(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水分透過性の中空糸膜を介して、第１ガスと第２ガスとの間で水分の移動が行われる加湿装置であって、
筒状で、前記第２ガスの流れの下流側ほどその内周面が筒内側にすぼむテーパ構造となっている外ケースと、
前記外ケースの内部で、前記外ケースと同心的に配置され、前記第２ガスの流れの下流側ほど断面積が小さくなるテーパ構造となっている芯部材と、
前記外ケース内に収められ、前記第１ガスの流路である複数の中空糸膜を束ねた中空糸膜束と、
前記外ケースに設けられ、前記中空糸膜束の内部でそれぞれの前記中空糸膜の外側を流路とする前記第２ガスを前記外ケースの外部に排出し、前記外ケースの周方向に複数設けられ、かつ、前記外ケース内における前記第２ガスの流れ方向に複数設けられた排出口と、を備え、
前記中空糸膜束は前記芯部材の外周に配置されており、
前記中空糸膜束の内部における前記第２ガスの流路の断面積は、前記第２ガスの流れの下流側ほど小さくなる
ことを特徴とする加湿装置。
【請求項２】
前記排出口は、前記第２ガスの流れの下流側ほどその開口面積が大きいことを特徴とする請求項１に記載の加湿装置。
【請求項３】
前記第２ガスの流路に前記第２ガスを流入させる流入口を、さらに備え、
当該流入口は、前記外ケース内における前記第２ガスの流れ方向に複数設けられており、その複数の流入口は、前記第２ガスの流れの上流側ほどその開口面積が大きいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の加湿装置。
【請求項４】
前記中空糸膜束は、前記外ケースの中心部に近いほど前記中空糸膜の密度が低いことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の加湿装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムなどに利用される加湿装置に関し、詳しくは、水分透過性の中空糸膜を使用する加湿装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池自動車などに搭載される燃料電池システムに関して、研究や開発が盛んに行われている。燃料電池システムでは、その主要部である燃料電池において、水素と空気（酸素）の電気化学反応による発電が行われる。そして、特に、固体高分子型の燃料電池などでは、その特性上、燃料電池に供給する気体（空気など）を加湿する装置が必要となる。
【０００３】
そして、その加湿装置としては、水分透過性の中空糸膜の束を利用したものが一般的となっている。中空糸膜束を利用した加湿装置では、たとえば、燃料電池から排出された多湿の空気（オフガス）中の水分を、燃料電池に供給される空気に移動させるようになっている。
【０００４】
その場合、一方の気体が各中空糸膜の内部を流れ、他方の気体が中空糸膜束の内部であり各中空糸膜の外部を流れることになる。そして、その際、後者の気体は、中空糸膜束全体を通過して流れることが望ましい。なぜなら、中空糸膜の利用されない部分が大きいと、効率的な水分移動が行われないからである。
【０００５】
そこで、たとえば、特許文献１では、中空糸膜束の内部であり各中空糸膜の外部を流れるオフガスを、インナパイプから入れて、外ケースの側面に設けられた排出口から外部に出すことで、中空糸膜の利用効率を高めることができる加湿装置に関する技術が開示されている。
【０００６】
なお、その場合、加湿装置内部におけるオフガスによる圧力損失を小さくするため、外ケース側面の排出口の開口面積は、その排出口が加湿装置の軸方向に単数、複数のいずれであったとしても（複数の場合はその面積の合計値を）、ある程度以上大きくしておく必要がある。
【特許文献１】特開２００４−６０９９号公報（段落００７９、図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の技術では、加湿装置の内部に入ったオフガスの大部分は、外ケース側面における排出口の上流寄りの部分から外部に流れ出るため、そのさらに下流の中空糸膜が有効に利用されていない、という問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、中空糸膜全体をバランスよく有効利用することができる加湿装置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】
