JP4516333B2

JP4516333B2 - 加湿器

Info

Publication number: JP4516333B2
Application number: JP2004073640A
Authority: JP
Inventors: 敏勝片桐; 幹浩鈴木; 佳夫草野; 亮一吉冨; 民雄稲村
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; Nok Corp
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; Nok Corp
Priority date: 2004-03-16
Filing date: 2004-03-16
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2024-03-16
Also published as: JP2005265196A

Description

本発明は、燃料電池等の機器に供給する気体を加湿する加湿器に関し、詳しくは、水透過性の中空糸膜を有する加湿器に関する。

固体高分子型燃料電池においては、水素などの燃料ガス、酸素などの酸化剤ガスを加湿して供給する機器が必要である。

このような加湿器として、内ケースと外ケースとを同心的に備え、内ケースと外ケースとの隙間に中空糸膜束を装填した加湿器が提案されている（特許文献１参照）。そして、このような加湿器は、例えば、前記固体高分子型燃料電池と共に車両に搭載される場合もあり、車両の走行等により振動が加わっても、破損しにくい構造を有する加湿器の開発が望まれている。
特開２００２−１４７８０２号公報（段落番号００２４〜００４４、図１）

そこで、本発明は、破損しにくく耐久性が向上した加湿器を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、筒状であると共に一端側に内部と外部を連通させる内ケース孔を有する内ケースと、筒状であると共に他端側に内部と外部を連通させる外ケース孔を周方向に複数有し、前記内ケースの外側に同心的に配置する外ケースと、前記内ケースと前記外ケースとの間に装填され、水透過性を有する中空糸膜が複数束ねられ、両端がそれぞれ封止部を介して前記内ケース及び前記外ケースに固定された中空糸膜束と、前記内ケースの一端側に結合した第１配管と、前記外ケースの一端側に結合すると共に、前記第１配管と一体的に接合し前記第１配管と一体である第２配管と、前記外ケースの他端側に結合した第３配管と、前記複数の外ケース孔に被さる環状空間を内部に有し、前記外ケースに取り付けられた第４配管と、前記内ケースと前記第１配管との第１結合部に配置され、気密性を高めるため周面が曲面である第１Ｏリングと、前記外ケースと前記第２配管との第２結合部に配置され、気密性を高めるため周面が曲面である第２Ｏリングと、前記外ケースと前記第３配管との第３結合部に配置され、気密性を高めるため周面が曲面である第３Ｏリングと、前記外ケースと前記第４配管との第４結合部に配置され、気密性を高めるため周面が曲面である第４Ｏリングと、を備え、前記第１配管の内部、前記内ケースの内部、前記内ケース孔、前記内ケースと前記外ケースとの間であって前記中空糸膜の外、前記外ケース孔、及び、前記第４配管の前記環状空間、を含む第Ｘ流路と、前記第２配管の内部、前記中空糸膜の中空部、及び、前記第３配管の内部、を含む第Ｙ流路と、を有し、含水量が異なる２つの気体の一方が前記第Ｘ流路を流通し、他方が前記第Ｙ流路を流通することで、含水量の低い気体を加湿する加湿器であって、前記第１Ｏリングと前記第２Ｏリングとは、同一の輪切り断面上に配置されたこと特徴とする加湿器である。

このような加湿器によれば、第１配管と第２配管とが一体的に接合してなることより、加湿器の機械的強度が高くなる。また、第１Ｏリングと第２Ｏリングを備えたことで気密性は高まり、一方の気体及び他方の気体が加湿器の外部に漏れにくくなる。さらに、第１Ｏリングと第２Ｏリングとが、同一の輪切り断面上に配置されているため、加湿器に揺れなどに基づいて外力が加わったときに、第１結合部及び第２結合部に作用する曲げモーメントは小さくなり、その結果、加湿器は破損しにくくなる。したがって、改質器の耐久性が向上する。

また、前記加湿器において、前記第１配管は、前記内ケースの内側に差し込まれて結合しており、前記第２配管は、前記外ケースの外側に外嵌するように結合しており、前記一方は、前記第Ｘ流路を、前記第１配管の内部、前記内ケースの内部、前記内ケース孔、前記内ケースと前記外ケースとの間であって前記中空糸膜の外、前記外ケース孔、前記第４配管の前記環状空間、の順で流通することを特徴とする。

