JP2010071618A - 加湿装置 - Google Patents

Abstract

【課題】個々の中空糸膜外部を流れる気体の流れの均一化を図ることにより、加湿効率の向上を図る。
【解決手段】中空糸膜モジュール２の収納ケース６は、第２ガス主導入面６ａと、第２ガス排出面６ｂと、ハウジング３の内壁面１２ａと対向する上下面６ｃ，６ｄとを有し、それぞれの面６ａ〜６ｄにガス孔が複数形成されている。また、ハウジング３は、収納ケース６の第２ガス主導入面６ａに形成された複数のガス孔を介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２８を、収納ケースの上下面との間にそれぞれ構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、加湿装置に関する。

従来より、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。

この類の加湿装置は、例えば、中空糸膜の束を筒形状をなすケース内に収容した中空糸膜モジュールを有する。湿潤気体を個々の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、ケースに形成された複数のガス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。
特開２００６−３１４９１９号公報

ところで、特許文献１に開示された手法によれば、中空糸膜モジュール内において個々の中空糸膜外部を流れる気体の流れの均一化を図るべく、複数の中空糸膜を束ねて１セットとして、複数セットの中空糸膜の束を隙間を持たせつつケース内に収容する。しかしながら、かかる手法によれば、当該隙間にガスが局所的に流れる傾向となり、流れの均一化を図ることができないという不都合がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、個々の中空糸膜外部を流れる気体の流れの均一化を図ることにより、加湿効率の向上を図ることである。

かかる課題を解決するために、本発明の加湿装置は、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、中空糸膜の外部を第１ガスの流れ方向と交差する方向に流れる第２ガスとの間で水分交換を行う装置であり、中空糸膜モジュールと、この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で構成される。ここで、中空糸膜モジュールの収納ケースは、主導入面と、排出面と、ハウジングの内壁面と対向する上下面とを有し、それぞれの面にガス孔が複数形成されている。また、ハウジングは、収納ケースの主導入面に形成された複数のガス孔を介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、収納ケースの上下面との間にそれぞれ構成する。

本発明によれば、主導入面から排出面へと至る主流方向以外に、内部バイパス流路を経由して上下方向から第２ガスが流入することとなるので、第２ガスを中空糸膜束の内部に分散的に導入することができる。よって、内部を通過するガスの流れの均一化を図ることができ、加湿効率の向上を図ることができる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる加湿装置１を模式的に示す斜視図である。この加湿装置１は、例えば、燃料電池システムに用いられる加湿装置として好適である。燃料電池システムは、燃料ガス（例えば、水素）と、酸化剤ガス（例えば、空気）とを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池スタックを主体に構成されている。燃料電池スタックは、電解質および電極触媒複合体を挟んで酸化剤極と燃料極とを対設した燃料電池構造体をセパレータで挟持して、これを複数積層して構成されている。電解質としては、高エネルギー密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、固体高分子電解質が多く用いられる。固体高分子電解質は、例えば、フッ素樹脂系イオン交換膜といったイオン伝導性の高分子膜で構成されており、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。したがって、このような燃料電池システムでは、反応ガス（燃料ガスまたは酸化剤ガス）を加湿装置によって加湿した状態で燃料電池スタックに供給することによって、各セルの固体高分子電解質膜を加湿している。

図２は、本実施形態にかかる加湿装置１を模式的に示す分解斜視図である。本実施形態の加湿装置１は、湿潤気体、例えば、燃料電池から排出された水蒸気を含む反応ガス（以下「第２ガスＧ２」という）と、乾燥気体、例えば、燃料電池に供給するための反応ガス（以下「第１ガスＧ１」という）との間で水分交換を行って乾燥気体を加湿する。加湿装置１は、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と、この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。

中空糸膜モジュール２は、複数本の中空糸膜４を束ねて構成される中空糸膜束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とを主体に構成されている。

図３は、中空糸膜束５を模式的に示す斜視図である。中空糸膜束５は、複数の中空糸膜４を束ねて構成されている。個々の中空糸膜４は、長手方向に亘って貫通する細孔である流通路７が内部に形成されており、断面円形状の細長いストロー形状を有している。

