JP2011089749A - 加湿器 - Google Patents

Abstract

【課題】加湿効率の高い加湿器を提供する。
【解決手段】複数の中空糸膜１２が束ねられてなる中空糸膜束１１と、中空糸膜束１１を収容する筒状のケース２１と、ケース２１の軸方向において複数段で形成され、外部からのカソードオフガスをケース２１内かつ中空糸膜１２外に導入する複数の導入口２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃと、複数段で形成された複数の導入口２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃのうちケース２１の最前端部側以外の導入口２４Ｂ、２４Ｃに設けられると共に、カソードオフガスの推力を受ける常閉型の開閉蓋３２Ｂ、３２Ｃを有する導入口開閉機構と、を備え、開閉蓋３２Ｂ、３２Ｃは、カソードオフガスの推力に対応して、最前端部側以外の導入口２４Ｂ、２４Ｃを開閉する加湿器１である。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池等に供給される空気等の流体を加湿する加湿器に関し、詳しくは、水分透過性の中空糸膜を有する加湿器に関する。

固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）等の燃料電池においては、燃料電池を構成する電解質膜の湿潤状態を確保するべく、水素（燃料ガス）、酸素を含む空気（酸化剤ガス）を加湿する加湿器が必要とされる。このような加湿器は、中空糸膜を束ねてなる中空糸膜束と、中空糸膜束を収容するケースとを備え、例えば、燃料電池に向かう加湿すべき空気が中空糸膜内を、燃料電池のカソードから排出された多湿のカソードオフガスが中空糸膜外を、それぞれ通流する（特許文献１〜２参照）。

なお、加湿器（中空糸膜内）を通って燃料電池に向かう空気の流量は、燃料電池に対する発電要求量に基づいて制御され、具体的には、発電要求量が大きくなると、空気の流量も多くなる。したがって、燃料電池から排出され加湿器に導入されるカソードオフガスの流量も、発電要求量に対応して変動することになる。

特開平６−１３２０３８号公報 特開平８−２７３６８７号公報

ここで、中空糸膜束を収容するケースには、カソードオフガスをその内部に導入する導入口が、一般に、複数にて形成されるので、カソードオフガスの流量が少ない場合、前記複数の導入口を通過し、ケースの輪切り断面方向におけるカソードオフガスの流速（勢い）が低下してしまう。そうすると、輪切り断面方向において、カソードオフガスが、導入口から離れた中空糸膜に、行き届きにくくなり、カソードオフガスの通流しないデッドゾーンが形成されやすくなる。

そして、このようにデッドゾーンが形成されると、このデッドゾーンにおける中空糸膜外をカソードオフガスが通流しないことになるから、このデッドゾーンにおける中空糸膜を介しての、カソードオフガスと燃料電池に向かう空気との間での水分交換が為されないので、加湿器の加湿効率が低下してしまう。

一方、カソードオフガスの出口側においては、カソードオフガスをケース内から外部に導出する導出口が、ケースの軸方向において、複数段にて形成されるので、カソードオフガスの流量が少ない場合、カソードオフガスが、ケースの端部から離れた導出口から導出されてしまう。そうすると、前記カソードオフガスが導出される導出口と、ケースの端部との間に、カソードオフガスの通流しないデッドゾーンが形成されてしまい、加湿器の加湿効率が低下する。

そこで、本発明は、加湿効率の高い加湿器を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、複数の中空糸膜が束ねられてなる中空糸膜束と、前記中空糸膜束を収容する筒状のケースと、前記ケースの軸方向において複数段で形成され、外部からの流体を前記ケース内かつ前記中空糸膜外に導入する複数の導入口と、前記複数段で形成された複数の導入口のうち前記ケースの最端部側以外の導入口に設けられると共に、外部からの流体の推力を受ける常閉型の受容部を有する導入口開閉機構と、を備え、前記受容部は、流体の推力に対応して、前記最端部側以外の導入口を開閉することを特徴とする加湿器である。

ここで、「複数の導入口が複数段で形成されている」とは、後記する実施形態のように、ケースの軸方向において導入口が完全にずれ、複数段である形態だけでなく、例えば、略半分ずれ、複数段である形態も含む。後記する導出口側についても同様である。
また、「前記ケースの最端部側以外の導入口に設けられている」とは、後記する第１実施形態のように、導入口２４Ｂに開閉蓋３２Ｂ（受容部）が直接的に設けられている形態だけでなく（図４参照）、後記する第２実施形態のように、導入口２４Ｂを覆う導入ダクト３１を介して、ダンパー５２Ｂ等（受容部）が間接的に設けられている形態も含む（図８参照）。後記する導出口側についても同様である。

このような加湿器によれば、導入口開閉機構の受容部が常閉型であるので、流体の流量が少なく、流体から受容部に作用する推力が小さい場合、受容部が最端部側以外の導入口を閉じた状態、つまり、複数段で形成された複数の導入口のうち、ケースの最端部側の導入口のみが開いた状態となる。

そして、このように最端部側の導入口のみが開いているので、流量の少ない流体が、最端部側の導入口を通流する際に、流体の流速が高められ、勢いが増加しやすくなる。したがって、導入口からケース内に導入した流体は、ケースの輪切り断面方向において、導入口から離れた中空糸膜外にも行き届きやすくなり、前記したデッドスペースは形成されにくくなる。よって、輪切り断面方向において、導入口から離れた部分においても、中空糸膜を介して水分交換しやすくなり、加湿器の加湿効率は高くなる。

