JP3920132B2

JP3920132B2 - 湿度交換器

Info

Publication number: JP3920132B2
Application number: JP2002117706A
Authority: JP
Inventors: 秀雄前田; 喜之森広; 晃久吉村; 英男市村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-04-19
Filing date: 2002-04-19
Publication date: 2007-05-30
Anticipated expiration: 2022-04-19
Also published as: JP2003314983A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、湿潤したガスと乾燥したガスとの間に水蒸気を透過する透湿膜を介在させて前記乾燥ガスを湿潤化させる湿度交換器に関し、詳しくは、例えば、加湿されたガスの高い到達露点を要求される燃料電池において、既反応ガス（加湿されたガス）の水分及び熱を回収して乾燥した未反応ガスに移動する温湿度交換器としても利用できる湿度交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術の第１例として、（株）オーム社が８０年２月に発行した「空調標準テキスト」の１５７頁に記載された、空調用の固定式全熱交換器を図９に基づいて説明する。図９は積層体の一部を示す断面斜視図である。
【０００３】
図９において、この積層体は、熱通過と透湿性のある特殊アスベスト紙製の仕切板５１と特殊クラフト紙製の間隔板５２とが交互に重ねられて形成されており、この仕切板５１と間隔板５２とによって、室内空気と室外空気の給排気が互いにこれらの間を分離し、通過するように構成されたものであり、汚れた室内空気（高温湿潤）中の熱と水分とが、前記仕切板５１を介して新鮮な外気（低温乾燥）に回収移動されて、室内と室外との温湿度が交換される。
【０００４】
次に、従来技術の第２例として、燃料電池に用いられる温湿度交換器について説明する。
一般に、燃料電池は、電解質を介して一対の電極を接触させ、この一方の電極に燃料を、他方の電極に酸化剤を供給して、燃料の酸化を電池内で電気化学的に反応させることにより、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。
このような燃料電池としては電解質に応じて幾つかの型があるが、近来、比較的高性能な燃料電池として、電解質体に固体高分子を用いたものが注目されている。
【０００５】
例えば、電解質体にプロトン導電性の固体高分子を用いた燃料電池においては、燃料電極に水素ガスを、酸化剤電極に酸素ガスを供給して、外部回路より電流を取り出すとき、次のような反応が生じる。
陰極反応：Ｈ_２→２Ｈ^＋+２ｅ⁻ （１）
陽極反応：２Ｈ^＋+２ｅ⁻+１／２Ｏ_２→Ｈ_２０（２）
【０００６】
このとき、アノード電極上で水素はプロトンとなり、水を伴って電解質体中をカソード電極上まで移動し、カソード電極上で酸素と反応して水を生ずる。
又、このとき、水素イオンを伝導する電解質膜の伝導度は水分を含むことにより発現するので、上記の反応を円滑に生じさせるためには、電解質膜を湿潤に保つ必要があり、このため供給ガスを湿潤化させる必要がある。
【０００７】
供給ガス即ち未反応ガスを湿潤化させるには水分の確保と熱の供給が必要である。燃料電池では、既反応ガス（湿潤ガス）中の水分を温湿度交換器によって回収して未反応ガス（乾燥ガス）に移動する方法が用いられている。
これを、例えば、ＷＯ００／１４８１９号に記載されている温湿度交換器を例にして、図１０に基づいて説明する。図１０は温湿度交換器の分解斜視図である。
【０００８】
図１０において、この温湿度交換器では、熱と湿度とを透過する透湿膜６１がガスケット６２を介して、ガス流路溝を備えたセパレータ板６３に狭持されて構成されており、燃料電池の給排気が互いにこれらの間を分離して通過する際に、高温湿潤の既反応ガス中の熱と水分とが、透湿膜６１を介して、低温乾燥の未反応ガスに回収移動される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
