JP6602870B2 - 中空糸膜カートリッジ型加湿モジュール及びその製造方法 - Google Patents

中空糸膜カートリッジ型加湿モジュール及びその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、中空糸膜カートリッジ型加湿モジュール及びその製造方法に関し、より詳細には、通常の中空糸膜カートリッジをハウジングに挿入して一体化することによって、様々な容量の製品に拡張することができ、中空糸膜カートリッジの利用効率を高め、簡単なポッティングで製造時間とコストを低減する中空糸膜カートリッジ型加湿モジュール及びその製造方法に関する。
燃料電池とは、水素と酸素を結合させ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の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、熱損失がないため、内燃機関よりも効率が約2倍高いという利点がある。また、水素と酸素の結合により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ため、公害物質の排出が少ない。したがって、燃料電池は、環境に優しいだけでなく、エネルギー消費の増加による資源の枯渇に対するおそれを低減できるという利点を有する。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)などに大別することができる。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。その中でも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するという点、及び出力密度が大きくて小型化が可能であるので、小規模の据え置き型発電装備だけでなく、輸送システムでも最も有望であると認識されている。
高分子電解質型燃料電池の性能を向上させる際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、含水率を維持するようにすることである。高分子電解質膜が乾燥すると、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)に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直接水分を供給する直接噴射(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。これらの中でも、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が、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は、モジュールを形成する場合、単位体積当たりの透過面積の大きい中空糸膜が好ましい。すなわち、中空糸膜を用いて加湿器を製造する場合、接触表面積の広い中空糸膜の高集積化が可能であるので、小容量でも燃料電池の加湿を十分に行うことができ、低価素材の使用が可能であり、燃料電池から高温で排出される未反応ガスに含まれた、水分と熱を回収して加湿器により再利用できるという利点を有する。
ところで、従来の中空糸膜モジュールは、容量を高めるために中空糸膜を多数集積する場合、中空糸膜の外部へと流れる気体の流れが、中空糸膜による不均一な抵抗により、均一に形成されない。これを克服するために、中空糸膜束を分割するか、または単位モジュールをカートリッジ化して大容量化する技術が用いられている。しかし、このような技術は、カートリッジの個別モジュールの製造時間が長すぎるため、製造コストが高くなったり、束を分割する場合、作業性の不利であることにより品質のばらつきが高くなったりするという欠点がある。
韓国公開特許第2011−0109814号(公開日:2011.10.06.) 韓国公開特許第2012−0074507号(公開日:2012.07.06.) 韓国公開特許第2013−0034404号(公開日:2013.04.05.)
本発明の目的は、複数の通常の中空糸膜カートリッジをハウジングに挿入して一体化することによって、様々な容量の製品に拡張することができ、中空糸膜カートリッジの利用効率を高め、簡単なポッティングで製造時間とコストを低減する中空糸膜カートリッジ型加湿モジュール及びその製造方法を提供することにある。
本発明に係る中空糸膜カートリッジ型加湿モジュールは、ハウジングと、ハウジングの内部にハウジングの長手方向に沿って挿入される、複数の中空糸膜束の両端部に嵌め合わされる通常の中空糸膜カートリッジと、ハウジングの内部に備えられて複数の中空糸膜束を区画する区画部と、複数の通常の中空糸膜カートリッジと中空糸膜束をハウジングに一度にポッティングするポッティング部とを含む。
