JP2005226889A

JP2005226889A - 温度湿度交換器

Info

Publication number: JP2005226889A
Application number: JP2004034074A
Authority: JP
Inventors: Yoshihide Kotogami; 佳秀言上; Hideo Ichimura; 英男市村; Mitsuie Matsumura; 光家松村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-02-10
Filing date: 2004-02-10
Publication date: 2005-08-25

Abstract

【課題】低い圧力損失と高い露点を有するガスを出力する温度湿度交換器を提供する。
【解決手段】温度湿度交換器は、水分を透過する透湿膜、乾燥ガスセパレータおよび湿潤ガスセパレータが積層された温度湿度交換器において、乾燥ガスセパレータは、並列に並べられた複数の流路溝と、複数の流路溝の両端部がそれぞれ１つに集約されて連通され、貫通する乾燥ガス給気マニホールドおよび乾燥ガス排気マニホールドと、それらのマニホールドに対してそれぞれ透湿膜の短辺に沿って並ぶ貫通する湿潤ガス排気マニホールドおよび湿潤ガス給気マニホールドと、が設けられ、湿潤ガスセパレータは乾燥ガスセパレータの透湿膜の短辺の中心線に対して線対称であり、流路溝内を流される乾燥ガスの流れと流路溝内を流される湿潤ガスの流れとが直進して向流である。
【選択図】図１

Description

この発明は、水分を透湿する透湿膜を介して高温の湿潤ガスから伝達される熱および水分により低温の乾燥ガスを加熱加湿する温度湿度交換器に関し、特に、燃料電池の排ガスから伝達される熱および水分により未反応ガスを加熱加湿する燃料電池用の温度湿度交換器に関する。

固体高分子型燃料電池において、イオン交換膜は、分子中に水素イオンの交換基を有し、飽和含水することによりイオン伝導性物質として機能する。そして、イオン交換膜が乾燥すると、イオン伝導性が低下し、燃料電池の電池性能が著しく低下するため、イオン交換膜の乾燥を防ぐように、固体高分子電解質膜のような透湿膜の両面に水と未反応ガスが流される構造の温度湿度交換器を用いて、予め未反応ガスが加湿されている。
この温度湿度交換器は、未反応ガスが流される流路溝が備えられたセパレータと加湿水が流される流路溝が備えられたもう一方のセパレータにより透湿膜が挟持された構成になっている。そのセパレータの内部にリブによって区画されて形成された蛇行するガス流路溝の底部に、未反応ガスの流れに対向する突起が配され、未反応ガスが乱流となって効果的に攪拌され、未反応ガスが透湿膜と効果的に接触して、湿度効率を向上させている（例えば、特許文献１参照。）
しかし、加湿水として加熱した水を用意する給水装置が別に必要となり、コストが余計に掛かってしまう。そこで、燃料電池から排出される排ガスと未反応ガスとの間で温度湿度交換を行う温度湿度交換器が提案されている。それは、第１加湿ブロックと第２加湿ブロックよりなる温度湿度交換器がスペーサーを介して燃料電池本体に連結されている。未反応ガスとしての空気が第１加湿ブロック、さらに第２加湿ブロックへ流されてから燃料電池本体の空気極に供給される。一方、燃料電池の空気極から排出された水分を含む排ガスが温度湿度交換器に導入され、未反応ガスと逆方向に流通させられて排ガス出口より外部に排出される（例えば、特許文献２参照。）。
また、排ガスを用いる温度湿度交換器は、透湿膜の乾燥を防ぐため、メッシュプレートと保水性の多孔質体を交互に積層してなる温度湿度交換セルを有する。温度湿度交換セルに導入された排ガスと未反応ガスは、保水性の多孔質体を介して互いに接触されることにより、温度および湿度が交換される（例えば、特許文献３参照。）。

特開平１１−１８５７７７号公報特開２００２−１７０５８４号公報特開２０００−１６４２２９号公報

しかし、ガス流路溝の底部に反応ガスの流れに対向する突起が設けられると、乱流効果により多少温度効率および湿度効率は上昇するが、乱流では圧力損失が流量に対して２乗に比例するため（一方、層流では圧力損失が流量に対して比例する。）、乱流による圧力損失の増大が大きくなり、線速度を２倍に増加すれば、圧力損失は４倍に増大する。乱流での圧力損失を許容圧力０．９８ｋＰａ（１００ｍｍＨ_２Ｏ）以下に抑えることができないという問題があった。
また、メッシュプレートと保水性の多孔質体を交互に積層すると、メッシュがガスの流れに乱流を起こし、流路圧力損失を許容圧力以下に抑えることができない。さらに、乱流にともない、ガスの流れがメッシュプレート内で不均一になり、透湿膜の有効面積の減少に伴う水分の伝達率が小さくなるので、湿度効率が低下してしまうという問題があった。
また、乾燥ガス用のセパレータと湿潤ガス用のセパレータの形状が異なるので２種類の樹脂成形型が必要になる。

