JP5060452B2

JP5060452B2 - 加湿器

Info

Publication number: JP5060452B2
Application number: JP2008278997A
Authority: JP
Inventors: 敏勝片桐; 拓素井加田; 健司南雲; 洋平日高
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2008-10-30
Filing date: 2008-10-30
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2028-10-30
Also published as: JP2010107098A

Description

本発明は、燃料電池等に供給するガス（気体）を加湿する加湿器に関し、一層詳細には、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、水分透過型の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、それぞれ流通するように設けられている（例えば、特許文献１〜４参照）。
特開平６−１３２０３８号公報特開平８−２７３６８７号公報特開平１０−１９７０１６号公報特開２００４−３１１２８７号公報

しかしながら、従来技術に係る加湿器では、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の内壁との間に形成された隙間を流通することで、本来流通すべき中空糸膜束内をバイパスし、加湿効率が低下するおそれがある。

すなわち、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の荷重（押圧力）によって前記オフガス流入部近傍の中空糸膜束が移動して偏位し、前記偏位した中空糸膜束の外壁とケースの内壁との間で間隙が形成される。本来であれば、オフガス流入部近傍の中空糸膜束を流通すべきカソードオフガスが、バイパスである前記間隙に沿って流通するために中空糸膜に対して水分が十分に行き渡らず、前記中空糸膜内を流通する空気に対して加湿作用を好適に発揮することが困難となり加湿効率が低下するおそれがある。

本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、従来よりも加湿効率を向上させることが可能な加湿器を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、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ケースと、を備え、第１流入部から流入する第１流体が前記中空糸膜内を流通し、前記第１流体と異なる湿度を有し第２流入部から流入する第２流体が前記ケース内であって前記中空糸膜外を流通し、前記中空糸膜束内には、前記第２流体の流れ方向に対向して盛り上がった形状からなり、前記第２流体を通過させると共に、前記第２流入部から流入する前記第２流体が前記中空糸膜外を流通する際に前記中空糸膜に付与される荷重を支持する荷重支持部材が設けられ、前記荷重支持部材は、前記中空糸膜束の輪切り断面方向からみて略アーチ状に形成されたメッシュからなり、前記複数の中空糸膜束は、前記ケース内で前記荷重支持部材により２つに分割されることを特徴とする。

本発明によれば、中空糸膜束内に第２流体の流れ方向に対向して盛り上がった略アーチ状のメッシュからなる荷重支持部材を設け、第２流入部から流入する第２流体が中空糸膜外を流通する際、前記中空糸膜に付与される荷重を前記荷重支持部材（略アーチ状のメッシュ）の剛性によって好適に支持することにより、中空糸膜束の移動（偏位）を阻止して変形（曲がり）を抑制することができる。この結果、本発明では、従来と比較して加湿効率を向上させることができる。

また、本発明によれば、中空糸膜束と共に、荷重支持部材であるメッシュの延在方向に沿った両端部を、ケースの両端部に設けられたポッティング部によってそれぞれ保持することにより、第２流体の流れ方向に向かって凸状に湾曲した状態でその形状を保持することができ、前記メッシュの剛性をより一層向上させることができる。

本発明では、中空糸膜束内に第２流体の流れ方向に対向して盛り上がった形状からなる荷重支持部材を設けることにより、従来よりも加湿効率を向上させることが可能な加湿器を得ることができる。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る加湿器が組み込まれた燃料電池システムのシステム構成図である。

図１に示されるように、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１０２と、水素タンク１０４と、コンプレッサ１０６と、加湿器１０とを備えている。

燃料電池スタック１０２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（図示せず）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１０８及びカソード流路１１０が形成されている。

この場合、水素が、水素タンク１０４から、配管１１２、アノード流路１０８を介してアノードに供給され、一方、酸素を含む空気が、外気を吸気するコンプレッサ１０６から、配管１１４、加湿器１０、配管１１５、カソード流路１１０を介してカソードに供給されることにより、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１０２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１０２と、外部負荷（例えば、図示しない走行用のモータ）とが電気的に接続され、電流が取り出されることにより、燃料電池スタック１０２が発電するようになっている。

