JP2007187367A - Humidification device - Google Patents

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敏勝 片桐
Kenji Nagumo
健司 南雲
Yohei Hidaka
洋平 日高
Takaharu Sato
隆治 佐藤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a humidification device having heightened humidification efficiency, and allowing miniaturization of the device. <P>SOLUTION: In this humidification device, a hollow fiber membrane bundle 30 is involved inside a cylindrical case 20, one end of the hollow fiber membrane bundle 30 is provided with a first flow passage wall 40, the other end is provided with a second flow passage wall 50, and a portion between the first flow passage wall 40 and the second flow passage wall 50 is set as a water exchange part 32. Both of a face 41 on an inflow side buffer part side and a face 42 on the water exchange part 32 side in the first flow passage wall 40, and both of a face 51 on an outflow side buffer part side and a face 52 on the water exchange part 32 side in the second flow passage wall 50 each have an inclination in the same direction to a flow direction of a first fluid. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、例えば燃料電池に供給するガスを加湿する加湿装置に係り、特に水透過性の中空糸膜を有する加湿装置に関する。   The present invention relates to a humidifier that humidifies gas supplied to a fuel cell, for example, and more particularly to a humidifier having a water-permeable hollow fiber membrane.

例えば、固体高分子型の燃料電池を備えたシステムでは、燃料電池から排出される湿潤ガスを、燃料電池に供給されるガスと水分交換させるための加湿装置が用いられている。このような加湿装置としては、以下の特許文献1に記載のものが提案されている。
特開2004−6309号公報(段落0080、図17)
For example, in a system including a polymer electrolyte fuel cell, a humidifier is used to exchange moisture with gas supplied to the fuel cell from the wet gas discharged from the fuel cell. As such a humidifier, the thing of the following patent document 1 is proposed.
Japanese Patent Laying-Open No. 2004-6309 (paragraph 0080, FIG. 17)

しかしながら、特許文献1のような加湿装置の構造では、円筒形状のケース内に設けられた中空糸膜の外側を通る流体を流れ難くさせる領域が発生するという問題がある。すなわち、図9を参照しながら説明すると、従来の加湿装置100では、中空糸膜束101の両端の流路壁(ポッティング部)102と流路壁(ポッティング部)103との間において、中空糸膜の外側を通る流体が流れ易くなる領域(矢印参照)と、流れ難くなる領域(デッドスペース)とが生じ、中空糸膜の内側を通る流体の圧力損失を招く。その結果、加湿効率が低下してしまう。また、流路壁102,103に隣接して、加湿を行うための水分交換部とは別に、中空糸膜の内側に流体を導入するためのバッファ部や中空糸膜の内側から流体を排出させるためのバッファ部105を小さくする検討が充分になされておらず、加湿装置が大型化するという問題もある。   However, in the structure of the humidifier as in Patent Document 1, there is a problem that a region that makes it difficult for fluid to flow through the outside of the hollow fiber membrane provided in the cylindrical case occurs. That is, with reference to FIG. 9, in the conventional humidifier 100, a hollow fiber is formed between the flow path wall (potting part) 102 and the flow path wall (potting part) 103 at both ends of the hollow fiber membrane bundle 101. A region where the fluid passing outside the membrane easily flows (see an arrow) and a region where the fluid hardly flows (dead space) are generated, which causes a pressure loss of the fluid passing inside the hollow fiber membrane. As a result, the humidification efficiency decreases. Further, adjacent to the flow path walls 102 and 103, the fluid is discharged from the inside of the hollow fiber membrane and the buffer part for introducing the fluid into the inside of the hollow fiber membrane, separately from the moisture exchange part for performing humidification. Therefore, there is a problem that the buffer unit 105 is not sufficiently studied and the humidifier is increased in size.

本発明は、前記従来の問題を解決するものであり、加湿効率を高めるとともに装置の小型化を図ることができる加湿装置を提供することを課題とする。   This invention solves the said conventional problem, and makes it a subject to provide the humidification apparatus which can aim at size reduction of an apparatus while improving humidification efficiency.

請求項1に係る発明は、複数の中空糸膜を束ねた中空糸膜束を内包するケースと、前記ケースの外部から流入した第1流体を複数の中空糸膜に流入させる流入側のバッファ部と、前記流入側のバッファ部に隣接して前記中空糸膜の内側に第1流体を流入させる複数の開口部を有する第1の流路壁と、前記複数の中空糸膜の内部から流出する第1流体をまとめて前記ケースの外部に流出させる流出側のバッファ部と、前記流出側のバッファ部に隣接して前記中空糸膜の内側を通る第1流体を流出させる複数の開口部を有する第2の流路壁と、前記ケースの外部から前記中空糸膜の外側へ第2流体を流入させる流入口と、前記中空糸膜の外側から前記ケースの外部へ第2流体を流出させる流出口と、を備え、前記中空糸膜の内側と外側に水分含有量の異なる第1流体と第2流体を流して水分交換を行う水分交換部を有する加湿装置において、前記第1流路壁および前記第2流路壁の少なくとも一方において、前記バッファ部側の面と水分交換部側の面との両面が、前記中空糸膜の内側を流れる第1流体の流れ方向に対して同方向の傾斜を有して構成されていることを特徴とする。   The invention according to claim 1 includes a case enclosing a bundle of hollow fiber membranes in which a plurality of hollow fiber membranes are bundled, and an inflow side buffer section for allowing a first fluid flowing from the outside of the case to flow into the plurality of hollow fiber membranes. And a first flow path wall having a plurality of openings for allowing the first fluid to flow inside the hollow fiber membrane adjacent to the inflow side buffer portion, and to flow out from the inside of the plurality of hollow fiber membranes. An outflow side buffer portion that causes the first fluid to flow out to the outside of the case, and a plurality of openings that allow the first fluid that passes through the inside of the hollow fiber membrane to flow out adjacent to the outflow side buffer portion. A second flow path wall, an inflow port for allowing the second fluid to flow into the outside of the hollow fiber membrane from the outside of the case, and an outflow port for allowing the second fluid to flow out of the case from the outside of the hollow fiber membrane Including moisture inside and outside the hollow fiber membrane A humidifying device having a moisture exchange part that exchanges moisture by flowing a first fluid and a second fluid different from each other in at least one of the first channel wall and the second channel wall; Both surfaces with the surface on the moisture exchange part side are configured to have an inclination in the same direction with respect to the flow direction of the first fluid flowing inside the hollow fiber membrane.

