JP2006010302A - 全熱交換器及び加湿装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 透湿膜の両側における水蒸気分圧差にかかわらず、水分移動を行うことができる全熱交換器及び加湿装置を提供する。
【解決手段】 全熱交換器１は、屋内空気ＲＡと屋外空気ＯＡとの間で顕熱交換及び潜熱交換を行う全熱交換器であり、プロトン交換膜からなる固体電解質膜２１と固体電解質膜２１の両側に配置された正極２２及び負極２３とを有する全熱交換素子２を、正極２２同士又は負極２３同士が対向するように間隔を空けて複数配置することによって、屋内空気ＲＡ及び屋外空気ＯＡがそれぞれ流れる複数の第１及び第２流路５、６が交互に形成されている。この全熱交換器１は、正極２２と負極２３との間に電圧を印加することにより生じる電気浸透現象を利用して、固体電解質膜２１内の水分子を移動させることによって、第１流路５内を流れる屋内空気ＲＡに含まれる水分を、第２流路６内を流れる屋外空気ＯＡに付与することが可能である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、全熱交換器及び加湿装置に関する。

従来より、加湿装置として、吸着剤や吸湿剤を用いたものがよく用いられている。例えば、吸着剤を用いた加湿装置として、ゼオライト等の水分吸着剤を有する吸湿エレメントに空気を通過させて空気（例えば、屋外の空気）中の水分を吸湿させた後、水分を吸湿した吸湿エレメントに加湿しようとする空気（例えば、屋内に供給される空気）をヒーターにより加熱した後に通過させて、吸湿エレメントに吸湿された水分を脱離させることによって、空気を加湿するものがある（例えば、特許文献１参照。）。また、上述のような吸着剤ではなく、ハロゲン化リチウム等の吸湿剤を塗布・含浸させた素材を吸湿エレメントとして用いたものもある。

また、従来より、全熱交換器として、吸湿剤が塗布されて透湿性を有する板状素材や素材自身が透湿性を有する板状素材（以下、透湿膜とする）からなる全熱交換素子を用いて、屋内の空気と屋外の空気とが通過する流路を形成し、屋内の空気と屋外の空気との間で顕熱及び潜熱の熱交換を行うものがある（特許文献２参照。）。
特開２００３−３８９２９号公報 特開平１１−１０８４０９号公報

上述の加湿装置においては、吸着剤や吸湿剤を有する吸湿エレメントから水分を脱離させるためのヒーターが必要であり、また、吸湿エレメントが回転式の場合には、吸湿エレメントを回転駆動するためのモーターが必要となる。
また、上述の全熱交換器においては、透湿膜を用いているため、透湿膜の両側における空気中の水蒸気分圧の差に応じて潜熱交換としての水分移動が行われることになる。具体的には、水蒸気分圧の高い空気から水蒸気分圧の低い空気への水分移動は行うことができるが、水蒸気分圧が同程度の空気同士の水分移動や水蒸気分圧の低い空気から水蒸気分圧の高い空気への水分移動は行うことができない。このため、全熱交換器においては、潜熱交換量、すなわち、水分移動量の制御を行うことはできない。

さらに、透湿膜を用いて加湿装置を構成する場合には、吸湿エレメントから水分を脱離させるためのヒーターや吸湿エレメントを回転駆動するためのモーターは不要になるが、水蒸気分圧が同程度の空気同士の水分移動や水蒸気分圧の低い空気から水蒸気分圧の高い空気への水分移動は行うことができないため、加湿量が制限されてしまい、必要な加湿量が得られない場合もある。

本発明の課題は、透湿膜の両側における水蒸気分圧差にかかわらず、透湿膜内の水分移動を行うことができる全熱交換器及び加湿装置を提供することにある。

第１の発明にかかる全熱交換器は、２つの空気流の間で顕熱交換及び潜熱交換を行う全熱交換器であって、イオン導電性物質からなる固体電解質膜と固体電解質膜の両側に配置された正極及び負極とを有する全熱交換素子を、正極同士又は負極同士が対向するように間隔を空けて複数配置することによって、２つの空気流がそれぞれ流れる複数の第１及び第２流路が交互に形成されている。この全熱交換器は、正極と負極との間に電圧を印加することにより生じる電気浸透現象を利用して、固体電解質膜内の水分子を移動させることによって、第１流路内を流れる空気流に含まれる水分を、第２流路内を流れる空気流に付与することが可能である。

この全熱交換器では、イオン導電性物質からなる固体電解質膜と、この固体電解質膜の両側に配置された正極及び負極とからなる素材を全熱交換素子として使用している。ここで、固体電解質膜としては、陽イオン導電性物質又は陰イオン導電性物質を使用することが可能である。例えば、陽イオン導電性物質からなる固体電解質膜の一つとしてのプロトン交換膜を用いた場合の全熱交換器の作用について説明する。

まず、全熱交換器の第１流路及び第２流路に２つの空気流を流すと、２つの空気流中に含まれる水分が全熱交換素子の固体電解質膜に吸湿されて、全熱交換素子が電解セルを構成することになる。この状態において、全熱交換素子の正極と負極との間に電圧を印加すると、正極及び負極において、それぞれ、以下の電極反応が起こる。
２Ｈ₂Ｏ → Ｏ₂ ＋ ４Ｈ⁺ ＋ ４ｅ^- （正極）
Ｏ₂ ＋ ４Ｈ⁺ ＋ ４ｅ^- → ２Ｈ₂Ｏ （負極）
このような電極反応によって、正極においては水素イオン（Ｈ⁺）が生成し、負極においては水が生成することになる。また、正極と負極との間に電圧を印加することによって、固体電解質膜に電場が発生しているため、正極において生成した水素イオンが固体電解質膜内を正極側から負極側に向かって移動することになる。この際、固体電解質膜に吸湿された水分子が水素イオンの移動に引きずられて固体電解質膜内を負極側に移動することになる（以下、電気浸透現象とする）。そして、電気浸透現象によって固体電解質膜の負極側に移動した水は、負極における電極反応によって生成した水とともに、全熱交換素子の負極側を流れる空気流に付与されることになる。

このため、全熱交換素子の正極側を流れる空気流の流路を第１流路とし、全熱交換素子の負極側を流れる空気流の流路を第２流路とすると、第１流路内を流れる空気流に含まれる水分を、第２流路内を流れる空気流に付与することとなり、第１流路内を流れる空気流と第２流路内を流れる空気流との間の温度差に応じて顕熱交換を行うとともに、第１流路内を流れる空気流を除湿し、かつ、第２流路内を流れる空気流を加湿する潜熱交換を行うことができる。しかも、上述の電極反応は、全熱交換素子の正極と負極との間に印加される電圧値や正極と負極との間を流れる電流値を制御することによって、反応速度を可変することができるため、例えば、第１流路内を流れる空気流の水蒸気分圧が第２流路内を流れる空気流の水蒸気分圧よりも低い場合であっても、第１流路内を流れる空気流に含まれる水分を、第２流路内を流れる空気流に付与することができる。

このように、この全熱交換器では、電気浸透現象を利用して全熱交換素子の固体電解質膜内の水分移動を電気的に制御することができるため、全熱交換素子の固体電解質膜の両側の水蒸気分圧差にかかわらず全熱交換素子内の水分移動を行うことが可能になり、全熱交換素子における２つの空気流間の潜熱交換量、すなわち、水分移動量を制御することが可能となる。

尚、固体電解質膜として陰イオン導電性物質を使用する場合には、固体電解質膜内における水分子の移動が負極側から正極側に向かって移動することになるが、上述の陽イオン導電性物質を使用する場合と同様な作用効果が得られる。
第２の発明にかかる全熱交換器は、２つの空気流の間で顕熱交換及び潜熱交換を行う全熱交換器であって、複数の全熱交換素子と、第１スペーサー部材と、第２スペーサー部材とを備えている。複数の全熱交換素子は、２つの空気流がそれぞれ流れる複数の第１及び第２流路が交互に形成されるように間隔を空けて配置されており、イオン導電性物質からなる固体電解質膜を有している。第１スペーサー部材は、各第１流路を挟んで対向する各１対の全熱交換素子の両方に接触するように配置されており、各１対の全熱交換素子の間隔を保持するとともに、正極及び負極の一方の機能を有している。第２スペーサー部材は、各第２流路を挟んで対向する各１対の全熱交換素子の両方に接触するように配置されており、各１対の全熱交換素子の間隔を保持するとともに、正極及び負極の他方の機能を有している。この全熱交換器は、第１スペーサー部材と第２スペーサー部材との間に電圧を印加することにより生じる電気浸透現象を利用して、固体電解質膜内の水分子を移動させることによって、第１流路内を流れる空気流に含まれる水分を、第２流路内を流れる空気流に付与することが可能である。

この全熱交換器では、イオン導電性物質からなる固体電解質膜を全熱交換素子として使用し、これらの全熱交換素子の両側に２つの空気流を流す第１及び第２流路を形成するための第１及び第２スペーサー部材を正極及び負極として使用している。ここで、固体電解質膜としては、陽イオン導電性物質又は陰イオン導電性物質を使用することが可能である。また、第１及び第２スペーサー部材としては、電気化学的に安定な導電性の高い素材が使用される。例えば、陽イオン導電性物質からなる固体電解質膜の一つとしてのプロトン交換膜を用いた場合の全熱交換器の作用について説明する。