高分子電解質型の燃料電池では、例えば、７０℃から８０℃の比較的高温で運転されることが多く、従って、供給ガス（未反応ガス）の露点も７０℃前後の高露点にまで加湿する必要がある。
空気利用率を５０％程度で運転し、供給ガスを７０℃の露点で加湿したときの空気排ガスの露点は８０℃弱程度となり、温湿度交換による露点差は１０℃程度しか許容されない。
【００１０】
しかし、例えば、先に説明した第１の従来例のように、ガス流路とスペーサとを兼ねるクラフト紙製の間隔板５２の構成では、ガスは直交流で流すことになるため、供給ガス（未反応ガス）の露点を排ガス（既反応ガス）の露点に近づけるには、数段に分割した温湿度交換器が必要となる。
又、クラフト紙製の間隔板５２は、高温多湿の条件下では、加水分解により強度が低下して数日で崩れてしまうという難点がある。
【００１１】
他方、第２の従来例のように、セパレータ板６３でしっかりとした流路を形成した場合には、流路空間当りの温湿度交換効率も高く、到達露点も高くすることができるが、マニホールド形成のための膜やガスケットの形成といった工程や、発電部に必要な面圧（例えば、数気圧から２０気圧）に耐える剛性等を必要とするため、製造コストが嵩むという問題がある。
【００１２】
本発明は、上記のような問題を解消し、製造コストが低く、小型軽量にして十分な機械的な強度を備え、高効率で湿度交換でき、しかも、温湿度交換器としても利用できる湿度交換器の提供を目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、湿潤したガスと乾燥したガスとの間に水蒸気を透過する透湿膜を介在させて前記乾燥ガスを湿潤化させる湿度交換器において、ガスの流入口と流出口とを有する周枠に囲まれた上下方向開放の内部空間を備えた枠体と前記透湿膜とを前記枠体の上下方向に交互に気密に重ねて外部に対して気密な積層体を形成し、前記積層体の各透湿膜を介して湿度交換が行われるよう各透湿膜に接する一方の内部空間に湿潤したガスを、他方の内部空間に乾燥したガスを通し、前記積層体は、前記透湿膜を間において上下に重ねられる一方の枠体側に嵌合凸部を、他方の枠体側に嵌合凹部を設け、前記嵌合凸部と嵌合凹部とを嵌め合わせて形成されたことを特徴とする湿度交換器にある。
また、湿潤したガスと乾燥したガスとの間に水蒸気を透過する透湿膜を介在させて前記乾燥ガスを湿潤化させる湿度交換器において、ガスの流入口と流出口とを有する周枠に囲まれた上下方向開放の内部空間を備えた枠体と前記透湿膜とを前記枠体の上下方向に交互に気密に重ねて外部に対して気密な積層体を形成し、前記積層体の各透湿膜を介して湿度交換が行われるよう各透湿膜に接する一方の内部空間に湿潤したガスを、他方の内部空間に乾燥したガスを通し、前記積層体は、各枠体の内部空間を仕切る流路壁によって当該枠体の前記ガスの流入口から流出口までのガス流路が複数設けられ、前記透湿膜を間において上下に重ねられる一方の枠体の前記ガスの流入口と流出口とが前記枠体の同じ側の前記周枠に形成され、当該枠体の内部空間の前記ガス流路が、コ字形に形成されたことを特徴とする湿度交換器にある。
【００１５】
又、本発明は、積層体は、重ねられた際に透湿膜の縁部を上下方向から挟む、上方に位置する枠体の周枠の下方側縁部と下方に位置する枠体の周枠の上方側縁部との上下の相対面を、当該周枠の厚さ方向断面に屈曲線となる噛み合い形状に形成されたことを内容とする。
【００１６】
又、本発明は、積層体は、重ねられた際に接する枠体の縁部と透湿膜の縁部とを接着して形成されたことを内容とする。
【００１７】
又、本発明は、積層体は、各枠体のガスの流入口或いは流出口として周壁に開設される開口部に、当該開口部を横切る桟を設けて当該開口部の剛性が高められたことを内容とする。
【００１８】
又、本発明は、積層体は、各枠体の内部空間を仕切る流路壁によって当該枠体の流入口から流出口までのガス流路が複数設けられた枠体によって形成されたことを内容とする。
【００１９】
又、本発明は、積層体は、複数の枠体が互いの出入口が連通されるよう横並びに隣接されて１つの層を成す拡大枠体が、透湿膜を介して積層されて形成されたことを内容とする。
【００２０】
又、本発明は、積層体は、透湿膜を間において上下に重ねられる一方の枠体又は拡大枠体のガス流路と他方の枠体又は拡大枠体のガス流路とが、少なくともガス流路の一部にて、ガス流が交差又は対向する方向に流れるよう設けられたことを内容とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
