JP6190523B2 - 流体交換膜モジュール - Google Patents
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Description
本発明は、流体交換膜モジュールに関し、簡単な部材を含むか、流路の形態を変更するだけでも流体交換膜を介した流体伝達量を極大化することができ、流体の流れの圧力分布を均一にする流体交換膜モジュールに関する。
前記流体交換膜モジュールは、水分供給モジュール、熱交換モジュール、気体分離モジュール又は水処理モジュールであり得る。
燃料電池とは、水素と酸素との結合によって電気を生産する発電型電池である。燃料電池は、乾電池や蓄電池などの一般化学電池とは異なり、水素と酸素が供給される限り、継続して電気を生産することができ、熱損失がないので内燃機関よりも効率が２倍ほど高いという長所を有する。また、水素と酸素との結合によって発生する化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換するので、公害物質の排出が低い。よって、燃料電池は、環境にやさしいだけでなく、エネルギー消費の増加による資源枯渇に対する心配を減少できるという長所を有する。このような燃料電池は、使用される電解質の種類によって、高分子電解質型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＰＥＭＦＣ）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）、及びアルカリ型燃料電池（ＡＦＣ）などに分類することができる。これらのそれぞれの燃料電池は、根本的に同一の原理によって作動するが、使用される燃料の種類、運転温度、触媒、電解質などが互いに異なる。このうち、高分子電解質型燃料電池は、他の燃料電池に比べて低温で動作し、出力密度が大きいことから小型化が可能であるので、小規模の据え置き型発電装備のみならず、輸送システムでも最も有望なものとして知られている。
高分子電解質型燃料電池の性能を向上させるのに最も重要な要因の一つは、膜―電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）の高分子電解質膜（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ又はＰｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ：ＰＥＭ）に一定量以上の水分を供給することによって含水率を維持させることである。これは、高分子電解質膜の乾燥によって発電効率が急激に低下するためである。高分子電解質膜を加湿する方法としては、１）耐圧容器に水を充填した後、対象気体を、拡散器（ｄｉｆｆｕｓｅｒ）を通過させて水分を供給するバブラー（ｂｕｂｂｌｅｒ）加湿方式、２）燃料電池の反応に必要な供給水分量を計算し、ソレノイドバルブを介してガス流動管に水分を直接供給する直接噴射（ｄｉｒｅｃｔ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）方式、及び、３）高分子分離膜を用いてガスの流動層に水分を供給する加湿膜方式などがある。これらのうち、排気ガス中に含まれる水蒸気のみを選択的に透過させる膜を用いて、水蒸気を、高分子電解質膜に供給されるガスに提供することによって高分子電解質膜を加湿する加湿膜方式は、加湿器を軽量化及び小型化できるという点で有利である。
加湿膜方式に使用される選択的透過膜としては、単位体積当たりの透過面積が大きい中空糸膜を使用することができ、均一な流動の流れを得るのに有利な平膜を使用することもできる。高集積化が要求される１００ｋＷ以上の高容量の燃料電池システムには、中空糸膜が適用された水分供給装置を使用することが好ましく、５０ｋＷ以下の一般的な燃料電池システムにはいずれの形態の膜を使用しても構わない。
今日までは、加湿膜方式の水分供給モジュールの高集積化のために選択的透過膜の効率改善にのみ技術開発が集中されたが、本発明では、水分供給モジュールに物理的な装置を付加することによって水分伝達効率を極大化し、これを通じて高集積化及び製造原価の改善の効果を得ようとする。
