JP2011025154A - Hollow fiber membrane module for moisture exchange - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、たとえば燃料電池システムに用いて好適な水分交換用中空糸膜モジュールに係り、特に、被加湿ガスに対する加湿効率を向上させる技術に関する。 The present invention relates to a moisture exchange hollow fiber membrane module suitable for use in, for example, a fuel cell system, and more particularly to a technique for improving humidification efficiency with respect to a humidified gas.
燃料電池としては、平板状の膜電極構造体(MEA:Membrane Electrode Assembly)の両側にセパレータが積層された積層体が単位セルとされ、複数の単位セルが例えば数百層積層されて燃料電池スタックとして構成された燃料電池が知られている。膜電極構造体は、正極(空気極、カソード)および負極(燃料極、アノード)を構成する一対の電極の間にイオン交換樹脂等からなる電解質膜が挟まれた三層構造である。このような燃料電池によると、例えば、燃料極側のガス拡散電極に面するガス流路に燃料ガスを流し、空気極側のガス拡散電極に面するガス流路に酸化剤ガスを流すと電気化学反応が起こり、発電が生じる。 As a fuel cell, a stacked body in which separators are stacked on both sides of a flat membrane electrode assembly (MEA) is used as a unit cell, and a fuel cell stack is formed by stacking several unit cells, for example, several hundred layers. A fuel cell configured as is known. The membrane electrode structure has a three-layer structure in which an electrolyte membrane made of an ion exchange resin or the like is sandwiched between a pair of electrodes constituting a positive electrode (air electrode, cathode) and a negative electrode (fuel electrode, anode). According to such a fuel cell, for example, when a fuel gas is caused to flow through a gas passage facing the gas diffusion electrode on the fuel electrode side and an oxidant gas is caused to flow through a gas passage facing the gas diffusion electrode on the air electrode side, A chemical reaction occurs, generating electricity.
ここで、上記のような電気化学反応を安定させるためには、膜電極構造体が湿潤していることが望ましい。たとえば、特許文献1には、燃料ガス流路内で燃料ガスに発電生成水が水蒸気となって加わることにより、水蒸気分圧が上昇した使役後のアノード排出ガスを加湿ガスとし、未使役の燃料ガスを加湿する燃料電池システムが開示されている。 Here, in order to stabilize the electrochemical reaction as described above, it is desirable that the membrane electrode structure is wet. For example, Patent Document 1 discloses that an anode exhaust gas after use in which the partial pressure of water vapor is increased by adding power generation generated water as water vapor to the fuel gas in the fuel gas flow path is used as a humidified gas, and unused fuel. A fuel cell system for humidifying gas is disclosed.
ところで、近年、燃料電池の高性能化に伴って膜電極構造体は薄くなる傾向にあり、電気化学反応で生成され空気極側に出てくる水が燃料極側へ移動するという現象が生じるようになってきた。このため、燃料ガスを加湿すると燃料極の湿潤状態が過剰となり、燃料と燃料極との接触が妨げられるフラッディングと呼ばれる現象が生じる。一方、空気極側は、湿潤の程度が過剰でも電気化学反応にはさほど差し障りがない場合のあることが知られている。したがって、最近では、燃料ガスを加湿するよりも酸化剤ガスを加湿する技術が重要視されてきている。 By the way, in recent years, the membrane electrode structure tends to become thinner as the performance of the fuel cell becomes higher, and the phenomenon that the water generated by the electrochemical reaction and coming out to the air electrode side moves to the fuel electrode side seems to occur. It has become. For this reason, when the fuel gas is humidified, a wet state of the fuel electrode becomes excessive, and a phenomenon called flooding occurs in which contact between the fuel and the fuel electrode is hindered. On the other hand, on the air electrode side, it is known that there are cases in which the electrochemical reaction is not so hindered even when the degree of wetting is excessive. Therefore, recently, a technique for humidifying the oxidant gas rather than humidifying the fuel gas has been emphasized.
酸化剤ガスを加湿する従来の自動車用燃料電池システムとして、たとえば、特許文献2には、水蒸気透過膜で区切られた加湿器の一方の空間に乾燥した未使役の酸化剤ガスを供給し、他方の空間に湿潤した使役後の酸化剤ガスの排気(オフガス)を供給して、水蒸気透過膜を介してオフガスから酸化剤ガスへ水分を移動させる技術が開示されている。 As a conventional automobile fuel cell system for humidifying oxidant gas, for example, Patent Document 2 supplies dry unused oxidant gas to one space of a humidifier partitioned by a water vapor permeable membrane, A technique is disclosed in which exhausted oxidant gas (off-gas) after being used is supplied to the space of the water to move moisture from the off-gas to the oxidant gas via a water vapor permeable membrane.
しかしながら、上記技術では、略平面状の水蒸気透過膜を介してその両側からガスを接触させて水分移動を行うため、接触領域が小さく、連続的に供給される酸化剤ガスに対して水分移動が間に合わず、加湿効率が十分ではないという問題があった。 However, in the above technique, since the moisture is moved by contacting the gas from both sides through the substantially planar water vapor permeable membrane, the contact area is small, and the moisture is moved with respect to the continuously supplied oxidant gas. There was a problem that the humidification efficiency was not sufficient in time.
