JP2002292233A - 加湿モジュール - Google Patents

加湿モジュール

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 内部に水透過型の中空糸膜束を収納し、その
略中央部に有底の内部通路を備えた加湿モジュールにお
いて、水蒸気と凝縮水が混在した流体を前記内部通路に
通流しても底部に水溜りが発生せず、しかも燃料電池へ
供給する供給ガスの加湿に適用しても燃料電池の出力応
答性或いは起動性が良好な加湿モジュールを提供するこ
と。 【解決手段】 内側と外側とにそれぞれ通流させる流体
間で水分交換を行うことが可能な中空糸膜束１ｂと、流
体の出入りが可能な入口部２ａ及び出口部２ｂを有し前
記中空糸膜束１ｂの厚み方向の略中央部で前記中空糸膜
束よりも長手方向に短く伸長した有底の内部通路（配管
２）とを備えた加湿モジュール１において、前記内部通
路（配管２）の出口部２ｂ近傍に設けられた底ｂｓに前
記流体の流れに抗する方向に凸部２ｃを設けた。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、水透過型の中空糸
膜束をハウジング内に備えた加湿モジュールに関し、更
に詳しくは、起動時等の加湿応答性が良くなる流体の内
部通路を備えた加湿モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の水透過型の中空糸膜を用いた加湿
器としては、例えば特開平７−７１７９５号公報に開示
されたものがある。図９に示すように、この加湿器１０
０は、筒状のハウジング１０１を有している。ハウジン
グ１０１には、乾燥エア用の第一の流入口１０２及び第
一の流出口１０３が形成されており、ハウジング１０１
の内部には多数、例えば５０００本の中空糸膜からなる
中空糸膜束１０４が収納されている。また、ハウジング
１０１の両端部には、中空糸膜束１０４の両端部を開口
状態で固定する固定部１０５，１０５′が設けられてい
る。固定部１０５，１０５′はそれぞれ第一のヘッドカ
バー１０８および第二のヘッドカバー１０９によって覆
われている。第１のヘッドカバー１０８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、第二
のヘッドカバー１０９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。
【０００３】このように構成された水透過型の中空糸膜
を用いた加湿器１００では、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。このとき湿潤エア中の水分は、中空
糸膜の毛管凝縮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(低湿
潤ガス)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を構成する各中空糸
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。
【０００４】また、図１０に示すような本出願人が「イ
ンナーパイプ方式」と呼んでいる加湿器がある。この加
湿器２００は、筒状のハウジング２０１の中心部に中空
糸膜束２０４内に湿潤エアを導入するための内部通路と
なる有底の配管２０６を有している。ハウジング２０１
の内部には多数、例えば６０００本の中空糸膜からなる
中空糸膜束２０４が収納されている。また、前記ハウジ
ング２０１の両端部は、中空糸膜束２０４の両端部を開
口状態で固定する固定部２０５，２０５′が設けられて
いる。ハウジング２０１の固定部２０５，２０５′の両
側には、隣接して第一のヘッドカバー２０８、第二のヘ
ッドカバー２０９が設けられており、第二のヘッドカバ
ー２０９には乾燥エア用の第一の流入口２０２が、第一
のヘッドカバー２０８には、乾燥エア用の第一の流出口
２０３が形成されている。前記した第一のヘッドカバー
２０８には、湿潤エアを第二の流入口２０６ａから導入
し、孔２０６ou tから中空糸膜束２０４の中に導入する
ための配管２０６が設けられている。配管２０６は、第
一のヘッドカバー２０８及び固定部２０５を外部から貫
通して中空糸膜束２０４内まで伸長して（但し、中空糸
膜の長手方向の長さより長さが短い）設けられている。
前記した第二のヘッドカバー２０９と隣接する筒状のハ
ウジング２０１には、中空糸膜束２０４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２０
７が形成されている。
【０００５】このように構成された水透過型の中空糸膜
を用いた加湿器２００では、湿潤エアが第二の流入口２
０６ａから配管２０６の内側を通り中空糸膜束２０４に
導出可能な孔２０６outに供給され、中空糸膜束２０４
