溫度溼度交換器的製作方法
2023-06-04 08:44:36 2
專利名稱：溫度溼度交換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種溫度溼度交換器，該溫度溼度交換器利用通過可透過水分的透溼膜從高溫的溼潤氣體傳遞的熱和水分對低溫的乾燥氣體加熱加溼，特別是涉及由從燃料電池的廢氣傳遞的熱和水分對未反應氣體進行加熱加溼的燃料電池用溫度溼度交換器。
背景技術：
在固體高分子型燃料電池中，離子交換膜在分子中具有氫離子的交換基，通過飽和含水，從而作為離子導電性物質起作用。當離子交換膜乾燥時，離子導電性下降，燃料電池的電池性能顯著下降，所以，為了防止離子交換膜的乾燥，使用水和未反應氣體流到固體高分子電解質膜那樣的透溼膜兩面的構造的溫度溼度交換器，預先將未反應氣體加溼。
該溫度溼度交換器成為由設置了未反應氣體流動的流路槽的隔離構件與設置了加溼水流動的流路槽的另一方隔離構件夾持透溼膜的結構。在該隔離構件的內部由肋限定形成彎曲的氣體流路槽，在該氣體流路槽的底部配置與未反應氣體的流動相對的突起，未反應氣體成為紊流，有效地受到攪拌，未反應氣體有效地與透溼膜接觸，提高溼度效率(例如參照專利文獻1)。
然而，需要另外設置準備加熱了的水作為加溼水的供水裝置，會花費多餘的費用。因此，提出有在從燃料電池排出的廢氣與未反應氣體間進行溫度溼度交換的溫度溼度交換器。其中，由第1加溼塊與第2加溼塊構成的溫度溼度交換器隔著隔板連接於燃料電池主體。作為未反應氣體的空氣流到第1加溼塊，然後流到第2加溼塊，再供給到燃料電池主體的空氣極。另一方面，從燃料電池的空氣極排出的包含水分的廢氣被導入至溫度溼度交換器，朝與未反應氣體相反的方向流動，從廢氣出口排出到外部(例如參照專利文獻2)。
另外，使用廢氣的溫度溼度交換器為了防止透溼膜的乾燥，具有交替地層疊網板與保水性的多孔質體而構成的溫度溼度交換單元。導入到溫度溼度交換單元的廢氣與未反應氣體通過保水性的多孔質體相互接觸，從而交換溫度和溼度(例如參照專利文獻3)。
專利文獻1日本特開平11-185777號公報專利文獻2日本特開2002-170584號公報專利文獻3日本特開2000-164229號公報水分交換這樣進行，即，水分從溼潤氣體冷凝，水滴覆蓋肋表面，該水滴接觸透溼膜，水分透溼到乾燥氣體流動的流路一方。然而，當流路的高度大時，水滴受到重力的影響，朝流路的下部偏移，水滴不接觸配置於流路上方的透溼膜，所以，水分不供給到上方的乾燥氣體流動的流路。另外，當肋的高度大時，通過肋傳遞的熱量少，傳熱不足使得乾燥氣體未受到充分加熱，存在露點不上升的問題。
另外，當肋的高度大時，水滴朝流路的下部偏移，水分主要朝下方的流路傳遞，但熱的相當量通過肋也傳遞到上方的流路，所以，水分與熱的傳遞比例在上方下方的流路不同。為此，在下方的流路水分傳遞較多，但熱的傳遞較少，在上方的流路熱的傳遞多，但水分的傳遞少，所以，在上方下方的流路，露點產生大的差異。為了儘量抑制通過隔離構件朝上方的熱傳遞，需要使隔離構件為絕熱性高的材料，這樣，隔離構件的兩面的溫度差越來越大，熱變形增大。當這樣的熱變形增大時，隨著長期使用，透溼膜的支承存在變得不確實的危險。
因此，考慮到層流時流路的高度越小則氣體側的熱阻和物質移動阻力越下降這一點，可減少流路的高度，提高露點。然而，當減少流路的高度時，氣體供氣入口的寬度狹小引起急劇的壓力上升，存在超過壓力損失的容許壓力的問題。另外，如預計到該壓力損失而增大供給的氣體壓力，則產生溫度溼度交換器的供氣入口壓力超過容許壓力的問題。
因此，如在氣體流路槽的底部設置與反應氣體流相對的突起，則紊流效果多少使溫度效率和溼度效率上升一些，但在紊流下，壓力損失相對流量按2次方成比例(對於層流，壓力損失與流量成比例)，所以，紊流導致的壓力損失增大，如使線速度增加到2倍，則壓力損失增大到4倍。不能使紊流下的壓力損失小於等於容許壓力0.98kPa(100mmH2O)。
