JP2004209418A - 中空糸膜モジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】小型化の要求に応えつつ、加湿や除湿を十分に行うことができ、品質にも優れた中空糸膜モジュールを提供する。
【解決手段】加湿効率及び除湿効率に優れた第２中空糸膜１２２によって円柱状の束を形成し、その外周を覆うように、機械的強度に優れた第１中空糸膜１２１を配設させて、第１開口部１１１及び第２開口部１１２の付近には、第１中空糸膜１２１が配設されるようにし、第１中空糸膜１２１によって流体による衝撃を緩衝させて、束内部の中空糸膜が流体から受ける衝撃を少なくした。
【選択図】 図２
【解決手段】加湿効率及び除湿効率に優れた第２中空糸膜１２２によって円柱状の束を形成し、その外周を覆うように、機械的強度に優れた第１中空糸膜１２１を配設させて、第１開口部１１１及び第２開口部１１２の付近には、第１中空糸膜１２１が配設されるようにし、第１中空糸膜１２１によって流体による衝撃を緩衝させて、束内部の中空糸膜が流体から受ける衝撃を少なくした。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水分の膜分離を行う中空糸膜を備えた中空糸膜モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、加湿器や除湿器に、水分の膜分離を行う中空糸膜を備えた中空糸膜モジュールを利用したものが知られている。例えば、固体高分子型燃料電池における隔壁（イオン交換膜）を保湿するための加湿器に、中空糸膜モジュールを利用した技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図６及び図７を参照して、従来技術に係る中空糸膜モジュールについて説明する。図６は従来技術に係る中空糸膜モジュールの一端側から見た図である。図７は従来技術に係る中空糸膜モジュールの使用状態を示す模式的断面図である。
【０００４】
図示のように、従来技術に係る中空糸膜モジュール５００は、円筒形状のケース５１０と、ケース５１０の内部に充填される複数本の中空糸膜５２０とを備えている。そして、ケース５１０の両端部には、中空糸膜５２０の中空内部のみが開放するように、それぞれ第１ポッティング部５３１，第２ポッティング部５３２が設けられている。
【０００５】
また、ケース５１０の側面側の両端には、各ポッティング部よりも中央側に、それぞれ第１開口部５１１，第２開口部５１２が設けられている。
【０００６】
以上の構成によって、第１ポッティング部５３１側から中空糸膜モジュール５００内に導かれて（図７中矢印Ｓ０）、各中空糸膜５２０の中空内部を通り、第２ポッティング部５３２側から中空糸膜モジュール５００の外部へと抜けていく（図７中矢印Ｓ１）、第１経路が形成される。
【０００７】
また、ケース５１０に設けられた第１開口部５１１から中空糸膜モジュール５００内に導かれて（図７中矢印Ｔ０）、中空糸膜束内部であって各中空糸膜５２０の外壁面側を通り、第２開口部５１２から中空糸膜モジュール５００の外部へと抜けていく（図７中矢印Ｔ１）、第２経路が形成される。
【０００８】
そして、これら第１経路と第２経路のうちの一方に、除湿対象流体（例えば、水蒸気などの湿潤ガスや水）を流し、他方に加湿対象流体（例えば、乾燥気体）を流すことによって、中空糸膜５２０による膜分離作用によって一方の経路から他方の経路に水分の透過を行わせることができる。
【０００９】
これにより、除湿対象流体は除湿され、加湿対象流体は加湿されることになる。従って、以上のように構成される中空糸膜モジュール５００を利用することで、加湿や除湿を行うことが可能となる。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００２−２８９２２８公報
【発明が解決しようとする課題】
上述のように加湿や除湿のために利用される中空糸膜モジュールにおける加湿性能や除湿性能を決定する指標としては、透過性能や膜の有効面積などが挙げられる。
【００１１】
すなわち、一方の経路から他方の経路に分離される水分の透過速度が速いほど効率良く加湿や除湿を行うことが可能となり、透過速度が速いほど透過性能に優れていると言える。
【００１２】
そこで、本発明は、その目的の一つとして、透過性能に優れることが挙げられる。
【００１３】
また、中空糸膜の外壁面及び内壁面の有効面積が大きいほど、水分が分離される機会が多くなり、加湿や除湿をより多く行うことができる。
【００１４】
そこで、本発明は、その目的の一つとして、膜の有効面積が十分大きいことが挙げられる。
【００１５】
ここで、上述したように水分の透過速度を速くするためには、例えば、中空糸膜の膜厚を薄くするなどが考えられるが、膜厚を薄くすることは機械的強度の低下を招くことになる。
【００１６】
また、限られたスペース内において膜の有効面積を大きくするためには、中空糸膜の外径を小さくすることが挙げられる。何故ならば、外径が小さければ、充填できる中空糸膜の本数が増えるため、充填スペースにおける容積に対する膜の有効面積の比率が上がり、膜の有効面積が大きくなるからである。
【００１７】
しかし、中空糸膜の外径を小さくすると、その分だけ内径も小さくしなければならないが、内径を小さくすると、圧力損失が増えてしまう。従って、できる限り、内径を大きくする必要があるが、そうすると、中空糸膜の膜厚が薄くなってしまい、機械的強度の低下を招くことになる。
【００１８】
このように透過性能や膜の有効面積を優先して、機械的強度の低い中空糸膜を利用した場合には、特に、流速の速い箇所において、流体による衝撃によって中空糸膜の揺れが大きくなって、中空糸膜が破損してしまうおそれがある。
【００１９】
中空糸膜が破損すると、一方の流路と他方の流路との間でリークが発生し、中空糸膜モジュールが適用される装置に応じた様々な不具合が生ずることになる。
【００２０】
そこで、本発明は、その目的の一つとして、中空糸膜の破損を防止することが挙げられる。
【００２１】
また、本発明は、その目的の一つとして、小型化の要求に応えつつ、加湿や除湿を十分に行うことができ、品質にも優れていることが挙げられる。
【００２２】
更に、本発明は、その目的の一つとして、小型化の要求と、流速が激しい条件下での使用が要求される、燃料電池における隔壁（イオン交換膜）を保湿するための加湿装置に好適に適用可能なことが挙げられる。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
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。
【００２４】
本発明は、充填する中空糸膜として、特性の異なる複数種類の中空糸膜を用いる構成を採用した。そして、流速が速く流体（除湿対象流体あるいは加湿対象流体）による衝撃が大きい領域には、機械的強度の高い第１中空糸膜を配設する構成を採用した。これにより、第１中空糸膜によって流体による衝撃を緩衝することができ、中空糸膜の破損を防止することができる。また、第１中空糸膜自体も膜分離に寄与する。ここで、「機械的強度」とは、機械的な強さを意味するものであり、例えば、機械的性質のうち引張り強さや曲げ強さや衝撃強さなどを意味する。従って、機械的強度が高いほど、流体からうける衝撃に対して揺れにくかったり、切れにくかったりすることになる。
【００２５】
また、本発明の他の構成としては、流速が速く流体による衝撃が大きい領域には、膜分離に寄与しない糸を配設する構成を採用した。これにより、この糸によって流体による衝撃を緩衝することができ、中空糸膜の破損を防止することができる。この構成の場合には、膜分離に寄与しない糸が切れたとしても、加湿や除湿の性能に影響を与えることはなく、また、糸が切れた状態であっても、流体による衝撃を緩衝する機能を損なうことはない。
【００２６】
ここで、流速が速く流体による衝撃が大きい領域としては、流体が中空糸膜束内に流れ込んでくる領域や中空糸膜束外へ流れ出ていく領域が挙げられる。更に、具体的な例としては、ケースに設けられた流入口や排出口の付近が挙げられる。
【００２７】
また、上述の第１中空糸膜は、有効膜面積や透過速度よりも機械的強度を高めることを優先した中空糸膜である。具体的な素材の例としては、ポリメタフェニレンイソフタルアミドやポリイミドが挙げられる。また、通常、第１中空糸膜の膜厚は比較的厚いものが用いられる。
【００２８】
一方、第１中空糸膜とは別に、有効膜面積あるいは透過速度のうちの少なくともいずれか一方を優先した第２中空糸膜を設けることによって、加湿性能や除湿性能を高めるようにした。具体的な素材の例としては、イミド系素材が挙げられ、その中でも、好ましくはポリエーテルイミドやポリメタフェニレンイソフタルアミドが挙げられる。
【００２９】
そして、本発明における中空糸膜モジュールの更に具体的な構成としては、
ケース内に充填された中空糸膜の中空内部を通る第１経路と、中空糸膜の外壁面側を通る第２経路とを設け、一方の経路に水分を含む除湿対象流体を流し、他方の経路に加湿対象流体を流すことで、中空糸膜の膜分離作用によって一方の経路から他方の経路に水分の透過が行われる中空糸膜モジュールにおいて、