【０００９】
前記課題を解決するために、請求項１に係る本発明の加湿装置は、水分透過性の中空糸膜を介して、第１ガスと第２ガスとの間で水分の移動が行われる加湿装置であって、筒状で、前記第２ガスの流れの下流側ほどその内周面が筒内側にすぼむテーパ構造となっている外ケースと、前記外ケースの内部で、前記外ケースと同心的に配置され、前記第２ガスの流れの下流側ほど断面積が小さくなるテーパ構造となっている芯部材と、前記外ケース内に収められ、前記第１ガスの流路である複数の中空糸膜を束ねた中空糸膜束と、前記外ケースに設けられ、前記中空糸膜束の内部でそれぞれの前記中空糸膜の外側を流路とする前記第２ガスを前記外ケースの外部に排出し、前記外ケースの周方向に複数設けられ、かつ、前記外ケース内における前記第２ガスの流れ方向に複数設けられた排出口と、を備え、前記中空糸膜束は前記芯部材の外周に配置されており、前記中空糸膜束の内部における前記第２ガスの流路の断面積は、前記第２ガスの流れの下流側ほど小さくなることを特徴とする。
【００１０】
請求項１に係る本発明の加湿装置によれば、排出口付近の断面積がその上流の断面積よりも小さいので、第２ガスの流速（加湿装置の軸方向の流速。以下同様）は、排出口の付近でその上流部分よりも速くなる。それにより、第２ガスは、直進性が増し、前記外ケースの周方向に複数設けられ、かつ、前記外ケース内における前記第２ガスの流れ方向に複数設けられた排出口全体からバランスよく排出され、中空糸膜全体が有効に利用される、すなわち、加湿性が向上する。
また、外ケースを前記のようなテーパ構造とすることで、中空糸膜束の内部における第２ガスの流路の断面積を、第２ガスの流れの下流側ほど小さくすることができる。
また、芯部材を前記のようなテーパ構造とすることで、第２ガスの流れを加湿装置の軸方向の中心部に向けることができ、それにより、排出口の奥の部分からの第２ガスの排出を促進することができる。
【００１７】
請求項２に係る本発明の加湿装置は、複数の排出口について、第２ガスの流れの下流側ほどその開口面積が大きくなっている。
【００１８】
請求項２に係る本発明の加湿装置によれば、複数の排出口の開口面積を前記のように異ならせることで、それぞれの排出口からバランスよく第２ガスを排出することができる。
【００１９】
請求項３に係る本発明の加湿装置は、第２ガスの流路に第２ガスを流入させる流入口を複数備えている、そして、その複数の流入口は、第２ガスの流れの上流側ほどその開口面積が大きくなっている。
【００２０】
請求項３に係る本発明の加湿装置によれば、複数の流入口の開口面積を前記のように異ならせることで、それぞれの流入口からバランスよく第２ガスを流入させることができる。
【００２１】
請求項４に係る本発明の加湿装置は、中空糸膜束において、外ケースの中心部に近いほど中空糸膜の密度が低くなっている。
【００２２】
請求項４に係る本発明の加湿装置によれば、第２ガスが中空糸膜束の内部において加湿装置の中心部近くを多く流れ、それにより、排出口の奥の部分からの第２ガスの排出を促進することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の加湿装置によれば、中空糸膜全体をバランスよく有効利用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら、詳細に説明する。図１は、本実施形態の燃料電池システムの全体構成図である。この燃料電池システムは、たとえば、燃料電池自動車などに搭載されるものである。
【００２５】
図１に示すように、燃料電池システムＳは、コンプレッサ１、加湿装置２、燃料電池ＦＣおよび水素タンク３を備えて構成される。
なお、実際には、配管の適所に開閉弁が設けられ、また、それらの開閉弁やコンプレッサ１などはＥＣＵ（Electronic Control Unit）により制御されるが、それらは図示を省略している。
【００２６】
コンプレッサ１は、外部から酸素を含む空気（第１ガス）を取り込み、その空気を加湿装置２に供給する装置である。
加湿装置２は、燃料電池ＦＣのカソードＣから供給された多湿のオフガス（第２ガス）の水分（Ｈ２Ｏ）を、中空糸膜ＨＦ（Hollow Fiber）を介して移動させることにより、コンプレッサ１から供給された空気を加湿し、その加湿空気を燃料電池ＦＣのカソードＣに供給するための装置である。加湿装置２の詳細については、図２〜図５を用いて後記する。