請求項1に係る発明によれば、中空糸膜の内側を流れる第1流体に対して、第1の流路壁および第2の流路壁の少なくとも一方を所定の角度をもって斜めに構成することにより、中空糸膜の外側に導入される第2流体が通りにくくなっている箇所(デッドスペース)を低減することができ、これにより空間効率を向上できる。さらに、流路壁を斜めに構成することにより、水分交換にほとんど寄与していなかった長さ分の中空糸膜を短く形成して、流路壁とケースとで囲まれる空間をバッファ部として使用することができるため、装置の小型化を図ることが可能になる。さらに、中空糸膜の長さを短縮できるので、中空糸膜の内側を通る第1流体の圧力損失を低減できる。   According to the first aspect of the present invention, at least one of the first flow path wall and the second flow path wall is inclined with a predetermined angle with respect to the first fluid flowing inside the hollow fiber membrane. Thereby, the location (dead space) where it is difficult for the second fluid introduced to the outside of the hollow fiber membrane to pass through can be reduced, thereby improving the space efficiency. In addition, by forming the flow path wall diagonally, a hollow fiber membrane of a length that has hardly contributed to moisture exchange is formed short, and the space surrounded by the flow path wall and the case is used as a buffer part Therefore, it is possible to reduce the size of the apparatus. Furthermore, since the length of the hollow fiber membrane can be shortened, the pressure loss of the first fluid passing through the inside of the hollow fiber membrane can be reduced.

請求項2に係る発明は、前記中空糸膜の内側を流れる第1流体の流れ方向に対して前記中空糸膜の端部が斜めに形成され、前記中空糸膜の端部は、前記流路壁と同方向の角度を成して構成されていることを特徴とする。   In the invention according to claim 2, the end of the hollow fiber membrane is formed obliquely with respect to the flow direction of the first fluid flowing inside the hollow fiber membrane, and the end of the hollow fiber membrane It is characterized by being formed at an angle in the same direction as the wall.

請求項2に係る発明によれば、中空糸膜の端部の開口面積を拡大することができるので、中空糸膜の内部への第1流体の流入が容易となり、中空糸膜内の圧力損失が減少する。   According to the invention of claim 2, since the opening area of the end of the hollow fiber membrane can be enlarged, the first fluid can easily flow into the hollow fiber membrane, and the pressure loss in the hollow fiber membrane can be reduced. Decrease.

請求項3に係る発明は、前記流入口と前記流出口は、前記中空糸膜の内側を流れる第1流体の流れ方向から見て、対極となる位置に配置されていることを特徴とする。   The invention according to claim 3 is characterized in that the inflow port and the outflow port are arranged at positions serving as counter electrodes when viewed from the flow direction of the first fluid flowing inside the hollow fiber membrane.

請求項3に係る発明によれば、中空糸膜の内側を流れる第1流体と外側を流れる第2流体との間で水分交換を行う距離を長くすることができるので、水分交換率を向上させることができる。   According to the invention which concerns on Claim 3, since the distance which performs a water | moisture content exchange between the 1st fluid which flows inside the hollow fiber membrane and the 2nd fluid which flows outside can be lengthened, a water exchange rate is improved. be able to.

請求項4に係る発明は、前記流入側のバッファ部に設けられて第1流体が導入される導入口、および前記流出側のバッファ部に設けられて第1流体が排出される排出口は、前記流入側バッファ部および流出側バッファ部の奥行きの長い側に配置されていることを特徴とする。   In the invention according to claim 4, the inlet provided in the buffer part on the inflow side to introduce the first fluid, and the outlet provided in the buffer part on the outflow side to discharge the first fluid are: The inflow side buffer part and the outflow side buffer part are arranged on the long side.

請求項4に係る発明によれば、導入口が奥行きの長い側に配置されることにより、中空糸膜の内側に第1流体を流入させ易くなる。また、流入口と流出口とが対に配置されるものにおいて、導入口と排出口の双方が奥行きの長い側に配置されることにより、導入口側で流れ易いところが排出口側で流れ難くなり、逆に導入口側で流れ難いところが排出口側で流れ易くなるので、第1流体を各中空糸膜の全体に均一に流すことが可能になる。   According to the invention which concerns on Claim 4, it becomes easy to make a 1st fluid flow in into an inner side of a hollow fiber membrane by arrange | positioning an inlet in the side with a long depth. In addition, in the case where the inlet and outlet are arranged in pairs, both the inlet and the outlet are arranged on the long depth side, so that it is difficult for the portion that flows easily on the inlet side to flow on the outlet side. On the contrary, since it is easy to flow on the discharge port side where it is difficult to flow on the introduction port side, the first fluid can be made to flow uniformly over the entire hollow fiber membranes.

本発明によれば、加湿効率を高めるとともに装置の小型化を図ることができる加湿装置を提供できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the humidification apparatus which can aim at size reduction of an apparatus while improving humidification efficiency can be provided.

以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら具体的に説明する。本発明の実施形態に係る加湿装置について説明する前に、図1を例に挙げて、加湿装置を適用したシステムについて説明する。図1は本実施形態の加湿装置を備えた燃料電池システムの一例を示すブロック図である。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings. Before describing the humidifier according to the embodiment of the present invention, a system to which the humidifier is applied will be described with reference to FIG. 1 as an example. FIG. 1 is a block diagram showing an example of a fuel cell system provided with a humidifier according to this embodiment.

図1に示す燃料電池システムFCSは、燃料電池1、空気供給装置AS、水素供給装置HSなどから構成されている。   The fuel cell system FCS shown in FIG. 1 includes a fuel cell 1, an air supply device AS, a hydrogen supply device HS, and the like.

