JP2009289580A - Humidifying device of fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池の加湿装置に関し、詳細には中空糸膜束内に流入するガスによる中空糸膜のよれ防止技術に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a humidifier for a fuel cell, and more particularly to a technique for preventing a twist of a hollow fiber membrane caused by a gas flowing into a hollow fiber membrane bundle.
従来、例えば燃料電池システムにおいて好適に使用される加湿装置として、中空糸膜を用いた加湿装置が知られている(例えば、特許文献1など参照)。中空糸膜を用いた加湿装置は、中空糸膜内部の細孔への毛管凝縮作用を利用して、中空糸膜内部を流れる湿潤気体から水分を分離して中空糸膜外部に移動させ、中空糸膜外部を流れる乾燥気体を加湿するものである。なお、湿潤気体が中空糸膜外部を流れ、乾燥気体が中空糸膜内部を流れてもよい。 Conventionally, a humidifier using a hollow fiber membrane is known as a humidifier suitably used in, for example, a fuel cell system (see, for example, Patent Document 1). A humidifier using a hollow fiber membrane uses a capillary condensation action to the pores inside the hollow fiber membrane to separate moisture from the moist gas flowing inside the hollow fiber membrane and move it to the outside of the hollow fiber membrane. It humidifies the dry gas flowing outside the yarn membrane. The wet gas may flow outside the hollow fiber membrane, and the dry gas may flow inside the hollow fiber membrane.
燃料電池システムでは、このような加湿装置を、燃料電池スタックから排出後の水蒸気を豊富に含んだ湿潤気体と、燃料電池スタックに供給前の乾燥した乾燥気体との間で水分交換を行って、乾燥気体を加湿するための加湿装置として利用している。 In the fuel cell system, such a humidifying device performs water exchange between a wet gas rich in water vapor discharged from the fuel cell stack and a dry dry gas before being supplied to the fuel cell stack, It is used as a humidifier for humidifying dry gas.
この場合、加湿装置は、例えば中空糸膜の束を円筒形状をなす筐体内に収容した中空糸膜モジュールを有する構成とされ、湿潤気体を湿潤気体導入管から中空糸膜内を流れるように中空糸膜モジュール内に流入させ、また、乾燥気体を乾燥気体導入管から、筐体の全周に亘って所定間隔で形成された複数の乾燥気体流入孔を介して中空糸膜の外部を流れるように中空糸膜モジュール内に流入させる。湿潤気体と乾燥気体は、互いに直交するように供給される、いわゆるクロスフロー方式で導入される。 In this case, the humidifier is configured to have a hollow fiber membrane module in which, for example, a bundle of hollow fiber membranes is housed in a cylindrical casing, and the humidifier is hollow so that wet gas flows from the wet gas introduction pipe into the hollow fiber membrane. The dry gas is allowed to flow into the yarn membrane module, and the dry gas flows from the dry gas introduction pipe to the outside of the hollow fiber membrane through a plurality of dry gas inflow holes formed at predetermined intervals over the entire circumference of the housing. Into the hollow fiber membrane module. The wet gas and the dry gas are introduced by a so-called cross flow method in which the wet gas and the dry gas are supplied so as to be orthogonal to each other.
そして、中空糸膜内外における水蒸気分圧の差によって湿潤気体の水分を中空糸膜外に透過させ、この透過した水分によって中空糸膜外を流れる乾燥気体を加湿している。その後、加湿された乾燥気体は、乾燥気体導出管から流出し、燃料電池スタックへと供給される。
しかし、特許文献1に記載の技術では、中空糸膜外部を流れる気体が中空糸膜束に直接当たるため、その風圧により膜よれ(膜変形)が発生する。中空糸膜束は、複数本を束ねて円筒形状をなす筐体内に挿入され、その両端部を筐体内壁にポッティング樹脂で固定されるが、両端を除く部位は固定されていないため、導入される気体の風圧でよれてしまう。中空糸膜がよれると、気体出口部が閉塞してしまい、加湿場となる全ての中空糸膜を使い切れず、加湿効率が低下すると共に圧力損失が増加してしまう。
However, in the technique described in
そこで本発明は、上記した実状に鑑みて提案されたものであり、中空糸膜束内を流れるガス流量を調整して膜よれを抑制し、加湿効率を高めると共に圧力損失の低減を図ることのできる燃料電池の加湿装置を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been proposed in view of the above-described actual situation, and the flow rate of gas flowing in the hollow fiber membrane bundle is adjusted to suppress membrane swaying, thereby increasing the humidification efficiency and reducing the pressure loss. An object of the present invention is to provide a humidifying device for a fuel cell.
本発明は、中空糸膜の長手方向に亘ってその内部に形成された流通路を流れる第1ガスと、前記中空糸膜の外部を前記第1ガスと略直交する方向に流れる第2ガスとの間で水分交換を行うクロスフロー方式の加湿装置である。 The present invention includes a first gas that flows through a flow passage formed in a longitudinal direction of the hollow fiber membrane, a second gas that flows outside the hollow fiber membrane in a direction substantially orthogonal to the first gas, Is a cross-flow humidifier that exchanges moisture between the two.
