WO2024253159A1 - 中空糸膜モジュール - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a hollow fiber membrane module.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of a hollow fiber membrane module according to the prior art.
  • the hollow fiber membrane module 700 comprises an outer case 710, an inner case 720 disposed inside the outer case 710, and a hollow fiber membrane bundle 730 consisting of a plurality of hollow fiber membranes filled in the annular gap between the outer case 710 and the inner case 720. At both ends of the plurality of hollow fiber membranes, the gaps between the plurality of hollow fiber membranes are sealed by a first sealing portion 741 and a second sealing portion 742 while leaving the hollow interior of each hollow fiber membrane open.
  • the inner case 720 is provided with a first through hole 721, and the outer case 710 is provided with a second through hole 711.
  • an intra-membrane passage (see arrow B) that runs through the inside of the multiple hollow fiber membranes is also formed.
  • the gas flowing through the extra-membrane passage causes the hollow fiber membrane to sway so as to bulge outward, particularly near the second through-hole 711 (see the thick dotted line in the figure). If the hollow fiber membrane sways and causes an uneven filling state, this can affect quality, such as making the humidification efficiency more likely to vary, so generally, the hollow fiber membrane bundle 730 is protected by wrapping it with mesh 750 as shown in the figure.
  • fuel cells have become larger in capacity, and as a result, there is a demand for even higher flow rates in the hollow fiber membrane modules provided in the humidifier. Therefore, simply wrapping the hollow fiber membrane bundle 730 with mesh 750 has become insufficient as a measure to suppress the oscillation of the hollow fiber membrane.
  • the present invention provides a hollow fiber membrane module that can suppress the oscillation of the hollow fiber membrane.
  • the present invention employs the following measures to solve the above problems.
  • the hollow fiber membrane module of the present invention has the following features: A cylindrical outer case having openings at both ends; a cylindrical inner case having one open end and the other closed end, the inner case being disposed inside the outer case; a hollow fiber membrane bundle including a plurality of hollow fiber membranes filled in an annular gap between the outer case and the inner case; a first sealing portion that seals gaps between the plurality of hollow fiber membranes in a state in which the hollow interiors of the hollow fiber membranes are opened at one end sides of the outer case and the inner case; a second sealing portion that seals gaps between the plurality of hollow fiber membranes in a state in which the hollow interiors of the hollow fiber membranes are opened at the other end sides of the outer case and the inner case;
  • a first through hole is provided in the inner case
  • a second through hole is provided in the outer case, thereby forming an extra-membrane passage that passes from an opening of the inner case through the first through hole, passes outside the plurality of hollow fiber membranes, and
  • the tubular member can suppress the oscillation of the hollow fiber membrane.
  • the tubular member is provided with a plurality of third through holes, which provides a straightening effect for the fluid flowing through the extra-membrane passage.
  • the present invention makes it possible to suppress the oscillation of the hollow fiber membrane.
  • FIG. 1 is a front view of a hollow fiber membrane module according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view of the hollow fiber membrane module according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a hollow fiber membrane module according to Example 1 of the present invention.
  • FIG. 4 is a front view showing a modified example of the tubular member provided in the hollow fiber membrane module according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram of a cylindrical member according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing an application example of the hollow fiber membrane module according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of a hollow fiber membrane module according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of a hollow fiber membrane module according to the prior art.
  • FIG. 1 is a front view of the hollow fiber membrane module according to the first embodiment of the present invention.
  • Fig. 2 is a plan view (top view) of the hollow fiber membrane module according to the first embodiment of the present invention.
  • Fig. 3 is a schematic cross-sectional view of the hollow fiber membrane module according to the first embodiment of the present invention, in which Fig. 3(a) is a cross-sectional view taken along line AA in Fig. 2, and Fig. 3(b) is a cross-sectional view taken along line BB of the outer case in Fig. 2.
  • Fig. 3(a) is a cross-sectional view taken along line AA in Fig. 2
  • Fig. 3(b) is a cross-sectional view taken along line BB of the outer case in Fig. 2.
  • Fig. 3(a) is a cross-sectional view taken along line AA in Fig. 2
  • Fig. 3(b) is a cross-sectional view taken along line BB of the outer case
  • Fig. 4 is a front view showing a modified example of the cylindrical member provided in the hollow fiber membrane module according to the first embodiment of the present invention.
  • Fig. 5 is an explanatory view of the cylindrical member according to the first embodiment of the present invention.
  • the hollow fiber membrane module 10 includes an outer case 100, an inner case 200 disposed inside the outer case 100, and a hollow fiber membrane bundle 300 consisting of a plurality of hollow fiber membranes filled in the annular gap between the outer case 100 and the inner case 200.