前記燃料電池1は、電解質膜を挟んでカソード極(酸素極)とアノード極(水素極)とに分けられ、それぞれの極側に白金属系の触媒を含んだ電極が設けられ、カソード電極およびアノード電極を形成している。また、この燃料電池1では、カソード電極に酸化剤ガスとして空気Aが供給され、アノード電極に燃料ガスとして水素Hが供給されると、アノード電極で水素が触媒作用によりイオン化してプロトンと電子が生成され、生成されたプロトンは電解質膜中を移動してカソード電極に移動する。カソード電極に到達したプロトンは、触媒存在下、空気A中の酸素と、電子と直ちに反応して水を生成する。生成した水及び酸素を含む空気Aは、空気Aeとしてカソード極から排出される。また、アノード電極では、水素がイオン化する際に電子が生成されるが、この生成された電子は、外部負荷を経由してカソード電極に移動する。   The fuel cell 1 is divided into a cathode electrode (oxygen electrode) and an anode electrode (hydrogen electrode) with an electrolyte membrane interposed therebetween, and electrodes each containing a white metal catalyst are provided on each electrode side. An anode electrode is formed. Further, in this fuel cell 1, when air A is supplied as an oxidant gas to the cathode electrode and hydrogen H is supplied as the fuel gas to the anode electrode, hydrogen is ionized by the catalytic action to generate protons and electrons. The generated protons move through the electrolyte membrane and move to the cathode electrode. Protons that reach the cathode electrode immediately react with oxygen and electrons in the air A in the presence of a catalyst to produce water. The generated air A containing water and oxygen is discharged from the cathode as air Ae. In the anode electrode, electrons are generated when hydrogen is ionized, and the generated electrons move to the cathode electrode via an external load.

前記空気供給装置ASは、本発明の実施形態に係る加湿装置2の他に、エアクリーナ3、コンプレッサ4、圧力制御弁5などを有している。燃料電池1へ空気Aを供給する流路には、燃料電池1の上流側に加湿装置2が配置され、この加湿装置2の上流側にコンプレッサ4が配置され、さらにコンプレッサ4の上流側にエアクリーナ3が配置されている。また、燃料電池から空気Aeを排出する流路には、燃料電池1の下流側に加湿装置2が配置され、その下流側に圧力制御弁5が配置されている。   The air supply device AS includes an air cleaner 3, a compressor 4, a pressure control valve 5 and the like in addition to the humidifying device 2 according to the embodiment of the present invention. In the flow path for supplying air A to the fuel cell 1, a humidifier 2 is disposed upstream of the fuel cell 1, a compressor 4 is disposed upstream of the humidifier 2, and an air cleaner is disposed upstream of the compressor 4. 3 is arranged. Further, in the flow path for discharging the air Ae from the fuel cell, the humidifying device 2 is disposed on the downstream side of the fuel cell 1, and the pressure control valve 5 is disposed on the downstream side thereof.

前記加湿装置2は、エアクリーナ3で処理されてコンプレッサ4により供給される空気Aを加湿して燃料電池1に供給するものであるが、その詳細については後述する。   The humidifier 2 humidifies the air A processed by the air cleaner 3 and supplied by the compressor 4 and supplies the humidified air to the fuel cell 1, details of which will be described later.

前記エアクリーナ3は、図示しないフィルタなどから構成され、燃料電池1のカソード極側に供給される空気Aを濾過して、供給される空気A中に含まれるごみや油等を取り除く。   The air cleaner 3 includes a filter (not shown) and the like, filters the air A supplied to the cathode electrode side of the fuel cell 1 and removes dust, oil, and the like contained in the supplied air A.

前記コンプレッサ4は、図示しないスーパーチャージャ等の容積型の圧縮機及びこれを駆動するモータなどから構成され、燃料電池1で酸化剤ガスとして使用される空気Aを圧縮した後に送り出し、加湿装置2に供給するものである。このコンプレッサ4の送出力により、供給される空気Aが、加湿装置2を経て燃料電池1のカソード極側に送り出され、燃料電池1を経た後に加湿装置2に送られる。   The compressor 4 includes a positive displacement compressor such as a supercharger (not shown) and a motor for driving the compressor 4. The compressor 4 compresses air A used as an oxidant gas in the fuel cell 1 and sends it out to the humidifier 2. To supply. Due to the output of the compressor 4, the supplied air A is sent to the cathode electrode side of the fuel cell 1 through the humidifier 2, and is sent to the humidifier 2 after passing through the fuel cell 1.

前記圧力制御弁5は、図示しないバラフライ弁及びこれを駆動するアクチュエータ(例えば、ステッピングモータ)などから構成され、燃料電池1から排出されるカソードオフガスの圧力を弁開度を減少または増加させることにより制御する。   The pressure control valve 5 is composed of a not-shown butterfly valve and an actuator (for example, a stepping motor) that drives the valve, and reduces or increases the valve opening of the cathode off-gas pressure discharged from the fuel cell 1. Control.

一方、前記水素供給装置HSは、水素ガスボンベ11、レギュレータ12、エゼクタ13、パージ弁14などから構成される。   On the other hand, the hydrogen supply device HS includes a hydrogen gas cylinder 11, a regulator 12, an ejector 13, a purge valve 14, and the like.

前記水素ガスボンベ11は、燃料電池1のアノード極側に導入される水素Hを貯蔵するものである。貯蔵する水素Hは高純度の水素であり、圧力は例えば15〜35MPaである。なお、水素ガスボンベ11は、水素吸蔵合金を内蔵し1MPa程度の圧力で水素を貯蔵する水素吸蔵合金タイプも使用することができる。   The hydrogen gas cylinder 11 stores hydrogen H introduced into the anode side of the fuel cell 1. The hydrogen H to be stored is high-purity hydrogen, and the pressure is, for example, 15 to 35 MPa. In addition, the hydrogen gas cylinder 11 can also use the hydrogen storage alloy type which contains a hydrogen storage alloy and stores hydrogen with the pressure of about 1 MPa.

前記レギュレータ12は、図示しないダイヤフラムや圧力調整バネなどから構成され、高圧で貯蔵された水素Hを所定の圧力まで減圧させ、一定圧力で使用できるようにする圧力制御弁である。   The regulator 12 is a pressure control valve that includes a diaphragm (not shown), a pressure adjustment spring, and the like, and reduces the hydrogen H stored at a high pressure to a predetermined pressure so that it can be used at a constant pressure.

