(57)【要約】【課題】ガスマニホールドが確実にガスシールされているとともに高い圧力の高い露点のガスを出力する安価な温度湿度交換器を提供する。【解決手段】ガスが給気排気されるマニホールドを囲繞する上面シール部および下面シール部が設けられている。その上面シール部と下面シール部との一部が集約連通溝を跨り、積層方向に２段の上面シール形成板および下面シール形成板からなる。上面シール部と下面シール部の積層方向の面が平坦である。さらに、上面シール形成板と下面シール形成板とは、積層方向に一方を他方に投影した投影が他方とずれるように配置されている。【選択図】図４
2005226945.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
枠体と、
上記枠体に囲繞された中央部分に並列に並べられる隔壁により分割され、上記積層される方向に開口するように構成される複数の流路と、
上記複数の流路の両端部にそれぞれ隣接する上記枠体の部位を上記積層される方向に貫通して構成され、流される当該ガスが給気される第１の給気マニホールドおよび流される当該ガスが排気される第１の排気マニホールドと、
上記枠体を上記積層される方向に貫通するとともに上記複数の流路の両端部のそれぞれと上記第１の給気マニホールドおよび上記第１の排気マニホールドとを連通するように上記枠体を除去して構成される２つの集約連通溝と、
上記第１の給気マニホールドに接するとともに、一方の上記集約連通溝を跨るように積層方向に２段に橋架され、上記透湿膜に接する面と上記枠体に上記透湿膜が接する面とが同一平面上にあり、上記積層される方向に一方を他方に投影したときずれている第１の上面シール形成板および第１の下面シール形成板と、
上記第１の排気マニホールドに接するとともに、他方の上記集約連通溝を跨るように積層方向に２段に橋架され、上記透湿膜に接する面と上記枠体に上記透湿膜が接する面とが同一平面上にあり、上記積層される方向に一方を他方に投影したときずれている第２の上面シール形成板および第２の下面シール形成板と、
上記第１の給気マニホールドおよび上記第１の排気マニホールドに対してそれぞれに隣接して並べられた上記積層される方向に貫通するように構成される第２の排気マニホールドおよび第２の給気マニホールドと、
を有し、
上記乾燥ガスセパレータの第１の給気マニホールド、第１の排気マニホールド、第２の給気マニホールドおよび第２の排気マニホールドが、上記湿潤ガスセパレータの第２の給気マニホールド、第２の排気マニホールド、第１の給気マニホールドおよび第１の排気マニホールドに、上記透湿膜に設けられた貫通孔を介してそれぞれ重畳するように構成されることを特徴とする温度湿度交換器。
【請求項２】
上記第１の下面シール形成板が含まれる平面上に上記第１の上面シール形成板が上記積層される方向に投影された投影像が、上記第１の下面シール形成板と重ならないこと、または上記第２の下面シール形成板が含まれる平面上に上記第２の上面シール形成板が上記積層される方向に投影された投影像が、上記第２の下面シール形成板と重ならないことの少なくともいずれか一方であることを特徴とする請求項１に記載の温度湿度交換器
【請求項３】
上記乾燥ガスセパレータと上記湿潤ガスセパレータは、上記第１の上面シール形成板と上記第１の下面シール形成板とに連結される支持壁、または上記第２の上面シール形成板と上記第２の下面シール形成板とに連結される支持壁の少なくともいずれか一方が設けられることを特徴とする請求項１に記載の温度湿度交換器。
【請求項４】
上記透湿膜に接する上記隔壁の面と上記透湿膜に接する上記枠体の面とが同一平面上にある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。
【請求項５】
少なくとも１つの上記隔壁が、上記支持壁に連結されていることを特徴とする請求項３に記載の温度湿度交換器。
【請求項６】
上記隔壁が上記支持壁より多いことを特徴とする請求項３または４に記載の温度湿度交換器。
【請求項７】
上記乾燥ガスセパレータおよび上記湿潤ガスセパレータが樹脂成形法により製造さ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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、水分を透湿する透湿膜を介して高温の湿潤ガスから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。
