JP2004241227A

JP2004241227A - 加湿装置

Info

Publication number: JP2004241227A
Application number: JP2003028231A
Authority: JP
Inventors: Shiro Tanaka; 詩郎田中
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-02-05
Filing date: 2003-02-05
Publication date: 2004-08-26
Anticipated expiration: 2023-02-05
Also published as: JP4576793B2

Abstract

【課題】中空糸モジュールの全域において効率よく水分交換を行って乾燥気体を加湿する。
【解決手段】複数本の中空糸膜の束を、スイープガス流入孔７とスイープガス流出孔８とが形成されたハウジング内に収容してなる中空糸モジュール２に、スイープガス流入孔７を介して中空糸モジュール２内にスイープガスを導入するスイープガス導入部３と、中空糸モジュール２内を通過して加湿されたスイープガスを外部に導出するスイープガス導出部８とを取り付けて加湿装置１とする。スイープガスの入口となるスイープガス流入孔７と、スイープガスの出口となるスイープガス流出孔８は、ハウジング２の外周面において略対角となる位置に形成する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、中空糸膜を用いて湿潤気体と乾燥気体との間の水分交換を行うことにより乾燥気体を加湿する加湿装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば燃料電池システムにおいて好適に使用される加湿装置として、中空糸膜を用いた加湿装置が知られている。中空糸膜を用いた加湿装置は、中空糸膜の毛管作用を利用して、中空糸膜内部を流れる湿潤気体から水分を分離して中空糸膜外部に移動させ、中空糸膜外部を流れる乾燥気体を加湿するものである。
【０００３】
燃料電池システムでは、このような加湿装置を、燃料電池スタックから排出後の水蒸気を豊富に含んだオフガスと、燃料電池スタックに供給前の乾燥したスイープガスとの間で水分交換を行って、スイープガスを加湿するための加湿装置として利用している。この場合、加湿装置は、例えば中空糸膜の束をハウジング内に収容した中空糸モジュールを有する構成とされ、オフガスをオフガス導入管から中空糸膜内を流れるように中空糸モジュール内に流入させ、また、スイープガスをスイープガス導入管から、ハウジングの全周に亘って所定間隔で形成された複数のスイープガス流入孔を介して中空糸膜の外部を流れるように中空糸モジュール内に流入させる。そして、中空糸膜内外における水蒸気分圧の差によってオフガスの水分を中空糸膜外に透過させ、この透過した水分によって中空糸膜外を流れるスイープガスを加湿している。その後、加湿されたスイープガスは、スイープガス導出管から流出し、燃料電池スタックへと供給される（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−６６２６３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来の加湿装置では、中空糸モジュールに対して直角方向に流入するスイープガスの大半が、ハウジングの全周に設けられた複数のスイープガス流入孔のうちスイープガス導入管直下に位置するスイープガス流入孔から流入し、また、同様にほとんどのスイープガスが、スイープガス流入孔と同様にハウジングの全周に設けられた複数のスイープガス流出孔のうちスイープガス導出管直下のスイープガス流出孔から流出している。ここで、スイープガス導入管とスイープガス導出管とは、これらを結ぶ線が中空糸モジュールを構成するハウジングの中心軸と平行になるように配されているため、スイープガスが、スイープガス導入管からスイープガス導出管までの最短距離である中空糸モジュール内の外周部付近に集中的に流れる傾向にある。
【０００６】
また、上述した従来の加湿装置では、スイープガスが中空糸モジュール内で中空糸膜の外部を流れる際に、円筒形の中空糸モジュールの軸方向には流れやすく、外周部付近から中心軸方向には流れにくいという特徴を持っている。したがって、モジュール内に流入したスイープガスが、モジュール中心軸付近に到達せずに、スイープガスの流れが中空糸モジュール内の中空糸膜の束の外周部付近に偏ることになり、中空糸モジュール内の全域で水分交換が行われず、効率が悪いという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明は、中空糸モジュールの全域において効率よく水分交換を行って乾燥気体を加湿する加湿装置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】
