(57)【要約】【課題】好適に加湿可能な加湿器を提供する。【解決手段】複数の中空糸膜３０ａが束ねられてなる中空糸膜束３０を収容する筒状のケース１０を備え、第１流体が中空糸膜３０ａ内を通流し、第１流体と異なる湿度の第２流体がケース１０内であって中空糸膜３０ａ外を通流し、第２流体が、ケース１０の第２流体流入部から中空糸膜束３０の外周面に向かって流入する加湿器１であって、ケース１０内に、仕切り壁により区画されて中空糸膜束３０をそれぞれ収容する複数の収容室２０を設け、複数の収容室２０に対して中空糸膜３０ａが同じ充填率で充填されている構成とした。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の中空糸膜が束ねられてなる中空糸膜束と、
前記中空糸膜束を収容する筒状のケースと、を備え、
第１流体が前記中空糸膜内を通流し、前記第１流体と異なる湿度の第２流体が前記ケース内であって前記中空糸膜外を通流し、
前記第２流体が、前記ケースの第２流体流入部から前記中空糸膜束の外周面に向かって流入する加湿器であって、
前記ケース内に、仕切り壁により区画されて前記中空糸膜束をそれぞれ収容する複数の収容室を設け、
複数の前記収容室に対して前記中空糸膜束を同じ充填率で充填したことを特徴とする加湿器。
【請求項２】
前記収容室と前記中空糸膜束との輪切り方向の断面形状は、互いに相違していることを特徴とする請求項１に記載の加湿器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池等に供給される空気等の流体を加湿する加湿器に関し、詳しくは、水分透過性の中空糸膜を有する加湿器に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）等の燃料電池においては、燃料電池を構成する電解質膜の湿潤状態を確保するべく、水素（燃料ガス）、酸素を含む空気（酸化剤ガス）を加湿する加湿器が必要とされる。このような加湿器は、中空糸膜を束ねてなる中空糸膜束と、中空糸膜束を収容するケースとを備え、例えば、燃料電池に向かう加湿すべき空気（第１流体）が中空糸膜内を、燃料電池のカソードから排出された多湿のカソードオフガス（第２流体）が中空糸膜外を、それぞれ通流する（例えば、特許文献１〜３参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平６−１３２０３８号公報
【特許文献２】特開平８−２７３６８７号公報
【特許文献３】特開２００４−３１１２８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ポリイミド等の多孔質体から形成される中空糸膜およびこれが束ねられた中空糸膜束は、水蒸気等によって湿潤すると、膨潤し伸張する。
このように中空糸膜および中空糸膜束が伸張すると、中空糸膜束（中空糸膜）が、これを収容するケース内で撓み、移動する現象が生じる。このような現象が生じると、中空糸膜束内における流量分配性が低下し加湿効率が低下するおそれがあった。
【０００５】
そこで、本発明は、好適に加湿可能な加湿器を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するために、本発明は、複数の中空糸膜が束ねられてなる中空糸膜束と、前記中空糸膜束を収容する筒状のケースと、を備え、第１流体が前記中空糸膜内を通流し、前記第１流体と異なる湿度の第２流体が前記ケース内であって前記中空糸膜外を通流し、前記第２流体が、前記ケースの第２流体流入部から前記中空糸膜束の外周面に向かって流入する加湿器であって、前記ケース内に、仕切り壁により区画されて前記中空糸膜束をそれぞれ収容する複数の収容室を設け、複数の前記収容室に対して前記中空糸膜束を同じ充填率で充填したことを特徴とする。
【０００７】
このような加湿器によれば、ケース内が仕切り壁により区画された複数の収容室を有しており、各収容室に対して中空糸膜束（中空糸膜）が同じ充填率で充填されているので、各収容室内を第１流体および第２流体が均等に流れて流量分配性が向上する。
