JP4477730B2 - 加湿装置 - Google Patents
加湿装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP4477730B2 JP4477730B2 JP2000010969A JP2000010969A JP4477730B2 JP 4477730 B2 JP4477730 B2 JP 4477730B2 JP 2000010969 A JP2000010969 A JP 2000010969A JP 2000010969 A JP2000010969 A JP 2000010969A JP 4477730 B2 JP4477730 B2 JP 4477730B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- gas
- housing
- hollow fiber
- fiber membrane
- outside
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
- Air Humidification (AREA)
- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、加湿装置に関し、さらに詳しくは、中空糸膜を利用した加湿装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、電気自動車の動力源などとして燃料電池が注目されている。この燃料電池には、いわゆる固体高分子型燃料電池のものがある。この固体高分子型の燃料電池においては、燃料電池から排出された湿潤気体であるオフガスの水分を乾燥気体に水分交換する加湿装置が用いられている。このような燃料電池に用いられる加湿装置としては、電力消費量が少ないものが好適である。また、取り付けスペースが小さい、いわばコンパクト性が求められる。そのため、加湿装置としては超音波加湿、スチーム加湿、気化式加湿、ノズル噴射などの種類があるものの、燃料電池に用いられる加湿装置としては、中空糸膜を用いたものが好適に利用されている。
【0003】
従来の中空糸膜を用いた加湿装置として、たとえば特開平7−71795号公報に開示されたものがある。この加湿装置について図10を用いて説明すると、加湿装置100は、ハウジング101を有している。ハウジング101には、乾燥エアを導入する第一の流入口102および乾燥エアを排出する第一の流出口103が形成されており、ハウジング101の内部に多数、たとえば5000本の中空糸膜からなる中空糸膜束104が収納されている。
【0004】
また、ハウジング101の両端部には、中空糸膜束104の両端部を開口状態で固定する固定部105,105′が設けられている。固定部105の外側には、湿潤エアを導入する第二の流入口106が形成されており、固定部105′の外側には、中空糸膜束104によって水分を分離・除去された湿潤エアを排出する第二の流出口107が形成されている。さらに、固定部105,105′はそれぞれ第二のヘッドカバー108および第二のヘッドカバー109によって覆われている。また、第二の流入口106は第一のヘッドカバー108に形成されており、第二の流出口107は第二のヘッドカバー109に形成されている。
【0005】
このように構成された中空糸膜を用いた加湿装置100において、第二の流入口106から湿潤エアを供給して中空糸膜束104を構成する各中空糸膜内を通過させると、湿潤エア中の水分は、中空糸膜の毛管作用によって分離され、中空糸膜の毛管内を透過して、中空糸膜の外側に移動する。水分を分離させられた湿潤エアは、第二の流出口107から排出される。
【0006】
一方、第一の流入口102からは乾燥エアが供給される。第一の流入口102から供給された乾燥エアは、中空糸膜束104を構成する中空糸膜の外側を通流する。中空糸膜の外側には、湿潤エアから分離させられた水分が移動してきており、この水分によって乾燥エアが加湿される。そして、加湿された乾燥エアは第一の流出口103から排出されるというものである。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図10に示す従来の加湿装置100においては、乾燥エアを導入する第一の流入口102は、ハウジング101の長手方向における中央に寄った位置に形成されている。このため、ハウジング101に収納された中空糸膜束104における中空糸膜の外側を通る乾燥エアは、ハウジング101内で黒矢印で示すように、そのほとんどがハウジング101内の長手方向中央部を流れている。したがって、中空糸膜束104における端部に寄ったエリアSでは、充分な水分交換が行われていなかったので、中空糸膜内の透過水量に対して、水回収率が低くなってしまうという問題があった。
【0008】
そこで、本発明の課題は、ハウジングに収納された中空糸膜束における端部でも水分交換を充分行うことができるようにすることによって、水回収率の向上を図ることにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決した本発明は、円筒状のハウジングと、前記ハウジング内に収納されると共に、前記ハウジングの長手方向に沿って配した多数の水透過性の中空糸膜と、を備え、前記中空糸膜の内側と外側にそれぞれ水分含量の異なる気体を通流して前記気体間で水分交換を行い、水分含量の少ない乾燥気体を加湿する燃料電池用の加湿装置であって、前記ハウジングにおける長手方向の一端部において周方向に複数形成され、前記ハウジング内に前記中空糸膜の外側を通流する気体を導入させ、かつ、前記ハウジングにおける長手方向の一端部に指向して気体を噴射する気体流入口と、前記複数の気体流入口と連通すると共に1つの外部入口を介して外部と連通するリング状の第1リング空間を内部に有し、前記外部入口からの外部の気体を前記第1リング空間で周方向に通流させつつ前記複数の気体流入口に振り分ける第1リング部材と、前記ハウジングにおける長手方向の他端部において周方向に複数形成され、前記ハウジング内で前記中空糸膜の外側を通流する気体を導出させる気体流出口と、前記複数の気体流出口と連通すると共に1つの外部出口を介して外部と連通するリング状の第2リング空間を内部に有し、前記複数の気体流出口からの気体を前記第2リング空間で周方向に通流させつつ集め、前記外部出口を通して外部に排出する第2リング部材と、を備えることを特徴とする加湿装置である。