実施の形態１において、燃料電池の温湿度交換器として用いられる湿度交換器を例に、図１乃至図３に基づいて説明する。図１は湿度交換器の構成を示す分解斜視図、図２はその部分拡大説明図、図３は給排用マニホールドを設けた状態を示す斜視図である。
【００２２】
図１において、１Ａ、１Ｂは枠体である。枠体１Ａ、１Ｂは、上下方向開放の内部空間２を形成するよう周枠３が巡らされた枠型形状であり、各枠体１Ａ、１Ｂの周枠３には、各々当該枠体１Ａ、１Ｂ内の内部空間２にガスが出入りする出入口としての流入口４と流出口５とが形成されている。
【００２３】
図示の枠体１Ａ、１Ｂは、例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等の樹脂製で、肉厚がほぼ１ｍｍ、高さ４ｍｍの１０ｃｍ四方の角形をした成形品である。枠体１Ａ、１Ｂの四隅の角には、幅５ｍｍ、高さ５ｍｍの出っ張り部６が柱状に設けられている。
又、流入口４と流出口５とは、四角枠の相対する周枠３の一方側と他方側とに設けてあり、流入口４から内部空間２に流入したガスは直線的に流れて流出口５から流出する。
【００２４】
２０は透湿膜である。この透湿膜２０は、湿潤したガスと乾燥したガスとの間に介在して水蒸気、従って湿気と温度とを透過させる膜である。この形態１では、厚み５０μｍ、空隙率５０％のＰＴＦＥ多孔質膜を用いている。
この透湿膜２０を間において、上記枠体１Ａ、１Ｂが上下に位置する。即ち、上記枠体１Ａと枠体１Ｂとの間に透湿膜２０を介在させ、流入口４及び流出口５を除き、内部空間２の上下が気密に塞がれるよう、枠体１Ａと透湿膜２０と枠体１Ｂの順に、順次積み重ねられ、外部に対して気密な積層体１０が形成される。
【００２５】
尚、上記枠体１Ａと枠体１Ｂとは、内部空間２にガス流路が複数形成された場合における流路設定の違い（詳しくは後述する）に止まる外には相違がなく、機能的には同様の枠体である。従って、以下、枠体１Ａと枠体１Ｂとを区別せずに、単に枠体１ともいう。この意味で、上記積層体１０は枠体１（枠体１Ａ、枠体１Ｂ）の上下方向に、当該枠体１と上記透湿膜２０とが交互に気密に積み重ねられたものである。
【００２６】
図１及び図２において、枠体１と透湿膜２０とによって交互に重ねられる積層体１０は、透湿膜２０を介して上下に位置する枠体１の一部に設けられた嵌合部を互いに嵌合させて積層されている。
即ち、積層体１０の最上層に位置する枠体１（図示せず）の上面側と、最下層に位置する枠体１（図示せず）の下面側とを除いて、各枠体１の出っ張り部６の上面部に上面側嵌合部を設けると共に、下面部に下面側嵌合部とを設けている。この実施の形態１では、図２に示すように、上面側嵌合部として嵌合凸部６１を、下面側嵌合部として嵌合凹部６２を設けてある。嵌合凸部６１は、この例では直径２ｍｍ高さ２ｍｍで、胴回りが膨らんだ円柱状突起とされており、嵌合凹部６２は直径２ｍｍで開口部分を少し狭くした嵌合穴としてある。
【００２７】
上下の枠体１Ａと枠体１Ｂとの間に挟まれる透湿膜２０は、当該透湿膜２０の四隅が、上下に位置する枠体１Ａ、１Ｂの嵌合凹部６２と嵌合凸部６１とに挟み込まれた状態に重ねられる。この場合、予め透湿膜２０は、嵌合凹部６２と嵌合凸部６１とに挟み込まれた膜の４隅が、出っ張り部６を越えて外にはみ出さないサイズとしてある。
【００２８】
このように構成された枠体１と透湿膜２０とを、例えば、１０個の枠体１と９枚の透湿膜２０とで、枠体１と透湿膜２０とを交互に積み重ねて積層体１０を構成する場合（図示せず）、奇数番目の枠体１と偶数番目の枠体１との、内部空間２を通るガス流路が交差するように、即ち、流入口４から流出口５へ向かう軸が交差するように配置すると、透湿膜２０を介しての水蒸気の交換を効率よく行わせることができる。
【００２９】
又、積層体１０の４つの側面のうち、一方の側面側を、例えば湿潤したガスの流入口４側とし、他方の側面側をその流出口５側とし、更に、別の一方の側面側を乾燥したガスの流入口４側とし、他方の側面側をその流出口５側とすることができるので、積層体１０の４つの側面側に、各々相応する給排ガスの給排用マニホールを配置することができ、ガス流路を効率よく設定することができる。
【００３０】
