JPWO2005075921A1

JPWO2005075921A1 - 温度湿度交換器

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Publication number: JPWO2005075921A1
Application number: JP2005517645A
Authority: JP
Inventors: 佳秀言上; 英男市村; 光家松村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-02-10
Filing date: 2005-01-24
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2025-01-24
Also published as: EP1719965A4; US7585355B2; US20070107454A1; JP4440216B2; CN1910422A; EP1719965B1; WO2005075921A1; CN100439849C; EP1719965A1

Abstract

温度湿度交換器は、水分を透湿する透湿膜と低温の乾燥ガスが流通される乾燥ガスセパレータと高温の湿潤ガスが流通される湿潤ガスセパレータとを有し、透湿膜、乾燥ガスセパレータ、透湿膜、湿潤ガスセパレータの順に繰り返し積層される温度湿度交換器において、乾燥ガスセパレータと湿潤ガスセパレータは、積層される方向に２分割され、透湿膜に接する方向に開口した並列に並べられた複数の流路溝と、複数の流路溝の各端部に連通され、流されるガスを少なくとも１つに集約する集約連結溝と、各集約連通溝に連通し、積層の方向に貫通する給気マニホールドおよび排気マニホールドと、が設けられ、乾燥ガスセパレータの流路溝内の乾燥ガスの流れと湿潤ガスセパレータの流路溝内の湿潤ガスの流れとが向流である。

Description

この発明は、高温の湿潤ガスから水分を透湿する透湿膜を介して伝達される熱および水分により低温の乾燥ガスを加熱加湿する温度湿度交換器に関し、特に、燃料電池の排ガスから伝達される熱および水分により未反応ガスを加熱加湿する燃料電池用の温度湿度交換器に関する。

固体高分子型燃料電池において、イオン交換膜は、分子中に水素イオンの交換基を有し、飽和含水することによりイオン伝導性物質として機能する。そして、イオン交換膜が乾燥すると、イオン伝導性が低下し、燃料電池の電池性能が著しく低下するため、イオン交換膜の乾燥を防ぐように、固体高分子電解質膜のような透湿膜の両面に水と未反応ガスが流される構造の温度湿度交換器を用いて、予め未反応ガスが加湿されている。

この温度湿度交換器は、未反応ガスが流される流路溝が備えられたセパレータと加湿水が流される流路溝が備えられたもう一方のセパレータにより透湿膜が挟持された構成になっている。そのセパレータの内部にリブによって区画されて形成された蛇行するガス流路溝の底部に、未反応ガスの流れに対向する突起が配され、未反応ガスが乱流となって効果的に攪拌され、未反応ガスが透湿膜と効果的に接触して、湿度効率を向上させている（例えば、特許文献１参照。）

しかし、加湿水として加熱した水を用意する給水装置が別に必要となり、コストが余計に掛かってしまう。そこで、燃料電池から排出される排ガスと未反応ガスとの間で温度湿度交換を行う温度湿度交換器が提案されている。それは、第１加湿ブロックと第２加湿ブロックよりなる温度湿度交換器がスペーサーを介して燃料電池本体に連結されている。未反応ガスとしての空気が第１加湿ブロック、さらに第２加湿ブロックへ流されてから燃料電池本体の空気極に供給される。一方、燃料電池の空気極から排出された水分を含む排ガスが温度湿度交換器に導入され、未反応ガスと逆方向に流通させられて排ガス出口より外部に排出される（例えば、特許文献２参照。）。

また、排ガスを用いる温度湿度交換器は、透湿膜の乾燥を防ぐため、メッシュプレートと保水性の多孔質体を交互に積層してなる温度湿度交換セルを有する。温度湿度交換セルに導入された排ガスと未反応ガスは、保水性の多孔質体を介して互いに接触されることにより、温度および湿度が交換される（例えば、特許文献３参照。）。

特開平１１−１８５７７７号公報特開２００２−１７０５８４号公報特開２０００−１６４２２９号公報

水分交換は、湿潤ガスから水分が凝縮して水滴がリブ表面を覆い、その水滴が透湿膜に接し、乾燥ガスが流されている流路の方に水分が透湿されることにより行われている。しかし、流路の高さが大きいと水滴が重力の影響を受けて流路の下部に片寄り、流路の上方に配置された透湿膜には水滴が接しないので、上方の乾燥ガスが流されている流路に水分が供給されない。また、リブの高さが大きいと、リブを介して伝熱される熱量が少なく、伝熱不足により乾燥ガスが充分に加熱されずに露点が上昇しないという問題があった。

さらに、リブの高さが大きいと、水滴は流路の下部に片寄り、下方の流路に向けて水分が主に伝達されるが、熱の相当分はリブを介して上方の流路にも伝達されるので、水分と熱の伝達の割合が上方下方の流路で異なっている。そのため、下方の流路では水分が多く伝達されてくるが熱の伝達が少なく、上方の流路には熱の伝達が多いが水分の伝達が少ないために、上方下方の流路で露点に大きな差異が生じる。セパレータを介する上方への熱伝達を極力抑えるためには、セパレータを断熱性の高い材料にする必要があり、そうするとセパレータの両面での温度差がますます広がり、熱変形が進む。このような熱変形が進むと、長期の使用に伴い透湿膜の支持が不確実になることが懸念される。

