(57)【要約】【課題】容積当たりの加湿性能が高く、耐久性に優れた燃料電池の加湿装置を提供する。【解決手段】中空糸膜９の内部を流れる第１のガスと、中空糸膜９の外部を流れる第２ガスとの間で水分交換を行う加湿装置１であって、第２のガスの入口側と出口側とで、前記第２のガスが相対的に湿潤かつ低温である側に、相対的に孔径の大きいかつ耐熱性の低い中空糸膜９Ａを配置し、一方、前記第２のガスが相対的に乾燥かつ高温である側に、相対的に孔径の小さいかつ耐熱性の高い中空糸膜９Ｂを配置した。【選択図】図１
2007328994.tif 000002
【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、前記中空糸膜の外部を流れる第２ガスとの間で水分交換を行う加湿装置であって、
前記加湿装置は、
複数本の中空糸膜からなる中空糸膜束をケース内に収容してなる中空糸膜モジュールと、前記中空糸膜モジュール全体を覆うハウジングとを備え、
前記ハウジングは、
前記中空糸膜の内部を通る第１のガスを前記ハウジングに導入する第１ガス導入管と、
前記中空糸膜の内部を通った前記第１のガスを前記ハウジングの外部に導出する第１ガス導出管と、
前記中空糸膜の外部を通る第２のガスを前記ハウジングに導入する第２ガス導入管と、
前記中空糸膜の外部を通った第２のガスを前記ハウジングの外部に導出する第２ガス導出管とを備え、
前記第２のガスの入口側と出口側とで、前記第２のガスが相対的に湿潤かつ低温である側に、相対的に孔径の大きいかつ耐熱性の低い中空糸膜を配置し、一方、前記第２のガスが相対的に乾燥かつ高温である側に、相対的に孔径の小さいかつ耐熱性の高い中空糸膜を配置した
ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池の加湿装置であって、
前記第１のガスが、加湿される非加湿ガスであり、
前記第２ガス導入管側で前記孔径が大きくかつ耐久性の低い中空糸膜を配置し、
前記第２ガス導出管側で前記孔径が小さくかつ耐久性の高い中空糸膜を配置した
ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池の加湿装置であって、
前記第１ガス導入管と前記第１ガス導出管を前記ハウジング端面に、前記第２ガス導入管と前記第２ガス導出管を前記ハウジング側面に配置した
ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池の加湿装置であって、
前記ハウジングを前記中空糸膜束の長手方向が水平となるよう配置し、
前記第２ガス導入管は前記ハウジングの下側側面に配置し、前記第２ガス導出管は前記ハウジングの上側側面に配置した
ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。
【請求項５】
請求項３に記載の燃料電池の加湿装置であって、
前記第２ガス導入管および前記第２ガス導出管は前記ハウジングの上側側面に配置し、前記中空糸膜モジュール内部に溜めた水を用いて非加湿ガスを加湿する
ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池の加湿装置であって、
液水の介在する範囲の単位断面積あたりの中空糸膜本数をその他の部位に比べて多くした
ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。
【請求項７】
請求項１に記載の燃料電池の加湿装置であって、
前記第２のガスが、加湿される非加湿ガスであり、
前記第２ガス導入管側で耐熱性の高い中空糸膜を配置し、
前記第２ガス導出管側で耐熱性の低い中空糸膜を配置した
ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池の加湿装置であって、
前記第１ガス導入管と前記第１ガス導出管を前記ハウジング端面に、前記第２ガス導入管と前記第２ガス導出管を前記ハウジング側面に配置した
ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料電池の加湿装置であって、
前記第２ガス導入管は前記ハウジングの下側側面に配置し、前記第２ガス導出管は前記ハウジングの上側側面に配置した
ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の燃料電池の加湿装置であって、
前記第１のガスと前記第２のガスのモジュール内流れ方向が同一方向となるように流入させた
ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。
【請求項１１】
請求項１に記載の燃料電池の加湿装置であって、
前記第２のガスが、加湿される非加湿ガスであり、
前記第２のガス導入管側は前記第２ガス導出管側より熱交換性能の高い糸とし、
前記第１ガス導入管と前記第１ガス導出管を前記ハウジング端面に、前記第２ガス導入管と前記第２ガス導出管を前記ハウジング側面に配置した
ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。
【請求項１２】
請求項１に記載の燃料電池の加湿装置であって、
前記第２のガスが、加湿される非加湿ガスであり、
前記中空糸膜モジュール円周方向内側を外側より耐熱性の高い糸とし、
前記第１ガス導入管と前記第１ガス導出管を前記ハウジング端面に、前記第２ガス導入管と前記第２ガス導出管を前記ハウジング側面に配置した
ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の加湿装置に関し、詳細には、容積当たりの加湿性能を高める技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば燃料電池システムにおいて好適に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（例えば、特許文献１など参照）。中空糸膜を用いた加湿装置は、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気体から水分を分離して中空糸膜外部に移動させ、中空糸膜外部を流れる乾燥気体を加湿するものである。
【０００３】
燃料電池システムでは、このような加湿装置を、燃料電池スタックから排出後の水蒸気を豊富に含んだ湿潤気体と、燃料電池スタックに供給前の乾燥した乾燥気体との間で水分交換を行って、乾燥気体を加湿するための加湿装置として利用している。
【０００４】
この場合、加湿装置は、例えば中空糸膜の束をハウジング内に収容した中空糸膜モジュールを有する構成とされ、湿潤気体を湿潤気体導入管から中空糸膜内を流れるように中空糸膜モジュール内に流入させ、また、乾燥気体を乾燥気体導入管から、ハウジングの全周に亘って所定間隔で形成された複数の乾燥気体流入孔を介して中空糸膜の外部を流れるように中空糸膜モジュール内に流入させる。
【０００５】
そして、中空糸膜内外における水蒸気分圧の差によって湿潤気体の水分を中空糸膜外に透過させ、この透過した水分によって中空糸膜外を流れる乾燥気体を加湿している。その後、加湿された乾燥気体は、乾燥気体導出管から流出し、燃料電池スタックへと供給される。
【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】
【０００６】
上述した従来の加湿装置で設計上の問題として、中空糸膜として水蒸気透過膜を用いた場合、水蒸気透過膜の水蒸気透過性能は膜の孔径が大きいものほど性能が高くなる一方、湿潤気体から乾燥気体側への水蒸気以外の空気漏れ（以下、クロスリークという）の発生量も高くなるという問題点があり、一定以上の孔径を有する中空糸膜を加湿器に用いることには限界があった。
【０００７】
クロスリーク量は、中空糸膜の孔径と、雰囲気の相対湿度で決定され、孔径が大きいほど相対湿度が低いほど発生し易い。一方、加湿器内部には、大きな相対湿度の分布が存在している。従来技術では、最も乾燥した部位の環境に合わせてクロスリークが起きない膜を選定し加湿器に用いていたが、クロスリーク量の少ない膜は水蒸気透過性能が低いという問題点があった。
【０００８】
また、使用上の問題において、従来技術の加湿器では、水蒸気透過に伴い水蒸気透過中空糸膜細孔表面の親水処理剤が剥離することによって膜表面の物性が疎水性化され、水蒸気の毛管凝縮が阻害され、結果として水蒸気透過性能が低下（以下、ドライアップという）していた。
