JPWO2004107490A1 - 加湿装置 - Google Patents
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Abstract
加湿膜と少なくとも１層の通気性補強材の積層体からなるプリーツ成形体とその外辺部に設けられた補強フレームからなるプリーツエレメント、プリーツエレメントの両側に設けられた乾燥側・湿潤側の流路、各流路に備えられた１組以上の吸気口・排気口、および、外部配管と吸気口・排気口の間に備えられた圧力緩衝部からなり、プリーツエレメントの内部が加湿膜によって分割され、それぞれが乾燥側・湿潤側の流路の一部もしくは全部を構成することを特徴とする加湿装置。
Description
本発明は、加湿装置に関する。更に詳しくは、加湿膜と少なくとも１層の通気性補強材の積層体からなるプリーツ成形体とその外辺部に設けられた補強フレームからなるプリーツエレメント、プリーツエレメントの両側に設けられた乾燥側・湿潤側の流路、各流路に備えられた１組以上の吸気口・排気口、および、外部配管と吸気口・排気口の間に備えられた圧力緩衝部からなり、プリーツエレメントの内部が加湿膜によって分割され、それぞれが乾燥側・湿潤側の流路の一部もしくは全部を構成することを特徴とする加湿装置に関する。本発明の加湿装置は加湿性能、圧力損失、容積効率および物理的耐久性に優れており、各種気体を効率よく加湿できるため、燃料電池などの加湿装置として好適に使用することができる。
従来技術
燃料電池は、水素、メタノール等の燃料を電気化学的に酸化することによって電気エネルギーを取り出す一種の発電装置であり、近年、クリーンなエネルギー供給源として注目されている。燃料電池は、用いられる電解質の種類によって、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、固体高分子電解質型等に分類されるが、このうち固体高分子電解質型燃料電池は、標準的な作動温度が１００℃以下と低く、かつ、エネルギー密度が高いことから、電気自動車等の電源として幅広い応用が期待されている。
固体高分子電解質型燃料電池の基本構成は、イオン交換膜とその両面に接合された一対のガス拡散電極からなり、一方の電極に水素、他方に酸素を供給し、両電極間を外部負荷回路へ接続することによって発電させるものである。より具体的には、水素側電極でプロトンと電子が生成され、プロトンは、イオン交換膜の内部を移動して酸素側電極に達した後、酸素と反応して水を生成する。一方、水素側電極から導線を伝って流れ出した電子は、外部負荷回路において電気エネルギーが取り出された後、さらに導線を伝って酸素側電極に達し、前記水生成反応の進行に寄与する。
固体高分子電解質型燃料電池に使用されるイオン交換膜の材質としては、高い化学的安定性を有することから、フッ素系イオン交換樹脂が広く用いられており、中でも主鎖がパーフルオロカーボンであって、側鎖末端にスルホン酸基を有するデュポン社製の「ナフィオン（登録商標）」が広く用いられている。こうしたフッ素系イオン交換樹脂は、当業者にはよく知られているように、高いイオン伝導性を発現させるためには水で十分に膨潤させておくことが必要である。したがって、水の供給に制限のある移動体用途、具体的には、車載燃料電池においては、このための水の確保が大きな課題となっている。
燃料電池は前述したとおり、反応に伴って酸素側電極で水を生成するため、酸素側の排気に含まれる水蒸気を利用して酸素側または水素側の吸気を加湿することができれば、別途、水タンク等を用意することなく水を自給自足することが可能になる。本発明では、加湿膜を介して一方の側面にある気体の水蒸気を用いて他方の側面にある気体を加湿する装置のことを「加湿装置」と呼称する。車載燃料電池用の加湿装置については、下記のような特性が求められている。
１）加湿性能…燃料電池運転に必要十分な加湿量
２）圧力損失…コンプレッサーに負担をかけない低圧損
３）容積効率
４）耐久性
こうした加湿装置の従来技術としては、例えば、日本国特開平１１−３５４１４２号公報には、燃料電池単電池の積層方向と同一方向に積層された複数の半透膜（水蒸気透過膜）からなる加湿装置が開示されている。当該技術によれば、酸素側または水素側の吸気を加湿することが可能であるが、十分な加湿に必要な膜面積を確保するには相当枚数を積層する必要があるため、枚数に応じて半透膜のシール部分が増してコストが高くなるとともに、枚数に応じて気体流路（セパレーター）の数も増すため、容積効率に欠けていた。
日本国特開平８−２７３６８７号公報には、水蒸気透過膜が中空糸であることを特徴とする加湿装置が開示されている。当該技術によれば、中空糸を用いるため日本国特開平１１−３５４１４２号公報のようなセパレーターは不要であるため容積効率を改善することが出来る。しかし、中空糸のかたより等によって気体の流れが不均質になりやすいため、十分な加湿性能を得られない場合があった。また、中空糸の内部・外部とも高速の気流にさらされるために自励振動や外部振動によって中空糸のばたつきが発生し、中空糸が互いに摩擦して摩耗または破損しやすい、または中空糸両端の固定部に無理な力がかかって破損しやすい、という問題があった。
日本国特開２００２−２５２０１２号公報には、シート状の水蒸気透過膜をひだ折りにして円筒プリーツ状に丸め、その合わせ目を気密的にシールし、円筒プリーツの両端はドーナツ状の端板により気密的にシールした円筒プリーツ構造からなる加湿装置が開示されている。当該技術によれば、平膜をプリーツ状にして用いるため、 日本国特開平１１−３５４１４２号公報のようなコストおよび容積効率上の問題や、日本国特開平８−２７３６８７号公報のような物理的耐久性の問題を回避することは可能であるが、当該特許文献の明細書の図３や段落３０に記載されているように、円筒プリーツは、通常、外径の半分程度の内径からなる空洞（デッドスペース）を有するため容積効率が低い問題があった。また、該特許文献の図２に開示されているとおり、気体導入口２１１と気体導出口２１２が円筒プリーツ表面に直接設けられていたため、大半の気流がこれらの接続部に吹き付けられ、周辺部の加湿膜に気流を均等に供給することが難しいという問題があった。
上記のように、従来の加湿装置には解決すべき課題が多く残されており、未だ満足な加湿装置が得られていないのが現状であった。
発明の概要
このような状況下、本発明者等は、従来技術の上記問題を解決し、加湿性能、圧力損失、容積効率および耐久性に優れた加湿装置を開発すべく鋭意検討を行った。その結果、加湿膜と少なくとも１層の通気性補強材の積層体からなるプリーツ成形体とその外辺部に設けられた補強フレームからなるプリーツエレメント、プリーツエレメントの両側に設けられた乾燥側・湿潤側の流路、各流路に備えられた１組以上の吸気口・排気口、および、外部配管と吸気口・排気口の間に備えられた圧力緩衝部からなり、プリーツエレメントの内部が加湿膜によって分割され、それぞれが乾燥側・湿潤側の流路の一部もしくは全部を構成することを特徴とする加湿装置によってこれを達成できることを見出し、本発明を成すに至った。
従って、本発明の目的は、加湿性能、圧力損失、容積効率および耐久性に優れた加湿装置であって、燃料電池に好適に使用できる加湿装置を提供することにある。
本発明の上記及びその他の諸目的、諸特徴並びに諸利益は、添付の図面を参照しながら述べる次の詳細な説明及び請求の範囲の記載から明らかになる。
従来技術
燃料電池は、水素、メタノール等の燃料を電気化学的に酸化することによって電気エネルギーを取り出す一種の発電装置であり、近年、クリーンなエネルギー供給源として注目されている。燃料電池は、用いられる電解質の種類によって、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、固体高分子電解質型等に分類されるが、このうち固体高分子電解質型燃料電池は、標準的な作動温度が１００℃以下と低く、かつ、エネルギー密度が高いことから、電気自動車等の電源として幅広い応用が期待されている。
固体高分子電解質型燃料電池の基本構成は、イオン交換膜とその両面に接合された一対のガス拡散電極からなり、一方の電極に水素、他方に酸素を供給し、両電極間を外部負荷回路へ接続することによって発電させるものである。より具体的には、水素側電極でプロトンと電子が生成され、プロトンは、イオン交換膜の内部を移動して酸素側電極に達した後、酸素と反応して水を生成する。一方、水素側電極から導線を伝って流れ出した電子は、外部負荷回路において電気エネルギーが取り出された後、さらに導線を伝って酸素側電極に達し、前記水生成反応の進行に寄与する。
固体高分子電解質型燃料電池に使用されるイオン交換膜の材質としては、高い化学的安定性を有することから、フッ素系イオン交換樹脂が広く用いられており、中でも主鎖がパーフルオロカーボンであって、側鎖末端にスルホン酸基を有するデュポン社製の「ナフィオン（登録商標）」が広く用いられている。こうしたフッ素系イオン交換樹脂は、当業者にはよく知られているように、高いイオン伝導性を発現させるためには水で十分に膨潤させておくことが必要である。したがって、水の供給に制限のある移動体用途、具体的には、車載燃料電池においては、このための水の確保が大きな課題となっている。
燃料電池は前述したとおり、反応に伴って酸素側電極で水を生成するため、酸素側の排気に含まれる水蒸気を利用して酸素側または水素側の吸気を加湿することができれば、別途、水タンク等を用意することなく水を自給自足することが可能になる。本発明では、加湿膜を介して一方の側面にある気体の水蒸気を用いて他方の側面にある気体を加湿する装置のことを「加湿装置」と呼称する。車載燃料電池用の加湿装置については、下記のような特性が求められている。
１）加湿性能…燃料電池運転に必要十分な加湿量
２）圧力損失…コンプレッサーに負担をかけない低圧損
３）容積効率
４）耐久性
こうした加湿装置の従来技術としては、例えば、日本国特開平１１−３５４１４２号公報には、燃料電池単電池の積層方向と同一方向に積層された複数の半透膜（水蒸気透過膜）からなる加湿装置が開示されている。当該技術によれば、酸素側または水素側の吸気を加湿することが可能であるが、十分な加湿に必要な膜面積を確保するには相当枚数を積層する必要があるため、枚数に応じて半透膜のシール部分が増してコストが高くなるとともに、枚数に応じて気体流路（セパレーター）の数も増すため、容積効率に欠けていた。
日本国特開平８−２７３６８７号公報には、水蒸気透過膜が中空糸であることを特徴とする加湿装置が開示されている。当該技術によれば、中空糸を用いるため日本国特開平１１−３５４１４２号公報のようなセパレーターは不要であるため容積効率を改善することが出来る。しかし、中空糸のかたより等によって気体の流れが不均質になりやすいため、十分な加湿性能を得られない場合があった。また、中空糸の内部・外部とも高速の気流にさらされるために自励振動や外部振動によって中空糸のばたつきが発生し、中空糸が互いに摩擦して摩耗または破損しやすい、または中空糸両端の固定部に無理な力がかかって破損しやすい、という問題があった。
日本国特開２００２−２５２０１２号公報には、シート状の水蒸気透過膜をひだ折りにして円筒プリーツ状に丸め、その合わせ目を気密的にシールし、円筒プリーツの両端はドーナツ状の端板により気密的にシールした円筒プリーツ構造からなる加湿装置が開示されている。当該技術によれば、平膜をプリーツ状にして用いるため、 日本国特開平１１−３５４１４２号公報のようなコストおよび容積効率上の問題や、日本国特開平８−２７３６８７号公報のような物理的耐久性の問題を回避することは可能であるが、当該特許文献の明細書の図３や段落３０に記載されているように、円筒プリーツは、通常、外径の半分程度の内径からなる空洞（デッドスペース）を有するため容積効率が低い問題があった。また、該特許文献の図２に開示されているとおり、気体導入口２１１と気体導出口２１２が円筒プリーツ表面に直接設けられていたため、大半の気流がこれらの接続部に吹き付けられ、周辺部の加湿膜に気流を均等に供給することが難しいという問題があった。
上記のように、従来の加湿装置には解決すべき課題が多く残されており、未だ満足な加湿装置が得られていないのが現状であった。
発明の概要
このような状況下、本発明者等は、従来技術の上記問題を解決し、加湿性能、圧力損失、容積効率および耐久性に優れた加湿装置を開発すべく鋭意検討を行った。その結果、加湿膜と少なくとも１層の通気性補強材の積層体からなるプリーツ成形体とその外辺部に設けられた補強フレームからなるプリーツエレメント、プリーツエレメントの両側に設けられた乾燥側・湿潤側の流路、各流路に備えられた１組以上の吸気口・排気口、および、外部配管と吸気口・排気口の間に備えられた圧力緩衝部からなり、プリーツエレメントの内部が加湿膜によって分割され、それぞれが乾燥側・湿潤側の流路の一部もしくは全部を構成することを特徴とする加湿装置によってこれを達成できることを見出し、本発明を成すに至った。
従って、本発明の目的は、加湿性能、圧力損失、容積効率および耐久性に優れた加湿装置であって、燃料電池に好適に使用できる加湿装置を提供することにある。
本発明の上記及びその他の諸目的、諸特徴並びに諸利益は、添付の図面を参照しながら述べる次の詳細な説明及び請求の範囲の記載から明らかになる。
図１は、本発明の加湿装置の実施形態の１例である燃料電池システムの構成を示す概略図であり；
図２（ａ）は、本発明で用いるプリーツ成形体の１例を示す概略図であり；
図２（ｂ）は、本発明で用いるプリーツ成形体の他の１例を示す概略図であり；
図２ｃは、本発明における加湿エレメントの流路の構成を示す概略図であり；
図３（ａ）は、本発明で好適に使用できる平面型プリーツエレメントの１例を示す概略図であり；
図３（ｂ）は、本発明で好適に使用できる平面型プリーツエレメント（図３（ａ）に示す）を、プリーツ方向と垂直に切断した概略断面図であり；
図３（ｃ）は、本発明で好適に使用できる平面型プリーツエレメント（図３（ａ）に示す）を、プリーツ方向と平行に切断した概略断面図であり；
図４（ａ）は、本発明で用いられる平面型プリーツエレメントのシール材の１例を示す、プリーツ方向と垂直に切断した断面図あり；
図４（ｂ）は、本発明で用いられる平面型プリーツエレメントのシール材の１例を示す、プリーツ方向と平行に切断した断面図であり；
図４（ｃ）は、本発明で用いられる平面型プリーツエレメントのシール材の１例を示す、プリーツ方向と平行に見た外観図であり；
図４（ｄ）は、本発明で用いられる平面型プリーツエレメントのシール材の１例を示す、プリーツ方向と垂直に見た外観図であり；
図５（ａ）は、本発明で用いられる平面型プリーツエレメントのシール材の更に他の１例を示す、プリーツ方向と垂直に切断した断面図であり；
図５（ｂ）は、本発明で用いられる平面型プリーツエレメントのシール材の他の１例を示す、プリーツ方向と平行に切断した断面図であり；
図５（ｃ）は、本発明で用いられる平面型プリーツエレメントのシール材の他の１例を示す、プリーツ方向と平行に見た外観図であり；
図５（ｄ）は、本発明で用いられる平面型プリーツエレメントのシール材の他の１例を示す、プリーツ方向と垂直に見た外観図であり；
図６ａは、流路を設ける前のプリーツエレメントを示す概略図であり；
図６ｂは、本発明における、空間部流路が無い場合の加湿エレメントの１例を示す概略図であり；
図６ｃは、本発明における、空間部流路を有する場合の加湿エレメントの１例を示す概略図であり；
図７は、本発明において平面型プリーツエレメントを使用する場合の、加湿エレメントの吸気口・排気口の関係の１例を示す概略図であり；
図８（ａ）は、内寸長さＸ、内寸幅Ｙの平面型プリーツエレメントの上面概略図であり；
図８（ｂ）は、内寸長さＸ、内寸幅Ｙの平面型プリーツエレメント（図８（ａ）に示す）を流路分割しないで用いる場合における、吸気口・排気口の配置を示す概略図であり；
図８（ｃ）は、内寸長さＸ、内寸幅Ｙの平面型プリーツエレメント（図８（ａ）に示す）を流路分割数２にする場合に用いるプリーツエレメントを示す上面概略図であり；
図８（ｄ）は、内寸長さＸ、内寸幅Ｙの平面型プリーツエレメント（図８（ａ）に示す）を流路分割数２にした場合における、吸気口・排気口の配置の１例を示す概略図であり；
図９（ａ）は、本発明における圧力緩衝部の気体の流し方の１例を示す概略図であり；
図９（ｂ）は、本発明における圧力緩衝部の気体の流し方の他の１例を示す概略図であり；
図９（ｃ）は、本発明における圧力緩衝部の気体の流し方の更に他の１例を示す概略図であり；
図１０（ａ）は、圧力プレート式ハウジングを説明する概略図であり；
図１０（ｂ）は、圧力プレート式ハウジング（図１０（ａ）に示す）の分解図であり；
図１１（ａ）は、圧力プレート式ハウジング（図１０（ａ）に示す）のプリーツ方向に平行に切断した断面図であり；
図１１（ｂ）は、圧力プレート式ハウジング（図１０（ａ）に示す）のプリーツ方向に垂直に切断した断面図であり；
図１２（ａ）は、本発明において圧力プレートハウジングを用いる場合の１例を示す、プリーツ方向に平行に切断した断面図であり；
図１２（ｂ）は、本発明において圧力プレートハウジングを用いる場合の１例を示す、プリーツ方向と垂直に切断した断面図であり；
図１３（ａ）は、本発明における加湿エレメントの分割の１例を示す、プリーツ方向と平行方向に切断した断面図であり；
図１３（ｂ）は、本発明における加湿エレメントの分割の１例を示す、プリーツ方向と垂直に切断した断面図であり；
図１４は、本発明における加湿エレメントの積層の１例を示す概略図であり；
図１５（ａ）は、円筒型プリーツエレメントの１例を示す概略図であり；
図１５（ｂ）は、円筒型プリーツエレメント（図１５（ａ）に示す）における、プリーツ成形体の上面図であり；そして
図１５（ｃ）は、円筒型プリーツエレメント（図１５（ａ）に示す）をプリーツ方向に平行に切断した断面図である。
