JP2001201121A - Humidifying apparatus - Google Patents
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- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D69/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor
- B01D69/08—Hollow fibre membranes
- B01D69/082—Hollow fibre membranes characterised by the cross-sectional shape of the fibre
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Abstract
Description
【０００１】[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、燃料電池の加湿用に好適に使用するこ
とのできる中空糸膜を利用した加湿装置に関する。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a humidifying device,
More specifically, the present invention relates to a humidifier using a hollow fiber membrane that can be suitably used for humidifying a fuel cell.
【０００２】[0002]
【従来の技術】近年、電気自動車の動力源などとして注
目されている燃料電池（固体電解質型燃料電池）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
の水分を乾燥気体である空気に水分交換して加湿空気
（加湿気体）を発生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、水透過膜、殊に中空
糸膜を用いたものが好適に利用されている。2. Description of the Related Art In recent years, in a fuel cell (solid oxide fuel cell), which has attracted attention as a power source of an electric vehicle, the moisture of off-gas, which is a humid gas discharged from the fuel cell, is converted into air, which is a dry gas. A humidifying device that generates humidified air (humidified gas) by exchanging water is used. As a humidifier used for such a fuel cell, a humidifier that consumes less power is suitable. In addition, a small mounting space, that is, compactness is required. Therefore, although there are various types of humidifiers such as ultrasonic humidification, steam humidification, vaporization humidification, and nozzle injection, as humidification devices used for fuel cells, those using a water-permeable membrane, particularly a hollow fiber membrane, are used. It is preferably used.
【０００３】従来の中空糸膜を用いた加湿装置として、
例えば特開平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８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（乾燥空気）を導入する
第一の流入口１０２及び乾燥エア（加湿空気）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１
０１の内部に多数、例えば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。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（湿潤気体）
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１
０７が形成されている。さらに、固定部１０５，１０
５′はそれぞれ第二のヘッドカバー１０８及び第二のヘ
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。As a humidifier using a conventional hollow fiber membrane,
For example, there is one disclosed in JP-A-7-71795. This humidifier will be described with reference to FIG.
The humidifier 100 has a housing 101. The housing 101 has a first inlet 102 for introducing dry air (dry air) and a first outlet 103 for discharging dry air (humidified air).
A large number of hollow fiber membrane bundles 104, for example, 5,000 hollow fiber membranes, are housed in the inside of the housing 01. At both ends of the housing 101, fixing portions 105 and 105 'for fixing both ends of the hollow fiber membrane bundle 104 in an open state are provided. On the outside of the fixing portion 105, wet air (humid gas)
Is formed, and a second outlet 1 for discharging wet air from which moisture has been separated and removed by the hollow fiber membrane bundle 104 is provided outside the fixing portion 105 '.
07 is formed. Further, the fixing parts 105, 10
5 'is covered by a second head cover 108 and a second head cover 109, respectively. Further, the second inlet 106 is formed in the first head cover 108, and the second outlet 107 is provided in the second head cover 109.
Is formed.
【０００４】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。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１
０４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。In the humidifying apparatus 100 using the hollow fiber membrane configured as described above, when the moist air is supplied from the second inlet 106 and passes through each hollow fiber membrane constituting the hollow fiber membrane bundle 104. The moisture in the humid air is separated by the capillary action of the hollow fiber membrane and penetrates through the capillary of the hollow fiber membrane,
Move to the outside of the hollow fiber membrane. The wet air from which the water has been separated is discharged from the second outlet 107. On the other hand, dry air is supplied from the first inlet 102. The dry air supplied from the first inlet 102 is the hollow fiber membrane bundle 1
It flows through the outside of the hollow fiber membrane that constitutes 04. Moisture separated from the humid air moves to the outside of the hollow fiber membrane, and the humidifies the dry air. Then, the humidified dry air is discharged from the first outlet 103.
【０００５】ところで、加湿装置１００の加湿能力を向
上しようとすると、中空糸膜束１０４における中空糸膜
の本数を増やして、ハウジング１０１内における中空糸
膜の充填率を上げることが考えられる。このようにする
ことで、中空糸膜の内側及び外側とも表面積が増える。
ここで、従来の中空糸膜ＨＦ’を図９（ａ）に示すが、
中空糸膜ＨＦ’は、直径数ｍｍ以下の中空円筒形状（断
面円形）をしている。そして、図９（ｂ）に示すよう
に、この円形の中空糸膜ＨＦ’を多数束ねて配し、中空
糸膜束１０４を構成してハウジング１０１内に収納して
いる（一般には充填率は５０％程度）。In order to improve the humidifying ability of the humidifying device 100, it is conceivable to increase the number of hollow fiber membranes in the hollow fiber membrane bundle 104 to increase the filling rate of the hollow fiber membranes in the housing 101. This increases the surface area both inside and outside the hollow fiber membrane.
Here, a conventional hollow fiber membrane HF ′ is shown in FIG.
The hollow fiber membrane HF ′ has a hollow cylindrical shape (circular cross section) having a diameter of several mm or less. Then, as shown in FIG. 9B, a large number of the circular hollow fiber membranes HF ′ are bundled and arranged, and the hollow fiber membrane bundle 104 is formed and housed in the housing 101 (generally, the filling rate is About 50%).
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、中空糸
膜ＨＦ’の充填率を上げると、ハウジング１０１内にお
ける中空糸膜ＨＦ’の表面積を広くすることができる
が、中空糸膜Ｈ’Ｆ同士の間にできる隙間が狭くなる。
このため乾燥エアの流路が狭くなり、中空糸膜ＨＦ’の
外側（ハウジング１０１側）を通流する乾燥エアの圧力
損失（以下「圧損」という）が大きくなってしまう。し
たがって、ハウジング１００内における中空糸膜ＨＦ’
の外側の表面積を広くしても、中空糸膜ＨＦ’の外側に
充分乾燥エアが行き渡らず、結果として加湿装置１００
としての加湿能力が悪くなるという問題がある。また、
後段の機器へ圧損の少ない状態で、加湿された乾燥エア
を供給することができない。However, when the filling rate of the hollow fiber membrane HF 'is increased, the surface area of the hollow fiber membrane HF' in the housing 101 can be increased. The gap between them becomes smaller.
For this reason, the flow path of the dry air becomes narrow, and the pressure loss (hereinafter, referred to as “pressure loss”) of the dry air flowing outside the hollow fiber membrane HF ′ (on the housing 101 side) increases. Therefore, the hollow fiber membrane HF ′ in the housing 100
Even if the outer surface area of the humidifier 100 is widened, dry air does not sufficiently spread outside the hollow fiber membrane HF ′, and as a result, the humidifier 100
There is a problem that the humidification ability as a result deteriorates. Also,
The humidified dry air cannot be supplied to the downstream equipment with little pressure loss.
