JP2001202978A

JP2001202978A - 加湿装置

Info

Publication number: JP2001202978A
Application number: JP2000010972A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Shimanuki; 寛士島貫; Yoshio Kusano; 佳夫草野; Mikihiro Suzuki; 幹浩鈴木; Toshikatsu Katagiri; 敏勝片桐
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2000-01-19
Filing date: 2000-01-19
Publication date: 2001-07-27
Anticipated expiration: 2020-01-19
Also published as: US6755399B2; US20010015500A1; JP3927344B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ハウジングに収納された中空糸膜束における
端部でも水分交換を充分行うことができるようにするこ
とによって、水回収率の向上を図る。【解決手段】燃料電池用加湿装置であって、ハウジン
グ２１ａの長手方向に沿って配した水透過性の中空糸膜
を束ねてなる中空糸膜束２１ｂがハウジング２１ａ内に
収納されている。中空糸膜の内側にオフガスが通流し、
中空糸膜の外側に乾燥空気が通流して水分交換が行わ
れ、乾燥空気を加湿する。ハウジング２１ａの中央部に
は乾燥空気のバイパス管２１ｅが配設されている。この
バイパス管２１ｅに設けられた導入口２１ｆａ，２１ｆ
ａ…から乾燥空気が流入してバイパス管２１ｅ内を通流
する。バイパス管２１ｅ内を通流した乾燥気体は、排出
口２１ｆｂ，２１ｆｂ…から排出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、加湿装置に関し、
さらに詳しくは、中空糸膜を利用した加湿装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、電気自動車の動力源などとして燃
料電池が注目されている。この燃料電池には、いわゆる
固体高分子型燃料電池のものがある。この固体高分子型
の燃料電池においては、燃料電池から排出された湿潤気
体であるオフガスの水分を乾燥気体に水分交換する加湿
装置が用いられている。このような燃料電池に用いられ
る加湿装置としては、電力消費量が少ないものが好適で
ある。また、取り付けスペースが小さい、いわばコンパ
クト性が求められる。そのため、加湿装置としては超音
波加湿、スチーム加湿、気化式加湿、ノズル噴射などの
種類があるものの、燃料電池に用いられる加湿装置とし
ては、中空糸膜を用いたものが好適に利用されている。

【０００３】従来の中空糸膜を用いた加湿装置として、
たとえば特開平７−７１７９５号公報に開示されたもの
がある。この加湿装置について図１４を用いて説明する
と、加湿装置１００は、ハウジング１０１を有してい
る。ハウジング１０１には、乾燥エアを導入する第一の
流入口１０２および乾燥エアを排出する第一の流出口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。

【０００４】また、ハウジング１０１の両端部には、中
空糸膜束１０４の両端部を開口状態で固定する固定部１
０５，１０５′が設けられている。固定部１０５の外側
には、湿潤エアを導入する第二の流入口１０６が形成さ
れており、固定部１０５′の外側には、中空糸膜束１０
４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１
０８に形成されており、第二の流出口１０７は第二のヘ
ッドカバー１０９に形成されている。

【０００５】このように構成された中空糸膜を用いた加
湿装置１００において、第二の流入口１０６から湿潤エ
アを供給して中空糸膜束１０４を構成する各中空糸膜内
を通過させると、湿潤エア中の水分は、中空糸膜の毛管
作用によって分離され、中空糸膜の毛管内を透過して、
中空糸膜の外側に移動する。水分を分離させられた湿潤
エアは、第二の流出口１０７から排出される。

【０００６】一方、第一の流入口１０２からは乾燥エア
が供給される。第一の流入口１０２から供給された乾燥
エアは、中空糸膜束１０４を構成する中空糸膜の外側を
通流する。中空糸膜の外側には、湿潤エアから分離させ
られた水分が移動してきており、この水分によって乾燥
エアが加湿される。そして、加湿された乾燥エアは第一
の流出口１０３から排出されるというものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図１４に示す
従来の加湿装置１００においては、乾燥エアを導入する
第一の流入口１０２は、ハウジング１０１の長手方向に
おける中央に寄った位置に形成されている。このため、
ハウジング１０１に収納された中空糸膜束１０４におけ
る中空糸膜の外側を通る乾燥エアは、ハウジング１０１
内で黒矢印で示すように、そのほとんどがハウジング１
０１内の長手方向中央部を流れている。したがって、中
空糸膜束１０４における端部に寄ったエリアＳ，Ｓでは
充分な水分交換が行われていなかったので、中空糸膜内
の透過水量に対して、水回収率が低くなってしまうとい
う問題があった。

【０００８】そこで、本発明の課題は、ハウジングに収
納された中空糸膜束における端部でも水分交換を充分行
うことができるようにすることによって、水回収率の向
上を図ることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決した本発
明のうちの請求項１に係る発明は、ハウジングの長手方
向に沿って配した多数の水透過性の中空糸膜を前記ハウ
ジング内に収納し、前記中空糸膜の内側と外側にそれぞ
れ水分含量の異なる気体を通流して前記気体間で水分交
換を行い、水分含量の少ない乾燥気体を加湿する加湿装
置において、前記ハウジングの短手方向の略中央部に、
前記中空糸膜の外側を通流する気体を通過させるバイパ
ス通路が前記ハウジングの長手方向に沿って形成されて
おり、前記バイパス通路は前記中空糸膜よりも大径であ
り、前記バイパス通路に前記中空糸膜の外側を通流する
気体を導入する導入口と前記中空糸膜の外側を通流する
気体を排出する排出口が形成されていることを特徴とす
る加湿装置である。

