JP4644136B2 - Humidifier - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システムなどに利用される加湿装置に関し、詳しくは、水分透過性の中空糸膜を使用する加湿装置に関する。 The present invention relates to a humidifier used in a fuel cell system and the like, and more particularly, to a humidifier using a moisture permeable hollow fiber membrane.
近年、燃料電池自動車などに搭載される燃料電池システムに関して、研究や開発が盛んに行われている。燃料電池システムでは、その主要部である燃料電池において、水素と空気(酸素)の電気化学反応による発電が行われる。そして、特に、固体高分子型の燃料電池などでは、その特性上、燃料電池に供給する気体(空気など)を加湿する装置が必要となる。 In recent years, research and development have been actively conducted on fuel cell systems mounted on fuel cell vehicles and the like. In a fuel cell system, power generation by an electrochemical reaction between hydrogen and air (oxygen) is performed in a fuel cell which is a main part of the fuel cell system. In particular, in a polymer electrolyte fuel cell or the like, a device for humidifying a gas (air or the like) supplied to the fuel cell is required due to its characteristics.
そして、その加湿装置としては、水分透過性の中空糸膜の束を利用したものが一般的となっている。中空糸膜束を利用した加湿装置では、たとえば、燃料電池から排出された多湿の空気(オフガス)中の水分を、燃料電池に供給される空気に移動させるようになっている。 And as the humidifier, the thing using the bundle | flux of a water-permeable hollow fiber membrane is common. In a humidifier using a hollow fiber membrane bundle, for example, moisture in the humid air (off gas) discharged from the fuel cell is moved to the air supplied to the fuel cell.
その場合、一方の気体が各中空糸膜の内部を流れ、他方の気体が中空糸膜束の内部であり各中空糸膜の外部を流れることになる。そして、その際、後者の気体は、中空糸膜束全体を通過して流れることが望ましい。なぜなら、中空糸膜の利用されない部分が大きいと、効率的な水分移動が行われないからである。 In that case, one gas flows inside each hollow fiber membrane, and the other gas flows inside the hollow fiber membrane bundle and flows outside each hollow fiber membrane. At that time, the latter gas preferably flows through the entire hollow fiber membrane bundle. This is because if the unused portion of the hollow fiber membrane is large, efficient moisture transfer is not performed.
そこで、たとえば、特許文献1では、中空糸膜束の内部であり各中空糸膜の外部を流れるオフガスを、インナパイプから入れて、外ケースの側面に設けられた排出口から外部に出すことで、中空糸膜の利用効率を高めることができる加湿装置に関する技術が開示されている。 Therefore, in Patent Document 1, for example, off-gas flowing inside the hollow fiber membrane bundle and flowing outside each hollow fiber membrane is introduced from the inner pipe and discharged to the outside from the discharge port provided on the side surface of the outer case. A technique relating to a humidifier that can increase the utilization efficiency of the hollow fiber membrane is disclosed.
なお、その場合、加湿装置内部におけるオフガスによる圧力損失を小さくするため、外ケース側面の排出口の開口面積は、その排出口が加湿装置の軸方向に単数、複数のいずれであったとしても(複数の場合はその面積の合計値を)、ある程度以上大きくしておく必要がある。
しかしながら、特許文献1の技術では、加湿装置の内部に入ったオフガスの大部分は、外ケース側面における排出口の上流寄りの部分から外部に流れ出るため、そのさらに下流の中空糸膜が有効に利用されていない、という問題があった。 However, in the technique of Patent Document 1, most of the off-gas that has entered the inside of the humidifier flows out to the outside from the upstream side of the discharge port on the side of the outer case, so the hollow fiber membrane further downstream is effectively used. There was a problem that was not.
そこで、本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、中空糸膜全体をバランスよく有効利用することができる加湿装置を提供することを目的とする。 Then, this invention is made | formed in view of the said problem, and it aims at providing the humidification apparatus which can use the whole hollow fiber membrane effectively with sufficient balance.
