JP5755525B2

JP5755525B2 - 直接接触式熱交換器およびこれを用いた固体高分子型燃料電池システム

Info

Publication number: JP5755525B2
Application number: JP2011171215A
Authority: JP
Inventors: 純宇田川; 新井　康弘; 康弘新井
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2010-08-04
Filing date: 2011-08-04
Publication date: 2015-07-29
Anticipated expiration: 2031-08-04
Also published as: JP2012052787A

Description

本発明の実施形態は、直接接触式熱交換器およびこれを用いた固体高分子型燃料電池システムに関する。

固体高分子型燃料電池システムにおいて、電解質膜の乾燥による燃料電池スタックの劣化を防ぐために、一般的に燃料電池スタックに燃料ガスや酸化剤ガスを供給する前に、その燃料ガスや酸化剤ガスの加湿が行われる。燃料ガスや酸化剤ガスを燃料電池スタック外部で予め加湿すると、燃料電池スタック内部で燃料ガスや酸化剤ガスへ移動する水蒸気が減少する。また、これに伴って燃料電池スタックから失われる蒸発潜熱が低減される。その結果、燃料電池スタックを高い温度に保つ事ができる。燃料電池スタックの高温運転は、定置用燃料電池システムなどの電気エネルギーと熱エネルギーのコージェネレーションシステムにおいて、高い温度の熱回収を実現し、回収した熱エネルギーを湯として溜める貯湯槽の容量削減につながる。

燃料電池スタックから排出される湿度の高いアノード排ガスやカソード排ガスを中空糸膜などの水分透過膜を介して燃料ガスや酸化剤ガスと間接的に接触させることによって、燃料ガスや酸化剤ガスを加湿できる。燃料電池システム内部を循環する純水を燃料ガスや酸化剤ガスの加湿に利用する事も可能である。この場合、たとえば燃料電池スタックの熱を回収して温度が上昇した電池冷却水などの純水を、水分透過膜を介して燃料ガスや酸化剤ガスと間接的に接触させる方法や、純水を燃料ガスや酸化剤ガスと直接接触させる方法がある。

純水を燃料ガスや酸化剤ガスと直接接触させる方法は直接接触式熱交換器という形で実現でき、流体を直接接触させる事で得られる高い熱伝達率が燃料ガスや酸化剤ガスの効果的な加湿につながる。また、燃料ガスや酸化剤ガスと電池冷却水を直接接触させると電池冷却水に含まれる二酸化炭素が燃料ガスや酸化剤ガスへ移動するため、純水ラインの二酸化炭素濃度を低く保つために必要であった脱炭酸塔を燃料電池システムから削除できる。

純水を用いて燃料ガスや酸化剤ガスを加湿する直接接触式熱交換器として、容器に溜めた純水の中にガスを通過させる方法がある。この方法は、必要な加湿能力に合わせた深さの水中に燃料ガスまたは酸化剤ガスを流すため、水頭圧分の高い圧力損失が燃料ガスまたは酸化剤ガスに伴う。また、純水をスプレーノズルなどからガスの流れの中に散水して直接接触を行う方法は、純水を噴霧する際に高い圧力損失（一流体ノズルの場合は純水の圧力損失、二流体ノズルの場合は燃料ガスまたは酸化剤ガスの圧力損失）が発生する。

圧力損失が低い直接接触式熱交換器として、充填材の表面で燃料ガスまたは酸化剤ガスと純水とを接触させる方式が挙げられる。この場合、燃料ガスまたは酸化剤ガスは筐体下部から上部へ充填材の隙間を通って流れ、純水は筐体上部から下部へ充填材に沿って流れる。しかし、ランダムに配置された充填材の表面では、純水が優先的に流れる流路が発生し、筐体全体に純水が分散しない。そのため、純水と接触せずに直接接触式熱交換器を通過する燃料ガスや酸化剤ガスの割合が大きくなる。その結果、十分な加湿能力を確保するためには機器の全長を高くする事が必要になる。

特開２００４−２７３３５０号公報特開２００４−３１０７３号公報特開２００４−３６３０２７号公報特開２００７−２２７２５２号公報特開２００５−２９４１１６号公報

定置用燃料電池システムでは、燃料ガスや酸化剤ガスは通常ブロワによって昇圧されて燃料電池スタックに送り込まれる。このため、加湿装置の設置による燃料ガスラインや酸化剤ガスラインの圧力損失上昇はブロワ動力の拡大につながる。同じように、加湿装置による純水ラインの圧力損失上昇はポンプ動力に影響する。

燃料電池システムにおいて、補機動力の増加はシステム全体の発電効率の低下につながるため、ブロワやポンプの動力低減に向けた、加湿装置の圧力損失低減は重要な設計要素である。さらに、燃料電池システム内での加湿装置の設置スペースを削減するために、加湿装置を小型化することが望まれる。しかし、燃料ガスや酸化剤ガス加湿用の直接接触式熱交換器において、機器の低圧力損失化と小型化の両立が困難である。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、直接接触式熱交換器を小型化かつ低圧力損失化することである。