【0010】
このような加湿装置によれば、前記ハウジング内に中空糸膜の外側を通流する気体を導入する気体流入口が、ハウジングにおける長手方向の一端部に形成されている。このため、中空糸膜の外側を通流する気体をハウジング内の一端部に行き渡らせることができるので、中空糸膜束における一端部でも水分交換を充分行うことができ、水回収率の増加に貢献する。
【0011】
また、ハウジングにおける一端部に向けて中空糸膜の外側を通流する気体を噴射する。このため、ハウジングの一端部まで中空糸膜の外側を通流する気体を行き渡らせることができる。しかも、気体流入口(噴射手段)によって中空糸膜の外側を通流する気体を噴射することによって中空糸膜束の中央部近傍まで中空糸膜の外側を通流する気体を行き渡らせることができる。したがって、中空糸膜束の中心部および一端部においても充分に水分交換することができ、さらに水回収率を向上させることができる。
【0012】
また、前記課題を解決した本発明は、円筒状のハウジングと、前記ハウジング内に収納されると共に、前記ハウジングの長手方向に沿って配した多数の水透過性の中空糸膜と、を備え、前記中空糸膜の内側と外側にそれぞれ水分含量の異なる気体を通流して前記気体間で水分交換を行い、水分含量の少ない乾燥気体を加湿する燃料電池用の加湿装置であって、前記ハウジングにおける長手方向の一端部において周方向に複数形成され、前記ハウジング内に前記中空糸膜の外側を通流する気体を導入させ、かつ、前記ハウジングにおける長手方向の中央部に向けて気体を噴射する気体流入口と、前記複数の気体流入口と連通すると共に1つの外部入口を介して外部と連通するリング状の第1リング空間を内部に有し、前記外部入口からの外部の気体を前記第1リング空間で周方向に通流させつつ前記複数の気体流入口に振り分ける第1リング部材と、前記ハウジングにおける長手方向の他端部において周方向に複数形成され、前記ハウジング内で前記中空糸膜の外側を通流する気体を導出させる気体流出口と、前記複数の気体流出口と連通すると共に1つの外部出口を介して外部と連通するリング状の第2リング空間を内部に有し、前記複数の気体流出口からの気体を前記第2リング空間で周方向に通流させつつ集め、前記外部出口を通して外部に排出する第2リング部材と、を備えることを特徴とする加湿装置である。
【0013】
このような加湿装置によれば、中空糸膜の外側を通流する気体をハウジングの長手方向一端部から中央部に向けて噴射する。この中空糸膜の外側を通流する気体の気流によって、ハウジング内の全域にわたって中空糸膜の外側を通流する気体を供給することができる。その結果、ハウジングの端部を含めた全域における中空糸膜束から水分を有効に回収することができ、もって水回収率を向上させることができる。
【0014】
また、前記加湿装置において、前記複数の気体流入口から噴射される気体が旋回流となるように、軸方向視において、前記複数の気体流入口は、半径方向に対して斜めであることを特徴とする。
【0015】
このような加湿装置によれば、中空糸膜の外側を通流する気体をハウジング内に噴射する際に、旋回流としている。中空糸膜の外側を通流する気体を旋回流としてハウジング内に噴射することにより、中空糸膜の外側を通流する気体を乱流とすることができる。中空糸膜の外側を通流する気体を乱流とすることにより、中空糸膜の外側を通流する気体をハウジング内の端部に至るまで効率的に行き渡らせるとともに、ハウジング内における中空糸膜の外側を通流する気体の滞留時間を長くすることができ、もって水回収率の向上に寄与することができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して具体的に説明する。
図1は、燃料電池システムの全体構成図、図2は、燃料電池の構成を模式化した説明図である
まず、図1を参照して、本発明の実施の形態に係る加湿装置が適用される燃料電池システムの全体構成および作用について説明する。
【0018】
燃料電池システムFCSは、固体高分子型の燃料電池1、加湿装置2、気液分離装置3、空気圧縮機4、燃焼器5、燃料蒸発器6、改質器7、CO除去器8および水・メタノール混合液貯蔵タンク(以下「タンク」という)T等から構成される。
【0019】
燃料電池1の内部は、酸素極側1aと水素極側1bに分かれており、酸素極側1aには酸化剤ガスとしての加湿空気が供給され、水素極側1bには燃料ガスとしての水素リッチガスが供給される。そして、電解質膜を介して水素と酸素とを化学反応させて化学エネルギから電気エネルギを取り出して発電を行う。
【0020】
加湿空気は、乾燥気体である空気を圧縮し加湿することにより生成する。ここで、空気の圧縮は空気圧縮機4で行い、加湿は加湿装置2で行う。加湿装置2での空気の加湿は、燃料電池1の酸素極側1aから排出され水分を多量に含むオフガスと相対的に水分を少量しか含まない空気との間で、水分の交換を行うことによりなされるが、この点は後に詳細に説明する。
【0021】
一方、燃料ガスは、原燃料である水とメタノールの混合液を蒸発、改質およびCO除去を行うことにより発生する。ここで、原燃料の蒸発は燃料蒸発器6で、改質は改質器7で、CO除去はCO除去器8で行う。
【0022】
燃料蒸発器6にはタンクTに貯蔵された原燃料がポンプPを介して供給され、改質器7には燃料蒸発器6で蒸発した原燃料ガスが供給され、CO除去器8には改質器7で改質された燃料ガスが供給される。なお、改質器7では触媒の存在下、メタノールの水蒸気改質および部分酸化が行われる。また、CO除去器8では触媒の存在下で選択酸化が行われ、COがCO2に転換される。CO除去器8は、COの濃度を可及的に低減するため、No.1CO除去器とNo.2CO除去器の2つから構成される。また、CO除去器8には、選択酸化用の空気が空気圧縮機4から供給される。
