WO2013137313A1 - 加湿器 - Google Patents

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WO2013137313A1
WO2013137313A1 PCT/JP2013/057005 JP2013057005W WO2013137313A1 WO 2013137313 A1 WO2013137313 A1 WO 2013137313A1 JP 2013057005 W JP2013057005 W JP 2013057005W WO 2013137313 A1 WO2013137313 A1 WO 2013137313A1
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gas
hollow fiber
fiber membrane
cathode
membrane bundle
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昌弘 臼田
矢澤　成紀
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日産自動車株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a humidifier.
  • JP2010-71618A discloses a conventional humidifier that exchanges moisture between the first gas and the second gas by flowing the first gas inside the hollow fiber membrane and the second gas outside. Has been.
  • the conventional humidifier described above has a problem that the pressure loss of the first gas passing through the humidifier is large.
  • the present invention has been made paying attention to such problems, and aims to reduce the pressure loss of the humidifier.
  • a humidifier in which a first gas is allowed to flow inside the hollow fiber membrane and a second gas is allowed to flow outside to exchange moisture between the first gas and the second gas.
  • a hollow fiber membrane bundle in which a plurality of membranes are bundled, a storage case for storing the hollow fiber membrane bundle therein, a first gas introduction port and a discharge port, and a second gas introduction port and a discharge port.
  • the hollow fiber membrane bundle includes a first gas bypass passage that penetrates the inside of the hollow fiber membrane bundle in the axial direction and has a larger flow path cross-sectional area than a flow path cross-sectional area inside the hollow fiber membrane.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view of a humidifier according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of a humidifier according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a hollow fiber membrane.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line V-V of the humidifier of FIG.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the flow of the cathode off-gas in the central body.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the flow of the cathode off-gas in the central body.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view of a humidifier according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of a humidifier according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a
  • FIG. 8A is a cross-sectional view showing the inside of the hollow fiber membrane bundle of this embodiment provided with two cathode gas bypass channels.
  • FIG. 8B is a cross-sectional view showing the inside of a hollow fiber membrane bundle of a reference form in which no cathode gas bypass channel is provided.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of a humidifier according to another embodiment of the present invention.
  • an electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode (fuel electrode) and a cathode electrode (oxidant electrode), an anode gas containing hydrogen in the anode electrode (fuel gas), and a cathode gas containing oxygen in the cathode electrode (oxidant) Electricity is generated by supplying gas.
  • the electrode reaction that proceeds in both the anode electrode and the cathode electrode is as follows.
  • Anode electrode 2H 2 ⁇ 4H + + 4e ⁇ (1)
  • Cathode electrode 4H + + 4e ⁇ + O 2 ⁇ 2H 2 O (2)
  • the fuel cell generates an electromotive force of about 1 volt by the electrode reactions (1) and (2).
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the fuel cell system 1 includes a fuel cell stack 2 and a cathode gas supply / discharge device 3.
  • the fuel cell stack 2 is formed by stacking a plurality of fuel cells.
  • the fuel cell stack 2 generates electric power by receiving supply of anode gas and cathode gas, and power necessary for driving the vehicle (for example, power necessary for driving the motor). Power generation.
  • the anode gas supply / exhaust device for supplying the anode gas to the fuel cell stack 2 and the cooling device for cooling the fuel cell stack 2 are not the main part of the present invention, and are not shown for easy understanding.
  • the cathode gas supply / discharge device 3 is a device that supplies cathode gas to the fuel cell stack 2 and discharges cathode off-gas discharged from the fuel cell stack 2 to the outside air.
  • the cathode gas supply / discharge device 3 includes a cathode gas supply passage 31, a cathode gas discharge passage 32, a filter 33, a cathode compressor 34, an air flow sensor 35, a humidifier (WRD; Water ⁇ Recovery Device) 4, and a cathode adjustment.
  • Pressure valve 36 is a device that supplies cathode gas to the fuel cell stack 2 and discharges cathode off-gas discharged from the fuel cell stack 2 to the outside air.
  • the cathode gas supply / discharge device 3 includes a cathode gas supply passage 31, a cathode gas discharge passage 32, a filter 33, a cathode compressor 34, an air flow sensor 35, a humidifier (WRD; Water ⁇ Recovery Device) 4, and a catho
  • the cathode gas supply passage 31 is a passage through which the cathode gas supplied to the fuel cell stack 2 flows.
  • a passage in which one end is connected to the filter 33 and the other end is connected to the cathode gas introduction hole 412 a of the humidifier 4 is referred to as “cathode gas”. It is referred to as “supply passage 31a”.
  • the cathode supply passage 31 has one end connected to the cathode gas discharge hole 413 a of the humidifier 4 and the other end connected to the cathode gas inlet hole 21 of the fuel cell stack 2 as a “cathode gas supply passage 31 b”. That's it.
  • the cathode gas discharge passage 32 is a passage through which the cathode off gas discharged from the fuel cell stack 2 flows.
  • the cathode off gas is a mixed gas (wet gas) of the cathode gas and water vapor generated by the electrode reaction.
  • one end of the cathode gas discharge passage 32 is connected to the cathode gas outlet hole 22 of the fuel cell stack 2, and the other end is connected to the cathode offgas introduction hole 411 a of the humidifier 4.
  • the connected passage is referred to as “cathode gas discharge passage 32a”.
  • the cathode gas discharge passage 32 having one end connected to the cathode offgas discharge hole 411b of the humidifier 4 and the other end being an open end is referred to as a “cathode gas discharge passage 32b”.
  • the filter 33 removes foreign matters in the cathode gas taken into the cathode gas supply passage 31.
  • the cathode compressor 34 is provided in the cathode gas supply passage 31.
  • the cathode compressor 34 takes in air (outside air) as cathode gas via the filter 33 into the cathode gas supply passage 31 and supplies it to the fuel cell stack 2.
  • the air flow sensor 35 is provided in the cathode gas supply passage 31 downstream of the cathode compressor 34.
  • the air flow sensor 35 detects the flow rate of the cathode gas flowing through the cathode gas supply passage 31.