この中空糸膜モジュール２において、第１ガスＧ１が中空糸膜４内（流通路７）に供給され、中空糸膜４の外側（外部）に水分を含んだ第２ガスＧ２が供給される。中空糸膜４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４の内外における水蒸気分圧差により、水分が中空糸膜４の外側から内側へと透過する。第２ガスＧ２中の空気は、中空糸膜４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第１ガスＧ１側へ透過する。この透過した水分は、中空糸膜４の内側に供給された第１ガスと接触し気化し、これにより、第１ガスＧ１が加湿される。

本実施形態の加湿装置１では、第１ガスＧ１の流れ方向と交差（具体的には、略直行）する方向に第２ガスＧ２が流れる、いわゆる、クロスフロー方式が採用されている。なお、中空糸膜モジュール２は、湿潤気体である第２ガスＧ２を中空糸膜４内に供給し、乾燥気体である第１ガスＧ１を中空糸膜４の外側に流す場合でも水交換を行うことができる。

図４は、収納ケース６を模式的に示す斜視図である。同図（ａ）は、収納ケース６の構成を模式的に示す斜視図であり、同図（ｂ）は、中空糸膜束５を収納ケース６に収容した状態を模式的に示す斜視図である。収納ケース６は、両端が開口された角筒形状を有しており、中空糸膜束５をその内部に収容する機能を担っている。

この収納ケース６において、対向する一対の側面６ａ，６ｂ、すなわち、開口の長手辺を構成する一対の面のそれぞれには、湿潤気体である第２ガスＧ２を中空糸膜束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８，９がほぼ全面に複数形成されている。一方の側面６ａ（以下、必要に応じて「第２ガス主導入面６ａ」という）に形成された各ガス孔８は、第２ガスＧ２を中空糸膜束５の内部に流入させるためのガス導入孔として機能する。これに対して、他方の側面６ｂ（以下、必要に応じて「第２ガス排出面６ｂ」という）に形成された各ガス孔９は、中空糸膜束５の内部を通過した第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して機能する。

また、対向する上下面６ｃ，６ｄ、すなわち、開口の短手辺を構成する一対の面のそれぞれには、後述するバイパス第２ガスＧ２を中空糸膜束５の内部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。上面６ｃ（以下、必要に応じて「第２ガス副導入面６ｃ」という）に形成された各ガス孔１０は、バイパス第２ガスＧ２を中空糸膜束５の内部に流入させるためのガス導入孔として機能する。これに対して、下面６ｄ（以下、必要に応じて「第２ガス副導入面６ｄ」という）に形成された各ガス孔１１は、バイパス第２ガスＧ２を中空糸膜束５の内部に流入させるためのガス導入孔として機能する。

中空糸膜束５は、複数本の中空糸膜４が束ねられた後、その両端がポッティング剤（接着剤）で固定されることにより形成される。また、収納ケース６に収納された中空糸膜束５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、それ以外の部位は接着されていない。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ており、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、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して機能する。

また、中空糸膜モジュール２において、中空糸膜束５は、収納ケース６の全域に亘って収容されておらず、一部に隙間が生じるような格好で収容されている。具体的には、図４（ｂ）に示すように、中空糸膜束５は、第２ガス排出面６ｂと上面６ｃとの隅部、および、第２ガス排出面６ｂと下面６ｄとの隅部に空間がそれぞれ形成されるように、収納ケース６に収容されている。

また、収納ケース６は、開口断面、すなわち、内部に収容される中空糸膜束５の軸方向と直交する面における縦横比において、第２ガスＧ２の流れ方向の長さ（横長さ）Ｌ１が、この第２ガスＧ２の流れ方向と直交する方向の収納ケース６の長さ（縦長さ）Ｌ２よりも短くなるように設定されている。換言すれば、収納ケース６は、開口断面において、第２ガス主導入面６ａおよび第２ガス排出面６ｂを長手辺として、上下面６ｃ，６ｄを短手辺とするアスペクト比の角筒形状に設定されていうる。

再び図１，２を参照するに、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。

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ケースであり、両端を開口させた四角柱形状を有している。

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。図５，６に示すように、これら第１ガス導入用マニホールド１４と筐体１２との間のシールは、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が採用されている。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。

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。図５，７に示すように、これら第１ガス排出用マニホールド１６と筐体１２との間のシールは、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が採用されている。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。

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、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。第２ガス導入用マニホールド１８により、第２ガスの導入口１７側と収納ケース６の第２ガス主導入面６ａとが向き合う格好となる。

