JP2007205678A - 加湿装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加湿効率の高い加湿装置を提供する。
【解決手段】筒状の外ケース１１と、外ケース１１の中心軸線上に位置する芯部材２１と、外ケース１１と芯部材２１との間に収容された中空糸膜束３１と、を備え、オフガス流入口２１ｃから流入した低温高湿のオフガスが、外ケース１１内であって中空糸膜３２外を前側に向かって流通した後、外ケース１１の前側に形成されたオフガス流出口１１ａを通って外部に流出し、オフガスよりも高温であり、かつ、湿度が低い空気が、中空糸膜３２内を後側に向かって流通し、中空糸膜３２を介して水分交換することにより空気を加湿する加湿装置１であって、芯部材２１は、その前側に開口した第１中空部２１ａを有し、第１中空部２１ａに空気の少なくとも一部が流入可能であると共に、第１中空部２１ａは軸方向においてオフガス流入口２１ｃの近傍まで伸びており、第１中空部２１ａに流入した空気がオフガスを加熱する。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池等の機器に供給する気体を加湿する加湿装置に関し、詳しくは、水透過性の中空糸膜を有する加湿装置に関する。

固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ、以下、燃料電池（ＦＣ）とする）においては、水素等の燃料ガス、酸素等の酸化剤ガスを加湿する加湿装置が必要である。例えば、ケースとその内側の芯部材との間に装填された水透過性を有する中空糸膜を介して、燃料電池から排出された高い湿度の（含水量の高い）オフガスと、燃料電池に供給する空気（酸化剤ガス）との間で水分交換し、空気を加湿する加湿装置が知られている（特許文献１参照）。
特開２００４−６０９９号公報（図３）

しかしながら、特許文献１に記載の加湿装置では、オフガスは空気に対して高湿度であるが、その温度は低く、しかも、徐々に下がるため、中空糸膜外を流れるオフガスの湿度が下がる場合があった。その結果として、中空糸膜内を流れる空気の加湿効率が下がる場合があった。
そこで、本発明は、加湿効率の高い加湿装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、請求項１に係る発明は、筒状のケースと、前記ケースに収容された芯部材と、複数の中空糸膜が束ねられてなり、前記ケースと前記芯部材との間に収容された中空糸膜束と、を備え、低温ガス流入口から流入した低温ガスが、前記ケース内であって前記中空糸膜外を流通した後、前記ケースに形成された低温ガス流出口を通って外部に流出し、前記低温ガスよりも高温であり、かつ、湿度の異なる高温ガスが、前記中空糸膜内を流通し、前記中空糸膜を介して水分交換することにより、前記低温ガス又は高温ガスを加湿する加湿装置であって、前記芯部材は、その一方側に開口した第１中空部を有し、当該第１中空部に前記高温ガスの少なくとも一部が流入可能であると共に、前記第１中空部は軸方向において前記低温ガス流入口の近傍まで伸びており、当該第１中空部に流入した前記高温ガスが前記低温ガスを加熱可能であることを特徴とする加湿装置である。

このような加湿装置によれば、高温ガスの少なくとも一部が、第１中空部に流入し、低温ガス流入口や中空糸膜外を流れる低温ガスを加熱する。これにより、加湿装置全体の加熱が促進され、加湿装置内を流通する高温ガス及び低温ガスの飽和水蒸気量が、全体として上昇し、中空糸膜を介して、高温ガスと低温ガスとの間で効率的に水分交換し、高温ガス又は低温ガスを、好適に加湿することができる。
具体的に例えば、高温ガスの湿度が低温ガスの湿度よりも高い場合、高温ガスによって低温ガスを加熱することで、低温ガスの飽和水蒸気量が高くなり、このように飽和水蒸気量が高くなった低温ガスに、高温ガスから多量の水分を移動させることができる。その結果として、低温ガスを好適に加湿することができる。
これに対し、高温ガスの湿度が低温ガスの湿度よりも低い場合は、後記するとおりである。

請求項２に係る発明は、前記高温ガスの湿度は、前記低温ガスの湿度よりも低く、前記高温ガスを加湿することを特徴とする請求項１に記載の加湿装置である。

このような加湿装置によれば、高温ガスによって低温ガスが加熱され、低温ガスの温度が上がり、その飽和水蒸気量が上がる。これにより、高湿の低温ガス中の水分が結露しにくくなり、低温ガスは、その内部に水分（水蒸気）を含んだまま、中空糸膜外を流通することができる。したがって、中空糸膜を介して、良好に水分を含む低温ガスと高温ガスとの間で水分交換することができ、高温ガスを効率的に加湿することができる。

