(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１２が束ねられてなり、湿潤すると膨潤し伸張する中空糸膜束１１と、中空糸膜束１１を収容する筒状のケース２１と、を備え、空気が中空糸膜１２内を通流し、空気と異なる湿度のカソードオフガスがケース２１内であって中空糸膜１２外を通流する加湿器１であって、中空糸膜束１１は、少なくとも一箇所が湾曲した状態でケース２１に収容されており、ケース２１の天壁面２２ｂ及び底壁面２３ｂは、膨潤し伸張した場合における中空糸膜束１１の外形に沿いつつ、中空糸膜束１１との隙間Ｇが小さくなるように形成されている。【選択図】図３
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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り、湿潤すると膨潤し伸張する中空糸膜束と、
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する加湿器であって、
前記中空糸膜束は、その長手方向において、少なくとも一箇所が湾曲した状態で前記ケースに収容されており、
前記ケースの内面は、膨潤し伸張した場合における前記中空糸膜束の外形に沿いつつ、当該中空糸膜束との隙間が小さくなるように形成されている
ことを特徴とする加湿器。
【請求項２】
前記第２流体は、前記ケースの周壁部に形成された第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し、
前記中空糸膜束は、前記少なくとも一箇所において、前記第２流体流入部が形成された周壁部に近づくように湾曲している
ことを特徴とする請求項１に記載の加湿器。
【請求項３】
前記ケースは、筒状のケース本体と、内面が、膨潤し伸張した場合における前記中空糸膜束の外形に沿いつつ、当該中空糸膜束との隙間が小さくなるように形成され、前記ケース本体の内周面に取り付けられたインサート体と、を備える
ことを特徴とする請求項１又は請求項２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が中空糸膜外を、それぞれ通流する（特許文献１〜４参照）。
【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】特開平１０−１９７０１６号公報
【特許文献４】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】
ところが、ポリイミド等の多孔質体から形成される中空糸膜及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及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、不規則な方向に撓み、移動する。そうすると、中空糸膜束とケースとの隙間が大きくなってしまい、本来中空糸膜束内を通流すべきカソードオフガスが、前記大きくなった隙間を主に通流してしまい、加湿効率が低下する虞があった。
【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】
前記課題を解決するための手段として、本発明は、複数の中空糸膜が束ねられてなり、湿潤すると膨潤し伸張する中空糸膜束と、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する加湿器であって、前記中空糸膜束は、その長手方向において、少なくとも一箇所が湾曲した状態で前記ケースに収容されており、前記ケースの内面は、膨潤し伸張した場合における前記中空糸膜束の外形に沿いつつ、当該中空糸膜束との隙間が小さくなるように形成されていることを特徴とする加湿器である。
【０００７】
このような加湿器によれば、第１流体及び第２流体が通流すると、中空糸膜束は湿潤する。このように湿潤すると、中空糸膜束は膨潤し伸張する。この場合において、中空糸膜束は、湾曲した少なくとも一箇所においてさらに湾曲する。
そして、ケースの内面は、このように膨潤し伸張しつつ、前記少なくとも一箇所においてさらに湾曲する中空糸膜束の外形に沿いつつ、中空糸膜束との隙間が小さくなるように予め形成されているので、膨潤し伸張した中空糸膜束とケースの内面との隙間は小さくなる。
【０００８】
したがって、第２流体が、中空糸膜束とケースの内面との隙間を通流し、中空糸膜束をバイパスすることは防止される。すなわち、第２流体は、中空糸膜束内に流入し、中空糸膜束内を通流しやすくなる。これにより、中空糸膜束全体、つまり、中空糸膜全体を介して、第１流体と第２流体との間で水分交換することができ、湿度の低い第１流体又は第２流体を効率的に加湿できる。
【０００９】
また、前記第２流体は、前記ケースの周壁部に形成された第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し、前記中空糸膜束は、前記少なくとも一箇所において、前記第２流体流入部が形成された周壁部に近づくように湾曲していることを特徴とする加湿器である。
