(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空糸膜の内部を流れる第１のガスと、当該中空糸膜の外部を流れる第２のガスとの間で水分交換を行う加湿装置において、
複数の前記中空糸膜の束を、筒状のモジュールケースに収容した中空糸モジュールと、
前記モジュールケースとの間に空間を形成しつつ、前記中空糸モジュールの外周部を覆うハウジングと、
前記ハウジングに接続されており、前記ハウジングと前記モジュールケースとの間の前記空間へ、前記第２のガスを導入するガス導入部とを有し、
前記モジュールケースは、前記空間へ導入された前記第２のガスが前記モジュールケースの内部へと流入するガス流入口を、前記モジュールケースの周方向に沿って複数有しており、
前記ガス流入口のそれぞれは、前記モジュールケースの周方向における位置が前記ガス導入部側から離れる程、開口面積が小さくなっており、
前記空間を、前記ガス導入部から前記第２のガスが導入される第１の空間と、当該第１の空間とは異なる第２の空間とに区画する仕切板と、
前記ハウジングに接続されており、前記第２の空間と連通するガス排出部と
をさらに有し、
前記モジュールケースは、当該モジュールケースの内部へ流入した前記第２のガスが前記モジュールケースの内部から前記第２の空間へと流出するガス流出口を、前記モジュールケースの周方向に沿って複数有しており、
前記ガス流出口のそれぞれは、前記モジュールケースの周方向における位置が前記ガス排出部側に近づく程、開口面積が小さく形成され、
前記ガス排出部は、当該ガス排出部と前記ハウジングとの接続部位が、前記ガス流出口と位置的にオフセットされ、
前記ガス導入部は、当該ガス導入部と前記ハウジングとの接続部位が、前記ガス流入口と位置的にオフセットしていることを特徴とする加湿装置。
【請求項２】
中空糸膜の内部を流れる第１のガスと、当該中空糸膜の外部を流れる第２のガスとの間で水分交換を行う加湿装置において、
複数の前記中空糸膜の束を、筒状のモジュールケースに収容した中空糸モジュールと、
前記モジュールケースとの間に空間を形成しつつ、前記中空糸モジュールの外周部を覆うハウジングと、
前記ハウジングに接続されており、前記ハウジングと前記モジュールケースとの間の前記空間へ、前記第２のガスを導入するガス導入部とを有し、
前記モジュールケースは、前記空間へ導入された前記第２のガスが前記モジュールケースの内部へと流入するガス流入口を、前記モジュールケースの周方向に沿って複数有しており、
前記ガス流入口のそれぞれは、前記ガス導入部側から前記モジュールケースの周方向に沿って設けられた複数の第１のガス流入口と、当該第１のガス流入口に続き、前記ガス導入部側と対向する側まで前記モジュールケースの周方向に沿って設けられた複数の第２のガス流入口とで構成されており、
前記第２のガス流入口のそれぞれは、前記第１のガス流入口のそれぞれよりも開口面積が小さく形成され、
前記空間を、前記ガス導入部から前記第２のガスが導入される第１の空間と、当該第１の空間とは異なる第２の空間とに区画する仕切板と、
前記ハウジングに接続されており、前記第２の空間と連通するガス排出部と
をさらに有し、
前記モジュールケースは、当該モジュールケースの内部へ流入した前記第２のガスが前記モジュールケースの内部から前記第２の空間へと流出するガス流出口を、前記モジュールケースの周方向に沿って複数有しており、
前記ガス流出口のそれぞれは、前記ガス排出部側から前記モジュールケースの周方向に沿って設けられた複数の第１のガス流出口と、当該第１のガス流出口に続き、前記ガス排出部側と対向する側まで前記モジュールケースの周方向に沿って設けられた複数の第２のガス流出口とで構成されており、
前記第１のガス流出口のそれぞれは、前記第２のガス流出口のそれぞれよりも開口面積が小さく形成され、
前記ガス排出部は、当該ガス排出部と前記ハウジングとの接続部位が、前記ガス流出口と位置的にオフセットされ、
前記ガス導入部は、当該ガス導入部と前記ハウジングとの接続部位が、前記ガス流入口と位置的にオフセットしてことを特徴とする加湿装置。
【請求項３】
前記第１のガス流入口のそれぞれは、互いに同一な開口形状に形成されており、
前記第２のガス流入口のそれぞれは、前記モジュールケースの周方向における位置が、前記ガス導入部側から離れる程、開口面積が小さくなっていることを特徴とする請求項２に記載された加湿装置。
【請求項４】
前記ガス排出部は、前記ハウジングの周方向において、前記ガス導入部と対向する位置に設けられており、
前記ガス流出口のそれぞれは、前記モジュールケースの周方向において、前記ガス流入口のそれぞれと位置的に対応して設けられており、かつ、位置的に対応する前記ガス流入口と対応した開口形状を有していることを特徴とする請求項１または２に記載された加湿装置。
【請求項５】
前記中空糸モジュールは、前記中空糸膜の軸心方向と直交する断面の形状が、縦横のサイズがオフセットし、かつ、角部を備えない形状であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載された加湿装置。
【請求項６】
