JP2010107126A - 加湿器 - Google Patents

Abstract

【課題】好適に加湿可能な加湿器を提供する。
【解決手段】複数の中空糸膜１２が束ねられてなる中空糸膜束１１と、中空糸膜束１１を収容する筒状のケース２１と、を備え、空気が中空糸膜１２内を通流し、空気と異なる湿度のカソードオフガスがケース２１内であって中空糸膜１２外を通流し、カソードオフガスが、ケース２１のオフガス流入部２２ａから中空糸膜束１１の上面１４に向かって流入する加湿器１であって、カソードオフガスが中空糸膜束１１を押した場合において、この押される中空糸膜束１１とケース２１とが接近又は当接することで、中空糸膜束１１とケース２１との隙間Ｇを小さくする隙間構造を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池等に供給される空気等の流体を加湿する加湿器に関し、詳しくは、水分透過性の中空糸膜を有する加湿器に関する。

固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）等の燃料電池においては、燃料電池を構成する電解質膜の湿潤状態を確保するべく、水素（燃料ガス）、酸素を含む空気（酸化剤ガス）を加湿する加湿器が必要とされる。このような加湿器は、中空糸膜を束ねてなる中空糸膜束と、中空糸膜束を収容するケースとを備え、例えば、燃料電池に向かう加湿すべき空気が中空糸膜内を、燃料電池のカソードから排出された多湿のカソードオフガスが中空糸膜外を、それぞれ通流する（特許文献１〜３参照）。

特開平６−１３２０３８号公報 特開平８−２７３６８７号公報 特開平１０−１９７０１６号公報

しかしながら、従来の加湿器では、オフガス流入部からケース内に流入したカソードオフガスが、中空糸膜束とケースとの間に形成された隙間を通流することで、本来通流すべき中空糸膜束内をバイパスし、加湿効率が低下する可能性もあった。

そこで、本発明は、好適に加湿可能な加湿器を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、複数の中空糸膜が束ねられてなる中空糸膜束と、前記中空糸膜束を収容する筒状のケースと、を備え、第１流体が前記中空糸膜内を通流し、前記第１流体と異なる湿度の第２流体が前記ケース内であって前記中空糸膜外を通流し、前記第２流体が、前記ケースの第２流体流入部から前記中空糸膜束の外周面に向かって流入する加湿器であって、第２流体が中空糸膜束を押した場合において、当該押される中空糸膜束と前記ケースとが接近又は当接することで、当該中空糸膜束と前記ケースとの隙間を小さくする隙間構造を備えることを特徴とする加湿器である。

このような加湿器によれば、第２流体が、ケースの第２流体流入部から中空糸膜束の外周面に向かって流入し、中空糸膜束を押した場合、隙間構造によって、この押される中空糸膜束とケースとが相互に接近又は当接することにより、中空糸膜束とケースとの隙間が小さくなる。
このように中空糸膜束とケースとの隙間が小さくなるので、第２流体が、中空糸膜束をバイパス（迂回）せずに、中空糸膜束内に流入し、中空糸膜束内を通流しやすくなる。これにより、中空糸膜束全体、つまり、中空糸膜全体を介して、第１流体と第２流体との間で水分交換することができ、湿度の低い第１流体又は第２流体を効率的に加湿できる。

また、前記中空糸膜の輪切り断面方向において、前記ケースの内面間の幅は、前記第２流体流入部から遠ざかるにつれて徐々に狭くなっており、前記中空糸膜束の幅は、前記ケースの内面間の幅に対応して、前記第２流体流入部から遠ざかるにつれて徐々に小さくなっていることを特徴とする加湿器である。

このような加湿器によれば、中空糸膜の輪切り断面方向において、ケースの内面間の幅は、第２流体流入部から第２流体の流入方向において遠ざかるにつれて徐々に狭くなっており、中空糸膜束の幅は、ケースの内面間の幅に対応して、第２流体流入部から遠ざかるにつれて徐々に小さくなっているので、第２流体が中空糸膜束を押した場合において、中空糸膜束とケースの内面との隙間のうち、小さくなる箇所が多くなる。
これにより、第２流体が、さらに中空糸膜束をバイパスせずに、中空糸膜束内に好適に流入できる。

本発明によれば、好適に加湿可能な加湿器を提供することができる。

≪第１実施形態≫
以下、本発明の第１実施形態について、図１から図４を参照して説明する。
まず、第１実施形態に係る加湿器１が組み込まれた燃料電池システム１００について、図１を参照して説明する。燃料電池システム１００は、図示しない燃料電池自動車（移動体）に搭載されており、燃料電池スタック１１０と、水素タンク１２１と、コンプレッサ１３１と、加湿器１とを備えている。

