(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
有底筒状の内ケースと、
該内ケースと同心的に設けられる筒状の外ケースと、
該外ケースと内ケースとの間の環状隙間に充填される中空糸膜束と、を備えた加湿装置であって、
前記中空糸膜束の一端側から、各中空糸膜の中空内部を通って他端側に至る第１経路と、
前記内ケースの側壁面に設けられた第１開口部から、中空糸膜束内部の各中空糸膜外壁面間を通って前記外ケースの側壁面に設けられた第２開口部に至る第２経路と、
を備え、
前記第１経路及び第２経路のうちのいずれか一方に加湿対象気体を流し、他方に水分を含む流体を流す加湿装置において、
前記第１開口部は、軸方向に対して異なる位置に複数設けられると共に、これらの開口部の開口径は、内ケースの底、かつ前記第２開口部に向かうにつれて徐々に小さく設定され、前記第２経路に対しては、前記第１開口部側から前記第２開口部側に向かって、前記加湿対象気体又は前記流体を流すことを特徴とする加湿装置。
【請求項２】
前記内ケースの外周面と前記中空糸膜束の内周面との間に隙間を設け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】
加湿後の気体を、燃料電池に供給することを特徴とする請求項１または２に記載の加湿装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、燃料電池に供給する気体を加湿するための加湿装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池においては、水素などの燃料ガス及び酸素などの酸化剤ガス（以下、両者を反応ガスと称する）を加湿して供給する装置が必要である。
【０００３】
このような加湿装置として、例えば、特開平８−２７３６８７号公報に開示されたような、中空糸膜を利用したものが知られている。
【０００４】
図５を参照して、従来技術に係る加湿装置について説明する。図５は従来技術に係る加湿装置の模式的断面図である。
【０００５】
図示のように、従来技術に係る加湿装置１００は、概略、ケース１０１と、このケース１０１内に充填される中空糸膜束１０２と、から構成される。
【０００６】
ケース１０１は、略円筒形状であり、円筒の一端に開口部１０１ａを備え、他端に開口部１０１ｂを備え、更に、側壁面に開口部１０１ｃ，１０１ｄを備えている。
【０００７】
そして、このケース１０１の内部に、中空糸膜束１０２が充填されており、中空糸膜束１０２の一端は開口部１０１ａで中空内部のみが開放されるように、中空糸膜の外壁面間及びケース１０１の内壁面間が封止され、他端も同様に、開口部１０１ｂで中空内部のみが開放されるように、中空糸膜の外壁面間及びケース１０１の内壁面間が封止されている。
【０００８】
また、中空糸膜束１０２の側面側は、ケース１０１との間に隙間１０３を設けている。
【０００９】
このようにして、開口部１０１ａ側から中空糸膜束１０２の中空糸膜の中空内部に入り（矢印Ｓ０）、中空内部を通って、中空糸膜束１０２の他端側に至る（矢印Ｓ１）、第１経路と、開口部１０１ｄからケース１０１内に入り（矢印Ｔ０）、隙間１０３を通って、開口部１０１ｃからケース１０１外部に至る、第２経路と、を設ける。
【００１０】
これにより、例えば、第１経路に反応ガスを流し、第２経路に水を流すことによって、第２経路内の水を、中空糸膜の膜を透過させて、第１経路中に拡散させることで、第１経路中の反応ガスを加湿していた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来技術の場合には、下記のような問題が生じていた。
【００１２】
上述のように、水が中空糸膜の膜を透過することを利用して加湿を行う構成であるため、中空糸膜に接触する面積が大きいほど加湿作用は促進することになる。しかし、上記従来技術では、中空糸膜を円柱状の束にして、その外周壁面に水を流す構成であったため、水は軸線に沿って束の外周表面を流れてしまい、束の内部まで水が十分に浸透されず、束の中心付近の中空糸膜が有効に機能されずに、加湿効率が低いという欠点があった。