  • the outer case 100 is made of a cylindrical member with both ends open.
  • the inner case 200 is made of a cylindrical member with one end open (see opening 210) and the other end closed (see closing portion 220).
  • the outer case 100 and the inner case 200 are made of a material with high rigidity (for example, a metal such as aluminum or a hard resin such as PPS).
  • the hollow fiber membrane module 10 also includes a first sealing portion 410 at one end of the outer case 100 and the inner case 200, which seals the gaps between the hollow fiber membranes while leaving the hollow interior of each hollow fiber membrane open.
  • a protective layer 415 made of a highly flexible material such as silicone is provided on the inside of the first sealing portion 410 to prevent damage to the hollow fiber membranes at the interface with the first sealing portion 410 even if the hollow fiber membranes vibrate.
  • the hollow fiber membrane module 10 also includes a second sealing portion 420 at the other end of the outer case 100 and the inner case 200, which seals the gaps between the hollow fiber membranes while leaving the hollow interior of each hollow fiber membrane open.
  • a protective layer 425 is also provided on the inside of this second sealing portion 420.
  • Polyphenylsulfone (PPSU) is preferably used as the material for the hollow fiber membrane, and epoxy resin is preferably used as the material for the first sealing portion 410 and the second sealing portion 420.
  • the sealing portion also called the potting portion
  • the first sealing portion 410 and the second sealing portion 420 can also be fixed to the outer case 100 and the inner case 200.
  • the first sealing portion 410 and the second sealing portion 420 after hardening can also be fixed to the outer case 100 and the inner case 200 separately by an adhesive or the like.
  • the inner case 200 described above has a plurality of first through holes 230 provided around the entire circumference. These first through holes 230 are provided in the inner case 200 at a position biased toward the other end side (the blocking portion 220 side).
  • the outer case 100 also has a second through hole 130. This second through hole 130 is provided at a position biased toward one end side (the opening 210 side in the inner case 200).
  • an extra-membrane passage (see arrow A shown by a solid line in FIG. 3) is formed that passes from the opening (opening 210) of the inner case 200 through the first through hole 230, passes through the outside of the membranes of the plurality of hollow fiber membranes, and reaches the second through hole 130.
  • the outer case 100 has a first cylindrical portion 110 and a second cylindrical portion 120 having an inner diameter larger than that of the first cylindrical portion 110.
  • the second through hole 130 is provided at one location in the circumferential direction of the second cylindrical portion 120.
  • a relatively large gap is formed between the inner peripheral surface of the second cylindrical portion 120 and the outer peripheral surface of the hollow fiber membrane bundle 300 (see FIG. 3). Therefore, the fluid flowing through the membrane outer passage flows from the inside of the first cylindrical portion 110 to the second cylindrical portion 120, flows from the entire circumference of the hollow fiber membrane bundle 300 to the outside of the bundle, and then flows to the second through hole 130 (see FIG. 3(b)).
  • intra-membrane passages are also formed that pass through the interiors of multiple hollow fiber membranes (see arrow B indicated by a dotted line in Figure 3(a)).
  • the hollow fiber membrane module 10 can be suitably used as a humidifier for humidifying an electrolyte membrane provided in a fuel cell.
  • the moist air generated in the fuel cell is used as the moist gas.
  • the humidified gas (air) is then supplied to the electrolyte membrane provided in the fuel cell, thereby maintaining the electrolyte membrane in a moist state.
  • the hollow fiber membrane module 10 can be suitably used as a humidification device for humidifying the electrolyte membrane provided in the fuel cell 50.
  • a humidification device for humidifying the electrolyte membrane provided in the fuel cell 50.
  • FIG. 6 the configuration in which the hollow fiber membrane module 10 is used as such a humidification device will be described.
  • dry air is sent to the membrane inner flow path of the hollow fiber membrane module 10 by the compressor 60 (see arrow R1).
  • the dry air flowing through the membrane inner flow path is humidified and discharged from the hollow fiber membrane module 10.
  • This humidified wet air is sent to the fuel cell 50 (see arrow R2).
  • the electrolyte membrane provided in the fuel cell 50 is maintained in a wet state.
  • the wet air generated in the fuel cell 50 is then sent to the membrane outer flow path of the hollow fiber membrane module 10 (see arrow R3), and the dry air dehumidified by the membrane separation action of the hollow fiber membrane is discharged from the hollow fiber membrane module 10 (see arrow R4).
  • the moist air generated in the fuel cell 50 has a high temperature, the temperature of the dry air sent from the compressor 60 is low, so the temperature of the moist air discharged from the hollow fiber membrane module 10 is low. In this way, the hollow fiber membrane module 10 also exhibits a heat exchange function.
