WO2022255086A1 - 中空糸膜モジュール - Google Patents

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case
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fiber membrane
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a hollow fiber membrane module applicable to humidifiers and the like.
  • hollow fiber membrane modules installed in humidifiers for fuel cells are in increasing demand for high-output systems, and tend to be larger.
  • the fluid flowing inside the case has a high pressure. Therefore, a large case is generally manufactured by cutting a rigid material such as metal.
  • a box-shaped case is made of a rigid material such as metal because it is easily deformed by fluid pressure.
  • An object of the present invention is to provide a hollow fiber membrane module capable of suppressing deformation of the case body even when a case body made of resin is employed.
  • the present invention employs the following means to solve the above problems.
  • the hollow fiber membrane module of the present invention is a plurality of hollow fiber membranes; a case having a resin case body containing the plurality of hollow fiber membranes and having openings at both ends; A pair of sealing and fixing parts for sealing the gaps between the hollow fiber membranes and fixing the plurality of hollow fiber membranes to the case on both end sides of the case, with the hollow interiors of the hollow fiber membranes being opened.
  • a hollow fiber membrane module comprising The case main body is characterized in that reinforcing portions for connecting a pair of opposing inner wall surfaces of the inner wall surfaces accommodating the plurality of hollow fiber membranes are integrally provided on the pair of wall surfaces.
  • the case main body is provided with the reinforcing portion, deformation of the case main body can be suppressed even if the fluid pressure in the case main body increases.
  • the reinforcing portion is preferably provided in the center between one end side and the other end side of the case body.
  • the case main body includes a pair of substantially flat plate portions each provided with at least one through hole through which a fluid passes, and a pair of curved portions connecting both sides of the pair of substantially flat plate portions.
  • the cross-sectional shape perpendicular to the direction from to the other end side is composed of an oval-shaped member,
  • the reinforcing portion may be provided so as to connect inner wall surfaces of the pair of curved portions.
  • a resin case body with such a shape is easily deformed by fluid pressure, but as described above, the deformation is suppressed by providing the reinforcing part.
  • the reinforcing portion is preferably provided in the center between the pair of substantially flat plate portions in the case body.
  • FIG. 1 is a side view of a hollow fiber membrane module according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 2 is a front view of a hollow fiber membrane module according to an example of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a hollow fiber membrane module according to an example of the present invention.
  • FIG. 4 is a front view of a case body according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a plan view of a case body according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a case body according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 1 is a side view of a hollow fiber membrane module according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 2 is a front view of a hollow fiber membrane module according to an example of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a hollow fiber membrane module according to an example of the present invention, and is a cross-sectional view along AA in FIG.
  • FIG. 4 is a front view of a case body according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a plan view of a case body according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the case main body according to the embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view along BB in FIG.
  • the hollow fiber membrane module 10 according to the present embodiment can be applied as a humidifier or a dehumidifier. This point will be briefly explained.
  • the hollow fiber membrane module 10 has a plurality of hollow fiber membranes 200 inside a case 100 .
  • the hollow fiber membrane module 10 is configured such that a flow path passing through the outside of the plurality of hollow fiber membranes 200 and a flow path passing through the inside of the membrane are formed.
  • the hollow fiber membrane module 10 can be suitably used as a humidifier for humidifying the electrolyte membrane provided in the fuel cell.
  • moist air generated in the fuel cell is used as the moist gas.
  • the humidified gas (air) is used as the humidified gas (air) to the electrolyte membrane provided in the fuel cell.
  • the electrolyte membrane is maintained in a wet state.
  • the material of the hollow fiber membrane 200 for example, PPSU (polyphenylsulfone), etc., which has a property of permeating moisture by a capillary condensation mechanism based on pore size control, can be suitably used.
  • the membrane-forming solution (raw material for the hollow fiber membrane)
  • spinning is performed using a membrane-forming solution in which PPSU and a hydrophilic polymer (polyvinyl porolidone) are added to the solvent, thereby making the hollow fiber hydrophilic.
