JP4730019B2 - 加湿装置 - Google Patents

Description

本発明は、加湿装置に関し、より詳しくは、燃料電池に供給するガスの加湿に好適な中空糸膜を用いた加湿装置に関する。

燃料電池は、アノードとカソードが、電解質膜を挟んでそれぞれ配置された構造を有している。そして、アノードに水素などの燃料ガスが接触し、カソードに酸素などの酸化ガスが接触することによって、両電極間で電気化学反応が起こり起電力を生じる。

このような燃料電池では、燃料ガスおよび酸化ガスを加湿してから、アノードおよびカソードに供給することが必要とされる。このため、従来より、中空糸モジュールが燃料電池の加湿装置として用いられてきた。

中空糸モジュールは、中空糸膜の束を円筒形のハウジング内に収容した構成を有し、中空糸膜の内部を流れる湿潤ガスから水分を分離して、中空糸膜の外部を流れる乾燥ガスを加湿するものである。

従来の中空糸モジュールでは、乾燥ガスの導入管および導出管は、これらを結ぶ線がハウジングの中心軸と平行になるようにして配置されていた。ここで、中空糸モジュール内に導入された乾燥ガスは、導入管から導出管までの最短距離をとって流れる傾向にある。このため、乾燥ガスは、中空糸モジュール内の外周部付近に集中して流れていた。一方、乾燥ガスが中空糸膜の間を流れる場合、中空糸膜の束の中心部に行くほど圧損が大きくなる。それ故、乾燥ガスが中空糸膜の間を満遍なく流れることはなく、中心部に近くなるにしたがって流量は大幅に低下するようになる。

こうしたことから、従来の中空糸モジュールでは、中空糸膜の束の外周部付近に乾燥ガスの流れが偏るために、中空糸モジュール内の全域で水分交換を行うことができず、効率が悪いという問題があった。

この問題に対しては、乾燥ガスの流入孔と流出孔とを、ハウジングの外周面においてこれらが略対角となる位置に形成した中空糸モジュールが提案されている（特許文献１参照）。この中空糸モジュールによれば、モジュール内の略全域で乾燥ガスと湿潤ガスとの間の水分交換が可能であるとされる。

特表２００４−２４１２２７号公報 特開２００４−２０２４７８号公報 特開２００２−０６６２６２号公報

しかし、特許文献１に記載の中空糸モジュールでは、流入孔と流出孔とが外周面において略対角となる位置に設けられているので、乾燥ガスは、中空糸膜の束を横切り対角線を描くようにして流れる。さらに、上述の通り、中空糸膜同士の間は圧損が大きくなることから、乾燥ガスは、中空糸膜の間ではなく中空糸膜の束の外側を流れて行き易い。それ故、特許文献１に記載の中空糸モジュールにおいても乾燥ガスの流れに偏りが生じる結果となり、湿潤ガスとの間の水分交換の効率を十分に良好なものとするまでには至らないという問題があった。

本発明は、こうした問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、乾燥ガスと湿潤ガスとの間の水分交換の効率が良好な加湿装置を提供することにある。

本発明の他の目的および利点は以下の記載から明らかとなるであろう。

本発明の加湿装置は、複数本の中空糸膜と、この複数の中空糸膜を長手方向に沿って並列に分散して収納する容器とを備えた加湿装置であって、容器が、容器の外周面に設けられて第１のガスが流入する第１のガス流入口と、容器の外周面に設けられて第１のガスが流出する第１のガス流出口と、容器の長手方向にある両端面の何れか一方に設けられて、第２のガスが流入する第２のガス流入口と、この両端面の何れか一方であって第２のガス流入口とは異なる端面に設けられて、第２のガスが流出する第２のガス流出口と、容器の長手方向に沿って両端面の間に順に並列する第１の仕切り板、第２の仕切り板、第３の仕切り板および第４の仕切り板とを有する。第１のガス流入口は、第１の仕切り板と第２の仕切り板によって形成される空間に接続する。また、第１のガス流出口は、第３の仕切り板と第４の仕切り板によって形成される空間に接続する。そして、複数の中空糸膜は、第２の仕切り板および第３の仕切り板を貫通し、第１の仕切り板および第４の仕切り板から端部を露出している。さらに、第２の仕切り板には、第１のガスが流入する第１の貫通孔が前記複数本の中空糸膜の間に介在する位置に設けられており、第３の仕切り板には、第１のガスが流出する第２の貫通孔が前記複数本の中空糸膜の間に介在する位置に設けられている。

本発明の加湿装置において、第２の仕切り板および第３の仕切り板によって形成される空間は、第１の仕切り板および第２の仕切り板によって形成される空間並びに第３の仕切り板および第４の仕切り板によって形成される空間より大きいことが好ましい。