この加湿装置は、複数本の中空糸膜を束ねた中空糸膜束と、両端が開口され且つ相対向する面に中空糸膜束内にガスを導入させるガス孔が複数形成された収納ケースとを有し、その収納ケース内に前記中空糸膜束を収容させた中空糸膜モジュールと、第1ガスの導入口及び排出口と第2ガスの導入口及び排出口を有し、該中空糸膜モジュール全体を内部に収容させたハウジングと、を備えている。 The humidifier includes a hollow fiber membrane bundle in which a plurality of hollow fiber membranes are bundled, and a storage case in which a plurality of gas holes are formed in both sides of the hollow fiber membrane bundle and the gas is introduced into the hollow fiber membrane bundle on opposite surfaces. A hollow fiber membrane module in which the hollow fiber membrane bundle is housed in a housing case, a first gas inlet and outlet, and a second gas inlet and outlet, the hollow fiber And a housing in which the entire membrane module is accommodated.
そして、本発明では、ガス孔を通して中空糸膜束内に導入する第2ガスの一部を分流させる内部バイパス流路を、前記ハウジングの内壁面と前記収納ケースの外壁面との間に設ける。 And in this invention, the internal bypass flow path which distributes a part of 2nd gas introduce | transduced in a hollow fiber membrane bundle through a gas hole is provided between the inner wall face of the said housing, and the outer wall face of the said storage case.
本発明によれば、ハウジングの内壁面と収納ケースの外壁面との間に、中空糸膜束内に導入する第2ガスの一部を分流させる内部バイパスを設けたので、第2ガスの一部が内部バイパスへと分流され、中空糸膜束に導入される第2ガスの風圧が低減し、膜よれが抑えられる。したがって、本発明の加湿装置によれば、加湿効率を高めることができる共に圧力損失を低下させることができる。 According to the present invention, the internal bypass for diverting a part of the second gas introduced into the hollow fiber membrane bundle is provided between the inner wall surface of the housing and the outer wall surface of the storage case. The part is diverted to the internal bypass, the wind pressure of the second gas introduced into the hollow fiber membrane bundle is reduced, and the membrane is prevented from twisting. Therefore, according to the humidifier of the present invention, the humidification efficiency can be increased and the pressure loss can be reduced.
以下、本発明を適用した具体的な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, specific embodiments to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.
「加湿装置の構成説明」
図1は加湿装置の一例を示す全体斜視図、図2は図1の分解斜視図、図3は中空糸膜束の斜視図、図4は収納ケースの斜視図、図5は図1のA−A線断面図、図6は図5を矢印B方向から見たときの図、図7は図5を矢印C方向から見たときの図、図8はハウジングの内壁面と収納ケースの外壁面との間に設けた内部バイパスを示す図、図9は第2ガス導入用マニホールドの斜視図、図10は加湿装置内を流れる第1ガス及び第2ガスの流出入状態を示す図、図11は燃料電池の運転負荷と加湿量との関係を示す図である。
“Explanation of humidifier configuration”
1 is an overall perspective view showing an example of a humidifier, FIG. 2 is an exploded perspective view of FIG. 1, FIG. 3 is a perspective view of a hollow fiber membrane bundle, FIG. 4 is a perspective view of a storage case, and FIG. FIG. 6 is a view when FIG. 5 is viewed from the direction of arrow B, FIG. 7 is a view when FIG. 5 is viewed from the direction of arrow C, and FIG. FIG. 9 is a perspective view of the second gas introduction manifold, FIG. 10 is a view showing the inflow / outflow state of the first gas and the second gas flowing in the humidifier, and FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the operating load of the fuel cell and the amount of humidification.
本実施形態の加湿装置に接続される燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギーを直接取り出すものである。特に、固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。 The fuel cell connected to the humidifier of the present embodiment electrochemically reacts a fuel gas such as hydrogen gas and an oxidizing gas containing oxygen through an electrolyte, and generates electric energy from between electrodes provided on both surfaces of the electrolyte. It is to be taken out directly. In particular, solid polymer fuel cells using solid polymer electrolytes are attracting attention as power sources for electric vehicles because of their low operating temperature and easy handling.
すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギーで駆動輪につながるモータを駆動する。そのため、燃料電池車両は、排出物質を水だけとする究極のクリーン車両となる。 That is, a fuel cell vehicle is equipped with a hydrogen storage device such as a high-pressure hydrogen tank, a liquid hydrogen tank, or a hydrogen storage alloy tank in the vehicle, and reacts by supplying hydrogen supplied therefrom and air containing oxygen to the fuel cell. The motor connected to the driving wheel is driven by the electric energy extracted from the fuel cell. Therefore, the fuel cell vehicle is an ultimate clean vehicle that uses only water as an emission material.
このような燃料電池に用いられる固体高分子電解質に、良好な水素イオン伝導性を発揮させるためには、固体高分子電解質を加湿して湿潤状態に維持する必要がある。これを実現するため、燃料電池本体内に純水経路を設けて燃料電池本体内で電解質に加湿する内部加湿や、燃料電池に供給する水素ガスまたは空気に加湿する外部加湿が行われている。 In order for the solid polymer electrolyte used in such a fuel cell to exhibit good hydrogen ion conductivity, it is necessary to humidify the solid polymer electrolyte and maintain it in a wet state. In order to realize this, a pure water path is provided in the fuel cell main body, and internal humidification for humidifying the electrolyte in the fuel cell main body and external humidification for humidifying the hydrogen gas or air supplied to the fuel cell are performed.
