JP4892816B2 - 加湿装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池および住宅等の加湿に用いられる加湿装置に関するものである。

従来、この種の加湿装置は、加湿流体として燃料電池の冷却に用いた温水を用いてカソード極に供給する空気を加湿している。（例えば、特許文献１参照）。

図１０は、特許文献１に記載された従来の加湿装置を示すものである。図１０に示すように、燃料電池本体１０２の冷却水を流す加湿流体流路１０２ａと、カソード極に供給する空気を流す被加湿流体流路１０１ａとから構成されている。
特開２００１−１９６０７５号公報

しかしながら、前記従来の構成では、燃料電池を冷却した温水を加湿流体として用いているため冷却水回路からの熱回収量を確保した状態で加湿を行うと加湿能力が不足し、他の加湿源を併用する場合は複数の加湿装置を設けなければならず、装置が複雑になり大型化するなどの課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、温水の消費が少なく小型で大能力を有する加湿装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の加湿装置は、
第１加湿流体流路と加湿膜により分離される第１被加湿流体流路を有する第１加湿器と、
第２加湿流体流路と加湿膜により分離される第２被加湿流体流路を有する第２加湿器と、
を備え、
前記第１被加湿流体流路と前記第２被加湿流体流路とが連通し、
前記第１加湿器と前記第２加湿器とが一体化して形成されており、
前記第１加湿器は、加湿流体流路平板と前記加湿膜と被加湿流体流路平板とを順に複数枚積層して、前端板と被加湿流体通過穴が形成されている中間板とで挟まれて構成しており、
前記第２加湿器は、前記加湿流体流路平板と前記加湿膜と前記被加湿流体流路平板とを順に複数枚積層して、前記中間板と後端板とで挟まれて構成しており、前記第１加湿器と前記第２加湿器とを締結体で締結して形成しており、
前記前端板は被加湿流体入口が下部に形成され、前記後端板は被加湿流体出口が下部に形成され、前記中間板は前記被加湿流体通過穴が上部に形成されている構成としているものである。

これによって、複数の加湿流体を一台の装置で使用することができ、第２加湿流体に用いる温水の消費量を低減することができるので、過大な加湿負荷にも対応が可能な小型で高能力な加湿装置を実現することができる。

本発明の加湿装置は、複数の加湿流体を加湿源として利用することができ、加湿能力を増大して、装置を小型化することができる。

第１の発明は、
第１加湿流体流路と加湿膜により分離される第１被加湿流体流路を有する第１加湿器と、
第２加湿流体流路と加湿膜により分離される第２被加湿流体流路を有する第２加湿器と、
を備え、
前記第１被加湿流体流路と前記第２被加湿流体流路とが連通し、
前記第１加湿器と前記第２加湿器とが一体化して形成されており、
前記第１加湿器は、加湿流体流路平板と前記加湿膜と被加湿流体流路平板とを順に複数枚積層して、前端板と被加湿流体通過穴が形成されている中間板とで挟まれて構成しており、
前記第２加湿器は、前記加湿流体流路平板と前記加湿膜と前記被加湿流体流路平板とを順に複数枚積層して、前記中間板と後端板とで挟まれて構成しており、前記第１加湿器と前記第２加湿器とを締結体で締結して形成しており、
前記前端板は被加湿流体入口が下部に形成され、前記後端板は被加湿流体出口が下部に形成され、前記中間板は前記被加湿流体通過穴が上部に形成されている構成としている加湿装置である。この構成により、被加湿流体を第１加湿流体で加湿した後第２加湿流体で加湿することとなり、１台の装置で被加湿流体を複数の加湿流体で加湿することができ加湿能力を大幅に増大することができる。

また、第１加湿器の第１被加湿流体流路と第２加湿器の第２被加湿流体流路とを被加湿流体通過穴を有する中間板で連結することができるので、平板状の部材を積層して２つの加湿器を一体化することができる。

さらに、被加湿流体流路と第１加湿流体流路中で結露した水分が流路中に滞留するのを防止することとなり、流路の圧力損失上昇を防止して安定して高加湿能力を維持すること
ができる。