図２（ａ）は、本発明で用いるプリーツ成形体の１例を示す概略図であり；
図２（ｂ）は、本発明で用いるプリーツ成形体の他の１例を示す概略図であり；
図２ｃは、本発明における加湿エレメントの流路の構成を示す概略図であり；
図３（ａ）は、本発明で好適に使用できる平面型プリーツエレメントの１例を示す概略図であり；
図３（ｂ）は、本発明で好適に使用できる平面型プリーツエレメント（図３（ａ）に示す）を、プリーツ方向と垂直に切断した概略断面図であり；
図３（ｃ）は、本発明で好適に使用できる平面型プリーツエレメント（図３（ａ）に示す）を、プリーツ方向と平行に切断した概略断面図であり；
図４（ａ）は、本発明で用いられる平面型プリーツエレメントのシール材の１例を示す、プリーツ方向と垂直に切断した断面図あり；
図４（ｂ）は、本発明で用いられる平面型プリーツエレメントのシール材の１例を示す、プリーツ方向と平行に切断した断面図であり；
図４（ｃ）は、本発明で用いられる平面型プリーツエレメントのシール材の１例を示す、プリーツ方向と平行に見た外観図であり；
図４（ｄ）は、本発明で用いられる平面型プリーツエレメントのシール材の１例を示す、プリーツ方向と垂直に見た外観図であり；
図５（ａ）は、本発明で用いられる平面型プリーツエレメントのシール材の更に他の１例を示す、プリーツ方向と垂直に切断した断面図であり；
図５（ｂ）は、本発明で用いられる平面型プリーツエレメントのシール材の他の１例を示す、プリーツ方向と平行に切断した断面図であり；
図５（ｃ）は、本発明で用いられる平面型プリーツエレメントのシール材の他の１例を示す、プリーツ方向と平行に見た外観図であり；
図５（ｄ）は、本発明で用いられる平面型プリーツエレメントのシール材の他の１例を示す、プリーツ方向と垂直に見た外観図であり；
図６ａは、流路を設ける前のプリーツエレメントを示す概略図であり；
図６ｂは、本発明における、空間部流路が無い場合の加湿エレメントの１例を示す概略図であり；
図６ｃは、本発明における、空間部流路を有する場合の加湿エレメントの１例を示す概略図であり；
図７は、本発明において平面型プリーツエレメントを使用する場合の、加湿エレメントの吸気口・排気口の関係の１例を示す概略図であり；
図８（ａ）は、内寸長さＸ、内寸幅Ｙの平面型プリーツエレメントの上面概略図であり；
図８（ｂ）は、内寸長さＸ、内寸幅Ｙの平面型プリーツエレメント（図８（ａ）に示す）を流路分割しないで用いる場合における、吸気口・排気口の配置を示す概略図であり；
図８（ｃ）は、内寸長さＸ、内寸幅Ｙの平面型プリーツエレメント（図８（ａ）に示す）を流路分割数２にする場合に用いるプリーツエレメントを示す上面概略図であり；
図８（ｄ）は、内寸長さＸ、内寸幅Ｙの平面型プリーツエレメント（図８（ａ）に示す）を流路分割数２にした場合における、吸気口・排気口の配置の１例を示す概略図であり；
図９（ａ）は、本発明における圧力緩衝部の気体の流し方の１例を示す概略図であり；
図９（ｂ）は、本発明における圧力緩衝部の気体の流し方の他の１例を示す概略図であり；
図９（ｃ）は、本発明における圧力緩衝部の気体の流し方の更に他の１例を示す概略図であり；
図１０（ａ）は、圧力プレート式ハウジングを説明する概略図であり；
図１０（ｂ）は、圧力プレート式ハウジング（図１０（ａ）に示す）の分解図であり；
図１１（ａ）は、圧力プレート式ハウジング（図１０（ａ）に示す）のプリーツ方向に平行に切断した断面図であり；
図１１（ｂ）は、圧力プレート式ハウジング（図１０（ａ）に示す）のプリーツ方向に垂直に切断した断面図であり；
図１２（ａ）は、本発明において圧力プレートハウジングを用いる場合の１例を示す、プリーツ方向に平行に切断した断面図であり；
図１２（ｂ）は、本発明において圧力プレートハウジングを用いる場合の１例を示す、プリーツ方向と垂直に切断した断面図であり；
図１３（ａ）は、本発明における加湿エレメントの分割の１例を示す、プリーツ方向と平行方向に切断した断面図であり；
図１３（ｂ）は、本発明における加湿エレメントの分割の１例を示す、プリーツ方向と垂直に切断した断面図であり；
図１４は、本発明における加湿エレメントの積層の１例を示す概略図であり；
図１５（ａ）は、円筒型プリーツエレメントの１例を示す概略図であり；
図１５（ｂ）は、円筒型プリーツエレメント（図１５（ａ）に示す）における、プリーツ成形体の上面図であり；そして
図１５（ｃ）は、円筒型プリーツエレメント（図１５（ａ）に示す）をプリーツ方向に平行に切断した断面図である。
１ 燃料電池
２ 加湿エレメント
３ コンプレッサー
４ 水素供給源
５ 補強フレーム
６ プリーツエレメント
７ シール材
８ ハウジング
９ 圧力緩衝部
２１、２１Ｓ、２１Ｍ 乾燥側流路
２２、２２Ｓ、２２Ｍ 湿潤側流路
２３ 加湿膜基材
２３Ａ 加湿膜
２３Ｂ 通気性補強材
３１、３２、３３、３４、４１、４２ 配管
３５、３７、２１１、２２１ 吸気口
３６、３８、２１２、２２２ 排気口
５１ 接着剤
６１ 吸気口・排気口の幅
６２ 吸気口・排気口の長さ
６３ 吸気口・排気口の間隔
７０ 流路構成手段
８１ スタッドボルト
８２ 補強材
９１、９２ 開口部Ａ
９３ 開口部Ａの対向面
Ａ 開口部Ａ
Ｂ 開口部Ｂ
発明の詳細な説明
本発明の基本的な態様によれば、加湿膜と少なくとも１層の通気性補強材の積層体からなるプリーツ成形体とその外辺部に設けられた補強フレームからなるプリーツエレメント、プリーツエレメントの両側に設けられた乾燥側・湿潤側の流路、各流路に備えられた１組以上の吸気口・排気口、および、外部配管と吸気口・排気口の間に備えられた圧力緩衝部からなり、プリーツエレメントの内部が加湿膜によって分割され、それぞれが乾燥側・湿潤側の流路の一部もしくは全部を構成することを特徴とする加湿装置が提供される。
次に、本発明の理解を容易にするために、まず本発明の基本的特徴及び好ましい諸態様を列挙する。
１．加湿膜と少なくとも１層の通気性補強材の積層体からなるプリーツ成形体とその外辺部に設けられた補強フレームからなるプリーツエレメント、プリーツエレメントの両側に設けられた乾燥側・湿潤側の流路、各流路に備えられた１組以上の吸気口・排気口、および、外部配管と吸気口・排気口の間に備えられた圧力緩衝部からなり、プリーツエレメントの内部が加湿膜によって分割され、それぞれが乾燥側・湿潤側の流路の一部もしくは全部を構成することを特徴とする加湿装置。
２．２枚の圧力プレートの中に少なくとも１個のプリーツエレメントが配置され、各プリーツエレメントの補強フレーム端部と２枚の圧力プレートが互いに密着して１つの気密空間を構成することを特徴とする、前項１に記載の加湿装置。
３．乾燥側および湿潤側のいずれかの流路において、２組以上の吸気口・排気口を備えることを特徴とする前項１または２に記載の加湿装置。
４．乾燥側および湿潤側のいずれかの流路において、流路分割数が２以上であることを特徴とする前項１〜３のいずれかに記載の加湿装置。
５．加湿膜の１２０℃熱収縮率が１０％以下、であることを特徴とする前項１〜４のいずれかに記載の加湿装置
６．プリーツの高さが５ｍｍ以上２００ｍｍ以下、であることを特徴とする前項１〜５のいずれかに記載の加湿装置。
７．プリーツエレメントの長さが３００ｍｍ以下、であることを特徴とする前項１〜６のいずれかに記載の加湿装置。
８．プリーツエレメントへの座屈強度が１０ｋＰａ以上、であることを特徴とする前項１〜７のいずれかに記載の加湿装置。
９．流路高さのプリーツ高さに対する比率Ｃが、乾燥側・湿潤側それぞれにおいて、流路内部のいずれかの点で１．０以上５．０以下、湿潤側流路容積の乾燥側流路容積に対する比率Ｖが０．５以上１００以下、プリーツピッチＰの加湿膜基材厚さＴに対する比率Ｍが０．８以上３．０以下、であることを特徴とする前項１〜８のいずれかに記載の加湿装置。
１０．乾燥側及び湿潤側のいずれかの流路において、空間部流路に流路制御手段を備えることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の加湿装置。
１１．２個以上のプリーツエレメントが平面的に配置されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の加湿装置。
１２．２個以上のプリーツエレメントが積層され、積層された隣接するプリーツエレメント間で乾燥側または湿潤側流路を共有することを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の加湿装置。
より具体的には、本発明は以下の通りである。
１．乾燥作用ガスを、キャリアーガスに同伴された水蒸気を含有する湿潤ガスを用いて加湿するための加湿装置であって、
プリーツ成形体及びその外周部に固定された補強フレームからなるプリーツエレメント、
湿潤ガス供給側流路（Ａ）（前記「湿潤側流路」を意味する）、及び
乾燥ガス加湿側流路（Ｂ）（前記「乾燥側流路」を意味する）
を包含し、
該湿潤ガス供給側流路（Ａ）及び乾燥ガス加湿側流路（Ｂ）はぞれぞれ該プリーツエレメントの両側に設けられており、
該プリーツ成形体が、該湿潤ガスから水蒸気を選択的に透過することができる加湿層（前記「加湿膜」により形成される）、及び該加湿層の少なくとも片面に積層されてなる通気性補強層（前記「通気性補材」により形成される）を含む積層体からなり、
該湿潤ガス供給側流路（Ａ）は、該湿潤ガスを導入するための少なくとも１つの吸気口（Ａ−１）、及び貧水蒸気キャリアーガスからなる排出ガスを抜き出すための排気口（Ａ−２）を有し、
該乾燥ガス加湿側流路（Ｂ）は、該乾燥作用ガスを導入するための少なくとも１つの吸気口（Ｂ−１）、及び加湿した作用ガスを抜き出すための少なくとも１つの排気口（Ｂ−２）を有し、
湿潤ガス気流緩衝手段（湿潤ガス供給側流路（Ａ）に関連して前記「圧力緩衝部」を形成するための手段）が、湿潤ガスを導入するための該少なくとも１つの吸気口（Ａ−１）と関連して設けられており、乾燥ガス気流緩衝手段（乾燥ガス加湿側流路（Ｂ）に関連して前記「圧力緩衝部」を形成するための手段）が、乾燥作用ガスを導入するための該少なくとも１つの吸気口（Ｂ−１）と関連して設けられており、
使用時には、該少なくとも１つの吸気口（Ａ−１）から湿潤ガス流通室に導入された湿潤ガスが、該プリーツ成形体を介して、該少なくとも１つの吸気口（Ｂ−１）から加湿室に導入された乾燥作用ガスに水蒸気を供給することにより、該乾燥作用ガスを加湿する、
ことを特徴とする加湿装置。
２．２枚の圧力プレートの間に該プリーツエレメントが配置され、プリーツエレメントの補強フレーム端部と２枚の圧力プレートが互いに密着して１つの気密空間を構成することを特徴とすることを特徴とする前項１に記載の加湿装置。
３．吸気口（Ａ−１）、排気口（Ａ−２）、吸気口（Ｂ−１）及び排気口（Ｂ−２）のうち少なくとも１つが２個以上存在することを特徴とする前項１又は２に記載の加湿装置。
４．湿潤ガス供給側流路（Ａ）及び乾燥ガス加湿側流路（Ｂ）からなる群より選ばれる少なくとも１つの流路において、流路分割数が２以上であることを特徴とする前項１〜３のいずれかに記載の加湿装置。
５．該加湿層を形成するために使用した加湿膜に関して１２０℃で測定した該加湿層の熱収縮率が１０％以下であることを特徴とする前項１〜４のいずれかに記載の加湿装置。
６．該プリーツ成形体のプリーツの平均高さが５ｍｍ以上２００ｍｍ以下であることを特徴とする前項１〜５のいずれかに記載の加湿装置。
７．該プリーツ成形体の、プリーツと平行方向に測定した長さが３００ｍｍ以下であることを特徴とする前項１〜６のいずれかに記載の加湿装置。
８．該プリーツエレメントの座屈強度が１０ｋＰａ以上であることを特徴とする前項１〜７のいずれかに記載の加湿装置。
９．湿潤ガス供給側流路（Ａ）の高さの該プリーツ成形体のプリーツの平均高さに対する比（Ｃ）及び乾燥ガス加湿側流路（Ｂ）の高さの該プリーツ成形体のプリーツの平均高さに対する比（Ｃ’）がそれぞれ１．０〜５．０であり、
湿潤ガス供給側流路（Ａ）の乾燥ガス加湿側流路（Ｂ）に対する容積比（Ｖ）が０．５〜１００であり、
該プリーツ成形体のプリーツピッチ（Ｐ）の該プリーツ積層体の厚み（Ｔ）に対する比（Ｍ）が０．８〜３．０であることを特徴とする前項１〜８のいずれかに記載の加湿装置。
１０．湿潤ガス供給側流路（Ａ）及び乾燥ガス加湿側流路（Ｂ）からなる群より選ばれる少なくとも１つの流路において、該流路における、該プリーツ成形体及びその凹部の空間を除く空間として定義される空間部流路にガス気流制御手段（前記「流路制御手段」を意味する）を備えることを特徴とする前項１〜９のいずれかに記載の加湿装置。
１１．該プリーツエレメントを少なくとも２つ含有し、該該プリーツエレメントが横方向に並べて配置されてなる前項１〜１０のいずれかに記載の加湿装置。
１２．該プリーツエレメントを少なくとも２つ含有し、該プリーツエレメントが積層され、積層された隣接するプリーツエレメント間で湿潤ガス供給側流路（Ａ）または乾燥ガス加湿側流路（Ｂ）を共有することを特徴とすることを特徴とする前項１〜１０のいずれかに記載の加湿装置。
以下、本発明を詳細に説明する。
［各部の定義］
本発明において、「加湿エレメント」は、加湿機能を担う最小単位をいい、加湿膜基材からなるプリーツ成形体、その外辺部に設けられた補強フレーム、プリーツ成形体の両面に設けられた吸気口、排気口、流路からなる。
本発明において、「加湿膜基材」は、加湿膜と少なくとも１層の通気性補強材からなる、加湿エレメントの基本構成部材をいい、必要に応じて加湿膜と通気性補強材の積層体とすることが出来る。
本発明における「加湿膜」は、水蒸気を含む混合気体から水蒸気を優先的に透過させ得る一種の選択透過膜をいい、所定の水蒸気存在下でのみ選択透過性を示す膜（後述する多孔性加湿膜など）もこれに含まれる。上記加湿膜が示す、水蒸気以外の気体を透過させない性質を特に「耐リーク性」と呼称する場合がある。本発明においては、耐リーク性に優れた上記加湿膜として、プリーツ加工可能な「平膜」を用いることを特徴とする。
本発明において、「通気性補強材」は、プリーツ内部で隣接する加湿膜の密着を妨げることによって良好な膜利用効率を達成するための手段に資するものであり、更にプリーツ成形体に必要な自立性を付与するための補助的な機能を担う。
本発明において、「プリーツ成形体」は、平膜状の加湿膜基材をプリーツ加工することによって得られた構造体をいう。尚、本発明において、「プリーツ加工」は、加湿膜基材にＶ字、Ｕ字、Ω字等が横方向に連続してなる断面形状（例えば図２ａ及びｂ参照）を付与するような加工をいう。プリーツ加工された加湿膜基材は、プリーツ加工をしていない加湿膜基材に比べ、同じ投影面積、同じ容積の中により大きな膜面積を収納することができる。
本発明において、「補強フレーム」は、プリーツ成形体の周囲と気密的に接着することによってプリーツエレメントを構成するための構造材をいう。すなわち、プリーツ成形体の端面と一体化することによって、プリーツエレメントの上面と下面を気密的に分離する機能を持つ。補強フレームとしては、樹脂、金属、ＦＲＰ等、目的に応じて各種材料を用いることが出来る。
本発明において、「プリーツエレメント」は、加湿エレメントの構成部材のうちプリーツ成形体と補強フレームから成る集合体をいう。すなわち、適切な吸気口、排気口、流路を備える前の加湿エレメントと言うことが出来る。
本発明における「ハウジング」は、加湿エレメントに加湿機能以外の機能（機械的破壊からの保護機能、外部配管との接続機能、等）を提供するための補助手段をいう。多くの場合、加湿エレメントはハウジングに収納ないしは接続されることによって実用上必要な機能が追加され「加湿装置」を構成する。
本発明において、プリーツの「長さ」とはプリーツと平行な方向、プリーツの「幅」とはプリーツと垂直な方向、における寸法ないしは距離を言う。
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
［燃料電池システム］
図１は、本発明の実施形態の例を示す燃料電池システム構成図である。（尚、図１においては、本発明における加湿のシステムをよりわかりやすくするため、ハウジングは明示されていない。）この燃料電池は水素と空気を用いる。加湿エレメント２は、空気が導入される乾燥側流路２１と、燃料電池１からのカソード側排気が導入される湿潤側流路２２、吸気口２１１および２２１、排気口２１２および２２２、これらの流路を分離する加湿膜基材２３、とを具備している。この加湿エレメント２の乾燥側流路２１の吸気口２１１は、空気供給源であるコンプレッサー３が配管３１で接続されており、乾燥側流路２１の排気口２１２は、燃料電池１のカソード側の吸気口３５と配管３２で接続されている。湿潤側流路２２の吸気口２２１は、燃料電池１のカソード側の排気口３６と配管３３で接続されており、湿潤側流路２２の排気口２２２は、排気用の配管３４が接続されている。水素供給源４は、燃料電池１のアノード側の吸気口３７と配管４１で接続されており、燃料電池１のアノード側の排気口３８には排気用の配管４２が接続されている。
燃料電池１のカソード側からの排気は、電池反応で生成された水、加湿エレメント２から供給されて燃料電池１の内部で吸収されなかった水、並びに加湿エレメント２から供給されて電池反応に使用されなかった酸素および酸素以外の気体（窒素等）からなる混合気体である。この混合気体は、配管３３から加湿エレメント２の湿潤側流路２２に導入されるが、加湿膜基材２３は水蒸気のみを透過するため、湿潤側流路２２内の水蒸気が乾燥側流路２１に移動し、乾燥側流路２１内の空気が加湿される。加湿された空気は、配管３２を通って燃料電池１のカソード側の吸気口３５に導入される。したがって、この加湿エレメント２は、水蒸気以外の気体組成や圧力を変化させることなく燃料電池運転に必要な加湿を安定して行うことができる。このため、本発明の加湿エレメントは、特に燃料電池自動車への搭載に適している。
