JP4760469B2 - Humidifier and fuel cell system - Google Patents

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Description

この発明は、水透過膜を備える加湿装置、および、該加湿装置を備える燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a humidifier provided with a water permeable membrane, and a fuel cell system provided with the humidifier.

気体を加湿するための加湿器の一種として、従来、水蒸気分圧の高い側から低い側へと水蒸気を透過させる水蒸気透過膜を備えた加湿器が用いられてきた。このような加湿器を用いるシステムの一例として、燃料電池システムにおいて、燃料電池から排出された湿度の高いガスと、燃料電池に供給すべき湿度の低いガスとを、水蒸気透過膜のそれぞれの面に対して供給し、上記湿度の高いガスを用いて上記燃料電池に供給すべきガスを加湿する構成が知られている(例えば、引用文献1参照)。   As a kind of humidifier for humidifying gas, conventionally, a humidifier provided with a water vapor permeable membrane that allows water vapor to permeate from a high water vapor partial pressure side to a low side has been used. As an example of a system using such a humidifier, in a fuel cell system, a high-humidity gas discharged from the fuel cell and a low-humidity gas to be supplied to the fuel cell are placed on each surface of the water vapor permeable membrane. On the other hand, a configuration is known in which a gas to be supplied to the fuel cell is humidified using a gas with high humidity (see, for example, cited document 1).

特開2001−351660号公報JP 2001-351660 A 特開平5−3918号公報Japanese Patent Laid-Open No. 5-3918

このような水蒸気透過膜を用いた加湿の効率は、水蒸気を与える側である高湿度ガスと、水蒸気を受け取る側である低湿度ガスとの間の、水蒸気分圧差に応じたものとなる。水蒸気透過膜の一方の面に高湿度ガスを供給し、他方の面に低湿度ガスを供給すると、水蒸気透過膜上において、高湿度ガスの水蒸気分圧は次第に低下すると共に、低湿度ガスの水蒸気分圧は次第に上昇する。そのため、水蒸気透過膜においては、両面間の水蒸気分圧差が場所によって異なることになり、水蒸気透過効率(単位面積当たりの水蒸気透過量)が、面内で不均一となる。すなわち、水蒸気透過膜の両面間の水蒸気分圧差が比較的小さい場所では、水蒸気透過効率が低くなり、水蒸気透過膜全体での加湿効率の向上を妨げる要因となっていた。   The efficiency of humidification using such a water vapor permeable membrane depends on the water vapor partial pressure difference between the high humidity gas which is the side that provides water vapor and the low humidity gas that is the side that receives the water vapor. When high humidity gas is supplied to one surface of the water vapor permeable membrane and low humidity gas is supplied to the other surface, the water vapor partial pressure of the high humidity gas gradually decreases on the water vapor permeable membrane, and the water vapor of the low humidity gas The partial pressure gradually increases. Therefore, in the water vapor permeable membrane, the water vapor partial pressure difference between the two surfaces differs depending on the location, and the water vapor transmission efficiency (water vapor transmission amount per unit area) becomes non-uniform in the surface. That is, in a place where the water vapor partial pressure difference between both surfaces of the water vapor permeable membrane is relatively small, the water vapor transmission efficiency is lowered, which is a factor that hinders the improvement of the humidifying efficiency in the entire water vapor permeable membrane.

同様の問題は、水蒸気透過膜を介して液水とガスとを接触させてガスの加湿を行なう場合にも起こり得るものであり、ガス流れの下流側では、ガスの水蒸気分圧が上昇するに従って水蒸気透過が起こり難くなるため、加湿効率の向上が望まれていた。   A similar problem can occur when liquid water and gas are brought into contact with each other through a water vapor permeable membrane to humidify the gas. As the gas partial pressure of the gas increases on the downstream side of the gas flow, the same problem occurs. Since it is difficult for water vapor to permeate, improvement in humidification efficiency has been desired.

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、水蒸気透過膜における水蒸気透過効率の部分的な低下を抑え、加湿装置全体での加湿効率を向上させることを目的とする。   The present invention has been made in order to solve the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to suppress a partial decrease in water vapor transmission efficiency in the water vapor permeable membrane and improve the humidification efficiency of the entire humidifier. .

上記目的を達成するために、本発明の第1のガス加湿装置は、
内部に空間を形成する外殻容器と、
前記外殻容器内に配置される膜であって、前記外殻容器内の空間を、一方の面側に形成されて低湿度な被加湿ガスが流れる第1の空間と、他方の面側に形成されて前記被加湿ガスよりも湿度の高い高湿度ガスが流れる第2の空間と、に分けると共に、前記膜の両面間の水蒸気分圧差に応じた量の水蒸気を、水蒸気分圧の高い高湿度ガス側から水蒸気分圧の低い被加湿ガス側へと透過させる水蒸気透過膜と
を備え、
前記水蒸気透過膜は、前記第1の空間と前記第2の空間との間の水蒸気分圧差が小さくなる領域ほど、厚さが薄く形成されていることを要旨とする。
In order to achieve the above object, a first gas humidifier of the present invention comprises:
An outer shell container that forms a space inside;
A membrane disposed in the outer shell container, wherein a space in the outer shell container is formed on one surface side and a first space in which a low-humidity humidified gas flows and on the other surface side. And a second space through which a high-humidity gas having a higher humidity than the humidified gas flows, and an amount of water vapor corresponding to a difference in water vapor partial pressure between both surfaces of the film is high. and a water vapor permeable membrane that to lower the humidified gas side of the water vapor partial pressure permeability umbrella from the humidity gas side,
The gist of the water vapor permeable membrane is that the region where the water vapor partial pressure difference between the first space and the second space is smaller is formed thinner.

以上のように構成された本発明の第1のガス加湿装置によれば、第1の空間と第2の空間との間の水蒸気分圧差が小さくなる領域ほど、水蒸気透過膜の厚さが薄く形成されているため、上記水蒸気分圧差が小さくなる領域においても水蒸気透過量をより多くして、加湿装置全体としての加湿効率を向上させることができる。また、このとき、上記水蒸気分圧差が小さくなる領域では水蒸気透過膜の膜厚が比較的薄いものの、水蒸気分圧差が大きくなる領域では膜厚が比較的厚いため、水蒸気透過膜全体としての強度を確保することが可能になる。   According to the first gas humidifier of the present invention configured as described above, the thickness of the water vapor permeable membrane is smaller in the region where the water vapor partial pressure difference between the first space and the second space is smaller. Since it is formed, the water vapor transmission amount can be increased even in the region where the water vapor partial pressure difference is small, and the humidification efficiency of the entire humidifier can be improved. At this time, the thickness of the water vapor permeable membrane is relatively thin in the region where the water vapor partial pressure difference is small, but the film thickness is relatively thick in the region where the water vapor partial pressure difference is large. It becomes possible to secure.

本発明の第1のガス加湿装置において、
前記水蒸気透過膜は、前記第2の空間に供給された一定量の前記高湿度ガスが流れる領域において、前記高湿度ガスの流れの下流側に対応する領域ほど、厚さが薄く形成されていることとしても良い。
In the first gas humidifier of the present invention,
The water vapor permeable membrane has a thinner thickness in a region corresponding to a downstream side of the flow of the high-humidity gas in a region where the predetermined amount of the high-humidity gas supplied to the second space flows. It's also good.

第2の空間を一定量の高湿度ガスが流れる際には、下流側ほど高湿度ガス中の水蒸気分圧が低下し、水蒸気透過膜の両面間の水蒸気分圧差を確保し難くなる。しかしながら、このような場合であっても、水蒸気分圧差を確保し難くなる領域において水蒸気透過膜の厚さをより薄くすることで、このような領域における水蒸気透過効率を向上させることができる。   When a certain amount of high-humidity gas flows through the second space, the partial pressure of water vapor in the high-humidity gas decreases toward the downstream side, making it difficult to ensure a difference in partial pressure of water vapor between both surfaces of the water-vapor permeable membrane. However, even in such a case, it is possible to improve the water vapor transmission efficiency in such a region by reducing the thickness of the water vapor permeable membrane in a region where it is difficult to ensure the water vapor partial pressure difference.

本発明の第2のガス加湿装置は、
内部に空間を形成する外殻容器と、
前記外殻容器内に配置される膜であって、前記外殻容器内の空間を、一方の面側に形成されて低湿度な被加湿ガスが流れる第1の空間と、他方の面側に形成されて前記被加湿ガスよりも湿度の高い高湿度ガスが流れる第2の空間と、に分けると共に、前記膜の両面間の水蒸気分圧差に応じた量の水蒸気を、水蒸気分圧の高い高湿度ガス側から水蒸気分圧の低い被加湿ガス側へと透過させ、多数の微細孔を有する水蒸気透過膜と
を備え、
前記水蒸気透過膜は、前記第1の空間と前記第2の空間との間の水蒸気分圧差が小さくなる領域ほど、より高い開孔比を有するか細孔径のより大きな微細孔を有するかの少なくともいずれかであることとしても良い。
The second gas humidifier of the present invention is
An outer shell container that forms a space inside;
A membrane disposed in the outer shell container, wherein a space in the outer shell container is formed on one surface side and a first space in which a low-humidity humidified gas flows and on the other surface side. And a second space through which a high-humidity gas having a higher humidity than the humidified gas flows, and an amount of water vapor corresponding to a difference in water vapor partial pressure between both surfaces of the film is high. It was from the humidity gas side to the low water vapor partial pressure the humidified gas side magnetic bulk, and a vapor permeable membrane having a number of micropores,
The water vapor permeable membrane has at least either a higher pore ratio or a fine pore having a larger pore diameter in a region where the difference in water vapor partial pressure between the first space and the second space is smaller. It may be either.

以上のように構成された本発明の第2のガス加湿装置によれば、第1の空間と第2の空間との間の水蒸気分圧差が小さくなる領域ほど、多数の微細孔を有する水蒸気透過膜において、より高い開孔比を有するか細孔径のより大きな微細孔を有するかの少なくともいずれかとなっているため、上記水蒸気分圧差が小さくなる領域においても水蒸気透過量をより多くして、加湿装置全体としての加湿効率を向上させることができる。また、このとき、水蒸気透過膜における開孔比が比較的高いか、あるいは水蒸気透過膜が有する微細孔の細孔径が比較的大きくなっている領域が、水蒸気分圧差が小さくなる領域に限られるため、水蒸気透過膜全体としての強度を確保することが可能になる。   According to the second gas humidifier of the present invention configured as described above, the water vapor permeation having a larger number of micropores as the water vapor partial pressure difference between the first space and the second space becomes smaller. Since the membrane has at least one of a higher pore ratio and fine pores with a larger pore diameter, the moisture vapor permeation amount is increased even in the region where the water vapor partial pressure difference is small, and humidification is performed. The humidification efficiency of the entire apparatus can be improved. In addition, at this time, the region where the pore ratio in the water vapor permeable membrane is relatively high or the pore diameter of the fine pores of the water vapor permeable membrane is relatively large is limited to the region where the water vapor partial pressure difference is small. It is possible to ensure the strength of the water vapor permeable membrane as a whole.

本発明の第2のガス加湿装置において、
前記水蒸気透過膜は、前記第2の空間に供給された一定量の前記高湿度ガスが流れる領域において、前記高湿度ガスの流れの下流側に対応する領域ほど、より高い開孔比を有するか細孔径のより大きな微細孔を有するかの少なくともいずれかであることとしても良い。
In the second gas humidifier of the present invention,
Does the water vapor permeable membrane have a higher aperture ratio in a region corresponding to the downstream side of the flow of the high humidity gas in a region where the constant amount of the high humidity gas supplied to the second space flows? It may be at least one of fine pores having a larger pore diameter.

第2の空間を一定量の高湿度ガスが流れる際には、下流側ほど高湿度ガス中の水蒸気分圧が低下し、水蒸気透過膜の両面間の水蒸気分圧差を確保し難くなる。しかしながら、このような場合であっても、水蒸気分圧差を確保し難くなる領域の水蒸気透過膜において、より高い開孔比を有するか細孔径のより大きな微細孔を有するかの少なくともいずれかとなっていることにより、このような領域における水蒸気透過効率を向上させることができる。   When a certain amount of high-humidity gas flows through the second space, the partial pressure of water vapor in the high-humidity gas decreases toward the downstream side, making it difficult to ensure a difference in partial pressure of water vapor between both surfaces of the water-vapor permeable membrane. However, even in such a case, in the water vapor permeable membrane in a region where it is difficult to ensure a water vapor partial pressure difference, the water vapor permeable membrane has at least one of a higher pore ratio and a fine pore having a larger pore diameter. As a result, the water vapor transmission efficiency in such a region can be improved.

本発明の第1または第2のガス加湿装置において、
前記第2の空間では、前記外殻容器に形成された単一のガス供給口から、前記外殻容器に形成された単一のガス排出口へと、一定方向に前記高湿度ガスが流れることとしても良い。
In the first or second gas humidifier of the present invention,
In the second space, the high humidity gas flows in a certain direction from a single gas supply port formed in the outer shell container to a single gas discharge port formed in the outer shell container. It is also good.

このような場合には、本発明の第1のガス加湿装置では、ガス排出口の近傍ほど、水蒸気透過膜の厚さを薄く形成すればよい。また、本発明の第2のガス加湿装置では、ガス排出口の近傍ほど、水蒸気透過膜における開孔比をより高くするか、水蒸気透過膜における微細孔の細孔径をより大きくするかの少なくともいずれかとすればよい。   In such a case, in the first gas humidifier of the present invention, the thickness of the water vapor permeable membrane may be reduced as it is closer to the gas outlet. Further, in the second gas humidifier of the present invention, at the vicinity of the gas discharge port, at least one of the pore ratio in the water vapor permeable membrane is increased and the pore diameter of the micropores in the water vapor permeable membrane is increased. Just do it.

本発明の第1または第2のガス加湿装置において、
前記第1の空間における前記被加湿ガスの流れの向きと、前記第2の空間における前記高湿度ガスの流れの向きとは、対向する向きであることとしても良い。
In the first or second gas humidifier of the present invention,
The direction of the flow of the humidified gas in the first space and the direction of the flow of the high-humidity gas in the second space may be opposed to each other.

このような構成とすれば、水蒸気透過膜のより広い範囲で、高湿度ガス側と低湿度ガス側との間の水蒸気分圧差を確保することができるため、加湿効率を向上させることができる。   With such a configuration, the water vapor partial pressure difference between the high-humidity gas side and the low-humidity gas side can be ensured in a wider range of the water-vapor permeable membrane, so that the humidification efficiency can be improved.