燃料電池スタック１１０は、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）であり、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）をセパレータ（図示しない）で挟持してなる単セルが複数積層されて構成されている。ＭＥＡは、電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟持するカソード及びアノードとを備えている。各セパレータには、溝や貫通孔からなるアノード流路１１１及びカソード流路１１２が形成されている。

そして、水素が、水素タンク１２１から、配管１２１ａ、アノード流路１１１を介してアノードに供給され、酸素を含む空気が、外気を吸気するコンプレッサ１３１から、配管１３１ａ、加湿器１、配管１３１ｂ、カソード流路１１２を介してカソードに供給されると、アノード及びカソードに含まれる触媒（Ｐｔ等）上で電極反応が起こり、燃料電池スタック１１０が発電可能な状態となる。

このように発電可能な状態の燃料電池スタック１１０と、外部負荷（例えば走行用のモータ）とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック１１０が発電するようになっている。

また、アノード流路１１１から排出されたアノードオフガスは、配管１２１ｂを介して、希釈器１３２に排出されるようになっている。一方、カソード流路１１２から排出されたカソードオフガスは、配管１３１ｃ、加湿器１、配管１３２ａを介して、希釈器１３２に排出され、希釈器１３２においてアノードオフガス中の未消費の水素を希釈するようになっている。そして、希釈後のガスは、配管１３２ｂを介して、車外に排出されるようになっている。
なお、カソードオフガスは、カソードにおける電極反応により生成する水蒸気（水分）により多湿である。また、生成した水蒸気の一部は電解質膜をアノード側に透過するので、アノードオフガスも多湿である。

≪加湿器の構成≫
次に、加湿器１の構成について、図２から図４を参照して説明する。ここで、明確に説明するために、図２を基準として、前、後、左、右、上、下を設定する。

加湿器１は、コンプレッサ１３１からカソード流路１１２に向かう加湿すべき空気（第１流体）を、カソード流路１１２から排出された多湿のカソードオフガス（第２流体）で加湿するものであって、その外形は図２示すように略直方体を呈している。すなわち、カソード流路１１２に向かう空気の湿度と、カソードオフガスの湿度とは異なり、カソードオフガスの湿度が高くなっている。

図３に示すように、加湿器１は、中空糸膜束１１と、中空糸膜束１１を収容する四角筒状のケース２１とを備えている。なお、中空糸膜束１１とケース２１との軸方向（長手方向）は一致している。

中空糸膜束１１は、ポリイミド等から形成され、水分透過性を有する中空糸膜１２が、複数本（例えば１０〜１００００本）にて束ねられたものである。なお、各中空糸膜１２は、水分を含むと膨潤し、多少伸張する。

ケース２１は、その内部に、中空糸膜束１１を収容する四角筒状の容器であり、例えば、ＰＣ（ポリカーボネート）やＰＰＯ（ポリフェニレンオキサイド）等の硬質樹脂から形成されている。

中空糸膜束１１の前側及び後側は、エポキシ樹脂等から形成されるポッティング部１３、１３（封止部）を介して、ケース２１に固定されている。そして、中空糸膜束１１の外周面とケース２１の内面との間には、僅かながらも隙間Ｇが形成されている（図４参照）。また、ケース２１の前側には前キャップ３１が取り付けられており、ケース２１の後側には後キャップ３３が取り付けられている。

そして、コンプレッサ１３１からの空気は、後キャップ３３の空気流入部３４から後キャップ３３内を通って各中空糸膜１２内に流入し、各中空糸膜１２内を前方に向かって通流した後、前キャップ３１内を通って、前キャップ３１の空気流出部３２から外部（配管１３１ｂ、図１）に流出するようになっている。

一方、カソードオフガスは、四角筒状を呈するケース２１の天壁部２２の前側に形成されたオフガス流入部２２ａから、下方に向かって、つまり、中空糸膜束１１の上面１４（外周面の一部）に向かって流入し、中空糸膜束１１を下方に押すようになっている。このように流入したカソードオフガスは、中空糸膜１２外であってケース２１内を後方に向かって通流した後、ケース２１の底壁部２３に形成されたオフガス流出部２３ａから外部（配管１３２ａ、図１）に流出するようになっている。

すなわち、加湿すべき燃料電池スタック１１０に向かう空気が中空糸膜１２内を前方に向かって通流し、多湿のカソードオフガスが中空糸膜１２外を後方に向かって通流するように構成されている。つまり、空気の通流方向とカソードオフガスの通流方向とは対向しており、空気が効率的に加湿されるようになっている。

