(57)【要約】【課題】コスト削減が可能な加湿装置を提供する。【解決手段】中空糸膜束１１が収容されたケース２１の一端側に、中空糸膜１２の内側を通る空気の入口および外側を通るカソードオフガスの出口が形成され、他端側に中空糸膜１２の内側を通る空気の出口および外側を通るカソードオフガスの入口が形成されている。ケース２１の一端側の開口部２１ａと開口部２１ｃとの位置関係が、ケース２１の他端の開口部２１ｂと開口部２１ｄとの位置関係と同じ位置関係となるように構成した。また、開口部２１ａの端面２１ａ１および開口部２１ｃの端面２１ｃ１、および開口部２１ｂの端面２１ｂ１および開口部２１ｄの端面２１ｄ１は、それぞれ同一平面内に配置されている。【選択図】図２
2010107099.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交換膜を収容し、前記交換膜の一面側を通る第１流体の出入口および前記交換膜の他面側を通る第２流体の出入口の各開口部を前記交換膜の長手方向に揃えたケースと、
前記ケースの両端に設けられ、前記各開口部に対応して連通する接続部を備えたジョイント部材と、を有し、
前記ケースの一端側における前記交換膜側から見た前記第１流体の入口側の開口部と前記第２流体の出口側の開口部との位置関係が、前記ケースの他端における前記交換膜側から見た前記第１流体の出口側の開口部と前記第２流体の入口側の開口部との位置関係と同じ位置関係となるように構成したことを特徴とする加湿装置。
【請求項２】
前記第１流体の入口側の開口部および前記第２流体の出口側の開口部における前記ジョイント部材と接合される端面、および前記第１流体の出口側の開口部および前記第２流体の入口側の開口部における前記ジョイント部材と接合される端面は、それぞれ同一平面内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の加湿装置。
【請求項３】
前記第１流体の入口側の開口部および前記第２流体の出口側の開口部の位置関係が、前記第１流体の出口側の開口部および前記第２流体の入口側の開口部の位置関係と、線対称の位置関係にあることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の加湿装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加湿流体の出入口と被加湿流体の出入口とを備えた加湿装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、中空糸膜のように中空糸膜の内側と外側とで異なる流体を流して水分交換を行う加湿装置には、被加湿流体の出口および入口と加湿流体の出口および入口がそれぞれ設けられている（特許文献１，２参照）。このような加湿装置では、加湿装置に被加湿流体を供給する配管、被加湿流体を排出する配管、加湿流体を供給する配管、加湿流体を排出する配管をそれぞれ接続するためのジョイント部材が必要になり、計４個のジョイント部材が必要になる。
【特許文献１】特開平８−２７３６８７号公報（図３，４）
【特許文献２】特開２００２−１４７８０２号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１，２に記載のような加湿装置では、４個のジョイント部材が必要となり、少なくとも、中空糸膜を収容するケースと、中空糸膜の内側と連通するジョイントと、中空糸膜の外側と連通するジョイントの金型が必要になり、コスト高となる課題があった。
【０００４】
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、コスト削減が可能な加湿装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、交換膜を収容し、前記交換膜の一面側を通る第１流体の出入口および前記交換膜の他面側を通る第２流体の出入口の各開口部を前記交換膜の長手方向に揃えたケースと、前記ケースの両端に設けられ、前記各開口部に対応して連通する接続部を備えたジョイント部材と、を有し、前記ケースの一端側における前記交換膜側から見た前記第１流体の入口側の開口部と前記第２流体の出口側の開口部との位置関係が、前記ケースの他端における前記交換膜側から見た前記第１流体の出口側の開口部と前記第２流体の入口側の開口部との位置関係と同じ位置関係となるように構成したことを特徴とする。