【０００９】
水蒸気透過性能は、経時的に低下し続け、単位時間当りの低下代は運転温度が高い程大きくなるため、目標とする運転温度より高い耐熱性の中空糸膜を選択する必要があった。膜の組成を調整することで耐熱性をあげることが例えば特開２００５−００９０２２号公報に記載があるが、一方で、耐熱性能が高い膜は元の親水処理剤の含有量が少ない為、初期の水蒸気透過性能が低くなるという問題点があった。
【００１０】
そこで本発明は、上記した実状に鑑みて提案されたものであり、容積当たりの加湿性能が高く、耐久性に優れた燃料電池の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】
【００１１】
本発明は、中空糸膜の内部を流れる第１のガスと、前記中空糸膜の外部を流れる第２ガスとの間で水分交換を行う加湿装置であって、前記加湿装置は、複数本の中空糸膜からなる中空糸膜束をケース内に収容してなる中空糸膜モジュールと、前記中空糸膜モジュール全体を覆うハウジングとを備え、前記ハウジングは、前記中空糸膜の内部を通る第１のガスを前記ハウジングに導入する第１ガス導入管と、前記中空糸膜の内部を通った前記第１のガスを前記ハウジングの外部に導出する第１ガス導出管と、前記中空糸膜の外部を通る第２のガスを前記ハウジングに導入する第２ガス導入管と、前記中空糸膜の外部を通った第２のガスを前記ハウジングの外部に導出する第２ガス導出管とを備え、前記第２のガスの入口側と出口側とで、前記第２のガスが相対的に湿潤かつ低温である側に、相対的に孔径の大きいかつ耐熱性の低い中空糸膜を配置し、一方、前記第２のガスが相対的に乾燥かつ高温である側に、相対的に孔径の小さいかつ耐熱性の高い中空糸膜を配置したことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、中空糸膜モジュール内に介在する温度分布及び湿度分布に着目し、中空糸膜の外部を通る第２のガスの湿度が相対的に高く、温度が相対的に低い部分に孔径の大きい中空糸膜を配置することで、容積当たりの加湿性能が高く、耐久性に優れた加湿器を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１４】
「第１実施形態」
図１は第１実施形態における燃料電池の加湿装置の一例を示す構成図、図２（Ａ）は図１のＡ−Ａ線における横断面図、図２（Ｂ）は中空糸膜の要部拡大斜視図である。
【００１５】
本実施の形態の加湿装置１に接続される燃料電池２は、水素ガスが供給されるアノードと酸素を含有する空気（酸化剤ガス）が供給されるカソードとが電解質・電極触媒複合体（膜電極接合体（MEA:membrane electrode assembly））を挟んで重ね合わせた発電セルを、多段積層したスタック構造をなし、電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギへと変換する。
【００１６】
アノードでは、供給される水素が、水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、カソードにそれぞれ移動する。カソードでは、供給された空気中の酸素と上記水素イオンおよび上記電子が反応して水が生成されて外部に排出される。
【００１７】
燃料電池２の電解質には、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化などを考慮して、例えば固体高分子電解質を用いる。固体高分子電解質は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜など、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなり、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ことから、この燃料電池２においては水を供給して供給ガス（酸化剤ガス）を加湿することが必要となる。
【００１８】
