JP5151853B2 - Humidifier - Google Patents
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Description
本発明は、加湿装置に関する。 The present invention relates to a humidifier.
従来より、中空糸膜を用いた加湿装置が知られている(例えば、特許文献1など参照)。中空糸膜を用いた加湿装置は、中空糸膜内部の細孔への毛管凝縮作用を利用して、中空糸膜内部を流れる湿潤気体から水分を分離して中空糸膜外部に移動させ、中空糸膜外部を流れる乾燥気体を加湿するものである。なお、湿潤気体が中空糸膜外部を流れ、乾燥気体が中空糸膜内部を流れてもよい。 Conventionally, a humidifier using a hollow fiber membrane is known (see, for example, Patent Document 1). A humidifier using a hollow fiber membrane uses a capillary condensation action to the pores inside the hollow fiber membrane to separate moisture from the moist gas flowing inside the hollow fiber membrane and move it to the outside of the hollow fiber membrane. It humidifies the dry gas flowing outside the yarn membrane. The wet gas may flow outside the hollow fiber membrane, and the dry gas may flow inside the hollow fiber membrane.
この類の加湿装置は、例えば、中空糸膜の束を筒形状をなすケース内に収容した中空糸膜モジュールを有する。湿潤気体を個々の中空糸膜内を流れるように中空糸膜モジュール内に流入させ、また、乾燥気体を、ケースに形成された複数のガス孔を介して中空糸膜の外部を流れるように中空糸膜モジュール内に流入させる。湿潤気体と乾燥気体は、互いに直交するように供給される、いわゆるクロスフロー方式で導入される。
ところで、特許文献1に開示された手法によれば、中空糸膜モジュール内において個々の中空糸膜外部を流れる気体の流れの均一化を図るべく、複数の中空糸膜を束ねて1セットとして、複数セットの中空糸膜の束を隙間を持たせつつケース内に収容する。しかしながら、かかる手法によれば、当該隙間にガスが局所的に流れる傾向となり、流れの均一化を図ることができないという不都合がある。
By the way, according to the technique disclosed in
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、個々の中空糸膜外部を流れる気体の流れの均一化を図ることにより、加湿効率の向上を図ることである。 This invention is made | formed in view of this situation, The objective is aiming at the improvement of humidification efficiency by aiming at the uniformization of the flow of the gas which flows outside each hollow fiber membrane.
かかる課題を解決するために、本発明の加湿装置は、中空糸膜の長手方向に亘ってその内部に形成された流通路を流れる第1ガスと、中空糸膜の外部を第1ガスの流れ方向と交差する方向に流れる第2ガスとの間で水分交換を行う装置であり、中空糸膜モジュールと、この中空糸膜モジュール全体を内部に収容させたハウジングとで構成される。ここで、中空糸膜モジュールの収納ケースは、主導入面と、排出面と、ハウジングの内壁面と対向する上下面とを有し、それぞれの面にガス孔が複数形成されている。また、ハウジングは、収納ケースの主導入面に形成された複数のガス孔を介して中空糸膜束内に導入する第2ガスの一部を分流させる内部バイパス流路を、収納ケースの上下面との間にそれぞれ構成する。 In order to solve such a problem, the humidifying device of the present invention includes a first gas that flows through a flow passage formed inside the hollow fiber membrane in the longitudinal direction and a flow of the first gas through the outside of the hollow fiber membrane. It is a device that exchanges moisture with a second gas that flows in a direction crossing the direction, and includes a hollow fiber membrane module and a housing that accommodates the entire hollow fiber membrane module. Here, the storage case of the hollow fiber membrane module has a main introduction surface, a discharge surface, and upper and lower surfaces facing the inner wall surface of the housing, and a plurality of gas holes are formed on each surface. The housing also has an internal bypass passage for dividing a part of the second gas introduced into the hollow fiber membrane bundle through a plurality of gas holes formed on the main introduction surface of the storage case, and upper and lower surfaces of the storage case. And configure each.
本発明によれば、主導入面から排出面へと至る主流方向以外に、内部バイパス流路を経由して上下方向から第2ガスが流入することとなるので、第2ガスを中空糸膜束の内部に分散的に導入することができる。よって、内部を通過するガスの流れの均一化を図ることができ、加湿効率の向上を図ることができる。 According to the present invention, since the second gas flows in from the vertical direction via the internal bypass flow path in addition to the main flow direction from the main introduction surface to the discharge surface, the second gas is fed into the hollow fiber membrane bundle. Can be introduced in a distributed manner. Therefore, the flow of gas passing through the inside can be made uniform, and the humidification efficiency can be improved.
