WO2008059707A1 - Module de membrane à fibres creuses et système de pile à combustible - Google Patents

Module de membrane à fibres creuses et système de pile à combustible Download PDF

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Hirofumi Kanazawa
Toshiyuki Kondo
Hiroyasu Shirakawa
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Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Nok Corporation
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a technique for moving a fluid composition between fluids using a hollow fiber membrane.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-202478 discloses a technique for constructing a hollow fiber membrane module using a hexahedron (cross section is square) cylindrical case. In this technology, a potting layer is provided in the case to seal between the two fluids.
  • Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2001-2011 122 and 2002-219339 disclose techniques for making the fluid flowing outside the hollow fiber membrane uniform. The technology disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-201122 is to induce a fluid by providing a case surrounding the hollow fiber membrane so that the fluid outside the hollow fiber membrane flows in a direction perpendicular to the hollow fiber membrane. is there. Also, in the technology described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-219339, the width and length of the bundle of hollow fiber membranes are determined by enclosing the side surface of the hollow fiber membrane with a case and flowing the fluid diagonally into the case. An appropriate ratio is set.
  • Another object of the present invention is to realize a fluid seal in a mode different from the prior art when the cross-sectional shape of the hollow fiber membrane bundle is the square.
  • the shape of the annular seal member is typically created in a shape corresponding to the inner periphery and the outer periphery.
  • the sealing member is made of a resin (rubber) that is easily elastically deformable, the sealing function can be ensured even if the shape is different from the shape of the inner periphery or outer periphery within the deformation range.
  • the cross section of the ring of the seal member is generally created in a circular or elliptical shape, and line sealing is thereby performed.
  • the cross-sectional shape may be other shapes such as a rectangle.
  • the hollow fiber membrane and the inner case are made of the same or different types of resin capable of absorbing the difference in thermal expansion between each other, and the outer case is made of metal.
  • the annular seal member is made of a compressible material that can absorb the difference in thermal expansion between the inner case and the outer case. It is desirable that the outer case is robust from the viewpoint of protecting the inside, and a metal material is used here. In general, since metal is easily thermally expanded, the distance from the resin-made inner case, which hardly thermally expands, varies. Therefore, we decided to use a material that can be elastically deformed to the extent that it can absorb this difference in thermal expansion.
  • the second fluid is spread in the cylinder axis direction between the inner case and the hollow fiber membrane bundle in the second inlet channel to A partition plate with holes leading to the side surface is provided.
  • a partition plate with a hole may be provided in the second outlet channel.
  • the hole of the partition plate with holes is not provided in the vicinity where the second fluid introduced through the inner case directly hits, or compared with the other Therefore, the hole area is reduced.
  • the hole area means the area of the hole per unit area. If the number of holes is the same, the hole area will be smaller if the number of holes is small. If the number of holes is the same, the area will be small.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing the flow of off-gas. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • the humidifying membrane module 2 2 shown in the cross-sectional view is a device as a hollow fiber membrane module, and it has high humidity (high water content) off-gas discharged from the fuel cell 1 2, and is attached to the fuel cell 1 2. Humidify the supplied air.
  • the humidifying membrane module 22 is covered with an assembly case 24 made of aluminum or the like.
  • the assembly case 24 is provided with air outlet holes 26 and inlet holes 28, off-gas inlet holes 30 and outlet holes 32.
  • the high-humidity off-gas discharged from the fuel cell 1 2 is led to the inlet hole 30 of the humidifying membrane module 22 through the air discharge path 20, and from here to the side of the humidifying membrane 56. Road 6 2 will be satisfied.
  • the off-gas does not leak to the outside due to the sealing members 3 6 and 3 8 installed on both sides, and all passes through the through-holes 4 4 with rectifying grids and enters the inner space 4 8. Flows in.
  • the off-gas that has flowed in hits the plate region of the plate 52, spreads in the space 48, passes through the hole of the plate 52, and reaches the side surface of the humidifying film 56.
  • the off gas passes through the gaps between the plurality of hollow fiber membranes constituting the humidifying membrane 56 and reaches the opposite side surface. In this process, moisture moves through the membrane into the hollow fiber membrane. Then, the off-gas flowing out from the humidifying membrane 56 flows through the off-gas outlet channel 64 to the outlet hole 32. Specifically, it passes through the hole of the plate 54 and reaches the outlet hole 32 via the space 50 and the through hole 46. Even in this process, the off-gas does not leak out of the off-gas outlet channel 6 4 through the gap between the assembly case 2 4 and the humidifying membrane case 3 4 due to the seal members 40 and 4 2. Absent.