【背景技術】
【０００２】
従来の温度湿度交換器は、ガスの流入口と流出口とを有する周枠に囲まれた上下方向開放の内部空間を備えた枠体と透湿膜とを枠体の上下方向に交互に気密に重ねて外部に対して気密な積層体が備えられている。上下に重ねられる一方の枠体側に嵌合凸部を、他方の枠体側に嵌合凹部を設け、嵌合凸部と嵌合凹部とを嵌め合わせてガスシール性を確保している。そして、積層体の４つの側面のうち、一の側面側を、湿潤したガスの流入口側とし、対向する側面側をその流出口側とし、更に、別の一の側面側を乾燥したガスの流入口側とし、それに対向する側面側をその流出口側としている。その積層体の４つの側面に、各々相応する給排ガスの給排用マニホールドが配置されている。給排用マニホールドは直方体よりなり、一面が開放されているガスマニホールドであり、開放面にガスケットを介して積層体の出っ張り部よりなるシール面を押し当て、マニホールド内部とそれに接続する積層体内の内部空間とをガスの気密性を保ちながら接続する。
しかし、積層体側のシール面は嵌合凹凸部を継ぎ合わせたものであり、平滑性に劣り良好なシール性の確保が難しいという問題があった。また、給排用マニホールドや給排用マニホールドの締め付け機構が必要になり、全体としては高価になるという問題があった（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
そこで、ガスの流れを向流形式にするとともに、ガスセパレータにガスマニホールドが設けられている内部マニホールド方式を採用している温度湿度交換器が提案されている。ガスセパレータは、外周のシール部を形成する枠体とガス流路を形成するメッシュプレートとからなっている。そして、温度湿度交換器は、ガスセパレータの上下に透湿膜が配置され、更にその上下にガスセパレータが配置された積層体からなり、透湿膜を介して湿潤ガスと乾燥ガスとの間で熱と水分の交換が行われる。内部マニホールド方式ではガスセパレータそのものにガスマニホールドが設けられているので、マニホールドと積層体との間のガスシールが不要になる。
しかし、ガスマニホールドと透湿膜とは、ガスマニホールドを囲繞する枠体の表面およびメッシュプレートの表面と透湿膜との間によりガスシールされているが、枠体とメッシュプレートとの寸法的な段差または弾性や熱膨張などの材料的な差異によりガスシールが不十分であるという問題がある。また、金属または高分子からなるメッシュプレートは、表面が平滑でないので、さらにガスシールが劣るという問題がある。この問題を平滑性が確保できるシール用シートを設けることにより解決しようとすると別にシール用シートが必要になるとともに複雑な構造になるので、高価になるという問題がある。
そこで、ガスマニホールドを枠体と一体となったシール部で囲繞し、シール部と透湿膜との間によりガスマニホールドをガスシールしている。また、ガスセパレータは、ガスマニホールドからメッシュプレートに連通する暗渠が導入口として設けられている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３ー３１４９８３号公報
【特許文献２】特開２０００−１６４２２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、ガスセパレータの積層方向に垂直な暗渠が設けられたガスセパレータを樹脂成形法により安価に量産するのが難しい。すなわち、樹脂成形法においては、成形物の１方向に分割できる割り金型を用意し、その金型中に液状の樹脂を注入し、固化後金型を分割して成形物を取り出す。それゆえ、ガスセパレータ用の金型にガスセパレータの積層方向に垂直な暗渠に相当する部分を作ることが難しい。そのため、後加工で暗渠を加工しなければならないために高コストという問題がある。
また、ガスセパレータの積層方向に対する暗渠を囲繞しているシール部の厚みを、ガスシールの機能を果たすことができるように、所定値以上にする必要がある。例えば、圧力損失を許容圧力以下に抑えるため、断面が矩形の暗渠の積層方向の高さを、１．５ｍｍとし、透湿膜との間に加えられる圧力により大きな変形が起こらないようにするため、厚さ方向のシール部の厚みの所定値を、１．２５ｍｍとしているので、ガスセパレータの厚さは４ｍｍとなる。ガスセパレータのメッシュプレートの厚さも同様に４ｍｍとなるので、湿潤ガス中の水分の透湿膜への物質移動抵抗が大きいとともに熱抵抗も大きい。そのため、乾燥ガスの露点を充分に上げることができないという問題がある。
