JP6918097B2 - 中空糸膜モジュール - Google Patents

Description

本発明は、加湿装置や除湿装置に用いることができる中空糸膜モジュールに関する。

例えば、固体高分子型の燃料電池においては、電解質膜を加湿させるために、中空糸膜モジュールを用いた加湿装置が設けられている。図７及び図８を参照して、従来例に係る中空糸膜モジュールについて説明する。図７は従来例に係る中空糸膜モジュールの模式的断面図である。図８は従来例に係る中空糸膜モジュールを構成するケースの模式的断面図である。図８においては、ケースの内壁面の構成を示している。

従来例に係る中空糸膜モジュール５００は、筒状のケース５１０を備えている。このケース５１０の両端にはそれぞれヘッド５２０，５３０が装着されている。また、ケース５１０内には中空糸膜束５４０が収容されている。更に、ケース５１０の一端側と他端側で、各中空糸膜の中空内部を開放させた状態でケース５１０の両端の開口部をそれぞれ封止し、かつ中空糸膜束５４０をケース５１０に対して固定する一対の封止固定部５５０，５６０が設けられている。

以上のように構成される中空糸膜モジュール５００によれば、各中空糸膜の中空内部を通る膜内流路と、各中空糸膜の外壁面側を通る膜外流路とが形成される。すなわち、ヘッド５３０側から中空糸膜束５４０における各中空糸膜の中空内部を通り、ヘッド５２０側に流れていく流路（矢印Ｙ参照）が膜内流路である。そして、ケース５１０に設けられた膜外流路入口５１１から中空糸膜束５４０における各中空糸膜の外壁面側を通り、ケース５１０に設けられた膜外流路出口５１２へと流れていく流路（矢印Ｘ参照）が膜外流路である。

そして、中空糸膜の素材として、親水性の材料を用いることによって、中空糸膜モジュール５００を加湿装置として利用することが可能となる。例えば、上述した矢印Ｘ方向に流れる膜外流路に湿潤空気が流れるようにし、矢印Ｙ方向に流れる膜内流路に乾燥空気が流れるようにする。これにより、中空糸膜による膜分離作用によって、湿潤空気側の水分が乾燥空気側に供給され、乾燥空気を加湿させることが可能となる。なお、湿潤空気側は水分が奪われるため、湿潤空気を乾燥させるための除湿装置として利用することも可能である。

以上のような中空糸膜モジュール５００において、加湿効率を高めるためには、ケース５１０内に収容される中空糸膜全体の膜面積に対して、膜分離作用に寄与する膜面積の割合を如何に大きくすることができるかが重要である。ケース５１０の内壁面全体に中空糸膜束５４０の外周面が密着していると、膜外流路入口５１１の付近と膜外流路出口５１２の付近の流体の流れが集中してしまい易い。そこで、図示の従来例に係る中空糸膜モジュール５００においては、ケース５１０の内壁面に、流体の流れを整える整流用突起５１３が設けられている。この整流用突起５１３は、ケース５１０の内壁面と中空糸膜束５４０との間に隙間を確保せしめるように中空糸膜束５４０の外周面に向かって突出する共に、ケース５１０の一端側から他端側に向かって伸びるように設けられている。このように、整流用突起５１３が設けられることによって、膜外流路入口５１１の付近と膜外流路出口５１２の付近の流体の流れが集中してしまうことが抑制でき、膜分離作用に寄与する膜面積の割合を大きくすることが可能となっている。

しかしながら、上記の従来構造においては、ケース５１０の内壁面と中空糸膜束５４０との間に隙間Ｓが設けられているため、膜外流路入口５１１から入った流体（例えば湿潤空気）は、封止固定部５６０付近まで流れて行き易い。従って、図中矢印Ｘ０に示す流れが主流となってしまい易く、中空糸膜束５４０の中央付近で束内に流れる流体の流量が少なくなってしまい易い。以上のことから、膜分離作用に寄与する膜面積の割合を大きくするためには、未だ改善の余地がある。

特開２００７−２８３２９２号公報 特開２０１５−２２６８５９号公報 特開２００９−１３６７７２号公報

本発明の目的は、膜分離作用に寄与する膜面積の割合の向上を図った中空糸膜モジュールを提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。

