JP2005155994A - 中空糸膜加湿器 - Google Patents

Abstract

【課題】中空糸膜の破損を防止すると共に、水蒸気の交換効率を高めて加湿性能を向上させた中空糸膜加湿器を提供する。
【解決手段】ハウジング２と、ハウジング２に形成されたガス流入孔（乾燥ガス導入孔）７と、ハウジング２内に収納され、複数本の中空糸膜４から構成される中空糸膜束３と、ハウジング２と中空糸膜束４との間に配置され、ガス流入孔７から流入するガスを遮蔽する遮蔽部材１３と、遮蔽部材１３に取り付けられ、ガス流入孔７から流入するガスを中空糸膜束３内部に導入する楔形状のガス流入ノズル１５と、ハウジング２に形成され、中空糸膜４を介して水蒸気を透過させて、中空糸膜４の内側と外側とにより水蒸気を移動させてガスを加湿した上で、中空糸膜４外側を流通するガスを排気するガス排気孔８と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムの燃料である空気供給ラインに設置され、燃料となる空気を加湿する中空糸膜加湿器に関する。

燃料電池は、水素ガスと酸素ガスとを燃料として、両者のガスを電気化学的に反応させて、化学エネルギを電気エネルギに直接変換して発電する装置である。燃料電池は、発電に伴い排気ガスを生じないため、地球環境保護の観点からも注目されており、近年、自動車搭載用の動力源としての実用化が進められている。

燃料電池は、発電の基本単位となる単セルを複数個積層して構成される燃料電池スタックを含むものである。例えば、固体高分子電解質膜を適用した燃料電池では、単セルは、固体高分子電解質膜両側に酸素極及び水素極を接合して一体化した膜電極接合体（MEA: membrane electrode assembly）を有しており、酸素極及び水素極に酸素ガス及び水素ガスをそれぞれ供給して発電している。

燃料電池を適用した燃料電池発電システムでは、酸素を含むカソードガス（空気）を燃料電池に供給するカソードガス流路を備えており、カソードガス流路上に加湿装置が設置される。この加湿装置では、燃料電池内の反応で消費されずに排出されたオフガス中に含まれる水分を回収し、回収した水分によりカソードガスを加湿した上で、燃料電池内に供給している。

上記加湿装置として、例えば、図７に示す中空糸膜を用いた中空糸膜加湿器が開示されている（特許文献１参照）。

図７は、中空糸膜加湿器の構成を示す図である。図７に示すように、中空糸膜加湿器１００は、円筒形状のハウジング１０１内に固定配置した中空糸膜束１０２を収納しており、中空糸膜束１０２は、ストロー形状の多数の中空糸膜１０３を束ねて構成される。

ハウジング１０１の外周には、乾燥ガス導入管１０４と加湿ガス排気管１０５とが取り付けられており、加湿するガスである乾燥ガスを導入し、加湿された加湿ガスを排気している。

乾燥ガス導入管１０４とハウジング１０１との当接位置であるハウジング外周面上には乾燥ガス導入孔１０６が複数形成され、加湿ガス排気管１０５とハウジング１０１との当接位置であるハウジング外周面上にも、加湿ガス排気孔１０７が複数個形成されている。

ハウジング１０１長手方向の両端部には、オフガス導入管１０８とオフガス排気管１０９とが接続され、中空糸膜１０３内にオフガスを流通させている。

上記構成の中空糸膜加湿器１００において、オフガス導入管１０８からオフガスを供給して中空糸膜１０３内側に流通させると、中空糸膜１０３の毛管中で蒸気圧が低下して毛管中に水蒸気の凝縮が起こり凝縮水となる。凝縮水は、毛管現象により毛管内を透過して中空糸膜１０３の外側に移動する。一方、乾燥ガス導入管から導入された乾燥ガス（空気）は、中空糸膜１０３の外側に流入して、中空糸膜１０３外側に移動した凝縮水により加湿される。

その後、加湿ガス（空気）は、ハウジング周上の加湿ガス排気管から排気され、図示しない燃料電池に供給されると共に、水分が回収されたオフガスは、オフガス排気管１０９から排気される。
特開２００２−６６２６２号公報（第４頁、第２図）

しかしながら、従来の中空糸膜加湿器では、乾燥ガス導入孔から大量の乾燥ガスが流入すると、大量の乾燥ガスが中空糸膜の特定位置にあたり、中空糸に応力や振動が発生して中空糸膜が折れ、あるいは切断して破損してしまうという現象が生じていた。中空糸膜が破損すると、中空糸膜の表面積の低下に伴い水蒸気の移動面積が減少して、加湿性能が低下していた。このため、中空糸膜の破損を防止するために、中空糸膜加湿器の改良が各種行われている。