【０００７】そこで、本発明は、中空糸膜の外側におけ
る表面積の増加による加湿能力向上と、中空糸膜の外側
における流路の増加による圧損の低下という従来相反す
る特性の調和が取れ、もって良好な加湿を行なうことが
でき燃料電池用加湿装置として好適に使用しうる加湿装
置を提供することを主たる課題とする。[0007] Therefore, the present invention balances the conventional contradictory characteristics of improving the humidification capacity by increasing the surface area outside the hollow fiber membrane and reducing the pressure loss by increasing the flow path outside the hollow fiber membrane. A main object of the present invention is to provide a humidifier capable of performing appropriate humidification and suitably used as a humidifier for a fuel cell.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決した本発
明の加湿装置は（請求項１）、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
分含有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ものであ
る。そして、前記中空糸膜の断面形状を非円形にし、こ
の非円形の中空糸膜を、中空糸膜の断面形状が円形であ
る場合よりも、前記ハウジングにおける前記中空糸膜の
外側を通流する気体の流路の断面積が広くなるように前
記ハウジング内に収納した。According to a first aspect of the present invention, there is provided a humidifying apparatus in which a plurality of water-permeable hollow fiber membranes arranged along a longitudinal direction of a housing are housed in the housing. Then, gases having different moisture contents are passed through the inside and outside of the hollow fiber membrane, and moisture is exchanged between the gases to humidify the dry gas having a small moisture content. Then, the cross-sectional shape of the hollow fiber membrane is made non-circular, and this non-circular hollow fiber membrane flows through the outside of the hollow fiber membrane in the housing as compared with the case where the cross-sectional shape of the hollow fiber membrane is circular. The gas was accommodated in the housing so that the cross-sectional area of the gas flow path was widened.
【０００９】この構成によれば、中空糸膜の断面形状が
非円形であるので、断面積が同じであるとすれば、断面
形状が円形である中空糸膜よりも断面における外周の長
さが長くなる。このため、単位重量当り（単位体積当
り）の中空糸膜の外側の表面積を、断面形状が円形の中
空糸膜よりも広くすることができる。また、中空糸膜の
外側を通流する気体の流路が、断面形状が円形である中
空糸膜の場合よりも広くなるように、例えば中空糸膜の
本数を減らすなどしてハウジング内に収納されている。
このため、中空糸膜の外側を通流する気体の圧損が小さ
くなる。したがって、中空糸膜の外側の表面積の増加に
よる加湿能力の向上と、中空糸膜の外側の流路の増加に
よる圧損の低下という従来相反する特性の調和が取れ、
もって良好な加湿を行なうことのできる加湿装置とする
ことができる。この場合において、ハウジング内に収納
される中空糸膜の外側の表面積が中空糸膜の断面形状が
円形である場合よりも広くなるように、かつ、ハウジン
グ内における中空糸膜の外側を通流する気体の流路が中
空糸膜の断面形状が円形である場合よりも広くなるよう
に収納するのが好ましい。According to this configuration, since the cross-sectional shape of the hollow fiber membrane is non-circular, if the cross-sectional area is the same, the outer peripheral length in the cross section is longer than that of the hollow fiber membrane having the circular cross-sectional shape. become longer. Therefore, the outer surface area of the hollow fiber membrane per unit weight (per unit volume) can be made wider than that of a hollow fiber membrane having a circular cross-sectional shape. Further, the gas flow path flowing outside the hollow fiber membrane is housed in the housing by, for example, reducing the number of hollow fiber membranes so as to be wider than that of the hollow fiber membrane having a circular cross-sectional shape. Have been.
For this reason, the pressure loss of the gas flowing outside the hollow fiber membrane is reduced. Therefore, the improvement of the humidification capacity by the increase of the surface area outside the hollow fiber membrane and the reduction of the pressure loss due to the increase of the flow path outside the hollow fiber membrane can be achieved in harmony with the conventional contradictory characteristics.
Thus, a humidifying device capable of performing good humidification can be provided. In this case, the outer surface area of the hollow fiber membrane accommodated in the housing is set to be wider than when the cross-sectional shape of the hollow fiber membrane is circular, and flows outside the hollow fiber membrane in the housing. It is preferable that the gas flow path is accommodated so as to be wider than when the hollow fiber membrane has a circular cross section.
【００１０】なお、非円形とは、楕円、長円、瓢箪形、
矩形、ひし形、三角形、多角形、星形、雲形、花丸形な
ど円形以外のものをすべて含む。但し、矩形や三角形な
ど、面同士を密着させて隙間なく並べることができるも
のよりも、星形や花丸形、楕円や長円など、線接触ある
いは部分的な面接触となり、必ず中空糸膜同士の間に隙
間が確保されるような断面形状であることが好ましい。
このためには、窪みや突起を有するような断面形状にす
ることが好ましい。なお、中空糸膜の内側（中空部分）
の断面形状は、中空糸膜の外側の断面形状に対応した形
状であることが好ましい。このようにすることで、中空
糸膜の肉厚が一様になって、中空糸膜の内側の流路を広
く取ることができる。同時に、中空糸膜の内側の表面積
も広くすることができる。[0010] The non-circular shape means an ellipse, an ellipse, a gourd,
Includes all non-circular shapes such as rectangles, diamonds, triangles, polygons, stars, clouds, and flowers. However, it is more likely that a hollow fiber membrane will be a line contact or partial surface contact, such as a star, flower circle, ellipse, or ellipse, than a rectangle, triangle, etc. The cross-sectional shape is preferably such that a gap is secured between them.
For this purpose, it is preferable that the cross-sectional shape has a depression or a projection. The inside of the hollow fiber membrane (hollow part)
Is preferably a shape corresponding to the outer cross-sectional shape of the hollow fiber membrane. By doing so, the thickness of the hollow fiber membrane becomes uniform, and the flow path inside the hollow fiber membrane can be widened. At the same time, the surface area inside the hollow fiber membrane can be increased.
【００１１】また、本発明の加湿装置は（請求項２）、
上記構成において、異なる断面形状の前記中空糸膜を前
記ハウジング内に収納したこと、を特徴とする。The humidifying device of the present invention (claim 2)
In the above configuration, the hollow fiber membranes having different cross-sectional shapes are housed in the housing.
【００１２】この構成によれば、中空糸膜同士が密着し
て中空糸膜の外側における隙間がなくなるような状態
が、一層生じ難くなる。したがって、中空糸膜の外側の
表面積を有効に活用することができる。According to this configuration, a state in which the hollow fiber membranes are in close contact with each other and there is no gap outside the hollow fiber membrane is more unlikely to occur. Therefore, the surface area outside the hollow fiber membrane can be effectively utilized.
