(57)【要約】【課題】中空糸膜モジュールの形状などに対する制約が多い場合であっても、中空糸膜モジュールとして効率よく機能させる。【解決手段】モジュールケース５内に収容している中空糸膜束７は、各中空糸膜の両端が端板９，１１の表面に開口しており、端板９の開口部から被加湿ガスを供給する。一方、第１ガス導入管１３から導入する加湿ガスは、中空糸膜モジュールの一端から他端に向かう加湿ガスの流れ方向とは逆方向に傾斜してモジュールケース５に形成してある第１ガス流入口５ａから、中空糸膜の外部に供給する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の中空糸膜からなる中空糸膜束を容器内に収容し、この容器内の前記中空糸膜の外部に第１のガスを流通させるとともに、前記中空糸膜の内部に第２のガスを流通させる中空糸膜モジュールにおいて、前記中空糸膜モジュールの一端の側面に前記第１のガスを前記容器内の前記中空糸膜の外部に供給するための第１ガス供給部を、前記中空糸膜モジュールの他端の側面に前記第１のガスを前記容器の外部に流出させる第１ガス流出部をそれぞれ設け、前記中空糸膜モジュールの一端から他端に向かう前記第１のガスの流れ方向とは略逆方向に第１のガスを第１ガス供給部から噴出させることを特徴とする中空糸膜モジュール。
【請求項２】
前記第１ガス供給部は、前記容器に設けた貫通孔で構成され、この貫通孔は、前記中空糸膜モジュールの一端から他端に向かう前記第１のガスの流れ方向とは略逆方向に向けて開口するよう形成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】
前記第１ガス供給部に、前記容器の内部にまで延びる第１ガス案内部を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の中空糸膜モジュール。
【請求項４】
前記第１ガス供給部を前記容器の周方向に沿って複数設け、この複数の第１ガス供給部のうちの一部に、前記第１ガス案内部を設けたことを特徴とする請求項３に記載の中空糸膜モジュール。
【請求項５】
前記第１ガス供給部を、前記中空糸膜束の内部にまで延びる第１ガス供給通路で構成し、この第１ガス供給通路に、前記中空糸膜モジュールの一端から他端に向かう前記第１ガスの流れ方向とは略逆方向に第１ガスを噴出させる第１ガス噴出口を設けた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６】
前記第１ガス供給通路は、前記中空糸膜束内の各中空糸膜相互間を貫通して前記容器の両側部に開口し、この両側部の各開口から前記第１のガスを噴出させることを特徴とする請求項５に記載の中空糸膜モジュール。
【請求項７】
前記容器にその周方向に沿って複数の貫通孔を設け、この複数の貫通孔のうちの一部に、前記第１ガス供給通路を設けたことを特徴とする請求項５または６に記載の中空糸膜モジュール。
【請求項８】
前記第１ガス噴出口を前記中空糸膜束の直径方向中心部に設けたことを特徴とする請求項５ないし７のいずれか１項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、複数の中空糸膜からなる中空糸膜束を容器内に収容して構成した中空糸膜モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、中空糸膜モジュールとして、例えば下記特許文献１には、燃料電池への供給ガスを加湿するための加湿装置に適用したものが記載されている。この中空糸膜モジュールは、複数の中空糸膜からなる中空糸膜束を容器内に収容し、各中空糸膜の両端部を、樹脂からなる管板で固着し、その際各中空糸膜の両端を開口した状態とする。
【０００３】
そして、容器内の中空糸膜の外部に第１のガスを、中空糸膜の内部に第２のガスをそれぞれ供給し、この際、それぞれのガスは中空糸膜の内外の表面に接触して流れるので、水蒸気分圧の高いガス側の水蒸気が、水蒸気分圧の低いガス側へ中空糸膜を選択して通過ことによって加湿が行われる。
【０００４】
このとき、中空糸膜モジュールは、中空糸膜束の有効長をＬ、容器の内径をＤとすると、Ｌ／Ｄが１．８以上、特に２〜６となるように設定することで、ガスの圧力損失を抑制しながら加湿効率を高めようとしている。