実施形態の直接接触式熱交換器は、頂部から加湿水が供給される水入口と底部から前記加湿水が排出される水出口と側面からガスが流入するガス入口と前記側面の前記ガス入口よりも高い位置から前記ガスが流出するガス出口とが形成された筒状の筐体と、前記筐体内に形成された多角形状の板であり、前記ガスが水平に流れるように前記筐体の底部から頂部に向かって１段目からｍ段目（ｍは２以上の整数）まで順に離れて設けられ、落下する前記加湿水を一旦保持するｍ段の棚板と、前記筐体内に形成された多角形状の板であり、前記ｍ段の棚板のうちの１段目の棚板と前記筐体の底部との間、前記ｍ段の棚板のうちの２つの棚板の間、および、前記ｍ段の棚板のうちのｍ段目の棚板と前記筐体の頂部との間にそれぞれ互いに離れて設けられ、落下する前記加湿水を一旦保持する複数の中板と、を具備し、前記ｍ段の棚板の第１辺と前記筐体の内側面との間と、前記複数の中板の第１辺および第１辺に交わらない第２辺と前記筐体の内側面との間には、前記ガスを上昇させるための空間であるガス上昇部が設けられ、前記ガスが前記ガス入口から蛇行しながら上昇して前記ガス出口から流出させるために、前記ｍ段の棚板の第１辺に交わらない第２辺は、上下で互い違いになるように前記筐体の内側面に設けられ、前記加湿水が前記水入口から蛇行しながら下降して前記水出口から排出させるために、前記ｍ段の棚板と前記筐体の内側面との間、および、前記複数の中板と前記筐体の内側面との間には、前記ｍ段の棚板および前記複数の中板の上に一旦保持された前記加湿水を落下させるための空間である水下降部が設けられている、ことを特徴とする。

また、実施形態の直接接触式熱交換器は、頂部から加湿水が供給される水入口と底部から前記加湿水が排出される水出口と側面からガスが流入するガス入口と前記側面の前記ガス入口よりも高い位置から前記ガスが流出するガス出口とが形成された筐体と、前記筐体内に形成された多角形状の板であり、前記ガスが水平に流れるように前記筐体の底部から頂部に向かって１段目からｍ段目（ｍは２以上の整数）まで順に離れて設けられ、落下する前記加湿水を一旦保持する、メッシュ状または多孔質の材料で形成されたｍ段の棚板と、を具備し、前記ｍ段の棚板の第１辺と前記筐体の内側面との間には、前記ガスを上昇させるための空間であるガス上昇部が設けられ、前記ガスが前記ガス入口から蛇行しながら上昇して前記ガス出口から流出させるために、前記ｍ段の棚板の第１辺に交わらない第２辺は、上下で互い違いになるように前記筐体の内側面に設けられ、前記加湿水が前記水入口から蛇行しながら下降して前記水出口から排出させるために、前記ｍ段の棚板と前記筐体の内側面との間には、前記ｍ段の棚板の上に一旦保持された前記加湿水を落下させるための空間である水下降部が設けられており、前記ｍ段の棚板の上に一旦保持された前記加湿水を前記水下降部により落下させるために、前記ｍ段の棚板の第１辺に交わる第３辺と前記筐体の内側面との間には、前記ガス上昇部より小さい空間である前記水下降部が形成され、前記水下降部から落下する前記加湿水を前記ｍ段の棚板が受け止められるように、前記ｍ段の棚板の第３辺に交わらない第４辺は、上下で互い違いになるように前記筐体の内側面に設けられていることを特徴とする。

また、実施形態の固体高分子型燃料電池システムは、直接接触式熱交換器と、前記直接接触式熱交換器で加湿されたガスが燃料極および酸化剤極のいずれかに供給される燃料電池スタックと、を具備し、前記直接接触式熱交換器は、頂部から加湿水が供給される水入口と底部から前記加湿水が排出される水出口と側面からガスが流入するガス入口と前記側面の前記ガス入口よりも高い位置から前記ガスが流出するガス出口とが形成された筒状の筐体と、前記筐体内に形成された多角形状の板であり、前記ガスが水平に流れるように前記筐体の底部から頂部に向かって１段目からｍ段目（ｍは２以上の整数）まで順に離れて設けられ、落下する前記加湿水を一旦保持するｍ段の棚板と、前記筐体内に形成された多角形状の板であり、前記ｍ段の棚板のうちの１段目の棚板と前記筐体の底部との間、前記ｍ段の棚板のうちの２つの棚板の間、および、前記ｍ段の棚板のうちのｍ段目の棚板と前記筐体の頂部との間にそれぞれ互いに離れて設けられ、落下する前記加湿水を一旦保持する複数の中板と、を具備し、前記ｍ段の棚板の第１辺と前記筐体の内側面との間と、前記複数の中板の第１辺および第１辺に交わらない第２辺と前記筐体の内側面との間には、前記ガスを上昇させるための空間であるガス上昇部が設けられ、前記ガスが前記ガス入口から蛇行しながら上昇して前記ガス出口から流出させるために、前記ｍ段の棚板の第１辺に交わらない第２辺は、上下で互い違いになるように前記筐体の内側面に設けられ、前記加湿水が前記水入口から蛇行しながら下降して前記水出口から排出させるために、前記ｍ段の棚板と前記筐体の内側面との間、および、前記複数の中板と前記筐体の内側面との間には、前記ｍ段の棚板および前記複数の中板の上に一旦保持された前記加湿水を落下させるための空間である水下降部が設けられている、ことを特徴とする。

本発明によれば、直接接触式熱交換器を小型化かつ低圧力損失化することができる。

第１の実施形態に係る直接接触式熱交換器（ｍ＝３、ｎ＝３）の立断面であって図３のＩ−Ｉ矢視立断面図である。図１のＩＩ−ＩＩ矢視立断面図である。図１のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視平断面図である。第２の実施形態に係る直接接触式熱交換器（ｍ＝３、ｎ＝３）の立断面であって図６のＩＶ−ＩＶ矢視立断面図である。図４のＶ−Ｖ矢視立断面図である。図４のＶＩ−ＶＩ矢視平断面図である。第３の実施形態に係る直接接触式熱交換器（ｍ＝３、ｎ＝１）の立断面図である。図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ矢視立断面図である。第４の実施形態に係る直接接触式熱交換器（ｍ＝３）の立断面図である。図９のＸ−Ｘ矢視立断面図である。第５の実施形態に係る直接接触式熱交換器（ｍ＝５、ｎ＝１）の立断面図である。図１１において水流路を示す図である。図１１においてガス流路を示す図である。第５の実施形態に係る直接接触式熱交換器（ｍ＝５、ｎ＝２）の立断面図である。第５の実施形態に係る直接接触式熱交換器の変形例であり、ｍ段の棚板の第１辺およびｎ段の中板の第１辺に設けられる注ぎ口を示す図である。第６の実施形態に係る直接接触式熱交換器（ｍ＝５、ｎ＝１）の立断面図である。各実施形態に係る直接接触式熱交換器に適用される固体高分子型燃料電池システムを示すブロック図である。

