JP2005158517A - 中空糸膜加湿器 - Google Patents

Abstract

【課題】中空糸膜モジュールの全領域にオフガスを流通させて、加湿性能を高めた中空糸膜加湿器を提供する。
【解決手段】収納容器２０と、収納容器２０内に少なくとも２本以上収納され、中空糸膜の内側と外側とにより水を移動させて乾燥ガスを加湿する中空糸膜モジュール１０a,１０bと、中空糸膜モジュール１０a,１０bの中空糸膜内側を流通するガスの流路方向と垂直方向の中心線Aから一方の側の収納容器２０に形成されたオフガス導入口１３と、中心線Aから他方の側の収納容器２０に形成されたオフガス排気口１４と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池車等に搭載される燃料電池システムに設置され、燃料である空気等を加湿する中空糸膜加湿器に関する。

燃料電池は、水素ガス及び酸素ガスを燃料として用いて発電する装置であり、
発電に伴い排気ガスが生じないため地球環境保護の観点から注目されており、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において、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、酸素ガス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を設置している。加湿装置は、燃料電池内の反応で生成し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（空気）を加湿した後、燃料電池内に供給している。

従来、燃料電池用の加湿装置として、以下のような加湿装置が挙げられる（特許文献１参照）。

従来の加湿装置は、収納容器内に略円筒形状の中空糸膜モジュールを並列に２本配置し、中空糸膜モジュール長手方向の両端部に箱型をした分配器を各々備え、全体として直方体形状に構成される。２本の中空糸膜モジュールは、水平に所定の間隔を空けて中空糸膜モジュール両端部の一端側分配器及び他端側分配器により固定配置され、２本の中空糸膜モジュールの各々に一端側分配器を介して乾燥ガスを供給すると共にオフガスを排気している。また、他端側分配器を介して加湿した加湿ガスを排気すると共にオフガスを供給している。従来の加湿装置では、オフガスを供給する１本のオフガス導入管が、中空糸膜モジュールの長手方向に対して垂直方向に配置され、オフガス導入管が、２本の中空糸膜モジュール間で分岐して２本のオフガス導入管に構成されている。

従来の加湿装置では、オフガス導入管を２分割して左右の中空糸膜モジュールにオフガスの分配し、また、オフガス導入管で２分されたオフガスを、水平方向から左右の中空糸膜モジュール内に流入している。
特開２００３−１７８７８１号公報（第７頁、第３図及び第４図）

しかしながら、上記構成の加湿装置では、オフガス導入管が長くなるため、大量のガスをオフガス導入管に導入すると圧力損失が大きくなっていた。

また、２分割したオフガス導入管では、左右の中空糸膜モジュールにオフガスを均一に分配することができなかった。

さらに、中空糸膜モジュール内では、２分割されたオフガス導入管と中空糸とが直角に配置されるため、オフガス導入管から中空糸にオフガスがスムーズに流入せず、圧力損失が大きくなると共に中空糸全域へのガスの分配も不均一となっていた。

そこで、オフガスマニホルドを２本の中空糸膜モジュール全面に形成し、中空糸膜モジュールの長手方向にオフガス導入口及びオフガス排気口を配置して、オフガスを導入及び排気する構成とした加湿装置も開発されている。しかし、圧力損失は大幅に低下するものの、中空糸膜モジュール内に流通するオフガスに偏りがあるため、左右の中空糸膜モジュール内にオフガスを均一に分配することができなかった。

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、収納容器と、前記収納容器内に少なくとも２本以上収納され、中空糸膜の内側と外側とにより水を移動させて乾燥ガスを加湿する中空糸膜モジュールと、前記中空糸膜モジュールの中空糸膜内側を流通するガスの流路方向と垂直方向の中心線から一方の側の収納容器に形成されたオフガス導入口と、前記中心線から他方の側の収納容器に形成されたオフガス排気口と、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、オフガス導入口及びオフガス排気口を中空糸膜加湿器の中心線からそれぞれ逆側に形成したため、オフガスが中空糸膜モジュールの全領域に亘り流通して全中空糸膜を加湿に有効活用できるため、加湿効率が高まる。

