(57)【要約】【課題】加湿性能が高まり、ハウジング長軸方向に負荷される圧縮力及び引張力に対し、オフガス導入孔と加湿ガス排気孔との端面間のハウジングに負荷される応力が一定となり、座屈及び変形を抑制し、ガスリークやガス分配の悪化を防ぎ、ハウジングの損傷を防止できる。【解決手段】筒状のハウジング１１と、ハウジング１１に収納された中空糸膜と、ハウジング１１の周方向に複数個形成され、ハウジング１１周方向の幅を同一とすると共にハウジング１１の長軸方向の幅を変えて、開口面積を変化させたオフガス導入孔１２と、ハウジング１１の周方向に複数個形成され、ハウジング１１周方向の幅を同一とすると共にハウジング１１の長軸方向の幅を変えて、開口面積を変化させた加湿ガス排気孔１３と、を備えることを特徴とする。【選択図】図２  
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状のハウジングと、
前記ハウジングに収納された中空糸膜と、
前記ハウジングの周方向に複数個形成され、前記ハウジング周方向の幅を同一とすると共に前記ハウジングの長軸方向の幅を変えて、開口面積を変化させた乾燥ガス導入孔と、
前記ハウジングの周方向に複数個形成され、前記ハウジング周方向の幅を同一とすると共に前記ハウジングの長軸方向の幅を変えて、開口面積を変化させた加湿ガス排気孔と、
を備えることを特徴とする中空糸膜モジュール。
【請求項２】
前記オフガス導入孔及び前記加湿ガス排気孔の隣接した孔同士の間隔が同一であることを特徴とする請求項１記載の中空糸膜モジュール。
【請求項３】
前記乾燥ガス導入孔及び加湿ガス排気孔は、前記ハウジングの長軸方向の両端から一定の距離をあけて、同一円周上に各々形成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の中空糸膜モジュール。
【請求項４】
筒状のハウジング内に中空糸膜を収納し、前記ハウジングの周方向に複数個の乾燥ガス導入孔及び加湿ガス排気孔を形成し、前記乾燥ガス導入孔及び加湿ガス排気孔のハウジング周方向の幅を同一とすると共に前記ハウジングの長軸方向の幅を変えて、開口面積を変化させた中空糸膜モジュールと、
前記中空糸膜モジュールを収納する収納容器と、
前記収納容器に接続され、乾燥ガスを導入する乾燥ガス導入管と、
前記収納容器に接続され、加湿ガスを排気する加湿ガス排気管と、
を備えることを特徴とする中空糸膜加湿器。
【請求項５】
前記乾燥ガス導入孔は、前記乾燥ガス導入管から距離が遠いほど開口面積が大きくなり、前記加湿ガス排気孔は、前記加湿ガス排気孔から距離が遠いほど開口面積が大きくなることを特徴とする請求項４記載の中空糸膜加湿器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム内の燃料電池の燃料となる空気を供給する空気供給ラインに設置され、空気を加湿する中空糸膜モジュール及び中空糸膜加湿器に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素ガス及び酸素ガスを燃料として用いて発電する装置であり、
発電に伴い排気ガスが生じないため地球環境保護の観点から注目されており、近年、自動車搭載用の動力源としての実用化が進められている。
【０００３】
燃料電池は、発電の基本単位となる単セルを複数個積層して構成される燃料電池スタックを含むものである。単セルは、例えば、固体高分子電解質膜の両面側に各々酸素極及び水素極を接合して一体化した膜電極接合体（MEA: membrane electrode assembly）を有し、酸素極及び水素極に空気中の酸素ガス及び水素ガスを各々供給している。
【０００４】
燃料電池を適用した燃料電池システムでは、酸素を含むカソードガス（空気）を燃料電池に供給するカソードガス流路を備え、カソードガス流路上に、空気を加湿する加湿装置が設置されている。加湿装置は、燃料電池内の反応により生成した水分を豊富に含むオフガスから水分を回収し、回収した水分を利用してカソードガスを加湿した上で燃料電池内に加湿空気を供給している。従来は以下のような、中空糸膜加湿器を適用した加湿装置が開示されている（特許文献１及び特許文献２参照）。
【０００５】
