JP5211855B2 - 燃料電池の加湿装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の加湿装置に関し、詳細には中空糸膜束内に流入するガスによる中空糸膜のよれ防止技術に関する。

従来、例えば燃料電池システムにおいて好適に使用される加湿装置として、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。

燃料電池システムでは、このような加湿装置を、燃料電池スタックから排出後の水蒸気を豊富に含んだ湿潤気体と、燃料電池スタックに供給前の乾燥した乾燥気体との間で水分交換を行って、乾燥気体を加湿するための加湿装置として利用している。

この場合、加湿装置は、例えば中空糸膜の束を円筒形状をなす筐体内に収容した中空糸膜モジュールを有する構成とされ、湿潤気体を湿潤気体導入管から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、乾燥気体を乾燥気体導入管から、筐体の全周に亘って所定間隔で形成された複数の乾燥気体流入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。

そして、中空糸膜内外における水蒸気分圧の差によって湿潤気体の水分を中空糸膜外に透過させ、この透過した水分によって中空糸膜外を流れる乾燥気体を加湿している。その後、加湿された乾燥気体は、乾燥気体導出管から流出し、燃料電池スタックへと供給される。
特開２００６−２８９２９７号公報

しかし、特許文献１に記載の技術では、中空糸膜外部を流れる気体が中空糸膜束に直接当たるため、その風圧により膜よれ（膜変形）が発生する。中空糸膜束は、複数本を束ねて円筒形状をなす筐体内に挿入され、その両端部を筐体内壁にポッティング樹脂で固定されるが、両端を除く部位は固定されていないため、導入される気体の風圧でよれてしまう。中空糸膜がよれると、気体出口部が閉塞してしまい、加湿場となる全ての中空糸膜を使い切れず、加湿効率が低下すると共に圧力損失が増加してしまう。

そこで本発明は、上記した実状に鑑みて提案されたものであり、中空糸膜束内を流れるガス流量を調整して膜よれを抑制し、加湿効率を高めると共に圧力損失の低減を図ることのできる燃料電池の加湿装置を提供することを目的とする。

本発明は、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、前記中空糸膜の外部を前記第１ガスと略直交する方向に流れる第２ガスとの間で水分交換を行うクロスフロー方式の加湿装置である。

この加湿装置は、複数本の中空糸膜を束ねた中空糸膜束と、両端が開口され且つ相対向する面に中空糸膜束内にガスを導入させるガス孔が複数形成された収納ケースとを有し、その収納ケース内に前記中空糸膜束を収容させた中空糸膜モジュールと、第１ガスの導入口及び排出口と第２ガスの導入口及び排出口を有し、該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、を備えている。

そして、本発明では、ガス孔を通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、前記ハウジングの内壁面と前記収納ケースの外壁面との間に設ける。

本発明によれば、ハウジングの内壁面と収納ケースの外壁面との間に、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を設けたので、第２ガスの一部が内部バイパスへと分流され、中空糸膜束に導入される第２ガスの風圧が低減し、膜よれが抑えられる。したがって、本発明の加湿装置によれば、加湿効率を高めることができる共に圧力損失を低下させることができる。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

「加湿装置の構成説明」
図１は加湿装置の一例を示す全体斜視図、図２は図１の分解斜視図、図３は中空糸膜束の斜視図、図４は収納ケースの斜視図、図５は図１のＡ−Ａ線断面図、図６は図５を矢印Ｂ方向から見たときの図、図７は図５を矢印Ｃ方向から見たときの図、図８はハウジングの内壁面と収納ケースの外壁面との間に設けた内部バイパスを示す図、図９は第２ガス導入用マニホールドの斜視図、図１０は加湿装置内を流れる第１ガス及び第２ガスの流出入状態を示す図、図１１は燃料電池の運転負荷と加湿量との関係を示す図である。

本実施形態の加湿装置に接続される燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギーを直接取り出すものである。特に、固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。

すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギーで駆動輪につながるモータを駆動する。そのため、燃料電池車両は、排出物質を水だけとする究極のクリーン車両となる。

