JP2001202976A - Humidifier - Google Patents

Humidifier

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JP2001202976A
JP2001202976A JP2000010970A JP2000010970A JP2001202976A JP 2001202976 A JP2001202976 A JP 2001202976A JP 2000010970 A JP2000010970 A JP 2000010970A JP 2000010970 A JP2000010970 A JP 2000010970A JP 2001202976 A JP2001202976 A JP 2001202976A
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JP
Japan
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housing
hollow fiber
dry air
gas
fiber membrane
Prior art date
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Pending
Application number
JP2000010970A
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Japanese (ja)
Inventor
Mikihiro Suzuki
幹浩 鈴木
Hiroshi Shimanuki
寛士 島貫
Yoshio Kusano
佳夫 草野
Toshikatsu Katagiri
敏勝 片桐
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Honda Motor Co Ltd
Original Assignee
Honda Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a humidifier, which is capable of improving the amount of water recovery by making the flow turbulent, when a dry gas is fed outside a bulk hollow fiber membrane which is housed in a housing of a hollow fiber membrane module. SOLUTION: In a humidifier 2, a large number of water permeable hollow fiber membranes arranged along the longitudinal direction of a housing are housed in a housing, a moisture is exchanged between gases through feeding the gases having different moisture content inside and outside the hollow fiber membrane, respectively, and a dry gas having less moisture content is humidified. The inner wall of the housing 21a has a structure for generating turbulence.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【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、湿潤気体から好適に水分を回収できる
水透過性の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 water-permeable hollow fiber membrane that can suitably recover moisture from a wet gas.

【0002】[0002]

【従来の技術】燃料電池には固体高分子型のものがある
が、近年、電気自動車の動力源などとして注目されてい
る燃料電池においては、燃料電池から排出された湿潤ガ
スであるオフガスの水分を乾燥エア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。
2. Description of the Related Art There is a solid polymer type fuel cell. In recent years, a fuel cell, which has attracted attention as a power source of an electric vehicle, has a problem that the moisture of an off-gas, which is a humid gas discharged from the fuel cell, is low. A humidifier that exchanges moisture with dry air 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 a humidification device used for a fuel cell, a device using a hollow fiber membrane is suitably used. .

【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13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1
03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。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1
06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′はそれぞれ第二のヘッド
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。
As a humidifier using a conventional hollow fiber membrane,
For example, there is one disclosed in JP-A-7-71795. The humidifier will be described with reference to FIG. 13. The humidifier 100 has a housing 101. The housing 101 has a first inlet 102 for introducing dry air and a first outlet 1 for discharging dry air.
In the housing 101, a large number of hollow fiber membrane bundles 104, for example, 5000 hollow fiber membranes, are housed. 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. Outside the fixing portion 105, a second inlet 1 for introducing moist air is provided.
A second outlet 107 is formed outside the fixing portion 105 ′ for discharging wet air from which moisture has been separated and removed by the hollow fiber membrane bundle 104. Further, the fixing portions 105 and 105 'are covered by a second head cover 108 and a second head cover 109, respectively. The second inlet 106 is formed in the first head cover 108, and the second outlet 107
Are formed on the second head cover 109.

【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過する。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 passes outside 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】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
中空糸膜を用いた加湿装置100は、乾燥エアを中空糸
膜束104の外側に通流させると中空糸膜モジュールの
構造(例えば中空糸膜の充填率が高すぎることに起因す
る圧力損失や中空糸膜同士の絡み合い・ねじれ等による
流路の閉塞等)によって乾燥エアが流れ易い場所にしか
流れないように整流化されてしまうため、中空糸膜の外
表面に接することができる乾燥エアは、水分が高濃度と
なるが、中空糸膜の外表面に接することができないとこ
ろの乾燥エア(例えばハウジングの内面に沿って流れる
乾燥エアや中空糸膜同士が交差・接触する場所を流れる
乾燥エア)では水分が低濃度となり、全体として乾燥エ
アの湿潤エアからの水回収量(加湿量)が低下するとい
う問題を生じていた。
However, in the conventional humidifier 100 using a hollow fiber membrane, the structure of the hollow fiber membrane module (for example, the hollow fiber membrane module) is established when dry air is passed outside the hollow fiber membrane bundle 104. Pressure loss due to too high a filling rate, or blockage of the flow path due to entanglement or twisting of the hollow fiber membranes, etc.). Dry air that can come into contact with the outer surface of the fiber membrane has a high concentration of moisture, but dry air that cannot contact the outer surface of the hollow fiber membrane (for example, dry air or hollow air flowing along the inner surface of the housing). In the case of dry air flowing in a place where the yarn membranes cross and contact each other, the moisture content is low, and the amount of water recovered from the wet air (humidified amount) of the dry air is reduced as a whole. .

【0006】本発明は、前記課題を解決するためになさ
れたものであって、中空糸膜モジュールのハウジング内
に収納される多数の水透過性の中空糸膜から構成される
中空糸膜束の外側に乾燥気体を通流した時に、流れを乱
流として水回収量を向上させることができる加湿装置を
提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and is directed to a hollow fiber membrane bundle comprising a plurality of water-permeable hollow fiber membranes housed in a housing of a hollow fiber membrane module. It is an object of the present invention to provide a humidifier capable of improving a water recovery amount by making a turbulent flow when a dry gas flows outside.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の請求項1に記載された発明の要旨とするところは、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、水分含有量の少ない乾燥
気体を加湿する加湿装置において、前記ハウジングの内
壁面を乱流発生構造としたことを特徴とするものであ
る。
The gist of the invention described in claim 1 for solving the above-mentioned problem is that a large number of water-permeable hollow fiber membranes arranged along the longitudinal direction of the housing are provided. A humidifying device that is housed in the housing and exchanges moisture between the gases by flowing gases having different moisture contents to the inside and the outside of the hollow fiber membrane, and humidifies a dry gas having a small moisture content. The inner wall surface of the housing has a turbulent flow generating structure.

【0008】このように、ハウジングの内壁面に乱流発
生構造を設けることにより、内壁面に沿って整流化され
層流で流れていた乾燥気体の流れが内壁面の乱流発生構
造に衝突して乱流となるので、ハウジング内に収納され
た中空糸膜束の外表面を満遍なく流れるようになり、水
分含有量の少ない乾燥気体が水透過性の中空糸膜を介し
て水分含有量の多い湿潤気体から回収できる水回収量
(加湿量)が多くなる。
Thus, by providing the turbulence generating structure on the inner wall surface of the housing, the flow of the dry gas rectified along the inner wall surface and flowing in the laminar flow collides with the turbulent flow generating structure on the inner wall surface. Turbulent flow, so that the outer surface of the hollow fiber membrane bundle housed in the housing flows evenly, and the dry gas with low moisture content has a high moisture content through the water-permeable hollow fiber membrane. The amount of water recovery (humidification amount) that can be recovered from the wet gas increases.

【0009】前記課題を解決するための請求項2に記載
された発明の要旨とするところは、前記乱流発生構造
が、前記ハウジングの内壁面に溝を設けたことを特徴と
する請求項1に記載の加湿装置である。
According to another aspect of the present invention, a turbulence generating structure includes a groove formed on an inner wall surface of the housing. 4. The humidifying device according to 1.

【0010】このように、ハウジングの内壁面に溝を設
けることにより、ハウジングの内壁に沿って整流化され
層流で流れていた乾燥気体の流れを溝で撹乱させて乱流
とすることができる。その結果、乾燥気体がハウジング
内に収納された中空糸膜束の外表面を均一に流れるよう
になり、水分含有量の少ない乾燥気体が水透過性の中空
糸膜を介して水分含有量の多い湿潤気体から回収できる
水回収量(加湿量)が多くなる。
As described above, by providing the groove on the inner wall surface of the housing, the flow of the dry gas rectified along the inner wall of the housing and flowing in the laminar flow can be disturbed by the groove to form a turbulent flow. . As a result, the dry gas uniformly flows on the outer surface of the hollow fiber membrane bundle housed in the housing, and the dry gas having a low moisture content has a high moisture content through the water-permeable hollow fiber membrane. The amount of water recovery (humidification amount) that can be recovered from the wet gas increases.

【0011】前記課題を解決するための請求項3に記載
された発明の要旨とするところは、前記乱流発生構造
が、前記ハウジングの内壁面に突起を設けたことを特徴
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。
According to a third aspect of the present invention, there is provided the turbulence generating structure, wherein the turbulence generating structure has a projection on an inner wall surface of the housing. Alternatively, the humidifier according to claim 2.

【0012】このように、ハウジングの内壁面に突起を
設けることにより、乾燥気体の流れを突起で撹乱させて
乱流とすることができる。その結果、乾燥気体がハウジ
ング内に収納された中空糸膜束の外表面を均一に流れる
ようになり、水分含有量の少ない乾燥気体が水透過性の
中空糸膜を介して水分含有量の多い湿潤気体から回収で
きる水回収量(加湿量)が多くなる。
As described above, by providing the projection on the inner wall surface of the housing, the flow of the dry gas can be disturbed by the projection to form a turbulent flow. As a result, the dry gas uniformly flows on the outer surface of the hollow fiber membrane bundle housed in the housing, and the dry gas having a low moisture content has a high moisture content through the water-permeable hollow fiber membrane. The amount of water recovery (humidification amount) that can be recovered from the wet gas increases.

