JP2003112016A

JP2003112016A - 中空糸膜モジュール及びその製造方法

Info

Publication number: JP2003112016A
Application number: JP2001309119A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Hayashi; 隆浩林; Kazuhiko Namigata; 和彦波形
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 2001-10-04
Filing date: 2001-10-04
Publication date: 2003-04-15

Abstract

(57)【要約】【課題】封止部の耐久性の向上を図った中空糸膜モジ
ュール及びその製造方法を提供する。【解決手段】封止部４を、高硬度層４１と低硬度層４
２とからなる積層構造として、ケース２の最も内部側、
つまり、ポッティング界面側に柔軟性に優れたシリコー
ンからなる低硬度層４２を配置して、中空糸膜３の根本
付近での断裂を低減するようにし、この低硬度層４２よ
りも外部側に、耐圧性と接着性に優れたエポキシからな
る高硬度層４１を配置して、ケース２の内壁面に対して
強固に接着させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池内に加湿
気体を送り込むために、気体を加湿する中空糸膜モジュ
ール及びその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の中空糸膜モジュールとし
ては、たとえば、図５に示すものがある。図５は従来技
術に係る中空糸膜モジュールの模式的断面図である。

【０００３】従来技術に係る中空糸膜モジュール１００
は、ケース１０１と、ケース１０１内に装填される複数
の中空糸膜１０２と、ケース１０１の端部で中空糸膜１
０２の中空内部のみが開放するように、複数の中空糸膜
１０２を封止固定する封止部（ポッティング部）１０３
と、を備える。

【０００４】そして、このように構成された中空糸膜モ
ジュール１００は、燃料電池に設けられた隔壁を常に保
湿しておくために利用されていた。すなわち、気体を加
湿して、この加湿気体を燃料電池に送り込むために用い
られていた。

【０００５】このように燃料電池の加湿用として用いら
れる中空糸膜モジュールの場合には、環境温度が比較的
高い条件（例えば、６０〜１５０℃）の下で、かつ、使
用圧力も比較的高い条件（例えば、０．３ＭＰａ）の下
で利用される。従って、耐熱性と耐圧性が要求される。

【０００６】そして、封止部１０３の素材の選択にあた
って、これらの条件を満たしつつ、耐久性を維持するこ
とのできるような素材の選択が困難であるという問題が
あった。この点について、図６及び図７を参照して説明
する。図６及び図７は従来技術に係る中空糸膜モジュー
ルの問題点を説明する説明図である。

【０００７】上述した封止部の素材として高硬度の封止
剤を用いた場合には、接着性や耐圧性に優れるものの柔
軟性が劣る。従って、高線速で流体移動がある場合に、
中空糸膜１０２の揺れにより、図６に示すように、中空
糸膜１０２と高硬度の封止部１０３ａとの界面（ポッテ
ィング界面）で、中空糸膜１０２が断裂して、リークが
発生するという問題があった。

【０００８】また、封止部の素材として低硬度の封止剤
を用いた場合には、柔軟性に優れるものの、接着性や耐
圧性が劣る。従って、図７に示すように、加圧時におい
て、封止部１０３ｂのケース１０１の内壁面に対する接
着部分が剥離して、隙間Ｓが生じて、リークが発生する
という問題があった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述の通り、燃料電池
内に加湿気体を送り込むために、気体を加湿する従来技
術に係る中空糸膜モジュールにおいては、封止部の耐久
性に問題があった。

【００１０】本発明は上記の従来技術の課題を解決する
ためになされたもので、その目的とするところは、封止
部の耐久性の向上を図った中空糸膜モジュール及びその
製造方法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明にあっては、封止部を複数の層で構成した。そ
して、各層の素材を異なるようにした。

【００１２】このような構成によって、各素材特有の機
能が各々発揮するようになった。

【００１３】特に、層の硬度に差異が出るようにした。

【００１４】これにより、硬度の高い層により、耐圧性
と接着性を高めた。一方、硬度の低い層により、柔軟性
を高めた。

【００１５】そして、ケースの最も内部側に、硬度の低
い層を配置することで、界面での断裂を抑制し、ケース
の外部側に、硬度の高い層を配置することで、耐圧性と
接着性をカバーするようにした。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照して、この発明
の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただ
し、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、
材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載が
ない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣
旨のものではない。

【００１７】まず、図１及び図２を参照して、本発明の
実施の形態に係る中空糸膜モジュールについて説明す
る。図１は本発明の実施の形態に係る中空糸膜モジュー
ルの模式的断面図（の一部）である。図２は本発明の実
施の形態に係る中空糸膜モジュールの使用例を示す外観
図（一部透視図（図中Ｔ部））である。

