(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の中空糸膜を束ねた中空糸膜束と、
前記中空糸膜束を収納し、前記中空糸膜束の延在方向に沿って配置されたケースと、を有し、
前記延在方向を水平に据えた状態で、前記中空糸膜の外側に第１の流体を流し、前記中空糸膜の内側に第２の流体を流し、前記中空糸膜を介して前記第１の流体と前記第２の流体との間で水分を移動させる加湿モジュールであって、
前記第２の流体に比べて高湿な前記第１の流体を導入する第１流体導入部と、
前記ケース側面に設けられ、前記第１の流体を導出する第１流体導出部と、を備え、
前記第１流体導入部は、前記ケースにおける前記延在方向一端側に配置され、
前記第１流体導出部は、前記ケースにおける前記延在方向他端側であって、前記ケース側面の周方向に沿って複数形成され、
前記各第１流体導出部の開口径は、前記ケース側面の鉛直方向上方に向かうにつれ大きく開設され、
前記ケース側面には、前記複数の第１流体導出部に連通して、前記複数の第１流体導出部から導出する前記第１の流体を集合させるマニホールドが設けられ、
前記マニホールドの導出部が、前記マニホールド側面のうち、鉛直方向上方に配置されていることを特徴とする加湿モジュール。
【請求項２】
前記ケースの内側には、前記中空糸膜の延在方向に沿って前記ケースを貫通するインナーパイプが設けられ、
前記インナーパイプにおける前記延在方向一端側には、前記ケース内に前記第１の流体を導入する前記第１流体導入部が形成されていることを特徴とする請求項１記載の加湿モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加湿モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池車両等に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟んで膜電極構造体（ＭＥＡ）を形成し、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位燃料電池（以下「単位セル」という。）を構成し、この単位セルを複数枚積層して燃料電池スタックとするものが知られている。この燃料電池は、アノード電極にアノードガスとして水素が供給され、カソード電極にカソードガスとして空気が供給されることで、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが電解質膜を通過してカソード電極まで移動し、カソード電極で酸素と電気化学反応を起こして発電するようになっている。
【０００３】
上述した燃料電池では、電解質膜のイオン伝導性を良好に保持するために、電解質膜を湿潤な状態に維持する必要がある。そこで、燃料電池で発電に伴って生成される生成水（凝縮水）を利用して、燃料電池に供給されるカソードガスを予め加湿し、加湿されたカソードガスを電解質膜に供給する構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
カソードガスを加湿する加湿モジュールとしては、中空糸膜を用いたものが知られている（例えば、特許文献２参照）。加湿モジュール５００は、図１０に示すように、複数の中空糸膜５０１を束ねた中空糸膜束５１０と、中空糸膜束５１０が、その延在方向を水平方向に一致させた状態で収納されたハウジング５０２と、ハウジング５０２内において各中空糸膜５０１の延在方向両端部を支持しつつ、ハウジング５０２に支持される一対のポッティング部５０３とを備えている。
上述した加湿モジュール５００では、中空糸膜５０１の内部と外部とにそれぞれ水分含量の異なるガスを流通させることで、水分含量の多いガス中の水分が各中空糸膜５０１を透過して、水分含量の少ないガスへと移動するようになっている。すなわち、中空糸膜５０１の外部（ハウジング５０２内）に凝縮水を含んだカソードオフガス（第１の流体）を流通させる一方、中空糸膜５０１の内部に加湿対象であるカソードガス（第２の流体）を流通させることで、燃料電池で発電に供されて湿潤になったカソードオフガスからカソードガスへと水分が移動して、カソードガスが加湿されるようになっている。
【０００５】
ここで、ハウジング５０２の側面には、ハウジング５０２内にカソードオフガスを導入させるカソードオフガス導入部５０４と、ハウジング５０２内からカソードオフガスを導出させるカソードオフガス導出部５０５とが形成されている。具体的に、カソードオフガス導入部５０４は、ハウジング５０２における中空糸膜５０１の延在方向に沿う一端側であって、ハウジング５０２における鉛直方向下方に配置されている。一方、カソードオフガス導出部５０５は、ハウジング５０２における中空糸膜５０１の延在方向に沿う他端側であって、ハウジング５０２における鉛直方向上方に配置されている。