また、アノード流路１０８から排出されたアノードオフガスは、配管１１６を介して、希釈器１１８に排出されるようになっている。一方、カソード流路１１０から排出されたカソードオフガスは、配管１２０、加湿器１０、配管１２２を介して、希釈器１１８に排出され、希釈器１１８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１２４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同様に多湿である。

図２は、前記燃料電池システムに組み込まれた加湿器の斜視図である。
図１に示されるように、加湿器１０は、コンプレッサ１０６からカソード流路１１０に向かう加湿すべき空気（第１流体）を、カソード流路１１０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り、その外形形状は、略直方体状に形成されている。この場合、カソード流路１１０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カソード流路１１０に向かう空気の湿度よりも高くなっている。

図２に示されるように、加湿器１０は、四角筒体からなるケース本体１２と前記ケース本体１２の軸方向に沿った両端開口部を閉塞する第１エンドキャップ１４ａ及び第２エンドキャップ１４ｂとを有し略直方体状に形成されたケース１６を含む。

図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った軸方向の縦断面図、図４（ａ）は、図２のＩＶ−ＩＶ線に沿った軸方向と直交する縦断面図、図４（ｂ）は、メッシュが設けられていない比較例に係る加湿器の軸方向と直交する縦断面図、図５は、前記加湿器からケースを省略した中空糸膜束の斜視図である。
図３及び図４（ａ）に示されるように、前記加湿器１０は、前記ケース１６内の空間部１７に該ケース１６の軸線と同軸に収容され複数の中空糸膜１８が束ねられて構成された中空糸膜束２０と、前記中空糸膜束２０内に設けられカソードオフガスの下向きの流入方向（流れ方向）に対向して上向きに盛り上がった形状からなるメッシュ２２と、前記第１エンドキャップ１４ａ及び第２エンドキャップ１４ｂに近接するケース１６の軸方向に沿った両端部近傍部位にそれぞれ設けられ、前記中空糸膜束２０及び前記メッシュ２２を支持（保持）してケース１６内に固定（封入）するポッティング部２４ａ、２４ｂとを有する。

ケース本体１２、第１エンドキャップ１４ａ及び第２エンドキャップ１４ｂは、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）等の硬質樹脂によって形成される。前記第１エンドキャップ１４ａには、ケース１６内の空間部１７と連通してコンプレッサ１０６からの空気が流入される空気流入部（第１流入部）２６が設けられる。また、前記第２エンドキャップ１４ｂには、前記ケース１６内の空間部１７に導入された空気を外部（配管１１５、図１参照）に流出させる空気流出部２８が設けられる。

前記空気流入部２６から流入された空気は、ケース１６内に収容された各中空糸膜１８内に流入し、各中空糸膜１８内を第２エンドキャップ１４ｂ側に向かって流通した後、第２エンドキャップ１４ｂの空気流出部２８から流出される。

ケース本体１２の上面部１２ａで第２エンドキャップ１４ｂに近接する部位には、前記ケース１６内の空間部１７と連通しカソードオフガスが流入するオフガス流入部（第２流入部）３０が設けられる。また、ケース本体１２の底面部１２ｂで第１エンドキャップ１４ａに近接する部位には、前記ケース１６内の空間部１７に導入されたカソードオフガスを外部（配管１２２、図１参照）に流出させるオフガス流出部３２が設けられる。

前記オフガス流入部３０から流入されたカソードオフガスは、下方に向かって、つまり、中空糸膜束２０の上面に向かって流入し、中空糸膜束２０を下方側に押圧するように作用する。このように流入したカソードオフガスは、中空糸膜１８外であってケース１６内の空間部１７を第１エンドキャップ１４ａ側に向かって流通した後、ケース本体１２の底面部１２ｂに形成されたオフガス流出部３２から流出される。

このように、加湿すべき燃料電池スタック１０２に向かう空気は、中空糸膜１８内を第１エンドキャップ１４ａ側から第２エンドキャップ１４ｂ側に向かって流通するように設けられ、一方、多湿のカソードオフガスは、中空糸膜１８外を前記とは反対に第２エンドキャップ１４ｂ側から第１エンドキャップ１４ａ側に向かって流通するように設けられている。すなわち、空気の流通方向とカソードオフガスの流通方向とは、それぞれ対向する反対方向に設定されることにより、燃料電池スタック１０２に向かう空気が効率的に加湿されるように設けられている。

