加湿器的制造方法
【专利摘要】一种加湿器，其在中空纤维膜的内侧流动第1气体，并且在外侧流动第2气体，在第1气体和第2气体之间进行水分交换，该加湿器具有：中空纤维膜束，其是将多根中空纤维膜捆扎而成的；收容壳体，其将中空纤维膜束收容在内部；以及框体，其具有第1气体的导入口及排出口、以及第2气体的导入口及排出口，将收容壳体收容在内部，中空纤维膜束具有第1气体旁通通路，该第1气体旁通通路沿轴向贯穿该中空纤维膜束的内部，并且流路截面积比所述中空纤维膜的内侧的流路截面积大。
【专利说明】
加湿器
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种加湿器。
【背景技术】
[0002]在JP2010-71618A中，作为现有的加湿器而公开有下述技术，即，在中空纤维膜的内侧流动第I气体，并且在外侧流动第2气体，在第I气体和第2气体之间进行水分交换。
【发明内容】
[0003]但是，上述现有的加湿器存在下述问题，S卩，通过加湿器的第I气体的压力损失较大。
[0004]本发明就是着眼于上述问题而提出的，其目的在于减小加湿器的压力损失。
[0005]根据本发明的一种方式，加湿器在中空纤维膜的内侧流动第I气体，并且在外侧流动第2气体，在第I气体和第2气体之间进行水分交换，该加湿器具有:中空纤维膜束，其是将多根所述中空纤维膜捆扎而成的；收容壳体，其将中空纤维膜束收容在内部；以及框体，其具有第I气体的导入口及排出口、以及第2气体的导入口及排出口，将收容壳体收容在内部。并且，中空纤维膜束具有第I气体旁通通路，该第I气体旁通通路沿轴向贯穿该中空纤维膜束的内部，并且流路截面积比中空纤维膜的内侧的流路截面积大。
[0006]下面，参照附图，对本发明的实施方式、本发明的优点，在下面详细地说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]图1是表示本发明的一个实施方式所涉及的燃料电池系统的概略结构图。
[0008]图2是本发明的一个实施方式所涉及的加湿器的斜视图。
[0009]图3是本发明的一个实施方式所涉及的加湿器的分解斜视图。
[0010]图4是对中空纤维膜进行说明的图。
[0011]图5是沿图2的加湿器的V-V线的剖面图。
[0012]图6是对中央体内的阴极废气的流向进行说明的图。
[0013]图7是对中央体内的阴极废气的流向进行说明的图。
[0014]图8A是表示设置有2条阴极气体旁通流路的本实施方式的中空纤维膜束的内部情况的剖面图。
[0015]图SB是表示未设置有阴极气体旁通流路的参考方式的中空纤维膜束的内部情况的剖面图。
[0016]图9是本发明的其他实施方式所涉及的加湿器的剖面图。
【具体实施方式】
[0017]在燃料电池中，利用阳极电极(燃料极)和阴极电极(氧化剂极)夹持电解质膜，通过向阳极电极供给含有氢气的阳极气体(燃料气体)、向阴极电极供给含有氧气的阴极气体(氧化剂气体)而进行发电。在阳极电极以及阴极电极这两个电极上进行的电极反应如下所示。
[0018]阳极电极:2?— 4H++4e-...(I)
[0019]阴极电极:4H++4e>02— 2H20...(2)
[0020]通过该(I)以及⑵的电极反应，燃料电极产生I伏左右的电动势。
[0021]在将上述燃料电池作为汽车用动力源而使用的情况下，由于所要求的电力较大，因此作为将数百片的燃料电池进行层叠而成的燃料电池堆使用。并且，构成向燃料电池堆中供给阳极气体以及阴极气体的燃料电池系统，输出车辆驱动用的电力。
[0022]图1是本发明的一个实施方式所涉及的燃料电池系统I的概略结构图。
[0023]燃料电池系统I具有燃料电池堆2、阴极气体供排装置3。
[0024]燃料电池堆2是将数片的燃料电池层叠而成的，接受阳极气体以及阴极气体的供给而发电，发电产生车辆的驱动所需的电力(例如为驱动电动机所需的电力)。