【0023】
なお、燃料電池1からは、反応生成物である水を多量に含む酸素極側1aのオフガスおよび未利用の水素を含む水素極側1bのオフガスが同時に発生するが、酸素極側1aのオフガスは、前記の通り加湿器2で空気の加湿用に使用された後、水素極側1bのオフガスと混合され、気液分離装置3で水分が除去される。そして、水分が除去されたオフガスは、燃焼器5で燃焼され燃料蒸発器6の熱源として使用される。なお、燃焼器5には、メタノールなどの補助燃料および空気が供給され、燃料蒸発器6の熱量不足を補ったり燃料電池システムFCSの起動時の暖機を行ったりする。
【0024】
次に、図2を参照して、燃料電池システムの中核をなす燃料電池の構成および作用について説明する。この図2における燃料電池1は、その構成を模式化して1枚の単セルとして表現してある(実際には燃料電池1は、単セルを200枚程度積層した積層体として構成される)。
【0025】
図2に示すように、燃料電池1は、電解質膜13を挟んで酸素極側1aと水素極側1bとに分けられ、それぞれの側に白金系の触媒を含んだ電極が設けられており、酸素極12および水素極14を形成している。そして、酸素極側ガス通路11には酸化剤ガスとして加湿装置2で加湿された加湿空気が通流され、水素極側ガス通路15には原燃料から発生した水素リッチな燃料ガスが通流される。電解質膜13としては固体高分子膜、たとえばプロトン交換膜であるパーフロロカーボンスルホン酸膜を電解質として用いたものが知られている。この電解質膜13は、固体高分子中にプロトン交換基を多数持ち、飽和含水することにより常温で20Ω-プロトン以下の低い比抵抗を示し、プロトン導伝性電解質として機能する。したがって、触媒の存在下で水素極14で水素がイオン化して生成したプロトンは、容易に電解質膜13中を移動して酸素極12に到達する。そして、酸素極12に到達したプロトンは、触媒の存在下、加湿空気中の酸素から生成した酸素イオンと直ちに反応して水を生成する。生成した水は、加湿空気とともに湿潤気体であるオフガスとして燃料電池1の酸素極側1aの出口から排出される。なお、水素極14では水素がイオン化する際に電子e-が生成するが、この生成した電子e-はモータなどの外部負荷Mを経由して酸素極12に達する。
【0026】
このように加湿した加湿空気を酸化剤ガスとして燃料電池1に供給するのは、電解質膜13が乾燥すると電解質膜13におけるプロトン導伝性が低くなって発電効率が低下するからである。従って、固体高分子型の燃料電池1を使用する燃料電池システムFCSにおいては、加湿が重要な意義を有する。
【0027】
続いて、図3ないし図6を参照して本発明の第1の実施形態に係る加湿装置について説明する。なお、図3ないし図9においては、本発明の「中空糸膜の内側を通流する気体」であるオフガスの流れを白矢印で示し、「本発明の中空糸膜の外側を通流する気体」である乾燥空気(加湿空気)の流れを黒矢印で示す。
第1の実施形態に係る加湿装置2は、図3(a)に示すように、略円柱形をした中空糸膜モジュール21を並列に2本有するとともに、箱型をした一端側分配器22および他端側分配器23を有し、全体として直方体形状とされている。2本の中空糸膜モジュール21,21は、一端側分配器22および他端側分配器23により水平に所定の間隔を置いて配置され固定されている。また、各中空糸膜モジュール21,21のそれぞれには、一端側分配器22を介して乾燥空気の供給および湿潤したオフガスの排出、他端側分配器23を介して乾燥空気が加湿されてなる加湿空気の排出およびオフガスの供給がなされる。
【0028】
中空糸膜モジュール21は、図3(b)に示すように、ハウジング21aを有している。このハウジング21aには、図4および図5に示すように、その長手方向に沿って配した水透過性の中空糸膜を束ねて構成された中空糸膜束21bが収納されている。中空糸膜は、内側から外側に達する口径数nm(ナノメートル)の微細な毛管を多数有しており、毛管中では、蒸気圧が低下して容易に水分の凝縮が起こる。凝縮した水分は、毛管現象により吸い出されて水が中空糸膜を透過する。
【0029】
ハウジング21aは、両端が開放された中空円筒形状をしており、その長手方向の一端側に乾燥空気をハウジング21a内に導入する8個の乾燥空気流入口21c,21c…が周方向に離間して形成されている。また、ハウジング21aにおける長手方向の他端側には、加湿された加湿空気の流出口となる8個の加湿空気流出口21d,21d…が周方向に離間して形成されている。ハウジング21aの一端側に形成された乾燥空気流入口21c,21c…は、図5に示すように、ハウジング21a内における長手方向の一端部に指向して形成されており、乾燥空気を噴射する噴射手段となるノズルとされている。すなわち、本実施形態では、乾燥空気流入口21c,21c…が、本発明の噴射手段となるノズルをも構成する。
【0030】
また、これらの乾燥空気流入口21c,21c…は、図6に示すように、ハウジング21aの半径方向に沿って形成されている。したがって、乾燥空気流入口21c,21c…から導入された乾燥気体は、それぞれハウジング21aの中心軸方向に向けて噴射されるようになっている。
【0031】
また、ハウジング21aの一端部に形成された乾燥空気流入口21c,21c…は、図5に示すように、ハウジング21aの一端部を周方向に囲むリング部材21eの内部と連通している。このリング部材21eの内部を通流した乾燥空気が各乾燥空気流入口21c,21c…に振り分けられ、各乾燥空気流入口21c,21c…からハウジング21a内に乾燥空気が導入される。
【0032】
さらに、ハウジング21aの他端部に形成された加湿空気流出口21d,21d…は、ハウジング21aの他端部を周方向に囲むリング部材21fの内部と連通している。加湿空気流出口21d,21d…から排出した加湿空気は、リング部材21fによって集められて排出される。
