(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に供給される供給ガスと前記燃料電池から排出される排出ガスとの間で湿熱交換を行い、前記供給ガスを加湿する湿熱交換器であって、
複数の折り目によって折り返されており、前記供給ガスを加湿するための水分を透過させる湿熱交換膜と、
前記湿熱交換膜の一方の面に形成され、前記排出ガスが前記折り目と平行に流れる第１流路と、
前記湿熱交換膜の他方の面に形成され、前記供給ガスが前記折り目と平行に流れる第２流路と、を備え、
前記第１流路は、前記湿熱交換膜の折り返しにより該湿熱交換膜の一方の面上が複数の排出ガス通過領域に隔てられており、前記折り目と平行に前記湿熱交換膜の一端から他端へ向かって前記排出ガスが流れる排出ガス順方向領域と、前記排出ガス順方向領域と逆方向に前記排出ガスが流れる排出ガス逆方向領域と、前記排出ガス順方向領域と前記排出ガス逆方向領域とを連通する排出ガス連通部と、を有し、
前記第２流路は、前記湿熱交換膜の折り返しにより該湿熱交換膜の他方の面上が複数の供給ガス通過領域に隔てられており、前記折り目と平行に前記湿熱交換膜の一端から他端へ向かって前記供給ガスが流れる供給ガス順方向領域と、前記供給ガス順方向領域と逆方向に前記供給ガスが流れる供給ガス逆方向領域と、前記供給ガス順方向領域と前記供給ガス逆方向領域とを連通する供給ガス連通部と、を有し、
前記排出ガス通過領域と前記供給ガス通過領域とが交互に配列しており、
前記第１流路を流れる前記排出ガスは、前記第２流路を流れる前記供給ガスより低圧であり、
前記第１流路には、折り返された前記湿熱交換膜の隣接して対向する面の間隔を保持するための保持部材が設けられており、
前記保持部材は、前記湿熱交換膜に接する保水層を有しており、
前記第２流路には、前記湿熱交換膜の折り目を谷側から支持する支持部材が設けられていることを特徴とする湿熱交換器。
【請求項２】
前記排出ガス順方向領域は、前記湿熱交換膜を挟んで前記供給ガス逆方向領域と対向しており、
前記排出ガス逆方向領域は、前記湿熱交換膜を挟んで前記供給ガス順方向領域と対向していることを特徴とする請求項１に記載の湿熱交換器。
【請求項３】
前記一方の面が前記湿熱交換膜の上側になるように該湿熱交換膜が配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の湿熱交換器。
【請求項４】
前記排出ガス連通部および前記供給ガス連通部は、ともに前記湿熱交換膜の同じ側の端部に設けられており、
前記供給ガス連通部は、前記湿熱交換膜の折り目の最下点よりも下方に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の湿熱交換器。
【請求項５】
前記排出ガスが前記第１流路に流入する流入口を更に備え、
前記流入口は、前記湿熱交換膜の折り目の最下点よりも上方に設けられていることを特徴とする請求項３または４に記載の湿熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、湿熱交換器に関する。より具体的には、本発明は、燃料電池から排出されるガスで燃料電池に供給されるガスを加湿する湿熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード（燃料極）を、他方の面にカソード（空気極）を接合一体化してセル（膜電極接合体）を形成し、アノードに対向する面に凹溝状の燃料流路を設けたプレートと、カソードに対向する面に凹溝状の酸化剤流路を設けたプレートとでセルを挟んで複数積層し、両端部にエンドプレートを添えて通しボルトで締め付けることにより燃料電池スタックが構成される。そして、燃料流路には燃料（水素又は水素主体の改質ガス）を流通させるとともに、酸化剤流路には酸化剤ガス（通常は空気）を流通させ、固体高分子電解質膜を介して電気化学反応を起こさせることにより直流電力を発電する。
