(57)【要約】【課題】中空糸膜束形状及びこれを収容する収容ケース形状を工夫して加湿効率の向上を図ることのできる燃料電池の加湿装置を提供する。【解決手段】複数本の中空糸膜１３を束ねてなる中空糸膜束４を筒状のケース５で収容する中空糸膜モジュール６とを備え、中空糸膜１３の内部を通る第１流路に酸化剤ガスを流通し、ケースに形成されたガス導入孔７Ａから中空糸膜１３の膜外を通ってケース壁に形成されたガス排出孔７Ｂからケース外へと流通する第２流路に排出ガスを流通し、乾燥した酸化剤ガスを燃料電池から排出された水分を含む排出ガスで加湿する燃料電池の加湿装置であり、そして、少なくとも数本の中空糸膜１３を螺旋状に束ね且つその螺旋状とした螺旋部１３Ａをケース内壁５ｂに密着させる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数本の中空糸膜を束ねてなる中空糸膜束を筒状のケースで収容した中空糸膜モジュールを備え、
前記中空糸膜の内部を通る第１流路に、乾燥した酸化剤ガスまたは燃料電池から排出される水分を含む排出ガスのいずれかを流通し、
前記中空糸膜モジュールの側面に形成されたガス導入孔から前記中空糸膜の膜外を通って前記中空糸膜モジュールの側面に形成されたガス排出孔から前記中空糸膜モジュール外へと流通する第２流路に、前記酸化剤ガスまたは前記排出ガスのいずれか他方を流通し、
前記酸化剤ガスを前記排出ガスで加湿する燃料電池の加湿装置であって、
前記中空糸膜の少なくとも数本は、螺旋状に束ねられ且つその螺旋状とされた螺旋部が前記ケースの内壁に密着している
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、
前記ガス導入孔の近傍の前記中空糸膜束と前記ケースの内壁との間に空間が設けられている
ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池の加湿装置であって、
前記ガス導入孔は、前記中空糸膜の螺旋部に対して略平行に螺旋状に複数配置されている
ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３の何れか一つに記載の燃料電池の加湿装置であって、
前記ガス排出孔は、前記中空糸膜の螺旋部に対して略平行に螺旋状に複数配置されている
ことを特徴とする燃料電池の加湿装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４の何れか一つに記載の燃料電池の加湿装置であって、
前記ケースは、両端の径より小さい径を有する小径部を設け、前記小径部と前記螺旋部が密着している
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、
保温手段を更に備え、
前記保温手段は、前記小径部の周囲設けられる
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、中空糸膜束形状及びこれを収容する収容ケース形状を工夫して加湿効率の向上を図る技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
乾燥した酸化剤ガスを燃料電池から排出された水分を含む排出ガスで加湿して当該燃料電池に供給する水透過型の加湿装置では、ケースの壁に形成されたガス導入孔から導入された水分を含む排出ガスが中空糸膜束内を通ることなく、中空糸膜の複数本を束ねた中空糸膜束と、この中空糸膜束を内部に収容するケースとの間に生じた隙間から直接ガス排出孔へと流れ、乾燥した酸化剤ガスの加湿が十分に行われないという問題がある。
【０００３】
この問題を解決するために、ガス導入孔及びガス排出孔から離れた位置に、封止部材としてケース内壁を厚くした厚壁部を設けたり、Ｏリングを設けたり、或いは環状の凸状部を設けた技術が提案されている（例えば、特許文献１など参照）。
【０００４】
特許文献１に記載の技術では、ケースと中空糸膜束間の隙間が封止部材によって封止されることで、隙間を通るガスを防止することができるため、加湿性能を高めることができる。
【特許文献１】特開２００４−６０９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１に記載の加湿装置では、ケース内壁の一部を厚くした厚壁部を設けたり、ケース内壁にＯリングを設けたり、ケース内壁に環状の凸状部を設けることは製造上困難である。特に、ケース内壁の一部に内部に突出する厚壁部や環状の凸状部などを設けることは、樹脂を金型内に射出して成型する射出成形技術では、アンダーカット部（金型から離型できない形状部）となることから製造が困難である。