一方、流体の流量が多くなり、受容部に作用する流体の推力が大きくなると、これに対応して、受容部が最端部側以外の導入口を開けるので、導入口における圧力損失が大きくなることはない。

また、前記した加湿器において、前記複数の導入口は３段以上で形成されると共に、前記最端部側以外の導入口は２段以上で形成されており、前記導入口開閉機構において、前記２段以上で形成された最端部側以外の導入口を開くために必要な流体の推力（圧力）は、前記ケースの端部側から前記ケースの中央に向かうほど大きいことを特徴とする。

このような加湿器によれば、２段以上で形成された最端部側以外の導入口を開くために必要な流体の推力は、ケースの端部側から中央に向かうほど大きいので、流体の流量が多くなり、流体から受容部に作用する推力が大きくなるほど、ケース中央側の導入口も開くことになる。
すなわち、２段以上で形成された最端部側以外の導入口において、流体の流量に対応して、最端部側から順番に導入口が開くので、導入口における圧力損失を増加させずに、流体をケース内全体に導入できる。

また、前記した加湿器において、前記導入口開閉機構は複数のばねを備え、前記導入口を開くために必要な流体の推力は、前記複数のばねにおけるばね力の大小により設定されていることを特徴とする。

このような加湿器は、上記作用効果に加え、ばね力の大小、つまり、ばね力が異なる複数のばねを使用するだけで、他の構造に変更を加えず、容易に構成できる。

また、本発明は、複数の中空糸膜が束ねられてなる中空糸膜束と、前記中空糸膜束を収容する筒状のケースと、前記ケースの軸方向において複数段で形成され、前記ケース内かつ前記中空糸膜外からの流体を外部に導出する複数の導出口と、前記複数段で形成された複数の導出口のうち前記ケースの最端部側以外の導出口に設けられると共に、前記ケース内かつ前記中空糸膜外からの流体の推力を受ける常閉型の受容部を有する導出口開閉機構と、を備え、前記受容部は、流体の推力に対応して、前記最端部側以外の導出口を開閉することを特徴とする加湿器である。

このような加湿器によれば、導出口開閉機構の受容部が常閉型であるので、流体の流量が少なく、流体から受容部に作用する推力が小さい場合、受容部が最端部側以外の導出口を閉じた状態、つまり、複数段で形成された複数の導出口のうち、ケースの最端部側の導出口のみが開いた状態となる。

そして、このように最端部側の導出口のみが開いているので、ケース内から外部に向かう流量の少ない流体が、最端部側の導出口のみを通って、外部に導出されることになる。したがって、ケース内であって中空糸膜外を通流する流体が、ケースの端部側にも行き届きやすくなり、前記したデッドスペースは形成されにくくなる。よって、ケースの端部側においても、中空糸膜を介して水分交換しやすくなり、加湿器の加湿効率は高くなる。

一方、流体の流量が多くなり、受容部に作用する流体の推力が大きくなると、これに対応して、受容部が最端部側以外の導出口を開けるので、導出口における圧力損失が大きくなることはない。

また、前記した加湿器において、前記複数の導出口は３段以上で形成されると共に、前記最端部側以外の導出口は２段以上で形成されており、前記導出口開閉機構において、前記２段以上で形成された最端部側以外の導出口を開くために必要な流体の推力（圧力）は、前記ケースの端部側から前記ケースの中央に向かうほど大きいことを特徴とする。

このような加湿器によれば、２段以上で形成された最端部側以外の導出口を開くために必要な流体の推力は、ケースの端部側から中央に向かうほど大きいので、流体の流量が多くなり、流体から受容部に作用する推力が大きくなるほど、ケース中央側の導出口も開くことになる。
すなわち、２段以上で形成された最端部側以外の導出口において、流体の流量に対応して、最端部側から順番に導出口が開くので、導出口における圧力損失を増加させずに、流体をケース内全体に通流させつつ、導出できる。

また、前記した加湿器において、前記導出口開閉機構は複数のばねを備え、前記導出口を開くために必要な流体の推力は、前記複数のばねにおけるばね力の大小により設定されていることを特徴とする。

このような加湿器は、上記作用効果に加え、ばね力の大小、つまり、ばね力が異なる複数のばねを使用するだけで、他の構造に変更を加えず、容易に構成できる。

本発明によれば、加湿効率の高い加湿器を提供することができる。

第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 第１実施形態に係る加湿器の斜視図である。 第１実施形態に係る加湿器の側断面図（図２のＸ１−Ｘ１線断面図）である。 第１実施形態に係る加湿器の側断面図であって、カソードオフガスの導入側の拡大図であり、カソードオフガスの流量が少ない場合を示す。 第１実施形態に係る加湿器の側断面図であって、カソードオフガスの導入側の拡大図であり、カソードオフガスの流量が多い場合を示す。 第１実施形態に係る加湿器の側断面図であって、カソードオフガスの導出側の拡大図であり、カソードオフガスの流量が少ない場合を示す。 第１実施形態に係る加湿器の側断面図であって、カソードオフガスの導出側の拡大図であり、カソードオフガスの流量が多い場合を示す。 第２実施形態に係る加湿器の側断面図であって、カソードオフガスの導入側の拡大図であり、カソードオフガスの流量が少ない場合を示す。 第３実施形態に係る加湿器の側断面図であって、カソードオフガスの導入側の拡大図であり、カソードオフガスの流量が少ない場合を示す。 第４実施形態に係る加湿器の側断面図であって、カソードオフガスの導入側の拡大図であり、カソードオフガスの流量が少ない場合を示す。 第４実施形態に係る加湿の径方向における断面図（図１２のＸ３−Ｘ３線断面）であって、カソードオフガスの流量が少ない場合を示す。 第４実施形態に係る加湿の輪切り方向における断面図（図１２のＸ２−Ｘ２線断面）であって、カソードオフガスの流量が少ない場合を示す。