【特許文献１】特開２００４−５５５３４号公報（段落００１８，図３参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、燃料電池を、各種部品のレイアウト制約の多い車両に搭載する場合、燃料電池とともに車両に搭載することになる加湿装置については、上記したような中空糸膜モジュールの必要な寸法設定を確保できないケースが発生し、また、中空糸膜モジュールは、通常全体の形状が円筒形であるが、矩形とする場合には、前述の寸法設定の要求を満たせない場合もあり、加湿効率が充分得られないことになる。
【０００６】
そこで、本発明は、中空糸膜モジュールの形状などに対する制約が多い場合であっても、中空糸膜モジュールを効率よく機能させることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、複数の中空糸膜からなる中空糸膜束を容器内に収容し、この容器内の前記中空糸膜の外部に第１のガスを流通させるとともに、前記中空糸膜の内部に第２のガスを流通させる中空糸膜モジュールにおいて、前記中空糸膜モジュールの一端の側面に前記第１のガスを前記容器内の前記中空糸膜の外部に供給するための第１ガス供給部を、前記中空糸膜モジュールの他端の側面に前記第１のガスを前記容器の外部に流出させる第１ガス流出部をそれぞれ設け、前記中空糸膜モジュールの一端から他端に向かう前記第１のガスの流れ方向とは略逆方向に第１のガスを第１ガス供給部から噴出させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、中空糸膜モジュールの一端から他端に向かう第１のガスの流れ方向とは逆方向に第１のガスを第１ガス供給部から噴出させるので、容器内にて中空糸膜の外部を流れる第１のガスの滞留時間が長くなって有効活用できる中空糸膜の面積が広くなり、中空糸膜モジュールの形状などに対する制約が多い場合であっても、中空糸膜モジュールを効率よく機能させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１０】
図１は、本発明の第１の実施形態を示す中空糸膜モジュール１を備える加湿装置の平面図である図２のＡ−Ａ断面図である。この加湿装置は、図示しない燃料電池に供給するガスを加湿するもので、加湿により、燃料電池に使用するパーフルオロカーボンスルホン酸のような固体高分子電解質膜を適度な湿潤状態に保ち、これによりプロトン導電性の低下を防ぐとともに、固体高分子電解質膜と電極との接触不良を防止して、出力向上を図っている。
【００１１】
このような加湿装置は、全体が円筒形状を呈しており、円筒形のハウジング３の内部に前記した中空糸膜モジュール１を収容している。中空糸膜モジュール１は、図１中で上下両端が開口する円筒形の容器としてのモジュールケース５内に、複数の中空糸膜からなる中空糸膜束７を収容している。
【００１２】
中空糸膜束７の図１中で上下両端部は、モジュールケース５の上下の開口部を閉塞するようにして設けてある固着部としての端板９，１１によって固着してある。この端板９，１１は、溶融状態の樹脂からなる固着剤を固化した、いわゆるポッティング部で構成してあり、その内部を各中空糸膜が図１中で上下に貫通し、端板９の上面および端板１１の下面のそれぞれに、各中空糸膜の上端および下端の各開口部が露出している。
【００１３】
すなわち、上記した各中空糸膜の図１中で上端のガス供給口となる開口部から第２のガスとしての乾燥した被加湿ガスが流入し、中空糸膜内を流通することで、中空糸膜の外部に供給される第１のガスとしての湿潤状態の加湿ガスにより加湿された後、下端のガス放出口となる開口部からモジュール外部へ流出する。
【００１４】
図１中でモジュールケース５の上部および下部にそれぞれ対応する位置には、第１のガスがモジュールケース５内に流入する第１ガス供給部としての第１ガス流入口５ａおよび、第１のガスがモジュールケース５外へ流出する第１ガス流出部としての第１ガス流出口５ｂを、円周方向に沿って複数設けている。
【００１５】