ハウジングの内部には、加湿容量または加湿度に応じて、中空糸膜束なしに区画部内に嵌め込まれてハウジングに一度にポッティングされる通常の空きカートリッジをさらに備えることもできる。通常の中空糸膜カートリッジには、流体が中空糸膜束の内部に容易に流入するようにする流体通過部が形成される。
通常の中空糸膜カートリッジの中空糸膜束は、その全体積に対して中空糸膜を30〜60体積%含むことが好ましい。
ハウジングは、横断面形状が円形、楕円形または多角形からなることができる。
通常の中空糸膜カートリッジは、横断面形状が円形、楕円形または多角形からなることができる。通常の中空糸膜カートリッジの中空糸膜束の相当直径(equivalent diameter)と長さとの比率は1:2〜1:10であることが好ましい。
通常の空きカートリッジは、円形、楕円形または多角形からなっており、区画部の挿入空間の内部に流体が流れないように閉鎖されている。
本発明に係る中空糸膜カートリッジ型加湿モジュールの製造方法は、中空糸膜束の両端部に嵌合される通常の中空糸膜カートリッジを準備するステップと、通常の中空糸膜カートリッジの形状及び個数に応じて容量を定め、中空糸膜束を区画する区画部が備えられたハウジングを製造するステップと、複数の通常の中空糸膜カートリッジ及び中空糸膜束をハウジング内に挿入して配列するステップと、配列された複数の通常の中空糸膜カートリッジと中空糸膜束を、ハウジングに一度にポッティングするステップとを含む。
ハウジングを製造するステップにおいて、区画部はハウジングと一体に作製することができる。また、ハウジングを製造するステップにおいて、区画部はハウジングと分離して作製してから組み付けることができる。
本発明による中空糸膜カートリッジ型加湿モジュール及びその製造方法によれば、複数の通常の中空糸膜カートリッジをハウジングに挿入して一体化することによって、通常の中空糸膜カートリッジの形状及び数量に応じてハウジングを作製して様々な容量の製品に拡張することができ、通常の中空糸膜カートリッジの形状及び数量と、その大きさの比率に応じて、その利用効率を高めることができる。また、複数の通常の中空糸膜カートリッジ及び中空糸膜を一度にポッティングすることによって、簡単なポッティングで製造時間及びコストを低減することができるという効果がある。
本発明の第1実施例に係る中空糸膜カートリッジ型加湿モジュールを一部分解した斜視図である。 図1の矢印A−A線に沿う断面図(縦断面図)である。 図2の通常の中空糸膜カートリッジを示す斜視図である。 本発明の第2実施例に係る中空糸膜カートリッジ型加湿モジュールを示す断面図(縦断面図)である。 図4の通常の空きカートリッジを示す斜視図である。 本発明の第3実施例に係る中空糸膜カートリッジ型加湿モジュールを一部分解した斜視図である。 本発明の実施例に係る中空糸膜カートリッジ型加湿モジュールの製造工程を示すフローチャートである。 従来の中空糸膜モジュールの横断面図である。
以下、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が、容易に実施できるように、本発明の実施例について詳細に説明する。しかし、本発明は、種々の異なる形態で具現可能であり、ここで説明する実施例に限定されない。
図1は、本発明の第1実施例に係る中空糸膜カートリッジ型加湿モジュールを、一部分解した斜視図であり、図2は、図1の矢印A−A線に沿う断面図(縦断面図)であり、図3は、図2の通常の中空糸膜カートリッジを示す斜視図である。図示したように、第1実施例による中空糸膜カートリッジ型加湿モジュール100は、ハウジング110、通常の中空糸膜カートリッジ120、区画部130、ポッティング部140、及びカバー150を含む。
ハウジング110及びカバー150は、加湿モジュール100の外形をなし、ポリカーボネートなどの硬質プラスチックや金属からなることができる。また、ハウジング110及びカバー150は、幅方向の断面形状が、図1に示したように角形であっても、または図6に示したように円形であってもよい。角形は、四角形、正方形、台形、平行四辺形、五角形、六角形などであってもよく、角形は、角部が丸められた形状であってもよい。また、円形は楕円形であってもよい。
ハウジング110の一端部には、加湿流体が供給される注入口111が形成され、ハウジング110の他端部には、内部を加湿した加湿流体が排出される排出口112が形成されている。カバー150は、ハウジング110の両端に組み付けられる。
通常の中空糸膜カートリッジ120は、ハウジング110の内部に、ハウジングの長手方向に沿って挿入される複数の中空糸膜束160の、それぞれの両端部に嵌め合わされる。通常の中空糸膜カートリッジ120は、両側が開口されたボディー121の一端部の外面に、多数の流体通過部122が形成された構造であり、流体通過部122を介して、流体が中空糸膜束160の内部の中空糸膜161の間の空間へと容易に流入するようにする。また、流体通過部122の一部が、ポッティング部140の側に位置するように組み付けることで、通常の中空糸膜カートリッジ120の内部へのポッティングを容易にする。