まず、全熱交換器の第１流路及び第２流路に２つの空気流を流すと、２つの空気流中に含まれる水分が全熱交換素子の固体電解質膜に吸湿されて、全熱交換素子、第１及び第２スペーサー部材が電解セルを構成することになる。この状態において、正極として機能する第１及び第２スペーサー部材の一方（以下、正極とする）と負極として機能する第１及び第２スペーサー部材の他方（以下、負極とする）との間に電圧を印加すると、正極及び負極において、それぞれ、以下の電極反応が起こる。

２Ｈ₂Ｏ → Ｏ₂ ＋ ４Ｈ⁺ ＋ ４ｅ^- （正極）
Ｏ₂ ＋ ４Ｈ⁺ ＋ ４ｅ^- → ２Ｈ₂Ｏ （負極）
このような電極反応によって、正極においては水素イオン（Ｈ⁺）が生成し、負極においては水が生成することになる。また、正極と負極との間に電圧を印加することによって、固体電解質膜に電場が発生しているため、正極において生成した水素イオンが固体電解質膜内を正極側から負極側に向かって移動することになる。この際、固体電解質膜に吸湿された水分子が水素イオンの移動に引きずられて固体電解質膜内を負極側に移動することになる（以下、電気浸透現象とする）。そして、電気浸透現象によって固体電解質膜の負極側に移動した水は、負極における電極反応によって生成した水とともに、全熱交換素子の負極側を流れる空気流に付与されることになる。

このため、全熱交換素子の正極側を流れる空気流の流路を第１流路とし、全熱交換素子の負極側を流れる空気流の流路を第２流路とすると、第１流路内を流れる空気流に含まれる水分を、第２流路内を流れる空気流に付与することとなり、第１流路内を流れる空気流と第２流路内を流れる空気流との間の温度差に応じて顕熱交換を行うとともに、第１流路内を流れる空気流を除湿し、かつ、第２流路内を流れる空気流を加湿する潜熱交換を行うことができる。しかも、上述の電極反応は、正極と負極との間（すなわち、第１スペーサー部材と第２スペーサー部材との間）に印加される電圧値や正極と負極との間を流れる電流値を制御することによって、反応速度を可変することができるため、例えば、第１流路内を流れる空気流の水蒸気分圧が第２流路内を流れる空気流の水蒸気分圧よりも低い場合であっても、第１流路内を流れる空気流に含まれる水分を、第２流路内を流れる空気流に付与することができる。

このように、この全熱交換器では、電気浸透現象を利用して全熱交換素子の固体電解質膜内の水分移動を電気的に制御することができるため、全熱交換素子の固体電解質膜の両側の水蒸気分圧差にかかわらず全熱交換素子内の水分移動を行うことが可能になり、全熱交換素子における２つの空気流間の潜熱交換量、すなわち、水分移動量を制御することが可能となる。しかも、複数の全熱交換素子間に配置される第１及び第２スペーサー部材が固体電解質膜の両側に電圧を印加するための正極及び負極を兼ねているため、全熱交換器を構成する部品点数を少なくすることができる。

尚、固体電解質膜として陰イオン導電性物質を使用する場合には、固体電解質膜内における水分子の移動が負極側から正極側に向かって移動することになるが、上述の陽イオン導電性物質を使用する場合と同様な作用効果が得られる。
第３の発明にかかる全熱交換器は、第１又は第２の発明にかかる全熱交換器において、固体電解質膜が、プロトン導電性を有する層状粘土鉱物を膜状に形成したものである。

この全熱交換器では、イオン導電性物質として、層状粘土鉱物を原料としたプロトン導電性物質を用い、このようなプロトン導電性物質を膜状に形成したものを固体電解質膜として採用している。このようなプロトン導電性を有する層状粘土鉱物を原料とした固体電解質膜は、比較的安価に製造することができる。
しかも、このようなプロトン導電性を有する層状粘土鉱物を原料とした固体電解質膜では、膜間に電圧を印加することにより生じる電気浸透現象を利用して、膜内の水分子を移動させる作用だけでなく、ウイルス、細菌や臭い成分等を分子ふるい効果によって、膜内のウイルス、細菌や臭い成分等を移動させにくくする作用が得られる。これにより、全熱交換器において、第１流路内を流れる空気流に含まれる水分を、第２流路内を流れる空気流に付与する際に、ウイルス、細菌や臭い成分等の不要な成分が同時に移動するのを抑えることができ、例えば、室内における臭気発生等の問題を防ぐことができる。

このように、プロトン導電性を有する層状粘土鉱物を原料とした固体電解質膜は、比較的安価に製造することができるとともに、屋内における臭気発生等の問題も防ぐことができる。
第４の発明にかかる全熱交換器は、第３の発明にかかる全熱交換器において、固体電解質膜が、プロトンを発生させるための触媒を担持している。

この全熱交換器では、固体電解質膜がプロトンを発生させるための触媒を担持しているため、正極における電極反応を促進することができる。
第５の発明にかかる全熱交換器は、第３又は第４の発明にかかる全熱交換器において、固体電解質膜が、プロトンと酸素とを反応させて水を生成するための触媒を担持している。

この全熱交換器では、固体電解質膜がプロトンと酸素とを反応させて水を生成するための触媒を担持しているため、負極における電極反応を促進することができる。
第６の発明にかかる全熱交換器は、第３〜第５の発明のいずれかにかかる全熱交換器において、固体電解質膜が、吸湿性の異なる複数の膜を多層化した構造を有している。
この全熱交換器では、固体電解質膜が吸湿性の異なる複数の膜を多層化した構造を有しているため、膜内における水分子の移動速度や移動量を制御することができる。

例えば、正極側に低湿度の環境において吸湿性の高い膜（以下、低湿度用膜とする）を配置し、この低湿度用膜の負極側に高湿度の環境において吸湿性の高い膜（以下、高湿度用膜とする）を配置することにより多層化した場合には、正極側の流路が低湿度の環境であっても、水分が低湿度用膜の膜内に導入されやすくなる。そして、低湿度用膜内に導入された水分は、電気浸透現象を利用して多量の水分を吸湿することができる高湿度用膜に移動し、負極側の流路を流れる空気流に付与されることになる。すなわち、固体電解質膜を吸湿性の異なる複数の膜を多層化した構造にすることによって、膜内における水分子の移動速度や移動量を大きくすることができる。そうすると、膜内における水分子の移動速度や移動量に比べて、膜内におけるウイルス、細菌や臭い成分等の不要な成分の移動速度や移動量が相対的に小さくなるため、層状粘土鉱物が有する分子ふるい効果をさらに効率的に発揮させることができる。

第７の発明にかかる加湿装置は、イオン導電性物質からなる固体電解質膜と固体電解質膜の両側に配置された正極及び負極とを有する加湿素子を、正極同士又は負極同士が対向するように間隔を空けて複数配置することによって、２つの空気流がそれぞれ流れる複数の第１及び第２流路が交互に形成された吸湿エレメントを備えている。この加湿装置は、正極と負極との間に電圧を印加することにより生じる電気浸透現象を利用して、固体電解質膜内の水分子を移動させることによって、第１流路内を流れる空気流に含まれる水分を、第２流路内を流れる空気流に付与し、第２流路内を流れる空気流を加湿する。

この加湿装置では、イオン導電性物質からなる固体電解質膜と、この固体電解質膜の両側に配置された正極及び負極とからなる素材を加湿素子として使用した吸湿エレメントを備えている。ここで、固体電解質膜としては、陽イオン導電性物質又は陰イオン導電性物質を使用することが可能である。例えば、陽イオン導電性物質からなる固体電解質膜の一つとしてのプロトン交換膜を用いた場合の加湿装置の作用について説明する。

まず、加湿装置の第１流路及び第２流路に２つの空気流を流すと、２つの空気流中に含まれる水分が加湿素子の固体電解質膜に吸湿されて、加湿素子が電解セルを構成することになる。この状態において、加湿素子の正極と負極との間に電圧を印加すると、正極及び負極において、それぞれ、以下の電極反応が起こる。
２Ｈ₂Ｏ → Ｏ₂ ＋ ４Ｈ⁺ ＋ ４ｅ^- （正極）
Ｏ₂ ＋ ４Ｈ⁺ ＋ ４ｅ^- → ２Ｈ₂Ｏ （負極）
このような電極反応によって、正極においては水素イオン（Ｈ⁺）が生成し、負極においては水が生成することになる。また、正極と負極との間に電圧を印加することによって、固体電解質膜に電場が発生しているため、正極において生成した水素イオンが固体電解質膜内を正極側から負極側に向かって移動することになる。この際、固体電解質膜に吸湿された水分子が水素イオンの移動に引きずられて固体電解質膜内を負極側に移動することになる（以下、電気浸透現象とする）。そして、電気浸透現象によって固体電解質膜の負極側に移動した水は、負極における電極反応によって生成した水とともに、加湿素子の負極側を流れる空気流に付与されることになる。