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態にかかる加湿装置1を模式的に示す斜視図である。この加湿装置1は、例えば、燃料電池システムに用いられる加湿装置として好適である。燃料電池システムは、燃料ガス(例えば、水素)と、酸化剤ガス(例えば、空気)とを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池スタックを主体に構成されている。燃料電池スタックは、電解質および電極触媒複合体を挟んで酸化剤極と燃料極とを対設した燃料電池構造体をセパレータで挟持して、これを複数積層して構成されている。電解質としては、高エネルギー密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、固体高分子電解質が多く用いられる。固体高分子電解質は、例えば、フッ素樹脂系イオン交換膜といったイオン伝導性の高分子膜で構成されており、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。したがって、このような燃料電池システムでは、反応ガス(燃料ガスまたは酸化剤ガス)を加湿装置によって加湿した状態で燃料電池スタックに供給することによって、各セルの固体高分子電解質膜を加湿している。
(First embodiment)
FIG. 1 is a perspective view schematically showing a
図2は、本実施形態にかかる加湿装置1を模式的に示す分解斜視図である。本実施形態の加湿装置1は、湿潤気体、例えば、燃料電池から排出された水蒸気を含む反応ガス(以下「第2ガスG2」という)と、乾燥気体、例えば、燃料電池に供給するための反応ガス(以下「第1ガスG1」という)との間で水分交換を行って乾燥気体を加湿する。加湿装置1は、水透過膜として中空糸膜を用いた中空糸膜モジュール2と、この中空糸膜モジュール2全体を内部に収容させたハウジング3とを備えている。
FIG. 2 is an exploded perspective view schematically showing the
中空糸膜モジュール2は、複数本の中空糸膜4を束ねて構成される中空糸膜束5と、この中空糸膜束5を内部に収容する角筒状の収納ケース6とを主体に構成されている。
The hollow fiber membrane module 2 is mainly composed of a hollow fiber membrane bundle 5 configured by bundling a plurality of hollow fiber membranes 4 and a rectangular
図3は、中空糸膜束5を模式的に示す斜視図である。中空糸膜束5は、複数の中空糸膜4を束ねて構成されている。個々の中空糸膜4は、長手方向に亘って貫通する細孔である流通路7が内部に形成されており、断面円形状の細長いストロー形状を有している。 FIG. 3 is a perspective view schematically showing the hollow fiber membrane bundle 5. The hollow fiber membrane bundle 5 is configured by bundling a plurality of hollow fiber membranes 4. Each hollow fiber membrane 4 has a flow passage 7 which is a pore penetrating in the longitudinal direction, and has an elongated straw shape with a circular cross section.
この中空糸膜モジュール2において、第1ガスG1が中空糸膜4内(流通路7)に供給され、中空糸膜4の外側(外部)に水分を含んだ第2ガスG2が供給される。中空糸膜4内の厚さ方向に形成された細孔(毛細管)内に水分が凝縮(毛細管凝縮)し、中空糸膜4の内外における水蒸気分圧差により、水分が中空糸膜4の外側から内側へと透過する。第2ガスG2中の空気は、中空糸膜4内の細孔内に水分が凝縮されることによって流れが阻害され、結果的に湿潤気体中の水蒸気のみが選択的に第1ガスG1側へ透過する。この透過した水分は、中空糸膜4の内側に供給された第1ガスと接触し気化し、これにより、第1ガスG1が加湿される。 In the hollow fiber membrane module 2, the first gas G1 is supplied into the hollow fiber membrane 4 (flow passage 7), and the second gas G2 containing moisture is supplied to the outside (outside) of the hollow fiber membrane 4. Moisture is condensed (capillary condensation) in pores (capillaries) formed in the thickness direction in the hollow fiber membrane 4, and moisture is transferred from the outside of the hollow fiber membrane 4 due to a difference in water vapor partial pressure inside and outside the hollow fiber membrane 4. It penetrates inward. The flow of the air in the second gas G2 is inhibited by the condensation of moisture in the pores in the hollow fiber membrane 4, and as a result, only the water vapor in the wet gas selectively moves to the first gas G1 side. To Penetrate. The permeated water comes into contact with the first gas supplied to the inside of the hollow fiber membrane 4 and vaporizes, whereby the first gas G1 is humidified.