このような問題に対して、たとえば、特許文献3〜6には、加湿器内に中空糸膜を充填して、未使役の酸化剤ガスを中空糸膜の中空内部に流通させるともに使役後のオフガスを中空糸膜外壁に接触するように流通させて、中空糸膜を介して水分移動を行う技術が開示されている。これらの技術によれば、加湿器内に微細な中空糸膜が多数充填されているので、水分移動を行うための接触領域は著しく増加しており、特許文献1に記載の技術と比較して加湿効率は向上している。 For such a problem, for example, Patent Documents 3 to 6 describe that after filling a hollow fiber membrane in a humidifier, an unused oxidant gas is circulated inside the hollow of the hollow fiber membrane, and after use. A technique is disclosed in which off-gas is circulated so as to be in contact with the outer wall of the hollow fiber membrane and moisture is transferred through the hollow fiber membrane. According to these techniques, since a large number of fine hollow fiber membranes are filled in the humidifier, the contact area for performing moisture movement is remarkably increased, compared with the technique described in Patent Document 1. Humidification efficiency is improved.
しかしながら、中空糸膜は、水分移動の際の吸湿によって膨潤するため、加湿器内に充填する際にはその寸法変化を考慮して、中空糸膜間に予め空隙を設けて充填しなければならず、密に充填することができない。このように、中空糸膜間には空隙があり、また、中空糸膜は弾性的に変形可能であるため、加湿器内にオフガスを導入すると、ガス流速が最も大きい導入部分においてオフガスが中空糸膜を押し退けて、隙間が形成されてしまう。オフガスは、この隙間をバイパス路として流れてしまうため、加湿器内を均一に流通させることができず、加湿効率が低下するという問題があった。 However, since the hollow fiber membrane swells due to moisture absorption during the movement of moisture, when filling the humidifier, it is necessary to provide a gap between the hollow fiber membranes in advance in consideration of dimensional changes. It cannot be packed closely. In this way, there is a gap between the hollow fiber membranes, and the hollow fiber membranes can be elastically deformed. Therefore, when off-gas is introduced into the humidifier, the off-gas is introduced into the hollow fiber at the introduction portion where the gas flow rate is the highest. The film is pushed away, and a gap is formed. Since the off gas flows as a bypass path through the gap, there is a problem that the humidification efficiency is lowered because the gas cannot be uniformly circulated in the humidifier.
このような問題に対して、特許文献4に記載の技術では、数本の中空糸膜を剛性棒と共に束ねて固定したものを多数製造し、これを加湿器に充填することで、中空糸膜の移動を抑制している。また、特許文献5および6に記載の技術では、加湿器内に仕切り板を設けることによって、オフガスの流路を導き、また、中空糸膜の特定の方向への偏りを抑制している。 With respect to such a problem, the technique described in Patent Document 4 manufactures a number of hollow fiber membranes that are bundled and fixed together with a rigid rod, and fills the humidifier with the hollow fiber membranes. The movement of is suppressed. Further, in the techniques described in Patent Documents 5 and 6, by providing a partition plate in the humidifier, an off-gas flow path is guided, and the bias of the hollow fiber membrane in a specific direction is suppressed.
しかしながら、特許文献4に記載の技術では、中空糸膜を剛性棒と共に束ねたものを多数製造する必要があるため、工程数が増大して好ましくない。また、特許文献5および6に記載の技術では、従来よりは中空糸膜の移動は抑制することができるものの、仕切り板で区切られた領域内での偏りまでも抑制することは困難であり、また、ガスを流通させる必要上、仕切り板を完全に閉じた構造とすることはできず、その開口部分における偏りを抑制することはできない。 However, in the technique described in Patent Document 4, it is necessary to manufacture a large number of hollow fiber membranes bundled together with a rigid rod, which is not preferable because the number of steps increases. In addition, in the techniques described in Patent Documents 5 and 6, although the movement of the hollow fiber membrane can be suppressed as compared with the conventional technique, it is difficult to suppress even the deviation in the region partitioned by the partition plate, In addition, because the gas needs to be circulated, the partition plate cannot be completely closed, and the bias in the opening cannot be suppressed.
したがって、本発明は、上記従来技術の課題を解決するためになされたもので、中空糸膜内に供給される乾燥した燃料電池未使役のガスを充分に加湿することができるのは勿論のこと、加湿器内に充填された中空糸膜の偏りを抑制して、湿潤した燃料電池使役後のオフガスを加湿器内で均一に流通させることができる水分交換用中空糸膜モジュールを提供することを目的としている。 Therefore, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, and of course, it is possible to sufficiently humidify the dry unused fuel cell gas supplied into the hollow fiber membrane. It is intended to provide a moisture exchange hollow fiber membrane module capable of suppressing the unevenness of the hollow fiber membrane filled in the humidifier and uniformly distributing the wet off-gas after use of the fuel cell in the humidifier. It is aimed.
