JP3927344B2

JP3927344B2 - 加湿装置

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Publication number: JP3927344B2
Application number: JP2000010972A
Authority: JP
Inventors: 寛士島貫; 佳夫草野; 幹浩鈴木; 敏勝片桐
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2000-01-19
Filing date: 2000-01-19
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2020-01-19
Also published as: US6755399B2; JP2001202978A; US20010015500A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加湿装置に関し、さらに詳しくは、中空糸膜を利用した加湿装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電気自動車の動力源などとして燃料電池が注目されている。この燃料電池には、いわゆる固体高分子型燃料電池のものがある。この固体高分子型の燃料電池においては、燃料電池から排出された湿潤気体であるオフガスの水分を乾燥気体に水分交換する加湿装置が用いられている。このような燃料電池に用いられる加湿装置としては、電力消費量が少ないものが好適である。また、取り付けスペースが小さい、いわばコンパクト性が求められる。そのため、加湿装置としては超音波加湿、スチーム加湿、気化式加湿、ノズル噴射などの種類があるものの、燃料電池に用いられる加湿装置としては、中空糸膜を用いたものが好適に利用されている。
【０００３】
従来の中空糸膜を用いた加湿装置として、たとえば特開平７−７１７９５号公報に開示されたものがある。この加湿装置について図１４を用いて説明すると、加湿装置１００は、ハウジング１０１を有している。ハウジング１０１には、乾燥エアを導入する第一の流入口１０２および乾燥エアを排出する第一の流出口１０３が形成されており、ハウジング１０１の内部に多数、たとえば５０００本の中空糸膜からなる中空糸膜束１０４が収納されている。
【０００４】
また、ハウジング１０１の両端部には、中空糸膜束１０４の両端部を開口状態で固定する固定部１０５，１０５′が設けられている。固定部１０５の外側には、湿潤エアを導入する第二の流入口１０６が形成されており、固定部１０５′の外側には、中空糸膜束１０４によって水分を分離・除去された湿潤エアを排出する第二の流出口１０７が形成されている。さらに、固定部１０５，１０５′はそれぞれ第一のヘッドカバー１０８および第二のヘッドカバー１０９によって覆われている。また、第二の流入口１０６は第一のヘッドカバー１０８に形成されており、第二の流出口１０７は第二のヘッドカバー１０９に形成されている。
【０００５】
このように構成された中空糸膜を用いた加湿装置１００において、第二の流入口１０６から湿潤エアを供給して中空糸膜束１０４を構成する各中空糸膜内を通過させると、湿潤エア中の水分は、中空糸膜の毛管作用によって分離され、中空糸膜の毛管内を透過して、中空糸膜の外側に移動する。水分を分離させられた湿潤エアは、第二の流出口１０７から排出される。
【０００６】
一方、第一の流入口１０２からは乾燥エアが供給される。第一の流入口１０２から供給された乾燥エアは、中空糸膜束１０４を構成する中空糸膜の外側を通流する。中空糸膜の外側には、湿潤エアから分離させられた水分が移動してきており、この水分によって乾燥エアが加湿される。そして、加湿された乾燥エアは第一の流出口１０３から排出されるというものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図１４に示す従来の加湿装置１００においては、乾燥エアを導入する第一の流入口１０２は、ハウジング１０１の長手方向における中央に寄った位置に形成されている。このため、ハウジング１０１に収納された中空糸膜束１０４における中空糸膜の外側を通る乾燥エアは、ハウジング１０１内で黒矢印で示すように、そのほとんどがハウジング１０１内の長手方向中央部を流れている。