JP2005040675A

JP2005040675A - 中空糸膜モジュール

Info

Publication number: JP2005040675A
Application number: JP2003201141A
Authority: JP
Inventors: Masaharu Saito; 昌晴齋藤; Tamio Inamura; 民雄稲村; Takahiro Hayashi; 隆浩林
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 2003-07-24
Filing date: 2003-07-24
Publication date: 2005-02-17

Abstract

【課題】中空糸膜束内における流体の流れの均等化を図り、加湿効率あるいは除湿効率の向上を図った中空糸膜モジュールを提供する。
【解決手段】中空糸膜モジュール１０に、連通孔５１を有する仕切り板５０を設ける。この仕切り板５０は、略円筒形状のケース２０内に、円筒軸の中心を通るように配設され、短手方向の両端が、ケース２０の内壁面に密接するようにする。そして、ケース２０に設けられる入口２１は、ケース側面のうち仕切り板５０を介して一方側に設けられ、出口２２はケース側面のうち仕切り板５０を介して他方側に設けられるようにし、入口２１から入った流体は、必ず、仕切り板５０に設けられた連通孔５１を通って出口２２から出て行くようにする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、中空糸膜の膜分離作用を利用して、加湿あるいは除湿を行う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、中空糸膜の膜分離作用を利用して加湿あるいは除湿を行う中空糸膜モジュールが知られている。例えば、固体高分子型燃料電池においては、水素などの燃焼ガス及び酸素などの酸化剤ガス（以下、両者を反応ガスと称する）を加湿して供給する装置が必要であり、この加湿装置に上述した中空糸膜モジュールを利用したものが知られている。
【０００３】
このような従来技術に係る中空糸膜モジュールについて図７及び図８を参照して説明する。図７は従来技術に係る中空糸膜モジュールの縦断面図である。図８は従来技術に係る中空糸膜モジュールの横断面図（図７におけるＢＢ方向の断面図）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１００は、ケース１２０と、このケース１２０内に充填される複数の中空糸膜１３０とを備える。ケース１２０は略円筒形状であり、両端が開口している。そして、ケース１２０の側面には、ケース内外を連通する入口１２１と出口１２２が設けられている。
【０００５】
このケース１２０内に充填された複数の中空糸膜１３０は、その両端において、中空糸膜内部のみが開放されるように封止固定されている。つまり、ケース１２０の一端に第１封止固定部１４１が設けられ、その他端に第２封止固定部１４２が設けられている。
【０００６】
このように構成される中空糸膜モジュール１００には、ケース１２０の一端側から、中空糸膜１３０の中空内部を通って、ケース１２０の他端側へと抜けていく第１経路が形成される。また、この中空糸膜モジュール１００には、ケース１２０の入口１２１から、中空糸膜１３０の外壁面側を通って出口１２２へと抜けていく第２経路が形成される。
【０００７】
そして、第１経路と第２経路のうちの一方に反応ガスを流し、他方に水あるいは水蒸気を流す。これにより、他方に流された水あるいは水蒸気の一部は、中空糸膜の膜分離作用によって、反応ガス側へと透過され、反応ガス内で拡散される。このようにして、反応ガスを加湿することが可能となる。
【０００８】
ところで、中空糸膜の膜分離作用を利用した中空糸膜モジュールにおいては、加湿あるいは除湿に寄与する中空糸膜の膜表面積を如何に広くするかで、性能が決まる。従って、ケース内に充填された複数の中空糸膜に対して、如何に均等に流体を流せるかによって、加湿性能あるいは除湿性能は決まる。上記図７及び図８に示す中空糸膜モジュール１００の場合には、ケース１２０の内壁面と中空糸膜束との間には隙間ができやすいため、この部分の流れの抵抗が最も少なくなる。これにより、第２経路に関しては、ケース１２０の内壁面付近に近いほど流量が多くなり、中空糸膜束の中で流量が不均等となる。なお、図７，８中の矢印は第２経路における流体の流れを示している。従って、束の中央付近の中空糸膜は加湿あるいは除湿への寄与が少なくなるため、加湿性能あるいは除湿性能を低下させる原因となる。
