直接接触式熱交換器およびこれを用いた固体高分子型燃料電池システム
【課題】低圧力損失かつ小型の直接接触式熱交換器を提供する。
【解決手段】直接接触式熱交換器１において、筐体２は、頂部から加湿水が供給される水入口５と底部から加湿水が排出される水出口６と側面からガスが流入するガス入口３と側面のガス入口３よりも高い位置からガスが流出するガス出口４とが形成されている。螺旋板４０は、ガスがガス入口３から旋回しながら上昇してガス出口４から流出されるガス流路が形成され、かつ、加湿水が水入口５から旋回しながら下降して水出口６から排出され、ガス流路と同じ空間で反対向きの水流路が形成されるように、筐体２の内周に接して筐体２の底部から頂部に向かって１周目からｍ周目（ｍは１より大きい数）まで順に螺旋状に形成されたｍ周分の螺旋部４１を有している。
【解決手段】直接接触式熱交換器１において、筐体２は、頂部から加湿水が供給される水入口５と底部から加湿水が排出される水出口６と側面からガスが流入するガス入口３と側面のガス入口３よりも高い位置からガスが流出するガス出口４とが形成されている。螺旋板４０は、ガスがガス入口３から旋回しながら上昇してガス出口４から流出されるガス流路が形成され、かつ、加湿水が水入口５から旋回しながら下降して水出口６から排出され、ガス流路と同じ空間で反対向きの水流路が形成されるように、筐体２の内周に接して筐体２の底部から頂部に向かって１周目からｍ周目（ｍは１より大きい数）まで順に螺旋状に形成されたｍ周分の螺旋部４１を有している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、直接接触式熱交換器およびこれを用いた固体高分子型燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池システムにおいて、電解質膜の乾燥による燃料電池スタックの劣化を防ぐために、一般的に燃料電池スタックに燃料ガスや酸化剤ガスを供給する前に、その燃料ガスや酸化剤ガスの加湿が行われる。燃料ガスや酸化剤ガスを燃料電池スタック外部で予め加湿すると、燃料電池スタック内部で燃料ガスや酸化剤ガスへ移動する水蒸気が減少する。また、これに伴って燃料電池スタックから失われる蒸発潜熱が低減される。その結果、燃料電池スタックを高い温度に保つ事ができる。燃料電池スタックの高温運転は、定置用燃料電池システムなどの電気エネルギーと熱エネルギーのコージェネレーションシステムにおいて、高い温度の熱回収を実現し、回収した熱エネルギーを湯として溜める貯湯槽の容量削減につながる。
【０００３】
燃料電池スタックから排出される湿度の高いアノード排ガスやカソード排ガスを中空糸膜などの水分透過膜を介して燃料ガスや酸化剤ガスと間接的に接触させることによって、燃料ガスや酸化剤ガスを加湿できる。燃料電池システム内部を循環する純水を燃料ガスや酸化剤ガスの加湿に利用する事も可能である。この場合、たとえば燃料電池スタックの熱を回収して温度が上昇した電池冷却水などの純水を、水分透過膜を介して燃料ガスや酸化剤ガスと間接的に接触させる方法や、純水を燃料ガスや酸化剤ガスと直接接触させる方法がある。
【０００４】
純水を燃料ガスや酸化剤ガスと直接接触させる方法は直接接触式熱交換器という形で実現でき、流体を直接接触させる事で得られる高い熱伝達率が燃料ガスや酸化剤ガスの効果的な加湿につながる。また、燃料ガスや酸化剤ガスと電池冷却水を直接接触させると電池冷却水に含まれる二酸化炭素が燃料ガスや酸化剤ガスへ移動するため、純水ラインの二酸化炭素濃度を低く保つために必要であった脱炭酸塔を燃料電池システムから削除できる。
【０００５】