  • a thread membrane can be obtained.
  • Nafion registered trademark
  • the materials described above have low elution properties and high strength, and therefore can be suitably used for humidifiers and dehumidifiers.
  • the hollow fiber membrane module 10 includes a case 100 , a plurality of hollow fiber membranes 200 arranged inside the case 100 , and a pair of sealing fixing portions 310 and 320 .
  • the case 100 contains a plurality of hollow fiber membranes 200 and includes a resin case body 110 having openings at both ends.
  • the case main body 110 includes a pair of substantially flat plate portions 111 and 112 and a pair of curved portions 113 and 114 connecting both sides of the pair of substantially flat plate portions 111 and 112, respectively.
  • the case body 110 is formed of a member having an oval cross section perpendicular to the direction from one end side to the other end side of the case body 110 .
  • At least one (in this embodiment, a plurality of) through holes 111a and 112a through which fluid passes are provided in the pair of substantially flat plate portions 111 and 112, respectively.
  • the case main body 110 has reinforcing portions 115 integrally provided on the pair of wall surfaces that connect a pair of opposed wall surfaces among the inner wall surfaces that accommodate the plurality of hollow fiber membranes 200 .
  • this reinforcing portion 115 is provided so as to connect the inner wall surfaces of the pair of curved portions 113 and 114 .
  • the reinforcing portion 115 is located at the center (partial region including the center) between one end side and the other end side of the case body 110 and between the pair of substantially flat plate portions 111 and 112 of the case body 110. It is provided in the center (a part of the area including the center).
  • the case body 110 configured as described above can be molded by using a resin material such as PSU (polysulfone), PPS (polyphenylene sulfide), and PPA (polyphthalamide). Therefore, the pair of substantially flat plate portions 111 and 112, the pair of curved portions 113 and 114, and the reinforcing portion 115 are integrated.
  • the case 100 also includes a first fixing member 120 and a second fixing member 130 fixed to both ends of the case main body 110, and a pair of third fixing members 140 provided to cover the pair of substantially flat plate portions 111 and 112, respectively. and a fourth fixing member 150 .
  • the method of fixing the first fixing member 120, the second fixing member 130, the third fixing member 140, and the fourth fixing member 150 to the case body 110 is not particularly limited, and various known fixing methods such as screw fastening can be used. can be adopted. Further, the first fixing member 120, the second fixing member 130, the third fixing member 140, and the fourth fixing member 150 can also be made of a resin material (resin molded product).
  • the first fixing member 120 and the second fixing member 130 are provided with pipe portions 121 and 131, respectively, which serve as inlets or outlets for fluid flowing through the inside of the hollow fiber membrane 200 (hollow interior). Further, the third fixing member 140 and the fourth fixing member 150 are provided with tube portions 141 and 151, respectively, which serve as inlets or outlets for fluid flowing outside the hollow fiber membrane 200. As shown in FIG. The third fixing member 140 and the fourth fixing member 140 are arranged so that one of the pipe portions 141 and 151 is arranged on one end side of the case main body 110 and the other is arranged on the other end side of the case main body 110 . The member 150 is fixed to the case body 110 .
  • the pair of sealing fixing portions 310 and 320 seals the gap between the hollow fiber membranes in a state where the hollow interior of each hollow fiber membrane 200 is opened on both end sides of the case 100, and also seals a plurality of hollow fibers. It is configured to secure the membrane 200 to the case 100 .
  • These pair of sealing fixing portions 310 and 320 are obtained by curing a potting material such as epoxy resin.
  • the hollow fiber membrane module 10 configured as described above as a humidifier or a dehumidifier
  • the wet gas passes through the outside of the hollow fiber membrane 200 and reaches the fourth fixing member 150. It flows out of the case 100 from the tube portion 151 (arrow T1).
  • the dry gas is supplied from the tube portion 121 of the first fixing member 120 to the inside of the case 100 (dotted line arrow S0)
  • the dry gas is supplied from the sealing fixing portion 310 on the one end side to the plurality of hollow fiber membranes 200. It is supplied to each hollow interior and flows through each hollow fiber membrane 200 .