このため、加湿素子の正極側を流れる空気流の流路を第１流路とし、加湿素子の負極側を流れる空気流の流路を第２流路とすると、第１流路内を流れる空気流に含まれる水分を、第２流路内を流れる空気流に付与して、第２流路内を流れる空気流を加湿することができる。しかも、上述の電極反応は、加湿素子の正極と負極との間に印加される電圧値や正極と負極との間を流れる電流値を制御することによって、反応速度を可変することができるため、例えば、第１流路内を流れる空気流の水蒸気分圧が第２流路内を流れる空気流の水蒸気分圧よりも低い場合であっても、第１流路内を流れる空気流に含まれる水分を、第２流路内を流れる空気流に付与して、加湿することができる。

このように、この加湿装置では、電気浸透現象を利用して加湿素子の固体電解質膜内の水分移動を電気的に制御することができるため、加湿素子の固体電解質膜の両側の水蒸気分圧差にかかわらず加湿素子内の水分移動を行うことが可能になり、十分な加湿量を得ることが可能となる。また、従来の吸着剤や吸湿剤を含む吸湿エレメントを備えた加湿装置において必要とされていた吸湿エレメントから水分を脱離させるためのヒーターや回転式の吸湿エレメントを回転駆動するためのモーターが不要となる。

尚、固体電解質膜として陰イオン導電性物質を使用する場合には、固体電解質膜内における水分子の移動が負極側から正極側に向かって移動することになるが、上述の陽イオン導電性物質を使用する場合と同様な作用効果が得られる。
第８の発明にかかる加湿装置は、複数の加湿素子と、第１スペーサー部材と、第２スペーサー部材とを有する吸湿エレメントを備えている。複数の加湿素子は、２つの空気流がそれぞれ流れる複数の第１及び第２流路が交互に形成されるように間隔を空けて配置されており、イオン導電性物質からなる固体電解質膜を有している。第１スペーサー部材は、各第１流路を挟んで対向する各１対の加湿素子の両方に接触するように配置されており、各１対の加湿素子の間隔を保持するとともに正極及び負極の一方の機能を有している。第２スペーサー部材は、各第２流路を挟んで対向する各１対の加湿素子の両方に接触するように配置されており、各１対の加湿素子の間隔を保持するとともに正極及び負極の他方の機能を有している。この加湿装置は、第１スペーサー部材と第２スペーサー部材との間に電圧を印加することにより生じる電気浸透現象を利用して、固体電解質膜内の水分子を移動させることによって、第１流路内を流れる空気流に含まれる水分を、第２流路内を流れる空気流に付与し、第２流路内を流れる空気流を加湿する。

この加湿装置では、イオン導電性物質からなる固体電解質膜を加湿素子として使用し、これらの加湿素子の両側に２つの空気流を流す第１及び第２流路を形成するための第１及び第２スペーサー部材を正極及び負極として使用した吸湿エレメントを備えている。ここで、固体電解質膜としては、陽イオン導電性物質又は陰イオン導電性物質を使用することが可能である。また、第１及び第２スペーサー部材としては、電気化学的に安定な導電性の高い素材が使用される。例えば、陽イオン導電性物質からなる固体電解質膜の一つとしてのプロトン交換膜を用いた場合の加湿装置の作用について説明する。

まず、加湿装置の第１流路及び第２流路に２つの空気流を流すと、２つの空気流中に含まれる水分が加湿素子の固体電解質膜に吸湿されて、加湿素子、第１及び第２スペーサー部材が電解セルを構成することになる。この状態において、正極として機能する第１及び第２スペーサー部材の一方（以下、正極とする）と負極として機能する第１及び第２スペーサー部材の他方（以下、負極とする）との間に電圧を印加すると、正極及び負極において、それぞれ、以下の電極反応が起こる。

２Ｈ₂Ｏ → Ｏ₂ ＋ ４Ｈ⁺ ＋ ４ｅ^- （正極）
Ｏ₂ ＋ ４Ｈ⁺ ＋ ４ｅ^- → ２Ｈ₂Ｏ （負極）
このような電極反応によって、正極においては水素イオン（Ｈ⁺）が生成し、負極においては水が生成することになる。また、正極と負極との間に電圧を印加することによって、固体電解質膜に電場が発生しているため、正極において生成した水素イオンが固体電解質膜内を正極側から負極側に向かって移動することになる。この際、固体電解質膜に吸湿された水分子が水素イオンの移動に引きずられて固体電解質膜内を負極側に移動することになる（以下、電気浸透現象とする）。そして、電気浸透現象によって固体電解質膜の負極側に移動した水は、負極における電極反応によって生成した水とともに、加湿素子の負極側を流れる空気流に付与されることになる。

このため、加湿素子の正極側を流れる空気流の流路を第１流路とし、加湿素子の負極側を流れる空気流の流路を第２流路とすると、第１流路内を流れる空気流に含まれる水分を、第２流路内を流れる空気流に付与することとなり、第１流路内を流れる空気流と第２流路内を流れる空気流との間の温度差に応じて顕熱交換を行うとともに、第１流路内を流れる空気流を除湿し、かつ、第２流路内を流れる空気流を加湿する潜熱交換を行うことができる。しかも、上述の電極反応は、正極と負極との間（すなわち、第１スペーサー部材と第２スペーサー部材との間）に印加される電圧値や正極と負極との間を流れる電流値を制御することによって、反応速度を可変することができるため、例えば、第１流路内を流れる空気流の水蒸気分圧が第２流路内を流れる空気流の水蒸気分圧よりも低い場合であっても、第１流路内を流れる空気流に含まれる水分を、第２流路内を流れる空気流に付与することができる。

このように、この加湿装置では、電気浸透現象を利用して加湿素子の固体電解質膜内の水分移動を電気的に制御することができるため、加湿素子の固体電解質膜の両側の水蒸気分圧差にかかわらず加湿素子内の水分移動を行うことが可能になり、十分な加湿量を得ることが可能となる。また、従来の吸着剤や吸湿剤を含む吸湿エレメントを有する加湿装置において必要とされていた吸湿エレメントから水分を脱離させるためのヒーターや回転式の吸湿エレメントを回転駆動するためのモーターが不要となる。しかも、複数の加湿素子間に配置される第１及び第２スペーサー部材が固体電解質膜の両側に電圧を印加するための正極及び負極を兼ねているため、加湿装置を構成する部品点数を少なくすることができる。

尚、固体電解質膜として陰イオン導電性物質を使用する場合には、固体電解質膜内における水分子の移動が負極側から正極側に向かって移動することになるが、上述の陽イオン導電性物質を使用する場合と同様な作用効果が得られる。
第９の発明にかかる加湿装置は、イオン導電性物質からなる固体電解質膜と固体電解質膜の両側に配置された正極及び負極とを有する加湿素子をケーシング内に配置することによって、正極及び負極の一方側に形成され加湿源としての水分が供給される第１空間と、正極及び負極の他方側に形成され被加湿対象としての空気が流れる第２空間とが形成されている。この加湿装置は、正極と負極との間に電圧を印加することにより生じる電気浸透現象を利用して、固体電解質膜内の水分子を移動させることによって、第１空間内の水分を、第２空間内を流れる空気に付与し、第２空間内を流れる空気を加湿する。

この加湿装置では、イオン導電性物質からなる固体電解質膜と、この固体電解質膜の両側に配置された正極及び負極とからなる素材を加湿素子として使用している。ここで、固体電解質膜としては、陽イオン導電性物質又は陰イオン導電性物質を使用することが可能である。例えば、陽イオン導電性物質からなる固体電解質膜の一つとしてのプロトン交換膜を用いた場合の加湿装置の作用について説明する。

まず、加湿装置の第１空間の加湿源としての水分を加湿素子の固体電解質膜に吸湿させて、加湿素子からなる電解セルを構成する。ここで、プロトン交換膜を固体電解質膜として使用する場合には、正極を固体電解質膜の第１空間側に配置し、負極を固体電解質膜の第２空間側に配置する。この状態において、第２空間に被加湿対象としての空気を流しつつ、加湿素子の正極と負極との間に電圧を印加すると、正極及び負極において、それぞれ、以下の電極反応が起こる。

２Ｈ₂Ｏ → Ｏ₂ ＋ ４Ｈ⁺ ＋ ４ｅ^- （正極）
Ｏ₂ ＋ ４Ｈ⁺ ＋ ４ｅ^- → ２Ｈ₂Ｏ （負極）
このような電極反応によって、正極においては水素イオン（Ｈ⁺）が生成し、負極においては水が生成することになる。また、正極と負極との間に電圧を印加することによって、固体電解質膜に電場が発生しているため、正極において生成した水素イオンが固体電解質膜内を正極側から負極側に向かって移動することになる。この際、固体電解質膜に吸湿された水分子が水素イオンの移動に引きずられて固体電解質膜内を負極側に移動することになる（以下、電気浸透現象とする）。そして、電気浸透現象によって固体電解質膜の負極側に移動した水は、負極における電極反応によって生成した水とともに、加湿素子の負極側を流れる空気流、すなわち、第２空間を流れる被加湿対象の空気流に付与されることとなり、第２空間を流れる被加湿対象の空気流を加湿することができる。しかも、上述の電極反応は、加湿素子の正極と負極との間に印加される電圧値や正極と負極との間を流れる電流値を制御することによって、反応速度を可変することができるため、例えば、第１空間内の加湿源としての水分の供給量が少なく、第１空間内における水蒸気分圧が第２空間内を流れる空気流の水蒸気分圧よりも低い場合であっても、第１空間内の水分を、第２空間内を流れる空気流に付与して、加湿することができる。