純水を用いて燃料ガスや酸化剤ガスを加湿する直接接触式熱交換器として、容器に溜めた純水の中にガスを通過させる方法がある。この方法は、必要な加湿能力に合わせた深さの水中に燃料ガスまたは酸化剤ガスを流すため、水頭圧分の高い圧力損失が燃料ガスまたは酸化剤ガスに伴う。また、純水をスプレーノズルなどからガスの流れの中に散水して直接接触を行う方法は、純水を噴霧する際に高い圧力損失（一流体ノズルの場合は純水の圧力損失、二流体ノズルの場合は燃料ガスまたは酸化剤ガスの圧力損失）が発生する。
【０００６】
圧力損失が低い直接接触式熱交換器として、充填材の表面で燃料ガスまたは酸化剤ガスと純水とを接触させる方式が挙げられる。この場合、燃料ガスまたは酸化剤ガスは筐体下部から上部へ充填材の隙間を通って流れ、純水は筐体上部から下部へ充填材に沿って流れる。しかし、ランダムに配置された充填材の表面では、純水が優先的に流れる流路が発生し、筐体全体に純水が分散しない。そのため、純水と接触せずに直接接触式熱交換器を通過する燃料ガスや酸化剤ガスの割合が大きくなる。その結果、十分な加湿能力を確保するためには機器の全長を高くする事が必要になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２７３３５０号公報
【特許文献２】特開２００４−３１０７３号公報
【特許文献３】特開２００４−３６３０２７号公報
【特許文献４】特開２００７−２２７２５２号公報
【特許文献５】特開２００５−２９４１１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
定置用燃料電池システムでは、燃料ガスや酸化剤ガスは通常ブロワによって昇圧されて燃料電池スタックに送り込まれる。このため、加湿装置の設置による燃料ガスラインや酸化剤ガスラインの圧力損失上昇はブロワ動力の拡大につながる。同じように、加湿装置による純水ラインの圧力損失上昇はポンプ動力に影響する。
【０００９】
燃料電池システムにおいて、補機動力の増加はシステム全体の発電効率の低下につながるため、ブロワやポンプの動力低減に向けた、加湿装置の圧力損失低減は重要な設計要素である。さらに、燃料電池システム内での加湿装置の設置スペースを削減するために、加湿装置を小型化することが望まれる。しかし、燃料ガスや酸化剤ガス加湿用の直接接触式熱交換器において、機器の低圧力損失化と小型化の両立が困難である。
【００１０】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、直接接触式熱交換器を小型化かつ低圧力損失化することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
実施形態の直接接触式熱交換器は、頂部から加湿水が供給される水入口と底部から前記加湿水が排出される水出口と側面からガスが流入するガス入口と前記側面の前記ガス入口よりも高い位置から前記ガスが流出するガス出口とが形成された筐体と、前記ガスが前記ガス入口から旋回しながら上昇して前記ガス出口から流出されるガス流路が形成され、かつ、前記加湿水が前記水入口から旋回しながら下降して前記水出口から排出され、前記ガス流路と同じ空間で反対向きの水流路が形成されるように、前記筐体の内周に接して前記筐体の底部から頂部に向かって１周目からｍ周目（ｍは２以上）まで順に螺旋状に形成されたｍ周分の螺旋部を有する螺旋板と、を具備することを特徴とする。
【００１２】
