(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状のハウジングと、
前記ハウジング内に収納されると共に、前記ハウジングの長手方向に沿って配した多数の水透過性の中空糸膜と、
を備え、前記中空糸膜の内側と外側にそれぞれ水分含量の異なる気体を通流して前記気体間で水分交換を行い、水分含量の少ない乾燥気体を加湿する燃料電池用の加湿装置であって、
前記ハウジングにおける長手方向の一端部において周方向に複数形成され、前記ハウジング内に前記中空糸膜の外側を通流する気体を導入させ、かつ、前記ハウジングにおける長手方向の一端部に指向して気体を噴射する気体流入口と、
前記複数の気体流入口と連通すると共に１つの外部入口を介して外部と連通するリング状の第１リング空間を内部に有し、前記外部入口からの外部の気体を前記第１リング空間で周方向に通流させつつ前記複数の気体流入口に振り分ける第１リング部材と、
前記ハウジングにおける長手方向の他端部において周方向に複数形成され、前記ハウジング内で前記中空糸膜の外側を通流する気体を導出させる気体流出口と、
前記複数の気体流出口と連通すると共に１つの外部出口を介して外部と連通するリング状の第２リング空間を内部に有し、前記複数の気体流出口からの気体を前記第２リング空間で周方向に通流させつつ集め、前記外部出口を通して外部に排出する第２リング部材と、
を備える
ことを特徴とする加湿装置。
【請求項２】
円筒状のハウジングと、
前記ハウジング内に収納されると共に、前記ハウジングの長手方向に沿って配した多数の水透過性の中空糸膜と、
を備え、前記中空糸膜の内側と外側にそれぞれ水分含量の異なる気体を通流して前記気体間で水分交換を行い、水分含量の少ない乾燥気体を加湿する燃料電池用の加湿装置であって、
前記ハウジングにおける長手方向の一端部において周方向に複数形成され、前記ハウジング内に前記中空糸膜の外側を通流する気体を導入させ、かつ、前記ハウジングにおける長手方向の中央部に向けて気体を噴射する気体流入口と、
前記複数の気体流入口と連通すると共に１つの外部入口を介して外部と連通するリング状の第１リング空間を内部に有し、前記外部入口からの外部の気体を前記第１リング空間で周方向に通流させつつ前記複数の気体流入口に振り分ける第１リング部材と、
前記ハウジングにおける長手方向の他端部において周方向に複数形成され、前記ハウジング内で前記中空糸膜の外側を通流する気体を導出させる気体流出口と、
前記複数の気体流出口と連通すると共に１つの外部出口を介して外部と連通するリング状の第２リング空間を内部に有し、前記複数の気体流出口からの気体を前記第２リング空間で周方向に通流させつつ集め、前記外部出口を通して外部に排出する第２リング部材と、
を備える
ことを特徴とする加湿装置。
【請求項３】
前記複数の気体流入口から噴射される気体が旋回流となるように、軸方向視において、前記複数の気体流入口は、半径方向に対して斜めである
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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加湿装置に関し、さらに詳しくは、中空糸膜を利用した加湿装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電気自動車の動力源などとして燃料電池が注目されている。この燃料電池には、いわゆる固体高分子型燃料電池のものがある。この固体高分子型の燃料電池においては、燃料電池から排出された湿潤気体であるオフガスの水分を乾燥気体に水分交換する加湿装置が用いられている。このような燃料電池に用いられる加湿装置としては、電力消費量が少ないものが好適である。また、取り付けスペースが小さい、いわばコンパクト性が求められる。そのため、加湿装置としては超音波加湿、スチーム加湿、気化式加湿、ノズル噴射などの種類があるものの、燃料電池に用いられる加湿装置としては、中空糸膜を用いたものが好適に利用されている。
【０００３】
従来の中空糸膜を用いた加湿装置として、たとえば特開平７−７１７９５号公報に開示されたものがある。この加湿装置について図１０を用いて説明すると、加湿装置１００は、ハウジング１０１を有している。ハウジング１０１には、乾燥エアを導入する第一の流入口１０２および乾燥エアを排出する第一の流出口１０３が形成されており、ハウジング１０１の内部に多数、たとえば５０００本の中空糸膜からなる中空糸膜束１０４が収納されている。
【０００４】
また、ハウジング１０１の両端部には、中空糸膜束１０４の両端部を開口状態で固定する固定部１０５，１０５′が設けられている。固定部１０５の外側には、湿潤エアを導入する第二の流入口１０６が形成されており、固定部１０５′の外側には、中空糸膜束１０４によって水分を分離・除去された湿潤エアを排出する第二の流出口１０７が形成されている。さらに、固定部１０５，１０５′はそれぞれ第二のヘッドカバー１０８および第二のヘッドカバー１０９によって覆われている。また、第二の流入口１０６は第一のヘッドカバー１０８に形成されており、第二の流出口１０７は第二のヘッドカバー１０９に形成されている。