本発明に係る直接接触式熱交換器の実施形態を、図面を参照して説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複する説明は省略する。

図１７は、各実施形態に係る直接接触式熱交換器に適用される固体高分子型燃料電池システムの一例を示すブロック図である。図１７に示されるように、固体高分子型燃料電池システムは、燃料処理装置１００と、燃料電池スタック２００と、を具備している。燃料処理装置１００は、改質器１０２と、一酸化炭素（以下、ＣＯ）変成器１０３と、ＣＯ除去器１０４と、直接接触式熱交換器１Ａおよび１Ｂと、を具備している。

直接接触式熱交換器１Ａは、可燃性の燃料ガスと水蒸気とを取り入れて、改質器１０２に供給する。改質器１０２は、直接接触式熱交換器１Ａからの燃料ガスおよび水蒸気と空気とを取り入れて、水素を含む改質燃料ガスを生成する。ＣＯ変成器１０３は、改質器１０２で生成された改質燃料ガス中のＣＯを低減して、ＣＯ変成改質燃料ガスを生成する。ＣＯ除去器１０４は、ＣＯ変成器１０３により生成されたＣＯ変成改質燃料ガスと、水蒸気と、空気とを取り入れて、ＣＯを選択的に酸化燃焼させて二酸化炭素にすることにより、ＣＯを除去したＣＯ除去改質燃料ガスを生成する。このＣＯ除去改質燃料ガスは燃料電池スタック２００のアノード極に供給される。

直接接触式熱交換器１Ｂは、空気と水蒸気とを取り入れて、空気を含む酸化剤ガスを生成する。この酸化剤ガスは燃料電池スタック２００のカソード極に供給される。

燃料電池スタック２００は、カソード極に供給される酸化剤ガスとアノード極に供給される燃料ガス（ＣＯ除去改質燃料ガス）とが電気化学的に反応することにより、酸素と水素から水を生成する過程で電気エネルギーを発生させる。

直接接触式熱交換器１Ａおよび１Ｂは同じ構造である。このため、直接接触式熱交換器１Ｂについてのみ説明し、この場合、直接接触式熱交換器１Ｂに用いられるガスとして酸化剤ガスを例にし、本発明に係る直接接触式熱交換器の実施形態を説明する。また、以下の説明では直接接触式熱交換器１Ｂを単に直接接触式熱交換器１と称する。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る直接接触式熱交換器１の立断面であって図３のＩ−Ｉ矢視立断面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ矢視立断面図である。図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視平断面図である。

図１に示されるように、本実施形態の直接接触式熱交換器１は、筐体２と、リキッドドレイナー７と、ｍ段（ｍは２以上の整数）の棚板８と、ｎ段（ｎは１以上の整数）の中板１０とを具備している。

筐体２は、筒状、たとえば箱型に形成されている。この筐体２は、筐体２の頂部には水入口５が形成され、加湿に用いられる加湿水２０が水入口５から供給される。加湿水２０は、純水であることが好ましい。筐体２の底部には水出口６が形成され、加湿水２０が水出口６から排出される。筐体２の側面にはガス入口３が形成され、酸化剤ガス（たとえば空気）がガス入口３から流入する。筐体２の側面の頂部近く（少なくともガス入口３よりも高い位置）にはガス出口４が形成され、加湿された酸化剤ガスがガス出口４から流出する。

水出口６には、リキッドドレイナー７が設けられている。リキッドドレイナー７は、ガスの漏出を防止し、かつ、水の排出を可能にする。ここで、リキッドドレイナー７の代わりに、Ｕシールを設けてもよい。

ｍ段の棚板８は、筐体２内に形成された多角形状（たとえば長方形状）の板であり、筐体２内で水平かつ互いに平行に設けられている。そのｍ段の棚板８は、酸化剤ガスが水平に流れるように筐体２の底部から頂部に向かって１段目からｍ段目まで順に離れて設けられ、落下する加湿水２０を一旦保持する。本実施形態において、ｍは３であるものとする。

ｎ段の中板１０は、筐体２内に形成された多角形状（たとえば長方形状）の板であり、筐体２内で３段の棚板８に対して平行に設けられている。そのｎ段の中板１０は、３段の棚板８のうちの１段目の棚板８と筐体２の底部との間、３段の棚板８のうちの２つの棚板８の間、および、３段の棚板８のうちの３段目の棚板８と筐体２の頂部との間にそれぞれ互いに離れて設けられ、落下する加湿水２０を一旦保持する。本実施形態において、ｎは３であるものとする。

図１に示されるように、３段の棚板８の第１辺８ａと筐体２の内側面との間と、３段の中板１０の第１辺１０ａおよび第１辺１０ａに交わらない第２辺１０ｂと筐体２の内側面との間には、ガス上昇部２１が設けられている。ガス上昇部２１は、酸化剤ガスを上昇させるための空間である。その酸化剤ガスがガス入口３から蛇行しながら上昇してガス出口４から流出させるガス流路を形成するために、３段の棚板８の第１辺８ａに交わらない第２辺８ｂは、上下で互い違いになるように筐体２の内側面に設けられている。

図２および図３に示されるように、加湿水２０が水入口５から蛇行しながら下降して水出口６から排出させる水流路を形成するために、３段の棚板８の第１辺８ａに交わる第３辺８ｃと筐体２の内側面との間、および、ｎ段の中板１０の第１辺１０ａに交わる第３辺１０ｃと筐体２の内側面との間には水下降部２２が設けられている。水下降部２２は、３段の棚板８および３段の中板１０の上に一旦保持された加湿水２０を落下させるための空間である。また、水下降部２２は、ガス上昇部２１より小さい空間であり、実質的にガスが水下降部２２を通過しないようになっている。