また、実施形態の固体高分子型燃料電池システムは、直接接触式熱交換器と、前記直接接触式熱交換器で加湿されたガスが燃料極および酸化剤極のいずれかに供給される燃料電池スタックと、を具備し、前記直接接触式熱交換器は、頂部から加湿水が供給される水入口と底部から前記加湿水が排出される水出口と側面からガスが流入するガス入口と前記側面の前記ガス入口よりも高い位置から前記ガスが流出するガス出口とが形成された筐体と、前記ガスが前記ガス入口から旋回しながら上昇して前記ガス出口から流出されるガス流路が形成され、かつ、前記加湿水が前記水入口から旋回しながら下降して前記水出口から排出され、前記ガス流路と同じ空間で反対向きの水流路が形成されるように、前記筐体の内周に接して前記筐体の底部から頂部に向かって１周目からｍ周目（ｍは２以上の整数）まで順に螺旋状に形成されたｍ周分の螺旋部を有する螺旋板と、を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、直接接触式熱交換器を小型化かつ低圧力損失化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施形態に係る直接接触式熱交換器の立断面である。
【図２】図２は、図１のＩＩ−ＩＩ矢視立断面図である。
【図３】図１において水流路を示す図である。
【図４】図１においてガス流路を示す図である。
【図５】第２の実施形態に係る直接接触式熱交換器であり、図１のＶ−Ｖ矢視平断面図である。
【図６】第３の実施形態に係る直接接触式熱交換器（ｎ＝２）の立断面である。
【図７】図６において水流路を示す図である。
【図８】図６においてガス流路を示す図である。
【図９】図６においてガス流路を示す図である。
【図１０】図６のＸ−Ｘ矢視平断面図である。
【図１１】第３の実施形態に係る直接接触式熱交換器の変形例の立断面である。
【図１２】第４の実施形態に係る直接接触式熱交換器（ｎ＝２）の立断面図である。
【図１３】図１２において水流路を示す図である。
【図１４】図１２においてガス流路を示す図である。
【図１５】第４の実施形態に係る直接接触式熱交換器（ｎ＝３）の立断面図である。
【図１６】第５の実施形態に係る直接接触式熱交換器であり、図１２のＸＶＩ−ＸＶＩ矢視平断面図である。
【図１７】第６の実施形態に係る直接接触式熱交換器である。
【図１８】第７の実施形態に係る直接接触式熱交換器である。
【図１９】各実施形態に係る直接接触式熱交換器に適用される固体高分子型燃料電池システムを示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明に係る直接接触式熱交換器の実施形態を、図面を参照して説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複する説明は省略する。
【００１６】
図１９は、各実施形態に係る直接接触式熱交換器に適用される固体高分子型燃料電池システムの一例を示すブロック図である。図１９に示されるように、固体高分子型燃料電池システムは、燃料処理装置１００と、燃料電池スタック２００と、を具備している。燃料処理装置１００は、改質器１０２と、一酸化炭素（以下、ＣＯ）変成器１０３と、ＣＯ除去器１０４と、直接接触式熱交換器１Ａおよび１Ｂと、を具備している。
【００１７】
直接接触式熱交換器１Ａは、可燃性の燃料ガスと水蒸気とを取り入れて、改質器１０２に供給する。改質器１０２は、直接接触式熱交換器１Ａからの燃料ガスおよび水蒸気と空気とを取り入れて、水素を含む改質燃料ガスを生成する。ＣＯ変成器１０３は、改質器１０２で生成された改質燃料ガス中のＣＯを低減して、ＣＯ変成改質燃料ガスを生成する。ＣＯ除去器１０４は、ＣＯ変成器１０３により生成されたＣＯ変成改質燃料ガスと、水蒸気と、空気とを取り入れて、ＣＯを選択的に酸化燃焼させて二酸化炭素にすることにより、ＣＯを除去したＣＯ除去改質燃料ガスを生成する。このＣＯ除去改質燃料ガスは燃料電池スタック２００のアノード極に供給される。
【００１８】
直接接触式熱交換器１Ｂは、空気と水蒸気とを取り入れて、空気を含む酸化剤ガスを生成する。この酸化剤ガスは燃料電池スタック２００のカソード極に供給される。
【００１９】