前記課題を解決するために、請求項1に係る本発明の加湿装置は、水分透過性の中空糸膜を介して、第1ガスと第2ガスとの間で水分の移動が行われる加湿装置であって、筒状で、前記第2ガスの流れの下流側ほどその内周面が筒内側にすぼむテーパ構造となっている外ケースと、前記外ケースの内部で、前記外ケースと同心的に配置され、前記第2ガスの流れの下流側ほど断面積が小さくなるテーパ構造となっている芯部材と、前記外ケース内に収められ、前記第1ガスの流路である複数の中空糸膜を束ねた中空糸膜束と、前記外ケースに設けられ、前記中空糸膜束の内部でそれぞれの前記中空糸膜の外側を流路とする前記第2ガスを前記外ケースの外部に排出し、前記外ケースの周方向に複数設けられ、かつ、前記外ケース内における前記第2ガスの流れ方向に複数設けられた排出口と、を備え、前記中空糸膜束は前記芯部材の外周に配置されており、前記中空糸膜束の内部における前記第2ガスの流路の断面積は、前記第2ガスの流れの下流側ほど小さくなることを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problem, the humidifying device of the present invention according to claim 1 is a humidifying device in which moisture is transferred between the first gas and the second gas via a moisture-permeable hollow fiber membrane. An outer case having a tapered structure in which the inner peripheral surface is tapered toward the inner side of the cylinder toward the downstream side of the flow of the second gas, and inside the outer case, A core member that is concentrically arranged and has a taper structure in which a cross-sectional area becomes smaller toward the downstream side of the flow of the second gas, and a plurality of members that are housed in the outer case and are flow paths of the first gas A hollow fiber membrane bundle in which hollow fiber membranes are bundled, and the second gas provided in the outer case and having a flow path outside each hollow fiber membrane inside the hollow fiber membrane bundle. Are provided in the circumferential direction of the outer case, and the front in the outer case A plurality of discharge ports provided in the flow direction of the second gas, and the hollow fiber membrane bundle is disposed on an outer periphery of the core member, and the flow path of the second gas inside the hollow fiber membrane bundle Is characterized in that the cross-sectional area becomes smaller toward the downstream side of the flow of the second gas.
請求項1に係る本発明の加湿装置によれば、排出口付近の断面積がその上流の断面積よりも小さいので、第2ガスの流速(加湿装置の軸方向の流速。以下同様)は、排出口の付近でその上流部分よりも速くなる。それにより、第2ガスは、直進性が増し、前記外ケースの周方向に複数設けられ、かつ、前記外ケース内における前記第2ガスの流れ方向に複数設けられた排出口全体からバランスよく排出され、中空糸膜全体が有効に利用される、すなわち、加湿性が向上する。
また、外ケースを前記のようなテーパ構造とすることで、中空糸膜束の内部における第2ガスの流路の断面積を、第2ガスの流れの下流側ほど小さくすることができる。
また、芯部材を前記のようなテーパ構造とすることで、第2ガスの流れを加湿装置の軸方向の中心部に向けることができ、それにより、排出口の奥の部分からの第2ガスの排出を促進することができる。
According to the humidifier of the present invention according to claim 1, since the cross-sectional area near the discharge port is smaller than the upstream cross-sectional area, the flow rate of the second gas (the flow rate in the axial direction of the humidifier. Near the outlet, it is faster than its upstream part. As a result, the second gas is increased in rectilinearity , and a plurality of second gases are provided in the circumferential direction of the outer case, and the second gas is discharged in a well-balanced manner from the entire outlets provided in the second gas flow direction in the outer case. Thus, the entire hollow fiber membrane is effectively used, that is, the humidification property is improved.
Moreover, by making the outer case have a tapered structure as described above, the cross-sectional area of the flow path of the second gas inside the hollow fiber membrane bundle can be reduced toward the downstream side of the flow of the second gas.
Moreover, by making the core member have a taper structure as described above, the flow of the second gas can be directed to the central portion in the axial direction of the humidifier, whereby the second gas from the back part of the discharge port can be directed. Can be promoted.