本発明の第3のガス加湿装置は、
内部に空間を形成する外殻容器と、
前記外殻容器内に配置され、前記外殻容器内の空間を、一方の面側に形成されて飽和蒸気圧よりも水蒸気分圧が低い被加湿ガスが導入されて流れる第1の空間と、他方の面側に形成されて加湿用液水が流れる第2の空間と、に分ける膜であって、該膜を間に介して一方の面上にガスが存在し、他方の面上に液水が存在する場合に、前記一方の面上の水蒸気分圧が低いほど多くの水蒸気を、前記液水側から前記ガス側へと透過させる水蒸気透過膜と
を備え、
前記水蒸気透過膜は、前記第1の空間側の水蒸気分圧が高領域ほど、厚さが薄く形成されていることを要旨とする。
The third gas humidifier of the present invention is
An outer shell container that forms a space inside;
A first space which is disposed in the outer shell container, and the space in the outer shell container is formed on one surface side, and a humidified gas having a water vapor partial pressure lower than a saturated vapor pressure is introduced and flows through the first space; And a second space formed on the other surface side through which the humidifying liquid water flows , wherein gas is present on one surface with the film interposed therebetween, and on the other surface A water vapor permeable membrane that permeates more water vapor from the liquid water side to the gas side as the water vapor partial pressure on the one surface is lower when liquid water is present ,
Wherein the water vapor permeable membrane as the first space side regions water vapor partial pressure is not high, and is summarized in that the thickness is thinner.

以上のように構成された本発明の第3のガス加湿装置によれば、第1の空間における水蒸気分圧が高く、第1の空間と第2の空間との間の水蒸気分圧差が確保し難くなる領域ほど、水蒸気透過膜の厚さが薄く形成されている。したがって、上記水蒸気分圧が高くなる領域においても水蒸気透過量をより多くして、加湿装置全体としての加湿効率を向上させることができる。また、このとき、上記水蒸気分圧が高くなる領域では水蒸気透過膜の膜厚が比較的薄いものの、水蒸気分圧が低くなる領域では膜厚が比較的厚いため、水蒸気透過膜全体としての強度を確保することが可能になる。   According to the third gas humidifier of the present invention configured as described above, the water vapor partial pressure in the first space is high, and the water vapor partial pressure difference between the first space and the second space is ensured. The more difficult the region, the thinner the water vapor permeable membrane. Therefore, even in the region where the water vapor partial pressure becomes high, the amount of water vapor permeated can be increased to improve the humidification efficiency of the entire humidifier. At this time, the thickness of the water vapor permeable membrane is relatively thin in the region where the water vapor partial pressure is high, but the film thickness is relatively thick in the region where the water vapor partial pressure is low. It becomes possible to secure.

本発明の第3のガス加湿装置において、前記加湿用流体は、液水であることとしても良い。このような構成とすれば、第2の空間側は、水蒸気分圧が飽和蒸気圧に維持される状態と同様であるため、第1の空間における水蒸気分圧が高くなる領域ほど水蒸気分圧差は小さくなる。従って、このような領域ほど水蒸気透過膜の膜厚を薄くすることで、加湿装置全体の加湿効率を向上させることができる。   In the third gas humidifier of the present invention, the humidifying fluid may be liquid water. With such a configuration, the second space side is the same as the state in which the water vapor partial pressure is maintained at the saturated vapor pressure. Therefore, the water vapor partial pressure difference is higher in the region where the water vapor partial pressure in the first space is higher. Get smaller. Therefore, the humidification efficiency of the entire humidifier can be improved by reducing the thickness of the water vapor permeable membrane in such a region.

本発明の第3のガス加湿装置において、
前記第1の空間では、前記外殻容器に形成されたガス供給口から、前記外殻容器に形成されたガス排出口へと、一定方向に前記被加湿ガスが流れ、
前記水蒸気透過膜は、前記ガス排出口に近い領域ほど、厚さが薄く形成されていることとしても良い。
In the third gas humidifier of the present invention,
In the first space, the humidified gas flows in a certain direction from a gas supply port formed in the outer shell container to a gas discharge port formed in the outer shell container,
The water vapor permeable membrane may be formed so as to be thinner in a region closer to the gas discharge port.

このような構成とすれば、第1の空間では、ガス排出口に近い領域ほど水蒸気分圧が高くなる。したがって、水蒸気透過膜において、ガス排出口に近い領域ほど厚さを薄くすることで、第1の空間における水蒸気分圧が高くなる領域での水蒸気透過効率を向上させることができる。   With such a configuration, in the first space, the water vapor partial pressure is higher in a region closer to the gas discharge port. Therefore, in the water vapor permeable membrane, the water vapor transmission efficiency in the region where the water vapor partial pressure in the first space is increased can be improved by reducing the thickness in the region closer to the gas discharge port.

本発明の第4のガス加湿装置は、
内部に空間を形成する外殻容器と、
前記外殻容器内に配置され、前記外殻容器内の空間を、一方の面側に形成されて飽和蒸気圧よりも水蒸気分圧が低い被加湿ガスが導入されて流れる第1の空間と、他方の面側に形成されて加湿用流体が流れる第2の空間と、に分ける膜であって、該膜を間に介して一方の面上にガスが存在し、他方の面上に液水が存在する場合に、前記一方の面上の水蒸気分圧が低いほど多くの水蒸気を、前記液水側から前記ガス側へと透過させ、多数の微細孔を有する水蒸気透過膜と
を備え、
前記水蒸気透過膜は、前記第1の空間側の水蒸気分圧が高領域ほど、より高い開孔比を有するか細孔径のより大きな微細孔を有するかの少なくともいずれかであることを要旨とする。
The fourth gas humidifier of the present invention is
An outer shell container that forms a space inside;
A first space which is disposed in the outer shell container, and the space in the outer shell container is formed on one surface side, and a humidified gas having a water vapor partial pressure lower than a saturated vapor pressure is introduced and flows through the first space; And a second space formed on the other surface side through which the humidifying fluid flows , wherein gas is present on one surface and the liquid is formed on the other surface through the film. When water is present, the lower the water vapor partial pressure on the one surface is, the more water vapor is allowed to permeate from the liquid water side to the gas side, and a water vapor permeable membrane having a large number of micropores is provided.
Wherein the water vapor permeable membrane, and summarized in that the higher the first area the partial pressure of water vapor space side is not high, is whether the at least one having larger micropores of pore diameter or has a higher aperture ratio To do.

以上のように構成された本発明の第4のガス加湿装置によれば、第1の空間における水蒸気分圧が高く、第1の空間と第2の空間との間の水蒸気分圧差が確保し難くなる領域ほど、多数の微細孔を有する水蒸気透過膜において、より高い開孔比を有するか細孔径のより大きな微細孔を有するかの少なくともいずれかとなっている。したがって、上記水蒸気分圧が高くなる領域においても水蒸気透過量をより多くして、加湿装置全体としての加湿効率を向上させることができる。また、このとき、水蒸気透過膜における開孔比が比較的高いか、あるいは水蒸気透過膜が有する微細孔の細孔径が比較的大きくなっている領域が、第1の空間における水蒸気分圧が高くなる領域に限られるため、水蒸気透過膜全体としての強度を確保することが可能になる。   According to the fourth gas humidifier of the present invention configured as described above, the water vapor partial pressure in the first space is high, and the water vapor partial pressure difference between the first space and the second space is ensured. In the water vapor permeable membrane having a large number of micropores, the region that becomes difficult is at least one of a higher pore ratio and a micropore having a larger pore diameter. Therefore, even in the region where the water vapor partial pressure becomes high, the amount of water vapor permeated can be increased to improve the humidification efficiency of the entire humidifier. Further, at this time, the partial pressure of water vapor in the first space is high in the region where the pore ratio in the water vapor permeable membrane is relatively high or the pore diameter of the micropores of the water vapor permeable membrane is relatively large. Since it is limited to the region, it is possible to ensure the strength of the entire water vapor permeable membrane.

本発明の第4のガス加湿装置において、前記加湿用流体は、液水であることとしても良い。このような構成とすれば、第2の空間側は、水蒸気分圧が飽和蒸気圧に維持される状態と同様であるため、第1の空間における水蒸気分圧が高くなる領域ほど水蒸気分圧差は小さくなる。従って、このような領域ほど水蒸気透過膜の開孔比をより高くするか細孔径をより大きくすることで、加湿装置全体の加湿効率を向上させることができる。   In the fourth gas humidifier of the present invention, the humidifying fluid may be liquid water. With such a configuration, the second space side is the same as the state in which the water vapor partial pressure is maintained at the saturated vapor pressure. Therefore, the water vapor partial pressure difference is higher in the region where the water vapor partial pressure in the first space is higher. Get smaller. Therefore, the humidification efficiency of the entire humidifier can be improved by increasing the aperture ratio of the water vapor permeable membrane or increasing the pore diameter in such a region.

本発明の第4のガス加湿装置において、
前記第1の空間では、前記外殻容器に形成されたガス供給口から、前記外殻容器に形成されたガス排出口へと、一定方向に前記被加湿ガスが流れ、
前記水蒸気透過膜は、前記ガス排出口に近い領域ほど、より高い開孔比を有するか細孔径のより大きな微細孔を有するかの少なくともいずれかであることとしても良い。
In the fourth gas humidifier of the present invention,
In the first space, the humidified gas flows in a certain direction from a gas supply port formed in the outer shell container to a gas discharge port formed in the outer shell container,
The water vapor permeable membrane may have at least one of a higher opening ratio and a fine pore having a larger pore diameter in a region closer to the gas discharge port.

このような構成とすれば、第1の空間では、ガス排出口に近い領域ほど水蒸気分圧が高くなる。したがって、水蒸気透過膜において、ガス排出口に近い領域ほど、より高い開孔比を有するか細孔径のより大きな微細孔を有するかの少なくともいずれかとなっていることにより、第1の空間における水蒸気分圧が高くなる領域での水蒸気透過効率を向上させることができる。   With such a configuration, in the first space, the water vapor partial pressure is higher in a region closer to the gas discharge port. Therefore, in the water vapor permeable membrane, the region closer to the gas discharge port has at least one of a higher opening ratio and a fine pore having a larger pore diameter, so that the water vapor content in the first space is increased. It is possible to improve water vapor transmission efficiency in a region where the pressure becomes high.

本発明の第1の燃料電池システムは、
請求項1ないし10いずれか記載のガス加湿装置と、
固体高分子電解質型燃料電池と
を備え、
前記被加湿ガスとして、前記燃料電池における電気化学反応に供するための反応ガスを用いることとを要旨とする。
The first fuel cell system of the present invention comprises:
A gas humidifier according to any one of claims 1 to 10 ,
A solid polymer electrolyte fuel cell,
The gist is to use, as the humidified gas, a reaction gas for use in an electrochemical reaction in the fuel cell.

以上のように構成された本発明の第1の燃料電池システムによれば、電気化学反応に供するための反応ガスを加湿するために、本発明の加湿装置を用いているため、燃料電池システムを構成する加湿装置の耐久性を向上させることができる。   According to the first fuel cell system of the present invention configured as described above, the humidifier of the present invention is used to humidify the reaction gas for use in the electrochemical reaction. The durability of the humidifying device to be configured can be improved.

本発明の第2の燃料電池システムは、
請求項1ないし6いずれか記載のガス加湿装置と、
固体高分子電解質型燃料電池と
を備え、
前記被加湿ガスとして、前記燃料電池における電気化学反応に供するための反応ガスを用い、
前記高湿度ガスとして、前記燃料電池における電気化学反応に供された後に排出された排出ガスを用いることを要旨とする。
The second fuel cell system of the present invention comprises:
A gas humidifier according to any one of claims 1 to 6,
A solid polymer electrolyte fuel cell,
As the humidified gas, a reaction gas for use in an electrochemical reaction in the fuel cell is used,
The gist is that exhaust gas discharged after being subjected to an electrochemical reaction in the fuel cell is used as the high-humidity gas.

以上のように構成された本発明の第2の燃料電池システムによれば、電気化学反応に供するための反応ガスを加湿するために、本発明の加湿装置を用いているため、燃料電池システムを構成する加湿装置の耐久性を向上させることができる。このとき、電気化学反応で生じた生成水を含有する排出ガスを用いて反応ガスを加湿するため、加湿のための流体を別途用意する必要がなく、装置構成を簡素化することができる。   According to the second fuel cell system of the present invention configured as described above, the humidifier of the present invention is used to humidify the reaction gas for use in the electrochemical reaction. The durability of the humidifying device to be configured can be improved. At this time, since the reaction gas is humidified using the exhaust gas containing the generated water generated by the electrochemical reaction, it is not necessary to separately prepare a fluid for humidification, and the apparatus configuration can be simplified.

本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、ガスの加湿方法などの形態で実現することが可能である。   The present invention can be realized in various forms other than the above, and can be realized in the form of a gas humidification method, for example.

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
A.第1実施例の装置の全体構成:
B.加湿装置の構成:
C.第2実施例:
D.第1実施例及び第2実施例の変形例:
E.第3実施例:
F.変形例:
Next, embodiments of the present invention will be described in the following order based on examples.
A. Overall configuration of the apparatus of the first embodiment:
B. Humidifier configuration:
C. Second embodiment:
D. Variations of the first and second embodiments:
E. Third embodiment:
F. Variations:

A.第1実施例の装置の全体構成:
図1は、本発明の第1実施例における燃料電池システム10の概略構成を表わすブロック図である。燃料電池システム10は、発電の本体である燃料電池22と、燃料電池22に供給する水素を貯蔵する水素タンク23と、燃料電池22に圧縮空気を供給するためのエアコンプレッサ24と、を備えている。ここで、水素タンク23は、水素供給路60によって燃料電池22のアノードと接続されており、水素タンク23に貯蔵される水素が、燃料ガスとして燃料電池22のアノードに供給される。また、エアコンプレッサ24は、酸化ガス供給路67によって燃料電池22のカソードに接続されており、エアコンプレッサ24によって取り込まれた空気が、酸化ガスとして燃料電池22のカソードに供給される。また、燃料電池22は、固体高分子型燃料電池であり、電解質層として、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子電解質膜を備えている。この燃料電池22は、複数の単セルを積層したスタック構造を有している。以下に、燃料電池システム10を構成する各部および燃料電池システム10におけるガスの流れについて、さらに説明する。
A. Overall configuration of the apparatus of the first embodiment:
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system 10 according to a first embodiment of the present invention. The fuel cell system 10 includes a fuel cell 22 that is a main body of power generation, a hydrogen tank 23 that stores hydrogen to be supplied to the fuel cell 22, and an air compressor 24 for supplying compressed air to the fuel cell 22. Yes. Here, the hydrogen tank 23 is connected to the anode of the fuel cell 22 by the hydrogen supply path 60, and hydrogen stored in the hydrogen tank 23 is supplied to the anode of the fuel cell 22 as fuel gas. The air compressor 24 is connected to the cathode of the fuel cell 22 by an oxidizing gas supply path 67, and the air taken in by the air compressor 24 is supplied as an oxidizing gas to the cathode of the fuel cell 22. The fuel cell 22 is a solid polymer type fuel cell, and includes a solid polymer electrolyte membrane showing good proton conductivity in a wet state as an electrolyte layer. The fuel cell 22 has a stack structure in which a plurality of single cells are stacked. Below, the flow of the gas in each part which comprises the fuel cell system 10, and the fuel cell system 10 is further demonstrated.