この発明の目的は、高い露点を有するガスを出力するとともに充分に低い圧力損失である安価な温度湿度交換器を提供することである。

この発明に係わる温度湿度交換器は、水分を透湿する透湿膜、低温の乾燥ガスが流される乾燥ガスセパレータおよび高温の湿潤ガスが流される湿潤ガスセパレータを有し、上記透湿膜、上記乾燥ガスセパレータ、上記透湿膜、上記湿潤ガスセパレータの順に繰り返し積層される温度湿度交換器において、上記乾燥ガスセパレータは、並列に並べられた複数の第１の流路溝と、上記複数の第１の流路溝の両端部にそれぞれ連通され、流されるガスを１つに集約する上記積層の方向に貫通する第１の乾燥ガス給気マニホールドおよび第１の乾燥ガス排気マニホールドと、上記第１の乾燥ガス給気マニホールドおよび上記第１の乾燥ガス排気マニホールドに対してそれぞれに隣接して並べられた上記積層の方向に貫通する第１の湿潤ガス排気マニホールドおよび第１の湿潤ガス給気マニホールドと、が設けられ、上記湿潤ガスセパレータは、上記透湿膜を介して、上記複数の第１の流路溝に重畳される複数の第２の流路溝と、上記透湿膜に設けられた貫通孔を介して、上記第１の湿潤ガス給気マニホールドおよび上記第１の湿潤ガス排気マニホールドに重畳され、上記複数の第２の流路溝の両端部にそれぞれ連通され、流されるガスを１つに集約する上記積層の方向に貫通する第２の湿潤ガス給気マニホールドおよび第２の湿潤ガス排気マニホールドと、上記透湿膜に設けられた貫通孔を介して、上記第１の乾燥ガス給気マニホールドおよび上記第１の乾燥ガス排気マニホールドに重畳され、上記積層の方向に貫通する第２の乾燥ガス給気マニホールドおよび第２の乾燥ガス排気マニホールドと、が設けられ、上記第１の流路溝内を流される上記乾燥ガスの流れと上記第２の流路溝内を流される湿潤ガスの流れとは直進するとともに向流である。

この発明の温度湿度交換器の効果は、乾燥ガスと湿潤ガスとを向流（カウンタフロー）に流し、流路溝の深さを浅くするとともに総流路断面積を小さくして線速度が大きくなるように流路溝が設けられることにより高い温度効率および湿度効率が実現されるので、低い圧力損失であるとともに高い露点を有するガスを出力することができることである。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係わる温度湿度交換器の側面図である。図２は、実施の形態１の温度湿度交換器の上平面図である。図３は、温度湿度交換セルの部分断面図である。図４は、温度湿度交換セルの乾燥ガスセパレータの平面図である。なお、以下の説明において、乾燥ガスは常温に近く相対湿度が零に近い空気として説明する。また、湿潤ガスは例えば７０℃以上の温度、相対湿度が９０％以上の固体高分子型燃料電池の酸化剤出力ガスとして説明する。

図１と図２に示されているように、実施の形態１の温度湿度交換器は、複数の温度湿度交換セル１が積層された温度湿度交換積層体２、その温度湿度交換積層体２を両面から挟持する入口保持板３および出口保持板４、入口保持板３に固着された乾燥ガス入力マニホールド５および湿潤ガス出力マニホールド６、出口保持板４に固着された乾燥ガス出力マニホールド７および湿潤ガス入力マニホールド８、温度湿度交換積層体２を入口保持板３と出口保持板４とで挟みながら締め付けるボルト９およびナット１０を有する。温度湿度交換積層体２は、積層方向に垂直な断面が長方形であり、長辺の寸法が３２ｃｍ、短辺の寸法が１５ｃｍである。

入口保持板３および出口保持板４は、温度湿度交換積層体２の断面と同じ形状の長方形であり、短辺に沿って２つの厚み方向に貫通する穴１１が設けられている。入口保持板３の２つの穴１１に、それぞれ乾燥ガス入力マニホールド５と湿潤ガス出力マニホールド６が連通され、ガス流路が構成されている。また、出口保持板４の２つの穴１１に、それぞれ乾燥ガス出力マニホールド７と湿潤ガス入力マニホールド８が連通され、ガス流路が構成されている。入口保持板３および出口保持板４は、ステンレスからできていて、長辺が３２ｃｍ、短辺が１５ｃｍ、厚みが１ｃｍである。

次に、図３を参照しながら、温度湿度交換セル１について説明する。温度湿度交換セル１は、水分を透湿することができる透湿膜１５、その透湿膜１５を両側から挟持する乾燥ガスセパレータ１６および湿潤ガスセパレータ１７を有する。透湿膜１５、乾燥ガスセパレータ１６、透湿膜１５および湿潤ガスセパレータ１７が繰り返し積層されて温度湿度交換積層体２が構成される。温度湿度交換積層体２の積層方向の両端において、乾燥ガスセパレータ１６または湿潤ガスセパレータ１７に入口保持板３と出口保持板４とが積層されている。

透湿膜１５は、高温の湿潤ガスと低温の乾燥ガスとの間に介在させられて水分を透湿することができる膜で、主に多孔質のポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂より成り、透湿膜１５の厚さは１００μｍ程度である。

乾燥ガスセパレータ１６および湿潤ガスセパレータ１７の材質は、例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂で、樹脂成形法により成形されている。乾燥ガスセパレータ１６および湿潤ガスセパレータ１７の形状は、長辺が３２ｃｍ、短辺が１５ｃｍ、厚さが１０ｍｍの直方体である。