  • the humidifier 4 is connected to each of the cathode gas supply passage 31 and the cathode gas discharge passage 32, collects moisture in the cathode off-gas flowing through the cathode gas discharge passage 32, and passes the cathode gas supply passage 31 with the collected moisture. Humidify the flowing cathode gas. Since the cathode gas supplied to the fuel cell stack 2 by the humidifier 4 is humidified, drying of the electrolyte membrane of the fuel cell can be suppressed and the proton transfer resistance can be reduced, thereby improving the output performance (power generation efficiency) of the fuel cell. be able to. The detailed configuration of the humidifier 4 will be described later with reference to FIGS.
  • the cathode pressure regulating valve 36 is provided in the cathode gas discharge passage 32 downstream of the humidifier 4.
  • the cathode pressure regulating valve 36 is an electromagnetic valve whose opening degree can be adjusted continuously or stepwise. By adjusting the opening of the cathode pressure regulating valve 36, the pressure of the cathode gas supplied to the fuel cell stack 2 is adjusted to a desired pressure.
  • FIG. 2 is a perspective view of the humidifier 4.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of the humidifier 4.
  • the humidifier 4 includes a housing 41 and a hollow fiber membrane module 42.
  • the housing 41 includes a central body 411, a first closing body 412, and a second closing body 413.
  • the housing 41 has a function of housing and protecting the hollow fiber membrane module 42 therein, a function of introducing a cathode gas and a cathode off-gas to be supplied to the hollow fiber membrane module 42 into the housing 41, and a hollow fiber.
  • the central body 411 is a flat metal case with both ends opened, and accommodates the hollow fiber membrane module 42 therein.
  • the direction orthogonal to the opening surfaces at both ends of the central body is referred to as “axial direction”.
  • the opening side of the central body 411 on the second closing body side is the front, the upper side in the figure is up, the lower side in the figure is down, the front side in the figure is left, and the back side in the figure is right, and the top, bottom, left and right are defined. .
  • a cathode off-gas introduction hole 411a is formed on the left side wall of the central body 411.
  • the cathode off gas introduction hole 411 a is connected to the first cathode gas discharge passage 32.
  • the cathode offgas introduction hole 411a introduces the cathode offgas that has been discharged from the fuel cell stack 2 and has flowed through the cathode gas discharge passage 32a into the central body 411.
  • a cathode off-gas discharge hole 411b is formed on the right side wall of the central body 411.
  • the cathode off gas discharge hole 411 b is connected to the second cathode gas discharge passage 32.
  • the cathode off-gas discharge hole 411b discharges the cathode off-gas introduced into the central body 411 and the moisture collected by the hollow fiber membrane module 42 to the cathode gas discharge passage 32b.
  • the first closing body 412 is a metal lid that closes one opening of the central body 411, and includes a cathode gas introduction hole 412a.
  • the cathode gas introduction hole 412a is connected to the cathode gas supply passage 31a.
  • the cathode gas introduction hole 412 a introduces the cathode gas discharged from the cathode compressor 34 into the first closing body 412.
  • the cathode gas introduced into the inside of the first closing body 412 is introduced into the inside through one opening of the central body 411.
  • the second closing body 413 is a metal lid that closes the other opening of the central body 411, and includes a cathode gas discharge hole 413a.
  • the cathode gas discharge hole 413a is connected to the cathode gas supply passage 31b.
  • the cathode gas discharge hole 413a discharges the cathode gas humidified by the hollow fiber membrane module 42 and discharged from the other opening of the central body 411 into the second closing body 413 to the cathode gas supply passage 31b.
  • the cathode gas discharged to the cathode gas supply passage 31b is supplied to the fuel cell stack 2 through the cathode gas supply passage 31b.
  • the central body 411 and the first closing body 412 are sealed by the O-ring 43.
  • the central body 411 and the second closing body 413 are sealed by the O-ring 44.
  • the hollow fiber membrane module 42 includes a hollow fiber membrane bundle 421 and a storage case 422. Before describing each component of the hollow fiber membrane module 42, first, the hollow fiber membrane 5 will be described with reference to FIG.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the hollow fiber membrane 5.
  • the hollow fiber membrane 5 is a hollow membrane having moisture permeability, and is provided with an internal channel 51 that opens at both end faces and communicates the openings at both end faces.
  • the hollow fiber membrane 5 has a moisture content between the internal gas and the external gas according to a water vapor partial pressure difference between the internal gas flowing through the internal flow channel 51 and the external gas flowing while contacting the outer peripheral surface 52 of the hollow fiber membrane 5.
  • the fine gaps between the hollow fiber membranes at both ends of the hollow fiber membrane bundle 421 are filled with a potting material to bond the hollow fiber membranes to each other. It is integrally formed by this. Except for both ends of the hollow fiber membrane bundle 421, the hollow fiber membranes are not bonded to each other by a potting material, and fine voids remain between the hollow fiber membranes.
  • the fine voids existing between the hollow fiber membranes serve as the flow path (hereinafter referred to as “external flow path”) 52 through which the external gas flows.
  • the hollow fiber membrane bundle 421 humidifies the cathode gas flowing through the internal flow channel 51 by allowing the water vapor in the cathode off-gas flowing through the external flow channel 52 to pass through the internal flow channel 51 of each hollow fiber membrane 5.
  • the hollow fiber membrane bundle 421 includes two cathode gas bypass channels 6 passing through the hollow fiber membrane bundle 421 in the axial direction.
  • the cathode gas bypass channel 6 is provided at a position offset from the axial center of the hollow fiber membrane bundle 421 to the left and right by a predetermined amount so as to be symmetrical with respect to the axial center of the hollow fiber membrane bundle 421.
  • the cathode gas bypass channel 6 is formed of the same potting material as that obtained by bonding the hollow fiber membranes to each other, and does not humidify the cathode gas introduced from the first closing body 412 to the central body 411. It is discharged to the closing body 413. That is, the cathode gas bypass channel 6 has a function of bypassing the hollow fiber membrane bundle 421 and discharging the cathode gas introduced into the first closing body 412 to the second closing body 413 as it is.