第１の発明は、前記第１加湿流体として気体が用いられ、前記第２加湿流体として液体が用いられていてもよい。この構成により、第１加湿流体として気体を用い、第２加湿流体として液体を用いたもので、被加湿流体を高湿気体で加湿したあと温水で加湿することができるので、温水の消費を抑えて大能力の加湿ができる。

また、第１の発明は、
前記被加湿流体出口に設けられている温湿度検出手段と、
前記第２加湿流体流路をバイパスするバイパス管と、
前記バイパス管に設けられている流量調整手段と、
前記温湿度検出手段の検出値に基づいて前記流量調整手段の動作を制御する制御装置と、
を有していてもよい。この構成により、温湿度検出手段の検出値に基づいて制御装置で流量調整手段の開度を制御することとなり、第２加湿流体流路の加湿流体の流量を調整して第２加湿器の能力を制御できるので、被加湿流体の温湿度を任意の値に制御することができる。

また、第１の発明は、
前記被加湿流体出口に設けられている第１液溜めと、
前記第１液溜めから前記第２加湿流体流路に接続する第１戻り管と、
前記第１戻り管に設けられている第１開閉弁と、
前記加湿流体流路出口に設けられている第２液溜めと、
前記第２液溜めから前記第２加湿流体流路に接続する第２戻り管と、
前記第２戻り管に設けられている第２開閉弁と、
を有していてもよい。この構成により、被加湿流体出口に第１液溜めを設け、第１液溜めと第２加湿流体流路とを第１開閉弁を介して第１戻り管で接続し、第１加湿流体流路出口に第２液溜めを設けて、第２液溜めと第２加湿流体流路とを第２開閉弁を介して接続することにより、被加湿流体流路と第１加湿流体流路中で結露した水分を第１液溜めと第２液溜めにためて第２加湿流体流路に送ることとなり、被加湿流体流路と第１加湿流体流路中で結露した余分な水分を第２加湿器で再度加湿に利用することができる。

また、第１の発明は、前記締結体が弾性部材を有していてもよい。この構成により、加湿流体流路平板の厚みが変化した時にも、弾性材であるバネの伸縮により板厚の変化を吸収し締結力を保つこととなり、流体の温度が変化するような運転条件でも漏れを防止して安定した運転ができる。

また、第１の発明は、前記加湿流体流路平板と前記加湿膜と前記被加湿流体流路平板との積層体において、前記積層体の積層方向に平行な側面の端部に防水膜が設けられていてもよい。この構成により、加湿膜と流路平板との間のシールが破壊した場合、防水膜が加湿器内部の流体が外部に漏れるのを防止することとなり、凍結が生じてシールが破壊する温度環境においても装置を運転することができる。

また、第１の発明は、装置全周に断熱材が設けられていてもよい。この構成により、加湿器内部の温度低下を抑制して被加湿流体流路と加湿流体流路で結露するのを防止することとなり、流路の圧力損失増大を押さえて安定した高加湿運転を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものでない。

（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態における加湿装置の構成図を示すものである。

図１において、第１加湿器３ａは加湿膜４で仕切られる第１加湿流体流路１ａと第１被加湿流体流路２ａとを有し、第２加湿器３ｂは加湿膜４で仕切られる第２加湿流体流路１ｂと第２被加湿流体流路２ｂとを有し、第１被加湿流体流路２ａと第２被加湿流体流路２ｂを連通して第１加湿器３ａと第２加湿器３ｂとを一体にして構成している。

以上のように構成された加湿装置について、以下その動作、作用を説明する。

まず、第１加湿器３ａにおいて、第１加湿流体流路１ａを流れる加湿流体から第１被加湿流体流路２ａを流れる被加湿流体に絶対湿度の差に応じて加湿膜４を通して水分を移動して被加湿流体を加湿する。同様に、第２加湿器３ｂにおいて、第２加湿流体流路１ｂを流れる加湿流体から第２被加湿流体流路２ｂを流れる被加湿流体に絶対湿度の差に応じて加湿膜４を通して水分を移動して被加湿流体を加湿する。