【００１３】
本発明は上記の従来技術の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、加湿効率の向上を図った加湿装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明にあっては、有底筒状の内ケースと、該内ケースと同心的に設けられる筒状の外ケースと、該外ケースと内ケースとの間の環状隙間に充填される中空糸膜束と、を備えた加湿装置であって、前記中空糸膜束の一端側から、各中空糸膜の中空内部を通って他端側に至る第１経路と、前記内ケースの側壁面に設けられた第１開口部から、中空糸膜束内部の各中空糸膜外壁面間を通って前記外ケースの側壁面に設けられた第２開口部に至る第２経路と、を備え、前記第１経路及び第２経路のうちのいずれか一方に加湿対象気体を流し、他方に水分を含む流体を流す加湿装置において、前記第１開口部は、軸方向に対して異なる位置に複数設けられると共に、これらの開口部の開口径は、内ケースの底、かつ前記第２開口部に向かうにつれて徐々に小さく設定され、前記第２経路に対しては、前記第１開口部側から前記第２開口部側に向かって、前記加湿対象気体又は前記流体を流すことを特徴とする。
【００１５】
ここで、第１経路の上流側を、中空糸膜束の一端側としても良いし、他端側としても良い。
【００１６】
従って、第２経路は、環状隙間の内壁側から外壁側に至るように設けられるため、この経路は、環状隙間に充填された中空糸膜束の内径側から外径側に至るまで通ることになる。
【００２０】
前記第１開口部は、軸方向に対して異なる位置に複数設けられると共に、これらの開口部の開口径は、内ケースの底、かつ前記第２開口部に向かうにつれて徐々に小さく設定され、前記第２経路に対しては、前記第１開口部側から前記第２開口部側に向かって、前記加湿対象気体又は前記流体を流す構成を採用したことにより、各開口部からバランス良く流体を中空糸膜束に流入することができる。
【００２１】
前記内ケースの外周面と前記中空糸膜束の内周面との間に隙間を設けるとよい。
【００２２】
これにより、内ケースに設けられた第１開口部から中空糸膜束に向けて流体を流す場合に、中空糸膜束の内周面に均等に流体を流すことができる。
【００２３】
加湿後の気体を、燃料電池に供給するとよい。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００２５】
図１及び図２を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る加湿装置について説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る加湿装置の模式的断面図であり、図２は中空糸膜の端部を示す斜視図である。
【００２６】
本実施の形態に係る加湿装置１は、例えば固体高分子型燃料電池の反応ガス（上述のように水素等の燃料ガスや酸素等の酸化剤ガス）を加湿するための装置であり、図示のように、概略、内ケース３と、この内ケース３と同心的に設けられる外ケース４と、これらのケース間の環状隙間に充填される中空糸膜束２と、から構成される。
【００２７】
内ケース３は、有底筒状の部材で構成されており、一端に開口部３２を備え、かつ、側壁面に開口部（第１開口部）３１を備えている。なお、開口部３１は複数（軸方向に対して複数）設けられる。なお、通常、複数設けるほど加湿効率を高めることが可能となる。
【００２８】
外ケース４は、筒状の部材で構成されており、両端にそれぞれ開口部４３，４４を備えている。ただし、図示の例では、一端側で経路が直角に折れ曲がるように開口部４４を形成している。そして、側壁面にも開口部（第２開口部）４１を設けている。
【００２９】
また、開口部４１は、中空糸膜束２の側面と外ケース４との間で隙間４２が設けられるように、外ケース４の径を大きくした部分の周上の一部に設けられている。これは、第２経路を流れる流体が、隙間４２を迂回できるようにすることで、開口部４１付近に流れが集中してしまうことを防止するためである。