を構成する各中空糸膜の外側を通過する。このとき湿潤
エア中の水分は、中空糸膜の毛管凝縮作用によって分離
され、中空糸膜の毛管内を透過して、中空糸膜の内側に
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２０７から排出される。一方、第一の流入口２０２
からは乾燥エア(低湿潤ガス)が供給される。第一の流入
口２０２から供給された乾燥エアは、中空糸膜束２０４
を構成する各中空糸膜の内側を通過する。中空糸膜の内
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２０３から排
出される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
このような構成と作用を有する加湿器１００，２００の
うち、図１０に示すような「インナーパイプ方式」の加
湿器２００を、特に燃料電池のアノードガスやカソード
ガスを加湿するために使用した場合には、配管２０６の
底部２０６ｂにおける底ｂｆの形状や配管２０６の底部
２０６ｂの位置により、以下のような問題があった。燃
料電池から排出される排ガス中（オフガス中）には、水
蒸気と凝縮水が混在しており、 （１）凝縮水が、図１１に示すように、配管２０６の底
部２０６ｂに溜まると低温時に凍結して氷となり、凍結
時の体積膨張により内部通路を形成する配管２０６に応
力がかかるため、配管２０６が壊れる恐れがある。 （２）燃料電池に過渡的な出力変動があった場合、前記
底部２０６ｂに水が溜まったり、水蒸気が中空糸膜束２
０４内に流れ込むのに時間的にタイムラグが発生するの
で、燃料電池が要求する加湿量になるまでの時間が長く
かかるようになる。すなわち応答性が悪くなる。 （３）燃料電池の起動時には、夜間等の燃料電池停止中
に配管２０６の底部２０６ｂに溜まった水が冷えてお
り、燃料電池から排出される高温ガスが溜まった水と接
触して冷やされてしまう結果、加湿器２００の加湿性能
が低下する。その結果、燃料電池の出力応答性或いは起
動性が悪くなる。
【０００７】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、内部に水透過型の中空糸膜束を収納
し、その略中央部に有底の内部通路を備えた加湿モジュ
ールにおいて、水蒸気と凝縮水が混在した流体を前記内
部通路に通流しても底部に水溜りが発生せず、しかも燃
料電池へ供給する供給ガスの加湿に適用しても燃料電池
の出力応答性或いは起動性が良好な加湿モジュールを提
供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
になされた請求項１に係る加湿モジュールの発明は、内
側と外側とにそれぞれ通流させる流体間で水分交換を行
うことが可能な中空糸膜束と、流体の出入りが可能な入
口部及び出口部を有し前記中空糸膜束の厚み方向の略中
央部で前記中空糸膜束よりも長手方向に短く伸長した有
底の内部通路とを備えた加湿モジュールにおいて、前記
内部通路の出口部近傍に設けられた底には、前記流体の
流れに抗する（対向する）方向に凸部が設けられたこと
を特徴とするものである。
【０００９】請求項１の発明によると、 （１）凸部の先端から内部通路の後流側（底側）に行く
に従って流体の流路面積が小さくなる。その結果、後流
側（底側）に行くに従って流体の流速が速くなる。 （２）また、従来のように流体全体を流れに抗して（対
向して）底全体（平面）で受けていた時と比較して、内
部通路の底に流体の流れに抗する方向に凸部を設けて流
体との衝突面積を後流側（底側）に行くに従って徐々に
大きくなるようにしたので、流体が凸部の表面に沿って
剪断力を受け、後流側に行くほど外側に押し出される。 （３）これらの相乗効果により流体が好適に内部通路の
出口部から出て行く結果、水蒸気と凝縮水が混在してい
る流体を加湿モジュールに通流しても底部での液溜まり
を防止できる。 前記した理由により液溜まりが防止できるので、燃料電
池へ供給する供給ガスの加湿に本発明の加湿モジュール
を適用しても、液溜まりの液による高温ガスの温度低下
や液溜まりの液が凍結して膨張することによる破壊が発
生しない。従って燃料電池へ供給する供給ガスの加湿に
適用しても燃料電池の出力応答性或いは起動性が良好な
加湿モジュールを提供することができる。
【００１０】請求項２に係る加湿モジュールの発明は、
上述の内部通路が円筒状に形成され、さらに上記凸部が
円錐状に形成されたものである。
【００１１】請求項２の発明によると、内部通路を円筒
状に、凸部を円錐状にそれぞれ形成することにより、ど
ちらも同じ円形の部材を使用するので加湿モジュールの
加工が容易となる。また、多角形の断面を有する内部通
路及び凸部に比して、各半径方向への流体分配性が良
く、中空糸膜全体に流体を流し込めることから膜の利用
効率向上が見込まれる。
