JP2018199098A - 膜分離装置 - Google Patents

Abstract

【課題】中空糸膜束を太くしたり、中空糸膜を長くしたりすることなく、膜分離性能を高めることが可能な膜分離装置を提供する。【解決手段】中空糸膜の膜外を通る膜外流路と中空糸膜の膜内を通る膜内流路とが形成される中空糸膜モジュール１００が複数連結されている膜分離装置１０であって、隣り合う中空糸膜モジュール１００は、前記膜外流路同士が繋がり、かつ前記膜内流路同士が繋がるように、それぞれ連結されていることを特徴とする。【選択図】図４

Description

本発明は、中空糸膜モジュールを複数備える膜分離装置に関する。

親水性の材料からなる中空糸膜を用いた中空糸膜モジュールは、加湿装置や除湿装置として利用することができる。つまり、中空糸膜の膜外を通る膜外流路と中空糸膜の膜内を通る膜内流路のうちの一方に湿潤空気を流し、他方に乾燥空気を流すと、中空糸膜の膜分離作用によって、湿潤空気中の水分が乾燥空気側に移動する原理を利用することで、加湿装置等として利用することができる。従って、中空糸膜モジュールを利用した加湿装置や除湿装置は膜分離装置ということができる。例えば、固体高分子型の燃料電池においては、電解質膜を加湿させるために、中空糸膜モジュールを用いた加湿装置が設けられている。

ここで、膜分離性能（加湿性能や除湿性能に相当する）を高めたい場合、中空糸膜の本数を増やすことが考えられる。しかしながら、この場合には、中空糸膜の束が太くなり、中空糸膜束内において、膜外流路を流れる流体が全体に行き渡り難くなり、膜分離効率が低下してしまう。また、中空糸膜の長さを長くすることも考えられる。しかしながら、この場合には、中空糸膜モジュールが長細くなってしまうため、限られた設置スペースに収めることができない場合があり、設計自由度が小さいという問題がある。

特開２００７−２８３２９２号公報 特開２０１０−１１２６１３号公報

本発明の目的は、中空糸膜束を太くしたり、中空糸膜を長くしたりすることなく、膜分離性能を高めることが可能な膜分離装置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、本発明の膜分離装置は、
中空糸膜の膜外を通る膜外流路と中空糸膜の膜内を通る膜内流路とが形成される中空糸膜モジュールが複数連結されている膜分離装置であって、
隣り合う中空糸膜モジュールは、前記膜外流路同士が繋がり、かつ前記膜内流路同士が繋がるように、それぞれ連結されていることを特徴とする。

本発明の膜分離装置によれば、複数の中空糸膜モジュールが連結された構成が採用されており、隣り合う中空糸膜モジュールは、膜外流路同士が繋がり、かつ膜内流路同士が繋がっている。従って、膜分離装置全体においては、膜分離性能を高めることができる。そして、個々の中空糸膜モジュールにおいて、中空糸膜束を太くしたり、中空糸膜を長くしたりする必要もない。また、複数の中空糸膜モジュールを連結する構成が採用されているため、膜分離装置全体の構造に対する設計自由度も大きい。

また、複数の前記中空糸膜モジュールは、
筒状のケースと、
前記ケース内に収容される複数の中空糸膜からなる中空糸膜束と、
前記ケースの一端側と他端側で、各中空糸膜の中空内部を開放させつつ、中空糸膜間を封止固定する一対の封止固定部と、
をそれぞれ備え、
それぞれの前記ケースの側壁には、一端側と他端側の２か所にそれぞれ流体が通る開口部が設けられており、
前記膜外流路は、前記ケースの側壁に設けられている２つの前記開口部のうち一方の開口部から前記ケース内における各中空糸膜の外壁面側を通り、前記２つの開口部のうち他方の開口部に至る流路であり、
前記膜内流路は、前記一対の封止固定部のうち一方の封止固定部側から各中空糸膜内部を通り、他方の封止固定部側に至る流路であるとよい。

また、隣り合う中空糸膜モジュールは、一方の中空糸膜モジュールにおける前記ケースの側壁に設けられている２つの前記開口部のうち前記膜外流路の出口となる側の開口部と、他方の中空糸膜モジュールにおける前記ケースの側壁に設けられている２つの前記開口部のうち前記膜外流路の入口となる側の開口部とが繋がるように連結されているとよい。