具体的には、水下降部２２は、水入口５から供給された加湿水２０が上から下に通過可能な程度の大きさとなっている。その水下降部２２から落下する加湿水２０を３段の棚板８および３段の中板１０が受け止められるように、３段の中板１０の第３辺１０ｃに交わらない第４辺１０ｄおよび３段の棚板８の第３辺８ｃに交わらない第４辺８ｄは、上下で互い違いになるように筐体２の内側面に設けられている。

水流路における加湿水２０の流れについて説明する。

加湿水２０は、水入口５から供給されると、まず、最も高い位置の中板１０（下から３段目の棚板８と筐体２の頂部との間に設けられた３段の中板１０のうちの、下から３段目の中板１０）に落下し、その中板１０の上面に広がる。その中板１０の上面に加湿水２０が十分に供給されていれば、その中板１０の上面では加湿水２０を一旦保持できなくなり、その中板１０の第３辺１０ｃと筐体２の内側面との間に形成された水下降部２２などから落下する。水下降部２２から落下した加湿水２０は、その水下降部２２の下方に位置する中板１０（下から２段目の中板１０）で受け止められて、その中板１０の上面に広がる。

その中板１０の上に一旦保持された加湿水２０は、その中板１０の第３辺１０ｃと筐体２の内側面との間に形成された水下降部２２などから落下し、その水下降部２２の下方に位置する中板１０（下から１段目の中板１０）で受け止められて、その中板１０の上面に広がる。その中板１０の上に一旦保持された加湿水２０は、その中板１０の第３辺１０ｃと筐体２の内側面との間に形成された水下降部２２などから落下し、その水下降部２２の下方に位置する棚板８（下から３段目の棚板８）で受け止められて、その棚板８の上面に広がる。

ここで、加湿水２０が上述の棚板８および中板１０以外に位置する棚板８および中板１０に落下する場合でも、加湿水２０の流れは上述と同様である。

このようにして、加湿水２０は、水入口５から蛇行しながら下降して水出口６から排出される。

次に、ガス流路における酸化剤ガスの流れについて説明する。

酸化剤ガスは、ガス入口３から供給されて、まず、下から１段目の棚板８と筐体２の底部との間に流れる。下から１段目の棚板８と筐体２の底部との間の酸化剤ガスは、下から１段目の棚板８の第１辺８ａと筐体２の内側面との間に形成されたガス上昇部２１から上昇し、下から１段目の棚板８と下から２段目の棚板８との間に流れる。下から１段目の棚板８と下から２段目の棚板８との間の酸化剤ガスは、下から２段目の棚板８の第１辺８ａと筐体２の内側面との間に形成されたガス上昇部２１から上昇し、下から２段目の棚板８と下から３段目の棚板８との間に流れる。下から２段目の棚板８と下から３段目の棚板８との間の酸化剤ガスは、下から３段目の棚板８の第１辺８ａと筐体２の内側面との間に形成されたガス上昇部２１から上昇し、下から３段目の棚板８と筐体２の頂部との間に流れる。

このようにして、酸化剤ガスは、ガス入口３から蛇行しながら上昇してガス出口４から排出される。この際、酸化剤ガスは、３段の棚板８および３段の中板１０の上に保持された加湿水２０と接触する。これにより、酸化剤ガスは加湿される。加湿された酸化剤ガスは、燃料電池の酸化剤極に供給される。

本実施形態において、３段の中板１０は、３段の棚板８に対して平行に設けられているため、ガス流路の圧力損失の増加にはほとんど寄与しない上に、加湿水２０と酸化剤ガスの接触面積を、その中板１０の上面分増加させることができる。その結果、加湿能力が増大し、それに伴って小型化が可能になる。したがって、本実施形態によれば、低圧力損失かつ小型の直接接触式熱交換器１を提供できる。特に、固体高分子型燃料電池システムにおける直接接触式熱交換器では、加湿水２０の流量が非常に小さく、かつ、流れるガスの流量が非常に大きいため、低圧力損失への要求は高い。このため、本実施形態の直接接触式熱交換器１が有効である。

また、本実施形態において、中板１０が設置された場合では、中板１０が設置されない場合に比べて、加湿水２０と酸化剤ガスの接触面積が数倍も上がる。基本的に、中板１０の枚数が増加すると、加湿能力がさらに増大するが、２つの中板１０の間隔や中板１０と棚板８との間隔が狭すぎると、板と板との間を加湿水２０が完全に塞いでしまい、酸化剤ガスが板と板との間を通過できなくなる可能性がある。そこで、板と板との間隔は、５ｍｍ〜２０ｍｍ程度が適切である。

また、本実施形態においては、酸化剤ガスを加湿する直接接触式熱交換器１について説明したが、燃料ガスを加湿する場合にも適用可能である。

また、本実施形態において、ガス流路のターン部にカーブ構造を設けてもよい。すなわち、ガス流路のうちの、ガスがガス上昇部２１を通る部分の流路を滑らかに曲げる構造体を設けてもよい。これにより、ガス上昇部２１の部分、すなわちガスの流れの方向が変わる部分で、圧力損失が低減される。

このカーブ構造の半径は小さすぎると圧力損失の低減にあまり貢献しないが、大きすぎるとガス流路を狭めて圧力損失拡大の要因になりうる。そこで、適切な値を選択する事が重要になる。この場合、カーブ構造の半径を筐体２の内部をガスが垂直に流れる流路の幅あるいはガスが水平に流れる流路の高さのどちらか小さい寸法に合わせることが好ましい。このような半径を選択すると、カーブ構造におけるガスの流路が、カーブ構造を設けない場合のターン部の最も狭い箇所よりも狭くはならない。このようにカーブ構造を設けることで、ターン部圧力損失係数を３０％程度に低減できる。