水素タンク23は、例えば、高圧水素を貯蔵する水素ボンベである。あるいは、水素吸蔵合金を内部に備え、水素吸蔵合金に吸蔵させることによって水素を貯蔵するタンクとしても良い。水素タンク23に貯蔵された水素ガスは、水素タンク23に接続された水素供給路60に放出された後、圧力調整弁62によって所定の圧力に調整(減圧)されて、燃料ガスとして燃料電池22を構成する各単セルのアノードに供給される。   The hydrogen tank 23 is, for example, a hydrogen cylinder that stores high-pressure hydrogen. Or it is good also as a tank which stores hydrogen by providing a hydrogen storage alloy inside and making it store in a hydrogen storage alloy. The hydrogen gas stored in the hydrogen tank 23 is discharged to the hydrogen supply path 60 connected to the hydrogen tank 23, and then adjusted (depressurized) to a predetermined pressure by the pressure adjusting valve 62, so that the fuel cell 22 serves as a fuel gas. Is supplied to the anode of each single cell.

燃料電池22のアノードから排出されるアノード排ガスは、アノード排ガス路63に導かれて再び水素供給路60に流入する。このように、アノード排ガス中の残余の水素は、水素供給路60の一部とアノード排ガス路63と燃料電池22内の流路とから成る流路(以下、循環流路と呼ぶ)内を循環して再度電気化学反応に供される。負荷要求に応じた電気化学反応が進行可能となるように、循環流路内の圧力は圧力調整弁62によって調節され、電気化学反応の進行に伴って、圧力調整弁62を介して水素タンク23から循環流路へと水素が補充される。循環流路内でアノード排ガスを循環させるために、アノード排ガス路63には水素ポンプ65が設けられている。   The anode exhaust gas discharged from the anode of the fuel cell 22 is guided to the anode exhaust gas path 63 and flows into the hydrogen supply path 60 again. Thus, the remaining hydrogen in the anode exhaust gas circulates in a flow path (hereinafter referred to as a circulation flow path) composed of a part of the hydrogen supply path 60, the anode exhaust gas path 63, and the flow path in the fuel cell 22. Then, it is again subjected to an electrochemical reaction. The pressure in the circulation channel is adjusted by the pressure regulating valve 62 so that the electrochemical reaction according to the load request can proceed, and the hydrogen tank 23 is passed through the pressure regulating valve 62 as the electrochemical reaction proceeds. To the circulation channel. In order to circulate the anode exhaust gas in the circulation channel, a hydrogen pump 65 is provided in the anode exhaust gas channel 63.

また、アノード排ガス路63には、気液分離器27が設けられている。電気化学反応の進行に伴ってカソードでは水が生じるが、生じた水は、燃料電池22の電解質膜を介して、アノード側に供給される燃料ガス内にも導入される。また、アノード側を流れるガスにおいては、電解質膜を介して、カソード側から窒素などの不純物も導入される。気液分離器27では、アノード排ガス中に含まれる水蒸気が凝縮されると共に、気液分離器27に設けられたバルブ27aを開状態とすることで、上記凝縮された水および不純物を含むアノード排ガスの一部が、外部に排出される。   The anode exhaust gas path 63 is provided with a gas-liquid separator 27. As the electrochemical reaction proceeds, water is generated at the cathode, and the generated water is also introduced into the fuel gas supplied to the anode side through the electrolyte membrane of the fuel cell 22. Further, in the gas flowing on the anode side, impurities such as nitrogen are also introduced from the cathode side through the electrolyte membrane. In the gas-liquid separator 27, the water vapor contained in the anode exhaust gas is condensed, and the valve 27 a provided in the gas-liquid separator 27 is opened to thereby open the anode exhaust gas containing the condensed water and impurities. A part of it is discharged to the outside.

エアコンプレッサ24は、加圧した空気を酸化ガスとして酸化ガス供給路67を介して燃料電池22のカソードに供給する。カソードから排出されるカソード排ガスは、カソード排ガス路68に導かれて外部に排出される。ここで、本実施例では、酸化ガス供給路67およびカソード排ガス路68は、加湿装置25を経由している。加湿装置25では、水蒸気透過性の膜によって酸化ガス供給路67とカソード排ガス路68とが隔てられており、水蒸気を含有するカソード排ガスを用いて、カソードに供給する加圧空気の加湿を行なっている。このように、燃料電池22への供給に先立って酸化ガスを加湿することで、本実施例の燃料電池22では、電解質層である固体高分子電解質膜の湿潤状態を確保している。加湿装置25の構成については、後に詳しく説明する。   The air compressor 24 supplies pressurized air as an oxidizing gas to the cathode of the fuel cell 22 via the oxidizing gas supply path 67. The cathode exhaust gas discharged from the cathode is guided to the cathode exhaust gas path 68 and discharged to the outside. Here, in this embodiment, the oxidizing gas supply path 67 and the cathode exhaust gas path 68 are routed through the humidifier 25. In the humidifier 25, the oxidizing gas supply path 67 and the cathode exhaust gas path 68 are separated from each other by a water vapor permeable film, and the pressurized air supplied to the cathode is humidified using the cathode exhaust gas containing water vapor. Yes. In this way, by humidifying the oxidizing gas prior to supply to the fuel cell 22, the fuel cell 22 of this embodiment ensures a wet state of the solid polymer electrolyte membrane that is the electrolyte layer. The configuration of the humidifier 25 will be described in detail later.

さらに、燃料電池システム10は、燃料電池システム10の各部の動きを制御する図示しない制御部を備えている。この制御部は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、CPU、ROM、RAMおよび入出力ポート等を備える。そして、燃料電池システム10が備える各種センサの検出信号や、燃料電池22に対する負荷要求に関する情報などを取得すると共に、圧力調整弁62、エアコンプレッサ24、水素ポンプ65、あるいはバルブ27aのような燃料電池22の発電に関わる各部に駆動信号を出力する。   Furthermore, the fuel cell system 10 includes a control unit (not shown) that controls the movement of each unit of the fuel cell system 10. The control unit is configured as a logic circuit centered on a microcomputer, and includes a CPU, a ROM, a RAM, an input / output port, and the like. Then, detection signals of various sensors provided in the fuel cell system 10 and information on load requirements for the fuel cell 22 are acquired, and a fuel cell such as the pressure regulating valve 62, the air compressor 24, the hydrogen pump 65, or the valve 27a. A drive signal is output to each part related to power generation 22.

B.加湿装置の構成:
図2は、加湿装置25の概略構成を表わす説明図である。加湿装置25は、内部に空間を形成する外殻容器28と、外殻容器28内に配置されて、外殻容器28内の空間を2つの空間に分けると共に、水蒸気を一方の面側から他方の面側へと透過させる水蒸気透過膜30と、を備えている。ここで、水蒸気透過膜30の一方の面側に形成される空間は、湿度がより高い高湿度ガスが流れる高湿度ガス流路32となり、水蒸気透過膜30の他方の面側に形成される空間は、湿度がより低い低湿度ガスであって、加湿すべき被加湿ガスが流れる被加湿ガス流路34となる。
B. Humidifier configuration:
FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating a schematic configuration of the humidifying device 25. The humidifier 25 is disposed in the outer shell container 28 that forms a space therein, and in the outer shell container 28, and divides the space in the outer shell container 28 into two spaces, and the water vapor from one surface side to the other. And a water vapor permeable membrane 30 that is permeable to the surface side. Here, the space formed on one surface side of the water vapor permeable membrane 30 is a high humidity gas flow path 32 through which high humidity gas with higher humidity flows, and the space formed on the other surface side of the water vapor permeable membrane 30. Is a humidified gas flow path 34 through which a humidified gas to be humidified is a low-humidity gas having a lower humidity.

水蒸気透過膜30の一方の面側の高湿度ガス流路32を形成する外殻容器壁面には、ガス供給口36およびガス排出口37が形成されている。ガス供給口36からガスが供給されることにより、このガスは、高湿度ガス流路32内をガス排出口37に向かって一定の方向に流れる。既述したように、加湿装置25は、カソード排ガス路68の途中に接続されているため、燃料電池22から排出されたカソード排ガスは、高湿度ガスとして、ガス供給口36を介して高湿度ガス流路32内に流入する。そして、ガス排出口37を介して高湿度ガス流路32から排出される。   A gas supply port 36 and a gas discharge port 37 are formed on the wall surface of the outer shell container forming the high-humidity gas flow path 32 on one surface side of the water vapor permeable membrane 30. When the gas is supplied from the gas supply port 36, the gas flows in the constant direction toward the gas discharge port 37 in the high humidity gas flow path 32. As described above, since the humidifier 25 is connected in the middle of the cathode exhaust gas path 68, the cathode exhaust gas discharged from the fuel cell 22 becomes a high humidity gas via the gas supply port 36 as a high humidity gas. It flows into the flow path 32. Then, the gas is discharged from the high humidity gas flow path 32 through the gas discharge port 37.

また、水蒸気透過膜30の他方の面側の被加湿ガス流路34を形成する外殻容器壁面には、ガス供給口39およびガス排出口38が形成されている。ガス供給口39からガスが供給されることにより、このガスは、被加湿ガス流路34内をガス排出口38に向かって一定の方向に流れる。既述したように、加湿装置25は、酸化ガス供給路67の途中に接続されているため、エアコンプレッサ24によって取り込まれた空気は、被加湿ガスとして、ガス供給口39を介して被加湿ガス流路34内に流入する。そして、ガス排出口38を介して被加湿ガス流路34から排出されて、燃料電池22へと供給される。   Further, a gas supply port 39 and a gas discharge port 38 are formed on the wall surface of the outer shell container that forms the humidified gas channel 34 on the other surface side of the water vapor permeable membrane 30. When the gas is supplied from the gas supply port 39, the gas flows in the humidified gas flow path 34 toward the gas discharge port 38 in a certain direction. As described above, since the humidifier 25 is connected in the middle of the oxidizing gas supply path 67, the air taken in by the air compressor 24 is the humidified gas via the gas supply port 39 as the humidified gas. It flows into the flow path 34. Then, the gas is discharged from the humidified gas passage 34 via the gas discharge port 38 and supplied to the fuel cell 22.

ここで、本実施例の加湿装置25では、被加湿ガス流路34側のガス供給口39は、高湿度ガス流路32側のガス排出口37の近傍に設けられており、被加湿ガス流路34側のガス排出口38は、高湿度ガス流路32側のガス供給口36の近傍に設けられている。したがって、高湿度ガス流路32と被加湿ガス流路34とでは、ガスの流れの向きが対向流となる。このように、高湿度ガスの流れと被加湿ガスの流れとを対向流とすることによって、水蒸気透過膜において、膜の両面間の水蒸気分圧差が水蒸気透過可能な程度に確保される領域を、より広くすることができる。   Here, in the humidifier 25 of the present embodiment, the gas supply port 39 on the humidified gas channel 34 side is provided in the vicinity of the gas outlet 37 on the high humidity gas channel 32 side, and the humidified gas flow The gas discharge port 38 on the side of the passage 34 is provided in the vicinity of the gas supply port 36 on the side of the high humidity gas flow channel 32. Therefore, in the high-humidity gas channel 32 and the humidified gas channel 34, the direction of the gas flow is a counter flow. Thus, by making the flow of the high humidity gas and the flow of the humidified gas counter flow, in the water vapor permeable membrane, a region in which the water vapor partial pressure difference between both surfaces of the membrane is ensured to be water vapor permeable, Can be wider.

水蒸気透過膜30は、両面の間で、水蒸気分圧差に従って、水蒸気分圧が高い側から低い側へと水蒸気を透過させる性質を有する膜である。本実施例の水蒸気透過膜30は、高い吸湿性を有する均質膜によって構成されている。この均質膜は、1nm以上の微細孔を有しない実質的に緻密な膜であり、水分子を内部に保持すると共に水分子を透過させることができるが、酸素や窒素などの他の気体は実質的に透過させない性質を有している。具体的には、均質膜は、例えば、水蒸気を吸収して湿潤状態で高いプロトン伝導性を示すフッ素系あるいは炭化水素系の固体高分子電解質や、吸湿性を有するポリエチレンオキサイド、ポリビニルアルコール、セルロースエーテル、デンプン等の非電解質高分子によって構成することができる。ここで、高湿度ガス流路32および被加湿ガス流路34のそれぞれに所定のガスを流すと、水蒸気透過膜30は高湿度ガス中の水蒸気を吸収して吸湿状態になると共に、水蒸気透過膜30の両面間では水蒸気分圧差が生じ、高湿度ガス流路側から被加湿ガス流路側へと水蒸気が透過する。   The water vapor permeable film 30 is a film having a property of allowing water vapor to permeate from the side having a high water vapor partial pressure to the side having a low water vapor partial pressure between both surfaces according to the water vapor partial pressure difference. The water vapor permeable membrane 30 of the present embodiment is configured by a homogeneous membrane having high hygroscopicity. This homogeneous film is a substantially dense film having no fine pores of 1 nm or more and can retain water molecules and allow water molecules to permeate, but other gases such as oxygen and nitrogen are substantially It has the property of not transmitting light. Specifically, the homogeneous membrane is, for example, a fluorine-based or hydrocarbon-based solid polymer electrolyte that absorbs water vapor and exhibits high proton conductivity in a wet state, polyethylene oxide having a hygroscopic property, polyvinyl alcohol, cellulose ether. And non-electrolytic polymers such as starch. Here, when a predetermined gas is passed through each of the high-humidity gas channel 32 and the humidified gas channel 34, the water-vapor permeable membrane 30 absorbs water vapor in the high-humidity gas and enters a moisture-absorbing state. A difference in water vapor partial pressure occurs between both surfaces of the water vapor 30, and water vapor permeates from the high-humidity gas channel side to the humidified gas channel side.

特に、本実施例の加湿装置25が備える水蒸気透過膜30は、その膜厚が、面内で変化することを特徴としている。具体的には、水蒸気透過膜30は、高湿度ガス流路32におけるガス流れの上流に対応する領域ほど膜厚が厚く形成されており、ガス流れの下流側に対応する領域にかけて、膜厚が次第に薄くなるように形成されている。   In particular, the water vapor permeable membrane 30 provided in the humidifying device 25 of this embodiment is characterized in that its film thickness changes in the plane. Specifically, the water vapor permeable membrane 30 is formed so as to have a larger film thickness in a region corresponding to the upstream side of the gas flow in the high-humidity gas flow path 32, and the film thickness is increased toward a region corresponding to the downstream side of the gas flow. It is formed so as to become thinner gradually.