本発明の水分交換用中空糸膜モジュールは、筒状ケースと、筒状ケース内の空間に軸方向に延在させて充填された複数の中空糸膜と、筒状ケースの両端において複数の中空糸膜を固定して上記空間を封止したシール部と、筒状ケースの一側面に設けられた導入口と、導入口が設けられた側面の対向面に設けられた排出口と、中空糸膜の一端側から中空糸膜の中空内部を経由して他端側に至る第1流体経路と、導入口から上記空間内でありかつ中空糸膜の外側を経由して排出口に至る第2流体経路と、上記空間内で軸方向に延在し、かつ第2流体経路を横切る面を有する複数の多孔部材と、上記空間内で軸方向に延在し、多孔部材と接してこれを支持し、かつ多孔部材よりも高い剛性を有する支持部材とを備えることを特徴としている。 The moisture exchange hollow fiber membrane module of the present invention includes a cylindrical case, a plurality of hollow fiber membranes filled in the space extending in the cylindrical case in the axial direction, and a plurality of hollow fibers at both ends of the cylindrical case. A sealing portion that fixes the thread membrane and seals the space; an introduction port provided on one side surface of the cylindrical case; a discharge port provided on an opposite surface of the side surface provided with the introduction port; and a hollow fiber A first fluid path from one end side of the membrane to the other end side through the hollow interior of the hollow fiber membrane, and a second fluid path from the introduction port to the discharge port in the space and outside the hollow fiber membrane A fluid path, a plurality of porous members extending in the axial direction in the space and having a surface crossing the second fluid path, and extending in the axial direction in the space, contacting and supporting the porous member And a support member having higher rigidity than the porous member.
上記構成の水分交換用中空糸膜モジュールにあっては、中空糸膜内を経由する第1流体経路に例えば乾燥した未使役のガス(酸化剤ガスあるいは燃料ガス)を流通させ、中空糸膜外を経由する第2流体経路に例えば湿潤した使役後のオフガスを流通させてオフガスの水分を未使役のガスに移動させるにあたり、中空糸膜が充填されている空間内において複数の多孔部材が配置され、かつ多孔部材と接してこれを支持する支持部材が配置されているので、中空糸膜は、支持部材で支持される多孔部材によって拘束される。特に、多孔部材は、第2流体経路を横切る面を有しているので、第2流体経路のガスに対して、中空糸膜の移動が抑制される。これにより、中空糸膜と筒状ケースとの隙間が形成されないので、オフガスは中空糸膜モジュール内を均一に流通し、効率良く水分交換を行うことができる。 In the moisture exchange hollow fiber membrane module having the above configuration, for example, dry unused gas (oxidant gas or fuel gas) is circulated in the first fluid path passing through the inside of the hollow fiber membrane, and the outside of the hollow fiber membrane. A plurality of porous members are arranged in a space filled with a hollow fiber membrane when, for example, wet, off-use off-gas is circulated through the second fluid path passing through the gas to move the moisture of the off-gas to unused gas. Since the support member that contacts and supports the porous member is disposed, the hollow fiber membrane is restrained by the porous member supported by the support member. In particular, since the porous member has a surface that crosses the second fluid path, the movement of the hollow fiber membrane is suppressed with respect to the gas in the second fluid path. Thereby, since the clearance gap between a hollow fiber membrane and a cylindrical case is not formed, an off gas can distribute | circulate the inside of a hollow fiber membrane module uniformly, and can perform a water exchange efficiently.
支持部材は、棒状に形成され、複数の多孔部材は、筒状に形成されて、前記軸方向に直交する面の断面視で複数の中空糸膜の少なくとも一部を囲繞し、複数の多孔部材のうち少なくとも一つの多孔部材は、断面視で支持部材を囲繞してなることが好ましい。多孔部材は、中空糸膜を筒状に囲んでいるので、その領域内で中空糸膜の移動が抑制される。さらに多孔部材は、支持部材をも囲んでいるので、その多孔部材の移動が抑制されることにより、囲んでいる中空糸膜の移動をより強固に抑制する。 The support member is formed in a rod shape, and the plurality of porous members are formed in a cylindrical shape, and surround at least a part of the plurality of hollow fiber membranes in a cross-sectional view of a plane orthogonal to the axial direction. Of these, at least one porous member preferably surrounds the support member in cross-sectional view. Since the porous member surrounds the hollow fiber membrane in a cylindrical shape, the movement of the hollow fiber membrane is suppressed in that region. Furthermore, since the porous member also surrounds the support member, the movement of the porous member is suppressed more firmly by suppressing the movement of the porous member.