【００１０】
このような加湿器によれば、膨潤し伸張する中空糸膜束は、第２流体流入部が形成された周壁部に近づくようにさらに湾曲し、中空糸膜束と前記周壁部との隙間が小さくなる。これにより、第２流体流入部からの第２流体が、中空糸膜束内にさらに流入しやすくなり、第１流体と第２流体との間でさらに好適に水分交換できる。
【００１１】
また、前記ケースは、筒状のケース本体と、内面が、膨潤し伸張した場合における前記中空糸膜束の外形に沿いつつ、当該中空糸膜束との隙間が小さくなるように形成され、前記ケース本体の内周面に取り付けられたインサート体と、を備えることを特徴とする加湿器である。
【００１２】
このような加湿器によれば、ケース本体の内周面にインサート体を取り付けることで、中空糸膜束の外形に沿いつつ、中空糸膜束との隙間が小さくなるように形成された内面を有するケースを構成できる。
また、中空糸膜束の湾曲した箇所の数や、湾曲の程度等が異なっても、インサート体を交換するのみで、前記ケースを得ることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、好適に加湿可能な加湿器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
≪第１実施形態≫
以下、本発明の第１実施形態について、図１から図４を参照して説明する。
まず、第１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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
≪加湿器の構成≫
次に、加湿器１の構成について、図２から図４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。また、図３〜図４、及び、後記する図５〜図７では、加湿器１の厚さを大きくして記載している。
【００２０】
加湿器１は、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って、その外形は図２示すように略直方体を呈している。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り、カソードオフガスの湿度が高くなっている。
【００２１】
図３に示すように、加湿器１は、中空糸膜束１１と、中空糸膜束１１を収容する四角筒状のケース２１とを備えている。なお、中空糸膜束１１とケース２１との軸方向（長手方向）は略一致している。
【００２２】
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中空糸膜１２が、複数本（例えば１０〜１００００本）にて束ねられたものである。なお、各中空糸膜１２は、水分を含み湿潤すると、多少膨潤し、その軸方向に伸張する。また、中空糸膜１２がどの程度にて伸張するかは、中空糸膜１２の物性（材質、含水量、ポアサイズ等）や、その長さ等に関係し、事前試験等によって得ることができる。
【００２３】
ケース２１は、その内部に、中空糸膜束１１を収容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）等の硬質樹脂から形成されている。
【００２４】
中空糸膜束１１の前側及び後側は、エポキシ樹脂等から形成されるポッティング部１３、１３（封止部）を介して、ケース２１に固定されている。そして、中空糸膜束１１の外周面とケース２１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、ケース２１の前側には前キャップ３１が取り付けられており、ケース２１の後側には後キャップ３３が取り付けられている。
【００２５】
そして、コンプレッサ１３１からの空気は、後キャップ３３の空気流入部３４から後キャップ３３内を通って各中空糸膜１２内に流入し、各中空糸膜１２内を前方に向かって通流した後、前キャップ３１内を通って、前キャップ３１の空気流出部３２から外部（配管１３１ｂ、図１）に流出するようになっている。
【００２６】
一方、カソードオフガスは、四角筒状を呈するケース２１の天壁部２２（周壁部の一部）の前側に形成されたオフガス流入部２２ａ（第２流体流入部）から、下方に向かって、つまり、中空糸膜束１１の上面１４（外周面の一部）に向かって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、中空糸膜１２外であってケース２１内を後方に向かって通流した後、ケース２１の底壁部２３に形成されたオフガス流出部２３ａから外部（配管１３２ａ、図１）に流出するようになっている。
【００２７】
