JP2007207607A - Humidifier for fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a humidifier for a fuel cell capable of enhancing humidifying efficiency by devising a hollow fiber bundle shape and a shape of a housing case for housing the hollow fiber membrane bundle. <P>SOLUTION: The humidifier for the fuel cell is equipped with a hollow fiber membrane module 6 housing a hollow fiber membrane bundle 4 formed by bundling a plurality of hollow fiber membranes 13 in a cylindrical case 5, oxidant gas is passed through a first passage passing the inside of the hollow fiber membrane 13, exhaust gas is passed through a second passage passing from a gas exhaust hole 7B formed in a case wall to the outside of the case through the outside of the hollow fiber membrane 13 from a gas introduction hole 7A formed in the case, and dried oxidant gas is humidified with exhaust gas containing moisture exhaust from the fuel cell, and at least several hollow fiber membranes 13 are spirally bundled and a spiral part 13A is adhered closely to the case inner wall 5b. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池の加湿装置に関し、詳細には、中空糸膜束形状及びこれを収容する収容ケース形状を工夫して加湿効率の向上を図る技術に関する。   The present invention relates to a humidifier for a fuel cell, and more particularly to a technique for improving the humidification efficiency by devising the shape of a hollow fiber membrane bundle and the shape of a housing case for housing the bundle.

乾燥した酸化剤ガスを燃料電池から排出された水分を含む排出ガスで加湿して当該燃料電池に供給する水透過型の加湿装置では、ケースの壁に形成されたガス導入孔から導入された水分を含む排出ガスが中空糸膜束内を通ることなく、中空糸膜の複数本を束ねた中空糸膜束と、この中空糸膜束を内部に収容するケースとの間に生じた隙間から直接ガス排出孔へと流れ、乾燥した酸化剤ガスの加湿が十分に行われないという問題がある。   In a water permeable humidifier that humidifies dry oxidant gas with exhaust gas containing moisture discharged from the fuel cell and supplies the humidified gas to the fuel cell, moisture introduced from the gas introduction hole formed in the wall of the case Without passing through the hollow fiber membrane bundle, the exhaust gas containing the hollow fiber membrane bundle in which a plurality of hollow fiber membranes are bundled and directly from the gap formed between the case housing the hollow fiber membrane bundle There is a problem that the oxidant gas that flows to the gas discharge hole and is not sufficiently humidified.

この問題を解決するために、ガス導入孔及びガス排出孔から離れた位置に、封止部材としてケース内壁を厚くした厚壁部を設けたり、Ｏリングを設けたり、或いは環状の凸状部を設けた技術が提案されている（例えば、特許文献１など参照）。   In order to solve this problem, a thick wall portion with a thickened inner wall of the case as a sealing member, an O-ring, or an annular convex portion is provided at a position away from the gas introduction hole and the gas discharge hole. The provided technique is proposed (for example, refer patent document 1 etc.).

特許文献１に記載の技術では、ケースと中空糸膜束間の隙間が封止部材によって封止されることで、隙間を通るガスを防止することができるため、加湿性能を高めることができる。
特開２００４−６０９９号公報 In the technique described in Patent Document 1, since the gap between the case and the hollow fiber membrane bundle is sealed by the sealing member, gas passing through the gap can be prevented, so that the humidification performance can be improved.
JP 2004-6099 A

ところで、特許文献１に記載の加湿装置では、ケース内壁の一部を厚くした厚壁部を設けたり、ケース内壁にＯリングを設けたり、ケース内壁に環状の凸状部を設けることは製造上困難である。特に、ケース内壁の一部に内部に突出する厚壁部や環状の凸状部などを設けることは、樹脂を金型内に射出して成型する射出成形技術では、アンダーカット部（金型から離型できない形状部）となることから製造が困難である。   By the way, in the humidifying device described in Patent Document 1, it is necessary to provide a thick wall part in which a part of the case inner wall is thickened, to provide an O-ring on the case inner wall, or to provide an annular convex part on the case inner wall. Have difficulty. In particular, providing a thick wall part or an annular convex part projecting inside a part of the inner wall of the case is an undercut part (from the mold) in the injection molding technology in which resin is injected into the mold. It is difficult to manufacture because the shape part cannot be released.

また、特許文献１に記載の加湿装置では、ケース内壁に内部に突出するように封止部材を設けているため、加湿するためのスペースがその封止部材の分だけ無駄になり、加湿効率の妨げになる。   Moreover, in the humidification apparatus of patent document 1, since the sealing member is provided in the case inner wall so that it may protrude inside, the space for humidification is wasted by the amount of the sealing member, and the humidification efficiency is improved. Hinder.

そこで本発明は、上記した実状に鑑みて提案されたものであり、中空糸膜束形状及びこれを収容する収容ケース形状を工夫して加湿効率の向上を図ることのできる燃料電池の加湿装置を提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention has been proposed in view of the above-described actual situation, and provides a humidifier for a fuel cell that can improve the humidification efficiency by devising the shape of a hollow fiber membrane bundle and the shape of a storage case for storing the bundle. The purpose is to provide.