上記のように多孔部材が筒状である場合、支持部材のうち少なくとも一つは、全ての中空糸膜よりも第2流体経路上流に配置されていることが好ましい。第2流体経路上流側は、ガスの導入口側であるためにガス流速が高く、中空糸膜の偏りが最も生じ易いので、このような上流側で中空糸膜の前に支持部材が設けられていると、支持部材による多孔部材の固定がより強固になり、ひいては全ての中空糸膜が、支持され強く固定された多孔部材に支えられるので、その移動をより強固に抑制する。 When the porous member is cylindrical as described above, it is preferable that at least one of the support members is disposed upstream of the second fluid path from all the hollow fiber membranes. Since the upstream side of the second fluid path is the gas inlet side, the gas flow rate is high and the hollow fiber membrane is most likely to be biased. Therefore, a support member is provided in front of the hollow fiber membrane on the upstream side. If so, the fixing of the porous member by the support member becomes stronger, and as a result, all the hollow fiber membranes are supported and supported by the strongly fixed porous member, so that the movement is suppressed more firmly.
一方、多孔部材が筒状に閉じておらず平面(または略平面である曲面)を形成している場合は、支持部材は、棒状に形成され、複数の多孔部材は、その2つ以上のそれぞれの辺に沿って支持部材が固定されていることが好ましい。このような態様によれば、略平面状の多孔部材の2辺以上が支持部材によって固定されているので、ガス圧力によっても多孔部材は変形・移動することなく、多孔部材は、中空糸膜を拘束してその移動を抑制する。 On the other hand, when the porous member is not closed in a cylindrical shape and forms a flat surface (or a curved surface that is substantially flat), the support member is formed in a rod shape, and the plurality of porous members are each of two or more of the porous members. It is preferable that the support member is fixed along the side. According to such an aspect, since the two or more sides of the substantially planar porous member are fixed by the support member, the porous member is not deformed / moved even by gas pressure, and the porous member is made of a hollow fiber membrane. Restrain the movement.
支持部材のうち少なくとも一つは、ケースと一体に形成されていることが好ましい。このような態様によれば、支持部材はケースと一体化されることで剛性がより向上し、多孔部材の変形・移動を確実に抑制し、ひいては中空糸膜の移動をより強固に抑制する。 At least one of the supporting members is preferably formed integrally with the case. According to such an aspect, since the support member is integrated with the case, the rigidity is further improved, the deformation / movement of the porous member is surely suppressed, and the movement of the hollow fiber membrane is more firmly suppressed.
中空糸膜の乾燥状態では、中空糸膜どうしの間および中空糸膜と多孔部材との間に形成される空隙部を有し、中空糸膜の膨潤状態では、これらが互いに接触することで空隙部を減少させることが好ましい。このような態様によれば、水分交換用中空糸膜モジュールの運転時にあって中空糸膜と多孔部材を互いに接触させることができ、ケースに沿った隙間の形成が確実に抑制される。 In the dry state of the hollow fiber membrane, there are voids formed between the hollow fiber membranes and between the hollow fiber membrane and the porous member. It is preferable to reduce the part. According to such an aspect, the hollow fiber membrane and the porous member can be brought into contact with each other during operation of the moisture exchange hollow fiber membrane module, and the formation of a gap along the case is reliably suppressed.
中空糸膜を拘束する多孔部材は、少なくともその一端をシール部で固定されていることが好ましい。このような態様によれば、ガスの流通に際して力が加わっても多孔部材の移動が抑制されるため、多孔部材と中空糸膜の摩擦による中空糸膜の損傷が抑制される。 It is preferable that at least one end of the porous member for restraining the hollow fiber membrane is fixed by a seal portion. According to such an aspect, since the movement of the porous member is suppressed even if a force is applied during the flow of gas, damage to the hollow fiber membrane due to friction between the porous member and the hollow fiber membrane is suppressed.
