(57)【要約】【課題】湿熱交換膜、高温高湿気体用の流路および低温低湿気体用の流路を水平方向に寝かせて積層した湿熱交換器において、湿熱交換膜の持つ湿熱交換能力を損なうことなく、十分に発揮させる。【解決手段】湿熱交換器は、高温高湿気体用プレート１１と低温低湿気体用プレート１２とを湿熱交換膜４００を介して水平方向に寝かした状態で積層したプレート積層体１３を備える。プレート積層体１３には、上方から供給される高温高湿気体を流通させて、各高温高湿気体用プレート１１に設けられた流路２００に高温高湿気体を分配するためのマニホールド１６ａが設けられている。各高温高湿気体用プレート１１に設けられた流路２００の入り口または流路２００の入り口近傍において高温高湿気体に含まれる水分が凝縮した凝縮水を保持可能な段差２５０を設けることにより、マニホールド１６ａを流れる凝縮水を各高温高湿気体用プレート１１に確実に分配させる。【選択図】図１１
2007173117.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温高湿気体を流すための流路が設けられた高温高湿気体用プレートと低温低湿気体を流すための流路が設けられた低温低湿気体用プレートとを湿熱交換膜を介して水平方向に寝かした状態で積層した積層体と、
前記積層体を貫通し、前記積層体の上方から供給される高温高湿気体を流通させて、各高温高湿気体用プレートに設けられた流路に前記高温高湿気体を分配するためのマニホールドと、
を備え、
前記高温高湿気体用プレートに設けられた流路ごとに、前記流路の入り口または前記流路の入り口近傍において前記高温高湿気体に含まれる水分が凝縮した凝縮水を保持可能な凝縮水保持部を備えることを特徴とする湿熱交換器。
【請求項２】
前記凝縮水保持部は、前記高温高湿気体用プレートに設けられた流路ごとに、前記流路の入り口近傍の前記マニホールドの壁面に設けられた凹凸部であることを特徴とする湿熱交換器。
【請求項３】
前記凝縮水保持部は、前記高温高湿気体用プレートと前記低温低湿気体用プレートとの間の気密性および液密性を確保するための封印部材であって、前記封印部材が前記マニホールドの壁面から内側に突出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４】
前記凝縮水保持部は、前記各高温高湿気体用プレートに設けられた流路の入り口に設けられた保水体であ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５】
前記保水体が、前記マニホールドの壁面から内側に突出していることを特徴とする請求項４に記載の湿熱交換器。
【請求項６】
前記湿熱交換膜が固体高分子膜であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の湿熱交換器。
【請求項７】
高温高湿気体が流通する流路側の前記湿熱交換膜に接して保水膜が設けられていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項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、本発明は燃料電池スタックに供給される空気を加温加湿するための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）を流通させると共に、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】
従来、湿熱交換器として、湿熱交換膜を鉛直方向に立てた状態で、湿熱交換膜を介して、高温高湿気体を流すための流路が形成されたプレートおよび低温低湿側流体を流すための流路が設けられたプレートを積層する形態が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−１６４２３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来、特許文献１のように、湿熱交換膜を鉛直方向に立てた状態で積層した湿熱交換器では、燃料電池から排出された高温高湿気体に含まれる凝縮水の分配方法については、全く考慮されていなかった。このため、湿熱交換器に高温高湿気体を流通させるためのマニホールドの入り口側に凝縮水の分配が偏る可能性が高かった。この結果、高温高湿気体を流通させるためのマニホールドの出口側で凝縮水が不足し、マニホールドの出口側に設けられた湿熱交換膜が乾燥し、湿熱交換膜の面積に比例した湿熱交換能力が得られなくなるという問題があった。また、湿熱交換膜を鉛直方向に立てた状態で積層した場合には、配管等を確保するためのスペースが水平方向（横方向）にさらに必要になるため、湿熱交換器の設置に必要な床面積が増大し、燃料電池システム全体の小型化の障害となるとともに、湿熱交換器によって燃料電池システムのレイアウト上の制約が発生することにより、燃料電池システムの設計自由度が制限されるという問題があった。
