CN1471620A

CN1471620A - 加湿装置

Info

Publication number: CN1471620A
Application number: CNA018182054A
Authority: CN
Inventors: 冈田启二
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; Nok Corp
Priority date: 2000-11-06
Filing date: 2001-11-06
Publication date: 2004-01-28
Anticipated expiration: 2021-11-06
Also published as: EP1338852A1; ES2324980T3; AU2002211022A1; ATE427460T1; EP1338852B1; US7040606B2; CA2427994A1; WO2002037033A1; US20050121812A1; KR20030044071A; DE60138214D1; JP4610715B2; KR100834121B1; JP2002147802A; EP1338852A4; CN1212495C; CA2427994C

Abstract

在有底的筒状的内壳体和与内壳体同心设置的筒状的外壳体之间的间隙中填充多个中空纤维膜，通过设置从由成型加工制作成圆筒形状的中空纤维膜束的束内部连通到束外部的流体路径，从而能够使所有的中空纤维膜都有助于加湿作用，提高加湿效率。

Description

加湿装置

技术领域

本发明涉及对例如供给燃料电池的气体进行加湿的加湿装置。

背景技术

在固体高分子型燃料电池中，有必要装设加湿供给氢等燃料气体及氧等氧化剂气体(以下将两者称为反应气体)的装置。

作为这种加湿装置，公知的有例如特开平8-273687号公报中所公开的，利用中空纤维膜的加湿装置。

参照图5，对现有技术中的加湿装置进行说明。图5是现有技术中加湿装置的模式剖面图。

如图所示，现有技术中的加湿装置100大体由壳体101、填充在该壳体101中的中空纤维膜束构成。

壳体101略呈圆筒形状，在圆筒的一端具有开口部101a，另一端具有开口部101b，另外，在侧壁面上具有开口部101c、101d。

并且，在该壳体101的内部，填充有中空纤维膜束102。中空纤维膜束102的一端仅在开口部101a处对中空内部开放，而中空纤维膜的外壁面之间及壳体101的内壁面之间被封闭，中空纤维膜束的另一端也同样，仅在开口部101b处对中空内部开放，而中空纤维膜的外壁面之间及壳体101的内壁面之间被封闭。

另外，中空纤维膜束102的侧面侧，与壳体101之间设有间隙103。

这样，从开口部101a侧进入中空纤维膜束102的中空纤维膜的中空内部(箭头S0)，通过中空内部，到达中空纤维膜束102的另一端侧(S1)，形成第1路径。另外，从开口部101d进入壳体101内(箭头T0)，通过间隙103，从开口部101c到达壳体101外部，形成第2路径。

由此，例如，通过在第1路径中通入反应气体，在第2路径中通入水，使第2路径内的水，透过中空纤维膜的膜，扩散到第1路径中，由此加湿了第1路径中的反应气体。

这样，因为其构成是利用使水透过中空纤维膜的膜来进行加湿，所以流动的水接触中空纤维膜的面积越大，越能促进加湿作用。

可是，在上述的现有技术中，因为其构成是将多数个中空纤维膜形成圆柱状的束，并使水在其外周壁面流动，所以水被沿着轴线流经束的外周表面。因此，存在水不能充分地浸透到束的内部，束的中心附近的中空纤维膜不能起到有效的作用，加湿效率低这样的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实现了加湿效率提高的加湿装置。

为实现上述目的，本发明的加湿装置，具备

有底的筒状的内壳体、

与该内壳体同心设置的筒状的外壳体、和

填充在该外壳体与内壳体之间的环状间隙中的中空纤维膜束；

其特征在于：还具有

从上述中空纤维膜束的一端侧通过各中空纤维膜束的中空内部到达另一端侧的第1路径，和

从设置在上述内壳体的侧壁面上的第1开口部通过中空纤维膜束内部的各中空纤维膜束外壁面到达设置在上述外壳体的侧壁面上的第2开口部的第2路径；

在上述第1路径及第2路径中的任意一方中流过加湿对象气体，而在另一路径中流过含有水分的流体。

在此，第1路径的上游侧既可以作为中空纤维膜束的一端侧，也可以作为其另一端侧。另外，第2路径的上游侧既可以作为设置在内壳体的侧壁面上的第1开口部，也可以作为设置在外壳体的侧壁面上的第2开口部。

