JP2002298882A

JP2002298882A - 加湿モジュール

Info

Publication number: JP2002298882A
Application number: JP2001099476A
Authority: JP
Inventors: Toshikatsu Katagiri; 敏勝片桐; Yoshio Kusano; 佳夫草野; Hiroshi Shimanuki; 寛士島貫; Mikihiro Suzuki; 幹浩鈴木
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2001-03-30
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2002-10-11

Abstract

(57)【要約】【課題】加湿モジュールから放出される熱量を低く抑
え、ガス温度を高く保ち、加湿効率を向上させる。【解決手段】中空糸膜Ｐ１を含む内層Ｓ１と中空糸膜
Ｐ２を含む外層Ｓ２を備え、両者の間を多数の孔３１を
備えた仕切部材１７で仕切し、一端側の中央部分から加
湿ガスＭＧを供給する。加湿ガスＭＧは内層Ｓ１から仕
切部材１７の孔３１を通過して外層Ｓ２に流れ込み、他
端側の外周部の出口２２から排出する。一方、中空糸膜
Ｐ１には空気Ａｄを通流させ、中空糸膜Ｐ２には水素ガ
スＨｄを通流させて、空気Ａｄと加湿ガスＭＧの間、水
素ガスＨｄと加湿ガスＭＧの間のそれぞれにおいて水分
交換を行わせ、空気Ａｄおよび水素ガスＨｄを加湿す
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、湿度の低い流体を
加湿する加湿モジュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、電気自動車の動力源などとして開
発されている固体電解質型燃料電池（以下、単に燃料電
池という）は、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応を
利用して発電を行うものである。つまり、燃料電池は、
燃料ガスをアノード極でイオン化し、燃料ガスのイオン
（プロトン、水素イオン）を固体電解質膜で移動させ、
カソード極に供給された酸化剤ガスと電気化学反応を行
わせて、発生する電気エネルギを取り出すものである。
ここで、このような燃料電池の発電効率を左右するパラ
メータの一つとして、固体電解質膜内を移動する水素イ
オンのイオン伝導率があげられる。このイオン伝導率が
高いと単位時間当たりに固体電解質膜内を移動できる水
素イオンの数が増えるので、その分だけ電気化学反応に
伴う発電量を多くすることができる。一方、イオン伝導
率が低いと、単位時間当たりに固体電解質膜内を移動で
きる水素イオンの量が減ることになるので発電量は減っ
てしまう。

【０００３】そこで、従来、固体電解質膜のイオン伝導
率を高くするための工夫が種々なされており、これらの
中には、特願平８−２７３６８７号公報に記載の燃料電
池の加湿装置がある。特願平８−２７３６８７号公報に
記載の加湿モジュールは、燃料電池の冷却水を用いて燃
料ガスを加湿するもので、加湿した燃料ガスを燃料電池
に供給することで固体電解質膜の乾燥を防止するもので
ある。この加湿モジュールは、中空糸膜を備え、この中
空糸膜の内側に燃料ガスを通流させ、中空糸膜の外側に
水を通流させる構成を有している。この中空糸膜は、中
空糸膜の外側の液相と、中空糸膜の内側の気相を分離す
る役割と、液相中の水分を水蒸気分圧の高い液相側か
ら、相対的に水蒸気分圧の低い気相側に透過させる役割
を有している。中空糸膜を透過して液相側から気相側に
移動した水分は、燃料ガスの流れにより蒸発するので、
燃料ガスは所定量の水蒸気を含む加湿燃料ガスとなる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな加湿モジュールで加湿効率を向上させる場合は、中
空糸膜を長くすることが効果的であるが、その分だけ加
湿モジュールの表面積が増加するので、加湿モジュール
から外気へ放出される熱量が増加するという問題があっ
た。外気に放出される熱量が増加すると、その分だけ流
体温度が低下してしまう。流体の温度が下がると、飽和
水蒸気量も下がるので、加湿効率を低下させる原因とな
り好ましくない。また、燃料電池の乾燥を防止し、より
高い発電効率を得るためには、燃料ガスおよび酸化剤ガ
スの両方を加湿することが望ましいが、このような加湿
モジュールを燃料ガス用と酸化剤ガス用のそれぞれに設
けると、各加湿モジュールにおける熱損失が大きくな
り、加湿効率が落ちるという問題があった。加えて、二
つの加湿モジュール間の配管の取り回しや、加湿モジュ
ールのレイアウトに制限を生じる。従って、本発明は、
加湿モジュールから放出される熱量に着目して、ガス温
度を高く保つことで、加湿効率を向上させるものであ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る
発明は、内側と外側にそれぞれ流れる流体間で水分交換
を可能にする中空糸膜を長手方向に沿って束ねた第一の
中空糸膜束からなる内層と、第一の中空糸膜束の長手方
向に沿って、その外周を囲むように中空糸膜を束ねた第
二の中空糸束からなる外層とを有し、内層の一端側かつ
中心部近傍に、中空糸膜の外側を通流する第一の流体を
導入する入口部を有し、外層の他端側かつ外周部に中空
糸膜を通流した第一の流体を排出する出口部を有し、内
層、外層のそれぞれにおいて第一の流体とは水分含有量
の異なる第二の流体を他端側から一端側まで中空糸膜の
内側を通流させるための通流入口部および通流出口部を
備える加湿モジュールとした。この加湿モジュールは、
第二の流体を内側に通流させる中空糸膜を内層と外層の
二層構造にすることで、全体としての表面積を減少させ
て、加湿モジュールから外気へ放出される熱量を低減す
るものである。なお、このような加湿モジュールにおい
て第二の流体の水分含有量が相対的に多い場合は、第一
の流体が加湿される。一方、第二の流体の水分含有量が
相対的に少ない場合は、第二の流体が加湿される。