乾燥側流路はコンプレッサー３で加圧されているため、湿潤側流路よりも全圧は高くなる。加湿膜は前記した水蒸気透過性に加え、全圧差に対する十分な耐リーク性、すなわち空気を含む他の気体に対する非透過性を併せ持つ必要がある。
［加湿膜］
加湿膜の水蒸気透過性は様々な方法で評価することが可能であるが、例えばＪＩＳ−Ｌ１０９９に記載の透湿度で評価することが出来る。加湿膜の空気を含む他の気体に対する非透過性は様々な方法で評価することが可能であるが、例えばＪＩＳ−Ｐ−８１１７に記載の透気度で評価することが出来る。加湿エレメントを燃料電池用途に使用する場合は、上記特性に加えて耐熱性を有することが好ましい。加湿膜は、多孔性加湿膜、均質加湿膜、複合加湿膜、に分類される。
加湿膜の透湿度は、好ましくは１００ｇ／ｍ２／ｈｒ以上、より好ましくは５００ｇ／ｍ２／ｈｒ以上、更に好ましくは１０００ｇ／ｍ２／ｈｒ以上、特に好ましくは１５００ｇ／ｍ２／ｈｒ以上である。
加湿膜の透気度は、好ましくは５００秒以上、より好ましくは１０００秒以上、更に好ましくは１００００秒以上、更に好ましくは１０００００秒以上、特に好ましくは１００００００秒以上である。なお、後述の多孔性加湿膜は湿潤下でのみ非透過性を発現するため、非透過性の尺度として透気度は使用しない。
加湿膜の熱収縮率は、１００℃で１２％以下が好ましく、１０％以下がより好ましく、８％以下が更に好ましく、６％以下が更に好ましく、４％以下が特に好ましい。尚、本発明において、熱収縮率は、１００℃にて６０秒間加熱した際の収縮率である。
加湿膜の膜厚は、１μｍ以上１０００μｍ以下が好ましい。膜厚の下限は５μｍ以上がより好ましく、１０μｍ以上が更に好ましく、２０μｍ以上が最も好ましい。膜厚の上限は５００μｍ以下がより好ましく、３００μｍ以下が更に好ましく、２００μｍ以下が最も好ましい。膜厚が１μｍ未満になると、機械強度が不足する場合があり、膜厚が１０００μｍを越えると、水蒸気透過性が低下する場合がある。
［多孔性加湿膜］
多孔性加湿膜としては、織布、不織布、微多孔膜等を用いることができる。当業者にはよく知られているように、孔径１０μｍ以下の多孔性加湿膜に水蒸気を含む気体が接触するといわゆる「ケルビン凝縮」が発生し、多孔性加湿膜の微細孔に水蒸気が凝縮して一種の液膜が形成され、耐リーク性が発現する。当該液膜は水からなるため水蒸気透過性が高く、自由表面水と同等の速度で水蒸気を透過することができる。
多孔性加湿膜の孔径は、０．００１μｍ以上１０μｍ以下が好ましい。孔径の下限は０．００５μｍ以上がより好ましく、０．０１μｍ以上が更に好ましい。孔径の上限は５μｍ以下がより好ましく、１μｍ以下が更に好ましく、０．５μｍ以下がより更に好ましく、０．２μｍ以下が特に好ましく、０．１μｍ以下が最も好ましい。孔径が０．００１μｍ未満では、水蒸気透過性が不足する場合があり、孔径が１０μｍを越えると、ケルビン凝縮が発生しにくい場合がある。
多孔性加湿膜の気孔率は、５％以上９０％以下が好ましく、気孔率の下限は１０％以上がより好ましく、２０％以上が更に好ましく、３０％以上が更に好ましく、４０％以上が特に好ましい。気孔率が５％未満では、水蒸気透過性が不十分な場合があり、気孔率が９０％を越えると、機械強度が不足する場合がある。
［均質加湿膜］
水蒸気透過性材料からなる均質膜を、均質加湿膜という。
水蒸気透過性材料としては、ポリエチレンオキサイド、ポリビニルアルコール、セルロースエーテル、デンプン等の非電解質高分子やこれらの共重合体、ポリアクリル酸、ポリアクリルアミド、ポリイソプロピルアクリルアミド、ポリスチレンスルホン酸、ポリビニルピリジン、ポリアミノ酸等の電解質高分子やこれらの共重合体および塩、さらには前述したようなフッ素系イオン交換樹脂等、吸水性または含水性樹脂として知られる樹脂であれば公知のどのような材料でも使用可能である。必要に応じて、イオン架橋、化学架橋、放射線架橋等の架橋、繊維補強、フィブリル補強等の補強を施すことにより含水率の調整や水への不溶化をはかることができる。
水蒸気透過性材料の含水率は、５％以上９５％以下が好ましい。均質多孔膜の含水率の下限は、２０％以上がより好ましく、４０％以上が更に好ましく、６０％以上が更に好ましく、８０％以上が特に好ましい。含水率の上限は、９０％以下がより好ましい。含水率が５％未満になると、十分な加湿性能を示すことが難しくなる場合があり、含水率が９５％を越えると、乾燥時の体積収縮が大きい、機械強度が低い、等の問題が発生する場合がある。
［複合加湿膜］
織布、不織布、微多孔膜等の多孔性基材に水蒸気透過性材料を塗布または含浸することにより得られる複合膜を、複合加湿膜という。
水蒸気透過性材料としては、ポリエチレンオキサイド、ポリビニルアルコール、セルロースエーテル、デンプン等の非電解質高分子やこれらの共重合体、ポリアクリル酸、ポリアクリルアミド、ポリイソプロピルアクリルアミド、ポリスチレンスルホン酸、ポリビニルピリジン、ポリアミノ酸等の電解質高分子やこれらの共重合体および塩、更には前述したようなフッ素系イオン交換樹脂等、吸水性または含水性樹脂として知られる樹脂であれば公知のどのような材料でも使用可能である。必要に応じて、イオン架橋、化学架橋、放射線架橋等の架橋、繊維補強、フィブリル補強等の補強を施すことにより含水率の調整や水への不溶化をはかることができる。
水蒸気透過性材料の含水率は、５％以上９５％以下が好ましい。含水率の下限は２０％以上がより好ましく、４０％以上が更に好ましく、６０％以上が更に好ましく、８０％以上が特に好ましい。含水率の上限は９０％以下がより好ましい。含水率が５％未満では、十分な加湿性能を示すことが難しい場合があり、含水率が９５％を越えると、乾燥時の体積収縮が大きい、機械強度が低い等の問題が生じる場合がある。
多孔性基材の気孔率は、５％以上９５％以下が好ましい。気孔率の下限は１０％以上がより好ましく、２０％以上が更に好ましく、３０％以上が更に好ましく、４０％以上が最も好ましい。気孔率が５％未満では、水蒸気透過性が不足する場合があり、気孔率が９５％を越えると、機械強度が不足する場合がある。
［通気性補強材］
通気性補強材は網状または多孔質状のシートであり、加湿膜と積層することによってプリーツピッチを維持しプリーツの深部へ良好に気体を導くことが出来る。また、加湿膜は一般的に剛性に欠けるが、通気性補強材と積層することによってプリーツ成形体の自立性や構造強度（特に座屈強度）を改善することが出来る。
通気性補強材は加湿膜の両面もしくは片面に設けることが出来る。特に、加湿膜を介して圧力差が存在する場合は少なくとも低圧側（多くは湿潤側）に設けることが好ましい。
通気性補強材としては、織布、不織布、樹脂製ネット（ポリプロピレン、ポリエステル、ナイロン等）、金属製ネット等を使用することが出来るが、このうち、樹脂製ネット、金属製ネットが好ましい。
通気性補強材の膜厚は、１０μｍ以上５０００μｍ以下が好ましく、膜厚の下限は１００μｍ以上がより好ましく、２００μｍ以上が更に好ましく、５００μｍ以上が特に好ましい。膜厚の上限は３０００μｍ以下がより好ましく、２０００μｍ以下が更に好ましく、１０００μｍ以下が特に好ましい。膜厚が１０μｍ未満では、機械強度が不足する場合があり、膜厚が５０００μｍを越えると、水蒸気透過性が低下する場合がある。なお、通気性補強材の厚さは、ＪＩＳ−Ｌ１０９６に記載の方法で測定される。
通気性補強材の気孔率は、３０％以上９５％以下が好ましく、気孔率の下限は４０％以上がより好ましく、５０％以上が更に好ましく、６０％以上が更に好ましく、７０％以上が特に好ましい。気孔率が３０％未満では、水蒸気透過性が不足する場合があり、気孔率が９５％未満では、機械強度が不足する場合がある。
通気性補強材の熱収縮率は、１００℃で１２％以下が好ましく、１０％以下がより好ましく、８％以下が更に好ましく、６％以下が更に好ましく、４％以下が特に好ましい。
通気性補強材の透気度は、１００秒以下が好ましく、より好ましくは１０秒以下、特に好ましくは１秒以下である。
ネットを使用する際のメッシュ数は、２以上１０００以下が好ましい。メッシュ数の下限は３以上がより好ましく、５以上が更に好ましく、１０以上が更に好ましく、１２以上が特に好ましい。メッシュ数の上限は１００以下がより好ましく、５０以下が更に好ましく、３０以下が更に好ましく、２０以下が特に好ましい。
ネットを使用する際の線径は、０．０１ｍｍ以上２ｍｍ以下が好ましい。線径の下限は０．０２ｍｍ以上がより好ましく、０．０４ｍｍ以上が更に好ましく、０．０６ｍｍ以上が更に好ましく、０．０８ｍｍ以上が特に好ましい。線径の上限は１ｍｍ以下がより好ましく、０．６ｍｍ以下が更に好ましく、０．４ｍｍ以下が更に好ましく、０．２ｍｍ以下が特に好ましい。
メッシュ数が１００以下のネットを使用する場合は、加湿膜を保護するため、加湿膜と通気性補強材の間に薄手の通気性補強材を設けることが好ましい。この種の通気性補強材として、片面または両面を平滑化処理したものがより好ましい。
［プリーツ成形体］
平膜状の加湿膜基材にプリーツ加工を施すことによってプリーツ成形体が得られる。通常は、加湿膜と通気性補強材からなる積層体に対してプリーツ加工を施すが、何らかの必要性がある場合は、加湿膜単独でプリーツ加工を施したあとプリーツ間に通気性補強材を挿入することも可能である。
図２ａ、ｂは、本発明のプリーツ成形体の例の概略図を示す。図２では、加湿膜２３Ａと通気性補強材２３Ｂで構成された加湿膜基材をプリーツ加工することによって得られたプリーツ成形体を示している。
プリーツ加工の方法としては、公知の方法が使用可能であり、例えばレシプロ（アコーディオン）プリーツマシンやロータリープリーツマシンを用いることが出来る。
プリーツの高さＨは、プリーツ成形体の山から山までの高さであり、高さＨが一定でない場合は、高さの平均値をＨとすることができる。高さＨは、５ｍｍ以上２００ｍｍ以下が好ましい。高さＨの下限は１０ｍｍ以上がより好ましく、１５ｍｍ以上が更に好ましい。高さＨの上限は１５０ｍｍ以下がより好ましく、１００ｍｍ以下が更に好ましく、８０ｍｍ以下が更に好ましく、５０ｍｍ以下が特に好ましい。
［補強フレーム］
プリーツエレメントの構成部材である補強フレームは、平面状であってもよいしコの字形等の折り曲げ部を設けてもかまわない。コの字形断面などの折り曲げ部を設けると、補強フレームの強度およびプリーツ成形体との接着面積が増えるとともに、折り曲げ部を介してハウジングと気密的に接続することも容易になるため好ましい。後述するように、本発明においては、補強フレームの端面にハウジングを気密的に接続することが特に好ましい。尚、本発明における補強フレームの端部とは、例えば、平面状の補強フレームを用いるときはプリーツ成形体の上面もしくは下面に向いた切断面、折り曲げ部を設けた補強フレームを設けた補強フレームを用いるときは折り曲げた部分の面、をいう。
補強フレームの板厚は、０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下が好ましい。板厚の下限は、０．２ｍｍ以上がより好ましく、０．５ｍｍ以上が更に好ましい。板厚の上限は、４ｍｍ以下がより好ましく、３ｍｍ以下が更に好ましく、２ｍｍ以下が特に好ましい。
補強フレームの高さは、通常はプリーツの高さＨにあわせて設定されるが、補強フレームの高さの内寸をプリーツの高さより意図的に長くすることによって、後述するような「空間部流路」を設けることが出来る。複数の材料を組み合わせて補強フレームとする際には、接続部の強度を増すため入れ子構造とすることが好ましい。
補強フレームの折り曲げ部の幅は、１ｍｍ以上５０ｍｍ以下が好ましい。折り曲げ部の幅の下限は５ｍｍ以上がより好ましく、１０ｍｍ以上が更に好ましい。折り曲げ部の幅の上限は４０ｍｍ以下がより好ましく、３０ｍｍ以下が更に好ましく、２０ｍｍ以下が特に好ましい。
［プリーツエレメント］
プリーツ成形体の外周部を補強フレーム内周部に接着固定することによってプリーツエレメントを構成する。プリーツエレメントは、その形状によって円筒型と平面型に大別される。
「円筒型」はプリーツと平行方向の加湿膜の両端が互いに接着されるタイプであり、プリーツと垂直方向の両端に合計２面の補強フレーム（主にドーナツ型）を備える。「平面型」はプリーツと平行方向の両端が互いに接着されないタイプであり、プリーツと垂直方向と平行方向の両端にそれぞれ２面、合計４面の補強フレーム（主に矩形）を備える。円筒型と平面型との相違はプリーツと平行方向の両端が互いに接着されるか否かにあり、接着されないものは具体的な形状に依らず平面型に含まれる。
構造から推察されるとおり、円筒型は中央部にデッドスペースを生じるため平面型より原理的に容積効率が低くなるが、平面型よりシール箇所が少ないため、用途や目的によっては好ましく使用出来る。車載燃料電池用をはじめとした一般用途においては、デッドスペースのない平面型を好ましく使用出来る。
図３（ａ）は、平面型プリーツエレメント、図１５（ａ）は円筒型プリーツエレメントの例を示す概略図である。図３（ｂ）及び図１５（ｂ）は、それぞれプリーツ方向と垂直に切断した断面図、図３（ｃ）及び図１５（ｃ）は、それぞれプリーツ方向と平行に切断した断面図である。プリーツ成形体２３の外辺部と補強フレーム５の内周部を接着する方法としては、例えば、コの字断面の補強フレーム内周部に接着剤５１を流し込んだあと、プリーツ成形体２３を導入して硬化させてもかまわないし、熱融着により接合してもかまわない。
図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）、図４（ｄ）、および図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）、図５（ｄ）は、平面型プリーツエレメントのシール材の例を示す概略図である。図４（ａ）及び図５（ａ）は、プリーツ方向と垂直に切断した断面図、図４（ｂ）及び図５（ｂ）は、プリーツ方向と平行に切断した断面図、図４（ｃ）及び図５（ｃ）は、プリーツ方向と平行に見た外観図、図４（ｄ）及び図５（ｄ）は、プリーツ方向と垂直に見た外観図である。図４（ａ）〜（ｄ）では、補強フレームの側面にシール材７が全周にわたって備えられている。図５（ａ）〜（ｄ）では、シール材７は補強フレームの上部と下部の折り曲げ部の全周にわたって備えられている。これ以外に、シール材をハウジングに備えて、補強フレームに備えないことも可能であるし、ハウジングと補強フレームの両方にシール材を備えることも可能である。さらに、気密を確保できるような処置を別途とる場合は、ハウジングと補強フレームの両方にシール材を備えないことも可能である。
シール材７としては、Ｏ−リング、ゴムシート、金属シート、接着剤等、本発明の目的から外れない範囲で様々なシール材を使用できる。このうち、Ｏ−リングおよびゴムシートが好ましい。Ｏ−リングを使う場合は、ハウジング側または補強フレーム側に溝加工を行ってＯ−リングを固定することが好ましい。シール材７としてゴムシートを使う場合は、厚みが厚すぎると内圧によってゴムシートが押し出されることがあるので、ゴムシートの厚みは好ましくは５ｍｍ以下、より好ましくは３ｍｍ以下、特に好ましくは１ｍｍである。
ピッチＰは、プリーツ成形体の隣接する山と山の間の距離であり、ピッチが一定でない場合は、ピッチの平均値をＰとすることができる。ピッチＰは０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下が好ましい。ピッチＰの下限は０．４ｍｍ以上がより好ましく、０．６ｍｍ以上が更に好ましく、０．８ｍｍ以上が更に好ましく、１．０ｍｍ以上が特に好ましい。ピッチＰの上限は８ｍｍ以下がより好ましく、６ｍｍ以下が更に好ましく、４ｍｍ以下が更に好ましい。ピッチＰは、補強フレームの内幅と収納したいプリーツの山数で調整することが出来る。
ピッチＰの加湿膜基材の厚さＴに対する比率Ｍは、０．５以上３．０以下が好ましい。比率Ｍの下限は、より好ましくは０．８以上、更に好ましくは１．０以上、更に好ましくは１．２以上、更に好ましくは１．４以上特に好ましくは１．６以上である。比率Ｍの上限は、より好ましくは２．５以下、更に好ましくは２．２以下、更に好ましくは２．１以下、更に好ましくは２．０以下、特に好ましくは１．９以下である。比率Ｍが０．８未満の場合、ピッチが狭くなるため通気性が低下して加湿性能が損なわれやすい。比率Ｍが３．０を越えると、ピッチが広くなるため収納できる膜面積が小さくなるとともに、気流で加湿膜基材がばたつくため摩耗または破損しやすい、または加湿膜両端の固定部に無理な力がかかって破損しやすい。
なお、比率Ｍが２．０とはプリーツの中で隣接する加湿膜基材表面が互いに接していることを示しており、比率Ｍが２．０以下とはプリーツの中で加湿膜基材が圧縮されて薄くなっていることを示している。図２（ａ）は、断面がＶ字状の１例であり、比率Ｍは３．０である。図２（ｂ）は、断面がＵ字状の１例であり、比率Ｍは２．０である。
プリーツエレメントの座屈強度は１０ｋＰａ以上が好ましく、２０ｋＰａ以上がより好ましく、４０ｋＰａ以上が更に好ましく、６０ｋＰａ以上が更に好ましく、８０ｋＰａ以上が更に好ましく、１００ｋＰａ以上が特に好ましい。尚、本発明において、座屈強度はＪＩＳ Ｋ−７２２０に記載の方法に準拠し、プリーツ高さの５％／秒の速さでプリーツエレメントをプリーツ高さ方向に圧縮したときの１０％変形時の応力で定義される。
一般的なプリーツエレメントは、長辺と短辺を有する矩形であるが、ハウジングの梁間隔を短くして耐圧性を向上させる目的から、プリーツエレメントの短辺は不必要に長くしないことが好ましい。好ましい短辺の長さは３００ｍｍ以下であり、２５０ｍｍ以下がより好ましく、２００ｍｍ以下が更に好ましく、１５０ｍｍ以下が更に好ましく、１００ｍｍ以下が特に好ましい。梁間隔を短くする必要がない場合においても短辺の長さは１０００ｍｍ以下が好ましく、５００ｍｍ以下がより好ましい。ハウジングの梁間隔については後述する。