前記中空糸モジュールは、前記中空糸膜の軸心方向と直交する断面の形状が長円形状であることを特徴とする請求項５に記載された加湿装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中空糸膜の内部を流れる第１のガスと、中空糸膜の外部を流れる第２のガスとの間で水分交換を行う加湿装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料電池システムにおいて使用される加湿装置として、中空糸膜を用いた加湿装置が知られている。この加湿装置は、中空糸膜内部の細孔への毛管凝縮作用を利用して、中空糸膜内部を流れる湿潤ガスから水分を分離して、これを中空糸膜外部へ移動させ、これにより、中空糸膜外部を流れる乾燥ガスを加湿する（例えば、特許文献１参照）。なお、中空糸膜の性質上、中空糸膜内部に乾燥ガスを流し、中空糸膜外部に湿潤ガスを流した場合であっても、同様に、乾燥ガスの加湿を行うことができる。
【０００３】
中空糸膜は、これが複数本束ねられた状態で筒状のモジュールケースに収納されてモジュール化されており、このケースには、中空糸膜の外部を流れるガスをモジュールケースの内部へ流入するための開口が、ガス流入口として設けられている。
【特許文献１】特開２００２−６６２６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ガス流入口の形状によっては、モジュールケース内部におけるガスの流れが不均一となり、これにより、加湿性能を低下させる恐れがある。
【０００５】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、モジュールケース内部におけるガスの流れの均一化を図ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる課題を解決するために、本発明は、中空糸膜の内部を流れる第１のガスと、この中空糸膜の外部を流れる第２のガスとの間で水分交換を行う加湿装置を提供する。この加湿装置は、中空糸モジュールと、ハウジングと、ガス導入部とを主体に構成されている。ここで、中空糸モジュールは、複数の中空糸膜の束を、筒状のモジュールケースに収容し、ハウジングは、モジュールケースとの間に空間を形成しつつ、中空糸モジュールの外周部を覆う。ガス導入部は、ハウジングに接続されており、ハウジングとモジュールケースとの間の空間へ、第２のガスを導入する。この場合、モジュールケースは、空間へ導入された第２のガスがモジュールケースの内部へと流入するガス流入口を、モジュールケースの周方向に沿って複数有している。そして、それぞれのガス流入口は、モジュールケースの周方向における位置がガス導入部側から離れる程、開口面積が小さくなっている。また、前記空間を、前記ガス導入部から前記第２のガスが導入される第１の空間と、当該第１の空間とは異なる第２の空間とに区画する仕切板と、前記ハウジングに接続されており、前記第２の空間と連通するガス排出部とをさらに有している。前記モジュールケースは、当該モジュールケースの内部へ流入した前記第２のガスが前記モジュールケースの内部から前記第２の空間へと流出するガス流出口を、前記モジュールケースの周方向に沿って複数有している。前記ガス流出口のそれぞれは、前記モジュールケースの周方向における位置が前記ガス排出部側に近づく程、開口面積が小さく形成されている。前記ガス排出部は、当該ガス排出部と前記ハウジングとの接続部位が、前記ガス流出口と位置的にオフセットされ、前記ガス導入部は、当該ガス導入部と前記ハウジングとの接続部位が、前記ガス流入口と位置的にオフセットしている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、モジュールケースの内部にガスが複数のガス流入口より概ね均一に流入し易くなる。その結果、中空糸モジュールの内部におけるガスの流れの均一化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる加湿装置１の概略斜視図である。この加湿装置１は、例えば、燃料電池システムに用いられる加湿装置として好適である。
【０００９】
燃料電池システムは、燃料ガス（例えば、水素）と、酸化剤ガス（例えば、空気）とを電気化学的に反応させて発電電力を発生する燃料電池スタックを主体に構成されている。燃料電池スタックは、電解質および電極触媒複合体を挟んで酸化剤極と燃料極とを対設した燃料電池構造体をセパレータで挟持して、これを複数積層して構成されている。電解質としては、高エネルギー密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、固体高分子電解質が多く用いられる。固体高分子電解質は、例えば、フッ素樹脂系イオン交換膜といったイオン伝導性の高分子膜で構成されており、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。したがって、このような燃料電池システムでは、反応ガス（本実施形態では、酸化剤ガス）を加湿した状態で燃料電池に供給することによって、各セルの固体高分子電解質膜を加湿している。
【００１０】
加湿装置１は、湿潤気体、具体的には、燃料電池スタックから排出された酸化剤ガス（以下、「オフガス」という）Ｗと、乾燥気体、具体的には、燃料電池スタックに供給する酸化剤ガス（以下、「スイープガス」という）Ｄとが供給されることにより、オフガスＷとスイープガスＤとの間で水分交換を行い、これにより、スイープガスＤを加湿する装置である（換言すれば、オフガスＷを除湿する装置である）。この加湿装置１は、酸化剤ガス供給装置（例えば、コンプレッサ）から燃料電池スタックへとスイープガスＤを供給する流路（以下「酸化剤ガス供給流路」という）と、燃料電池スタックからのオフガスＷを外部に排出する流路（以下「酸化剤ガス排出流路」という）とにそれぞれ介装されるようにレイアウトされている。