【０００３】
このような固体高分子形燃料電池において、固体高分子電解質膜は飽和湿潤状態で適正に機能するため、反応ガス（燃料及び／又は酸化剤）を湿熱交換器で加湿した後に燃料電池スタックのプレートに形成された流路を流通させ、これにより固体高分子電解質膜を飽和湿潤状態に保持するようにしている。
【０００４】
このような湿熱交換器としては、加湿体の一方に燃料ガスや酸化剤ガスを流し他方に水を流すことでこれらの反応ガスを加湿する構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、水交換膜を介して湿度の高い既反応ガスの水分が湿度の低い未反応ガス側に移行することで、既反応ガスの湿度を下げるとともに湿度の低い未反応ガスの湿度を上げる構成が知られている（例えば、特許文献２、３参照）。
【特許文献１】特開平９−３５７３７号公報
【特許文献２】特開２００２−１５１１２０号公報
【特許文献３】特開２００４−２５９６１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、湿熱交換効率と低コスト化を高度なレベルで両立し得る湿熱交換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の湿熱交換器は、燃料電池に供給される供給ガスと燃料電池から排出される排出ガスとの間で湿熱交換を行い、供給ガスを加湿する湿熱交換器であって、複数の折り目によって折り返されており、供給ガスを加湿するための水分を透過させる湿熱交換膜と、湿熱交換膜の一方の面に形成され、排出ガスが折り目と平行に流れる第１流路と、湿熱交換膜の他方の面に形成され、供給ガスが折り目と平行に流れる第２流路と、を備える。
【０００８】
この態様によると、湿熱交換膜が複数の折り目によって折り返されているので、排出ガスと供給ガスとが湿熱交換される面積を減らさずに、換言すれば湿熱交換効率を維持したまま、よりコンパクトな湿熱交換器を実現することができる。また、湿熱交換膜が第１流路と第２流路とを隔てる隔壁を兼ねているため、構成部品を削減することができる。
【０００９】
第１流路は、湿熱交換膜の折り返しにより該湿熱交換膜の一方の面上が複数の排出ガス通過領域に隔てられており、第２流路は、湿熱交換膜の折り返しにより該湿熱交換膜の他方の面上が複数の供給ガス通過領域に隔てられており、排出ガス通過領域と供給ガス通過領域とが交互に配列していてもよい。これにより、湿熱交換に寄与しない排出ガスや供給ガスの割合が低減され、排出ガスと供給ガスとの間でより確実に湿熱交換が行われる。
【００１０】
第１流路を流れる排出ガスは、第２流路を流れる供給ガスより低圧であり、第１流路には、折り返された湿熱交換膜の隣接して対向する面の間隔を保持するための保持部材が設けられていてもよい。これにより、湿熱交換膜が第１流路側に膨らむことが抑制され、第１流路の断面積の減少が低減される。
【００１１】
保持部材は、湿熱交換膜に接する保水層を有してもよい。これにより、湿熱交換膜をより確実に湿潤状態に維持することができる。
【００１２】
第２流路には、湿熱交換膜の折り目を谷側から支持する支持部材が設けられていてもよい。これにより、第２流路の形状、特に折り目近傍の形状が維持され、供給ガスの流量の制御が容易となる。
【００１３】
第１流路は、折り目と平行に湿熱交換膜の一端から他端へ向かって排出ガスが流れる排出ガス順方向領域と、排出ガス順方向領域と逆方向に排出ガスが流れる排出ガス逆方向領域と、排出ガス順方向領域と排出ガス逆方向領域とを連通する排出ガス連通部と、を有してもよい。第２流路は、折り目と平行に湿熱交換膜の一端から他端へ向かって供給ガスが流れる供給ガス順方向領域と、供給ガス順方向領域と逆方向に供給ガスが流れる供給ガス逆方向領域と、供給ガス順方向領域と供給ガス逆方向領域とを連通する供給ガス連通部と、を有してもよい。これにより、湿熱交換器の長手方向を延ばさずに湿熱交換領域の長さを延長することができる。