【０００６】
また、特許文献１に記載の加湿装置では、ケース内壁に内部に突出するように封止部材を設けているため、加湿するためのスペースがその封止部材の分だけ無駄になり、加湿効率の妨げになる。
【０００７】
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、中空糸膜束形状及びこれを収容する収容ケース形状を工夫して加湿効率の向上を図ることのできる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】
【０００８】
本発明は、複数本の中空糸膜を束ねてなる中空糸膜束を筒状のケースで収容する中空糸膜モジュールを備え、中空糸膜の内部を通る第１流路に酸化剤ガスを流通し、ケースの壁に形成されたガス導入孔から中空糸膜の膜外を通ってケースの壁に形成されたガス排出孔からケース外へと流通する第２流路に排出ガスを流通し、乾燥した酸化剤ガスを燃料電池から排出された水分を含む排出ガスで加湿する燃料電池の加湿装置であり、前記中空糸膜は、少なくとも数本が螺旋状に束ねられ且つその螺旋状とされた部位が前記ケースの内壁に密着されたことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、中空糸膜の数本が螺旋状に束ねられ、その螺旋状とされた部位がケース内壁に密着されていることから、ケースの壁に形成されたガス導入孔から導入された水分を含む排出ガスが、中空糸膜束内を通らずに直接ガス排出孔へと流れることはなく、中空糸膜束の内部を通ることになるため、加湿効率の向上を図ることができる。
【００１０】
また、本発明によれば、中空糸膜を螺旋状としているので、通常のストレート形状の中空糸膜に比べて同一スペース内での中空糸膜内部を流れるガスの滞留時間が長くなるため、加湿効率の向上を図ることができる。
【００１１】
したがって、本発明によれば、簡単な構造で水分を含む排出ガスが中空糸膜束内を通ることなく、直接ガス排出孔へと流れることを阻止することができ、加湿効率を高めることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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。
【００１３】
「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は図１のハウジング部分を破断して内部の収容ケースを示した加湿装置の縦断面図、図３（Ａ）は収容ケース内に収容された中空糸膜束の端部形状を示す要部拡大斜視図、図３（Ｂ）は中空糸膜の要部拡大斜視図、図４は中空糸膜束が配置される部分まで破断して示す加湿装置の縦断面図である。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
加湿装置１は、図１に示すように、一般的に燃料電池２のカソードから排出された水蒸気を豊富に含む排出ガス（膨潤空気）と、空気導入部であるコンプレッサ３で加圧・昇温された供給ガス（乾燥した酸化剤ガス）との間で水蒸気を交換するためのものであり、本発明で使用する水透過型の加湿装置は、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。
【００１８】
以上のような構成の水透過膜型の加湿装置１では、例えば水分を含んだ湿潤空気が中空糸膜内に供給されると、中空糸膜内に形成された細孔(毛細管)内に水分が凝縮(毛細管凝縮)及び分離し、中空糸膜の外側に供給される乾燥ガス（乾燥した酸化剤ガス）との水蒸気分圧差により、水分が当該中空糸膜の内側から外側へと透過する。この透過した水分は、中空糸膜束の外側に供給された乾燥ガスと接触し気化することで加湿される。
【００１９】
水分の透過としては、湿潤空気を中空糸膜の内部に流し、乾燥ガスを中空糸膜の外側に流す場合と、その逆の場合どちらでも、水交換が行われる。
【００２０】
水透過膜型の加湿装置１の加湿性能を向上させる手段として、中空糸膜モジュールサイズを大きくすることで向上させることも可能だが、車両用として使用する際は、小型化が要求されるので望ましくない。そこで、本実施の形態では、水透過型の中空糸膜の複数本を両端部でポッティングした中空糸膜束を収納ケースに収納してなる中空糸膜モジュールの形状を工夫することで、加湿性能の向上を図る。