請求項2に係る本発明の加湿装置は、複数の排出口について、第2ガスの流れの下流側ほどその開口面積が大きくなっている。 Humidifying device of the present invention according to claim 2, with a plurality of discharge ports, the opening area toward the downstream side of the second gas stream is increased.
請求項2に係る本発明の加湿装置によれば、複数の排出口の開口面積を前記のように異ならせることで、それぞれの排出口からバランスよく第2ガスを排出することができる。 According to the humidifier of the present invention according to claim 2 , the second gas can be discharged from each of the discharge ports in a well-balanced manner by changing the opening areas of the plurality of discharge ports as described above.
請求項3に係る本発明の加湿装置は、第2ガスの流路に第2ガスを流入させる流入口を複数備えている、そして、その複数の流入口は、第2ガスの流れの上流側ほどその開口面積が大きくなっている。 The humidifying device of the present invention according to claim 3 includes a plurality of inlets for allowing the second gas to flow into the flow path of the second gas, and the plurality of inlets are upstream of the flow of the second gas. The opening area becomes larger.
請求項3に係る本発明の加湿装置によれば、複数の流入口の開口面積を前記のように異ならせることで、それぞれの流入口からバランスよく第2ガスを流入させることができる。 According to the humidifying device of the present invention according to claim 3 , the second gas can be introduced from each of the inlets in a well-balanced manner by changing the opening areas of the plurality of inlets as described above.
請求項4に係る本発明の加湿装置は、中空糸膜束において、外ケースの中心部に近いほど中空糸膜の密度が低くなっている。 In the humidifying device of the present invention according to claim 4 , in the hollow fiber membrane bundle, the density of the hollow fiber membrane is lower as it is closer to the center of the outer case.
請求項4に係る本発明の加湿装置によれば、第2ガスが中空糸膜束の内部において加湿装置の中心部近くを多く流れ、それにより、排出口の奥の部分からの第2ガスの排出を促進することができる。 According to the humidifying device of the present invention according to claim 4 , a large amount of the second gas flows near the center of the humidifying device inside the hollow fiber membrane bundle, whereby the second gas from the inner part of the discharge port Emission can be promoted.
本発明の加湿装置によれば、中空糸膜全体をバランスよく有効利用することができる。 According to the humidifier of the present invention, the entire hollow fiber membrane can be effectively used in a balanced manner.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら、詳細に説明する。図1は、本実施形態の燃料電池システムの全体構成図である。この燃料電池システムは、たとえば、燃料電池自動車などに搭載されるものである。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is an overall configuration diagram of the fuel cell system of the present embodiment. This fuel cell system is mounted on, for example, a fuel cell vehicle.
図1に示すように、燃料電池システムSは、コンプレッサ1、加湿装置2、燃料電池FCおよび水素タンク3を備えて構成される。
なお、実際には、配管の適所に開閉弁が設けられ、また、それらの開閉弁やコンプレッサ1などはECU(Electronic Control Unit)により制御されるが、それらは図示を省略している。
As shown in FIG. 1, the fuel cell system S includes a compressor 1, a humidifier 2, a fuel cell FC, and a hydrogen tank 3.
Actually, on-off valves are provided at appropriate positions in the piping, and the on-off valves and the compressor 1 are controlled by an ECU (Electronic Control Unit), but these are not shown.
コンプレッサ1は、外部から酸素を含む空気(第1ガス)を取り込み、その空気を加湿装置2に供給する装置である。
加湿装置2は、燃料電池FCのカソードCから供給された多湿のオフガス(第2ガス)の水分(H2O)を、中空糸膜HF(Hollow Fiber)を介して移動させることにより、コンプレッサ1から供給された空気を加湿し、その加湿空気を燃料電池FCのカソードCに供給するための装置である。加湿装置2の詳細については、図2〜図5を用いて後記する。
The compressor 1 is a device that takes in air containing oxygen (first gas) from the outside and supplies the air to the humidifier 2.