【０００６】
この発明の目的は、ガスマニホールドが確実にガスシールされているとともに高い圧力の高い露点のガスを出力する安価な温度湿度交換器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、枠体と、上記枠体に囲繞された中央部分に並列に並べられる隔壁により分割され、上記積層される方向に開口するように構成される複数の流路と、上記複数の流路の両端部にそれぞれ隣接する上記枠体の部位を上記積層される方向に貫通して構成され、流される当該ガスが給気される第１の給気マニホールドおよび流される当該ガスが排気される第１の排気マニホールドと、上記枠体を上記積層される方向に貫通するとともに上記複数の流路の両端部のそれぞれと上記第１の給気マニホールドおよび上記第１の排気マニホールドとを連通するように上記枠体を除去して構成される２つの集約連通溝と、上記第１の給気マニホールドに接するとともに、一方の上記集約連通溝を跨るように積層方向に２段に橋架され、上記透湿膜に接する面と上記枠体に上記透湿膜が接する面とが同一平面上にあり、上記積層される方向に一方を他方に投影したときずれている第１の上面シール形成板および第１の下面シール形成板と、上記第１の排気マニホールドに接するとともに、他方の上記集約連通溝を跨るように積層方向に２段に橋架され、上記透湿膜に接する面と上記枠体に上記透湿膜が接する面とが同一平面上にあり、上記積層される方向に一方を他方に投影したときずれている第２の上面シール形成板および第２の下面シール形成板と、上記第１の給気マニホールドおよび上記第１の排気マニホールドに対してそれぞれに隣接して並べられた上記積層される方向に貫通するように構成される第２の排気マニホールドおよび第２の給気マニホールドと、を有し、上記乾燥ガスセパレータの第１の給気マニホールド、第１の排気マニホールド、第２の給気マニホールドおよび第２の排気マニホールドが、上記湿潤ガスセパレータの第２の給気マニホールド、第２の排気マニホールド、第１の給気マニホールドおよび第１の排気マニホールドに、上記透湿膜に設けられた貫通孔を介してそれぞれ重畳するように構成される。
【発明の効果】
【０００８】
この発明に係わる温度湿度交換器の効果は、ガスセパレータと透湿膜との間のガスシールを確実に確保するシール形成板が圧力損失に支配的な導入口部分である集約連通溝の片側しか塞がないので、シール形成板が設けられても圧力損失が極端に大きくなることがない。そこで、従来と同じ圧力損失以下に抑えながらガスセパレータの厚さを薄くすることができるので、流路の高さが小さくなり、その結果、流路を流されるガスの流速が大きくなり、熱および水分の移動性能を大幅に改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
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。図５、図６は、図４の３つの断面における断面図である。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ガスとして説明する。また、湿潤ガスは例えば７０℃以上の温度、相対湿度が９０％以上の乾燥ガスと同一種のガスとして説明する。例えば、固体高分子型燃料電池の酸化剤ガスとしての空気ガスである。
【００１０】
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。
【００１１】
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、ガス流路が形成されている。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、ガス流路が形成されている。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３２ｃｍ、短辺１５ｃｍ、厚み１ｃｍである。
【００１２】
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１２、その透湿膜１２を両側から挟持する乾燥ガスセパレータ１３および湿潤ガスセパレータ１４を有する。透湿膜１２、乾燥ガスセパレータ１３、透湿膜１２および湿潤ガスセパレータ１４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１３または湿潤ガスセパレータ１４に入口保持板３と出口保持板４とが積層されている。