  • the cathode gas bypass channel 6 is formed such that its cross-sectional area (area of a cross section perpendicular to the axial direction) is larger than the cross-sectional area of the hollow fiber membrane 5.
  • the storage case 422 is a flat resin case opened at both ends, and stores the hollow fiber membrane bundle 421 inside such that the longitudinal direction of the hollow fiber membrane bundle 421 is parallel to the axial direction.
  • the central body 411 and one end of the storage case 422 are sealed by an O-ring 45.
  • the other end portions of the central body 411 and the storage case 422 are sealed by an O-ring 46.
  • the storage case 422 allows cathode off gas to flow into the external flow path 52 of the hollow fiber membrane bundle 421 from a part of the side wall (upper side wall, right side wall, left side wall) of the storage case 422 and into the external flow path 52.
  • the cathode off gas has a function of flowing out from the remaining part (lower side wall) of the side wall of the storage case 422.
  • FIG. 5 is a sectional view taken along the line V-V of the humidifier 4 of FIG. In FIG. 5, illustration of the hollow fiber membrane bundle 421 is omitted.
  • an upper gas inflow hole 422a is formed in the upper side wall of the storage case 422.
  • the upper gas inflow hole 422a is a hole penetrating the upper side wall, and a plurality of the upper gas inflow holes 422a are formed on almost the entire upper side wall.
  • the cathode offgas introduced into the central body 411 from the cathode offgas introduction hole 411a formed in the left side wall of the central body 411 mainly flows into the external flow path 52 of the hollow fiber membrane bundle 421 from the upper gas inflow hole 422a. .
  • the gas discharge hole 422b is formed in the lower side wall of the storage case 422.
  • the gas discharge hole 422b is a hole penetrating the lower side wall, and a plurality of gas discharge holes 422b are formed on almost the entire lower side wall.
  • the cathode off-gas that has flowed into the external flow path 52 of the hollow fiber membrane bundle 421 is discharged into the central body 411 from the gas discharge hole 422b. And it discharges
  • a diffusion wall 422c, a left gas inflow hole 422d, and a left bypass rib 422e are formed on the left side wall of the storage case 422.
  • the diffusion wall 422c is formed at a position facing the cathode offgas introduction hole 411a formed in the central body 411 when the hollow fiber membrane module 42 is accommodated in the central body 411.
  • the cathode offgas introduced into the central body 411 from the cathode offgas introduction hole 411a collides with the diffusion wall 422c and diffuses.
  • the left gas inflow hole 422d is a hole penetrating the left side wall, and a plurality of left side gas inflow holes 422d are formed on almost the entire left side wall excluding the formation part of the diffusion wall 422c.
  • the cathode off-gas introduced into the central body 411 flows into the external flow path 52 of the hollow fiber membrane bundle 421 from the left gas inflow hole 422d as well as the upper gas inflow hole 422a.
  • the left bypass rib 422e is a protrusion that protrudes vertically from the lower part of the left wall and is formed in the axial direction.
  • the left bypass rib 422e is formed so that a predetermined gap (hereinafter referred to as “left bypass space”) 7 is formed between the inner peripheral surface of the central body 411.
  • a right gas inflow hole 422f and a right bypass rib 422g are formed on the right wall of the storage case 422.
  • the right gas inflow hole 422f is a hole penetrating the right side wall, and a plurality of right side gas inflow holes 422f are formed on almost the entire right side wall.
  • the cathode off-gas introduced into the central body 411 flows into the external flow path 52 of the hollow fiber membrane bundle 421 not only from the upper gas inflow hole 422a but also from the right gas inflow hole 422f.
  • the right bypass rib 422g is a protrusion that protrudes vertically from the lower side of the outer peripheral surface of the right wall and is formed in the axial direction.
  • the right bypass rib 422g is formed so that a predetermined gap (hereinafter referred to as “right bypass space”) 8 is formed between the inner peripheral surface of the central body 411.
  • the remaining part flows into the gap between the central body 411 and the lower side wall of the storage case 422 through the left bypass space 7 and the right bypass space 8, and the external flow path 52 of the hollow fiber membrane bundle 421. Without flowing into the cathode gas discharge hole 422b.
  • the flow rate of the cathode off gas flowing through the left bypass space 7 and the right bypass space 8 can be controlled by adjusting the heights of the left bypass rib 422e and the right bypass rib 422g.
  • the flow rate of cathode offgas flowing into the external flow path 52 of the hollow fiber membrane bundle 421 from each gas inflow hole 422a, 422d, 422f of the storage case 422 and the flow direction of the cathode offgas after flowing into the external flow path 52 The flow rate can be controlled by adjusting the height of the left bypass rib 422e and the right bypass rib 422g.
  • the hollow fiber membrane bundle is formed from the gas inlet holes 422a, 422d, 422f of the storage case 422 as shown in FIG.
  • the cathode off-gas that has flowed into the external flow path 52 of 421 is made to flow uniformly from the entire surface of the upper surface wall and vertically at the same flow rate from the upper side wall to the lower side wall.
  • the cathode off-gas that has flowed through the external flow path 52 of the hollow fiber membrane bundle 421 from the upper side wall toward the lower side wall enters the gap between the central body 411 and the lower side wall of the storage case 422 from the gas discharge hole 422b on the lower side wall. It is discharged from the cathode gas discharge hole 422b together with the cathode off gas that has passed through the left bypass space 7 and the right bypass space 8.
  • the cathode gas introduced from the cathode gas introduction hole 412a of the first closing body 412 into the first closing body 412 is introduced into the center body 411 from one opening of the center body 411. Since the gap between the outer peripheral surface of one end of the storage case 422 and the inner peripheral surface of the central body 411 is sealed with an O-ring or the like, part of the cathode gas introduced into the central body 411 is stored in the storage case 422.
  • the hollow fiber membrane bundle 421 flows into the internal flow channel 51 of each hollow fiber membrane 5, and the remaining part flows into the cathode gas bypass flow channel 6.