燃料電池スタック２００は、カソード極に供給される酸化剤ガスとアノード極に供給される燃料ガス（ＣＯ除去改質燃料ガス）とが電気化学的に反応することにより、酸素と水素から水を生成する過程で電気エネルギーを発生させる。
【００２０】
直接接触式熱交換器１Ａおよび１Ｂは同じ構造である。このため、直接接触式熱交換器１Ｂについてのみ説明し、この場合、直接接触式熱交換器１Ｂに用いられるガスとして酸化剤ガスを例にし、本発明に係る直接接触式熱交換器の実施形態を説明する。また、以下の説明では直接接触式熱交換器１Ｂを単に直接接触式熱交換器１と称する。
【００２１】
［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る直接接触式熱交換器１の立断面である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ矢視立断面図である。図３は、図１において水流路を示す図である。図４は、図１においてガス流路を示す図である。
【００２２】
図１に示されるように、本実施形態の直接接触式熱交換器１は、筐体２と、リキッドドレイナー７と、芯３０と、螺旋板４０とを具備している。
【００２３】
筐体２は、筒状、たとえば円筒型に形成されている。この筐体２は、筐体２の頂部には水入口５が形成され、加湿に用いられる加湿水２０が水入口５から供給される。加湿水２０は、純水であることが好ましい。筐体２の底部には水出口６が形成され、加湿水２０が水出口６から排出される。筐体２の側面にはガス入口３が形成され、酸化剤ガスがガス入口３から流入する。筐体２の側面の頂部近く（少なくともガス入口３よりも高い位置）にはガス出口４が形成され、加湿された酸化剤ガスがガス出口４から流出する。
【００２４】
水出口６には、リキッドドレイナー７が設けられている。リキッドドレイナー７は、ガスの漏出を防止し、かつ、水の排出を可能にする。ここで、リキッドドレイナー７の代わりに、Ｕシールを設けてもよい。
【００２５】
芯３０は、筒状、たとえば円筒型に形成されている。この芯３０は、筐体２内に形成され、筐体２の底部から頂部に向かって延びている。
【００２６】
螺旋板４０は、筐体２の内周に接して芯３０の外周に巻きつけられながら筐体２の底部から頂部に向かって１周目からｍ周目（ｍは１より大きい数であるが、整数でなくてもよい。）まで順に螺旋状に形成されたｍ周分の螺旋部４１を有している。
【００２７】
図２に示されるように、螺旋板４０は、たとえば芯３０に対する角度αが９０度で設置され、芯３０の外周に接する部分から筐体２の内周に接する部分に向かって平行に形成されている。
【００２８】
図３および図４に示されるように、この螺旋板４０は、ｍ周分の螺旋部４１により、ガスがガス入口３から旋回しながら上昇してガス出口４から流出されるガス流路２１を形成し、かつ、加湿水２０が水入口５から旋回しながら下降して水出口６から排出され、ガス流路２１と同じ空間で反対向きの水流路２２を形成する。
【００２９】
水流路２２における加湿水２０の流れについて説明する。
【００３０】
図３に示されるように、加湿水２０は、水入口５から供給されると、まず、螺旋板４０の最も高い位置のｍ周目の螺旋部４１に落下し、その螺旋部４１の上面を伝って芯３０の外周を回りながら重力により下方に流れ、（ｍ−１）周目の螺旋部４１に伝わる。（ｍ−１）周目の螺旋部４１に流れた加湿水２０は、その螺旋部４１の上面を伝って芯３０の外周を回りながら重力により下方に流れ、（ｍ−２）周目の螺旋部４１に伝わる。ここで、加湿水２０が螺旋板４０の上述の螺旋部４１以外に位置する螺旋部４１に伝わる場合でも、加湿水２０の流れは上述と同様である。
【００３１】
このようにして、水流路２２において、加湿水２０は、水入口５から旋回しながら下降して水出口６から排出される。