前記ケース内に充填される中空糸膜は、少なくとも第１中空糸膜と第２中空糸膜を含む特性の異なる複数種類の中空糸膜により構成されると共に、
前記第１中空糸膜は第２中空糸膜に比べて機械的強度が高く、かつ、該第１中空糸膜は、前記ケース内に束状に充填された中空糸膜束における束の表面側の領域であって、前記除湿対象流体あるいは加湿対象流体が束内に流れ込んでくる領域及び束外へ流れ出ていく領域のうちの少なくともいずれか一方に配設されていることを特徴とする。
【００３０】
本発明の構成により、流体（除湿対象流体あるいは加湿対象流体）が中空糸膜束内に入り込んでくる領域及び束外へ流れ出ていく領域のうちの少なくともいずれか一方において、機械的強度の高い第１中空糸膜によって、流体による衝撃を緩衝することができる。
【００３１】
そして、前記第２中空糸膜は第１中空糸膜に比べて外径が小さいと良い。
【００３２】
このようにすれば、外径の小さな第２中空糸膜によって、限られたスペース内における膜の有効面積を高めることができ、加湿効率や除湿効率を高めることができる。
【００３３】
また、前記第２中空糸膜は第１中空糸膜に比べて透過速度が速いことも好適である。
【００３４】
このようにすれば、透過速度の速い第２中空糸膜によって、加湿効率や除湿効率を高めることができる。
【００３５】
そして、加湿効率や除湿効率に優れた第２中空糸膜を用いつつ、機械的強度の高い第１中空糸膜を、流体による衝撃の高い領域に配置させることで、中空糸膜の破損を防止しつつ、加湿効率や除湿効率を高めることが可能となる。また、これにより、小型化の要求に応えつつ、加湿や除湿を十分に行うことが可能となる。更に、これにより、燃料電池における隔壁（イオン交換膜）を保湿するための加湿装置に好適に適用することが可能となる。
【００３６】
また、本発明における中空糸膜モジュールの別の具体的な構成としては、
ケース内に充填された中空糸膜の中空内部を通る第１経路と、中空糸膜の外壁面側を通る第２経路とを設け、一方の経路に除湿対象流体を流し、他方の経路に加湿対象流体を流すことで、中空糸膜の膜分離作用によって一方の経路から他方の経路に水分の透過が行われる中空糸膜モジュールにおいて、
前記ケース内に束状に充填された中空糸膜束の外側であって、前記除湿対象流体あるいは加湿対象流体が束内に流れ込んでくる領域付近及び束外へ流れ出ていく領域付近のうちの少なくともいずれか一方に膜分離に寄与しない糸が配設されていることを特徴とする。
【００３７】
本発明の構成により、流体が中空糸膜束内に入り込んでくる領域付近及び束外へ流れ出ていく領域付近のうちの少なくともいずれか一方において、膜分離に寄与しない糸によって、流体による衝撃を緩衝することができる。
【００３８】
以上のように、機械的強度の高い第１中空糸膜あるいは膜分離に寄与しない糸を、流体による衝撃の高い領域に配設することによって、当該衝撃を緩衝できるため、他の領域には、比較的機械的強度の低い中空糸膜を採用することが可能となる。つまり、一般的に加湿効率や除湿効率を優先すると機械的強度が低くなってしまう中空糸膜を採用することが可能となるため、加湿効率及び除湿効率を高めることができる。その結果、中空糸膜の破損を防止しつつ、小型化の要求に応え、かつ、加湿や除湿を十分に行うことも可能となる。
【００３９】
なお、上記各構成は、可能な限り組み合わせて採用し得る。
【００４０】
【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。ただし、この実施の形態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。
【００４１】
（第１の実施の形態）
図１〜図３を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る中空糸膜モジュールについて説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る中空糸膜モジュールの一端側から見た図である。図２は本発明の第１の実施の形態に係る中空糸膜モジュールの軸線に沿って切断した模式的断面図である。図３は本発明の第１の実施の形態に係る中空糸膜モジュールに配管接続部を備えたハウジングを取り付けた状態における軸線に沿って切断した模式的断面図である。
【００４２】
本実施の形態に係る中空糸膜モジュール１００は、円筒形状のケース１１０と、このケース１１０内に充填される、複数本の第１中空糸膜１２１、及び複数本の第２中空糸膜１２２とを備えている。
【００４３】
第１中空糸膜１２１と第２中空糸膜１２２は、束になってケース１１０内に充填されている。そして、ケース１１０の両端部において、各第１中空糸膜１２１及び各第２中空糸膜１２２はいずれも中空内部のみが開放するように、第１ポッティング部１３１及び第２ポッティング部１３２により封止固定されている。通常、エポキシ等の接着剤によって充填され、これが固化することでポッティング部は形成される。
【００４４】
また、ケース１１０の側面側の両端には、第１ポッティング部１３１及び第２ポッティング部１３２よりも中央側に、それぞれ第１開口部１１１及び第２開口部１１２が設けられている。本実施の形態では、第１開口部１１１及び第２開口部１１２は、ケース１１０の周方向に沿って複数個設けられている。
【００４５】
以上のように構成された中空糸膜モジュール１００は、例えば、図３に示すように、その両端に第１ハウジング１４０及び第２ハウジング１５０が組み付けられて利用される。
【００４６】
第１ハウジング１４０には、第１配管接続部１４１と第２配管接続部１４２が設けられている。同様に、第２ハウジング１５０にも、第１配管接続部１５１と第２配管接続部１５２が設けられている。
【００４７】
ここで、第１ハウジング１４０における第１配管接続部１４１は、第１ポッティング部１３１側において、第１中空糸膜１２１及び第２中空糸膜１２２における中空内部に通じる流路の一部となる配管の接続部である。また、第１ハウジング１４０における第２配管接続部１４２は、第１開口部１１１からケース１１０内であって、第１中空糸膜１２１及び第２中空糸膜１２２の外壁面側に通じる流路の一部となる配管の接続部である。同様に、第２ハウジング１５０における第１配管接続部１５１は、第２ポッティング部１３２側において、第１中空糸膜１２１及び第２中空糸膜１２２における中空内部に通じる流路の一部となる配管の接続部である。また、第２ハウジング１５０における第２配管接続部１５２は、第２開口部１１２からケース１１０内であって、第１中空糸膜１２１及び第２中空糸膜１２２の外壁面側に通じる流路の一部となる配管の接続部である。
【００４８】
また、各流路間あるいは流路と外部との間で流体の漏れが発生しないように、これら第１ハウジング１４０及び第２ハウジング１５０とケース１１０との間にはシール性が要求される。従って、第１ハウジング１４０及び第２ハウジング１５０をケース１１０に組み付ける場合には、例えばＯリング等のシール部材を介在させつつ、第１ハウジング１４０及び第２ハウジング１５０をケース１１０に組み付ける構成とするのが望ましい。
【００４９】
なお、中空糸膜モジュールに組み付ける、配管接続部を備えたハウジングとしては、大別すると、中空糸膜モジュール全体を収納するタイプと、配管接続部を必要とする部分に部分的にハウジングを取り付けるタイプがある。本実施の形態では後者のタイプの一例として、ケース１１０の両端にそれぞれハウジングを組み付ける構成を示した。勿論、これに限らず、適宜の構成のハウジングを採用することが可能である。
【００５０】
以上の構成により、各第１中空糸膜１２１及び各第２中空糸膜１２２の中空内部を通る第１経路と、各第１中空糸膜１２１及び各第２中空糸膜１２２の外壁面側を通る第２経路が形成される。
【００５１】
第１経路を流れる流体に関して更に詳しく説明すると、まず、流体は第２ハウジング１５０の第１配管接続部１５１に接続された不図示の配管から第２ハウジング１５０内に入り、第２ポッティング部１３２側から中空糸膜モジュール１００内に導かれる（図３中矢印Ｓ０）。そして、各第１中空糸膜１２１及び各第２中空糸膜１２２の中空内部を通り、第１ポッティング部１３１側から中空糸膜モジュール１００の外部へ抜けて、第１ハウジング１４０の第１配管接続部１４１に接続された不図示の配管へと流れていく（図３中矢印Ｓ１）。
【００５２】
次に、第２経路を流れる流体に関して更に詳しく説明すると、まず、流体は第１ハウジング１４０の第２配管接続部１４２に接続された不図示の配管から第１ハウジング１４０内に入り、第１開口部１１１からケース１１０内に入る（図３中矢印Ｔ０）。そして、中空糸膜束内に入り、各第１中空糸膜１２１及び各第２中空糸膜１２２の外壁面側を通っていく。その後、中空糸膜束の外側へ出て、第２開口部１１２からケース１１０の外部へと出て行き、第２配管接続部１５２に接続された不図示の配管へと流れていく（図３中矢印Ｔ１）。
【００５３】