このような加湿器によれば、第Ｘ流路について、第１配管が内ケースに差し込まれて結合したことによって、第１配管から内ケースに至る部分において、前記一方の気体が流通する流通路の断面積は大きくなっている。したがって、前記一方の気体は圧力損失を受けにくくなり、良好に流通することができる。
また、第Ｙ流路について、第２配管に向かって前記他方の気体を流通させた場合には、第２配管が外ケースに外嵌するように結合したことによって、外ケースから第２配管に至る部分において、前記他方の気体が流通する流通路の断面積は大きくなっている。したがって、前記他方の気体は圧力損失を受けにくくなり、良好に流通することができる。

また、前記加湿器において、前記第１配管は、前記内ケースの外側に外嵌するように結合しており、前記第２配管は、前記外ケースの外側に外嵌するように結合しており、前記一方は、前記第Ｘ流路を、前記第４配管の前記環状空間、前記外ケース孔、前記内ケースと前記外ケースとの間であって前記中空糸膜の外、前記内ケース孔、前記内ケースの内部、前記第１配管の内部、順で流通することを特徴とする。

このような加湿器によれば、第Ｘ流路について、第１配管が内ケースに外嵌するように結合したことによって、内ケースから第１配管に至る部分において、前記一方の気体が流通する流通路の断面積は大きくなっている。したがって、前記一方の気体は圧力損失を受けにくくなり、良好に流通することができる。
また、第Ｙ流路について、第２配管に向かって前記他方の気体を流通させた場合には、第２配管が外ケースに外嵌するように結合したことによって、外ケースから第２配管に至る部分において、前記他方の気体が流通する流通路の断面積は大きくなっている。したがって、前記他方の気体は圧力損失を受けにくくなり、良好に流通することができる。

本発明によれば、破損しにくく耐久性が向上した加湿器を提供することができる。
すなわち、加湿器の内部を流通する一方の気体及び他方の気体は外部に漏れにくくなると共に、加湿器は破損しにくくなり、耐久性が向上する。
また、一方の気体及び他方の気体は、圧力損失を受けにくくなり、加湿器の内部を良好に流通することができる。

次に、本発明の各実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。なお、各実施形態の説明において、同一の構成要素に関しては同一の符号を付し、重複した説明は省略するものとする。

＜第１実施形態＞
第１実施形態に係る加湿器について図１から図４を参照して説明する。図１は、第１実施形態に係る加湿器を有する燃料電池システムを搭載した燃料電池自動車の構成を示す斜視図である。図２は、図１に示す燃料電池システムの概要を示す模式図である。図３は、図１に示す加湿器の斜視図であり、図４は、同側断面図である。

図１に示すように、第１実施形態に係る燃料電池自動車１は、燃料電池システム２を搭載した自動車である。燃料電池システム２は、主として燃料ガスである水素を供給する水素供給機器としての高圧水素タンク３と、酸化剤ガスである空気を供給する空気供給機器としての圧縮機４と、加湿器１０Ａと、燃料電池スタック５とを備えて構成されている。そして、燃料電池システム２は、高圧水素タンク３から送り出される水素と、加湿器１０Ａを介することで加湿された空気（以下、加湿空気という）とによって、燃料電池スタック５の内部にて電気化学反応を生じさせ、電力を発生するシステムである。
また、燃料電池システム２は、燃料電池スタック５を冷却する冷却水の熱交換器として、ラジエータ６を備えている。そして、ラジエータ６で冷却された冷却水が、燃料電池スタック５の内部を通過して、再び還流するように、適所に配管が設けられている。

以上の燃料電池システム２の構成要素のうち、加湿器１０Ａ、燃料電池スタック５は、燃料電池ボックス７内に収納されている。燃料電池ボックス７は、フロアパネル８の下（床下）で、車両の前後に伸びるメインフレームに固定されている。

次に、図２を参照して燃料電池システム２の概要を説明する。高圧水素タンク３は、配管を介して、燃料電池スタック５のアノードＡ側に接続しており、水素を供給可能となっている。圧縮機４は、加湿器１０Ａ及び配管を介して、燃料電池スタック５のカソードＣ側に接続しており、燃料電池自動車１（図１参照）の外部から酸素を含む空気を取り込んで圧縮し、加湿器１０Ａにて加湿された加湿空気を、カソードＣ側に供給可能となっている。燃料電池スタック５は、固体高分子膜ＰＥＭ（Polymer Electrolyte Membrane）を挟持してなる単セルを、複数積層して構成されている。そして、燃料電池スタック５は、水素及び酸素を含む加湿空気によって、電気化学反応を生じさせ発電し、燃料電池スタック５に接続する走行用の電動モータ（図示しない）を駆動させ、燃料電池自動車１（図１参照）を走行可能となっている。