≪第１実施形態≫
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図７を参照して説明する。
まず、第１実施形態に係る加湿器１が組み込まれた燃料電池システム１００について、図１を参照して説明する。燃料電池システム１００は、図示しない燃料電池車（移動体）に搭載されており、燃料電池スタック１１０と、水素タンク１２１と、コンプレッサ１３１と、加湿器１とを備えている。

燃料電池スタック１１０は、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）であり、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）をセパレータ（図示しない）で挟持してなる単セルが複数積層されて構成されている。ＭＥＡは、電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟持するカソード及びアノードとを備えている。各セパレータには、溝や貫通孔からなるアノード流路１１１及びカソード流路１１２が形成されている。

そして、水素が、水素タンク１２１から、配管１２１ａ、アノード流路１１１を介してアノードに供給され、酸素を含む空気が、外気を吸気するコンプレッサ１３１から、配管１３１ａ、加湿器１、配管１３１ｂ、カソード流路１１２を介してカソードに供給されると、アノード及びカソードに含まれる触媒（Ｐｔ等）上で電極反応が起こり、燃料電池スタック１１０が発電可能な状態となる。

このように発電可能な状態の燃料電池スタック１１０と、外部負荷（例えば走行用のモータ）とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック１１０が発電するようになっている。

また、アノード流路１１１から排出されたアノードオフガスは、配管１２１ｂを介して、希釈器１３２に排出されるようになっている。一方、カソード流路１１２から排出されたカソードオフガスは、配管１３１ｃ、加湿器１、配管１３２ａを介して、希釈器１３２に排出され、希釈器１３２においてアノードオフガス中の未消費の水素を希釈するようになっている。そして、希釈後のガスは、配管１３２ｂを介して、車外に排出されるようになっている。
なお、カソードオフガスは、カソードにおける電極反応により生成する水蒸気（水分）により多湿である。また、生成した水蒸気の一部は電解質膜を介してアノード側に透過するので、アノードオフガスも多湿である。

≪加湿器の構成≫
次に、加湿器１の構成について、図２〜図７を参照して説明する。ここで、明確に説明するために、図２を基準として、前、後、左、右、上、下を設定する。
加湿器１は、コンプレッサ１３１からカソード流路１１２に向かう加湿すべき空気（第１流体）を、カソード流路１１２から排出された多湿のカソードオフガス（第２流体）で加湿するものであって、その外形は図２に示すように円柱状を呈している。すなわち、カソード流路１１２に向かう空気の湿度と、カソードオフガスの湿度とは異なり、カソードオフガスの湿度が高くなっている。

図３に示すように、加湿器１は、中空糸膜束１１と、中空糸膜束１１を収容する円筒状のケース２１と、導入ダクト３１と、導出ダクト４１とを備えている。
なお、中空糸膜束１１とケース２１との軸方向（長手方向）は一致している。

中空糸膜束１１は、ポリイミド等から形成され、水分透過性を有する中空糸膜１２が、複数本（例えば１０〜１００００本）にて束ねられたものである。そして、中空糸膜束１１の前側及び後側は、エポキシ樹脂等から形成されるポッティング部１３、１３（封止部）を介して、ケース２１に固定されている。

ケース２１は、円筒状を呈し、その内部に中空糸膜束１１を収容している。このようなケース２１は、例えば、ＰＣ（ポリカーボネート）やＰＰＯ（ポリフェニレンオキサイド）等の硬質樹脂から形成されている。
ただし、ケース２１は、円筒状に限定されず、例えば角筒状でもよいし、また、湾曲した形状でもよい。

また、ケース２１の前側には前キャップ２２が取り付けられており、ケース２１の後側には後キャップ２３が取り付けられている。
そして、コンプレッサ１３１からの空気は、後キャップ２３の空気流入部２３ａから後キャップ２３内を通って各中空糸膜１２内に流入し、各中空糸膜１２内を前方に向かって通流した後、前キャップ２２内を通って、前キャップ２２の空気流出部２２ａから外部（配管１３１ｂ、図１参照）に流出するようになっている。

なお、カソードオフガスは、ケース２１内であって中空糸膜１２外を、後方に向かって通流するようになっている。すなわち、空気の通流向き（前向き）とカソードオフガスの通流向き（後向き）とは対向しており、空気が効率的に加湿されるようになっている。