本発明によれば、モジュール内に充填された中空糸膜が多孔部材と筒状ケースとの間で保持されて拘束されているので、オフガスの流通による中空糸膜の偏りを抑制し、モジュール内のオフガスを均一に流通させることができる。 According to the present invention, since the hollow fiber membrane filled in the module is held and restrained between the porous member and the cylindrical case, the bias of the hollow fiber membrane due to the off-gas flow is suppressed, Can be distributed uniformly.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。まず、実施形態の説明に先立ち、本発明を適用することができる水分交換用中空糸膜モジュールの一般的な構成について、図1および2を参照して説明する。図1および2に示すように、水分交換用中空糸膜モジュールMは、筒状ケース10を有し、この筒状ケース10内の空間(以下、充填空間と略称する場合がある)には、複数の中空糸膜11が、筒状ケース10の軸方向(筒状ケースの延在する方向)と平行に充填されている。複数の中空糸膜11は、吸湿に際して膨張するため、その寸法変化を吸収するために、所定の間隔を介して充填されている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. First, prior to the description of the embodiment, a general configuration of a moisture exchange hollow fiber membrane module to which the present invention can be applied will be described with reference to FIGS. As shown in FIGS. 1 and 2, the moisture exchange hollow fiber membrane module M has a
中空糸膜11の両端は、シール部14によって筒状ケース10に固定されている。図1では、中空糸膜11は部分的に省略して図示しているが、中空糸膜11は両端のシール部14間に延在している。シール部14は、上記充填空間における中空糸膜11の外側を合成樹脂等で埋設したものであり、充填空間のみを外部に対して封止するものである。したがって、中空糸膜11の中空内部は封止されておらず、中空糸膜11の中空内部は両端とも外部に連通している。本実施形態では、中空糸膜11の一端側(矢印20)から中空糸膜の中空内部を経由して他端側(矢印21)に至る経路を第1流体経路と定義する。
Both ends of the
筒状ケース10の一側面(例えば図においては底面)には、ガスの導入口12が設けられており、導入口12の下流側であってかつ対向する面(例えば図においては頂面)には、ガスの排出口13が設けられている。本実施形態では、導入口12(矢印22)から充填空間内でありかつ中空糸膜11の外側を経由して排出口13(矢印23)に至る経路を第2流体経路と定義する。
A
上記の水分交換用中空糸膜モジュールMにおいては、例えば、乾燥した燃料電池未使役のガス20を第1流体経路に導入するとともに、このガスを燃料電池で使役した後の排気ガスであるオフガス22を第2流体経路に導入するので、乾燥した未使役のガス20が中空糸膜11内を通過すると同時に、湿潤した使役後のオフガス22は充填空間内の中空糸膜11の外側を通過する。中空糸膜11は、内外のガス交換は阻止するが、その両面に存在する微細な孔を通じて水分のみを移動させることができるため、高湿潤側から低湿潤側への水分移動が行われる。このようにして、第1流体経路および第2流体経路に導入された乾燥した未使役のガス20および湿潤した使役後のオフガス22それぞれにおいては、水分が移動し、加湿された未使役のガス21および湿度が低下した使役後のオフガス23となって排出される。
In the moisture exchange hollow fiber membrane module M described above, for example, a dry
図3は、従来の水分交換用中空糸膜モジュールにおける問題点を説明するための図である。上述したように、中空糸膜11は、湿潤によって寸法変化するために、乾燥状態にあっては所定の間隔を以って充填空間内に固定されている。また、中空糸膜11は、弾性的に変形する性質を有している。そのため、図3に示すように、オフガス22が導入口12から導入されると、ガス流速が最も大きい導入口12側で圧力が高まり、オフガス22は中空糸膜11を押し退けて変形させ、筒状ケース10の底面に沿って隙間が生じてしまう。オフガスは、矢印24で示すようにこの隙間を経由して下流側(図において右側)へ一気に移動し、その後、排出口13へ向かって流通して排出されてしまう。このように、オフガスは上流側(図において左側)においては中空糸膜11の空隙を通過せず、下流側のみで水分移動が行われるため、中空糸膜11の利用率および加湿効率が低いという問題があった。
FIG. 3 is a diagram for explaining problems in a conventional moisture exchange hollow fiber membrane module. As described above, the
第1実施形態
図4は、上述した従来の問題を解決することができる本発明の水分交換用中空糸膜モジュールの第1実施形態を示す図である。図4(a)は、中空糸膜11内を流れる第1流体経路に平行な向きで切断した断面図であり、(b)は、直交する向きで切断した断面図である。なお、図4の第1実施形態の水分交換用中空糸膜モジュールは、多孔部材30a〜30c以外の構成要素は図1および2と共通であるため、ここでは共通部分の説明および図示は省略し、第1実施形態特有の構成、作用および効果について説明する。また、以降の実施形態についても同様である。
First Embodiment FIG. 4 is a view showing a first embodiment of a moisture exchange hollow fiber membrane module of the present invention that can solve the above-mentioned conventional problems. 4A is a cross-sectional view cut in a direction parallel to the first fluid path flowing in the