【００１１】
加湿装置１は、中空糸モジュール１０と、中空糸モジュール１０の外周部を覆うハウジング２０と、中空糸モジュール１０へ一方のガス（本実施形態では、スイープガスＤ）を導入するガス導入部３０と、中空糸モジュール１０からスイープガスＤを排出するガス排出部４０とを主体に構成されている。なお、説明の便宜上、図中への記載を省略しているが、この加湿装置１には、中空糸モジュール１０へ他方のガス（本実施形態では、オフガスＷ）を導入するガス導入部と、中空糸モジュール１０を通過したオフガスＷを中空糸モジュール１０から外部へ排出するガス排出部とがさらに備えられている。
【００１２】
中空糸モジュール１０は、両端が開放された筒状のモジュールケース１１と、複数本の水透過性の中空糸膜１２とで構成されており、中空糸膜１２の束がモジュールケース１１の内部に収容された格好となっている。モジュールケース１１の両端部では、収容された複数の中空糸膜１２同士の隙間が、ポッティング材１３によってシールされている。
【００１３】
図２は、図１に示す加湿装置１の線分ＡＡにおける断面状態を概略的に示す説明図である。本実施形態において、中空糸モジュール１０は、中空糸膜１２の軸心方向と直交する断面の形状が長円形状となっている。この断面形状は、トラック形状とも称されており、縦横のサイズがオフセットし、かつ、角部を備えていないことが主たる特徴点として挙げられる。このような断面形状を有する中空糸モジュール１０において、モジュールケース外周の直線部分における垂線、或いは、モジュールケース外周の曲線部分における法線は、中空糸膜１２の束の中央部分に到達するまでの距離Ｌがいずれの箇所においても概ね等しくなっている。
【００１４】
再び図１を参照するに、モジュールケース１１は、それぞれの端部近傍に、ガス流入口１４とガス流出口１５とを有している。ガス流入口１４は、一方の端部近傍（図中、上端部近傍）において、モジュールケース１１の周方向に沿って複数設けられており、スイープガスＤがモジュールケース１１の内部へと流入する開口として機能する。これに対して、ガス流出口１５は、ガス流入口１４とは対向する他方の端部近傍（図中、下部近傍）において、モジュールケース１１の周方向に沿って複数設けられており、モジュールケース１１の内部のスイープガスＤが外部へと流出する開口として機能する。本実施形態の特徴の一つして、ガス流入口１４およびガス流出口１５の開口形状が挙げられるが、その詳細については後述する。
【００１５】
中空糸膜１２は、内部が中空となった管状の部材であり、内部から外部に達する微細な毛管を多数備えている。中空糸膜１２は、この毛管により、中空糸膜１２の内部を流れるガスと、その外部を流れるガスとの間で水分交換を行う。
【００１６】
ハウジング２０は、概ね中空糸モジュール１０と形状的に対応した筒状の部材であり、中空糸膜１２の軸心方向と直交する断面のサイズが中空糸モジュール１０のそれよりも大きく形成されている。このハウジング２０は、モジュールケース１１との間に空間２１を形成しつつ、中空糸モジュール１０の外周部を覆っており、その両端部は、空間２１が閉空間となるように密閉されている。ハウジング２０には、その延在方向の略中央位置に、空間２１を、モジュールケース１１のガス流入口１４を含む空間と、モジュールケース１１のガス流出口１５を含む空間とに区画する環状の仕切板２２が設けられている。以下、仕切板２２を境に、ガス流入口１４を含む空間を導入室２１ａといい、ガス流出口１５を含む空間を排出室２１ｂという。
【００１７】
ハウジング２０の外周側には、スイープガスＤの導管として機能するガス導入部３０とガス排出部４０とが、周方向において互いに対向する位置にそれぞれ接続されている。ガス導入部３０は、一方の端部がハウジング２０に接続され、これにより、導入室２１ａと連通している。ガス導入部３０とハウジング２０との接続部位は、中空糸モジュール１０の端部位置よりも仕切板２２に近寄った位置に設けられており、中空糸膜１２の軸心方向にかけて、モジュールケース１１のガス流入口１４と位置的にオフセットした格好となっている。一方、ガス導入部３０の他方の端部（図示せず）は、酸化剤ガス供給流路の上流側（すなわち、燃料ガス供給装置側）に接続されている。
【００１８】
これに対して、ガス排出部４０は、一方の端部がハウジング２０に接続され、これにより、排出室２１ｂと連通している。ガス排出部４０とハウジング２０との接続部位は、中空糸モジュール１０の端部位置よりも仕切板２２に近寄った位置に設けられており、中空糸膜１２の軸心方向にかけて、モジュールケース１１のガス流出口１５と位置的にオフセットした格好となっている。一方、ガス排出部４０の他方の端部（図示せず）は、酸化剤ガス供給流路の下流側（すなわち、燃料電池スタック側）に接続されている。
【００１９】