このように、この加湿装置では、電気浸透現象を利用して加湿素子の固体電解質膜内の水分移動を電気的に制御することができるため、加湿素子の固体電解質膜の両側の水蒸気分圧差にかかわらず加湿素子内の水分移動を行うことが可能になり、十分な加湿量を得ることが可能となる。
尚、固体電解質膜として陰イオン導電性物質を使用する場合には、固体電解質膜内における水分子の移動が負極側から正極側に向かって移動することになるが、上述の陽イオン導電性物質を使用する場合と同様な作用効果が得られる。

第１０の発明にかかる加湿装置は、第７〜第９の発明のいずれかにかかる加湿装置において、固体電解質膜が、プロトン導電性を有する層状粘土鉱物を膜状に形成したものである。
この加湿装置では、イオン導電性物質として、層状粘土鉱物を原料としたプロトン導電性物質を用い、このようなプロトン導電性物質を膜状に形成したものを固体電解質膜として採用している。このようなプロトン導電性を有する層状粘土鉱物を原料とした固体電解質膜は、比較的安価に製造することができる。

しかも、このようなプロトン導電性を有する層状粘土鉱物を原料とした固体電解質膜では、膜間に電圧を印加することにより生じる電気浸透現象を利用して、膜内の水分子を移動させる作用だけでなく、ウイルス、細菌や臭い成分等を分子ふるい効果によって、膜内のウイルス、細菌や臭い成分等を移動させにくくする作用が得られる。これにより、全熱交換器において、第１流路内を流れる空気流に含まれる水分又は第１空間内の加湿源として供給される水分を、第２流路内を流れる空気流又は第２空間内を流れる空気流に付与する際に、ウイルス、細菌や臭い成分等の不要な成分が同時に移動するのを抑えることができ、例えば、屋内における臭気発生等の問題を防ぐことができる。

このように、プロトン導電性を有する層状粘土鉱物を原料とした固体電解質膜は、比較的安価に製造することができるとともに、室内における臭気発生等の問題も防ぐことができる。
第１１の発明にかかる加湿装置は、第１０の発明にかかる加湿装置において、固体電解質膜が、プロトンを発生させるための触媒を担持している。

この加湿装置では、固体電解質膜がプロトンを発生させるための触媒を担持しているため、正極における電極反応を促進することができる。
第１２の発明にかかる加湿装置は、第１０又は第１１の発明にかかる加湿装置において、固体電解質膜が、プロトンと酸素とを反応させて水を生成するための触媒を担持している。

この加湿装置では、固体電解質膜がプロトンと酸素とを反応させて水を生成するための触媒を担持しているため、負極における電極反応を促進することができる。
第１３の発明にかかる加湿装置は、第１０〜第１２の発明のいずれかにかかる加湿装置において、固体電解質膜が、吸湿性の異なる複数の膜を多層化した構造を有している。
この加湿装置では、固体電解質膜が吸湿性の異なる複数の膜を多層化した構造を有しているため、膜内における水分子の移動速度や移動量を制御することができる。

例えば、正極側に低湿度の環境において吸湿性の高い膜（以下、低湿度用膜とする）を配置し、この低湿度用膜の負極側に高湿度の環境において吸湿性の高い膜（以下、高湿度用膜とする）を配置することにより多層化した場合には、正極側の流路が低湿度の環境であっても、水分が低湿度用膜の膜内に導入されやすくなる。そして、低湿度用膜内に導入された水分は、電気浸透現象を利用して多量の水分を吸湿することができる高湿度用膜に移動し、負極側の流路を流れる空気流に付与されることになる。すなわち、固体電解質膜を吸湿性の異なる複数の膜を多層化した構造にすることによって、膜内における水分子の移動速度や移動量を大きくすることができる。そうすると、膜内における水分子の移動速度や移動量に比べて、膜内におけるウイルス、細菌や臭い成分等の不要な成分の移動速度や移動量が相対的に小さくなるため、層状粘土鉱物が有する分子ふるい効果をさらに効率的に発揮させることができる。

以上の説明に述べたように、本発明によれば、以下の効果が得られる。
第１の発明では、電気浸透現象を利用して全熱交換素子の固体電解質膜内の水分移動を電気的に制御することができるため、全熱交換素子の固体電解質膜の両側の水蒸気分圧差にかかわらず全熱交換素子内の水分移動を行うことが可能になり、全熱交換素子における２つの空気流間の潜熱交換量、すなわち、水分移動量を制御することが可能となる。

第２の発明では、電気浸透現象を利用して全熱交換素子の固体電解質膜内の水分移動を電気的に制御することができるため、全熱交換素子の固体電解質膜の両側の水蒸気分圧差にかかわらず全熱交換素子内の水分移動を行うことが可能になり、全熱交換素子における２つの空気流間の潜熱交換量、すなわち、水分移動量を制御することが可能となる。しかも、複数の全熱交換素子間に配置される第１及び第２スペーサー部材が固体電解質膜の両側に電圧を印加するための正極及び負極を兼ねているため、全熱交換器を構成する部品点数を少なくすることができる。

第３の発明では、固体電解質膜を比較的安価に製造することができるとともに、室内における臭気発生等の問題も防ぐことができる。
第４の発明では、正極における電極反応を促進することができる。
第５の発明では、負極における電極反応を促進することができる。
第６の発明では、固体電解質膜が、吸湿性の異なる複数の膜を多層化した構造を有しているため、層状粘土鉱物が有する分子ふるい効果をさらに効率的に発揮させることができる。

第７の発明では、電気浸透現象を利用して加湿素子の固体電解質膜内の水分移動を電気的に制御することができるため、加湿素子の固体電解質膜の両側の水蒸気分圧差にかかわらず加湿素子内の水分移動を行うことが可能になり、十分な加湿量を得ることが可能となる。また、従来の吸着剤や吸湿剤を含む吸湿エレメントを有する加湿装置において必要とされていた吸湿エレメントから水分を脱離させるためのヒーターや回転式の吸湿エレメントを回転駆動するためのモーターが不要となる。

第８の発明では、電気浸透現象を利用して加湿素子の固体電解質膜内の水分移動を電気的に制御することができるため、加湿素子の固体電解質膜の両側の水蒸気分圧差にかかわらず加湿素子内の水分移動を行うことが可能になり、十分な加湿量を得ることが可能となる。また、従来の吸着剤や吸湿剤を含む吸湿エレメントを有する加湿装置において必要とされていた吸湿エレメントから水分を脱離させるためのヒーターや回転式の吸湿エレメントを回転駆動するためのモーターが不要となる。しかも、複数の加湿素子間に配置される第１及び第２スペーサー部材が固体電解質膜の両側に電圧を印加するための正極及び負極を兼ねているため、加湿装置を構成する部品点数を少なくすることができる。

第９の発明では、電気浸透現象を利用して加湿素子の固体電解質膜内の水分移動を電気的に制御することができるため、加湿素子の固体電解質膜の両側の水蒸気分圧差にかかわらず加湿素子内の水分移動を行うことが可能になり、十分な加湿量を得ることが可能となる。
第１０の発明では、固体電解質膜を比較的安価に製造することができるとともに、室内における臭気発生等の問題も防ぐことができる。

第１１の発明では、正極における電極反応を促進することができる。
第１２の発明では、負極における電極反応を促進することができる。
第１３の発明では、固体電解質膜が、吸湿性の異なる複数の膜を多層化した構造を有しているため、層状粘土鉱物が有する分子ふるい効果をさらに効率的に発揮させることができる。

以下、図面に基づいて、本発明にかかる全熱交換器及び加湿装置の実施形態について説明する。
［第１実施形態］
（１）全熱交換器の構成
図１は、本発明の第１実施形態にかかる全熱交換器１の要部を示す斜視図である。

全熱交換器１は、２つの空気流（例えば、屋内空気ＲＡと屋外空気ＯＡ）の間で顕熱交換及び潜熱交換を行う機器であり、主として、複数の全熱交換素子２と、複数の第１及び第２スペーサー部材３、４とを備えている。複数の全熱交換素子２は、平板状の部材であり、屋内空気ＲＡが流れる複数の第１流路５と屋外空気ＯＡが流れる複数の第２流路６とが交互に形成されるように間隔を空けて配置されている。第１スペーサー部材３は、波板状の部材であり、各第１流路５を挟んで対向する各１対の全熱交換素子２の両方に接触するように配置されて、各１対の全熱交換素子２の間隔を保持している。第２スペーサー部材４は、第１スペーサー部材３と同様の波板状の部材であり、各第２流路６を挟んで対向する各１対の全熱交換素子２の両方に接触するように配置されて、各１対の全熱交換素子２の間隔を保持している。本実施形態において、第１スペーサー部材３と第２スペーサー部材とは、第１流路５と第２流路６とが互い直交するように配置されており、屋内空気ＲＡと屋外空気ＯＡとが互いに交差する方向に流れるようになっている。このように、全熱交換器１には、複数の全熱交換素子２と第１及びスペーサー部材３、４を複数積層することによって、屋内空気ＲＡが流れる複数の第１流路５と、屋外空気ＯＡが流れる複数の第２流路６とが交互に形成されている。