加湿装置内の中空糸膜加湿器では、オフガスをハウジング内に収納された中空糸膜内側に流通させると、毛管現象により中空糸膜外側に移動する。中空糸膜内側から外側に移動した水分は、乾燥ガス導入孔を介して導入された乾燥ガス（空気）を加湿し、加湿ガス排気孔から排気して、図示しない燃料電池に供給され、水分が回収されたオフガスは、加湿装置の系外に排気される。
【０００６】
上記中空糸膜加湿器のハウジングに形成した乾燥ガス導入孔及び加湿ガス排気孔は円形状であり、同一円周上に複数個形成されている。乾燥ガス導入孔及び加湿ガス排気孔は、乾燥ガス導入管から距離が遠い乾燥ガス導入孔の開口面積を大きくし、また、加湿ガス排気管から距離が遠い加湿ガス排気孔の開口面積を大きくしている。乾燥ガス導入孔及び加湿ガス排気孔の開口面積を各種変えて、中空糸膜内部にオフガスを均一に流入し、この結果、中空糸膜加湿器の加湿性能を高めることができる。
【特許文献１】特開２００２−６６２６５号公報（第１０頁、第８図）
【特許文献２】特開２００３−２６５９３３号公報
【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、従来の中空糸膜加湿器では、乾燥ガス導入孔及び加湿ガス排気孔を等間隔に形成したため、各孔の円周方向の幅が異なると、乾燥ガス導入孔及び加湿ガス排気孔の各孔間の長さが異なる。このため、中空糸膜加湿器の長軸方向における圧縮及び引張応力に対し、各孔間に負荷される応力が異なり、この孔間で座屈や変形が生じてしまう可能性があり、ガスのリークやガス分配悪化、中空糸折損により加湿性能が著しく低下してしまう可能性があった。
【０００８】
さらに、従来の中空糸膜加湿器では、開口面積を変えた乾燥ガス導入孔及び加湿ガス排気孔をハウジングに形成した場合であっても、乾燥ガスや加湿ガスの大部分は、手前のオフガス導入孔及び加湿ガス排気孔の付近のみを流れていた。このため、オフガスの大部分は、手前の乾燥ガス導入孔から流入し、乾燥ガス導入管から距離が遠い乾燥ガス導入孔には、乾燥ガスがほとんど導入されないという現象が生じていた。この現象は、乾燥ガス導入孔だけではなく加湿ガス排気孔においても同様に生じており、中空糸膜加湿器内のガスの大部分が、加湿ガス排気孔から排気し、加湿ガス排気管から距離が遠い加湿ガス排気孔からはほとんど排気されないという現象が生じていた。このため、中空糸膜加湿器の加湿性能が低下する要因となっていた。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、すなわち、本発明の中空糸膜モジュールは、筒状のハウジングと、前記ハウジングに収納された中空糸膜と、前記ハウジングの周方向に複数個形成され、前記ハウジング周方向の幅を同一とすると共に前記ハウジングの長軸方向の幅を変えて、開口面積を変化させた乾燥ガス導入孔と、前記ハウジングの周方向に複数個形成され、前記ハウジング周方向の幅を同一とすると共に前記ハウジングの長軸方向の幅を変えて、開口面積を変化させた加湿ガス排気孔と、を備えることを要旨とする。
【００１０】
また、本発明の中空糸膜加湿器は、筒状のハウジング内に中空糸膜を収納し、前記ハウジングの周方向に複数個のオフガス導入孔と加湿ガス排気孔とを形成し、前記乾燥ガス導入孔及び加湿ガス排気孔のハウジング周方向の幅を同一とすると共に前記ハウジングの長軸方向の幅を変えて、開口面積を変化させた中空糸膜モジュールと、前記中空糸膜モジュールを収納する収納容器と、前記収納容器に接続され、乾燥ガスを導入する乾燥ガス導入管と、前記収納容器に接続され、加湿ガスを排気する加湿ガス排気管と、を備えることを要旨とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の中空糸膜モジュールによれば、乾燥ガス導入孔及び加湿ガス排気孔の円周方向の幅が同一であるため、ハウジング長軸方向に負荷される圧縮力及び引張力に対し、乾燥ガス導入孔及び加湿ガス排気孔の各孔間のハウジングに負荷される応力が一定となり、座屈及び変形を抑制し、ガスリークやガス分配の悪化を防止することができる。
【００１２】