外部加湿用の加湿装置としては、燃料電池から排出される高湿度の排出ガスと、燃料電池へ供給する水素または空気の乾燥した供給ガスとの間で中空糸膜を介して湿度交換させる中空糸膜型の加湿装置が使用される。中空糸膜型の加湿装置は、加湿用水及び加湿用エネルギーが不要であるので、特に小型軽量化が必要とされる車載用に適している。 As a humidifier for external humidification, a hollow fiber that exchanges humidity between a high-humidity exhaust gas discharged from a fuel cell and a hydrogen or air dry supply gas supplied to the fuel cell via a hollow fiber membrane A membrane-type humidifier is used. The hollow fiber membrane type humidifier is not particularly necessary for humidification water and energy for humidification, and is therefore particularly suitable for in-vehicle use that requires a reduction in size and weight.
本実施形態の加湿装置1は、図1から図3に示すように、湿潤気体、具体的には燃料電池から排出された水蒸気を豊富に含む水素ガス又は空気(以下、第2ガスG2と称する。)と、乾燥気体、具体的にはコンプレッサで加圧・昇温された燃料電池に供給するための水素ガス又は空気(以下、第1ガスG1と称する。)との間で水分交換を行って乾燥気体を加湿するものであり、水透過膜として中空糸膜を用いた中空糸膜モジュール2(中空糸膜束とそれを収容する収納ケースのこと)と、該中空糸膜モジュール2全体を内部に収容させたハウジング3とを備えている。
As shown in FIGS. 1 to 3, the
この水透過膜型の加湿装置1では、例えば乾燥した乾燥気体である第1ガスG1が中空糸膜内(膜の長手方向に亘ってその内部に形成された流通路)に供給される一方で、中空糸膜の外側(外部)に水分を含んだ湿潤気体である第2ガスG2が供給されると、中空糸膜内の厚さ方向に形成された細孔(毛細管)内に水分が凝縮(毛細管凝縮)し、中空糸膜の内外における水蒸気分圧差により、水分が当該中空糸膜の外側から内側へと透過する。空気は、中空糸膜内の細孔内に水分が凝縮されることによって流れが阻害され、結果的に湿潤気体中の水蒸気のみが選択的に乾燥気体側へ透過する。この透過した水分は、中空糸膜束の内側に供給された乾燥気体と接触し気化することで加湿される。
In the water permeable
水分の透過としては、前記した場合の他、湿潤気体である第2ガスG2を中空糸膜の内部に流し、乾燥気体である第1ガスG1を中空糸膜の外側に流す場合のどちらでも水交換が行われる。本実施形態では、前者の構成を採用している。また、第1ガスG1と第2ガスG2は、互いに略直交する方向に流すようにした、いわゆるクロスフロー方式を採用している。 In addition to the above-described case, the moisture permeation can be performed in either of the cases where the second gas G2 that is a wet gas is caused to flow inside the hollow fiber membrane and the first gas G1 that is a dry gas is allowed to flow outside the hollow fiber membrane. Exchange is performed. In the present embodiment, the former configuration is adopted. The first gas G1 and the second gas G2 adopt a so-called cross flow method in which the gas flows in directions substantially orthogonal to each other.
中空糸膜モジュール2は、複数本の中空糸膜4を束ねてなる中空糸膜束5と、この中空糸膜束5を内部に収容する角筒状の収納ケース6と、からなる。
The hollow fiber membrane module 2 includes a hollow
中空糸膜束5は、長手方向に亘って貫通する細孔である流通路7を内部に形成した断面円形状の細長いストロー形状をなす中空糸膜4からなり、それら中空糸膜4の複数本を束ねて四角柱形状とされたものである。
The hollow
この中空糸膜4の中心部に形成された流通路7には、前記したコンプレッサで加圧・昇温された乾燥した酸化剤ガスである第1ガスG1が導入される。中空糸膜4は、複数本を束ねて四角柱形状とされた後、その両端のみをポッティング剤(接着剤)で固定されることで形成される。この中空糸膜束5の両端を除く部位は、各中空糸膜4同士が接合されずに微細な空隙を有し、その空隙に湿潤気体である第2ガスG2が流れるようになっている。つまり、前記中空糸膜束5の両端を除く部位が、第1ガスG1を第2ガスG2で加湿する加湿場とされる。
A first gas G1, which is a dry oxidant gas pressurized and heated by the compressor, is introduced into the flow passage 7 formed in the center of the hollow fiber membrane 4. The hollow fiber membrane 4 is formed by bundling a plurality of fibers into a quadrangular prism shape and then fixing only both ends with a potting agent (adhesive). The hollow
収納ケース6は、図4に示すように、中空糸膜束5をその内部に収容する、両端が開口された角筒形状のケースとして形成されている。この収納ケース6の長手方向における相対向する面8、9には、燃料電池から排出される湿潤気体である第2ガスG2を中空糸膜4の外側(外部)を通って前記中空糸膜束5の内部(各中空糸膜4間の隙間)へと流入させるためのガス孔10、11がほぼ全面に複数形成されている。
As shown in FIG. 4, the
