JP2002358988A

JP2002358988A - 中空糸膜モジュール

Info

Publication number: JP2002358988A
Application number: JP2001167343A
Authority: JP
Inventors: Toshikatsu Katagiri; 敏勝片桐; Hiroshi Shimanuki; 寛士島貫; Mikihiro Suzuki; 幹浩鈴木
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2001-06-01
Filing date: 2001-06-01
Publication date: 2002-12-13

Abstract

(57)【要約】【課題】中空糸膜の外側を通流する流体の流量をハウ
ジングに対して全体均一に分配し、しかもその流速を向
上させることにより中空糸膜モジュールの加湿性能を向
上する。【解決手段】複数の中空糸膜３２ａ，３２ａ，…を束
ねてなる中空糸膜束３２をハウジング３１内に収容し、
各中空糸膜３２ａの内側と外側とにそれぞれ水分含有量
の異なる流体(供給空気Ａ，排出空気Ａｅ)を通流してこ
れら流体(供給空気Ａ，排出空気Ａｅ)間で水分交換を行
う中空糸膜モジュールにおいて、中空糸膜３２ａ，３２
ａ，…の外側を流れる流体(供給空気Ａ)に対し、中空糸
膜束３２の長手方向を軸とした螺旋状の流路壁５０を設
ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、中空糸膜モジュー
ルに関し、さらに詳しくは、例えば、電気自動車におけ
る燃料電池の加湿装置として用いられる中空糸膜モジュ
ールに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、電気自動車の動力源などとして固
体高分子型の燃料電池が注目されている。固体高分子型
の燃料電池（ＰＥＦＣ）は、アノード側電極とカソード
側電極間に固体高分子電解質膜を挟持したもので、常温
でも発電することが可能であり、様々な用途に実用化さ
れつつある。

【０００３】この固体高分子型の燃料電池には、燃料電
池から排出された湿潤気体である排出空気中の水分を燃
料電池に供給する供給空気に水分交換するように構成さ
れた加湿装置が用いられている。加湿装置の加湿方式に
は、超音波加湿、スチーム加湿、気化式加湿、ノズル噴
射等の方式があるが、加湿装置としては電力消費量が少
なく、しかも取り付けスペースの小さいコンパクトな加
湿装置が好ましい。そのため、燃料電池に用いられる加
湿装置として、中空糸膜を用いたものが利用されてい
る。

【０００４】このような中空糸膜を用いた加湿装置とし
ては、例えば、特開平８−２７３６８７号公報に開示さ
れたものが知られている。図６はかかる加湿装置に備え
られてる中空糸膜モジュールを示す。図示されるよう
に、この中空糸膜モジュール８０においては、ハウジン
グ８１の長手方向に沿って配した多数、例えば５０００
本程度の水透過性の中空糸膜よりなる中空糸膜束８２が
ハウジング８１内に収容されている。ハウジング８１の
側部両端近傍には、中空糸膜の外側を通流する流体の流
入口８３および流出口８４が形成されている。また、ハ
ウジング８１の両端には、中空糸膜の内側を通流させる
流体の流入口８５および流出口８６が形成されている。

【０００５】従来のこのような中空糸膜モジュール８０
においては、ハウジング８１における中空糸膜の内側と
外側とに通流する流体間で水分交換を効率的に行うた
め、中空糸膜の外側を通流する流体の流れを速め、しか
も、中空糸膜の外側に通流する流体の滞留時間を長くす
ることが望まれる。しかしながら、従来のこのような中
空糸膜モジュール８０においては、流体は、単に、ハウ
ジング８１の一方端側から他方端側に流れるのみである
ため、その流速を増大することができなかった。また、
中空糸膜の外側を流れる流体の流路もハウジング８１の
長さによって一義的に決定されるため、滞留時間を長く
することもできなかった。

【０００６】このため、本出願人は、特願２０００−２
５８８６８号に、中空糸膜の外側に通流する流体の流路
を、複数のバッフルにより、蛇行状に形成する中空糸膜
モジュールを提案している。図７はかかる中空糸膜モジ
ュールの内部構造を示す解説図である。中空糸膜モジュ
ールの中空糸膜束３２は、予め、複数の中空糸膜３２ａ
を平面状に並べた状態で、これらの中空糸膜３２ａを、
編み糸により結束したものであり、編み糸により結束さ
れている中空糸膜３２ａが円柱状に巻き上げられたとき
に、編み糸が中空糸膜３２ａの外側に通流する流体を蛇
行させるためのバッフル４１ａ〜４１ｄを形成するよう
にしたものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このように、バッフル
により、中空糸膜の外側を流れる流体を蛇行させながら
下流側へ流す構成とすると、中空糸膜の外側を通流する
流体の流速及び流路長が増加し、中空糸膜モジュールの
加湿性能が向上する。しかし、中空糸膜の外側を流れる
流体は、バッフルによって形成された蛇行状の流路の最
短距離を通って蛇行することになるので、中空糸膜の外
側を流れる流体の中空糸膜束全体に対する流量配分が困
難となり、中空糸膜全体に行き渡らせることが難しいと
いう問題がある。