【０００６】また、本発明の請求項２に係る発明は、請
求項１に記載の加湿モジュールにおいて、内層の中心部
には、長手方向に伸長する中心部材を有し、中心部材に
は、第一の流体が流れる内部流路を備え、内部流路に
は、第一の流体を外層に向けて流出させる流出口を有す
る構成にした。この加湿モジュールは、内部流路の流出
口から内層に向けて、第一の流体を均一に分散して流出
させることで、内層に含まれる第一の中空糸膜に第一の
流体を均等に供給するものである。

【０００７】さらに、本発明の請求項３に係る発明は、
請求項１または請求項２に記載の加湿モジュールにおい
て、第二の流体は、内層を通流する内層側流体と、外層
を通流する外層側流体であり、通流入口部と通流出口部
は、内層側流体と外層側流体とを独立に通流させる構成
にした。この加湿モジュールは、第二の流体を、異なる
二種類の流体、内層側流体と外層側流体とし、この二種
類の流体を同時に加湿する際に用いられるもので、独立
した二つの加湿モジュールを用いる場合に比べて、全体
としての表面積を低減させるものである。

【０００８】そして、本発明の請求項４に係る発明は、
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の加湿モジ
ュールにおいて、第一の中空糸膜束と、第二の中空糸膜
束のいずれか一方はイオン水和型膜からなり、他方は毛
管凝縮型膜からなる構成にした。この加湿モジュール
は、被加湿流体の特性に最適な中空糸膜を利用すること
で、確実に加湿するものである。特に、中空糸膜として
イオン水和型膜を用いて可燃性流体を加湿し、毛管凝縮
型膜を用いて比較的高温の酸化剤流体を加湿すると、燃
料ガスと酸化剤ガスが混合することを防止でき、燃料電
池システムに好適な加湿モジュールが得られる。

【０００９】また、本発明の請求項５に係る発明は、請
求項１から請求項４のいずれか一項に記載の加湿モジュ
ールにおいて、内層と外層を区分する仕切部材を有し、
仕切部材は、内層と外層を連通させる複数の孔が開穿さ
れている構成にした。この加湿モジュールは、多数の孔
が、第一の流体を内層から外層へと導くものであり、孔
の配列や大きさを変更することで、内層における加湿量
と、外層における加湿量を制御するものである。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面を参照
しながら詳細に説明する。図１は本実施の形態の加湿モ
ジュールを備えた加湿装置を含む燃料電池システムの構
成図である。図１に示すように、燃料電池システム１
は、アノードガスである加湿水素ガスＨｗ（水素ガスＨ
ｄ）と、カソードガスである加湿空気Ａｗ（空気Ａｄ）
の電気化学的反応を用いて発電するものである。加湿水
素ガスＨｗは、高圧ボンベ等の供給手段４から供給され
る水素ガスＨｄを加湿装置３で加湿したものである。ま
た、加湿空気Ａｗは、空気圧縮機５で大気から吸引し、
所定圧力まで加圧した空気Ａｄを加湿装置３で加湿した
ものである。なお、加湿のために用いる水分を多く含ん
だガスは、燃料電池２から排出されるカソードオフガス
ＣＯＧである加湿ガスＭＧにより行う。

【００１１】ここで、本実施の形態における燃料電池２
について説明する。燃料電池２は、図示しない固体電解
質膜を挟んでアノード極とカソード極を有し、そのそれ
ぞれには白金系の触媒を有する電極が設けられている。
そして、アノード極には加湿装置３で加湿された加湿水
素ガスＨｗが通流され、カソード極には加湿装置３で加
湿された加湿空気Ａｗが通流される。ここで、固体電解
質膜は、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てい
る。この固体電解質膜は、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高いプロトン
伝導率を示すものである。従って、触媒によりアノード
極で発生したプロトン（水素イオン）は、容易に固体電
解質中を移動してカソード極側に到達することができ
る。そして、カソード極側に到達したプロトンがアノー
ド極の酸素と反応して水を生成する。生成した水は未反
応成分を含む加湿空気Ａｗと共にカソードオフガスとし
てカソード極側の出口から排出される。このとき、アノ
ード極とカソード極を外部負荷を介して電気的に接続し
て回路を形成すると、水素のイオン化の際に発生する電
子がこの回路に流れ、この電子の量が燃料電池２の発電
量となる。

【００１２】ここで、燃料電池２の発電量を決定するパ
ラメータとしては、電極および固体電解質膜からなるセ
ルの数や大きさ、加湿水素ガスＨｗおよび加湿空気Ａｗ
の供給量、固体電解質膜のプロトン伝導率等があげられ
る。これらのうち、固体電解質膜のプロトン伝導率につ
いて説明する。プロトン伝導率は、固体電解質膜内での
プロトンの移動しやすさを表している。従って、プロト
ン伝導率が大きいほど、プロトン（水素イオン）がアノ
ード極側からカソード極側に移動しやすくなるので、プ
ロトン（水素イオン）と酸素の反応頻度が増大し、発電
量を増加させることができる。一方、プロトン伝導率が
低くなると、プロトンの透過率が減少するので、プロト
ン（水素イオン）と酸素の反応が減り、発電量が減少す
る。なお、このプロトン伝導率は、固体電解質膜が乾燥
していると低くなる。従って、本実施の形態において
は、加湿部で水素ガスＨｄおよび空気Ａｄを加湿するこ
とで、固体電解質膜に充分な水分を供給し、固体電解質
膜のプロトン伝導率を大きくし、発電効率の向上および
安定を図っている。

