JP6654379B2

JP6654379B2 - 中空糸膜モジュール

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Publication number: JP6654379B2
Application number: JP2015170052A
Authority: JP
Inventors: 良平岩崎; 豪士加藤
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2015-08-31
Filing date: 2015-08-31
Publication date: 2020-02-26
Anticipated expiration: 2035-08-31
Also published as: JP2017047337A

Description

本発明は、中空糸膜モジュールに関する。

中空糸膜は、例えば、筒状に形成された膜からなり、濾過機能を有するため、例えば、液中の不純物の除去などにおいて、広く用いられている。

より具体的には、例えば、複数本の中空糸膜が束ねられることにより、中空糸膜モジュールが構成され、その中空糸膜モジュールが、例えば、浄水設備や、例えば、燃料電池における液体燃料の浄化などに、用いられる。

中空糸膜モジュールを用いて液体燃料を浄化するシステムとしては、例えば、液体燃料が供給される燃料電池と、液体燃料が貯留される燃料タンクと、燃料タンクから燃料電池に対して液体燃料を供給する燃料供給経路と、燃料電池に供給された液体燃料の反応生成物および反応生成水を含む排出液を排出する燃料排出経路と、燃料排出経路から燃料供給経路へ排出液を輸送する還流経路と、燃料供給経路に介在されるとともに、還流経路に接続され、燃料タンクから輸送された液体燃料と、燃料電池から排出される排出液とを混合することにより、液体燃料の濃度を調整するための濃度調整タンクと、濃度調整タンク内において、水分を液体燃料から分離するための水分離器とを備え、水分離器として、水分離膜の中空糸の束を用いた燃料電池システムが、提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

このような燃料電池システムでは、水分離器（水分離膜の中空糸の束）に空気を流すことによって、その周囲の液体燃料に含まれる水分（不純物）が水蒸気化され、水分離膜を通過して、中空糸の内部に取り込まれる。これにより、液体燃料から水分が分離される。

特開２０１５−１４１８２８号公報

一方、特許文献１に記載されるように、液体燃料中の水分を分離すると、水分が水蒸気化されるときの気化熱によって、水分離器の内部の温度が低下し、水分離効率の低下を惹起する場合がある。

本発明の目的は、水分離効率の低下を抑制することができる中空糸膜モジュールを提供することにある。

本発明は、
［１］水が通過可能な膜からなる複数の水通過性中空糸膜、および、水が通過不可能な膜からなる複数の水非通過性中空糸膜の束からなる膜ユニットと、水を含有する液体を前記膜ユニットの周囲に保持するためのケースとを備えることを特徴とする、中空糸膜モジュール
である。

本発明の中空糸膜モジュールは、水通過性中空糸膜および水非通過性中空糸膜の束からなる膜ユニットを備えるため、水通過性中空糸膜において水分が水蒸気化される場合にも、水分を水蒸気化させない水非通過性中空糸膜によって、中空糸膜モジュール内部の温度の低下を抑制することができ、水分離効率の低下を抑制することができる。

図１Ａは、本発明の中空糸膜モジュールの一実施形態を示す概略図であり、図１Ｂは、図１Ａに示す膜ユニットのＡ−Ａ断面を示す概略図である。図２は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを搭載した電動車両の概略構成図である。図３は、図１に示す燃料電池システムに搭載される水分離器を示す概略構成図である。

１．中空糸膜モジュール
図１Ａおよび図１Ｂにおいて、中空糸膜モジュール５１は、膜ユニット５２と、膜ユニット５２を収容するケース５３とを備えている。

膜ユニット５２は、図１Ｂに示すように、複数の水通過性中空糸膜５４、および、複数の水非通過性中空糸膜５５の束として、集合筒状に形成されている。

なお、図１Ａには、膜ユニット５２のＡ−Ａ断面（膜ユニット５２の長手方向と直交する方向における断面）の斜視図を示し、図１Ｂには、膜ユニット５２のＡ−Ａ断面の平面図を示す。また、図１Ｂに示す膜ユニット５２のＡ−Ａ断面において、水通過性中空糸膜５４の断面を白抜き、水非通過性中空糸膜５５の断面を黒塗りで示す。

水通過性中空糸膜５４は、水が通過可能な膜（水分離膜）からなる中空糸膜である。つまり、水通過性中空糸膜５４は、筒状の水分離膜からなる。

水通過性中空糸膜５４としては、例えば、炭素膜などの無機膜、例えば、ポリエチレン膜などの高分子膜などが挙げられ、好ましくは、炭素膜が挙げられる。

水通過性中空糸膜５４の内径は、例えば、２００μｍ以上、好ましくは、２５０μｍ以上であり、例えば、４００μｍ以下、好ましくは、３５０μｍ以下である。

水通過性中空糸膜５４の長さは、例えば、１０ｃｍ以上、好ましくは、２０ｃｍ以上であり、例えば、６０ｃｍ以下、好ましくは、５０ｃｍ以下である。

また、水通過性中空糸膜５４は、その表面において、水の通過を許容する細孔を備えている。細孔の孔径は、例えば、１ｎｍ以下、好ましくは、０．５ｎｍ以下であり、通常、０．３ｎｍ以上である。

