JP4653334B2 - 中空糸膜式加湿器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水透過型の中空糸膜を使用した中空糸膜式加湿器に関し、更に詳しくは、コンパクトで加湿性能が高い中空糸膜式加湿器及び燃料電池の加湿システムに適用する場合に、中空糸膜の内部通路に流す流体を内部通路全体に渡って均一に通流させることができる導入路を有する中空糸膜式加湿器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の水透過型の中空糸膜を用いた加湿器としては、例えば特開平７−７１７９５号公報に開示されたものがある。図６に示すように、この加湿器１００は、筒状のハウジング１０１を有している。ハウジング１０１には、乾燥エア用の第一の流入口１０２及び第一の流出口１０３が形成されており、ハウジング１０１の内部には多数、例えば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。
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１０５，１０５′はそれぞれ第一のヘッドカバー１０８および第二のヘッドカバー１０９によって覆われている。第１のヘッドカバー１０８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、第二のヘッドカバー１０９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。
【０００３】
このように構成された水透過型の中空糸膜を用いた加湿器１００では、第一の流入口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。このとき湿潤エア中の水分は、中空糸膜の毛管凝縮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。
一方、第一の流入口１０２からは乾燥エア(低湿潤ガス)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を構成する各中空糸膜の外側を通過する。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。
【０００４】
また、図７に示すような本出願人が「インナーパイプ方式」と呼んでいる加湿器がある。この加湿器２００は、筒状のハウジング２０１の中心部に中空糸膜束２０４内に湿潤エアを導入するための内部通路となる有底の配管２０６を有している。
ハウジング２０１の内部には多数、例えば６０００本の中空糸膜からなる中空糸膜束２０４が収納されている。
また、前記ハウジング２０１の両端部は、中空糸膜束２０４の両端部を開口状態で固定する固定部２０５，２０５′が設けられている。
ハウジング２０１の固定部２０５，２０５′の両側には、隣接して第一のヘッドカバー２０８、第二のヘッドカバー２０９が設けられており、第二のヘッドカバー２０９には乾燥エア用の第一の流入口２０２が、第一のヘッドカバー２０８には、乾燥エア用の第一の流出口２０３が形成されている。前記した第一のヘッドカバー２０８には、湿潤エアを第二の流入口２０６ａから導入し、孔２０６inから中空糸膜束２０４の中に導入するための底ｂｆを有する配管２０６が設けられている。配管２０６は、第一のヘッドカバー２０８及び固定部２０５を外部から貫通して中空糸膜束２０４内まで伸長して（但し、中空糸膜の長手方向の長さより長さは短い）設けられている。
前記した第二のヘッドカバー２０９と隣接する筒状のハウジング２０１には、中空糸膜束２０４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２０７が形成されている。
【０００５】
このように構成された水透過型の中空糸膜を用いた加湿器２００では、湿潤エアが第二の流入口２０６ａから中空糸膜束２０４への導入口である孔２０６inに供給され、中空糸膜束２０４を構成する各中空糸膜の外側を通過する。このとき湿潤エア中の水分は、中空糸膜の毛管凝縮作用によって分離され、中空糸膜の毛管内を外側から内側に透過して、中空糸膜の内側に移動する。水分を分離させられた湿潤エアは、第二の流出口２０７から排出される。
一方、第一の流入口２０２からは乾燥エア(低湿潤ガス)が供給される。第一の流入口２０２から供給された乾燥エアは、中空糸膜束２０４を構成する各中空糸膜の内側を通過する。中空糸膜の内側には、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２０３から排出される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような水透過型の中空糸膜を利用した加湿器を、特に燃料電池の加湿システムに適用した場合、以下のような問題があった。
（１）通常、燃料電池の加湿システムでは、燃料電池から出てきた高湿潤ガス中の水分は、中空糸膜を透過し、毛管凝縮作用により水透過側に分離される。水透過側に分離された水分は、水透過側に低湿潤ガスを供給することにより加湿に利用される。しかし、加湿された低湿潤ガスを燃料電池へ供給する場合、発電出力との関係から燃料電池が要求する加湿量（例えば露点５０〜７０℃）を十分に確保している必要があり、燃料電池が要求する加湿量（例えば露点５０〜７０℃）を十分に確保するには、中空糸膜の本数、長さを大きくして行かなければならない、すなわち加湿器を大型化しなければならなかった。
（２）また、加湿量を確保するために中空糸膜の本数を多くすると（例えば単モジュール当たり２０００〜７０００本）中空糸膜の外側を流れるガスは、図８に示すように、中空糸膜全体に高湿潤ガス（或いは低湿潤ガス）が接触せず、無駄な中空糸膜が存在し（図８中のＤ.Ｓ）、結果として更に中空糸膜の本数、長さを大きくしなければならないという問題があった。
（３）また、中空糸膜内部を流れるガスは、図９に示すような中空糸膜の内部通路の直前に絞り手段を入れると中空糸膜内部を通過する流速が速くなる。中空糸膜内部を流れるガスは、中空糸膜の外側を流れる場合のガスとは違って、流速が速いと、部分的に貫通力が強くなるのでガスが膜全体に行き渡らなくなる。すなわち加湿能力が低下するという問題があった。
【０００７】
本発明は、前記課題を解決するためになされたものであって、第１の目的は、中空糸膜の本数、長さを大きくしなくても十分な加湿量を確保できる中空糸膜式加湿器を提供することを目的とする。また、第２の目的は燃料電池の加湿システムに適用しても中空糸膜の内部通路全体に均一に流体を接触させることが可能な導入路を有し、十分な加湿量を確保できる中空糸膜式加湿器を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するためになされた請求項１に係る中空糸膜式加湿器の発明は、内側と外側とにそれぞれ通流させる流体間で水分交換を行うことが可能な複数の中空糸膜を束ねて中空糸膜束とし、この中空糸膜束の外側に流体を通流させる流体の導入孔及び流体の送出孔を有するハウジング内に前記中空糸膜束を固定した中空糸膜式加湿器において、前記ハウジングに直接開設され、前記中空糸膜束の外側に対し、その略厚み方向に流体を導入する流体導入孔の開口部の総合面積が、前記中空糸膜束の外側から前記ハウジングの外部へ流体を送出させる流体送出孔の開口部の総合面積未満に形成されたことを特徴とするものである。
また、前記課題を解決するためになされた請求項２に係る中空糸膜式加湿器の発明は、内側と外側とにそれぞれ通流させる流体間で水分交換を行うことが可能な複数の中空糸膜を束ねてなる中空糸膜束と、前記中空糸膜束が内部に固定され、内部から外部へ流体を送出する流体送出孔を有するハウジングと、前記ハウジングの内部に配置され、その外周に前記中空糸膜束が配置されると共に、前記ハウジングの内部へ流体を導入する流体導入孔を有する配管と、を備え、前記配管に直接開設され、前記中空糸膜束の略厚み方向に流体を導入する流体導入孔の開口部の総合面積が、前記中空糸膜束の外側から前記ハウジングの外部へ流体を送出させる流体送出孔の開口部の総合面積未満に形成されたことを特徴とするものである。
【０００９】
請求項１又は請求項２の発明によると、中空糸膜束への流体導入孔における厚み方向の流速を相対的に大きくし、中空糸膜式加湿器の外部へ送出させる流体送出孔での流速を相対的に小さくできるので、流体が中空糸膜の膜全体に行き渡る。その結果、加湿効率が向上する。
【００１０】
請求項３に係る中空糸膜式加湿器の発明は、内側と外側とにそれぞれ通流させる流体間で水分交換を行うことが可能な複数の中空糸膜を束ねてなる中空糸膜束と、前記中空糸膜束が内部に固定され、外部から内部へ流体を導入する流体導入孔と、内部から外部へ流体を送出する流体送出孔とを有するハウジングと、前記中空糸膜束からその厚み方向に所定量離間させて設けられると共に、軸方向が前記中空糸膜束の軸方向と平行に設けられ、前記中空糸膜束の各中空糸膜の内部通路へ流体を供給する流体導入通路と、該流体導入通路と前記中空糸膜束との間に介設され、流体を前記流体導入通路から前記中空糸膜束の各中空糸膜の内部通路へ導入させる流体分配室と、を備え、前記流体導入通路の最狭部の断面積が、前記中空糸膜束の各中空糸膜の内部通路の断面積を合計した総合断面積未満に形成されており、前記流体導入通路から前記流体分配室へ導入された流体は、前記流体分配室の内壁に衝突し、前記中空糸膜束の厚み方向で流れて、前記中空糸膜束の各中空糸膜の内部通路へ導入されることを特徴とするものである。
【００１１】
請求項３の発明によれば、以下の作用・効果を奏する。
（１）流体導入通路を中空糸膜束からその厚み方向に所定量離間させた位置に設けたので、中空糸膜の内部通路の直前に絞り手段を設けた場合のように、内部通路に導入される流体の流速が速くなってしまい、部分的に貫通力が強くなって吹き抜けてしまうということがない。
（２）断面積が狭い流体導入通路から断面積が大きな流体分配室の通路に急拡大するので流速が遅くなる。流体は、中空糸膜の内部通路を通り抜けるしかないので水平方向に流れる流体の流れが支配的となる。その結果、流体が膜全体に均一にゆっくりと行き渡るので加湿効率が向上する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
最初に、本発明に係る中空糸膜式加湿器に使用される第１実施形態の中空糸膜モジュールについて図面を参照して説明する。