次に、図４と図５を参照しながら乾燥ガスセパレータ１６について説明する。図５（ａ）は、乾燥ガスセパレータの乾燥ガスが給気される側の端部の部分平面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ−Ａに沿った断面図である。なお、湿潤ガスセパレータ１７は乾燥ガスセパレータ１６と短辺の中心線を中心線とした線対称の関係にあるので、同じ番号を付けて説明は省略する。
乾燥ガスセパレータ１６は、長方形であり、長辺２０ａ、２０ｂに沿った側枠体２１ａ、２１ｂと、短辺２２ａ、２２ｂに沿った端枠体２３ａ、２３ｂとで枠が構成されている。その枠の中央部に、側枠体２１ａと側枠体２１ｂの中央部の間に架けられるフィン２５と、そのフィン２５から長辺２０ａ、２０ｂに平行に等間隔に上下に突き出たリブ２６とが設けられている。そのフィン２５とリブ２６とでフィン２５の両面に数十本の第１の流路溝３０が形成されている。フィン２５は、厚みが３ｍｍである。リブ２６は、厚みが１ｍｍで高さが３．５ｍｍである。リブ２６の上端部は０．２ｍｍＲの面取りが施されていて、平坦な部分の幅は０．６ｍｍとなる。そして片面の第１の流路溝３０は、深さが３．５ｍｍ、幅が５ｍｍである。第１の流路溝３０の底部は、０．５ｍｍＲの面取りが施されている。
さらに、乾燥ガスセパレータ１６は、第１の流路溝３０の両方の端部３１ａ、３１ｂで両面に面した第１の流路溝３０を連通する連通穴３３ａ、３３ｂが設けられている。連通穴３３ａ、３３ｂは、短径５ｍｍ、長径７ｍｍの楕円の穴で、深さは３ｍｍである。
さらに、乾燥ガスセパレータ１６は、５個の連通穴３３ａの出口が１つに集約され、その幅が連通穴３３ａから離れるに従って狭くなる集約連通溝３４ａ、集約連通溝３４ａの連通穴３３ａの反対側の端部に連通する第１の乾燥ガス給気マニホールド３５が設けられている。集約連通溝３４ａは、側枠体２１ａ、２１ｂ、端枠体２３ａから内側に延びた底部２８と、底部２８から厚み方向に突き出た桟２９とにより囲まれて構成されている。
さらに、乾燥ガスセパレータ１６は、５個の連通穴３３ｂの出口が１つに集約され、幅が連通穴３３ｂから離れるに従い狭くなる集約連通溝３４ｂ、集約連通溝３４ｂの連通穴３３ｂの反対側の端部に連通する第１の乾燥ガス排気マニホールド３６が設けられている。集約連通溝３４ｂも、集約連通溝３４ａと同様に底部２８と桟２９とにより囲まれて構成されている。
さらに、乾燥ガスセパレータ１６は、短辺２２ａに沿って第１の乾燥ガス給気マニホールド３５に隣接して第１の湿潤ガス排気マニホールド３７、短辺２２ｂに沿って第１の乾燥ガス排気マニホールド３６に隣接して第１の湿潤ガス給気マニホールド３８が貫通するように設けられている。
さらに、乾燥ガスセパレータ１６は、外周に沿ってネジ穴２７が設けられ、ネジ穴２７にボルト９が貫通され、ボルト９の両端部からナット１０で締め付けられることにより固定される。この第１の乾燥ガス給気マニホールド３５と第１の乾燥ガス排気マニホールド３６、第１の湿潤ガス排気マニホールド３７と第１の湿潤ガス給気マニホールド３８は、乾燥ガスセパレータ１６の中心点を中心として１８０度点対称な位置にそれぞれ設けられている。
なお、第１の流路溝３０に面した透湿膜１５の部分が温度交換および湿度交換に有効に寄与する。
一方、湿潤ガスセパレータ１７は、図示しない第２の流路溝、第２の湿潤ガス給気マニホールド、第２の湿潤ガス排気マニホールド、第２の乾燥ガス給気マニホールドおよび第２の乾燥ガス排気マニホールドが、乾燥ガスセパレータ１６と重ねたとき第１の流路溝３０、第１の湿潤ガス給気マニホールド３８、第１の湿潤ガス排気マニホールド３７、第１の乾燥ガス給気マニホールド３５および第１の乾燥ガス排気マニホールド３６と重なる位置に設けられている。そして、湿潤ガスセパレータ１７は、乾燥ガスセパレータ１６を短辺方向に裏返したものと同様である。
なお、乾燥ガスセパレータ１６の第１の乾燥ガス給気マニホールド３５と第１の湿潤ガス排気マニホールド３７とは、入口保持板３の穴１１に連通されている。また、湿潤ガスセパレータ１７の第２の乾燥ガス排気マニホールドと第２の湿潤ガス給気マニホールドとは、出口保持板４の穴１１に連通されている。
また、透湿膜１５は、乾燥ガスセパレータ１６および湿潤ガスセパレータ１７と積層したときに乾燥ガス給気マニホールド３５、第１の乾燥ガス排気マニホールド３６、第１の湿潤ガス給気マニホールド３８、第１の湿潤ガス排気マニホールド３７と重なる位置に図示しない貫通孔が設けられている。
図３に示すように、透湿膜１５は乾燥ガスセパレータ１６のリブ２６の先端部と湿潤ガスセパレータ１７のリブの先端部とで支持されている。