  • the cathode gas that has flowed into the internal flow path 51 of each hollow fiber membrane 5 is humidified by water vapor that has permeated from the external flow path 52, and is introduced into the second closed body 413 from the other opening of the central body 411.
  • the cathode gas that has flowed into the cathode gas bypass channel 6 is introduced into the second closing body 413 from the other opening of the central body 411 without being humidified.
  • the cathode gas introduced into the second closing body 413 is discharged from the cathode gas discharge hole 422 b to the second cathode gas supply passage 31 and supplied to the fuel cell stack 2.
  • the cathode gas bypass channel 6 that penetrates the hollow fiber membrane bundle 421 in the axial direction is formed inside the hollow fiber membrane bundle 421.
  • the cross-sectional area of the cathode gas bypass flow path 6 was made larger than the cross-sectional area of the internal flow path 51 of each hollow fiber membrane 5.
  • the flow rate and pressure of the cathode gas required by the fuel cell stack 2 basically increase as the load of the fuel cell stack 2 increases.
  • the pressure loss of the cathode gas passing through the humidifier 4 increases, It is necessary to set the rotational speed of the cathode compressor 34 to be higher by the amount corresponding to the pressure loss.
  • the rotational speed of the cathode compressor 34 can be set low, so that the power consumption of the cathode compressor 34 can be suppressed and the fuel efficiency is improved. be able to.
  • the two cathode gas bypass channels 6 are set to have a predetermined amount left and right from the axis of the hollow fiber membrane bundle 421 so as to be symmetric with respect to the axis of the hollow fiber membrane bundle 421. Are provided at positions that are offset by only one.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining the effect.
  • 8A is a cross-sectional view showing the inside of the hollow fiber membrane bundle 421 of the present embodiment in which two cathode gas bypass channels 6 are provided, and FIG. 8B does not have the cathode gas bypass channel 6 provided. It is sectional drawing which shows the mode inside the hollow fiber membrane bundle 421 of a reference form.
  • the cathode off gas flows so as to intersect the cathode gas, the cathode off gas tends to flow toward the center of the hollow fiber membrane bundle 421.
  • the hollow fiber membranes 5 at the center of the hollow fiber membrane bundle 421 tend to gradually move outward in the left and right directions. That is, in the hollow fiber membrane bundle 421, a portion where the cathode off gas easily flows and a portion where it is difficult to flow are generated. As a result, the moisture exchange efficiency of the hollow fiber membrane bundle 421 may be reduced.
  • the water exchange efficiency in the hollow fiber membrane bundle 421 tends to be lower in the central portion than in the vicinity of the outer peripheral portion where the cathode off gas is likely to hit. Therefore, by providing the cathode gas bypass channel 6 at a position relatively close to the axial center of the hollow fiber membrane bundle 421, it is possible to suppress a decrease in water exchange efficiency as a whole of the hollow fiber membrane bundle 421.
