(57)【要約】【課題】中空糸膜モジュールの製造コストの低減及び生産性の向上を図ると共に、シール部のシール性を高める。【解決手段】複数の流路孔１ａ，１ｂが開設された筒状のケース１と、このケース１に束状にして充填された複数の中空糸膜２と、ケース１の両端開口部において中空糸膜２の内部細孔の両端のみが開口するようにケース１の両端開口部を封止するポッティング部３，４とを備える中空糸膜モジュールにおいて、ケース１の外周面に、シールリング装着用の溝５ａ，６ａを有する環状のホルダ５，６が密着状態に一体接合されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の流路孔が開設された筒状のケースと、このケースに束状にして充填された複数の中空糸膜と、前記ケースの両端開口部において中空糸膜の内部細孔の両端のみが開口するように前記ケースの両端開口部を封止するポッティング部とを備える中空糸膜モジュールにおいて、前記ケースの外周面に、シールリング装着用の溝を有する環状のホルダが密着状態に一体接合されたことを特徴とする中空糸膜モジュール。
【請求項２】
ケース及びホルダが耐熱性合成樹脂材からな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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の加湿装置や除湿装置、流体の濾過装置、分離装置、濃縮装置などに用いられる中空糸膜モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、複数のセルが積層されたスタック構造となっており、各セルは、固体高分子電解質膜の両面に一対の電極層を設けたＭＥＡ（Membrane  Electrode  Assembly：膜−電極複合体）をセパレータで挟持して構成され、燃料ガス（水素）が、ＭＥＡの一方の触媒電極層側に供給され、酸化剤ガス（空気）が、ＭＥＡの他方の触媒電極層側に供給され、水の電気分解の逆反応、すなわち水素と酸素から水を生成する反応によって電力を発生するものである。そしてこの種の燃料電池では、ＭＥＡの固体高分子電解質膜を湿潤状態にしておかないと水素イオンが通過できないため、加湿装置が必要である。
【０００３】
燃料電池システムにおいて使用される加湿装置としては、中空糸膜モジュールを用いた加湿装置が知られている。
【０００４】
図４に示すように、従来、この種の中空糸膜モジュール１００は、側面に流路孔１０１ａ，１０１ｂが開設された筒状のケース１０１と、このケース１０１に束状にして充填された複数（例えば数千本）の中空糸膜１０２と、ケース１０１の両端開口部において中空糸膜１０２の内部細孔の両端１０２ａ，１０２ｂのみが開口するように、ケース１０１の両端開口部と中空糸膜１０２の両端部の間及び中空糸膜１０１の両端部の間を封止するポッティング部１０３，１０４と、前記ケース１０１とその両端部に取り付けられて外部配管と接続される不図示のキャップ等との間をシールする複数のシールリング１０５，１０６とを備える。シールリング１０５，１０６は例えばＯリングからなるものであって、それぞれケース１０１の外周面に形成された溝１０１ｃに装着されている。
【０００５】
すなわち上述のような構成を備える中空糸膜モジュール１００を用いた加湿装置は、一方の流路孔１０１ａからケース１０１の内周空間（各中空糸膜１０２間の隙間）を経由して他方の流路孔１０１ｂへ向かう流路と、ケース１０１の一端開口部から各中空糸膜１０２の内部の細孔を経由してケース１０１の他端開口部へ（各中空糸膜１０２の内部細孔の一端１０２ａから他端１０２ｂへ）向かう流路のうち一方に湿潤気体を流通させることによって、他方の流路を経由して燃料電池セルへ供給される乾燥気体を、中空糸膜１０２の膜分離作用を利用して加湿するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２６５１９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この種の中空糸膜モジュール１００は、例えば自動車の燃料電池の加湿装置用である場合、氷点下から高温までの非常に広い温度範囲で使用されるため、ポッティング部１０３，１０４を形成するためのポッティング材料としては耐熱性の高いエポキシ樹脂が採用される。しかしながら、エポキシ樹脂によってポッティング部１０３，１０４を形成する際には、エポキシ樹脂が発熱しながら硬化するため、ポッティング部１０３，１０４の外周でケース１０１が変形しやすい。このため、ケース１０１の外周面におけるシール装着用の溝１０１ｃは、ポッティング部１０３，１０４の形成後に後加工することによってシールリング１０５，１０６によるシール性を確保する必要があり、コストの上昇を招いていた。
