JP2004245456A - 加湿装置 - Google Patents

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い、十分に乾燥気体を加湿する。
【解決手段】ハウジング２内に中空糸膜３の束を収納した中空糸モジュール４内にオフガス（湿潤気体）とスイープガス（乾燥気体）とを導入し、これらオフガスとスイープガスとの間で水分交換を行わせることによってオフガスを加湿する加湿装置１において、中空糸モジュール４内にオフガスを導入するオフガス導入部５に、オフガスを分散させる手段として、例えばスワーラ１３を設ける。スワーラ１３は、オフガス導入部５のオフガス導入管１１出口に配設され、オフガス導入側マニホルド１２に流れ込むオフガスに旋回成分を与えてこれを分散させる。
【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、この種の従来の加湿装置では、オフガス導入管と中空糸モジュールとがオフガスマニホルドにより連結されており、オフガス導入管から供給されるオフガスは、オフガスマニホルドから中空糸モジュール内に流入するようになっている。このとき、オフガス導入管からオフガスマニホルドに流れ込むオフガスは、オフガス導入管出口付近で噴流となるため、オフガスマニホルドの中心付近ではオフガスの流速が速くなり、オフガスマニホルドの外周側ではオフガスの流速が遅くなる。
【０００６】
従来の加湿装置においては、以上のようにオフガスマニホルド内における各部位のオフガスの流速に偏りが生じることによって、オフガスマニホルドの中心付近のオフガスが流入する中空糸モジュール中心軸付近では中空糸膜内に流入するオフガスの流量は多くなり、オフガスマニホルドの外周側のオフガスが流入する中空糸モジュールの外周側では中空糸膜内に流入するオフガスの流量は少なくなってしまう。このように、従来の加湿装置では、中空糸モジュールの各部位における中空糸膜に均一にオフガスが流入しないため、湿潤気体と乾燥気体との水分交換を中空糸モジュール全域に亘って行うことができず、乾燥気体を十分に加湿することができず、例えば燃料電池システムに用いた場合等には燃料電池スタックに必要な水分量を与えることができな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い、十分に乾燥気体の加湿が可能な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ハウジング内に収容してなる中空糸モジュールと、前記中空糸モジュールに流入する前記湿潤気体を分散させる湿潤気体分散手段とを備えることを特徴とする。この湿潤気体分散手段は、中空糸モジュールよりも前記湿潤気体の流路の上流側に配される。
【０００９】
本発明に係る加湿装置では、湿潤気体の流路の中空糸モジュールよりも上流位置に配された湿潤気体分散手段によって、湿潤気体が中空糸モジュールに流入する前に分散され、湿潤気体の導入管の出口付近での噴流の発生が防止される。そして、中空糸モジュールの各部位、例えば中心軸付近や外周部付近へ流入する湿潤気体は、前述したように湿潤気体分散手段によって分散されることにより、その流速及び流量が偏り無く均一化される。
【００１０】
【発明の効果】
本発明に係る加湿装置によれば、中空糸モジュールの各部位に流入する湿潤気体の流量の偏りが無くなることで、中空糸モジュールの全域において湿潤気体と乾燥気体との水分交換が効率よく行われるので、乾燥気体を効率よく十分に加湿することが可能となる。
【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る。この加湿装置１は、図１に示すように、ハウジング２内に複数本の水透過性の中空糸膜３を束ねて収容してなる中空糸モジュール４と、該中空糸モジュール４にオフガスを導入するオフガス導入部５と、中空糸モジュール４を通過したオフガスを排出するオフガス導出部６と、中空糸モジュール４にスイープガスを導入するスイープガス導入部７と、中空糸モジュール４を通過後のスイープガスが取り出され、燃料電池スタックへと導くスイープガス導出部８とからなる。
【００１５】
中空糸モジュール４を構成するハウジング２は、両端が開放された円筒形状を呈し、その外周面にスイープガス流入孔９とスイープガス流出孔１０とが形成されている。スイープガス流入孔９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４内への入り口となるものであり、オフガスが排出されるオフガス排出部６側の端部近傍に位置して、ハウジング５の外周面に所定間隔で複数個形成されている。また、スイープガス流出孔１０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、オフガスが導入されるオフガス導入部５側の端部近傍に位置して、スイープガス流入孔９と同様に、ハウジング５の外周面に所定間隔で複数個形成されている。