したがって、中空糸膜束１０４における端部に寄ったエリアＳ，Ｓでは充分な水分交換が行われていなかったので、中空糸膜内の透過水量に対して、水回収率が低くなってしまうという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明の課題は、ハウジングに収納された中空糸膜束における端部でも水分交換を充分行うことができるようにすることによって、水回収率の向上を図ることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決した本発明のうちの請求項１に係る発明は、ハウジングの長手方向に沿って配した多数の水透過性の中空糸膜を前記ハウジング内に収納し、前記中空糸膜の内側と外側にそれぞれ水分含量の異なる気体を通流して前記気体間で水分交換を行い、水分含量の少ない乾燥気体を加湿する加湿装置において、前記ハウジングの短手方向の略中央部に、前記中空糸膜の外側を通流する気体を通過させるバイパス管が前記ハウジングの長手方向に沿って形成されており、前記バイパス管は前記中空糸膜よりも大径であり、前記バイパス管に前記中空糸膜の外側を通流する気体を導入する導入口と前記中空糸膜の外側を通流する気体を前記ハウジング内に排出する排出口が形成され、前記ハウジング内に前記中空糸膜の外側を通流する気体を導入する流入口と、前記ハウジングから前記中空糸膜の外側を通流する気体を排出する流出口が前記ハウジングに形成されていることを特徴とする加湿装置である。
【００１０】
請求項１に係る発明においては、ハウジングの長手方向に沿って、中空糸膜の外側を通流する気体が通過するバイパス管が形成されている。このバイパス管は、中空糸膜よりも大径とされているので、ハウジング内に導入された中空糸膜の外側を通流する気体は、バイパス管まで導入される。このバイパス管を通過することによって、中空糸膜の外側を通流する気体をハウジング内の隅々まで送ることができる。したがって、ハウジング内における中空糸膜束の全域にわたって気体を供給することができるので、ハウジング内の端部における中空糸膜でも有効に水分交換を行うことができ、もって水回収率の向上に寄与することができる。なお、本発明にいう「ハウジングの短手方向略中央部」とは、ハウジングの短手方向中央部（軸中心）に完全に一致することを意味するのではなく、中央部から若干ずれた位置をも含める意味である。さらに言えば、バイパス管の周面が中空糸膜に囲まれている状態であればよい。
【００１１】
請求項２に係る発明は、前記排出口が前記バイパス管に複数形成され、これらの複数の排出口は前記バイパス管の長手方向に離間して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の加湿装置である。
【００１２】
請求項２に係る発明においては、バイパス管の長手方向に離間して複数の排出口が形成されているので、ハウジング内において、その長手方向にほぼ均等に中空糸膜の外側を通流する気体を排出することができる。このため、ハウジング内に収納された中空糸膜のほぼ全域に中空糸膜の外側を通流する気体を供給することができるので、中空糸膜全体において水分交換を行うことができる。したがって、水回収率をさらに向上させることができる。
【００１３】
請求項３に係る発明は、前記流入口および流出口は、前記バイパス管を隔てて互いに対向する位置に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の加湿装置である。
【００１４】
請求項３に係る発明においては、中空糸膜の外側を通流する気体の流入口と流出口がバイパス管を隔てて対向する位置に形成されている。このため、流入口から導入された中空糸膜の外側を通流する気体は、ハウジング内の短手方向に移動しながら中空糸膜の外側を通過する。したがって、中空糸膜の外側を通流する気体の移動径路が長くなるので、充分水分交換を行うことができる。よって、水回収率がさらに向上することになる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して具体的に説明する。図１は、燃料電池システムの全体構成図、図２は、燃料電池の構成を模式化した説明図であるまず、図１を参照して、本発明の実施の形態に係る加湿装置が適用される燃料電池システムの全体構成および作用について説明する。
【００１６】
燃料電池システムＦＣＳは、固体高分子型の燃料電池１、加湿装置２、気液分離装置３、空気圧縮機４、燃焼器５、燃料蒸発器６、改質器７、ＣＯ除去器８および水・メタノール混合液貯蔵タンク（以下「タンク」という）Ｔ等から構成される。
【００１７】
燃料電池１の内部は、酸素極側１ａと水素極側１ｂに分かれており、酸素極側１ａには酸化剤ガスとしての加湿空気が供給され、水素極側１ｂには燃料ガスとしての水素リッチガスが供給される。そして、電解質膜を介して水素と酸素とを化学反応させて化学エネルギから電気エネルギを取り出して発電を行う。
【００１８】
加湿空気は、乾燥気体である空気を圧縮し加湿することにより生成する。ここで、空気の圧縮は空気圧縮機４で行い、加湿は加湿装置２で行う。加湿装置２での空気の加湿は、燃料電池１の酸素極側１ａから排出され水分を多量に含むオフガスと相対的に水分を少量しか含まない空気との間で、水分の交換を行うことによりなされるが、この点は後に詳細に説明する。
【００１９】
一方、燃料ガスは、原燃料である水とメタノールの混合液を蒸発、改質およびＣＯ除去を行うことにより発生する。ここで、原燃料の蒸発は燃料蒸発器６で、改質は改質器７で、ＣＯ除去はＣＯ除去器８で行う。
【００２０】