本発明は、複数本の中空糸膜を束ねてなる中空糸膜束を筒状のケースで収容する中空糸膜モジュールを備え、中空糸膜の内部を通る第１流路に酸化剤ガスを流通し、ケースの壁に形成されたガス導入孔から中空糸膜の膜外を通ってケースの壁に形成されたガス排出孔からケース外へと流通する第２流路に排出ガスを流通し、乾燥した酸化剤ガスを燃料電池から排出された水分を含む排出ガスで加湿する燃料電池の加湿装置であり、前記中空糸膜は、少なくとも数本が螺旋状に束ねられ且つその螺旋状とされた部位が前記ケースの内壁に密着されたことを特徴としている。   The present invention includes a hollow fiber membrane module that accommodates a hollow fiber membrane bundle formed by bundling a plurality of hollow fiber membranes in a cylindrical case, and circulates an oxidant gas in a first flow path that passes through the inside of the hollow fiber membrane. And the exhaust gas is circulated from the gas introduction hole formed in the case wall to the second flow path that circulates outside the hollow fiber membrane from the gas discharge hole formed in the case wall to the outside of the case, A humidifier for a fuel cell that humidifies a dried oxidant gas with an exhaust gas containing moisture discharged from the fuel cell, wherein at least several of the hollow fiber membranes are spirally bundled and spirally formed. The part is closely attached to the inner wall of the case.

本発明によれば、中空糸膜の数本が螺旋状に束ねられ、その螺旋状とされた部位がケース内壁に密着されていることから、ケースの壁に形成されたガス導入孔から導入された水分を含む排出ガスが、中空糸膜束内を通らずに直接ガス排出孔へと流れることはなく、中空糸膜束の内部を通ることになるため、加湿効率の向上を図ることができる。   According to the present invention, several hollow fiber membranes are spirally bundled, and the spiral portion is in close contact with the inner wall of the case, so that the hollow fiber membrane is introduced from the gas introduction hole formed in the case wall. Since the exhaust gas containing the moisture does not flow directly into the gas discharge hole without passing through the hollow fiber membrane bundle, it passes through the inside of the hollow fiber membrane bundle, so that the humidification efficiency can be improved. .

また、本発明によれば、中空糸膜を螺旋状としているので、通常のストレート形状の中空糸膜に比べて同一スペース内での中空糸膜内部を流れるガスの滞留時間が長くなるため、加湿効率の向上を図ることができる。   In addition, according to the present invention, since the hollow fiber membrane is spiral, the residence time of the gas flowing inside the hollow fiber membrane in the same space is longer than that of a normal straight hollow fiber membrane. Efficiency can be improved.

したがって、本発明によれば、簡単な構造で水分を含む排出ガスが中空糸膜束内を通ることなく、直接ガス排出孔へと流れることを阻止することができ、加湿効率を高めることが可能となる。   Therefore, according to the present invention, the exhaust gas containing moisture can be prevented from flowing directly into the gas exhaust hole without passing through the hollow fiber membrane bundle with a simple structure, and the humidification efficiency can be improved. It becomes.

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, specific embodiments to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.

「第１実施形態」
図１は第１実施形態における燃料電池の加湿装置の一例を示す構成図、図２は図１のハウジング部分を破断して内部の収容ケースを示した加湿装置の縦断面図、図３（Ａ）は収容ケース内に収容された中空糸膜束の端部形状を示す要部拡大斜視図、図３（Ｂ）は中空糸膜の要部拡大斜視図、図４は中空糸膜束が配置される部分まで破断して示す加湿装置の縦断面図である。 “First Embodiment”
FIG. 1 is a block diagram showing an example of a fuel cell humidifier in the first embodiment, FIG. 2 is a longitudinal sectional view of the humidifier shown in FIG. ) Is an enlarged perspective view of the main part showing the end shape of the hollow fiber membrane bundle housed in the housing case, FIG. 3B is an enlarged perspective view of the main part of the hollow fiber membrane, and FIG. 4 is the arrangement of the hollow fiber membrane bundle. It is a longitudinal cross-sectional view of the humidification apparatus broken and shown to the part to be performed.

本実施の形態の加湿装置１に接続される燃料電池２は、水素ガスが供給されるアノードと酸素を含有する空気（酸化剤ガス）が供給されるカソードとが電解質・電極触媒複合体（膜電極接合体（MEA:membrane electrode assembly））を挟んで重ね合わせた発電セルを、多段積層したスタック構造をなし、電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギへと変換する。   In the fuel cell 2 connected to the humidifying device 1 of the present embodiment, an anode to which hydrogen gas is supplied and a cathode to which oxygen-containing air (oxidant gas) is supplied include an electrolyte / electrode catalyst composite (membrane). A power generation cell stacked with an electrode assembly (MEA: membrane electrode assembly) in between is formed into a multi-layered stack structure, and chemical energy is converted into electrical energy by an electrochemical reaction.

アノードでは、供給される水素が、水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、カソードにそれぞれ移動する。カソードでは、供給された空気中の酸素と上記水素イオンおよび上記電子が反応して水が生成されて外部に排出される。   At the anode, the supplied hydrogen dissociates into hydrogen ions and electrons, the hydrogen ions pass through the electrolyte, the electrons pass through an external circuit to generate electric power, and move to the cathode. At the cathode, oxygen in the supplied air reacts with the hydrogen ions and the electrons to generate water, which is discharged to the outside.

燃料電池２の電解質には、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化などを考慮して、例えば固体高分子電解質を用いる。固体高分子電解質は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜など、イオン伝導性の高分子膜からなり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能することから、この燃料電池２においては水を供給して供給ガス（酸化剤ガス）を加湿することが必要となる。   For example, a solid polymer electrolyte is used as the electrolyte of the fuel cell 2 in consideration of high energy density, low cost, light weight, and the like. The solid polymer electrolyte is made of an ion conductive polymer membrane such as a fluororesin ion exchange membrane, and functions as an ion conductive electrolyte when saturated with water. Therefore, the fuel cell 2 supplies water. Therefore, it is necessary to humidify the supply gas (oxidant gas).