また、第１流体および第２流体が通流することで中空糸膜束が膨潤し伸張しても、区画された複数の収容室に中空糸膜束が小分けされるようにしてそれぞれ充填される構成であるので、例えば、このような区画を有さないケース内に中空糸膜束を充填した場合に比べて、中空糸膜束の伸張による移動を各収容室によって効果的に規制することができ、各収容室内を流れる第１流体および第２流体の流量分配性を好適に維持することができる。
また、中空糸膜束の伸張による移動を効果的に規制することができるので、伸張により中空糸膜にかかる負荷を軽減することができ、中空糸膜が切れる等の不都合を好適に防止することができる。
また、中空糸膜束の伸張による移動を効果的に規制することができるので、例えば、伸張により移動した一部の中空糸膜が第２流体の流入口や流出口を塞ぐように貼り付くような現象を防止することができ、圧損が増加するのを防止することができる。
【０００８】
また、本発明は、前記収容室と前記中空糸膜束との輪切り方向の断面形状が、互いに相違している構成とするのがよい。
【０００９】
このような加湿器によれば、収容室内の壁面への中空糸膜の貼り付きを抑制することができ、良好な流量分配性を好適に維持することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、好適に加湿可能な加湿器が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施形態について、図１から図６を参照して説明する。
まず、本実施形態に係る加湿器１が組み込まれた燃料電池システム１００について、図１を参照して説明する。燃料電池システム１００は、図示しない燃料電池自動車（移動体）に搭載されており、燃料電池スタック１１０と、水素タンク１２１と、コンプレッサ１３１と、加湿器１とを備えている。
【００１２】
燃料電池スタック１１０は、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）であり、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）をセパレータ（図示しない）で挟持してなる単セルが複数積層されて構成されている。ＭＥＡは、電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟持するカソード及びアノードとを備えている。各セパレータには、溝や貫通孔からなるアノード流路１１１およびカソード流路１１２が形成されている。
【００１３】
そして、水素が、水素タンク１２１から、配管１２１ａ、アノード流路１１１を介してアノードに供給され、酸素を含む空気が、外気を吸気するコンプレッサ１３１から、配管１３１ａ、加湿器１、配管１３１ｂ、カソード流路１１２を介してカソードに供給されると、アノードおよびカソードに含まれる触媒（Ｐｔ等）上で電極反応が起こり、燃料電池スタック１１０が発電可能な状態となる。
【００１４】
このように発電可能な状態の燃料電池スタック１１０と、外部負荷（例えば走行用のモータ）とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック１１０が発電するようになっている。
【００１５】
また、アノード流路１１１から排出されたアノードオフガスは、配管１２１ｂを介して、希釈器１３２に排出されるようになっている。一方、カソード流路１１２から排出されたカソードオフガスは、配管１３１ｃ、加湿器１、配管１３２ａを介して、希釈器１３２に排出され、希釈器１３２においてアノードオフガス中の未消費の水素を希釈するようになっている。そして、希釈後のガスは、配管１３２ｂを介して、車外に排出されるようになっている。
なお、カソードオフガスは、カソードにおける電極反応により生成する水蒸気（水分）により多湿である。また、生成した水蒸気の一部は電解質膜をアノード側に透過するので、アノードオフガスも多湿である。
【００１６】
次に、加湿器１の構成について、図２から図６を参照して説明する。ここで、明確に説明するために、図２を基準として、前、後、左、右、上、下を設定する。
【００１７】
加湿器１は、コンプレッサ１３１（図１参照）からカソード流路１１２（図１参照、以下同じ）に向かう加湿すべき空気（第１流体）を、カソード流路１１２から排出された多湿のカソードオフガス（第２流体）で加湿するものである。すなわち、カソード流路１１２に向かう空気の湿度とカソードオフガスの湿度とは異なっており、カソードオフガスの湿度の方が高くなっている。加湿器１の外形は図２に示すように略直方体を呈している。