通常の中空糸膜カートリッジ120は、本実施例では、横断面形状が四角形からなっているが、円形、楕円形または多角形からなることができ、多角形は、角部が丸められた形状からなることができる。通常の中空糸膜カートリッジ内における中空糸膜束の相当直径(equivalent diameter)と長さとの比率は、1:2〜1:10であることが好ましい。相当直径は、多角形などの場合、流体が接する表面積を同じ大きさの円形状に変えて計算するための直径であって、流動の摩擦や流速、熱伝逹といったものを求めるとき、基本式が、円形の管を基準とする直径である。相当直径は、多角形または様々な形状に応じて公知の方法で計算することができる。
区画部130は、ハウジング110の内部に備えられて、複数の中空糸膜束160を区画する。区画部130は、ハウジング110と一体に形成されていてもよく、分離していて組み付け可能な形態からなっていてもよい。区画部130の内部の各挿入空間には、中空糸膜束160が挿入されて配置される。
ポッティング部140は、複数の通常の中空糸膜カートリッジ120の端部(流体通過部側)にて、中空糸膜束160の中空糸膜161を結束しながら、中空糸膜161間の空隙を埋めるとともに、ハウジング110の両端部の内側面に接してハウジング110を気密にさせる。ポッティング部140の材質は、公知のものによるもので、本明細書で詳細な説明は省略する。
ポッティング部140は、ハウジング110の両端のそれぞれの内部に形成される。このことによって、通常の中空糸膜カートリッジ120の内部の中空糸膜束160は、両端部がハウジング110に固定される。これによって、ハウジング110は、両端がポッティング部140によって塞がれ、その内部には、加湿流体が通過する流路が形成される。本発明において、複数の通常の中空糸膜カートリッジ120、及び中空糸膜束160は、ハウジング110に一度にポッティングされる。
カバー150は、ハウジング110の各両端に結合される。カバー150には流体出入口151が形成されている。一側のカバー150の流体出入口151に流入した作動流体は、中空糸膜束160の中空糸膜161の内部管路を通過しながら加湿され、他側のカバー150の流体出入口151から排出される。
中空糸膜束160は、加湿モジュール100の容量に応じて、複数個が区画部130内の挿入空間に挿入配列されて設置される。中空糸膜束160の中空糸膜161は、水分を選択的に通過させる。中空糸膜161の材質は、公知のものによるもので、本明細書で詳細な説明は省略する。中空糸膜束160は、その全体積に対して中空糸膜161を30〜60体積%含むことが好ましい。
図4は、本発明の第2実施例に係る中空糸膜カートリッジ型加湿モジュール200を示す断面図(縦断面図)であり、図5は、図4の通常の空きカートリッジを示す斜視図である。図示したように、ハウジング110の内部には、加湿容量または加湿度に応じて、中空糸膜束なしに区画部130内に嵌め込まれてハウジングに一度にポッティングされる通常の空きカートリッジ170をさらに備えることもできる。
通常の空きカートリッジ170は、円形、楕円形または多角形からなっており、区画部130の挿入空間の内部に流体が流れないように閉鎖されている。第2実施例の通常の空きカートリッジ170は、区画部130の挿入空間に合わせて四角筒状からなっている。通常の空きカートリッジ170が挿入された区画部130の内部挿入空間は空いている。第2実施例の残りの構成は、第1実施例と同一であるので、同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
図6は、本発明の第3実施例に係る中空糸膜カートリッジ型加湿モジュールを一部分解した斜視図である。図示したように、第3実施例による中空糸膜カートリッジ型加湿モジュール300は、ハウジング310、通常の中空糸膜カートリッジ320、区画部(図示せず)、ポッティング部340、カバー350、及び、中空糸膜361が結束された中空糸膜束360を含む。第3実施例の中空糸膜カートリッジ型加湿モジュール300の形状は円筒形であり、残りの構成は、第1実施例と類似しているので、詳細な説明は省略する。
このように構成された本発明の実施例に係る中空糸膜カートリッジ型加湿モジュール100は、図7に示したように、通常の中空糸膜カートリッジを準備するステップ(S110)、ハウジングを製造するステップ(S120)、カートリッジを配列するステップ(S130)、カートリッジをポッティングするステップ(S140)、及びカバーを組み付けるステップ(S150)を経て完成する。