水蒸気透過膜30を介した高湿度ガス流路32側から被加湿ガス流路34側への水蒸気の透過は、既述したように、水蒸気分圧差に従って行なわれる。カソード排ガスが高湿度ガス流路32内に流入する際には、カソード排ガスは、電気化学反応で生じた生成水を多く含んでいるため極めて高い湿度となっており、通常は略飽和蒸気圧となっている。そして、カソード排ガスが、水蒸気透過膜30を介して、湿度がより低い空気と接することで、水蒸気透過膜30の両面間で大きな水蒸気分圧差が生じ、カソード排ガスから空気へと活発に水蒸気が透過する。このとき、被加湿ガス流路34側へと水蒸気を与えながらカソード排ガスが高湿度ガス流路32内を流れることで、カソード排ガス中の水蒸気含有量は低下する。これにより、高湿度ガス流路32では、下流側ほど、カソード排ガス中の水蒸気分圧が低くなり、被加湿ガス流路34側との間の水蒸気分圧差を充分に確保し難くなる。   As described above, the permeation of water vapor from the high-humidity gas channel 32 side to the humidified gas channel 34 side via the water vapor permeable membrane 30 is performed according to the partial pressure difference of the water vapor. When the cathode exhaust gas flows into the high-humidity gas flow path 32, the cathode exhaust gas has a very high humidity because it contains a large amount of water produced by the electrochemical reaction. It has become. Then, when the cathode exhaust gas comes into contact with air having lower humidity through the water vapor permeable membrane 30, a large water vapor partial pressure difference occurs between both surfaces of the water vapor permeable membrane 30, and water vapor is actively transmitted from the cathode exhaust gas to the air. To do. At this time, the cathode exhaust gas flows in the high-humidity gas flow channel 32 while supplying water vapor to the humidified gas flow channel 34, so that the water vapor content in the cathode exhaust gas decreases. Thereby, in the high-humidity gas channel 32, the water vapor partial pressure in the cathode exhaust gas becomes lower at the downstream side, and it becomes difficult to secure a sufficient water vapor partial pressure difference from the humidified gas channel 34 side.

ここで、水蒸気透過膜30は、水蒸気透過の駆動力となる両面間の水蒸気分圧差が大きいほど水蒸気透過量が多くなると共に、膜厚が薄いほど水蒸気透過効量が多くなるという性質を有している。したがって、高湿度ガス流路32の下流側に対応する領域ほど膜厚が薄く形成された本実施例の水蒸気透過膜30では、このような領域において水蒸気分圧差がより小さくなっても、水蒸気透過量の低下を抑えることができる。なお、均質膜である水蒸気透過膜30においては、以下の式が成り立つ。ここで、水蒸気透過係数とは、膜における水蒸気の透過し易さを表わす定数であり、膜内での水の拡散し易さを表わす拡散係数と、膜内への水の溶解し易さを表わす溶解度係数との積として表わされる。この水蒸気透過係数は、水蒸気透過膜を構成する材料によって定まる値である。   Here, the water vapor permeable membrane 30 has a property that the water vapor permeation amount increases as the water vapor partial pressure difference between the two surfaces serving as the driving force for water vapor permeation increases, and the water vapor permeation efficiency increases as the film thickness decreases. ing. Therefore, in the water vapor permeable membrane 30 of the present embodiment in which the film thickness is thinner in the region corresponding to the downstream side of the high-humidity gas flow path 32, even if the water vapor partial pressure difference becomes smaller in such a region, A decrease in the amount can be suppressed. In the water vapor permeable membrane 30 that is a homogeneous membrane, the following equation is established. Here, the water vapor permeation coefficient is a constant representing the ease of water vapor permeation through the membrane, and the diffusion coefficient representing the ease of water diffusion within the membrane and the ease of water dissolution within the membrane. Expressed as the product of the solubility coefficient expressed. This water vapor transmission coefficient is a value determined by the material constituting the water vapor permeable membrane.

水蒸気透過量(透過流束)=(水蒸気透過係数)×(水蒸気分圧差)/(膜厚)   Water vapor transmission rate (permeation flux) = (water vapor transmission coefficient) × (water vapor partial pressure difference) / (film thickness)

図2では、高湿度ガス流路32から被加湿ガス流路34へと、水蒸気透過膜30を介して水蒸気が透過する際の面全体での透過効率の分布の様子を、矢印の大きさによって概念的に表わしている。図2に示すように、高湿度ガス下流領域ほど膜厚が薄い水蒸気透過膜30を備える加湿装置25では、水蒸気分圧差が小さくなる高湿度ガス下流領域においても、水蒸気透過効率は高いレベルに保たれる。   In FIG. 2, the distribution of the transmission efficiency over the entire surface when water vapor permeates through the water vapor permeable membrane 30 from the high-humidity gas flow channel 32 to the humidified gas flow channel 34 according to the size of the arrow. It is expressed conceptually. As shown in FIG. 2, in the humidifier 25 having the water vapor permeable membrane 30 whose film thickness is smaller in the high humidity gas downstream region, the water vapor transmission efficiency is maintained at a high level even in the high humidity gas downstream region where the water vapor partial pressure difference is small. Be drunk.

これに対して、膜厚が全面で略均一に形成された水蒸気透過膜130を備える加湿装置125において、水蒸気透過膜130を介して水蒸気が透過する際の面全体での透過効率の分布の様子を、図2と同様にして図3に概念的に表わす。図3では、図2の加湿装置25と共通する部分には同じ参照番号を付して詳しい説明を省略している。水蒸気透過膜の膜厚が全面で略均一である場合には、水蒸気分圧差が小さくなる高湿度ガス下流領域ほど水蒸気透過率は低下する。ここで、高湿度ガスと被加湿ガスとを対向流とする加湿装置では、高湿度ガス下流領域は、被加湿ガス上流領域に相当する。被加湿ガスは、下流側へと流れるに従って加湿されるため、上流側ほど水蒸気分圧は低く、このように被加湿ガスの水蒸気分圧がより低いことは、高湿度ガスと被加湿ガスとの間の水蒸気分圧差を大きくするために寄与し得る。しかしながら、このような加湿装置では、水蒸気分圧の高い高湿度ガスが流入する高湿度ガス上流領域で水蒸気透過が活発に進行することにより、高湿度ガス下流領域における高湿度ガス中の水蒸気分圧が大きく低下してしまう。その結果、高湿度ガス下流領域は、被加湿ガスの水蒸気分圧が比較的低いにも関わらず、水蒸気分圧差がより小さくなって、水蒸気透過率が低下してしまう。   On the other hand, in the humidifying device 125 including the water vapor permeable film 130 having a substantially uniform film thickness on the entire surface, the state of transmission efficiency distribution over the entire surface when water vapor permeates through the water vapor permeable film 130. Is conceptually represented in FIG. 3 in the same manner as FIG. In FIG. 3, the same reference numerals are given to portions common to the humidifying device 25 of FIG. 2, and detailed description is omitted. When the film thickness of the water vapor permeable membrane is substantially uniform over the entire surface, the water vapor transmission rate decreases in the high humidity gas downstream region where the water vapor partial pressure difference becomes smaller. Here, in the humidifying apparatus in which the high-humidity gas and the humidified gas are counterflowed, the high-humidity gas downstream region corresponds to the humidified gas upstream region. Since the humidified gas is humidified as it flows downstream, the water vapor partial pressure is lower toward the upstream side. Thus, the water vapor partial pressure of the humidified gas is lower. It can contribute to increase the water vapor partial pressure difference. However, in such a humidifier, the water vapor partial pressure in the high-humidity gas in the high-humidity gas downstream region is increased by the water vapor permeation actively progressing in the high-humidity gas upstream region into which the high-humidity gas having a high water vapor partial pressure flows. Will drop significantly. As a result, in the downstream area of the high-humidity gas, the water vapor partial pressure difference is smaller and the water vapor transmission rate is lowered, although the water vapor partial pressure of the humidified gas is relatively low.

以上のように構成された本実施例の加湿装置25によれば、高湿度ガス流路32側と被加湿ガス流路34側との間の水蒸気分圧差が小さくなる高湿度ガス下流領域ほど、水蒸気透過膜30の膜厚を薄く形成しているため、高湿度ガス下流領域における水蒸気透過率をより高くして、加湿装置25全体としての加湿効率を向上させることができる。   According to the humidifying device 25 of the present embodiment configured as described above, the higher the humidity gas downstream region where the water vapor partial pressure difference between the high humidity gas channel 32 side and the humidified gas channel 34 side becomes smaller, Since the film thickness of the water vapor permeable film 30 is thin, the water vapor transmission rate in the high humidity gas downstream region can be further increased, and the humidification efficiency of the humidifier 25 as a whole can be improved.

また、このとき、高湿度ガス下流領域においては水蒸気透過膜30の膜厚をより薄く形成するものの、高湿度ガス上流領域では膜厚をより厚く形成するため、水蒸気透過膜全体としての強度の低下を抑制することができる。ここで、水蒸気透過膜全体の膜厚を薄くすることによって、加湿装置における加湿効率を向上させる方策も考えられるが、水蒸気透過膜の両面には高いガス圧が加わるため、水蒸気透過膜全体の膜厚が薄いと、水蒸気透過膜の強度を確保し難くなる可能性がある。これに対して、本実施例では、特に膜厚を薄くしなくても水蒸気透過効率を確保できる領域、すなわち大きな水蒸気分圧差が生じる高湿度ガス上流領域では、膜厚を特に薄くすることなく膜強度を確保し、下流側のみ膜厚を薄くすることにより、水蒸気透過膜の強度維持と、装置としての加湿効率の向上とを、両立させることが可能になる。   At this time, although the thickness of the water vapor permeable film 30 is made thinner in the downstream area of the high humidity gas, the film thickness is made thicker in the upstream area of the high humidity gas. Can be suppressed. Here, it is conceivable to improve the humidification efficiency in the humidifier by reducing the film thickness of the entire water vapor permeable membrane. However, since high gas pressure is applied to both surfaces of the water vapor permeable membrane, If the thickness is small, it may be difficult to ensure the strength of the water vapor permeable membrane. On the other hand, in this embodiment, in the region where the water vapor transmission efficiency can be secured without reducing the film thickness, that is, in the high humidity gas upstream region where a large water vapor partial pressure difference occurs, the film is not particularly reduced in thickness. By ensuring the strength and reducing the film thickness only on the downstream side, it is possible to achieve both the maintenance of the strength of the water vapor permeable membrane and the improvement of the humidification efficiency as an apparatus.

なお、実施例では、水蒸気透過膜30として、高分子均質膜を用いたが、異なる構成としても良い。例えば、気孔率が5〜90%となり、細孔径が0.001〜10μmである微細孔を有する多孔質膜(例えばポリエチレン等から成る高分子多孔質膜や無機多孔質膜)によって水蒸気透過膜30を構成しても良い。あるいは、上記多孔質膜から成る膜基材と、膜基材上に形成されて既述した均質膜から成る吸湿層とによって構成され、吸湿層側から膜基材側へと水蒸気を一方向に透過させる複合膜によって水蒸気透過膜30を構成しても良い。これらの膜を用いる場合にも、水蒸気透過効率は、膜両面間の水蒸気分圧差と共に膜厚の影響を受けるため、高湿度ガス流路下流側領域において膜厚をより薄く形成することで、第1実施例と同様の効果を得ることができる。なお、水蒸気透過膜30として上記複合膜を用いる場合には、多孔質膜から成る膜基材と、均質膜から成る吸湿層とのうちの、少なくともいずれかの層について、高湿度ガス下流領域において層厚をより薄く形成すればよい。   In the embodiment, a polymer homogeneous membrane is used as the water vapor permeable membrane 30, but a different configuration may be used. For example, the water vapor permeable membrane 30 is made of a porous membrane (for example, a polymer porous membrane or an inorganic porous membrane made of polyethylene or the like) having a micropore having a porosity of 5 to 90% and a pore diameter of 0.001 to 10 μm. May be configured. Alternatively, it is constituted by a membrane substrate made of the above porous membrane and a moisture absorbing layer made of the above-mentioned homogeneous membrane formed on the membrane substrate, and water vapor is unidirectionally passed from the moisture absorbing layer side to the membrane substrate side. The water vapor permeable membrane 30 may be constituted by a composite membrane that is permeated. Even when these membranes are used, since the water vapor transmission efficiency is affected by the film thickness as well as the water vapor partial pressure difference between both surfaces of the membrane, by forming the film thickness thinner in the downstream region of the high humidity gas flow path, The same effect as in the first embodiment can be obtained. When the composite membrane is used as the water vapor permeable membrane 30, at least one of the membrane base material made of a porous membrane and the moisture absorption layer made of a homogeneous membrane is provided in the high humidity gas downstream region. What is necessary is just to form a layer thickness thinner.

ここで、水蒸気透過膜の膜厚、および膜厚の変化の程度は、用いる膜の種類や水蒸気透過膜を介した両流路を流れるガス間における水蒸気分圧差や両流路を流れるガスのガス圧の変化の様子等に応じて、水蒸気透過膜に要求される強度を考慮して、水蒸気透過膜のより広い範囲で充分な水蒸気透過効率が実現可能となるように適宜設定すればよい。水蒸気透過膜の膜厚は、例えば、10〜1000μmの範囲で、高湿度ガス上流側から下流側へと次第に薄くなるように設定すればよい。   Here, the film thickness of the water vapor permeable membrane and the degree of change in the film thickness depend on the type of film used, the partial pressure difference of the water vapor between the gas flowing through both flow paths through the water vapor permeable film, Depending on the state of change in pressure, etc., the strength required for the water vapor permeable membrane may be taken into consideration, so that the water vapor permeable membrane can be set appropriately so that sufficient water vapor transmission efficiency can be realized in a wider range. What is necessary is just to set the film thickness of a water vapor permeable film, for example in the range of 10-1000 micrometers so that it may become thin gradually from the high humidity gas upstream to the downstream.

また、膜厚を次第に(一様に)薄くした水蒸気透過膜を用いる代わりに、膜厚を段階的に薄くした水蒸気透過膜を用いることとしても良い。すなわち、高湿度ガス流れ方向に一定の範囲は、均一な膜厚であって、高湿度ガス流れの下流側ほど、段階的に、膜厚が薄くなる水蒸気透過膜を用いても良い。高湿度ガス流れ下流側の領域ほど膜厚が薄い水蒸気透過膜であれば、同様の効果が得られる。   Moreover, it is good also as using the water vapor permeable film which made the film thickness thin in steps instead of using the water vapor permeable film which made the film thickness gradually (uniformly) thin. That is, a certain range in the high-humidity gas flow direction may be a uniform film thickness, and a water vapor permeable membrane that gradually decreases in thickness toward the downstream side of the high-humidity gas flow may be used. The same effect can be obtained if the water vapor permeable membrane has a thinner film thickness in the region downstream of the high humidity gas flow.

C.第2実施例:
図4は、第2実施例の加湿装置225の概略構成を表わす説明図である。加湿装置225は、例えば、第1実施例と同様の燃料電池システム10において、加湿装置25に代えて用いることができる。以下の説明では、第1実施例と共通する部分には同じ参照番号を付して、詳しい説明は省略する。
C. Second embodiment:
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the humidifying device 225 of the second embodiment. For example, the humidifier 225 can be used in place of the humidifier 25 in the fuel cell system 10 similar to the first embodiment. In the following description, the same reference numerals are assigned to parts common to the first embodiment, and detailed description thereof is omitted.