また、横置きされた円筒状のケース２１の上壁部の前端部側には、外部からのカソードオフガスを、ケース２１内かつ中空糸膜１２外に導入する同一の大きさの６つの導入口２４Ａ〜２４Ｃが形成されている（図２参照）。６つの導入口２４Ａ〜２４Ｃは、ケース２１の軸方向において３段で、周方向において２列で配列されている。具体的には、ケース２１の前端部からみて、導入口２４Ａ、２４Ａは最前端部側である１段目に、導入口２４Ｂ、２４Ｂは２段目に、導入口２４Ｃ、２４Ｃは３段目に、それぞれ配置されている。
ただし、軸方向、周方向における導入口２４Ａ〜２４Ｃの数は変更自由である。また、導入口２４Ａ〜２４Ｃが千鳥状で配列され、軸方向視、周方向視において、導入口２４Ａ〜２４Ｃが部分的に重なる配列でもよい。

一方、ケース２１の下壁部の後端部側には、ケース２１内かつ中空糸膜１２外からのカソードオフガスを、ケース２１の外部に導出する同一の大きさの６つの導出口２５Ａ〜２５Ｃが形成されている（図２参照）。６つの導出口２５Ａ〜２５Ｃは、ケース２１の軸方向において３段で、周方向において２列で配列されている。具体的には、ケース２１の後端部からみて、導出口２５Ａ、２５Ａは最後端部側である１段目に、導出口２５Ｂ、２５Ｂは２段目に、導出口２５Ｃ、２５Ｃは３段目に、それぞれ配置されている。
ただし、軸方向、周方向における導出口２５Ａ〜２５Ｃの数は変更自由である。また、導出口２５Ａ〜２５Ｃが千鳥状で配列され、軸方向視、周方向視において、導出口２５Ａ〜２５Ｃが部分的に重なる配列でもよい。

すなわち、導入口２４Ａ〜２４Ｃと、導出口２５Ａ〜２５Ｃとは、側断面視において、対角に配置されている（図３参照）。これにより、カソードオフガスがケース２１内全体に行き渡りやすくなっている。

導入ダクト３１は、６つの導入口２４Ａ〜２４Ｃを覆うようにケース２１に取り付けられると共に、その上流側に配管１３１ｃ（図１参照）が接続されている。そして、配管１３１ｃからのカソードオフガスは、導入ダクト３１内を通って、６つの２４Ａ〜２４Ｃに導かれるようになっている。

導出ダクト４１は、６つの導出口２５Ａ〜２５Ｃを覆うようにケース２１に取り付けられると共に、その下流側に配管１３２ａ（図１参照）が接続されている。そして、導出口２５Ａ〜２５Ｃからのカソードオフガスは、導出ダクト４１内を通って、配管１３２ａに導かれるようになっている。

＜開閉蓋、ねじりコイルばね＞
また、加湿器１は、開閉蓋３２Ｂ、３２Ｃ、４２Ｂ、４２Ｃ（受容部）と、ねじりコイルばね３３Ｂ、３３Ｃ、４３Ｂ、４３Ｃと、を備えている。
開閉蓋３２Ｂ、３２Ｃ、４２Ｂ、４２Ｃは、導入口２４Ｂ等に対応した略円形で、輪切り断面方向視で円弧状を呈すると共に、その大きさ（受圧面積）は第１実施形態では同一となっている。

＜カソードオフガス導入側（前端部側）＞
まず、カソードオフガスの導入側を説明する。
図４、図５に示すように、開閉蓋３２Ｂは導入口２４Ｂに、開閉蓋３２Ｃは導入口２４Ｃに、それぞれ軸部材を介して回動・開閉自在に取り付けられている。つまり、開閉蓋３２Ｂ、３２Ｃは、ケース２１の前端部側において３段で形成された導入口２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃのうち、最前端部側の導入口２４Ａ以外の導入口２４Ｂ、２４Ｃに設けられている。よって、最前端部側の導入口２４Ａは常に開いた状態である。

そして、導入ダクト３１内を通流し、ケース２１内に導入されるカソードオフガスの推力（圧力）が、開閉蓋３２Ｂ、開閉蓋３２Ｃに作用するようになっている。つまり、開閉蓋３２Ｂ、開閉蓋３２Ｃは、カソードオフガスの推力を受ける受容部である。

ねじりコイルばね３３Ｂは、開閉蓋３２Ｂを閉方向（図４等の左回り向き）に付勢し、開閉蓋３２Ｂを常閉型とするものである。ねじりコイルばね３３Ｃは、開閉蓋３２Ｃを閉方向（図４等の左回り向き）に付勢し、開閉蓋３２Ｃを常閉型とするものである。ただし、ばねの種類は、ねじりコイルばねに限定されず、その他種類のばねでもよい。
なお、導入口２４Ｂ、導入口２４Ｃの開口縁には、閉方向に付勢される開閉蓋３２Ｂ、開閉蓋３２Ｃを閉位置で係止するストッパ（図示しない）が形成されている。

ねじりコイルばね３３Ｃは、例えば、ねじりコイルばね３３Ｂを形成する線材よりも太い線材から形成され、ねじりコイルばね３３Ｃのばね力は、ねじりコイルばね３３Ｂのばね力よりも大きく設定されている。
したがって、３段目の導入口２４Ｃに設けられた開閉蓋３２Ｃを開くために必要なカソードオフガスの推力は、２段目の導入口２４Ｂに設けられた開閉蓋３２Ｂを開くために必要な推力よりも、大きく設定されている。

すなわち、開閉蓋３２Ｂ、開閉蓋３２Ｃを開くために必要な推力は、ケース２１の軸方向において、前端部側から中央に向かうほど大きくなっている。つまり、中央側の開閉蓋３２Ｃは、前端部側の開閉蓋３２Ｂよりも、開きにくくなっている。