この場合、カソードオフガスは、カソードオフガス導入部５０４からハウジング５０２内に鉛直方向下方に向けて導入された後、中空糸膜５０１の延在方向に沿って流通し、最終的にカソードオフガス導出部５０５から導出される（図１０中矢印Ｆ’参照）。また、カソードオフガス中に含まれる凝縮水は、カソードオフガスとともにカソードオフガス導入部５０４からハウジング５０２内に導入された後、最終的にカソードオフガス導出部５０５から導出されるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上述した加湿モジュール５００では、ハウジング５０２内に導入された凝縮水が、重力や、カソードオフガス導出部５０５の位置関係等の影響により、ハウジング５０２内の全域に均一に分布しないという問題がある。例えば、図１０の場合には、凝縮水は重力により鉛直方向下方への移動が促進されることで、ハウジング５０２内全域に分布する前に、ハウジング５０２における鉛直方向下方の内壁面に滴下してしまい、内壁面を伝って移動して、カソードオフガス導出部５０５からそのまま排出されてしまう。その結果、カソードオフガス導入部５０４の周辺領域には凝縮水が行き渡るが（図１０中加湿領域Ｗａ１）、カソードオフガス導出部５０５の上方領域やカソードオフガス導出部５０５よりも中空糸膜５０１の他端側の領域等には凝縮水が行き渡り難く（図１０中乾燥領域Ｗｄ１）、凝縮水がハウジング５０２内全域に均一に分布しないという問題がある。
【０００８】
ここで、加湿モジュール５００では、カソードオフガス導入部５０４からハウジング５０２内に流入した凝縮水が蒸発する際に、蒸発潜熱を得ることで、カソードオフガス（ハウジング５０２）内の温度上昇が抑制される。
しかしながら、ハウジング５０２内における乾燥領域Ｗｄ１では、凝縮水量が少ないため、凝縮水が蒸発する際の蒸発潜熱を得ることが難しく、カソードオフガスの温度が上昇してしまうという問題がある。
【０００９】
図１１はカソードオフガス中に含まれる凝縮水量と、カソードオフガス導出部におけるカソードオフガスの温度との関係を示すグラフであり、図１２は、カソードオフガス導出部におけるカソードオフガスの温度と、カソードガスの加湿量との関係を示すグラフである。
図１１に示すように、上述したように凝縮水量が減少すると、凝縮水が蒸発する際の蒸発潜熱を得ることが難しくなり、カソードオフガスの温度が上昇することがわかる。その結果、図１２に示すように、カソードオフガスの温度が高くなるにつれて、カソードオフガスの湿度が低下する。
【００１０】
さらに、乾燥領域Ｗｄ１では、凝縮水が蒸発するための蒸発潜熱を得ることが難しいため、カソードオフガスの温度が上昇し、この温度上昇に伴いカソードオフガスが乾燥するという問題がある。このように、カソードガスの湿度低下に伴い、中空糸膜が乾燥する、いわゆるドライアップ現象が生じる。その結果、カソードガスを効率的に加湿することができなくなって、加湿効率の低下を招くという問題がある。
【００１１】
そこで本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであって、ケース内全域に凝縮水を分布させることでドライアップ現象の発生を抑制し、加湿効率の低下を抑制できる加湿モジュール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】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明の加湿モジュールは、複数の中空糸膜（例えば、実施形態における中空糸膜４８）を束ねた中空糸膜束（例えば、実施形態における中空糸膜束４９）と、前記中空糸膜束を収納し、前記中空糸膜束の延在方向に沿って配置されたケース（例えば、実施形態におけるハウジング４６）と、を有し、前記延在方向を水平に据えた状態で、前記中空糸膜の外側に第１の流体を流し、前記中空糸膜の内側に第２の流体を流し、前記中空糸膜を介して前記第１の流体と前記第２の流体との間で水分を移動させる加湿モジュール（例えば、実施形態における加湿モジュール１１４）であって、前記第２の流体に比べて高湿な前記第１の流体を導入する第１流体導入部（例えば、実施形態におけるカソードオフガス導入部６４）と、前記ケース側面に設けられ、前記第１の流体を導出する第１流体導出部（例えば、実施形態におけるカソードオフガス導出部６５，１６５）と、を備え、前記第１流体導入部は、前記ケースにおける前記延在方向一端側に配置され、前記第１流体導出部は、前記ケースにおける前記延在方向他端側であって、前記ケース側面の周方向に沿って複数形成され、前記各第１流体導出部の開口径は、前記ケース側面の鉛直方向上方に向かうにつれ大きく開設され、前記ケース側面には、前記複数の第１流体導出部に連通して、前記複数の第１流体導出部から導出する前記第１の流体を集合させるマニホールド（例えば、実施形態における環状マニホールド１０１）が設けられ、前記マニホールドの導出部が、前記マニホールド側面のうち、鉛直方向上方に配置されていることを特徴とする。
【００１４】
この構成によれば、ケースに複数の第１流体導出部を形成することで、第１の流体をケースの周方向における複数の箇所から導出させることができる。そのため、ケース内の全域に亘って第１の流体をより行き渡らせ易くすることができる。