因此，第2路径由于是以从环状间隙的内壁侧到达外壁侧的方式被设置，所以该路径，成为从填充在环状间隙内的中空纤维膜束的内径侧通到外径侧。

可以将上述第1开口部设置在中空纤维膜束的一端附近；

将上述第2开口部设置在中空纤维膜束的另一端附近。

由此，第2路径成为从中空纤维膜束的一端侧通到另一端侧。

上述第1开口部，可以在相对于轴方向的不同位置处设置多个，同时这些开口部的口径，以随着向内壳体的底端靠近逐渐缩小的方式设定。

由此，在使流体在内壳体的筒内向底部流动的情况下，能够使流体均匀地从各开口部流入到中空纤维膜束中。

可以在上述内壳体的外周面与上述中空纤维膜束的内周面之间设置间隙。

这样，在使流体从设置在内壳体的第1开口部向中空纤维膜束流动的情况下，能够使流体均匀地在中空纤维膜束的内周面流动。

可以将加湿后的气体供给给燃料电池。

附图说明

图1是本发明的第1实施形态中加湿装置的剖面模式图。

图2是显示本中空纤维膜的端部的立体图。

图3是本发明的第5实施例中加湿装置的剖面模式图。

图4是本发明的第6实施例中加湿装置的剖面模式图。

图5是现有技术中加湿装置的剖面模式图。

具体实施方式

下面，参照附图，对本发明的优选的实施形态举例地详细说明。但是，记载于本实施形态中的构成部件的尺寸、材质、形状及其相对配置关系等，只要无特别特定性的记载，并不构成对本发明的范围的限定。

参照图1及图2，对本发明的第1实施形态的加湿装置进行说明。图1是本发明的第1实施形态的加湿装置的剖面模式图，图2是表示本中空纤维膜的端部的立体图。

本实施形态的加湿装置1，是对例如固体高分子型燃料电池的反应气体(如上所述的氢等燃料气体或氧等氧化剂气体)进行加湿的装置。

并且，加湿装置1，如图所示，大体是由内壳体3、与该内壳体3同心设置的外壳体4和填充在该等壳体之间的中空纤维膜束2构成。

内壳体3由有底的筒状部件构成，一端具有开口部32，且侧壁面具有开口部(第1开口部)31。另外，开口部31既可以是单个，也可以是多个(相对圆周方向或轴向的多个)，可以根据需要而定。再者，通常，设定的个数越多，越可以提高加湿装置的效率。

外壳4由筒状部件构成，在两端分别具有开口部43、44。但是，在图示的例子中，以在一端侧的路径弯折成直角的方式形成开口部44。并且，在侧壁面也设置开口部(第2开口部)41。

另外，开口部41，设置在以在中空纤维膜束2的侧面与外壳体4之间形成间隙42的方式使外壳体4的直径变大的部分的圆周的一部分上。这是为了通过使流经第2路径的流体能够沿间隙42迂回，来防止流体集中于开口部41附近。

并且，多个中空纤维膜21，被填充在内壳体3与外壳体4之间的环状间隙中，形成中空纤维膜束2，该中空纤维膜束2形成中空的圆筒形状的构造体。

在此，各中空纤维膜21，形成仅是中空内部在临近外壳体4的两端的开口部43、44处被开放的构造。即，在开口部43侧的端部，各中空纤维膜21的外壁面之间及与外壳体4的内壁面之间被密封剂封闭。另外，在开口部44侧的端部，各中空纤维膜21的外壁面之间、与外壳体4的内壁面及内壳体3的外壁面之间被密封剂封闭。由此，在各中空纤维膜21的两端，仅中空内部朝向开口部开放。

并且，构成为设置于上述的内壳体3上的开口部31、及设置于外壳体4上的开口部41，位于较被密封剂封闭的位置靠内侧(沿轴方向的内侧)处。

这样，从中空纤维膜束2的一侧端(开口部43侧)进入中空纤维膜21的中空内部(箭头S0)，通过中空内部21，到达中空纤维膜束2的另一端侧(开口部44侧)(箭头S1)，形成第1路径。

另外，从开口部32进入内壳体3(箭头T0)，从开口部31进入内壳体3与外壳体4之间的间隙并进入中空纤维膜束2的内部，通过中空纤维膜21的外壁面之间，由设置在外壳体4上的开口部41到达装置外部，形成第2路径。

另外，该等第1路径及第2路径的箭头所示的顺序路径，是为了对路径进行说明，并不意味着一定要按照该箭头所示的方向通入流体(包含加湿对象气体或水分的流体)。

由这样的结构，在第1路径及第2路径中的一个路径中通入构成加湿对象气体的反应气体，另一个路径中通入含有水分的流体。在此，含有水分的流体中，除了水以外，包含湿润气体(可应用从燃料电池单元中排出的气体)。

由此，在含有水分的流体沿着中空纤维膜的膜壁面流动的时候，向反应气体的流动通路移动，水分扩散到反应气体中，从而气体被加湿。

这是因为，若在膜的内部与外部通入湿度不同的气体(或水分)时，水分具有从水蒸气压力高的方向向低的方向流动的性质，且只有水具有透过膜的性质。

如上所述，在本实施形态中，因为以从形成中空圆筒形状的构造体的中空纤维膜束2的内壁面贯穿至外壁面侧地形成有第2路径，所以从位于中空纤维膜束2的内部侧的中空纤维膜至位于外部侧的中空纤维膜，都对加湿作用有利，能够提高加湿效率。

