JP2005321188A - 水分透過型の中空糸膜の束を備えた水分交換モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 水分透過型の中空糸膜の束を備えた水分交換モジュールを提供する。
【解決手段】 水分交換モジュールが、水分透過型の中空糸膜の束を備える。これには、内部の流れ内で中空糸膜を通って流れるガス流を供給するための供給ラインが設けられる。ガス流が通って流れ得る断面は、ライン要素の断面から開始して、中空糸膜の束の断面へと広がる。本発明によれば、ガスの流れから液体粒子を分離する手段が、供給ラインと中空糸膜の束との間の領域内に設けられる。これらの手段は、溝の形態で設計され、遠心力がこの手段へ向かう液体粒子の移動を助けるような形で、ガスの流れが案内されるように配置される。水分交換モジュールは、燃料電池システムのための供給空気を給湿するために使用され得ることが好ましい。
【選択図】 図２

Description

本発明は、請求項１の前文に、より詳細に定義されている種類の、水分透過型の中空糸膜の束を備えた水分交換モジュールに関する。

さらに、本発明は、この種の水分交換モジュールの使用法に関する。

包括的な種類の、数々の水分交換モジュールが、一般的な先行技術より知られている。例示として、ここで、特許文献１、特許文献２、及び特許文献３に記載されている水分交換モジュールを参照する。可能な最も高い交換率を得るために、これらの水分交換モジュールは、それぞれ、非常に複雑な流路を備えている。

さらに、これらの水分交換モジュールは、特に、特許文献３より明らかとなるように、中空糸膜を通る内部の流れが、常に、給湿されるべきガス流の流れであるので、その使用法が限定される。

特開２００２-２９８８８２号公報 特開２００２-２９８８８３号公報 独国特許出願公開第１０２１４０７８Ａ１号明細書

本発明の目的は、中空糸膜を通る及びその回りの内部の及び外部の流れについて柔軟に使用され得る、コンパクトで高性能の水分交換モジュールを提供することである。

さらに一般的な先行技術について、欧州特許出願公開第１３２３４７８Ａ２号明細書も参照するが、ここでは、ガス流の方向が絶え間なく変更されることを利用して、ガス流から液滴を分離する、液滴分離器としてのいわゆる遠心式分離器について開示している。燃料電池によって生成された蒸気と水との混合物から水を分離するための、このような分離器の使用法についても提案されている。

本発明によれば、本目的は、請求項１の特徴を述べた節に記載された特徴によって達成される。

基本的に、ガス流から液体を分離する手段は、液滴がガス流から取り除かれるので、浮遊液体粒子のない、ガス又は蒸気の単一相の流れのみが中空糸膜内に存在するという重要な利点を提示する。さらに、液体粒子が束の中空糸膜を塞ぐことは不可能である。

液体粒子が分離されることにより、湿気のあるガス流も中空糸膜を通って流れることができるようになるので、水分交換モジュールの使用法がより柔軟なものとなり、このことにより、この中に含まれる液体粒子又は液滴のために問題が生じることはない。問題とは、主に、浮遊液体粒子が、中空糸膜内に存在する二相の流れの圧力損失を、純粋なガス又は蒸気の流れの場合の圧力損失より大きくさせることである。

この場合に使用される分離手段は、簡単な溝であり、この溝は、遠心力が溝へ向かう液体粒子の移動を助けるようにガスの流れが経由する領域内に配置される。したがって、液体粒子の非常に良好な分離が、簡単な溝によって達成され得る。

さらに、ガス流から液体を分離する手段はまた、ガス流が通って流れ得る中空糸膜の非常に小さい断面が塞がれる可能性を防止することもできる。

本発明による水分交換モジュールの好ましい使用法が、請求項８に記載されている。

この使用法によれば、水分交換モジュールは、特にプロセスガス流を乾燥させ、給湿するために、たとえば燃料電池からの湿った交換ガスにより燃料電池又はガス発生システムのための供給空気を給湿するために使用され得る。しかしながら、非常に高い水分交換率と合わせ、コンパクトかつ軽量に設計することが、たとえば車両内の駆動方式として又は補助電源装置（ＡＰＵ）としての、この種の燃料電池システムの構造及び使用法によっては、極めて重要である。本発明による水分交換モジュールは、これらの要件を満足させるものであり、したがって、上記の使用法のための非常に良い水分交換モジュールである。