通常の中空糸膜カートリッジを準備するステップ(S110)は、公知の射出、押出、加工などの方法により製造された多数の通常の中空糸膜カートリッジ120を準備するステップである。ハウジングを製造するステップ(S120)は、通常の中空糸膜カートリッジ120の形状及び個数に応じて容量を定め、中空糸膜束160を区画する区画部130が備えられたハウジング110を製造するステップである。カートリッジを配列するステップ(S130)は、複数の通常の中空糸膜カートリッジ120及び中空糸膜束160を、ハウジング110内の区画部130に挿入して配列するステップである。カートリッジをポッティングするステップ(S140)は、配列された複数の通常の中空糸膜カートリッジ120及び中空糸膜束160を、ハウジング110に一度にポッティングするステップである。カバーを組み付けるステップ(S150)は、通常の中空糸膜カートリッジ120及び中空糸膜束160がポッティングされたハウジング110の両端にカバー150を組み付けるステップである。
通常の中空糸膜カートリッジ120と、ハウジング110とは、それぞれ別途の工程で製造されて準備されてもよい。ハウジングを製造するステップ(S120)において、区画部130は、ハウジング110と一体に作製することができる。また、ハウジングを製造するステップ(S120)において、区画部130は、ハウジング110と分離して作製して組み付けることができる。
このような中空糸膜カートリッジ型加湿モジュールの製造方法によれば、通常の中空糸膜カートリッジをハウジングに挿入して一体化することによって、通常の中空糸膜カートリッジの形状及び数量に応じてハウジングを作製することで、様々な容量の製品に拡張することができ、通常の中空糸膜カートリッジの形状及び数量と、その大きさの比率に応じて、その利用効率を高めることができる。また、多数の通常の中空糸膜カートリッジを一度にポッティングすることによって、簡単なポッティングで、製造時間及びコストを低減することができる。
以下では、本発明の実施例によって加湿モジュールを製造した実施例、比較例及び実験例を通じて本発明の構成及び効果をさらに詳細に説明する。実施例は本発明を例示するものに過ぎず、本発明の内容が以下の実施例によって限定されるものではない。
[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)4,200個を12個(それぞれ350個)の束に分けたカートリッジ12個をそれぞれポッティングした後、ポッティングされたカートリッジ12個を角形のハウジング(横250mm、縦150mm、長さ300mm)の内部に配置させ、ハウジングの両端をポッティングした後、前記ハウジングの両端部にカバーを被せることで、加湿モジュールを製造することができる。
(比較例2)
図8に示したように、ポリスルホン中空糸膜(外径900μm、内径800μm)6,000個を一つの束421にして角形のハウジング(横250mm、縦150mm、長さ300mm)410の内部に一つのモジュール420として配置させた。
前記ハウジングの両端にポッティング部形成用キャップを被せ、前記中空糸膜束どうしの間の空間、及び前記中空糸膜束と前記ハウジングとの間の空間にポッティング用組成物を注入した後、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、前記硬化した中空糸膜ポッティング用組成物の先端を切断し、前記中空糸膜束の先端が、前記ポッティング部の切断部に露出されるようにしてポッティング部を形成した後、前記ハウジングの両端部にカバーを被せることで、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)4,800個を12個の束(それぞれ400個)に分割し、各束の両端に通常の中空糸膜カートリッジを挿入し、角形のハウジング(横250mm、縦150mm、長さ300mm)の内部に形成された区画部の挿入空間に挿入して配置させた(図1参照)。
前記ハウジングの両端にポッティング部形成用キャップを被せ、前記中空糸膜束どうしの間の空間、及びカートリッジと前記ハウジングとの間の空間にポッティング用組成物を注入した後、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、前記硬化した中空糸膜ポッティング用組成物の先端を切断し、前記中空糸膜束の先端が、前記ポッティング部の切断部に露出されるようにしてポッティング部を形成した後、前記ハウジングの両端部にカバーを被せることで、加湿モジュールを製造した。
(実施例2)
ポリスルホン中空糸膜(外径900μm、内径800μm)4,200個を四角形状の12個の束(それぞれ350個)に分割し、各束の両端に通常の中空糸膜カートリッジを挿入し、角形のハウジング(横250mm、縦150mm、長さ300mm)の内部に形成された区画部の挿入空間に挿入して配置させた(図1参照)。
前記ハウジングの両端にポッティング部形成用キャップを被せ、前記中空糸膜束どうしの間の空間、及び前記カートリッジと前記ハウジングとの間の空間にポッティング用組成物を注入した後、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、前記硬化した中空糸膜ポッティング用組成物の先端を切断し、前記中空糸膜束の先端が、前記ポッティング部の切断部に露出されるようにしてポッティング部を形成した後、前記ハウジングの両端部にカバーを被せることで、加湿モジュールを製造した。