另外，如交替地層疊網板與保水性的多孔質體，則網在氣流中引起紊流，不能使流路壓力損失小於等於容許壓力。另外，隨著紊流的發生，氣流在網板內變得不均勻，同時，隨著透溼膜的有效面積的減少，水分的傳遞係數減小，所以，存在溼度效率下降的問題。
發明內容
本發明的目的在於提供一種輸出具有高露點的氣體並且壓力損失足夠低的溫度溼度交換器。
本發明的溫度溼度交換器具有水分可透過的透溼膜、低溫的乾燥氣體流動的乾燥氣體隔離構件及高溫的溼潤氣體流動的溼潤氣體隔離構件，按上述透溼膜、上述乾燥氣體隔離構件、上述透溼膜、上述溼潤氣體隔離構件的順序反覆層疊；其中上述乾燥氣體隔離構件和上述溼潤氣體隔離構件設有多個流路槽、匯集連通槽、供氣集管和排氣集管；該多個流路槽沿上述層疊方向被分成兩半，在與上述透溼膜接觸的方向開口，並列地排列；該匯集連通槽分別連通到多個上述流路槽的兩端部，將流動的氣體匯集成至少1個；該供氣集管和排氣集管與各上述匯集連通槽連通，沿上述層疊的方向貫通；在上述乾燥氣體隔離構件的流路槽內流動的上述乾燥氣體流與在上述溼潤氣體隔離構件的流路槽內流動的溼潤氣體流為對流。
本發明的溫度溼度交換器的效果在於，通過使同一氣體在沿層疊的方向分成兩半的流路槽中流動，從而可改善溫度效率和溼度效率，提高輸出氣體的露點。另外，即使減小流路槽的深度，也使視為2倍深度的雙方的流路槽與匯集多個流路槽的匯集連通槽連通，所以，沒有氣體流動的流路的水力等效直徑極端變小的部位，可使壓力損失小於等於容許壓力損失。
圖1為本發明實施形式1的溫度溼度交換器的側面圖。
圖2為實施形式1的溫度溼度交換器的平面圖。
圖3為實施形式1的溫度溼度交換疊層體的部分截面圖。
圖4為實施形式1的溫度溼度交換疊層體的乾燥氣體隔離構件的平面圖。
圖5為圖4的詳細平面圖和局部截面圖。
圖6為示出溫度溼度交換器的設置狀態的圖。
圖7為示出乾燥氣體、溼潤氣體的溫度與溼度的變化的狀態的圖。
圖8為實施形式1與比較例1的溫度溼度交換器的溫度效率、溼度效率、露點、壓力損失的實測值。
圖9為示出使用實施形式1的溫度溼度交換器交換熱與水分的狀態的圖。
圖10為本發明實施形式2的溫度溼度交換器的上平面圖。
圖11為實施形式2的溫度溼度交換疊層體的乾燥氣體隔離構件的平面圖。
圖12為本發明實施形式3的溫度溼度交換器的側面圖。
具體實施例方式
實施形式1圖1為本發明實施形式1的溫度溼度交換器的側面圖。圖2為實施形式1的溫度溼度交換器的上平面圖。圖3為溫度溼度交換單元的部分截面圖。圖4為溫度溼度交換單元的乾燥氣體隔離構件的平面圖。在以下說明中，乾燥氣體作為接近常溫、相對溼度接近零的空氣進行說明。另外，溼潤氣體例如作為大於等於70℃的溫度、相對溼度大於等於90％的固體高分子型燃料電池的氧化劑出口氣體進行說明。
如圖1和圖2所示那樣，實施形式1的溫度溼度交換器具有層疊了多個溫度溼度交換單元1的溫度溼度交換疊層體2、從兩面夾持該溫度溼度交換疊層體2的入口保持板3和出口保持板4、固定於入口保持板3的乾燥氣體輸入集管5和溼潤氣體輸出集管6、固定於出口保持板4的乾燥氣體輸出集管7和溼潤氣體輸入集管8、及在由入口保持板3與出口保持板4夾住溫度溼度交換疊層體2的同時進行緊固的螺栓9和螺母10。溫度溼度交換疊層體2的與層疊方向垂直的截面為長方形，長邊的尺寸為32cm，短邊的尺寸為15cm。
入口保持板3和出口保持板4為與溫度溼度交換疊層體2的截面相同形狀的長方形，沿短邊設有2個朝厚度方向貫通的孔11。在入口保持板3的2個孔11分別連通乾燥氣體輸入集管5和溼潤氣體輸出集管6，構成氣體流路。另外，在出口保持板4的2個孔11分別連通乾燥氣體輸出集管7和溼潤氣體輸入集管8，構成氣體流路。入口保持板3和出口保持板4由不鏽鋼形成，長邊為32cm，短邊為15cm，厚度為1cm。