このような燃料電池に用いられる固体高分子電解質に、良好な水素イオン伝導性を発揮させるためには、固体高分子電解質を加湿して湿潤状態に維持する必要がある。これを実現するため、燃料電池本体内に純水経路を設けて燃料電池本体内で電解質に加湿する内部加湿や、燃料電池に供給する水素ガスまたは空気に加湿する外部加湿が行われている。

外部加湿用の加湿装置としては、燃料電池から排出される高湿度の排出ガスと、燃料電池へ供給する水素または空気の乾燥した供給ガスとの間で中空糸膜を介して湿度交換させる中空糸膜型の加湿装置が使用される。中空糸膜型の加湿装置は、加湿用水及び加湿用エネルギーが不要であるので、特に小型軽量化が必要とされる車載用に適している。

本実施形態の加湿装置１は、図１から図３に示すように、湿潤気体、具体的には燃料電池から排出された水蒸気を豊富に含む水素ガス又は空気（以下、第２ガスＧ２と称する。）と、乾燥気体、具体的にはコンプレッサで加圧・昇温された燃料電池に供給するための水素ガス又は空気（以下、第１ガスＧ１と称する。）との間で水分交換を行って乾燥気体を加湿するものであり、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（中空糸膜束とそれを収容する収納ケースのこと）と、該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。

この水透過膜型の加湿装置１では、例えば乾燥した乾燥気体である第１ガスＧ１が中空糸膜内（膜の長手方向に亘ってその内部に形成された流通路）に供給される一方で、中空糸膜の外側（外部）に水分を含んだ湿潤気体である第２ガスＧ２が供給されると、中空糸膜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、中空糸膜の内外における水蒸気分圧差により、水分が当該中空糸膜の外側から内側へと透過する。空気は、中空糸膜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乾燥気体側へ透過する。この透過した水分は、中空糸膜束の内側に供給された乾燥気体と接触し気化することで加湿される。

水分の透過としては、前記した場合の他、湿潤気体である第２ガスＧ２を中空糸膜の内部に流し、乾燥気体である第１ガスＧ１を中空糸膜の外側に流す場合のどちらでも水交換が行われる。本実施形態では、前者の構成を採用している。また、第１ガスＧ１と第２ガスＧ２は、互いに略直交する方向に流すようにした、いわゆるクロスフロー方式を採用している。

中空糸膜モジュール２は、複数本の中空糸膜４を束ねてなる中空糸膜束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、からなる。

中空糸膜束５は、長手方向に亘って貫通する細孔である流通路７を内部に形成した断面円形状の細長いストロー形状をなす中空糸膜４からなり、それら中空糸膜４の複数本を束ねて四角柱形状とされたものである。

この中空糸膜４の中心部に形成された流通路７には、前記したコンプレッサで加圧・昇温された乾燥した酸化剤ガスである第１ガスＧ１が導入される。中空糸膜４は、複数本を束ねて四角柱形状とされた後、その両端のみをポッティング剤（接着剤）で固定されることで形成される。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、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、前記中空糸膜束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される。

収納ケース６は、図４に示すように、中空糸膜束５をその内部に収容する、両端が開口された角筒形状のケースとして形成されている。この収納ケース６の長手方向における相対向する面８、９には、燃料電池から排出される湿潤気体である第２ガスＧ２を中空糸膜４の外側（外部）を通って前記中空糸膜束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１０、１１がほぼ全面に複数形成されている。

一方の面８（この面を、第２ガス導入面８という）に形成されたガス孔１０は、第２ガスＧ２を中空糸膜束５の内部に流入させるガス導入孔とされる。他方の面９（この面を、第２ガス排出面９という）に形成されたガス孔１１は、中空糸膜束５の内部から出た第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される。

なお、収納ケース６に収納された中空糸膜モジュール２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ているが、それ以外の部位は接着されていない。

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。

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両端を開口させた四角柱形状をなす樹脂ケースとして形成されている。