これにより、隣り合う中空糸膜モジュールについて、膜外流路同士が繋がるように連結させることができる。

隣り合う中空糸膜モジュールは、一方の中空糸膜モジュールにおける前記ケースの両端のうち前記膜内流路の出口となる側の端部と、他方の中空糸膜モジュールにおける前記ケースの両端のうち前記膜内流路の入口となる側の端部とが、管内部が前記膜内流路の一部となる配管によって連結されているとよい。

これにより、隣り合う中空糸膜モジュールについて、膜内流路同士が繋がるように連結させることができる。

前記配管は管内部を開放する一対の開口部が同じ方向を向いており、前記配管により連結される一対の中空糸膜モジュールは、これらのケース同士が平行になるように配置されているとよい。

これにより、膜分離装置における中空糸膜が伸びる方向の長さを短くすることが可能となる。

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、中空糸膜束を太くしたり、中空糸膜を長くしたりすることなく、膜分離性能を高めることができる。

図１は本発明の実施例に係る中空糸膜モジュールの正面図である。 図２は本発明の実施例に係る中空糸膜モジュールの側面図である。 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膜分離装置の模式的断面図である。 図５は本発明の変形例に係る膜分離装置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。本実施例に係る膜分離装置は、固体高分子型の燃料電池において、電解質膜を加湿させるための加湿装置として好適に用いることができる。ただし、除湿装置としても利用することができる。

（実施例）
図１〜図４を参照して、本発明の実施例に係る膜分離装置について説明する。図１は本発明の実施例に係る中空糸膜モジュールの正面図である。図２は本発明の実施例に係る中空糸膜モジュールの側面図である。なお、図２中、右側から見た図が図１に相当する。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１中のＡＡ断面図である。図４は本発明の実施例に係る膜分離装置の模式的断面図である。なお、本実施例に係る膜分離装置は、複数の中空糸膜モジュールが連結された構成であり、各中空糸膜モジュールの構成は同一である。従って、図４においては、適宜符号を省略している。

＜中空糸膜モジュール＞
本実施例に係る膜分離装置全体の構成の説明に先立って、中空糸膜モジュールの構成について、特に、図１〜図３を参照して説明する。中空糸膜モジュール１００は、筒状のケース１１０と、ケース１１０内に収容される複数の中空糸膜からなる中空糸膜束１２０と、ケース１１０の一端側と他端側に設けられる一対の封止固定部１３１，１３２とを備えている。

ケース１１０は、樹脂や金属などの材料により構成される。本実施例においては、ケース１１０は円筒状の部材により構成されている。ただし、ケース１１０は筒状であればよく、正面から見た場合に、オーバル形状であったり、矩形であったりしてもよい。このケース１１０の側壁には、一端側と他端側の２か所にそれぞれ流体が通る開口部１１１ａ，１１２ａを有する管状部１１１，１１２が設けられている。なお、本実施例では、管状部１１１は、中空糸膜束１２０を介して管状部１１２とは反対側の位置に設けられている。

中空糸膜束１２０は、複数（数百本から数万本程度）の中空糸膜が束にされた構成である。中空糸膜の素材としては、親水性の素材が用いられる。例えば、溶解拡散により水分を透過する特性を有するナフィオンや、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。これらの材料は、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として好適に用いることができる。

一対の封止固定部１３１，１３２は、ケース１１０の一端側と他端側で、各中空糸膜の中空内部を開放させつつ、中空糸膜間を封止固定している。また、本実施例においては、一対の封止固定部１３１，１３２は、ケース１１０の一端側と他端側で、各中空糸膜の中空内部を開放させた状態でケース１１０の両端の開口部をそれぞれ封止し、かつ中空糸膜束１２０をケース１１０に対して固定している。これらの封止固定部１３１，１３２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構成される。

以上のように構成される中空糸膜モジュール１００には、中空糸膜の膜外を通る膜外流路と中空糸膜の膜内を通る膜内流路とが形成される。膜外流路は、ケース１１０の側壁に設けられている２つの開口部１１１ａ，１１２ａのうち一方の開口部からケース１１０内における各中空糸膜の外壁面側を通り、２つの開口部１１１ａ，１１２ａのうち他方の開口部に至る流路である。膜内流路は、一対の封止固定部１３１，１３２のうち一方の封止固定部側から各中空糸膜内部を通り、他方の封止固定部側に至る流路である。

＜膜分離装置＞
図４を参照して、本実施例に係る膜分離装置について説明する。本実施例に係る膜分離装置１０は、上記の中空糸膜モジュール１００が複数連結された構成である。なお、本実施例においては、複数の中空糸膜モジュール１００は、いずれも同一の構成であり、寸法及び形状も同一である。そして、隣り合う中空糸膜モジュール１００は、膜外流路同士が繋がり、かつ膜内流路同士が繋がるように、それぞれ連結されている。以下、より具体的に説明する。