すなわち、加湿すべき燃料電池スタック１１０に向かう空気が中空糸膜１２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１２外を後方に向かって通流するように構成されている。つまり、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。
【００２８】
また、中空糸膜束１１は、長手方向（軸方向）の中央部Ａ（少なくとも一箇所）において上方向に突出するように、上方向に湾曲した状態でケース２１に収容されている。すなわち、中空糸膜束１１は、オフガス流入部２２ａとオフガス流出部２３ａとの間における中央部Ａにおいて、オフガス流入部２２ａが形成された天壁部２２に近づくように湾曲している。これにより、湿潤し、膨潤した中空糸膜束１１が伸張すると、後記するように、中空糸膜束１１は、中央部Ａを上方向にさらに突出させて湾曲するように構成されている（図４参照）。
【００２９】
なお、このように中空糸膜束１１を湾曲させた状態でケース２１に収容するには、例えば、中空糸膜束１１をケース２１に挿通した後、治具等を使用して中空糸膜束１１を湾曲させ、このように湾曲した状態でポッティング部１３となるエポキシ樹脂等を硬化させる。
【００３０】
また、ケース２１の内面を構成する天壁面２２ｂ及び底壁面２３ｂは、膨潤して伸張した場合における中空糸膜束１１の外形に沿うように形成されている。すなわち、側断面視において、天壁面２２ｂは、前後方向（中空糸膜束１１の軸方向）の中央部が上方に凹んだ凹曲面となっており、底壁面２３ｂは、中央部が上方に凸した凸曲面となっている。
【００３１】
特に、天壁面２２ｂは、膨潤し伸張することでさらに湾曲し、中央部Ａがさらに上方に移動する中空糸膜束１１の上面１４との隙間Ｇが小さく、好ましくは、上面１４と当接するように形成されている（図４参照）。
【００３２】
≪加湿器の作用効果≫
次に、加湿器１の作用効果について、図４を参照して説明する。
多湿のカソードオフガスが、ケース２１内を通流すると、中空糸膜束１１（中空糸膜１２）が湿潤し、膨潤する。そうすると、中空糸膜束１１は伸張し、その湾曲した中央部Ａが上方の天壁面２２ｂに近づくように突出（移動）する（矢印Ａ１参照）。これにより、中空糸膜束１１の上面１４と天壁面２２ｂとが接近又は当接し、上面１４と天壁面２２ｂとの間の隙間Ｇ（図３参照）は小さくなると共に、中空糸膜束１１はさらに湾曲した状態となる。
【００３３】
このようにして、中空糸膜１２の上面１４と天壁面２２ｂとの隙間Ｇが小さくなると、中空糸膜束１１内に流入せず、隙間Ｇに逃げたカソードオフガスは、この隙間Ｇが小さくなった部分において、中空糸膜束１１内に流入する（矢印Ａ２参照）。すなわち、カソードオフガスが、本来通流すべき中空糸膜束１１内をバイパス（迂回）して、加湿すべき空気と水分交換しないまま、オフガス流出部２３ａに向かうことは防止される。このようにして、カソードオフガスが中空糸膜束１１内に流入し、中空糸膜束１１内を通流するので、中空糸膜１２内を通流する空気を効率的に加湿できる。
【００３４】
≪第２実施形態≫
次に、第２実施形態に係る加湿器について、図５を参照して説明する。
第２実施形態に係る加湿器２は、ケース２１（図３参照）に代えて、ケース２４を備えている。ケース２４は、四角筒体であるケース本体２５と、ケース本体２５の天壁面２５ａ（内周面）に取り付けられた第１インサート体２６と、ケース本体２５の底壁面２５ｂ（内周面）に取り付けられた第２インサート体２７とを備えている。
【００３５】
第１インサート体２６の下面２６ａは、第１実施形態に係る天壁面２２ｂ（図３参照）と同様に、前後方向（中空糸膜束１１の軸方向）の中央が上方に凹んだ凹曲面となっている。また、第２インサート体２７の上面２７ａは、第１実施形態に係る底壁面２３ｂ（図３参照）と同様に、中央が上方に凸した凸曲面となっている。
【００３６】
なお、カソードオフガスは、ケース本体２５のオフガス流入部２５ｃから、第１インサート体２６の連通孔２６ｂを通って、ケース２１内の中空糸膜束１１に向かうようになっている。一方、水分交換後のカソードオフガスは、第２インサート体２７の連通孔２７ｂ、ケース本体２５のオフガス流出部２５ｄを通って、外部（配管１３２ａ、図１）に流出するようになっている。
【００３７】
このような加湿器２によれば、四角筒体であるケース本体２５の天壁面２５ａ、底壁面２５ｂに、第１インサート体２６、第２インサート体２７を、それぞれ取り付けることで、中空糸膜束１１の外形に沿いつつ、中空糸膜束１１との隙間Ｇが小さくなるように形成された内面を有するケース２４を構成できる。
また、後記する第３実施形態のように、中空糸膜束１１の湾曲した箇所の数や、湾曲の程度等が異なっても、インサート体を適宜交換するのみで、中空糸膜束１１に対応したケースを得ることができる。
【００３８】
≪第３実施形態≫
次に、第３実施形態に係る加湿器について、図６〜図７を参照して説明する。