【０００５】
このように構成された中空糸膜を用いた加湿装置１００において、第二の流入口１０６から湿潤エアを供給して中空糸膜束１０４を構成する各中空糸膜内を通過させると、湿潤エア中の水分は、中空糸膜の毛管作用によって分離され、中空糸膜の毛管内を透過して、中空糸膜の外側に移動する。水分を分離させられた湿潤エアは、第二の流出口１０７から排出される。
【０００６】
一方、第一の流入口１０２からは乾燥エアが供給される。第一の流入口１０２から供給された乾燥エアは、中空糸膜束１０４を構成する中空糸膜の外側を通流する。中空糸膜の外側には、湿潤エアから分離させられた水分が移動してきており、この水分によって乾燥エアが加湿される。そして、加湿された乾燥エアは第一の流出口１０３から排出されるというものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図１０に示す従来の加湿装置１００においては、乾燥エアを導入する第一の流入口１０２は、ハウジング１０１の長手方向における中央に寄った位置に形成されている。このため、ハウジング１０１に収納された中空糸膜束１０４における中空糸膜の外側を通る乾燥エアは、ハウジング１０１内で黒矢印で示すように、そのほとんどがハウジング１０１内の長手方向中央部を流れている。したがって、中空糸膜束１０４における端部に寄ったエリアＳでは、充分な水分交換が行われていなかったので、中空糸膜内の透過水量に対して、水回収率が低くなってしまうという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明の課題は、ハウジングに収納された中空糸膜束における端部でも水分交換を充分行うことができるようにすることによって、水回収率の向上を図ることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決した本発明は、円筒状のハウジングと、前記ハウジング内に収納されると共に、前記ハウジングの長手方向に沿って配した多数の水透過性の中空糸膜と、を備え、前記中空糸膜の内側と外側にそれぞれ水分含量の異なる気体を通流して前記気体間で水分交換を行い、水分含量の少ない乾燥気体を加湿する燃料電池用の加湿装置であって、前記ハウジングにおける長手方向の一端部において周方向に複数形成され、前記ハウジング内に前記中空糸膜の外側を通流する気体を導入させ、かつ、前記ハウジングにおける長手方向の一端部に指向して気体を噴射する気体流入口と、前記複数の気体流入口と連通すると共に１つの外部入口を介して外部と連通するリング状の第１リング空間を内部に有し、前記外部入口からの外部の気体を前記第１リング空間で周方向に通流させつつ前記複数の気体流入口に振り分ける第１リング部材と、前記ハウジングにおける長手方向の他端部において周方向に複数形成され、前記ハウジング内で前記中空糸膜の外側を通流する気体を導出させる気体流出口と、前記複数の気体流出口と連通すると共に１つの外部出口を介して外部と連通するリング状の第２リング空間を内部に有し、前記複数の気体流出口からの気体を前記第２リング空間で周方向に通流させつつ集め、前記外部出口を通して外部に排出する第２リング部材と、を備えることを特徴とする加湿装置である。
【００１０】
このような加湿装置によれば、前記ハウジング内に中空糸膜の外側を通流する気体を導入する気体流入口が、ハウジングにおける長手方向の一端部に形成されている。このため、中空糸膜の外側を通流する気体をハウジング内の一端部に行き渡らせることができるので、中空糸膜束における一端部でも水分交換を充分行うことができ、水回収率の増加に貢献する。
【００１１】
また、ハウジングにおける一端部に向けて中空糸膜の外側を通流する気体を噴射する。このため、ハウジングの一端部まで中空糸膜の外側を通流する気体を行き渡らせることができる。しかも、気体流入口（噴射手段）によって中空糸膜の外側を通流する気体を噴射することによって中空糸膜束の中央部近傍まで中空糸膜の外側を通流する気体を行き渡らせることができる。したがって、中空糸膜束の中心部および一端部においても充分に水分交換することができ、さらに水回収率を向上させることができる。
【００１２】
また、前記課題を解決した本発明は、円筒状のハウジングと、前記ハウジング内に収納されると共に、前記ハウジングの長手方向に沿って配した多数の水透過性の中空糸膜と、を備え、前記中空糸膜の内側と外側にそれぞれ水分含量の異なる気体を通流して前記気体間で水分交換を行い、水分含量の少ない乾燥気体を加湿する燃料電池用の加湿装置であって、前記ハウジングにおける長手方向の一端部において周方向に複数形成され、前記ハウジング内に前記中空糸膜の外側を通流する気体を導入させ、かつ、前記ハウジングにおける長手方向の中央部に向けて気体を噴射する気体流入口と、前記複数の気体流入口と連通すると共に１つの外部入口を介して外部と連通するリング状の第１リング空間を内部に有し、前記外部入口からの外部の気体を前記第１リング空間で周方向に通流させつつ前記複数の気体流入口に振り分ける第１リング部材と、前記ハウジングにおける長手方向の他端部において周方向に複数形成され、前記ハウジング内で前記中空糸膜の外側を通流する気体を導出させる気体流出口と、前記複数の気体流出口と連通すると共に１つの外部出口を介して外部と連通するリング状の第２リング空間を内部に有し、前記複数の気体流出口からの気体を前記第２リング空間で周方向に通流させつつ集め、前記外部出口を通して外部に排出する第２リング部材と、を備えることを特徴とする加湿装置である。