本発明の目的は、流体交換膜の一側部に流れる流体を膨張させ、高温高湿の流体の相対湿度を高めることによって流体交換膜を介した流体伝達量を極大化することができ、流体の圧力を低下させることによって流体の流れの圧力分布を均一にし得る流体交換膜モジュールを提供することにある。
本発明の一実施例に係る流体交換膜モジュールは、少なくとも二対の流体流入口及び流体排出口を含むケースと、前記ケースに内蔵され、駆動状態でいずれか一対の流体流入口と流体排出口との間を流れる乾燥流体が他の一対の流体流入口と流体排出口との間を流れる高湿の流体に直接接触しないように配置された流体交換膜とを含む。
前記高湿流体の流体流入口は拡散器を含む。
前記拡散器は、前記各流体流入口と連結された配管に設置することができる。
前記拡散器は、別個の内径を有する第１の内径部及び第２の内径部を含むことができる。
前記第２の内径部の内径は、前記第１の内径部の内径より大きくなり得る。
前記第１の内径部は前記流体の流れの上流側に配置し、前記第２の内径部は前記流体の流れの下流側に配置することができる。
前記第２の内径部の内径と前記第１の内径部の内径との比は２：１〜２０：１であり得る。
前記拡散器は、前記第１の内径部と前記第２の内径部との間に位置する内径拡大部を含むことができる。
前記内径拡大部の内径は、前記第１の内径部の内径から前記第２の内径部の内径まで徐々に拡大され得る。
前記拡散器はベンチュリ管（ｖｅｎｔｕｒｅ ｔｕｂｅ）の形態であり、前記第１の内径部の内径は徐々に縮小され得る。
前記第１の内径部の内径が徐々に縮小される長さと、前記内径拡大部が徐々に拡大される長さとの比は１：１〜１０：１であり得る。
前記第１の内径部はオリフィス板であり得る。
前記オリフィス板は、少なくとも一つ以上の開口部が形成された板を含み、前記第２の内径部の内径と前記開口部の直径との比は３：１〜３０：１であり得る。
前記第１の内径部はノズルであり得、前記第１の内径部の内径は徐々に縮小され得る。
前記流体交換膜モジュールは、前記拡散器を断熱させる断熱部材をさらに含むことができる。
前記流体交換膜は中空糸膜の形態であり、前記乾燥流体は前記中空糸膜の中空を介して流れ、前記高湿流体は前記中空糸膜の外部に流れるように前記ケースと前記流体交換膜を配置するということができる。
前記ケースは、第１の流体流入口が形成されている流入ケースと、第１の流体排出口が形成されている排出ケースと、第２の流体流入口及び第２の流体排出口が形成されている連結ケースとを含み、前記ケースは、前記流入ケースと前記排出ケースとを前記連結ケースで連結した構造を有し、前記中空糸の長さ方向のいずれか一側の末端が前記流入ケース側に位置し、他の一側の末端が前記排出ケース側に位置するように前記流体交換膜モジュールを前記ケース内に配置することができる。
前記連結ケースの両側末端には、前記中空糸を固定するポッティング部を含むことができる。
前記流体交換膜は平膜の形態であり、前記乾燥流体は前記平膜の一面に沿って流れ、前記高湿の流体は前記平膜の他の一面に沿って流れるようにケースと前記流体交換膜を配置することができる。
前記ケースは内部空間を有し、前記ケースの外部から前記内部空間に流体を供給し、前記内部空間からケースの外部に流体を排出するように二対の流体流入口及び流体排出口が形成された構造を有し、前記流体交換膜は、前記平膜の周囲が前記ケースの内部壁と接触して前記ケースの内部空間を二分し、前記二分された内部空間のうちのいずれか一つの空間は一対の流体流入口及び流体排出口と連結され、二分された内部空間のうち他の一つの空間は他の一対の流体流入口及び流体排出口と連結されるように前記ケース内に配置することができる。
前記流体交換膜モジュールは、水分供給モジュール、熱交換モジュール、気体分離モジュール又は水処理モジュールであり得る。
本発明の流体交換膜モジュールは、流体交換膜の一側部に流れる流体を断熱膨張させ、高温高湿の流体の相対湿度を高めることによって、流体交換膜を介した流体伝達量を極大化することができる。