［加湿エレメント］
プリーツエレメントに適切な吸気口、排気口、流路（特に明記しない限りこれら３つを総称して流路と呼称する）を設けることによって加湿エレメントを構成する。
図６（ａ）は流路を設ける前のプリーツエレメント、図６（ｂ）及び図６（ｃ）は本発明における加湿エレメントの例を示す概略図であり、図中Ｅと記載された範囲が加湿エレメントに相当する。図６（ｂ）及び図６（ｃ）において、点線は湿潤側流路、実線は乾燥側流路を表している。
図６（ｂ）は、流路構成手段７０を用いてプリーツエレメント上に「流路」を構成する例を示している。流路構成手段としては、例えばウレタンフォームのような追従性の高い材料に２つの開口部（吸気口・排気口）を形成したシート状の材料を用いることが可能であり、これをプリーツエレメント６の表面に備えることによってプリーツエレメント上に流路が構成される。図６（ｂ）の加湿エレメントは、シール材７を介してハウジング８と接続している。図６（ｂ）のハウジングは、加湿機能以外の補助機能、すなわち、機械的破壊からの保護機能、外部配管との接続機能等を加湿エレメントに提供している。
図６（ｃ）は、流路構成手段７０の代替としてハウジング８を用いて「流路」を構成する例を示している。図６（ｃ）のハウジングは、加湿機能以外の補助機能を提供するだけではなく、流路の一部を構成することで「加湿機能」の一部を提供しているとみなすことが出来る。
図６（ｃ）のような構成を取ると、プリーツエレメントとハウジング内表面の間に空間が生じる。本発明においては、この流路を「空間部流路」、プリーツエレメント内部の流路を「基材部流路」と呼称する。加湿エレメントが空間部流路を持つ場合、空間部流路に金網等の流路制御手段を設置することによって通気抵抗を調整することが出来る。例えば、空間部流路の通気抵抗を大きくすると圧損は大きくなるが、基材部流路へ流れる気流が増えるため加湿性能が向上する場合がある。流路制御手段の好ましい例としては、プレート、樹脂製ネット、金属製ネット等の材料を挙げられる。
［空間部流路を有する加湿エレメント］
図２（ｃ）は、加湿エレメントが空間部流路を有する場合の構成を示す概略図である。乾燥側流路２１および湿潤側流路２２は、それぞれ空間部流路２１Ｓ、２２Ｓ、および基材部流路２１Ｍ、２２Ｍからなっている。尚、Ｈはプリーツ成形体の高さを表す。
流路高さのプリーツ高さに対する比率Ｃ：［（Ｈ＋Ｓ）／Ｈ］は、湿潤側・乾燥側のそれぞれにおいて、流路内部のいずれかの点で１．０以上、５．０以下であることが好ましい。ここでいう流路高さとは、プリーツ成形体の高さＨに、湿潤側流路又は乾燥側流路の空間部高さＳを加えた高さをいう。尚、空間部高さＳは、例えば図２（ｃ）では空間部流路２２Ｓ又は２１Ｓの高さを指す。比率Ｃの上限は２．０以上が好ましく、１．５以下が更に好ましく、１．２以下が更に好ましく、１．１以下が更に好ましく、１．０５以下が特に好ましい。尚、比率Ｃが１．０の場合、流路構成手段が加湿エレメントの膜面に接していることを意味する。比率Ｃが１０を超えると、吸気口から導入された気体の多くが空間部流路を通過するため、十分な加湿性能を示すことが難しい。
湿潤側流路容積の乾燥側流路容積に対する比率Ｖ：［（Ｈ＋２２Ｓ）／（Ｈ＋２１Ｓ）］は、０．５以上１００以下であることが好ましい。ここでいう流路容積とは、プリーツ成形体の容積（端面の接着部等、水分移動に寄与しない容積は除く）に各流路空間部容積を加えた容積をいう。Ｖの下限は０．８以上がより好ましく、１．５以上が更に好ましく、２．０以上が特に好ましい。Ｖの上限は５０以下がより好ましく、２０以下が更に好ましく、１０以下が更に好ましく、５以下が特に好ましい。Ｖが０．５未満では、乾燥流路側の圧損に比べて湿潤側流路の圧損が大きくなりすぎる。Ｖが１００を超えると、湿潤側流路の圧損に比べて乾燥側流路の圧損が大きくなりすぎる。
［加湿エレメントの吸気口・排気口］
本発明において、加湿エレメントは、その両面にそれぞれ少なくとも１組の吸気口・排気口を備える。本発明においては、膜利用効率の観点から加湿エレメントの幅方向にわたって気体を均等に流すことが好ましい。図７は、加湿エレメントの吸気口・排気口の関係を示す概略図である。
吸気口・排気口の幅６１は、加湿エレメントの内幅に対して、５０％以上が好ましく、８０％以上がより好ましく、９０％以上が更に好ましく、９５％以上が特に好ましい。
吸気口・排気口の断面積は、外部配管の断面積に対して、１０％以上が好ましく、２０％以上がより好ましく、５０％以上が更に好ましく、１００％以上がより更に好ましく、２００％以上が特に好ましく、３００％以上が最も好ましい。
吸気口・排気口の長さ６２は、前記の幅と断面積から好ましい範囲を求めることが出来るが、通常は１ｍｍ以上１ｍ以下の範囲で好ましい長さを求めることが出来る。長さの下限は５ｍｍ以上がより好ましく、１０ｍｍ以上が更に好ましく、１５ｍｍ以上がより更に好ましい。長さの上限は２０ｃｍ以下が好ましく、１０ｃｍ以下がより好ましく、５ｃｍ以下が更に好ましい。長さが１ｍ以上の場合は圧損が大きくなるため好ましくない場合がある。
吸気口・排気口の形状は、前記の好ましい範囲の中で、長方形、楕円形、菱形、台形、およびこれらを複数組み合わせた集合体等、任意の形状を採用することが出来る。このうち、幅方向に長い長方形の場合は、２つの短辺を直線ではなく半円形とすることによって機械加工を容易にすることが出来るため好ましい。
［流路分割］
本発明の加湿装置は、要求性能に応じて膜面積を適切に設定することが必要である。要求性能が高くて大面積の加湿膜を必要とする場合、前述したようにプリーツエレメントの短辺は梁間隔及び圧損の観点から不必要に長くしないことが好ましいため、長辺方向に著しく長くさせざるを得ない場合がある。このような場合は「流路分割」を行うことによって同じ基本性能のまま加湿エレメントのコンパクト化をはかることが出来る。
流路分割の方法の１つとして、プリーツエレメントの長辺方向に物理的に分割して、複数のプリーツエレメントからなる加湿装置を構成する方法が考えられる。しかしながら、分割ごとに吸気口・排気口・外部手段等を設ける必要があるため加湿装置全体が煩雑化しやすい。本発明の流路分割はこうした方法も含むが、下記のような方法を用いることがより好ましい。
すなわち、プリーツエレメントを物理的に分割せず、短辺を支障のない範囲まで長くすることと引き換えに長辺を短くする。プリーツエレメントにこのような変形を行うと、当然ながら吸気口と排気口の間隔（すなわち図７の６３）が拡大するため圧損や加湿性能が影響を受ける恐れがある。そこで、プリーツエレメントの変形と同時に、吸気口と排気口の間に新たな吸気口及び／又は排気口を追加する。以下、図８（ａ）〜（ｄ）に参照して説明する。
図８（ａ）は、内寸長さＸｍｍ、内寸幅Ｙｍｍのプリーツエレメント（以下、「プリーツエレメントＡ」と称する）の上面概略図であり、図８（ｂ）は図（ａ）のプリーツエレメントの内寸幅と同じ幅で長さＺｍｍの開口部２箇所を備えるプリーツエレメントを加湿装置に用いる場合における、吸気口・排気口の配置を示す概略図である。尚、プリーツエレメントの「内寸長さ」及び「内寸幅」とは、補強フレームの部分を除いたプリーツエレメントの内寸を指す。
上記プリーツエレメントＡを含む加湿エレメントと同等の加湿性能になるように、プリーツエレメントの長辺及び短辺の長さを調整して流路分割した加湿エレメントの１例として、図８（ｃ）及び図８（ｄ）で表されるような場合を挙げられる。すなわち、図８（ｃ）は、内寸長さ２Ｘ−Ｚｍｍ、内寸幅Ｘ×Ｙ／（２Ｘ−Ｚ）ｍｍのプリーツエレメント（以下、「プリーツエレメントＢ」と称する）を上から見た概略図であり、図８（ｄ）は、図８（ｃ）のプリーツエレメントの内寸幅と同じ幅で長さＺｍｍの開口部３箇所を備えるプリーツエレメントＢを加湿装置に用いる場合における、吸気口・排気口の配置を示す概略図である。このような場合、一方の外部配管から何らかの分岐手段を介して両端の開口部と接続する。中央の開口部はそのままもう一方の外部配管と接続する。また、このような場合、吸気口（又は排気口）は２組存在するので、流路の流路分割数は２であるという。図８（ａ）〜（ｄ）からわかるように、図８（ｄ）の場合における吸気口・排気口の間隔は図８（ｂ）の場合と同じであり、Ｘに対してＺが小さい場合は片側の流路の幅はＸ×Ｙ／（２Ｘ−Ｚ）≒Ｙ／２であり、流路２つ分の幅はＹ／２×２＝Ｙとなり、図８（ａ）の場合と同じになる。本発明者らは、プリーツエレメントＡとＢが交換能力として同等の性能を示すことを見出した（実施例１及び２参照）。（尚、交換能力については後述する。）図８（ａ）及び図８（ｂ）に示されるようなプリーツエレメントを図８（ｃ）及び図８（ｄ）のように吸気口・排気口を追加する方法と、プリーツエレメントを物理的に分割する方法とを比較すると、Ｂの方法は隣り合う流路で１つの開口部（前期の例では中央の開口部）を共有するため、加湿装置全体をコンパクト化できる利点がある。
湿潤側・乾燥側のいずれかの流路分割数が２の場合、加湿エレメントは互いに平行な３個の開口部を備え、３の場合は４個の開口部を備える。加湿エレメントの両面で異なる流路分割数を設定することも可能であり、例えば、一方の流路分割数が２で他方の流路分割数が３の場合、それぞれ３個と４個の開口部を備える。
図１のように本発明の加湿装置を１個の燃料電池と接続することを想定した場合、外部配管は乾燥側・湿潤側とも吸気と排気の２本ずつしかないため、加湿エレメントの片面に３個以上の開口部を備える場合は何らかの分岐手段を用いて外部配管と接続する必要がある。分岐手段は特に制限はなく、目的に応じて幾何学的に可能なあらゆる組合せを用いることが出来る。本発明においてはこうした分岐手段を接続配管と呼称する。
［ハウジング］
加湿エレメントをハウジングと接続することによって、加湿機能以外の補助機能（機械的破壊からの保護機能、外部配管との接続機能、等）が付与された実用的な加湿装置が構成される。本発明において、ハウジングは多くの場合に好ましく用いられる。
ハウジングとしては、従来、エアフィルターなどにおいて、プリーツエレメント全体を収納するような「容器型」が知られているが、本発明ではプリーツエレメントの補強フレームを容器の１部として用い、プリーツエレメントの両面に配置された２枚の圧力プレートと補強フレームの端部が互いに密着することによって気密容器を構成するような「プレート型」を好ましく用いることができる。
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、本発明で用いる加湿エレメント用ハウジングの好ましい例である圧力プレート式ハウジングを説明する概略図である。
このような構成をとることにより、ハウジングの大幅な簡易化が容易になるとともに、所定の強度を有する補強フレームが応力（上下からはさまれる力）をプリーツ成形体にかわって支えることにより、高圧気体にも耐えうる丈夫な加湿装置を構成することが容易になった。また、圧力プレート式ハウジングを用いると、装置の分解等が容易になるため、コンパクトな装置構成でありながら高いメンテナンス性を併せ持つことができるという利点もある。
図１０（ａ）は、本発明の加湿装置の第１の例の外観の斜視図、図１０（ｂ）は、その加湿装置の分解図である。図１１（ａ）は、図１０（ａ）のプリーツ方向に平行方向に切断した断面図、図１１（ｂ）は、図１０（ａ）のプリーツ方向に垂直方向に切断した断面図である。
２枚の圧力プレート８とプリーツエレメント６は、補強フレーム５を介して気密的に接触（密着）している。圧力プレートとプリーツエレメントの密着手段として、図１１（ａ）では、プリーツエレメントの周囲に設けられた複数のスタッドボルト８１からなる加圧手段を用いている。加圧手段としては、この他に、接着、溶接等の接合手段をはじめ、公知の様々な密着手段を用いることができるが、加圧プレート外部に設けたクランプ等の構造材によって密着することもできる。
図１１（ａ）は、加湿膜で仕切られた下側の流路を乾燥側流路２１、上側を湿潤側流路２２としているが、これらは目的に応じて適宜逆に構成してもよい。乾燥側流路２１と湿潤側流路２２は、加湿膜基材２３、補強フレーム５、圧力プレート８及び、必要に応じて、補強フレームと圧力プレートの間に介在するシール材７によって気密的に分離されており、乾燥側流路２１は乾燥側吸気口２１１および乾燥側排気口２１２に、湿潤側流路２２は、湿潤側吸気口２２１および湿潤側排気口２２２に接続されている。
湿潤側吸気口２２１から導入された湿潤気体は、図１１（ａ）の点線で示す湿潤側流路２２を左から右方向に流れ、湿潤側排気口２２２から排出される。一方、乾燥側吸気口２１１から導入された乾燥気体は、図１１（ａ）の実線で示す乾燥側流路２１を右から左に流れ、乾燥側排気口２１２から排出される。この過程の中で、湿潤気体の中に含まれる水蒸気が加湿膜を介して乾燥気体に移動する。
圧力プレートは、本発明の目的から外れない範囲で様々な構造のものが使用可能であるが、例えば、厚さ０．１ｍｍ〜５０ｍｍの平板に各種加工を施して作成することができる。圧力プレートの材質は、ステンレス、アルミ、プラスチックなどの各種材料を使用することができる。また、リブやハニカム構造材など、公知の材料技術により、必要に応じて軽量化することができる。圧力プレートが加湿エレメントと接触する面はシール性を向上させるために十分平滑であることが好ましい。
使用気体の圧力が高い場合は、前記のような厚さの補強フレームであっても変形する可能性がある。このような場合は、加湿エレメントの外周部に図１２（ｂ）に示すような補強材８２を導入することができる。
２枚の圧力プレート８とプリーツエレメント６は、補強フレーム５を介して気密的に接触するが、この際、圧力プレート８と補強フレーム５の間に、必要に応じてシール材７を導入することができる。
［ハウジングと圧力緩衝部］
本発明において、特に、外部配管径よりプリーツエレメント上の吸気口が広い場合、外部配管を加湿エレメントの中央に接続すると、接続部に大半の気流が吹き付けられ、周辺部の加湿膜に十分な気流が供給できない恐れがある。例えば、図１０（ａ）において、２２１、２２２、２１２、２１１で示される吸排気管の内径がプリーツエレメント上の吸気口より大幅に狭い場合などがこれに相当する。このような場合、外部配管の気体導入口とプリーツエレメント上の吸気口の間に圧力緩衝部を設ける必要がある。本発明において、圧力緩衝部は、加湿エレメントの吸気口・排気口で起こる上記局所吹き付けを防止するために用いられる整流手段の呼称であり、外部配管と吸気口・排気口の間にハウジングが提供する補助機能の一部として設けられる。本発明において、圧力緩衝部は多くの場合に好ましく用いられる。
圧力緩衝部は、外部配管側と加湿エレメント側にそれぞれ開口部Ａと開口部Ｂを備える。開口部Ａは外部配管と同じ形状をもち、開口部Ｂは加湿エレメントの吸気口・排気口と同じ形状を持つ。開口部Ｂの幅は開口部Ａの幅にくらべて広い場合が多いが、外部配管と吸気口・排気口の幅が近い場合は、圧力緩衝部を省略することが出来る。
圧力緩衝部の構造は、前記の整流作用を有するものであればどのような構造でも使用可能であるが、例えば（１）開口部Ａと開口部Ｂを接続する管であって、Ａ−Ｂ間の長さが比較的長い構造、（２）開口部Ａと開口部Ｂを接続する管であって、管の内部に不織布やネットからなる圧力緩衝用のフィルタを設けた構造、（３）開口部Ａと開口部Ｂの気流の向きを互いに垂直とする構造、等を好ましく用いることができる。これらの構造をとることによって、開口部Ｂにおける圧力分布及び速度分布を比較的均一にすることが可能であり、プリーツエレメントの全面にわたって加湿膜を有効利用できるため好ましい。上記（１）〜（３）の構造のうち、特に（３）は他の構造よりもコンパクトで低圧損であるためより好ましい。ここで「互いに垂直」とは気流の向きを転じる概念を示す表記であり、９０度に加えて３０度〜１５０度の角度も含まれる場合がある。
例えば点線で表記された湿潤側流路においては、外部配管から左のパイプの開口部９１に導入された気体は、金属板で封鎖された対向面９３にぶつかってパイプ内部に比較的均一な圧力場を形成する。その後、パイプの下部に設けられた開口部Ｂから加湿エレメントの内部に導入され、加湿膜を介して乾燥側流路へ水蒸気を透過させたあと、開口部Ｂから右のパイプの中に排気される。排気された気体はパイプの中で比較的均一な圧力場を形成したあと開口部Ａから外部配管へ排気される。
図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、圧力緩衝部の例を示す概略図である。図１２（ａ）はプリーツ方向と平行方向に切断した断面図、図１２（ｂ）はプリーツ方向と垂直方向に切断した断面図である。図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、下部を長手方向に切断して長方形の開口部Ｂを作ったパイプを、ハウジングに溶接することで圧力緩衝部を構成している。図１３（ａ）及び図１３（ｂ）は、角形のパイプを使用することと、後述する加湿エレメントの分割を行っていることを除いて、図１２（ａ）及び図１２（ｂ）と同様の概略図を示している。
図９（ａ）、図９（ｂ）及び図９（ｃ）は、圧力緩衝部の気体の流し方の例を示す概略図である。図９（ａ）は、気体が上方から見て左手前から右奥へ流れる流路構成、図９（ｂ）は、気体が左手前から右手前へ流れる流路構成、図９（ｃ）は、気体が左手前と左奥の２箇所の吸気口から右手前と右奥の２箇所の排気口へ流れる流路構成をとっている。このうち、圧力緩衝作用は図９（ｃ）の流路構成が最も好ましい。例えば、流路分割数が２以上の場合や、流路分割数が１でも圧力緩衝部が図９（ｃ）のような構成をとる場合は、加湿装置の給排気口の総数が外部配管の総数（乾燥側入口、乾燥側出口、湿潤側入口、湿潤側出口の４本）を上回る。このような場合は、外部配管と圧力緩衝部の間に１本対複数本の分岐構造を有する接続配管を備える必要がある。接続配管は加湿装置側の複数本の吸気口もしくは排気口のそれぞれにおける流量ができるだけ均一になるような構造が好ましい。好ましい流量のばらつきは平均値に対して±２０％以下、より好ましくは１０％以下、更に好ましくは５％以下、更に好ましくは２％以下、特に好ましくは１％以下である。