さらに、この場合、複数の第１の流体導出部の開口径を鉛直方向上方に向かうにつれ大きく開設することで、鉛直方向上方に配置された第１流体導出部に向かうにつれ、第１流体導出部を通過する第１の流体の流量を増加させることができる。そのため、凝縮水が行き届き難い鉛直方向上方への凝縮水の移動を促進させた上で、ケース内の全域に亘って第１の流体を行き渡らせ易くすることができる。
【００１５】
また、マニホールドの導出部を鉛直方向上方に配置することで、各第１流体導出部のうち、鉛直方向上方に配置された第１流体導出部に向かうにつれ、第１流体導出部からの導出時における圧力損失を低減して、第１流体導出部を通過する流量を増加させることができる。そのため、凝縮水が行き届き難い鉛直方向上方への凝縮水の移動を促進させた上で、ケース内の全域に亘って第１の流体をより行き渡らせ易くすることができる。
【００１６】
また、前記ケースの内側には、前記中空糸膜の延在方向に沿って前記ケースを貫通するインナーパイプ（例えば、実施形態におけるインナーパイプ３０１）が設けられ、前記インナーパイプにおける前記延在方向一端側には、前記ケース内に前記第１の流体を導入する前記第１流体導入部が形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、第１の流体に含まれる凝縮水をケース内の全域に行き渡らせ易くすることができるので、上述したドライアップ現象の発生を抑制し、加湿効率の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】第１参考形態における加湿モジュールの斜視図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図４】変形例における加湿モジュールの断面図である。
【図５】第２実施形態における加湿モジュールの斜視図である。
【図６】図６のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【図７】カソードオフガスの流通経路を説明するための説明図である。
【図８】変形例における加湿モジュールの斜視図である。
【図９】第３実施形態における加湿モジュールの断面図である。
【図１０】従来の加湿モジュールの断面図である。
【図１１】カソードオフガス中に含まれる凝縮水量と、カソードオフガス導出部におけるカソードオフガスの温度との関係を示すグラフである。
【図１２】カソードオフガス導出部におけるカソードオフガスの温度と、カソードガスの加湿量との関係を示すグラフである。
【図１３】従来の加湿モジュールの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係る実施形態及び参考形態を図面に基づいて説明する。
（第１参考形態）
（燃料電池システム）
図１は第１参考形態における燃料電池システムの概略構成図である。
図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池スタック１１（以下、燃料電池１１という）と、燃料電池１１にカソードガスであるエアを供給するためのカソードガス供給手段１２と、アノードガスである水素を供給するためのアノードガス供給手段１３と、燃料電池１１に供給されるカソードガスを加湿するための加湿モジュール１４とを主に備えている。
【００２０】
燃料電池１１は、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電を行うものであって、電解質膜を備え、この電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟み込んで形成されたセルが複数積層されたスタックとして構成されている。そして、アノード電極にはアノードガスが、カソード電極にはカソードガスがそれぞれ供給されることで、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが電解質を透過してカソード電極に移動し、カソード電極で酸素と電気化学反応して発電するようになっている。
【００２１】
アノードガス供給手段１３は、アノードガスである水素ガスが貯留され、燃料電池１１に向けて水素ガスを供給する水素タンク１０を備えている。この水素タンク１０は、アノードガス供給流路２１を介して、燃料電池１１の導入側に接続されている。アノードガス供給流路２１における水素タンク１０と燃料電池１１との間には、アノードガスを所定圧力に減圧する減圧弁２４と、燃料電池１１で発電に供されたアノードガス（以下、アノードオフガスという）をアノードガス供給流路２１に再び合流させるエゼクタ２７とが設けられている。
【００２２】
一方、燃料電池１１におけるアノードガスの排出側には、アノードオフガスが流通するアノードガス排出流路２２が接続されている。アノードガス排出流路２２には、燃料電池１１から排出される凝縮水が収容されるキャッチタンク２３（Ｃ／Ｔ）が接続されている。キャッチタンク２３の排出側には、アノードオフガス循環流路２５が接続されており、燃料電池１１において消費されなかった未反応のアノードガスは、アノードオフガス循環流路２５を通ってエゼクタ２７に吸引され、再び燃料電池１１のアノードガス供給流路２１に供給される。
