JP3930031B2 - 水分透過型の中空糸膜の束を備えた水分交換モジュール - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前文に、より詳細に定義されている種類の、水分透過型の中空糸膜の束を備えた水分交換モジュールに関する。

さらに、本発明は、この種の水分交換モジュールの使用法に関する。

先行技術において、水分交換モジュールが記述されている。例えば、特許文献１においては、流れの断面が、モジュールに垂直に配置されたライン要素から、ガスが通って流れる中空糸膜の束の部分の断面へと増加するモジュールが示されている。

このことにより、特に、ガスが通って流れる中空糸膜の束の部分の直径が増加するにつれて、流れの分散が、ガスが通って流れる中空糸の束の断面全体で、非常に不均一になるという課題が生じる。したがって、中空糸膜の束の利用可能な全断面に媒体が流れ込むことが可能な、上述の特許文献１に類似した、同様の構造は、非常に非効率と言えよう。

しかし、できる限りコンパクトな水分交換モジュールを構築しようとする場合には、すべての中空糸膜の全表面積ができる限り効率的に使用され得るように、ガスが通って流れる中空糸膜の束の断面全体に、高度に均一な分散を達成することが非常に重要であり、この結果、できる限り短い中空糸膜の束が達成される。しかし、このことは、既に述べたように、コンパクトな流入領域、即ち可能な最も短い全長の流入領域にも関連する。

さらに、特許文献２においては、透析の分野から、環状空間の方に開く接線方向の入口を有する中空糸装置が示されている。特許文献３においても、この種の構造が示されている。

特開２００２−３０３４３５号公報 独国特許第２６４６３５８Ｃ２号明細書 独国特許第２６６０６３０Ｃ２号明細書

本発明の目的は、非常にコンパクトかつ省スペースの形態で実現され得る、水分交換モジュールを提供することである。

本発明によれば、本目的は、請求項１の特徴を述べた節に記載された特徴によって達成される。

この装置においては、中空糸膜の束の長手軸に対して、ある角度でラインを装着することにより、非常にコンパクトな構造を達成することが可能となる。さらに、ライン要素を偏心させて配置することにより、進路変更手段によって形成される領域内でガス流の非常に均一な分散を得ることができる。また、この領域が中空糸の束から遠隔にある側の実際の流入領域に対応することにより、流入領域内で非常に均一な分散を達成することができる。この結果、束のすべての中空糸への非常に均一な流れが生じる。

したがって、本発明による水分交換モジュールの構造により、非常にコンパクトでありながら、非常に効率的な水分の交換が可能となる。しかも、ライン要素を中空糸膜の束の長手軸に対して、ある角度で配置することにより、側部からライン要素に接近できるために又はこれらのライン要素によって設けられる接続のために、水分交換モジュールのための、非常に効率的で省スペースの設置装置を、例えば燃料電池システム内に作ることができる。

本発明による水分交換モジュールの１つの好ましい使用法が、請求項８に記載されている。

この場合、水分交換モジュールは、特に、プロセスガス流を乾燥させる及び給湿するために、たとえば、燃料電池からの排気ガスにより、燃料電池のための供給空気を給湿するために使用され得る。同時に、非常に高い水分交換率と合わせた、コンパクトかつ軽量な設計は、この種の燃料電池システムの構造及び使用法によっては、たとえば車両内の駆動方式として、極めて重要である。本発明による水分交換モジュールは、これらの要件を満足させるものであり、したがって、上記の使用法のための非常に良い水分交換モジュールである。

本発明による水分交換モジュールのさらに好ましい形態が、残りの従属請求項から及び例示的実施形態から見出される。以下、図面を参照しながら、これらについて、より詳細に説明する。

図１は、非常に概略的に表された燃料電池システム１を示している。このシステムは、カソード空間３が、陽子伝導膜（陽子交換膜、ＰＥＭ）４によりアノード空間５から分離される燃料電池２を具備する。燃料電池２は、この場合、一般に知られている方法で、そのアノード空間５内の水素（Ｈ_２）及びそのカソード空間３内の空気から電力を発生させることができる。燃料電池２は、１つの燃料電池として、又は特に多数の燃料電池からなる装置として、即ちいわゆる燃料電池スタックとして構築されることがある。陽子伝導膜４が乾燥して損傷するのを保護するために、コンプレッサ６を介してカソード空間３に送られた空気は、概略的に示されている水分交換モジュール７内で、燃料電池２から流れ出る排気ガスによって給湿される。

ここに例示されている水分交換モジュール７の例示的実施形態においては、燃料電池２からの湿った排気ガスは、燃料電池２のために、その外部表面の回りを流れる空気を給湿させる中空糸膜の束８を通って流れる。排気ガス内に存在する水分が、水蒸気に対して透過性のある中空糸膜を通って、カソード空間３へ流れる空気へと運ばれるので、この空気は、給湿されて、陽子伝導膜４を湿らせ、したがって、陽子伝導膜４が、乾燥して損傷すること及び／又は早期に経年変化することから保護される。