本発明の中空糸膜モジュールは、
筒状のケースと、
前記ケース内に収容される複数の中空糸膜からなる中空糸膜束と、
前記ケースの一端側と他端側で、各中空糸膜の中空内部を開放させた状態で前記ケースの両端の開口部をそれぞれ封止し、かつ前記中空糸膜束を前記ケースに対して固定する一対の封止固定部と、
を備え、各中空糸膜の中空内部を通る膜内流路と、各中空糸膜の外壁面側を通る膜外流路とが形成され、これら膜内流路と膜外流路のうちの一方に湿潤空気が流され、他方に乾燥空気が流されることにより、各中空糸膜の膜分離作用により湿潤空気側の水分が乾燥空気側に供給される中空糸膜モジュールであって、
前記ケースには、該ケースの一端側に偏った位置に設けられる膜外流路入口と、該ケースの他端側に偏った位置であって、前記中空糸膜束を介して前記膜外流路入口とは反対側に設けられる膜外流路出口とが設けられ、
該ケースの内壁面には、該ケースの内壁面と前記中空糸膜束との間に隙間を確保せしめるように該中空糸膜束の外周面に向かって突出する共に、前記ケースの一端側から他端側に向かって伸び、流体の流れを整える少なくとも一つの整流用突起と、前記膜外流路入口と前記膜外流路出口との間の位置で前記整流用突起と交差するように設けられ、かつ前記ケースの周方向に向かって伸び、流体の流れを乱れさせる少なくとも一つの乱流用突起とが設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、ケースの内壁面に整流用突起が設けられているため、膜外流路入口付近や膜外流路出口付近に流体の流れが集中してしまうことを抑制することができる。また、ケースの内壁面に乱流用突起が設けられているため、ケースの内壁面と中空糸膜束との間の隙間を流れて行く流体の流量を減らすことができる。これにより、膜外流路入口から入り、当該隙間から膜外流路出口側の封止固定部付近まで流れて行き、膜外流路出口から流出する流体の流量を抑制することができる。

前記ケースは、一対の略平板部と、これら一対の略平板部の両側をそれぞれ繋ぐ一対の曲面部とを備え、該ケースの一端側から他端側に向かう方向に対して垂直な断面形状がオーバル形状の部材により構成されており、
前記一対の略平板部の一方に前記膜外流路入口が設けられ、他方に前記膜外流路出口が設けられると共に、
前記整流用突起及び乱流用突起は、少なくとも前記一対の略平板部のうち前記膜外流路入口が設けられている側の内壁面に設けられているとよい。

これにより、膜外流路入口付近に流体の流れが集中してしまうことを、より確実に抑制することができる。また、膜外流路入口から入った流体が、ケースの内壁面と中空糸膜束との間の隙間を流れて行く途中で、乱流用突起により流体の流れを乱れさせることができる。従って、乱流用突起付近で中空糸膜束の内部に流体を進入させることが可能となる。

以上説明したように、本発明によれば、膜分離作用に寄与する膜面積の割合の向上を図ることができる。

図１は本発明の実施例に係る中空糸膜モジュールの平面図である。 図２は本発明の実施例に係る中空糸膜モジュールの側面図である。 図３は本発明の実施例に係る中空糸膜モジュールの正面図である。 図４は本発明の実施例に係る中空糸膜モジュールの模式的断面図である。 図５は本発明の実施例に係る中空糸膜モジュールの模式的断面図である。 図６は本発明の実施例に係るケースの模式的断面図である。 図７は従来例に係る中空糸膜モジュールの模式的断面図である。 図８は従来例に係るケースの模式的断面図である。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例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。本実施例に係る中空糸膜モジュールは、固体高分子型の燃料電池においては、電解質膜を加湿させるための加湿装置として好適に用いることができる。ただし、除湿装置としても利用することができる。

（実施例）
図１〜図６を参照して、本発明の実施例に係る中空糸膜モジュールについて説明する。図１は本発明の実施例に係る中空糸膜モジュールの平面図である。図２は本発明の実施例に係る中空糸膜モジュールの側面図である。図３は本発明の実施例に係る中空糸膜モジュールの正面図であり、図２中、左側から見た図である。図４は本発明の実施例に係る中空糸膜モジュールの模式的断面図であり、図１中のＡＡ断面図である。図５は本発明の実施例に係る中空糸膜モジュールの模式的断面図であり、図２中のＢＢ断面図である。図６は本発明の実施例に係るケースの模式的断面図であり、図３中のＣＣ断面図のうち、ケースのみを示した図である。

