JP2004006100A

JP2004006100A - Humidifier for fuel cell

Info

Publication number: JP2004006100A
Application number: JP2002159602A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Hayashi; 林　隆浩; Masaharu Saito; 齋藤　昌晴
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 2002-05-31
Filing date: 2002-05-31
Publication date: 2004-01-08
Anticipated expiration: 2022-05-31
Also published as: JP4211290B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a humidifier for a fuel cell whereby the enhancement of performance, particularly the reduction of the breaking and cutting of a hollow fiber film, is attained. <P>SOLUTION: A film 14 is provided between an introduction hole 11a formed in a case 11 and an opposite face facing the introduction hole 11a in a hollow fiber film bundle 12 as a buffering member to buffer the shock of gas flowing in from the introduction hole 11a. Thereby, the gas flowing in from the introduction hole 11a is sent into the hollow fiber film bundle 12 after the shock is buffered by the film 14, and therefore the shock received by a hollow fiber film 12a can be suppressed. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池における隔壁（イオン交換膜）を保湿するための燃料電池の加湿装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、クリーンな発電システムとして、燃料電池が注目されており、活発な開発が行われている。燃料電池においては、水素と酸素の反応により電気と水蒸気が発生するが、この反応時に発生した電気は水分子を伴って移動するため、隔壁（イオン交換膜）を常に保湿しておく必要がある。
【０００３】
この場合、水タンク等から水分を隔壁に供給することも考えられるが、定置用あるいは車載用ともに屋外での使用が前提となるため、冬場における凍結の問題があり、水タンク等を設けることは適切ではない。
【０００４】
そこで、この保湿を行うために、燃料電池において反応により発生した水蒸気を有効に回収して、再び燃料電池に送り込もうという試みが行われている。
【０００５】
そのために、ガス中に含まれる水分を分離可能な水蒸気透過膜を利用した加湿装置が開発されている。
【０００６】
図１０を参照して、従来技術に係る燃料電池の加湿装置について説明する。図１０は燃料電池の加湿装置の一部破断模式図である。
【０００７】
この加湿装置は、中空糸透過膜によって形成された中空糸膜をモジュール化した中空糸膜モジュールを利用したものである。図示のように、加湿装置１００は、円筒状のケース１０１と、ケース１０１内に充填される複数の中空糸膜からなる中空糸膜束１０２とを備えている。
【０００８】
ケース１０１には、一端側に気体を導入するための複数の導入孔１０１ａを有し、かつ他端側に気体を排出するための複数の排出孔１０１ｂを有する。
【０００９】
また、ケース１０１の両端においては、それぞれ、中空糸膜の中空内部のみが外部に開放されるように、各中空糸膜の外壁面間及びケース１０１の内壁面間を封止固定するポッティング部１０３が設けられている。
【００１０】
以上の構成によって、中空糸膜の中空内部を通る第１経路（図中矢印Ｘ１，Ｘ２）と、複数の導入孔１０１ａからケース１０１内に導入され、中空糸膜の膜外を通り、複数の排出孔１０１ｂからケース１０１外に排出されていく第２経路（図中矢印Ｙ１，Ｙ２）が形成される。
【００１１】
そして、これら第１経路と第２経路のうちのいずれか一方に、例えばコンプレッサによって加湿対象気体（乾燥空気）を流し、他方に水蒸気を含んだ気体（湿潤空気）を流す。これにより、中空糸膜の膜分離作用によって、湿潤空気中の水蒸気が選択的に膜を透過して、加湿対象気体が加湿される。そして、この加湿された気体を、燃料電池における隔壁（イオン交換膜）に送り込む。
【００１２】
ここで、上述のように、燃料電池からの排気ガス（反応後の気体）には、水蒸気が含まれており、これを上記湿潤空気として利用する。
【００１３】
ところで、燃料電池に用いられる加湿装置においては、車用の燃料電池の場合には、通常、空気流量２００〜３５００ＮＬ／ｍｉｎ（約５０ＫＷ），圧力２０〜２００ＫＰａ，温度７０〜８０℃の環境条件で使用され、定置用の燃料電池の場合には、通常、空気流量１００〜１５００ＮＬ／ｍｉｎ（約１〜２０ＫＷ），圧力１０〜１００ＫＰａ，温度７０〜８０℃の環境条件で使用される。
【００１４】
このように、燃料電池に用いられる加湿装置は、比較的過酷な環境条件で使用される。
【００１５】
ここで、燃料電池に用いられる加湿装置に求められる基本的性能としては、一般的に、次ぎのようなことが挙げられる。
【００１６】
第一に、中空糸膜が折れたり切れたりしないことである。これは、中空糸膜が折れたり切れたりすると、加湿機能が低下してしまうからである。このような中空糸膜の折れや切れは、通常、ポッティング部との境界面（ポッティング部の表面付近）で起こり易い。何故ならば、流体（気体）の流れによって中空糸膜が揺れるため、揺れの起点となる上記境界面の部分に応力が集中するためである。
【００１７】
第二に、圧力損失を極力下げることである。これは、圧力損失が高いほど、コンプレッサによって送り込む気体の圧力を高くしなければならないため、コンプレッサの動力を大きくしなければならないからである。また、コンプレッサの動力は、燃料電池から得ることから、燃料電池を機能させるためのコンプレッサに対して、燃料電池からの電力をコンプレッサに多く費やしてしまうと、燃料電池で発生する電力の多くを自己のために消費することになり、有効な電力の生産率が低くなってしまうからである。
【００１８】
第三に、加湿効率（加湿対象気体側への水の透過量）を向上させることである。加湿装置として当然要求される性能である。
【００１９】
ここで、燃料電池においては空気流量が大きいことから、特に、中空糸膜の折れや切れが問題になっていた。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
上記の通り、従来技術の場合には、中空糸膜の折れや切れが問題になっていた。
【００２１】
本発明の目的は、性能の向上、特に、中空糸膜の折れや切れの低減の向上を図った燃料電池の加湿装置を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明にあっては、中空糸膜束が充填されるケースに設けられた気体の通り道となる孔と中空糸膜束の該孔に対向する対向面との間に、孔から流入する気体の衝撃を緩衝する緩衝部材を備えるように構成した。
【００２３】
このように構成したことによって、孔からケース内に流入された気体は、緩衝部材によって衝撃が緩衝された後に中空糸膜束内に送り込まれるため、中空糸膜が受ける衝撃を抑えることが可能となる。これにより、中空糸膜の揺れを抑え、中空糸膜の折れや切れを低減できる。
【００２４】
ここで、本発明が適用される燃料電池の加湿装置の基本的な構成は、中空糸膜の膜内を通る経路を第１経路とし、ケースに設けられた孔を通り、かつ中空糸膜束内であって中空糸膜の膜外を通る経路を第２経路とし、これら第１経路及び第２経路のうち、一方は、加湿対象気体を送り込み、加湿後の加湿気体を燃料電池（隔壁（イオン交換膜））に送り込む経路として利用し、他方は、燃料電池から排出される水分を含んだ気体を導入する経路として利用する構成である。
【００２５】
つまり、膜を介して一方（中空糸膜の場合には、中空内部あるいは膜外のいずれか一方に相当する）に加湿対象気体を流し、膜を介して他方に水分を含んだ気体を流すことで、膜分離作用を利用して、選択的に水分を加湿対象気体側に移動させることで、加湿対象気体を加湿する原理を利用したものである。
【００２６】
また、上述した緩衝部材は、中空糸膜束を支持するように構成すると好適である。
【００２７】
このように、緩衝部材が中空糸膜束を支持すれば、中空糸膜の揺れを一層抑制でき、中空糸膜の折れや切れをより一層抑制することが可能となる。