また、図９に示すように、この第２ガス導入用マニホールド１８には、第２ガスＧ２を導入する導入口１７から収納ケース６の第２ガス主導入面６ａ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、第２ガス主導入面６ａ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、ガス導入流路２５奥側の流路体積が絞られる。

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ガス主導入面６ａの全体に、分散された第２ガスＧ２が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。しかしながら、第２ガスＧ２を流路途中で段差部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。

第２ガス排出用マニホールド２０は、筐体１２の他側面に一体化されている。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、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。第２ガス排出用マニホールド２０により、第２ガスの排出口１９側と収納ケース６の第２ガス排出面６ｂとが向き合う格好となる。

なお、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および第２ガス導入用マニホールド１８を、筐体１２に対して軸シール構造にてシールすることにより、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すことができる。これにより、加湿器構成の小型化に有利になる。

また、本実施形態の加湿装置１には、第２ガス主導入面６ａのガス孔８を介して中空糸膜束５の内部に導入される第２ガスＧ２の一部を、収納ケース６の上下面６ｃ，６ｄ側に分流させる内部バイパス流路２８が、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。具体的には、内部バイパス流路２８は、図６，８に示すように、筐体１２の内壁面１２ａと収納ケース６の上面６ｃとの間に形成された第１の空間部によって構成されている。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の上面６ｃとの間に通路となる第１の空間部を形成している。この第１の空間部が内部バイパス流路２８となっている。また、第１の空間部と同様に、内部バイパス流路２８は、筐体１２の内壁面１２ａと収納ケース６の下面６ｄとの間に形成された第２の空間部によっても構成されている。

内部バイパス流路２８は、第２ガス主導入面６ａおよび第２ガス排出面６ｂを挟んで、上下２箇所の位置である上下面６ｃ，６ｄ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ガス主導入面６ａから第２ガス排出面６ｂ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。バイパス第２ガスＧ２、すなわち、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。

内部バイパス流路２８は、図６の拡大図に示すように、収納ケース６の開口された両端側の外壁面の全周に亘って形成されたシール部材３０と、筐体１２の内壁面１２ａとが密着することでガス漏れが抑制されている。シール部材３０は、収納ケース６の開口両端側の外壁面に形成された２つの環状突起３１，３２間に配置されている。シール部材３０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、軸シール構造でシールされている。なお、環状突起３１，３２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。

また、内部バイパス流路２８には、この内部バイパス流路２８を流れるバイパス第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、収納ケース６の両端側の外壁面全周に形成されたシール部材３０間を連結するように収納ケース６の外壁面に形成された凸状のリブ部３３からなる。具体的には、リブ部３３は、第２ガス排出面６ｂに近接した収納ケース６の上面６ｃおよび下面６ｄに、両端の環状突起３１，３２を相互に連結するように第１ガスＧ１のガス流れ方向Ｆに沿って延在している。換言すれば、凸状のリブ部３３は、収納ケース６の上面６ｃおよび下面６ｄにおいて、第２ガスＧ２の下流側（内部バイパス流路２８の出口側）に設けられている。このリブ部３３は、環状突起３１と同一高さに設定されており、内部バイパス流路２８に分流したバイパス第２ガスＧ２の抵抗になる。

図１０は、加湿装置１におけるガスの流れを説明する説明図である。加湿装置１における第１ガスＧ１と第２ガスＧ２とのガス流れについて説明する。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。

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ガス主導入面６ａ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ガス主導入面６ａに形成された各ガス孔８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６ｂに形成された各ガス孔９より排出される。

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に流れた第２ガスＧ２、すなわち、バイパス第２ガスＧ２は、第２ガス副導入面６ｃ，６ｄにそれぞれ形成された各ガス孔１０，１１より中空糸膜束５の各中空糸膜４間の隙間を流れた後、第２ガス排出面６ｂに形成された各ガス孔９より排出される。

さらに、内部バイパス流路２８における下流側では、各ガス孔１０，１１から収納ケース６の内部に流入しなかったバイパス第２ガスＧ２が、流量調整手段である凸状のリブ部３３により流れが妨げられ、その流量が調整される。

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とが接触する。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。

そして、第２ガス排出面６ｂ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をそのまま流れ出たバイパス第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２０に形成された排出口１９から排出される。