そこで、層流のときには流路の高さが小さいほどガス側の熱抵抗と物質移動抵抗が低減されることを考慮すると、流路の高さを減少して露点を上げることができる。しかし、流路の高さを減少すると、ガスの給気入口の間口の狭さにより急激な圧力上昇が起こり、圧力損失の許容圧力を超えてしまうという問題があった。また、その圧力損失を見込んで給気するガスの圧力を大きくすると、温度湿度交換器の給気入口の圧力が許容圧力を越えるという問題が生じる。

そこで、ガス流路溝の底部に反応ガスの流れに対向する突起を設けると、乱流効果により多少温度効率および湿度効率は上昇するが、乱流では圧力損失が流量に対して２乗に比例するため（一方、層流では圧力損失が流量に対して比例する。）、乱流による圧力損失が大きくなり、線速度を２倍に増加すれば、圧力損失は４倍に増大する。乱流での圧力損失を許容圧力０．９８ｋＰａ（１００ｍｍＨ_２Ｏ）以下に抑えることができない。

また、メッシュプレートと保水性の多孔質体を交互に積層すると、メッシュがガスの流れに乱流を起こし、流路圧力損失を許容圧力以下に抑えることができない。さらに、乱流にともない、ガスの流れがメッシュプレート内で不均一になるとともに透湿膜の有効面積の減少に伴う水分の伝達率が小さくなるので、湿度効率が低下してしまうという問題があった。

この発明の目的は、高い露点を有するガスを出力するとともに充分に低い圧力損失である温度湿度交換器を提供することである。

この発明に係わる温度湿度交換器は、水分を透湿する透湿膜、低温の乾燥ガスが流される乾燥ガスセパレータおよび高温の湿潤ガスが流される湿潤ガスセパレータを有し、上記透湿膜、上記乾燥ガスセパレータ、上記透湿膜、上記湿潤ガスセパレータの順に繰り返し積層される温度湿度交換器において、上記乾燥ガスセパレータと上記湿潤ガスセパレータは、上記積層される方向に２分割され、上記透湿膜に接する方向に開口し、並列に並べられた複数の流路溝と、複数の上記流路溝の両端部にそれぞれ連通され、流されるガスを少なくとも１つに集約する集約連結溝と、それぞれの上記集約連通溝に連通され、上記積層される方向に貫通する給気マニホールドおよび排気マニホールドと、が設けられ、上記乾燥ガスセパレータの流路溝内を流される上記乾燥ガスの流れと上記湿潤ガスセパレータの流路溝内を流される湿潤ガスの流れとが向流である。

この発明に係わる温度湿度交換器の効果は、積層される方向に２分割された流路溝に同一のガスを流すことにより温度効率および湿度効率が改善され、出力ガスの露点を高くすることができる。さらに、流路溝の深さを浅くしても、２倍の深さと見なせる両方の流路溝と複数の流路溝を集約する集約連通溝とが連通されているので、ガスが流される流路の水力等価直径が極端に小さくなる箇所が見当たらず、圧力損失を許容圧力損失以下に抑えることができる。

この発明の実施形態１に係わる温度湿度交換器の側面図である。実施の形態１の温度湿度交換器の平面図である。実施の形態１の温度湿度交換積層体の部分断面図である。実施の形態１の温度湿度交換積層体の乾燥ガスセパレータの平面図である。図４の詳細平面図と部分断面図である。温度湿度交換器の設置の様子を示す図である。乾燥ガス、湿潤ガスの温度と湿度の変化の様子を示す図である。実施の形態１と比較例１の温度湿度交換器の温度効率、湿度効率、露点、圧力損失の実測値である。実施の形態１の温度湿度交換器を用いて熱と水分とを交換する様子を示す図である。この発明の実施の形態２の温度湿度交換器の上平面図である。実施の形態２の温度湿度交換積層体の乾燥ガスセパレータの平面図である。この発明の実施の形態３に係わる温度湿度交換器の側面図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係わる温度湿度交換器の側面図である。図２は、実施の形態１の温度湿度交換器の上平面図である。図３は、温度湿度交換セルの部分断面図である。図４は、温度湿度交換セルの乾燥ガスセパレータの平面図である。なお、以下の説明において、乾燥ガスは常温に近く相対湿度が零に近い空気として説明する。また、湿潤ガスは例えば７０℃以上の温度、相対湿度が９０％以上の固体高分子型燃料電池の酸化剤出口ガスとして説明する。

図１と図２に示されているように、実施の形態１の温度湿度交換器は、複数の温度湿度交換セル１が積層された温度湿度交換積層体２、その温度湿度交換積層体２を両面から挟持する入口保持板３および出口保持板４、入口保持板３に固着された乾燥ガス入力マニホールド５および湿潤ガス出力マニホールド６、出口保持板４に固着された乾燥ガス出力マニホールド７および湿潤ガス入力マニホールド８、温度湿度交換積層体２を入口保持板３と出口保持板４とで挟みながら締め付けるボルト９およびナット１０を有する。温度湿度交換積層体２は、積層方向に垂直な断面が長方形であり、長辺の寸法が３２ｃｍ、短辺の寸法が１５ｃｍである。

