JP3935051B2 - 加湿器のヘッド構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば水透過型の中空糸膜を使用した加湿器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池自動車等に搭載される燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側にアノード電極とカソード電極とを備えた電極膜構造体と、この電極膜構造体の両側にそれぞれ反応ガスを供給するためのガス通路を形成するとともに電極膜構造体を両側から支持するセパレータと、を積層して構成されている。固体高分子へ膜中での電気を流れやすくするために燃料電池内に供給する水素や酸素を加湿する加湿器が設けられている。
【０００３】
この燃料電池では、アノード電極に燃料用反応ガスとして水素ガスを供給し、カソード電極に酸化剤用反応ガスとして酸素あるいは空気を供給して、これらのガスの酸化還元反応にかかる化学エネルギーを直接電気エネルギーとして抽出し、電気モータに供給して電気モータを駆動する。つまり、アノード電極側で水素をイオン化させて固体高分子電解質中をカソード電極側に移動させ、電子を外部負荷を通ってカソード電極側に移動させ、カソード電極側で水素と酸素とを反応させて水を生成する一連の電気化学反応による電気エネルギーを取り出すことができるようになる。
【０００４】
そして、燃料電池の近傍には加湿器が配設されている。燃料電池の加湿器は、加湿器に供給される燃料ガスと、燃料電池から排出される排気ガス（オフガス）との間で水分を移動させて燃料ガスを加湿する加湿モジュールを複数個備えており、燃料電池のカソード電極とアノード電極の両極を加湿するようになっている。
【０００５】
従来の技術では、本出願人は、特開２００２−８１７０３号公報（特許文献１参照）の加湿器を提案している。以下、図面を参照して説明する。図８は従来技術の実施形態を説明する加湿器の斜視図であり、図９は加湿器の構造を示す図８のＰ−Ｐ線の断面図である。図８および図９に示すように、加湿器４１は例えば、筒状のハウジング５４ａと、その中に充填された中空糸膜５４ｂの多数本の束とからなる中空糸膜モジュール５４が形成されており、同様に４本の中空糸膜モジュール５２、５３、５５、５６が配設されている。
これらの中空糸膜モジュール５２、５３、５４、５５、５６の両端部を支持して中空糸膜（図示せず）に湿度の異なる気体を流通させるための一対のヘッドブロック５０，６０とを備えている。
【０００６】
図９に示すように、例えば中空糸膜５４ｂは、ハウジング５４aの軸方向に沿って一端から他端に及んでおり、両端外周部は樹脂によって結束された状態で筒状のハウジング５４ａの両端部の内表面に気密に固着され、ハウジング５４ａは、ヘッドブロック５０，６０に嵌入し固定されている。各中空糸膜モジュール５２、５３、５４、５５、５６の両端外周部にはハウジング５４ａの内外を連通する複数の周側開口５４ｃ、５４ｃ…が周方向に間隔を隔てて形成されている。
一対のヘッドブロック５０，６０のうち、一方のヘッドブロック５０は、内側プレート５７、中間プレート５８、外側プレート５９の３つのプレートから構成されており、また、他方のヘッドブロック６０も、内側プレート６７、中間プレート６８、外側プレート６９の３つのプレートから構成されている。
【０００７】
内側プレート５７、６７及び中間プレート５８、６８には、例えば、中空糸膜モジュール５４の端部を挿入して支持するための軸支孔５７ａ、５８ａ、６７ａ、６８ａが形成されていて、これらの軸支孔に嵌入されている。そして、図９の下方に一部破断して示すように、ヘッドブロック５０とヘッドブロック６０との連結部材４７、４７…は、外側プレート５９、６９の４隅に取付けボス５９ａ，６９ａが設けられ、ヘッドブロック５０、６０間の距離を均等にするためのカラー４７ａを介し、タイボルト４７ｂをカラー４７ａと取付けボス５９ａ，６９ａに挿通され、タイボルトの両端のネジ部をナット４７ｃ、４７ｃによって締め付けて一体に固定されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−８１７０３号公報（図１、図２）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の加湿器のヘッドブロック５０、６０を連結するための連結部材には、外側プレート５９、６９に突設して設けられた取付けボス５９ａ，６９ａのほかに、カラーとタイボルトが設けられており、加工工数や組立工数が必要でありコストが大きいという問題があった。また、ヘッドブロック５０、６０の四隅をタイボルトによって固定するための取付けボスを確保する必要があり、省スペース化にしにくいという課題があった。