第1実施形態の中空糸膜モジュールは、図１に示すように、ハウジング１ａと、このハウジング１ａ内に収納される中空糸膜束１ｂとから主要部が構成される。
【００１３】
ハウジング１ａは、両端が開口された中空の円筒形状をしている。このハウジング１ａには、中空糸膜束１ｂの両端部を固定した固定部１ｃ，１ｃ′よりも内側の位置に開口部となる孔ｈin，ｈoutがそれぞれに周方向に複数個設けてある。
【００１４】
中空糸膜束１ｂは、内側と外側とにそれぞれ通流させる流体間で水分の交換可能な複数の水透過型の中空糸膜ＨＦを束ねたものである。中空糸膜束１ｂをハウジング１ａに接着して固定してある固定部１ｃ，１ｃ′をポッティング部というが、このポッティング部を設けることで中空糸膜ＨＦの内側の中空通路を通流する低湿潤状態のガスと中空糸膜ＨＦの外側を通流する高湿潤状態のガスとが混合しないようになっている。
尚、図１中の符号ｈinで示す複数の孔は、流体導入孔である高湿潤ガス導入孔として使用され、符号ｈoutで示す複数の孔は、流体送出孔である高湿潤ガス送出孔として使用される。また、図１中の符号１ｄinで示すハウジング１ａの一端に設けられた開口部は、低湿潤ガス導入口として使用され、符号１ｄoutで示すハウジング１ａの他端に設けられた開口部は、低湿潤ガス送出口として使用される。
孔の形状は、本実施の形態では円形であるが、長円形、三角形四角形等孔であれば良い。
【００１５】
次に、第１実施形態の中空糸膜モジュール１で流体通路の面積として使用される言葉の定義を図１を参照しながらここで説明する。
（Ａ）流体導入孔の開口部の総合面積Ｓ2；中空糸膜ＨＦの外側に流す流体をハウジング１ａに導入するために設けられた複数の孔ｈinの開口部の総合面積である。
（Ｂ）流体送出孔の開口部の総合面積Ｓ1；中空糸膜ＨＦの外側に流す流体をハウジング１ａ内から外部へ送出するために設けられた複数の孔ｈoutの開口部の総合面積である。
尚、本実施の形態では、流体導入孔である高湿潤ガス導入孔ｈinの開口部の総合面積Ｓ2＜流体送出孔である高湿潤ガス送出孔ｈoutの開口部の総合面積Ｓ1として設けられている。
【００１６】
このように構成される第1実施形態の中空糸膜モジュール１の作用について説明する。
１．ハウジング１ａに設けられた流体導入孔である高湿潤ガス流入孔ｈinから導入された流体である高湿潤ガスは、高湿潤ガス導入孔ｈinの開口部の総合面積Ｓ2を高湿潤ガス送出孔ｈoutの開口部の総合面積Ｓ1未満としたことにより、高湿潤ガス導入孔ｈinにおける中空糸膜束１ｂの厚み方向の流速を従来の流速よりも速くすることができる。その結果、中空糸膜束１ｂの外側に導入された高湿潤ガスは、前記中空糸膜束１ｂの厚み方向に広く行き渡る（理由は後出）。ハウジング１ａ内で好適に水分交換を行った高湿潤ガスは、流体送出孔である高湿潤ガス送出孔ｈoutから外部へと排出される。このとき、高湿潤ガス送出孔ｈoutの開口部の総合面積Ｓ1が高湿潤ガス導入孔ｈinの開口部の総合面積Ｓ2を超えるようにしたため、高湿潤ガスはゆっくりと外部に排出される。
２．一方、低湿潤ガス導入口１ｄinから導入された低湿潤ガスは、各中空糸膜ＨＦの内側を通る間に、中空糸膜ＨＦの外側から毛管凝縮作用により中空糸膜ＨＦの内側に移動してきている水分により加湿され、低湿潤ガス送出孔１ｄoutから外部へ排出される。
このように本発明では、流体導入孔である高湿潤ガス導入孔ｈinの開口部の総合面積Ｓ2＜流体送出孔である高湿潤ガス送出孔ｈoutの開口部の総合面積Ｓ1としたので、中空糸膜束１ｂの厚み方向の流速を速くできる結果、中空糸膜束１ｂの外側から内側に向かって高湿潤ガスが行き渡るので加湿効率が向上する。
尚、中空糸膜ＨＦの外側及び内側に流す流体の種類は、第１実施形態の中空糸膜モジュールとは反対に、高湿潤ガスの流路に低湿潤ガスを流し、低湿潤ガスの流路に高湿潤ガスを流すようにしてもよい。また、第１実施形態の中空糸膜モジュール１では、向流でガスを流しているが並流で流してもよい。
【００１７】
次に、本発明に係る中空糸膜式加湿器に使用される第２実施形態の中空糸膜モジュールについて図２を参照して説明する。
尚、第２実施形態の中空糸膜モジュール１０と第１実施形態の中空糸膜モジュールとの違いは、流体導入孔である高湿潤ガス導入孔Ｈinを形成する複数の孔の大きさの配列にある。
すなわち、中空糸膜束１０ｂの外側に通流させる流体である高湿潤ガスが中空糸膜モジュール１０に導入される複数の孔のうち、高湿潤ガスが導入される導入配管１０ｅのガス導入部に１番近い位置にある孔の孔径を1番大きく、1番遠い位置にある孔の孔径を1番小さくなるように、周方向に沿って大きさの順に配列した点にある。
このように配列することにより、高湿潤ガスの流量が導入配管１０ｅのガス導入部から1番遠い位置に流れていくに従って減少しても、導入配管１０ｅのガス導入部から1番遠い位置の孔径が１番小さくなるように大きさの順番に設けてあるので、ガス導入部から遠い側の流速も速くすることができる。
【００１８】
第２実施形態の中空糸膜モジュールは、図２に示すように、ハウジング１０ａと、このハウジング１０ａ内に収納される中空糸膜束１０ｂとから主要部が構成される。
ハウジング１０ａは、両端が開口された中空の円筒形状をしている。このハウジング１０ａには、中空糸膜束１０ｂの両端を固定した固定部１０ｃ，１０ｃ′よりも内側の位置に開口部となる孔Ｈin，Ｈoutがそれぞれに周方向に複数個設けてある。
【００１９】
中空糸膜束１０ｂは、内側と外側とにそれぞれ通流させる流体間で水分交換可能な複数の水透過型の中空糸膜ＨＦを束ねたものである。中空糸膜束１０ｂをハウジング１０ａに接着して固定してある固定部１０ｃ，１０ｃ′をポッティング部というが、このポッティング部を設けることで中空糸膜ＨＦの内部通路を通流する低湿潤状態のガスと中空糸膜ＨＦの外側を通流する高湿潤状態のガスとが混合しないようになっている。
尚、図２中の符号Ｈinで示す複数の孔は、流体導入孔である高湿潤ガス導入孔として使用され、符号Ｈoutで示す複数の孔は、流体送出孔である高湿潤ガス送出孔として使用される。また、図２中の符号１０ｄinで示すハウジング１０ａの一端に設けられた開口部は、低湿潤ガス導入口として使用され、符号１０ｄoutで示すハウジング１０ａの他端に設けられた開口部は、低湿潤ガス送出口として使用される。
【００２０】
次に、第２実施形態の中空糸膜モジュール１０で流体通路の面積として使用される言葉の定義を図２を参照しながらここで説明する。
（Ａ）流体導入孔の開口部の総合面積Ｓ20；中空糸膜ＨＦの外側に流す流体をハウジング１０ａに導入するために設けられた複数の孔Ｈinの開口部の総合面積である。
（Ｂ）流体送出孔の開口部の総合面積Ｓ10；中空糸膜ＨＦの外側に流す流体をハウジング１０ａ内から外部へ送出するために設けられた複数の孔Ｈoutの開口部の総合面積である。
尚、本実施の形態では、流体導入孔である高湿潤ガス導入孔Ｈinの開口部の総合面積Ｓ20＜流体送出孔である高湿潤ガス送出孔Ｈoutの開口部の総合面積Ｓ10として設けられている。
【００２１】
このように構成される第２実施形態の中空糸膜モジュール１０の作用について説明する。
１．ハウジング１０ａに設けられた流体導入孔である高湿潤ガス流入孔Ｈinから導入された流体である高湿潤ガスは、高湿潤ガス導入孔Ｈinの開口部の総合面積Ｓ20を高湿潤ガス送出孔Ｈoutの開口部の総合面積Ｓ10未満としたことにより、高湿潤ガス導入孔Ｈinにおける中空糸膜束１０ｂの厚み方向の流速を従来の流速よりも速くすることができる。その結果、中空糸膜束１０ｂの外側に導入された高湿潤ガスは、前記中空糸膜束１０ｂの厚み方向に広く行き渡る（理由は後出）。ハウジング１０ａ内で好適に水分交換を行った高湿潤ガスは、流体送出孔である高湿潤ガス送出孔Ｈoutから排出される。このとき、高湿潤ガス送出孔Ｈoutの開口部の総合面積Ｓ10が高湿潤ガス導入孔Ｈinの開口部の総合面積Ｓ20を超えるようにしたため、高湿潤ガスはゆっくりと外部へ排出される。
２．一方、低湿潤ガス導入口１０ｄinから導入された低湿潤ガスは、各中空糸膜の内側を通る間に、中空糸膜ＨＦの外側から毛管凝縮作用により中空糸膜ＨＦの内側に移動してきている水分により加湿され、低湿潤ガス送出孔１０ｄoutから外部へ排出される。
このように本発明では、流体導入孔である高湿潤ガス導入孔Ｈinの開口部の総合面積Ｓ20＜流体送出孔である高湿潤ガス送出孔Ｈoutの開口部の総合面積Ｓ10としたので、中空糸膜束１０ｂの厚み方向の流速を速くできる結果、中空糸膜束１０ｂの外側から内側に向かって高湿潤ガスが行き渡るので加湿効率が向上する。
尚、中空糸膜ＨＦの外側及び内側に流す流体の種類は、第２実施形態の中空糸膜モジュール１０とは反対に、高湿潤ガスの流路に低湿潤ガスを流し、低湿潤ガスの流路に高湿潤ガスを流すようにしてもよい。また、第２実施形態の中空糸膜モジュール１０では、向流でガスを流しているが並流で流してもよい。
【００２２】
次に、本発明に係る中空糸膜式加湿器に使用される第３実施形態の中空糸膜モジュールについて図３を参照して説明する。
尚、第３実施形態の中空糸膜モジュール２０と第１実施形態の中空糸膜モジュール及び第２実施形態の中空糸膜モジュールとの大きな違いは、中空糸膜束２０ｂの略中心部に、中空糸膜束２０ｂへ高湿潤ガスを供給するための内部通路となる有底の配管ＩＰを有していることである。前記有底の配管ＩＰの底近傍の周方向には、中空糸膜束２０ｂへの高湿潤ガス導入孔となる複数の孔Ｔinが設けられている。
また、第３実施形態の中空糸膜モジュール２０と第１実施形態の中空糸膜モジュール及び第２実施形態の中空糸膜モジュールとの大きな違いは、中空糸膜モジュール２０のハウジング２０ａの一端部に設けられた固定部２０ｃ′の内側の位置には、高湿潤ガス送出孔となる複数の孔Ｔoutが同様に設けられているが、第１実施形態の中空糸膜モジュール及び第２実施形態の中空糸膜モジュールのようにハウジング２０ａの固定部２０ｃの内側の位置には、孔が設けられていない点である。
【００２３】
第３実施形態の中空糸膜モジュール２０は、図３に示すように、ハウジング２０ａと、このハウジング２０ａ内に収納される中空糸膜束２０ｂと、前記中空糸膜束２０ｂの外側に流体である高湿潤ガスを供給する内部通路となる有底の配管ＩＰとから主要部が構成される。
【００２４】
ハウジング２０ａは、両端が開口された中空の円筒形状をしている。このハウジング２０ａには、中空糸膜束２０ｂの両端を固定した固定部２０ｃ，２０ｃ′のうち固定部２０ｃ′の内側の位置には、開口部となる孔Ｔoutが周方向に複数個設けられている。
