JP7638372B2 - 中空糸膜モジュール及び除加湿装置 - Google Patents
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Description
本発明は、中空糸膜モジュール及び除加湿装置に関する。
燃料電池用の加湿装置に備えられる中空糸膜モジュールには、加湿性能の向上、圧力損失の抑制、小型化などが求められている。これらを実現するためには、ケース内に備えられる中空糸膜の膜分離作用への寄与率を高める必要がある。そこで、中空糸膜モジュールのケースを、２重のケースとすることで、これらの要求に応える技術が知られている。このような従来例に係る中空糸膜モジュールについて、図３を参照して説明する。図３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。
図示の中空糸膜モジュール５００は、円筒状の外ケース５１０と、外ケース５１０の内部に配される内ケース５２０と、外ケース５１０と内ケース５２０との間の環状隙間に設けられる複数の中空糸膜５３０とを備えている。また、中空糸膜モジュール５００は、一対の封止固定部５４１，５４２と、一対の緩衝部５５１，５５２とを備えている。封止固定部５４１，５４２は、外ケース５１０と内ケース５２０の一端側と他端側で、各中空糸膜５３０の中空内部を開放させた状態で、上記の環状隙間をそれぞれ封止し、かつ複数の中空糸膜５３０を外ケース５１０及び内ケース５２０に固定する役割を担っている。
そして、外ケース５１０には、一端側に片寄った位置に、上記の環状隙間と外ケース５１０の外側とを連通する出口部５１１が周方向の少なくとも一か所に設けられている。なお、出口部５１１が設けられていない部位においては、複数の中空糸膜５３０からなる束の外周面と接しないように、外ケース５１０の内周面の一部５１２については他の部位よりも内径が大きくなっている。
また、内ケース５２０の内部には、隔壁５２１が設けられており、この隔壁５２１よりも他端側に、内ケース５２０の内部の中空部と上記の環状隙間とを連通する複数の窓５２２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に対して、内ケース５２０の内部の中空部に湿潤気体が供給され、封止固定部５４１側から各中空糸膜５３０の中空内部に乾燥気体が供給される。これにより、図中、実線の矢印に示すように、湿潤気体は、複数の窓５２２から上記の環状隙間に入って、中空糸膜５３０の膜外を通って、出口部５１１から外ケース５１０の外側に流れていく。また、乾燥気体は、一端側の封止固定部５４１から他端側の封止固定部５４２に向けて、中空糸膜５３０の膜内を通って流れていく。これにより、中空糸膜５３０による膜分離作用によって、湿潤気体中の水分が乾燥気体側に移動して、乾燥気体が加湿される。
一般的な中空糸膜モジュールの場合には、筒状の単一のケース内に複数の中空糸膜が設けられ、当該ケースに湿潤気体の入口と出口が設けられる構成のため、ケースの中心付近に配される中空糸膜は膜分離作用にあまり寄与しなくなってしまい易い。これに対し、上記の図３に示す従来例に係る中空糸膜モジュール５００の場合には、複数の中空糸膜５３０の全体を膜分離作用に寄与させることができるため、上述した要求に応えることが可能となる。
しかしながら、上記の中空糸膜モジュール５００の場合でも、窓５２２から出口部５１１に向けて最短距離となる部分を通る湿潤気体の流れが主流となり易い。そのため、複数の中空糸膜５３０のうち、出口部５１１から離れた領域（図中Ｘ１付近）や、一端側かつ径方向内側の領域（図中Ｘ２付近）においては、膜分離作用に寄与し難いことが分かった。このように、未だ改善の余地がある。
本発明の目的は、中空糸膜の膜分離作用への寄与率の向上、及び除加湿性能の向上を図ることを可能とする中空糸膜モジュール及び除加湿装置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。
すなわち、本発明の中空糸膜モジュールは、