【００１３】
このような加湿装置によれば、中空糸膜の外側を通流する気体をハウジングの長手方向一端部から中央部に向けて噴射する。この中空糸膜の外側を通流する気体の気流によって、ハウジング内の全域にわたって中空糸膜の外側を通流する気体を供給することができる。その結果、ハウジングの端部を含めた全域における中空糸膜束から水分を有効に回収することができ、もって水回収率を向上させることができる。
【００１４】
また、前記加湿装置において、前記複数の気体流入口から噴射される気体が旋回流となるように、軸方向視において、前記複数の気体流入口は、半径方向に対して斜めであることを特徴とする。
【００１５】
このような加湿装置によれば、中空糸膜の外側を通流する気体をハウジング内に噴射する際に、旋回流としている。中空糸膜の外側を通流する気体を旋回流としてハウジング内に噴射することにより、中空糸膜の外側を通流する気体を乱流とすることができる。中空糸膜の外側を通流する気体を乱流とすることにより、中空糸膜の外側を通流する気体をハウジング内の端部に至るまで効率的に行き渡らせるとともに、ハウジング内における中空糸膜の外側を通流する気体の滞留時間を長くすることができ、もって水回収率の向上に寄与することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して具体的に説明する。
図１は、燃料電池システムの全体構成図、図２は、燃料電池の構成を模式化した説明図である
まず、図１を参照して、本発明の実施の形態に係る加湿装置が適用される燃料電池システムの全体構成および作用について説明する。
【００１８】
燃料電池システムＦＣＳは、固体高分子型の燃料電池１、加湿装置２、気液分離装置３、空気圧縮機４、燃焼器５、燃料蒸発器６、改質器７、ＣＯ除去器８および水・メタノール混合液貯蔵タンク（以下「タンク」という）Ｔ等から構成される。
【００１９】
燃料電池１の内部は、酸素極側１ａと水素極側１ｂに分かれており、酸素極側１ａには酸化剤ガスとしての加湿空気が供給され、水素極側１ｂには燃料ガスとしての水素リッチガスが供給される。そして、電解質膜を介して水素と酸素とを化学反応させて化学エネルギから電気エネルギを取り出して発電を行う。
【００２０】
加湿空気は、乾燥気体である空気を圧縮し加湿することにより生成する。ここで、空気の圧縮は空気圧縮機４で行い、加湿は加湿装置２で行う。加湿装置２での空気の加湿は、燃料電池１の酸素極側１ａから排出され水分を多量に含むオフガスと相対的に水分を少量しか含まない空気との間で、水分の交換を行うことによりなされるが、この点は後に詳細に説明する。
【００２１】
一方、燃料ガスは、原燃料である水とメタノールの混合液を蒸発、改質およびＣＯ除去を行うことにより発生する。ここで、原燃料の蒸発は燃料蒸発器６で、改質は改質器７で、ＣＯ除去はＣＯ除去器８で行う。
【００２２】
燃料蒸発器６にはタンクＴに貯蔵された原燃料がポンプＰを介して供給され、改質器７には燃料蒸発器６で蒸発した原燃料ガスが供給され、ＣＯ除去器８には改質器７で改質された燃料ガスが供給される。なお、改質器７では触媒の存在下、メタノールの水蒸気改質および部分酸化が行われる。また、ＣＯ除去器８では触媒の存在下で選択酸化が行われ、ＣＯがＣＯ2に転換される。ＣＯ除去器８は、ＣＯの濃度を可及的に低減するため、Ｎｏ．１ＣＯ除去器とＮｏ．２ＣＯ除去器の２つから構成される。また、ＣＯ除去器８には、選択酸化用の空気が空気圧縮機４から供給される。
【００２３】
なお、燃料電池１からは、反応生成物である水を多量に含む酸素極側１ａのオフガスおよび未利用の水素を含む水素極側１ｂのオフガスが同時に発生するが、酸素極側１ａのオフガスは、前記の通り加湿器２で空気の加湿用に使用された後、水素極側１ｂのオフガスと混合され、気液分離装置３で水分が除去される。そして、水分が除去されたオフガスは、燃焼器５で燃焼され燃料蒸発器６の熱源として使用される。なお、燃焼器５には、メタノールなどの補助燃料および空気が供給され、燃料蒸発器６の熱量不足を補ったり燃料電池システムＦＣＳの起動時の暖機を行ったりする。
【００２４】
次に、図２を参照して、燃料電池システムの中核をなす燃料電池の構成および作用について説明する。この図２における燃料電池１は、その構成を模式化して１枚の単セルとして表現してある（実際には燃料電池１は、単セルを２００枚程度積層した積層体として構成される）。