  • a configuration is adopted in which a tubular member 500 having a plurality of third through holes 510, each of which becomes a part of the membrane outer passage, is provided between the hollow fiber membrane bundle 300 and the outer case 100.
  • the plurality of third through holes 510 are provided around the entire circumference.
  • the tubular member 500 like the outer case 100 and the inner case 200, is also made of a highly rigid material (for example, a metal such as aluminum or a hard resin such as PPS). In other words, the tubular member 500 is made of a highly rigid material that is not deformed or damaged by a high flow rate of fluid.
  • the tubular member 500 is provided, so that the oscillation of the hollow fiber membrane can be suppressed.
  • the tubular member 500 is provided with a plurality of third through holes 510, the rectifying effect of the fluid flowing through the membrane extra-passage is exhibited.
  • the fluid hits the hollow fiber membrane evenly, so that the pressure loss can be suppressed.
  • the humidification performance can be stabilized.
  • a configuration in which the hollow fiber membrane bundle 300 is wrapped with a mesh 600 for protection can be adopted as shown in FIG. 3.
  • the tubular member 500 When the tubular member 500 is manufactured from a resin material, the tubular member 500 made of one piece can be obtained by a known molding technique using a mold. It is also possible to adopt a configuration in which the member is divided in the circumferential direction, as in the modified tubular member 500A shown in FIG. 4. Note that while the illustrated example shows an example in which the member is divided into two, a configuration in which the member is divided into three or more parts can also be adopted. When such a configuration is adopted, it is possible to reduce the size of the mold and also has the effect of improving the ease of assembly.
  • the third through hole 510 is preferably set so as to suppress the shaking of the hollow fiber membrane and to effectively exert the straightening function.
  • the width d of the third through hole 510 in the direction parallel to the multiple hollow fiber membranes may be set to 1 mm or more and 8 mm or less.
  • the flow rate of the fluid passing through the third through hole 510 can be increased by increasing the ratio (called the aperture ratio) of the total area of all the third through holes 510 to the area of the surface of the outer peripheral surface of the tubular member 500 facing the membrane extra-passage (the surface facing the membrane extra-passage formed by the space between the inner peripheral surface of the second cylindrical portion 120 and the tubular member 500).
  • range M indicates the range of the outer peripheral surface of the cylindrical member 500 that faces the extra-membrane passage.
  • the left side of range M in the figure is the area where the first sealing portion 410 and the protective layer 415 are provided, and the right side of range M is the area where the inner peripheral surface of the first cylindrical portion 110 comes into contact.
  • the hollow fiber membrane can be prevented from entering the hole, so the planar shape is not limited.
  • the third through hole 510a shown in FIG. 5(b) can be elliptical, the third through hole 510b can be oval, the third through hole 510c can be rectangular, or the third through hole 510d can be circular.
  • a circular shape makes it easier to disperse stress and increases the strength of the cylindrical member 500, it is preferable to make the planar shape of the through hole circular. Also, even if the rectifying effect is taken into consideration, it is preferable to make it circular.
  • the planar shape of the through hole is an oval shape
  • the area of the wall between adjacent through holes can be reduced compared to when it is circular, so that the opening rate can be easily increased.
  • the planar shape of the through hole is an ellipse
  • the through hole has no corners (edges) compared to when it is a rectangle, so that the hollow fiber membrane is prevented from being damaged by contact between the through hole and the hollow fiber membrane, and the strength of the tubular member 500 is prevented from decreasing near the through hole.
  • the longitudinal direction of the ellipse should be a direction intersecting (preferably perpendicular to) the direction in which the hollow fiber membrane extends (the left-right direction in FIG. 3). This prevents the hollow fiber membrane from swinging and entering the inside of the third through hole 510b.
  • the opening area can be increased while keeping the width d of the third through hole 510 below a certain value.
  • a chamfer such as an R surface or a C surface on the inner peripheral surface side of the third through hole 510 as shown in FIG. 5(c). This makes it possible to more reliably prevent damage to the surface of the hollow fiber membrane. If a resin cylindrical member 500A divided in the circumferential direction as shown in FIG. 4 is used, the chamfer can be formed by die molding.
  • FIG. 7 shows a second embodiment of the present invention.
  • the outer case is made of one member, but in this embodiment, the outer case is made of two members. Since the other basic configurations and functions are the same as those in the first embodiment, the same components are denoted by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.
  • FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of a hollow fiber membrane module according to the second embodiment of the present invention.
  • the outer case 100 shown in the above-mentioned Example 1 is composed of one member (one part). In other words, the first cylindrical portion 110 and the second cylindrical portion 120 are integrally formed.
  • the outer case 100A in this example comprises a first outer case 100X having the first cylindrical portion 110, and a second outer case 100Y having the second cylindrical portion 120.