燃料蒸発器６にはタンクＴに貯蔵された原燃料がポンプＰを介して供給され、改質器７には燃料蒸発器６で蒸発した原燃料ガスが供給され、ＣＯ除去器８には改質器７で改質された燃料ガスが供給される。なお、改質器７では触媒の存在下、メタノールの水蒸気改質および部分酸化が行われる。また、ＣＯ除去器８では触媒の存在下で選択酸化が行われ、ＣＯがＣＯ₂に転換される。ＣＯ除去器８は、ＣＯの濃度を可及的に低減するため、Ｎｏ．１ＣＯ除去器とＮｏ．２ＣＯ除去器の２つから構成される。また、ＣＯ除去器８には、選択酸化用の空気が空気圧縮機４から供給される。
【００２１】
なお、燃料電池１からは、反応生成物である水を多量に含む酸素極側１ａのオフガスおよび未利用の水素を含む水素極側１ｂのオフガスが同時に発生するが、酸素極側１ａのオフガスは、前記の通り加湿器２で空気の加湿用に使用された後、水素極側１ｂのオフガスと混合され、気液分離装置３で水分が除去される。そして、水分が除去されたオフガスは、燃焼器５で燃焼され燃料蒸発器６の熱源として使用される。なお、燃焼器５には、メタノールなどの補助燃料および空気が供給され、燃料蒸発器６の熱量不足を補ったり燃料電池システムＦＣＳの起動時の暖機を行ったりする。
【００２２】
次に、図２を参照して、燃料電池システムの中核をなす燃料電池の構成および作用について説明する。この図２における燃料電池１は、その構成を模式化して１枚の単セルとして表現してある（実際には燃料電池１は、単セルを２００枚程度積層した積層体として構成される）。
【００２３】
図２に示すように、燃料電池１は、電解質膜１３を挟んで酸素極側１ａと水素極側１ｂとに分けられ、それぞれの側に白金系の触媒を含んだ電極が設けられており、酸素極１２および水素極１４を形成している。そして、酸素極側ガス通路１１には酸化剤ガスとして加湿装置２で加湿された加湿空気が通流され、水素極側ガス通路１５には原燃料から発生した水素リッチな燃料ガスが通流される。電解質膜１３としては固体高分子膜、たとえばプロトン交換膜であるパーフロロカーボンスルホン酸膜を電解質として用いたものが知られている。この電解質膜１３は、固体高分子中にプロトン交換基を多数持ち、飽和含水することにより常温で２０Ω-プロトン以下の低い比抵抗を示し、プロトン導伝性電解質として機能する。したがって、触媒の存在下で水素極１４で水素がイオン化して生成したプロトンは、容易に電解質膜１３中を移動して酸素極１２に到達する。そして、酸素極１２に到達したプロトンは、触媒の存在下、加湿空気中の酸素から生成した酸素イオンと直ちに反応して水を生成する。生成した水は、加湿空気とともに湿潤気体であるオフガスとして燃料電池１の酸素極側１ａの出口から排出される。なお、水素極１４では水素がイオン化する際に電子ｅ^-が生成するが、この生成した電子ｅ^-はモータなどの外部負荷Ｍを経由して酸素極１２に達する。
【００２４】
このように加湿した加湿空気を酸化剤ガスとして燃料電池１に供給するのは、電解質膜１３が乾燥すると電解質膜１３におけるプロトン導伝性が低くなって発電効率が低下するからである。従って、固体高分子型の燃料電池１を使用する燃料電池システムＦＣＳにおいては、加湿が重要な意義を有する。
【００２５】
続いて、図３ないし図５を参照して本発明の第１の実施形態に係る加湿装置について説明する。なお、図３ないし図１１においては、本発明の「中空糸膜の内側を通流する気体」であるオフガスの流れを白矢印で示し、「本発明の中空糸膜の外側を通流する気体」である乾燥空気（加湿空気）の流れを黒矢印で示す。第１の実施形態に係る加湿装置２は、図３（ａ）に示すように、略円柱形をした中空糸膜モジュール２１を並列に２本有するとともに、箱型をした一端側分配器２２および他端側分配器２３を有し、全体として直方体形状とされている。２本の中空糸膜モジュール２１，２１は、一端側分配器２２および他端側分配器２３により水平に所定の間隔を置いて配置され固定されている。また、各中空糸膜モジュール２１，２１のそれぞれには、一端側分配器２２を介して乾燥空気の供給および湿潤したオフガスの排出、他端側分配器２３を介して乾燥空気が加湿されてなる加湿空気の排出およびオフガスの供給がなされる。
【００２６】
中空糸膜モジュール２１は、図３（ｂ）に示すように、ハウジング２１ａを有している。このハウジング２１ａには、図４および図５に示すように、その長手方向に沿って配した水透過性の中空糸膜を束ねて構成された中空糸膜束２１ｂが収納されている。中空糸膜は、内側から外側に達する口径数ｎｍ（ナノメートル）の微細な毛管を多数有しており、毛管中では、蒸気圧が低下して容易に水分の凝縮が起こる。凝縮した水分は、毛管現象により吸い出されて水が中空糸膜を透過する。
【００２７】
ハウジング２１ａは、両端が開放された中空円筒形状をしており、その長手方向の一端側に乾燥空気をハウジング２１ａ内に導入する８個の乾燥空気流入口２１ｃ，２１ｃ…が周方向に離間して形成されている。その一方、ハウジング２１ａにおける長手方向の他端側には、加湿された加湿空気の流出口となる８個の加湿空気流出口２１ｄ，２１ｄ…が周方向に離間して形成されている。
【００２８】