【０００８】
しかも後加工を行うことは、生産性の向上に支障をきたし、燃料電池自動車が今後ますます普及しても加湿用中空糸膜モジュールの大量生産が困難になる懸念がある。
【０００９】
本発明は、以上のような点に鑑みてなされたものであって、その技術的課題は、中空糸膜モジュールの製造コストの低減及び生産性の向上を図ると共に、シール部のシール性を高めることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した技術的課題を有効に解決するための手段として、請求項１の発明に係る中空糸膜モジュールは、複数の流路孔が開設された筒状のケースと、このケース内に束状にして充填された複数の中空糸膜と、前記ケースの両端開口部において中空糸膜の内部細孔の両端のみが開口するように前記ケースの両端開口部を封止するポッティング部とを備える中空糸膜モジュールにおいて、前記ケースの外周面に、シールリング装着用の溝を有する環状のホルダが密着状態に一体接合されたものである。
【００１１】
請求項２の発明に係る中空糸膜モジュールは、請求項１に記載の構成において、ケース及びホルダが耐熱性合成樹脂材からなるものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る中空糸膜モジュールによれば、ケースに、ポッティング部の硬化時の発熱による僅かな変形が生じたとしても、シールリング装着用の溝がケースとは別部品のホルダに形成されているので、前記溝の後加工をしなくてもシールリングの優れたシール性が確保される。しかも溝の後加工が不要であるため製造コストの低減及び生産性の向上を図ることができる。
【００１３】
また、ケース及びホルダが耐熱性を有する合成樹脂からなるため、射出成形などによる大量生産が可能であり、ポッティング部の硬化時の発熱によるケースの変形を生じにくいものとすることができ、ホルダとケースの一体接合が、接着剤又は接着によって容易にかつ低コストで行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る中空糸膜モジュールの好ましい実施の形態を示すもので、上半分が側面図、下半分がケースの軸心を通る平面で切断した断面図である。
【図２】図１におけるII方向の矢視図である。
【図３】本発明に係る中空糸膜モジュールの好ましい実施の形態におけるケースとホルダを分離して示すもので、上半分が側面図、下半分がケースの軸心を通る平面で切断した断面図である。
【図４】従来技術に係る中空糸膜モジュールの一例を示すもので、上半分が側面図、下半分がケースの軸心を通る平面で切断した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る中空糸膜モジュールの好ましい実施の形態について、図１〜図３を参照しながら詳細に説明する。
【００１６】
すなわちこの中空糸膜モジュールは、両端近傍に導入用及び排出用の複数の流路孔１ａ，１ｂが開設された円筒状のケース１と、このケース１に束状にして充填された複数（例えば数千本）の中空糸膜２と、ケース１の両端開口部において中空糸膜２の内部細孔の両端２ａ，２ｂのみが開口するようにケース１の両端開口部を封止するポッティング部３，４と、ケース１の外周面に密着状態に一体接合され、外周面にシールリング装着用の溝５ａ，６ａを有する環状のホルダ５，６とを備える。
【００１７】
ケース１及びホルダ５，６は、ＰＳＵ（ポリサルフォン）、変性ＰＰＯ（変性ポリフェニレンオキシド）、ＰＣ（ポリカーボネート）、耐熱ＰＶＣ（耐熱ポリ塩化ビニル）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）など、耐熱性及び寸法安定性に優れた合成樹脂材料からなり、射出成形などにより成形されたものである。
【００１８】
ケース１の外周面における軸方向両端近傍には流路孔１ａ，１ｂより軸方向外側に位置して鍔部１ｃ，１ｄが形成されており、ホルダ５，６は、この鍔部１ｃ，１ｄに当接した状態でケース１に外挿されると共に、溶着又は接着によって一体接合されている。
【００１９】
中空糸膜２は、細長い中空管状をなすものであって、例えばポリイミド、ポリエーテルスルホン、フェノールスルホン酸、ポリオレフィン等からなり、水蒸気の分子の透過を許容する水透過性を有する。
【００２０】
ポッティング部３，４は、例えば耐熱性の高いエポキシ樹脂からなるものであって、ケース１の内周に複数の中空糸膜２を束状にして挿入し、ケース１の両端開口部に液状のポッティング剤を注入して硬化させることによって形成されたものである。
【００２１】