【０００８】本発明は、前記課題に鑑みて案出されたも
のであり、その目的は、中空糸膜の外側に通流する流体
の流量を、ハウジング内に均一に分配でき、しかも、そ
の流速の向上により加湿性能を向上させることができる
ようにすることである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、請求項１に記載の発明は、複数の中空糸膜を束ねて
なる中空糸膜束をハウジング内に収容し、各中空糸膜の
内側と外側とにそれぞれ水分含有量の異なる流体を通流
してこれら流体間で水分交換を行う中空糸膜モジュール
において、前記中空糸膜の外側を流れる流体に対し、前
記中空糸膜束の長手方向を軸とした螺旋状の流路壁を設
けた中空糸膜モジュールを提供するものである。このよ
うに、ハウジング内に中空糸膜束の長手方向を軸とした
螺旋状の流路壁が形成されると、中空糸膜の外側を通流
する流体の流量が全体均一に分配される。また、中空糸
膜の外側を通流する流体の流速と流路長とが増大するの
で、中空糸膜モジュール全体の加湿能力が大幅に向上す
る。

【００１０】また、請求項２記載の発明は、請求項１に
記載の発明において、前記流路壁は、前記中空糸膜の外
側を流れる流体の一部が通過可能な複数の孔を備える中
空糸膜モジュールを提供するものである。すなわち、螺
旋状の流路壁により中空糸膜の外側を通流する流体の流
速が増大すると、中空糸膜の外側を流れる流体の単位時
間あたりの加湿能力は増大されるが、流速の増大によっ
ては、ハウジング内を通流させる流体の流路に流路壁寄
りの偏流が発生することがある。かかる偏流が発生する
と、流路の偏流側と反対側の流量が減少し、この分、加
湿性能が低下する。そこで、請求項２に記載の発明で
は、流路壁にこれを挟んで上流側から下流側に流体の一
部を通過させる複数の孔を設け、中空糸膜の外側を通流
する流体の一部を複数の孔を通過させて上流側から下流
側に流し、流路の偏流側及び偏流側と反対側の双方で同
時に水分を回収する。

【００１１】さらに、請求項３に記載の発明は、請求項
１または請求項２に記載の発明において、前記流路壁
は、前記複数の中空糸膜同士を結束する結束材によって
形成される中空糸膜モジュールを提供するものである。
すなわち、ハウジング内に前記流路壁を形成するには、
例えば、仕切り板に複数の中空糸膜を挿通するための孔
や、上流から下流に流体を通過させるための複数の孔を
形成し、対応する孔に前記中空糸膜を通すことが考えら
れるが、このように多数の孔を形成することおよび対応
する孔の一つ一つに中空糸膜を通すことは作業に手間が
かかり大変な作業となる。そこで、請求項３記載の発明
では、結束材で複数の中空糸膜同士を結束することによ
り、手間と時間とを節約する。

【００１２】請求項４に記載の発明は、請求項３に記載
の発明において、前記結束材は、前記中空糸膜同士を結
び付ける編み糸である中空糸膜モジュールを提供するも
のである。このように結束材を編み糸とすると、前記流
路壁を一体に有する中空糸膜束を正確かつ簡単に形成す
ることができる。

【００１３】請求項５に記載の発明は、請求項３または
請求項４に記載の発明において、平面状に並べた前記複
数の中空糸膜に対し、その流路壁を形成する部位同士を
前記結束材により結束し、前記結束材により結束された
中空糸膜を巻き上げて前記中空糸膜束を形成した中空糸
膜モジュールを提供するものである。このようにする
と、前記流路壁や上流側から下流側に流体を通過させる
ための孔を有する中空糸膜束を簡単且つ一定品質で形成
することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】まず、図１乃至図３を参照して本
発明にかかる中空糸膜モジュールが車両の燃料電池シス
テムの加湿装置として組み込まれた車両の燃料電池シス
テムを説明する。

