(57)【要約】【課題】オフガス中に含まれる未回収の凝縮水等のオフガス排気口への流出を防止した中空糸膜加湿器を提供する。【解決手段】中空糸膜の内側と外側とにより水を移動させて乾燥ガスを加湿する中空糸膜モジュール１０a,１０bと、中空糸膜モジュール１０a,１０bを収納する収納容器２０と、収納容器２０の中空糸膜モジュール１０a,１０b中心軸方向の投影面Aを除く位置に形成されたオフガス排気口１４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】
中空糸膜の内側と外側とにより水を移動させて乾燥ガスを加湿する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、
前記収納容器の前記中空糸膜モジュール中心軸方向の投影面を除く位置に形成されたオフガス排気口と、
を備えることを特徴とする中空糸膜加湿器。
【請求項２】
前記収納容器の前記中空糸膜モジュールと前記オフガス排気口との間に形成された凝縮水ドレン口を備えることを特徴とする請求項１記載の中空糸膜加湿器。
【請求項３】
前記オフガス排気口と対向する側の収納容器の前記中空糸膜モジュール中心軸上に形成されたオフガス導入口を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の中空糸膜加湿器。
【請求項４】
前記収納容器内に１個又は２個以上の前記中空糸膜モジュールを収納することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の中空糸膜加湿器。
【請求項５】
前記収納容器内に２個以上の前記中空糸膜モジュールを収納した場合に、
前記オフガス排気口は、前記オフガス導入口を中心軸方向に配置した中空糸膜モジュールの中心軸方向の投影面を除く位置に形成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に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、燃料電池車等に搭載される燃料電池システムに設置され、燃料である空気等を加湿する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。例えば、固体高分子電解質膜を適用した燃料電池において、単セルは、固体高分子電解質膜両側に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）を有しており、酸素極及び水素極に酸素ガス及び水素ガスをそれぞれ供給して発電している。
【０００４】
燃料電池を適用した燃料電池発電システムでは、酸素ガス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ており、カソードガス流路上に加湿装置を設置している。加湿装置は、燃料電池内の反応で生成したオフガス中に含まれる水分を回収し、回収した水分によりカソードガス（空気）を加湿した後、燃料電池内に供給している。
【０００５】
燃料電池用の加湿装置として、例えば、従来のカソード加湿器ユニットが挙げられる（特許文献１参照）。
【０００６】
従来のカソード加湿器ユニットは、複数本の中空糸膜モジュールと、これらの中空糸膜モジュール長手方向の両端部に中空糸膜モジュールを並列に連結する入口ヘッドと、出口ヘッドと、を備える。中空糸膜モジュールは、円筒状のハウジング内部に水透過膜から成る多数のチューブ状である多孔質の中空糸膜を束ねた中空糸膜束が収納される。各中空糸膜モジュールのハウジングの一端側は、オフガス入口を有する入口ヘッドに連結されると共に、他端側はオフガス出口を有する出口ヘッドに連結されており、入口ヘッド及び出口ヘッドは、中空糸膜モジュールの中心軸上に形成される。入口ヘッド及び出口ヘッド底部には、各々排水口が設置され、入口ヘッド及び出口ヘッド底部に溜まった水を排水する。
【特許文献１】特開２００２−１８４４４０号公報（第８頁、第２図）
【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、従来のカソード加湿器ユニットでは、燃料電池から流入した凝縮水が加湿器でトラップされず、そのままオフガス排気口に流入してしまっていた。このため、加湿装置下流側に設置された水素燃焼器にて燃焼が不完全となっていた。
【０００８】
また、燃料電池が低温環境下に設置された場合は、オフガス排気口に流入した凝縮水が凍結し、バルブが固着してしまうため、凍結防止用の設備等を別途設置する必要があり、設備が大型化していた。
【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、本発明の中空糸膜加湿器は、中空糸膜の内側と外側とにより水を移動させて乾燥ガスを加湿する中空糸膜モジュールと、中空糸膜モジュールを収納する収納容器と、収納容器の中空糸膜モジュール中心軸方向の投影面を除く位置に形成されたオフガス排気口と、を備えることを要旨とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の中空糸膜加湿器によれば、中空糸膜モジュール中心軸方向の投影面を除く位置の収納容器にオフガス排気口を形成したため、オフガス中に含まれる凝縮水等を収納容器の内壁でトラップすることができ、オフガス排気口から凝縮水等の流出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】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態に係る中空糸膜加湿器について、第１実施形態及び第２実施形態を用いて説明する。
