(57)【要約】【課題】膜分離作用を向上することが可能な中空糸膜モジュール及び燃料電池の加湿装置を提供する。【解決手段】バッフルプレート８を配置し、バッフルプレート８配置部分で中空糸膜束２の充填密度が高められていることから、図１の図示黒線矢印のように、中空糸膜束２内の内周リング１０内部空隙へ集中して向かう中空糸膜間への乾燥空気の流れが形成できる。よって、中空糸膜間を確実に通過するようになり、中空糸膜全体を有効に利用して膜分離作用を行うことができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数本の中空糸膜を束ねた中空糸膜束と、
該中空糸膜束が直線状に内部に配置されると共に外周に前記中空糸膜の膜外を流通する気体の入出口を設けた筒状のモジュールケースと、
該モジュールケースの内周面から全周にわたって内向きに突出する環状隔壁部材と、
該環状隔壁部材が配置された前記モジュールケースの長手方向同等位置における前記中空糸膜束内で中空糸膜を迂回させて空隙を確保する環状ガイド部材と、を備え、
前記中空糸膜束は、前記環状隔壁部材及び前記環状ガイド部材が配置された前記モジュールケースの長手方向位置で充填密度を高められたことを特徴とする中空糸膜モジュール。
【請求項２】
前記環状隔壁部材及び前記環状ガイド部材は、接続部によって繋がっており、一体化して一部品となっ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】
多数本の中空糸膜を束ねた中空糸膜束と、
該中空糸膜束が直線状に内部に配置されると共に外周に前記中空糸膜の膜外を流通する気体の入出口を設けた筒状のモジュールケースと、
を備え、
前記モジュールケースの両端から出入りして前記中空糸膜の膜内を流通する第１経路と、前記モジュールケースの外周の入出口から出入りして前記中空糸膜の膜外を流通する第２経路と、を形成し、
前記第１、第２経路のうちの一方に加湿対象気体を送り込み、加湿後の加湿気体を燃料電池に送り込むと共に、前記第１、第２経路のうちの他方に燃料電池から排出される水分を含んだ気体を導入する燃料電池の加湿装置において、
前記モジュールケースの内周面から全周にわたって内向きに突出する環状隔壁部材と、
該環状隔壁部材と前記モジュールケースの長手方向同等位置における前記中空糸膜束内で中空糸膜を迂回させて空隙を確保する環状ガイド部材と、
を備え、
前記中空糸膜束は、前記環状隔壁部材及び前記環状ガイド部材が配置された前記モジュールケースの長手方向位置で充填密度を高められたことを特徴とする燃料電池の加湿装置。
【請求項４】
前記環状隔壁部材及び前記環状ガイド部材は、接続部によって繋がっており、一体化して一部品となっていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池の加湿装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多数本の中空糸膜を束にした中空糸膜モジュールに関し、燃料電池におけるイオン交換膜を保湿するための加湿装置に適用され、またはメンブレンドライヤや脱気膜装置等の工業用にも適用される。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池では、水素と酸素の反応により電気と水蒸気が発生するが、反応時に発生する電気は水分子を伴って移動するため、イオン交換膜を常に保湿しておく必要がある。このイオン交換膜の保湿を行うために、燃料電池の反応で発生した水蒸気を回収し、再度燃料電池に供給するための加湿装置が中空糸膜モジュールを用いて装置化されている。
【０００３】
図９を用いて従来の燃料電池に用いる中空糸膜モジュールについて説明する。中空糸膜モジュール１０１は、円筒状のモジュールケース１０２と、モジュールケース１０２内に直線状に配置される多数本の中空糸膜からなる中空糸膜束１０３と、を備えている。
【０００４】
