JP2014117667A - Hollow fiber membrane module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池の加湿装置や除湿装置、流体の濾過装置、分離装置、濃縮装置などに用いられる中空糸膜モジュールに関する。 The present invention relates to a hollow fiber membrane module used in a fuel cell humidifier and dehumidifier, a fluid filter, a separator, a concentrator, and the like.
燃料電池は、複数のセルが積層されたスタック構造となっており、各セルは、固体高分子電解質膜の両面に一対の電極層を設けたMEA(Membrane Electrode Assembly:膜−電極複合体)をセパレータで挟持して構成され、燃料ガス(水素)が、MEAの一方の触媒電極層側に供給され、酸化剤ガス(空気)が、MEAの他方の触媒電極層側に供給され、水の電気分解の逆反応、すなわち水素と酸素から水を生成する反応によって電力を発生するものである。そしてこの種の燃料電池では、MEAの固体高分子電解質膜を湿潤状態にしておかないと水素イオンが通過できないため、加湿装置が必要である。 A fuel cell has a stack structure in which a plurality of cells are stacked, and each cell has a MEA (Membrane Electrode Assembly) in which a pair of electrode layers are provided on both sides of a solid polymer electrolyte membrane. The fuel gas (hydrogen) is supplied to one catalyst electrode layer side of the MEA, and the oxidant gas (air) is supplied to the other catalyst electrode layer side of the MEA. Electric power is generated by the reverse reaction of decomposition, that is, the reaction of generating water from hydrogen and oxygen. In this type of fuel cell, a humidifier is required because hydrogen ions cannot pass through unless the MEA solid polymer electrolyte membrane is kept in a wet state.
燃料電池システムにおいて使用される加湿装置としては、中空糸膜モジュールを用いた加湿装置が知られている。 As a humidifier used in a fuel cell system, a humidifier using a hollow fiber membrane module is known.
図4に示すように、従来、この種の中空糸膜モジュール100は、側面に流路孔101a,101bが開設された筒状のケース101と、このケース101に束状にして充填された複数(例えば数千本)の中空糸膜102と、ケース101の両端開口部において中空糸膜102の内部細孔の両端102a,102bのみが開口するように、ケース101の両端開口部と中空糸膜102の両端部の間及び中空糸膜101の両端部の間を封止するポッティング部103,104と、前記ケース101とその両端部に取り付けられて外部配管と接続される不図示のキャップ等との間をシールする複数のシールリング105,106とを備える。シールリング105,106は例えばOリングからなるものであって、それぞれケース101の外周面に形成された溝101cに装着されている。
As shown in FIG. 4, conventionally, this type of hollow
すなわち上述のような構成を備える中空糸膜モジュール100を用いた加湿装置は、一方の流路孔101aからケース101の内周空間(各中空糸膜102間の隙間)を経由して他方の流路孔101bへ向かう流路と、ケース101の一端開口部から各中空糸膜102の内部の細孔を経由してケース101の他端開口部へ(各中空糸膜102の内部細孔の一端102aから他端102bへ)向かう流路のうち一方に湿潤気体を流通させることによって、他方の流路を経由して燃料電池セルへ供給される乾燥気体を、中空糸膜102の膜分離作用を利用して加湿するものである。
That is, the humidifying device using the hollow
この種の中空糸膜モジュール100は、例えば自動車の燃料電池の加湿装置用である場合、氷点下から高温までの非常に広い温度範囲で使用されるため、ポッティング部103,104を形成するためのポッティング材料としては耐熱性の高いエポキシ樹脂が採用される。しかしながら、エポキシ樹脂によってポッティング部103,104を形成する際には、エポキシ樹脂が発熱しながら硬化するため、ポッティング部103,104の外周でケース101が変形しやすい。このため、ケース101の外周面におけるシール装着用の溝101cは、ポッティング部103,104の形成後に後加工することによってシールリング105,106によるシール性を確保する必要があり、コストの上昇を招いていた。
This type of hollow
しかも後加工を行うことは、生産性の向上に支障をきたし、燃料電池自動車が今後ますます普及しても加湿用中空糸膜モジュールの大量生産が困難になる懸念がある。 In addition, the post-processing hinders the improvement of productivity, and there is a concern that mass production of the humidified hollow fiber membrane module will be difficult even if fuel cell vehicles become more widespread in the future.
本発明は、以上のような点に鑑みてなされたものであって、その技術的課題は、中空糸膜モジュールの製造コストの低減及び生産性の向上を図ると共に、シール部のシール性を高めることにある。 The present invention has been made in view of the above points, and its technical problem is to reduce the manufacturing cost and improve the productivity of the hollow fiber membrane module and to improve the sealing performance of the seal portion. There is.