  • the dry gas is discharged from the sealing fixing portion 320 on the other end side and flows to the outside of the case 100 from the pipe portion 131 of the second fixing member 130 (arrow S1).
  • the membrane separation action of the hollow fiber membrane 200 moves the moisture in the wet gas to the dry gas side, humidifies the dry gas, and dehumidifies the wet gas.
  • the hollow fiber membrane module 10 of the present embodiment since the case body 110 is provided with the reinforcing portion 115, even if the fluid pressure in the case body becomes high, the case body 110 is prevented from being deformed. can be suppressed. Therefore, it is possible to suppress the deterioration of the sealing performance and suppress the leakage of the fluid. As a result, deterioration in humidification performance and dehumidification performance can be suppressed.
  • the case body 110 can be manufactured by mold molding with resin, so the cost can be reduced compared to manufacturing by cutting a metal material. .
  • the reinforcing portion 115 is provided at the center between the one end side and the other end side of the case body 110 and between the pair of substantially flat plate portions 111 and 112 of the case body 110.
  • hollow fiber membrane module 100 case 110 case main body 111, 112 flat plate portion 111a, 112a through hole 113, 114 curved portion 115 reinforcing portion 120 first fixing member 121 pipe portion 130 second fixing member 131 pipe portion 140 third fixing member 141 Pipe Part 150 Fourth Fixing Member 151 Pipe Part 200 Hollow Fiber Membrane 310, 320 Seal Fixing Part

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Abstract

樹脂製のケース本体を採用した場合でも、ケース本体の変形を抑制することのできる中空糸膜モジュールを提供する。 複数の中空糸膜200と、複数の中空糸膜200を収容し、かつ両端に開口部を有する樹脂製のケース本体110を有するケース100と、ケース100の両端側において、各中空糸膜200の中空内部を開放させた状態で中空糸膜同士の隙間を封止し、かつ複数の中空糸膜200をケース100に固定する一対の封止固定部310,320と、を備える中空糸膜モジュール10であって、ケース本体110は、複数の中空糸膜200を収容する内壁面のうち対向する一対の壁面同士を連結する補強部115がこれら一対の壁面に一体に設けられていることを特徴とする。

Description

中空糸膜モジュール
 本発明は、加湿装置などに適用可能な中空糸膜モジュールに関する。