燃料電池スタック５のカソードＣの下流側は、配管を介して加湿器１０Ａに接続しており、発電によりカソードＣで生成した水分（水蒸気）を含む空気（これをオフガスという）は、加湿器１０Ａに供給可能となっている。加湿器１０Ａは、オフガスを利用して空気を加湿可能となっている。詳細には、加湿器１０Ａは、中空糸膜ＨＦ（Hollow Fiber）を有しており、オフガス中の水分（水蒸気）が中空糸膜ＨＦを透過することで、圧縮機４から供給される空気を加湿し、加湿空気に変換可能となっている。そして、加湿器１０Ａの下流側には、配管及びバルブが適所に設けられており、前記利用後のオフガスを大気中に排出可能となっている。

次に、第１実施形態に係る加湿器１０Ａについて、図３及び図４を参照して詳細に説明する。
図３及び図４に示すように、第１実施形態に係る加湿器１０Ａは、外形が略円柱体であって、その軸方向が燃料電池自動車１（図１参照）の走行方向に沿って配置されている。加湿器１０Ａは、中空糸膜ＨＦを利用した膜型の加湿器であって、主として、筒状の内ケース１１と、内ケース１１の外側に同心的に配置された外ケース１２と、複数の中空糸膜を束ねてなる中空糸膜束１３と、フロントキャップ１４と、フロントマニホールド１５と、リアキャップ１６とを備えて構成されている。
ここで、説明の都合上、図３及び図４に示すように、燃料電池自動車１の走行方向に対応して、前方（図中左）及び後方（図中右）を設定する。そして、第１実施形態に係る加湿器１０Ａには、後方側からオフガスが導入され、前方側から空気が導入される。そして、オフガスは加湿器１０Ａ内を前方側に向かって流通し、空気は加湿器１０Ａ内を後方側に向かって流通する。なお、第１実施形態において、後方側は特許請求の範囲における一端側に相当する。よって、前方側は他端側となる。

内ケース１１（インナーケース、インナーパイプとも称される）は、第１実施形態では、前方側に底１１ａを有する有底円筒体であり、例えばＰＣ（ポリカーボネート）やＰＰＯ（ポリフェニレンオキサイド）等の硬質樹脂から形成されている。そして、内ケース１１には、その後方側（後記する後封止部１３ｂより前方側）の周面に、内部と外部を連通させる複数の内ケース孔１１ｂが形成されている。また、内ケース１１の中空部には、内ケース孔１１ｂより前方側に、外形が円錐状の遮断壁１１ｃが設けられており、後方側より内ケース１１の中空部に導入されたオフガスが、遮断壁１１ｃにより遮断されると共に、遮断壁１１ｃの後方側の円錐状の外表面によって加湿器１０Ａの輪切り断面方向に良好に分散し、内ケース孔１１ｂを通過可能となっている。

外ケース１２（アウターケース、アウターパイプとも称される）は、両端が開口した筒体であって、内ケース１１と同様、ＰＣ等の硬質樹脂から形成されている。そして、外ケース１２は、内ケース１１の外側に同心的に配置しており、内ケース１１と外ケース１２との間には、環状の空間１２ａ（以下、環状空間）が形成されている。また、外ケース１２の前方側（後記する前封止部１３ａより後方側）に、外ケース１２の内部である環状空間１２ａと外部とを連通させる複数の外ケース孔１２ｂ、１２ｂ…が、周方向に形成されており、後記するように、中空糸膜束１３の隙間を通過したオフガスが、外ケース孔１２ｂ、１２ｂ…を通過可能となっている。
さらに、内ケース１１と外ケース１２との相対位置は、これらを接続するスペーサ（図示しない）及び後記する中空糸膜束１３等によって、一定に保持されている。

なお、内ケース孔１１ｂ、１１ｂ…、及び外ケース孔１２ｂ、１２ｂ…の軸方向（走行方向）における位置は、前封止部１３ａと後封止部１３ｂとの間であれば、特に限定はないが、内ケース孔１１ｂ、１１ｂ…は後封止部１３ｂの近傍に、外ケース孔１２ｂ、１２ｂ…は前封止部１３ａの近傍に、それぞれ配置することによって、空気及びオフガスが、中空糸膜を隔て対向して流通する部分は長くなり、加湿効率を高めることが可能となる。