【００１４】
排出ガス順方向領域は、湿熱交換膜を挟んで供給ガス逆方向領域と対向しており、排出ガス逆方向領域は、湿熱交換膜を挟んで供給ガス順方向領域と対向していてもよい。これにより、湿熱交換の効率をより高めることができる。
【００１５】
一方の面が湿熱交換膜の上側になるように該湿熱交換膜が配置されていてもよい。これにより、高湿である排出ガスに含まれる水を湿熱交換膜上に保持することができるので、供給ガスの加湿をより効率よく行うことができる。
【００１６】
排出ガス連通部および供給ガス連通部は、ともに湿熱交換膜の同じ側の端部に設けられており、供給ガス連通部は、湿熱交換膜の折り目の最下点よりも下方に設けられていてもよい。これにより、第１流路および第２流路を流れる各ガスの流れを、コンパクトで簡素な構成により反転させることができる。
【００１７】
排出ガスが第１流路に流入する流入口を更に備えてもよい。流入口は、湿熱交換膜の折り目の最下点よりも上方に設けられていてもよい。これにより、排出ガスの流入口が滞留している水で閉塞される状況を低減できる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、湿熱交換効率と低コスト化を高度なレベルで両立した湿熱交換器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。
【００２０】
図１は、本実施の形態に係る湿熱交換器１０が組み込まれた燃料電池システム２０の構成を示す概略図である。まず、燃料電池システム２０の全体の概略について説明する。
【００２１】
燃料電池システム２０は、湿熱交換器１０、改質装置４０、燃料電池スタック５０、燃料用湿熱交換器６０、酸化剤用湿熱交換器７０、コンバータ９０、インバータ９２、制御装置１００を有する。本実施の形態の燃料用湿熱交換器６０および酸化剤用湿熱交換器７０は、タンクに貯留された水を用いて加湿対象の気体をバブリングすることにより、加湿対象の気体を所定の湿度に加湿することができる。
【００２２】
燃料電池スタック５０は、燃料として水素ガスを用いるとともに、酸化剤として空気を用いて発電を行う。具体的には、燃料電池スタック５０を構成する各セル（単電池）において、固体高分子膜５２の一方の面に接するアノード５４では、式（１）で示す電極反応が起きる。一方、固体高分子膜５２の他方の面に接するカソード５６では、式（２）で示す電極反応が起きる。各セルは、冷却水プレート５８を流通する冷却水によって冷却され、約７０〜８０℃の適温に調節される。
【００２３】
【化１】
0005379986.tif 000002
【化２】
0005379986.tif 000003
【００２４】
燃料電池システム２０は、機能的には、燃料供給系、酸化剤供給系、冷却水系および電気系を備える。以下、各系ごとに構成の詳細を説明する。
【００２５】
（燃料供給系）
燃料電池システム２０の外部からＬＰＧや都市ガスなどの原燃料（炭化水素系燃料）が供給される。改質装置４０は、原燃料を改質し、水素（燃料）を約８０％含有する改質ガスを生成する。改質装置４０は、少なくとも改質器および変成器（いずれも図示せず）を備え、さらに必要に応じて脱硫器およびＣＯ除去器（いずれも図示せず）を備える。改質装置４０には、原燃料、改質用水、空気および電池オフガスが供給される。
【００２６】
改質装置４０には、水処理装置４２で水処理が施された上水が改質用水として供給される。水処理装置４２は、逆浸透膜とイオン交換樹脂を用いて上水からの水を水処理する。水処理装置４２により、上水からの水の導電率が低下するとともに、有機物の混入が抑制される。水処理装置４２で水処理が施された水は、改質装置４０が有する改質器の水蒸気改質に用いられる。