本発明による水分交換モジュールのさらに好ましい形態が、残りの従属項から及び例示的実施形態から見出される。以下、図面を参照しながら、これらについて、より詳細に説明する。

図１は、非常に概略的に示された燃料電池システム１を示している。このシステムは、カソード空間３が陽子伝導膜（陽子交換膜、ＰＥＭ）４によりアノード空間５から分離される燃料電池２を具備する。燃料電池２は、一般に知られている方法で、そのアノード空間５内の水素（Ｈ_２）及びそのカソード空間３内の空気から電力を発生させることができる。燃料電池２は、１つの燃料電池として構築されることがあるが、特に１列に並んだ多数の燃料電池の形態で、即ちいわゆる燃料電池スタックとして構築されることもある。この結果、陽子伝導膜４が乾燥して損傷するのを保護するために、コンプレッサ６を介してカソード空間３に供給された空気は、概略的に示されている水分交換モジュール７内で、燃料電池２から流れ出る交換ガスによって給湿される。交換ガス内に存在する水分が、水蒸気に対して透過性のある中空糸膜を通って、カソード空間３に流れる空気へと運ばれるので、この空気は給湿されて、陽子伝導膜４を湿らせる。陽子伝導膜４は、このようにして、乾燥して損傷すること及び／又は早期に経年変化することから保護される。

ここに例示されている水分交換モジュール７の例示的実施形態においては、燃料電池２からの湿った交換ガスは、このため、中空糸膜の束８を通って流れる。この外部表面は、この回りを流れる、燃料電池２のために給湿されるべき空気を含む。このような構造は、水分交換モジュール７に湿ったガス流を送るための供給ラインの領域内に置かれた、液体粒子を分離する手段９によって可能となる。手段９は、ガス流から液滴を取り除くので、液滴が、束８の中空糸膜を塞いだり、二相の流れのために、中空糸膜を通って流れる間に圧力損失が増加したりすることがない。したがって、手段９により、初めて、本明細書に例示されている方法で水分交換モジュール７を接続することができるようになり、したがって、動作信頼性、圧力損失の最小化、及び信頼性のために、交換容量及びサイズを大きくする必要がない。

液体粒子を分離する手段９により、最小サイズの水分交換モジュール７内で使用することが初めて可能となった、図１に示されている構造は、その回りを媒体が流れる中空糸膜の上流に配置されたコンプレッサ６に対して、非常に効果的である。何故なら、圧力損失は、中空糸膜の回りを流れる間より、中空糸膜の中にある時の方が高いからである。しかし、手段９は、純粋なガス又は蒸気の流れよりかなり高い圧力損失が生じかねない、ガス又は蒸気及び浮遊液体粒子の二相の流れを防止するので、このようなより高い圧力損失を限度内に保つことができる。したがって、同じコンプレッサのパワーについて、燃料電池２内のより高い内圧が可能となる。この結果、一方では、所定の内圧について、コンプレッサ６のサイズ及びパワー、及びコンプレッサ６のエネルギ消費量が最小限に抑えられ、又は他方では、コンプレッサ６の所定のサイズ及びパワーについて、より高い内圧で改良された熱力学により、燃料電池２の効率が増加し得る。