【0013】前記課題を解決するための請求項4に記載
された発明の要旨とするところは、前記乱流発生構造
が、前記ハウジングの形状を軸対称に外側に膨らんだ形
状としたことを特徴とする請求項1乃至請求項3のうち
のいずれか1項に記載の加湿装置である。
According to another aspect of the present invention, the turbulence generating structure is characterized in that the shape of the housing is formed so as to expand axially symmetrically outward. The humidifier according to any one of claims 1 to 3.

【0014】このように、ハウジングの形状を軸対称に
外側に膨らんだ形状とすることにより、ハウジング内の
乾燥気体の流れを周方向に沿って旋回流とすることがで
き、ハウジング内に収納された中空糸膜束の外側から中
心側に向かって乾燥流体を流すことができるので乾燥気
体が中空糸膜束と衝突して撹乱され乱流となる。その結
果、乾燥気体がハウジング内に収納された中空糸膜束の
外表面を均一に流れるようになるので、水分含有量の少
ない乾燥気体が水透過性の中空糸膜を介して水分含有量
の多い湿潤気体から回収できる水回収量(加湿量)が多
くなる。
Thus, by making the shape of the housing bulged outward in an axisymmetric manner, the flow of the dry gas in the housing can be swirled along the circumferential direction, and is accommodated in the housing. Since the drying fluid can flow from the outer side of the hollow fiber membrane bundle toward the center side, the dry gas collides with the hollow fiber membrane bundle and is disturbed to be turbulent. As a result, the dry gas uniformly flows on the outer surface of the hollow fiber membrane bundle accommodated in the housing, so that the dry gas having a low moisture content is reduced through the water-permeable hollow fiber membrane to reduce the moisture content. The amount of water recovery (humidification amount) that can be recovered from a large amount of wet gas increases.

【0015】[0015]

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る加湿装置2
を、燃料電池システムに適用した実施の形態を、図面を
参照して詳細に説明する。図1は、本発明に係る加湿装
置が適用される燃料電池システムの全体構成図である。
図2は、図1の燃料電池の構成を模式化した説明図であ
る。図3は、本発明に係る加湿装置の構成を示す斜視図
である。図4は、本発明に係る加湿装置内における気体
の流れを示す断面図である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a humidifying device 2 according to the present invention will be described.
An embodiment in which the present invention is applied to a fuel cell system will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is an overall configuration diagram of a fuel cell system to which a humidifier according to the present invention is applied.
FIG. 2 is an explanatory diagram schematically illustrating the configuration of the fuel cell of FIG. FIG. 3 is a perspective view showing the configuration of the humidifier according to the present invention. FIG. 4 is a cross-sectional view showing a gas flow in the humidifier according to the present invention.

【0016】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
構成及び作用について説明する。燃料電池システムFC
S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」と記載する)T等から構成される。なお、燃料電
池1は、固体高分子型のものである。
First, the overall configuration and operation of a fuel cell system to which a humidifier according to an embodiment of the present invention is applied will be described with reference to FIG. Fuel cell system FC
S is 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 tank (hereinafter referred to as a tank). T) (described as “tank”). The fuel cell 1 is a solid polymer type.

【0017】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
湿は中空糸膜モジュールのハウジングの内壁面に乱流発
生構造を有する加湿装置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、CO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.2
CO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 cause a chemical reaction between 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, the compression of air (dry air) is performed by the air compressor 4, and the humidification is performed by the humidifier 2 having a turbulence generating structure on the inner wall surface of the housing of the hollow fiber membrane module. 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 is generated by evaporating, reforming, and removing CO from a mixture of water and methanol, which are raw fuels. Here, the evaporation of the raw fuel is performed by the fuel evaporator 6, the reforming is performed by the reformer 7, and the CO removal is performed by the CO remover 8. By the way,
The raw fuel stored in the tank T is supplied to the fuel evaporator 6 via the pump P, and the raw fuel gas evaporated by the fuel evaporator 6 (a mixture of reforming air is supplied to the reformer 7). ) Is supplied, and the fuel gas reformed by the reformer 7 is supplied to the CO remover 8. In the reformer 7, steam reforming and partial oxidation of methanol are performed in the presence of a catalyst. Also,
In the CO remover 8, selective oxidation is performed in the presence of a catalyst to remove CO.
Is converted to CO 2 . The CO remover 8 reduces the concentration of CO as much as possible. 1CO remover and No. 1 2
It is composed of two CO removers. In addition, CO remover 8
Is supplied with air for selective oxidation from the air compressor 4.

【0018】なお、燃料電池1からは、未利用の水素を
含む水素極側1bのオフガス及び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(メタノール等)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 hydrogen electrode side 1b containing unused hydrogen and off-gas on the oxygen electrode side 1a containing a large amount of water as a reaction product. 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 is supplied with auxiliary fuel (methanol or the like) and air to compensate for the lack of heat in the fuel evaporator 6 or to warm up the fuel cell system FCS when starting up.

【0019】次に、図2を参照して、燃料電池システム
FCS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。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。従って、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
等の外部負荷Mを経由して酸素極12に達する。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。ちなみに、燃料ガス側の加湿は、原燃
料である水とメタノール混合液に燃料ガスの加湿に必要
な水分量が最初から添加されているので不要であるが、
原燃料中に加湿に必要な水分量が添加されていない場合
には本発明の加湿装置2が適用できる。
Next, with reference to FIG. 2, the configuration and operation of the fuel cell which is the core of the fuel cell system FCS 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. 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.
The electrolyte membrane 13 has a large number of proton exchange groups in the solid polymer, exhibits a low specific resistance of 20Ω-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. The humidified air thus humidified is supplied to the fuel cell 1 as an oxidizing gas when the electrolyte membrane 13 dries.
The reason for this is that the proton conductivity in the above becomes low and the power generation efficiency decreases. Therefore, in the fuel cell system FCS using the polymer electrolyte fuel cell 1, humidification has an important significance. By the way, the humidification on the fuel gas side is not necessary because the amount of water necessary for humidification of the fuel gas is added from the beginning to the raw fuel water / methanol mixture,
When the amount of water required for humidification is not added to the raw fuel, the humidifier 2 of the present invention can be applied.

【0020】続いて、図3及び図4を参照して本発明の
一実施の形態である加湿装置2の構成及び作用を説明す
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本有すると共
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に構成されている。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、2本の中空糸膜モジュ
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水分を分離されたオフガスの排
出、他端側分配器23を介して湿潤気体であるオフガス
の供給及び加湿空気の排出が行えるようになっている。
Next, the configuration and operation of the humidifier 2 according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 3 (a), the humidifier 2 has two hollow fiber membrane modules 21 each having a substantially columnar shape in parallel, and has a box-shaped one-side distributor 22 and a other-side distributor 23.
And is configured in 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. The two hollow fiber membrane modules 21 and 21 are supplied with dry air via one end side distributor 22 and discharge off-gas from which water has been separated, and wet gas via the other end side distributor 23. The supply of the off-gas and the discharge of the humidified air can be performed.

【0021】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、及びこのハウジング2
1aに収容される中空糸膜束21bを含んで構成され
る。ハウジング21aは、両端が開放された中空円筒形
状をしている。このハウジング21aには、その両端部
近傍に開口部がそれぞれ複数個(円周方向に8個程度ず
つ)設けてある。一方、ハウジング21aに収納される
中空糸膜束21bは、図3(c)に示す中空通路を有す
る中空糸膜HFを数千本束ねたものであり、ハウジング
21aの両端面(開口部よりも端側)に中空糸膜HFの
中空通路を確保しつつお互いが散らばらないように接着
剤で固定してある。この中空糸膜束21bをハウジング
21aに接着してある部分をポッティング部21g,2
1hというが、このポッティング部21g,21hによ
り中空糸膜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HFの外側を通流する乾燥空気(加湿空
気)が混合しないようになっている。なお、この中空糸
膜モジュール21は、ハウジング21aの一端側の端面
がオフガス流出口21doutとして使用され、他端側の
端面がオフガス流入口21dinとして使用される。ま
た、ハウジング21aの一端側の円周方向の開口部が乾
燥空気流入口21cinとして使用され、他端側の開口部
が加湿空気流出口21coutとして使用される。ちなみ
に、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・HF・・の束を挿通
し、両端面近傍を接着剤で充分接着固定した後、ハウジ
ング21aの両端に沿って中空糸膜HF・HF・・の束
を切断除去することにより作成される。なお、ハウジン
グ21aの内壁面に設けられる乱流発生構造の詳細につ
いては後述する。
As shown in FIG. 3B, the hollow fiber membrane module 21 includes a housing 21a and a housing 2a.
1a includes a hollow fiber membrane bundle 21b. The housing 21a has a hollow cylindrical shape with both ends opened. The housing 21a is provided with a plurality of openings (approximately eight in the circumferential direction) near both ends thereof. On the other hand, the hollow fiber membrane bundle 21b housed in the housing 21a is formed by bundling thousands of hollow fiber membranes HF having a hollow passage shown in FIG. At the end), a hollow passage for the hollow fiber membrane HF is secured and an adhesive is used to prevent the hollow fiber membrane HF from being scattered. The portion where the hollow fiber membrane bundle 21b is adhered to the housing 21a is connected to the potting portions 21g and 2g.
The potting portions 21g and 21h prevent the off-gas flowing through the hollow passage inside the hollow fiber membrane HF from mixing with the dry air (humidified air) flowing outside the hollow fiber membrane HF. I have. In the hollow fiber membrane module 21, one end face of the housing 21a is used as an off gas outlet 21d out , and the other end face is used as an off gas inlet 21d in . A circumferential opening at one end of the housing 21a is used as a dry air inlet 21c in , and an opening at the other end is used as a humidified air outlet 21c out . Incidentally, in such a hollow fiber membrane module 21, a predetermined number of bundles of hollow fiber membranes HF, HF,... It is formed by cutting and removing a bundle of hollow fiber membranes HF. The turbulence generation structure provided on the inner wall surface of the housing 21a will be described later in detail.