また、図５に示すように、ハウジング２１ａの短手方向中央部には、乾燥空気を通過させるバイパス通路を形成する中空のバイパス管２１ｅが配設されている。このバイパス管２１ｅの内径は中空糸膜よりも大径であり、たとえば直径１ｃｍ〜５ｃｍとされている。このバイパス管２１ｅの一端部側には、乾燥空気をバイパス管２１ｅに導入するための導入口２１ｆａ，２１ｆａ…が周方向に離間して複数、たとえば８個所に形成されている。この導入口２１ｆａ，２１ｆａ…が形成されている位置は、ハウジング２１ａの長手方向一端部近傍とされている。このため、導入口２１ｆａ、２１ｆａ…から導入される乾燥空気は、ハウジング２１ａ内における長手方向一端部近傍を通過することになる。なお、この端部近傍とは、具体的にたとえば、後述する一端部側のポッティング部２１ｇから１ｃｍ程度の位置とされている。また、ポッティング部２１ｇから３ｃｍ、５ｃｍ程度の位置とすることもできる。また、バイパス管２１ｅの他端部側には、バイパス管２１ｅ内を通過してきた乾燥空気を排出する排出口２１ｆｂ，２１ｆｂ…が周方向に離間して複数、たとえば８個所に形成されている。この排出口２１ｆｂ，２１ｆｂ…が形成されている位置は、ハウジング２１ａの長手方向他端部近傍とされている。このため、排出口２１ｆｂ、２１ｆｂ…から排出される乾燥空気は、ハウジング２１ａ内における長手方向他端部近傍を通過することになる。なお、この端部近傍とは、前記の一端部側と同様、具体的にたとえば、後述する他端部側のポッティング部２１ｈから１ｃｍ程度の位置とされている。また、ポッティング２１ｈから３ｃｍ、５ｃｍ程度の位置とすることもできる。
【００２９】
そして、乾燥空気流入口２１ｃ，２１ｃ…からハウジング２１ａ内に導入された乾燥空気の一部は、そのままハウジング２１ａ内を乾燥空気流出口２１ｄ，２１ｄ…が形成されている方向に流れる。その他の乾燥空気は、バイパス管２１ｅの導入口２１ｆａ，２１ｆａ…からバイパス管２１ｅ内のバイパス通路に導入される。バイパス管２１ｅ内に導入された乾燥気体は、バイパス管２１ｅ内を通過し、排出口２１ｆｂ，２１ｆｂ…から排出されるようになっている。
【００３０】
一方、ハウジング２１ａに収容される中空糸膜束２１ｂは、中空通路を有する水透過性の中空糸膜を多数、たとえば数千本束ね、一端部側にポッティング部２１ｇ、他端部側にポッティング部２１ｈを設けるようにしてポッティングされている。ハウジング２１ａの一端部側に設けられたポッティング部２１ｇは、乾燥気体流入口２１ｃ，２１ｃ，が形成されている位置より若干端部側に位置している。
【００３１】
また、ポッティング部２１ｇの外側にはオフガス流出口２１ｉが形成されている一方、ポッティング部２１ｈのさらに外側にはオフガス流入口２１ｊが形成されている。こうして、ポッティング部２１ｇ，２１ｈを隔てた場合に、オフガス流入口２１ｊおよびオフガス流出口２１ｉは中空糸膜束２１ｂを形成する各中空糸膜の内側と連通し、各中空糸膜の外側とオフガス流入口２１ｊおよびオフガス流出口２１ｉとは気密状態を保つとともに、中空糸膜の内側である中空通路を通流するオフガスと中空糸膜の外側を通流する乾燥空気が混合しないようになっている。さらには、オフガス流入口２１ｊから流入したオフガスは、ポッティング部２１ｈよりも外側の位置において各中空糸膜に分配され、各中空糸膜から排出されたオフガスはポッティング２１ｇよりも外側位置で集められるようになっている。このような中空糸膜モジュール２１は、ハウジング２１ａに所定数の中空糸膜の束を挿通し、両端面近傍を接着剤で充分接着固定してポッティング部２１ｇ，２１ｈを形成した後、ハウジング２１ａの両端に沿って中空糸膜の束を切断除去することにより作成される。
【００３２】
他方、一端側分配器２２は、他端側分配器２３とともに２本の中空糸膜モジュール２１，２１を所定の位置関係で固定している。この一端側分配器２２は、オフガス出口２２ａおよび乾燥空気入口２２ｂを有する。オフガス出口２２ａは、図４（ａ），（ｂ）に示すように、一端側分配器２２の内部に配した内部流路２２ａ′によって各中空糸膜モジュール２１，２１のオフガス流出口２１ｉと連通している。また、乾燥空気入口２２ｂは、図４（ａ），（ｃ）に示すように、一端側分配器２２の内部に配した内部流路２２ｂ′によって各中空糸膜モジュール２１，２１の一端部側に形成された乾燥空気流入口２１ｃ，２１ｃ…と連通している。
【００３３】
一方、他端側分配器２３には、オフガス入口２３ａおよび加湿空気出口２３ｂが形成されている。オフガス入口２３ａは、図４（ａ）に示すように、他端側分配器２３の内部に配した内部流路２３ａ′によって各中空糸膜モジュール２１，２１のオフガス流入口２１ｊと連結されている。また、加湿空気出口２３ｂは、他端側分配器２３の内部に配した内部流路２３ｂ′によって、中空糸膜モジュール２１，２１の他端部側に形成された乾燥空気流出口２１ｄ，２１ｄ…と連通している。
【００３４】
このように中空糸膜モジュール２１をパッケージングすることにより、取り扱いの容易さを確保しつつ省スペース化を図ることができる。
【００３５】