ホルダ５，６の外周面に形成された溝５ａ，６ａには、ケース１とその両端部に取り付けられて外部配管と接続される不図示のキャップ等との間をシールするシールリング７，８が装着されている。シールリング７，８としては、ゴム状弾性材料（ゴム材料又はゴム状弾性を有する合成樹脂材料）からなるＯリング等が好適に用いられる。
【００２２】
上記構成の中空糸膜モジュールは、一方の流路孔（例えば１ａ）からケース１の内周空間（各中空糸膜２の間の隙間）を経由して他方の流路孔（例えば１ｂ）へ向かう流路と、ケース１の一端から各中空糸膜２の内部の細孔を経由してケース１の他端へ向かう流路との間で、中空糸膜２の膜分離作用を利用して、例えば燃料電池においてＭＥＡの固体高分子電解質膜を湿潤状態にするための加湿装置に用いられるものである。
【００２３】
すなわち、燃料電池の固体高分子電解質膜が優れた水素イオン伝導性を奏するためには、この固体高分子電解質膜は湿潤状態に維持されている必要がある。そしてその加湿のための水蒸気としては、例えば燃料電池の発電過程で水素と酸素から生成され排出された水蒸気が有効に利用される。
【００２４】
この中空糸膜モジュールでは、例えば燃料電池から排出された水蒸気を含む気体を、ケース１の一端開口部から各中空糸膜２の内部細孔へ供給し、すなわちこの水蒸気を含む気体を各中空糸膜２の内部細孔の一端２ａから他端２ｂへ向けて流す一方、ケース１内（各中空糸膜２の間の隙間）へ、一方の流路孔１ａから他方の流路孔１ｂへ向けて加湿対象の乾燥気体を流すことで、中空糸膜２の周壁の両側での水蒸気分圧の差により、水分が中空糸膜２の内部細孔から外側の乾燥気体側へ透過し、これによって加湿された気体が、流路孔１ｂから排出されて燃料電池へ送られる。
【００２５】
なお、上述の説明では、中空糸膜２の内部細孔へ水蒸気を含む気体を供給し、中空糸膜２の外側に加湿対象の乾燥気体を供給するものとしたが、逆に中空糸膜２の外側に水蒸気を含む気体を供給し、中空糸膜２の内部細孔へ加湿対象の乾燥気体を供給しても良い。
【００２６】
上記構成の中空糸膜モジュールの製造においては、多数の中空糸膜２を束ねて、ケース１内に挿入し、この中空糸膜２の束の結束端部における中空糸膜２間の隙間及び中空糸膜２の端部とケース１の開口部内周面との間の隙間に、熱硬化性のエポキシ樹脂等を充填して硬化することにより、ポッティング部３，４を形成する。このとき、エポキシ樹脂の硬化には発熱を伴うが、ケース１は耐熱性及び寸法安定性に優れた合成樹脂材料からなるものであるため、熱によるケース１の変形が抑制される。
【００２７】
次に、ケース１の両端部外周面に、鍔部１ｃ，１ｄによって位置決めした状態でホルダ５，６を嵌合すると共に、ケース１の両端部外周面及び（又は）鍔部１ｃ，１ｄに一体的に溶着又は接着する。
【００２８】
ケース１とホルダ５，６の接合を溶着によって行う場合は、加熱した熱板でケース１とホルダ５，６の接合面を溶融して接合する熱板溶着、ケース１とホルダ５，６の接合面に振動を与えて摩擦熱によって溶融して接合する振動溶着や超音波溶着、ケース１とホルダ５，６のうち一方を固定し、他方を回転させることによって、ケース１とホルダ５，６の接合面を回転摺動による摩擦熱で溶融して接合するスピン溶着、あるいはケース１とホルダ５，６の接合面を近赤外領域のレーザーによって加熱溶融して接合するレーザー溶着のうちいずれかの方法を採用することができる。また、ケース１とホルダ５，６の接合を接着によって行う場合は接着剤を用いる。このため、ケース１とホルダ５，６の接合作業を容易にかつ低コストで行うことができる。
【００２９】
ケース１に接合されたホルダ５，６の外周面に形成された溝５ａ，６ａには、ゴム状弾性材料からなるＯリング等のシールリング７，８を装着する。
【００３０】
このとき、エポキシ樹脂等からなるポッティング部３，４の硬化時の発熱によってケース１に僅かな変形が生じていたとしても、シールリング７，８を装着するホルダ５，６は、円環状を保った状態でケース１に接合されるので、溝５ａ，６ａの後加工をしなくてもシールリング７，８との良好な密接状態が得られる。
【００３１】
したがって、ケース１及びホルダ５，６が射出成形などによる大量生産が可能であることに加え、溝５ａ，６ａの後加工が不要であるため、製造コストの低減及び生産性の向上を図ることができる。
【符号の説明】
【００３２】
１  ケース
１ａ，１ｂ  流路孔
１ｃ，１ｄ  鍔部
２  中空糸膜
３，４  ポッティング部
５，６  ホルダ
７，８  シールリング
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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