JP2019147138A - 加湿装置及び加湿膜モジュールの洗浄方法 - Google Patents

Abstract

【課題】長期に亘って加湿性能を維持可能な加湿装置及び加湿膜モジュールの洗浄方法を提供する。【解決手段】複数の中空糸膜からなる中空糸膜束を有する加湿膜モジュール１００を備え、各中空糸膜の中空内部を通る膜内流路に乾燥空気を流し、各中空糸膜の外壁面側を通る膜外流路に湿潤空気を流すことで、各中空糸膜の膜分離作用により湿潤空気側の水分を乾燥空気側に供給する加湿装置１０であって、前記膜外流路に洗浄液を流す洗浄液経路２００を備えることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、中空糸膜を有する加湿膜モジュールを備える加湿装置及び加湿膜モジュールの洗浄方法に関する。

固体高分子型の燃料電池においては、電解質膜を加湿させるために、中空糸膜を有する加湿膜モジュールを用いた加湿装置が設けられている。電解質膜を加湿させる加湿空気には、塩化物イオンや異物などが含まれないことが必要となる。そこで、加湿膜モジュールを構成する中空糸膜の材料として、溶解拡散により水分を透過する特性のあるナフィオンや孔径制御による毛管凝縮機構により水分を透過する特性のあるＰＰＳＵ（ポリフェニルスルホン）が広く利用されている。これらの材料からなる中空糸膜は、低溶出性であり、強度にも優れている。

このような中空糸膜が、加湿量や空気流量に応じて、数百本から数万本の束の状態で、ケース内に収容されて、モジュール化される。このようにして構成された加湿膜モジュールが加湿装置に設けられる。このような加湿膜モジュールに対して、不純物のない湿潤空気を供給すれば、長期間の使用に伴う樹脂製のケースなどの経年劣化を除けば、加湿膜モジュールによる加湿空気の供給性能に殆ど変化は見られない。

しかしながら、実際上は、加湿膜モジュールに接続されている配管など、他の部品に由来する微細な金属片などの異物が加湿膜モジュール内に混入することによって、中空糸膜表面に異物が堆積してしまう。これにより、加湿性能が低下してしまうおそれがある。

特開２００５−０４０６７５号公報 特開２００７−２８３２９２号公報 特開２０１３−２２３８６６号公報 特開平１１−１５６１６６号公報 特開２０１５−２２９１４６号公報

本発明の目的は、長期に亘って加湿性能を維持可能な加湿装置及び加湿膜モジュールの洗浄方法を提供することにある。

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。

すなわち、本発明の加湿装置は、
複数の中空糸膜からなる中空糸膜束を有する加湿膜モジュールを備え、
各中空糸膜の中空内部を通る膜内流路に乾燥空気を流し、各中空糸膜の外壁面側を通る膜外流路に湿潤空気を流すことで、各中空糸膜の膜分離作用により湿潤空気側の水分を乾燥空気側に供給する加湿装置であって、
前記膜外流路に洗浄液を流す洗浄液経路を備えることを特徴とする。

本発明によれば、洗浄液経路により膜外流路に洗浄液を流すことにより、中空糸膜の膜
表面の異物を除去することが可能となる。

前記洗浄液経路は、
前記加湿膜モジュールへの前記湿潤空気の入口と出口とを通る循環流路を備えると共に、
該循環流路上には、洗浄液が溜められるタンクと、洗浄液を循環させるポンプと、前記タンクに戻る洗浄液に含まれる異物を除去するフィルターと、が設けられているとよい。

これにより、洗浄液によって除去した異物を、再び加湿膜モジュールに供給してしまうことを抑制することができる。

前記洗浄液は、前記加湿膜モジュールへの前記湿潤空気の出口側から入口側に向かって前記膜外流路を流れるとよい。

すなわち、異物は加湿膜モジュール内において、湿潤空気の入口側付近に溜まり易い。そこで、洗浄液を湿潤空気の出口側から入口側に向かって流すことにより、異物を効率的に加湿膜モジュールの外部に排出させることが可能となる。

前記洗浄液は、１００ｋＰａ以下の圧力で流れるとよい。

これにより、中空糸膜への負荷を抑制することができる。

前記洗浄液は、純水であるとよい。

これにより、加湿膜モジュールを構成する各部材や、加湿空気を供給する供給先の装置（例えば、燃料電池）への悪影響を抑制することができる。

前記膜外流路に残った洗浄液を排出させる洗浄液排出経路を備えるとよい。

これにより、洗浄液が加湿膜モジュール内に残ってしまうことを抑制することができる。従って、加湿装置の運転時に、異物が残存し得る洗浄液を、加湿空気と共に、供給先の装置に供給してしまうことを抑制することができる。