加湿装置１は、図１に示すように、一般的に燃料電池２のカソードから排出された水蒸気を豊富に含む排出ガス（膨潤空気）と、空気導入部であるコンプレッサ３で加圧・昇温された供給ガス（乾燥した酸化剤ガス）との間で水蒸気を交換するためのものであり、本発明で使用する水透過型の加湿装置は、水透過膜として中空糸膜を用いた中空糸膜モジュール（中空糸膜束とそれを収容するケースのこと）を備えている。   As shown in FIG. 1, the humidifier 1 is generally pressurized and heated by an exhaust gas (swelling air) rich in water vapor discharged from the cathode of the fuel cell 2 and a compressor 3 as an air introduction unit. The water permeation type humidifier used in the present invention is a hollow fiber using a hollow fiber membrane as a water permeation membrane. A membrane module (a hollow fiber membrane bundle and a case for housing it) is provided.

以上のような構成の水透過膜型の加湿装置１では、例えば水分を含んだ湿潤空気が中空糸膜内に供給されると、中空糸膜内に形成された細孔(毛細管)内に水分が凝縮(毛細管凝縮)及び分離し、中空糸膜の外側に供給される乾燥ガス（乾燥した酸化剤ガス）との水蒸気分圧差により、水分が当該中空糸膜の内側から外側へと透過する。この透過した水分は、中空糸膜束の外側に供給された乾燥ガスと接触し気化することで加湿される。   In the water permeable membrane humidifier 1 configured as described above, for example, when wet air containing moisture is supplied into the hollow fiber membrane, moisture is contained in the pores (capillaries) formed in the hollow fiber membrane. Is condensed (capillary condensation) and separated, and moisture permeates from the inside to the outside of the hollow fiber membrane due to the water vapor partial pressure difference with the dry gas (dried oxidant gas) supplied to the outside of the hollow fiber membrane. The permeated moisture is humidified by contacting and evaporating with the dry gas supplied to the outside of the hollow fiber membrane bundle.

水分の透過としては、湿潤空気を中空糸膜の内部に流し、乾燥ガスを中空糸膜の外側に流す場合と、その逆の場合どちらでも、水交換が行われる。   In terms of moisture permeation, water exchange is performed both in the case where wet air is allowed to flow inside the hollow fiber membrane and the dry gas is allowed to flow outside the hollow fiber membrane and vice versa.

水透過膜型の加湿装置１の加湿性能を向上させる手段として、中空糸膜モジュールサイズを大きくすることで向上させることも可能だが、車両用として使用する際は、小型化が要求されるので望ましくない。そこで、本実施の形態では、水透過型の中空糸膜の複数本を両端部でポッティングした中空糸膜束を収納ケースに収納してなる中空糸膜モジュールの形状を工夫することで、加湿性能の向上を図る。   As a means for improving the humidifying performance of the water permeable membrane humidifier 1, it is possible to improve by increasing the size of the hollow fiber membrane module, but it is desirable because it is required to be downsized when used for vehicles. Absent. Therefore, in this embodiment, by devising the shape of a hollow fiber membrane module in which a hollow fiber membrane bundle in which a plurality of water-permeable hollow fiber membranes are potted at both ends is housed in a storage case, humidification performance is achieved. To improve.

加湿装置１は、図１から図４に示すように、複数本の中空糸膜を束ねてなる中空糸膜束４と、この中空糸膜束４を内部に収容する筒状のケースである収容ケース５とからなる中空糸膜モジュール６と、収容ケース側面５ａに形成されたガス導入孔７Ａへと排出ガスを導入させるガス導入パイプ８を有した第１のハウジング９と、収容ケース側面５ａに同様に形成されたガス排出孔７Ｂを通してケース外へと排出ガスを排出させるガス排出パイプ１０を有した第２のハウジング１１とからなる。   As shown in FIGS. 1 to 4, the humidifier 1 is a hollow fiber membrane bundle 4 formed by bundling a plurality of hollow fiber membranes, and a housing that is a cylindrical case that houses the hollow fiber membrane bundle 4 therein. A hollow fiber membrane module 6 composed of a case 5, a first housing 9 having a gas introduction pipe 8 for introducing exhaust gas into a gas introduction hole 7A formed in the housing case side surface 5a, and a housing case side surface 5a. The second housing 11 has a gas discharge pipe 10 that discharges exhaust gas out of the case through the similarly formed gas discharge hole 7B.

中空糸膜束４は、長手方向に亘って貫通する流通路となる第１流路１２を内部に形成した断面円形状の細長いストロー形状をなす中空糸膜１３からなり、それら中空糸膜１３の複数本を束ねて円柱形状とされたものである。この中空糸膜１３の内部に形成された第１流路１２には、前記したコンプレッサ３で加圧・昇温された乾燥した酸化剤ガスが導入される。   The hollow fiber membrane bundle 4 is composed of a hollow fiber membrane 13 having an elongated straw shape with a circular cross section formed inside a first flow path 12 serving as a flow passage penetrating in the longitudinal direction. A plurality of pieces are bundled into a cylindrical shape. A dry oxidant gas pressurized and heated by the compressor 3 is introduced into the first flow path 12 formed inside the hollow fiber membrane 13.

通常、中空糸膜１３はストレート形状とされるが、本実施の形態では、中空糸膜１３の数本が螺旋状に束ねられている。具体的には、ストレート形状の中空糸膜１３の複数本を束ねて円柱体とした後、その円柱体の長手方向の中央部分に数本（例えば１本）の中空糸膜１３を螺旋状に巻き付けた構造としている。螺旋状に巻き付けられた中空糸膜１３の両端は、他の中空糸膜１３と一緒にポッティング剤（接着剤）１４によって固定されている。   Normally, the hollow fiber membrane 13 has a straight shape, but in the present embodiment, several hollow fiber membranes 13 are bundled in a spiral shape. Specifically, after a plurality of straight hollow fiber membranes 13 are bundled into a cylindrical body, several (for example, one) hollow fiber membranes 13 are spirally formed in the central portion in the longitudinal direction of the cylindrical body. It has a wound structure. Both ends of the hollow fiber membrane 13 wound spirally are fixed together with other hollow fiber membranes 13 by a potting agent (adhesive) 14.