本発明に係る加湿装置は、中空糸膜の内部を流れる湿潤気体と、前記中空糸膜の外部を流れる乾燥気体との間で水分交換を行い、前記乾燥気体を加湿するものであり、複数本の前記中空糸膜の束を、前記乾燥気体の流入孔と流出孔とが形成されたハウジング内に収容してなる中空糸モジュールと、前記流入孔を介して前記中空糸モジュール内に前記乾燥気体を導入する乾燥気体導入部と、前記中空糸モジュール内を通った前記乾燥気体を、前記中空糸モジュールの外部に導出する乾燥気体導出部とを備える。そして、前記流入孔と前記流出孔とが、前記ハウジングの外周面において略対角となる位置に形成されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る加湿装置では、流入孔と流出孔とが略対角となる位置に形成されることにより、中空糸モジュール内に流入した乾燥気体が、中空糸モジュール内の中空糸膜の束を横切って対角線を描くように流れることになり、中空糸モジュール内のほぼ全域で、湿潤気体との間で効果的に水分交換が行われることになる。
【００１０】
【発明の効果】
本発明に係る加湿装置によれば、中空糸モジュール内のほぼ全域で湿潤気体と乾燥気体との水分交換を行うことができ、水分交換の効率を向上させて、乾燥気体の加湿を効率的に行うことができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る加湿装置の具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
（第１の実施形態）
先ず、本発明の第１の実施形態の加湿装置について、図１乃至図３を参照して説明する。この加湿装置１は、燃料電池システムに好適に適用されるものである。
【００１３】
燃料電池システムは、燃料となる水素ガス及び酸化剤となる空気が供給されることで電気化学反応を生じさせて発電する燃料電池を備える。燃料電池は、水素ガスが供給される燃料極と空気が供給される空気極とが電解質を挟んで積層されたセルを発電単位とし、これらが多段に積層された構造を有している。各セルの電解質としては、高エネルギー密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、固体高分子質が多く用いられる。電解質として用いられる固体高分子膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能することになる。したがって、このような燃料電池システムでは、水素ガスや空気を加湿した状態で燃料電池に供給することによって、各セルの固体高分子電解質膜を加湿するようにしている。そして、本実施形態の加湿装置１は、このような燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックに供給する水素ガスや空気を加湿するために用いられる。
【００１４】
本実施形態の加湿装置１は、湿潤気体、具体的には燃料電池スタックから排出された水素ガス又は空気（以下、オフガスと称する。）と、乾燥気体、具体的には燃料電池スタックに供給する水素ガス又は空気（以下、スイープガスと称する。）との間で水分交換を行ってスイープガスを加湿するものであり、図１に示すように、中空糸モジュール２と、この中空糸モジュール２内にスイープガスを導入するスイープガス導入部３と、中空糸モジュール２内を通過して加湿されたスイープガスを中空糸モジュール２の外部に導出するスイープガス導出部４とを備える。
【００１５】
中空糸モジュール２は、図２に示すように、ハウジング５内に複数本の水透過性の中空糸膜６を束ねて収容してなるものである。ハウジング５は、両端が開放された円筒形状を呈し、その外周面に詳細を後述するスイープガス流入孔７とスイープガス流出孔８とが形成されている。また、中空糸膜６は、内側から外側に達する微細な毛管を多数有しており、前述したように複数本が束ねられた状態でハウジング２内に収容されている。
【００１６】
以上の構成の中空糸モジュール２には、図１中矢印Ａにて示すように、その一端側から、前記燃料電池スタックから排出されたオフガスが流入し、他端側から排出される。このオフガスは、中空糸モジュール２内において中空糸膜６の内部を流れることになる。
【００１７】