【００１５】図１は加湿装置を備えた燃料電池システム
の全体構成図であり、図２は燃料電池の構成を模式化し
た説明図である。図１に示す燃料電池システムＦＣＳ
は、燃料電池１、空気供給装置ＡＳ、水素供給装置ＨＳ
などから構成された発電システムである。図２に示すよ
うに、燃料電池１は、電解質膜１ｃを挟んでカソード極
側（酸素極側）とアノード極側（水素極側）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、カソード電極１ｂ及びアノード電極１ｄを形成して
いる。電解質膜１ｃとしては固体高分子膜、例えばプロ
トン交換膜であるぺルフルオロスルフォン酸ポリマー
（製品名：ナフィオン）等が使用され、水で飽和させる
と常温で２０Ωｃｍ以下の低い抵抗率を示し、プロトン
導電性電解質膜として機能する。なお、カソード電極１
ｂに含まれる触媒は水酸イオンを生成する触媒であり、
アノード電極１ｄに含まれる触媒は水素からプロトンを
生成する触媒である。

【００１６】また、カソード電極１ｂの外側にはこのカ
ソード電極１ｂに酸化剤ガスとしての供給空気Ａを通流
するカソード極側ガス通路１ａが設けられ、アノード電
極１ｄの外側にはこのアノード電極１ｄに燃料ガスとし
ての供給水素Ｈを通流するアノード極側ガス通路１ｅが
設けられる。カソード極側ガス通路１ａの入口および出
口は空気供給装置ＡＳに接続され、アノード極側ガス通
路１ｅの入口および出口は水素供給装置ＨＳに接続され
ている。なお、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が、実際の
燃料電池1は、単セルを数百枚程積層した積層体として
構成される。また、燃料電池１は、発電の際に電気化学
反応により発熱するため、燃料電池１を冷却するための
冷却装置(図示せず)が備えられる。

【００１７】前記燃料電池１は、カソード極側ガス通路
１ａに供給空気Ａが通流され、アノード極側ガス通路１
ｅに供給水素Ｈが供給されると、アノード電極１ｄで水
素が触媒作用によりイオン化してプロトンが生成され
る。生成されたプロトンは電解質膜１ｃ中を移動してカ
ソード電極１ｂに到達する。そして、カソード電極１ｂ
に到達したプロトンは、触媒の存在下、供給空気Ａの酸
素と直ちに反応して水を生成する。生成した水および未
使用の酸素を含む供給空気Ａは、排出空気Ａｅとして燃
料電池１のカソード極側の出口から排出される(排出空
気Ａｅは多量の水分を含む)。また、アノード電極１ｄ
では水素がイオン化する際に電子ｅ^-が生成されるが、
この生成された電子ｅ^-は、モータなどの外部負荷Ｍを
経由してカソード電極１ｂに達する。

【００１８】前記空気供給装置ＡＳは、図１に示すよう
に、本実施の形態にかかる加湿器２の他に、エアクリー
ナ３、コンプレッサ４、圧力制御弁５などを有してい
る。空気供給装置ＡＳにおいては、燃料電池１における
供給空気Ａの流路であって、燃料電池１の上流側に加湿
器２が配置され、加湿器２の上流側にコンプレッサ４が
配置される。さらに、コンプレッサ４の上流側にエアク
リーナ３が配置されている。また、燃料電池１から排出
空気Ａｅを排出する流路であって、燃料電池１の下流側
には加湿器２が配置され、その下流側に圧力制御弁５が
配置される。

【００１９】前記加湿器２は、エアクリーナ３より供給
された空気を加湿して燃料電池１に供給するものである
が、その詳細については後に説明する。

【００２０】エアクリーナ３は、図示しないフィルター
などから構成され、燃料電池１のカソード極側に供給さ
れる空気(供給空気Ａ)をろ過して、これに含まれるごみ
を取り除く。コンプレッサ４は、図示しないスーパーチ
ャージャー等の容積型圧縮機およびこれを駆動するモー
タなどから構成され、燃料電池１で酸化剤ガスとして使
用する供給空気Ａを送り出し、加湿器２に供給する。コ
ンプレッサ４の送出力により、供給空気Ａは加湿器２を
経て燃料電池１のカソード極側に送り出され、燃料電池
１を経た後は、排出空気Ａｅとなって圧力制御弁５を経
て加湿器２に送り出される。

【００２１】圧力制御弁５は図示しないバタフライ弁及
びこれを駆動するステッピングモータなどのアクチュエ
ータから構成され、コンプレッサ４から吐出される供給
空気Ａおよび燃料電池１から排出される排出空気Ａｅの
圧力(吐出圧)を圧力制御弁５の開度の減少または増加に
より制御する。