【0022】一端側分配器22は、前記したように他端
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するが、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と各中空糸膜モジュール2
1のオフガス流出口21doutは、一端側分配器22の
内部に配した内部流路22a'により連結されている
(図4(a),(b)参照)。同様に、加湿空気入口22bと
各中空糸膜モジュール21の乾燥空気流入口21c
inは、一端側分配器22の内部に配した内部流路22
b'により連結されている(図4(a),(c)参照)。
The one end side distributor 22 is connected to the other end as described above.
Along with the side distributor 23, two hollow fiber membrane modules 21,
21 is fixed in a predetermined positional relationship.
22 is an off gas outlet 22a and a dry air inlet 22b.
Have. Off gas outlet 22a and each hollow fiber membrane module 2
1 off-gas outlet 21doutIs the one-side distributor 22
Connected by an internal flow path 22a 'disposed inside
(See FIGS. 4A and 4B). Similarly, the humidified air inlet 22b
Dry air inlet 21c of each hollow fiber membrane module 21
inIs an internal flow path 22 disposed inside the one end side distributor 22.
b '(see FIGS. 4 (a) and 4 (c)).

【0023】一方、他端側分配器23も、オフガス入口
23a及び加湿空気出口23bを有する。オフガス入口
23aと各中空糸膜モジュール21のオフガス流入口2
1d inは、他端側分配器23の内部に配した内部流路2
3a'により連結されている(図4(a)参照)。同様に、
加湿空気出口23bと各中空糸膜モジュール21の加湿
空気出口21coutは、他端側分配器23の内部に配し
た内部流路23b'により連結されている(図4(a)参
照)。
On the other hand, the other end side distributor 23 also has an off gas inlet.
23a and a humidified air outlet 23b. Off gas inlet
23a and off-gas inlet 2 of each hollow fiber membrane module 21
1d inIs an internal flow path 2 disposed inside the other end side distributor 23.
3a '(see FIG. 4 (a)). Similarly,
Humidification of the humidified air outlet 23b and each hollow fiber membrane module 21
Air outlet 21coutAre arranged inside the other end distributor 23.
(See FIG. 4A).
See).

【0024】前記中空糸膜モジュール21に使用される
中空糸膜HFは、図3(c)に示すように内径が300
マイクロメートルから700マイクロメートル程度の細
い円筒形の中空糸である。中空糸膜HFが細いために中
空糸膜モジュール当りの膜充填密度が大きくかつ高圧に
耐えるという特徴がある。この中空糸膜HFによる水分
の分離原理は、湿潤気体であるオフガスを中空糸膜HF
の内側に通流すると中空糸膜HFの毛管中で蒸気圧が低
下するので毛管中で水蒸気の凝縮が起こり凝縮水とな
る。この凝縮水が毛管現象により吸い出されて中空糸膜
の外側に通流する乾燥気体側に透過するという中空糸膜
HFの毛管作用を利用したものである。
The hollow fiber membrane HF used in the hollow fiber membrane module 21 has an inner diameter of 300 as shown in FIG.
It is a thin cylindrical hollow fiber having a diameter of about micrometer to 700 micrometers. Since the hollow fiber membrane HF is thin, the membrane packing density per hollow fiber membrane module is large and the hollow fiber membrane HF can withstand high pressure. The principle of separation of water by the hollow fiber membrane HF is that the off-gas, which is a wet gas, is supplied to the hollow fiber membrane HF.
When flowing through the inside of the tube, the vapor pressure is reduced in the capillary of the hollow fiber membrane HF, so that water vapor is condensed in the capillary and becomes condensed water. This utilizes the capillary action of the hollow fiber membrane HF, in which the condensed water is sucked out by capillary action and permeates to the dry gas side flowing outside the hollow fiber membrane.

【0025】次に、図3及び図4を参照して加湿装置2
の作用を説明する。湿潤気体たるオフガスは、他端側分
配器23のオフガス入口23aから加湿装置2に入り、
内部流路23a'を経由して中空糸膜モジュール21の
オフガス入口21dinに達する。オフガスは、ここから
分岐して中空糸膜束21bを構成する各中空糸膜HF・
HF・・の内側を通流する。この際オフガスは、含有す
る水分を中空糸膜HFの外側を通流する乾燥空気に与え
る。中空糸膜HFの内側を通流したオフガスは、オフガ
ス流出口21doutから中空糸膜HFを抜け出る。各中
空糸膜HF・HF・・を抜け出たオフガスは、合流して
内部流路22a'を通ってオフガス出口22aに達し、
後段の気液分装置3に向かう。なお、前記の通り他端側
分配器23の内部流路23a'は、2本ある中空糸膜モ
ジュール21,21のそれぞれに連結されているので、
オフガスは、各中空糸膜モジュール21に分配される。
この点、一端側分配器22の内部流路22a'も同じで
あるので、説明を省略する。
Next, referring to FIG. 3 and FIG.
The operation of will be described. The off-gas as a humid gas enters the humidifier 2 through an off-gas inlet 23a of the other end distributor 23,
The gas reaches the off-gas inlet 21d in of the hollow fiber membrane module 21 via the internal flow path 23a '. The off gas is branched from the hollow fiber membranes HF.
It flows through the inside of HF. At this time, the off-gas gives contained moisture to dry air flowing outside the hollow fiber membrane HF. The off gas flowing inside the hollow fiber membrane HF exits the hollow fiber membrane HF from the off gas outlet 21d out . The off-gas exiting from each of the hollow fiber membranes HF, HF,... Merges and reaches the off-gas outlet 22a through the internal flow path 22a ′,
It goes to the gas-liquid separation device 3 in the latter stage. As described above, since the internal flow path 23a 'of the other end side distributor 23 is connected to each of the two hollow fiber membrane modules 21 and 21,
The off-gas is distributed to each hollow fiber membrane module 21.
In this regard, the internal flow path 22a 'of the one end distributor 22 is the same, and therefore, the description is omitted.

【0026】一方、乾燥気体たる乾燥空気は、一端側端
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'を経由して中空糸膜モジュール2
1の乾燥空気流入口21cinに達する。乾燥空気は、こ
こからハウジング21aの内側全体に行き渡って中空糸
膜HFの外側を通流する。この際乾燥空気は、オフガス
から水分の供給を受けて加湿され加湿空気になる。加湿
空気は、加湿空気流出口21coutからハウジング21
aを抜け出し、内部流路23b'を通って加湿空気出口
23bに達し、後段の気液分離装置3に向かう。なお、
前記の通り一端側端側分配器22の内部流路22b'
は、2本ある中空糸膜モジュール21,21のそれぞれ
に連結されているので、乾燥空気は、各中空糸膜モジュ
ール21に分配される。この点、他端側分配器23の内
部流路23b'も同じであるので、説明を省略する。
On the other hand, the dry air, which is a dry gas, enters the humidifier 2 through the dry air inlet 22b of the one end side distributor 22 and passes through the internal flow path 22b 'to the hollow fiber membrane module 2.
One dry air inlet 21c in is reached. From here, the dry air flows all over the inside of the housing 21a and flows outside the hollow fiber membrane HF. At this time, the dry air is supplied with moisture from the off gas and humidified to become humidified air. The humidified air is supplied from the humidified air outlet 21c out to the housing 21.
a, it reaches the humidified air outlet 23b through the internal flow path 23b ', and heads for the gas-liquid separator 3 at the subsequent stage. In addition,
As described above, the internal flow path 22b ′ of the one end side distributor 22
Is connected to each of the two hollow fiber membrane modules 21 and 21, so that the dry air is distributed to each hollow fiber membrane module 21. In this respect, the internal flow path 23b 'of the other end side distributor 23 is the same, and the description is omitted.

【0027】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 manner, it is possible to save space while ensuring easy handling.