一方の面8(この面を、第2ガス導入面8という)に形成されたガス孔10は、第2ガスG2を中空糸膜束5の内部に流入させるガス導入孔とされる。他方の面9(この面を、第2ガス排出面9という)に形成されたガス孔11は、中空糸膜束5の内部から出た第2ガスG2を中空糸膜モジュール2外へと排出させるガス排出孔とされる。
The
なお、収納ケース6に収納された中空糸膜モジュール2は、その長手方向両端部をケース内壁面にポッティング剤で固定されているが、それ以外の部位は接着されていない。
Note that the hollow fiber membrane module 2 stored in the
ハウジング3は、筐体12と、第1ガスG1の導入口13を有した第1ガス導入用マニホールド14と、第1ガスG1の排出口15を有した第1ガス排出用マニホールド16と、第2ガスG2の導入口17を有した第2ガス導入用マニホールド18と、第2ガスG2の排出口19を有した第2ガス排出用マニホールド20と、からなる。
The
筐体12は、中空糸膜モジュール2全体を内部に収容させる両端を開口させた四角柱形状をなす樹脂ケースとして形成されている。
The
第1ガス導入用マニホールド14は、筐体12の前後方向に形成された一方の開口21を閉塞するように取り付けられている。これら第1ガス導入用マニホールド14と筐体12間のシールは、図5及び図6に示すように、開口21内端部で例えばOリング22等を使用した軸シール構造でシールされている。第1ガス導入用マニホールド14には、第1ガス供給タンクから供給される第1ガスG1を筐体12内の中空糸膜モジュール2に導入させるための導入口13が形成されている。
The first
第1ガス排出用マニホールド16は、筐体12の前後方向に形成された他方の開口23を閉塞するように取り付けられている。これら第1ガス排出用マニホールド16と筐体12間のシールは、図5及び図7に示すように、開口23内端部で例えばOリング24等を使用した軸シール構造でシールされている。第1ガス排出用マニホールド16には、各中空糸膜4の中心部に形成された流通路7を通った第1ガスG1を筐体12外へと排出させるための排出口15が形成されている。
The first
第2ガス導入用マニホールド18は、筐体12の一方の側面に形成された開口(図示は省略する)を閉塞するように取り付けられている。この第2ガス導入用マニホールド18には、燃料電池から排出された水蒸気を豊富に含む湿潤ガスである第2ガスG2を筐体12内へと導入させるための導入口17が形成されている。なお、第2ガス導入用マニホールド18と筐体12のシールは、同様に軸シール構造でシールされている。
The second
また、この第2ガス導入用マニホールド18には、第2ガスG2を導入する前記導入口17からガス孔10が形成された収納ケース6の第2ガス導入面8までのガス導入流路25の途中に段差部26が設けられている。段差部26は、第2ガス導入用マニホールド18の一部を内側(筐体12側)に凹ませて形成され、前記第2ガス導入面8の中間位置手間に設けられている。この段差部26を設けることで、前記ガス導入流路25奥側の流路体積が絞られる。
The second
前記導入口17から流入した第2ガスG2は、ガス導入流路25を流れ、その途中に設けられた段差部26による傾斜内壁面26aに衝突し分散される。そのため、第2ガス導入面8の全体に、分散された第2ガスG2が均一に導入されることになる。つまり、第2ガスG2は、本来であればガス流れの特性上、ガス導入流路25の奥側へ偏り易くなるが、その流路途中で段差部26に衝突させることで、流れ難い流路手前側を流れ易くし、ガスの均一分散化を図っている。
The second gas G2 flowing from the
第2ガス排出用マニホールド20は、筐体12の他側面に該筐体12と一体化されている。この第2ガス排出用マニホールド20には、筐体12内に導入された第2ガスG2を、該筐体12外へと排出するための排出口19が設けられている。また、この第2ガス排出用マニホールド20には、前記排出口19に至るまでの流路が充分に大きく確保できるように、その内部空間27を設けている。
The second
なお、前記したように、筐体12に対して第1ガス導入用マニホールド14、第1ガス排出用マニホールド16及び第2ガス導入用マニホールド18を、軸シール構造にてシールしていることで、これらの結合部位を他の手段でシールする場合に比べて、ボルト点数の削減、締結用のフランジ・ボスのスペースを無くせ、加湿器構成の小型化に有利になる。
As described above, the first
そして特にこの加湿装置1では、前記ガス孔10を通して中空糸膜束5内に導入する第2ガスG2の一部を分流させる内部バイパス流路28を、前記ハウジング3の内壁面と収納ケース6の外壁面との間に設けている。内部バイパス流路28は、図8に示すように、筐体12の内壁面12aと収納ケース6の外壁面6aとの間に形成された空間部とされている。詳細には、開口21、23が形成された両端を除く筐体12の内壁面12aに深さの浅い溝29を形成することで、この溝29と収納ケース6の外壁面6aとの間に通路となる空間部を形成している。この空間部が内部バイパス流路28となっている。
In particular, in the
内部バイパス流路28は、前記収納ケース6に形成されたガス孔10を通して中空糸膜束5内に導入する第2ガスG2を挟んで上下2箇所の位置にそれぞれ設けられている。換言すれば、収納ケース6の第2ガス導入面8から第2ガス排出面9へ向けて第2ガスG2が流れる第2ガス流れ方向Dと直交する筐体高さ方向Eの上部と下部に、内部バイパス流路28がそれぞれ設けられている。内部バイパス流路28に分流する第2ガスG2は、中空糸膜モジュール2を挟んでその外側を上下に流れることになる。
The
また、内部バイパス流路28の流路長さL1は、該内部バイパス流路28と直交する方向の前記中空糸膜モジュール2の縦長さL2よりも短くしている。この関係とすることで、内部バイパス流路28に分流する第2ガスG2の流路距離を短くでき、中空糸膜束5内を流れるガスの加湿場としての水蒸気濃度勾配を小さくすることが可能となる。
The flow path length L1 of the internal
内部バイパス流路28は、図6の拡大図に示すように、前記収納ケース6の開口された両端側の外壁面6aの全周に亘って形成されたシール部材29と前記筐体12の内壁面12aとが密着することでガス漏れが防止されている。シール部材29は、収納ケース6の開口両端側の外壁面6aに形成された2つの環状突起30、31間に配置されている。シール部材29としては、例えばOリングなどが使用される。この内部バイパス流路28は、前記した第1ガス導入用マニホールド14、第1ガス排出用マニホールド16、第2ガス導入用マニホールド18と筐体12間のシール構造と同様、軸シール構造でシールされている。なお、環状突起30、31は、筐体12の内壁面12aと密着する高さの低い帯状の突起である。このように、内部バイパス流路28のシール位置を、中空糸膜モジュール2の両端位置としたことで、内部バイパス流路28の流路スペースが有効活用できる。