【０００６】
これに対し、湿熱交換膜等を水平方向に寝かせて積層した湿熱交換器は、配管等のためのスペースを水平方向に確保しなくてもよいため、燃料電池システムの小型化や燃料電池システムのレイアウト上の設計自由度の向上に適している。しかしながら、これまでのところ、湿熱交換膜等を水平方向に寝かせて積層した湿熱交換器は実用化に至っていない。この理由として、以下のような問題が挙げられる。湿熱交換膜等を水平方向に寝かせて積層した湿熱交換器では、マニホールドが鉛直方向を向く。このため、高温高湿気体に含まれる凝縮水はマニホールド内を重力により落下し、最下部にある流路のみに凝縮水が供給されてしまう。この結果、上方にある他の湿熱交換膜は乾燥しやすくなり、湿熱交換膜の面積に比例した湿熱交換能力が得られなくなるという問題があった。
【０００７】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、湿熱交換膜、高温高湿気体用の流路および低温低湿気体用の流路を水平方向に寝かせて積層した湿熱交換器において、高温高湿気体に含まれる凝縮水を各流路に確実かつ適度に分配することにより、湿熱交換膜の持つ湿熱交換能力を損なうことなく、十分に発揮させる技術の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のある態様は、湿熱交換器である。この湿熱交換器は、高温高湿気体を流すための流路が設けられた高温高湿気体用プレートと低温低湿気体を流すための流路が設けられた低温低湿気体用プレートとを湿熱交換膜を介して水平方向に寝かした状態で積層した積層体と、積層体を貫通し、積層体の上方から供給される高温高湿気体を流通させて、各高温高湿気体用プレートに設けられた流路に高温高湿気体を分配するためのマニホールドとを備え、高温高湿気体用プレートに設けられた流路ごとに、流路の入り口または流路の入り口近傍において高温高湿気体に含まれる水分が凝縮した凝縮水を保持可能な凝縮水保持部を備える。
【０００９】
この態様によれば、マニホールドの壁面を伝わって落下する凝縮水を、各高温高湿気体用プレートに設けられた流路の入り口または入り口近傍部分で一時的に蓄えることができるため、凝縮水を無駄に落下させることなく、各高温高湿気体用プレートに凝縮水を適切に分配させることができる。
【００１０】
凝縮水保持部は、高温高湿気体用プレートに設けられた流路ごとに、流路の入り口近傍のマニホールドの壁面に設けられた凹凸部であってもよい。
【００１１】
この態様によれば、マニホールドの壁面を伝わって落下する凝縮水を、各高温高湿気体用プレートに対応して設けられた凹凸部で一時的に蓄えることができるため、凝縮水を無駄に落下させることなく、各高温高湿気体用プレートに凝縮水を適切に分配させることができる。
【００１２】
凝縮水保持部は、高温高湿気体用プレートと低温低湿気体用プレートとの間の気密性および液密性を確保するための封印部材であって、封印部材がマニホールドの壁面から内側に突出していてもよい。
【００１３】
この態様によれば、マニホールドの壁面を伝わって落下する凝縮水を封印部材によってより確実に受け止めることができるので、各高温高湿気体用プレートの入り口近傍に凝縮水をより確実に保持することができる。また、封印部材に凝縮水の保持機能を兼ねさせることにより、湿熱交換器の構造が簡便になるため、湿熱交換器の製造コストを低下させることができる。
【００１４】
凝縮水保持部は、各高温高湿気体用プレートに設けられた流路の入り口に設けられた保水体であってもよい。
【００１５】
この態様によれば、マニホールドを流れる凝縮水を各高温高湿気体用プレートに設けられた流路により確実に取り込むことができる。
【００１６】
保水体が、マニホールドの壁面から内側に突出していてもよい。
【００１７】
この態様によれば、マニホールド内を落下する凝縮水が保水体によって確保されるため、各高温高湿気体用プレートに設けられた流路に凝縮水をより確実に分配することができる。
【００１８】
湿熱交換膜が固体高分子膜であってもよい。
【００１９】
この態様によれば、一方の面から他方の面への水分移動が可能になるとともに、一方の面から他方の面への気体の透過が抑制される。また、固体高分子膜は、透湿性を有するため、一方の面から他方の面への湿度移動において、高湿気体中の水分のみならず、凝縮水を利用することにより、湿度交換の効率を向上させることができる。
【００２０】
高温高湿気体が流通する流路側の湿熱交換膜に接して保水膜が設けられていてもよい。
【００２１】
この態様によれば、凝縮水が保水膜によって保持されるため、湿熱交換膜に凝縮水を補給することにより、湿熱交換膜の乾燥がさらに抑制される。特に、湿熱交換膜が水平方向に寝かされている場合であっても、高温高湿気体が流れる流路の上方に設けられた湿熱交換膜にも、凝縮水を補給することが可能となるため、湿熱交換膜の面積に比例した湿熱交換能力を発揮させることができる。