【００２５】
図２に示すように、燃料電池１は、電解質膜１３を挟んで酸素極側１ａと水素極側１ｂとに分けられ、それぞれの側に白金系の触媒を含んだ電極が設けられており、酸素極１２および水素極１４を形成している。そして、酸素極側ガス通路１１には酸化剤ガスとして加湿装置２で加湿された加湿空気が通流され、水素極側ガス通路１５には原燃料から発生した水素リッチな燃料ガスが通流される。電解質膜１３としては固体高分子膜、たとえばプロトン交換膜であるパーフロロカーボンスルホン酸膜を電解質として用いたものが知られている。この電解質膜１３は、固体高分子中にプロトン交換基を多数持ち、飽和含水することにより常温で２０Ω-プロトン以下の低い比抵抗を示し、プロトン導伝性電解質として機能する。したがって、触媒の存在下で水素極１４で水素がイオン化して生成したプロトンは、容易に電解質膜１３中を移動して酸素極１２に到達する。そして、酸素極１２に到達したプロトンは、触媒の存在下、加湿空気中の酸素から生成した酸素イオンと直ちに反応して水を生成する。生成した水は、加湿空気とともに湿潤気体であるオフガスとして燃料電池１の酸素極側１ａの出口から排出される。なお、水素極１４では水素がイオン化する際に電子ｅ-が生成するが、この生成した電子ｅ-はモータなどの外部負荷Ｍを経由して酸素極１２に達する。
【００２６】
このように加湿した加湿空気を酸化剤ガスとして燃料電池１に供給するのは、電解質膜１３が乾燥すると電解質膜１３におけるプロトン導伝性が低くなって発電効率が低下するからである。従って、固体高分子型の燃料電池１を使用する燃料電池システムＦＣＳにおいては、加湿が重要な意義を有する。
【００２７】
続いて、図３ないし図６を参照して本発明の第１の実施形態に係る加湿装置について説明する。なお、図３ないし図９においては、本発明の「中空糸膜の内側を通流する気体」であるオフガスの流れを白矢印で示し、「本発明の中空糸膜の外側を通流する気体」である乾燥空気（加湿空気）の流れを黒矢印で示す。
第１の実施形態に係る加湿装置２は、図３（ａ）に示すように、略円柱形をした中空糸膜モジュール２１を並列に２本有するとともに、箱型をした一端側分配器２２および他端側分配器２３を有し、全体として直方体形状とされている。２本の中空糸膜モジュール２１，２１は、一端側分配器２２および他端側分配器２３により水平に所定の間隔を置いて配置され固定されている。また、各中空糸膜モジュール２１，２１のそれぞれには、一端側分配器２２を介して乾燥空気の供給および湿潤したオフガスの排出、他端側分配器２３を介して乾燥空気が加湿されてなる加湿空気の排出およびオフガスの供給がなされる。
【００２８】
中空糸膜モジュール２１は、図３（ｂ）に示すように、ハウジング２１ａを有している。このハウジング２１ａには、図４および図５に示すように、その長手方向に沿って配した水透過性の中空糸膜を束ねて構成された中空糸膜束２１ｂが収納されている。中空糸膜は、内側から外側に達する口径数ｎｍ（ナノメートル）の微細な毛管を多数有しており、毛管中では、蒸気圧が低下して容易に水分の凝縮が起こる。凝縮した水分は、毛管現象により吸い出されて水が中空糸膜を透過する。
【００２９】
ハウジング２１ａは、両端が開放された中空円筒形状をしており、その長手方向の一端側に乾燥空気をハウジング２１ａ内に導入する８個の乾燥空気流入口２１ｃ，２１ｃ…が周方向に離間して形成されている。また、ハウジング２１ａにおける長手方向の他端側には、加湿された加湿空気の流出口となる８個の加湿空気流出口２１ｄ，２１ｄ…が周方向に離間して形成されている。ハウジング２１ａの一端側に形成された乾燥空気流入口２１ｃ，２１ｃ…は、図５に示すように、ハウジング２１ａ内における長手方向の一端部に指向して形成されており、乾燥空気を噴射する噴射手段となるノズルとされている。すなわち、本実施形態では、乾燥空気流入口２１ｃ，２１ｃ…が、本発明の噴射手段となるノズルをも構成する。
【００３０】
また、これらの乾燥空気流入口２１ｃ，２１ｃ…は、図６に示すように、ハウジング２１ａの半径方向に沿って形成されている。したがって、乾燥空気流入口２１ｃ，２１ｃ…から導入された乾燥気体は、それぞれハウジング２１ａの中心軸方向に向けて噴射されるようになっている。
【００３１】
また、ハウジング２１ａの一端部に形成された乾燥空気流入口２１ｃ，２１ｃ…は、図５に示すように、ハウジング２１ａの一端部を周方向に囲むリング部材２１ｅの内部と連通している。このリング部材２１ｅの内部を通流した乾燥空気が各乾燥空気流入口２１ｃ，２１ｃ…に振り分けられ、各乾燥空気流入口２１ｃ，２１ｃ…からハウジング２１ａ内に乾燥空気が導入される。
【００３２】
さらに、ハウジング２１ａの他端部に形成された加湿空気流出口２１ｄ，２１ｄ…は、ハウジング２１ａの他端部を周方向に囲むリング部材２１ｆの内部と連通している。加湿空気流出口２１ｄ，２１ｄ…から排出した加湿空気は、リング部材２１ｆによって集められて排出される。
【００３３】