【００２１】
加湿装置１は、図１から図４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、収容ケース側面５ａに形成されたガス導入孔７Ａへと排出ガスを導入させるガス導入パイプ８を有した第１のハウジング９と、収容ケース側面５ａに同様に形成されたガス排出孔７Ｂを通してケース外へと排出ガスを排出させるガス排出パイプ１０を有した第２のハウジング１１とからなる。
【００２２】
中空糸膜束４は、長手方向に亘って貫通する流通路となる第１流路１２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１３からなり、それら中空糸膜１３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１３の内部に形成された第１流路１２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が導入される。
【００２３】
通常、中空糸膜１３はストレート形状とされるが、本実施の形態では、中空糸膜１３の数本が螺旋状に束ねられている。具体的には、ストレート形状の中空糸膜１３の複数本を束ねて円柱体とした後、その円柱体の長手方向の中央部分に数本（例えば１本）の中空糸膜１３を螺旋状に巻き付けた構造としている。螺旋状に巻き付けられた中空糸膜１３の両端は、他の中空糸膜１３と一緒にポッティング剤（接着剤）１４によって固定されている。
【００２４】
また、本実施の形態では、中空糸膜１３の螺旋状とされた部位１３Ａ（以下、螺旋部という）を、ケース内壁５ｂに隙間無く密着させている。この螺旋部１３Ａは、ガス導入パイプ８から収容ケース５内に導入された排出ガスが中空糸膜束４の内部へと入り込まずに当該収容ケース５と中空糸膜束４との隙間からガス排出パイプ１０へと直接流れてしまうのを防止する役目をする。
【００２５】
また、ガス導入孔７Ａ近傍の中空糸膜束４とケース内壁５ｂ間には、排出ガスを中空糸膜束４の内部（中心部）へと流すための隙間Ｓ１が設けられている。同様に、ガス排出孔７Ｂ近傍の中空糸膜束４とケース内壁５ｂ間には、中空糸膜束４の内部を流れた排出ガスをガス排出パイプ１０へと排出させるための隙間Ｓ２が設けられている。
【００２６】
収容ケース５は、ほぼ円柱状とされた中空糸膜束４を内部に収容する両端を開放した円筒体として形成されている。中空糸膜束４と収容ケース５は、その長手方向の両端部にポッティング剤１４が塗布されることにより固定されている。ポッティング剤１４は、中空糸膜１３と収容ケース５との接合だけでなく、束ねられた中空糸膜１３同士を接合させてポッティング部１５を形成する。
【００２７】
収容ケース５には、ガス導入パイプ８から導入された排出ガスをその内部の中空糸膜束４の内部へと供給するためのガス導入孔７Ａが複数形成されている。ガス導入孔７Ａは、例えばガス導入パイプ８と同様円形孔として形成され、収容ケース側面５ａに複数形成されている。これらガス導入孔７Ａは、中空糸膜束４の螺旋部１３Ａに対して略平行に所定間隔を置いて螺旋状に配置されている。同様に、ガス排出孔７Ｂも中空糸膜束４の螺旋部１３Ａに対して所定間隔を置いて螺旋状に複数配置されている。なお、これらガス導入孔７Ａ及びガス排出孔７Ｂは、何れも収容ケース５の周方向全体に形成されている。
【００２８】
また、収容ケース側面５ａには、第１のハウジング９及び第２のハウジング１１と該収容ケース５との間をシールする円環状のシール部材１６が設けられている。シール部材１６は、ガス導入孔７Ａ及びガス排出孔７Ｂの外側の位置と、これらガス導入孔７Ａとガス排出孔７Ｂとの間にそれぞれ設けられ、後述するハウジング９、１１の内壁に密着するように設けられている。
【００２９】
前記中空糸膜束４とこれを収容する前記収容ケース５からなる中空糸膜モジュール６においては、ガス導入孔７Ａからその収容ケース５の内部に収容された中空糸膜１３の膜外を通ってガス排出孔７Ｂからケース外へと流通するガス流路としての第２流路が形成される。
【００３０】