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Description

中空糸膜モジュール、 燃料電池システム 技術分野
本発明は、 中空糸膜を用いて流体間で流体組成物を移動させるための技術に関 する。 背景技術 明
中空糸膜モジュールは、 中空糸膜の中空部に流す流体と、 中空糸膜の外側に流 す流体との間で、 流体組成物を移動させるた書めのモジュールである。
特開 2005— 2247 1 9号公報には、 両流体間で流体の漏れが生じないよ うに、 ガスケットを設ける技術が開示されている。 この技術では、 中空糸膜束の 両端付近に出っ張つたへッド部を設け、 へッド部よりも中央側を包む第、 1ケース とへッド部との間をガスケッ卜で面シールするとともに、 へッド部よりも外側を 包む第 2ケースとヘッド部との間もガスケットで面シールしている。 そして、 こ の文献には、 ガスケットでシールするため、 ケースの断面形状を四角形にできる 旨が記載されている。
特開 2004— 202478号公報には、 中空糸膜モジュールを、 六面体 （断 面が四角） の円筒形状のケースを用いて構築する技術が開示されている。 この技 術では、 両流体間をシールするため、 ケース内にポッティング層を設けている。 なお、 特開 2001— 20 1 1 22号公報と特開 2002— 2 1 9339号公 報には、 中空糸膜の外側を流れる流体を均一化するための技術が開示されている。 特開 2001— 201 1 22号公報に開示された技術は、 中空糸膜の外側の流体 が中空糸膜に直交する方向に流れるように、 中空糸膜を囲むケースを設け流体を 誘導するものである。 また、 特開 2002— 2 1 9339号公報に記載された技 術では、 中空糸膜の側面をケースで囲み、 ケース内に対角に流体を流すにあたり、 中空糸膜束の幅と長さを適当な比に設定している。
特開 2005— 2247 1 9号公報の技術では、 ガスケットを用いてシールを 行うため、 ヘッド部を設け、 ヘッド部を別々のケースで挟み込む必要がある。 ま た、 特開 2 0 0 4— 2 0 2 4 7 8号公報の技術では、 ケース内でのシールを、 広 い領域にわたってポッティングにより行う必要がある。 発明の開示
本発明の目的は、 中空糸膜モジュールにおいて、 流体をシールするための構成 を簡略化することにある。
本発明の別の目的は、 中空糸膜束の断面形状を該四角形にした場合において、 流体のシールを従来とは異なる態様で実現することにある。
本発明の中空糸膜モジュールは、 複数の中空糸膜が束ねられた中空糸膜束を備 え、 長さ方向の全部の位置において外周を円筒に形成された中空糸膜束体と、 中 空糸膜束体を包む筒部を有するケースであって、 長さ方向の全部の位置において 筒部の内周を円筒に形成された外ケースと、 外ケースを利用して形成され、 中空 糸膜束体の一端において中空糸膜の中空部へと第 1の流体を導き入れ、 中空糸膜 束体の他端において中空糸膜の中空部から第 1の流体を導き出す第 1流路と、 外 ケースを利用して形成され、 中空糸膜束体の側面において中空糸膜間へと第 2の 流体を導き入れ、 中空糸膜束体の側面において中空糸膜間から第 2の流体を導き 出す第 2流路と、 中空糸膜束体の闩筒の外周と外ケースの円筒の内周との間に設 けられ、 第 1流路側と第 2流路側とをシールする環状のシール部材と、 を備え、 第 1の流体と第 2の流体との間で、 中空糸膜を介して流体組成物の移動が行われ る。 、
中空糸膜は、 内側を中空状に形成され、 外側壁面を微細な孔をもつ膜により形 成されたものであり、 典型的には樹脂によって作られる。 中空糸膜は、 内側の中 空部と外側との間で、 孔よりも小さな物質を透過させたり、 孔よりも大きな物質 を透過させなかったりするフィルタ機能をもつ。 中空糸膜束は、 複数の中空糸膜 が束ねられたものである。 また、 中空糸膜束体は、 中空糸膜束を備え、 必要に応 じて他の部材が取り付けられるなどしたものである。 例えば、 中空糸膜束体は、 両端から （両端へと） 中空糸膜間に流体が流れないように、 中空糸膜束の両端を 樹脂でポッティングされて形成されたものであってもよい。 ただし、 このように 中空糸膜束を加工して中空糸膜束体を形成する場合、 その加工手順は特に限定さ れるものではなく、 例えば、 加工後に外ケースに収納されてもよく、 外ケースに 収納後に加工されてもよい。