【００１２】
＜第１実施形態（図１、図２）＞
本実施形態では、燃料電池自動車に搭載される燃料電池システムに適用される中空糸膜加湿器を例に挙げて説明する。
【００１３】
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、圧力調整バルブ、燃焼器４及び熱交換器５が各々設置される。
【００１４】
中空糸膜加湿器３は、収納容器２０内に、後述する円筒形状の中空糸膜モジュールを２個収納している。収納容器２０の長手方向の両端部には、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に連結したオフガス排気管７を接続している。
【００１５】
中空糸膜モジュール長手方向に対して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が接続された収納容器２０と反対側に、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。
【００１６】
図２は、中空糸膜加湿器３の構成を説明する図であり、(a)は上面から見た構成を模式的に示す図である。図２(a)に示すように、中空糸膜加湿器３は、収納容器２０内部に２個の中空糸膜モジュール１０a,１０bを収納し、中空糸膜モジュール１０a,１０bの長手方向の両端部に、吸気マニホルド１１及び排気マニホルド１２が形成される。収納容器２０には、一方の中空糸膜モジュール１０aの中心軸上にオフガス導入口１３が形成され、オフガス導入口１３にオフガス導入管６が連結される。排気マニホルド１２側の収納容器２０には、もう一方の中空糸膜モジュール１０bの中心軸上にオフガス排気口１４が形成され、オフガス排気口１４は、オフガス導入口１３を中心軸上にもつ中空糸膜モジュール１０aの軸方向投影面A外に形成され、オフガス排気口１４にはオフガス排気管７が連結される。排気マニホルド１２底部付近には凝縮水ドレン口１５が形成される。
【００１７】
図２（b）は、図２(a)に示す凝縮水ドレン口１５の位置を示す中空糸膜加湿器の短手方向の断面を示す図である。図２（b）に示すように、中空糸膜モジュール１０a及び中空糸膜モジュール１０bの各中心軸上にオフガス導入口１３及びオフガス排気口１４が形成され、中空糸膜モジュール１０aとオフガス排気口１４との間の排気マニホルド１２底部に凝縮水ドレン口１５が形成される。
【００１８】
なお、収納容器２０内に収納される中空糸膜モジュールの詳細な構成は図示しないが、基本的には、円筒形状のハウジング内に固定配置した中空糸膜束を収納し、中空糸膜束は、ストロー形状の多数の中空糸膜を束ねて形成される。ハウジング長手方向の一端の外周面上に、周方向の一直線上に複数個の乾燥ガス導入孔が形成され、他端の外周面上に、周方向の一直線上に複数個の加湿ガス排気孔が形成される。ハウジング長手方向の両端部は、オフガス導入管６及びオフガス排気管７を各々接続している。
【００１９】
次に、上記構成の中空糸膜加湿器での動作を説明する。燃料電池から排気されるオフガス中の未反応空気と燃料電池の化学反応により生成した水蒸気は、図２（a）の矢印Ｔ１に示すように、左右の中空膜モジュール１０a,１０bにある程度分配され、中空糸膜径内に導入される。一方、燃料電池から排出されるガスには、液体成分である多量の凝縮水、液滴やミスト等も含まれている。これらの凝縮水、液滴やミスト等は、重いため慣性が働き、図２（a）の矢印Ｔ４に示すようにほぼ直進する。このため、凝縮水、液滴及びミストの大部分は、オフガス導入口１３直下の中空糸膜モジュール１０aに流入し、中空糸膜モジュール１０bに入ることはない。また中空糸膜モジュール１０aの中心軸上にオフガス導入口１３が形成されるため、吸気マニホルド内で凝縮水がトラップされることはなく中空糸膜モジュール１０aに流入する。このため、凝縮水を加湿に利用でき、より加湿性能を向上させることができる。中空糸膜モジュール１０a,１０b内に流入したオフガス中の水蒸気、凝縮水、液滴やミスト等は、中空糸膜内の毛細管内を透過して中空糸膜の外側に移動する。一方、図２(a)に図示しないコンプレッサに連結した乾燥ガス導入管（空気導入管）８から乾燥ガスを中空糸膜モジュール１０a,１０b内に導入し、乾燥ガスをハウジング周上に形成された複数の乾燥ガス導入孔からハウジング内の中空糸膜外側に流入し、中空糸膜径内のオフガスから移動してきた水分を回収する。回収した水分を利用して乾燥ガスを加湿し、この加湿ガスを、ハウジング反対側に形成された加湿ガス排気孔を介して、中空糸膜モジュール１０a,１０bの外側に排気する。
【００２０】
水分を分離したオフガスの主流は、図２（a）の矢印Ｔ３に示すように、オフガス排気口１４側に流れてオフガス排気管７から排気される。オフガスは、中空糸膜モジュール１０a,１０b内で水分が回収されるが、オフガス中には未回収の水分も含まれる。中空糸膜モジュール１０a内の未回収水分中の凝縮水、液滴等は、その質量のため中空糸膜モジュール１０a内の出口から矢印Ｔ４に示すようにほぼ直進し、排気マニホルド１２内壁に衝突してトラップされ、壁流となり下方に降下する。排気マニホルド１２内で壁流となった凝縮水、液滴等は、図２（a）の矢印Ｔ５に示すように排気マニホルド１２内を流れ、排気マニホルド内に残留することなく凝縮水ドレン口１５から排水される。