本実施形態の加湿装置1では、第1ガスG1の流れ方向と交差(具体的には、略直行)する方向に第2ガスG2が流れる、いわゆる、クロスフロー方式が採用されている。なお、中空糸膜モジュール2は、湿潤気体である第2ガスG2を中空糸膜4内に供給し、乾燥気体である第1ガスG1を中空糸膜4の外側に流す場合でも水交換を行うことができる。
In the
図4は、収納ケース6を模式的に示す斜視図である。同図(a)は、収納ケース6の構成を模式的に示す斜視図であり、同図(b)は、中空糸膜束5を収納ケース6に収容した状態を模式的に示す斜視図である。収納ケース6は、両端が開口された角筒形状を有しており、中空糸膜束5をその内部に収容する機能を担っている。
FIG. 4 is a perspective view schematically showing the
この収納ケース6において、対向する一対の側面6a,6b、すなわち、開口の長手辺を構成する一対の面のそれぞれには、湿潤気体である第2ガスG2を中空糸膜束5の内部(各中空糸膜4間の隙間)へと流入させるためのガス孔8,9がほぼ全面に複数形成されている。一方の側面6a(以下、必要に応じて「第2ガス主導入面6a」という)に形成された各ガス孔8は、第2ガスG2を中空糸膜束5の内部に流入させるためのガス導入孔として機能する。これに対して、他方の側面6b(以下、必要に応じて「第2ガス排出面6b」という)に形成された各ガス孔9は、中空糸膜束5の内部を通過した第2ガスG2を中空糸膜モジュール2外へと排出させるガス排出孔として機能する。
In the
また、対向する上下面6c,6d、すなわち、開口の短手辺を構成する一対の面のそれぞれには、後述するバイパス第2ガスG2を中空糸膜束5の内部へと流入させるためのガス孔10,11がほぼ全面に複数形成されている。上面6c(以下、必要に応じて「第2ガス副導入面6c」という)に形成された各ガス孔10は、バイパス第2ガスG2を中空糸膜束5の内部に流入させるためのガス導入孔として機能する。これに対して、下面6d(以下、必要に応じて「第2ガス副導入面6d」という)に形成された各ガス孔11は、バイパス第2ガスG2を中空糸膜束5の内部に流入させるためのガス導入孔として機能する。
Further, a gas for allowing a bypass second gas G2 (described later) to flow into the hollow fiber membrane bundle 5 into each of the opposing upper and
中空糸膜束5は、複数本の中空糸膜4が束ねられた後、その両端がポッティング剤(接着剤)で固定されることにより形成される。また、収納ケース6に収納された中空糸膜束5は、その長手方向両端部をケース内壁面にポッティング剤で固定され、それ以外の部位は接着されていない。この中空糸膜束5の両端を除く部位は、各中空糸膜4同士が接合されずに微細な空隙を有しており、その空隙に湿潤気体である第2ガスG2が流れるようになっている。つまり、中空糸膜束5の両端を除く部位が、第1ガスG1を第2ガスG2で加湿する加湿場として機能する。
The hollow fiber membrane bundle 5 is formed by bundling a plurality of hollow fiber membranes 4 and then fixing both ends with a potting agent (adhesive). Moreover, the hollow fiber membrane bundle 5 accommodated in the
また、中空糸膜モジュール2において、中空糸膜束5は、収納ケース6の全域に亘って収容されておらず、一部に隙間が生じるような格好で収容されている。具体的には、図4(b)に示すように、中空糸膜束5は、第2ガス排出面6bと上面6cとの隅部、および、第2ガス排出面6bと下面6dとの隅部に空間がそれぞれ形成されるように、収納ケース6に収容されている。
Further, in the hollow fiber membrane module 2, the hollow fiber membrane bundle 5 is not accommodated over the entire area of the
また、収納ケース6は、開口断面、すなわち、内部に収容される中空糸膜束5の軸方向と直交する面における縦横比において、第2ガスG2の流れ方向の長さ(横長さ)L1が、この第2ガスG2の流れ方向と直交する方向の収納ケース6の長さ(縦長さ)L2よりも短くなるように設定されている。換言すれば、収納ケース6は、開口断面において、第2ガス主導入面6aおよび第2ガス排出面6bを長手辺として、上下面6c,6dを短手辺とするアスペクト比の角筒形状に設定されていうる。
The
再び図1,2を参照するに、ハウジング3は、筐体12と、第1ガスG1の導入口13を有した第1ガス導入用マニホールド14と、第1ガスG1の排出口15を有した第1ガス排出用マニホールド16と、第2ガスG2の導入口17を有した第2ガス導入用マニホールド18と、第2ガスG2の排出口19を有した第2ガス排出用マニホールド20と、からなる。
1 and 2, the housing 3 has a