【００１３】
透湿膜１２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１２の厚さは１００μｍ程度である。
【００１４】
乾燥ガスセパレータ１３および湿潤ガスセパレータ１４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。例えば、乾燥ガスセパレータ１３および湿潤ガスセパレータ１４に共通の積層方向に分割できる割り金型を用意し、その金型中に液状のＰＰＳ樹脂を注入し、固化後金型を分割して成形物を取り出す。乾燥ガスセパレータ１３および湿潤ガスセパレータ１４の形状は、長辺が３２ｃｍ、短辺が１５ｃｍ、厚さが２．７５ｍｍの直方体である。
【００１５】
次に、図４、図５、図６を参照しながら乾燥ガスセパレータ１３について説明する。図５は、乾燥ガスセパレータ１３の流路２２の流れ方向に垂直なＭ−Ｍ断面での断面図である。図６（ａ）は、上面シール部３０と下面シール部３１の流れ方向に垂直なＰ−Ｐ断面での断面図である。図６（ｂ）は、流路に沿った流れ方向に平行なＮ−Ｎ断面での断面図である。なお、湿潤ガスセパレータ１４は乾燥ガスセパレータ１３に対して短辺の中心線を中心線として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。
【００１６】
図４に示すように、乾燥ガスセパレータ１３は、長方形であり、長辺１７ａ、１７ｂに沿った側枠体１８ａ、１８ｂと、短辺１９ａ、１９ｂに沿った端枠体２０ａ、２０ｂとからなる枠体２１が設けられている。枠体２１の厚さは２．７５ｍｍである。
【００１７】
さらに、枠体２１に囲まれた中央部分の枠体２１の長手方向の中央部に長辺１７ａ、１７ｂに平行な流路２２が設けられている。さらに、側枠体１８ａの内側の側面に、流路２２の長さに相当する間隔だけ離間した支持点Ａ１と支持点Ａ２とが決められている。また、側枠体１８ｂの内側の側面に、流路２２の長さに相当する間隔だけ離間した支持点Ａ３と支持点Ａ４とが決められている。その支持点Ａ１と支持点Ａ３との間に隔壁支持バー２３ａ、２３ｂ（図６（ｂ））が積層方向に２段に橋架されている。また、その支持点Ａ２と支持点Ａ４との間に隔壁支持バー２３ｃ、２３ｄ（図６（ｂ））が積層方向に２段に橋架されている。積層方向の上段の隔壁支持バー２３ａ、２３ｃの積層方向の上面は、側枠体１８ａ、１８ｂ、端枠体２０ａ、２０ｂの積層方向の上面と同一平面上にある。また、積層方向の下段の隔壁支持バー２３ｂ、２３ｄの積層方向の下面は、側枠体１８ａ、１８ｂ、端枠体２０ａ、２０ｂの積層方向の下面と同一平面上にある。隔壁支持バー２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄの積層方向の厚みは１ｍｍである。また、隔壁支持バー２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄの長手方向の幅は１．５ｍｍである。
【００１８】
さらに、隔壁支持バー２３ａ、２３ｂには、支持点Ａ１と支持点Ａ３との間を８等分する位置に支持点Ｂ１〜支持点Ｂ７、支持点Ｃ１〜支持点Ｃ７（図５）が決められている。また、隔壁支持バー２３ｃ、２３ｄには、支持点Ａ２と支持点Ａ４との間を８等分する位置に支持点Ｄ１〜支持点Ｄ７、支持点Ｅ１〜支持点Ｅ７（図示しない）が決められている。そして、隔壁２４ａは、流路２２の長さに相当する長辺が２０ｃｍ、流路２２の高さに相当する短辺が２．７５ｍｍ、流路２２を分割する厚みが１ｍｍの直方体である。その長辺の４隅は支持点Ｂ１、支持点Ｃ１、支持点Ｄ１、支持点Ｅ１により支持され、隔壁２４ａは流路２２を乾燥ガスセパレータ１３の短辺方向に分割している。同様に支持点Ｂ２、支持点Ｃ２、支持点Ｄ２、支持点Ｅ２に４隅が支持された隔壁２４ｂから支持点Ｂ７、支持点Ｃ７、支持点Ｄ７、支持点Ｅ７に４隅が支持された隔壁２４ｇまでが隔壁２４ａに平行に設けられている。なお、７つの隔壁２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ、２４ｆ、２４ｇをまとめて示すときには隔壁２４として表す。積層方向の隔壁２４の上長端面２５ａ（図５）は、側枠体１８ａ、１８ｂ、端枠体２０ａ、２０ｂの積層方向の上面と同一平面上にある。また、下長端面２５ｂ（図５）は、側枠体１８ａ、１８ｂ、端枠体２０ａ、２０ｂの積層方向の下面と同一平面上にある。そして、隔壁２４の形状は、流路２２は、隔壁２４と積層方向の上方下方に積層されている透湿膜１２によって囲まれて形成されている。