図８は、改良した中空糸膜加湿器側面を展開した図を示す。を図８に示すように、中空糸膜加湿器１１０は、乾燥ガス導入孔１０６、加湿ガス排気孔１０７の直下の中空糸膜束周上にリング状の遮蔽板１１１,１１２を各々設置している。

中空糸膜束周上にリング状の遮蔽板１１１,１１２をそれぞれ設置して、乾燥ガスからの応力や乾燥ガスによる振動を低減して、中空糸膜の折れや切断による破損を防止できるが、一方において、乾燥ガスの流入方向が、ハウジングの軸方向に変化してしまい、ハウジング中心部に向かう乾燥ガスの流速がほとんど０になってしまっていた。このため大部分の乾燥ガスがハウジング外周付近を矢印Ｓ1に示すように流れて、ハウジング中心部付近に乾燥ガスが流れ難くなり、水蒸気の回収効率が低下して、加湿性能が低下していた。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、すなわち、本発明の中空糸膜加湿器は、ハウジングと、前記ハウジングに形成されたガス流入孔と、前記ハウジング内に収納され、複数本の中空糸膜から構成される中空糸膜束と、前記ハウジングと前記中空糸膜束との間に配置され、前記ガス流入孔から流入するガスを遮蔽する遮蔽部材と、前記遮蔽部材に取り付けられ、前記ガス流入孔から流入するガスを前記中空糸膜束内部に導入するガス流入ノズルと、前記ハウジングに形成され、前記中空糸膜を介して水蒸気を透過させて、前記中空糸膜の内側と外側とにより水蒸気を移動させてガスを加湿した上で、前記中空糸膜外側を流通するガスを排気するガス排気孔と、を備えることを要旨とする。

本発明の中空糸膜加湿器によれば、遮蔽部材を形成したため中空糸膜が折れあるいは破断による損傷を防止できるだけでなく、遮蔽部材に、ガス流入ノズルを取り付けて、中空糸膜束の中心部にまでガスを導入できるため、水蒸気の交換効率が高まり、加湿性能を向上することができる。

以下、本発明の実施の形態に係る中空糸膜加湿器について、第１実施形態及び第２実施形態を用いて説明する。

＜第１実施形態（図１〜図４）＞
本実施形態では、中空糸膜加湿器の構成及びその機能について、図１から図４までを用いて説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る中空糸膜加湿器の構成を示す外観図である。

図１に示すように、中空糸膜加湿器１は、円筒形状のハウジング２内に固定配置した中空糸膜束３を収納しており、中空糸膜束３は、ストロー形状の複数の中空糸膜４を束ねて構成される。

ハウジング２外周には、乾燥ガス導入管５と加湿ガス排気管６とが取り付けられており、乾燥ガスを導入すると共に加湿された加湿ガスを排気している。

乾燥ガス導入管５が接続されたハウジング２の外周面上には、周方向の一直線上に複数個の乾燥ガス導入孔７が形成されると共に、加湿ガス排気管６が接続されたハウジング２の外周面上に、周方向の一直線上に加湿ガス排気孔８が複数個形成されている。

ハウジング２長手方向の両端部には、オフガス導入管９とオフガス排気管１０とが接続され、中空糸膜４内にオフガスを流通させている。

図２は、図１に示す中空糸膜加湿器１のハウジング２側面の展開図である。図２に示すように、複数の中空糸膜４から構成される中空糸膜束３外周面はネット１１により被覆されている。ハウジング２両端部にはポッディング１２が形成され、ポッディング１２により中空糸膜４の両端をハウジング２に固定し、中空糸膜４の径内の流路は開放している。

ハウジング２両端側であり、ハウジング２内周面側の乾燥ガス導入孔７及び加湿ガス排気孔８の直下には、遮蔽部材として各々２枚のリング状のガス遮蔽板１３,１４が配置されている。リング状のガス遮蔽板１３,１４には、ハウジング２に形成された乾燥ガス導入孔７及び加湿ガス排気孔８が形成された位置に、楔形状のガス流入ノズル１５がそれぞれ取り付けられている。楔形状のガス流入ノズル１５をより詳細に説明するために、図２に示す中空糸膜加湿器１のA-A断面図を図３に示す。

図３に示すように、ハウジング２内周面に配置されたリング状のガス遮蔽板１３にはガス流入ノズル１５が所定間隔をあけて配置され、ガス流入ノズル１５の先端部は、中空糸膜束３の中央部に向かって、ハウジング２直径の約４分の１の長さ位置に配置されている。さらに、図４は、図２に示す中空糸膜加湿器１のA-A断面図を示す図であるが、図４に示すように、ガス流入ノズル１５の側面に、ガス流入ノズルの深さ方向と直角方向に、所定間隔をあけて複数のガス拡散孔１６を形成しても良い。