中空糸膜は、 長さ方向の全部の位置において外周を円筒に形成されている。 長 さ方向とは、 中空糸膜の糸長の方向である。 つまり、 中空糸膜は、 ある糸長方向 の位置、 または全ての糸長方向の位置で切断した場合に、 断面の外周が円筒に形 成されている。 ここで、 円筒とは、 略真円の柱体である。
外ケースは、 中空糸膜束体を包む筒部を有するケースである。 そして、 長さ方 向の全部の位置において筒部の内周を円筒に形成されている。.第 1流路は、 その 少なくとも一部が、 外ケースの少なくとも一部を利用して形成された流路であり、 第 1の流体が流される。 具体的には、 第 1流路は、 中空糸膜束体の一端において 外部から中空糸膜の中空部へと第 1の流体を導き入れる機能と、 中空糸膜束体の 他端において中空糸膜の中空部から外部へと第 1の流体を導き出す機能とを果た す。 第 1の流体は、 気体でも液体でもよく、 液体と気体が混合したものであって もよい。 また、 第 1流路は、 その少なくとも一部が、 内ケースの少なくとも一部 を利用して形成されてもよい。
第 2流路は、 その少なくとも一部が、 外ケースの少なくとも一部を利用して形 成される。 そして、 第 2流路は、 中空糸膜束体の側面において、 外部から中空糸 膜間へと第 2の流体を導き入れる機能と、 中空糸膜束体の同一又は異なる側面に おいて中空糸膜間から外部へと第 2の流体を導き出す機能を果たす。 第 2の流体 は、 気体でも液体でもよく、 液体と気体が混合したものであってもよい。 また、 第 2の流体は、 第 1の流体と同様の流体であってもよいし、 異なる流体であって もよい。 さらに、 第 2流路は、 その少なくども一部が、 内ケースの少なぐとも一 部を利用して形成されてもよい。
シール部材は、 第 1流路側と第 2流路側とをシールする環状の部材である。 具 体的には、 シール部材は、 中空糸膜束体の端部側に位置する第 1流路の側と、 中 空糸膜束体の中央側に位置する第 2流路の側とをシールし、 第 1の流体と第 2の 流体の混合を防ぐ。 シール部材は、 中空糸膜束体の円筒の外周と外ケースの円筒 の内周との間に設けられ、 両者の隙間を埋めることで、 シール機能を達成する。 このため、 中空糸膜束体の外周の円筒形状と、 外ケースの内周の円筒形状を相似 形とし、 内周と外周の間隔を周方向にわたってほぼ一定 （シール部材の変形可能 範囲内） にして、 シールの安定性を高めることが望ましい。 そして、 環状のシー ル部材の形状は、 典型的には、 内周及び外周に対応した形状に作成される。 しか し、 シール部材を、 弾性変形容易な樹脂 （ゴム） で作る場合には、 その変形範囲 内で内周や外周の形状と異なっていても、 シール機能を確保することができる。 なお、 シール部材の環の断面は、 一般的には、 円形や楕円の形状に作成され、 こ れにより線シールが行われる。 しかし、 シール性能が確保されるのであれば、 断 面形状を矩形など他の形状にしてもよい。
この中空糸膜モジュールは、 第 1の流体と第 2の流体との間で、 中空糸膜を介 して流体組成物の移動を行わせる。 流体組成物とは、 典型的には流体を主として 構成する気体や液体であるが、 流体に混合された固体が含まれてもよい。 第 1の 流体と第 2の流体は、 その流路がともに外ケースを利用して作成されているにも かかわらず、 シール部材を用いてシールされているため、 互いに混合しない。 し かも、 ガスケットゃポッティングによってシールを行う必要がないため、 比較的 容易にシールを行うことが可能となる。 なお、 シール部材は、 第 1流路と第 2流 路とを直接隔てるものであってもよいが、 第 1流路と第 2流路の一方または両方 の壁を構成せず、 補助的あるいは予備的に設けられるものであってもよい。 また、 シール部材は、 複数個備えられていてもよい。
本発明の中空糸膜モジュールの一態様においては、 第 1流路は、 中空糸膜束の 一端側に形成され、 第 1の流体を中空糸膜束の一端へと導き入れる第 1入口流路 と、 中空糸膜束の他端側に形成され、 第 1の流体を中空糸膜の他端から導き出す 第 1出口流路とを備え、 シール部材は、 第 1入口流路側と第 2流路側とをシール する、 または第 1出口流路側と第 2流路側とをシールする。 もちろん、 第 1入口 流路側と第 2流路側とをシールするシール部材、 及び、 第 1出口流路側と第 2流 路側とをシールするシール部材の両方が設けられていてもよい。