また、本発明の加湿装置において、第１の貫通孔および第２の貫通孔は、第２の仕切り板および第３の仕切り板のそれぞれに複数且つ均等に設けられていることが好ましい。

さらに、本発明の加湿装置において、第２のガス流出孔は、容器の両端面の内の第１の仕切り板に隣接する一方の端面に設けられ、第２のガス流入孔は、第４の仕切り板に隣接する他方の端面に設けられることが好ましい。

本発明の加湿装置によれば、第１のガス流入口から流入した第１のガスは、第１の仕切り板と第２の仕切り板によって形成される空間内を拡散した後に、第１の貫通孔から、第２の仕切り板と第３の仕切り板によって形成される空間に流入する。その後、第２の貫通孔から、第３の仕切り板と第４の仕切り板によって形成される空間へ移動した後、第１のガス流出口より容器の外部へと流出して行く。したがって、乾燥ガスの流入口と流出口とを同一の空間に設けた場合に比較すると、各空間内で乾燥ガスの流れに偏りが生じるのを抑制することができる。それ故、本発明によれば、中空糸膜の活用度を従来より高めて、乾燥ガスと湿潤ガスとの間の水分交換の効率を良好にすることが可能となる。

図１は、本実施の形態における加湿装置の断面斜視図である。

図１に示すように、加湿装置１は、複数本の中空糸膜２と、中空糸膜２を長手方向に沿って収納する容器３とを備えている。ここで、中空糸膜２は、複数本が集まることによって中空糸膜の束を形成している。

容器３の外周面４には、第１のガスが流入する第１のガス流入口５と、第１のガスが流出する第１のガス流出口６とが設けられている。尚、図１では、第１のガス流出口６は、外周面４の第１のガス流入口５に対して略対角となる位置に設けられているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、第１のガス流入口５の直上の外周面に、第１のガス流出口６が設けられていてもよい。但し、容器３内の全域における第１のガスの流れができるだけ均一となるようにするには、図１の構造とすることが好ましい。

また、容器３の一方の端面７には、第２のガスが流入する第２のガス流入口８が設けられており、他方の端面９には、第２のガスが流出する第２のガス流出口１０が設けられている。

さらに、容器３は、第１の仕切り板１１、第２仕切り板１２、第３の仕切り板１３および第４の仕切り板１４を有している。これらは、図１に示すように、容器３の長手方向に沿って、端面７と端面９の間に順に並列している。そして、第１のガス流入口５は、第１の仕切り板１１と第２の仕切り板１２によって形成される空間１５に接続しており、第１のガス流出口６は、第３の仕切り板１３と第４の仕切り板１４によって形成される空間１６に接続している。また、中空糸膜２は、第２の仕切り板１２および第３の仕切り板１３を貫通している。そして、第１の仕切り板１１および第４の仕切り板１４からは、中空糸膜２の端部が露出している（尚、図１では、第４の仕切り板１４から露出した端部２ａのみが示されている。）。

第２の仕切り板１２には、第１のガスが流入する第１の貫通孔１７が設けられている。また、第３の仕切り板１３には、第１のガスが流出する第２の貫通孔１８が設けられている。

例えば、第１のガスを乾燥ガスとし、第２のガスを湿潤ガスとする。

第１のガス流入孔５から容器３内に流入した乾燥ガスは、空間１５を経て、第１の貫通孔１７から、第２の仕切り板１２と第３の仕切り板１３によって形成される空間１９に流入する。その後、第２の貫通孔１８から空間１６へ移動した後、第１のガス流出口６より容器３の外部へと流出して行く。

一方、第２のガス流入口８から容器３内に流入した湿潤ガスは、第４の仕切り板１４から露出している中空糸膜の端部２ａより中空糸膜２の内部へと入る。中空糸膜２の内部では、毛管作用によって湿潤ガス中の水分が分離される。分離された水分は、中空糸膜２の毛管を透過して外部へ向かって移動する。そして、中空糸膜２の外部の空間に乾燥ガスが流れると、水分が乾燥ガスに渡って加湿が行われる。また、中空糸膜２の内部を通過した湿潤ガスは、第２のガス流出口１０より容器３の外部へと排出される。

上述したように、本実施の形態においては、乾燥ガスは、第１のガス流入口５から流入して、第１のガス流出口６から流出して行くまでの間に、空間１５、空間１９および空間１６を順に移動する。

すなわち、乾燥ガスは、まず、第１のガス流入口５から空間１５内に流入する。次いで、空間１５内を拡散した後に、隣接する空間１９に流入する。ここで、空間１５と空間１９の間には第１の貫通孔１７が設けられているので、乾燥ガスは、第１の貫通孔１７を通じて空間１９に流入する。これにより、流入口と流出口までの距離や、中空糸膜の圧損に左右されることなしに、乾燥ガスを空間１９へと導くことができる。特に、本実施の形態においては、図１に示すように、第１の貫通孔１７を、第２の仕切り板１２に複数且つ均等に設けることが好ましい。このようにすることによって、乾燥ガスを空間１９の全体に渡って流入させることができる。