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。これら第１ガス導入用マニホールド１４と筐体１２間のシールは、図５及び図６に示すように、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でシールされている。第１ガス導入用マニホールド１４には、第１ガス供給タンクから供給される第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。

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。これら第１ガス排出用マニホールド１６と筐体１２間のシールは、図５及び図７に示すように、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でシールされている。第１ガス排出用マニホールド１６には、各中空糸膜４の中心部に形成された流通路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。

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、燃料電池から排出された水蒸気を豊富に含む湿潤ガスである第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。

また、この第２ガス導入用マニホールド１８には、第２ガスＧ２を導入する前記導入口１７からガス孔１０が形成された収納ケース６の第２ガス導入面８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、前記第２ガス導入面８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、前記ガス導入流路２５奥側の流路体積が絞られる。

前記導入口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ガス導入面８の全体に、分散された第２ガスＧ２が均一に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が、その流路途中で段差部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。

第２ガス排出用マニホールド２０は、筐体１２の他側面に該筐体１２と一体化されている。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、該筐体１２外へと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、前記排出口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。

なお、前記したように、筐体１２に対して第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及び第２ガス導入用マニホールド１８を、軸シール構造にてシールしていることで、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せ、加湿器構成の小型化に有利になる。

そして特にこの加湿装置１では、前記ガス孔１０を通して中空糸膜束５内に導入する第２ガスＧ２の一部を分流させる内部バイパス流路２８を、前記ハウジング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。内部バイパス流路２８は、図８に示すように、筐体１２の内壁面１２ａと収納ケース６の外壁面６ａとの間に形成された空間部とされている。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の外壁面６ａとの間に通路となる空間部を形成している。この空間部が内部バイパス流路２８となっている。

内部バイパス流路２８は、前記収納ケース６に形成されたガス孔１０を通して中空糸膜束５内に導入する第２ガスＧ２を挟んで上下２箇所の位置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ガス導入面８から第２ガス排出面９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。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。

また、内部バイパス流路２８の流路長さＬ１は、該内部バイパス流路２８と直交する方向の前記中空糸膜モジュール２の縦長さＬ２よりも短くしている。この関係とすることで、内部バイパス流路２８に分流する第２ガスＧ２の流路距離を短くでき、中空糸膜束５内を流れるガスの加湿場としての水蒸気濃度勾配を小さくすることが可能となる。

内部バイパス流路２８は、図６の拡大図に示すように、前記収納ケース６の開口された両端側の外壁面６ａの全周に亘って形成されたシール部材２９と前記筐体１２の内壁面１２ａとが密着することでガス漏れが防止されている。シール部材２９は、収納ケース６の開口両端側の外壁面６ａに形成された２つの環状突起３０、３１間に配置されている。シール部材２９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、前記した第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、第２ガス導入用マニホールド１８と筐体１２間のシール構造と同様、軸シール構造でシールされている。なお、環状突起３０、３１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。

また、内部バイパス流路２８の入口側には、この内部バイパス流路２８を流れる第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、筐体１２の両端側の外壁面全周に形成されたシール部材２９間を連結するように該筐体１２の外壁面１２ａに形成された凸条部３２からなる。具体的には、凸条部３２は、第２ガス導入面８に近接した収納ケース６の上面及び下面に、両端の環状突起３１、３１と連結するように第１ガスＧ１のガス流れ方向Ｆに沿って形成されている。この凸条部３２は、前記環状突起３１と同一高さとされており、内部バイパス流路２８に分流した第２ガスＧ２の抵抗になる。

「ガス流れ説明」
次に、以上のように構成された加湿装置１において、第１ガスＧ１と第２ガスＧ２の膜内へのガス流れについて図１０を参照して説明する。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。

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ガス導入面８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ガス導入面８に形成された各ガス孔１０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９に形成された各ガス孔１１より排出される。

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とが接触し、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。

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の入口では、分流された第２ガスＧ２が流量調整手段である凸条部３２にぶつかり、その流量が調整される。