なお、上述した第１経路と第２経路における流体の流れる方向は、上記の説明とは逆方向でも良いが、加湿効率や除湿効率を考慮すると、中空糸膜における膜の内外において、中空内部における流体の流れる方向と膜外部における流体の流れる方向が逆方向になるのが望ましい。
【００５４】
そして、これら第１経路と第２経路のうちの一方に、除湿対象流体（例えば、水蒸気などの湿潤ガスや水）を流し、他方に加湿対象流体（例えば、乾燥気体）を流すことによって、各第１中空糸膜１２１及び各第２中空糸膜１２２による膜分離作用によって一方の経路から他方の経路に水分の透過を行わせることができる。
【００５５】
これにより、除湿対象流体は除湿され、加湿対象流体は加湿されることになる。従って、以上のように構成される中空糸膜モジュール１００を利用することで、加湿や除湿を行うことが可能となる。
【００５６】
次に、第１中空糸膜１２１及び第２中空糸膜１２２に関して、より詳しく説明する。
【００５７】
第１中空糸膜１２１は、加湿効率や除湿効率を高めるよりも、機械的強度を高めることを優先した特性を有している。少なくとも、第１中空糸膜１２１は第２中空糸膜１２２に比べて機械的強度が高くなっている。ここで、第１中空糸膜１２１の機械的強度を高めるためには、例えば、以下に示す条件のうちの少なくとも１以上を満たすことで達成できる。
【００５８】
条件の一つとしては、第１中空糸膜１２１は、その膜厚が厚いことが挙げられる。より具体的には、少なくとも第１中空糸膜１２１は第２中空糸膜１２２に比べて、その外径が大きいか、あるいはその内径が小さいかのうちの少なくともいずれか一方を満たすように構成される。このように、第１中空糸膜１２１は、その膜厚が厚いことで機械的強度が高くなる。
【００５９】
また、他の条件の一つとしては、第１中空糸膜１２１が、水分の透過速度よりも中空糸膜の破断強度を優先した製造条件によって製造されることが挙げられる。
【００６０】
更に、他の条件の一つとしては、第１中空糸膜１２１の素材が、水分の透過速度よりも中空糸膜の破断強度を優先したものであることが挙げられる。具体的な素材の例としては、ポリメタフェニレンイソフタルアミドやポリイミドが挙げられる。
【００６１】
これに対して、第２中空糸膜１２２は、機械的強度を高めるよりも、加湿効率や除湿効率を高めることを優先した特性を有している。少なくとも、第２中空糸膜１２２は第１中空糸膜１２１に比べて加湿効率や除湿効率が高くなっている。
【００６２】
ここで、加湿効率や除湿効率を高めるためには、上述のように、水分の透過性能を上げること（透過速度を速くすること）や膜の有効面積を大きくすることが挙げられる。
【００６３】
水分の透過性能を上げるためには、例えば、第２中空糸膜１２２は、その膜厚が薄いか、中空糸膜の破断強度よりも水分の透過性能を優先した製造条件によって製造されるか、その素材が水分の透過性能を優先したものであるか、あるいは、これらのいずれか２つ以上を同時に満足するものであることが挙げられる。
【００６４】
また、膜の有効面積を大きくするためには、中空糸膜の外径を小さくすることが挙げられる。何故ならば、外径が小さければ、充填できる中空糸膜の本数が増えるため、充填スペースにおける容積に対する膜の有効面積の比率が上がり、膜の有効面積が大きくなるからである。
【００６５】
第２中空糸膜１２２の主となる素材の具体例としては、イミド系素材が挙げられ、その中でも、好ましくはポリエーテルイミドやポリメタフェニレンイソフタルアミドが挙げられる。
【００６６】
以上のように、本実施の形態においては、ケース１１０内に充填させる中空糸膜として、特性の異なる２種類の第１中空糸膜１２１と第２中空糸膜１２２を含ませるようにした。ここで、上述のように、第１中空糸膜１２１は機械的強度に優れた特性を有し、一方、第２中空糸膜１２２は加湿効率や除湿効率に優れた特性を有する。なお、機械的強度に優れ、かつ、加湿効率や除湿効率に優れた中空糸膜を用いるのが好ましいことは勿論であるが、これらを同時に満足することは技術的に困難性が伴ってしまう。つまり、通常、加湿効率や除湿効率を高めるほど、機械的強度が低下し、機械的強度を高めるほど、加湿効率や除湿効率が低下してしまう関係にあるからである。
【００６７】
そして、本実施の形態では、機械的強度に優れた第１中空糸膜１２１を、流体（除湿対象流体あるいは加湿対象流体）の流速が速く、流体による衝撃が大きい領域に配設するようにした。
【００６８】
ここで、一般的に、中空糸膜モジュールにおいて、流体による衝撃が大きくなる領域について簡単に説明する。
【００６９】
通常、中空糸膜の中空内部を通る流体に関しては、特に問題になることはない。一方、中空糸膜の外壁面側を通る流体に関しては、中空糸膜の破断等の要因となる。何故ならば、中空糸膜の外壁面は、そのような流体によって衝撃を受けるため、中空糸膜は揺動する。すると、中空糸膜の根本部分（固化されたポッティング部との界面部分）に応力が集中するため、この部分で破断等が生じることがあるからである。そして、流体による衝撃が大きくなる領域は、流速の速い領域であり、通常、流体の流れが集中する領域に相当する。更に具体的には、一般的に、中空糸膜束内に流れ込んでくる付近や中空糸膜束外に流れ出ていく付近に相当し、流入口付近や排出口付近に相当する。
【００７０】
本実施の形態では、円筒形状のケース１１０の側面に、円周に沿って複数の第１開口部１１１及び第２開口部１１２が設けられ、これらの付近が、流速が速く、中空糸膜の受ける衝撃が大きな部分となる。
【００７１】
そこで、本実施の形態では、第２中空糸膜１２２によって円柱状の束を形成し、その外周を覆うように、第１中空糸膜１２１を配設させるようにした（図１参照）。これにより、少なくとも第１開口部１１１及び第２開口部１１２の付近には、第１中空糸膜１２１が配設されるようにした。
【００７２】
以上のように構成したことにより、中空糸膜束内に流れ込む領域及び中空糸膜束外へ流れ出ていく領域においては、機械的強度の高い第１中空糸膜１２１が配設されており、第１中空糸膜１２１が破断等による破損を生じてしまうおそれは低い。
【００７３】
また、第１中空糸膜１２１によって流体による衝撃が緩衝されるため、束内部の中空糸膜が流体から受ける衝撃は少ない。従って、加湿効率や除湿効率を優先したことによって、第１中空糸膜１２１に比べて機械的強度が低くなった第２中空糸膜１２２においても、流体の衝撃が少ないことから膜破断等の破損が生じてしまうという問題は解消され、品質性に優れる。
【００７４】
そして、第２中空糸膜１２２は加湿効率や除湿効率が高いため、中空糸膜モジュール１００全体としてみれば、十分な加湿効率及び除湿効率を発揮するため、十分に加湿や除湿を行うことができる。また、本実施の形態では、第１中空糸膜１２１自体も加湿や除湿に寄与することからも、十分な加湿効率及び除湿効率を発揮する。
【００７５】
次に、上記第１中空糸膜１２１を配設する領域に関して、更に詳しく説明する。
【００７６】
第１開口部１１１及び第２開口部１１２の付近に配設する第１中空糸膜１２１の配設領域の範囲は、ケース１１０の内径寸法に対して、ケース１１０の内周面側における開口部の位置から２〜２０％、好ましくは、５〜１０％の距離の範囲である。その理由は、２％以下の場合には、緩衝機能が十分に発揮されず膜破断のおそれがあり、２０％以上の場合には、加湿効率及び除湿効率を十分に高めることが困難であり、小型化の要求にも十分に応えられなくなるからである。
【００７７】
以上のように、本実施の形態に係る中空糸膜モジュール１００によれば、小型化の要求に応えつつ、加湿や除湿を十分に行うことができ、中空糸膜の破損を防止できることから品質性にも優れている。
【００７８】
従って、本実施の形態に係る中空糸膜モジュール１００は、燃料電池（固体高分子型燃料電池）における隔壁（イオン交換膜）を保湿するための加湿装置に好適に適用することができる。このような加湿装置については、例えば、特開２００２−２８９２２８号公報に開示されているが、以下、簡単に説明する。
【００７９】
燃料電池においては、水素と酸素の反応により電気と水蒸気が発生するが、この反応時に発生した電気は水分子を伴って移動するため、隔壁（イオン交換膜）を常に保湿しておく必要がある。
【００８０】
そして、この保湿を行うために中空糸膜モジュールを利用した加湿装置を用いることが考えられている。このような加湿装置においては、加湿対象気体である乾燥空気を、コンプレッサ等によって中空糸膜モジュールに設けられた２つの経路のうちの一方に流して、乾燥空気が加湿された後に加湿された気体を隔壁に送り込む構成となる。そして、燃料電池においては、反応によって生じた排気ガスに水蒸気が含まれることから、この排気ガスを除湿対象気体として用い、これを中空糸膜モジュールに設けられた２つの経路のうちの他方に流す構成となる。
【００８１】
そして、特に車載用に用いられる燃料電池用の加湿装置の場合には、中空糸膜モジュールに流れ込む空気の流量が多く、空気による衝撃が大きい条件下で使用される。また、装置の小型化の要求も高い。そして、装置の小型化に応えるために、中空糸膜モジュールを小型化した場合には、膜の単位面積当たりに対する流体の流量も大きくなるために、一層、中空糸膜が受ける衝撃も大きくなる。なお、空気流量に関しては、定置用の場合が１００〜１５００ＮＬ／ｍｉｎ程度であるのに対して、車載用の場合には２００〜３５００ＮＬ／ｍｉｎである。