【0033】
一方、ハウジング21aに収容される中空糸膜束21bは、中空通路を有する水透過性の中空糸膜を多数、たとえば数千本束ね、一端部側にポッティング部21g、他端部側にポッティング部21hを設けるようにしてポッティングされている。ハウジング21aの一端部側に設けられたポッティング部21gは、乾燥気体流入口21c,21c…が形成されている位置より若干端部側に位置している。したがって、本実施形態では、ハウジング21aのうち、ポッティング部21g,21hで挟まれた部位が実質的に本発明にいうハウジングとなり、本発明にいう「ハウジングにおける長手方向の端部」は、本実施形態ではポッティング部21gが形成された位置の若干長手方向内側となる。具体的に乾燥気体流入口21c,21c…を形成する位置は、ハウジングにおけるポッティング部21gが形成されている位置から10cm以内の位置とするのが望ましく、より望ましくは5cm以内、さらに望ましくは3cm以内の位置である。もちろん、ポッティング部21gと乾燥気体流入口21c,21c…とが接する位置であってもよい。
【0034】
また、ポッティング部21gの外側にはオフガス流出口21iが形成されている一方、ポッティング部21hのさらに外側にはオフガス流入口21jが形成されている。こうして、ポッティング部21g,21hを隔てた場合に、オフガス流入口21jおよびオフガス流出口21iは、中空糸膜束21bを形成する各中空糸膜の内側と連通し、各中空糸膜の外側とオフガス流入口21jおよびオフガス流出口21iとは気密状態を保つようになっている。こうして、中空糸膜の内側である中空通路を通流するオフガスと中空糸膜の外側を通流する乾燥空気が混合しないようになっている。さらには、オフガス流入口21iから流入したオフガスは、ポッティング部21hよりも外側の位置において各中空糸膜に分配され、各中空糸膜から排出されたオフガスはポッティング21gよりも外側位置で集められるようになっている。このような中空糸膜モジュール21は、ハウジング21aに所定数の中空糸膜の束を挿通し、両端面近傍を接着剤で充分接着固定してポッティング部21g,21hを形成した後、ハウジング21aの両端に沿って中空糸膜の束を切断除去することにより作成される。
【0035】
一端側分配器22は、他端側分配器23とともに2本の中空糸膜モジュール21,21を所定の位置関係で固定している。この一端側分配器22は、オフガス出口22aおよび乾燥空気入口22bを有する。オフガス出口22aは、図4(a),(b)に示すように、一端側分配器22の内部に配した内部流路22a′によって各中空糸膜モジュール21,21のオフガス流出口21iと連通している。また、乾燥空気入口22bは、図4(a),(c)に示すように、一端側分配器22の内部に配した内部流路22b′によって各中空糸膜モジュール21,21の一端部側に形成された乾燥空気流入口21c,21c…のと連通している。
【0036】
一方、他端側分配器23には、オフガス入口23aおよび加湿空気出口23bが形成されている。オフガス入口23aは、他端側分配器23の内部に配した内部流路23a′によって各中空糸膜モジュール21,21のオフガス流入口21jと連結されている。また、加湿空気出口23bは、他端側分配器23の内部に配した内部流路23b′によって、各中空糸膜モジュール21,21の他端部側に形成された乾燥空気流出口21d,21d…と連通している。
【0037】
このように中空糸膜モジュール21をパッケージングすることにより、取り扱いの容易さを確保しつつ省スペース化を図ることができる。
【0038】
次に、図3ないし図6を参照して本発明に係る加湿装置2の作用を説明する。白矢印で示す湿潤気体であるオフガスは、図3および図4に示す他端側分配器23のオフガス入口23aから加湿装置2に流入する。他端側分配器23に流入したオフガスは、内部流路23a′を経由して中空糸膜モジュール21のオフガス流入口21jに達する。このオフガス流入口21jを介してハウジング21a内に流入したオフガスは、中空糸膜束21bにおける各中空糸膜に向けて分岐し、その内側を通流する。中空糸膜の内側を通流したオフガスは、各中空糸膜を抜け出てオフガス流出口21iから流出される。オフガス流出口21iから流出したオフガスは、一端側分配器22の内部通路22a′を通流して合流する。そして、オフガス出口22aに達してオフガス出口22aから排出され、後段の気液分離装置3に向かう。
【0039】
一方、黒矢印で示す乾燥気体である乾燥空気は、一端側分配器22の乾燥空気入口22bから加湿装置2に入り、内部流路22b′を経由して分配され、各中空糸膜モジュール21,21の一端部側に設けられた図5に示すリング部材21e内に導入される。リング部材21e内に導入された乾燥空気は、リング部材21e内を通流して乾燥空気流入口21c,21c…に振り分けられ、乾燥空気流入口21c,21c…からハウジング21a内に導入される。ハウジング21a内に導入された乾燥空気は、中空糸膜の外側を通流する。このとき、中空糸膜の外側を乾燥空気が通流し、中空糸膜の内側にはオフガスが通流しており、中空糸膜によってオフガスから水分が分離されている。この分離された水分によって、中空糸膜の外側を通流する乾燥空気が加湿されて加湿空気となる。
【0040】
この点についてさらに説明すると、中空糸膜の内側に水分を多く含有するオフガスを通流し、外側に相対的に水分を少ししか含有しない乾燥空気を通流する。すると、中空糸膜の内側ではオフガス中の水分が凝縮し、外側では乾燥空気によって水分が蒸発する。同時に、中空糸膜の内側から外側に向けて、内側で凝縮したオフガスの水分が毛管現象により供給される。これにより、中空糸膜の外側を通流する乾燥空気の加湿が行われる。つまり、中空糸膜においては、中空糸膜の内側と外側を通流する気体の水分含有量の差を推進力として、水透過(水分離)が行われる。
【0041】