【００２５】
中空糸膜束２０ｂは、内側と外側とにそれぞれ通流させる流体間で水分の交換可能な複数の水透過型の中空糸膜ＨＦを束ねたものである。中空糸膜束２０ｂをハウジング２０ａに接着して固定してある固定部２０ｃ，２０ｃ′をポッティング部というが、このポッティング部を設けることで中空糸膜ＨＦの内側の内部通路を通流する低湿潤状態のガスと中空糸膜ＨＦの外側を通流する高湿潤状態のガスとが混合しないようになっている。
【００２６】
有底の配管ＩＰは、円筒の配管の一端を開口し、他端を閉じて底とした管である。底部近傍の周方向には、高湿潤ガスを中空糸束２０ｂに導入するための高湿潤ガス導入孔Ｔinが設けられている。
有底の配管ＩＰは、中空糸膜束２０ｂの厚み方向の略中心部に設けられ、中空糸膜束２０ｂの長手方向の長さよりも短い長さで使用される。
尚、図３中の符号Ｔinで示す複数の孔は、流体導入孔である高湿潤ガス導入孔として使用され、符号Ｔoutで示す複数の孔は、流体送出孔である高湿潤ガス送出孔として使用される。また、図３中の符号２０ｄinで示すハウジング２０ａの一端に設けられた開口部は、低湿潤ガス導入口として使用され、符号２０ｄoutで示すハウジング２０ａの他端に設けられた開口部は、低湿潤ガス送出口として使用される。
【００２７】
次に、第３実施形態の中空糸膜モジュール２０で流体通路の面積として使用される言葉の定義を図３を参照しながらここで説明する。
（Ａ）流体導入孔の開口部の総合面積Ｓ40；中空糸膜ＨＦの外側に流す流体をハウジング２０ａに導入するため設けられた孔Ｔinの総合面積である。
（Ｂ）流体送出孔の開口部の総合面積Ｓ30；中空糸膜ＨＦの外側に流す流体をハウジング２０ａから送出するために設けられた孔Ｔoutの総合面積である。
尚、本実施の形態では、流体導入孔である高湿潤ガス導入孔Ｔinの開口部の総合面積Ｓ40＜流体送出孔である高湿潤ガス送出孔Ｔoutの開口部の総合面積Ｓ30として設けられている。
【００２８】
このように構成される第３実施形態の中空糸膜モジュール２０の作用について説明する。
（１）中空糸膜束２０ｂの略中心部に設けられ、高湿潤ガスの内部通路となる有底の配管ＩＰから導入された流体である高湿潤ガスは、高湿潤ガス導入孔Ｔinの開口部の総合面積Ｓ40を高湿潤ガス送出孔Ｔoutの開口部の総合面積Ｓ30未満としたことにより、中空糸膜束２０ｂの厚み方向の流速を従来よりも速くすることができる。その結果、中空糸膜束２０ｂの内側に導入された高湿潤ガスは、前記中空糸膜束２０ｂの厚み方向に（ハウジング２０ａの外側に向かって）広く行き渡る（理由は後出）。ハウジング２０ａ内で好適に水分交換を行った高湿潤ガスは、流体送出孔である高湿潤ガス送出孔Ｔoutから外部へ排出される。このとき、高湿潤ガス送出孔outの開口部の総合面積Ｓ30が高湿潤ガス導入孔Ｔinの開口部の総合面積Ｓ40を超えるようにしたため、高湿潤ガスはゆっくりと外部へ排出される。
（２）一方、低湿潤ガス流入口２０ｄinから導入された流体である低湿潤ガスは、各中空糸膜の内側を通る間にハウジング２０ａ内で加湿されて低湿潤ガス送出口２０ｄoutから外部に排出される。
このように本発明では、流体導入孔である高湿潤ガス導入孔Ｔinの開口部の総合面積Ｓ40＜流体送出孔である高湿潤ガス送出孔Ｔoutの開口部の総合面積Ｓ30としたので、中空糸膜束２０ｂの流体導入孔の流速を速くできる結果、中空糸膜束２０ｂの内側から外側の厚み方向に向かって高湿潤ガスが行き渡るので中空糸膜全体を有効に利用することができ加湿効率が向上する。
尚、中空糸膜ＨＦの外側及び内側に流す流体の種類は、第３実施形態の中空糸膜モジュールとは反対に、高湿潤ガスの流路に低湿潤ガスを流し、低湿潤ガスの流路に高湿潤ガスを流すようにしてもよい。また、第３実施形態の中空糸膜モジュールでは、向流でガスを流しているが、並流に流してもよい。
【００２９】
次に、中空糸膜束の厚み方向の流速を速くすることで加湿量が向上する理由を図４（ａ）及び図４（ｂ）を参照して説明する。
図４（ａ）に示すように、中空糸膜モジュール５０のハウジング５０ａ内の中空糸膜束５０ｂの外側に通流させる流体である高湿潤ガスを、高湿潤ガス導入孔より導入する場合、高湿潤ガス導入孔の孔径ｄｄを小さくして高湿潤ガスの流速を速くして導入すると、厚み方向の速度成分Ｖ１が大きくなり侵入する奥行きが深くなる（中空糸膜束５０ｂの厚み方向中央部にまで高湿潤ガスが届きやすくなる）。
その結果、中空糸膜束５０ｂの長手方向の速度成分Ｖ2が高湿潤ガス導入孔の導入孔側から厚み方向に向かって徐々に減少する。
反対に、図４（ｂ）に示すように、高湿潤ガス導入孔の孔径ｄｄ′を大きくして流体である高湿潤ガスの流速を遅くして導入する場合では、厚み方向の速度成分Ｖ１′が小さいので侵入する奥行きが浅くなる。その結果、中空糸膜ＨＦの長手方向の速度成分Ｖ2′が増大する。
このような理由から、高湿潤ガス導入孔の総合面積を高湿潤ガス送出孔の総合面積未満にすることにより中空糸膜束５０ｂの外側に導入する高湿潤ガスの流速を速くし、中空糸膜束５０ｂの外側から内側の厚み方向に向かって高湿潤ガスを行き渡るようにしたので中空糸膜束５０ｂ全体を有効に利用することができ加湿効率が向上する。
尚、上述した中空糸膜束５０ｂの厚み方向の流速を速くすることで加湿量が向上する理由は、第１実施形態の中空糸膜モジュール及び第２実施形態の中空糸膜モジュールの系に当てはまる理由である。しかし、第３実施形態の中空糸膜モジュールについても中空糸膜束５０ｂへ導入する高湿潤ガスの厚み方向の流れがハウジング５０ａの外側→内側ではなく内側→外側へ変わっただけなので、同様な理由から加湿量が向上する。
【００３０】
以上説明した発明は、中空糸膜モジュールのハウジングの周方向に設けられ、中空糸膜束の外側に流す流体の流路となる孔の構造に関する発明であったが、これ以降は、燃料電池に中空糸膜式加湿器を適用した場合に、中空糸膜束を構成する各中空糸膜の内側に流す流体を燃料電池から中空糸膜モジュールまで通流させるための導入路の構造に関する発明について説明する。
【００３１】
最初に、燃料電池に供給されるガスの加湿に本発明に係る流体の導入路の構造を有する中空糸膜式加湿器を適用した第１実施形態の燃料電池の加湿システムについて図５を参照して説明する。
尚、図５（ａ）は、燃料電池６０から排出される流体である高湿潤ガスが、中空糸膜式加湿器の流体分配室であるガス分配室６３で流路断面積を急拡大されて減速された後、中空糸膜モジュール６２の中空糸膜束６２ｂを形成する各中空糸膜の内部（内側）に通流されるまでの高湿潤ガスの流れを示したものである。
また、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ−Ａ′部分断面図を示したものである。
【００３２】
次に、第１実施形態の燃料電池の加湿システムを説明するのに使用される言葉の定義を図５（ａ）及び図５（ｂ）を参照して説明する。
（１）ガス分配室上流の配管断面積Ｓ60；燃料電池６０から排出される排出ガスが通る流体導入通路である配管６１の断面積である。
（２）中空糸膜の内部通路総合断面積Ｓ70；燃料電池６０から排出される排出ガスが通る中空糸膜束を構成する各中空糸膜ＨＦの内部通路の総合断面積である。
尚、本実施の形態では、ガス分配室上流の配管断面積Ｓ60＜中空糸膜の内部通路の総合断面積Ｓ70として導入路が形成されている。
【００３３】
第１実施形態の燃料電池の加湿システムは、図５（ａ）に示すように、
水素を含んだ燃料ガスと、酸素を含んだ酸化剤ガスとを反応させ、化学エネルギー電気エネルギーとして取り出す燃料電池６０と、
前記燃料電池６１から排出される流体である高湿潤ガスを、流体分配室であるガス分配室６３に導入する流体導入通路である配管６１と、
前記配管６１の後段に設けられ、導入された前記高湿潤ガスを中空糸膜モジュール６２に分配して供給する流体分配室であるガス分配室６３と、
前記ガス分配室６３の内部に設けられる中空糸膜モジュール６２と、
から主要部が構成される。尚、ここでは燃料電池６０も加湿システムの構成に含めるものとする。
【００３４】
燃料電池６０は、固体高分子型の燃料電池であり、燃料ガス中の水素と空気中の酸素とを反応させて発電する。反応式で示すと、下記の通りとなる。（１）式は、アノード極における反応を、（２）式は、カソード極における反応を示し、電池全体としては、（３）式に示す反応が進行する。このように、燃料電池６０は、電池反応の進行に伴ってカソード極で生成水が生じる。通常、生じた生成水は、カソード極に供給されている空気中に気化し、未反応の空気と共に燃料電池６０から排出される。
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- ------------------（１）
２Ｈ+＋（１／２）Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ-------（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ----------------（３）
尚、固体高分子型の燃料電池６０は、電解質層として、固体高分子膜を用い、この固体高分子膜を挟持する一対のガス拡散電極と、ガス拡散電極をさらに外側から挟持して燃料ガスと空気とを分離するセパレータとを有する単セルを複数積層した構造を備えている。
【００３５】
流体導入通路である配管６１は、燃料電池６０とガス分配室６３を連通するための管である。管の形状は、本実施形態では円形であるが管であれば何でもよい。
ガス分配室６３の上流に設けられる配管６１の断面積Ｓ60は、図５（ａ）に示すような中空糸膜束６２ｂを構成する各中空糸膜ＨＦの内部通路の総合断面積Ｓ70（中空糸膜ＨＦ１本当たりの内径基準の断面積×中空糸膜ＨＦの総本数）未満になるように設けられる。
尚、配管６１の形状が複雑な形状の場合は、配管６１の断面積Ｓ60の値として最狭部の断面積の値が採用される。
【００３６】
中空糸膜モジュール６２は、中空円筒のハウジング６２ａ内に数千本の水透過型の中空糸膜ＨＦを束ねて両端部を開口状態にして固定したものであり、本実施形態では、ハウジング６２ａの半分の構造しか示していないが、両端部近傍の周方向には低湿潤ガス導入孔（不図示）及び低湿潤ガス送出孔Ｕoutが設けられている。
【００３７】
流体分配室であるガス分配室６３は、燃料電池６０から排出された高湿潤ガスの導入通路となる配管６１を上流側に備え、加湿に使用される中空糸膜モジュール６２をその内部に備えて、燃料電池６０から排出される流体である高湿潤ガスを中空糸膜モジュール６２に導入するための導入路を形成する。
