JP2008157532A - 加湿装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 中空糸膜束の耐久性、分配性を向上させつつ、圧力損失の増加を従来に比べて抑えることができる加湿装置の提供。
【解決手段】（ａ）ガスＧ２を内部に導入するガス導入部２３を備えるハウジング２０と、（ｂ）入口孔３１を備えるケース３０と中空糸膜束４０とを備える中空糸膜モジュール５０と、（ｃ）ガス導入部２３と入口孔３１との間に設けられガス導入部２３からのガス流れが中空糸膜束４０を直撃することを抑制する直撃抑制部材６０と、を有し、直撃抑制部材６０は、入口孔３１に対向する第１の面６１と、第１の面６１の一側からガス導入部２３側に延びる第２の面６２と、第１の面６１の他側からガス導入部２３側に延びる第３の面６３と、を備えており、第２の面６２と第３の面６３との間隔はガス導入部２３に近づくにつれて小とされている、加湿装置１０。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池用の加湿装置に関し、とくに中空糸膜束を複数個用いた加湿装置に関する。

図７に示すように、加湿装置１は、ハウジング２と、複数本直列に並んで配置された中空糸膜モジュール３と、を有する。ハウジング２は、ガスを内部に導入するガス導入部２ａを備える。中空糸膜モジュール３は、ガス導入部２ａからハウジング２内に導入されたガスを内部に入れる入口孔４ａを備えるケース４と、ケース４の内部に配置される中空糸膜束５と、を備える。
しかし、従来の加湿装置１では、（ｉ）ハウジング２のガス導入部２ａから導入されたガスが勢いよく中空糸膜束５の側面に当たると、中空糸膜束５が破損してしまう。また、（ｉｉ）複数の中空糸膜モジュール３が直列に複数並んで配置されているため、ガス導入部２ａから導入されたガスは、複数の中空糸膜モジュール５のうち最もガス導入部２ａ側に配置される中空糸膜モジュール３ａに集中的に流入する。そのため、奥の中空糸膜モジュール３ｂを最もガス導入部２ａ側に配置される中空糸膜モジュール３ａと同等に効果的に使うことができない（ガスの分配性が低い）。

特開２００４−２６５６５１号公報は、ハウジングのガス導入部とケースの入口孔との間に直撃抑制部材を設け、ハウジングのガス導入部からのガス流れが中空糸膜束を直撃することを抑制した加湿装置を開示している。該公報開示の直撃抑制部材を図７に示す加湿装置１に設けることで、従来の加湿装置１に存在していた上記問題点（ｉ）、（ｉｉ）を解消できる。

しかし、上記公報開示の加湿装置には、次の問題点がある。
直撃抑制部材の形状がガス流れの向きを直交またはほぼ直交する方向に変える薄板形状であるため、流れの圧力損失が大きく増加してしまう。
特開２００４−２６５６５１号公報

本発明の目的は、中空糸膜束の耐久性、分配性を向上させつつ、圧力損失の増加を従来に比べて抑えることができる加湿装置を提供することにある。

上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１） （ａ）ガスを内部に導入するガス導入部を備えるハウジングと、
（ｂ）前記ガス導入部から前記ハウジング内に導入されたガスを内部に入れる入口孔を備えるケースと、該ケースの内部に配置される中空糸膜束と、を備える中空糸膜モジュールと、
（ｃ）前記ハウジングのガス導入部と前記ケースの入口孔との間に設けられ前記ガス導入部からのガス流れが前記中空糸膜束を直撃することを抑制する直撃抑制部材と、
を有し、
前記直撃抑制部材は、前記ケースの入口孔に対向する第１の面と、該第１の面の一側から前記ガス導入部側に延びる第２の面と、前記第１の面の他側から前記ガス導入部側に延びる第３の面と、を備えており、前記第２の面と前記第３の面との間隔は前記ガス導入部に近づくにつれて小とされている、加湿装置。
（２） 前記直撃抑制部材の第１の面と第２の面は湾曲面で連なっており、前記直撃抑制部材の第１の面と第３の面は湾曲面で連なっている（１）記載の加湿装置。
（３） 前記直撃抑制部材の第２の面と第３の面とのなす角は鋭角である（１）記載の加湿装置。