また、前記流体交換膜モジュールは、前記流体の圧力を低下させ、前記流体の圧力分布を均一にすることによって、前記流体を前記流体交換膜全体と均一に接触させ、前記流体交換膜モジュールの効率を向上させることができる。
また、前記効果を得るために別の装置を追加する必要がなく、簡単な部材を含むか、流路の形態を変更するだけでも前記効果を達成可能である。これによって、ダウンサイジング及び軽量化が要求される加湿膜方式の燃料電池用水分供給モジュールを製造することができ、経済性も確保することができる。
以下、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者が容易に実施できるように本発明の実施例に対して詳細に説明する。しかし、本発明は、多様な異なる形態に具現することができ、ここで説明する実施例に限定されるものではない。
本発明の一実施例に係る流体交換膜モジュールは、ケースと、前記ケースに内蔵される流体交換膜とを含む。
前記流体交換膜モジュールは、少なくとも２種の流体間に存在する流体交換膜を介して水分又は熱などの２種の流体を交換するように駆動される装置である。よって、前記ケースには少なくとも二対の流体流入口及び流体排出口を形成することができる。また、前記流体交換膜は、２種の流体が直接接触しないように前記ケース内に配置することができる。すなわち、流体交換膜モジュールの駆動状態でいずれか一対の流体流入口と流体排出口との間を流れる乾燥流体が他の一対の流体流入口と流体排出口との間を流れる高湿流体と直接接触しないように流体交換膜をケース内に配置することができる。本明細書において、乾燥流体と高湿の流体が直接接触しないとは、乾燥流体と高湿の流体が完全に分離された状態を意味するのではなく、乾燥流体と高湿の流体との間に多孔性メンブレンが存在し、乾燥流体と高湿の流体が自由に混和できない状態を意味する。
前記流体交換膜モジュールを構成する構造は、前記流体交換膜の形態によって制御することができる。
一つの例示において、前記流体交換膜が中空糸膜の形態の多孔性メンブレンとして形成されたものであれば、２種の流体のうちいずれか一つの流体は中空糸の中空を通過し、他の一つの流体は中空糸束間を通過するように流体交換膜モジュールを構成することができる。
このような流体交換膜モジュール４０は、図１に示すように、流体流入口４５ａが形成されている流入ケース４１と、流体排出口４５ｂが形成されている排出ケース４２と、流体流入口４６ａ及び流体排出口４６ｂが形成されている連結ケース４３とを含み、前記流入ケース４１及び前記排出ケース４２とを前記連結ケース４３で連結した構造を有するケースを含むことができる。また、前記流体交換膜モジュール４０は、前記流体交換膜４４を中空糸束の長さ方向Ｐのいずれか一側の末端が前記流入ケース４１側に位置し、他の一側の末端が前記排出ケース４２側に位置するように配置した構造を有することができる。
前記連結ケース４３は、図１に示すように、前記中空糸束を固定できるように前記連結ケース４３の両側末端にポッティング部４７をさらに含むことができる。前記ポッティング部４７は、前記各中空糸束を結束することで前記各中空糸束間の空隙を埋め、前記各中空糸束間を通過する流体が中空に入ることを防止する。前記ポッティング部４７の材料としては、通常のものを制限なく使用することができる。
前記流体交換膜モジュール４０の構造は、前記構造に制限されるものではなく、中空糸膜の形態の多孔性メンブレンを用いるモジュールに採用される構造を適宜応用することができる。
他の例示において、流体交換膜が図２に示した平膜の形態の多孔性メンブレンに形成されたものであれば、２種の流体間に平膜が存在し、２種の流体が平膜の向き合う面に沿って流れるように流体交換膜モジュールを構成することができる。