【００１３】[0013]
【発明の実施の形態】以下、本発明の加湿装置の実施の
形態を、燃料電池用加湿装置（以下「加湿装置」とい
う）に適用した場合を例に、図面を参照して詳細に説明
する。図１は、燃料電池システムの全体構成図である。
図２は、燃料電池の構成を模式化した説明図である。図
３は、加湿装置及び中空糸膜モジュールを示す斜視図で
ある。図４は、加湿装置の断面図である。図５は、非円
形の中空糸膜の斜視図などである。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, an embodiment of a humidifier of the present invention will be described in detail with reference to the drawings, taking an example in which the present invention is applied to a humidifier for a fuel cell (hereinafter referred to as "humidifier"). . FIG. 1 is an overall configuration diagram of the fuel cell system.
FIG. 2 is an explanatory diagram schematically illustrating the configuration of the fuel cell. FIG. 3 is a perspective view showing the humidifier and the hollow fiber membrane module. FIG. 4 is a sectional view of the humidifier. FIG. 5 is a perspective view of a non-circular hollow fiber membrane.
【００１４】〔燃料電池システム〕まず、図１を参照し
て、本実施の形態の加湿装置が適用される燃料電池シス
テムの全体構成及び作用について説明する。燃料電池シ
ステムＦＣＳは、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及び水・メタノール混合液貯蔵タンク
（以下「タンク」という）Ｔなどから構成される。な
お、燃料電池１は、固体高分子型のものである。[Fuel Cell System] First, the overall configuration and operation of a fuel cell system to which the humidifier of this embodiment is applied will be described with reference to FIG. The fuel cell system FCS includes a fuel cell 1, a humidifier 2, a gas-liquid separator 3, an air compressor 4, a combustor 5, a fuel evaporator 6, a reformer 7, a CO remover 8, and a water / methanol mixed liquid storage. A tank (hereinafter, referred to as a “tank”) T and the like. The fuel cell 1 is a solid polymer type.
【００１５】燃料電池１は、酸化剤ガスとしての加湿空
気が酸素極側１ａに供給されると共に、燃料ガスとして
の水素リッチガスが水素極側１ｂに供給され、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、発電を行う。加湿空気は、乾燥気体たる外気
（空気）を圧縮及び加湿することにより発生する。ここ
で、空気（乾燥空気）の圧縮は空気圧縮機４で行い、加
湿は加湿装置２で行う。ちなみに、加湿装置２での乾燥
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
まない乾燥空気との間で、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。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、
改質及び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、Ｃ
Ｏ除去はＣＯ除去器８で行う。ちなみに、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（改質用の空気が混合されたもの）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
蒸気改質及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、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、空気圧
縮機４から選択酸化用の空気が供給される。In the fuel cell 1, humidified air as an oxidizing gas is supplied to the oxygen electrode side 1a, and a hydrogen-rich gas as a fuel gas is supplied to the hydrogen electrode side 1b to chemically react hydrogen and oxygen. Electric energy is extracted from chemical energy to generate electricity. Humidified air is generated by compressing and humidifying outside air (air) as dry gas. Here, air (dry air) is compressed by the air compressor 4 and humidification is performed by the humidifier 2. Incidentally, the humidification of the dry air in the humidifier 2 is performed by exchanging moisture between the off gas discharged from the oxygen electrode side 1a of the fuel cell 1 and containing a large amount of moisture and the dry air containing a relatively small amount of moisture. This will be described in detail later. On the other hand, fuel gas evaporates a mixture of water and methanol, which are raw fuels,
It is generated by performing reforming and CO removal. here,
The raw fuel is evaporated by the fuel evaporator 6, the reforming is performed by the reformer 7,
O removal is performed by the CO remover 8. By the way, fuel evaporator 6
The raw fuel stored in the tank T is supplied through the pump P, and the raw fuel gas evaporated by the fuel evaporator 6 (mixed with reforming air) is supplied to the reformer 7. , CO
The fuel gas reformed by the reformer 7 is supplied to the remover 8. In the reformer 7, steam reforming and partial oxidation of methanol are performed in the presence of a catalyst. In addition, CO remover 8
In the above, selective oxidation is performed in the presence of a catalyst to convert CO into CO 2 . The CO remover 8 reduces the concentration of CO as much as possible. 1CO remover and No. 1 It consists of two 2CO removers. Further, air for selective oxidation is supplied to the CO remover 8 from the air compressor 4.
【００１６】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のオフガス及び未利用の
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、前記の通り加湿装置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（混合オフガス）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、補助燃料（メタノールなど）
及び空気が供給され、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。The fuel cell 1 simultaneously generates off-gas on the oxygen electrode side 1a containing a large amount of water, which is a reaction product, and off-gas on the hydrogen electrode side 1b containing unused hydrogen. Of the humidifier 2 as described above
After being used for humidifying the air, the mixed gas is mixed with the off-gas on the hydrogen electrode side 1b, and moisture is removed by the gas-liquid separator 3. Then, the off-gas from which moisture has been removed (mixed off-gas)
The fuel is burned in the combustor 5 and used as a heat source of the fuel evaporator 6. The combustor 5 contains auxiliary fuel (such as methanol).
And air are supplied to compensate for the lack of heat of the fuel evaporator 6 and to warm up the fuel cell system FCS at the time of startup.
【００１７】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及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）。図２に示すように、燃料電池１は、電解質
膜１３を挟んで水素極側１ｂと酸素極側１ａ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、水素極１４及び酸素極１２を形成している
（この図では拡散層は省略してある）。そして、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、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
る。電解質膜１３としては固体高分子膜、例えばプロト
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、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、加湿空気と共に湿潤気体たるオフガスとし
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。Next, with reference to FIG. 2, the structure and operation of the fuel cell which is the core of the fuel cell system will be described. The configuration of the fuel cell 1 in FIG. 2 is schematically represented as one single cell (actually, the fuel cell 1 is configured as a stacked body in which about 200 single cells are stacked). As shown in FIG. 2, the fuel cell 1 is divided into a hydrogen electrode side 1b and an oxygen electrode side 1a with an electrolyte membrane 13 interposed therebetween, and each side is provided with an electrode containing a platinum-based catalyst, A hydrogen electrode 14 and an oxygen electrode 12 are formed (a diffusion layer is omitted in this figure). Then, a hydrogen-rich fuel gas generated from the raw fuel flows through the hydrogen electrode side gas passage 15, and humidified air humidified by the humidifier 2 as an oxidant gas flows through the oxygen electrode side gas passage 11. . As the electrolyte membrane 13, a solid polymer membrane, for example, a membrane using a perfluorocarbon sulfonic acid membrane as a proton exchange membrane as an electrolyte is known. This electrolyte membrane 13
Has a large number of proton exchange groups in a solid polymer, shows a low specific resistance of 20 Ω-proton or less at room temperature by being saturated with water, and functions as a proton conductive electrolyte. Therefore, in the presence of the catalyst, protons generated by ionization of hydrogen at the hydrogen electrode 14 easily move through the electrolyte membrane 13 and reach the oxygen electrode 12. The protons that have reached the oxygen electrode 12 immediately react with oxygen ions generated from oxygen in the humidified air in the presence of a catalyst to generate water. The generated water is discharged together with the humidified air from the outlet on the oxygen electrode side 1a of the fuel cell 1 as an off-gas as a humid gas. At the hydrogen electrode 14, electrons e − are generated when hydrogen is ionized, and the generated electrons e − reach the oxygen electrode 12 via an external load M such as a motor.