入口保持板３および出口保持板４は、温度湿度交換積層体２の断面と同じ形状の長方形であり、短辺に沿って２つの厚み方向に貫通する穴１１が設けられている。入口保持板３の２つの穴１１に、それぞれ乾燥ガス入力マニホールド５と湿潤ガス出力マニホールド６が連通され、ガス流路が構成されている。また、出口保持板４の２つの穴１１に、それぞれ乾燥ガス出力マニホールド７と湿潤ガス入力マニホールド８が連通され、ガス流路が構成されている。入口保持板３および出口保持板４は、ステンレスからできていて、長辺が３２ｃｍ、短辺が１５ｃｍ、厚みが１ｃｍである。

次に、図３を参照しながら、温度湿度交換セル１について説明する。温度湿度交換セル１は、水分を透湿することができる透湿膜１５、その透湿膜１５を両側から挟持する乾燥ガスセパレータ１６および湿潤ガスセパレータ１７を有する。透湿膜１５、乾燥ガスセパレータ１６、透湿膜１５および湿潤ガスセパレータ１７が繰り返し積層されて温度湿度交換積層体２が構成される。温度湿度交換積層体２の積層方向の両端において、乾燥ガスセパレータ１６または湿潤ガスセパレータ１７に入口保持板３と出口保持板４とが積層されている。

透湿膜１５は、高温の湿潤ガスと低温の乾燥ガスとの間に介在させられて水分を透湿することができる膜で、主に多孔質のポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂より成り、透湿膜１５の厚さは１００μｍ程度である。

乾燥ガスセパレータ１６および湿潤ガスセパレータ１７の材質は、例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂で、樹脂成形法により成形されている。乾燥ガスセパレータ１６および湿潤ガスセパレータ１７の形状は、長辺が３２ｃｍ、短辺が１５ｃｍ、厚さが１０ｍｍの直方体である。

次に、図４と図５を参照しながら乾燥ガスセパレータ１６について説明する。図５（ａ）は、乾燥ガスセパレータの乾燥ガスが給気される側の端部の部分平面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ−Ａに沿った断面図である。なお、湿潤ガスセパレータ１７は乾燥ガスセパレータ１６と短辺の中心線を中心線とした線対称の関係にあるので、同じ番号を付けて説明は省略する。

乾燥ガスセパレータ１６は、長方形であり、長辺２０ａ、２０ｂに沿った側枠体２１ａ、２１ｂと、短辺２２ａ、２２ｂに沿った端枠体２３ａ、２３ｂとで枠が構成されている。その枠の中央部に、側枠体２１ａと側枠体２１ｂの中央部の間に架けられるフィン２５と、そのフィン２５から長辺２０ａ、２０ｂに平行に等間隔に上下に突き出たリブ２６とが設けられている。そのフィン２５とリブ２６とでフィン２５の両面に数十本の第１の流路溝３０が形成されている。フィン２５は、厚みが３ｍｍである。リブ２６は、厚みが１ｍｍで高さが３．５ｍｍである。リブ２６の上端部は０．２ｍｍＲの面取りが施されていて、平坦な部分の幅は０．６ｍｍとなる。そして片面の第１の流路溝３０は、深さが３．５ｍｍ、幅が５ｍｍである。第１の流路溝３０の底部は、０．５ｍｍＲの面取りが施されている。

さらに、乾燥ガスセパレータ１６は、第１の流路溝３０の両方の端部３１ａ、３１ｂで両面に面した第１の流路溝３０を連通する連通穴３３ａ、３３ｂが設けられている。連通穴３３ａ、３３ｂは、短径５ｍｍ、長径７ｍｍの楕円の穴で、深さは３ｍｍである。
さらに、乾燥ガスセパレータ１６は、５個の連通穴３３ａの出口が１つに集約され、その幅が連通穴３３ａから離れるに従って狭くなる集約連通溝３４ａ、集約連通溝３４ａの連通穴３３ａの反対側の端部に連通する第１の乾燥ガス給気マニホールド３５が設けられている。集約連通溝３４ａは、側枠体２１ａ、２１ｂ、端枠体２３ａから内側に延びた底部２８と、底部２８から厚み方向に突き出た桟２９とにより囲まれて構成されている。
さらに、乾燥ガスセパレータ１６は、５個の連通穴３３ｂの出口が１つに集約され、幅が連通穴３３ｂから離れるに従い狭くなる集約連通溝３４ｂ、集約連通溝３４ｂの連通穴３３ｂの反対側の端部に連通する第１の乾燥ガス排気マニホールド３６が設けられている。集約連通溝３４ｂも、集約連通溝３４ａと同様に底部２８と桟２９とにより囲まれて構成されている。
なお、集約連通溝３４ａ、３５ｂは、それぞれ４分割されているが、ガスの流量、ガスの圧力差などを考慮して適宜決めればよく、分割せずに１つの溝であってもよい。