ここで、本実施形態の特徴の一つである、モジュールケース１１に設けられたガス流入口１４およびガス流出口１５について説明する。上述したように、ガス流入口１４は、モジュールケース１１の周方向に沿って複数設けられており、個々のガス流入口１４は、矩形形状を有している。このガス流入口１４は、ガス導入部３０側をモジュールケース１１の手前側と見立てた際に、手前側から奥側（ガス導入部３０と対向する側）に向かうに連れて、開口面積が徐々小さくなっている。換言すれば、それぞれのガス流入口１４は、モジュールケース１１の周方向における位置が、ガス導入部３０側から離れる程、開口面積が小さくなっている。個々のガス流入口１４において、モジュールケース１１の周方向における辺の長さは同じであるが、中空糸膜１２の軸心方向への長さが異なっており、これにより、その開口面積の大きさが相違している。本実施形態では、ガス導入部３０側から離れる程、その開口面積が規則的に小さくなるように設定されているが、必ずしもこの形態に限定される必要はなく、その開口面積が順次小さくなっているのであれば、その規則性に特段の制限はない。なお、ガス流入口１４は、モジュールケース１１の全周に亘って設けられている。そのため、図１には示されていないが、中空糸モジュール１０の反対側の面（紙面裏側より眺めた際に手前側となる面）においても、それぞれのガス流入口１４は、モジュールケース１１の周方向における位置が、ガス導入部３０から離れる程、開口面積が小さくなっている。
【００２０】
ガス流出口１５は、ガス流入口１４と同様に、モジュールケース１１の周方向に沿って複数設けられており、個々のガス流出口１５は、矩形形状を有している。このガス流出口１５は、ガス排出部４０側をモジュールケース１１の手前側と見立てた際に、奥側（ガス排出部４０と対向する側）から手前側に向かうに連れて、開口面積が徐々に小さくなっている。換言すれば、それぞれのガス流出口１５は、モジュールケース１１の周方向における位置がガス排出部４０側に近づく程、開口面積が小さくなっている。
【００２１】
上述したように、ガス導入部３０とガス排出部４０とが周方向において互いに対向する位置に設けられている関係上、それぞれのガス流出口１５は、モジュールケース１１の周方向における位置がガス導入部３０から離れる程、開口面積が小さくなっている。本実施形態では、それぞれのガス流出口１５は、個々のガス流入口１４と対称的なレイアウトとなるように、モジュールケース１１の周方向において、それぞれのガス流入口１４と位置的に対応して設けられており、かつ、位置的に対応するガス流入口１４と同一の開口形状に形成されている。
【００２２】
このような構成を有する加湿装置１において、酸化剤ガス供給流路を流れるスイープガスＤは、ガス導入部３０より、ハウジング２０と中空糸モジュール１０との間の空間２１（具体的には、導入室２１ａ）へと導入され、この導入室２１ａを介して、ガス流入口１４からモジュールケース１１の内部へと流入する。モジュールケース１１の内部へと流入したスイープガスＤは、個々の中空糸膜１２の外部を流れながら、中空糸モジュール１０を通過する。モジュールケース１１の内部を通過したスイープガスＤは、ガス流出口１５から空間２１（具体的には、排出室２１ｂ）へと流出し、この排出室２１ｂを介してガス排出部４０から導出される。そして、このガス排出部４０と繋がる酸化剤ガス供給流路を介して燃料電池スタックへと供給される。
【００２３】
一方で、燃料電池スタックから排出されるオフガスＷは、酸化剤ガス排出流路を流れ、この酸化剤ガス排出流路と繋がるオフガス用のガス導入部（図示せず）を介して中空糸モジュール１０へと導入される。このオフガス用のガス導入部は、中空糸モジュール１０を流れるオフガスＷの向きが、スイープガスＤの流れと反対向きとなるように、スイープガス用のガス導入部３０とは対向する側のモジュールケース１１の端部に接続されている。導入されたオフガスＷは、個々の中空糸膜１２の内部を流れ、中空糸モジュール１０を通過する。中空糸モジュール１０を通過したオフガスＷは、他方の端部（スイープガス用のガス導入部３０側の端部）に接続されたオフガス用のガス排出部へと排出され、このガス排出部と繋がる酸化剤ガス排出流路を介して外部（大気）へと排出される。
【００２４】
ここで、スイープガスＤとオフガスＷとが中空糸モジュール１０をそれぞれ通過することにより、個々の中空糸膜１２において、その内部を流れるオフガスＷ（第１のガス）と外部を流れるスイープガスＤ（第２のガス）との間で水分交換が行われ、スイープガスＤが加湿される。本実施形態では、中空糸膜１２の外部にスイープガスＤを流し、中空糸膜１２の内部にオフガスＷを流す構成であるが、本発明は、これらのガスの関係が逆あっても同様に成立する。
【００２５】
このように本実施形態によれば、加湿装置１は、複数の中空糸膜１２の束を筒状のモジュールケース１１に収容した中空糸モジュール１０と、このモジュールケース１１との間に空間２１を形成しつつ、中空糸モジュール１０の外周部を覆うハウジング２０と、このハウジング２０に接続されて、空間２１へガス（本実施形態では、スイープガスＤ）を導入するガス導入部３０とを有している。この場合、モジュールケース１１は、空間２１（具体的には、導入室２１ａ）へ導入されたガスがモジュールケース１１の内部へと流入するガス流入口１４を、モジュールケース１１の周方向に沿って複数有している。ここで、それぞれのガス流入口１４は、モジュールケース１１の周方向における位置がガス導入部３０側から離れる程、開口面積が小さくなっている。
【００２６】