図4(a)および(b)に示すように、充填空間内には、複数の筒状の多孔部材30a〜30cが、筒状ケース10の軸方向と平行に設けられており、その両端部をシール部14に埋設されることで固定されている。また、中空糸膜11の第2流体経路の最上流側には、棒状の支持部材40が、筒状ケース10の軸方向と平行に設けられており、その両端部をシール部14に埋設されることで固定されている。多孔部材30aは、一部の中空糸膜および支持部材40を囲み、多孔部材30bは、多孔部材30aおよびさらに一部の中空糸膜を囲み、多孔部材30cは、多孔部材30およびさらに一部の中空糸膜を囲んでいる。
As shown in FIGS. 4A and 4B, a plurality of cylindrical
多孔部材30a〜30cは、オフガスを十分に流通させることができる開口部を有し、オフガスのガス圧力を受けても変形しにくい剛性を有し、かつ長期の使用に耐え得るような耐食性を有する材料で構成されている。多孔部材30a〜30cは、例えばステンレス鋼等の金属やプラスチックからなるメッシュで構成してもよく、その他、開口部を多数打ち抜き形成した板状部材等とすることができる。
The
支持部材40は、少なくとも上記の多孔部材40よりも剛性が高くなるよう構成されており、多孔部材と同様、長期の使用に耐え得るような耐食性を有する材料で構成されている。例えばステンレス鋼等の金属やプラスチックを選択し、中実の棒状に形成することができる。
The
本発明におけるシール部14を形成する方法としては特に限定されず、任意の固定手段を用いることができる。本実施形態では、筒状ケース10の端部を立てた状態で充填空間に中空糸膜11、支持部材40、多孔部材30a〜30cを充填して、下端部を樹脂に浸漬して固定し、続いて上下を反転させて他端部も同様にして樹脂に浸漬して固定するポッティングを採用している。ポッティングの際、浸漬した樹脂は、中空糸膜11の内外を封止してしまうが、中空糸膜11の径よりも中空糸膜11どうしの間隔の方が小さいため、毛細管現象により樹脂の浸漬高さが異なり、中空糸膜11の外部と比較して内部の方が浅く封止される。このため、この部分を切断除去することにより、中空糸膜11内部はモジュール外界に連通させて、中空糸膜11外部のみに樹脂を残存させ、充填空間を封止することができる。
The method for forming the
本実施形態においては、中空糸膜11の湿潤による膨張率を予め把握しておく。そして膨張率が最大に達した際に中空糸膜11の移動を抑制するため、中空糸膜11どうしの間、および中空糸膜11と多孔部材30a〜30cの間が互いに接触して隙間無く密に充填されるよう、あるいは隙間が減って密度が高く充填されるようにそれぞれが配置されている。一方乾燥状態においては、これらの間に空隙部(隙間)をもって中空糸膜11と多孔部材30a〜30cが配置されている。
In this embodiment, the expansion coefficient due to the wetness of the
本発明における中空糸膜11としては、公知の中空糸膜を選択することができ、具体的には、フェノールスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリトリフルオロスチレンスルホン酸、パーフルオロカーボンスルホン酸等の高分子イオン交換膜で構成されたものや、高分子樹脂系あるいはセラミック系等の中空糸膜が挙げられる。
As the
本実施形態によれば、導入口12からオフガスが充填空間内に導入される際に導入口12近傍の中空糸膜11がガス圧力を受けても、支持部材40に接触して固定されている多孔部材30aが最も導入口側の中空糸膜11を拘束しているので、導入口12側のケース面と多孔部材30aとの間の領域の中空糸膜11の移動が抑制される。加えて、多孔部材30b、30cがさらに排出口側で中空糸膜11を拘束しているので、多孔部材30aの外側であって多孔部材30bの内側の領域の中空糸膜11、および多孔部材30bの外側であって多孔部材30cの内側の領域の中空糸膜11の移動をも抑制することができる。これにより、筒状ケース10に沿って隙間が生じることが抑制されるので、オフガスは充填空間内において上流側から下流側へ向かって均一に流通する。これにより、中空糸膜11の利用率および加湿効率が向上する。
According to the present embodiment, when the off-gas is introduced into the filling space from the
特に、本実施形態では、予め中空糸膜11の膨張率を考慮した所定の空隙を以って中空糸膜11と多孔部材30a〜30cが配置されているので、水分交換用中空糸膜モジュールの運転時にあっては中空糸膜11と多孔部材30a〜30cを互いに接触させることができ、筒状ケース10に沿った隙間の形成が確実に抑制される。
In particular, in this embodiment, since the
第2実施形態
図5は、本発明の第2実施形態に係る水分交換用中空糸膜モジュールであって、図4(b)と同様、中空糸膜11内を流れる第1流体経路に直交する向きで切断した断面図である。図5に示すように、充填空間内には、内部が複数の領域に分割された筒状の多孔部材31が、筒状ケース10の軸方向と平行に設けられており、その両端部をシール部14に埋設されることで固定されている。また、中空糸膜11の第2流体経路の最上流側には、棒状の支持部材40が、筒状ケース10の軸方向と平行に設けられており、その両端部をシール部14に埋設されることで固定されている。多孔部材31は、中空糸膜11および支持部材40を囲んでいる。多孔部材31は、縫合や溶着等の手段で接続された別の多孔部材によって内部を分割されて、3つの領域に区切られており、ガスの最上流側の領域には一部の中空糸膜11および支持部材40を囲み、下流側の他の2つの領域には残りの中空糸膜11を囲んでいる。
Second Embodiment FIG. 5 is a moisture exchange hollow fiber membrane module according to a second embodiment of the present invention, and is orthogonal to the first fluid path flowing in the
本実施形態においては、筒状の多孔部材31は、複数の筒状多孔部材が接合された形とみなすことができる。したがって、第1実施形態と同様に、導入口12からオフガスが充填空間内に導入される際に導入口12近傍の中空糸膜11がガス圧力を受けても、多孔部材31のうち支持部材40に接触して固定されている上流側の領域が最も導入口側の中空糸膜11を拘束しているので、導入口12側のケース面と多孔部材31との間の領域の中空糸膜11の移動が抑制され、多孔部材31のうち残りの下流側の領域がさらに排出口側で中空糸膜11を拘束しているので、下流側の中空糸膜11の移動をも抑制することができる。これにより、筒状ケース10に沿って隙間が生じることが抑制されるので、オフガスは充填空間内において上流側から下流側へ向かって均一に流通する。これにより、中空糸膜11の利用率および加湿効率が向上する。
