(57)【要約】【課題】封止固定部を一端部側のみ設けることで、コストの抑制と、生産性の向上と、配管構成の設計自由度の向上を図りつつ、膜分離効率の向上、及び圧力損失の低減を図ることを可能とする中空糸膜モジュールを提供する。【解決手段】ケース１１０には、ケース１１０の長手方向の両端のうち封止固定部１３０が設けられている側に偏った位置でケース外部から第１領域Ｒ１に連通する第１連通路１１３と、ケース１１０の長手方向の両端のうち封止固定部１３０が設けられている側に偏った位置でケース外部から第２領域Ｒ２に連通する第２連通路１１４とが形成されると共に、隔壁１１２には、第１領域Ｒ１から第２領域Ｒ２への抜け道となる貫通孔１１２ａ，１１２ｂが少なくとも一つ形成されていることを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空糸膜の膜外を通る膜外流路に湿潤空気が流され、かつ、中空糸膜の膜内を通る膜内流路に乾燥空気が流されることで、中空糸膜の膜分離作用によって、湿潤空気中の水分が乾燥空気側に移動するように用いられる中空糸膜モジュールにおいて、
ケースと、
前記ケース内にＵ字状に折り曲げられた状態で収容される複数の中空糸膜からなる中空糸膜束と、
前記ケース内に設けられ、前記中空糸膜束における前記Ｕ字状に折り曲げられた部分を介して一方側の部位が配置される第１領域と他方側の部位が配置される第２領域とを隔てる隔壁と、
複数の前記中空糸膜の各両端部の中空内部のみを外部に開放させた状態で、前記中空糸膜束を前記ケースに固定する封止固定部と、
を備え、
前記ケースには、前記ケースの長手方向の両端のうち前記封止固定部が設けられている側に偏った位置でケース外部から第１領域に連通する第１連通路と、前記ケースの長手方向の両端のうち前記封止固定部が設けられている側に偏った位置でケース外部から第２領域に連通する第２連通路とが形成されると共に、
前記隔壁には、第１領域から第２領域への抜け道となる貫通孔が少なくとも一つ形成さ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】
前記ケースにおける前記封止固定部が設けられている側には、
第１領域に配置されている中空糸膜の中空内部との間で乾燥空気の行き来を可能とする第１配管部と、
第２領域に配置されている中空糸膜の中空内部との間で乾燥空気の行き来を可能とする第２配管部と、を備える配管部材が固定さ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。
【請求項３】
第１連通路が湿潤空気の入口となり、第２連通路が湿潤空気の出口となると共に、第２配管部が乾燥空気の入口となり、第１配管部が乾燥空気の出口となるように用いられることを特徴とする請求項２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、加湿装置や除湿装置として用いられる中空糸膜モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
親水性の材料からなる中空糸膜を用いた中空糸膜モジュールは、加湿装置や除湿装置として利用することができる。つまり、中空糸膜の膜外を通る膜外流路と中空糸膜の膜内を通る膜内流路のうちの一方に湿潤空気を流し、他方に乾燥空気を流すと、中空糸膜の膜分離作用によって、湿潤空気中の水分が乾燥空気側に移動する原理を利用することで、加湿装置等として利用することができる。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が加湿装置として用いられている。
【０００３】
図７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。図示のように、従来例に係る中空糸膜モジュール５００は、筒状のケース５１０と、ケース５１０内に収容される複数の中空糸膜からなる中空糸膜束５２０とを備えている。また、中空糸膜モジュール５００は、ケース５１０の両端部において、複数の中空糸膜の各両端部の中空内部のみを外部に開放させた状態で、中空糸膜束５２０をケース５１０に固定する一対の封止固定部５３０，５４０が設けられている。また、ケース５１０の両端には一対のヘッド５６０，５７０が取り付けられている。
【０００４】
そして、ケース５１０には湿潤空気の入口５１１と出口５１２が設けられ、ヘッド５６０には乾燥空気の入口５６１が設けられ、ヘッド５７０には乾燥空気の出口５７１が設けられている。