さらに、乾燥ガスセパレータ１６は、短辺２２ａに沿って第１の乾燥ガス給気マニホールド３５に隣接して第１の湿潤ガス排気マニホールド３７、短辺２２ｂに沿って第１の乾燥ガス排気マニホールド３６に隣接して第１の湿潤ガス給気マニホールド３８が貫通するように設けられている。
さらに、乾燥ガスセパレータ１６は、外周に沿ってネジ穴２７が設けられ、ネジ穴２７にボルト９が貫通され、ボルト９の両端部からナット１０で締め付けられることにより固定される。この第１の乾燥ガス給気マニホールド３５と第１の乾燥ガス排気マニホールド３６、第１の湿潤ガス排気マニホールド３７と第１の湿潤ガス給気マニホールド３８は、乾燥ガスセパレータ１６の中心点を中心として１８０度点対称な位置にそれぞれ設けられている。
なお、第１の流路溝３０に面した透湿膜１５の部分が温度交換および湿度交換に有効に寄与する。

一方、湿潤ガスセパレータ１７は、図示しない第２の流路溝、第２の湿潤ガス給気マニホールド、第２の湿潤ガス排気マニホールド、第２の乾燥ガス給気マニホールドおよび第２の乾燥ガス排気マニホールドが、乾燥ガスセパレータ１６と重ねたとき第１の流路溝３０、第１の湿潤ガス給気マニホールド３８、第１の湿潤ガス排気マニホールド３７、第１の乾燥ガス給気マニホールド３５および第１の乾燥ガス排気マニホールド３６と重なる位置に設けられている。そして、湿潤ガスセパレータ１７は、乾燥ガスセパレータ１６を短辺方向に裏返したものと同様である。
なお、乾燥ガスセパレータ１６の第１の乾燥ガス給気マニホールド３５と第１の湿潤ガス排気マニホールド３７とは、入口保持板３の穴１１に連通されている。また、湿潤ガスセパレータ１７の第２の乾燥ガス排気マニホールドと第２の湿潤ガス給気マニホールドとは、出口保持板４の穴１１に連通されている。

また、透湿膜１５は、乾燥ガスセパレータ１６および湿潤ガスセパレータ１７と積層したときに乾燥ガス給気マニホールド３５、第１の乾燥ガス排気マニホールド３６、第１の湿潤ガス給気マニホールド３８、第１の湿潤ガス排気マニホールド３７と重なる位置に図示しない貫通孔が設けられている。
図３に示すように、透湿膜１５は乾燥ガスセパレータ１６のリブ２６の先端部と湿潤ガスセパレータ１７のリブの先端部とで支持されている。

このような構成の温度湿度交換器を図６に示すように配置する。すなわち、透湿膜１５の法線が上下方向に向くように水平に配置し、それに伴って乾燥ガスセパレータ１６および湿潤ガスセパレータ１７も水平に透湿膜１５に接するように積層されている。
また、入力保持板３が一番下層の温度湿度交換セル１に接するように積層され、出力保持板４が一番上層の温度湿度交換セル１に接するように積層されている。

次に、図４、図６を参照して、この実施の形態１に係わる温度湿度交換器を用いて湿潤ガスから乾燥ガスに水分と熱を伝達する様子を説明する。乾燥ガスは、乾燥ガス入力マニホールド５から供給され、入力保持板３の穴１１を経由し、乾燥ガスセパレータ１６に設けられた第１の乾燥ガス給気マニホールド３５へ流される。さらに、乾燥ガスは、乾燥ガスセパレータ１６の集約連通溝３４ａから連通穴３３ａを経由して乾燥ガスセパレータ１６の両面に設けられた第１の流路溝３０へ流され、連通穴３３ｂで両面の第１の流路溝３０から流されてきた乾燥ガスが混ざり、集約連通溝３４ｂから第１の乾燥ガス排気マニホールド３６に導かれる。そして、第１の乾燥ガス排気マニホールド３６から出力保持板４の穴１１を経由して乾燥ガス出力マニホールド７へ流される。この乾燥ガスは燃料電池に供給される。

燃料電池に供給された乾燥ガスは、水素と酸素の反応に伴う水およびプロトン伴ってイオン交換膜を伝達された水により湿潤され、さらに水素と酸素の反応に伴う反応熱により加熱され、高温の湿潤ガスとして排出される。このように湿潤ガスは乾燥ガスに比べて温度が高く、湿度も高い。

この湿潤ガスは、湿潤ガス入力マニホールド８から供給され、出力保持板４の穴１１を経由し、湿潤ガスセパレータ１７に設けられた第２の湿潤ガス給気マニホールドへ引き込まれる。さらに、湿潤ガスは、湿潤ガスセパレータ１７の集約連通溝３４ｂから連通穴３３ｂを経由して湿潤ガスセパレータ１７の両面に設けられた第２の流路溝で流され、連通穴３３ａで両面の第２の流路溝から流されてきた湿潤ガスが混ざり、集約連通溝３４ａから第２の湿潤ガス排気マニホールドに導かれる。そして、第２の湿潤ガス排気マニホールドから入力保持板３の穴１１を経由して湿潤ガス出力マニホールド６へ導かれ外部に排出される。
そして、乾燥ガスと湿潤ガスは、透湿膜１５を挿んで、乾燥ガスセパレータ１６および湿潤ガスセパレータ１７の長辺に平行に向流して第１の流路溝３０内と第２の流路溝内を流される。