図２は、全熱交換器の一部を模式的に示した断面図である。複数の全熱交換素子２は、本実施形態において、イオン導電性物質からなる平板状の固体電解質膜２１と、固体電解質膜２１の両側に配置された正極２２及び負極２３とを有している。第１流路５を形成する１対の全熱交換素子２は、正極２２同士が第１流路５を挟んで対向するように配置されている。そして、第２流路６を形成する１対の全熱交換素子２は、負極２３同士が第２流路６を挟んで対向するように配置されている。固体電解質膜２１としては、陽イオン導電性物質や陰イオン導電性物質を使用することが可能であるが、本実施形態において、陽イオン導電性物質であるプロトン交換膜が使用されている。プロトン交換膜の例としては、デュポン社製のＮＡＦＩＯＮ膜（登録商標）等が挙げられる。正極２２及び負極２３は、電気化学的に安定な導電性の高い素材が使用されており、例えば、金網状の素材を接着やプレス加工により固体電解質膜２１の表面に接合されている。正極２２及び負極２３の素材としては、例えば、ステンレス、カーボンや白金等を使用することができる。また、正極２２及び負極２３は、メッキや蒸着等によって固体電解質膜２１の表面に接合されていてもよい。そして、正極２２及び負極２３は、直流電源７に接続されており、直流電圧を印加できるように構成されている。

（２）全熱交換器の動作
次に、図２及び図３を用いて、本実施形態の全熱交換器１の動作について説明する。ここで、図３は、全熱交換素子２における電極反応及び電気浸透現象を説明する図である。
まず、全熱交換器１の第１流路５及び第２流路６にそれぞれ屋内空気ＲＡ及び屋外空気ＯＡを流すと（図３の矢印Ａ及び矢印Ｂ参照）、屋内空気ＲＡ及び屋外空気ＯＡ中に含まれる水分が全熱交換素子２の固体電解質膜２１に吸湿されて、全熱交換素子２が電解セルを構成することになる。この状態において、全熱交換素子２の正極２２と負極２３との間に直流電源７を用いて直流電圧を印加すると、正極２２及び負極２３において、それぞれ、以下の電極反応が起こる。

２Ｈ₂Ｏ → Ｏ₂ ＋ ４Ｈ⁺ ＋ ４ｅ^- （正極）
Ｏ₂ ＋ ４Ｈ⁺ ＋ ４ｅ^- → ２Ｈ₂Ｏ （負極）
このような電極反応によって、正極２２においては水素イオン（Ｈ⁺）が生成し（図３の矢印Ｃ参照）、負極２３においては水が生成することになる（図３の矢印Ｄ参照）。また、正極２２と負極２３との間に直流電圧を印加することによって、固体電解質膜２１に電場が発生しているため、正極２２において生成した水素イオンが固体電解質膜内を正極側から負極側に向かって移動することになる（図３の矢印Ｅ参照）。この際、固体電解質膜２１に吸湿された水分子が水素イオンの移動に引きずられる電気浸透現象が生じて、固体電解質膜２１内を負極２３側に移動することになる。そして、電気浸透現象によって固体電解質膜２１の負極２３側に移動した水は、負極２３における電極反応によって生成した水とともに、全熱交換素子２の負極２３側を流れる屋外空気ＯＡに付与されることになる（図２の水の移動を示す矢印を参照）。

このように、本実施形態の全熱交換器１では、第１流路５内を流れる屋内空気ＲＡに含まれる水分を、第２流路６内を流れる屋外空気ＯＡに付与することとなり、第１流路５内を流れる屋内空気ＲＡと第２流路６内を流れる屋外空気ＯＡとの間の温度差に応じて顕熱交換を行うとともに、第１流路５内を流れる屋内空気ＲＡを除湿して排出空気ＥＡとして屋外に排出し、かつ、第２流路６内を流れる屋外空気ＯＡを加湿する潜熱交換を行って、供給空気ＳＡとして屋内に供給することができる。しかも、上述の電極反応は、全熱交換素子２の正極２２と負極２３との間に印加される電圧値や正極２２と負極２３との間を流れる電流値を制御することによって、反応速度を可変することができるため、例えば、第１流路５内を流れる屋内空気ＲＡの水蒸気分圧が第２流路６内を流れる屋外空気ＯＡの水蒸気分圧よりも低い場合であっても、第１流路５内を流れる屋内空気ＲＡに含まれる水分を、第２流路６内を流れる屋外空気ＯＡに付与することができる。

また、この全熱交換器１において、正極と負極とが逆になるように、すなわち、正極２２を負極として機能させ、負極２３を正極として機能させるように、直流電源７から正極２２と負極２３との間に直流電圧を印加することによって、第２流路６内を流れる屋外空気ＯＡに含まれる水分を、第１流路５内を流れる屋内空気ＲＡに付与し、除湿された屋外空気ＯＡを供給空気ＳＡとして屋内に供給することもできる。

（３）全熱交換器の特徴
本実施形態の全熱交換器１には、以下のような特徴がある。
本実施形態の全熱交換器１では、イオン導電性物質からなる固体電解質膜２１と、この固体電解質膜２１の両側に配置された正極２２及び負極２３とからなる素材を全熱交換素子２として使用しているため、電気浸透現象を利用して全熱交換素子２の固体電解質膜２１内の水分移動を電気的に制御することができる。このため、全熱交換素子２の固体電解質膜２１の両側の水蒸気分圧差にかかわらず全熱交換素子２内の水分移動を行うことが可能になり、全熱交換素子２における屋外空気ＯＡと屋内空気ＲＡとの間の潜熱交換量、すなわち、水分移動量を制御することが可能となっている。

（４）変形例１
図４は、第１実施形態の変形例１にかかる全熱交換器１０１の一部を模式的に示した断面図である。
全熱交換器１０１は、上述の全熱交換器１と異なり、全熱交換素子１０２の両側に屋外空気ＯＡ及び屋内空気ＲＡを流す第１及び第２流路５、６を形成するための第１及び第２スペーサー部材１０３、１０４を正極及び負極として使用し、全熱交換素子１０２の固体電解質膜２１の両側には正極及び負極が接合されていない構造になっている。

このため、全熱交換器１０１の第１流路５及び第２流路６にそれぞれ屋内空気ＲＡ及び屋外空気ＯＡを流すと（図４の矢印Ａ及び矢印Ｂ参照）、屋内空気ＲＡ及び屋外空気ＯＡ中に含まれる水分が全熱交換素子１０２の固体電解質膜２１に吸湿されて、固体電解質膜２１のみからなる全熱交換素子１０２、第１及び第２スペーサー部材１０３、１０４が電解セルを構成することになる。そして、第１スペーサー部材１０３を正極とし第２スペーサー部材１０４を負極として、直流電源７を用いて第１及び第２スペーサー部材１０３、１０４間に直流電圧を印加することによって、上述の全熱交換器１と同様な電極反応と電気浸透現象を生じさせることが可能である。

このように、本変形例の全熱交換器１０１においても、上述の全熱交換器１と同様、第１流路５内を流れる屋内空気ＲＡに含まれる水分を、第２流路６内を流れる屋外空気ＯＡに付与することとなり、第１流路５内を流れる屋内空気ＲＡと第２流路６内を流れる屋外空気ＯＡとの間の温度差に応じて顕熱交換を行うとともに、第１流路５内を流れる屋内空気ＲＡを除湿して排出空気ＥＡとして屋外に排出し、かつ、第２流路６内を流れる屋外空気ＯＡを加湿する潜熱交換を行って、供給空気ＳＡとして屋内に供給することができる。

しかも、本変形例の全熱交換器１０１では、複数の全熱交換素子１０２間に配置される第１及び第２スペーサー部材１０３、１０４が固体電解質膜２１の両側に電圧を印加するための正極及び負極を兼ねているため、全熱交換器１０１を構成する部品点数を少なくすることができる。
また、第１及び第２スペーサー部材１０３、１０４として、ステンレスや白金等の金属製の素材を使用することによって、熱伝導性能が向上した伝熱フィンとして機能させることができるため、全熱交換器１０１の顕熱交換性能も向上させることができる。

（５）変形例２
上述の本実施形態及びその変形例１における全熱交換器１、１０１では、固体電解質膜２１の例として、ＮＡＦＩＯＮ膜（登録商標）のようなプロトン導電性を有するフッ素系電解質膜を挙げているが、このようなフッ素系電解質膜は、非常に高価である。
これに対して、固体電解質膜２１として、比較的安価な層状粘土鉱物を原料としたプロトン導電性物質を用い、このようなプロトン導電性物質を膜状に形成したものを使用することが考えられる。ここで、層状粘土鉱物としては、天然モンモリナイロナイト、スメクタイト、カオリナイト、パイロフェライト、バーミキュライト、酸性白土、ハイドロタルサイト等を使用することができる。そして、このような層状粘土鉱物にアルミニウムイオン等のイオン種を付与することでプロトン導電性を持たせるようにしている。