また、本実施形態において、棚板８および中板１０の少なくとも一方の板には、高い親水性を有するメッシュ状あるいは多孔状の材料が用いられてもよい。このような材料を用いると、毛細管現象により純水が板全体に拡がると同時に、板の両面が濡れる。その結果、酸化剤ガスと加湿水２０との接触面積が増大し、加湿能力が増大し、それに伴って小型化が可能になる。

［第２の実施形態］
図４は、第２の実施形態に係る直接接触式熱交換器１の立断面であって図６のＩＶ−ＩＶ矢視立断面図である。図５は、図４のＶ−Ｖ矢視立断面図である。図６は、図４のＶＩ−ＶＩ矢視平断面図である。

図４に示されるように、本実施形態の直接接触式熱交換器１は、第１の実施形態の構成に対して、さらに、堰１１を具備している。ここで、棚板８の段数ｍおよび中板１０の段数ｎは３であるものとする。

図４〜図６に示されるように、堰１１は、棚板８および中板１０の上面に、筐体２の内側面に接しない辺８ａ、８ｃ、１０ａ、１０ｂ、１０ｃに沿って設けられている。

直接接触式熱交換器１を固体高分子型燃料電池システムに設置する際、棚板８および中板１０が完全に水平になるように設置することは困難である。棚板８および中板１０の水平に対する傾きが大きくなると、その傾きに沿って棚板８および中板１０の加湿水２０が流れてしまい、酸化剤ガスと加湿水２０との接触面積を十分に確保できない可能性がある。

そこで、本実施形態では、棚板８および中板１０の外縁に堰１１を設けることにより、棚板８および中板１０が傾いていたとしても加湿水２０を棚板８および中板１０の上面全体に確実に拡げることができる。つまり、堰１１の設置によって、機器の傾きによる酸化剤ガスと加湿水２０との接触面積の低減を抑制し、加湿能力が安定する。

加湿水２０を棚板８および中板１０の上面全面に確実に拡げるには、堰１１を高くすることが好ましい。しかし、堰１１を高くすると、棚板８および中板１０の上面の水位が高くなり、ガス流路断面積が減少する。ガス流路断面積の減少は、ガス圧力損失の増大につながる。そこで、堰１１の高さは１〜２ｍｍ程度が適切である。

［第３の実施形態］
図７は、第３の実施形態に係る直接接触式熱交換器１の立断面図である。図８は、図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ矢視立断面図である。

図７に示されるように、本実施形態の直接接触式熱交換器１では、第１および２の実施形態に対して、中板１０の構成が異なる。ここで、棚板８の段数ｍは３であるものとし、中板１０の段数ｎは１であるものとする。

本実施形態において、中板１０は、折れ曲がりながら下降するプリーツ状に形成されている。また、棚板８の上下の中板１０は、その棚板８と筐体２との間に形成された水下降部２２で連結されている。水下降部２２は、棚板８のたとえば中央付近にガスの流れの方向に沿って延びるスリットとして形成してもよい。その結果、一台の直接接触式熱交換器１中に設けられた中板１０は、一体として形成されている。

具体的には、図８に示されるように、中板１０は、順番に連結された複数の傾斜部１０−１〜１０−４を備えている。複数の傾斜部１０−１〜１０−４のうちの奇数番目の傾斜部は、その上端部が複数の傾斜部１０−１〜１０−４のうちの偶数番目の傾斜部の下端部と連結し、かつ、水平に対して傾いている。偶数番目の傾斜部は、その上端部が奇数番目の傾斜部の下端部と連結し、かつ、奇数番目の傾斜部とは反対側に傾いている。

たとえば傾斜部１０−１〜１０−４がこの順で１番目から４番目まで連結している場合、最も高い傾斜部１０−４の上面を流れた加湿水２０は、その下の傾斜部１０−３と連結した端部で傾斜部１０−３の下面に付着し、傾斜部１０−３の下面に沿って流れる。傾斜部１０−３の下面を流れた加湿水２０は、その下の傾斜部１０−２と連結した端部で傾斜部１０−２の上面に付着し、傾斜部１０−２の上面に沿って流れる。傾斜部１０−２の上面を流れた加湿水２０は、その下の傾斜部１０−１と連結した端部で傾斜部１０−１の下面に付着し、傾斜部１０−１の下面に沿って流れる。

したがって、中板１０の少なくとも一方の表面に沿って、加湿水２０が流れる。その結果、加湿水２０と酸化剤ガスとの接触面積を大きくすることができる。また、中板１０の全ての傾斜部は、ガス流路のうちの、水平な流路に平行に広がっているため、圧力損失の増大にはほとんど寄与しない。

また、棚板８の上下の中板１０をその棚板８と筐体２との間に形成された水下降部２２で連結することにより、中板１０を一体として形成することができる。その結果、複数（ｎが２以上）の中板１０を筐体２内に設置する場合に比べて、構造が簡素化され、製造が容易になる。

［第４の実施形態］
図９は、第４の実施形態に係る直接接触式熱交換器１の立断面図である。図１０は、図９のＸ−Ｘ矢視立断面図である。

図９および図１０に示されるように、本実施形態の直接接触式熱交換器１では、第１〜第３の実施形態に対して、中板１０が構成要素に含まれないが、ｍ段の棚板８の材質が異なる。本実施形態において、棚板８の段数ｍは３であるものとする。

３段の棚板８は、高い親水性を有するメッシュ状あるいは多孔状の材料で形成されている。この場合、毛細管現象により純水が棚板８の全体に拡がると同時に、棚板８の両面が濡れる。その結果、酸化剤ガスと加湿水２０との接触面積が増大し、加湿能力が増大し、それに伴って小型化が可能になる。

［第５の実施形態］
図１１は、第５の実施形態に係る直接接触式熱交換器１の立断面図である。図１２は、図１１において加湿水が水入口から蛇行しながら下降して水出口から排出される様子を示す図である。図１３は、図１１においてガスがガス入口から蛇行しながら上昇してガス出口から流出される様子を示す図である。