【００２７】
燃料電池ＦＣは、陽イオン交換型の固体高分子電解質膜（以下、「固体高分子膜」という）ＰＥＭ（Polymer Electrolyte Membrane）を、カソードＣとアノードＡで挟んだ構成となっている。なお、図１では、燃料電池ＦＣは、単セルの構成として示しているが、実際にはこの単セルを直列に複数接続した構成となっている。
【００２８】
そして、燃料電池ＦＣでは、カソードＣに酸化剤ガスとしての加湿空気が供給され、アノードＡに燃料ガスとしての水素（Ｈ２）が供給され、水素と酸素との電気化学反応により発電が行われる。
【００２９】
次に、図２を参照しながら、加湿装置の構成について説明する（適宜図１参照）。図２は、加湿装置の外観を示す斜視図である。
図２に示すように、加湿装置２の外ケース３１は、外径が一定で内径がテーパの形状となっている。加湿装置２において、コンプレッサ１から供給された空気は、キャップ２７の内部に入り、芯部材２６の周囲に配置された中空糸膜束２５（中空糸膜ＨＦを束ねたもの。充填率は３０〜７０％程度）におけるそれぞれの中空糸膜ＨＦの内部に入り込み、当該内部を流れ、キャップ２８の内部を経由して外部に出る。
【００３０】
また、燃料電池ＦＣのカソードＣから供給されるオフガスは、図２の左側から加湿装置２の内部に入り込み、加湿装置２の側面の右方に設けられた排出口２１〜２４から加湿装置２の外部に抜け、マニホールド２９によって収集される。なお、排出口２１〜２４は、加湿装置２の周方向に複数組設けられている。
【００３１】
ここで、中空糸膜ＨＦとは、たとえば、ポリイミドなどの高分子材料から形成された糸状の膜であり、その周壁に水分透過性を有する直径数ナノメートルの微細孔を多数有している。
【００３２】
続いて、図３を参照しながら、加湿装置の内部構造について説明する（適宜図１、図２参照）。図３は、図２の加湿装置のＡ−Ａ断面図である。なお、図２と同一の構成には同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。
【００３３】
図３に示すように、加湿装置２は、軸方向の右側にいくほど断面積が小さくなるテーパ構造の内ケース３２を備えている。その内ケース３２内の右側には、図３の右方、つまり、オフガスの流れの下流側に向かうほど断面積が小さくなるテーパ構造を有する芯部材２６が挿入されている。また、芯部材２６の左側の内ケース３２において、オフガスが通過可能な複数の流入口３５が設けられており、図３の左側から入ったオフガスは流入口３５を通過して中空糸膜束２５の内部に流入するようになっている。
【００３４】
複数組の排出口２１〜２４（開口面積はすべて同じ）を有する外ケース３１は、図３の右方、つまり、オフガスの流れの下流に向かうほどその内周面が筒内側にすぼむ（だんだん狭くなる）テーパ構造となっている。また、図３の右方にいくにつれて、中空糸膜束２５の内部（かつ、それぞれの中空糸膜ＨＦの外側）におけるオフガスの流路において、排出口２１〜２４の付近の断面積（幅が図３の「ｂ」程度）が、そのオフガスの上流部分、すなわち、たとえば、オフガスの流入口３５の付近の断面積（幅が図３の「ａ」程度）よりも小さくなっている。
【００３５】
なお、図３では、理解を容易にするため、ａ＞ｂとなるように図示してあるが、オフガスの流路の断面積が図３の右方にいくにつれて小さくなっていくのであれば、ａ＝ｂ、あるいは、ａ＜ｂの関係となっていてもよい。
つまり、具体的には、まず、図３に示すように、加湿装置２の軸の中心からオフガスの流入口３５の付近の中空糸膜束２５までの長さ（径）をＲ、加湿装置２の軸の中心から排出口２１〜２４の付近の中空糸膜束２５までの長さ（径）をｒとする。そうすると、オフガスの流入口３５の付近の断面積はπ（Ｒ＋ａ）２−πＲ２＝π（２ａＲ＋ａ２）、排出口２１〜２４の付近の断面積はπ（ｒ＋ｂ）２−πｒ２＝π（２ｂｒ＋ｂ２）となる。
【００３６】
したがって、オフガスの流路の断面積が図３の右方にいくにつれて小さくなるためには、π（２ａＲ＋ａ２）＞π（２ｂｒ＋ｂ２）、つまり、（２ａＲ＋ａ２）＞（２ｂｒ＋ｂ２）が必要十分条件となり、この関係を満たせば、ａ≦ｂであってもよい。
【００３７】
ポッティング部３３およびポッティング部３４は、中空糸膜ＨＦの中空内部のみが外部に開放されるように、各中空糸膜ＨＦ間や、中空糸膜束２５と内ケース３２の間、および、中空糸膜束２５と外ケース３１の間を封止固定する部材である。
