JP2002298895A - 中空糸膜式加湿器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 中空糸膜の本数、長さを大きくしなくても十
分な加湿量を確保できる中空糸膜式加湿器を提供するこ
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複数の中空糸膜を束ね
て中空糸膜束とし、この中空糸膜束の外側に流体を通流
させる流体の導入孔及び流体の送出孔を有するハウジン
グ内に前記中空糸膜束を固定した中空糸膜式加湿器にお
いて、前記中空糸膜束の外側に対し、その略厚み方向に
流体を導入する流体導入孔（高湿潤ガス導入孔ｈ_in）の
開口部の総合面積が、前記中空糸膜束の外側から前記ハ
ウジングの外部へ流体を送出させる流体送出孔（高湿潤
ガス送出孔ｈ_out）の開口部の総合面積未満に形成し
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
膜を使用した中空糸膜式加湿器に関し、更に詳しくは、
コンパクトで加湿性能が高い中空糸膜式加湿器及び燃料
電池の加湿システムに適用する場合に、中空糸膜の内部
通路に流す流体を内部通路全体に渡って均一に通流させ
ることができる導入路を有する中空糸膜式加湿器に関す
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６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、第一の流入口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７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２
０３が形成されている。前記した第一のヘッドカバー２
０８には、湿潤エアを第二の流入口２０６ａから導入
し、孔２０６_inから中空糸膜束２０４の中に導入するた
めの底ｂｆを有する配管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は短い）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２０７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から中空糸膜束２０４への導入口である孔２０６
_in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
内を外側から内側に透過して、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２
０７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２０
２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、このよ
うな水透過型の中空糸膜を利用した加湿器を、特に燃料
電池の加湿システムに適用した場合、以下のような問題
があった。 （１）通常、燃料電池の加湿システムでは、燃料電池か
ら出てきた高湿潤ガス中の水分は、中空糸膜を透過し、
毛管凝縮作用により水透過側に分離される。水透過側に
分離された水分は、水透過側に低湿潤ガスを供給するこ
とにより加湿に利用される。しかし、加湿された低湿潤
ガスを燃料電池へ供給する場合、発電出力との関係から
燃料電池が要求する加湿量（例えば露点５０〜７０℃）
を十分に確保している必要があり、燃料電池が要求する
加湿量（例えば露点５０〜７０℃）を十分に確保するに
は、中空糸膜の本数、長さを大きくして行かなければな
らない、すなわち加湿器を大型化しなければならなかっ
た。 （２）また、加湿量を確保するために中空糸膜の本数を
多くすると（例えば単モジュール当たり２０００〜７０
００本）中空糸膜の外側を流れるガスは、図８に示すよ
うに、中空糸膜全体に高湿潤ガス（或いは低湿潤ガス）
が接触せず、無駄な中空糸膜が存在し（図８中のＤ.
Ｓ）、結果として更に中空糸膜の本数、長さを大きくし
なければならないという問題があった。 （３）また、中空糸膜内部を流れるガスは、図９に示す
ような中空糸膜の内部通路の直前に絞り手段を入れると
中空糸膜内部を通過する流速が速くなる。中空糸膜内部
を流れるガスは、中空糸膜の外側を流れる場合のガスと
は違って、流速が速いと、部分的に貫通力が強くなるの
でガスが膜全体に行き渡らなくなる。すなわち加湿能力
が低下するという問題があった。

【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、第１の目的は、中空糸膜の本数、長
さを大きくしなくても十分な加湿量を確保できる中空糸
膜式加湿器を提供することを目的とする。また、第２の
目的は燃料電池の加湿システムに適用しても中空糸膜の
内部通路全体に均一に流体を接触させることが可能な導
入路を有し、十分な加湿量を確保できる中空糸膜式加湿
器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に係る中空糸膜式加湿器の発明は、
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
行うことが可能な複数の中空糸膜を束ねて中空糸膜束と
し、この中空糸膜束の外側に流体を通流させる流体の導
入孔及び流体の送出孔を有するハウジング内に前記中空
糸膜束を固定した中空糸膜式加湿器において、前記中空
糸膜束の外側に対し、その略厚み方向に流体を導入する
流体導入孔の開口部の総合面積が、前記中空糸膜束の外
側から前記ハウジングの外部へ流体を送出させる流体送
出孔の開口部の総合面積未満に形成されたことを特徴と
するものである。

【０００９】請求項１の発明によると、中空糸膜束への
流体導入孔における厚み方向の流速を相対的に大きく
し、中空糸膜式加湿器の外部へ送出させる流体送出孔で
の流速を相対的に小さくできるので、流体が中空糸膜の
膜全体に行き渡る。その結果、加湿効率が向上する。

【００１０】請求項２に係る中空糸膜式加湿器の発明
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複数の中空糸膜を束ねて中空糸膜
束とし、この中空糸膜束の外側に流体を通流させる流体
の導入孔及び流体の送出孔を有するハウジング内に前記
中空糸膜束を固定した中空糸膜式加湿器において、前記
中空糸膜束からその厚み方向に所定量離間させて設けら
れ、各中空糸膜の内部通路に流体を供給する流体導入通
路と、該流体導入通路と前記中空糸膜束との間に介設さ
れ、前記流体を前記流体導入通路から前記中空糸膜束の
各中空糸膜の内側へ導入させる流体分配室とを有し、前
記流体導入通路の最狭部の断面積が、前記中空糸膜束の
各中空糸膜の内部通路の断面積を合計した総合断面積未
満に形成されていることを特徴とするものである。