請求項３に係る発明は、前記芯部材は、その他方側に開口した第２中空部と、当該第２中空部を囲む周壁に形成された低温ガス流入口とを備え、前記低温ガスは、前記第２中空部と、前記低温ガス流入口とを順に通って、前記中空糸膜外に流入することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の加湿装置である。

このような加湿装置によれば、低温ガスが、第２中空部と、低温ガス流入口とを順に通って、中空糸膜外に流入する。これにより、低温ガスが中空糸膜外であって、中空糸膜束の全体に流れやすくなり、中空糸膜の利用効率を高めることができる。また、低温ガス流入口は、後記する実施形態のように、周方向に複数であって、軸方向に複数段で形成されていることが好ましい。

本発明によれば、加湿効率の高い加湿装置を提供することができる。

以下、本発明の一実施形態について、図１から図３を参照して説明する。
まず、本実施形態に係る加湿装置が組み込まれた燃料電池システムについて、図１を参照して説明する。図１に示す燃料電池システム１００は、図示しない燃料電池自動車に搭載されている。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック４０と、これに酸素を含む空気（酸化剤ガス）を供給するコンプレッサ５１と、燃料電池スタック４０に供給される空気を適宜に加湿するための中空糸膜３２を内蔵する加湿装置１と、燃料電池スタック４０に水素（燃料ガス）を供給する水素タンク６１（水素供給機器）と、を主に備えている。

燃料電池スタック４０は、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）であり、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）をセパレータ（図示しない）で挟持してなる単セルが複数積層されて構成されている。ＭＥＡは、固体高分子膜４１と、これを挟持するカソード４２及びアノード４３とを備えている。
カソード４２には加湿空気が供給されるようになっている。因みに、加湿空気はコンプレッサ５１からの空気が、加湿装置１によって加湿されたものである。アノード４３には、水素タンク６１から水素が供給されるようになっている。

そして、このように水素及び加湿空気が供給されると、カソード４２及びアノード４３に含まれる触媒上で電気化学反応が起こり、その結果として、燃料電池スタック４０が発電可能となっている。燃料電池スタック４０の出力端子には、燃料電池自動車の走行用の電動モータ（図示しない）が接続されており、この電動モータは燃料電池スタック４０の発電電力によって駆動するようになっている。

燃料電池スタック４０のカソード４２の下流側は、配管を介して加湿装置１に接続されており、発電に係る電気化学反応によってカソード４２で生成した水分（水蒸気）を含む空気（以下、オフガスという）が加湿装置１に供給されるようになっている。そして、加湿装置１における中空糸膜３２を介しての水分交換によって、オフガスの水分量が低下し、この水分量が低下したオフガスは、背圧弁５２を介して、大気中に排出されるようになっている。

一方、燃料電池スタック４０のアノード４３の下流側は、パージ弁６２を介して大気に開放されており、アノード４３から排出される未反応の水素を含むアノードオフガスが、大気中に排出されるようになっている。なお、アノード４３とパージ弁６２との間の配管は、循環配管６３によって、アノード４３と水素タンク６１との間の配管に接続されており、アノードオフガス中の不純物の濃度が低い場合、言い換えると、アノードオフガス中の水素濃度が高い場合、パージ弁６２が閉じられることにより、アノードオフガスが水素供給側に戻されるようになっている。

≪加湿装置の構成≫
次に、加湿装置１の具体的に構成について、図２及び図３を参照して説明する。
図２に示すように、加湿装置１は、外形が略円柱体であって、その軸方向が燃料電池自動車の前後（走行）方向に沿うように配置されている。そして、コンプレッサ５１からの空気（高温ガス）は、加湿装置１の軸方向における前側（一方側）からその内部に導入され、加湿空気となって、その後側（他方側）から排出されるようになっている。因みに、この空気の温度は、コンプレッサ５１での圧縮によって高くなっている。カソード４２からの水分量が高く、前記コンプレッサ５１からの空気よりも低温のオフガス（低温ガス）は、加湿装置１の後側（他方側）からその内部に導入され、水分交換によって含水量が低下した後、外ケース１１の前側周面から排出されるようになっている。
なお、言うまでもないが、加湿装置１に導入されるオフガスの湿度は、同じく導入される空気の湿度よりも高い。また、加湿装置１の軸方向における前側（一方側）は、後記する外ケース１１の前端面側（一端面側）であり、加湿装置１の軸方向における後側（他方側）は、外ケース１１の後端面側（他端面側）である。