【００１２】請求項３に係る加湿モジュールの発明は、
前記内部通路の出口部は、前記底近傍の側壁に孔として
穿設され、該孔のうちの少なくとも１つは前記流体の流
れに沿う方向であって前記凸部の先端を超えた位置に配
されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記
載の加湿モジュールである。
【００１３】請求項３の発明によると、以下の作用・効
果が得られる。 （１）内部通路の出口部として、底にではなく底近傍の
側壁に孔を穿設することにより、中空糸膜束内へ導入す
る流体の厚み方向の流速を上げることができる。その結
果、流体が中空糸膜束の厚み方向に行き渡るので中空糸
膜の利用効率が向上する。 （２）内部通路の出口部として、孔の穿設する位置を流
体の流れに沿う方向で凸部の先端を超えた位置に（凸部
の先端よりも内部通路の底側に）少なくとも１つ配設す
るようにしたことにより、 （ｉ）凸部の先端から内部通路の後流側（底側）に行く
に従って流体の流路断面積が小さくなる。その結果、後
流側（底側）に行くに従って流体の流速が速くなる。 （ｉｉ）また、従来のように流体全体を流れに対向して
底全体（平面）で受けていた時と比較して、内部通路の
底に流体の流れに抗する方向に凸部を設けて流体との衝
突面積を後流側（底側）に行くに従って徐々に大きくな
るようにしたので、流体が凸部の表面に沿って剪断力を
受け後流側に行くほど外側に押し出される。 （ｉｉｉ）これらの相乗効果により内部通路の出口部か
ら流体が出ていこうとしたときに、孔の穿設する位置を
流体の流れに沿う方向で凸部の先端を超えた位置に（凸
部の先端よりも内部通路の底側に）少なくとも１つ配設
したので、流体が好適に内部通路の出口部から出て行く
ことができる。この点、孔の穿設する位置を、流体の流
れに沿う方向で凸部の先端よりも手前に（凸部の先端よ
りも内部通路の入口側に）配するようにした場合には、
底からの流体の跳ね返りがあり、流体の抜けが悪くなる
のでこのような良好な効果は得られない。また、孔の穿
設する位置は、前記した理由からできるだけ底側に設け
た方がよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】最初に、本発明に係る加湿モジュ
ールの実施の形態について図面を参照して説明する。図
１（ａ）は、本発明に係る第１実施形態の加湿モジュー
ルを示す斜視図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＩ部拡大
断面図、図１（ｃ）は、図１（ｂ）のＡ−Ａ′である。
本発明に係る第１実施形態の加湿モジュールは、図1
（ａ）から図１（ｃ）に示すように、内側と外側とにそ
れぞれ通流させる流体間で水分交換を行うことが可能な
中空糸膜束１ｂの両端部を固定してその内部に収納した
ハウジング１ａと、流体の出入りが可能な入口部２ａ及
び出口部２ｂを有し、前記中空糸膜束１ｂの厚み方向の
略中央部で前記中空糸膜束１ｂよりも長手方向に短く伸
長した有底の内部通路である配管２と、から主要部が構
成される。
【００１５】ハウジング１ａは、形状は両端を開口した
中空の円筒である。ハウジング１ａ内で中空糸膜束１ｂ
の両端部を樹脂で接着して固定している固定部１ｃ，１
ｃ′のうちの固定部１ｃ′の内側の位置には、周方向に
円形の複数の孔Ｓoutが穿設されている。孔Ｓoutは、後
記する配管２の入口部２ａとは反対側の位置に設けられ
る。
【００１６】内部通路である配管２は、円形の配管の一
端を開口した流体の入口部２ａ、他端を、図２（ｂ）に
示すように、閉じた底ｂｓとした管から構成され、管の
底ｂｓに近い側壁の周方向には円形の複数の孔ｈoutが
出口部２ｂとして設けられている。尚、配管２の長さ
は、入口部２ａから出口部２ｂまでの長さが中空糸膜束
１ｂの長手方向の長さよりも短くなるように設けられ
る。配管２の長さを短くすることで、入口部２ａから導
入する流体が可能な限り中空糸膜束１ｂの長手方向全体
に渡って導入されるようになる。配管２の底ｂｓには、
円錐形状をした凸部２ｃが、入口部２ａから導入される
流体の流れに抗する（対向する）ように設けられてい
る。流体の出口部２ｂに設けられる複数の孔ｈoutを穿
設する位置は、少なくとも１つの孔が円錐形状をした凸
部２ｃの頂点の位置Ｘ凸 よりも必ず底ｂｓ側の位置と
なるように設けられる。すなわち、複数の孔ｈoutの内
の最下部の孔の位置Ｘ孔が、凸部２ｃの頂点の位置Ｘ凸
と底ｂｓとの間の位置となるように設けられる。これら
の複数の孔ｈoutは、配管２の底ｂｓ近傍の側壁に設け
られる。孔の形状は、本実施の形態では、円形であるが
孔であれば長円でも多角形の孔でも良い。また、周方向
に沿って延びる長孔でもよい。
【００１７】このような構成を有する第１実施形態の加
湿モジュール１に水蒸気や凝縮水が混じった流体である