另外，特别是如图1所示，通过将开口部31设置在中空纤维膜束2的一端侧，将开口部41设置在中空纤维膜束2的另一端侧，因为能够充分确保第2路径相对于轴方向的距离，所以更加能够提高加湿效率。

如上所述，通过本发明的实施形态，使提高加湿效率成为可能。另外，由此，能够以同等的性能，谋求比现有技术小型化的装置或者削减所使用的中空纤维膜的数量。

例如，如现有技术中，在将中空纤维膜束作为圆柱形状的构造时，在圆柱构造的外径设为31mm、长度设为150mm的情况下，中空纤维膜有必要为1000根。与此相对，如本实施形态，在将中空纤维膜束设为圆筒形状的构造时，在圆筒构造的内径为16mm、外径为32mm、长度为150mm的情况下，中空纤维膜只需750根就够了，并且还能将加湿性能提高10％。

在此，加湿性能是在以一定的水或湿润气体的压力、流量及欲加湿的干燥气体的压力、流量运行加湿装置的情况下的干燥气体一侧的水蒸气透过量来进行评价的。

另外，为了满足与现有技术的情况同等的加湿性能，由于只需将圆筒构造的内径设为13mm、外径设为26mm、长度设为150mm，并只使用550根中空纤维膜即可，所以能够将装置缩小33％。

接下来，说明几个基于上述实施形态的更具体的实施例。

第1实施例

中空纤维膜21使用以聚酰亚胺等高分子材料作为材料，外径在3mm以下(优选为0.2～1mm)，壁面上具有多个数微米的微小孔的中空纤维膜。

并且，束缚例如100～10000根该中空纤维膜21，填充到内壳体3与外壳体4之间的环状间隙中，形成中空纤维膜束2。该中空纤维膜束2如上所述，呈中空圆筒形状，但以其外径为内径的1.2～3倍左右，且比内径大2～100mm左右的方式设计(例如，内径为10～100mm、外径为12～200mm)，另外，长度设为50～500mm左右。

另外，在中空纤维膜束2的两端，将各中空纤维膜21的外壁面间及与外壳体4的内壁面或内壳体3的外壁面之间封闭，并且使用环氧树脂或氨甲酸酯等粘合剂作为固定中纤维膜束2的密封剂。

并且，作为内壳体3，使用用PC(聚碳酸酯)或PPO(对聚苯氧)等硬质树脂制作的芯管。

设置在该内壳体3上的开口部31的个数及位置，可以如上所述对应必要的加湿效率而适当设计，但本实施例中，在中空纤维膜束2的一端侧附近相对圆周方向均等地设置多个。另一方面，设置在外壳体4上的开口部41被设置在中空纤维膜束2的另一端侧附近的一处。

通过这样的结构，如图1所示，在第1路径中从箭头S0向箭头S1通入反应气体，在第2路径中从箭头T0向箭头T1通入水。

由此，因为流经第2路径中的水，从在中空纤维膜束2的一端侧附近处相对圆周方向均等地设置的开口部31，向设置在中空纤维膜束2的另一端侧附近处的开口部41流动，所以从中空纤维膜束2的内部向外部、且在轴方向流过充分的距离。

从而，被填充的所有的中空纤维膜21分别起到有效的作用。再者，由于设置有间隙42，渗出到该间隙42的水能够绕经间隙42较容易地从开口部41排出，所以，在开口部41附近不会导致水流集中。

如以上所述，能够实现加湿效率优良的加湿装置。

第2实施例

在本实施例中，使用与上述第1实施例同一构造的加湿装置，使第2路径中流动的水向与第1实施例的情况相反方向，即，从开口部41侧经过开口部31向开口部32侧流动。

这种情况也同样能够实现加湿效率优良的加湿装置。

第3实施例

在上述第1实施例中，所表示的是用水作为属于加湿介质的含有水分的流体的情况，但在本实施例中，使用的是湿润气体。

在此，在固体高分子型燃料电池中，因为在电池单元中发电后排出的气体保持着较高的湿度，所以可以将该排出的气体作为加湿介质(湿润气体)来利用。

这种情况也同样能够实现加湿效率优良的加湿装置。

第4实施例

在上述第1实施例中所表示的是在第1路径中通入反应气体，第2路径中通入水的情况。但在本实施例中是在第1路径中通入水或湿润气体，在第2路径中通入反应气体。另外，各流体的流动方向没有关系。