筐体12は、中空糸膜モジュール2全体を内部に収容させるケースであり、両端を開口させた四角柱形状を有している。
The
第1ガス導入用マニホールド14は、筐体12の前後方向に形成された一方の開口21を閉塞するように取り付けられている。図5,6に示すように、これら第1ガス導入用マニホールド14と筐体12との間のシールは、開口21内端部で例えばOリング22等を使用した軸シール構造が採用されている。第1ガス導入用マニホールド14には、第1ガスG1を筐体12内の中空糸膜モジュール2に導入させるための導入口13が形成されている。
The first
第1ガス排出用マニホールド16は、筐体12の前後方向に形成された他方の開口23を閉塞するように取り付けられている。図5,7に示すように、これら第1ガス排出用マニホールド16と筐体12との間のシールは、開口23内端部で例えばOリング24等を使用した軸シール構造が採用されている。第1ガス排出用マニホールド16には、各中空糸膜4の流通路7を通った第1ガスG1を筐体12外へと排出させるための排出口15が形成されている。
The first
第2ガス導入用マニホールド18は、筐体12の一方の側面に形成された開口(図示は省略する)を閉塞するように取り付けられている。この第2ガス導入用マニホールド18には、第2ガスG2を筐体12内へと導入させるための導入口17が形成されている。なお、第2ガス導入用マニホールド18と筐体12のシールは、同様に軸シール構造でシールされている。第2ガス導入用マニホールド18により、第2ガスの導入口17側と収納ケース6の第2ガス主導入面6aとが向き合う格好となる。
The second
また、図9に示すように、この第2ガス導入用マニホールド18には、第2ガスG2を導入する導入口17から収納ケース6の第2ガス主導入面6aまでのガス導入流路25の途中に段差部26が設けられている。段差部26は、第2ガス導入用マニホールド18の一部を内側(筐体12側)に凹ませて形成され、第2ガス主導入面6aの中間位置手間に設けられている。この段差部26を設けることで、ガス導入流路25奥側の流路体積が絞られる。
Further, as shown in FIG. 9, the second
導入口17から流入した第2ガスG2は、ガス導入流路25を流れ、その途中に設けられた段差部26による傾斜内壁面26aに衝突し分散される。そのため、第2ガス主導入面6aの全体に、分散された第2ガスG2が導入されることになる。つまり、第2ガスG2は、本来であればガス流れの特性上、ガス導入流路25の奥側へ偏り易くなる。しかしながら、第2ガスG2を流路途中で段差部26に衝突させることで、流れ難い流路手前側を流れ易くし、ガスの均一分散化を図っている。
The second gas G2 flowing from the
第2ガス排出用マニホールド20は、筐体12の他側面に一体化されている。この第2ガス排出用マニホールド20には、筐体12内に導入された第2ガスG2を排出するための排出口19が設けられている。また、この第2ガス排出用マニホールド20には、排出口19に至るまでの流路が充分に大きく確保できるように、その内部空間27を設けている。第2ガス排出用マニホールド20により、第2ガスの排出口19側と収納ケース6の第2ガス排出面6bとが向き合う格好となる。
The second
なお、第1ガス導入用マニホールド14、第1ガス排出用マニホールド16および第2ガス導入用マニホールド18を、筐体12に対して軸シール構造にてシールすることにより、これらの結合部位を他の手段でシールする場合に比べて、ボルト点数の削減、締結用のフランジ・ボスのスペースを無くすことができる。これにより、加湿器構成の小型化に有利になる。
The first
また、本実施形態の加湿装置1には、第2ガス主導入面6aのガス孔8を介して中空糸膜束5の内部に導入される第2ガスG2の一部を、収納ケース6の上下面6c,6d側に分流させる内部バイパス流路28が、ハウジング3の内壁面と収納ケース6の外壁面との間に設けている。具体的には、内部バイパス流路28は、図6,8に示すように、筐体12の内壁面12aと収納ケース6の上面6cとの間に形成された第1の空間部によって構成されている。詳細には、開口21、23が形成された両端を除く筐体12の内壁面12aに深さの浅い溝29を形成することで、この溝29と収納ケース6の上面6cとの間に通路となる第1の空間部を形成している。この第1の空間部が内部バイパス流路28となっている。また、第1の空間部と同様に、内部バイパス流路28は、筐体12の内壁面12aと収納ケース6の下面6dとの間に形成された第2の空間部によっても構成されている。
Further, in the
内部バイパス流路28は、第2ガス主導入面6aおよび第2ガス排出面6bを挟んで、上下2箇所の位置である上下面6c,6dにそれぞれ設けられている。換言すれば、収納ケース6の第2ガス主導入面6aから第2ガス排出面6bへ向けて第2ガスG2が流れる第2ガス流れ方向Dと直交する筐体高さ方向Eの上部と下部に、内部バイパス流路28がそれぞれ設けられている。バイパス第2ガスG2、すなわち、内部バイパス流路28に分流する第2ガスG2は、中空糸膜モジュール2を挟んでその外側を上下に流れることになる。
The