また、水通過性中空糸膜５４の数は、例えば、１００本以上、好ましくは、２００本以上であり、例えば、６００本以下、好ましくは、５００本以下である。

水非通過性中空糸膜５５は、水が通過不可能な膜（水不分離膜）からなる中空糸膜である。つまり、水非通過性中空糸膜５５は、筒状の水不分離膜からなる。

水非通過性中空糸膜５５としては、例えば、炭素膜などの無機膜、例えば、ポリエチレン膜などの高分子膜などが挙げられ、好ましくは、炭素膜が挙げられる。

水非通過性中空糸膜５５の内径は、例えば、２００μｍ以上、好ましくは、２５０μｍ以上であり、例えば、４００μｍ以下、好ましくは、３５０μｍ以下である。また、水非通過性中空糸膜５５の内径は、好ましくは、水通過性中空糸膜５４の内径と同一である。

水非通過性中空糸膜５５の長さは、水通過性中空糸膜５４の長さと同一である。

また、水非通過性中空糸膜５５は、水の通過を阻害するため、その表面に細孔を備えていないか、または、水の通過を許容しないサイズの細孔を備えている。細孔を備える場合、その孔径は、例えば、１ｎｍ未満、好ましくは、０．２ｎｍ未満である。

また、水非通過性中空糸膜５５の数は、例えば、２５本以上、好ましくは、５０本以上であり、例えば、２５０本以下、好ましくは、１５０本以下である。

複数の水通過性中空糸膜５４と、複数の水非通過性中空糸膜５５とからなる束を形成する方法は、特に制限されず、公知の方法で水通過性中空糸膜５４と水非通過性中空糸膜５５とを結束させる。

例えば、複数の水通過性中空糸膜５４と複数の水非通過性中空糸膜５５との束（集合筒）の長手方向両端を、凸筒形状の連通キャップ５６により固定する。

具体的には、複数の水通過性中空糸膜５４と複数の水非通過性中空糸膜５５との束（集合筒）の長手方向両端部に、連通キャップ５６の底部が径方向外側から嵌合している。

なお、略凸筒形状の連通キャップ５６の頂部は、開口を有しており、水通過性中空糸膜５４、水非通過性中空糸膜５５および連通キャップ５６の内外を連通させている。

これにより、複数の水通過性中空糸膜５４と複数の水非通過性中空糸膜５５との束からなる膜ユニット５２が得られる。

膜ユニット５２において、水通過性中空糸膜５４と水非通過性中空糸膜５５との総数は、例えば、５００本以上、好ましくは、１０００本以上であり、例えば、２５００本以下、好ましくは、２０００本以下である。

また、水通過性中空糸膜５４と水非通過性中空糸膜５５との総数に対して、水非通過性中空糸膜５５の割合が、例えば、５％以上、好ましくは、１０％以上、より好ましくは、２０％以上であり、例えば、５０％以下、好ましくは、４０％以下、より好ましくは、３０％以下である。

水非通過性中空糸膜５５の割合が上記範囲であれば、より効果的に、中空糸膜モジュール５１の内部の温度の低下を抑制することができ、水分離効率の低下を抑制することができる。

また、膜ユニット５２において、水通過性中空糸膜５４と水非通過性中空糸膜５５との配置は、特に制限されないが、好ましくは、複数の水通過性中空糸膜５４の束の中に、複数の水非通過性中空糸膜５５が、均等に配置される。

より具体的には、好ましくは、図１Ｂに示すように、膜ユニット５２の断面図において、水非通過性中空糸膜５５のドットパターンを形成するように、複数の水非通過性中空糸膜５５が、配置される。

また、好ましくは、最も低温となる膜ユニット５２の径方向中央部分に、水非通過性中空糸膜５５が配置され、さらに、水非通過性中空糸膜５５は、径方向中央部分の周囲を囲むように、互いに等間隔を隔てて複数配置される。

このように水通過性中空糸膜５４と水非通過性中空糸膜５５とを配置することにより、より効果的に、中空糸膜モジュール５１の内部の温度の低下を抑制することができ、水分離効率の低下を抑制することができる。

なお、膜ユニット５２の長手方向一方側端部には、膜ユニット５２内に空気を供給するための空気供給装置（図示せず）および空気供給管（図示せず）が接続されている。また、膜ユニット５２の長手方向他方側端部には、膜ユニット５２を通過した空気が排出される排出管（図示せず）が接続されている。これにより、膜ユニット５２の内部を、空気が連続的または断続的に通過可能とされている。

ケース５３は、耐熱耐圧容器からなり、水を含有する液体（後述）を、上記の膜ユニット５２の周囲に保持するために設けられている。

ケース５３の形状は、膜ユニット５２を収容できれば、特に制限されないが、例えば、箱形状、円筒形状などが挙げられる。図１では、ケース５３は、円筒形状に形成されている。

また、ケース５３の長手方向両端の壁面には、連通キャップ５６が貫通するように嵌合されている。これにより、膜ユニット５２がケース５３内において固定されている。

また、ケース５３には、水を含有する液体（後述）をケース５３内に連続的または断続的に供給するための供給口（図示せず）と、その液体をケース５３から連続的または断続的に排出するための排出口（図示せず）とを備えている。

２．中空糸膜モジュールによる水の分離
中空糸膜モジュール５１を用いて水を分離する方法について、詳述する。

この方法では、まず、ケース５３の供給口（図示せず）から、水を含有する液体が、ケース５３に供給される。

水を含有する液体において、水を除く成分としては、例えば、メタノール、ジメチルエーテル、ヒドラジン（例えば、無水ヒドラジンや、ヒドラジン１水和物などの水加ヒドラジンなどを含む）などが挙げられ、好ましくは、ヒドラジンが挙げられる。