このように流された乾燥ガスと湿潤ガスとの間で透湿膜１５を介して、湿潤ガスから乾燥ガスに熱伝達と水分伝達が行われ、図７に示すように乾燥ガスの温度と湿度が上昇する。図７（ａ）は、乾燥ガスと湿潤ガスの流路溝内における温度の変化を示す。図７（ｂ）は、乾燥ガスと湿潤ガスの流路溝内における湿度の変化を示す。この湿潤ガスから乾燥ガスへの熱の交換の温度効率ε_Ｔは、乾燥ガス入力マニホールド５で測定された乾燥ガスの温度ｔ_Ｃ１、乾燥ガス出力マニホールド７で測定された乾燥ガスの温度ｔ_Ｃ２、湿潤ガス入力マニホールド８で計測された湿潤ガスの温度ｔ_Ｈ１、湿潤ガス出力マニホールド６で測定された湿潤ガスの温度ｔ_Ｈ２の測定値からε_Ｔ＝（ｔ_Ｃ２−ｔ_Ｃ１）／（ｔ_Ｈ１−ｔ_Ｃ１）で求めることができる。
また、湿度効率ε_Ｈは、乾燥ガス入力マニホールド５で測定された乾燥ガスの湿度Ｐ_Ｃ１、乾燥ガス出力マニホールド７で測定された乾燥ガスの湿度Ｐ_Ｃ２、湿潤ガス入力マニホールド８で計測された湿潤ガスの湿度Ｐ_Ｈ１、湿潤ガス出力マニホールド６で測定された湿潤ガスの湿度Ｐ_Ｈ２の測定値からε_Ｈ＝（Ｐ_Ｃ２−Ｐ_Ｃ１）／（Ｐ_Ｈ１−Ｐ_Ｃ１）で求めることができる。

この実施の形態１の温度湿度交換器と比較するために、特開２００３−３１４９８３号公報に記載の温度湿度交換器を比較例１として準備した。この比較例１の温度湿度交換器は、枠体が上下方向開放の内部空間を形成するように周枠が巡らされた枠型形状であり、内部空間にガスが出入りする流入口と流出口とが形成されている。透湿膜は、高温の湿潤ガスと低温の乾燥ガスとの間に介在され、熱交換を行うと同時に水分を透湿する膜である。枠体はＰＰＳ樹脂から作られ、また、透湿膜は実施の形態１と同様にＰＴＦＥ樹脂からできている。この内部空間の上下が気密に塞がれるように枠体と透湿膜と枠体の順に、順次積み重ねられ、外部に対して気密な積層体が形成されている。
積層体の４つの側面のうち、一方の側面を、例えば湿潤ガス入口、他方を出口とし、更に別の一方の側面側を乾燥ガスの流入口側、他方の側面側をその流出口とし、各々相応する給排気用外部マニホールドが配置されている。このように構成された枠体と透湿膜とを、例えば、１０個の枠体と９枚の透湿膜とを、交互に積み重ね、内部空間を通るガス流路が交差するようにして乾燥ガスと湿潤ガスとの流れがクロス・フローになるようにし、透湿膜を介した水分の交換が行われる。

図８に、この実施の形態１の温度湿度交換器と比較例１の測定した温度効率、湿度効率、露点、圧力損失を示す。実施の形態１の温度湿度交換器の温度効率と湿度効率はそれぞれ９２％、８８％であった。比較例１の測定した温度効率および湿度効率はそれぞれ７５％、５３％であった。このように、温度効率を１１％、湿度効率を２３％改善することができた。
また、実施の形態１の温度湿度交換器から出力露点が７０℃の乾燥ガスが出力された。一方、圧力損失は許容圧力以下の０．８３ｋＰａ（８５ｍｍＨ_２Ｏ）まで上昇した。一方、比較例１の温度湿度交換器からは出力露点が５７℃の乾燥ガスしか出力されなかった。

フィン２５が挿入されて流路溝３０が積層方向に２分割されると、流路の高さがフィン２５の厚み分余分に減少して半分以下になり、その流路の水力等価直径が半減する。そして、ヌセルト数から求められる熱伝達率とシャーウッド数から求められる物質伝達率は、水力等価直径に反比例するので、それぞれ倍増し、それに伴い熱抵抗と物質移動抵抗とが半減する。また、ＪＩＳ−Ｌ−１０９９Ｂに規定されている繊維製品の透湿度試験方法に基づき、水蒸気分圧差と透湿膜１５の膜厚とを考慮して、透湿膜１５を透湿する水分の質量（ｇ）から透湿膜１５の単位面積当たり（ｃｍ^２）と単位時間当たり（時間）に換算して求められた透湿度を用いて、透湿膜１５自体の移動抵抗が求められた。その結果、フィン２５が挿入されて２分割された流路溝３０と２分割されていないもとの流路溝とをそれぞれ有するセパレータを用いて解析した物質伝達に関する無次元数としての物質伝達単位数ＮＭＴＵ（ＮｕｍｂｅｒｏｆＭａｓｓｔｒａｎｓｆｅｒＵｎｉｔ）は、それぞれ７．５と４．０となり、温度効率と湿度効率が改善されることを説明できる。

