JP2010071619A - Humidifying device - Google Patents

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Shigenori Yazawa
成紀 矢澤
Masahiro Usuda
昌弘 臼田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent breakage of a hollow yarn film at a low temperature without degrading humidifying performance. <P>SOLUTION: A bypass passage as a clearance is formed in an upper section in a storage case 6 by loosening of the hollow yarn film 4 because the storage case 6 contracts as an environmental temperature is lowered. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、加湿装置に関する。   The present invention relates to a humidifier.

従来より、中空糸膜を用いた加湿装置が知られている。この加湿装置は、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気体(例えば、乾燥気体)と、中空糸膜外部を流れる気体(例えば、湿潤気体)との間で水分交換を行うことにより、乾燥気体を湿潤気体によって加湿する。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。   Conventionally, a humidifier using a hollow fiber membrane is known. This humidifier utilizes a capillary condensation action on the pores inside the hollow fiber membrane, and gas that flows inside the hollow fiber membrane (eg, dry gas) and gas that flows outside the hollow fiber membrane (eg, wet gas) The dry gas is humidified by the wet gas by exchanging moisture with the gas. This type of humidifier includes, for example, a hollow fiber membrane module in which a bundle of hollow fiber membranes is accommodated in a cylindrical case.

例えば、特許文献1には、中空糸膜の強度向上の観点から、剛性棒を中心として複数本の中空糸膜を集束部材により束ねて、この束ねた複数の中空糸膜のセットをケース内に収容している。   For example, in Patent Document 1, from the viewpoint of improving the strength of a hollow fiber membrane, a plurality of hollow fiber membranes are bundled by a focusing member around a rigid rod, and a set of the bundled hollow fiber membranes is placed in a case. Contained.

また、加湿性能の向上を目的として、中空糸膜内部を流れる気体に対して、中空糸膜外部を流れる気体を直交するように供給する、いわゆるクロスフロー方式の加湿装置も知られている。
特開2004−311287号公報
For the purpose of improving humidification performance, a so-called cross-flow type humidifier is also known in which the gas flowing outside the hollow fiber membrane is supplied so as to be orthogonal to the gas flowing inside the hollow fiber membrane.
JP 2004-311287 A

しかしながら、クロスフロー方式の加湿装置では、中空糸膜外部を流れる気体によって中空糸膜に曲げ応力が発生し易いという問題がある。特に、外気などの環境温度が、中空糸膜内部の細孔に保持された水分が凍結するような低温温度まで低下した場合には、中空糸膜が脆弱化しているため、折損に至る可能性がある。   However, the crossflow humidifier has a problem that bending stress is easily generated in the hollow fiber membrane by the gas flowing outside the hollow fiber membrane. In particular, when the ambient temperature such as the outside air falls to a low temperature that freezes the water retained in the pores inside the hollow fiber membrane, the hollow fiber membrane is weakened and may break. There is.

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、加湿性能の低下を招くことなく、低温温度における中空糸膜の折損を抑制することである。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to suppress breakage of the hollow fiber membrane at a low temperature without causing a reduction in humidification performance.

かかる課題を解決するために、本発明は、中空糸膜モジュールが、中空糸膜のそれぞれが軸方向に沿って直線的に並列する第1の状態と、中空糸膜のそれぞれが弛むことにより、収納ケース内に隙間であるバイパス路を形成する第2の状態とを、環境温度に感応して設定する設定手段を有する。   In order to solve such a problem, the present invention provides a hollow fiber membrane module in which each of the hollow fiber membranes is in a first state in which each of the hollow fiber membranes is linearly aligned along the axial direction and each of the hollow fiber membranes is loosened. Setting means is provided for setting a second state in which a bypass path as a gap is formed in the storage case in response to the environmental temperature.

本発明によれば、環境温度に感応して、中空糸膜のそれぞれが弛み、収納ケース内にバイパス路が設定される。これにより、個々の中空糸膜に作用する曲げ応力を緩和することができる。そのため、加湿性能の低下を招くことなく、低温温度における中空糸膜の折損を抑制することができる。   According to the present invention, each of the hollow fiber membranes is slackened in response to the environmental temperature, and a bypass path is set in the storage case. Thereby, the bending stress which acts on each hollow fiber membrane can be relieved. Therefore, breakage of the hollow fiber membrane at a low temperature can be suppressed without deteriorating the humidification performance.

(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り、各セルの固体高分子電解質膜を加湿している。
(First embodiment)
FIG. 1 is a perspective view schematically showing a humidifier 1 according to a first embodiment of the present invention. This humidifier 1 is suitable as a humidifier used in, for example, a fuel cell system. A fuel cell system mainly includes a fuel cell stack that generates electricity by electrochemically reacting a fuel gas (for example, hydrogen) and an oxidant gas (for example, air). The fuel cell stack is configured by sandwiching a fuel cell structure in which an oxidant electrode and a fuel electrode are opposed to each other with a separator and an electrode catalyst composite in between, and laminating a plurality of these. As an electrolyte, a solid polymer electrolyte is often used in consideration of high energy density, low cost, light weight, and the like. The solid polymer electrolyte is composed of, for example, an ion conductive polymer membrane such as a fluororesin ion exchange membrane, and functions as an ion conductive electrolyte when saturated with water. Therefore, in such a fuel cell system, the solid polymer electrolyte membrane of each cell is humidified by supplying the reaction gas (fuel gas or oxidant gas) to the fuel cell stack while being humidified by the humidifier. .

図2は、図1に示す加湿装置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、燃料電池スタック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、燃料電池スタック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第1ガスG1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を内部に収容するハウジング3とを備えている。   FIG. 2 is an exploded perspective view schematically showing the humidifier 1 shown in FIG. The humidifying device 1 of the present embodiment supplies a wet gas, for example, a reactive gas containing water vapor discharged from the fuel cell stack (hereinafter referred to as “second gas G2”) and a dry gas, for example, a fuel cell stack. The first gas G1 is humidified by exchanging moisture with the reaction gas (hereinafter referred to as “first gas G1”). The humidifier 1 includes a hollow fiber membrane module 2 that uses a hollow fiber membrane as a water permeable membrane, and a housing 3 that houses the hollow fiber membrane module 2 therein.

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。   The hollow fiber membrane module 2 is mainly composed of a hollow fiber membrane bundle 5 configured by bundling a plurality of hollow fiber membranes 4 and a rectangular tubular storage case 6 that accommodates the hollow fiber membrane bundle 5 therein. Has been.

図3は、中空糸膜モジュール2の断面状態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(軸方向)に亘って貫通する細孔である流通路(図示せず)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。   FIG. 3 is a perspective view schematically showing a cross-sectional state of the hollow fiber membrane module 2. The hollow fiber membrane bundle 5 is configured by bundling a plurality of hollow fiber membranes 4. Each hollow fiber membrane 4 has a flow passage (not shown), which is a pore penetrating in the longitudinal direction (axial direction), and has an elongated straw shape with a circular cross section. .