以上のように、本実施の形態においては、第１被加湿流体流路２ａと第２被加湿流体流路２ｂを連通して第１加湿器３ａと第２加湿器３ｂとを一体に構成することにより２種類の加湿流体を１台の装置で利用することができ、第１加湿器３ａと第２加湿器３ｂで２段加湿により高加湿能力を実現することができる。

（実施の形態２）
図２は本発明の第２の実施の形態における加湿装置の構成図で、図３は部品図を示すものである。

図２において、第１加湿器３ａは加湿流体流路平板１と加湿膜４と被加湿流体流路平板２とを順に複数枚積層して前端板５と被加湿流体通過穴６を有する中間板７とで挟んで構成し、第２加湿器３ｂは加湿流体流路平板１と加湿膜４と被加湿流体流路平板２とを順に複数枚積層して中間板７と後端板８とで挟んで構成したものであり、第１加湿器３ａと第２加湿器３ｂとを締結体９で締結して一体にして構成している。

図３において、加湿流体流路平板１は第１加湿流体流路１ａを有する平板状の積層部材であり、中間板７も被加湿流体通過穴６を有する平板状の積層部材である。

以上のように構成された加湿装置について、以下その動作、作用を説明する。

まず、低湿度の被加湿流体が第１加湿器３ａの被加湿流体流路平板２を流れるときに加湿流体流路平板１を流れる高湿の第１加湿流体から加湿膜４を通して水分が被加湿流体流路平板２に移動することにより、被加湿流体の湿度を上昇して加湿する。次に、第１加湿器３ａの被加湿流体は中間板７の被加湿流体通過穴６を通過して第２加湿器３ｂの被加湿流体流路平板２に流れ、加湿流体流路平板１を流れる高湿の第２加湿流体から加湿膜４を通して水分を吸収してさらに湿度をあげる。

以上のように、本実施の形態においては、前端板５と中間板７と後端板８の間に加湿流体流路平板１と加湿膜４と被加湿流体流路平板２からなる平板状の部材を積層して締結体９で締結して第１加湿器３ａと第２加湿器３ｂを一体に構成することにより、１台の装置で２つの加湿流体から加湿することができるので、小型で高能力を有する装置を実現することができる。

（実施の形態３）
図２は本発明の第３の実施の形態の加湿装置の構成図を示すものである。

図２において、第１加湿器３ａの前端板５の下部に被加湿流体入口１０を設け、中間板７の上部に被加湿流体通過穴６を設け、第２加湿器３ｂの後端板８の下部に被加湿流体出口１１を設けて第１加湿器３ａと第２加湿器３ｂとを一体にして構成している。

以上のように構成された加湿装置について、以下その動作、作用を説明する。

まず、低湿度の被加湿流体は前端板５の下部の被加湿流体入口１０から第１加湿器３ａに流入し被加湿流体流路平板２内を上昇して流れる間に第１加湿流体に加湿され湿度を上げて、中間板７の被加湿流体通過穴６から第１加湿器３ａを出て第２加湿器３ｂに流入する。次に第２加湿器３ｂ内の被加湿流体流路平板２内を下降して流れる間に第２加湿流体に加湿されさらに湿度を上げて後端板８の下部の被加湿流体出口１１から加湿装置３の外に流出する。

以上のように、本実施の形態においては、被加湿流体流路は下方の被加湿流体入口１０から入り第１加湿器３ａ内を上昇し上方の被加湿流体通過穴６を通過して第２加湿器３ｂ内を下降して被加湿流体出口１１から流出する構成としたことにより、液たまり部のない流路構成となり、被加湿流体流路内部で結露した水分は重力作用により下方に移動して被加湿流体入口１０と被加湿流体出口１１から外部に排出される。被加湿流路は結露水で閉塞されることがないので、圧力損失も大幅に増大することもなく安定して高加湿能力を出すことができる。