図３において、４０Ａは湿潤ガスの積層体１０への供給用マニホールドであり、各枠体１Ａの流入口４０が開口する積層体１０の側面側に取り付けてある。又、５０Ａは湿潤ガスの排気用マニホールドである。
同様に、４０Ｂは乾燥ガスの積層体１０への供給用マニホールドであり、各枠体１Ｂの流入口４０が開口する積層体１０の側面側に取り付けてある。又、５０Ｂは湿潤ガスの排気用マニホールドである。
【００３１】
尚、図中の符号１１は、積層体１０の最上部に位置する枠体１の上方開放側を気密に覆う端板である。積層体１０の最下部に位置する枠体１の下方開放側にも、同様に、気密に覆う端板が設けてある（図示せず）。
これら上下の端板１１は、例えばＰＰＳ製であり、当該端板１１の一部に、対応する枠体１の上面側或いは下面側の嵌合部と嵌合する嵌合部を設けて、嵌め込みにて組み付けてある（図示せず）。
【００３２】
この実施の形態１によれば、積層体１０は、上下の枠体１が嵌合部による嵌合によって積層されているので、十分な機械的な強度を備え、剛性の高いものとなる。
又、透湿膜２０が上下の枠体１によって、より確実に挟持されるので、枠体１の内部空間２の気密性を高めることができる、高効率で湿度交換を行うことができる。
【００３３】
実施の形態２．
実施の形態２は、上記実施の形態１において、各枠体１の四隅の各出っ張り部６の上下面側に設けられた上面側嵌合部６１や下面側嵌合部６２を特に設けずに、枠体１の周枠３と透湿膜２０の周囲の縁部とが積層の際に上下に重なって接する部分に、例えば、シリコン系の接着剤等を塗布して積層体を維持させるように構成したものである（図示せず）。
【００３４】
この実施の形態２によれば、出っ張り部６の上下面側に上面側嵌合部６１や下面側嵌合部６２を設けず、適当な接着剤を用いて組み付けて積層体１０を構成することにより、重ね合わせ面のシール性能が高められると共に、積層体１０を堅牢な構成とすることができる。
又、出っ張り部６の上下側の面に上面側嵌合部６１や下面側嵌合部６２を設けて、接着剤を用いると共に当該嵌合部を嵌合させることによって、更に積層体１０の組み付けが確実となり、シール性や剛性が高められる。この場合、上記実施の形態１と同様の作用効果も発揮される。
【００３５】
実施の形態３．
実施の形態３は、上記実施の形態１及び２において、更に、シール性を高めるため、積層体１０を構成する枠体１について、透湿膜２０の上方に位置する枠体１の周枠３の下方側縁部３２と、当該透湿膜２０の下方に位置する枠体１の周枠３の上方側縁部３１との上下の相対面を、当該周枠３、３の厚さ方向断面において屈曲線となって噛み合う形状の噛合部３０に形成した構成としたものである。
以下、これを図４及び図５に基づいて説明する。図４は枠体の斜視図、図５は上下に重ねられた枠体の拡大断面図である。尚、上記実施の形態１、２で説明した符号と同じ符号は同じ内容である。
【００３６】
図４及び図５において、透湿膜２０の下方に位置する枠体１Ａの四角な周枠３の上方側縁部の端面と、当該透湿膜２０の上方に位置する枠体１Ｂの四角な周枠３の下方側縁部の端面とは、透湿膜２０を介して上下に相対する面（相対面）となるが、この相対面を単なる平面で合致させず、凹凸面にて合致させるように形成してある。
図５に示す例では、内部空間２から周枠３の外側に向けて(図の)左側から右側）、即ち、周枠３の厚さ方向断面において、相対面３０（３１と３２）が波状となって噛合（合致）するよう、当該相対面３０（３１と３２）に噛合部３０を設けている。
【００３７】
この実施の形態３によれば、枠体１と透湿膜２０とを順次積層する際に、上下の枠体１Ｂ、１Ａの噛合部３０に挟まれた透湿膜２０の縁部に集中荷重がかかるため、枠体１の内部空間２が、流入口４及び流出口５を除いて、より確実に密閉された空間となる。
例えば、内部空間２に２００ｍｍＡｑ程度の正圧がかかった場合でも、内部空間２内のガス（湿潤ガス又は乾燥ガス）が、枠体１の外や枠体１の上下において当該透湿膜２０を介して隔てられて隣接する他のガス側（湿潤ガス側或いは乾燥ガス側）へ漏洩することなく、温湿度交換を行わせることができる。
【００３８】
実施の形態４．
実施の形態４は、上記実施の形態１乃至３において、枠体１の周枠３に形成される流入口４や流出口５の開口部における剛性を高めるため、当該開口部（流入口４や流出口５）を横切る桟を適宜設けて、剛性を高めた構成としたものである。これを図６に基づいて説明する。図６は枠体の斜視図である。尚、上記実施の形態１乃至３で説明した符号と同じ符号は同じ内容である。