上記構成の中空糸膜加湿器１では、燃料電池スタック内での発電で消費されずに排気された水蒸気を含有するオフガス（空気）が、図１に示すオフガス導入管９から導入され、中空糸膜４内部に流入する。一方、加湿する対象となる乾燥ガスは、図１に示す乾燥ガス導入管５から導入され、乾燥ガス導入管５を介してハウジング２内に導入された乾燥ガスは、ハウジング２周上の複数の乾燥ガス流入孔７からハウジング２内の中空糸膜４外側に流入する。なお、乾燥ガスが、ハウジング２内の中空糸膜４外側に流入する際、図３に示すように、リング状の遮蔽板１３にガス流入ノズル１５を取り付けると、ガス流入ノズル１５を介して乾燥ガス流入孔７から中空糸膜束３内にスムーズにガスが流入する。また、この時、圧力損失が上昇することなく、乾燥ガスは、矢印S２の向きに流入して、乾燥ガスは中空糸膜束３の中心部にまで達する。さらに、ガス流入ノズルにガス拡散孔を形成している場合には、図４に示すように、乾燥ガスは、ガス流入ノズル１５の側面からも矢印Ｓ３の方向により中空糸膜束３に流入し、中空糸膜束３を構成する各中空糸膜４全体に乾燥ガスが均一に行き渡る。本実施形態に係る中空糸膜加湿器では、図２に示すように、従来のように、矢印Ｓ1を流れる乾燥ガスも存在するが、ガス遮蔽板１３にガス流入ノズル１５を形成したため、中空糸膜束３の中心部を流れる乾燥ガスの量は大幅に増加する。

中空糸膜内部に流入したオフガスは、そのオフガス中に含まれる水蒸気が、中空糸膜４内の毛細管により毛管凝縮現象をおこし、毛細管内を透過して中空糸膜４の外側に移動する。中空糸膜４径内のオフガスから移動した水蒸気は、ガス流入ノズルを介して中空糸膜４の外側に流入した乾燥ガスにより回収され、乾燥ガスが加湿される。加湿ガスは、加湿ガス排気孔８を介して加湿ガス排気管６に導入され、ハウジング２外部に排気する。一方、中空糸膜４により水蒸気を分離した後のオフガスは、オフガス排気管１０からハウジング２外部に排気される。

なお、本実施形態の中空糸膜加湿器では図示しないが、乾燥ガス導入管５から距離が離れる程、ガス流入ノズル１５の開口面積が大きくなるように構成している。このようにガス流入孔ノズルを構成することにより、中空糸膜４内に均一に乾燥ガスを流入することができ、水蒸気の交換効率をより一層高めることができる。

本実施形態によれば、リング状のガス遮蔽板を設置したため、中空糸膜の折れや切断を防止できるだけでなく、リング状のガス遮蔽板内側に楔形状のガス流入ノズルを設置したため、従来、乾燥ガスによって回収されることのなかった中空糸膜束中心部の水分をも回収することができ、水蒸気の交換効率が良く、加湿性能の高い中空糸膜加湿器を得ることができる。

また、ハウジング周上に設けられた乾燥ガス流入孔直下にガス流入ノズルを設置したため、乾燥ガス流入孔からスムーズにガス流入ノズルにガスが流入し、圧力損失が上昇することなく、中空糸膜外側を通流するガスが中空糸膜束中心部にまで達して、水蒸気の交換効率を高めることができる。

さらに、ガス流入ノズルの開口面積を、ガス導入口から距離が遠い程、大きくしたため、複数のガス流入ノズルに均一に中空糸膜外側を通流するガスが流入し、水蒸気の交換効率をさらに向上することができる。また、楔形状のガス流入ノズル側面にガスをノズル周辺部に拡散させるガス拡散孔を設けたため、楔形状のガス流入ノズル側面からも中空糸膜外側を通流するガスが流入し、中空糸膜束全体にガスが行き渡る結果、水蒸気の交換効率を向上することができる。

＜第２実施形態（図５、図６）＞
本実施形態では、第１実施形態で示した中空糸膜加湿器内の遮蔽板の形状を変えると共に、ガス流入ノズルの形状を変えたものである。その他の箇所は、第１実施形態で示した中空糸膜加湿器と同様であり、同一箇所には同一の符号を使用して、その説明を省略する。

図５は、本実施形態に係る中空糸膜加湿器のハウジング側面の展開図である。図５に示すように、遮蔽部材として外側にコの字形状としたリング状のガス遮蔽板１７をハウジング２内部に配置して、ガス遮蔽板１７に楔形状のガス流入ノズルを取り付けた構成としている。また、図６に示すように、本実施形態の中空糸加湿器に取り付けたガス流入ノズル１６は、その開口部を流線形状に構成している。