このような流体交換膜モジュール５０は、図２に示すように内部空間５５を有し、ケース５１の外部から前記内部空間５５に流体を供給し、前記内部空間５５から前記ケース５１の外部に流体を排出するように二対の流体流入口５３ａ、５４ａ及び流体排出口５３ｂ、５４ｂが表面に形成された構造を有する前記ケース５１を含むことができる。また、前記流体交換膜モジュール５０は、図２に示すように、前記流体交換膜５２の周囲が前記ケース５１の内部壁と接触し、前記ケース５１の内部空間５５を二分するように配置された前記流体交換膜５２を含むことができる。前記流体交換膜５２はしわを含み得る。すなわち、前記流体交換膜５２にしわを寄せることによって前記流体交換膜５２の接触面積を増加させることができる。ここで、流体交換膜５２は、二分された内部空間のうちのいずれか一つの空間５５ａが、一対の流体流入口５３ａ及び流体排出口５３ｂと連結され、二分された内部空間のうちの他の一つの空間５５ｂが、他の一対の流体流入口５４ａ及び流体排出口５４ｂと連結されるように、前記ケース５１内に配置することができる。その結果、２種の流体が流体交換膜５２によって直接接触することを防止し、２種の流体間における水分などの流体交換が可能になるように前記流体交換膜モジュール５０を構成することができる。本明細書において、「二分」という用語は、一つの空間を二つの空間に分けるという意味を有する用語であって、二つの空間のサイズ又は面積などが同一であることを要求せず、二等分という用語とは区別される用語である。
前記平膜の形態の多孔性メンブレンに形成された流体交換膜を含む流体交換膜モジュール５０の場合にも、その構造が前記構造に限定されることはなく、平膜の形態の多孔性メンブレンを用いるモジュールに採用される各構造を応用することができる。
前記流体交換膜モジュール４０、５０は、２種以上の流体間の優れた水分などの流体交換性能を有するので、多様な分野に応用可能である。前記流体交換膜モジュール４０、５０は、例えば、水分交換モジュール、熱交換モジュール、気体分離モジュール又は水処理モジュールなどとして用いることができる。
一つの例示において、前記流体交換膜モジュール４０、５０を燃料電池の加湿モジュールとして適用することができる。前記流体交換膜モジュール４０、５０は、当業界に知られている方式を採用して燃料電池の加湿モジュールとして適用することができる。また、燃料電池の容量によって前記流体交換膜モジュール４０、５０の構造を適宜制御することができる。例えば、高集積化が要求される１００ｋＷ以上の高容量の燃料電池システムには、中空糸膜の形態の多孔性メンブレンが適用されたモジュールを使用することができる。以下、前記流体交換膜モジュール４０、５０が、前記中空糸膜の形態の多孔性メンブレンが適用された形態の流体交換膜モジュール４０である場合を中心に説明する。
前記流体交換膜モジュール４０は、前記各流体流入口４５ａ、４６ａのうち少なくともいずれか一つに拡散器６０を含む。図１では、一つの流体流入口４５ａのみが前記拡散器６０を含むことを示しているが、本発明がこれに限定されることはなく、他の流体流入口４６ａも前記拡散器６０を含むことができ、前記他の流体流入口４６ａのみが前記拡散器６０を含むこともできる。また、図１では、前記拡散器６０が前記連結ケース４３と接触して配置されたことを示しているが、本発明がこれに限定されることはなく、前記拡散器６０は、前記各流体流入口４５ａ、４６ａと連結された配管に設置されることも可能である。図２でも、前記流体交換膜モジュール５０の一つの流体流入口５３ａが拡散器６０を含むことを示している。
一般に、燃料電池の加湿モジュールにおいて、水分供給源としては、燃料電池から排出された高温高湿の流体を使用する。前記高温高湿の流体の絶対湿度（単位質量の空気に含まれる水分の量）が変わらないとしても、その温度を低下させて前記高温高湿の流体の相対湿度を高める場合、前記流体交換膜４４の表面付近での相対湿度の上昇によって水分伝達効率を増加させることができる。
前記高温高湿の流体の温度を低下させるために熱交換器などの別の装置を用いることもできるが、本発明では、別の装置でない前記拡散器６０を通じて前記目的を達成する。前記拡散器６０は、前記高温高湿の流体の突然の断熱膨張を誘導し、前記高温高湿の流体が有する固有のエネルギーを仕事の形態で使用できるようにし、熱力学の第１法則によって温度を低下させる。前記高温高湿の流体の温度が低下すると、該当温度での飽和湿度が低下し、これによって相対湿度が上昇する。
したがって、前記拡散器６０は、前記高温高湿の流体の相対湿度を高めることによって、前記流体交換膜４４を介した流体の伝達量を極大化することができる。また、前記効果を得るために熱交換器などの別の装置を追加する必要はなく、前記拡散器６０などの簡単な部材を含むか、流路の形態を変更することによって前記効果を達成することができる。