【００３９】
図６において、四角形状に形成された枠体１の周枠３の４辺のうち、相対する二辺の側には、一方に流入口４、他方に流出口５が、当該辺の長方形をした側部の輪郭に相応して縮小された相似形態にて、比較的大きく形成されている。
図示の例では、枠体１の高さが４ｍｍの場合、周枠３の上下０．８ｍｍを残した２．４ｍｍを上下方向の開口幅とし、左右方向の開口幅は９ｃｍとしてある。
このように、広い開口部をそのままにしておくと、積層体１０の荷重を受けて、枠体１が歪んで開口部が変形し、シール性が低下して内部空間２のガスが漏れる恐れがある。
【００４０】
この実施の形態４では、このような開口部に、例えば、底辺８ｍｍ、高さ４ｍｍの２等辺三角形を形成する幅０．５ｍｍの補強桟４５を設けた。勿論、このような補強桟４５は必ずしも図示の形態に限定される必要はなく、少なくとも、開口部の一部を横切るよう適宜配置された形態であってよい。
【００４１】
この実施の形態４によれば、積層体１０の荷重がかかっても、枠体１の変形を阻止することができ、従って、高い剛性を備えた積層体、従って、温湿度交換器を提供することができる。
又、開口部が形成された辺の周枠３の上下の縁部において、透湿膜２０の上下の枠体１Ａ、１Ｂが、当該透湿膜２０の縁部を締め付ける力が安定するので、実施の形態１乃至３の各々におけるシール性を更に一段と高めることができる。
例えば、３００ｍｍＡｑ程度の正圧が内部空間２にかかった場合でも、当該内部空間２内に流したガスが外部や隣接するガス側に漏洩することなく、温湿度交換を効率よく行わせることができる。
【００４２】
実施の形態５．
実施の形態５は、上記実施の形態１乃至４において、枠体１の内部空間２に複数のガス流路を設けた構成としたものである。これを図１、図７に基づいて説明する。図７は、図１と異なる設定のガス流路を設けた枠体１を示す斜視図である。尚、上記実施の形態１乃至３で説明した符号と同じ符号は同じ内容である。
【００４３】
図１に示す実施の形態１の枠体１の内部空間２に形成されたガス流路は、四角形状の周枠３の相対する側面の一方に流入口４を、他方に流出口５を設けて、当該内部空間２内に一方方向のガス流路を設け、当該ガス流路を２枚の流路壁３３、３３によって、３筋のガス流路として形成した構成のものである。
この形態１の場合、透湿膜２０の上下に位置する枠体１Ａ、１Ｂは、実質的には同形であり、枠体１の積み重ねにおける方向を９０度違えて、枠体１Ａと枠体１Ｂの両ガス流路が、上下方向において立体的に交差するよう積層されている。
尚、この２枚の流路壁３３、３３は、成形された枠体１に後付けしてもよいし、当該枠体１と共に一体成形してもよい。
【００４４】
他方、図７に示す実施の形態５では、透湿膜２０の上下に位置する２つの枠体１のガス流路の設定を実質的に異にさせている。
図７において、上方に位置する枠体１Ｂは上記実施の形態１の枠体１ＡおよびＢと実質的に同じであるが、説明の都合上、以下、枠体１Ｂとする。
この枠体１Ｂの下方に透湿膜２０を介して位置する枠体１（１Ｃ）のガス流路は次のように構成されている。
即ち、この枠体１Ｃは、枠体１Ａ、１Ｂと同様の基本構成のものであるが、四角形状の枠体１Ｃの一辺の周枠３の側面に、ガスの流入口４と流出口５とを並設したもので、内部に設けられた流路壁３４によって、流入口４から供給されたガスが、当該内部空間２をコ字形に巡って流出口５から流出するようにガス流路が形成されている。
【００４５】
コ字形に巡るガス流路は、３枚の流路壁３４のうち、中央の流路壁３４によって、流入路側と流出路側とに大別され、更に、各流入路及び流出路とが各々１枚の流路壁３４によって２筋のガス流路に分けられている。これら３枚の各流路壁３４の奥側（開口側とは反対側）には、ガスを通過させる通気口３５が設けられている。
このような通気口３５を備えた３枚の流路壁３４は、上記実施の形態１の枠体１Ａ、１Ｂと同様に、成形された枠体１Ｃに後付けしてもよいし、枠体１Ｃと共に一体成形してもよい。
【００４６】
この実施の形態５では、上記の枠体１Ｃと枠体１Ｂとを、透湿膜２０を介して交互に重ねて積層体１０を構成する場合（図示せず）、例えば、下から偶数番目の枠１、この例では枠体１Ｂのガスの流れ方向と、奇数番目の枠体１Ｃのガスの流れ方向とが交差するように重ねる。この積層体１０の組み立て及び給排マニホールド４０Ａ、５０Ａ、４０Ｂ、５０Ｂの取り付けは、上記実施の形態１乃至３の何れかの方法とすればよい。