【００２７】
電池オフガスは、燃料電池スタック５０で未反応のまま排出される改質ガスである。電池オフガスは、気液分離装置４４を経由して改質装置４０に送られる。気液分離装置４４において、電池オフガスの気体成分のみが取り出されて改質装置４０に送られ、バーナの燃料に用いられる。また、気液分離装置４４は、電池オフガスと改質用水とが熱交換可能な熱交換機能を兼ね備え、電池オフガスの熱により改質用水が加熱される。これにより、改質装置４０において改質用水を加熱して水蒸気にするのに必要なエネルギーを節約することができるため、燃料電池システム全体の効率を向上させることができる。
【００２８】
脱硫器は、原燃料としてＬＰＧや都市ガスなどを用いた場合に、ガス漏れに対する安全対策として付臭される硫化物を除去する。改質器の触媒が劣化することが抑制される。脱硫器によって硫化物が除去された原燃料は、改質器に送られる。
【００２９】
ＣＯ除去器は、一酸化炭素の影響を受けやすい低温（１００℃以下）で運転される燃料電池スタック５０へ改質ガスを供給する場合に、さらに改質ガスと酸素とを混合することによって、酸化炭素を選択的に酸化する。ＣＯ除去器により、改質ガス中の一酸化炭素濃度を１０ｐｐｍ以下にすることができる。
【００３０】
改質装置４０から送出された改質ガスは、燃料用湿熱交換器６０において加湿および加温された後、燃料電池スタック５０のアノード５４へ供給される。
【００３１】
（酸化剤供給系）
酸化剤として用いられる空気が燃料電池システム２０の外部からブロアなどを用いて取り込まれ、燃料電池に供給される。燃料電池システム２０に取り込まれた空気は、フィルタ（図示せず）により塵や浮遊物が除去される。燃料電池システム２０に取り込まれた空気の一部は改質装置４０に送られ、バーナの燃料に用いられる。その他の空気は、湿熱交換器１０で燃料電池スタック５０から排出された高温高湿の空気と湿熱交換することにより、加湿および加温される。湿熱交換器１０で加湿および加温された空気は、酸化剤用湿熱交換器７０に送られる。酸化剤用湿熱交換器７０において酸化剤として用いられる空気がさらに加湿および加温される。酸化剤用湿熱交換器７０で加湿及び加温された空気は、燃料電池スタック５０のカソード５６へ供給される。燃料電池スタック５０のカソード５６での反応後に残った空気は、湿熱交換器１０において反応前の空気と湿熱交換した後、燃料電池システム２０から外部へ排気される。
【００３２】
（冷却水系）
燃料電池システム２０は、循環ポンプ（図示せず）によって冷却水が循環する冷却水系を有している。燃料電池スタック５０の各セルは、燃料電池スタック５０に設けられた冷却水流路に冷却水を流通させることによって適温に冷却される。燃料電池スタック５０の発電で発生した熱エネルギーは、冷却水によって燃料電池スタック５０の外部に取り出される。燃料電池スタック５０から排出された冷却水の一部は、燃料用湿熱交換器６０で燃料用湿熱交換器６０に貯留されているバブリング用の水と熱交換した後に、酸化剤用湿熱交換器７０に送られる。燃料電池スタック５０から排出された冷却水の残りの部分は、酸化剤用湿熱交換器７０に直接送られてバブリング用の水として用いられる。
【００３３】
（電気系）
燃料電池スタック５０にて発生した直流電力は、コンバータ９０により所定電圧（例えば２４Ｖ）の直流電力に変換された後、インバータ９２によって交流電力（例えば１００Ｖ）に変換される。インバータ９２で変換された交流電力は系統９４へ出力される。また、コンバータ９０で変換された所定電圧の直流電力は、制御装置１００などの電源として利用される。
【００３４】