内部バイパス流路28は、図6の拡大図に示すように、収納ケース6の開口された両端側の外壁面の全周に亘って形成されたシール部材30と、筐体12の内壁面12aとが密着することでガス漏れが抑制されている。シール部材30は、収納ケース6の開口両端側の外壁面に形成された2つの環状突起31,32間に配置されている。シール部材30としては、例えばOリングなどが使用される。この内部バイパス流路28は、軸シール構造でシールされている。なお、環状突起31,32は、筐体12の内壁面12aと密着する高さの低い帯状の突起である。このように、内部バイパス流路28のシール位置を、中空糸膜モジュール2の両端位置としたことで、内部バイパス流路28の流路スペースが有効活用できる。
As shown in the enlarged view of FIG. 6, the
また、内部バイパス流路28には、この内部バイパス流路28を流れるバイパス第2ガスG2の流量を調整する流量調整手段が設けられている。流量調整手段は、図4に示すように、収納ケース6の両端側の外壁面全周に形成されたシール部材30間を連結するように収納ケース6の外壁面に形成された凸状のリブ部33からなる。具体的には、リブ部33は、第2ガス排出面6bに近接した収納ケース6の上面6cおよび下面6dに、両端の環状突起31,32を相互に連結するように第1ガスG1のガス流れ方向Fに沿って延在している。換言すれば、凸状のリブ部33は、収納ケース6の上面6cおよび下面6dにおいて、第2ガスG2の下流側(内部バイパス流路28の出口側)に設けられている。このリブ部33は、環状突起31と同一高さに設定されており、内部バイパス流路28に分流したバイパス第2ガスG2の抵抗になる。
Further, the internal
図10は、加湿装置1におけるガスの流れを説明する説明図である。加湿装置1における第1ガスG1と第2ガスG2とのガス流れについて説明する。乾燥気体である第1ガスG1は、第1ガス導入用マニホールド14の導入口13から供給された後、中空糸膜束5を構成する各中空糸膜4の流通路7を流れ、第1ガス排出用マニホールド16の排出口15から排出される。
FIG. 10 is an explanatory diagram for explaining the flow of gas in the
湿潤気体である第2ガスG2は、第2ガス導入用マニホールド18の導入口17から供給された後、この第2ガス導入用マニホールド18に形成された段差部26に衝突して分散され、第2ガス主導入面6a全体に均一量として供給される。そして、この第2ガスG2は、第2ガス主導入面6aに形成された各ガス孔8より中空糸膜束5の各中空糸膜4間の隙間を流れた後、反対側の第2ガス排出面6bに形成された各ガス孔9より排出される。
The second gas G2, which is a wet gas, is supplied from the
また、段差部26に衝突して分散された第2ガスG2の一部は、上下の内部バイパス流路28に流れる。内部バイパス流路28に流れた第2ガスG2、すなわち、バイパス第2ガスG2は、第2ガス副導入面6c,6dにそれぞれ形成された各ガス孔10,11より中空糸膜束5の各中空糸膜4間の隙間を流れた後、第2ガス排出面6bに形成された各ガス孔9より排出される。
In addition, a part of the second gas G <b> 2 that has collided with the stepped
さらに、内部バイパス流路28における下流側では、各ガス孔10,11から収納ケース6の内部に流入しなかったバイパス第2ガスG2が、流量調整手段である凸状のリブ部33により流れが妨げられ、その流量が調整される。
Further, on the downstream side of the internal
加湿場では、中空糸膜4の流通路7を流れる乾燥した乾燥気体である第1ガスG1と中空糸膜4間の隙間を流れる水分を含んだ湿潤気体である第2ガスG2とが接触する。その中空糸膜4の内外における水蒸気分圧差によって水分が中空糸膜4の外側から内側へと透過する。これにより、湿潤気体中の水蒸気が乾燥気体側へ透過して第1ガスG1を加湿する。 In the humidification field, the first gas G1 which is a dry dry gas flowing through the flow passage 7 of the hollow fiber membrane 4 and the second gas G2 which is a wet gas containing moisture flowing through the gap between the hollow fiber membranes 4 are in contact with each other. . Moisture permeates from the outside to the inside of the hollow fiber membrane 4 due to the water vapor partial pressure difference inside and outside the hollow fiber membrane 4. Thereby, the water vapor in the wet gas permeates to the dry gas side and humidifies the first gas G1.
