ケース５１に設けられた排出孔５１ａを通る第２経路（矢印Ｙ１，Ｙ２）と、が形成される。本実施の形態においては、第２経路は、必ず、円筒形状の中空糸膜束５２の内周面から外周面へと貫く経路が形成されるため、加湿効率に優れる。
【００８５】
そして、コンプレッサから加湿装置５０における導入孔５５ａを介して加湿対象気体（乾燥空気）を外ケース５１と内ケース５５との間の隙間に送り込む（矢印Ｙ１）。
【００８６】
この隙間に送り込まれた加湿対象気体は、上述のように中空糸膜束５２内であって中空糸膜５２ａの膜外を通り、この過程によって加湿された後に、外ケース５１に設けられた排出孔５１ａより外ケース５１の外部へと排出される（矢印Ｙ２）。
【００８７】
排出孔５１ａから排出された加湿された気体は、燃料電池内へと送り込まれる。これにより、燃料電池内の隔壁等は、保湿された状態が保たれる。
【００８８】
また、燃料電池からの排ガス、すなわち、電気を生成するための反応後の水蒸気が含まれた湿潤ガスは、加湿装置５０におけるケースの一端側から中空糸膜５２ａの膜内（中空内部）へと送り込まれる（矢印Ｘ１）。
【００８９】
中空糸膜５２ａの膜内に送り込まれた湿潤ガスは、そのままケースの他端側からケース外部に放出される。
【００９０】
なお、加湿装置５０における加湿原理については、上記第１の実施の形態で説明した通りであるので、その説明は省略する。
【００９１】
そして、本実施の形態においては、内ケース５５に設けられた導入孔５５ａの付近においては中空糸膜束５２と内ケース５５の壁面との間、外ケース５１に設けられた排出孔５１ａ付近においては中空糸膜束５２と外ケース５１の壁面との間に、それぞれ隙間Ｓが全周にわたって設けられている。
【００９２】
これにより、内ケース５５に設けられた導入孔５５ａからケース内に導入された加湿対象気体は、隙間Ｓから全周に行き渡る。従って、圧力損失を抑制することが可能である。
【００９３】
また、ケース内への導入側及びケース外への排出側のいずれにおいても、中空糸膜束とケースとの間に隙間Ｓが全周にわたって設けられているため、中空糸膜束内部への気体の進入及び中空糸膜束外部への気体の排出が、全周にわたって行われるため、加湿効率も向上する。
【００９４】
また、導入孔５５ａから離れた位置では、内ケース５５の径が大きく設定されている。これにより、内ケース５５と中空糸膜束５２は全周にわたって当接している。更に、排出孔５１ａから離れた位置では、外ケース５１の内径が小さく設定されている。これにより、外ケース５１と中空糸膜束５２は全周にわたって当接している。
【００９５】
従って、内ケース５５の壁面と中空糸膜束５２との間の隙間、及び外ケース５１と中空糸膜束５２との間の隙間をなくすことができるため、加湿対象気体を、中空糸膜束５２の内部へと積極的に導くことができ、加湿効率を高めることができる。
【００９６】
また、本実施の形態に係る加湿装置５０においては、内ケース５５に設けられた導入孔５５ａと中空糸膜束５２におけるこの導入孔５５ａに対向する対向面との間に、導入孔５５ａから流入する気体の衝撃を緩衝する緩衝部材としてのフィルム５４ａが設けられている。
【００９７】
従って、導入孔５５ａから流入された気体は、フィルム５４ａによって衝撃が緩衝された後に中空糸膜束５２内に送り込まれるため、中空糸膜５２ａが受ける衝撃を抑えることが可能となる。これにより、中空糸膜５２ａの揺れを抑え、中空糸膜５２ａの折れや切れを低減することが可能となる。
【００９８】
また、外ケース５１に設けられた排出孔５１ａと中空糸膜束５２におけるこの排出孔５１ａに対向する対向面との間にも、同様にフィルム５４ｂが設けられている。
【００９９】
また、フィルム５４ａ，５４ｂは、その一部がポッティング部５３内に埋没しており、ポッティング部５３によって位置決め固定されている。
【０１００】
そして、このフィルム５４ａ，５４ｂは、中空糸膜束５２を覆うように巻かれている（フィルム５４ａは筒状の中空糸膜束５２の内周面を覆うように巻かれ、フィルム５４ｂは、この中空糸膜束５２の外周面を覆うように巻かれている）。これにより、中空糸膜束５２は、ポッティング部５３との境界面でフィルム５４ａ，５４ｂによって支持されている。
【０１０１】