加湿装置１は、図１に示すように、湿潤気体、具体的には燃料電池（燃料電池スタック）２から排出された水蒸気を豊富に含む水素ガス又は空気（以下、湿潤気体と称する。）と、乾燥気体、具体的にはコンプレッサ３で加圧・昇温された燃料電池２に供給するための水素ガス又は空気（以下、乾燥気体と称する。）との間で水分交換を行って乾燥気体を加湿するものであり、水透過膜として中空糸膜を用いた中空糸膜モジュール（中空糸膜束とそれを収容するケースのこと）を備えている。
【００１９】
以上のような構成の水透過膜型の加湿装置１では、例えば乾燥した乾燥気体（加湿される非加湿ガスである第１のガス）が中空糸膜内に供給される一方で、中空糸膜の外側に水分を含んだ湿潤気体（第２のガス）が供給されると、中空糸膜内の厚さ方向に形成された細孔(毛細管)内に水分が凝縮(毛細管凝縮)し、中空糸膜の内外における水蒸気分圧差により、水分が当該中空糸膜の外側から内側へと透過する。空気は中空糸膜内の細孔内に水分が凝縮されることによって流れが阻害され、結果的に湿潤気体中の水蒸気のみが選択的に乾燥気体側へ透過する。この透過した水分は、中空糸膜束の内側に供給された乾燥気体と接触し気化することで加湿される。水分の透過としては、前記した場合の他、湿潤気体を中空糸膜の内部に流し、乾燥気体を中空糸膜の外側に流す場合のどちらでも水交換が行われる。
【００２０】
加湿装置１は、図１及び図２に示すように、複数本の中空糸膜を束ねてなる中空糸膜束４とこの中空糸膜束４を内部に収容する筒状のケースである収容ケース５とからなる中空糸膜モジュール６と、この中空糸膜モジュール６全体を覆うハウジング７とを備えている。
【００２１】
中空糸膜束４は、長手方向に亘って貫通する細孔である流通路８を内部に形成した断面円形状の細長いストロー形状をなす中空糸膜９からなり、それら中空糸膜９の複数本を束ねて円柱形状とされたものである。この中空糸膜９の中心部に形成された流通路８には、前記したコンプレッサ３で加圧・昇温された乾燥した酸化剤ガス（第１のガス）が導入される。中空糸膜９は、複数本を束ねて円柱体とされた後、その両端にポッティング剤（接着剤）にて固定される。
【００２２】
収容ケース５は、円柱体とされた中空糸膜束４をその内部に収容する、両端が開放された筒状のケースとして形成されている。この収容ケース５の外周壁には、燃料電池２から排出される湿潤気体を中空糸膜９の外側を通って前記中空糸膜束４の内部へと流入させるためのガス導入孔と、中空糸膜束４内部を流れた湿潤気体を中空糸膜モジュール６外へと導出させるためのガス導出孔とが形成されている。これらガス導入孔及びガス導出孔は、図示は省略するが、後述する第２ガス導入管と第２ガス導出管の近傍部にそれぞれ複数形成されている。
【００２３】
ハウジング７は、中空糸膜９の内部に形成された流通路８を通る第１のガスである乾燥気体（酸化剤ガス）をハウジング７に導入する第１ガス導入管１０と、中空糸膜９の内部を通った第１のガスをハウジング７の外部に導出する第１ガス導出管１１と、中空糸膜９の外部を通る第２のガスである湿潤気体（燃料電池２から排出された水分を豊富に含んだオフガスである排出ガス）をハウジング７に導入する第２ガス導入管１２と、中空糸膜９の外部を通った第２のガスをハウジング７の外部に導出する第２ガス導出管１３と、を有している。
【００２４】
第１ガス導入管１０と第１ガス導出管１１は、第１のガスの流れ方向における前記ハウジング７の両端７ａ、７ｂにそれぞれ配置されている。これら第１ガス導入管１０及び第１ガス導出管１１は、何れもハウジング７の直径よりも小さな径とされた円筒形のパイプとして形成されている。
【００２５】
第２ガス導入管１２と第２ガス導出管１３は、第１のガスの流れ方向とほぼ垂直に交差する前記第２のガスの流れ方向における前記ハウジング７の側面に配置されている。ハウジング７は、ハウジング７内の中空糸膜束４の長手方向が、水平になるように配置され、第２ガス導入管１２は、前記ハウジング７の下側側面７ｃに配置され、第２ガス導出管１３は、前記ハウジング７の上側側面７ｄに配置されている。これら第２ガス導入管１２と第２ガス導出管１３は、何れもハウジング７の直径よりも小さな径とされた円筒形のパイプとして形成され、第１のガスの流れ方向における前記ハウジング７のほぼ中央部に設けられている。
【００２６】
