(57)【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る中空糸膜束と、
前記中空糸膜束を内包する筒状のケースと、
を備え、
第１ガスが前記中空糸膜内を流通し、
前記第１ガスと含水量の異なる第２ガスが、前記中空糸膜の外側を流通し、前記ケースに形成された第２ガス流出口を通って外部に流出すると共に、
前記中空糸膜を介して水分交換し、第１ガス及び第２ガスのうち含水量の低いガスを加湿する加湿装置であって、
前記中空糸膜束の外周面を径方向内側に押し、前記中空糸膜束と前記第２ガス流出口とを離間させる凸条の離間部を備え、
前記離間部を通る輪切り断面における前記中空糸膜の充填率は、径方向外側で高く、径方向内側で低い
ことを特徴とする加湿装置。
【請求項２】
前記ケースの内周面に、第２ガスの流れが中心側を向くように、テーパが形成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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池等の機器に供給する気体を加湿する加湿装置に関し、詳しくは、水透過性の中空糸膜を有する加湿装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ、以下、燃料電池（ＦＣ）とする）においては、水素等の燃料ガス、酸素等の酸化剤ガスを加湿する加湿装置が必要である。例えば、水透過性を有する中空糸膜をケースに内蔵し、この中空糸膜を介して、燃料電池から排出された多湿（含水量の高い）オフガスと、燃料電池に供給する空気（酸化剤ガス）との間で水分交換し、空気を加湿する加湿装置が知られている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−６０９９号公報（図１１）
【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に記載の加湿装置では、中空糸膜の外側を流れるガスが、ケースのガス流出口を通って外部に流出する際に、このガスの流れによって、中空糸膜がガス流出口を塞ぐように、ケースの内周面に張り付いてしまう場合があった。そして、このようにして、ガス流出口の一部が塞がれてしまうと、前記した中空糸膜の外側を流れるガスの加湿装置からの排出性が悪くなった。これにより、加湿装置及び燃料電池を経由するガスの流量が低下し、その結果として、燃料電池システムが良好に作動しない場合があった。
また、ガス流出口が塞がれてしまうと、ケース内において、中空糸膜の外側を流れるガスが受ける圧力損失が乱れてしまい、その結果として、効率的に水分交換できず、好適に加湿されない場合があった。
【０００４】
そこで、本発明は、ガスの流通性を確保しつつ、効率的に水分交換して加湿可能な加湿装置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】
【０００５】
前記課題を解決するための手段として、請求項１に係る発明は、複数の中空糸膜が束ねられてなる中空糸膜束と、前記中空糸膜束を内包する筒状のケースと、を備え、第１ガスが前記中空糸膜内を流通し、前記第１ガスと含水量の異なる第２ガスが、前記中空糸膜の外側を流通し、前記ケースに形成された第２ガス流出口を通って外部に流出すると共に、前記中空糸膜を介して水分交換し、第１ガス及び第２ガスのうち含水量の低いガスを加湿する加湿装置であって、前記中空糸膜束の外周面を径方向内側に押し、前記中空糸膜束と前記第２ガス流出口とを離間させる凸条の離間部を備え、前記離間部を通る輪切り断面における前記中空糸膜の充填率は、径方向外側で高く、径方向内側で低いことを特徴とする加湿装置である。
【０００６】
このような加湿装置によれば、離間部によって、中空糸膜束と第２ガス流出口とは離間されている。これにより、中空糸膜束を構成する中空糸膜が、第２ガス流出口を塞ぎにくくなる。その結果として、ケース内であって中空糸膜の外側を流れる第２ガスは第２ガス流出口から外部に流出することができ、第２ガスの流通性は確保される。
また、ケース内において、第２ガスが受ける圧力損失が乱れにくくなり、第１ガスと第２ガスとの間で、効率的に水分交換し、加湿することができる。
【０００７】
請求項２に係る発明は、前記ケースの内周面に、第２ガスの流れが中心側を向くように、テーパが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の加湿装置である。
【０００８】
このような加湿装置によれば、第２ガスの流れが中心側を向きやすくなる。これにより、中空糸膜がケース内周面に張り付くことをさらに防止することができる。また、テーパとしたことにより、第２ガスの流路断面積が小さくなり、第２ガスの流速が大きくなるので、後記する実施形態に示すように、複数の第２ガス流出口が軸方向において多段で形成されても、第２ガスが上流側の第２ガス流出口から流出しにくくなり、中空糸膜を有効利用して、水分交換することができる。