また、前記拡散器６０は、前記流体の膨張を通じて前記流体の圧力を低下させることによって、前記流入ケース４１又は前記連結ケース４３の内部で前記流体の圧力分布を均一にすることができる。これによって、前記流体が前記流体交換膜４４の全体と均一に接触できるようにし、従来における前記流体が前記流体交換膜４４の一部とのみ接触して前記流体交換膜モジュール４０の効率を低下させるという問題を解決することもできる。
図３は、前記拡散器６０の一つの実施例を示した断面図である。図３において、矢印は流体の流れ方向を示す。図３を参照すると、前記拡散器６０は、別個の内径を有する第１の内径部６１及び第２の内径部６２を含む。前記第１の内径部６１は前記流体の流れの上流側に配置され、前記第２の内径部６２は前記流体の流れの下流側に配置されるが、前記第２の内径部６２の内径は前記第１の内径部６１の内径より大きい。前記流体が前記拡散器６０の前記第１の内径部６１を介して流れる途中で前記第２の内径部６２に流入すると、突然の膨張によって温度が低下する。
図４は、前記拡散器６０の他の一つの実施例を示した断面図である。図３では、前記拡散器６０の第１の内径部６１と第２の内径部６２の内径のみならず、外径も互いに異なるが、図４を参照すると、前記拡散器６０の第１の内径部６１の外径と前記第２の内径部６２の外径とは互いに同一であり得る。
前記第２の内径部６２の内径と前記第１の内径部６１の内径との比は２：１〜２０：１であり得、好ましくは３：１〜１０：１であり得、さらに好ましくは５：１〜８：１であり得る。前記第１の内径部６１の内径が前記第２の内径部６２の内径に対して１／２０未満であると、過度な圧力損失によって流体の流れ抵抗が高くなり、空気供給装置に過負荷をもたらすという問題があり得る。また、前記第１の内径部６１の内径が前記第２の内径部６２の内径に対して１／２を超えると、本発明が解決しようとする断熱膨張の効果がなくなるという問題があり得る。
図５は、前記拡散器６０の他の一つの実施例を示した断面図である。図５を参照すると、前記拡散器６０は、前記第１の内径部６１と前記第２の内径部６２との間に位置する内径拡大部６３を含む。前記内径拡大部６３の内径は、前記第１の内径部６１の内径から前記第２の内径部６２の内径まで徐々に拡大するのであり得る。すなわち、前記内径拡大部６３は、流体の流れ方向に沿って内径が漸次拡大する。前記拡散器６０が前記内径拡大部６３をさらに含む場合、前記流体をより徐々に膨張させることによって、前記流体の突然の膨張によるエネルギー損失を減少させることができる。
図６は、前記拡散器６０の他の一つの実施例を示した断面図である。図６を参照すると、前記拡散器６０はベンチュリ管の形態であり得る。すなわち、前記第１の内径部６１は、その内径が流体の流れ方向に沿って徐々に縮小される形態であり、前記内径拡大部６３は、前記第１の内径部６１の内径が最も小さい終端と連結され、内径が徐々に拡大されて前記第２の内径部６２と連結される。前記第１の内径部６１の内径が徐々に縮小される場合、前記第１の内径部６１と連結された配管と前記第２の内径部６２の内径は同一に維持しながらも前記流体を膨張できる拡散器６０を設置することができる。
ここで、前記第１の内径部６１の内径が徐々に縮小される長さは、前記内径拡大部６３が徐々に拡大される長さより短いものであり得る。具体的には、前記第１の内径部の内径が徐々に縮小される長さと前記内径拡大部が徐々に拡大される長さとの比は１：１〜１０：１であり得、好ましくは２：１〜７：１でああり得、さらに好ましくは３：１〜５：１であり得る。前記内径拡大部６３が徐々に拡大される長さが、前記第１の内径部６１の内径が徐々に縮小される長さに対して１：１未満であると、断熱膨張の効果を得ることができないという問題があり得る。また、前記内径拡大部６３が徐々に拡大される長さが、前記第１の内径部６１の内径が徐々に縮小される長さに対して１０倍を超えると、限定された空間に前記形態の構成を具現できないという空間的制約の問題があり得る。ここで、前記長さは、前記流体の流れ方向に沿った長さである。