また、本発明の中空糸膜加湿器によれば、加湿性能が向上するだけでなく、隣接する各孔間が一定の長さかつ均等に分配されるので、各孔間に負荷される応力が一定となるため、座屈及び変形を抑制してハウジングの損傷を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態に係る中空糸膜加湿器及び中空糸膜加湿器内に収納される中空糸膜モジュールについて、図１から図５までを用いて説明する。
【００１４】
＜第１実施形態（図１〜図４）＞
本実施形態では、燃料電池車両に搭載される燃料電池システム内に設置される中空糸膜加湿器の例を挙げて、図１から図４までを用いて説明する。
【００１５】
図１は、燃料電池自動車に搭載される燃料電池システムの一部の構成を示す図である。なお、燃料電池システムは、移動体である燃料電池自動車の床下に搭載され、燃料電池自動車の駆動源として利用される。図１に示すように、燃料電池システム１は、アノード（燃料極）及びカソード（酸化剤極）を電極として有する燃料電池２を備え、燃料電池２後流側には、中空糸膜加湿器３、燃焼器４及び熱交換器５が各々設置される。
【００１６】
中空糸膜加湿器３は、収納容器２０内に図示しない円筒形状の中空糸膜モジュールを収納している。収納容器２０の長軸方向の両端部には、その上流側に燃料電池２に連結されたオフガス導入管６を接続し、中空糸膜モジュール後流側に燃焼器４に連結されたオフガス排気管７を接続している。
【００１７】
中空糸膜モジュール長軸方向と垂直方向の収納容器２０には、図示しないコンプレッサに連結された乾燥ガス導入管（空気導入管）８を接続し、乾燥ガス導入管８の接続側と対向する側の収納容器２０に燃料電池２に連結した加湿ガス排気管９を接続している。
【００１８】
収納容器２０内に収納された各中空糸膜加湿器モジュールは、燃料電池２から排気されるオフガス中に含まれる水分を回収し、回収した水分を利用して、燃料電池２に供給する空気を加湿している。
【００１９】
図２は、本発明の実施の形態に係る中空糸膜モジュール１０の構成を示す図であり、図３は、図２に示した中空糸膜モジュール１０の展開図である。なお、ここでは、中空糸膜の外側に乾燥ガスを流通させて、中空糸膜の内側にオフガスを流通させる構成としたが、中空糸膜の内側と外側とにより流通させるガスはその逆としても良く、その効果は異なるものではない。
【００２０】
図２に示す中空糸膜モジュール１０は、円筒形状のハウジング１１内に図示しない中空糸膜束を収納しており、中空糸膜束は水分を透過する複数本の中空糸膜から構成される。ハウジング１１長軸方向の両端側には、複数の乾燥ガス導入孔１２及び加湿ガス排気孔１３が同一円周上に形成される。
【００２１】
図３に示すように、乾燥ガス導入孔１２及び加湿ガス排気孔１３は、隣接する孔１２,１３同士を一定の間隔Aをあけて配置している。各孔１２,１３は、その開口面積が異なり、オフガス導入管から距離が遠くなるほど、オフガス導入孔１２の開口面積が大きくなり、加湿ガス排気管から距離が遠くなるほど、加湿ガス排気孔１３の開口面積が大きくなる。
【００２２】
乾燥ガス導入孔１２及び加湿ガス排気孔１３は、ハウジング１１長軸方向の両端部から一定の距離Ｂをあけて配置され、乾燥ガス導入孔１２及び加湿ガス排気孔１３の開口部は、ハウジング１１円周方向の幅Ｃを同一とし、ハウジング１１長軸方向における開口部の幅Ｄを変えて、オフガス導入孔１２及び加湿ガス排気孔１３の開口面積を変化させている。
【００２３】
上記構成の中空糸膜モジュール１０を備えた中空糸膜加湿器３では、燃料電池２から排気されたオフガスは、図示しないオフガス導入管から導入され、オフガス中の水蒸気は中空糸膜内の毛細管により毛管凝縮現象をおこし、毛管内を透過して中空糸膜外側に移動し、水蒸気を分離したオフガスは、図示しないオフガス排気管を介してハウジング１１の系外に排気される。一方、乾燥ガスは、図５の矢印S1及び矢印S2に示すように、乾燥ガス導入管８近くの乾燥ガス導入孔１２だけでなく、乾燥ガス導入管８から距離が遠い乾燥ガス導入孔１２にも流入し、中空糸膜外側に流入する。そして、中空糸膜径内のオフガスから回収した水分により乾燥ガス（乾燥空気）を加湿して、乾燥ガス導入孔と反対側のハウジング１１に形成された加湿ガス排気孔１３から排気される。この時、加湿ガス排気管から近い加湿ガス排気孔だけでなく、加湿ガス排気管から距離が離れた加湿ガス排気孔からもガスが排気され、ガスは中空糸膜加湿器の系外に排気される。