また、アノードガス排出流路２２には水素排出弁２６が接続されている。水素排出弁２６は、アノードガス供給手段１３及び燃料電池１１内を循環するアノードガス中の不純物（水分や窒素等）の濃度が高くなったとき等、必要に応じて開いてアノードオフガスを排出するものである。
【００２３】
カソードガス供給手段１２は、カソードガスが流通するカソードガス供給流路３１を備えている。このカソードガス供給流路３１には図示しないカソードガスの供給源から供給される、あるいは大気から吸い込まれてくるカソードガスを、所定圧力に加圧して燃料電池１１に向けて送出するエアポンプ３２（Ａ／Ｐ）が接続されている。そして、カソードガス供給流路３１は、加湿モジュール（ＨＵＭ）１４を介して燃料電池１１の導入側に接続されている。一方、燃料電池１１の排出側には、燃料電池１１で発電に供されたカソードオフガスや、発電時に燃料電池１１で生成された凝縮水が流通するカソードガス排出流路３４が接続されている。カソードガス排出流路３４を流通するカソードオフガスは、加湿モジュール１４を流通した後に燃料電池システム１の外部に向けて排出される。なお、図示しないが、カソードオフガス排出流路３４には、カソード電極の内圧を調整するための背圧弁が介装されている。
【００２４】
（加湿モジュール）
図２は加湿モジュールの斜視図であり、図３は図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。なお、以下の説明では、後述する中空糸膜４８の延在方向に一致する方向をＸ方向、このＸ方向にそれぞれ直交する方向をＹ方向及びＺ方向とするとともに、ＸＹ平面を水平面、Ｚ方向を鉛直方向として説明する。この場合、＋Ｚ方向を鉛直方向上方、−Ｚ方向を鉛直方向下方とする。
図２，図３に示すように、本参考形態の加湿モジュール１４は、円筒形状のハウジング（ケース）４６と、ハウジング４６内に収納され、多数の中空糸膜４８を束ねた中空糸膜束４９と、中空糸膜４８におけるＸ方向に沿う両端部において、多数の中空糸膜４８をまとめて固定するポッティング部（第１ポッティング部５４ａ，及び第２ポッティング部５４ｂ）とを備えている。
【００２５】
各中空糸膜４８は、その延在方向がハウジング４６の軸方向（Ｘ方向）に一致するようにして、互いに平行に配列されている。中空糸膜４８は、例えばペルフルオロスルホン酸ポリマー等からなり、その内側と外側にそれぞれ水分含量の異なる流体を供給すると、水分含量の多い流体中の水分が中空糸膜４８を透過して水分含量の少ない流体へと移動する性質を有する。すなわち、本参考形態では、中空糸膜４８の内部にカソードガス（第２の流体）が流通し、外部（ハウジング４６内）に凝縮水を含んだカソードオフガス（第１の流体）が流通することで、燃料電池１１で発電に供されて湿潤になったカソードオフガスからカソードガスへと水分が移動するようになっている。これにより、燃料電池１１に供給する前段で予めカソードガスを加湿することができる。
【００２６】
各ポッティング部５４ａ，５４ｂは、樹脂材料等により構成され、多数の中空糸膜４８をまとめて固定するものであり、ハウジング４６内におけるＸ方向両端側に配置されている。そして、ポッティング部５４ａ，５４ｂによって、中空糸膜４８の外周面間、中空糸膜４８の外周面とハウジング４６の内周面との間が閉塞されている。多数の中空糸膜４８におけるＸ方向両端部は、ポッティング部５４ａ，５４ｂの端面（加湿モジュール１４の外側端面）において加湿モジュール１４の外部に向けて開口している。すなわち、加湿モジュール１４における、ポッティング部５４ａ側が中空糸膜４８内にカソードガスが導入するカソードガス導入部５７を、ポッティング部５４ｂ側が中空糸膜４８内を流通したカソードガスが導出するカソードガス導出部５８を構成している。そして、カソードガス導入部５７がカソードガス供給流路３１の上流側に、カソードガス導出部５８がカソードガス供給流路３１の下流側にそれぞれ接続されるようになっている。
なお、ハウジング４６の内周面とポッティング部５４ａ，５４ｂの内周面とで囲まれた空間は膜収納室４３となっており、この膜収納室４３内をカソードオフガスが流通するようになっている。
【００２７】
上述した加湿モジュール１４は、ハウジング４６におけるＸ方向が水平方向に一致するようにして燃料電池システム１に搭載される、いわゆる横置き型である。この場合、中空糸膜４８の延在方向が水平方向に一致するように配置され、カソードガスが各中空糸膜４８内を水平方向に沿って流通することになる。
【００２８】
ここで、ハウジング４６の周面には、膜収納室４３内にカソードオフガスが導入するカソードオフガス導入部（第２流体導入部）６４と、膜収納室４３内からカソードオフガスが導出するカソードオフガス導出部６５とが形成されている。
具体的に、カソードオフガス導入部６４は、ハウジング４６における＋Ｘ方向端部（カソードガス導出部５８側端部）に配置され、例えばＺ方向における最下部の領域（（＋Ｘ、−Ｚ）方向）で、加湿モジュール１４外と膜収納室４３内とを連通するように貫通した貫通孔である。
【００２９】
一方、カソードオフガス導出部６５は、ハウジング４６における−Ｘ方向端部（カソードガス導入部５７側端部）であって、Ｚ方向における最上部の領域（（−Ｘ、＋Ｚ）方向）で、加湿モジュール１４外と膜収納室４３内とを連通するように貫通した貫通孔である。