従って、通常最も中空糸膜の折れや切れが発生しやすい中空糸膜におけるポッティング部５３との境界面（ポッティング部表面）付近で中空糸膜束５２は支持されるため、この付近における中空糸膜５２ａの揺れを抑制でき、効果的に中空糸膜５２ａの折れや切れを抑制することができる。
【０１０２】
なお、これまでの説明においては、第１経路（矢印Ｘ１，Ｘ２）に湿潤ガス（燃料電池からの排ガス）を流し、第２経路（矢印Ｙ１，Ｙ２）に加湿対象気体（乾燥空気）を流す場合を例にして説明したが、これとは逆に、第２経路に湿潤ガスを流し、第１経路に加湿対象気体（乾燥空気）を流すようにして利用することができることは言うまでもない。
【０１０３】
（第３の実施の形態）
図４及び図５には、本発明の第３の実施の形態が示されている。本実施の形態では、中空糸膜の束ね方を工夫した構成を示している。
【０１０４】
その他の構成については、上記第１の実施の形態あるいは第２の実施の形態の構成を適用できるので、その説明は省略する。
【０１０５】
図４は本実施の形態に係る中空糸膜の状態を示す斜視図の一部である。図５は本実施の形態に係る中空糸膜の束ね方を用いた場合の気体の流れ方を説明する図である。
【０１０６】
本発明の実施の形態においては、中空糸膜１２ａを３本束ねて、その外周表面に繊維状物６０が巻き付けられている。そして、３本ずつ束ねた束を複数束ねることで、中空糸膜束１２としている。なお、ポッティング部によって固定されている部分についても繊維状物６０が巻き付けられている。
【０１０７】
これにより、中空糸膜１２ａが繊維状物６０によって補強されるため、強度が向上する。また、中空糸膜１２ａの揺れが抑制される。従って、より一層、中空糸膜１２ａの折れや切れを低減することが可能となる。
【０１０８】
また、ケース内に流入され、中空糸膜１２ａの膜外を流れる気体は、繊維状物６０が巻き付けられていることによって、図５（ａ）に示すように、乱流を形成する。このため、中空糸膜表面に絶えず新しい気体が接するため、中空糸膜１２ａを横切る物質透過が促進される。
【０１０９】
また、中空糸膜表面上に存在する繊維状物６０によって隣り合う中空糸膜同士が密接に接触しないため、有効に使用される膜表面の減少を抑えることができると共に、各膜間の間隔も均一となるため、気体が膜間に均一に流入し、中空糸膜束を構成する中空糸膜全体が効率良く機能することになる。従って、加湿効率が向上する。
【０１１０】
なお、繊維状物を巻きつけない場合には、図５（ｂ）に示すように、中空糸膜束内部を流れる気体は、中空糸膜に沿って層状に流れることになる。
【０１１１】
これまでの説明では、中空糸膜を３本ずつ束ねて繊維状物を巻き付ける構成を示したが、束ねる本数は限定されるものではなく、中空糸膜の径や材質に応じて、適宜、束ねる本数を選択すればよい。また、中空糸膜１本ずつに、それぞれ繊維状物を巻きつけても良い。
【０１１２】
（第４の実施の形態）
図６及び図７には、本発明の第４の実施の形態が示されている。本実施の形態では、ポッティング部を素材の異なる２層からなる構造とした構成を示している。
【０１１３】
その他の構成については、上記第１の実施の形態あるいは第２の実施の形態の構成を適用できるので、その説明は省略する。
【０１１４】
図６は本実施の形態に係るポッティング部を示す模式図である。
【０１１５】
本実施の形態においては、エポキシ樹脂などの硬質材料からなる硬質層１３ａと、シリコン樹脂などの軟質材料からなる軟質層１３ｂの２層構造によってポッティング部を構成した。
【０１１６】
このように構成することによって、中空糸膜１２ａが揺れる場合には、その根本は軟質層１３ｂによって支えられているため、中空糸膜１２ａの揺れに応じて軟質層１３ｂが追随する。従って、中空糸膜１２ａに対する応力集中を緩和することができ、中空糸膜１２ａの折れや切れを、より一層抑制することが可能となる。
【０１１７】
なお、図７に示すように、上記第３の実施の形態で説明したように、中空糸膜１２ａに繊維状物６０を巻き付ける構成においても、ポッティング部を硬質層１３ａと軟質層１３ｂからなる２層構造とすることもできる。これにより、より一層中空糸膜１２ａの折れや切れを抑制できる。
【０１１８】
（第５の実施の形態）
図８には、本発明の第５の実施の形態が示されている。上記第１の実施の形態においては、ケースの一部を肉厚とすることによって、ケースに設けられた孔から離れた位置では中空糸膜束とケースの壁面が全周にわたって当接することで、隙間をなくす場合の構成を示したが、本実施の形態では、封止部材によって隙間をなくす場合の構成を説明する。