本発明の中空糸膜モジュールの一態様においては、 中空糸膜束体は中空糸膜束 の側面を包む筒部を有する内ケースを備え、 この内ケースの筒部が長さ方向の全 部の位置において外周を円筒に形成されている。 内ケースは、 中空糸膜束を着脱 可能に収納するものであってもよいし、 中空糸膜束と一体化したものであっても よい。 これにより、 内ケースの形状を所定の形状に設定しさえすれば、 中空糸膜 の形状を様々に設定することが可能となる。 '
本発明の中空糸膜モジュールの一態様においては、 第 2流路は、 長さ方向のあ る位置で内ケースの側面を貫いて、 中空糸膜束の側面に第 2の流体を導き入れる 第 2入口流路と、 長さ方向の別の位置で内ケースの側面を貫いて、 中空糸膜束の 側面から第 2の流体を導き出す第 2出口流路とを備え、 内ケースの円筒の外周と 外ケースの円筒の内周との間に設けられ、 第 2入口流路側と第 2出口流路側とを シールする環状のシール部材をさらに備える。
本発明の中空糸膜モジュールの一態様においては、 中空糸膜と内ケースは、 互 いの熱膨張差を吸収可能な同一または異なる種類の樹脂を用いて作られ、 外ケー スは金属を用いて作られ、 環状シール部材は、 内ケースと外ケースの熱膨張差を 吸収可能な圧縮性素材によって作られる。 外ケースは、 内部を保護する観点から すれば頑強であることが望ましく、 ここでは金属素材を採用した。 一般的に、 金 属は熱膨張しやすいため、 熱膨張しにくい樹脂製の内ケースとの距離が変動する。 そこで、 シール部材として、 この熱膨張差を吸収できる程度に弾性変形可能な素 材を用いることにした。
本発明の中空糸膜モジュールの一態様においては、 第 2入口流路における内ケ ースと中空糸膜束との間には、 第 2の流体を筒軸方向に拡げて中空糸膜束の側面 に導く孔付仕切板が設けられている。 なお、 第 2出口流路にも同様に孔付仕切板 を設けてもよい。 また、 本発明の中空糸膜モジュールの一態様においては、 孔付 仕切板の孔は、 内ケースを貫いて導き入れられる第 2の流体が直撃する付近には 設けられていない、 または他に比べて孔面積が小さくなるように設けられている。 ここで、 孔面積とは、 単位面積あたりの孔の面積をいう。 孔の大きさが同じでも 孔の数が少なければ孔面積が小さくなり.、 孔の数が同じでも孔が小さければ小面 積となる。 さらに、 本発明の中空糸膜モジュールの一態様においては、 孔付仕切 板の孔面積は、 内ケースを貫いて導き入れられる第 2の流体が直撃する付近から 長さ方向に離れるほど大きく設定されている。 これにより、 遠いところにも十分 に第 2の流体を供給することが可能になる。
本発明の燃料電池システムは、 供給される水素と酸素に対し、 水を生成する化 学反応を起こさせ、 電力を取り出す燃料電池と、 を備え、 前記第 1の流体と前記 第 2の流体の一方は、 燃料電池に供給される酸素を含む流体であり、 他方は、 燃 料電池で生成された水を含む流体であり、 前記中空糸膜モジュールは、 前記燃料 電池で生成された水の少なくとも一部を、 前記燃料電池に供給される酸素を含む 流体に移動させ加湿させる。 典型的には、 燃料電池に供給される酸素を含む流体 は空気であり、 力ソードに供給される。 そして、 燃料電池で生成された水 （水蒸 気の形態をとつていてもよい） を含む流体は、 力ソードから排出されるガス （ォ フガス） である。 中空糸膜モジュールによって、 オフガス中の水が、 力ソードに 供給されるガスへと移動するため、 湿潤なガスが力ソードに供給され、 燃料電池 の動作が良好なものとなる。 図面の簡単な説明
図 1は、 燃料電池システムの一例を示す概略図である。
図 2は、 加湿膜モジュールの断面図である。
図 3は、 孔付きの板の例を示す図である。
図 4は、 整流格子付き貫通孔の例を示す図である。
図 5は、 オフガスの流れを示す模式図である。 発明を実施するための最良の形態