【００２２】
なお、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、湿熱交換膜、高温高湿気体用の流路およ低温低湿気体用の流路を水平方向に寝かせて積層した湿熱交換器において、高温高湿気体に含まれる凝縮水を高温高湿気体用の各流路に確実かつ適度に分配することにより、湿熱交換膜の持つ湿熱交換能力を損なうことなく、十分に発揮させる技術の提供にある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００２５】
（実施形態１）
図１は、実施形態１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。
【００２６】
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。
【００２７】
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の一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。
【００２８】
【化１】
2007173117.tif 000003
【化２】
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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。
【００２９】
（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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
改質装置４０からの改質ガスは、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。
【００３５】
（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。
【００３６】
（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。
【００３７】
（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（たとえば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（たとえば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。
【００３８】
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、たとえば、燃料電池システム２０の動作を操作することができる。
【００３９】
図２は、実施形態１に係る湿熱交換器１０の積層構造を表す斜視図である。湿熱交換器１０は、高温高湿気体を流す流路が設けられた高温高湿気体用プレート１１と低温低湿気体を流す流路が設けられた低温低湿気体用プレート１２とが、水平方向に寝かされた状態で積層されたプレート積層体１３を備える。本実施形態では、高温高湿気体用プレート１１が５枚、低温低湿気体用プレート１２が４枚の構成であり、高温高湿気体用プレート１１がプレート積層体１３の両端に位置している。高温高湿気体用プレート１１と低温低湿気体用プレート１２との間には、図２では図示されていない湿熱交換膜が介在している。湿熱交換膜により、高温高湿気体用プレート１１に形成された流路と、低温低湿気体用プレート１２に設けられた流路とが仕切られ、湿熱交換膜を介して、高温高湿気体用プレート１１に形成された流路を流れる高温高湿気体と、低温低湿気体用プレート１２に形成された流路を流れる低温低湿気体との間で湿熱交換が行われる。
【００４０】
プレート積層体１３の両端部には、エンドプレート１４ａおよびエンドプレート１４ｂがそれぞれが設置されている。プレート積層体１３、エンドプレート１４ａ、１４ｂには、ボルト等の締結部材が貫通可能な穴１５が設けられている。プレート積層体１３およびエンドプレート１４ａ、１４ｂをボルト等の締結部材で締め付けることにより、各プレートに設けられた流路の気密性が得られるように構成されている。
【００４１】
また、プレート積層体１３およびエンドプレート１４ａ、１４ｂには、高温高湿気体を各高温高湿気体用プレート１１に供給するためのマニホールド１６ａ、各高温高湿気体用プレート１１を流通し、湿熱交換を終えた高温高湿気体を排出するためのマニホールド１６ｂ、低温低湿気体を各低温低湿気体用プレート１２に供給するためのマニホールド１６ｃおよび各低温低湿気体用プレート１２を流通し、湿熱交換を終えた低温低湿気体を排出するためのマニホールド１６ｄが設けられている。以下、マニホールド１６というときは、これらのマニホールドを総称した名称を意味する。
【００４２】