図７は、前記拡散器６０の他の一つの実施例を示した断面図である。図７を参照すると、前記第１の内径部６１は、少なくとも一つ以上の開口部６４が形成された板を含む。すなわち、前記第１の内径部６１は、オリフィス（ｏｒｉｆｉｃｅ）板の形態であり得る。図８及び図９は、前記オリフィス板の形態の第１の内径部６１を示した平面図である。図８及び図９を参照すると、第１の内径部６１は、少なくとも一つ以上の開口部６４を含む。ここで、前記第２の内径部６２の内径と前記開口部６４の直径との比は、３：１〜３０：１であり得、好ましくは５：１〜２０：１であり得、さらに好ましくは８：１〜１５：１であり得る。前記第２の内径部６２の内径が前記開口部６４の直径に対して３倍未満であると、急激な膨張を誘導し得ないという問題があり得る。また、前記第２の内径部６２の内径が前記開口部６４の直径に対して３０倍を超えると、開口部のサイズが過度に小さくなり、流体の流れに過度に大きな抵抗として作用し、圧力損失が非常に大きくなるという問題があり得る。
図１０は、前記拡散器６０の他の一つの実施例を示した断面図である。図１０を参照すると、前記第１の内径部６１はノズル（ｎｏｚｚｌｅ）の形態であり得る。すなわち、前記第１の内径部６１は、その内径が流体の流れ方向に沿って徐々に縮小される形態であり得る。
前記流体交換膜モジュール４０は、前記拡散器６０を断熱させる断熱部材７０をさらに含むことができる。前記拡散器６０を断熱させる場合、前記拡散器６０を通じて膨張する流体の断熱膨張を可能にする。前記流体が断熱膨張する場合、温度をより低下させることができ、これによって相対湿度をより高めることができる。前記断熱部材７０としては、従来の一般的に使用される断熱材がすべて使用可能であり、具体的に、コルク、綿、フェルト、炭化コルク、発泡ゴムなどの有機質断熱材、又は、石綿、グラスウール、石英綿、硅藻土、炭酸マグネシウム粉末、マグネシア粉末、ケイ酸カルシウム、パーライトなどの無機質断熱材を使用可能であるが、本発明がこれに限定されることはない。
［実施例：加湿モジュールの製造］
（比較例１）
ポリスルホン中空糸膜（外径９００μｍ、内径８００μｍ）１４，０００本を一つの束にして角形連結ケース（横２５０ｍｍ、縦２５０ｍｍ、高さ５００ｍｍ）の内部に配置させた。
ポリスルホン中空糸膜（外径９００μｍ、内径８００μｍ）１４，０００本を一つの束にして角形連結ケース（横２５０ｍｍ、縦２５０ｍｍ、高さ５００ｍｍ）の内部に配置させた。
前記連結ケースの両端にポッティング部形成用キャップを被せ、前記中空糸膜束間の空間及び前記中空糸膜束と前記連結ケースとの間の空間にポッティング用組成物を注入した後、これを硬化させてシール（ｓｅａｌ）した。前記ポッティング部形成用キャップを除去した後、前記硬化された中空糸膜ポッティング用組成物の終端を切断し、前記中空糸膜束の終端が前記ポッティング部の切断部に表れるようにしてポッティング部を形成した。この後、前記連結ケースの両端部にそれぞれ流入ケースと排出ケースを被せることによって加湿モジュールを製造した。
（実施例１）
ポリスルホン中空糸膜（外径９００μｍ、内径８００μｍ）１４，０００本を一つの束にして角形連結ケース（横２５０ｍｍ、縦２５０ｍｍ、高さ５００ｍｍ）の内部に配置させた。
ポリスルホン中空糸膜（外径９００μｍ、内径８００μｍ）１４，０００本を一つの束にして角形連結ケース（横２５０ｍｍ、縦２５０ｍｍ、高さ５００ｍｍ）の内部に配置させた。
前記連結ケースの両端にポッティング部形成用キャップを被せ、前記中空糸膜束間の空間及び前記中空糸膜束と前記連結ケースとの間の空間にポッティング用組成物を注入した後、これを硬化させてシールした。前記ポッティング部形成用キャップを除去した後、前記硬化された中空糸膜ポッティング用組成物の終端を切断し、前記中空糸膜束の終端が前記ポッティング部の切断部に表れるようにしてポッティング部を形成した。この後、前記連結ケースの両端部に、それぞれ流入ケースと排出ケースを被せることによって加湿モジュールを製造した。
この際、前記連結ケースの流体流入口には、内径が１０ｍｍである第１の内径部、及び内径が５０ｍｍである第２の内径部を含む拡散器を設置した。
（比較例２）