図２及び図３に示すように、加湿装置１は、円筒状のケース１０と、ケース１０（外ケース１１）の中心軸線上に配置された芯部材２１と、ケース１０に内包されると共に、ケース１０と芯部材２１との間に充填（収容）された中空糸膜束３１と、を主に備えている。すなわち、芯部材２１は、断面視が環状の中空糸膜３２の内側であって、ケース１０及び中空糸膜束３１の中心軸線上に配置されている。

＜ケース＞
ケース１０は、外ケース１１（特許請求の範囲におけるケースに相当）と、フロントキャップ１２と、フロントマニホールド１３と、リアキャップ１４とを主に備えている。
外ケース１１は、ＰＣ（ポリカーボネート）やＰＰＯ（ポリフェニレンオキサイド）等の硬質樹脂から形成される筒体であって、その前側の周壁に水分交換後のオフガスが流出するオフガス流出口１１ａ（低温ガス流出口）を複数有している。複数のオフガス流出口１１ａは、外ケース１１の周方向に配置されると共に、軸方向において複数段（本実施形態では４段）で配置されている。

フロントキャップ１２は、外ケース１１の前側開口に蓋をするように、外ケース１１に取り付けられている。そして、フロントキャップ１２内にコンプレッサ５１から空気が導入され、次いで、この空気が各中空糸膜３２内と、後記する芯部材２１の第１中空部２１ａに流入するようになっている。

フロントマニホールド１３は、複数のオフガス流出口１１ａから外部に流出したオフガスを集合させるためのカバーである。フロントマニホールド１３は、その内部にリング状の中空部を有しており、周方向かつ多段で形成されたオフガス流出口１１ａを覆うように外ケース１１に取り付けられている。そして、水分交換後のオフガスは、オフガス流出口１１ａから、前記リング状の中空部を介して、外部に排出されるようになっている。

リアキャップ１４は、外ケース１１の後側開口に蓋をするように、外ケース１１に取り付けられている。そして、中空糸膜３２から流出した加湿空気は、リアキャップ１４内を介して、外部に流出するようになっている。

＜芯部材＞
芯部材２１は、その外形が略円筒体であって、外ケース１１の中心軸線上に位置している。芯部材２１は、その前側（一方側）に開口した第１中空部２１ａと、その後側（他方側）に開口した第２中空部２１ｂとを備えている。

第１中空部２１ａはフロントキャップ１２内と連通しており、フロントキャップ１２内に導入された空気（高温ガス）の少なくとも一部が、第１中空部２１ａに流入するようになっている。

また、第２中空部２１ｂには、カソード４２から排出されたオフガスが導入されるようになっており、さらに、第２中空部２１ｂを取り囲む芯部材２１の周壁には、複数のオフガス流入口２１ｃ（低温ガス流入口）が、周方向に、かつ、軸方向において多段で形成されている。これにより、オフガスが、第２中空部２１ｂからオフガス流入口２１ｃを通って、断面視において、径方向外側に向かって放射状に流れ、外ケース１１と芯部材２１との間であって、中空糸膜３２外に流入するようになっている。このように、オフガスが放射状に均等に流れやすいため、中空糸膜３２を有効利用可能となる。

さらに、図３に示すように、空気が導入される第１中空部２１ａと、オフガスが導入される第２中空部２１ｂとは、仕切壁２１ｄによって仕切られている。そして、第１中空部２１ａは、軸方向において、オフガス流入口２１ｃの近傍まで伸びている。これにより、第１中空部２１ａに流入した高温の空気によって、第２中空部２１ｂに流入したオフガスや、オフガス流入口２１ｃを通って中空糸膜３２外に流入したオフガスが、加熱されるようになっている。

さらにまた、第１中空部２１ａを取り囲む芯部材２１の内周面には、複数のフィン２１ｅ（リブ）が適所に設けられている。これにより、前記内周面の面積が大きく、つまり、空気と芯部材２１との接触面積が大きくなっている。したがって、高温の空気と低温のオフガスとの間における熱交換は促進され、空気の熱が芯部材２１を介してオフガスに伝達しやすくなっている。
なお、このように、高温の空気と低温のオフガスとの間における熱交換を促進させる構成は、フィン２１ｅに限定されず、その他に例えば、断面が波状の熱交換シートを巻回したものや、複数の細孔を有するハニカム体を、第１中空部２１ａに装填する構成としてもよい。