The humidifier 2 moves the moisture (H 2 O) of the humid off-gas (second gas) supplied from the cathode C of the fuel cell FC through the hollow fiber membrane HF (Hollow Fiber), so that the compressor 1 Is an apparatus for humidifying the air supplied from, and supplying the humidified air to the cathode C of the fuel cell FC. The details of the humidifier 2 will be described later with reference to FIGS.
燃料電池FCは、陽イオン交換型の固体高分子電解質膜(以下、「固体高分子膜」という)PEM(Polymer Electrolyte Membrane)を、カソードCとアノードAで挟んだ構成となっている。なお、図1では、燃料電池FCは、単セルの構成として示しているが、実際にはこの単セルを直列に複数接続した構成となっている。 The fuel cell FC has a configuration in which a cation exchange type solid polymer electrolyte membrane (hereinafter referred to as “solid polymer membrane”) PEM (Polymer Electrolyte Membrane) is sandwiched between a cathode C and an anode A. In FIG. 1, the fuel cell FC is shown as a single cell configuration, but in practice, the fuel cell FC has a configuration in which a plurality of single cells are connected in series.
そして、燃料電池FCでは、カソードCに酸化剤ガスとしての加湿空気が供給され、アノードAに燃料ガスとしての水素(H2)が供給され、水素と酸素との電気化学反応により発電が行われる。 In the fuel cell FC, humidified air as an oxidant gas is supplied to the cathode C, and hydrogen (H 2 ) as a fuel gas is supplied to the anode A, and electric power is generated by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. .
次に、図2を参照しながら、加湿装置の構成について説明する(適宜図1参照)。図2は、加湿装置の外観を示す斜視図である。
図2に示すように、加湿装置2の外ケース31は、外径が一定で内径がテーパの形状となっている。加湿装置2において、コンプレッサ1から供給された空気は、キャップ27の内部に入り、芯部材26の周囲に配置された中空糸膜束25(中空糸膜HFを束ねたもの。充填率は30〜70%程度)におけるそれぞれの中空糸膜HFの内部に入り込み、当該内部を流れ、キャップ28の内部を経由して外部に出る。
Next, the configuration of the humidifier will be described with reference to FIG. 2 (see FIG. 1 as appropriate). FIG. 2 is a perspective view showing the appearance of the humidifying device.
As shown in FIG. 2, the
また、燃料電池FCのカソードCから供給されるオフガスは、図2の左側から加湿装置2の内部に入り込み、加湿装置2の側面の右方に設けられた排出口21〜24から加湿装置2の外部に抜け、マニホールド29によって収集される。なお、排出口21〜24は、加湿装置2の周方向に複数組設けられている。
Further, off-gas supplied from the cathode C of the fuel cell FC enters the inside of the humidifier 2 from the left side of FIG. 2 and is discharged from the
ここで、中空糸膜HFとは、たとえば、ポリイミドなどの高分子材料から形成された糸状の膜であり、その周壁に水分透過性を有する直径数ナノメートルの微細孔を多数有している。 Here, the hollow fiber membrane HF is, for example, a thread-like membrane formed from a polymer material such as polyimide, and has a large number of fine pores with a diameter of several nanometers on its peripheral wall.
続いて、図3を参照しながら、加湿装置の内部構造について説明する(適宜図1、図2参照)。図3は、図2の加湿装置のA−A断面図である。なお、図2と同一の構成には同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。 Next, the internal structure of the humidifier will be described with reference to FIG. 3 (see FIGS. 1 and 2 as appropriate). FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line AA of the humidifier of FIG. The same components as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted as appropriate.