中空糸膜束１３は、例えばポリイミド等の高分子材料から形成された中空糸膜が、所定本数（例えば１０本〜１００００本）にて束ねられたものであり、加湿器１０Ａの軸方向に沿うようにして環状空間１２ａに装填されている。また、中空糸膜束１３は、その前方側及び後方側において、所定の接着剤が硬化してなる前封止部１３ａ、後封止部１３ｂにより、内ケース１１及び外ケース１２に固着している。

中空糸膜束１３を構成する中空糸膜は、外径が３ｍｍ以下（好ましくは０．２〜１ｍｍ）の円筒状であり、その周壁に複数の数ｎｍの微細孔を有しており、水（水蒸気）の透過性を備えている。そして、この中空糸膜に対し、含水量の異なる気体を内部と外部に別々に流通させると、含水量の高い気体から水分は吸い出され、この水分が毛管現象により中空糸膜の周壁を透過し、含水量の低い気体に供給（添加）されることで、含水量の低い気体を加湿可能となっている。また、板状の平膜等でなく、このような中空糸膜を使用したことによって、単位体積当たりの有効膜面積は飛躍的に高くなる。

したがって、第１実施形態において、前記した第Ｘ流路は、内ケース１１の後方側の開口から、内ケース１１の内部と内ケース孔１１ｂ、１１ｂ…と中空糸膜束１３の隙間と外ケース孔１２ｂとを順に経由する流路に相当する。一方、前記した第Ｙ流路は、前方側から後方側に向かって、中空糸膜束１３を構成する中空糸膜の中空部を経由する流路に相当する。

フロントキャップ１４は、外ケース１２に前方側から外嵌するように蓋をする蓋体である。また、フロントキャップ１４は、圧縮機４（図１参照）の下流側に接続しており、圧縮機４から供給される空気を、中空糸膜束１３を構成する中空糸膜の中空部に前方側から分散して供給可能となっている。さらに、フロントキャップ１４と、外ケース１２との間には、Ｏリング１４ａが設けられ気密性が高められており、空気が外部に漏れにくくなっている。

フロントマニホールド１５は、第１実施形態では、外ケース１２の外ケース孔１２ｂ、１２ｂ…から排出されたオフガスを集合させる配管であり、外ケース１２に取り付けられる取付部１５ａと、マニホールド本体１５ｂを備えている。
取付部１５ａは、外形がリング状を呈する共に、その径方向内側に環状の環状流通路１５ａ₁を有している。そして、取付部１５ａは、外ケース孔１２ｂ、１２ｂ…に被さるように外ケース１２に取り付けられている。また、取付部１５ａと外ケース１２との間には、Ｏリング１５ｃ、１５ｃが設けられて気密性が高められており、オフガスが外部に漏れにくくなっている。
マニホールド本体１５ｂは、複数のパイプが結合された配管であり、第１実施形態ではその途中位置で二股に分かれており、この二股に分かれた部分が取付部１５ａに上下方向から結合している。したがって、オフガスは、外ケース孔１２ｂ、１２ｂ…、環状流通路１５ａ₁、マニホールド本体１５ｂ内部を経由することで集合し、外部に排出可能となっている。

リアキャップ１６は、リアキャップ本体１６ａと、オフガス配管１６ｂと、Ｏリング１６ｃと、Ｏリング１６ｄとを備えて構成されている。なお、後記するように、リアキャップ本体１６ａ及びオフガス配管１６ｂは、本実施形態では金属製であり、溶接等によって一体化している。
なお、第１実施形態において、リアキャップ本体１６ａが特許請求の範囲における第２配管に、オフガス配管１６ｂが第１配管に、Ｏリング１６ｃが第２Ｏリングに、Ｏリング１６ｄが第１Ｏリングにそれぞれ相当する。

リアキャップ本体１６ａは、後方側から外ケース１２に蓋をする蓋体であって、外ケース１２の外側に外嵌するように結合している。言い換えれば、外ケース１２は、リアキャップ本体１６ａの内側に差し込まれるようにして、リアキャップ本体１６ａに結合している。そして、リアキャップ本体１６ａの底部１６ａ₁は、中空糸膜束１３の後方側端面と所定間隔を隔てており、中空糸膜束１３の後方側から流出する加湿空気を集合可能となっている。
したがって、外ケース１２からリアキャップ本体１６ａに至る部分において、加湿空気が流通する流通路の断面積は大きくなっており、加湿空気は圧力損失を受けることなく、中空糸膜束１３の中空部からリアキャップ本体１６ａに流通可能となっている。