このように積層方向に２分割された流路溝３０にガスを流すことにより、露点を高くできるととともに圧力損失を低く抑えることのできる理由を図９を参照して説明する。図９は、温度湿度交換セル１の部分断面図を示す。なお、図９中、実線の矢印は温度の流れを示し、点線の矢印は水分の流れを示している。湿潤ガスセパレータ１７のフィン２５とリブ２６および透湿膜１５により囲繞された空間に湿潤ガスが図９の奥行き方向に流され、乾燥ガスセパレータ１６のフィン２５とリブ２６および透湿膜１５により囲繞された空間に乾燥ガスが図９の手前方向に流されている。湿潤ガスセパレータ１７のフィン２５およびリブ２６の温度は熱伝導により湿潤ガスより数℃位低いので、水滴５０がフィン２５、リブ２６および開口に沿って凝縮する。積層方向の中間に設けられたフィン２５の効果によりリブ２６の周辺と透湿膜１５に接する面に水滴が形成され、上方の透湿膜１５にも水分が有効に伝達する。透湿膜１５の表面は親水性なので、水の表面張力により重力に抗して水滴５０は上方の透湿膜１５に貼り付くように液膜を形成する。そして、上の流路溝３０ａのフィン２５およびリブ２６の表面で凝縮した水滴５０と下の流路溝３０ｂのフィン２５およびリブ２６の表面で凝縮した水滴５０が、それぞれ上方の透湿膜１５と下方の透湿膜１５を介して均等に水分が伝達されて湿度効率が改善することができると考えられる。

また、乾燥ガスが流されている乾燥ガスセパレータ１６では、図９に示すように真ん中に設けられたフィン２５が表面積を増加し、伝熱促進により乾燥ガスが加熱され、透湿膜１５を経由する水の蒸発と移動が促進される。フィン２５内部に示した中心線５１は上下の流路溝３０ａ、３０ｂの対称面を表している。中心線は、熱的に中立な断熱面となるので、積層方向にフィン２５内部の熱の移動がなく、フィン２５に伝達された熱は、全て閉空間内を流れる乾燥ガスの加熱と透湿膜１５を介して移動する水の蒸発に費やされる。さらに、従来のようにセパレータの両面で異なるガスが流されたときに見られるような両面の温度差の違いによる熱変形が大幅に軽減され、セパレータ材料の長寿命化、信頼性の向上にも大きく貢献する。
また、横に並んだ複数の上下の流路溝３０ａ、３０ｂの端部を４つの集約連通溝３４ａ、３４ｂに集約してから乾燥ガス給気マニホールド３５および乾燥ガス排気マニホールド３６に連通しているので、水力等価直径の変化が小さく、流路溝３０ａ、３０ｂの深さを浅くしても圧力損失の増加が小さくてすむ。

また、フィン２５から上下に突き出た高さの低いリブ２６により透湿膜１５が両側から支持されるので、リブ２６の高さの低い分だけ曲げ強度が大きくなり、透湿膜１５が確実に支持される。さらに、フィン２５の熱変形の低減により透湿膜１５が確実に支持される。これらにより、湿潤ガスと乾燥ガスとの間で４．９ｋＰａ（５００ｍｍＨ_２Ｏ）以上の圧力差が生じても透湿膜１５の変形が少なく、変形による流路の閉塞や圧力損失の増加を防ぐことができる。
また、樹脂成形法により一体として乾燥ガスセパレータ１６および湿潤ガスセパレータ１７が成形できるので、リブ２６のはめ込み、位置合わせ、接着などの組み立て工程が簡略化され、部品点数も削減することができるとともに、積層枚数を増やさずに、流路の高さを小さくすることが可能になった。

このような温度湿度交換器は、積層される方向に２分割された流路溝に同一のガスを流すことにより温度効率および湿度効率が改善され、出力ガスの露点を高くすることができる。さらに、流路溝の深さを浅くしても、２分割された流路溝が合わせて２倍の深さと見なせるとともに流路溝に複数の流路溝を集約する集約連通溝が連通されているので、ガスが流される流路の水力等価直径が極端に小さくなる箇所が見当たらず、圧力損失を許容圧力損失以下に抑えることができる。

また、乾燥ガスセパレータおよび湿潤ガスセパレータにそれぞれ設けられた直線状の複数の流路溝内を透湿膜を介在させて乾燥ガスおよび湿潤ガスが向流（カウンターフロー）するように流されるので、高い露点であるとともに高い圧力の加熱加湿された乾燥ガスを出力することができる。

また、透湿膜、乾燥ガスセパレータおよび湿潤ガスセパレータを上下方向に積層して設置することにより、凝縮した水分の液膜が透湿膜の表面を濡らし、透湿膜直下を流れる乾燥ガスに水分が伝わり、水分を上から下に移動させる重力の方向と水分が膜を介して移動する方向とが一致させられているので、水分が移動しやすく、湿度効率を改善することができ、高い露点の乾燥ガスを出力することができる。

また、冷却水の熱利用を併用しなくてもよいので、余分なコストが掛からず安価な温度湿度交換器を提供することができる。

また、流路溝を２分割するフィンの厚みを調節することにより、流路の高さの変更が可能であり、圧力損失と熱抵抗および物質移動抵抗とのトレードオフを考慮して最適な流路を設計することができる。具体的には、フィンの厚みを厚くするとその分流路の高さが減少し、圧力損失は増加するが、蒸気の移動性能が改善する。このようにして燃料電池の仕様に応じて適宜設計することができる。