そして、カソードオフガス導入部６４がカソードガス排出流路３４の上流側に、カソードオフガス導出部６５がカソードガス排出流路３４の下流側に接続されるようになっている。
【００３０】
（燃料電池システムの動作方法）  
次に、上述した燃料電池システム１の動作方法について説明する。
図１に示すように、まず燃料電池システム１を起動すると、エアポンプ３２からカソードガス供給流路３１を介してカソードガスが供給されるとともに、水素タンク１０からアノードガス供給流路２１を介してアノードガスが燃料電池１１に供給される。
【００３１】
そして、燃料電池１１内に供給されたカソードガスは、電解質膜のカソード電極に供給される一方、アノードガスは、電解質膜のアノード電極に供給される。その結果、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが、電解質膜を透過してカソード電極まで移動し、カソード電極でカソードガスと電気化学反応を起こして発電するようになっている。なお、カソード電極に供給されたカソードオフガス及びアノード電極に供給されたアノードガスは希釈された後、車外へ排出される。
【００３２】
次に、加湿モジュール１４内でのカソードガス及びカソードオフガスの流通経路について説明する。なお、図３において、実線矢印Ｆ１はカソードガスの流通方向を示し、破線矢印Ｆ２はカソードオフガスの流通方向を示している。
まず、図３に示すように、エアポンプ３２から圧送されてカソードガス供給流路３１の上流側から流通してくるカソードガスは、カソードガス導入部５７において、ポッティング部５４ａに保持された多数の中空糸膜４８内に導入する。そして、カソードガスは、加湿モジュール１４内で加湿された後、カソードガス導出部５８において、ポッティング部５４ｂに保持された多数の中空糸膜４８内から導出する。そして、中空糸膜４８（加湿モジュール１４）から導出したカソードガスは、カソードガス導出部５８からカソードガス供給流路３１に流入した後、上述したように燃料電池１１のカソード電極に供給され、発電に供されるようになっている。
【００３３】
一方、燃料電池１１から排出されてカソードオフガス排出流路３４を流通するカソードオフガスは、加湿モジュール１４のカソードオフガス導入部６４から加湿モジュール１４内に導入する。そして、加湿モジュール１４内を流通するカソードオフガスは、中空糸膜４８の外周面に倣って流通しながらカソードオフガス導出部６５に向かう。この時、本参考形態の加湿モジュール１４では、中空糸膜４８の内部にカソードガスが流通し、外部に凝縮水を含んだカソードオフガスが流通しているため、カソードオフガスが中空糸膜４８に接触することで、燃料電池１１で発電に供されて湿潤になったカソードオフガスからカソードガスへと水分が移動するようになっている。これにより、燃料電池１１に供給する前段で予めカソードガスを加湿することができる。なお、カソードオフガス導出部６５を通過したカソードオフガスは、カソードオフガス排出流路３４の下流側に流入して、最終的に車外に排出される。
【００３４】
ここで、カソードオフガス導入部６４から加湿器モジュール１４内に導入した凝縮水を含んだカソードオフガスは、−Ｚ方向から＋Ｚ方向に向けて噴出されるように流入し、その後膜収納室４３内に分布しながらカソードガス導入部５７に向けて流通する。これにより、カソードオフガスが膜収納室４３内の全域に均一に分布されるようになっている。その際、カソードオフガス導入部６４及びカソードオフガス導出部６５が加湿モジュール１４内において、ハウジング４６におけるＸ方向両端側に配置されているため、カソードオフガスの流路長を拡大して、中空糸膜４８との接触時間を長くすることができるとともに、加湿モジュール１４内全体にカソードオフガスを流通させ易くすることができる。また、カソードオフガス導入部６４がカソードガスの流通方向下流側（カソードガス導出部５８側）、カソードオフガス導出部６５がカソードガスの流通方向上流側（カソードガス導入部５７側）に配置されているため、カソードガスとカソードオフガスとが対向流となる。そのため、カソードガスとカソードオフガスとの互いの流通方向を並行流に設定した場合に比べて、加湿効率を向上させることができる。
【００３５】
一方、凝縮水には、カソードオフガスのガス導入圧が凝縮水の重力方向に抗する方向に作用することで、凝縮水はカソードオフガス導入部６４から膜収納室４３内に吹き上げられるように移動する。そして、膜収納室４３内におけるカソードガス導出部５８側のほぼ全域に行渡った後、カソードオフガスとともに−Ｘ方向に向けて移動する。この際に、凝縮水の一部は、自重により−Ｚ方向に移動しながら、膜収納室４３内の−Ｚ方向側に配列された中空糸膜４８の外周面に接触する一方、他の凝縮水はカソードオフガスとともにカソードオフガス導出部６５に向かって移動しながら、ハウジング４６内の＋Ｚ方向側に配列された中空糸膜４８の外周面に接触する。これにより、図３中の加湿領域Ｗ１で示すように、膜収納室４３内のほぼ全域に凝縮水が分布されることになる。
【００３６】