なお、透湿膜１２は、例えば数〜１０ｍｍ程度のピッチ巾で支持されることが透湿膜１２の垂れなどを防ぐために望ましい。それゆえ、流路２２には７個の隔壁２４が配置されている。
【００１９】
さらに、乾燥ガスセパレータ１３は、その長辺方向の端部に積層方向に貫通する第１の乾燥ガス給気マニホールド２７が設けられている。また、乾燥ガスセパレータ１３の中心点を中心として、第１の乾燥ガス給気マニホールド２７に対して１８０度点対称な位置に積層方向に貫通する第１の乾燥ガス排気マニホールド２８が設けられている。
【００２０】
さらに、図４と図６（ａ）に示すように、乾燥ガスセパレータ１３は、第１の乾燥ガス給気マニホールド２７を囲繞する積層方向に上下段の上面シール部３０と下面シール部３１（図６）が設けられている。上面シール部３０は、乾燥ガスセパレータ１３の積層方向の上面に近い第１の乾燥ガス給気マニホールド２７の周囲を囲む側枠体１８ａ、端枠体２０ａおよび側枠体１８ａと端枠体２０ａとの間に橋架された上面シール形成板３２からなる。上面シール形成板３２の積層方向の上面は、側枠体１８ａ、端枠体２０ａの積層方向の上面と同一平面上にあり、上面シール形成板３２の積層方向の厚みは１ｍｍである。また、下面シール部３１は、乾燥ガスセパレータ１３の積層方向の下面に近い第１の乾燥ガス給気マニホールド２７の周囲を囲む側枠体１８ａ、端枠体２０ａおよび側枠体１８ａと端枠体２０ａとの間に橋架された下面シール形成板３３からなる。下面シール形成板３３の積層方向の下面は、側枠体１８ａ、端枠体２０ａの積層方向の下面と同一平面上にあり、厚みは１ｍｍである。上面シール形成板３２と下面シール形成板３３は、積層方向に投影したとき重ならない位置に設けられている。
このように、第１の乾燥ガス給気マニホールド２７は、上方から積層された透湿膜１２と第１の乾燥ガス給気マニホールド２７を囲繞する上面シール部３０とが圧接されることによりガスシールされる。さらに、第１の乾燥ガス給気マニホールド２７は、下方から積層された透湿膜１２と第１の乾燥ガス給気マニホールド２７を囲繞する下面シール部３１とが圧接されることによりガスシールされる。従って透湿膜１２と上面シール部３０および下面シール部３１との間に段差や材料の差が無く、良好なシール性が得られる。
また、上面シール形成板３２および下面シール形成板３３は、それぞれ下面および上面にガスが流される方向に対してテーパが付けられているので、流路断面積を拡大できるとともに流路抵抗を低減でき、圧力損失を低減することができる。
【００２１】
さらに、図４と図６（ｂ）に示すように、乾燥ガスセパレータ１３は、第１の乾燥ガス給気マニホールド２７と流路２２の一端部とを連通し、流される乾燥ガスを第１の乾燥ガス給気マニホールド２７から流路２２に給気する集約連通溝３６と、流路２２の他の端部と第１の乾燥ガス排気マニホールドとを連通し、流される乾燥ガスを流路２２から第１の乾燥ガス排気マニホールド２８に排気する集約連通溝３７が設けられている。上面シール形成板３２と下面シール形成板３３は、集約連通溝３６を跨って側枠体１８ａと端枠体２０ａとの間の長さを４等分する支持点Ｆ１〜支持点Ｆ３、支持点Ｇ１〜支持点Ｇ３がそれぞれ決められている。そして、支持壁３９ａは、直方体であり、４つの支持点Ｂ２、支持点Ｃ２、支持点Ｆ１、支持点Ｇ１により４隅が支持され、集約連通溝３６を分割する。なお、３つの支持壁３９ａ、３９ｂ、３９ｃをまとめて呼ぶときには支持壁３９と呼ぶ。支持壁３９の積層方向の上端面４０ａは、側枠体１８ａの積層方向の上面と同一平面上にある。また、支持壁３９の積層方向の下端面４０ｂは、側枠体１８ａの積層方向の下面と同一平面上にある。
なお、流路２２には隔壁２４が７個配置されているが、集約連通溝３６、３７の幅が流路２２に比べて狭いので、集約連通溝３６、３７には３個の支持壁３９が配置されている。また、支持壁３９は、隔壁２４に連結されているので、透湿膜１２が段差なく第１の乾燥ガス給気マニホールド２７から第１の乾燥ガス排気マニホールド２８に至るまで支持されている。
【００２２】
さらに、第１の乾燥ガス排気マニホールド２８の周囲にも、同様に第２の上面シール形成板３４と第２の下面シール形成板３５が設けられている。