第2実施例の加湿装置225は、第1実施例の加湿装置25と同様の構成を有しているが、水蒸気透過膜30に代えて水蒸気透過膜230を備える点が異なっている。水蒸気透過膜230は、例えばポリエチレン等の高分子材料や無機材料によって構成される多孔質膜である。図5は、水蒸気透過膜230に形成されている微細孔の分布の様子を模式的に表わす平面図である。水蒸気透過膜230は、高湿度ガス流れの下流領域ほど、開孔比(孔面積/膜面積)が高く形成されている。なお、水蒸気透過膜230では、微細孔の密度(単位面積当たりの微細孔の数)を高めることによって、開孔比を高めている。多孔質膜から成る水蒸気透過膜では、開孔比が高いほど、水蒸気透過効率が高くなるという性質を有しているため、水蒸気透過膜230では、開孔比を高めた領域においては、水蒸気透過が促進される。   The humidifying device 225 of the second embodiment has the same configuration as the humidifying device 25 of the first embodiment, except that a water vapor permeable membrane 230 is provided instead of the water vapor permeable membrane 30. The water vapor permeable membrane 230 is a porous membrane made of a polymer material such as polyethylene or an inorganic material, for example. FIG. 5 is a plan view schematically showing the distribution of micropores formed in the water vapor permeable membrane 230. The water vapor permeable membrane 230 is formed such that the opening ratio (pore area / membrane area) is higher in the downstream region of the high-humidity gas flow. Note that, in the water vapor permeable membrane 230, the aperture ratio is increased by increasing the density of micropores (the number of micropores per unit area). The water vapor permeable membrane made of a porous film has a property that the water vapor transmission efficiency increases as the pore ratio increases. Therefore, in the water vapor permeable membrane 230, in the region where the pore ratio is increased, the water vapor transmission rate is increased. Is promoted.

以上のように構成された第2実施例の加湿装置225によれば、水蒸気分圧差がより小さくなる高湿度ガス下流領域ほど、多孔質膜である水蒸気透過膜230における開孔比を高めているため、水蒸気分圧差が小さいことによって水蒸気透過が進行し難くなる領域において、水蒸気透過量を増加させることができる。したがって、加湿装置225全体での加湿効率を高めることができる。なお、図4では、高湿度ガス流路32から被加湿ガス流路34へと、水蒸気透過膜230を介して水蒸気が透過する際の面全体での透過効率の分布の様子、すなわち、面全体で水蒸気透過効率が均一化されている様子を、矢印の大きさによって概念的に表わしている。   According to the humidifying device 225 of the second embodiment configured as described above, the opening ratio in the water vapor permeable membrane 230, which is a porous membrane, is increased in the downstream region of the high humidity gas where the water vapor partial pressure difference becomes smaller. Therefore, the water vapor transmission amount can be increased in a region where the water vapor transmission hardly progresses due to the small water vapor partial pressure difference. Therefore, the humidification efficiency in the entire humidifier 225 can be increased. In FIG. 4, the state of transmission efficiency distribution over the entire surface when water vapor passes from the high-humidity gas flow channel 32 to the humidified gas flow channel 34 through the water vapor permeable membrane 230, that is, the entire surface. The manner in which the water vapor transmission efficiency is made uniform is conceptually represented by the size of the arrows.

また、このとき、高湿度ガス下流領域においては水蒸気透過膜230における開孔比をより高く形成しているものの、高湿度ガス上流領域では開孔比をより低く形成しているため、水蒸気透過膜全体としての強度の低下を抑制することができる。ここで、水蒸気透過膜全体の開孔比をより高くすることによって、加湿装置における加湿効率を向上させる方策も考えられるが、水蒸気透過膜の両面には高いガス圧が加わるため、水蒸気透過膜全体で開孔比を高めると、水蒸気透過膜の強度を確保し難くなる可能性がある。これに対して、本実施例では、特に開孔比を高くしなくても水蒸気透過効率を確保できる領域、すなわち大きな水蒸気分圧差が生じる高湿度ガス上流領域では、開孔比を特に高くすることなく膜強度を確保し、下流側のみ開孔比を高くすることにより、水蒸気透過膜の強度維持と、装置としての加湿効率の向上とを、両立させることが可能になる。   At this time, although the opening ratio in the water vapor permeable membrane 230 is higher in the downstream area of the high humidity gas, the opening ratio is lower in the upstream area of the high humidity gas. A decrease in strength as a whole can be suppressed. Here, a measure to improve the humidification efficiency in the humidifier by increasing the aperture ratio of the entire water vapor permeable membrane is also conceivable, but since the high gas pressure is applied to both surfaces of the water vapor permeable membrane, the entire water vapor permeable membrane If the aperture ratio is increased, it may be difficult to ensure the strength of the water vapor permeable membrane. On the other hand, in the present embodiment, in particular, in the region where the water vapor transmission efficiency can be ensured without increasing the aperture ratio, that is, in the upstream region of the high humidity gas where a large water vapor partial pressure difference occurs, the aperture ratio should be particularly increased. By ensuring the film strength and increasing the aperture ratio only on the downstream side, it is possible to achieve both the maintenance of the strength of the water vapor permeable membrane and the improvement of the humidification efficiency as an apparatus.

上記第2実施例では、水蒸気透過膜230における開孔比を面内で変化させているが、水蒸気透過膜が備える微細孔の細孔径を面内で変化させることとしても良い。図6は、加湿装置225と同様の加湿装置において水蒸気透過膜230に代えて用いられ、微細孔の細孔径を面内で変化させた水蒸気透過膜330に形成された微細孔の様子を模式的に表わす平面図である。図6に示すように、水蒸気透過膜330は、高湿度ガス下流領域ほど、微細孔の細孔径が大きく形成されている。このように、細孔径の大きな微細孔を設けることによっても、水蒸気透過膜における水蒸気透過効率を向上させることができる。そのため、高湿度ガス下流領域ほど微細孔の細孔径を大きくすることで、水蒸気分圧差が小さい領域における水蒸気透過量を増加させ、加湿装置における加湿効率を向上させることができる。また、このとき、水蒸気透過膜が有する微細孔の細孔径が比較的大きくなっている領域が、高湿度ガス下流領域に限られるため、水蒸気透過膜全体としての強度を確保することが可能になる。   In the second embodiment, the aperture ratio in the water vapor permeable membrane 230 is changed in the plane, but the pore diameter of the micropores provided in the water vapor permeable membrane may be changed in the plane. FIG. 6 is a schematic view of the micropores formed in the water vapor permeable membrane 330, which is used in place of the water vapor permeable membrane 230 in a humidifier similar to the humidifier 225, and the pore diameter of the micropores is changed in the plane. FIG. As shown in FIG. 6, the water vapor permeable membrane 330 is formed such that the pore diameter of the fine pores is larger in the downstream area of the high humidity gas. In this manner, the water vapor transmission efficiency in the water vapor permeable membrane can be improved also by providing fine holes having a large pore diameter. Therefore, by increasing the pore diameter of the fine pores in the downstream region of the high-humidity gas, it is possible to increase the water vapor transmission amount in the region where the water vapor partial pressure difference is small, and improve the humidification efficiency in the humidifier. At this time, since the region where the pore diameter of the fine pores of the water vapor permeable membrane is relatively large is limited to the high humidity gas downstream region, it is possible to ensure the strength of the water vapor permeable membrane as a whole. .

なお、水蒸気透過膜330では、微細孔の密度は膜全体で略均等にして、微細孔の細孔径を変化させているため、高湿度ガス下流領域においては、開孔比も大きくなっている。これに対して、微細孔の密度は高湿度ガス下流領域ほど低くすることによって開孔比は膜全体で略均等にしつつ、高湿度ガス下流領域において微細孔の細孔径を大きくしても良い。水蒸気透過膜において、開孔比をより高くするか、細孔径をより大きくするか、少なくともいずれか一方にすることによって、水蒸気透過効率を向上させることができる。このように、開孔比あるいは細孔径を変化させる際には、例えば、開孔比(気孔率)が5〜90%となり、細孔径が0.001〜10μmの範囲で、水蒸気透過効率が向上する程度や、膜強度、あるいは水蒸気が選択的に膜透過する程度等を考慮して、適宜、細孔の分布状態(開孔比や細孔径の分布状態)を面内で異ならせればよい。   In the water vapor permeable membrane 330, the density of micropores is made substantially uniform throughout the membrane, and the pore diameter of the micropores is changed. Therefore, the aperture ratio is also increased in the high humidity gas downstream region. On the other hand, the pore diameter may be increased in the high-humidity gas downstream region while reducing the density of the fine pores toward the downstream region of the high-humidity gas so that the opening ratio is substantially uniform throughout the membrane. In the water vapor permeable membrane, the water vapor transmission efficiency can be improved by increasing the aperture ratio, increasing the pore diameter, or at least one of them. Thus, when changing the pore ratio or the pore diameter, for example, the pore ratio (porosity) is 5 to 90%, and the water vapor transmission efficiency is improved when the pore diameter is in the range of 0.001 to 10 μm. The distribution state of pores (opening ratio and distribution state of pore diameter) may be appropriately varied within the plane in consideration of the degree to which the film is formed, the strength of the film, or the degree to which water vapor selectively permeates through the membrane.

水蒸気透過膜における細孔の分布状態は、例えば、電子顕微鏡による膜の表面観察により検出することができる。あるいは、水蒸気透過膜を、加湿装置内で水蒸気分圧差が異なる状態となる複数の領域に分割し、ガス吸着法や水銀圧入法による計測を行なうことで、それぞれの領域毎に開孔比や細孔分布を求めることができる。   The distribution state of the pores in the water vapor permeable membrane can be detected, for example, by observing the surface of the membrane with an electron microscope. Alternatively, the water vapor permeable membrane is divided into a plurality of regions where the water vapor partial pressure difference is different in the humidifier, and measurement is performed by the gas adsorption method or the mercury intrusion method. The pore distribution can be determined.

第2実施例では、水蒸気透過膜として多孔質膜を用いたが、多孔質膜から成る膜基材上に均質層を形成した複合膜を用いても良い。この場合にも、複合膜を構成する膜基材において、高湿度ガス下流領域ほど、開孔比を高くしたり細孔径を大きくすることで、同様の効果が得られる。   In the second embodiment, a porous membrane is used as the water vapor permeable membrane. However, a composite membrane in which a homogeneous layer is formed on a membrane substrate made of a porous membrane may be used. Also in this case, in the membrane substrate constituting the composite membrane, the same effect can be obtained by increasing the aperture ratio or increasing the pore diameter in the higher humidity gas downstream region.

また、開孔比や細孔径を次第に(一様に)変化させた水蒸気透過膜を用いる代わりに、開孔比や細孔径を段階的に変化させた水蒸気透過膜を用いても良い。すなわち、高湿度ガス流れ方向に一定の範囲は、開孔比および細孔径が一定であって、高湿度ガス流れの下流側ほど、段階的に、開孔比が高くなる、および/または細孔径が大きくなる水蒸気透過膜を用いても良い。このような構成としても、第2実施例と同様の効果が得られる。   Further, instead of using the water vapor permeable membrane in which the pore ratio and the pore diameter are gradually (uniformly) changed, a water vapor permeable membrane in which the pore ratio and the pore diameter are changed stepwise may be used. That is, in a certain range in the high-humidity gas flow direction, the opening ratio and the pore diameter are constant, and the opening ratio increases stepwise and / or the pore diameter toward the downstream side of the high-humidity gas flow. You may use the water-vapor-permeable film | membrane which becomes large. Even with such a configuration, the same effect as in the second embodiment can be obtained.

D.第1実施例及び第2実施例の変形例:
(D−1)変形例1:
第1および第2実施例では、加湿装置の高湿度ガス流路32に対して、ガス供給口36からのみ高湿度ガスを供給しているため、ガス排出口37に近い下流側ほど、高湿度ガス中の水蒸気濃度は低下する。これに対し、加湿装置において、高湿度ガスの流れ方向に複数のガス供給口を設け、高湿度ガスのガス流れの途中において高湿度ガスを追加供給することも可能である。このような加湿装置の一例である加湿装置425を、変形例1として図7に示す。この加湿装置425は、例えば、第1実施例と同様の燃料電池システム10において加湿装置25に代えて用いることができる。以下の説明では、第1実施例と共通する部分には同じ参照番号を付して、詳しい説明は省略する。
D. Variations of the first and second embodiments:
(D-1) Modification 1:
In the first and second embodiments, since the high humidity gas is supplied only from the gas supply port 36 to the high humidity gas flow path 32 of the humidifier, the downstream side closer to the gas discharge port 37 has a higher humidity. The water vapor concentration in the gas decreases. On the other hand, in the humidifier, it is also possible to provide a plurality of gas supply ports in the flow direction of the high humidity gas and additionally supply the high humidity gas in the middle of the gas flow of the high humidity gas. A humidifier 425 which is an example of such a humidifier is shown in FIG. This humidifier 425 can be used in place of the humidifier 25 in the fuel cell system 10 similar to that of the first embodiment, for example. In the following description, the same reference numerals are assigned to parts common to the first embodiment, and detailed description thereof is omitted.

加湿装置425の外殻容器28には、第1実施例の加湿装置25と同様のガス供給口36に加えて、高湿度ガス流れの途中に開口する2つのガス供給口45,46が設けられている。ここで、ガス供給口36に接続するカソード排ガス路68からは、第1分岐路40が分岐しており、第1分岐路40は、さらに第2分岐路41,42へと分岐している。第2分岐路41はガス供給口45へと接続されると共に、第2分岐路42はガス供給口46へと接続されている。そのため、加湿装置425では、カソード排ガスの一部がガス供給口36から高湿度ガス流路32内へ供給されると共に、残りのカソード排ガスは、ガス供給口45,46から、高湿度ガス流路32におけるガス流れの途中へと供給される。このような加湿装置425では、上流側のガス供給口から、隣接する下流側のガス供給口の近傍までは、第1および第2実施例と同様に、高湿度ガス流路32側から被加湿ガス流路34側へと水蒸気が透過するに従って、水蒸気透過膜430の両面間の水蒸気分圧差は次第に低下する。しかしながら、高湿度ガスのガス流れの途中にカソード排ガスを追加供給することにより、高湿度ガス流路における水蒸気分圧が、上記追加供給したガス供給口の近傍で上昇する。   The outer shell container 28 of the humidifier 425 is provided with two gas supply ports 45 and 46 that open in the middle of the flow of the high-humidity gas in addition to the gas supply port 36 similar to the humidifier 25 of the first embodiment. ing. Here, a first branch path 40 branches off from the cathode exhaust gas path 68 connected to the gas supply port 36, and the first branch path 40 further branches into second branch paths 41 and 42. The second branch path 41 is connected to the gas supply port 45, and the second branch path 42 is connected to the gas supply port 46. Therefore, in the humidifier 425, a part of the cathode exhaust gas is supplied from the gas supply port 36 into the high humidity gas flow path 32, and the remaining cathode exhaust gas is supplied from the gas supply ports 45 and 46 to the high humidity gas flow path. 32 is supplied in the middle of the gas flow at 32. In such a humidifier 425, from the upstream gas supply port to the vicinity of the adjacent downstream gas supply port, as in the first and second embodiments, humidification is performed from the high humidity gas channel 32 side. As water vapor permeates to the gas flow path 34 side, the water vapor partial pressure difference between both surfaces of the water vapor permeable membrane 430 gradually decreases. However, by additionally supplying the cathode exhaust gas in the middle of the gas flow of the high-humidity gas, the partial pressure of water vapor in the high-humidity gas flow path increases in the vicinity of the additionally supplied gas supply port.