【００１６】
また、中空糸モジュール４を構成する中空糸膜３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。
【００１７】
オフガス導入部５は、燃料電池スタックから排出されたオフガスを中空糸モジュール４に導くものであり、オフガス導入管１１と、このオフガス導入管１１と中空糸モジュール４とを連結するオフガス導入側マニホルド１２と、オフガス導入管１１からオフガス導入側マニホルド１２に流れ込むオフガスを分散させるスワーラ１３とからなる。
【００１８】
スワーラ１３は、気体に旋回成分を与えてスワールを発生させるものであり、オフガス導入管１１の出口部分、すなわち、オフガス導入管１１のオフガス導入側マニホルド１２に向かって開口する部位に配設される。
【００１９】
本実施形態の加湿装置１においては、オフガス導入管１１からのオフガスが、中空糸モジュール４と略同径の空間を構成するオフガス導入側マニホルド１２内に流れ込むときに、オフガス導入管１１の出口部分に配されたスワーラ１３によってオフガスに旋回成分が与えられることで、オフガス導入側マニホルド１２の径方向にオフガスが分散されるようになっている。
【００２０】
オフガス導出部６は、中空糸モジュール４内を通過したオフガスを中空糸モジュール４外部に導くものであり、オフガス導出管１４と、このオフガス導出管１４と中空糸モジュール４とを連結するオフガス導出側マニホルド１５とからなる。オフガス導出部６では、中空糸モジュール４と略同径の空間を構成するオフガス導入側マニホルド１２で中空糸モジュール４から流出したオフガスが集気され、この集気されたオフガスがオフガス導出管１４から外部に排出される。
【００２１】
加湿装置１においては、燃料電池スタック１から排出されたオフガスが、図１中実線の矢印で示すように、オフガス導入部５を介してスワーラ１３によって分散された状態で中空糸モジュール４内に流入し、この中空糸モジュール４内を通過する過程でスイープガスとの間で水分交換が行われた後、オフガス導出部６から排出される。このとき、オフガスは中空糸モジュール４内においては中空糸膜３の内部を流れることになる。
【００２２】
スイープガス導入部７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４に導くものであり、スイープガス導入管１６と、このスイープガス導入管１６と中空糸モジュール４とを連結する円環状の空間を有する導入側マニホルド１７とからなる。そして、スイープガス導入部７は、スイープガス流入孔９上を含むハウジング２の一部を環状の導入側マニホルド１７で覆うように配設されている。
【００２３】
スイープガス導出部８は、中空糸モジュール４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４外部に導出して燃料電池スタックへと導くものであり、スイープガス導出管１８と、このスイープガス導出管１８と中空糸モジュール４とを連結する円環状の空間を有する導出側マニホルド１９とからなる。そして、スイープガス導出部８は、スイープガス流出孔１０上を含むハウジング２の一部を環状の導出側マニホルド１９で覆うように配設されている。
【００２４】
加湿装置１においては、燃料電池スタック１に供給するスイープガスが、図１中破線の矢印で示すように、スイープガス導入部７を介して中空糸モジュール４内に流入し、この中空糸モジュール４内をオフガスの流れとは反対方向に流れてオフガスとの間で水分交換が行われた後、スイープガス導出部８から排出される。このとき、スイープガスは中空糸モジュール４内においては中空糸膜３の外部を流れることになる。
【００２５】
以上のように構成される本実施形態の加湿装置１では、中空糸モジュール４内において相反する方向に流れるオフガスとスイープガスとの間で水分交換が行われることにより、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４内を流れるオフガス中の水分が中空糸膜４の毛管作用によって分離され、中空糸膜４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４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、スイープガス導出部８の導出側マニホルド１９内に流出して集気され、スイープガス導出管１８を通って燃料電池スタックへと導かれる。