【００１８】
図２に示すように、加湿器１は、四角筒状のケース１０内に仕切り壁となる縦壁１１と横壁１２とで区画された複数の収容室２０を有しており、複数の収容室２０に中空糸膜束３０がそれぞれ収容されるようになっている。なお、中空糸膜束３０と各収容室２０との軸方向（前後方向）は一致している。
本実施形態では、ケース１０の内部が、縦４段、横８列からなる複数（計３２個）の収容室２０に分割されており、後記するようにして、各収容室２０にはカソードオフガスが分配されて流れるようになっている。
なお、収容室２０の段数、列数は、前記したものに限らず、適宜設定することができる。
【００１９】
中空糸膜束３０は、ポリイミド等から形成され、水分透過性を有する中空糸膜３０ａが、複数本（例えば１０〜１００００本）にて束ねられたものであり、ケース１０内に形成された複数の収容室２０内にそれぞれ収容されるようになっている。
本実施形態では、各中空糸膜束３０（中空糸膜３０ａ）の輪切り方向となる断面形状が、円形状（丸形状）とされている。ここで、中空糸膜束３０は、中空糸膜３０ａを適宜に束ねることで断面形状が円形状となるように形成することが可能である。
また、中空糸膜束３０（中空糸膜３０ａ）は、各収容室２０に対して同じ充填率で充填されている。つまり、各中空糸膜束３０は、束ねられる本数が同じであり、各収容室２０において、収容室２０の容積に対する充填率が同じとなるようにされている。
なお、各中空糸膜３０ａは、水分を含むと膨潤し、多少伸張することとなるが、区画された複数の収容室２０に対して中空糸膜束３０としてそれぞれ充填される構成であるので、仮に、このように区画されていないケースにおいてケース内に中空糸膜束が充填されるように構成したものに比べて、中空糸膜束３０の伸張による移動を効果的に規制することができる。加えて、収容室２０の輪切り方向となる断面形状が、後記するように、中空糸膜束３０の断面形状と互いに相違する矩形状とされているので、中空糸膜束３０の伸張による収容室２０の内面への貼り付きを好適に防止することができる。
各中空糸膜束３０の前側および後側は、エポキシ樹脂等から形成されるポッティング部３１（図３参照、封止部）を介して、ケース１０（収容室２０）に固定されている。
【００２０】
ケース１０は、前記したように、その内部に区画された複数の収容室２０を有する四角筒状の容器であり、例えば、ＰＣ（ポリカーボネート）やＰＰＯ（ポリフェニレンオキサイド）等の硬質樹脂から一体的に形成されている。
ケース１０に複数形成された収容室２０は、前記したように、中空糸膜束３０の断面形状（円形状）と互いに相違する矩形状とされており、図５に示すように、中空糸膜束３０の外周面と収容室２０の内面との間には、僅かながらも隙間Ｇが形成されている。
また、各収容室２０の前部側には、図４に示すように、後記する流入側マニホールド１５ａ（第２流体流入部）の装着位置に対応して、カソードオフガスを流入するための流入口２１が各収容室２０を仕切る横壁１２を上下方向に貫くようにそれぞれ形成されている。
一方、各収容室２０の後部側には、図６に示すように、後記する流出側マニホールド１６ａの装着位置に対応して、カソードオフガスを流入するための流出口２２が各収容室２０を仕切る横壁１２を上下方向に貫くようにそれぞれ形成されている。
また、ケース１０の前側には、図２、図３に示すように、前キャップ１３が取り付けられており、ケース１０の後側には、後キャップ１４が取り付けられている。
【００２１】
そして、コンプレッサ１３１（図１参照）からの空気（加湿されるべき空気）は、後キャップ１４の空気流入部１４ａから後キャップ１４内を通って各中空糸膜束３０の各中空糸膜３０ａ内に流入し、各収容室２０内における各中空糸膜３０ａ内を前方に向かってそれぞれ通流した後、前キャップ１３内を通って、前キャップ１３の空気流出部１３ａから外部（配管１３１ｂ、図１参照）に流出するようになっている。
【００２２】
一方、カソードオフガスは、四角筒状を呈するケース１０の天壁部１５（周壁部の一部）の前側に設けられた流入側マニホールド１５ａのオフガス流入部１５ｂから、下方に向かって流入し、図４に示すように、流入側マニホールド１５ａ内で左右方向に分配されて、各収容室２０を仕切る横壁１２に形成された流入口２１を通じて各収容室２０に流入するようになっている。
