(57)【要約】  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。
2013137313.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は加湿器に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【発明の概要】
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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。【０００６】
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。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】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】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】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】図４は、中空糸膜について説明する図である。
【図５】図５は、図２の加湿器のV-V線に沿う断面図である。
【図６】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】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】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】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】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。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
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。
【０００９】
アノード電極  ：    ２Ｈ2 →４Ｈ+ ＋４ｅ-             …(１)
カソード電極  ：    ４Ｈ+ ＋４ｅ- ＋Ｏ2 →２Ｈ2Ｏ     …(２)
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
加湿器４は、筐体４１と、中空糸膜モジュール４２と、を備える。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
図４は、中空糸膜５について説明する図である。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
収納ケース４２２の下側壁には、ガス排出孔４２２ｂが形成される。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【図１】
2013137313.tif 000003
【図２】
2013137313.tif 000004
【図３】
2013137313.tif 000005
【図４】
2013137313.tif 000006
【図５】
2013137313.tif 000007
【図６】
2013137313.tif 000008
【図７】
2013137313.tif 000009
【図８Ａ】
2013137313.tif 000010
【図８Ｂ】
2013137313.tif 000011
【図９】
2013137313.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成25年9月10日(2013.9.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項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、
前記筐体に導入した第１ガスを、前記中空糸膜束をバイパスさせてそのまま前記筐体から排出するために、前記中空糸膜束の一端から他端までを貫通するように形成されて、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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項６】
前記第１ガスはガス供給装置から供給される乾燥ガスであり、前記第２ガスは湿潤ガスである、
請求項１から請求項５までのいずれか１つに記載の加湿器。
【手続補正書】
【提出日】平成26年9月3日(2014.9.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項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、
前記筐体に導入した第１ガスを、前記中空糸膜束をバイパスさせてそのまま前記筐体から排出するために、前記中空糸膜束の一端から他端までを貫通するように形成されて、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。
【請求項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排出孔と、
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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項６】
前記第１ガスはガス供給装置から供給される乾燥ガスであり、前記第２ガスは湿潤ガスである、
請求項１から請求項５までのいずれか１つに記載の加湿器。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
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、カソードガス供給通路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。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４９】
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４１１ｂからカソードガス排出通路３２に排出される。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６３】
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４１３ａから排出される。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６６】
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４１３ａ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。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８０】
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、圧力損失の低下を抑制することができる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８２】
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にカソードガスを流しても良い。
【国際調査報告】
2013137313.tif 000013
2013137313.tif 000014