前記エゼクタ13は、アノード極に供給される燃料ガスとしての水素を循環するための真空ポンプの1種であり、ノズル、ディフューザ、吸引室等から主要部が構成される。   The ejector 13 is a kind of vacuum pump for circulating hydrogen as a fuel gas supplied to the anode electrode, and the main part is composed of a nozzle, a diffuser, a suction chamber, and the like.

前記パージ弁14は、遮断弁であり、閉弁することにより、燃料電池1から排出された未反応の水素Heを、エゼクタ13を介して再び燃料電池1に供給して燃料としての水素の利用効率を高めるようになっている。   The purge valve 14 is a shut-off valve. When the purge valve 14 is closed, unreacted hydrogen He discharged from the fuel cell 1 is supplied to the fuel cell 1 again through the ejector 13 to use hydrogen as fuel. Increases efficiency.

このように構成された燃料電池システムFCSでは、加湿装置2を経由して燃料電池1のカソード極を通過する空気Aは、カソード極を通過する前に、燃料電池1の電解質膜を飽和湿度に湿らせる。また、アノード電極から電解質膜中を移動したプロトンがカソード電極に到達すると、触媒の存在下でプロトンと空気A中の酸素とアノード電極で生成された電子が反応して水が生成される。生成された水は、燃料電池1から排出された空気Asとともに、燃料電池1から排出され、燃料電池1の下流側に設けられた加湿装置2に供給される。この加湿装置2では、後記する各中空糸膜の内側を空気Aeが、外側を空気Aが通過し、空気Aeから移動する水分によって空気Aが加湿される。したがって、燃料電池1の安定した出力を得るためには、加湿装置2での加湿効率を高めることが有効になる。   In the fuel cell system FCS configured as described above, the air A passing through the cathode electrode of the fuel cell 1 via the humidifier 2 causes the electrolyte membrane of the fuel cell 1 to reach saturated humidity before passing through the cathode electrode. Moisten. When protons that have moved from the anode electrode into the electrolyte membrane reach the cathode electrode, the protons, oxygen in the air A, and electrons generated at the anode electrode react to generate water in the presence of the catalyst. The generated water is discharged from the fuel cell 1 together with the air As discharged from the fuel cell 1, and is supplied to the humidifier 2 provided on the downstream side of the fuel cell 1. In this humidifying device 2, air Ae passes through the inside of each hollow fiber membrane, which will be described later, and air A passes through the outside, and the air A is humidified by moisture moving from the air Ae. Therefore, in order to obtain a stable output of the fuel cell 1, it is effective to increase the humidifying efficiency in the humidifying device 2.

以下、本発明の実施形態に係る加湿装置2について図面を参照しながら説明する。図2は本実施形態の加湿装置を示す透視斜視図、図3は図2のA矢視図、図4は図3のB−B断面図、図5(a)は本実施形態での中空糸膜の端部を示す拡大斜視図、(b)は従来の実施形態での中空糸膜の端部を示す拡大斜視図、図6および図7は本実施形態の加湿装置の作用を説明するための概略図である。   Hereinafter, the humidification apparatus 2 which concerns on embodiment of this invention is demonstrated, referring drawings. 2 is a perspective view showing the humidifying device of the present embodiment, FIG. 3 is a view taken in the direction of the arrow A in FIG. 2, FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. An enlarged perspective view showing the end of the yarn membrane, (b) is an enlarged perspective view showing the end of the hollow fiber membrane in the conventional embodiment, and FIGS. 6 and 7 explain the operation of the humidifying device of the present embodiment. FIG.

図2に示すように、本実施形態の加湿装置2は、ケース20、中空糸膜束30、第1流路壁40、第2流路壁50などを有している。   As shown in FIG. 2, the humidifying device 2 of the present embodiment includes a case 20, a hollow fiber membrane bundle 30, a first flow path wall 40, a second flow path wall 50, and the like.

前記ケース20は、円筒形状の筒体21と、この筒体21の両端に形成された開口を塞ぐ円板状の蓋体22、23とを備えて構成されている。また、筒体21の外周面には、第1流路壁40の内側近傍においてケース20の内部と連通する流入口21aが設けられ、第2流路壁50の内側近傍においてケース20の内側と連通する流出口21bが設けられている。また、流入口21aと流出口21bは、図3に示すように、第1流体の流通方向視において、対極となる位置に配置されている。この流入口21aから、燃料電池1のカソード極から排出された水分含有量の多い第2流体(空気Ae)が導入され、流出口21bから、加湿した後の第2流体が排出される。また、前記蓋体22には、ケース20の内部と連通する導入口22aが設けられ、蓋体23には、ケース20の内部と連通する排出口23aが設けられている。この導入口22aから、燃料電池1のカソード極に供給される前の乾燥した第1流体(空気A)が導入され、排出口23aから、加湿された後の第1流体が排出される。   The case 20 includes a cylindrical cylindrical body 21 and disk-shaped lid bodies 22 and 23 that close openings formed at both ends of the cylindrical body 21. Further, the outer peripheral surface of the cylindrical body 21 is provided with an inflow port 21 a communicating with the inside of the case 20 in the vicinity of the inside of the first flow path wall 40, and the inside of the case 20 in the vicinity of the inside of the second flow path wall 50. An outflow port 21b that communicates is provided. Moreover, the inflow port 21a and the outflow port 21b are arrange | positioned in the position which becomes a counter electrode in the distribution direction view of a 1st fluid, as shown in FIG. The second fluid (air Ae) having a high water content discharged from the cathode electrode of the fuel cell 1 is introduced from the inlet 21a, and the humidified second fluid is discharged from the outlet 21b. The lid 22 is provided with an introduction port 22 a that communicates with the inside of the case 20, and the lid 23 is provided with a discharge port 23 a that communicates with the inside of the case 20. The dried first fluid (air A) before being supplied to the cathode electrode of the fuel cell 1 is introduced from the inlet 22a, and the humidified first fluid is discharged from the outlet 23a.