制御装置１００は、改質装置４０から供給される燃料の供給量および外部から取り込まれる空気の供給量を調節して、燃料電池スタック５０による発電量を制御する。この他に、制御装置１００は、冷却水用の配管に設けられた制御バルブの開度や、循環ポンプを調節して冷却水の水量を制御する。さらに、制御装置１００は、コンバータ９０およびインバータ９２等との間で電気信号を送受信して、これらの各種機器を制御する。制御装置１００はリモートコントローラ９６と赤外線通信が可能である。ユーザは、リモートコントローラ９６を用いて、例えば、燃料電池システム２０の動作を操作することができる。
【００３５】
次に、本実施の形態に係る湿熱交換器１０について説明する。図２は、本実施の形態に係る湿熱交換器の正面図である。図３は、図２に示す湿熱交換器の左側面図である。図２に示すように、湿熱交換器１０は、直方体形状のユニットであり、カソードに供給される空気およびカソードから排出される空気が流入まはた排出される、複数の流入口および流出口が設けられている筐体１２を備える。
【００３６】
ブロアなどを用いて外部から取り込まれた空気は、供給ガス流入口１２ａから筐体１２の内部に導入され、内部で加湿された後、供給ガス流出口１２ｂから酸化剤用湿熱交換器７０を経由して燃料電池スタック５０のカソード５６へ供給される。一方、カソード５６での反応後に残った空気は、燃料電池スタック５０から排出され、排出ガス流入口１２ｃから筐体１２の内部に導入され、前述の外部から取り込まれた空気との間で湿熱交換が行われた後、排出ガス流出口１２ｄから外部に向かって排出される。
【００３７】
次に、湿熱交換器１０の内部構造について説明する。図４は、本実施の形態に係る湿熱交換器の要部を示す分解斜視図である。図５は、図２に示すＡ−Ａ断面の斜視図である。
【００３８】
湿熱交換器１０は、筐体１２と、湿熱交換膜１４と、湿熱交換膜１４を下方から支持する複数の支持部材１６と、湿熱交換膜１４の上面側に配設され湿熱交換膜１４の変形を抑える補強部材１８と、湿熱交換膜１４と補強部材１８との間に配設されている保水部材２２と、筐体１２の上部開口部を閉塞する上蓋部材２４と、を備える。湿熱交換膜１４として適当な材料は、例えば、固体高分子膜が挙げられる。より具体的には、固体高分子膜として、炭化フッ素系（フッ素系）高分子のパーフルオロスルホン酸膜（ナフィオン（登録商標））を用いることができる。湿熱交換膜１４としてパーフルオロスルホン酸膜を用いた場合には、湿熱交換膜１４の典型的な膜厚は、１０〜５０μｍである。
【００３９】
また、本実施の形態では、補強部材１８と保水部材２２とにより湿熱交換膜１４の形状を保持する保持部材が構成され、保水部材２２は、湿熱交換膜１４に接する保水層として機能する。保水部材２２として適当な材料は、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）の両面にケナフなどの不織布を重ね合わせたものが挙げられる。
【００４０】
次に、各部材について詳述する。筐体１２は、その内部空間を二分するように長手方向に延在している仕切り板２６が設けられている。湿熱交換膜１４は、外部から取り入れた空気を加湿するために水分を透過する膜であればよく、図４に示すように複数の折り目によって折り返されている。換言すれば、湿熱交換膜１４は、山折り１４ａと谷折り１４ｂが空気の流れる方向と平行に延びているとともに、空気の流れる方向と直行する方向に山折り１４ａと谷折り１４ｂが交互に複数配列するように折られている。
【００４１】
また、湿熱交換膜１４は、筐体１２と上蓋部材２４との間に端部１４ｃが挟持されることで筐体１２内に固定される。湿熱交換膜１４の上側の面には燃料電池スタック５０から排出された高温高湿の空気（以下、排出ガスという）が流れる第１流路２８が形成されている。具体的には、本実施の形態に係る第１流路２８は、隣接する山折り１４ａ同士の間に形成されていることになる。また、湿熱交換膜１４の下側の面には燃料電池スタック５０に供給される低温低湿の空気（以下、供給ガスという）が流れる第２流路３０が形成されている。具体的には、本実施の形態に係る第２流路３０は、隣接する谷折り１４ｂ同士の間に形成されていることになる。