【０００９】
さらに、後記する実施形態のように、中空部及び第２ガス流入口を有し、中空糸膜束の内側に配置された芯部材を備え、第２ガスが、中空部から第２ガス流入口を通って、中空糸膜の外側に流入する構成としてもよい。
このような構成とすれば、第２ガスが、芯部材中空部から第２ガス流入口を通って、中空糸膜の外側に流入することになり、第２ガスが中空糸膜外であって、中空糸膜束の全体に流れやすくなるので、中空糸膜の利用効率を高めることができる。因みに、芯部材は中空糸膜束の中心に配置されると共に、第２ガスが放射状に流入するように、第２ガス流入口は周方向に複数であって、軸方向に複数段で形成されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ガスの流通性を確保しつつ、効率的に水分交換して加湿可能な加湿装置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】
【００１１】
以下、本発明の一実施形態について、図１から図４を参照して説明する。
まず、本実施形態に係る加湿装置が組み込まれた燃料電池システムについて、図１を参照して説明する。図１に示す燃料電池システム１００は、図示しない燃料電池自動車に搭載されている。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック４０と、これに酸素を含む空気（酸化剤ガス）を供給するコンプレッサ５１と、燃料電池スタック４０に供給される空気を適宜に加湿するための中空糸膜３２を内蔵する加湿装置１と、燃料電池スタック４０に水素（燃料ガス）を供給する水素タンク６１（水素供給機器）と、を主に備えている。
【００１２】
燃料電池スタック４０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、固体高分子膜４１と、これを挟持するカソード４２及びアノード４３とを備えている。
カソード４２には加湿空気が供給されるようになっている。因みに、加湿空気はコンプレッサ５１からの空気が、加湿装置１によって加湿されたものである。アノード４３には、水素タンク６１から水素が供給されるようになっている。
【００１３】
そして、このように水素及び加湿空気が供給されると、カソード４２及びアノード４３に含まれる触媒上で電気化学反応が起こり、その結果として、燃料電池スタック４０が発電可能となっている。燃料電池スタック４０の出力端子には、燃料電池自動車の走行用の電動モータ（図示しない）が接続されており、この電動モータは燃料電池スタック４０の発電電力によって駆動するようになっている。
【００１４】
燃料電池スタック４０のカソード４２の下流側は、配管を介して加湿装置１に接続されており、発電に係る電気化学反応によってカソード４２で生成した水分（水蒸気）を含む空気（以下、オフガスという）が加湿装置１に供給されるようになっている。そして、加湿装置１における中空糸膜３２を介しての水分交換によって、オフガスの水分量が低下し、この水分量が低下したオフガスは、背圧弁５２を介して、大気中に排出されるようになっている。
【００１５】
一方、燃料電池スタック４０のアノード４３の下流側は、パージ弁６２を介して大気に開放されており、アノード４３から排出される未反応の水素を含むアノードオフガスが、大気中に排出されるようになっている。なお、アノード４３とパージ弁６２との間の配管は、循環配管６３によって、アノード４３と水素タンク６１との間の配管に接続されており、アノードオフガス中の不純物の濃度が低い場合、言い換えると、アノードオフガス中の水素濃度が高い場合、パージ弁６２が閉じられることにより、アノードオフガスが水素供給側に戻されるようになっている。
【００１６】
≪加湿装置の構成≫
次に、加湿装置１の具体的に構成について、図２から図４を参照して説明する。
図２に示すように、加湿装置１は、外形が略円柱体であって、その軸方向が燃料電池自動車の前後（走行）方向に沿うように配置されている。そして、コンプレッサ５１からの空気（第１ガス）は、加湿装置１の軸方向における前側からその内部に導入され、加湿空気となって、その後側から排出されるようになっている。カソード４２からの水分量の高いオフガス（第２ガス）は、加湿装置１の後側からその内部に導入され、水分交換によって含水量が低下した後、外ケース１１の前側の周面から排出されるようになっている。
【００１７】
図２及び図３に示すように、加湿装置１は、円筒状のケース１０と、ケース１０の中心軸線上に配置された芯部材２１と、ケース１０に内包されると共に、ケース１０と芯部材２１との間に充填（装填）された中空糸膜束３１と、を主に備えている。すなわち、芯部材２１は、断面視が環状の中空糸膜束３１の内側であって、ケース１０及び中空糸膜束３１の中心軸線上に配置されている。つまり、中空糸膜束３１は、芯部材２１の周面を囲んでいる。
【００１８】
＜ケース、芯部材＞
ケース１０は、外ケース１１と、フロントキャップ１２と、フロントマニホールド１３と、リアキャップ１４とを主に備えている。