そして、このような開閉蓋３２Ｂ、開閉蓋３２Ｃを開くために必要な推力の差異は、第１実形態では、ばね力の異なるねじりコイルばね３３Ｂ、３３Ｃを使用することにより、つまり、ばね力の大小によって開閉蓋３２Ｂ、開閉蓋３２Ｃ等の他の構成部品を変更することなく、容易に構成されている。
なお、開閉蓋３２Ｂ、開閉蓋３２Ｃが開いた場合に、開閉蓋３２Ｂ等によって、中空糸膜１２の外周面が損傷しないように、開閉蓋３２Ｂ等が設けられるケース２１の肉厚を厚くしたり、最大開位置にストッパを形成することが好ましい。

したがって、第１実施形態では、カソードオフガスの導入側において、導入口２４Ｂ、２４Ｃを開閉する導入口開閉機構は、開閉蓋３２Ｂ、３２Ｃと、ねじりコイルばね３３Ｂ、３３Ｃと、を備えて構成されている。

＜カソードオフガス導出側（後端部側）＞
次に、カソードオフガスの導出側を説明する。
図６、図７に示すように、開閉蓋４２Ｂは導出口２５Ｂに、開閉蓋４２Ｃは導出口２５Ｃに、それぞれ軸部材を介して回動・開閉自在に取り付けられている。つまり、開閉蓋４２Ｂ、４２Ｃは、ケース２１の後端部側において３段で形成された導出口２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃのうち、最後端部側の導出口２５Ａ以外の導出口２５Ｂ、２５Ｃに設けられている。よって、最後端部側の導出口２５Ａは常に開いた状態である。

そして、ケース２１から導出ダクト４１内に向かうカソードオフガスの推力（圧力）が、開閉蓋４２Ｂ、開閉蓋４２Ｃに作用するようになっている。つまり、開閉蓋４２Ｂ、開閉蓋４２Ｃは、カソードオフガスの推力を受ける受容部である。

ねじりコイルばね４３Ｂは、開閉蓋４２Ｂを閉方向（図６等の左回り向き）に付勢し、開閉蓋４２Ｂを常閉型とするものである。ねじりコイルばね４３Ｃは、開閉蓋４２Ｃを閉方向（図６等の左回り向き）に付勢し、開閉蓋４２Ｃを常閉型とするものである。ただし、ばねの種類は、ねじりコイルばねに限定されず、その他種類のばねでもよい。
なお、導出口２５Ｂ、導出口２５Ｃの開口縁には、閉方向に付勢される開閉蓋４２Ｂ、開閉蓋４２Ｃを閉位置で係止するストッパ（図示しない）が形成されている。

ねじりコイルばね４３Ｃは、例えば、ねじりコイルばね４３Ｂを形成する線材よりも太い線材から形成され、ねじりコイルばね４３Ｃのばね力は、ねじりコイルばね４３Ｂのばね力よりも大きく設定されている。
したがって、３段目の導出口２５Ｃに設けられた開閉蓋４２Ｃを開くために必要なカソードオフガスの推力は、２段目の導出口２５Ｂに設けられた開閉蓋４２Ｂを開くために必要な推力よりも、大きく設定されている。

すなわち、開閉蓋４２Ｂ、開閉蓋４２Ｃを開くために必要な推力は、ケース２１の軸方向において、後端部側から中央に向かうほど大きくなっている。つまり、中央側の開閉蓋４２Ｃは、後端部側の開閉蓋４２Ｂよりも、開きにくくなっている。

そして、このような開閉蓋４２Ｂ、開閉蓋４２Ｃを開くために必要な推力の差異は、第１実形態では、ばね力の異なるねじりコイルばね４３Ｂ、４３Ｃを使用することにより、つまり、ばね力の大小によって開閉蓋４２Ｂ、開閉蓋４２Ｃ等の他の構成部品を変更することなく、容易に構成されている。

したがって、第１実施形態では、カソードオフガスの導出側において、導出口２５Ｂ、２５Ｃを開閉する導出口開閉機構は、開閉蓋４２Ｂ、４２Ｃと、ねじりコイルばね４３Ｂ、４３Ｃと、を備えて構成されている。

≪加湿器の作用効果≫
このような加湿器１によれば次の作用効果を得る。

＜カソードオフガスの流量：少＞
カソードオフガスの流量が少ない場合、導入側においては、図４に示すように、カソードオフガスから開閉蓋３２Ｂ及び開閉蓋３２Ｃに作用する推力が小さいので、開閉蓋３２Ｂ及び開閉蓋３２Ｃは閉じたままとなる。これにより、カソードオフガスが導入口２４Ａを通流する際に、その流速が上昇し、カソードオフガスの輪切り断面方向における直進性が高まる。

そうすると、導入口２４Ａからケース２１内に導入したカソードオフガスは、導入口２４Ａから離れたケース２１の下壁の近傍にも行き届きやすくなり、ケース２１の下壁の近傍部分において、デッドスペースが形成されにくくなる。このように、ケース２１の下壁の近傍部分にもカソードオフガスが通流するので、この部分における中空糸膜１２を介しても水分交換でき、加湿器１の加湿効率は高まる。