【００４２】
このように、湿熱交換膜１４が複数の折り目によって折り返されているので、排出ガスと供給ガスとが湿熱交換される面積を減らさずに、換言すれば湿熱交換効率を維持したまま、筐体の幅をよりコンパクトにすることができる。また、折られた一枚の湿熱交換膜１４が第１流路２８と第２流路３０とを隔てる隔壁を兼ねているため、構成部品を削減することができる。
【００４３】
また、第１流路２８は、湿熱交換膜１４の折り返しにより湿熱交換膜１４の上面側が複数の排出ガス通過領域２８ａに隔てられており、第２流路３０は、湿熱交換膜１４の折り返しにより湿熱交換膜１４の下面側が複数の供給ガス通過領域３０ａに隔てられており、排出ガス通過領域２８ａと供給ガス通過領域３０ａとが交互に配列している。これにより、湿熱交換に寄与しない排出ガスや供給ガスの割合が低減され、排出ガスと供給ガスとの間でより確実に湿熱交換が行われる。また、排出ガス通過領域２８ａと供給ガス通過領域３０ａとが筐体の幅方向に交互に配列されているため、筐体の高さ方向もコンパクトにすることができる。
【００４４】
本実施の形態に係る酸化剤供給系は、ブロアにより外部から取り込まれた供給ガスの方が、その経路の下流側で外部に排出される排出ガスよりも圧力は高くなる。換言すると、第１流路２８を流れる排出ガスは、第２流路３０を流れる供給ガスより低圧である。そのため、湿熱交換膜１４の材質によっては両面の差圧によって変形するおそれもある。湿熱交換膜１４が変形すると、各流路の断面積が変わるため、流量の制御を精度よく行うことが難しくなる可能性がある。
【００４５】
そこで、本実施の形態では、第１流路２８に、折り返された湿熱交換膜１４の隣接して対向する面の間隔を保持するための補強部材１８が設けられている。補強部材１８は、筐体の長手方向と平行な棒状の部材を縦横に複数配列するとともにその一部を互いに連結したものである。これにより、湿熱交換膜１４が第１流路２８側に膨らむことが抑制され、第１流路２８の断面積（排出ガス通過領域２８ａ）の減少が低減される。
【００４６】
第２流路３０には、湿熱交換膜１４の折り目である山折り１４ａを谷側から支持する梯子状の支持部材１６が複数設けられている。これにより、第２流路３０の形状、特に山折り１４ａ近傍の形状が維持され、供給ガスや排出ガスの流量の制御が容易となる。また、図５では図示していないが、湿熱交換膜１４の上面には湿熱交換膜１４と相似形の保水部材２２が重ねられている。これにより、湿熱交換膜１４は、より確実に湿潤状態に維持される。
【００４７】
なお、湿熱交換器１０は、上述のように湿熱交換膜１４が支持部材１６や補強部材１８とともに筐体１２の所定の位置に配設された後、上蓋部材２４を筐体１２に重ね合わせる。上蓋部材２４は、長手方向の両端に側板２４ａが設けられている。側板２４ａには、排出ガスを通過させるための複数の通過穴２４ｂが第１流路２８の形状に対応して形成されている。また、側板２４ａの内側は、図４に示すように複数回折り返された湿熱交換膜１４の断面形状と同じになるように櫛歯状に加工された接合部２４ｄが設けられている。一方、筐体１２の両端部近傍には、上蓋部材２４の接合部２４ｄが隙間なく嵌め込まれるように櫛歯状に形成された接合部１２ｆが設けられている。
【００４８】
そして、上蓋部材２４の接合部２４ｄと筐体１２の接合部１２ｆとの間に接着剤を充填しこれらを密着させることで、第１流路と第２流路との分離が実現される。この際、接着剤がはみ出して排出ガスの通過穴２４ｂを塞ぐことを防止するために、本実施の形態では、接着剤の逃げ穴２４ｃを側板２４ａに設けている。
【００４９】