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、図１から図３までを用いて説明する。

図１は、燃料電池自動車に搭載される本発明の実施の形態に係る中空糸膜加湿器を適用した燃料電池システムの一部の構成を示す図である。図１に示すように、燃料電池自動車に搭載される燃料電池システム１は、アノード（燃料極）及びカソード（酸化剤極）を電極として有する燃料電池２を備え、燃料電池２後流側に、中空糸膜加湿器３、燃焼器４及び熱交換器５が各々設置される。

中空糸膜加湿器３は、収納容器内に図示しない円筒形状の中空糸膜モジュールを２本収納している。収納容器の長手方向の両端部には、その上流側に燃料電池２に連結されたオフガス導入管６を接続し、中空糸膜モジュール後流側に燃焼器４及び熱交換器５を連結したオフガス排気管７を接続している。

中空糸膜モジュールの長手方向と垂直方向の収納容器には、図示しないコンプレッサに連結された乾燥ガス導入管（空気導入管）８を接続し、乾燥ガス導入管８が接続された収納容器と反対側に、燃料電池２に連結した加湿ガス排気管９を接続している。

図１に示す中空糸膜加湿器２をさらに詳細に説明するために、中空糸膜加湿器３を分解して上面から見た構成を模式的に図２に示す。

図２に示すように、中空糸膜加湿器３は、収納容器２０内部に、収納容器２０の中心線Aの両側にそれぞれ２本の中空糸膜モジュール１０a,１０bを収納しており、中空糸膜モジュール１０a,１０b長手方向の両端に、吸気マニホルド１１及び排気マニホルド１２を形成している。吸気マニホルド１１側の収納容器２０には、中空糸膜モジュール１０aの中心軸B上にオフガス導入口１３が形成され、オフガス導入口１３にオフガス導入管６が連結される。排気マニホルド１２側の収納容器２０には、中空糸膜モジュール１０bの中心軸C上にオフガス排気口１４が形成され、各中空糸膜モジュール１０a,１０bのオフガス排気口１４にオフガス排気管７が連結される。収納容器２０に接続されたオフガス導入管６及びオフガス排気管７の各配管は、中心線Aに対して点対象に配置される。

図３は、図２に示したH-H´断面を示す図である。図３に示すように、収納容器２０内に収納された中空糸膜モジュール１０a,１０bは、中空形状の多数の中空糸膜１５から構成される。

なお、ここでは、中空糸膜１５の外側１６にオフガスを流通させて、中空糸膜１５の内側１７に乾燥ガスを流通させる構成としたが、中空糸膜１５の内側１７と外側１６とにより流通させるガスはその逆としても良く、その効果は異なるものではない。

上記構成の中空糸膜加湿器３では、燃料電池２から排出されたオフガスaが、オフガス導入管６を介してオフガス導入口１３から矢印L,M,N,Oに向かって流れ、中空糸膜モジュール１０a,１０bの中空糸膜１５の内側１７に導入される。オフガスa中に含まれる水蒸気は、中空糸膜１５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１５の外側１６に移動する。水蒸気分離後のオフガスbは、中空糸膜モジュール１０aから矢印P方向及び中空糸膜モジュール１０bから矢印Q,R,S方向のオフガス排気口１４に向かい、オフガス排気管７から系外に排気される。オフガスaが中空糸膜モジュール１０a,１０b内を流通する時、オフガス導入管６とオフガス排気管７とが、中心線Aの両側に各々配置され、図３の断面に示す中空糸膜モジュール１０a,１０bの中空糸膜１５の全領域に亘りオフガスaが流通する。中空糸膜モジュール１０a,１０b内へのオフガスaの流入は、オフガス導入口１３直下のガス流動とオフガス排気口１４直前のガス流動がほぼ同程度に寄与するため、中心線Aの両側に各々オフガス導入口１３及びオフガス排気口１４を形成することにより、左右の中空糸膜モジュールの内部に同量のオフガスが均一に流入するようになる。