【００３０】
そして、複数の中空糸膜２１が、内ケース３と外ケース４との間の環状隙間に充填されて、中空糸膜束２を形成しており、この中空糸膜束２は、中空の円筒形状の構造体を形づくっている。
【００３１】
ここで、各中空糸膜２１は、中空内部のみが、外ケース４の両端の開口部４３，４４に臨んで開放される構成となっている。すなわち、開口部４３側の端部においては、各中空糸膜２１の外壁面間及び外ケース４の内壁面との間が、封止剤により封止されており、また、開口部４４側の端部においては、各中空糸膜２１の外壁面間，外ケース４の内壁面及び内ケース３の外壁面との間が、封止剤により封止されて、それぞれ中空内部のみが開口部に望んで開放されている。
【００３２】
そして、上述した内ケース３に設けられる開口部３１、及び外ケース４に設けられる開口部４１は、封止剤によって封止された位置よりも内側（軸方向における内側）に位置するように構成される。
【００３３】
このようにして、中空糸膜束２の一端側（開口部４３側）から中空糸膜２１の中空内部２１ａに入り（矢印Ｓ０）、中空内部２１ａを通って、中空糸膜束２の他端側（開口部４４側）に至る（矢印Ｓ１）、第１経路を設ける。
【００３４】
また、開口部３２から内ケース３に入り（矢印Ｔ０）、開口部３１から内ケース３と外ケース４との隙間に入って中空糸膜束２の内部に進入し、中空糸膜２１の外壁面間を通って、外ケース４に設けられた開口部４１より装置外部に至る（矢印Ｔ１）、第２経路を設ける。
【００３５】
なお、第１経路の矢印に示す順路は経路の説明のためであり、必ずしもこの矢印に示す方向に流体（加湿対象気体や水分を含む流体）を流すことを意味するものではない。
【００３６】
このような構成により、第１経路及び第２経路のうちの一方に、加湿対象気体となる反応ガスを流し、他方に水分を含む流体を流す。ここで、水分を含む流体には、水そのものの他、湿潤ガス（燃料電池セルからの排出ガスを用いることができる）などが含まれる。
【００３７】
これにより、水分を含む流体が中空糸膜の膜壁面に沿って流れる際に、反応ガスの流れる通路へ移動し、反応ガス中に水分が分散して、ガスは加湿される。
【００３８】
これは、膜の内部と外部に湿度の異なる気体（または水分）を流すと、水分は水蒸気分圧の高い方向から低い方向に流れる性質があり、水分のみが膜を透過するという性質があるからである。
【００３９】
以上のように、本実施の形態では、中空の円筒形状の構造体を形づくる中空糸膜束２の内壁面から外壁面側を貫くように第２経路を形成しているため、中空糸膜束２の内部側に位置する中空糸膜から外部側に位置する中空糸膜に至るまで加湿作用に寄与し、加湿効率を向上させることが可能となる。
【００４１】
以上のように、本発明の実施の形態により、加湿効率を向上させることが可能となった。また、これにより同等の性能で、従来技術よりも装置の小型化あるいは使用する中空糸膜の本数の削減を図ることが可能となった。
【００４２】
例えば、従来技術のように、中空糸膜束を円柱形状の構造とした場合であって、円柱構造の外径を３１ｍｍ，長さを１５０ｍｍとした場合には、中空糸膜を１０００本必要であったのに対して、本実施の形態のように、中空糸膜束を円筒形状の構造とした場合であって、円筒構造の内径を１６ｍｍ，外径を３２ｍｍ，長さを１５０ｍｍとした場合には、中空糸膜は７５０本で済むようになり、しかも加湿性能を約１０％向上させることができた。
【００４３】
ここで、加湿性能とは、水または湿潤ガスの圧力，流量及び加湿したい乾燥ガスの圧力，流量で加湿装置を運転した場合の乾燥ガス側の水蒸気透過量で評価した。
【００４４】
また、従来技術の場合と同等の加湿性能を満足させるためには、円筒構造の内径を１３ｍｍ，外径を２６ｍｍ，長さを１５０ｍｍとし、中空糸膜を５５０本使用すれば良いため、装置を約３３％小型化することが可能となった。
【００４５】
次に、上記実施の形態に基づくより具体的な参考例及び実施例をいくつか説明する。