また、本実施の形態では、中空糸膜１３の螺旋状とされた部位１３Ａ（以下、螺旋部という）を、ケース内壁５ｂに隙間無く密着させている。この螺旋部１３Ａは、ガス導入パイプ８から収容ケース５内に導入された排出ガスが中空糸膜束４の内部へと入り込まずに当該収容ケース５と中空糸膜束４との隙間からガス排出パイプ１０へと直接流れてしまうのを防止する役目をする。   Moreover, in this Embodiment, the site | part 13A (henceforth a spiral part) made into the spiral shape of the hollow fiber membrane 13 is closely_contact | adhered to the case inner wall 5b without gap. The spiral portion 13 </ b> A discharges gas from the gap between the housing case 5 and the hollow fiber membrane bundle 4 without the exhaust gas introduced into the housing case 5 from the gas introduction pipe 8 entering the hollow fiber membrane bundle 4. It serves to prevent direct flow into the pipe 10.

また、ガス導入孔７Ａ近傍の中空糸膜束４とケース内壁５ｂ間には、排出ガスを中空糸膜束４の内部（中心部）へと流すための隙間Ｓ１が設けられている。同様に、ガス排出孔７Ｂ近傍の中空糸膜束４とケース内壁５ｂ間には、中空糸膜束４の内部を流れた排出ガスをガス排出パイプ１０へと排出させるための隙間Ｓ２が設けられている。   Further, a gap S <b> 1 is provided between the hollow fiber membrane bundle 4 near the gas introduction hole 7 </ b> A and the case inner wall 5 b to allow the exhaust gas to flow into the hollow fiber membrane bundle 4 (center portion). Similarly, a gap S2 is provided between the hollow fiber membrane bundle 4 near the gas discharge hole 7B and the case inner wall 5b for discharging the exhaust gas flowing through the hollow fiber membrane bundle 4 to the gas discharge pipe 10. ing.

収容ケース５は、ほぼ円柱状とされた中空糸膜束４を内部に収容する両端を開放した円筒体として形成されている。中空糸膜束４と収容ケース５は、その長手方向の両端部にポッティング剤１４が塗布されることにより固定されている。ポッティング剤１４は、中空糸膜１３と収容ケース５との接合だけでなく、束ねられた中空糸膜１３同士を接合させてポッティング部１５を形成する。   The housing case 5 is formed as a cylindrical body having both ends that accommodate the hollow fiber membrane bundle 4 having a substantially cylindrical shape inside. The hollow fiber membrane bundle 4 and the housing case 5 are fixed by applying a potting agent 14 to both ends in the longitudinal direction. The potting agent 14 not only joins the hollow fiber membrane 13 and the housing case 5 but also joins the bundled hollow fiber membranes 13 to form the potting portion 15.

収容ケース５には、ガス導入パイプ８から導入された排出ガスをその内部の中空糸膜束４の内部へと供給するためのガス導入孔７Ａが複数形成されている。ガス導入孔７Ａは、例えばガス導入パイプ８と同様円形孔として形成され、収容ケース側面５ａに複数形成されている。これらガス導入孔７Ａは、中空糸膜束４の螺旋部１３Ａに対して略平行に所定間隔を置いて螺旋状に配置されている。同様に、ガス排出孔７Ｂも中空糸膜束４の螺旋部１３Ａに対して所定間隔を置いて螺旋状に複数配置されている。なお、これらガス導入孔７Ａ及びガス排出孔７Ｂは、何れも収容ケース５の周方向全体に形成されている。   The housing case 5 is formed with a plurality of gas introduction holes 7A for supplying exhaust gas introduced from the gas introduction pipe 8 to the inside of the hollow fiber membrane bundle 4 therein. The gas introduction hole 7A is formed as a circular hole, for example, like the gas introduction pipe 8, and a plurality of gas introduction holes 7A are formed on the storage case side surface 5a. These gas introduction holes 7A are spirally arranged at a predetermined interval substantially in parallel to the spiral portion 13A of the hollow fiber membrane bundle 4. Similarly, a plurality of gas discharge holes 7 </ b> B are also arranged in a spiral shape at a predetermined interval with respect to the spiral portion 13 </ b> A of the hollow fiber membrane bundle 4. The gas introduction hole 7A and the gas discharge hole 7B are all formed in the entire circumferential direction of the housing case 5.

また、収容ケース側面５ａには、第１のハウジング９及び第２のハウジング１１と該収容ケース５との間をシールする円環状のシール部材１６が設けられている。シール部材１６は、ガス導入孔７Ａ及びガス排出孔７Ｂの外側の位置と、これらガス導入孔７Ａとガス排出孔７Ｂとの間にそれぞれ設けられ、後述するハウジング９、１１の内壁に密着するように設けられている。   In addition, an annular seal member 16 that seals between the first housing 9 and the second housing 11 and the housing case 5 is provided on the housing case side surface 5a. The seal member 16 is provided at a position outside the gas introduction hole 7A and the gas discharge hole 7B and between the gas introduction hole 7A and the gas discharge hole 7B, respectively, and is in close contact with inner walls of the housings 9 and 11 described later. Is provided.

前記中空糸膜束４とこれを収容する前記収容ケース５からなる中空糸膜モジュール６においては、ガス導入孔７Ａからその収容ケース５の内部に収容された中空糸膜１３の膜外を通ってガス排出孔７Ｂからケース外へと流通するガス流路としての第２流路が形成される。   In the hollow fiber membrane module 6 comprising the hollow fiber membrane bundle 4 and the housing case 5 for housing it, the gas passes through the outside of the hollow fiber membrane 13 housed in the housing case 5 from the gas introduction hole 7A. A second flow path is formed as a gas flow path that flows from the gas discharge hole 7B to the outside of the case.