このように構成された加湿装置１では、コンプレッサ３で加圧・昇温された酸化剤ガス（第１のガス）は、第１ガス導入管１０からハウジング７内へ導入され、前記中空糸膜モジュール６の各中空糸膜９に形成された流通路８をそれぞれ流れる。一方、燃料電池２のカソードから排出された水分を含む湿潤気体（第２のガス）は、第２ガス導入管１２からハウジング７内へ導入され、前記中空糸膜９の外部を流れる。
【００２７】
水分を含む湿潤気体（排出ガス）が中空糸膜９の外部を流れると、各中空糸膜９内に形成された毛管（流通路８）内に水分が凝縮（毛細管凝縮）、分離し、乾燥気体（酸化剤ガス）との水蒸気分圧差により、当該水分が中空糸膜９の外側から内側へ透過する。この透過した水分が乾燥気体と接触、気化することで、各中空糸膜９の内部を流れる乾燥気体が加湿される。加湿された乾燥気体（酸化剤ガス）は、第１ガス導出管１１からハウジング７の外部へ導出された後、前記した燃料電池２に供給される。第２ガス導入管１２から導入された湿潤気体は、水分交換終了後、第２ガス導出管１３からハウジング７の外部へと導出される。
【００２８】
ところで、従来の加湿器においては、クロスリーク量を燃料電池システムが要求する値以下に抑えるため想定している運転条件内で、当該クロスリーク量が最も大きくなる乾燥状態でのリーク量を目標とするリーク量以下に抑えるよう中空糸膜を選定していた。クロスリーク量は、中空糸膜９の流通路８における孔径と、気体の相対湿度による表面の濡れ状態で決定され、孔径が大きいほど、また、相対湿度が低いほど発生し易い。なお、クロスリークとは、中空糸膜９の流通路８に水の凝縮（毛管凝縮）が起きずに空気が透過する現象をいう。
【００２９】
一方、加湿器内の中空糸膜９は、高い水交換性能を持つため、内部に大きな相対湿度の分布を有している。湿潤気体入口付近（第２ガス導入管１２付近）は、相対湿度が高いため、孔径の大きい中空糸膜を使ってもクロスリーク量が少なく、高い加湿性能を同時に得られる。図１の実施形態では、第２ガス導入管１２の湿潤気体入口付近では湿度が高いため、この第２ガス導入管１２の近傍に設けられた中空糸膜を、その他の部位の中空糸膜に比べて孔径の大きい中空糸膜とする。
【００３０】
具体的には、図２（Ａ）に示すように、湿潤気体（第２のガス）の入口側（第２ガス導入管１２側）と出口側（第２ガス導出管１３側）とで、前記湿潤気体が相対的に湿潤かつ低温である第２ガス導入管１２の近傍部に、相対的に孔径の大きい（流通路８Ａが大きい）かつ耐熱性の低い中空糸膜９Ａを配置し、一方、湿潤気体が相対的に乾燥かつ高温である第２ガス導出管１３の近傍部に、相対的に孔径の小さい（流通路８Ｂが小さい）かつ耐熱性の高い中空糸膜９Ｂを配置する。図１では、相対的に孔径の大きいかつ耐熱性の低い中空糸膜９Ａを配置した領域をＳＡで表し、相対的に孔径の小さいかつ耐熱性の高い中空糸膜９Ｂを配置した領域をＳＢで表している。
【００３１】
本実施形態の燃料電池の加湿装置によれば、中空糸膜モジュール６内に存在する温度分布と湿度分布に着目し、中空糸膜９の外部を通る第２のガスの湿度が相対的に高く、温度が相対的に低い部分に孔径の大きい中空糸膜９Ａを配置することで、容積当たりの加湿性能が高く、耐久性に優れた加湿器となる。
【００３２】
また、本実施形態の燃料電池の加湿装置によれば、第１のガスを加湿される非加湿ガス（酸化剤ガス）とし、さらに第２ガス導入管１２側で孔径が大きく耐久性の低い中空糸膜９Ａを配置し、第２ガス導出管１３側で孔径が小さく耐久性の高い中空糸膜９Ｂを配置しているので、湿潤気体入口付近である第２ガス導入管１２近傍部は相対湿度が高いことから孔径の大きな中空糸膜９Ａを使ってもクロスリーク量が少なく、高い加湿性能を得ることができる。
【００３３】
また、本実施形態の燃料電池の加湿装置によれば、第１ガス導入管１０と第１ガス導出管１１をハウジング７の端面７ａ、７ｂに、第２ガス導入管１２と第２ガス導出管１３をハウジング７の側面７ｃ、７ｄに配置したので、第１のガスの流れに対して第２のガスをほぼ垂直に交差する方向に流すことができる。
【００３４】