図 1は、 燃料電池システム 1 0の概略的な構成を示す図である。 燃料電池シス テム 1 0は、 例えば燃料電池車に搭載され、 燃料電池車の駆動源となるシステム である。 燃料電池システム 1 0には、 主たる構成要素として、 燃料電池 1 2と加 湿膜モジュール 2 2が含まれている。 燃料電池 1 2のアノードには、 水素ガスが 水素供給路 1 4を通じて供給され、 使用済みのガスが水素排出路 1 6を通じて排 出される。 また、 燃料電池 1 2の力ソードには、 加湿膜モジュール 2 2から空気 供給路 1 8を通じて空気が供給され、 使用済みのガス （オフガス） が空気排出路 2 0を通じて排出される。 燃料電池 1 2では、 水素ガスと酸素ガスの化学反応を 利用して電力を取りだし、 図示していないモータ等に供給する。 この化学反応に おいては、 水 （液体の水または水蒸気） が生成される。 水は、 空気排出路 2 0を 通じて、 オフガスとともに排出される。
断面図で示した加湿膜モジュール 2 2は、 中空糸膜モジュールとしての装置で あり、 燃料電池 1 2から排出された高湿 （水分含有度が高い） なオフガスでもつ て、 燃料電池 1 2に供給する空気を加湿する。 加湿膜モジュール 2 2には、 その 外観が、 'アルミニウムなどでできたアセンブリケース 2 4で覆われている。 そし て、 アセンブリケース 2 4には、 空気の出口孔 2 6と入口孔 2 8、 オフガスの入 ロ孔 3 0と出口孔 3 2の各孔が開けられている。
図 2は、 加湿膜モジュール 2 2を、 図 1の A A ' について図示した断面図であ る。 この図からわかるように、 アセンブリケース 2 4は、 円環状の断面をもつ。 つまり、 アセンブリケース 2 4は、 円筒状に作られている。
アセンブリケース 2 4の内部には、 外周を円筒状に作られた樹脂製の加湿膜ケ ース 3 4が収納されている。 そして、 加湿膜ケース 3 4の外周と、 アセンブリケ ース 2 4の内周との間には、 ゴムでできた管状のシール部材 3 6 , 3 8， 4 0， 4 2が設置され、 線シールが行われている。 このシールは、 アセンブリケース 2 4内において、 空気やオフガスを所定の領域に留めるために行われている。 図 1と図 2からわかるように、 加湿膜ケース 3 4には、 アセンブリケース 2 4 の入口孔 3 0に面した付近に、 整流格子付き貫通孔 4 4が設けられており、 その 内側の薄い直方体状の空間 4 8に通じている。 整流格子付き貫通孔 4 4には、 空 間 4 8に近づくにつれ下方に下がるような傾斜がつけられている。 この傾斜は、 オフガスを空間 4 8の奥側に送り込みやすくするためのものである。 また、 加湿 膜ケース 3 4には、 アセンブリケース 2 4の出口孔 3 2に面した付近に、 貫通孔 4 6が設けられており、 その内側の薄い直方体状の空間 5 0に通じている。 これ らの薄い直方体状の空間 4 8 , 5 0の内側には、 薄い直方体状の板 5 2， 5 4が 設置されている。 そして、 この板 5 2， 5 4に挟まれるようにして、 直方体状の 加湿膜 5 6が設置されている。 加湿膜 5 6は、 細長い中空糸膜を束ねて作られて おり、 その上端付近と下端付近では、 接着剤を用いたポッティングにより、 中空 糸膜間の隙間が埋められている。 また、 加湿膜ケース 3 4と板 5 2 , 5 4との間 も、 隙間が生じないように、 密に接着されている。
ここで、 図 3を用いて、 図 1に示した板 5 2の構造を示す。 この板 5 2は、 カロ 湿膜ケース 3 4と同質の樹脂で作られており、 加湿膜ケース 3 4とともに、 加湿 膜 5 6を包むケースとしてとして機能している。 そして、 板 5 2には、 オフガス を流すための五つの長方形の孔 7 2 , 7 4， 7 6 , 7 8 , 8 0が開けられている。 これらの孔の大きさと分布は非一様である。 具体的には、 整流格子付き貫通孔 4 4に面した部分には、 孔がない板領域 7 0が設けられている。 この板領域 7 0は、 整流格子付き貫通孔 4 4から流れ込むオフガスが直接加湿膜 5 6に衝突しないよ うに遮蔽する役割と、 オフガスを空間 4 8内に行き渡らせる役割を果たしている。 この板領域 7 0の上下 'に設けられた孔 7 2 , 7 4は比較的小さレ、。 これは、 この 付近のオフガスは、 その周囲に比べて高圧であるため、 小さな孔からでも、 加湿 膜 5 6に流れ込む流量が比較的大きくなるためである。 逆に、 板領域 7 0から離 れた下方の三つの孔 7 6 , 7 8 , 8 0は比較的大きく作られており、 低圧ながら も十分な流量を加湿膜 5 6に流すように配慮されている。