使用される燃料電池システム１によっては、燃料電池２のアノード空間５に、水素貯蔵所からの水素が、又はガス発生システムによって発生した水素が、たとえば液化炭化水素から供給される。純粋水素システムの場合には、アノード空間５は、デッドエンドモードで又はアノードループで動作し、これに対して、ガス発生システム内で発生した水素の場合には、アノード空間５からの残留ガスが、交換ガスとして排出される。したがって、図１に、アノード空間５とカソード空間３からの交換ガスとを連結する点線で接続して示されているように、給湿のために使用される湿った交換ガスは、カソード空間３だけから又はカソード空間３及びアノード空間５の両方からの、いずれかから生じ得る。さらに、給湿された供給空気はまた、カソード空間３に供給するため以外に、少なくとも一部が、たとえばＤＥ１０３０９７９４号明細書で説明されているように、オートサーマル改質、水蒸気改質、及び随意の下流水性ガス転化段階により、たとえば液化炭化水素から水素を含むガスを発生させるのに必要な水の量の少なくともいくらかを提供するために、たとえば使用され得る。

以下の記載は、それぞれ、燃料電池システム１内の水分交換モジュール７の、上記に提示した、この例示的実施形態に関する。しかし、本発明は、この種の水分交換モジュール７の適用形態に限定されるものではない。

基本的に、考えられるすべての水及び液滴分離器が、液体粒子の分離手段９として使用されることがある。しかし、水分交換モジュール７のためのコンパクトな設計を達成するために、手段９は、モジュール内又は供給ラインの区域内に統合されるべきである。

図２は、水分交換モジュール７のハウジング１１内のガス流のための流入領域１０の第１の実施形態を示している。液体粒子を分離する手段９は、この場合、流入領域１０の壁の領域内に溝１２として設計される。液滴は、この溝１２内に集まることができ、次いで、ここではバルブの形態で示されている装置１３により、手段９の領域から排出され得る。溝１２の全長を効果的に使用できるようにするために、溝１２は、流れに垂直に、又は少なくとも流れの個々の速度成分に垂直に配置されることがある。

手段９の効率を増加させるために、ライン要素１４が、供給ラインの領域内に、ガス流内に渦運動を発生させる手段１５を備える。ガス流内に渦運動を発生させる、この手段１５は、たとえば、ねじれた帯板を、又は適宜、断面が星形状のねじれた部材をも具備することがある。許容できる流れ抵抗と合わせて、ガス流内に十分な渦運動を作るために、部材又は帯板は、約７０°〜２７０°、特に約半回転（１８０°）ねじれていることがある。部材又は帯板は、たとえば、耐食性のシートメタル材料、耐熱性のプラスチックなどから構成されることがある。

流入領域１０内のガス流の均一な分散を改良することにより、束の中空糸膜がより改良されて利用され、したがって最終的に水分交換モジュール７がよりコンパクトとなるという、さらに有益な効果が得られるが、これに加えて、渦運動により液体粒子を分離する効果も著しく改良される。これは、ガス流がその渦運動のために流入領域１０の壁に沿って流れる領域内に、溝１２が配置されるので、ガス流内に存在する液滴がその最も重い構成成分として、遠心力により溝１２の領域内に入り、この中に集まるためである。

図３に例示されている流入領域１０の実施形態は、断面が突然広がるのではなく、連続して広がっていくという点においてのみ、図２に例示されている実施形態と異なっている。この場合も、ガスの流れが、手段１５によって作られる渦運動により、非常に短い設計の流入領域１０全体に非常にうまく分散されることを強調しておかなければならない。液体粒子を分離する手段９は、この場合も同様に、溝１２の形態で設計される。しかし、この溝１２は、ライン要素１４の領域内に配置される。ガス流の渦運動によりこの領域内にゆきわたっている遠心力により、上述した効果に匹敵し得る効果が生じる。したがって、この場合も、液体粒子は溝１２内で非常にうまく分離される。

図４は、水分交換モジュール７のさらなる形態を例示している。流入領域１０内でガス流の均一な分散を達成するために、ここでは環状の進路変更手段１６が設けられており、この場合、中空糸膜の束８の長手軸Ｌに垂直に配置されたライン要素１４と流入領域１０との間に置かれ、これによりガス流が、直接流入領域１０内に流れ込むことができず、常にまず進路変更手段１６により進路が変えられる。環状の進路変更手段１６は、この場合、進路変更手段１６と流入領域１０の壁との間に、環状の隙間１７を形成するように構成される。この環状の隙間１７は、中空糸膜の束８から遠隔にある側だけで流入領域１０に接続されるか、又はここでガス流が中空糸膜の束８に流れることができるように開いている。