このように、本参考形態では、ハウジング４６における最下部にカソードオフガス導入部６４を配置する一方、最上部にカソードカソードオフガス導出部６５を配置して、カソードオフガスを−Ｚ方向から＋Ｚ方向に向けて流通させる構成とした。
この構成によれば、カソードオフガス導入部６４からカソードオフガス導出部６５へのカソードオフガスの流通方向と、重力方向とが逆方向に近く設定されるため、カソードオフガスの圧力によって凝縮水を重力方向に抗する方向に移動させることができる。これにより、膜収納室４３内の全域に凝縮水を行き渡らせ易くすることができるので、上述したドライアップ現象が生じることを抑制し、加湿効率の低下を抑制することができる。
【００３７】
なお、カソードオフガス導入部６４は必ずしもＺ方向における最下部の領域に配置する必要はない。例えば、カソードオフガス導入部６４をハウジング４６における最上部に配置した場合でも、凝縮水はカソードオフガス導入部６４から重力方向そのままに導入されて上方から下方へ広く行き渡りながら膜収納室４３内を移動し、その後、カソードオフガス導出部６５に向かって重力に抗して移動するようになるので、この構成によっても上述のように、膜収納室４３内の全域に凝縮水を行き渡らせやすくできる。
【００３８】
（変形例）
図４は、第１参考形態の変形例を示す加湿モジュールの断面図である。上述し第１参考形態では、中空糸膜４８の延在方向をＸ方向に一致させた状態で加湿モジュール１４を横置きする場合について説明したが、本変形例では中空糸膜４８の延在方向をＺ方向に一致させた状態で加湿モジュールを縦置きする場合について説明する。なお、本変形例の加湿モジュールは、上述した第１参考形態の加湿モジュール１４と同様の構成であるため、第１参考形態と同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
図４に示すように、本変形例の加湿モジュール１４は、カソードガス導入部５７をハウジング４６における−Ｚ方向に、カソードガス導出部５８を＋Ｚ方向に向けた状態で配置されている。すなわち、カソードガスは、中空糸膜４８内を−Ｚ方向から＋Ｚ方向に向けて流通するようになっている。
【００３９】
さらに、カソードオフガス導入部６４は、ハウジング４６における（＋Ｘ、＋Ｚ）方向（カソードガス導出部５８側）に配置される一方、カソードオフガス導出部６５は、（−Ｘ、＋Ｚ）方向（カソードガス導入部５７側）に配置されている。
【００４０】
図１３は、従来における縦置き型の加湿モジュールを示す断面図である。なお、以下の説明では、図１０に示す従来の横置き型の加湿モジュールと同様の構成には、同一の符号を付して説明を省略する。
ここで、図１３に示すように、縦置き型の加湿モジュール５００では、ハウジング５０２における（＋Ｘ、−Ｚ）方向にカソードオフガス導入部５０４を、（−Ｘ、＋Ｚ）方向にカソードオフガス導出部５０５を配置している。この場合、カソードオフガス導入部５０４からハウジング５０２内に導入するカソードオフガスは、ハウジング５０２内を＋Ｚ方向に向かって流通し、カソードオフガス導出部５０５から導出するようになっている。
しかしながら、凝縮水は、ハウジング５０２内におけるＺ方向中途部までは、カソードオフガスとともに移動するが（図５中加湿領域Ｗａ２）、カソードオフガス導出部５０５の下端部を越えた時点で凝縮水が導出されるため、ハウジング５０２の上端部まで行き届かなくなり、上述したドライアップ現象が生じる虞がある（図５中乾燥領域Ｗｄ２）。また、凝縮水の一部は、自重により落下してハウジング５０２内の下部に滞留してしまう。
【００４１】
これに対して、本変形例では、図４に示すようにカソードオフガス導入部６４から導入したカソードオフガスは、ＸＹ方向に流通し、その後膜収納室４３内における−Ｚ方向に向けて拡散するように流通して、最終的にカソードオフガス導出部６５から導出する。これにより、カソードオフガスが膜収納室４３内のほぼ全域に行き渡った後、カソードオフガス導出部６５から導出する。また、凝縮水は、カソードオフガスのガス導入圧によりカソードオフガスとともにＸＹ方向に拡散した後、−Ｚ方向に向けて移動することになる。これにより、凝縮水も膜収納室４３内のほぼ全域に行き渡らせることができる（図４中加湿領域Ｗ２）。その結果、ドライアップ現象の発生を抑制して、加湿効率の低下を抑制することができる。さらに、凝縮水は、自重及びカソードオフガスの圧力により−Ｚ方向に向けて移動することで、カソードガスを加湿した後、カソードオフガス導出部６５から導出するため、膜収納室４３内における凝縮水の滞留も抑制することができる。
【００４２】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図５は第２実施形態の加湿モジュールを示す斜視図であり、図６は図５のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。本実施形態では、上述したハウジング４６にカソードオフガス導出部が複数形成されている点で上述した第１参考形態と相違している。なお、以下の説明では、上述した第１参考形態と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