【００２２】一方、図１に示すように、水素供給装置Ｈ
Ｓは、水素ガスボンベ１１、レギュレータ１２、水素循
環ポンプ１３、三方弁１４などから構成される。

【００２３】水素ガスボンベ１１は、燃料電池１のアノ
ード極側に導入される供給水素Ｈを貯蔵する。貯蔵する
供給水素Ｈは純水素であり、その圧力は１５〜３５ＭＰ
ａＧ(１５０〜３５０ｋｇ／ｃｍ²Ｇ)とされる。なお、
水素ガスボンベ１１には水素吸蔵合金を内蔵し、１ＭＰ
ａＧ(１０ｋｇ／ｃｍ²Ｇ)程度の圧力で水素を貯蔵する
水素吸蔵タイプも使用することができる。水素吸蔵合金
タイプを使用すれば、液体水素と同等或いはそれ以上の
密度で水素を貯蔵できるので、高圧ガスとして貯蔵する
場合と比較して、貯蔵効率の向上が期待できる。

【００２４】レギュレータ１２は、図示しないダイヤフ
ラムや圧力調節ばねなどから構成され、高圧で貯蔵され
た供給水素Ｈを所定の圧力まで減圧させ、一定圧力で使
用できるようにする圧力制御弁である。このレギュレー
タ１２は、ダイヤフラムに入力される基準圧を大気圧と
すると、水素ガスボンベ１１に貯蔵された供給水素Ｈの
圧力を大気圧近辺にまで減圧することができる。

【００２５】水素循環ポンプ１３は、図示しないエゼク
タなどから構成され、燃料電池１のアノード極側に向か
う供給水素Ｈの流れを利用して、燃料電池１で燃料ガス
として使用された後の供給水素Ｈ、つまり、燃料電池１
のアノード極側から排出され、三方弁１４を通流する排
出水素Ｈｅを吸引し循環させる。なお、排出水素Ｈｅを
循環使用するのは水素利用効率を向上させるためであ
る。

【００２６】このように構成される燃料電池システムＦ
ＣＳでは、加湿器２を経由して燃料電池１のカソード極
側ガス通路１ａを通過する供給空気Ａは、カソード極側
ガス通路１ａを通過する間に、燃料電池１の電解質膜１
ｃを飽和湿度に湿らせる。また、アノード電極１ｄから
電解質膜１ｃ中を移動してプロトンがカソード電極１ｂ
に到達すると、触媒の存在下でプロトンと供給空気Ａ中
の酸素とが反応して水が生成される。生成された水は排
出空気Ａｅとともに燃料電池１から排出され、後流側に
設けられた加湿器２へと供給される。加湿器２では、こ
の加湿器２の各中空糸膜(後記する)の内側を排出空気Ａ
ｅが、外側を供給空気Ａが通過し、排出空気Ａｅから移
動する水分によって供給空気Ａが加湿される。従って燃
料電池１の安定した出力を得るためには、中空糸膜モジ
ュールの加湿性能を高めることが有効である。

【００２７】以下、本発明の一実施の形態にかかる中空
糸膜モジュール及びこの中空糸膜モジュールを利用した
加湿器の構造を詳細に説明する。図３は加湿器２の内部
構造を示す。図３(ａ)に示されるように、加湿器２は、
略円筒形状をした複数の中空糸膜モジュール２１を有す
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を有していて、全体として直方体状とされて
いる。複数の中空糸膜モジュール２１(この実施の形態
では２本)は、一端側分配器２２および他端側分配器２
３に対して水平方向に所定間隔をおいて配設されて固定
されている。また、中空糸膜モジュール２１，２１に
は、一端側分配路２２を介して供給空気Ａの供給および
湿潤した排出空気Ａｅの排出がなされ、他端側分配器２
３を介して加湿された供給空気Ａの排出および排出空気
Ａｅの供給がなされる。

【００２８】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、排出
空気出口２２ａおよび供給空気入口２２ｂを有する。排
出空気出口２２ａは、図３(ｂ)に示されるように、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の排出空気流出口３７
と連通している。また、供給空気入口２２ｂは、一端側
分配器２２の内部に配した内部流路２２ｂ′によって中
空糸膜モジュール２１，２１の一端部側に形成された供
給空気流入口３３，３３，…と連通している。

【００２９】一方、他端側分配器２３には排出空気入口
２３ａおよび供給空気出口２３ｂが形成されている。排
出空気入口２３ａは、他端側分配器２３の内部に配した
内部流路２３ａ′によって中空糸膜モジュール２１，２
１の排出空気流入口３８と連結されている。また、供給
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、中空糸膜モジュール２１，２
１の他端部側に形成された供給空気流出口３４，３４，
…と連通している。