【００１３】次に、加湿装置３の構成について図１、図
２、図３（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。なお、図２
は加湿装置の断面図であり、図３（ａ）は図２のＸ−Ｘ
線断面図、（ｂ）は図２のＹ−Ｙ線断面図である。ま
た、下記の説明において一端側とは、加湿ガスＭＧが加
湿モジュール１３に導入される側、つまり図２の左側を
いい、他端側とは、加湿ガスＭＧが加湿モジュール１３
から排出される側、つまり図２の右側をいうものとす
る。さらに、本実施の形態においては、第一の流体は、
水分含有量の多い加湿ガスＭＧとし、水分含有量の異な
る第二の流体は、水分含有量が相対的に少ない水素ガス
Ｈｄ、空気Ａｄとして説明する。

【００１４】図２および図３（ａ）に示すように加湿装
置３は、その内側と外側に独立に通流する二つの流体間
での水分交換を可能にする中空糸膜Ｐ１、Ｐ２を長手方
向に束ねた中空糸膜束１０、１１の外周を、ハウジング
１２で覆い、円筒形状にした加湿モジュール１３を有し
ており、この加湿モジュール１３は、その両端がヘッド
ブロック１４、１５で保持されている。

【００１５】図２に示すように加湿モジュール１３は、
その長手方向の中心部に中心部材１６を有し、この中心
部材１６の外周を覆うように多数の中空糸膜Ｐ１、Ｐ２
を配置する（図３（ａ）参照）と共に、多数の中空糸膜
Ｐ１、Ｐ２の両端部を樹脂でポッティングしている。本
実施の形態においては、中空糸膜Ｐ１からなる中空糸膜
束１０と、中空糸膜Ｐ２からなる中空糸膜束１１は、加
湿モジュール１３の半径方向においてハウジング１２や
中心部材１６と同心円状に配置される仕切部材１７によ
り、中心部材１６側（中心側）の内層Ｓ１と、ハウジン
グ１２側（外周側）の外層Ｓ２とに区切られている。こ
こにおいて、内層Ｓ１の中空糸膜束１０が特許請求の範
囲に記載の第一の中空糸膜に、外層Ｓ２の中空糸膜束１
１が第二の中空糸膜である。

【００１６】中心部材１６は、そのほとんどが中実の部
材であるが、一端側がポッティング部３５から突出する
と共に中空となっており、加湿ガスＭＧの通路である内
部流路１９を形成している。この内部流路１９は、一端
側のポッティング部３５を越え、中空糸膜束１０側まで
形成されており、その突き当たりで円周方向に等間隔に
形成された複数の開口である流出口２０により内層Ｓ１
と連通している。

【００１７】このような構成を有する加湿モジュール１
３において、第一の流体である加湿ガスＭＧは、中心部
材１６の一端側の入口部２１から、内部流路１９を通
り、流出口２０から中空糸膜Ｐ１の外側に向けて流出す
る。なお、流出口２０から流出した加湿ガスＭＧは、後
に説明するように、内層Ｓ１および外層Ｓ２のそれぞれ
の中空糸膜Ｐ１、Ｐ２の外側を通って、ハウジング１２
の他端側の外周面に等間隔に形成された出口部２２から
排出される。

【００１８】また、第二の流体であって、どちらも加湿
ガスＭＧよりも水分含有量が少ない流体である空気Ａｄ
および水素ガスＨｄは、加湿モジュール１３の他端側か
ら流入し、中空糸膜Ｐ１、Ｐ２の内側を通流し、一端側
に流出する。空気Ａｄは、内層Ｓ１の他端側のポッティ
ング部３６により区画される中空糸膜Ｐ１の開口端の集
まりである通流入口部３６ａから加湿モジュール１３内
の各中空糸膜Ｐ１に供給され、各中空糸膜Ｐ１の内側を
通り、内層Ｓ１の一端側のポッティング部３５で区画さ
れる中空糸膜Ｐ１の開口端の集まりである通流出口部３
５ａから流れ出る。水素Ａｄは外層Ｓ２の他端側のポッ
ティング部３６で区画される中空糸膜Ｐ２の開口端の集
まりである通流入口部３６ｂから加湿モジュール１３内
の各中空糸膜Ｐ２に供給され、各中空糸膜Ｐ２の内側を
通り、外層Ｓ２の一端側のポッティング部で区画される
中空糸膜Ｐ２の開口端の集まりである通流出口部３５ｂ
から流れ出る。なお、この場合の特許請求の範囲に記載
の内層側流体は、内層Ｓ１を通流する空気Ａｄであり、
外層側流体は、外層Ｓ２を通る水素Ｈｄになる。