【０００６】
これによれば、ケースの一端側における第１流体の入口側の開口部および第２流体の出口側の開口部に取り付けるジョイント部材の金型と、ケースの他端側における第１流体の出口側の開口部および第２流体の入口側の開口部に取り付けるジョイント部材の金型とを同じ金型にできるので、金型の種類を削減できる。その結果、金型コストを削減でき、生産性を向上させることができる。
【０００７】
また、前記第１流体の入口側の開口部および前記第２流体の出口側の開口部における前記ジョイント部材と接合される端面、および前記第１流体の出口側の開口部および前記第２流体の入口側の開口部における前記ジョイント部材と接合される端面は、それぞれ同一平面内に配置されていることを特徴とする。
【０００８】
これによれば、ジョイント部材が接合される面を平面化することにより、ジョイント部材を容易に接合することが可能になり、生産性を向上させることができる。
【０００９】
また、前記第１流体の入口側の開口部および前記第２流体の出口側の開口部の位置関係が、前記第１流体の出口側の開口部および前記第２流体の入口側の開口部の位置関係と、線対称の位置関係にあることを特徴とする。
【００１０】
これによれば、線対称にすることで、厚くなりがちな第２流体の入口側および出口側のそれぞれの開口部がケースに対して同じ側に位置するので、加湿装置の薄型化が可能になる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、コスト削減が可能な加湿装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は本実施形態の加湿装置を燃料電池システムに適用した場合の一例を示すブロック図、図２は本実施形態の加湿装置を示す分解斜視図、図３は図２のＡ−Ａ線断面図である。
【００１３】
図１に示すように、本実施形態の加湿装置１が組み込まれた燃料電池システム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、水素タンク１２１、エアコンプレッサ１３１、加湿装置１などを備えている。
【００１４】
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及びカソード流路１１２が形成されている。
【００１５】
また、燃料電池スタック１１０では、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、外気を吸気するエアコンプレッサ１３１から、配管１３１ａ、加湿装置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、アノード及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。
【００１６】
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。
【００１７】
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、加湿装置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介して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。
【００１８】
加湿装置１は、エアコンプレッサ１３１からカソード流路１１２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。
【００１９】
図２に示すように、加湿装置１は、中空糸膜束１１が収容されたケース２１、ジョイント部材２２，２３を有している。
【００２０】
ケース２１は、中空糸膜束１１を収容する四角筒状の容器であり、長手方向の端部である後端にエアコンプレッサ１３１（図１参照）からの乾燥した空気（第１流体）の入口となる開口部２１ａが形成され、前端に燃料電池スタック１１０（図１参照）のカソードへの加湿後の空気（第１流体）の出口となる開口部２１ｂが形成されている。なお、ケース２１は、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、またはアルミニウムなどの金属から形成されている。
【００２１】