【００１０】請求項１に係る発明においては、ハウジン
グの長手方向に沿って、中空糸膜の外側を通流する気体
が通過するバイパス通路が形成されている。このバイパ
ス通路は、中空糸膜よりも大径とされているので、ハウ
ジング内に導入された中空糸膜の外側を通流する気体
は、バイパス通路まで導入される。このバイパス通路を
通過することによって、中空糸膜の外側を通流する気体
をハウジング内の隅々まで送ることができる。したがっ
て、ハウジング内における中空糸膜束の全域にわたって
気体を供給することができるので、ハウジング内の端部
における中空糸膜でも有効に水分交換を行うことがで
き、もって水回収率の向上に寄与することができる。な
お、本発明にいう「ハウジングの短手方向略中央部」と
は、ハウジングの短手方向中央部（軸中心）に完全に一
致することを意味するのではなく、中央部から若干ずれ
た位置をも含める意味である。さらに言えば、バイパス
通路の周面が中空糸膜に囲まれている状態であればよ
い。

【００１１】請求項２に係る発明は、前記中空糸膜の外
側を通流する気体を排出する排出口が前記バイパス通路
に複数形成され、これらの複数の排出口は前記バイパス
通路の長手方向に離間して配置されていることを特徴と
する請求項１に記載の加湿装置である。

【００１２】請求項２に係る発明においては、バイパス
通路の長手方向に離間して複数の排出口が形成されてい
るので、ハウジング内において、その長手方向にほぼ均
等に中空糸膜の外側を通流する気体を排出することがで
きる。このため、ハウジング内に収納された中空糸膜の
ほぼ全域に中空糸膜の外側を通流する気体を供給するこ
とができるので、中空糸膜全体において水分交換を行う
ことができる。したがって、水回収率をさらに向上させ
ることができる。

【００１３】請求項３に係る発明は、前記ハウジング内
に前記中空糸膜の外側を通流する気体を導入する流入口
と、前記ハウジングから前記中空糸膜の外側を通流する
気体を排出する流出口が前記ハウジングに形成されてお
り、前記流入口および流出口は、前記バイパス管を隔て
て互いに対向する位置に形成されていることを特徴とす
る請求項１または請求項２に記載の燃料電池用加湿装置
である。

【００１４】請求項３に係る発明においては、中空糸膜
の外側を通流する気体の流入口と流出口がバイパス通路
を隔てて対向する位置に形成されている。このため、流
入口から導入された中空糸膜の外側を通流する気体は、
ハウジング内の短手方向に移動しながら中空糸膜の外側
を通過する。したがって、中空糸膜の外側を通流する気
体の移動径路が長くなるので、充分水分交換を行うこと
ができる。よって、水回収率がさらに向上することにな
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して具体的に説明する。図１は、燃料電池システ
ムの全体構成図、図２は、燃料電池の構成を模式化した
説明図であるまず、図１を参照して、本発明の実施の形態に係る加湿
装置が適用される燃料電池システムの全体構成および作
用について説明する。

【００１６】燃料電池システムＦＣＳは、固体高分子型
の燃料電池１、加湿装置２、気液分離装置３、空気圧縮
機４、燃焼器５、燃料蒸発器６、改質器７、ＣＯ除去器
８および水・メタノール混合液貯蔵タンク（以下「タン
ク」という）Ｔ等から構成される。

【００１７】燃料電池１の内部は、酸素極側１ａと水素
極側１ｂに分かれており、酸素極側１ａには酸化剤ガス
としての加湿空気が供給され、水素極側１ｂには燃料ガ
スとしての水素リッチガスが供給される。そして、電解
質膜を介して水素と酸素とを化学反応させて化学エネル
ギから電気エネルギを取り出して発電を行う。

【００１８】加湿空気は、乾燥気体である空気を圧縮し
加湿することにより生成する。ここで、空気の圧縮は空
気圧縮機４で行い、加湿は加湿装置２で行う。加湿装置
２での空気の加湿は、燃料電池１の酸素極側１ａから排
出され水分を多量に含むオフガスと相対的に水分を少量
しか含まない空気との間で、水分の交換を行うことによ
りなされるが、この点は後に詳細に説明する。

【００１９】一方、燃料ガスは、原燃料である水とメタ
ノールの混合液を蒸発、改質およびＣＯ除去を行うこと
により発生する。ここで、原燃料の蒸発は燃料蒸発器６
で、改質は改質器７で、ＣＯ除去はＣＯ除去器８で行
う。

【００２０】燃料蒸発器６にはタンクＴに貯蔵された原
燃料がポンプＰを介して供給され、改質器７には燃料蒸
発器６で蒸発した原燃料ガスが供給され、ＣＯ除去器８
には改質器７で改質された燃料ガスが供給される。な
お、改質器７では触媒の存在下、メタノールの水蒸気改
質および部分酸化が行われる。また、ＣＯ除去器８では
触媒の存在下で選択酸化が行われ、ＣＯがＣＯ₂に転換
される。ＣＯ除去器８は、ＣＯの濃度を可及的に低減す
るため、Ｎｏ．１ＣＯ除去器とＮｏ．２ＣＯ除去器の２
つから構成される。また、ＣＯ除去器８には、選択酸化
用の空気が空気圧縮機４から供給される。

【００２１】なお、燃料電池１からは、反応生成物であ
る水を多量に含む酸素極側１ａのオフガスおよび未利用
の水素を含む水素極側１ｂのオフガスが同時に発生する
が、酸素極側１ａのオフガスは、前記の通り加湿器２で
空気の加湿用に使用された後、水素極側１ｂのオフガス
と混合され、気液分離装置３で水分が除去される。そし
て、水分が除去されたオフガスは、燃焼器５で燃焼され
燃料蒸発器６の熱源として使用される。なお、燃焼器５
には、メタノールなどの補助燃料および空気が供給さ
れ、燃料蒸発器６の熱量不足を補ったり燃料電池システ
ムＦＣＳの起動時の暖機を行ったりする。