上記（１）の加湿装置によれば、ガス導入部からのガス流れが中空糸膜束を直撃することを抑制する直撃抑制部材が設けられているため、ハウジングのガス導入部からのガスが勢いよく中空糸膜束に当たることを抑制できる。そのため、ハウジングのガス導入部からのガス流れによって中空糸膜束が破損することを抑制でき、直撃抑制部材が設けられていない場合に比べて、中空糸膜束の耐久性が向上する。
また、直撃抑制部材が設けられているため、中空糸膜モジュールが複数本直列に並んで配置されている場合であっても、ガス導入部から導入されたガスが、複数の中空糸膜モジュールのうち最もガス導入部側に配置される中空糸膜モジュールに集中的に流入することを抑制できる。そのため、直撃抑制部材が設けられていない場合に比べて、奥の中空糸膜モジュールを最もガス導入部側に配置される中空糸膜モジュールと同等に効果的に使うことができる（ガスの分配性が向上する）。
また、直撃抑制部材の第２の面と第３の面との間隔がハウジングのガス導入部に近づくにつれて小とされているため、直撃抑制部材によるガス流れの向きの変化量は、直撃抑制部材がガス流れの向きを直交またはほぼ直交する方向に変える薄板形状である場合に比べて、少ない。そのため、直撃抑制部材がガス流れの向きを直交またはほぼ直交する方向に変える薄板形状である場合に比べて、流れの圧力損失の増加を抑えることができる。

上記（２）の加湿装置によれば、直撃抑制部材の第１の面と第２の面が湾曲面で連なっているため、第１の面と第２の面が湾曲面で連なっていない場合に比べて、第２の面に沿って流れてきたガス流れの下流側で渦が発生することを抑制できる。また、直撃抑制部材の第１の面と第３の面が湾曲面で連なっているため、第１の面と第３の面が湾曲面で連なっていない場合に比べて、第３の面に沿って流れてきたガス流れの下流側で渦が発生することを抑制できる。

上記（３）の加湿装置によれば、直撃抑制部材の第２の面と第３の面とのなす角が鋭角であるため、第２の面と第３の面とのなす角が直角または鈍角である場合に比べて、直撃抑制部材によるガス流れの向きの変化量を少なくでき、流れの圧力損失の増加を抑えることができる。

図１〜図６は、本発明実施例の加湿装置を示している。
本発明実施例の加湿装置（以下、単に加湿装置ともいう）１０は、図示略の燃料電池に送り込まれるガスを加湿する装置である。加湿装置１０は、燃料電池で生成される水を利用して湿潤状態にされたガスを利用して、燃料電池に送り込まれるガスを加湿する。
加湿装置１０は、図１に示すように、ハウジング２０と、ケース３０と中空糸膜束４０とを備え複数本（図示例では４本）直列に並んで配置された中空糸膜モジュール５０と、直撃抑制部材６０と、を有する。

ハウジング２０は、第１のハウジング２０ａと第２のハウジング２０ｂとを備える。第１のハウジング２０ａと第２のハウジング２０ｂは、一体に形成されていてもよく、別体に形成されていてもよい。

ハウジング２０は、第１のガスＧ１をハウジング２０の内部に導入するための第１のガス導入部２１と、導入した第１のガスＧ１をハウジング２０の外部に排出するための第１のガス排出部２２と、第２のガスＧ２をハウジング２０の内部に導入するための第２のガス導入部２３と、導入した第２のガスＧ２をハウジング２０の外部に排出するための第２のガス排出部２４と、第２のガス導入部２３からハウジング２０内に導入された第２のガスＧ２が入り込む第２のガス流入部２５と、第２のガスＧ２がケース３０の外部に出たときに第２のガスＧ２が入り込む第２のガス流出部２６と、を備える。

第１のガスＧ１は、吸気した大気と、燃料電池からの水分を含み大気よりも湿度が高いガスとの、いずれか一方である。第２のガスＧ２は、吸気した大気と、燃料電池からの水分を含み大気よりも湿度が高いガスとの、いずれか他方である。第１のガスＧ１が中空糸膜束４０の中空糸の内側を通り、第２のガスＧ２が中空糸膜束４０の中空糸と中空糸との隙間を通る。第１のガスＧ１と第２のガスＧ２は、中空糸膜束４０部位を互いに逆方向に流れており、中空糸膜束４０部位を流れている間に膜を通して水分の移動が行われ、吸気した大気が加湿される。

第１のガス導入部２１と第２のガス排出部２４と第２のガス流出部２６は、第１のハウジング２０ａに形成される。第１のガス排出部２２と第２のガス導入部２３と第２のガス流入部２５は、第２のハウジング２０ｂに形成される。