モジュールケースに設けられた複数のガス流入口（すなわち、中空糸膜の外部を流れるガスがモジュールケースの内部へ流入するためのガス流入口）のうち、ハウジングに接続されたガス導入部と位置的に近いガス流入口では、ガス流入時の圧力損失が大きくなる傾向がある。そのため、ガス導入部と対向する側に位置するガス流入口と比較して、モジュールケースの内部へガスが流入し難くなる。これにより、モジュールケースの内部におけるガスの流れが不均一となり、デッドスペース、すなわち、ガスが行き渡り難い箇所が発生し、加湿性能の低下を招く可能性がある。
【００２７】
しかしながら、本実施形態では、ガスが入り難いガス導入部３０側のガス流入口１４の開口面積を、ガス導入部３０と対向する側のガス流入口１４のそれよりも大きくすることにより、偏ったガスの流入を抑制するように構成している。これにより、モジュールケース１１の内部に個々のガス流入口１４よりガスが概ね均一に流入し易くなり、中空糸モジュール１０の内部におけるガスの流れの均一化を図ることができる。その結果、加湿性能の向上を図ることができる。
【００２８】
また、本実施形態において、加湿装置１は、ハウジング２０とモジュールケース１１との間に形成される空間２１を、ガス導入部３０からガスが導入される第１の空間（すなわち、導入室２１ａ）と、この導入室２１ａとは異なる第２の空間（すなわち、排出室２１ｂ）とに区画する仕切板２２と、ハウジング２０に接続されて、排出室２１ｂと連通するガス排出部４０とをさらに有している。ここで、モジュールケース１１は、モジュールケース１１の内部から排出室２１ｂへとガスが流出するガス流出口１５を、モジュールケース１１の周方向に沿って複数有している。この場合、それぞれのガス流出口１５は、モジュールケース１１の周方向における位置がガス排出部４０側に近づく程、開口面積が小さくなっている。
【００２９】
モジュールケースに設けられた複数のガス流出口（すなわち、中空糸膜の外部を流れるガスがモジュールケースの外部へと流出するためのガス流入口）では、ハウジングに接続されたガス排出部と位置的に近いガス流出口ほど、ガスが偏って流出し易いという傾向がある。そのため、モジュールケースの内部においてガスが不均一に流れ、モジュールケースの内部にデッドスペースが発生し、これにより、加湿性能の低下を招く可能性がある。しかしながら、本実施形態では、ガスが排出され易いガス排出部４０側のガス流出口１５の開口面積を小さく、ガスが排出され難い側（すなわち、ガス排出部４０と対応する側）のガス流出口１５の開口面積をそれよりも大きくすることにより、偏ったガスの流出を抑制するように構成している。これにより、モジュールケース１１の内部からガスが概ね均一に流出し易くなり、中空糸モジュール１０の内部におけるガスの流れの均一化を図ることができる。
【００３０】
また、本実施形態において、ガス排出部４０は、ハウジング２０の周方向において、ガス導入部３０と対向する位置に設けられており、それぞれのガス流出口１５は、モジュールケース１１の周方向において、それぞれのガス流入口１４と位置的に対応して設けられており、かつ、位置的に対応するガス流入口１４と対応した開口形状を有している。かかる構成によれば、ガス流入口１４およびガス流出口１５による上述した効果とともに、ガス流入口１４側とガス流出口１５側とで対応したガスの流れとなり、中空糸モジュール１０の内部におけるガスの流れの均一化をより有効に図ることができる。
【００３１】
また、本実施形態において、ガス導入部３０は、このガス導入部３０とハウジング２０との接続部位が、モジュールケース１１に設けられたガス流入口１４と位置的にオフセットしている。ガス導入部と、ガス流入口の位置とが対応している場合には、導入されたガスが、ガス導入部の近傍にあるガス流入口に集中的に流入し易すくなるという傾向がある。そのため、モジュールケースの内部へとガスが不均一に流入する可能性があり、中空糸モジュールの内部におけるガスの流れも不均一となってしまう可能性がある。また、このケースでは、一部のガス流入口におけるガス流速が大きくなり、局所的な応力集中が起こるため、中空糸膜の寿命低下に繋がる恐れがある。しかしながら、本実施形態では、ガス導入部３０とガス流入口１４と位置的にオフセットさせることにより、ガス導入部３０からのガスが導入室２１ａで拡散され、一部のガス流入口１４からガスが集中的に流入するといった事態の発生を抑制することができる。その結果、モジュールケース１１の内部にガスが概ね均一に流入し易くなり、中空糸膜１２の劣化抑制とともに、中空糸モジュール１０の内部におけるガスの流れの均一化を図ることができる。
【００３２】
また、本実施形態において、ガス排出部４０は、このガス排出部４０とハウジング２０との接続部位が、モジュールケース１１に設けられたガス流出口１５と位置的にオフセットしている。ガス排出部の位置と、ガス流出口の位置とが対応している場合には、モジュールケース内を流れるガスが、ガス排出部の近傍にあるガス流出口から集中的に流出し易くなるという傾向がある。そのため、中空糸モジュールの内部におけるガスの流れも不均一となる可能性がある。また、このケースでは、一部のガス流出口におけるガス流速が大きくなり、局所的に応力集中が起こるため、中空糸膜の寿命低下に繋がる恐れがある。しかしながら、本実施形態では、ガス排出部４０とガス流出口１５とを位置的にオフセットさせることにより、一部のガス流出口１５からガスが集中的に流出することを抑制することができる。そのため、モジュールケース１１の内部からガスが概ね均一に流出し易くなり、中空糸膜１２の劣化抑制とともに、中空糸モジュール１０の内部におけるガスの流れの均一化を図ることができる。