【００１１】請求項２の発明によれば、以下の作用・効
果を奏する。 （１）流体導入通路を中空糸膜束からその厚み方向に所
定量離間させた位置に設けたので、中空糸膜の内部通路
の直前に絞り手段を設けた場合のように、内部通路に導
入される流体の流速が速くなってしまい、部分的に貫通
力が強くなって吹き抜けてしまうということがない。 （２）断面積が狭い流体導入通路から断面積が大きな流
体分配室の通路に急拡大するので流速が遅くなる。流体
は、中空糸膜の内部通路を通り抜けるしかないので水平
方向に流れる流体の流れが支配的となる。その結果、流
体が膜全体に均一にゆっくりと行き渡るので加湿効率が
向上する。

【００１２】

【発明の実施の形態】最初に、本発明に係る中空糸膜式
加湿器に使用される第１実施形態の中空糸膜モジュール
について図面を参照して説明する。第1実施形態の中空
糸膜モジュールは、図１に示すように、ハウジング１ａ
と、このハウジング１ａ内に収納される中空糸膜束１ｂ
とから主要部が構成される。

【００１３】ハウジング１ａは、両端が開口された中空
の円筒形状をしている。このハウジング１ａには、中空
糸膜束１ｂの両端部を固定した固定部１ｃ，１ｃ′より
も内側の位置に開口部となる孔ｈ_in，ｈ_outがそれぞれ
に周方向に複数個設けてある。

【００１４】中空糸膜束１ｂは、内側と外側とにそれぞ
れ通流させる流体間で水分の交換可能な複数の水透過型
の中空糸膜ＨＦを束ねたものである。中空糸膜束１ｂを
ハウジング１ａに接着して固定してある固定部１ｃ，１
ｃ′をポッティング部というが、このポッティング部を
設けることで中空糸膜ＨＦの内側の中空通路を通流する
低湿潤状態のガスと中空糸膜ＨＦの外側を通流する高湿
潤状態のガスとが混合しないようになっている。尚、図
１中の符号ｈ_inで示す複数の孔は、流体導入孔である高
湿潤ガス導入孔として使用され、符号ｈ_outで示す複数
の孔は、流体送出孔である高湿潤ガス送出孔として使用
される。また、図１中の符号１ｄ_inで示すハウジング１
ａの一端に設けられた開口部は、低湿潤ガス導入口とし
て使用され、符号１ｄ_outで示すハウジング１ａの他端
に設けられた開口部は、低湿潤ガス送出口として使用さ
れる。孔の形状は、本実施の形態では円形であるが、長
円形、三角形四角形等孔であれば良い。

【００１５】次に、第１実施形態の中空糸膜モジュール
１で流体通路の面積として使用される言葉の定義を図１
を参照しながらここで説明する。 （Ａ）流体導入孔の開口部の総合面積Ｓ₂；中空糸膜Ｈ
Ｆの外側に流す流体をハウジング１ａに導入するために
設けられた複数の孔ｈ_inの開口部の総合面積である。 （Ｂ）流体送出孔の開口部の総合面積Ｓ₁；中空糸膜Ｈ
Ｆの外側に流す流体をハウジング１ａ内から外部へ送出
するために設けられた複数の孔ｈ_outの開口部の総合面
積である。尚、本実施の形態では、流体導入孔である高
湿潤ガス導入孔ｈ_inの開口部の総合面積Ｓ₂＜流体送出
孔である高湿潤ガス送出孔ｈ_outの開口部の総合面積Ｓ₁
として設けられている。

【００１６】このように構成される第1実施形態の中空
糸膜モジュール１の作用について説明する。 １．ハウジング１ａに設けられた流体導入孔である高湿
潤ガス流入孔ｈ_inから導入された流体である高湿潤ガス
は、高湿潤ガス導入孔ｈ_inの開口部の総合面積Ｓ ₂を高
湿潤ガス送出孔ｈ_outの開口部の総合面積Ｓ₁未満とした
ことにより、高湿潤ガス導入孔ｈ_inにおける中空糸膜束
１ｂの厚み方向の流速を従来の流速よりも速くすること
ができる。その結果、中空糸膜束１ｂの外側に導入され
た高湿潤ガスは、前記中空糸膜束１ｂの厚み方向に広く
行き渡る（理由は後出）。ハウジング１ａ内で好適に水
分交換を行った高湿潤ガスは、流体送出孔である高湿潤
ガス送出孔ｈ_outから外部へと排出される。このとき、
高湿潤ガス送出孔ｈ_outの開口部の総合面積Ｓ₁が高湿潤
ガス導入孔ｈ_inの開口部の総合面積Ｓ₂を超えるように
したため、高湿潤ガスはゆっくりと外部に排出される。 ２．一方、低湿潤ガス導入口１ｄ_inから導入された低湿
潤ガスは、各中空糸膜ＨＦの内側を通る間に、中空糸膜
ＨＦの外側から毛管凝縮作用により中空糸膜ＨＦの内側
に移動してきている水分により加湿され、低湿潤ガス送
出孔１ｄ_outから外部へ排出される。このように本発明
では、流体導入孔である高湿潤ガス導入孔ｈ_inの開口部
の総合面積Ｓ₂＜流体送出孔である高湿潤ガス送出孔ｈ
_outの開口部の総合面積Ｓ₁としたので、中空糸膜束１ｂ
の厚み方向の流速を速くできる結果、中空糸膜束１ｂの
外側から内側に向かって高湿潤ガスが行き渡るので加湿
効率が向上する。尚、中空糸膜ＨＦの外側及び内側に流
す流体の種類は、第１実施形態の中空糸膜モジュールと
は反対に、高湿潤ガスの流路に低湿潤ガスを流し、低湿
潤ガスの流路に高湿潤ガスを流すようにしてもよい。ま
た、第１実施形態の中空糸膜モジュール１では、向流で
ガスを流しているが並流で流してもよい。