【００３０】次に、本発明の一実施の形態にかかる中空
糸膜モジュールの構造について説明する。中空糸膜モジ
ュール２１は、図４(ａ)に示すように、ハウジング３１
を有している。このハウジング３１には、その長手方向
に沿って配した水透過性の中空糸膜３２ａを束ねて構成
された中空糸膜束３２が収容されている。前記中空糸膜
束３２は、中空糸膜３２ａ，３２ａ，…を多数、例え
ば、５０００本束ねて形成されており、図４(ｂ)に示す
ように、中空糸膜束３２の一端部および他端部は、ポッ
ティングされたポッティング部３５，３６によりハウジ
ング３１に取り付けられている。

【００３１】図４(ｂ)において、中空糸膜３２ａ，３２
ａ，…はその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、
蒸気圧が低下して水分の凝縮が発生する。凝縮した水分
は、水分の多い方から少ない方に毛管作用により吸い出
されて中空糸膜３２ａ，３２ａ，…を通過する。なお、
中空糸膜３２ａ，３２ａ，…の直径は、それぞれ数ｍｍ
あるいはそれ以下である。

【００３２】中空糸膜モジュール２１のハウジング３１
は、両端が開口する中空円筒状に形成されており、その
長手方向の一端側に供給空気Ａをハウジング３１内に導
入する複数(本実施の形態では８個)の供給空気流入口３
３，３３，…が周方向に離間させて形成されている。ま
た、ハウジング３１の長手方向の他端側には、供給空気
Ａの流出口となる複数(本実施の形態では８個)の供給空
気流出口３４，３４，…が周方向に離間させて形成され
ている。

【００３３】前記ハウジング３１内には、本発明の特徴
的な構成が備えられている。すなわち、供給空気Ａの流
速を上げるとともに供給空気Ａの流路長を増大するため
に、ハウジング３１の長手方向を軸とした螺旋状の流路
壁５０が形成されており、この流路壁５０と、ハウジン
グ３１の内面によって、螺旋状の流路(中空糸膜束３２
の軸に対し、一定または不定の進度で該軸を回りながら
進む面による流路)５１が区画されている。前記流路５
１の入口は、供給空気流入口３３，３３，…に臨んでい
て、供給空気Ａを螺旋状の流路５１に導入するようにな
っており、出口は供給空気流出口３４，３４，…に臨ん
でいて供給空気Ａをスムーズに排出するようになってい
る。さらに、前記流路壁５０には、複数の孔５２，５
２，…が設けられていて、流路壁５０を挟んで供給空気
Ａ(中空糸膜３２ａの外側を流れる流体)の一部を上流側
から下流側へと通過させるようになっている。

【００３４】このように構成すると、流路壁５０は、中
空糸膜３２ａ，３２ａ，…の外側に通流する供給空気Ａ
の流量を全体均一に分配するとともに、供給空気Ａの流
速を増大し且つハウジング３１内の供給空気Ａの流路長
を増大する。このため、中空糸膜３２ａ，３２ａ，…の
外側に吸い出される単位時間当りの水分量及び、中空糸
膜３２ａ，３２ａ，…の外側を通流する供給空気Ａのハ
ウジング３２内での滞留時間が増大し、中空糸膜モジュ
ール２１の加湿能力が全体的に向上する。

【００３５】また、流路壁５０による流路５１の螺旋化
によって供給空気Ａの流速が増大し、流路５１の流路壁
５０寄りに供給空気Ａの偏流が発生したときは、供給空
気Ａの一部が、流路壁５０に設けられている複数の孔５
２を通過し、偏流側と反対側の中空糸膜３２ａの外側を
流れながら中空糸膜３２ａ，３２ａ，…の毛管から水分
を吸い出して回収する。このため、偏流に起因した加湿
能力の低下も防止される。