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の内部(流通路)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。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。   In the hollow fiber membrane module 2, the first gas G1 is supplied to the inside (flow passage) of the hollow fiber membrane 4, and the second gas G2 containing moisture is supplied to the outside (outside) of the hollow fiber membrane 4. In the humidifier 1 of the present embodiment, a so-called cross flow method is adopted in which the second gas G2 flows in a direction that intersects (specifically, substantially perpendicular) with the flow direction of the first gas G1.

中空糸膜4は、その内部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。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(流通路)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。   In the hollow fiber membrane 4, moisture is condensed (capillary condensation) in pores (capillaries) formed in the thickness direction of the hollow fiber membrane 4, and moisture is absorbed by the difference in water vapor partial pressure inside and outside the hollow fiber membrane 4. It penetrates from the outside to the inside. The flow of the air in the second gas G2 is inhibited by the condensation of moisture in the pores in the hollow fiber membrane 4, and as a result, only the water vapor in the wet gas selectively moves to the first gas G1 side. To Penetrate. The permeated water comes into contact with the first gas supplied to the inside of the hollow fiber membrane 4 and vaporizes, whereby the first gas G1 is humidified. The hollow fiber membrane module 2 supplies the second gas G2 that is a wet gas into the hollow fiber membrane 4 (flow passage) and flows the first gas G1 that is a dry gas to the outside of the hollow fiber membrane 4. Water exchange can be performed.

図4は、中空糸膜モジュール2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。本実施形態において、収納ケース6は、後述する理由により、環境温度が、中空糸膜4の細孔に凝縮される水分が凍結する低温温度に近づくにしたがって、中空糸膜4の長手方向に収縮する部材により形成されている。このような部材として、例えば、アルミニウムなどの金属部材を挙げることができる。   FIG. 4 is a perspective view schematically showing the hollow fiber membrane module 2. The storage case 6 has a rectangular tube shape with both ends opened, and has a function of storing the hollow fiber membrane bundle 5 therein. In the present embodiment, the storage case 6 contracts in the longitudinal direction of the hollow fiber membrane 4 as the environmental temperature approaches a low temperature at which water condensed in the pores of the hollow fiber membrane 4 is frozen for reasons that will be described later. It is formed by the member to do. An example of such a member is a metal member such as aluminum.

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、ガス孔8,9が形成されている。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(各中空糸膜4間の隙間)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、対向する他方の側面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。各ガス孔8,9は、各側面6a,6bのほぼ全面に複数形成されており、互いに対向する上下面(すなわち、開口の短手辺を構成する一対の面)6c,6dの一部へと進入した位置まで形成されている。   In the storage case 6, gas holes 8 and 9 are formed in a pair of opposing side surfaces 6 a and 6 b, that is, a pair of surfaces constituting the long side of the opening. Each gas hole 8 formed in one side surface 6a (hereinafter, referred to as “second gas introduction surface 6a” as necessary) allows the second gas G2 to pass inside the hollow fiber membrane bundle 5 (between the hollow fiber membranes 4). It functions as a gas introduction hole for flowing into the gap. On the other hand, each gas hole 9 formed in the opposite other side surface 6b (hereinafter referred to as “second gas discharge surface 6b” if necessary) passes through the inside of the hollow fiber membrane bundle 5. It functions as a gas discharge hole for discharging the gas G2 out of the hollow fiber membrane module 2. A plurality of gas holes 8 and 9 are formed on almost the entire side surfaces 6a and 6b, and part of upper and lower surfaces (that is, a pair of surfaces constituting the short side of the opening) 6c and 6d facing each other. It is formed to the position where it entered.

このような中空糸膜モジュール2において、収納ケース6内に充填される中空糸膜束5は、中空糸膜4の長手方向に垂直な断面で捉えた場合、個々の中空糸膜4が断面内に均一に分布するように、その両端がポッティング剤(接着剤)で固定される。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。この際、それぞれの中空糸膜4は、その長手方向と収納ケース6の軸方向とが互いに平行になるように配策されており、中空糸膜4同士が互いに捩じれて絡み合ったりすることがないよう構成されている。そのため、中空糸膜4の長手方向の全域に渡り、各中空糸膜4とも隣り合う中空糸膜4との間に一定の間隙が形成されており、中空糸膜4同士が形成する間隙は、中空糸膜4列に沿って収納ケース6を縦方向に割った断面内の全域に均一に分布している。この間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。   In such a hollow fiber membrane module 2, when the hollow fiber membrane bundle 5 filled in the storage case 6 is captured in a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the hollow fiber membrane 4, each hollow fiber membrane 4 is within the cross section. Both ends thereof are fixed with a potting agent (adhesive) so as to be uniformly distributed. Moreover, the hollow fiber membrane bundle 5 accommodated in the storage case 6 is fixed to the inner wall surface of the case with a potting agent at both ends in the longitudinal direction, and other portions are not adhered. At this time, the hollow fiber membranes 4 are arranged so that the longitudinal direction thereof and the axial direction of the storage case 6 are parallel to each other, and the hollow fiber membranes 4 are not twisted and entangled with each other. It is configured as follows. Therefore, a constant gap is formed between each hollow fiber membrane 4 and the adjacent hollow fiber membrane 4 over the entire lengthwise direction of the hollow fiber membrane 4, and the gap formed between the hollow fiber membranes 4 is: The storage cases 6 are uniformly distributed along the entire length of the cross section obtained by dividing the storage cases 6 in the longitudinal direction along the four rows of the hollow fiber membranes. The second gas G2, which is a wet gas, flows through this gap. That is, the site | part except the both ends of the hollow fiber membrane bundle 5 functions as a humidification field which humidifies the 1st gas G1 with the 2nd gas G2.

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。   1 and 2, the housing 3 has a housing 12, a first gas introduction manifold 14 having an introduction port 13 for the first gas G1, and an exhaust port 15 for the first gas G1. The first gas discharge manifold 16, the second gas introduction manifold 18 having the second gas G2 introduction port 17, and the second gas discharge manifold 20 having the second gas G2 discharge port 19 Become.

筐体12は、中空糸膜モジュール2を内部に収容するケースであり、両端を開口させた四角柱形状を有している。   The housing 12 is a case for housing the hollow fiber membrane module 2 therein, and has a quadrangular prism shape with both ends opened.

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との間のシールは、開口21内端部で例えばOリング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。   The first gas introduction manifold 14 is attached so as to close one opening 21 formed in the front-rear direction of the housing 12. The seal between the first gas introduction manifold 14 and the housing 12 employs a shaft seal structure using, for example, an O-ring at the inner end of the opening 21. The first gas introduction manifold 14 is formed with an introduction port 13 for introducing the first gas G1 into the hollow fiber membrane module 2 in the housing 12.

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との間のシールは、開口23内端部で例えばOリング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 gas discharge manifold 16 is attached so as to close the other opening 23 formed in the front-rear direction of the housing 12. The seal between the first gas discharge manifold 16 and the housing 12 employs a shaft seal structure using, for example, an O-ring at the inner end of the opening 23. The first gas discharge manifold 16 is formed with a discharge port 15 for discharging the first gas G1 that has passed through the flow path of each hollow fiber membrane 4 to the outside of the housing 12.