[0025]关于向燃料电池堆2供给阳极气体的阳极气体供排装置以及用于冷却燃料电池堆2的冷却装置，由于不是本发明的主要部分，因此，为了便于理解而省略图示。
[0026]阴极气体供排装置3是向燃料电池堆2供给阴极气体，并且，将从燃料电池堆2排出的阴极废气向外部空气排出的装置。阴极气体供排装置3具有阴极气体供给通路31、阴极气体排出通路32、过滤器33、阴极压缩机34、空气流量传感器35、加湿器(WRD =WaterRecovery Device) 4、以及阴极调压阀36。
[0027]阴极气体供给通路31是向燃料电池堆2供给的阴极气体所流过的通路。在以下的说明中，在无需特别区分时，将阴极气体供给通路31中的一端与过滤器33连接，另一端与加湿器4的阴极气体导入孔412a连接的通路称为“阴极气体供给通路31a”。另外，将阴极供给通路31中的一端与加湿器4的阴极气体排出孔413a连接，另一端与燃料电池堆2的阴极气体入口孔21连接的通路称为“阴极气体供给通路31b”。
[0028]阴极气体排出通路32是从燃料电池堆2排出的阴极废气所流过的通路。阴极废气是阴极气体和通过电极反应而产生的水蒸气的混合气体(湿润气体)。在以下的说明中，在无需特别区分时，将阴极气体排出通路32中的一端与燃料电池堆2的阴极气体出口孔22连接，另一端与加湿器4的阴极废气导入孔411a连接的通路称为“阴极气体排出通路32a”。另外，将阴极气体排出通路32中的一端与加湿器4的阴极废气排出孔41 Ib连接，另一端成为开口端的通路称为“阴极气体排出通路32b ”。
[0029]过滤器33去除向阴极气体供给通路31引入的阴极气体中的杂质。
[0030]阴极压缩机34设置在阴极气体供给通路31上。阴极压缩机34经由过滤器33将作为阴极气体的空气(外部空气)向阴极气体供给通路31引入，而供给至燃料电池堆2。
[0031]空气流量传感器35设置在与阴极压缩机34相比为下游的阴极气体供给通路31上。空气流量传感器35对流过阴极气体供给通路31的阴极气体的流量进行检测。
[0032]加湿器4分别与阴极气体供给通路31以及阴极气体排出通路32连接，对流过阴极气体排出通路32的阴极废气中的水分进行回收，并利用该回收的水分对流过阴极气体供给通路31的阴极气体进行加湿。通过利用加湿器4对供给至燃料电池堆2的阴极气体进行加湿，从而能够抑制燃料电池的电解质膜的干燥而减小质子移动阻力，因此能够提高燃料电池的输出性能(发电效率)。对加湿器4的详细结构，参照图2至图5将后述。
[0033]阴极调压阀36设置在与加湿器4相比为下游的阴极气体排出通路32上。阴极调压阀36是能够连续或阶段性地调节开度的电磁阀。通过调节阴极调压阀36的开度，将供给至燃料电池堆2的阴极气体的压力调节为期望的压力。
[0034]下面，参照图2至图5，对本发明的一个实施方式所涉及的加湿器4的结构进行说明。
[0035]图2是加湿器4的斜视图。图3是加湿器4的分解斜视图。
[0036]加湿器4具有框体41、中空纤维膜模块42。
[0037]框体41具有中央体411、第I闭塞体412、第2闭塞体413。框体41具有下述功能:将中空纤维膜模块42收容在内部而进行保护的功能；将用于向中空纤维膜模块42供给的阴极气体及阴极废气导入至框体41的内部的功能；以及将供给至中空纤维膜模块42的阴极气体及阴极废气向框体41的外部排出的功能。
[0038]中央体411是两端开口的扁平的金属制壳体，在内部收容中空纤维膜模块42。在以下的说明中，将与中央体两端的开口面垂直的方向称为“轴向”。另外，将中央体411的第2闭塞体413侧的开口面作为正面，将图中上侧作为上，将图中下侧作为下，将图中前侧作为左，将图中里侧作为右，而定义上下左右。
[0039]在中央体411的左侧壁形成阴极废气导入孔411a。阴极废气导入孔411a与第I阴极气体排出通路32连接。阴极废气导入孔411a将从燃料电池堆2排出并从阴极气体排出通路32a流过来的阴极废气导入至中央体411的内部。