ガス分配室６３は、配管６１からガス分配室６３に導入される高湿潤ガスの流速Ｖ１″を、流路断面積を急拡大することによって減少させ、水平方向の速度成分を好適な値に調整し、中空糸膜モジュール６２内で中空糸膜束６２ｂを構成している各中空糸膜ＨＦの内部に均一にガスを分配する。このとき、垂直方向の速度成分Ｖ２″は減少する。
ガス分配室６３内の流路にガイドベーン等を設ければ、ガス流量をより均一に中空糸膜モジュール６２に分配できる。
尚、図５（ａ）中には１本の中空糸膜モジュール６２しか示していないが、並列に複数の中空糸膜モジュール６２を設けた加湿器にも同様な流体導入路の構造を適用できる。
【００３８】
このように構成される第１実施形態の燃料電池の加湿システムの作用について図５（ａ）を参照して説明する。
燃料電池６０から排出された高湿潤ガスは、配管６１を通り、ガス分配室６３の上部へと導入される。このとき、ガス分配室６３上流の配管６１の断面積Ｓ60は、中空糸膜モジュール６２内の中空糸膜の内部通路の総合断面積Ｓ70未満に設定されているので、流速Ｖ１″の大きい高湿潤ガスがガス分配室６３に導入される。
導入された流速Ｖ１″の大きい高湿潤ガスは、内部で壁に衝突する。衝突した高湿潤ガスは運動エネルギーを損失しながら進行方向を９０度下に曲げて下降する。このとき配管６１からガス分配室６３へと流路断面積が急拡大するため高湿潤ガスの流速は同時に減速される。減速された高湿潤ガスは、中空糸膜モジュール６２の高湿潤ガス導入口６２ｄinに到達する。高湿潤ガスは中空糸膜ＨＦの内部を通過して後流側に抜けるしかないので、中空糸膜ＨＦの水平方向の速度成分が支配的になる。従って、垂直方向の速度成分Ｖ２″は減少する。
このように減速された高湿潤ガスが均一に各中空糸膜ＨＦの内部を通過するので確実に中空糸膜ＨＦと接触し加湿効率が向上する。
中空糸膜モジュール６２で好適に低湿潤ガスを加湿した高湿潤ガスは、図示しない高湿潤ガス送出孔より外部へ排出される。
一方、図示しない低湿潤ガス導入孔から中空糸膜束６２ｂの外側に供給された低湿潤ガスは、中空糸膜モジュール６２内の中空糸膜ＨＦの外側を通過する間に加湿され、ハウジング６２ａに設けられた低湿潤ガス排出孔Ｕoutから外部に排出される。
【００３９】
また、第1実施形態の燃料電池の加湿システムは、燃料電池６０からガス分配室６３を経由して中空糸膜モジュール６２に高湿潤ガスを導くときに、配管６１とガス分配室６３及び中空糸膜モジュール６２の高湿潤ガス導入口６２ｄinとの位置関係が、水平方向に一直線に並ぶのではなく９０度に２回屈折して垂直方向に（すなわち、中空糸膜ＨＦの束の厚み方向に）離隔した配置となっている。
このように構成したので、従来は、燃料電池から中空糸膜モジュールまでのガス導入路を水平方向に一直線に並べた場合には、燃料電池から排出された高湿潤ガスが、狭い通路の配管を通るため配管自身が絞り手段となり、高湿潤ガスが流速の速いガスとして噴出し、そのままの流速を維持しながら中空糸膜ＨＦの内側を流れるガスとなる。そのため部分的に貫通力が強くなり、吹き抜け等が発生し、膜全体に高湿潤ガスが行き渡らなくなるという問題があったが、本発明の構成によりそのような問題が解決される。
【００４０】
このようにして、ガス分配室６３上流の配管断面積Ｓ60＜中空糸膜ＨＦの内部通路の総合断面積Ｓ70とすることにより、燃料電池６０から排出された高湿潤ガスが急拡大流路であるガス分配室６３に導かれて減速し、水平方向に均一に中空糸膜の内部通路を流れるようになるので、部分的に貫通力が強くなって吹き抜けることもなく膜全体に高湿潤ガスが行き渡り中空糸膜式加湿器の加湿能力が向上する。
尚、第１実施形態の燃料電池の加湿システムは、燃料電池のアノードガスの加湿でもカソードガスの加湿でもどちらでも使用することができる。また、中空糸膜モジュール内のガスの流れは向流に流しても並流に流してもよい。
【００４１】
尚、本発明は発明の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で種々の可変が可能であり、本発明はこの改変された発明に及ぶことは当然である。
【００４２】
【発明の効果】
以上の構成と作用からなる本発明によれば、以下の効果を奏する。
（１）請求項１の発明によれば、内側と外側とにそれぞれ通流させる流体間で水分交換を行うことが可能な複数の中空糸膜を束ねて中空糸膜束とし、この中空糸膜束の外側に流体を通流させる流体の導入孔及び流体の送出孔を有するハウジング内に前記中空糸膜束を固定した中空糸膜式加湿器において、前記ハウジングに直接開設され、前記中空糸膜束の外側に対し、その略厚み方向に流体を導入する流体導入孔の開口部の総合面積が、前記中空糸膜束の外側から前記ハウジングの外部へ流体を送出させる流体送出孔の開口部の総合面積未満に形成したことにより、中空糸膜束への流体導入孔における厚み方向の流速を大きくし、中空糸膜式加湿器の外部へ送出させる流体送出孔での流速を小さくできるので、流体が中空糸膜の膜全体に行き渡る。その結果、加湿効率が向上する。
また、請求項２の発明によれば、内側と外側とにそれぞれ通流させる流体間で水分交換を行うことが可能な複数の中空糸膜を束ねてなる中空糸膜束と、前記中空糸膜束が内部に固定され、内部から外部へ流体を送出する流体送出孔を有するハウジングと、前記ハウジングの内部に配置され、その外周に前記中空糸膜束が配置されると共に、前記ハウジングの内部へ流体を導入する流体導入孔を有する配管と、を備え、前記配管に直接開設され、前記中空糸膜束の略厚み方向に流体を導入する流体導入孔の開口部の総合面積が、前記中空糸膜束の外側から前記ハウジングの外部へ流体を送出させる流体送出孔の開口部の総合面積未満に形成したことにより、中空糸膜束への流体導入孔における厚み方向の流速を大きくし、中空糸膜式加湿器の外部へ送出させる流体送出孔での流速を小さくできるので、流体が中空糸膜の膜全体に行き渡る。その結果、加湿効率が向上する。
（２）請求項３の発明によれば、内側と外側とにそれぞれ通流させる流体間で水分交換を行うことが可能な複数の中空糸膜を束ねてなる中空糸膜束と、前記中空糸膜束が内部に固定され、外部から内部へ流体を導入する流体導入孔と、内部から外部へ流体を送出する流体送出孔とを有するハウジングと、前記中空糸膜束からその厚み方向に所定量離間させて設けられると共に、軸方向が前記中空糸膜束の軸方向と平行に設けられ、前記中空糸膜束の各中空糸膜の内部通路へ流体を供給する流体導入通路と、該流体導入通路と前記中空糸膜束との間に介設され、流体を前記流体導入通路から前記中空糸膜束の各中空糸膜の内部通路へ導入させる流体分配室と、を備え、前記流体導入通路の最狭部の断面積が、前記中空糸膜束の各中空糸膜の内部通路の断面積を合計した総合断面積未満に形成されており、前記流体導入通路から前記流体分配室へ導入された流体は、前記流体分配室の内壁に衝突し、前記中空糸膜束の厚み方向で流れて、前記中空糸膜束の各中空糸膜の内部通路へ導入されることにより、以下の作用・効果を奏する。
（ｉ）流体導入通路を中空糸膜束からその厚み方向に所定量離間させた位置に設けたので、中空糸膜の内部通路の直前に絞り手段を設けた場合のように、内部通路に導入される流体の流速が速くなり、部分的に貫通力が強くなって吹き抜けてしまうということがない。
（ｉｉ）断面積が狭い流体導入通路から断面積が大きな流体分配室の通路に急拡大するので流速が遅くなる。流体は、中空糸膜の内部通路を通り抜けるしかないので水平方向に流れる流体の流れが支配的となる。その結果、流体が膜全体に均一にゆっくりと行き渡るので加湿効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る中空糸膜式加湿器に使用される第１実施形態の中空糸膜モジュールを示す斜視図である。
【図２】本発明に係る中空糸膜式加湿器に使用される第２実施形態の中空糸膜モジュールを示す斜視図である。
【図３】本発明に係る中空糸膜式加湿器に使用される第３実施形態の中空糸膜モジュールを示す斜視図である。
【図４】（ａ）中空糸膜モジュール入口における速度が速い場合の中空糸膜束に対する流体の侵入深さを示した図である。
（ｂ）中空糸膜モジュール入口における流体の速度が遅い場合の中空糸膜束に対する流体の侵入深さを示した図である。
【図５】（ａ）本発明に係る流体の導入路を有する中空糸膜式加湿器を燃料電池の加湿システムに適用した第1実施形態の燃料電池の加湿システムにおける高湿潤ガスの流れを示した図である。
（ｂ）図５（ａ）のＡ−Ａ′部分断面図である。
【図６】従来の中空糸膜を利用した加湿器を説明するための縦断面図である。
【図７】従来の中空糸膜を利用した他の実施形態の加湿器を説明するための縦断面図である。
【図８】従来の中空糸膜を利用した他の実施形態の加湿器内の中空糸膜の外側を流れる流体の流れを示した図である。
【図９】従来の中空糸膜の内部通路の直前に絞り手段を設けた場合の高湿潤ガスの流れを説明するための図である。
【符号の説明】
Ｓ2、Ｓ20、Ｓ40 流体導入孔の開口部の総合面積
Ｓ1、Ｓ10、Ｓ30 流体送出孔の開口部の総合面積
Ｓ60 ガス分配室上流の配管断面積
Ｓ70 中空糸膜の内部通路総合断面積
６０ 燃料電池
６１ 配管（流体導入通路）
６３ ガス分配室（流体分配室）
ＨＦ 中空糸膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、水透過型の中空糸膜を使用した中空糸膜式加湿器に関し、更に詳しくは、コンパクトで加湿性能が高い中空糸膜式加湿器及び燃料電池の加湿システムに適用する場合に、中空糸膜の内部通路に流す流体を内部通路全体に渡って均一に通流させることができる導入路を有する中空糸膜式加湿器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の水透過型の中空糸膜を用いた加湿器としては、例えば特開平７−７１７９５号公報に開示されたものがある。図６に示すように、この加湿器１００は、筒状のハウジング１０１を有している。ハウジング１０１には、乾燥エア用の第一の流入口１０２及び第一の流出口１０３が形成されており、ハウジング１０１の内部には多数、例えば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。