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ガス導入面6aとが向き合う格好となる。   The second gas introduction manifold 18 is attached so as to close an opening (not shown) formed on one side surface of the housing 12. The second gas introduction manifold 18 is formed with an introduction port 17 for introducing the second gas G2 into the housing 12. The seal between the second gas introduction manifold 18 and the housing 12 is similarly sealed with a shaft seal structure. By the second gas introduction manifold 18, the second gas introduction port 17 side and the second gas introduction surface 6 a of the storage case 6 face each other.

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を導入する導入口17から収納ケース6の第2ガス導入面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。   Further, the second gas introduction manifold 18 is provided with a step portion 26 in the middle of the gas introduction passage 25 from the introduction port 17 for introducing the second gas G2 to the second gas introduction surface 6a of the storage case 6. ing. The step portion 26 is formed by recessing a part of the second gas introduction manifold 18 inward (on the casing 12 side), and is provided in the middle position of the second gas introduction surface 6a. By providing this stepped portion 26, the volume of the flow path on the back side of the gas introduction flow path 25 is reduced.

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。   The second gas G2 flowing from the introduction port 17 flows through the gas introduction flow path 25, collides with the inclined inner wall surface 26a by the step portion 26 provided in the middle thereof, and is dispersed. Therefore, the dispersed second gas G2 is introduced to the entire second gas introduction surface 6a. In other words, the second gas G2 tends to be biased to the back side of the gas introduction channel 25 due to the characteristics of the gas flow. However, by causing the second gas G2 to collide with the step portion 26 in the middle of the flow path, it is easy to flow in the front side of the flow path, which is difficult to flow, and the gas is uniformly dispersed.

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。   The second gas discharge manifold 20 is integrated with the other side surface of the housing 12. The second gas discharge manifold 20 is provided with a discharge port 19 for discharging the second gas G2 introduced into the housing 12. The second gas discharge manifold 20 is provided with an internal space 27 so that a sufficiently large flow path to the discharge port 19 can be secured. By the second gas discharge manifold 20, the second gas discharge port 19 side and the second gas discharge surface 6 b of the storage case 6 face each other.

つぎに、加湿装置1における第1ガスG1と第2ガスG2とのガスの基本的な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。   Next, the basic gas flow of the first gas G1 and the second gas G2 in the humidifier 1 will be described. The first gas G1, which is a dry gas, is supplied from the inlet 13 of the first gas introduction manifold 14 and then flows through the flow passages of the hollow fiber membranes 4 constituting the hollow fiber membrane bundle 5 to discharge the first gas. It is discharged from the discharge port 15 of the manifold 16 for use.

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間の間隙を流れた後、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。第2ガス排出面6bの各ガス孔9から排出された第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。   The second gas G2, which is a wet gas, is supplied from the introduction port 17 of the second gas introduction manifold 18, and then collides with the stepped portion 26 formed in the second gas introduction manifold 18, and is dispersed. The two gas introduction surfaces 6a are supplied as a uniform amount. The second gas G2 flows through the gaps between the hollow fiber membranes 4 of the hollow fiber membrane bundle 5 through the gas holes 8 formed in the second gas introduction surface 6a, and then the second gas discharge on the opposite side. The gas is discharged from each gas hole 9 formed in the surface 6b. The second gas G2 discharged from each gas hole 9 of the second gas discharge surface 6b is discharged from a discharge port 19 formed in the second gas discharge manifold 20.

加湿場では、中空糸膜4の流通路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。   In the humidification field, the first gas G1 which is a dry dry gas flowing through the flow path 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. Moisture permeates from the outside to the inside of the hollow fiber membrane 4 due to the water vapor partial pressure difference 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.

このように、本実施形態の加湿装置1(具体的には、中空糸膜モジュール2)は、この加湿装置1が適用される燃料電池電池システムの通常の運転温度の環境において、図5(a)に示すように、第2ガスG2は、これら中空糸膜4の間隙を縫って収納ケース6内を略均等に流れていく。通常の運転温度の環境において、中空糸膜4の配列は、その長手方向が収納ケース6の軸方向と平行に、かつ、中空糸膜4の長手方向に垂直な断面内に均一に分布している。   As described above, the humidifying device 1 (specifically, the hollow fiber membrane module 2) of the present embodiment is shown in FIG. 5A in the environment of the normal operating temperature of the fuel cell system to which the humidifying device 1 is applied. ), The second gas G2 flows substantially uniformly in the storage case 6 by sewing the gaps between the hollow fiber membranes 4. In an environment of normal operating temperature, the arrangement of the hollow fiber membranes 4 is uniformly distributed in a cross section whose longitudinal direction is parallel to the axial direction of the storage case 6 and perpendicular to the longitudinal direction of the hollow fiber membrane 4. Yes.

これに対して、本実施形態の加湿装置1(具体的には、中空糸膜モジュール2)は、環境温度が低温温度(中空糸膜4の細孔に凝縮される水分が凍結する温度)に近づくにしたがって、図5(b)に示すように、収納ケース6の収縮にともなって中空糸膜4が弛むことにより、収納ケース6内の上部に、隙間(以下「バイパス路」という)が形成される。このバイパス路は、通常の運転温度の環境における中空糸膜4間の間隔よりも大きな寸法を有している。換言すれば、本実施形態の収納ケース6は、中空糸膜4のそれぞれが軸方向に沿って直線的に並列する第1の状態と、中空糸膜4のそれぞれが弛むことにより、収納ケース6内に、第1の状態における中空糸膜4間の間隔よりも大きな寸法を有するバイパス路を形成する第2の状態とを、環境温度に感応して設定する設定手段として機能する。また、このバイパス路は、収納ケース6内における第2ガスG2の流れ方向において、収納ケース6内を貫通している。   On the other hand, the humidifier 1 (specifically, the hollow fiber membrane module 2) of the present embodiment has a low environmental temperature (a temperature at which water condensed in the pores of the hollow fiber membrane 4 is frozen). As it approaches, as shown in FIG. 5 (b), the hollow fiber membrane 4 loosens as the storage case 6 contracts, thereby forming a gap (hereinafter referred to as “bypass path”) in the upper part of the storage case 6. Is done. This bypass path has a size larger than the interval between the hollow fiber membranes 4 in an environment of normal operating temperature. In other words, the storage case 6 of the present embodiment includes the storage case 6 in the first state in which the hollow fiber membranes 4 are linearly aligned in the axial direction and the hollow fiber membranes 4 are loosened. It functions as a setting means for setting the second state in which a bypass path having a dimension larger than the interval between the hollow fiber membranes 4 in the first state is set in response to the environmental temperature. In addition, the bypass passage passes through the storage case 6 in the flow direction of the second gas G <b> 2 in the storage case 6.