  • cylindrical member 550A in this embodiment is provided with an outward flange portion 555.
  • the outward flange portion 555 is sandwiched between the end faces of these cases, thereby fixing the cylindrical member 550A.
  • Example 1 a structure can be adopted in which the press-fitting force of the tubular member 500 into the outer case 100 is set high to fix the tubular member 500 to the outer case 100.
  • the tubular member 550A can be fixed by sandwiching the outward flange portion 555 between the first outer case 100X and the second outer case 100Y, so there is no need to set the press-fitting force of the tubular member 550A high as in Example 1. Therefore, the ease of assembly of the hollow fiber membrane module can be improved.
  • the hollow fiber membrane module 10 of this embodiment configured as described above can also achieve the same effects as in the first embodiment.
  • the cylindrical member 550A of this embodiment can also be configured to be divided in the circumferential direction, as in the cylindrical member 500A of the modified example shown in FIG. 4.
  • the third through hole 510 is as described in the first embodiment with reference to FIG. 5.
  • the outer case and the inner case are made of cylindrical members. That is, when the case is cut in a direction perpendicular to the hollow fiber membranes, the inner and outer peripheral surfaces are circular.
  • the shapes of the outer and inner cases applicable to the present invention are not limited. That is, when the case is cut in the above direction, the shapes of the inner and outer peripheral surfaces may be various shapes such as an ellipse, an oval, or a rectangle. Similarly, various shapes may be adopted for the cylindrical members, and the shape of the outer peripheral surface may be adapted to the shape of the inner peripheral surface of the outer case.
  • Hollow fiber membrane module 100 100A: Outer case 100X: First outer case 100Y: Second outer case 110: First cylindrical portion 120: Second cylindrical portion 130: Second through hole 200: Inner case 210: Opening 220: Closing portion 230: First through hole 300: Hollow fiber membrane bundle 410: First sealing portion 415: Protective layer 420: Second sealing portion 425: Protective layer 500, 500A, 550A: Cylindrical member 510, 510a, 510b, 510c: Third through hole 555: Outward flange portion 600: Mesh