【００２８】
また、上述した緩衝部材の一部が、ポッティング部（中空糸膜の中空内部のみが外部に開放されるように、中空糸膜の外壁面間、及びケースの壁面との間を封止固定する部分）の内部に埋没するように配置され、該緩衝部材が、中空糸膜束のポッティング部との境界面で該中空糸膜束を支持するように構成すると好適である。
【００２９】
このように構成すれば、通常最も中空糸膜の折れや切れが発生しやすい中空糸膜におけるポッティング部との境界面付近で中空糸膜束が支持されるため、この付近における中空糸膜の揺れを抑制でき、効果的に中空糸膜の折れや切れを抑制できる。
【００３０】
また、ポッティング部は、外側の硬質素材からなる層と内側の軟質素材からなる層の２層構造とすると好適である。
【００３１】
ポッティング部をこのような２層構造とすれば、中空糸膜が揺れる際に、軟質素材からなる層が、中空糸膜に追随するため、中空糸膜に対する応力集中を緩和することができ、中空糸膜の折れや切れを抑制できる。
【００３２】
また、前記ケースに設けられた孔の付近では、前記中空糸膜束と前記ケースの壁面との間には全周にわたって隙間が設けられており、かつ前記孔から離れた位置では、前記中空糸膜束とケースの壁面との間は全周にわたって当接していると好適である。
【００３３】
このように構成すれば、ケースに設けられた孔から導入された気体は、上記隙間によって、全周に行き渡るため、圧力損失を抑制することができる。一方、緩衝部材から離れた位置では、中空糸膜束とケースの壁面との間は全周にわたって当接しているため、孔から導入された気体が、中空糸膜束とケースの壁面との間から抜けてしまうことを防止できる。すなわち、孔から導入された気体は中空糸膜束内部へと導かれるため、加湿効率を高めることができる。
【００３４】
また、中空糸膜束を構成する複数の中空糸膜は、そのうちの数本ずつを束にして、あるいは、中空糸膜１本１本に、繊維状物が螺旋状に巻きつけられていると好適である。
【００３５】
このように構成することで、中空糸膜が補強されると共に、中空糸膜の揺れを抑制できるため、中空糸膜の折れや切れをより一層抑えられる。更に、繊維状物によって、中空糸膜束内を流れる気体の乱流を生じさせることができるため、加湿効率を高めることができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００３７】
（第１の実施の形態）
図１及び図２を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池の加湿装置について説明する。図１は燃料電池と燃料電池内の隔壁を加湿するための加湿装置全体のシステム構成図である。図２は本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池の加湿装置の一部破断模式図である。
【００３８】
まず、特に、図１を参照して、燃料電池と燃料電池内の隔壁を加湿するための加湿装置全体のシステムについて説明する。
【００３９】
図１に示すように、本システムは、主として、加湿装置１０とコンプレッサ２０と燃料電池３０から構成される。
【００４０】
加湿装置１０は、主として、ケース１１と、ケース１１内に充填される複数の中空糸膜１２ａからなる中空糸膜束１２と、各中空糸膜１２ａの中空内部のみが外部に開放されるように、各中空糸膜１２ａの外壁面間及びケース１１の内壁面間を封止固定するポッティング部１３とを備えている。なお、ケース１１内への中空糸膜１２ａの充填率は３０〜７０％、好ましくは４５〜６０％である。
【００４１】
ここで、ケース１１は円筒形状の部材であり、その一端側の側壁面に導入孔１１ａを備え、その他端側の側壁面に排出孔１１ｂを備えている。
【００４２】
このように構成された加湿装置１０においては、各中空糸膜１２ａの膜内（中空内部）を通る第１経路（矢印Ｘ１，Ｘ２）と、ケース１１に設けられた導入孔１１ａを通り、中空糸膜束１２内であって中空糸膜１２ａの膜外を通り、更にケース１１に設けられた排出孔１１ｂを通る第２経路（矢印Ｙ１，Ｙ２）と、が形成される。
【００４３】
燃料電池３０は、主として、水素を供給する水素供給部３１と、アノード電極３２及びカソード電極３３と、これらアノード電極３２及びカソード電極３３のそれぞれに電気的に接続され、得られた電気（電子）を所望の箇所に配電するための配電電極３４と、アノード電極３２とカソード電極３３との間に設けられ、イオンを移動させるための隔壁（イオン交換膜）３５と、を備える。
【００４４】
このようなシステムにより、図１に示すように、コンプレッサ２０から加湿装置１０における導入孔１１ａを介して加湿対象気体（乾燥空気）をケース１１内に送り込む（矢印Ｙ１）。
【００４５】
ケース１１内に送り込まれた加湿対象気体は、上述のように中空糸膜束１２内であって中空糸膜１２ａの膜外を通り、この過程によって加湿された後に、ケース１１に設けられた排出孔１１ｂよりケース１１の外部へと排出される（矢印Ｙ２）。
【００４６】
排出孔１１ｂから排出された加湿された気体は、燃料電池３０内へと送り込まれる。これにより、燃料電池３０内の隔壁３５等は、保湿された状態が保たれる。
【００４７】
また、燃料電池３０からの排ガス、すなわち、電気を生成するための反応後の水蒸気が含まれた湿潤ガスは、加湿装置１０におけるケース１１の一端側から中空糸膜１２ａの膜内（中空内部）へと送り込まれる（矢印Ｘ１）。
【００４８】
中空糸膜１２ａの膜内に送り込まれた湿潤ガスは、そのままケース１１の他端側からケース１１外部に放出される。
【００４９】
ここで、加湿装置１０における加湿原理について、簡単に説明する。
【００５０】
図１中、Ｐには、加湿装置１０の内部を拡大した模式図を示している。
【００５１】
図示のように、中空糸膜１２ａの膜内（中空内部）には、燃料電池３０から送られた湿潤ガスが流れている（矢印ｘ１，ｘ２）。一方、中空糸膜１２ａの膜外には、加湿対象気体が流れている（矢印ｙ）。
【００５２】
そして、中空糸膜１２ａの膜分離作用によって、湿度の高い膜内側から水分のみが選択的に膜を透過して、膜外へと移動する（矢印ｘ３）。
【００５３】
これにより、膜外を流れる加湿対象気体は加湿される。
【００５４】
次に、燃料電池３０における発電原理について、簡単に説明する。
【００５５】
図１中、Ｑには、燃料電池３０の内部を拡大した模式図を示している。
【００５６】
図中、水素供給部３１には、水素が供給される（矢印Ｚ）。これによりアノード電極３２においては、水素がイオン分解される（Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻）。そして、電子は配電電極３４に送り込まれる。なお、配電電極３４において、矢印Ｅは電子の流れを示している。
【００５７】
一方、イオン分解された水素イオンは隔壁３５によってカソード電極３３に向かって移動する。
【００５８】
一方、カソード電極３３側には、加湿された気体（水蒸気と空気）が送り込まれる。そして、カソード電極３３に送り込まれた空気中の酸素と、隔壁３５を伝わってきた水素イオンが反応して水蒸気が発生する（（１／２）Ｏ_２＋２ｅ⁻＋２Ｈ^＋→Ｈ_２Ｏ）。
【００５９】
そして、反応により発生した水蒸気と、反応によって酸素が少なくなった空気が、排気ガスとして排気される（矢印Ｘ１）。
【００６０】
このような原理によって、電圧を供給できる。
【００６１】
次に、加湿装置１０について、特に図２を参照して、更に詳しく説明する。
【００６２】
本実施の形態においては、ケース１１に設けられた導入孔１１ａと中空糸膜束１２におけるこの導入孔１１ａに対向する対向面との間に、導入孔１１ａから流入する気体の衝撃を緩衝する緩衝部材としてのフィルム１４が設けられている。
【００６３】
このフィルム１４は、気体を透過しない非透過性の部材で構成されており、かつ導入孔１１ａに対向する対向面の全面をカバーするように配設されている。これにより、導入孔１１ａから導入される気体は、フィルム１４に衝突して方向をほぼ９０°変えられることによって衝撃を緩衝する仕組みである。ただし、導入孔１１ａに対向する対向面の全面をカバーしない場合であっても衝撃はある程度緩和することができる。また、加湿効率を高めるために、非透過性ではなく、メッシュ状のものなど、気体を透過するものであっても、衝撃を緩衝することができる。
【００６４】
従って、導入孔１１ａから流入された気体は、フィルム１４によって衝撃が緩衝された後に中空糸膜束１２内に送り込まれるため、中空糸膜１２ａが受ける衝撃を抑えることが可能となる。これにより、中空糸膜１２ａの揺れを抑え、中空糸膜１２ａの折れや切れを低減することが可能となる。
【００６５】
また、ケース１１に設けられた排出孔１１ｂと中空糸膜束１２におけるこの排出孔１１ｂに対向する対向面との間にも、同様にフィルム１４が設けられている。
【００６６】
また、フィルム１４は、その一部がポッティング部１３内に埋没しており、ポッティング部１３によって位置決め固定されている。
【００６７】
そして、このフィルム１４は、中空糸膜束１２を覆うように巻かれている。これにより、中空糸膜束１２は、ポッティング部１３との境界面でフィルム１４によって支持されている。
【００６８】
従って、通常最も中空糸膜の折れや切れが発生しやすい中空糸膜におけるポッティング部１３との境界面（ポッティング部表面）付近で中空糸膜束１２は支持されるため、この付近における中空糸膜１２ａの揺れを抑制でき、効果的に中空糸膜１２ａの折れや切れを抑制することができる。