一方、ハウジング２１ａに収容される中空糸膜束２１ｂは、中空通路を有する水透過性の中空糸膜を多数、たとえば数千本束ね、一端部側にポッティング部２１ｇ、他端部側にポッティング部２１ｈを設けるようにしてポッティングされている。ハウジング２１ａの一端部側に設けられたポッティング部２１ｇは、乾燥気体流入口２１ｃ，２１ｃ…が形成されている位置より若干端部側に位置している。したがって、本実施形態では、ハウジング２１ａのうち、ポッティング部２１ｇ，２１ｈで挟まれた部位が実質的に本発明にいうハウジングとなり、本発明にいう「ハウジングにおける長手方向の端部」は、本実施形態ではポッティング部２１ｇが形成された位置の若干長手方向内側となる。具体的に乾燥気体流入口２１ｃ，２１ｃ…を形成する位置は、ハウジングにおけるポッティング部２１ｇが形成されている位置から１０ｃｍ以内の位置とするのが望ましく、より望ましくは５ｃｍ以内、さらに望ましくは３ｃｍ以内の位置である。もちろん、ポッティング部２１ｇと乾燥気体流入口２１ｃ，２１ｃ…とが接する位置であってもよい。
【００３４】
また、ポッティング部２１ｇの外側にはオフガス流出口２１ｉが形成されている一方、ポッティング部２１ｈのさらに外側にはオフガス流入口２１ｊが形成されている。こうして、ポッティング部２１ｇ，２１ｈを隔てた場合に、オフガス流入口２１ｊおよびオフガス流出口２１ｉは、中空糸膜束２１ｂを形成する各中空糸膜の内側と連通し、各中空糸膜の外側とオフガス流入口２１ｊおよびオフガス流出口２１ｉとは気密状態を保つようになっている。こうして、中空糸膜の内側である中空通路を通流するオフガスと中空糸膜の外側を通流する乾燥空気が混合しないようになっている。さらには、オフガス流入口２１ｉから流入したオフガスは、ポッティング部２１ｈよりも外側の位置において各中空糸膜に分配され、各中空糸膜から排出されたオフガスはポッティング２１ｇよりも外側位置で集められるようになっている。このような中空糸膜モジュール２１は、ハウジング２１ａに所定数の中空糸膜の束を挿通し、両端面近傍を接着剤で充分接着固定してポッティング部２１ｇ，２１ｈを形成した後、ハウジング２１ａの両端に沿って中空糸膜の束を切断除去することにより作成される。
【００３５】
一端側分配器２２は、他端側分配器２３とともに２本の中空糸膜モジュール２１，２１を所定の位置関係で固定している。この一端側分配器２２は、オフガス出口２２ａおよび乾燥空気入口２２ｂを有する。オフガス出口２２ａは、図４（ａ），（ｂ）に示すように、一端側分配器２２の内部に配した内部流路２２ａ′によって各中空糸膜モジュール２１，２１のオフガス流出口２１ｉと連通している。また、乾燥空気入口２２ｂは、図４（ａ），（ｃ）に示すように、一端側分配器２２の内部に配した内部流路２２ｂ′によって各中空糸膜モジュール２１，２１の一端部側に形成された乾燥空気流入口２１ｃ，２１ｃ…のと連通している。
【００３６】
一方、他端側分配器２３には、オフガス入口２３ａおよび加湿空気出口２３ｂが形成されている。オフガス入口２３ａは、他端側分配器２３の内部に配した内部流路２３ａ′によって各中空糸膜モジュール２１，２１のオフガス流入口２１ｊと連結されている。また、加湿空気出口２３ｂは、他端側分配器２３の内部に配した内部流路２３ｂ′によって、各中空糸膜モジュール２１，２１の他端部側に形成された乾燥空気流出口２１ｄ，２１ｄ…と連通している。
【００３７】
このように中空糸膜モジュール２１をパッケージングすることにより、取り扱いの容易さを確保しつつ省スペース化を図ることができる。
【００３８】
次に、図３ないし図６を参照して本発明に係る加湿装置２の作用を説明する。白矢印で示す湿潤気体であるオフガスは、図３および図４に示す他端側分配器２３のオフガス入口２３ａから加湿装置２に流入する。他端側分配器２３に流入したオフガスは、内部流路２３ａ′を経由して中空糸膜モジュール２１のオフガス流入口２１ｊに達する。このオフガス流入口２１ｊを介してハウジング２１ａ内に流入したオフガスは、中空糸膜束２１ｂにおける各中空糸膜に向けて分岐し、その内側を通流する。中空糸膜の内側を通流したオフガスは、各中空糸膜を抜け出てオフガス流出口２１ｉから流出される。オフガス流出口２１ｉから流出したオフガスは、一端側分配器２２の内部通路２２ａ′を通流して合流する。そして、オフガス出口２２ａに達してオフガス出口２２ａから排出され、後段の気液分離装置３に向かう。
【００３９】
一方、黒矢印で示す乾燥気体である乾燥空気は、一端側分配器２２の乾燥空気入口２２ｂから加湿装置２に入り、内部流路２２ｂ′を経由して分配され、各中空糸膜モジュール２１，２１の一端部側に設けられた図５に示すリング部材２１ｅ内に導入される。リング部材２１ｅ内に導入された乾燥空気は、リング部材２１ｅ内を通流して乾燥空気流入口２１ｃ，２１ｃ…に振り分けられ、乾燥空気流入口２１ｃ，２１ｃ…からハウジング２１ａ内に導入される。ハウジング２１ａ内に導入された乾燥空気は、中空糸膜の外側を通流する。このとき、中空糸膜の外側を乾燥空気が通流し、中空糸膜の内側にはオフガスが通流しており、中空糸膜によってオフガスから水分が分離されている。この分離された水分によって、中空糸膜の外側を通流する乾燥空気が加湿されて加湿空気となる。