次に、図４を参照して、中空糸膜束１１（中空糸膜１２）の輪切り断面方向における構造について説明する。
四角筒状を呈するケース２１の左右の側壁部２４、２４には、その内側壁面２４ａ、２４ａからケース２１の中心（内側）に突出し、輪切り断面視で半円状を呈すると共に、ケース２１の長手方向（前後方向）に延びる突条部２４ｂ、２４ｂが形成されている。
その他、図６に示すように、側壁部２４、２４の厚さを一定にし、側壁部２４、２４の外面に括れ部２４ｃ、２４ｃを形成して、突条部２４ｄ、２４ｄを形成してもよい。

一方、中空糸膜束１１の左右の側面１５、１５には、前記突条部２４ｂ、２４ｂに対応し、輪切り断面視で半円状を呈すると共に、中空糸膜束１１の軸方向（前後方向）に延びる半円溝１５ａ、１５ａが形成されている。なお、半円溝１５ａは、半円溝１５ａが形成されるように中空糸膜１２を適宜に束ねることで、構成される。

すなわち、ケース２１から突出する各突条部２４ｂは、中空糸膜束１１の各半円溝１５ａに、やや嵌まり込んだ状態となっている。そして、後記するように、カソードオフガスによって中空糸膜束１１が下方に押されると、突条部２４ｂと半円溝１５ａとが相互に接近又は当接し、突条部２４ｂと半円溝１５ａとの間の隙間が小さくなるように構成されている（図５参照）。

つまり、第１実施形態において、カソードオフガス（第２流体）が中空糸膜束１１を押した場合において、この押される中空糸膜束１１とケース２１とが接近又は当接することで、中空糸膜束１１とケース２１との隙間Ｇを小さくする隙間構造は、突条部２４ｂと半円溝１５ａとを備えて構成されている。

≪加湿器の作用効果≫
次に、加湿器１の作用効果について、図５を参照して説明する。
オフガス流入部２２ａからケース２１内に入り、中空糸膜束１１の上面１４に向かって流入するカソードオフガスは、中空糸膜束１１内に流入しつつ、中空糸膜束１１を下方に押す。そうすると、中空糸膜１２が撓んで、中空糸膜束１１が下方に移動し（矢印Ａ１参照）、突条部２４ｂと半円溝１５ａとの間の隙間Ｇが小さく、又は、半円溝１５ａが突条部２４ｂに当接する。

これにより、カソードオフガスが、隙間Ｇが小さくなった部分（当接した場合を含む）において、中空糸膜束１１内に流入する（矢印Ａ２参照）。すなわち、カソードオフガスが、本来通流すべき中空糸膜束１１内をバイパス（迂回）して、加湿すべき空気と水分交換しないまま、オフガス流出部２３ａに向かうことは防止される。このようにして、カソードオフガスが中空糸膜束１１内に流入し、中空糸膜束１１内を通流するので、中空糸膜１２内を通流する空気を効率的に加湿できる。

≪第２実施形態≫
次に、第２実施形態に係る加湿器について、図７、図８を参照して説明する。
図７に示すように、第２実施形態に係る加湿器を構成するケース２１の側壁部２５、２５は傾斜しており、中空糸膜束１１の輪切り断面方向において、側壁部２５、２５の内側壁面２５ａ、２５ａ（内面）は傾斜面である。そして、カソードオフガスの流入方向（上下方向）に直交する方向（左右方向）における内側壁面２５ａ、２５ａ間の幅Ｗ１は、カソードオフガスの流入方向（上下方向）において、オフガス流入部２２ａから遠ざかる下方に向かうにつれて、徐々に狭くなっている。

また、第２実施形態に係る中空糸膜束１１の側面１６、１６は、内側壁面２５ａ、２５ａに対応して傾斜している。そして、中空糸膜束１１の幅Ｗ２、詳細には、カソードオフガスの流入方向（上下方向）に直交する方向（左右方向）における中空糸膜束１１の幅Ｗ２は、内側壁面２５ａ、２５ａ間の幅Ｗ１に対応して、カソードオフガスの流入方向（上下方向）において、オフガス流入部２２ａから遠ざかる下方に向かうにつれて、徐々に小さくなっている。

このような加湿器によれば、図８に示すように、ケース２１内に流入したカソードオフガスが、中空糸膜束１１を下方に押し、中空糸膜束１１が下方に移動すると（矢印Ａ３参照）、各側面１６と、各内側壁面２５ａ全体との間に形成される隙間Ｇが、全体的に小さくなる。すなわち、第１実施形態に対して、隙間Ｇの小さくなる箇所が多くなる。
つまり、第２実施形態では、カソードオフガスが中空糸膜束１１を下方に押した場合において、隙間Ｇを小さくする隙間構造は、傾斜するケースの内側壁面２５ａと、これに対応して傾斜する中空糸膜束１１の側面１６とを備えて構成されている。