【００１０】
そこで、本発明は、コスト低減がはかれると共に、省スペースな構成であり、かつ、中空糸膜のこじれを防止した燃料電池用加湿器を提供することを課題とする。
【００１１】
前記課題を解決するために、請求項１に記載された本発明の加湿器のヘッド構造は、両端が開放された筒状のハウジングに水透過型の中空糸膜の束を軸方向に沿わせて挿入した複数の中空糸膜モジュールと、前記複数の中空糸膜モジュールの両端をまとめて保持する、挿入穴が形成されたヘッドを備えた加湿器において、前記複数の中空糸膜モジュールの周囲に前記軸方向に沿って前記両ヘッド間に配置されて前記ヘッドのおのおのを連結する連結部材を有し、この連結部材には、両端にフランジ部が形成されるとともに内部に流体を通す管路が長手方向に沿って形成され、前記両ヘッドと前記連結部材とがそれぞれ嵌合したときに、前記両ヘッドと前記連結部材のフランジ部との各当接面に互いに連通する位置決めピン用ピン穴が形成され、この位置決めピン用ピン穴に位置決めピンが嵌入されて、前記両ヘッドと前記連結部材との間における回転方向の位置が決められ、前記連結部材は、前記複数の中空糸膜モジュールの上部に設けられる上部連結部材と、前記複数の中空糸膜モジュールの側部に設けられる側部連結部材との２本で構成され、前記上部連結部材および前記側部連結部材は、それぞれ別々に設けられた前記位置決めピン用ピン穴と前記位置決めピンとによって、両ヘッドとの位置決めが行われ、前記ハウジングの端部が挿入される前記ヘッドの挿入穴の位置精度を、前記位置決めピンの位置精度よりも緩めることを特徴とする。
【００１２】
この請求項１に記載された本発明によれば、従来の連結手段を変更したことによって、カラーとタイボルトにかかる加工工数と組立工数のコスト低減がはかれる。また、新たに設けた連結部材に流体を通す管路を形成したことから、連結部材の機能の他に配管の機能も合わせもたせることができるとともに、軽量で、かつ強度を向上させることができる。
さらに、請求項１に記載された本発明によれば、２つのヘッドと連結する連結部材との位置決めは、位置決めピンを設けたことによって、連結部材（Ｘ、Ｙ軸方向）の軸心位置決めが決まった後、回転方向の位置を簡単に決めることができるため、２つのヘッドの位置精度を確保することにより、中空糸膜加湿モジュールのこじれを防止することができる。また、こじれが防止できることから、加湿性能が十分に発揮され、維持することができる。
さらに、請求項１に記載された本発明によれば、連結部材は上部連結部材と側部連結部材の最小の２本で構成されることにより、２つのヘッドの位置精度を確保し、しかも加工工数と組立工数のコスト低減がはかれる。また、配管を削減できることから、省スペースの構成とすることができる。
さらに、請求項１に記載された本発明によれば、位置決めピンの位置精度を一般の公差におさえ、この位置決めピンを基準にして、ヘッドに筒状ハウジングを挿入する挿入穴を加工することにより、挿入穴の位置精度は、位置決めピン穴の加工精度よりも緩めることができるため、加工し易い、公差範囲の広い精度で加工することにより、品質管理上の歩留まりを上げ、支障なく組立作業をすることができる。
【００１７】
請求項２に記載された本発明は、請求項１に記載の加湿器のヘッド構造であって、前記上部連結部材の管路は、バイパス回路とオフガス回路に２管路が形成されていることを特徴とする。
【００１８】
この請求項２に記載された本発明によれば、１本の上部連結部材を連結部材の機能のほかに、２つの管路を形成してバイパス回路とオフガス回路を通すことにより、２本の配管が不要になることからその配管の部品と組立工数が削減され、かつ、上部連結部材の強度を向上させることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る加湿器の一実施の形態を図１〜図７の図面を参照して詳細に説明する。この実施の形態は、燃料電池(Fuel Cell)自動車に搭載される燃料電池用加湿器（以下、加湿器という）に適用した態様である。図１は、加湿器を備えた燃料電池システムの構成を示す配置図である。図１に示すように、燃料電池システム１０は、ＦＣ（燃料電池）ボックス１と、このＦＣボックス１の中に収容されるセルを複数積層したスタック構造からなる燃料電池（ＦＣ）２と、空気と水素を加湿する加湿器３とから構成されている。