図３は、高温高湿気体用プレート１１の上面側の構造を示す図である。図４は、高温高湿気体用プレート１１の下面側の構造を示す図である。図５および図６は、それぞれ図３に示した高温高湿気体用プレート１１のＡ−Ａ’線上およびＢ−Ｂ’線上の部分断面図である。図７は、図４に示した高温高湿気体用プレートのＣ−Ｃ’線上の部分断面図である。
【００４３】
本実施形態の高温高湿気体用プレート１１には、３列の流路２００が設けられている。各流路２００は、高温高湿気体用プレート１１の上面側および下面側に開口している。これにより、高温高湿気体用プレート１１の上面側および下面側に湿熱交換膜を介して、低温低湿気体用プレート１２を積層することにより、各流路２００を流れる高温高湿気体の湿熱交換面積を増大させることができる。
【００４４】
各流路２００間は、隔壁２１０によって仕切られている。マニホールド１６ａと各流路２００とは、高温高湿気体用プレート１１に設けられた溝状の接続部２２０によって接続されている（図６参照）。接続部２２０の上に板状の蓋材２２５をかぶせることにより、各接続部２２０の流路が形成される。同様に、マニホールド１６ｂと各流路２００とは、高温高湿気体用プレート１１に設けられた溝状の接続部２２２によって接続されている。接続部２２２の上に板状の蓋材をかぶせることにより、各接続部２２２の流路が形成される。なお、高温高湿気体用プレート１１に設けられた高温高湿気体用の流路は、接続部２２０、流路２００、および接続部２２２によって構成されており、このうち、高温高湿気体が流路２００を流れる間に湿熱交換が行われる。
【００４５】
高温高湿気体用プレート１１の下面側の周縁部には、隣接するプレート間を封印するためのＯリングを嵌め込むための溝２４０が設けられている。この溝２４０は、流路２００全体を取り囲むとともに、マニホールド１６ａ、マニホールド１６ｂ、マニホールド１６ｃおよびマニホールド１６ｄをそれぞれ取り囲むように設けられている。これによれば、マニホールド１６を溝２４０に対応したＯリングで取り囲んだ状態で、プレート積層体１３を構築することにより、プレート積層体１３の気液密封性を向上させることができる。
【００４６】
図７に示すように、高温高湿気体用プレート１１に設けられたマニホールド１６ａの下部に切り欠き状の段差２５０が設けられている。この段差２５０により、プレート積層体１３を構築したときに、マニホールド１６ａの壁面に高温高湿気体に含まれる水分が凝縮した凝縮水を保持可能な凹凸が形成される。
【００４７】
図８は、低温低湿気体用プレート１２の上面側の構造を示す図である。また、図９は、低温低湿気体用プレート１２の下面側の構造を示す図である。図１０は、図９に示す低温低湿気体用プレート１２のＤ−Ｄ’線上の部分断面図である。
【００４８】
本実施形態の低温低湿気体用プレート１２には、高温高湿気体用プレート１１と同様に隔壁３１０によって仕切られた３列の流路３００が設けられている。各流路３００は、低温低湿気体用プレート１２の上面側および下面側に開口している。これにより、低温低湿気体用プレート１２の上面側および下面側に湿熱交換膜を介して、高温高湿気体用プレート１１を積層することにより、各流路３００を流れる低温低湿気体の湿熱交換面積を増大させることができる。
【００４９】
マニホールド１６ｃと各流路３００とは、低温低湿気体用プレート１２に設けられた溝状の接続部３２０によって接続されている。同様に、マニホールド１６ｄと各流路３００とは、低温低湿気体用プレート１２に設けられた溝状の接続部３２２によって接続されている。
【００５０】
低温低湿気体用プレート１２の下面側の周縁部には、隣接するプレート間を封印するためのＯリングを嵌め込むための溝３４０が設けられている。この溝３４０は、流路３００全体を取り囲むとともに、マニホールド１６ａ、マニホールド１６ｂ、マニホールド１６ｃおよびマニホールド１６ｄをそれぞれ取り囲むように設けられている。これによれば、マニホールド１６を溝３４０に対応したＯリングで取り囲んだ状態で、プレート積層体１３を構築することにより、プレート積層体１３の気液密封性を向上させることができる。
【００５１】
図１０に示すように、低温低湿気体用プレート１２に設けられたマニホールド１６ａの下部に切り欠き状の段差３５０が設けられている。この段差３５０により、プレート積層体１３を構築したときに、マニホールド１６ａの壁面に高温高湿気体に含まれる水分が凝縮した凝縮水を保持可能な凹凸が形成される。
【００５２】
