JP2006003069A - 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、第１のガス流が通って流れ得る、水分透過型の中空糸膜の束を備える。中空糸膜の束は、ハウジング内に配置され、ハウジングには、中空糸膜の回りを流れる、第２のガス流を供給する及び排出するためのライン要素が設けられる。中空糸膜の束とハウジングとの間に、第１のガス流が通って流れ得る中空糸膜の束の領域の少なくともほぼ全長に渡って延在する、少なくとも１つの流れ空間がある。本発明によれば、少なくとも１つの流れ空間は、中空糸膜の束の周囲の小さな一部分のみを囲むので、最終的に、横流モードで動作する水分交換が形成される。これは、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１

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、第１のガス流が通って流れ得る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。

先行技術において、包括的な種類の水分交換モジュールが記載されている。例えば、特許文献１は、中空糸膜の回りを流れ、かつ中空糸膜内の流れに対して向流で案内される流れを有する、中空糸膜の束を備えた、この種の水分交換モジュールを示している。

さらに、特許文献２は、この先行技術に関係して、湿ったガス流が、開口部が設けられたラインを介して中空糸膜の束の中央に送られる水分交換モジュールを示しており、この湿ったガス流は、中空糸膜の回りを流れた後、束の回りに配置された収集空間内に集められ、排出される。

両方の場合において、束の一部を通る流れが乏しい、即ちガス流の量のほんの小さい一部が到達するに過ぎないか、又はガス流が全く存在しない。このことにより水分交換が悪くなり、したがって、２つのガス流の間で所定の量の水分を交換するのに、比較的大きいモジュールが必要となる。特に、特許文献２に記載されている水分交換モジュールにおいては、この回りを媒体が流れる中空糸膜の領域の断面積は、流れの方向に連続的に増加していくので、束の内部全体よりも中空糸膜の束のより大きい直径の領域内のより少ない中空糸膜が盛んに利用される。このことにより、水分交換モジュールは、所定の交換容量に対して不必要に大きいものとなる。

ＥＰ１３３８８５２号明細書 ＤＥ１０２１４０７８号明細書

本発明の目的は、２つのガス流の間の非常に効率的な水分の交換を可能にし、かつできる限りコンパクトに製作され得る水分交換モジュールを提供することである。

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。

このような状況において、第１のガス流が通って流れ得る中空糸膜の束の長さとは、中空糸の外部の流れから中空糸の内部の流れを封じるために用意された端部を除いた長さという意味であると理解されたい。この長さ全体に延在する流れ空間のために、第２のガス流が、それぞれ軸方向の広がりを横切って中空糸膜の回りを流れることができる。直径に対する流れ空間の極めて小さい広がりが、流れ空間から中空糸膜への又は流れ空間内への、目標とする流れを作る。この目標とする流れにより、ガス流は、すべての中空糸膜の回りを均一に流れることができるので、すべての中空糸膜が効率的に利用される。したがって、この種の水分交換モジュールが、より小さく、よりコンパクトとなり得る。

中空糸膜の回りのこの流れが、中空糸膜の表面に当たる大量の流れによって作られるので、個々の中空糸膜の軸方向を横切って中空糸膜の回りを流れることにより、水分は、１つのガス流から他のガス流へと特に効率的に運ばれ得る。

したがって、本発明による水分交換モジュールにより、水分の交換が、非常に効率的にかつ中空糸膜の束の単位体積あたりに対し高い交換率で行われ得る。このことにより、非常にコンパクトな水分交換モジュールが実現され得る。

本発明による水分交換モジュールの特に好適な使用法が、請求項１４に記述されている。

この場合、水分交換モジュールは、特に、プロセスガス流を乾燥させる及び給湿するために、例えば、燃料電池からの排気ガスにより、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。同時に、非常に高い水分交換率と合わせて、コンパクトかつ軽量に設計することが、例えば車両内の駆動方式としての、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を表している。燃料電池システム１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つの燃料電池の形態であり得るが、特に１列に並んだ多数の燃料電池、即ちいわゆる燃料電池スタックの形態であり得る。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に送られた空気は、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から流れ出る排気ガスによって給湿される。