また、リアキャップ本体１６ａの下流側には適所に配管が設けられており、加湿空気を下流側の燃料電池スタック５（図１参照）に供給可能となっている。
さらに、Ｏリング１６ｃが、リアキャップ本体１６ａと外ケース１２との間、つまり、第２配管であるリアキャップ本体１６ａと外ケース１２との結合部（特許請求の範囲における第２結合部に相当）に介装されており、気密性が高められている。したがって、加湿空気は、第２結合部から外部に漏れにくくなっている。

オフガス配管１６ｂは、燃料電池スタック５（図１参照）のカソードＣの下流側から排出されるオフガスを、内ケース１１の内部に供給する配管である。オフガス配管１６ｂは、先端部が内ケース１１の内側に差し込まれて結合している。したがって、オフガス配管１６ｂから、内ケース１１に至る部分において、オフガスが流通する流通路の断面積は大きくなっている。よって、オフガスは、オフガス配管１６ｂから内ケース１１に至る部分において、圧力損失を受けずに流通可能となっている。

また、Ｏリング１６ｄが、オフガス配管１６ｂと内ケース１１との間、つまり、第１配管であるオフガス配管１６ｂと内ケース１１との結合部（特許請求の範囲の第１結合部に相当）に介装されており、気密性が高められている。これにより、オフガスは、第１結合部分から、外部に漏れにくくなっている。

このようなリアキャップ本体１６ａ及びオフガス配管１６ｂは、例えば、炭素鋼、鉄、ステンレス等の金属から成形されている。また、リアキャップ本体１６ａとオフガス配管１６ｂとは、溶接によって一体的に接合しており、リアキャップ１６自体の機械的強度は高められている。

さらに、Ｏリング１６ｃ（第２Ｏリング）とＯリング１６ｄ（第１Ｏリング）とは、同一の輪切り断面Ｐ１上に配置している（図示参照）。したがって、燃料電池自動車１（図１参照）の走行によって加湿器１０Ａが振動したり、加湿器１０Ａの組立ての際に誤った力が加わったりしても、第１結合部と第２結合部（詳細にはＯリング１６ｄとＯリング１６ｃ）とを支点とする曲げ応力はほとんど発生せず、これら結合部に作用する曲げモーメントを小さくすることができる。すなわち、Ｏリング１６ｃ及びＯリング１６ｄを同一の輪切り断面Ｐ１上に配置したことによって、加湿器１０Ａは破損しにくくなり、耐久性が向上する。

すなわち、Ｏリング１６ｃ及びＯリング１６ｄの周面は曲面であるため、Ｏリング１６ｃとＯリング１６ｄとが同一輪切り断面上に配置されず、且つ、リアキャップ本体１６ａとオフガス配管１６ｂとが一体的に接合していない場合、内ケース１１とオフガス配管１６ｂとはＯリング１６ｄを節として、外ケース１２とリアキャップ本体１６ａとはＯリング１６ｃを節として、別々に曲がってしまうため、各結合部が破損しやすい。
そこで、第１実施形態では、前記したように、リアキャップ本体１６ａとオフガス配管１６ｂを一体的に接合し、且つ、Ｏリング１６ｃとＯリング１６ｄとを同一の輪切り断面Ｐ１上に配置したことによって、リアキャップ本体１６ａとオフガス配管１６ｂとは別々に曲がりにくくなるため、加湿器１０Ａは破損しにくくなる。なお、前記したように、内ケース１１と外ケースの相対位置は、内ケース１１と外ケース１２とを接続するスペーサ（図示しない）や、中空糸膜束１３、前封止部１３ａ及び後封止部１３ｂ等によって、一定に保持されている。

続いて、第１実施形態に係る燃料電池自動車１及び燃料電池システム２の動作について説明する。
図１及び図２に示す高圧水素タンク３から、水素が燃料電池スタック５のアノードＡ側に供給される。また、圧縮機４の稼動により空気は加湿器１０Ａに供給され、加湿器１０Ａによって加湿され、加湿空気として燃料電池スタック５のカソードＣ側に供給される。燃料電池スタック５は、水素及び加湿空気中の酸素により電気化学反応を生じさせて発電する。この発電による電気エネルギーは、図示しないインバータ等を介して、燃料電池自動車１を走行させる走行用の電動モータ（図示しない）を回転させ、燃料電池自動車１を走行させる。
一方、この発電にともなって、燃料電池スタック５のカソードＣ側からオフガスが排出され、このオフガスは加湿器１０Ａに供給される。また、ラジエータ６から供給される冷却水は、燃料電池スタック５を冷却する。