【0028】次に、本発明に係る加湿装置2の中空糸膜
モジュール21のハウジング21aの内壁面に設けられ
る乱流発生構造について図5乃至図9を参照して説明す
る。最初に乱流発生構造の第一実施の形態について図5
を参照して説明する。第一実施の形態の乱流発生構造
は、図5(a)に示すように、円筒のハウジング31の
内壁面に格子状の直線溝31aを設けたものである。格
子状の直線溝31aの断面形状は半円でも矩形でも溝で
あれば良い。ハウジング31の材質は、ここでは樹脂製
のものを使用しているが、金属製でもセラミックス製で
も良い。また、ハウジング31の両端部には乾燥気体で
ある乾燥空気の乾燥空気流入部32および乾燥空気流出
部33が設けられている。乾燥空気流入部32および乾
燥空気流出部33はどちらも同じ構造なので乾燥空気流
入部32側の構造についてのみ説明する。乾燥空気流入
部32は、図5(b)に示すように、ハウジング内に導
入される乾燥空気がハウジング31内で強制的に旋回流
を起こすことができるように、ハウジング31の内周を
8分割した場所の接線方向に、円筒の肉厚以上の円形孔
を8個穿設した乾燥空気流入口31cinと前記乾燥空気
流入口31cinの外側を周方向に沿って囲繞する乾燥空
気を導入する配管32bを備えた環状のリング部材32
aとから構成される。このように構成することにより、
ハウジング内に乾燥空気を導入した時に強制的に旋回流
が形成されるのでハウジングの中心側まで乾燥空気が行
き渡る。一方、反対側に設けられる乾燥空気流入部22
と同じ構造を持つ乾燥空気流出部33では、中心側から
外側へと旋回流が形成されて加湿空気が環状のリング部
材33aの配管33bから排出される。また、ハウジン
グ31の内壁面に設けた格子状の直線溝31aにより、
内壁面に沿って整流化され層流で流れていた乾燥空気の
流れが格子状の直線溝31aに衝突して撹乱され乱流と
なるため乾燥空気が中空糸膜束全体に行き渡る。これら
の相乗効果により、水分含有量の少ない乾燥空気が中空
糸膜を介して水分含有量の多い湿潤気体であるオフガス
から効率良く水を回収でき、かつ、乾燥空気を均一に加
湿することができる。その結果、乾燥空気の水回収量
(率)が推定できるようになる。なお、図5(a)では
オフガスを乾燥空気の流れに対して向流に流しているが
並流に流してもよい。
Next, a turbulence generating structure provided on the inner wall surface of the housing 21a of the hollow fiber membrane module 21 of the humidifier 2 according to the present invention will be described with reference to FIGS. First, FIG. 5 shows the first embodiment of the turbulence generating structure.
This will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 5A, the turbulent flow generation structure of the first embodiment has a lattice-shaped linear groove 31a provided on the inner wall surface of a cylindrical housing 31. The cross-sectional shape of the lattice-shaped linear groove 31a may be a semicircle or a rectangular groove. Here, the material of the housing 31 is made of resin, but may be made of metal or ceramic. Further, a dry air inflow portion 32 and a dry air outflow portion 33 for dry air, which is a dry gas, are provided at both ends of the housing 31. Since both the dry air inflow portion 32 and the dry air outflow portion 33 have the same structure, only the structure on the dry air inflow portion 32 side will be described. As shown in FIG. 5 (b), the dry air inflow section 32 has an inner circumference of the housing 31 of 8 so that the dry air introduced into the housing can forcibly generate a swirling flow in the housing 31. In the tangential direction of the divided portion, a dry air inlet 31c in having eight circular holes having a thickness greater than the thickness of the cylinder and dry air surrounding the outside of the dry air inlet 31c in along the circumferential direction are introduced. Ring member 32 provided with piping 32b
a. With this configuration,
When the dry air is introduced into the housing, a swirling flow is forcibly formed, so that the dry air reaches the center of the housing. On the other hand, the dry air inflow portion 22 provided on the opposite side
In the dry air outflow portion 33 having the same structure as described above, a swirling flow is formed from the center side to the outside, and the humidified air is discharged from the pipe 33b of the annular ring member 33a. In addition, a lattice-shaped linear groove 31a provided on the inner wall surface of the housing 31 allows
The flow of the dry air, which has been rectified along the inner wall surface and has flowed in a laminar flow, collides with the lattice-shaped linear grooves 31a to be disturbed and become a turbulent flow. Due to these synergistic effects, dry air having a low moisture content can efficiently collect water from the off-gas, which is a wet gas having a high moisture content, through the hollow fiber membrane, and can uniformly humidify the dry air. . As a result, the amount (rate) of water recovered from dry air can be estimated. In FIG. 5A, the off-gas flows in a countercurrent to the flow of the dry air, but may flow in a parallel flow.

【0029】次にハウジング21aの内壁面に設けた乱
流発生構造の第二実施の形態について図6を参照して説
明する。第二実施の形態の乱流発生構造は、円筒のハウ
ジング41の内壁面の周方向に沿って螺旋状の溝41a
を設けたものである。螺旋状の溝41aの断面形状は半
円でも矩形でも溝であれば何でも良い。ハウジング41
の材質は、ここでは樹脂製のものを使用しているが、金
属製でもセラミックス製でも良い。また、ハウジング4
1の両端部には第一実施の形態の乾燥空気流入部32お
よび乾燥空気流出部33と同じ構造の乾燥空気流入部4
2および乾燥空気流出部43が設けられている。なお、
第一実施の形態と同様に乾燥空気は、乾燥空気流入口4
1cinよりハウジング41内に導入され乾燥空気流出口
41coutより排出される。このように構成することに
より、乾燥空気をハウジング内に導入した時に強制的に
旋回流が形成されるので、ハウジングの中心側まで乾燥
空気が行き渡る。また、内壁面の周方向に沿って設けた
螺旋状の溝により、内壁面に沿って整流化されて層流で
流れていた乾燥空気の流れが撹乱され乱流となるため、
乾燥空気が中空糸膜束全体に行き渡る。これらの相乗効
果により、水分含有量の少ない乾燥空気が中空糸膜を介
して水分含有量の多いオフガスから効率良く水を回収で
き、かつ、乾燥空気を均一に加湿することができる。そ
の結果、乾燥空気の水回収量(率)が推定できるように
なる。なお、図6ではオフガスを乾燥空気の流れに対し
て向流に流しているが並流に流してもよい。
Next, a second embodiment of the turbulence generating structure provided on the inner wall surface of the housing 21a will be described with reference to FIG. The turbulent flow generation structure of the second embodiment has a spiral groove 41a along the circumferential direction of the inner wall surface of the cylindrical housing 41.
Is provided. The cross-sectional shape of the spiral groove 41a may be any shape as long as it is a semicircle, a rectangle, or a groove. Housing 41
Here, a resin material is used, but a metal material or a ceramic material may be used. Also, housing 4
The dry air inflow section 4 having the same structure as the dry air inflow section 32 and the dry air outflow section 33 of the first embodiment is provided at both end portions of the first embodiment.
2 and a dry air outlet 43 are provided. In addition,
As in the first embodiment, the dry air is supplied to the dry air inlet 4
It is introduced into the housing 41 from 1c in and discharged from the dry air outlet 41c out . With this configuration, a swirling flow is forcibly formed when the dry air is introduced into the housing, so that the dry air reaches the center of the housing. In addition, due to the spiral groove provided along the circumferential direction of the inner wall surface, the flow of dry air that has been rectified along the inner wall surface and flowed in a laminar flow is disturbed and becomes turbulent,
Dry air spreads throughout the hollow fiber membrane bundle. Due to these synergistic effects, the dry air having a low moisture content can efficiently collect water from the off-gas having a high moisture content through the hollow fiber membrane, and the dry air can be uniformly humidified. As a result, the amount (rate) of water recovered from dry air can be estimated. In FIG. 6, the off-gas flows in a countercurrent to the flow of the dry air, but may flow in a parallel flow.