【００１７】次に、本発明に係る中空糸膜式加湿器に使
用される第２実施形態の中空糸膜モジュールについて図
２を参照して説明する。尚、第２実施形態の中空糸膜モ
ジュール１０と第１実施形態の中空糸膜モジュールとの
違いは、流体導入孔である高湿潤ガス導入孔Ｈ_inを形成
する複数の孔の大きさの配列にある。すなわち、中空糸
膜束１０ｂの外側に通流させる流体である高湿潤ガスが
中空糸膜モジュール１０に導入される複数の孔のうち、
高湿潤ガスが導入される導入配管１０ｅのガス導入部に
１番近い位置にある孔の孔径を1番大きく、1番遠い位置
にある孔の孔径を1番小さくなるように、周方向に沿っ
て大きさの順に配列した点にある。このように配列する
ことにより、高湿潤ガスの流量が導入配管１０ｅのガス
導入部から1番遠い位置に流れていくに従って減少して
も、導入配管１０ｅのガス導入部から1番遠い位置の孔
径が１番小さくなるように大きさの順番に設けてあるの
で、ガス導入部から遠い側の流速も速くすることができ
る。

【００１８】第２実施形態の中空糸膜モジュールは、図
２に示すように、ハウジング１０ａと、このハウジング
１０ａ内に収納される中空糸膜束１０ｂとから主要部が
構成される。ハウジング１０ａは、両端が開口された中
空の円筒形状をしている。このハウジング１０ａには、
中空糸膜束１０ｂの両端を固定した固定部１０ｃ，１０
ｃ′よりも内側の位置に開口部となる孔Ｈ_in，Ｈ_outが
それぞれに周方向に複数個設けてある。

【００１９】中空糸膜束１０ｂ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可能な複数の水透過型
の中空糸膜ＨＦを束ねたものである。中空糸膜束１０ｂ
をハウジング１０ａに接着して固定してある固定部１０
ｃ，１０ｃ′をポッティング部というが、このポッティ
ング部を設けることで中空糸膜ＨＦの内部通路を通流す
る低湿潤状態のガスと中空糸膜ＨＦの外側を通流する高
湿潤状態のガスとが混合しないようになっている。尚、
図２中の符号Ｈ_inで示す複数の孔は、流体導入孔である
高湿潤ガス導入孔として使用され、符号Ｈ_outで示す複
数の孔は、流体送出孔である高湿潤ガス送出孔として使
用される。また、図２中の符号１０ｄ_inで示すハウジン
グ１０ａの一端に設けられた開口部は、低湿潤ガス導入
口として使用され、符号１０ｄ_outで示すハウジング１
０ａの他端に設けられた開口部は、低湿潤ガス送出口と
して使用される。

【００２０】次に、第２実施形態の中空糸膜モジュール
１０で流体通路の面積として使用される言葉の定義を図
２を参照しながらここで説明する。 （Ａ）流体導入孔の開口部の総合面積Ｓ₂₀；中空糸膜Ｈ
Ｆの外側に流す流体をハウジング１０ａに導入するため
に設けられた複数の孔Ｈ_inの開口部の総合面積である。 （Ｂ）流体送出孔の開口部の総合面積Ｓ₁₀；中空糸膜Ｈ
Ｆの外側に流す流体をハウジング１０ａ内から外部へ送
出するために設けられた複数の孔Ｈ_outの開口部の総合
面積である。尚、本実施の形態では、流体導入孔である
高湿潤ガス導入孔Ｈ_inの開口部の総合面積Ｓ₂₀＜流体送
出孔である高湿潤ガス送出孔Ｈ_outの開口部の総合面積
Ｓ₁₀として設けられている。