【００１９】次に加湿モジュール１３の両端を保持する
ヘッドブロック１４、１５について説明する。図２に示
すように加湿モジュール１３の他端側を保持するヘッド
ブロック１５は、内層Ｓ１を通流する空気Ａｄを中空糸
膜Ｐ１の内側に導入するための内側流入通路２５と、外
層Ｓ２を通流する水素ガスＨｄを中空糸膜Ｐ２の内側に
導入するための外側流入通路２６、ならびに、中空糸膜
Ｐ１、Ｐ２の外側を通流した加湿ガスＭＧを排出するた
めの出口通路２７が形成されている。

【００２０】内側流入通路２５は、空気圧縮機５に接続
される小径の入口ポート部２５ａと、入口ポート部２５
ａに供給された空気Ａｄを内層Ｓ１の各中空糸膜Ｐ１に
ほぼ均等に分流させるための大径部２５ｂとを有してい
る。外側流入通路２６は、供給手段４に接続される小径
の入口ポート部２６ａと、入口ポート部２６ａに供給さ
れた水素ガスＨｄを外層Ｓ２の各中空糸膜Ｐ２にほぼ均
一に分流させるための通路２６ｂを有している。この通
路２６ｂは、図３（ｂ）に示すようにリング形状を有し
ており、水素ガスＨｄはこの通路２６ｂを図中の矢印に
示す方向に流れながら、通流入口部３６ｂから各中空糸
膜Ｐ２の内側に流入する。出口流路２７は、図３（ａ）
に示すように、ハウジング１２の円周に沿って多数形成
された出口部２２と連通するリング状の通路２７ａと、
加湿用ガスＭＧを合流させて排出するための出口ポート
部２７ｂとから構成されている。

【００２１】さらに、加湿モジュール１３の一端側を保
持するヘッドブロック１４は、中心部材１６を挿入する
ために中央部に設けられた挿入穴２８と、内層Ｓ１を通
流して加湿された加湿空気Ａｗを燃料電池２に導く内側
流出通路２９と、外層Ｓ２を通流して加湿された加湿水
素ガスＨｗを燃料電池２に導く外側流出通路３０を有し
ている。

【００２２】内側流出通路２９は、内層Ｓ１の各中空糸
膜Ｐ１から流出した加湿空気Ａｗが合流する大径部２９
ａと、燃料電池２のカソード極に接続される出口ポート
部２９ｂとを有している。外側流出通路３０は、外層Ｓ
２の各中空糸膜Ｐ２から流出した加湿水素ガスＨｗが合
流するリング状の通路３０ａと、燃料電池２のアノード
極に接続される出口ポート部３０ｂとを有している。な
お、リング状の通路３０ａの構造は、外側流入通路２６
の通路２６ｂと同じ構成であるので、その詳細な説明は
省略する。

【００２３】中空糸膜Ｐ１、Ｐ２は、その内側に空気Ａ
ｄ、水素ガスＨｄが通流し、その外側に加湿ガスＭＧを
通流させたときに、加湿ガスＭＧの水分を中空糸膜Ｐ
１、Ｐ２を介して相対的に水分含有量の少ない空気Ａ
ｄ、水素ガスＨｄに供給させるものである。本実施の形
態では、被加湿ガスが水素ガスＨｄの場合にはイオン水
和型膜を用い、被加湿ガスが空気Ａｄの場合には毛管凝
縮型膜を用いている。ここで、毛管凝縮型膜の中空糸膜
は、多孔質型、すなわち、分子が拡散可能な大きさの細
孔（孔径１０ｎｍ程度）を多数備えている高分子膜から
構成されている。この高分子膜は、細孔を通じて、例え
ば毛管凝縮作用により、水分を透過させることができ
る。このような高分子膜からなる水透過膜は、細孔を通
じて水分の他、酸素ガス等を透過させることができ、特
に酸素の透過速度よりも水の透過速度の方が遥かに大き
いことから、気化した水分を確実に輸送できる特徴があ
る。一方、イオン水和型膜の中空糸膜は、細孔を有さず
に、ポリマ構造として疎水性の強い主鎖部分と親水性の
交換基を共存させている。この親水性の交換基は、水分
子と水素結合を行うことで水分を捉える、いわゆるイオ
ン水和作用を有し、原理的に水分（水蒸気）以外の気体
（水素ガス、酸素ガス、窒素ガス等）を透過しない（つ
まりガスバリア性に優れている）。このため、一つの加
湿モジュール１２に組成の異なる流体を通流しても、異
なる流体どうしが混合することがない。

【００２４】さらに、本実施の形態において内層Ｓ１と
外層Ｓ２を区画する仕切部材１７について説明する。な
お、図４（ａ）は仕切部材の孔の配列を説明する図、図
４（ｂ）は加湿モジュールにおける加湿ガスの流れを説
明する図である。図２および図４（ａ）に示すように仕
切部材１７は、加湿モジュール１３の長手方向に沿って
同径の孔３１を多数有している。この孔３１は、内部流
路１９から内層Ｓ１に流出した加湿ガスＭＧを外層Ｓ２
に流出する役割を有している。このような仕切部材１７
を用いることで、内層Ｓ１と外層Ｓ２の両方に加湿ガス
ＭＧを流し、その各々において、加湿ガスＭＧと被加湿
ガスとの対向流を実現している。なお、仕切部材１７は
内層Ｓ１側の仕切部材片１７ａと外層Ｓ２側の仕切部材
片１７ｂに分離できるが、その詳細は加湿モジュール１
３の製造工程において説明するので、ここでは省略す
る。