[0040]在中央体411的右侧壁形成阴极废气排出孔411b。阴极废气排出孔411b与第2阴极气体排出通路32连接。阴极废气排出孔411b将导入至中央体411的内部并利用中空纤维膜模块42回收水分后的阴极废气向阴极气体排出通路32b排出。
[0041]第I闭塞体412是用于将中央体411的一个开口闭合的金属制的盖，具有阴极气体导入孔412a。阴极气体导入孔412a与阴极气体供给通路31a连接。阴极气体导入孔412a将从阴极压缩机34喷出的阴极气体导入至第I闭塞体412的内部。导入至第I闭塞体412的内部的阴极气体从中央体411的一个开口导入其内部。
[0042]第2闭塞体413是用于将中央体411的另一个开口闭合的金属制的盖，具有阴极气体排出孔413a。阴极气体排出孔413a与阴极气体供给通路31b连接。阴极气体排出孔413a将利用中空纤维膜模块42加湿并从中央体411的另一个开口排出至第2闭塞体413的内部的阴极气体，向阴极气体供给通路31b排出。向阴极气体供给通路31b排出的阴极气体经由阴极气体供给通路31b而供给至燃料电池堆2。
[0043]中央体411和第I闭塞体412利用O型圈43进行密封。中央体411和第2闭塞体413利用O型圈44进行密封。
[0044]中空纤维膜模块42具有中空纤维膜束421和收容壳体422。在对中空纤维膜模块42的各结构部件进行说明之前，首先参照图4对中空纤维膜5进行说明。
[0045]图4是对中空纤维膜5进行说明的图。
[0046]如图4所示，中空纤维膜5是具有水分透过性的中空状的膜，在其两端面开口，并且具有将其两端面的开口彼此连通的内部流路51。中空纤维膜5根据流过内部流路51的内部气体、与一边接触中空纤维膜5的外周面52 —边流过的外部气体之间的水蒸气量压差，在内部气体和外部气体之间进行水分的交换。
[0047]在本实施方式中，通过使内部气体为阴极气体，使外部气体为阴极废气，从而使阴极废气中的水蒸气透过中空纤维膜5的内部流路51，对阴极气体进行加湿。
[0048]以下，再次参照图3，对中空纤维膜模块42的各结构部件进行说明。
[0049]中空纤维膜束421是在将多根中空纤维膜5捆扎后，利用浇注材料填充中空纤维膜束421两端部的各中空纤维膜之间的微小空隙，将中空纤维膜彼此粘接而一体形成的。除了中空纤维膜束421的两端部以外，中空纤维膜彼此之间不利用浇注材料粘接，而成为在各中空纤维膜之间存在微小的空隙的状态。存在于该各中空纤维膜之间的微小的空隙成为前述的外部气体所流过的流路(以下称为“外部流路”)52。中空纤维膜束421通过使流过外部流路52的阴极废气中的水蒸气向各中空纤维膜5的内部流路51透过，从而对流过该内部流路51的阴极气体进行加湿。
[0050]另外，中空纤维膜束421在其内部具有2条阴极气体旁通流路6，它们沿轴向贯穿中空纤维膜束421。
[0051]阴极气体旁通流路6以相对于中空纤维膜束421的轴心左右对称的方式，分别设置在从中空纤维膜束421的轴心向左右偏移了规定量的位置处。阴极气体旁通流路6由与将中空纤维膜彼此粘接的材料相同的浇注材料形成，不对从第I闭塞体412导入至中央体411的阴极气体进行加湿而向第2闭塞体413排出。即，阴极气体旁通流路6具有使中空纤维膜束421形成旁路，而将导入至第I闭塞体412的阴极气体直接向第2闭塞体413排出的功能。阴极气体旁通流路6形成为，其截面积(与轴向垂直的截面的面积)大于中空纤维膜5的截面积。
[0052]收容壳体422是两端开口的扁平的树脂制的壳体，以中空纤维膜束421的长度方向与轴向平行的方式将中空纤维膜束421收容在内部。
[0053]中央体411和收容壳体422的一端部利用O型圈45进行密封。中央体411和收容壳体422的另一端部利用O型圈46进行密封。