【0030】ハウジング21aの内壁面に設けた乱流発
生構造の第三実施の形態について図7を参照して説明す
る。第三実施の形態の乱流発生構造は、図7(a)に示
すように、円筒のハウジング51の内壁面の軸方向に沿
って多数の直線の溝51aを設けたものである。溝の断
面形状は、図7(b)では矩形を示しているが溝であれ
ば半円でも何でも良い。ハウジング51の材質は、ここ
では樹脂製のものを使用しているが、金属製でもセラミ
ックス製でも良い。また、ハウジング51の両端部には
第一実施の形態の乾燥空気流入部32および乾燥空気流
出部33と同じ構造の乾燥空気流入部52および乾燥空
気流出部53が設けられている。なお、第一実施の形態
と同様に乾燥空気は、乾燥空気流入口51cinよりハウ
ジング51内に導入され乾燥空気流出口51coutより
排出される。このように構成することにより、乾燥空気
を導入した時に強制的に旋回流が形成されるので、ハウ
ジングの中心側まで乾燥空気が行き渡る。また、内壁面
の軸方向に沿って設けた直線の溝により、内壁面に沿っ
て整流化されて層流で流れていた乾燥空気の流れが撹乱
されて乱流となるため、乾燥空気が中空糸膜束の外表面
に全体に行き渡る。これらの相乗効果により、水分含有
量の少ない乾燥空気が中空糸膜を介して水分含有量の多
いオフガスから効率良く水を回収でき、かつ、乾燥空気
を均一に加湿することができる。その結果、乾燥空気の
水回収量(率)が推定できるようになる。なお、図7で
はオフガスを乾燥空気の流れに対して向流に流している
が並流に流してもよい。
A third embodiment of the turbulence generating structure provided on the inner wall surface of the housing 21a will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 7A, the turbulence generating structure according to the third embodiment is provided with a large number of straight grooves 51a along the axial direction of the inner wall surface of a cylindrical housing 51. The cross-sectional shape of the groove is rectangular in FIG. 7B, but may be a semi-circle as long as it is a groove. Here, the material of the housing 51 is made of resin, but may be made of metal or ceramic. Further, at both ends of the housing 51, a dry air inflow portion 52 and a dry air outflow portion 53 having the same structure as the dry air inflow portion 32 and the dry air outflow portion 33 of the first embodiment are provided. As in the first embodiment, the dry air is introduced into the housing 51 from the dry air inlet 51c in and is discharged from the dry air outlet 51c out . With this configuration, a swirling flow is forcibly formed when the dry air is introduced, so that the dry air reaches the center of the housing. In addition, the flow of the dry air that has been rectified along the inner wall surface and is flowing in a laminar flow is disturbed by a straight groove provided along the axial direction of the inner wall surface, so that the dry air is hollow. Spread all over the outer surface of the bundle. Due to these synergistic effects, dry air having a low water content can efficiently collect water from the off-gas having a high water content via the hollow fiber membrane, and can uniformly humidify the dry air. As a result, the amount (rate) of water recovered from dry air can be estimated. In FIG. 7, the off-gas flows in a countercurrent to the flow of the dry air, but may flow in a parallel flow.

【0031】ハウジング21aの内壁面に設けた乱流発
生構造の第四実施の形態について図8を参照して説明す
る。第四実施の形態の乱流発生構造は、円筒のハウジン
グ61の内壁面の周方向に沿って環状の溝61aを適宜
間隔でハウジング61の長手方向に多数設けたものであ
る。溝の断面形状は半円でも矩形でも溝であれば何でも
良い。ハウジング61の材質は、ここでは樹脂製のもの
を使用しているが、金属製でもセラミックス製でも良
い。また、ハウジング61の両端部には第一実施の形態
の乾燥空気流入部32および乾燥空気流出部33と同じ
構造の乾燥空気流入部62および乾燥空気流出部63が
設けられている。第一実施の形態と同様に乾燥空気は、
乾燥空気流入口61cinよりハウジング内に導入され乾
燥空気流出口61coutより排出される。このように構
成することにより、乾燥空気を導入した時に強制的に旋
回流が形成されるのでハウジングの中心側まで乾燥空気
が行き渡る。また、内壁面の周方向に沿って設けた環状
の溝により、従来内壁面に沿って整流化されていた乾燥
空気の流れが環状の溝衝突して撹乱されて乱流となるた
め中空糸膜束の外表面全体に乾燥空気が行き渡る。これ
らの相乗効果により、水分含有量の少ない乾燥空気が中
空糸膜を介して水分含有量の多いオフガスから効率良く
水を回収でき、かつ、乾燥空気を均一に加湿することが
できる。その結果、乾燥空気の水回収量(率)が推定で
きるようになる。なお、図8ではオフガスを乾燥空気の
流れに対して向流に流しているが並流に流してもよい。
A fourth embodiment of the turbulence generating structure provided on the inner wall surface of the housing 21a will be described with reference to FIG. In the turbulent flow generation structure of the fourth embodiment, a large number of annular grooves 61a are provided in the longitudinal direction of the housing 61 at appropriate intervals along the circumferential direction of the inner wall surface of the cylindrical housing 61. The cross-sectional shape of the groove may be any shape as long as it is a semicircle, a rectangle, or a groove. Here, the material of the housing 61 is made of resin, but may be made of metal or ceramic. At both ends of the housing 61, a dry air inlet 62 and a dry air outlet 63 having the same structure as the dry air inlet 32 and the dry air outlet 33 of the first embodiment are provided. Like the first embodiment, the dry air is
The air is introduced into the housing from the dry air inlet 61c in and discharged from the dry air outlet 61c out . With this configuration, a swirling flow is forcibly formed when the dry air is introduced, so that the dry air reaches the center of the housing. In addition, the flow of dry air, which has been rectified along the inner wall surface in the past, is disturbed by the annular groove colliding and disturbed by the annular groove provided along the circumferential direction of the inner wall surface, resulting in a turbulent flow. Dry air spreads over the entire outer surface of the bundle. Due to these synergistic effects, dry air having a low water content can efficiently collect water from the off-gas having a high water content via the hollow fiber membrane, and can uniformly humidify the dry air. As a result, the amount (rate) of water recovered from dry air can be estimated. In FIG. 8, the off-gas flows in a countercurrent to the flow of the dry air, but may flow in a parallel flow.

【0032】ハウジング21aの内壁面に設けた乱流発
生構造の第五実施の形態について図9を参照して説明す
る。第五実施の形態の乱流発生構造は、円筒のハウジン
グ71の内壁面に突起71aを適宜間隔で多数設けたも
のである。突起71aの断面形状は図9(b)では半円
形状を示しているが山形でも角錐でもハウジング71の
中心側に突出した突起であれば良い。ハウジング71の
材質は、ここでは樹脂製のものを使用しているが、金属
製でもセラミックス製でも良い。また、ハウジング71
の両端部には第一実施の形態の乾燥空気流入部32およ
び乾燥空気流出部33と同じ構造の乾燥空気流入部72
および乾燥空気流出部73が設けられている。第一実施
の形態と同様に乾燥空気は、乾燥空気流入口71cin
りハウジング内に導入され乾燥空気流出口71cout
り排出される。このように構成することにより、乾燥空
気を導入した時に強制的に旋回流が形成されるのでハウ
ジングの中心側まで乾燥空気が行き渡る。また、内壁面
に設けた突起により、内壁面に沿って整流化されて層流
で流れていた乾燥空気の流れが撹乱されて乱流となるた
め中空糸膜束の外表面全体に乾燥空気が行き渡る。これ
らの相乗効果により、水分含有量の少ない乾燥空気が中
空糸膜を介して水分含有量の多いオフガスから効率良く
水を回収でき、かつ、乾燥空気を均一に加湿することが
できる。その結果、乾燥空気の水回収量(率)が推定で
きるようになる。なお、図9ではオフガスを乾燥空気の
流れに対して向流に流しているが並流に流してもよい。
A fifth embodiment of the turbulence generating structure provided on the inner wall surface of the housing 21a will be described with reference to FIG. In the turbulent flow generating structure of the fifth embodiment, a large number of projections 71a are provided at appropriate intervals on the inner wall surface of a cylindrical housing 71. The cross-sectional shape of the projection 71a is shown in a semicircular shape in FIG. Here, the material of the housing 71 is made of resin, but may be made of metal or ceramic. Also, the housing 71
The dry air inflow portions 72 having the same structure as the dry air inflow portion 32 and the dry air outflow portion 33 of the first embodiment are provided at both ends.
And a dry air outlet 73. As in the first embodiment, the dry air is introduced into the housing from the dry air inlet 71c in and is discharged from the dry air outlet 71c out . With this configuration, a swirling flow is forcibly formed when the dry air is introduced, so that the dry air reaches the center of the housing. In addition, the projections provided on the inner wall surface rectify the flow of the dry air along the inner wall surface and disturb the flow of the dry air flowing in the laminar flow to become turbulent, so that the dry air flows over the entire outer surface of the hollow fiber membrane bundle. Go around. Due to these synergistic effects, dry air having a low water content can efficiently collect water from the off-gas having a high water content via the hollow fiber membrane, and can uniformly humidify the dry air. As a result, the amount (rate) of water recovered from dry air can be estimated. In FIG. 9, the off-gas flows in a countercurrent to the flow of the dry air, but may flow in a parallel flow.