図５，図６に示すように、本実施形態の加湿モジュール１１４は、ハウジング４６における（−Ｘ、＋Ｚ）方向に、上述したカソードオフガス導出部６５が形成される一方、カソードオフガス導出部６５にＺ方向で対向する位置（（−Ｘ、−Ｚ）方向）には、サブ導出部１６５が形成されている。このサブ導出部１６５は、カソードオフガス導出部６５に比べて開口径が小さく形成されている。
【００４３】
そして、ハウジング４６の−Ｘ方向における外周面には、カソードオフガス導出部６５及びサブ導出部１６５に連通する環状マニホールド１０１が設けられている。この環状マニホールド１０１は、ハウジング４６の全周を覆うように設けられ、環状マニホールド１０１の内周面とハウジング４６の外周面とで囲まれた領域に各導出部６５，１６５から導出したカソードオフガスが流通するようになっている。環状マニホールド１０１の最上部には、加湿モジュール１４外と環状マニホールド１０１内とを連通するように貫通する貫通孔１０２が形成されている。このように、環状マニホールド１０１によって各導出部６５，１６５を連通させることで、各導出部６５，１６５のそれぞれに配管等を接続する必要がないので、装置の低コスト化が可能になる。
【００４４】
図７は、第２実施形態の加湿モジュールにおいて、カソードオフガスの流通経路を説明するための説明図である。
本実施形態では、図６，図７に示すように、カソードオフガス導入部６４から膜収納室４３内に導入したカソードオフガス（及び凝縮水）は、膜収納室４３内の全域に行き渡りながら、−Ｘ方向に向けて流通する。その後、カソードオフガスは、カソードオフガス導出部６５とサブ導出部１６５とに分岐されて膜収納室４３から導出する。この場合、カソードオフガス導出部６５は、サブ導出部１６５に比べて開口径が大きく形成されているため、サブ導出部１６５を通過する際の圧力損失に比べて、カソードオフガス導出部６５を通過する際の圧力損失の方が小さい。そのため、カソードオフガス導出部６５を通過するカソードオフガスの流量は、サブ導出部１６５を通過するカソードオフガスの流量に比べて多くなる。その後、各導出部６５，１６５から導出したカソードオフガスは、環状マニホールド１０１内に流入する。そして、サブ導出部１６５から環状マニホールド１０１内に流入したカソードオフガスは、環状マニホールド１０１をハウジング４６の周方向に沿って流通する。その後、カソードオフガス導出部６５を通過したカソードオフガスと合流して貫通孔１０２からカソードオフガス排出流路３４の下流側に流入して、最終的に車外に排出される。
【００４５】
本実施形態では、上述した第１参考形態と同様の効果を奏するとともに、ハウジング４６に複数の導出部６５，１６５を形成することで、カソードオフガスをハウジング４６の周方向における複数の箇所から流出させることができる。そのため、膜収納室４３内の全域に亘ってカソードオフガス（凝縮水）を行き渡らせ易くすることができるので、ドライアップ現象の発生をより確実に抑制することができる（図６中加湿領域Ｗ３）。
この場合、サブ導出部１６５はカソードオフガス導出部６５の開口径よりも小さく形成されているので、膜収納室４３内を流通するカソードオフガスのうち、その多くがハウジング４６における＋Ｚ方向に配置されたカソードオフガス導出部６５から流出することになる。
また、環状マニホールド１０１の貫通孔１０２を最上部に配置することで、各導出部６５，１６５のうち、カソードオフガス導出部６５からの導出時における圧力損失を低減して、カソードオフガス導出部６５を通過する流量を増加させることができる。
そのため、凝縮水が行き届き難い＋Ｚ方向への凝縮水の移動を積極的に行った上で、膜収納室４３内の全域に亘ってカソードオフガスを行き渡らせることができる。
【００４６】
（変形例）
次に、第２実施形態の変形例について説明する。図８は本変形例における加湿モジュールを説明するための斜視図である。
図８に示すように、本変形例の加湿モジュール２１４は、ハウジング４６における−Ｘ方向端部において、ハウジング４６の周方向に沿って複数のカソードオフガス導出部（例えば、カソードオフガス導出部２６５ａ〜２６５ｅ）が形成されている。これらカソードオフガス導出部２６５ａ〜２６５ｅは、環状マニホールド１０１内と膜収納室４３（図３参照）内とを連通する貫通孔である。そして、カソードオフガス導出部２６５ａ〜２６５ｅは、ハウジング４６の最下部から＋Ｚ方向に配置されたカソードオフガス導出部２６５ａ〜２６５ｅに向かうにつれ、開口径が除々に大きくなるように形成されている。具体的には、カソードオフガス導出部２６５ａ〜２６５ｅのうち、ハウジング４６の最下部に配置されたカソードオフガス導出部２６５ａの開口径が最小に形成され、ハウジング４６の最上部に配置されたカソードオフガス導出部２６５ｅの開口径が最大に形成されている。
【００４７】