【００４０】
この点についてさらに説明すると、中空糸膜の内側に水分を多く含有するオフガスを通流し、外側に相対的に水分を少ししか含有しない乾燥空気を通流する。すると、中空糸膜の内側ではオフガス中の水分が凝縮し、外側では乾燥空気によって水分が蒸発する。同時に、中空糸膜の内側から外側に向けて、内側で凝縮したオフガスの水分が毛管現象により供給される。これにより、中空糸膜の外側を通流する乾燥空気の加湿が行われる。つまり、中空糸膜においては、中空糸膜の内側と外側を通流する気体の水分含有量の差を推進力として、水透過（水分離）が行われる。
【００４１】
こうして得られた加湿空気は、加湿空気流出口２１ｄ，２１ｄ…からリング部材２１ｆに達する。リング部材２１ｆに達した加湿空気は、図４（ａ）に示す他端側分配器２３における内部流路２３ｂ′に向けて排出される。内部流路２３ｂ′では、各中空糸膜モジュール２１，２１から排出された加湿空気が集められて加湿空気出口２３ｂに向かい、その後、加湿空気出口２３ｂを経て後段の気液分離装置３に供給される。
【００４２】
このようにして、オフガスと乾燥空気との間で水分交換が行われるが、本発明においては、図５に示すように、ハウジング２１ａ内に乾燥空気を導入する乾燥空気流入口２１ｃ，２１ｃ…は、ハウジング２１ａの長手方向の一端部に形成されている。このため、ハウジング２１ａ内における端部にも乾燥空気を導入することができる。しかも、乾燥空気流入口２１ｃ，２１ｃ…はハウジング２１ａ内における長手方向の一端部に指向して形成されたノズルとされている。
【００４３】
このため、図５に黒矢印で示すように、乾燥空気流入口２１ｃ，２１ｃ…から導入される乾燥空気は、ハウジン２１ａの一端部側に設けられたポッティング２１ｇに向けて噴出される。したがって、より好適にハウジング２１ａ内における一端部側におけるエリアＳにまで乾燥空気を行き渡らせることができ、エリアＳにおいても、水分交換が充分に行われる。しかも、乾燥空気流入口２１ｃ，２１ｃ…から噴射される乾燥空気は、ハウジング２１ａにおける軸中心を向いている。このため、ハウジング２１ａ内に収納されている中空糸膜束２１ｂの軸中心部にまで、乾燥空気が充分に行き渡り、中空糸膜２１ｂの軸中心部においても、充分に水分交換を行うことができる。こうして、中空糸膜束２１ｂの全体において充分に水分交換ができるので、水回収率を向上させることができる。
【００４４】
次に、本発明の第２の実施形態について図５および図７を参照して説明する。図７は、第２の実施形態に係る中空糸膜モジュールの乾燥空気流入口部分の断面図である。なお、本実施形態における中空糸膜モジュールの側断面図は、前記第1の実施形態と同様であるので、図５を参照するとともに、その記載を省略する。本実施形態は、前記第１の実施形態と比較して、中空糸膜モジュールにおける乾燥空気流入口が異なるのみで他の部分は同様の構成を有する。そのため、乾燥空気流入口について説明し、他の部分についてはその説明を省略する。
【００４５】
第１の実施形態においては、図６に示すように、８個の乾燥空気流入口２１ｃ，２１ｃ…が、それぞれハウジング２１ａの半径方向に沿って延在するように形成されている。
また、本変形例では、図５および図７に示すように、本発明に旋回流発生手段となる８個の乾燥空気流入口３１ｃ，３１ｃ…（図５では２１ｃ，２１ｃ…に相当する）は、前記実施形態と同様にハウジング３１ａにおける一端部側に指向している。これに対して、８個の乾燥空気流入口３１ｃ，３１ｃ…がハウジング３１ａの半径方向から斜め方向を向いて形成されている点において異なる。なお、本実施形態では、乾燥空気流入口３１ｃ，３１ｃ…は、本発明にいう乾燥気体流入口を構成するとともに、本発明にいう噴射手段および旋回流発生手段をも構成することになる。
【００４６】
本実施形態においては、乾燥空気流入口３１ｃ，３１ｃ…がハウジング３１ａの半径方向から斜め方向を向いて形成されていることにより、ノズルとされた乾燥空気流入口３１ｃ，３１ｃ…からハウジング３１ａ内に噴射される乾燥空気は、図7に示すように、ハウジング３１ａ内で旋回流となる。ハウジング３１ａ内に旋回流として乾燥空気を噴射した場合、ハウジング３１ａ内において乾燥気体を乱流とすることができる。こうして乾燥気体を乱流とすることにより、乾燥気体をハウジング内の端部に至るまで効率的に行き渡らせるとともに、ハウジング内における乾燥気体の滞留時間を長くすることができる。したがって水分交換がより好適に行われるので水回収率の向上に寄与する。
【００４７】
旋回流となって導入された乾燥気体も、前記の実施形態と同様にハウジング３１ａ内を通流する際に、ハウジング３１ａに収納された中空糸膜の外側を通流するとともに中空糸膜内を通流するオフガスの水分によって加湿されて加湿気体となる。そして、加湿気体流出口から排出されて、適宜の流路を経て図１に示す後段の気液分離装置３に供給される。
【００４８】