  • the cathode gas bypass channel 6 is formed of the same potting material as that obtained by bonding the hollow fiber membranes.
  • the two cathode gas bypass channels 6 are offset by a predetermined amount from the axis of the hollow fiber membrane bundle 421 to the left and right so as to be symmetric with respect to the axis of the hollow fiber membrane bundle 421. It was provided at each position.
  • the position where the cathode gas bypass channel 6 is provided is not limited to this.
  • the corner on the lower wall side of the storage case 422 is particularly difficult for the cathode off gas to flow, and the moisture exchange efficiency of the hollow fiber membrane bundle 421 is the lowest, so by providing this position, moisture exchange of the entire hollow fiber membrane bundle 421 is achieved. It is possible to suppress a reduction in direct current loss while suppressing a decrease in efficiency.
  • the cathode off gas is caused to flow so as to intersect with the flow direction of the cathode gas, but may be flowed so as to face the flow direction of the cathode gas.
  • the cathode gas is allowed to flow in the internal flow path 51 of the hollow fiber membrane bundle 42 and the cathode off gas is allowed to flow in the external flow path 52.
  • An off gas may be allowed to flow.

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Abstract

　中空糸膜の内側に第１ガスを流すと共に外側に第２ガスを流し、第１ガスと第２ガスとの間で水分交換を行う加湿器であって、中空糸膜を複数本束ねた中空糸膜束と、中空糸膜束を内部に収容する収納ケースと、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と、を有し、収納ケースを内部に収容する筐体と、を備え、中空糸膜束が、その中空糸膜束の内部を軸方向に貫通するとともに、流路断面積が前記中空糸膜の内側の流路断面積よりも大きい第１ガスバイパス通路を備える。

Description

加湿器
　本発明は加湿器に関する。
　ＪＰ２０１０－７１６１８Ａには、従来の加湿器として、中空糸膜の内側に第１ガスを流すと共に外側に第２ガスを流し、第１ガスと第２ガスとの間で水分交換を行うものが開示されている。
　しかしながら、前述した従来の加湿器は、加湿器を通過する第１ガスの圧力損失が大きいという問題点があった。
　本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、加湿器の圧力損失を小さくすることを目的とする。
　本発明のある態様によれば、中空糸膜の内側に第１ガスを流すと共に外側に第２ガスを流し、第１ガスと第２ガスとの間で水分交換を行う加湿器が、中空糸膜を複数本束ねた中空糸膜束と、中空糸膜束を内部に収容する収納ケースと、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とを有し、収納ケースを内部に収容する筐体と、を備える。そして、中空糸膜束が、その中空糸膜束の内部を軸方向に貫通するとともに、流路断面積が中空糸膜の内側の流路断面積よりも大きい第１ガスバイパス通路を備える。
　本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。 図２は、本発明の一実施形態による加湿器の斜視図である。 図３は、本発明の一実施形態による加湿器の分解斜視図である。 図４は、中空糸膜について説明する図である。 図５は、図２の加湿器のV-V線に沿う断面図である。 図６は、中央体内におけるカソードオフガスの流れについて説明する図である。 図７は、中央体内におけるカソードオフガスの流れについて説明する図である。 図８Ａは、２本のカソードガスバイパス流路を設けた本実施形態の中空糸膜束の内部の様子を示す断面図である。 図８Ｂは、カソードガスバイパス流路を設けなかった参考形態の中空糸膜束の内部の様子を示す断面図である。 図９は、本発明の他の実施形態による加湿器の断面図である。
　燃料電池は電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とで挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。
　　　アノード電極　：　　２Ｈ2 →４Ｈ+ ＋４ｅ-         　　…(１)
　　　カソード電極　：　　４Ｈ+ ＋４ｅ- ＋Ｏ2 →２Ｈ2Ｏ     …(２)
　この（１）及び（２）の電極反応によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。
　このような燃料電池を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。
　図１は、本発明の一実施形態による燃料電池システム１の概略構成図である。
　燃料電池システム１は、燃料電池スタック２と、カソードガス給排装置３と、を備える。
　燃料電池スタック２は、複数枚の燃料電池を積層したものであり、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電し、車両の駆動に必要な電力（例えばモータを駆動するために必要な電力）を発電する。
　燃料電池スタック２にアノードガスを供給するアノードガス給排装置及び燃料電池スタック２を冷却する冷却装置については、本発明の主要部ではないので、理解を容易にするために図示を省略した。