そして、第２ガス排出面９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を流れ出た第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２７に形成された排出口１９から排出される。

ところで、前記加湿装置１では、第２ガス導入用マニホールド１８の導入口１７から流入した第２ガスＧ２の一部が内部バイパス流路２８に分流することでそのバイパスに流れるガス流量が多くなると、加湿場となる中空糸膜束５内に流れるガス量が小さくなり加湿効率が低下する。加湿器の設計においては、低負荷〜中負荷〜高負荷それぞれに適した加湿量があるが、一般的に用いられる膜加湿器では、加湿制御ができない。

燃料電池自動車においては、スタックドライアウト、フラッディングのバランスをとるうえでも最適な加湿領域がある（図１１参照）。スタックドライアウトとは、固体高分子電解質膜の高分子膜が乾燥し過ぎることをいう。フラッディングとは、高分子膜が水分を含み過ぎることをいう。最適な領域を有効につかえる加湿器が加湿効率が高い（サイズが大型にならず、コンパクトな構造でスペックを満たす）と定義される。

なお、図１１中、斜線Ｈの領域がフラッディング領域、斜線Ｉの領域がドライアウト領域である。

加湿器の加湿性能は、単位膜面積当たりの水蒸気移動速度（流束）で評価することができる。接触型では、局所境膜水蒸気移動係数のみならず、水蒸気濃度も流れ方向によって変化する。水蒸気移動速度は、水蒸気の透過流束を流れ方向に沿って積分することで求められる。実験式との適合をみていくと、加湿性能は、他のパラメータ一定とした場合、流速に対し、指数関数での変化となる。通常の加湿膜では、流量感度（≒運転負荷）に対し指数関数で変化するため、図１１の線Ｊにあるように、過加湿領域となる。これに対して、内部バイパス流路２８を設けた本実施形態の加湿装置１では、従来構成と同等の定格条件域で設計すると、図１１の線Ｋにあるように、バイパス分、低負荷〜中負荷域で膜内に流れるガス流量が少なくなることにより、低負荷での加湿量が小さくなり、過度加湿の抑制が可能となる。

本実施形態の加湿装置１での内部バイパス流路２８は、筐体１２と中空糸膜モジュール２間でのハウジング３内における内部バイパスとなり、第２ガスＧ２のバイパス量をばらつきなく流せる構造となっている。高負荷での加湿量を設計し、バイパス量を決めることで、全運転域での最適な加湿量を保つことができ、かつ圧損低減も果たせる。一般的な膜加湿器では、高負荷での加湿量を設計した場合、低負荷では過加湿になってしまうなど、本来の加湿効率を高めた仕様となっていない。なお、ハウジング３の外側を通るようにバイパスする外部バイパス構造とした場合は、外部バイパスにより加湿器が大型するばかりか、外気により外部バイパスが冷却されてバイパス流路に凝縮水が発生し、また、合流後の配流ばらつきが発生してしまう。

「作用効果」
本実施形態の加湿装置によれば、ガス孔１０を通して中空糸膜束５内に導入する第２ガスＧ２の一部を分流させる内部バイパス流路２８を、ハウジング３を構成する筐体１２の内壁面１２ａと収納ケース６の外壁面６ａとの間に設けたので、第２ガスＧ２の一部が内部バイパス流路２８へと分流されることにより、中空糸膜束５内へと導入される第２ガスＧ２の風圧が低減して膜よれが抑えられる。

したがって、本実施形態の加湿装置によれば、ほぼ全ての中空糸膜４がよれることなく機能するため、加湿効率を高めることができる。また、本実施形態によれば、中空糸膜束５内に流れるガス流量が低減するので、圧力損失が低減でき、中空糸膜４の膜切れ（疲労破壊）寿命を延ばすことが可能となる。また、同様に、中空糸膜４の両端を接着（ポッティング）する樹脂に対する負荷が低減される。