（実施の形態４）
図４は本発明の第４の実施の形態の加湿装置の構成図を示すものである。

図４において、第１加湿器３ａは被加湿流体に空気を用い加湿流体として燃料電池１２のカソード排気を用い、第２加湿器３ｂは被加湿流体に第１加湿器３ａから出た空気を用い加湿流体として燃料電池１２を冷却して放熱器１３で回収熱を放熱する温水を用い、第１加湿器３ａと第２加湿器３ｂとは被加湿流体流路を連通して一体に構成している。

以上のように構成された加湿装置について、以下その動作、作用を説明する。

まず、低湿度の空気は第１加湿器３ａに入り、燃料電池１２内のカソード極で反応して発生した水分を多量に含む高湿度の排気空気により加湿されて第２加湿器３ｂに入る。さらに第２加湿器３ｂでは燃料電池１２を冷却した後の温水でさらに高湿度に加湿されて燃料電池１２のカソード極に送られて発電反応に供される。

以上のように、本実施の形態においては、一体に構成された加湿装置３の第１加湿器３ａの加湿源としてカソード極で使用された高湿度の排気空気を用い第２加湿器３ｂの加湿源として燃料電池１２を冷却した後の温水を用いることにより、高湿度の空気と温水の２段階で加湿することができるので、温水の消費を押さえることにより放熱器１３で多くの熱量を回収することでき、燃料電池１２のような小型で高能力を必要とするシステムにも適用することができる。

（実施の形態５）
図５は本発明の第５の実施の形態の加湿装置の構成図を示すものである。

図５において、温湿度検出手段１４は第２加湿器３ｂの被加湿流体出口１１に設け、流量調整手段１６を第２加湿流体流路１ｂをバイパスするバイパス管１５に設けて、温湿度
検出手段１４の検出値に応じて流量調整手段１６（例えば、流量調整弁）を制御する制御装置１７を設けたものである。

以上のように構成された加湿装置について、以下その動作、作用を説明する。

まず、被加湿流体は第１加湿器３ａで加湿されて出たあと、第２加湿器３ｂでさらに加湿されて湿度を上げるが、所定の湿度条件を満たすために、被加湿流体出口１１に設けた温湿度検出手段１４により、温湿度状態を検出し、検出値を制御装置１７におくり、制御装置１７は流量調整手段１６を制御して第２加湿流体流路１ｂを流れる流量を制御し第２加湿器３ｂの加温能力を調整することにより被加湿流体を所定の温湿度にすることができる。

以上のように、本実施の形態においては、バイパス管１５の流量調整手段１６を温湿度検出手段１４の出力に応じて制御装置１７で制御することにより、被加湿流体を任意の温湿度に正確に制御することができる。

（実施の形態６）
図６は本発明の第６の実施の形態の加湿装置の構成図を示すものである。

図６において、第１液溜め１８ａを第２加湿器３ｂの被加湿流体出口１１に設け、第１液溜め１８ａと第２加湿流体流路１ｂとを第１開閉弁１９ａをかいして第１戻り管２０ａで接続し、第２液溜め１８ｂを第１加湿器３ａの第１加湿流体流路１ａの出口側に設け、第２液溜め１８ｂと第２加湿流体流路１ｂとを第２開閉弁１９ｂをかいして第２戻り管２０ｂで接続したものである。

以上のように構成された加湿装置について、以下その動作、作用を説明する。

まず、第２加湿器３ｂの被加湿流体流路内部で結露した水分は被加湿流体出口１１から出て第１液溜め１８ａに溜め、第１加湿器３ａの第１加湿流体流路１ａで結露した水分は第２液溜め１８ｂに溜める。加湿運転停止時に被加湿流体流路と第１加湿流体流路１ａを加圧して第１開閉弁１９ａと第２開閉弁１９ｂを開放することにより第１液溜め１８ａと第２液溜め１８ｂにたまった水分は第１戻り管２０ａと第２戻り管２０ｂから第２加湿流体流路１ｂに送りだされ、再運転時に第１加湿器３ａの加湿水分として利用される。