下面，參照圖3說明溫度溼度交換單元1。溫度溼度交換單元1具有可透過水分的透溼膜15、從兩側夾持該透溼膜15的乾燥氣體隔離構件16和溼潤氣體隔離構件17。反覆地層疊透溼膜15、乾燥氣體隔離構件16、透溼膜15及溼潤氣體隔離構件17，構成溫度溼度交換疊層體2。在溫度溼度交換疊層體2的層疊方向的兩端，將入口保持板3和出口保持板4層疊於乾燥氣體隔離構件16或溼潤氣體隔離構件17。
透溼膜15為處於高溫的溼潤氣體與低溫的乾燥氣體間、可使水分透過的膜，主要由多孔質的聚四氟乙烯(PTFE)樹脂構成，透溼膜15的厚度為100μm左右。
乾燥氣體隔離構件16和溼潤氣體隔離構件17的材質例如為聚亞苯基酸醚(PPS)樹脂，通過樹脂成形法成形。乾燥氣體隔離構件16和溼潤氣體隔離構件17的形狀為長方體，長邊為32cm，短邊為15cm，厚度為10mm。
下面，參照圖4和圖5說明乾燥氣體隔離構件16。圖5(a)為乾燥氣體隔離構件的供給乾燥氣體一側的端部的局部平面圖。圖5(b)為沿圖5(a)的A-A的截面圖。溼潤氣體隔離構件17與乾燥氣體隔離構件16存在以短邊中心線為中心線的線對稱關係，所以，採用相同符號，省略說明。
乾燥氣體隔離構件16為長方形，由沿長邊20a、20b的側框體21a、21b和沿短邊22a、22b的端框體23a、23b構成框。在該框的中央部設有散熱片25和肋26；該散熱片25架設於側框體21a與側框體21b的中央部之間；該肋26從該散熱片25開始平行於長邊20a、20b地以相等間隔朝上下突出。由該散熱片25和肋26在散熱片25的兩面形成數十條的第1流路槽30。散熱片25的厚度為3mm。肋26的厚度為1mm，高度為3.5mm。肋26的上端部形成0.2mmR的倒角，平坦部分的寬度為0.6mm。單面的第1流路槽30的深度為3.5mm，寬度為5mm。第1流路槽30的底部實施0.5mmR的倒角。
另外，乾燥氣體隔離構件16在第1流路槽30雙方的端部31a、31b設有連通處於兩面的第1流路槽30的連通孔33a、33b。連通孔33a、33b為短徑5mm、長徑7mm的橢圓形的孔，深度為3mm。
另外，乾燥氣體隔離構件16設有匯集連通槽34a和第1乾燥氣體供給集管35；該匯集連通槽34a將5個連通孔33a的出口匯集成1個，其寬度隨著從連通孔33a離開而變窄；該第1乾燥氣體供給集管35連通到匯集連通槽34a的與連通孔33a相反側的端部。匯集連通槽34a由從側框體21a、21b、端框體23a朝內側延伸的底部28和從底部28朝厚度方向突出的長條29圍成。
另外，乾燥氣體隔離構件16設有匯集連通槽34b和第1乾燥氣體排出集管36；該匯集連通槽34b將5個連通孔33b的出口匯集成1個，其寬度隨著從連通孔33b離開而變窄；該第1乾燥氣體排出集管36連通到匯集連通槽34b的與連通孔33b相反側的端部。匯集連通槽34b也與匯集連通槽34a同樣地由底部28和長條29圍成。
匯集連通槽34a、35b分別被分成4部分，但只要考慮氣體流量、氣體壓力差等適當決定即可，也可為不分割的1個槽。
另外，乾燥氣體隔離構件16沿短邊22a鄰接於第1乾燥氣體供給集管35地設置第1溼潤氣體排出集管37，沿短邊22b鄰接於第1乾燥氣體排出集管36貫通地設置第1溼潤氣體供給集管38。
另外，乾燥氣體隔離構件16沿外周設置螺紋孔27，螺栓9貫通到螺紋孔27，從螺栓9的兩端部用螺母10緊固而固定。該第1乾燥氣體供給集管35與第1乾燥氣體排出集管36、第1溼潤氣體排出集管37與第1溼潤氣體供給集管38分別設在以乾燥氣體隔離構件16的中心點為中心呈180度點對稱的位置。