中空糸膜束２０は、例えば、ポリイミド等によって形成され水分透過性を有する中空糸膜１８が複数本（例えば、１０〜１００００本）束ねられて構成され、前記束ねられた中空糸膜束２０の軸方向に沿った一端部側及び他端部側が、それぞれ、ポッティング部２４ａ、２４ｂを介してケース１６に固定されている。なお、前記中空糸膜１８は、水分を含むと膨潤し、多少伸長する。

中空糸膜１８は、外径が３ｍｍ以下（好ましくは、０．２〜１ｍｍ）の極細の円筒状であり、その周壁に複数の数ｎｍの微細孔を有しており、水（水蒸気）の透過性を有している。そして、含水量の低い空気が中空糸膜１８の内部を、含水量が高いカソードオフガスが中空糸膜１８の外部を、それぞれ流通することで、含水量の高いカソードオフガスから水分が吸い出され、この水分が毛細管現象により中空糸膜１８の周壁を透過し、含水量の低い空気に供給（添加）されることで空気が加湿され、加湿空気となる。このように板状の平膜等ではなく、中空糸膜１８を用いることにより、単位体積当たりの有効膜面積を飛躍的に増大させることができる。

また、中空糸膜１８は細く、コンプレッサ１０６の圧縮により、カソードオフガスよりも高圧の空気が中空糸膜１８内を流通するため、中空糸膜束２０がカソードオフガスの加圧力（押圧力）によって仮に絞られたとしても、中空糸膜１８自体が潰れないように構成されている。

ポッティング部２４ａ、２４ｂは、中空糸膜束２０及び中空糸膜束２０内に配設されたメッシュ２２をケース１６内に固定すると共に、中空糸膜束２０をケース１６内に封止する機能を有する。このポッティング部２４ａ、２４ｂは、例えば、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂によって形成されるとよい。

メッシュ２２は、軸方向と直交する縦断面方向（中空糸膜束２０の輪切り断面方向）からみて略円弧状のアーチ形状からなり（図４（ａ）参照）、ケース１６の軸方向に沿って延在するように形成されている（図３参照）。このメッシュ２２は、適度な目開きを有する網状体からなり、メッシュ２２内外において、カソードオフガスが圧力損失を受けることがなく流通するように設けられる。

メッシュ２２は、例えば、金属製材料、フッ素樹脂、ＰＰ（ポリプロピレン）系の樹脂製材料等からなり、伸張しにくく吸水性が少ない材料によって形成されるとよい。この場合、メッシュ２２の軸方向に沿った一端部２２ａ及び他端部２２ｂは、図５に示されるように、中空糸膜束２０と共に、ポッティング部２４ａ、２４ｂによってケース１６内に固定されて、軸方向に沿って位置ずれしないように設けられていると共に、前記メッシュ２２の軸方向に沿った一端部２２ａ及び他端部２２ｂがポッティング部２４ａ、２４ｂによってアーチ形状に湾曲した状態でそれぞれ保持（接着）されることにより、オフガス流入部３０に向かって盛り上がった凸形状を有する前記メッシュ２２の剛性を向上させることができる。

換言すると、前記メッシュ２２は、カソードオフガス（第２流体）の下向きの流れ方向に対向して上向きに盛り上がった形状で前記カソードオフガス（第２流体）を通過させる多孔質体（網体、通気素材）からなり、オフガス流入部（第２流入部）３０から流入する前記カソードオフガスが中空糸膜１８外を流通する際に前記中空糸膜１８に付与される荷重を支持する荷重支持部材として機能するものである。

本実施形態に係る加湿器１０が組み込まれた燃料電池システム１００は、基本的に以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。

例えば、図４（ｂ）に示されるように、中空糸膜束２０内にメッシュ２２が設けられていない比較例に係る加湿器では、オフガス流入部３０から導入されたカソードオフガスの押圧力（加圧力）によって中空糸膜束２０が下方側に向かって押圧され、ケース１６の内壁と中空糸膜束２０の凹部との間で間隙が形成される。すなわち、オフガス流入部３０からケース１６内に流入したカソードオフガスの荷重（押圧力）で前記オフガス流入部３０近傍の中空糸膜束２０が移動して偏位し、前記偏位した中空糸膜束２０とケース１６の内壁との間で間隙が形成される。