そして、中空糸膜の中空内部を通過する第１経路（Ｘ１−Ｘ２）と、導入口１０４からモジュールケース１０２内に入り中空糸膜の膜外を通過し排出口１０５からモジュールケース１０２外に排出される第２経路（Ｙ１−Ｙ２）と、が形成されている。第１、第２経路の一方にコンプレッサによって燃料電池へ向けて加湿対象気体（乾燥空気）を流し、他方に燃料電池からの水蒸気を含んだ気体（湿潤空気）を流す。これにより、中空糸膜の膜分離作用によって湿潤空気中の水蒸気が選択的に膜を透過して乾燥空気が加湿され、加湿された乾燥空気が燃料電池のイオン交換膜に送り込まれる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−２４５１１６号公報
【特許文献２】
特開２００１−２０１１２０号公報
【特許文献３】
特開２００２−２１９３３９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図９に示す上記従来技術の中空糸膜モジュールでは、導入口１０４から流入した気体が排出口１０５へ流れる際に、図９、図１０に示すように、最も抵抗の少ないモジュールケース１０２内周と中空糸膜束１０３外周との環状隙間を主に流れてしまうこととなり、モジュールケース１０２内に収納されている多数本の中空糸膜の全部を利用して膜分離ができず、加湿効率の悪いものとなっていた。
【０００７】
本発明は上記従来技術に鑑みてなされたもので、その目的は、膜分離作用を向上することが可能な中空糸膜モジュール及び燃料電池の加湿装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の中空糸膜モジュールにあっては、
多数本の中空糸膜を束ねた中空糸膜束と、
該中空糸膜束が直線状に内部に配置されると共に外周に前記中空糸膜の膜外を流通する気体の入出口を設けた筒状のモジュールケースと、
該モジュールケースの内周面から全周にわたって内向きに突出する環状隔壁部材と、
該環状隔壁部材が配置された前記モジュールケースの長手方向同等位置における前記中空糸膜束内で中空糸膜を迂回させて空隙を確保する環状ガイド部材と、を備え、
前記中空糸膜束は、前記環状隔壁部材及び前記環状ガイド部材が配置された前記モジュールケースの長手方向位置で充填密度を高められたことを特徴とする。
【０００９】
本発明の燃料電池の加湿装置にあっては、
多数本の中空糸膜を束ねた中空糸膜束と、
該中空糸膜束が直線状に内部に配置されると共に外周に前記中空糸膜の膜外を流通する気体の入出口を設けた筒状のモジュールケースと、
を備え、
前記モジュールケースの両端から出入りして前記中空糸膜の膜内を流通する第１経路と、前記モジュールケースの外周の入出口から出入りして前記中空糸膜の膜外を流通する第２経路と、を形成し、
前記第１、第２経路のうちの一方に加湿対象気体を送り込み、加湿後の加湿気体を燃料電池に送り込むと共に、前記第１、第２経路のうちの他方に燃料電池から排出される水分を含んだ気体を導入する燃料電池の加湿装置において、
前記モジュールケースの内周面から全周にわたって内向きに突出する環状隔壁部材と、
該環状隔壁部材と前記モジュールケースの長手方向同等位置における前記中空糸膜束内で中空糸膜を迂回させて空隙を確保する環状ガイド部材と、
を備え、
前記中空糸膜束は、前記環状隔壁部材及び前記環状ガイド部材が配置された前記モジュールケースの長手方向位置で充填密度を高められたことを特徴とする。
【００１０】
この構成では、モジュールケースの外周の入出口から出入りする気体にとって、従来最も抵抗の少ないモジュールケース内周と中空糸膜束外周との環状隙間に、環状隔壁部材が配置されて抵抗となっており、かつ、中空糸膜束内の環状ガイド部材で中空糸膜束内部に空隙が確保されているために、中空糸膜束内の空隙へ向けて中空糸膜間への気体の流れが形成できる。
【００１１】
特に中空糸膜束が環状隔壁部材及び環状ガイド部材が配置されたモジュールケースの長手方向位置で充填密度を高められており、充填密度の高い部分では気体の流れが阻害されて中空糸膜束内部の空隙に向けての流れが集中する。
【００１２】
これによって、モジュールケースの外周の入出口から出入りする気体は、一度中空糸膜束内部の空隙に集中することから、中空糸膜間を確実に通過するようになり、中空糸膜全体を有効に利用して膜分離作用を行うことができる。