本実施例においては、中空糸膜モジュール１００が８個連結される場合を例にして説明する。また、本実施例においては、８個の中空糸膜モジュール１００が一列に配置され、かつ各ケース１１０がそれぞれ平行になるように連結される場合を例にして説明する。説明の便宜上、一例に並んだ中空糸膜モジュール１００のうち一方の端（図４中、最も上方）に配置される中空糸膜モジュールを、適宜、一端側中空糸膜モジュール１００Ｘと称する。また、一例に並んだ中空糸膜モジュール１００のうち他方の端（図４中、最も下方）に配置される中空糸膜モジュールを、適宜、他端側中空糸膜モジュール１００Ｙと称する。また、一端側中空糸膜モジュール１００Ｘと他端側中空糸膜モジュール１００Ｙとの間に配置される中空糸膜モジュールを、適宜、図４中上から順に、中間中空糸膜モジュール１００Ｚ１，１００Ｚ２，１００Ｚ３，１００Ｚ４，１００Ｚ５，１００Ｚ６と称する。また、本実施例においては、ケース１１０の側壁に設けられている２つの開口部１１１ａ，１１２ａのうち、開口部１１１ａが膜外流路の入口となり、開口部１１２ａが膜外流路の出口となる場合を例にして説明する。更に、本実施例においては、ケース１１０の両端のうち封止固定部１３２が設けられている側の端部１１４が膜内流路の入口側となり、封止固定部１３１が設けられている側の端部１１３が膜内流路の出口側となる場合を例にして説明する。

隣り合う中空糸膜モジュール１００は、一方の中空糸膜モジュール１００におけるケース１１０の側壁に設けられた開口部１１２ａと、他方の中空糸膜モジュール１００におけるケース１１０の側壁に設けられた開口部１１１ａとが連結されている。なお、一端側中空糸膜モジュール１００Ｘと中間中空糸膜モジュール１００Ｚ１，中間中空糸膜モジュール１００Ｚ１と中間中空糸膜モジュール１００Ｚ２，中間中空糸膜モジュール１００Ｚ２と中間中空糸膜モジュール１００Ｚ３，中間中空糸膜モジュール１００Ｚ３と中間中空糸膜モジュール１００Ｚ４，中間中空糸膜モジュール１００Ｚ４と中間中空糸膜モジュール１００Ｚ５，中間中空糸膜モジュール１００Ｚ５と中間中空糸膜モジュール１００Ｚ６，中間中空糸膜モジュール１００Ｚ６と他端側中空糸膜モジュール１００Ｙとの間で、それぞれ、このような連結がなされている。

なお、本実施例においては、膜外流路の出口となる開口部１１２ａと、膜内流路の入口となる開口部１１１ａの連結は、開口部１１２ａを有する管状部１１２と、開口部１１１ａを有する管状部１１１とが連結することにより行われる。これら管状部１１２と管状部１１１の連結は、各種公知技術を採用することができる。例えば、図示のように管状部の端部にフランジを設けて、フランジ同士をボルトなどの固定具により固定したり、管状部同士をクイックファスナーで固定したりすることができる。

また、隣り合う中空糸膜モジュール１００は、一方の中空糸膜モジュール１００におけるケース１１０の端部１１３と、他方の中空糸膜モジュール１００におけるケース１１０の端部１１４とが、管内部が膜内流路の一部となる配管２００によって連結されている。なお、一端側中空糸膜モジュール１００Ｘと中間中空糸膜モジュール１００Ｚ１，中間中空糸膜モジュール１００Ｚ１と中間中空糸膜モジュール１００Ｚ２，中間中空糸膜モジュール１００Ｚ２と中間中空糸膜モジュール１００Ｚ３，中間中空糸膜モジュール１００Ｚ
３と中間中空糸膜モジュール１００Ｚ４，中間中空糸膜モジュール１００Ｚ４と中間中空糸膜モジュール１００Ｚ５，中間中空糸膜モジュール１００Ｚ５と中間中空糸膜モジュール１００Ｚ６，中間中空糸膜モジュール１００Ｚ６と他端側中空糸膜モジュール１００Ｙとの間で、それぞれ、このような連結がなされている。