【００１８】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。一方、過加湿になる
と電極などが水没して、燃料電池内における気体の自由
な移動が阻害されて発電効率が低下する。したがって、
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。ちなみ
に、原燃料は多量の水を含有しているが、この水は、改
質器７における原燃料中のメタノールの改質の他、燃料
電池１における水素極側１ｂの加湿のためのものであ
る。The reason that the humidified air thus humidified is supplied to the fuel cell 1 as the oxidizing gas is that when the electrolyte membrane 13 is dried, the proton conductivity of the electrolyte membrane 13 is reduced, and the power generation efficiency is reduced. . On the other hand, when over-humidification occurs, the electrodes and the like are submerged, and the free movement of gas in the fuel cell is hindered, and the power generation efficiency is reduced. Therefore,
In the fuel cell system FCS using the polymer electrolyte fuel cell 1, humidification has an important significance. Incidentally, the raw fuel contains a large amount of water, which is used not only for reforming methanol in the raw fuel in the reformer 7 but also for humidifying the hydrogen electrode side 1b in the fuel cell 1. is there.
【００１９】〔加湿装置〕続いて、図３などを参照して
本実施の形態の加湿装置について説明する。なお、図３
及び図４においては、オフガスの流れを白矢印で示し、
乾燥空気（加湿空気）の流れを黒矢印で示す。本実施の
形態の加湿装置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及び他端側分配器
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
及び他端側分配器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
乾燥空気の供給及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
排出及びオフガスの供給がなされる。[Humidifying Apparatus] Next, the humidifying apparatus of this embodiment will be described with reference to FIG. Note that FIG.
And in FIG. 4, the flow of the off gas is indicated by a white arrow,
The flow of dry air (humidified air) is indicated by black arrows. As shown in FIG. 3 (a), the humidifier 2 of the present embodiment has two substantially cylindrical hollow fiber membrane modules 21 in parallel, a box-shaped one-side distributor 22 and the other end. It has a side distributor 23 and has a rectangular parallelepiped shape as a whole. The two hollow fiber membrane modules 21 and 21 are connected to one end distributor 22.
And the other end side distributor 23 is arranged and fixed horizontally at a predetermined interval. In addition, each of the hollow fiber membrane modules 21 and 21 is supplied with dry air and exhausts the wet off gas via one end side distributor 22, and humidified with dry air via the other end side distributor 23. The discharge of the humidified air and the supply of the off gas are performed.
【００２０】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、その長手方向に沿って配した水透過
性の中空糸膜ＨＦ（図５(a)参照）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ＨＦ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中空糸膜ＨＦを透過する。な
お、中空糸膜ＨＦの形状などについては後述する。The hollow fiber membrane module 21 has a housing 21a as shown in FIG. The housing 21a houses a hollow fiber membrane bundle 21b formed by bundling water-permeable hollow fiber membranes HF (see FIG. 5A) arranged along the longitudinal direction. The hollow fiber membrane HF is
It has a large number of fine capillaries with a diameter of several nanometers (nanometers) that reach from the inside to the outside. In the capillaries, the vapor pressure is reduced and moisture condensation easily occurs. The condensed water is sucked out by capillary action and passes through the hollow fiber membrane HF. The shape of the hollow fiber membrane HF will be described later.
【００２１】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部側に乾燥
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。また、ハウジング２１ａにおける長手方向の他端部
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。The housing 21a has a hollow cylindrical shape with both ends open. Eight dry air inlets 21c, 21c,... For introducing dry air into the housing 21a are provided at one end in the longitudinal direction. It is formed to be spaced apart in the direction. On the other end side of the housing 21a in the longitudinal direction, eight humidified air outlets 21d, 21d,... Serving as outlets of humidified humidified air are formed to be spaced apart in the circumferential direction.
【００２２】一方、ハウジング２１ａに収納される中空
糸膜束２１ｂは、中空通路を有する水透過性の中空糸膜
ＨＦを数千本束ね、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２
１ｃ，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。On the other hand, the hollow fiber membrane bundle 21b housed in the housing 21a has a bundle of thousands of water-permeable hollow fiber membranes HF having hollow passages, and a potting portion 21g on one end side.
Potting is performed such that a potting portion 21h is provided on the other end side. The potting portion 21g provided on one end side of the housing 21a is provided with a dry gas inlet 2
Are located slightly closer to the end than the positions where 1c, 21c... Are formed.
【００２３】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，２１
ｈを隔てた場合に、オフガス流入口２１ｊ及びオフガス
流出口２１ｉは中空糸膜束２１ｂを形成する各中空糸膜
ＨＦの内側を介して連通し、各中空糸膜ＨＦの外側とオ
フガス流入口２１ｊ及びオフガス流出口２１ｉとは気密
状態を保つようになっている。こうして、中空糸膜ＨＦ
の内側である中空通路を通流するオフガスと中空糸膜Ｈ
Ｆ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ＨＦに分配され、各中空糸膜ＨＦから排
出されたオフガスはポッティング部２１ｊ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ＨＦ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ＨＦの束を切断
除去することにより作成される。An off-gas outlet 21i is formed outside the potting portion 21g, and an off-gas inlet 21j is formed further outside the potting portion 21h. Thus, the potting parts 21g, 21
h, the off gas inlet 21j and the off gas outlet 21i communicate with each other through the inside of each hollow fiber membrane HF forming the hollow fiber membrane bundle 21b, and the outside of each hollow fiber membrane HF and the off gas inlet 21j. Further, the airtight state is maintained with the off gas outlet 21i. Thus, the hollow fiber membrane HF
Off-gas and hollow fiber membrane H flowing through a hollow passage inside
Dry air flowing outside the F is not mixed. Further, the off gas flowing from the off gas inlet 21j is distributed to each hollow fiber membrane HF at a position outside the potting section 21h, and the off gas discharged from each hollow fiber membrane HF is located outside the potting section 21j. It can be collected. In such a hollow fiber membrane module 21, a predetermined number of bundles of hollow fiber membranes HF are inserted into a housing 21a, and the vicinity of both end faces is sufficiently adhered and fixed with an adhesive to form potting portions 21g and 21h. By cutting and removing the bundle of hollow fiber membranes HF along both ends of the hollow fiber membrane HF.