【００１８】本発明の実施の形態に係る中空糸膜モジュ
ール１は、ケース２と、ケース２内に装填される複数の
中空糸膜３と、ケース２の端部で中空糸膜３の中空内部
のみが開放する（図中開口部３１）ように、複数の中空
糸膜３を封止固定する封止部（ポッティング部）４と、
を備える。

【００１９】ケース２には、ケース内部に流体を導く導
入口２１と、導入口２１より内部に導入した流体を排出
させるための排出口２２と、を備えている。

【００２０】そして、封止部４は、積層構造が採用され
ており、高硬度層４１と低硬度層４２とから構成されて
いる。

【００２１】次に、以上のように構成された中空糸膜モ
ジュール１の使用方法について説明する。

【００２２】近年、燃料電池は、クリーンな発電システ
ムとして注目されており、活発な開発が行われている。
燃料電池においては、水素と酸素の反応により電気と水
蒸気が発生するが、この反応時に発生した電気は水分子
を伴って移動するため、隔壁（イオン交換膜）を常に保
湿しておく必要がある。

【００２３】この場合、水タンク等から水分を供給する
ことも考えられるが、定置用あるいは車載用ともに屋外
での使用が前提となるため、冬場における凍結の問題が
あり、水タンク等を設けることは適切ではない。

【００２４】そこで、この保湿を行うために、上述のよ
うに燃料電池において反応により発生した水蒸気を有効
に回収して、再び燃料電池に送り込もうという試みが行
われている。

【００２５】そのために、ガス中に含まれる水分を分離
可能な水蒸気透過膜を利用した加湿器が必要となり、こ
の加湿器として、上述のように構成された中空糸膜モジ
ュール１を好適に採用することができる。

【００２６】図２を参照して、更に詳しく説明する。

【００２７】まず、水蒸気を含む気体を、ケース２の一
端側の開口部３１から中空糸膜３の中空内部に送り込む
（図中矢印Ａ０）。中空内部に送り込んだ気体は、その
まま中空内部を通って（矢印Ａ１）、ケース２の他端側
の開口部（不図示）から排出させる（矢印Ａ２）。

【００２８】一方、加湿対象気体を導入口２１からケー
ス２内部に導く（図中矢印Ｂ０）。ケース２内部に導か
れた気体は、中空糸膜３の束内部であって、中空糸膜３
の外部を通って（矢印Ｂ１）、排出口２２より排出され
（矢印Ｂ２）、燃料電池内へと送り込まれる。

【００２９】このようにすることによって、水蒸気を含
む気体が中空糸膜３の中空内部を通る過程で、ガスに含
まれる水分が膜を透過し、中空糸膜３の外部へと排出さ
れる。従って、加湿対象気体は中空糸膜３の束内部を通
る過程で加湿されて、排出口２２より排出され、燃料電
池内へと送り込まれる。

【００３０】なお、これまでの説明では、中空糸膜の内
部側に水蒸気を含む気体を流し、中空糸膜の外部側に加
湿対象気体を流す場合を説明したが、これとは逆に、中
空糸膜の外部側に水蒸気を含む気体を流し、中空糸膜の
内部側に加湿対象気体を流すようにしても、加湿対象気
体を加湿できることは言うまでもない。

【００３１】次に、封止部４について、更に詳しく説明
する。

【００３２】上述のように、燃料電池用として用いられ
る中空糸膜モジュール１は、環境温度や使用圧力が、比
較的過酷な条件の下で使用される。従って、封止部４に
求められる条件としては、耐熱性，接着性，耐圧性，耐
寒性，柔軟性が要求される。

【００３３】しかしながら、これらの要求全てに答えら
れるような素材はない。

【００３４】そこで、本実施の形態では、いくつかの要
求に答えられる素材を、各素材の特徴が活かされるよう
に組み合わせて、封止部４を積層構造で構成した。

【００３５】すなわち、上述のように、封止部４は高硬
度層４１と低硬度層４２とから構成された積層構造であ
り、ここでは、高硬度層４１に用いる素材として、エポ
キシを採用し、低硬度層４２に用いる素材として、シリ
コーンを採用した。

【００３６】エポキシ及びシリコーン共に、耐熱性と耐
寒性を備えている。そして、エポキシは耐圧性と接着性
を備え、シリコーンは柔軟性を備えている。ただし、こ
こで用いるシリコーンの素材の選定は、中空糸膜とエポ
キシとの接着性についても考慮した。

【００３７】以上のように、ケース２の最も内部側、つ
まり、ポッティング界面側に柔軟性に優れたシリコーン
からなる低硬度層４２を配置したことにより、中空糸膜
３の揺れにしたがって低硬度層４２の表面部分も揺れ動
く。従って、中空糸膜３の揺れが激しい場合であって
も、中空糸膜３の根本付近での断裂を低減することがで
きる。