続いて、 図 4を用いて、 図 1に示した整流格子付き貫通孔 4 4について説明す る。 図 4は、 整流格子付き貫通孔 4 4を、 加湿膜ケース 3 4の外側から靦き込む 角度から模式的に描いた図である。 整流格子付き貫通孔 4 4には、 多数の小さな 孔 8 2， 8 4 , 8 6， . . . . を有する格子が設けられている。 この格子は、 図, の奥行き方向に長く続いており、 ここを通過するオフガスの流れを整流する。 す なわち、 一般に乱れた流れであるオフガスを層流化することで、 空間 4 8に入り 込むオフガスの流れを安定化させる。
ここで、 図 1に戻って、 加湿膜モジュール 2 2の動作について説明する。 加湿 膜モジュール 2 2には、 圧縮された空気が、 入口孔 2 8から、 アセンブリケース 2 4内へと送り込まれる。 ここでは、 空気が入り込む空間を空気入口流路 5 8と 呼ぶことにする。 空気入口流路 5 8に送られた高圧の空気は、 加湿膜 5 6の下端 から、 個々の.中空糸膜の中空部に入り込む。 これは、 空気入口流路 5 8には、 空 気が流れ出す他の出口がないためである。 例えば、 加湿膜ケース 3 4とァセンブ リケース 2 4の隙間には、 シール部材 4 2が設けられているため、 シール部材 4 2を超えて空気が漏れ出すことはない。 加湿膜 5 6の下端から侵入した空気は、 中空糸膜内を進むにつれ、 膜を通って 染み込む水 （あるいは水蒸気） を吸収し、 湿潤化する。 そして、 加湿膜 5 6の上 端から流れ出して、 加湿膜ケース 3 4の上端面と、 アセンブリケース 2 4の上壁 下面との間に作られた空気出口流路 6 0に充満する。 空気出口流路 6 0に充満し た空気は、 シール部材 3 6によるシールのために、 このシール部材 3 6を超えて 漏れ出すことはなく、 全て上側の出口孔 2 6から流れ出す。 そして、 空気供給路 1 8を通じて、 燃料電池 1 2に供給される。
燃料電池 1 2から吐き出される高湿なオフガスは、 空気排出路 2 0を通じて、 加湿膜モジュール 2 2の入口孔 3 0に導かれ、 ここから、 加湿膜 5 6の側面に至. るオフガス入口流路 6 2を満たすことになる。 このとき、 オフガスは、 両側に設 置されたシール部材 3 6， 3 8のためにその外側に漏れ出すことはなく、 全て整 流格子付き貫通孔 4 4を通って、 内側の空間 4 8に流れ込む。 そして、 流れ込ん だオフガスは、 板 5 2の板領域にぶっかって空間 4 8内に拡がり、 板 5 2の孔を' 通って加湿膜 5 6の側面に到達する。
オフガスは、 加湿膜 5 6を構成する複数の中空糸膜の隙間を通って、 反対側の 側面に到達する。 この過程で、 膜を通じて水分が中空糸膜の内部に移動すること になる。 そして、.加湿膜 5 6から流れ出たオフガスは、 出口孔 3 2へと至るオフ ガス出口流路 6 4を流れる。 具体的には、 板 5 4の孔を通り、 空間 5 0、 貫通孔 4 6を経由して、 出口孔 3 2に到達する。 この過程でも、 オフガスは、 シール部 材 4 0， 4 2のために、 アセンブリケース 2 4と加湿膜ケース 3 4との間を通つ て、 オフガス出口流路 6 4の外に漏れ出すことはない。
図 5は、 オフガスが加湿膜ケース 3 4内を流れる様子を模式的に示した断面図 である。 ここでは、 入口孔 3 0から流れ込んだオフガス 9 0は、 流れ矢印 9 2で 示すように空間 4 8內に行き渡り、 各孔から十分な比較的均等に加湿膜 5 6に流 れ込む。 流れ矢印 9 4， 9 6 , 9 8 , 1 0 0， 1 0 2は、 この均等な流れの様子 を示している。 このように、 加湿膜 5 6のあらゆる隙間をほぼ一様にオフガスが 流れる場合には、 非一様な場合に比べて、 膜を通じての水分交換の効率が高めら れる。 なお、 図 5では断面図においてオフガスの流れを示しているが、 紙面の手 前及び奥側でも、 同様にして、 一様にオフガスが流れる。 特に、 この加湿膜 5 6 は、 直方体状に形成されているため、 オフガスが流れる距離は紙面の手前及ぴ奥 側でも同程度となり、 紙面の手前側及び奥側でも、 同程度の流量が流れることに なる。 加湿膜 5 6から流れ出たオフガスは、 流れ矢印 1 0 4で ¾ ^すように、 空間 5 0を流れて合流し、 貫通孔 4 6から加湿膜ケース 3 4外へと流れ出す。