次に、図３及び図４を参照して、第１実施形態に係る加湿器１０Ａの動作について、詳細に説明する。
圧縮機４（図１参照）から供給される空気は、加湿器１０Ａの前方側からフロントキャップ１４の内部に導入され、中空糸膜束１３の前方側から中空糸膜の中空部に侵入し、後方に向かって流れる。
一方、燃料電池スタック５（図１参照）のカソードＣ側から排出されたオフガスは、後方側から加湿器１０Ａに導入される。詳細には、オフガスは、燃料電池スタック５のカソードＣ側の排出口から所定の配管を経由した後、これに接続するオフガス配管１６ｂを経由し、内ケース１１に導入される。この内ケース１１へのオフガスの導入において、前記したようにオフガス配管１６ｂは内ケース１１の内側に差し込まれるようにして結合しているため、オフガス配管１６ｂから内ケース１１に至る部分において、オフガスが流通する流通路の断面積は大きくなっており、オフガスは圧力損失を受けることなく、内ケース１１の内部に導入される。

その後、オフガスは、遮断壁１１ｃにより内ケース１１の径方向に分散され、内ケース孔１１ｂ、１１ｂ…を通過した後、環状空間１２ａであって中空糸膜束１３の隙間（中空糸膜の間）に導入され、中空糸膜束の隙間を前方に向かって流れる。

すなわち、加湿器１０Ａでは、含水量の高い気体であるオフガスが中空糸膜束１３の隙間（中空糸膜外）を前方に向かって流れ、一方、含水量の低い気体である供給空気が中空糸膜内を後方に向かって流れる。そうすると、オフガス中の水分（水蒸気）の一部は、中空糸膜の壁を透過し、中空糸膜の中空部を流通する空気に添加され、その結果として空気は加湿される。

次いで、加湿空気は、中空糸膜束１３の後方側からリアキャップ本体１６ａ内部に流出する。この流出において、リアキャップ本体１６ａは外ケース１２に外嵌しているため、外ケース１２からリアキャップ本体１６ａに至る部分において、加湿空気が流通する流通路の断面積は大きくなっているため、圧力損失を受けることなく、加湿空気は外ケース１２からリアキャップ本体１６ａに流出する。その後、加湿空気は、所定の配管を経て、燃料電池スタック５（図１参照）のカソードＣ側に供給される。

一方、中空糸膜束１３の隙間を前方に向かって通流するオフガスは、外ケース孔１２ｂ、１２ｂ…を通過して、環状流通路１５ａ₁に流出し、マニホールド本体１５ｂの内部を経由し集合した後、燃料電池自動車１（図１参照）の外部に排出される。

＜第２実施形態＞
続いて、第２実施形態に係る加湿器について、図５を参照して説明する。なお、図５は第２実施形態に係る加湿器の側断面図である。

図５に示すように、第２実施形態に係る加湿器１０Ｂは、第１実施形態に係る加湿器１０Ａに対して、内ケース２１とリアキャップ２６が異なる。そして、後方側における内ケース２１とリアキャップ２６との結合構造が異なる。また、後方側において、リアキャップ２６と、内ケース２１または外ケース１２との結合部（後記する第１結合部及び第２結合部）に配置するＯリング２６ｃ（第１Ｏリング）とＯリング２６ｄ（第２Ｏリング）とが、同一の輪切り断面Ｐ２上に配置されたことを特徴とする。
なお、第２実施形態では、リアキャップ本体２６ａが特許請求の範囲における第２配管に、オフガス配管２６ｂが第１配管にそれぞれ相当する。また、Ｏリング２６ｃが特許請求の範囲における第２Ｏリングに相当し、Ｏリング２６ｄが第１Ｏリングにそれぞれ相当する。