[0054]另外，收容壳体422具有下述功能，即，使阴极废气从收容壳体422的侧壁的一部分(上侧壁、右侧壁、左侧壁)流入中空纤维膜束421的外部流路52中，并且，使流入外部流路52的阴极废气从收容壳体422的侧壁的剩下的其他部分(下侧壁)流出。以下，除了图3之外还参照图5，对用于发挥该功能的结构进行说明。
[0055]图5是沿图2的加湿器的V-V线的剖面图。在图5中，省略了中空纤维膜束421的图示。
[0056]如图3及图5所示，在收容壳体422的上侧壁形成有上侧气体流入孔422a。
[0057]上侧气体流入孔422a是贯穿上侧壁的孔，在上侧壁的大致整个面上形成多个。从在中央体411的左侧壁形成的阴极废气导入孔411a向中央体411的内部导入的阴极废气，主要从上侧气体流入孔422a向中空纤维膜束421的外部流路52内流入。
[0058]在收容壳体422的下侧壁形成有气体排出孔422b。
[0059]气体排出孔422b是贯穿下侧壁的孔，在下侧壁的大致整个面上形成多个。流入中空纤维膜束421的外部流路52内的阴极废气，从气体排出孔422b向中央体411的内部排出。并且，从在中央体411的右侧壁形成的阴极废气排出孔422b向阴极气体排出通路32排出。
[0060]在收容壳体422的左侧壁上形成扩散壁422c、左侧气体流入孔422d、左侧旁通肋部 422e。
[0061]扩散壁422c形成于在将中空纤维膜模块42收容在中央体411中时，与在中央体411上形成的阴极废气导入孔411a相对的位置处。从阴极废气导入孔411a导入至中央体411的内部的阴极废气，与扩散壁422c冲撞而扩散。
[0062]左侧气体流入孔422d是贯穿左侧壁的孔，在除了扩散壁422c的形成部位之外的左侧壁的大致整个面上形成多个。导入至中央体411的内部的阴极废气，除了上侧气体流入孔422a之外，还从该左侧气体流入孔422d流入中空纤维膜束421的外部流路52内。
[0063]左侧旁通肋部422e是从左侧壁的下部垂直地凸出，在轴向范围内形成的凸条。左侧旁通肋部422e形成为，在其与中央体411的内周面之间产生规定的间隙(以下称为“左侧旁通空间”)7。
[0064]在收容壳体422的右侧壁上形成右侧气体流入孔422f、右侧旁通肋部422g。
[0065]右侧气体流入孔422f是贯穿右侧壁的孔，在右侧壁的大致整个面上形成多个。导入至中央体411的内部的阴极废气，除了上侧气体流入孔422a之外，还从该右侧气体流入孔422f流入中空纤维膜束421的外部流路52内。
[0066]右侧旁通肋部422g是从右侧壁的外周面下侧垂直地凸出，在轴向范围内形成的凸条。右侧旁通肋部422g形成为，在其与中央体411的内周面之间产生规定的间隙(以下称为“右侧旁通空间”)8。
[0067]下面，参照图6及图7，对中央体内的阴极废气的流向进行说明。
[0068]如图6及图7所示，在中央体411中收容有中空纤维膜模块42时，在中央体411和收容壳体422之间，产生规定的间隙。
[0069]从中央体411的阴极废气导入孔411a导入至中央体411的内部(中央体411和收容壳体422之间的间隙)的阴极废气，与左侧壁的扩散壁422c冲撞而扩散，其一部分流过中央体411和收容壳体422之间的间隙，而从在收容壳体422的侧壁上形成的各气体流入孔422a、422d、422f流入中空纤维膜束421的外部流路52内。
[0070]另一方面，剩下的一部分通过左侧旁通空间7和右侧旁通空间8，向中央体411和收容壳体422的下侧壁之间的间隙流入，不会流入中空纤维膜束421的外部流路52内，而从阴极气体排出孔422b排出。
[0071]通过对左侧旁通肋部422e以及右侧旁通肋部422g的高度进行调整，能够对流过左侧旁通空间7和右侧旁通空间8的阴极废气的流量进行控制。换言之，通过对左侧旁通肋部422e以及右侧旁通肋部422g的高度进行调整，从而能够对从收容壳体422的各气体流入孔422a、422d、422f向中空纤维膜束421的外部流路52流入的阴极废气的流量、流入外部流路52后的阴极废气的流向、流速等进行控制。