実施の形態２．
図１０は、この発明の実施の形態２の温度湿度交換器の上平面図である。図１１は、実施の形態２に係わる温度湿度交換セルの乾燥ガスセパレータの平面図である。
実施の形態２に係わる温度湿度交換器は、実施の形態１に係わる温度湿度交換器と乾燥ガス入力マニホールド５、乾燥ガス出力マニホールド７、湿潤ガス入力マニホールド８、湿潤ガス出力マニホールド６の位置が異なっており、その他は同様であるので、同様な部分の説明は省略する。
実施の形態２に係わる温度湿度交換器の乾燥ガス入力マニホールド５と乾燥ガス出力マニホールド７は、図１０に示すように、長辺の中心線を中心として線対称の位置に設けられている。

実施の形態１の乾燥ガスセパレータ１６は、乾燥ガスセパレータ１６の中心点を中心として点対称の位置に乾燥ガス給気マニホールド３５と乾燥ガス排気マニホールド３６が設けられている。また、湿潤ガス排気マニホールド３７と湿潤ガス給気マニホールド３８が乾燥ガスセパレータ１６の中心点を中心として点対称の位置に設けられている。そして、乾燥ガス給気マニホールド３５と湿潤ガス排気マニホールド３７とが短辺２２ａの中心線を中心として線対称の位置に設けられている。
また、湿潤ガスセパレータ１７は、乾燥ガスセパレータ１６を短辺２２ａの中心線を中心軸として表裏反対になるように裏返されたものである。

一方、実施の形態２に係わる乾燥ガスセパレータ１６Ｂは、乾燥ガスセパレータ１６Ｂの長辺２０ａ、２０ｂの中心線を中心として線対称の位置に乾燥ガス給気マニホールド３５と乾燥ガス排気マニホールド３６が設けられている。また、湿潤ガス排気マニホールド３７と湿潤ガス給気マニホールド３８が乾燥ガスセパレータ１６の長辺２０ａ、２０ｂの中心線を中心として線対称の位置に設けられている。
また、湿潤ガスセパレータは、乾燥ガスセパレータ１６Ｂを短辺２２ａ、２２ｂの中心線を中心軸として表裏反対になるように裏返されたものである。

このように透湿膜１５を介して同一形状のセパレータの一方を裏返して交互に積層することにより、透湿膜１５を介して加湿ガスの流路と被加湿ガスの流路を交互に形成することができる。

従来、乾燥ガスセパレータと湿潤ガスセパレータとは、特開２０００−１６４２２９号公報の図７、８に示すように、異なった形状の２種類の板が必要であったが、この実施の形態１のように中心点を中心として点対称の位置または実施の形態２のように長辺の中心線を中心として線対称の位置にマニホールドが設けられたセパレータを用いれば、透湿膜を介して交互に積層することにより部品点数を削減でき、かつ、量産性・加工性に優れた温湿度交換器用のセパレータを提供することができる。

実施の形態３．
図１２は、この発明の実施の形態３に係わる温度湿度交換器の側面図である。この実施の形態３の温度湿度交換器は、実施の形態１の温度湿度交換積層体を２つに分割し、一方の温度湿度交換積層体内で乾燥ガスが流される方向が他方の温度湿度交換積層体内で乾燥ガスが流される方向と反対であることが実施の形態１と異なっている。その他は同様であるので、同様な部分の説明は省略する。

図１２に示すように、実施の形態３の温度湿度交換器は、上下２つの温度湿度交換積層体４１ａ、４１ｂが入口保持板３と出口保持板４とにより挟持されている。上側の温度湿度交換積層体４１ａの最下層の乾燥ガスセパレータ４２と下方の温度湿度交換積層体４１ｂの最上層の湿潤ガスセパレータ４３との間に、湿潤ガスセパレータ４３の第２の湿潤ガス給気マニホールドと第２の乾燥ガス排出マニホールドに対応する位置だけ孔が開けられた中間セパレータ４４が挿入されている。中間セパレータ４４は、乾燥ガスセパレータ４２と同じ形状の長方形の板である。上側の温度湿度交換積層体４１ａの乾燥ガスセパレータ４２は、下側の温度湿度交換積層体４１ｂの乾燥ガスセパレータを中心点を中心として１８０度点対称な位置に配置されている。そして、下側の温度湿度交換積層体４１ｂの乾燥ガス排気マニホールドは、上側の温度湿度交換積層体４１ａの乾燥ガス給気マニホールドに連通されている。一方、上側の温度湿度交換積層体４１ａの湿潤ガス排気マニホールドは、下側の温度湿度交換積層体４１ｂの湿潤ガス給気マニホールドに連通されている。そして、上側の温度湿度交換積層体４１ａの乾燥ガス給気マニホールドと湿潤ガス排気マニホールドとの下側は中間セパレータ４４で仕切られている。また、下側の温度湿度交換積層体４１ｂの乾燥ガス給気マニホールドと湿潤ガス排気マニホールドとの上側は中間セパレータ４４で仕切られている。