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Abstract

外ケース１００と、内ケース２００と、外ケース１００と内ケース２００との間の環状隙間に充填される複数の中空糸膜からなる中空糸膜束３００と、第１封止部４１０と、第２封止部４２０と、を備えると共に、内ケース２００の開口から第１の貫通孔２３０を通り、複数の中空糸膜の膜外を通って第２の貫通孔１３０へと至る膜外通路と、複数の中空糸膜の膜内を通る膜内通路と、が形成される中空糸膜モジュール１０であって、中空糸膜束３００と外ケース１００との間には、それぞれ膜外通路の一部となる複数の第３の貫通孔５１０を有する筒状部材５００が設けられることを特徴とする。

Description

中空糸膜モジュール
　本発明は、中空糸膜モジュールに関する。
　燃料電池に用いられる加湿装置には、中空糸膜モジュールが備えられている。図８を参照して従来技術に係る中空糸膜モジュール７００について説明する。図８は従来技術に係る中空糸膜モジュールの模式的断面図である。
　中空糸膜モジュール７００は、外ケース７１０と、外ケース７１０の内部に配される内ケース７２０と、外ケース７１０と内ケース７２０との間の環状隙間に充填される複数の中空糸膜からなる中空糸膜束７３０とを備えている。複数の中空糸膜は、その両端において、第１封止部７４１と第２封止部７４２によって、各中空糸膜の中空内部を開放させた状態で複数の中空糸膜間の隙間が封止されている。
　そして、内ケース７２０には第１の貫通孔７２１が設けられ、かつ外ケース７１０には第２の貫通孔７１１が設けられている。これにより、内ケース７２０の開口から第１の貫通孔７２１を通り、複数の中空糸膜の膜外を通って第２の貫通孔７１１へと至る膜外通路（矢印Ａ参照）が形成される。また、複数の中空糸膜の膜内を通る膜内通路（矢印Ｂ参照）も形成される。これにより、例えば、膜外通路に湿潤ガスを流し、膜内通路に乾燥ガスを流すことで、湿潤ガスは乾燥され、乾燥ガスは加湿される。このように、乾燥ガスを加湿することができ、燃料電池に用いられる加湿装置として中空糸膜モジュール７００が利用されている。
　以上のように構成される中空糸膜モジュール７００においては、膜外通路を流れるガスによって、特に第２の貫通孔７１１の付近において、中空糸膜は外側に膨らむように揺動してしまう（図中、太い点線参照）。中空糸膜が揺動して充填状態に偏りができると、加湿効率がばらつき易くなるなど品質に影響が出てしまうため、一般的には、図示のように中空糸膜束７３０をメッシュ７５０で巻いて保護している。しかしながら、近年、燃料電池は大容量化が進んでおり、これに伴い、加湿装置に備えられる中空糸膜モジュールにおいて、より一層の高流量化が求められている。そのため、中空糸膜束７３０をメッシュ７５０で巻くだけでは、中空糸膜の揺動を抑制する対策としては不十分になってきている。
特開２０２０－１６３６６号公報
　本発明は、中空糸膜の揺動を抑制可能とする中空糸膜モジュールを提供する。
　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、
　両端が開口する筒状の外ケースと、
　一端が開口し、他端側が閉塞され、かつ前記外ケースの内部に配される筒状の内ケースと、
　前記外ケースと前記内ケースとの間の環状隙間に充填される複数の中空糸膜からなる中空糸膜束と、
　前記外ケース及び前記内ケースの一端側で、各中空糸膜の中空内部を開放させた状態で前記複数の中空糸膜間の隙間を封止する第１封止部と、
　前記外ケース及び前記内ケースの他端側で、各中空糸膜の中空内部を開放させた状態で前記複数の中空糸膜間の隙間を封止する第２封止部と、
　を備えると共に、
　前記内ケースには第１の貫通孔が設けられ、かつ前記外ケースには第２の貫通孔が設けられることで、前記内ケースの開口から第１の貫通孔を通り、前記複数の中空糸膜の膜外を通って第２の貫通孔へと至る膜外通路と、
　前記複数の中空糸膜の膜内を通る膜内通路と、
　が形成される中空糸膜モジュールであって、
　前記中空糸膜束と前記外ケースとの間には、それぞれ前記膜外通路の一部となる複数の第３の貫通孔を有する筒状部材が設けられることを特徴とする。
　本発明によれば、筒状部材によって、中空糸膜の揺動を抑制することができる。また、筒状部材には複数の第３の貫通孔が設けられているため、膜外通路を流れる流体の整流効果が発揮される。
　以上説明したように、本発明によれば、中空糸膜の揺動を抑制することができる。
図１は本発明の実施例１に係る中空糸膜モジュールの正面図である。 図２は本発明の実施例１に係る中空糸膜モジュールの平面図である。 図３は本発明の実施例１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１に係る中空糸膜モジュールに備えられる筒状部材の変形例を示す正面図である。 図５は本発明の実施例１に係る筒状部材の説明図である。 図６は本発明の実施例に係る中空糸膜モジュールの適用例を示す概略構成図である。 図７は本発明の実施例２に係る中空糸膜モジュールの模式的断面図である。 図８は従来技術に係る中空糸膜モジュール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１）