次に、図３ないし図６を参照して本発明に係る加湿装置２の作用を説明する。湿潤気体であるオフガスは、図３および図４に示す他端側分配器２３のオフガス入口２３ａから加湿装置２に流入する。他端側分配器２３に流入したオフガスは、内部流路２３ａ′を経由して中空糸膜モジュール２１のオフガス流入口２１ｊに達する。このオフガス流入口２１ｊを介してハウジング２１ａ内に流入したオフガスは、中空糸膜束２１ｂにおける各中空糸膜に向けて分岐し、その内側を通流する。中空糸膜の内側を通流したオフガスは、各中空糸膜を抜け出てオフガス流出口２１ｉから流出される。オフガス流出口２１ｉから流出したオフガスは、一端側分配器２２の内部通路２２ａ′を通流して合流する。そして、オフガス出口２２ａに達してオフガス出口２２ａから排出され、後段の気液分離装置３に向かう。
【００３６】
一方、乾燥気体である乾燥空気は、一端側分配器２２の乾燥空気入口２２ｂから加湿装置２に入り、内部流路２２ｂ′を経由して分配され各中空糸膜モジュール２１，２１の一端部側に形成された乾燥空気流入口２１ｃ，２１ｃ…からハウジング２１ａ内に導入される。ハウジング２１ａ内に導入された乾燥空気は、中空糸膜の外側を通流する。このとき、中空糸膜の外側を乾燥空気が通流し、中空糸膜の内側にはオフガスが通流しており、中空糸膜によってオフガスから水分が分離されている。この分離された水分によって、中空糸膜の外側を通流する乾燥空気が加湿されて加湿空気となる。
【００３７】
この点についてさらに説明すると、中空糸膜の内側に水分を多く含有するオフガスを通流し、外側に相対的に水分を少ししか含有しない乾燥空気を通流する。すると、中空糸膜の内側ではオフガス中の水分が凝縮し、外側では乾燥空気によって水分が蒸発する。同時に、中空糸膜の内側から外側に向けて、内側で凝縮したオフガスの水分が毛管現象により供給される。これにより、中空糸膜の外側を通流する乾燥空気の加湿が行われる。つまり、中空糸膜においては、中空糸膜の内側と外側を通流する気体の水分含有量の差を推進力として、水透過（水分離）が行われる。
【００３８】
こうして得られた加湿空気は、乾燥空気流出口２１ｄ，２１ｄ…から出口側分配器２３における内部流路２３ｂ′に向けて排出される。内部流路２３ｂ′では、中空糸膜モジュール２１から排出された加湿空気が集められて加湿空気出口２３ｂに向かい、その後、加湿空気出口２３ｂを経て後段の気液分離装置３に供給される。
【００３９】
このようにして、オフガスと乾燥空気との間で水分交換が行われるが、本発明においては、図５に黒矢印で示すように、乾燥空気流入口２１ｃ，２１ｃからハウジング２１ａ内に導入された乾燥空気の一部は、そのまま中空糸膜束２１ｂ間における中空糸膜の外側を通流して乾燥空気流出口２１ｄ，２１ｄ…に向けて移動する。その一方、ハウジング２１ａ内に導入された乾燥空気のうちの残りは、導入口２１ｆａ，２１ｆａを介してバイパス管２１ｅ内に流入する。バイパス管２１ｅ内においては、バイパス管２１ｅの外側よりも抵抗値が低いので容易に排出口２１ｆｂ，２１ｆｂ…まで乾燥空気が移動する。こうして、排出口２１ｆｂ，２１ｆｂ…の位置まで移動してきた乾燥空気は、排出口２１ｆｂ，２１ｆｂ…から、バイパス管２１ｅの外側であってハウジング２１ａの内側に排出される。
【００４０】
このように、乾燥空気流入口２１ｃ，２１ｃ…から導入され、そのまま中空糸膜束２１ｂ間における中空糸膜の外側を通流して乾燥空気流出口２１ｄ，２１ｄ…に向かった乾燥空気は、ハウジング２１ａ内に収納された中空糸膜束２１ｂのうち、長手方向中央部分において主に水分交換が行われる。一方、バイパス管２１ｅ内を通過した乾燥空気は、ハウジング２１ａ内に収納された中空糸膜束２１ｂのうち、長手方向両端部分のエリアＳ，Ｓにおいて主に水分交換が行われる。このため、ハウジング２１ａ内における全域において、ほぼ均一に乾燥空気を行き渡らせることができる。したがって、中空糸膜束２１ｂの全体においてほぼ均一に水分交換を行うことができるので、水回収率を向上させることができる。
【００４１】
次に、本発明の第２の実施形態について図７および図８を参照して説明する。図７は、第２の実施形態に係る中空糸膜モジュールの側断面図、図８（ａ）は、図７のＸ−Ｘ線断面図、（ｂ）は図７のＹ−Ｙ線断面図である。なお、本実施形態は、前記第１の実施形態と共通する部分もあるので、前記第１の実施形態と異なる部分について主に説明し、前記第１の実施形態と共通する部分については、図面中において同一の番号を付してその説明を省略する。
【００４２】
図７および図８に示すように、本実施形態に係る中空糸膜モジュール３１は、前記第１の実施形態と異なる構成として、ハウジング２１ａ内にバイパス通路を形成するバイパス管３１ｅが配設されている。
【００４３】
このバイパス管３１ｅには、一端側分配器２２の乾燥空気流入口２２ｂから乾燥空気をバイパス管３１ｅ内に直接導入する導入管３１ｆａが設けられている。また、バイパス管３１ｅには多数の排出口３１ｆｂ，３１ｆｂ…が形成されており、これらの排出口３１ｆｂ，３１ｆｂ…はそれぞれバイパス管３１ｅの長手方向に離間して配置されている。その他の構成については、前記第１の実施形態と実質的に同一である。
【００４４】