圧力損失は、中空糸膜の回りを流れる間より、中空糸膜内にいる時の方が高いので、ここに例示されているコンプレッサ６の装置は、特に効率的である。何故なら、このような方法で、同じコンプレッサのパワーに対して、燃料電池２内でより高い内圧を達成することができるからである。したがって、一方では、所定の内圧について、コンプレッサ６のサイズ及びパワー及びそのエネルギ消費量が最小限に抑えられ、したがって他方では、コンプレッサ６の所定のサイズ及びパワーについて、より高い内圧で改良された熱力学により、燃料電池２の効率が増加し得る。

使用される燃料電池システム１によっては、燃料電池２のアノード空間５に、水素貯蔵所からの水素が、又はガス発生システムによって発生した水素が、たとえば液化炭化水素から供給される。純粋水素システムの場合には、アノード空間５は、デッドエンドモードで又はアノードループで動作し、これに対して、ガス発生システム内で発生した水素の場合には、アノード空間５からの残留ガスが、排気ガスとして排出される。したがって、図１に、アノード空間５とカソード空間３からの排気ガスとを連結する点線で接続して示されているように、給湿のために使用される湿った排気ガスは、カソード空間３だけから又はカソード空間３及びアノード空間５の両方からの、いずれかから生じ得る。

使用される燃料電池システム１によっては、給湿された供給空気はまた、少なくとも一部が、他の方法で、たとえばＤＥ１０３０９７９４号明細書において行われているように、たとえば液化炭化水素から、水素を含むガスを発生させるのに必要な水の量の少なくともいくらかを提供するために使用されることがある。

以下の記載は、それぞれ、燃料電池システム１内の水分交換モジュール７の、上記に提示した、この例示的実施形態に関する。しかし、本発明は、この種の、本発明による水分交換モジュール７の適用形態に限定されるものではない。

図２は、水分交換モジュール７の一部を例示している。例示されている領域においては、この水分交換モジュールは、中空糸膜の束８の一部と、湿ったガス流、この場合は燃料電池の排気ガスを供給するためのライン要素９と、ここでは概略的に示されているだけであるが（及び以下により詳細に説明するが、ここには例示されていない進路変更手段１３を備えた）、かつガス流が、中空糸膜を通って中空糸膜の束８の長手軸１１の方向に流れる前に、この中で分散される、流入領域１０とを含む。

中空糸膜の束８の長手軸１１に対して６０°〜１２０°の角度で、ライン要素９を配置することにより、（本明細書においては、流入領域１０の周囲全体に均一に分散された複数のライン要素９を使用することも考えられよう）、長手軸１１の方向に、非常に短い流入領域１０を達成することができる。このことによりまた、並外れてコンパクトな水分交換モジュール７を実現することができる。束８内のすべての中空糸膜の利用可能な断面へのできる限り均一な入力流を達成するために、またこれにより、交換表面積、したがって最終的に、束８の又は水分交換モジュール７全体の長さを最小限に抑えることができるようにするために、流入領域１０内に流れ込むガス流の良好な分散を達成することが必要である。

長手軸１１に対して、この場合９０°の角度で、かつ偏心させて、即ち各ライン要素９の及び中空糸膜の束８の長手軸が互いに交差しないように、上述のようにライン要素９を配置することにより、入力ガス流の非常に均一な分散が達成される。

ライン要素９のための、この種の１つの可能な配置を例示するために、図３は、流入領域１０を通る断面を例示している。この図から、ライン要素９は、その長手軸が中空糸膜の束８の長手軸１１に平行な平面に置かれるように配置されることが分かる。このように、ここに例示されている場合は流入領域１０に対して接線方向にライン要素９を連結することにより、ライン要素９を中央に配置することと比べて、流入領域１０内の入力ガス流の、はるかに良好かつより均一な分散が可能となる。

図４は、水分交換モジュール７の、１つの可能な形態を例示している。流入領域１０内のガス流の均一な分散をできる限り改良するために、進路変更手段１３があり、これは、ガス流が、流入領域１０内に直接流れ込むことができず、常にまず進路変更手段１３によって流れがそれるように、ライン要素９と流入領域１０との間に位置付けられる。

均一な分散の効果を得るためには、図４に例示されているような、環状の進路変更手段１３が特に好都合であることが実証されている。環状の進路変更手段１３は、この場合、進路変更手段１３と流入領域１０のハウジング１５との間に環状の隙間１４を形成するように構成される。この環状の隙間１４は、中空糸膜の束８から遠隔にある側だけで流入領域１０に接続されるか、又はガス流がここを通って中空糸膜の束８に流れることができるように開いている。このことにより、環状の隙間１４内に流れ込むガス流の接線方向の分散が、流入領域１０内でさらにより均一になる。