In the present embodiment, the cylindrical
第3実施形態
図6は、本発明の第3実施形態に係る水分交換用中空糸膜モジュールであって、中空糸膜11内を流れる第1流体経路に直交する向きで切断した断面図である。図6に示すように、充填空間内には、複数の筒状の多孔部材32a〜32cが、筒状ケース10の軸方向と平行に設けられており、その両端部をシール部14に埋設されることで固定されている。また、充填空間内であってかつ中空糸膜束11の内部には、棒状の支持部材41a〜41cが筒状ケース10の軸方向と平行に設けられており、その両端部をシール部14に埋設されることで固定されている。
Third Embodiment FIG. 6 is a moisture exchange hollow fiber membrane module according to a third embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view cut in a direction orthogonal to the first fluid path flowing through the
中空糸膜11の第2流体経路の最上流側には、支持部材41aが固定されており、支持部材41aに接触してこれを囲むように、かつ最上流側の中空糸膜11を囲むように多孔部材32aが設けられている。多孔部材32aの下流側には、支持部材41bが固定されており、支持部材41bに接触してこれを囲むように、かつ一部の中空糸膜11を囲むように多孔部材32bが設けられている。さらに、多孔部材32bの下流側には、支持部材41cが固定されており、支持部材41cに接触してこれを囲むように、かつ一部の中空糸膜11を囲むように多孔部材32cが設けられている。
A
本実施形態においては、導入口12からオフガスが充填空間内に導入される際に導入口12近傍の中空糸膜11がガス圧力を受けても、支持部材41aに接触して固定されている多孔部材32aが最も導入口側の中空糸膜11を拘束しているので、導入口12側のケース面と多孔部材32aとの間の領域の中空糸膜11の移動が抑制される。加えて、支持部材41b、41cに接触して固定されている多孔部材32b、32cがさらに排出口側で中空糸膜11を拘束しているので、多孔部材32bの内側の領域の中空糸膜11、および多孔部材32cの内側の領域の中空糸膜11の移動をも抑制することができる。これにより、筒状ケース10に沿って隙間が生じることが抑制されるので、オフガスは充填空間内において上流側から下流側へ向かって均一に流通する。これにより、中空糸膜11の利用率および加湿効率が向上する。
In this embodiment, even when the
第4実施形態
図7は、本発明の第4実施形態に係る水分交換用中空糸膜モジュールであって、中空糸膜11内を流れる第1流体経路に直交する向きで切断した断面図である。図7に示すように、充填空間内には、複数の略平面状の多孔部材33a〜33dが、筒状ケース10の軸方向と平行に設けられており、その両端部をシール部14に埋設されることで固定されている。また、充填空間内であってかつ中空糸膜束11の内部には、棒状の支持部材42a〜42dが筒状ケース10の軸方向と平行に設けられており、その両端部をシール部14に埋設されることで固定されている。多孔部材33a〜33dは、その両端(両辺)に支持部材42a〜42dが接続されて固定されている。本実施形態においては、支持部材42a〜42dは、シール部14によって固定されているだけではなく、筒状ケース10の側面においても、一体となって形成されている。
Fourth Embodiment FIG. 7 is a moisture exchange hollow fiber membrane module according to a fourth embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view cut in a direction perpendicular to the first fluid path flowing through the
中空糸膜11の第2流体経路の最上流側には、多孔部材33aが両端の支持部材42aを介して筒状ケース10に固定されており、その下流側には、同様にして支持部材42b〜42dを介して多孔部材33b〜33dが筒状ケース10に固定されている。
On the uppermost stream side of the second fluid path of the
本実施形態においては、導入口12からオフガスが充填空間内に導入される際に導入口12近傍の中空糸膜11がガス圧力を受けても、多孔部材33a〜33dは、筒状ケース10と一体化された支持部材42a〜42dを介して筒状ケース10に強固に固定されているので、各多孔部材間に挟持されている中空糸膜11は、移動が抑制される。これにより、筒状ケース10に沿って隙間が生じることが抑制されるので、オフガスは充填空間内において上流側から下流側へ向かって均一に流通する。これにより、中空糸膜11の利用率および加湿効率が向上する。
In this embodiment, even if the
本実施形態においては、多孔部材33は、少なくともその2辺を棒状の支持部材42によって固定されていればよく、例えば図8(a)に示すように対向する2辺が固定されていると好ましく、図8(b)に示すように周囲4辺が固定されているとさらに好ましい。また、多孔部材33と支持部材42との固定方法としては、例えば図9(a)に示すように多孔部材33と支持部材42の接触領域を溶着させるか、図9(b)に示すように、支持部材42に凹部および貫通部を形成し、貫通部に多孔部材33を貫通させるとともに凹部にピンやネジ等の固定手段43を挿入して、挟み込むことによって固定してもよい。
In the present embodiment, it is sufficient that the
変形例
上記説明においては、第1流体経路に乾燥した未使役のガスを流し、第2流体経路に湿潤した使役後のオフガスを流した例を説明したが、本発明はこの態様のみに限定されるものではなく、第1流体経路に湿潤した使役後のオフガスを流し、第2流体経路に乾燥した未使役のガスを流して水分交換を行うことも可能である。
In the above description, an example has been described in which a dry unused gas is allowed to flow through the first fluid path and a wet off-gas after use is allowed to flow into the second fluid path. However, the present invention is limited only to this aspect. Instead of this, it is possible to exchange moisture by flowing a wet off-gas after use in the first fluid path and flowing a dry unused gas in the second fluid path.