図8は、上記加湿装置425で用いる多孔質膜から成る水蒸気透過膜430における微細孔の様子を模式的に表わす平面図である。水蒸気透過膜430は、高湿度ガス下流側に向かって次第に微細孔の密度が高くなることによって開孔比が大きくなるが、高湿度ガスが追加供給される途中のガス供給口の近傍において、再び開孔比が小さくなる。このように、ガス流れの途中で水蒸気分圧差が大きくなる場合であっても、高湿度ガス流路32に供給された一定量の高湿度ガスが流れて水蒸気分圧差が次第に小さくなる領域では、水蒸気透過膜における開孔比を次第に大きくすることで、水蒸気分圧差が小さくなる領域における水蒸気透過量をより多くして、加湿装置全体としての加湿効率を向上させることができる。図7では、高湿度ガス流路32から被加湿ガス流路34へと水蒸気が透過する際の透過効率を、水蒸気透過膜面全体について、矢印の大きさによって概念的に表わしている。図7に示すように、水蒸気透過膜430を備える加湿装置425では、隣り合うガス供給口間で一定量のガスが流れる領域であって、水蒸気分圧差が次第に小さくなる領域においても、水蒸気透過効率は高いレベルに保たれる。   FIG. 8 is a plan view schematically showing the state of micropores in the water vapor permeable membrane 430 made of a porous membrane used in the humidifying device 425. The water vapor permeable membrane 430 has an increased hole ratio as the density of micropores gradually increases toward the downstream side of the high-humidity gas, but again in the vicinity of the gas supply port in the middle of additional supply of the high-humidity gas, The aperture ratio is reduced. Thus, even in the case where the water vapor partial pressure difference is increased in the middle of the gas flow, in a region where the constant amount of high humidity gas supplied to the high humidity gas flow path 32 flows and the water vapor partial pressure difference gradually decreases, By gradually increasing the aperture ratio in the water vapor permeable membrane, it is possible to increase the amount of water vapor permeated in the region where the water vapor partial pressure difference is small, thereby improving the humidification efficiency of the entire humidifier. In FIG. 7, the permeation efficiency when water vapor permeates from the high-humidity gas channel 32 to the humidified gas channel 34 is conceptually represented by the size of the arrow for the entire water vapor permeable membrane surface. As shown in FIG. 7, in the humidifier 425 provided with the water vapor permeable membrane 430, the water vapor transmission efficiency can be obtained even in a region where a certain amount of gas flows between adjacent gas supply ports and the partial pressure difference of the water vapor gradually decreases. Is kept at a high level.

なお、図8では、水蒸気透過膜430において、ガス供給口36とガス供給口45との間の領域と、ガス供給口45とガス供給口46との間の領域と、ガス供給口46とガス排出口37との間の領域とは、同じパターンで微細孔が形成されているように表わしているが、異なる構成としても良い。水蒸気透過膜430の両面間における水蒸気分圧差の分布状態は、ガス供給口36,45,46からカソード排ガスを供給する際のカソード排ガスの分割比によって変わる。また、水蒸気透過効率(水蒸気透過量)は、水蒸気分圧差の他に、水蒸気透過膜430の両面におけるガス圧やガス温度によって変化する。そのため、これらの要因を適宜考慮して、水蒸気透過効率を低下させる要因影響を強く受ける領域ほど開孔比を大きくして、膜全体で水蒸気透過量を増大させればよい。   In FIG. 8, in the water vapor permeable membrane 430, the region between the gas supply port 36 and the gas supply port 45, the region between the gas supply port 45 and the gas supply port 46, the gas supply port 46 and the gas. The region between the discharge port 37 and the discharge port 37 is shown as having fine holes formed in the same pattern, but may have a different configuration. The distribution state of the water vapor partial pressure difference between the both surfaces of the water vapor permeable membrane 430 varies depending on the split ratio of the cathode exhaust gas when the cathode exhaust gas is supplied from the gas supply ports 36, 45, 46. Further, the water vapor transmission efficiency (water vapor transmission amount) varies depending on the gas pressure and gas temperature on both surfaces of the water vapor permeable membrane 430 in addition to the water vapor partial pressure difference. Therefore, considering these factors as appropriate, it is sufficient to increase the water vapor transmission rate in the entire membrane by increasing the aperture ratio in a region that is strongly influenced by the factor that lowers the water vapor transmission efficiency.

(D−2)変形例2:
既述した第1および第2実施例の加湿装置では、高湿度ガスと被加湿ガスとは、それぞれ流路中を一定の方向に流れることとしたが、異なる構成としても良い。例えば、流路内における高湿度ガスや被加湿ガスの流れを流路の途中で反転させ、高湿度ガスや被加湿ガスをU字形に流しても良い。このような加湿装置の一例である加湿装置525を、変形例2として 図9に示す。この加湿装置525は、例えば、第1実施例と同様の燃料電池システム10において加湿装置25に代えて用いることができる。以下の説明では、第1実施例と共通する部分には同じ参照番号を付して、詳しい説明は省略する。
(D-2) Modification 2:
In the humidifiers of the first and second embodiments described above, the high-humidity gas and the humidified gas flow in the flow path in a fixed direction, but may have different configurations. For example, the flow of the high-humidity gas or the humidified gas in the flow path may be reversed in the middle of the flow path so that the high-humidity gas or the humidified gas flows in a U shape. A humidifier 525 which is an example of such a humidifier is shown in FIG. This humidifier 525 can be used in place of the humidifier 25 in the fuel cell system 10 similar to that of the first embodiment, for example. In the following description, the same reference numerals are assigned to parts common to the first embodiment, and detailed description thereof is omitted.

加湿装置525は、外殻容器28内に水蒸気透過膜530を備え、これによって、外殻容器28内の空間を、高湿度ガス流路532になる空間と、被加湿ガス流路534になる空間とに分割している。ここで、外殻容器28の壁面には、互いに近接する位置にガス供給口536とガス排出口537とが設けられると共に、互いに近接する位置にガス供給口539とガス排出口538とが設けられている。そのため、高湿度ガス流路532内、および被加湿ガス流路534内では、供給されたガスは、略U字形に流れる。また、加湿装置525では、高湿度ガスが流入するガス供給口536と被加湿ガスが流出するガス排出口538とが近接して設けられると共に、高湿度ガスが流出するガス排出口537と被加湿ガスが流入するガス排出口538とが近接して設けられている。従って、高湿度ガス流路32内の高湿度ガスの流れと、被加湿ガス流路34内の被加湿ガスの流れとは、互いに対向流となっている。   The humidifier 525 includes a water vapor permeable membrane 530 in the outer shell container 28, whereby the space in the outer shell container 28 is divided into a space that becomes a high-humidity gas flow path 532 and a space that becomes a humidified gas flow path 534. It is divided into and. Here, the wall surface of the outer shell container 28 is provided with a gas supply port 536 and a gas discharge port 537 at positions close to each other, and a gas supply port 539 and a gas discharge port 538 at positions close to each other. ing. Therefore, in the high-humidity gas channel 532 and the humidified gas channel 534, the supplied gas flows in a substantially U shape. In the humidifier 525, a gas supply port 536 into which high humidity gas flows in and a gas discharge port 538 through which humidified gas flows out are provided close to each other, and a gas discharge port 537 through which high humidity gas flows out and humidified. A gas discharge port 538 through which gas flows is provided in close proximity. Therefore, the flow of the high humidity gas in the high humidity gas flow path 32 and the flow of the humidified gas in the humidified gas flow path 34 are opposed to each other.

図10は、このような加湿装置525が備える多孔質膜から成る水蒸気透過膜530における細孔分布の様子を模式的に表わす平面図である。図10では、高湿度ガスの流れの向きを、破線に付した矢印の向きによって表わしている。水蒸気透過膜530は、第2実施例の水蒸気透過膜230と同様に、高湿度ガス下流領域ほど、微細孔の密度を高くすることによって開孔比が大きく形成されている。したがって、水蒸気分圧差が小さくなる高湿度ガス下流領域における水蒸気透過量を増加させ、加湿装置全体の加湿効率を向上させることができる。   FIG. 10 is a plan view schematically showing the state of pore distribution in the water vapor permeable membrane 530 made of a porous membrane provided in such a humidifying device 525. In FIG. 10, the direction of the flow of the high-humidity gas is represented by the direction of the arrow attached to the broken line. Similarly to the water vapor permeable membrane 230 of the second embodiment, the water vapor permeable membrane 530 has a larger opening ratio by increasing the density of the fine pores in the downstream region of the high humidity gas. Therefore, it is possible to increase the water vapor permeation amount in the downstream region of the high-humidity gas where the water vapor partial pressure difference is reduced, and to improve the humidification efficiency of the entire humidifier.

(D−3)変形例3:
加湿装置525では、ガス供給口とガス排出口とを互いに近接する位置に設けることで、ガス流路内における高湿度ガスや被加湿ガスの流れの向きをU字形としているが、このような場合には、水蒸気透過膜面上において、高湿度ガス下流側領域ほど水蒸気分圧差が小さいとは一概にいえない可能性がある。すなわち、ガス供給口とガス排出口とを近接する位置に設けることで、ガス流路を形成する空間の奥にまで流れ込まずにガス流路から排出されるガスが生じるため、流れるガス流量が相対的に少ないガス流路奥部では、高湿度ガス流れのより下流側よりも水蒸気分圧が低くなる可能性がある。このように水蒸気分圧が低くなるガス流路奥部では、高湿度ガス下流領域よりも、さらに水蒸気透過効率が低くなってしまう。図9の加湿装置525において、水蒸気透過膜530に代えて、開孔比および細孔径が一様である水蒸気透過膜を備えさせ、この加湿装置に対して所定のガス流量で高湿度ガスおよび被加湿ガスを供給し、単位面積当たりの透過水分量を水蒸気透過膜全体で調べた結果の一例を、図11に模式的に示す。図11では、単位面積当たりの透過水分量が等しい部位を線で結ぶことによって、水蒸気透過膜における透過水分量の分布状態を表わしている。図11は、ガス給排口手前側であって高湿度ガス上流領域ほど透過水分量が多く、ガス給排口奥側であって高湿度ガス下流領域ほど透過水分量が少ない様子を表わす。なお、図11では、水蒸気透過膜面上における高湿度ガス流量の分布状態を、矢印を付した破線の太さによって概念的に表わしている。
(D-3) Modification 3:
In the humidifier 525, the flow direction of the high-humidity gas or the humidified gas in the gas flow path is formed in a U shape by providing the gas supply port and the gas discharge port close to each other. In other words, there is a possibility that the water vapor partial pressure difference is not as small on the surface of the water vapor permeable membrane as in the downstream region of the high-humidity gas. That is, by providing the gas supply port and the gas discharge port close to each other, the gas discharged from the gas flow path is generated without flowing into the space forming the gas flow path. In the deep part of the gas flow path, there is a possibility that the water vapor partial pressure is lower than the downstream side of the high humidity gas flow. In this way, at the back of the gas flow path where the water vapor partial pressure is low, the water vapor transmission efficiency is lower than in the high humidity gas downstream region. In the humidifying device 525 of FIG. 9, a water vapor permeable membrane having a uniform aperture ratio and pore diameter is provided instead of the water vapor permeable membrane 530, and the high humidity gas and the coating are supplied to the humidifier at a predetermined gas flow rate. FIG. 11 schematically shows an example of the result of supplying a humidified gas and examining the amount of permeated water per unit area in the entire water vapor permeable membrane. In FIG. 11, the distribution state of the permeated water amount in the water vapor permeable membrane is represented by connecting the parts having the same permeated water amount per unit area with a line. FIG. 11 shows a state where the amount of permeated moisture is larger in the upstream side of the gas supply / discharge port and in the upstream region of the high humidity gas, and the amount of transmitted water is smaller in the downstream side of the gas supply / discharge port and in the downstream region of the high humidity gas. In addition, in FIG. 11, the distribution state of the high-humidity gas flow rate on the water vapor permeable membrane surface is conceptually represented by the thickness of a broken line with an arrow.

水蒸気透過膜における透過水分量の分布状態が、図11に示す状態となる場合には、単位面積当たりの透過水分量がより少なくなる領域ほど、水蒸気分圧差がより小さくなる領域であるため、このような領域ほど開孔比をより高くした水蒸気透過膜を用いればよい。このような水蒸気透過膜の一例を、水蒸気透過膜630として図12に示す。このように、単に高湿度ガス下流領域であることだけでなく、例えば実際の透過水分量の分布状態を調べ、実際のガス流れの状態に即して開孔比の分布状態を設定することで、水蒸気透過膜全体で水蒸気透過効率を向上させる効果を高めることができる。   When the distribution state of the permeated water amount in the water vapor permeable membrane is in the state shown in FIG. 11, the region where the permeated water amount per unit area is smaller is the region where the water vapor partial pressure difference is smaller. A water vapor permeable membrane having a higher aperture ratio in such a region may be used. An example of such a water vapor permeable membrane is shown in FIG. Thus, not only in the downstream area of the high-humidity gas but also by examining the distribution state of the actual permeated water amount and setting the distribution ratio of the aperture ratio in accordance with the actual gas flow state, for example. In addition, the effect of improving the water vapor transmission efficiency can be enhanced in the entire water vapor permeable membrane.

なお、変形例1ないし3では、水蒸気透過膜における開孔比の分布によって、水蒸気分圧差が小さくなる領域における水蒸気透過効率を向上させているが、異なる構成としても良い。例えば、第1実施例のように、水蒸気分圧差が小さくなる領域ほど、水蒸気透過膜の厚さをより薄く形成しても良い。あるいは、水蒸気透過膜において、水蒸気分圧差が小さくなる領域ほど、開孔比をより大きくすることに加えて、あるいは開孔比をより大きくすることに代えて、細孔径をより大きく形成しても良い。   In Modifications 1 to 3, the water vapor transmission efficiency in the region where the water vapor partial pressure difference is reduced is improved by the distribution of the aperture ratio in the water vapor permeable membrane, but a different configuration may be used. For example, as in the first embodiment, the thickness of the water vapor permeable film may be made thinner as the water vapor partial pressure difference becomes smaller. Alternatively, in the water vapor permeable membrane, in a region where the water vapor partial pressure difference is small, in addition to increasing the aperture ratio, or instead of increasing the aperture ratio, the pore diameter may be increased. good.

E.第3実施例:
図13は、第3実施例の加湿装置725の概略構成を表わす説明図である。加湿装置725は、第1実施例の燃料電池システム10と同様の燃料電池システムにおいて、加湿装置25に代えて備えられている。加湿装置725は、加湿装置25と類似する構成を有するため、共通する部分には同じ参照番号を付して詳しい説明を省略する。
E. Third embodiment:
FIG. 13 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the humidifying device 725 of the third embodiment. The humidifier 725 is provided in place of the humidifier 25 in a fuel cell system similar to the fuel cell system 10 of the first embodiment. Since the humidifier 725 has a configuration similar to that of the humidifier 25, common portions are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

加湿装置725は、内部に空間を形成する外殻容器28と、外殻容器28内に配置されて、外殻容器28内の空間を2つの空間に分ける水蒸気透過膜730と、を備えている。ここで、水蒸気透過膜730の一方の面側に形成される空間は、加湿されるべき被加湿ガス、すなわち酸化ガスとなる空気が流れる被加湿ガス流路34となり、水蒸気透過膜730の他方の面側に形成される空間は、上記被加湿ガスを加湿するための加湿用液水が流れる加湿用液水流路732となる。   The humidifier 725 includes an outer shell container 28 that forms a space therein, and a water vapor permeable membrane 730 that is disposed in the outer shell container 28 and divides the space in the outer shell container 28 into two spaces. . Here, the space formed on one surface side of the water vapor permeable membrane 730 becomes a humidified gas flow path 34 through which the humidified gas to be humidified, that is, the air serving as the oxidizing gas flows, and the other side of the water vapor permeable membrane 730 is provided. The space formed on the surface side is a humidified liquid water flow path 732 through which humidified liquid water for humidifying the humidified gas flows.