また、本実施形態の燃料電池の加湿装置によれば、第２ガス導入管１２をハウジング７の下側側面７ｃに配置し、第２ガス導出管１３をハウジング７の上側側面７ｄに配置したので、湿潤気体の経路が狭いほど気体が圧縮される作用で凝縮しやすくなることから凝縮した液水は重力の影響で鉛直方向下方に溜まり、凝縮水が溜まるにつれ、中空糸の素材によっては糸の膨張がおき、さらに凝縮水が経路を塞ぐことで凝縮しやすい構造となる。
【００３５】
「第２実施形態」
図３は第２実施形態における燃料電池の加湿装置の一例を示す構成図である。
【００３６】
第２実施形態における燃料電池の加湿装置では、図３に示すように、第２ガス導入管１２および第２ガス導出管１３は前記ハウジング７の上側側面７ｄにそれぞれ配置し、前記中空糸膜モジュール６内部に溜めた水（液水）を用いて乾燥気体である非加湿ガス（第１のガス）を加湿するようにしたものである。本実施形態の加湿装置では、その他の構成については第１実施形態と同様であり、第１実施形態と共通する部材には同一の符号を付すと共にその説明は省略するものとする。
【００３７】
第１実施形態では、第２ガス導入管１２をハウジング７の下側側面７ｃに設けると共に第２ガス導出管１３をハウジング７の上側側面７ｄに設けたが、第２実施形態では、これら第２ガス導入管１２及び第２ガス導出管１３を共にハウジング７の上側側面７ｄの両端近傍部にそれぞれ設けている。
【００３８】
また、本実施形態の加湿装置では、相対的に孔径の大きいかつ耐熱性の低い中空糸膜９Ａを配置した領域ＳＡが液水の介在する領域（範囲）となるため、この領域ＳＡには単位断面積あたりの中空糸膜９の本数（中空糸充填密度）を他の部位（前記した相対的に孔径の小さいかつ耐熱性の高い中空糸膜９Ｂを配置した領域ＳＢ）に比べて多くしている。
【００３９】
このように構成した燃料電池の加湿装置によれば、ハウジング７の上側側面７ｄに第２ガス導入管１２を設けたので、中空糸膜モジュール６内の底部に凝縮によって液水が介在する。そのため、この実施形態の加湿装置では、加湿性能向上、ドライアップ防止、クロスリーク量低下の効果を得ることができる。
【００４０】
また、中空糸膜９を水蒸気が透過するには、湿潤気体（第２のガス）側からみて水蒸気から中空糸膜９内部へ液体になって入る凝縮、中空糸膜９内部の液体状態での拡散、中空糸膜９表面から乾燥気体（第１のガス）側へ水蒸気として蒸発という３段階のプロセスを経て成る。ここで加湿媒体が液体の場合、第１段階のプロセスである凝縮が省略されるため、加湿性能向上には有利である。
【００４１】
本実施形態では、上記現象に着目し中空糸膜モジュール６内部で凝縮して発生する液水を積極的に利用する構成としている。液水が介在する範囲（ハウジング７のほぼ中心から底部に亘る範囲）では、前述のようにクロスリークが発生し難い状況にあるので、その他の部位に比べ、ドライアップやクロスリークが発生しやすい性質を持つ水蒸気透過膜を使用することができ、加湿器全体の水蒸気透過性能を高くすることとなり、結果として加湿器の熱劣化によって起こる性能低下により決定される当該加湿器１の使用可能時間が延びる。
【００４２】
また、従来構造では、中空糸膜９の充填密度は湿潤気体の流れに不均一な部分を生じさせることが要因で一定以上高くできなかったが、液水が介在する範囲では、湿潤気体を常に一定量供給する必要が無いため、中空糸膜９の充填密度を高くすることが可能となる。したがって、本実施形態の加湿装置によれば、液水が介在する範囲に、単位断面積あたりの中空糸膜９の本数をその他の部位に比べて多くしたので、水交換性能をより一層高めることができる。
【００４３】
「第３実施形態」
図４は第３実施形態における燃料電池の加湿装置の一例を示す構成図である。
【００４４】
第３実施形態における燃料電池の加湿装置では、図４に示すように、中空糸膜９の内部を通る第１のガスを燃料電池２から排出された湿潤気体とし、中空糸膜９の外部を通る第２のガスを加湿される非加湿ガスである乾燥気体とした。また、本実施形態の加湿装置では、第２ガス導入管１２側で耐熱性の高い中空糸膜９Ｂを配置し、第２ガス導出管１３側で耐熱性の低い中空糸膜９Ａを配置している。本実施形態の加湿装置では、その他の構成については第１実施形態と同様であり、第１実施形態と共通する部材には同一の符号を付すと共にその説明は省略するものとする。
【００４５】