【００３２】
次に、ガス流路２１における酸化剤ガスの流れについて説明する。
【００３３】
図４に示されるように、酸化剤ガスは、ガス入口３から供給されて、まず、螺旋板４０の１周目の螺旋部４１と２周目の螺旋部４１との間に流れる。１周目の螺旋部４１と２周目の螺旋部４１との間の酸化剤ガスは、芯３０の外周を回りながら上昇し、２周目の螺旋部４１と３周目の螺旋部４１との間に流れる。ここで、ガスが螺旋板４０の上述の２個の螺旋部４１以外に位置する２個の螺旋部４１の間に伝わる場合でも、ガスの流れは上述と同様である。
【００３４】
このようにして、ガス流路２１において、酸化剤ガスは、ガス入口３から旋回しながら上昇してガス出口４から排出される。この際、酸化剤ガスは、螺旋板４０の上に保持された加湿水２０と接触する。これにより、酸化剤ガスは加湿される。加湿された酸化剤ガスは、燃料電池の酸化剤極に供給される。
【００３５】
本実施形態において、螺旋板４０が筐体２の内周に接して芯３０の外周に巻きつけられながら螺旋状に形成されているため、ガス流路の圧力損失の増加にはほとんど寄与しない上に、効果的に酸化剤ガスの加湿および加湿水２０と酸化剤ガスとの間での全熱交換を実現する。その結果、加湿能力が増大し、それに伴って小型化が可能になる。したがって、本実施形態によれば、低圧力損失かつ小型の直接接触式熱交換器１を提供できる。
【００３６】
特に、固体高分子型燃料電池システムにおける直接接触式熱交換器では、加湿水２０の流量が非常に小さく、かつ、流れるガスの流量が非常に大きいため、低圧力損失への要求は高い。たとえば筐体２内に平行な板を複数枚設けて加湿水２０と酸化剤ガスとを蛇行させる方法では、酸化剤ガスが筐体の内側面に衝突する際に、若干、圧力損失が生じるが、本実施形態のように筐体２内に芯３０と螺旋板４０とを設けて加湿水２０と酸化剤ガスとを旋回させる方法では、酸化剤ガスが筐体の内側面に衝突することによる圧力損失を防止または低減することができる。このため、本実施形態の直接接触式熱交換器１が有効である。
【００３７】
また、本実施形態において、螺旋板４０の２個の螺旋部４１の間隔が狭すぎると、２個の螺旋部４１の間を加湿水２０が完全に塞いでしまい、酸化剤ガスが２個の螺旋部４１の間を通過できなくなる可能性がある。そこで、２個の螺旋部４１の間隔は、５ｍｍ〜２０ｍｍ程度が適切である。
【００３８】
また、本実施形態においては、酸化剤ガスを加湿する直接接触式熱交換器１について説明したが、燃料ガスを加湿する場合にも適用可能である。
【００３９】
［第２の実施形態］
図５は、第２の実施形態に係る直接接触式熱交換器１であり、図１のＶ−Ｖ矢視平断面図である。
【００４０】
図５に示されるように、本実施形態の直接接触式熱交換器１は、第１の実施形態の構成に対して筐体２、芯３０および螺旋板４０の形状が異なる。筐体２と芯３０は、その厚み方向の面が扁平型になるように形成されている。螺旋板４０は、筐体２と芯３０の形状に合わせて、筐体２の内周に接して芯３０の外周に巻きつけられながら螺旋状に形成されている。
【００４１】
第１の実施形態と同様に、水流路２２において、加湿水２０は、螺旋板４０の１周分の螺旋部４１の上面を伝って芯３０の外周を回りながら、その螺旋部４１の真下の螺旋部４１に伝わる。
【００４２】
ガス流路２１において、酸化剤ガスは、螺旋板４０の１周分の螺旋部４１の上に芯３０の外周を回りながら上昇し、その螺旋部４１の真上の螺旋部４１に流れる。
【００４３】
本実施形態において、筐体２と芯３０の厚み方向の面を扁平型に引き伸ばすことにより、第１の実施形態に比べて水流路２２とガス流路２１とを延長することができる。その結果、加湿能力がさらに増大し、直接接触式熱交換器１の性能を向上させることができる。
【００４４】
［第３の実施形態］