図６に示すように、第３実施形態に係る加湿器３は、中空糸膜束１１（図３参照）に代えて、中空糸膜束１５を備えている。中空糸膜束１５は、側断面視において、略Ｓ字形に湾曲しており、つまり、二箇所で湾曲した状態で、後記するケース２８に収容されている。すなわち、中空糸膜束１５の左側部Ｂは上方に突出しており、中空糸膜束１５の右側部Ｃは下方に突出している。よって、中空糸膜束１５が湿潤し、膨潤、伸張すると、左側部Ｂはさらに上方に突出（移動）し、右側部Ｃはさらに下方に突出（移動）するように構成されている。
【００３９】
また、第３実施形態に係る加湿器３は、ケース２１（図３参照）に代えて、天壁部２８ａ及び底壁部２８ｂの厚さが一定であるケース２８を備えている。ケース２８の天壁面２８ｃ及び底壁面２８ｄは、膨潤・伸張した場合における中空糸膜束１５の外形に沿いつつ、中空糸膜束１５との隙間Ｇが小さくなるように、側断面視で略Ｓ字形の曲面で形成されている。
なお、ケース２８の天壁部２８ａの前側にはオフガス流入部２８ｅが形成されており、底壁部２８ｂの後側にはオフガス流出部２８ｆが形成されている。
【００４０】
このような加湿器３によれば、図７に示すように、中空糸膜束１５が湿潤し、膨潤・伸張すると、中空糸膜束１５の左側部Ｂがその上方の天壁面２８ｃに近づくように突出（移動）する（矢印Ａ３参照）。そうすると、中空糸膜束１５の左側部Ｂと天壁面２８ｃとの隙間Ｇはさらに小さくなり、左側部Ｂはさらに上方に湾曲した状態となる。これにより、隙間Ｇに逃げたカソードオフガスが、この隙間Ｇが小さくなった部分において、中空糸膜束１５内に流入する（矢印Ａ４参照）。
【００４１】
一方、中空糸膜束１５が膨潤・伸張すると、中空糸膜束１５の右側部Ｃがその下方の底壁面２８ｄに近づくように突出（移動）する（矢印Ａ５参照）。そうすると、中空糸膜束１５の右側部Ｃと底壁面２８ｄとの隙間Ｇはさらに小さくなり、右側部Ｃはさらに下方に湾曲した状態となる。これにより、左側部Ｂと底壁面２８ｄとの間をカソードオフガスが通流していたとしても、このカソードオフガスが、前記隙間Ｇの小さくなった部分において、中空糸膜束１５内に流入する（矢印Ａ６参照）。また、中空糸膜束１５内を通流するカソードオフガスは、隙間Ｇに流出しにくくなり、中空糸膜束１５内をそのまま通流する（矢印Ａ７参照）。
【００４２】
このようにして、カソードオフガスが中空糸膜束１１内に流入し、中空糸膜束１１内を通流するので、中空糸膜１２内を通流する空気を効率的に加湿できる。
【００４３】
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。
前記した各実施形態では、空気が中空糸膜１２内を通流し、カソードオフガスが中空糸膜１２外を通流する構成を例示したが、空気が中空糸膜１２外を通流し、湿度の高いカソードオフガスが中空糸膜１２内を通流する構成でもよい。
【００４４】
また、空気及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の上方から流入し、加湿器１から下方に向かって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、上方から流入し、上方に向かって流出する構成でもよいし、側方から流入・流出する構成でもよい。
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流体及び第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。
【００４５】
前記した各実施形態では、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】
【００４６】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】第１実施形態に係る加湿器の斜視図である。
【図３】第１実施形態に係る加湿器の側断面図（図２のＸ１−Ｘ１線断面図）であり、中空糸膜束が膨潤していない加湿器の組立時を示す。
【図４】第１実施形態に係る加湿器の側断面図（図２のＸ１−Ｘ１線断面図）であり、中空糸膜束が膨潤している膨潤時を示す。
【図５】第２実施形態に係る加湿器の側断面図であり、中空糸膜が膨潤していない組立時を示す。
【図６】第３実施形態に係る加湿器の側断面図であり、中空糸膜が膨潤していない組立時を示す。
【図７】第３実施形態に係る加湿器の側断面図であり、中空糸膜が膨潤している膨潤時を示す。
【符号の説明】
【００４７】
１      加湿器
１１    中空糸膜束
１２    中空糸膜
２１    ケース
２２ｂ  天壁面（内面）
２３ｂ  底壁面（内面）
Ｇ      隙間
【図１】
2010107125.tif 000003
【図２】
2010107125.tif 000004
【図３】
2010107125.tif 000005
【図４】
2010107125.tif 000006
【図５】
2010107125.tif 000007
【図６】
2010107125.tif 000008
【図７】
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