【００２２】
図２は、図１に示す加湿器３の斜視図である。加湿器３は、加湿器３に供給される燃料ガス（水素または酸素）と、燃料電池から排出される排気ガス（オフガス）との間で水分を移動させて燃料ガスを加湿し、燃料電池２のカソード、アノードの両極を加湿する装置である。加湿器３は、アノード加湿器２５とカソード加湿器２６とから構成されている。カソード加湿器２６には中空糸膜からなる中空糸膜モジュール１１，１２，１３が３本備えられ、アノード加湿器２５には、中空糸膜からなる中空糸膜モジュール１４，１５が２本備えられている。中空糸膜モジュール１１，１２，１３の両端には、左側ヘッド６と右側ヘッド７が設けられ、左側ヘッド６と右側ヘッド７は上部連結部材８と側部連結部材９（図５参照）によって連結されている。
【００２３】
図３は、図２に示すＫ−Ｋ線の断面図である。図３に示すように、断面図では、中空糸膜モジュール１１，１２が縦断面されている。ここで、空気は左から右へヘッド６から中空糸膜モジュール１１，１２の中央通路に入り、空気の水分(湿度)を高める働きをする。反対に、ＦＣ２での化学反応によって発生した水分を含む空気オフガスは、右から左への矢印方向にヘッド７から中空糸膜１１ｂ，１２ｂに入いり、端部手前の外周に設けられた複数孔から出る。
【００２４】
図４（ａ）は図２に示すＡ−Ａ線の断面図であり、図４（ｂ）は同じく図２に示すＢ−Ｂ線の断面図である。図４（ａ）、（ｂ）に示すように、上部連結部材８の両端には、フランジ部８ａ、８ｂが形成されており、上部連結部材８の内部には流体を通す管路８ｃ、８ｄが長手方向に沿って形成されている。上部連結部材８は加湿器３を冷却するための冷却水が通る流路として径の細い管路８ｃが使用され、径の太い管路８ｄはオフガス(湿った空気)の流路として使用される。また、図４（ｃ）は図４（ａ）に示すＣ−Ｃ線の断面図、図４（ｄ）は図４（ｂ）に示すＤ−Ｄ線の断面図である。
図４（ｃ）に示すように、上部連結部材８の左側フランジ部８ａには、ボルト８ｆ、８ｇによって固定するボルト通し穴のほかに、左側ヘッド６との間に配設する位置決めピン８ｅが、嵌合された位置決め穴に嵌入されて回転方向の位置を決めている。また、挿入部にはＯリング８ｈが装着され、漏れを防止している。同様に図４（ｄ）において、上部連結部材８の右側フランジ部８ｂには、ボルト８ｆ、８ｇによって固定するボルト通し穴のほかに、フランジ部８ｂと右側ヘッド７との間に配設する位置決めピン８ｅが設けられ、回転方向の位置を決めている。このようにして、位置決めピン８ｅ、８ｅによって左側ヘッド６と右側ヘッド７の位置決めを簡単に行うことができる。
【００２５】
図５は、図２に示す加湿器３のＥ矢視図である。
図５に示すように、左側ヘッド６（図５では図１、図２の反対）と右側ヘッド７の側部は、側部連結部材９に連結されている。側部連結部材９の両側には、フランジ部９ａ、９ｂが形成されている。また、側部連結部材９には、流体を通す管路９ｃ（図６参照）が形成されており、この管路９ｃとしては、前記した径の細い管路８ｃと径の太い管路８ｄとの中間の太さのものが使用されている。
【００２６】
また、図６（ａ）は図５に示すＦ−Ｆ線の断面図、図６（ｂ）は同じく図５に示すＧ−Ｇ線の断面図である。
図６（ａ）に示すように、側部連結部材９の左側フランジ部９ａには、ボルト９ｇによって固定するボルト通し穴のほかに、右側ヘッド７（図５中では左側となっている）と左側フランジ部９ａとの間には、位置決めピン８ｅが嵌合する穴が設けられ、その穴に位置決めピン８ｅが嵌入されて回転方向の位置を決めている。
同様に図６（ｂ）において、側部連結部材９のフランジ部９ｂには、２個のボルト９ｆ、９ｇによって固定するボルト通し穴のほかに、フランジ部９ｂとヘッド６との間に位置決めピン８ｅが設けられ、該位置決めピン８ｅによって、回転方向の位置を決めている。
また、図６（ｃ）は（ａ）に示すＨ−Ｈ線の断面図、図６（ｄ）は（ｂ）に示すＩ−Ｉ線の断面図である。
このようにして、左側ヘッド６と右側ヘッド７の位置決めを側部でも簡単に行うことができる。