図６は、第３の実施形態に係る直接接触式熱交換器１の立断面である。図７は、図６において水流路を示す図である。図８および図９は、図６においてガス流路を示す図である。
【００４５】
図６に示されるように、本実施形態の直接接触式熱交換器１では、第１および第２の実施形態に対して、螺旋板４０の数と芯３０の形状とが異なる。本実施形態の直接接触式熱交換器１では、螺旋板４０は、ｎ個（ｎは２以上の整数）設けられている。ここで、螺旋板４０の個数ｎは２であるものとする。ここで、２個の螺旋板４０を第１螺旋板４０ａおよび第２螺旋板４０ｂと称する。
【００４６】
第１螺旋板４０ａおよび第２螺旋板４０ｂは、筐体２の内周に接して芯３０の外周に巻きつけられながら筐体２の底部から頂部に向かって１周目からｍ周目まで順に螺旋状に形成されたｍ周分の螺旋部４１を有している。具体的には、第１螺旋板４０ａおよび第２螺旋板４０ｂが設けられる場合、（２×ｍ）周分の螺旋部４１が筐体２の内周に接して芯３０の外周に巻きつけられる。この場合、（２×ｍ）周分の螺旋部４１のうちの奇数周分の螺旋部４１は、第１螺旋板４０ａが有するｍ周分の螺旋部４１であり、（２×ｍ）周分の螺旋部４１のうちの偶数周分の螺旋部４１は、第２螺旋板４０ｂが有するｍ周分の螺旋部４１である。
【００４７】
芯３０には、第１螺旋板４０ａおよび第２螺旋板４０ｂのそれぞれにおける各周分の螺旋部４１のそれぞれに対して、芯３０の厚み方向に貫通する貫通孔３１が設けられている。
【００４８】
図７に示されるように、その貫通孔３１の各々は、第１螺旋板４０ａおよび第２螺旋板４０ｂのそれぞれにおける各周分の螺旋部４１のうちの１周分の螺旋部４１の第１地点から１周分の螺旋部４１の真下の螺旋部４１の第２地点まで芯３０内で繋ぎ、１周分の螺旋部４１の上面を加湿水２０が１周しないうちに真下の螺旋部４１に加湿水２０を伝える。第１螺旋板４０ａおよび第２螺旋板４０ｂは、水入口５から供給される加湿水２０がその上面と貫通孔３１とに流れることにより１つの水流路２２を形成する。
【００４９】
図８および図９に示されるように、第１螺旋板４０ａおよび第２螺旋板４０ｂは、一対一に対応した２個のガス流路２１、すなわち、第１ガス流路２１ａおよび第２ガス流路２１ｂを形成する。
【００５０】
水流路２２における加湿水２０の流れについて説明する。
【００５１】
図７に示されるように、加湿水２０は、水入口５から供給されると、まず、第２螺旋板４０ｂのｍ周目の螺旋部４１に落下し、その螺旋部４１の上面を伝って芯３０の外周を１周しないうちに、第１螺旋板４０ａのｍ周目の螺旋部４１と第２螺旋板４０ｂのｍ周目の螺旋部４１とを繋ぐ貫通孔３１により、第１螺旋板４０ａのｍ周目の螺旋部４１に伝わる。第１螺旋板４０ａのｍ周目の螺旋部４１に流れた加湿水２０は、その螺旋部４１の上面を伝って芯３０の外周を１周しないうちに、第２螺旋板４０ｂの（ｍ−１）周目の螺旋部４１と第１螺旋板４０ａのｍ周目の螺旋部４１とを繋ぐ貫通孔３１により、第２螺旋板４０ｂの（ｍ−１）周目の螺旋部４１に伝わる。ここで、加湿水２０が螺旋板４０の上述の螺旋部４１以外に位置する螺旋部４１に伝わる場合でも、加湿水２０の流れは上述と同様である。
【００５２】
このようにして、水流路２２において、加湿水２０は、第１螺旋板４０ａおよび第２螺旋板４０ｂの上面と貫通孔３１とに流れることにより、水入口５から旋回しながら下降して水出口６から排出される。
【００５３】
次に、第１ガス流路２１ａおよび第２ガス流路２１ｂにおける酸化剤ガスの流れについて説明する。
【００５４】
図８に示されるように、第１ガス流路２１ａにおいて、酸化剤ガスは、ガス入口３から供給されたとき、第１螺旋板４０ａの１周目の螺旋部４１と第２螺旋板４０ｂの１周目の螺旋部４１との間に流れる。その酸化剤ガスは、芯３０の外周を回りながら上昇し、第１螺旋板４０ａの２周目の螺旋部４１と第２螺旋板４０ｂの２周目の螺旋部４１との間に流れる。ここで、ガスが上述の２個の螺旋部４１以外に位置する２個の螺旋部４１の間に伝わる場合でも、ガスの流れは上述と同様である。