このように、本実施形態の加湿装置１において、筐体１２と、中空糸膜モジュール２における収納ケース６の上下面６ｃ，６ｄとの間に内部バイパス流路２８が設けられている。内部バイパス流路２８を構成する収納ケース６の上下面６ｃ，６ｄに、第２ガスＧ２を中空糸膜束５の内部へと流入させるためのガス孔８，９を形成することができる。収納ケース６の一方の側面（第２ガス主導入面）６ａのみならず、上下面（第２ガス副導入面）６ｃ，６ｄから収納ケース６の内部に第２ガスＧ２が流入する。第２ガス主導入面６ａから第２ガス排出面６ｂへと至る主流方向以外に、上下方向から第２ガスＧ２が流入することとなるので、第２ガスＧ２を分散的に導入することができる。これにより、ガス孔８，１０，１１付近におけるガスの流速が低減されるので、中空糸膜束５に対するガスの風圧の影響を低減させることができる。そのため、収納ケース６の内部において第２ガスＧ２による中空糸膜４の膜よれを低減することができる。よって、内部を通過するガスの流れの均一化を図ることができ、加湿効率の向上を図ることができる。

また、本実施形態において、収納ケース６の上下面６ｃ，６ｄには、流量調整手段としての凸状のリブ部３３が形成されている。このリブ部３３により、内部バイパス流路２８の流れが妨げられるため、その上流側に位置する個々のガス孔１０，１１から中空糸膜束５の内部へ第２ガスＧ２が入りやすくなるとともに、第２ガスＧ２を均一に分配させることができる。また、このリブ部３３の高さに対応して、内部バイパス流路２８を流れるバイパス第２ガスＧ２の流量を調整することができる。

また、本実施形態の中空糸膜モジュール２において、中空糸膜束５は、収納ケース６の側面（第２ガス排出面）６ｄと上面６ｃとの隅部、および、収納ケース６の側面（（第２ガス排出面））６ｄと下面６ｄとの隅部に隙間がそれぞれ形成されるように、収納ケース６に収容されている。すなわち、中空糸膜モジュール２は、収納ケース６の全域を中空糸膜束５で満たすのではなく、隅部に空間となる内部パス構造を有する。これにより、第２ガス主導入面６ａから導入される主流側の第２ガスＧ２による風圧を受け易い箇所に内部パス構造が存在し、かつ、第２ガス副導入面（上下面）６ｃ，６ｄからバイパス第２ガスＧ２を導入することにより、第２ガス排出面６ｂ側に存在する中空糸膜４に作用するガスの風圧の影響を抑制することができる。また、主流側の第２ガスＧ２をより分散させることが可能となる。

また、クロスフロー方式の加湿装置では、通常、第２ガス主導入面から第２ガス排出面へと流れる主流側の流れ方向のみに第２ガスＧ２を流している。このような形態では、中空糸膜モジュールに第２ガスＧ２を導入する前提として、中空糸膜モジュール２の上流側の筐体形状によって第２ガスを分散させることもできるが、これのみでは、図１１（ａ）に示すように、ガスが中央に片寄る傾向がある。そのため、加湿効率を低下させる虞がある。

しかしながら、本実施形態では、内部バイパス流路２８を構成する収納ケース６の上下面６ｃ、６ｄのガス孔１０，１１からバイパス第２ガスＧ２を流入させる。主流側の第２ガスＧ２が導入されるため、中空糸膜４が上下方向への膜よれをおこそうとするが、図１１（ｂ）に示すように、上下方向から導入されるバイパス第２ガスによって膜よれに抗する力が作用する。これにより、中空糸膜４の膜よれが抑制されるので、加湿効率を低下させる要因を軽減することができる。

また、中空糸膜モジュール２を用いた加湿装置１の加湿性能は、中空糸膜４における水蒸気分圧差が重要な要素となる。したがって、たとえば、第２ガスＧ２の主流側の流れ方向に対応する長さが大きい形状では、加湿による水蒸気交換が行われることにより、出口付近の部位では、水蒸気分圧差が小さくなる。よって、出口部付近では加湿効率が低下する虞がある。

しかしながら、本実施形態によれば、図８に示すように、
中空糸膜モジュール２（収納ケース６）は、開口断面において、第２ガス主導入面６ａおよび第２ガス排出面６ｂを長手辺として、上下面６ｃ，６ｄを短手辺とするアスペクト比の角筒形状を有している。このような形状的な工夫により、中空糸膜束５において、出口付近の部位で水蒸気分圧差が小さくなるといった事態を抑制することができる。これにより、加湿効率の低下を抑制することができる。