空間１９内に流入した乾燥ガスは、次に、隣接する空間１６へと移動する。ここでも、空間１９と空間１６の間には第２の貫通孔１８が設けられているので、乾燥ガスは、第２の貫通孔１８を通じて空間１８に流入する。そして、空間１８に接続する第１のガス流出口６より加湿装置１の外部へと排出される。

このように、本実施の形態においては、乾燥ガスの流入口と流出口を異なる空間に設けている。したがって、流入口と流出口を同一の空間に設ける場合に比較すると、各空間内で乾燥ガスの流れに偏りが生じるのを抑制することができる。すなわち、本実施の形態の加湿装置によれば、中空糸膜の外周部付近に乾燥ガスの流れが偏るのを防ぎ、乾燥ガスが中空糸膜の間を満遍なく流れるようにすることができる。これにより、各中空糸膜の外側を乾燥空気が流れるようになるので、中空糸膜から乾燥空気へ水分が移動する効率を向上させることができる。つまり、中空糸膜の活用度を従来より高めて、乾燥ガスと湿潤ガスとの間の水分交換の効率を良好にすることが可能となる。

また、本実施の形態においては、特に、空間１９での乾燥ガスの流れに偏りが生じるのを抑制することができる。空間１９には、第１のガス流入口５および第１のガス流出口６のいずれもが接続していないからである。したがって、空間１５および空間１６に比して空間１９の体積を大きくすることによって、水分交換の効率を一層高めることが可能となる。

また、本実施の形態においては、第２の貫通孔１８についても、第３の仕切り板１３に複数且つ均等に設けることが好ましい。特に、第１の貫通孔１７および第２の貫通孔１８を構成している各貫通孔同士が、それぞれ対向するように設けることが好ましい。このようにすることによって、第１の貫通孔１７を透過した乾燥ガスは、流れを大きく変えることなしに、対応する第２の貫通孔１８を透過する。すなわち、各貫通孔を流出入する乾燥空気の流れが互いに平行であるようにすることができるので、空間１９内での乾燥ガスの流れに新たな偏りが生じるのを防ぐことが可能となる。

図１の例では、端面７に第２のガス流入口８を設け、端面９に第２のガス流出口１０を設けたが、本発明はこれに限られるものではない。本発明においては、端面７に第２のガス流出口を設け、端面９に第２のガス流入口を設けてもよい。但し、水分交換の効率を高くできる点からは、第１のガスの流れと第２のガスの流れとが互いに逆向きであることが好ましい。尚、上述した「第１の貫通孔１７と第２の貫通孔１８がそれぞれ対向するように設ける構成」によれば、第１のガス（乾燥ガス）の流れが、第２のガス（湿潤ガス）の流れに対して、平行且つ逆向きとなるようにすることができる。

また、本発明においては、第１のガスを湿潤ガスとし、第２のガスを乾燥ガスとして、図１の例を適用することも可能である。この場合、中空糸膜の外部を湿潤ガスが流れ、中空糸膜の内部を乾燥ガスが流れることになる。そして、湿潤ガスから分離された水分は、中空糸膜の内部へと移動した後、中空糸膜内で乾燥ガスに渡される。図１に示す加湿装置１によれば、容器３内を流れる湿潤ガスの偏りは最小限のものとなるので、中空糸膜２の活用度を高めて、乾燥ガスと湿潤ガスとの間の水分交換の効率を良好にすることが可能となる。

さらに、本実施の形態の加湿装置は、乾燥ガスを空気とし、湿潤ガスをカソードオフガスとして、燃料電池のカソードにガスを供給する系の加湿装置として用いることができる。また、乾燥ガスを水素または水素リッチな改質ガスとし、湿潤ガスをアノードオフガスとして、燃料電池のアノードにガスを供給する系の加湿装置として用いることもできる。

図２は、本発明の加湿装置を燃料電池システムに適用した例である。

図２に示すように、燃料電池システム１０１は、燃料ガスとしての水素と、酸化ガスとしての空気とを供給されて起電力を生じる燃料電池１０２と、燃料電池１０２に圧縮空気を供給するコンプレッサ１０３と、燃料電池１０２から排出されたカソードオフガスに含まれる水分を分離して、燃料電池１０２に供給する空気を加湿する加湿装置１０４と、コンプレッサ１０３から燃料電池１０２に供給される空気の圧力を調整する調圧弁１０５とを有する。ここで、加湿装置１０４は、図１の加湿装置に対応する。