【0033】次にハウジング21aの形状を軸対称に外
側へ膨らんだ形状とした乱流発生構造の実施の形態につ
いて図10乃至図12を参照して説明する。第六実施の
形態の乱流発生構造は、図10(a)に示すように、ハ
ウジング81の形状を円筒ではなく円筒の中間部を外側
に軸対称に膨らました楕円形としたものである。ここで
はハウジング81の形状を楕円形としているが、長円形
でも皿形でも中央部が軸対称に外側へ膨らんだ形状であ
ればよい。ハウジング81の材質は、ここでは樹脂製の
ものを使用しているが、金属製でもセラミックス製でも
良い。また、ハウジング81の両端部にはそれぞれ乾燥
気体である乾燥空気をハウジング81内に導入するため
の乾燥空気流入配管82および加湿空気をハウジング8
1から排出するための加湿空気流出配管83が設けられ
ている。配管82及び配管83はそれぞれが、図5
(b)に示すように、ハウジング81両端部の接線方向
の対称の位置となるように設けられる。このようにハウ
ジングの形状を軸対称に外側に膨らんだ楕円形とし、ハ
ウジング両端部の接線方向の対称の位置に乾燥空気流入
配管および加湿空気流出配管を設けることにより、ハウ
ジング内に導入される乾燥気体である乾燥空気の流れを
ハウジングの内面周方向に沿って旋回流とすることがで
き、ハウジング内に収納された中空糸膜束の外側から中
心側に向かって乾燥空気を流すことができるので乾燥空
気が中空糸膜束と衝突して撹乱されて乱流となる。ま
た、楕円形とすることにより、中空糸膜の充填密度が低
減され、ハウジング内での中空糸膜と中空糸膜の間の空
隙が増すため膜と乾燥空気との接触面積が向上する。そ
の結果、これらの相乗効果により、乾燥空気がハウジン
グ内に収納された各中空糸膜の表面を均一に流れるよう
になるので、水分含有量の少ない乾燥空気が中空糸膜を
介して水分含有量の多いオフガスから回収する水回収量
(加湿量)が多くなる。なお、図10ではオフガスを乾
燥空気の流れに対して向流に流しているが並流に流して
もよい。
Next, an embodiment of a turbulent flow generation structure in which the shape of the housing 21a is expanded axially symmetrically outward will be described with reference to FIGS. In the turbulence generating structure of the sixth embodiment, as shown in FIG. 10A, the shape of the housing 81 is not a cylinder but an elliptical shape in which a middle portion of the cylinder is swelled axially symmetrically outward. Here, the shape of the housing 81 is elliptical, but any shape such as an oval or a dish may be used as long as the central portion bulges outward in an axially symmetric manner. Although the material of the housing 81 is made of resin here, it may be made of metal or ceramic. A dry air inflow pipe 82 for introducing dry air, which is a dry gas, into the housing 81 and humidified air are provided at both ends of the housing 81.
A humidified air outflow pipe 83 is provided for exhausting from the air outlet 1. The pipe 82 and the pipe 83 are each shown in FIG.
As shown in (b), the housing 81 is provided at symmetrical positions in the tangential direction at both ends. Thus, the shape of the housing is formed into an elliptical shape bulging outward in an axially symmetric manner, and the drying air inlet pipe and the humidifying air outlet pipe are provided at symmetrical positions in the tangential direction at both ends of the housing, so that the drying introduced into the housing is achieved. The flow of the dry air, which is a gas, can be a swirling flow along the circumferential direction of the inner surface of the housing, and the dry air can flow from the outside to the center of the hollow fiber membrane bundle housed in the housing. The dry air collides with the hollow fiber membrane bundle and is disturbed to form a turbulent flow. Further, by making the shape elliptical, the packing density of the hollow fiber membrane is reduced, and the space between the hollow fiber membranes in the housing is increased, so that the contact area between the membrane and the dry air is improved. As a result, due to these synergistic effects, the dry air uniformly flows on the surface of each hollow fiber membrane housed in the housing, so that the dry air having a small moisture content is reduced through the hollow fiber membrane to the moisture content. The amount of water recovered (humidified amount) recovered from the off-gas with a large amount increases. In FIG. 10, the off-gas flows countercurrent to the flow of the dry air, but may flow in parallel.

【0034】ハウジング21aの形状を軸対称に外側へ
膨らんだ形状とした乱流発生構造の第七実施の形態につ
いて図11を参照して説明する。第七実施の形態の乱流
発生構造は、ハウジング91の形状第六実施の形態のハ
ウジング81のように円筒の中央部ではなく円筒の端部
を軸対称に膨らませた変形した楕円形としたものであ
る。ハウジング91の膨らませた位置は乾燥気体である
乾燥空気が導入される側である。ここではハウジング9
1の形状を変形した楕円形としているが、変形した長円
形でも皿形でも端部が軸対称に外側へ膨らんだ形状であ
ればよい。ハウジング91の材質は、ここでは樹脂製の
ものを使用しているが、金属製でもセラミックス製でも
良い。また、ハウジング91の両端部にはそれぞれ乾燥
気体である乾燥空気をハウジング91内に導入するため
の乾燥空気流入配管92と加湿された乾燥空気をハウジ
ング91から排出するための加湿空気流出配管93が設
けられている。配管92及び配管93はそれぞれが、第
六実施の形態と同様に、ハウジング91両端部の接線方
向の対称の位置となるように設けられる。このようにハ
ウジングの形状を軸対称に外側に膨らんだ変形した楕円
形とし、ハウジング両端部の接線方向の対称の位置に乾
燥空気流入配管および加湿空気流出配管を設けることに
より、ハウジング内に導入される乾燥気体である乾燥空
気の流れをハウジング内面の周方向に沿って旋回流とす
ることができ、ハウジング内に収納された中空糸膜束の
外側から中心側に向かって乾燥空気を流すことができる
ので乾燥空気が中空糸膜束と衝突して撹乱され乱流とな
る。また、変形した楕円形とすることにより、中空糸膜
の充填密度が低減され、ハウジング内で中空糸膜と中空
糸膜との間の空隙が増すため膜の乾燥気体である乾燥空
気との接触面積が向上する。その結果、これらの相乗効
果により、乾燥空気がハウジング内に収納された各中空
糸膜の表面を均一に流れるようになるので、水分含有量
の少ない乾燥空気が中空糸膜を介して水分含有量の多い
オフガスから回収する水回収量(加湿量)が多くなる。
なお、図11ではオフガスを乾燥空気の流れに対して向
流に流しているが並流に流してもよい。
A seventh embodiment of a turbulent flow generating structure in which the shape of the housing 21a is swelled axially outward will be described with reference to FIG. The turbulent flow generation structure of the seventh embodiment has a shape of a housing 91, such as the housing 81 of the sixth embodiment, which is not the center of the cylinder but a deformed elliptical shape in which the end of the cylinder is swelled axisymmetrically. It is. The inflated position of the housing 91 is on the side where dry air, which is dry gas, is introduced. Here the housing 9
Although the shape of No. 1 is a deformed elliptical shape, a deformed oval or dish shape may be used as long as its end is bulged outward in an axially symmetric manner. Here, the material of the housing 91 is made of resin, but may be made of metal or ceramic. At both ends of the housing 91, a dry air inflow pipe 92 for introducing dry air, which is a dry gas, into the housing 91 and a humidified air outflow pipe 93 for discharging humidified dry air from the housing 91 are provided. Is provided. Similar to the sixth embodiment, the pipes 92 and 93 are provided such that both ends of the housing 91 are symmetrical in the tangential direction. In this way, the shape of the housing is formed into an elliptical shape bulging outward in an axially symmetric manner, and the dry air inflow pipe and the humidification air outflow pipe are provided at symmetrical positions in the tangential direction at both ends of the housing, thereby being introduced into the housing. The flow of the dry air, which is a dry gas, can be a swirling flow along the circumferential direction of the inner surface of the housing, and the dry air can flow from the outside toward the center of the hollow fiber membrane bundle housed in the housing. As a result, dry air collides with the hollow fiber membrane bundle and is turbulent, resulting in turbulent flow. In addition, by forming a deformed elliptical shape, the packing density of the hollow fiber membrane is reduced, and the space between the hollow fiber membranes in the housing increases, so that the membrane comes into contact with dry air, which is a dry gas of the membrane. The area is improved. As a result, due to these synergistic effects, the dry air uniformly flows on the surface of each hollow fiber membrane housed in the housing, so that the dry air having a small moisture content is reduced through the hollow fiber membrane to the moisture content. The amount of water recovered (humidified amount) recovered from the off-gas with a large amount increases.
In FIG. 11, the off-gas flows countercurrent to the flow of the dry air, but may flow in parallel.