第１実施形態では、第１ガス導入管１０を介して中空糸膜９の内部（流通路８）にコンプレッサ３で加圧・昇温させた乾燥気体（酸化剤ガス）を第１のガスとして流す一方で、第２ガス導入管１２を介して中空糸膜９の外部を燃料電池２から排出された水分を豊富に含んだ湿潤気体（排出ガス）を第２のガスとして流したが、第３実施形態では、第１ガス導入管１０には燃料電池２から排出された湿潤気体を第１のガスとして流し、第２ガス導入管１２にはコンプレッサ２からの乾燥気体を第２のガスとして流す。
【００４６】
ドライアップは、中空糸膜９内部の親水化処理剤の脱水反応によって進行する現象であり、中空糸膜９雰囲気の温度及び相対湿度によって決定され、温度が高いほど、相対湿度が低いほどドライアップし易い傾向をもつ。前述の通り、加湿器１の内部では、温度及び湿度ともに分布を持っており、乾燥気体入口付近は気体温度が高く、相対湿度が低いため最もドライアップし易い部位である。
【００４７】
水蒸気透過膜は、水交換性能、熱交換性能がともに高いため、ドライアップする条件となっているのは加湿器１の一部となる。しかし、一度入口付近からドライアップが始まると、下流の相対湿度が時間とともに低下し、ドライアップする領域も増大し、結果として運転時間が経過するにつれ加湿器全体の水蒸気透過性能は低下しつづける。
【００４８】
そこで、乾燥気体入口近傍のみ（第１実施形態における相対的に孔径の大きいかつ耐熱性の低い中空糸膜９Ａを配置した領域ＳＡ）を耐熱性の高い糸（中空糸膜）とすることで、入口近傍の中空糸膜９だけでなく加湿器全体のドライアップを防止できる。乾燥気体入口近傍以外の部位（第１実施形態における相対的に孔径の小さいかつ耐熱性の高い中空糸膜９Ｂを配置した領域ＳＢ）では、通常の水蒸気透過性能が高い中空糸膜９を用いることで、加湿器全体の水蒸気透過性能を高くでき、結果として加湿器１の熱劣化によって起こる性能低下により決定される前記加湿器１の使用可能時間を延ばすことができる。
【００４９】
「第４実施形態」
図５は第４実施形態における燃料電池の加湿装置の一例を示す構成図である。
【００５０】
第４実施形態における燃料電池の加湿装置では、図５に示すように、図４で示した第３実施形態の加湿装置における第２ガス導入管１２を第１ガス導入管１０近傍部に配置すると共に第２ガス導出管１３を第１ガス導出管１１近傍部に配置することで、第１のガスと第２のガスの中空糸膜モジュール６内流れ方向を同一方向（パラレルフロー）となるように流入させたものである。本実施形態の加湿装置では、その他の構成については第３実施形態と同様であり、第３実施形態と共通する部材には同一の符号を付すと共にその説明は省略するものとする。
【００５１】
一般的に２流体間で、熱移動や物資移動を行う場合、２流体を対向に流すカウンターフローが２流体を平行に流すパラレルフローよりも効率的であることが一般的に知られている。従来技術の加湿器もこの思想で設計されており、一般的には、カウンターフローに近い構成とする。
【００５２】
ところが、加湿装置１の中の雰囲気に着目した場合、カウンターフローの構成では、湿潤気体出口近傍（第２ガス導出管１３の近傍部）に乾燥気体が導入されることになり、当該部位では高温で乾燥しやすい条件になっている。そこで、本実施形態の加湿装置１では、前記したように構成してパラレルフローとすることで、最もドライアップし易い乾燥気体入口付近に湿潤気体を流入させ、雰囲気の相対湿度を上昇させてドライアップを防止することが可能となる。
【００５３】
「第５実施形態」
図６は第５実施形態における燃料電池の加湿装置の一例を示す構成図である。
【００５４】
第５実施形態における燃料電池の加湿装置では、図６に示すように、第２ガス導入管１２側を第２ガス導出管１３側よりも熱交換性能の高い糸としたものである。本実施形態の加湿装置では、その他の構成については第３実施形態と同様であり、第３実施形態と共通する部材には同一の符号を付すと共にその説明は省略するものとする。
【００５５】
具体的には、第３実施形態の構成に加えて、第２ガス導入管１２側に設けられる部分（第１実施形態における相対的に孔径の大きいかつ耐熱性の低い中空糸膜９Ａを配置した領域ＳＡ）に配置した中空糸膜９には、第２ガス導出管１３側に設けられた部分（第１実施形態における相対的に孔径の小さいかつ耐熱性の高い中空糸膜９Ｂを配置した領域ＳＢ）に配置した中空糸膜９よりも熱交換性能の高い糸を使用する。