【００６９】
なお、０ＮＬ／ｍｉｎと２０００ＮＬ／ｍｉｎを１サイクルとする耐久試験を行ったところ、フィルムがない場合には、２００サイクルで中空糸膜の切れによるリークが発生したが、フィルムがある場合には、５０００サイクル終了時においてもリークは確認されなかった。
【００７０】
また、本実施の形態においては、ケース１１に設けられた導入孔１１ａ及び排出孔１１ｂの付近においては、ケース１１の壁面と中空糸膜束１２との間に隙間Ｓが全周にわたって設けられている。
【００７１】
これにより、ケース１１に設けられた導入孔１１ａからケース１１内に導入された加湿対象気体は、隙間から全周に行き渡る。従って、圧力損失を抑制することが可能である。
【００７２】
また、ケース内への導入側及びケース外への排出側のいずれにおいても、中空糸膜束１２とケース１１との間に隙間Ｓが全周にわたって設けられているため、中空糸膜束内部への気体の進入及び中空糸膜束外部への気体の排出が、全周にわたって行われるため、加湿効率も向上する。
【００７３】
また、導入孔１１ａ及び排出孔１１ｂから離れた位置（ケース中央付近）では、壁が厚く設けられた厚壁部１１ｃが設けられている。これにより、ケース１１と中空糸膜束１２は全周にわたって当接している。
【００７４】
従って、ケース１１に設けられた導入孔１１ａからケース１１内に導入された加湿対象気体が、ケース１１の壁面と中空糸膜束１２との間の隙間を抜けて、そのままケース１１に設けられた排出孔１１ｂから排出されてしまうことを防止できる。つまり、導入孔１１ａからケース１１内に導入された加湿対象気体を、ほぼ確実に中空糸膜束１２の内部へと導くことができ、加湿効率を高めることができる。
【００７５】
なお、これまでの説明においては、第１経路（矢印Ｘ１，Ｘ２）に湿潤ガス（燃料電池からの排ガス）を流し、第２経路（矢印Ｙ１，Ｙ２）に加湿対象気体（乾燥空気）を流す場合を例にして説明したが、これとは逆に、第２経路に湿潤ガスを流し、第１経路に加湿対象気体（乾燥空気）を流すようにして利用することができることは言うまでもない。
【００７６】
（第２の実施の形態）
図３には、本発明の第２の実施の形態が示されている。本実施の形態では、加湿装置の基本構成が上記第１の実施の形態の場合とは異なる構成（インナーパイプ型）について説明する。なお、燃料電池，コンプレッサ及びこれらと加湿装置間の流体（乾燥空気と湿潤空気）経路構成については、上記第１の実施の形態の場合と同様であるので、その説明は適宜省略する。
【００７７】
図３は本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池の加湿装置の一部破断模式図である。
【００７８】
本実施の形態に係る加湿装置５０は、主として、筒状（円筒状）の外ケース５１と、外ケース５１内に配設される内ケース（インナーパイプ）５５と、外ケース５１と内ケース５５との間の隙間に充填される複数の中空糸膜５２ａからなる中空糸膜束５２と、各中空糸膜５２ａの中空内部のみが外部に開放されるように、各中空糸膜５２ａの外壁面間及び外ケース５１及び内ケース５５の壁面間を封止固定するポッティング部５３とを備えている。
【００７９】
内ケース５５には、導入孔５５ａを備えており、外ケース５１には排出孔５１ａを備えている。ただし、外ケース５１側の排出孔５１ａを導入孔として用い、内ケース５５側の導入孔を排出孔として用いることもできる。
【００８０】
これら導入孔５５ａと排出孔５１ａは、ケース長手方向のそれぞれ異なる端部に設けられている。
【００８１】
このように構成された加湿装置５０においては、各中空糸膜５２ａの膜内（中空内部）を通る第１経路（矢印Ｘ１，Ｘ２）と、内ケース５５に設けられた導入孔５５ａを通り、中空糸膜束５２内であって中空糸膜５２ａの膜外を通り、更に外ケース５１に設けられた排出孔５１ａを通る第２経路（矢印Ｙ１，Ｙ２）と、が形成される。本実施の形態においては、第２経路は、必ず、円筒形状の中空糸膜束５２の内周面から外周面へと貫く経路が形成されるため、加湿効率に優れる。
【００８２】
そして、コンプレッサから加湿装置５０における導入孔５５ａを介して加湿対象気体（乾燥空気）を外ケース５１と内ケース５５との間の隙間に送り込む（矢印Ｙ１）。
【００８３】
この隙間に送り込まれた加湿対象気体は、上述のように中空糸膜束５２内であって中空糸膜５２ａの膜外を通り、この過程によって加湿された後に、外ケース５１に設けられた排出孔５１ａより外ケース５１の外部へと排出される（矢印Ｙ２）。
【００８４】
排出孔５１ａから排出された加湿された気体は、燃料電池内へと送り込まれる。これにより、燃料電池内の隔壁等は、保湿された状態が保たれる。
【００８５】
また、燃料電池からの排ガス、すなわち、電気を生成するための反応後の水蒸気が含まれた湿潤ガスは、加湿装置５０におけるケースの一端側から中空糸膜５２ａの膜内（中空内部）へと送り込まれる（矢印Ｘ１）。
【００８６】
中空糸膜５２ａの膜内に送り込まれた湿潤ガスは、そのままケースの他端側からケース外部に放出される。
【００８７】
なお、加湿装置５０における加湿原理については、上記第１の実施の形態で説明した通りであるので、その説明は省略する。
【００８８】
そして、本実施の形態に係る加湿装置５０においては、内ケース５５に設けられた導入孔５５ａと中空糸膜束５２におけるこの導入孔５５ａに対向する対向面との間に、導入孔５５ａから流入する気体の衝撃を緩衝する緩衝部材としてのフィルム５４ａが設けられている。
【００８９】
従って、導入孔５５ａから流入された気体は、フィルム５４ａによって衝撃が緩衝された後に中空糸膜束５２内に送り込まれるため、中空糸膜５２ａが受ける衝撃を抑えることが可能となる。これにより、中空糸膜５２ａの揺れを抑え、中空糸膜５２ａの折れや切れを低減することが可能となる。
【００９０】
また、外ケース５１に設けられた排出孔５１ａと中空糸膜束５２におけるこの排出孔５１ａに対向する対向面との間にも、同様にフィルム５４ｂが設けられている。
【００９１】
また、フィルム５４ａ，５４ｂは、その一部がポッティング部５３内に埋没しており、ポッティング部５３によって位置決め固定されている。
【００９２】
そして、このフィルム５４ａ，５４ｂは、中空糸膜束５２を覆うように巻かれている（フィルム５４ａは筒状の中空糸膜束５２の内周面を覆うように巻かれ、フィルム５４ｂは、この中空糸膜束５２の外周面を覆うように巻かれている）。これにより、中空糸膜束５２は、ポッティング部５３との境界面でフィルム５４ａ，５４ｂによって支持されている。
【００９３】
従って、通常最も中空糸膜の折れや切れが発生しやすい中空糸膜におけるポッティング部５３との境界面（ポッティング部表面）付近で中空糸膜束５２は支持されるため、この付近における中空糸膜５２ａの揺れを抑制でき、効果的に中空糸膜５２ａの折れや切れを抑制することができる。
【００９４】
また、本実施の形態においては、内ケース５５に設けられた導入孔５５ａの付近においては中空糸膜束５２と内ケース５５の壁面との間、外ケース５１に設けられた排出孔５１ａ付近においては中空糸膜束５２と外ケース５１の壁面との間に、それぞれ隙間Ｓが全周にわたって設けられている。
【００９５】
これにより、内ケース５５に設けられた導入孔５５ａからケース内に導入された加湿対象気体は、隙間Ｓから全周に行き渡る。従って、圧力損失を抑制することが可能である。
【００９６】
また、ケース内への導入側及びケース外への排出側のいずれにおいても、中空糸膜束とケースとの間に隙間Ｓが全周にわたって設けられているため、中空糸膜束内部への気体の進入及び中空糸膜束外部への気体の排出が、全周にわたって行われるため、加湿効率も向上する。
【００９７】
また、導入孔５５ａから離れた位置では、内ケース５５の径が大きく設定されている。これにより、内ケース５５と中空糸膜束５２は全周にわたって当接している。更に、排出孔５１ａから離れた位置では、外ケース５１の内径が小さく設定されている。これにより、外ケース５１と中空糸膜束５２は全周にわたって当接している。
【００９８】
従って、内ケース５５の壁面と中空糸膜束５２との間の隙間、及び外ケース５１と中空糸膜束５２との間の隙間をなくすことができるため、加湿対象気体を、中空糸膜束５２の内部へと積極的に導くことができ、加湿効率を高めることができる。
【００９９】
なお、これまでの説明においては、第１経路（矢印Ｘ１，Ｘ２）に湿潤ガス（燃料電池からの排ガス）を流し、第２経路（矢印Ｙ１，Ｙ２）に加湿対象気体（乾燥空気）を流す場合を例にして説明したが、これとは逆に、第２経路に湿潤ガスを流し、第１経路に加湿対象気体（乾燥空気）を流すようにして利用することができることは言うまでもない。
【０１００】
（第３の実施の形態）
図４及び図５には、本発明の第３の実施の形態が示されている。本実施の形態では、中空糸膜の束ね方を工夫した構成を示している。
【０１０１】
その他の構成については、上記第１の実施の形態あるいは第２の実施の形態の構成を適用できるので、その説明は省略する。
【０１０２】
図４は本実施の形態に係る中空糸膜の状態を示す斜視図の一部である。図５は本実施の形態に係る中空糸膜の束ね方を用いた場合の気体の流れ方を説明する図である。
【０１０３】