【００１３】
前記環状隔壁部材及び前記環状ガイド部材は、接続部によって繋がっており、一体化して一部品となっていることが好適である。
【００１４】
この構成では、環状隔壁部材及び環状ガイド部材が一部品であるため、取り扱いが良い。
【００１５】
【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。
【００１６】
（第１実施形態）
図１〜図３を参照して、本発明の第１実施形態に係る燃料電池の加湿装置について説明する。
【００１７】
本実施形態の燃料電池の加湿装置は、中空糸膜モジュール１によって構成されている。加湿装置としての中空糸膜モジュール１は、図１に示すように、多数本の中空糸膜を束ねた中空糸膜束２と、中空糸膜束２が直線状に内部に配置されると共に外周に中空糸膜の膜外を流通する乾燥空気の入出口を設けた筒状のモジュールケース３と、を備えている。モジュールケース３の両端は各中空糸膜の膜内のみが外部へ開放されるようにポッティング部４，５によって封止固定されている。
【００１８】
中空糸膜モジュール１には、燃料電池から排出される反応後の水蒸気を含んだ湿潤ガスが、モジュールケース３の両端から出入りして中空糸膜の膜内を流通する（第１経路（Ｘ１−Ｘ２））。また、コンプレッサによって燃料電池に供給する乾燥空気が、モジュールケース３の外周の流入口６及び排出口７から出入りして、中空糸膜の膜外を流通する（第２経路（Ｙ１−Ｙ２））。
【００１９】
このように、中空糸膜の膜内に湿潤ガスが流れ、膜外に乾燥空気が流れているために、中空糸膜の膜分離作用によって湿度の高い膜内側から水分が選択的に膜を透過して膜外へ移動し、乾燥空気が加湿されて、排出口７から燃料電池のイオン交換膜に送り込まれる。
【００２０】
ここで、中空糸膜モジュール１には、図１、図２に示すようにモジュールケース３内に２重のリングを繋いだバッフルプレート８がモジュールケース３の長手方向中央位置に配置されている。
【００２１】
バッフルプレート８は、図３（ａ）に示すように、モジュールケース３の内周面から全周にわたって内向きに突出する外周リング（環状隔壁部材）９と、外周リング９とモジュールケース３の長手方向同等（中央）位置における中空糸膜束２内で中空糸膜を迂回させて空隙を確保する内周リング（環状ガイド部材）１０と、外周リング９と内周リング１０とを繋ぐ接続部１１と、が一体化した一部品である。
【００２２】
バッフルプレート８の外周リング９は、モジュールケース３内周と中空糸膜束２外周との間に全周的に挟まれるものである。外周リング９は、中空糸膜束２の外周を外周リング９でくびれさせた状態としている。なお、外周リング９は、モジュールケース３内周に全周的に内向きに突出するようなモジュールケース３内周形状に合わせた形状であればよい。
【００２３】
バッフルプレート８の内周リング１０は、外周リング９よりも直径が小さく、外周リング９とモジュールケース３の長手方向同等位置において外周リング９の内側でモジュールケース３の中心に配置されるものである。内周リング１０は、中空糸膜束２内に入り込み、内周リング１０内側に中空糸膜を通過させずに空隙を形成する。内周リング１０は、中空糸膜束２の内部を内周リング１０が配置された部分で外周側へ押し出した状態とする。なお、この空隙を形成する形状は特に円形に限られるものでもないので、内周リング１０としては、三角リング、四角リング、５角リング等の形状であってもよい。
【００２４】
バッフルプレート８の接続部１１は、外周リング９と内周リング１０との間の径方向に真直ぐな棒状部材である。このように、外周リング９と内周リング１０が接続部１１で繋がれて一体化した一部品となっているため、取り付けが容易であり、また付け忘れなども防止でき、取り扱いが容易となる。
【００２５】
なお、バッフルプレート８は、図３（ａ）に示す接続部１１が１本の形状に限られるものではなく、図３（ｂ）〜図３（ｄ）に示すように接続部１１の数を増加させてもよい。図３（ｂ）では接続部１１が２本のものを示しており、図３（ｃ）では接続部１１が３本のものを示しており、図３（ｄ）では接続部１１が４本のものを示している。ただし、接続部１１を増加させると、接続部１１の面積が増大して膜面積が減少し、性能が低下することを考慮しなければならない。