ポリスルホン平膜（横２５０ｍｍ、縦２５０×１００ｍｍ）を、角形連結ケース（横２５０ｍｍ、縦２５０ｍｍ、高さ５００ｍｍ）の内部を二分するように配置させた。前記連結ケースの両端部にそれぞれ流入ケースと排出ケースを被せることによって加湿モジュールを製造した。
ポリスルホン平膜（横２５０ｍｍ、縦２５０×１００ｍｍ）を、角形連結ケース（横２５０ｍｍ、縦２５０ｍｍ、高さ５００ｍｍ）の内部を二分するように配置させた。前記連結ケースの両端部にそれぞれ流入ケースと排出ケースを被せることによって加湿モジュールを製造した。
（実施例２）
ポリスルホン平膜（横２５０ｍｍ、縦２５０×１００ｍｍ）を、角形連結ケース（横２５０ｍｍ、縦２５０ｍｍ、高さ５００ｍｍ）の内部を二分するように配置させた。前記連結ケースの両端部にそれぞれ流入ケースと排出ケースを被せることによって加湿モジュールを製造した。
ポリスルホン平膜（横２５０ｍｍ、縦２５０×１００ｍｍ）を、角形連結ケース（横２５０ｍｍ、縦２５０ｍｍ、高さ５００ｍｍ）の内部を二分するように配置させた。前記連結ケースの両端部にそれぞれ流入ケースと排出ケースを被せることによって加湿モジュールを製造した。
この際、前記連結ケースの流体流入口には、内径が１０ｍｍである第１の内径部、及び内径が５０ｍｍである第２の内径部を含む拡散器を設置した。
［実験例：製造されたポッティング部の性能測定］
前記実施例及び比較例で製造された加湿モジュールの流入ケース側流体流入口に５０ｇ／ｓｅｃの乾燥空気を流入し、連結ケース側流体流入口に温度８０℃、相対湿度６０％の高温高湿の空気を流入することによって気体―気体加湿を実施した。
前記実施例及び比較例で製造された加湿モジュールの流入ケース側流体流入口に５０ｇ／ｓｅｃの乾燥空気を流入し、連結ケース側流体流入口に温度８０℃、相対湿度６０％の高温高湿の空気を流入することによって気体―気体加湿を実施した。
加湿性能は、前記乾燥空気が加湿されて排出される地点の温度と湿度を測定し、これを露点（Ｄｅｗ Ｐｏｉｎｔ）に換算して測定した。その結果を下記の表１に示した。
前記表１を参照すると、前記実施例で製造された加湿モジュールは、比較例で製造された加湿モジュールに比べて加湿効率に優れることが分かる。
以上では、本発明の好適な実施例に対して詳細に説明したが、本発明の権利範囲は、これに限定されるものではなく、次の特許請求の範囲で定義している本発明の基本概念を用いた当業者の多くの変形及び改良形態も本発明の権利範囲に属する。
４０ 流体交換膜モジュール
４１ 流入ケース
４２ 排出ケース
４３ 連結ケース
４４ 流体交換膜
４５ａ 流体流入口
４５ｂ 流体排出口
４６ａ 流体流入口
４６ｂ 流体排出口
４７ ポッティング部
５０ 流体交換膜モジュール
５１ ケース
５２ 流体交換膜
５３ａ 流体流入口
５３ｂ 流体排出口
５４ａ 流体流入口
５４ｂ 流体排出口
５５ 内部空間
５５ａ 二分された内部空間のうちのいずれか一つの空間
５５ｂ 二分された内部空間のうちの他の一つの空間
６０ 拡散器
６１ 第１の内径部
６２ 第２の内径部
６３ 内径拡大部
６４ 開口部
７０ 断熱部材
４１ 流入ケース
４２ 排出ケース
４３ 連結ケース
４４ 流体交換膜
４５ａ 流体流入口
４５ｂ 流体排出口
４６ａ 流体流入口
４６ｂ 流体排出口
４７ ポッティング部
５０ 流体交換膜モジュール
５１ ケース
５２ 流体交換膜
５３ａ 流体流入口
５３ｂ 流体排出口
５４ａ 流体流入口
５４ｂ 流体排出口
５５ 内部空間
５５ａ 二分された内部空間のうちのいずれか一つの空間
５５ｂ 二分された内部空間のうちの他の一つの空間
６０ 拡散器
６１ 第１の内径部
６２ 第２の内径部
６３ 内径拡大部
６４ 開口部
７０ 断熱部材
本発明は、流体交換膜モジュールに関し、簡単な部材を含むか、流路の形態を変更するだけでも流体交換膜を介した流体伝達量を極大化することができ、流体の流れの圧力分布を均一にする流体交換膜モジュールに関する。
前記流体交換膜モジュールは、水分供給モジュール、熱交換モジュール、気体分離モジュール又は水処理モジュールとして使用することができる。
Claims (18)