本発明の実施の形態においては、中空糸膜１２ａを３本束ねて、その外周表面に繊維状物６０が巻き付けられている。そして、３本ずつ束ねた束を複数束ねることで、中空糸膜束１２としている。なお、ポッティング部によって固定されている部分についても繊維状物６０が巻き付けられている。
【０１０４】
これにより、中空糸膜１２ａが繊維状物６０によって補強されるため、強度が向上する。また、中空糸膜１２ａの揺れが抑制される。従って、より一層、中空糸膜１２ａの折れや切れを低減することが可能となる。
【０１０５】
また、ケース内に流入され、中空糸膜１２ａの膜外を流れる気体は、繊維状物６０が巻き付けられていることによって、図５（ａ）に示すように、乱流を形成する。このため、中空糸膜表面に絶えず新しい気体が接するため、中空糸膜１２ａを横切る物質透過が促進される。
【０１０６】
また、中空糸膜表面上に存在する繊維状物６０によって隣り合う中空糸膜同士が密接に接触しないため、有効に使用される膜表面の減少を抑えることができると共に、各膜間の間隔も均一となるため、気体が膜間に均一に流入し、中空糸膜束を構成する中空糸膜全体が効率良く機能することになる。従って、加湿効率が向上する。
【０１０７】
なお、繊維状物を巻きつけない場合には、図５（ｂ）に示すように、中空糸膜束内部を流れる気体は、中空糸膜に沿って層状に流れることになる。
【０１０８】
これまでの説明では、中空糸膜を３本ずつ束ねて繊維状物を巻き付ける構成を示したが、束ねる本数は限定されるものではなく、中空糸膜の径や材質に応じて、適宜、束ねる本数を選択すればよい。また、中空糸膜１本ずつに、それぞれ繊維状物を巻きつけても良い。
【０１０９】
（第４の実施の形態）
図６及び図７には、本発明の第４の実施の形態が示されている。本実施の形態では、ポッティング部を素材の異なる２層からなる構造とした構成を示している。
【０１１０】
その他の構成については、上記第１の実施の形態あるいは第２の実施の形態の構成を適用できるので、その説明は省略する。
【０１１１】
図６は本実施の形態に係るポッティング部を示す模式図である。
【０１１２】
本実施の形態においては、エポキシ樹脂などの硬質材料からなる硬質層１３ａと、シリコン樹脂などの軟質材料からなる軟質層１３ｂの２層構造によってポッティング部を構成した。
【０１１３】
このように構成することによって、中空糸膜１２ａが揺れる場合には、その根本は軟質層１３ｂによって支えられているため、中空糸膜１２ａの揺れに応じて軟質層１３ｂが追随する。従って、中空糸膜１２ａに対する応力集中を緩和することができ、中空糸膜１２ａの折れや切れを、より一層抑制することが可能となる。
【０１１４】
なお、図７に示すように、上記第３の実施の形態で説明したように、中空糸膜１２ａに繊維状物６０を巻き付ける構成においても、ポッティング部を硬質層１３ａと軟質層１３ｂからなる２層構造とすることもできる。これにより、より一層中空糸膜１２ａの折れや切れを抑制できる。
【０１１５】
（第５の実施の形態）
図８には、本発明の第５の実施の形態が示されている。上記第１の実施の形態においては、緩衝部材として、フィルムを用いる場合の構成を示したが、本実施の形態では、緩衝部材として、剛性リングを用いる場合の構成を説明する。
【０１１６】
その他の構成については、上記各実施の形態の構成を用いることができるので、ここでは、その説明は省略する。
【０１１７】
図８は本発明の第５の実施の形態に係る燃料電池の加湿装置の模式的断面図の一部である。
【０１１８】
本実施の形態においては、図示のように、ケース１１に設けられた孔（導入孔及び排出孔）と中空糸膜束１２におけるこの孔に対向する対向面との間に、緩衝部材としての剛性リング７０が設けられている。
【０１１９】
この剛性リング７０は、ケース１１の内周に嵌合固定される。
【０１２０】
この剛性リング７０は、上記第１の実施の形態におけるフィルムと同様の機能を発揮するものである。すなわち、導入孔から流入してくる気体の衝撃を緩衝すると共に、中空糸膜束１２をポッティング部との境界面で支持する機能を有する。
【０１２１】
従って、上記第１の実施の形態の場合と同様の効果を得ることができる。
【０１２２】
（第６の実施の形態）
図９には、本発明の第６の実施の形態が示されている。上記第５の実施の形態においては、フィルムの替わりに剛性リングを用いる場合の構成を示したが、本実施の形態では、この剛性リングに相当するものを、ケースに一体成形により構成する場合を示す。
【０１２３】
その他の構成については、上記各実施の形態の構成を用いることができるので、ここでは、その説明は省略する。
【０１２４】
図９は本発明の第６の実施の形態に係る燃料電池の加湿装置の模式的断面図の一部である。
【０１２５】
本実施の形態においては、図示のように、ケース１１に設けられた孔（導入孔及び排出孔）と中空糸膜束１２におけるこの孔に対向する対向面との間に、緩衝部材としての緩衝壁１１ｄをケース１１に一体成形により形成している。
【０１２６】
この緩衝壁１１ｄは、上記第１の実施の形態におけるフィルムと同様の機能を発揮するものである。すなわち、導入孔から流入してくる気体の衝撃を緩衝すると共に、中空糸膜束１２をポッティング部との境界面で支持する機能を有する。
【０１２７】
従って、上記第１の実施の形態の場合と同様の効果を得ることができる。
【０１２８】
なお、上記第１の実施の形態の場合のように、緩衝部材としてフィルムを用いる場合には、フィルム自体が安価であり、フレキシビリティーがあることからケース等の形状や大きさに合わせやすく、また、フィルム自体薄いものを適用できるため、ケース内の体積を有効に活用できる利点がある。
【０１２９】
また、第２の実施の形態の場合のように緩衝部材として剛性リングを用いる場合、及び第３の実施の形態の場合のように剛性リングに相当するものをケースに一体成形により形成する場合には、作業上製造し易く、強度に優れるという利点がある。
【０１３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明により、性能の向上、特に、中空糸膜の折れや切れの低減の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池と燃料電池内の隔壁を加湿するための加湿装置全体のシステム構成図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池の加湿装置の一部破断模式図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池の加湿装置の一部破断模式図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係る中空糸膜の状態を示す斜視図の一部である。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係る中空糸膜の束ね方を用いた場合の気体の流れ方を説明する図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態に係るポッティング部を示す模式図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態に係るポッティング部を示す模式図である。
【図８】本発明の第５の実施の形態に係る燃料電池の加湿装置の模式的断面図の一部である。
【図９】本発明の第６の実施の形態に係る燃料電池の加湿装置の模式的断面図の一部である。
【図１０】燃料電池の加湿装置の一部破断模式図である。
【符号の説明】
１０　加湿装置
１１　ケース
１１ａ　導入孔
１１ｂ　排出孔
１１ｃ　厚壁部
１１ｄ　緩衝壁
１２　中空糸膜束
１２ａ　中空糸膜
１３　ポッティング部
１３ａ　硬質層
１３ｂ　軟質層
１４　フィルム
２０　コンプレッサ
３０　燃料電池
３１　水素供給部
３２　アノード電極
３３　カソード電極
３４　配電電極
３５　隔壁
５０　加湿装置
５１　外ケース
５１ａ　排出孔
５２　中空糸膜束
５２ａ　中空糸膜
５３　ポッティング部
５４ａ，５４ｂ　フィルム
５５　内ケース
５５ａ　導入孔
６０　繊維状物
７０　剛性リング[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a humidifier for a fuel cell for moisturizing a partition (ion exchange membrane) in the fuel cell.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, fuel cells have attracted attention as clean power generation systems, and are being actively developed. In a fuel cell, electricity and water vapor are generated by the reaction between hydrogen and oxygen. Since the electricity generated during this reaction moves with water molecules, it is necessary to keep the partition walls (ion exchange membranes) moist. .