【００４６】
（第１参考例）
中空糸膜２１は、その素材としてポリイミド等の高分子材料を用い、外径３ｍｍ以下（好ましくは０．２〜１ｍｍ）で壁面に複数の数ｎｍの微小孔を有するものを用いた。
【００４７】
そして、この中空糸膜２１を、例えば１００〜１００００本束ねて、内ケース３と外ケース４との間の環状隙間に充填して、中空糸膜束２を形成した。この中空糸膜束２は上述のように、中空の円筒形状となるが、その外径は内径の１．２〜３倍程度で、かつ内径より２〜１００ｍｍ程度大きくなるように設計し、（例えば内径が１０〜１００ｍｍ、外径が１２〜２００ｍｍ）、また、長さが５０〜５００ｍｍ程度となるようにした。
【００４８】
また、中空糸膜束２の両端において、各中空糸膜２１の外壁面間及び外ケース４の内壁面あるいは内ケース３の外壁面との間を封止し、かつ、中空糸膜束２を固定するための封止剤として、エポキシ樹脂やウレタン等の接着剤を用いた。
【００４９】
そして、内ケース３として、ＰＣ（ポリカーボネート）やＰＰＯ（ポリフェニレンオキサイド）等の硬質樹脂を用いて製作した芯パイプを用いた。
【００５０】
この内ケース３に設ける開口部３１の個数及び位置は、上述のように必要な加湿効率等に応じて適宜設計すれば良いが、本参考例では中空糸膜束２の一端側付近に周方向に対して等配に複数個設けた。一方、外ケース４に設ける開口部４１は中空糸膜束２の他端側付近に一箇所設けた。
【００５１】
このような構成によって、図１に示すように、第１経路に矢印Ｓ０から矢印Ｓ１に向かって反応ガスを流し、第２経路に矢印Ｔ０から矢印Ｔ１に向かって水を流した。
【００５２】
これにより、第２経路中を流れる水は、中空糸膜束２の一端側付近に周方向に対して等配に設けられた開口部３１から、中空糸膜束２の他端側付近に設けられた開口部４１に向かって流れるため、中空糸膜束２の内部から外部に向かい、かつ、軸方向に十分な距離を流れる。
【００５３】
従って、充填された全ての中空糸膜２１がそれぞれ有効に機能する。なお、隙間４２を設けていることから、この隙間４２にしみ出た水は隙間４２を迂回して開口部４１から容易に排出できるため、開口部４１付近に流れが集中してしまうことはない。
【００５４】
以上のようにして、加湿効率に優れた加湿装置を実現できた。
【００５５】
（第２参考例）
本参考例では、上記第１参考例と同一構造の加湿装置を用いて、第２経路に流す水を第１参考例の場合とは逆方向、すなわち、開口部４１側から開口部３１を経て開口部３２側に向けて流すようにした。
【００５６】
この場合も同様に、加湿効率に優れた加湿装置を実現できた。
【００５７】
（第３参考例）
上記第１参考例では加湿媒体である水分を含む流体として、水の場合を示したが、本参考例では、湿潤ガスを用いた。
【００５８】
ここで、固体高分子型燃料電池では、セルで発電した後の排出ガスは高い湿度を保持していることから、この排出ガスを加湿媒体（湿潤ガス）として利用することが可能である。
【００５９】
この場合も同様に、加湿効率に優れた加湿装置を実現できた。
【００６０】
（第４参考例）
上記第１実施例では、第１経路に反応ガスを流し、第２経路に水を流す場合を示したが、本参考例では第１経路に水あるいは湿潤ガスを流し、第２経路に反応ガスを流すようにした。なお、各流体の流す方向は問わない。
【００６１】
この場合も同様に、加湿効率に優れた加湿装置を実現できた。
【００６２】
（第１実施例）
図３を参照して本発明の第１実施例に係わる加湿装置について説明する。
【００６３】
上記第１参考例では、開口部３１を中空糸膜束２の一端側付近にのみ設ける場合を示したが、本実施例では、軸方向の異なる箇所に複数設ける場合について説明する。
【００６４】
その他の構成および作用については第１の実施の形態と同一なので、同一の構成部分については同一の符号を付して、その説明は省略する。
【００６５】
図３は本発明の第１実施例に係る加湿装置の模式的断面図である。
【００６６】
図示のように、本実施例に係わる加湿装置１ａは、内ケース３に設ける開口部を、中空糸膜束２の一端側付近に設ける開口部３１の他に、軸方向の異なる位置に複数、図示の例では更に２箇所に、開口部３２，３３を設けている。