第１のハウジング９は、収容ケース５の中央部分から酸化剤ガスの流れ後方部分を覆うように当該収容ケース５の外周囲に配置される円筒体として形成されている。この第１のハウジング９には、燃料電池２から排出された水分を含む排出ガス（湿潤空気）を収容ケース５に形成されたガス導入孔７Ａへと導入させるための円筒形状をなすガス導入パイプ８が設けられている。   The first housing 9 is formed as a cylindrical body that is disposed around the outer periphery of the housing case 5 so as to cover the rear portion of the flow of the oxidizing gas from the central portion of the housing case 5. The first housing 9 has a cylindrical gas introduction pipe for introducing exhaust gas (humid air) containing moisture discharged from the fuel cell 2 into the gas introduction hole 7 </ b> A formed in the housing case 5. 8 is provided.

第２のハウジング１１は、酸化剤ガスの流れ前方部分から収容ケース５の中央部分を覆うように当該収容ケース５の外周囲に配置される円筒体として形成されている。この第２のハウジング１１には、中空糸膜束４の内部を流れた排出ガスをケース外へと排出させるためのガス排出パイプ１０が設けられている。   The second housing 11 is formed as a cylindrical body disposed around the outer periphery of the housing case 5 so as to cover the central portion of the housing case 5 from the front portion of the flow of the oxidizing gas. The second housing 11 is provided with a gas discharge pipe 10 for discharging the exhaust gas flowing through the hollow fiber membrane bundle 4 to the outside of the case.

このように構成された加湿装置１では、コンプレッサ２で加圧・昇温された乾燥した酸化剤ガスは、中空糸膜モジュール６の各中空糸膜１３に形成された第１流路１２をそれぞれ流れる。この一方、燃料電池２のカソードから排出された水分を含む排出ガス（膨潤空気）は、第１のハウジング９に設けられたガス導入パイプ８内に導入される。ガス導入パイプ８に導入された排出ガスは、収容ケース側面５ａに螺旋状に複数配置された各ガス導入孔７Ａから中空糸膜束４へと供給される。   In the humidifier 1 configured as described above, the dried oxidant gas pressurized and heated by the compressor 2 passes through the first flow paths 12 formed in the hollow fiber membranes 13 of the hollow fiber membrane module 6 respectively. Flowing. On the other hand, exhaust gas (swelled air) containing moisture discharged from the cathode of the fuel cell 2 is introduced into a gas introduction pipe 8 provided in the first housing 9. The exhaust gas introduced into the gas introduction pipe 8 is supplied to the hollow fiber membrane bundle 4 from each gas introduction hole 7A arranged in a spiral manner on the storage case side surface 5a.

中空糸膜束４に供給された排出ガスは、当該中空糸膜束４の外側からその内部へと流れた後、同じく収容ケース側面５ａに螺旋状に複数配置された各ガス排出孔７Ｂから排出され、最終的に第２のハウジング１１に設けられたガス排出パイプ１０よりケース外へと排出される。この水分を含む排出ガスが中空糸膜束４の内部を流れると、各中空糸膜１３内に形成された毛管（第１流路１２）内に水分が凝縮（毛細管凝縮）、分離し、乾燥した酸化剤ガスとの水蒸気分圧差により、当該水分が中空糸膜１３の外側から内側へ透過する。この透過した水分が乾燥した酸化剤ガスと接触、気化することで、各中空糸膜１３の内部を流れる酸化剤ガスが加湿される。加湿された酸化剤ガスは、中空糸膜モジュール６の排出側より燃料電池２に供給される。   The exhaust gas supplied to the hollow fiber membrane bundle 4 flows from the outside to the inside of the hollow fiber membrane bundle 4 and then exhausts from the gas exhaust holes 7B arranged in a spiral manner on the storage case side surface 5a. Finally, the gas is discharged from the gas discharge pipe 10 provided in the second housing 11 to the outside of the case. When the exhaust gas containing moisture flows inside the hollow fiber membrane bundle 4, moisture is condensed (capillary condensation) in the capillaries (first flow paths 12) formed in the hollow fiber membranes 13, and then dried. The moisture permeates from the outside to the inside of the hollow fiber membrane 13 due to the water vapor partial pressure difference from the oxidant gas. The permeated moisture comes into contact with and vaporizes the dried oxidant gas, so that the oxidant gas flowing inside each hollow fiber membrane 13 is humidified. The humidified oxidant gas is supplied to the fuel cell 2 from the discharge side of the hollow fiber membrane module 6.

なお、上記した第１実施形態では、中空糸膜１３の内部（第１流路１２）に乾燥した酸化剤ガスを流し、中空糸膜１３の外側に水分を含んだ排出ガスを流したが、これとは逆に、中空糸膜１３の内部に燃料電池２から排出された水分を含んだ排出ガスを流し、中空糸膜１３の外側に乾燥した酸化剤ガスを流すようにしてもよい。   In the first embodiment described above, a dry oxidant gas is allowed to flow inside the hollow fiber membrane 13 (first flow path 12), and an exhaust gas containing moisture is allowed to flow outside the hollow fiber membrane 13, Conversely, exhaust gas containing moisture discharged from the fuel cell 2 may be allowed to flow inside the hollow fiber membrane 13, and dried oxidant gas may be allowed to flow outside the hollow fiber membrane 13.