こうして得られた加湿空気は、加湿空気流出口21d,21d…からリング部材21fに達する。リング部材21fに達した加湿空気は、図4(a)に示す他端側分配器23における内部流路23b′に向けて排出される。内部流路23b′では、各中空糸膜モジュール21,21から排出された加湿空気が集められて加湿空気出口23bに向かい、その後、加湿空気出口23bを経て後段の気液分離装置3に供給される。
【0042】
このようにして、オフガスと乾燥空気との間で水分交換が行われるが、本発明においては、図5に示すように、ハウジング21a内に乾燥空気を導入する乾燥空気流入口21c,21c…は、ハウジング21aの長手方向の一端部に形成されている。このため、ハウジング21a内における端部にも乾燥空気を導入することができる。しかも、乾燥空気流入口21c,21c…はハウジング21a内における長手方向の一端部に指向して形成されたノズルとされている。
【0043】
このため、図5に黒矢印で示すように、乾燥空気流入口21c,21c…から導入される乾燥空気は、ハウジン21aの一端部側に設けられたポッティング21gに向けて噴出される。したがって、より好適にハウジング21a内における一端部側におけるエリアSにまで乾燥空気を行き渡らせることができ、エリアSにおいても、水分交換が充分に行われる。しかも、乾燥空気流入口21c,21c…から噴射される乾燥空気は、ハウジング21aにおける軸中心を向いている。このため、ハウジング21a内に収納されている中空糸膜束21bの軸中心部にまで、乾燥空気が充分に行き渡り、中空糸膜21bの軸中心部においても、充分に水分交換を行うことができる。こうして、中空糸膜束21bの全体において充分に水分交換ができるので、水回収率を向上させることができる。
【0044】
次に、本発明の第2の実施形態について図5および図7を参照して説明する。図7は、第2の実施形態に係る中空糸膜モジュールの乾燥空気流入口部分の断面図である。なお、本実施形態における中空糸膜モジュールの側断面図は、前記第1の実施形態と同様であるので、図5を参照するとともに、その記載を省略する。本実施形態は、前記第1の実施形態と比較して、中空糸膜モジュールにおける乾燥空気流入口が異なるのみで他の部分は同様の構成を有する。そのため、乾燥空気流入口について説明し、他の部分についてはその説明を省略する。
【0045】
第1の実施形態においては、図6に示すように、8個の乾燥空気流入口21c,21c…が、それぞれハウジング21aの半径方向に沿って延在するように形成されている。
また、本変形例では、図5および図7に示すように、本発明に旋回流発生手段となる8個の乾燥空気流入口31c,31c…(図5では21c,21c…に相当する)は、前記実施形態と同様にハウジング31aにおける一端部側に指向している。これに対して、8個の乾燥空気流入口31c,31c…がハウジング31aの半径方向から斜め方向を向いて形成されている点において異なる。なお、本実施形態では、乾燥空気流入口31c,31c…は、本発明にいう乾燥気体流入口を構成するとともに、本発明にいう噴射手段および旋回流発生手段をも構成することになる。
【0046】
本実施形態においては、乾燥空気流入口31c,31c…がハウジング31aの半径方向から斜め方向を向いて形成されていることにより、ノズルとされた乾燥空気流入口31c,31c…からハウジング31a内に噴射される乾燥空気は、図7に示すように、ハウジング31a内で旋回流となる。ハウジング31a内に旋回流として乾燥空気を噴射した場合、ハウジング31a内において乾燥気体を乱流とすることができる。こうして乾燥気体を乱流とすることにより、乾燥気体をハウジング内の端部に至るまで効率的に行き渡らせるとともに、ハウジング内における乾燥気体の滞留時間を長くすることができる。したがって水分交換がより好適に行われるので水回収率の向上に寄与する。
【0047】
旋回流となって導入された乾燥気体も、前記の実施形態と同様にハウジング31a内を通流する際に、ハウジング31aに収納された中空糸膜の外側を通流するとともに中空糸膜内を通流するオフガスの水分によって加湿されて加湿気体となる。そして、加湿気体流出口から排出されて、適宜の流路を経て図1に示す後段の気液分離装置3に供給される。
【0048】
続いて、第1の参考形態について説明する。本参考形態に係る加湿装置は、前記第2の実施形態同様、前記第1の実施形態と比較して中空糸膜モジュールの乾燥空気流入口が異なるのみで他の部分は同様の構成を有する。乾燥空気流入口について説明し、他の部分については第1の実施形態と同一の番号を付してその説明を省略する。
【0049】
図8に示すように、本参考形態に係る中空糸膜モジュール41においては、乾燥空気流入口としてハウジング41aの一端部に噴射口41c,41cが形成されている。この噴射口41c,41cは、図3および図4に示す入口側分配器22における内部流路22b′と直接連通している。
【0050】
そして、入口側分配器22における内部通路22b′から噴射口41c,41cに直接供給された乾燥空気は、噴射口41c,41cからハウジング41a内における一端部に向けて噴射される。
【0051】
このように、ハウジング41aの一端部方向に向けて乾燥空気が噴射されることにより、ハウジング41a内における一端部にまで乾燥空気を行き渡らせることができる。したがって、ハウジング41aの端部においても水分交換が充分に行われるので、水回収率を向上させることができる。
【0052】
続いて、本発明の第3の実施形態について説明する。本実施形態に係る加湿装置は、前記第2の実施形態および第1の参考形態と同様、前記第1の実施形態と比較して中空糸膜モジュールの乾燥空気流入口が異なるのみで他の部分は同様の構成を有する。乾燥空気流入口について説明し、他の部分については第1の実施形態と同一の番号を付してその説明を省略する。
【0053】