図１１に示されるように、本実施形態の直接接触式熱交換器１は、第１〜第３の実施形態に対して、ｍ段の棚板８およびｎ段の中板１０の配置と水入口５の数とが異なる。本実施形態において、棚板８の段数ｍは５であり、中板１０の段数ｎは１であるものとする。

図１２に示されるように、５段の棚板８の第１辺８ａと筐体２の内側面との間と、１段の中板１０の第１辺１０ａおよび第１辺１０ａに交わらない第２辺１０ｂと筐体２の内側面との間には、ガス上昇部２１が設けられている。ガス上昇部２１は、酸化剤ガスを上昇させるための空間である。その酸化剤ガスがガス入口３から蛇行しながら上昇してガス出口４から流出させるガス流路を形成するために、５段の棚板８の第１辺８ａに交わらない第２辺８ｂは、上下で互い違いになるように筐体２の内側面に設けられている。

図１１〜図１３に示されるように、水入口５は、（ｎ＋１）個設けられている。ここで、ｎは１であるため、水入口５は、２個設けられている。２個の水入口５を第１水入口５ａおよび第２水入口５ｂと称する。

図１３に示されるように、５段の棚板８のうちの１つの棚板８と１段の中板１０は、２個の水入口５に一対一に対応して２通りの水下降部２２、すなわち、第１水下降部２２ａおよび第２水下降部２２ｂを形成する。第１水下降部２２ａおよび第２水下降部２２ｂは、５段の棚板８および１段の中板１０の上に一旦保持された加湿水２０を落下させるための空間である。その加湿水２０を第１水下降部２２ａおよび第２水下降部２２ｂにより落下させるために、５段の棚板８の第１辺８ａと１段の中板１０の第１辺１０ａは、筐体２内で互いにずれている。第１水下降部２２ａおよび第２水下降部２２ｂから落下する加湿水２０を５段の棚板８および１段の中板１０が受け止められるように、５段の棚板８の第２辺８ｂと１段の中板１０の第２辺１０ｂは、筐体２内で互いにずれている。このように、第１水下降部２２ａおよび第２水下降部２２ｂにより、加湿水２０が水入口５から蛇行しながら下降して水出口６から排出させる水流路を２通り形成する。

２通りの水流路における加湿水２０の流れについて説明する。

加湿水２０は、２個の水入口５から供給される。

このとき、第１水入口５ａから供給された加湿水２０は、まず、最も高い位置の中板１０（下から５段目の棚板８と筐体２の頂部との間に設けられた中板１０）に落下し、その中板１０の上面に広がる。その中板１０の上面に加湿水２０が十分に供給されていれば、その中板１０の上面では加湿水２０をすべては保持できなくなり、その中板１０の第１辺１０ａと筐体２の内側面との間に形成された第１水下降部２２ａなどから落下する。第１水下降部２２ａから落下した加湿水２０は、その第１水下降部２２ａの下方に位置する棚板８（下から４段目の棚板８）で受け止められて、その棚板８の上面に広がる。

同時に、第２水入口５ｂから供給された加湿水２０は、まず、最も高い位置の棚板８（下から５段目の棚板８）に落下し、その棚板８の上面に広がる。その棚板８の上面に加湿水２０が十分に供給されていれば、その棚板８の上面では加湿水２０をすべては保持できなくなり、その棚板８の第１辺８ａと筐体２の内側面との間に形成された第２水下降部２２ｂなどから落下する。第２水下降部２２ｂから落下した加湿水２０は、その第２水下降部２２ｂの下方に位置する中板１０（下から４段目の棚板８と下から５段目の棚板８との間に設けられた中板１０）で受け止められて、その中板１０の上面に広がる。

このようにして、加湿水２０は、第１水入口５ａおよび第２水入口５ｂから蛇行しながら下降して水出口６から排出される。

酸化剤ガスは、ガス入口３から供給されて、まず、下から１段目の棚板８と筐体２の底部との間に流れる。下から１段目の棚板８と筐体２の底部との間の酸化剤ガスは、下から１段目の棚板８の第１辺８ａと筐体２の内側面との間に形成されたガス上昇部２１から上昇し、下から１段目の棚板８と下から２段目の棚板８との間に流れる。下から１段目の棚板８と下から２段目の棚板８との間の酸化剤ガスは、下から２段目の棚板８の第１辺８ａと筐体２の内側面との間に形成されたガス上昇部２１から上昇し、下から２段目の棚板８と下から３段目の棚板８との間に流れる。下から２段目の棚板８と下から３段目の棚板８との間の酸化剤ガスは、下から３段目の棚板８の第１辺８ａと筐体２の内側面との間に形成されたガス上昇部２１から上昇し、下から３段目の棚板８と下から４段目の棚板８との間に流れる。下から３段目の棚板８と下から４段目の棚板８との間の酸化剤ガスは、下から４段目の棚板８の第１辺８ａと筐体２の内側面との間に形成されたガス上昇部２１から上昇し、下から４段目の棚板８と下から５段目の棚板８との間に流れる。下から４段目の棚板８と下から５段目の棚板８との間の酸化剤ガスは、下から５段目の棚板８の第１辺８ａと筐体２の内側面との間に形成されたガス上昇部２１から上昇し、下から５段目の棚板８と筐体２の頂部との間に流れる。

このようにして、酸化剤ガスは、ガス入口３から蛇行しながら上昇してガス出口４から排出される。この際、酸化剤ガスは、５段の棚板８および１段の中板１０の上に保持された加湿水２０と接触する。これにより、酸化剤ガスは加湿される。加湿された酸化剤ガスは、燃料電池の酸化剤極に供給される。