このように集約連通溝３６、３７に、それぞれ３つの支持壁３９が設けられているので、厚さ２．７５ｍｍの側枠体１８ａ、１８ｂおよび端枠体２０ａ、２０ｂに比べて強度的に弱い厚さ１ｍｍの上面シール形成板３２、３４および下面シール形成板３３、３５が補強されている。
【００２３】
さらに、乾燥ガスセパレータ１３は、短辺１９ａに沿って第１の乾燥ガス給気マニホールド２７に隣接して第２の湿潤ガス排気マニホールド４２、短辺１９ｂに沿って第１の乾燥ガス排気マニホールド２８に隣接して第２の湿潤ガス給気マニホールド４３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１３は、外周に沿ってネジ穴４５が設けられ、ネジ穴４５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２７、第１の乾燥ガス排気マニホールド２８、第２の湿潤ガス排気マニホールド４２および第２の湿潤ガス給気マニホールド４３は、乾燥ガスセパレータ１３の中心点を中心として、１８０度点対称の位置にそれぞれに設けられている。
なお、流路２２および集約連通溝３６、３７に面した透湿膜１２の部分が温度交換および湿度交換に有効に寄与する。
【００２４】
一方、湿潤ガスセパレータ１４は、図示しない第２の流路、第１の湿潤ガス給気マニホールド、第１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１３に透湿膜１２を介して重ねられたとき、第１の流路２２、第２の湿潤ガス給気マニホールド４３、第２の湿潤ガス排気マニホールド４２、第１の乾燥ガス給気マニホールド２７および第１の乾燥ガス排気マニホールド２８に重畳されるように設けられている。そして、湿潤ガスセパレータ１４は、乾燥ガスセパレータ１３を短辺方向に裏返したものと同様になる。
このように乾燥ガスセパレータ１３と湿潤ガスセパレータ１４とが短辺方向に対して裏返しの関係にあり、共通の金型を用いて樹脂成形することができるので、金型が１個ですみ、コストが安くなる。また、同じ部品になるので、管理工数などが少なくてすむ。
また、集約連通溝３６、３７においては、乾燥ガスセパレータ１３の支持壁３９と湿潤ガスセパレータ１４の支持壁３９とが交差し、より少ない支持壁３９で透湿膜１２を効果的に支持できる。
【００２５】
また、透湿膜１２は、乾燥ガスセパレータ１３と重ねたとき、第１の乾燥ガス給気マニホールド２７、第１の乾燥ガス排気マニホールド２８、第２の湿潤ガス排気マニホールド４２および第２の湿潤ガス給気マニホールド４３に重畳される位置に図示しない貫通孔が設けられている。
【００２６】
また、図３に示すように、透湿膜１２は、乾燥ガスセパレータ１３の隔壁２４の上端面２５ａと湿潤ガスセパレータ１４の隔壁の下端面および乾燥ガスセパレータ１３の隔壁２４の下端面２５ｂと湿潤ガスセパレータ１４の隔壁の上端面で支持されている。
【００２７】
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１２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１３および湿潤ガスセパレータ１４も水平に透湿膜１２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。
【００２８】
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１３に設けられた第１の乾燥ガス給気マニホールド２７へ流される。さらに、乾燥ガスは、乾燥ガスセパレータ１３の集約連通溝３６を通って第１の流路２２へ流され、集約連通溝３７から第１の乾燥ガス排気マニホールド２８に導かれる。そして、第１の乾燥ガス排気マニホールド２８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。
【００２９】
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で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、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。
【００３０】