＜中空糸膜モジュール＞
本実施例に係る中空糸膜モジュール１０は、筒状のケース１００と、ケース１００の両端側にそれぞれ固定される一対のヘッド２１０，２２０と、ケース１００内に収容される中空糸膜束３００及び一対の封止固定部４１０，４２０とから構成される。また、中空糸膜モジュール１０においては、中空糸膜束３００における各中空糸膜の中空内部を通る膜内流路（図４中、矢印Ｙ参照）と、各中空糸膜の外壁面側を通る膜外流路（図４中、矢印Ｘ参照）とが形成される。

ケース１００は、一対の略平板部１００Ｐ，１００Ｑと、これら一対の略平板部１００Ｐ，１００Ｑの両側をそれぞれ繋ぐ一対の曲面部１００Ｒ，１００Ｓとを備えている。そして、ケース１００は、その一端側から他端側に向かう方向に対して垂直な断面形状がオーバル形状の部材により構成されている（図５参照）。

また、ケース１００には、その一端側に偏った位置に膜外流路入口１１０が設けられている。この膜外流路入口１１０は、一対の略平板部１００Ｐ，１００Ｑのうちの一方の略平板部１００Ｐに設けられている。そして、ケース１００には、その他端側に偏った位置であって、中空糸膜束３００を介して膜外流路入口１１０とは反対側に、膜外流路出口１２０が設けられている。この膜外流路出口１２０は、一対の略平板部１００Ｐ，１００Ｑのうちの他方の略平板部１００Ｑに設けられている。一対のヘッド２１０，２２０は、それぞれケース１００の両端に固定される。これら一対のヘッド２１０，２２０は、環状の部材により構成されている。そして、ヘッド２１０の内周面２１０ａの内側と、ヘッド２２０の内周面２２０ａの内側がそれぞれ流体の通路となる。なお、本実施例においては、ヘッド２２０の内周面２２０ａの内側が膜内流路の入口となり、ヘッド２１０の内周面２１０ａの内側が膜内流路の出口となる。

中空糸膜束３００は、複数（数百本から数万本程度）の中空糸膜が束にされた構成である。中空糸膜の素材としては、親水性の素材が用いられる。例えば、溶解拡散により水分を透過する特性を有するナフィオンや、孔径制御による毛管凝縮機構により水分を透過する特性を有するＰＰＳＵ（ポリフェニルスルホン）などを好適に用いることができる。これらの材料は、低溶出性であり、かつ強度も高いため、加湿装置や除湿装置に好適に用いることができる。

一対の封止固定部４１０，４２０は、ケース１００の一端側と他端側で、各中空糸膜の中空内部を開放させた状態でケース１００の両端の開口部をそれぞれ封止し、かつ中空糸膜束３００をケース１００に対して固定している。これらの封止固定部４１０，４２０は、エポキシ樹脂などのポッティング材料が硬化することにより構成される。

＜ケース＞
ケース１００について、より詳細に説明する。ケース１００の内壁面には、整流用突起１３０と乱流用突起１４０が設けられている。整流用突起１３０は、ケース１００の内壁面と中空糸膜束３００との間に隙間を確保せしめるように中空糸膜束３００の外周面に向かって突出する共に、ケース１００の一端側から他端側に向かって伸び、流体の流れを整えるために設けられている。本実施例においては、整流用突起１３０は、一対の略平板部１００Ｐ，１００Ｑの内壁面に、それぞれ２か所ずつ設けられている。乱流用突起１４０は、ケース１００の周方向に向かって伸び、流体の流れを乱れさせるために設けられている。本実施例においては、乱流用突起１４０は、一対の略平板部１００Ｐ，１００Ｑの内壁面に、それぞれ１か所ずつ設けられている。また、乱流用突起１４０は、ケース１００における両端の間の中心付近に設けられている。

整流用突起１３０の長手方向の長さ（図４及び図６において左右方向の長さ）は、中空糸膜の有効長（封止固定部４１０，４２０の対向面間の距離に相当）に対して、１／４以上３／４以下の範囲で設定するのが望ましい。また、整流用突起１３０の高さ（突出量）は、ケース１００の断面の長さ（一対の略平板部１００Ｐ，１００Ｑの対向面間の距離に相当）に対して、１／２０以上１／４以下の範囲で設定するのが望ましい。そして、乱流用突起１４０の周方向の長さは、ケース１００の内周面の周長に対して、１／８以上１以下の範囲で設定するのが望ましい。また、乱流用突起１４０の高さ（突出量）は、ケース１００の断面の長さ（一対の略平板部１００Ｐ，１００Ｑの対向面間の距離に相当）に対して、１／２０以上１／４以下の範囲で設定するのが望ましい。本実施例においては、中空糸膜束３００と略平板部１００Ｐとの間、及び中空糸膜束３００と略平板部１００Ｑとの間には、整流用突起１３０によって、隙間Ｓが確保されている。これに対して、中空糸膜束３００と曲面部１００Ｒ，１００Ｓとは接しており、隙間は設けられていない。