前記中空糸膜束30は、複数の中空糸膜31を束ねて構成されたものであり、ケース20内において密になるように配置されている。各中空糸膜31には、無数の毛管部が形成されており、中空糸膜31の外側に導入される第2流体(空気Ae)に含まれる水蒸気が毛管部内で凝縮し、中空糸膜31の内側へ移動することで、水分が第1流体(空気A)へ渡されるようになっている。なお、図2および図4では、説明の便宜上、実際より中空糸膜31の本数を少なくし、中空糸膜31同士の間隔を広げて図示している。   The hollow fiber membrane bundle 30 is configured by bundling a plurality of hollow fiber membranes 31 and is arranged so as to be dense in the case 20. Each hollow fiber membrane 31 has an infinite number of capillaries, and water vapor contained in the second fluid (air Ae) introduced to the outside of the hollow fiber membrane 31 is condensed in the capillaries, so that the hollow fiber membrane 31 As a result, the moisture is transferred to the first fluid (air A). 2 and 4, for convenience of explanation, the number of the hollow fiber membranes 31 is reduced from the actual number, and the interval between the hollow fiber membranes 31 is increased.

図4に示すように、前記第1流路壁40は、いわゆるポッティング部と称されるものであり、中空糸膜束30の一端(図中左側)に、各中空糸膜31の外周面間、中空糸膜31の外周面とケース20(筒体21)の内周面との間が、それぞれ閉塞されるように形成されている。このとき、第1流路壁40の端面(後記する流入側バッファ部R1側の面41)には、各中空糸膜31による複数の開口部31aが現れるように形成されて、導入口22aから導入された第1流体が各中空糸膜31の内側を通るようになっている。   As shown in FIG. 4, the first flow path wall 40 is a so-called potting portion, and is disposed at one end (left side in the figure) of the hollow fiber membrane bundle 30 between the outer peripheral surfaces of the hollow fiber membranes 31. The outer peripheral surface of the hollow fiber membrane 31 and the inner peripheral surface of the case 20 (tubular body 21) are formed so as to be closed. At this time, on the end surface of the first flow path wall 40 (surface 41 on the inflow side buffer portion R1 described later), a plurality of openings 31a are formed by the hollow fiber membranes 31 from the introduction port 22a. The introduced first fluid passes through the inside of each hollow fiber membrane 31.

前記第2流路壁50は、前記第1流路壁40と同様に、中空糸膜束30の他端(図中右側)に、各中空糸膜31の外周面間、中空糸膜31の外周面とケース20(筒体21)の内周面との間が、それぞれ閉塞されているように形成されている。このとき、第2流路壁50の端面(後記する流出側バッファ部R2側の面51)には、各中空糸膜31による複数の開口部31b(図3参照)が現れるように形成されて、各中空糸膜31の内側を通過した第1流体が排出口23aから排出されるようになっている。   Similarly to the first flow path wall 40, the second flow path wall 50 is formed between the outer peripheral surfaces of the hollow fiber membranes 31 at the other end of the hollow fiber membrane bundle 30 (right side in the figure). The outer peripheral surface and the inner peripheral surface of the case 20 (tubular body 21) are formed so as to be closed. At this time, a plurality of openings 31b (see FIG. 3) formed by the hollow fiber membranes 31 are formed on the end surface of the second flow path wall 50 (a surface 51 on the outflow side buffer portion R2 described later). The first fluid that has passed through the inside of each hollow fiber membrane 31 is discharged from the discharge port 23a.

なお、前記第1流路壁40と前記第2流路壁50とで挟まれる領域(図2および図3の両矢印参照)が、水分交換を行う水分交換部32として機能するようになっている。   Note that a region sandwiched between the first flow path wall 40 and the second flow path wall 50 (see the double arrows in FIGS. 2 and 3) functions as a moisture exchange section 32 that performs moisture exchange. Yes.

また、前記第1流路壁40は、第1流体の流れ方向に対して傾斜、つまり蓋体22の内壁面に対して流入口21aから遠い側が離れるように傾斜して形成されて、第1流路壁40とケース20(筒体21の一部および蓋体22)とで囲まれる空間が流入側バッファ部R1としての役割を果たすように構成されている。さらに詳述すると、この第1流路壁40は、流入側バッファ部R1側の面41が第1流体の流れ方向に対して角度αを成して形成され、また水分交換部32側の面42が第1流体の流れ方向に対して同様に角度αを成して形成され、つまり、両面41,42が第1流体の流れ方向に対して同方向に傾斜するように構成されている。   The first flow path wall 40 is formed to be inclined with respect to the flow direction of the first fluid, that is, to be inclined with respect to the inner wall surface of the lid body 22 so that the side far from the inflow port 21a is separated. A space surrounded by the flow path wall 40 and the case 20 (a part of the cylindrical body 21 and the lid body 22) is configured to play a role as the inflow side buffer portion R1. More specifically, the first flow path wall 40 is formed such that a surface 41 on the inflow side buffer portion R1 side forms an angle α with respect to the flow direction of the first fluid, and a surface on the moisture exchange portion 32 side. 42 is formed at the same angle α with respect to the flow direction of the first fluid, that is, both surfaces 41 and 42 are inclined in the same direction with respect to the flow direction of the first fluid.

また、前記第2流路壁50は、第1流体の流れ方向に対して傾斜、つまり蓋体23の内壁面に対して流出口21bから遠い側が離れるように傾斜して形成されて、第2流路壁50とケース20(筒体21の一部および蓋体23)とで囲まれる空間が流出側バッファ部R2としての役割を果たすように構成されている。さらに、詳述すると、この第2流路壁50は、流出側バッファ部R2側の面51が第1流体の流れ方向に対して角度βを成して形成され、また水分交換部32側の面52が第1流体の流れ方向に対して同様に角度βを成して形成され、つまり、両面51,52が第1流体の流れ方向に対して同方向に傾斜するように構成されている。   In addition, the second flow path wall 50 is formed to be inclined with respect to the flow direction of the first fluid, that is, to be inclined with respect to the inner wall surface of the lid 23 so that the side farther from the outlet 21b is separated. A space surrounded by the flow path wall 50 and the case 20 (a part of the cylindrical body 21 and the lid body 23) is configured to serve as the outflow side buffer portion R2. More specifically, the second flow path wall 50 is formed so that the surface 51 on the outflow side buffer portion R2 side forms an angle β with respect to the flow direction of the first fluid, and on the water exchange portion 32 side. The surface 52 is similarly formed at an angle β with respect to the flow direction of the first fluid, that is, the both surfaces 51 and 52 are configured to be inclined in the same direction with respect to the flow direction of the first fluid. .