【００３８】そして、この低硬度層４２よりも外部側
に、耐圧性と接着性に優れたエポキシからなる高硬度層
４１を配置したことにより、ケース２の内壁面に対して
強固に接着することができる。

【００３９】従って、仮に、低硬度層４２のケース２の
内壁面に対する接着部が剥がれてしまったとしても、高
硬度層４１の部分で、ケース２の内壁面に強固に接着さ
れているためリークの発生を防止することができる。

【００４０】このように、耐熱性と耐寒性の他に、従来
実現することのできなかった、接着性と耐圧性と柔軟性
とを、効果的に両立させることが可能となった。従っ
て、封止部の耐久性の向上を図ることが可能となった。

【００４１】なお、封止部４においては、低硬度層４２
に用いるシリコーンは一般的に高価であるが、高硬度層
４１の厚みを十分にとっておけば、低硬度層４２の厚み
が薄くても、十分に上述した機能を発揮することができ
る。従って、高価なシリコーンの使用量は少なくて済む
ため、安価に中空糸膜モジュール１を製造できる。

【００４２】上述のように構成された中空糸膜モジュー
ル１と、比較のために、封止部をエポキシのみで構成し
た中空糸膜モジュールと、封止部をシリコーンのみで構
成した中空糸膜モジュールについて評価試験を行った。

【００４３】評価試験は、図２に示す構成で、矢印Ａ
０、Ａ１，Ａ２の順に中空糸膜の内部に、１００℃の条
件下で水蒸気を０．３ＭＰａで流し込み、一方、矢印Ｂ
０，Ｂ１，Ｂ２の順に加湿対象気体（空気）を１００℃
の下で、１０００Ｎ（ノルマル）・ｌ／ｍｉｎで流し込
んで、耐久試験を行った。

【００４４】すると、上記本実施の形態に係る中空糸膜
モジュール１の場合には、１５００時間経過後において
も接着部における剥離や、中空糸膜の断裂等は認められ
ず、リークは全く発生しなかった。

【００４５】これに対して、封止部をエポキシのみで構
成した中空糸膜モジュールは、３６０時間後に界面で中
空糸膜の断裂によるリークが発生した。

【００４６】また、封止部をシリコーンのみで構成した
中空糸膜モジュールは、１０時間後に、接着部の剥離に
よるリークが発生した。

【００４７】以上の結果からも、本実施の形態に係る中
空糸膜モジュール１が耐久性に優れていることが分か
る。

【００４８】なお、これまで説明した中空糸膜モジュー
ル１の場合には、封止部を２層で構成した場合を例にし
て説明したが、３層以上の積層構造としても良い。この
場合、全ての層の素材が全て異なっていても良いし、同
じ素材からなる層が存在していても良い。従って、求め
られる機能に応じて、複数種類の素材を選択して、それ
ぞれの機能が活かせるように組み合わせて積層すれば良
い。

【００４９】次に、本発明の実施の形態に係る中空糸膜
モジュールの製造方法について、図３及び図４を参照し
て説明する。

【００５０】まず、本実施の形態に係る中空糸膜モジュ
ールの製造工程について図３を参照して説明する。図３
は本発明の実施の形態に係る中空糸膜モジュールの製造
工程図である。ただし、図３では、各工程における中空
糸膜モジュールの状態のみを模式的断面図で示してい
る。

【００５１】まず始めに、図３（ａ）に示すように、ケ
ース２内に複数の中空糸膜３を充填する（中空糸膜充填
工程）。

【００５２】次に、図３（ｂ）に示すように、封止剤
（ポッティング剤）としてエポキシ樹脂を充填して高硬
度層４１を作成する。なお、図中５は封止剤が漏れない
ようにケース２の端部に固定した蓋である。

【００５３】高硬度層４１が硬化後に、図３（ｃ）に示
すように、封止剤としてシリコーンを充填して低硬度層
４２を作成する。

【００５４】低硬度層４２が硬化した後に、ケース２の
両端部において、高硬度層４１の一部を含む位置で、蓋
５ごと、ケース２の両端を切り落とす。

【００５５】これにより、中空糸膜３の中空内部のみが
開放されるようにして、開口部３１が形成される。

【００５６】次に、封止部作成工程について、図４を参
照して、更に、詳しく説明する。図４は本発明の実施の
形態に係る中空糸膜モジュールにおける封止部作成工程
の説明図である。