As shown in the enlarged view of FIG. 6, the
また、内部バイパス流路28の入口側には、この内部バイパス流路28を流れる第2ガスG2の流量を調整する流量調整手段が設けられている。流量調整手段は、図4に示すように、筐体12の両端側の外壁面全周に形成されたシール部材29間を連結するように該筐体12の外壁面12aに形成された凸条部32からなる。具体的には、凸条部32は、第2ガス導入面8に近接した収納ケース6の上面及び下面に、両端の環状突起31、31と連結するように第1ガスG1のガス流れ方向Fに沿って形成されている。この凸条部32は、前記環状突起31と同一高さとされており、内部バイパス流路28に分流した第2ガスG2の抵抗になる。
A flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of the second gas G2 flowing through the internal
「ガス流れ説明」
次に、以上のように構成された加湿装置1において、第1ガスG1と第2ガスG2の膜内へのガス流れについて図10を参照して説明する。乾燥気体である第1ガスG1は、第1ガス導入用マニホールド14の導入口13から供給された後、中空糸膜束5を構成する各中空糸膜4の流通路7を流れ、第1ガス排出用マニホールド16の排出口15から排出される。
"Explanation of gas flow"
Next, in the
湿潤気体である第2ガスG2は、第2ガス導入用マニホールド18の導入口17から供給された後、この第2ガス導入用マニホールド18に形成された段差部26に衝突して分散され、第2ガス導入面8全体に均一量として供給される。そして、この第2ガスG2は、第2ガス導入面8に形成された各ガス孔10より中空糸膜束5の各中空糸膜4間の隙間を流れた後、反対側の第2ガス排出面9に形成された各ガス孔11より排出される。
The second gas G2, which is a wet gas, is supplied from the
加湿場では、中空糸膜4の流通路7を流れる乾燥した乾燥気体である第1ガスG1と中空糸膜4間の隙間を流れる水分を含んだ湿潤気体である第2ガスG2とが接触し、その中空糸膜4の内外における水蒸気分圧差によって水分が中空糸膜4の外側から内側へと透過する。これにより、湿潤気体中の水蒸気が乾燥気体側へ透過して第1ガスG1を加湿する。 In the humidification field, the first gas G1 which is a dry and dry gas flowing through the flow passage 7 of the hollow fiber membrane 4 and the second gas G2 which is a wet gas containing moisture flowing through the gap between the hollow fiber membranes 4 are in contact with each other. The water permeates from the outside to the inside of the hollow fiber membrane 4 due to the difference in water vapor partial pressure inside and outside the hollow fiber membrane 4. Thereby, the water vapor in the wet gas permeates to the dry gas side and humidifies the first gas G1.
また、段差部26に衝突して分散された第2ガスG2の一部は、上下の内部バイパス流路28に流れる。内部バイパス流路28の入口では、分流された第2ガスG2が流量調整手段である凸条部32にぶつかり、その流量が調整される。
In addition, a part of the second gas G <b> 2 that has collided with the stepped
そして、第2ガス排出面9のガス孔11から排出された第2ガスG2と上下の内部バイパス流路28を流れ出た第2ガスG2は、第2ガス排出用マニホールド20で合流する。合流した第2ガスG2は、第2ガス排出用マニホールド20に形成した充分広い内部空間27を設けていることから均一に混ざる。均一に混ざった第2ガスG2は、第2ガス排出用マニホールド27に形成された排出口19から排出される。
Then, the second gas G2 discharged from the
ところで、前記加湿装置1では、第2ガス導入用マニホールド18の導入口17から流入した第2ガスG2の一部が内部バイパス流路28に分流することでそのバイパスに流れるガス流量が多くなると、加湿場となる中空糸膜束5内に流れるガス量が小さくなり加湿効率が低下する。加湿器の設計においては、低負荷〜中負荷〜高負荷それぞれに適した加湿量があるが、一般的に用いられる膜加湿器では、加湿制御ができない。
By the way, in the
燃料電池自動車においては、スタックドライアウト、フラッディングのバランスをとるうえでも最適な加湿領域がある(図11参照)。スタックドライアウトとは、固体高分子電解質膜の高分子膜が乾燥し過ぎることをいう。フラッディングとは、高分子膜が水分を含み過ぎることをいう。最適な領域を有効につかえる加湿器が加湿効率が高い(サイズが大型にならず、コンパクトな構造でスペックを満たす)と定義される。 In a fuel cell vehicle, there is an optimum humidification region in order to balance stack dryout and flooding (see FIG. 11). Stack dry out means that the polymer membrane of the solid polymer electrolyte membrane is too dry. Flooding means that the polymer film contains too much moisture. A humidifier that can effectively use the optimum region is defined as having high humidification efficiency (the size does not become large and the specifications are satisfied with a compact structure).