【００８２】
このように、燃料電池用の加湿装置の場合には、これに適用される中空糸膜モジュールに対して、小型化の要求に応えつつ、加湿効率が高く、流体の流れの激しい環境下で中空糸膜の破損が生じないことが要求される。
【００８３】
上述した本実施の形態に係る中空糸膜モジュール１００は、これらの要求に応えることができ、燃料電池用の加湿装置に好適に用いることができる。
【００８４】
これまで説明した本実施の形態に係る中空糸膜モジュール１００をより具体化した実施例と、比較例とについて比較実験した結果を説明する。
【００８５】
まず、実施例として、ケース１１０として、内径６８ｍｍ，両端の側面にそれぞれ８個ずつの孔（第１開口部１１１及び第２開口部１１２に相当）を備えた円筒形状のものを用いた。
【００８６】
そして、内径が５００μｍ，外径が７００μｍのポリエーテルイミドからなる第２中空糸膜１２２を４０００本用いて円筒状となるように束ね、内径が７５０μｍ，外径が１０５０μｍのポリエーテルイミドからなる第１中空糸膜１２１を４４５本用いて、第２中空糸膜１２２の束の外側を覆うように配設して、２種類の中空糸膜からなる束を、上記のケース１１０の中に充填して中空糸膜モジュール１００を作製した。
【００８７】
なお、この場合の第１中空糸膜１２１の配設領域は、ケース１１０の内周面から約６ｍｍ（ケース１１０の内径寸法に対して８．８％）であった。
【００８８】
これに対して、比較例として、実施例と同じケース内に、内径が５００μｍ，外径が７００μｍのポリエーテルイミドからなる中空糸膜を５０００本束状にして充填して中空糸膜モジュールを作製した。
【００８９】
これらの中空糸膜モジュールに対して、中空糸膜の中空内部を通る第１経路には、温度８０℃，圧力１００ｋＰａ，流量１０００ＮＬ／ｍｉｎの湿潤気体を流し、中空糸膜の外壁面側を通る第２経路には、温度６５℃，圧力１５０ｋＰａ，流量２０００ＮＬ／ｍｉｎの乾燥空気を流すようにした。そして、乾燥空気の流量を、２０００ＮＬ／ｍｉｎと０ＮＬ／ｍｉｎが交互に変化するように繰り返す実験を行った。
【００９０】
すると、上記実施例では、１００００回繰り返した後も、膜の破断が生じなかったのに対して、比較例では１０００回繰り返した後に、膜の破断が確認された。
【００９１】
（第２の実施の形態）
図４及び図５には、本発明の第２の実施の形態が示されている。図４は本発明の第２の実施の形態に係る中空糸膜モジュールの模式的断面図である。図５は図４中、ＡＡ断面図である。
【００９２】
上記第１の実施の形態のように、円筒形状のケースの側面に、流入口も排出口も設ける構成とした場合には、一般的に、中空糸膜束の中心付近の中空糸膜については加湿や除湿に寄与しにくい。そこで、ケースを内管と外管からなる２重構造とすることで、中空糸膜束全体が加湿や除湿に寄与しやすくした構成が知られている。本実施の形態では、そのような構成の場合を説明する。
【００９３】
図示のように、本実施の形態に係る中空糸膜モジュール２００は、円筒形状の外ケース２１０と、この外ケース２１０の内部に同心的に設けられる略円筒形状の内ケース２２０と、これらのケース間に充填される、複数本の第１中空糸膜２３１、及び複数本の第２中空糸膜２３２とを備えている。
【００９４】
そして、外ケース２１０には開口部２１１が設けられ、内ケース２２０にも開口部２２１が設けられている。なお、ポッティング部に関しては、上記第１の実施の形態と同様であるので、その説明は省略する。
【００９５】
本実施の形態における第１中空糸膜２３１と第２中空糸膜２３２に関しても、上記第１の実施の形態の場合と同様であり、前者は機械的強度を優先した特性を有し、後者は加湿効率及び除湿効率を優先した特性を有し、詳細については、既に説明した通りであるので、その説明は省略する。
【００９６】
そして、本実施の形態においては、中空糸膜モジュール２００の一方の端面側から各第１中空糸膜２３１及び各第２中空糸膜２３２の中空内部に入り（図４中矢印Ｓ０）、中空内部を通って、外部へと抜けていく（図４中矢印Ｓ１）第１経路が形成される。
【００９７】
また、内ケース２２０内に入り（図４中矢印Ｔ０）、その後、内ケース２２０に設けられた開口部２２１から中空糸膜束内に入り（図４中矢印Ｔ１）、各第１中空糸膜２３１及び各第２中空糸膜２３２の外壁面側を通って、外ケース２１０に設けられた開口部２１１から外部へと排出される（図４中矢印Ｔ２）第２経路が形成される。
【００９８】
本実施の形態では、上記第１の実施の形態と比較すると、ケースを２重構造にした分だけ、小型化の要求に対しては欠点を有するが、第２経路に関して、中空糸膜束の全体を流れていく経路となることから、加湿効率や除湿効率が高くなる利点がある。
【００９９】
そして、本実施の形態では、内ケース２２０に設けられた開口部２２１の付近と、外ケース２１０に設けられた開口部２１１の付近で流体の衝撃が大きくなる。従って、本実施の形態では、外ケース２１０の内周部分と、内ケース２２０の外周部分に第１中空糸膜２３１を配設して、これらの間に第２中空糸膜２３２を配設するようにした。
【０１００】
本実施の形態においても、上記第１の実施の形態の場合と同様の効果を得ることができることは言うまでもない。
【０１０１】
（その他の実施の形態）
上述した第１の実施の形態あるいは第２の実施の形態における、機械的強度の高い第１中空糸膜の代わりに、中空糸膜ではなく、膜分離に寄与しない糸、例えば、糸の内部が詰まった（中実）の棒状樹脂を用いることも考えられる。
【０１０２】
この場合には、膜分離に寄与しない糸自体は、加湿や除湿に寄与されないという欠点を有するものの、この糸自体が切断等した場合でも、リークなどの問題が生じることはなく、また、流体による衝撃を緩衝できる機能を損なわないという利点がある。
【０１０３】
また、上記第１の実施の形態あるいは第２の実施の形態において、第１中空糸膜を配設する手法に関しては、特に限定されるものではないが、複数本の第１中空糸膜を並べて簾織りにしたものを用いると好適である。
【０１０４】
簾織りしたものを用いれば、第２中空糸膜による束の外側に巻きつけることで（第２の実施の形態の場合には、更に、内ケースの外側に巻き付けることで）、所望の領域に容易に第１中空糸膜を配設できるため、作業が容易なものとなる。
【０１０５】
また、簾織りにしておけば、第１中空糸膜同士の揺れを低減できる効果もあるため、中空糸膜の膜破断を一層防止できる効果もある。
【０１０６】
また、上記第１の実施の形態では、特性の異なる２種類の中空糸膜を充填する構成を示したが、他にも特性の異なる中空糸膜を充填して、３種類以上の中空糸膜を充填しても良い。例えば、機械的強度や加湿効率等が、第１中空糸膜と第２中空糸膜の中間の特性を有する中空糸膜を第１中空糸膜と第２中空糸膜の間に介在させることが考えられる。
【０１０７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明により、小型化の要求に応えつつ、加湿や除湿を十分に行うことができ、中空糸膜の破損を防止できることから品質性にも優れている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る中空糸膜モジュールの一端側から見た図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る中空糸膜モジュールの軸線に沿って切断した模式的断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る中空糸膜モジュールに配管接続部を備えたハウジングを取り付けた状態における軸線に沿って切断した模式的断面図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る中空糸膜モジュールの模式的断面図である。
【図５】図４中、ＡＡ断面図である。
【図６】従来技術に係る中空糸膜モジュールの一端側から見た図である。
【図７】従来技術に係る中空糸膜モジュールの使用状態を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
１００ 中空糸膜モジュール
１１０ ケース
１１１ 第１開口部
１１２ 第２開口部
１２１ 第１中空糸膜
１２２ 第２中空糸膜
１３１ 第１ポッティング部
１３２ 第２ポッティング部
１４０ 第１ハウジング
１４１ 第１配管接続部
１４２ 第２配管接続部
１５０ 第２ハウジング
１５１ 第１配管接続部
１５２ 第２配管接続部
２００ 中空糸膜モジュール
２１０ 外ケース
２１１ 開口部
２２０ 内ケース
２２１ 開口部
２３１ 第１中空糸膜