さらに、上記説明では、筒状ケース10の断面が矩形である場合を例にとり説明したが、本発明の水分交換用中空糸膜モジュールは矩形に限定されるものではなく、例えば断面が多角形の筒状とすることもできる。
Furthermore, in the above description, the case where the cross-section of the
本発明によれば、燃料電池から排出されるオフガスの水分を未使役の酸化剤ガスの加湿に再利用することができ、また、水分交換における加湿効率を高めることにより燃料電池の適正な加湿量での運転が可能となるから、厳格な安定運転が要求される車載用燃料電池システムに適用して極めて有望である。 According to the present invention, the moisture of the off-gas discharged from the fuel cell can be reused for humidification of the unused oxidant gas, and an appropriate humidification amount of the fuel cell can be obtained by increasing the humidification efficiency in moisture exchange. Therefore, it is extremely promising when applied to an on-vehicle fuel cell system that requires strict and stable operation.
M…水分交換用中空糸膜モジュール、
10…筒状ケース、
11…中空糸膜、
12…ガス導入口、
13…ガス排出口、
14…シール部、
20…未使役のガス(低湿潤)、
21…未使役のガス(水分交換後)、
22…使役後のオフガス(高湿潤)、
23…使役後のオフガス(水分交換後)、
30〜33…多孔部材、
40〜42…支持部材、
43…固定手段
M ... Hollow fiber membrane module for moisture exchange,
10 ... cylindrical case,
11 ... Hollow fiber membrane,
12 ... Gas inlet,
13 ... Gas outlet,
14 ... seal part,
20 ... Unused gas (low wetness),
21 ... Unused gas (after water exchange),
22: Off-gas after use (high humidity),
23 ... Off-gas after use (after water exchange),
30-33 ... porous member,
40-42 ... support member,
43 ... Fixing means
Claims (7)
上記筒状ケース内の空間に軸方向に延在させて充填された複数の中空糸膜と、
上記筒状ケースの両端において上記複数の中空糸膜を固定して上記空間を封止したシール部と、
上記筒状ケースの一側面に設けられた導入口と、
上記導入口が設けられた側面の対向面に設けられた排出口と、
上記中空糸膜の一端側から中空糸膜の中空内部を経由して他端側に至る第1流体経路と、
上記導入口から上記空間内でありかつ上記中空糸膜の外側を経由して上記排出口に至る第2流体経路と、
上記空間内で上記軸方向に延在し、かつ上記第2流体経路を横切る面を有する複数の多孔部材と、
上記空間内で上記軸方向に延在し、上記多孔部材と接してこれを支持し、かつ上記多孔部材よりも高い剛性を有する支持部材とを備えることを特徴とする水分交換用中空糸膜モジュール。 A cylindrical case,
A plurality of hollow fiber membranes filled in the space in the cylindrical case extending in the axial direction;
A seal portion that fixes the plurality of hollow fiber membranes at both ends of the cylindrical case and seals the space;
An inlet provided on one side of the cylindrical case;
A discharge port provided on the opposite surface of the side surface provided with the introduction port;
A first fluid path from one end side of the hollow fiber membrane to the other end side through the hollow interior of the hollow fiber membrane;
A second fluid path from the introduction port into the space and through the outside of the hollow fiber membrane to the discharge port;
A plurality of porous members having a surface extending in the axial direction in the space and crossing the second fluid path;
A moisture exchange hollow fiber membrane module comprising: a support member extending in the axial direction in the space, contacting and supporting the porous member, and having higher rigidity than the porous member. .
前記複数の多孔部材は、筒状に形成されて、前記軸方向に直交する面の断面視で前記複数の中空糸膜の少なくとも一部を囲繞し、
上記複数の多孔部材のうち少なくとも一つの多孔部材は、上記断面視で前記支持部材を囲繞してなることを特徴とする請求項1に記載の水分交換用中空糸膜モジュール。 The support member is formed in a rod shape,
The plurality of porous members are formed in a cylindrical shape, and surround at least a part of the plurality of hollow fiber membranes in a cross-sectional view of a surface orthogonal to the axial direction.
2. The moisture exchange hollow fiber membrane module according to claim 1, wherein at least one of the plurality of porous members surrounds the support member in the cross-sectional view.
前記複数の多孔部材は、その2つ以上のそれぞれの辺に沿って上記支持部材が固定されていることを特徴とする請求項1に記載の水分交換用中空糸膜モジュール。 The support member is formed in a rod shape,
The hollow fiber membrane module for water exchange according to claim 1, wherein the support member is fixed along each of two or more sides of the plurality of porous members.
The hollow fiber membrane module for moisture exchange according to any one of claims 1 to 6, wherein at least one end of the porous member is fixed by the seal portion.
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