スイープガス流入孔７は、燃料電池スタックに供給するスイープガスの中空糸モジュール２内への入り口となるものであり、中空糸モジュール２のオフガス排出側である他端側近傍に位置して、ハウジング５の外周面に複数個形成されている。また、スイープガス流出孔８は、スイープガスの中空糸モジュール２内からの出口となるものであり、中空糸モジュール２のオフガス流入側である一端側近傍に位置して、ハウジング５の外周面にスイープガス導入孔７と同数形成されている。
【００１８】
ここで、本実施形態の加湿装置１においては、特に、スイープガス流入孔７とスイープガス排出孔８とが、ハウジング５の外周面において略対角となる位置、具体的には中空糸モジュール２の重心に対して対称な位置に形成されている。すなわち、この種の従来の加湿装置においては、ハウジングの全周に亘ってスイープガス流入孔とスイープガス流出孔とがそれぞれ形成されていたのに対して、本実施形態の加湿装置１では、ハウジング２の全周に亘ってスイープガス流入孔７とスイープガス流出孔８を形成せずに、中空糸モジュール２の重心に対して対称となる位置に形成するようにしている。スイープガス流入孔７とスイープガス排出孔８とをこのような位置に形成することによって、本実施形態の加湿装置１においては、スイープガス流入孔７から中空糸モジュール２内に流入したスイープガスが、図１中矢印Ｂにて示すように、オフガスの流れ（矢印Ａ）とは反対方向に、且つ中空糸モジュール２内部の中空糸膜６の束を横切って対角線を描くようにして、中空糸膜６の外部を流れることになる。
【００１９】
スイープガス導入部３は、燃料電池スタックに供給するスイープガスを中空糸モジュール２に導くものであり、図３（ａ）に示すように、スイープガス導入管９と、このスイープガス導入管９と中空糸モジュール２とを連結する円環状の空間を有する導入側マニホルド１０とからなる。そして、スイープガス導入部３は、スイープガス流入孔７上を含むハウジング５の一部を環状の導入側マニホルド１０で覆うように、特にスイープガス導入管９が、いずれかのスイープガス流入孔７の直上に位置するように配設されている。
【００２０】
スイープガス導出部４は、中空糸モジュール２内を通過して加湿されたスイープガスを中空糸モジュール２外部に導出して燃料電池スタックへと導くものであり、図３（ｂ）に示すように、スイープガス導出管１１と、このスイープガス導出管１１と中空糸モジュール２とを連結する円環状の空間を有する導出側マニホルド１２とからなる。そして、スイープガス導出部４は、スイープガス流出孔８上を含むハウジング５の一部を環状の導出側マニホルド１２で覆うように、特にスイープガス導出管１１が、スイープガス流出孔８が形成された位置とは逆側となるハウジング５の外周面上に位置するように配設されている。したがって、中空糸モジュール２内を通過して加湿され、スイープガス流出孔８から流出するスイープガスは、図３（ｂ）中矢印Ｃにて示すように、導出側マニホルド１２の円環状の空間を通ってスイープガス導出管１１に到達し、燃料電池スタックへと導かれることになる。
【００２１】
以上のように構成される本実施形態の加湿装置１では、スイープガス導入管９から導入側マニホルド１０にスイープガスが導入され、この導入側マニホルド１０に導入されたスイープガスがスイープガス流入孔７から中空糸モジュール２内に流入し、このスイープガスと、同様に中空糸モジュール２内に流入したオフガスとの間で水分交換が行われ、スイープガスが加湿される。具体的には、この加湿装置１においては、中空糸膜６内を流れるオフガス中の水分が中空糸膜６の毛管作用によって分離され、中空糸膜６の毛管を透過して外部に移動する。そして、水分が移動した中空糸膜６の外部の空間中にスイープガスが導入され流れることによって、このスイープガスが加湿される。その後、加湿されたスイープガスは、スイープガス流出孔８から導出側マニホルド１２内に流出して集気され、スイープガス導出管１１を通って燃料電池スタックへと導かれる。
【００２２】
本実施形態の加湿装置１においては、このようにしてオフガスとスイープガスとの間の水分交換が行われてスイープガスが加湿されるが、前述したように、スイープガス流入孔７とスイープガス流出孔８とが、ハウジング２の外周面において略対角となる位置に形成されている。これにより、スイープガスが中空糸モジュール２内部の中空糸膜６の束を横切って対角線を描くように流れ、中空糸膜６の束の外周部だけでなく、これまであまり水分交換に使用されていなかった中空糸モジュール２の中心軸付近でも水分交換が行われるようになる。したがって、この加湿装置１では、スイープガスを加湿する際に、中空糸モジュール２の全域でオフガスとスイープガスとの水分交換を行うことができるようになり、水分交換の効率を向上させて、スイープガスの加湿を効率的に行うことができる。