＜加湿（除湿）メカニズム＞
本実施例に係る中空糸膜モジュール１０における加湿（除湿）メカニズムについて説明する。上記の通り、本実施例に係る中空糸膜モジュール１０においては、中空糸膜束３００における各中空糸膜の中空内部を通る膜内流路と、各中空糸膜の外壁面側を通る膜外流路とが形成されている。膜内流路は、ヘッド２２０側から中空糸膜束３００における各中空糸膜の中空内部を通り、ヘッド２１０側に流れて行く流路である（図４中の矢印Ｙ参照）。そして、膜外流路は、ケース１００に設けられた膜外流路入口１１０から中空糸膜束３００における各中空糸膜の外壁面側を通り、ケース１００に設けられた膜外流路出口１２０へと流れていく流路である（図４中の矢印Ｘ参照）。

本実施例においては、膜外流路に湿潤空気が流れるようにし、膜内流路に乾燥空気が流れるように、中空糸膜モジュール１０は用いられる。これにより、中空糸膜による膜分離作用によって、湿潤空気側の水分が乾燥空気側に供給され、乾燥空気は加湿される。湿潤空気側は水分が奪われるため、湿潤空気は乾燥される。従って、加湿装置または除湿装置として用いることが可能となる。

＜本実施例に係る中空糸膜モジュールの優れた点＞
本実施例に係る中空糸膜モジュール１０によれば、ケース１００の内壁面に整流用突起１３０が設けられているため、膜外流路入口１１０付近や膜外流路出口１２０付近に流体の流れが集中してしまうことを抑制することができる。また、ケース１００の内壁面に乱流用突起１４０が設けられているため、ケース１００の内壁面と中空糸膜束３００との間の隙間Ｓを流れて行く流体の流量を減らすことができる。これにより、膜外流路入口１１０から入り、隙間Ｓから膜外流路出口１２０側の封止固定部４２０付近まで流れて行き、膜外流路出口１２０から流出する流体の流量を抑制することができる。

特に、本実施例においては、一対の略平板部１００Ｐ，１００Ｑのうち膜外流路入口１１０が設けられている略平板部１００Ｐの内壁面に設けられた整流用突起１３０及び乱流用突起１４０による効果が大きい。すなわち、膜外流路入口１１０から入った流体は、略平板部１００Ｐの内壁面と中空糸膜束３００との間に形成された隙間Ｓを流れて行き易い。しかしながら、この隙間Ｓを流れて行く流体は、乱流用突起１４０によって流れが乱される。すなわち、図４及び図６中の矢印Ｘ１に示すように、流体は、乱流用突起１４０に衝突して、中空糸膜束３００の内部側や周方向に向かうように、流れる方向が変化させられる。従って、乱流用突起１４０付近で中空糸膜束３００の内部に流体を進入させることが可能となる。また、乱流用突起１４０の付近で、図５中、左右方向にも流体が流れて行くため、曲面部１００Ｒ，１００Ｓの内周面付近にも流体が供給される。以上のように、本実施例に係る中空糸膜モジュール１０によれば、膜分離作用に寄与する膜面積の割合の向上を図ることができる。

本実施例に係る中空糸膜モジュール１０と従来例に係る中空糸膜モジュール５００の比較試験結果について説明する。まず、試験に用いたサンプルについて説明する。本実施例に係る中空糸膜モジュール１０のサンプルの場合、ケース１００の断面の寸法（図５におけるケース１００の内壁面の寸法）は、高さ３０ｍｍ，横幅７０ｍｍとし、曲面部１００Ｒ，１００Ｓの内周面の曲率半径を１５ｍｍとした。また、整流用突起１３０は、長さを３０ｍｍ，高さを３ｍｍとして、図６に示すように中空糸膜と平行になるように２本設けた。なお、一対の整流用突起１３０の間隔は１５ｍｍとした。乱流用突起１４０は、長さを４０ｍｍ，高さを３ｍｍとして、整流用突起１３０の長手方向の中心に、整流用突起１３０と垂直となるように設けた。また、中空糸膜束３００は、１０００本の中空糸膜を束にしたものを用いた。また、中空糸膜の有効長（封止固定部４１０，４２０の対向面間の距離に相当）は７５ｍｍとした。これに対して、従来例に係る中空糸膜モジュール５００のサンプルについては、乱流用突起１４０が設けられていない点のみが、本実施例に係る中空糸膜モジュール１０のサンプルと異なっている。