筒状の外ケースと、
前記外ケースの内部に配される内ケースと、
前記外ケースと内ケースとの間の環状隙間に設けられる複数の中空糸膜と、
前記外ケースと内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環状隙間をそれぞれ封止し、かつ前記複数の中空糸膜を前記外ケース及び内ケースに固定する一対の封止固定部と、
を備える中空糸膜モジュールであって、
前記外ケースには、前記一端側において前記環状隙間よりも径方向の外側に環状空間を形成する二重管部が設けられ、かつ前記環状隙間と前記環状空間の前記一端側とを連通する連通部と、前記環状空間と前記外ケースの外側を連通する出口部とが設けられると共に、
前記内ケースには、前記他端側に開口する中空部が設けられ、
前記中空部は、前記一端側から他端側に向かう方向に対して垂直な方向における幅が、前記一端側から他端側に向かって拡がる拡幅部を含み、前記拡幅部には、前記中空部と前記環状隙間とを連通する複数の窓が設けられていることを特徴とする。
筒状の外ケースと、
前記外ケースの内部に配される内ケースと、
前記外ケースと内ケースとの間の環状隙間に設けられる複数の中空糸膜と、
前記外ケースと内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環状隙間をそれぞれ封止し、かつ前記複数の中空糸膜を前記外ケース及び内ケースに固定する一対の封止固定部と、
を備える中空糸膜モジュールであって、
前記外ケースには、前記一端側において前記環状隙間よりも径方向の外側に環状空間を形成する二重管部が設けられ、かつ前記環状隙間と前記環状空間の前記一端側とを連通する連通部と、前記環状空間と前記外ケースの外側を連通する出口部とが設けられると共に、
前記内ケースには、前記他端側に開口する中空部が設けられ、
前記中空部は、前記一端側から他端側に向かう方向に対して垂直な方向における幅が、前記一端側から他端側に向かって拡がる拡幅部を含み、前記拡幅部には、前記中空部と前記環状隙間とを連通する複数の窓が設けられていることを特徴とする。
本発明によれば、内ケースの中空部から窓を通って環状隙間に流れていく流体は、連通部から環状空間に向けて流れた後に出口部から外ケースの外側に流れていく。これにより、窓から出口部に向かって直接的に流れる流体の量を抑制することができる。従って、中空糸膜の膜分離作用への寄与率を向上させることができる。
前記連通部は全周に亘って設けられているとよい。
これにより、中空糸膜の膜分離作用への寄与率をより一層高めることができる。
前記出口部は周方向の少なくとも一か所に設けられているとよい。
前記内ケースは、前記一端側から他端側に向かう方向に対して垂直な方向における幅が、前記一端側から他端側に向かって拡がる拡幅部が設けられており、前記複数の窓は前記拡幅部に設けられているとよい。
このような構成を採用することで、窓が設けられている付近において、中空糸膜の膜の外部を通る流体と、中空糸膜の中空内部を通る流体とを、対向流にし易くすることができる。
本発明の除加湿装置は、
上記の中空糸膜モジュールと、
前記中空部に対して湿潤気体を供給する湿潤気体供給装置と、
前記一端側の前記封止固定部から前記複数の中空糸膜の各中空内部に、前記湿潤気体よりも湿度の低い乾燥気体を供給する乾燥気体供給装置と、
を備えることを特徴とする。
上記の中空糸膜モジュールと、
前記中空部に対して湿潤気体を供給する湿潤気体供給装置と、
前記一端側の前記封止固定部から前記複数の中空糸膜の各中空内部に、前記湿潤気体よりも湿度の低い乾燥気体を供給する乾燥気体供給装置と、
を備えることを特徴とする。
なお、上記各構成は、可能な限り組み合わせて採用し得る。
以上説明したように、本発明によれば、中空糸膜の膜分離作用への寄与率の向上、及び除加湿性能の向上を図ることができる。
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。
（実施例）