このような構成の温度湿度交換器を図６に示すように配置する。すなわち、透湿膜１５の法線が上下方向に向くように水平に配置し、それに伴って乾燥ガスセパレータ１６および湿潤ガスセパレータ１７も水平に透湿膜１５に接するように積層されている。
また、入力保持板３が一番下層の温度湿度交換セル１に接するように積層され、出力保持板４が一番上層の温度湿度交換セル１に接するように積層されている。

次に、図４、図６を参照して、この実施の形態１に係わる温度湿度交換器を用いて湿潤ガスから乾燥ガスに水分と熱を伝達する様子を説明する。乾燥ガスは、乾燥ガス入力マニホールド５から供給され、入力保持板３の穴１１を経由し、乾燥ガスセパレータ１６に設けられた第１の乾燥ガス給気マニホールド３５へ流される。さらに、乾燥ガスは、乾燥ガスセパレータ１６の集約連通溝３４ａから連通穴３３ａを経由して乾燥ガスセパレータ１６の両面に設けられた第１の流路溝３０へ流され、連通穴３３ｂで両面の第１の流路溝３０から流されてきた乾燥ガスが混ざり、集約連通溝３４ｂから第１の乾燥ガス排気マニホールド３６に導かれる。そして、第１の乾燥ガス排気マニホールド３６から出力保持板４の穴１１を経由して乾燥ガス出力マニホールド７へ流される。この乾燥ガスは燃料電池に供給される。

燃料電池に供給された乾燥ガスは、水素と酸素の反応に伴う水およびプロトン伴ってイオン交換膜を伝達された水により湿潤され、さらに水素と酸素の反応に伴う反応熱により加熱され、高温の湿潤ガスとして排出される。このように湿潤ガスは乾燥ガスに比べて温度が高く、湿度も高い。

この湿潤ガスは、湿潤ガス入力マニホールド８から供給され、出力保持板４の穴１１を経由し、湿潤ガスセパレータ１７に設けられた第２の湿潤ガス給気マニホールドへ引き込まれる。さらに、湿潤ガスは、湿潤ガスセパレータ１７の集約連通溝３４ｂから連通穴３３ｂを経由して湿潤ガスセパレータ１７の両面に設けられた第２の流路溝で流され、連通穴３３ａで両面の第２の流路溝から流されてきた湿潤ガスが混ざり、集約連通溝３４ａから第２の湿潤ガス排気マニホールドに導かれる。そして、第２の湿潤ガス排気マニホールドから入力保持板３の穴１１を経由して湿潤ガス出力マニホールド６へ導かれ外部に排出される。
そして、乾燥ガスと湿潤ガスは、透湿膜１５を挿んで、乾燥ガスセパレータ１６および湿潤ガスセパレータ１７の長辺に平行に向流して第１の流路溝３０内と第２の流路溝内を流される。

このように流された乾燥ガスと湿潤ガスとの間で透湿膜１５を介して、湿潤ガスから乾燥ガスに熱伝達と水分伝達が行われ、図７に示すように乾燥ガスの温度と湿度が上昇する。図７（ａ）は、乾燥ガスと湿潤ガスの流路溝内における温度の変化を示す。図７（ｂ）は、乾燥ガスと湿潤ガスの流路溝内における湿度の変化を示す。この湿潤ガスから乾燥ガスへの熱の交換の温度効率ε_Ｔは、乾燥ガス入力マニホールド５で測定された乾燥ガスの温度ｔ_Ｃ１、乾燥ガス出力マニホールド７で測定された乾燥ガスの温度ｔ_Ｃ２、湿潤ガス入力マニホールド８で計測された湿潤ガスの温度ｔ_Ｈ１、湿潤ガス出力マニホールド６で測定された湿潤ガスの温度ｔ_Ｈ２の測定値からε_Ｔ＝（ｔ_Ｃ２−ｔ_Ｃ１）／（ｔ_Ｈ１−ｔ_Ｃ１）で求めることができる。
また、湿度効率ε_Ｈは、乾燥ガス入力マニホールド５で測定された乾燥ガスの湿度Ｐ_Ｃ１、乾燥ガス出力マニホールド７で測定された乾燥ガスの湿度Ｐ_Ｃ２、湿潤ガス入力マニホールド８で計測された湿潤ガスの湿度Ｐ_Ｈ１、湿潤ガス出力マニホールド６で測定された湿潤ガスの湿度Ｐ_Ｈ２の測定値からε_Ｈ＝（Ｐ_Ｃ２−Ｐ_Ｃ１）／（Ｐ_Ｈ１−Ｐ_Ｃ１）で求めることができる。