上部に設けた第１ガス流入口５ａは、モジュールケース５に設けた貫通孔であり、この貫通孔は、モジュールケース５内を第１ガス流入口５ａから第１ガス流出口５ｂに向けて流れる曲線状の矢印Ｂで示す加湿ガスの主流となる流れとは逆方向の上方に向けて傾斜して開口している。
【００１６】
一方、下部に設けた第１ガス流出口５ｂは、モジュールケース５に設けた貫通孔であり、この貫通孔は、第１ガス流入口５ａのように傾斜しておらず、モジュールケース５の直径方向に向けて貫通している。
【００１７】
そして、図１中で左側に位置する第１ガス流入口５ａに対応する位置のハウジング３には、第１ガス導入管１３を接続する。また、図１中で右側に位置する第１ガス流出口５ｂに対応する位置のハウジング３には、第１ガス流出管１５を接続する。
【００１８】
第１ガス導入管１３と第１ガス流出管１５との間における、ハウジング３とモジュールケース５との間には、円筒形状のシール材１７を嵌入する一方、ハウジング３とモジュールケース５との間の図１中で上下両端には、環状の端部シール材１９，２１をそれぞれ嵌入する。
【００１９】
これにより、シール材１７と端部シール材１９との間に環状の第１ガス導入空間２３が形成されるとともに、シール材１７と端部シール材２１との間に環状の第１ガス流出空間２５がそれぞれ形成される。
【００２０】
すなわち、第１のガスとしての加湿ガスが、第１ガス導入管１３から第１ガス導入空間２３および第１ガス流入口５ａを経て、モジュールケース５内の中空糸膜の外部に流入して流通し、中空糸膜の内部に供給される前記した第２のガスとしての被加湿ガスを加湿した後、第１ガス流出口５ｂおよび第１ガス流出空間２５を経て第１ガス流出管１５からモジュール外部へ流出する。
【００２１】
次に作用を説明する。図１に示すように、図１中で上部における端板９の表面に開口している各中空糸膜の端部開口から、第２のガスである被加湿ガスを供給する一方、同上部における第１ガス導入管１３から第１のガスである加湿ガスを導入する。
【００２２】
中空糸膜の上端開口から供給する被加湿ガスは、中空糸膜内を下方に向けて流れ、下端開口からモジュール外部に流出する。
【００２３】
一方、第１ガス導入管１３から導入する加湿ガスは、環状の第１ガス導入空間２３に流入した後、第１ガス流入口５ａから中空糸膜の外部、すなわち中空糸膜束７における各中空糸膜相互間を下方に向けて流れ、第１ガス流出口５ｂから環状の第１ガス流出空間２５に流出しつつ、第１ガス流出管１５からモジュール外部へ流出する。
【００２４】
このようなガス流れの過程において、中空糸膜の外部を流れる加湿ガス中の水蒸気が中空糸膜を透過し、中空糸膜内を流れる被加湿ガスを加湿する。
【００２５】
ところで、モジュールケース内における中空糸膜の外部を流れる加湿ガスの流れは一様ではなく、図３および図４に示す中空糸膜モジュール１０のように、各部位よって流速が異なるものとなっている。なお、図３は中空糸膜モジュール１０の正面断面図で、図４は同平面図であり、このモジュールケース５０のガス流入口５０ａは、下部のガス流出口５０ｂと同様に、モジュールケース５０の直径方向に貫通する貫通孔としている。
【００２６】
このような中空糸膜モジュール１０において、中空糸膜の外部を流れるガスの流速は、図４の平面図では、中心部が最も遅く、その外側が中速で、さらにその外側が最も速くなっている。一方、図３の正面断面図をみると、上下両端の直径方向中央が最も遅く、上下方向の中央でかつ直径方向中央部が中速で、直径方向外側付近が最も速くなっている。
【００２７】
上記した図３および図４を総合してみると、ガス流速が最も遅い部分は、図３中で第１ガス流入口５０ａ付近および第１ガス流出口５０ｂ付近における直径方向中心部である。
【００２８】
図３，図４のように、中空糸膜の外部を流れるガスの流速が遅い部位は、ガスが行き届きにくく、中空糸膜が有効に利用されていないことになり、中空糸膜モジュール１０として効率よく機能していないことになる。
【００２９】
そこで、本実施形態においては、図１に示したように、貫通孔からなる第１ガス流入口５ａが、モジュールケース５内を第１ガス流入口５ａから第１ガス流出口５ｂに向けて流れる曲線状の矢印Ｂで示す流れとは逆方向の上方に向けて開口するようにしている。このため、第１ガス流入口５ａからモジュールケース５内に流出する加湿ガスの一部は、上方の端板９に向けて流れた後、矢印Ｃのように端板９に沿って中心部にまで入り込んでいく。