【００２１】このように構成される第２実施形態の中空
糸膜モジュール１０の作用について説明する。 １．ハウジング１０ａに設けられた流体導入孔である高
湿潤ガス流入孔Ｈ_inから導入された流体である高湿潤ガ
スは、高湿潤ガス導入孔Ｈ_inの開口部の総合面積Ｓ₂₀を
高湿潤ガス送出孔Ｈ_outの開口部の総合面積Ｓ₁₀未満と
したことにより、高湿潤ガス導入孔Ｈ_inにおける中空糸
膜束１０ｂの厚み方向の流速を従来の流速よりも速くす
ることができる。その結果、中空糸膜束１０ｂの外側に
導入された高湿潤ガスは、前記中空糸膜束１０ｂの厚み
方向に広く行き渡る（理由は後出）。ハウジング１０ａ
内で好適に水分交換を行った高湿潤ガスは、流体送出孔
である高湿潤ガス送出孔Ｈ_outから排出される。このと
き、高湿潤ガス送出孔Ｈ_outの開口部の総合面積Ｓ₁₀が
高湿潤ガス導入孔Ｈ_inの開口部の総合面積Ｓ₂₀を超える
ようにしたため、高湿潤ガスはゆっくりと外部へ排出さ
れる。 ２．一方、低湿潤ガス導入口１０ｄ_inから導入された低
湿潤ガスは、各中空糸膜の内側を通る間に、中空糸膜Ｈ
Ｆの外側から毛管凝縮作用により中空糸膜ＨＦの内側に
移動してきている水分により加湿され、低湿潤ガス送出
孔１０ｄ_outから外部へ排出される。 このように本発明では、流体導入孔である高湿潤ガス導
入孔Ｈ_inの開口部の総合面積Ｓ₂₀＜流体送出孔である高
湿潤ガス送出孔Ｈ_outの開口部の総合面積Ｓ₁₀としたの
で、中空糸膜束１０ｂの厚み方向の流速を速くできる結
果、中空糸膜束１０ｂの外側から内側に向かって高湿潤
ガスが行き渡るので加湿効率が向上する。尚、中空糸膜
ＨＦの外側及び内側に流す流体の種類は、第２実施形態
の中空糸膜モジュール１０とは反対に、高湿潤ガスの流
路に低湿潤ガスを流し、低湿潤ガスの流路に高湿潤ガス
を流すようにしてもよい。また、第２実施形態の中空糸
膜モジュール１０では、向流でガスを流しているが並流
で流してもよい。

【００２２】次に、本発明に係る中空糸膜式加湿器に使
用される第３実施形態の中空糸膜モジュールについて図
３を参照して説明する。尚、第３実施形態の中空糸膜モ
ジュール２０と第１実施形態の中空糸膜モジュール及び
第２実施形態の中空糸膜モジュールとの大きな違いは、
中空糸膜束２０ｂの略中心部に、中空糸膜束２０ｂへ高
湿潤ガスを供給するための内部通路となる有底の配管Ｉ
Ｐを有していることである。前記有底の配管ＩＰの底近
傍の周方向には、中空糸膜束２０ｂへの高湿潤ガス導入
孔となる複数の孔Ｔ_inが設けられている。また、第３実
施形態の中空糸膜モジュール２０と第１実施形態の中空
糸膜モジュール及び第２実施形態の中空糸膜モジュール
との大きな違いは、中空糸膜モジュール２０のハウジン
グ２０ａの一端部に設けられた固定部２０ｃ′の内側の
位置には、高湿潤ガス送出孔となる複数の孔Ｔ_outが同
様に設けられているが、第１実施形態の中空糸膜モジュ
ール及び第２実施形態の中空糸膜モジュールのようにハ
ウジング２０ａの固定部２０ｃの内側の位置には、孔が
設けられていない点である。

【００２３】第３実施形態の中空糸膜モジュール２０
は、図３に示すように、ハウジング２０ａと、このハウ
ジング２０ａ内に収納される中空糸膜束２０ｂと、前記
中空糸膜束２０ｂの外側に流体である高湿潤ガスを供給
する内部通路となる有底の配管ＩＰとから主要部が構成
される。

【００２４】ハウジング２０ａは、両端が開口された中
空の円筒形状をしている。このハウジング２０ａには、
中空糸膜束２０ｂの両端を固定した固定部２０ｃ，２０
ｃ′のうち固定部２０ｃ′の内側の位置には、開口部と
なる孔Ｔ_outが周方向に複数個設けられている。

【００２５】中空糸膜束２０ｂは、内側と外側とにそれ
ぞれ通流させる流体間で水分の交換可能な複数の水透過
型の中空糸膜ＨＦを束ねたものである。中空糸膜束２０
ｂをハウジング２０ａに接着して固定してある固定部２
０ｃ，２０ｃ′をポッティング部というが、このポッテ
ィング部を設けることで中空糸膜ＨＦの内側の内部通路
を通流する低湿潤状態のガスと中空糸膜ＨＦの外側を通
流する高湿潤状態のガスとが混合しないようになってい
る。

【００２６】有底の配管ＩＰは、円筒の配管の一端を開
口し、他端を閉じて底とした管である。底部近傍の周方
向には、高湿潤ガスを中空糸束２０ｂに導入するための
高湿潤ガス導入孔Ｔ_inが設けられている。有底の配管Ｉ
Ｐは、中空糸膜束２０ｂの厚み方向の略中心部に設けら
れ、中空糸膜束２０ｂの長手方向の長さよりも短い長さ
で使用される。尚、図３中の符号Ｔ_inで示す複数の孔
は、流体導入孔である高湿潤ガス導入孔として使用さ
れ、符号Ｔ_outで示す複数の孔は、流体送出孔である高
湿潤ガス送出孔として使用される。また、図３中の符号
２０ｄ_inで示すハウジング２０ａの一端に設けられた開
口部は、低湿潤ガス導入口として使用され、符号２０ｄ
_outで示すハウジング２０ａの他端に設けられた開口部
は、低湿潤ガス送出口として使用される。