【０１１９】
その他の構成については、上記各実施の形態の構成を用いることができるので、ここでは、その説明は省略する。
【０１２０】
図８は本発明の第５の実施の形態に係る燃料電池の加湿装置の模式的断面図の一部である。
【０１２１】
本実施の形態においては、図示のように、ケース１１に設けられた孔（導入孔及び排出孔）から離れた位置において、ケース１１の壁面と中空糸膜束１２との間の隙間には、この隙間を封止する封止部材としてのＯリング７０が配設されている。
【０１２２】
これにより、この隙間から気体が抜けていくことを防止でき、確実に、気体を中空糸膜束１２の内部に導くことができるため、加湿効率が向上する。
【０１２３】
（第６の実施の形態）
図９には、本発明の第６の実施の形態が示されている。上記第１の実施の形態においては、ケースの中央部分全体を肉厚とする構成を示したが、本実施の形態では、一部のみを肉厚にする（凸状部を設ける）場合の構成を説明する。
【０１２４】
その他の構成については、上記各実施の形態の構成を用いることができるので、ここでは、その説明は省略する。
【０１２５】
図９は本発明の第６の実施の形態に係る燃料電池の加湿装置の模式的断面図の一部である。
【０１２６】
本実施の形態においては、図９に示すように、ケース１１に設けられた孔（導入孔及び排出孔）から離れた位置にそれぞれ環状の凸状部１１ｄを設けている。
【０１２７】
このような構成によっても、ケース１１の壁面と中空糸膜束１２との間の隙間から気体が抜けていくことを防止でき、確実に、気体を中空糸膜束１２の内部に導くことができるため、加湿効率が向上する。
【０１２８】
（第７の実施の形態）
図１０には、本発明の第７の実施の形態が示されている。上記第１の実施の形態においては、ケースの一部を肉厚とすることで、孔の付近では隙間を設け、かつ孔から離れた位置では隙間をなくす構成を示したが、本実施の形態では、ケースに小径部分と大径部分を設けることで、孔の付近では隙間を設け、かつ孔から離れた位置では隙間をなくす構成を示す。
【０１２９】
その他の構成については、上記各実施の形態の構成を用いることができるので、ここでは、その説明は省略する。
【０１３０】
図１０は本発明の第７の実施の形態に係る燃料電池の加湿装置の模式的断面図の一部である。
【０１３１】
本実施の形態においては、図１０に示すように、ケース１１は、孔（導入孔及び排出孔）を設ける付近における大径部１１ｅと孔から離れた位置（中央部）における小径部１１ｆとから構成している。
【０１３２】
これにより、大径部１１ｅによって全周にわたり隙間Ｓを形成すると共に、小径部１１ｆにおいては、中空糸膜束１２と全周にわたり当接するように構成している。
【０１３３】
なお、上述した第１，２，６，７の実施の形態の場合のように、封止部材を用いない構成の場合には、ケースのみで隙間Ｓと隙間をなくす部分を形成できるという利点がある。
【０１３４】
また、上述した１，６の実施の形態の場合には、肉厚部分をクッション材（発泡材など）のようなもので作成することもでき、また、第５の実施の形態の場合には、弾性を有する封止部材を用いることができる。これらの場合には、中空糸膜束に対して傷などが付かないように保護できるという利点がある。
【０１３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明により、性能の向上、特に、圧力損失の低減の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池と燃料電池内の隔壁を加湿するための加湿装置全体のシステム構成図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池の加湿装置の一部破断模式図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池の加湿装置の一部破断模式図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係る中空糸膜の状態を示す斜視図の一部である。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係る中空糸膜の束ね方を用いた場合の気体の流れ方を説明する図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態に係るポッティング部を示す模式図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態に係るポッティング部を示す模式図である。