高湿潤ガスが配管２の入口部２ａから導入されると、 （１）配管２の底ｂｓでは、円錐形状をした凸部２ｃの
先端から内部通路の後流側（底側）に行くに従って高湿
潤ガスの流路断面積が小さくなる。その結果、後流側
（底側）に行くに従って高湿潤ガスの流速が速くなる。 （２）また、従来のように流体全体を流れに抗して（対
向して）底全体（平面）で受けていた時と比較して、円
錐形状をした凸部２ｃを設けることにより、高湿潤ガス
との衝突面積が後流側（底側）に行くに従って徐々に大
きくなるようにしたので、高湿潤ガスが順次円錐の表面
に沿って剪断力を受け、後流側に行くほど外側（中空糸
膜の半径方向）に押し出される。 （３）これらの相乗効果により入口部２ａから導入され
た高湿潤ガスが円錐の表面に沿って出口部２ｂの複数の
孔ｈoutから円滑に出て行く。その結果、水蒸気と凝縮
水が混在している流体を加湿モジュール１に通流して
も、出口部２ｂでの液溜まりができるのを防止すること
ができる。また、前記した理由により液溜まりが防止で
きるので、燃料電池へ供給する供給ガスの加湿に第１実
施形態の加湿モジュール１を適用しても、液溜まりの液
の温度低下や凍結による燃料電池の起動性の低下・凍結
するときの膨張による配管の破壊を防止することができ
る。また、過渡応答遅れを未然に防ぐことができる。さ
らに、内部通路を円筒状に、凸部を円錐状にそれぞれ形
成することにより、どちらも同じ円形の部材を使用する
ので加湿モジュールの加工が容易となる。また、多角形
の断面を有する内部通路及び凸部に比して、各半径方向
への流体分配性が良く、中空糸膜全体に流体を流し込め
ることから膜の利用効率向上が見込まれる。 （４）出口部２ｂの複数の孔ｈoutを出て中空糸膜束１
ｂに供給された高湿潤ガスは、ハウジング１ａ内の中空
糸膜束１ｂの外側を通り、中空糸膜束１ｂの各中空糸膜
内を流れる流体である低湿順ガスを加湿してハウジング
１ａの周方向に設けられた複数の孔Ｓoutから外部に排
出される。 （５）一方、低湿潤ガスは、ハウジング１ａの一端開口
部１ｄinから高湿潤ガスの流れに対して向流となるよう
に導入され、ハウジング１ａ内の中空糸膜束１ｂの各中
空糸膜内の内側を通る間に加湿され、ハウジング１ａの
他端開口部１ｄou tから外部に排出される。
【００１８】次に、配管の底に設けられる凸部の形状を
変えた他の加湿モジュールの実施形態について図２〜図
３を参照して説明する。尚、加湿モジュールの構成につ
いては、配管の断面形状又は凸部の形状を除いては第１
実施形態の加湿モジュールと同じなので、以下には発明
の要部に係る構成・作用のみ説明する。最初に、第２実
施形体の加湿モジュールの流体を導入する配管の底に設
けられる凸部について説明する。尚、図２（ａ）は、凸
部が設けられる配管の長手方向の断面図、図２（ｂ）
は、配管の入口部側からみた底の凸部の平面図である。
すなわち、図２（ａ）のＢ−Ｂ′断面図である。第２実
施形態の加湿モジュールの凸部３ｄは、図２に示すよう
に、断面が矩形の配管３の底ｂｓ１に設けられる。凸部
３ｄは、ピラミッドのように頂上に行くに従って大きさ
が徐々に小さくなるように四角柱の板を階段状に積み上
げて形成したものである。配管３の断面形状に合わせて
四角柱の板を使って凸部３ｄを形成したので、加工が容
易となる。
【００１９】このような構成を有する第２実施形態の加
湿モジュールに水蒸気や凝縮水が混じった流体である高
湿潤ガスが入口部３ａから導入されると、 （１）配管３の底ｂｓ１では、四角形の階段形状をした
凸部３ｄの先端から内部通路の後流側（底側）に行くに
従って高湿潤ガスの流路断面積が小さくなる。その結
果、後流側（底側）に行くに従って高湿潤ガスの流速が
速くなる。 （２）また、従来のように流体全体を流れに抗して（対
向して）底全体（平面）で受けていた時と比較して、四
角形の階段形状をした凸部３ｄを設けることにより、高
湿潤ガスとの衝突面積が後流側（底側）に行くに従って
徐々に大きくなるようにしたので、流体が次々に凸部３
ｄの表面に沿って剪断力を受け、外側に押し出される。 （３）これらの相乗効果により入口部３ａから導入され
た高湿潤ガスが凸部３ｄの表面に沿って出口部３ｂの複
数の孔Ｈoutから円滑に出て行く。その結果、水蒸気と
凝縮水が混在している流体である高湿潤ガスを第２実施
形態の加湿モジュールに通流しても、出口部３ｂで液溜
まりができるのを防止することができる。また、前記し
た理由により液溜まりが防止できるので、燃料電池へ供
給する供給ガスの加湿に第２実施形態の加湿モジュール
を適用しても、液溜まりの液の温度低下や凍結による燃
料電池の起動性の低下・凍結するときの膨張による配管
の破壊を防止することができる。また、過渡応答遅れを
未然に防ぐことができる。
【００２０】次に、第３実施形体の加湿モジュールの流
体を導入する配管の底に設けられる凸部について説明す