なお、図11中、斜線Hの領域がフラッディング領域、斜線Iの領域がドライアウト領域である。 In FIG. 11, the hatched area is a flooding area, and the hatched area is a dryout area.
加湿器の加湿性能は、単位膜面積当たりの水蒸気移動速度(流束)で評価することができる。接触型では、局所境膜水蒸気移動係数のみならず、水蒸気濃度も流れ方向によって変化する。水蒸気移動速度は、水蒸気の透過流束を流れ方向に沿って積分することで求められる。実験式との適合をみていくと、加湿性能は、他のパラメータ一定とした場合、流速に対し、指数関数での変化となる。通常の加湿膜では、流量感度(≒運転負荷)に対し指数関数で変化するため、図11の線Jにあるように、過加湿領域となる。これに対して、内部バイパス流路28を設けた本実施形態の加湿装置1では、従来構成と同等の定格条件域で設計すると、図11の線Kにあるように、バイパス分、低負荷〜中負荷域で膜内に流れるガス流量が少なくなることにより、低負荷での加湿量が小さくなり、過度加湿の抑制が可能となる。
The humidifying performance of the humidifier can be evaluated by the water vapor transfer rate (flux) per unit membrane area. In the contact type, not only the local film water vapor transfer coefficient but also the water vapor concentration varies depending on the flow direction. The water vapor moving speed is obtained by integrating the water vapor permeation flux along the flow direction. Looking at the fit with the empirical formula, the humidification performance changes in an exponential function with respect to the flow velocity when other parameters are constant. A normal humidification film changes in an exponential function with respect to flow rate sensitivity (≈operating load), and thus becomes an overhumidified region as indicated by a line J in FIG. On the other hand, in the
本実施形態の加湿装置1での内部バイパス流路28は、筐体12と中空糸膜モジュール2間でのハウジング3内における内部バイパスとなり、第2ガスG2のバイパス量をばらつきなく流せる構造となっている。高負荷での加湿量を設計し、バイパス量を決めることで、全運転域での最適な加湿量を保つことができ、かつ圧損低減も果たせる。一般的な膜加湿器では、高負荷での加湿量を設計した場合、低負荷では過加湿になってしまうなど、本来の加湿効率を高めた仕様となっていない。なお、ハウジング3の外側を通るようにバイパスする外部バイパス構造とした場合は、外部バイパスにより加湿器が大型するばかりか、外気により外部バイパスが冷却されてバイパス流路に凝縮水が発生し、また、合流後の配流ばらつきが発生してしまう。
The internal
「作用効果」
本実施形態の加湿装置によれば、ガス孔10を通して中空糸膜束5内に導入する第2ガスG2の一部を分流させる内部バイパス流路28を、ハウジング3を構成する筐体12の内壁面12aと収納ケース6の外壁面6aとの間に設けたので、第2ガスG2の一部が内部バイパス流路28へと分流されることにより、中空糸膜束5内へと導入される第2ガスG2の風圧が低減して膜よれが抑えられる。
"Effect"
According to the humidifying device of the present embodiment, the internal
したがって、本実施形態の加湿装置によれば、ほぼ全ての中空糸膜4がよれることなく機能するため、加湿効率を高めることができる。また、本実施形態によれば、中空糸膜束5内に流れるガス流量が低減するので、圧力損失が低減でき、中空糸膜4の膜切れ(疲労破壊)寿命を延ばすことが可能となる。また、同様に、中空糸膜4の両端を接着(ポッティング)する樹脂に対する負荷が低減される。
Therefore, according to the humidifying device of this embodiment, since almost all the hollow fiber membranes 4 function without being swung, the humidifying efficiency can be increased. Moreover, according to this embodiment, since the flow rate of the gas flowing in the hollow
また、本実施形態の加湿装置によれば、筐体12の外側にバイパスさせる外部バイパスとは異なり、筐体12の内部に内部バイパス流路28を設けているので、バイパス部が外気に触れて供給ガス温度が下がらないことから、湿潤ガス(第2ガスG2)が凝縮するのを防止することができる。また、本実施形態によれば、外部バイパスとは異なり、加湿器としてのスペース効率を有効に活用することができる。
Further, according to the humidifier of the present embodiment, unlike the external bypass that bypasses the outside of the
また、本実施形態の加湿装置によれば、低負荷(低流量)側は過加湿状態となるが、内部バイパス流路28により中空糸膜束5内に流すガス量を低減できるため、スタックドライアウト、零下起動性のバランスが取れる。
Further, according to the humidifier of the present embodiment, the low load (low flow rate) side is in an excessively humidified state, but the amount of gas flowing into the hollow
本実施形態の加湿装置によれば、ガス孔10を通して記中空糸膜束5内に導入する第2ガスG2を挟んで上下2箇所の位置に内部バイパス流路28をそれぞれ設けたので、2つの内部バイパス流路28に第2ガスG2を分流させることができ、集中して中空糸膜束5内に第2ガスG2が流入するのを防止できる。
According to the humidifying device of the present embodiment, the internal
本実施形態の加湿装置によれば、内部バイパス流路28の流路長さL1を、該内部バイパス流路28と直交する方向の中空糸膜モジュール2の縦長さL2よりも短くしたので、バイパス流路に流れるガスの距離が短くなり、より湿潤ガスが凝縮水となることが防止される。これにより、水蒸気濃度勾配が小さくなるので、より加湿効率を高めることが可能となる。
According to the humidifier of the present embodiment, the flow path length L1 of the internal
本実施形態の加湿装置によれば、収納ケース6の開口された両端外壁面6aの全周に亘って、ハウジングを構成する筐体12の内壁面12aと密着して内部バイパス流路28を流れる第2ガスG2の漏れを防止するシール部材29を設けたので、内圧による変位の影響が最も少ない箇所でのシールとなり、内部リーク防止の信頼性が向上する。また、本実施形態によれば、軸シール構造となるため、他の手段でシールする場合に比べてボルト点数の削減、締結用のフランジ・ボスのスペースを無くせ、加湿器構成の小型化に有利になる。