このように、隣り合う中空糸膜モジュール１００は、膜内流路の出口側となる端部１１３と、膜内流路の入口側となる端部１１４が、配管２００によって連結される。そして、本実施例に係る配管２００は管内部を開放する一対の開口部が同じ方向を向いている。従って、配管２００により連結される一対の中空糸膜モジュール１００は、これらのケース１１０同士が平行になるように配置される。

また、本実施例においては、一端側中空糸膜モジュール１００Ｘにおけるケース１１０の端部１１４に環状のヘッド３１０が固定され、他端側中空糸膜モジュール１００Ｙにおけるケース１１０の端部１１４に環状のヘッド３２０が固定されている。

＜加湿（除湿）メカニズム＞
本実施例に係る膜分離装置１０における加湿（除湿）メカニズムについて説明する。本実施例に係る膜分離装置１０を構成する各中空糸膜モジュール１００においては、いずれも中空糸膜束１２０における各中空糸膜の外壁面側を通る膜外流路と、各中空糸膜の中空内部を通る膜内流路と、が形成されている。そして、各中空糸膜モジュール１００の膜外流路同士、及び膜内流路同士は繋がっている。これにより、膜分離装置１０においては、図中、実線で示す矢印Ｒ方向に流れる膜外流路と、点線で示す矢印Ｓ方向に流れる膜内流路とが形成される。つまり、膜外流路は、一端側中空糸膜モジュール１００Ｘの開口部１１１ａから各中空糸膜モジュール１００における各中空糸膜の外壁面側を通り、他端側中空糸膜モジュール１００Ｙの開口部１１２ａに至る流路である。また、膜内流路は、ヘッド３１０から各中空糸膜モジュール１００における各中空糸膜の中空内部を通り、ヘッド３２０に至る流路である。なお、このように流体を流すことにより、各中空糸膜束１２０内においては、膜外流路を流れる流体の流れる方向と、膜内流路を流れる流体の流れる方向が逆方向となる。

本実施例においては、膜外流路に湿潤空気が流れるようにし、膜内流路に乾燥空気が流れるように、膜分離装置１０は用いられる。これにより、中空糸膜による膜分離作用によって、湿潤空気側の水分が乾燥空気側に供給され、乾燥空気は加湿される。湿潤空気側は水分が奪われるため、湿潤空気は乾燥される。従って、加湿装置または除湿装置として用いることが可能となる。

＜本実施例に係る膜分離装置の優れた点＞
本実施例に係る膜分離装置１０によれば、複数の中空糸膜モジュール１００が連結された構成が採用されており、隣り合う中空糸膜モジュール１００は、膜外流路同士が繋がり、かつ膜内流路同士が繋がっている。従って、膜分離装置１０全体においては、膜分離性能を高めることができる。そして、個々の中空糸膜モジュール１００において、中空糸膜の本数を増やすことで中空糸膜束１２０を太くしたり、中空糸膜を長くしたりする必要もない。また、複数の中空糸膜モジュール１００を連結する構成が採用されているため、膜分離装置１０全体の構造に対する設計自由度も大きい。例えば、ケース１１０に設ける管状部１１１，１１２の配置関係を上記実施例で示した配置とは変えることで、隣り合う中空糸膜モジュール１００同士の配置関係を変えることができる。また、必要な加湿性能や除湿性能に応じて、中空糸膜モジュール１００の個数を適宜設定することができる。更に、上記実施例では、各中空糸膜モジュール１００は、いずれも同一の構成で、かつ寸法及び形状も同一の場合を示したが、膜分離装置１０の設置スペースに応じて、異なる寸法や形状の中空糸膜モジュール１００同士を連結させることもできる。更に、本実施例の場合
には、ある中空糸膜モジュール１００の品質が低下した場合に、品質が低下した中空糸膜モジュール１００のみを交換すればよいので、メンテナンスのコストも低減させることができる。

また、本実施例においては、管内部を開放する一対の開口部が同じ方向を向く配管によって、隣り合う中空糸膜モジュール１００を連結させている。これにより、連結される一対の中空糸膜モジュール１００は、これらのケース１１０同士が平行になるように配置される。従って、膜分離装置１０における中空糸膜が伸びる方向の長さを短くすることが可能となる。

（その他）
上記実施例においては、各中空糸膜束１２０内において、膜外流路を流れる流体の流れる方向と、膜内流路を流れる流体の流れる方向が逆方向となるように構成する場合を示した。しかしながら、これらの方向が同方向となるようにすることもできる。例えば、膜内流路に対しては、矢印Ｓとは反対方向に流体を流すようにすることもできる。ただし、加湿効率及び除湿効率を高めるためには、逆方向にするほうがよい。また、上記実施例においては、膜外流路に湿潤空気を流し、膜内流路に乾燥空気を流す場合を説明した。しかしながら、膜外流路に乾燥空気を流し、膜内流路に湿潤空気を流すようにしてもよい。