このように、上蓋部材２４を筐体１２に接合した後、更に上蓋部材２４の上に不図示のガスケット、シール部材３２、押さえ部材３４、カバー３６を重ねる。そして、筐体１２の周縁に設けられているねじ穴１２ｅとカバー３６のねじ穴３６ａとを一致させてねじで締結する。なお、押さえ部材３４は、シール部材３２の形状に合わせた溝が形成されている。
【００５０】
（湿熱交換器におけるガスの流れ）
湿熱交換器におけるガスの流れを図５〜図１０を参照して説明する。図６は、図２に示す湿熱交換器１０のＢ−Ｂ断面図である。図７は、図２に示す湿熱交換器１０のＣ−Ｃ断面図である。図８は、図２に示す湿熱交換器１０のＤ−Ｄ断面図である。図９は、図２に示す湿熱交換器１０のＥ−Ｅ断面図である。図１０は、図２に示す湿熱交換器１０のＦ−Ｆ断面図である。なお、図６から図１０においては、補強部材１８や保水部材２２など一部の部材を省略して図示している。
【００５１】
はじめに、供給ガスの流れについて説明する。図５に示すように、供給ガスは、供給ガス流入口１２ａから湿熱交換膜１４の下方に設けられているバッファ室３８に導入される。バッファ室３８と湿熱交換膜１４との間には、供給ガスを各供給ガス通過領域３０ａに分散させるための穴７２ａが形成されているプレート７２が設けられている。これにより、供給ガスは各供給ガス通過領域３０ａに分散されて送られる。
【００５２】
供給ガス通過領域３０ａのうち、図６に示すように、供給ガス順方向領域３０ａ１に送られた供給ガスは、湿熱交換膜１４の折り目と平行に湿熱交換膜１４の一端から他端に向かう方向（図６に示す紙面表側から裏側、図２に示す紙面左側から右側）へ流れる。筐体１２の他端近傍には、排出ガスを通過させるための通過穴２４ｂが形成されている側板２４ａがあるが（図４、図８参照）、この側板２４ａは、供給ガスを通過させないため、供給ガス順方向領域３０ａ１を通過してきた供給ガスは図７に示すように側板２４ａに進行を阻まれ、下方に向きを変える。
【００５３】
側板２４ａの手前側の下方には、供給ガス連通路７４が筐体の下部に形成されている。供給ガス順方向領域３０ａ１を下方に向かう供給ガスは、図４に示すプレート７６の穴７６ａを通過して供給ガス連通路７４に流入する。そして、仕切り板２６を下方からくぐるように反対側のプレート７６の穴７６ａから供給ガス逆方向領域３０ａ２に流入する。なお、供給ガス逆方向領域３０ａ２は、供給ガス順方向領域３０ａ１と逆方向に供給ガスが流れる領域である。これにより、湿熱交換器１０の長手方向を延ばさずに第２流路３０の長さを筐体１２の長手方向の長さの約２倍とすることができる。また、供給ガス連通路７４は、湿熱交換膜１４の折り目の最下点、本実施の形態では谷折り１４ｂよりも下方に設けられているため、第２流路３０を流れる供給ガスの流れを、コンパクトで簡素な構成により反転させることができる。
【００５４】
供給ガス逆方向領域３０ａ２を流れる供給ガスは、上蓋部材２４の側板２４ａに進行を阻まれ、図６に示すように、下方に向きを変える。そして、プレート７２の穴７２ａを通過してバッファ室３８流入した後、供給ガス流出口１２ｂからカソード５６に向かって流出する。
【００５５】
次に、排出ガスの流れについて説明する。図４、図９に示すように、排出ガスは、排出ガス流入口１２ｃから筐体１２の内部に流入し、排出ガス流入口１２ｃと側板２４ａとの間にあるバッファ室７８に導入される。排出ガスは、バッファ室７８から通過穴２４ｂを通過して、図５に示す第１流路２８の各排出ガス通過領域２８ａに導入される。ここで、排出ガス流入口１２ｃは、湿熱交換膜１４の折り目の最下点、本実施の形態では谷折り１４ｂよりも上方に設けられている。これにより、排出ガス流入口１２ｃが滞留している水で閉塞される状況を低減できる。
【００５６】
第１流路２８は、湿熱交換膜１４の上側にあるため、高湿である排出ガスに含まれる水を湿熱交換膜１４上に保持することができるので、湿熱交換膜１４の反対側の第２流路３０を通過する供給ガスの加湿をより効率よく行うことができる。