第１のガス導入部２１から導入された第１のガスＧ１は、ケース３０内にケース３０の軸方向一側から入り込んでいく。ケース３０内に入り込んだ第１のガスＧ１は、ケース３０の軸方向他側からケース３０の外部に出て第１のガス排出部２２を通ってハウジング２０の外部に排出される。
第２のガス導入部２３から導入された第２のガスＧ２は、第２のガス流入部２５で第２のハウジング２０ｂの全体に行き渡り、その後、ケース３０の後述の入口孔３１からケース３０内に入り込んでいく。ケース３０内に入りこんだ第２のガスＧ２は、ケース３０の後述の出口孔３２からケース３０の外部に出て第２のガス流出部２６に入り込み、その後、第２のガス排出部２４からハウジング２０の外部に排出される。

ケース３０は、円筒形状である。ケース３０は、ハウジング２０と一体に形成されていてもよく、ハウジング２０と別体に形成されてハウジング２０に固定されていてもよい。ケース３０は、ハウジング２０の内側に設けられている。ケース３０は、中空糸膜束４０の側壁を覆っている。ケース３０は、ケース３０の軸方向一端部またはその近傍に形成される入口孔３１と、ケース３０の軸方向他端部またはその近傍に形成される出口孔３２と、を備える。

入口孔３１は、ケース３０の周方向に複数形成されている。ケース３０の内部（中空糸膜束４０が配置されている部分）は、入口孔３１で第２のガス流入部２５に連通している。
出口孔３２は、ケース３０の周方向に複数形成されている。ケース３０の内部（中空糸膜束４０が配置されている部分）は、出口孔３２で第２のガス流出部２６に連通している。

中空糸膜束４０は、ストロー上の筒である中空糸の束である。中空糸膜束４０は、ケース３０の内部に配置されている。中空糸は、水分透過性のある壁をもつ。中空糸は、ケース３０の軸方向と同方向に延びている。

直撃抑制部材６０は、第２のガス導入部２３からのガス流れが中空糸膜束４０の側壁を直撃することを抑制するとともに、第２のガス導入部２３からのガスを複数の中空糸膜モジュール５０の各モジュールに均等またはほぼ均等に流入させるために、設けられる。
直撃抑制部材６０は、第２のガス流入部２５内に設けられる。直撃抑制部材６０は、第２のガス導入部２３と、入口孔３１のうち第２のガス導入部２３のガス流れ方向下流側端に対向する部位に設けられる入口孔３１ａ（図３参照）との間に、設けられる。直撃抑制部材６０は、図５に示すように略三角柱形状となっている。図３に示すように、直撃抑制部材６０のガス流れ方向下流側端部の幅ａは、入口孔３１ａの幅ｂより大とされている。図４に示すように、直撃抑制部材６０の高さｃは、入口孔３１ａの高さｄより大とされている。直撃抑制部材６０は、ハウジング２０と一体に形成されていてもよく、ハウジング２０と別体に形成されてハウジング２０に固定されていてもよい。

直撃抑制部材６０は、図３に示すように、入口孔３１ａのガス流れ方向上流側端に対向する第１の面６１と、第１の面６１の一側からガス導入部２３側に延びる第２の面６２と、第１の面６１の他側からガス導入部２３側に延びる第３の面６３と、を備える。第１、第２、第３の面６１，６２，６３は、三角柱形状の三側面である。

第１の面６１の面積は、ガス導入部２３からのガス流れがそのまま入口孔３１ａを通って中空糸膜束４０に直撃することを確実に防止するために、入口孔３１ａの開口面積およびガス導入部２３のガス流れ方向下流側端の面積より大とされていることが望ましい。
第１の面６１は、入口孔３１ａから離れる方向に湾曲する（内側に凹む）湾曲面（円弧面）とされている。第１の面６１が円弧面とされている場合、第１の面６１は、入口孔３１ａが設けられるケース３０の軸芯を中心とする円弧面とされている。

第２の面６２の面積は、第１の面６１の面積と同じであってもよく異なっていてもよい。第２の面６２は、平面であってもよく内側に凹む湾曲面であってもよく外側に凸の湾曲面であってもよい。第２の面６２のガス流れ方向下流側端部の延長面Ｓ１は、入口孔３１ａより、さらに望ましくは中空糸膜モジュール５０より一側にある。第２の面６２は、第１の面６１と、外側に凸の湾曲面６４にて連なっている。ただし、湾曲面６４は必須の構成要件ではない。第２の面６２が湾曲面６４にて第１の面６１と連なっている場合、第２の面６２は第１の面６１と滑らかに連なっている（急激な角度変化を伴うことなく連なっている）。