この実施の形態１の温度湿度交換器と比較するために、特開２００３−３１４９８３号公報に記載の温度湿度交換器を比較例１として準備した。この比較例１の温度湿度交換器は、枠体が上下方向開放の内部空間を形成するように周枠が巡らされた枠型形状であり、内部空間にガスが出入りする流入口と流出口とが形成されている。透湿膜は、高温の湿潤ガスと低温の乾燥ガスとの間に介在され、熱交換を行うと同時に水分を透湿する膜である。枠体はＰＰＳ樹脂から作られ、また、透湿膜は実施の形態１と同様にＰＴＦＥ樹脂からできている。この内部空間の上下が気密に塞がれるように枠体と透湿膜と枠体の順に、順次積み重ねられ、外部に対して気密な積層体が形成されている。
積層体の４つの側面のうち、一方の側面を、例えば湿潤ガス入口、他方を出口とし、更に別の一方の側面側を乾燥ガスの流入口側、他方の側面側をその流出口とし、各々相応する給排気用外部マニホールドが配置されている。このように構成された枠体と透湿膜とを、例えば、１０個の枠体と９枚の透湿膜とで、枠体と透湿膜とを交互に積み重ね、内部空間を通るガス流路が交差するように流れをクロス・フローに配置すると、透湿膜を介して水分の交換ができる。

同時に、第１の流路溝３０および第２の流路溝の深さを大、中、小、極小に変化させたときの温度効率ε_Ｔおよび湿度効率ε_Ｈを解析的に求めた。温度効率ε_Ｔは、熱伝達に関する無次元数である熱伝達単位数ＮＨＴＵ（ＮｕｍｂｅｒｏｆＨｅａｔＴｒａｎｓｆｅｒＵｎｉｔ）を式（１）から求め、そのＮＨＴＵを用いて式（２）から求めた。

但し、ここで、Ｋ_Ｒは平均熱通過率、Ａ_Ｒは伝熱面積、ｍはガス流量、ｃ_Ｐは比熱、Ｃ_ｍｉｎは湿潤ガスの定圧比熱と質量流量の乗算値、Ｃ_ｍａｘは乾燥ガスの定圧比熱と質量流量の乗算値である。

湿度効率ε_Ｈの計算は、熱伝達と物質伝達のアナロジーから同様の手法で、物質伝達に関する無次元数である物質伝達単位数ＮＭＴＵ（ＮｕｍｂｅｒｏｆＭａｓｓＴｒａｎｓｆｅｒＵｎｉｔ）を求めて、湿度効率を求めた。

また、特開２００３−３１４９８３号公報に記載の温度湿度交換器に関して、Ｗ．Ｍ．Ｋａｙｓのクロス・フロー型熱交換器の解析例に適用して温度効率、湿度効率を求めた。

この実施の形態１の温度湿度交換器の測定した温度効率および湿度効率はそれぞれ８６％、７６％であった。比較例１の測定した温度効率および湿度効率はそれぞれ７５％、５３％であった。このように、温度効率が１１％、湿度効率が２３％改善することができた。

実施の形態１の温度湿度交換器の第１の流路溝３０および第２の流路溝の深さが３．５ｍｍであるが、次に、流路溝の深さを浅くした乾燥ガスセパレータ１６および湿潤ガスセパレータ１７を用いて温度湿度交換器を作成し、温度効率および湿度効率を計測した。尚、流路溝の深さを色々変えたとき、流路断面積の総和が一定になるように透湿膜１５、乾燥ガスセパレータ１６および湿潤ガスセパレータ１７の枚数を合わせてある。
図８に、温度効率および湿度効率に関する計測結果および解析結果を合わせて示してある。流路溝の深さを大（６〜４ｍｍ）、中（４〜３ｍｍ）、小（３〜２ｍｍ）、極小（１〜２ｍｍ）と変えたとき、流路溝の深さが浅いほど両方の効率が改善され、流路溝が極小のときには温度効率を９２％、湿度効率を８８％まで改善することができた。温度効率の改善は、ε−ＮＴＵ法の解析によれば流れ方式の変更（直交流から向流）と、流路溝の深さの減少の効果と考えられる。また、湿度効率の改善は、同様に流れ方式の変更と流路溝の深さの減少の効果および透湿膜の有効面積増加の効果と考えられる。

上述のように流路溝の深さを浅くすることにより、温度効率および湿度効率を改善することができるが、他の特性と流路溝の深さとの関係から流路溝の深さに対して限界があると考えられる。そこで、上述のように流路溝の深さを変更した温度湿度交換器および比較例１の温度湿度交換器の露点と圧力損失の測定結果を図９に示す。なお、温度湿度交換器における圧力損失は、０．９８ｋＰａ（１００ｍｍＨ_２Ｏ）以下でなければならない。すなわち、現状の空気供給ブロアの吐出圧力は４．９ｋＰａ（５００ｍｍＨ_２Ｏ）以下に制限され、燃料電池スタックのカソード側で３．９２ｋＰａ（４００ｍｍＨ_２Ｏ）の圧力損失が見込まれるため、温度湿度交換器内での圧力損失は０．９８ｋＰａ（１００ｍｍＨ_２Ｏ）以下に抑える必要がある。
図９から分かるように、実施の形態１の温度湿度交換器から出力露点が６５℃から７０℃の乾燥ガスが出力された。一方、圧力損失は流路溝の深さの減少により増加し、流路溝の深さが極小で０．８３ｋＰａ（８５ｍｍＨ_２Ｏ）まで上昇するので、これ以上流路溝の深さを減少することができない。このように、流路溝の深さは３．５ｍｍから１．５ｍｍの範囲が好ましい。深さを浅くしても流路が真っ直ぐに設けられているので、圧力損失の増加が抑えられている。