这种情况同样能够实现加湿效率优良的加湿装置。

第5实施例

参照图3对本发明的第5实施例的加湿装置进行说明。

在上述第1实施例中，所表示的是将开口部31仅设在中空纤维膜束2的一端侧附近的情况，但在本实施例中，是对在轴方向的不同位置处设置多个的情况进行说明。

对于其他的构成及作用，因为与第1实施形态相同，所以对同样的构成部分使用同样的符号，其说明省略。

图3是本发明的第5实施例的加湿装置的剖面模式图。

如图所示，本实施例中的加湿装置1a，对设置在内壳体3上的开口部，除了设置在中空纤维膜束2的一端侧附近的开口部31以外，还在轴方向的不同位置处设有多个，图示的例子中是还在2处设置开口部32、33。

并且，这些开口部的口径，以随着向有底筒状的内壳体3的底部靠近逐渐缩小的方式设定。

通过这样地进行构成，在第2路径从箭头T0向箭头T1流动水或湿润气体时，从各开口部向中空纤维膜束2的内部流入水或湿润气体时的流入量可以在各开口部处进行调节。

在此，若考虑在轴方向的不同位置处设置多个开口部的情况，则因为越靠近T1的开口部，中空纤维膜束2内的流路的阻力越小，所以，假设开设多个同样大小开口部，则在靠近T1的开口部处，会导致流量集中，只有中空纤维膜束2的一部分被有效利用。

因此，通过使靠近底部处的开口部的开口口径缩小，增大流路的阻力，限制该部分的流量，可从距T1较远的开口部开始非常均匀地流入到中空纤维膜束2内，能够有效地利用中空纤维膜束2的全体进行加湿。

这样，通过使开口部的开口口径逐渐缩小，并且均匀分布，由此能够最佳地设定加湿性能。

从而，能够更进一步地有效利用各中空纤维膜21，提高加湿效率。

第6实施例

参照图4对本发明的第6实施例的加湿装置进行说明。

在本实施例中，是对在内壳体3的外周面与筒状的中空纤维膜束2的内周面之间设置间隙34的情况进行说明的。

因为其他的构成及作用与第1实施形态相同，所以对同样的构成部分用同一符号标示，并省略其说明。

图4是本发明的第6实施例的加湿装置的剖面模式图。

如图所示，本实施例中的加湿装置1b在内壳体3的外周面与筒状的中空纤维膜束2的内周面之间设置有隙34。从而，在将水或湿润气体从箭头T0向箭头T1通入到第2路径中的情况下，从开口部31流出的水或湿润气体因为流经间隙34，所以能够将水或湿润气体均匀地环绕在中空纤维膜束2的内周面。

从而，能够更进一步有效地利用各中空纤维膜21，提高加湿效率。

如以上说明，本发明，因为第2路径从被填充在环状间隙中的中空纤维膜束的内径侧通过到达外径侧，所以能够有效利用从束的内部至外部的中空纤维膜，提高加湿效率。

如果将第1开口部设置在中空纤维膜束的一端附近，将第2开口设置在中空纤维膜束的另一端附近，则第2路径即从中空纤维膜束的一端部通过到达另一端，就能够更有效地利用中空纤维膜。如果在与轴方向相对的不同位置处设置多个第1开口部，使这些开口部的开口口径以随着向内壳体的底部靠近逐渐缩小的方式设定，则在使流体在内壳体的筒内向底部流动的情况下，能够使流体从各开口部非常均匀地流入中空纤维膜束中，从而能够更进一步有效的利用中空纤维膜。

Claims

1.一种加湿装置，该装置具备：

有底的筒状的内壳体；

与该内壳体同心设置的筒状的外壳体；及

其特征在于还具备：

从上述中空纤维膜束的一端侧通过各中空纤维膜的中空内部到达另一端侧的第1路径；和

从设置在上述内壳体的侧壁面上的第1开口部通过中空纤维膜束内部的各中空纤维膜外壁面间到达设置在上述外壳体的侧壁面上的第2开口部的第2路径；并且

2.如权利要求1所述的加湿装置，其特征在于：

将上述第1开口部设置在中空纤维膜束的一端附近；

将上述第2开口部设置在中空纤维膜束的另一端附近。

3.如权利要求1所述的加湿装置，其特征在于：

上述第1开口部，在相对于轴方向的不同位置被设置多个，同时这些开口部的开口口径，以随着向内壳体的底部靠近逐渐缩小的方式被设定。

4.如权利要求1、2或3所述的加湿装置，其特征在于：在上述内壳体的外周面与上述中空纤维膜束的内周面之间设置有间隙。

5.如权利要求1～4中任一项所述的加湿装置，其特征在于：将加湿后的气体供给给燃料电池。