また、本実施形態の高温高湿気体用プレート１１には、流路２００を横断する方向に、隣接する隔壁２１０を橋渡しするような補強部２３０が設けられている（図５参照）。補強部２３０を、隔壁２１０間に橋渡しすることにより、隔壁２１０の強度が向上するとともに、隔壁の２１０を確実に位置決めすることができる。さらに、プレート積層体１３を構築したときに、湿熱交換膜を介して低温低湿気体用プレート１２の隔壁３１０の下面に接触するリブ２３２が設けられている。リブ２３２により、補強部２３０の強度が増加し、補強部２３０を薄型化することができるので、流路２００を流れる高温高湿気体の流れを損なうことなく、隔壁２１０の強度向上等を図ることができる。なお、プレート積層体１３を構築した状態で、補強部２３０の橋渡しの方向は、低温低湿気体用プレート１２の隔壁３１０に沿った方向になっている。これにより、高温高湿気体用プレート１１の隔壁２１０のみならず、低温低湿気体用プレート１２の隔壁３１０の強度向上も図ることができるので、プレート積層体１３全体の強度が向上する。
【００５３】
図１１は、マニホールド１６ａ部分のプレート積層体１３の構造を示す部分断面図である。高温高湿気体用プレート１１および低温低湿気体用プレート１２は、湿熱交換膜４００を介して、水平方向に寝かされた状態で積層されている。このように、湿熱交換膜４００等を水平方向に寝かした状態でプレート積層体１３を構築することにより、配管等のためのスペースを水平方向に確保しなくてもよいため、水平方向に必要な面積を小さくすることができる。この結果、燃料電池システムの小型化や燃料電池システムのレイアウト上の設計自由度の向上を図ることができる。
【００５４】
マニホールド１６ａに供給される高温高湿気体は、各高温高湿気体用プレート１１に設けられた流路２００に分配される。高温高湿気体が有する熱および水分は、流路２００を流通する間に、湿熱交換膜４００を介して低温低湿気体用プレート１２の流路３００を流通する低温低湿気体に受け渡され、高温高湿気体と低温低湿気体との間で湿熱交換が行われる。流路２００に連通する各接続部２２０の上方近傍のマニホールド１６ａの壁面に、低温低湿気体用プレート１２に設けられた段差３５０によって形成された凹凸が存在している。この凹凸部分に上方から流れてきた凝縮水が保持されるため、各流路２００に凝縮水が確実かつ適度に分配され、各湿熱交換膜４００の乾燥が抑制される。これにより、湿熱交換膜４００の面積に応じた湿熱交換能力を発揮させることができる。また、高温高湿気体用プレート１１に設けられた段差２５０によってもマニホールド１６ａの壁面に凹凸が存在している。これにより、凝縮水がマニホールド１６ａの壁面を伝って落下する速度が抑えられるので、各流路２００に凝縮水を確実かつ適度に分配することができる。
【００５５】
湿熱交換膜４００に必要な特性として、以下の項目が挙げられる。
【００５６】
(1)一方の面から他方の面に湿度（水分）の移動が可能であること。ただし、一方の面から他方の面に気体が透過しないこと（クロスリークがないこと）。
【００５７】
(2)湿熱交換膜４００自体に保湿性があること。湿熱交換膜４００に保湿性がないと、一方の面から他方の面への湿度移動において、高湿気体中の水分しか利用できないため、湿度交換の効率が低下してしまう。
【００５８】
このような特性を具備する膜として、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４００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４００の典型的な膜厚は、１０〜５０μｍである。
【００５９】
本実施形態のプレート積層体１３は、上述した湿度移動等の特性が要求される湿熱交換膜４００の他に、保湿性のみを要求される保水膜４１０をさらに備えている。保水膜４１０としては、吸水スポンジ、吸水ウレタンなどが挙げられる。保水膜４１０の典型的な膜厚は、１００〜５００μｍである。
【００６０】
保水膜４１０は、高温高湿気体側の湿熱交換膜４００の表面に重ね合わされている。保水膜４１０は、湿熱交換膜４００に接していることが好ましい。保水膜４１０と湿熱交換膜４００が接することにより、保水膜４１０から湿熱交換膜４００への水分の移動がよりスムースになる。本実施形態のプレート積層体１３のように、湿熱交換膜４００が水平方向に寝かされている場合であっても、高温高湿気体が流れる流路２００の上方に設けられた湿熱交換膜４００にも、液状の水分（凝縮水）を補給することが可能となり、湿熱交換膜の面積に比例した湿熱交換能力を発揮させることができる。
【００６１】
湿熱交換膜４００は樹脂製であり、膜厚が薄くかつ表面が平坦である。これに対して、保水膜４１０は、膜厚が比較的厚く、表面に凹凸を有する。このため、保水膜４１０部分でシールを行おうとする場合には、保水膜４１０を強固に押しつぶして、シール用に平坦な面を確保したり、保水膜４１０のシール該当箇所にコーティングなどの前処理を予め施して、シール用の平坦面を形成する必要が生じる。そこで、保水膜４１０より一回り大きい湿熱交換膜４００を用いることにより、シールを湿熱交換膜４００の部分でのみ行うことが好ましい。具体的には、マニホールド１６ａの内側部分の溝２４０および溝３４０に嵌め込まれるＯリング５００の下に、湿熱交換膜４００のみを介在させる。
【００６２】
（実施形態２）