図１及び図２を参照して、本発明の実施例に係る中空糸膜モジュール及び除加湿装置について説明する。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除加湿装置の概略構成図である。なお、図２においては、中空糸膜モジュールについて、模式的断面図にて示している。この中空糸膜モジュールの断面図は、図１中のＡＡ断面図に相当する。
図１及び図２を参照して、本発明の実施例に係る中空糸膜モジュール及び除加湿装置について説明する。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除加湿装置の概略構成図である。なお、図２においては、中空糸膜モジュールについて、模式的断面図にて示している。この中空糸膜モジュールの断面図は、図１中のＡＡ断面図に相当する。
＜除加湿装置＞
本実施例に係る除加湿装置は、中空糸膜モジュール１０と、湿潤気体供給装置２０と、乾燥気体供給装置３０とを備えている。湿潤気体供給装置２０は、中空糸膜モジュール１０に備えられる中空糸膜３００の膜外に湿潤気体を供給するように構成されている。また、乾燥気体供給装置３０は、複数の中空糸膜３００の各中空内部に、上記の湿潤気体よりも湿度の低い乾燥気体を供給するように構成されている。これにより、中空糸膜３００による膜分離作用によって、湿潤気体中の水分が乾燥気体側に移動する。従って、乾燥気体については加湿され、湿潤気体については除湿されるため、加湿装置としても除湿装置としても利用することができる。なお、本実施例に係る除加湿装置は、燃料電池に備えられる電解質膜を加湿するための加湿装置として好適に用いることができる。この場合、燃料電池において発生した湿潤空気が、上記の湿潤気体として利用される。そして、加湿された気体（空気）が、燃料電池に備えられる電解質膜に供給されることで、電解質膜については、湿った状態が維持される。ここで、中空糸膜３００の素材としては、例えば、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。なお、製膜溶液（中空糸膜の原料）を調整する際、溶媒中にＰＰＳＵと親水性高分子（ポリビニルポロリドン）を添加した製膜溶液を用いて紡糸を行うことで親水性を有する中空糸膜を得ることができる。また、溶解拡散により水分を透過する特性を有する親水性の材料であるナフィオン（登録商標）を用いることもできる。以上のような材料は、低溶出性であり、かつ強度も高いため、除加湿装置に好適に用いることができる。
本実施例に係る除加湿装置は、中空糸膜モジュール１０と、湿潤気体供給装置２０と、乾燥気体供給装置３０とを備えている。湿潤気体供給装置２０は、中空糸膜モジュール１０に備えられる中空糸膜３００の膜外に湿潤気体を供給するように構成されている。また、乾燥気体供給装置３０は、複数の中空糸膜３００の各中空内部に、上記の湿潤気体よりも湿度の低い乾燥気体を供給するように構成されている。これにより、中空糸膜３００による膜分離作用によって、湿潤気体中の水分が乾燥気体側に移動する。従って、乾燥気体については加湿され、湿潤気体については除湿されるため、加湿装置としても除湿装置としても利用することができる。なお、本実施例に係る除加湿装置は、燃料電池に備えられる電解質膜を加湿するための加湿装置として好適に用いることができる。この場合、燃料電池において発生した湿潤空気が、上記の湿潤気体として利用される。そして、加湿された気体（空気）が、燃料電池に備えられる電解質膜に供給されることで、電解質膜については、湿った状態が維持される。ここで、中空糸膜３００の素材としては、例えば、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。なお、製膜溶液（中空糸膜の原料）を調整する際、溶媒中にＰＰＳＵと親水性高分子（ポリビニルポロリドン）を添加した製膜溶液を用いて紡糸を行うことで親水性を有する中空糸膜を得ることができる。また、溶解拡散により水分を透過する特性を有する親水性の材料であるナフィオン（登録商標）を用いることもできる。以上のような材料は、低溶出性であり、かつ強度も高いため、除加湿装置に好適に用いることができる。