【００５７】本実施の形態では、遠心法を用いて封止部
を作成した。

【００５８】図４に示すように、ケース２には、エポキ
シを注入するための第１注入孔２３と、シリコーンを注
入するための第２注入孔２４とを、ケース２の両端付近
にそれぞれ設けておく。また、ケース２の両端は、蓋５
で閉じておく。

【００５９】そして、円筒状のケース２における長手方
向の中央付近を中心回転として、図４に示すように矢印
Ｃ方向に回転させつつ、分配器６によって、まず、第１
注入孔２３よりエポキシ樹脂を注入する。

【００６０】すると、注入されたエポキシ樹脂は、遠心
力を受けて、ケース２の両端にそれぞれ移動して、両端
部の位置に充填される。そして、暫くケース２を回転さ
せておくと、エポキシ樹脂は硬化して、上述した高硬度
層４１が出来上がる。

【００６１】次に、分配器６によって、第２注入孔２４
よりシリコーンを注入する。

【００６２】すると、上記の場合と同様に、注入された
シリコーンは、遠心力を受けて、ケース２の両端方向に
それぞれ移動して、高硬度層４１の内側の位置に充填さ
れる。そして、暫くケース２を回転させておくと、シリ
コーンは硬化して、上述した低硬度層４２が出来上が
る。

【００６３】このようにして、高硬度層４１と低硬度層
４２の２層からなる封止部４が作成される。

【００６４】以上のように、遠心法を用いれば、充填剤
の注入量を制御することによって、各層の厚みを制御す
ることができ、異なる封止剤を複数回に分けて注入する
ことで、所望の任意の位置に、各封止剤による層を積層
することが可能となった。

【００６５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明により、封
止部の耐久性の向上を図ることが可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る中空糸膜モジュール
の模式的断面図である。

【図２】本発明の実施の形態に係る中空糸膜モジュール
の使用例を示す外観図（一部透視図）である。

【図３】本発明の実施の形態に係る中空糸膜モジュール
の製造工程図である。

【図４】本発明の実施の形態に係る中空糸膜モジュール
における封止部作成工程の説明図である。

【図５】従来技術に係る中空糸膜モジュールの模式的断
面図である。

【図６】従来技術に係る中空糸膜モジュールの問題点を
説明する説明図である。

【図７】従来技術に係る中空糸膜モジュールの問題点を
説明する説明図である。

【符号の説明】

１中空糸膜モジュール２ケース２１導入口２２排出口２３注入孔２４注入孔３中空糸膜３１開口部４封止部４１高硬度層４２低硬度層５蓋６分配器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｍ 8/04 Ｈ０１Ｍ 8/04 ＮＦターム(参考） 3L055 AA10 BA01 CA10 4D006 GA35 GA41 HA01 JA13A JA13C JB05 JB06 MA01 PA05 PB19 PB65 PC80 5H027 AA02 BC00

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ケースと、該ケース内に装填された複数の中空糸膜と、該中空糸膜の中空内部のみを開放するように、前記ケー
スの内壁面と中空糸膜の外壁面間との間の隙間を封止す
る封止部と、を備え、燃料電池内に送り込む気体を加湿
する中空糸膜モジュールにおいて、前記封止部は複数の層で構成されると共に、これら複数
の層には、各々硬度の異なる層が含まれていることを特
徴とする中空糸膜モジュール。
【請求項２】前記封止部は、前記ケースの最も内部側に配置された、硬度の低い低硬
度層と、該低硬度層よりも外部側に配置された、該低硬度層より
も硬度の高い高硬度層と、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】ケースの内部に複数の中空糸膜を装填する
中空糸膜装填工程と、前記中空糸膜の中空内部のみを開放するように、前記ケ
ースの内壁面と中空糸膜の外壁面間との間の隙間を封止
する封止部を作成する封止部作成工程と、を有する、燃
料電池内に送り込む気体を加湿する中空糸膜モジュール
の製造方法において、前記封止部作成工程においては、異なる封止剤を用いて、封止剤の充填作業を繰り返し行
って、各々硬度の異なる複数の層を形成することを特徴
とする中空糸膜モジュールの製造方法。
【請求項４】前記封止剤の充填作業を繰り返し行う場合
には、既に充填された封止剤が硬化した後に、次ぎの封
止剤を充填することを特徴とする請求項３に記載の中空
糸膜モジュールの製造方法。
【請求項５】前記ケースの最も内部側に形成する層に用
いる封止剤は、層の硬度が外側に形成する層の硬度より
も低くなるものを用いることを特徴とする請求項３また
は４に記載の中空糸膜モジュールの製造方法。
【請求項６】前記封止部作成工程では、遠心法を用いる
ことを特徴とする請求項３，４または５に記載の中空糸
膜モジュールの製造方法。