【０００５】
以上のように構成された中空糸膜モジュール５００においては、ケース５１０に設けられた入口５１１から入った湿潤空気は中空糸膜の膜外を通って出口５１２から出ていく（図中の実線の矢印参照）。また、ヘッド５６０の入口５６１から入った乾燥空気は、中空糸膜の膜内を通ってヘッド５７０の出口５７１から出ていく（図中の点線の矢印参照）。これにより、上記の通り、中空糸膜の膜分離作用によって、湿潤空気中の水分が乾燥空気側に移動するため、湿潤空気は除湿され、乾燥空気は加湿される。
【０００６】
例えば、燃料電池においては、触媒と高分子系の電解質膜が備えられており、この電解質膜を常時加湿する必要があるために、中空糸膜モジュールが利用される。この場合、中空糸膜モジュールを構成する部材からイオンや有機物が溶出してしまうと、触媒や高分子膜が劣化してしまうおそれがある。そのため、一般的にエポキシ樹脂などにより構成される封止固定部においては、有機物の溶出量が少ない高価な材料が用いられる。また、封止固定部とケースとが剥がれてしまうことを抑制することを目的として、封止固定部の残留応力を十分低減させるために、封止固定部を硬化させるのに要する時間は、数十時間といった長い時間となっている。更に、残留応力を低減させるために、９０℃程度の加熱工程を加える場合もある。
【０００７】
ここで、封止固定部は、ケースの端部に設ける必要があるため、一般的に遠心力を与えながら、封止固定部の材料をケース内に充填させ、かつ硬化させている。従って、上記のように構成される中空糸膜モジュール５００のように、ケース５１０の両端にそれぞれ封止固定部５３０，５４０が設けられる構成の場合には、封止固定部５３０，５４０を形成するのに必要な材料の量が多くなるだけでなく、封止固定部の製造工程を２回繰り返さなければならない。従って、コストが増え、かつ生産性が低下する原因となってしまう。
【０００８】
また、中空糸膜モジュールが加湿装置や除湿装置として利用される場合には、通常、膜分離性能（加湿性能や除湿性能に相当）を高めるために、上述した中空糸膜モジュール５００のように、湿潤空気と乾燥空気が互いに反対方向に流れるように用いられる。そのため、湿潤空気用の入口５１１及び出口５１２と、乾燥空気用の入口５６１及び出口５７１は、それぞれ離れた位置に設けられるため、これらに接続させる配管構成が複雑になり設計自由度が狭くなってしまう。更に、膜分離性能を高めるために中空糸膜を長くした場合には、ケース５１０も長くなるため、配管も長くなってしまう。
【０００９】
これに対して、中空糸膜束をＵ字状に折り曲げた状態でケース内に収容させることで、ケースの一端側にのみ封止固定部が設けられる中空糸膜モジュールも知られている。しかしながら、このような中空糸膜モジュールを加湿装置や除湿装置として用いた場合には、中空糸膜束のうち、湿潤空気が流れる方向の下流側の端部付近において、湿潤空気が既に乾燥してしまい、膜分離作用があまり行われなくなってしまう。従って、膜分離効率が低くなってしまう。また、湿潤空気が流れる流路が長くなり、圧力損失も大きくなり易い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００５−４０６７５号公報
【特許文献２】登録実用新案第３０４８３３０号公報
【特許文献３】特開２００３−１４４８６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、封止固定部を一端部側のみ設けることで、コストの抑制と、生産性の向上と、配管構成の設計自由度の向上を図りつつ、膜分離効率の向上、及び圧力損失の低減を図ることを可能とする中空糸膜モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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。
【００１３】
すなわち、本発明の中空糸膜モジュールは、
中空糸膜の膜外を通る膜外流路に湿潤空気が流され、かつ、中空糸膜の膜内を通る膜内流路に乾燥空気が流されることで、中空糸膜の膜分離作用によって、湿潤空気中の水分が乾燥空気側に移動するように用いられる中空糸膜モジュールにおいて、
ケースと、
前記ケース内にＵ字状に折り曲げられた状態で収容される複数の中空糸膜からなる中空糸膜束と、
前記ケース内に設けられ、前記中空糸膜束における前記Ｕ字状に折り曲げられた部分を介して一方側の部位が配置される第１領域と他方側の部位が配置される第２領域とを隔てる隔壁と、