　カソードガス給排装置３は、燃料電池スタック２にカソードガスを供給するとともに、燃料電池スタック２から排出されるカソードオフガスを外気に排出する装置である。カソードガス給排装置３は、カソードガス供給通路３１と、カソードガス排出通路３２と、フィルタ３３と、カソードコンプレッサ３４と、エアフローセンサ３５と、加湿器（ＷＲＤ；Water Recovery Device）４と、カソード調圧弁３６と、を備える。
　カソードガス供給通路３１は、燃料電池スタック２に供給するカソードガスが流れる通路である。以下の説明において特に区別する必要があるときは、カソードガス供給通路３１のうち、一端がフィルタ３３に接続され、他端が加湿器４のカソードガス導入孔４１２ａに接続される通路を「カソードガス供給通路３１ａ」という。また、カソード供給通路３１のうち、一端が加湿器４のカソードガス排出孔４１３ａに接続され、他端が燃料電池スタック２のカソードガス入口孔２１に接続される通路を「カソードガス供給通路３１ｂ」という。
　カソードガス排出通路３２は、燃料電池スタック２から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードオフガスは、カソードガスと、電極反応によって生じた水蒸気と、の混合ガス（湿潤ガス）である。以下の説明において特に区別する必要があるときは、カソードガス排出通路３２のうち、一端が燃料電池スタック２のカソードガス出口孔２２に接続され、他端が加湿器４のカソードオフガス導入孔４１１ａに接続される通路を「カソードガス排出通路３２ａ」という。また、カソードガス排出通路３２のうち、一端が加湿器４のカソードオフガス排出孔４１１ｂに接続され、他端が開口端となっている通路を「カソードガス排出通路３２ｂ」という。
　フィルタ３３は、カソードガス供給通路３１に取り込むカソードガス中の異物を取り除く。
　カソードコンプレッサ３４は、カソードガス供給通路３１に設けられる。カソードコンプレッサ３４は、フィルタ３３を介してカソードガスとしての空気（外気）をカソードガス供給通路３１に取り込み、燃料電池スタック２に供給する。
　エアフローセンサ３５は、カソードコンプレッサ３４よりも下流のカソードガス供給通路３１に設けられる。エアフローセンサ３５は、カソードガス供給通路３１を流れるカソードガスの流量を検出する。
　加湿器４は、カソードガス供給通路３１及びカソードガス排出通路３２のそれぞれに接続されて、カソードガス排出通路３２を流れるカソードオフガス中の水分を回収し、その回収した水分でカソードガス供給通路３１を流れるカソードガスを加湿する。加湿器４によって燃料電池スタック２に供給するカソードガスを加湿することで、燃料電池の電解質膜の乾燥を抑制してプロトン移動抵抗を小さくできるので、燃料電池の出力性能（発電効率）を向上させることができる。加湿器４の詳細な構成については、図２から図５を参照して後述する。
　カソード調圧弁３６は、加湿器４よりも下流のカソードガス排出通路３２に設けられる。カソード調圧弁３６は、連続的又は段階的に開度を調節することができる電磁弁である。カソード調圧弁３６の開度を調節することで、燃料電池スタック２に供給されるカソードガスの圧力が所望の圧力に調節される。
　次に、図２から図５を参照して、本発明の一実施形態による加湿器４の構成について説明する。
　図２は、加湿器４の斜視図である。図３は、加湿器４の分解斜視図である。
　加湿器４は、筐体４１と、中空糸膜モジュール４２と、を備える。
　筐体４１は、中央体４１１と、第１閉塞体４１２と、第２閉塞体４１３と、を備える。筐体４１は、内部に中空糸膜モジュール４２を収容して保護する機能と、中空糸膜モジュール４２に供給するためのカソードガス及びカソードオフガスを筐体４１の内部に導入する機能と、中空糸膜モジュール４２に供給したカソードガス及びカソードオフガスを筐体４１の外部に排出する機能と、有する。
　中央体４１１は、両端が開口した扁平な金属製のケースであって、内部に中空糸膜モジュール４２を収容する。以下の説明においては、中央体両端の開口面と直行する方向を「軸方向」という。また、中央体４１１の第２閉塞体側の開口面を正面とし、図中上側を上、図中下側を下、図中手前側を左、図中奥側を右として、上下左右を定義する。
　中央体４１１の左側壁には、カソードオフガス導入孔４１１ａが形成される。カソードオフガス導入孔４１１ａは、第１カソードガス排出通路３２に接続される。カソードオフガス導入孔４１１ａは、燃料電池スタック２から排出されてカソードガス排出通路３２ａを流れてきたカソードオフガスを、中央体４１１の内部に導入する。
　中央体４１１の右側壁には、カソードオフガス排出孔４１１ｂが形成される。カソードオフガス排出孔４１１ｂは、第２カソードガス排出通路３２に接続される。カソードオフガス排出孔４１１ｂは、中央体４１１の内部に導入されて中空糸膜モジュール４２によって水分が回収されたカソードオフガスを、カソードガス排出通路３２ｂに排出する。
　第１閉塞体４１２は、中央体４１１の一方の開口を閉じる金属製の蓋であって、カソードガス導入孔４１２ａを備える。カソードガス導入孔４１２ａは、カソードガス供給通路３１ａに接続される。カソードガス導入孔４１２ａは、カソードコンプレッサ３４から吐出されたカソードガスを第１閉塞体４１２の内部に導入する。第１閉塞体４１２の内部に導入したカソードガスは、中央体４１１の一方の開口からその内部に導入される。
　第２閉塞体４１３は、中央体４１１の他方の開口を閉じる金属製の蓋であって、カソードガス排出孔４１３ａを備える。カソードガス排出孔４１３ａは、カソードガス供給通路３１ｂに接続される。カソードガス排出孔４１３ａは、中空糸膜モジュール４２によって加湿されて中央体４１１の他方の開口から第２閉塞体４１３の内部に排出されたカソードガスを、カソードガス供給通路３１ｂに排出する。カソードガス供給通路３１ｂに排出されたカソードガスは、カソードガス供給通路３１ｂを介して燃料電池スタック２に供給される。
　中央体４１１と第１閉塞体４１２とは、Ｏリング４３によってシールされる。中央体４１１と第２閉塞体４１３とは、Ｏリング４４によってシールされる。
　中空糸膜モジュール４２は、中空糸膜束４２１と、収納ケース４２２と、を備える。中空糸膜モジュール４２の各構成部品について説明する前に、まず図４を参照して中空糸膜５について説明する。
　図４は、中空糸膜５について説明する図である。
　図４に示すように、中空糸膜５は、水分透過性を有する中空状の膜であって、その両端面に開口すると共に、その両端面の開口同士を連通する内部流路５１を備える。中空糸膜５は、内部流路５１を流れる内部ガスと中空糸膜５の外周面５２に接触しながら流れる外部ガスとの水蒸気分圧差に応じて、内部ガスと外部ガスとの間で水分の交換を行う。
　本実施形態では、内部ガスをカソードガス、外部ガスをカソードオフガスとすることで、カソードオフガス中の水蒸気を中空糸膜５の内部流路５１に透過させ、カソードガスを加湿する。
　以下、再び図３を参照して中空糸膜モジュール４２の各構成部品について説明する。