【図８】本発明の第５の実施の形態に係る燃料電池の加湿装置の模式的断面図の一部である。
【図９】本発明の第６の実施の形態に係る燃料電池の加湿装置の模式的断面図の一部である。
【図１０】本発明の第７の実施の形態に係る燃料電池の加湿装置の模式的断面図の一部である。
【図１１】燃料電池の加湿装置の一部破断模式図である。
【符号の説明】
１０ 加湿装置
１１ ケース
１１ａ 導入孔
１１ｂ 排出孔
１１ｃ 厚壁部
１１ｄ 凸状部
１１ｅ 大径部
１１ｆ 小径部
１２ 中空糸膜束
１２ａ 中空糸膜
１３ ポッティング部
１３ａ 硬質層
１３ｂ 軟質層
１４ フィルム
２０ コンプレッサ
３０ 燃料電池
３１ 水素供給部
３２ アノード電極
３３ カソード電極
３４ 配電電極
３５ 隔壁
５０ 加湿装置
５１ 外ケース
５２ 中空糸膜束
５１ａ 排出孔
５２ａ 中空糸膜
５３ ポッティング部
５４ａ，５４ｂ フィルム
５５ 内ケース
５５ａ 導入孔
６０ 繊維状物
７０ Ｏリング
Claims (7)
- 中空糸膜束と、
該中空糸膜束が充填されると共に、気体の通り道となる孔を有するケースと、を備え、
中空糸膜の膜内を通る第１経路と、
前記ケースに設けられた孔を通り、かつ前記中空糸膜束内であって中空糸膜の膜外を通る第２経路と、が形成され、
前記第１経路及び第２経路のうちの一方は、加湿対象気体が送り込まれて、加湿後の加湿気体を燃料電池に送り込む経路として利用されると共に、
前記第１経路及び第２経路のうちの他方は、燃料電池から排出される水分を含んだ気体を導入する経路として利用される燃料電池の加湿装置において、
前記ケースに設けられた孔の付近においては、前記ケースの壁面と前記中空糸膜束との間に、全周にわたって隙間が設けられていることを特徴とする燃料電池の加湿装置。 - 前記ケースに設けられた孔から離れた位置では、前記ケースの壁面と前記中空糸膜束は、全周にわたって当接していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の加湿装置。
- 前記ケースに設けられた孔から離れた位置に、前記ケースの壁面と前記中空糸膜束との間の隙間を封止する封止部材が備えられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の加湿装置。
- 前記ケースに設けられた孔と中空糸膜束の該孔に対向する対向面との間に、該孔から流入する気体の衝撃を緩衝する緩衝部材を備えることを特徴とする請求項１，２または３に記載の燃料電池の加湿装置。
- 前記中空糸膜の中空内部のみが外部に開放され、中空糸膜の外壁面間、及び前記ケースの壁面との間を封止固定するポッティング部を備え、
前記緩衝部材の一部は、該ポッティング部の内部に埋没するように配置され、該緩衝部材は、前記中空糸膜束のポッティング部との境界面で該中空糸膜束を支持していることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池の加湿装置。 - 前記中空糸膜の中空内部のみが外部に開放され、中空糸膜の外壁面間、及び前記ケースの壁面との間を封止固定するポッティング部を備え、
前記ポッティング部は、外側の硬質素材からなる層と内側の軟質素材からなる層の２層構造であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の燃料電池の加湿装置。 - 前記中空糸膜束を構成する複数の中空糸膜は、そのうちの数本ずつを束にして、あるいは、中空糸膜１本１本に、繊維状物が螺旋状に巻きつけられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の燃料電池の加湿装置。
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