図3に示すように、加湿装置2は、軸方向の右側にいくほど断面積が小さくなるテーパ構造の内ケース32を備えている。その内ケース32内の右側には、図3の右方、つまり、オフガスの流れの下流側に向かうほど断面積が小さくなるテーパ構造を有する芯部材26が挿入されている。また、芯部材26の左側の内ケース32において、オフガスが通過可能な複数の流入口35が設けられており、図3の左側から入ったオフガスは流入口35を通過して中空糸膜束25の内部に流入するようになっている。
As shown in FIG. 3, the humidifier 2 includes an
複数組の排出口21〜24(開口面積はすべて同じ)を有する外ケース31は、図3の右方、つまり、オフガスの流れの下流に向かうほどその内周面が筒内側にすぼむ(だんだん狭くなる)テーパ構造となっている。また、図3の右方にいくにつれて、中空糸膜束25の内部(かつ、それぞれの中空糸膜HFの外側)におけるオフガスの流路において、排出口21〜24の付近の断面積(幅が図3の「b」程度)が、そのオフガスの上流部分、すなわち、たとえば、オフガスの流入口35の付近の断面積(幅が図3の「a」程度)よりも小さくなっている。
The
なお、図3では、理解を容易にするため、a>bとなるように図示してあるが、オフガスの流路の断面積が図3の右方にいくにつれて小さくなっていくのであれば、a=b、あるいは、a<bの関係となっていてもよい。
つまり、具体的には、まず、図3に示すように、加湿装置2の軸の中心からオフガスの流入口35の付近の中空糸膜束25までの長さ(径)をR、加湿装置2の軸の中心から排出口21〜24の付近の中空糸膜束25までの長さ(径)をrとする。そうすると、オフガスの流入口35の付近の断面積はπ(R+a)2−πR2=π(2aR+a2)、排出口21〜24の付近の断面積はπ(r+b)2−πr2=π(2br+b2)となる。
In FIG. 3, for ease of understanding, a> b is illustrated, but if the cross-sectional area of the off-gas flow path decreases toward the right in FIG. 3, The relationship may be a = b or a <b.
Specifically, first, as shown in FIG. 3, the length (diameter) from the center of the axis of the humidifier 2 to the hollow
したがって、オフガスの流路の断面積が図3の右方にいくにつれて小さくなるためには、π(2aR+a2)>π(2br+b2)、つまり、(2aR+a2)>(2br+b2)が必要十分条件となり、この関係を満たせば、a≦bであってもよい。 Therefore, in order for the cross-sectional area of the off-gas flow path to decrease to the right in FIG. 3, π (2aR + a 2 )> π (2br + b 2 ), that is, (2aR + a 2 )> (2br + b 2 ) is necessary and sufficient. If the condition is satisfied and this relationship is satisfied, a ≦ b may be satisfied.
ポッティング部33およびポッティング部34は、中空糸膜HFの中空内部のみが外部に開放されるように、各中空糸膜HF間や、中空糸膜束25と内ケース32の間、および、中空糸膜束25と外ケース31の間を封止固定する部材である。
これらの構成により、中空糸膜束25は、図3の右方にいくほど、外ケース31の中心部に近づくようになっている。
The potting
With these configurations, the hollow
続いて、空気とオフガスの流れについて説明する。コンプレッサ1から供給された空気は、キャップ27の内部を経由してそれぞれの中空糸膜HFの内部に入り込み、当該内部を流れ、キャップ28の内部を経由して加湿空気として排出される。
また、燃料電池FCのカソードCから供給されたオフガスは、図3の左方から内ケース32の内部に入り込み、流入口35を経由して、中空糸膜束25の内部でそれぞれの中空糸膜HFの外側を通過し、排出口21〜24から排出され、マニホールド29によって収集される。
そして、多湿のオフガス中の水分が中空糸膜HFを介して空気側に移動することで、空気が加湿される。
Subsequently, the flow of air and off-gas will be described. The air supplied from the compressor 1 enters the inside of each hollow fiber membrane HF via the inside of the cap 27, flows through the inside, and is discharged as humidified air via the inside of the cap 28.
Further, the off-gas supplied from the cathode C of the fuel cell FC enters the
And air is humidified because the water | moisture content in a humid off gas moves to the air side via the hollow fiber membrane HF.