【００２５】次に、このような加湿モジュール１３を備
えた加湿装置３で、水素ガスＨｄおよび空気Ａｄを加湿
する場合について説明する。ここでは、内層Ｓ１に毛管
凝縮型の中空糸膜を用いて空気Ａｄを加湿し、外層Ｓ２
にイオン交換型の中空糸膜を用いて水素ガスＨｄを加湿
する。まず、図１の燃料電池２のカソード極から排出さ
れたカソードオフガスＣＯＧである加湿ガスＭＧは、配
管４１を通じて、加湿装置３の内部流路１９（図２参
照）から加湿モジュール１３の一端側の入口部２１に導
入される。一方、空気Ａｄは、空気圧縮機５で加圧され
た状態で配管４３から加湿モジュール１３の他端側の内
側流入通路２５の入口ポート部２５ａに供給される。さ
らに、水素ガスＨｄは、供給手段４から配管４５を通じ
て加湿モジュール１３の他端側の外側流入通路２６の入
口ポート部２６ａに供給される。

【００２６】図２および図４（ｂ）に黒矢印で示すよう
に加湿ガスＭＧは、内部流路１９の流出口２０から放射
状に流出し、内層Ｓ１の多数の中空糸膜Ｐ１の外側の領
域を通流し、仕切部材１７の多数の孔３１をほぼ均等に
通り、外層Ｓ２に流れ込む。さらに、外層Ｓ２において
加湿ガスＭＧは、外層Ｓ２の中空糸膜Ｐ２の外側の領域
を通流し、他端側の出口部２２から排出される。この
間、中空糸膜Ｐ１、Ｐ２の外側表面に加湿ガスＭＧに含
まれる水分が凝縮するので、出口部２２から排出された
加湿ガスＭＧは、入口部２１よりも含水量が減少する。

【００２７】内層Ｓ１の中空糸膜Ｐ１の外側表面に凝縮
し、または、細孔内に分散した水分は、例えば毛管凝縮
作用により、中空糸膜Ｐ１の内部に浸透し、その内周面
に沁み出す。そして、内周面に沁み出した水分は、空気
Ａｄの通流により気化して水蒸気となり、この水蒸気が
空気Ａｄと混合されて加湿空気Ａｗになる。この加湿空
気Ａｄは、内側流出通路２９から配管４４を経て燃料電
池２に供給される（図１参照）。

【００２８】一方、外層Ｓ２の中空糸膜Ｐ２の外周面で
は、例えばイオン水和作用により水分が次々に捉えられ
ることで中空糸膜Ｐ２の内部に浸透しつつ、その内周面
に送り出される。そして、この内周面に沁み出した水分
は水素ガスＨｄの通流により気化して水蒸気になり、こ
の水蒸気が水素ガスＨｄに混合されて、加湿水素ガスＨ
ｗになる。この加湿水素Ｈｗは、外側流出通路３０から
配管４６を経て燃料電池２に供給される（図１参照）。

【００２９】このような加湿モジュール１３は、水素ガ
スＨｄおよび空気Ａｄを一つのモジュールで加湿するこ
とが可能であり、特に、二つの分離したモジュールで水
素ガスＨｄ、空気Ａｄを別個に加湿する場合に比べて、
熱損失を低減することができ、加湿ガスＭＧのガス温度
が高い状態を保つことができる。これは、水素ガスＨｄ
や空気Ａｄを加熱して、水素ガスＨｄや空気Ａｄの飽和
水蒸気量を増加させることができるので、より多くの水
分を水素ガスＨｄや空気Ａｄガスに供給でき、燃料電池
２の発電効率の向上に貢献する。また、本実施の形態で
は、一端側から他端側にかけて、孔３１が均等に形成さ
れているため、内層Ｓ１と外層Ｓ２を通流する加湿ガス
ＭＧの量はほぼ等しいので、空気Ａｄと水素ガスＨｄは
ほぼ均等に加湿される。特に、仕切部材１７に多数の孔
３１を設けることで、加湿ガスＭＧを比較的高い温度で
外層Ｓ２に導くことができるので、外層Ｓ２を通流する
被加湿ガスの加湿効率も高く維持することができる。

【００３０】ここで、本実施の形態の加湿モジュール１
３と、従来のモジュールの熱損失について以下に比較す
る。まず、熱損失としては、外気に放出される熱量や、
中空糸膜Ｐ１、Ｐ１に奪われる熱量等があるが、水素ガ
スＨｄおよび空気Ａｄの加湿に用いる中空糸膜Ｐ１、Ｐ
２の長さＬや本数、および、各ガスの流速が同じである
場合には、加湿モジュール１３と従来の分離したモジュ
ールとの熱損失の差は、それぞれの表面積の差で表すこ
とができる。つまり、分離した二つのモジュールの中空
糸膜束のポッティング部の半径がｒ、面積がＡである場
合、二つのモジュールの合計した表面積は、４πｒＬ＋
４Ａとなる。一方、本実形態における加湿モジュール１
３は、二層構造を有するため、ポッティング部の半径は
１．４ｒ（２の平方根を１．４と近似）、面積は２Ａと
なり、表面積は、２．８πｒＬ＋４Ａとなる。従って、
加湿モジュール１３のほうが１．２πｒＬだけ表面積が
小さく、その分だけ外気に放出される熱量は少なくな
る。