圧力緩衝部の容積は、開口部Ａと開口部Ｂで閉じられた空間の容積として定義される。外部配管の断面積とプリーツエレメント内幅の積を基準容積としたとき、圧力緩衝部の容積は基準容積に対して、０．１以上１００以下が好ましい。本発明においてはこの比率を比率ＶＢと呼称する。比率ＶＢの下限は、０．２以上がより好ましく、０．５以上が更に好ましく、１．０以上がより更に好ましく、２．０以上が特に好ましい。ＶＢが０．１未満の場合は十分な圧力緩衝作用を得られない場合がある。ＶＢの上限は特に限定されないが、１００を越えると装置が必要以上に大型化するため好ましくない。
圧力緩衝部の幅は、加湿エレメントの吸気口・排気口の幅に対して、５０％以上８００％以下が好ましい。幅の下限は、７０％以上がより好ましく、８０％以上が更に好ましく、９０％以上がより更に好ましい。幅の上限は、６００％以下がより好ましく、４００％以下が更に好ましく、２００％以下がより更に好ましい。
圧力緩衝部の開口部Ｂの幅は、圧力緩衝部の幅の５０％以上が好ましく、８０％以上がより好ましく、９０％以上が更に好ましく、９５％以上がより更に好ましい。
圧力緩衝部の開口部Ｂの断面積は、開口部Ａの断面積の５０％以上が好ましく、１００％以上がより好ましく、２００％以上が更に好ましく、３００％以上がより更に好ましく、４００％以上が特に好ましく、５００％以上が最も好ましい。
乾燥気体と湿潤気体が加湿膜を介して接触する形式としては、対向流、並行流、直交流、放射流等、公知のさまざまな形式をとることができる。このうち対向流または並行流が好ましい。
［加湿エレメントの分割］
図１３は、本発明において加湿エレメントの分割例を示す概略図である。図１３によると、２枚の圧力プレートの中に２個のプリーツエレメント６が配置されている。プリーツエレメントはそれぞれ吸気口・排気口・流路を備えており、２枚のプレートの中に２個の加湿エレメントを構成している。このような構成をとる利点は主に圧力プレートにあり、図１３に示すように圧力プレートの外周部に加えて２個のプリーツエレメントの間にも加圧手段（図１３ではスタッドボルト８１）を備えることが出来るため、スタッドボルトとスタッドボルトの間隔（梁間隔）を短くすることが可能であり、材料強度的に、より簡単な（より強度の低い、より軽量な、より安価な）圧力プレートを用いることができる。
［加湿エレメントの積層］
図１４は、本発明において加湿エレメントの積層例を示す概略図である。本発明において、ハウジングに複数の加湿エレメントを備えることによって大きな膜面積を得ることができる。例えば、本発明において、プリーツの高さＰは５ｍｍ以上、２００ｍｍ以下が好ましいが、何らかの理由で加湿装置の平面方向への大きさの制限が強く、かつ、高さ方向への大きさの制限が弱い場合、高さ２００ｍｍ以下の加湿エレメントを乾燥側流路または湿潤側流路を共有しながら積層することによって大きな膜面積を達成することができる。
［加湿エレメントの性能］
本発明の加湿装置の性能は以下のような指標で評価することが出来る。以下の説明では簡略化のために乾燥側入口、乾燥側出口、湿潤側入口、湿潤側出口をそれぞれＤＩ、ＤＯ、ＷＩ、ＷＯと呼称する。
水分移動量（ｇ／分）＝ＤＯ水蒸気流量−ＤＩ水蒸気流量
容積あたり水分移動量（ｇ／分／Ｌ）＝水分移動量／プリーツエレメント容積
平均水蒸気分圧差（ｋＰａ）＝（ＷＩ水蒸気分圧＋ＷＯ水蒸気分圧−ＤＩ水蒸気分圧−ＤＯ水蒸気分圧）／２
交換能力（ｇ／分／ｋＰａ）＝水分移動量／平均水蒸気分圧差
容積あたり交換能力（ｇ／分／ｋＰａ／Ｌ）＝交換能力／プリーツエレメント容積
総合性能（ｇ／分／ｋＰａ２／Ｌ）＝容積あたり交換能力／圧損和×１０００
容積あたりの交換能力は、０．１以上が好ましく、０．２以上がより好ましく、０．５以上が更に好ましく、０．７以上がより更に好ましく、１．０以上が特に好ましい。容積あたりの交換能力が０．１未満では十分な加湿を行うために必要な装置サイズが大きくなり過ぎるため好ましくない。多くの加湿用途において２．５以上の容積あたりの交換能力があれば十分に目的を達成することができる。
圧損は、乾燥側・湿潤側とも、５０ｋＰａ以下が好ましく、２０ｋＰａ以下がより好ましく、１０ｋＰａ以下が更に好ましく、５ｋＰａ以下がより更に好ましく、３ｋＰａ以下が特に好ましい。圧損が５０ｋＰａを超えて高い場合は多くの加湿用途において加湿装置で失われるエネルギーが無視できなくなるため好ましくない。
総合性能は、１０以上が好ましく、２０以上がより好ましく、４０以上が更に好ましく、６０以上がより更に好ましく、８０以上が特に好ましい。
２ 加湿エレメント
３ コンプレッサー
４ 水素供給源
５ 補強フレーム
６ プリーツエレメント
７ シール材
８ ハウジング
９ 圧力緩衝部
２１、２１Ｓ、２１Ｍ 乾燥側流路
２２、２２Ｓ、２２Ｍ 湿潤側流路
２３ 加湿膜基材
２３Ａ 加湿膜
２３Ｂ 通気性補強材
３１、３２、３３、３４、４１、４２ 配管
３５、３７、２１１、２２１ 吸気口
３６、３８、２１２、２２２ 排気口
５１ 接着剤
６１ 吸気口・排気口の幅
６２ 吸気口・排気口の長さ
６３ 吸気口・排気口の間隔
７０ 流路構成手段
８１ スタッドボルト
８２ 補強材
９１、９２ 開口部Ａ
９３ 開口部Ａの対向面
Ａ 開口部Ａ
Ｂ 開口部Ｂ
発明の詳細な説明
本発明の基本的な態様によれば、加湿膜と少なくとも１層の通気性補強材の積層体からなるプリーツ成形体とその外辺部に設けられた補強フレームからなるプリーツエレメント、プリーツエレメントの両側に設けられた乾燥側・湿潤側の流路、各流路に備えられた１組以上の吸気口・排気口、および、外部配管と吸気口・排気口の間に備えられた圧力緩衝部からなり、プリーツエレメントの内部が加湿膜によって分割され、それぞれが乾燥側・湿潤側の流路の一部もしくは全部を構成することを特徴とする加湿装置が提供される。
次に、本発明の理解を容易にするために、まず本発明の基本的特徴及び好ましい諸態様を列挙する。
１．加湿膜と少なくとも１層の通気性補強材の積層体からなるプリーツ成形体とその外辺部に設けられた補強フレームからなるプリーツエレメント、プリーツエレメントの両側に設けられた乾燥側・湿潤側の流路、各流路に備えられた１組以上の吸気口・排気口、および、外部配管と吸気口・排気口の間に備えられた圧力緩衝部からなり、プリーツエレメントの内部が加湿膜によって分割され、それぞれが乾燥側・湿潤側の流路の一部もしくは全部を構成することを特徴とする加湿装置。
２．２枚の圧力プレートの中に少なくとも１個のプリーツエレメントが配置され、各プリーツエレメントの補強フレーム端部と２枚の圧力プレートが互いに密着して１つの気密空間を構成することを特徴とする、前項１に記載の加湿装置。
３．乾燥側および湿潤側のいずれかの流路において、２組以上の吸気口・排気口を備えることを特徴とする前項１または２に記載の加湿装置。
４．乾燥側および湿潤側のいずれかの流路において、流路分割数が２以上であることを特徴とする前項１〜３のいずれかに記載の加湿装置。
５．加湿膜の１２０℃熱収縮率が１０％以下、であることを特徴とする前項１〜４のいずれかに記載の加湿装置
６．プリーツの高さが５ｍｍ以上２００ｍｍ以下、であることを特徴とする前項１〜５のいずれかに記載の加湿装置。
７．プリーツエレメントの長さが３００ｍｍ以下、であることを特徴とする前項１〜６のいずれかに記載の加湿装置。
８．プリーツエレメントへの座屈強度が１０ｋＰａ以上、であることを特徴とする前項１〜７のいずれかに記載の加湿装置。
９．流路高さのプリーツ高さに対する比率Ｃが、乾燥側・湿潤側それぞれにおいて、流路内部のいずれかの点で１．０以上５．０以下、湿潤側流路容積の乾燥側流路容積に対する比率Ｖが０．５以上１００以下、プリーツピッチＰの加湿膜基材厚さＴに対する比率Ｍが０．８以上３．０以下、であることを特徴とする前項１〜８のいずれかに記載の加湿装置。
１０．乾燥側及び湿潤側のいずれかの流路において、空間部流路に流路制御手段を備えることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の加湿装置。
１１．２個以上のプリーツエレメントが平面的に配置されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の加湿装置。
１２．２個以上のプリーツエレメントが積層され、積層された隣接するプリーツエレメント間で乾燥側または湿潤側流路を共有することを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の加湿装置。
より具体的には、本発明は以下の通りである。
１．乾燥作用ガスを、キャリアーガスに同伴された水蒸気を含有する湿潤ガスを用いて加湿するための加湿装置であって、
プリーツ成形体及びその外周部に固定された補強フレームからなるプリーツエレメント、
湿潤ガス供給側流路（Ａ）（前記「湿潤側流路」を意味する）、及び
乾燥ガス加湿側流路（Ｂ）（前記「乾燥側流路」を意味する）
を包含し、
該湿潤ガス供給側流路（Ａ）及び乾燥ガス加湿側流路（Ｂ）はぞれぞれ該プリーツエレメントの両側に設けられており、
該プリーツ成形体が、該湿潤ガスから水蒸気を選択的に透過することができる加湿層（前記「加湿膜」により形成される）、及び該加湿層の少なくとも片面に積層されてなる通気性補強層（前記「通気性補材」により形成される）を含む積層体からなり、
該湿潤ガス供給側流路（Ａ）は、該湿潤ガスを導入するための少なくとも１つの吸気口（Ａ−１）、及び貧水蒸気キャリアーガスからなる排出ガスを抜き出すための排気口（Ａ−２）を有し、
該乾燥ガス加湿側流路（Ｂ）は、該乾燥作用ガスを導入するための少なくとも１つの吸気口（Ｂ−１）、及び加湿した作用ガスを抜き出すための少なくとも１つの排気口（Ｂ−２）を有し、
湿潤ガス気流緩衝手段（湿潤ガス供給側流路（Ａ）に関連して前記「圧力緩衝部」を形成するための手段）が、湿潤ガスを導入するための該少なくとも１つの吸気口（Ａ−１）と関連して設けられており、乾燥ガス気流緩衝手段（乾燥ガス加湿側流路（Ｂ）に関連して前記「圧力緩衝部」を形成するための手段）が、乾燥作用ガスを導入するための該少なくとも１つの吸気口（Ｂ−１）と関連して設けられており、
使用時には、該少なくとも１つの吸気口（Ａ−１）から湿潤ガス流通室に導入された湿潤ガスが、該プリーツ成形体を介して、該少なくとも１つの吸気口（Ｂ−１）から加湿室に導入された乾燥作用ガスに水蒸気を供給することにより、該乾燥作用ガスを加湿する、
ことを特徴とする加湿装置。
２．２枚の圧力プレートの間に該プリーツエレメントが配置され、プリーツエレメントの補強フレーム端部と２枚の圧力プレートが互いに密着して１つの気密空間を構成することを特徴とすることを特徴とする前項１に記載の加湿装置。
３．吸気口（Ａ−１）、排気口（Ａ−２）、吸気口（Ｂ−１）及び排気口（Ｂ−２）のうち少なくとも１つが２個以上存在することを特徴とする前項１又は２に記載の加湿装置。
４．湿潤ガス供給側流路（Ａ）及び乾燥ガス加湿側流路（Ｂ）からなる群より選ばれる少なくとも１つの流路において、流路分割数が２以上であることを特徴とする前項１〜３のいずれかに記載の加湿装置。
５．該加湿層を形成するために使用した加湿膜に関して１２０℃で測定した該加湿層の熱収縮率が１０％以下であることを特徴とする前項１〜４のいずれかに記載の加湿装置。
６．該プリーツ成形体のプリーツの平均高さが５ｍｍ以上２００ｍｍ以下であることを特徴とする前項１〜５のいずれかに記載の加湿装置。
７．該プリーツ成形体の、プリーツと平行方向に測定した長さが３００ｍｍ以下であることを特徴とする前項１〜６のいずれかに記載の加湿装置。
８．該プリーツエレメントの座屈強度が１０ｋＰａ以上であることを特徴とする前項１〜７のいずれかに記載の加湿装置。
９．湿潤ガス供給側流路（Ａ）の高さの該プリーツ成形体のプリーツの平均高さに対する比（Ｃ）及び乾燥ガス加湿側流路（Ｂ）の高さの該プリーツ成形体のプリーツの平均高さに対する比（Ｃ’）がそれぞれ１．０〜５．０であり、
湿潤ガス供給側流路（Ａ）の乾燥ガス加湿側流路（Ｂ）に対する容積比（Ｖ）が０．５〜１００であり、
該プリーツ成形体のプリーツピッチ（Ｐ）の該プリーツ積層体の厚み（Ｔ）に対する比（Ｍ）が０．８〜３．０であることを特徴とする前項１〜８のいずれかに記載の加湿装置。
１０．湿潤ガス供給側流路（Ａ）及び乾燥ガス加湿側流路（Ｂ）からなる群より選ばれる少なくとも１つの流路において、該流路における、該プリーツ成形体及びその凹部の空間を除く空間として定義される空間部流路にガス気流制御手段（前記「流路制御手段」を意味する）を備えることを特徴とする前項１〜９のいずれかに記載の加湿装置。
１１．該プリーツエレメントを少なくとも２つ含有し、該該プリーツエレメントが横方向に並べて配置されてなる前項１〜１０のいずれかに記載の加湿装置。
１２．該プリーツエレメントを少なくとも２つ含有し、該プリーツエレメントが積層され、積層された隣接するプリーツエレメント間で湿潤ガス供給側流路（Ａ）または乾燥ガス加湿側流路（Ｂ）を共有することを特徴とすることを特徴とする前項１〜１０のいずれかに記載の加湿装置。
以下、本発明を詳細に説明する。
［各部の定義］
本発明において、「加湿エレメント」は、加湿機能を担う最小単位をいい、加湿膜基材からなるプリーツ成形体、その外辺部に設けられた補強フレーム、プリーツ成形体の両面に設けられた吸気口、排気口、流路からなる。
本発明において、「加湿膜基材」は、加湿膜と少なくとも１層の通気性補強材からなる、加湿エレメントの基本構成部材をいい、必要に応じて加湿膜と通気性補強材の積層体とすることが出来る。
本発明における「加湿膜」は、水蒸気を含む混合気体から水蒸気を優先的に透過させ得る一種の選択透過膜をいい、所定の水蒸気存在下でのみ選択透過性を示す膜（後述する多孔性加湿膜など）もこれに含まれる。上記加湿膜が示す、水蒸気以外の気体を透過させない性質を特に「耐リーク性」と呼称する場合がある。本発明においては、耐リーク性に優れた上記加湿膜として、プリーツ加工可能な「平膜」を用いることを特徴とする。
本発明において、「通気性補強材」は、プリーツ内部で隣接する加湿膜の密着を妨げることによって良好な膜利用効率を達成するための手段に資するものであり、更にプリーツ成形体に必要な自立性を付与するための補助的な機能を担う。
本発明において、「プリーツ成形体」は、平膜状の加湿膜基材をプリーツ加工することによって得られた構造体をいう。尚、本発明において、「プリーツ加工」は、加湿膜基材にＶ字、Ｕ字、Ω字等が横方向に連続してなる断面形状（例えば図２ａ及びｂ参照）を付与するような加工をいう。プリーツ加工された加湿膜基材は、プリーツ加工をしていない加湿膜基材に比べ、同じ投影面積、同じ容積の中により大きな膜面積を収納することができる。
本発明において、「補強フレーム」は、プリーツ成形体の周囲と気密的に接着することによってプリーツエレメントを構成するための構造材をいう。すなわち、プリーツ成形体の端面と一体化することによって、プリーツエレメントの上面と下面を気密的に分離する機能を持つ。補強フレームとしては、樹脂、金属、ＦＲＰ等、目的に応じて各種材料を用いることが出来る。
本発明において、「プリーツエレメント」は、加湿エレメントの構成部材のうちプリーツ成形体と補強フレームから成る集合体をいう。すなわち、適切な吸気口、排気口、流路を備える前の加湿エレメントと言うことが出来る。
本発明における「ハウジング」は、加湿エレメントに加湿機能以外の機能（機械的破壊からの保護機能、外部配管との接続機能、等）を提供するための補助手段をいう。多くの場合、加湿エレメントはハウジングに収納ないしは接続されることによって実用上必要な機能が追加され「加湿装置」を構成する。
本発明において、プリーツの「長さ」とはプリーツと平行な方向、プリーツの「幅」とはプリーツと垂直な方向、における寸法ないしは距離を言う。
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
［燃料電池システム］
図１は、本発明の実施形態の例を示す燃料電池システム構成図である。（尚、図１においては、本発明における加湿のシステムをよりわかりやすくするため、ハウジングは明示されていない。）この燃料電池は水素と空気を用いる。加湿エレメント２は、空気が導入される乾燥側流路２１と、燃料電池１からのカソード側排気が導入される湿潤側流路２２、吸気口２１１および２２１、排気口２１２および２２２、これらの流路を分離する加湿膜基材２３、とを具備している。この加湿エレメント２の乾燥側流路２１の吸気口２１１は、空気供給源であるコンプレッサー３が配管３１で接続されており、乾燥側流路２１の排気口２１２は、燃料電池１のカソード側の吸気口３５と配管３２で接続されている。湿潤側流路２２の吸気口２２１は、燃料電池１のカソード側の排気口３６と配管３３で接続されており、湿潤側流路２２の排気口２２２は、排気用の配管３４が接続されている。水素供給源４は、燃料電池１のアノード側の吸気口３７と配管４１で接続されており、燃料電池１のアノード側の排気口３８には排気用の配管４２が接続されている。
燃料電池１のカソード側からの排気は、電池反応で生成された水、加湿エレメント２から供給されて燃料電池１の内部で吸収されなかった水、並びに加湿エレメント２から供給されて電池反応に使用されなかった酸素および酸素以外の気体（窒素等）からなる混合気体である。この混合気体は、配管３３から加湿エレメント２の湿潤側流路２２に導入されるが、加湿膜基材２３は水蒸気のみを透過するため、湿潤側流路２２内の水蒸気が乾燥側流路２１に移動し、乾燥側流路２１内の空気が加湿される。加湿された空気は、配管３２を通って燃料電池１のカソード側の吸気口３５に導入される。したがって、この加湿エレメント２は、水蒸気以外の気体組成や圧力を変化させることなく燃料電池運転に必要な加湿を安定して行うことができる。このため、本発明の加湿エレメントは、特に燃料電池自動車への搭載に適している。