また、本実施形態の加湿装置によれば、筐体１２の外側にバイパスさせる外部バイパスとは異なり、筐体１２の内部に内部バイパス流路２８を設けているので、バイパス部が外気に触れて供給ガス温度が下がらないことから、湿潤ガス（第２ガスＧ２）が凝縮するのを防止することができる。また、本実施形態によれば、外部バイパスとは異なり、加湿器としてのスペース効率を有効に活用することができる。

また、本実施形態の加湿装置によれば、低負荷（低流量）側は過加湿状態となるが、内部バイパス流路２８により中空糸膜束５内に流すガス量を低減できるため、スタックドライアウト、零下起動性のバランスが取れる。

本実施形態の加湿装置によれば、ガス孔１０を通して記中空糸膜束５内に導入する第２ガスＧ２を挟んで上下２箇所の位置に内部バイパス流路２８をそれぞれ設けたので、２つの内部バイパス流路２８に第２ガスＧ２を分流させることができ、集中して中空糸膜束５内に第２ガスＧ２が流入するのを防止できる。

本実施形態の加湿装置によれば、内部バイパス流路２８の流路長さＬ１を、該内部バイパス流路２８と直交する方向の中空糸膜モジュール２の縦長さＬ２よりも短くしたので、バイパス流路に流れるガスの距離が短くなり、より湿潤ガスが凝縮水となることが防止される。これにより、水蒸気濃度勾配が小さくなるので、より加湿効率を高めることが可能となる。

本実施形態の加湿装置によれば、収納ケース６の開口された両端外壁面６ａの全周に亘って、ハウジングを構成する筐体１２の内壁面１２ａと密着して内部バイパス流路２８を流れる第２ガスＧ２の漏れを防止するシール部材２９を設けたので、内圧による変位の影響が最も少ない箇所でのシールとなり、内部リーク防止の信頼性が向上する。また、本実施形態によれば、軸シール構造となるため、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せ、加湿器構成の小型化に有利になる。

本実施形態の加湿装置によれば、第２ガスＧ２の導入口１７からガス孔１０が形成された収納ケース６の第２ガス導入面８までのガス導入流路２５の途中に段差部２６を設け、該第２ガスＧ２をその段差部２６に衝突させて第２ガス導入面８全体に分散均一化させたので、中空糸膜束５の一箇所に集中して第２ガスＧ２がその内部へ流入することが防止され、中空糸膜束５全体に均一に第２ガスＧ２が流入する。したがって、中空糸膜束５内に流入する第２ガスＧ２のガス流速を均一にでき、圧力損失の低減、中空糸膜の膜切れ防止による長寿命化、及び加湿性能の向上を実現できる。

本実施形態の加湿装置によれば、第２ガス導入用マニホールド１８の一部を内側へ凹ませて段差部２６を形成して流路奥側の流路体積を絞り、該段差部２６を第２ガス導入面８の中間位置手前に設けたので、流れ難い流路手前側にも第２ガスＧ２を均一に流すことができる。

本実施形態の加湿装置によれば、内部バイパス流路２８の入口側に、この内部バイパス流路２８を流れる第２ガスＧ２の流量を調整する流量調整手段を設けたので、流路入口部で内部バイパス流路２８内へ流入するガス量を調整することができる。

本実施形態の加湿装置によれば、流量調整手段を、ハウジング３を構成する筐体１２の両端外壁面全周に形成されたシール部材２９間を連結するように外壁面６ａに形成した凸条部３０で構成したので、簡単な構造にて流量調整手段を構築できる。

「その他の実施形態」
例えば、中空糸膜モジュール２の形状としては、搭載する加湿器スペース位置の制約に応じて、一般的に用いられる円筒形状や長円形状としてもよい。前記した実施形態では、角筒形状の中空糸膜モジュール２を同じく角筒形状のハウジング３に収容したことで、このハウジング３に他の燃料電池構成部品を取り付けるスペースも生まれることから、スペース効率を高めることができる。