【００３１】次に、このような加湿モジュール１３およ
び加湿装置３の製造工程について図４（ａ）、図５を用
いて説明する。加湿モジュール１３は、まず最初に、内
層Ｓ１側の内側モジュールＭ１と、外層Ｓ２側で中空円
筒形状の外側モジュールＭ２を別々に製造する。図４
（ａ）および図５に示すように、内側モジュールＭ１
は、中心部材１６と後に仕切部材１７を構成する仕切部
材片１７ａとの間の空間に多数の中空糸膜Ｐ１を配置し
てポッティングすることにより製造される。図５に示す
ように外側モジュールＭ２は、仕切部材１７を構成する
仕切部材片１７ｂとハウジング１２の間の空間に多数の
中空糸膜Ｐ２を配置してポッティングすることにより製
造される。

【００３２】次に、内側モジュールＭ１を外側モジュー
ルＭ２の中空部分に挿入する。これにより、仕切部材片
１７ａと仕切部材片１７ｂとが一体となり仕切部材１７
を構成し、加湿モジュール１３が完成する。ここで、仕
切部材片１７ａと仕切部材片１７ｂには、同一箇所に同
一径の孔３１ａ、３１ｂが開穿されており、仕切部材片
１７ａが仕切部材片１７ｂに内挿されたときに、各孔３
１ａ、３１ｂが連通し、図２に示す仕切部材１７の孔３
１を形成する。また、内側モジュールＭ１の外側モジュ
ールＭ２に対する挿入方向の位置や、回転方向の位相
は、図示しない凹凸部や、位置決めピン等により固定さ
れる。なお、一方の仕切部材片１７ａ（１７ｂ）の孔径
を固定し、他方の仕切部材片１７ａ（１７ｂ）の孔径を
変化させることで、仕切部材１７の孔径を調整すること
も可能である。

【００３３】そして、完成した加湿モジュール１３の一
端側と他端側のそれぞれから図２に示すヘッドブロック
１４、１５で挟み込むようにして保持し、さらに、所定
の配管４１〜４６を施すことで加湿装置３の製造が完了
する。

【００３４】このように、加湿モジュール１３を内側モ
ジュールＭ１と外側モジュールＭ２とに分けて製造する
ことで、仕切部材１７の孔３１のサイズや、レイアウ
ト、形状の設定や変更が容易に行える。また、内層Ｓ１
の中空糸膜Ｐ１を、外層Ｓ２の中空糸膜Ｐ２と異なる材
質や径にする場合の加湿モジュール１３の製造が容易に
なるという効果を有する。

【００３５】さらに、仕切部材１７の孔３１の孔径や形
状を変えた場合の効果について、図６から図９を用いて
説明する。図６（ａ）、（ｂ）に示す仕切部材５７は、
一端側から他端側にかけて孔径が段階的に大きくなる三
種類の孔５１、５２、５３を有している。すなわち、一
端側から流入し、内層Ｓ１から外層Ｓ２に流れる加湿ガ
スＭＧは、一端側の小径の孔５１をほとんど通らない。
加湿ガスＭＧは、中間部分の孔５２は多少は通るが、そ
の大部分は、他端側の大径の孔５３を通る。このような
孔５１、５２、５３を有する仕切部材５７を用いると、
加湿ガスＭＧが内層Ｓ１を通流する時間を、外層Ｓ２を
通流する時間よりも長くできる。そして、加湿ガスＭＧ
は内層Ｓ１の中空糸膜Ｐ１との接触面積が多くなるの
で、内層Ｓ１における水分交換を多く、外層Ｓ２におけ
る水分交換を少なく制御することができる。これは、少
ない加湿量で済む被加湿流体を外層Ｓ２において、より
多くの加湿が必要な被加湿流体を内層Ｓ１において同時
に加湿する場合に効果を発揮する。なお、図６（ｂ）
は、孔５１〜５３が、それぞれ仕切部材片５７ａの孔５
１ａ〜５３ａと仕切部材片５７ｂの孔５１ｂ〜５３ｂで
形成される形態を示している。

【００３６】また、図７（ａ）、（ｂ）においては、仕
切部材６７は、一端側から他端側にかけて孔径が段階的
に小さくなる三種類の孔６１、６２、６３を有してい
る。すなわち、一端側から流入した、加湿ガスＭＧのほ
とんどは、一端側の大径の孔６１を通じて内層Ｓ１から
外層Ｓ２に流れる。そして、残りの加湿ガスＭＧは、中
間部分の孔６２は多少は通るが、他端側の小径の孔６３
はほとんど通らない。このような孔６１、６２、６３を
有する仕切部材６７を用いると、加湿ガスＭＧが外層Ｓ
２を通流する時間を、内層Ｓ１を通流する時間よりも長
くできる。そして、加湿ガスＭＧは外層Ｓ２の中空糸膜
Ｐ２との接触面積が多くなるので、外層Ｓ２における水
分交換を多く、内層Ｓ１における水分交換を少なく制御
することができる。これは、少ない加湿量で済む被加湿
流体を内層Ｓ１において、より多くの加湿が必要な被加
湿流体を外層Ｓ２において同時に加湿する場合に効果を
発揮する。なお、図７（ｂ）は、孔６１〜６３が、それ
ぞれ仕切部材片６７ａの孔６１ａ〜６３ａと仕切部材片
６７ｂの孔６１ｂ〜６３ｂで形成される形態を示してい
る。ここで、図６（ａ）、図７（ａ）に示す孔５１〜５
３、６１〜６３は、連続的に径が変化するような、さら
に多数の孔で置き換えても同様の効果を奏することがで
きる。