本実施の形態の加湿装置によれば、中空糸膜１３の数本が螺旋状に束ねられ、その螺旋状とされた螺旋部１３Ａがケース内壁５ｂに隙間無く密着されていることから、水分を含んだ排出ガスが、収容ケース側面５ａに形成されたガス導入孔７Ａから直接ガス排出孔７Ｂへと流れることがなく、中空糸膜束４の内部を通ることになるため、加湿効率の向上を図ることができる。   According to the humidifying device of the present embodiment, several hollow fiber membranes 13 are bundled in a spiral shape, and the spiral portion 13A is in close contact with the case inner wall 5b without a gap. Since the contained exhaust gas does not flow directly from the gas introduction hole 7A formed in the storage case side surface 5a to the gas discharge hole 7B but passes through the inside of the hollow fiber membrane bundle 4, the humidification efficiency is improved. Can be planned.

これに対して、図７に示す従来構造の加湿装置では、中空糸膜束４の外側と収容ケース５のケース内壁５ｂとの間に隙間Ｓ３が生じる。中空糸膜束４の抵抗は大きいため、中空糸膜束４の中心付近までガスが流れ難く、中空糸膜束４の外側と収容ケース５のケース内壁５ｂの間に生じた隙間Ｓ３から直接ガス排出孔７Ｂへと流れ、乾燥した酸化剤ガスの加湿が十分に行われないという問題がある。しかしながら、上記したように、本実施の形態では、中空糸膜１３の数本を螺旋状に束ね且つその螺旋状とした螺旋部１３Ａをケース内壁５ｂに隙間無く密着させたことで、中空糸膜束４の中心付近までガスを流すことができる。したがって、本発明によれば、ケース内壁５ｂに封止部材を設けることなく、簡単な構造で水分を含む排出ガスが、直接ガス排出孔７Ｂへと流れることを防止する事ができ、加湿効率を高めることが可能となる。   On the other hand, in the humidifier having the conventional structure shown in FIG. 7, a gap S3 is generated between the outside of the hollow fiber membrane bundle 4 and the case inner wall 5b of the housing case 5. Since the resistance of the hollow fiber membrane bundle 4 is large, it is difficult for the gas to flow to the vicinity of the center of the hollow fiber membrane bundle 4, and the gas is directly generated from the gap S3 generated between the outside of the hollow fiber membrane bundle 4 and the case inner wall 5b of the housing case 5. There is a problem that the oxidant gas that flows to the discharge hole 7B and is not sufficiently humidified. However, as described above, in the present embodiment, several hollow fiber membranes 13 are spirally bundled, and the spiral spiral portion 13A is closely adhered to the case inner wall 5b without any gap, so that the hollow fiber membrane Gas can flow to the vicinity of the center of the bundle 4. Therefore, according to the present invention, the exhaust gas containing moisture can be prevented from flowing directly to the gas discharge hole 7B with a simple structure without providing a sealing member on the case inner wall 5b, and the humidification efficiency can be improved. It becomes possible to raise.

また、本実施の形態の加湿装置によれば、中空糸膜１３を螺旋状としているので、通常のストレート形状の中空糸膜１３に比べて同一スペース内での中空糸膜１３の内部を流れるガスの滞留時間が長くなるため、加湿効率の向上を図ることができる。   Further, according to the humidifying device of the present embodiment, since the hollow fiber membrane 13 has a spiral shape, the gas flowing in the hollow fiber membrane 13 in the same space as compared to the normal straight hollow fiber membrane 13 Therefore, the humidification efficiency can be improved.

また、本実施の形態の加湿装置によれば、ガス導入孔７Ａ近傍の中空糸膜束４とケース内壁５ｂ間に隙間Ｓ１を設けることにより、収容ケース５内のガスを均一に流すことが可能となり、加湿効率を高めることができる。   Further, according to the humidifier of the present embodiment, the gas in the housing case 5 can be made to flow uniformly by providing the gap S1 between the hollow fiber membrane bundle 4 near the gas introduction hole 7A and the case inner wall 5b. Thus, the humidification efficiency can be increased.

また、本実施の形態の加湿装置によれば、複数のガス導入孔７Ａを中空糸膜１３の螺旋部１３Ａに対して略平行に螺旋状に配置させているので、ガスの流れが規則的になる為に圧損が少なくなり、中空糸膜１３の外側を流れるガスを中空糸膜束４の中心部まで流すことができ、ガス流れの均一化を図ることができる。   Further, according to the humidifier of the present embodiment, the plurality of gas introduction holes 7A are arranged in a spiral shape substantially parallel to the spiral portion 13A of the hollow fiber membrane 13, so that the gas flow is regularly arranged. Therefore, the pressure loss is reduced, and the gas flowing outside the hollow fiber membrane 13 can be flowed to the center of the hollow fiber membrane bundle 4 so that the gas flow can be made uniform.

また、本実施の形態の加湿装置によれば、複数のガス排出孔７Ｂを中空糸膜１３の螺旋部１３Ａに対して略平行に螺旋状に配置させているので、ガス出口部におけるガス流れの均一化を図ることができ、中空糸膜モジュール６全体の流れをより均一化することができる。そのため、本実施の形態では、より一層の加湿効率の向上を実現できる。   Further, according to the humidifier of the present embodiment, the plurality of gas discharge holes 7B are arranged in a spiral shape substantially parallel to the spiral portion 13A of the hollow fiber membrane 13, so that the gas flow at the gas outlet portion Uniformity can be achieved, and the flow of the entire hollow fiber membrane module 6 can be made more uniform. Therefore, in this Embodiment, the further improvement of humidification efficiency is realizable.

「第２実施形態」
図５は第２実施形態の加湿装置の縦断面図である。 “Second Embodiment”
FIG. 5 is a longitudinal sectional view of the humidifying device of the second embodiment.