外ケース１１は、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る筒体であって、その前側の周壁に水分交換後のオフガスが流出するオフガス流出口１１ａ（第２ガス流出口）を複数有している。複数のオフガス流出口１１ａは、外ケース１１の周方向に配置されると共に、軸方向において複数段（本実施形態では４段）で配置されている。
【００１９】
また、外ケース１１のオフガス流出口１１ａの近傍の内周面には、この内周面から径方向内側に絞られ、突出するように形成されたリング状の凸条１１ｂ（離間部）が形成されている（図４参照）。そして、凸条１１ｂによって、中空糸膜束３１の外周面は径方向内側に押されており、前記外周面とオフガス流出口１１ａとは、径方向において離間している。
【００２０】
これにより、水分交換後のオフガスがオフガス流出口１１ａから外部に流出する際、中空糸膜束３１の外側を構成する中空糸膜３２が、オフガス流出口１１ａを塞ぎにくくなっている。すなわち、中空糸膜３２は外ケース１１の内周面に張り付きにくくなっている。その結果として、中空糸膜３２の外側を流れるオフガスの受ける圧力損失は乱れにくく、オフガスは、その流れを乱すことなく、良好に流通可能となっている。
【００２１】
また、このように中空糸膜束３１が凸条１１ｂによって径方向内側に押されているため、図４に示すように、中空糸膜束３１における中空糸膜３２の充填率は、径方向外側で高くなっており、内側で低くなっている。すなわち、加湿装置１の輪切り断面において、その中心側では中空糸膜束３１の中空糸膜３２間の隙間が大きく、外側では隙間が小さくなっている。その結果として、軸方向において、凸条１１ｂによって押されている部位のオフガスの流路断面積は、それ以外の部位よりも小さくなっている。
【００２２】
したがって、凸条１１ｂによる押圧部分では、オフガスが隙間の大きい中心側を主に流れることになり、つまり、オフガスが径方向内側に向かって流れやすくなる。これにより、中空糸膜３２がオフガス流出口１１ａをさらに塞ぎにくくなる。
また、凸条１１ｂによる押圧部分では流路断面積が小さくなっていることにより、オフガスを同一流量とすれば、オフガスの流速は、凸条１１ｂによる押圧部分及びその下流側（前側）では、前記押圧部分の上流側（後側）よりも高くなる。これにより、オフガスは、外ケース１１内を前側のポッティング部３３の近傍まで流れやすくなり、その結果として、前側の中空糸膜３２を介しても水分交換しやすくなっている。
【００２３】
フロントキャップ１２は、外ケース１１の前側開口に蓋をするように、外ケース１１に取り付けられている。そして、フロントキャップ１２内にコンプレッサ５１から空気が導入され、次いで、この空気が各中空糸膜３２内に導入されるようになっている。
【００２４】
フロントマニホールド１３は、複数のオフガス流出口１１ａから外部に流出したオフガスを集合させるためのカバーである。フロントマニホールド１３は、その内部にリング状の中空部を有しており、周方向かつ多段で形成されたオフガス流出口１１ａを覆うように外ケース１１に取り付けられている。そして、水分交換後のオフガスは、オフガス流出口１１ａから、前記リング状の中空部を介して、外部に排出されるようになっている。
【００２５】
リアキャップ１４は、外ケース１１の後側開口に蓋をするように、外ケース１１に取り付けられている。そして、中空糸膜３２から流出した加湿空気は、リアキャップ１４内を介して、外部に流出するようになっている。
【００２６】
芯部材２１は、その後側にオフガスが導入される円柱状の中空部２１ａを有している。そして、芯部材２１には、中空部２１ａに導入されたオフガスが、その外部の中空糸膜束３１（詳しくは、中空糸膜３２の間）に流出するように、複数のオフガス流入口２１ｂ（第２ガス流入口）が形成されている。
【００２７】
＜中空糸膜束＞
中空糸膜束３１は、ポリイミド等から形成された中空糸膜３２が、所定本数（例えば１０〜１００００本）にて束ねられたものである。そして、中空糸膜束３１は、外ケース１１の軸方向に沿って、外ケース１１と芯部材２１との間に装填されると共に、前側及び後側のポッティング部３３、３３（封止部）を介して、外ケース１１及び芯部材２１に固定されている。すなわち、加湿装置１は、その軸方向において、ポッティング部３３、３３の間に水分交換を行う水分交換部を有している。
また、中空糸膜３２の前側開口（第１ガス流入口）は、フロントキャップ１２内と連通しており、フロントキャップ１２内から中空糸膜３２内に、空気が流入するようになっている。一方、中空糸膜３２の後側開口（第１ガス流出口）は、リアキャップ１４内と連通しており、中空糸膜３２内からリアキャップ１４内に加湿空気が流出するようになっている。
【００２８】