　中空糸膜束４２１は、複数本の中空糸膜５を束ねた後に、中空糸膜束４２１両端部の各中空糸膜間の微細な空隙をポッティング材で埋めて、中空糸膜同士を接着させることで一体形成される。中空糸膜束４２１の両端部以外は、中空糸膜同士はポッティング材で接着されておらず、各中空糸膜間には微細な空隙が存在したままとなっている。この各中空糸膜間に存在する微細な空隙が、前述した外部ガスが流れる流路（以下「外部流路」という。）５２となる。中空糸膜束４２１は、外部流路５２を流れるカソードオフガス中の水蒸気を、各中空糸膜５の内部流路５１に透過させることで、その内部流路５１を流れるカソードガスを加湿する。
　また、中空糸膜束４２１は、その内部に中空糸膜束４２１を軸方向に貫通する２本のカソードガスバイパス流路６を備える。
　カソードガスバイパス流路６は、中空糸膜束４２１の軸心に対して左右対称となるように、中空糸膜束４２１の軸心から左右に所定量だけオフセットさせた位置にそれぞれ設けられる。カソードガスバイパス流路６は、中空糸膜同士を接着させたものと同様のポッティング材で形成されており、第１閉塞体４１２から中央体４１１に導入されたカソードガスを加湿せずに第２閉塞体４１３へ排出する。つまり、カソードガスバイパス流路６は、中空糸膜束４２１をバイパスさせて、第１閉塞体４１２に導入されたカソードガスをそのまま第２閉塞体４１３へと排出する機能を有する。カソードガスバイパス流路６は、その断面積（軸方向と直行する断面の面積）が、中空糸膜５の断面積よりも大きくなるように形成される。
　収納ケース４２２は、両端が開口した扁平な樹脂製のケースであって、中空糸膜束４２１の長手方向が軸方向と平行となるように中空糸膜束４２１を内部に収容する。
　中央体４１１と収納ケース４２２の一端部は、Ｏリング４５によってシールされる。中央体４１１と収納ケース４２２の他端部は、Ｏリング４６によってシールされる。
　また、収納ケース４２２は、収納ケース４２２の側壁の一部（上側壁、右側壁、左側壁）から中空糸膜束４２１の外部流路５２にカソードオフガスを流入させるとともに、外部流路５２に流入したカソードオフガスを、収納ケース４２２の側壁の残りの一部（下側壁）から流出させる機能を有する。以下、この機能を発揮させるための構成について、図３のほかに図５も参照して説明する。
　図５は、図２の加湿器４のV-V線に沿う断面図である。図５において、中空糸膜束４２１の図示は省略している。
　図３及び図５に示すように、収納ケース４２２の上側壁には、上側ガス流入孔４２２ａが形成される。
　上側ガス流入孔４２２ａは、上側壁を貫通する孔であって、上側壁のほぼ全面に複数形成される。中央体４１１の左側壁に形成されたカソードオフガス導入孔４１１ａから中央体４１１の内部に導入されたカソードオフガスは、主に上側ガス流入孔４２２ａから中空糸膜束４２１の外部流路５２に流入する。
　収納ケース４２２の下側壁には、ガス排出孔４２２ｂが形成される。
　ガス排出孔４２２ｂは、下側壁を貫通する孔であって、下側壁のほぼ全面に複数形成される。中空糸膜束４２１の外部流路５２に流入したカソードオフガスは、ガス排出孔４２２ｂから中央体４１１の内部に排出される。そして、中央体４１１の右側壁に形成されたカソードオフガス排出孔４２２ｂからカソードガス排出通路３２に排出される。
　収納ケース４２２の左側壁には、拡散壁４２２ｃと、左側ガス流入孔４２２ｄと、左側バイパスリブ４２２ｅと、が形成される。
　拡散壁４２２ｃは、中空糸膜モジュール４２を中央体４１１に収容したときに、中央体４１１に形成されたカソードオフガス導入孔４１１ａと対向する位置に形成される。カソードオフガス導入孔４１１ａから中央体４１１の内部に導入されたカソードオフガスは、拡散壁４２２ｃに衝突して拡散する。
　左側ガス流入孔４２２ｄは、左側壁を貫通する孔であって、拡散壁４２２ｃの形成部位を除く左側壁のほぼ全面に複数形成される。中央体４１１の内部に導入されたカソードオフガスは、上側ガス流入孔４２２ａのほか、この左側ガス流入孔４２２ｄからも中空糸膜束４２１の外部流路５２に流入する。
　左側バイパスリブ４２２ｅは、左側壁の下部から垂直に突出し、軸方向に亘って形成される突条である。左側バイパスリブ４２２ｅは、中央体４１１の内周面との間に所定の隙間（以下「左側バイパス空間」という。）７が生じるように形成される。
　収納ケース４２２の右側壁には、右側ガス流入孔４２２ｆと、右側バイパスリブ４２２ｇと、が形成される。
　右側ガス流入孔４２２ｆは、右側壁を貫通する孔であって、右側壁のほぼ全面に複数形成される。中央体４１１の内部に導入されたカソードオフガスは、上側ガス流入孔４２２ａのほか、この右側ガス流入孔４２２ｆからも中空糸膜束４２１の外部流路５２に流入する。
　右側バイパスリブ４２２ｇは、右側壁の外周面下側から垂直に突出し、軸方向に亘って形成される突条である。右側バイパスリブ４２２ｇは、中央体４１１の内周面との間に所定の隙間（以下「右側バイパス空間」という。）８が生じるように形成される。
　次に、図６及び図７を参照して、中央体内におけるカソードオフガスの流れについて説明する。
　図６及び図７に示すように、中央体４１１に中空糸膜モジュール４２を収容したとき、中央体４１１と収納ケース４２２との間には、所定の隙間が生じるようになっている。
　中央体４１１のカソードオフガス導入孔４１１ａから中央体４１１の内部（中央体４１１と収納ケース４２２との間の隙間）に導入されたカソードオフガスは、左側壁の拡散壁４２２ｃに衝突して拡散し、その一部が中央体４１１と収納ケース４２２との間の隙間を流れて収納ケース４２２の側壁に形成された各ガス流入孔４２２ａ，４２２ｄ，４２２ｆからから中空糸膜束４２１の外部流路５２に流入する。
　一方で、残りの一部は、左側バイパス空間７及び右側バイパス空間８を通って中央体４１１と収納ケース４２２の下側壁との間の隙間へと流れ込み、中空糸膜束４２１の外部流路５２に流入することなくカソードガス排出孔４２２ｂから排出される。
　左側バイパス空間７及び右側バイパス空間８を流れるカソードオフガスの流量は、左側バイパスリブ４２２ｅ及び右側バイパスリブ４２２ｇの高さを調整することで制御することができる。言い換えれば、収納ケース４２２の各ガス流入孔４２２ａ，４２２ｄ，４２２ｆから中空糸膜束４２１の外部流路５２に流入するカソードオフガスの流量や、外部流路５２に流入した後のカソードオフガスの流れ方向、流速などを、左側バイパスリブ４２２ｅ及び右側バイパスリブ４２２ｇの高さを調整することで制御することができる。
　本実施形態では、左側バイパスリブ４２２ｅ及び右側バイパスリブ４２２ｇの高さを適切に設定することで、図７に示すように、収納ケース４２２の各ガス流入孔４２２ａ，４２２ｄ，４２２ｆから中空糸膜束４２１の外部流路５２に流入したカソードオフガスが、上面壁の全面から均一に、かつ、上側壁から下側壁に向かって等しい流速で垂直に流れるようにしている。
　上側壁から下側壁に向かって中空糸膜束４２１の外部流路５２を流れてきたカソードオフガスは、下側壁のガス排出孔４２２ｂから中央体４１１と収納ケース４２２の下側壁との間の隙間に排出され、左側バイパス空間７及び右側バイパス空間８を通ってきたカソードオフガスと共にカソードガス排出孔４２２ｂから排出される。
　次に筐体４１内におけるカソードガスの流れについて説明する。
　第１閉塞体４１２のカソードガス導入孔４１２ａから第１閉塞体４１２の内部に導入されたカソードガスは、中央体４１１の一方の開口から中央体４１１の内部に導入される。収納ケース４２２一端部の外周面と中央体４１１の内周面との隙間はＯリング等でシールされているので、中央体４１１の内部に導入したカソードガスの一部が収納ケース４２２に収容された中空糸膜束４２１の各中空糸膜５の内部流路５１に流入し、残りの一部がカソードガスバイパス流路６に流入する。