主流側の方向の下流側では、通常、水蒸気交換により水蒸気分圧差は低下する傾向となる。しかしながら、上下方向からバイパス第２ガスが導入されており、下流側においても高い水蒸気分圧差を保つことができるので、加湿効率の向上を図ることができる。また、主流側の第２ガスＧ２の流れでは、中央部を中心に中空糸膜４の膜よれが発生し、中央部に第２ガスＧ２が集中するため、その周囲には第２ガスＧ２が流れ難い傾向となる。しかしながら、上下方向からバイパス第２ガスＧ２を流入させることにより、水交換が行われていなかった領域でも、高い水蒸気分圧差を保ったまま、加湿を行うことができる。

（第２の実施形態）
図１２は、第２の実施形態にかかる加湿装置１の収納ケース６を模式的に示す斜視図である。この第２の実施形態にかかる加湿装置１が、第１の実施形態のそれと相違する点は、収納ケース６の上下面６ｃ，６ｄに形成されるガス孔１０，１１の形状である。なお、第１の実施形態と共通する構成については説明を省略することとし、以下、相違点を中心に説明を行う。

図１２に示すように、収納ケース６の上面（第２ガス副導入面）６ｃにおいて、ガス孔１０は、第２ガスＧ２の下流側にかけて、開口面積（開口径）が段階的に小さくなるように設定されている。また、この上面６ｃと同様に、収納ケース６の下面（第２ガス副導入面）６ｄにおいて、ガス孔１１は、第２ガスＧ２の下流側にかけて、開口径が段階的に小さくなるように設定されている。

かかる構成によれば、上下面６ｃ，６ｄのガス孔１０，１１の開口径（開口面積）によって、中空糸膜束５の内部を流れるガスの圧力損失差を調整することができる。これにより、中空糸膜束５内部における圧力差が均一となるため、上下方向からの第２ガスＧ２をより分散的に流入させることができる。

（第３の実施形態）
図１３は、第３の実施形態にかかる加湿装置１の収納ケース６を模式的に示す斜視図である。この第３の実施形態にかかる加湿装置１が、第１の実施形態のそれと相違する点は、収納ケース６に形成されるガス孔８〜１１の形状である。なお、第１の実施形態と共通する構成については説明を省略することとし、以下、相違点を中心に説明を行う。

第１の実施形態では、収納ケース６のガス孔８〜１１は、円形状に設定されているが、本実施形態のガス孔８〜１１は、図１３に示すように、矩形状に設定されている。

このようにガス孔８〜１１が矩形状であっても、加湿装置１は上述した第１の実施形態と同様の作用・効果を奏することができる。このため、収納ケース６に関する許容可能な形状のバリエーションを増やすことができる。また、この第３の実施形態は、上述した第２の実施形態と同様に、第２ガスＧ２の下流側にかけて、開口面積が段階的に小さくなるように設定することも可能である。

（第４の実施形態）
図１４は、第４の実施形態にかかる加湿装置１の収納ケース６を模式的に示す斜視図である。この第４の実施形態にかかる加湿装置１が、第１の実施形態のそれと相違する点は、収納ケース６に形成されるガス孔８〜１１の形状である。なお、第１の実施形態と共通する構成については説明を省略することとし、以下、相違点を中心に説明を行う。

図１４に示すように、収納ケース６の上面（第２ガス副導入面）６ｃにおいて、ガス孔１０は、第２ガスＧ２の下流側にかけて、開口面積（開口径）が段階的に小さくなるように設定されている。また、この上面６ｃと同様に、収納ケース６の下面（第２ガス副導入面）６ｄにおいて、ガス孔１１は、第２ガスＧ２の下流側にかけて、開口径が段階的に小さくなるように設定されている。

また、第２ガスＧ２の主流側の流れに対応する一対の側面（第２ガス主導入面および第２ガス排出面）６ａ，６ｂに形成されるガス孔８，９は、面の中央部に位置するものほど、開口面積が小さくなるように設定されている。

このように本実施形態によれば、上下面６ｃ，６ｄのガス孔１０，１１の開口面積によって、中空糸膜束５の内部を流れるガスの圧力損失差を調整することができる。これにより、中空糸膜束５内部における圧力差が均一となるため、上下方向からの第２ガスＧ２をより分散的に流入させることができる。