複数の前記中空糸膜の各両端部の中空内部のみを外部に開放させた状態で、前記中空糸膜束を前記ケースに固定する封止固定部と、
を備え、
前記ケースには、前記ケースの長手方向の両端のうち前記封止固定部が設けられている側に偏った位置でケース外部から第１領域に連通する第１連通路と、前記ケースの長手方向の両端のうち前記封止固定部が設けられている側に偏った位置でケース外部から第２領域に連通する第２連通路とが形成されると共に、
前記隔壁には、第１領域から第２領域への抜け道となる貫通孔が少なくとも一つ形成されていることを特徴とする。
【００１４】
本発明によれば、Ｕ字状に折り曲げた状態にある中空糸膜束が、封止固定部によって、複数の中空糸膜の各両端部の中空内部のみが外部に開放された状態で、ケースに固定される。つまり、封止固定部はケースの一端側にのみ設ければよい。従って、コストの抑制と、生産性の向上と、配管構成の設計自由度の向上を図ることが可能となる。また、本発明においては、隔壁には、第１領域から第２領域への抜け道となる貫通孔が少なくとも一つ形成されている。これにより、湿潤空気の一部は、貫通孔を通って第１領域から第２領域に抜けていく。そのため、第１領域内の膜外流路と第２領域内の膜外流路において、湿潤空気の湿潤度合の不均衡を抑制することができる。従って、膜分離効率を高めることができる。また、湿潤空気の一部は、貫通孔を通って第１領域から第２領域に抜けていくので、圧力損失を低減させることができる。
【００１５】
前記ケースにおける前記封止固定部が設けられている側には、
第１領域に配置されている中空糸膜の中空内部との間で乾燥空気の行き来を可能とする第１配管部と、
第２領域に配置されている中空糸膜の中空内部との間で乾燥空気の行き来を可能とする第２配管部と、を備える配管部材が固定されているとよい。
【００１６】
第１連通路が湿潤空気の入口となり、第２連通路が湿潤空気の出口となると共に、第２配管部が乾燥空気の入口となり、第１配管部が乾燥空気の出口となるように用いられるとよい。
【００１７】
これにより、湿潤空気の流れる方向と乾燥空気の流れる方向が反対方向となり、膜分離効率を高めることができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように、本発明によれば、封止固定部を一端部側のみ設けることで、コストの抑制と、生産性の向上と、配管構成の設計自由度の向上を図りつつ、膜分離効率の向上、及び圧力損失の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】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】図２は本発明の実施例に係る中空糸膜モジュールの底面図である。
【図３】図３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４】図４は本発明の実施例に係る中空糸膜モジュール本体の底面図である。
【図５】図５は本発明の実施例に係る配管部材の平面図である。
【図６】図６は本発明の実施例に係る隔壁の外観図である。
【図７】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。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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、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。
【００２１】
（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底面図である。図３は本発明の実施例に係る中空糸膜モジュールの模式的断面図である。なお、図３は図１のＡＡ断面図であり、かつ図２のＢＢ断面図である。図４は本発明の実施例に係る中空糸膜モジュール本体の底面図である。なお、図３中の中空糸膜モジュール本体の断面図は、図４のＣＣ断面図である。図５は本発明の実施例に係る配管部材の平面図である。なお、図３中の配管部材の断面図は、図４のＤＤ断面図である。図６は本発明の実施例に係る隔壁の外観図である。
【００２２】
＜中空糸膜モジュールの全体構成＞