【００５５】
また、図９に示されるように、第２ガス流路２１ｂにおいて、酸化剤ガスは、ガス入口３から供給されたとき、第２螺旋板４０ｂの１周目の螺旋部４１と第１螺旋板４０ａの２周目の螺旋部４１との間に流れる。その酸化剤ガスは、芯３０の外周を回りながら上昇し、第２螺旋板４０ｂの２周目の螺旋部４１と第１螺旋板４０ａの３周目の螺旋部４１との間に流れる。ここで、ガスが上述の２個の螺旋部４１以外に位置する２個の螺旋部４１の間に伝わる場合でも、ガスの流れは上述と同様である。
【００５６】
このようにして、第１ガス流路２１ａにおいて、酸化剤ガスは、ガス入口３から旋回し、かつ、第２ガス流路２１ｂの１周分の螺旋部４１を飛ばしながら、上昇してガス出口４から排出される。同時に、第２ガス流路２１ｂにおいて、酸化剤ガスは、ガス入口３から旋回し、かつ、第１ガス流路２１ａの１周分の螺旋部４１を飛ばしながら、上昇してガス出口４から排出される。この際、酸化剤ガスは、第１螺旋板４０ａおよび第２螺旋板４０ｂの上に保持された加湿水２０と接触する。これにより、酸化剤ガスは加湿される。加湿された酸化剤ガスは、燃料電池の酸化剤極に供給される。
【００５７】
加湿水２０と酸化剤ガスの流れについて、さらに詳しく説明する。図１０は、図６のＸ−Ｘ矢視平断面図である。
【００５８】
１周分の螺旋部４１の領域は、第１領域４２と、第２領域４３とに分けられる。第１領域４２は、図１０中の第１地点Ａから第２地点Ｂまでの領域であり、１周分の螺旋部４１上のガス流路２１と水流路２２との両方の流路に用いられる。第２領域４３は、図１０中の第３地点Ｃから第４地点Ｄまでの領域であり、１周分の螺旋部４１上のガス流路２１のみ用いられる。ここで、第１領域４２の流路の長さは第２領域４３の流路の長さよりも長く、第１領域４２の流路の高さは第２領域４３の流路の高さよりも高い。
【００５９】
水流路２２において、加湿水２０は、１周分の螺旋部４１の第１地点Ａに設けられた貫通孔３１から１周分の螺旋部４１の上面を伝い、芯３０の外周を１周しないうちに第２地点Ｂまで流れ、１周分の螺旋部４１の真下の螺旋部４１に設けられた貫通孔３１に伝わる。第１ガス流路２１ａおよび第２ガス流路２１ｂにおいて、酸化剤ガスは、１周分の螺旋部４１の第２地点Ｂから第１地点Ａに流れ、１周分の螺旋部４１の２周真上の螺旋部４１の第３地点Ｃから第４地点Ｄに流れる。
【００６０】
本実施形態において、第１螺旋板４０ａおよび第２螺旋板４０ｂは、一対一に対応して第１ガス流路２１ａおよび第２ガス流路２１ｂを形成しているため、第１実施形態に比べて２倍のガス流路の断面積を確保し、ガスの圧力損失を大幅に削減する。したがって、本実施形態によれば、さらなる低圧力損失かつ小型の直接接触式熱交換器１を提供できる。
【００６１】
また、本実施形態において、芯３０に設けられた貫通孔３１により１つの水流路２２を形成しているため、水入口５を１つだけしか設置できない場合に有効である。
【００６２】
また、本実施形態において、図１０に示される第２領域４３上で加湿水２０が第４地点Ｄから第３地点Ｃに流れないように、第２領域４３の勾配を変えてもよい。図１１は、第３の実施形態に係る直接接触式熱交換器１の変形例の立断面である。図１１に示されるように、第２領域４３は、ガス流路２１が下り勾配になるように形成されている。これにより、第２領域４３上で加湿水２０が第４地点Ｄから第３地点Ｃに流れずに、確実に加湿水２０が貫通孔３１に流れ、図７に示されるような水流路２２を確保することができる。
【００６３】
［第４の実施形態］