２３２ 第２中空糸膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、水分の膜分離を行う中空糸膜を備えた中空糸膜モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、加湿器や除湿器に、水分の膜分離を行う中空糸膜を備えた中空糸膜モジュールを利用したものが知られている。例えば、固体高分子型燃料電池における隔壁（イオン交換膜）を保湿するための加湿器に、中空糸膜モジュールを利用した技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図６及び図７を参照して、従来技術に係る中空糸膜モジュールについて説明する。図６は従来技術に係る中空糸膜モジュールの一端側から見た図である。図７は従来技術に係る中空糸膜モジュールの使用状態を示す模式的断面図である。
【０００４】
図示のように、従来技術に係る中空糸膜モジュール５００は、円筒形状のケース５１０と、ケース５１０の内部に充填される複数本の中空糸膜５２０とを備えている。そして、ケース５１０の両端部には、中空糸膜５２０の中空内部のみが開放するように、それぞれ第１ポッティング部５３１，第２ポッティング部５３２が設けられている。
【０００５】
また、ケース５１０の側面側の両端には、各ポッティング部よりも中央側に、それぞれ第１開口部５１１，第２開口部５１２が設けられている。
【０００６】
以上の構成によって、第１ポッティング部５３１側から中空糸膜モジュール５００内に導かれて（図７中矢印Ｓ０）、各中空糸膜５２０の中空内部を通り、第２ポッティング部５３２側から中空糸膜モジュール５００の外部へと抜けていく（図７中矢印Ｓ１）、第１経路が形成される。
【０００７】
また、ケース５１０に設けられた第１開口部５１１から中空糸膜モジュール５００内に導かれて（図７中矢印Ｔ０）、中空糸膜束内部であって各中空糸膜５２０の外壁面側を通り、第２開口部５１２から中空糸膜モジュール５００の外部へと抜けていく（図７中矢印Ｔ１）、第２経路が形成される。
【０００８】
そして、これら第１経路と第２経路のうちの一方に、除湿対象流体（例えば、水蒸気などの湿潤ガスや水）を流し、他方に加湿対象流体（例えば、乾燥気体）を流すことによって、中空糸膜５２０による膜分離作用によって一方の経路から他方の経路に水分の透過を行わせることができる。
【０００９】
これにより、除湿対象流体は除湿され、加湿対象流体は加湿されることになる。従って、以上のように構成される中空糸膜モジュール５００を利用することで、加湿や除湿を行うことが可能となる。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００２−２８９２２８公報
【発明が解決しようとする課題】
上述のように加湿や除湿のために利用される中空糸膜モジュールにおける加湿性能や除湿性能を決定する指標としては、透過性能や膜の有効面積などが挙げられる。
【００１１】
すなわち、一方の経路から他方の経路に分離される水分の透過速度が速いほど効率良く加湿や除湿を行うことが可能となり、透過速度が速いほど透過性能に優れていると言える。
【００１２】
そこで、本発明は、その目的の一つとして、透過性能に優れることが挙げられる。
【００１３】
また、中空糸膜の外壁面及び内壁面の有効面積が大きいほど、水分が分離される機会が多くなり、加湿や除湿をより多く行うことができる。
【００１４】
そこで、本発明は、その目的の一つとして、膜の有効面積が十分大きいことが挙げられる。
【００１５】
ここで、上述したように水分の透過速度を速くするためには、例えば、中空糸膜の膜厚を薄くするなどが考えられるが、膜厚を薄くすることは機械的強度の低下を招くことになる。
【００１６】
また、限られたスペース内において膜の有効面積を大きくするためには、中空糸膜の外径を小さくすることが挙げられる。何故ならば、外径が小さければ、充填できる中空糸膜の本数が増えるため、充填スペースにおける容積に対する膜の有効面積の比率が上がり、膜の有効面積が大きくなるからである。
【００１７】
しかし、中空糸膜の外径を小さくすると、その分だけ内径も小さくしなければならないが、内径を小さくすると、圧力損失が増えてしまう。従って、できる限り、内径を大きくする必要があるが、そうすると、中空糸膜の膜厚が薄くなってしまい、機械的強度の低下を招くことになる。
【００１８】
このように透過性能や膜の有効面積を優先して、機械的強度の低い中空糸膜を利用した場合には、特に、流速の速い箇所において、流体による衝撃によって中空糸膜の揺れが大きくなって、中空糸膜が破損してしまうおそれがある。
【００１９】
中空糸膜が破損すると、一方の流路と他方の流路との間でリークが発生し、中空糸膜モジュールが適用される装置に応じた様々な不具合が生ずることになる。
【００２０】
そこで、本発明は、その目的の一つとして、中空糸膜の破損を防止することが挙げられる。
【００２１】
また、本発明は、その目的の一つとして、小型化の要求に応えつつ、加湿や除湿を十分に行うことができ、品質にも優れていることが挙げられる。
【００２２】
更に、本発明は、その目的の一つとして、小型化の要求と、流速が激しい条件下での使用が要求される、燃料電池における隔壁（イオン交換膜）を保湿するための加湿装置に好適に適用可能なことが挙げられる。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
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。
【００２４】
本発明は、充填する中空糸膜として、特性の異なる複数種類の中空糸膜を用いる構成を採用した。そして、流速が速く流体（除湿対象流体あるいは加湿対象流体）による衝撃が大きい領域には、機械的強度の高い第１中空糸膜を配設する構成を採用した。これにより、第１中空糸膜によって流体による衝撃を緩衝することができ、中空糸膜の破損を防止することができる。また、第１中空糸膜自体も膜分離に寄与する。ここで、「機械的強度」とは、機械的な強さを意味するものであり、例えば、機械的性質のうち引張り強さや曲げ強さや衝撃強さなどを意味する。従って、機械的強度が高いほど、流体からうける衝撃に対して揺れにくかったり、切れにくかったりすることになる。
【００２５】
また、本発明の他の構成としては、流速が速く流体による衝撃が大きい領域には、膜分離に寄与しない糸を配設する構成を採用した。これにより、この糸によって流体による衝撃を緩衝することができ、中空糸膜の破損を防止することができる。この構成の場合には、膜分離に寄与しない糸が切れたとしても、加湿や除湿の性能に影響を与えることはなく、また、糸が切れた状態であっても、流体による衝撃を緩衝する機能を損なうことはない。
【００２６】
ここで、流速が速く流体による衝撃が大きい領域としては、流体が中空糸膜束内に流れ込んでくる領域や中空糸膜束外へ流れ出ていく領域が挙げられる。更に、具体的な例としては、ケースに設けられた流入口や排出口の付近が挙げられる。
【００２７】
また、上述の第１中空糸膜は、有効膜面積や透過速度よりも機械的強度を高めることを優先した中空糸膜である。具体的な素材の例としては、ポリメタフェニレンイソフタルアミドやポリイミドが挙げられる。また、通常、第１中空糸膜の膜厚は比較的厚いものが用いられる。
【００２８】
一方、第１中空糸膜とは別に、有効膜面積あるいは透過速度のうちの少なくともいずれか一方を優先した第２中空糸膜を設けることによって、加湿性能や除湿性能を高めるようにした。具体的な素材の例としては、イミド系素材が挙げられ、その中でも、好ましくはポリエーテルイミドやポリメタフェニレンイソフタルアミドが挙げられる。
【００２９】
そして、本発明における中空糸膜モジュールの更に具体的な構成としては、
ケース内に充填された中空糸膜の中空内部を通る第１経路と、中空糸膜の外壁面側を通る第２経路とを設け、一方の経路に水分を含む除湿対象流体を流し、他方の経路に加湿対象流体を流すことで、中空糸膜の膜分離作用によって一方の経路から他方の経路に水分の透過が行われる中空糸膜モジュールにおいて、
前記ケース内に充填される中空糸膜は、少なくとも第１中空糸膜と第２中空糸膜を含む特性の異なる複数種類の中空糸膜により構成されると共に、
前記第１中空糸膜は第２中空糸膜に比べて機械的強度が高く、かつ、該第１中空糸膜は、前記ケース内に束状に充填された中空糸膜束における束の表面側の領域であって、前記除湿対象流体あるいは加湿対象流体が束内に流れ込んでくる領域及び束外へ流れ出ていく領域のうちの少なくともいずれか一方に配設されていることを特徴とする。
【００３０】
本発明の構成により、流体（除湿対象流体あるいは加湿対象流体）が中空糸膜束内に入り込んでくる領域及び束外へ流れ出ていく領域のうちの少なくともいずれか一方において、機械的強度の高い第１中空糸膜によって、流体による衝撃を緩衝することができる。
【００３１】
そして、前記第２中空糸膜は第１中空糸膜に比べて外径が小さいと良い。
【００３２】
このようにすれば、外径の小さな第２中空糸膜によって、限られたスペース内における膜の有効面積を高めることができ、加湿効率や除湿効率を高めることができる。
【００３３】
また、前記第２中空糸膜は第１中空糸膜に比べて透過速度が速いことも好適である。
【００３４】
このようにすれば、透過速度の速い第２中空糸膜によって、加湿効率や除湿効率を高めることができる。
【００３５】