第１のハウジング９は、収容ケース５の中央部分から酸化剤ガスの流れ後方部分を覆うように当該収容ケース５の外周囲に配置される円筒体として形成されている。この第１のハウジング９には、燃料電池２から排出された水分を含む排出ガス（湿潤空気）を収容ケース５に形成されたガス導入孔７Ａへと導入させるための円筒形状をなすガス導入パイプ８が設けられている。
【００３１】
第２のハウジング１１は、酸化剤ガスの流れ前方部分から収容ケース５の中央部分を覆うように当該収容ケース５の外周囲に配置される円筒体として形成されている。この第２のハウジング１１には、中空糸膜束４の内部を流れた排出ガスをケース外へと排出させるためのガス排出パイプ１０が設けられている。
【００３２】
このように構成された加湿装置１では、コンプレッサ２で加圧・昇温された乾燥した酸化剤ガスは、中空糸膜モジュール６の各中空糸膜１３に形成された第１流路１２をそれぞれ流れる。この一方、燃料電池２のカソードから排出された水分を含む排出ガス（膨潤空気）は、第１のハウジング９に設けられたガス導入パイプ８内に導入される。ガス導入パイプ８に導入された排出ガスは、収容ケース側面５ａに螺旋状に複数配置された各ガス導入孔７Ａから中空糸膜束４へと供給される。
【００３３】
中空糸膜束４に供給された排出ガスは、当該中空糸膜束４の外側からその内部へと流れた後、同じく収容ケース側面５ａに螺旋状に複数配置された各ガス排出孔７Ｂから排出され、最終的に第２のハウジング１１に設けられたガス排出パイプ１０よりケース外へと排出される。この水分を含む排出ガスが中空糸膜束４の内部を流れると、各中空糸膜１３内に形成された毛管（第１流路１２）内に水分が凝縮（毛細管凝縮）、分離し、乾燥した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１３の外側から内側へ透過する。この透過した水分が乾燥した酸化剤ガスと接触、気化することで、各中空糸膜１３の内部を流れる酸化剤ガスが加湿される。加湿された酸化剤ガスは、中空糸膜モジュール６の排出側より燃料電池２に供給される。
【００３４】
なお、上記した第１実施形態では、中空糸膜１３の内部（第１流路１２）に乾燥した酸化剤ガスを流し、中空糸膜１３の外側に水分を含んだ排出ガスを流したが、これとは逆に、中空糸膜１３の内部に燃料電池２から排出された水分を含んだ排出ガスを流し、中空糸膜１３の外側に乾燥した酸化剤ガスを流すようにしてもよい。
【００３５】
本実施の形態の加湿装置によれば、中空糸膜１３の数本が螺旋状に束ねられ、その螺旋状とされた螺旋部１３Ａがケース内壁５ｂに隙間無く密着されていることから、水分を含んだ排出ガスが、収容ケース側面５ａに形成されたガス導入孔７Ａから直接ガス排出孔７Ｂへと流れることがなく、中空糸膜束４の内部を通ることになるため、加湿効率の向上を図ることができる。
【００３６】
これに対して、図７に示す従来構造の加湿装置では、中空糸膜束４の外側と収容ケース５のケース内壁５ｂとの間に隙間Ｓ３が生じる。中空糸膜束４の抵抗は大きいため、中空糸膜束４の中心付近までガスが流れ難く、中空糸膜束４の外側と収容ケース５のケース内壁５ｂの間に生じた隙間Ｓ３から直接ガス排出孔７Ｂへと流れ、乾燥した酸化剤ガスの加湿が十分に行われないという問題がある。しかしながら、上記したように、本実施の形態では、中空糸膜１３の数本を螺旋状に束ね且つその螺旋状とした螺旋部１３Ａをケース内壁５ｂに隙間無く密着させたことで、中空糸膜束４の中心付近までガスを流すことができる。したがって、本発明によれば、ケース内壁５ｂに封止部材を設けることなく、簡単な構造で水分を含む排出ガスが、直接ガス排出孔７Ｂへと流れることを防止する事ができ、加湿効率を高めることが可能となる。
【００３７】
また、本実施の形態の加湿装置によれば、中空糸膜１３を螺旋状としているので、通常のストレート形状の中空糸膜１３に比べて同一スペース内での中空糸膜１３の内部を流れるガスの滞留時間が長くなるため、加湿効率の向上を図ることができる。
【００３８】
また、本実施の形態の加湿装置によれば、ガス導入孔７Ａ近傍の中空糸膜束４とケース内壁５ｂ間に隙間Ｓ１を設けることにより、収容ケース５内のガスを均一に流すことが可能となり、加湿効率を高めることができる。
【００３９】
また、本実施の形態の加湿装置によれば、複数のガス導入孔７Ａを中空糸膜１３の螺旋部１３Ａに対して略平行に螺旋状に配置させているので、ガスの流れが規則的になる為に圧損が少なくなり、中空糸膜１３の外側を流れるガスを中空糸膜束４の中心部まで流すことができ、ガス流れの均一化を図ることができる。
【００４０】