【００２２】次に、図２を参照して、燃料電池システム
の中核をなす燃料電池の構成および作用について説明す
る。この図２における燃料電池１は、その構成を模式化
して１枚の単セルとして表現してある（実際には燃料電
池１は、単セルを２００枚程度積層した積層体として構
成される）。

【００２３】図２に示すように、燃料電池１は、電解質
膜１３を挟んで酸素極側１ａと水素極側１ｂとに分けら
れ、それぞれの側に白金系の触媒を含んだ電極が設けら
れており、酸素極１２および水素極１４を形成してい
る。そして、酸素極側ガス通路１１には酸化剤ガスとし
て加湿装置２で加湿された加湿空気が通流され、水素極
側ガス通路１５には原燃料から発生した水素リッチな燃
料ガスが通流される。電解質膜１３としては固体高分子
膜、たとえばプロトン交換膜であるパーフロロカーボン
スルホン酸膜を電解質として用いたものが知られてい
る。この電解質膜１３は、固体高分子中にプロトン交換
基を多数持ち、飽和含水することにより常温で２０Ω-
プロトン以下の低い比抵抗を示し、プロトン導伝性電解
質として機能する。したがって、触媒の存在下で水素極
１４で水素がイオン化して生成したプロトンは、容易に
電解質膜１３中を移動して酸素極１２に到達する。そし
て、酸素極１２に到達したプロトンは、触媒の存在下、
加湿空気中の酸素から生成した酸素イオンと直ちに反応
して水を生成する。生成した水は、加湿空気とともに湿
潤気体であるオフガスとして燃料電池１の酸素極側１ａ
の出口から排出される。なお、水素極１４では水素がイ
オン化する際に電子ｅ^-が生成するが、この生成した電
子ｅ^-はモータなどの外部負荷Ｍを経由して酸素極１２
に達する。

【００２４】このように加湿した加湿空気を酸化剤ガス
として燃料電池１に供給するのは、電解質膜１３が乾燥
すると電解質膜１３におけるプロトン導伝性が低くなっ
て発電効率が低下するからである。従って、固体高分子
型の燃料電池１を使用する燃料電池システムＦＣＳにお
いては、加湿が重要な意義を有する。

【００２５】続いて、図３ないし図５を参照して本発明
の第１の実施形態に係る加湿装置について説明する。な
お、図３ないし図１１においては、本発明の「中空糸膜
の内側を通流する気体」であるオフガスの流れを白矢印
で示し、「本発明の中空糸膜の外側を通流する気体」で
ある乾燥空気（加湿空気）の流れを黒矢印で示す。第１
の実施形態に係る加湿装置２は、図３（ａ）に示すよう
に、略円柱形をした中空糸膜モジュール２１を並列に２
本有するとともに、箱型をした一端側分配器２２および
他端側分配器２３を有し、全体として直方体形状とされ
ている。２本の中空糸膜モジュール２１，２１は、一端
側分配器２２および他端側分配器２３により水平に所定
の間隔を置いて配置され固定されている。また、各中空
糸膜モジュール２１，２１のそれぞれには、一端側分配
器２２を介して乾燥空気の供給および湿潤したオフガス
の排出、他端側分配器２３を介して乾燥空気が加湿され
てなる加湿空気の排出およびオフガスの供給がなされ
る。

【００２６】中空糸膜モジュール２１は、図３（ｂ）に
示すように、ハウジング２１ａを有している。このハウ
ジング２１ａには、図４および図５に示すように、その
長手方向に沿って配した水透過性の中空糸膜を束ねて構
成された中空糸膜束２１ｂが収納されている。中空糸膜
は、内側から外側に達する口径数ｎｍ（ナノメートル）
の微細な毛管を多数有しており、毛管中では、蒸気圧が
低下して容易に水分の凝縮が起こる。凝縮した水分は、
毛管現象により吸い出されて水が中空糸膜を透過する。

【００２７】ハウジング２１ａは、両端が開放された中
空円筒形状をしており、その長手方向の一端側に乾燥空
気をハウジング２１ａ内に導入する８個の乾燥空気流入
口２１ｃ，２１ｃ…が周方向に離間して形成されてい
る。その一方、ハウジング２１ａにおける長手方向の他
端側には、加湿された加湿空気の流出口となる８個の加
湿空気流出口２１ｄ，２１ｄ…が周方向に離間して形成
されている。

【００２８】また、図５に示すように、ハウジング２１
ａの短手方向中央部には、乾燥空気を通過させるバイパ
ス通路を形成する中空のバイパス管２１ｅが配設されて
いる。このバイパス管２１ｅの内径は中空糸膜よりも大
径であり、たとえば直径１ｃｍ〜５ｃｍとされている。
このバイパス管２１ｅの一端部側には、乾燥空気をバイ
パス管２１ｅに導入するための導入口２１ｆａ，２１ｆ
ａ…が周方向に離間して複数、たとえば８個所に形成さ
れている。この導入口２１ｆａ，２１ｆａ…が形成され
ている位置は、ハウジング２１ａの長手方向一端部近傍
とされている。このため、導入口２１ｆａ、２１ｆａ…
から導入される乾燥空気は、ハウジング２１ａ内におけ
る長手方向一端部近傍を通過することになる。なお、こ
の端部近傍とは、具体的にたとえば、後述する一端部側
のポッティング部２１ｇから１ｃｍ程度の位置とされて
いる。また、ポッティング部２１ｇから３ｃｍ、５ｃｍ
程度の位置とすることもできる。また、バイパス管２１
ｅの他端部側には、バイパス管２１ｅ内を通過してきた
乾燥空気を排出する排出口２１ｆｂ，２１ｆｂ…が周方
向に離間して複数、たとえば８個所に形成されている。
この導入口２１ｆｂ，２１ｆｂ…が形成されている位置
は、ハウジング２１ａの長手方向他端部近傍とされてい
る。このため、排出口２１ｆｂ、２１ｆｂ…から排出さ
れる乾燥空気は、ハウジング２１ａ内における長手方向
他端部近傍を通過することになる。なお、この端部近傍
とは、前記の一端部側と同様、具体的にたとえば、後述
する他端部側のポッティング部２１ｈから１ｃｍ程度の
位置とされている。また、ポッティング２１ｈから３ｃ
ｍ、５ｃｍ程度の位置とすることもできる。