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１０５，１０５′はそれぞれ第一のヘッドカバー１０８および第二のヘッドカバー１０９によって覆われている。第１のヘッドカバー１０８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、第二のヘッドカバー１０９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。
【０００３】
このように構成された水透過型の中空糸膜を用いた加湿器１００では、第一の流入口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。このとき湿潤エア中の水分は、中空糸膜の毛管凝縮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。
一方、第一の流入口１０２からは乾燥エア(低湿潤ガス)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を構成する各中空糸膜の外側を通過する。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。
【０００４】
また、図７に示すような本出願人が「インナーパイプ方式」と呼んでいる加湿器がある。この加湿器２００は、筒状のハウジング２０１の中心部に中空糸膜束２０４内に湿潤エアを導入するための内部通路となる有底の配管２０６を有している。
ハウジング２０１の内部には多数、例えば６０００本の中空糸膜からなる中空糸膜束２０４が収納されている。
また、前記ハウジング２０１の両端部は、中空糸膜束２０４の両端部を開口状態で固定する固定部２０５，２０５′が設けられている。
ハウジング２０１の固定部２０５，２０５′の両側には、隣接して第一のヘッドカバー２０８、第二のヘッドカバー２０９が設けられており、第二のヘッドカバー２０９には乾燥エア用の第一の流入口２０２が、第一のヘッドカバー２０８には、乾燥エア用の第一の流出口２０３が形成されている。前記した第一のヘッドカバー２０８には、湿潤エアを第二の流入口２０６ａから導入し、孔２０６inから中空糸膜束２０４の中に導入するための底ｂｆを有する配管２０６が設けられている。配管２０６は、第一のヘッドカバー２０８及び固定部２０５を外部から貫通して中空糸膜束２０４内まで伸長して（但し、中空糸膜の長手方向の長さより長さは短い）設けられている。
前記した第二のヘッドカバー２０９と隣接する筒状のハウジング２０１には、中空糸膜束２０４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２０７が形成されている。
【０００５】
このように構成された水透過型の中空糸膜を用いた加湿器２００では、湿潤エアが第二の流入口２０６ａから中空糸膜束２０４への導入口である孔２０６inに供給され、中空糸膜束２０４を構成する各中空糸膜の外側を通過する。このとき湿潤エア中の水分は、中空糸膜の毛管凝縮作用によって分離され、中空糸膜の毛管内を外側から内側に透過して、中空糸膜の内側に移動する。水分を分離させられた湿潤エアは、第二の流出口２０７から排出される。
一方、第一の流入口２０２からは乾燥エア(低湿潤ガス)が供給される。第一の流入口２０２から供給された乾燥エアは、中空糸膜束２０４を構成する各中空糸膜の内側を通過する。中空糸膜の内側には、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２０３から排出される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような水透過型の中空糸膜を利用した加湿器を、特に燃料電池の加湿システムに適用した場合、以下のような問題があった。
（１）通常、燃料電池の加湿システムでは、燃料電池から出てきた高湿潤ガス中の水分は、中空糸膜を透過し、毛管凝縮作用により水透過側に分離される。水透過側に分離された水分は、水透過側に低湿潤ガスを供給することにより加湿に利用される。しかし、加湿された低湿潤ガスを燃料電池へ供給する場合、発電出力との関係から燃料電池が要求する加湿量（例えば露点５０〜７０℃）を十分に確保している必要があり、燃料電池が要求する加湿量（例えば露点５０〜７０℃）を十分に確保するには、中空糸膜の本数、長さを大きくして行かなければならない、すなわち加湿器を大型化しなければならなかった。
（２）また、加湿量を確保するために中空糸膜の本数を多くすると（例えば単モジュール当たり２０００〜７０００本）中空糸膜の外側を流れるガスは、図８に示すように、中空糸膜全体に高湿潤ガス（或いは低湿潤ガス）が接触せず、無駄な中空糸膜が存在し（図８中のＤ.Ｓ）、結果として更に中空糸膜の本数、長さを大きくしなければならないという問題があった。
（３）また、中空糸膜内部を流れるガスは、図９に示すような中空糸膜の内部通路の直前に絞り手段を入れると中空糸膜内部を通過する流速が速くなる。中空糸膜内部を流れるガスは、中空糸膜の外側を流れる場合のガスとは違って、流速が速いと、部分的に貫通力が強くなるのでガスが膜全体に行き渡らなくなる。すなわち加湿能力が低下するという問題があった。
【０００７】
本発明は、前記課題を解決するためになされたものであって、第１の目的は、中空糸膜の本数、長さを大きくしなくても十分な加湿量を確保できる中空糸膜式加湿器を提供することを目的とする。また、第２の目的は燃料電池の加湿システムに適用しても中空糸膜の内部通路全体に均一に流体を接触させることが可能な導入路を有し、十分な加湿量を確保できる中空糸膜式加湿器を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するためになされた請求項１に係る中空糸膜式加湿器の発明は、内側と外側とにそれぞれ通流させる流体間で水分交換を行うことが可能な複数の中空糸膜を束ねて中空糸膜束とし、この中空糸膜束の外側に流体を通流させる流体の導入孔及び流体の送出孔を有するハウジング内に前記中空糸膜束を固定した中空糸膜式加湿器において、前記ハウジングに直接開設され、前記中空糸膜束の外側に対し、その略厚み方向に流体を導入する流体導入孔の開口部の総合面積が、前記中空糸膜束の外側から前記ハウジングの外部へ流体を送出させる流体送出孔の開口部の総合面積未満に形成されたことを特徴とするものである。
また、前記課題を解決するためになされた請求項２に係る中空糸膜式加湿器の発明は、内側と外側とにそれぞれ通流させる流体間で水分交換を行うことが可能な複数の中空糸膜を束ねてなる中空糸膜束と、前記中空糸膜束が内部に固定され、内部から外部へ流体を送出する流体送出孔を有するハウジングと、前記ハウジングの内部に配置され、その外周に前記中空糸膜束が配置されると共に、前記ハウジングの内部へ流体を導入する流体導入孔を有する配管と、を備え、前記配管に直接開設され、前記中空糸膜束の略厚み方向に流体を導入する流体導入孔の開口部の総合面積が、前記中空糸膜束の外側から前記ハウジングの外部へ流体を送出させる流体送出孔の開口部の総合面積未満に形成されたことを特徴とするものである。
【０００９】
請求項１又は請求項２の発明によると、中空糸膜束への流体導入孔における厚み方向の流速を相対的に大きくし、中空糸膜式加湿器の外部へ送出させる流体送出孔での流速を相対的に小さくできるので、流体が中空糸膜の膜全体に行き渡る。その結果、加湿効率が向上する。
【００１０】
請求項３に係る中空糸膜式加湿器の発明は、内側と外側とにそれぞれ通流させる流体間で水分交換を行うことが可能な複数の中空糸膜を束ねてなる中空糸膜束と、前記中空糸膜束が内部に固定され、外部から内部へ流体を導入する流体導入孔と、内部から外部へ流体を送出する流体送出孔とを有するハウジングと、前記中空糸膜束からその厚み方向に所定量離間させて設けられると共に、軸方向が前記中空糸膜束の軸方向と平行に設けられ、前記中空糸膜束の各中空糸膜の内部通路へ流体を供給する流体導入通路と、該流体導入通路と前記中空糸膜束との間に介設され、流体を前記流体導入通路から前記中空糸膜束の各中空糸膜の内部通路へ導入させる流体分配室と、を備え、前記流体導入通路の最狭部の断面積が、前記中空糸膜束の各中空糸膜の内部通路の断面積を合計した総合断面積未満に形成されており、前記流体導入通路から前記流体分配室へ導入された流体は、前記流体分配室の内壁に衝突し、前記中空糸膜束の厚み方向で流れて、前記中空糸膜束の各中空糸膜の内部通路へ導入されることを特徴とするものである。
【００１１】
請求項３の発明によれば、以下の作用・効果を奏する。
（１）流体導入通路を中空糸膜束からその厚み方向に所定量離間させた位置に設けたので、中空糸膜の内部通路の直前に絞り手段を設けた場合のように、内部通路に導入される流体の流速が速くなってしまい、部分的に貫通力が強くなって吹き抜けてしまうということがない。
（２）断面積が狭い流体導入通路から断面積が大きな流体分配室の通路に急拡大するので流速が遅くなる。流体は、中空糸膜の内部通路を通り抜けるしかないので水平方向に流れる流体の流れが支配的となる。その結果、流体が膜全体に均一にゆっくりと行き渡るので加湿効率が向上する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
最初に、本発明に係る中空糸膜式加湿器に使用される第１実施形態の中空糸膜モジュールについて図面を参照して説明する。
第1実施形態の中空糸膜モジュールは、図１に示すように、ハウジング１ａと、このハウジング１ａ内に収納される中空糸膜束１ｂとから主要部が構成される。
【００１３】
ハウジング１ａは、両端が開口された中空の円筒形状をしている。このハウジング１ａには、中空糸膜束１ｂの両端部を固定した固定部１ｃ，１ｃ′よりも内側の位置に開口部となる孔ｈin，ｈoutがそれぞれに周方向に複数個設けてある。
【００１４】
中空糸膜束１ｂは、内側と外側とにそれぞれ通流させる流体間で水分の交換可能な複数の水透過型の中空糸膜ＨＦを束ねたものである。中空糸膜束１ｂをハウジング１ａに接着して固定してある固定部１ｃ，１ｃ′をポッティング部というが、このポッティング部を設けることで中空糸膜ＨＦの内側の中空通路を通流する低湿潤状態のガスと中空糸膜ＨＦの外側を通流する高湿潤状態のガスとが混合しないようになっている。
尚、図１中の符号ｈinで示す複数の孔は、流体導入孔である高湿潤ガス導入孔として使用され、符号ｈoutで示す複数の孔は、流体送出孔である高湿潤ガス送出孔として使用される。また、図１中の符号１ｄinで示すハウジング１ａの一端に設けられた開口部は、低湿潤ガス導入口として使用され、符号１ｄoutで示すハウジング１ａの他端に設けられた開口部は、低湿潤ガス送出口として使用される。
