JP2007218539A - Hollow fiber membrane module - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to a hollow fiber membrane module configured by housing a hollow fiber membrane bundle composed of a plurality of hollow fiber membranes in a container.
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。 Conventionally, as a hollow fiber membrane module, for example, the following Patent Document 1 describes a module applied to a humidifier for humidifying a gas supplied to a fuel cell. This hollow fiber membrane module accommodates a hollow fiber membrane bundle composed of a plurality of hollow fiber membranes in a container, and fixes both ends of each hollow fiber membrane with a tube plate made of resin. Both ends are opened.
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。 Then, the first gas is supplied to the outside of the hollow fiber membrane in the container, and the second gas is supplied to the inside of the hollow fiber membrane. At this time, each gas contacts the inner and outer surfaces of the hollow fiber membrane. Since it flows, the water vapor on the gas side having a high water vapor partial pressure is humidified by selecting and passing the hollow fiber membrane to the gas side having a low water vapor partial pressure.
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。
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。 By the way, when a fuel cell is mounted on a vehicle with many layout restrictions on various components, the required dimension setting of the hollow fiber membrane module as described above cannot be secured for a humidifier that is mounted on the vehicle together with the fuel cell. Cases occur, and hollow fiber membrane modules are generally cylindrical in shape. However, when they are rectangular, the above-mentioned dimension setting requirements may not be satisfied, and sufficient humidification efficiency is obtained. There will be no.
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。 Then, even if it is a case where there are many restrictions with respect to the shape etc. of a hollow fiber membrane module, this invention aims at making a hollow fiber membrane module function efficiently.
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。 The present invention accommodates a hollow fiber membrane bundle composed of a plurality of hollow fiber membranes in a container, distributes a first gas outside the hollow fiber membrane in the container, and places the first gas inside the hollow fiber membrane. In the hollow fiber membrane module in which the gas of 2 is circulated, a first gas supply unit for supplying the first gas to the outside of the hollow fiber membrane in the container on a side surface of one end of the hollow fiber membrane module, A first gas outflow portion for allowing the first gas to flow out of the container is provided on a side surface of the other end of the hollow fiber membrane module, and the first gas is directed from one end to the other end of the hollow fiber membrane module. The first gas is ejected from the first gas supply unit in a direction substantially opposite to the flow direction of the first gas.
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。 According to the present invention, the first gas is ejected from the first gas supply unit in the direction opposite to the flow direction of the first gas from one end to the other end of the hollow fiber membrane module. Even if the residence time of the first gas flowing outside the membrane is long and the area of the hollow fiber membrane that can be effectively used is widened and there are many restrictions on the shape of the hollow fiber membrane module, the hollow fiber membrane module It can function efficiently.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
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。 FIG. 1 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 2, which is a plan view of a humidifying device including a hollow fiber membrane module 1 showing the first embodiment of the present invention. This humidifier humidifies a gas supplied to a fuel cell (not shown). By humidification, a solid polymer electrolyte membrane such as perfluorocarbon sulfonic acid used in the fuel cell is kept in an appropriate wet state, thereby In addition to preventing a decrease in conductivity, poor contact between the solid polymer electrolyte membrane and the electrode is prevented to improve output.
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。
Such a humidifier has a cylindrical shape as a whole, and houses the hollow fiber membrane module 1 described above inside a
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。
The upper and lower ends of the hollow
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。 That is, the dry humidified gas as the second gas flows from the opening serving as the gas supply port at the upper end in FIG. 1 of each hollow fiber membrane described above and flows through the hollow fiber membrane, so that the hollow fiber After being humidified by the humidified humidified gas as the first gas supplied to the outside of the membrane, it flows out of the module through an opening serving as a gas discharge port at the lower end.
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。
In FIG. 1, the
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。
The
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。
On the other hand, the
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。
And the 1st
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。
A
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。
Thereby, an annular first
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。
That is, the humidified gas as the first gas flows from the first
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。
Next, the operation will be described. As shown in FIG. 1, the humidified gas that is the second gas is supplied from the end opening of each hollow fiber membrane that opens to the surface of the
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。 The humidified gas supplied from the upper end opening of the hollow fiber membrane flows downward in the hollow fiber membrane and flows out of the module from the lower end opening.
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。
On the other hand, after the humidified gas introduced from the first
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。 In such a gas flow process, water vapor in the humidified gas flowing outside the hollow fiber membrane permeates the hollow fiber membrane and humidifies the humidified gas flowing in the hollow fiber membrane.
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。
By the way, the flow of the humidified gas flowing outside the hollow fiber membrane in the module case is not uniform, and the flow velocity differs depending on each part as in the hollow
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。
In such a hollow
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。
3 and 4 described above, the portion with the slowest gas flow velocity is the diametrical center in the vicinity of the
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。 As shown in FIGS. 3 and 4, the portion where the flow velocity of the gas flowing outside the hollow fiber membrane is slow is difficult for the gas to reach and the hollow fiber membrane is not effectively used. Will not work well.
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。
Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 1, the
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。
Thereafter, the humidified gas that has entered the central portion flows downward in the central portion and flows outwardly as indicated by an arrow D at the lower end portion, along with the main flow of the humidified gas indicated by the arrow B, the first The gas flows out from the first
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。
Thus, in the present embodiment, the
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。
In the present embodiment, the humidified gas flowing into the
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。
The
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。
In the above-described first embodiment, all of the plurality of
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。
FIG. 5 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 1 and FIG. 6 is a plan view of a humidifier equipped with a hollow
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。
As shown in FIG. 6, the
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。
According to the second embodiment, the humidified gas can be supplied from the
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。
In addition, since the
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。
FIG. 7 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 1 of a humidifier equipped with a hollow
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。
The hollow
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。
In the
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。
That is, here, the
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。
According to the third embodiment, the humidified gas that has flowed into the first
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。
As shown in FIG. 9, the humidified gas that has entered the
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。
On the other hand, the humidified gas that has entered the
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。
As described above, the humidified gas flowing into the
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。
In each of the above-described embodiments, an example in which a humidified gas is allowed to flow inside the hollow fiber membrane and a humidified gas is allowed to flow outside the hollow fiber membrane is shown. A humidified gas may be allowed to flow. Further, the hollow
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。
Further, in each of the above-described embodiments, the hollow
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
1,1A, 1B Hollow
5a 1st gas inlet (1st gas supply part, through-hole)
5a1 Through-
7 Hollow
29 Communication pipe (first gas supply section, first gas supply passage)
29a First gas outlet
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