【００３６】図５は前記中空糸膜束の他の実施の形態を
示し、図中、３２′は中空糸膜束、５０′は流路壁、５
５は結束材を示す。図５(ａ)に示されるように、中空糸
膜３２ａ，３２ａ，…の両端部同士は、繋ぎ糸５４，５
４によって簾状に連結されていて、一方側の一本の中空
糸膜３２ａを巻き芯として巻き上げられたとき円柱状の
中空糸膜束３２′となる(図５(ｂ))。前記中空糸膜束３
２′は、平面的に展開された状態で、隣接する中空糸膜
３２ａ，３２ａ同士の流路壁５０′の形成部位が結束材
５５，５５，…によって連結されており、隣接する中空
糸膜３２ａ，３２ａ同士の流路壁５０′の形成部位の外
表面が結束材５５，５５，…により外側から覆われる。
このため、簾状に連結された中空糸膜３２ａ，３２ａ，
…を巻き上げて、隣接する上下各層において、下層の中
空糸膜３２ａ，３２ａ，…の外表面を覆っている結束材
５５，５５，…が、上層の中空糸膜３２ａの外表面と接
触し、上層の中空糸膜３２ａ，３２ａ，…の外表面の結
束材５５，５５，…が、下層の中空糸膜３２ａ，３２
ａ，…の外表面と接触したときに、前記流路壁５０に対
応する流路壁５０′，５０′，…が形成されることにな
る。

【００３７】前記結束材５５，５５，…としては、接着
剤、編み糸(紐を含む)及び接着剤及び編み糸が用いられ
る。なお、前記結束材５５，５５，…としては、編み糸
又は編み糸と接着剤とを併用するのが好ましく、接着剤
は、編み糸で中空糸膜３２ａ，３２ａ同士を結束した
後、巻き上げる前に、各編み糸の表面に塗布するのが好
ましい。このように結束材５５，５５，…で複数の中空
糸膜３２ａ，３２ａ同士を結束する構成とすると、例え
ば、仕切り板に複数の中空糸膜３２ａを挿通するための
孔や、上流から下流に流体を通過させるための複数の孔
５２，５２，…を形成し、中空糸膜３２ａを挿通するた
めの各孔の一つ一つに中空糸膜３２ａを通す場合と比較
して手間と時間とを節約することが可能となる。また、
結束材５５，５５，…に編み糸を用いた場合は、接着材
のみで中空糸膜３２ａ，３２ａ同士を結束する場合と比
較して、結束中の手直しが容易となり、流路壁５０(５
０′，５０′，…)及び上流から下流に流体を通過させ
るための複数の孔５２，５２，…を正確かつ簡単に形成
することが可能となる。なお、繋ぎ糸５４，５４及び結
束材５５，５５，…としての編み糸には、弾性を有する
糸(又は紐)を用いことができる。もちろん、耐久性、信
頼性等、流路壁５０(５０′，５０′，…)として求めら
れる物性、機能を満足できれば、特に、その材質には限
定されない。

【００３８】前記結束材５５，５５，…は、巻き上げた
ときに、隣接する中空糸膜３２ａ，３２ａ同士の重なり
を防止し、局部的な太りを防止するために、結束材５５
の直径分(線径)分ずらして結束される。また、編み糸の
編み方には従来より種々の方法が知られているが、本実
施の形態では中空糸膜３２ａ，３２ａ，…の外表面に対
して少なくとも一回巻き付けて隣接する中空糸膜３２
ａ，３２ａ同士を連結(結束)する編み方を用いることが
できる。

【００３９】図５(ｂ)は結束材５５，５５，…により流
路壁５０′，５０′，…を形成した中空糸膜束３２′の
巻き上げ外観斜視図を示し、図５(ｃ)は、図５(ｂ)に示
した円柱状の中空糸膜束３２′を前記ハウジング３１内
に収容し、ハウジング３１の両端開口をポッティング部
３５，３６により閉鎖した状態を示す。

【００４０】図５(ｂ)に示されるように、円筒状に巻き
上げられている中空糸膜３２ａ，３２ａの外表面には螺
旋状の流路壁５０′，５０′，…が形成され、隣接する
中空糸膜３２ａ，３２ａの結束材(編み糸または編み糸
及び接着剤)５５，５５の間に、図４で説明した複数の
孔５２，５２，…に対応した軸方向の隙間Ｓ，Ｓ，…が
形成される。

【００４１】このため、図５(ｃ)に示すように、ハウジ
ング３１に中空糸膜３２′を組み込んだ状態では、流路
壁５０′，５０′，…が、中空糸膜３２ａ，３２ａ，…
の外側を通流する供給空気Ａの流量を全体均一に分配
し、供給空気Ａの流速とハウジング３１内の供給空気Ａ
の流路長とを増大する。このため、前記中空糸膜モジュ
ール３２と同様に、中空糸膜３２ａ，３２ａ，…の外側
に吸い出される単位時間当りの水分量及び中空糸膜３２
ａ，３２ａ，…の外側を通流する供給空気Ａの滞留時間
が増大される。また、隣接する結束材５５，５５間の隙
間Ｓを通じて、供給空気Ａの一部が下流の流路５１′へ
と通過し、通過した供給空気Ａが中空糸膜３２ａ，３２
ａ，…の各毛管から水分を吸い出すことができるので、
流路壁５０′，５０′，…の螺旋化により、供給空気Ａ
の流速の増大が発生し、その結果として、流路５１′の
流路壁５０′寄りに供給空気Ａの偏流が発生しても、偏
流に起因した加湿能力の低下が防止される。