第３の面６３の面積は、第１の面６１の面積と同じであってもよく異なっていてもよい。第３の面６３の面積は、第２の面６２の面積と同じであってもよく異なっていてもよい。第３の面６３は、平面であってもよく内側に凹む湾曲面であってもよく、外側に凸の湾曲面であってもよい。第３の面６３のガス流れ方向下流側端部の延長面Ｓ２は、入口孔３１ａより、さらに望ましくは中空糸膜モジュール４０より他側にある。第３の面６３は、第１の面６１と、外側に凸の湾曲面６５にて連なっている。ただし、湾曲面６５は必須の構成要件ではない。第３の面６３が湾曲面６５にて第１の面６１と連なっている場合、第３の面６３は第１の面６１と滑らかに連なっている（急激な角度変化を伴うことなく連なっている）。第３の面６３と第１の面６１とを連ならせる湾曲面６５の曲率は、第２の面６２と第１の面６１とを連ならせる湾曲面６４の曲率と等しくてもよく異なっていてもよい。

第２の面６２と第３の面６３との間の間隔は、ガス導入部２３に近づくにつれて小とされている。第２の面６２と第３の面６３とのなす角θは鋭角である。第２の面６２のガス導入部２３側端と第３の面６３のガス導入部２３側端とは、外側に凸の湾曲面６６にて連なっていてもよいが、ガス導入部２３から流れてきたガス流れに対向する面を極力小さくして（またはゼロにして）圧力損失増加量を低減させるために、直接（急激な角度変化を伴って）連なっていることが望ましい。第２の面６２と第３の面６３とが湾曲面６６にて連なっている場合、その湾曲面６６の曲率は、第１の面６１と第２の面６２とを連ならせる湾曲面６４の曲率より大であり、第１の面６１と第３の面６３とを連ならせる湾曲面６５の曲率より大である。

つぎに、本発明実施例の作用を説明する。
図６は、中空糸膜モジュールを直列に４本並べた場合の、直撃抑制部材が設けられていない場合（Ａ）と、直撃抑制部材の形状がガス流れの向きを直交またはほぼ直交する方向に変える薄板形状である場合（Ｂ）と、本発明の直撃抑制部材６０を設けた場合（Ｃ）の、加湿装置の性能を表した図である。

図６において、「モジュール付近最高圧力比」は、入口孔３１ａ付近の圧力比である。図６より、中空糸膜モジュール５０ａ付近の最高圧力比が
Ａ ： Ｂ ： Ｃ ＝ ９ ： ２．６ ： １
となっているため、入口孔３１ａ付近の圧力は、Ａ，Ｂ，ＣのうちＣの場合が最も小さくなることがわかる。
また、図６より、Ｃの場合の、複数の中空糸膜モジュール５０の各中空糸膜モジュールへの、ガス導入部２３から導入されたガスの分配性は、Ａの場合に比べて向上する。

また、図６において、「圧損比」は、Ｃの場合とＢの場合との、直撃抑制部材の上流側の圧力と下流側の圧力との差の比である。図６より、Ｂ：Ｃの圧損比が
Ｂ ： Ｃ ＝ １．３ ： １
となっているため、Ｃの場合の圧力損失の増加は、Ｂの場合に比べて抑制できる。

本発明実施例では、ガス導入部２３からのガス流れが中空糸膜束４０を直撃することを抑制する直撃抑制部材６０が設けられているため、ハウジング２０のガス導入部２３からのガスが勢いよく中空糸膜束４０に当たることを抑制できる。そのため、ハウジング２０のガス導入部２３からのガス流れによって中空糸膜束４０が破損することを抑制でき、直撃抑制部材６０が設けられていない場合に比べて、中空糸膜束４０の耐久性が向上する。

直撃抑制部材６０が設けられているため、中空糸膜モジュール５０が複数本直列に並んで配置されている場合であっても、ガス導入部２３から導入されたガスが、複数の中空糸膜モジュール５０のうち最もガス導入部２３側に配置される中空糸膜モジュール５０ａに集中的に流入することを抑制できる。そのため、直撃抑制部材６０が設けられていない場合に比べて、奥の中空糸膜モジュール５０ｂを最もガス導入部２３側に配置される中空糸膜モジュール５０ａと同等に効果的に使うことができる（ガスの分配性が向上する）。