[0003]
In this case, it is conceivable to supply water to the partition from a water tank or the like.However, since it is assumed that the water is used outdoors for both stationary and on-vehicle use, there is a problem of freezing in winter, so providing a water tank or the like is not possible. Not appropriate.
[0004]
Therefore, in order to carry out this moisturizing, an attempt has been made to effectively collect the water vapor generated by the reaction in the fuel cell and send it to the fuel cell again.
[0005]
Therefore, a humidifier using a water vapor permeable membrane capable of separating water contained in gas has been developed.
[0006]
With reference to FIG. 10, a humidifying device for a fuel cell according to the related art will be described. FIG. 10 is a partially cutaway schematic view of a humidifier for a fuel cell.
[0007]
This humidifier uses a hollow fiber membrane module in which a hollow fiber membrane formed by a hollow fiber permeable membrane is modularized. As shown in the figure, the humidifier 100 includes a cylindrical case 101 and a hollow fiber membrane bundle 102 formed of a plurality of hollow fiber membranes filled in the case 101.
[0008]
The case 101 has a plurality of introduction holes 101a for introducing gas at one end and a plurality of discharge holes 101b for discharging gas at the other end.
[0009]
At both ends of the case 101, potting portions 103 for sealing and fixing between the outer wall surfaces of the hollow fiber membranes and between the inner wall surfaces of the case 101 so that only the hollow interior of the hollow fiber membrane is open to the outside. Is provided.
[0010]
With the above configuration, the first path (arrows X1 and X2 in the drawing) passing through the hollow interior of the hollow fiber membrane and the plurality of introduction holes 101a are introduced into the case 101, pass through the outside of the hollow fiber membrane, and pass through the outside. A second path (arrows Y1 and Y2 in the drawing) that is discharged from the discharge hole 101b to the outside of the case 101 is formed.
[0011]
Then, a gas to be humidified (dry air) is caused to flow through one of the first path and the second path by, for example, a compressor, and a gas containing water vapor (humid air) is caused to flow to the other. Thereby, the water vapor in the humid air selectively passes through the membrane by the membrane separation action of the hollow fiber membrane, and the gas to be humidified is humidified. Then, the humidified gas is sent to a partition (ion exchange membrane) in the fuel cell.
[0012]
Here, as described above, the exhaust gas (gas after the reaction) from the fuel cell contains water vapor, which is used as the humid air.
[0013]
By the way, in a humidifying device used for a fuel cell, in the case of a fuel cell for a vehicle, an air flow rate is usually 200 to 3500 NL / min (about 50 KW), a pressure is 20 to 200 KPa, and a temperature is 70 to 80 ° C. In the case of a stationary fuel cell, it is usually used under environmental conditions of an air flow rate of 100 to 1500 NL / min (about 1 to 20 KW), a pressure of 10 to 100 KPa, and a temperature of 70 to 80 ° C.
[0014]
Thus, the humidifier used for the fuel cell is used under relatively severe environmental conditions.
[0015]
Here, as a basic performance required for a humidifier used for a fuel cell, the following can be generally mentioned.
[0016]
First, the hollow fiber membrane does not break or break. This is because if the hollow fiber membrane breaks or breaks, the humidifying function decreases. Such breakage or breakage of the hollow fiber membrane tends to occur usually at the boundary surface with the potting portion (near the surface of the potting portion). This is because the hollow fiber membrane shakes due to the flow of the fluid (gas), so that stress concentrates on the above-mentioned boundary surface, which is the starting point of the shake.
[0017]
Second, the pressure loss should be reduced as much as possible. This is because the higher the pressure loss, the higher the pressure of the gas sent by the compressor must be, and therefore the power of the compressor must be increased. Also, since the power of the compressor is obtained from the fuel cell, if much of the power from the fuel cell is spent on the compressor for the function of the fuel cell, much of the power generated by the fuel cell is self-contained. For this reason, the power consumption is reduced, and the production rate of the effective power is reduced.
[0018]
Third, the humidification efficiency (the amount of water permeated to the humidification target gas side) is improved. This is the required performance as a humidifier.
[0019]
Here, in the fuel cell, since the air flow rate is large, breakage or breakage of the hollow fiber membrane has been a problem.
[0020]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the case of the prior art, the breakage or breakage of the hollow fiber membrane has been a problem.
[0021]
An object of the present invention is to provide a humidifying device for a fuel cell, which has improved performance, in particular, reduced breakage and breakage of a hollow fiber membrane.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the present invention, between a hole provided as a gas passage provided in a case filled with a hollow fiber membrane bundle and a facing surface of the hollow fiber membrane bundle facing the hole. And a buffer member for buffering the impact of gas flowing from the hole.
[0023]
With this configuration, the gas that has flowed into the case from the hole is sent into the hollow fiber membrane bundle after the shock is buffered by the buffer member, so that the impact on the hollow fiber membrane can be suppressed. Become. Thereby, the swinging of the hollow fiber membrane can be suppressed, and the breakage and breakage of the hollow fiber membrane can be reduced.
[0024]
Here, the basic configuration of the humidifier of the fuel cell to which the present invention is applied is such that a path passing through the inside of the hollow fiber membrane is a first path, passes through a hole provided in the case, and is a hollow fiber membrane bundle. A path inside and outside the hollow fiber membrane is referred to as a second path, and one of the first path and the second path sends the gas to be humidified, and transmits the humidified gas after humidification to the fuel cell (partition wall (partition wall)). This is used as a path for feeding gas into the ion exchange membrane)), and the other is used as a path for introducing a gas containing moisture discharged from the fuel cell.
[0025]
In other words, the gas to be humidified flows through one side (corresponding to either the inside of the hollow or the outside of the membrane in the case of a hollow fiber membrane) through the membrane, and the gas containing moisture flows into the other side through the membrane. Then, the principle of humidifying the humidification target gas by selectively moving the water to the humidification target gas side by utilizing the membrane separation action is used.
[0026]
Further, it is preferable that the above-described cushioning member is configured to support the hollow fiber membrane bundle.
[0027]
As described above, if the buffer member supports the hollow fiber membrane bundle, the swinging of the hollow fiber membrane can be further suppressed, and the breakage or breakage of the hollow fiber membrane can be further suppressed.
[0028]
In addition, a part of the buffer member described above seals and fixes the potting portion (between the outer wall surfaces of the hollow fiber membrane and the wall surface of the case so that only the hollow interior of the hollow fiber membrane is opened to the outside). It is preferable that the buffer member is arranged so as to be buried inside the portion, and the buffer member is configured to support the hollow fiber membrane bundle at a boundary surface between the hollow fiber membrane bundle and the potting portion.
[0029]
With this configuration, the hollow fiber membrane bundle is supported near the boundary surface between the hollow fiber membrane and the potting portion in the hollow fiber membrane where the hollow fiber membrane is usually most likely to be broken or broken. Can be suppressed, and the breakage and breakage of the hollow fiber membrane can be effectively suppressed.
[0030]
Further, it is preferable that the potting portion has a two-layer structure of a layer made of an outer hard material and a layer made of an inner soft material.
[0031]
When the potting portion has such a two-layer structure, the layer made of a soft material follows the hollow fiber membrane when the hollow fiber membrane shakes, so that stress concentration on the hollow fiber membrane can be reduced, and the hollow fiber membrane can be hollowed out. Breakage and breakage of the thread membrane can be suppressed.
[0032]
In the vicinity of the hole provided in the case, a gap is provided over the entire circumference between the hollow fiber membrane bundle and the wall surface of the case, and at a position away from the hole, the hollow fiber is provided. It is preferable that the membrane bundle and the wall surface of the case are in contact with each other over the entire circumference.
[0033]
According to this structure, the gas introduced from the hole provided in the case spreads over the entire circumference by the gap, so that the pressure loss can be suppressed. On the other hand, at a position away from the cushioning member, the hollow fiber membrane bundle and the wall surface of the case are in contact over the entire circumference, so that the gas introduced from the hole causes a gap between the hollow fiber membrane bundle and the wall surface of the case. Can be prevented from falling off. That is, the gas introduced from the holes is guided into the inside of the hollow fiber membrane bundle, so that the humidification efficiency can be improved.
[0034]
In addition, when a plurality of hollow fiber membranes constituting a hollow fiber membrane bundle are bundled, some of them are bundled, or a fibrous material is spirally wound around each hollow fiber membrane. It is suitable.
[0035]
With such a configuration, the hollow fiber membrane is reinforced and the hollow fiber membrane can be prevented from swaying, so that the hollow fiber membrane can be further prevented from being broken or cut. Further, the turbulence of the gas flowing in the hollow fiber membrane bundle can be generated by the fibrous material, so that the humidification efficiency can be improved.