以上のように、本実施の形態においては、第１液溜め１８ａと第２液溜め１８ｂを設けて結露水分を第２加湿流体流路１ｂに送りこむことにより、水分消費を少なくして効率的な加湿運転を行うことができる。

（実施の形態７）
図７は本発明の第７の実施の形態の加湿装置の構成図を示すものである。

図７において、第１加湿器３ａと第２加湿器３ｂと一体に締結する締結体９にバネ２１を設けたものである。

以上のように構成された加湿装置について、以下その動作、作用を説明する。

まず、加湿流体に高温の流体を用いた場合、熱膨張により構成部材の厚さが厚くなり加湿装置３の厚みも増大し、一方低温の加湿流体を用いた場合は熱収縮で構成部材の厚さが薄くなり加湿装置３の厚みも薄くなる。加湿装置３の厚みに応じて締結体９の長さも変化してシール部から漏れが発生することになるが、締結体９にバネ２１を装着したことによ
り寸法変化をバネ２１の収縮で吸収することができるので締結力を適切な値に保ちシール性能を維持して漏れを防止することができる。

以上のように、本実施の形態においては、締結体９にバネ２１を装着したことにより、加湿装置３の厚みが変化してもバネ２１の収縮で厚みの変化を吸収して締結力を適切な値に保ってシール部の漏れを防止することができるので、過酷な温度環境条件においても運転が可能になり信頼性の高い装置を実現することができる。

（実施の形態８）
図８は本発明の第８の実施の形態の加湿装置の構成図を示すものである。

図８において防水膜２２は前端板５と中間板７と後端板８とで挟んだ加湿流体流路平板１と加湿膜４と被加湿流体流路平板２の積層体２３の端部にコーキング剤を塗布して設けたものである。

以上のように構成された加湿装置について、以下その動作、作用を説明する。

まず、加湿膜４と加湿流体流路平板１または被加湿流体流路平板２との間のシールが壊れた場合は加湿装置３の内部の流体が、加湿装置３の外部に排出されるが、前端板５と中間板７と後端板８の積層体２３の端部に防水膜２２を設けたことにより、加湿装置３のシール部から漏れた流体を防水膜２２により外部に流出するのを防止することができる。

以上のように、本実施の形態においては、防水膜２２を設けることにより加湿流体および被加湿流体が外部に流れ出るのを防止することができるので、加湿装置３を実装する機械を水で濡らして故障を生じさせることもなく信頼性の高い装置を実現できる。

（実施の形態９）
図９は本発明の第９の実施の形態の除湿乾燥装置の構成図を示すものである。

図９において、加湿装置３の全周を断熱材２４で覆ったものである。

以上のように構成された加湿装置について、以下その動作、作用を説明する。

まず、加湿装置３に用いる第１加湿流体に高湿度の空気などを用いた場合、寒冷地のように雰囲気が低温になった場合は第１加湿流体流路１ａ内部で結露を生じ流路を閉塞して性能を低下させる場合があるが、加湿装置３の全周を断熱材２４で覆ったことにより、第１加湿流体流路１ａ内部の温度低下を防ぎ温度を露点以上に保つことにより結露を防止することができる。

以上のように、本実施の形態においては、加湿装置３の全周を断熱材２４で覆うことにより、加湿装置３内部の結露を防止して結露水の流路閉塞を防止して高加湿能力を維持し安定した運転を行うことができる。

以上のように、本発明にかかる加湿装置は、１台の装置で複数の加湿流体を加湿源として利用することができ、小型で大能力を有する装置を実現できるので、食品加工など産業用加湿プロセス機器の用途にも適用することができる。