【００３３】
ここで、ガス導入部３０とモジュールケース１１のガス流入口１４とのオフセット量は、車両に搭載する際のレイアウト条件などに左右されるが、予め決められたガス導入部３０の位置に対して、ガス流入口１４の面積を調整することで、適切なバランスを図ることができる。また、ガス排出部４０とモジュールケース１１のガス流出口１５とのオフセット量についても、同様である。
【００３４】
また、本実施形態において、中空糸モジュール１０は、中空糸膜１２の軸心方向と直交する断面の形状が長円形状となっている。かかる形状によれば、中空糸膜１２の束の中心部分までの距離が、いずれのガス流入口１４或いはガス流出口１５からも概ね同じとなる。そのため、中空糸膜１２の束の中心部分までガスが一様に流入し易くなり、これにより、中空糸モジュール１０の中心部におけるデッドスペースの発生を抑制することができる。これにより、中空糸モジュール１０の内部におけるガスの流れの均一化を図ることができ、加湿性能の向上を図ることができる。
【００３５】
なお、加湿性能を向上させる手法としては、中空糸モジュールのサイズを大きくすることで対応可能となるが、燃料電池自動車としてこの加湿装置を車両に搭載する場合には、レイアウトスペースによる制限や、小型化への要求から、単純にサイズを大きくすることは難しい。しかしながら、同一の膜面積を確保する際、円形状と長円形状では、モジュール中心部までの距離は長円形状の方が小さくなるため、中心部に発生するデッドスペースを抑制するには、長円形状を採用する方が有利である。これにより、中空糸モジュール１０全体における流れの均一化とともに、加湿性能の向上を図ることができる。
【００３６】
なお、本実施形態では、中空糸モジュール１０の断面形状として、長円形状を例示したが、本発明はこれに限定されず、その特徴として上述したように、縦横のサイズがオフセットしており、かつ、その外周領域が角部を備えていない形状であれば種々の形状を採用することができる。このような形状としては、例えば、図３に示すように、楕円形状（（ａ）参照）、角部のない長方形（（ｂ）参照）などが挙げられる。また、本実施形態では、長円形状の中空糸モジュール１０を前提に、ガス流入口１４およびガス流出口１５の開口形状、および、これらとガス導入部３０およびガス排出部４０との位置的な関係を説明したが、円筒形状を有する中空糸モジュールであってもこれらの構成が、上述した効果を奏することはいうまでもない。
【００３７】
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態にかかる加湿装置１ａの概略斜視図である。第２の実施形態にかかる加湿装置１ａが、第１の実施形態のそれと相違する点は、中空糸モジュール１０ａのモジュールケース１１ａに設けられたガス流入口１４ａとガス流出口１５ａとの形状である。なお、第１の実施形態と同一の構成については、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００３８】
第２の実施形態にかかる中空糸モジュール１０ａは、両端が開放された筒状のモジュールケース１１ａと、水透過性の中空糸膜１２とで構成されており、モジュールケース１１ａの内部に、複数本の中空糸膜１２を束ねた状態で収容している。モジュールケース１１ａの両端部は、収容された複数の中空糸膜１２同士の隙間が、ポッティング材１３によってシールされている。モジュールケース１１ａには、一方の端部近傍にガス流入口１４ａが形成されており、他方の端部近傍にガス流出口１５ａが形成されている。
【００３９】
具体的には、ガス流入口１４ａは、モジュールケース１１ａの周方向に沿って複数設けられており、個々のガス流入口１４ａは、矩形形状を有している。それぞれのガス流入口１４ａは、ガス導入部３０側からモジュールケース１１ａの周方向に沿って設けられた複数の第１のガス流入口１４ａと、この第１のガス流入口１４ａに続き、ガス導入部３０側と対向する側までモジュールケース１１の周方向に沿って設けられた複数の第２のガス流入口１４ａとで構成されている。ここで、個々の第２のガス流入口１４ａは、個々の第１のガス流入口１４ａよりも開口形状が小さくなっている。本実施形態では、個々の第１のガス流入口１４ａは、互いに同一な開口形状に形成されており、個々の第２のガス流入口１４ａは、モジュールケース１１ａの周方向における位置が、ガス導入部３０側から離れる程、開口面積が小さくなっている。
【００４０】
図４に示す例では、ガス導入部３０側から周方向に沿ってこれと対向する側までの間において、その略中央付近まで第１のガス流入口１４ａが複数設けられており、それ以降に第２のガス流入口１４ａが複数設けられている。なお、ガス流入口１４ａは、モジュールケース１１ａの周方向に沿ってその全周に亘って複数設けられている。そのため、図４には示されていないが、中空糸モジュール１０ａの反対側の面（紙面裏側より眺めた際に手前側となる面）においても、それぞれのガス流入口１４ａは、複数の第１のガス流入口１４ａと、複数の第２のガス流入口１４ａとによって同様に構成されている。
【００４１】