メッシュ２２が設けられていない比較例に係る加湿器では、本来であれば、オフガス流入部３０近傍の中空糸膜束２０を流通すべきカソードオフガスが、バイパスである前記間隙に沿って流通するために中空糸膜１８に対して水分が十分に行き渡らず、前記中空糸膜１８内を流通する空気に対して加湿作用を好適に発揮することが困難となり、加湿効率が低下するおそれがある。

これに対して、図４（ａ）に示されるように、本実施形態に係る加湿器１０では、中空糸膜束２０内にカソードオフガスの下向きの流入方向に対向して上向きに盛り上がった略アーチ形状（湾曲形状）からなるメッシュ２２を設け、オフガス流入部３０から流入するカソードオフガスが中空糸膜１８外を流通する際、前記中空糸膜１８に付与される荷重を前記メッシュ２２の剛性によって好適に支持することにより、中空糸膜束２０の移動（偏位）を阻止して変形（曲がり）を抑制することができる。

すなわち、本実施形態に係る加湿器１０では、メッシュ２２を設けていない比較例に係る加湿器のようにバイパスとなる前記間隙が形成されず、カソードオフガスがオフガス流入部３０から中空糸膜束２０内に流入し、前記中空糸膜束２０内の全体に行き渡る。この結果、全体に行き渡ったカソードオフガスにより各中空糸膜１８内を流通する空気を好適に加湿することができ、従来と比較して加湿効率を向上させることができる。

また、本実施形態に係る加湿器１０では、中空糸膜束２０と共に、メッシュ２２の延在方向に沿った両端部２２ａ、２２ｂをそれぞれポッティング部２４ａ、２４ｂによって保持（固着）することにより（図５参照）、カソードオフガスの流入方向に向かって凸状に湾曲した状態でメッシュ形状を保持することができ、メッシュ２２の剛性をより一層向上させることができる。

次に、燃料電池システム１００内に組み込まれる加湿器の変形例を以下に説明する。なお、以下の変形例において、図２に示される加湿器と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図６は、第１変形例に係る加湿器の軸線と略直交する方向の縦断面図である。
第１変形例に加湿器１０ａでは、断面矩形状に形成されたケース１６の上面にカソードオフガスが流入される複数のオフガス流入部３０ａ〜３０ｃが所定間隔離間して設けられている点に特徴がある。この場合、中空糸膜束２０中に設けられたメッシュ２２は、ケース１６の幅方向に沿って単一の曲率半径で湾曲するように形成されると共に、複数のオフガス流入部３０ａ〜３０ｃから流入されるカソードオフガスの下向きの流入方向と対向して盛り上がり湾曲するように形成されている。

図７は、第２変形例に係る加湿器の軸線と略直交する方向の縦断面図である。
第２変形例に係る加湿器１０ｂでは、断面矩形状に形成されたケース１６の上面部に複数のオフガス流入部３０ａ〜３０ｃが設けられると共に、中空糸膜束２０中に設けられたメッシュ３４は、前記複数のオフガス流入部３０ａ〜３０ｃから流入されるカソードオフガスの下向きの流入方向とそれぞれ対向するように盛り上がった複数の断面円弧部３４ａ〜３４ｃからなり、前記複数の断面円弧部３４ａ〜３４ｃが前記ケース１６の幅方向に沿って連続するように構成されている点に特徴がある。

図８は、第３変形例に係る加湿器の軸線と略直交する方向の縦断面図である。
第３変形例に係る加湿器１０ｃでは、断面円形状に形成されたケース１６ａの内部に軸心に沿って延在し、周方向に沿って略９０度ずつ離間する複数のオフガス流入部３０ａ〜３０ｄが設けられると共に、中空糸膜束２０中に設けられたメッシュ３６は、前記オフガス流入部３０ａ〜３０ｄから流入されるカソードオフガスの径方向外向きの流入方向とそれぞれ対向するように径方向内向きに盛り上がった断面円弧部３６ａ〜３６ｈが周方向に沿って複数連続して形成されている点に特徴がある。