次に、ガスの流れについて説明する。低温の乾燥ガスは下部の乾燥ガス入力マニホールド５から供給され、下側の温度湿度交換積層体４１ｂの乾燥ガスセパレータの流路溝内を流され、透湿膜を介して湿潤ガスとの間で熱と水分の交換が行われる。流路溝内を流されて下側の温度湿度積層体４１ｂの乾燥ガス排気マニホールドに到達した乾燥ガスは、中間セパレータ４４の孔を経由して上側の温度湿度交換積層体４１ａの乾燥ガス給気マニホールドに流され、さらに、上側の温度湿度交換積層体４１ａの乾燥ガスセパレータの流路溝内を流され、上側の温度湿度交換積層体４１ａの乾燥ガス排気マニホールドへ導かれる。そして、乾燥ガス出力マニホールド７から出力されて、燃料電池に供給される。

一方、燃料電池から排出された高温の湿潤ガスは上部の湿潤ガス入力マニホールド８から供給され、上側の温度湿度交換積層体４１ａの湿潤ガスセパレータの流路溝内を流され、透湿膜を介して乾燥ガスとの間で熱と水分の交換が行われる。流路溝内を流されて上側の温度湿度積層体４１ａの湿潤ガス排気マニホールドに到達した湿潤ガスは、中間セパレータ４４の孔を経由して下側の温度湿度交換積層体４１ｂの湿潤ガス給気マニホールドに流され、さらに、下側の温度湿度交換積層体４１ｂの湿潤ガスセパレータの流路溝内を流され、下側の温度湿度交換積層体４１ｂの湿潤ガス排気マニホールドへ導かれる。そして、湿潤ガス出力マニホールド６から排出される。

この合流に伴って起こる凝縮による水滴を受ける図示しないドレインが湿潤ガス出力マニホールド６の下方に設けられている。
一方、低温の乾燥ガスは、湿潤ガスと全く反対の方向に流される。

このように、２段階で温度湿度交換が施され、１段目に生じた湿度、温度の不均一を解消し、均一なガスを再度流すことができるので、湿度効率、温度効率を更に改善することができる。

低温の乾燥ガスは湿潤ガスとは全く反対の流れを形成し、下から上に流れる。このように、湿潤ガスおよび乾燥ガスともに２段化し、かつ、湿潤ガスが高温から低温に上から下に流れ、乾燥ガスが低温から高温に下から上に流れることを特徴とする。これより、水滴が滴下する方向、透湿膜を介して水分が移動する方向、熱が高温から低温に伝わる方向、以上の３つの方向が完全に一致し、温度・湿度交換に優れた性能を発揮することができる。

Claims

水分を透湿する透湿膜、低温の乾燥ガスが流される乾燥ガスセパレータおよび高温の湿潤ガスが流される湿潤ガスセパレータを有し、上記透湿膜、上記乾燥ガスセパレータ、上記透湿膜、上記湿潤ガスセパレータの順に繰り返し積層される温度湿度交換器において、
上記乾燥ガスセパレータと上記湿潤ガスセパレータは、
上記積層される方向に２分割され、上記透湿膜に接する方向に開口し、並列に並べられた複数の流路溝と、
複数の上記流路溝の両端部にそれぞれ連通され、流されるガスを少なくとも１つに集約する集約連結溝と、
それぞれの上記集約連通溝に連通され、上記積層される方向に貫通する給気マニホールドおよび排気マニホールドと、
が設けられ、
上記乾燥ガスセパレータの流路溝内を流される上記乾燥ガスの流れと上記湿潤ガスセパレータの流路溝内を流される湿潤ガスの流れとが向流であることを特徴とする温度湿度交換器。
上記乾燥ガスセパレータの流路溝のリブと上記湿潤ガスセパレータの流路溝のリブとが対向して上記透湿膜を挟持することを特徴とする請求項１に記載の温度湿度交換器。
上記乾燥ガスセパレータは、乾燥ガスの給気マニホールドと乾燥ガスの排気マニホールドと、および湿潤ガスの給気マニホールドと湿潤ガスの排気マニホールドとが上記乾燥ガスセパレータの中心点を中心とした点対称または一辺の中心線を中心とした線対称の位置に設けられ、
上記湿潤ガスセパレータは、上記乾燥ガスセパレータが上記乾燥ガスセパレータの他辺の中心線を中心軸として裏返されたものであることを特徴とする請求項１または２に記載の温度湿度交換器。
上記積層方向の最下層に乾燥ガス入力マニホールドおよび湿潤ガス出力マニホールドが備えられ、
上記積層方向の最上層に乾燥ガス出力マニホールドおよび湿潤ガス入力マニホールドが備えられたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の温度湿度交換器。
上記透湿膜、上記乾燥ガスセパレータ、上記透湿膜、上記湿潤ガスセパレータの順に繰り返し積層される複数の温度湿度交換積層体を有し、
上記温度湿度交換積層体が、乾燥ガスについて上流の上記温度湿度交換積層体の乾燥ガス排気マニホールドと湿潤ガス給気マニホールドが、乾燥ガスについて次に下流の上記温度湿度交換積層体の乾燥ガス給気マニホールドと湿潤ガス排気マニホールドにそれぞれ連通されるように、積層されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の温度湿度交換器。