JP2010071619A - Humidifying device - Google Patents
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Abstract
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
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。
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
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
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
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
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
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
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
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,
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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。
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
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
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
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
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
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
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
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
(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
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
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
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
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
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。
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
(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
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
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.
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
Claims (7)
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.
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