＜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について、より詳細に説明する。中空糸膜モジュール１０は、筒状の外ケース１００と、外ケース１００の内部に配される内ケース２００と、外ケース１００と内ケース２００との間の環状隙間Ｓに設けられる複数の中空糸膜３００とを備えている。また、中空糸膜モジュール１０は、一対の封止固定部４１０，４２０と、一対の緩衝部４３０，４４０とを備えている。封止固定部４１０，４２０は、外ケース１００と内ケース２００の一端側（図２中右側）と他端側（図２中左側）で、各中空糸膜３００の中空内部を開放させた状態で、上記の環状隙間Ｓをそれぞれ封止し、かつ複数の中空糸膜３００を外ケース１００及び内ケース２００に固定する役割を担っている。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得られる。また、一対の緩衝部４３０，４４０は、シリコンなどの柔軟性の高い材料により構成されている。これらの緩衝部４３０，４４０を設けることによって、封止固定部４１０，４２０の付近における中空糸膜３００の揺れを抑制し、中空糸膜３００が封止固定部４１０，４２０との界面付近で損傷してしまうことを抑制することができる。なお、便宜上、以下、中空糸膜モジュール１０において、図２中、右側を「一端側」、左側を「他端側」と称する。
本実施例に係る中空糸膜モジュール１０について、より詳細に説明する。中空糸膜モジュール１０は、筒状の外ケース１００と、外ケース１００の内部に配される内ケース２００と、外ケース１００と内ケース２００との間の環状隙間Ｓに設けられる複数の中空糸膜３００とを備えている。また、中空糸膜モジュール１０は、一対の封止固定部４１０，４２０と、一対の緩衝部４３０，４４０とを備えている。封止固定部４１０，４２０は、外ケース１００と内ケース２００の一端側（図２中右側）と他端側（図２中左側）で、各中空糸膜３００の中空内部を開放させた状態で、上記の環状隙間Ｓをそれぞれ封止し、かつ複数の中空糸膜３００を外ケース１００及び内ケース２００に固定する役割を担っている。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得られる。また、一対の緩衝部４３０，４４０は、シリコンなどの柔軟性の高い材料により構成されている。これらの緩衝部４３０，４４０を設けることによって、封止固定部４１０，４２０の付近における中空糸膜３００の揺れを抑制し、中空糸膜３００が封止固定部４１０，４２０との界面付近で損傷してしまうことを抑制することができる。なお、便宜上、以下、中空糸膜モジュール１０において、図２中、右側を「一端側」、左側を「他端側」と称する。
外ケース１００は、筒状のケース本体部１１０を備えている。本実施例においては、ケース本体部１１０は略円筒状の部分により構成されているが、その形状は限定されるものではなく、例えば、角柱形状など各種の形状を採用し得る。また、外ケース１００には、一端側において環状隙間Ｓよりも径方向の外側に環状空間Ｋを形成する二重管部１２０が設けられている。本実施例に係る二重管部１２０は、外径及び内径がケース本体部１１０の外径及び内径よりも大きな円筒部１２０ａと、この円筒部１２０ａの他端側とケース本体部１１０とを連結する連結部１２０ｂにより構成される。更に、外ケース１００には、環状隙間Ｓと環状空間Ｋの一端側とを連通する連通部１２１と、環状空間Ｋと外ケース１００の外側を連通する出口部１２２とが設けられている。本実施例に係る連通部１２１は全周に亘って設けられている。なお、中空糸膜３００の膜分離作用への寄与率を高める観点からは連通部１２１を全周に亘って設けるのが望ましいが、必ずしも全周に亘って設ける必要はなく、周方向に間隔を空けて複数設ける構成も採用できる。また、出口部１２２は周方向の少なくとも一か所に設けられ、その個数は中空糸膜モジュール１０の寸法や使用環境に応じて適宜設定することができる。