また、第２実施形態では、加湿器１０Ｂの前方側からオフガスを導入する点が異なる。そして、第２実施形態において、前記した第Ｘ流路は、外ケース孔１２ｂ、１２ｂ…から、中空糸膜束１３の隙間と、内ケース孔２１ｂ、２１ｂ…と、内ケース２１の内部とを順に経由し、内ケース２１の後方側開口に至る流路に相当する。一方、前記した第Ｙ流路は、前方側から後方側に向かって、中空糸膜束１３を構成する中空糸膜の中空部を経由する流路に相当する。

内ケース２１は、第１実施形態と同様に、外ケース１２と同じ長さであり、底２１ａ、内ケース孔２１ｂ、２１ｂ…を有している。そして、中空糸膜束１３の後方側端面は、前方にずれており、第１実施形態に対し、後方側において、オフガス配管２６ｂが内ケース２１に外嵌して結合可能となっている。また、中空糸膜束１３の後方側端面の前方へのずれに対応して、後封止部１３ｂ、内ケース孔２１ｂ、２１ｂ…、遮断壁２１ｃも前方側にずれている。

リアキャップ２６は、リアキャップ本体２６ａ（第２配管）及びオフガス配管２６ｂ（第１配管）と、Ｏリング２６ｃ（第２Ｏリング）と、Ｏリング２６ｄ（第１Ｏリング）とを備えて構成されている。リアキャップ本体２６ａ及びオフガス配管２６ｂは、第１実施形態と同様に金属製であり、溶接等によって一体的に接合している。また、オフガス配管２６ｂには、内ケース２１を通過したオフガスが、後方側（第１実施形態に対して逆向き）に向かって流通する。

そして、加湿器１０Ｃの後方側において、リアキャップ本体２６ａ（第２配管）は、外ケース１２の外側に外嵌するように結合している。この結合部（第２結合部）、より詳細には、リアキャップ本体２６ａと外ケース１２との間には、Ｏリング２６ｃが介装して設けられており、気密性が高められている。
また、オフガス配管２６ｂ（第１配管）は、内ケース２１の外側に外嵌するように結合している。この結合部（第１結合部）、より詳細には、オフガス配管２６ｂと内ケース２１との間には、Ｏリング２６ｄが介装して設けられており、気密性が高められている。

Ｏリング２６ｃ（第２Ｏリング）と、Ｏリング２６ｄ（第１Ｏリング）とは、同一の輪切り断面Ｐ２上に配置している。したがって、第１実施形態と同様に、燃料電池自動車１（図１参照）の走行によって加湿器１０Ｂが振動したり、加湿器１０Ｂに誤った力が加わっても、第１結合部及び第２結合部（Ｏリング２６ｃとＯリング２６ｄ）を支点とする応力はほとんど発生せず、これら結合部に作用する曲げモーメントを小さくすることができる。よって、加湿器１０Ｂの機械的耐久性は高くなり、破損しにくくなる。

次に、加湿器１０ＢのＯリング２６ｃとＯリング２６ｄとが、前後方向にずれて配置して場合について、簡単に説明する。図６に示す加湿器１０Ｃでは、加湿器１０Ｂに対し、Ｏリング２６ｃに対応するＯリング３６ｃと、Ｏリング２６ｄに対応するＯリング３６ｄとが前後方向にずれている。すなわち、Ｏリング３６ｃの属する輪切り断面Ｐ３と、Ｏリング３６ｄの属する輪切り断面Ｐ４とが前後方向にずれている。このような加湿器１０Ｃでは、車両の振動等により外力が加わると、加湿器１０Ｃが破損してしまうおそれがある。

さらに説明すると、この場合において、加湿器１０Ｃに外力が加わると、Ｏリング３６ｃとＯリング３６ｄとがそれぞれ節となって、加湿器１０Ｃが撓む。ここで、Ｏリング３６ｃとＯリング３６ｄとが前後にずれているため、リアキャップ本体３６ａと外ケース１２との結合部と、オフガス配管３６ｂと内ケース３１との結合部とが、それぞれ大きく変位する。そのため、これら結合部に過大な応力が発生し、その結果、加湿器１０Ｃが破損するおそれがある。

以上、本発明の好適な各実施形態について一例を説明したが、本発明は前記各実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することができる。

前記した第１実施形態では、中空糸膜の内部に含水量の低い気体である空気を流通させ、外部（中空糸膜束１３の隙間）に含水量の高い気体であるオフガスを流通させる場合について説明したが、逆の場合であってもよい。