また、ケース２１内に収容される中空糸膜束１１は、ポリイミド等から形成され、水分透過性を有するストロー状の中空糸膜（交換膜）１２が、複数本（例えば数千本以上）束ねられたものである。また、中空糸膜束１１は、ケース２１の長手方向（前後方向）の長さとほぼ同じ長さとなるように形成されている。なお、中空糸膜１２の内側（一面側）の空気（第１流体）の流れ方向は、交換膜の長手方向に相当する。また、中空糸膜束１１の前後の両端部は、エポキシ樹脂等から形成されるポッティング部１３，１３（封止部）を介して、各中空糸膜１２の外周面間、中空糸膜１２の外周面とケース２１の内壁面との間が、それぞれ閉塞されるようになっている。
【００２２】
また、ケース２１の後端上面には、カソードオフガス（第２流体）の出口となる開口部２１ｃが一体に形成されている。この開口部２１ｃは、ケース２１の周面に形成された貫通孔２１ｓ（図３参照）を介して各中空糸膜１２の外側と連通している。また、ケース２１の前端下面には、カソードオフガス（第２流体）の入口となる開口部２１ｄが一体に形成されている。この開口部２１ｄは、ケース２１の周面に形成された貫通孔２１ｔ（図３参照）を介して各中空糸膜１２の外側（他面側）と連通している。
【００２３】
また、開口部２１ａの周縁部を構成する後方に向けられた端面２１ａ１は、略四角枠形状で平面状に形成されている。また、開口部２１ｃの周縁部を構成する後方に向けられた端面２１ｃ１は、略丸枠形状で平面状に形成されている。また、前記端面２１ａ１と端面２１ｃ１とは、連続した面で形成され、互いに同一平面内に位置するように構成されている。
【００２４】
同様に、開口部２１ｂの周縁部を構成する前方に向けられた端面２１ｂ１は、略四角枠形状で平面状に形成されている。また、開口部２１ｄの周縁部を構成する前方に向けられた端面２１ｄ１は、略丸枠形状で平面状に形成されている。また、前記端面２１ｂ１と端面２１ｄ１とは、連続した面で形成され、互いに同一平面内に位置するように構成されている。
【００２５】
よって、ケース２１の後端側の開口部２１ａと開口部２１ｃとの位置関係は、前端側の開口部２１ｂと開口部２１ｄとの位置関係と同じ位置関係となるように形成されている。すなわち、ケース２１の後端側の開口部２１ａの端面２１ａ１および開口部２１ｃの端面２１ｃ１により形成される端面の形状は、ケース２１の前端側の開口部２１ｂの端面２１ｂ１および開口部２１ｄの端面２１ｄ１により形成される端面の形状と、上下が反転しているだけの同じ形状となるように形成されている。
【００２６】
図２に示すように、ジョイント部材２２は、ケース２１の後端側に設けられ、ケース２１と同様な硬質樹脂または金属により、ケース２１の開口部２１ａと対応する空気入口部２２ａと、開口部２１ｃと対応するオフガス出口部２２ｂとが一体に形成されたものである。
【００２７】
空気入口部２２ａは、凹面が前方を向く凹部２２ａ１を有している。凹部２２ａ１は、前記端面２１ａ１と対向する略四角枠状の当接面２２ａ２を有している。また、空気入口部２２ａには、凹部２２ａ１内と連通し、配管１３１ａ（図１参照）と接続される円管状の接続部２２ａ３が後方に突出して形成されている。したがって、配管１３１ａから接続部２２ａ３を介して供給された空気は、空気入口部２２ａの凹部２２ａ１内において広がって、開口部２１ａに形成された各中空糸膜１２の内側に導入される。
【００２８】
オフガス出口部２２ｂは、前端側に開口部２１ｃと対向する開口２２ｂ１を有し、後端側に配管１３２ａ（図１参照）と接続される円管状の接続部２２ｂ３が後方に突出して形成されている。開口２２ｂ１の周縁部は、開口部２１ｃの端面２１ｃ１と対向する略円環状の当接面２２ｂ２を有している。
【００２９】
また、当接面２２ａ２，２２ｂ２は、互いに連続した面で形成され、同一平面内に位置するように構成されている。よって、当接面２２ａ２は、前記端面２１ａ１に対して面接触して当接し、当接面２２ｂ２は、前記端面２１ｃ１に対して面接触して当接するようになっている（図３参照）。
【００３０】
一方、ジョイント部材２３は、ジョイント部材２２と同様な形状であり、空気出口部２３ａとオフガス入口部２３ｂとが一体に形成されている。空気出口部２３ａは、凹面が後方を向く凹部２３ａ１を有している。凹部２３ａ１は、前記端面２１ｂ１と対向する略四角枠状の当接面２３ａ２を有している。また、空気出口部２３ａには、凹部２３ａ１内と連通し、配管１３１ｂ（図１参照）と接続される円管状の接続部２３ａ３が前方に突出して形成されている。