上記構成の中空糸膜加湿器では、リング状のガス遮蔽板１３が外向きにコの字形状であるため、乾燥ガスがハウジング２とガス遮蔽板１３との間の隙間から漏れて、矢印Ｓ１のハウジング外周付近を流れる乾燥ガスが無くなり、乾燥ガス導入管５から導入された乾燥ガスの全量が、ガス流入ノズル１６から中空糸膜束４に矢印Ｓ２の方向から流入する。このため、中空糸膜束３の中心部に流れる乾燥ガスの流量が増加する。

従って、本実施形態によれば、中空糸膜束の中心部付近に通流するガス量が増加して、水蒸気の交換効率が高まり、加湿性能を向上することができる。

また、楔形状のガス流入ノズルと中空糸膜とが接触することにより、特に、ガス流入ノズルのエッジによって中空糸膜が切断してしまう可能性も存在したが、本実施形態では、ガス流入ノズルの開口部を流線形状に構成したため、ガス流入ノズルにエッジが無くなるだけでなく、ガス流入ノズルから中空糸膜に負荷される力を分散することができる。この結果、中空糸膜とガス流入ノズルとが接触して、中空糸膜が折れ又は切断する等による破損を防ぐことができる。

なお、上述した第１実施形態及び第２実施形態で示した中空糸膜加湿器では、中空糸膜の外側を乾燥ガスが流通し、中空糸膜の内側をオフガスが流通する構成としたが、中空糸膜の内側と外側に流通するガスはその逆としても良く、中空糸膜の外側をオフガスとし、中空糸膜の内側を乾燥ガスが流通する構成としても本発明の効果は変わるものではない。

本発明の第１実施形態を説明する図であり、中空糸膜加湿器の構成を示す外観図である。 図１に示す中空糸膜加湿器の中空糸膜ハウジングの側断面図である。 図２に示す中空糸膜ハウジングのA-A断面を示す図である。 図２に示す中空糸膜ハウジングのA-A断面を示す図であり、側面にガス拡散孔を形成したガス流入ノズルを示す図である。 本発明の第２実施形態における、中空糸膜加湿器のハウジング側面を示す展開図である。 図５に示す中空糸膜加湿器のガス流入ノズル開口部の形状を示す図である。 従来における、中空糸膜加湿器の構成を示す外観図である。 従来における、改良した中空糸膜加湿器側面を示す展開図である。

符号の説明

１…中空糸膜加湿器,
２…ハウジング,
３…中空糸膜束,
４…中空糸膜,
５…乾燥ガス導入管,
６…加湿ガス排気管,
７…乾燥ガス導入孔,
８…加湿ガス排気孔,
９…オフガス導入管,
１０…オフガス排気管,
１１…ネット,
１２…ポッディング,
１３,１４…リング状のガス遮蔽板,
１５…楔形状のガス流入ノズル,
１６…ガス拡散孔,

Claims (7)

1. ハウジングと、
   前記ハウジングに形成されたガス流入孔と、
   前記ハウジング内に収納され、複数本の中空糸膜から構成される中空糸膜束と、
   前記ハウジングと前記中空糸膜束との間に配置され、前記ガス流入孔から流入するガスを遮蔽する遮蔽部材と、
   前記遮蔽部材に取り付けられ、前記ガス流入孔から流入するガスを前記中空糸膜束内部に導入する楔形状のガス流入ノズルと、
   前記ハウジングに形成され、前記中空糸膜を介して水蒸気を透過させて、前記中空糸膜の内側と外側とにより水蒸気を移動させてガスを加湿した上で、前記中空糸膜外側を流通するガスを排気するガス排気孔と、
   を備えることを特徴とする中空糸膜加湿器。
2. 前記ガス流入孔は、前記ハウジングの外周面上に複数個形成されており、前記ガス流入ノズルは、ガス流入孔の直下に配置されたことを特徴とする請求項１記載の中空糸膜加湿器。
3. 前記ハウジングの外周にガス導入管が接続されており、前記ガス導入管から距離が離れるほど、前記ガス流入ノズルの開口面積が大きくなることを特徴とする請求項１又は２記載の中空糸膜加湿器。
4. 前記ガス流入ノズルは、開口部の外周にガスを拡散させるガス拡散孔を設置したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の中空糸膜加湿器。
5. 前記ガス流入ノズルの開口部が、流線形状であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の中空糸膜加湿器。
6. 前記遮蔽部材は、前記中空糸膜束の外周面に形成されたリング状の遮蔽板であることを特徴とする請求項１に記載の中空糸膜加湿器。
7. 前記遮蔽部材は、前記中空糸膜束の外周面に形成されたリング状の遮蔽板であり、かつ、前記遮蔽板の両端部位置が前記ハウジングに向かって凸状に形成され前記ハウジングに当接した形状を有することを特徴とする請求項１記載の中空糸膜加湿器。
   
   

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