る。尚、図３（ａ）は、凸部が設けられる配管の長手方
向の断面図、図３（ｂ）は、配管の入口部側からみた底
の凸部の平面図、すなわち図３（ａ）のＣ−Ｃ′断面図
である。第３実施形態の凸部４ｄは、図３に示すよう
に、断面が円形の配管３の底ｂｓ２に設けられる。凸部
４ｄは、ピラミッドのように頂上に行くに従って大きさ
が徐々に小さくなるように円柱の板を階段状に積み上げ
て形成したものである。配管４の断面形状に合わせて円
柱の板を使って凸部４ｄを形成したので、加工が容易と
なる。
【００２１】このような構成を有する第３実施形態の加
湿モジュールに水蒸気や凝縮水が混じった流体である高
湿潤ガスが入口部４ａから導入されると、 （１）配管４の底ｂｓ２では、円形の階段形状をした凸
部４ｄの先端から内部通路の後流側（底側）に行くに従
って高湿潤ガスの流路断面積が小さくなる。その結果、
後流側（底側）に行くに従って高湿潤ガスの流速が速く
なる。 （２）また、従来のように流体全体を流れに抗して（対
向して）底全体（平面）で受けていた時と比較して、円
形の階段形状をした凸部４ｄを設けることにより、高湿
潤ガスとの衝突面積が後流側（底側）に行くに従って徐
々に大きくなるようにしたので、高湿潤ガスが順次凸部
４ｄの表面に沿って剪断力を受け、外側に押し出され
る。 （３）これらの相乗効果により入口部４ａから導入され
た高湿潤ガスが凸部４ｄの表面に沿って出口部４ｂの複
数の孔Ｔoutから円滑に出て行く。その結果、水蒸気と
凝縮水が混在している流体である高湿潤ガスを第３実施
形態の加湿モジュールに通流しても、出口部４ｂで液溜
まりができるのを防止することができる。また、上述し
た理由により液溜まりが防止できるので、燃料電池へ供
給する供給ガスの加湿に第３実施形態の加湿モジュール
を適用しても、液溜まりの液の温度低下や凍結による燃
料電池の起動性の低下・凍結するときの膨張による配管
の破壊を防止することができる。また、過渡応答遅れを
未然に防ぐことができる。
【００２２】このような構造と作用を有する第１実施形
態の加湿モジュールにより加湿器を構成して燃料電池の
加湿システムに適用した場合の１実施形態について図面
を参照して説明する。最初に、第１実施形態の燃料電池
の加湿システム全体の構成について図４を参照して説明
する。第１実施形態の燃料電池の加湿システムは、図４
に示すように、アノード極に供給される燃料ガス中の水
素と、カソード極に供給される酸化剤ガスである空気中
の酸素とを反応させて発電する燃料電池１０と、前記燃
料電池１０のアノード極及びカソード極へそれぞれ供給
されるガスを、燃料電池のカソード極から排出されるガ
スとそれぞれ水分交換して加湿する２つの加湿器１
１′，１２′と、アノード極に燃料ガスを循環しながら
供給するエゼクタ１３と、カソード極に酸化剤ガスであ
る空気を供給するＳ／Ｃ（スーパーチャージャ）１４と
から主要部が構成される（燃料電池１０は加湿システム
の構成に含まれるものとする）。
【００２３】燃料電池１０は、固体高分子型の燃料電池
であり、燃料ガス中の水素と空気中の酸素とを反応させ
て発電する。反応式で示すと、下記の通りとなる。
（１）式は、アノード極における反応を、（２）式は、
カソード極における反応を示し、電池全体としては、
（３）式に示す反応が進行する。このように、燃料電池
１０は、電池反応の進行に伴ってカソード極で生成水が
生じる。通常、生じた生成水は、カソード極に供給され
ている空気中に気化し、未反応の空気と共に燃料電池１
０から排出される。 Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- ------------------（１） ２Ｈ+＋（１／２）Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ-------（２） Ｈ2＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ----------------（３） 尚、固体高分子型の燃料電池１０は、電解質層として、
固体高分子膜を用い、この固体高分子膜を挟持する一対
のガス拡散電極と、ガス拡散電極をさらに外側から挟持
して燃料ガスと空気とを分離するセパレータとを有する
単セルを複数積層した構造を備えている。
【００２４】加湿器１１′，１２′は、前記した内部通
路となる有底の配管２を備えた加湿モジュール１を使用
して構成した加湿器であり、図1に示すような配管２の
底ｂｓに円錐形状をした凸部２ｃを有している。尚、加
湿器１１′に使用される中空糸膜はイオン水和型の非多
孔質膜（例えば製品名：ナフィオン膜）であり、水以外
のものは透過させない性質を有している。一方、加湿器
１２′に使用される中空糸膜は従来から使用されている
毛管凝縮型の中空糸膜を使用しており、水以外のガス分
子も透過する多孔性膜を使用している。このように、燃