次に、流路溝の幅の適切な範囲に関して検討を行った。ガス流量７８リッター／分（１ｋＷ相当分）を一定にすると、１本の流路溝の体積に流路溝の本数を乗算して求まる総体積は、このガス流量を流す体積になる。この総体積は、１本の流路溝の断面積に流路溝の本数を乗算して求まる総断面積と流路溝の長さで表すことができる。ここで、温度湿度交換積層体２の高さは極端に大きくすることができないので、これを一定とすると、１本の流路溝の幅に流路溝の本数を乗算して求まる総幅に流路溝の長さを乗算した値が一定になる。そこで、総幅に比例する乾燥ガスセパレータ１６および湿潤ガスセパレータ１７の短辺の長さと流路溝の長さに比例する乾燥ガスセパレータ１６および湿潤ガスセパレータ１７の長辺の長さを連動して変化することができる。このようにして流路溝の総幅を可変して、湿度効率に関連する水移動係数を計測した。流路溝の総幅を可変すると、ガスの線速度が変化することになる。

図１０に乾燥ガスの線速度と水移動係数の測定結果を示す。線速度が５０ｃｍ／ｓｅｃ以下では水移動係数の値は線速度が小さくなるに従い低下する。この原因は、透湿膜自体の透過係数が変化しないと考えられるので、ガス側における移動係数の低下によるものであると考えられる。すなわち、平板のガス側における移動係数は、層流のときにはレイノルズ数の１／２乗に比例するので、線速度６０ｃｍ／ｓｅｃを基準にとると半分の流量に相当する３０ｃｍ／ｓｅｃではガス側における移動係数は０．７倍まで減少する。図１０の値は、この計算結果とほぼ一致しており、圧力損失が許容される範囲で線速度を６０ｃｍ／ｓｅｃ以上にするのが望ましい。そして、６０ｃｍ／ｓｅｃ以上の線速度が総幅を減少することにより実現することができるので、両セパレータの形状として長辺を短辺の２倍以上である長方形にすることが望ましい。

このような温度湿度交換器は、乾燥ガスセパレータおよび湿潤ガスセパレータにそれぞれに設けられた直線状の複数の流路溝内を透湿膜を介在させて乾燥ガスおよび湿潤ガスが向流（カウンターフロー）するように流されるので、高い露点であるとともに低い圧力損失の加熱加湿された乾燥ガスを出力することができる。

また、湿潤ガスセパレータは、乾燥ガスセパレータと短辺の中心線を中心線とした線対称の関係にあり、湿潤ガスセパレータを積層するとき、乾燥ガスセパレータを短辺方向に裏返しにして積層すればよく、乾燥ガスセパレータと同じセパレータを使えるので、樹脂成形型が１つで済み、コストが低減できる。

また、マニホールドとの間に集約連通溝が介在されているので、流路溝の深さを浅くすることにより、圧力損失を既定値以下に抑えながら温度効率および湿度効率がともに改善されるので、さらに高い露点の加熱加湿された乾燥ガスを出力することができる。

また、乾燥ガスセパレータおよび湿潤ガスセパレータの長辺を短辺の２倍以上にすることにより、水移動係数を大きくすることができるので、さらに高い露点の加熱加湿された乾燥ガスを出力することができる。

また、透湿膜、乾燥ガスセパレータおよび湿潤ガスセパレータを上下方向に積層して設置することにより、凝縮した水分の液膜が透湿膜の表面を濡らし、透湿膜直下を流れる乾燥ガスに水分が伝わり、水分を上から下に移動させる重力の方向と水分が膜を介して移動する方向とが一致させられているので、水分が移動しやすく、湿度効率を改善することができ、高い露点の乾燥ガスを出力することができる。

また、湿潤ガスが下方に流れ、乾燥ガスが上方に流れることにより、水滴が滴下する方向、透湿膜を介して水分が移動する方向および熱が高温から低温に伝わる方向の３つの方向が完全に一致し、温度効率および湿度効率に優れた性能を発揮することができる。

また、冷却水の熱利用を併用しなくてもよいので、余分なコストが掛からず安価な温度湿度交換器を提供することができる。

なお、フィン２５とリブ２６の寸法、流路溝の本数、乾燥ガスセパレータ、湿潤ガスセパレータおよび透湿膜の枚数は、この説明の内容に限ったものではなく、供給する燃料電池の性能を考慮して決められるものである。

実施の形態２．
図１１は、この発明の実施の形態２に係わる温度湿度交換器の側面図である。この実施の形態２の温度湿度交換器は、実施の形態１の温度湿度交換積層体を２つに分割し、一方の温度湿度交換積層体内で乾燥ガスが流される方向が他方の温度湿度交換積層体内で乾燥ガスが流される方向と反対であることが実施の形態１と異なっている。その他は同様であるので、同様な部分の説明は省略する。