乾燥側流路はコンプレッサー３で加圧されているため、湿潤側流路よりも全圧は高くなる。加湿膜は前記した水蒸気透過性に加え、全圧差に対する十分な耐リーク性、すなわち空気を含む他の気体に対する非透過性を併せ持つ必要がある。
［加湿膜］
加湿膜の水蒸気透過性は様々な方法で評価することが可能であるが、例えばＪＩＳ−Ｌ１０９９に記載の透湿度で評価することが出来る。加湿膜の空気を含む他の気体に対する非透過性は様々な方法で評価することが可能であるが、例えばＪＩＳ−Ｐ−８１１７に記載の透気度で評価することが出来る。加湿エレメントを燃料電池用途に使用する場合は、上記特性に加えて耐熱性を有することが好ましい。加湿膜は、多孔性加湿膜、均質加湿膜、複合加湿膜、に分類される。
加湿膜の透湿度は、好ましくは１００ｇ／ｍ２／ｈｒ以上、より好ましくは５００ｇ／ｍ２／ｈｒ以上、更に好ましくは１０００ｇ／ｍ２／ｈｒ以上、特に好ましくは１５００ｇ／ｍ２／ｈｒ以上である。
加湿膜の透気度は、好ましくは５００秒以上、より好ましくは１０００秒以上、更に好ましくは１００００秒以上、更に好ましくは１０００００秒以上、特に好ましくは１００００００秒以上である。なお、後述の多孔性加湿膜は湿潤下でのみ非透過性を発現するため、非透過性の尺度として透気度は使用しない。
加湿膜の熱収縮率は、１００℃で１２％以下が好ましく、１０％以下がより好ましく、８％以下が更に好ましく、６％以下が更に好ましく、４％以下が特に好ましい。尚、本発明において、熱収縮率は、１００℃にて６０秒間加熱した際の収縮率である。
加湿膜の膜厚は、１μｍ以上１０００μｍ以下が好ましい。膜厚の下限は５μｍ以上がより好ましく、１０μｍ以上が更に好ましく、２０μｍ以上が最も好ましい。膜厚の上限は５００μｍ以下がより好ましく、３００μｍ以下が更に好ましく、２００μｍ以下が最も好ましい。膜厚が１μｍ未満になると、機械強度が不足する場合があり、膜厚が１０００μｍを越えると、水蒸気透過性が低下する場合がある。
［多孔性加湿膜］
多孔性加湿膜としては、織布、不織布、微多孔膜等を用いることができる。当業者にはよく知られているように、孔径１０μｍ以下の多孔性加湿膜に水蒸気を含む気体が接触するといわゆる「ケルビン凝縮」が発生し、多孔性加湿膜の微細孔に水蒸気が凝縮して一種の液膜が形成され、耐リーク性が発現する。当該液膜は水からなるため水蒸気透過性が高く、自由表面水と同等の速度で水蒸気を透過することができる。
多孔性加湿膜の孔径は、０．００１μｍ以上１０μｍ以下が好ましい。孔径の下限は０．００５μｍ以上がより好ましく、０．０１μｍ以上が更に好ましい。孔径の上限は５μｍ以下がより好ましく、１μｍ以下が更に好ましく、０．５μｍ以下がより更に好ましく、０．２μｍ以下が特に好ましく、０．１μｍ以下が最も好ましい。孔径が０．００１μｍ未満では、水蒸気透過性が不足する場合があり、孔径が１０μｍを越えると、ケルビン凝縮が発生しにくい場合がある。
多孔性加湿膜の気孔率は、５％以上９０％以下が好ましく、気孔率の下限は１０％以上がより好ましく、２０％以上が更に好ましく、３０％以上が更に好ましく、４０％以上が特に好ましい。気孔率が５％未満では、水蒸気透過性が不十分な場合があり、気孔率が９０％を越えると、機械強度が不足する場合がある。
［均質加湿膜］
水蒸気透過性材料からなる均質膜を、均質加湿膜という。
水蒸気透過性材料としては、ポリエチレンオキサイド、ポリビニルアルコール、セルロースエーテル、デンプン等の非電解質高分子やこれらの共重合体、ポリアクリル酸、ポリアクリルアミド、ポリイソプロピルアクリルアミド、ポリスチレンスルホン酸、ポリビニルピリジン、ポリアミノ酸等の電解質高分子やこれらの共重合体および塩、さらには前述したようなフッ素系イオン交換樹脂等、吸水性または含水性樹脂として知られる樹脂であれば公知のどのような材料でも使用可能である。必要に応じて、イオン架橋、化学架橋、放射線架橋等の架橋、繊維補強、フィブリル補強等の補強を施すことにより含水率の調整や水への不溶化をはかることができる。
水蒸気透過性材料の含水率は、５％以上９５％以下が好ましい。均質多孔膜の含水率の下限は、２０％以上がより好ましく、４０％以上が更に好ましく、６０％以上が更に好ましく、８０％以上が特に好ましい。含水率の上限は、９０％以下がより好ましい。含水率が５％未満になると、十分な加湿性能を示すことが難しくなる場合があり、含水率が９５％を越えると、乾燥時の体積収縮が大きい、機械強度が低い、等の問題が発生する場合がある。
［複合加湿膜］
織布、不織布、微多孔膜等の多孔性基材に水蒸気透過性材料を塗布または含浸することにより得られる複合膜を、複合加湿膜という。
水蒸気透過性材料としては、ポリエチレンオキサイド、ポリビニルアルコール、セルロースエーテル、デンプン等の非電解質高分子やこれらの共重合体、ポリアクリル酸、ポリアクリルアミド、ポリイソプロピルアクリルアミド、ポリスチレンスルホン酸、ポリビニルピリジン、ポリアミノ酸等の電解質高分子やこれらの共重合体および塩、更には前述したようなフッ素系イオン交換樹脂等、吸水性または含水性樹脂として知られる樹脂であれば公知のどのような材料でも使用可能である。必要に応じて、イオン架橋、化学架橋、放射線架橋等の架橋、繊維補強、フィブリル補強等の補強を施すことにより含水率の調整や水への不溶化をはかることができる。
水蒸気透過性材料の含水率は、５％以上９５％以下が好ましい。含水率の下限は２０％以上がより好ましく、４０％以上が更に好ましく、６０％以上が更に好ましく、８０％以上が特に好ましい。含水率の上限は９０％以下がより好ましい。含水率が５％未満では、十分な加湿性能を示すことが難しい場合があり、含水率が９５％を越えると、乾燥時の体積収縮が大きい、機械強度が低い等の問題が生じる場合がある。
多孔性基材の気孔率は、５％以上９５％以下が好ましい。気孔率の下限は１０％以上がより好ましく、２０％以上が更に好ましく、３０％以上が更に好ましく、４０％以上が最も好ましい。気孔率が５％未満では、水蒸気透過性が不足する場合があり、気孔率が９５％を越えると、機械強度が不足する場合がある。
［通気性補強材］
通気性補強材は網状または多孔質状のシートであり、加湿膜と積層することによってプリーツピッチを維持しプリーツの深部へ良好に気体を導くことが出来る。また、加湿膜は一般的に剛性に欠けるが、通気性補強材と積層することによってプリーツ成形体の自立性や構造強度（特に座屈強度）を改善することが出来る。
通気性補強材は加湿膜の両面もしくは片面に設けることが出来る。特に、加湿膜を介して圧力差が存在する場合は少なくとも低圧側（多くは湿潤側）に設けることが好ましい。
通気性補強材としては、織布、不織布、樹脂製ネット（ポリプロピレン、ポリエステル、ナイロン等）、金属製ネット等を使用することが出来るが、このうち、樹脂製ネット、金属製ネットが好ましい。
通気性補強材の膜厚は、１０μｍ以上５０００μｍ以下が好ましく、膜厚の下限は１００μｍ以上がより好ましく、２００μｍ以上が更に好ましく、５００μｍ以上が特に好ましい。膜厚の上限は３０００μｍ以下がより好ましく、２０００μｍ以下が更に好ましく、１０００μｍ以下が特に好ましい。膜厚が１０μｍ未満では、機械強度が不足する場合があり、膜厚が５０００μｍを越えると、水蒸気透過性が低下する場合がある。なお、通気性補強材の厚さは、ＪＩＳ−Ｌ１０９６に記載の方法で測定される。
通気性補強材の気孔率は、３０％以上９５％以下が好ましく、気孔率の下限は４０％以上がより好ましく、５０％以上が更に好ましく、６０％以上が更に好ましく、７０％以上が特に好ましい。気孔率が３０％未満では、水蒸気透過性が不足する場合があり、気孔率が９５％未満では、機械強度が不足する場合がある。
通気性補強材の熱収縮率は、１００℃で１２％以下が好ましく、１０％以下がより好ましく、８％以下が更に好ましく、６％以下が更に好ましく、４％以下が特に好ましい。
通気性補強材の透気度は、１００秒以下が好ましく、より好ましくは１０秒以下、特に好ましくは１秒以下である。
ネットを使用する際のメッシュ数は、２以上１０００以下が好ましい。メッシュ数の下限は３以上がより好ましく、５以上が更に好ましく、１０以上が更に好ましく、１２以上が特に好ましい。メッシュ数の上限は１００以下がより好ましく、５０以下が更に好ましく、３０以下が更に好ましく、２０以下が特に好ましい。
ネットを使用する際の線径は、０．０１ｍｍ以上２ｍｍ以下が好ましい。線径の下限は０．０２ｍｍ以上がより好ましく、０．０４ｍｍ以上が更に好ましく、０．０６ｍｍ以上が更に好ましく、０．０８ｍｍ以上が特に好ましい。線径の上限は１ｍｍ以下がより好ましく、０．６ｍｍ以下が更に好ましく、０．４ｍｍ以下が更に好ましく、０．２ｍｍ以下が特に好ましい。
メッシュ数が１００以下のネットを使用する場合は、加湿膜を保護するため、加湿膜と通気性補強材の間に薄手の通気性補強材を設けることが好ましい。この種の通気性補強材として、片面または両面を平滑化処理したものがより好ましい。
［プリーツ成形体］
平膜状の加湿膜基材にプリーツ加工を施すことによってプリーツ成形体が得られる。通常は、加湿膜と通気性補強材からなる積層体に対してプリーツ加工を施すが、何らかの必要性がある場合は、加湿膜単独でプリーツ加工を施したあとプリーツ間に通気性補強材を挿入することも可能である。
図２ａ、ｂは、本発明のプリーツ成形体の例の概略図を示す。図２では、加湿膜２３Ａと通気性補強材２３Ｂで構成された加湿膜基材をプリーツ加工することによって得られたプリーツ成形体を示している。
プリーツ加工の方法としては、公知の方法が使用可能であり、例えばレシプロ（アコーディオン）プリーツマシンやロータリープリーツマシンを用いることが出来る。
プリーツの高さＨは、プリーツ成形体の山から山までの高さであり、高さＨが一定でない場合は、高さの平均値をＨとすることができる。高さＨは、５ｍｍ以上２００ｍｍ以下が好ましい。高さＨの下限は１０ｍｍ以上がより好ましく、１５ｍｍ以上が更に好ましい。高さＨの上限は１５０ｍｍ以下がより好ましく、１００ｍｍ以下が更に好ましく、８０ｍｍ以下が更に好ましく、５０ｍｍ以下が特に好ましい。
［補強フレーム］
プリーツエレメントの構成部材である補強フレームは、平面状であってもよいしコの字形等の折り曲げ部を設けてもかまわない。コの字形断面などの折り曲げ部を設けると、補強フレームの強度およびプリーツ成形体との接着面積が増えるとともに、折り曲げ部を介してハウジングと気密的に接続することも容易になるため好ましい。後述するように、本発明においては、補強フレームの端面にハウジングを気密的に接続することが特に好ましい。尚、本発明における補強フレームの端部とは、例えば、平面状の補強フレームを用いるときはプリーツ成形体の上面もしくは下面に向いた切断面、折り曲げ部を設けた補強フレームを設けた補強フレームを用いるときは折り曲げた部分の面、をいう。
補強フレームの板厚は、０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下が好ましい。板厚の下限は、０．２ｍｍ以上がより好ましく、０．５ｍｍ以上が更に好ましい。板厚の上限は、４ｍｍ以下がより好ましく、３ｍｍ以下が更に好ましく、２ｍｍ以下が特に好ましい。
補強フレームの高さは、通常はプリーツの高さＨにあわせて設定されるが、補強フレームの高さの内寸をプリーツの高さより意図的に長くすることによって、後述するような「空間部流路」を設けることが出来る。複数の材料を組み合わせて補強フレームとする際には、接続部の強度を増すため入れ子構造とすることが好ましい。
補強フレームの折り曲げ部の幅は、１ｍｍ以上５０ｍｍ以下が好ましい。折り曲げ部の幅の下限は５ｍｍ以上がより好ましく、１０ｍｍ以上が更に好ましい。折り曲げ部の幅の上限は４０ｍｍ以下がより好ましく、３０ｍｍ以下が更に好ましく、２０ｍｍ以下が特に好ましい。
［プリーツエレメント］
プリーツ成形体の外周部を補強フレーム内周部に接着固定することによってプリーツエレメントを構成する。プリーツエレメントは、その形状によって円筒型と平面型に大別される。
「円筒型」はプリーツと平行方向の加湿膜の両端が互いに接着されるタイプであり、プリーツと垂直方向の両端に合計２面の補強フレーム（主にドーナツ型）を備える。「平面型」はプリーツと平行方向の両端が互いに接着されないタイプであり、プリーツと垂直方向と平行方向の両端にそれぞれ２面、合計４面の補強フレーム（主に矩形）を備える。円筒型と平面型との相違はプリーツと平行方向の両端が互いに接着されるか否かにあり、接着されないものは具体的な形状に依らず平面型に含まれる。
構造から推察されるとおり、円筒型は中央部にデッドスペースを生じるため平面型より原理的に容積効率が低くなるが、平面型よりシール箇所が少ないため、用途や目的によっては好ましく使用出来る。車載燃料電池用をはじめとした一般用途においては、デッドスペースのない平面型を好ましく使用出来る。
図３（ａ）は、平面型プリーツエレメント、図１５（ａ）は円筒型プリーツエレメントの例を示す概略図である。図３（ｂ）及び図１５（ｂ）は、それぞれプリーツ方向と垂直に切断した断面図、図３（ｃ）及び図１５（ｃ）は、それぞれプリーツ方向と平行に切断した断面図である。プリーツ成形体２３の外辺部と補強フレーム５の内周部を接着する方法としては、例えば、コの字断面の補強フレーム内周部に接着剤５１を流し込んだあと、プリーツ成形体２３を導入して硬化させてもかまわないし、熱融着により接合してもかまわない。
図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）、図４（ｄ）、および図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）、図５（ｄ）は、平面型プリーツエレメントのシール材の例を示す概略図である。図４（ａ）及び図５（ａ）は、プリーツ方向と垂直に切断した断面図、図４（ｂ）及び図５（ｂ）は、プリーツ方向と平行に切断した断面図、図４（ｃ）及び図５（ｃ）は、プリーツ方向と平行に見た外観図、図４（ｄ）及び図５（ｄ）は、プリーツ方向と垂直に見た外観図である。図４（ａ）〜（ｄ）では、補強フレームの側面にシール材７が全周にわたって備えられている。図５（ａ）〜（ｄ）では、シール材７は補強フレームの上部と下部の折り曲げ部の全周にわたって備えられている。これ以外に、シール材をハウジングに備えて、補強フレームに備えないことも可能であるし、ハウジングと補強フレームの両方にシール材を備えることも可能である。さらに、気密を確保できるような処置を別途とる場合は、ハウジングと補強フレームの両方にシール材を備えないことも可能である。
シール材７としては、Ｏ−リング、ゴムシート、金属シート、接着剤等、本発明の目的から外れない範囲で様々なシール材を使用できる。このうち、Ｏ−リングおよびゴムシートが好ましい。Ｏ−リングを使う場合は、ハウジング側または補強フレーム側に溝加工を行ってＯ−リングを固定することが好ましい。シール材７としてゴムシートを使う場合は、厚みが厚すぎると内圧によってゴムシートが押し出されることがあるので、ゴムシートの厚みは好ましくは５ｍｍ以下、より好ましくは３ｍｍ以下、特に好ましくは１ｍｍである。
ピッチＰは、プリーツ成形体の隣接する山と山の間の距離であり、ピッチが一定でない場合は、ピッチの平均値をＰとすることができる。ピッチＰは０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下が好ましい。ピッチＰの下限は０．４ｍｍ以上がより好ましく、０．６ｍｍ以上が更に好ましく、０．８ｍｍ以上が更に好ましく、１．０ｍｍ以上が特に好ましい。ピッチＰの上限は８ｍｍ以下がより好ましく、６ｍｍ以下が更に好ましく、４ｍｍ以下が更に好ましい。ピッチＰは、補強フレームの内幅と収納したいプリーツの山数で調整することが出来る。
ピッチＰの加湿膜基材の厚さＴに対する比率Ｍは、０．５以上３．０以下が好ましい。比率Ｍの下限は、より好ましくは０．８以上、更に好ましくは１．０以上、更に好ましくは１．２以上、更に好ましくは１．４以上特に好ましくは１．６以上である。比率Ｍの上限は、より好ましくは２．５以下、更に好ましくは２．２以下、更に好ましくは２．１以下、更に好ましくは２．０以下、特に好ましくは１．９以下である。比率Ｍが０．８未満の場合、ピッチが狭くなるため通気性が低下して加湿性能が損なわれやすい。比率Ｍが３．０を越えると、ピッチが広くなるため収納できる膜面積が小さくなるとともに、気流で加湿膜基材がばたつくため摩耗または破損しやすい、または加湿膜両端の固定部に無理な力がかかって破損しやすい。
なお、比率Ｍが２．０とはプリーツの中で隣接する加湿膜基材表面が互いに接していることを示しており、比率Ｍが２．０以下とはプリーツの中で加湿膜基材が圧縮されて薄くなっていることを示している。図２（ａ）は、断面がＶ字状の１例であり、比率Ｍは３．０である。図２（ｂ）は、断面がＵ字状の１例であり、比率Ｍは２．０である。
プリーツエレメントの座屈強度は１０ｋＰａ以上が好ましく、２０ｋＰａ以上がより好ましく、４０ｋＰａ以上が更に好ましく、６０ｋＰａ以上が更に好ましく、８０ｋＰａ以上が更に好ましく、１００ｋＰａ以上が特に好ましい。尚、本発明において、座屈強度はＪＩＳ Ｋ−７２２０に記載の方法に準拠し、プリーツ高さの５％／秒の速さでプリーツエレメントをプリーツ高さ方向に圧縮したときの１０％変形時の応力で定義される。