【００３０】
その後、この中心部まで入り込んだ加湿ガスは、中心部を下方に向けて流れ、下端部において、矢印Ｄのように外側に向かう流れとなり、前記矢印Ｂで示した加湿ガスの主流とともに、第１ガス流出口５ｂおよび第１ガス流出空間２５を経て第１ガス流出管１５からモジュール外部へ流出する。
【００３１】
このように、本実施形態では、第１ガス流入口５ａが、モジュールケース５内を第１ガス流入口５ａから第１ガス流出口５ｂに向けて流れる曲線状の矢印Ｂで示す流れとは逆方向の上方に向けて開口しているので、中空糸膜束７内の中心部にまで加湿ガスが効率よく流れ込むとともに、中空糸膜の外部を流れる加湿ガスの滞留時間が長くなり、この結果中心部の中空糸膜も有効活用して加湿性能を高めることができ、中空糸膜モジュール１として効率よく機能させることができる。
【００３２】
また、本実施形態では、第１ガス流入口５ａからモジュールケース５内に流入する加湿ガスが、上部の端板９近傍に沿って流れるが、端板９近傍の中空糸膜は、端板９によって固定されていることから、ガスが通過しても中空糸膜がよれにくく、したがって大きな抵抗を受けることなく中空糸膜束７の内部にまで加湿ガスが効率よく入り込み、中心部の中空糸膜をより有効に活用することができる。
【００３３】
このようなガスの流れを発生させる第１ガス流入口５ａは、モジュールケース５に設ける際に、単に傾斜して形成するだけでよく、別途部品を追加する必要もなく、安価に加湿性能を高めることができる。
【００３４】
なお、上記した第１の実施形態においては、複数ある第１ガス流入口５ａのすべてを、図１中で上方に向けて開口させる構成としているが、その一部のみを上方に向けて開口させるようにしてもよい。
【００３５】
図５は、本発明の第２の実施形態を示す中空糸膜モジュール１Ａを備える加湿装置の、前記図１に相当する断面図、図６は同平面図である。この中空糸膜モジュール１Ａは、図１に示した第１の実施形態における傾斜している第１ガス流入口５ａに、モジュールケース５の内部にまで、前記傾斜方向に沿って延びる第１ガス案内部としてのパイプ部材２７を接続している。
【００３６】
このパイプ部材２７は、図６に示すように、周方向ほぼ等間隔に設けた複数の第１ガス流入口５ａのすべてに設ける必要はなく、ここでは周方向に沿って一つ置きに設けるようにしている。
【００３７】
第２の実施形態によれば、第１ガス流入口５ａに接続したパイプ部材２７から、前記第１の実施形態に比較して、中空糸膜束７のより中心部に加湿ガスを供給できるので、中心部の中空糸膜をより確実に有効活用でき、加湿性能向上に寄与することができる。
【００３８】
また、上記したパイプ部材２７は、複数の第１ガス流入口５ａのうちの一部に設けるようにしているので、モジュールケース５内に導入するすべての加湿ガスを、中空糸膜束７のより中心部に向けて流すことなく、それより外周側にも適宜流すことで、必要以上にガスの流通抵抗を悪化させることなく、中空糸膜束７の全域に加湿ガスを効率よく均一に流すことができる。
【００３９】
図７は、本発明の第３の実施形態に係わる中空糸膜モジュール１Ｂを備える加湿装置の、前記図１に相当する断面図、図８は図７のＥ−Ｅ断面図、図９は図７のＦ−Ｆ断面図である。
【００４０】
この中空糸膜モジュール１Ｂは、第１ガス導入管１３に対応する位置と、この位置に対向する図７中で右側位置のモジュールケース５に、その直径方向に向けて貫通する貫通孔５ａ１をそれぞれ設け、この各貫通孔５ａ１相互を、第１ガス供給部となる第１ガス供給通路としての連通パイプ２９により連通し、かつこの連通パイプ２９の延長方向中央部、すなわち中空糸膜束７の直径方向中心部に、端板９に向けて開口する第１ガス噴出口２９ａを設けている。
【００４１】
モジュールケース５において、貫通孔５ａ１と上下方向ほぼ同位置には、図８に示すように、円周方向に沿って複数の第１ガス流入口５ａが下部の第１ガス流出口５ｂと同様に、モジュールケース５の直径方向に向けて貫通する貫通孔として設けられている。
【００４２】
すなわち、ここでは、モジュールケース５にその周方向に沿って複数の貫通孔（第１ガス流入口）５ａ，貫通孔５ａ１を設け、この複数の貫通孔５ａ，５ａ１のうちの一部に、第１ガス供給通路としての連通パイプ２９を設けている。