According to the humidifying device of the present embodiment, the
本実施形態の加湿装置によれば、第2ガスG2の導入口17からガス孔10が形成された収納ケース6の第2ガス導入面8までのガス導入流路25の途中に段差部26を設け、該第2ガスG2をその段差部26に衝突させて第2ガス導入面8全体に分散均一化させたので、中空糸膜束5の一箇所に集中して第2ガスG2がその内部へ流入することが防止され、中空糸膜束5全体に均一に第2ガスG2が流入する。したがって、中空糸膜束5内に流入する第2ガスG2のガス流速を均一にでき、圧力損失の低減、中空糸膜の膜切れ防止による長寿命化、及び加湿性能の向上を実現できる。
According to the humidifier of the present embodiment, the
本実施形態の加湿装置によれば、第2ガス導入用マニホールド18の一部を内側へ凹ませて段差部26を形成して流路奥側の流路体積を絞り、該段差部26を第2ガス導入面8の中間位置手前に設けたので、流れ難い流路手前側にも第2ガスG2を均一に流すことができる。
According to the humidifier of this embodiment, a part of the second
本実施形態の加湿装置によれば、内部バイパス流路28の入口側に、この内部バイパス流路28を流れる第2ガスG2の流量を調整する流量調整手段を設けたので、流路入口部で内部バイパス流路28内へ流入するガス量を調整することができる。
According to the humidifier of the present embodiment, the flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of the second gas G2 flowing through the internal
本実施形態の加湿装置によれば、流量調整手段を、ハウジング3を構成する筐体12の両端外壁面全周に形成されたシール部材29間を連結するように外壁面6aに形成した凸条部30で構成したので、簡単な構造にて流量調整手段を構築できる。
According to the humidifier of the present embodiment, the flow rate adjusting means is a ridge formed on the
「その他の実施形態」
例えば、中空糸膜モジュール2の形状としては、搭載する加湿器スペース位置の制約に応じて、一般的に用いられる円筒形状や長円形状としてもよい。前記した実施形態では、角筒形状の中空糸膜モジュール2を同じく角筒形状のハウジング3に収容したことで、このハウジング3に他の燃料電池構成部品を取り付けるスペースも生まれることから、スペース効率を高めることができる。
"Other embodiments"
For example, the shape of the hollow fiber membrane module 2 may be a generally used cylindrical shape or an oval shape according to restrictions on the position of the humidifier space to be mounted. In the above-described embodiment, since the rectangular tube-shaped hollow fiber membrane module 2 is accommodated in the same rectangular tube-shaped
また、前記実施形態では、第2ガス導入用マニホールド18の一部を内側に凹ませて段差部26を形成したが、ガス導入流路25内に流路を絞るガイド板を設け、このガイド板を段差部の代わりとしてもよい。または、ガス導入流路25の途中にパンチングメタルのような整流板を設けて、この整流板を段差部26の代わりにしてもよい。
In the above-described embodiment, the
また、中空糸膜モジュール2を2つ用意し、これら中空糸膜モジュール2、2を所定の空間を有して縦に配置することで、中空糸膜モジュール2、2間の空間部を内部バイパス流路28とすることもできる。こうすることで、上下と中央の3つの内部バイパス流路28が得られる。
In addition, two hollow fiber membrane modules 2 are prepared, and these hollow fiber membrane modules 2 and 2 are arranged vertically with a predetermined space, so that the space between the hollow fiber membrane modules 2 and 2 is internally bypassed. The
1…加湿装置
2…中空糸膜モジュール
3…ハウジング
4…中空糸膜
5…中空糸膜束
6…収納ケース
7…流通路
8…第2ガス導入面
9…第2ガス排出面
10、11…ガス孔
12…筐体
14…第1ガス導入用マニホールド
16…第1ガス排出用マニホールド
18…第2ガス導入用マニホールド
20…第2ガス排出用マニホールド
25…ガス導入流路
26…段差部
28…内部バイパス流路
29…シール部材
DESCRIPTION OF
Claims (8)
複数本の中空糸膜を束ねた中空糸膜束と、両端が開口され且つ相対向する面に中空糸膜束内にガスを導入させるガス孔が複数形成された収納ケースとからなり、その収納ケース内に前記中空糸膜束を収容させた中空糸膜モジュールと、第1ガスの導入口及び排出口と第2ガスの導入口及び排出口を有し、該中空糸膜モジュール全体を内部に収容させたハウジングと、を備え、
前記ガス孔を通して前記中空糸膜束内に導入する前記第2ガスの一部を分流させる内部バイパス流路を、前記ハウジングの内壁面と前記収納ケースの外壁面との間に設けた
ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。 Moisture between the first gas flowing through the flow passage formed inside the hollow fiber membrane in the longitudinal direction and the second gas flowing outside the hollow fiber membrane in a direction substantially perpendicular to the first gas. In the humidifying device of the fuel cell to be replaced,
A hollow fiber membrane bundle in which a plurality of hollow fiber membranes are bundled, and a storage case in which both ends are opened and a plurality of gas holes for introducing gas into the hollow fiber membrane bundle are formed on opposite surfaces. A hollow fiber membrane module in which the hollow fiber membrane bundle is housed in a case; a first gas introduction port and discharge port; and a second gas introduction port and discharge port. A housing that is housed,