このように、中空糸膜束25の内部におけるオフガスの流路において、排出口21〜24の付近の断面積がその上流部分よりも小さいので、オフガスの流速(加湿装置2の軸方向の流速。以下同様)は、排出口21〜24の付近ではその上流よりも速くなる。これにより、オフガスは、直進性が増し、排出口21から多く排出されることなく、排出口21〜24のそれぞれからバランスよく排出され、中空糸膜全体(つまり、中空糸膜束25の右端部分も)が有効に利用される、すなわち、加湿性が向上する。
Thus, in the flow path of the off gas inside the hollow
また、外ケース31と芯部材26を図3のようなテーパ構造とすることで、排出口21〜24の付近の断面積をその上流の断面積よりも小さくしつつ、中空糸膜束25の内部におけるオフガスの流れを加湿装置2の軸方向の中心部に向けることができる。それにより、排出口21〜24の奥の部分(排出口24側)からのオフガスの排出を促進し、排出口21〜24のそれぞれからバランスよくオフガスを排出することができる。
Moreover, by making the
なお、本実施形態では、外ケース31が筒内側にだんだん厚くなるテーパ構造となっているが、外ケース31の厚さが均一で加湿装置2の全体としてすぼむ構造となっていてもよい。
In the present embodiment, the
また、前記したオフガスの流速の高速化による直進性の向上などだけで対応しきれないような場合には、図4に示すように排出口21a〜24aを、オフガスの流れの下流側ほどその開口面積が大きくなるようにすればよい。そうすれば、さらに、排出口21aからオフガスを排出しにくく、排出口24aからオフガスを排出しやすくなる、つまり、それぞれの排出口21a〜24aからバランスよくオフガスを排出することができる。
Further, in the case where it is not possible to cope with it simply by improving the straightness by increasing the flow rate of the off-gas described above, as shown in FIG. 4, the
さらに、オフガスの流入口35a〜35dを、オフガスの流れの上流側(図4の左側)ほどその開口面積が大きくしておけば、より上流側からオフガスが中空糸膜束25の内部に流れ込みやすくなり、中空糸膜HF全体が有効に利用されることになり、好ましい。
Furthermore, if the opening area of the off-gas inlets 35a to 35d is increased toward the upstream side of the off-gas flow (the left side in FIG. 4), the off-gas can easily flow into the hollow
そこで、次に、図4を参照しながら、加湿装置の第1変形例について説明する(適宜図1〜図3参照)。図4は、第1変形例の加湿装置の内部構造を示した断面図である。なお、図4は、図3に対応した図であり、図3と同一の構成には同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。 Then, next, the 1st modification of a humidification apparatus is demonstrated, referring FIG. 4 (refer suitably FIGS. 1-3). FIG. 4 is a cross-sectional view showing the internal structure of the humidifier according to the first modification. 4 corresponds to FIG. 3, and the same components as those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted as appropriate.
図4に示した加湿装置2aが図3の加湿装置2と異なっている点は、排出口21a〜24aがオフガスの流れの下流側ほどその開口面積が大きくなっていること、および、内ケース32aにおける流入口35a〜35dがオフガスの流れの上流側ほどその開口面積が大きくなっていることである。
この場合の空気とオフガスの流れについて説明する。まず、コンプレッサ1から供給された空気の流れは、図3の場合と同様である。
The humidifying device 2a shown in FIG. 4 is different from the humidifying device 2 in FIG. 3 in that the
The flow of air and off-gas in this case will be described. First, the flow of air supplied from the compressor 1 is the same as in the case of FIG.
そして、燃料電池FCのカソードCから供給されたオフガスの流れも、図3の場合とほぼ同様であるが、次の2点で異なっている。
まず、流入口35a〜35dがオフガスの流れの上流側ほどその開口面積が大きくなっていることで、流入口35aからオフガスが流入しやすく、流入口35dからオフガスが流入しにくくなっている。すなわち、それぞれの流入口35a〜35dからバランスよくオフガスを中空糸膜束25の内部に流入させることができ、中空糸膜HF全体が有効に利用されることになる。
The flow of off-gas supplied from the cathode C of the fuel cell FC is substantially the same as in FIG. 3, but differs in the following two points.