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、中空糸膜の束８を通って流れ、その外部表面は、燃料電池２のために、これらの回りを流れる、給湿すべき空気を含む。排気ガス内に存在する水分は、水蒸気に対して透過性のある中空糸膜によりカソード空間３へ流れる空気へと運ばれるので、カソード空間３に流れる空気は、給湿されて、陽子伝導膜４を湿らせ、したがって、陽子伝導膜４が、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。

圧力損失は、中空糸膜の回りを流れる間より、中空糸膜内にある時の方が高いので、ここに例示されているコンプレッサ６の配置は、特に効率的である。何故なら、これにより、同じコンプレッサのパワーに対して、燃料電池２内でより高い内圧が作られ得るからである。したがって、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そのエネルギ消費量が最小限に抑えられ、他方では、したがって、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、又は例えばガス発生システムにより液化炭化水素から発生した水素が供給される。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からの残留ガスが排気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からの排気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排気ガスは、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。

使用される燃料電池システム１が必要とする場合、給湿された供給空気はまた、少なくとも一部が、他の方法で、例えばＤＥ１０３０９７９４号明細書において行われているように、例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使用されることもある。

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、この種の本発明による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。

図２は、水分交換モジュール７の実施形態の長手方向の断面図である。この図には、中空糸膜の束８が例として示されているだけである。第１の、例えば湿った、ガス流Ａが中空糸膜の中を流れる（供給物、流れ案内などは明細書に記載されている水分交換モジュール７の形態にとってさらなる関心事ではなく、したがって記載されていない）。中空糸膜の束８は、さらに、スリーブ９によって囲まれることがある。スリーブ９は、この場合、流入及び流出するために、中空糸膜の回りを流れる第２のガス流Ｂのための好適な開口部１０を有する。この場合、スリーブにより、例えばその製作中又は交換する必要がある場合の、中空糸膜の束８の取り扱い特性が改良され得る。

ここに例示されている例示的実施形態においては、水分交換モジュール７は、流れ空間１１と流れ空間１２とを有する。２つの流れ空間１１、１２は、それぞれ、第２のガス流Ｂがその中を通って、流れ空間１１に送られ、かつ流れ空間１２から排出されるライン要素１３、１４に接続される。２つの流れ空間１１、１２は、この場合、中空糸膜の束８の周囲の又は水分交換モジュール７の一部分のみを囲む。このことはまた、特に、図３に提示されている水分交換モジュール７の断面図においても見ることができる。

図２及び図３に示されている水分交換モジュール７の形態においては、２つの流れ空間１１、１２は、中空糸膜の束８に対して又は水分交換モジュール７のハウジング１５に対して、互いに対向して位置付けられる。このことにより、言わば横流の、水分交換モジュール７を通る流れが達成され得る。

第２のガス流Ｂのガスの流れの量を、流れ空間１１の利用可能な断面全体にできる限り均一に分配するために、第２のガス流Ｂを供給するライン要素１３は、両図から分かるように、中空糸膜の束８の長さに対して中央に配置される。さらに、ガス流Ｂが直接かつ直ちに中空糸膜の束８内に流れ込むのを防止する進路変更手段１６が、ガス流Ｂを供給するためのライン要素１３と、流れ空間１１に接触している中空糸膜の束８の表面との間に設けられることがある。したがって、円板又は流れ促進体として、例えば液滴又は円錐の形状、板翼の形状などで設計されることがある進路変更手段１６は、流れ空間１１内にガス流Ｂの均一な分布を作る。このことにより、束８の中空糸膜への流れ及びその表面積の利用が改良される。

これの代わりに又はこれと平行して使用され得る、流れ空間１１内のガス流Ｂの分布を改良するさらなる装置が、図５に例示されている。この装置は、ライン要素１３の中を流れるガス流Ｂ内で渦運動を生成する手段１７である。ガス流Ｂ内でこのようにして作られる渦運動は、流れの方向の長さが短く、これを横切る方向の広がりが大きいにもかかわらず、流れ空間１１内でガス流の非常に良好な分布を作る。