更に、前記乾燥空気を流す経路とは別に、前記膜外流路内を乾燥させる乾燥経路を備えるとよい。

これにより、洗浄液が加湿膜モジュール内に残ってしまうことを、より確実に抑制することができる。

本発明の加湿膜モジュールの洗浄方法は、
上記の加湿装置を用いて、
前記洗浄液経路に洗浄液を流して、中空糸膜の表面を洗浄する洗浄工程と、
洗浄工程後に、前記洗浄液排出経路から洗浄液を排出する洗浄液排出工程と、
洗浄液排出工程後に、前記乾燥経路を用いて、中空糸膜の表面を乾燥させる乾燥工程と、
を備えることを特徴とする。

なお、上記各構成は、可能な限り組み合わせて採用し得る。

以上説明したように、本発明によれば、長期に亘って加湿性能を維持させることができる。

図１は本発明の実施例に係る加湿膜モジュールの模式的断面図である。 図２は本発明の実施例に係る加湿装置の概略構成図である。 図３は本発明の実施例に係る加湿装置における加湿動作時の説明図である。 図４は本発明の実施例に係る加湿装置における洗浄工程の説明図である。 図５は本発明の実施例に係る加湿装置における洗浄液排出工程の説明図である。 図６は本発明の実施例に係る加湿装置における乾燥工程の説明図である。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例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。

（実施例）
図１〜図６を参照して、本発明の実施例に係る加湿装置及び加湿膜モジュールの洗浄方法について説明する。

＜加湿膜モジュール＞
図１を参照して、本実施例に係る加湿膜モジュールの構成、及び加湿メカニズムについて説明する。図１は本発明の実施例に係る加湿膜モジュールの模式的断面図である。本実施例に係る加湿膜モジュール１００は、筒状のケース１１０と、ケース１１０内に収容される中空糸膜束１２０及び一対の封止固定部１３１，１３２とから構成される。また、加湿膜モジュール１００においては、中空糸膜束１２０における各中空糸膜の中空内部を通る膜内流路（図中、矢印Ｄ参照）と、各中空糸膜の外壁面側を通る膜外流路（図中、矢印Ｗ参照）とが形成される。

ケース１１０には、その一端側に偏った位置に膜外流路入口１１１が設けられ、その他端側に偏った位置であって、中空糸膜束１２０を介して膜外流路入口１１１とは反対側に、膜外流路出口１１２が設けられている。そして、ケース１１０の他端側の開口部が膜内流路の入口となり、ケース１１０の一端側の開口部が膜内流路の出口となる。

中空糸膜束１２０は、複数（数百本から数万本程度）の中空糸膜が束にされた構成である。中空糸膜の素材としては、親水性の素材が用いられる。例えば、溶解拡散により水分を透過する特性を有するナフィオンや、孔径制御による毛管凝縮機構により水分を透過する特性を有するＰＰＳＵ（ポリフェニルスルホン）などを好適に用いることができる。これらの材料は、低溶出性であり、かつ強度も高いため、加湿装置に好適に用いることができる。

一対の封止固定部１３１，１３２は、ケース１１０の一端側と他端側で、各中空糸膜の中空内部を開放させた状態でケース１１０の両端の開口部をそれぞれ封止し、かつ中空糸膜束１２０をケース１１０に対して固定している。これらの封止固定部１３１，１３２は、エポキシ樹脂などのポッティング材料が硬化することにより構成される。

以上のように構成される加湿膜モジュール１００は、加湿装置内において、膜外流路に湿潤空気が流れ（矢印Ｗ）、膜内流路に乾燥空気が流れる（矢印Ｄ）ように用いられる。
これにより、中空糸膜による膜分離作用によって、湿潤空気側の水分が乾燥空気側に供給され、乾燥空気は加湿される。

＜加湿装置＞
特に、図２を参照して、本実施例に係る加湿装置１０の構成について説明する。本実施例に係る加湿装置１０は、上記の加湿膜モジュール１００と、洗浄液経路２００と、洗浄液排出経路３００とを備えている。