直撃抑制部材６０の第２の面６２と第３の面６３との間隔がハウジング２０のガス導入部２３に近づくにつれて小とされているため、直撃抑制部材６０によるガス流れの向きの変化量は、直撃抑制部材がガス流れの向きを直交またはほぼ直交する方向に変える薄板形状である場合に比べて、少ない。そのため、直撃抑制部材がガス流れの向きを直交またはほぼ直交する方向に変える薄板形状である場合に比べて、流れの圧力損失の増加を抑えることができる。

直撃抑制部材６０の第１の面６１と第２の面６２が湾曲面６４で連なっているため、第１の面と第２の面が湾曲面で連なっていない場合に比べて、第２の面６２に沿って流れてきたガス流れの下流側で渦が発生することを抑制できる。また、直撃抑制部材６０の第１の面６１と第３の面６３が湾曲面６５で連なっているため、第１の面と第３の面が湾曲面で連なっていない場合に比べて、第３の面６３に沿って流れてきたガス流れの下流側で渦が発生することを抑制できる。

直撃抑制部材６０の第２の面６２と第３の面６３とのなす角が鋭角であるため、第２の面と第３の面とのなす角が直角または鈍角である場合に比べて、直撃抑制部材６０によるガス流れの向きの変化量を少なくでき、流れの圧力損失の増加を抑えることができる。

直撃抑制部材６０の第１の面６１が、入口孔３１ａから離れる方向に湾曲する湾曲面とされているため、第１の面が平面または外側に凸の湾曲面とされている場合に比べて、第１の面６１と入口孔３１ａとの間のスペースを大にでき、第１の面６１と入口孔３１との間のガス流速を遅くすることができる。

本発明実施例の加湿装置の概略断面図である。 図１のＤ−Ｄ線断面図である。 本発明実施例の加湿装置の、直撃抑制部材とその近傍を示す部分拡大断面図である。 本発明実施例の加湿装置の、直撃抑制部材とその近傍を示す部分拡大断面図である。 本発明実施例の加湿装置の、直撃抑制部材のみを示す拡大斜視図である。 中空糸膜モジュールを直列に４本並べた場合の、直撃抑制部材が設けられていない場合（Ａ）と、直撃抑制部材の形状がガス流れの向きを直交またはほぼ直交する方向に変える薄板形状である場合（Ｂ）と、本発明の直撃抑制部材を設けた場合（Ｃ）の、加湿装置の性能を表した図（表）である。 従来の加湿装置の概略断面図である。

符号の説明

１０ 加湿装置
２０ ハウジング
２０ａ 第１のハウジング
２０ｂ 第２のハウジング
２１ 第１のガス導入部
２２ 第１のガス排出部
２３ 第２のガス導入部
２４ 第２のガス排出部
２５ 第２のガス流入部
２６ 第２のガス流出部
３０ ケース
３１ 入口孔
３２ 出口孔
４０ 中空糸膜束
５０ 中空糸膜モジュール
６０ 直撃抑制部材
６１ 第１の面
６２ 第２の面
６３ 第３の面
６４，６５，６６ 湾曲面
Ｇ１ 第１のガス
Ｇ２ 第２のガス

Claims (3)

1. （ａ）ガスを内部に導入するガス導入部を備えるハウジングと、
   （ｂ）前記ガス導入部から前記ハウジング内に導入されたガスを内部に入れる入口孔を備えるケースと、該ケースの内部に配置される中空糸膜束と、を備える中空糸膜モジュールと、
   （ｃ）前記ハウジングのガス導入部と前記ケースの入口孔との間に設けられ前記ガス導入部からのガス流れが前記中空糸膜束を直撃することを抑制する直撃抑制部材と、
   を有し、
   前記直撃抑制部材は、前記ケースの入口孔に対向する第１の面と、該第１の面の一側から前記ガス導入部側に延びる第２の面と、前記第１の面の他側から前記ガス導入部側に延びる第３の面と、を備えており、前記第２の面と前記第３の面との間隔は前記ガス導入部に近づくにつれて小とされている、加湿装置。
2. 前記直撃抑制部材の第１の面と第２の面は湾曲面で連なっており、前記直撃抑制部材の第１の面と第３の面は湾曲面で連なっている請求項１記載の加湿装置。
3. 前記直撃抑制部材の第２の面と第３の面とのなす角は鋭角である請求項１記載の加湿装置。

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