【０００９】
なお、関連する公知技術としては、特許文献１〜３に開示された技術がある。
【００１０】
【特許文献１】
特開平７−２４５１１６号公開公報
【特許文献２】
特開２００１−２０１１２０号公開公報
【特許文献３】
特開２００２−２１９３３９号公開公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的の一つとしては、中空糸膜束内における流体の流れの均等化を図ることが挙げられる。
【００１２】
また、本発明の目的の一つとしては、加湿効率あるいは除湿効率の向上を図ることが挙げられる。
【００１３】
【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。
【００１４】
すなわち、本発明は、中空糸膜束の中に、流体の流れる位置を定める流通孔が設けられた仕切り部材を配置するようにした。これにより、流体の流れを制御することが可能となった。従って、流体の流れの均等化を図ることが可能となった。
【００１５】
より具体的な、本発明の中空糸膜モジュールとしては、
複数本の中空糸膜と、
これらの中空糸膜を収容するケースと、を備え、
中空糸膜の中空内部を通る第１経路、及び中空糸膜の外壁面側を通る第２経路が形成され、
中空糸膜の膜分離により、これらの経路を流れる流体相互間で、水分の分離が行われる中空糸膜モジュールであって、
前記ケース内に、複数本の中空糸膜を複数の束に分ける仕切り部材が設けられると共に、
該仕切り部材には、第２経路の一部となり、第２経路中の流体の流れる位置を定める流通孔が設けられていることを特徴とするものが挙げられる。
【００１６】
本発明の構成によれば、仕切り部材に設けられた流通孔により、第２経路中の流体の流れが定められ、当該流体の流れが制御される。従って、第２経路における流体の流れの均等化を図れる。
【００１７】
ここで、前記仕切り部材は、前記ケースの内壁面に沿って流れる第２経路中の流体を規制するように、該ケース内に配置されると共に、
規制された流体が、該ケースの中央付近に流れていくように、前記流通孔が配置されているとよい。
【００１８】
このように構成すれば、通常、最も流量が大きくなるケースの内壁面に沿って流れる流体を、強制的にケースの中央付近に流れていくようにすることができる。
【００１９】
また、第２経路の入口が、ケース側面のうち前記仕切り部材を介して一方側に設けられ、
第２経路の出口が、ケース側面のうち前記仕切り部材を介して他方側に設けられるとよい。
【００２０】
なお、上記各構成は、可能な限り組み合わせて採用し得る。
【００２１】
【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。
【００２２】
図１〜図５を参照して、本発明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は本発明の実施の形態に係る中空糸膜モジュールの縦断面図である。図２は本発明の実施の形態に係る中空糸膜モジュールの横断面図（図１におけるＡＡ方向の断面図）である。図３は図１に示す縦断面図において、第２経路中の流体の大まかな流れを示した図である。図４は図２に示す横断面図において、第２経路中の流体の大まかな流れを示した図である。図５は本発明の実施の形態に係る中空糸膜モジュールの構成部材の一つである仕切り板の平面図である。
【００２３】
図示のように、本実施の形態に係る中空糸膜モジュール１０は、ケース２０と、このケース２０内に充填される複数の中空糸膜３０とを備える。ケース２０は略円筒形状であり、両端が開口している。そして、ケース２０の側面には、ケース内外を連通する入口２１と出口２２が設けられている。
【００２４】
このケース２０内に充填された複数の中空糸膜３０は、その両端において、中空糸膜内部のみが開放されるように封止固定されている。つまり、ケース２０の一端に第１封止固定部４１が設けられ、その他端に第２封止固定部４２が設けられている。封止固定部に用いる封止剤としては、通常、エポキシ樹脂が用いられるが、その他、ポリウレタンやシリコーンを用いることもできる。
【００２５】
ここで、中空糸膜モジュール１０の製造工程の一例を説明する。まず、ケース２０内に、後述する仕切り板５０を配置させた状態で、複数の中空糸膜３０を充填する。この中空糸膜３０のケース２０の容積に対する充填率は、３０〜６５％、好ましくは４０〜６０％となるようにすると良い。その後、遠心法を用いて、ケース２０の両端で、それぞれ中空糸膜３０及び仕切り板５０をエポキシ樹脂により封止固定する。その後、ケース２０両端を切断して、中空糸膜３０の中空内部のみを開放する。以上により、中空糸膜モジュール１０が完成する。