かかる構成を有する本実施形態の作用について述べる。本実施形態においては、一端側分配器２２における内部流路２２ｂ′を経てきた乾燥空気が、ハウジング２１ａにおける乾燥空気流入口２１ｃ，２１ｃ…からハウジング２１ａ内に導入される。それとともに、乾燥空気は、導入管３１ｆａを通過してバイパス管３１ｅ内に導入される。
【００４５】
乾燥空気流入口２１ｃ，２１ｃ…から導入された乾燥空気は、ハウジング２１ａ内において直接乾燥空気流出口２１ｄに向けて移動する。一方、バイパス管３１ｅ内に導入された乾燥空気は、バイパス管３１ｅの長手方向に離間して配置された多数の排出口３１ｆｂ，３１ｆｂ…からバイパス管３１ｅの外側に排出される。これら多数の排出口３１ｆｂ，３１ｆｂ…は、バイパス管３１ｅの長手方向に離間して配置されているので、バイパス管３１ｅを経て導入された乾燥空気は、ハウジング２１ａの長手方向中央部および端部に相当するエリアＳ，Ｓに至るまで、ハウジング２１ａ内における全体の隅々にまで行き渡ることになる。
【００４６】
このため、ハウジング２１ａの長手方向の両端部および中央部においても、中空糸膜束２１ｂと乾燥空気とが水分交換を行うことができる。したがって、中空糸膜２１ｂの両端部から中央部に至る全域において充分に水分交換を行うことができるので、水回収率を向上させることができる。
【００４７】
また、こうして乾燥空気流入口２１ｃ，２１ｃ…およびバイパス管３１ｅの排出口３１ｆｂ，３１ｆｂ…からハウジング２１ａにおける中空糸膜の外側部位に導入された乾燥空気は、中空糸膜の外側を通流する。このときに、乾燥空気は、中空糸膜内を通流するオフガスの水分によって加湿されて加湿気体となる。そして、加湿気体流出口から排出されて、適宜の流路を経て図１に示す後段の気液分離装置３に供給される。
【００４８】
続いて、第３の実施形態について図９を参照して説明する。図９は、第３の実施形態に係る中空糸膜モジュールの側断面図である。本実施形態においても、第１の実施形態と同一の部分については同一の番号を付してその説明を省略する。
【００４９】
図９に示すように、本実施形態に係る中空糸膜モジュール４１においては、ハウジング４１ａの長手方向中央部が軸中心方向に向けてくびれている。このくびれにより、ハウジング４１ａ内に収納されている中空糸膜束４１ｂの長手方向中央部は、軸中心方向によっている。その他の部分については、前記第１の実施形態と同一である。
【００５０】
かかる構成を有する本実施形態においては、前記第１の実施形態同様、乾燥空気流入口２１ｃ,２１ｃ…からハウジング４１ａ内に乾燥空気が導入され、その一部は乾燥空気流出口２１ｄ，２１ｄ方向に直接移動する。乾燥空気の他部は、バイパス管２１ｅの一端部側に形成されたに導入口２１ｆａ，２１ｆａ…からバイパス管２１ｅ内に導入される。バイパス管２１ｅ内に導入された乾燥空気は、バイパス管２１ｅの他端部側に形成された排出口２１ｆｂ，２１ｆｂ…から排出される。
【００５１】
ここで、本実施形態では、ハウジング４１ａの長手方向中央部が軸中心方向に向けてくびれている。そのため、乾燥空気流入口２１ｃ，２１ｃ…から導入された乾燥空気が通過する部位における中空糸膜束４１ｂの断面積が小さくなっているので、乾燥空気が中空糸膜束４１ｂ全体に行き渡りやすくなる。
【００５２】
さらに、参考例について図１０を参照して説明する。図１０は、参考例に係る中空糸膜モジュールの側断面図である。参考例においても、第１の実施形態と同一の部分については同一の番号を付してその説明を省略する。
【００５３】
図１０に示すように、参考例に係る中空糸膜モジュール５１においては、ハウジング２１ａ内にバイパス管５１ｅが配設されている。バイパス管５１ｅには、バイパス管５１ｅ内に乾燥空気を導入する太径の導入管５１ｆａが設けられている。また、参考例では乾燥空気をハウジング２１ａ内に直接導入する乾燥空気流入口は形成されていない。このため、一端側分配器２２の内部流路２２ｂ′を経てきた乾燥空気は、すべてバイパス管５１ｅ内に導入される。
【００５４】
また、バイパス管５１ｅには、複数の排出口５１ｆｂ，５１ｆｂ…が形成されており、これらの排出口５１ｆｂ，５１ｆｂ…は、バイパス管５１ｅの長手方向に離間して配置されている。その他の部分については、前記第１の実施形態と同一である。
【００５５】
かかる構成を有する参考例においては、バイパス管５１ｅにおける導入口５１ｆａより、バイパス管５１ｅ内に乾燥空気が導入される。バイパス管５１ｅ内に導入された乾燥空気は、バイパス管５１ｅの長手方向に離間して形成された複数の排出口５１ｆｂ，５１ｆｂ…からハウジング２１ａ内に収納された中空糸膜束２１ｂに向けて排出される。このとき、排出口５１ｆｂ,５１ｆｂ…は、バイパス管５１ｅの長手方向に離間して複数形成されているので、中空糸膜束２１ｂの全域にわたって乾燥空気を供給することができる。したがって、中空糸膜２１ｂの全域において充分に水分交換を行うことができるので、水回収率を向上させることができる。
【００５６】