First, since the opening area of the inflow ports 35a to 35d becomes larger toward the upstream side of the off gas flow, the off gas easily flows from the inflow port 35a, and the off gas hardly flows from the inflow port 35d. That is, off-gas can be allowed to flow into the hollow
また、排出口21a〜24aの開口面積がオフガスの流れの下流側ほど大きくなっていることで、排出口21aからオフガスが排出しにくく、排出口24aからオフガスが排出しやすくなっている。すなわち、それぞれの排出口21a〜24aからバランスよくオフガスを排出させることができ、中空糸膜HF全体が有効に利用されることになる。
Further, since the opening areas of the
次に、図5を参照しながら、加湿装置の第2変形例について説明する(適宜図1〜図4参照)。図5は、第2変形例の加湿装置の内部構造を示した断面図である。なお、図5は、図4に対応した図であり、図4と同一の構成には同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。 Next, a second modification of the humidifier will be described with reference to FIG. 5 (see FIGS. 1 to 4 as appropriate). FIG. 5 is a cross-sectional view showing the internal structure of the humidifying device of the second modified example. 5 is a diagram corresponding to FIG. 4, and the same components as those in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted as appropriate.
図5に示した加湿装置2bが図4の加湿装置2aと異なっている点は、外ケース31bがテーパ構造ではなく平坦な構造となっていること、および、内ケース32bと芯部材26aが図5の右方、つまり、オフガスの流れの下流側に向かうほど断面積が大きくなるテーパ構造となっていることである。なお、排出口21b〜24bは、図4の排出口21a〜24aの場合と同様、その開口面積がオフガスの流れの下流側ほど大きくなっている。また、流入口35e〜35hも、図4の流入口35a〜35dの場合と同様、その開口面積がオフガスの流れの上流側ほど大きくなっている。
The humidifying device 2b shown in FIG. 5 is different from the humidifying device 2a shown in FIG. 4 in that the
この場合の空気とオフガスの流れについて説明する。まず、コンプレッサ1から供給された空気は、図4の場合と同様に、キャップ27の内部を経由して、それぞれの中空糸膜HFの内部に入り込み、当該内部を流れ、キャップ28の内部を経由して外部に排出される。
また、燃料電池FCのカソードCから供給されたオフガスは、キャップ28の内部を経由して内ケース32bの内部に入り込み、さらに、流入口35e〜35hを経由して中空糸膜束25の内部を通過し、排出口21b〜24bから排出され、マニホールド29によって収集される。
The flow of air and off-gas in this case will be described. First, the air supplied from the compressor 1 enters the inside of each hollow fiber membrane HF via the inside of the cap 27 and flows through the inside through the inside of the cap 28 as in the case of FIG. And discharged to the outside.
Further, the off-gas supplied from the cathode C of the fuel cell FC enters the inner case 32b via the cap 28, and further passes through the inlets 35e to 35h into the hollow
このように、排出口21b〜24bの付近の断面積(幅が図の「d」程度)が、流入口35e〜35hの付近の断面積(幅が図の「c」程度)よりも小さいので、オフガスの流速は、排出口21b〜24bの付近では流入口35e〜35hの付近よりも速くなる。それにより、オフガスは、直進性が増し、排出口21b〜24bのそれぞれからバランスよく排出され、中空糸膜HF全体が有効に利用される。
Thus, the cross-sectional area (width is about "d" in the figure) near the
また、この第2変形例の加湿装置2bでは、芯部材26aを図5に示したようなテーパ構造とすることで、外ケース31bをテーパ構造にするなどの手間をかけることなく、オフガスの流路について、排出口21b〜24bの付近の断面積を流入口35e〜35hの付近の断面積よりも小さくすることができる。
Further, in the humidifying device 2b of the second modified example, the
なお、図3〜図5の加湿装置2,2a,2bにおいて、中空糸膜束25は、外ケース31,31a,31bの軸方向の中心部に近いほど中空糸膜HFの密度(充填率)が低い構造とすることもできる。そうすれば、中心部の充填率が低いので、オフガスは、中心部近くを流れやすくなり、より奥(排出口24,24a,24b)から排出されやすくなるため、中空糸膜HFが有効に利用されることになる。
In addition, in the humidifiers 2, 2 a, 2 b of FIGS. 3 to 5, the density (filling rate) of the hollow fiber membrane HF is closer to the axial center of the
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこれらに限定されるものではない。たとえば、1組の排出口を4個として説明したが、他の個数でもよい。また、オフガスを加湿装置の内側から流入する構成としたが、加湿装置の外側、つまり、排出口と同様、外ケース側から流入する構成としてもよい。
さらに、図4に示した外ケース31aと図5に示した芯部材26aを組み合わせるなど、様々な組み合せや変形例が可能である。その他、具体的な構成について、本発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
This is the end of the description of the embodiments, but the aspects of the present invention are not limited to these. For example, although one set of outlets has been described as four, other numbers may be used. Moreover, although it was set as the structure which flows in off gas from the inner side of a humidifier, it is good also as a structure which flows in from the outer case side like the outer side of a humidifier, ie, an exhaust port.