【００３７】また、孔の形状は丸形状に限定されずに、
例えば、図８（ａ）の仕切部材７１のように細長い形状
をした孔７２であっても良い。孔７２は、その長手方向
が加湿モジュール１３の長手方向と交差するように形成
されている。孔７２の形成位置および大きさは、隣り合
う孔７２の少なくと一部が、加湿モジュール１３の長手
方向において重なり合うような位置および大きさであ
る。このようにして孔７２を形成すると、加湿モジュー
ル１３を断面視した場合のすべての位相に加湿ガスを通
流させる開口があることになるので、加湿ガスＭＧを内
層Ｓ１から満遍なく外層Ｓ２に向けて通流させることが
でき、外層Ｓ２における加湿効率を向上させることがで
きる。

【００３８】さらに、図８（ｂ）の仕切部材７３のよう
に楕円形状の孔７４とすることもできる。孔７４は、そ
の長手方向が加湿モジュール１３の円周方向に長軸を有
する。孔７４の形成位置および大きさは、図８（ａ）の
孔７２と同様に、加湿モジュール１３を断面視した場合
のすべての位相に加湿ガスを通流させる開口が形成され
るような位置および大きさである。この場合において
も、加湿ガスＭＧを内層Ｓ１から満遍なく外層Ｓ２に向
けて通流させ、外層Ｓ２における加湿効率を向上させる
という効果を得ることができる。

【００３９】孔の向きは加湿モジュール１３の半径方向
に限定されずに、例えば、図９（ａ）の仕切部材７５の
ように、半径方向に向けて形成された一端側の孔７７に
対して所定角度傾斜して形成されている孔７６であって
も良い。孔７６は他端側に向けて傾斜しており、この孔
７６を通過する加湿ガスＭＧの流れを、より他端側に向
ける効果を有する。一方、図９（ｂ）は、一端側に傾斜
する孔７９を他端側に半径方向に向けて形成された孔８
０を配した仕切部材７８を図示したものである。この場
合も孔７９は、通過する加湿ガスＭＧの流れを他端側に
向ける効果を有する。

【００４０】このように、孔の大きさや形状を変えるこ
とにより内層Ｓ１から外層Ｓ２に流れる加湿ガスＭＧの
流れを制御し、被加湿ガスの加湿量を制御することがで
きる。ここで、図８（ａ）に示す孔７２の形状と、図９
（ａ）、（ｂ）に示す傾斜した孔７６、７９を組み合わ
して、外層Ｓ２内にスパイラル状のガス流を形成しても
良い。さらに、図９（ｂ）の傾斜した孔７９の径を、図
６（ｂ）の一端側の孔６１のように小さくすることで、
通過する加湿ガスＭＧの量を少なくし、かつ、通過する
加湿ガスＭＧの流れの向きを他端側に向けることで外層
Ｓ２における加湿量をさらに減少させることもできる。

【００４１】なお、本発明は前記の各実施の形態に限定
されずに、広く応用することが可能である。例えば、内
層Ｓ１の内側を通流する内層側流体を水素ガスＨｄと
し、外層Ｓ２の内側を通流する外層側流体を空気Ａｄと
しても良い。また、内層側流体および外層側流体である
第二の流体を水分含有量の多い流体、例えば加湿ガスＭ
Ｇとし、中空糸膜Ｐ１、Ｐ２の外側を通流する第一の流
体を水分含有量が異なる流体、例えば水素ガスＨｄまた
は空気Ａｄとしても良い。これらの場合であっても、確
実に水分含有量の少ない流体を加湿することができる。
さらに、使用する流体、および、加湿する用途は各実施
の形態に限定されずに、湿度の相対的に高い流体を用い
て湿度の低い流体を加湿する目的であれば如何なる用途
にも用いることができ、使用する流体も液体等、任意の
流体を用いることができる。また、図２に示す仕切部材
１７を設けずに、内層Ｓ１と外層Ｓ２を通流する被加湿
流体の種類や中空糸膜Ｐ１、Ｐ２の種類等により区画し
ても良い。この場合は、仕切部材１７がないことで、内
層Ｓ１と外層Ｓ２の加湿量をさらに均一にすることがで
きる。

【００４２】そして、図３（ａ）に示す仕切部材１７に
より、内層Ｓ１に含まれる中空糸膜Ｐ１の数と外層Ｓ２
に含まれる中空糸膜Ｐ２の数が、ほぼ同数となることが
望ましいが、仕切部材１７の設置位置を変えたり、単位
面積当たりの中空糸膜Ｐ１の数を変えたりして、内層Ｓ
１に含まれる中空糸膜Ｐ１の数を相対的に増やしたり、
減らしたりすることもできる。さらに、図９（ａ）、
（ｂ）に示す傾斜した孔７６、７９の傾斜方向は、一端
側でも、加湿モジュール１３の円周方向であっても良
い。一端側に向いた孔は通過する加湿ガスＭＧの流れを
押し戻す作用を有する。また、内層Ｓ１から外層Ｓ２に
向けて縮径する孔を用いると、外層Ｓ２に流出する加湿
ガスＭＧの流速を増加することができる。この縮径構造
は仕切部材片１７ａの孔３１ａの径よりも小さい径の孔
３１ｂを備えた仕切部材片１７ｂにより簡単に実現でき
る。