【００３１】
オフガス入口部２３ｂは、後端側に開口部２１ｄと対向する開口２３ｂ１を有し、前端側に配管１３１ｃ（図１参照）と接続される円管状の接続部２３ｂ３が前方に突出して形成されている。開口２３ｂ１の周縁部は、開口部２１ｄの端面２１ｄ１と対向する略円環状の当接面２３ｂ２を有している。
【００３２】
なお、ジョイント部材２２の接続部２２ａ３，２２ｂ３およびジョイント部材２３の接続部２３ａ３，２３ｂ３には、それぞれ配管１３１ａ，１３２ａ，１３１ｂ，１３１ｃが接続される。なおこのとき、配管１３１ａ，１３２ａ，１３１ｂ，１３１ｃは、例えば、それぞれホースバンドを介して固定される。
【００３３】
また、ケース２１の端面２１ａ１，２１ｃ１と、ジョイント部材２２の当接面２２ａ２，２２ｂ２とは、互いに面同士が当接した状態において、溶着などによって面同士が接合される。また、ケース２１の端面２１ｂ１，２１ｄ１についても、ジョイント部材２３の当接面２３ａ２，２３ｂ２と溶着などによって面同士が固定される。なお、溶着の種類は、ケース２１などに用いる樹脂または金属の材料に応じてレーザ溶着など適宜選択することができる。
【００３４】
図３に示すように、前記した加湿装置１では、エアコンプレッサ１３１（図１参照）からの乾燥した空気は、加湿装置１の空気入口部２２ａの接続部２２ａ３から凹部２２ａ１内を通って各中空糸膜１２の内側を通り、各中空糸膜１２内を前方に向かって通流した後、空気出口部２３ａの凹部２３ａ１内を通って、接続部２３ａ３から流出する。接続部２３ａ３から流出した加湿後の空気は、配管１３１ｂ（図１参照）を通って、燃料電池スタック１１０のカソードに供給される。
【００３５】
燃料電池スタック１１０のカソードから排出されたカソードオフガスは、配管１３１ｃ（図１参照）を通って、オフガス入口部２３ｂの接続部２３ｂ３から流入する。オフガス入口部２３ｂに流入したカソードオフガスは、ケース２１の開口部２１ｄを通って、貫通孔２１ｔから各中空糸膜１２の外側を通り、各中空糸膜１２外を後方に向かって通流する。そして、ケース２１の貫通孔２１ｓから開口部２１ｃを通って、オフガス出口部２２ｂの接続部２２ｂ３から流出する。接続部２２ｂ３から流出したカソードオフガスは、配管１３２ａを通って、希釈器１３２に供給される。
【００３６】
なお、各中空糸膜１２には無数の毛管部が形成されているため、加湿装置１において中空糸膜１２の外側に導入されたカソードオフガス（第２流体）に含まれる水蒸気は、毛管部内で凝縮し、中空糸膜１２の内側へと移動することで、乾燥した空気（第１流体）に水分が渡されるようになっている。このような仕組みによって、加湿装置１において、カソードオフガス中の水分が空気に供給され、加湿された空気となる。なお、本実施形態では、被加湿空気（第１流体）を中空糸膜１２の内側、加湿空気（第２流体）を中空糸膜１２の外側に流れる場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、被加湿空気（第１流体）を中空糸膜１２の外側、加湿空気（第２流体）を中空糸膜１２の内側に流すようにしてもよい。
【００３７】
以上説明したように、本実施形態の加湿装置１によれば、ケース２１の長手方向の一端側に空気が導入される開口部２１ａおよびカソードオフガスが排出される開口部２１ｃを配置し、長手方向の他端に空気が排出される開口部２１ｂおよびカソードオフガスが導入される開口部２１ｄを配置して、開口部２１ａの端面２１ａ１と開口部２１ｃの端面２１ｃ１とで形成される端面と、開口部２１ｂの端面２１ｂ１と開口部２１ｄの端面２１ｄ１とで形成される端面とを同一の形状とすることで、ジョイント部材２２とジョイント部材２３とを同一形状にすることができる。これにより、ジョイント部材２２，２３を形成する際の金型を１種類にすることができ、ジョイント部材２２，２３用の金型を１種類と、ケース２１用の金型を１種類の合計２種類の金型で加湿装置１を構成することができる。よって、金型数の削減により、コストダウンを図ることが可能になる。さらに、従来であれば、空気入口部、空気出口部、オフガス入口部、オフガス出口部からなる４個のジョイント部材の取付けが必要であったものを、２個のジョイント部材２２，２３に削減できるので、溶着回数を減らすことができ、ケース２１にジョイント部材２２，２３を取り付ける際の生産性を向上できる。
【００３８】