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１４に設けられた第１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１４の集約連通溝３６から第２の流路で流され、集約連通溝３７から第１の湿潤ガス排気マニホールドに導かれる。そして、第１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１２を挿んで、乾燥ガスセパレータ１３および湿潤ガスセパレータ１４の長辺に平行に向流して第１の流路２２と第２の流路内を流される。
【００３１】
このように構成された温度湿度交換器に関して、蒸気の移動性能を計測した。その結果を図８にガス流路の高さとの関係として表してある。同時に、比較例として特開２０００−１６４２２９号公報に記載の温度湿度交換器を用意して、同様に蒸気の移動性能を計測した。これらの温度湿度交換器は、同様に１ｋＷ級である。
この実施の形態１の温度湿度交換器における蒸気の移動性能は０．０５（リッター／分・ｃｍ２・ａｔｍ）であり、比較例の蒸気の移動性能は０．０３５（リッター／分・ｃｍ２・ａｔｍ）であるので、約７割改善できた。また、圧力損失は実施の形態１では０．８２（Ｐａ）を示したのに対して比較例では０．８１（Ｐａ）を示し、ほぼ同様であった。
【００３２】
この結果のうち、蒸気の移動性能は流路の高さに反比例するので、流路の高さを小さくしたことから蒸気の移動性能を大きくなったことを説明することができる。また、圧力損失に関して、実施の形態１では、ガスが流される方向に向かって片方の開口だけを塞ぐように集約連通溝にシール形成板が設けられているのに対して、比較例ではガスマニホールドと流路との間に暗渠が介在するために違いが起こっていると考えられる。なお、このことは従来の蒸気の移動性能で良ければ透湿膜の面積を約４割削減できることを示している。
【００３３】
このような温度湿度交換器は、ガスマニホールドを囲繞し、透湿膜に平坦に当接されるシール部が設けられているので、ガスマニホールドが確実にガスシールされる。同時に、ガスセパレータと透湿膜との間のガスシールを確保するシール形成板が圧力損失に支配的な導入口部分である集約連通溝の片側しか塞がないので、シール形成板が設けられても圧力損失が大きくなることがない。
【００３４】
また、ガスセパレータの厚さを薄くしても集約連通溝が設けられているので、給気および排気マニホールドからの導入口部分での圧力損失が大きくならない。そして、所定の圧力損失以下に抑えながらガスセパレータの厚さを薄くすることにより、流路の高さが小さくなり、その結果流路に流されるガスの流速が大きくなるので、熱および水分の移動性能を大幅に改善することができる。このようにして出力されるガスの露点を高くすることができるとともに、ガス圧力を大きくすることができる。
【００３５】
また、上面シール形成板と下面シール形成板とが支持壁を介して連結されているので、上面シール形成板と下面シール形成板とを合わせた大きな剛性となり、透湿膜がさらにシール部により確実にガスシールされる。
【００３６】
また、乾燥ガスセパレータと湿潤ガスセパレータとの隔壁により両面から透湿膜が支持され、ガスの流れに伴う透湿膜の波打ちなどが防がれ、その結果ガスの流れの乱れをふせぐことができるので、圧力損失が少なくすることができる。
【００３７】
また、隔壁と支持壁とが連結されているので、これらを合わせた剛性が大きくなるとともに給気マニホールドから排気マニホールドまで段差がないので、透湿膜をより確実に支持することができる。
【００３８】
また、幅の広い流路により多くの隔壁が設けられているので、ガスの流れに伴う透湿膜の波打ちなどが防がれ、その結果ガスの流れの乱れをふせぐことができるので、圧力損失が少なくすることができる。
【００３９】
また、ガスセパレータは上方から見て重なった部分が無く、一般的な２枚割りの割り金型を用いてガスセパレータを安価に樹脂成形可能である。この場合、上面シール形成板、下面シール形成板、支持壁、隔壁、隔壁支持バーなどの全ての部分を一体成形可能である。そして、ガスセパレータと透湿膜とを用意するだけで温度湿度交換器の積層体の主要部を形成することができ、大幅なコスト低減が実現できる。
【００４０】
実施の形態２．