【００２４】
本実施形態によれば、乾燥ガス導入管及び加湿ガス排気管から距離が遠い乾燥ガス導入孔及び加湿ガス排気孔の開口面積を大きくし、乾燥ガスを中空糸膜内部に均一に導入したため、加湿性能を高めることができる。
【００２５】
また、ガス導入孔及び加湿ガス排気孔の開口面積を変える際に、中空糸膜加湿器の円周方向におけるオフガス導入孔及び加湿ガス排気孔の幅を同一としたため、中空糸膜モジュール軸方向に負荷される圧縮力及び引張り力に対し、各ガス導入孔及び加湿ガス排気孔と、中空糸膜モジュール端面間のハウジングに負荷される応力が一定となる。この結果、乾燥ガス導入孔及び加湿ガス排気孔の各孔間での座屈や変形を無くし、ガスリークやガス分配の悪化を低減し、中空糸やハウジングの損傷を防止することができる。
【００２６】
さらに、一定間隔をあけてオフガス導入孔及び加湿ガス排気孔を配置したため、中空糸膜加湿器の長軸方向に負荷される圧縮力に対し、オフガス導入孔及び加湿ガス排気孔の各孔間の長さが一定になり、かつ均一に配置されるので、各孔間のハウジングに負荷される応力が一定となり、均一な圧縮力及び引張力を受ける。
【００２７】
また、本実施形態によれば、中空糸膜モジュールの長軸方向の両端部にオフガス導入孔及び加湿ガス排気孔を形成したため、中空糸膜全体を利用して加湿性能を高めることができる。
【００２８】
＜第２実施形態（図４）＞
本実施形態では、第１実施形態の中空糸膜モジュール及び中空糸膜加湿器を改良したものであり、ハウジング内に収納する中空糸膜の糸切れを防止した中空糸膜モジュール及び中空糸膜加湿器について、図５を用いて説明する。
【００２９】
図５は、第２の実施の形態に係る中空糸膜加湿器の構成を示す図である。図５に示すように、中空糸膜加湿器１４は、オフガス導入管８及び加湿ガス排気管９から距離が遠い位置にのみ乾燥ガス導入孔１２及び加湿ガス排気孔１３を形成している。  上記構成の中空糸膜加湿器１４では、乾燥ガス導入管８から導入される乾燥ガスの流速が減速した上で、乾燥ガス導入孔１２を介してハウジング１２内の中空糸膜外に乾燥ガスを導入している。また、加湿後の加湿ガスは、加湿ガス排気管９の影響をあまり受けず、低流速のまま加湿ガス排気孔１３から排気される。
【００３０】
従って、本実施形態によれば、流速が減速した乾燥ガスがハウジング内の中空糸膜外に導入され、低流速のまま加湿ガスが排出されるため、ハウジング内に収納した中空糸膜の糸切れ等の損傷を防止することができる。また、乾燥ガス導入孔及び加湿ガス排気孔の開口面積を変化させて加湿性能を高めただけでなく、ハウジングに負荷される応力を均一に分散でき、この結果、オフガス導入孔及び加湿ガス排気孔の付近での座屈や変形を無くし、ハウジングの損傷を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第１実施形態を説明する図であり、燃料電池自動車に搭載される燃料電池システムの一部の構成を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態における、中空糸膜加湿器の中空糸膜モジュールの構成を示す図である。
【図３】図２に示す中空糸膜モジュールの展開図である。
【図４】中空糸膜加湿器における、オフガス及び乾燥ガスの流れを示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態を説明する図であり、中空糸膜モジュールの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１…燃料電池システム,
２…燃料電池,
３…中空糸膜加湿器,
４…燃焼器,
５…熱交換器,
６…オフガス導入管,
７…オフガス排気管, 
８…乾燥ガス導入管,
９…加湿ガス排気管,
１０…中空糸膜モジュール, 
１１…ハウジング, 
１２…乾燥ガス導入孔, 
１３…加湿ガス排気孔, 
１４…中空糸膜加湿器, 
２０…収納容器, 
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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