【0035】ハウジング21aの形状を軸対称に外側へ
膨らんだ形状とした乱流発生構造の第八実施の形態につ
いて図12を参照して説明する。第八実施の形態の乱流
発生構造は、ハウジング91′の形状を円筒ではなく円
筒の端部を軸対称に膨らませた変形した楕円形としたも
のである。ハウジング91′を膨らませた位置は乾燥気
体である乾燥空気が排出される側である。ここではハウ
ジング91′の形状を変形した楕円形としているが、変
形した長円形でも皿形でも端部が軸対称に外側へ膨らん
だ形状であればよい。また、ハウジング91の両端部に
はそれぞれ乾燥気体である乾燥空気をハウジング91内
に導入するための乾燥空気流入配管92′と加湿された
乾燥空気をハウジング91から排出するための加湿空気
流出配管93′が設けられている。配管92′及び配管
93′はそれぞれが、第七実施の形態と同様ハウジング
91両端部の接線方向の対称の位置に設けられる。この
ようにハウジングの形状を軸対称に外側に膨らんだ変形
した楕円形とし、ハウジング両端部の接線方向の対称の
位置に乾燥空気流入配管および加湿空気流出配管を設け
ることにより、ハウジング内に導入される乾燥気体であ
る乾燥空気の流れをハウジング内面の周方向に沿って旋
回流とすることができ、ハウジング内に収納された中空
糸膜束の外側から中心側に向かって乾燥空気を流すこと
ができるので乾燥空気が中空糸膜束と衝突して撹乱され
乱流となる。また、変形した楕円形とすることにより、
中空糸膜の充填密度が低減され、ハウジング内で中空糸
膜と中空糸膜との間の空隙が増すため膜の乾燥気体であ
る乾燥空気との接触面積が向上する。その結果、これら
の相乗効果により、乾燥空気がハウジング内に収納され
た各中空糸膜の表面を均一に流れるようになるので、水
分含有量の少ない乾燥空気が中空糸膜を介して水分含有
量の多いオフガスから回収する水回収量(加湿量)が多
くなる。なお、図12ではオフガスを乾燥空気の流れに
対して向流に流しているが並流に流してもよい。
An eighth embodiment of a turbulent flow generating structure in which the shape of the housing 21a is swelled outward in an axially symmetric manner will be described with reference to FIG. In the turbulent flow generation structure according to the eighth embodiment, the shape of the housing 91 'is not a cylinder but an elliptical shape in which the end of the cylinder is expanded symmetrically with respect to the axis. The position where the housing 91 'is inflated is the side where the dry air, which is the dry gas, is discharged. Here, the shape of the housing 91 'is a deformed ellipse, but any shape may be used as long as the end is axially symmetrical and bulges outward, whether it is a deformed oval or a dish. At both ends of the housing 91, a dry air inflow pipe 92 ′ for introducing dry air, which is a dry gas, into the housing 91 and a humidified air outflow pipe 93 for discharging humidified dry air from the housing 91. 'Is provided. The pipes 92 ′ and 93 ′ are provided at symmetrical positions in the tangential direction at both ends of the housing 91, similarly to the seventh embodiment. In this way, the shape of the housing is formed into an elliptical shape bulging outward in an axially symmetric manner, and the dry air inflow pipe and the humidification air outflow pipe are provided at symmetrical positions in the tangential direction at both ends of the housing, thereby being introduced into the housing. The flow of the dry air, which is a dry gas, can be a swirling flow along the circumferential direction of the inner surface of the housing, and the dry air can flow from the outside toward the center of the hollow fiber membrane bundle housed in the housing. As a result, dry air collides with the hollow fiber membrane bundle and is turbulent, resulting in turbulent flow. In addition, by making it a deformed ellipse,
The packing density of the hollow fiber membrane is reduced, and the space between the hollow fiber membranes in the housing is increased, so that the contact area of the membrane with dry air, which is a dry gas, is improved. As a result, due to these synergistic effects, the dry air uniformly flows on the surface of each hollow fiber membrane housed in the housing, so that the dry air having a small moisture content is reduced through the hollow fiber membrane to the moisture content. The amount of water recovered (humidified amount) recovered from the off-gas with a large amount increases. In FIG. 12, the off-gas flows in a countercurrent to the flow of the dry air, but may flow in a parallel flow.

【0036】ここで、乾燥空気とオフガスを向流または
並流で流したときのそれぞれの長所について説明する。
乾燥空気とオフガスを向流で流したときの長所として
は、中空糸膜内の温度濃度差を均一化することができる
ので、水透過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
フガスの出口温度に合わせやすいため、温度調節が容易
となる。従って、燃料電池へ供給する空気の湿度を管理
しやすくなる。一方、乾燥空気とオフガスを並流として
流したときの長所としては、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。従って、燃料電池の効率を向上させることが
できる。
Here, the respective advantages when the dry air and the off-gas flow in countercurrent or cocurrent are described.
An advantage of flowing dry air and off-gas in countercurrent is that the difference in temperature concentration in the hollow fiber membrane can be made uniform, so that the water permeability is improved. Further, since the gas inlet and the outlet are opposed to each other, the layout of the gas pipe is improved. Furthermore, since the heat exchange rate by the hollow fiber membrane is improved, the cooling performance of the gas is improved, and since the heat exchange rate is high, it is easy to adjust the temperature of the outlet of the dry air to the temperature of the off gas, so that the temperature is controlled Becomes easier. Therefore, it becomes easy to control the humidity of the air supplied to the fuel cell. On the other hand, the advantage of flowing dry air and off-gas as co-current is that the dry air and off-gas have a high difference in humidity concentration at the inlet portion, so that the humidification efficiency is improved and the overall length of the hollow fiber membrane itself can be shortened. Since the apparatus 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.

【0037】次に、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。従って、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。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。従って、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。
Next, the temperature control function of the humidifier will be supplemented. For example, the temperature of dry air compressed by an air compressor such as a supercharger changes between approximately 30 ° C. (when the fuel cell is idling) and 120 ° C. (when the fuel cell is at maximum output). 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) Temperature)
Is supplied to the fuel cell as humidified air. 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 suitable temperature conditions by the temperature control function of the humidifier, and the power generation efficiency of the fuel cell increases. Further, when an intercooler is attached to the discharge side of the air compressor, the dry air compressed by the air compressor is cooled (or heated) to approximately 50 ° C. (during fuel cell idling) to 60 ° C. (fuel (When the battery is at its maximum output). 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 suitable temperature conditions by the temperature control function of the humidifier, and the power generation efficiency of the fuel cell is increased.

【0038】このように、ハウジング21aの内壁面に
乱流発生構造を設けることにより以下の効果が得られ
る。 (1)ハウジングの内壁面に溝や突起を設けたりハウジ
ングの形状を楕円形にすることにより、ハウジング内に
乱流が発生しやすくなるので、乾燥空気が中空糸束膜の
外表面全体に行き渡り、中空糸膜モジュールのハウジン
グ内の位置によって乾燥空気中の水分の濃度差があった
のが解消される。その結果、乾燥空気が効率良く水を回
収でき、かつ、乾燥空気を均一に加湿することができ
る。また、乾燥空気の水回収量(率)も推定できるよう
になる。 (2)ハウジングの内壁面に溝を形成することにより中
空糸膜モジュール全体の軽量化が図れる。尚、以上説明
した第一実施の形態から第八実施の形態の乱流発生構造
は、適宜必要に応じて組み合わせることができる。組み
合わせて用いればより強い乱流とすることができるの
で、水分含有量の少ない乾燥空気が中空糸膜を介して水
分含有量の多いオフガスから回収できる水回収量(加湿
量)がより多くなる。
By providing the turbulence generating structure on the inner wall surface of the housing 21a, the following effects can be obtained. (1) By providing grooves or projections on the inner wall surface of the housing or making the shape of the housing elliptical, turbulent flow is easily generated in the housing, so that dry air spreads over the entire outer surface of the hollow fiber bundle membrane. This eliminates the difference in moisture concentration in dry air depending on the position of the hollow fiber membrane module in the housing. As a result, the dry air can efficiently collect water and humidify the dry air uniformly. In addition, the amount (rate) of water recovered from dry air can be estimated. (2) By forming grooves on the inner wall surface of the housing, the weight of the entire hollow fiber membrane module can be reduced. In addition, the turbulence generation structures of the first to eighth embodiments described above can be appropriately combined as needed. When used in combination, stronger turbulence can be achieved, so that a larger amount of water can be recovered (humidified amount) from which dry air having a low water content can be recovered from the offgas having a high water content through the hollow fiber membrane.

【0039】[0039]