料電池１０のアノード極に供給する燃料ガスを加湿して
供給する加湿器１１′に非多孔質膜を使用することによ
り、燃料ガス（水素含有ガス）とカソード極から排出さ
れる排気ガス（酸素含有ガス）との水分交換を行う際
に、ガスは通過させずに水分のみをカソード側からアノ
ード側に確実に通過させることができるので、水素ガス
と酸素ガスが膜を介して加湿器１１′内で混合すること
が無い。
【００２５】エゼクタ１３は、アノード極に供給される
燃料ガスを循環するための真空ポンプの１種であり、ノ
ズル、ディフューザ、吸引室等から主要部が構成され
る。構造が簡単で、操作・保守が容易であり、回転・摺
動等可動部分がないので耐久力が大きい。また、吸引ガ
スの性質によって自由に耐食材料が選べるというメリッ
トもある。
【００２６】Ｓ／Ｃ（スーパーチャージャ）１４は、機
械式過給機であり、大気圧の空気を吸引して加圧し、燃
料電池１０のカソード極に供給するためのものである。
Ｓ／Ｃ（スーパーチャージャ）１４の替わりにリショル
ム型の容積型圧縮機を使用することもできる。
【００２７】このように構成される第１実施形態の燃料
電池の加湿システムの作用について説明する。エゼクタ
１３に供給された低湿潤ガスである燃料ガスは、エゼク
タ１３により吸引・加圧され加湿器１１′に供給され
る。加湿器１１′に供給された燃料ガス(低湿潤ガス)
は、加湿器１１′内の加湿モジュール内を通る間に、燃
料電池１０のカソード極から排出される排気ガス(高湿
潤ガス)により加湿された後、アノード極に供給され
る。燃料電池１０のアノード極に送られた燃料ガス中の
水素は、Ｓ／Ｃ(スーパーチャージャ)１４から燃料電池
１０に供給される空気中の酸素と反応し発電する。燃料
電池１０で反応に使用されなかった燃料ガスは排気ガス
となり、後工程（例えば触媒燃焼器）へと供給される。
尚、排気ガスの一部は、エゼクタ１３に吸引され、再び
燃料ガスとして循環される。一方、Ｓ／Ｃ（スーパーチ
ャージャ）１４により大気中の低湿潤ガスである空気が
吸引・加圧され、加湿器１２′に供給される。加湿器１
２′に供給された空気(低湿潤ガス)は、加湿モジュール
を通る間に、加湿器１１′から排出される排気ガス(高
湿潤ガス)により加湿された後、カソード極に供給され
る。燃料電池１０で燃料ガス中の水素との反応に使用さ
れなかった空気は高湿潤ガスである排気ガスとなり、加
湿器１１′に供給される。加湿器１１′に供給された排
気ガスは、加湿モジュールを通る間に、エゼクタ１３か
ら加湿器１１′に供給される燃料ガスに水分を与えて加
湿し、加湿器１１′から排出される。加湿器１１′から
排出された排気ガスは、さらに加湿器１２′へと供給さ
れ、加湿モジュールを通る間に、Ｓ／Ｃ(ス−パーチャ
ージャ)１４から加湿器１２′に供給される空気に水分
を与えて加湿する。加湿器１２′から排出された排気ガ
スは後工程（例えば触媒燃焼器）へと供給される。
【００２８】次に、第１実施形態の加湿モジュールによ
り加湿器を構成して燃料電池の加湿システムに適用した
第２実施形態について図５を参照して説明する。尚、第
1実施形態の燃料電池の加湿システムと同じ機器・配管
部材については同じ符号を付して説明する。第２実施形
態の燃料電池の加湿システムと第１実施形態の燃料電池
の加湿システムとの構成の違いは、図５に示すように、
アノード極に供給する燃料ガスとアノード極から排出さ
れる排気ガスとの水分交換を行う加湿器１１を設け、カ
ソード極に供給する空気と前記カソード極から排出され
た排気ガスと水分交換を行う加湿器１２を設けた点にあ
る。また、第２実施形態の燃料電池の加湿システムで
は、２つの加湿器１１，１２で使用される中空糸膜は、
どちらも多孔質膜が使用される。それ以外の構成は第1
実施形態の燃料電池の加湿システムと同じなので説明は
省略する。
【００２９】このような構成を有する第２実施形態の燃
料電池の加湿システムの作用について図５を参照して説
明する。エゼクタ１３に供給される低湿潤ガスである燃
料ガスは、エゼクタ１３により吸引・加圧され、加湿器
１１に供給される。加湿器１１に供給された燃料ガス
(低湿潤ガス)は、加湿器１１内の加湿モジュール内を通
る間に、燃料電池１０のアノード極から排出される排気
ガス(高湿潤ガス)により加湿された後、アノード極に供
給される。燃料電池１０のアノード極に送られた燃料ガ
ス中の水素は、Ｓ／Ｃ(スーパーチャージャ)１４から燃
料電池１０のカソード極に供給される空気中の酸素と反
応して発電する。燃料電池１０で反応に使用されなかっ
た燃料ガスは高湿潤ガスである排気ガス(オフガス)とな
り、再び加湿器１１に供給される。加湿器１１に供給さ
れた排気ガスは、加湿モジュールを通る間に、エゼクタ
１３から加湿器１１に供給される燃料ガスに水分を与え
た後、後工程（例えば触媒燃焼器）へと供給される。
尚、加湿器１１を出た排気ガスの一部は、エゼクタ１３