そして、加湿効率や除湿効率に優れた第２中空糸膜を用いつつ、機械的強度の高い第１中空糸膜を、流体による衝撃の高い領域に配置させることで、中空糸膜の破損を防止しつつ、加湿効率や除湿効率を高めることが可能となる。また、これにより、小型化の要求に応えつつ、加湿や除湿を十分に行うことが可能となる。更に、これにより、燃料電池における隔壁（イオン交換膜）を保湿するための加湿装置に好適に適用することが可能となる。
【００３６】
また、本発明における中空糸膜モジュールの別の具体的な構成としては、
ケース内に充填された中空糸膜の中空内部を通る第１経路と、中空糸膜の外壁面側を通る第２経路とを設け、一方の経路に除湿対象流体を流し、他方の経路に加湿対象流体を流すことで、中空糸膜の膜分離作用によって一方の経路から他方の経路に水分の透過が行われる中空糸膜モジュールにおいて、
前記ケース内に束状に充填された中空糸膜束の外側であって、前記除湿対象流体あるいは加湿対象流体が束内に流れ込んでくる領域付近及び束外へ流れ出ていく領域付近のうちの少なくともいずれか一方に膜分離に寄与しない糸が配設されていることを特徴とする。
【００３７】
本発明の構成により、流体が中空糸膜束内に入り込んでくる領域付近及び束外へ流れ出ていく領域付近のうちの少なくともいずれか一方において、膜分離に寄与しない糸によって、流体による衝撃を緩衝することができる。
【００３８】
以上のように、機械的強度の高い第１中空糸膜あるいは膜分離に寄与しない糸を、流体による衝撃の高い領域に配設することによって、当該衝撃を緩衝できるため、他の領域には、比較的機械的強度の低い中空糸膜を採用することが可能となる。つまり、一般的に加湿効率や除湿効率を優先すると機械的強度が低くなってしまう中空糸膜を採用することが可能となるため、加湿効率及び除湿効率を高めることができる。その結果、中空糸膜の破損を防止しつつ、小型化の要求に応え、かつ、加湿や除湿を十分に行うことも可能となる。
【００３９】
なお、上記各構成は、可能な限り組み合わせて採用し得る。
【００４０】
【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。ただし、この実施の形態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。
【００４１】
（第１の実施の形態）
図１〜図３を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る中空糸膜モジュールについて説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る中空糸膜モジュールの一端側から見た図である。図２は本発明の第１の実施の形態に係る中空糸膜モジュールの軸線に沿って切断した模式的断面図である。図３は本発明の第１の実施の形態に係る中空糸膜モジュールに配管接続部を備えたハウジングを取り付けた状態における軸線に沿って切断した模式的断面図である。
【００４２】
本実施の形態に係る中空糸膜モジュール１００は、円筒形状のケース１１０と、このケース１１０内に充填される、複数本の第１中空糸膜１２１、及び複数本の第２中空糸膜１２２とを備えている。
【００４３】
第１中空糸膜１２１と第２中空糸膜１２２は、束になってケース１１０内に充填されている。そして、ケース１１０の両端部において、各第１中空糸膜１２１及び各第２中空糸膜１２２はいずれも中空内部のみが開放するように、第１ポッティング部１３１及び第２ポッティング部１３２により封止固定されている。通常、エポキシ等の接着剤によって充填され、これが固化することでポッティング部は形成される。
【００４４】
また、ケース１１０の側面側の両端には、第１ポッティング部１３１及び第２ポッティング部１３２よりも中央側に、それぞれ第１開口部１１１及び第２開口部１１２が設けられている。本実施の形態では、第１開口部１１１及び第２開口部１１２は、ケース１１０の周方向に沿って複数個設けられている。
【００４５】
以上のように構成された中空糸膜モジュール１００は、例えば、図３に示すように、その両端に第１ハウジング１４０及び第２ハウジング１５０が組み付けられて利用される。
【００４６】
第１ハウジング１４０には、第１配管接続部１４１と第２配管接続部１４２が設けられている。同様に、第２ハウジング１５０にも、第１配管接続部１５１と第２配管接続部１５２が設けられている。
【００４７】
ここで、第１ハウジング１４０における第１配管接続部１４１は、第１ポッティング部１３１側において、第１中空糸膜１２１及び第２中空糸膜１２２における中空内部に通じる流路の一部となる配管の接続部である。また、第１ハウジング１４０における第２配管接続部１４２は、第１開口部１１１からケース１１０内であって、第１中空糸膜１２１及び第２中空糸膜１２２の外壁面側に通じる流路の一部となる配管の接続部である。同様に、第２ハウジング１５０における第１配管接続部１５１は、第２ポッティング部１３２側において、第１中空糸膜１２１及び第２中空糸膜１２２における中空内部に通じる流路の一部となる配管の接続部である。また、第２ハウジング１５０における第２配管接続部１５２は、第２開口部１１２からケース１１０内であって、第１中空糸膜１２１及び第２中空糸膜１２２の外壁面側に通じる流路の一部となる配管の接続部である。
【００４８】
また、各流路間あるいは流路と外部との間で流体の漏れが発生しないように、これら第１ハウジング１４０及び第２ハウジング１５０とケース１１０との間にはシール性が要求される。従って、第１ハウジング１４０及び第２ハウジング１５０をケース１１０に組み付ける場合には、例えばＯリング等のシール部材を介在させつつ、第１ハウジング１４０及び第２ハウジング１５０をケース１１０に組み付ける構成とするのが望ましい。
【００４９】
なお、中空糸膜モジュールに組み付ける、配管接続部を備えたハウジングとしては、大別すると、中空糸膜モジュール全体を収納するタイプと、配管接続部を必要とする部分に部分的にハウジングを取り付けるタイプがある。本実施の形態では後者のタイプの一例として、ケース１１０の両端にそれぞれハウジングを組み付ける構成を示した。勿論、これに限らず、適宜の構成のハウジングを採用することが可能である。
【００５０】
以上の構成により、各第１中空糸膜１２１及び各第２中空糸膜１２２の中空内部を通る第１経路と、各第１中空糸膜１２１及び各第２中空糸膜１２２の外壁面側を通る第２経路が形成される。
【００５１】
第１経路を流れる流体に関して更に詳しく説明すると、まず、流体は第２ハウジング１５０の第１配管接続部１５１に接続された不図示の配管から第２ハウジング１５０内に入り、第２ポッティング部１３２側から中空糸膜モジュール１００内に導かれる（図３中矢印Ｓ０）。そして、各第１中空糸膜１２１及び各第２中空糸膜１２２の中空内部を通り、第１ポッティング部１３１側から中空糸膜モジュール１００の外部へ抜けて、第１ハウジング１４０の第１配管接続部１４１に接続された不図示の配管へと流れていく（図３中矢印Ｓ１）。
【００５２】
次に、第２経路を流れる流体に関して更に詳しく説明すると、まず、流体は第１ハウジング１４０の第２配管接続部１４２に接続された不図示の配管から第１ハウジング１４０内に入り、第１開口部１１１からケース１１０内に入る（図３中矢印Ｔ０）。そして、中空糸膜束内に入り、各第１中空糸膜１２１及び各第２中空糸膜１２２の外壁面側を通っていく。その後、中空糸膜束の外側へ出て、第２開口部１１２からケース１１０の外部へと出て行き、第２配管接続部１５２に接続された不図示の配管へと流れていく（図３中矢印Ｔ１）。
【００５３】
なお、上述した第１経路と第２経路における流体の流れる方向は、上記の説明とは逆方向でも良いが、加湿効率や除湿効率を考慮すると、中空糸膜における膜の内外において、中空内部における流体の流れる方向と膜外部における流体の流れる方向が逆方向になるのが望ましい。
【００５４】
そして、これら第１経路と第２経路のうちの一方に、除湿対象流体（例えば、水蒸気などの湿潤ガスや水）を流し、他方に加湿対象流体（例えば、乾燥気体）を流すことによって、各第１中空糸膜１２１及び各第２中空糸膜１２２による膜分離作用によって一方の経路から他方の経路に水分の透過を行わせることができる。
【００５５】
これにより、除湿対象流体は除湿され、加湿対象流体は加湿されることになる。従って、以上のように構成される中空糸膜モジュール１００を利用することで、加湿や除湿を行うことが可能となる。
【００５６】
次に、第１中空糸膜１２１及び第２中空糸膜１２２に関して、より詳しく説明する。
【００５７】
第１中空糸膜１２１は、加湿効率や除湿効率を高めるよりも、機械的強度を高めることを優先した特性を有している。少なくとも、第１中空糸膜１２１は第２中空糸膜１２２に比べて機械的強度が高くなっている。ここで、第１中空糸膜１２１の機械的強度を高めるためには、例えば、以下に示す条件のうちの少なくとも１以上を満たすことで達成できる。
【００５８】
条件の一つとしては、第１中空糸膜１２１は、その膜厚が厚いことが挙げられる。より具体的には、少なくとも第１中空糸膜１２１は第２中空糸膜１２２に比べて、その外径が大きいか、あるいはその内径が小さいかのうちの少なくともいずれか一方を満たすように構成される。このように、第１中空糸膜１２１は、その膜厚が厚いことで機械的強度が高くなる。