また、上記実施例においては、一対の封止固定部１３１，１３２が、ケース１１０の一端側と他端側で、各中空糸膜の中空内部を開放させた状態でケース１１０の両端の開口部をそれぞれ封止し、かつ中空糸膜束１２０をケース１１０に対して固定するように構成される場合を示した。ケース１１０に対して、中空糸膜束１２０を配置させた状態で、一対の封止固定部１３１，１３２を形成させる製法を採用する場合には、一般的に、上記のような構成となる。しかしながら、中空糸膜束１２０の両端に一対の封止固定部１３１，１３２を形成させた後に、別途、ケース１１０に中空糸膜束１２０を収容させる製法を採用する場合には、封止固定部１３１，１３２の外周面が剥き出しになる場合がある。この場合には、図５に示す変形例のように、ヘッド３１０や配管２００に対して、封止固定部１３１，１３２を直接的に嵌合固定させるようにすることもできる。ただし、この場合には、図５に示すように、Ｏリングなどのシールリング５００を設けることで、封止固定部１３１とヘッド３１０との間の環状隙間や封止固定部１３２と配管２００との間の環状隙間を封止させるのが望ましい。

１０ 膜分離装置
１００ 中空糸膜モジュール
１００Ｘ 一端側中空糸膜モジュール
１００Ｙ 他端側中空糸膜モジュール
１００Ｚ１，１００Ｚ２，１００Ｚ３，１００Ｚ４，１００Ｚ５，１００Ｚ６ 中間中空糸膜モジュール
１１０ ケース
１１１，１１２ 管状部
１１１ａ，１１２ａ 開口部
１１３ 端部
１１４ 端部
１２０ 中空糸膜束
１３１，１３２ 封止固定部
２００ 配管
３１０，３２０ ヘッド

Claims (5)

1. 中空糸膜の膜外を通る膜外流路と中空糸膜の膜内を通る膜内流路とが形成される中空糸膜モジュールが複数連結されている膜分離装置であって、
   隣り合う中空糸膜モジュールは、前記膜外流路同士が繋がり、かつ前記膜内流路同士が繋がるように、それぞれ連結されていることを特徴とする膜分離装置。
2. 複数の前記中空糸膜モジュールは、
   筒状のケースと、
   前記ケース内に収容される複数の中空糸膜からなる中空糸膜束と、
   前記ケースの一端側と他端側で、各中空糸膜の中空内部を開放させつつ、中空糸膜間を封止固定する一対の封止固定部と、
   をそれぞれ備え、
   それぞれの前記ケースの側壁には、一端側と他端側の２か所にそれぞれ流体が通る開口部が設けられており、
   前記膜外流路は、前記ケースの側壁に設けられている２つの前記開口部のうち一方の開口部から前記ケース内における各中空糸膜の外壁面側を通り、前記２つの開口部のうち他方の開口部に至る流路であり、
   前記膜内流路は、前記一対の封止固定部のうち一方の封止固定部側から各中空糸膜内部を通り、他方の封止固定部側に至る流路であることを特徴とする請求項１に記載の膜分離装置。
3. 隣り合う中空糸膜モジュールは、一方の中空糸膜モジュールにおける前記ケースの側壁に設けられている２つの前記開口部のうち前記膜外流路の出口となる側の開口部と、他方の中空糸膜モジュールにおける前記ケースの側壁に設けられている２つの前記開口部のうち前記膜外流路の入口となる側の開口部とが繋がるように連結されていることを特徴とする請求項２に記載の膜分離装置。
4. 隣り合う中空糸膜モジュールは、一方の中空糸膜モジュールにおける前記ケースの両端のうち前記膜内流路の出口となる側の端部と、他方の中空糸膜モジュールにおける前記ケースの両端のうち前記膜内流路の入口となる側の端部とが、管内部が前記膜内流路の一部となる配管によって連結されていることを特徴とする請求項２または３に記載の膜分離装置。
5. 前記配管は管内部を開放する一対の開口部が同じ方向を向いており、前記配管により連結される一対の中空糸膜モジュールは、これらのケース同士が平行になるように配置されていることを特徴とする請求項４に記載の膜分離装置。

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