面向第1流路槽30的透溼膜15的部分有效地對溫度交換和溼度交換作出貢獻。
另一方面，溼潤氣體隔離構件17的圖中未示出的第2流路槽、第2溼潤氣體供給集管、第2溼潤氣體排出集管、第2乾燥氣體供給集管、及第2乾燥氣體排出集管設於當與乾燥氣體隔離構件16重合時與第1流路槽30、第1溼潤氣體供給集管38、第1溼潤氣體排出集管37、第1乾燥氣體供給集管35、第1乾燥氣體排出集管36重合的位置。溼潤氣體隔離構件17與沿短邊方向將乾燥氣體隔離構件16翻過來後的構造相同。
乾燥氣體隔離構件16的第1乾燥氣體供給集管35與第1溼潤氣體排出集管37連通到入口保持板3的孔11。另外，溼潤氣體隔離構件17的第2乾燥氣體排出集管與第2溼潤氣體供給集管連通到出口保持板4的孔11。
另外，透溼膜15設有圖中未示出的貫通孔，該貫通孔處在當與乾燥氣體隔離構件16和溼潤氣體隔離構件17層疊時與乾燥氣體供給集管35、第1乾燥氣體排出集管36、第1溼潤氣體供給集管38、第1溼潤氣體排出集管37重合的位置。
如圖3所示那樣，透溼膜15由乾燥氣體隔離構件16的肋26的前端部和溼潤氣體隔離構件17的肋的前端部支承。
如圖6所示那樣配置這樣的構成的溫度溼度交換器。即，透溼膜15的法線朝上下方向地水平配置，與此相隨，乾燥氣體隔離構件16和溼潤氣體隔離構件17也水平地與透溼膜15接觸而層疊。
另外，入口保持板3接觸於最下層的溫度溼度交換單元1地層疊，出口保持板4接觸於最上層的溫度溼度交換單元1地層疊。
下面，參照圖4、圖6說明使用本實施形式1的溫度溼度交換器從溼潤氣體將水分和熱傳遞到乾燥氣體的狀態。乾燥氣體從乾燥氣體輸入集管5供給，經由入口保持板3的孔11，流往設於乾燥氣體隔離構件16的第1乾燥氣體供給集管35。另外，乾燥氣體從乾燥氣體隔離構件16的匯集連通槽34a經由連通孔33a，流往設於乾燥氣體隔離構件16兩面的第1流路槽30，由連通孔33b混合從兩面的第1流路槽30流來的乾燥氣體，從匯集連通槽34b引導至第1乾燥氣體排出集管36。然後，從第1乾燥氣體排出集管36經由出口保持板4的孔11，流往乾燥氣體輸出集管7。該乾燥氣體供給到燃料電池。
供給到燃料電池的乾燥氣體由氫與氧反應產生的水和隨著質子在離子交換膜傳遞的水溼潤，並由氫與氧反應產生的反應熱加熱，作為高溫的溼潤氣體排出。這樣，溼潤氣體相比乾燥氣體溫度高，溼度也高。
該溼潤氣體從溼潤氣體輸入集管8供給，經由出口保持板4的孔11，吸入到設於溼潤氣體隔離構件17的第2溼潤氣體供給集管。另外，溼潤氣體從溼潤氣體隔離構件17的匯集連通槽34b經由連通孔33b在設於溼潤氣體隔離構件17兩面的第2流路槽中流動，在連通孔33a混合從兩面的第2流路槽流來的溼潤氣體，從匯集連通槽34a引導至第2溼潤氣體排出集管。然後，從第2溼潤氣體排出集管經由入口保持板3的孔11，引導至溼潤氣體輸出集管6，排出到外部。
乾燥氣體和溼潤氣體隔著透溼膜15平行於乾燥氣體隔離構件16和溼潤氣體隔離構件17的長邊進行對流，在第1流路槽30內和第2流路槽內流動。
在這樣流動的乾燥氣體與溼潤氣體間通過透溼膜15從溼潤氣體向乾燥氣體進行傳熱和水分傳遞，如圖7所示那樣，乾燥氣體的溫度和溼度上升。圖7(a)示出乾燥氣體和溼潤氣體的流路槽內的溫度變化。圖7(b)示出乾燥氣體和溼潤氣體的流路槽內的溼度變化。從該溼潤氣體向乾燥氣體的熱交換的溫度效率εT可根據由乾燥氣體輸入集管5測定的乾燥氣體的溫度tC1、由乾燥氣體輸出集管7測定的乾燥氣體的溫度tC2、由溼潤氣體輸入集管8測量的溼潤氣體的溫度tH1、由溼潤氣體輸出集管6測定的溼潤氣體的溫度tH2的測定值按εT＝(tC2-tC1)/(tH1-tC1)求出。