また、第２ガス主導入面６ａおよび第２ガス排出面６ｂにおいて、中央部に位置するガス孔８，９ほど開口面積が小さくなるように設定することで、中央部に第２ガスＧ２が集中的に流入し難くなるので、主流側の第２ガスＧ２をより分散させることが可能となる。

以上、本発明の実施形態にかかる加湿装置について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その発明の範囲内において種々の変形が可能である。中空糸膜モジュール２は、角筒形状に限らず、円筒形状など種々の筒形状を採用することができる。この場合、収納ケースは、第２ガスＧ２の導入口１３側と向き合う面（領域）が第２ガス主導入面６ａに相当し、第２ガスＧ２の排出口１５側と向き合う面（領域）が第２ガス排出面６ｂに相当し、第２ガス主導入面６ａと第２ガス排出面６ｂとの間を接続してハウジング３の内壁面と対向する面（領域）が上下面６ｃ，６ｄに相当する。

また、本発明の加湿装置は、燃料電池システムに適用可能であるばかりでなく、乾燥気体と湿潤気体との水分交換により乾燥気体を加湿する種々のシステムに適用することができる。

第１の実施形態にかかる加湿装置１を模式的に示す斜視図 第１の実施形態にかかる加湿装置１を模式的に示す分解斜視図 中空糸膜束５を模式的に示す斜視図 収納ケース６を模式的に示す斜視図 図１のＡＡ断面図 図５を矢印Ｂ方向から眺めた図 図５を矢印Ｃ方向から眺めた図 内部バイパス流路を示す説明図 第２ガス導入用マニホールドの斜視図 第１ガスおよび第２ガスの流れを示す説明図 中空糸膜の状態を示す説明図 第２の実施形態にかかる加湿装置の中空糸膜モジュールにおける収納ケースを模式的に示す斜視図 第３の実施形態にかかる加湿装置の中空糸膜モジュールにおける収納ケースを模式的に示す斜視図 第４の実施形態にかかる加湿装置の中空糸膜モジュールにおける収納ケースを模式的に示す斜視図

符号の説明

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
６ａ…側面（第２ガス主導入面）
６ｂ…側面（第２ガス排出面）
６ｃ…上面（第２ガス副導入面）
６ｄ…下面（第２ガス副導入面）
７…流通路
８〜１１…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

Claims (8)

1. 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ガスの流れ方向と交差する方向に流れる第２ガスとの間で水分交換を行う加湿装置において、
   両端が開口された筒状の収納ケース内に、複数本の中空糸膜を束ねた中空糸膜束を収容させた中空糸膜モジュールと、
   第１ガスの導入口および排出口と第２ガスの導入口および排出口とを有し、前記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有し、
   前記中空糸膜モジュールの収納ケースは、前記第２ガスの導入口側と向き合う主導入面と、前記第２ガスの排出口側と向き合う排出面と、前記主導入面と前記排出面との間を接続して前記ハウジングの内壁面と対向する上下面とを有し、それぞれの面にガス孔が複数形成されており、
   前記ハウジングは、前記収納ケースの主導入面に形成された複数のガス孔を介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、前記収納ケースの上下面との間にそれぞれ構成することを特徴とする加湿装置。
2. 前記収納ケースは、前記上下面のそれぞれにおいて、前記第１ガスの流れ方向に沿って延在する凸状のリブ部を、前記第２ガスの流れの下流側に有することを特徴とする請求項１に記載された加湿装置。
3. 前記中空糸膜束は、前記収納ケースの排出面と前記上下面のそれぞれとの隅部に隙間が形成されるように、前記収納ケース内に収納されていることを特徴とする請求項１または２に記載された加湿装置。
4. 前記収納ケースの上下面における複数のガス孔は、前記第２ガスの流れの下流側に位置する程、開口面積が小さく設定されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載された加湿装置。
5. 前記中空糸膜モジュールの収納ケースは、前記主導入面および前記排出面を長手辺として前記上下面を短手辺とするアスペクト比の角筒形状を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載された加湿装置。
6. 前記収納ケースは、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ガスの漏れを規制するシール部材を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載された加湿装置。
7. 前記ハウジングは、前記第２ガスの導入口から前記収納ケースの主導入面までのガス導入流路の途中に段差部を設け、前記第２ガスを当該段差部に衝突させて前記主導入面に分散均一化させることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載された加湿装置。
8. 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ており、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前記段差部を形成して流路奥側の流路体積を絞り、前記段差部を前記主導入面の中間位置手前に設けたことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載された加湿装置。

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