本実施例に係る中空糸膜モジュール１０は、中空糸膜モジュール本体１００と、中空糸膜モジュール本体１００に固定される配管部材２００とから構成される。配管部材２００は、中空糸膜モジュール本体１００のケース１１０における封止固定部１３０が設けられている側に固定されている。
【００２３】
＜中空糸膜モジュール本体＞
中空糸膜モジュール本体１００は、樹脂製のケース１１０と、ケース１１０内にＵ字状に折り曲げられた状態で収容される複数の中空糸膜からなる中空糸膜束１２０とを備えている。ケース１１０は、有底筒状のケース本体部１１１を備えている。本実施例に係るケース本体部１１１は有底円筒形状であるが、その形状は限定されるものではなく、例えば、直方体形状を採用することもできる。中空糸膜束１２０は、複数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。また、ケース１１０内には、中空糸膜束１２０におけるＵ字状に折り曲げられた部分を介して一方側の部位が配置される第１領域Ｒ１と他方側の部位が配置される第２領域Ｒ２とを隔てる隔壁１１２が設けられている。この隔壁１１２は、ケース本体部１１１に一体に設けることもできるし、別部材により構成して、ケース本体部１１１に固定させることもできる。また、ケース１１０の一端には、複数の中空糸膜の各両端部の中空内部のみを外部に開放させた状態で、中空糸膜束１２０をケース１１０に固定する封止固定部１３０が設けられている。この封止固定部１３０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。
【００２４】
ケース１１０には、ケース１１０の長手方向の両端のうち封止固定部１３０が設けられている側に偏った位置でケース外部から第１領域Ｒ１に連通する第１連通路１１３が形成されている。また、ケース１１０の長手方向の両端のうち封止固定部１３０が設けられている側に偏った位置でケース外部から第２領域Ｒ２に連通する第２連通路１１４形成されている。これら第１連通路１１３と第２連通路１１４は、封止固定部１３０の近傍に形成されている。そして、隔壁１１２には、第１領域Ｒ１から第２領域Ｒ２への抜け道となる貫通孔１１２ａ，１１２ｂが形成されている。
【００２５】
＜配管部材＞
配管部材２００は、有底円筒状のケース２１０と、ケース２１０の内部に設けられる隔壁２２０とから構成される。隔壁２２０はケース２１０に一体に設けることもできるし、別部材により構成して、ケース２１０に固定させることもできる。このケース２１０と隔壁２２０とによって、配管部材２００には、第１配管部Ｐ１と第２配管部Ｐ２とが形成されている。また、ケース２１０には、ケース外部から第１配管部Ｐ１に繋がる第１開口部２４０と、ケース外部から第２配管部Ｐ２に繋がる第２開口部２３０が設けられている。
【００２６】
以上のように構成される配管部材２００においては、ケース２１０の端部が、中空糸膜モジュール本体１００におけるケース１１０（ケース本体部１１１）の端部に接着または溶着により固定される。また、隔壁２２０の端部が、中空糸膜モジュール本体１００における隔壁１１２の端部に接着または溶着により固定される。これにより、第１配管部Ｐ１と中空糸膜モジュール本体１００における第１領域Ｒ１に配置されている中空糸膜の中空
内部との間で乾燥空気の行き来が可能となる。また、第２配管部Ｐ２と中空糸膜モジュール本体１００における第２領域Ｒ２に配置されている中空糸膜の中空内部との間で乾燥空気の行き来が可能となる。
【００２７】
＜中空糸膜モジュールの使用状態＞
以上のように構成される中空糸膜モジュール１０においては、中空糸膜モジュール本体１００のケース１１０に設けられた第１連通路１１３が湿潤空気の入口となり、第２連通路１１４が湿潤空気の出口となるように用いられる。これにより、第１連通路１１３から入った湿潤空気は中空糸膜の膜外（膜外流路）を通って、第２連通路１１４から出ていく。このとき、湿潤空気は中空糸膜に沿うように第１領域Ｒ１から第２領域Ｒ２に流れて行くが、湿潤空気の一部は、貫通孔１１２ａ，１１２ｂを通って、第１領域Ｒ１から第２領域Ｒ２へと抜けていく。
【００２８】
また、中空糸膜モジュール１０は、配管部材２００に設けられている第２配管部Ｐ２が乾燥空気の入口となり、第１配管部Ｐ１が乾燥空気の出口となるように用いられる。これにより、第２開口部２３０を介して第２配管部Ｐ２から入った乾燥空気は、中空糸膜の膜内（膜内流路）を通って、第１配管部Ｐ１の第１開口部２４０から出ていく。
【００２９】