【００５９】
また、他の条件の一つとしては、第１中空糸膜１２１が、水分の透過速度よりも中空糸膜の破断強度を優先した製造条件によって製造されることが挙げられる。
【００６０】
更に、他の条件の一つとしては、第１中空糸膜１２１の素材が、水分の透過速度よりも中空糸膜の破断強度を優先したものであることが挙げられる。具体的な素材の例としては、ポリメタフェニレンイソフタルアミドやポリイミドが挙げられる。
【００６１】
これに対して、第２中空糸膜１２２は、機械的強度を高めるよりも、加湿効率や除湿効率を高めることを優先した特性を有している。少なくとも、第２中空糸膜１２２は第１中空糸膜１２１に比べて加湿効率や除湿効率が高くなっている。
【００６２】
ここで、加湿効率や除湿効率を高めるためには、上述のように、水分の透過性能を上げること（透過速度を速くすること）や膜の有効面積を大きくすることが挙げられる。
【００６３】
水分の透過性能を上げるためには、例えば、第２中空糸膜１２２は、その膜厚が薄いか、中空糸膜の破断強度よりも水分の透過性能を優先した製造条件によって製造されるか、その素材が水分の透過性能を優先したものであるか、あるいは、これらのいずれか２つ以上を同時に満足するものであることが挙げられる。
【００６４】
また、膜の有効面積を大きくするためには、中空糸膜の外径を小さくすることが挙げられる。何故ならば、外径が小さければ、充填できる中空糸膜の本数が増えるため、充填スペースにおける容積に対する膜の有効面積の比率が上がり、膜の有効面積が大きくなるからである。
【００６５】
第２中空糸膜１２２の主となる素材の具体例としては、イミド系素材が挙げられ、その中でも、好ましくはポリエーテルイミドやポリメタフェニレンイソフタルアミドが挙げられる。
【００６６】
以上のように、本実施の形態においては、ケース１１０内に充填させる中空糸膜として、特性の異なる２種類の第１中空糸膜１２１と第２中空糸膜１２２を含ませるようにした。ここで、上述のように、第１中空糸膜１２１は機械的強度に優れた特性を有し、一方、第２中空糸膜１２２は加湿効率や除湿効率に優れた特性を有する。なお、機械的強度に優れ、かつ、加湿効率や除湿効率に優れた中空糸膜を用いるのが好ましいことは勿論であるが、これらを同時に満足することは技術的に困難性が伴ってしまう。つまり、通常、加湿効率や除湿効率を高めるほど、機械的強度が低下し、機械的強度を高めるほど、加湿効率や除湿効率が低下してしまう関係にあるからである。
【００６７】
そして、本実施の形態では、機械的強度に優れた第１中空糸膜１２１を、流体（除湿対象流体あるいは加湿対象流体）の流速が速く、流体による衝撃が大きい領域に配設するようにした。
【００６８】
ここで、一般的に、中空糸膜モジュールにおいて、流体による衝撃が大きくなる領域について簡単に説明する。
【００６９】
通常、中空糸膜の中空内部を通る流体に関しては、特に問題になることはない。一方、中空糸膜の外壁面側を通る流体に関しては、中空糸膜の破断等の要因となる。何故ならば、中空糸膜の外壁面は、そのような流体によって衝撃を受けるため、中空糸膜は揺動する。すると、中空糸膜の根本部分（固化されたポッティング部との界面部分）に応力が集中するため、この部分で破断等が生じることがあるからである。そして、流体による衝撃が大きくなる領域は、流速の速い領域であり、通常、流体の流れが集中する領域に相当する。更に具体的には、一般的に、中空糸膜束内に流れ込んでくる付近や中空糸膜束外に流れ出ていく付近に相当し、流入口付近や排出口付近に相当する。
【００７０】
本実施の形態では、円筒形状のケース１１０の側面に、円周に沿って複数の第１開口部１１１及び第２開口部１１２が設けられ、これらの付近が、流速が速く、中空糸膜の受ける衝撃が大きな部分となる。
【００７１】
そこで、本実施の形態では、第２中空糸膜１２２によって円柱状の束を形成し、その外周を覆うように、第１中空糸膜１２１を配設させるようにした（図１参照）。これにより、少なくとも第１開口部１１１及び第２開口部１１２の付近には、第１中空糸膜１２１が配設されるようにした。
【００７２】
以上のように構成したことにより、中空糸膜束内に流れ込む領域及び中空糸膜束外へ流れ出ていく領域においては、機械的強度の高い第１中空糸膜１２１が配設されており、第１中空糸膜１２１が破断等による破損を生じてしまうおそれは低い。
【００７３】
また、第１中空糸膜１２１によって流体による衝撃が緩衝されるため、束内部の中空糸膜が流体から受ける衝撃は少ない。従って、加湿効率や除湿効率を優先したことによって、第１中空糸膜１２１に比べて機械的強度が低くなった第２中空糸膜１２２においても、流体の衝撃が少ないことから膜破断等の破損が生じてしまうという問題は解消され、品質性に優れる。
【００７４】
そして、第２中空糸膜１２２は加湿効率や除湿効率が高いため、中空糸膜モジュール１００全体としてみれば、十分な加湿効率及び除湿効率を発揮するため、十分に加湿や除湿を行うことができる。また、本実施の形態では、第１中空糸膜１２１自体も加湿や除湿に寄与することからも、十分な加湿効率及び除湿効率を発揮する。
【００７５】
次に、上記第１中空糸膜１２１を配設する領域に関して、更に詳しく説明する。
【００７６】
第１開口部１１１及び第２開口部１１２の付近に配設する第１中空糸膜１２１の配設領域の範囲は、ケース１１０の内径寸法に対して、ケース１１０の内周面側における開口部の位置から２〜２０％、好ましくは、５〜１０％の距離の範囲である。その理由は、２％以下の場合には、緩衝機能が十分に発揮されず膜破断のおそれがあり、２０％以上の場合には、加湿効率及び除湿効率を十分に高めることが困難であり、小型化の要求にも十分に応えられなくなるからである。
【００７７】
以上のように、本実施の形態に係る中空糸膜モジュール１００によれば、小型化の要求に応えつつ、加湿や除湿を十分に行うことができ、中空糸膜の破損を防止できることから品質性にも優れている。
【００７８】
従って、本実施の形態に係る中空糸膜モジュール１００は、燃料電池（固体高分子型燃料電池）における隔壁（イオン交換膜）を保湿するための加湿装置に好適に適用することができる。このような加湿装置については、例えば、特開２００２−２８９２２８号公報に開示されているが、以下、簡単に説明する。
【００７９】
燃料電池においては、水素と酸素の反応により電気と水蒸気が発生するが、この反応時に発生した電気は水分子を伴って移動するため、隔壁（イオン交換膜）を常に保湿しておく必要がある。
【００８０】
そして、この保湿を行うために中空糸膜モジュールを利用した加湿装置を用いることが考えられている。このような加湿装置においては、加湿対象気体である乾燥空気を、コンプレッサ等によって中空糸膜モジュールに設けられた２つの経路のうちの一方に流して、乾燥空気が加湿された後に加湿された気体を隔壁に送り込む構成となる。そして、燃料電池においては、反応によって生じた排気ガスに水蒸気が含まれることから、この排気ガスを除湿対象気体として用い、これを中空糸膜モジュールに設けられた２つの経路のうちの他方に流す構成となる。
【００８１】
そして、特に車載用に用いられる燃料電池用の加湿装置の場合には、中空糸膜モジュールに流れ込む空気の流量が多く、空気による衝撃が大きい条件下で使用される。また、装置の小型化の要求も高い。そして、装置の小型化に応えるために、中空糸膜モジュールを小型化した場合には、膜の単位面積当たりに対する流体の流量も大きくなるために、一層、中空糸膜が受ける衝撃も大きくなる。なお、空気流量に関しては、定置用の場合が１００〜１５００ＮＬ／ｍｉｎ程度であるのに対して、車載用の場合には２００〜３５００ＮＬ／ｍｉｎである。
【００８２】
このように、燃料電池用の加湿装置の場合には、これに適用される中空糸膜モジュールに対して、小型化の要求に応えつつ、加湿効率が高く、流体の流れの激しい環境下で中空糸膜の破損が生じないことが要求される。
【００８３】
上述した本実施の形態に係る中空糸膜モジュール１００は、これらの要求に応えることができ、燃料電池用の加湿装置に好適に用いることができる。
【００８４】
これまで説明した本実施の形態に係る中空糸膜モジュール１００をより具体化した実施例と、比較例とについて比較実験した結果を説明する。
【００８５】
まず、実施例として、ケース１１０として、内径６８ｍｍ，両端の側面にそれぞれ８個ずつの孔（第１開口部１１１及び第２開口部１１２に相当）を備えた円筒形状のものを用いた。
【００８６】
そして、内径が５００μｍ，外径が７００μｍのポリエーテルイミドからなる第２中空糸膜１２２を４０００本用いて円筒状となるように束ね、内径が７５０μｍ，外径が１０５０μｍのポリエーテルイミドからなる第１中空糸膜１２１を４４５本用いて、第２中空糸膜１２２の束の外側を覆うように配設して、２種類の中空糸膜からなる束を、上記のケース１１０の中に充填して中空糸膜モジュール１００を作製した。
【００８７】
なお、この場合の第１中空糸膜１２１の配設領域は、ケース１１０の内周面から約６ｍｍ（ケース１１０の内径寸法に対して８．８％）であった。
【００８８】