実施形態２の基本的な構成は、実施形態１と同様であり、実施形態１と同一な構成については同一の符号を付して適宜説明を省略する。図１２は、実施形態２に係る高温高湿気体が流通するマニホールド部分のプレート積層体１３の構造を示す部分断面図である。実施形態１では、Ｏリングを用いて各プレート間の気液密封性が保たれているが、実施形態２では、Ｏリングに変えて平板状のガスケット５１０が設けられている。ガスケット５１０は、マニホールド１６ａ部分において、マニホールド１６ａの壁面５１２から内側に突出している。
【００６３】
これにより、マニホールド１６ａの壁面を伝わって落下する凝縮水をガスケット５１０によってより確実に受け止めることができるので、各高温高湿気体用プレートの入り口近傍に凝縮水をより確実に保持することができる。また、封印部材に凝縮水の保持機能を兼ねさせることにより、湿熱交換器の構造が簡便になるため、湿熱交換器の製造コストを低下させることができる。
【００６４】
（実施形態３）
実施形態３の基本的な構成は、実施形態１と同様であり、実施形態１と同一な構成については同一の符号を付して適宜説明を省略する。図１３は、実施形態３に係る高温高湿気体が流通するマニホールド部分のプレート積層体１３の構造を示す部分断面図である。実施形態３の接続部２２０には、保水体５３０が敷設されている。保水体５３０の材料は、たとえば、吸水スポンジ、吸水ウレタンなどである。これによれば、マニホールド１６ａを流れる凝縮水が各高温高湿気体用プレート１１に設けられた流路２００により確実に取り込まれる。なお、保水体５３０は、図１３に示すように、マニホールド１６ａの壁面５１２から内側に突出していることが好ましい。これによれば、マニホールド１６ａ内を落下する凝縮水が保水体５３０によって確保されるため、各高温高湿気体用プレート１１に設けられた流路２００に凝縮水をより確実に分配することができる。
【００６５】
本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を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ものである。
【００６６】
例えば、上述の各実施の形態では、高温高湿気体用プレートに設けられた流路および低温低湿気体用プレートに設けられた流路が３列であるが、これらの流路の列はこれに限定されない。また、上述の各実施形態では、プレート積層体が、５枚の高温高湿気体用プレートと、４枚の低温低湿気体用プレートによって形成されているが、要求される湿熱交換能力に応じてプレートの積層枚数は適宜増減することができる。
【００６７】
また、湿熱交換膜等を水平に寝かした状態とは、湿熱交換膜等の表面が水平面に一致する場合に限定されず、湿熱交換膜等の表面が水平面に対して１０度程度の角度を有していてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】実施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】実施形態に係る湿熱交換器の積層構造を表す斜視図である。
【図３】高温高湿気体用プレートの上面側の構造を示す図である。
【図４】高温高湿気体用プレートの下面側の構造を示す図である。
【図５】図３に示した高温高湿気体用プレートのＡ−Ａ’線上の部分断面図である。
【図６】図３に示した高温高湿気体用プレートのＢ−Ｂ’線上の部分断面図である。
【図７】図４に示した高温高湿気体用プレートのＣ−Ｃ’線上の部分断面図である。
【図８】低温低湿気体用プレートの上面側の構造を示す図である。
【図９】低温低湿気体用プレートの下面側の構造を示す図である。
【図１０】図９に示す低温低湿気体用プレートのＤ−Ｄ’線上の部分断面図である。
【図１１】高温高湿気体が流通するマニホールド部分のプレート積層体の構造を示す部分断面図である。
【図１２】実施形態２に係る高温高湿気体が流通するマニホールド部分のプレート積層体の構造を示す部分断面図である。
【図１３】実施形態３に係る高温高湿気体が流通するマニホールド部分のプレート積層体の構造を示す部分断面図である。
【符号の説明】
【００６９】
１０  湿熱交換器、１１  高温高湿気体用プレート、１２  低温低湿気体用プレート、１３  プレート積層体、１４ａ，１４ｂ  エンドプレート、１５  穴、１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ  マニホールド、２０  燃料電池システム、４０  改質装置、５０  燃料電池スタック、６０  燃料用湿熱交換器、７０  酸化剤用湿熱交換器、９０  コンバータ、９２  インバータ、１００  制御装置、２００，３００  流路、４００  湿熱交換膜、４１０  保水膜、５００  Ｏリング。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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