【００４２】なお、前記各実施の形態において、前記流
路壁５０(５０′，５０′，…)に沿って供給空気Ａを螺
旋状に旋回させてその流速を増大させると、中空糸膜３
２(３２′)の外表面と衝突する際の乱流が水分の拡散作
用を大きくするので全体の加湿能力が向上する。また、
簾状に連結された中空糸膜３２ａ，３２ａ，…を、片側
の１本の中空糸膜３２ａを巻き上げ中心として巻き上げ
ると、周方向において、互いに隣接する中空糸膜３２
ａ，３２ａ同士の周方向の隙間が中心側で狭く外側に向
かって順次広がっていき、中空糸膜束３２の外周におい
て最大となる。このため、この隙間を通じた供給空気Ａ
の分散を期待でき、分散による加湿効率の向上を期待す
ることができる。なお、周方向において隣接する中空糸
膜３２ａ，３２ａ同士の周方向の隙間には供給空気Ａの
旋回流による負圧が作用するので、中空糸膜３２ａの内
側に乾燥流体(供給空気Ａ)を通流し、外側に湿潤流体
(排出空気Ａｅ)を通流した場合には、負圧による中空糸
膜束３２全体の加湿効率の向上も期待することができ
る。

【００４３】また、簾状の中空糸膜束３２′を形成する
ときは、隣接する中空糸膜３２ａ，３２ａ同士の間隔を
変えることができるので、巻き上げた状態で、上層側の
間隔が密に、下層側の隙間が、下層側に向かって順次、
粗、または、この逆として、中空糸膜３２ａ，３２ａ，
…に対する供給空気Ａの流量分配を調節してもよい。さ
らに、ハウジング３１内に前記流路壁５０(５０′，５
０′，…)を形成する方法には、射出成形型に前記中空
糸膜束３２(３２′)を中子的に配置し、各中空糸膜束３
２(３２′)に前記流路壁５０(５０′，５０′，…)を一
体形成することも可能である。

【００４４】また、前記した各実施形態では、ハウジン
グ３１に供給空気流入口３３，３３，…と供給空気流出
口３４，３４，…とを設けて、供給空気流入口３３，３
３，…から供給空気流出口３４，３４，…に供給空気Ａ
を通流する説明をしたが、ハウジング３１の内に及ぶ内
管(図示せず)を配置し、この内管の一端部に前記供給空
気流入口３３，３３，…を、外管となるハウジング３１
の他端部に供給空気流出口３４，３４，…を配置して、
内管とハウジング３１との間に、複数の中空糸膜３２
ａ，３２ａ，…を充填する形態の中空糸膜モジュールを
形成し、この中空糸膜モジュールの内管とハウジング３
１との間に、前記中空糸膜束３２(３２′)を充填しても
よい。この場合、内管に形成された供給空気流入口３
３，３３，…から供給空気流出口３４，３４，…に通流
された供給空気Ａは、流路壁５０(５０′，５０′，…)
に沿ってそれぞれ旋回しながら、その遠心力によって外
側に広がっていきかつ、軸中心付近の経路がガス流れの
最短流路となることとあわせて中空糸膜束３２の全体に
行き渡るので、前記実施形態と同様、加湿能力が大幅に
向上する。なお、前記した実施の形態では、中空糸膜３
２ａの内側に排出空気Ａｅを通流し、中空糸膜３２ａの
外側に供給空気Ａを通流する説明をしたが、この逆に、
中空糸膜３２ａの内側に供給空気Ａを通流し、中空糸膜
３２ａの外側に排出空気Ａｅを通流した場合も加湿能力
を向上することができる。

【００４５】

【発明の効果】以上、説明したことから明らかなように
本発明によれば次の如き優れた効果を発揮する。請求項
１に記載の発明によれば、複数の中空糸膜を束ねてなる
中空糸膜束をハウジング内に収容し、各中空糸膜の内側
と外側とにそれぞれ水分含有量の異なる流体を通流して
これら流体間で水分交換を行う中空糸膜モジュールにお
いて、各中空糸膜の外側を流れる流体に対し中空糸膜の
長手方向を軸とした螺旋状の流路壁を形成したので、ハ
ウジング内で中空糸膜の外側を流れる流体の流速及び流
路長さを増大することができる。このため、中空糸膜の
外側に通流する供給空気の流量が全体均一に分配され、
ハウジングの外側を流れる流体のハウジング内での滞留
時間が増大するので、加湿能力が大幅に向上する。