【００２７】
図７（ａ）は両サイドに位置する左右ヘッド６，７と上部連結部材８、側部連結部材９との構成を示す模式図であり、図７（ｂ）は同（ａ）に示すＭ−Ｍ線の断面図である。
図７（ｂ）は、中空糸膜モジュール１１，１２，１３を取り外した左側ヘッド６と、上部連結部材８、側部連結部材９の固定位置を示している。左側ヘッド６には、筒状のハウジング１１ａ、１２ａ…の中に中空糸膜１１ｂ、１２ｂ…を充填した中空糸膜モジュール１１，１２，１３の端部を接続するための係合穴１１ｃ，１２ｃ，１３ｃを３個備えている。また、上部連結部材８は、中空糸膜モジュール１１の図示左側、中空糸膜モジュール１３の上側の空きスペースに設けられ、また、側部連結部材９は、中空糸膜モジュール１１と１２の間の側部空きスペースに設けられている。これらの連結部材８、９は、位置決め穴８ｉ、９ｉに嵌入されると共に、位置決めピン用ピン穴６ａ、６ｂにそれぞれ位置決めピン８ｅを嵌入して位置決めされ、さらにボルト９ｆ、９ｇ（図６参照）によって固定されている。
【００２８】
位置決めピン８ｅの有効性について、上部連結部材８についてのみ詳細に説明し、側部連結部材９については同様であるため省略する。
図７（ｃ）は、中空糸膜１１ｂ，１２ｂ，１３ｂのねじれ防止に対し、つまり、中空糸膜モジュール１１，１２，１３のねじれ防止に対して、位置決めピン８ｅの有効性を説明する説明図である。
図７（ｃ）に示すように、それぞれの位置決めピン８ｅ用のピン穴６ａ、６ｂは、横（Ｘ）方向、縦（Ｙ）方向とも所定寸法だけ離間しており、その公差は例えば、それぞれが±０．０３である。したがって、中空糸膜モジュール１１，１２，１３の係合穴１１ｃ，１２ｃ，１３ｃの幾何公差の位置度は、データムＡ、データムＢを基準として０．１ｍｍ以内の加工精度とすることによって、最大０．２７ｍｍのずれが生じることになるが、係合穴１１ｃ，１２ｃ，１３ｃとヘッド６，７とのクリアランスを最小０．３ｍｍとすることにより、誤差の吸収が可能であり、両ヘッド６，７の組付けによるずれ防止のほかに、中空糸膜モジュール１１，１２，１３のこじれを防止することができる。このように、こじれが防止されることから、加湿性能が十分に発揮され、維持することができる。さらに、このクリアランス対策として、０リングを使用することにより、０リングの締め付け力によって十分にシールすることができる。
このように、位置決めピンの位置精度を一般の公差におさえ、この位置決めピンを基準にして、ヘッドに筒状ハウジングを挿入する挿入穴を加工することにより、挿入穴の位置精度は、位置決めピン穴の加工精度よりも緩めることができるため、加工し易い、公差範囲の広い３倍位の精度で加工することにより、品質管理上の歩留まりを上げ、支障なく組立作業をすることができる。また、四隅の出っ張りがなく省スペースな構成であり、中空糸膜モジュール１１，１２，１３のサイズを変えることなく、加工し易い公差とヘッドの構造、配管、連結方法に新たな発明を施すことによって、従来の２／３の体積にコンパクト化することができる。
さらに、新たに設けた連結部材に流体を通す管路を形成したことから、連結部材の機能の他に配管の機能も合わせも持たせることができるとともに、軽量で、かつ強度を向上させることができる。
【００２９】
なお、本発明は前記した実施の形態に限られるものではなく、技術思想を同じくして変形、改造が可能である。例えば、２つの連結部材は上部と側部に配置したが、下部と側部であってもよいし、材料はパイプ材を使用しても構わない。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明してきたように、請求項１に記載した発明によれば、従来の連結手段を変更したことによって、カラーとタイボルトにかかる加工工数と組立工数のコスト低減ができる。また、新たに設けた連結部材に流体を通す管路を形成したことから、連結部材の機能の他に配管の機能も合わせもたせることができるとともに、軽量で、かつ強度を向上させることができる。
さらに、請求項１に記載された本発明によれば、２つのヘッドと連結する連結部材との位置決めは、位置決めピンを設けたことによって、連結部材（Ｘ、Ｙ軸方向）の軸心位置決めが決まった後、回転方向の位置を簡単に決めることができるため、２つのヘッドの位置精度を確保することにより、中空糸膜加湿モジュールのこじれを防止することができる。また、こじれが防止されることから、加湿性能が十分に発揮され、維持することができる。