一方、図示しないコンプレッサに連結した乾燥ガス導入管（空気導入管）８から、図示しない乾燥ガスを中空糸膜加湿器３に導入し、導入した乾燥ガスをハウジング周上に形成された複数の乾燥ガス導入孔からハウジング内の中空糸膜１５の外側に流入し、中空糸膜１５の内側１７を流通するオフガスaから移動してきた水分を回収する。回収した水分により乾燥ガスを加湿した後の加湿ガスは、ハウジング反対側に形成された加湿ガス排気孔を介して、加湿ガス排気管９から系外に排気される。燃料電池２から排気されるオフガスa中に含まれる水分を各中空糸膜モジュール１０a,１０bにより回収し、回収した水分を利用して、燃料電池２に供給する燃料である空気を加湿する。

本実施形態によれば、収納容器の中心線Aからそれぞれ逆方向にオフガス導入口とオフガス排気口とを形成したため、オフガスが左右の中空糸膜モジュールの全領域に流れてオフガスが左右の中空糸膜モジュールに広く分配され、オフガス流速が低下して中空糸内の湿潤ガス滞留時間が長くなり、加湿効率が高まる。

また、本実施形態によれば、オフガス導入口とオフガス排気口とを中心線Aと点対称に配置したため、左右の各中空糸膜モジュールを通過するオフガスの流路長が同一となる。このため、各中空糸膜モジュールの圧力損失が同等となり、各中空糸膜モジュールにオフガスが均等に分配され、加湿器の加湿効率を高めることができる。

さらに、本実施形態によれば、一方の中空糸膜モジュール軸方向中心線の延長線上にオフガス導入口を配置し、他方の中空糸モジュール軸方向中心線の延長線上にオフガス排気口を配置している。このため、各中空糸膜モジュールでのガスの流路長が同一となり、オフガスが左右の中空糸膜モジュールに均等に流れ、かつ、中空糸膜モジュール全体にオフガスが均一に流れるため、加湿効率を高めることができる。また、この他にも、オフガス導入口直前のガス流動とオフガス排気口直前のガス流動の影響を有効利用できるため、中空糸膜モジュール内におけるオフガスの分配断面積が大きくなり、中空糸膜モジュールの利用効率が上昇する。

本発明の実施の形態に係る中空糸膜加湿器を適用した燃料電池システムの一部の構成を示す図である。 図１に示す中空糸膜加湿器を上面から見た際の構成の一部を分解して示した模式図である。 図２に示す中空糸膜加湿器のH-H´断面図である。

符号の説明

１…燃料電池システム,
２…燃料電池,
３…中空糸膜加湿器,
４…燃焼器,
５…熱交換器,
６…オフガス導入管,
７…オフガス排気管,
８…乾燥ガス導入管（空気導入管）,
９…加湿ガス排気管,
１０a,１０b…中空糸膜モジュール,
１１…吸気マニホルド,
１２…排気マニホルド,
１３…オフガス導入口,
１４…オフガス排気口,
１５…中空糸膜,
１６…中空糸膜の外側,
１７…中空糸膜の内側,
２０…収納容器,

Claims (3)

1. 収納容器と、
   前記収納容器内に少なくとも２本以上に収納され、中空糸膜の内側と外側とにより水を移動させて乾燥ガスを加湿する中空糸膜モジュールと、
   前記中空糸膜モジュールの中空糸膜内側を流通するガスの流路方向と垂直方向の中心線から一方の側の収納容器に形成されたオフガス導入口と、
   前記中心線から他方の側の収納容器に形成されたオフガス排気口と、
   を備えることを特徴とする中空糸膜加湿器。
2. 前記オフガス導入口と前記オフガス排気口とは、前記中心線に対して点対称に設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. 前記オフガス導入口は、前記中心線の一方の側に配置された中空糸膜モジュールの中空糸膜内側を流通するガスの流路方向中心線の延長線上に形成されると共に、前記オフガス排気口は、前記中心線の他方の逆側に配置された中空糸膜モジュールの前記ガス流路方向中心線の延長線上に形成され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。
   
   

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