次に、第４の実施形態について図１１を参照して説明する。図１１は、第４の実施形態に係る中空糸膜モジュールの側断面図である。本実施形態においても、第１の実施形態と同一の部分については同一の番号を付してその説明を省略する。図１１に示すように、本実施形態に係る中空糸膜モジュール６１は、ハウジング２１ａの一端部側に乾燥空気流入口６１ｃが、他端部側に形成されている乾燥空気流出口６１ｄがそれぞれ一つずつ形成されている。また、これらの乾燥空気流入口６１ｃおよび乾燥空気流出口６１ｄは、バイパス管２１ｅを隔てて互いに対向する位置に配置されている。
【００５７】
かかる構成を有することにより、本実施形態では、バイパス管２１ｅの排出口２１ｆｂ，２１ｆｂ…から排出された乾燥空気は、ハウジング２１ａ内の短手方向にも行き渡ることになる。したがって、ハウジング２１ａ内を通流する乾燥気体の移動経路が長くなり、ハウジング２１ａ内で乾燥空気が滞留し、中空糸膜束２１ｂを構成する中空糸膜との接触時間が長くなるので、充分に水分交換を行うことができる。よって、水回収率の向上に寄与することができる。
【００５８】
他方、前記各実施形態においては、バイパス管をハウジングの短手方向中央部に配設したが、この位置に配設することは必須ではない。たとえば、図１２に示すように、仮想線で示す中央位置に配設したバイパス管２１ｅを、若干下方にオフセットさせる態様とすることができる。また、図示はしないが、もちろん上方や側方、さらには斜め方向にオフセットさせる態様とすることもできる。
【００５９】
あるいは、バイパス管は１本のみとする必要はない。たとえば、図１３（ａ）に示すように、２本のバイパス管２１ｅ，２１ｅを配設することができるし、図１３（ｂ）に示すように、３本のバイパス管２１ｅ，２１ｅ，２１ｅを配設することもできる。
【００６０】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、前記の各実施形態に限定されるものではない。たとえば、ハウジング内においてオフガスと乾燥空気を向流となるように通流させているが、並流となるように通流させる態様とすることもできる。
【００６１】
このとき、乾燥空気とオフガスを向流とするメリットとしては、中空糸膜内の湿度濃度差を均一化することができるので、水透過効率が向上することが挙げられる。また、気体の入口と出口が対向することになるので、ガス配管のレイアウト性が向上する。さらには、中空糸膜による熱交換効率が良くなるので、ガスの冷却性能が向上する。しかも、熱交換率が高いので、乾燥空気の出口の温度をオフガスの出口の温度に合わせやすいため、温度調節が容易となる。したがって、燃料電池へ供給する空気の湿度を管理しやすくなる。
【００６２】
ここで、加湿装置が有する温度調節機能について補足する。例えば、スーパーチャージャなどの空気圧縮機で圧縮された乾燥空気は、おおよそ３０℃（燃料電池のアイドリング時）〜１２０℃（燃料電池の最高出力時）の間で温度が変化する。一方、燃料電池は温度調節下約８０℃で運転され、８０℃＋α程度のオフガスが排出される。このオフガスと空気圧縮機で圧縮された乾燥空気を加湿装置に通流すれば、中空糸膜において水分移動とともに熱移動も起こり、乾燥空気はオフガスに近い温度（つまり燃料電池の運転温度に近い安定した温度）の加湿空気になって燃料電池に供給される。即ち、乾燥空気は、燃料電池のアイドリング時などの低出力時には加湿装置により加湿および加温されて燃料電池に供給され、燃料電池の最高出力時などの高出力時には加湿装置により加湿および冷却され、安定した温度範囲の加湿空気として燃料電池に供給される。したがって、加湿装置が有する温度調節機能により燃料電池を好適な温度条件で運転することができ、燃料電池の発電効率が高くなる。
【００６３】
また、空気圧縮機の吐出側にインタークーラが取り付けられる場合は、空気圧縮機で圧縮された乾燥空気は冷却（又は加温）され、おおよそ５０℃（燃料電池のアイドリング時）〜６０℃（燃料電池の最高出力時）の間で温度が変化する。このインタークーラを通過した乾燥空気をオフガス（８０℃＋α）が通流する加湿装置に通流すれば、乾燥空気は、中空糸膜において加湿及び温度調節（加温）されオフガスに近い温度、つまり燃料電池の運転温度に近い安定した温度範囲の加湿空気になって燃料電池に供給される。したがって、インタークーラが取り付けられた場合も、加湿装置が有する温度調節機能により燃料電池を好適な温度条件で運転することができ、燃料電池の発電効率が高くなる。
【００６４】
一方、乾燥空気とオフガスを並流とするメリットとしては、乾燥空気とオフガスが入口部分で湿度濃度差が高いので、加湿効率が向上するため、中空糸膜自体の全長を短縮できるので、装置の小型化に寄与することが挙げられる。また、装置を小型化できるので、中空糸を整列させて束ねることが容易となり、これらのことにより、コストの低減に寄与する。さらには、乾燥空気の熱交換率が低くなるので、高出力時に燃料電池に供給するガス温度を高めに設定することができる。したがって、燃料電池の効率を向上させることができる。
【００６５】
また、加湿装置は中空糸膜モジュールを２本備えているが、１本やそれ以外の本数でもよいことはいうまでもない。さらに、前記各実施形態では「中空糸膜の内側を通流する気体」をオフガスとし、「中空糸膜の外側を通流する気体」を乾燥空気としているが、これらを逆にすることもできる。