【００４７】
こうして形成された積層体１０の各枠体１Ｃの流入口４から乾燥ガスを、各枠体１Ｂの流入口４から湿潤ガスを各々供給すると、枠体１Ｃの流出口５付近では、温度と湿度が最も高い湿潤ガスの流入口４側において、透湿膜２０を介して乾燥ガスが接するので、湿潤ガスの露点８０℃に近い７５℃の露点にまで上昇させて、効率的に温湿度交換を行わせることができ、温湿度交換率の高い高性能の温湿度交換器を提唱できる。
尚、これと同条件で、枠体１Ａと枠体１Ｂとを用いて温湿度交換した場合、例えば、上記実施の形態１乃至４の場合における乾燥ガスの到達露点は６８℃であった。
【００４８】
実施の形態６．
実施の形態６は、上記実施の形態１乃至５で説明したような枠体１を水平方向に横並びに所要数隣接させたと同様に一体成形して、積層体１０を構成する一つの拡大された枠体としたものである。以下、この拡大された枠体を拡大枠体１００という。これを図８に基づいて説明する。図８は透湿膜２０を省略して上下の拡大枠体１００を拡大枠体１００Ａ及び拡大枠体１００Ｂとして示した説明図である。尚、上記実施の形態１乃至５で説明した符号と同じ符号は同じ内容である。
【００４９】
図８において、図示の拡大枠体１００Ａと拡大枠体１００Ｂとは、各々、上記実施の形態１乃至５で説明したような枠体１を４つ合わせた規模に相応するもので、枠体１の内部空間２の４つ分に相応する拡大された内部空間（以下、これを拡大内部空間という）を持ち、拡大枠体１００Ａと拡大枠体１００Ｂとにおける当該拡大内部空間のガス流路を、少なくとも当該ガス流路の一部において、対向流となるように構成したものである。
【００５０】
この拡大枠体１００Ａは、上記実施の形態１乃至５で説明した枠体１Ａと同一の形態ではないが実質的に同様の枠体を４つ集めて「田」の字型に隣接させた形態に一体成形したものである。以下、この拡大枠体１００Ａを構成する４つの枠体部分を枠体１Ａという。
拡大枠体１００Ａのガス流路は、ガス流路の上流側に位置する２つの枠体１Ａ、１Ａの各々の流出口５、５と、各々の下流側に位置する２つの枠体１Ａ、１Ａとの流入口４、４とが一体化された連通口４５０を通って、ガスが、拡大内部空間内を、一方側から他方側に直線的に通り抜けるよう設定されている。
尚、この拡大枠体１００Ａに限らず、拡大枠体は、例えば、上記実施の形態１乃至５で説明したような枠体１Ａを４つ集めて「田」の字型に隣接させて、接着剤等の適宜手段を用いて気密に接合して形成してもよい（図示せず）。この場合でも、拡大枠体１００の間に挟まれる透湿膜（図示せず）は、当該拡大枠体の面積に応じた形状とするのが好ましい。
【００５１】
他方の拡大枠体１００Ｂも又、上記実施の形態１乃至５で説明した枠体１と同一の形態ではないが実質的に同様の枠体を４つ集めて「田」の字型に隣接させた形態に一体成形したものである。
図８に示すように、この拡大枠体１００Ｂは、上記の拡大枠体１００Ａを構成する枠体部分の一つと同じ枠体１Ａ２つと、この２つの枠体１Ａに対して、ガス流路の設定が異なる２つの枠体１Ｄ、１Ｅとで、上記拡大枠体１００Ａと同様に一体成形されている。
３つの直線的なガス流路を備えた２つの枠体１Ａ、１Ａは、互いのガス流路が平行となるように配置されている。
他方の枠体１Ｄと１Ｅは、各枠体１Ｄ、１Ｅにおいて、周枠３の隣り合う側部の一方に流入口４が、他方に流出口５が設けられ、当該流入口４から流出口５に向かうガス流路が形成されるように、当該各内部空間２においてＬ字状に折れ曲がるように、大小２つの流路壁３３０、３３０を用いて、枠体１Ａの３つのガス流路に応じた３つのガス流路を備えた枠体の形態とされている。
【００５２】
この枠体１Ｄと枠体１Ｅとは、実質的には同じ形態であり、一方を９０度回転させて、枠体１Ｄの流出口５と枠体１Ｅの流入口４とが合致するように組み合わされ、更に、このように組み合わされた状態で、図８おいて右側の枠体１Ｄの流入口４と同図において右側の枠体１Ａの流出口５とが、又、枠体１Ｅの流出口５と同図おいて左側の枠体１Ａの流入口４とが合致するように組み合わされたと同様の形態となるよう、一体成形されて拡大枠体１００Ｂが形成されている。
以下、拡大枠体１００Ｂとしての流入口を符号４Ｌ、流出口を符号５Ｌで示す。又、この拡大枠体１００Ｂを構成する４つの枠体部分を、以下、引き続いて、各々枠体１Ａ、１Ａ、１Ｄ、１Ｅという。