内ケース２００は、筒状の部材の内部に隔壁２１０が設けられる構成である。これにより、内ケース２００には、他端側に開口する中空部が設けられる構成となっている。また、内ケース２００においては、一端側から他端側に向かう方向に対して垂直な方向における幅が、一端側から他端側に向かって拡がる拡幅部２２０が設けられている。本実施例に係る拡幅部２２０の内周面と外周面はテーパ面により構成されている。ただし、拡幅部２２０の内周面と外周面の形状は、テーパ面に限定されるものではなく、一端側から他端側に向かう方向に対して垂直な方向における幅が徐々に拡がるように構成されれば、その他の形状も採用することができる。例えば、中心軸線を含む面で切断した断面形状が曲線となる湾曲面や、角錐面状の面となるような形状なども採用することができる。
そして、内ケース２００においては、拡幅部２２０に、中空部と環状隙間Ｓとを連通する複数の窓２２１が設けられている。なお、内ケース２００における拡幅部２２０よりも一端側においては、内径及び外径は一定となるように構成されている。つまり、円筒状の部分により構成されている。
以上のように構成される中空糸膜モジュール１０に対して、湿潤気体供給装置２０により、内ケース２００の中空部に対して湿潤気体が供給される。また、乾燥気体供給装置３０により、一端側の封止固定部４１０から複数の中空糸膜３００の各中空内部に乾燥気体が供給される。この点について、より詳細に説明する。
湿潤気体は、湿潤気体供給装置２０から中空部へと供給されて（図２中、矢印Ａ１）、複数の窓２２１から環状隙間Ｓに入っていく（矢印Ａ２）。環状隙間Ｓに入った湿潤気体は、中空糸膜３００の膜外を通って、連通部１２１から環状空間Ｋへと流れていき（矢印Ａ３）、その後、出口部１２２から外ケース１００の外側に流れていく。また、乾燥気体は、乾燥気体供給装置３０によって一端側の封止固定部４１０から複数の中空糸膜３００の各中空内部に供給され（矢印Ｂ１）、それぞれの中空糸膜３００の膜内を流れていく（矢印Ｂ２）。その後、他端側の封止固定部４２０から排出される（矢印Ｂ３）。以上の過程で、中空糸膜３００による膜分離作用によって、湿潤気体中の水分が乾燥気体側に移動して、乾燥気体は加湿され、湿潤気体は除湿される。
＜本実施例に係る中空糸膜モジュール及び除加湿装置の優れた点＞
本実施例によれば、内ケース２００に設けられた複数の窓２２１から外ケース１００に設けられた出口部１２２に湿潤気体が流れるように構成されている。そのため、内ケース２００と外ケース１００との間の環状隙間Ｓに設けられる複数の中空糸膜３００の全体を膜分離作用に寄与させることが可能となる。そして、本実施例においては、内ケース２００の中空部から窓２２１を通って環状隙間Ｓに流れていく流体は、連通部１２１から環状空間Ｋに向けて流れた後に出口部１２２から外ケース１００の外側に流れていく。これにより、窓２２１から出口部１２２に向かって直接的に流れる流体の量を抑制することができる。従って、中空糸膜３００の膜分離作用への寄与率を向上させることができる。
本実施例によれば、内ケース２００に設けられた複数の窓２２１から外ケース１００に設けられた出口部１２２に湿潤気体が流れるように構成されている。そのため、内ケース２００と外ケース１００との間の環状隙間Ｓに設けられる複数の中空糸膜３００の全体を膜分離作用に寄与させることが可能となる。そして、本実施例においては、内ケース２００の中空部から窓２２１を通って環状隙間Ｓに流れていく流体は、連通部１２１から環状空間Ｋに向けて流れた後に出口部１２２から外ケース１００の外側に流れていく。これにより、窓２２１から出口部１２２に向かって直接的に流れる流体の量を抑制することができる。従って、中空糸膜３００の膜分離作用への寄与率を向上させることができる。
また、本実施例においては、連通部１２１は全周に亘って設けられている。これにより、中空糸膜３００の膜分離作用への寄与率をより一層高めることができる。