本変形例においては、ハウジング４６の全周に亘ってオフガス導出部２６５ａ〜２６５ｅが形成されているので、ハウジング４６の全周からカソードオフガスを流出させることができる。その結果、膜収納室４３内の全域にカソードオフガスをより行き渡らせ易くすることができる。この場合、カソードオフガス導出部２６５ａ〜２６５ｅは、＋Ｚ方向に向かうにつれ開口径が大きく形成されているので、＋Ｚ方向側に配置されたカソードオフガス導出部２６５ａ〜２６５ｅに向かうにつれ、カソードオフガス導出部２６５ａ〜２６５ｅを通過するカソードオフガスの流量を拡大することができる。その結果、凝縮水が行き届き難い＋Ｚ方向への凝縮水の移動を積極的に行った上で、膜収納室４３内の全域に亘ってカソードオフガスを行き渡らせることができる。
【００４８】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。図９は、第３実施形態の加湿モジュールを説明するための断面図である。なお、本実施形態では、インナーパイプ型の加湿モジュールを採用する点で上述した実施形態と相違している。また、以下の説明では上述した実施形態と同様の構成には、同一の符号を付して説明を省略する。
図９に示すように、本実施形態の加湿モジュール３１４は、ハウジング４６の軸中心にインナーパイプ３０１が設けられ、ハウジング４６とインナーパイプ３０１との間に多数の中空糸膜４８が収納されている。そして、各中空糸膜４８のＸ方向両端部は、各中空糸膜４８をまとめて固定するとともに、中空糸膜４８の外周面間、中空糸膜４８の外周面とハウジング４６の内周面との間、及び中空糸膜４８の外周面とインナーパイプ３０１の外周面との間を閉塞するポッティング部５４ａ，５４ｂが形成されている。なお、ハウジング４６とインナーパイプ３０１とポッティング部５４ａ，５４ｂで囲まれた空間は膜収納室４３となっており、インナーパイプ３０１はその周囲を膜収納室４３に収納された中空糸膜４８によって包囲されている。
【００４９】
インナーパイプ３０１は、ハウジング４６のＸ方向に貫通して取り付けられるとともに、インナーパイプ３０１の＋Ｘ方向端面には、−Ｘ方向に向けて穿設された導入穴３０２が形成されている。この導入穴３０２には、カソードオフガス排出流路３４の上流側が接続されている。また、導入穴３０２の内周面には、Ｚ方向に向けて開口するカソードオフガス導入部３６４が複数（例えば、２つ）形成されている。これらカソードオフガス導入部３６４は、導入穴３０２の内周面における最上部及び最下部に相当する位置からそれぞれ膜収納室４３に向けて貫通している。また、ハウジング４６における−Ｘ方向端部には、環状マニホールド１０１内に向けて開口する複数の導出部６５，１６５が形成されている。なお、導出部は上述した第２実施形態の変形例のようにハウジング４６の周方向の全周に亘って形成しても構わない。
【００５０】
この場合、カソードオフガス排出流路３４を通過して加湿モジュール１４の導入穴３０２内に導入したカソードオフガスは、複数のカソードオフガス導入部３６４から膜収納室４３内に導入する。そして、カソードオフガスは、インナーパイプ３０１を包囲する膜収納室４３内の全域に行き渡りながら各導出部６５，１６５に向けて流通する。その後、各導出部６５，１６５を通過したカソードオフガスは、環状マニホールド１０１内に流入する。その後、サブ導出部１６５から環状マニホールド１０１内に流入したカソードオフガスは、環状マニホールド１０１をハウジング４６の周方向に沿って流通する。そして、カソードオフガス導出部６５を通過したカソードオフガスと合流して貫通孔１０２からカソードオフガス排出流路３４の下流側に流入して、最終的に車外に排出される。
【００５１】
ここで、本実施形態では、インナーパイプ型の加湿モジュール３１４においても、上述した第２実施形態と同様の効果を奏することができる。また、本実施形態の加湿モジュール３１４は、ハウジング４６の軸中心からカソードオフガスを導入するため、膜収納室４３内の全域にカソードオフガスを行き渡らせ易くすることができる（図９中加湿領域Ｗ４）。
【００５２】
なお、本発明の技術範囲は上述した実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な構造や形状などはほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
例えば、上述した実施形態では、ハウジングが円筒形状の加湿モジュールについて説明したが、これに限らず直方体形状等のハウジングを用いても構わない。
また、第２実施形態等で説明した加湿モジュール２１４を縦置きに配置しても構わない。
【符号の説明】
【００５３】
１４，１１４，２１４，３１４…加湿モジュール  ４６…ハウジング（ケース）  ４８…中空糸膜  ５７…カソードガス導入部（第２流体導入部）  ６４，３６４…カソードオフガス導入部（第２流体導入部）  ６５，２６５ａ〜２６５ｅ…カソードオフガス導出部（第１流体導出部）  １０１…環状マニホールド  １６５…サブ導出部（第１流体導出部）
【図１】
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【図２】
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【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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