低温温度の環境では、中空糸膜4の細孔内部の水が凍結するため、中空糸膜4がその弾性を失っており、第2ガスG2の流れによる曲げ力を受けることによる折損の可能性がある。しかしながら、本実施形態の構成によれば、低温温度の環境下では、第2ガスG2が、流路抵抗の小さなバイパス路に多く流れることとなり、個々の中空糸膜4の間隙を流れるガスの量が減少する。そのため、第2ガスG2の流れに起因する中空糸膜4の曲げ変位が低減され、中空糸膜4の折損を抑制することができる。   In a low temperature environment, the water inside the pores of the hollow fiber membrane 4 freezes, so that the hollow fiber membrane 4 loses its elasticity and may be broken by receiving bending force due to the flow of the second gas G2. There is. However, according to the configuration of the present embodiment, a large amount of the second gas G2 flows through the bypass passage having a small passage resistance under the low temperature environment, and the amount of gas flowing through the gaps between the individual hollow fiber membranes 4 Decrease. Therefore, the bending displacement of the hollow fiber membrane 4 due to the flow of the second gas G2 is reduced, and breakage of the hollow fiber membrane 4 can be suppressed.

通常、中空糸膜モジュール2において、中空糸膜4は任意の充填率をもって収納ケース6内に収容されるが、封止の容易性や、封止部の信頼性といった観点から、一般的に、50%程度の充填率が採用される。この状態で、収納ケース6が収縮し、中空糸膜4の張りが緩まったとすると、個々の中空糸膜4は、重力の影響で懸垂線を描きながら垂れ下がる。そして、中空糸膜4の長手方向のほぼ中央部で、隣り合う中空糸膜4同士が互いに接するようになり、最終的には、中空糸膜4の張りが緩まってもバイパス路の寸法がそれ以上大きくならない状態に至る。実験やシミュレーションを通じて算出した結果、充填率50%の中空糸膜モジュール2では、収納ケース6の高さ方向の寸法Hに対して、3%から5%の高さを有するバイパス路が形成された場合に、中空糸膜4同士が互いに接し合う状態に至る。   Normally, in the hollow fiber membrane module 2, the hollow fiber membrane 4 is accommodated in the storage case 6 with an arbitrary filling rate. From the viewpoint of ease of sealing and reliability of the sealing portion, A filling rate of about 50% is employed. In this state, if the storage case 6 is contracted and the tension of the hollow fiber membrane 4 is loosened, each hollow fiber membrane 4 hangs down while drawing a suspension line due to the influence of gravity. The adjacent hollow fiber membranes 4 come into contact with each other at substantially the center in the longitudinal direction of the hollow fiber membrane 4, and eventually the dimensions of the bypass path are reduced even if the tension of the hollow fiber membrane 4 is loosened. It reaches a state where it does not grow any further. As a result of calculation through experiments and simulations, in the hollow fiber membrane module 2 with a filling rate of 50%, a bypass path having a height of 3% to 5% with respect to the dimension H in the height direction of the storage case 6 was formed. In some cases, the hollow fiber membranes 4 come into contact with each other.

図6は、第2ガスG2の流量に対する第1ガスG1への加湿量の関係を示す説明図である。同図において、線L1は、バイパス路が形成されない従来方式の中空糸膜モジュールに関するデータ示しており、線L2は、本実施形態にかかる中空糸膜モジュール2、具体的には、バイパス路の高さ寸法が収納ケース6の高さ方向の寸法Hの3%に設定された中空糸膜モジュール2に関するデータを示している。また、線L3は、バイパス路が常に形成された状態の中空糸膜モジュールに関するデータを示している。   FIG. 6 is an explanatory diagram showing the relationship of the humidification amount to the first gas G1 with respect to the flow rate of the second gas G2. In the figure, a line L1 indicates data related to a conventional hollow fiber membrane module in which no bypass path is formed, and a line L2 indicates the hollow fiber membrane module 2 according to the present embodiment, specifically, the height of the bypass path. The data regarding the hollow fiber membrane module 2 in which the height dimension was set to 3% of the dimension H in the height direction of the storage case 6 is shown. Moreover, the line L3 has shown the data regarding the hollow fiber membrane module in the state in which the bypass path was always formed.

線L1で示すように、バイパス路が常に無い中空糸膜モジュールは、第2ガスG2の流量が小さい程、加湿量が大きくなる傾向を有している。これにより、それぞれの中空糸膜の間に常に一定の間隙が確保され、第2ガスG2がむら無く中空糸膜の外壁面に接しながら収納ケース内を通流していることが分かる。   As indicated by the line L1, the hollow fiber membrane module without a bypass always has a tendency that the humidification amount increases as the flow rate of the second gas G2 decreases. Thereby, it is understood that a constant gap is always ensured between the respective hollow fiber membranes, and the second gas G2 flows through the storage case while being in contact with the outer wall surface of the hollow fiber membranes evenly.

一方、線L2に示すように、本実施形態のバイパス路を構成する中空糸膜モジュール2では、第2ガスG2の流量を絞っていくと、ある流量をピークに加湿量が急激に低下していく。例えば、燃料電池システムのアイドリング点に対応する第2ガスG2の流量aにおける加湿量は、バイパス路が無い中空糸膜モジュールの加湿量を100として比較した場合、30以下となっている。第2ガスG2は、高流量時、重力の作用で垂れ下がり互いに接しあった状態の中空糸膜4の間を流れていく力が強い。しかしながら、第2ガスG2は、低流量時には、その力が低下するため、流路抵抗が低く、第2ガスG2の流れ方向へ貫通するバイパス路への流れが支配的になっていることに起因する。すなわち、中空糸膜4の間隙を流れる第2ガスG2の流量の低下を示している。したがって、各中空糸膜4に第2ガスG2から与えられる力も低減していると理解される。すなわち、中空糸膜4の間隙を流れる第2ガスG2の流量が70%以上低減しているので第2ガスG2の流速も70%以上低減されることとなる。この場合、中空糸膜4に掛かる風圧は、バイパス路が無いケースの9%以下となる。   On the other hand, as shown by the line L2, in the hollow fiber membrane module 2 constituting the bypass path of the present embodiment, when the flow rate of the second gas G2 is reduced, the humidification amount sharply decreases with a certain flow rate as a peak. Go. For example, the humidification amount at the flow rate a of the second gas G2 corresponding to the idling point of the fuel cell system is 30 or less when compared with the humidification amount of the hollow fiber membrane module having no bypass passage as 100. The second gas G2 has a strong force of flowing between the hollow fiber membranes 4 in a state where they hang down due to the action of gravity and are in contact with each other at a high flow rate. However, since the force of the second gas G2 decreases at a low flow rate, the flow resistance is low, and the flow to the bypass passage penetrating in the flow direction of the second gas G2 is dominant. To do. That is, the flow rate of the second gas G2 flowing through the gap between the hollow fiber membranes 4 is reduced. Therefore, it is understood that the force given from the second gas G2 to each hollow fiber membrane 4 is also reduced. That is, since the flow rate of the second gas G2 flowing through the gap between the hollow fiber membranes 4 is reduced by 70% or more, the flow rate of the second gas G2 is also reduced by 70% or more. In this case, the wind pressure applied to the hollow fiber membrane 4 is 9% or less of the case without the bypass.

このような結果は、中空糸膜4の細孔内まで凍結してしまう低温温度の環境下において、中空糸膜4の折損を抑制するのに十分な値となる。また、移動体(例えば、車両)に搭載される燃料電池システムに適用される加湿装置においては、凍結後の起動に際して燃料電池系の部品全体が解凍されるまでの間はアイドリング運転が行われる。アイドリング状態での流量において上記のような効果が十分に得ることができる。   Such a result is a value sufficient to suppress breakage of the hollow fiber membrane 4 in a low temperature environment where the hollow fiber membrane 4 is frozen into the pores. Further, in a humidifier applied to a fuel cell system mounted on a moving body (for example, a vehicle), an idling operation is performed until all the components of the fuel cell system are thawed at the start after freezing. The above effects can be sufficiently obtained in the flow rate in the idling state.