そして、第2ガス排出面6bのガス孔11から排出された第2ガスG2と、上下の内部バイパス流路28をそのまま流れ出たバイパス第2ガスG2は、第2ガス排出用マニホールド20で合流する。合流した第2ガスG2は、第2ガス排出用マニホールド20に形成した充分広い内部空間27を設けていることから均一に混ざる。均一に混ざった第2ガスG2は、第2ガス排出用マニホールド20に形成された排出口19から排出される。
Then, the second gas G2 discharged from the
このように、本実施形態の加湿装置1において、筐体12と、中空糸膜モジュール2における収納ケース6の上下面6c,6dとの間に内部バイパス流路28が設けられている。内部バイパス流路28を構成する収納ケース6の上下面6c,6dに、第2ガスG2を中空糸膜束5の内部へと流入させるためのガス孔8,9を形成することができる。収納ケース6の一方の側面(第2ガス主導入面)6aのみならず、上下面(第2ガス副導入面)6c,6dから収納ケース6の内部に第2ガスG2が流入する。第2ガス主導入面6aから第2ガス排出面6bへと至る主流方向以外に、上下方向から第2ガスG2が流入することとなるので、第2ガスG2を分散的に導入することができる。これにより、ガス孔8,10,11付近におけるガスの流速が低減されるので、中空糸膜束5に対するガスの風圧の影響を低減させることができる。そのため、収納ケース6の内部において第2ガスG2による中空糸膜4の膜よれを低減することができる。よって、内部を通過するガスの流れの均一化を図ることができ、加湿効率の向上を図ることができる。
Thus, in the
また、本実施形態において、収納ケース6の上下面6c,6dには、流量調整手段としての凸状のリブ部33が形成されている。このリブ部33により、内部バイパス流路28の流れが妨げられるため、その上流側に位置する個々のガス孔10,11から中空糸膜束5の内部へ第2ガスG2が入りやすくなるとともに、第2ガスG2を均一に分配させることができる。また、このリブ部33の高さに対応して、内部バイパス流路28を流れるバイパス第2ガスG2の流量を調整することができる。
Further, in the present embodiment,
また、本実施形態の中空糸膜モジュール2において、中空糸膜束5は、収納ケース6の側面(第2ガス排出面)6dと上面6cとの隅部、および、収納ケース6の側面((第2ガス排出面))6dと下面6dとの隅部に隙間がそれぞれ形成されるように、収納ケース6に収容されている。すなわち、中空糸膜モジュール2は、収納ケース6の全域を中空糸膜束5で満たすのではなく、隅部に空間となる内部パス構造を有する。これにより、第2ガス主導入面6aから導入される主流側の第2ガスG2による風圧を受け易い箇所に内部パス構造が存在し、かつ、第2ガス副導入面(上下面)6c,6dからバイパス第2ガスG2を導入することにより、第2ガス排出面6b側に存在する中空糸膜4に作用するガスの風圧の影響を抑制することができる。また、主流側の第2ガスG2をより分散させることが可能となる。
Moreover, in the hollow fiber membrane module 2 of this embodiment, the hollow fiber membrane bundle 5 includes the corners of the side surface (second gas discharge surface) 6d and the
また、クロスフロー方式の加湿装置では、通常、第2ガス主導入面から第2ガス排出面へと流れる主流側の流れ方向のみに第2ガスG2を流している。このような形態では、中空糸膜モジュールに第2ガスG2を導入する前提として、中空糸膜モジュール2の上流側の筐体形状によって第2ガスを分散させることもできるが、これのみでは、図11(a)に示すように、ガスが中央に片寄る傾向がある。そのため、加湿効率を低下させる虞がある。 Further, in the crossflow humidifier, the second gas G2 is normally supplied only in the flow direction on the main flow side that flows from the second gas main introduction surface to the second gas discharge surface. In such a form, as a premise for introducing the second gas G2 into the hollow fiber membrane module, the second gas can also be dispersed by the casing shape on the upstream side of the hollow fiber membrane module 2, but only by this, As shown to 11 (a), there exists a tendency for gas to shift to the center. Therefore, there is a risk of reducing the humidification efficiency.
しかしながら、本実施形態では、内部バイパス流路28を構成する収納ケース6の上下面6c、6dのガス孔10,11からバイパス第2ガスG2を流入させる。主流側の第2ガスG2が導入されるため、中空糸膜4が上下方向への膜よれをおこそうとするが、図11(b)に示すように、上下方向から導入されるバイパス第2ガスによって膜よれに抗する力が作用する。これにより、中空糸膜4の膜よれが抑制されるので、加湿効率を低下させる要因を軽減することができる。
However, in the present embodiment, the bypass second gas G2 is caused to flow from the gas holes 10 and 11 of the upper and
また、中空糸膜モジュール2を用いた加湿装置1の加湿性能は、中空糸膜4における水蒸気分圧差が重要な要素となる。したがって、たとえば、第2ガスG2の主流側の流れ方向に対応する長さが大きい形状では、加湿による水蒸気交換が行われることにより、出口付近の部位では、水蒸気分圧差が小さくなる。よって、出口部付近では加湿効率が低下する虞がある。
Further, the moisture partial pressure difference in the hollow fiber membrane 4 is an important factor for the humidifying performance of the
しかしながら、本実施形態によれば、図8に示すように、
中空糸膜モジュール2(収納ケース6)は、開口断面において、第2ガス主導入面6aおよび第2ガス排出面6bを長手辺として、上下面6c,6dを短手辺とするアスペクト比の角筒形状を有している。このような形状的な工夫により、中空糸膜束5において、出口付近の部位で水蒸気分圧差が小さくなるといった事態を抑制することができる。これにより、加湿効率の低下を抑制することができる。
However, according to this embodiment, as shown in FIG.