【００５６】
一般的な燃料電池システムでは、コンプレッサ（圧縮機）３の下流に熱交換器を設ける。これは、圧縮によって乾燥気体の温度が高くなるが、中空糸膜モジュール６を用いた加湿装置１や、燃料電池スタックの耐熱性によって所定の温度まで下げる必要があったからである。一方、燃料電池システム簡素化のために、部品点数削減が求められている。そこで、本実施形態の加湿装置１におけるように、乾燥気体温度が高い第２ガス導入口近傍部（第２ガス導入管１２の近傍側）に熱交換性能の高い糸を使って積極的に熱交換を行うことで、熱交換器を削減し同時に下流の中空糸膜９の雰囲気温度を低減させ長寿命化を達成させることができる。
【００５７】
「第６実施形態」
図７は第６実施形態における燃料電池の加湿装置の一例を示す構成図、図８は図７のＢ−Ｂ線における横断面図である。
【００５８】
第６実施形態における燃料電池の加湿装置では、図７及び図８に示すように、中空糸膜モジュール６の円周方向内側を外側より耐熱性の高い糸としたものである。本実施形態の加湿装置では、その他の構成については第３実施形態と同様であり、第３実施形態と共通する部材には同一の符号を付すと共にその説明は省略するものとする。
【００５９】
具体的には、円柱形状とされた中空糸膜モジュール６のうち中心部分ＳＣに設けた中空糸膜９Ｃを、その外周部分ＳＤに設けた中空糸膜９Ｄに対して耐熱性の高い糸とする。
【００６０】
中空糸膜モジュール６の円周方向では、内側（中心側）が湿潤気体の温度が高く、相対湿度も低いので、本実施形態のように、中空糸膜モジュール６の内側を外側よりも耐熱性の高い糸を用いることで、耐久性を大幅に高めることができる。
【００６１】
「その他の実施形態」
以下に、他の実施形態について説明する。実施形態６の変形例として、中空糸膜モジュール６の中心部ＳＣには耐熱性の高い中空糸膜を使用し、その外周部分ＳＤには孔径の大きいかつ耐熱性の低い中空糸膜を使用するようにしてもよい。
【００６２】
また、他の実施形態としては、加湿装置１に対して風の当たらない位置に対応する中空糸膜を、それ以外の位置（風の当たる位置）に対応する中空糸膜に対して耐熱性の高い糸を持たせてもよい。
【００６３】
また、この他、強度の高い中空糸膜を、肉厚上げしたり、樹脂の種類を変更したり、グラスファイバ等で補強したりすることにより機械的強度を上げたものを用いてもよい。
【００６４】
また、この他、透過性能の高い糸を、それ以外の中空糸膜に比べて親水処理剤の含有率を高くしたり、それ以外の中空糸膜に比べて構造を変更（例えば空孔体積を大きく）したり、それ以外の中空糸膜に比べて肉厚を薄くしたり、或いはそれ以外の中空糸膜に比べて熱伝導性の高い物質、例えば金属やカーボンナノチューブを混合したものとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】第１実施形態における燃料電池の加湿装置の一例を示す構成図である。
【図２】図２（Ａ）は図１のＡ−Ａ線における横断面図、図２（Ｂ）は中空糸膜の要部拡大斜視図である。
【図３】第２実施形態における燃料電池の加湿装置の一例を示す構成図である。
【図４】第３実施形態における燃料電池の加湿装置の一例を示す構成図である。
【図５】第４実施形態における燃料電池の加湿装置の一例を示す構成図である。
【図６】第５実施形態における燃料電池の加湿装置の一例を示す構成図である。
【図７】第６実施形態における燃料電池の加湿装置の一例を示す構成図である。
【図８】図７のＢ−Ｂ線における横断面図である。
【符号の説明】
【００６６】
１…加湿装置
２…燃料電池
３…コンプレッサ
４…中空糸膜束
５…収容ケース
６…中空糸膜モジュール
７…ハウジング
７ａ、７ｂ…ハウジングの両端
７ｃ、７ｄ…ハウジングの側面
８…流通路
９…中空糸膜
１０…第１ガス導入管
１１…第１ガス導出管
１２…第２ガス導入管
１３…第２ガス導出管
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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