上述した技術的課題を有効に解決するための手段として、請求項1の発明に係る中空糸膜モジュールは、複数の流路孔が開設された筒状のケースと、このケース内に束状にして充填された複数の中空糸膜と、前記ケースの両端開口部において中空糸膜の内部細孔の両端のみが開口するように前記ケースの両端開口部を封止するポッティング部とを備える中空糸膜モジュールにおいて、前記ケースの外周面に、シールリング装着用の溝を有する環状のホルダが密着状態に一体接合されたものである。
As a means for effectively solving the technical problem described above, a hollow fiber membrane module according to the invention of
請求項2の発明に係る中空糸膜モジュールは、請求項1に記載の構成において、ケース及びホルダが耐熱性合成樹脂材からなるものである。 A hollow fiber membrane module according to a second aspect of the present invention is the structure according to the first aspect, wherein the case and the holder are made of a heat-resistant synthetic resin material.
本発明に係る中空糸膜モジュールによれば、ケースに、ポッティング部の硬化時の発熱による僅かな変形が生じたとしても、シールリング装着用の溝がケースとは別部品のホルダに形成されているので、前記溝の後加工をしなくてもシールリングの優れたシール性が確保される。しかも溝の後加工が不要であるため製造コストの低減及び生産性の向上を図ることができる。 According to the hollow fiber membrane module according to the present invention, even if the case is slightly deformed due to heat generated when the potting portion is cured, the groove for mounting the seal ring is formed in a holder that is separate from the case. Therefore, excellent sealing performance of the seal ring is ensured without post-processing of the groove. In addition, since post-processing of the grooves is unnecessary, the manufacturing cost can be reduced and the productivity can be improved.
また、ケース及びホルダが耐熱性を有する合成樹脂からなるため、射出成形などによる大量生産が可能であり、ポッティング部の硬化時の発熱によるケースの変形を生じにくいものとすることができ、ホルダとケースの一体接合が、接着剤又は接着によって容易にかつ低コストで行うことができる。 In addition, since the case and the holder are made of heat-resistant synthetic resin, mass production by injection molding or the like is possible, and the case can be made difficult to deform due to heat generated when the potting portion is cured. The integral joining of the case can be performed easily and at low cost by an adhesive or adhesion.
以下、本発明に係る中空糸膜モジュールの好ましい実施の形態について、図1〜図3を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the hollow fiber membrane module according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 3.
すなわちこの中空糸膜モジュールは、両端近傍に導入用及び排出用の複数の流路孔1a,1bが開設された円筒状のケース1と、このケース1に束状にして充填された複数(例えば数千本)の中空糸膜2と、ケース1の両端開口部において中空糸膜2の内部細孔の両端2a,2bのみが開口するようにケース1の両端開口部を封止するポッティング部3,4と、ケース1の外周面に密着状態に一体接合され、外周面にシールリング装着用の溝5a,6aを有する環状のホルダ5,6とを備える。
That is, the hollow fiber membrane module includes a
ケース1及びホルダ5,6は、PSU(ポリサルフォン)、変性PPO(変性ポリフェニレンオキシド)、PC(ポリカーボネート)、耐熱PVC(耐熱ポリ塩化ビニル)、PPS(ポリフェニレンサルファイド)など、耐熱性及び寸法安定性に優れた合成樹脂材料からなり、射出成形などにより成形されたものである。
ケース1の外周面における軸方向両端近傍には流路孔1a,1bより軸方向外側に位置して鍔部1c,1dが形成されており、ホルダ5,6は、この鍔部1c,1dに当接した状態でケース1に外挿されると共に、溶着又は接着によって一体接合されている。
In the vicinity of both ends in the axial direction on the outer peripheral surface of the
中空糸膜2は、細長い中空管状をなすものであって、例えばポリイミド、ポリエーテルスルホン、フェノールスルホン酸、ポリオレフィン等からなり、水蒸気の分子の透過を許容する水透過性を有する。
The
ポッティング部3,4は、例えば耐熱性の高いエポキシ樹脂からなるものであって、ケース1の内周に複数の中空糸膜2を束状にして挿入し、ケース1の両端開口部に液状のポッティング剤を注入して硬化させることによって形成されたものである。
The
ホルダ5,6の外周面に形成された溝5a,6aには、ケース1とその両端部に取り付けられて外部配管と接続される不図示のキャップ等との間をシールするシールリング7,8が装着されている。シールリング7,8としては、ゴム状弾性材料(ゴム材料又はゴム状弾性を有する合成樹脂材料)からなるOリング等が好適に用いられる。
The
上記構成の中空糸膜モジュールは、一方の流路孔(例えば1a)からケース1の内周空間(各中空糸膜2の間の隙間)を経由して他方の流路孔(例えば1b)へ向かう流路と、ケース1の一端から各中空糸膜2の内部の細孔を経由してケース1の他端へ向かう流路との間で、中空糸膜2の膜分離作用を利用して、例えば燃料電池においてMEAの固体高分子電解質膜を湿潤状態にするための加湿装置に用いられるものである。
The hollow fiber membrane module configured as described above passes from one flow path hole (for example, 1a) to the other flow path hole (for example, 1b) via the inner peripheral space of the case 1 (gap between the hollow fiber membranes 2). Utilizing the membrane separation action of the
すなわち、燃料電池の固体高分子電解質膜が優れた水素イオン伝導性を奏するためには、この固体高分子電解質膜は湿潤状態に維持されている必要がある。そしてその加湿のための水蒸気としては、例えば燃料電池の発電過程で水素と酸素から生成され排出された水蒸気が有効に利用される。 That is, in order for the solid polymer electrolyte membrane of the fuel cell to exhibit excellent hydrogen ion conductivity, the solid polymer electrolyte membrane needs to be maintained in a wet state. As the water vapor for humidification, for example, water vapor generated and discharged from hydrogen and oxygen during the power generation process of the fuel cell is effectively used.