【００２６】
このようなバッフルプレート８をモジュールケース３内に配置していることから、図１に示すように、中空糸膜モジュール１の中空糸膜束２は、バッフルプレート８を配置したモジュールケース３の長手方向位置において、外周がくびれると共に内部が外周側へ押し出されて、他の位置よりも充填密度を高められた状態となっている。
【００２７】
具体的には、ポッティング部４，５の中空糸膜束２の充填密度は３０％〜５５％であるのに対し、バッフルプレート８配置部分の中空糸膜束２の充填密度は４５％〜６５％（好ましくは５０％〜６０％）である。
【００２８】
以上の中空糸膜モジュール１では、乾燥空気が、モジュールケース３の外周の流入口６及び排出口７から出入りして、中空糸膜の膜外を流通しているが、上記のようにバッフルプレート８を配置し、バッフルプレート８配置部分で中空糸膜束２の充填密度が高められていることから、図１の図示黒線矢印のように、中空糸膜束２内の内周リング１０内部空隙へ集中して向かう中空糸膜間への乾燥空気の流れが形成できる。
【００２９】
即ち、乾燥空気は、最も抵抗の少ないモジュールケース３内周と中空糸膜束２外周との環状隙間を流れていこうとするが、外周リング９が配置されて抵抗となっており、外周リング９によってモジュールケース３内周と中空糸膜束２外周との環状隙間の流れが阻害され、かつ、中空糸膜束２内の内周リング１０の内側に中空糸膜束２内部に空隙が確保されているために、中空糸膜束２内の内周リング１０内側空隙へ向けて中空糸膜間への乾燥空気の流れが形成されている。
【００３０】
また、特に中空糸膜束２はバッフルプレート８が配置されたモジュールケース３の長手方向位置で充填密度を高められており、中空糸膜束２の充填密度の高い部分（バッフルプレート８配置部分）では、中空糸膜間での乾燥空気の流れが阻害されているために、中空糸膜束２内部の内周リング１０内側空隙に向けての流れが集中する。
【００３１】
これによって、モジュールケース３の外周の流入口６及び排出口７から出入りする乾燥空気は、一度中空糸膜束２内部の内周リング１０内側空隙に集中することから、中空糸膜間を確実に通過するようになり、中空糸膜全体を有効に利用して膜分離作用を行うことができる。
【００３２】
以下には本実施形態の中空糸膜モジュール１の製造方法を説明する。
【００３３】
まず、モジュールケース３内にバッフルプレート８を装着する。このバッフルプレート８の外周リング９内かつ内周リング１０外の領域に中空糸膜束２を充填する。この際、バッフルプレート８位置での中空糸膜束２の充填密度が４５％〜６５％（好ましくは５０％〜６０％）を満たすようにする。
【００３４】
その後、モジュールケース３と中空糸膜とを接続するために、遠心法を用いて、モジュールケース３の両端部をエポキシ樹脂にて封止し、ポッティング部４，５を形成した。なお、封止剤には、エポキシ樹脂の他、ポリウレタン、シリコーン等を用いてもよい。そして、封止剤にて接着されたモジュールケース３の両端部を切断して、両端に中空糸膜を開口させて中空糸膜モジュール１が完成する。
【００３５】
（第２実施形態）
図４を参照して、本発明の第２実施形態に係る燃料電池の加湿装置について説明する。なお、以下の本実施形態では、上記実施形態で説明したものについては同符号を付す等して説明を省略し、本実施形態の特徴部分を説明する。
【００３６】
本実施形態では、バッフルプレート８が２枚配置されている。バッフルプレート８は、図４に示すように、モジュールケース３の長手方向を３等分するような位置に配置されている。
【００３７】
以上の本実施形態では、モジュールケース３の外周の流入口６及び排出口７から出入りする乾燥空気は、中空糸膜束２内部の内周リング１０内側空隙に２回集中することから、中空糸膜束２内で乾燥空気の集中と分散が繰り返され、中空糸膜間を確実に通過するようになり、中空糸膜全体を有効に利用して膜分離作用を行うことができる。
【００３８】
（第３実施形態）