 例えば、燃料電池用の加湿装置に備えられる中空糸膜モジュールにおいては、高出力システム向けの需要が高まっており、大型化する傾向にある。大型の中空糸膜モジュールにおいては、ケース内を流れる流体の圧力が高くなる。そのため、大型のケースの場合には、金属などの剛性材料を切削加工することにより製造するのが一般的である。特に、ボックス形状のケースの場合には、流体の圧力により変形し易いため、金属などの剛性材料により構成される。
 しかしながら、金属などの剛性材料を切削加工してケースを製造する場合にはコストが高くなる。そこで、金型を用いた樹脂成形によりケースを製造することが望まれるが、大型の中空糸膜モジュールの場合には、上記の通り、流体の圧力が高くなるため、使用中にケースが変形するおそれがある。ケースが変形すると、シール性が低下して、流体漏れが発生してしまい、加湿性能が低下するなど、品質が低下してしまうことが懸念される。
国際公開第2018/190147号
 本発明の目的は、樹脂製のケース本体を採用した場合でも、ケース本体の変形を抑制することの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、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
 すなわち、本発明の中空糸膜モジュールは、
 複数の中空糸膜と、
 前記複数の中空糸膜を収容し、かつ両端に開口部を有する樹脂製のケース本体を有するケースと、
 前記ケースの両端側において、各中空糸膜の中空内部を開放させた状態で中空糸膜同士の隙間を封止し、かつ前記複数の中空糸膜を前記ケースに固定する一対の封止固定部と、
 を備える中空糸膜モジュールであって、
 前記ケース本体は、前記複数の中空糸膜を収容する内壁面のうち対向する一対の壁面同士を連結する補強部がこれら一対の壁面に一体に設けられていることを特徴とする。
 本発明によれば、ケース本体に補強部が設けられているため、ケース本体内の流体圧力が高くなっても、ケース本体が変形してしまうことを抑制することができる。
 前記補強部は前記ケース本体における一端側と他端側との間の中央に設けられているとよい。
 このような構成を採用することで、例えば、補強部を一端側から他端側に至るように設ける場合と比べて、ケース本体内に収容する中空糸膜の充填本数の低下を抑制し、かつ、中空糸膜の膜外を流れる流体の流れが阻害されてしまうことを抑制しつつ、ケース本体の変形を効果的に抑制することができる。
 前記ケース本体は、それぞれ流体が通る少なくとも一つの貫通孔が設けられた一対の略平板部と、これら一対の略平板部の両側をそれぞれ繋ぐ一対の湾曲部とを備え、前記ケース本体の一端側から他端側に向かう方向に対して垂直な断面形状がオーバル形状の部材により構成されており、
 前記補強部は前記一対の湾曲部の内壁面同士を連結するように設けられているとよい。
 一般的には、このような形状、かつ樹脂製のケース本体は流体圧力によって変形し易いものの、上記の通り、補強部が設けられることで、変形が抑制される。
 前記補強部は前記ケース本体における前記一対の略平板部の間の中央に設けられているとよい。
 このような構成を採用することで、例えば、補強部を一対の略平板部に近い付近まで設ける場合と比べて、ケース本体内に収容する中空糸膜の充填本数の低下を抑制し、かつ、中空糸膜の膜外を流れる流体の流れが阻害されてしまうことを抑制しつつ、ケース本体の変形を効果的に抑制することができる。
 なお、上記各構成は、可能な限り組み合わせて採用し得る。
 以上説明したように、本発明によれば、樹脂製のケース本体を採用した場合でも、ケース本体の変形を抑制することができる。
図1は本発明の実施例に係る中空糸膜モジュールの側面図である。 図2は本発明の実施例に係る中空糸膜モジュールの正面図である。 図3は本発明の実施例に係る中空糸膜モジュールの模式的断面図である。 図4は本発明の実施例に係るケース本体の正面図である。 図5は本発明の実施例に係るケース本体の平面図である。 図6は本発明の実施例に係るケース本体の模式的断面図である。
 以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
 (実施例)
 図1~図6を参照して、本発明の実施例に係る中空糸膜モジュールについて説明する。図1は本発明の実施例に係る中空糸膜モジュールの側面図である。図2は本発明の実施例に係る中空糸膜モジュールの正面図である。図3は本発明の実施例に係る中空糸膜モジュールの模式的断面図であり、図2中のAA断面図である。図4は本発明の実施例に係るケース本体の正面図である。図5は本発明の実施例に係るケース本体の平面図である。図6は本発明の実施例に係るケース本体の模式的断面図であり、図4中のBB断面図である。