另外，溼度效率εH可根據由乾燥氣體輸入集管5測定的乾燥氣體的溼度PC1、由乾燥氣體輸出集管7測定的乾燥氣體的溼度PC2、由溼潤氣體輸入集管8測量的溼潤氣體的溼度PH1、由溼潤氣體輸出集管6測定的溼潤氣體的溼度PH2的測定值按εH＝(PC2-PC1)/(PH1-PC1)求出。
為了與該實施形式1的溫度溼度交換器比較，作為比較例1準備記載於日本特開2003-314983號公報的溫度溼度交換器。該比較例1的溫度溼度交換器為框形，框體形成上下方向開放的內部空間地使周框環繞，在內部空間形成氣體出入的流入口和流出口。透溼膜處於高溫的溼潤氣體與低溫的乾燥氣體之間，在進行熱交換的同時，使水分透過。框體由PPS樹脂製作，另外，透溼膜與實施形式1同樣地由PTFE樹脂形成。該內部空間的上下以氣密地閉塞的方式按框體、透溼膜、框體的順序依次重疊，相對外部形成氣密的疊層體。
將疊層體的4個側面中的一方的側面例如作為溼潤氣體入口，將另一方作為出口，將再另一方的側面側作為乾燥氣體的流入口側，將另一方的側面側作為其流出口，配置各相應的給排氣用外部集管。將這樣構成的框體與透溼膜例如10個框體與9片透溼膜交替地重疊，使通過內部空間的氣體流路交叉，使乾燥氣體與溼潤氣體的流動成為交叉流動，通過透溼膜進行水分的交換。
圖8示出實施形式1的溫度溼度交換器與比較例1的測定的溫度效率、溼度效率、露點、壓力損失。實施形式1的溫度溼度交換器的溫度效率和溼度效率分別為92％、88％。比較例1的測定的溫度效率溼度效率分別為75％、53％。這樣，可將溫度效率改善11％，將溼度效率改善23％。
另外，從實施形式1的溫度溼度交換器輸出其輸出露點為70℃的乾燥氣體。另一方面，壓力損失上升到小於等於容許壓力的0.83kPa(85mmH2O)。另一方面，從比較例1的溫度溼度交換器僅輸出其輸出露點為57℃的乾燥氣體。
如插入散熱片25，第1流路槽30沿層疊方向分成兩半，則流路的高度按散熱片25的厚度量額外地減少，小於等於一半，其流路的水力等效直徑減小一半。由努塞爾數求出的傳熱係數和根據薜伍德數求出的傳質係數與水力等效直徑成反比，所以，分別倍增，與此相隨，熱阻和物質移動阻力減半。另外，根據由JIS-L-1099B規定的纖維製品的透溼度試驗方法，考慮水蒸汽分壓差和透溼膜15的膜厚，使用從透過透溼膜15的水分的質量(g)換算成透溼膜15的單位面積(cm2)和單位時間(小時)而求出的透溼度，求出透溼膜15自身的移動阻力。結果，使用分別具有插入散熱片25而分成兩半的流路槽30和未被分成兩半的原來的流路槽的隔離構件進行解析，通過該解析獲得的與傳質相關的無因次數的傳質單位數NMTU(Number of Mass transferUnit)分別為7.5和4.0，可說明溫度效率和溼度效率得到改善這一事實。
通過這樣使氣體流到沿層疊方向分成2部分的流路槽30，可提高露點，同時，可減小壓力損失，下面參照圖9說明其原因。圖9為示出溫度溼度交換單元1的局部截面圖。在圖9中，實線的箭頭示出溫度的流動，虛線箭頭表示水分的流動。溼潤氣體朝圖9的縱深方向流到由溼潤氣體隔離構件17的散熱片25、肋26、及透溼膜15圍繞的空間，乾燥氣體朝圖9的前方流到由乾燥氣體隔離構件16的散熱片25、肋26、及透溼膜15圍繞的空間。由於溼潤氣體隔離構件17的散熱片25和肋26的溫度通過熱傳導而比溼潤氣體低數℃，所以，水滴50沿散熱片25、肋26、及開口冷凝。由設於層疊方向中間的散熱片25的效果在肋26的周邊和與透溼膜15接觸的面形成水滴，水分還有效地傳遞到上方的透溼膜15。透溼膜15的表面為親水性，所以，由水表面張力反抗重力使水滴50附著於上方的透溼膜15地形成液膜。可以認為，在上方的流路槽30a的散熱片25和肋26的表面冷凝的水滴50和在下方的流路槽30b的散熱片25和肋26的表面冷凝的水滴50分別通過上方的透溼膜15和下方的透溼膜15均勻地傳遞水分，可改善溼度效率。