【００２７】次に、第３実施形態の中空糸膜モジュール
２０で流体通路の面積として使用される言葉の定義を図
３を参照しながらここで説明する。 （Ａ）流体導入孔の開口部の総合面積Ｓ₄₀；中空糸膜Ｈ
Ｆの外側に流す流体をハウジング２０ａに導入するため
設けられた孔Ｔ_inの総合面積である。 （Ｂ）流体送出孔の開口部の総合面積Ｓ₃₀；中空糸膜Ｈ
Ｆの外側に流す流体をハウジング２０ａから送出するた
めに設けられた孔Ｔ_outの総合面積である。 尚、本実施の形態では、流体導入孔である高湿潤ガス導
入孔Ｔ_inの開口部の総合面積Ｓ₄₀＜流体送出孔である高
湿潤ガス送出孔Ｔ_outの開口部の総合面積Ｓ₃₀として設
けられている。

【００２８】このように構成される第３実施形態の中空
糸膜モジュール２０の作用について説明する。 （１）中空糸膜束２０ｂの略中心部に設けられ、高湿潤
ガスの内部通路となる有底の配管ＩＰから導入された流
体である高湿潤ガスは、高湿潤ガス導入孔Ｔ_inの開口部
の総合面積Ｓ₄₀を高湿潤ガス送出孔Ｔ_outの開口部の総
合面積Ｓ₃₀未満としたことにより、中空糸膜束２０ｂの
厚み方向の流速を従来よりも速くすることができる。そ
の結果、中空糸膜束２０ｂの内側に導入された高湿潤ガ
スは、前記中空糸膜束２０ｂの厚み方向に（ハウジング
２０ａの外側に向かって）広く行き渡る（理由は後
出）。ハウジング２０ａ内で好適に水分交換を行った高
湿潤ガスは、流体送出孔である高湿潤ガス送出孔Ｔ_out
から外部へ排出される。このとき、高湿潤ガス送出孔
_outの開口部の総合面積Ｓ₃₀が高湿潤ガス導入孔Ｔ_inの
開口部の総合面積Ｓ₄₀を超えるようにしたため、高湿潤
ガスはゆっくりと外部へ排出される。 （２）一方、低湿潤ガス流入口２０ｄ_inから導入された
流体である低湿潤ガスは、各中空糸膜の内側を通る間に
ハウジング２０ａ内で加湿されて低湿潤ガス送出口２０
ｄ_outから外部に排出される。 このように本発明では、流体導入孔である高湿潤ガス導
入孔Ｔ_inの開口部の総合面積Ｓ₄₀＜流体送出孔である高
湿潤ガス送出孔Ｔ_outの開口部の総合面積Ｓ₃₀としたの
で、中空糸膜束２０ｂの流体導入孔の流速を速くできる
結果、中空糸膜束２０ｂの内側から外側の厚み方向に向
かって高湿潤ガスが行き渡るので中空糸膜全体を有効に
利用することができ加湿効率が向上する。尚、中空糸膜
ＨＦの外側及び内側に流す流体の種類は、第３実施形態
の中空糸膜モジュールとは反対に、高湿潤ガスの流路に
低湿潤ガスを流し、低湿潤ガスの流路に高湿潤ガスを流
すようにしてもよい。また、第３実施形態の中空糸膜モ
ジュールでは、向流でガスを流しているが、並流に流し
てもよい。

【００２９】次に、中空糸膜束の厚み方向の流速を速く
することで加湿量が向上する理由を図４（ａ）及び図４
（ｂ）を参照して説明する。図４（ａ）に示すように、
中空糸膜モジュール５０のハウジング５０ａ内の中空糸
膜束５０ｂの外側に通流させる流体である高湿潤ガス
を、高湿潤ガス導入孔より導入する場合、高湿潤ガス導
入孔の孔径ｄｄを小さくして高湿潤ガスの流速を速くし
て導入すると、厚み方向の速度成分Ｖ１が大きくなり侵
入する奥行きが深くなる（中空糸膜束５０ｂの厚み方向
中央部にまで高湿潤ガスが届きやすくなる）。その結
果、中空糸膜束５０ｂの長手方向の速度成分Ｖ₂が高湿
潤ガス導入孔の導入孔側から厚み方向に向かって徐々に
減少する。反対に、図４（ｂ）に示すように、高湿潤ガ
ス導入孔の孔径ｄｄ′を大きくして流体である高湿潤ガ
スの流速を遅くして導入する場合では、厚み方向の速度
成分Ｖ１′が小さいので侵入する奥行きが浅くなる。そ
の結果、中空糸膜ＨＦの長手方向の速度成分Ｖ₂′が増
大する。このような理由から、高湿潤ガス導入孔の総合
面積を高湿潤ガス送出孔の総合面積未満にすることによ
り中空糸膜束５０ｂの外側に導入する高湿潤ガスの流速
を速くし、中空糸膜束５０ｂの外側から内側の厚み方向
に向かって高湿潤ガスを行き渡るようにしたので中空糸
膜束５０ｂ全体を有効に利用することができ加湿効率が
向上する。尚、上述した中空糸膜束５０ｂの厚み方向の
流速を速くすることで加湿量が向上する理由は、第１実
施形態の中空糸膜モジュール及び第２実施形態の中空糸
膜モジュールの系に当てはまる理由である。しかし、第
３実施形態の中空糸膜モジュールについても中空糸膜束
５０ｂへ導入する高湿潤ガスの厚み方向の流れがハウジ
ング５０ａの外側→内側ではなく内側→外側へ変わった
だけなので、同様な理由から加湿量が向上する。