本発明の実施の形態１における加湿装置の概略構成図 （ａ）本発明の実施の形態２および形態３における加湿装置の左側面図（ｂ）同加湿装置の側断面図（ｃ）同加湿装置の右側面図 （ａ）本発明の実施の形態２における加湿装置を構成する加湿流体流路平板の正面図（ｂ）図３（ａ）のＡ−Ａ断面図（ｃ）図３（ａ）のＢ−Ｂ断面図（ｄ）同中間板の正面図（ｅ）同中間板の側面図 本発明の実施の形態４における加湿装置の概略構成図 本発明の実施の形態５における加湿装置の概略構成図 本発明の実施の形態６における加湿装置の概略構成図 本発明の実施の形態７における加湿装置の側面図 本発明の実施の形態８における側面図 本発明の実施の形態９における側面図 従来の加湿装置の概略構成図

１ 加湿流体流路平板
１ａ 第１加湿流体流路
１ｂ 第２加湿流体流路
２ 被加湿流体流路平板
２ａ 第１被加湿流体流路
２ｂ 第２被加湿流体流路
３ａ 第１加湿器
３ｂ 第２加湿器
４ 加湿膜
５ 前端板
６ 被加湿流体通過穴
７ 中間板
８ 後端板
９ 締結体
１０ 被加湿流体入口
１１ 被加湿流体出口
１４ 温湿度検出手段
１５ バイパス管
１６ 流量調整手段
１７ 制御装置
１８ａ 第１液溜め
１８ｂ 第２液溜め
１９ａ 第１開閉弁
１９ｂ 第２開閉弁
２０ａ 第１戻り管
２０ｂ 第２戻り管
２１ バネ（弾性材）
２２ 防水膜
２３ 積層体
２４ 断熱材

Claims (7)

1. 第１加湿流体流路と加湿膜により分離される第１被加湿流体流路を有する第１加湿器と、
   第２加湿流体流路と加湿膜により分離される第２被加湿流体流路を有する第２加湿器と、
   を備え、
   前記第１被加湿流体流路と前記第２被加湿流体流路とが連通し、
   前記第１加湿器と前記第２加湿器とが一体化して形成されており、
   前記第１加湿器は、加湿流体流路平板と前記加湿膜と被加湿流体流路平板とを順に複数枚積層して、前端板と被加湿流体通過穴が形成されている中間板とで挟まれて構成しており、
   前記第２加湿器は、前記加湿流体流路平板と前記加湿膜と前記被加湿流体流路平板とを順に複数枚積層して、前記中間板と後端板とで挟まれて構成しており、前記第１加湿器と前記第２加湿器とを締結体で締結して形成しており、
   前記前端板は被加湿流体入口が下部に形成され、前記後端板は被加湿流体出口が下部に形成され、前記中間板は前記被加湿流体通過穴が上部に形成されている構成としている、加湿装置。
2. 前記第１加湿流体として気体が用いられ、前記第２加湿流体として液体が用いられている請求項１に記載の加湿装置。
3. 前記被加湿流体出口に設けられている温湿度検出手段と、
   前記第２加湿流体流路をバイパスするバイパス管と、
   前記バイパス管に設けられている流量調整手段と、
   前記温湿度検出手段の検出値に基づいて前記流量調整手段の動作を制御する制御装置と、
   を有する請求項１に記載の加湿装置。
4. 前記被加湿流体出口に設けられている第１液溜めと、
   前記第１液溜めから前記第２加湿流体流路に接続する第１戻り管と、
   前記第１戻り管に設けられている第１開閉弁と、
   前記加湿流体流路出口に設けられている第２液溜めと、
   前記第２液溜めから前記第２加湿流体流路に接続する第２戻り管と、
   前記第２戻り管に設けられている第２開閉弁と、
   を有する請求項１または３に記載の加湿装置。
5. 前記締結体は弾性部材を有する請求項１、３、及び４のいずれか１項に記載の加湿装置。
6. 前記加湿流体流路平板と前記加湿膜と前記被加湿流体流路平板との積層体において、前記積層体の積層方向に平行な側面の端部に防水膜が設けられている請求項１及び３〜５のいずれか１項に記載の加湿装値。
7. 加湿装置全周に断熱材が設けられている請求項１〜６のいずれか１項に記載の加湿装置。