水蒸気透過膜730の一方の面側の被加湿ガス流路34を形成する外殻容器壁面には、ガス供給口39およびガス排出口38が形成されている。加湿装置725では、ガス供給口39から空気が供給されると、この空気は、被加湿ガス流路34内をガス排出口38に向かって一定の方向に流れる。被加湿ガス流路34を経由して加湿された空気は、燃料電池22へと供給される。   A gas supply port 39 and a gas discharge port 38 are formed on the wall surface of the outer shell container that forms the humidified gas channel 34 on one surface side of the water vapor permeable membrane 730. In the humidifier 725, when air is supplied from the gas supply port 39, this air flows in the humidified gas flow path 34 toward the gas discharge port 38 in a certain direction. The air humidified via the humidified gas channel 34 is supplied to the fuel cell 22.

また、水蒸気透過膜730の他方の面側の加湿用液水流路732を形成する外殻容器壁面には、液水供給口736および液水排出口737が形成されている。加湿装置725では、液水供給口736から液水が供給されると、この液水は、加湿用液水流路732内を液水排出口737に向かって一定の方向に流れる。本実施例の燃料電池システムは、液水供給口736に対して液水供給路768によって接続されている図示しない液水タンクを備えている。液水排出口737に達した液水は、液水排出路769を介して外部に排出、あるいは、上記液水タンクに回収される。   In addition, a liquid water supply port 736 and a liquid water discharge port 737 are formed on the wall surface of the outer shell container forming the humidifying liquid water channel 732 on the other surface side of the water vapor permeable membrane 730. In the humidifier 725, when liquid water is supplied from the liquid water supply port 736, the liquid water flows in the humidifying liquid water channel 732 toward the liquid water discharge port 737 in a certain direction. The fuel cell system of this embodiment includes a liquid water tank (not shown) connected to the liquid water supply port 736 by a liquid water supply path 768. The liquid water that has reached the liquid water discharge port 737 is discharged to the outside via the liquid water discharge path 769 or is collected in the liquid water tank.

なお、用いる液水は、水蒸気透過膜730を透過する他の成分を考慮する必要がなく、液水からの何らかの成分の析出を考慮する必要がないことから、純水を用いることが望ましい。また、図13の加湿装置725では、液水は被加湿ガスと対向する向きに流れることとしたが、同じ向きに流れることとしても良い。さらに、加湿用液水としては、液水タンクに対して外部から補充した液水を用いても良いし、燃料電池から排出されるガスから水分を凝縮器により回収して得た液水を用いても良い。   Note that it is desirable to use pure water as the liquid water to be used because it is not necessary to consider other components that permeate the water vapor permeable membrane 730, and it is not necessary to consider the precipitation of some components from the liquid water. Further, in the humidifier 725 of FIG. 13, the liquid water flows in a direction facing the humidified gas, but may flow in the same direction. Further, as the humidifying liquid water, liquid water replenished from the outside to the liquid water tank may be used, or liquid water obtained by collecting moisture from the gas discharged from the fuel cell with a condenser is used. May be.

加湿装置725が備える水蒸気透過膜730は、第1実施例の水蒸気透過膜30と同様の膜であるが、被加湿ガス上流側から下流側へと、次第に膜厚が薄くなる点が異なっている。本実施例のように、加湿のために、被加湿ガスよりも水蒸気分圧が高い高湿度ガスを用いる代わりに液水を用いる場合には、液水側は、常に飽和蒸気圧である場合と同様の状態と考えることができ、加湿用液水側の水蒸気分圧の低下を考慮する必要がない。したがって、加湿装置725における水蒸気透過効率は、水蒸気透過膜の状態が膜全体で均一である場合には、加湿によって水蒸気分圧が上昇した被加湿ガスが流れる被加湿ガス下流領域ほど低下することになる。本実施例では、被加湿ガス下流領域ほど、水蒸気透過膜730の厚さを薄くしているため、被加湿ガス下流領域においては、水蒸気透過が、より促進されることになる。   The water vapor permeable membrane 730 provided in the humidifier 725 is the same as the water vapor permeable membrane 30 of the first embodiment, except that the film thickness gradually decreases from the humidified gas upstream side to the downstream side. . In the case of using liquid water instead of using a high-humidity gas having a higher water vapor partial pressure than the gas to be humidified for humidification, as in this example, the liquid water side always has a saturated vapor pressure. This can be considered to be the same state, and there is no need to consider a decrease in the water vapor partial pressure on the humidifying liquid water side. Therefore, when the state of the water vapor permeable membrane is uniform throughout the membrane, the water vapor transmission efficiency in the humidifier 725 decreases as the humidified gas downstream region flows through the humidified gas whose vapor partial pressure has increased due to humidification. Become. In the present embodiment, since the thickness of the water vapor permeable film 730 is made thinner in the humidified gas downstream region, the water vapor transmission is further promoted in the humidified gas downstream region.

以上のように構成された第3実施例の加湿装置725によれば、被加湿ガスの水蒸気分圧が上昇する(すなわち、水蒸気分圧差が小さい状態となる)被加湿ガス下流領域ほど、水蒸気透過膜730の厚さを薄くしているため、被加湿ガス下流領域における水蒸気透過量を増加させ、加湿装置全体としての加湿効率を上昇させることができる。   According to the humidifying device 725 of the third embodiment configured as described above, the water vapor transmission rate increases in the humidified gas downstream region in which the water vapor partial pressure of the humidified gas increases (that is, the water vapor partial pressure difference becomes small). Since the thickness of the film 730 is reduced, it is possible to increase the moisture permeation amount in the downstream region of the humidified gas and to increase the humidification efficiency of the entire humidifier.

ここで、加湿装置725で用いる水蒸気透過膜は、第1実施例と同様の均質膜によって構成する他、既述した多孔質膜や複合膜によって構成しても良い。いずれの膜を用いる場合にも、被加湿ガス下流領域ほど水蒸気透過膜の厚さを薄くすることにより、被加湿ガス中の水蒸気分圧が高くなる領域における水蒸気透過量を増加させる同様の効果が得られる。   Here, the water vapor permeable membrane used in the humidifier 725 may be constituted by the porous membrane or the composite membrane described above, in addition to the homogeneous membrane similar to the first embodiment. In any case, the same effect of increasing the water vapor permeation amount in the region where the partial pressure of water vapor in the humidified gas is increased by reducing the thickness of the water vapor permeable membrane in the downstream region of the humidified gas. can get.

あるいは、加湿装置725において、水蒸気透過膜730に代えて、第2実施例と同様に、開孔比と細孔径の内の少なくとも一方を面内で異ならせた多孔質膜、あるいは複合膜である水蒸気透過膜を用いることとしても良い。この場合には、被加湿ガス下流領域、すなわち、被加湿ガスにおける水蒸気分圧が高い領域ほど、より高い開孔比を有するか細孔径のより大きな微細孔を有するかの少なくともいずれかにすることで、同様の効果が得られる。   Alternatively, in the humidifier 725, in place of the water vapor permeable membrane 730, as in the second embodiment, a porous membrane or a composite membrane in which at least one of the aperture ratio and the pore diameter is different in the plane is used. A water vapor permeable membrane may be used. In this case, in the humidified gas downstream region, that is, the region where the water vapor partial pressure in the humidified gas is high, at least one of a higher pore ratio and a fine pore having a larger pore diameter should be used. Thus, the same effect can be obtained.

なお、第3実施例では、被加湿ガス流路34に対向する流路を、液水が流れる加湿用液水流路732としたが、第1および第2実施例と同様に高湿度ガスが流れる高湿度ガス流路32としても良い。この場合であっても、被加湿ガス下流領域ほど膜厚を薄くすることで、あるいは、水蒸気透過膜において被加湿ガス下流領域ほど、より高い開孔比を有するか細孔径のより大きな微細孔を有するかの少なくともいずれかにすることで、装置全体の水蒸気透過量を増加させることが可能になる。例えば、被加湿ガス下流領域(高湿度ガス上流領域)側の膜厚を薄くすると、このように元々被加湿ガスの水蒸気分圧は高いが水蒸気分圧差も大きい領域において、さらに水蒸気透過量が増加する。このとき、高湿度ガス上流領域で水蒸気透過量が増加すると、高湿度ガス下流領域では高湿度ガスの水蒸気分圧がさらに低下して水蒸気分圧差がより小さくなるが、高湿度ガス下流領域(被加湿ガス上流領域)では元々水蒸気透過量が少ないため水蒸気透過量減少の影響が少なく、全体としては水蒸気透過量増加の効果が得られる。あるいは、水蒸気透過膜において被加湿ガス下流領域(高湿度ガス上流領域)ほど、より高い開孔比を有するか細孔径のより大きな微細孔を有するかの少なくともいずれかにする場合であっても、同様である。ただし、第1および第2実施例のように、高湿度ガス下流領域(被加湿ガス上流領域)ほど膜厚を薄くする、あるいは、水蒸気透過膜において被加湿ガス下流領域(高湿度ガス上流領域)ほど、より高い開孔比を有するか細孔径のより大きな微細孔を有するかの少なくともいずれかにする方が、通常は、装置全体の水蒸気透過量を増加させる効果がより大きく得られる。これは、元々水蒸気分圧差が大きく水蒸気透過量が多い領域での水蒸気透過量はそのまま確保されると共に、元々水蒸気分圧差が小さく水蒸気透過量が少ない領域における水蒸気透過量がさらに増大するためである。   In the third embodiment, the flow path facing the humidified gas flow path 34 is a humidified liquid water flow path 732 through which liquid water flows. However, as in the first and second embodiments, high humidity gas flows. A high humidity gas flow path 32 may be used. Even in this case, by reducing the film thickness in the humidified gas downstream region, or in the water vapor permeable membrane, in the humidified gas downstream region, a finer pore having a higher aperture ratio or a larger pore diameter is formed. By having at least one of them, it becomes possible to increase the water vapor transmission amount of the entire apparatus. For example, if the film thickness on the humidified gas downstream region (high humidity gas upstream region) side is reduced, the amount of water vapor permeation increases further in the region where the partial pressure difference of the water vapor is high but the water vapor partial pressure difference is high. To do. At this time, if the amount of water vapor transmission increases in the upstream region of the high humidity gas, the partial pressure of water vapor of the high humidity gas further decreases in the downstream region of the high humidity gas and the difference in water vapor partial pressure becomes smaller. In the humidified gas upstream region), since the water vapor transmission amount is originally small, the influence of the water vapor transmission amount decrease is small, and the effect of increasing the water vapor transmission amount is obtained as a whole. Alternatively, even when the humidified gas downstream region (high-humidity gas upstream region) in the water vapor permeable membrane has at least one of a higher pore ratio or a fine pore with a larger pore diameter, It is the same. However, as in the first and second embodiments, the film thickness is made thinner in the high-humidity gas downstream region (humidified gas upstream region) or the humidified gas downstream region (high-humidity gas upstream region) in the water vapor permeable membrane. The effect of increasing the amount of water vapor permeation of the entire apparatus is usually obtained more and more by setting at least one of a higher pore ratio and / or a fine pore having a larger pore diameter. This is because the water vapor transmission amount in the region where the water vapor partial pressure difference is originally large and the water vapor transmission amount is large is ensured as it is, and the water vapor transmission amount in the region where the water vapor partial pressure difference is originally small and the water vapor transmission amount is small further increases. .

F.変形例:
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
F. Variations:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.

F1.変形例1:
第1ないし第3実施例では、被加湿ガスとして空気を用い、燃料電池に供給するための酸化ガスの加湿を行なったが、異なる構成としても良い。たとえば、燃料電池に供給するための燃料ガスを被加湿ガスとして用い、この燃料ガスを、高湿度ガスとしてのアノード排ガスや液水を用いて加湿しても良い。あるいは、燃料電池に供給するための反応ガスを加湿するために、反応ガスに対応する排ガス以外の水蒸気含有ガスを高湿度ガスとして用いても良い。また、燃料電池システム以外に本発明の加湿装置を適用し、燃料電池に供給する反応ガス以外のガスの加湿を行なっても良い。被加湿ガスに対して、水蒸気透過膜を介して高湿度ガスや液水から水蒸気を供給する加湿装置であれば、本発明を適用することができる。
F1. Modification 1:
In the first to third embodiments, air is used as the humidified gas and the oxidizing gas for supplying the fuel cell is humidified. However, different configurations may be used. For example, a fuel gas to be supplied to the fuel cell may be used as a humidified gas, and the fuel gas may be humidified using anode exhaust gas or liquid water as a high humidity gas. Alternatively, in order to humidify the reaction gas to be supplied to the fuel cell, a steam-containing gas other than the exhaust gas corresponding to the reaction gas may be used as the high humidity gas. In addition to the fuel cell system, the humidifier of the present invention may be applied to humidify gases other than the reaction gas supplied to the fuel cell. The present invention can be applied to any humidifier that supplies steam from a high-humidity gas or liquid water to a humidified gas via a water vapor permeable membrane.

F2.変形例2:
第1ないし第3実施例では、水蒸気透過膜は、平坦な面を成す膜としたが、異なる形状の水蒸気透過膜を用いても良い。例えば、水蒸気透過膜を、プリーツ状に折り畳んだ形状と成し、水蒸気が透過し得る表面積をより広く確保しても良い。
F2. Modification 2:
In the first to third embodiments, the water vapor permeable film is a film having a flat surface, but water vapor permeable films having different shapes may be used. For example, the water vapor permeable membrane may be formed in a pleated shape so as to ensure a wider surface area through which water vapor can permeate.

あるいは、シート状以外の形状の水蒸気透過膜を用いても良い。例えば、水蒸気透過膜として中空糸を用いることができる。この場合には、内部に空間を形成する所定の外殻容器内に中空糸の束を収納して加湿装置を構成し、中空糸の内側の空間と外側の空間のいずれか一方に被加湿ガスを流すと共に、他方に高湿度ガスまたは加湿用液水を流せば良い。その際に、被加湿ガス等の流れ方向に応じて、中空糸における膜厚や開孔比、あるいは細孔径を変化させることで、本願構成を実現することが可能となる。   Alternatively, a water vapor permeable membrane having a shape other than the sheet shape may be used. For example, a hollow fiber can be used as the water vapor permeable membrane. In this case, a bundle of hollow fibers is housed in a predetermined outer shell container that forms a space inside to constitute a humidifier, and a humidified gas is placed in either the inner space or the outer space of the hollow fiber. And a high humidity gas or a liquid for humidification may be flowed to the other side. At this time, the configuration of the present application can be realized by changing the film thickness, hole ratio, or pore diameter of the hollow fiber in accordance with the flow direction of the humidified gas or the like.