このように流入したカソードオフガスは、各中空糸膜束３０の中空糸膜３０ａ外であって各収容室２０内を後方に向かって通流した後（図３参照）、ケース１０の底壁部１６に形成された流出側マニホールド１６ａ（図６参照）を通じて外部（配管１３２ａ、図１参照）に流出する。
図３に示すように、流出側マニホールド１６ａは、ケース１０の底壁部１６の後側に設けられており、図６に示すように、各収容室２０を仕切る横壁１２に形成された流出口２２を通じて、各収容室２０に収容された各中空糸膜束３０の中空糸膜３０ａ外を流れてきたカソードオフガスを、一つに集めて流出するようになっている。
【００２３】
つまり、燃料電池スタック１１０に向かう加湿すべき空気が、中空糸膜３０ａ内を前方に向かって通流し、多湿のカソードオフガスが中空糸膜３０ａ外を後方に向かって通流するように構成されている。したがって、空気の通流方向とカソードオフガスの通流方向とは対向しており、空気が効率的に加湿されるようになっている。
【００２４】
次に、加湿器１の作用効果について、各図を参照して説明する。
各収容室２０において、中空糸膜３０ａは、同じ充填率で充填されているので、各収容室２０内の流れに対する抵抗値は同等となり、各収容室２０内を流れる空気およびカソードオフガスは、それぞれ均等に流れることとなる。
そして、各収容室２０内に多湿のカソードオフガスが通流すると、中空糸膜束３０（中空糸膜３０ａ）が膨潤し伸張するおそれがあるが、その伸張によって中空糸膜束３０が移動を生じても、その移動は各収容室２０を仕切る縦壁１１および横壁１２によって効果的に規制されることとなる。つまり、中空糸膜束３０の移動は、各収容室２０内に留まり、隣接する収容室２０の中空糸膜束３０同士で移動の影響を及ぼし合うこともない。
したがって、各収容室２０内を流れる空気およびカソードオフガスの流量分配性が好適に維持される。
【００２５】
以上説明した本実施形態の加湿器１によれば、ケース１０内が仕切り壁（縦壁１１および横壁１２）により区画された複数の収容室２０を有しており、各収容室２０に対して中空糸膜束３０（中空糸膜３０ａ）が同じ充填率で充填されているので、各収容室２０内を空気およびカソードオフガスが均等に流れて流量分配性が向上する。
【００２６】
また、空気およびカソードオフガスが通流することで中空糸膜束３０が膨潤し伸張しても、区画された複数の収容室２０に中空糸膜束３０が小分けされるようにして充填される構成であるので、例えば、このように区画されていないケース内に中空糸膜束を充填した場合に比べて、中空糸膜束３０の伸張による移動を効果的に規制することができ、各収容室２０内を流れる空気およびカソードオフガスの流量分配性を好適に維持することができる。
【００２７】
また、中空糸膜束３０の伸張による移動を効果的に規制することができるので、伸張により中空糸膜３０ａにかかる負荷を軽減することができ、中空糸膜３０ａが切れる等の不都合を好適に防止することができる。
【００２８】
また、中空糸膜束３０の伸張による移動を効果的に規制することができるので、例えば、伸張により移動した一部の中空糸膜３０ａがカソードオフガスの流入口２１や流出口２２を塞ぐように貼り付くような現象を防止することができ、圧損が増加するのを防止することができる。つまり、流入口２１および流出口２２を通じてカソードオフガスを好適に通流させることができ、収容室２０が複数設けられている構造でありながら、カソードオフガスの好適な通流を確保することができる。したがって、加湿効率に優れた加湿器１が得られる。
【００２９】
また、収容室２０と中空糸膜束３０との輪切り方向の断面形状が、互いに相違しているので、各収容室２０内の壁面（縦壁１１、横壁１２）への中空糸膜３０ａの貼り付きを抑制することができ、良好な流量分配性を好適に維持することができる。
【００３０】
図７は本実施形態の加湿器の変形例をそれぞれ示す図であり、（ａ）は一つの変形例を示す加湿器の輪切り方向の模式断面図、（ｂ）（ｃ）はその他の変形例を示す加湿器の要部の拡大断面図である。
【００３１】