【００６７】
そして、これら開口部の開口径は、有底筒状の内ケース３の底に向かうにつれて、徐々に小さくなるように設定されている。
【００６８】
このように構成することよって、第２経路に矢印Ｔ０から矢印Ｔ１に向けて水あるいは湿潤ガスを流す場合に、各開口部から中空糸膜束２の内部に水あるいは湿潤ガスが流入する際の流入量を、各開口部で調節することが可能となる。
【００６９】
ここで、軸方向の異なる位置に複数の開口部を設ける場合を考えると、Ｔ１に近い開口部ほど中空糸膜束２内の流路抵抗は小さいので、仮に同じ大きさの開口部を複数あけてしまうと、Ｔ１に近い開口部に流れが集中してしまい、中空糸膜束２の一部しか有効利用されない。
【００７０】
そこで、底部に近い開口部の開口径を小さくすることによって、流路抵抗を大きくし、この部分の流量を制限することによってＴ１から遠い開口部からもバランス良く中空糸膜束２内に流れ込むようにして、中空糸膜束２の全部を加湿に有効に利用することができる。
【００７１】
このように、開口部の開口径を徐々に小さくし、かつ、バランスをとることで、加湿性能をベストに設定することができる。
【００７２】
従って、各中空糸膜２１をより一層有効に活用することができ、加湿効率を高めることができる。
【００７３】
（第２実施例）
図４を参照して本発明の第２実施例に係わる加湿装置について説明する。
【００７４】
本実施例では、内ケース３の外周面と、筒状の中空糸膜束２の内周面との間に隙間３４を設ける場合について説明する。
【００７５】
その他の構成および作用については第１の実施の形態と同一なので、同一の構成部分については同一の符号を付して、その説明は省略する。
【００７６】
図４は本発明の第２実施例に係る加湿装置の模式的断面図である。
【００７７】
図示のように、本実施例に係わる加湿装置１ｂは、内ケース３の外周面と、筒状の中空糸膜束２の内周面との間に隙間３４を設けているので、第２経路に矢印Ｔ０から矢印Ｔ１に向けて水あるいは湿潤ガスを流す場合に、開口部３１から流出した水あるいは湿潤ガスは、隙間３４を流れるため、中空糸膜束２の内周面に均等に水あるいは湿潤ガスをまわすことができる。
【００７８】
従って、各中空糸膜２１をより一層有効に活用することができ、加湿効率を高めることができる。
【００７９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、第２経路は、環状隙間に充填された中空糸膜束の内径側から外径側に至るまで通ることになるので、束の内部から外部に至る中空糸膜を活用でき、加湿効率を向上させることができる。
【００８１】
第１開口部を、軸方向に対して異なる位置に複数設けて、これらの開口部の開口径を、内ケースの底に向かうにつれて徐々に小さく設定すれば、内ケースの筒内に底に向かって流体を流す場合に、各開口部からバランス良く流体を中空糸膜束に流入することができ、中空糸膜をより一層有効に活用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る加湿装置の模式的断面図である。
【図２】中空糸膜の端部を示す斜視図である。
【図３】  本発明の第１実施例に係る加湿装置の模式的断面図である。
【図４】  本発明の第２実施例に係る加湿装置の模式的断面図である。
【図５】従来技術に係る加湿装置の模式的断面図である。
【符号の説明】
１，１ａ，１ｂ  加湿装置
２  中空糸膜束
２１  中空糸膜
２１ａ  中空内部
３  内ケース
３１  開口部（第１開口部）
３２  開口部
３３  開口部
３４  隙間
４  外ケース
４１  開口部
４２  隙間
４３，４４  開口部
【図１】
0004610715.tif 000002
【図２】
0004610715.tif 000003
【図３】
0004610715.tif 000004
【図４】
0004610715.tif 000005
【図５】
0004610715.tif 000006