図9に示すように、本実施形態に係る中空糸膜モジュール51は、ハウジング51aを有しており、このハウジング51aの一端部側に、乾燥空気流入口51cが形成されている。この乾燥空気流入口51c,51c…は、ハウジング51aにおける長手方向の中央部に向けて乾燥空気を噴射する噴射手段となるノズルとされている。また、ハウジング51aの一端部に形成された乾燥空気流入口51c,51c…は、ハウジング51aの一端部を周方向に囲むリング部材51eの内部と連通している。このリング部材51eの内部を通流した乾燥空気が各乾燥空気流入口51c,51c…に振り分けられ、各乾燥空気流入口51c,51c…からハウジング51a内に乾燥空気が導入される。
【0054】
本実施形態においては、ハウジング51aの端部に形成された乾燥空気流入口51c,51c…からハウジング51aの長手方向中央部に向けて乾燥空気が噴射される。このため、ハウジング51a内においては、ハウジング51aの全域にわたって乾燥空気を通流させることができる。したがって、ハウジング51a内における端部を含めた全域にわたって乾燥空気を通流させることができるので、ハウジング51a内の全域において水分交換を行うことができる。その結果、水回収率を向上させることができる。
【0055】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、前記の各実施形態に限定されるものではない。たとえば、ハウジング内においてオフガスと乾燥空気を向流となるように通流させているが、並流となるように通流させる態様とすることもできる。
【0056】
このとき、乾燥空気とオフガスを向流とするメリットとしては、中空糸膜内の湿度濃度差を均一化することができるので、水透過効率が向上することが挙げられる。また、気体の入口と出口が対向することになるので、ガス配管のレイアウト性が向上する。さらには、中空糸膜による熱交換効率が良くなるので、ガスの冷却性能が向上する。しかも、熱交換率が高いので、乾燥空気の出口の温度をオフガスの出口の温度に合わせやすいため、温度調節が容易となる。したがって、燃料電池へ供給する空気の湿度を管理しやすくなる。
【0057】
ここで、加湿装置が有する温度調節機能について補足する。
例えば、スーパーチャージャなどの空気圧縮機で圧縮された乾燥空気は、おおよそ30℃(燃料電池のアイドリング時)〜120℃(燃料電池の最高出力時)の間で温度が変化する。一方、燃料電池は温度調節下約80℃で運転され、80℃+α程度のオフガスが排出される。このオフガスと空気圧縮機で圧縮された乾燥空気を加湿装置に通流すれば、中空糸膜において水分移動とともに熱移動も起こり、乾燥空気はオフガスに近い温度(つまり燃料電池の運転温度に近い安定した温度)の加湿空気になって燃料電池に供給される。即ち、乾燥空気は、燃料電池のアイドリング時などの低出力時には加湿装置により加湿および加温されて燃料電池に供給され、燃料電池の最高出力時などの高出力時には加湿装置により加湿および冷却され、安定した温度範囲の加湿空気として燃料電池に供給される。したがって、加湿装置が有する温度調節機能により燃料電池を好適な温度条件で運転することができ、燃料電池の発電効率が高くなる。
【0058】
また、空気圧縮機の吐出側にインタークーラが取り付けられる場合は、空気圧縮機で圧縮された乾燥空気は冷却(又は加温)され、おおよそ50℃(燃料電池のアイドリング時)〜60℃(燃料電池の最高出力時)の間で温度が変化する。このインタークーラを通過した乾燥空気をオフガス(80℃+α)が通流する加湿装置に通流すれば、乾燥空気は、中空糸膜において加湿および温度調節(加温)されオフガスに近い温度、つまり燃料電池の運転温度に近い安定した温度範囲の加湿空気になって燃料電池に供給される。したがって、インタークーラが取り付けられた場合も、加湿装置が有する温度調節機能により燃料電池を好適な温度条件で運転することができ、燃料電池の発電効率が高くなる。
【0059】
一方、乾燥空気とオフガスを並流とするメリットとしては、乾燥空気とオフガスが入口部分で湿度濃度差が高いので、加湿効率が向上するため、中空糸膜自体の全長を短縮できるので、装置の小型化に寄与することが挙げられる。また、装置を小型化できるので、中空糸を整列させて束ねることが容易となり、これらのことにより、コストの低減に寄与する。さらには、乾燥空気の熱交換率が低くなるので、高出力時に燃料電池に供給するガス温度を高めに設定することができる。したがって、燃料電池の効率を向上させることができる。
【0060】
また、加湿装置は中空糸膜モジュールを2本備えているが、1本やそれ以外の本数でもよいことはいうまでもない。さらに、前記各実施形態では「中空糸膜の内側を通流する気体」をオフガスとし、「中空糸膜の外側を通流する気体」を乾燥空気としているが、これらを逆にすることもできる。
【0061】
また、前記第3の実施形態および第1の参考形態において、旋回流発生手段を設けることもできるし、噴射手段を設けることなく単にハウジングの端部から乾燥空気を導入する態様とすることもできる。
【0062】
なお、中空糸膜モジュールなどのハウジング内における乾燥空気(加湿空気)が通流する部分に水分が凝縮して水溜りを生じると、中空糸膜の外側の表面積を有効に活用することができなくなるおそれがある。したがって、ハウジング内に水溜りが生じないように、中空糸膜モジュールなどの下方からも、加湿空気を抜き出せるようにしておくのが好ましい。このようにすることで、凝縮した水を加湿空気とともに容易にハウジング内から抜き出すことができ、水溜りの発生を防止する。なお、抜き出した水は、キャッチタンクなどにより捕集し、他の系に廻すなどして再利用するのが好ましい。
【0063】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、中空糸膜の外側を通流する気体をハウジング内の端部に行き渡らせることができるので、中空糸膜束における端部でも水分交換を充分行うことができ、水回収率の増加に貢献することができる。
【0064】
また、ハウジングの端部まで中空糸膜の外側を通流する気体を行き渡らせることができる。しかも、噴射手段によって中空糸膜の外側を通流する気体を噴射することによって中空糸膜束の中央部近傍まで中空糸膜の外側を通流する気体を行き渡らせることができる。したがって、中空糸膜束の中心部および端部においても充分に水分交換することができ、さらに水回収率を向上させることができる。