そして、このように加熱されると、オフガス中の液滴や結露水が蒸発して、オフガスの水蒸気量が高くなり、高湿度のオフガスが中空糸膜３２外を流通しやすくなる。すなわち、加湿装置１内で、オフガス中の水分が結露しにくくなる。これにより、中空糸膜３２を介して、高湿度のオフガスと低湿度の空気との間で、良好に水分交換することができ、その結果として、空気を効率的に加湿可能となっている。
また、このように加熱されたオフガスによって、中空糸膜３２内を流れる空気を間接的に暖めることもでき、これにより、中空糸膜３２内を流れる空気の飽和水蒸気量を高めることができ、高湿度の加湿空気を生成可能となっている。

＜中空糸膜束＞
中空糸膜束３１は、ポリイミド等から形成された中空糸膜３２が、所定本数（例えば１０〜１００００本）にて束ねられたものである。そして、中空糸膜束３１は、外ケース１１の軸方向に沿って、外ケース１１と芯部材２１との間に装填されると共に、前側及び後側のポッティング部３３、３３（封止部）を介して、外ケース１１及び芯部材２１に固定されている。すなわち、前側のポッティング部３３は、フロントキャップ１２内と、外ケース１１内であって中空糸膜３２外の空間とを仕切ると共に、空気の流通方向において、中空糸膜３２の入口側に位置する入口側流路壁として機能している。これと同様に、後側のポッティング部３３は、リアキャップ１４内と、外ケース１１内であって中空糸膜３２外の空間とを仕切ると共に、空気の流通方向において、中空糸膜３２の出口側に位置する出口側流路壁として機能している。したがって、加湿装置１は、その軸方向において、ポッティング部３３、３３の間に水分交換を行う水分交換部を有している。

そして、中空糸膜３２の前側開口（高温ガス流入口）は、フロントキャップ１２内と連通しており、フロントキャップ１２内から中空糸膜３２内に、空気が流入するようになっている。一方、中空糸膜３２の後側開口（高温ガス流出口）は、リアキャップ１４内と連通しており、中空糸膜３２内からリアキャップ１４内に加湿空気が流出するようになっている。

中空糸膜束３１を構成する中空糸膜３２は、外径が３ｍｍ以下（好ましくは０．２〜１ｍｍ）の円筒状であり、その周壁に複数の数ｎｍの微細孔を有しており、水（水蒸気）の透過性を有している。そして、この中空糸膜３２に対して、高温かつ低湿度の空気（高温ガス）がその内部を後側（他方側）に向かって、低温かつ高湿度のオフガス（低温ガス）がその外を前側（一方側）に向かって、それぞれ流通することで、含水量の高いオフガスから水分が吸い出され、この水分が毛細管現象により中空糸膜３２の周壁を透過し、含水量の低い空気に供給（添加）されることで、空気が加湿され、加湿空気となる。板状の平膜等でなく、このような中空糸膜３２を使用したことによって、単位体積当たりの有効膜面積は飛躍的に大きくなる。また、このようにコンプレッサ５１での圧縮により、オフガスよりも高圧の空気が、中空糸膜３２内を通ることで、中空糸膜３２が潰れにくくなっている。

≪加湿装置の効果≫
このような加湿装置１によれば、主として次の効果を得ることができる。
芯部材２１内を、第１中空部２１ａ及び第２中空部２１ｂとして利用することができ、加湿装置１のデッドスペースが小さくなる。
そして、高温の空気が、オフガス流入口２１ｃの近傍まで伸びる第１中空部２１ａに流れ込み、この流れ込んだ空気が、オフガスを加熱するため、オフガスの飽和水蒸気量が高くなり、高い湿度のオフガスが、中空糸膜３２外を流れる。その結果として、中空糸膜３２内を流れる空気を良好に加湿することができ、高い湿度の加湿空気を生成することができる。
また、このように高温低湿の空気によって、低温高湿のオフガスを加熱することにより、加湿装置１全体の加熱が促進され、加湿装置１内を流通する空気及びオフガスの飽和水蒸気量が、全体として上昇し、中空糸膜３２を介して、空気とオフガスとの間で効率的に水分交換し、空気を効率的に加湿することができる。

以上、本発明の好適な一実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば以下のような変更をすることができる。
例えば、図４に示すように、コンプレッサ５１からの空気が、第１中空部２１ａにおいて、オフガス流入口２１ｃの近傍まで流入しやすくするため、第１中空部２１ａに遊挿される筒状の空気流入部１５（高温ガス導入部）を、フロントキャップ１２に設ける構成としてもよい。この場合、空気流入部１５の周壁には、複数の空気流入口１５ａを適所に形成し、第１中空部２１ａ全体に空気が流入可能とすると共に、空気が受ける圧力損失の低下を図ることが好ましい。
なお、図４において、フィン２１ｅ（図３参照）は作図上省略している。