本実施形態において、１段の中板１０は、５段の棚板８に対して平行に設けられているため、ガス流路の圧力損失の増加にはほとんど寄与しない上に、加湿水２０と酸化剤ガスの接触面積を、その中板１０の上面分増加させることができる。その結果、加湿能力が増大し、それに伴って小型化が可能になる。したがって、本実施形態によれば、低圧力損失かつ小型の直接接触式熱交換器１を提供できる。特に、固体高分子型燃料電池システムにおける直接接触式熱交換器では、加湿水２０の流量が非常に小さく、かつ、流れるガスの流量が非常に大きいため、低圧力損失への要求は高い。このため、本実施形態の直接接触式熱交換器１が有効である。

また、本実施形態において、ｎは２以上でもよい。たとえば、ｎは２でもよい。図１４は、第５の実施形態に係る直接接触式熱交換器１の立断面図である。この場合、２段の中板１０は、下から１段目の棚板８と筐体２の底部との間、２つの棚板８の間、および、下から５段目の棚板８と筐体２の頂部との間にそれぞれ互いに離れて設けられる。この２段の中板１０により、水入口５は、３個設けられている。３個の水入口５を第１〜第３水入口５ａ〜５ｃと称する。５段の棚板８のうちの１つの棚板８と２段の中板１０は、第１〜第３水入口５ａ〜５ｃに一対一に対応して３通りの水下降部２２を形成する。この３通りの水下降部２２により、水流路を３通り形成する。

また、本実施形態において、ｍ段の棚板８およびｎ段の中板１０の上に一旦保持された加湿水２０をｍ段の棚板８の第１辺８ａおよびｎ段の中板１０の第１辺１０ａから落下させているが、さらに、加湿水２０が落下する位置を特定してもよい。図１５は、第５の実施形態に係る直接接触式熱交換器１の変形例であり、ｍ段の中板の第１辺およびｎ段の棚板の第１辺に設けられる注ぎ口を示す図である。たとえば、ｍ段の棚板８の第１辺８ａおよびｎ段の中板１０の第１辺１０ａの中央部分には、加湿水２０を落下しやすくさせるための注ぎ口１２が設けられている。この注ぎ口１２により、ｍ段の棚板８の第１辺８ａおよびｎ段の中板１０の第１辺１０ａの中央部分から加湿水２０が落下する。

［第６の実施形態］
図１６は、第６の実施形態に係る直接接触式熱交換器１の立断面図である。

図１６に示されるように、本実施形態の直接接触式熱交換器１は、第５の実施形態の構成に対して、さらに、堰１１を具備している。ここで、棚板８の段数ｍは５であり、中板１０の段数ｎは１であるものとする。

堰１１は、第２の実施形態（図４〜図６）の堰１１と同様のものであって、棚板８および中板１０の上面に、筐体２の内側面に接しない辺８ａ、１０ａ、１０ｂに沿って設けられている。

［他の実施形態］
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、また各実施形態の特徴を組み合わせることができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ … 直接接触式熱交換器
１Ａ … 直接接触式熱交換器
１Ｂ … 直接接触式熱交換器
２ … 筐体
３ … ガス入口
４ … ガス出口
５ … 水入口
５ａ … 第１水入口
５ｂ … 第２水入口
５ｃ … 第３水入口
６ … 水出口
７ … リキッドドレイナー
８ … 棚板
８ａ … 棚板の第１辺
８ｂ … 棚板の第２辺
８ｃ … 棚板の第３辺
８ｄ … 棚板の第４辺
１０ … 中板
１０ａ … 中板の第１辺
１０ｂ … 中板の第２辺
１０ｃ … 中板の第３辺
１０ｄ … 中板の第４辺
１０−１〜１０−４ … 傾斜部
１１ … 堰
１２ … 注ぎ口
２０ … 加湿水
２１ … ガス上昇部
２２ … 水下降部
２２ａ … 第１水下降部
２２ｂ … 第２水下降部
１００ … 燃料処理装置
１０２ … 改質器
１０３ … 一酸化炭素（ＣＯ）変成器
１０４ … ＣＯ除去器
２００ … 燃料電池スタック