【００２９】そして、乾燥空気流入口２１ｃ，２１ｃ…
からハウジング２１ａ内に導入された乾燥空気の一部
は、そのままハウジング２１ａ内を乾燥空気流出口２１
ｄ，２１ｄ…が形成されている方向に流れる。その他の
乾燥空気は、バイパス管２１ｅの導入口２１ｆａ，２１
ｆａ…からバイパス管２１ｅ内のバイパス通路に導入さ
れる。バイパス管２１ｅ内に導入された乾燥気体は、バ
イパス管２１ｅ内を通過し、排出口２１ｆｂ，２１ｆｂ
…から排出されるようになっている。

【００３０】一方、ハウジング２１ａに収容される中空
糸膜束２１ｂは、中空通路を有する水透過性の中空糸膜
を多数、たとえば数千本束ね、一端部側にポッティング
部２１ｇ、他端部側にポッティング部２１ｈを設けるよ
うにしてポッティングされている。ハウジング２１ａの
一端部側に設けられたポッティング部２１ｇは、乾燥気
体流入口２１ｃ，２１ｃ，が形成されている位置より若
干端部側に位置している。

【００３１】また、ポッティング部２１ｇの外側にはオ
フガス流出口２１ｉが形成されている一方、ポッティン
グ部２１ｈのさらに外側にはオフガス流入口２１ｊが形
成されている。こうして、ポッティング部２１ｇ，２１
ｈを隔てた場合に、オフガス流入口２１ｊおよびオフガ
ス流出口２１ｉは中空糸膜束２１ｂを形成する各中空糸
膜の内側と連通し、各中空糸膜の外側とオフガス流入口
２１ｊおよびオフガス流出口２１ｉとは気密状態を保つ
とともに、中空糸膜の内側である中空通路を通流するオ
フガスと中空糸膜の外側を通流する乾燥空気が混合しな
いようになっている。さらには、オフガス流入口２１ｊ
から流入したオフガスは、ポッティング部２１ｈよりも
外側の位置において各中空糸膜に分配され、各中空糸膜
から排出されたオフガスはポッティング２１ｇよりも外
側位置で集められるようになっている。このような中空
糸膜モジュール２１は、ハウジング２１ａに所定数の中
空糸膜の束を挿通し、両端面近傍を接着剤で充分接着固
定してポッティング部２１ｇ，２１ｈを形成した後、ハ
ウジング２１ａの両端に沿って中空糸膜の束を切断除去
することにより作成される。

【００３２】他方、一端側分配器２２は、他端側分配器
２３とともに２本の中空糸膜モジュール２１，２１を所
定の位置関係で固定している。この一端側分配器２２
は、オフガス出口２２ａおよび乾燥空気入口２２ｂを有
する。オフガス出口２２ａは、図４（ａ），（ｂ）に示
すように、一端側分配器２２の内部に配した内部流路２
２ａ′によって各中空糸膜モジュール２１，２１のオフ
ガス流出口２１ｉと連通している。また、乾燥空気入口
２２ｂは、図４（ａ），（ｃ）に示すように、一端側分
配器２２の内部に配した内部流路２２ｂ′によって各中
空糸膜モジュール２１，２１の一端部側に形成された乾
燥空気流入口２１ｃ，２１ｃ…と連通している。

【００３３】一方、他端側分配器２３には、オフガス入
口２３ａおよび加湿空気出口２３ｂが形成されている。
オフガス入口２３ａは、図４（ａ）に示すように、他端
側分配器２３の内部に配した内部流路２３ａ′によって
各中空糸膜モジュール２１，２１のオフガス流入口２１
ｊと連結されている。また、加湿空気出口２３ｂは、他
端側分配器２３の内部に配した内部流路２３ｂ′によっ
て、中空糸膜モジュール２１，２１の他端部側に形成さ
れた乾燥空気流出口２１ｄ，２１ｄ…と連通している。

【００３４】このように中空糸膜モジュール２１をパッ
ケージングすることにより、取り扱いの容易さを確保し
つつ省スペース化を図ることができる。

【００３５】次に、図３ないし図６を参照して本発明に
係る加湿装置２の作用を説明する。湿潤気体であるオフ
ガスは、図３および図４に示す他端側分配器２３のオフ
ガス入口２３ａから加湿装置２に流入する。他端側分配
器２３に流入したオフガスは、内部流路２３ａ′を経由
して中空糸膜モジュール２１のオフガス流入口２１ｊに
達する。このオフガス流入口２１ｊを介してハウジング
２１ａ内に流入したオフガスは、中空糸膜束２１ｂにお
ける各中空糸膜に向けて分岐し、その内側を通流する。
中空糸膜の内側を通流したオフガスは、各中空糸膜を抜
け出てオフガス流出口２１ｉから流出される。オフガス
流出口２１ｉから流出したオフガスは、一端側分配器２
２の内部通路２２ａ′を通流して合流する。そして、オ
フガス出口２２ａに達してオフガス出口２２ａから排出
され、後段の気液分離装置３に向かう。