さらに、図４に示されている水分交換モジュール７の形態においては、ガス流から液体を分離する手段がある。たとえば編物構造又は格子の形態の、基本的に可能な手段の考えられる様々な実施形態に加えて、この場合、液体を分離する手段の非常に簡単かつ効率的な形態が、ここでは選択されている。

図４に例示されている実施形態における液体を分離する手段は、このため、流入領域１０のハウジング１５内に配置された溝１６を有する。この溝１６は、ガス流が接線方向に流れ込むために流入領域１０のハウジング１５に沿って流れる領域内に配置されるので、ガス流内に存在する液滴が、遠心力のために、溝１６が配置されたハウジング１５の領域内に集まる。次いで、集まった液体は、溝１６の領域から、ここには例示されていない手段、たとえばバルブ又は流出路を介して、流入領域１０から取り除かれ得る。溝１６又はさらなる溝は、勿論、追加的に又は実際には排他的に、進路変更手段１３の領域内に配置され得る。

基本的に、ガス流から液体を分離する手段は、液滴がガス流から取り除かれるので、ガス又は蒸気の純粋に単一相の流れが中空糸膜を通って流れるという重要な利点を提示する。ガス又は蒸気及び浮遊液体粒子を含む二相の流れと比較して、この種の単一相の流れにより、著しく低い圧力損失が束８の中空糸膜内で達成され得る。さらに、中空糸膜の小さい断面が液体粒子によって塞がれる可能性を防止することもできる。この場合、液体を分離する手段により、例示されているように、水分交換モジュール７を接続することができ、したがって、動作信頼性、圧力損失の最小化、及び信頼性のために、交換容量及びサイズを大きくする必要がない。

図５に例示されている流入領域１０実施形態は、進路変更手段１３ａ、１３ｂが、この場合やや異なる形態であるという点においてのみ、図４に例示されている実施形態と異なっている。この場合も、進路変更手段は、断面がしずく形状の、一種の環状のランナから構成された、実質的に環状の部材１３ａを備える。この環状部材１３ａは、ハウジング１５内の略円錐形の出っ張り１３ｂと影響しあい、この出っ張りの先端は中空糸膜の束１８の方を指し、その側面は内側に向けて凸状になっている。

したがって、環状の隙間１４から開始した、ガス流が通って流れ得る断面は、進路変更手段１３ａ、１３ｂに沿って増加して、連続した円形区域を形成する。進路変更手段１３ａ、１３ｂの壁は、この場合、ガスが通って流れ得る断面が、中空糸膜の束８に面する進路変更手段１３ａ、１３ｂの少なくとも一部で、連続的に広がるように構成されるので、流れが進路変更手段１３ａ、１３ｂから切り離されるのを実質的に防止することができる。このことにより、中空糸膜の束８の利用可能な表面領域全体に、入力ガス流の非常に均一な分散を達成することができる。図５に示されている構造は、基本的に、「共に折り畳まれた」理想的なディフューザにたとえることができる。

溝１６の形態の、ガス流から液体を分離する手段は、同様に、図５に示されている形態の好適な場所に設けられる。溝１６又はさらなる溝は、勿論、追加的に又は排他的に、進路変更手段１３ａ、１３ｂ（又は、図４に示されている形態においては、１３）の領域内に配置され得るであろう。

流入領域へのガス供給源の１つの可能な形態が、図６に例示されている。ライン要素９を中空糸膜の束８の長手軸１１に対して約７０°の角度で接続することに加えて、この場合、ガス流内に渦運動を発生させる手段１２が、さらに、ライン要素９に統合される。ガス流内に渦運動を発生させる、この手段１２は、ねじれた帯板を、又は適宜、断面が星形状のねじれた部材も備えることがある。許容できる流れ抵抗と合わせて、ガス流内に十分な渦運動を作るために、部材又は帯板は、約７０°〜２７０°、特に半回転（１８０°）ねじれていることがある。部材又は帯板は、たとえば、シートメタル材料などから構成されることがある。

ガス流の、接線方向の流入と渦運動との組合せにより、流入領域１０に接続された環状の隙間１４内で、かなり早く、ガス流の良好な分散が起きるので、束８のすべての中空糸膜が非常にうまく利用される。利用可能な中空糸膜は、これに対応して、使用される同じ交換表面積について、より短い設計となり得るので、全体的に、非常に小さく、軽量かつコンパクトな水分交換モジュール７が実現され得る。