【００４６】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の発明において、流路壁に上流側から下流に流体の一部
を通過させる孔を複数設け、これら孔を通過して上流側
から下流側の流路に流体が通過するようにしたので、流
路に流路壁に寄りに偏流が発生したときの加湿能力の低
下を防止することができる。

【００４７】請求項３に記載の発明は、請求項１または
請求項２に記載の発明において、流路壁は、前記複数の
中空糸膜同士を結束する結束材によって形成されるの
で、流路壁の形成に際する手間と時間とを節約できる。
また、流路壁を熟練を要さずに簡単に形成することがで
きる。

【００４８】請求項４に記載の発明は、結束材を、前記
中空糸膜同士を結び付ける編み糸としたので、前記流路
壁を一体に有する中空糸膜束を正確かつ簡単に形成する
ことができる。

【００４９】請求項５に記載の発明は、平面状に並べた
前記複数の中空糸膜に対し、その流路壁を形成する部位
同士を前記結束材により結束し、前記結束材により結束
された中空糸膜を巻き上げて前記中空糸膜束を形成す
る。このため、例えば、流路壁や上流側から下流側に流
体を通過させるための多数の孔を有する中空糸膜束を簡
単且つ一定品質で形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態を示し、中空糸膜モジュ
ールを利用する加湿装置を備えた燃料電池システムの全
体構成図である。

【図２】本発明の一実施の形態を示し、燃料電池の構成
を模式化した説明図である。

【図３】本発明の一実施の形態を示し、図３(ａ)は加湿
器の内部構造を示す斜視図、図３(ｂ)は加湿器の内部構
造を示す断面図である。

【図４】本発明にかかる中空糸膜モジュールの一実施の
形態を示し、図４(ａ)は中空糸膜モジュールの構造を示
す斜視図、図４(ｂ)は中空糸膜モジュールの構造を示す
図４(ａ)のｂ−ｂ線断面図である。

【図５】本発明の一実施にかかる中空糸膜の一実施の形
態を示し、図５(ａ)は中空糸膜束の巻き上げ前の状態を
示す図、図５(ｂ)は巻き上げ後の状態を示す斜視図、図
５(ｃ)はハウジング内に取り付けた状態を示す断面図で
ある。

【図６】従来例を示し、中空糸膜モジュールを示す断面
図である。

【図７】従来例を示し、バッフルにより蛇行状の流路を
形成した中空糸膜モジュールの内部構造を示す解説図で
ある。

【符号の説明】

２１中空糸膜モジュール２１′ 中空糸膜モジュール３１ハウジング３２中空糸膜束３２′ 中空糸膜束３２ａ中空糸膜５０流路壁５０′ 流路壁５２孔５５結束部材Ａ供給空気 (流体) Ａｅ排出空気 (流体) Ｓ隙間(孔)

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鈴木幹浩埼玉県和光市中央１丁目４番１号株式会社本田技術研究所内Ｆターム(参考） 4D006 GA41 HA02 JA24A MA01 PB65 PC80 5H026 AA06 CX04 5H027 AA06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の中空糸膜を束ねてなる中空糸膜束
をハウジング内に収容し、各中空糸膜の内側と外側とに
それぞれ水分含有量の異なる流体を通流してこれら流体
間で水分交換を行う中空糸膜モジュールにおいて、前記中空糸膜の外側を流れる流体に対し、前記中空糸膜
束の長手方向を軸とした螺旋状の流路壁を設けたことを
特徴とする中空糸膜モジュール。
【請求項２】前記流路壁は、前記中空糸膜の外側を流
れる流体の一部が通過可能な複数の孔を備えることを特
徴とする請求項１に記載の中空糸膜モジュール。
【請求項３】前記流路壁は、前記複数の中空糸膜同士
を結束する結束材によって形成されることを特徴とする
請求項１または請求項２に記載の中空糸膜モジュール。
【請求項４】前記結束材は、前記中空糸膜同士を結び
付ける編み糸であることを特徴とする請求項３に記載の
中空糸膜モジュール。
【請求項５】平面状に並べた複数の中空糸膜に対し、
その流路壁を形成する部位同士を前記結束材により結束
し、前記結束材により結束された中空糸膜を巻き上げて前記
中空糸膜束を形成したことを特徴とする請求項３または
請求項４に記載の中空糸膜モジュール。