図１１に示すように、実施の形態２の温度湿度交換器は、上下２つの温度湿度交換積層体４１ａ、４１ｂが入口保持板３と出口保持板４とにより挟持されている。上側の温度湿度交換積層体４１ａの最下層の乾燥ガスセパレータ４２と下方の温度湿度交換積層体４１ｂの最上層の湿潤ガスセパレータ４３との間に、湿潤ガスセパレータ４３の第２の湿潤ガス給気マニホールドと第２の乾燥ガス排出マニホールドに対応する位置だけ孔が開けられた中間セパレータ４４が挿入されている。中間セパレータ４４は、乾燥ガスセパレータ４２と同じ形状の長方形の板である。上側の温度湿度交換積層体４１ａの乾燥ガスセパレータ４２は、下側の温度湿度交換積層体４１ｂの乾燥ガスセパレータを中心点を中心として１８０度点対称な位置に配置されている。そして、下側の温度湿度交換積層体４１ｂの乾燥ガス排気マニホールドは、上側の温度湿度交換積層体４１ａの乾燥ガス給気マニホールドに連通されている。一方、上側の温度湿度交換積層体４１ａの湿潤ガス排気マニホールドは、下側の温度湿度交換積層体４１ｂの湿潤ガス給気マニホールドに連通されている。そして、上側の温度湿度交換積層体４１ａの乾燥ガス給気マニホールドと湿潤ガス排気マニホールドとの下側は中間セパレータ４４で仕切られている。また、下側の温度湿度交換積層体４１ｂの乾燥ガス給気マニホールドと湿潤ガス排気マニホールドとの上側は中間セパレータ４４で仕切られている。

次に、ガスの流れについて説明する。低温の乾燥ガスは下部の乾燥ガス入力マニホールド５から供給され、下側の温度湿度交換積層体４１ｂの乾燥ガスセパレータの流路溝内を流され、透湿膜を介して湿潤ガスとの間で熱と水分の交換が行われる。流路溝内を流されて下側の温度湿度積層体４１ｂの乾燥ガス排気マニホールドに到達した乾燥ガスは、中間セパレータ４４の孔を経由して上側の温度湿度交換積層体４１ａの乾燥ガス給気マニホールドに流され、さらに、上側の温度湿度交換積層体４１ａの乾燥ガスセパレータの流路溝内を流され、上側の温度湿度交換積層体４１ａの乾燥ガス排気マニホールドへ導かれる。そして、乾燥ガス出力マニホールド７から出力されて、燃料電池に供給される。
一方、燃料電池から排出された高温の湿潤ガスは上部の湿潤ガス入力マニホールド８から供給され、上側の温度湿度交換積層体４１ａの湿潤ガスセパレータの流路溝内を流され、透湿膜を介して乾燥ガスとの間で熱と水分の交換が行われる。流路溝内を流されて上側の温度湿度積層体４１ａの湿潤ガス排気マニホールドに到達した湿潤ガスは、中間セパレータ４４の孔を経由して下側の温度湿度交換積層体４１ｂの湿潤ガス給気マニホールドに流され、さらに、下側の温度湿度交換積層体４１ｂの湿潤ガスセパレータの流路溝内を流され、下側の温度湿度交換積層体４１ｂの湿潤ガス排気マニホールドへ導かれる。そして、湿潤ガス出力マニホールド６から排出される。

この合流に伴って起こる凝縮による水滴を受ける図示しないドレインが湿潤ガス出力マニホールド６の下方に設けられている。
一方、低温の乾燥ガスは、湿潤ガスと全く反対の方向に流される。

このように、２段階で温度湿度交換が施され、１段目に生じた湿度、温度の不均一を解消し、均一なガスを再度流すことができるので、湿度効率、温度効率を更に改善することができる。

実施の形態３．
図１２は、この発明の実施の形態３に係わる温度湿度交換器の温度湿度交換セルの部分断面図である。実施の形態３の温度湿度交換セル５１は、実施の形態１の温度湿度交換セル１の乾燥ガスセパレータ２１と湿潤ガスセパレータ２２と異なっているが、その他は同様であるので、同様な部分の説明は省略する。
実施の形態３の乾燥セパレータ５３は、実施の形態１の乾燥ガスセパレータ２１と異なり、片面からだけ流路溝５５が透湿膜５２の長辺に平行に直線状に形成されている。同様に、湿潤ガスセパレータ５４は、片面からだけ流路溝５６が透湿膜５２の長辺に平行に直線状に形成されている。
そして、温度湿度交換セル５１は、透湿膜５２を両側から乾燥ガスセパレータ５３と湿潤ガスセパレータ５４で挟持して構成されている。さらに、温度湿度交換積層体５０は、この温度湿度交換セル５１を複数積層して形成されている。さらに、この温度湿度交換積層体５０が、入口保持板３と出口保持板４とにより挟持されている。

このような温度湿度交換器は、乾燥ガスセパレータおよび湿潤ガスセパレータが片面からだけ流路溝が設けられているので、これらの成形が容易にでき、安価な温度湿度交換器を提供することができる。

この発明の実施形態１に係わる温度湿度交換器の側面図である。実施の形態１の温度湿度交換器の正面図である。実施の形態１の温度湿度交換積層体の部分断面図である。実施の形態１の温度湿度交換積層体の乾燥ガスセパレータの平面図である。図４の詳細平面図と部分断面図である。温度湿度交換器の設置の様子を示す図である。乾燥ガス、湿潤ガスの温度と湿度の変化の様子を示す図である。実施の形態１の温度湿度交換器の温度効率と湿度効率の実測値と解析値である。実施の形態１の温度湿度交換器の露点と圧力損失の実測値である。実施の形態１の温度湿度交換器の水移動係数の実測値である。この発明の実施の形態２に係わる温度湿度交換器の側面図である。この発明の実施の形態３に係わる温度湿度交換器の温度湿度交換積層体の部分断面図である。