更に、本実施例に係る内ケース２００は、一端側から他端側に向かう方向に対して垂直な方向における幅が、一端側から他端側に向かって拡がる拡幅部２２０が設けられており、複数の窓２２１は、この拡幅部２２０に設けられている。従って、窓２２１が設けられている付近において、中空糸膜３００の膜の外部を通る流体と、中空糸膜３００の中空内部を通る流体とを、対向流にし易くすることができる。これにより、膜分離作用を高めることができ、除加湿性能を高めることができる。
（その他）
上記実施例においては、内ケース２００に拡幅部２２０を設けて、この拡幅部２２０に複数の窓２２１を設ける場合の構成について示した。しかしながら、本発明は、内ケースに拡幅部が設けられず、幅が一定の部分に複数の窓が設けられる場合の構成も含まれる。例えば、従来技術で説明した図３に示すような複数の窓５２２を有する内ケース５２０についても、本願発明に適用可能である。
上記実施例においては、内ケース２００に拡幅部２２０を設けて、この拡幅部２２０に複数の窓２２１を設ける場合の構成について示した。しかしながら、本発明は、内ケースに拡幅部が設けられず、幅が一定の部分に複数の窓が設けられる場合の構成も含まれる。例えば、従来技術で説明した図３に示すような複数の窓５２２を有する内ケース５２０についても、本願発明に適用可能である。
１０ 中空糸膜モジュール
２０ 湿潤気体供給装置
３０ 乾燥気体供給装置
１００ 外ケース
１１０ ケース本体部
１２０ 二重管部
１２０ａ 円筒部
１２０ｂ 連結部
１２１ 連通部
１２２ 出口部
２００ 内ケース
２１０ 隔壁
２２０ 拡幅部
２２１ 窓
３００中空糸膜
４１０，４２０ 封止固定部
４３０，４４０ 緩衝部
Ｋ 環状空間
Ｓ環状隙間
２０ 湿潤気体供給装置
３０ 乾燥気体供給装置
１００ 外ケース
１１０ ケース本体部
１２０ 二重管部
１２０ａ 円筒部
１２０ｂ 連結部
１２１ 連通部
１２２ 出口部
２００ 内ケース
２１０ 隔壁
２２０ 拡幅部
２２１ 窓
３００中空糸膜
４１０，４２０ 封止固定部
４３０，４４０ 緩衝部
Ｋ 環状空間
Ｓ環状隙間
Claims (4)
- 筒状の外ケースと、
前記外ケースの内部に配される内ケースと、
前記外ケースと内ケースとの間の環状隙間に設けられる複数の中空糸膜と、
前記外ケースと内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環状隙間をそれぞれ封止し、かつ前記複数の中空糸膜を前記外ケース及び内ケースに固定する一対の封止固定部と、
を備える中空糸膜モジュールであって、
前記外ケースには、前記一端側において前記環状隙間よりも径方向の外側に環状空間を形成する二重管部が設けられ、かつ前記環状隙間と前記環状空間の前記一端側とを連通する連通部と、前記環状空間と前記外ケースの外側を連通する出口部とが設けられると共に、
前記内ケースには、前記他端側に開口する中空部が設けられ、
前記中空部は、前記一端側から他端側に向かう方向に対して垂直な方向における幅が、前記一端側から他端側に向かって拡がる拡幅部を含み、前記拡幅部には、前記中空部と前記環状隙間とを連通する複数の窓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。 - 前記連通部は全周に亘って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。
- 前記出口部は周方向の少なくとも一か所に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の中空糸膜モジュール。
- 請求項１～３のいずれか一つに記載の中空糸膜モジュールと、
前記中空部に対して湿潤気体を供給する湿潤気体供給装置と、
前記一端側の前記封止固定部から前記複数の中空糸膜の各中空内部に、前記湿潤気体よりも湿度の低い乾燥気体を供給する乾燥気体供給装置と、
を備えることを特徴とする除加湿装置。
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