液体粒子を分離する手段９は、この場合も、溝１２の形態で設計される。この溝１２は、進路変更手段１６によりガス流が進路を変える領域内に配置されるので、この場合も、遠心力により、液体粒子が溝１２の領域内に集まるのがより容易となる。その上、ここに例示されている構造の場合においては、ガス流が中空糸膜の束８に対して接線方向に環状の隙間１７内に導入されるので、ガス流が接線方向に流れ込み、流入領域１０の又は環状の隙間１７の壁に沿って流れると、このことがまたさらに改良され得る。

勿論、本明細書に例示されている手段９のすべての実施形態は、それぞれ、ガス流内に渦運動を発生させる手段１５、接線方向の接続、液体を排出する装置１３、及び／又は進路変更手段１６を備える場合も、備えない場合もあるが、同様に、水分交換モジュール７の流入領域１０の異なる形態と合わせて、互いに交換されかつ組み合わせられ得る。

本発明による水分交換モジュールを備えた燃料電池システムの概略図である。 本発明による水分交換モジュールの流入領域を概略的に示した、第１の実施形態の長手方向の断面図である。 本発明による水分交換モジュールの流入領域を概略的に示した、第２の実施形態の長手方向の断面図である。 本発明による水分交換モジュールの流入領域を概略的に示した、第３の実施形態の長手方向の断面図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３ カソード空間
４ 陽子伝導膜（陽子交換膜、ＰＥＭ）
５ アノード空間
６ コンプレッサ
７ 水分交換モジュール
８ 中空糸膜の束
９ 液体粒子を分離する手段
１０ 流入領域
１１ ハウジング
１２ 溝
１３ 装置
１４ ライン要素
１５ ガス流内に渦運動を発生させる手段
１６ 進路変更手段
１７ 環状の隙間

Claims (9)

1. 水分透過型の中空糸膜の束と、内部の流れ内で前記中空糸膜を通って流れるガス流を供給するための供給ラインとを備えた水分交換モジュールであって、
   前記ガスの流れから液体粒子を分離する手段（９）が、前記供給ラインと前記中空糸膜の束（８）との間の領域内に設けられることを特徴とする水分交換モジュール。
2. 前記手段（９）が、前記供給ラインの壁内に溝（１２）を有することを特徴とする請求項１に記載の水分交換モジュール。
3. 前記手段（９）が、前記供給ラインと前記中空糸膜の束（８）との間の流入領域（１０）の壁内に溝（１２）を有することを特徴とする請求項１または２に記載の水分交換モジュール。
4. 前記溝（１２）が、前記ガスの流れ内の少なくとも速度成分の流れの方向に、少なくともほぼ垂直に走ることを特徴とする請求項２または３に記載の水分交換モジュール。
5. 前記手段（９）が、格子（１８ａ）、穴あきメタルシート（１８ｂ）、又は編物構造（１８ｃ）を含むことを特徴とする請求項１、２、または４に記載の水分交換モジュール。
6. 前記ガスの流れが、遠心力が前記手段（９）へ向かう前記液体粒子の移動を助けるような形で案内される領域内に、前記手段（９）が配置されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の水分交換モジュール。
7. 前記手段が、前記ガスの流れの領域から、集められた液体を排出する装置（１３）を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の水分交換モジュール。
8. 燃料電池システム（１）内での、請求項１〜７のいずれか一項に記載の水分交換モジュールの使用法。
9. 前記水分交換モジュール（７）が、前記燃料電池システムのための供給空気を給湿し、前記供給空気が、圧縮装置（６）により、前記中空糸膜の外部表面に沿って前記燃料電池システム（１）内に送達され、前記燃料電池システム（１）の燃料電池（２）からの湿った交換ガスが、前記中空糸膜を通って流れることを特徴とする請求項８に記載の使用法。

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