このようなプロトン導電性を有する層状粘土鉱物を原料とした固体電解質膜を、全熱交換器１、１０１における全熱交換素子２、１０２の固体電解質膜２１として使用すると、層状粘土鉱物が分子ふるい効果を有しているため、膜間に電圧を印加することにより生じる電気浸透現象を利用して、膜内の水分子を移動させる作用だけでなく、ウイルス、細菌や臭い成分等を分子ふるい効果によって、膜内のウイルス、細菌や臭い成分等を移動させにくくする作用が得られる。

これにより、全熱交換器１、１０１において、第１流路５内を流れる屋内空気ＲＡに含まれる水分を、第２流路６内を流れる屋外空気ＯＡに付与する際に、ウイルス、細菌や臭い成分等の不要な成分が同時に移動するのを抑えることができ、屋内における臭気発生等の問題を防ぐことができる。
このように、全熱交換器１、１０１における全熱交換素子２、１０２の固体電解質膜２１として、プロトン導電性を有する層状粘土鉱物を原料とした固体電解質膜を使用することによって、比較的安価に製造することができるとともに、屋内における臭気発生等の問題も防ぐことができる。

また、上述のプロトン導電性を有する層状粘土鉱物を原料とした固体電解質膜にプロトンを発生させるための触媒やプロトンと酸素とを反応させて水を生成するための触媒を担持させることによって、本実施形態においては、正極２２や負極２３における電極反応を促進したり、変形例１においては、正極としての第１スペーサー部材１０３や負極としての第２スペーサー部材１０４における電極反応を促進するようにしてもよい。ここで、触媒としては、白金を担持したカーボン粉等を用いることができる。

また、上述のプロトン導電性を有する層状粘土鉱物を原料とした固体電解質膜は、層状粘土鉱物の種類等によって吸湿性が異なる。そこで、このような特性を利用して、吸湿性の異なる複数の固体電解質膜を多層化することによって、全熱交換器１、１０１における全熱交換素子２、１０２の固体電解質膜２１を構成して、膜内における水分子の移動速度や移動量を制御するようにしてもよい。

例えば、図５に示されるように、本実施形態の全熱交換器１における全熱交換素子２の固体電解質膜２１を、その正極２２側の部分を構成する低湿度の環境において吸湿性の高い膜（以下、低湿度用膜２１ａとする）と、この低湿度用膜２１ａの負極２３側の部分を構成する高湿度の環境において吸湿性の高い膜（以下、高湿度用膜２１ｂとする）とから構成することにより多層化した場合には、正極２２側の第１流路５を流れる屋内空気ＲＡが低湿度の環境であっても、水分が低湿度用膜２１ａの膜内に導入されやすくなる。そして、低湿度用膜２１ａ内に導入された水分は、電気浸透現象を利用して多量の水分を吸湿することができる高湿度用膜２１ｂに移動し、負極２３側の第２流路６を流れる屋外空気ＯＡに付与されることになる。すなわち、固体電解質膜２１を吸湿性の異なる複数（本変形例では２層であるが、これに限定されない）の膜を多層化した構造にすることによって、膜内における水分子の移動速度や移動量を大きくすることができる（図６参照）。

そうすると、固体電解質膜２１内における水分子の移動速度や移動量に比べて、固体電解質膜２１内におけるウイルス、細菌や臭い成分等の不要な成分の移動速度や移動量が相対的に小さくなるため、層状粘土鉱物が有する分子ふるい効果をさらに効率的に発揮させることができる。
尚、固体電解質膜２１の多層化については、本実施形態の変形例１の全熱交換器１０１においても適用可能であり、全熱交換器１と同様の作用効果を得ることができる。

［第２実施形態］
（１）空気調和装置の概略構成
図５は、本発明の第２実施形態にかかる加湿ユニット２０５が採用された空気調和装置２０１の概略構成を示す図である。
この空気調和装置２０１は、室内の壁面Ｕなどに取り付けられる室内ユニット２０３と、室外に設置される室外ユニット２０２とに分かれて構成されている。室外ユニット２０２は、室外冷媒ユニット２０４と、加湿ユニット２０５とを備えている。室内ユニット２０３と室外ユニット２０２とは、冷媒配管２０６を介して両ユニットの冷媒回路同士が接続されている。また、室内ユニット２０３と室外ユニット２０２とは、加湿ユニット２０５からの供給空気を室内ユニット２０３側に供給するときに使用される給気管２０７によって接続されている。尚、本実施形態において、加湿ユニット２０５は室外冷媒ユニット２０４の上側に重ねられるように配置されている。また、給気管２０７は、加湿ユニット２０５に接続されており、室内の壁面Ｕを貫通して室内ユニット２０３に接続されている。

室内ユニット２０３には、室内熱交換器２３１が設けられている。この室内熱交換器２３１は、冷媒配管２０６を介して室外冷媒ユニット２０４から供給される冷媒と、室内ファン２３２によって室内ユニット２０３内に吸入される屋内空気との間で熱交換を行う。この室内ファン２３２は、屋内空気を室内ユニット２０３内に吸入させるとともに、室内熱交換器２３１内を流れる冷媒との間で熱交換を行った後の空気を室内に吹き出す。さらに、室内ユニット２０３内には、給気管２０７の管端部が挿入されており、加湿ユニット２０５から供給される加湿空気が室内ユニット２０３内に一旦吹き出された後、屋内から吸入された空気とともに、屋内に吹き出されるようになっている。

室外冷媒ユニット２０４には、主として、圧縮機（図示せず）、四路切換弁（図示せず）、室外熱交換器２４１及び電動膨張弁（図示せず）が接続されることによって構成された冷媒回路を備えている。室外熱交換器２４１は、室外冷媒ユニット２０４の背面及び側面に近接するように配置されている。また、室外冷媒ユニット２０４内には、室外熱交換器２３１で熱交換された後の空気を外部に排出するために、室外冷媒ユニット２０４の背面及び側面から空気を内部に取り込んで前面に向かって吹き出す室外ファン２４２が設けられている。

（２）加湿ユニットの構成、動作及び特徴
加湿ユニット２０５は、室外冷媒ユニット２０４の上側に位置するユニットケーシングを備えており、その内部に、全熱交換器タイプの吸湿エレメント２５１が設けられている。吸湿エレメント２５１は、上述の第１実施形態にかかる全熱交換器１（図１及び図２参照）と同じ構造を有しており、その第１流路５が第１空気吸入口２５４と空気排出口２５５とを連通するように、そして、第２流路６が第２空気吸入口２５６と空気供給口２５７とを連通するように、ユニットケーシング内に配置されている。すなわち、本実施形態において、吸湿エレメント２５１は、図１における屋内空気ＲＡの代わりに第１空気吸入口２５４から第１流路５内に屋外空気ＯＡが流入する点が、第１実施形態の全熱交換器１と異なっている。そして、第１空気吸入口２５４から空気排出口２５５までの空気流路には、吸湿ファン２５２が設置されている。また、第２空気吸入口２５６から空気供給口２５７までの空気流路には、加湿ファン２５３が設置されている。これにより、加湿ユニット２０５は、吸湿エレメント２５１の第１流路５に屋外空気ＯＡを流した後に排出空気ＥＡとして屋外に排出でき、吸湿エレメント２５１の第２流路６に屋外空気ＯＡを流した後に給気管２０７を介して供給空気ＳＡとして屋内に供給できるようになっている。

このため、吸湿ファン２５２及び加湿ファン２５３を駆動することによって吸湿エレメント２５１の第１流路５及び第２流路６の両方に屋外空気ＯＡを流すと、屋外空気ＯＡ中に含まれる水分が加湿素子としての全熱交換素子２の固体電解質膜２１に吸湿されて、第１実施形態の全熱交換器１と同様、全熱交換素子２が電解セルを構成することになる（図２及び図３参照）。この状態において、全熱交換素子２の正極２２と負極２３との間に直流電源７を用いて直流電圧を印加すると、第１実施形態の全熱交換器１と同様な電極反応と電気浸透現象を生じさせることができて、第１流路５内を流れる屋外空気ＯＡに含まれる水分を、第２流路６内を流れる屋外空気ＯＡに付与して、第２流路６内を流れる屋外空気ＯＡを加湿することができる。しかも、上述の電極反応は、全熱交換素子２の正極２２と負極２３との間に印加される電圧値や正極２２と負極２３との間を流れる電流値を制御することによって、反応速度を可変することができるため、この場合のように、第１流路５及び第２流路６の両方に屋外空気ＯＡを流す場合（すなわち、水蒸気分圧に差がない場合）であっても、第１流路５内を流れる屋外空気ＯＡに含まれる水分を、第２流路６内を流れる屋外空気ＯＡに付与して加湿し、給気管２０７及び室内ユニット２０３を介して屋内に供給することができる。

このように、この加湿ユニット２０５では、イオン導電性物質からなる固体電解質膜２１と、この固体電解質膜２１の両側に配置された正極２２及び負極２３とからなる素材を加湿素子として使用した吸湿エレメント２５１を備えているため、電気浸透現象を利用して加湿素子の固体電解質膜２１内の水分移動を電気的に制御することができるため、加湿素子の固体電解質膜２１の両側の水蒸気分圧差にかかわらず加湿素子内の水分移動を行うことが可能になり、十分な加湿量を得ることが可能となる。