水の含有割合は、水を含有する液体の総量に対して、水が、例えば、４０質量％以上、好ましくは、５０質量％以上であり、例えば、９５質量％以下、好ましくは、９０質量％以下である。

水を含有する液体の供給量は、ケース５３の容積に応じて適宜設定されるが、例えば、ケース５３内において、膜ユニット５２の全体が、水を含有する液体に浸漬される量である。

次いで、この方法では、膜ユニット５２の一方側端部から、膜ユニット５２の内部に空気を供給する。つまり、水通過性中空糸膜５４および水非通過性中空糸膜５５の内部に、空気を通過させる。

このとき、膜ユニット５２は、水を含有する液体に浸漬されているため、水通過性中空糸膜５４（水分離膜）の周囲の液体に含まれる水分が、水蒸気化され、その膜壁を通過して水通過性中空糸膜５４（水分離膜）の内部に移動する。これにより、水が液体から分離される（浸透気化法）。

そして、水蒸気は、水通過性中空糸膜５４（水分離膜）内において空気と混合され、空気が加湿される。加湿された空気は、膜ユニット５２の他方側端部から排出される。

一方、水非通過性中空糸膜５５は、水を通過させないため、水非通過性中空糸膜５５の周囲では、水は水蒸気化されず、液体から分離されずに残存する。

３．作用効果
このような水分離方法では、水通過性中空糸膜５４において、水分が水蒸気化され、分離されるため、水蒸気化するときの気化熱によって、膜ユニット５２の内部の温度が低下する場合がある。

しかし、上記の中空糸膜モジュール５１は、水通過性中空糸膜５４および水非通過性中空糸膜５５の束からなる膜ユニット５２を備える。つまり、膜ユニット５２は、水分を水蒸気化させない水非通過性中空糸膜５５を備える。

そのため、水通過性中空糸膜５４において水分が水蒸気化される場合にも、水分を水蒸気化させない水非通過性中空糸膜５５によって、中空糸膜モジュール５１内部の温度の低下を抑制することができ、水分離効率の低下を抑制することができる。

また、例えば、水非通過性中空糸膜５５を設けることなく、単に、水通過性中空糸膜５４のみからなる膜ユニット５２から、水通過性中空糸膜５４の数を減少させ、かつ、膜ユニット２のサイズを維持して、膜ユニット５２中の水通過性中空糸膜５４の密度を低下させることにより、水分離時の温度の低下を抑制することも検討される。

しかし、このような場合には、水通過性中空糸膜５４の間の空隙が大きくなるため、水通過性中空糸膜５４を強固に結束させることができず、膜ユニット５２の強度が低下するおそれがある。

一方、単に、水通過性中空糸膜５４のみからなる膜ユニット５２から水通過性中空糸膜５４の数を減少させるのではなく、一部の水通過性中空糸膜５４に代えて、水非通過性中空糸膜５５を用いれば、膜ユニット５２の強度を保つとともに、水分離時の温度の低下を抑制することができる。

そのため、このような中空糸膜モジュール５１は、例えば、燃料電池システム、気化式加湿器、アルコール濃縮器などに採用することができ、好ましくは、燃料電池システムに採用することができる。

４．燃料電池システムの全体構成
図２において、電動車両１は、燃料電池およびバッテリを選択的に動力源とするハイブリッド車両であって、燃料電池システム２を搭載している。

燃料電池システム２は、燃料電池３と、燃料給排部４と、空気給排部５と、制御部６と、動力部７とを備えている。
（１）燃料電池
燃料電池３は、液体燃料が直接供給および排出される、例えば、アニオン交換型燃料電池またはカチオン交換型燃料電池であって、電動車両１の中央下側に配置されている。

燃料電池３に供給され、また、燃料電池３から排出される液体燃料としては、例えば、メタノール、ジメチルエーテル、ヒドラジン（例えば、無水ヒドラジンや、ヒドラジン１水和物などの水加ヒドラジンなどを含む）などが挙げられる。

なお、以下において、燃料電池３に供給される液体燃料を供給液、一方、燃料電池３から排出される液体燃料（燃料電池３に供給された液体燃料の反応生成物（窒素ガスなど）および反応生成水を含む）を排出液として、それぞれ区別する。

燃料電池３は、電解質層８と、電解質層８の一方側に配置されたアノード９と、電解質層８の他方側に配置されたカソード１０とを有する単位セル２８（燃料電池セル）が、セパレータ（図示せず）を介して複数積層されたスタック構造に形成されている。つまり、電解質層８を介してアノード９およびカソード１０が対向配置されてなる単位セル２８が複数積層されている。なお、図２では、積層される複数の単位セル２８のうち、電動車両１の前後方向途中に配置される単位セル２８だけを拡大して示し、その他の単位セル２８については簡略化して記載している。

電解質層８は、例えば、アニオン成分またはカチオン成分が移動可能な層であり、アニオン交換膜またはカチオン交換膜を用いて形成されている。

アノード９は、燃料側電極としてのアノード電極１１と、アノード電極１１に液体燃料（供給液）を供給するための燃料供給部材１２とを有している。

アノード電極１１は、電解質層８の一方面に形成されている。アノード電極１１の電極材料としては、例えば、触媒が担持された多孔質担体（触媒担持多孔質担体）などが挙げられる。