另外，在乾燥氣體流動的乾燥氣體隔離構件16中，如圖9所示那樣設於正中央的散熱片25增加表面積，通過促進傳熱使乾燥氣體受到加熱，經由透溼膜15的水的蒸發和移動受到促進。示於散熱片25內部的中心線51表示上下流路槽30a、30b的對稱面。中心線成為熱的中心絕熱面，所以，散熱片25內部的熱不在層疊方向移動，傳遞到散熱片25的熱全部由在閉空間內流動的乾燥氣體的加熱和通過透溼膜15移動的水的蒸發中耗費掉。另外，當如過去那樣不同的氣體在隔離構件的兩面流動時，可觀察到的那樣的兩面的溫度差的不同導致的熱變形大幅度減輕，對隔離構件材料的長壽命化、可靠性的提高也產生大的貢獻。
另外，在將排列於旁邊的多個上下的流路槽30a、30b的端部匯集到4個匯集連通槽34a、34b後，連通到乾燥氣體供給集管35和乾燥氣體排出集管36，所以，水力等效直徑的變化小，即使流路槽30a、30b的深度淺，壓力損失的增加也可較小。
另外，由從散熱片25朝上下突出的高度低的肋26從兩側支承透溼膜15，所以，彎曲強度按肋26的高度低的量變大，透溼膜15確實地受到支承。另外，通過散熱片25的熱變形的減小確實地支承透溼膜15。這樣，即使在溼潤氣體與乾燥氣體間產生大於等於4.9kPa(500mmH2O)的壓力差，透溼膜15的變形也較小，可防止變形導致的流路的閉塞和壓力損失的增加。
另外，由樹脂成形法形成一體，可將乾燥氣體隔離構件16和溼潤氣體隔離構件17成形，所以，肋26的嵌入、定位、粘接等組裝工序簡化，部件數量也可減少，同時，可不增加層疊片數地減小流路的高度。
這樣的溫度溼度交換器通過使相同的氣體流到沿層疊方向分成兩半的流路槽，從而改善溫度效率和溫度溼度，可提高輸出氣體的露點。另外，即使流路槽的深度淺，也可將分成兩半的流路槽一起看成2倍的深度，同時，將匯集多個流路槽的匯集連通槽連通到流路槽，所以，沒有氣體流動的流路的水力等效直徑極端變小的部位，可使壓力損失小於等於容許壓力損失。
另外，使透溼膜處於分別設於乾燥氣體隔離構件和溼潤氣體隔離構件的直線狀的多個流路槽內，使乾燥氣體和溼潤氣體對流地流動，所以，可輸出高露點並且高壓力的加熱加溼後的乾燥氣體。
另外，通過沿上下方向層疊地設置透溼膜、乾燥氣體隔離構件、及溼潤氣體隔離構件，從而由冷凝的水分的液膜將透溼膜的表面潤溼，水分傳遞到在透溼膜正下方流動的乾燥氣體，使驅使水分從上往下移動的重力的方向與水分通過膜移動的方向一致，所以，水分容易移動，可改善溼度效率，可輸出高露點的乾燥氣體。
另外，由於也可不並用冷卻水的熱利用，所以，可提供不花費多餘的費用的廉價的溫度溼度交換器。
另外，通過調節將流路槽分成兩半的散熱片的厚度，從而可改變流路的高度，可考慮壓力損失、熱阻、及物質移動阻力的權衡設計最佳的流路。具體地說，當增大散熱片的厚度時，其分流路的高度減小，壓力損失增加，但蒸汽的移動性能改善。這樣，可相應於燃料電池的規格適當地進行設計。
實施形式2圖10為本發明實施形式2的溫度溼度交換器的上平面圖。圖11為實施形式2的溫度溼度交換單元的乾燥氣體隔離構件的平面圖。
實施形式2的溫度溼度交換器與實施形式1的溫度溼度交換器相比，乾燥氣體輸入集管5、乾燥氣體輸出集管7、溼潤氣體輸入集管8、溼潤氣體輸出集管6的位置不同，其它相同，所以，省略同樣的部分的說明。
實施形式2的溫度溼度交換器的乾燥氣體輸入集管5和乾燥氣體輸出集管7如圖10所示那樣，以長邊的中心線為中心，設於線對稱的位置。
實施形式1的乾燥氣體隔離構件16以乾燥氣體隔離構件16的中心點為中心，將乾燥氣體供給集管35和乾燥氣體排出集管36設於點對稱位置。另外，溼潤氣體排出集管37和溼潤氣體供給集管38以乾燥氣體隔離構件16的中心點為中心設於點對稱的位置。另外，第1乾燥氣體供給集管35和第1溼潤氣體排出集管37以短邊22a的中心線為中心設於線對稱的位置。