Claims

頂部から加湿水が供給される水入口と、底部から前記加湿水が排出される水出口と、側面からガスが流入するガス入口と、前記側面の前記ガス入口よりも高い位置から前記ガスが流出するガス出口とが形成された筒状の筐体と、
前記筐体内に形成された多角形状の板であり、前記ガスが水平に流れるように前記筐体の底部から頂部に向かって１段目からｍ段目（ｍは２以上の整数）まで順に離れて設けられ、落下する前記加湿水を一旦保持するｍ段の棚板と、
前記筐体内に形成された多角形状の板であり、前記ｍ段の棚板のうちの１段目の棚板と前記筐体の底部との間、前記ｍ段の棚板のうちの２つの棚板の間、および、前記ｍ段の棚板のうちのｍ段目の棚板と前記筐体の頂部との間に離れて設けられ、落下する前記加湿水を一旦保持する中板と、
を具備し、
前記ｍ段の棚板の第１辺と前記筐体の内側面との間と、前記中板の第１辺および第１辺に交わらない第２辺と前記筐体の内側面との間には、前記ガスを上昇させるための空間であるガス上昇部が設けられ、
前記ガスが前記ガス入口から蛇行しながら上昇して前記ガス出口から流出させるために、前記ｍ段の棚板の第１辺に交わらない第２辺は、上下で互い違いになるように前記筐体の内側面に設けられ、
前記加湿水が前記水入口から蛇行しながら下降して前記水出口から排出させるために、前記ｍ段の棚板と前記筐体の内側面との間、および、前記中板と前記筐体の内側面との間には、前記ｍ段の棚板および前記中板の上に一旦保持された前記加湿水を落下させるための空間である水下降部が設けられている、
ことを特徴とする直接接触式熱交換器。
前記ｍ段の棚板および前記中板の上に一旦保持された前記加湿水を前記水下降部により落下させるために、前記ｍ段の棚板の第１辺に交わる第３辺と前記筐体の内側面との間、および、前記中板の第１辺に交わる第３辺と前記筐体の内側面との間には、前記ガス上昇部より小さい空間である前記水下降部が設けられ、
前記水下降部から落下する前記加湿水を前記ｍ段の棚板および前記中板が受け止められるように、前記中板の第３辺に交わらない第４辺および前記ｍ段の棚板の第３辺に交わらない第４辺は、上下で互い違いになるように前記筐体の内側面に設けられている、
ことを特徴とする請求項１に記載の直接接触式熱交換器。
前記中板は、順番に連結された複数の傾斜部を備え、
前記複数の傾斜部のうちの奇数番目の傾斜部は、その上端部が前記複数の傾斜部のうちの偶数番目の傾斜部の下端部と連結し、かつ、水平に対して傾き、
前記偶数番目の傾斜部は、その上端部が前記奇数番目の傾斜部の下端部と連結し、かつ、前記奇数番目の傾斜部とは反対側に傾いている、
ことを特徴とする請求項２に記載の直接接触式熱交換器。
前記水入口は、（ｎ＋１）個（ｎは１以上の整数）設けられ、
前記ｍ段の棚板のうちの１つの棚板と前記中板であるｎ段の中板は、前記（ｎ＋１）個の水入口に一対一に対応して（ｎ＋１）通りの前記水下降部を形成し、
前記ｍ段の棚板および前記ｎ段の中板の上に一旦保持された前記加湿水を前記（ｎ＋１）通りの水下降部により落下させるために、前記ｍ段の棚板の第１辺と前記ｎ段の中板の第１辺は、前記筐体内で互いにずれていて、
前記（ｎ＋１）通りの水下降部から落下する前記加湿水を前記ｍ段の棚板および前記ｎ段の中板が受け止められるように、前記ｍ段の棚板の第２辺と前記ｎ段の中板の第２辺は、前記筐体内で互いにずれている、
ことを特徴とする請求項１に記載の直接接触式熱交換器。
前記ｍ段の棚板の第１辺および前記ｎ段の中板の第１辺には、前記加湿水を落下しやすくさせるための注ぎ口が設けられている、
ことを特徴とする請求項４に記載の直接接触式熱交換器。
前記棚板および前記中板の上面に、前記筐体の内側面に接しない辺に沿って設けられた堰、
をさらに具備することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の直接接触式熱交換器。
前記棚板および前記中板の少なくとも一方の板は、メッシュ状または多孔質の材料で形成されている、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の直接接触式熱交換器。
頂部から加湿水が供給される水入口と、底部から前記加湿水が排出される水出口と、側面からガスが流入するガス入口と、前記側面の前記ガス入口よりも高い位置から前記ガスが流出するガス出口とが形成された筐体と、
前記筐体内に形成された多角形状の板であり、前記ガスが水平に流れるように前記筐体の底部から頂部に向かって１段目からｍ段目（ｍは２以上の整数）まで順に離れて設けられ、落下する前記加湿水を一旦保持する、メッシュ状または多孔質の材料で形成されたｍ段の棚板と、
を具備し、
前記ｍ段の棚板の第１辺と前記筐体の内側面との間には、前記ガスを上昇させるための空間であるガス上昇部が設けられ、
前記ガスが前記ガス入口から蛇行しながら上昇して前記ガス出口から流出させるために、前記ｍ段の棚板の第１辺に交わらない第２辺は、上下で互い違いになるように前記筐体の内側面に設けられ、
前記加湿水が前記水入口から蛇行しながら下降して前記水出口から排出させるために、前記ｍ段の棚板と前記筐体の内側面との間には、前記ｍ段の棚板の上に一旦保持された前記加湿水を落下させるための空間である水下降部が設けられており、
前記ｍ段の棚板の上に一旦保持された前記加湿水を前記水下降部により落下させるために、前記ｍ段の棚板の第１辺に交わる第３辺と前記筐体の内側面との間には、前記ガス上昇部より小さい空間である前記水下降部が形成され、
前記水下降部から落下する前記加湿水を前記ｍ段の棚板が受け止められるように、前記ｍ段の棚板の第３辺に交わらない第４辺は、上下で互い違いになるように前記筐体の内側面に設けられている、
ことを特徴とする直接接触式熱交換器。
燃料極および酸化剤極を有する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの燃料極および酸化剤極のいずれかに供給するためのガスを加湿する直接接触式熱交換器と、
を具備し、
前記直接接触式熱交換器は、
頂部から加湿水が供給される水入口と、底部から前記加湿水が排出される水出口と、側面からガスが流入するガス入口と、前記側面の前記ガス入口よりも高い位置から前記ガスが流出するガス出口とが形成された筒状の筐体と、
前記筐体内に形成された多角形状の板であり、前記ガスが水平に流れるように前記筐体の底部から頂部に向かって１段目からｍ段目（ｍは２以上の整数）まで順に離れて設けられ、落下する前記加湿水を一旦保持するｍ段の棚板と、
前記筐体内に形成された多角形状の板であり、前記ｍ段の棚板のうちの１段目の棚板と前記筐体の底部との間、前記ｍ段の棚板のうちの２つの棚板の間、および、前記ｍ段の棚板のうちのｍ段目の棚板と前記筐体の頂部との間に離れて設けられ、落下する前記加湿水を一旦保持する中板と、
を具備し、
前記ｍ段の棚板の第１辺と前記筐体の内側面との間と、前記中板の第１辺および第１辺に交わらない第２辺と前記筐体の内側面との間には、前記ガスを上昇させるための空間であるガス上昇部が設けられ、
前記ガスが前記ガス入口から蛇行しながら上昇して前記ガス出口から流出させるために、前記ｍ段の棚板の第１辺に交わらない第２辺は、上下で互い違いになるように前記筐体の内側面に設けられ、
前記加湿水が前記水入口から蛇行しながら下降して前記水出口から排出させるために、前記ｍ段の棚板と前記筐体の内側面との間、および、前記中板と前記筐体の内側面との間には、前記ｍ段の棚板および前記中板の上に一旦保持された前記加湿水を落下させるための空間である水下降部が設けられている、
ことを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。