　図１～図５を参照して、本発明の実施例１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１に係る中空糸膜モジュールの正面図である。図２は本発明の実施例１に係る中空糸膜モジュールの平面図（上面図）である。図３は本発明の実施例１に係る中空糸膜モジュールの模式的断面図であり、同図（ａ）は図２中のＡＡ断面図であり、同図（ｂ）は図２中の外ケースのＢＢ断面図である。なお、図３（ｂ）においては、内ケースと筒状部材の位置を点線にて示している。図４は本発明の実施例１に係る中空糸膜モジュールに備えられる筒状部材の変形例を示す正面図である。図５は本発明の実施例１に係る筒状部材の説明図である。
　＜中空糸膜モジュール＞
　中空糸膜モジュール１０は、外ケース１００と、外ケース１００の内部に配される内ケース２００と、外ケース１００と内ケース２００との間の環状隙間に充填される複数の中空糸膜からなる中空糸膜束３００とを備えている。外ケース１００は、両端が開口する筒状の部材により構成される。また、内ケース２００は、一端が開口（開口部２１０参照）し、他端側が閉塞（閉塞部２２０参照）される筒状の部材により構成される。これら外ケース１００及び内ケース２００は剛性の高い材料（例えば、アルミニウムなどの金属やＰＰＳなどの硬質樹脂）により構成される。
　また、中空糸膜モジュール１０は、外ケース１００及び内ケース２００の一端側で、各中空糸膜の中空内部を開放させた状態で複数の中空糸膜間の隙間を封止する第１封止部４１０を備えている。この第１封止部４１０の内側には、中空糸膜が揺れ動いても第１封止部４１０との境界面で中空糸膜の破損を抑制するために、シリコンなどの柔軟性の高い材料により構成される保護層４１５が設けられている。
　同様に、中空糸膜モジュール１０は、外ケース１００及び内ケース２００の他端側で、各中空糸膜の中空内部を開放させた状態で複数の中空糸膜間の隙間を封止する第２封止部４２０も備えている。この第２封止部４２０の内側にも保護層４２５が設けられている。
　中空糸膜の材料としては、ポリフェニルスルホン（ＰＰＳＵ）を好適に用いることができ、第１封止部４１０及び第２封止部４２０の材料としては、エポキシ樹脂を好適に用いることができる。一般的に、封止部（ポッティング部とも呼ばれる）は、液状のエポキシ樹脂などの材料（ポッティング材料）が硬化することにより得られる。この性質を利用することで、第１封止部４１０及び第２封止部４２０を外ケース１００及び内ケース２００に対して固定することもできる。ただし、硬化させた後の第１封止部４１０及び第２封止部４２０を、別途、接着剤などによって、外ケース１００及び内ケース２００に対して固定することもできる。
　上述した内ケース２００には複数の第１の貫通孔２３０が全周に亘って設けられている。これら複数の第１の貫通孔２３０は、内ケース２００において、他端側（閉塞部２２０側）に片寄った位置に設けられている。また、外ケース１００には第２の貫通孔１３０が設けられている。この第２の貫通孔１３０は、一端側（内ケース２００における開口部２１０側）に片寄った位置に設けられている。このような構成により、内ケース２００の開口（開口部２１０）から第１の貫通孔２３０を通り、複数の中空糸膜の膜外を通って第２の貫通孔１３０へと至る膜外通路（図３中、実線で示す矢印Ａ参照）が形成される。ここで、外ケース１００は、第１の円筒部１１０と、第１の円筒部１１０よりも内径が大きな第２の円筒部１２０とを備えている。本実施例においては、上記の第２の貫通孔１３０は、第２の円筒部１２０における周方向の１箇所に設けられている。そして、第２の円筒部１２０の内周面と中空糸膜束３００の外周面との間には比較的大きな隙間が形成される（図３参照）。そのため、膜外通路を流れる流体は、第１の円筒部１１０の内部から第２の円筒部１２０に至ることで、中空糸膜束３００の全周から束の外側に流れ、その後、第２の貫通孔１３０へと流れていく（図３（ｂ）参照）。
　また、上記のように構成される中空糸膜モジュール１０においては、複数の中空糸膜の膜内を通る膜内通路も形成される（図３（ａ）中、点線で示す矢印Ｂ参照）。
　以上のように構成され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。例えば、膜内通路に乾燥気体を流し、膜外通路に乾燥気体よりも湿度の高い湿潤気体を流すように構成することで、加湿装置や除湿装置として適用することができる。上記のように構成すれば、中空糸膜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内に移動する。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。
　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。
　中空糸膜モジュール１０においては、複数の中空糸膜の膜内を通る膜内流路と、中空糸膜の膜外を通る膜外流路とを備えている。例えば、膜内流路は、外ケース１００の一端側から複数の中空糸膜の中空内部を通って外ケース１００の他端側に乾燥気体が流れるように構成される（図３中の点線矢印Ｂ参照）。また、例えば、膜外流路は、外ケース１００の内部を乾燥気体よりも湿度の高い湿潤気体が流れるように構成される（図３中の実線矢印Ａ参照）。
　以上の構成により、中空糸膜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内に移動する。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。