また、本実施形態において、加湿装置1の中空糸膜モジュール2は、環境温度が、通常の運転温度の場合、バイパス路が形成されなく、低温温度に近づくにしたがってバイパス路が形成されるような構成を有している。   Further, in the present embodiment, the hollow fiber membrane module 2 of the humidifier 1 is such that when the environmental temperature is a normal operation temperature, the bypass path is not formed, and the bypass path is formed as the temperature approaches the low temperature. It has a configuration.

図6の線L1で示すように、バイパス路が常に無いケースでは、第2ガスG2の流量が低下する程、中空糸膜の周囲を流れるガスの流速が低下する。そのため、中空糸膜の膜表面にガスがより長い時間接触するので、加湿量が増加する。これに対して、図6の線L3で示すように、バイパス路が常にあるケースでは、第2ガスG2の高流量域においても、バイパス路が無いケース(線L1)の場合と比較して加湿量が低く、また、さらに低流量域では加湿量が急激に低下する。移動体(例えば、車両)に搭載される燃料電池システムに適用される加湿装置には、高負荷(すなわち、第2ガスG2の高流量)時には、より高い加湿性能が要求され、低負荷(すなわち、第2ガスG2の低流量)時には、過加湿にならないレベルに抑えた加湿性能が要求される。したがって、高負荷時にはバイパス路がない線L1の特性と、低負荷時にはバイパス路を有する線L2の特性とを併せ持つ必要がある。本実施形態の加湿装置1(中空糸膜モジュール2)は、環境温度に感応してバイパス路を設定することで、上記の要求を実現することができる。したがって、中空糸膜4の凍結状態からの起動にともう中空糸膜4の折損を抑制するために、単にバイパス路を設定しただけでは通常の負荷運転時に要求される加湿性能を満足できない。しかしながら、本実施形態では、加湿性能の低下を招くことなく、低温温度における中空糸膜の折損を抑制することができる。   As indicated by line L1 in FIG. 6, in a case where there is no bypass, the flow rate of the gas flowing around the hollow fiber membrane decreases as the flow rate of the second gas G2 decreases. Therefore, the amount of humidification increases because the gas contacts the membrane surface of the hollow fiber membrane for a longer time. On the other hand, as shown by the line L3 in FIG. 6, in the case where the bypass path is always present, the humidification is performed in the high flow rate region of the second gas G2 as compared with the case where there is no bypass path (line L1). The amount is low, and the humidification amount is drastically reduced in the low flow rate region. A humidifier applied to a fuel cell system mounted on a moving body (for example, a vehicle) is required to have higher humidification performance at a high load (that is, a high flow rate of the second gas G2), and a low load (that is, a high load). When the flow rate of the second gas G2 is low), a humidification performance that is suppressed to a level that does not cause excessive humidification is required. Therefore, it is necessary to have both the characteristics of the line L1 having no bypass path at high loads and the characteristics of the line L2 having bypass paths at low loads. The humidifying device 1 (hollow fiber membrane module 2) of the present embodiment can realize the above requirements by setting a bypass path in response to the environmental temperature. Therefore, in order to suppress the breakage of the hollow fiber membrane 4 when the hollow fiber membrane 4 is started from the frozen state, the humidification performance required during normal load operation cannot be satisfied simply by setting a bypass path. However, in this embodiment, breakage of the hollow fiber membrane at a low temperature can be suppressed without deteriorating the humidification performance.

環境温度に感応してバイパス路を形成する手法として、本実施形態では、中空糸膜4の長手方向に長さが変化する収納ケース6を採用している。まず、図7に示すように、使用温度範囲の上限域で中空糸膜4の長さLと、収納ケース6の両端封止部の内幅寸法Wとを等しく設定した上で、使用温度範囲の下限域で、中空糸膜4の長さLが以下の数式で示される値以下となるように収納ケース6が収縮するように、ケース材質やモジュール長、モジュール高さHの詳細を決定していく。

Figure 2010071619
As a method for forming the bypass path in response to the environmental temperature, the storage case 6 whose length changes in the longitudinal direction of the hollow fiber membrane 4 is adopted in the present embodiment. First, as shown in FIG. 7, after setting the length L of the hollow fiber membrane 4 and the inner width dimension W of the sealing portions at both ends of the storage case 6 in the upper limit of the operating temperature range, the operating temperature range is set. The details of the case material, the module length, and the module height H are determined so that the storage case 6 contracts so that the length L of the hollow fiber membrane 4 is equal to or less than the value represented by the following mathematical formula. To go.
Figure 2010071619

このような中空糸膜モジュール2を有する加湿装置1が燃料電池システムに適用されている場合、燃料電池システムの運転を停止した後の中空糸膜モジュール2内部の様子は、以下に示すように推移する。まず、運転を停止した直後は、運転時と同じく個々の中空糸膜4は張られた状態で収納ケース6内に保持されており、各中空糸膜4の間には一定の間隙が確保されている。温度が徐々に低下していくと、中空糸膜4の長さはそのままで、収納ケース6を構成する材料の収縮により、その長さが短くなる。   When the humidifier 1 having such a hollow fiber membrane module 2 is applied to a fuel cell system, the state inside the hollow fiber membrane module 2 after the operation of the fuel cell system is stopped changes as shown below. To do. First, immediately after the operation is stopped, the individual hollow fiber membranes 4 are held in the storage case 6 in a stretched state as in the operation, and a certain gap is secured between the hollow fiber membranes 4. ing. As the temperature gradually decreases, the length of the hollow fiber membrane 4 remains unchanged, and the length of the hollow fiber membrane 4 decreases due to the shrinkage of the material constituting the storage case 6.

中空糸膜4と収納ケース6との間の長さの差と、重力の作用とによって、個々の中空糸膜4は懸垂線状に弛んでいき、収納ケース6上面との間にバイパス路が生じ始める。さらに温度が低下していくと、収納ケース6の収縮がさらに進み、中空糸膜4の弛みもさらに大きくなる。ただし、この弛みによって形成されるバイパス路は際限なく大きくなるわけではなく、所定の最大値の範囲で形成される。なぜならば、各中空糸膜4の間に保持されていた間隙が無くなり、隣り合う中空糸膜4同士が接しあった時点で、それ以上の弛むことができないからである。   Due to the difference in length between the hollow fiber membrane 4 and the storage case 6 and the action of gravity, the individual hollow fiber membranes 4 slack in a suspended line shape, and there is a bypass path between the upper surface of the storage case 6. It begins to occur. As the temperature further decreases, the shrinkage of the storage case 6 further proceeds and the looseness of the hollow fiber membrane 4 also increases. However, the bypass path formed by this slack does not endlessly increase, but is formed within a predetermined maximum value range. This is because the gap held between the hollow fiber membranes 4 disappears, and when the adjacent hollow fiber membranes 4 come into contact with each other, no further slackening can occur.