中空糸膜束３１を構成する中空糸膜３２は、外径が３ｍｍ以下（好ましくは０．２〜１ｍｍ）の円筒状であり、その周壁に複数の数ｎｍの微細孔を有しており、水（水蒸気）の透過性を有している。そして、この中空糸膜３２に対して、含水量の低い空気（第１ガス）がその内部を、含水量が高いオフガス（第２ガス）がその外部を、それぞれ流通することで、含水量の高いオフガスから水分が吸い出され、この水分が毛細管現象により中空糸膜３２の周壁を透過し、含水量の低い空気に供給（添加）されることで、空気が加湿され、加湿空気となる。板状の平膜等でなく、このような中空糸膜３２を使用したことによって、単位体積当たりの有効膜面積は飛躍的に大きくなる。また、このようにコンプレッサ５１での圧縮により、オフガスよりも高圧の空気が、中空糸膜３２内を通ることで、中空糸膜３２が潰れにくくなっている。
【００２９】
≪加湿装置の効果≫
このような加湿装置１によれば、主として次の効果を得ることができる。
凸条１１ｂによって、中空糸膜束３１の外周面とオフガス流出口１１ａとが、径方向において離れているので、中空糸膜３２が外ケース１１の内周面に張り付きにくくなると共に、オフガス流出口１１ａが塞がれにくくなっている。これにより、水分交換後のオフガスは、オフガス流出口１１ａを通って、外部に排出される。つまり、燃料電池スタック４０からのオフガスは、その流量が低下することなく、加湿装置１を経由して、外部に排出される。その結果として、燃料電池システム１００は、良好に作動することができる。
また、中空糸膜３２の充填密度が径方向内側で低くなっているため、オフガスが径方向内側に向かって流れると共に、その流速が高くなるため、中空糸膜束３１の前側部分の中空糸膜３２でも水分交換することができる。これにより、空気を効率的に加湿することができる。
【００３０】
以上、本発明の好適な一実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば以下のような変更をすることができる。
例えば、図５及び図６に示すように、オフガスの流れがさらに径方向内側（中心側）に向かうように、外ケース１１の内周面１１ｃを前側のオフガス流出口１１ａに向かってテーパとしてもよい。このようにすれば、オフガスがさらに径方向内側を向いて流れやすくなり、中空糸膜３２によるオフガス流出口１１ａの塞がりを防止すると共に、中空糸膜束３１の前側の中空糸膜３２を利用して、より効率的に水分交換することができる。
【００３１】
前記した実施形態では、中空糸膜束３１の外周面とオフガス流出口１１ａとを離間させる離間部としての凸条１１ｂは、外ケース１１に形成されたとしたが、これに限定されず、例えば、図７に示すように、外ケース１１と中空糸膜束３１との間にリング１５（離間部）を介在させて、このリング１５により離間させる構成としてもよい。
【００３２】
前記した実施形態では、中空糸膜束３１が外ケース１１と芯部材２１との間に充填された加湿装置１に本発明を適用したが、これに限定されず、図８に示すように、芯部材２１を備えず、外ケース１１の後側にオフガス流入口１１ｄ（第２ガス流入口）、前側にオフガス流出口１１ｅ（第２ガス流出口）を有する加湿装置１Ａに適用してもよい。
【００３３】
前記した実施形態では、中空糸膜３２内を通る第１ガス（空気）が第２ガス（オフガス）よりも含水量が低い場合を例示したが、第１ガスの含水量が第２ガスよりも高い場合であってもよい。すなわち、コンプレッサ５１からの空気が中空糸膜３２外を通る構成であってもよい。
【００３４】
前記した実施形態では、中空糸膜３２外のオフガス（第２ガス）の向きと、中空糸膜内の空気（第１ガス）の向きとが、逆である場合について説明したが、これに限定されず、同じ向きであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本実施形態に係る加湿装置が組み込まれた燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】本実施形態に係る加湿装置の斜視図である。
【図３】本実施形態に係る加湿装置の側断面図である。
【図４】本実施形態に係る加湿装置の要部拡大図である。
【図５】変形例に係る加湿装置の側断面図である。
【図６】変形例に係る加湿装置の要部拡大図である。
【図７】変形例に係る加湿装置の側断面図である。
【図８】変形例に係る加湿装置の側断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１      加湿装置
１０    ケース
１１    外ケース
１１ａ  オフガス流出口（第２ガス流出口）
１１ｂ  凸条（離間部）
１１ｃ  内周面
１５    リング（離間部）
２１    芯部材
２１ａ  中空部
２１ｂ  オフガス流入口（第２ガス流入口）
３１    中空糸膜束
３２    中空糸膜
【図１】
0004644134.tif 000002
【図２】
0004644134.tif 000003
【図３】
0004644134.tif 000004
【図４】
0004644134.tif 000005
【図５】
0004644134.tif 000006
【図６】
0004644134.tif 000007
【図７】
0004644134.tif 000008
【図８】
0004644134.tif 000009