[0036]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Preferred embodiments of the present invention will be illustratively described in detail below with reference to the drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the components described in this embodiment are not intended to limit the scope of the present invention thereto unless otherwise specified. Absent.
[0037]
(First Embodiment)
1 and 2, a description will be given of a humidifying device for a fuel cell according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1 is a system configuration diagram of an entire humidifier for humidifying a fuel cell and a partition in the fuel cell. FIG. 2 is a partially cutaway schematic view of the humidifier for a fuel cell according to the first embodiment of the present invention.
[0038]
First, a system of an entire humidifying device for humidifying a fuel cell and a partition in the fuel cell will be described with reference to FIG.
[0039]
As shown in FIG. 1, the present system mainly includes a humidifier 10, a compressor 20, and a fuel cell 30.
[0040]
The humidifying device 10 mainly includes a case 11, a hollow fiber membrane bundle 12 including a plurality of hollow fiber membranes 12a filled in the case 11, and a hollow interior of each hollow fiber membrane 12a. And a potting portion 13 for sealing and fixing between the outer wall surfaces of the hollow fiber membranes 12a and between the inner wall surfaces of the case 11. The filling rate of the hollow fiber membrane 12a in the case 11 is 30 to 70%, preferably 45 to 60%.
[0041]
Here, the case 11 is a cylindrical member, and has an introduction hole 11a on one side wall surface thereof and a discharge hole 11b on the other side wall surface thereof.
[0042]
In the humidifying device 10 configured as described above, the hollow fiber passes through the first path (arrows X1 and X2) passing through the inside (hollow interior) of each hollow fiber membrane 12a and the introduction hole 11a provided in the case 11. A second path (arrows Y1 and Y2) is formed inside the fiber bundle 12 and outside the hollow fiber membrane 12a and further through a discharge hole 11b provided in the case 11.
[0043]
The fuel cell 30 is mainly connected to a hydrogen supply unit 31 that supplies hydrogen, an anode electrode 32 and a cathode electrode 33, and is electrically connected to each of the anode electrode 32 and the cathode electrode 33. And a partition (ion exchange membrane) 35 provided between the anode electrode 32 and the cathode electrode 33 for moving ions.
[0044]
With such a system, as shown in FIG. 1, a gas to be humidified (dry air) is sent from the compressor 20 through the introduction hole 11a of the humidifier 10 into the case 11 (arrow Y1).
[0045]
The gas to be humidified sent into the case 11 passes through the inside of the hollow fiber membrane bundle 12 and outside the hollow fiber membrane 12a as described above, and after being humidified by this process, the exhaust gas provided in the case 11 is provided. It is discharged out of the case 11 through the hole 11b (arrow Y2).
[0046]
The humidified gas discharged from the discharge hole 11b is sent into the fuel cell 30. Thereby, the partition wall 35 and the like in the fuel cell 30 are kept in a moist state.
[0047]
Further, the exhaust gas from the fuel cell 30, that is, the wet gas containing the water vapor after the reaction for generating electricity is supplied from one end side of the case 11 in the humidifier 10 to the inside of the hollow fiber membrane 12 a (hollow interior). (Arrow X1).
[0048]
The wet gas sent into the hollow fiber membrane 12a is discharged to the outside of the case 11 from the other end of the case 11 as it is.
[0049]
Here, the humidification principle in the humidification device 10 will be briefly described.
[0050]
In FIG. 1, P shows a schematic diagram in which the inside of the humidifier 10 is enlarged.
[0051]
As shown in the figure, the wet gas sent from the fuel cell 30 flows in the hollow fiber membrane 12a (hollow interior) (arrows x1, x2). On the other hand, the gas to be humidified flows outside the hollow fiber membrane 12a (arrow y).
[0052]
Then, due to the membrane separation action of the hollow fiber membrane 12a, only moisture selectively permeates the membrane from the inside of the membrane with high humidity and moves out of the membrane (arrow x3).
[0053]
Thereby, the humidification target gas flowing outside the film is humidified.
[0054]
Next, the principle of power generation in the fuel cell 30 will be briefly described.
[0055]
In FIG. 1, Q shows a schematic diagram in which the inside of the fuel cell 30 is enlarged.
[0056]
In the figure, hydrogen is supplied to a hydrogen supply unit 31 (arrow Z). As a result, hydrogen is ion-decomposed in the anode electrode 32 (H ₂ → 2H ⁺ + 2e ⁻ ). Then, the electrons are sent to the distribution electrode 34. Note that, in the distribution electrode 34, the arrow E indicates the flow of electrons.
[0057]
On the other hand, ion-decomposed hydrogen ions move toward the cathode electrode 33 by the partition wall 35.
[0058]
On the other hand, humidified gas (water vapor and air) is sent to the cathode electrode 33 side. Then, oxygen in the air sent to the cathode electrode 33 reacts with hydrogen ions transmitted through the partition wall 35 to generate water vapor ((1/2) O ₂ + 2e ⁻ + 2H ⁺ → H ₂ O).
[0059]
Then, the water vapor generated by the reaction and the air whose oxygen has been reduced by the reaction are exhausted as exhaust gas (arrow X1).
[0060]
Voltage can be supplied by such a principle.
[0061]
Next, the humidifier 10 will be described in more detail with particular reference to FIG.
[0062]
In the present embodiment, between the introduction hole 11a provided in the case 11 and the opposing surface of the hollow fiber membrane bundle 12 facing the introduction hole 11a, a buffer for buffering the shock of gas flowing from the introduction hole 11a. A film 14 is provided as a member.
[0063]
The film 14 is made of a non-permeable member that does not allow gas to permeate, and is disposed so as to cover the entire surface of the facing surface facing the introduction hole 11a. Thus, the gas introduced from the introduction hole 11a collides with the film 14 and changes its direction by approximately 90 °, thereby damping the impact. However, even when the entire surface facing the introduction hole 11a is not covered, the impact can be reduced to some extent. Further, in order to enhance the humidification efficiency, the shock can be buffered even if the material is not impermeable but is gas-permeable, such as a mesh.
[0064]
Therefore, the gas that has flowed in from the introduction hole 11a is sent into the hollow fiber membrane bundle 12 after the shock is buffered by the film 14, so that the impact received by the hollow fiber membrane 12a can be suppressed. This makes it possible to suppress the swinging of the hollow fiber membrane 12a and reduce the breakage and breakage of the hollow fiber membrane 12a.
[0065]
Further, a film 14 is similarly provided between a discharge hole 11b provided in the case 11 and a facing surface of the hollow fiber membrane bundle 12 facing the discharge hole 11b.
[0066]
Further, a part of the film 14 is buried in the potting portion 13, and the film 14 is positioned and fixed by the potting portion 13.
[0067]
The film 14 is wound so as to cover the hollow fiber membrane bundle 12. Thereby, the hollow fiber membrane bundle 12 is supported by the film 14 at the boundary surface with the potting portion 13.
[0068]
Therefore, the hollow fiber membrane bundle 12 is supported near the boundary surface (potting part surface) with the potting part 13 in the hollow fiber membrane where the hollow fiber membrane is usually most likely to break or break. The swaying of the hollow fiber 12a can be suppressed, and the breakage and breakage of the hollow fiber membrane 12a can be effectively suppressed.
[0069]
In addition, when a durability test was performed with 0 NL / min and 2000 NL / min as one cycle, when there was no film, leakage occurred due to breakage of the hollow fiber membrane in 200 cycles. No leak was confirmed at the end of 5000 cycles.
[0070]
Further, in the present embodiment, a gap S is provided over the entire circumference between the wall surface of the case 11 and the hollow fiber membrane bundle 12 near the introduction hole 11a and the discharge hole 11b provided in the case 11. I have.
[0071]
Thereby, the gas to be humidified introduced into the case 11 from the introduction hole 11a provided in the case 11 spreads over the entire circumference from the gap. Therefore, pressure loss can be suppressed.
[0072]
In addition, the gap S is provided over the entire circumference between the hollow fiber membrane bundle 12 and the case 11 on both the introduction side into the case and the discharge side outside the case. The humidification efficiency is also improved because the inflow of the gas and the discharge of the gas to the outside of the hollow fiber membrane bundle are performed over the entire circumference.
[0073]
At a position (near the center of the case) apart from the introduction hole 11a and the discharge hole 11b, a thick wall portion 11c having a thick wall is provided. As a result, the case 11 and the hollow fiber membrane bundle 12 are in contact with each other over the entire circumference.
[0074]
Therefore, the gas to be humidified introduced into the case 11 from the introduction hole 11 a provided in the case 11 passes through the gap between the wall surface of the case 11 and the hollow fiber membrane bundle 12 and is provided in the case 11 as it is. It can be prevented from being discharged from the discharge hole 11b. That is, the humidification target gas introduced into the case 11 from the introduction hole 11a can be almost certainly guided into the hollow fiber membrane bundle 12, and the humidification efficiency can be improved.