符号の説明

１、５１温度湿度交換セル、２、４１ａ、４１ｂ、５０温度湿度交換積層体、３入口保持板、４出口保持板、５乾燥ガス入力マニホールド、６湿潤ガス出力マニホールド、７乾燥ガス出力マニホールド、８湿潤ガス入力マニホールド、９ボルト、１０ナット、１１穴、１５、５２透湿膜、１６、４２、５３乾燥ガスセパレータ、１７、４３、５４湿潤ガスセパレータ、２０ａ、２０ｂ長辺、２１ａ、２１ｂ側枠体、２２ａ、２２ｂ短辺、２３ａ、２３ｂ端枠体、２５フィン、２６リブ、２７ネジ穴、２８底部、２９桟、３０、５５、５６流路溝、３１ａ、３１ｂ（流路溝の）端部、３３ａ、３３ｂ連通穴、３４ａ、３４ｂ集約連通溝、３５乾燥ガス給気マニホールド、３６乾燥ガス排気マニホールド、３７湿潤ガス排気マニホールド、３８湿潤ガス給気マニホールド、４４中間セパレータ。

Claims

水分を透湿する透湿膜、低温の乾燥ガスが流される乾燥ガスセパレータおよび高温の湿潤ガスが流される湿潤ガスセパレータを有し、上記透湿膜、上記乾燥ガスセパレータ、上記透湿膜、上記湿潤ガスセパレータの順に繰り返し積層される温度湿度交換器において、
上記乾燥ガスセパレータは、
並列に並べられた複数の第１の流路溝と、
上記複数の第１の流路溝の両端部にそれぞれ連通され、流されるガスを１つに集約する上記積層の方向に貫通する第１の乾燥ガス給気マニホールドおよび第１の乾燥ガス排気マニホールドと、
上記第１の乾燥ガス給気マニホールドおよび上記第１の乾燥ガス排気マニホールドに対してそれぞれに隣接して並べられた上記積層の方向に貫通する第１の湿潤ガス排気マニホールドおよび第１の湿潤ガス給気マニホールドと、
が設けられ、
上記湿潤ガスセパレータは、
上記透湿膜を介して、上記複数の第１の流路溝に重畳される複数の第２の流路溝と、
上記透湿膜に設けられた貫通孔を介して、上記第１の湿潤ガス給気マニホールドおよび上記第１の湿潤ガス排気マニホールドに重畳され、上記複数の第２の流路溝の両端部にそれぞれ連通され、流されるガスを１つに集約する上記積層の方向に貫通する第２の湿潤ガス給気マニホールドおよび第２の湿潤ガス排気マニホールドと、
上記透湿膜に設けられた貫通孔を介して、上記第１の乾燥ガス給気マニホールドおよび上記第１の乾燥ガス排気マニホールドに重畳され、上記積層の方向に貫通する第２の乾燥ガス給気マニホールドおよび第２の乾燥ガス排気マニホールドと、
が設けられ、
上記第１の流路溝内を流される上記乾燥ガスの流れと上記第２の流路溝内を流される湿潤ガスの流れとは直進するとともに向流であることを特徴とする温度湿度交換器。
上記乾燥ガスセパレータと上記湿潤ガスセパレータは、同一の長方形であり、
上記第１の流路溝は、上記乾燥ガスセパレータの長辺に平行に設けられ、
上記第１の乾燥ガス給気マニホールドは、短辺の中心線および長辺の中心線に掛からない位置に設けられ、
上記第１の乾燥ガス排気マニホールドは、上記第１の乾燥ガス給気マニホールドに対して、上記乾燥ガスセパレータの中心点を中心とした１８０度点対称な位置に設けられ、
上記第１の湿潤ガス給気マニホールドおよび上記第１の湿潤ガス排気マニホールドは、上記第１の乾燥ガス排気マニホールドおよび上記第１の乾燥ガス給気マニホールドそれぞれに対して、上記乾燥ガスセパレータの短辺の中心線を中心線とした線対称な位置に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の温度湿度交換器。
上記長方形の長辺が短辺の２倍以上であることを特徴とする請求項２に記載の温度湿度交換器。
上記透湿膜、上記乾燥ガスセパレータおよび上記湿潤ガスセパレータが上下方向に積層されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の温度湿度交換器。
上記積層方向の最下層に乾燥ガス入力マニホールドおよび湿潤ガス出力マニホールドが備えられ、
上記積層方向の最上層に乾燥ガス出力マニホールドおよび湿潤ガス入力マニホールドが備えられたことを特徴とする請求項４に記載の温度湿度交換器。
上記透湿膜、上記乾燥ガスセパレータ、上記透湿膜、上記湿潤ガスセパレータの順に繰り返し積層される複数の温度湿度交換積層体を有し、
上記温度湿度交換積層体が、乾燥ガスについて上流の上記温度湿度交換積層体の乾燥ガス排気マニホールドと湿潤ガス給気マニホールドが、乾燥ガスについて次に下流の上記温度湿度交換積層体の乾燥ガス給気マニホールドと湿潤ガス排気マニホールドにそれぞれ連通されるように、積層されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の温度湿度交換器。