孔の形状は、本実施の形態では円形であるが、長円形、三角形四角形等孔であれば良い。
【００１５】
次に、第１実施形態の中空糸膜モジュール１で流体通路の面積として使用される言葉の定義を図１を参照しながらここで説明する。
（Ａ）流体導入孔の開口部の総合面積Ｓ2；中空糸膜ＨＦの外側に流す流体をハウジング１ａに導入するために設けられた複数の孔ｈinの開口部の総合面積である。
（Ｂ）流体送出孔の開口部の総合面積Ｓ1；中空糸膜ＨＦの外側に流す流体をハウジング１ａ内から外部へ送出するために設けられた複数の孔ｈoutの開口部の総合面積である。
尚、本実施の形態では、流体導入孔である高湿潤ガス導入孔ｈinの開口部の総合面積Ｓ2＜流体送出孔である高湿潤ガス送出孔ｈoutの開口部の総合面積Ｓ1として設けられている。
【００１６】
このように構成される第1実施形態の中空糸膜モジュール１の作用について説明する。
１．ハウジング１ａに設けられた流体導入孔である高湿潤ガス流入孔ｈinから導入された流体である高湿潤ガスは、高湿潤ガス導入孔ｈinの開口部の総合面積Ｓ2を高湿潤ガス送出孔ｈoutの開口部の総合面積Ｓ1未満としたことにより、高湿潤ガス導入孔ｈinにおける中空糸膜束１ｂの厚み方向の流速を従来の流速よりも速くすることができる。その結果、中空糸膜束１ｂの外側に導入された高湿潤ガスは、前記中空糸膜束１ｂの厚み方向に広く行き渡る（理由は後出）。ハウジング１ａ内で好適に水分交換を行った高湿潤ガスは、流体送出孔である高湿潤ガス送出孔ｈoutから外部へと排出される。このとき、高湿潤ガス送出孔ｈoutの開口部の総合面積Ｓ1が高湿潤ガス導入孔ｈinの開口部の総合面積Ｓ2を超えるようにしたため、高湿潤ガスはゆっくりと外部に排出される。
２．一方、低湿潤ガス導入口１ｄinから導入された低湿潤ガスは、各中空糸膜ＨＦの内側を通る間に、中空糸膜ＨＦの外側から毛管凝縮作用により中空糸膜ＨＦの内側に移動してきている水分により加湿され、低湿潤ガス送出孔１ｄoutから外部へ排出される。
このように本発明では、流体導入孔である高湿潤ガス導入孔ｈinの開口部の総合面積Ｓ2＜流体送出孔である高湿潤ガス送出孔ｈoutの開口部の総合面積Ｓ1としたので、中空糸膜束１ｂの厚み方向の流速を速くできる結果、中空糸膜束１ｂの外側から内側に向かって高湿潤ガスが行き渡るので加湿効率が向上する。
尚、中空糸膜ＨＦの外側及び内側に流す流体の種類は、第１実施形態の中空糸膜モジュールとは反対に、高湿潤ガスの流路に低湿潤ガスを流し、低湿潤ガスの流路に高湿潤ガスを流すようにしてもよい。また、第１実施形態の中空糸膜モジュール１では、向流でガスを流しているが並流で流してもよい。
【００１７】
次に、本発明に係る中空糸膜式加湿器に使用される第２実施形態の中空糸膜モジュールについて図２を参照して説明する。
尚、第２実施形態の中空糸膜モジュール１０と第１実施形態の中空糸膜モジュールとの違いは、流体導入孔である高湿潤ガス導入孔Ｈinを形成する複数の孔の大きさの配列にある。
すなわち、中空糸膜束１０ｂの外側に通流させる流体である高湿潤ガスが中空糸膜モジュール１０に導入される複数の孔のうち、高湿潤ガスが導入される導入配管１０ｅのガス導入部に１番近い位置にある孔の孔径を1番大きく、1番遠い位置にある孔の孔径を1番小さくなるように、周方向に沿って大きさの順に配列した点にある。
このように配列することにより、高湿潤ガスの流量が導入配管１０ｅのガス導入部から1番遠い位置に流れていくに従って減少しても、導入配管１０ｅのガス導入部から1番遠い位置の孔径が１番小さくなるように大きさの順番に設けてあるので、ガス導入部から遠い側の流速も速くすることができる。
【００１８】
第２実施形態の中空糸膜モジュールは、図２に示すように、ハウジング１０ａと、このハウジング１０ａ内に収納される中空糸膜束１０ｂとから主要部が構成される。
ハウジング１０ａは、両端が開口された中空の円筒形状をしている。このハウジング１０ａには、中空糸膜束１０ｂの両端を固定した固定部１０ｃ，１０ｃ′よりも内側の位置に開口部となる孔Ｈin，Ｈoutがそれぞれに周方向に複数個設けてある。
【００１９】
中空糸膜束１０ｂは、内側と外側とにそれぞれ通流させる流体間で水分交換可能な複数の水透過型の中空糸膜ＨＦを束ねたものである。中空糸膜束１０ｂをハウジング１０ａに接着して固定してある固定部１０ｃ，１０ｃ′をポッティング部というが、このポッティング部を設けることで中空糸膜ＨＦの内部通路を通流する低湿潤状態のガスと中空糸膜ＨＦの外側を通流する高湿潤状態のガスとが混合しないようになっている。
尚、図２中の符号Ｈinで示す複数の孔は、流体導入孔である高湿潤ガス導入孔として使用され、符号Ｈoutで示す複数の孔は、流体送出孔である高湿潤ガス送出孔として使用される。また、図２中の符号１０ｄinで示すハウジング１０ａの一端に設けられた開口部は、低湿潤ガス導入口として使用され、符号１０ｄoutで示すハウジング１０ａの他端に設けられた開口部は、低湿潤ガス送出口として使用される。
【００２０】
次に、第２実施形態の中空糸膜モジュール１０で流体通路の面積として使用される言葉の定義を図２を参照しながらここで説明する。
（Ａ）流体導入孔の開口部の総合面積Ｓ20；中空糸膜ＨＦの外側に流す流体をハウジング１０ａに導入するために設けられた複数の孔Ｈinの開口部の総合面積である。
（Ｂ）流体送出孔の開口部の総合面積Ｓ10；中空糸膜ＨＦの外側に流す流体をハウジング１０ａ内から外部へ送出するために設けられた複数の孔Ｈoutの開口部の総合面積である。
尚、本実施の形態では、流体導入孔である高湿潤ガス導入孔Ｈinの開口部の総合面積Ｓ20＜流体送出孔である高湿潤ガス送出孔Ｈoutの開口部の総合面積Ｓ10として設けられている。
【００２１】
このように構成される第２実施形態の中空糸膜モジュール１０の作用について説明する。
１．ハウジング１０ａに設けられた流体導入孔である高湿潤ガス流入孔Ｈinから導入された流体である高湿潤ガスは、高湿潤ガス導入孔Ｈinの開口部の総合面積Ｓ20を高湿潤ガス送出孔Ｈoutの開口部の総合面積Ｓ10未満としたことにより、高湿潤ガス導入孔Ｈinにおける中空糸膜束１０ｂの厚み方向の流速を従来の流速よりも速くすることができる。その結果、中空糸膜束１０ｂの外側に導入された高湿潤ガスは、前記中空糸膜束１０ｂの厚み方向に広く行き渡る（理由は後出）。ハウジング１０ａ内で好適に水分交換を行った高湿潤ガスは、流体送出孔である高湿潤ガス送出孔Ｈoutから排出される。このとき、高湿潤ガス送出孔Ｈoutの開口部の総合面積Ｓ10が高湿潤ガス導入孔Ｈinの開口部の総合面積Ｓ20を超えるようにしたため、高湿潤ガスはゆっくりと外部へ排出される。
２．一方、低湿潤ガス導入口１０ｄinから導入された低湿潤ガスは、各中空糸膜の内側を通る間に、中空糸膜ＨＦの外側から毛管凝縮作用により中空糸膜ＨＦの内側に移動してきている水分により加湿され、低湿潤ガス送出孔１０ｄoutから外部へ排出される。
このように本発明では、流体導入孔である高湿潤ガス導入孔Ｈinの開口部の総合面積Ｓ20＜流体送出孔である高湿潤ガス送出孔Ｈoutの開口部の総合面積Ｓ10としたので、中空糸膜束１０ｂの厚み方向の流速を速くできる結果、中空糸膜束１０ｂの外側から内側に向かって高湿潤ガスが行き渡るので加湿効率が向上する。
尚、中空糸膜ＨＦの外側及び内側に流す流体の種類は、第２実施形態の中空糸膜モジュール１０とは反対に、高湿潤ガスの流路に低湿潤ガスを流し、低湿潤ガスの流路に高湿潤ガスを流すようにしてもよい。また、第２実施形態の中空糸膜モジュール１０では、向流でガスを流しているが並流で流してもよい。
【００２２】
次に、本発明に係る中空糸膜式加湿器に使用される第３実施形態の中空糸膜モジュールについて図３を参照して説明する。
尚、第３実施形態の中空糸膜モジュール２０と第１実施形態の中空糸膜モジュール及び第２実施形態の中空糸膜モジュールとの大きな違いは、中空糸膜束２０ｂの略中心部に、中空糸膜束２０ｂへ高湿潤ガスを供給するための内部通路となる有底の配管ＩＰを有していることである。前記有底の配管ＩＰの底近傍の周方向には、中空糸膜束２０ｂへの高湿潤ガス導入孔となる複数の孔Ｔinが設けられている。
また、第３実施形態の中空糸膜モジュール２０と第１実施形態の中空糸膜モジュール及び第２実施形態の中空糸膜モジュールとの大きな違いは、中空糸膜モジュール２０のハウジング２０ａの一端部に設けられた固定部２０ｃ′の内側の位置には、高湿潤ガス送出孔となる複数の孔Ｔoutが同様に設けられているが、第１実施形態の中空糸膜モジュール及び第２実施形態の中空糸膜モジュールのようにハウジング２０ａの固定部２０ｃの内側の位置には、孔が設けられていない点である。
【００２３】
第３実施形態の中空糸膜モジュール２０は、図３に示すように、ハウジング２０ａと、このハウジング２０ａ内に収納される中空糸膜束２０ｂと、前記中空糸膜束２０ｂの外側に流体である高湿潤ガスを供給する内部通路となる有底の配管ＩＰとから主要部が構成される。
【００２４】
ハウジング２０ａは、両端が開口された中空の円筒形状をしている。このハウジング２０ａには、中空糸膜束２０ｂの両端を固定した固定部２０ｃ，２０ｃ′のうち固定部２０ｃ′の内側の位置には、開口部となる孔Ｔoutが周方向に複数個設けられている。
【００２５】
中空糸膜束２０ｂは、内側と外側とにそれぞれ通流させる流体間で水分の交換可能な複数の水透過型の中空糸膜ＨＦを束ねたものである。中空糸膜束２０ｂをハウジング２０ａに接着して固定してある固定部２０ｃ，２０ｃ′をポッティング部というが、このポッティング部を設けることで中空糸膜ＨＦの内側の内部通路を通流する低湿潤状態のガスと中空糸膜ＨＦの外側を通流する高湿潤状態のガスとが混合しないようになっている。
【００２６】
有底の配管ＩＰは、円筒の配管の一端を開口し、他端を閉じて底とした管である。底部近傍の周方向には、高湿潤ガスを中空糸束２０ｂに導入するための高湿潤ガス導入孔Ｔinが設けられている。
有底の配管ＩＰは、中空糸膜束２０ｂの厚み方向の略中心部に設けられ、中空糸膜束２０ｂの長手方向の長さよりも短い長さで使用される。
尚、図３中の符号Ｔinで示す複数の孔は、流体導入孔である高湿潤ガス導入孔として使用され、符号Ｔoutで示す複数の孔は、流体送出孔である高湿潤ガス送出孔として使用される。また、図３中の符号２０ｄinで示すハウジング２０ａの一端に設けられた開口部は、低湿潤ガス導入口として使用され、符号２０ｄoutで示すハウジング２０ａの他端に設けられた開口部は、低湿潤ガス送出口として使用される。