尚、この拡大枠体１００Ｂも、上記拡大枠体１００Ａと同様に、４つの枠体（部分）１Ａ、１Ａ、１Ｄ、１Ｅを、予め独立した枠体として成形しておき、必要に応じて、適宜隣り合わせ組み合わせて、気密に接合して形成してもよい。
【００５３】
この拡大枠体１００Ｂの流入口４Ｌ、４Ｌ、４Ｌから流入したガスは、枠体１Ｄ、枠体１Ｅの各３つのガス流路を経て、流出口５Ｌ、５Ｌ、５Ｌから流出する。こうして、ガスは拡大枠体１００Ｂの拡大内部空間内をコ字形に巡る。
この拡大枠体１００Ｂの拡大内部空間を巡るガスのコ字形の流れは、上記実施の形態５の枠体１Ｃにおけるガスの折り返しの流れと実質的に同様であり、先の拡大枠体１００Ａの拡大内部空間を巡るガスの直線的な流れもまた、上記実施の形態５の枠体１Ａにおけるガスの直線的な流れと実質的に同様である。
【００５４】
しかし、図示していない透湿膜２０を間に介して、上下に位置する拡大枠体１００Ａと拡大枠体１００Ｂとは、拡大枠体１００Ａに供給されるガスの流れ方向と、拡大枠体１００Ｂに供給されるガスの流れ方向とが、少なくとも、両方のガス流路の一部、特に、湿潤ガスの枠体１００への流入側において、乾燥ガスの流れが対向流となるように、重ね合わせられるとよい。
【００５５】
この実施の形態６では、湿潤ガスを拡大枠体１００Ａに通し、湿潤化される乾燥ガスを拡大枠体１００Ｂに通して、枠体１００Ｂの流出口５Ｌ側において、当該流出口５Ｌに向かう乾燥ガスの流れ方向と、枠体１００Ａを構成する、図８において左側の枠体１Ａの流入口４から当該枠体１Ａに流入する湿潤ガスの流れとが、対向流れとなるように重ねている。
【００５６】
この実施の形態６によれば、拡大枠体１００Ｂの流入口４Ｌから供給された乾燥ガスが、流出口５Ｌ側において、温度と湿度とが最も高い状態で拡大枠体１００Ａの流入口４に供給される湿潤ガスと、透湿膜２０（図示せず）を介して、対向流となって接するので、温湿度交換効率を著しく高めることができる。
例えば、当該対向流の流路領域において、湿潤ガスの露点８０℃に近い７５℃の露点にまで乾燥ガスを上昇させることができる。
【００５７】
又、前記実施の形態５では、１つの枠体で構成されているので、ガスの処理流量は５０リットル／minであったが、この実施の形態６では、拡大枠体が４つの枠体で構成されているので、同じ露点にまで処理できる流量が４倍の２００リットル／minまで増大することができる。
即ち、この実施の形態６によれば、上記実施の形態１乃至５における枠体１や、その設計思想に基づいて、温湿度の交換面積の大きい積層体１０を、比較的容易に設計したり、製造したりすることができるので、需要に応じて、所要の温湿度交換器或いは湿度交換器を低価格にて提供することができる。
【００５８】
【発明の効果】
本発明によれば、需要に応じて、所要の交換能力を備えた、温湿度交換器としても用いることができる湿度交換器を、枠体と透湿膜とを順次積層するだけで比較的容易かつ迅速に製造できるので、低価格で高性能の湿度交換器を迅速に提供することができる。
【００５９】
又、本発明によれば、透湿膜を介して、湿潤ガスと乾燥ガスとの互いの流れが、少なくとも、ガス流路の一部において、交差若しくは対向流となるように構成されているので、温度及び湿度の交換効率を著しく高めることができ、高性能の温湿度及び湿度交換器を提供することができる。
【００６０】
又、本発明によれば、透湿膜を介して上下の枠体が嵌合して組み合わされているので、積層体の気密性及び剛性を高めることができる。
【００６１】
又、本発明によれば、ガスの流出口としての開口部に、補強桟を設けることによって、開口部の剛性を高め、枠体の変形を阻止しているので、積層体の気密性及び剛性を高めることができる。
【００６２】
又、本発明によれば、各枠体の内部空間を流路壁で仕切ることによって、湿潤ガスと乾燥ガスとの流路を、透湿膜を介して、理想的な対向流若しくは交差した流れに設定できるので、乾燥ガスの露点を湿潤ガスの露点近くまで引き上げることができ、従来に比べて、温度及び湿度の交換効率がより高い、高性能の温湿度及び湿度交換器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１の湿度交換器の構成を示す分解斜視図である。
【図２】実施の形態１の湿度交換器の部分拡大説明図である。
【図３】実施の形態１の積層体に給排用マニホールドを設けた状態を示す斜視図である。