燃料供給部材１２は、セパレータとしても兼用され、ガス不透過性の導電性部材からなる。燃料供給部材１２には、その表面から凹む葛折状の溝が形成されている。そして、燃料供給部材１２は、溝の形成された表面がアノード電極１１に対向接触されている。これにより、アノード電極１１の一方面と燃料供給部材１２の他方面（溝の形成された表面）との間には、アノード電極１１全体に液体燃料（供給液）を接触させるための燃料供給路１３が形成される。

燃料供給路１３には、液体燃料（供給液）をアノード９内に流入させるための燃料供給口１５が一端側（下側）に形成され、液体燃料（排出液）をアノード９から排出するための燃料排出口１４が他端側（上側）に形成されている。

カソード１０は、酸素側電極としてのカソード電極１６と、カソード電極１６に空気（酸素）を供給するための空気供給部材１７とを有している。

カソード電極１６は、電解質層８の他方面に形成されている。

カソード電極１６の電極材料としては、例えば、触媒担持多孔質担体などが挙げられる。

空気供給部材１７は、セパレータとしても兼用され、ガス不透過性の導電性部材からなる。空気供給部材１７には、その表面から凹む葛折状の溝が形成されている。そして、空気供給部材１７は、溝の形成された表面がカソード電極１６に対向接触されている。これにより、カソード電極１６の他方面と空気供給部材１７の一方面（溝の形成された表面）との間には、カソード電極１６全体に空気を接触させるための空気流路としての空気供給路１８が形成される。

空気供給路１８には、空気をカソード１０内に流入させるための空気供給口１９が他端側（上側）に形成され、空気をカソード１０から排出するための空気排出口２０が一端側（下側）に形成されている。

また、このような燃料電池３において、複数の単位セル２８をそれぞれ区分する１つのセパレータは、上記燃料供給部材１２および上記空気供給部材１７を兼ね備える。換言すると、セパレータは、その一方側面において、燃料供給部材１２として作用するとともに、他方側面において、空気供給部材１７として作用する。
（２）燃料給排部
燃料給排部４は、液体燃料を貯留するための燃料タンク２２と、燃料タンク２２から燃料電池３（具体的には、アノード９の燃料供給路１３）へ供給液を供給する燃料供給経路としての燃料供給ライン３０と、燃料供給ライン３０に介在される濃度調整タンク４７と、燃料電池３（具体的には、アノード９の燃料供給路１３）から排出液を排出する燃料排出経路としての燃料排出ライン３１と、燃料排出ライン３１から燃料供給ライン３０へ排出液を輸送する還流経路としての還流ライン３２とを備えている。

なお、燃料供給ライン３０と燃料排出ライン３１との間には、燃料電池３が介在されており、また、燃料排出ライン３１と還流ライン３２との間には、気液分離器２３（後述）が介在されている。

燃料タンク２２は、燃料電池３よりも後方、電動車両１の後側に配置されている。燃料タンク２２には、液体燃料として、例えば、メタノール、ジメチルエーテル、ヒドラジンなどが貯蔵されている。

燃料供給ライン３０は、その上流側端部が、燃料タンク２２に接続されるとともに、下流側端部が、燃料電池３（具体的には、アノード９の燃料供給路１３）に接続されている。

濃度調整タンク４７は、上記した液体燃料に耐性のある材質から形成され、燃料供給ライン３０に介在されている。

また、濃度調整タンク４７には、還流ライン３２（後述）の下流側端部が接続されており、詳しくは後述するが、還流ライン３２を介して、排出液が供給される。これにより、濃度調整タンク４７において、燃料タンク２２から輸送された液体燃料（１次供給液）と、燃料電池３から排出された排出液とが、適宜の割合で混合され、燃料電池３に供給される液体燃料（２次供給液）の濃度が、調整される。

また、詳しくは後述するが、濃度調整タンク４７には、膜ユニット５２からなる水分離器４５（後述）が収容および固定されており、濃度調整タンク４７は、上記した中空糸膜モジュール５１のケース５３として兼用される。

また、燃料供給ライン３０の流れ方向途中において、濃度調整タンク４７の上流側には、第１供給ポンプ３３および燃料供給弁３４が設けられている。

第１供給ポンプ３３としては、例えば、ロータリーポンプ、ギヤポンプなどの回転式ポンプ、ピストンポンプ、ダイヤフラムポンプなどの往復式ポンプなど、公知の送液ポンプが用いられる。第１供給ポンプ３３は、コントロールユニット２９（後述）に電気的に接続されている（図２の破線参照）。これにより、コントロールユニット２９（後述）からの制御信号が、第１供給ポンプ３３に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、第１供給ポンプ３３の駆動および停止を制御する。

また、燃料供給弁３４は、燃料供給ライン３０を開閉するための弁であって、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が用いられる。また、燃料供給弁３４は、コントロールユニット２９（後述）に電気的に接続されている（図２の破線参照）。これにより、コントロールユニット２９（後述）からの制御信号が、燃料供給弁３４に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、燃料供給弁３４の開閉を制御する。

このような第１供給ポンプ３３の駆動、および、燃料供給弁３４の開閉により、燃料タンク２２から、液体燃料（１次（高濃度）供給液）が、濃度調整タンク４７へ供給される。

また、燃料供給ライン３０の流れ方向途中において、濃度調整タンク４７の下流側には、第２供給ポンプ３５が設けられている。

第２供給ポンプ３５としては、上記した公知の送液ポンプが用いられる。第２供給ポンプ３５は、コントロールユニット２９（後述）に電気的に接続されている（図２の破線参照）。これにより、コントロールユニット２９（後述）からの制御信号が、第２供給ポンプ３５に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、第２供給ポンプ３５の駆動および停止を制御する。