【００２７】
次に、第３実施形態の中空糸膜モジュール２０で流体通路の面積として使用される言葉の定義を図３を参照しながらここで説明する。
（Ａ）流体導入孔の開口部の総合面積Ｓ40；中空糸膜ＨＦの外側に流す流体をハウジング２０ａに導入するため設けられた孔Ｔinの総合面積である。
（Ｂ）流体送出孔の開口部の総合面積Ｓ30；中空糸膜ＨＦの外側に流す流体をハウジング２０ａから送出するために設けられた孔Ｔoutの総合面積である。
尚、本実施の形態では、流体導入孔である高湿潤ガス導入孔Ｔinの開口部の総合面積Ｓ40＜流体送出孔である高湿潤ガス送出孔Ｔoutの開口部の総合面積Ｓ30として設けられている。
【００２８】
このように構成される第３実施形態の中空糸膜モジュール２０の作用について説明する。
（１）中空糸膜束２０ｂの略中心部に設けられ、高湿潤ガスの内部通路となる有底の配管ＩＰから導入された流体である高湿潤ガスは、高湿潤ガス導入孔Ｔinの開口部の総合面積Ｓ40を高湿潤ガス送出孔Ｔoutの開口部の総合面積Ｓ30未満としたことにより、中空糸膜束２０ｂの厚み方向の流速を従来よりも速くすることができる。その結果、中空糸膜束２０ｂの内側に導入された高湿潤ガスは、前記中空糸膜束２０ｂの厚み方向に（ハウジング２０ａの外側に向かって）広く行き渡る（理由は後出）。ハウジング２０ａ内で好適に水分交換を行った高湿潤ガスは、流体送出孔である高湿潤ガス送出孔Ｔoutから外部へ排出される。このとき、高湿潤ガス送出孔outの開口部の総合面積Ｓ30が高湿潤ガス導入孔Ｔinの開口部の総合面積Ｓ40を超えるようにしたため、高湿潤ガスはゆっくりと外部へ排出される。
（２）一方、低湿潤ガス流入口２０ｄinから導入された流体である低湿潤ガスは、各中空糸膜の内側を通る間にハウジング２０ａ内で加湿されて低湿潤ガス送出口２０ｄoutから外部に排出される。
このように本発明では、流体導入孔である高湿潤ガス導入孔Ｔinの開口部の総合面積Ｓ40＜流体送出孔である高湿潤ガス送出孔Ｔoutの開口部の総合面積Ｓ30としたので、中空糸膜束２０ｂの流体導入孔の流速を速くできる結果、中空糸膜束２０ｂの内側から外側の厚み方向に向かって高湿潤ガスが行き渡るので中空糸膜全体を有効に利用することができ加湿効率が向上する。
尚、中空糸膜ＨＦの外側及び内側に流す流体の種類は、第３実施形態の中空糸膜モジュールとは反対に、高湿潤ガスの流路に低湿潤ガスを流し、低湿潤ガスの流路に高湿潤ガスを流すようにしてもよい。また、第３実施形態の中空糸膜モジュールでは、向流でガスを流しているが、並流に流してもよい。
【００２９】
次に、中空糸膜束の厚み方向の流速を速くすることで加湿量が向上する理由を図４（ａ）及び図４（ｂ）を参照して説明する。
図４（ａ）に示すように、中空糸膜モジュール５０のハウジング５０ａ内の中空糸膜束５０ｂの外側に通流させる流体である高湿潤ガスを、高湿潤ガス導入孔より導入する場合、高湿潤ガス導入孔の孔径ｄｄを小さくして高湿潤ガスの流速を速くして導入すると、厚み方向の速度成分Ｖ１が大きくなり侵入する奥行きが深くなる（中空糸膜束５０ｂの厚み方向中央部にまで高湿潤ガスが届きやすくなる）。
その結果、中空糸膜束５０ｂの長手方向の速度成分Ｖ2が高湿潤ガス導入孔の導入孔側から厚み方向に向かって徐々に減少する。
反対に、図４（ｂ）に示すように、高湿潤ガス導入孔の孔径ｄｄ′を大きくして流体である高湿潤ガスの流速を遅くして導入する場合では、厚み方向の速度成分Ｖ１′が小さいので侵入する奥行きが浅くなる。その結果、中空糸膜ＨＦの長手方向の速度成分Ｖ2′が増大する。
このような理由から、高湿潤ガス導入孔の総合面積を高湿潤ガス送出孔の総合面積未満にすることにより中空糸膜束５０ｂの外側に導入する高湿潤ガスの流速を速くし、中空糸膜束５０ｂの外側から内側の厚み方向に向かって高湿潤ガスを行き渡るようにしたので中空糸膜束５０ｂ全体を有効に利用することができ加湿効率が向上する。
尚、上述した中空糸膜束５０ｂの厚み方向の流速を速くすることで加湿量が向上する理由は、第１実施形態の中空糸膜モジュール及び第２実施形態の中空糸膜モジュールの系に当てはまる理由である。しかし、第３実施形態の中空糸膜モジュールについても中空糸膜束５０ｂへ導入する高湿潤ガスの厚み方向の流れがハウジング５０ａの外側→内側ではなく内側→外側へ変わっただけなので、同様な理由から加湿量が向上する。
【００３０】
以上説明した発明は、中空糸膜モジュールのハウジングの周方向に設けられ、中空糸膜束の外側に流す流体の流路となる孔の構造に関する発明であったが、これ以降は、燃料電池に中空糸膜式加湿器を適用した場合に、中空糸膜束を構成する各中空糸膜の内側に流す流体を燃料電池から中空糸膜モジュールまで通流させるための導入路の構造に関する発明について説明する。
【００３１】
最初に、燃料電池に供給されるガスの加湿に本発明に係る流体の導入路の構造を有する中空糸膜式加湿器を適用した第１実施形態の燃料電池の加湿システムについて図５を参照して説明する。
尚、図５（ａ）は、燃料電池６０から排出される流体である高湿潤ガスが、中空糸膜式加湿器の流体分配室であるガス分配室６３で流路断面積を急拡大されて減速された後、中空糸膜モジュール６２の中空糸膜束６２ｂを形成する各中空糸膜の内部（内側）に通流されるまでの高湿潤ガスの流れを示したものである。
また、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ−Ａ′部分断面図を示したものである。
【００３２】
次に、第１実施形態の燃料電池の加湿システムを説明するのに使用される言葉の定義を図５（ａ）及び図５（ｂ）を参照して説明する。
（１）ガス分配室上流の配管断面積Ｓ60；燃料電池６０から排出される排出ガスが通る流体導入通路である配管６１の断面積である。
（２）中空糸膜の内部通路総合断面積Ｓ70；燃料電池６０から排出される排出ガスが通る中空糸膜束を構成する各中空糸膜ＨＦの内部通路の総合断面積である。
尚、本実施の形態では、ガス分配室上流の配管断面積Ｓ60＜中空糸膜の内部通路の総合断面積Ｓ70として導入路が形成されている。
【００３３】
第１実施形態の燃料電池の加湿システムは、図５（ａ）に示すように、
水素を含んだ燃料ガスと、酸素を含んだ酸化剤ガスとを反応させ、化学エネルギー電気エネルギーとして取り出す燃料電池６０と、
前記燃料電池６１から排出される流体である高湿潤ガスを、流体分配室であるガス分配室６３に導入する流体導入通路である配管６１と、
前記配管６１の後段に設けられ、導入された前記高湿潤ガスを中空糸膜モジュール６２に分配して供給する流体分配室であるガス分配室６３と、
前記ガス分配室６３の内部に設けられる中空糸膜モジュール６２と、
から主要部が構成される。尚、ここでは燃料電池６０も加湿システムの構成に含めるものとする。
【００３４】
燃料電池６０は、固体高分子型の燃料電池であり、燃料ガス中の水素と空気中の酸素とを反応させて発電する。反応式で示すと、下記の通りとなる。（１）式は、アノード極における反応を、（２）式は、カソード極における反応を示し、電池全体としては、（３）式に示す反応が進行する。このように、燃料電池６０は、電池反応の進行に伴ってカソード極で生成水が生じる。通常、生じた生成水は、カソード極に供給されている空気中に気化し、未反応の空気と共に燃料電池６０から排出される。
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- ------------------（１）
２Ｈ+＋（１／２）Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ-------（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ----------------（３）
尚、固体高分子型の燃料電池６０は、電解質層として、固体高分子膜を用い、この固体高分子膜を挟持する一対のガス拡散電極と、ガス拡散電極をさらに外側から挟持して燃料ガスと空気とを分離するセパレータとを有する単セルを複数積層した構造を備えている。
【００３５】
流体導入通路である配管６１は、燃料電池６０とガス分配室６３を連通するための管である。管の形状は、本実施形態では円形であるが管であれば何でもよい。
ガス分配室６３の上流に設けられる配管６１の断面積Ｓ60は、図５（ａ）に示すような中空糸膜束６２ｂを構成する各中空糸膜ＨＦの内部通路の総合断面積Ｓ70（中空糸膜ＨＦ１本当たりの内径基準の断面積×中空糸膜ＨＦの総本数）未満になるように設けられる。
尚、配管６１の形状が複雑な形状の場合は、配管６１の断面積Ｓ60の値として最狭部の断面積の値が採用される。
【００３６】
中空糸膜モジュール６２は、中空円筒のハウジング６２ａ内に数千本の水透過型の中空糸膜ＨＦを束ねて両端部を開口状態にして固定したものであり、本実施形態では、ハウジング６２ａの半分の構造しか示していないが、両端部近傍の周方向には低湿潤ガス導入孔（不図示）及び低湿潤ガス送出孔Ｕoutが設けられている。
【００３７】
流体分配室であるガス分配室６３は、燃料電池６０から排出された高湿潤ガスの導入通路となる配管６１を上流側に備え、加湿に使用される中空糸膜モジュール６２をその内部に備えて、燃料電池６０から排出される流体である高湿潤ガスを中空糸膜モジュール６２に導入するための導入路を形成する。
ガス分配室６３は、配管６１からガス分配室６３に導入される高湿潤ガスの流速Ｖ１″を、流路断面積を急拡大することによって減少させ、水平方向の速度成分を好適な値に調整し、中空糸膜モジュール６２内で中空糸膜束６２ｂを構成している各中空糸膜ＨＦの内部に均一にガスを分配する。このとき、垂直方向の速度成分Ｖ２″は減少する。
ガス分配室６３内の流路にガイドベーン等を設ければ、ガス流量をより均一に中空糸膜モジュール６２に分配できる。
尚、図５（ａ）中には１本の中空糸膜モジュール６２しか示していないが、並列に複数の中空糸膜モジュール６２を設けた加湿器にも同様な流体導入路の構造を適用できる。
【００３８】
このように構成される第１実施形態の燃料電池の加湿システムの作用について図５（ａ）を参照して説明する。
燃料電池６０から排出された高湿潤ガスは、配管６１を通り、ガス分配室６３の上部へと導入される。このとき、ガス分配室６３上流の配管６１の断面積Ｓ60は、中空糸膜モジュール６２内の中空糸膜の内部通路の総合断面積Ｓ70未満に設定されているので、流速Ｖ１″の大きい高湿潤ガスがガス分配室６３に導入される。