に吸引され、再び燃料ガスとしてアノード極に循環され
る。一方、Ｓ／Ｃ（スーパーチャージャ）１４により大
気中の低湿潤ガスである空気が吸引・加圧され、加湿器
１２に供給される。加湿器１２に供給された空気（低湿
潤ガス）は、加湿器１２内にある加湿モジュール内を通
る間に、燃料電池１０のカソード極から排出される排気
ガス(高湿潤ガス)により加湿された後、カソード極に供
給される。燃料電池１０で燃料ガス中の水素との反応に
使用されなかった空気は高湿潤ガスである排気ガスとな
り、再び加湿器１２に供給される。加湿器１２に供給さ
れた高湿潤ガスである排気ガスは、加湿モジュール内を
通る間に、Ｓ／Ｃ（スーパーチャージャ）１４から加湿
器１２に供給される空気に水分を与えて加湿し、後工程
（例えば触媒燃焼器）へと供給される。
【００３０】次に、第１実施形態の燃料電池の加湿シス
テムの運転結果を図６〜図８を参照して説明する。図６
は、燃料電池を起動してから安定運転に入るまでの加湿
量の時間に対する変化を示した図である。図６からも判
るように、加湿量が一定になって安定運転に入るまでの
時間が従来の燃料電池の加湿システムよりも短くなって
いることがわかる。
【００３１】図７は、燃料電池を起動してから安定する
までにかかる時間、すなわち起動性を従来と比較した図
であり、図７（ａ）は、従来の経時変化、図７（ｂ）は
本発明の経時変化を示した図である。図からも判るよう
に、起動してから加湿量および中空糸膜束への導入ガス
温度が安定するまでにかかる時間は、図７（ｂ）に示す
本発明の方が短く、応答性がよいことがわかる。
【００３２】図８は、中空糸膜束の導入ガス温度と加湿
量との関係を示す図である。図８からも判るように、中
空糸膜束への導入ガス温度が高いほうが加湿量は多くな
る。
【００３３】このように、第１実施形態の加湿モジュー
ルを使用して加湿器を構成し、燃料電池に供給するガス
を加湿するようにしたことにより、水蒸気と凝縮水が混
在した流体を内部通路に通流しても配管内に水溜まりが
できなくなる結果、従来、溜まった水により燃料電池か
ら排出される流体が冷却されたり、溜まった水が凍結す
ることにより配管が破壊されるという恐れがなくなる。
また、中空糸膜束に導入されるガスの温度も短い時間で
所定の温度に上げることができる。その結果、燃料電池
の出力応答性或いは起動性が良好な燃料電池の加湿シス
テムを提供することができる。
【００３４】
【発明の効果】以上の構成と作用からなる本発明によれ
ば、以下の効果を奏する。 １．請求項１の発明によれば、 （１）凸部の先端から内部通路の後流側（底側）に行く
に従って流体の流路面積が小さくなる。その結果、後流
側（底側）に行くに従って流体の流速が速くなる。 （２）また、従来のように流体全体を流れに抗して（対
向して）底全体（平面）で受けていた時と比較して、内
部通路の底に流体の流れに抗する方向に凸部を設けて流
体との衝突面積を後流側（底側）に行くに従って徐々に
大きくなるようにしたので、流体が凸部の表面に沿って
剪断力を受けて後流側に行くほど外側に押し出される。 （３）これらの相乗効果により流体が好適に内部通路の
出口部から出て行く結果、水蒸気と凝縮水が混在してい
る流体を加湿モジュールに通流しても底部での液溜まり
を防止できる。前記した理由により液溜まりが防止でき
るので、燃料電池へ供給する供給ガスの加湿に本発明の
加湿モジュールを適用しても、液溜まりの液による高温
ガスの温度低下や液溜まりの液が凍結して膨張すること
による破壊が発生しない。従って燃料電池へ供給する供
給ガスの加湿に適用しても燃料電池の出力応答性或いは
起動性が良好な加湿モジュールを提供することができ
る。 ２．請求項２の発明によれば、内部通路を円筒状に、凸
部を円錐状にそれぞれ形成することにより、どちらも同
じ円形の部材を使用するので加湿モジュールの加工が容
易となる。また、多角形の断面を有する内部通路及び凸
部に比して、各半径方向への流体分配性が良く、中空糸
膜全体に流体を流し込めることから膜の利用効率向上が
見込まれる。 ２．請求項３の発明によれば、 （１）内部通路の出口部として、底近傍の側壁に孔を穿
設することにより、中空糸膜束内へ導入する流体の厚み
方向の流速を上げることができる。その結果、流体が中
空糸膜束の厚み方向に行き渡るので中空糸膜の利用効率
が向上する。 （２）孔の穿設する位置を流体の流れに沿う方向で凸部
の先端を超えた位置に（凸部の先端よりも内部通路の底
側に）少なくとも１つ配設するようにしたことにより、 （ｉ）凸部の先端から内部通路の後流側（底側）に行く
に従って流体の流路断面積が小さくなる。その結果、後
流側（底側）に行くに従って流体の流速が速くなる。 （ｉｉ）また、従来のように流体全体を流れに対向して
底全体（平面）で受けていた時と比較して、内部通路の
底に流体の流れに抗する方向に凸部を設けて流体との衝