なお、本実施形態では、第1流路壁40の角度αと第2流路壁50の角度βは、ほぼ同じ角度となるように形成されているが、必ずしも同じ角度である必要はなく、第2流体の流れ方に応じて、すなわちデッドスペースが極力少なくなるように異なる角度にしてもよい。   In the present embodiment, the angle α of the first flow path wall 40 and the angle β of the second flow path wall 50 are formed to be substantially the same angle, but are not necessarily the same angle. Depending on how the second fluid flows, that is, different angles may be used so that the dead space is minimized.

これにより、導入口22aから流入側バッファ部R1に導入された水分含有量の少ない第1流体(白抜き矢印)は、第1流路壁40の各開口部31aから中空糸膜31の内側を通って水分交換部32を流れ、流入口21aから中空糸膜31の外側を通って導入された水分含有量の多い第2流体との間で水分交換が行われて加湿された後に、第2流路壁50の各開口部31bから流出し、流出側バッファ部R2を通って排出口23aから排出される。また、流入口21aから導入されて第1流体を加湿した第2流体は、流出口21bを通ってケース20から排出される。   As a result, the first fluid (white arrow) with a low water content introduced from the inlet 22a into the inflow side buffer portion R1 passes through the inside of the hollow fiber membrane 31 from each opening 31a of the first flow path wall 40. After passing through the moisture exchange part 32 and passing through the inlet 21a and passing through the outside of the hollow fiber membrane 31, the moisture is exchanged with the second fluid having a high moisture content to be humidified. It flows out from each opening part 31b of the flow-path wall 50, and is discharged | emitted from the discharge port 23a through the outflow side buffer part R2. Further, the second fluid introduced from the inlet 21a and humidifying the first fluid is discharged from the case 20 through the outlet 21b.

以上説明したように、本実施形態の加湿装置2では、第1流路壁40および第2流路壁50を、第1流体の流れに対して所定の角度を持って構成したことにより、従来、第2流体が流れ難くなることで生じていたデッドスペースを低減できるようになり、空間効率を高めることが可能になる。   As described above, in the humidifying device 2 of the present embodiment, the first flow path wall 40 and the second flow path wall 50 are configured with a predetermined angle with respect to the flow of the first fluid. It becomes possible to reduce the dead space that has been caused by the fact that the second fluid becomes difficult to flow, and it is possible to increase the space efficiency.

また、本実施形態では、前記のようにケース20内において第1流路壁40および第2流路壁50を斜めに構成したことにより、第1流路壁40とケース20との間に空間を形成し、この空間を流入側バッファ部R1として使用し、また第2流路壁50とケース20との間に空間を形成し、この空間を流出側バッファ部R2として使用することにより、加湿装置2の小型化が可能になる。つまり、加湿装置2の流入側バッファ部R1から流出側バッファ部R2までの長さ寸法をL1(図6参照)とし、従来の加湿装置100の流入側バッファ部104から流出側バッファ部105までの長さ寸法をLa(図9参照)としたときに、L1<Laにできるので、加湿装置2の長手方向の寸法を短縮して小型化が可能となる。   In the present embodiment, the first flow path wall 40 and the second flow path wall 50 are configured obliquely in the case 20 as described above, so that a space is formed between the first flow path wall 40 and the case 20. And this space is used as the inflow side buffer portion R1, and a space is formed between the second flow path wall 50 and the case 20, and this space is used as the outflow side buffer portion R2. The apparatus 2 can be downsized. That is, the length dimension from the inflow side buffer portion R1 to the outflow side buffer portion R2 of the humidifier 2 is L1 (see FIG. 6), and the length from the inflow side buffer portion 104 to the outflow side buffer portion 105 of the conventional humidifier 100 is set. When the length dimension is La (see FIG. 9), L1 <La can be achieved, so that the dimension in the longitudinal direction of the humidifying device 2 can be shortened and the size can be reduced.

また、本実施形態では、デッドスペースを低減することで各中空糸膜31の長さを短縮できるので、中空糸膜31の内側を通る第1流体の圧力損失を低減することが可能になり、第1流体を中空糸膜31の内側に流入させ易くできる。つまり、加湿装置2における中空糸膜31の長さ寸法をL2(図6参照)とし、図9に示すように、従来の加湿装置100における中空糸膜の長さ寸法をLb(図9参照)としたときに、L2<Lbとすることができるので、中空糸膜31を短縮して第1流体に対する圧力損失を低減できる。   Further, in the present embodiment, since the length of each hollow fiber membrane 31 can be shortened by reducing the dead space, it becomes possible to reduce the pressure loss of the first fluid passing through the inside of the hollow fiber membrane 31, The first fluid can be easily flown into the hollow fiber membrane 31. That is, the length dimension of the hollow fiber membrane 31 in the humidifier 2 is L2 (see FIG. 6), and the length dimension of the hollow fiber membrane in the conventional humidifier 100 is Lb (see FIG. 9) as shown in FIG. Since L2 <Lb, the hollow fiber membrane 31 can be shortened to reduce the pressure loss with respect to the first fluid.

また、本実施形態では、第1流路壁40において、各中空糸膜31の端部を第1流体の流れ方向に対して斜めに形成したことにより、図5(a)に示すように、本実施形態の加湿装置2では中空糸膜31の端部の開口部31aの形状が楕円形(開口面積S1)となる。また、中空糸膜31の端部は、第1流路壁40の流入側バッファ部R1側の面41と同方向の角度α(図4参照)を成して構成されている。したがって、図5(b)に示す従来の加湿装置100での中空糸膜の端部の開口部の形状が円形(開口面積S2)となる場合と比べてその開口面積を大きくできる。よって、中空糸膜31の内部への第1流体の流入が容易となる。   Moreover, in this embodiment, in the 1st flow-path wall 40, by forming the edge part of each hollow fiber membrane 31 diagonally with respect to the flow direction of a 1st fluid, as shown to Fig.5 (a), In the humidifying device 2 of the present embodiment, the shape of the opening 31a at the end of the hollow fiber membrane 31 is an ellipse (opening area S1). Further, the end portion of the hollow fiber membrane 31 is configured to form an angle α (see FIG. 4) in the same direction as the surface 41 of the first flow path wall 40 on the inflow side buffer portion R1 side. Therefore, compared with the case where the shape of the opening at the end of the hollow fiber membrane in the conventional humidifier 100 shown in FIG. 5B is circular (opening area S2), the opening area can be increased. Therefore, inflow of the first fluid into the hollow fiber membrane 31 is facilitated.