また、本実施の形態の加湿装置によれば、複数のガス排出孔７Ｂを中空糸膜１３の螺旋部１３Ａに対して略平行に螺旋状に配置させているので、ガス出口部におけるガス流れの均一化を図ることができ、中空糸膜モジュール６全体の流れをより均一化することができる。そのため、本実施の形態では、より一層の加湿効率の向上を実現できる。
【００４１】
「第２実施形態」
図５は第２実施形態の加湿装置の縦断面図である。
【００４２】
第１実施形態では、１本の中空糸膜１３を中空糸膜束４の長手方向の中央部分において二回螺旋状に束ねたが、第２実施形態では、図５に示すように、同様に１本の中空糸膜１３を複数回（３回以上）螺旋状に束ねるようにした。
【００４３】
このように、中空糸膜１３を複数回螺旋状に束ねれば、その螺旋部１３Ａとケース内壁５ｂ間の隙間を確実に無くすことができ、水分を含んだ排出ガスが、中空糸膜束４内を通らずに直接ガス排出孔７Ｂへと流れることはなく、中空糸膜束４の内部を通る。したがって、第２実施形態の加湿装置によれば、ガス導入パイプ８から中空糸膜モジュール６内に導入された排出ガスを中空糸膜束４の中心部まで効率良く流すことができ、更なる加湿効率の向上が期待できる。
【００４４】
なお、第１及び第２実施形態では、１本の中空糸膜１３を螺旋状に束ねるようにしたが、可能な範囲でより多く（２本以上）の中空糸膜１３を螺旋状に束ね且つその螺旋部１３Ａをケース内壁５ｂに隙間無く密着させるようにしてもよい。
【００４５】
「第３実施形態」
図６は第３実施形態の加湿装置の縦断面図である。
【００４６】
第３実施形態では、収容ケース５の端部５Ａに対し、その間に端部５Ａより小さい径の小径部５Ｂを設け、その小径部５Ｂに螺旋部１３Ａを隙間無く密着させた構造としている。具体的には、収容ケース５の長手方向中央部分を端部５Ａに対して縮径するようにして小径部５Ｂを形成し、その小径部５Ｂの内壁に中空糸膜１３の螺旋部１３Ａを隙間無く密着させている。
【００４７】
さらに、第３実施形態では、第１及び第２のハウジング９、１１と小径部５Ｂとの間に形成される環状の空間部１７に、当該小径部５Ｂの周囲を囲むようにして保温手段であるヒータ１８を配置している。
【００４８】
本実施の形態の加湿装置によれば、収容ケース５に小径部５Ｂを設け、この小径部５Ｂの内壁に中空糸膜束４の螺旋部１３Ａを隙間無く密着させたことで、中空糸膜束４の外側と収容ケース５間の隙間を無くすことができ、水分を含んだ排出ガスが、中空糸膜束４内を通らずに直接ガス排出孔７Ｂへと流れることはなく、中空糸膜束４の中心部までガスを流すことができ加湿効率の向上を図ることができる。
【００４９】
また、本実施の形態の加湿装置によれば、集中的に加湿する箇所である小径部５Ｂの周囲に保温手段であるヒータ１８を配置しているので、膨潤ガスの凝縮を防止することができ、加湿効率の向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【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１のハウジング部分を破断して内部の収容ケースを示した加湿装置の縦断面図である。
【図３】図３（Ａ）は収容ケース内に収容された中空糸膜束の端部形状を示す要部拡大斜視図、図３（Ｂ）は中空糸膜の要部拡大斜視図である。
【図４】中空糸膜束が配置される部分まで破断して示す加湿装置の縦断面図である。
【図５】第２実施形態の加湿装置の縦断面図である。
【図６】第３実施形態の加湿装置の縦断面図である。
【図７】従来構成の加湿装置の縦断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
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
５ａ…ケース側面
５ｂ…ケース内壁
６…中空糸膜モジュール
７Ａ…ガス導入孔
７Ｂ…ガス排出孔
８…ガス導入パイプ
９…第１のハウジング
１０…ガス排出パイプ
１１…第２のハウジング
１２…第１流路（中空糸膜内部の流路）
１３…中空糸膜
１３Ａ…螺旋部
１４…ポッティング剤
１５…ポッティング部
１７…空間部
１８…ヒータ（保温手段）
【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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