【発明の効果】以上の構成と作用から明らかなように、 (1)本発明のうちの請求項1係る発明によれば、ハウ
ジングの内壁面に乱流発生構造を設けることにより、内
壁面に沿って整流化され層流で流れていた乾燥気体の流
れが内壁面の乱流発生構造に衝突して乱流となるので、
ハウジング内に収納された中空糸膜束の外表面を満遍な
く流れるようになり、水分含有量の少ない乾燥気体が水
透過性の中空糸膜を介して水分含有量の多い湿潤気体か
ら回収できる水回収量(加湿量)が多くなる。 (2)請求項2に係る発明によれば、ハウジングの内壁
面に溝を設けることにより、ハウジングの内壁に沿って
整流化され層流で流れていた乾燥気体の流れを溝で撹乱
させて乱流とすることができる。その結果、乾燥気体が
ハウジング内に収納された中空糸膜束の外表面を均一に
流れるようになり、水分含有量の少ない乾燥気体が水透
過性の中空糸膜を介して水分含有量の多い湿潤気体から
回収できる水回収量(加湿量)が多くなる。 (3)請求項3に係る発明によれば、ハウジングの内壁
面に突起を設けることにより、乾燥気体の流れを突起で
撹乱させて乱流とすることができる。その結果、乾燥気
体がハウジング内に収納された中空糸膜束の外表面を均
一に流れるようになり、水分含有量の少ない乾燥気体が
水透過性の中空糸膜を介して水分含有量の多い湿潤気体
から回収できる水回収量(加湿量)が多くなる。 (4)請求項4に係る発明によれば、ハウジングの形状
を軸対称に外側に膨らんだ形状とすることにより、ハウ
ジング内の乾燥気体の流れを周方向に沿って旋回流とす
ることができ、ハウジング内に収納された中空糸膜束の
外側から中心側に向かって乾燥流体を流すことができる
ので乾燥気体が中空糸膜束と衝突して撹乱され乱流とな
る。その結果、乾燥気体がハウジング内に収納された中
空糸膜束の外表面を均一に流れるようになるので、水分
含有量の少ない乾燥気体が水透過性の中空糸膜を介して
水分含有量の多い湿潤気体から回収できる水回収量(加
湿量)が多くなる。
As is apparent from the above configuration and operation, (1) According to the first aspect of the present invention, the turbulence generating structure is provided on the inner wall surface of the housing, so that the inner wall surface is provided. The flow of the dry gas that has been rectified along the laminar flow collides with the turbulence generation structure on the inner wall surface and becomes turbulent,
Water recovery that allows the dry gas with low moisture content to be recovered from the wet gas with high moisture content through the water-permeable hollow fiber membrane by flowing evenly over the outer surface of the hollow fiber membrane bundle housed in the housing The amount (humidification amount) increases. (2) According to the second aspect of the present invention, by providing the groove on the inner wall surface of the housing, the flow of the dry gas rectified along the inner wall of the housing and flowing in the laminar flow is disturbed by the groove. It can be flow. As a result, the dry gas uniformly flows on the outer surface of the hollow fiber membrane bundle housed in the housing, and the dry gas having a low moisture content has a high moisture content through the water-permeable hollow fiber membrane. The amount of water recovery (humidification amount) that can be recovered from the wet gas increases. (3) According to the third aspect of the invention, by providing the projection on the inner wall surface of the housing, the flow of the dry gas can be disturbed by the projection to form a turbulent flow. As a result, the dry gas uniformly flows on the outer surface of the hollow fiber membrane bundle housed in the housing, and the dry gas having a low moisture content has a high moisture content through the water-permeable hollow fiber membrane. The amount of water recovery (humidification amount) that can be recovered from the wet gas increases. (4) According to the invention according to claim 4, the flow of the dry gas in the housing can be a swirling flow along the circumferential direction by making the shape of the housing bulged outward in an axisymmetric manner. Since the drying fluid can flow from the outside of the hollow fiber membrane bundle accommodated in the housing toward the center side, the dry gas collides with the hollow fiber membrane bundle and is disturbed to form a turbulent flow. As a result, the dry gas uniformly flows on the outer surface of the hollow fiber membrane bundle accommodated in the housing, so that the dry gas having a low moisture content is reduced through the water-permeable hollow fiber membrane to reduce the moisture content. The amount of water recovery (humidification amount) that can be recovered from a large amount of wet gas increases.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明に係る加湿装置が適用される燃料電池シ
ステムの全体構成図である。
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a fuel cell system to which a humidifier according to the present invention is applied.

【図2】図1の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 the fuel cell of FIG. 1;

【図3】(a)本発明に係る加湿装置の構成を示す斜視
図である。 (b)本発明に係る加湿装置の中空糸膜モジュールの斜
視図である。 (c)図3(b)の中空糸膜の拡大図である。
FIG. 3A is a perspective view illustrating a configuration of a humidifier according to the present invention. (B) It is a perspective view of the hollow fiber membrane module of the humidifier which concerns on this invention. (C) It is an enlarged view of the hollow fiber membrane of FIG.3 (b).

【図4】本発明に係る加湿装置内における気体の流れを
示す断面図である。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a gas flow in the humidifier according to the present invention.

【図5】本発明に係る加湿装置における乱流発生構造の
第一実施の形態を示す図である。
FIG. 5 is a view showing a first embodiment of a turbulent flow generation structure in the humidifier according to the present invention.

【図6】本発明に係る加湿装置における乱流発生構造の
第二実施の形態を示す図である。
FIG. 6 is a view showing a second embodiment of the turbulent flow generation structure in the humidifier according to the present invention.

【図7】本発明に係る加湿装置における乱流発生構造の
第三実施の形態を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing a third embodiment of the turbulent flow generation structure in the humidifier according to the present invention.

【図8】本発明に係る加湿装置における乱流発生構造の
第四実施の形態を示す図である。
FIG. 8 is a diagram showing a fourth embodiment of the turbulent flow generation structure in the humidifier according to the present invention.

【図9】本発明に係る加湿装置における乱流発生構造の
第五実施の形態を示す図である。
FIG. 9 is a diagram showing a fifth embodiment of the turbulent flow generation structure in the humidifier according to the present invention.

【図10】本発明に係る加湿装置における乱流発生構造
の第六実施の形態を示す図である。
FIG. 10 is a view showing a sixth embodiment of the turbulent flow generation structure in the humidifier according to the present invention.

【図11】本発明に係る加湿装置における乱流発生構造
の第七実施の形態を示す図である。
FIG. 11 is a view showing a turbulence generation structure in a humidifier according to a seventh embodiment of the present invention.

【図12】本発明に係る加湿装置における乱流発生構造
の第八実施の形態を示す図である。
FIG. 12 is a view showing an eighth embodiment of the turbulent flow generation structure in the humidifier according to the present invention.

【図13】従来の中空糸膜を用いた加湿装置を示す断面
図である。
FIG. 13 is a cross-sectional view showing a humidifier using a conventional hollow fiber membrane.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

2 加湿装置(燃料電池用加湿装置) 21 中空糸膜モジュール 21a ハウジング 21b 中空糸膜束 21cin 乾燥空気流入口 21cout 加湿空気流出口 21din オフガス流入口 21dout オフガス流出口 22 一端側分配器 22a オフガス出口 22a’ 内部流路 22b 乾燥空気入口 22b’ 内部流路 23 他端側分配器 23a オフガス入口 23a’ 内部流路 23b 加湿空気出口 23b’ 内部流路 31,41,51,61,71 ハウジング(円筒) 31a 格子状の直線溝 41a 螺旋状の溝 51a 直線の溝 61a 環状の溝 71a 突起 81 ハウジング(楕円形) 91 ハウジング(変形した楕円形) 91′ ハウジング(変形した楕円形)2 Humidifier (humidifier for fuel cell) 21 Hollow fiber membrane module 21a Housing 21b Hollow fiber membrane bundle 21c in dry air inlet 21c out humidifier air outlet 21d in off gas inlet 21d out off gas outlet 22 one end distributor 22a Off gas outlet 22a 'Internal flow path 22b Dry air inlet 22b' Internal flow path 23 Other end distributor 23a Off gas inlet 23a 'Internal flow path 23b Humidified air outlet 23b' Internal flow path 31, 41, 51, 61, 71 Housing ( Cylindrical) 31a lattice-shaped linear groove 41a spiral groove 51a linear groove 61a annular groove 71a protrusion 81 housing (elliptical) 91 housing (deformed elliptical) 91 'housing (deformed elliptical)

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 草野 佳夫 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 DA05 4D006 GA41 HA02 JA25A JA30A MA01 MB03 PB17 PB65 PC72 PC73 PC80 5H026 AA06 5H027 AA06 BA01 BA09 BA16  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Yoshio Kusano 1-4-1, Chuo, Wako, Saitama Prefecture Inside Honda R & D Co., Ltd. (72) Toshikatsu Katagiri 1-4-1, Chuo, Wako, Saitama F-term in Honda R & D Co., Ltd. (reference) 3L055 AA10 BA01 DA05 4D006 GA41 HA02 JA25A JA30A MA01 MB03 PB17 PB65 PC72 PC73 PC80 5H026 AA06 5H027 AA06 BA01 BA09 BA16

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【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
有量の少ない乾燥気体を加湿する加湿装置において、前
記ハウジングの内壁面を乱流発生構造としたことを特徴
とする加湿装置。
1. A plurality of water-permeable hollow fiber membranes arranged along a longitudinal direction of a housing are housed in the housing,
In a humidifying device in which a gas having a different moisture content flows through the inside and the outside of the hollow fiber membrane to exchange moisture between the gases and humidify a dry gas having a small moisture content, the inner wall surface of the housing is disturbed. A humidifier having a flow generating structure.
【請求項2】 前記乱流発生構造が、前記ハウジングの
内壁面に溝を設け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 turbulence generating structure has a groove provided on an inner wall surface of the housing.
【請求項3】 前記乱流発生構造が、前記ハウジングの
内壁面に突起を設けた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。
3. The humidifier according to claim 1, wherein the turbulence generating structure has a projection on an inner wall surface of the housing.
【請求項4】 前記乱流発生構造が、前記ハウジングの
形状を軸対称に外側に膨らんだ形状としたことを特徴と
する請求項1乃至請求項3のうちのいずれか1項に記載
の加湿装置。
4. The humidifier according to claim 1, wherein the turbulence generating structure has a shape in which the shape of the housing bulges outward in an axisymmetric manner. apparatus.
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