一般的なプリーツエレメントは、長辺と短辺を有する矩形であるが、ハウジングの梁間隔を短くして耐圧性を向上させる目的から、プリーツエレメントの短辺は不必要に長くしないことが好ましい。好ましい短辺の長さは３００ｍｍ以下であり、２５０ｍｍ以下がより好ましく、２００ｍｍ以下が更に好ましく、１５０ｍｍ以下が更に好ましく、１００ｍｍ以下が特に好ましい。梁間隔を短くする必要がない場合においても短辺の長さは１０００ｍｍ以下が好ましく、５００ｍｍ以下がより好ましい。ハウジングの梁間隔については後述する。
［加湿エレメント］
プリーツエレメントに適切な吸気口、排気口、流路（特に明記しない限りこれら３つを総称して流路と呼称する）を設けることによって加湿エレメントを構成する。
図６（ａ）は流路を設ける前のプリーツエレメント、図６（ｂ）及び図６（ｃ）は本発明における加湿エレメントの例を示す概略図であり、図中Ｅと記載された範囲が加湿エレメントに相当する。図６（ｂ）及び図６（ｃ）において、点線は湿潤側流路、実線は乾燥側流路を表している。
図６（ｂ）は、流路構成手段７０を用いてプリーツエレメント上に「流路」を構成する例を示している。流路構成手段としては、例えばウレタンフォームのような追従性の高い材料に２つの開口部（吸気口・排気口）を形成したシート状の材料を用いることが可能であり、これをプリーツエレメント６の表面に備えることによってプリーツエレメント上に流路が構成される。図６（ｂ）の加湿エレメントは、シール材７を介してハウジング８と接続している。図６（ｂ）のハウジングは、加湿機能以外の補助機能、すなわち、機械的破壊からの保護機能、外部配管との接続機能等を加湿エレメントに提供している。
図６（ｃ）は、流路構成手段７０の代替としてハウジング８を用いて「流路」を構成する例を示している。図６（ｃ）のハウジングは、加湿機能以外の補助機能を提供するだけではなく、流路の一部を構成することで「加湿機能」の一部を提供しているとみなすことが出来る。
図６（ｃ）のような構成を取ると、プリーツエレメントとハウジング内表面の間に空間が生じる。本発明においては、この流路を「空間部流路」、プリーツエレメント内部の流路を「基材部流路」と呼称する。加湿エレメントが空間部流路を持つ場合、空間部流路に金網等の流路制御手段を設置することによって通気抵抗を調整することが出来る。例えば、空間部流路の通気抵抗を大きくすると圧損は大きくなるが、基材部流路へ流れる気流が増えるため加湿性能が向上する場合がある。流路制御手段の好ましい例としては、プレート、樹脂製ネット、金属製ネット等の材料を挙げられる。
［空間部流路を有する加湿エレメント］
図２（ｃ）は、加湿エレメントが空間部流路を有する場合の構成を示す概略図である。乾燥側流路２１および湿潤側流路２２は、それぞれ空間部流路２１Ｓ、２２Ｓ、および基材部流路２１Ｍ、２２Ｍからなっている。尚、Ｈはプリーツ成形体の高さを表す。
流路高さのプリーツ高さに対する比率Ｃ：［（Ｈ＋Ｓ）／Ｈ］は、湿潤側・乾燥側のそれぞれにおいて、流路内部のいずれかの点で１．０以上、５．０以下であることが好ましい。ここでいう流路高さとは、プリーツ成形体の高さＨに、湿潤側流路又は乾燥側流路の空間部高さＳを加えた高さをいう。尚、空間部高さＳは、例えば図２（ｃ）では空間部流路２２Ｓ又は２１Ｓの高さを指す。比率Ｃの上限は２．０以上が好ましく、１．５以下が更に好ましく、１．２以下が更に好ましく、１．１以下が更に好ましく、１．０５以下が特に好ましい。尚、比率Ｃが１．０の場合、流路構成手段が加湿エレメントの膜面に接していることを意味する。比率Ｃが１０を超えると、吸気口から導入された気体の多くが空間部流路を通過するため、十分な加湿性能を示すことが難しい。
湿潤側流路容積の乾燥側流路容積に対する比率Ｖ：［（Ｈ＋２２Ｓ）／（Ｈ＋２１Ｓ）］は、０．５以上１００以下であることが好ましい。ここでいう流路容積とは、プリーツ成形体の容積（端面の接着部等、水分移動に寄与しない容積は除く）に各流路空間部容積を加えた容積をいう。Ｖの下限は０．８以上がより好ましく、１．５以上が更に好ましく、２．０以上が特に好ましい。Ｖの上限は５０以下がより好ましく、２０以下が更に好ましく、１０以下が更に好ましく、５以下が特に好ましい。Ｖが０．５未満では、乾燥流路側の圧損に比べて湿潤側流路の圧損が大きくなりすぎる。Ｖが１００を超えると、湿潤側流路の圧損に比べて乾燥側流路の圧損が大きくなりすぎる。
［加湿エレメントの吸気口・排気口］
本発明において、加湿エレメントは、その両面にそれぞれ少なくとも１組の吸気口・排気口を備える。本発明においては、膜利用効率の観点から加湿エレメントの幅方向にわたって気体を均等に流すことが好ましい。図７は、加湿エレメントの吸気口・排気口の関係を示す概略図である。
吸気口・排気口の幅６１は、加湿エレメントの内幅に対して、５０％以上が好ましく、８０％以上がより好ましく、９０％以上が更に好ましく、９５％以上が特に好ましい。
吸気口・排気口の断面積は、外部配管の断面積に対して、１０％以上が好ましく、２０％以上がより好ましく、５０％以上が更に好ましく、１００％以上がより更に好ましく、２００％以上が特に好ましく、３００％以上が最も好ましい。
吸気口・排気口の長さ６２は、前記の幅と断面積から好ましい範囲を求めることが出来るが、通常は１ｍｍ以上１ｍ以下の範囲で好ましい長さを求めることが出来る。長さの下限は５ｍｍ以上がより好ましく、１０ｍｍ以上が更に好ましく、１５ｍｍ以上がより更に好ましい。長さの上限は２０ｃｍ以下が好ましく、１０ｃｍ以下がより好ましく、５ｃｍ以下が更に好ましい。長さが１ｍ以上の場合は圧損が大きくなるため好ましくない場合がある。
吸気口・排気口の形状は、前記の好ましい範囲の中で、長方形、楕円形、菱形、台形、およびこれらを複数組み合わせた集合体等、任意の形状を採用することが出来る。このうち、幅方向に長い長方形の場合は、２つの短辺を直線ではなく半円形とすることによって機械加工を容易にすることが出来るため好ましい。
［流路分割］
本発明の加湿装置は、要求性能に応じて膜面積を適切に設定することが必要である。要求性能が高くて大面積の加湿膜を必要とする場合、前述したようにプリーツエレメントの短辺は梁間隔及び圧損の観点から不必要に長くしないことが好ましいため、長辺方向に著しく長くさせざるを得ない場合がある。このような場合は「流路分割」を行うことによって同じ基本性能のまま加湿エレメントのコンパクト化をはかることが出来る。
流路分割の方法の１つとして、プリーツエレメントの長辺方向に物理的に分割して、複数のプリーツエレメントからなる加湿装置を構成する方法が考えられる。しかしながら、分割ごとに吸気口・排気口・外部手段等を設ける必要があるため加湿装置全体が煩雑化しやすい。本発明の流路分割はこうした方法も含むが、下記のような方法を用いることがより好ましい。
すなわち、プリーツエレメントを物理的に分割せず、短辺を支障のない範囲まで長くすることと引き換えに長辺を短くする。プリーツエレメントにこのような変形を行うと、当然ながら吸気口と排気口の間隔（すなわち図７の６３）が拡大するため圧損や加湿性能が影響を受ける恐れがある。そこで、プリーツエレメントの変形と同時に、吸気口と排気口の間に新たな吸気口及び／又は排気口を追加する。以下、図８（ａ）〜（ｄ）に参照して説明する。
図８（ａ）は、内寸長さＸｍｍ、内寸幅Ｙｍｍのプリーツエレメント（以下、「プリーツエレメントＡ」と称する）の上面概略図であり、図８（ｂ）は図（ａ）のプリーツエレメントの内寸幅と同じ幅で長さＺｍｍの開口部２箇所を備えるプリーツエレメントを加湿装置に用いる場合における、吸気口・排気口の配置を示す概略図である。尚、プリーツエレメントの「内寸長さ」及び「内寸幅」とは、補強フレームの部分を除いたプリーツエレメントの内寸を指す。
上記プリーツエレメントＡを含む加湿エレメントと同等の加湿性能になるように、プリーツエレメントの長辺及び短辺の長さを調整して流路分割した加湿エレメントの１例として、図８（ｃ）及び図８（ｄ）で表されるような場合を挙げられる。すなわち、図８（ｃ）は、内寸長さ２Ｘ−Ｚｍｍ、内寸幅Ｘ×Ｙ／（２Ｘ−Ｚ）ｍｍのプリーツエレメント（以下、「プリーツエレメントＢ」と称する）を上から見た概略図であり、図８（ｄ）は、図８（ｃ）のプリーツエレメントの内寸幅と同じ幅で長さＺｍｍの開口部３箇所を備えるプリーツエレメントＢを加湿装置に用いる場合における、吸気口・排気口の配置を示す概略図である。このような場合、一方の外部配管から何らかの分岐手段を介して両端の開口部と接続する。中央の開口部はそのままもう一方の外部配管と接続する。また、このような場合、吸気口（又は排気口）は２組存在するので、流路の流路分割数は２であるという。図８（ａ）〜（ｄ）からわかるように、図８（ｄ）の場合における吸気口・排気口の間隔は図８（ｂ）の場合と同じであり、Ｘに対してＺが小さい場合は片側の流路の幅はＸ×Ｙ／（２Ｘ−Ｚ）≒Ｙ／２であり、流路２つ分の幅はＹ／２×２＝Ｙとなり、図８（ａ）の場合と同じになる。本発明者らは、プリーツエレメントＡとＢが交換能力として同等の性能を示すことを見出した（実施例１及び２参照）。（尚、交換能力については後述する。）図８（ａ）及び図８（ｂ）に示されるようなプリーツエレメントを図８（ｃ）及び図８（ｄ）のように吸気口・排気口を追加する方法と、プリーツエレメントを物理的に分割する方法とを比較すると、Ｂの方法は隣り合う流路で１つの開口部（前期の例では中央の開口部）を共有するため、加湿装置全体をコンパクト化できる利点がある。
湿潤側・乾燥側のいずれかの流路分割数が２の場合、加湿エレメントは互いに平行な３個の開口部を備え、３の場合は４個の開口部を備える。加湿エレメントの両面で異なる流路分割数を設定することも可能であり、例えば、一方の流路分割数が２で他方の流路分割数が３の場合、それぞれ３個と４個の開口部を備える。
図１のように本発明の加湿装置を１個の燃料電池と接続することを想定した場合、外部配管は乾燥側・湿潤側とも吸気と排気の２本ずつしかないため、加湿エレメントの片面に３個以上の開口部を備える場合は何らかの分岐手段を用いて外部配管と接続する必要がある。分岐手段は特に制限はなく、目的に応じて幾何学的に可能なあらゆる組合せを用いることが出来る。本発明においてはこうした分岐手段を接続配管と呼称する。
［ハウジング］
加湿エレメントをハウジングと接続することによって、加湿機能以外の補助機能（機械的破壊からの保護機能、外部配管との接続機能、等）が付与された実用的な加湿装置が構成される。本発明において、ハウジングは多くの場合に好ましく用いられる。
ハウジングとしては、従来、エアフィルターなどにおいて、プリーツエレメント全体を収納するような「容器型」が知られているが、本発明ではプリーツエレメントの補強フレームを容器の１部として用い、プリーツエレメントの両面に配置された２枚の圧力プレートと補強フレームの端部が互いに密着することによって気密容器を構成するような「プレート型」を好ましく用いることができる。
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、本発明で用いる加湿エレメント用ハウジングの好ましい例である圧力プレート式ハウジングを説明する概略図である。
このような構成をとることにより、ハウジングの大幅な簡易化が容易になるとともに、所定の強度を有する補強フレームが応力（上下からはさまれる力）をプリーツ成形体にかわって支えることにより、高圧気体にも耐えうる丈夫な加湿装置を構成することが容易になった。また、圧力プレート式ハウジングを用いると、装置の分解等が容易になるため、コンパクトな装置構成でありながら高いメンテナンス性を併せ持つことができるという利点もある。
図１０（ａ）は、本発明の加湿装置の第１の例の外観の斜視図、図１０（ｂ）は、その加湿装置の分解図である。図１１（ａ）は、図１０（ａ）のプリーツ方向に平行方向に切断した断面図、図１１（ｂ）は、図１０（ａ）のプリーツ方向に垂直方向に切断した断面図である。
２枚の圧力プレート８とプリーツエレメント６は、補強フレーム５を介して気密的に接触（密着）している。圧力プレートとプリーツエレメントの密着手段として、図１１（ａ）では、プリーツエレメントの周囲に設けられた複数のスタッドボルト８１からなる加圧手段を用いている。加圧手段としては、この他に、接着、溶接等の接合手段をはじめ、公知の様々な密着手段を用いることができるが、加圧プレート外部に設けたクランプ等の構造材によって密着することもできる。
図１１（ａ）は、加湿膜で仕切られた下側の流路を乾燥側流路２１、上側を湿潤側流路２２としているが、これらは目的に応じて適宜逆に構成してもよい。乾燥側流路２１と湿潤側流路２２は、加湿膜基材２３、補強フレーム５、圧力プレート８及び、必要に応じて、補強フレームと圧力プレートの間に介在するシール材７によって気密的に分離されており、乾燥側流路２１は乾燥側吸気口２１１および乾燥側排気口２１２に、湿潤側流路２２は、湿潤側吸気口２２１および湿潤側排気口２２２に接続されている。
湿潤側吸気口２２１から導入された湿潤気体は、図１１（ａ）の点線で示す湿潤側流路２２を左から右方向に流れ、湿潤側排気口２２２から排出される。一方、乾燥側吸気口２１１から導入された乾燥気体は、図１１（ａ）の実線で示す乾燥側流路２１を右から左に流れ、乾燥側排気口２１２から排出される。この過程の中で、湿潤気体の中に含まれる水蒸気が加湿膜を介して乾燥気体に移動する。
圧力プレートは、本発明の目的から外れない範囲で様々な構造のものが使用可能であるが、例えば、厚さ０．１ｍｍ〜５０ｍｍの平板に各種加工を施して作成することができる。圧力プレートの材質は、ステンレス、アルミ、プラスチックなどの各種材料を使用することができる。また、リブやハニカム構造材など、公知の材料技術により、必要に応じて軽量化することができる。圧力プレートが加湿エレメントと接触する面はシール性を向上させるために十分平滑であることが好ましい。
使用気体の圧力が高い場合は、前記のような厚さの補強フレームであっても変形する可能性がある。このような場合は、加湿エレメントの外周部に図１２（ｂ）に示すような補強材８２を導入することができる。
２枚の圧力プレート８とプリーツエレメント６は、補強フレーム５を介して気密的に接触するが、この際、圧力プレート８と補強フレーム５の間に、必要に応じてシール材７を導入することができる。
［ハウジングと圧力緩衝部］
本発明において、特に、外部配管径よりプリーツエレメント上の吸気口が広い場合、外部配管を加湿エレメントの中央に接続すると、接続部に大半の気流が吹き付けられ、周辺部の加湿膜に十分な気流が供給できない恐れがある。例えば、図１０（ａ）において、２２１、２２２、２１２、２１１で示される吸排気管の内径がプリーツエレメント上の吸気口より大幅に狭い場合などがこれに相当する。このような場合、外部配管の気体導入口とプリーツエレメント上の吸気口の間に圧力緩衝部を設ける必要がある。本発明において、圧力緩衝部は、加湿エレメントの吸気口・排気口で起こる上記局所吹き付けを防止するために用いられる整流手段の呼称であり、外部配管と吸気口・排気口の間にハウジングが提供する補助機能の一部として設けられる。本発明において、圧力緩衝部は多くの場合に好ましく用いられる。
圧力緩衝部は、外部配管側と加湿エレメント側にそれぞれ開口部Ａと開口部Ｂを備える。開口部Ａは外部配管と同じ形状をもち、開口部Ｂは加湿エレメントの吸気口・排気口と同じ形状を持つ。開口部Ｂの幅は開口部Ａの幅にくらべて広い場合が多いが、外部配管と吸気口・排気口の幅が近い場合は、圧力緩衝部を省略することが出来る。
圧力緩衝部の構造は、前記の整流作用を有するものであればどのような構造でも使用可能であるが、例えば（１）開口部Ａと開口部Ｂを接続する管であって、Ａ−Ｂ間の長さが比較的長い構造、（２）開口部Ａと開口部Ｂを接続する管であって、管の内部に不織布やネットからなる圧力緩衝用のフィルタを設けた構造、（３）開口部Ａと開口部Ｂの気流の向きを互いに垂直とする構造、等を好ましく用いることができる。これらの構造をとることによって、開口部Ｂにおける圧力分布及び速度分布を比較的均一にすることが可能であり、プリーツエレメントの全面にわたって加湿膜を有効利用できるため好ましい。上記（１）〜（３）の構造のうち、特に（３）は他の構造よりもコンパクトで低圧損であるためより好ましい。ここで「互いに垂直」とは気流の向きを転じる概念を示す表記であり、９０度に加えて３０度〜１５０度の角度も含まれる場合がある。
例えば点線で表記された湿潤側流路においては、外部配管から左のパイプの開口部９１に導入された気体は、金属板で封鎖された対向面９３にぶつかってパイプ内部に比較的均一な圧力場を形成する。その後、パイプの下部に設けられた開口部Ｂから加湿エレメントの内部に導入され、加湿膜を介して乾燥側流路へ水蒸気を透過させたあと、開口部Ｂから右のパイプの中に排気される。排気された気体はパイプの中で比較的均一な圧力場を形成したあと開口部Ａから外部配管へ排気される。
図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、圧力緩衝部の例を示す概略図である。図１２（ａ）はプリーツ方向と平行方向に切断した断面図、図１２（ｂ）はプリーツ方向と垂直方向に切断した断面図である。図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、下部を長手方向に切断して長方形の開口部Ｂを作ったパイプを、ハウジングに溶接することで圧力緩衝部を構成している。図１３（ａ）及び図１３（ｂ）は、角形のパイプを使用することと、後述する加湿エレメントの分割を行っていることを除いて、図１２（ａ）及び図１２（ｂ）と同様の概略図を示している。