また、本実施形態では、図3に示すように、流入口21aと流出口21bは、中空糸膜31の内側を流れる第1流体の流れ方向(紙面に対して垂直方向)に対して対極となる位置に、つまり、流入口21aが図3の下端に形成され、流出口21bが180度反対側の上端に配置されているので、中空糸膜31の内側を流れる第1流体と外側を流れる第2流体とが水分交換を行う距離を長く設定することができるので、水分交換率を向上できるようになる。   Moreover, in this embodiment, as shown in FIG. 3, the inflow port 21a and the outflow port 21b are a counter electrode with respect to the flow direction (perpendicular to the paper surface) of the first fluid flowing inside the hollow fiber membrane 31. 3, that is, the inflow port 21 a is formed at the lower end of FIG. 3 and the outflow port 21 b is disposed at the upper end on the opposite side of 180 degrees, so that the first fluid that flows inside the hollow fiber membrane 31 and the outside flows Since the distance at which the second fluid exchanges moisture can be set long, the moisture exchange rate can be improved.

また、本実施形態では、図4に示すように、第1流体をケース20内に導入するための導入口22aを、流入側バッファ部R1の奥行きが長くなる側に配置することにより、第1流体を中空糸膜31の内側に流入させ易くできる。また、導入口22aを流入側バッファ部R1の奥行きが長くなる側に配置するととともに、排出口23aを流出側バッファ部R2の奥行きが長くなる側に配置することにより、図7に示すように、流入側バッファ部R1側では、奥行きの長い側で第1流体を中空糸膜31の内側に流入させ易く、奥行きの短い側で第1流体を流入させ難くなり、一方流出側バッファ部R2では、奥行きの短い側で第1流体を流出させ難く、奥行きの長い側で第1流体を流出させ易くなるので、圧力損失の配分が均等化されて、各中空糸膜31の内側を通る流路全体にわたって第1流体を均等に流すことが可能になる。   In the present embodiment, as shown in FIG. 4, the introduction port 22a for introducing the first fluid into the case 20 is arranged on the side where the depth of the inflow side buffer portion R1 is increased, thereby providing the first The fluid can be easily flown into the hollow fiber membrane 31. Further, by arranging the introduction port 22a on the side where the depth of the inflow side buffer portion R1 becomes longer, and by arranging the discharge port 23a on the side where the depth of the outflow side buffer portion R2 becomes longer, as shown in FIG. On the inflow side buffer portion R1 side, the first fluid is likely to flow into the inside of the hollow fiber membrane 31 on the long depth side, and the first fluid is difficult to flow on the short depth side, whereas in the outflow side buffer portion R2, The first fluid is difficult to flow out on the short depth side and the first fluid is easily flowed out on the long depth side, so that the distribution of pressure loss is equalized and the entire flow path passing through the inside of each hollow fiber membrane 31 The first fluid can be made to flow evenly.

図8は本実施形態の加湿装置の変形例を示す透視斜視図である。図8に示す加湿装置2Aは、前記した加湿装置2と基本的な構造は同じであり、四角筒形状の筒体61と、この筒体61の両端の開口を塞ぐ四角板状の蓋体62,63とからなるケース60内に、複数の中空糸膜31からなる中空糸膜束30と、第1流路壁70と、第2流路壁80とを備えている。第1流路壁70と第2流路壁80は、いずれもケース60の形状に合わせて四角形状に形成され、第1流体の流れ方向(図示せず)に対して所定の角度を持つように斜めに形成されている。このような形状の加湿装置2Aであっても、前記加湿装置2と同様な効果を有する。   FIG. 8 is a perspective view showing a modification of the humidifying device of the present embodiment. The humidifying device 2A shown in FIG. 8 has the same basic structure as the humidifying device 2 described above, and has a rectangular tubular body 61 and a square plate-like lid 62 that closes the openings at both ends of the tubular body 61. , 63 is provided with a hollow fiber membrane bundle 30 composed of a plurality of hollow fiber membranes 31, a first flow path wall 70, and a second flow path wall 80. The first flow path wall 70 and the second flow path wall 80 are both formed in a quadrangular shape in accordance with the shape of the case 60, and have a predetermined angle with respect to the flow direction (not shown) of the first fluid. Is formed obliquely. Even the humidifying device 2A having such a shape has the same effect as the humidifying device 2.

なお、加湿装置のケース20,60の形状は、円筒や四角筒に限定されるものではなく、その他の形状であってもよい。また、ケース20,60は、長手方向に直線状に形成されるものに限定されず、湾曲した形状であってもよい。また、流入口21aと流出口21bとを逆に配置して、第1流体と第2流体とが対向して流れるようにしてもよい。   Note that the shapes of the humidifier cases 20 and 60 are not limited to cylinders or square tubes, but may be other shapes. Further, the cases 20 and 60 are not limited to those formed linearly in the longitudinal direction, and may be curved shapes. Further, the inflow port 21a and the outflow port 21b may be arranged in reverse so that the first fluid and the second fluid flow in opposition.

また、前記した実施形態では、中空糸膜束30の両端部に第1流路壁40と第2流路壁50を設けたが、第1流路壁40と第2流路壁50のいずれか一方であっても、デッドスペースを低減して空間効率を高めて水分交換率を向上できるようになる。   Further, in the above-described embodiment, the first flow path wall 40 and the second flow path wall 50 are provided at both ends of the hollow fiber membrane bundle 30, but either the first flow path wall 40 or the second flow path wall 50 is provided. Even in this case, the dead space can be reduced, the space efficiency can be increased, and the moisture exchange rate can be improved.