【0065】
また、ハウジングの端部を含めた全域において中空糸膜束からも水分を有効に回収することができ、もって水回収率を向上させることができる。
【0066】
また、中空糸膜の外側を通流する気体を乱流とすることにより、中空糸膜の外側を通流する気体をハウジング内の隅々まで効率的に行き渡らせるとともに、ハウジング内における中空糸膜の外側を通流する気体の滞留時間を増加させることができ、もって水回収率の向上に寄与することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 燃料電池システムの全体構成図である。
【図2】 燃料電池の構成を摸式化した説明図である。
【図3】 (a)は、本発明に係る加湿装置を示す斜視図、(b)は、中空糸膜モジュールの斜視図である。
【図4】 (a)は、本発明に係る加湿装置の側断面図、(b)は、(a)のX−X線断面図、(c)は、(a)のY−Y線断面図である。
【図5】 第1の実施形態に係る中空糸膜モジュールの側断面図である。
【図6】 第1の実施形態に係る中空糸膜モジュールの乾燥空気流入口部分の縦断面図である。
【図7】 第2の実施形態に係る中空糸膜モジュールの乾燥空気流入口部分の縦断面図である。
【図8】 第1の参考形態に係る中空糸膜モジュールの側断面図である。
【図9】 第3の実施形態に係る中空糸膜モジュールの側断面図である。
【図10】 従来の加湿装置の側断面図である。
Claims (3)
- 円筒状のハウジングと、
前記ハウジング内に収納されると共に、前記ハウジングの長手方向に沿って配した多数の水透過性の中空糸膜と、
を備え、前記中空糸膜の内側と外側にそれぞれ水分含量の異なる気体を通流して前記気体間で水分交換を行い、水分含量の少ない乾燥気体を加湿する燃料電池用の加湿装置であって、
前記ハウジングにおける長手方向の一端部において周方向に複数形成され、前記ハウジング内に前記中空糸膜の外側を通流する気体を導入させ、かつ、前記ハウジングにおける長手方向の一端部に指向して気体を噴射する気体流入口と、
前記複数の気体流入口と連通すると共に1つの外部入口を介して外部と連通するリング状の第1リング空間を内部に有し、前記外部入口からの外部の気体を前記第1リング空間で周方向に通流させつつ前記複数の気体流入口に振り分ける第1リング部材と、
前記ハウジングにおける長手方向の他端部において周方向に複数形成され、前記ハウジング内で前記中空糸膜の外側を通流する気体を導出させる気体流出口と、
前記複数の気体流出口と連通すると共に1つの外部出口を介して外部と連通するリング状の第2リング空間を内部に有し、前記複数の気体流出口からの気体を前記第2リング空間で周方向に通流させつつ集め、前記外部出口を通して外部に排出する第2リング部材と、
を備える
ことを特徴とする加湿装置。 - 円筒状のハウジングと、
前記ハウジング内に収納されると共に、前記ハウジングの長手方向に沿って配した多数の水透過性の中空糸膜と、
を備え、前記中空糸膜の内側と外側にそれぞれ水分含量の異なる気体を通流して前記気体間で水分交換を行い、水分含量の少ない乾燥気体を加湿する燃料電池用の加湿装置であって、
前記ハウジングにおける長手方向の一端部において周方向に複数形成され、前記ハウジング内に前記中空糸膜の外側を通流する気体を導入させ、かつ、前記ハウジングにおける長手方向の中央部に向けて気体を噴射する気体流入口と、
前記複数の気体流入口と連通すると共に1つの外部入口を介して外部と連通するリング状の第1リング空間を内部に有し、前記外部入口からの外部の気体を前記第1リング空間で周方向に通流させつつ前記複数の気体流入口に振り分ける第1リング部材と、
前記ハウジングにおける長手方向の他端部において周方向に複数形成され、前記ハウジング内で前記中空糸膜の外側を通流する気体を導出させる気体流出口と、
前記複数の気体流出口と連通すると共に1つの外部出口を介して外部と連通するリング状の第2リング空間を内部に有し、前記複数の気体流出口からの気体を前記第2リング空間で周方向に通流させつつ集め、前記外部出口を通して外部に排出する第2リング部材と、
を備える
ことを特徴とする加湿装置。 - 前記複数の気体流入口から噴射される気体が旋回流となるように、軸方向視において、前記複数の気体流入口は、半径方向に対して斜めである
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の加湿装置。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000010969A JP4477730B2 (ja) | 2000-01-19 | 2000-01-19 | 加湿装置 |
US09/764,277 US6653012B2 (en) | 2000-01-19 | 2001-01-19 | Humidifier |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000010969A JP4477730B2 (ja) | 2000-01-19 | 2000-01-19 | 加湿装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2001201120A JP2001201120A (ja) | 2001-07-27 |
JP4477730B2 true JP4477730B2 (ja) | 2010-06-09 |
Family
ID=18538903
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2000010969A Expired - Lifetime JP4477730B2 (ja) | 2000-01-19 | 2000-01-19 | 加湿装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4477730B2 (ja) |