このような第２供給ポンプ３５の駆動により、液体燃料（２次（低濃度）供給液）が、濃度調整タンク４７から燃料電池３に供給される。

燃料排出ライン３１は、その上流側端部が、燃料電池３（具体的には、アノード９の燃料供給路１３）に接続されるとともに、下流側端部が、気液分離器２３に接続されている。

このような燃料排出ライン３１により、排出液が燃料電池３から排出され、気液分離器２３に輸送される。

気液分離器２３は、例えば、中空の容器からなり、その下部には、気液分離器２３の内外を流通させる底部流通口２４が２つ形成されている。

また、気液分離器２３の上部には、気液分離器２３の内外を流通させる上部流通口２５が１つ形成されている。

気液分離器２３は、燃料電池３よりも電動車両１の前後方向後方、かつ、電動車両１の上下方向上方において、２つの底部流通口２４が、それぞれ、燃料排出ライン３１および還流ライン３２（後述）に接続されている。

上部流通口２５には、気液分離器２３で分離されたガス（気体）を排出するためのガス排出管２６が接続されている。ガス排出管２６は、上部流通口２５に接続されている。また、ガス排出管２６の途中には、ガス排出弁２７が設けられている。

ガス排出弁２７は、ガス排出管２６を開放して気液分離器２３内の圧力を開放するための弁であって、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が用いられる。ガス排出弁２７は、コントロールユニット２９（後述）に電気的に接続されている（図２の破線参照）。これにより、コントロールユニット２９（後述）からの制御信号がガス排出弁２７に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、ガス排出弁２７の開閉を制御する。

還流ライン３２は、その上流側端部が、気液分離器２３に接続されるとともに、下流側端部が、濃度調整タンク４７の上壁に接続されている。

これにより、燃料排出ライン３１内を輸送される排出液が、気液分離器２３および還流ライン３２を介して、濃度調整タンク４７に輸送される。そして、濃度調整タンク４７内において、燃料タンク２２から輸送された液体燃料（１次供給液）と混合され、濃度調整された後、供給液（２次供給液）として、燃料電池３に戻ることにより、アノード９を循環するクローズドライン（閉流路）が形成される。すなわち、濃度調整タンク４７、燃料供給ライン３０、燃料供給路１３、燃料排出ライン３１、気液分離器２３および還流ライン３２が、クローズドライン（閉流路）を構成する。
（３）空気給排部
空気給排部５は、燃料電池３（カソード１０）に対して空気を供給する空気供給経路としての空気供給ライン４１と、カソード１０から排出される空気を外部に排出するための空気排出ライン４２とを備えている。

空気供給ライン４１は、その一端側（上流側）が大気中に開放され、他端側（下流側）が空気供給口１９に接続されている。空気供給ライン４１の途中には、空気供給ポンプ４３が介在されており、また、その下流側には、空気供給弁４４が設けられている。

また、空気供給ポンプ４３は、コントロールユニット２９（後述）に電気的に接続されており、コントロールユニット２９（後述）からの制御信号が、空気供給ポンプ４３に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、空気供給ポンプ４３の駆動および停止を制御する。

空気供給弁４４は、空気供給ライン４１を開閉するための弁であって、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が用いられる。

また、空気供給弁４４は、それぞれ、コントロールユニット２９（後述）に電気的に接続されており、コントロールユニット２９（後述）からの制御信号が、空気供給弁４４に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、空気供給弁４４の開閉を制御する。

また、空気供給ライン４１は、空気供給ポンプ４３および空気供給弁４４の下流側において、濃度調整タンク４７内を通過するように配設されている。

そして、空気供給ライン４１は、濃度調整タンク４７内において、水分を液体燃料（排出液）から分離し、空気供給ライン４１内に導入するための水分離手段としての水分離器４５を備えている。

水分離器４５は、図３に示すように、上記した膜ユニット５２からなり、具体的には、複数の水通過性中空糸膜５４、および、複数の水非通過性中空糸膜５５の束として、集合筒状に形成されている（図１Ａおよび図１Ｂ参照。）。

そして、水分離器４５（膜ユニット５２）は、図２に示されるように、濃度調整タンク４７内において、空気供給ライン４１に介在されるように配置されている。

より具体的には、水分離器４５は、濃度調整タンク４７内において、単数または複数（図３では３つ）配置されており、図示しない液体燃料（排出液と１次供給液との混合液）に浸漬されている。

なお、水分離器４５が複数備えられる場合には、図示しないが、空気供給ライン４１が、濃度調整タンク４７の上流側において分岐され、各分岐ラインに水分離器４５が介在される。このとき、各水分離器４５は、濃度調整タンク４７内において、互いに水平方向に間隔を隔てて並列配置される。また、空気供給ライン４１の各分岐ラインは、濃度調整タンク４７の下流側において集合される。

なお、この燃料電池システム２では、上記したように、濃度調整タンク４７が、中空糸膜モジュール１におけるケース５３として兼用される。すなわち、この燃料電池システム２では、水分離器４５（膜ユニット５２）および濃度調整タンク４７（ケース５３）が、中空糸膜モジュール５１を構成する。これにより、燃料電池システム２は、中空糸膜モジュール５１を備える。