【００２１】
本実施形態によれば、中空糸膜モジュール中心軸方向の投影面を除く位置の収納容器にオフガス排気口を形成したため、排気マニホルド内壁で凝縮水をトラップすることができる。また、トラップした凝縮水を凝縮水ドレン口から排水して回収したため、オフガス排気口からの凝縮水流出を防止して中空糸膜加湿器下流の燃焼器への混入を防ぎ、不完全な燃焼を防止することができる。
【００２２】
また、本実施形態によれば、中空糸膜モジュールとオフガス排気口との間に、凝縮水ドレン口を形成したため、容易に凝縮水を回収することができる。
【００２３】
＜第２実施形態（図３）＞
前述した第１実施形態では、２個の中空糸膜モジュールを収納容器内に収納した中空糸膜加湿器を例示したが、本実施形態では、１個の中空糸膜モジュールを収納した例に挙げて、図３により説明する。なお、第１実施形態に示した中空糸膜加湿器３と同一箇所には、同一符号を使用し、その説明を省略する。
【００２４】
図３は、中空糸膜加湿器の構成を説明する図であり、(a)は上面から見た構成を模式的に示す図である。図３(a)に示すように、中空糸膜加湿器１６は、収納容器２０内部に中空糸膜モジュール１０を収納し、中空糸膜モジュール１０長手方向の両端部に、吸気マニホルド１１及び排気マニホルド１２を形成している。
【００２５】
収納容器２０には、中空糸膜モジュール１０中心軸線上に形成されたオフガス導入口１３にオフガス導入管６が接続されており、オフガス排気口１３を中空糸膜モジュール１０軸方向の投影面Bを除く位置に形成している。排気マニホルド１２底部の中空糸膜モジュール１０とオフガス排気口１４との間には、凝縮水ドレン口１５が形成される。
【００２６】
上記構成の中空糸膜加湿器１６では、燃料電池から排気されたオフガス中に含まれる凝縮水、液滴及びミストは、オフガスと共に中空糸膜モジュール１０の中空糸膜径内に流入する。中空糸膜モジュール１０から排出されたオフガスの主流は、図３の矢印Ｓ１に示すようにオフガス排気口１４に流れる。そして、中空糸膜モジュール１０により、第１実施形態で説明した凝縮水等の水分の回収が行われる。中空糸膜モジュール１０から排出された凝縮水等は、その質量が高いため、中空糸膜モジュール１０出口から矢印Ｓ２に示すようにほぼ直進して、排気マニホルド１２内壁に衝突して凝縮水がトラップされ、凝縮水は壁流となり下方へ降下する。壁流となった凝縮水は矢印Ｓ３に示すように流れ、排気マニホルド１２内に溜まることなく、凝縮水ドレン口１５を介して排水される。
【００２７】
なお、図３に示した中空糸膜加湿器１６では、収納容器２０内に１個の中空糸膜モジュール１０を設置した例を挙げたが、収納容器２０内に設置した中空糸膜モジュール１０は、第１実施形態で示したように複数本設置しても良い。例えば、収納容器２０内に２個の中空糸膜モジュール１０を設置する場合は、図４に示すように、オフガス導入口１３が形成された中空糸膜モジュール１０の中心軸方向の投影面Cを除く位置にオフガス排気口１４を形成する。
【００２８】
本実施形態によれば、収納容器内に中空糸膜モジュールを１個収納した場合であっても、排気マニホルド内壁でトラップした凝縮水を凝縮水ドレン口から回収することができ、オフガス排気口からの凝縮水の流出を防ぐことができる。また、収納容器内に中空糸膜モジュールを複数個収納した場合においても、オフガス排気口からの凝縮水の流出を防止できる。
【００２９】
なお、本実施形態においては、燃料電池車両の一例として電気自動車を挙げたが、本発明の中空糸膜加湿器器は、電気自動車等の車両への搭載に限定されるものではなく、電化製品等その他の機関にも適用することが可能であることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明における第１の実施の形態に係る燃料電池システムの一部の構成を示す図である。
【図２】図１に示す中空糸膜加湿器の構成を説明する図であり、(a)は上面から見た構成を模式的に示し、(b)は、側面図である。
【図３】中空糸膜加湿器の構成を説明する図であり、(a)は上面から見た構成を模式的に示し、(b)は側面図である。
【図４】本発明における第２の実施の形態に係る中空糸膜加湿器の構成を示す側面図である。
【符号の説明】
【００３１】
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（空気導入管）,
９…加湿ガス排気管,
１０a,１０b…中空膜モジュール, 
１１…吸気マニホルド,
１２…排気マニホルド,
１３…オフガス導入口,
１４…オフガス排気口,
１５…凝縮水ドレン口,
１６…中空糸膜加湿器,
２０…収納容器,
【図１】
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【図２】
2005158429.tif 000004
【図３】
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【図４】
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