[実験例:製造された加湿モジュールの性能測定]
前記実施例及び比較例で製造された加湿モジュールの中空糸膜の内部及び外部にそれぞれ50g/secの乾燥空気を流入し、中空糸膜の外部は、温度70℃、湿度90%に固定し、中空糸膜の内部は、温度40℃、湿度10%に固定して気体−気体加湿を行った。
加湿性能は、前記中空糸膜の内部を流れる空気が加湿されて出る地点の温度と湿度を測定し、露点(Dew Point)に換算して測定した。その結果を、ポッティング回数と共に下記の表1に示す。
Figure 0006602870
前記表1を参照すると、前記実施例1及び実施例2で製造された加湿モジュールは、比較例1に比べてポッティング回数が減少し、ポッティングが簡単であり、比較例2に比べて加湿膜の数が少ないながらも、加湿性能がさらに優れていることがわかる。
以上で本発明の好ましい実施例につい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、後述する特許請求の範囲で定義している本発明の基本概念を利用した当業者の様々な変形及び改良形態も本発明の権利範囲に属する。
100:加湿モジュール
110:ハウジング 111:注入口
112:排出口 120:通常の中空糸膜カートリッジ
130:区画部 140:ポッティング部
150:カバー 151:流体出入口
160:中空糸膜束 161:中空糸膜
170:通常の空きカートリッジ

Claims (9)

  1. ハウジングと、
    前記ハウジングの内部に、前記ハウジングの長手方向に沿って挿入される複数の中空糸膜束の、それぞれの両端部に嵌め合わされる中空糸膜カートリッジと、
    前記ハウジングの内部に備えられて前記複数の中空糸膜束を区画する区画部と、
    前記ハウジングの端部の内側面に接するポッティング部であって、前記複数の中空糸膜カートリッジのみならず、前記中空糸膜束についても前記ポッティング部中にポッティングされるようにすることで、ハウジング中にて固定されるようにするポッティング部とを含み、
    前記区画部は、前記ハウジングと一体に形成されているか、またはハウジングに、分離して形成されて組み付けられており、
    前記区画部内の挿入空間ごとに、それぞれの前記中空糸膜束と、前記中空糸膜カートリッジの一端部とが挿入されていることを特徴とする、中空糸膜カートリッジ型加湿モジュール。
  2. 前記ハウジングの内部には中空糸膜束なしに前記区画部内に嵌め込まれて、前記ポッティング部中にポッティングされている、空きカートリッジを、さらに備えることを特徴とする、請求項1に記載の中空糸膜カートリッジ型加湿モジュール。
  3. 前記中空糸膜カートリッジは、両側が開口されたボディーの一端部の外面に、複数の流体通過部を備えることを特徴とする、請求項1に記載の中空糸膜カートリッジ型加湿モジュール。
  4. 中空糸膜カートリッジの前記中空糸膜束は、その全体積に対して中空糸膜を30〜60体積%含むことを特徴とする、請求項1に記載の中空糸膜カートリッジ型加湿モジュール。
  5. 前記ハウジングは、横断面形状が円形、楕円形または多角形からなることを特徴とする、請求項1に記載の中空糸膜カートリッジ型加湿モジュール。
  6. 中空糸膜カートリッジは、横断面形状が円形、楕円形または多角形からなることを特徴とする、請求項1に記載の中空糸膜カートリッジ型加湿モジュール。
  7. 中空糸膜カートリッジにおける中空糸膜束の相当直径(equivalent diameter)と長さとの比率は、1:2〜1:10であることを特徴とする、請求項6に記載の中空糸膜カートリッジ型加湿モジュール。
  8. 空きカートリッジは、円形、楕円形または多角形からなっており、前記区画部の挿入空間の内部に流体が流れないように閉鎖されていることを特徴とする、請求項2に記載の中空糸膜カートリッジ型加湿モジュール。
  9. 中空糸膜束の両端部に嵌め合われ中空糸膜カートリッジを準備するステップと、
    中空糸膜カートリッジの形状及び個数に応じて容量を定め、前記中空糸膜束を区画する区画部が備えられたハウジングを製造するステップと、
    複数の前中空糸膜カートリッジ及び中空糸膜束を前記ハウジング内に挿入して配列するステップと、
    配列された複数の前中空糸膜カートリッジと、中空糸膜束とを、前記ハウジングに一度にポッティングするステップとを含み、
    前記ハウジングを製造するステップにおいて、前記区画部を前記ハウジングと一体に作製するか、またはハウジングと分離して作製して組み付け、
    前記挿入して配列するステップにおいて、前記区画部内の挿入空間ごとに、それぞれの前記中空糸膜束と、前記中空糸膜カートリッジの一端部とを挿入することを特徴とする、中空糸膜カートリッジ型加湿モジュールの製造方法。
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