また、水分離器４５は、図示しないが、空気供給ライン４１および濃度調整タンク４７に対して着脱可能に設けられており、必要に応じて、空気供給ライン４１および濃度調整タンク４７から取り外し、洗浄および交換が可能とされている。

そして、これにより、空気供給ライン４１内を流れる空気が、濃度調整タンク４７内において、水分離器４５（中空糸膜）内に供給される。

このとき、水分離器４５は液体燃料に浸漬されているため、水分離器４５の周囲の液体燃料に含まれる水分（排出液中の反応生成水）が、水蒸気化され、水分離器４５の膜（水分離膜）を通過することにより、液体燃料から分離される（浸透気化法）。そして、水蒸気は、水分離器４５内に導入されることにより、空気と混合される。これにより、空気が加湿される。

なお、水分離器４５が複数設けられる場合には、液体燃料に含まれる水分（排出液中の反応生成水）の量に応じて、使用される水分離器４５の数を決定することができる。

すなわち、液体燃料に含まれる水分の量が多い場合には、より多く（例えば、全て）の水分離器４５を用い、また、液体燃料に含まれる水分の量が少ない場合には、その水分の量に応じて、水分離器４５の使用数を減少させることができる。

なお、水分離器４５の使用数を減少させる方法は、特に制限されず、例えば、空気供給ライン４１における各水分離器４５の上流側に開閉弁を設け、それらを開閉させることなどによって、空気の流路を制限し、所望の水分離器４５（中空糸膜）内のみに、空気を通過させる方法などが挙げられる。

また、水分離器４５（中空糸膜）内を通過した空気は、空気供給ライン４１（濃度調整タンク４７よりも下流側の空気供給ライン４１）を介して、燃料電池３に供給される。

空気排出ライン４２は、その一端側（上流側）が空気排出口２０に接続され、他端側（下流側）がドレンとされる。
（４）制御部
制御部６は、コントロールユニット２９を備えている。

コントロールユニット２９は、電動車両１における電気的な制御を実行するユニット（例えば、ＥＣＵ：ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）であり、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭなどを備えるマイクロコンピュータから構成されている。

制御部６では、詳しくは後述するが、例えば、第１供給ポンプ３３、第２供給ポンプ３５などの駆動および停止や、燃料供給弁３４やガス排出弁２７、空気供給弁４４などの開閉などを、適宜制御する。
（５）動力部
動力部７は、燃料電池３から出力される電気エネルギーを電動車両１の駆動力として機械エネルギーに変換するためのモータ３７と、モータ３７に電気的に接続されるインバータ３８と、モータ３７による回生エネルギーを蓄電するための動力用バッテリ４０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６とを備えている。

モータ３７は、燃料電池３よりも前方、電動車両１の前側に配置されている。モータ３７としては、例えば、三相誘導電動機、三相同期電動機など、公知の三相電動機が挙げられる。

インバータ３８は、モータ３７と燃料電池３との間に配置されている。インバータ３８は、燃料電池３で発電された直流電力を交流電力に変換する装置であって、例えば、公知のインバータ回路が組み込まれた電力変換装置が挙げられる。また、インバータ３８は、配線により、燃料電池３およびモータ３７にそれぞれ電気的に接続されている。

動力用バッテリ４０としては、例えば、定格電圧が１００Ｖ程度のニッケル水素電池や、リチウムイオン電池など、公知の二次電池が挙げられる。また、動力用バッテリ４０は、インバータ３８と燃料電池３との間の配線に接続され、これにより、燃料電池３からの電力を蓄電可能、かつ、モータ３７に電力を供給可能とされている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３６は、動力用バッテリ４０と燃料電池３との間に配置されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ３６は、燃料電池３の出力電圧を昇降圧する機能を有し、燃料電池３の電力および動力用バッテリ４０の入出力電力を調整する機能を有している。

そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６は、コントロールユニット２９と電気的に接続されており（図２の破線参照）、これにより、コントロールユニット２９から出力される出力制御信号の入力に応じて、燃料電池３の出力（出力電圧）を制御する。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６は、配線により、燃料電池３および動力用バッテリ４０にそれぞれ電気的に接続されているとともに、配線の分岐により、インバータ３８に電気的に接続されている。

これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６からモータ３７への電力は、インバータ３８において直流電力から三相交流電力に変換され、三相交流電力としてモータ３７に供給される。

５．燃料電池システムによる発電
上記した燃料電池システム２では、コントロールユニット２９の制御により、燃料供給弁３４が開かれ、第１供給ポンプ３３および第２供給ポンプ３５が駆動されることにより、燃料タンク２２に貯留される液体燃料（供給液）が、燃料供給ライン３０および濃度調整タンク４７を介して、アノード９に供給される。一方、空気供給弁４４が開かれ、空気供給ポンプ４３が駆動されることにより、空気が空気供給ライン４１を介してカソード１０に供給される。なお、燃料供給弁３４は、液体燃料が所定量供給された後に閉じられる。

アノード９では、液体燃料が、アノード電極１１と接触しながら燃料供給路１３を通過する。一方、カソード１０では、空気が、カソード電極１６と接触しながら空気供給路１８を通過する。