また、従来の吸着剤や吸湿剤を含む吸湿エレメントを有する加湿ユニットにおいて必要とされていた吸湿エレメントから水分を脱離させるためのヒーターや回転式の吸湿エレメントを回転駆動するためのモーターが不要となるため、加湿ユニット２０５のサイズを小さくすることができる。
（３）変形例１
上述の加湿ユニット２０５では、第１実施形態の全熱交換器１と同じ構造を有する吸湿エレメント２５１を採用しているが、第１実施形態の変形例の全熱交換器１０１（図１及び図４参照）と同じ構造を有する吸湿エレメント３５１を採用した加湿ユニット３０５としてもよい。

本変形例の加湿ユニット３０５においても、上述の加湿ユニット２０５と同様の作用効果が得られる。また、本変形例の加湿ユニット３０５では、複数の加湿素子としての全熱交換素子１０２間に配置される第１及び第２スペーサー部材１０３、１０４が固体電解質膜２１の両側に電圧を印加するための正極及び負極を兼ねているため、吸湿エレメント３５１を構成する部品点数を少なくすることができる。

（４）変形例２
上述の本実施形態及びその変形例１における加湿ユニット２０５、３０５においても、第１実施形態の変形例２における固体電解質膜２１と同様に、吸湿エレメント２５１、３５１を構成する固体電解質膜２１として、プロトン導電性を有する層状粘土鉱物を原料とした固体電解質膜を使用してもよい。

この場合においても、加湿ユニット２０５、３０５において、第１流路５内を流れる屋外空気ＯＡに含まれる水分を、第２流路６内を流れる屋外空気ＯＡに付与する際に、ウイルス、細菌や臭い成分等の不要な成分が同時に移動するのを抑えることができ、屋内における臭気発生等の問題を防ぐことができる。
また、上述のプロトン導電性を有する層状粘土鉱物を原料とした固体電解質膜にプロトンを発生させるための触媒やプロトンと酸素とを反応させて水を生成するための触媒を担持させることによって、本実施形態においては、正極２２や負極２３における電極反応を促進したり、変形例１においては、正極としての第１スペーサー部材１０３や負極としての第２スペーサー部材１０４における電極反応を促進するようにしてもよい。

また、図５に示されるように、本実施形態の加湿ユニット２０５における加湿素子としての全熱交換素子２の固体電解質膜２１を、その正極２２側の部分を構成する低湿度の環境において吸湿性の高い膜（以下、低湿度用膜２１ａとする）と、この低湿度用膜２１ａの負極２３側の部分を構成する高湿度の環境において吸湿性の高い膜（以下、高湿度用膜２１ｂとする）とから構成することにより多層化した場合には、正極２２側の第１流路５を流れる屋外空気ＯＡが低湿度の環境であっても、水分が低湿度用膜２１ａの膜内に導入されやすくなる。そして、低湿度用膜２１ａ内に導入された水分は、電気浸透現象を利用して多量の水分を吸湿することができる高湿度用膜２１ｂに移動し、負極２３側の第２流路６を流れる屋外空気ＯＡに付与されることになる。すなわち、固体電解質膜２１を吸湿性の異なる複数（本変形例では２層であるが、これに限定されない）の膜を多層化した構造にすることによって、膜内における水分子の移動速度や移動量を大きくすることができる（図６参照）。

そうすると、固体電解質膜２１内における水分子の移動速度や移動量に比べて、固体電解質膜２１内におけるウイルス、細菌や臭い成分等の不要な成分の移動速度や移動量が相対的に小さくなるため、層状粘土鉱物が有する分子ふるい効果をさらに効率的に発揮させることができる。
尚、固体電解質膜２１の多層化については、本実施形態の変形例１の加湿ユニット３０５においても適用可能であり、加湿ユニット２０５と同様の作用効果を得ることができる。

［第３実施形態］
（１）加湿ユニットの構成
図６は、本発明の第３実施形態にかかる加湿ユニット４０１の概略構成を示す図である。
加湿ユニット４０１は、屋内に配置されて使用される給水式の加湿ユニットであり、主として、各種機器を収納するユニットケーシング４０３と、ユニットケーシング４０３内に配置されたイオン導電性物質からなる平板状の固体電解質膜４２１と固体電解質膜４２１の両側に配置された正極４２２及び負極４２３とを有する加湿素子４０２とを備えている。固体電解質膜４２１としては、陽イオン導電性物質や陰イオン導電性物質を使用することが可能であるが、上述の実施形態と同様、陽イオン導電性物質であるプロトン交換膜が使用されている。ユニットケーシング４０３内には、加湿素子４０２の正極４２２側に第１空間４０５が形成されている。この第１空間４０５内には、水タンク４０４が配置されており、加湿源としての水分が供給されるようになっている。また、ユニットケーシング４０３内には、加湿素子４０２の負極４２３側に第２空間４０６が形成されている。この第２空間４０６内には、送風ファン４０７が配置されており、被加湿対象としての屋内空気ＲＡを第２空間４０６内に吸入し、加湿素子４０２の負極４２３側に接触させた後に再び屋内に供給空気ＳＡとして供給できるようになっている。

（２）加湿ユニットの動作及び特徴
次に、本実施形態の加湿ユニット４０１の動作及び特徴について説明する。
まず、加湿ユニット４０１の第１空間４０５の加湿源としての水分を加湿素子４０２の固体電解質膜４２１に吸湿させて、加湿素子４０２からなる電解セルを構成する。この状態において、加湿素子４０２の正極４２２と負極４２３との間に直流電源４０８を用いて直流電圧を印加すると、正極４２２及び負極４２３において、それぞれ、以下の電極反応が起こる。

２Ｈ₂Ｏ → Ｏ₂ ＋ ４Ｈ⁺ ＋ ４ｅ^- （正極）
Ｏ₂ ＋ ４Ｈ⁺ ＋ ４ｅ^- → ２Ｈ₂Ｏ （負極）
このような電極反応によって、正極４２２においては水素イオン（Ｈ⁺）が生成し、負極４２３においては水が生成することになる。また、正極４２２と負極４２３との間に直流電圧を印加することによって、固体電解質膜４２１に電場が発生しているため、正極４２２において生成した水素イオンが固体電解質膜４２１内を正極４２２側から負極４２３側に向かって移動することになる。この際、固体電解質膜４２１に吸湿された水分子が水素イオンの移動に引きずられる電気浸透現象が生じて、固体電解質膜４２１内を負極４２３側に移動することになる。そして、電気浸透現象によって固体電解質膜４２１の負極４２３側に移動した水は、負極４２３における電極反応によって生成した水とともに、送風ファン４０７によって加湿素子４０２の負極４２３側の第２空間４０６を流れる屋内空気ＲＡに付与されることとなり、第２空間４０６を流れる屋内空気ＲＡを加湿し、供給空気ＳＡとして屋内に供給することができる。しかも、上述の電極反応は、加湿素子４０２の正極４２２と負極４２３との間に印加される電圧値や正極４２２と負極４２３との間を流れる電流値を制御することによって、反応速度を可変することができるため、例えば、第１空間４０５内の加湿源としての水分の供給量が少なく、第１空間４０５内における水蒸気分圧が第２空間４０６内を流れる屋内空気ＲＡに含まれる水蒸気分圧よりも低い場合であっても、第１空間４０５内の水分を、第２空間４０６内を流れる屋内空気ＲＡに付与して、加湿することができる。

このように、この加湿ユニット４０１では、電気浸透現象を利用して加湿素子４０２の固体電解質膜４２１内の水分移動を電気的に制御することができるため、加湿素子４０２の固体電解質膜４２１の両側の水蒸気分圧差にかかわらず加湿素子４０２内の水分移動を行うことが可能になり、十分な加湿量を得ることが可能となる。
また、この加湿ユニット４０１において、正極と負極とが逆になるように、すなわち、正極４２２を負極として機能させ、負極４２３を正極として機能させるように、直流電源４０８から正極４２２と負極４２３との間に直流電圧を印加することによって、第２空間４０６内を流れる屋内空気ＲＡに含まれる水分を第１空間４０５内に放出して水タンク４０４に溜めるとともに、水分の放出により除湿された屋内空気ＲＡを供給空気ＳＡとして屋内に供給することも可能である。

（３）変形例
上述の本実施形態における加湿ユニット４０１においても、第１実施形態の変形例２や第２実施形態の変形例２における固体電解質膜２１と同様に、加湿素子４０２を構成する固体電解質膜４２１として、プロトン導電性を有する層状粘土鉱物を原料とした固体電解質膜を使用してもよい。

この場合においても、加湿ユニット４０１において、第１空間４０５内の水分を、第２空間４０６内を流れる屋内空気ＲＡに付与する際に、第１空間４０５内のウイルス、細菌や臭い成分等の不要な成分が同時に移動するのを抑えることができ、屋内における臭気発生等の問題を防ぐことができる。
また、上述のプロトン導電性を有する層状粘土鉱物を原料とした固体電解質膜にプロトンを発生させるための触媒やプロトンと酸素とを反応させて水を生成するための触媒を担持させることによって、本実施形態においては、正極４２２や負極４２３における電極反応を促進するようにしてもよい。