換言すると、第３変形例に係る加湿器１０ｃでは、メッシュ３６を構成する複数の断面円弧部３６ａ〜３６ｈが、オフガス流入部３０ａ〜３０ｄに向かって対向するように断面円形状に形成されたケース１６ａの中心に向かって盛り上がった凸状となるように周方向に沿って折曲して形成されている点に特徴がある。

図９は、第４変形例に係る加湿器の軸線と略直交する方向の縦断面図である。
第４変形例に係る加湿器１０ｄでは、断面円形状に形成されたケース１６ａの外周面に周方向に沿って略４５度ずつ離間する複数のオフガス流入部３０ａ〜３０ｈを設けると共に、中空糸膜束２０中に設けられたメッシュ３８は、前記オフガス流入部３０ａ〜３０ｈから流入されるカソードオフガスの径方向内向きの流入方向とそれぞれ対向するように径方向外向きに盛り上がった断面円形部が周方向に沿って連続して形成されている点に特徴がある。

図１０は、第５変形例に係る加湿器のケースを省略した斜視図である。
第５変形例に係る加湿器１０ｅでは、断面矩形状に形成されたケース１６（図示を省略している）の上面にオフガス流入部３０とオフガス流出部３２とが軸方向に沿って所定間隔離間してそれぞれ配置され、中空糸膜束２０中に前記オフガス流入部３０からのカソードオフガスの下向きの流れ方向に対向して上向きに盛り上がって湾曲する第１メッシュ２２をケース１６の軸方向に沿って延在するように設けると共に、前記オフガス流出部３２から流出する上向きのカソードオフガスの流れ方向に対向して下向きに盛り上がって湾曲する第２メッシュ４０を設けている点に特徴がある。

前記第２メッシュ４０は、前記第１メッシュ２２と同一構成からなり、中空糸膜束２０の一端部を保持するポッティング部２４ａによって支持されることにより、その形状が保持される。

本発明の実施形態に係る加湿器が組み込まれた燃料電池システムのシステム構成図である。前記加湿器の斜視図である。図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った前記加湿器の軸方向の縦断面図である。（ａ）は、図２のＩＶ−ＩＶ線に沿った軸方向と直交する縦断面図、（ｂ）は、メッシュが設けられていない比較例に係る加湿器の軸方向と直交する縦断面図である。前記加湿器からケースを省略した中空糸膜束の斜視図である。第１変形例に係る加湿器の軸線と略直交する方向の縦断面図である。第２変形例に係る加湿器の軸線と略直交する方向の縦断面図である。第３変形例に係る加湿器の軸線と略直交する方向の縦断面図である。第４変形例に係る加湿器の軸線と略直交する方向の縦断面図である。第５変形例に係る加湿器のケースを省略した斜視図である。

符号の説明

１０、１０ａ〜１０ｅ加湿器
１６ケース
１８中空糸膜
２０中空糸膜束
２２、３４、３６、３８、４０メッシュ（荷重支持部材）
２４ａ、２４ｂポッティング部
２６空気流入部（第１流入部）
２８空気流出部
３０、３０ａ〜３０ｈオフガス流入部（第２流入部）
３２オフガス流出部

Claims

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ケースと、を備え、
第１流入部から流入する第１流体が前記中空糸膜内を流通し、前記第１流体と異なる湿度を有し第２流入部から流入する第２流体が前記ケース内であって前記中空糸膜外を流通し、
前記中空糸膜束内には、前記第２流体の流れ方向に対向して盛り上がった形状からなり、前記第２流体を通過させると共に、前記第２流入部から流入する前記第２流体が前記中空糸膜外を流通する際に前記中空糸膜に付与される荷重を支持する荷重支持部材が設けられ、
前記荷重支持部材は、前記中空糸膜束の輪切り断面方向からみて略アーチ状に形成されたメッシュからなり、
前記複数の中空糸膜束は、前記ケース内で前記荷重支持部材により２つに分割されることを特徴とする加湿器。
請求項１記載の加湿器において、
前記中空糸膜束及び前記メッシュは、前記ケースの両端部に設けられたポッティング部によってそれぞれ支持されることを特徴とする加湿器。