続いて、第１の参考形態について説明する。本参考形態に係る加湿装置は、前記第２の実施形態同様、前記第１の実施形態と比較して中空糸膜モジュールの乾燥空気流入口が異なるのみで他の部分は同様の構成を有する。乾燥空気流入口について説明し、他の部分については第１の実施形態と同一の番号を付してその説明を省略する。
【００４９】
図８に示すように、本参考形態に係る中空糸膜モジュール４１においては、乾燥空気流入口としてハウジング４１ａの一端部に噴射口４１ｃ，４１ｃが形成されている。この噴射口４１ｃ，４１ｃは、図３および図４に示す入口側分配器２２における内部流路２２ｂ′と直接連通している。
【００５０】
そして、入口側分配器２２における内部通路２２ｂ′から噴射口４１ｃ，４１ｃに直接供給された乾燥空気は、噴射口４１ｃ，４１ｃからハウジング４１ａ内における一端部に向けて噴射される。
【００５１】
このように、ハウジング４１ａの一端部方向に向けて乾燥空気が噴射されることにより、ハウジング４１ａ内における一端部にまで乾燥空気を行き渡らせることができる。したがって、ハウジング４１ａの端部においても水分交換が充分に行われるので、水回収率を向上させることができる。
【００５２】
続いて、本発明の第３の実施形態について説明する。本実施形態に係る加湿装置は、前記第２の実施形態および第１の参考形態と同様、前記第１の実施形態と比較して中空糸膜モジュールの乾燥空気流入口が異なるのみで他の部分は同様の構成を有する。乾燥空気流入口について説明し、他の部分については第１の実施形態と同一の番号を付してその説明を省略する。
【００５３】
図９に示すように、本実施形態に係る中空糸膜モジュール５１は、ハウジング５１ａを有しており、このハウジング５１ａの一端部側に、乾燥空気流入口５１ｃが形成されている。この乾燥空気流入口５１ｃ，５１ｃ…は、ハウジング５１ａにおける長手方向の中央部に向けて乾燥空気を噴射する噴射手段となるノズルとされている。また、ハウジング５１ａの一端部に形成された乾燥空気流入口５１ｃ，５１ｃ…は、ハウジング５１ａの一端部を周方向に囲むリング部材５１ｅの内部と連通している。このリング部材５１ｅの内部を通流した乾燥空気が各乾燥空気流入口５１ｃ，５１ｃ…に振り分けられ、各乾燥空気流入口５１ｃ，５１ｃ…からハウジング５１ａ内に乾燥空気が導入される。
【００５４】
本実施形態においては、ハウジング５１ａの端部に形成された乾燥空気流入口５１ｃ，５１ｃ…からハウジング５１ａの長手方向中央部に向けて乾燥空気が噴射される。このため、ハウジング５１ａ内においては、ハウジング５１ａの全域にわたって乾燥空気を通流させることができる。したがって、ハウジング５１ａ内における端部を含めた全域にわたって乾燥空気を通流させることができるので、ハウジング５１ａ内の全域において水分交換を行うことができる。その結果、水回収率を向上させることができる。
【００５５】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、前記の各実施形態に限定されるものではない。たとえば、ハウジング内においてオフガスと乾燥空気を向流となるように通流させているが、並流となるように通流させる態様とすることもできる。
【００５６】
このとき、乾燥空気とオフガスを向流とするメリットとしては、中空糸膜内の湿度濃度差を均一化することができるので、水透過効率が向上することが挙げられる。また、気体の入口と出口が対向することになるので、ガス配管のレイアウト性が向上する。さらには、中空糸膜による熱交換効率が良くなるので、ガスの冷却性能が向上する。しかも、熱交換率が高いので、乾燥空気の出口の温度をオフガスの出口の温度に合わせやすいため、温度調節が容易となる。したがって、燃料電池へ供給する空気の湿度を管理しやすくなる。
【００５７】
ここで、加湿装置が有する温度調節機能について補足する。
例えば、スーパーチャージャなどの空気圧縮機で圧縮された乾燥空気は、おおよそ３０℃（燃料電池のアイドリング時）〜１２０℃（燃料電池の最高出力時）の間で温度が変化する。一方、燃料電池は温度調節下約８０℃で運転され、８０℃＋α程度のオフガスが排出される。このオフガスと空気圧縮機で圧縮された乾燥空気を加湿装置に通流すれば、中空糸膜において水分移動とともに熱移動も起こり、乾燥空気はオフガスに近い温度（つまり燃料電池の運転温度に近い安定した温度）の加湿空気になって燃料電池に供給される。即ち、乾燥空気は、燃料電池のアイドリング時などの低出力時には加湿装置により加湿および加温されて燃料電池に供給され、燃料電池の最高出力時などの高出力時には加湿装置により加湿および冷却され、安定した温度範囲の加湿空気として燃料電池に供給される。したがって、加湿装置が有する温度調節機能により燃料電池を好適な温度条件で運転することができ、燃料電池の発電効率が高くなる。
【００５８】