また、ケース２１の一方の端面２１ａ１，２１ｃ１と、他方の端面２１ｂ１，２１ｄ１とをそれぞれ平面化しているので、溶着面が平面化して、ケース２１とジョイント部材２２，２３との溶着が容易になり、生産性を向上させることが可能になる。
【００３９】
なお、本実施形態では、開口部２１ａの端面２１ａ１と開口部２１ｃの端面２１ｃ１の形状と、開口部２１ｂの端面２１ｂ１と開口部２１ｄの端面２１ｄ１の形状とが、Ｐ点（図３参照）を基準とした点対称の関係にある場合を例に挙げて説明したが、点対称に限定されるものではなく、端面２１ａ１，２１ｃ１の形状と端面２１ｂ１，２１ｄ１の形状とが同一であればよく、一方の端面２１ａ１，２１ｃ１に対して他方の端面２１ｂ１，２１ｄ１が傾斜した状態であってもよい。
【００４０】
図４は、他の実施形態の加湿装置を示す断面図である。この実施形態の加湿装置３０は、カソードオフガスの入口と出口とを同一面側に設けた構成である。なお、前記加湿装置１と同一の構成については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００４１】
すなわち、加湿装置３０は、ケース４１の前端上面に、カソードオフガス（第２流体）の入口となる開口部２１ｅが一体に形成されたものである。開口部２１ｅは、ケース４１の周面に形成された貫通孔２１ｕを介して各中空糸膜１２の外側と連通するように構成されている。なお、ケース４１の前端側に取り付けられるジョイント部材２３は、前記加湿装置１のジョイント部材２３と同じ形状であり、上下逆さまにしただけである。よって、開口部２１ｅの端面２１ｅ１は、ジョイント部材２３の端面２３ｂ２と当接した状態で接合される。
【００４２】
このように構成された加湿装置３０によれば、開口部２１ｅを開口部２１ｃと同じ上面側に設けることにより、上下方向（厚み方向）の寸法を低減することができ、加湿装置３０をコンパクトに構成することが可能になる。
【００４３】
なお、加湿装置３０では、対称線Ｓを基準にした線対称を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、端面２１ａ１，２１ｃ１の形状と、端面２１ｂ１，２１ｅ１の形状とが同一形状であれば、本実施形態に限定されるものではない。
【００４４】
また、本実施形態では、加湿装置１，３０において、四角形状のものを例に挙げて説明したが、このような形状に限定されるものではなく、円筒状など他の形状に適用してもよい。
【００４５】
また、本実施形態では、単一の加湿装置１，３０を例に挙げて説明したが、複数個の加湿装置１，３０を組み合わる構成にしてもよい。すなわち、中空糸膜束１１が収容されたケース２１，４１を例えば水平方向に並べて配置するとともに、複数のケース２１，４１で形成された一端側の端面の形状と、他端側の端面の形状とを同じ形状にすることで、両端のジョイント部材を１種類の金型で形成することが可能になり、金型数の削減および生産性の向上が図れる。
【００４６】
また、本実施形態では、交換膜として中空糸膜１２を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、平膜形状やスパイラル形状の交換膜であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本実施形態の加湿装置を燃料電池システムに適用した場合の一例を示すブロック図である。
【図２】本実施形態の加湿装置を示す分解斜視図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】別の実施形態の加湿装置を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４８】
１，３０  加湿装置
１１    中空糸膜（交換膜）
１２    中空糸膜束
１３    ポッティング部
２１，４１  ケース
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ  開口部
２１ａ１，２１ｂ１，２１ｃ１，２１ｄ１  端面
２２，２３  ジョイント部材
２２ａ３，２２ｂ２，２３ａ３，２３ｂ２  接続部
【図１】
2010107099.tif 000003
【図２】
2010107099.tif 000004
【図３】
2010107099.tif 000005
【図４】
2010107099.tif 000006