【００５７】
排出ガス通過領域２８ａのうち、排出ガス順方向領域２８ａ１に送られた排出ガスは、湿熱交換膜１４の折り目と平行に湿熱交換膜１４の一端から他端に向かう方向（図６に示す紙面表側から裏側、図２に示す紙面左側から右側）へ流れる。筐体１２の他端近傍に設けられている側板２４ａは、排出ガスを通過させるための通過穴２４ｂが形成されているため、図８に示すように、通過穴２４ｂを通過した排出ガスが排出ガス連通部８０に導入される。そして、導入された排出ガスは、仕切り板２６を回り込むように反対側の通過穴２４ｂから排出ガス逆方向領域２８ａ２に流入する（図６、図７参照）。なお、排出ガス逆方向領域２８ａ２は、供給ガス順方向領域２８ａ１と逆方向に排出ガスが流れる領域である。これにより、湿熱交換器１０の長手方向を延ばさずに第１流路２８の長さを筐体１２の長手方向の長さの約２倍とすることができる。
【００５８】
そして、図７に示すように、排出ガス逆方向領域２８ａ２を流れる排出ガスは、図１０に示す側板２４ａの通過穴２４ｂを通過し、図９の左側のバッファ室７８を経由して、排出ガス流出口１２ｄから外部に向かって流出する。
【００５９】
本実施の形態に係る湿熱交換器１０は、図６、図７に示すように、排出ガス順方向領域２８ａ１は、湿熱交換膜１４を挟んで供給ガス逆方向領域３０ａ２と対向しており、排出ガス逆方向領域２８ａ２は、湿熱交換膜１４を挟んで供給ガス順方向領域３０ａ１と対向している。そのため、湿熱交換の効率をより高めることができる。
【００６０】
以上、本発明を上述の実施の形態を参照して説明したが、これは例示であり、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。
【００６１】
例えば、上述の実施の形態の説明においては、湿熱交換器１０を酸化剤供給系に用いる場合を例示したが、燃料供給系に設ける構成も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本実施の形態に係る湿熱交換器が組み込まれた燃料電池システムの構成を示す概略図である。
【図２】本実施の形態に係る湿熱交換器の正面図である。
【図３】図２に示す湿熱交換器の左側面図である。
【図４】本実施の形態に係る湿熱交換器の要部を示す分解斜視図である。
【図５】図２に示すＡ−Ａ断面の斜視図である。
【図６】図２に示す湿熱交換器のＢ−Ｂ断面図である。
【図７】図２に示す湿熱交換器のＣ−Ｃ断面図である。
【図８】図２に示す湿熱交換器のＤ−Ｄ断面図である。
【図９】図２に示す湿熱交換器のＥ−Ｅ断面図である。
【図１０】図２に示す湿熱交換器のＦ−Ｆ断面図である。
【符号の説明】
【００６３】
１０  湿熱交換器、  １２  筐体、  １２ａ  供給ガス流入口、  １２ｂ  供給ガス流出口、  １２ｃ  排出ガス流入口、  １２ｄ  排出ガス流出口、  １４  湿熱交換膜、  １６  支持部材、  １８  補強部材、  ２０  燃料電池システム、  ２２  保水部材、  ２４  上蓋部材、  ２８  第１流路、  ２８ａ２  排出ガス逆方向領域、  ２８ａ  排出ガス通過領域、  ２８ａ１  排出ガス順方向領域、  ３０  第２流路、  ３０ａ２  供給ガス逆方向領域、  ３０ａ  供給ガス通過領域、  ３０ａ１  供給ガス順方向領域、  ５０  燃料電池スタック、  ７４  供給ガス連通路、  ８０  排出ガス連通部、  １００  制御装置。  
【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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【図１０】
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