実施例の燃料電池システムの概略構成を表わすブロック図である。It is a block diagram showing the schematic structure of the fuel cell system of an Example. 加湿装置25の概略構成を表わす説明図である。3 is an explanatory diagram illustrating a schematic configuration of a humidifying device 25. FIG. 膜厚が全面で略均一に形成された水蒸気透過膜における水蒸気透過効率の分布の様子を概念的に表わす説明図である。It is explanatory drawing which represents notionally the mode of distribution of the water vapor transmission efficiency in the water vapor transmission film | membrane in which the film thickness was formed substantially uniformly on the whole surface. 第2実施例の加湿装置225の概略構成を表わす説明図である。It is explanatory drawing showing schematic structure of the humidification apparatus 225 of 2nd Example. 水蒸気透過膜230に形成された微細孔の分布の様子を模式的に表わす平面図である。4 is a plan view schematically showing the distribution of micropores formed in the water vapor permeable membrane 230. FIG. 加湿装置225と同様の加湿装置において水蒸気透過膜230に代えて用いられ、微細孔の細孔径を面内で変化させた水蒸気透過膜330に形成された微細孔の様子を模式的に表わす平面図である。The top view which represents typically the mode of the micropore formed in the water vapor permeable film 330 which replaced with the water vapor permeable film 230 in the humidifier similar to the humidifier 225, and changed the pore diameter of the micropore in the surface. It is. 加湿装置425の概略構成を表わす説明図である。It is explanatory drawing showing the schematic structure of the humidifier 425. 水蒸気透過膜430における微細孔の様子を模式的に表わす平面図である。FIG. 6 is a plan view schematically showing a state of fine holes in a water vapor permeable membrane 430. 加湿装置525の概略構成を表わす説明図である。It is explanatory drawing showing the schematic structure of the humidifier 525. 水蒸気透過膜530における細孔分布の様子を模式的に表わす平面図である。4 is a plan view schematically showing the state of pore distribution in a water vapor permeable membrane 530. FIG. 開孔比および細孔径が一様である水蒸気透過膜における単位面積当たりの透過水分量を調べた結果の一例を表わす説明図である。It is explanatory drawing showing an example of the result of having investigated the permeation | transmission water | moisture amount per unit area in the water vapor permeable membrane with a uniform pore ratio and pore diameter. 水蒸気透過膜630における細孔分布の様子を模式的に表わす平面図である。6 is a plan view schematically showing the state of pore distribution in a water vapor permeable membrane 630. FIG. 第3実施例の加湿装置725の概略構成を表わす説明図である。It is explanatory drawing showing schematic structure of the humidification apparatus 725 of 3rd Example.

符号の説明Explanation of symbols

10…燃料電池システム
22…燃料電池
23…水素タンク
24…エアコンプレッサ
25,125,225,425,525,725…加湿装置
27…気液分離器
27a…バルブ
28…外殻容器
30,130,230,330,430,530,630,730…水蒸気透過膜
32,532…高湿度ガス流路
34,534…被加湿ガス流路
36,39,45,46,536,539…ガス供給口
37,38,537,538…ガス排出口
40…第1分岐路
41,42…第2分岐路
45,46…ガス供給口
60…水素供給路
62…圧力調整弁
63…アノード排ガス路
65…水素ポンプ
67…酸化ガス供給路
68…カソード排ガス路
732…加湿用液水流路
736…液水供給口
737…液水排出口
768…液水供給路
769…液水排出路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell system 22 ... Fuel cell 23 ... Hydrogen tank 24 ... Air compressor 25, 125, 225, 425, 525, 725 ... Humidifier 27 ... Gas-liquid separator 27a ... Valve 28 ... Shell container 30, 130, 230 , 330, 430, 530, 630, 730 ... water vapor permeable membrane 32, 532 ... high humidity gas passage 34, 534 ... humidified gas passage 36, 39, 45, 46, 536, 539 ... gas supply port 37, 38 , 537, 538 ... gas discharge port 40 ... first branch passage 41, 42 ... second branch passage 45, 46 ... gas supply port 60 ... hydrogen supply passage 62 ... pressure regulating valve 63 ... anode exhaust gas passage 65 ... hydrogen pump 67 ... Oxidizing gas supply path 68 ... Cathode exhaust gas path 732 ... Humidification liquid water path 736 ... Liquid water supply port 737 ... Liquid water discharge port 768 ... Liquid water supply path 769 ... Liquid Discharge path

Claims (12)

ガスを加湿するガス加湿装置であって、
内部に空間を形成する外殻容器と、
前記外殻容器内に配置される膜であって、前記外殻容器内の空間を、一方の面側に形成されて低湿度な被加湿ガスが流れる第1の空間と、他方の面側に形成されて前記被加湿ガスよりも湿度の高い高湿度ガスが流れる第2の空間と、に分けると共に、前記膜の両面間の水蒸気分圧差に応じた量の水蒸気を、水蒸気分圧の高い高湿度ガス側から水蒸気分圧の低い被加湿ガス側へと透過させる水蒸気透過膜と
を備え、
前記水蒸気透過膜は、前記第1の空間と前記第2の空間との間の水蒸気分圧差が小さくなる領域ほど、厚さが薄く形成されている
加湿装置。
A gas humidifier for humidifying gas,
An outer shell container that forms a space inside;
A membrane disposed in the outer shell container, wherein a space in the outer shell container is formed on one surface side and a first space in which a low-humidity humidified gas flows and on the other surface side. And a second space through which a high-humidity gas having a higher humidity than the humidified gas flows, and an amount of water vapor corresponding to a difference in water vapor partial pressure between both surfaces of the film is high. and a water vapor permeable membrane that to lower the humidified gas side of the water vapor partial pressure permeability umbrella from the humidity gas side,
The humidifying device is configured such that the water vapor permeable membrane is thinner in a region where a water vapor partial pressure difference between the first space and the second space becomes smaller.
請求項1記載のガス加湿装置であって、
前記水蒸気透過膜は、前記第2の空間に供給された一定量の前記高湿度ガスが流れる領域において、前記高湿度ガスの流れの下流側に対応する領域ほど、厚さが薄く形成されている
加湿装置。
A gas humidifier according to claim 1,
The water vapor permeable membrane has a thinner thickness in a region corresponding to a downstream side of the flow of the high-humidity gas in a region where the predetermined amount of the high-humidity gas supplied to the second space flows. Humidifier.
ガスを加湿するガス加湿装置であって、
内部に空間を形成する外殻容器と、
前記外殻容器内に配置される膜であって、前記外殻容器内の空間を、一方の面側に形成されて低湿度な被加湿ガスが流れる第1の空間と、他方の面側に形成されて前記被加湿ガスよりも湿度の高い高湿度ガスが流れる第2の空間と、に分けると共に、前記膜の両面間の水蒸気分圧差に応じた量の水蒸気を、水蒸気分圧の高い高湿度ガス側から水蒸気分圧の低い被加湿ガス側へと透過させ、多数の微細孔を有する水蒸気透過膜と
を備え、
前記水蒸気透過膜は、前記第1の空間と前記第2の空間との間の水蒸気分圧差が小さくなる領域ほど、より高い開孔比を有するか細孔径のより大きな微細孔を有するかの少なくともいずれかである
加湿装置。
A gas humidifier for humidifying gas,
An outer shell container that forms a space inside;
A membrane disposed in the outer shell container, wherein a space in the outer shell container is formed on one surface side and a first space in which a low-humidity humidified gas flows and on the other surface side. And a second space through which a high-humidity gas having a higher humidity than the humidified gas flows, and an amount of water vapor corresponding to a difference in water vapor partial pressure between both surfaces of the film is high. It was from the humidity gas side to the low water vapor partial pressure the humidified gas side magnetic bulk, and a vapor permeable membrane having a number of micropores,
The water vapor permeable membrane has at least either a higher pore ratio or a fine pore having a larger pore diameter in a region where the difference in water vapor partial pressure between the first space and the second space is smaller. Is a humidifier.
請求項3記載のガス加湿装置であって、
前記水蒸気透過膜は、前記第2の空間に供給された一定量の前記高湿度ガスが流れる領域において、前記高湿度ガスの流れの下流側に対応する領域ほど、より高い開孔比を有するか細孔径のより大きな微細孔を有するかの少なくともいずれかである
加湿装置。
A gas humidifier according to claim 3,
Does the water vapor permeable membrane have a higher aperture ratio in a region corresponding to the downstream side of the flow of the high humidity gas in a region where the constant amount of the high humidity gas supplied to the second space flows? A humidifier that has at least one of fine pores having a larger pore diameter.
請求項2または4記載のガス加湿装置であって、
前記第2の空間では、前記外殻容器に形成された単一のガス供給口から、前記外殻容器に形成された単一のガス排出口へと、一定方向に前記高湿度ガスが流れる
加湿装置。
A gas humidifier according to claim 2 or 4,
In the second space, the high-humidity gas flows in a certain direction from a single gas supply port formed in the outer shell container to a single gas discharge port formed in the outer shell container. apparatus.
請求項1ないし5いずれか記載のガス加湿装置であって、
前記第1の空間における前記被加湿ガスの流れの向きと、前記第2の空間における前記高湿度ガスの流れの向きとは、対向する向きである
加湿装置。
A gas humidifier according to any one of claims 1 to 5,
The humidifying device is a direction in which the direction of the flow of the humidified gas in the first space and the direction of the flow of the high-humidity gas in the second space are opposed to each other.
ガスを加湿するガス加湿装置であって、
内部に空間を形成する外殻容器と、
前記外殻容器内に配置され、前記外殻容器内の空間を、一方の面側に形成されて飽和蒸気圧よりも水蒸気分圧が低い被加湿ガスが導入されて流れる第1の空間と、他方の面側に形成されて加湿用液水が流れる第2の空間と、に分ける膜であって、該膜を間に介して一方の面上にガスが存在し、他方の面上に液水が存在する場合に、前記一方の面上の水蒸気分圧が低いほど多くの水蒸気を、前記液水側から前記ガス側へと透過させる水蒸気透過膜と
を備え、
前記水蒸気透過膜は、前記第1の空間側の水蒸気分圧が高領域ほど、厚さが薄く形成されている
加湿装置。
A gas humidifier for humidifying gas,
An outer shell container that forms a space inside;
A first space which is disposed in the outer shell container, and the space in the outer shell container is formed on one surface side, and a humidified gas having a water vapor partial pressure lower than a saturated vapor pressure is introduced and flows through the first space; And a second space formed on the other surface side through which the humidifying liquid water flows , wherein gas is present on one surface with the film interposed therebetween, and on the other surface A water vapor permeable membrane that permeates more water vapor from the liquid water side to the gas side as the water vapor partial pressure on the one surface is lower when liquid water is present ,
Wherein the water vapor permeable membrane, the first as the water vapor partial pressure is not high region of space side, humidifier thickness is formed thinly.
請求項7記載のガス加湿装置であって、
前記第1の空間では、前記外殻容器に形成されたガス供給口から、前記外殻容器に形成されたガス排出口へと、一定方向に前記被加湿ガスが流れ、
前記水蒸気透過膜は、前記ガス排出口に近い領域ほど、厚さが薄く形成されている
加湿装置。
The gas humidifying device according to claim 7 Symbol mounting,
In the first space, the humidified gas flows in a certain direction from a gas supply port formed in the outer shell container to a gas discharge port formed in the outer shell container,
The moisture vapor permeable membrane is formed with a thinner thickness in a region closer to the gas discharge port.
ガスを加湿するガス加湿装置であって、
内部に空間を形成する外殻容器と、
前記外殻容器内に配置され、前記外殻容器内の空間を、一方の面側に形成されて飽和蒸気圧よりも水蒸気分圧が低い被加湿ガスが導入されて流れる第1の空間と、他方の面側に形成されて加湿用流体が流れる第2の空間と、に分ける膜であって、該膜を間に介して一方の面上にガスが存在し、他方の面上に液水が存在する場合に、前記一方の面上の水蒸気分圧が低いほど多くの水蒸気を、前記液水側から前記ガス側へと透過させ、多数の微細孔を有する水蒸気透過膜と
を備え、
前記水蒸気透過膜は、前記第1の空間側の水蒸気分圧が高領域ほど、より高い開孔比を有するか細孔径のより大きな微細孔を有するかの少なくともいずれかである
加湿装置。
A gas humidifier for humidifying gas,
An outer shell container that forms a space inside;
A first space which is disposed in the outer shell container, and the space in the outer shell container is formed on one surface side, and a humidified gas having a water vapor partial pressure lower than a saturated vapor pressure is introduced and flows through the first space; And a second space formed on the other surface side through which the humidifying fluid flows , wherein gas is present on one surface and the liquid is formed on the other surface through the film. When water is present, the lower the water vapor partial pressure on the one surface is, the more water vapor is allowed to permeate from the liquid water side to the gas side, and a water vapor permeable membrane having a large number of micropores is provided.
Wherein the water vapor permeable membrane, the higher the first area the partial pressure of water vapor space side is not high, the humidifier is whether the at least one having larger micropores of pore diameter or has a higher aperture ratio.
請求項9記載のガス加湿装置であって、
前記第1の空間では、前記外殻容器に形成されたガス供給口から、前記外殻容器に形成されたガス排出口へと、一定方向に前記被加湿ガスが流れ、
前記水蒸気透過膜は、前記ガス排出口に近い領域ほど、より高い開孔比を有するか細孔径のより大きな微細孔を有するかの少なくともいずれかである
加湿装置。
The gas humidifying device according to claim 9 Symbol mounting,
In the first space, the humidified gas flows in a certain direction from a gas supply port formed in the outer shell container to a gas discharge port formed in the outer shell container,
The humidifying apparatus, wherein the water vapor permeable membrane has at least one of a higher opening ratio and a fine pore having a larger pore diameter in a region closer to the gas discharge port.
燃料電池システムであって、
請求項1ないし10いずれか記載のガス加湿装置と、
固体高分子電解質型燃料電池と
を備え、
前記被加湿ガスとして、前記燃料電池における電気化学反応に供するための反応ガスを用いる
燃料電池システム。
A fuel cell system,
A gas humidifier according to any one of claims 1 to 10 ,
A solid polymer electrolyte fuel cell,
A fuel cell system that uses a reaction gas for an electrochemical reaction in the fuel cell as the humidified gas.
燃料電池システムであって、
請求項1ないし6いずれか記載のガス加湿装置と、
固体高分子電解質型燃料電池と
を備え、
前記被加湿ガスとして、前記燃料電池における電気化学反応に供するための反応ガスを用い、
前記高湿度ガスとして、前記燃料電池における電気化学反応に供された後に排出された排出ガスを用いる
燃料電池システム。
A fuel cell system,
A gas humidifier according to any one of claims 1 to 6,
A solid polymer electrolyte fuel cell,
As the humidified gas, a reaction gas for use in an electrochemical reaction in the fuel cell is used,
A fuel cell system that uses exhaust gas discharged after being subjected to an electrochemical reaction in the fuel cell as the high-humidity gas.
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