- 少なくとも二対の流体流入口及び流体排出口を含むケースと、
前記ケースに内蔵され、駆動状態でいずれか一対の流体流入口と流体排出口との間を流れる乾燥流体が他の一対の流体流入口と流体排出口との間を流れる高湿の流体に直接接触しないように配置された流体交換膜と、を含み、
前記高湿流体が流入する流体流入口は拡散器を含み、
前記拡散器は前記各流体流入口と連結された配管に設置され、
前記拡散器は、互いに異なる内径を有する第１の内径部及び第２の内径部を含み、
前記第２の内径部の内径は前記第１の内径部の内径より大きく、
前記第１の内径部は前記流体の流れの上流側に配置され、前記第２の内径部は前記流体の流れの下流側に配置される、流体交換膜モジュール。 - 前記第２の内径部の内径と前記第１の内径部の内径との比は２：１〜２０：１である、請求項１に記載の流体交換膜モジュール。
- 前記拡散器は、前記第１の内径部と前記第２の内径部との間に位置する内径拡大部を含む、請求項１に記載の流体交換膜モジュール。
- 前記内径拡大部の内径は、前記第１の内径部の内径から前記第２の内径部の内径まで徐々に拡大される、請求項３に記載の流体交換膜モジュール。
- 前記拡散器はベンチュリ管の形態である、請求項４に記載の流体交換膜モジュール。
- 前記第１の内径部の内径は徐々に縮小される、請求項５に記載の流体交換膜モジュール。
- 前記第１の内径部の内径が徐々に縮小される長さと前記内径拡大部が徐々に拡大される長さとの比は１：１〜１０：１である、請求項６に記載の流体交換膜モジュール。
- 前記第１の内径部はオリフィス板である、請求項１に記載の流体交換膜モジュール。
- 前記オリフィス板は、少なくとも一つ以上の開口部が形成された板を含み、
前記第２の内径部の内径と前記開口部の直径との比は３：１〜３０：１である、請求項８に記載の流体交換膜モジュール。 - 前記第１の内径部はノズルである、請求項１に記載の流体交換膜モジュール。
- 前記第１の内径部の内径は徐々に縮小される、請求項１０に記載の流体交換膜モジュール。
- 前記流体交換膜モジュールは、前記拡散器を断熱させる断熱部材をさらに含む、請求項１に記載の流体交換膜モジュール。
- 前記流体交換膜は中空糸膜の形態であり、前記乾燥流体は前記中空糸膜の中空を介して流れ、前記高湿の流体は前記中空糸膜の外部に流れるように前記ケースと前記流体交換膜を配置した、請求項１に記載の流体交換膜モジュール。
- 前記ケースは、第１の流体流入口が形成されている流入ケースと、第１の流体排出口が形成されている排出ケースと、第２の流体流入口及び第２の流体排出口が形成されている連結ケースと、を含み、
前記ケースは、前記流入ケースと前記排出ケースとを前記連結ケースで連結した構造を有し、
前記中空糸の長さ方向のいずれか一側の末端が前記流入ケース側に位置し、他の一側の末端が前記排出ケース側に位置するように前記ケース内に配置された、請求項１３に記載の流体交換膜モジュール。 - 前記連結ケースの両側末端には、前記中空糸を固定するポッティング部を含む、請求項１４に記載の流体交換膜モジュール。
- 前記流体交換膜は平膜の形態であり、前記乾燥流体は前記平膜の一面に沿って流れ、前記高湿の流体は前記平膜の他の一面に沿って流れるようにケースと前記流体交換膜を配置した、請求項１に記載の流体交換膜モジュール。
- 前記ケースは内部空間を有し、前記ケースの外部から前記内部空間に流体を供給し、前記内部空間からケースの外部に流体を排出するように二対の流体流入口及び流体排出口が形成された構造を有し、
前記流体交換膜は、前記平膜の周囲が前記ケースの内部壁と接触して前記ケースの内部空間を二分し、前記二分された内部空間のうちいずれか一つの空間は一対の流体流入口及び流体排出口と連結され、二分された内部空間のうち他の一つの空間は他の一対の流体流入口及び流体排出口と連結されるように前記ケース内に配置される、請求項１６に記載の流体交換膜モジュール。 - 前記流体交換膜モジュールは、水分供給モジュール、熱交換モジュール、気体分離モジュール又は水処理モジュールである、請求項１に記載の流体交換膜モジュール。
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