【図４】実施の形態３の枠体の斜視図である。
【図５】実施の形態３の上下に重ねられた枠体の拡大断面図である。
【図６】実施の形態４の枠体の斜視図である。
【図７】実施の形態５の枠体を示す斜視図である。
【図８】実施の形態６の拡大枠体１００を示す説明図である。
【図９】従来の全熱交換器の積層体の一部を示す断面斜視図である
【図１０】従来の燃料電池用の温湿度交換器の分解斜視図である
【符号の説明】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ枠体、２内部空間、３周枠、４、４０流入口（開口部）、５、５０流出口（開口部）、４Ｌ流入口（拡大枠体）、５Ｌ流出口（拡大枠体）、１０積層体、２０透湿膜、３０噛合部、３３流路壁、３３０流路壁（拡大枠体）、６１嵌合凸部（嵌合部）、６２嵌合凹部(嵌合部)、１００、１００Ａ、１００Ｂ拡大枠体。

Claims

湿潤したガスと乾燥したガスとの間に水蒸気を透過する透湿膜を介在させて前記乾燥ガスを湿潤化させる湿度交換器において、
ガスの流入口と流出口とを有する周枠に囲まれた上下方向開放の内部空間を備えた枠体と前記透湿膜とを前記枠体の上下方向に交互に気密に重ねて外部に対して気密な積層体を形成し、前記積層体の各透湿膜を介して湿度交換が行われるよう各透湿膜に接する一方の内部空間に湿潤したガスを、他方の内部空間に乾燥したガスを通し、前記積層体は、前記透湿膜を間において上下に重ねられる一方の枠体側に嵌合凸部を、他方の枠体側に嵌合凹部を設け、前記嵌合凸部と嵌合凹部とを嵌め合わせて形成されたことを特徴とする湿度交換器。
湿潤したガスと乾燥したガスとの間に水蒸気を透過する透湿膜を介在させて前記乾燥ガスを湿潤化させる湿度交換器において、
ガスの流入口と流出口とを有する周枠に囲まれた上下方向開放の内部空間を備えた枠体と前記透湿膜とを前記枠体の上下方向に交互に気密に重ねて外部に対して気密な積層体を形成し、前記積層体の各透湿膜を介して湿度交換が行われるよう各透湿膜に接する一方の内部空間に湿潤したガスを、他方の内部空間に乾燥したガスを通し、前記積層体は、各枠体の内部空間を仕切る流路壁によって当該枠体の前記ガスの流入口から流出口までのガス流路が複数設けられ、前記透湿膜を間において上下に重ねられる一方の枠体の前記ガスの流入口と流出口とが前記枠体の同じ側の前記周枠に形成され、当該枠体の内部空間の前記ガス流路が、コ字形に形成されたことを特徴とする湿度交換器。
積層体は、重ねられた際に透湿膜の縁部を上下方向から挟む、上方に位置する枠体の周枠の下方側縁部と下方に位置する枠体の周枠の上方側縁部との上下の相対面を、当該周枠の厚さ方向断面に屈曲線となる噛み合い形状に形成されたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の湿度交換器。
積層体は、重ねられた際に接する枠体の縁部と透湿膜の縁部とを接着して形成されたことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の湿度交換器。
積層体は、各枠体のガスの流入口或いは流出口として周壁に開設される開口部に、当該開口部を横切る桟を設けて当該開口部の剛性が高められたことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載の湿度交換器。
積層体は、各枠体の内部空間を仕切る流路壁によって当該枠体の流入口から流出口までのガス流路が複数設けられた枠体によって形成されたことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかに記載の湿度交換器。
積層体は、複数の枠体が互いの出入口が連通されるよう横並びに隣接されて１つの層を成す拡大枠体が、透湿膜を介して積層されて形成されたことを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れかに記載の湿度交換器。
積層体は、透湿膜を間において上下に重ねられる一方の枠体又は拡大枠体のガス流路と他方の枠体又は拡大枠体のガス流路とが、少なくともガス流路の一部にて、ガス流が交差又は対向する方向に流れるよう設けられたことを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れかに記載の湿度交換器。