另外，溼潤氣體隔離構件17為將短邊22a的中心線作為中心軸使乾燥氣體隔離構件16表背相反地翻過來的形狀。
另一方面，實施形式2的乾燥氣體隔離構件16B以乾燥氣體隔離構件16B的長邊20a、20b的中心線為中心將乾燥氣體供給集管35和乾燥氣體排出集管36設於線對稱的位置。另外，溼潤氣體排出集管37和溼潤氣體供給集管38以乾燥氣體隔離構件16的長邊20a、20b的中心線為中心設於線對稱的位置。
另外，溼潤氣體隔離構件為以短邊22a、22b的中心線為中心軸表背相反地將乾燥氣體隔離構件16B翻過來的形狀。
這樣隔著透溼膜15將同一形狀的隔離構件的一方翻過來交替地層疊，可隔著透溼膜交替地形成加溼氣體的流路和被加溼氣體的流路。
在已有技術中，乾燥氣體隔離構件和溼潤氣體隔離構件如日本特開2000-164229號公報的圖7、8所示那樣，需要不同形狀的2種板，但如使用將集管設置到如該實施形式1那樣以中心點為中心的點對稱位置或如實施形式2那樣以長邊中心線為中心的線對稱位置的隔離構件，則通過隔著透溼膜交替地層疊透溼膜，從而可減少部件數量，而且，可提供大批量產生性·加工性優良的溫溼度交換器用的隔離構件。
實施形式3圖12為本發明實施形式3的溫度溼度交換器的側面圖。該實施形式3的溫度溼度交換器將實施形式1的溫度溼度交換疊層體分成兩半，在一方的溫度溼度交換疊層體內乾燥氣體流動的方向與乾燥氣體在另一方的溫度溼度交換疊層體內流動的方向相反，這與實施形式1不同。其它相同，所以，省略同樣的部分的說明。
如圖12所示那樣，實施形式3的溫度溼度交換器由入口保持板3和出口保持板4夾持上下2個溫度溼度交換疊層體41a、41b。在上側的溫度溼度交換疊層體41a的最下層的乾燥氣體隔離構件42與下方的溫度溼度交換疊層體41b的最上層的溼潤氣體隔離構件43間，插入中間隔離構件44，該中間隔離構件44僅在與溼潤氣體隔離構件43的第2溼潤氣體供給集管和第2乾燥氣體排出集管對應的位置開孔。中間隔離構件44為與乾燥氣體隔離構件42相同形狀的長方形板。上側的溫度溼度交換疊層體41a的乾燥氣體隔離構件42將下側的溫度溼度交換疊層體41b的乾燥氣體隔離構件配置到以中心點為中心的180度點對稱位置。下側的溫度溼度交換疊層體41b的乾燥氣體排出集管連通到上側的溫度溼度交換疊層體41a的乾燥氣體供給集管。另一方面，上側的溫度溼度交換疊層體41a的溼潤氣體排出集管連通到下側的溫度溼度交換疊層體41b的溼潤氣體供給集管。上側的溫度溼度交換疊層體41a的乾燥氣體供給集管和溼潤氣體排出集管的下側由中間隔離構件44分隔。另外，下側的溫度溼度交換疊層體41b的乾燥氣體供給集管與溼潤氣體排出集管的上側由中間隔離構件44分隔。
下面，說明氣體的流動。低溫的乾燥氣體從下部的乾燥氣體輸入集管5供給，在下側的溫度溼度交換疊層體41b的乾燥氣體隔離構件的流路槽內流動，通過透溼膜與溼潤氣體進行熱和水分的交換。在流路槽內流動、到達下側的溫度溼度交換疊層體41b的乾燥氣體排出集管的乾燥氣體經由中間隔離構件44的孔，流到上側的溫度溼度交換疊層體41a的乾燥氣體供給集管，再在上側的溫度溼度交換疊層體41a的乾燥氣體隔離構件的流路槽內流動，引導至上側的溫度溼度交換疊層體41a的乾燥氣體排出集管。然後，從乾燥氣體輸出集管7輸出，供給到燃料電池。
另一方面，從燃料電池排出的高溫的溼潤氣體從上部的溼潤氣體輸入集管8供給，在上側的溫度溼度交換疊層體41a的溼潤氣體隔離構件的流路槽內流動，通過透溼膜與乾燥氣體進行熱和水分的交換。在流路槽內流動、到達上側的溫度溼度交換疊層體41a的溼潤氣體排出集管的溼潤氣體經由中間隔離構件44的孔，流到下側的溫度溼度交換疊層體41b的溼潤氣體供給集管，再在下側的溫度溼度交換疊層體41b的溼潤氣體隔離構件的流路槽內流動，引導至下側的溫度溼度交換疊層體41b的溼潤氣體排出集管。然後，從溼潤氣體輸出集管6排出。