【００２６】
このように構成される中空糸膜モジュール１０には、ケース２０の一端側からケース２０内に入り（矢印Ｙ１）、中空糸膜３０の中空内部を通って、ケース２０の他端側へと抜けていく（矢印Ｙ２）、第１経路が形成される。また、この中空糸膜モジュール１０には、ケース２０の入口２１からケース２０内に入り（矢印Ｘ１）、中空糸膜３０の外壁面側を通って出口２２へと抜けていく（矢印Ｘ２）、第２経路が形成される。
【００２７】
以上のような構成により、中空糸膜モジュール１０を、加湿膜モジュールとして利用する場合には、第１経路あるいは第２経路のうちの一方に、加湿対象流体（例えば乾燥気体）を流し、他方に水分を含む流体（例えば、水蒸気や水）を流す。これにより、膜分離作用によって水分を含む流体中の水分の一部が加湿対象気体側に透過され分散されることで、加湿対象流体の湿度を高めることができる。例えば、中空糸膜モジュール１０を、固体高分子型燃料電池において、水素などの燃焼ガス及び酸素などの酸化剤ガスを加湿して供給するための加湿装置に好適に利用することができる。
【００２８】
これに対して、中空糸膜モジュール１０を、除湿膜モジュールとして利用する場合には、第１経路あるいは第２経路のうちの一方に、除湿対象流体（例えば湿潤気体）を流し、他方に乾燥気体（例えば乾燥空気）を流す。これにより、膜分離作用によって除湿対象流体中の水分の一部が乾燥気体側に透過されるため、除湿対象気体の湿度を下げることができる。
【００２９】
ここで、本実施の形態に係る中空糸膜モジュール１０には、連通孔５１を有する仕切り部材としての仕切り板５０が設けられている。この仕切り板５０は、略円筒形状のケース２０内に、円筒軸の中心を通るように配設される。これにより、ケース内に充填される複数の中空糸膜３０は、仕切り板５０によって２つの束に分けられている。また、この仕切り板５０は、その長手方向の両端が、第１封止固定部４１、及び第２封止固定部４２によって固定されている。更に、この仕切り板５０における短手方向の両端は、ケース２０の内壁面に密接している。
【００３０】
そして、上述したケース２０に設けられる入口２１は、ケース側面のうち仕切り板５０を介して一方側に設けられ、出口２２はケース側面のうち仕切り板５０を介して他方側に設けられる。従って、入口２１から入った流体は、必ず、仕切り板５０に設けられた連通孔５１を通って出口２２から出て行く。
【００３１】
これにより、連通孔５１によって、第２経路における流体の流れを制御することができる。そして、本実施の形態では、この連通孔５１は、仕切り板５０の中央に設けている。これにより、入口２１から入った流体は、中空糸膜束内部の中央付近を必ず通ることになる（図３，４参照）。すなわち、入口２１から入った流体に関しては、ケース２０の内壁面に沿って流れる流量が多くなるが、この内壁面に沿って流れてきた流体は仕切り板５０によって規制される。そして、規制された流体は、連通孔５１が設けられた中空糸膜束の中央に向かって流れていく。そして、連通孔５１を通った流体は、比較的流れやすい外周方向に向かって拡散していく。従って、中空糸膜束内における流体の流量を均等化することが可能となる。
【００３２】
次に、仕切り板５０に設ける連通孔５１の寸法の好適な例を説明する。
【００３３】
まず、長手方向における連通孔５１の端部から封止固定部までの距離、すなわち、図１中Ｌ１，Ｌ２は、封止固定部間の距離（図１中Ｌ）に対して、各々２０％以下とする。好ましくは、連通孔５１の端部が、封止固定部の端面から入口２１あるいは出口２２が設けられた位置付近までの範囲とする。Ｌ１，Ｌ２を上記の範囲よりも長くすると、出口２２側への流体の流れが拡散しにくくなる。従って、十分に流量の均等化を図ることができなくなる。
【００３４】
また、短手方向における連通孔５１の端部からケース２０の内壁面までの距離、すなわち、図２中Ｄ１，Ｄ２は、ケース２０の内径Ｄに対して、各々２〜３０％程度、好ましくは５〜２０％とする。Ｄ１，Ｄ２を上記の範囲よりも小さくすると、流体を中央に十分に流すことができなくなってしまう。また、Ｄ１，Ｄ２を上記の範囲よりも大きくすると、出口２２側への流体の流れが拡散しにくくなる。従って、いずれの場合も、十分に流量の均等化を図ることができなくなる。また、後者の場合には、圧力損失が増大してしまうという不具合もある。
【００３５】