これに対して、ガス流出口１５ａは、モジュールケース１１ａの周方向に沿って複数設けられており、個々のガス流出口１５ａは、矩形形状を有している。個々のガス流出口１５ａは、ガス排出部４０側からモジュールケース１１ａの周方向に沿って設けられた複数の第１のガス流出口１５ａと、この第１のガス流出口１５ａに続き、ガス排出部４０側と対向する側までモジュールケース１１の周方向に沿って設けられた複数の第２のガス流出口１５ａとで構成されている。ここで、それぞれの第１のガス流出口１５ａは、それぞれの第２のガス流出口１５ａよりも開口形状が小さくなっている。本実施形態では、個々の第１のガス流出口１５ａは、モジュールケース１１ａの周方向における位置がガス排出部４０側に近づく程、開口面積が小さくなっており、個々の第２のガス流出口１５ａは、互いに同一な開口形状となっている。
【００４２】
第１の実施形態に示すように、ガス導入部３０とガス排出部４０とがハウジング２０の周方向において互いに対向した位置に設けられているため、これらのガス流出口１５ａは、ガス導入部３０側からモジュールケース１１ａの周方向に沿って設けられた複数の第２のガス流出口１５ａと、この第２のガス流出口１５ａに続き、ガス排出部４０側と対向する側までモジュールケース１１の周方向に沿って設けられた複数の第１のガス流出口１５ａとで構成されていると言い換えることができる。本実施形態では、それぞれのガス流出口１５ａは、個々のガス流入口１４ａと対称的なレイアウトとなるように、モジュールケース１１ａの周方向において、それぞれのガス流入口１４ａと位置的に対応して設けられており、かつ、位置的に対応するガス流入口１４ａと同一の開口形状に形成されている。
【００４３】
モジュールケースの周方向に沿って設けられた複数のガス流入口において、ガス導入部に近い位置、具体的には、ガス導入部側から周方向に沿ってこれと対向する側までの間において、その中央付近までは、モジュールケース内にガスが流れ難くなる傾向が顕著となる。しかしながら、本実施形態では、ガスが入り難いガス導入部３０側の第１のガス流入口１４ａをレイアウトし、それ以降に、第１のガス流入口１４ａよりも開口面積が小さい第２のガス流入口１４ａをレイアウトしている。これにより、個々のガス流入口１４ａよりモジュールケース１１ａの内部にガスが概ね均一に流入し易くなり、中空糸モジュール１０の内部におけるガスの流れの均一化を図ることができる。その結果、加湿性能の向上を図ることができる。
【００４４】
また、モジュールケースの周方向に沿って設けられた複数のガス流出口において、ガス排出部に近い位置、具体的には、ガス排出部側から周方向に沿ってこれと対向する側までの間において、その略中央付近までは、モジュールケースからガスが流出し易くなる傾向が顕著となる。しかしながら、本実施形態では、ガスが流れ難い側（すなわち、ガス排出部４０と対向する側）に第１のガス流出口１５ａをレイアウトし、ガス流出し易い側（すなわち、ガス排出部４０側）に、それよりも開口面積が小さい第１のガス流出口１５ａをレイアウトしている。これにより、個々のガス流出口１５ａよりガスが概ね均一に流出し易くなり、中空糸モジュール１０ａの内部におけるガスの流れの均一化を図ることができる。その結果、加湿性能の向上を図ることができる。
【００４５】
また、第１の実施形態と同様に、ガス流入口１４ａとガス流出口１５ａとを位置的かつ形状的に対応させることにより、ガス流入口１４ａおよびガス流出口１５ａによる上述した効果とともに、ガス流入口１４ａ側とガス流出口１５ａ側とで対応したガスの流れとなり、中空糸モジュール１０ａの内部におけるガスの流れの均一化をより有効に図ることができる。
【００４６】
（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態にかかる加湿装置１ｂの概略斜視図である。第３の実施形態にかかる加湿装置１ｂが、第１の実施形態または第２の実施形態のそれと相違する点は、中空糸モジュール１０ｂのモジュールケース１１ｂに設けられたガス流入口１４ｂとガス流出口１５ｂとの形状である。なお、第１の実施形態または第２の実施形態と同一の構成については、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００４７】
第３の実施形態にかかる中空糸モジュール１０ｂは、両端が開放された筒状のモジュールケース１１ｂと、水透過性の中空糸膜１２とで構成されており、モジュールケース１１ｂの内部に、複数本の中空糸膜１２を束ねた状態で収容している。モジュールケース１１ｂの両端部は、収容された複数の中空糸膜１２同士の隙間が、ポッティング材１３によってシールされている。モジュールケース１１ｂには、第１の実施形態または第２の実施形態と同様に、一方の端部近傍にガス流入口１４ｂが形成されており、他方の端部近傍にはガス流出口１５ｂが形成されている。
【００４８】
具体的には、ガス流入口１４ｂは、モジュールケース１１ｂの周方向に沿って複数設けられており、個々のガス流入口１４ｂは、矩形形状の開口をモジュールケース１１ｂの周方向へせん断変形させたような平行四辺形形状となっている。換言すれば、各ガス流入口１４ｂは、中空糸膜１２の軸心方向から傾斜した一対の傾斜辺１６を有する開口形状となっている。
【００４９】