このように、中空糸膜の膜外を通る膜外流路に湿潤空気が流され、かつ、中空糸膜の膜内を通る膜内流路に乾燥空気が流されることで、中空糸膜の膜分離作用によって、湿潤空気中の水分が乾燥空気側に移動する。従って、第１連通路１１３から入った湿潤空気は除湿されて第２連通路１１４から出ていく。また、第２配管部Ｐ２から入った乾燥空気は、加湿されて第１配管部Ｐ１から出ていく。
【００３０】
＜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、Ｕ字状に折り曲げた状態にある中空糸膜束１２０が、封止固定部１３０によって、複数の中空糸膜の各両端部の中空内部のみが外部に開放された状態で、ケース１１０（ケース本体部１１１）に固定される。つまり、封止固定部１３０はケース１１０の一端側にのみ設ければよい。従って、コストの抑制と、生産性の向上と、配管構成の設計自由度の向上を図ることが可能となる。
【００３１】
また、本実施例に係る中空糸膜モジュール１０においては、隔壁１１２には、第１領域Ｒ１から第２領域Ｒ２への抜け道となる貫通孔１１２ａ，１１２ｂが形成されている。これにより、湿潤空気の一部は、貫通孔１１２ａ，１１２ｂを通って第１領域Ｒ１から第２領域Ｒ２に抜けていく。そのため、第１領域Ｒ１内の膜外流路と第２領域Ｒ２内の膜外流路において、湿潤空気の湿潤度合の不均衡を抑制することができる。
【００３２】
つまり、仮に、貫通孔１１２ａ，１１２ｂを設けない場合には、第１連通路１１３からケース１１０内に入った湿潤空気は、全て、中空糸膜に沿うように第１領域Ｒ１から第２領域Ｒ２に流れて行く。そのため、湿潤空気は、湿潤空気が流れる方向において、下流に行くほど乾燥する。これにより、第２領域Ｒ２内のうち、特に、第２連通路１１４の付近においては、湿潤空気は大分乾燥した状態となる。従って、この付近では、膜分離作用があまり行われなくなり、中空糸膜モジュール全体の膜分離効率が低下してしまう。これに対して、本実施例に係る中空糸膜モジュール１０においては、上記の通り、貫通孔１１２ａ，１１２ｂが設けられているため、第２領域Ｒ２内において、第２連通路１１４の付近にも十分に湿度の高い湿潤空気を送り込むことができる。これにより、上記の通り、第１領域Ｒ１内の膜外流路と第２領域Ｒ２内の膜外流路において、湿潤空気の湿潤度合の不均衡を抑制することができる。従って、中空糸膜モジュール１０全体の膜分離効率を高めることができる。
【００３３】
また、湿潤空気の一部は、貫通孔１１２ａ，１１２ｂを通って第１領域Ｒ１から第２領域Ｒ２に抜けていくので、圧力損失を低減させることができる。なお、貫通孔１１２ａ，１１２ｂの個数や大きさは、中空糸膜モジュール１０を構成する各部材の寸法、及び湿潤空気の湿度等の環境条件に応じて、適宜設定すればよい。従って、貫通孔は１箇所にだけ設けても良いし、３箇所以上に設けても良い。また、本実施例においては、図６に示すように、封止固定部１３０に近い側の貫通孔１１２ａの方が、遠い側の貫通孔１１２ｂよりも長さ及び面積が大きくなるように構成しているが、このような構成に限定されることもない。このように、膜分離性能や圧力損失を、中空糸膜の有効面積、中空糸膜の内径及び外径寸法、中空糸膜の本数などに加えて、隔壁１１２に設ける貫通孔１１２ａ，１１２ｂの個数や大きさによっても調整できるため、設計自由度を高めることができる。
【００３４】
また、本実施例に係る中空糸膜モジュール１０においては、第１連通路１１３が湿潤空気の入口となり、第２連通路１１４が湿潤空気の出口となると共に、第２配管部Ｐ２が乾燥空気の入口となり、第１配管部Ｐ１が乾燥空気の出口となるように用いられる。これにより、湿潤空気の流れる方向と乾燥空気の流れる方向が反対方向となり、膜分離効率を高めることができる。
【符号の説明】
【００３５】
１０  中空糸膜モジュール
１００  中空糸膜モジュール本体
１１０  ケース
１１１  ケース本体部
１１２  隔壁
１１２ａ，１１２ｂ  貫通孔
１１３  第１連通路
１１４  第２連通路
１２０  中空糸膜束
１３０  封止固定部
２００  配管部材
２１０  ケース
２２０  隔壁
２３０  第２開口部
２４０  第１開口部
Ｐ１  第１配管部
Ｐ２  第２配管部
Ｒ１  第１領域
Ｒ２  第２領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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