これらの構成により、中空糸膜束２５は、図３の右方にいくほど、外ケース３１の中心部に近づくようになっている。
【００３８】
続いて、空気とオフガスの流れについて説明する。コンプレッサ１から供給された空気は、キャップ２７の内部を経由してそれぞれの中空糸膜ＨＦの内部に入り込み、当該内部を流れ、キャップ２８の内部を経由して加湿空気として排出される。
また、燃料電池ＦＣのカソードＣから供給されたオフガスは、図３の左方から内ケース３２の内部に入り込み、流入口３５を経由して、中空糸膜束２５の内部でそれぞれの中空糸膜ＨＦの外側を通過し、排出口２１〜２４から排出され、マニホールド２９によって収集される。
そして、多湿のオフガス中の水分が中空糸膜ＨＦを介して空気側に移動することで、空気が加湿される。
【００３９】
このように、中空糸膜束２５の内部におけるオフガスの流路において、排出口２１〜２４の付近の断面積がその上流部分よりも小さいので、オフガスの流速（加湿装置２の軸方向の流速。以下同様）は、排出口２１〜２４の付近ではその上流よりも速くなる。これにより、オフガスは、直進性が増し、排出口２１から多く排出されることなく、排出口２１〜２４のそれぞれからバランスよく排出され、中空糸膜全体（つまり、中空糸膜束２５の右端部分も）が有効に利用される、すなわち、加湿性が向上する。
【００４０】
また、外ケース３１と芯部材２６を図３のようなテーパ構造とすることで、排出口２１〜２４の付近の断面積をその上流の断面積よりも小さくしつつ、中空糸膜束２５の内部におけるオフガスの流れを加湿装置２の軸方向の中心部に向けることができる。それにより、排出口２１〜２４の奥の部分（排出口２４側）からのオフガスの排出を促進し、排出口２１〜２４のそれぞれからバランスよくオフガスを排出することができる。
【００４１】
なお、本実施形態では、外ケース３１が筒内側にだんだん厚くなるテーパ構造となっているが、外ケース３１の厚さが均一で加湿装置２の全体としてすぼむ構造となっていてもよい。
【００４２】
また、前記したオフガスの流速の高速化による直進性の向上などだけで対応しきれないような場合には、図４に示すように排出口２１ａ〜２４ａを、オフガスの流れの下流側ほどその開口面積が大きくなるようにすればよい。そうすれば、さらに、排出口２１ａからオフガスを排出しにくく、排出口２４ａからオフガスを排出しやすくなる、つまり、それぞれの排出口２１ａ〜２４ａからバランスよくオフガスを排出することができる。
【００４３】
さらに、オフガスの流入口３５ａ〜３５ｄを、オフガスの流れの上流側（図４の左側）ほどその開口面積が大きくしておけば、より上流側からオフガスが中空糸膜束２５の内部に流れ込みやすくなり、中空糸膜ＨＦ全体が有効に利用されることになり、好ましい。
【００４４】
そこで、次に、図４を参照しながら、加湿装置の第１変形例について説明する（適宜図１〜図３参照）。図４は、第１変形例の加湿装置の内部構造を示した断面図である。なお、図４は、図３に対応した図であり、図３と同一の構成には同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。
【００４５】
図４に示した加湿装置２ａが図３の加湿装置２と異なっている点は、排出口２１ａ〜２４ａがオフガスの流れの下流側ほどその開口面積が大きくなっていること、および、内ケース３２ａにおける流入口３５ａ〜３５ｄがオフガスの流れの上流側ほどその開口面積が大きくなっていることである。
この場合の空気とオフガスの流れについて説明する。まず、コンプレッサ１から供給された空気の流れは、図３の場合と同様である。
【００４６】
そして、燃料電池ＦＣのカソードＣから供給されたオフガスの流れも、図３の場合とほぼ同様であるが、次の２点で異なっている。
まず、流入口３５ａ〜３５ｄがオフガスの流れの上流側ほどその開口面積が大きくなっていることで、流入口３５ａからオフガスが流入しやすく、流入口３５ｄからオフガスが流入しにくくなっている。すなわち、それぞれの流入口３５ａ〜３５ｄからバランスよくオフガスを中空糸膜束２５の内部に流入させることができ、中空糸膜ＨＦ全体が有効に利用されることになる。
【００４７】
また、排出口２１ａ〜２４ａの開口面積がオフガスの流れの下流側ほど大きくなっていることで、排出口２１ａからオフガスが排出しにくく、排出口２４ａからオフガスが排出しやすくなっている。すなわち、それぞれの排出口２１ａ〜２４ａからバランスよくオフガスを排出させることができ、中空糸膜ＨＦ全体が有効に利用されることになる。