この中空糸膜モジュールでは、例えば燃料電池から排出された水蒸気を含む気体を、ケース1の一端開口部から各中空糸膜2の内部細孔へ供給し、すなわちこの水蒸気を含む気体を各中空糸膜2の内部細孔の一端2aから他端2bへ向けて流す一方、ケース1内(各中空糸膜2の間の隙間)へ、一方の流路孔1aから他方の流路孔1bへ向けて加湿対象の乾燥気体を流すことで、中空糸膜2の周壁の両側での水蒸気分圧の差により、水分が中空糸膜2の内部細孔から外側の乾燥気体側へ透過し、これによって加湿された気体が、流路孔1bから排出されて燃料電池へ送られる。
In this hollow fiber membrane module, for example, a gas containing water vapor discharged from the fuel cell is supplied from one end opening of the
なお、上述の説明では、中空糸膜2の内部細孔へ水蒸気を含む気体を供給し、中空糸膜2の外側に加湿対象の乾燥気体を供給するものとしたが、逆に中空糸膜2の外側に水蒸気を含む気体を供給し、中空糸膜2の内部細孔へ加湿対象の乾燥気体を供給しても良い。
In the above description, the gas containing water vapor is supplied to the internal pores of the
上記構成の中空糸膜モジュールの製造においては、多数の中空糸膜2を束ねて、ケース1内に挿入し、この中空糸膜2の束の結束端部における中空糸膜2間の隙間及び中空糸膜2の端部とケース1の開口部内周面との間の隙間に、熱硬化性のエポキシ樹脂等を充填して硬化することにより、ポッティング部3,4を形成する。このとき、エポキシ樹脂の硬化には発熱を伴うが、ケース1は耐熱性及び寸法安定性に優れた合成樹脂材料からなるものであるため、熱によるケース1の変形が抑制される。
In the production of the hollow fiber membrane module having the above-described configuration, a large number of
次に、ケース1の両端部外周面に、鍔部1c,1dによって位置決めした状態でホルダ5,6を嵌合すると共に、ケース1の両端部外周面及び(又は)鍔部1c,1dに一体的に溶着又は接着する。
Next, the
ケース1とホルダ5,6の接合を溶着によって行う場合は、加熱した熱板でケース1とホルダ5,6の接合面を溶融して接合する熱板溶着、ケース1とホルダ5,6の接合面に振動を与えて摩擦熱によって溶融して接合する振動溶着や超音波溶着、ケース1とホルダ5,6のうち一方を固定し、他方を回転させることによって、ケース1とホルダ5,6の接合面を回転摺動による摩擦熱で溶融して接合するスピン溶着、あるいはケース1とホルダ5,6の接合面を近赤外領域のレーザーによって加熱溶融して接合するレーザー溶着のうちいずれかの方法を採用することができる。また、ケース1とホルダ5,6の接合を接着によって行う場合は接着剤を用いる。このため、ケース1とホルダ5,6の接合作業を容易にかつ低コストで行うことができる。
When joining the
ケース1に接合されたホルダ5,6の外周面に形成された溝5a,6aには、ゴム状弾性材料からなるOリング等のシールリング7,8を装着する。
Seal rings 7 and 8 such as O-rings made of a rubber-like elastic material are attached to the
このとき、エポキシ樹脂等からなるポッティング部3,4の硬化時の発熱によってケース1に僅かな変形が生じていたとしても、シールリング7,8を装着するホルダ5,6は、円環状を保った状態でケース1に接合されるので、溝5a,6aの後加工をしなくてもシールリング7,8との良好な密接状態が得られる。
At this time, even if the
したがって、ケース1及びホルダ5,6が射出成形などによる大量生産が可能であることに加え、溝5a,6aの後加工が不要であるため、製造コストの低減及び生産性の向上を図ることができる。
Accordingly, the
1 ケース
1a,1b 流路孔
1c,1d 鍔部
2 中空糸膜
3,4 ポッティング部
5,6 ホルダ
7,8 シールリング
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