加湿膜モジュール１００には、ケース１１０の膜外流路入口１１１に接続される湿潤空気供給管（以下、第１配管１４０と称する）と、ケース１１０の膜外流路出口１１２に接続される湿潤空気排出管（以下、第２配管１５０と称する）が接続されている。第１配管１４０には、管内の流路を開閉するバルブ（以下、第１バルブ１４１と称する）が設けられ、第２配管１５０には、管内の流路を開閉するバルブ（以下、第２バルブ１５１と称する）が設けられている。また、ケース１１０の他端側の開口部には、乾燥空気（加湿対象空気）を供給する加湿空気供給管（以下、第３配管１６０と称する）が接続されている。更に、ケース１１０の一端側の開口部には、加湿された空気を加湿対象の装置（例えば、燃料電池）に供給する供給管（以下、第４配管１７０と称する）が接続されている。

洗浄液経路２００は、加湿膜モジュール１００への湿潤空気の入口（膜外流路入口１１１）と出口（膜外流路出口１１２）とを通る循環流路を形成する洗浄液用配管（以下、第５配管２１０と称する）を備えている。この第５配管２１０による循環流路上には、洗浄液が溜められるタンク２２０と、洗浄液を循環させるポンプ２４０と、タンク２２０に戻る洗浄液に含まれる異物を除去するフィルター２３０とが設けられている。そして、第５配管２１０には、膜外流路入口１１１とフィルター２３０との間に、管内の流路を開閉するバルブ（以下、第３バルブ２５０と称する）が設けられている。また、第５配管２１０には、ポンプ２４０と膜外流路出口１１２との間に、管内の流路を開閉するバルブ（以下、第４バルブ２６０と称する）が設けられている。異物を除去するためのフィルター２３０としては、浄水器などに用いられる膜モジュールを適用すればよい。この膜モジュールを構成する膜は、洗浄液に侵されない素材により構成される。通液性と異物の除去性を考慮すると限外ろ過膜よりも精密ろ過膜を用いるのが望ましい。膜孔径は、０．１μｍ以上１．０μｍ以下とするのが望ましく、０．１μｍ以上０．５μｍ以下にするのが、より望ましい。

洗浄液排出経路３００は、膜外流路入口１１１と膜外流路出口１１２とを繋ぐ配管（以下、第６配管３１０と称する）を備えている。この第６配管３１０には、真空ポンプ３８０に繋がる第１分岐管３２０と、洗浄液を加湿装置１０の外部に排出するための第２分岐管３３０が接続されている。そして、第６配管３１０には、膜外流路入口１１１と第１分岐管３２０の分岐部との間に、管内の流路を開閉するバルブ（以下、第５バルブ３４０と称する）が設けられている。また、第６配管３１０には、膜外流路出口１１２と第２分岐管３３０の分岐部との間に、管内の流路を開閉するバルブ（以下、第６バルブ３５０と称する）が設けられている。また、第１分岐管３２０には、管内の流路を開閉するバルブ（以下、第７バルブ３６０と称する）が設けられている。更に、第２分岐管３３０には、管内の流路を開閉するバルブ（以下、第８バルブ３７０と称する）が設けられている。

なお、上述した各種バルブを動作するためのアクチュエータとしては、電磁弁などの各種公知技術を採用すればよい。また、洗浄液は、加湿膜モジュール１００を構成する各種部材に悪影響を及ぼさない溶媒を用いればよい。加湿対象が燃料電池の電解質膜の場合、電解質膜に悪影響を及ぼさないように、洗浄液として純水を用いるのが望ましい。

＜加湿装置の動作＞
特に、図３を参照して、加湿装置１０の動作について説明する。加湿装置１０を動作させる場合には、第１バルブ１４１と第２バルブ１５１の弁を開き、その他のバルブ（第３バルブ２５０，第４バルブ２６０，第５バルブ３４０，第６バルブ３５０，第７バルブ３６０及び第８バルブ３７０）の弁を閉じた状態とする。そして、第１配管１４０から膜外流路入口１１１に湿潤空気を供給し、膜外流路を通った湿潤空気を膜外流路出口１１２から第２配管１５０に排出させる（図中、矢印Ｗ参照）。また、同時に、第３配管１６０からケース１１０内に乾燥空気を供給し、膜内流路を通る過程で加湿された空気を第４配管１７０から加湿対象の装置に供給させる（図中、矢印Ｄ参照）。

＜加湿膜モジュールの洗浄＞
図４〜図６を参照して、加湿膜モジュール１００の洗浄工程について説明する。加湿膜モジュール１００の洗浄は、洗浄工程と、洗浄工程後の洗浄液排出工程と、洗浄液排出工程後の乾燥工程とにより行われる。以下、工程の順に説明する。

＜＜洗浄工程＞＞
図４を参照して、洗浄工程について説明する。洗浄工程においては、第３バルブ２５０と第４バルブ２６０の弁を開き、その他のバルブ（第１バルブ１４１，第２バルブ１５１，第５バルブ３４０，第６バルブ３５０，第７バルブ３６０及び第８バルブ３７０）の弁を閉じた状態とする。つまり、加湿装置１０の加湿動作を停止した後に、第１バルブ１４１と第２バルブ１５１の弁を閉じて、第３バルブ２５０と第４バルブ２６０の弁を開いた状態とする。そして、ポンプ２４０を駆動させることによって、第５配管２１０に洗浄液を循環させる（図中、矢印Ｃ１参照）。すなわち、ポンプ２４０によって、タンク２２０に溜められた洗浄液は、加湿膜モジュール１００の膜外流路出口１１２側からケース１１０内の膜外流路を流れて行く。これにより、中空糸膜の膜表面の異物は除去される。そして、洗浄液は、膜外流路入口１１１からケース１１０の外側に排出されて、タンク２２０に向かって流れて行く。なお、洗浄液中の異物がフィルター２３０によって除去された後に、洗浄液はタンク２２０に戻っていく。洗浄工程における洗浄液の液圧は、加湿膜モジュール１００への負荷を抑制するために１００ｋＰａ以下に設定するのが望ましい。

＜＜洗浄液排出工程＞＞
図５を参照して、洗浄液排出工程について説明する。洗浄液排出工程においては、第５バルブ３４０と第６バルブ３５０と第８バルブ３７０の弁を開き、その他のバルブ（第１バルブ１４１，第２バルブ１５１，第３バルブ２５０，第４バルブ２６０及び第７バルブ３６０）の弁を閉じた状態とする。つまり、洗浄工程後に、第３バルブ２５０と第４バルブ２６０の弁を閉じて、第５バルブ３４０と第６バルブ３５０と第８バルブ３７０の弁を開いた状態とする。これにより、加湿膜モジュール１００内に残っている洗浄液を加湿装置１０の外部に排出させることができる（図中、矢印Ｃ２参照）。なお、第６配管３１０及び第２分岐管３３０などの配置構成によって、重力により、洗浄液を自然に排出させることができる。ただし、第２分岐管３３０にポンプなどを設けることによって、強制的に洗浄液を排出させるようにしてもよい。

＜＜乾燥工程＞＞
図６を参照して、乾燥工程について説明する。乾燥工程においては、第５バルブ３４０と第６バルブ３５０と第７バルブ３６０の弁を開き、その他のバルブ（第１バルブ１４１，第２バルブ１５１，第３バルブ２５０，第４バルブ２６０及び第８バルブ３７０）の弁を閉じた状態とする。つまり、洗浄液排出工程後に、第８バルブ３７０の弁を閉じて、第７バルブ３６０の弁を開いた状態とする。そして、真空ポンプ３８０を駆動させることによって、加湿膜モジュール１００の内部を減圧させることによって、水分を真空ポンプ３８０の方向に移動させて（図中、矢印Ｇ参照）、加湿膜モジュール１００の内部を乾燥させる。これにより、洗浄液排出工程において、排出されずに、加湿膜モジュール１００内
に残ってしまった洗浄液も加湿装置１０の外部に排出させることができる。以上のように、第６配管３１０による経路は、洗浄液排出経路と乾燥経路とを兼ね備えている。

なお、本実施例においては、真空ポンプ３８０を用いて、加湿膜モジュール１００の内部を減圧させることにより乾燥させる方法を示した。しかしながら、膜外流路に乾燥空気を流すことによって、加湿膜モジュール１００の内部を乾燥させることもできる。

また、上記の乾燥工程においては、膜外流路中の洗浄液を加湿装置１０の外部に排出させることができるだけでなく、膜内流路中に移動した洗浄液も加湿装置１０の外部に排出させることができる。つまり、洗浄液の一部は中空糸膜の膜を透過して、膜内流路に移動し得る。そして、乾燥工程が行われると、膜内流路中の洗浄液は、再び、中空糸膜の膜を透過して、膜外流路に移動して、加湿装置１０の外部へと排出される。

＜加湿動作の再開＞
乾燥工程後に、第５バルブ３４０と第６バルブ３５０と第７バルブ３６０の弁を閉じて、第１バルブ１４１と第２バルブ１５１の弁を開いた状態とする。これにより、再び、加湿動作を行うことが可能となる。

＜本実施例に係る加湿装置及び加湿膜モジュールの洗浄方法の優れた点＞
本実施例に係る加湿装置１０及び加湿膜モジュール１００の洗浄方法によれば、洗浄液経路２００により膜外流路に洗浄液を流すことにより、中空糸膜の膜表面の異物を除去することが可能となる。従って、適時（定期的でも不定期でも良い）、加湿膜モジュール１００を洗浄することによって、長期に亘って加湿性能を維持させることができる。

また、洗浄液経路２００には、タンク２２０に戻る洗浄液に含まれる異物を除去するフィルター２３０が設けられているため、洗浄液によって除去した異物を、再び加湿膜モジュール１００に供給してしまうことを抑制することができる。

ここで、異物は加湿膜モジュール１００内において、湿潤空気の入口側付近に溜まり易い。そこで、本実施例においては、洗浄液が加湿膜モジュール１００への湿潤空気の出口（膜外流路出口１１２）側から入口（膜外流路入口１１１）側に向かって膜外流路を流れる構成が採用されている。これにより、異物を効率的に加湿膜モジュール１００の外部に排出させることが可能となる。

また、本実施例によれば、洗浄液排出工程及び乾燥工程により、加湿膜モジュール１００内の洗浄液が加湿装置１０の外部に排出される。従って、加湿装置１０の運転時に、異物が残存し得る洗浄液を、加湿空気と共に、供給先の装置に供給してしまうことを抑制することができる。なお、中空糸膜が水に濡れた状態のまま、加湿動作が再開された場合には、膜外流路に湿潤空気を供給する際に、湿潤空気の流れに悪影響が出てしまい、加湿性能が低下してしまう可能性がある。本実施例の場合には、上記の通り、乾燥工程によって、中空糸膜が乾燥されるため、湿潤空気の流れが妨げられることはない。

以上のように構成される加湿装置１０は、固体高分子型の燃料電池における電解質膜を加湿させるための加湿装置として、好適に用いることができる。勿論、他の用途にも適用することができる。

１０ 加湿装置
１００ 加湿膜モジュール
１１０ ケース
１１１ 膜外流路入口
１１２ 膜外流路出口
１２０ 中空糸膜束
１３１，１３２ 封止固定部
１４０ 第１配管
１４１ 第１バルブ
１５０ 第２配管
１５１ 第２バルブ
１６０ 第３配管
１７０ 第４配管
２００ 洗浄液経路
２１０ 第５配管
２２０ タンク
２３０ フィルター
２４０ ポンプ
２５０ 第３バルブ
２６０ 第４バルブ
３００ 洗浄液排出経路
３１０ 第６配管
３２０ 第１分岐管
３３０ 第２分岐管
３４０ 第５バルブ
３５０ 第６バルブ
３６０ 第７バルブ
３７０ 第８バルブ
３８０ 真空ポンプ

Claims (8)

1. 複数の中空糸膜からなる中空糸膜束を有する加湿膜モジュールを備え、
   各中空糸膜の中空内部を通る膜内流路に乾燥空気を流し、各中空糸膜の外壁面側を通る膜外流路に湿潤空気を流すことで、各中空糸膜の膜分離作用により湿潤空気側の水分を乾燥空気側に供給する加湿装置であって、
   前記膜外流路に洗浄液を流す洗浄液経路を備えることを特徴とする加湿装置。
2. 前記洗浄液経路は、
   前記加湿膜モジュールへの前記湿潤空気の入口と出口とを通る循環流路を備えると共に、
   該循環流路上には、洗浄液が溜められるタンクと、洗浄液を循環させるポンプと、前記タンクに戻る洗浄液に含まれる異物を除去するフィルターと、が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の加湿装置。
3. 前記洗浄液は、前記加湿膜モジュールへの前記湿潤空気の出口側から入口側に向かって前記膜外流路を流れることを特徴とする請求項２に記載の加湿装置。
4. 前記洗浄液は、１００ｋＰａ以下の圧力で流れることを特徴とする請求項１，２または３に記載の加湿装置。
5. 前記洗浄液は、純水であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の加湿装置。
6. 前記膜外流路に残った洗浄液を排出させる洗浄液排出経路を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の加湿装置。
7. 前記乾燥空気を流す経路とは別に、前記膜外流路内を乾燥させる乾燥経路を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の加湿装置。
8. 請求項７に記載の加湿装置を用いて、
   前記洗浄液経路に洗浄液を流して、中空糸膜の表面を洗浄する洗浄工程と、
   洗浄工程後に、前記洗浄液排出経路から洗浄液を排出する洗浄液排出工程と、
   洗浄液排出工程後に、前記乾燥経路を用いて、中空糸膜の表面を乾燥させる乾燥工程と、
   を備えることを特徴とする加湿膜モジュールの洗浄方法。

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