このような環境変化の間、中空糸膜4の外壁に付着していた第2ガスG2の凝縮水などが凍結し始めるが、中空糸膜4の細孔内部に保持されている水分は凍結していない。そのため、個々の中空糸膜4は、柔軟性を失っておらず収納ケース6の収縮に伴って中空糸膜4の弛みに伴い形成される隙間、すなわち、バイパス路は上記の最大値の範囲で広がることができる。バイパス路が最大となった後、温度がさらに下がると、中空糸膜4の細孔内部の水が凍結を開始する。そのため、収納ケース6内の中空糸膜4はバイパス路を形成しながら互いに接しあった状態で凍結保持される。   During such an environmental change, the condensed water of the second gas G2 attached to the outer wall of the hollow fiber membrane 4 starts to freeze, but the moisture retained inside the pores of the hollow fiber membrane 4 is frozen. Not. Therefore, the individual hollow fiber membranes 4 have not lost their flexibility, and the gaps formed by the slack of the hollow fiber membranes 4 as the storage case 6 contracts, that is, the bypass path is within the above-mentioned maximum value range. Can spread. When the temperature further decreases after the bypass path becomes maximum, the water inside the pores of the hollow fiber membrane 4 starts to freeze. Therefore, the hollow fiber membranes 4 in the storage case 6 are frozen and held while being in contact with each other while forming a bypass path.

そして、燃料電池の起動時には、まずアイドリングに必要な低い流量のガスが供給されるので、上述したバイパス効果により、中空糸膜4にかかる負担が軽減されるので、中空糸の折損を抑制することができる。この後、凍結部分の解凍が進み、再び収納ケース6の膨張が始まると、収納ケース内部で中空糸膜4は張りが取り戻されて、通常の加湿動作を得ることできる。   And at the time of starting of the fuel cell, since a low flow gas necessary for idling is first supplied, the burden on the hollow fiber membrane 4 is reduced by the above-described bypass effect, so that breakage of the hollow fiber is suppressed. Can do. Thereafter, when the thawing of the frozen portion proceeds and the expansion of the storage case 6 starts again, the tension of the hollow fiber membrane 4 is recovered inside the storage case, and a normal humidification operation can be obtained.

また、本実施形態の加湿装置1は、クロスフロー方式を採用しているため、第1ガスG1と第2ガスG2とが平行するパラレルフロー方式として比較して、高い加湿性能を得ることができる。   Moreover, since the humidifier 1 of this embodiment employs a cross flow method, it is possible to obtain high humidification performance as compared to a parallel flow method in which the first gas G1 and the second gas G2 are parallel. .

さらに本実施形態では、重力による中空糸膜4の弛みを利用して、バイパス路を形成しているので、このバイパス路は、収納ケース6の上方に形成される。そこで、本実施形態では、収納ケース6の側面6a,6bに設けるガス孔8,9をモジュールケースの角部まで伸ばし、収納ケース6の上面6cに至るように設けられている。そのため、このバイパス路に効率よく第2ガスG2を導くことができる。   Furthermore, in this embodiment, since the bypass path is formed by utilizing the slackness of the hollow fiber membrane 4 due to gravity, the bypass path is formed above the storage case 6. Therefore, in this embodiment, the gas holes 8 and 9 provided in the side surfaces 6a and 6b of the storage case 6 are extended to the corners of the module case and are provided so as to reach the upper surface 6c of the storage case 6. Therefore, the second gas G2 can be efficiently guided to this bypass path.

なお、本実施形態では、中空糸膜束5を収容する収納ケース6を構成する材料として、アルミニウムを用いている。しかしながら、収納ケース6は、中空糸膜4や封止部材と線膨張係数が異なるため繰り返しの温度変化で封止部材と収納ケース6との境界面に剥がれが生じる可能性がある。そのため、収納ケース6の封止部にはプラスチック材料を用い、ケースの胴部にのみアルミニウムなどの金属材料を用いる素材複合型の収納ケース6を用いることが好ましい。   In the present embodiment, aluminum is used as a material constituting the storage case 6 that houses the hollow fiber membrane bundle 5. However, since the storage case 6 has a different linear expansion coefficient from the hollow fiber membrane 4 and the sealing member, there is a possibility that the boundary surface between the sealing member and the storage case 6 may peel off due to repeated temperature changes. Therefore, it is preferable to use a composite material storage case 6 that uses a plastic material for the sealing portion of the storage case 6 and uses a metal material such as aluminum only for the case body.

また、個々の中空糸膜4を収納ケース6に封止固定する際には、封止部材に覆われる中空糸膜の根元部を、低温環境下における中空糸膜4の弛み方向に予め傾けておくことが好ましい。温度低下にともない中空糸膜が弛んでいく過程において、中空糸膜4の全体が同一の方向に均等に弛み易くなり、所望のバイパス路を得ることができる。   When the individual hollow fiber membranes 4 are sealed and fixed to the storage case 6, the root portions of the hollow fiber membranes covered with the sealing member are inclined in advance in the slack direction of the hollow fiber membranes 4 in a low temperature environment. It is preferable to keep. In the process in which the hollow fiber membrane is loosened as the temperature is lowered, the entire hollow fiber membrane 4 is easily loosened equally in the same direction, and a desired bypass path can be obtained.

(第2の実施形態)
図8は、第2の実施形態にかかる加湿装置1を構成する中空糸膜モジュール2の中空糸膜4の状態を示す説明図である。上述した第1の実施形態では、環境温度に感応してバイパス路を設定する設定手段として、収納ケース6が収縮することにより、バイパス路を形成している。しかしながら、本実施形態では、収納ケース6は、従来と同様、温度環境に拘わらず寸法が変わらないような材料(例えば、プラスチック材料)で構成されている。
(Second Embodiment)
FIG. 8 is an explanatory view showing a state of the hollow fiber membrane 4 of the hollow fiber membrane module 2 constituting the humidifying device 1 according to the second embodiment. In the first embodiment described above, the bypass path is formed by contracting the storage case 6 as setting means for setting the bypass path in response to the environmental temperature. However, in the present embodiment, the storage case 6 is made of a material (for example, a plastic material) whose dimensions do not change regardless of the temperature environment, as in the past.