[0072]在本实施方式中，通过适当地设定左侧旁通肋部422e以及右侧旁通肋部422g的高度，如图7所示，使得从收容壳体422的各气体流入孔422a、422d、422f向中空纤维膜束421的外部流路52流入的阴极废气，从上壁面的整个面均匀地、且以相等的流速垂直地从上侧壁流向下侧壁。
[0073]从上侧壁朝向下侧壁而流过中空纤维膜束421的外部流路52的阴极废气，从下侧壁的气体排出孔422b向中央体411和收容壳体422的下侧壁之间的间隙排出，并与通过左侧旁通空间7以及右侧旁通空间8而来的阴极废气一起从阴极气体排出孔422b排出。
[0074]下面，对框体41内的阴极气体的流向进行说明。
[0075]从第I闭塞体412的阴极气体导入孔412a导入至第I闭塞体412的内部的阴极气体，从中央体411的一个开口导入至中央体411的内部。收容壳体422 —端部的外周面和中央体411的内周面之间的间隙利用O型圈等进行密封，因此，导入至中央体411的内部的阴极气体的一部分向收容在收容壳体422中的中空纤维膜束421的各中空纤维膜5的内部流路51流入，剩下的一部分流入至阴极气体旁通流路6中。
[0076]流入至各中空纤维膜5的内部流路51中的阴极气体，被从外部流路52透过来的水蒸气加湿，并从中央体411的另一个开口导入至第2闭塞体413的内部。另一方面，流入至阴极气体旁通流路6的阴极气体，在未被加湿的情况下直接从中央体411的另一个开口导入至第2闭塞体413的内部。导入至第2闭塞体413的内部的阴极气体从阴极气体排出孔422b向阴极气体供给通路31排出，供给至燃料电池堆2。
[0077]根据以上所说明的本实施方式，在中空纤维膜束421的内部，形成有沿轴向贯穿中空纤维膜束421的阴极气体旁通流路6。而且，阴极气体旁通流路6的截面积大于各中空纤维膜5的内部流路51的截面积。
[0078]由此，导入至中央体411的内部的阴极气体的一部分，向截面积比各中空纤维膜5的内部流路51大的阴极气体旁通流路6流入，因此，能够使通过中空纤维膜束421、进而使通过加湿器4的阴极气体的压力损失减小。
[0079]在此，燃料电池堆2所要求的阴极气体的流量、压力，基本上随燃料电池堆2的负载越高而越大，如果通过加湿器4的阴极气体的压力损失变大，则需要对应于该压力损失量而提高阴极压缩机34的转速。
[0080]因此，使通过加湿器4的阴极气体的压力损失减小，由此能够将阴极压缩机34的转速设定得较低，因此，能够抑制阴极压缩机34的消耗电力，改善燃料效率。
[0081]另外，根据本实施方式，以相对于中空纤维膜束421的轴心左右对称的方式，分别将阴极气体旁通流路6设置在从中空纤维膜束421的轴心向左右偏移规定量的位置处。
[0082]图8是对其效果进行说明的图。图8A是表示设置有2条阴极气体旁通流路6的本实施方式的中空纤维膜束421的内部情况的剖面图，图SB是表示未设置阴极气体旁通流路6的参考方式的中空纤维膜束421的内部情况的剖面图。
[0083]如图SB所示，在未设置阴极气体旁通流路6的情况下，如果阴极废气相对于阴极气体相交叉地流动，则存在阴极废气偏向中空纤维膜束421的中央而流动的倾向，存在中空纤维膜束421的中央的各中空纤维膜5逐渐向左右外侧变形的倾向。S卩，导致在中空纤维膜束421的内部，产生阴极废气易于流动的部分和难以流动的部分。其结果，有可能导致中空纤维膜束421的水分交换效率降低。
[0084]与此相对，如图8A所示，通过将2条阴极气体旁通流路6以相对于中空纤维膜束421的轴心左右对称的方式设置，从而能够利用阴极气体旁通流路6，抑制中空纤维膜束421的中央的各中空纤维膜5的变形。由此，能够抑制中空纤维膜束421的水分交换效率的降低。