【００２４】本実施の形態の加湿装置２に使用される中
空糸膜ＨＦは、図５（ａ）に示すように、従来例の円形
の中空糸膜ＨＦ’（図９(a)参照）ではなく、断面形状
が星形をした非円形の中空糸膜ＨＦである。そして、加
湿装置２は、この中空糸膜ＨＦを、従来例よりも乾燥空
気（加湿空気）の流路が広くなるように、かつ、従来例
よりも中空糸膜ＨＦの外側の表面積が広くなるように配
し、ハウジング２１ａ内に収納している（図５(b)参
照）。なお、非円形の中空糸膜ＨＦの場合、円形の中空
糸膜ＨＦ’の場合よりも単位体積当りの表面積を、１０
％以上広くするのは容易である。ちなみに、面積が同じ
である円と正方形の周長は、円を１とすると正方形は約
１．１３である（表面積は、周長×長さにより求められ
る）。したがって、仮に中空糸膜ＨＦの充填率を従来例
よりも５％下げて乾燥気体（加湿気体）の流路を広くし
ても、充填率の減少分以上に中空糸膜ＨＦの外側の表面
積を広くすることは簡単なことである。星形の中空糸膜
ＨＦの場合は、円形の中空糸膜ＨＦ’に比べ３０〜４０
％程度表面積を広くすることができる。As shown in FIG. 5A, the hollow fiber membrane HF used in the humidifier 2 of this embodiment is the same as the conventional circular hollow fiber membrane HF ′ (see FIG. 9A). And a non-circular hollow fiber membrane HF having a star-shaped cross section. Then, the humidifying device 2 makes the hollow fiber membrane HF wider in the flow path of the dry air (humidified air) than in the conventional example, and the outer surface area of the hollow fiber membrane HF becomes larger than in the conventional example. And housed in the housing 21a (see FIG. 5B). In the case of the non-circular hollow fiber membrane HF, the surface area per unit volume is larger than that of the circular hollow fiber membrane HF ′ by 10%.
It is easy to widen by more than%. Incidentally, the circumference of a circle and a square having the same area is about 1.13 when the circle is set to 1 (the surface area is determined by the circumference × length). Therefore, even if the filling rate of the hollow fiber membrane HF is reduced by 5% from the conventional example and the flow path of the dry gas (humidified gas) is widened, the outer surface area of the hollow fiber membrane HF can be reduced more than the decrease in the filling rate. Widening is easy. In the case of the star-shaped hollow fiber membrane HF, it is 30 to 40 in comparison with the circular hollow fiber membrane HF ′.
% Surface area can be increased.
【００２５】一方、中空糸膜ＨＦの内側（中空部分）の
断面形状も、中空糸膜ＨＦの外側の断面形状と同じ星形
をしている。このため、従来例の中空糸膜ＨＦ’よりも
単位体積当りの内側（中空部分）の表面積が広くなって
いる。なお、前記の通り中空糸膜ＨＦの外側の乾燥空気
（加湿空気）の通路を広くしてある。したがって、この
分だけ中空糸膜ＨＦの内側のオフガスの通路は、全体と
して狭くなっている。しかし、燃料電池１の酸素極側１
ａ（図２参照）のオフガスは多量の水分を有しており、
また、中空糸膜ＨＦの外側・内側とも従来例よりも広い
表面積（ろ過面積）を有している。このため、加湿装置
２としての加湿能力が低下することはない。On the other hand, the cross section inside (hollow portion) of the hollow fiber membrane HF also has the same star shape as the cross section outside the hollow fiber membrane HF. For this reason, the surface area inside (hollow portion) per unit volume is larger than that of the conventional hollow fiber membrane HF ′. As described above, the passage of the dry air (humidified air) outside the hollow fiber membrane HF is widened. Therefore, the passage of the off gas inside the hollow fiber membrane HF is narrowed as a whole. However, the oxygen electrode side 1 of the fuel cell 1
a (see FIG. 2) has a large amount of water,
Further, both the outside and the inside of the hollow fiber membrane HF have a larger surface area (filtration area) than the conventional example. Therefore, the humidifying ability of the humidifying device 2 does not decrease.
【００２６】ちなみに、中空糸膜の製造方法は種々のも
のが提案されている。例えば、特開平５−８４４３１号
公報に記載の中空糸膜の製造方法、特開平７−１２４４
５１号公報に記載のポリエチレン多孔質中空糸膜の製造
方法や特開平９−６６２２４号公報に記載のシリコーン
コーティング多孔質中空糸膜の製造方法などであり、こ
れらは中空糸膜製造用ノズルを用いて中空糸膜を製造し
ている。非円形の中空糸膜ＨＦもこれらと同様、星形な
どをした二重構造の口金を持った中空糸膜製造用ノズル
を使用して容易に製造することができる。By the way, various methods have been proposed for producing hollow fiber membranes. For example, a method for producing a hollow fiber membrane described in JP-A-5-84431, JP-A-7-1244.
No. 51, a method for producing a porous polyethylene hollow fiber membrane described in JP-A-9-66224, and a method for producing a porous silicone-coated hollow fiber membrane described in JP-A-9-66224. Manufactures hollow fiber membranes. Similarly, the non-circular hollow fiber membrane HF can be easily manufactured using a hollow fiber membrane manufacturing nozzle having a star-shaped double-layered base.
【００２７】次に、図３に示すように、一端側分配器２
２は、他端側分配器２３と共に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及び乾燥空気入
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２１，２
１のオフガス流出口２１ｉと連結されている。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の一端部側に設けられ
た乾燥空気流入口２１ｃ，２１ｃ…と連結されている。Next, as shown in FIG.
Numeral 2 fixes the two hollow fiber membrane modules 21 and 21 together with the other end distributor 23 in a predetermined positional relationship. This one end side distributor 22 has an off gas outlet 22a and a dry air inlet 22b. The off gas outlet 22a is connected to the off gas outlet 22a as shown in FIG.
As shown in (b), each hollow fiber membrane module 21, 21 is formed by an internal flow path 22 a ′ disposed inside the one end side distributor 22.
One off-gas outlet 21i. As shown in FIGS. 4A and 4C, the dry air inlet 22b is connected to one end of each of the hollow fiber membrane modules 21 and 21 by an internal flow path 22b 'disposed inside the one end distributor 22. Are connected to the dry air inlets 21c, 21c,.