第１実施形態では、１本の中空糸膜１３を中空糸膜束４の長手方向の中央部分において二回螺旋状に束ねたが、第２実施形態では、図５に示すように、同様に１本の中空糸膜１３を複数回（３回以上）螺旋状に束ねるようにした。   In the first embodiment, one hollow fiber membrane 13 is bundled twice spirally in the central portion in the longitudinal direction of the hollow fiber membrane bundle 4, but in the second embodiment, as shown in FIG. One hollow fiber membrane 13 was bundled in a spiral shape a plurality of times (three times or more).

このように、中空糸膜１３を複数回螺旋状に束ねれば、その螺旋部１３Ａとケース内壁５ｂ間の隙間を確実に無くすことができ、水分を含んだ排出ガスが、中空糸膜束４内を通らずに直接ガス排出孔７Ｂへと流れることはなく、中空糸膜束４の内部を通る。したがって、第２実施形態の加湿装置によれば、ガス導入パイプ８から中空糸膜モジュール６内に導入された排出ガスを中空糸膜束４の中心部まで効率良く流すことができ、更なる加湿効率の向上が期待できる。   Thus, if the hollow fiber membrane 13 is bundled in a spiral shape a plurality of times, the gap between the spiral portion 13A and the inner wall 5b of the case can be surely eliminated, and the exhaust gas containing moisture is supplied to the hollow fiber membrane bundle 4. It does not flow directly into the gas discharge hole 7B without passing through the inside, and passes through the inside of the hollow fiber membrane bundle 4. Therefore, according to the humidifying device of the second embodiment, the exhaust gas introduced from the gas introduction pipe 8 into the hollow fiber membrane module 6 can be efficiently flowed to the center of the hollow fiber membrane bundle 4, and further humidification can be performed. Increased efficiency can be expected.

なお、第１及び第２実施形態では、１本の中空糸膜１３を螺旋状に束ねるようにしたが、可能な範囲でより多く（２本以上）の中空糸膜１３を螺旋状に束ね且つその螺旋部１３Ａをケース内壁５ｂに隙間無く密着させるようにしてもよい。   In the first and second embodiments, one hollow fiber membrane 13 is spirally bundled, but more (two or more) hollow fiber membranes 13 are spirally bundled as much as possible. The spiral portion 13A may be in close contact with the case inner wall 5b without a gap.

「第３実施形態」
図６は第３実施形態の加湿装置の縦断面図である。 “Third Embodiment”
FIG. 6 is a longitudinal sectional view of the humidifying device of the third embodiment.

第３実施形態では、収容ケース５の端部５Ａに対し、その間に端部５Ａより小さい径の小径部５Ｂを設け、その小径部５Ｂに螺旋部１３Ａを隙間無く密着させた構造としている。具体的には、収容ケース５の長手方向中央部分を端部５Ａに対して縮径するようにして小径部５Ｂを形成し、その小径部５Ｂの内壁に中空糸膜１３の螺旋部１３Ａを隙間無く密着させている。   In the third embodiment, a small-diameter portion 5B having a smaller diameter than the end portion 5A is provided between the end portions 5A of the housing case 5, and the spiral portion 13A is in close contact with the small-diameter portion 5B without a gap. Specifically, the small-diameter portion 5B is formed so that the central portion in the longitudinal direction of the housing case 5 is reduced in diameter with respect to the end portion 5A, and the spiral portion 13A of the hollow fiber membrane 13 is formed on the inner wall of the small-diameter portion 5B. It is closely attached.

さらに、第３実施形態では、第１及び第２のハウジング９、１１と小径部５Ｂとの間に形成される環状の空間部１７に、当該小径部５Ｂの周囲を囲むようにして保温手段であるヒータ１８を配置している。   Furthermore, in the third embodiment, a heater which is a heat retaining means so as to surround the periphery of the small diameter portion 5B in an annular space portion 17 formed between the first and second housings 9 and 11 and the small diameter portion 5B. 18 is arranged.

本実施の形態の加湿装置によれば、収容ケース５に小径部５Ｂを設け、この小径部５Ｂの内壁に中空糸膜束４の螺旋部１３Ａを隙間無く密着させたことで、中空糸膜束４の外側と収容ケース５間の隙間を無くすことができ、水分を含んだ排出ガスが、中空糸膜束４内を通らずに直接ガス排出孔７Ｂへと流れることはなく、中空糸膜束４の中心部までガスを流すことができ加湿効率の向上を図ることができる。   According to the humidifying device of the present embodiment, the hollow fiber membrane bundle is provided by providing the accommodating case 5 with the small diameter portion 5B and closely contacting the spiral portion 13A of the hollow fiber membrane bundle 4 with the inner wall of the small diameter portion 5B without any gap. The gap between the outer side of 4 and the housing case 5 can be eliminated, and the exhaust gas containing moisture does not flow directly into the gas discharge hole 7B without passing through the hollow fiber membrane bundle 4, so that the hollow fiber membrane bundle The gas can be flowed to the center part of 4 and the humidification efficiency can be improved.

また、本実施の形態の加湿装置によれば、集中的に加湿する箇所である小径部５Ｂの周囲に保温手段であるヒータ１８を配置しているので、膨潤ガスの凝縮を防止することができ、加湿効率の向上が図れる。   Further, according to the humidifier of the present embodiment, since the heater 18 that is a heat retaining means is disposed around the small diameter portion 5B that is a place where humidification is concentrated, condensation of the swollen gas can be prevented. In addition, the humidification efficiency can be improved.