The hollow fiber membrane module 2 (storage case 6) has an aspect ratio angle with the second gas
主流側の方向の下流側では、通常、水蒸気交換により水蒸気分圧差は低下する傾向となる。しかしながら、上下方向からバイパス第2ガスが導入されており、下流側においても高い水蒸気分圧差を保つことができるので、加湿効率の向上を図ることができる。また、主流側の第2ガスG2の流れでは、中央部を中心に中空糸膜4の膜よれが発生し、中央部に第2ガスG2が集中するため、その周囲には第2ガスG2が流れ難い傾向となる。しかしながら、上下方向からバイパス第2ガスG2を流入させることにより、水交換が行われていなかった領域でも、高い水蒸気分圧差を保ったまま、加湿を行うことができる。 On the downstream side in the mainstream direction, the water vapor partial pressure difference usually tends to decrease due to water vapor exchange. However, since the bypass second gas is introduced from the vertical direction and a high water vapor partial pressure difference can be maintained on the downstream side, the humidification efficiency can be improved. Further, in the flow of the second gas G2 on the mainstream side, the hollow fiber membrane 4 is swayed around the central portion, and the second gas G2 is concentrated in the central portion. It tends to be difficult to flow. However, by flowing the bypass second gas G2 in the vertical direction, humidification can be performed while maintaining a high water vapor partial pressure difference even in a region where water exchange has not been performed.
(第2の実施形態)
図12は、第2の実施形態にかかる加湿装置1の収納ケース6を模式的に示す斜視図である。この第2の実施形態にかかる加湿装置1が、第1の実施形態のそれと相違する点は、収納ケース6の上下面6c,6dに形成されるガス孔10,11の形状である。なお、第1の実施形態と共通する構成については説明を省略することとし、以下、相違点を中心に説明を行う。
(Second Embodiment)
FIG. 12 is a perspective view schematically showing the
図12に示すように、収納ケース6の上面(第2ガス副導入面)6cにおいて、ガス孔10は、第2ガスG2の下流側にかけて、開口面積(開口径)が段階的に小さくなるように設定されている。また、この上面6cと同様に、収納ケース6の下面(第2ガス副導入面)6dにおいて、ガス孔11は、第2ガスG2の下流側にかけて、開口径が段階的に小さくなるように設定されている。
As shown in FIG. 12, in the upper surface (second gas sub-introduction surface) 6c of the
かかる構成によれば、上下面6c,6dのガス孔10,11の開口径(開口面積)によって、中空糸膜束5の内部を流れるガスの圧力損失差を調整することができる。これにより、中空糸膜束5内部における圧力差が均一となるため、上下方向からの第2ガスG2をより分散的に流入させることができる。
According to this configuration, the pressure loss difference of the gas flowing inside the hollow fiber membrane bundle 5 can be adjusted by the opening diameters (opening areas) of the gas holes 10 and 11 on the upper and
(第3の実施形態)
図13は、第3の実施形態にかかる加湿装置1の収納ケース6を模式的に示す斜視図である。この第3の実施形態にかかる加湿装置1が、第1の実施形態のそれと相違する点は、収納ケース6に形成されるガス孔8〜11の形状である。なお、第1の実施形態と共通する構成については説明を省略することとし、以下、相違点を中心に説明を行う。
(Third embodiment)
FIG. 13 is a perspective view schematically illustrating the
第1の実施形態では、収納ケース6のガス孔8〜11は、円形状に設定されているが、本実施形態のガス孔8〜11は、図13に示すように、矩形状に設定されている。
In the first embodiment, the
このようにガス孔8〜11が矩形状であっても、加湿装置1は上述した第1の実施形態と同様の作用・効果を奏することができる。このため、収納ケース6に関する許容可能な形状のバリエーションを増やすことができる。また、この第3の実施形態は、上述した第2の実施形態と同様に、第2ガスG2の下流側にかけて、開口面積が段階的に小さくなるように設定することも可能である。
Thus, even if the
(第4の実施形態)
図14は、第4の実施形態にかかる加湿装置1の収納ケース6を模式的に示す斜視図である。この第4の実施形態にかかる加湿装置1が、第1の実施形態のそれと相違する点は、収納ケース6に形成されるガス孔8〜11の形状である。なお、第1の実施形態と共通する構成については説明を省略することとし、以下、相違点を中心に説明を行う。
(Fourth embodiment)
FIG. 14 is a perspective view schematically showing the
図14に示すように、収納ケース6の上面(第2ガス副導入面)6cにおいて、ガス孔10は、第2ガスG2の下流側にかけて、開口面積(開口径)が段階的に小さくなるように設定されている。また、この上面6cと同様に、収納ケース6の下面(第2ガス副導入面)6dにおいて、ガス孔11は、第2ガスG2の下流側にかけて、開口径が段階的に小さくなるように設定されている。
As shown in FIG. 14, in the upper surface (second gas sub-introduction surface) 6c of the
また、第2ガスG2の主流側の流れに対応する一対の側面(第2ガス主導入面および第2ガス排出面)6a,6bに形成されるガス孔8,9は、面の中央部に位置するものほど、開口面積が小さくなるように設定されている。
In addition, the
このように本実施形態によれば、上下面6c,6dのガス孔10,11の開口面積によって、中空糸膜束5の内部を流れるガスの圧力損失差を調整することができる。これにより、中空糸膜束5内部における圧力差が均一となるため、上下方向からの第2ガスG2をより分散的に流入させることができる。
Thus, according to this embodiment, the pressure loss difference of the gas flowing through the hollow fiber membrane bundle 5 can be adjusted by the opening areas of the gas holes 10 and 11 on the upper and