そして、各電極（アノード電極１１およびカソード電極１６）において電気化学反応が生じ、起電力が発生する。例えば、液体燃料がメタノールである場合には、下記式（１）〜（３）の通りとなる。
（１）ＣＨ_３ＯＨ＋６ＯＨ⁻→ＣＯ_２＋５Ｈ_２Ｏ＋６ｅ⁻（アノード電極１１での反応）
（２）Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻ （カソード電極１６での反応）
（３）ＣＨ_３ＯＨ＋３／２Ｏ_２→ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ（燃料電池３全体での反応）
すなわち、メタノールが供給されたアノード電極１１では、メタノール（ＣＨ_３ＯＨ）とカソード電極１６での反応で生成した水酸化物イオン（ＯＨ⁻）とが反応して、二酸化炭素（ＣＯ_２）および水（Ｈ_２Ｏ）が生成するとともに、電子（ｅ⁻）が発生する（上記式（１）参照）。

アノード電極１１で発生した電子（ｅ⁻）は、図示しない外部回路を経由してカソード電極１６に到達する。つまり、この外部回路を通過する電子（ｅ⁻）が、電流となる。

一方、カソード電極１６では、電子（ｅ⁻）と、外部からの供給もしくは燃料電池３での反応で生成した水（Ｈ_２Ｏ）と、空気供給路１８を流れる空気中の酸素（Ｏ_２）とが反応して、水酸化物イオン（ＯＨ⁻）が生成する（上記式（２）参照）。

そして、生成した水酸化物イオン（ＯＨ⁻）が、電解質層８を通過してアノード電極１１に到達し、上記と同様の反応（上記式（１）参照）が生じる。

また、例えば、液体燃料がヒドラジンである場合には、下記式（４）〜（６）の通りとなる。
（４）Ｎ_２Ｈ_４＋４ＯＨ⁻→Ｎ_２＋４Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻ （アノード電極１１での反応）
（５）Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻ （カソード電極１６での反応）
（６）Ｎ_２Ｈ_４＋Ｏ_２→Ｎ_２＋２Ｈ_２Ｏ（燃料電池３全体での反応）
このようなアノード電極１１およびカソード電極１６での電気化学的反応が連続的に生じることによって、燃料電池３全体として、上記式（３）または上記式（６）で表わされる反応が生じて、燃料電池３に起電力が発生する。

そして、発生した起電力が、配線を介して、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６に送電され、動力部７では、インバータ３８およびモータ３７、および／または、動力用バッテリ４０に送電される。そして、モータ３７では、インバータ３８により三相交流電力に変換された電気エネルギーが電動車両１の車輪を駆動させる機械エネルギーに変換される。一方、動力用バッテリ４０では、その電力が充電される。

また、燃料給排部４では、アノード９から排出される液体燃料（未反応の液体燃料、反応生成物および反応生成水含む排出液）が、燃料排出ライン３１を通過して上流側の底部流通口２４から気液分離器２３に流入する。気液分離器２３では、水位が上部流通口２５よりも下方位置に保持される液体燃料の液溜まり３９が、気液分離器２３の中空部分に生じるとともに、液溜まり３９に含まれるガス（気体）が液溜まり３９の上方空間へ分離される。その一方で、液溜まり３９の一部が、下流側の底部流通口２４から還流ライン３２に流出する。

還流ライン３２に流出する液体燃料（未反応の液体燃料、反応生成物および反応生成水含む排出液）は、濃度調整タンク４７に流入され、その濃度調整タンク４７内において、燃料タンク２２から供給される液体燃料と混合された後、再び燃料供給口１５から燃料供給路１３に流入する。

このようにして、液体燃料が、クローズドライン（還流ライン３２、濃度調整タンク４７、燃料供給ライン３０、燃料排出ライン３１、気液分離器２３および燃料供給路１３）を循環する。なお、気液分離器２３で分離された気体は、ガス排出弁２７が開かれることにより、ガス排出管２６を介して外部へ排出される。

６．燃料電池システムにおける水の分離
上記したように、燃料電池システム２では、燃料電池３のアノード９から排出される液体燃料（未反応の液体燃料、反応生成物および反応生成水含む排出液）が、還流ライン３２および燃料供給ライン３０を介して、燃料電池３に還流され、再利用される。

しかし、式（１）〜（６）として示したように、燃料電池３による発電では、その発電反応において水が生じるため、排出液には、水が含有される。すなわち、排出液においては、液体燃料の濃度が低下している。そのため、排出液をそのまま燃料電池３に還流し続けると、液体燃料中の水分量も増加し続けて、その結果、発電効率の低下を惹起する場合がある。

これに対して、上記の燃料電池システム２は、中空糸膜モジュール１を備えるため、燃料電池３から排出される排出液に含有される水を分離し、還流される液体燃料の濃度を調整（増加）することができる。

具体的には、この燃料電池システム２では、燃料電池３から燃料排出ライン３１に排出された排出液は、気液分離器２３を介して、濃度調整タンク４７に供給される。

このとき、濃度調整タンク４７内に配置される水分離器４５（膜ユニット２）の内部には、空気供給ライン４１を通過する空気が供給される。そのため、水通過性中空糸膜５４（水分離膜）の周囲の液体燃料中の水分が水蒸気化され、水分離器４５の膜壁を通過して水通過性中空糸膜５４（水分離膜）の内部に移動する。これにより、水が液体燃料から分離される（浸透気化法）。なお、水非通過性中空糸膜５５は、水を通過させないため、水非通過性中空糸膜５５の周囲では、水は水蒸気化されず、液体から分離されずに残存する。

このようにして水分が分離された液体燃料（すなわち、高濃度の液体燃料）は、図２に示すように、燃料供給ライン３０を介して、再び燃料電池３に供給される。

このように液体燃料から水分を分離することにより、液体燃料の濃度を調整（増加）することができ、発電効率の向上を図ることができる。

また、燃料電池システム２においては、式（１）〜（６）として示したように、水酸化物イオンなどのイオンが電解質層８を通過する。一方、電解質層８がイオン導電性を備えるためには、電解質層８が十分に湿潤している必要がある。