第１実施形態における燃料電池の加湿装置の一例を示す構成図である。It is a block diagram which shows an example of the humidification apparatus of the fuel cell in 1st Embodiment. 図１のハウジング部分を破断して内部の収容ケースを示した加湿装置の縦断面図である。It is the longitudinal cross-sectional view of the humidification apparatus which fractured | ruptured the housing part of FIG. 1 and showed the internal storage case. 図３（Ａ）は収容ケース内に収容された中空糸膜束の端部形状を示す要部拡大斜視図、図３（Ｂ）は中空糸膜の要部拡大斜視図である。FIG. 3A is an enlarged perspective view of the main part showing the end shape of the hollow fiber membrane bundle housed in the housing case, and FIG. 3B is an enlarged perspective view of the main part of the hollow fiber membrane. 中空糸膜束が配置される部分まで破断して示す加湿装置の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the humidification apparatus shown by fracture | ruptured to the part by which a hollow fiber membrane bundle is arrange | positioned. 第２実施形態の加湿装置の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the humidification apparatus of 2nd Embodiment. 第３実施形態の加湿装置の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the humidification apparatus of 3rd Embodiment. 従来構成の加湿装置の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the humidification apparatus of a conventional structure.

符号の説明Explanation of symbols

１…加湿装置
２…燃料電池
３…コンプレッサ
４…中空糸膜束
５…収容ケース
５ａ…ケース側面
５ｂ…ケース内壁
６…中空糸膜モジュール
７Ａ…ガス導入孔
７Ｂ…ガス排出孔
８…ガス導入パイプ
９…第１のハウジング
１０…ガス排出パイプ
１１…第２のハウジング
１２…第１流路（中空糸膜内部の流路）
１３…中空糸膜
１３Ａ…螺旋部
１４…ポッティング剤
１５…ポッティング部
１７…空間部
１８…ヒータ（保温手段） DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Humidifier 2 ... Fuel cell 3 ... Compressor 4 ... Hollow fiber membrane bundle 5 ... Housing case 5a ... Case side surface 5b ... Case inner wall 6 ... Hollow fiber membrane module 7A ... Gas introduction hole 7B ... Gas discharge hole 8 ... Gas introduction pipe 9 ... 1st housing 10 ... Gas exhaust pipe 11 ... 2nd housing 12 ... 1st flow path (flow path inside a hollow fiber membrane)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 13 ... Hollow fiber membrane 13A ... Spiral part 14 ... Potting agent 15 ... Potting part 17 ... Space part 18 ... Heater (heat insulation means)

Claims (6)

複数本の中空糸膜を束ねてなる中空糸膜束を筒状のケースで収容した中空糸膜モジュールを備え、
前記中空糸膜の内部を通る第１流路に、乾燥した酸化剤ガスまたは燃料電池から排出される水分を含む排出ガスのいずれかを流通し、
前記中空糸膜モジュールの側面に形成されたガス導入孔から前記中空糸膜の膜外を通って前記中空糸膜モジュールの側面に形成されたガス排出孔から前記中空糸膜モジュール外へと流通する第２流路に、前記酸化剤ガスまたは前記排出ガスのいずれか他方を流通し、
前記酸化剤ガスを前記排出ガスで加湿する燃料電池の加湿装置であって、
前記中空糸膜の少なくとも数本は、螺旋状に束ねられ且つその螺旋状とされた螺旋部が前記ケースの内壁に密着している
ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。 A hollow fiber membrane module containing a hollow fiber membrane bundle formed by bundling a plurality of hollow fiber membranes in a cylindrical case,
In the first flow path passing through the inside of the hollow fiber membrane, either a dry oxidant gas or an exhaust gas containing moisture discharged from the fuel cell is circulated,
From the gas introduction hole formed on the side surface of the hollow fiber membrane module, passes outside the membrane of the hollow fiber membrane, and flows from the gas discharge hole formed on the side surface of the hollow fiber membrane module to the outside of the hollow fiber membrane module. In the second flow path, the other one of the oxidant gas and the exhaust gas is circulated,
A fuel cell humidifier for humidifying the oxidant gas with the exhaust gas,
A humidifying device for a fuel cell, wherein at least some of the hollow fiber membranes are bundled in a spiral shape and the spiraled spiral portion is in close contact with the inner wall of the case. 請求項１に記載の燃料電池の加湿装置であって、
前記ガス導入孔の近傍の前記中空糸膜束と前記ケースの内壁との間に空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。 A fuel cell humidifier according to claim 1,
A humidifying device for a fuel cell, wherein a space is provided between the hollow fiber membrane bundle in the vicinity of the gas introduction hole and the inner wall of the case. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池の加湿装置であって、
前記ガス導入孔は、前記中空糸膜の螺旋部に対して略平行に螺旋状に複数配置されている
ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。 A humidifying device for a fuel cell according to claim 1 or 2,
A plurality of the gas introduction holes are arranged in a spiral shape substantially parallel to the spiral portion of the hollow fiber membrane. 請求項１から請求項３の何れか一つに記載の燃料電池の加湿装置であって、
前記ガス排出孔は、前記中空糸膜の螺旋部に対して略平行に螺旋状に複数配置されている
ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。 A humidifying device for a fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
A plurality of the gas discharge holes are arranged in a spiral shape substantially parallel to the spiral portion of the hollow fiber membrane. 請求項１から請求項４の何れか一つに記載の燃料電池の加湿装置であって、
前記ケースは、両端の径より小さい径を有する小径部を設け、前記小径部と前記螺旋部が密着している
ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。 A humidifying device for a fuel cell according to any one of claims 1 to 4,
The humidifying device for a fuel cell, wherein the case is provided with a small-diameter portion having a diameter smaller than the diameters at both ends, and the small-diameter portion and the spiral portion are in close contact with each other. 請求項５に記載の燃料電池の加湿装置であって、
保温手段を更に備え、
前記保温手段は、前記小径部の周囲設けられる
ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。 A humidifying device for a fuel cell according to claim 5,
It further includes a heat retaining means,
The humidifying device for a fuel cell, wherein the heat retaining means is provided around the small diameter portion.
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