一方、導出側においては、図６に示すように、カソードオフガスから開閉蓋４２Ｂ及び開閉蓋４２Ｃに作用する推力が小さいので、開閉蓋４２Ｂ及び開閉蓋４２Ｃは閉じたままとなる。

そうすると、ケース２１内を後方に向かって通流するカソードオフガスは、後側のポッティング部１３の近傍にも行き届きやすくなり、ポッティング部１３の近傍部分において、デッドスペースが形成されにくくなる。このように、ポッティング部１３の近傍部分にもカソードオフガスが通流するので、この部分における中空糸膜１２を介しても水分交換でき、加湿器１の加湿効率は高まる。

＜カソードオフガスの流量：多＞
カソードオフガスの流量が多い場合、導入側においては、図５に示すように、カソードオフガスから開閉蓋３２Ｂ及び開閉蓋３２Ｃに作用する推力が大きいので、開閉蓋３２Ｂ及び開閉蓋３２Ｃは開いた状態となる。これにより、カソードオフガスが受ける圧力損失は増加せず、カソードオフガスをケース２１内に良好に導入できる。
なお、カソードオフガスの流量が中程度である場合、ばね力の小さいねじりコイルばね３３Ｂで付勢された開閉蓋３２Ｂが主に開いた状態となり、ばね力の大きいねじりコイルばね３３Ｃで付勢された開閉蓋３２Ｃは主に閉じた状態となる。

一方、導出側においては、図７に示すように、カソードオフガスから開閉蓋４２Ｂ及び開閉蓋４２Ｃに作用する推力が大きいので、開閉蓋４２Ｂ及び開閉蓋４２Ｃは開いた状態となる。これにより、カソードオフガスが受ける圧力損失は増加せず、カソードオフガスをケース２１内から良好に導出できる。
なお、カソードオフガスの流量が中程度である場合、ばね力の小さいねじりコイルばね４３Ｂで付勢された開閉蓋４２Ｂが主に開いた状態となり、ばね力の大きいねじりコイルばね４３Ｃで付勢された開閉蓋４２Ｃは主に閉じた状態となる。

このようにして、カソードオフガスの流量に対応して、導入口及び導出口の面積を可変させて、ケース２１内全体にカソードオフガスを通流させ、全ての中空糸膜１２を介して水分交換し、空気を効率的に加湿、つまり、加湿器１による加湿効率を高めることができる。

≪変形例≫
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、次のように変更したり、後記する実施形態と適宜に組み合わせることができる。

前記した実施形態では、例えば、カソードオフガスの導入側においては、開閉蓋３２Ｂ、３２Ｃが回動自在に設けられ、ねじりコイルばね３３Ｂ、３３Ｃで閉方向に付勢された構成を例示したが（図４参照）、例えば、金属製又はゴム製の薄板（受容部）を、導入口２４Ｂ、２４Ｃに片持ちで常閉型で固定し、カソードオフガスからの推力に対応して、前記薄板が撓み、導入口２４Ｂ、２４Ｃが開く構成としてもよい。
この場合、例えば、前記薄板の厚さを変更することにより、導入口２４Ｂ、２４Ｃが開くために必要なカソードオフガスの推力は容易に設定できる。

前記した実施形態では、開閉蓋３２Ｂ、３２Ｃ（導入口２４Ｂ、２４Ｃ）の大きさ（受圧面積）が同一で、ねじりコイルばね３３Ｂ、３３Ｃのばね力が異なることで、開閉蓋３２Ｂ、３２Ｃを開けるために必要な推力が異なる構成を例示したが、その他に例えば、ねじりコイルばね３３Ｂ、３３Ｃのばね力が同一で、開閉蓋３２Ｂ、３２Ｃ（導入口２４Ｂ、２４Ｃ）の大きさが異なる構成としてもよい。

前記した実施形態では、空気が中空糸膜１２内を通流し、カソードオフガスが中空糸膜１２外を通流する構成を例示したが、空気が中空糸膜１２外を通流し、カソードオフガスが中空糸膜１２内を通流する構成でもよい。

また、通流する流体は、ガスに限定されず、水（液体）でもよい。さらに、空気及びカソードオフガスの通流方向が、対向する構成を例示したが、同方向でもよい。
さらにまた、カソードオフガスが、加湿器１の上方から導入し、加湿器１から下方に向かって導出する構成を例示したが、カソードオフガスの導入・導出方向はこれに限定されず、例えば、上方から導入し、上方に向かって導出する構成でもよいし、側方から導入・導出する構成でもよい。

前記した実施形態では、加湿器１が空気とカソードオフガスとの間で水分交換し、燃料電池スタック１１０に向かう空気を加湿する構成を例示したが、その他に例えば、水素とアノードオフガスとの間で水分交換し、燃料電池スタック１１０に向かう水素を加湿する構成でもよい。

その他に例えば、本願出願人による特開２００８−３０７４３２号公報に記載されるような、インナーパイプ（内ケース）と、アウターパイプ（外ケース）と備え、カソードオフガスがインナーパイプの周壁に形成された導入口を通って、ケース内（インナーパイプとアウターパイプとの間）に導入される加湿器に、本発明を適用してもよい。

≪第２実施形態≫
次に、本発明の第２実施形態について、図８を参照して説明する。
第２実施形態に係る加湿器２は、板状のダンパー５２Ｂ及びダンパー５２Ｃ（受容部）と、ねじりコイルばね５３Ｂ及びねじりコイルばね５３Ｃと、を備えている。