例えば図５に例として示されているだけの、ガス流Ｂ内で渦運動を生成する手段１７は、例えば、らせん状の／ネジ状の部材を形成するための、シート状の材料のねじれた帯板を具備することがある。帯板は、例えば、耐食性のシートメタルなどから作られることがある。同様に、少なくとも３方に伸びた星形状の断面のねじれた部材を使用することも考えられるであろう。許容できる流れ抵抗と合わせて、ガス流Ｂ内に十分な渦運動を作るために、部材又は帯板は、約７０°〜２７０°、特に半回転（１８０°）ねじれていることがある。これにより、手段１７によって生成される流れ抵抗について許容できるレベルの発生（ｏｕｔｌａｙ）と合わせて、流れ込むガス流Ｂへの十分な渦運動が与えられ、ガス流Ｂは、流れ空間１１内に均一に分配される。

図５からも分かるように、同様に、追加の特徴として又は単独で、中空糸膜の束８内に案内部材１８を設けることもでき、この案内部材１８は、第２のガス流Ｂが通って流れ得る領域を、中空糸膜の束８内の第２のガス流Ｂの流れの長さが、案内部材１８のない実施形態と比較して長くなるように、小領域１９に分割する。案内部材１８により、ガス流Ｂが束８のできる限り多くの中空糸膜の回りを確実に流れることできるようになり、このことにより、中空糸膜の束８のサイズ、したがって最終的に水分交換モジュール７のサイズが最小限に抑えられることが可能となる。

流れ空間１１内のガス流Ｂ、したがって中空糸膜の束８を通る流れの分布を改良するためのこれらのすべての部材が、この場合、既に記述した水分交換モジュール７及び以下に記述する水分交換モジュール７内に、単独で又は所望通りに互いに組み合せることによって統合されることがある。

図６に示されている水分交換モジュール７は、２つの流れ空間１１、１２が、中空糸膜の束８の又はハウジング１５の一方の側に実質的に配置されることにより、先の図に示されている水分交換モジュール７とは異なっている。束８の領域を２つの小領域１９に分割する案内部材１８により、流れ空間１１、１２から遠隔にある側でのみ小領域１９の間の連通が可能となり、したがって最終的に、横流の水分交換モジュール７を通る流れが可能となる。流れ空間１１、１２及びこれらに接続されたライン要素１３、１４が、一方の側に配置されることにより、ガス流Ｂを供給する及び排出する場合にうまく接近することができ、また水分交換モジュール７を具備するシステム全体を梱包するための構造が簡単なものとなる。

水分交換モジュール７のさらなる代替形態が、図７に例示されている。この場合、以下に記述されている流れの方向をいつでも逆にすることができる。

図７に示されている例示的実施形態においては、ガス流Ｂは、ライン要素１３を通って流れ空間１１内に流れ込み、ガス流Ｂのための供給ラインが、中空糸膜の束８に対して実質的に接線方向に形成される。本明細書に例示されかつ説明されているすべての案内部材１８と同様に、中空糸膜の方向に面積が延在する案内部材１８が、束８の中空糸膜の回りを流れる時に、開口部２０が設けられたライン要素１４’にガス流を案内し、次いで、給湿されたガス流Ｂがここに集まり、次いでこれにより、水分交換モジュール７から排出される。個々の中空糸膜のみを考えた場合は、これはまた、横流モードで動作される水分交換モジュール７である。

図７に示されている例においては、ライン要素１４’は、中空糸膜の束８の中心に置かれている。次いでらせん状の形態の案内部材１８と共に、全体的な結果として、中空糸膜の束８のすべての領域を通る、良好かつ均一な流れが生じるので、コンパクトかつ効率的な水分交換モジュール７を達成するという観点から、中空糸膜の束８が最適な形で利用され得る。

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。 水分交換モジュールの第１の実施形態の長手方向の断面図である。 図２に示されている水分交換モジュールの断面図である。 水分交換モジュールの第２の実施形態の長手方向の断面図である。 水分交換モジュールの第３の実施形態の断面図である。 水分交換モジュールの第４の実施形態の断面図である。 水分交換モジュールの第５の実施形態の部分断面図である。

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 スリーブ
１０ 開口部
１１ 流れ空間
１２ 流れ空間
１３ ライン要素
１４ ライン要素
１５ ハウジング
１６ 進路変更手段
１７ 渦運動を生成する手段
１８ 案内部材
１９ 小領域
２０ 開口部

Claims (16)