更に、上記２条件を満たしつつ、連通孔５１の開口面積は、仕切り板５０における封止固定部によって封止される部分を除く総面積（連通孔５１の面積も含む）に対して、４０％以上、好ましくは６０％以上にすると良い。以上の３条件を満たすようにすれば、中空糸膜束内における流体の流量を好適に均等化することが可能となる。
【００３６】
（その他）
これまでの説明では、仕切り板は１枚のみ設ける場合を示した。しかし、仕切り板の枚数は、１枚に限らず複数設けることができる。仕切り板を複数設けることで、流体の流れを更に細かく制御することが期待できる。例えば、複数の仕切り板に対して、ケースの内周付近とならない範囲内で、連通孔が段違いになるようにすれば、流体が広範囲にわたり流れることになる。従って、中空糸膜束内における流体の流量を、より好適に均等化することが期待できる。
【００３７】
また、仕切り板に設ける連通孔に関して、上記の説明では１個のみ設ける場合を示した。しかし、連通孔の数は１個に限らず複数設けることができる。その一例を図６（Ａ）に示す。この仕切り板５０ａには、連通孔５１ａが複数（４個）設けられている。この場合でも、上記実施の形態で示した仕切り板５０の場合と同様の効果を得ることは説明するまでもない。
【００３８】
また、連通孔の形状についても、仕切り板５０や仕切り板５０ａに設けた連通孔のように略四角形とする必要はなく、適当な形状にすることができる。その一例を図６（Ｂ）に示す。この仕切り板５０ｂには、円形の連通孔５１ｂが多数設けられている。この場合でも、上記実施の形態で示した仕切り板５０の場合と同様の効果を得ることは説明するまでもない。
【００３９】
また、図６（Ａ）（Ｂ）に示すように、連通孔を複数設けた場合には、仕切り板を介して両側の中空糸膜同士の絡み合いを抑制できる利点がある。従って、連通孔付近での圧力損失を抑制できる効果がある。
【００４０】
また、図６（Ａ）（Ｂ）に示すように、連通孔を複数設けた場合における連通孔の寸法の好適な条件としては、連通孔の最外周を結んで囲んだ部分（各図における点線で囲った部分）が、上述した連通孔５１における好適な条件を満たすようにすれば良い。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、中空糸膜束内における流体の流れの均等化を図ることができる。また、加湿効率あるいは除湿効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る中空糸膜モジュールの縦断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る中空糸膜モジュールの横断面図である。
【図３】図１に示す縦断面図において、第２経路中の流体の大まかな流れを示した図である。
【図４】図２に示す横断面図において、第２経路中の流体の大まかな流れを示した図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る中空糸膜モジュールの構成部材の一つである仕切り板の平面図である。
【図６】仕切り板の変形例を示す平面図である。
【図７】従来技術に係る中空糸膜モジュールの縦断面図である。
【図８】従来技術に係る中空糸膜モジュールの横断面図である。
【符号の説明】
１０中空糸膜モジュール
２０ケース
２１入口
２２出口
３０中空糸膜
４１第１封止固定部
４２第２封止固定部
５０，５０ａ，５０ｂ仕切り板
５１，５１ａ，５１ｂ連通孔

Claims

複数本の中空糸膜と、
これらの中空糸膜を収容するケースと、を備え、
中空糸膜の中空内部を通る第１経路、及び中空糸膜の外壁面側を通る第２経路が形成され、
中空糸膜の膜分離により、これらの経路を流れる流体相互間で、水分の分離が行われる中空糸膜モジュールであって、
前記ケース内に、複数本の中空糸膜を複数の束に分ける仕切り部材が設けられると共に、
該仕切り部材には、第２経路の一部となり、第２経路中の流体の流れる位置を定める流通孔が設けられていることを特徴とする中空糸膜モジュール。
前記仕切り部材は、前記ケースの内壁面に沿って流れる第２経路中の流体を規制するように、該ケース内に配置されると共に、
規制された流体が、該ケースの中央付近に流れていくように、前記流通孔が配置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。
第２経路の入口が、ケース側面のうち前記仕切り部材を介して一方側に設けられ、
第２経路の出口が、ケース側面のうち前記仕切り部材を介して他方側に設けられることを特徴とする請求項１又は２に記載の中空糸膜モジュール。