Furthermore, various combinations and modifications are possible, such as combining the
FC 燃料電池
HF 中空糸膜
1 コンプレッサ
2,2a,2b 加湿装置
3 水素タンク
21〜24,21a〜24a,21b〜24b 排出口
25 中空糸膜束
26,26a 芯部材
31,31a,31b 外ケース
35,35a〜35h 流入口
FC fuel cell HF hollow fiber membrane 1 compressor 2, 2a, 2b humidifier 3 hydrogen tank 21-24, 21a-24a, 21b-
Claims (4)
筒状で、前記第2ガスの流れの下流側ほどその内周面が筒内側にすぼむテーパ構造となっている外ケースと、
前記外ケースの内部で、前記外ケースと同心的に配置され、前記第2ガスの流れの下流側ほど断面積が小さくなるテーパ構造となっている芯部材と、
前記外ケース内に収められ、前記第1ガスの流路である複数の中空糸膜を束ねた中空糸膜束と、
前記外ケースに設けられ、前記中空糸膜束の内部でそれぞれの前記中空糸膜の外側を流路とする前記第2ガスを前記外ケースの外部に排出し、前記外ケースの周方向に複数設けられ、かつ、前記外ケース内における前記第2ガスの流れ方向に複数設けられた排出口と、を備え、
前記中空糸膜束は前記芯部材の外周に配置されており、
前記中空糸膜束の内部における前記第2ガスの流路の断面積は、前記第2ガスの流れの下流側ほど小さくなる
ことを特徴とする加湿装置。 A humidifier in which moisture is transferred between the first gas and the second gas via a moisture-permeable hollow fiber membrane,
An outer case that is cylindrical and has a tapered structure in which the inner peripheral surface is recessed toward the inner side of the cylinder toward the downstream side of the flow of the second gas ;
Inside the outer case, a core member that is arranged concentrically with the outer case and has a tapered structure in which the cross-sectional area becomes smaller toward the downstream side of the flow of the second gas,
A hollow fiber membrane bundle that is housed in the outer case and bundles a plurality of hollow fiber membranes that are flow paths of the first gas;
The second gas provided in the outer case and having a flow path outside the hollow fiber membranes inside the hollow fiber membrane bundle is discharged to the outside of the outer case, and a plurality of the second gases are arranged in the circumferential direction of the outer case. And a plurality of discharge ports provided in the flow direction of the second gas in the outer case ,
The hollow fiber membrane bundle is disposed on the outer periphery of the core member,
Sectional area of the flow path of the second gas in the interior of the hollow fiber membrane bundle, humidifier, characterized in that downstream as small Kunar of flow of said second gas.
当該流入口は、前記外ケース内における前記第2ガスの流れ方向に複数設けられており、その複数の流入口は、前記第2ガスの流れの上流側ほどその開口面積が大きい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。 An inflow port for allowing the second gas to flow into the flow path of the second gas,
A plurality of the inflow ports are provided in the flow direction of the second gas in the outer case, and the plurality of the inflow ports have a larger opening area toward the upstream side of the flow of the second gas. The humidifying device according to claim 1 or 2 .
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