そのため、本実施形態では、中空糸膜束5は、棒状の感温性部材7を中心に複数の中空糸膜を結束糸10で束ねて構成される中空糸膜ユニットを複数集合させることにより構成されている。中空糸膜ユニットを構成する感温性部材7は、高温環境で収縮する素材(例えば、ポリイソプロピルアクリルアミド等の感温性素材)、すなわち、低温環境で延伸する素材で形成されている。この場合、個々の中空糸膜ユニットにおいて、各中空糸膜4の自然長Lは、収納ケース6の全長と等しく設定されているのではなく、形成させたいバイパス路に応じて弛ませた際のその自然長に設定されている。また、中空糸膜束5を収納ケース6に収容する場合、個々の中空糸膜ユニットは、形成させたいバイパス路に応じて弛ませた状態で収容されるとともに封止固定されている。一方、個々の中空糸膜ユニットにおいて、感温性部材7は、封止作業を行う際の温度環境、すなわち、通常の燃料電池システムの運転温度よりも低い温度の環境において、その長さが収納ケースの全長と対応するように設定されている。   Therefore, in this embodiment, the hollow fiber membrane bundle 5 is configured by assembling a plurality of hollow fiber membrane units configured by bundling a plurality of hollow fiber membranes with a binding yarn 10 around a rod-shaped temperature-sensitive member 7. Has been. The temperature-sensitive member 7 constituting the hollow fiber membrane unit is formed of a material that shrinks in a high-temperature environment (for example, a temperature-sensitive material such as polyisopropylacrylamide), that is, a material that extends in a low-temperature environment. In this case, in each hollow fiber membrane unit, the natural length L of each hollow fiber membrane 4 is not set equal to the total length of the storage case 6, but when loosened according to the bypass path to be formed. Its natural length is set. When the hollow fiber membrane bundle 5 is stored in the storage case 6, each hollow fiber membrane unit is stored in a slack state and sealed and fixed in accordance with a bypass path to be formed. On the other hand, in each hollow fiber membrane unit, the temperature sensitive member 7 is stored in the length in the temperature environment when performing the sealing operation, that is, in the environment where the temperature is lower than the operation temperature of the normal fuel cell system. It is set to correspond to the full length of the case.

かかる構成において、封止作業時より温度が高い通常の運転温度の環境では、中空糸膜ユニットの中心に位置する感温性部材7の張力が高まるため、一緒に編み上げられた周囲の中空糸膜4を抱え上げるようにして、収納ケース6内に保持する。この場合、各中空糸膜4の間には、略均等にガス通路となる間隙が形成される。   In such a configuration, in an environment of a normal operation temperature where the temperature is higher than that at the time of the sealing operation, the tension of the temperature sensitive member 7 located at the center of the hollow fiber membrane unit is increased, so that the surrounding hollow fiber membrane knitted together 4 is held in the storage case 6 so as to be lifted. In this case, gaps serving as gas passages are formed substantially evenly between the hollow fiber membranes 4.

一方、外部の温度が低下すると、中空糸膜ユニットの中心に位置する感温性部材7に伸びが生じる。この感温性部材7の周囲を取り巻く中空糸膜4は、収納ケース6内において弛みを持つような長さに設定されている。そのため、感温性部材7の伸びと、中空糸膜4に弛みが生じることとなる。そして、温度が徐々に低下して中空糸膜4が弛みきり、バイパス路が形成された後、さらに温度が低下すると、上述したように、中空糸膜4の細孔内の水が凍結する。   On the other hand, when the external temperature decreases, the temperature sensitive member 7 located at the center of the hollow fiber membrane unit is stretched. The hollow fiber membrane 4 surrounding the temperature sensitive member 7 is set to such a length as to have a slack in the storage case 6. Therefore, the temperature-sensitive member 7 is elongated and the hollow fiber membrane 4 is slackened. Then, after the temperature is gradually lowered and the hollow fiber membrane 4 is completely loosened and the bypass path is formed, when the temperature is further lowered, the water in the pores of the hollow fiber membrane 4 is frozen as described above.

このように、弛む余裕を予め持った長さに設定される中空糸膜4と、高温環境で収縮する感温性部材7とを束ねた中空糸膜ユニットが収納ケース6に複数収容することにより、中空糸膜モジュール2が構成されている。   In this way, a plurality of hollow fiber membrane units in which the hollow fiber membrane 4 set to a length having a slack margin and the temperature-sensitive member 7 that contracts in a high-temperature environment are bundled are accommodated in the storage case 6. The hollow fiber membrane module 2 is configured.

なお、このような作用を得るためには、中空糸膜ユニットの中心に置く感温性部材7は、その熱収縮係数αが以下の式で表す値よりも大きい必要がある。

Figure 2010071619
In order to obtain such an action, the temperature-sensitive member 7 placed at the center of the hollow fiber membrane unit needs to have a thermal contraction coefficient α larger than a value represented by the following expression.
Figure 2010071619

かかる構成によれば、上述した第1の実施形態と同様の作用および効果を得ることができる。   According to this configuration, it is possible to obtain the same operations and effects as those in the first embodiment described above.

なお、棒状の感温性部材7を中実部材とした場合、開口断面における中空糸膜4の単位本数、すなわち、中空糸膜4の流通路の総面積が減少し、圧力損失が増加する可能性がある。そこで、感温性部材7の形状も中空糸状に設定することで、圧力損失の増加を抑制することができる。   When the rod-like temperature-sensitive member 7 is a solid member, the unit number of the hollow fiber membranes 4 in the opening cross section, that is, the total area of the flow passages of the hollow fiber membranes 4 is reduced, and the pressure loss may be increased. There is sex. Therefore, the increase in pressure loss can be suppressed by setting the shape of the temperature-sensitive member 7 to a hollow fiber shape.

(第3の実施形態)
本発明によれば、バイパス路を形成する設定手段の構成は、上述した手法に限定されない。温度に感応して、バイパス路を形成するのであれば、種々の形態を採用することができる。ここで、図9および図10は、バイパス路を形成する他の変形例を示す説明図である。
(Third embodiment)
According to the present invention, the configuration of the setting unit that forms the bypass path is not limited to the above-described method. Various forms can be employed as long as the bypass path is formed in response to the temperature. Here, FIG. 9 and FIG. 10 are explanatory views showing other modified examples for forming a bypass path.

例えば、図9に示すように、収納ケース6内の複数の中空糸膜4を、いくつかの大きな束に分割し、それぞれの束の外周部を、低温で収縮する素材で構成したネット状の収縮部材11でバインドする方法が考えられる。また、図10に示すように、収納ケース6の複数の中空糸膜4をいくつかの大きな束に分けるように、低温収縮率の高い方の面をそれぞれ向かい合わせた1対のバイメタル板11aを挿入する手法が考えられる。   For example, as shown in FIG. 9, a plurality of hollow fiber membranes 4 in the storage case 6 are divided into several large bundles, and the outer periphery of each bundle is made of a material that shrinks at a low temperature. A method of binding with the contracting member 11 is conceivable. In addition, as shown in FIG. 10, a pair of bimetal plates 11a each facing the surface with the higher low temperature shrinkage rate so as to divide the plurality of hollow fiber membranes 4 of the storage case 6 into several large bundles. A method of inserting can be considered.

このように、中空糸膜モジュール2にこれらの方法を単独で採用することでも、バイパス路を形成することが可能である。ただし、中空糸膜4に外力を加えることにより、バイパス路を形成することになるため、中空糸膜4への負担が高まることが懸念される。そこで、上述した第1の実施形態または第2の実施形態に記載した方法と共に、これらの方法を採用することが好ましい。この併用手法により、中空糸膜4に負担をかけることなく、より確実にバイパス路を形成させ、凍結時の中空糸膜4の折損を抑制することができる。   Thus, a bypass path can also be formed by adopting these methods alone for the hollow fiber membrane module 2. However, by applying an external force to the hollow fiber membrane 4, a bypass path is formed, so there is a concern that the burden on the hollow fiber membrane 4 will increase. Therefore, it is preferable to adopt these methods together with the method described in the first embodiment or the second embodiment. By this combined method, a bypass path can be more reliably formed without imposing a burden on the hollow fiber membrane 4, and breakage of the hollow fiber membrane 4 during freezing can be suppressed.