[0075]
In the above description, the humid gas (exhaust gas from the fuel cell) flows through the first path (arrows X1 and X2), and the humidification target gas (dry air) flows through the second path (arrows Y1 and Y2). Although the case has been described as an example, it is needless to say that, on the contrary, the humidified gas (dry air) may be supplied to the second path and the humidification target gas (dry air) may be supplied to the first path.
[0076]
(Second embodiment)
FIG. 3 shows a second embodiment of the present invention. In the present embodiment, a description will be given of a configuration (inner pipe type) in which the basic configuration of the humidifying device is different from that in the first embodiment. Note that the configuration of the fuel cell, the compressor, and the fluid (dry air and wet air) path configuration between them and the humidifier are the same as those in the first embodiment, and a description thereof will be omitted as appropriate.
[0077]
FIG. 3 is a partially cutaway schematic view of a humidifier for a fuel cell according to a second embodiment of the present invention.
[0078]
The humidifying device 50 according to the present embodiment mainly includes a tubular (cylindrical) outer case 51, an inner case (inner pipe) 55 disposed in the outer case 51, the outer case 51 and the inner case 55. And a hollow fiber membrane bundle 52 composed of a plurality of hollow fiber membranes 52a filled in a gap between the hollow fiber membranes 52a and an outer wall surface of each hollow fiber membrane 52a such that only the hollow interior of each hollow fiber membrane 52a is open to the outside. And a potting portion 53 for sealing and fixing between the outer case 51 and the wall surfaces of the outer case 51 and the inner case 55.
[0079]
The inner case 55 has an introduction hole 55a, and the outer case 51 has a discharge hole 51a. However, the discharge hole 51a on the outer case 51 side can be used as an introduction hole, and the introduction hole on the inner case 55 side can be used as a discharge hole.
[0080]
The introduction hole 55a and the discharge hole 51a are provided at different ends in the case longitudinal direction.
[0081]
In the humidifying device 50 configured as described above, the first path (arrows X1 and X2) passing through the inside of each hollow fiber membrane 52a (hollow interior) and the introduction hole 55a provided in the inner case 55, A second path (arrows Y1 and Y2) is formed in the hollow fiber membrane bundle 52, outside the hollow fiber membrane 52a, and further through a discharge hole 51a provided in the outer case 51. In the present embodiment, since the second path is always formed as a path penetrating from the inner peripheral surface to the outer peripheral surface of the cylindrical hollow fiber membrane bundle 52, the humidification efficiency is excellent.
[0082]
Then, the gas to be humidified (dry air) is sent from the compressor to the gap between the outer case 51 and the inner case 55 through the introduction hole 55a of the humidifier 50 (arrow Y1).
[0083]
The gas to be humidified sent into this gap passes through the inside of the hollow fiber membrane bundle 52 and outside the hollow fiber membrane 52a as described above, and after being humidified by this process, is discharged from the outer case 51. It is discharged out of the outer case 51 through the hole 51a (arrow Y2).
[0084]
The humidified gas discharged from the discharge hole 51a is sent into the fuel cell. As a result, the partition walls and the like in the fuel cell are kept moist.
[0085]
Further, the exhaust gas from the fuel cell, that is, the wet gas containing the water vapor after the reaction for generating electricity flows from one end side of the case in the humidifier 50 into the hollow fiber membrane 52a (hollow interior). It is sent (arrow X1).
[0086]
The wet gas sent into the hollow fiber membrane 52a is directly discharged from the other end of the case to the outside of the case.
[0087]
The principle of humidification in the humidifying device 50 is as described in the first embodiment, and a description thereof will be omitted.
[0088]
In the humidifying device 50 according to the present embodiment, the water flows from the introduction hole 55a between the introduction hole 55a provided in the inner case 55 and the facing surface of the hollow fiber membrane bundle 52 facing the introduction hole 55a. A film 54a is provided as a buffer member for buffering the shock of the gas.
[0089]
Therefore, the gas that has flowed in from the introduction hole 55a is sent into the hollow fiber membrane bundle 52 after the shock is buffered by the film 54a, so that it is possible to suppress the impact that the hollow fiber membrane 52a receives. Thereby, the swinging of the hollow fiber membrane 52a can be suppressed, and the breakage or breakage of the hollow fiber membrane 52a can be reduced.
[0090]
Further, a film 54b is similarly provided between the discharge hole 51a provided in the outer case 51 and the facing surface of the hollow fiber membrane bundle 52 facing the discharge hole 51a.
[0091]
The films 54a and 54b are partially buried in the potting portion 53, and are positioned and fixed by the potting portion 53.
[0092]
The films 54a and 54b are wound so as to cover the hollow fiber membrane bundle 52 (the film 54a is wound so as to cover the inner peripheral surface of the tubular hollow fiber membrane bundle 52, and the film 54b is It is wound so as to cover the outer peripheral surface of the hollow fiber membrane bundle 52). Thereby, the hollow fiber membrane bundle 52 is supported by the films 54a and 54b at the boundary surface with the potting portion 53.
[0093]
Therefore, since the hollow fiber membrane bundle 52 is supported near the boundary surface (potting part surface) with the potting part 53 in the hollow fiber membrane where the hollow fiber membrane is usually most likely to be broken or cut, the hollow fiber membrane in this vicinity is supported. The shaking of the hollow fiber 52a can be suppressed, and the breakage and breakage of the hollow fiber membrane 52a can be effectively suppressed.
[0094]
In the present embodiment, between the hollow fiber membrane bundle 52 and the wall surface of the inner case 55 near the introduction hole 55a provided in the inner case 55, and near the discharge hole 51a provided in the outer case 51. A gap S is provided over the entire circumference between the hollow fiber membrane bundle 52 and the wall surface of the outer case 51.
[0095]
Thereby, the humidification target gas introduced into the case through the introduction hole 55a provided in the inner case 55 spreads over the entire circumference from the gap S. Therefore, pressure loss can be suppressed.
[0096]
Further, on both the introduction side into the case and the discharge side outside the case, the gap S is provided between the hollow fiber membrane bundle and the case over the entire circumference, so that the gas flowing into the hollow fiber membrane bundle is The humidification efficiency is also improved because the inflow of gas and the discharge of gas to the outside of the hollow fiber membrane bundle are performed over the entire circumference.
[0097]
The diameter of the inner case 55 is set large at a position away from the introduction hole 55a. Thus, the inner case 55 and the hollow fiber membrane bundle 52 are in contact with each other over the entire circumference. Further, at a position away from the discharge hole 51a, the inner diameter of the outer case 51 is set small. Thus, the outer case 51 and the hollow fiber membrane bundle 52 are in contact with each other over the entire circumference.
[0098]
Therefore, the gap between the wall surface of the inner case 55 and the hollow fiber membrane bundle 52 and the gap between the outer case 51 and the hollow fiber membrane bundle 52 can be eliminated, so that the gas to be humidified is removed from the hollow fiber membrane bundle. The humidification efficiency can be enhanced by positively guiding the humidification to the inside of the humidifier 52.
[0099]
In the above description, the humid gas (exhaust gas from the fuel cell) flows through the first path (arrows X1 and X2), and the humidification target gas (dry air) flows through the second path (arrows Y1 and Y2). Although the case has been described as an example, it is needless to say that, on the contrary, the humidified gas (dry air) may be supplied to the second path and the humidification target gas (dry air) may be supplied to the first path.
[0100]
(Third embodiment)
4 and 5 show a third embodiment of the present invention. In the present embodiment, a configuration in which the way of binding the hollow fiber membranes is devised is shown.
[0101]
As for other configurations, the configurations of the first embodiment or the second embodiment can be applied, and the description thereof is omitted.
[0102]
FIG. 4 is a part of a perspective view showing a state of the hollow fiber membrane according to the present embodiment. FIG. 5 is a diagram for explaining the flow of gas when the bundle of hollow fiber membranes according to the present embodiment is used.
[0103]
In the embodiment of the present invention, three hollow fiber membranes 12a are bundled, and a fibrous material 60 is wound around the outer peripheral surface thereof. A plurality of bundles of three bundles are bundled to form a hollow fiber membrane bundle 12. The fibrous material 60 is also wound around the portion fixed by the potting portion.
[0104]
Thereby, since the hollow fiber membrane 12a is reinforced by the fibrous material 60, the strength is improved. Further, the swinging of the hollow fiber membrane 12a is suppressed. Therefore, it is possible to further reduce the breakage and breakage of the hollow fiber membrane 12a.