[0085]另外，中空纤维膜束421内的水分交换效率，存在与阴极废气容易接触的外周部附近相比，中央部处的水分交换效率低的倾向。因此，通过将阴极气体旁通流路6设置在相距中空纤维膜束421的轴心较近的位置处，从而能够抑制中空纤维膜束421整体的水分交换效率的降低。
[0086]另外，根据本实施方式，利用与将中空纤维膜彼此粘接的材料相同的浇注材料形成阴极气体旁通流路6。
[0087]由此，能够使线膨胀系数相同，而抑制发生粘接不良。
[0088]以上，对本发明的实施方式进行了说明，但上述实施方式只示出了本发明的适用例的一部分，并不表不将本发明的技术范围限定于上述实施方式的具体结构。
[0089]例如，在上述实施方式中，将2根阴极气体旁通流路6以相对于中空纤维膜束421的轴心左右对称的方式，分别设置在从中空纤维膜束421的轴心向左右偏移规定量的位置处。但是，设置阴极气体旁通流路6的位置并不限定于此。
[0090]例如，如图9所示，也可以设置在未形成有气体流入孔422a、422d、422f的收容壳体422的下面壁侧的角部的附近。收容壳体422的下面壁侧的角部是阴极废气特别难以流动、中空纤维膜束421的水分交换效率最低的部分，因此，通过设置在该位置，能够抑制中空纤维膜束421整体的水分交换效率的降低，且能够抑制压直损失的降低。
[0091]另外，在本实施方式中，使阴极废气相对于阴极气体的流动方向而相交叉地流动，但也可以流动为与阴极气体的流动方向相对。
[0092]另外，在上述实施方式中，使阴极气体在中空纤维膜束42的内部流路51中流动，使阴极废气在外部流路52中流动，但也可以使阴极废气在内部流路51中流动，使阴极废气在外部流路52中流动。
[0093]本申请基于在2012年3月13日向日本特许厅申请的特愿2012-56372号而主张优先权，该申请的全部内容通过参照而引入本说明书。
【权利要求】
1.一种加湿器，其在中空纤维膜的内侧流动第I气体，并且在外侧流动第2气体，在第I气体和第2气体之间进行水分交换， 该加湿器具有: 中空纤维膜束，其是将多根所述中空纤维膜捆扎而成的； 收容壳体，其将所述中空纤维膜束收容在内部；以及 框体，其具有第I气体的导入口及排出口、以及第2气体的导入口及排出口，将所述收容壳体收容在内部， 所述中空纤维膜束具有第I气体旁通通路，该第I气体旁通通路沿轴向贯穿该中空纤维膜束的内部，并且流路截面积比所述中空纤维膜的内侧的流路截面积大。
2.根据权利要求1所述的加湿器，其中， 所述收容壳体具有:气体流入孔，其使在所述中空纤维膜的外侧流动的第2气体从侧面的一部分流向所述中空纤维膜束，以使得在所述中空纤维膜束的内部，使第2气体相对于在所述中空纤维膜的内侧流动的第I气体相交叉地进行流动；以及气体流出孔，其使流入所述中空纤维膜束的第2气体从侧面的剩下的一部分流出， 所述第I气体旁通通路以夹着所述中空纤维膜束的轴心的方式设置2条。
3.根据权利要求2所述的加湿器，其中， 所述收容壳体的两端的开口面形成为大致长方形，在将开口面作为正面而定义上下左右时，所述收容壳体在包含较长边的上侧面、包含较短边的左右侧面具有所述气体流入孔，在包含较长边的下侧面具有所述气体排出孔。
4.根据权利要求1所述的加湿器，其中， 所述第I气体旁通通路设置在所述中空纤维膜束的内部的第I气体和第2气体的水分交换效率相对较低的部分。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的加湿器，其中， 所述中空纤维膜束是其两端部的中空纤维膜彼此通过浇注材料粘接而一体形成的， 所述第I气体旁通通路是由与所述浇注材料相同的材质形成的通路。
【文档编号】F24F6/04GK104246379SQ201380013578
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年3月13日 优先权日:2012年3月13日
【发明者】臼田昌弘, 矢泽成纪 申请人:日产自动车株式会社