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。   The humidifier of the present invention can be applied not only to a fuel cell system, but also to various systems that humidify a dry gas by exchanging moisture between the dry gas and the wet gas.

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The perspective view which shows typically the humidification apparatus 1 concerning 1st Embodiment. 図1に示す加湿装置1を模式的に示す分解斜視図1 is an exploded perspective view schematically showing the humidifying device 1 shown in FIG. 中空糸膜モジュール2の断面状態を模式的に示す斜視図The perspective view which shows typically the cross-sectional state of the hollow fiber membrane module 2 中空糸膜モジュール2を模式的に示す斜視図The perspective view which shows the hollow fiber membrane module 2 typically 中空糸膜モジュール2の内部状態を模式的に示す斜視図The perspective view which shows typically the internal state of the hollow fiber membrane module 2 第2ガスG2の流量に対する第1ガスG1への加湿量の関係を示す説明図Explanatory drawing which shows the relationship of the humidification amount to 1st gas G1 with respect to the flow volume of 2nd gas G2. 中空糸膜モジュール2を模式的に示す断面図Sectional drawing which shows hollow fiber membrane module 2 typically 第2の実施形態にかかる加湿装置1を構成する中空糸膜モジュール2の中空糸膜4の状態を示す説明図Explanatory drawing which shows the state of the hollow fiber membrane 4 of the hollow fiber membrane module 2 which comprises the humidification apparatus 1 concerning 2nd Embodiment. バイパス路を形成する他の変形例を示す説明図Explanatory drawing which shows the other modification which forms a bypass. バイパス路を形成する他の変形例を示す説明図Explanatory drawing which shows the other modification which forms a bypass.

符号の説明Explanation of symbols

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…感温性部材
8…ガス孔
9…ガス孔
10…結束糸
11…収縮部材
11a…バイメタル板
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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Humidifier 2 ... Hollow fiber membrane module 3 ... Housing 4 ... Hollow fiber membrane 5 ... Hollow fiber membrane bundle 6 ... Storage case 7 ... Temperature sensitive member 8 ... Gas hole 9 ... Gas hole 10 ... Bundling thread 11 ... Contraction member DESCRIPTION OF SYMBOLS 11a ... Bimetal plate 12 ... Housing 14 ... First gas introduction manifold 16 ... First gas discharge manifold 18 ... Second gas introduction manifold 20 ... Second gas discharge manifold

Claims (7)

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する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を内部に収容するハウジングとを有し、
前記中空糸膜モジュールは、前記中空糸膜のそれぞれが軸方向に沿って直線的に並列する第1の状態と、前記中空糸膜のそれぞれが弛むことにより、前記収納ケース内に、第1の状態における中空糸膜間の間隔よりも大きな寸法を有する隙間であるバイパス路を形成する第2の状態とを、環境温度に感応して設定する設定手段をさらに有することを特徴とする加湿装置。
Between the first gas that flows through the flow path formed inside the hollow fiber membrane in the longitudinal direction and the second gas that flows outside the hollow fiber membrane in a direction intersecting the flow direction of the first gas. In a humidifier that exchanges moisture at
A hollow fiber membrane module that accommodates a hollow fiber membrane bundle in which a plurality of hollow fiber membranes are bundled in a cylindrical storage case having both ends opened;
A first gas inlet and outlet, a second gas inlet and outlet, and a housing for accommodating the hollow fiber membrane module therein.
The hollow fiber membrane module includes a first state in which each of the hollow fiber membranes is linearly aligned in the axial direction, and a slack in each of the hollow fiber membranes, thereby A humidifier further comprising setting means for setting a second state in which a bypass path, which is a gap having a size larger than the interval between the hollow fiber membranes in the state, is set in response to an environmental temperature.
前記収納ケースは、前記ハウジングが有する前記第2のガスの導入口および排出口のそれぞれと対向する面に、複数のガス孔がそれぞれ形成されており、
前記バイパス路は、前記収納ケース内における前記第2ガスの流れ方向において、前記収納ケース内を貫通することを特徴とする請求項1に記載された加湿装置。
The storage case is formed with a plurality of gas holes on the surfaces of the housing facing the second gas introduction port and the discharge port, respectively.
2. The humidifier according to claim 1, wherein the bypass passage passes through the storage case in a flow direction of the second gas in the storage case.
前記設定手段は、環境温度が、前記中空糸膜の細孔に凝縮される水分が凍結する低温温度に近づくにしたがって、前記第1の状態から前記第2の状態へと変位す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。   The setting means is characterized in that the environmental temperature shifts from the first state to the second state as it approaches a low temperature at which water condensed in the pores of the hollow fiber membrane freezes. The humidifying device according to claim 1 or 2. 前記設定手段は、感温性を有する部材で形成された前記収納ケースで構成されており、
前記収納ケースは、環境温度が前記低温温度に近づくにしたがって、前記中空糸膜の長手方向に収縮することを特徴とする請求項3に記載された加湿装置。
The setting means includes the storage case formed of a temperature-sensitive member,
The humidification device according to claim 3, wherein the storage case contracts in the longitudinal direction of the hollow fiber membrane as the environmental temperature approaches the low temperature.
前記設定手段は、それぞれが感応性を有する複数の棒状の部材で構成されており、
前記棒状の部材のそれぞれは、複数本の前記中空糸膜とともに束ねられており、環境温度が前記低温温度に近づくにしたがって、前記中空糸膜の長手方向に伸張することを特徴とする請求項3または4に記載された加湿装置。
The setting means is composed of a plurality of rod-shaped members each having sensitivity,
4. Each of the rod-shaped members is bundled together with a plurality of the hollow fiber membranes, and extends in the longitudinal direction of the hollow fiber membranes as the environmental temperature approaches the low temperature temperature. Or a humidifier described in 4.
前記設定手段は、複数の中空糸膜を複数の束に分割した上で、それぞれが分割された中空糸膜の束を外周部において縛る複数のネット状の部材で構成されており、
前記ネット状の部材のそれぞれは、環境温度が前記低温温度に近づくにしたがって、収縮することを特徴とする請求項3から5のいずれか一項に記載された加湿装置。
The setting means is composed of a plurality of net-like members that divide a plurality of hollow fiber membranes into a plurality of bundles and bind each of the divided hollow fiber membrane bundles at an outer peripheral portion,
6. The humidifier according to claim 3, wherein each of the net-like members contracts as the environmental temperature approaches the low temperature.
前記設定手段は、複数の中空糸膜を複数の束に分割するように、低温収縮率の高い方の面をそれぞれ向かい合わせた1対のバイメタル板で構成されることを特徴とする請求項3から5のいずれか一項に記載された加湿装置。   The said setting means is comprised by a pair of bimetal board which faced the surface where a low temperature shrinkage rate is higher each so that a several hollow fiber membrane may be divided | segmented into several bundles. The humidifier described in any one of 5 to 5.
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