さらに、請求項１に記載された本発明によれば、連結部材は上部連結部材と側部連結部材の最小の２本で構成されることにより、２つのヘッドの位置精度を確保し、しかも、加工工数と組立工数のコスト低減ができる。また、配管を削減できることから、省スペースの構成とすることができる。
さらに、請求項１に記載された本発明によれば、位置決めピンの位置精度を所定の公差におさえることにより、筒状のハウジングをヘッドに挿入する挿入穴の位置精度は３倍に緩め、加工し易い精度に指示することにより、品質管理上の歩留まりを上げ、組立作業に支障なくすることができる。
【００３３】
請求項２に記載された本発明によれば、１本の上部連結部材を連結部材の機能のほかに、２つの管路を形成してバイパス回路とオフガス回路を通すことにより、２本の配管が不要になることからその配管の部品と組立工数が削減され、かつ、上部連結部材の強度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池用加湿器を備えた燃料電池システムの構成を示す配置図である。
【図２】図１に示す加湿器の斜視図である。
【図３】図２に示すＫ−Ｋ線の断面図である。
【図４】（ａ）は図２に示すのＡ−Ａ線の断面図であり、（ｂ）は同じく図２に示すＢ−Ｂ線の断面図である。
【図５】図２に示す加湿器のＥ矢視図である。
【図６】（ａ）は図５に示すＦ−Ｆ線の断面図であり、（ｂ）は図５に示すＧ−Ｇ線の断面図である。また、（ｃ）は（ａ）に示すＨ−Ｈ線の断面図であり、（ｄ）は（ｂ）に示すＩ−Ｉ線の断面図である。
【図７】（ａ）は両サイドに位置するヘッドと上部連結部材、側部連結部材との構成を示す模式図であり、（ｂ）は同（ａ）に示すＭ−Ｍ線の断面図である。（ｃ）は加湿モジュールのねじれ防止に対し、位置決めピンの有効性について説明する説明図である。
【図８】従来の燃料電池用加湿器の構造を示すＰ−Ｐ線の断面図である。
【図９】従来の加湿器の構造を示すＰ−Ｐ線の断面図である。
【符号の説明】
１ ＦＣボックス
２ ＦＣ（燃料電池）
３ 燃料電池用加湿器
６ 左側ヘッド
６ａ、６ｂ ピン穴
７ 右側ヘッド
８ 上部連結部材
８ａ 左側フランジ部
８ｂ 右側フランジ部
８ｃ 細い管路
８ｄ 太い管路
８ｅ 位置決めピン
８ｆ、８ｇ ボルト
８ｈ Ｏリング
８ｉ 位置決め穴
９ 側部連結部材
９ａ 左側フランジ部
９ｂ 右側フランジ部
９ｃ 管路
９ｆ、９ｇ ボルト
１０ 燃料電池システム
１１、１２、１３、１４、１５ 中空糸膜モジュール
１１ａ、１２ａ、１３ａ ハウジング
１１ｂ、１２ｂ 中空糸膜

Claims (2)

1. 両端が開放された筒状のハウジングに水透過型の中空糸膜の束を軸方向に沿わせて挿入した複数の中空糸膜モジュールと、
   前記複数の中空糸膜モジュールの両端をまとめて保持する、挿入穴が形成されたヘッドを備えた加湿器において、
   前記複数の中空糸膜モジュールの周囲に前記軸方向に沿って前記両ヘッド間に配置されて前記ヘッドのおのおのを連結する連結部材を有し、この連結部材には、両端にフランジ部が形成されるとともに内部に流体を通す管路が長手方向に沿って形成され、
   前記両ヘッドと前記連結部材とがそれぞれ嵌合したときに、前記両ヘッドと前記連結部材のフランジ部との各当接面に互いに連通する位置決めピン用ピン穴が形成され、この位置決めピン用ピン穴に位置決めピンが嵌入されて、前記両ヘッドと前記連結部材との間における回転方向の位置が決められ、
   前記連結部材は、前記複数の中空糸膜モジュールの上部に設けられる上部連結部材と、前記複数の中空糸膜モジュールの側部に設けられる側部連結部材との２本で構成され、前記上部連結部材および前記側部連結部材は、それぞれ別々に設けられた前記位置決めピン用ピン穴と前記位置決めピンとによって、両ヘッドとの位置決めが行われ、
   前記ハウジングの端部が挿入される前記ヘッドの挿入穴の位置精度を、前記位置決めピンの位置精度よりも緩めることを特徴とする加湿器のヘッド構造。
2. 請求項１に記載の加湿器のヘッド構造であって、前記上部連結部材の管路は、バイパス回路とオフガス回路の２管路が形成されていることを特徴とする加湿器のヘッド構造。

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