[0105]
The gas flowing into the case and flowing outside the hollow fiber membrane 12a forms a turbulent flow, as shown in FIG. 5A, due to the fibrous material 60 being wound. For this reason, since a new gas is constantly in contact with the surface of the hollow fiber membrane, the permeation of the substance across the hollow fiber membrane 12a is promoted.
[0106]
In addition, since the adjacent hollow fiber membranes do not come into close contact with each other due to the fibrous material 60 present on the surface of the hollow fiber membranes, it is possible to suppress a decrease in the surface area of the membrane that is effectively used, and also to reduce the distance between the respective membranes. Because of the uniformity, gas flows uniformly between the membranes, and the entire hollow fiber membrane constituting the hollow fiber membrane bundle functions efficiently. Therefore, the humidification efficiency is improved.
[0107]
When the fibrous material is not wound, as shown in FIG. 5B, the gas flowing inside the hollow fiber membrane bundle flows in a layered manner along the hollow fiber membrane.
[0108]
In the description so far, the configuration in which the hollow fiber membranes are bundled three by three and the fibrous material is wound is shown. However, the number of bundles is not limited, and the bundles are appropriately bundled according to the diameter and material of the hollow fiber membranes. What is necessary is just to select the number. Alternatively, a fibrous material may be wound around each hollow fiber membrane.
[0109]
(Fourth embodiment)
FIGS. 6 and 7 show a fourth embodiment of the present invention. In the present embodiment, a configuration is shown in which the potting portion has a structure including two layers of different materials.
[0110]
As for other configurations, the configurations of the first embodiment or the second embodiment can be applied, and the description thereof is omitted.
[0111]
FIG. 6 is a schematic diagram showing a potting section according to the present embodiment.
[0112]
In the present embodiment, the potting portion has a two-layer structure of the hard layer 13a made of a hard material such as an epoxy resin and the soft layer 13b made of a soft material such as a silicon resin.
[0113]
With this configuration, when the hollow fiber membrane 12a swings, its root is supported by the soft layer 13b, so that the soft layer 13b follows the swing of the hollow fiber membrane 12a. Therefore, the stress concentration on the hollow fiber membrane 12a can be reduced, and the breakage or breakage of the hollow fiber membrane 12a can be further suppressed.
[0114]
As shown in FIG. 7, as described in the third embodiment, also in the configuration in which the fibrous material 60 is wound around the hollow fiber membrane 12a, the potting portion includes the hard layer 13a and the soft layer 13b. It may have a layered structure. Thereby, the breakage or breakage of the hollow fiber membrane 12a can be further suppressed.
[0115]
(Fifth embodiment)
FIG. 8 shows a fifth embodiment of the present invention. In the above-described first embodiment, the configuration in the case of using a film as the buffer member has been described. In the present embodiment, the configuration in the case of using a rigid ring as the buffer member will be described.
[0116]
For other configurations, the configurations of the above-described embodiments can be used, and thus description thereof is omitted here.
[0117]
FIG. 8 is a part of a schematic sectional view of a humidifier for a fuel cell according to a fifth embodiment of the present invention.
[0118]
In the present embodiment, as shown in the figure, a rigidity as a cushioning member is provided between a hole (introduction hole and discharge hole) provided in the case 11 and a facing surface of the hollow fiber membrane bundle 12 facing the hole. A ring 70 is provided.
[0119]
The rigid ring 70 is fitted and fixed to the inner periphery of the case 11.
[0120]
The rigid ring 70 has the same function as the film in the first embodiment. That is, it has a function of buffering the impact of the gas flowing from the introduction hole and supporting the hollow fiber membrane bundle 12 at the boundary surface with the potting portion.
[0121]
Therefore, the same effect as in the case of the first embodiment can be obtained.
[0122]
(Sixth embodiment)
FIG. 9 shows a sixth embodiment of the present invention. In the fifth embodiment, a configuration in which a rigid ring is used instead of a film has been described. However, in the present embodiment, a case in which an equivalent to the rigid ring is formed by integral molding with a case will be described. Show.
[0123]
For other configurations, the configurations of the above-described embodiments can be used, and thus description thereof is omitted here.
[0124]
FIG. 9 is a part of a schematic sectional view of a humidifier for a fuel cell according to a sixth embodiment of the present invention.
[0125]
In the present embodiment, as shown, a buffer (a buffer member) serving as a buffer member is provided between a hole (inlet hole and discharge hole) provided in case 11 and a facing surface of hollow fiber membrane bundle 12 facing the hole. The wall 11d is formed integrally with the case 11 by molding.
[0126]
This buffer wall 11d exhibits the same function as the film in the first embodiment. That is, it has a function of buffering the impact of the gas flowing from the introduction hole and supporting the hollow fiber membrane bundle 12 at the boundary surface with the potting portion.
[0127]
Therefore, the same effect as in the case of the first embodiment can be obtained.
[0128]
In the case where a film is used as the cushioning member as in the case of the first embodiment, the film itself is inexpensive and has flexibility so that it can be easily adjusted to the shape and size of the case and the like. In addition, since the thin film itself can be applied, there is an advantage that the volume in the case can be effectively utilized.
[0129]
Further, when a rigid ring is used as a cushioning member as in the case of the second embodiment, and when a member equivalent to the rigid ring is formed in the case by integral molding as in the case of the third embodiment. Is advantageous in that it is easy to manufacture in operation and has excellent strength.
[0130]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to improve the performance, particularly, to reduce the breakage and breakage of the hollow fiber membrane.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a system configuration diagram of an entire humidifier for humidifying a fuel cell and a partition in the fuel cell.
FIG. 2 is a partially cutaway schematic view of the humidifier for a fuel cell according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a partially cutaway schematic view of a humidifier for a fuel cell according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a part of a perspective view showing a state of a hollow fiber membrane according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating a flow of gas when a method of bundling hollow fiber membranes according to a third embodiment of the present invention is used.
FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a potting unit according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic diagram illustrating a potting unit according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a part of a schematic cross-sectional view of a humidifier for a fuel cell according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a part of a schematic sectional view of a humidifier for a fuel cell according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a partially cutaway schematic view of a humidifier for a fuel cell.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Humidifier 11 Case 11a Inlet hole 11b Discharge hole 11c Thick wall part 11d Buffer wall 12 Hollow fiber membrane bundle 12a Hollow fiber membrane 13 Potting part 13a Hard layer 13b Soft layer 14 Film 20 Compressor 30 Fuel cell 31 Hydrogen supply part 32 Anode electrode 33 Cathode electrode 34 Distribution electrode 35 Partition wall 50 Humidifier 51 Outer case 51a Discharge hole 52 Hollow fiber membrane bundle 52a Hollow fiber membrane 53 Potting parts 54a, 54b Film 55 Inner case 55a Inlet hole 60 Fibrous material 70 Rigid ring

Claims

A hollow fiber membrane bundle,
A case having a hole filled with the hollow fiber membrane bundle and through which a gas passes.
A first path through the hollow fiber membrane;
A second path passing through the hole provided in the case and inside the hollow fiber membrane bundle and outside the hollow fiber membrane,
One of the first path and the second path is used as a path through which the gas to be humidified is sent and the humidified gas after humidification is sent to the fuel cell,
The other of the first path and the second path is a humidifier for a fuel cell used as a path for introducing a gas containing moisture discharged from the fuel cell,
A humidifying device for a fuel cell, comprising: a buffer member between a hole provided in the case and a facing surface of the hollow fiber membrane bundle facing the hole, for buffering a shock of gas flowing from the hole. .

2. The humidifier according to claim 1, wherein the buffer member supports the hollow fiber membrane bundle. 3.

Only the hollow interior of the hollow fiber membrane is opened to the outside, and a potting portion for sealing and fixing between the outer wall surfaces of the hollow fiber membrane and the wall surface of the case is provided.
A part of the buffer member is disposed so as to be buried inside the potting portion, and the buffer member supports the hollow fiber membrane bundle at a boundary surface between the hollow fiber membrane bundle and the potting portion. The humidifier for a fuel cell according to claim 2, wherein:

Only the hollow interior of the hollow fiber membrane is opened to the outside, and a potting portion for sealing and fixing between the outer wall surfaces of the hollow fiber membrane and the wall surface of the case is provided.
4. The humidifier according to claim 1, wherein the potting portion has a two-layer structure including a layer made of an outer hard material and a layer made of an inner soft material. 5.

Near the hole provided in the case, a gap is provided over the entire circumference between the hollow fiber membrane bundle and the wall surface of the case, and at a position away from the hole, the hollow fiber membrane bundle is provided. The humidifying device for a fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the humidifier is in contact with the entire surface of the humidifier.

In the plurality of hollow fiber membranes constituting the hollow fiber membrane bundle, a fiber is wound spirally around several of the hollow fiber membranes or each hollow fiber membrane. The humidifying device for a fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein: