JP2020129431A

JP2020129431A - 加湿モジュール及び該加湿モジュールを用いた流体の加湿方法

Info

Publication number: JP2020129431A
Application number: JP2017115369A
Authority: JP
Inventors: 鎌田　眞人; Masato Kamata; 眞人鎌田
Original assignee: AGC Engineering Co Ltd
Current assignee: AGC Engineering Co Ltd
Priority date: 2017-06-12
Filing date: 2017-06-12
Publication date: 2020-08-27
Also published as: WO2018230566A1

Abstract

【課題】湿度の高い雰囲気下で用いても機能を十分に発揮しうる座屈しにくい中空糸膜を用いた加湿モジュール及び該加湿モジュールを用いた流体の加湿方法を提供する。【解決手段】中空糸膜を備える加湿モジュールであって、前記中空糸膜は１本の中空糸膜の外周囲に編組状に編み込んだ編組糸を備え、前記中空糸膜の材料はイオン交換基を持つ含フッ素樹脂であり、前記編組糸は前記中空糸膜よりも水分率が低い材料からなることを特徴とする加湿モジュール。【選択図】図１

Description

本発明は、中空糸膜の中空部に供給された流体を加湿する機能を備えた加湿モジュール及び該加湿モジュールを用いた流体の加湿方法に係わり、特に湿度の高い雰囲気下で用いても機能を十分に発揮しうる座屈しにくい中空糸膜を用いた加湿モジュール及び該加湿モジュールを用いた流体の加湿方法に関する。

含フッ素樹脂でできた中空糸膜は、非多孔性であり、水蒸気のみを選択的に透過させることができる。この性質を利用して、前記中空糸膜は、中空糸膜の中空部に供給された流体の水分を調整する手段として用いられている。
例えば、固体高分子形燃料電池では、含フッ素樹脂材料の中空糸膜で構成される加湿モジュールを用いて、燃料として供給される水素ガスを加湿する方法が知られている（特許文献１）。

含フッ素樹脂でできた中空糸膜は、中空糸膜の中空部と外部に湿度差がある場合、前記中空糸膜を介して、湿度の高い方から低い方へ水蒸気を透過させることにより、前記中空糸膜に供給された流体を除湿または加湿することができる。
加湿モジュールは、中空糸膜の外部を湿度の高い状態にして、中空糸膜の中空部に流体を流すことで、流体を加湿するものである。

特開平０８−２７３６８７号公報

ところで、加湿モジュールにおいて、中空糸膜の材料が水分率の高い含フッ素樹脂である場合、含水した際の長手方向の変形は約２０％にも及ぶことがある。前記中空糸膜をケーシングに入れて、運転を続けると、ケーシング内で中空糸膜が膨潤し、急激に体積を膨張させて大きくたわみ、中空糸膜同士がくっついてしまう。その結果、本来中空糸膜同士の間に存在していた水蒸気が通れるだけのわずかな隙間が無くなってしまうため、加湿機能が果たせなくなったり、たわみの状態がひどい場合（以下、「座屈」という。）には、中空糸膜の中空部を流体が通過できなくなってしまうという恐れがあった。

この問題に対しては、これまで、中空糸膜の変形を考慮して、ケーシングの容量を設計する方法が取られていた。しかし、この方法においては、中空糸膜の充填率を下げてケーシング内に十分な余裕を持たせるため、加湿効率が悪くなるという問題や、必要な性能を発現させるために、加湿モジュールを複数本使わなければならないという問題が発生していた。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、湿度の高い雰囲気下で用いても機能を十分に発揮しうる座屈しにくい中空糸膜を用いた加湿モジュール及び該加湿モジュールを用いた流体の加湿方法を提供することを目的とする。

本発明は、以下の［１］〜［１０］である。
［１］ケーシングと、ケーシングに収納された複数の中空糸膜を有する加湿モジュールであって、前記中空糸膜は１本の中空糸膜の外周囲に編組状に編み込んだ編組糸を備え、前記中空糸膜の材料はイオン交換基を持つ含フッ素樹脂であり、前記編組糸は前記中空糸膜の材料よりも水分率が低い材料からなることを特徴とする加湿モジュール。

［２］前記編組糸は、水分率が１２質量％以下の樹脂を材料とする繊維である、［１］の加湿モジュール。

［３］前記中空糸膜の材料と前記編組糸の材料の水分率の差は５質量％以上である、［１］または［２］の加湿モジュール。

［４］前記編組糸の材料は、イオン交換基を持たない樹脂である、［１］〜［３］のいずれかの加湿モジュール。

［５］前記編組糸の材料は、ポリエステル、ポリアクリロニトリル、ポリプロピレン、ナイロン、ポリエチレン、ポリウレタン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデンおよびポリフルオロエチレンからなる群より選ばれる１種である、［１］〜［４］のいずれかの加湿モジュール。

［６］［１］〜［５］のいずれかの加湿モジュールにおける中空糸膜の中空部に流体を供給し、供給された流体が前記中空糸膜の中空部を通過することにより、加湿された流体を得る、流体の加湿方法。

［７］前記中空糸膜の外周部が、水または湿度９０％以上の水蒸気の雰囲気下である、［６］の加湿方法。

［８］前記供給された流体の露点よりも２０〜５０℃高い露点の流体を得る、［６］または［７］の加湿方法。

［９］前記供給された流体が気体である、［６］〜［８］のいずれかの加湿方法。

［１０］前記気体は、水素、窒素または空気である、［９］の加湿方法。

本発明によれば、中空糸膜の中空部に供給された流体を加湿する機能を備えた加湿モジュールであって、湿度の高い雰囲気下に置かれた中空糸膜が、正常に機能を発揮できる加湿モジュールを提供することができ、前記加湿モジュールを用いた流体の加湿方法を提供することができる。

編組糸が外周囲に装着された中空糸膜の外観構成図除湿モジュールの簡略構成図（例１）除湿モジュールの簡略構成図（例２）

以下、本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態の構成図を図１及び図２に示す。
図１は本発明の加湿モジュールにおける中空糸膜の外観構成図である。中空糸膜１１は、被加湿流体が通過する中空部と、前記中空部の周囲を覆った支持層を備えている。中空糸膜１１の外周囲には、編組状に編み込んだ編組糸１３が備えられている。中空糸膜１１の中空部を通過する被加湿流体は、支持層を透過した水蒸気が供給される。

中空糸膜１１の材料はイオン交換基を持つ含フッ素樹脂である。イオン交換基を持つ含フッ素樹脂は水蒸気を透過しやすいため好ましい。中空糸膜１１における支持層は非多孔質膜で形成されていてよい。

イオン交換基を持つ含フッ素樹脂としては、テトラフルオロエチレン（以下、ＴＦＥという。）に基づく繰り返し単位と、イオン交換基を有する繰り返し単位とを有する共重合体が好ましく、水蒸気を透過しやすいため、ＴＦＥに基づく繰り返し単位と、スルホン酸基を有するパーフルオロビニルエーテルに基づく繰り返し単位とを有する共重合体がより好ましい。

編組糸１３の材料は、水分率が低い樹脂が好ましく、１２質量％以下の樹脂がより好ましく、１０質量％以下の樹脂がさらに好ましい。
なお、水分率は、ＪＩＳ−Ｌ０１３化学繊維フィラメント糸の試験方法８．１．１の方法に準じて求められる、湿度９５％ＲＨにおける値である。

編組糸１３の材料としては、ポリエステル(水分率０．７〜６質量％)、ポリアクリロニトリル(水分率１．５〜３質量％)、ポリプロピレン(水分率０〜０．１質量％)、ナイロン(水分率８〜９質量％)、ポリエチレン(水分率０〜０．１質量％)、ポリウレタン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル(水分率０〜０．３質量％)、ポリ塩化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデンおよびポリフルオロエチレンからなる群より選ばれる１種であることが好ましい。加工が容易であるため、ポリエステル、ポリアクリロニトリル、ポリプロピレン、ナイロン、ポリエチレン、ポリウレタン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニルからなる群より選ばれる１種であることがより好ましい。

編組糸１３は中空糸膜１１よりも含水率が低い材料である。中空糸膜１１の材料と編組糸１３の材料の水分率の差は、５質量％以上であることが好ましく、７〜３０質量％がより好ましく、１０〜２５質量％がさらに好ましく、１２〜２０質量％が特に好ましい。水分率の差が上記範囲であると編組糸１３を備えた中空糸膜１１の変形を抑制しやすい。

中空糸膜１１の外径は０．２〜５．０ｍｍであるものが好ましく、０．４〜４．１ｍｍであるものがより好ましい。上記範囲内であると、中空糸膜１１の機械的な強度を保ちやすく、被加湿流体を効率よく加湿しやすい。

中空糸膜１１の内径は０．１〜３．０ｍｍであるものが好ましく、０．２〜２．５ｍｍであるものがより好ましい。上記範囲内であると、中空糸膜１１の機械的な強度を保ちやすく、被加湿流体を効率よく加湿しやすい。

本発明の加湿モジュールは、ケーシングと、ケーシングに収納された複数の中空糸膜を有する。前記中空糸膜は、１本の中空糸膜の外周囲に編組状に編み込まれた編組糸を備えたものである。複数本の中空糸膜で構成される集束体の外周囲に前記編組糸を備えた場合には、前記編組糸の内側で中空糸膜が膨潤により接触すると、接触した部分は水蒸気が通過することができないため、中空糸膜に供給された流体は効率よく加湿されにくい。また、膨潤の程度が大きい場合には、編組糸の内側の中空糸膜が座屈を起こす場合がある。

編組糸１３及び中空糸膜１１の両端部は必要な長さを残し切断されている。切断された編組糸１３の端部はほつれないように熱溶着されている。熱溶着する方法としては、例えば、編組糸１３の端部の周囲をヒータで挟み込みつつ加熱する方法が挙げられる。

図２には除湿モジュール２０の簡略構成図を示す。
図２において、円筒状のケーシング２１内には図１に示す編組糸１３を備えた中空糸膜１１が複数本配設されている。編組糸１３を備えた中空糸膜１１の両端部はエポキシ樹脂等２３で固定されている。ケーシング２１の内径は、例えば直径５〜８０ｍｍで長さは２００〜１，３００ｍｍであることが好ましい。ケーシング２１の内側には編組糸１３を備えた中空糸膜１１が１０〜１，０００本配設されており、肉眼で中空糸膜１１同士の隙間が見えている状態であることが好ましい。

中空糸膜の外周部から水蒸気を効率良く中空部へと透過させるために、水または水蒸気は、流入口２８から中空糸膜の中空部を流れる被加湿流体の流れと反流方向に流され、流出口２９から排出される。

上記構成において、加湿モジュール２０の中空糸膜１１の外周部には水または水蒸気が流れている。
従来のように中空糸膜が編組糸を備えていない場合、中空糸膜はケーシング内で膨潤して体積が急激に膨張し、ケーシング内に隙間がなくなると、座屈しやすい。中空糸膜が座屈すると、中空糸膜の中空部に被加湿流体が供給されたとしても、被加湿流体は流れにくく、中空糸膜に圧力がかかりやすい。中空糸膜は、圧力により急激に膨張、変形し、破断することもある。

本発明の流体の加湿方法は、前記加湿モジュールにおける中空糸膜の中空部に流体を供給し、供給された流体が前記中空部を通過することにより、加湿された流体を得る方法である。
上記方法を図２を用いて詳細に説明する。被加湿流体入口２５から流体を導入して、中空糸膜１１の中空部に流体を供給し、供給された流体が前記中空部を通過することにより、加湿された流体が被加湿流体出口２７から得られる。

加湿モジュールにおいては、中空糸膜１１に供給された流体の湿度よりも、中空糸膜１１の外周部の湿度が高いとき、中空部と外周部の湿度が平衡となるように、水蒸気が外周部から中空糸膜１１の支持層を透過して、中空部に侵入する。中空糸膜１１に供給された流体の湿度と中空糸膜１１の外周部の湿度差が大きいほど、水蒸気が中空部に透過する原動力は大きくなるため、被加湿流体は効率よく加湿されやすい。中空糸膜１１の外周部は、水または湿度９０％以上の水蒸気の雰囲気下であることが好ましく、水で満たされたケーシング中に中空糸膜１１が配設されていることがより好ましい。この場合、水は流入口２８から注入され、流出口２９から排水される。

上記加湿方法によれば、供給された流体の露点を所望の露点に加湿することができる。上記加湿方法は、加湿された流体の露点を前記供給された流体の露点よりも２０〜５０℃高くすることができる。
中空糸膜１１に供給された流体は、気体であることが好ましく、水素、窒素または空気であることが好ましい。

本発明の除湿モジュールにおける中空糸膜１１の外周囲は、中空糸膜１１の材料よりも水分率が低い材料からなる編組糸１３が備えられているため、中空糸膜１１は水または水蒸気にさらされてもその形状は維持される。そのため、中空糸膜１１は座屈しにくくなり、水または水蒸気が透過するための隙間が中空糸膜１１同士の間に確保され、加湿性能は正常に維持される。

また、中空糸膜同士が膨潤により接触すると、接触した部分は水蒸気が通過することができないため、中空糸膜に供給された流体は効率よく加湿されにくい。本発明の加湿モジュールにおける中空糸膜１１は外周囲に編組状に編み込まれた編組糸１３を備えることにより、中空糸膜同士が接触することを防ぐため、水または水蒸気が透過するための隙間が中空糸膜１１同士の間に確保され、中空糸膜に供給された流体を効率よく加湿することができる。

したがって、中空糸膜の充填率を下げて、ケーシング内に十分な余裕を持たせなければならないという問題や、必要な性能を発現させるために、加湿モジュールを複数本使用しなければならないという問題は起こりにくい。

本発明の加湿モジュールは、中空糸膜に供給された流体を加湿することができ、湿度の高い雰囲気下で前記加湿モジュールを運転した場合でも、加湿機能を十分に発揮しうる。本発明の流体の加湿方法によれば、本発明の加湿モジュールを用いるため、水や水蒸気の雰囲気下で前記加湿モジュールを運転した場合でも、中空糸膜が座屈することなく、加湿された流体を得ることができる。

本発明の加湿モジュールおよび加湿方法は、燃料電池の燃料として供給される水素ガスの加湿、その他工業材料や医薬製品などの製法上、供給された流体への加湿を必要とする用途に好適に用いることができる。

以下に、本発明の適応例を示すが、これらに限定されない。例１は実施例であり、例２は比較例である。
（水分率の測定）
湿度９５％ＲＨにおいて、ＪＩＳ−Ｌ１０１３化学繊維フィラメント糸の試験方法８．１．１に準じて測定した。

（例１）
図２に示す加湿モジュール２０において、水分率２０質量％のイオン交換基を持つ含フッ素樹脂を材料とする中空糸膜１１を用いた。編組糸１３の材料は、水分率０.７質量％のポリエステルであった。ケーシング２１の内径は直径８０ｍｍ、長さは３５０ｍｍであった。ケーシング２１の内側には編組糸１３を外周囲に備えた中空糸膜１１の９２０本をほぼ均等間隔に配設した。加湿モジュール２０の被加湿流体入口２５から、露点−２０℃の水素ガスを流量１,０００Ｌ／ｍｉｎ．で導入した。流入口２８からは水を流量１０Ｌ／ｍｉｎ．で導入した。被加湿流体出口２７より露点２２℃に加湿された水素ガスが得られた。

（例２）
図３に示す加湿モジュール３０のケーシング２１内に中空糸膜３１を９２０本配設した。本例の構成は、編組糸１３を備えた中空糸膜１１の変わりに、編組糸１３を備えていない中空糸膜３１を用いた点を除いては、例１と同様である。加湿モジュール３０の被加湿流体入口２５から、露点−２０℃の水素ガスを流量１,０００Ｌ／ｍｉｎ．で導入した。流入口２８からは水を流量１０Ｌ／ｍｉｎ．で導入した。数分後には被加湿流体出口２７から水素ガスが流出しなくなった。

加湿モジュール３０を解体してみたところ、中空糸膜３１は形状を維持出来ず、肉眼でも明確に確認できるほど膨張して変形し、座屈が起こっていた。
中空糸膜３１の外周囲に編組糸１３を備えない場合には、加湿モジュール３０における中空糸膜３１は変形や座屈を起こし、加湿モジュールとして機能しなかった。

１１中空糸
１３編組糸
２０、３０除湿モジュール
２１ケーシング
２３エポキシ樹脂等
２５被加湿流体入口
２７被加湿流体出口
２８流入口
２９流出口

Claims

ケーシングと、ケーシングに収納された複数の中空糸膜を有する加湿モジュールであって、前記中空糸膜は１本の中空糸膜の外周囲に編組状に編み込んだ編組糸を備え、前記中空糸膜の材料はイオン交換基を持つ含フッ素樹脂であり、前記編組糸は前記中空糸膜よりも水分率が低い材料からなることを特徴とする加湿モジュール。
前記編組糸は、水分率が１２質量％以下の樹脂を材料とする繊維である、請求項１に記載の加湿モジュール。
前記中空糸膜の材料と前記編組糸の材料の水分率の差は５質量％以上である、請求項１または２に記載の加湿モジュール。
前記編組糸の材料は、イオン交換基を持たない樹脂である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の加湿モジュール。
前記編組糸の材料は、ポリエステル、ポリアクリロニトリル、ポリプロピレン、ナイロン、ポリエチレン、ポリウレタン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデンおよびポリフルオロエチレンからなる群より選ばれる１種である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の加湿モジュール。
請求項１〜５のいずれか一項に記載の加湿モジュールにおける中空糸膜の中空部に流体を供給し、供給された流体が前記中空糸膜の中空部を通過することにより、加湿された流体を得る、流体の加湿方法。
前記中空糸膜の外周部が、水または湿度９０％以上の水蒸気の雰囲気下である、請求項６に記載の加湿方法。
前記供給された流体よりも２０〜５０℃高い露点の流体を得る、請求項６または７に記載の加湿方法。
前記供給された流体が気体である、請求項６〜８のいずれか一項に記載の加湿方法。
前記気体は、水素、窒素または空気である、請求項９に記載の加湿方法。