【００２８】一方、他端側分配器２３には、オフガス入
口２３ａ及び加湿空気出口２３ｂが形成されている。オ
フガス入口２３ａは、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、各中空糸膜モジュール２
１，２１の他端部側に設けられた加湿空気流出口２１
ｄ，２１ｄ…と連結されている。On the other hand, the other end side distributor 23 has an off gas inlet 23a and a humidified air outlet 23b. The off-gas inlet 23a is connected to each hollow fiber membrane module 21 by an internal flow path 23a 'disposed inside the other end side distributor 23.
21 is connected to the off-gas inlet 21j. Also,
The humidified air outlet 23b is connected to each hollow fiber membrane module 2 by an internal flow path 23b 'disposed inside the other end distributor 23.
Humidified air outlet 21 provided on the other end side of 1, 21
d, 21d...
【００２９】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。By packaging the hollow fiber membrane module 21 in this way, it is possible to save space while ensuring easy handling.
【００３０】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。白矢印で示す湿潤気
体であるオフガスは、図３及び図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２３
ａ′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ＨＦに向けて分岐し、その内
側を通流する。中空糸膜ＨＦの内側を通流したオフガス
は、各中空糸膜ＨＦ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。Next, the operation of the humidifying device 2 according to the present invention will be described with reference to FIGS. The off-gas, which is a wetting gas indicated by a white arrow, flows into the humidifying device 2 from the off-gas inlet 23a of the other end distributor 23 shown in FIGS.
The off-gas flowing into the other end side distributor 23 is
The gas reaches the off-gas inlet 21j of the hollow fiber membrane module 21 via a '. The off-gas flowing into the housing 21a through the off-gas inlet 21j branches toward each hollow fiber membrane HF in the hollow fiber membrane bundle 21b, and flows through the inside. The off-gas flowing through the inside of the hollow fiber membrane HF exits each hollow fiber membrane HF and flows out from the off-gas outlet 21i. The off-gas flowing out from the off-gas outlet 21i flows through the internal passage 22a 'of the one end distributor 22 and joins. Then, the gas reaches the off-gas outlet 22a, is discharged from the off-gas outlet 22a, and travels to the gas-liquid separation device 3 in the subsequent stage.
【００３１】一方、黒矢印で示す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の一端部側に設けられた
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ＨＦの外側を通流する。このとき、中
空糸膜ＨＦの外側を乾燥空気が通流し、中空糸膜ＨＦの
内側にはオフガスが通流しており、中空糸膜ＨＦ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ＨＦ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。On the other hand, dry air, which is a dry gas indicated by a black arrow, enters the humidifier 2 from the dry air inlet 22b of the one end distributor 22, and is distributed via the internal flow path 22b 'and is distributed to each hollow fiber membrane module. The housing 21a is connected to the dry air inlets 21c, 21c,.
Introduced within. The dry air introduced into the housing 21a flows outside the hollow fiber membrane HF. At this time, dry air flows outside the hollow fiber membrane HF, and off-gas flows inside the hollow fiber membrane HF, and moisture is separated from the off-gas by the hollow fiber membrane HF. By the separated water, the dry air flowing outside the hollow fiber membrane HF is humidified to become humidified air.
【００３２】この点についてさらに説明すると、中空糸
膜ＨＦ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ＨＦ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ＨＦ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ＨＦ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ＨＦにおいて
は、中空糸膜ＨＦ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。To explain this point further, an off-gas containing a large amount of water flows through the inside of the hollow fiber membrane HF,
The dry air containing relatively little water is passed outside. Then, the moisture in the off gas is condensed inside the hollow fiber membrane HF, and the moisture is evaporated by the dry air outside. At the same time, the moisture of the off-gas condensed inside is supplied by capillary action from the inside to the outside of the hollow fiber membrane HF. Thus, the dry air flowing outside the hollow fiber membrane HF is humidified. That is, in the hollow fiber membrane HF, water permeation (water separation) is performed using the difference in the water content of the gas flowing inside and outside the hollow fiber membrane HF as the driving force.
【００３３】ところで、ハウジング２１ａ内における中
空糸膜ＨＦの外側の乾燥空気の通路は、従来のものより
も広くしてある（つまり、中空糸膜ＨＦの充填率が従来
のものよりも低くしてある）。したがって、圧損幅を低
減して燃料電池１（図１参照）に加湿空気を供給するこ
とができる。同時に、乾燥空気は満遍なくモジュール２
１ａ内に行き渡る。さらに、本実施の形態では、ハウジ
ング２１ａ内における中空糸膜ＨＦの外側の表面積を、
従来のものよりも広くしてある。したがって、加湿効率
を高めて、高い露点の加湿空気を燃料電池１に供給する
ことができる。なお、中空糸膜ＨＦは、前記のとおり星
形をしているので、中空糸膜ＨＦ同士が接触することが
あっても、広い範囲で面接触することがない。したがっ
て、仮に中空糸膜ＨＦ同士が接触しても、中空糸膜ＨＦ
の外側の表面積の低減幅を少なくして加湿することがで
きる。By the way, the passage of the dry air outside the hollow fiber membrane HF in the housing 21a is made wider than that of the conventional one (that is, the filling rate of the hollow fiber membrane HF is made lower than that of the conventional one). is there). Therefore, humidified air can be supplied to the fuel cell 1 (see FIG. 1) with a reduced pressure loss width. At the same time, dry air is evenly distributed in module 2
It spreads all over 1a. Furthermore, in the present embodiment, the outer surface area of the hollow fiber membrane HF in the housing 21a is
It is wider than the conventional one. Therefore, the humidification efficiency can be increased, and humidified air having a high dew point can be supplied to the fuel cell 1. Since the hollow fiber membrane HF has a star shape as described above, even if the hollow fiber membranes HF come into contact with each other, they do not come into surface contact in a wide range. Therefore, even if the hollow fiber membranes HF contact each other, the hollow fiber membranes HF
The humidification can be performed with a reduced reduction in the surface area outside the surface.
【００３４】こうして得られた加湿空気は、加湿空気流
出口２１ｄ，２１ｄ…から内部流路２３ｂ’に達する。
内部流路２３ｂ′では、各中空糸膜モジュール２１，２
１から排出された加湿空気が集められて加湿空気出口２
３ｂに向かい、その後、加湿空気出口２３ｂから排出さ
れて後段の気液分離装置３に供給される。The humidified air thus obtained reaches the internal flow passage 23b 'from the humidified air outlets 21d.
In the internal flow path 23b ', each hollow fiber membrane module 21,
The humidified air discharged from 1 is collected and the humidified air outlet 2
3b, and then discharged from the humidified air outlet 23b and supplied to the gas-liquid separation device 3 at the subsequent stage.