【００３６】一方、乾燥気体である乾燥空気は、一端側
分配器２２の乾燥空気入口２２ｂから加湿装置２に入
り、内部流路２２ｂ′を経由して分配され各中空糸膜モ
ジュール２１，２１の一端部側に形成された乾燥空気流
入口２１ｃ，２１ｃ…からハウジング２１ａ内に導入さ
れる。ハウジング２１ａ内に導入された乾燥空気は、中
空糸膜の外側を通流する。このとき、中空糸膜の外側を
乾燥空気が通流し、中空糸膜の内側にはオフガスが通流
しており、中空糸膜によってオフガスから水分が分離さ
れている。この分離された水分によって、中空糸膜の外
側を通流する乾燥空気が加湿されて加湿空気となる。

【００３７】この点についてさらに説明すると、中空糸
膜の内側に水分を多く含有するオフガスを通流し、外側
に相対的に水分を少ししか含有しない乾燥空気を通流す
る。すると、中空糸膜の内側ではオフガス中の水分が凝
縮し、外側では乾燥空気によって水分が蒸発する。同時
に、中空糸膜の内側から外側に向けて、内側で凝縮した
オフガスの水分が毛管現象により供給される。これによ
り、中空糸膜の外側を通流する乾燥空気の加湿が行われ
る。つまり、中空糸膜においては、中空糸膜の内側と外
側を通流する気体の水分含有量の差を推進力として、水
透過（水分離）が行われる。

【００３８】こうして得られた加湿空気は、加湿空気流
出口２１ｄ，２１ｄ…から出口側分配器２３における内
部流路２３ｂ′に向けて排出される。内部流路２３ｂ′
では、中空糸膜モジュール２１から排出された加湿空気
が集められて加湿空気出口２３ｂに向かい、その後、加
湿空気出口２３ｂを経て後段の気液分離装置３に供給さ
れる。

【００３９】このようにして、オフガスと乾燥空気との
間で水分交換が行われるが、本発明においては、図５に
黒矢印で示すように、乾燥空気流入口２１ｃ，２１ｃか
らハウジング２１ａ内に導入された乾燥空気の一部は、
そのまま中空糸膜束２１ｂ間における中空糸膜の外側を
通流して乾燥空気流出口２１ｄ，２１ｄ…に向けて移動
する。その一方、ハウジング２１ａ内に導入された乾燥
空気のうちの残りは、導入口２１ｆａ，２１ｆａを介し
てバイパス管２１ｅ内に流入する。バイパス管２１ｅ内
においては、バイパス管２１ｅの外側よりも抵抗値が低
いので容易に排出口２１ｆｂ，２１ｆｂ…まで乾燥空気
が移動する。こうして、排出口２１ｆｂ，２１ｆｂ…の
位置まで移動してきた乾燥空気は、排出口２１ｆｂ，２
１ｆｂ…から、バイパス管２１ｅの外側であってハウジ
ング２１ａの内側に排出される。

【００４０】このように、乾燥空気流入口２１ｃ，２１
ｃ…から導入され、そのまま中空糸膜束２１ｂ間におけ
る中空糸膜の外側を通流して乾燥空気流出口２１ｄ，２
１ｄ…に向かった乾燥空気は、ハウジング２１ａ内に収
納された中空糸膜束２１ｂのうち、長手方向中央部分に
おいて主に水分交換が行われる。一方、バイパス管２１
ｅ内を通過した乾燥空気は、ハウジング２１ａ内に収納
された中空糸膜束２１ｂのうち、長手方向両端部分のエ
リアＳ，Ｓにおいて主に水分交換が行われる。このた
め、ハウジング２１ａ内における全域において、ほぼ均
一に乾燥空気を行き渡らせることができる。したがっ
て、中空糸膜束２１ｂの全体においてほぼ均一に水分交
換を行うことができるので、水回収率を向上させること
ができる。

【００４１】次に、本発明の第２の実施形態について図
７および図８を参照して説明する。図７は、第２の実施
形態に係る中空糸膜モジュールの側断面図、図８（ａ）
は、図７のＸ−Ｘ線断面図、（ｂ）は図７のＹ−Ｙ線断
面図である。なお、本実施形態は、前記第１の実施形態
と共通する部分もあるので、前記第１の実施形態と異な
る部分について主に説明し、前記第１の実施形態と共通
する部分については、図面中において同一の番号を付し
てその説明を省略する。

【００４２】図７および図８に示すように、本実施形態
に係る中空糸膜モジュール３１は、前記第１の実施形態
と異なる構成として、ハウジング２１ａ内にバイパス通
路を形成するバイパス管３１ｅが配設されている。

【００４３】このバイパス管３１ｅには、入口側分配器
２２の乾燥空気流入口２２ｂから乾燥空気をバイパス管
３１ｅ内に直接導入する導入管３１ｆａが設けられてい
る。また、バイパス管３１ｅには多数の排出口３１ｆ
ｂ，３１ｆｂ…が形成されており、これらの排出口３１
ｆｂ，３１ｆｂ…はそれぞれバイパス管３１ｅの長手方
向に離間して配置されている。その他の構成について
は、前記第１の実施形態と実質的に同一である。