図９は、この発明の実施の形態２に係わる温度湿度交換器の乾燥ガスセパレータの集約連通溝の断面図である。この実施の形態２の温度湿度交換器は、集約連通溝を跨るように橋架されている上面シール形成板と下面シール形成板の配置位置だけ実施の形態１の温度湿度交換器と異なっていて、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９に示すように、乾燥ガスセパレータ１３の積層方向に上下２段として橋架された上面シール形成板５０および下面シール形成板５１が、積層方向に見て投影的に１部が重なるように配置され、重なった部分の一部にガスの流される方向にテーパが設けられている。このテーパが設けられていることにより、この部分の水力等価直径が次第に小さくなるので急激な圧力損失を起こさない。
【００４１】
このような温度湿度交換器は、積層方向にみて上下のシール形成板が１部重なるように配置されているので、積層方向にみて上下のシール形成板に近接した位置で透湿膜が当接され、上下から確実にガスシールすることができる。
【００４２】
なお、実施の形態１では支持壁と隔壁とが連結されているが、離れていても良い。また、支持壁が配設されずに分割されない１個の集約連通溝であってもよい。また、支持壁の配設の間隔は、一般的な構造強度計算により適宜決定してよい。また、隔壁の配設のピッチや巾は、この実施の形態１に限られるものではなく、透湿膜の強度仕様に応じ適宜決定してよい。また、隔壁の一部に切り欠きが設けられ、隣接する隔壁により区分けされた流路部分のガスと適宜相互に混合される個所を設けてもよい。また、流路内に乱れを起こす個所を設けることにより、均質な物質移動や物質移動の促進を行っても良い。
また、隔壁支持バー２３ａと隔壁支持バー２３ｂ、および隔壁支持バー２３ｃと隔壁支持バー２３ｄを共に積層方向に２段に橋架した例を示したが、それぞれ片面だけでもよい。また、隔壁支持バー２３ａと隔壁支持バー２３ｂ、あるいは隔壁支持バー２３ｃと隔壁支持バー２３ｄとを積層される方向に投影した場合、それぞれ相互にずれるように配置する方がよい。このことによりセパレータを樹脂成形する際に成形が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】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。
【図２】実施の形態１の温度湿度交換器の正面図である。
【図３】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。
【図４】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５】図４の詳細平面図と部分断面図である。
【図６】温度湿度交換器の設置の様子を示す図である。
【図７】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。
【図８】実施の形態１と比較例の温度湿度交換器の蒸気の移動性能の測定結果を示す図である。
【図９】この発明の実施の形態２に係わる温度湿度交換器の集約連通溝の断面図である。
【符号の説明】
【００４４】
１  温度湿度交換セル、２  温度湿度交換積層体、３  入口保持板、４  出口保持板、５  乾燥ガス入力マニホールド、６  湿潤ガス出力マニホールド、７  乾燥ガス出力マニホールド、８  湿潤ガス入力マニホールド、９  ボルト、１０  ナット、１１  穴、１２  透湿膜、１３  乾燥ガスセパレータ、１４  湿潤ガスセパレータ、１７ａ、１７ｂ  長辺、１８ａ、１８ｂ  側枠体、１９ａ、１９ｂ  短辺、２０ａ、２０ｂ  端枠体、２１  枠体、２２  流路、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ  隔壁支持バー、２４  隔壁、２５ａ  （隔壁の）上長端面、２５ｂ  （隔壁の）下長端面、２７  乾燥ガス給気マニホールド、２８  乾燥ガス排気マニホールド、３０  上面シール部、３１  下面シール部、３２、３４、５０  上面シール形成板、３３、３５、５１  下面シール形成板、３６、３７  集約連通溝、３９  支持壁、４０ａ  （支持壁の）上端面、４０ｂ  （支持壁の）下端面、４２  湿潤ガス排気マニホールド、４３  湿潤ガス給気マニホールド、４５  ネジ穴。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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