ダンパー５２Ｂは、導入口２４Ａと導入口２４Ｂの間の上方において、導入ダクト３１の内壁面に垂下かつ回動自在に設けられており、ダンパー５２Ｂは、ねじりコイルばね５３Ｂによって、閉方向（図８の右回り向き）に付勢されている。

そして、このように付勢されるダンパー５２Ｂは、カソードオフガスの流量が少なく、その推力が小さい場合、ケース２１の外上面に形成されたストッパ５４Ｂに係止し、その閉位置に配置され、常閉型に構成されている。なお、閉位置のダンパー５２Ｂは、軸方向において導入ダクト３１内を仕切り、このように仕切られると、カソードオフガスが導入口２４Ａに供給されるが、導入口２４Ｂ及び導入口２４Ｃに供給されないようになっている。

一方、カソードオフガスの流量が多くなり、カソードオフガスからダンパー５２Ｂに作用する推力が大きくなると、ダンパー５２Ｂが図８の左回りで回動して開き、カソードオフガスが導入口２４Ｂ等にも供給されるようになっている。

ダンパー５２Ｃは、導入口２４Ｂと導入口２４Ｃの間の上方において、導入ダクト３１の内壁面に垂下かつ回動自在に設けられており、ダンパー５２Ｃは、ねじりコイルばね５３Ｃによって、閉方向（図８の右回り向き）に付勢されている。

そして、このように付勢されるダンパー５２Ｃは、カソードオフガスの流量が少なく、その推力が小さい場合、ケース２１の外上面に形成されたストッパ５４Ｃに係止し、その閉位置に配置され、常閉型に構成されている。なお、閉位置のダンパー５２Ｃは、軸方向において導入ダクト３１内を仕切り、このように仕切られると、カソードオフガスは、導入口２４Ｂに供給されるが、導入口２４Ｃに供給されないようになっている。

一方、カソードオフガスの流量が多くなり、ダンパー５２Ｂが開いた状態において、カソードオフガスからダンパー５２Ｃに作用する推力が大きくなると、ダンパー５２Ｃが図８の左回りで回動して開き、カソードオフガスが導入口２４Ｃにも供給されるようになっている。

ここで、ねじりコイルばね５３Ｂのばね力と、ねじりコイルばね５３Ｃのばね力とは、同一であるが、ダンパー５２Ｂの大きさ（受圧面積）は、ダンパー５２Ｃの大きさ（受圧面積）よりも大きい。したがって、軸方向において中央側のダンパー５２Ｃを開くために必要なカソードオフガスの推力（圧力）は、ダンパー５２Ｂを開くために必要な推力（圧力）よりも大きく設定されている。

そして、カソードオフガスの流量が少ない場合、ダンパー５２Ｂ、ダンパー５２Ｃは閉じ、カソードオフガスが導入口２４Ａのみに供給されるようになっている。次いで、カソードオフガスの流量が多くなると、ダンパー５２Ｂが開き、カソードオフガスが導入口２４Ａ及び導入口２４Ｂに供給されるようになっている。さらに、カソードオフガスの流量が多くなると、ダンパー５２Ｃも開き、カソードオフガスが導入口２４Ａ、導入口２４Ｂ及び導入口２４Ｃに供給されるようになっている。

≪第３実施形態≫
次に、本発明の第３実施形態について、図９を参照して説明する。
第３実施形態に係る加湿器３は、常閉型のスライダ６２（受容部）と、圧縮コイルばね６３とを備えている。
スライダ６２は、側断面視において逆Ｌ字形を呈すると共に、ケース２１の上面であって導入ダクト３１内にスライド自在に設けられている。また、スライダ６２は、圧縮コイルばね６３によって、閉方向（前方）に付勢されており、カソードオフガスの流量が少ない場合、ケース２１の外上面に形成されたストッパ６４に係止し、導入口２４Ａのみを開き、導入口２４Ｂ及び導入口２４Ｃを閉じる常閉型に構成されている。

そして、カソードオフガスの流量が増加し、その圧力が増加すると、カソードオフガスからスライダ６２に作用する推力が大きくなって、圧縮コイルばね６３が縮退し、カソードオフガスの流量・圧力に対応して、導入口２４Ｂ、導入口２４Ｃが、この順番で開くようになっている。

≪第４実施形態≫
次に、本発明の第４実施形態について、図１０〜図１２を参照して説明する。
第４実施形態に係る加湿器４は、常閉型のスライダ７２Ｂ、７２Ｃと、圧縮コイルばね７３Ｂ、７３Ｃと、を備えている。

スライダ７２Ｂ、７２Ｂは、導入口２４Ｂ、２４Ｂを開閉するものであって、ケース２１の上面かつ導入ダクト３１内に、周方向にスライド自在に設けられている。なお、スライダ７２Ｂ、７２Ｂは、ケース２１の外上面に周方向で設けられたカイド条７４と、導入ダクト３１の内壁面から周方向に延びるガイド壁部７５、７５とで、ガイドされている。

スライダ７２Ｃ、７２Ｃは、導入口２４Ｃ、２４Ｃを開閉するものであって、スライダ７２Ｂと同様に、周方向にスライド自在に設けられている。なお、スライダ７２Ｃ、７２Ｃは、前記したガイド壁部７５、７５と、導入ダクト３１の後壁部７６とで、ガイドされている。