【００４８】
次に、図５を参照しながら、加湿装置の第２変形例について説明する（適宜図１〜図４参照）。図５は、第２変形例の加湿装置の内部構造を示した断面図である。なお、図５は、図４に対応した図であり、図４と同一の構成には同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。
【００４９】
図５に示した加湿装置２ｂが図４の加湿装置２ａと異なっている点は、外ケース３１ｂがテーパ構造ではなく平坦な構造となっていること、および、内ケース３２ｂと芯部材２６ａが図５の右方、つまり、オフガスの流れの下流側に向かうほど断面積が大きくなるテーパ構造となっていることである。なお、排出口２１ｂ〜２４ｂは、図４の排出口２１ａ〜２４ａの場合と同様、その開口面積がオフガスの流れの下流側ほど大きくなっている。また、流入口３５ｅ〜３５ｈも、図４の流入口３５ａ〜３５ｄの場合と同様、その開口面積がオフガスの流れの上流側ほど大きくなっている。
【００５０】
この場合の空気とオフガスの流れについて説明する。まず、コンプレッサ１から供給された空気は、図４の場合と同様に、キャップ２７の内部を経由して、それぞれの中空糸膜ＨＦの内部に入り込み、当該内部を流れ、キャップ２８の内部を経由して外部に排出される。
また、燃料電池ＦＣのカソードＣから供給されたオフガスは、キャップ２８の内部を経由して内ケース３２ｂの内部に入り込み、さらに、流入口３５ｅ〜３５ｈを経由して中空糸膜束２５の内部を通過し、排出口２１ｂ〜２４ｂから排出され、マニホールド２９によって収集される。
【００５１】
このように、排出口２１ｂ〜２４ｂの付近の断面積（幅が図の「ｄ」程度）が、流入口３５ｅ〜３５ｈの付近の断面積（幅が図の「ｃ」程度）よりも小さいので、オフガスの流速は、排出口２１ｂ〜２４ｂの付近では流入口３５ｅ〜３５ｈの付近よりも速くなる。それにより、オフガスは、直進性が増し、排出口２１ｂ〜２４ｂのそれぞれからバランスよく排出され、中空糸膜ＨＦ全体が有効に利用される。
【００５２】
また、この第２変形例の加湿装置２ｂでは、芯部材２６ａを図５に示したようなテーパ構造とすることで、外ケース３１ｂをテーパ構造にするなどの手間をかけることなく、オフガスの流路について、排出口２１ｂ〜２４ｂの付近の断面積を流入口３５ｅ〜３５ｈの付近の断面積よりも小さくすることができる。
【００５３】
なお、図３〜図５の加湿装置２，２ａ，２ｂにおいて、中空糸膜束２５は、外ケース３１，３１ａ，３１ｂの軸方向の中心部に近いほど中空糸膜ＨＦの密度（充填率）が低い構造とすることもできる。そうすれば、中心部の充填率が低いので、オフガスは、中心部近くを流れやすくなり、より奥（排出口２４，２４ａ，２４ｂ）から排出されやすくなるため、中空糸膜ＨＦが有効に利用されることになる。
【００５４】
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこれらに限定されるものではない。たとえば、１組の排出口を４個として説明したが、他の個数でもよい。また、オフガスを加湿装置の内側から流入する構成としたが、加湿装置の外側、つまり、排出口と同様、外ケース側から流入する構成としてもよい。
さらに、図４に示した外ケース３１ａと図５に示した芯部材２６ａを組み合わせるなど、様々な組み合せや変形例が可能である。その他、具体的な構成について、本発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本実施形態の燃料電池システムの全体構成図である。
【図２】加湿装置の外観を示す斜視図である。
【図３】図２の加湿装置のＡ−Ａ断面図である。
【図４】第１変形例の加湿装置の内部構造を示した断面図である。
【図５】第２変形例の加湿装置の内部構造を示した断面図である。
【符号の説明】
【００５６】
ＦＣ    燃料電池
ＨＦ    中空糸膜
１      コンプレッサ
２，２ａ，２ｂ  加湿装置
３      水素タンク
２１〜２４，２１ａ〜２４ａ，２１ｂ〜２４ｂ  排出口
２５    中空糸膜束
２６，２６ａ  芯部材
３１，３１ａ，３１ｂ  外ケース
３５，３５ａ〜３５ｈ  流入口
【図１】
0004644136.tif 000002
【図２】
0004644136.tif 000003
【図３】
0004644136.tif 000004
【図４】
0004644136.tif 000005
【図５】
0004644136.tif 000006