【００２３】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態の加湿装置について、図４及び図５を参照して説明する。この加湿装置２１は、図４に示すように、スイープガス流入孔７に対するスイープガス導入部３の取り付け位置、及びスイープガス流出孔８に対するスイープガス導出部４の取り付け位置が、上述した第１の実施形態の加湿装置１とは異なるものである。なお、第１の実施形態と同一の部分については同一符号を付して、ここでは詳細な説明は省略する。
【００２４】
本実施形態の加湿装置２１において、スイープガス流入孔７とスイープガス流出孔８とがハウジング５の外周面において略対角となる位置に形成されている点は、上述した第１の実施形態と同様である。したがって、本実施形態の加湿装置２１においても、スイープガス流入孔７から中空糸モジュール２内に流入したスイープガスは、図４中矢印Ｄにて示すように、オフガスの流れとは反対方向に、且つ中空糸モジュール２内部の中空糸膜６の束を横切って対角線を描くように流れることになる。
【００２５】
ただし、本実施形態の加湿装置２１においては、図５（ａ）に示すように、スイープガス導入部３のスイープガス導入管９が、スイープガス流入孔７が形成された位置とは逆側となるハウジング５の外周面上に位置するように取り付けられている。また、図５（ｂ）に示すように、スイープガス導出部４のスイープガス導出管１１が、ハウジング５に形成されたいずれかのスイープガス流出孔８の直上に位置するように取り付けられている。
【００２６】
したがって、本実施形態の加湿装置２１においては、スイープガス導入管９から導入されたスイープガスが、中空糸モジュール２内に流入する前に、図５（ａ）中矢印Ｅにて示すように、導入側マニホルド１０の円環状の空間を通過する。このとき、スイープガスの流速は低下し、しがって、スイープガス流入孔７から中空糸モジュール２内に流入するスイープガスの流速を低く抑えることができる。このため、本実施形態の加湿装置２１では、スイープガスの流入時にスイープガス流入孔７直下の中空糸膜６に与える衝撃が緩和され、中空糸モジュール２における中空糸膜６の劣化を有効に防止することができる。
【００２７】
また、この加湿装置２１にあっても、スイープガス流入孔７とスイープガス流出孔８とがハウジング５の外周面において略対角となる位置に形成されており、スイープガスが中空糸モジュール２内部の中空糸膜６の束を横切って対角線を描くように流れることになるため、中空糸モジュール２の中心軸付近でも水分交換が行われるようになり、水分交換の効率を向上させて、スイープガスの加湿を効率的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の加湿装置を示す斜視図である。
【図２】前記加湿装置の中空糸モジュールを示す斜視図である。
【図３】前記加湿装置の断面図であり、（ａ）はスイープガス導入部が取り付けられた部分の縦断面図、（ｂ）はスイープガス導出部が取り付けられた部分の縦断面図である。
【図４】第２の実施形態の加湿装置を示す斜視図である。
【図５】前記第２の実施形態の加湿装置の断面図であり、（ａ）はスイープガス導入部が取り付けられた部分の縦断面図、（ｂ）はスイープガス導出部が取り付けられた部分の縦断面図である。
【符号の説明】
１加湿装置
２中空糸モジュール
３スイープガス導入部
４スイープガス導出部
５ハウジング
６中空糸膜
７スイープガス流入孔
８スイープガス流出孔
９スイープガス導入管
１０導入側マニホルド
１１スイープガス導出管
１２導出側マニホルド
２１加湿装置

Claims

中空糸膜の内部を流れる湿潤気体と、前記中空糸膜の外部を流れる乾燥気体との間で水分交換を行い、前記乾燥気体を加湿する加湿装置において、
複数本の前記中空糸膜の束を、前記乾燥気体の流入孔と流出孔とが形成されたハウジング内に収容してなる中空糸モジュールと、
前記流入孔を介して前記中空糸モジュール内に前記乾燥気体を導入する乾燥気体導入部と、
前記中空糸モジュール内を通った前記乾燥気体を、前記中空糸モジュールの外部に導出する乾燥気体導出部とを備え、
前記流入孔と前記流出孔とが、前記ハウジングの外周面において略対角となる位置に形成されていることを特徴とする加湿装置。
前記乾燥気体導入部は、前記流入孔を含む前記ハウジングの一部を囲む環状のスイープガス導入マニホルドと、このスイープガス導入マニホルドに連通されるスイープガス導入管とからなり、
前記スイープガス導入管が、前記中空糸モジュールの中心軸に対して前記流入孔と対称となる位置に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の加湿装置。