尚、図２では、燃料電池１０２のアノードに燃料ガスを供給する部分、例えば、燃料ガス供給系や、燃料ガス供給系からの燃料ガスの供給量が最適となるように制御する燃料ガス流量制御装置などは省略している。また、この燃料電池システムは、車載用および据え置き型などの種々の用途に適用可能である。

燃料電池１０２は、水素と酸素の電気化学反応によって発電するセル（図示せず）が積層された構造を有している。ここで、各セルは、電解質膜を挟んでアノードとカソードが配置された構造となっている。

カソードには、コンプレッサ１０３で加圧された空気が供給される。そして、燃料電池１０２内での電気化学反応によって、空気中から所定量の酸素が消費された後、残りのガスがカソードオフガスとして排出される。

加湿装置１０４は、燃料電池１０２から排出されたカソードオフガス中の水分を分離して、燃料電池１０２に供給される空気を加湿する役割を果たしている。これにより、燃料電池１０２内の電解質膜の含水状態を適切に管理して、電解質膜を正常に機能させることが可能となる。尚、加湿装置１０４から排出されたカソードオフガスは、調圧弁１０５より燃料電池システム１０１の外部へ排出される。

本実施の形態の加湿装置によれば、中空糸膜の活用度を従来より高めて、乾燥ガスと湿潤ガスとの間の水分交換の効率を良好にすることが可能となるので、カソードオフガス中の水分を効率よく空気に渡すことができる。換言すると、本発明の加湿装置によれば、中空糸膜の活用度を従来より向上させることができるので、従来の加湿装置に比べて小型化、軽量化および低コスト化を図ることが可能となる。したがって、特に、車載用の燃料電池システムに適した加湿装置とすることができる。

尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々変形して実施することができる。例えば、本発明の加湿装置は、分析装置のドライヤーに応用することもできる。この場合にも、装置の小型化、軽量化および低コスト化を図ることが可能である。

本発明による加湿装置の断面斜視図である。 本発明の加湿装置を適用した燃料電池システムの構成図の一例である。

符号の説明

１ 加湿装置
２ 中空糸膜
３ 容器
４ 外周面
５ 第１のガス流入口
６ 第１のガス流出口
７，９ 端面
８ 第２のガス流入口
１０ 第２のガス流出口
１１ 第１の仕切り板
１２ 第２の仕切り板
１３ 第３の仕切り板
１４ 第４の仕切り板
１５，１６，１９ 空間
１７ 第１の貫通孔
１８ 第２の貫通孔
１０１ 燃料電池システム
１０２ 燃料電池
１０３ コンプレッサ
１０４ 加湿装置
１０５ 調圧弁

Claims (4)

1. 複数本の中空糸膜と、
   前記複数本の中空糸膜を長手方向に沿って並列に分散して収納する容器とを備えた加湿装置において、
   前記容器は、前記容器の外周面に設けられて第１のガスが流入する第１のガス流入口と、
   前記外周面に設けられて前記第１のガスが流出する第１のガス流出口と、
   前記長手方向にある両端面の何れか一方に設けられて、第２のガスが流入する第２のガス流入口と、
   前記両端面の何れか一方であって前記第２のガス流入口とは異なる端面に設けられて、前記第２のガスが流出する第２のガス流出口と、
   前記長手方向に沿って前記両端面の間に順に並列する第１の仕切り板、第２の仕切り板、第３の仕切り板および第４の仕切り板とを有し、
   前記第１のガス流入口は、前記第１の仕切り板と前記第２の仕切り板によって形成される空間に接続し、
   前記第１のガス流出口は、前記第３の仕切り板と前記第４の仕切り板によって形成される空間に接続しており、
   前記複数本の中空糸膜は、前記第２の仕切り板および前記第３の仕切り板を貫通し、前記第１の仕切り板および前記第４の仕切り板から端部を露出していて、
   前記第２の仕切り板には、前記第１のガスが流入する第１の貫通孔が前記複数本の中空糸膜の間に介在する位置に設けられており、
   前記第３の仕切り板には、前記第１のガスが流出する第２の貫通孔が前記複数本の中空糸膜の間に介在する位置に設けられていることを特徴とする加湿装置。
2. 前記第２の仕切り板および前記第３の仕切り板によって形成される空間は、前記第１の仕切り板および前記第２の仕切り板によって形成される空間並びに前記第３の仕切り板および前記第４の仕切り板によって形成される空間より大きい請求項１に記載の加湿装置。
3. 前記第１の貫通孔および前記第２の貫通孔は、前記第２の仕切り板および前記第３の仕切り板のそれぞれに複数且つ均等に設けられている請求項１または２に記載の加湿装置。
4. 前記第２のガス流出孔は、前記両端面の内の前記第１の仕切り板に隣接する一方の端面に設けられ、
   前記第２のガス流入孔は、前記第４の仕切り板に隣接する他方の端面に設けられる請求項１〜３のいずれか１項に記載の加湿装置。

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