突面積を後流側（底側）に行くに従って徐々に大きくな
るようにしたので、流体が凸部の表面に沿って剪断力を
受け、後流側に行くほど外側に押し出される。 （ｉｉｉ）これらの相乗効果により内部通路の出口部か
ら流体が出ていこうとしたときに、孔の穿設する位置を
流体の流れに沿う方向で凸部の先端を超えた位置に（凸
部の先端よりも内部通路の底側に）少なくとも１つ配設
したので、流体が好適に内部通路の出口部から出て行く
ことができる。この点、孔の穿設する位置を、流体の流
れに沿う方向で凸部の先端よりも手前に（凸部の先端よ
りも内部通路の入口側に）配するようにした場合には、
底からの流体の跳ね返りがあり、流体の抜けが悪くなる
のでこのような良好な効果は得られない。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明に係る第１実施形態の加湿モジュ
ールを示す斜視図である。 （ｂ）図１（ａ）のＩ部拡大断面図である。 （ｃ）図１（ｂ）のＡ−Ａ′断面図である。
【図２】（ａ）本発明に係る第２実施形態の加湿モジュ
ールの凸部を示す長手方向の断面図である。 （ｂ）図２（ａ）のＢ−Ｂ′断面図である。
【図３】（ａ）本発明に係る第３実施形態の加湿モジュ
ールの凸部を示す長手方向の断面図である。 （ｂ）図３（ａ）のＣ−Ｃ′断面図である。
【図４】本発明に係る第１実施形態の加湿モジュールを
第１実施形態の燃料電池の加湿システムに適用した場合
の全体構成図である。
【図５】本発明に係る第１実施形態の加湿モジュールを
第２実施形態の燃料電池の加湿システムに適用した場合
の全体構成図である。
【図６】燃料電池を起動してから安定運転に入るまでの
加湿量の時間に対する変化を示した図である。
【図７】（ａ）従来の加湿モジュールから構成される加
湿器を適用した燃料電池を起動したときの起動してから
安定するまでにかかる時間の経時変化を示した図であ
る。 （ｂ）本発明に係る第1実施形態の加湿モジュールから
構成される加湿器を適用して燃料電池を起動したときの
起動してから安定するまでにかかる時間の経時変化を示
した図である。
【図８】本発明に係る加湿モジュールにおける中空糸膜
束への導入ガス温度と加湿量との関係を示す図である。
【図９】従来の加湿モジュールを使用した加湿器の断面
図である。
【図１０】従来の他の加湿モジュールを使用した加湿器
の断面図である。
【図１１】従来の他の加湿モジュールの問題点を説明す
るための図である。
【符号の説明】
１ 加湿モジュール １ｂ 中空糸膜束 ２ 配管（内部通路） ２ａ 入口部 ２ｂ 出口部 ２ｃ 円錐形状をした凸部（凸部） ｈout，Ｓout 孔
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１４年４月２２日（２００２．４．２
２）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項２
【補正方法】変更
【補正内容】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｍ 8/04 Ｈ０１Ｍ 8/04 Ｋ 8/06 8/06 Ｗ 8/10 8/10 (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 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 Ｆターム(参考） 3L055 AA10 BA02 4D006 GA41 HA01 JA18A JA70A PB65 PC80 5H026 AA06 5H027 AA06

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 内側と外側とにそれぞれ通流させる流体
    間で水分交換を行うことが可能な中空糸膜束と、流体の
    出入りが可能な入口部及び出口部を有し前記中空糸膜束
    の厚み方向の略中央部で前記中空糸膜束よりも長手方向
    に短く伸長した有底の内部通路とを備えた加湿モジュー
    ルにおいて、 前記内部通路の出口部近傍に設けられた底には、前記流
    体の流れに抗する方向に凸部が設けられたことを特徴と
    する加湿モジュール。
  2. 【請求項２】 前記内部通路の出口部は、円筒状に形成
    され、前記凸部は円錐状に形成されたことを特徴とする
    請求項１に記載の加湿モジュール。
  3. 【請求項３】 前記内部通路の出口部は、前記底近傍の
    側壁に孔として穿設され、該孔のうちの少なくとも１つ
    は前記流体の流れに沿う方向であって前記凸部の先端を
    超えた位置に配されていることを特徴とする請求項１又
    は請求項２に記載の加湿モジュール。
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