　各中空糸膜５の内部流路５１に流入したカソードガスは、外部流路５２から透過してきた水蒸気によって加湿され、中央体４１１の他方の開口から第２閉塞体４１３の内部に導入される。一方、カソードガスバイパス流路６に流入したカソードガスは、加湿されずにそのまま中央体４１１の他方の開口から第２閉塞体４１３の内部に導入される。第２閉塞体４１３の内部に導入されたカソードガスは、カソードガス排出孔４２２ｂから第２カソードガス供給通路３１に排出され、燃料電池スタック２に供給される。
　以上説明した本実施形態によれば、中空糸膜束４２１の内部に、中空糸膜束４２１を軸方向に貫通するカソードガスバイパス流路６を形成した。そして各中空糸膜５の内部流路５１の断面積よりも、カソードガスバイパス流路６の断面積が大きくなるようにした。
　これにより、中央体４１１の内部に導入されたカソードガスの一部が、各中空糸膜５の内部流路５１よりも断面積の大きいカソードガスバイパス流路６に流れるので、中空糸膜束４２１、ひいては加湿器４を通過するカソードガスの圧力損失を低減することができる。
　ここで、燃料電池スタック２が要求するカソードガスの流量や圧力は、基本的に燃料電池スタック２の負荷が高くなるほど大きくなるが、加湿器４を通過するカソードガスの圧力損失が大きくなると、その圧力損失分だけカソードコンプレッサ３４の回転速度を高く設定する必要がある。
　したがって、加湿器４を通過するカソードガスの圧力損失を低減させることで、カソードコンプレッサ３４の回転速度を低く設定することができるので、カソードコンプレッサ３４の消費電力を抑えることができ、燃費を向上させることができる。
　また本実施形態によれば、２本のカソードガスバイパス流路６を、中空糸膜束４２１の軸心に対して左右対称となるように、中空糸膜束４２１の軸心から左右に所定量だけオフセットさせた位置にそれぞれ設けた。
　図８は、その効果について説明する図である。図８Ａは、２本のカソードガスバイパス流路６を設けた本実施形態の中空糸膜束４２１の内部の様子を示す断面図であり、図８Ｂは、カソードガスバイパス流路６を設けなかった参考形態の中空糸膜束４２１の内部の様子を示す断面図である。
　図８Ｂに示すように、カソードガスバイパス流路６を設けなかった場合、カソードオフガスをカソードガスに対して交差するように流すと、カソードオフガスが中空糸膜束４２１の中央に片寄って流れる傾向にあり、中空糸膜束４２１の中央の各中空糸膜５が左右外側に徐々によれていく傾向にある。つまり、中空糸膜束４２１の内部において、カソードオフガスが流れやすい部分と流れにくい部分とが発生してしまう。その結果、中空糸膜束４２１の水分交換効率が低下するおそれがある。
　これに対し、図８Ａに示すように、２本のカソードガスバイパス流路６を中空糸膜束４２１の軸心に対して左右対称となるように設けることで、カソードガスバイパス流路６によって、中空糸膜束４２１の中央の各中空糸膜５のよれを抑制することができる。よって、中空糸膜束４２１の水分交換効率の低下を抑制することができる。
　また、中空糸膜束４２１内の水分交換効率は、カソードオフガスが当たりやすい外周部近傍よりも、中央部のほうが低くなる傾向にある。したがって、カソードガスバイパス流路６を比較的中空糸膜束４２１の軸心に近い位置に設けることで、中空糸膜束４２１全体としての水分交換効率の低下を抑えることができる。
　また本実施形態によれば、カソードガスバイパス流路６を、中空糸膜同士を接着させたものと同様のポッティング材で形成した。
　これにより、線膨張係数を同じにして接着不良が発生するのを抑制することができる。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
　例えば上記実施形態では、２本のカソードガスバイパス流路６を、中空糸膜束４２１の軸心に対して左右対称となるように、中空糸膜束４２１の軸心から左右に所定量だけオフセットさせた位置にそれぞれ設けた。しかしながら、カソードガスバイパス流路６を設ける位置は、これだけに限られない。
　例えば、図９に示すように、ガス流入孔４２２ａ，４２２ｄ，４２２ｆが形成されていない収納ケース４２２の下面壁側の隅部の近傍に設けて良い。収納ケース４２２の下面壁側の隅部は、カソードオフガスが特に流れにくく、中空糸膜束４２１の水分交換効率が最も低い部分なので、この位置に設けることで、中空糸膜束４２１全体の水分交換効率の低下を抑えつつ、圧直損失の低下を抑制することができる。
　また、上記実施形態では、カソードオフガスをカソードガスの流れ方向に対して交差するように流したが、カソードガスの流れ方向と対向するように流しても良い。
　また、上記実施形態では中空糸膜束４２の内部流路５１にカソードガスを流し、外部流路５２にカソードオフガスを流したが、内部流路５１にカソードオフガスを流し、外部流路５２にカソードオフガスを流しても良い。
　本願は、２０１２年３月１３日に日本国特許庁に出願された特願２０１２－５６３７２号に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (5)

  1. 　中空糸膜の内側に第１ガスを流すと共に外側に第２ガスを流し、第１ガスと第２ガスとの間で水分交換を行う加湿器であって、
    　前記中空糸膜を複数本束ねた中空糸膜束と、
    　前記中空糸膜束を内部に収容する収納ケースと、
    　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と、を有し、前記収納ケースを内部に収容する筐体と、
    を備え、
    　前記中空糸膜束は、その中空糸膜束の内部を軸方向に貫通するとともに、流路断面積が前記中空糸膜の内側の流路断面積よりも大きい第１ガスバイパス通路を備える、
    加湿器。
  2. 　前記収納ケースは、
    　　前記中空糸膜束の内部において、前記中空糸膜の外側を流れる第２ガスが、前記中空糸膜の内側を流れる第１ガスに対して交差して流れるように、側面の一部から前記中空糸膜束に第２ガスを流入させるガス流入孔と、前記中空糸膜束に流入させた第２ガスを側面の残りの一部から流出させるガス流出孔と、
    を備え、
    　前記第１ガスバイパス通路は、
    　　前記中空糸膜束の軸心を挟むように２つ設けられる、
    請求項１に記載の加湿器。
  3. 　前記収納ケースは、
    　　両端の開口面が略長方形をしており、開口面を正面として上下左右を定義したときに、長手辺を含む上側面、短手辺を含む左右の側面に前記ガス流入孔を備え、長手辺を含む下側面に前記ガス排出孔を備える、
    請求項２に記載の加湿器。
  4. 　前記第１ガスバイパス通路は、
    　　前記中空糸膜束の内部において、第１ガスと第２ガスとの水分交換効率が相対的に低い部分に設けられる、
    請求項１に記載の加湿器。
  5. 　前記中空糸膜束は、その両端部の中空糸膜同士がポッティング材で接着されて一体形成されたものであり、
    　前記第１ガスバイパス通路は、前記ポッティング材と同じ材質で形成された通路である、
    請求項１から請求項４までのいずれか１つに記載の加湿器。
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