 <中空糸膜モジュールの適用例>
 本実施例に係る中空糸膜モジュール10の適用例について説明する。本実施例に係る中空糸膜モジュール10は、加湿装置や除湿装置として適用することができる。この点について簡単に説明する。中空糸膜モジュール10は、ケース100の内部に複数の中空糸膜200が設けられている。そして、中空糸膜モジュール10は、複数の中空糸膜200の膜外を通る流路と、膜内を通る流路が形成されるように構成されている。このような構成により、例えば、中空糸膜200の膜外に湿潤気体を供給し、複数の中空糸膜200の各中空内部に乾燥気体を供給することで、中空糸膜200による膜分離作用によって、湿潤気体中の水分が乾燥気体側に移動する。従って、乾燥気体については加湿され、湿潤気体については除湿されるため、加湿装置としても除湿装置としても利用することができる。
 なお、本実施例に係る中空糸膜モジュール10は、燃料電池に備えられる電解質膜を加湿するための加湿装置として好適に用いることができる。この場合、燃料電池において発生した湿潤空気が、上記の湿潤気体として利用される。そして、加湿された気体(空気)が、燃料電池に備えられる電解質膜に供給されることで、電解質膜については、湿った状態が維持される。ここで、中空糸膜200の素材としては、例えば、孔径制御による毛管凝縮機構により水分を透過する特性を有するPPSU(ポリフェニルスルホン)などを好適に用いることができる。なお、製膜溶液(中空糸膜の原料)を調整する際、溶媒中にPPSUと親水性高分子(ポリビニルポロリドン)を添加した製膜溶液を用いて紡糸を行うことで親水性を有する中空糸膜を得ることができる。また、溶解拡散により水分を透過する特性を有する親水性の材料であるナフィオン(登録商標)を用いることもできる。以上のような材料は、低溶出性であり、かつ強度も高いため、加湿装置や除湿装置に好適に用いることができる。
 <中空糸膜モジュール>
 本実施例に係る中空糸膜モジュール10について、より詳細に説明する。中空糸膜モジュール10は、ケース100と、ケース100の内部に配される複数の中空糸膜200と、一対の封止固定部310,320とを備えている。そして、ケース100は、複数の中空糸膜200を収容し、かつ両端に開口部を有する樹脂製のケース本体110を備えている。
 ケース本体110は、一対の略平板部111,112と、これら一対の略平板部111,112の両側をそれぞれ繋ぐ一対の湾曲部113,114とを備えている。また、ケース本体110は、ケース本体110の一端側から他端側に向かう方向に対して垂直な断面形状がオーバル形状の部材により構成されている。上記の一対の略平板部111,112には、それぞれ流体が通る少なくとも一つ(本実施例では複数)の貫通孔111a,112aが設けられている。更に、ケース本体110は、複数の中空糸膜200を収容する内壁面のうち対向する一対の壁面同士を連結する補強部115が、これら一対の壁面に一体に設けられている。より具体的には、この補強部115は一対の湾曲部113,114の内壁面同士を連結するように設けられている。そして、この補強部115はケース本体110における一端側と他端側との間の中央(中心を含む一部の領域)であって、ケース本体110における一対の略平板部111,112の間の中央(中心を含む一部の領域)に設けられている。以上のように構成されるケース本体110は、PSU(ポリスルホン)、PPS(ポリフェニレンサルファイド)、及びPPA(ポリフタルアミド)などの樹脂材料を用いて、金型により成形することができる。従って、一対の略平板部111,112と、一対の湾曲部113,114と、補強部115は一体となっている。
 また、ケース100は、ケース本体110の両端にそれぞれ固定される第1固定部材120及び第2固定部材130と、一対の略平板部111,112をそれぞれ覆うに設けられる一対の第3固定部材140及び第4固定部材150とを備えている。これら第1固定部材120、第2固定部材130、第3固定部材140及び第4固定部材150のケース本体110への固定方法は特に限定されるものではなく、ネジ締結などの各種公知の固定方法を採用することができる。また、これら第1固定部材120、第2固定部材130、第3固定部材140及び第4固定部材150についても、樹脂材料(樹脂成形品)により構成することができる。
 第1固定部材120と第2固定部材130には、中空糸膜200の膜内(中空内部)を流れる流体の入口又は出口となる管部121,131がそれぞれ設けられている。また、第3固定部材140及び第4固定部材150には、中空糸膜200の膜外を流れる流体の入口又は出口となる管部141,151がそれぞれ設けられている。なお、これらの管部141,151のうちの一方がケース本体110の一端側に配されて、他方がケース本体110の他端側に配されるように、第3固定部材140及び第4固定部材150はケース本体110に固定される。