このように、 加湿膜モジュール 2 2は、 燃料電池 1 2に供給される空気とオフ ガスとを加湿膜 5 6を介して接触させることで、 空気を加湿する。 このとき、 ォ フガスと空気は、 それぞれ、 加湿膜ケース 3 4とアセンブリケース 2 4を用いた 流路に導かれて加湿膜 5 6に流れ込み、 また加湿膜 5 6から流れ出す。 しかし、 加湿膜ケース 3 4とアセンブリケース 2 4の間には、 シール部材 3 6， 3 8 , 4 0 , 4 2が設けられているため、 各流れがシールされ、 互いに混合することはな い。
なお、 加湿膜モジュール 2 2は、 典型的には、 これらのシール部材 3 6， 3 8， 4 0 , 4 2を取り付けた加湿膜ケース 3 4を、 アセンブリケース 2 4内に装着す ることで組み立てられる。 装着の過程では、 アセンブリケース 2 4との間の摩擦 によってシール部材 3 6 , 3 8， 4 0， 4 2の位置がずれてしまうこともありえ る。 そこで、 加湿膜ケース 3 4におけるシール部材 3 6， 3 8， 4 0， 4 2の取 り付け箇所に、 浅い溝を掘って、 これらのシール部材 3 6 , 3 8 , 4 0 , 4 2を 固定することも有効となる。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 複数の中空糸膜が束ねられた中空糸膜束を備え、 長さ方向の全部の位置に おいて外周を円筒に形成された中空糸膜束体と、
中空糸膜束体を包む筒部を有するケースであって、 長さ方向の全部の位置にお いて筒部の内周を円筒に形成された外ケースと、
外ケースを利用して形成され、 中空糸膜束体の一端において中空糸膜の中空部 へと第 1の流体を導き入れ、 中空糸膜束体の他端において中空糸膜の中空部から 第 1の流体を導き出す第 1流路と、
外ケースを利用して形成され、 中空糸膜束体の側面において中空糸膜間へと第
2の流体を導き入れ、 中空糸膜束体の側面において中空糸膜間から第 2の流体を 導き出す第 2流路と、
中空糸膜束体の円筒の外周と外ケースの円筒の内周との間に設けられ、 第 1流: 路側と第 2流路側とをシールする環状のシール部材と、
を備え、
第 1の流体と第 2の流体との間で、 中空糸膜を介して流体組成物の移動が行わ れる中空糸膜モジュール。
2 . 請求項 1に記載の中空糸膜モジュールであって、
第 1流路は、 中空糸膜束の一端側に形成され、 第 1の流体を中空糸膜束の一端 へと導き入れる第 1入口流路と、 中空糸膜束の他端側に形成され、 第 1の流体を 中空糸膜の他端から導き出す第 1出口流路とを備え、
シール部材は、 第 1入口流路側と第 2流路側とをシールする、 または第 1出口 流路側と第 2流路側とをシールする中空糸膜モジュール。
3 . 請求項 1に記載の中空糸膜モジュールにおいて、
中空糸膜束体は中空糸膜束の側面を包む筒部を有する内ケースを備え、 この内 ケースの筒部が長さ方向の全部の位置において外周を円筒に形成されている中空 糸膜モジュール。
4 . 請求項 3に記載の中空糸膜モジュールであって、
第 2流路は、 長さ方向のある位置で内ケースの側面を貫いて、 中空糸膜束の側 面に第 2の流体を導き入れる第 2入口流路と、 長さ方向の別の位置で内ケースの 側面を貫いて、 中空糸膜束の側面から第 2の流体を導き出す第 2出口流路とを備 内ケースの円筒の外周と外ケースの円筒の内周との間に設けられ、 第 2入口流 路側と第 2出口流路側とをシールする環状のシール部材をさらに備える当該中空 糸膜モジュール。
5 . 複数の中空糸膜が束ねられ、 一端から他端へと中空糸膜の中空部に第 1の 流体が流される中空糸膜束と、
中空糸膜束の側面を包む筒部を有するケースであって、 長さ方向の全部の位置 において筒部の外周を円筒に形成された内ケースと、
内ケースの側面を包む筒部を有するケースであって、 長さ方向の全部の位置に おいて筒部の内周を円筒に形成された外ケースと、
外ケースを利用して形成され、 長さ方向のある位置で内ケースの側面を貫いて、 中空糸膜束の側面から中空糸膜間に第 2の流体を導き入れる箄 2入口流路と、 外ケースを利用して形成され、 長さ方向の別の位置で内ケースの側面を貫いて、 中空糸膜束の側面から第 2の流体を導き出す第 2出口流路と、
内ケースの円筒の外周と外ケースの円筒の内周との間に設けられ、 第 2入口流 路側と第 2出口流路側とをシールする環状のシール部材と、 .