　本実施例に係る中空糸膜モジュール１０は、燃料電池５０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。図６を参照して、中空糸膜モジュール１０が、そのような加湿装置として利用される場合の構成について説明する。図示のように、コンプレッサー６０によって、乾燥空気が中空糸膜モジュール１０の膜内流路に送られる（矢印Ｒ１参照）。上記の通り、膜内流路を流れる乾燥空気は加湿されて中空糸膜モジュール１０から排出される。この加湿された湿潤空気が燃料電池５０へと送られる（矢印Ｒ２参照）。これにより、燃料電池５０に備えられる電解質膜は、湿った状態が維持される。そして、燃料電池５０内で発生した湿潤空気は、中空糸膜モジュール１０の膜外流路へと送られて（矢印Ｒ３参照）、中空糸膜による膜分離作用により除湿された乾燥空気は中空糸膜モジュール１０から排出される（矢印Ｒ４参照）。なお、燃料電池５０内で発生した湿潤空気は温度が高いが、コンプレッサー６０から送られる乾燥空気の温度が低いため、中空糸膜モジュール１０から排出される湿潤空気の温度は低くなる。このように、中空糸膜モジュール１０は熱交換機能も発揮する。
　以上のように構成される中空糸膜モジュール１０が、高流量の環境下で用いられる場合には、内径が大きな第２の円筒部１２０において、特に、第２の貫通孔１３０の付近で中空糸膜が大きく揺れ動いてしまう。そこで、本実施例においては、中空糸膜束３００と外ケース１００との間に、それぞれ膜外通路の一部となる複数の第３の貫通孔５１０を有する筒状部材５００が設けられる構成を採用している。複数の第３の貫通孔５１０は、全周に亘って設けられている。筒状部材５００も、外ケース１００及び内ケース２００と同様に、剛性の高い材料（例えば、アルミニウムなどの金属やＰＰＳなどの硬質樹脂）により構成される。すなわち、筒状部材５００は、高流量の流体によって、変形したり破損したりしない程度の剛性の高い材料により構成される。
　＜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、筒状部材５００が設けられることによって、中空糸膜の揺動を抑制することができる。そして、筒状部材５００には複数の第３の貫通孔５１０が設けられているため、膜外通路を流れる流体の整流効果が発揮される。これにより、中空糸膜に流体が均等に当たるので、圧力損失を抑制することができる。また、加湿装置として用いる場合に、加湿性能の安定化を図ることができる。なお、中空糸膜の揺動をより一層抑制するために、図３に示すように、中空糸膜束３００をメッシュ６００で巻いて保護する構成を採用することもできる。
　以下、筒状部材５００の様々な態様について説明する。筒状部材５００を樹脂材料により製造する場合には、金型を用いた公知の成形技術により１部材からなる筒状部材５００を得ることができる。また、図４に示す変形例に係る筒状部材５００Ａのように、周方向に分割した構成を採用することもできる。なお、図示の例では２分割した例が示されているが、３分割以上に分割する構成を採用することもできる。このような構成を採用する場合には、金型の小型化を図ることができ、かつ、組み立て性を向上できる効果もある。
　そして、第３の貫通孔５１０については、中空糸膜の揺れを抑制させ、かつ、整流機能が効果的に発揮するように設定するのが望ましい。例えば、第３の貫通孔５１０における複数の中空糸膜と平行な方向の幅ｄは１ｍｍ以上８ｍｍ以下にするとよい。また、筒状部材５００の外周面のうち膜外通路に面する面（第２の円筒部１２０の内周面と筒状部材５００との間の空間により形成される膜外通路に面する面）の面積に対する全ての第３の貫通孔５１０の総面積の割合（開口率という）を高くすることによって第３の貫通孔５１０を通過する流体の流量を多くすることができるが、筒状部材５００の剛性を確保するために筒状部材５００の材質等を勘案して開口率を設計することが望ましい。例えば開口率が３０％以上９０％以下、好ましくは３０％以上６０％以下となるようにするとよい。第３の貫通孔５１０の幅ｄを小さくした場合は、第３の貫通孔５１０の数を多くすることによって所望の開口率になるように設計することができる。なお、図５（ａ）において、範囲Ｍは、筒状部材５００の外周面のうち膜外通路に面する面の範囲を示している。図中範囲Ｍの左側は第１封止部４１０と保護層４１５が設けられる領域であり、範囲Ｍの右側は第１の円筒部１１０の内周面が接する領域である。
　また、第３の貫通孔５１０の幅ｄが８ｍｍ以下であれば、中空糸膜が孔に入り込むことを抑制できるため、その平面形状が限定されることはない。例えば、図５（ｂ）に示す第３の貫通孔５１０ａのように楕円形にしたり、第３の貫通孔５１０ｂのように長円形状にしたり、第３の貫通孔５１０ｃのように矩形にしたり、第３の貫通孔５１０ｄのように円形にしたりすることもできる。ただし、円形にすると応力を分散させ易くなり筒状部材５００の強度を高められることから、貫通孔の平面形状は円形とするのが望ましい。また、整流効果を考慮した場合でも、円形とするのが望ましい。一方、貫通孔の平面形状を長円形状とした場合、円形とした場合と比較して隣接する貫通孔間の壁部の面積を小さくすることができるため、開口率を高くしやすい。また、貫通孔の平面形状を長円形状とした場合、矩形とした場合と比較して貫通孔に角部（エッジ部）がなくなるため、貫通孔と中空糸膜の接触により中空糸膜がダメージを受けることや、貫通孔の近傍において筒状部材５００の強度が低下することを抑制できる。貫通孔の平面形状を長円形状にする場合、長円形状の長手方向は中空糸膜が延びる方向（図３の左右方向）と交差する方向（好ましくは直交する方向）とするとよい。これにより中空糸膜が揺動して第３の貫通孔５１０ｂの内部に入り込んでしまうことを抑制できる。また、第３の貫通孔５１０の幅ｄを一定以下にしつつ、開口面積を広くすることができる。