また、第2ガス主導入面6aおよび第2ガス排出面6bにおいて、中央部に位置するガス孔8,9ほど開口面積が小さくなるように設定することで、中央部に第2ガスG2が集中的に流入し難くなるので、主流側の第2ガスG2をより分散させることが可能となる。
In addition, in the second gas
以上、本発明の実施形態にかかる加湿装置について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その発明の範囲内において種々の変形が可能である。中空糸膜モジュール2は、角筒形状に限らず、円筒形状など種々の筒形状を採用することができる。この場合、収納ケースは、第2ガスG2の導入口13側と向き合う面(領域)が第2ガス主導入面6aに相当し、第2ガスG2の排出口15側と向き合う面(領域)が第2ガス排出面6bに相当し、第2ガス主導入面6aと第2ガス排出面6bとの間を接続してハウジング3の内壁面と対向する面(領域)が上下面6c,6dに相当する。
As mentioned above, although the humidification apparatus concerning embodiment of this invention was demonstrated, this invention is not limited to embodiment mentioned above, A various deformation | transformation is possible within the scope of the invention. The hollow fiber membrane module 2 is not limited to a rectangular tube shape, and various tube shapes such as a cylindrical shape can be adopted. In this case, in the storage case, the surface (region) facing the
また、本発明の加湿装置は、燃料電池システムに適用可能であるばかりでなく、乾燥気体と湿潤気体との水分交換により乾燥気体を加湿する種々のシステムに適用することができる。 The humidifier of the present invention can be applied not only to a fuel cell system, but also to various systems that humidify a dry gas by exchanging moisture between the dry gas and the wet gas.
1…加湿装置
2…中空糸膜モジュール
3…ハウジング
4…中空糸膜
5…中空糸膜束
6…収納ケース
6a…側面(第2ガス主導入面)
6b…側面(第2ガス排出面)
6c…上面(第2ガス副導入面)
6d…下面(第2ガス副導入面)
7…流通路
8〜11…ガス孔
12…筐体
14…第1ガス導入用マニホールド
16…第1ガス排出用マニホールド
18…第2ガス導入用マニホールド
20…第2ガス排出用マニホールド
25…ガス導入流路
26…段差部
28…内部バイパス流路
DESCRIPTION OF
6b ... Side surface (second gas discharge surface)
6c ... Upper surface (second gas sub-introduction surface)
6d ... lower surface (second gas sub-introduction surface)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 7 ... Flow path 8-11 ...
Claims (8)
両端が開口された筒状の収納ケース内に、複数本の中空糸膜を束ねた中空糸膜束を収容させた中空糸膜モジュールと、
第1ガスの導入口および排出口と第2ガスの導入口および排出口とを有し、前記中空糸膜モジュール全体を内部に収容させたハウジングとを有し、
前記中空糸膜モジュールの収納ケースは、前記第2ガスの導入口側と向き合う主導入面と、前記第2ガスの排出口側と向き合う排出面と、前記主導入面と前記排出面との間を接続して前記ハウジングの内壁面と対向する上下面とを有し、それぞれの面にガス孔が複数形成されており、
前記ハウジングは、前記収納ケースの主導入面に形成された複数のガス孔を介して前記中空糸膜束内に導入する前記第2ガスの一部を分流させる内部バイパス流路を、前記収納ケースの上下面との間にそれぞれ構成することを特徴とする加湿装置。 Between the first gas that flows through the flow path formed inside the hollow fiber membrane in the longitudinal direction and the second gas that flows outside the hollow fiber membrane in a direction intersecting the flow direction of the first gas. In a humidifier that exchanges moisture at
A hollow fiber membrane module in which a hollow fiber membrane bundle in which a plurality of hollow fiber membranes are bundled is accommodated in a cylindrical storage case having both ends opened,
A housing having a first gas introduction port and a discharge port and a second gas introduction port and a discharge port, and housing the entire hollow fiber membrane module therein;
The hollow fiber membrane module storage case includes a main introduction surface facing the second gas introduction port side, a discharge surface facing the second gas discharge port side, and between the main introduction surface and the discharge surface. And the upper and lower surfaces facing the inner wall surface of the housing, a plurality of gas holes are formed on each surface,
The housing includes an internal bypass channel that divides a part of the second gas introduced into the hollow fiber membrane bundle through a plurality of gas holes formed in a main introduction surface of the storage case, the storage case A humidifier characterized by comprising between the upper and lower surfaces.
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