An internal bypass passage for dividing a part of the second gas introduced into the hollow fiber membrane bundle through the gas hole is provided between the inner wall surface of the housing and the outer wall surface of the storage case. A fuel cell humidifier.
前記内部バイパス流路を、前記ガス孔を通して前記中空糸膜束内に導入する前記第2ガスを挟んで上下2箇所の位置にそれぞれ設けた
ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。 A fuel cell humidifier according to claim 1,
The humidifying device for a fuel cell, wherein the internal bypass channel is provided at two positions above and below the second gas introduced into the hollow fiber membrane bundle through the gas hole.
前記内部バイパス流路の流路長さを、該内部バイパス流路と直交する方向の前記中空糸膜モジュールの縦長さよりも短くした
ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。 A humidifying device for a fuel cell according to claim 1 or 2,
A humidifying device for a fuel cell, characterized in that a flow path length of the internal bypass flow path is shorter than a vertical length of the hollow fiber membrane module in a direction orthogonal to the internal bypass flow path.
前記収納ケースの開口された両端外壁面の全周に亘って、前記ハウジングの内壁面と密着して前記内部バイパス流路を流れる第2ガスの漏れを防止するシール部材を設けた
ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。 A humidifying device for a fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
A seal member is provided over the entire circumference of the outer wall surfaces at both ends of the storage case, which is in close contact with the inner wall surface of the housing and prevents leakage of the second gas flowing through the internal bypass flow path. Fuel cell humidifier.
前記第2ガスの導入口から前記ガス孔が形成された収納ケースの第2ガス導入面までのガス導入流路の途中に段差部を設け、該第2ガスをその段差部に衝突させて前記第2ガス導入面全体に分散均一化させる
ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。 A humidifying device for a fuel cell according to any one of claims 1 to 4,
A step portion is provided in the middle of the gas introduction flow path from the second gas introduction port to the second gas introduction surface of the storage case in which the gas hole is formed, and the second gas is caused to collide with the step portion. A fuel cell humidifier characterized by being uniformly dispersed over the entire second gas introduction surface.
前記ガス導入流路は、前記ハウジングに取り付けられた第2ガス導入用マニホールドに形成され、その第2ガス導入用マニホールドの一部を内側へ凹ませて段差部を形成して流路奥側の流路体積を絞り、該段差部を前記第2ガス導入面の中間位置手前に設けた
ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。 A humidifying device for a fuel cell according to claim 5,
The gas introduction flow path is formed in a second gas introduction manifold attached to the housing, and a part of the second gas introduction manifold is recessed inward to form a stepped portion on the back side of the flow path. A humidifying device for a fuel cell, wherein the flow path volume is reduced and the step portion is provided in front of an intermediate position of the second gas introduction surface.
前記内部バイパス流路の入口側に、この内部バイパス流路を流れる前記第2ガスの流量を調整する流量調整手段を設けた
ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。 A humidifying device for a fuel cell according to any one of claims 4 to 6,
A humidifying device for a fuel cell, characterized in that a flow rate adjusting means for adjusting a flow rate of the second gas flowing through the internal bypass channel is provided on the inlet side of the internal bypass channel.
前記流量調整手段は、前記ハウジングの両端外壁面全周に形成されたシール部材間を連結するように該ハウジングの外壁面に形成された凸条部からなる
ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。 A humidifying device for a fuel cell according to claim 7,
The humidifying device for a fuel cell, wherein the flow rate adjusting means comprises a ridge formed on an outer wall surface of the housing so as to connect between seal members formed on the entire outer wall surfaces of both ends of the housing. .
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