【００３０】以上説明した発明は、中空糸膜モジュール
のハウジングの周方向に設けられ、中空糸膜束の外側に
流す流体の流路となる孔の構造に関する発明であった
が、これ以降は、燃料電池に中空糸膜式加湿器を適用し
た場合に、中空糸膜束を構成する各中空糸膜の内側に流
す流体を燃料電池から中空糸膜モジュールまで通流させ
るための導入路の構造に関する発明について説明する。

【００３１】最初に、燃料電池に供給されるガスの加湿
に本発明に係る流体の導入路の構造を有する中空糸膜式
加湿器を適用した第１実施形態の燃料電池の加湿システ
ムについて図５を参照して説明する。尚、図５（ａ）
は、燃料電池６０から排出される流体である高湿潤ガス
が、中空糸膜式加湿器の流体分配室であるガス分配室６
３で流路断面積を急拡大されて減速された後、中空糸膜
モジュール６２の中空糸膜束６２ｂを形成する各中空糸
膜の内部（内側）に通流されるまでの高湿潤ガスの流れ
を示したものである。また、図５（ｂ）は、図５（ａ）
のＡ−Ａ′部分断面図を示したものである。

【００３２】次に、第１実施形態の燃料電池の加湿シス
テムを説明するのに使用される言葉の定義を図５（ａ）
及び図５（ｂ）を参照して説明する。 （１）ガス分配室上流の配管断面積Ｓ₆₀；燃料電池６０
から排出される排出ガスが通る流体導入通路である配管
６１の断面積である。 （２）中空糸膜の内部通路総合断面積Ｓ₇₀；燃料電池６
０から排出される排出ガスが通る中空糸膜束を構成する
各中空糸膜ＨＦの内部通路の総合断面積である。 尚、本実施の形態では、ガス分配室上流の配管断面積Ｓ
₆₀＜中空糸膜の内部通路の総合断面積Ｓ₇₀として導入路
が形成されている。

【００３３】第１実施形態の燃料電池の加湿システム
は、図５（ａ）に示すように、水素を含んだ燃料ガス
と、酸素を含んだ酸化剤ガスとを反応させ、化学エネル
ギー電気エネルギーとして取り出す燃料電池６０と、前
記燃料電池６１から排出される流体である高湿潤ガス
を、流体分配室であるガス分配室６３に導入する流体導
入通路である配管６１と、前記配管６１の後段に設けら
れ、導入された前記高湿潤ガスを中空糸膜モジュール６
２に分配して供給する流体分配室であるガス分配室６３
と、前記ガス分配室６３の内部に設けられる中空糸膜モ
ジュール６２と、から主要部が構成される。尚、ここで
は燃料電池６０も加湿システムの構成に含めるものとす
る。

【００３４】燃料電池６０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
６０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６
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６０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。

【００３５】流体導入通路である配管６１は、燃料電池
６０とガス分配室６３を連通するための管である。管の
形状は、本実施形態では円形であるが管であれば何でも
よい。ガス分配室６３の上流に設けられる配管６１の断
面積Ｓ₆₀は、図５（ａ）に示すような中空糸膜束６２ｂ
を構成する各中空糸膜ＨＦの内部通路の総合断面積Ｓ ₇₀
（中空糸膜ＨＦ１本当たりの内径基準の断面積×中空糸
膜ＨＦの総本数）未満になるように設けられる。尚、配
管６１の形状が複雑な形状の場合は、配管６１の断面積
Ｓ₆₀の値として最狭部の断面積の値が採用される。

【００３６】中空糸膜モジュール６２は、中空円筒のハ
ウジング６２ａ内に数千本の水透過型の中空糸膜ＨＦを
束ねて両端部を開口状態にして固定したものであり、本
実施形態では、ハウジング６２ａの半分の構造しか示し
ていないが、両端部近傍の周方向には低湿潤ガス導入孔
（不図示）及び低湿潤ガス送出孔Ｕ_outが設けられてい
る。

【００３７】流体分配室であるガス分配室６３は、燃料
電池６０から排出された高湿潤ガスの導入通路となる配
管６１を上流側に備え、加湿に使用される中空糸膜モジ
ュール６２をその内部に備えて、燃料電池６０から排出
される流体である高湿潤ガスを中空糸膜モジュール６２
に導入するための導入路を形成する。ガス分配室６３
は、配管６１からガス分配室６３に導入される高湿潤ガ
スの流速Ｖ１″を、流路断面積を急拡大することによっ
て減少させ、水平方向の速度成分を好適な値に調整し、
中空糸膜モジュール６２内で中空糸膜束６２ｂを構成し
ている各中空糸膜ＨＦの内部に均一にガスを分配する。
このとき、垂直方向の速度成分Ｖ２″は減少する。ガス
分配室６３内の流路にガイドベーン等を設ければ、ガス
流量をより均一に中空糸膜モジュール６２に分配でき
る。尚、図５（ａ）中には１本の中空糸膜モジュール６
２しか示していないが、並列に複数の中空糸膜モジュー
ル６２を設けた加湿器にも同様な流体導入路の構造を適
用できる。