【００４３】

【発明の効果】本発明の請求項１に係る発明は、第二の
流体を内側に通流させる中空糸膜を内層と外層の二層構
造にすることにより表面積の増加を抑え、加湿モジュー
ルから外気へ放出される熱量を低減することで加湿効率
を向上させることができる。従って、このような加湿モ
ジュールを燃料電池の加湿装置に用いると発電効率を向
上させることができる。また、本発明の請求項２に係る
発明は、第一の流体を加湿モジュールの内部通路から内
層に向けて、第一の流体を均一に分散して流出させるこ
とで、第一の流体を中空糸膜に均等に分配し、確実に加
湿することができる。さらに、本発明の請求項３に係る
発明は、内層と外層のそれぞれに別々の流体を通流させ
ることで二種類の第二の流体を用いた加湿が可能にな
り、装置レイアウトや配管の取り回しの自由度を向上で
きる。

【００４４】そして、本発明の請求項４に係る発明は、
第二の流体の特性に合わせて、イオン水和型膜からなる
中空糸膜と、毛管凝縮型膜からなる中空糸膜を用いた。
従って、燃料電池システムに好適な加湿モジュールを得
ることができる。また、本発明の請求項５に係る発明
は、内層と外層を区分する仕切部材を有し、仕切部材に
複数の孔を設けた。従って、その配列や大きさを変更す
ることで、内層における加湿量と、外層における加湿量
を制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の燃料電池システムの構成
図である。

【図２】加湿装置の断面図である。

【図３】図２の（ａ）Ｘ−Ｘ線断面図、（ｂ）Ｙ−Ｙ線
断面図である。

【図４】（ａ）仕切部材の孔の配列を説明する図、
（ｂ）加湿モジュールにおける加湿ガスの流れを説明す
る図である。

【図５】加湿モジュールの製造工程を説明する図であ
る。

【図６】（ａ）仕切部材の孔の配列を説明する説明図、
（ｂ）加湿モジュールにおける加湿ガスの流れを説明す
る図である。

【図７】（ａ）仕切部材の孔の配列を説明する説明図、
（ｂ）加湿モジュールにおける加湿ガスの流れを説明す
る図である。

【図８】（ａ）、（ｂ）仕切部材の孔の配列を説明する
説明図である。

【図９】（ａ）、（ｂ）向きの異なる孔を備えた仕切部
材を説明する一部断面図である。

【符号の説明】

１燃料電池システム２燃料電池３加湿装置１０中空糸膜束（第一の中空糸膜束）１１中空糸膜束（第二の中空糸膜束）１３加湿モジュール１６中心部材１７、５７、６７仕切部材１７ａ、１７ｂ仕切部材片１９内側通路２０流出口２１入口部２２出口部３５ａ、３５ｂ流出口３６ａ、３６ｂ流入口３１、５１、５２、５３、６１、６２、６３孔３１ａ、３１ｂ、７２ａ、７４ａ、７７ａ、７６ａ、７
９ａ、８０ａ孔Ｓ１内層Ｓ２外層Ｐ１、Ｐ２中空糸膜

フロントページの続き (72)発明者島貫寛士埼玉県和光市中央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Ｆターム(参考） 3L055 AA10 BA10 5H026 AA06 CX00 CX02 CX04 CX06 EE18 EE19 HH03 HH04 5H027 AA06 CC06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内側と外側にそれぞれ流れる流体間で水
分交換を可能にする中空糸膜を長手方向に沿って束ねた
第一の中空糸膜束からなる内層と、前記第一の中空糸膜
束の長手方向に沿って、その外周を囲むように中空糸膜
を束ねた第二の中空糸束からなる外層とを有し、前記内層の一端側かつ中心部近傍に、前記中空糸膜の外
側を通流する第一の流体を導入する入口部を有し、前記
外層の他端側かつ外周部に前記中空糸膜を通流した前記
第一の流体を排出する出口部を有し、前記内層、前記外層のそれぞれにおいて前記第一の流体
とは水分含有量の異なる第二の流体を他端側から一端側
まで前記中空糸膜の内側を通流させるための通流入口部
および通流出口部を備えることを特徴とする加湿モジュ
ール。
【請求項２】前記内層の中心部には、長手方向に伸長
する中心部材を有し、前記中心部材には、前記第一の流
体が流れる内部流路を備え、前記内部流路には、前記第
一の流体を前記外層に向けて流出させる流出口を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の加湿モジュール。
【請求項３】前記第二の流体は、前記内層を通流する
内層側流体と、前記外層を通流する外層側流体であり、
前記通流入口部と前記通流出口部は、前記内層側流体と
前記外層側流体とを独立に通流させることを特徴とする
請求項１または請求項２に記載の加湿モジュール。
【請求項４】前記第一の中空糸膜束と、前記第二の中
空糸膜束のいずれか一方はイオン水和型膜からなり、他
方は毛管凝縮型膜からなることを特徴とする請求項１か
ら請求項３のいずれか一項に記載の加湿モジュール。
【請求項５】前記内層と前記外層を区分する仕切部材
を有し、前記仕切部材は、前記内層と前記外層を連通さ
せる複数の孔が開穿されていることを特徴とする請求項
１から請求項４のいずれか一項に記載の加湿モジュー
ル。