1. 第１のガス流が通って流れる水分透過型の中空糸膜の束を備え、前記中空糸膜の束がハウジング内に配置され、前記ハウジングに、前記中空糸膜の回りを流れる第２のガス流を供給する及び排出するためのライン要素が設けられ、前記第１のガス流が通って流れ得る前記中空糸膜の束の領域の少なくともほぼ全長に渡って延在する少なくとも１つの流れ空間が、前記中空糸膜の束と前記ハウジングとの間に設けられる水分交換モジュール。
2. 前記少なくとも１つの流れ空間（１１、１２）が、前記第２のガス流（Ｂ）を供給する又は排出するための前記ライン要素（１３、１４）の１つに接続され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. ２つの流れ空間（１１、１２）があり、前記第１の流れ空間（１１）が、前記第２のガス流（Ｂ）を供給するためにライン要素（１３）に接続され、前記第２の流れ空間（１２）が、前記第２のガス流（Ｂ）を排出するためにライン要素（１４）に接続され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. 前記第２の流れ空間（１２）が、前記第１の流れ空間（１１）から前記中空糸膜の束（８）の反対側に配置されることを特徴とする請求項３に記載の水分交換モジュール。
5. 案内部材（１８）が前記中空糸膜の束（８）内に設けられ、該案内部材が、前記第２のガス流（Ｂ）が通って流れ得る領域を、前記案内部材（１８）のない場合より、前記中空糸膜の束（８）内の前記第２のガス流（Ｂ）の流れの長さが長いように、小領域（１９）に分割することを特徴とする請求項４に記載の水分交換モジュール。
6. 前記第１の及び第２の流れ空間（１１、１２）が、前記中空糸膜の束（８）の同じ側に配置され、前記中空糸膜の束（８）が、前記案内部材（１８）により、前記２つの流れ空間（１１、１２）から遠隔にある側で、相互に連通する２つの小領域（１９）に分割されることを特徴とする請求項３に記載の水分交換モジュール。
7. 流れ空間（１１）が１つのみあり、前記第２のガス流（Ｂ）を供給する又は排出するための案内部材（１３）が、前記流れ空間（１１）内へと開口しており、案内部材（１８）が前記中空糸膜の束（８）内へ延び、該案内部材が、前記ガスの流れを、前記第２のガス流（Ｂ）を排出する又は供給するためのライン要素（１４’）へと案内し、該ライン要素がその周囲に多数の開口部（２０）を有し、前記中空糸膜の束（８）内に配置され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。
8. 前記第２のガス流（Ｂ）を供給する又は排出するための前記ライン要素（１３）が、前記中空糸膜の束（８）の断面に対して接線方向に、前記流れ空間（１１）内へと開口することを特徴とする請求項７に記載の水分交換モジュール。
9. 前記案内部材（１８）が、らせん状の設計であることを特徴とする請求項７または８に記載の水分交換モジュール。
10. 前記第２のガス流（Ｂ）を供給する又は排出するための前記ライン要素（１４）が、前記中空糸膜の束（８）内の中央に配置されることを特徴とする請求項７、８または９に記載の水分交換モジュール。
11. 前記流れ空間（１１）内に流れ込む前に、前記ガス流（Ｂ）に対して渦運動を与えることができる手段（１７）が、前記第２のガス流（Ｂ）を供給するための前記ライン要素（１３）内に設けられることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の水分交換モジュール。
12. 前記ガス流（Ｂ）のための進路変更手段（１６）が、前記第２のガス流（Ｂ）を供給するための前記ライン要素（１３）と前記中空糸膜と接触している前記流れ空間（１１）の領域との間に設けられることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の水分交換モジュール。
13. 少なくとも、前記ガス流（Ｂ）を供給するための前記ライン要素（１３）が、前記第１のガス流が通って流れ得る前記中空糸膜の束（８）の長さのほぼ真ん中で、前記流れ空間（１１）内へと開口することを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の水分交換モジュール。
14. 燃料電池システム（１）内での、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の水分交換モジュールの使用法。
15. 前記水分交換モジュール（７）が、前記燃料電池システム（１）の少なくとも１つの燃料電池（２）からの湿った排気ガス（Ａ）により、前記燃料電池システム（１）のための供給空気（Ｂ）を給湿することを特徴とする請求項１４に記載の使用法。
16. 前記供給空気（Ｂ）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）に送達され、前記湿った排気ガス（Ａ）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１５に記載の使用法。

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