また、空気圧縮機の吐出側にインタークーラが取り付けられる場合は、空気圧縮機で圧縮された乾燥空気は冷却（又は加温）され、おおよそ５０℃（燃料電池のアイドリング時）〜６０℃（燃料電池の最高出力時）の間で温度が変化する。このインタークーラを通過した乾燥空気をオフガス（８０℃＋α）が通流する加湿装置に通流すれば、乾燥空気は、中空糸膜において加湿および温度調節（加温）されオフガスに近い温度、つまり燃料電池の運転温度に近い安定した温度範囲の加湿空気になって燃料電池に供給される。したがって、インタークーラが取り付けられた場合も、加湿装置が有する温度調節機能により燃料電池を好適な温度条件で運転することができ、燃料電池の発電効率が高くなる。
【００５９】
一方、乾燥空気とオフガスを並流とするメリットとしては、乾燥空気とオフガスが入口部分で湿度濃度差が高いので、加湿効率が向上するため、中空糸膜自体の全長を短縮できるので、装置の小型化に寄与することが挙げられる。また、装置を小型化できるので、中空糸を整列させて束ねることが容易となり、これらのことにより、コストの低減に寄与する。さらには、乾燥空気の熱交換率が低くなるので、高出力時に燃料電池に供給するガス温度を高めに設定することができる。したがって、燃料電池の効率を向上させることができる。
【００６０】
また、加湿装置は中空糸膜モジュールを２本備えているが、１本やそれ以外の本数でもよいことはいうまでもない。さらに、前記各実施形態では「中空糸膜の内側を通流する気体」をオフガスとし、「中空糸膜の外側を通流する気体」を乾燥空気としているが、これらを逆にすることもできる。
【００６１】
また、前記第３の実施形態および第１の参考形態において、旋回流発生手段を設けることもできるし、噴射手段を設けることなく単にハウジングの端部から乾燥空気を導入する態様とすることもできる。
【００６２】
なお、中空糸膜モジュールなどのハウジング内における乾燥空気（加湿空気）が通流する部分に水分が凝縮して水溜りを生じると、中空糸膜の外側の表面積を有効に活用することができなくなるおそれがある。したがって、ハウジング内に水溜りが生じないように、中空糸膜モジュールなどの下方からも、加湿空気を抜き出せるようにしておくのが好ましい。このようにすることで、凝縮した水を加湿空気とともに容易にハウジング内から抜き出すことができ、水溜りの発生を防止する。なお、抜き出した水は、キャッチタンクなどにより捕集し、他の系に廻すなどして再利用するのが好ましい。
【００６３】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、中空糸膜の外側を通流する気体をハウジング内の端部に行き渡らせることができるので、中空糸膜束における端部でも水分交換を充分行うことができ、水回収率の増加に貢献することができる。
【００６４】
また、ハウジングの端部まで中空糸膜の外側を通流する気体を行き渡らせることができる。しかも、噴射手段によって中空糸膜の外側を通流する気体を噴射することによって中空糸膜束の中央部近傍まで中空糸膜の外側を通流する気体を行き渡らせることができる。したがって、中空糸膜束の中心部および端部においても充分に水分交換することができ、さらに水回収率を向上させることができる。
【００６５】
また、ハウジングの端部を含めた全域において中空糸膜束からも水分を有効に回収することができ、もって水回収率を向上させることができる。
【００６６】
また、中空糸膜の外側を通流する気体を乱流とすることにより、中空糸膜の外側を通流する気体をハウジング内の隅々まで効率的に行き渡らせるとともに、ハウジング内における中空糸膜の外側を通流する気体の滞留時間を増加させることができ、もって水回収率の向上に寄与することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  燃料電池システムの全体構成図である。
【図２】  燃料電池の構成を摸式化した説明図である。
【図３】  （ａ）は、本発明に係る加湿装置を示す斜視図、（ｂ）は、中空糸膜モジュールの斜視図である。
【図４】  （ａ）は、本発明に係る加湿装置の側断面図、（ｂ）は、（ａ）のＸ−Ｘ線断面図、（ｃ）は、（ａ）のＹ−Ｙ線断面図である。
【図５】  第１の実施形態に係る中空糸膜モジュールの側断面図である。
【図６】  第１の実施形態に係る中空糸膜モジュールの乾燥空気流入口部分の縦断面図である。
【図７】  第２の実施形態に係る中空糸膜モジュールの乾燥空気流入口部分の縦断面図である。
【図８】  第１の参考形態に係る中空糸膜モジュールの側断面図である。
【図９】  第３の実施形態に係る中空糸膜モジュールの側断面図である。
【図１０】  従来の加湿装置の側断面図である。
【図１】
0004477730.tif 000002
【図２】
0004477730.tif 000003
【図３】
0004477730.tif 000004
【図４】
0004477730.tif 000005
【図５】
0004477730.tif 000006
【図６】
0004477730.tif 000007
【図７】
0004477730.tif 000008
【図８】
0004477730.tif 000009
【図９】
0004477730.tif 000010
【図１０】
0004477730.tif 000011