これにより、第１実施形態と同様に、カソードオフガスが、中空糸膜束１１内に流入し（矢印Ａ４参照）、中空糸膜束１１をバイパスして通流することは防止される。したがって、第１実施形態と同様に中空糸膜１２内を通流する空気を効率的に加湿できる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば次のように変更することができる。
前記した各実施形態では、空気が中空糸膜１２内を通流し、カソードオフガスが中空糸膜１２外を通流する構成を例示したが、空気が中空糸膜１２外を通流し、湿度の高いカソードオフガスが中空糸膜１２内を通流する構成でもよい。

また、空気及びカソードオフガスの通流方向が、逆向きである構成を例示したが、同方向でもよい。
さらに、カソードオフガスが、加湿器１の上方から流入し、加湿器１から下方に向かって流出する構成を例示したが、カソードオフガスの流入・流出方向はこれに限定されず、例えば、上方から流入し、上方に向かって流出する構成でもよいし、側方から流入・流出する構成でもよい。
さらにまた、第１流体が空気、第２流体がカソードオフガスである構成、つまり、第１流体及び第２流体がガスである構成を例示したが、例えば、第２流体が水（液体）である構成でもよい。

前記した各実施形態では、加湿器１が空気とカソードオフガスとの間で水分交換し、燃料電池スタック１１０に向かう空気を加湿する構成を例示したが、その他に例えば、水素とアノードオフガスとの間で水分交換し、燃料電池スタック１１０に向かう水素を加湿する構成でもよい。

前記した第１実施形態では、中空糸膜束１１の側面１５に形成された半円溝１５ａに、ケース２１の突条部２４ｂがやや嵌まり込み、カソードオフガスによって中空糸膜束１１が下方に押された場合、突条部２４ｂと半円溝１５ａとが接近又は当接し、隙間Ｇが小さくなる構成を例示したが（図４、図５参照）、例えば、図９に示すように、半円溝１５ａを形成せず、中空糸膜束１１の側面１５から側方に突出するようにゴム製の突条部１７を設け、中空糸膜束１１が下方に押された場合、この突条部１７とケース２１の突条部２４ｂとが接近又は当接する構成としてもよい。

第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 第１実施形態に係る加湿器の斜視図である。 第１実施形態に係る加湿器の側断面図（図２のＸ１−Ｘ１線断面図）である。 第１実施形態に係る加湿器の輪切り断面図（図２のＸ２−Ｘ２線断面図）である。 第１実施形態に係る加湿器の輪切り断面図（図２のＸ２−Ｘ２線断面図）であり、カソードオフガスが中空糸膜束を下方に押した状態を示す。 変形例に係る加湿器の輪切り断面図である。 第２実施形態に係る加湿器の輪切り断面図である。 第２実施形態に係る加湿器の輪切り断面図であり、カソードオフガスが中空糸膜束を下方に押した状態を示す。 変形例に係る加湿器の輪切り断面図である。

符号の説明

１ 加湿器
１１ 中空糸膜束
１２ 中空糸膜
１４ 上面（外周面）
１５ａ 半円溝（隙間構造）
１７ 突条部（隙間構造）
２１ ケース
２２ａ オフガス流入部（第２流体流入部）
Ｇ 隙間

Claims (2)

1. 複数の中空糸膜が束ねられてなる中空糸膜束と、
   前記中空糸膜束を収容する筒状のケースと、を備え、
   第１流体が前記中空糸膜内を通流し、前記第１流体と異なる湿度の第２流体が前記ケース内であって前記中空糸膜外を通流し、
   前記第２流体が、前記ケースの第２流体流入部から前記中空糸膜束の外周面に向かって流入する加湿器であって、
   第２流体が中空糸膜束を押した場合において、当該押される中空糸膜束と前記ケースとが接近又は当接することで、当該中空糸膜束と前記ケースとの隙間を小さくする隙間構造を備える
   ことを特徴とする加湿器。
2. 前記中空糸膜の輪切り断面方向において、
   前記ケースの内面間の幅は、前記第２流体流入部から遠ざかるにつれて徐々に狭くなっており、
   前記中空糸膜束の幅は、前記ケースの内面間の幅に対応して、前記第２流体流入部から遠ざかるにつれて徐々に小さくなっている
   ことを特徴とする請求項１に記載の加湿器。
   

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