また、前記実施形態では、第２ガス導入用マニホールド１８の一部を内側に凹ませて段差部２６を形成したが、ガス導入流路２５内に流路を絞るガイド板を設け、このガイド板を段差部の代わりとしてもよい。または、ガス導入流路２５の途中にパンチングメタルのような整流板を設けて、この整流板を段差部２６の代わりにしてもよい。

また、中空糸膜モジュール２を２つ用意し、これら中空糸膜モジュール２、２を所定の空間を有して縦に配置することで、中空糸膜モジュール２、２間の空間部を内部バイパス流路２８とすることもできる。こうすることで、上下と中央の３つの内部バイパス流路２８が得られる。

図１は加湿装置の一例を示す全体斜視図である。 図２は図１の分解斜視図である。 図３は中空糸膜束の斜視図である。 図４は収納ケースの斜視図である。 図５は図１のＡ−Ａ線断面図である。 図６は図５を矢印Ｂ方向から見たときの図である。 図７は図５を矢印Ｃ方向から見たときの図である。 図８はハウジングの内壁面と収納ケースの外壁面との間に設けた内部バイパスを示す図である。 図９は第２ガス導入用マニホールドの斜視図である。 図１０は加湿装置内を流れる第１ガス及び第２ガスの流出入状態を示す図である。 図１１は燃料電池の運転負荷と加湿量との関係を示す図である。

符号の説明

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
７…流通路
８…第２ガス導入面
９…第２ガス排出面
１０、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
２９…シール部材

Claims (8)

1. 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、前記中空糸膜の外部を前記第１ガスと略直交する方向に流れる第２ガスとの間で水分交換を行う燃料電池の加湿装置において、
   複数本の中空糸膜を束ねた中空糸膜束と、両端が開口され且つ相対向する面に中空糸膜束内にガスを導入させるガス孔が複数形成された収納ケースとからなり、その収納ケース内に前記中空糸膜束を収容させた中空糸膜モジュールと、第１ガスの導入口及び排出口と第２ガスの導入口及び排出口を有し、該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、を備え、
   前記ガス孔を通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、前記ハウジングの内壁面と前記収納ケースの外壁面との間に設けた
   ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。
2. 請求項１に記載の燃料電池の加湿装置であって、
   前記内部バイパス流路を、前記ガス孔を通して前記中空糸膜束内に導入する前記第２ガスを挟んで上下２箇所の位置にそれぞれ設けた
   ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池の加湿装置であって、
   前記内部バイパス流路の流路長さを、該内部バイパス流路と直交する方向の前記中空糸膜モジュールの縦長さよりも短くした
   ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。
4. 請求項１から請求項３の何れか１項に記載の燃料電池の加湿装置であって、
   前記収納ケースの開口された両端外壁面の全周に亘って、前記ハウジングの内壁面と密着して前記内部バイパス流路を流れる第２ガスの漏れを防止するシール部材を設けた
   ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。
5. 請求項１から請求項４の何れか１項に記載の燃料電池の加湿装置であって、
   前記第２ガスの導入口から前記ガス孔が形成された収納ケースの第２ガス導入面までのガス導入流路の途中に段差部を設け、該第２ガスをその段差部に衝突させて前記第２ガス導入面全体に分散均一化させる
   ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。
6. 請求項５に記載の燃料電池の加湿装置であって、
   前記ガス導入流路は、前記ハウジングに取り付けられた第２ガス導入用マニホールドに形成され、その第２ガス導入用マニホールドの一部を内側へ凹ませて段差部を形成して流路奥側の流路体積を絞り、該段差部を前記第２ガス導入面の中間位置手前に設けた
   ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。
7. 請求項４から請求項６の何れか１項に記載の燃料電池の加湿装置であって、
   前記内部バイパス流路の入口側に、この内部バイパス流路を流れる前記第２ガスの流量を調整する流量調整手段を設けた
   ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。
8. 請求項７に記載の燃料電池の加湿装置であって、
   前記流量調整手段は、前記ハウジングの両端外壁面全周に形成されたシール部材間を連結するように該ハウジングの外壁面に形成された凸条部からなる
   ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。

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