【００４３】
第３の実施形態によれば、第１ガス導入管１３から第１ガス導入空間２３内に流入した加湿ガスは、その両端から連通パイプ２９内に入り込むとともに、他の複数の第１ガス流入口５ａからもモジュールケース５内に入り込む。
【００４４】
図９に示すように連通パイプ２９内に入り込んだ加湿ガスは、中空糸膜束７の中心部に位置する第１ガス噴出口２９ａから、下部の第１ガス流出口５ｂと反対の上部の端板９に向けて噴出する。第１ガス噴出孔２９ａから端板９に向けて噴出した加湿ガスは、端板９で反射した後、中空糸膜束７の中心部を下方に向けて流れ、下端部において第１ガス流出口５ｂに向けて流れるものとなる。
【００４５】
一方、他の複数の第１ガス流入口５ａからモジュールケース５内に入り込んだ加湿ガスは、図７中で中空糸膜束７の上端部付近においては、中心部まで達しにくく、矢印Ｂで示すように、大きな円弧を描くように、下部の第１ガス流出口５ｂに向かう流れとなる。
【００４６】
このように、第１ガス流入口５ａからモジュールケース５内に流入する加湿ガスは、図７中で中空糸膜束７の上端部付近の中心部には行き届きにくくなっているが、この部位に対しては、連通パイプ２９に設けてある第１ガス噴出口２９ａから噴出する加湿ガスによって補うことができる。その結果、中空糸膜束７の全域に対し、加湿ガスを均一に流すことができ、加湿性能を高めることができる。
【００４７】
なお、上記した各実施形態では、中空糸膜の内部に被加湿ガスを、同外部に加湿ガスを流す例を示したが、これとは逆に中空糸膜の内部に加湿ガスを、同外部に被加湿ガスを流すようにしてもよい。また、中空糸膜モジュール１，１Ａ，１Ｂを、加湿装置としてだけでなく、濾過器として利用することもできる。
【００４８】
また、上記した各実施形態においては、中空糸膜モジュール１，１Ａ，１Ｂとして、全体が円筒形状を呈したものを示したが、円筒形状に限らず、角柱形状であっても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】図２のＡ−Ａ断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係わる中空糸膜モジュールを備える加湿装置の平面図である。
【図３】中空糸膜モジュール内での中空糸膜の外部を流れるガスの流速分布を示す中空糸膜モジュールの正面断面図である。
【図４】中空糸膜モジュール内での中空糸膜の外部を流れるガスの流速分布を示す中空糸膜モジュールの平面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係わる中空糸膜モジュールを備える加湿装置の、図１に相当する断面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係わる中空糸膜モジュールを備える加湿装置の、図２に相当する平面図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係わる中空糸膜モジュールを備える加湿装置の、図１に相当する断面図である。
【図８】図７のＥ−Ｅ断面図である。
【図９】図７のＦ−Ｆ断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１，１Ａ，１Ｂ  中空糸膜モジュール
５  モジュールケース（容器）
５ａ  第１ガス流入口（第１ガス供給部，貫通孔）
５ａ１  貫通孔
５ｂ  第１ガス流出口（第１ガス流出部）
７  中空糸膜束
２７  パイプ部材（第１ガス案内部）
２９  連通パイプ（第１ガス供給部，第１ガス供給通路）
２９ａ  第１ガス噴出口
【図１】
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【図２】
2007218539.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2007218539.tif 000008
【図７】
2007218539.tif 000009
【図８】
2007218539.tif 000010
【図９】
2007218539.tif 000011