該匯合引起的冷凝形成的水滴由圖中未示出的排水管接受，該排水管設於溼潤氣體輸出集管6的下方。
另一方面，低溫的乾燥氣體朝與溼潤氣體完全相反的方向流動。
這樣，按2階段進行溫度溼度交換，消除產生於第1級的溼度、溫度的不均勻，可再次使均勻的氣體流動，所以，可改善溼度效率、溫度效率。
低溫的乾燥氣體形成與溼潤氣體完全相反的流動，從下往上流。這樣，其特徵在於，溼潤氣體和乾燥氣體都2級化，而且，溼潤氣體從高溫到低溫、從上往下流動，乾燥氣體從低溫往高溫、從下往上流動。這樣，水滴滴下的方向、水分通過透溼膜移動的方向、熱從高溫傳遞到低溫的方向這樣3個方向完全一致，可在溫度·溼度交換中發揮出優良的性能。
權利要求
1.一種溫度溼度交換器，具有水分可透過的透溼膜、低溫的乾燥氣體流動的乾燥氣體隔離構件及高溫的溼潤氣體流動的溼潤氣體隔離構件，按上述透溼膜、上述乾燥氣體隔離構件、上述透溼膜、上述溼潤氣體隔離構件的順序反覆層疊；其特徵在於上述乾燥氣體隔離構件和上述溼潤氣體隔離構件設有多個流路槽、匯集連通槽、供氣集管和排氣集管；該多個流路槽沿上述層疊方向被分成兩半，在與上述透溼膜接觸的方向開口，並列地排列；該匯集連通槽分別連通到多個上述流路槽的兩端部，將流動的氣體匯集成至少1個；該供氣集管和排氣集管與各上述匯集連通槽連通，沿上述層疊的方向貫通；在上述乾燥氣體隔離構件的流路槽內流動的上述乾燥氣體流與在上述溼潤氣體隔離構件的流路槽內流動的溼潤氣體流為對流。
2.根據權利要求1所述的溫度溼度交換器，其特徵在於上述乾燥氣體隔離構件的流路槽的肋與上述溼潤氣體隔離構件的流路槽的肋相對，夾持上述透溼膜。
3.根據權利要求1或2所述的溫度溼度交換器，其特徵在於上述乾燥氣體隔離構件的乾燥氣體的供氣集管和乾燥氣體的排氣集管，及溼潤氣體的供氣集管和溼潤氣體的排氣集管，配置在以上述乾燥氣體隔離構件的中心點為中心的點對稱或以一邊的中心線為中心的線對稱的位置，上述溼潤氣體隔離構件為上述乾燥氣體隔離構件以上述乾燥氣體隔離構件的另一邊的中心線為中心軸翻過來的形狀。
4.根據權利要求1～3中任何一項所述的溫度溼度交換器，其特徵在於在上述層疊方向的最下層具有乾燥氣體輸入集管和溼潤氣體輸出集管，在上述層疊方向的最上層具有乾燥氣體輸出集管和溼潤氣體輸入集管。
5.根據權利要求1～4中任何一項所述的溫度溼度交換器，其特徵在於具有按上述透溼膜、上述乾燥氣體隔離構件、上述透溼膜、上述溼潤氣體隔離構件的順序反覆層疊的多個溫度溼度交換疊層體，層疊上述溫度溼度交換疊層體，使得關於乾燥氣體處於上遊的上述溫度溼度交換疊層體的乾燥氣體排氣集管和溼潤氣體供氣集管，分別連通到關於乾燥氣體處於下遊的上述溫度溼度交換疊層體的乾燥氣體供氣集管和溼潤氣體排氣集管。
全文摘要
一種溫度溼度交換器，具有水分可透過的透溼膜、低溫的乾燥氣體流動的乾燥氣體隔離構件及高溫的溼潤氣體流動的溼潤氣體隔離構件，按透溼膜、乾燥氣體隔離構件、透溼膜、溼潤氣體隔離構件的順序反覆層疊；其中乾燥氣體隔離構件和溼潤氣體隔離構件設有多個流路槽、匯集連通槽、供氣集管和排氣集管；該多個流路槽沿層疊方向被分成兩半，在與透溼膜接觸的方向開口，並列地排列；該匯集連通槽分別連通到多個流路槽的各端部，將流動的氣體匯集成至少1個；該供氣集管和排氣集管與各匯集連通槽連通，沿層疊的方向貫通；在乾燥氣體隔離構件的流路槽內的乾燥氣體流與在溼潤氣體隔離構件的流路槽內的溼潤氣體流為對流。
文檔編號H01M8/04GK1910422SQ20058000214
公開日2007年2月7日 申請日期2005年1月24日 優先權日2004年2月10日
發明者言上佳秀, 市村英男, 松村光家 申請人:三菱電機株式會社