【００３８】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図５（ａ）を参照し
て説明する。燃料電池６０から排出された高湿潤ガス
は、配管６１を通り、ガス分配室６３の上部へと導入さ
れる。このとき、ガス分配室６３上流の配管６１の断面
積Ｓ₆₀は、中空糸膜モジュール６２内の中空糸膜の内部
通路の総合断面積Ｓ₇₀未満に設定されているので、流速
Ｖ１″の大きい高湿潤ガスがガス分配室６３に導入され
る。導入された流速Ｖ１″の大きい高湿潤ガスは、内部
で壁に衝突する。衝突した高湿潤ガスは運動エネルギー
を損失しながら進行方向を９０度下に曲げて下降する。
このとき配管６１からガス分配室６３へと流路断面積が
急拡大するため高湿潤ガスの流速は同時に減速される。
減速された高湿潤ガスは、中空糸膜モジュール６２の高
湿潤ガス導入口６２ｄ_inに到達する。高湿潤ガスは中空
糸膜ＨＦの内部を通過して後流側に抜けるしかないの
で、中空糸膜ＨＦの水平方向の速度成分が支配的にな
る。従って、垂直方向の速度成分Ｖ２″は減少する。こ
のように減速された高湿潤ガスが均一に各中空糸膜ＨＦ
の内部を通過するので確実に中空糸膜ＨＦと接触し加湿
効率が向上する。中空糸膜モジュール６２で好適に低湿
潤ガスを加湿した高湿潤ガスは、図示しない高湿潤ガス
送出孔より外部へ排出される。一方、図示しない低湿潤
ガス導入孔から中空糸膜束６２ｂの外側に供給された低
湿潤ガスは、中空糸膜モジュール６２内の中空糸膜ＨＦ
の外側を通過する間に加湿され、ハウジング６２ａに設
けられた低湿潤ガス排出孔Ｕ_outから外部に排出され
る。

【００３９】また、第1実施形態の燃料電池の加湿シス
テムは、燃料電池６０からガス分配室６３を経由して中
空糸膜モジュール６２に高湿潤ガスを導くときに、配管
６１とガス分配室６３及び中空糸膜モジュール６２の高
湿潤ガス導入口６２ｄ_inとの位置関係が、水平方向に一
直線に並ぶのではなく９０度に２回屈折して垂直方向に
（すなわち、中空糸膜ＨＦの束の厚み方向に）離隔した
配置となっている。このように構成したので、従来は、
燃料電池から中空糸膜モジュールまでのガス導入路を水
平方向に一直線に並べた場合には、燃料電池から排出さ
れた高湿潤ガスが、狭い通路の配管を通るため配管自身
が絞り手段となり、高湿潤ガスが流速の速いガスとして
噴出し、そのままの流速を維持しながら中空糸膜ＨＦの
内側を流れるガスとなる。そのため部分的に貫通力が強
くなり、吹き抜け等が発生し、膜全体に高湿潤ガスが行
き渡らなくなるという問題があったが、本発明の構成に
よりそのような問題が解決される。

【００４０】このようにして、ガス分配室６３上流の配
管断面積Ｓ₆₀＜中空糸膜ＨＦの内部通路の総合断面積Ｓ
₇₀とすることにより、燃料電池６０から排出された高湿
潤ガスが急拡大流路であるガス分配室６３に導かれて減
速し、水平方向に均一に中空糸膜の内部通路を流れるよ
うになるので、部分的に貫通力が強くなって吹き抜ける
こともなく膜全体に高湿潤ガスが行き渡り中空糸膜式加
湿器の加湿能力が向上する。尚、第１実施形態の燃料電
池の加湿システムは、燃料電池のアノードガスの加湿で
もカソードガスの加湿でもどちらでも使用することがで
きる。また、中空糸膜モジュール内のガスの流れは向流
に流しても並流に流してもよい。

【００４１】尚、本発明は発明の実施形態に限定される
ものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で種々の可
変が可能であり、本発明はこの改変された発明に及ぶこ
とは当然である。