図５、図６を参照して、本発明の第３実施形態に係る燃料電池の加湿装置について説明する。なお、以下の本実施形態では、上記実施形態で説明したものについては同符号を付す等して説明を省略し、本実施形態の特徴部分を説明する。
【００３９】
本実施形態では、バッフルプレート８の内周リング１０が乾燥空気の出入りする流入口６及び排出口７から離れたものである。バッフルプレート８の内周リング１０は、図５、図６に示すように、モジュールケース３に形成された乾燥空気の出入りする流入口６及び排出口７とは径方向反対側のモジュールケース３の内周面に近づけて配置されている。
【００４０】
以上の本実施形態では、モジュールケース３の外周の流入口６及び排出口７から出入りする乾燥空気は、一度中空糸膜束２内部の流入口６及び排出口７から離れた内周リング１０内側空隙に集中することから、中空糸膜間を通過する距離が必然的に延長し、中空糸膜間を確実に通過するようになり、中空糸膜全体を有効に利用して膜分離作用を行うことができる。
【００４１】
（第４実施形態）
図７、図８を参照して、本発明の第４実施形態に係る燃料電池の加湿装置について説明する。なお、以下の本実施形態では、上記実施形態で説明したものについては同符号を付す等して説明を省略し、本実施形態の特徴部分を説明する。
【００４２】
本実施形態では、バッフルプレート８の外周リング９に切り込みを入れて切断部１２を形成し、バッフルプレート８の装着を容易に行えるようにしたものである。バッフルプレート８の外周リング９は、図７に示すように、径を縮径できるように斜めの切断部（バイアスカット）１２が形成されている。
【００４３】
このため、第１実施形態で説明したバッフルプレート８のモジュールケース３への装着が、図７（ｂ）に示すようにバッフルプレート８の外周リング９を切断部１２を巻き込むことで縮径し、図８に示すようにその状態でモジュールケース３内周を進ませ、モジュールケース３内周の環状凹部１３に自身の弾性反発力で嵌め込まれることで、容易に装着を行うことができる。
【００４４】
また、予めバッフルプレート８に中空糸膜束２を取り付けておき、このバッフルプレート８をモジュールケース３へ装着する方法を採用してもよい。この場合には、予めバッフルプレート８に中空糸膜束２が取り付けられているので、中空糸膜を傷つけること無しに、バッフルプレート８位置での中空糸膜束２の充填密度をより高める装着が可能となる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、膜分離作用を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る中空糸膜モジュールを示す断面図である。
【図２】第１実施形態に係る中空糸膜モジュールの図１におけるＡ−Ａ断面を示す断面図である。
【図３】第１実施形態に係るバッフルプレートを示す図である。
【図４】第２実施形態に係る中空糸膜モジュールを示す断面図である。
【図５】第３実施形態に係る中空糸膜モジュールを示す断面図である。
【図６】第３実施形態に係る中空糸膜モジュールの図５におけるＢ−Ｂ断面を示す断面図である。
【図７】（ａ）は第４実施形態に係るバッフルプレートを示す図である。（ｂ）はバッフルプレートを縮径した状態を示す図である。
【図８】第４実施形態でのバッフルプレートの装着を説明する図である。
【図９】従来技術の中空糸膜モジュールを示す断面図である。
【図１０】従来技術の中空糸膜モジュールの図９のＣ−Ｃ断面を示す断面図である。
【符号の説明】
１  中空糸膜モジュール
２  中空糸膜束
３  モジュールケース
４，５  ポッティング部
６  流入口
７  排出口
８  バッフルプレート
９  外周リング
１０  内周リング
１１  接続部
１２  切断部
１３  環状凹部
【図１】
2005034715.tif 000003
【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】
2005034715.tif 000009
【図８】
2005034715.tif 000010
【図９】
2005034715.tif 000011
【図１０】
2005034715.tif 000012