また、カソードオフガスが吹き付けられるスライダ７２Ｂ、７２Ｃの前面は、１／４円弧状の曲面となっており（図１１参照）、カソードオフガスの推力（圧力）がスライダ７２Ｂ等に作用すると、周方向（スライダ７２Ｂ等の開方向）に力が発生し、スライダ７２Ｂ等が開くようになっている。

圧縮コイルばね７３Ｂ、７３Ｂは、スライダ７２Ｂ、７２Ｃを閉方向に付勢しており、圧縮コイルばね７３Ｃ、７３Ｃは、スライダ７２Ｃ、７２Ｃを閉方向に付勢している。
そして、カソードオフガスの流量が少ない場合、スライダ７２Ｂ、７２Ｂは、相互に当接し、導入口２４Ｂ、２４Ｂを閉じるように設計されており、また、スライダ７２Ｃ、７２Ｃは、相互に当接し、導入口２４Ｃ、２４Ｃを閉じるように設計されている。

また、圧縮コイルばね７３Ｃのばね力は、圧縮コイルばね７３Ｂのばね力よりも大きく設定されている。よって、中央側のスライダ７２Ｃを開くために必要なカソードオフガスの推力は、スライダ７２Ｂを開くために必要な推力よりも大きくなっている。

そして、カソードオフガスの流量が少ない場合、スライダ７２Ｂ、７２Ｃは閉じ、カソードオフガスが導入口２４Ａのみに供給されるようになっている。次いで、カソードオフガスの流量が多くなると、スライダ７２Ｂ、７２Ｂが開き、カソードオフガスが導入口２４Ａ及び導入口２４Ｂに供給されるようになっている。さらに、カソードオフガスの流量が多くなると、スライダ７２Ｃ、７３も開き、カソードオフガスが導入口２４Ａ、導入口２４Ｂ及び導入口２４Ｃに供給されるようになっている。

１、２、３、４ 加湿器
１１ 中空糸膜束
１２ 中空糸膜
２１ ケース
２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ 導入口
２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ 導出口
３１ 導入ダクト
３２Ｂ、３２Ｃ 開閉蓋（受容部、導入口開閉機構）
３３Ｂ、３３Ｃ ねじりコイルばね（導入口開閉機構）
４１ 導出ダクト
４２Ｂ、４２Ｃ 開閉蓋（受容部、導出口開閉機構）
４３Ｂ、４３Ｃ ねじりコイルばね（導出口開閉機構）
５２Ｂ、５２Ｃ ダンパー（受容部、導入口開閉機構）
５３Ｂ、５３Ｃ ねじりコイルばね（導入口開閉機構）
６２ スライダ（受容部、導入口開閉機構）
６３ 圧縮コイルばね（導入口開閉機構）
７２Ｂ、７２Ｃ スライダ（受容部、導入口開閉機構）
７３Ｂ、７３Ｃ ねじりコイルばね（導入口開閉機構）

Claims (6)

1. 複数の中空糸膜が束ねられてなる中空糸膜束と、
   前記中空糸膜束を収容する筒状のケースと、
   前記ケースの軸方向において複数段で形成され、外部からの流体を前記ケース内かつ前記中空糸膜外に導入する複数の導入口と、
   前記複数段で形成された複数の導入口のうち前記ケースの最端部側以外の導入口に設けられると共に、外部からの流体の推力を受ける常閉型の受容部を有する導入口開閉機構と、
   を備え、
   前記受容部は、流体の推力に対応して、前記最端部側以外の導入口を開閉する
   ことを特徴とする加湿器。
2. 前記複数の導入口は３段以上で形成されると共に、前記最端部側以外の導入口は２段以上で形成されており、
   前記導入口開閉機構において、前記２段以上で形成された最端部側以外の導入口を開くために必要な流体の推力は、前記ケースの端部側から前記ケースの中央に向かうほど大きい
   ことを特徴とする請求項１に記載の加湿器。
3. 前記導入口開閉機構は複数のばねを備え、
   前記導入口を開くために必要な流体の推力は、前記複数のばねにおけるばね力の大小により設定されている
   ことを特徴とする請求項２に記載の加湿器。
4. 複数の中空糸膜が束ねられてなる中空糸膜束と、
   前記中空糸膜束を収容する筒状のケースと、
   前記ケースの軸方向において複数段で形成され、前記ケース内かつ前記中空糸膜外からの流体を外部に導出する複数の導出口と、
   前記複数段で形成された複数の導出口のうち前記ケースの最端部側以外の導出口に設けられると共に、前記ケース内かつ前記中空糸膜外からの流体の推力を受ける常閉型の受容部を有する導出口開閉機構と、
   を備え、
   前記受容部は、流体の推力に対応して、前記最端部側以外の導出口を開閉する
   ことを特徴とする加湿器。
5. 前記複数の導出口は３段以上で形成されると共に、前記最端部側以外の導出口は２段以上で形成されており、
   前記導出口開閉機構において、前記２段以上で形成された最端部側以外の導出口を開くために必要な流体の推力は、前記ケースの端部側から前記ケースの中央に向かうほど大きい
   ことを特徴とする請求項４に記載の加湿器。
6. 前記導出口開閉機構は複数のばねを備え、
   前記導出口を開くために必要な流体の推力は、前記複数のばねにおけるばね力の大小により設定されている
   ことを特徴とする請求項５に記載の加湿器。

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