図９（ａ）、図９（ｂ）及び図９（ｃ）は、圧力緩衝部の気体の流し方の例を示す概略図である。図９（ａ）は、気体が上方から見て左手前から右奥へ流れる流路構成、図９（ｂ）は、気体が左手前から右手前へ流れる流路構成、図９（ｃ）は、気体が左手前と左奥の２箇所の吸気口から右手前と右奥の２箇所の排気口へ流れる流路構成をとっている。このうち、圧力緩衝作用は図９（ｃ）の流路構成が最も好ましい。例えば、流路分割数が２以上の場合や、流路分割数が１でも圧力緩衝部が図９（ｃ）のような構成をとる場合は、加湿装置の給排気口の総数が外部配管の総数（乾燥側入口、乾燥側出口、湿潤側入口、湿潤側出口の４本）を上回る。このような場合は、外部配管と圧力緩衝部の間に１本対複数本の分岐構造を有する接続配管を備える必要がある。接続配管は加湿装置側の複数本の吸気口もしくは排気口のそれぞれにおける流量ができるだけ均一になるような構造が好ましい。好ましい流量のばらつきは平均値に対して±２０％以下、より好ましくは１０％以下、更に好ましくは５％以下、更に好ましくは２％以下、特に好ましくは１％以下である。
圧力緩衝部の容積は、開口部Ａと開口部Ｂで閉じられた空間の容積として定義される。外部配管の断面積とプリーツエレメント内幅の積を基準容積としたとき、圧力緩衝部の容積は基準容積に対して、０．１以上１００以下が好ましい。本発明においてはこの比率を比率ＶＢと呼称する。比率ＶＢの下限は、０．２以上がより好ましく、０．５以上が更に好ましく、１．０以上がより更に好ましく、２．０以上が特に好ましい。ＶＢが０．１未満の場合は十分な圧力緩衝作用を得られない場合がある。ＶＢの上限は特に限定されないが、１００を越えると装置が必要以上に大型化するため好ましくない。
圧力緩衝部の幅は、加湿エレメントの吸気口・排気口の幅に対して、５０％以上８００％以下が好ましい。幅の下限は、７０％以上がより好ましく、８０％以上が更に好ましく、９０％以上がより更に好ましい。幅の上限は、６００％以下がより好ましく、４００％以下が更に好ましく、２００％以下がより更に好ましい。
圧力緩衝部の開口部Ｂの幅は、圧力緩衝部の幅の５０％以上が好ましく、８０％以上がより好ましく、９０％以上が更に好ましく、９５％以上がより更に好ましい。
圧力緩衝部の開口部Ｂの断面積は、開口部Ａの断面積の５０％以上が好ましく、１００％以上がより好ましく、２００％以上が更に好ましく、３００％以上がより更に好ましく、４００％以上が特に好ましく、５００％以上が最も好ましい。
乾燥気体と湿潤気体が加湿膜を介して接触する形式としては、対向流、並行流、直交流、放射流等、公知のさまざまな形式をとることができる。このうち対向流または並行流が好ましい。
［加湿エレメントの分割］
図１３は、本発明において加湿エレメントの分割例を示す概略図である。図１３によると、２枚の圧力プレートの中に２個のプリーツエレメント６が配置されている。プリーツエレメントはそれぞれ吸気口・排気口・流路を備えており、２枚のプレートの中に２個の加湿エレメントを構成している。このような構成をとる利点は主に圧力プレートにあり、図１３に示すように圧力プレートの外周部に加えて２個のプリーツエレメントの間にも加圧手段（図１３ではスタッドボルト８１）を備えることが出来るため、スタッドボルトとスタッドボルトの間隔（梁間隔）を短くすることが可能であり、材料強度的に、より簡単な（より強度の低い、より軽量な、より安価な）圧力プレートを用いることができる。
［加湿エレメントの積層］
図１４は、本発明において加湿エレメントの積層例を示す概略図である。本発明において、ハウジングに複数の加湿エレメントを備えることによって大きな膜面積を得ることができる。例えば、本発明において、プリーツの高さＰは５ｍｍ以上、２００ｍｍ以下が好ましいが、何らかの理由で加湿装置の平面方向への大きさの制限が強く、かつ、高さ方向への大きさの制限が弱い場合、高さ２００ｍｍ以下の加湿エレメントを乾燥側流路または湿潤側流路を共有しながら積層することによって大きな膜面積を達成することができる。
［加湿エレメントの性能］
本発明の加湿装置の性能は以下のような指標で評価することが出来る。以下の説明では簡略化のために乾燥側入口、乾燥側出口、湿潤側入口、湿潤側出口をそれぞれＤＩ、ＤＯ、ＷＩ、ＷＯと呼称する。
水分移動量（ｇ／分）＝ＤＯ水蒸気流量−ＤＩ水蒸気流量
容積あたり水分移動量（ｇ／分／Ｌ）＝水分移動量／プリーツエレメント容積
平均水蒸気分圧差（ｋＰａ）＝（ＷＩ水蒸気分圧＋ＷＯ水蒸気分圧−ＤＩ水蒸気分圧−ＤＯ水蒸気分圧）／２
交換能力（ｇ／分／ｋＰａ）＝水分移動量／平均水蒸気分圧差
容積あたり交換能力（ｇ／分／ｋＰａ／Ｌ）＝交換能力／プリーツエレメント容積
総合性能（ｇ／分／ｋＰａ２／Ｌ）＝容積あたり交換能力／圧損和×１０００
容積あたりの交換能力は、０．１以上が好ましく、０．２以上がより好ましく、０．５以上が更に好ましく、０．７以上がより更に好ましく、１．０以上が特に好ましい。容積あたりの交換能力が０．１未満では十分な加湿を行うために必要な装置サイズが大きくなり過ぎるため好ましくない。多くの加湿用途において２．５以上の容積あたりの交換能力があれば十分に目的を達成することができる。
圧損は、乾燥側・湿潤側とも、５０ｋＰａ以下が好ましく、２０ｋＰａ以下がより好ましく、１０ｋＰａ以下が更に好ましく、５ｋＰａ以下がより更に好ましく、３ｋＰａ以下が特に好ましい。圧損が５０ｋＰａを超えて高い場合は多くの加湿用途において加湿装置で失われるエネルギーが無視できなくなるため好ましくない。
総合性能は、１０以上が好ましく、２０以上がより好ましく、４０以上が更に好ましく、６０以上がより更に好ましく、８０以上が特に好ましい。
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明は実施例などにより何ら限定されるものではない。
［加湿膜］
ポリエチレン製微多孔膜（膜厚１６μｍ、目付け９ｇ／ｍ２気孔率４０％、透気度３００秒）を、パーフルオロイオン交換樹脂溶液（旭化成（株）製、Ａｃｉｐｌｅｘ−ＳＳ−１０００）に連続浸漬装置を使用して浸漬し、８０℃で乾燥することにより複合加湿膜を得た。このときのパーフルオロイオン交換樹脂の塗工目付け量は４ｇ／ｍ２であった。
［プリーツエレメント］
作成した加湿膜の片面に通気性補強材としてポリプロピレン製ネットＡ（目付け１０４ｇ／ｍ２、繊維径０．３ｍｍ、開口率６６％、厚さ０．７ｍｍ）及びポリプロピレン製ネットＢ（目付け５０ｇ／ｍ２、繊維径０．２５ｍｍ、開口率８６％、厚さ０．５ｍｍ）を、反対面にポリプロピレン製ネットＣ（目付け５０ｇ／ｍ２、繊維径０．２５ｍｍ、開口率８６％、厚さ０．５ｍｍ）を配置し、プリーツ高さＨを４０ｍｍとしてプリーツ成形を行い、プリーツ成形体を作成した。得られたプリーツ成形体の外周部にエポキシ接着剤を用いて折り曲げ部の幅１０ｍｍの補強フレームを密着固定することにより、幅４００ｍｍ、長さ１２０ｍｍ、高さ４４ｍｍの平面型プリーツエレメントを作成した。プリーツエレメントの山数Ｎは１７６山、ピッチＰは２．３ｍｍ、ピッチＰの加湿膜基材の厚さＴに対する比率Ｍは１．４であった。
プリーツエレメントの座屈強度は、ＪＩＳ Ｋ−７２２０に記載の方法に準拠し、プリーツ高さＨに対して５％／秒の速さでプリーツエレメントを圧縮したときの１０％変形時の応力として測定した。圧縮に用いる圧力板は直径３ｃｍの円板とし、円板の全面でプリーツエレメントを圧縮した。算出に用いる断面積は円板の面積とした。測定の結果、プリーツエレメントの座屈強度は１１０ｋＰａであった。
［加湿エレメント・加湿装置］
得られたプリーツエレメントを、図１２のような４箇所の開口部及び圧力緩衝部が設けてある圧力プレートと接続することにより、乾燥側・湿潤側とも流路分割数が１である加湿エレメント及び加湿装置を構成した。乾燥側・湿潤側は互いに向流接触となるよう吸気口を配置し、外部配管と接続した。このとき、開口部Ａの断面積５．１ｃｍ２、圧力緩衝部容積の比率ＶＢは０．８、加湿エレメントの吸気口及び排気口の幅３８０ｍｍ、長さ２０ｍｍ、圧力緩衝部の幅４００ｍｍ、長さ３８ｍｍ、及び圧力緩衝部の開口部Ｂの幅３８０ｍｍ、長さ２０ｍｍとした。また、流路高さのプリーツ高さに対する比率Ｃは湿潤側１．０８（空間部流路高さ３．０ｍｍ）、乾燥側１．０２（空間部流路高さ１．０ｍｍ）であり、湿潤側流路容積の乾燥側流路容積に対する比率Ｖは１．０５とした。また、湿潤側の空間部には流路制御手段として金網（厚さ３ｍｍ、線径１．５ｍｍ、開口率７８％）を配置した。
［評価］
作製した加湿装置の湿潤側入口に相対湿度９０％で温度８０℃の湿潤空気を、乾燥流量３０００ＮＬ／ｍｉｎで圧力４０ｋＰａＧとなるように供給するとともに、乾燥側入口に相対湿度１％で温度８０℃の乾燥空気を乾燥流量３０００ＮＬ／ｍｉｎで圧力６０ｋＰａＧとなるように供給した。
これらの条件で１時間運転した後に、湿潤側出口及び乾燥側出口の圧力・相対湿度・温度より、加湿膜を介して移動した水分量を計測した。
得られた結果を表１に示す。
ポリエチレン製微多孔膜（膜厚１６μｍ、目付け９ｇ／ｍ２気孔率４０％、透気度３００秒）を、パーフルオロイオン交換樹脂溶液（旭化成（株）製、Ａｃｉｐｌｅｘ−ＳＳ−１０００）に連続浸漬装置を使用して浸漬し、８０℃で乾燥することにより複合加湿膜を得た。このときのパーフルオロイオン交換樹脂の塗工目付け量は４ｇ／ｍ２であった。
［プリーツエレメント］
作成した加湿膜の片面に通気性補強材としてポリプロピレン製ネットＡ（目付け１０４ｇ／ｍ２、繊維径０．３ｍｍ、開口率６６％、厚さ０．７ｍｍ）及びポリプロピレン製ネットＢ（目付け５０ｇ／ｍ２、繊維径０．２５ｍｍ、開口率８６％、厚さ０．５ｍｍ）を、反対面にポリプロピレン製ネットＣ（目付け５０ｇ／ｍ２、繊維径０．２５ｍｍ、開口率８６％、厚さ０．５ｍｍ）を配置し、プリーツ高さＨを４０ｍｍとしてプリーツ成形を行い、プリーツ成形体を作成した。得られたプリーツ成形体の外周部にエポキシ接着剤を用いて折り曲げ部の幅１０ｍｍの補強フレームを密着固定することにより、幅４００ｍｍ、長さ１２０ｍｍ、高さ４４ｍｍの平面型プリーツエレメントを作成した。プリーツエレメントの山数Ｎは１７６山、ピッチＰは２．３ｍｍ、ピッチＰの加湿膜基材の厚さＴに対する比率Ｍは１．４であった。
プリーツエレメントの座屈強度は、ＪＩＳ Ｋ−７２２０に記載の方法に準拠し、プリーツ高さＨに対して５％／秒の速さでプリーツエレメントを圧縮したときの１０％変形時の応力として測定した。圧縮に用いる圧力板は直径３ｃｍの円板とし、円板の全面でプリーツエレメントを圧縮した。算出に用いる断面積は円板の面積とした。測定の結果、プリーツエレメントの座屈強度は１１０ｋＰａであった。
［加湿エレメント・加湿装置］
得られたプリーツエレメントを、図１２のような４箇所の開口部及び圧力緩衝部が設けてある圧力プレートと接続することにより、乾燥側・湿潤側とも流路分割数が１である加湿エレメント及び加湿装置を構成した。乾燥側・湿潤側は互いに向流接触となるよう吸気口を配置し、外部配管と接続した。このとき、開口部Ａの断面積５．１ｃｍ２、圧力緩衝部容積の比率ＶＢは０．８、加湿エレメントの吸気口及び排気口の幅３８０ｍｍ、長さ２０ｍｍ、圧力緩衝部の幅４００ｍｍ、長さ３８ｍｍ、及び圧力緩衝部の開口部Ｂの幅３８０ｍｍ、長さ２０ｍｍとした。また、流路高さのプリーツ高さに対する比率Ｃは湿潤側１．０８（空間部流路高さ３．０ｍｍ）、乾燥側１．０２（空間部流路高さ１．０ｍｍ）であり、湿潤側流路容積の乾燥側流路容積に対する比率Ｖは１．０５とした。また、湿潤側の空間部には流路制御手段として金網（厚さ３ｍｍ、線径１．５ｍｍ、開口率７８％）を配置した。
［評価］
作製した加湿装置の湿潤側入口に相対湿度９０％で温度８０℃の湿潤空気を、乾燥流量３０００ＮＬ／ｍｉｎで圧力４０ｋＰａＧとなるように供給するとともに、乾燥側入口に相対湿度１％で温度８０℃の乾燥空気を乾燥流量３０００ＮＬ／ｍｉｎで圧力６０ｋＰａＧとなるように供給した。
これらの条件で１時間運転した後に、湿潤側出口及び乾燥側出口の圧力・相対湿度・温度より、加湿膜を介して移動した水分量を計測した。
得られた結果を表１に示す。
加湿膜及び通気性補強材は実施例１と同様のものを使用し、プリーツ高さＨを４０ｍｍとしてプリーツ成形を行った。プリーツ成形体の外周部にエポキシ接着剤を用いて折り曲げ部の幅１０ｍｍの補強フレームを密着固定することにより、幅２００ｍｍ、長さ２４０ｍｍ、高さ４４ｍｍの平面型プリーツエレメントを作成した。プリーツエレメントの山数Ｎは８８山、プリーツピッチＰは２．３ｍｍであった。
プリーツエレメントを図８ｂのような６箇所の開口部及び圧力緩衝部が設けてあるハウジングと接続することにより、乾燥側・湿潤側ともに流路分割数が２である加湿エレメント及び加湿装置を構成した。ここで、湿潤側は中央の開口部を吸気口とし、外部配管に接続した。乾燥側は両端の開口部を吸気口とし、接続配管で１本に集合してから外部配管に接続した。その他は実施例１と同様の構成とした。
この加湿装置を実施例１と同じ条件で評価を行った。
得られた結果を表１に示す。
比較例１
特開２００２−２５２０１２号公報の実施例１と同様に、円筒型プリーツエレメント（ピッチ高さ２４ｍｍ、山数９４山）と外周部に圧力緩衝部を備えないハウジング（内筒径９０ｍｍ、長さ４００ｍｍ、外筒径１５０ｍｍ、長さ４００ｍｍ）を作製し、該特許文献の図２と同様の加湿装置を構成した。この加湿装置の内側流路に湿潤空気を、外側流路に乾燥空気を供給し、評価した。この時、湿潤側入口の相対湿度を６５％とした以外は実施例１と同様の評価条件とした。得られた結果を表１に示す。
比較例１で作製した加湿装置は圧力緩衝部を有さないため、気流の供給が不均一であり、本発明の加湿装置と比較して、加湿能力が大きく劣るものであった。
プリーツエレメントを図８ｂのような６箇所の開口部及び圧力緩衝部が設けてあるハウジングと接続することにより、乾燥側・湿潤側ともに流路分割数が２である加湿エレメント及び加湿装置を構成した。ここで、湿潤側は中央の開口部を吸気口とし、外部配管に接続した。乾燥側は両端の開口部を吸気口とし、接続配管で１本に集合してから外部配管に接続した。その他は実施例１と同様の構成とした。
この加湿装置を実施例１と同じ条件で評価を行った。
得られた結果を表１に示す。
比較例１
特開２００２−２５２０１２号公報の実施例１と同様に、円筒型プリーツエレメント（ピッチ高さ２４ｍｍ、山数９４山）と外周部に圧力緩衝部を備えないハウジング（内筒径９０ｍｍ、長さ４００ｍｍ、外筒径１５０ｍｍ、長さ４００ｍｍ）を作製し、該特許文献の図２と同様の加湿装置を構成した。この加湿装置の内側流路に湿潤空気を、外側流路に乾燥空気を供給し、評価した。この時、湿潤側入口の相対湿度を６５％とした以外は実施例１と同様の評価条件とした。得られた結果を表１に示す。
比較例１で作製した加湿装置は圧力緩衝部を有さないため、気流の供給が不均一であり、本発明の加湿装置と比較して、加湿能力が大きく劣るものであった。
本発明の加湿装置は、加湿性能、圧力損失、容積効率および物理的耐久性に優れているため、各種分野で用いる気体加湿装置として非常に有用であり、例えば、室内用加湿器や、特に、固体高分子型燃料電池用の加湿装置として好適に使用できる。
Claims (12)
- 加湿膜と少なくとも１層の通気性補強材の積層体からなるプリーツ成形体とその外周部に設けられた補強フレームからなるプリーツエレメント、プリーツエレメントの両側に設けられた乾燥側・湿潤側の流路、各流路に備えられた１組以上の吸気口・排気口、および、外部配管と吸気口・排気口の間に備えられた圧力緩衝部からなり、プリーツエレメントの内部が加湿膜によって分割され、それぞれが乾燥側・湿潤側の流路の一部もしくは全部を構成することを特徴とする加湿装置。
- ２枚の圧力プレートの中に少なくとも１個のプリーツエレメントが配置され、各プリーツエレメントの補強フレーム端部と２枚の圧力プレートが互いに密着して１つの気密空間を構成することを特徴とする、請求項１に記載の加湿装置。
- 乾燥側および湿潤側のいずれかの流路において、２組以上の吸気口・排気口を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の加湿装置。
- 乾燥側および湿潤側のいずれかの流路において、流路分割数が２以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の加湿装置。
- 加湿膜の１２０℃熱収縮率が１０％以下、であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の加湿装置
- プリーツの高さが５ｍｍ以上２００ｍｍ以下、であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の加湿装置。
- プリーツエレメントの長さが３００ｍｍ以下、であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の加湿装置。
- プリーツエレメントの座屈強度が１０ｋＰａ以上、であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の加湿装置。
- 流路高さのプリーツ高さに対する比率Ｃが、乾燥側・湿潤側それぞれにおいて、流路内部のいずれかの点で１．０以上５．０以下、湿潤側流路容積の乾燥側流路容積に対する比率Ｖが０．５以上１００以下、プリーツピッチＰの加湿膜基材厚さＴに対する比率Ｍが０．８以上３．０以下、であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の加湿装置。
- 乾燥側及び湿潤側のいずれかの流路において、空間部流路に流路制御手段を備えることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の加湿装置。
- ２個以上のプリーツエレメントが平面的に配置されたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の加湿装置。
- ２個以上のプリーツエレメントが積層され、積層された隣接するプリーツエレメント間で乾燥側または湿潤側流路を共有することを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の加湿装置。
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