これに対して、比較例として、実施例と同じケース内に、内径が５００μｍ，外径が７００μｍのポリエーテルイミドからなる中空糸膜を５０００本束状にして充填して中空糸膜モジュールを作製した。
【００８９】
これらの中空糸膜モジュールに対して、中空糸膜の中空内部を通る第１経路には、温度８０℃，圧力１００ｋＰａ，流量１０００ＮＬ／ｍｉｎの湿潤気体を流し、中空糸膜の外壁面側を通る第２経路には、温度６５℃，圧力１５０ｋＰａ，流量２０００ＮＬ／ｍｉｎの乾燥空気を流すようにした。そして、乾燥空気の流量を、２０００ＮＬ／ｍｉｎと０ＮＬ／ｍｉｎが交互に変化するように繰り返す実験を行った。
【００９０】
すると、上記実施例では、１００００回繰り返した後も、膜の破断が生じなかったのに対して、比較例では１０００回繰り返した後に、膜の破断が確認された。
【００９１】
（第２の実施の形態）
図４及び図５には、本発明の第２の実施の形態が示されている。図４は本発明の第２の実施の形態に係る中空糸膜モジュールの模式的断面図である。図５は図４中、ＡＡ断面図である。
【００９２】
上記第１の実施の形態のように、円筒形状のケースの側面に、流入口も排出口も設ける構成とした場合には、一般的に、中空糸膜束の中心付近の中空糸膜については加湿や除湿に寄与しにくい。そこで、ケースを内管と外管からなる２重構造とすることで、中空糸膜束全体が加湿や除湿に寄与しやすくした構成が知られている。本実施の形態では、そのような構成の場合を説明する。
【００９３】
図示のように、本実施の形態に係る中空糸膜モジュール２００は、円筒形状の外ケース２１０と、この外ケース２１０の内部に同心的に設けられる略円筒形状の内ケース２２０と、これらのケース間に充填される、複数本の第１中空糸膜２３１、及び複数本の第２中空糸膜２３２とを備えている。
【００９４】
そして、外ケース２１０には開口部２１１が設けられ、内ケース２２０にも開口部２２１が設けられている。なお、ポッティング部に関しては、上記第１の実施の形態と同様であるので、その説明は省略する。
【００９５】
本実施の形態における第１中空糸膜２３１と第２中空糸膜２３２に関しても、上記第１の実施の形態の場合と同様であり、前者は機械的強度を優先した特性を有し、後者は加湿効率及び除湿効率を優先した特性を有し、詳細については、既に説明した通りであるので、その説明は省略する。
【００９６】
そして、本実施の形態においては、中空糸膜モジュール２００の一方の端面側から各第１中空糸膜２３１及び各第２中空糸膜２３２の中空内部に入り（図４中矢印Ｓ０）、中空内部を通って、外部へと抜けていく（図４中矢印Ｓ１）第１経路が形成される。
【００９７】
また、内ケース２２０内に入り（図４中矢印Ｔ０）、その後、内ケース２２０に設けられた開口部２２１から中空糸膜束内に入り（図４中矢印Ｔ１）、各第１中空糸膜２３１及び各第２中空糸膜２３２の外壁面側を通って、外ケース２１０に設けられた開口部２１１から外部へと排出される（図４中矢印Ｔ２）第２経路が形成される。
【００９８】
本実施の形態では、上記第１の実施の形態と比較すると、ケースを２重構造にした分だけ、小型化の要求に対しては欠点を有するが、第２経路に関して、中空糸膜束の全体を流れていく経路となることから、加湿効率や除湿効率が高くなる利点がある。
【００９９】
そして、本実施の形態では、内ケース２２０に設けられた開口部２２１の付近と、外ケース２１０に設けられた開口部２１１の付近で流体の衝撃が大きくなる。従って、本実施の形態では、外ケース２１０の内周部分と、内ケース２２０の外周部分に第１中空糸膜２３１を配設して、これらの間に第２中空糸膜２３２を配設するようにした。
【０１００】
本実施の形態においても、上記第１の実施の形態の場合と同様の効果を得ることができることは言うまでもない。
【０１０１】
（その他の実施の形態）
上述した第１の実施の形態あるいは第２の実施の形態における、機械的強度の高い第１中空糸膜の代わりに、中空糸膜ではなく、膜分離に寄与しない糸、例えば、糸の内部が詰まった（中実）の棒状樹脂を用いることも考えられる。
【０１０２】
この場合には、膜分離に寄与しない糸自体は、加湿や除湿に寄与されないという欠点を有するものの、この糸自体が切断等した場合でも、リークなどの問題が生じることはなく、また、流体による衝撃を緩衝できる機能を損なわないという利点がある。
【０１０３】
また、上記第１の実施の形態あるいは第２の実施の形態において、第１中空糸膜を配設する手法に関しては、特に限定されるものではないが、複数本の第１中空糸膜を並べて簾織りにしたものを用いると好適である。
【０１０４】
簾織りしたものを用いれば、第２中空糸膜による束の外側に巻きつけることで（第２の実施の形態の場合には、更に、内ケースの外側に巻き付けることで）、所望の領域に容易に第１中空糸膜を配設できるため、作業が容易なものとなる。
【０１０５】
また、簾織りにしておけば、第１中空糸膜同士の揺れを低減できる効果もあるため、中空糸膜の膜破断を一層防止できる効果もある。
【０１０６】
また、上記第１の実施の形態では、特性の異なる２種類の中空糸膜を充填する構成を示したが、他にも特性の異なる中空糸膜を充填して、３種類以上の中空糸膜を充填しても良い。例えば、機械的強度や加湿効率等が、第１中空糸膜と第２中空糸膜の中間の特性を有する中空糸膜を第１中空糸膜と第２中空糸膜の間に介在させることが考えられる。
【０１０７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明により、小型化の要求に応えつつ、加湿や除湿を十分に行うことができ、中空糸膜の破損を防止できることから品質性にも優れている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る中空糸膜モジュールの一端側から見た図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る中空糸膜モジュールの軸線に沿って切断した模式的断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る中空糸膜モジュールに配管接続部を備えたハウジングを取り付けた状態における軸線に沿って切断した模式的断面図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る中空糸膜モジュールの模式的断面図である。
【図５】図４中、ＡＡ断面図である。
【図６】従来技術に係る中空糸膜モジュールの一端側から見た図である。
【図７】従来技術に係る中空糸膜モジュールの使用状態を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
１００ 中空糸膜モジュール
１１０ ケース
１１１ 第１開口部
１１２ 第２開口部
１２１ 第１中空糸膜
１２２ 第２中空糸膜
１３１ 第１ポッティング部
１３２ 第２ポッティング部
１４０ 第１ハウジング
１４１ 第１配管接続部
１４２ 第２配管接続部
１５０ 第２ハウジング
１５１ 第１配管接続部
１５２ 第２配管接続部
２００ 中空糸膜モジュール
２１０ 外ケース
２１１ 開口部
２２０ 内ケース
２２１ 開口部
２３１ 第１中空糸膜
２３２ 第２中空糸膜
Claims (4)
- ケース内に充填された中空糸膜の中空内部を通る第１経路と、中空糸膜の外壁面側を通る第２経路とを設け、一方の経路に除湿対象流体を流し、他方の経路に加湿対象流体を流すことで、中空糸膜の膜分離作用によって一方の経路から他方の経路に水分の透過が行われる中空糸膜モジュールにおいて、
前記ケース内に充填される中空糸膜は、少なくとも第１中空糸膜と第２中空糸膜を含む特性の異なる複数種類の中空糸膜により構成されると共に、
前記第１中空糸膜は第２中空糸膜に比べて機械的強度が高く、かつ、該第１中空糸膜は、前記ケース内に束状に充填された中空糸膜束における束の表面側の領域であって、前記除湿対象流体あるいは加湿対象流体が束内に流れ込んでくる領域及び束外へ流れ出ていく領域のうちの少なくともいずれか一方に配設されていることを特徴とする中空糸膜モジュール。 - 前記第２中空糸膜は第１中空糸膜に比べて外径が小さい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。
- 前記第２中空糸膜は第１中空糸膜に比べて透過速度が速い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。
- ケース内に充填された中空糸膜の中空内部を通る第１経路と、中空糸膜の外壁面側を通る第２経路とを設け、一方の経路に除湿対象流体を流し、他方の経路に加湿対象流体を流すことで、中空糸膜の膜分離作用によって一方の経路から他方の経路に水分の透過が行われる中空糸膜モジュールにおいて、
前記ケース内に束状に充填された中空糸膜束の外側であって、前記除湿対象流体あるいは加湿対象流体が束内に流れ込んでくる領域付近及び束外へ流れ出ていく領域付近のうちの少なくともいずれか一方に膜分離に寄与しない糸が配設されていることを特徴とする中空糸膜モジュール。
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