導入された流速Ｖ１″の大きい高湿潤ガスは、内部で壁に衝突する。衝突した高湿潤ガスは運動エネルギーを損失しながら進行方向を９０度下に曲げて下降する。このとき配管６１からガス分配室６３へと流路断面積が急拡大するため高湿潤ガスの流速は同時に減速される。減速された高湿潤ガスは、中空糸膜モジュール６２の高湿潤ガス導入口６２ｄinに到達する。高湿潤ガスは中空糸膜ＨＦの内部を通過して後流側に抜けるしかないので、中空糸膜ＨＦの水平方向の速度成分が支配的になる。従って、垂直方向の速度成分Ｖ２″は減少する。
このように減速された高湿潤ガスが均一に各中空糸膜ＨＦの内部を通過するので確実に中空糸膜ＨＦと接触し加湿効率が向上する。
中空糸膜モジュール６２で好適に低湿潤ガスを加湿した高湿潤ガスは、図示しない高湿潤ガス送出孔より外部へ排出される。
一方、図示しない低湿潤ガス導入孔から中空糸膜束６２ｂの外側に供給された低湿潤ガスは、中空糸膜モジュール６２内の中空糸膜ＨＦの外側を通過する間に加湿され、ハウジング６２ａに設けられた低湿潤ガス排出孔Ｕoutから外部に排出される。
【００３９】
また、第1実施形態の燃料電池の加湿システムは、燃料電池６０からガス分配室６３を経由して中空糸膜モジュール６２に高湿潤ガスを導くときに、配管６１とガス分配室６３及び中空糸膜モジュール６２の高湿潤ガス導入口６２ｄinとの位置関係が、水平方向に一直線に並ぶのではなく９０度に２回屈折して垂直方向に（すなわち、中空糸膜ＨＦの束の厚み方向に）離隔した配置となっている。
このように構成したので、従来は、燃料電池から中空糸膜モジュールまでのガス導入路を水平方向に一直線に並べた場合には、燃料電池から排出された高湿潤ガスが、狭い通路の配管を通るため配管自身が絞り手段となり、高湿潤ガスが流速の速いガスとして噴出し、そのままの流速を維持しながら中空糸膜ＨＦの内側を流れるガスとなる。そのため部分的に貫通力が強くなり、吹き抜け等が発生し、膜全体に高湿潤ガスが行き渡らなくなるという問題があったが、本発明の構成によりそのような問題が解決される。
【００４０】
このようにして、ガス分配室６３上流の配管断面積Ｓ60＜中空糸膜ＨＦの内部通路の総合断面積Ｓ70とすることにより、燃料電池６０から排出された高湿潤ガスが急拡大流路であるガス分配室６３に導かれて減速し、水平方向に均一に中空糸膜の内部通路を流れるようになるので、部分的に貫通力が強くなって吹き抜けることもなく膜全体に高湿潤ガスが行き渡り中空糸膜式加湿器の加湿能力が向上する。
尚、第１実施形態の燃料電池の加湿システムは、燃料電池のアノードガスの加湿でもカソードガスの加湿でもどちらでも使用することができる。また、中空糸膜モジュール内のガスの流れは向流に流しても並流に流してもよい。
【００４１】
尚、本発明は発明の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で種々の可変が可能であり、本発明はこの改変された発明に及ぶことは当然である。
【００４２】
【発明の効果】
以上の構成と作用からなる本発明によれば、以下の効果を奏する。
（１）請求項１の発明によれば、内側と外側とにそれぞれ通流させる流体間で水分交換を行うことが可能な複数の中空糸膜を束ねて中空糸膜束とし、この中空糸膜束の外側に流体を通流させる流体の導入孔及び流体の送出孔を有するハウジング内に前記中空糸膜束を固定した中空糸膜式加湿器において、前記ハウジングに直接開設され、前記中空糸膜束の外側に対し、その略厚み方向に流体を導入する流体導入孔の開口部の総合面積が、前記中空糸膜束の外側から前記ハウジングの外部へ流体を送出させる流体送出孔の開口部の総合面積未満に形成したことにより、中空糸膜束への流体導入孔における厚み方向の流速を大きくし、中空糸膜式加湿器の外部へ送出させる流体送出孔での流速を小さくできるので、流体が中空糸膜の膜全体に行き渡る。その結果、加湿効率が向上する。
また、請求項２の発明によれば、内側と外側とにそれぞれ通流させる流体間で水分交換を行うことが可能な複数の中空糸膜を束ねてなる中空糸膜束と、前記中空糸膜束が内部に固定され、内部から外部へ流体を送出する流体送出孔を有するハウジングと、前記ハウジングの内部に配置され、その外周に前記中空糸膜束が配置されると共に、前記ハウジングの内部へ流体を導入する流体導入孔を有する配管と、を備え、前記配管に直接開設され、前記中空糸膜束の略厚み方向に流体を導入する流体導入孔の開口部の総合面積が、前記中空糸膜束の外側から前記ハウジングの外部へ流体を送出させる流体送出孔の開口部の総合面積未満に形成したことにより、中空糸膜束への流体導入孔における厚み方向の流速を大きくし、中空糸膜式加湿器の外部へ送出させる流体送出孔での流速を小さくできるので、流体が中空糸膜の膜全体に行き渡る。その結果、加湿効率が向上する。
（２）請求項３の発明によれば、内側と外側とにそれぞれ通流させる流体間で水分交換を行うことが可能な複数の中空糸膜を束ねてなる中空糸膜束と、前記中空糸膜束が内部に固定され、外部から内部へ流体を導入する流体導入孔と、内部から外部へ流体を送出する流体送出孔とを有するハウジングと、前記中空糸膜束からその厚み方向に所定量離間させて設けられると共に、軸方向が前記中空糸膜束の軸方向と平行に設けられ、前記中空糸膜束の各中空糸膜の内部通路へ流体を供給する流体導入通路と、該流体導入通路と前記中空糸膜束との間に介設され、流体を前記流体導入通路から前記中空糸膜束の各中空糸膜の内部通路へ導入させる流体分配室と、を備え、前記流体導入通路の最狭部の断面積が、前記中空糸膜束の各中空糸膜の内部通路の断面積を合計した総合断面積未満に形成されており、前記流体導入通路から前記流体分配室へ導入された流体は、前記流体分配室の内壁に衝突し、前記中空糸膜束の厚み方向で流れて、前記中空糸膜束の各中空糸膜の内部通路へ導入されることにより、以下の作用・効果を奏する。
（ｉ）流体導入通路を中空糸膜束からその厚み方向に所定量離間させた位置に設けたので、中空糸膜の内部通路の直前に絞り手段を設けた場合のように、内部通路に導入される流体の流速が速くなり、部分的に貫通力が強くなって吹き抜けてしまうということがない。
（ｉｉ）断面積が狭い流体導入通路から断面積が大きな流体分配室の通路に急拡大するので流速が遅くなる。流体は、中空糸膜の内部通路を通り抜けるしかないので水平方向に流れる流体の流れが支配的となる。その結果、流体が膜全体に均一にゆっくりと行き渡るので加湿効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る中空糸膜式加湿器に使用される第１実施形態の中空糸膜モジュールを示す斜視図である。
【図２】本発明に係る中空糸膜式加湿器に使用される第２実施形態の中空糸膜モジュールを示す斜視図である。
【図３】本発明に係る中空糸膜式加湿器に使用される第３実施形態の中空糸膜モジュールを示す斜視図である。
【図４】（ａ）中空糸膜モジュール入口における速度が速い場合の中空糸膜束に対する流体の侵入深さを示した図である。
（ｂ）中空糸膜モジュール入口における流体の速度が遅い場合の中空糸膜束に対する流体の侵入深さを示した図である。
【図５】（ａ）本発明に係る流体の導入路を有する中空糸膜式加湿器を燃料電池の加湿システムに適用した第1実施形態の燃料電池の加湿システムにおける高湿潤ガスの流れを示した図である。
（ｂ）図５（ａ）のＡ−Ａ′部分断面図である。
【図６】従来の中空糸膜を利用した加湿器を説明するための縦断面図である。
【図７】従来の中空糸膜を利用した他の実施形態の加湿器を説明するための縦断面図である。
【図８】従来の中空糸膜を利用した他の実施形態の加湿器内の中空糸膜の外側を流れる流体の流れを示した図である。
【図９】従来の中空糸膜の内部通路の直前に絞り手段を設けた場合の高湿潤ガスの流れを説明するための図である。
【符号の説明】
Ｓ2、Ｓ20、Ｓ40 流体導入孔の開口部の総合面積
Ｓ1、Ｓ10、Ｓ30 流体送出孔の開口部の総合面積
Ｓ60 ガス分配室上流の配管断面積
Ｓ70 中空糸膜の内部通路総合断面積
６０ 燃料電池
６１ 配管（流体導入通路）
６３ ガス分配室（流体分配室）
ＨＦ 中空糸膜
Claims (3)
- 内側と外側とにそれぞれ通流させる流体間で水分交換を行うことが可能な複数の中空糸膜を束ねて中空糸膜束とし、この中空糸膜束の外側に流体を通流させる流体の導入孔及び流体の送出孔を有するハウジング内に前記中空糸膜束を固定した中空糸膜式加湿器において、
前記ハウジングに直接開設され、前記中空糸膜束の外側に対し、その略厚み方向に流体を導入する流体導入孔の開口部の総合面積が、前記中空糸膜束の外側から前記ハウジングの外部へ流体を送出させる流体送出孔の開口部の総合面積未満に形成されたことを特徴とする中空糸膜式加湿器。 - 内側と外側とにそれぞれ通流させる流体間で水分交換を行うことが可能な複数の中空糸膜を束ねてなる中空糸膜束と、
前記中空糸膜束が内部に固定され、内部から外部へ流体を送出する流体送出孔を有するハウジングと、
前記ハウジングの内部に配置され、その外周に前記中空糸膜束が配置されると共に、前記ハウジングの内部へ流体を導入する流体導入孔を有する配管と、を備え、
前記配管に直接開設され、前記中空糸膜束の略厚み方向に流体を導入する流体導入孔の開口部の総合面積が、前記中空糸膜束の外側から前記ハウジングの外部へ流体を送出させる流体送出孔の開口部の総合面積未満に形成されたことを特徴とする中空糸膜式加湿器。 - 内側と外側とにそれぞれ通流させる流体間で水分交換を行うことが可能な複数の中空糸膜を束ねてなる中空糸膜束と、
前記中空糸膜束が内部に固定され、外部から内部へ流体を導入する流体導入孔と、内部から外部へ流体を送出する流体送出孔とを有するハウジングと、
前記中空糸膜束からその厚み方向に所定量離間させて設けられると共に、軸方向が前記中空糸膜束の軸方向と平行に設けられ、前記中空糸膜束の各中空糸膜の内部通路へ流体を供給する流体導入通路と、
該流体導入通路と前記中空糸膜束との間に介設され、流体を前記流体導入通路から前記中空糸膜束の各中空糸膜の内部通路へ導入させる流体分配室と、を備え、
前記流体導入通路の最狭部の断面積が、前記中空糸膜束の各中空糸膜の内部通路の断面積を合計した総合断面積未満に形成されており、
前記流体導入通路から前記流体分配室へ導入された流体は、前記流体分配室の内壁に衝突し、前記中空糸膜束の厚み方向で流れて、前記中空糸膜束の各中空糸膜の内部通路へ導入されることを特徴とする中空糸膜式加湿器。
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