【００３５】前記した実施の形態は、非円形の中空糸膜
ＨＦを星形としたが、図６（ａ）に示すような瓢箪形の
中空糸膜ＨＦ、図６（ｂ）に示すような眼鏡形の中空糸
膜ＨＦ、図６（ｃ）に示すような楕円形の中空糸膜ＨＦ
を、それぞれ図５（ｂ）に示す要領で配して図３（ｂ）
に示すハウジング２１ａ内に収納してもよい。このよう
にすることで、ハウジング２１ａ内における乾燥空気の
通路を広く、かつ、中空糸膜ＨＦの外側の表面積を広く
し、中空糸膜ＨＦを配してハウジング２１ａ内に収納す
ることができる。In the above-described embodiment, the non-circular hollow fiber membrane HF has a star shape. However, a gourd-shaped hollow fiber membrane HF as shown in FIG. 6A, and a hollow fiber membrane HF as shown in FIG. An eyeglass-shaped hollow fiber membrane HF, an elliptical hollow fiber membrane HF as shown in FIG.
Are arranged in the manner shown in FIG. 5B, respectively.
May be stored in the housing 21a shown in FIG. By doing so, the passage of the dry air in the housing 21a is widened, the surface area outside the hollow fiber membrane HF is widened, and the hollow fiber membrane HF can be arranged and housed in the housing 21a.
【００３６】また、図７に示すように、いろいろな形状
の中空糸膜ＨＦを配して図３（ｂ）に示すハウジング２
１ａ内に収納するようにしてもよい。中空糸膜ＨＦ同士
が接触しても面接触となることが少なく、広くなった中
空糸膜ＨＦの表面積を無駄にすることがない。Further, as shown in FIG. 7, hollow fiber membranes HF of various shapes are arranged and the housing 2 shown in FIG.
It may be accommodated in 1a. Even when the hollow fiber membranes HF come into contact with each other, they are rarely brought into surface contact, and the widened surface area of the hollow fiber membrane HF is not wasted.
【００３７】以上本発明は、前記した実施の形態に限定
されることなく広く変更実施することができる。例え
ば、中空糸膜の内側に乾燥空気（加湿空気）を通流し、
その外側にオフガスを通流させてもよい。また、加湿装
置が備える中空糸膜モジュールの数を１つとしてもよ
く、あるいは３つ以上としてもよい。The present invention can be widely modified without being limited to the above embodiments. For example, dry air (humidified air) flows inside the hollow fiber membrane,
An off-gas may be passed outside thereof. Further, the number of hollow fiber membrane modules provided in the humidifier may be one, or three or more.
【００３８】また、例えば、中空糸モジュール内を、乾
燥空気（加湿空気）とオフガスが向流になるように通流
させたが、並流になるように通流させてもよい。ここ
で、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。Further, for example, although the dry air (humidified air) and the off-gas flow in the hollow fiber module so as to flow in countercurrent, they may flow in parallel. Here, as an advantage of using the dry air and the off-gas as counter currents, the difference in humidity concentration in the hollow fiber membrane can be made uniform, so that the water permeation efficiency is improved. Also,
Since the gas inlet and outlet are opposed to each other, the layout of the gas pipe is improved. Furthermore, since the heat exchange efficiency by the hollow fiber membrane is improved, the gas cooling performance is improved. Moreover, since the heat exchange rate is high, the temperature of the outlet of the dry air can be easily adjusted to the temperature of the outlet of the off-gas, so that the temperature can be easily adjusted. Therefore, it becomes easy to control the humidity of the air supplied to the fuel cell.
【００３９】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。On the other hand, the merit of making the dry air and the off-gas co-current is that the dry air and the off-gas have a high difference in humidity concentration at the inlet portion, so that the humidification efficiency is improved and the total length of the hollow fiber membrane itself can be shortened. This contributes to downsizing of the device. In addition, since the device can be downsized, it is easy to align and bundle the hollow fibers, which contributes to cost reduction. Further, since the heat exchange rate of the dry air decreases, the temperature of the gas supplied to the fuel cell at the time of high output can be set higher. Therefore, the efficiency of the fuel cell can be improved.
【００４０】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
共に熱移動も起こり、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
装置により加湿及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
加湿及び冷却され、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。The temperature control function of the humidifier will be supplemented. For example, dry air compressed by an air compressor such as a supercharger is approximately 30 ° C. (at the time of idling of the fuel cell) to 120 ° C. (at the time of maximum output of the fuel cell).
The temperature changes between. On the other hand, the fuel cell is operated at about 80 ° C. under temperature control, and off-gas of about 80 ° C. + α is discharged. When this off-gas and the dry air compressed by the air compressor are passed through a humidifier, heat transfer occurs together with moisture in the hollow fiber membrane, and the dry air reaches a temperature close to the off-gas (that is, a stable temperature close to the operating temperature of the fuel cell). Humidified air at a temperature equal to the temperature of the fuel cell). That is, the dry air is supplied to the fuel cell after being humidified and heated by the humidifier at the time of low output such as when the fuel cell is idling, and humidified and cooled by the humidifier at the time of high output such as the maximum output of the fuel cell. It is supplied to the fuel cell as humidified air in a stable temperature range. Therefore, the fuel cell can be operated under a suitable temperature condition by the temperature control function of the humidifier, and the power generation efficiency of the fuel cell increases.
【００４１】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。When an intercooler is mounted on the discharge side of the air compressor, the dry air compressed by the air compressor is cooled (or heated) to about 50 ° C. (when the fuel cell is idling) to 60 ° C. The temperature changes between ℃ (at the time of maximum output of the fuel cell). If the dry air that has passed through the intercooler is passed through a humidifier through which off-gas (80 ° C. + α) flows, the dry air is humidified and temperature-adjusted (heated) in the hollow fiber membrane, and has a temperature close to the off-gas, Humidified air in a stable temperature range close to the operating temperature of the fuel cell is supplied to the fuel cell. Therefore, even when the intercooler is attached, the fuel cell can be operated under a suitable temperature condition by the temperature control function of the humidifier, and the power generation efficiency of the fuel cell increases.
【００４２】さらに、本発明の加湿装置は、燃料電池用
に限らず、他の用途の加湿装置としても適用可能であ
る。また、中空糸膜の太さ（径）についても、種々のも
のを使用することができる。当然、細い中空糸膜を使用
することにより、中空糸膜の表面積を広くすることがで
きるのはいうまでもない。ちなみに、前記したように非
円形の中空糸膜と円形の中空糸膜とで、断面積が同じな
らば、非円形の中空糸膜の方が表面積を広く取ることが
できる。つまり、本発明では、中空糸膜の太さは関係な
い。Further, the humidifying device of the present invention is not limited to a humidifying device for a fuel cell, but is applicable as a humidifying device for other uses. Various thicknesses (diameters) of the hollow fiber membrane can be used. Of course, by using a thin hollow fiber membrane, it goes without saying that the surface area of the hollow fiber membrane can be increased. Incidentally, as described above, if the cross-sectional areas of the non-circular hollow fiber membrane and the circular hollow fiber membrane are the same, the non-circular hollow fiber membrane can have a larger surface area. That is, in the present invention, the thickness of the hollow fiber membrane does not matter.