　更に、第３の貫通孔５１０における内周面側には、図５（ｃ）に示すように、Ｒ面やＣ面などの面取りを設けるのが望ましい。これにより、中空糸膜表面を傷つけてしまうことをより確実に抑制することができる。なお、図４で示したように周方向に分割した樹脂製の筒状部材５００Ａを採用すれば、金型成形により面取りを形成することができる。
　（実施例２）
　図７には、本発明の実施例２が示されている。上記実施例１では、外ケースが１部材により構成される場合を示したが、本実施例においては、外ケースが２部材により構成される場合を示す。その他の基本的な構成および作用については実施例１と同一なので、同一の構成部分については同一の符号を付して、その説明は省略する。図７は本発明の実施例２に係る中空糸膜モジュールの模式的断面図である。
　上記実施例１に示す外ケース１００は１部材（１部品）により構成されている。つまり、第１の円筒部１１０と第２の円筒部１２０は一体に設けられている。これに対して、本実施例における外ケース１００Ａは、第１の円筒部１１０を有する第１外ケース１００Ｘと、第２の円筒部１２０を有する第２外ケース１００Ｙとを備えている。
　また、本実施例における筒状部材５５０Ａには外向きフランジ部５５５が設けられている。第１外ケース１００Ｘと第２外ケース１００Ｙとを固定する際に、これらのケースの端面によって、外向きフランジ部５５５を挟み込むことで、筒状部材５５０Ａを固定することができる。
　なお、上記実施例１の場合には、例えば、外ケース１００への筒状部材５００の圧入力を高めに設定することで、外ケース１００に筒状部材５００を固定する構造を採用することができる。これに対して、本実施例の場合には、外向きフランジ部５５５が第１外ケース１００Ｘと第２外ケース１００Ｙにより挟み込まれることで筒状部材５５０Ａを固定可能なため、実施例１のように筒状部材５５０Ａの圧入力を高く設定する必要はない。従って、中空糸膜モジュールの組み立て性を高めることができる。
　以上のように構成される本実施例に係る中空糸膜モジュール１０においても、上記実施例１と同様の効果を得ることができる。なお、本実施例に係る筒状部材５５０Ａにおいても、図４に示した変形例に係る筒状部材５００Ａと同様に、周方向に分割した構成を採用することもできる。また、第３の貫通孔５１０については、実施例１の中で図５を参照して説明した通りである。
　（その他）
　上記実施例においては、外ケースと内ケースが円筒状の部材により構成される場合を示した。つまり、複数の中空糸膜に垂直な方向にケースを切断した場合、その内周面と外周面が円形の場合を示した。しかしながら、本発明に適用可能な外ケース及び内ケースの形状は限定されることはない。すなわち、上記の方向にケースを切断した場合、その内周面と外周面の形状は、楕円形、オーバル形状、矩形など各種の形状を採用し得る。筒状部材についても同様に各種の形状を採用することができ、その外周面の形状は外ケースの内周面の形状に適合させればよい。
　１０：中空糸膜モジュール
　　１００，１００Ａ：外ケース
　　　１００Ｘ：第１外ケース
　　　１００Ｙ：第２外ケース
　　　１１０：第１の円筒部
　　　１２０：第２の円筒部
　　　１３０：第２の貫通孔
　　２００：内ケース
　　　２１０：開口部
　　　２２０：閉塞部
　　　２３０：第１の貫通孔
　　３００：中空糸膜束
　　４１０：第１封止部
　　４１５：保護層
　　４２０：第２封止部
　　４２５：保護層
　　５００，５００Ａ，５５０Ａ：筒状部材
　　　５１０，５１０ａ，５１０ｂ，５１０ｃ：第３の貫通孔
　　　５５５：外向きフランジ部
　　６００：メッシュ

Claims (1)

  1. 　両端が開口する筒状の外ケースと、
    　一端が開口し、他端側が閉塞され、かつ前記外ケースの内部に配される筒状の内ケースと、
    　前記外ケースと前記内ケースとの間の環状隙間に充填される複数の中空糸膜からなる中空糸膜束と、
    　前記外ケース及び前記内ケースの一端側で、各中空糸膜の中空内部を開放させた状態で前記複数の中空糸膜間の隙間を封止する第１封止部と、
    　前記外ケース及び前記内ケースの他端側で、各中空糸膜の中空内部を開放させた状態で前記複数の中空糸膜間の隙間を封止する第２封止部と、
    　を備えると共に、
    　前記内ケースには第１の貫通孔が設けられ、かつ前記外ケースには第２の貫通孔が設けられることで、前記内ケースの開口から第１の貫通孔を通り、前記複数の中空糸膜の膜外を通って第２の貫通孔へと至る膜外通路と、
    　前記複数の中空糸膜の膜内を通る膜内通路と、
    　が形成される中空糸膜モジュールであって、
    　前記中空糸膜束と前記外ケースとの間には、それぞれ前記膜外通路の一部となる複数の第３の貫通孔を有する筒状部材が設けられることを特徴とする中空糸膜モジュール。
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