 そして、一対の封止固定部310,320は、ケース100の両端側において、各中空糸膜200の中空内部を開放させた状態で中空糸膜同士の隙間を封止し、かつ複数の中空糸膜200をケース100に固定するように構成されている。これら一対の封止固定部310,320は、エポキシ樹脂などのポッティング材料が硬化することにより得られる。
 以上のように構成される中空糸膜モジュール10を、加湿装置又は除湿装置として適用する場合の一例を図3を参照して説明する。例えば、湿潤気体が第3固定部材140の管部141からケース100の内部に供給されると(矢印T0)、湿潤気体は、中空糸膜200の膜外を通って、第4固定部材150の管部151からケース100の外側に流れていく(矢印T1)。また、乾燥気体が第1固定部材120の管部121からケース100の内部に供給されると(点線矢印S0)、乾燥気体は、一端側の封止固定部310から複数の中空糸膜200の各中空内部に供給されて、それぞれの中空糸膜200の膜内を流れていく。その後、乾燥気体は、他端側の封止固定部320から排出されて、第2固定部材130の管部131からケース100の外側に流れていく(矢印S1)。以上の過程で、中空糸膜200による膜分離作用によって、湿潤気体中の水分が乾燥気体側に移動して、乾燥気体は加湿され、湿潤気体は除湿される。
 <本実施例に係る中空糸膜モジュールの優れた点>
 本実施例に係る中空糸膜モジュール10によれば、ケース本体110に補強部115が設けられているため、ケース本体内の流体圧力が高くなっても、ケース本体110が変形してしまうことを抑制することができる。従って、シール性の低下を抑制でき、流体の漏れを抑制することができる。これにより、加湿性能や除湿性能の低下を抑制することもできる。また、ケース100の大型化が要求されるような場合でも、ケース本体110を樹脂による金型成形により製造できるため、金属材料の切削加工により製造する場合に比べて、コストを削減することができる。
 また、本実施例に係る補強部115はケース本体110における一端側と他端側との間の中央であって、ケース本体110における一対の略平板部111,112の間の中央に設けられている。このような構成を採用することで、ケース本体内に収容する中空糸膜200の充填本数の低下を抑制し、かつ、中空糸膜200の膜外を流れる流体の流れが阻害されてしまうことを抑制しつつ、ケース本体110の変形を効果的に抑制することができる。
 10 中空糸膜モジュール
 100 ケース
 110 ケース本体
 111,112 平板部
 111a,112a 貫通孔
 113,114 湾曲部
 115 補強部
 120 第1固定部材
 121 管部
 130 第2固定部材
 131 管部
 140 第3固定部材
 141 管部
 150 第4固定部材
 151 管部
 200 中空糸膜
 310,320 封止固定部

Claims (4)

  1.  複数の中空糸膜と、
     前記複数の中空糸膜を収容し、かつ両端に開口部を有する樹脂製のケース本体を有するケースと、
     前記ケースの両端側において、各中空糸膜の中空内部を開放させた状態で中空糸膜同士の隙間を封止し、かつ前記複数の中空糸膜を前記ケースに固定する一対の封止固定部と、
     を備える中空糸膜モジュールであって、
     前記ケース本体は、前記複数の中空糸膜を収容する内壁面のうち対向する一対の壁面同士を連結する補強部がこれら一対の壁面に一体に設けられていることを特徴とする中空糸膜モジュール。
  2.  前記補強部は前記ケース本体における一端側と他端側との間の中央に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の中空糸膜モジュール。
  3.  前記ケース本体は、それぞれ流体が通る少なくとも一つの貫通孔が設けられた一対の略平板部と、これら一対の略平板部の両側をそれぞれ繋ぐ一対の湾曲部とを備え、前記ケース本体の一端側から他端側に向かう方向に対して垂直な断面形状がオーバル形状の部材により構成されており、
     前記補強部は前記一対の湾曲部の内壁面同士を連結するように設けられていることを特徴とする請求項1又は2に記載の中空糸膜モジュール。
  4.  前記補強部は前記ケース本体における前記一対の略平板部の間の中央に設けられていることを特徴とする請求項3に記載の中空糸膜モジュール。
     
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