ガス流入口が、例えば、矩形形状や円形状の開口である場合、これをモジュールケースの周方向に沿って複数設けた際には、モジュールケースへ流入したガスが、ガス流入口から下流側へとそのまま流れ易い傾向がある。本実施形態によれば、一対の傾斜辺１６を有する開口形状のガス流入口１４ｂを周方向に沿って複数設けているので、単一のガス流入口１４ｂにおけるモジュールケース１１の周方向へのガスの流入幅が広くなり、モジュールケース１１ｂの内部にガスがより均一に流入し易くなり、中空糸モジュール１０ｂの内部におけるガスの流れの均一化を図ることができる。
【００５０】
この点、矩形形状や円形状のガス流入口であっても、隣接するガス流入口間の間隔を狭くすることで、周方向へのガスの流入幅を広げることは可能である。しかしながら、かかる形状ではガス流入口間の間隔が狭くなり、形状的に脆弱となってしまうが、本実施形態のガス流入口１４ｂでは、隣接するガス流入口１４ｂ間の間隔を狭めずとも周方向へのガスの流入幅を広げることができ、形状的な脆弱性を解消することができる。
【００５１】
また、本実施形態では、ガス流入口１４ｂの一方の傾斜辺１６と、この一方の傾斜辺１６と隣接する他のガス流入口１４ｂの傾斜辺１６とが、中空糸膜１２の軸心方向へ伸びる延在線Ｌ１に接続するような開口形状となっている。これにより、モジュールケース１１ｂの全周に亘ってガスが流入することとなり、モジュールケース１１ｂの内部にガスが均一に流入し易くなる。その結果、中空糸モジュール１０ｂの内部におけるガスの流れの均一化を図ることができる。なお、この点に鑑みれば、それぞれのガス流入口１４ｂは、自己の一方の傾斜辺１６と、この一方の傾斜辺１６と隣接する他のガス流入口１４ｂの傾斜辺１６とが、中空糸膜１２の軸心方向の延在線Ｌ１と、交差するような開口形状であってもよい。
【００５２】
また、本実施形態では、各ガス流入口１４ｂは、自己の一方の傾斜辺１６と、この一方の傾斜辺１６と隣接する他のガス流入口１４ｂの傾斜辺１６とが互いに平行となる開口形状となっている。これにより、モジュールの全周に亘りガスがより均一に流入し易くなるので、ガスの流れの均一化を図ることができる。
【００５３】
これに対して、ガス流出口１５ｂは、モジュールケース１１ｂの周方向に沿って複数設けられており、個々のガス流出口１５ｂは、矩形形状の開口をモジュールケース１１ｂの周方向へせん断変形させたような平行四辺形形状となっている。換言すれば、各ガス流出口１５ｂは、中空糸膜１２の軸心方向から傾斜させた一対の傾斜辺１７を有する開口形状となっている。
【００５４】
ガス流出口が、例えば、矩形形状や円形状の開口である場合、これをモジュールケースの周方向に沿って複数設けた際には、モジュールケース内を流れるガスは、ガス流出口に向かう程、このガス流出口に向かって流れる傾向となる。本実施形態のガス流出口１５ｂによれば、ガス流出口１５ｂにおけるガスの流出幅がモジュールケース１１ｂの周方向へ広げられるので、モジュールケース１１ｂの内部をガスがより均一に流れ易くなる。その結果、上述したガス流入口１４ｂと同様に、中空糸モジュール１０ｂの内部におけるガスの流れの均一化を図ることができる。
【００５５】
また、本実施形態では、それぞれのガス流出口１５ｂが、モジュールケース１１ｂの周方向において、それぞれのガス流入口１４ｂと位置的に対応して設けられており、かつ、位置的に対応するガス流入口１４ｂと同一の開口形状に形成されている。これにより、ガス流入口１４ｂおよびガス流出口１５ｂによる上述した効果とともに、ガス流入口１４ｂ側とガス流出口１５ｂ側とで対応したガスの流れとなり、中空糸モジュール１０ｂの内部におけるガスの流れの均一化をより有効に図ることができる。
【００５６】
なお、第２または第３の実施形態では詳述しないが、ガス流入口１４ａ，１４ｂとガス導入部３０との位置的な関係、ガス流出口１５ａ，１５ｂとガス排出部４０との位置的な関係は、第１の実施形態の構成と同じであり、上述した効果を奏することができる。また、中空糸モジュール１０ａ，１０ｂの断面形状は、縦横のサイズがオフセットしており、かつ、その外周領域が角部を備えていない形状となっており、第１の実施形態と同様に、ガスの流れの均一化を図ることができる。ただし、円筒形状を有する中空糸モジュール１０ａ，１０ｂであっても第２または第３の実施形態に示す構成が同様に効果を奏することはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる加湿装置の概略斜視図である。
【図２】図１に示す加湿装置１の線分ＡＡにおける断面状態を概略的に示す説明図である。
【図３】加湿装置１の線分ＡＡにおける断面形状の変形例を示す説明図である。
【図４】本発明の第２の実施形態にかかる加湿装置の概略斜視図である。
【図５】本発明の第３の実施形態にかかる加湿装置の概略斜視図である。
【符号の説明】
【００５８】
Ｄ      スイープガス
Ｗ      オフガス
１      加湿装置
１０      中空糸モジュール
１１      モジュールケース
１２      中空糸膜
１３      ポッティング材
１４      ガス流入口
１５      ガス流出口
２０      ハウジング
２１      空間
２１ａ    導入室
２１ｂ    排出室
２２      仕切板
３０      ガス導入部
４０      ガス排出部
【図１】
0004720458.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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