【００４４】かかる構成を有する本実施形態の作用につ
いて述べる。本実施形態においては、入口側分配器２２
における内部流路２２ｂ′を経てきた乾燥空気が、ハウ
ジング２１ａにおける乾燥空気流入口２１ｃ，２１ｃ…
からハウジング２１ａ内に導入される。それとともに、
乾燥空気は、導入管３１ｅを通過してバイパス管３１ｅ
内に導入される。

【００４５】乾燥空気流入口２１ｃ，２１ｃ…から導入
された乾燥空気は、ハウジング２１ａ内において直接乾
燥空気流出口に向けて移動する。一方、バイパス管３１
ｅ内に導入された乾燥空気は、バイパス管３１ｅの長手
方向に離間して配置された多数の排出口３１ｆｂ，３１
ｆｂ…からバイパス管３１ｅの外側に排出される。これ
ら多数の排出口３１ｆｂ，３１ｆｂ…は、バイパス管３
１ｅの長手方向に離間して配置されているので、バイパ
ス管３１ｅを経て導入された乾燥空気は、ハウジング２
１ａの長手方向中央部および端部に相当するエリアＳ，
Ｓに至るまで、ハウジング２１ａ内における全体の隅々
にまで行き渡ることになる。

【００４６】このため、ハウジング２１ａの長手方向の
両端部および中央部においても、中空糸膜束２１ｂと乾
燥空気とが水分交換を行うことができる。したがって、
中空糸膜２１ｂの両端部から中央部に至る全域において
充分に水分交換を行うことができるので、水回収率を向
上させることができる。

【００４７】また、こうして乾燥空気流入口２１ｃ，２
１ｃ…およびバイパス管３１ｅの排出口３１ｆｂ，３１
ｆｂ…からハウジング２１ａにおける中空糸膜の外側部
位に導入された乾燥空気は、中空糸膜の外側を通流す
る。このときに、乾燥空気は、中空糸膜内を通流するオ
フガスの水分によって加湿されて加湿気体となる。そし
て、加湿気体流出口から排出されて、適宜の流路を経て
図１に示す後段の気液分離装置３に供給される。

【００４８】続いて、第３の実施形態について図９を参
照して説明する。図９は、第３の実施形態に係る中空糸
膜モジュールの側断面図である。本実施形態において
も、第１の実施形態と同一の部分については同一の番号
を付してその説明を省略する。

【００４９】図９に示すように、本実施形態に係る中空
糸膜モジュール４１おいては、ハウジング４１ａの長手
方向中央部が軸中心方向に向けてくびれている。このく
びれにより、ハウジング４１ａ内に収納されている中空
糸膜束４１ｂの長手方向中央部は、軸中心方向によって
いる。その他の部分については、前記第１の実施形態と
同一である。

【００５０】かかる構成を有する本実施形態において
は、前記第１の実施形態同様、２１ｃ,２１ｃ…からハ
ウジング４１ａ内に乾燥空気が導入され、その一部は乾
燥空気流出口２１ｄ，２１ｄ方向に直接移動する。乾燥
空気の他部は、バイパス管３１ｅの一端部側に形成され
たに導入口２１ｆａ，２１ｆａ…からバイパス管３１ｅ
内に導入される。バイパス管３１ｅ内に導入された乾燥
空気は、バイパス管３１ｅの他端部側に形成された排出
口２１ｆｂ，２１ｆｂ…から排出される。

【００５１】ここで、本実施形態では、ハウジング４１
ａの長手方向中央部が軸中心方向に向けてくびれてい
る。そのため、乾燥空気流入口２１ｃ，２１ｃ…から導
入された乾燥空気が通過する部位における中空糸膜束４
１ｂの断面積が小さくなっているので、乾燥空気が中空
糸膜束４１ｂ全体に行き渡りやすくなる。

【００５２】さらに、第４の実施形態について図１０を
参照して説明する。図１０は、第４の実施形態に係る中
空糸膜モジュールの側断面図である。本実施形態におい
ても、第１の実施形態と同一の部分については同一の番
号を付してその説明を省略する。

【００５３】図１０に示すように、本実施形態に係る中
空糸膜モジュール５１においては、ハウジング２１ａ内
にバイパス管５１ｅが配設されている。バイパス管５１
ｅには、バイパス管５１ｅ内に乾燥空気を導入する太径
の導入管５１ｆａが設けられている。また、本実施形態
では乾燥空気をハウジング２１ａ内に直接導入する乾燥
空気流入口は形成されていない。このため、入口側分配
器２２の内部流路２２ｂ′を経てきた乾燥空気は、すべ
てバイパス管５１ｅ内に導入される。

【００５４】また、バイパス管５１ｅには、複数の排出
口５１ｆｂ，５１ｆｂ…が形成されており、これらの排
出口５１ｆｂ，５１ｆｂ…は、バイパス管５１ｅの長手
方向に離間して配置されている。その他の部分について
は、前記第１の実施形態と同一である。

【００５５】かかる構成を有する本実施形態において
は、バイパス管５１ｅにおける導入口５１ｆａより、バ
イパス管５１ｅ内に乾燥空気が導入される。バイパス管
５１ｅ内に導入された乾燥空気は、バイパス管５１ｅの
長手方向に離間して形成された複数の排出口５１ｆｂ，
５１ｆｂ…からハウジング２１ａ内に収納された中空糸
膜束２１ｂに向けて排出される。このとき、排出口５１
ｆｂ,５１ｆｂ…は、バイパス管５１ｅの長手方向に離
間して複数形成されているので、中空糸膜束２１ｂの全
域にわたって乾燥空気を供給することができる。したが
って、中空糸膜２１ｂの全域において充分に水分交換を
行うことができるので、水回収率を向上させることがで
きる。