図７（ａ）に示す変形例では、ケース１０’が円筒形を呈しており、このケース１０’内に、縦壁１１および横壁１２で区画される断面矩形状の複数の収容室２０を設けるとともに、各収容室２０内に断面円形状（丸形状）の中空糸膜束３０を収容したものである。
なお、この例も含めて図７各図に示す変形例では、前記した流入側マニホールド１５ａや流出側マニホールド１６ａ、流入口２１や流出口２２は、簡単のため省略している。
このような変形例においても、前記実施形態と同様の効果が得られる。
【００３２】
図７（ｂ）に示す変形例では、収容室２０Ａの輪切り方向の断面形状をハニカム形状として、収容室２０Ａ内に断面円形状（丸形状）の中空糸膜束３０を収容したものである。
また、図７（ｃ）に示す変形例では、収容室２０Ｂの輪切り方向の断面形状を円形状（丸形状）として、収容室２０Ｂ内に断面矩形状の中空糸膜束３０Ａを収容したものである。
これらの例によれば、収容室２０Ａ（２０Ｂ）と中空糸膜束３０（３０Ａ）との輪切り方向の断面形状が互いに相違しているので、収容室２０Ａ（２０Ｂ）内の壁面への中空糸膜３０ａの貼り付きを抑制することができ、良好な流量分配性を好適に維持することができる。
【００３３】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば次のように変更することができる。
前記した実施形態では、空気が中空糸膜３０ａ内を通流し、カソードオフガスが中空糸膜３０ａ外を通流する構成を例示したが、空気が中空糸膜３０ａ外を通流し、湿度の高いカソードオフガスが中空糸膜３０ａ内を通流する構成でもよい。
【００３４】
また、空気およびカソードオフガスの通流方向が、逆向きである構成を例示したが、同方向でもよい。
さらに、カソードオフガスが、加湿器１の天壁部１５側から流入し、加湿器１の底壁部１６側から流出する構成を例示したが、カソードオフガスの流入・流出方向はこれに限定されず、例えば、一方の側壁から流入し、他方の側壁から流出する構成でもよい。
また、カソードオフガスが、収容室２０の横壁１２の流入口２１を通じて流入し、横壁１２の流出口２２を通じて流出するように構成したが、流入・流出方向はこれに限定されず、例えば、縦壁１１を通じて流入・流出するように構成してもよい。
さらにまた、第１流体が空気、第２流体がカソードオフガスである構成、つまり、第１流体および第２流体がガスである構成を例示したが、例えば、第２流体が水（液体）である構成でもよい。
【００３５】
前記した実施形態では、加湿器１が空気とカソードオフガスとの間で水分交換し、燃料電池スタック１１０に向かう空気を加湿する構成を例示したが、その他に例えば、水素とアノードオフガスとの間で水分交換し、燃料電池スタック１１０に向かう水素を加湿する構成でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本実施形態の加湿器が適用される燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】本実施形態に係る加湿器の一部分解斜視図である。
【図３】同じく加湿器の側断面図（ケース内の断面が図４のＸ４−Ｘ４に沿う側断面図）である。
【図４】図３のＸ１−Ｘ１に沿う断面図である。
【図５】図３のＸ２−Ｘ２に沿う断面図である。
【図６】図３のＸ３−Ｘ３に沿う断面図である。
【図７】本実施形態の加湿器の変形例をそれぞれ示す図であり、（ａ）は一つの変形例を示す加湿器の輪切り方向の模式断面図、（ｂ）（ｃ）はその他の変形例を示す加湿器の要部の拡大断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１      加湿器
１０    ケース
１１    縦壁
１２    横壁
２０    収容室
２０Ａ  収容室
２０Ｂ  収容室
２１    流入口
２２    流出口
３０    中空糸膜束
３０Ａ  中空糸膜束
３０ａ  中空糸膜
１００  燃料電池システム
１１０  燃料電池スタック
【図１】
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【図２】
2010107069.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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