【００４２】

【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、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複数
の中空糸膜を束ねて中空糸膜束とし、この中空糸膜束の
外側に流体を通流させる流体の導入孔及び流体の送出孔
を有するハウジング内に前記中空糸膜束を固定した中空
糸膜式加湿器において、前記中空糸膜束の外側に対し、
その略厚み方向に流体を導入する流体導入孔の開口部の
総合面積が、前記中空糸膜束の外側から前記ハウジング
の外部へ流体を送出させる流体送出孔の開口部の総合面
積未満に形成したことにより、中空糸膜束への流体導入
孔における厚み方向の流速を大きくし、中空糸膜式加湿
器の外部へ送出させる流体送出孔での流速を小さくでき
るので、流体が中空糸膜の膜全体に行き渡る。その結
果、加湿効率が向上する。 （２）請求項２の発明によれば、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複数
の中空糸膜を束ねて中空糸膜束とし、この中空糸膜束の
外側に流体を通流させる流体の導入孔及び流体の送出孔
を有するハウジング内に前記中空糸膜束を固定した中空
糸膜式加湿器において、前記中空糸膜束からその厚み方
向に所定量離間させて設けられ、各中空糸膜の内部通路
に流体を供給する流体導入通路と、該流体導入通路と前
記中空糸膜束との間に介設され、前記流体を前記流体導
入通路から前記中空糸膜束の各中空糸膜の内側へ導入さ
せる流体分配室とを有し、前記流体導入通路の最狭部の
断面積が、前記中空糸膜束の各中空糸膜の内部通路の断
面積を合計した総合断面積未満に形成したことにより、
以下の作用・効果を奏する。 （ｉ）流体導入通路を中空糸膜束からその厚み方向に所
定量離間させた位置に設けたので、中空糸膜の内部通路
の直前に絞り手段を設けた場合のように、内部通路に導
入される流体の流速が速くなり、部分的に貫通力が強く
なって吹き抜けてしまうということがない。 （ｉｉ）断面積が狭い流体導入通路から断面積が大きな
流体分配室の通路に急拡大するので流速が遅くなる。流
体は、中空糸膜の内部通路を通り抜けるしかないので水
平方向に流れる流体の流れが支配的となる。その結果、
流体が膜全体に均一にゆっくりと行き渡るので加湿効率
が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る中空糸膜式加湿器に使用される第
１実施形態の中空糸膜モジュールを示す斜視図である。

【図２】本発明に係る中空糸膜式加湿器に使用される第
２実施形態の中空糸膜モジュールを示す斜視図である。

【図３】本発明に係る中空糸膜式加湿器に使用される第
３実施形態の中空糸膜モジュールを示す斜視図である。

【図４】（ａ）中空糸膜モジュール入口における速度が
速い場合の中空糸膜束に対する流体の侵入深さを示した
図である。 （ｂ）中空糸膜モジュール入口における流体の速度が遅
い場合の中空糸膜束に対する流体の侵入深さを示した図
である。

【図５】（ａ）本発明に係る流体の導入路を有する中空
糸膜式加湿器を燃料電池の加湿システムに適用した第1
実施形態の燃料電池の加湿システムにおける高湿潤ガス
の流れを示した図である。 （ｂ）図５（ａ）のＡ−Ａ′部分断面図である。

【図６】従来の中空糸膜を利用した加湿器を説明するた
めの縦断面図である。

【図７】従来の中空糸膜を利用した他の実施形態の加湿
器を説明するための縦断面図である。

【図８】従来の中空糸膜を利用した他の実施形態の加湿
器内の中空糸膜の外側を流れる流体の流れを示した図で
ある。

【図９】従来の中空糸膜の内部通路の直前に絞り手段を
設けた場合の高湿潤ガスの流れを説明するための図であ
る。

【符号の説明】

Ｓ₂、Ｓ₂₀、Ｓ₄₀ 流体導入孔の開口部の総合
面積 Ｓ₁、Ｓ₁₀、Ｓ₃₀ 流体送出孔の開口部の総合
面積 Ｓ₆₀ ガス分配室上流の配管断面積 Ｓ₇₀ 中空糸膜の内部通路総合断面
積 ６０ 燃料電池 ６１ 配管（流体導入通路） ６３ ガス分配室（流体分配室） ＨＦ 中空糸膜

───────────────────────────────────────────────────── 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 8/10 Ｈ０１Ｍ 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 JA14A JA18A JA70A PB65 PC80 5H026 AA06 5H027 AA06

Claims (2)

【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複数の中空糸膜を束ね
   て中空糸膜束とし、この中空糸膜束の外側に流体を通流
   させる流体の導入孔及び流体の送出孔を有するハウジン
   グ内に前記中空糸膜束を固定した中空糸膜式加湿器にお
   いて、 前記中空糸膜束の外側に対し、その略厚み方向に流体を
   導入する流体導入孔の開口部の総合面積が、前記中空糸
   膜束の外側から前記ハウジングの外部へ流体を送出させ
   る流体送出孔の開口部の総合面積未満に形成されたこと
   を特徴とする中空糸膜式加湿器。
2. 【請求項２】 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複数の中空糸膜を束ね
   て中空糸膜束とし、この中空糸膜束の外側に流体を通流
   させる流体の導入孔及び流体の送出孔を有するハウジン
   グ内に前記中空糸膜束を固定した中空糸膜式加湿器にお
   いて、 前記中空糸膜束からその厚み方向に所定量離間させて設
   けられ、各中空糸膜の内部通路に流体を供給する流体導
   入通路と、 該流体導入通路と前記中空糸膜束との間に介設され、前
   記流体を前記流体導入通路から前記中空糸膜束の各中空
   糸膜の内側へ導入させる流体分配室とを有し、 前記流体導入通路の最狭部の断面積が、前記中空糸膜束
   の各中空糸膜の内部通路の断面積を合計した総合断面積
   未満に形成されていることを特徴とする中空糸膜式加湿
   器。