を備え、
第 1の流体と第 2の流体との間で、 中空糸膜を介して流体組成物の移動が行わ れる中空糸膜モジュール。
6 . 請求項 3に記載の中空糸膜モジュールであって、
中空糸膜と内ケースは、 互いの熱膨張差を吸収可能な同一または異なる種類の 樹脂を用いて作られ、
外ケースは金属を用いて作られ、
環状シール部材は、 内ケースと外ケースの熱膨張差を吸収可能な圧縮性素材に
'ノ
よって作られる中空糸膜モジュール。
7 . 請求項 5に記載の中空糸膜モジュールであって、
中空糸膜と内ケースは、 互いの熱膨張差を吸収可能な同一または異なる種類の 樹脂を用いて作られ、'
外ケースは金属を用いて作られ、
環状シール部材は、 内ケースと外ケースの熱膨張差を吸収可能な圧縮性素材に よって作られる中空糸膜モジュール。
8 . 請求項 4に記載の中空糸膜モジュールであって、
第 2入口流路における内ケースと中空糸膜束との間には、 第 2の流体を筒軸方 向に拡げて中空糸膜束の側面に導く孔付仕切板が設けられている中空糸膜モジュ 一ノレ。
9 . 請求項 5に記載の中空糸膜モジュールであって、
第 2入口流路における内ケースと中空糸膜束との間には、 第 2の流体を筒軸方 向に拡げて中空糸膜束の側面に導く孔付仕切板が設けられている中空糸膜モジュ 一ノレ。
1 0 . 請求項 8に記載の中空糸膜モジュールであって、
孔付仕切板の孔は、 内ケーズを貫いて導き入れられる第 2の流体が直撃する付 近には設けられていない、 または他に比べて孔面積が小さくなるように設けられ ている中空糸膜モジュール。
1 1 . 請求項 9に記載の中空糸膜モジュールであって、
孔付仕切板の孔は、 内ケースを貫いて導き入れられる第 2の流体が直撃する付 近には設けられていない、 または他に比べて孔面積が小さくなるように設けられ ている中空糸膜モジュール。
1 2 . 請求項 8に記載の中空糸膜モジュールであって、
孔付仕切板の孔面積は、 内ケースを貫いて導き入れられる第 2の流体が直撃す る付近から長さ方向に離れるほど大きく設定されている中空糸膜モジュール。
1 3 . 請求項 9に記載の中空糸膜モジュールであって、
孔付仕切板の孔面積は、 内ケースを貫いて導き入れられる第 2の流体が直撃す る付近から長さ方向に離れるほど大きく設定されている中空糸膜モジュール。
1 4 . 請求項 1に記載の中空糸膜モジュールと、
供給される水素と酸素に対し、 永を生成する化学反応を起こさせ、 電力を取り 出す燃料電池と、
を備え、
前記第 1の流体と前記第 2の流体の一方は、 燃料電池に供給される酸素を含む 流体であり、 他方は、 燃料電池で生成された水を含む流体であり、
前記中空糸膜モジュールは、 前記燃料電池で生成された水の少なくとも一部を、 前記燃料電池に供給される酸素を含む流体に移動させ加湿させる燃料電池システ ム。
1 5 . 請求項 5に記載の中空糸膜モジュールと、
供給される水素と酸素に対し、 水を生成する化学反応を起こさせ、 電力を取り 出す燃料電池と、
を備え、
前記第 1の流体と前記第 2の流体の一方は、 燃料電池に供給される酸素を含む 流体であり、 他方は、 燃料電池で生成された水を含む流体であり、
前記中空糸膜モジュールは、 前記燃料電池で生成された水の少なくとも一部を、 前記燃料電池に供給される酸素を含む流体に移動させ加湿ざせる燃料電池システ ム。
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