本実施形態の加湿装置を備えた燃料電池システムの一例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of the fuel cell system provided with the humidification apparatus of this embodiment. 本実施形態の加湿装置を示す透視斜視図である。It is a see-through | perspective perspective view which shows the humidification apparatus of this embodiment. 図2のA矢視図である。FIG. 3 is a view as seen from an arrow A in FIG. 2. 図3のB−B断面図である。It is BB sectional drawing of FIG. (a)は本実施形態での中空糸膜の端部を示す拡大斜視図、(b)は従来の実施形態での中空糸膜の端部を示す拡大斜視図である。(A) is an enlarged perspective view which shows the edge part of the hollow fiber membrane in this embodiment, (b) is an enlarged perspective view which shows the edge part of the hollow fiber membrane in conventional embodiment. 本実施形態の加湿装置の作用を説明するための概略図である。It is the schematic for demonstrating the effect | action of the humidification apparatus of this embodiment. 本実施形態の加湿装置の別の作用を説明するための概略図である。It is the schematic for demonstrating another effect | action of the humidification apparatus of this embodiment. 本実施形態の加湿装置の変形例を示す透視斜視図である。It is a see-through | perspective perspective view which shows the modification of the humidification apparatus of this embodiment. 従来の加湿装置の作用を説明するための概略図である。It is the schematic for demonstrating the effect | action of the conventional humidifier.

符号の説明Explanation of symbols

2 加湿装置
20 ケース
21a 流入口
21b 流出口
22a 導入口
23a 排出口
30 中空糸膜束
31 中空糸膜
31a 開口部
32 水分交換部
40 第1流路壁(第1の流路壁)
50 第2流路壁(第2の流路壁)
41,51 バッファ部側の面
42,52 水分交換部側の面
R1 流入側バッファ部(流入側のバッファ部)
R2 流出側バッファ部(流出側のバッファ部)
2 Humidifier 20 Case 21a Inlet 21b Outlet 22a Inlet 23a Outlet 30 Hollow Fiber Membrane 31 Hollow Fiber Membrane 31a Opening 32 Moisture Exchanger 40 First Channel Wall (First Channel Wall)
50 Second channel wall (second channel wall)
41, 51 Buffer side 42, 52 Moisture exchange side R1 Inflow side buffer (inflow side buffer)
R2 Outflow side buffer (outflow side buffer)

Claims (4)

複数の中空糸膜を束ねた中空糸膜束を内包するケースと、
前記ケースの外部から流入した第1流体を複数の中空糸膜に流入させる流入側のバッファ部と、
前記流入側のバッファ部に隣接して前記中空糸膜の内側に第1流体を流入させる複数の開口部を有する第1の流路壁と、
前記複数の中空糸膜の内部から流出する第1流体をまとめて前記ケースの外部に流出させる流出側のバッファ部と、
前記流出側のバッファ部に隣接して前記中空糸膜の内側を通る第1流体を流出させる複数の開口部を有する第2の流路壁と、
前記ケースの外部から前記中空糸膜の外側へ第2流体を流入させる流入口と、
前記中空糸膜の外側から前記ケースの外部へ第2流体を流出させる流出口と、を備え、
前記中空糸膜の内側と外側に水分含有量の異なる第1流体と第2流体を流して水分交換を行う水分交換部を有する加湿装置において、
前記第1流路壁および前記第2流路壁の少なくとも一方において、前記バッファ部側の面と水分交換部側の面との両面が、前記中空糸膜の内側を流れる第1流体の流れ方向に対して同方向の傾斜を有して構成されていることを特徴とする加湿装置。
A case containing a hollow fiber membrane bundle in which a plurality of hollow fiber membranes are bundled;
A buffer part on the inflow side for allowing the first fluid flowing from the outside of the case to flow into the plurality of hollow fiber membranes;
A first flow path wall having a plurality of openings that allow the first fluid to flow inside the hollow fiber membrane adjacent to the inflow side buffer section;
A buffer portion on the outflow side for collecting the first fluid flowing out from the inside of the plurality of hollow fiber membranes and outflowing the outside of the case;
A second flow path wall having a plurality of openings for allowing the first fluid passing through the inside of the hollow fiber membrane to flow out adjacent to the buffer portion on the outflow side;
An inlet for allowing the second fluid to flow from the outside of the case to the outside of the hollow fiber membrane;
An outlet for allowing the second fluid to flow out from the outside of the hollow fiber membrane to the outside of the case, and
In a humidifying device having a moisture exchange part that exchanges moisture by flowing a first fluid and a second fluid having different moisture contents inside and outside the hollow fiber membrane,
In at least one of the first flow path wall and the second flow path wall, the flow direction of the first fluid in which both surfaces of the buffer portion side surface and the moisture exchange portion side surface flow inside the hollow fiber membrane The humidifying device is characterized by having an inclination in the same direction with respect to.
前記中空糸膜の内側を流れる第1流体の流れ方向に対して前記中空糸膜の端部が斜めに形成され、この中空糸膜の端部は、前記流路壁と同方向の角度を成して構成されていることを特徴とする請求項1に記載の加湿装置。   The end of the hollow fiber membrane is formed obliquely with respect to the flow direction of the first fluid flowing inside the hollow fiber membrane, and the end of the hollow fiber membrane forms an angle in the same direction as the flow path wall. The humidifying device according to claim 1, wherein the humidifying device is configured as described above. 前記流入口と前記流出口は、前記中空糸膜の内側を流れる第1流体の流れ方向から見て、対極となる位置に配置されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の加湿装置。   The said inflow port and the said outflow port are arrange | positioned in the position which becomes a counter electrode seeing from the flow direction of the 1st fluid which flows the inner side of the said hollow fiber membrane, The Claim 1 or Claim 2 characterized by the above-mentioned. Humidifier. 前記流入側のバッファ部に設けられる第1流体を導入させる導入口、および前記流出側のバッファ部に設けられる第1流体を排出させる排出口は、前記流入側のバッファ部および流出側のバッファ部の奥行きの長い側に配置されていることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の加湿装置。   The inlet for introducing the first fluid provided in the buffer part on the inflow side and the outlet for discharging the first fluid provided on the buffer part on the outflow side are the buffer part on the inflow side and the buffer part on the outflow side. The humidifying device according to any one of claims 1 to 3, wherein the humidifying device is disposed on a long side of the.
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