【００５６】次に、第５の実施形態について図１１を参
照して説明する。図１１は、第５の実施形態に係る中空
糸膜モジュールの側断面図である。本実施形態において
も、第１の実施形態と同一の部分については同一の番号
を付してその説明を省略する。図１１に示すように、本
実施形態に係る中空糸膜モジュール６１は、ハウジング
２１ａの一端部側に乾燥空気流入口６１ｃが、他端部側
に形成されている乾燥空気流出口６１ｄがそれぞれ一つ
ずつ形成されている。また、これらの乾燥空気流出口６
１ｃおよび乾燥空気流出口６１ｄは、バイパス管２１ｅ
を隔てて互いに対向する位置に配置されている。

【００５７】かかる構成を有することにより、本実施形
態では、バイパス管２１ｅの排出口２１ｆｂ，２１ｆｂ
…から排出された乾燥空気は、ハウジング２１ａ内の短
手方向にも行き渡ることになる。したがって、ハウジン
グ２１ａ内を通流する乾燥気体の移動経路が長くなり、
ハウジング２１ａ内で乾燥空気が滞留し、中空糸膜束２
１ｂを構成する中空糸膜との接触時間が長くなるので、
充分に水分交換を行うことができる。よって、水回収率
の向上に寄与することができる。

【００５８】他方、前記各実施形態においては、バイパ
ス管をハウジングの短手方向中央部に配設したが、この
位置に配設することは必須ではない。たとえば、図１２
に示すように、仮想線で示す中央位置に配設したバイパ
ス管２１ｅを、若干下方にオフセットさせる態様とする
ことができる。また、図示はしないが、もちろん上方や
側方、さらには斜め方向にオフセットさせる態様とする
こともできる。

【００５９】あるいは、バイパス管は１本のみとする必
要はない。たとえば、図１３（ａ）に示すように、２本
のバイパス管２１ｅ，２１ｅを配設することができる
し、図１３（ｂ）に示すように、３本のバイパス管２１
ｅ，２１ｅ，２１ｅを配設することもできる。

【００６０】以上、本発明の好適な実施形態について説
明したが、本発明は、前記の各実施形態に限定されるも
のではない。たとえば、ハウジング内においてオフガス
と乾燥空気を向流となるように通流させているが、並流
となるように通流させる態様とすることもできる。

【００６１】このとき、乾燥空気とオフガスを向流とす
るメリットとしては、中空糸膜内の湿度濃度差を均一化
することができるので、水透過効率が向上することが挙
げられる。また、気体の入口と出口が対向することにな
るので、ガス配管のレイアウト性が向上する。さらに
は、中空糸膜による熱交換効率が良くなるので、ガスの
冷却性能が向上する。しかも、熱交換率が高いので、乾
燥空気の出口の温度をオフガスの出口の温度に合わせや
すいため、温度調節が容易となる。したがって、燃料電
池へ供給する空気の湿度を管理しやすくなる。

【００６２】ここで、加湿装置が有する温度調節機能に
ついて補足する。例えば、スーパーチャージャなどの空
気圧縮機で圧縮された乾燥空気は、おおよそ３０℃（燃
料電池のアイドリング時）〜１２０℃（燃料電池の最高
出力時）の間で温度が変化する。一方、燃料電池は温度
調節下約８０℃で運転され、８０℃＋α程度のオフガス
が排出される。このオフガスと空気圧縮機で圧縮された
乾燥空気を加湿装置に通流すれば、中空糸膜において水
分移動とともに熱移動も起こり、乾燥空気はオフガスに
近い温度（つまり燃料電池の運転温度に近い安定した温
度）の加湿空気になって燃料電池に供給される。即ち、
乾燥空気は、燃料電池のアイドリング時などの低出力時
には加湿装置により加湿および加温されて燃料電池に供
給され、燃料電池の最高出力時などの高出力時には加湿
装置により加湿および冷却され、安定した温度範囲の加
湿空気として燃料電池に供給される。したがって、加湿
装置が有する温度調節機能により燃料電池を好適な温度
条件で運転することができ、燃料電池の発電効率が高く
なる。

【００６３】また、空気圧縮機の吐出側にインタークー
ラが取り付けられる場合は、空気圧縮機で圧縮された乾
燥空気は冷却（又は加温）され、おおよそ５０℃（燃料
電池のアイドリング時）〜６０℃（燃料電池の最高出力
時）の間で温度が変化する。このインタークーラを通過
した乾燥空気をオフガス（８０℃＋α）が通流する加湿
装置に通流すれば、乾燥空気は、中空糸膜において加湿
及び温度調節（加温）されオフガスに近い温度、つまり
燃料電池の運転温度に近い安定した温度範囲の加湿空気
になって燃料電池に供給される。したがって、インター
クーラが取り付けられた場合も、加湿装置が有する温度
調節機能により燃料電池を好適な温度条件で運転するこ
とができ、燃料電池の発電効率が高くなる。

【００６４】一方、乾燥空気とオフガスを並流とするメ
リットとしては、乾燥空気とオフガスが入口部分で湿度
濃度差が高いので、加湿効率が向上するため、中空糸膜
自体の全長を短縮できるので、装置の小型化に寄与する
ことが挙げられる。また、装置を小型化できるので、中
空糸を整列させて束ねることが容易となり、これらのこ
とにより、コストの低減に寄与する。さらには、乾燥空
気の熱交換率が低くなるので、高出力時に燃料電池に供
給するガス温度を高めに設定することができる。したが
って、燃料電池の効率を向上させることができる。