また、図５に示されるように、本実施形態の加湿ユニット４０１における加湿素子４０２の固体電解質膜４２１を、その正極４２２側の部分を構成する低湿度の環境において吸湿性の高い膜（以下、低湿度用膜４２１ａとする）と、この低湿度用膜４２１ａの負極４２３側の部分を構成する高湿度の環境において吸湿性の高い膜（以下、高湿度用膜４２１ｂとする）とから構成することにより多層化した場合には、正極４２２側の第１空間４０５内が低湿度の環境であっても、水分が低湿度用膜４２１ａの膜内に導入されやすくなる。そして、低湿度用膜４２１ａ内に導入された水分は、電気浸透現象を利用して多量の水分を吸湿することができる高湿度用膜４２１ｂに移動し、負極４２３側の第２空間４０６を流れる屋内空気ＲＡに付与されることになる。すなわち、固体電解質膜２１を吸湿性の異なる複数（本変形例では２層であるが、これに限定されない）の膜を多層化した構造にすることによって、膜内における水分子の移動速度や移動量を大きくすることができる（図６参照）。

そうすると、固体電解質膜４２１内における水分子の移動速度や移動量に比べて、固体電解質膜４２１内におけるウイルス、細菌や臭い成分等の不要な成分の移動速度や移動量が相対的に小さくなるため、層状粘土鉱物が有する分子ふるい効果をさらに効率的に発揮させることができる。
［他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。

例えば、前記第１〜第３実施形態の全熱交換器及び加湿ユニットにおいて、固体電解質膜として陽イオン導電性物質の代わりに陰イオン導電性物質を使用することも可能である。この場合には、固体電解質膜内における水分子の移動が負極側から正極側に向かって移動するという違いはあるが、全熱交換性能や加湿性能については、陽イオン導電性物質を使用する場合と同様な効果が得られる。

本発明を利用すれば、透湿膜の両側における水蒸気分圧差にかかわらず、透湿膜内の水分移動を行うことができる全熱交換器及び加湿装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態にかかる全熱交換器の要部を示す斜視図である。 全熱交換器の一部を模式的に示した断面図である。 全熱交換素子における電極反応及び電気浸透現象を説明する図である。 第１実施形態の変形例１にかかる全熱交換器の一部を模式的に示した断面図である。 吸湿性の異なる膜を多層化することにより構成された固体電解質膜の一部を模式的に示した断面図である。 吸湿性の異なる膜を多層化することにより構成された固体電解質膜における吸湿性能を示すグラフである。 本発明の第２実施形態にかかる加湿ユニットが採用された空気調和装置の概略構成を示す図である。 本発明の第３実施形態にかかる加湿ユニットの概略構成を示す図である。

符号の説明

１、１０１ 全熱交換器
２、１０２、４０２ 全熱交換素子、加湿素子
５ 第１流路
６ 第２流路
２１ 固体電解質膜
２２、４２２ 正極
２３、４２３ 負極
１０３ 第１スペーサー部材
１０４ 第２スペーサー部材
２５１、３５１ 吸湿エレメント
２０５、３０５、４０１ 加湿ユニット
４０５ 第１空間
４０６ 第２空間
ＯＡ 屋外空気
ＲＡ 屋内空気

Claims (13)

1. ２つの空気流（ＲＡ、ＯＡ）の間で顕熱交換及び潜熱交換を行う全熱交換器であって、
   イオン導電性物質からなる固体電解質膜（２１）と前記固体電解質膜の両側に配置された正極（２２）及び負極（２３）とを有する全熱交換素子（２）を、前記正極同士又は前記負極同士が対向するように間隔を空けて複数配置することによって、前記２つの空気流がそれぞれ流れる複数の第１及び第２流路（５、６）が交互に形成されており、
   前記正極と前記負極との間に電圧を印加することにより生じる電気浸透現象を利用して、前記固体電解質膜内の水分子を移動させることによって、前記第１流路内を流れる空気流に含まれる水分を、前記第２流路内を流れる空気流に付与することが可能である、
   全熱交換器（１）。
2. ２つの空気流（ＲＡ、ＯＡ）の間で顕熱交換及び潜熱交換を行う全熱交換器であって、
   前記２つの空気流がそれぞれ流れる複数の第１及び第２流路（５、６）が交互に形成されるように間隔を空けて配置されており、イオン導電性物質からなる固体電解質膜（２１）を有する複数の全熱交換素子（１０２）と、
   前記各第１流路を挟んで対向する前記各１対の全熱交換素子の両方に接触するように配置されており、前記各１対の全熱交換素子の間隔を保持するとともに、正極及び負極の一方の機能を有する複数の第１スペーサー部材（１０３）と、
   前記各第２流路を挟んで対向する前記各１対の全熱交換素子の両方に接触するように配置されており、前記各１対の全熱交換素子の間隔を保持するとともに、正極及び負極の他方の機能を有する複数の第２スペーサー部材（１０４）とを備え、
   前記第１スペーサー部材と前記第２スペーサー部材との間に電圧を印加することにより生じる電気浸透現象を利用して、前記固体電解質膜内の水分子を移動させることによって、前記第１流路内を流れる空気流に含まれる水分を、前記第２流路内を流れる空気流に付与することが可能である、
   全熱交換器（１０１）。
3. 前記固体電解質膜（２１）は、プロトン導電性を有する層状粘土鉱物を膜状に形成したものである、請求項１又は２に記載の全熱交換器（１、１０１）。
4. 前記固体電解質膜（２１）は、プロトンを発生させるための触媒を担持している、請求項３に記載の全熱交換器（１、１０１）。
5. 前記固体電解質膜（２１）は、プロトンと酸素とを反応させて水を生成するための触媒を担持している、請求項３又は４に記載の全熱交換器（１、１０１）。
6. 前記固体電解質膜（２１）は、吸湿性の異なる複数の膜を多層化した構造を有している、請求項３〜５のいずれかに記載の全熱交換器（１、１０１）。
7. イオン導電性物質からなる固体電解質膜（２１）と前記固体電解質膜の両側に配置された正極（２２）及び負極（２３）とを有する加湿素子（２）を、前記正極同士又は前記負極同士が対向するように間隔を空けて複数配置することによって、２つの空気流（ＯＡ、ＯＡ）がそれぞれ流れる複数の第１及び第２流路（５、６）が交互に形成された吸湿エレメント（２５１）を備え、
   前記正極と前記負極との間に電圧を印加することにより生じる電気浸透現象を利用して、前記固体電解質膜内の水分子を移動させることによって、前記第１流路内を流れる空気流に含まれる水分を、前記第２流路内を流れる空気流に付与し、前記第２流路内を流れる空気流を加湿する、
   加湿装置（２０５）。
8. ２つの空気流（ＯＡ、ＯＡ）がそれぞれ流れる複数の第１及び第２流路（５、６）が交互に形成されるように間隔を空けて配置されておりイオン導電性物質からなる固体電解質膜（２１）を有する複数の加湿素子（１０２）と、前記各第１流路を挟んで対向する前記各１対の加湿素子の両方に接触するように配置されており前記各１対の加湿素子の間隔を保持するとともに正極及び負極の一方の機能を有する複数の第１スペーサー部材（１０３）と、前記各第２流路を挟んで対向する前記各１対の加湿素子の両方に接触するように配置されており、前記各１対の加湿素子の間隔を保持するとともに、正極及び負極の他方の機能を有する複数の第２スペーサー部材（１０４）とを有する吸湿エレメント（３５１）を備え、
   前記第１スペーサー部材と前記第２スペーサー部材との間に電圧を印加することにより生じる電気浸透現象を利用して、前記固体電解質膜内の水分子を移動させることによって、前記第１流路内を流れる空気流に含まれる水分を、前記第２流路内を流れる空気流に付与し、前記第２流路内を流れる空気流を加湿する、
   加湿装置（３０５）。
9. イオン導電性物質からなる固体電解質膜（４２１）と前記固体電解質膜の両側に配置された正極（４２２）及び負極（４２３）とを有する加湿素子（４０２）を、ケーシング（４０３）内に配置することによって、前記正極及び前記負極の一方側に形成され加湿源としての水分が供給される第１空間（４０５）と、前記正極及び前記負極の他方側に形成され被加湿対象としての空気（ＲＡ）が流れる第２空間（４０６）とが形成されており、
   前記正極と前記負極との間に電圧を印加することにより生じる電気浸透現象を利用して、前記固体電解質膜内の水分子を移動させることによって、前記第１空間内の水分を、前記第２空間内を流れる空気に付与し、前記第２空間内を流れる空気を加湿する、
   加湿装置（４０１）。
10. 前記固体電解質膜（２１、４２１）は、プロトン導電性を有する層状粘土鉱物を膜状に形成したものである、請求項７〜９のいずれかに記載の加湿装置（２０５、３０５、４０１）。
11. 前記固体電解質膜（２１、４２１）は、プロトンを発生させるための触媒を担持している、請求項１０に記載の加湿装置（２０５、３０５、４０１）。
12. 前記固体電解質膜（２１、４２１）は、プロトンと酸素とを反応させて水を生成するための触媒を担持している、請求項１０又は１１に記載の加湿装置（２０５、３０５、４０１）。
13. 前記固体電解質膜（２１、４２１）は、吸湿性の異なる複数の膜を多層化した構造を有している、請求項１０〜１２のいずれかに記載の加湿装置（２０５、３０５、４０１）。

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