【００４３】なお、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
共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。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。If the water condenses in a portion of the housing through which dry air (humidified air) flows and water is formed, there is a possibility that the outer surface area of the hollow fiber membrane cannot be effectively used. . Therefore, it is preferable that the humidified air can be extracted from below the hollow fiber membrane module so that no water pool is generated in the housing. By doing so, the condensed water can be easily extracted from the housing together with the humidified air, and the occurrence of water pools can be prevented. It is preferable that the extracted water is collected by a catch tank or the like, and then recycled to another system.
【００４４】[0044]
【発明の効果】以上説明した本発明によれば（請求項
１）、中空糸膜の外側における表面積の増加による加湿
能力向上と、中空糸膜の外側における流路の増加による
圧損の低下という従来相反する特性の調和が取れ、もっ
て良好な加湿を行なうことができる加湿装置を提供する
ことができる。したがって、燃料電池用加湿装置として
好適に使用することができる。また、本発明によれば
（請求項２）、中空糸膜同士が密着して中空糸膜の外側
における隙間がなくなるような状態が一層生じ難くな
り、中空糸膜の外側の表面積を有効に活用することがで
きる。According to the present invention described above (claim 1), the conventional humidification ability is improved by increasing the surface area outside the hollow fiber membrane, and the pressure loss is reduced by increasing the flow path outside the hollow fiber membrane. It is possible to provide a humidifying device capable of harmonizing conflicting characteristics and performing good humidification. Therefore, it can be suitably used as a humidifier for a fuel cell. According to the present invention (Claim 2), a state in which the hollow fiber membranes are in close contact with each other and there is no gap outside the hollow fiber membrane is more unlikely to occur, and the surface area outside the hollow fiber membrane is effectively utilized. can do.
【図１】 燃料電池システムの全体構成図である。FIG. 1 is an overall configuration diagram of a fuel cell system.
【図２】 燃料電池の構成を模式化した説明図であ
る。FIG. 2 is an explanatory diagram schematically illustrating a configuration of a fuel cell.
【図３】 （ａ）は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。3A is a perspective view showing a humidifier, and FIG. 3B is a perspective view of a hollow fiber membrane module.
【図４】 （ａ）は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。4A is a side sectional view of a humidifier, FIG. 4B is a sectional view taken along line XX of FIG. 4A, and FIG. 4C is a sectional view taken along line YY of FIG.
【図５】 （ａ）は星形をした非円形の中空糸膜の斜視
図、（ｂ）は（ａ）の中空糸膜を配した図である。FIG. 5A is a perspective view of a star-shaped non-circular hollow fiber membrane, and FIG. 5B is a view in which the hollow fiber membrane of FIG.
【図６】 （ａ）は瓢箪形をした非円形の中空糸膜の斜
視図、（ｂ）は眼鏡形をした非円形の中空糸膜の斜視
図、（ｃ）は楕円形をした中空糸膜の斜視図である。6 (a) is a perspective view of a gourd-shaped non-circular hollow fiber membrane, (b) is a perspective view of a spectacle-shaped non-circular hollow fiber membrane, and (c) is an elliptical hollow fiber It is a perspective view of a film.
【図７】 さまざまな非円形の中空糸膜を配した図であ
る。FIG. 7 is a view in which various non-circular hollow fiber membranes are arranged.
【図８】 従来例の加湿装置を説明する断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a conventional humidifier.
【図９】 （ａ）従来例の円形の中空糸膜の斜視図、
（ｂ）は（ａ）の中空糸膜を配した図である。FIG. 9 (a) is a perspective view of a conventional circular hollow fiber membrane,
(B) is the figure which arrange | positioned the hollow fiber membrane of (a).
２ … 加湿装置（燃料電池用加湿装置） ２１ａ… ハウジング ＨＦ … 中空糸膜（非円形の中空糸膜） 2 Humidifier (humidifier for fuel cell) 21a Housing HF Hollow fiber membrane (non-circular hollow fiber membrane)
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） // Ｈ０１Ｍ 8/04 Ｈ０１Ｍ 8/04 Ｋ (72)発明者 鈴木 幹浩 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 (72)発明者 片桐 敏勝 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 Ｆターム(参考） 3L055 AA10 BA01 DA01 DA05 4D006 GA41 HA02 HA19 JA14A JA18A JA25A KE16Q MA01 MA22 MA34 NA75 PA10 PB17 PB18 PB19 PB65 PC80 5H027 AA06 Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat II (Reference) // H01M 8/04 H01M 8/04 K (72) Inventor Mikihiro Suzuki 1-4-1 Chuo, Wako-shi, Saitama Stock Inside Honda R & D Co., Ltd. (72) Inventor Toshikatsu Katagiri 1-4-1 Chuo, Wako-shi, Saitama F-term inside Honda R & D Co., Ltd. 3L055 AA10 BA01 DA01 DA05 4D006 GA41 HA02 HA19 JA14A JA18A JA25A KE16Q MA01 MA22 MA34 NA75 PA10 PB17 PB18 PB19 PB65 PC80 5H027 AA06
Claims (2)
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、 前記中空糸膜の断面形状を非円形にし、 この非円形の中空糸膜を、中空糸膜の断面形状が円形で
ある場合よりも、前記ハウジングにおける前記中空糸膜
の外側を通流する気体の流路が広くなるように前記ハウ
ジング内に収納したこと、を特徴とする加湿装置。1. A large number of water-permeable hollow fiber membranes arranged along the longitudinal direction of a housing are housed in the housing, and gases having different moisture contents are respectively flowed inside and outside the hollow fiber membranes. In a humidifier for performing moisture exchange between the gases and humidifying a dry gas having a small moisture content, the cross-sectional shape of the hollow fiber membrane is made non-circular, and the non-circular hollow fiber membrane has a cross-sectional shape of the hollow fiber membrane. A humidifying device, wherein the gas is accommodated in the housing such that a gas flow path flowing outside the hollow fiber membrane in the housing is wider than in a case of a circular shape.
ハウジング内に収納したこと、を特徴とする請求項１に
記載の加湿装置。2. The humidifier according to claim 1, wherein the hollow fiber membranes having different cross-sectional shapes are housed in the housing.
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