前記した実施形態では、加湿装置１に対して、空気（高温ガス）がその前側から供給され、この空気が前側に開口した第１中空部２１ａに流入する構成としたが、図５に示す構成であってもよい。さらに説明すると、図５に示す芯部材２１の後側は二重構造となっており、仕切壁２１ｄの後側に、円筒状の空気流入部２１ｆを備えており、この空気流入部２１ｆは、第２中空部２１ｂ内を通って外部に伸びている。そして、コンプレッサ５１から空気は、空気流入部２１ｆを通った後、第１中空部２１ａに流入するようになっている。これにより、第２中空部２１ｂを通るオフガスが、空気流入部２１ｆ内を通る空気によって、加熱されやすくなっている。因みに、このような構成の場合、第１中空部２１ａと第２中空部２１ｂは、いずれも、同一側である後側に開口していることになる。また、この場合において、空気流入部２１ｆの内周面及び／又は外周面に、フィンを設け、空気の熱がオフガスに、より好適に伝達するようにしてもよい。

前記した実施形態では、芯部材２１が、第２中空部２１ｂ及びオフガス流入口２１ｃを有する加湿装置１について説明したが、これに限定されず、図６に示すように、芯部材２１がこれらを有さず、オフガスが、外ケース１１の後側に形成されたオフガス流入口１１ｂ（低温ガス流入口）から流入し、中空糸膜３２外を前側に向かって流れた後、外ケース１１の前側に形成されたオフガス流出口１１ｃ（低温ガス流出口）を通り、外部に排出される加湿装置１Ａであってもよい。

前記した実施形態では、中空糸膜３２外のオフガス（低温ガス）の向きと、中空糸膜内の空気（高温ガス）の向きとが、逆である場合について説明したが、これに限定されず、同じ向きであってもよい。

前記した実施形態では、高温ガスの湿度は、低温ガスの湿度よりも低く、高温ガスを加湿する加湿装置１について説明したが、これと逆に、高温ガスの湿度が、低温ガスの湿度よりも高く、低温ガスを加湿する加湿装置であってもよい。このような加湿装置によれば、高温ガスが低温ガスを加熱することで、低温ガスの飽和水蒸気量が高くなり、この飽和水蒸気量が高くなった低温ガスに、高温ガスから多量の水分を移動させ、低温ガスを好適に加湿することができる。

本実施形態に係る加湿装置が組み込まれた燃料電池システムの構成を示す図である。 本実施形態に係る加湿装置の斜視図である。 本実施形態に係る加湿装置の側断面図である。 変形例に係る加湿装置の要部の側断面図である。 変形例に係る加湿装置の側断面図である。 変形例に係る加湿装置の側断面図である。

符号の説明

１ 加湿装置
１０ ケース
１１ 外ケース
１１ａ オフガス流出口（低温ガス流出口）
２１ 芯部材
２１ａ 第１中空部
２１ｂ 第２中空部
２１ｃ オフガス流入口（低温ガス流入口）
２１ｄ 仕切壁
３１ 中空糸膜束
３２ 中空糸膜
３３ ポッティング部

Claims (3)

1. 筒状のケースと、
   前記ケースに収容された芯部材と、
   複数の中空糸膜が束ねられてなり、前記ケースと前記芯部材との間に収容された中空糸膜束と、
   を備え、
   低温ガス流入口から流入した低温ガスが、前記ケース内であって前記中空糸膜外を流通した後、前記ケースに形成された低温ガス流出口を通って外部に流出し、
   前記低温ガスよりも高温であり、かつ、湿度の異なる高温ガスが、前記中空糸膜内を流通し、
   前記中空糸膜を介して水分交換することにより、前記低温ガス又は高温ガスを加湿する加湿装置であって、
   前記芯部材は、その一方側に開口した第１中空部を有し、当該第１中空部に前記高温ガスの少なくとも一部が流入可能であると共に、前記第１中空部は軸方向において前記低温ガス流入口の近傍まで伸びており、当該第１中空部に流入した前記高温ガスが前記低温ガスを加熱可能であることを特徴とする加湿装置。
2. 前記高温ガスの湿度は、前記低温ガスの湿度よりも低く、
   前記高温ガスを加湿することを特徴とする請求項１に記載の加湿装置。
3. 前記芯部材は、その他方側に開口した第２中空部と、当該第２中空部を囲む周壁に形成された低温ガス流入口とを備え、
   前記低温ガスは、前記第２中空部と、前記低温ガス流入口とを順に通って、前記中空糸膜外に流入することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の加湿装置。

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