Families Citing this family (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7708013B2 (en) * | 2000-12-08 | 2010-05-04 | Vapotherm, Inc. | Apparatus and method for delivering water vapor to a gas |
JP2003164735A (ja) * | 2001-11-29 | 2003-06-10 | Nok Corp | 中空糸膜モジュール |
JP4109667B2 (ja) * | 2004-11-24 | 2008-07-02 | 本田技研工業株式会社 | 加湿装置 |
JP2007218539A (ja) * | 2006-02-17 | 2007-08-30 | Nissan Motor Co Ltd | 中空糸膜モジュール |
KR100805467B1 (ko) | 2006-06-30 | 2008-02-20 | 현대자동차주식회사 | 연료전지용 나피온 막 가습기 |
JP2010240571A (ja) * | 2009-04-06 | 2010-10-28 | Kuraray Co Ltd | フィルタユニットおよび気体浄化システム |
CN113226522B (zh) * | 2018-12-27 | 2023-03-24 | 可隆工业株式会社 | 包括多通道中空纤维膜的用于燃料电池的膜加湿器 |
CN109921064B (zh) * | 2019-03-11 | 2024-01-30 | 长春理工大学 | 基于超声波振动加湿器的小型质子交换膜燃料电池 |
KR102447975B1 (ko) * | 2021-12-13 | 2022-09-27 | 주식회사 디에스필터 | 연료전지용 막가습기 |
-
2000
- 2000-01-19 JP JP2000010969A patent/JP4477730B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2001201120A (ja) | 2001-07-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3927344B2 (ja) | 加湿装置 | |
US6653012B2 (en) | Humidifier | |
US6471195B2 (en) | Humidifier for use with a fuel cell | |
US5382478A (en) | Electrochemical fuel cell stack with humidification section located upstream from the electrochemically active section | |
JP2002292233A (ja) | 加湿モジュール | |
JP2002216814A (ja) | 加湿部を有する燃料電池システムおよびこれを用いた加湿方法 | |
JP4477730B2 (ja) | 加湿装置 | |
JP4441387B2 (ja) | 加湿装置 | |
JP4559693B2 (ja) | 燃料電池用の加湿装置 | |
JP2001201122A (ja) | 加湿装置 | |
JP2001202976A (ja) | 加湿装置 | |
JP2001202977A (ja) | 加湿装置 | |
JP2001201121A (ja) | 加湿装置 | |
JP2002075423A (ja) | 燃料電池用加湿装置 | |
JP2002358988A (ja) | 中空糸膜モジュール | |
JP4996005B2 (ja) | 燃料電池用加湿装置 | |
JP2002066262A (ja) | 中空糸膜式加湿器 | |
JP2002075418A (ja) | 燃料電池用加湿装置 | |
KR20220108569A (ko) | 연료전지 막가습기 및 이를 포함하는 연료전지 시스템 | |
JP4789402B2 (ja) | 燃料電池システム | |
JP4510361B2 (ja) | 加湿装置 | |
JP4576793B2 (ja) | 加湿装置 | |
KR20110026332A (ko) | 연료전지 시스템 | |
JP2002066263A (ja) | 中空糸膜モジュールおよび中空糸膜モジュールの製造方法 | |
TWI304748B (en) | Gas humidifing apparatus |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20061201 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20091208 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20100204 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20100309 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20100312 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 4477730 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130319 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130319 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140319 Year of fee payment: 4 |
|
EXPY | Cancellation because of completion of term |