【００２６】
ここで、本実施形態の加湿装置１においては、オフガスの流路の中空糸モジュール４よりも上流位置、すなわち前述したオフガス導入管１１の出口部分に配されたスワーラ１３によって、オフガス導入側マニホルド１２への流入時にオフガスが分散されるため、オフガス導入管１１出口付近での噴流の発生が防止される。そして、オフガス導入側マニホルド１２内のオフガスの流速が均一化され、オフガス導入側マニホルド１２内の各部位、例えば中心部付近や外周部付近に均一な流量のオフガスが流入される。このため、この加湿装置１では、中空糸モジュール４の各部位、例えば中空糸モジュール４の中心軸付近の中空糸膜３や、外周部付近の中空糸膜３等に流入するオフガスの流量の偏りを無くすことができ、中空糸モジュール４の全域で効率よくオフガスとスイープガスとの水分交換を行うことが可能となり、スイープガスを十分に加湿することができるようになる。そして、このようにスイープガスを十分に加湿することで、燃料電池スタックに十分な水分量を与えることができる。
【００２７】
また、加湿装置１では、前述したオフガスを分散させる手段としてスワーラ１３を使用することにより、簡単な構造で高いオフガス分散効果を得ることができる。
【００２８】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について図２を参照して説明する。本実施形態の加湿装置２１は、オフガスを分散させる手段として、オフガス導入側マニホルド１２内に板状の多孔質材２２を設けたものである。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。
【００２９】
多孔質材２２は、均一な密度で複数の貫通孔が全面に形成された均一な厚さの板状部材であり、例えばセラミックス等により形成されている。
【００３０】
このような構成の加湿装置２１では、オフガス導入管１１から噴出したオフガスが、オフガス導入側マニホルド１２内の多孔質材２２に衝突することによってその速度が低下し、オフガス導入側マニホルド１２内における流速が均一化される。そして、このようにオフガスの流速を低下させることによって、多孔質材２２よりも下流側のオフガス導入側マニホルド１２の各部位に均一な流量のオフガスが流入されるようになる。このため、加湿装置２１では、中空糸モジュール４の各部位に流入するオフガスの流量の偏りを無くすことができ、中空糸モジュール４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可能となり、水分交換の効率を向上させることができる。
【００３１】
また、加湿装置１では、前述したオフガスを分散させる手段として多孔質材２２を使用することにより、低コストで高いオフガス分散効果を得ることができる。
【００３２】
なお、本実施形態においては、多孔質材２２にセラミックス等よりなる板状部材を用いるようにしているが、これに代えて、金属細線を用いたマット等を多孔質材２２として用いるようにしてもよい。
【００３３】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。本実施形態の加湿装置では、オフガスを分散させる手段として上述した第２の実施形態と同様に多孔質材を用いている。ただし、本実施形態の加湿装置で用いられる多孔質材３１は、図３に示すように、その厚みが、外周側に比して中心部が大となるように形成されたものである。
【００３４】
本実施形態の加湿装置によれば、オフガスを分散させる手段として以上のような形状の多孔質材３１を使用することにより、オフガスの流速及び流量をより効果的に均一化させることができ、オフガスとスイープガスとの水分交換をより効率よく行うことが可能となる。また、多孔質材３１の各部位の厚みを変化させることによって、オフガス導入側マニホルド１２内でのオフガスの流れを自在に制御することができるので、中空糸モジュール４内におけるスイープガスの流れに合わせてオフガスの流れを制御することで、オフガスとスイープガスとの水分交換を更に効率よく行うことも可能となる。
【００３５】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。本実施形態の加湿装置においても、オフガスを分散させる手段として上述した第２の実施形態と同様に多孔質材を用いている。ただし、本実施形態の加湿装置で用いられる多孔質材４１は、図４に示すように、その密度が、外周側に比して中心部が高くなるように形成されたものである。
【００３６】