【００６５】また、加湿装置は中空糸膜モジュールを２
本備えているが、１本やそれ以外の本数でもよいことは
いうまでもない。さらに、前記各実施形態では「中空糸
膜の内側を通流する気体」をオフガスとし、「中空糸膜
の外側を通流する気体」を乾燥空気としているが、これ
らを逆にすることもできる。

【００６６】なお、中空糸膜モジュールなどのハウジン
グ内における乾燥空気（加湿空気）が通流する部分に水
分が凝縮して水溜りを生じると、中空糸膜の外側の表面
積を有効に活用することができなくなるおそれがある。
したがって、ハウジング内に水溜りが生じないように、
中空糸膜モジュールなどの下方からも、加湿空気を抜き
出せるようにしておくのが好ましい。このようにするこ
とで、凝縮した水を加湿空気とともに容易にハウジング
内から抜き出すことができ、水溜りの発生を防止する。
なお、抜き出した水は、キャッチタンクなどにより捕集
し、他の系に廻すなどして再利用するのが好ましい。

【００６７】

【発明の効果】以上のとおり、本発明のうちの請求項１
に係る発明によれば、バイパス通路を通過することによ
って、中空糸膜の外側を通流する気体をハウジング内の
隅々まで送ることができる。したがって、ハウジング内
における中空糸膜束の全域にわたって中空糸膜の外側を
通流する気体を供給することができるので、ハウジング
内の端部における中空糸膜でも有効に水分交換を行うこ
とができ、もって水回収率の向上に寄与することができ
る。

【００６８】請求項２に係る発明によれば、バイパス管
の長手方向に離間して複数の排出口が形成されているの
で、ハウジング内において、その長手方向にほぼ均等に
中空糸膜の外側を通流する気体を排出することができ
る。このため、ハウジング内に収納された中空糸膜のほ
ぼ全域に中空糸膜の外側を通流する気体を供給すること
ができるので、中空糸膜全体において水分交換を行うこ
とができる、水回収率をさらに向上させることができ
る。

【００６９】請求項３に係る発明によれば、流入口から
導入された中空糸膜の外側を通流する気体は、ハウジン
グ内の短手方向に移動しながら中空糸膜の外側を通過す
る。したがって、中空糸膜の外側を移動する中空糸膜の
外側を通流する気体の移動径路が長くなるので、充分水
分交換を行うことができる。よって、水回収率をさらに
向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】燃料電池システムの全体構成図である。

【図２】燃料電池の構成を摸式化した説明図である。

【図３】（ａ）は、本発明に係る加湿装置を示す斜視
図、（ｂ）は、中空糸膜モジュールの斜視図である。

【図４】（ａ）は、本発明に係る加湿装置の側断面図、
（ｂ）は、（ａ）のＸ−Ｘ線断面図、（ｃ）は、（ａ）
のＹ−Ｙ線断面図である。

【図５】第１の実施形態に係る中空糸膜モジュールの側
断面図である。

【図６】（ａ）は、図５のＸ−Ｘ線断面図、（ｂ）は、
図５のＹ−Ｙ線断面図である。

【図７】第２の実施形態に係る中空糸膜モジュールの側
断面図である。

【図８】（ａ）は、図７のＸ−Ｘ線断面図、（ｂ）は、
図７のＹ−Ｙ線断面図である。

【図９】第３の実施形態に係る中空糸膜モジュールの側
断面図である。

【図１０】第４の実施形態に係る中空糸膜モジュールの
側断面図である。

【図１１】第５の実施形態に係る中空糸膜モジュールの
側断面図である。

【図１２】第１の実施形態に係る中空糸膜モジュールの
変形例を示す縦断面図である。

【図１３】（ａ）は、第１の実施形態に係る中空糸膜モ
ジュールの変形例を示す縦断面図、（ｂ）は、第１の実
施形態に係る中空糸膜モジュールの他の変形例を示す縦
断面図である。

【図１４】従来の加湿装置の側断面図である。

【符号の説明】

１燃料電池２加湿装置２１ａハウジング２１ｂ中空糸膜束２１ｃ乾燥空気流入口２１ｄ乾燥空気流出口２１ｅバイパス管（バイパス通路）２１ｆａ導入口２１ｆｂ排出口２１ｉオフガス流入口２１ｊオフガス流出口ＦＣＳ燃料電池システム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 DA05 4D006 GA41 HA02 JA14A JA18A JA25A JA59A JA70A MA01 MB04 PB17 PB65 PC72 PC73 PC80 5H026 AA06 5H027 AA06 BA01 BA09 BA16

Claims

【特許請求の範囲】

【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量の異なる
気体を通流して前記気体間で水分交換を行い、水分含量
の少ない乾燥気体を加湿する加湿装置において、前記ハウジングの短手方向の略中央部に、前記中空糸膜
の外側を通流する気体を通過させるバイパス通路が前記
ハウジングの長手方向に沿って形成されており、前記バイパス通路は前記中空糸膜よりも大径であり、前記バイパス通路に前記中空糸膜の外側を通流する気体
を導入する導入口と前記中空糸膜の外側を通流する気体
を排出する排出口が形成されていることを特徴とする加
湿装置。
【請求項２】前記中空糸膜の外側を通流する気体を排
出する排出口が前記バイパス通路に複数形成され、これ
らの複数の排出口は前記バイパス通路の長手方向に離間
して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の
加湿装置。
【請求項３】前記ハウジング内に前記中空糸膜の外側
を通流する気体を導入する流入口と、前記ハウジングか
ら前記中空糸膜の外側を通流する気体を排出する流出口
が前記ハウジングに形成されており、前記流入口および流出口は、前記バイパス管を隔てて互
いに対向する位置に形成されていることを特徴とする請
求項１または請求項２に記載の燃料電池用加湿装置。