以上のように構成されたサンプルを用いて、図４，７中、矢印Ｘに示すように、膜外流路に露点７１℃の加湿空気を４０Ｌ／ｍｉｎで通気しつつ、矢印Ｙに示すように膜内流路に乾燥空気を４０Ｌ／ｍｉｎで通気させた。その結果、本実施例に係る中空糸膜モジュール１０の場合、ヘッド２１０側から排出される加湿後の空気は露点換算で６４．０℃であった。これに対して、従来例に係る中空糸膜モジュール５００の場合、ヘッド５２０側から排出される加湿後の空気は露点換算で６２．５℃であった。このような比較試験の結果から、本実施例に係る中空糸膜モジュール１０を採用することで、加湿性能が向上することが分かる。

（その他）
上記実施例においては、膜外流路を流れる流体と、膜内流路を流れる流体が逆方向となるように構成する場合を示した。しかしながら、膜外流路を流れる流体と、膜内流路を流れる流体が同方向となるようにすることもできる。例えば、膜内流路に対しては、矢印Ｙとは反対方向に流体を流すようにすることもできる。ただし、加湿効率及び除湿効率を高めるためには、逆方向にするほうがよい。また、上記実施例においては、膜外流路に加湿空気を流し、膜内流路に乾燥空気を流す場合を説明した。しかしながら、膜外流路に乾燥空気を流し、膜内流路に加湿空気を流すようにしてもよい。

１０ 中空糸膜モジュール
１００ ケース
１００Ｐ，１００Ｑ 略平板部
１００Ｒ，１００Ｓ 曲面部
１１０ 膜外流路入口
１２０ 膜外流路出口
１３０ 整流用突起
１４０ 乱流用突起
２１０，２２０ ヘッド
２１０ａ，２２０ａ 内周面
３００ 中空糸膜束
４１０，４２０ 封止固定部
Ｓ 隙間

Claims (2)

1. 筒状のケースと、
   前記ケース内に収容される複数の中空糸膜からなる中空糸膜束と、
   前記ケースの一端側と他端側で、各中空糸膜の中空内部を開放させた状態で前記ケースの両端の開口部をそれぞれ封止し、かつ前記中空糸膜束を前記ケースに対して固定する一対の封止固定部と、
   を備え、各中空糸膜の中空内部を通る膜内流路と、各中空糸膜の外壁面側を通る膜外流路とが形成され、これら膜内流路と膜外流路のうちの一方に湿潤空気が流され、他方に乾燥空気が流されることにより、各中空糸膜の膜分離作用により湿潤空気側の水分が乾燥空気側に供給される中空糸膜モジュールであって、
   前記ケースには、該ケースの一端側に偏った位置に設けられる膜外流路入口と、該ケースの他端側に偏った位置であって、前記中空糸膜束を介して前記膜外流路入口とは反対側に設けられる膜外流路出口とが設けられ、
   該ケースの内壁面には、該ケースの内壁面と前記中空糸膜束との間に隙間を確保せしめるように該中空糸膜束の外周面に向かって突出する共に、前記ケースの一端側から他端側に向かって伸び、流体の流れを整える少なくとも一つの整流用突起と、前記膜外流路入口と前記膜外流路出口との間の位置で前記整流用突起と交差するように設けられ、かつ前記ケースの周方向に向かって伸び、流体の流れを乱れさせる少なくとも一つの乱流用突起とが設けられていることを特徴とする中空糸膜モジュール。
2. 前記ケースは、一対の略平板部と、これら一対の略平板部の両側をそれぞれ繋ぐ一対の曲面部とを備え、該ケースの一端側から他端側に向かう方向に対して垂直な断面形状がオーバル形状の部材により構成されており、
   前記一対の略平板部の一方に前記膜外流路入口が設けられ、他方に前記膜外流路出口が設けられると共に、
   前記整流用突起及び乱流用突起は、少なくとも前記一対の略平板部のうち前記膜外流路入口が設けられている側の内壁面に設けられてい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。

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