本実施形態の加湿装置によれば、オフガスを分散させる手段として以上のような多孔質材４１を使用することにより、オフガスの流速及び流量をより効果的に均一化させることができ、オフガスとスイープガスとの水分交換をより効率よく行うことが可能となる。また、多孔質材４１の各部位における密度を変化させることによって、オフガス導入側マニホルド１２内でのオフガスの流れを自在に制御することができるので、中空糸モジュール４内におけるスイープガスの流れに合わせてオフガスの流れを制御することで、オフガスとスイープガスとの水分交換を更に効率よく行うことも可能となる。
【００３７】
（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。本実施形態の加湿装置においても、オフガスを分散させる手段として上述した第２の実施形態と同様に多孔質材を用いている。ただし、本実施形態の加湿装置で用いられる多孔質材５１には、図５に示すように、その内部にヒータ５２が配設されている。
【００３８】
多孔質材５１の内部に配設されるヒータ５２としては、例えば電気ヒータや、内部に温媒が流通する配管等を使用することができる。なお、多孔質材５１としては、上述した第２の実施形態の多孔質材２２と同様のもの、または第３の実施形態の多孔質材３１と同様のもの、または第４の実施形態の多孔質材３１と同様のものが何れも使用可能である。
【００３９】
加湿装置においては、オフガス導入側マニホルド１２内にオフガスを衝突させる多孔質材を配すると、この多孔質材の内部でオフガス中の水蒸気が凝縮してしまい、中空糸モジュール４に流入するオフガス中の水蒸気量が減少してしまうという問題が懸念される。しかしながら、本実施形態の加湿装置のように、多孔質材５１の内部に該多孔質材５１を加熱するヒータ５２を設けるようにすれば、多孔質材５１を通過するオフガスの温度を上昇させることができるため、オフガス中の水蒸気が凝縮するようなことがなく、十分な水蒸気が含まれている状態でオフガスを中空糸モジュール４へ流入させることが可能となる。
【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】第２の実施形態の加湿装置を示す斜視図である。
【図３】第３の実施形態の加湿装置に使用される多孔質材を模式的に示す断面図である。
【図４】第４の実施形態の加湿装置に使用される多孔質材を模式的に示す断面図である。
【図５】第５の実施形態の加湿装置に使用される多孔質材を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１ 加湿装置
２ ハウジング
３ 中空糸膜
４ 中空糸モジュール
５ オフガス導入部
１１ オフガス導入管
１２ オフガス導入側マニホルド
１３ スワーラ
２２，３１，４１，５１ 多孔質材
５２ ヒータ

Claims (8)

1. 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ハウジング内に収容してなる中空糸モジュールと、
   前記中空糸モジュールよりも前記湿潤気体の流路の上流側に配され、前記中空糸モジュールに流入する前記湿潤気体を分散させる湿潤気体分散手段とを備えることを特徴とする加湿装置。
2. 湿潤気体導入管と、該湿潤気体導入管と前記中空糸モジュールとを連結するマニホルドとからなり、前記中空糸モジュールに湿潤気体を導入する湿潤気体導入部を更に備え、
   前記湿潤気体分散手段は、前記湿潤気体導入管の湿潤気体の出口部分に配されることを特徴とする請求項１に記載の加湿装置。
3. 前記湿潤気体分散手段として、湿潤気体に旋回成分を与えるスワーラが用いられることを特徴とする請求項２に記載の加湿装置。
4. 湿潤気体導入管と、該湿潤気体導入管と前記中空糸モジュールとを連結するマニホルドとからなり、前記中空糸モジュールに湿潤気体を導入する湿潤気体導入部を更に備え、
   前記湿潤気体分散手段は、前記マニホルド内に配されることを特徴とする請求項１に記載の加湿装置。
5. 前記湿潤気体分散手段として、板状の多孔質材が用いられることを特徴とする請求項４に記載の加湿装置。
6. 前記多孔質材は、その厚みが、外周側に比して中心部が大となるように形成されていることを特徴とする請求項５に記載の加湿装置。
7. 前記多孔質材は、その密度が、外周側に比して中心部が高くなるように形成されていることを特徴とする請求項５に記載の加湿装置。
8. 前記多孔質材の内部にヒータが配されていることを特徴とする請求項５に記載の加湿装置。

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