この点、上記の燃料電池システム２では、燃料電池３から排出される排出液に含有される水分を回収し、その水分を用いて、電解質層８を湿潤させることができる。

すなわち、上記のように排出液から分離された水分（水蒸気）は、水分離器４５内に導入されることにより、水分離器４５内を通過する空気と混合され、空気が加湿される。

加湿された空気は、上記したように、空気供給ポンプ４３の駆動によって、空気供給ライン４１を介してカソード１０に供給される。このとき、水分はカソード１０を透過し、電解質層８を湿潤させる。

このように液体燃料から分離された水分（水蒸気）を用いて空気を加湿することにより、電解質層８を湿潤させることができ、発電効率の向上を図ることができる。

７．作用効果
このような燃料電池システム２では、濃度調整タンク４７において、液体燃料（排出液）に含まれる水分が、空気供給ライン４１に介在される水分離器４５によって分離され、液体燃料の濃度が調整される。そして、濃度が調整された液体燃料が、燃料電池３に還流される。

そのため、このような燃料電池システム２によれば、液体燃料を、より効率よく利用することができ、低コスト化を図ることができる。

また、このような燃料電池システム２では、液体燃料（排出液）から分離された水分は、空気供給ライン４１内に導入されるため、より多くの水分を含んだ空気が、燃料電池３に供給される。その結果、燃料電池３の導電性の向上を図ることができ、発電効率の向上を図ることができる。

この点、空気供給ライン４１内の空気を加湿するため、別途、加湿器などを備える場合には、水タンクなどが搭載されるため、燃料電池システム２の体積が大きくなる。

一方、上記した燃料電池システム２によれば、加湿器を用いることなく空気に水分を含有させることができるため、加湿器を用いる場合に比べ、燃料電池システム２の体積を減少させ、省スペース化を図ることができる。

また、上記した燃料電池システム２によれば、排出液に含有される水分が水蒸気として分離され、水蒸気として空気供給ライン４１に供給されるため、より効率よく空気を加湿することができる。

また、上記した燃料電池システム２において、燃料電池３から排出された排出液は、燃料電池３において加熱されている。そのため、排出液中の水分をより少ないエネルギーで水蒸気として回収することができ、低エネルギー化および低コスト化を図ることができる。

一方、上記した燃料電池システム２では、水分離器４５として、水通過性中空糸膜５４および水非通過性中空糸膜５５の束からなる膜ユニット５２を備えるため、水通過性中空糸膜５４において水分が水蒸気化される場合にも、水分を水蒸気化させない水非通過性中空糸膜５５によって、水分離器４５内部の温度の低下を抑制することができ、水分離効率の低下を抑制することができる。

それに加えて、上記した燃料電池システム２では、燃料電池３から排出される排出液（水分を含有した低濃度液体燃料）から、水分が回収され、高濃度液体燃料として還流ライン３２に還流されるため、燃料タンク２２からの液体燃料の供給量や供給頻度を低減することができ、より効率よく液体燃料を利用することができる。

なお、上記した説明では、燃料電池３に空気を供給するための空気供給ライン４１を用いて、水分離器４５に空気を供給し、反応生成水を含む液体燃料から水を分離したが、例えば、水分離器４５に空気を供給するための第２空気供給ライン（図示せず）を、空気供給ライン４１とは別途設けることもできる。そのような場合には、第２空気供給ライン（図示せず）を介して水分離器４５に空気を供給し、反応生成水を含む液体燃料から水を分離することができる。

なお、例えば、膜ユニット５２（水分離器４５）における水通過性中空糸膜５４の内部を、公知の減圧装置によって減圧することによって、タンク５３（濃度調整タンク４７）中の水を、水蒸気として、水通過性中空糸膜５４内に透過および分離することも検討される（真空型分離）。

しかし、上記したように、中空糸膜モジュール５１が燃料電池システム２に用いられる場合には、真空型分離は採用されず、空気供給ライン４１に介在される膜ユニット５２（水分離器４５）の水通過性中空糸膜５４の内部に、空気を供給することによって、タンク５３（濃度調整タンク４７）中の水を、水蒸気として水通過性中空糸膜５４内に透過および分離する（スイープ型分離）。

このような方法によれば、水通過性中空糸膜５４内に分離された水分は、水分離器４５（中空糸膜）内を通過した空気とともに、空気供給ライン４１を介して、燃料電池３の空気供給口１９に供給される。すなわち、上記の方法によれば、液体燃料から水分を分離するとともに、その分離された水分によって空気を加湿することができ、また、加湿された空気を燃料電池３に供給することができる。そのため、水分を有効利用して、発電効率の向上を図ることができる。

５１中空糸膜モジュール
５２膜ユニット
５３ケース
５４水通過性中空糸膜
５５水非通過性中空糸膜

Claims

水が通過可能な膜からなる複数の水通過性中空糸膜、および、
水が通過不可能な膜からなる複数の水非通過性中空糸膜
の束からなる膜ユニットと、
水を含有する液体を前記膜ユニットの周囲に保持するためのケースと
を備え、
複数の前記水非通過性中空糸膜が、複数の前記水通過性中空糸膜の束の中に、配置される
ことを特徴とする、中空糸膜モジュール。