前記した第１実施形態では、加湿器１０Ａは、燃料電池システム２を構成し、燃料電池スタック５に供給する空気を加湿するとしたが、加湿器１０Ａの用途は何ら限定されない。また、加湿する対象も空気に限定されず、その他に燃料ガス（水素）を加湿してもよい。さらに、燃料電池システム２は、燃料電池自動車１に限らず、家庭用電源に適用してもよい。

第１実施形態に係る加湿器を有する燃料電池システムを搭載した燃料電池自動車の構成を示す斜視図である。図１に示す燃料電池システムの構成を示す模式図である。図１に示す加湿器の斜視図である。図１に示す加湿器の側断面図である。第２実施形態に係る加湿器の側断面図である。第２実施形態に係る改質器に対し、Ｏリングが前後にずれた加湿器の側断面図である。

符号の説明

１燃料電池自動車
２燃料電池システム
３高圧水素タンク
４圧縮機
５燃料電池スタック
７燃料電池ボックス
１０Ａ、１０Ｂ加湿器
１１、２１内ケース
１１ｂ、２１内ケース孔
１２外ケース
１２ｂ外ケース孔
１３中空糸膜束
１４フロントキャップ
１５フロントマニホールド
１６、２６リアキャップ
１６ａ、２６ａリアキャップ本体（第２配管）
１６ｂ、２６ｂオフガス配管（第１配管）
１６ｃ、２６ｃＯリング（第２Ｏリング）
１６ｄ、２６ｄＯリング（第１Ｏリング）
ＰＥＭ固体高分子膜
ＨＦ中空糸膜
Ｐ１、Ｐ２輪切り断面

Claims

筒状であると共に一端側に内部と外部を連通させる内ケース孔を有する内ケースと、
筒状であると共に他端側に内部と外部を連通させる外ケース孔を周方向に複数有し、前記内ケースの外側に同心的に配置する外ケースと、
前記内ケースと前記外ケースとの間に装填され、水透過性を有する中空糸膜が複数束ねられ、両端がそれぞれ封止部を介して前記内ケース及び前記外ケースに固定された中空糸膜束と、
前記内ケースの一端側に結合した第１配管と、
前記外ケースの一端側に結合すると共に、前記第１配管と一体的に接合し前記第１配管と一体である第２配管と、
前記外ケースの他端側に結合した第３配管と、
前記複数の外ケース孔に被さる環状空間を内部に有し、前記外ケースに取り付けられた第４配管と、
前記内ケースと前記第１配管との第１結合部に配置され、気密性を高めるため周面が曲面である第１Ｏリングと、
前記外ケースと前記第２配管との第２結合部に配置され、気密性を高めるため周面が曲面である第２Ｏリングと、
前記外ケースと前記第３配管との第３結合部に配置され、気密性を高めるため周面が曲面である第３Ｏリングと、
前記外ケースと前記第４配管との第４結合部に配置され、気密性を高めるため周面が曲面である第４Ｏリングと、
を備え、
前記第１配管の内部、前記内ケースの内部、前記内ケース孔、前記内ケースと前記外ケースとの間であって前記中空糸膜の外、前記外ケース孔、及び、前記第４配管の前記環状空間、を含む第Ｘ流路と、
前記第２配管の内部、前記中空糸膜の中空部、及び、前記第３配管の内部、を含む第Ｙ流路と、
を有し、
含水量が異なる２つの気体の一方が前記第Ｘ流路を流通し、他方が前記第Ｙ流路を流通することで、含水量の低い気体を加湿する加湿器であって、
前記第１Ｏリングと前記第２Ｏリングとは、同一の輪切り断面上に配置されたこと特徴とする加湿器。
前記第１配管は、前記内ケースの内側に差し込まれて結合しており、
前記第２配管は、前記外ケースの外側に外嵌するように結合しており、
前記一方は、前記第Ｘ流路を、前記第１配管の内部、前記内ケースの内部、前記内ケース孔、前記内ケースと前記外ケースとの間であって前記中空糸膜の外、前記外ケース孔、前記第４配管の前記環状空間、の順で流通する
ことを特徴とする請求項１に記載の加湿器。
前記第１配管は、前記内ケースの外側に外嵌するように結合しており、
前記第２配管は、前記外ケースの外側に外嵌するように結合しており、
前記一方は、前記第Ｘ流路を、前記第４配管の前記環状空間、前記外ケース孔、前記内ケースと前記外ケースとの間であって前記中空糸膜の外、前記内ケース孔、前記内ケースの内部、前記第１配管の内部、順で流通する
ことを特徴とする請求項１に記載の加湿器。