【００６６】
なお、中空糸膜モジュールなどのハウジング内における乾燥空気（加湿空気）が通流する部分に水分が凝縮して水溜りを生じると、中空糸膜の外側の表面積を有効に活用することができなくなるおそれがある。したがって、ハウジング内に水溜りが生じないように、中空糸膜モジュールなどの下方からも、加湿空気を抜き出せるようにしておくのが好ましい。このようにすることで、凝縮した水を加湿空気とともに容易にハウジング内から抜き出すことができ、水溜りの発生を防止する。なお、抜き出した水は、キャッチタンクなどにより捕集し、他の系に廻すなどして再利用するのが好ましい。
【００６７】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明のうちの請求項１に係る発明によれば、バイパス通路を通過することによって、中空糸膜の外側を通流する気体をハウジング内の隅々まで送ることができる。したがって、ハウジング内における中空糸膜束の全域にわたって中空糸膜の外側を通流する気体を供給することができるので、ハウジング内の端部における中空糸膜でも有効に水分交換を行うことができ、もって水回収率の向上に寄与することができる。
【００６８】
請求項２に係る発明によれば、バイパス管の長手方向に離間して複数の排出口が形成されているので、ハウジング内において、その長手方向にほぼ均等に中空糸膜の外側を通流する気体を排出することができる。このため、ハウジング内に収納された中空糸膜のほぼ全域に中空糸膜の外側を通流する気体を供給することができるので、中空糸膜全体において水分交換を行うことができる、水回収率をさらに向上させることができる。
【００６９】
請求項３に係る発明によれば、流入口から導入された中空糸膜の外側を通流する気体は、ハウジング内の短手方向に移動しながら中空糸膜の外側を通過する。したがって、中空糸膜の外側を移動する中空糸膜の外側を通流する気体の移動径路が長くなるので、充分水分交換を行うことができる。よって、水回収率をさらに向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池システムの全体構成図である。
【図２】燃料電池の構成を摸式化した説明図である。
【図３】（ａ）は、本発明に係る加湿装置を示す斜視図、（ｂ）は、中空糸膜モジュールの斜視図である。
【図４】（ａ）は、本発明に係る加湿装置の側断面図、（ｂ）は、（ａ）のＸ−Ｘ線断面図、（ｃ）は、（ａ）のＹ−Ｙ線断面図である。
【図５】第１の実施形態に係る中空糸膜モジュールの側断面図である。
【図６】（ａ）は、図５のＸ−Ｘ線断面図、（ｂ）は、図５のＹ−Ｙ線断面図である。
【図７】第２の実施形態に係る中空糸膜モジュールの側断面図である。
【図８】（ａ）は、図７のＸ−Ｘ線断面図、（ｂ）は、図７のＹ−Ｙ線断面図である。
【図９】第３の実施形態に係る中空糸膜モジュールの側断面図である。
【図１０】参考例に係る中空糸膜モジュールの側断面図である。
【図１１】第４の実施形態に係る中空糸膜モジュールの側断面図である。
【図１２】第１の実施形態に係る中空糸膜モジュールの変形例を示す縦断面図である。
【図１３】（ａ）は、第１の実施形態に係る中空糸膜モジュールの変形例を示す縦断面図、（ｂ）は、第１の実施形態に係る中空糸膜モジュールの他の変形例を示す縦断面図である。
【図１４】従来の加湿装置の側断面図である。
【符号の説明】
１燃料電池
２加湿装置
２１ａハウジング
２１ｂ中空糸膜束
２１ｃ乾燥空気流入口
２１ｄ乾燥空気流出口
２１ｅバイパス管（バイパス通路）
２１ｆａ導入口
２１ｆｂ排出口
２１ｉオフガス流入口
２１ｊオフガス流出口
ＦＣＳ燃料電池システム

Claims

ハウジングの長手方向に沿って配した多数の水透過性の中空糸膜を前記ハウジング内に収納し、前記中空糸膜の内側と外側にそれぞれ水分含量の異なる気体を通流して前記気体間で水分交換を行い、水分含量の少ない乾燥気体を加湿する加湿装置において、
前記ハウジングの短手方向の略中央部に、前記中空糸膜の外側を通流する気体を通過させるバイパス管が前記ハウジングの長手方向に沿って形成されており、
前記バイパス管は前記中空糸膜よりも大径であり、
前記バイパス管に前記中空糸膜の外側を通流する気体を導入する導入口と前記中空糸膜の外側を通流する気体を前記ハウジング内に排出する排出口が形成され、
前記ハウジング内に前記中空糸膜の外側を通流する気体を導入する流入口と、前記ハウジングから前記中空糸膜の外側を通流する気体を排出する流出口が前記ハウジングに形成されていることを特徴とする加湿装置。
前記排出口が前記バイパス管に複数形成され、これらの複数の排出口は前記バイパス管の長手方向に離間して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の加湿装置。
前記流入口および流出口は、前記バイパス管を隔てて互いに対向する位置に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の加湿装置。