本明細書に例示されている水分交換モジュール７の流入領域１０のすべての実施形態は、それぞれ、ガス流内に渦運動を発生させる手段１２、液体を分離する手段（例えば溝１６の形態の）、及び進路変更手段１３、１３ａ、１３ｂの対応する形態を備える場合も、備えない場合もあるが、それぞれ、所望の方法で互いに組み合わせられ得る。したがって、本発明の形態によれば、中空糸膜の束８の利用可能な表面積全体にできる限り均一な入力ガス流の分散と合わせて、それぞれ、１つ又は複数のライン要素９を機械的に連結する最も好ましい方法を容易に作ることができる。

本発明による水分交換モジュールを備えた燃料電池システムの概略図である。 本発明による水分交換モジュールの流入領域の第１の実施形態の長手方向の概略断面図である。 本発明による水分交換モジュールの流入領域の第１の実施形態の概略断面図である。 本発明による水分交換モジュールの第１の実施形態の流入領域のより詳細な長手方向の断面図である。 本発明による水分交換モジュールの第２の実施形態の流入領域のより詳細な長手方向の断面図である。 本発明による水分交換モジュールの流入領域の、さらに可能な実施形態の長手方向の概略断面図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３ カソード空間
４ 陽子伝導膜（陽子交換膜、ＰＥＭ）
５ アノード空間
６ コンプレッサ
７ 水分交換モジュール
８ 中空糸膜の束
９ ライン要素
１０ 流入領域
１１ 長手軸
１２ ガス流内に渦運動を発生させる手段
１３、１３ａ、１３ｂ 進路変更手段
１４ 環状の隙間
１５ ハウジング
１６ 溝
１８ 中空糸膜の束

Claims (9)

1. 水分透過型の中空糸膜の束を備え、かつ内部の流れ内で前記中空糸を通って流れるガス流を供給するための少なくとも１つのライン要素を備えた水分交換モジュールであって、前記少なくとも１つのライン要素が、前記中空糸膜の束と少なくとも略同じ断面を有する流入領域の方に開口しており、前記少なくとも１つのライン要素が、前記流入領域内へと接線方向に開口しており、前記少なくとも１つのライン要素の長手軸と前記中空糸膜の束の長手軸とが互いに交差していない水分交換モジュールであって、
   前記少なくとも１つのライン要素（９）が、前記中空糸膜の束（８）の長手軸（１１）に対して６０°〜１２０°の角度で前記流入領域（１０）の方に開口しており、前記ガスの流れの進路を変更するための環状の進路変更手段（１３、１３ａ、１３ｂ）が、ガスが通って流れ得る前記ライン要素（９）の断面と前記流入領域（１０）との間に設けられ、前記進路変更手段（１３、１３ａ）が、環状の隙間（１４）が形成されるように配置され、該環状の隙間が、前記少なくとも１つのライン要素（９）に接続され、前記中空糸膜の束（８）から遠隔にある側において、前記流入領域（１０）に接続されることを特徴とする水分交換モジュール。
2. 前記進路変更手段（１３、１３ａ）は、前記環状の隙間（１４）から開始した、ガス流が通って流れ得る断面が、前記進路変更手段に沿って増加して、連続した円形区域を形成するように設計されることを特徴とする請求項１に記載の水分交換モジュール。
3. 前記断面が、少なくとも前記中空糸膜の束（８）に面する領域内に連続的に広がることを特徴とする請求項２に記載の水分交換モジュール。
   
4. 前記進路変更手段が、環状体（１３ａ）と、前記環状体に対して中央に配置された、実質的な円錐体（１３ｂ）とを備え、該円錐体（１３ｂ）の先端が、前記中空糸膜の束（８）に面することを特徴とする請求項２または３に記載の水分交換モジュール。
5. 前記ガスの流れ内に渦運動を作ることができる手段（１２）が、前記流入領域（１０）に面する前記少なくとも１つのライン要素（９）の端部に設けられることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の水分交換モジュール。
6. 液体粒子を分離する手段が、流れの方向から見て、前記中空糸膜の束（８）の上流に設けられることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の水分交換モジュール。
7. 液体粒子を分離する前記手段が、前記流入領域（１０）の及び／又は前記進路変更手段（１３、１３ａ、１３ｂ）の壁内に、溝（１６）を有することを特徴とする請求項６に記載の水分交換モジュール。
8. 燃料電池システム（１）内での、請求項１〜７のいずれか一項に記載の水分交換モジュールの使用法。
9. 前記燃料電池システム（１）のための供給空気が、前記水分交換モジュール（７）によって給湿され、前記供給空気が、圧縮装置（６）により、前記中空糸膜の外部表面に沿って前記燃料電池システム（１）内に送達され、前記燃料電池システム（１）の少なくとも１つの燃料電池（２）からの湿った排気ガスが、前記中空糸膜を通って流れることを特徴とする請求項８に記載の使用法。

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