図１２は、第４の実施形態に係る直接接触式熱交換器１の立断面図である。図１３は、図１２において水流路を示す図である。図１４は、図１２においてガス流路を示す図である。
【００６４】
図１２に示されるように、本実施形態の直接接触式熱交換器１では、第１の実施形態に対して、螺旋板４０の数と水入口５の数とが異なる。本実施形態の直接接触式熱交換器１では、螺旋板４０および水入口５は、ｎ個（ｎは２以上の整数）設けられている。ここで、螺旋板４０および水入口５の個数ｎは２であるものとする。２個の螺旋板４０を第１螺旋板４０ａおよび第２螺旋板４０ｂと称し、２個の水入口５を第１水入口５ａおよび第２水入口５ｂと称する。
【００６５】
第１螺旋板４０ａおよび第２螺旋板４０ｂは、筐体２の内周に接して芯３０の外周に巻きつけられながら筐体２の底部から頂部に向かって１周目からｍ周目まで順に螺旋状に形成されたｍ周分の螺旋部４１を有している。具体的には、第１螺旋板４０ａおよび第２螺旋板４０ｂが設けられる場合、（２×ｍ）周分の螺旋部４１が筐体２の内周に接して芯３０の外周に巻きつけられる。この場合、（２×ｍ）周分の螺旋部４１のうちの奇数周分の螺旋部４１は、第１螺旋板４０ａが有するｍ周分の螺旋部４１であり、（２×ｍ）周分の螺旋部４１のうちの偶数周分の螺旋部４１は、第２螺旋板４０ｂが有するｍ周分の螺旋部４１である。
【００６６】
第１水入口５ａおよび第２水入口５ｂは、第１螺旋板４０ａおよび第２螺旋板４０ｂに一対一に対応して設けられている。
【００６７】
図１３に示されるように、第１螺旋板４０ａおよび第２螺旋板４０ｂは、それらと一対一に対応する第１水入口５ａおよび第２水入口５ｂから供給される加湿水２０がその上面に流れることにより２個の水流路２２、すなわち、第１水流路２２ａおよび第２水流路２２ｂを形成する。
【００６８】
図１４に示されるように、第１螺旋板４０ａおよび第２螺旋板４０ｂは、それぞれが一対一に対応して２個のガス流路２１、すなわち、第１ガス流路２１ａおよび第２ガス流路２１ｂを形成する。
【００６９】
第１水流路２２ａおよび第２水流路２２ｂにおける加湿水２０の流れについて説明する。
【００７０】
図１３に示されるように、第１水流路２２ａにおいて、加湿水２０は、第１水入口５ａから供給されると、まず、第１螺旋板４０ａのｍ周目の螺旋部４１に落下し、その螺旋部４１の上面を伝って芯３０の外周を回りながら重力により下方に流れ、第１螺旋板４０ａの（ｍ−１）周目の螺旋部４１に伝わる。第１螺旋板４０ａの（ｍ−１）周目の螺旋部４１に流れた加湿水２０は、その螺旋部４１の上面を伝って芯３０の外周を回りながら重力により下方に流れ、第１螺旋板４０ａの（ｍ−２）周目の螺旋部４１に伝わる。ここで、加湿水２０が第１螺旋板４０ａの上述の螺旋部４１以外に位置する螺旋部４１に伝わる場合でも、加湿水２０の流れは上述と同様である。
【００７１】
第２水流路２２ｂにおいて、加湿水２０は、第２水入口５ｂから供給されると、まず、第２螺旋板４０ｂのｍ周目の螺旋部４１に落下し、その螺旋部４１の上面を伝って芯３０の外周を回りながら重力により下方に流れ、第２螺旋板４０ｂの（ｍ−１）周目の螺旋部４１に伝わる。第２螺旋板４０ｂの（ｍ−１）周目の螺旋部４１に流れた加湿水２０は、その螺旋部４１の上面を伝って芯３０の外周を回りながら重力により下方に流れ、第２螺旋板４０ｂの（ｍ−２）周目の螺旋部４１に伝わる。ここで、加湿水２０が第２螺旋板４０ｂの上述の螺旋部４１以外に位置する螺旋部４１に伝わる場合でも、加湿水２０の流れは上述と同様である。
【００７２】
このようにして、第１水流路２２ａにおいて、加湿水２０は、第１水入口５ａから旋回し、かつ、第２水流路２２ｂの１周分の螺旋部４１を飛ばしながら、下降して水出口６から排出される。同時に、第２水流路２２ｂにおいて、加湿水２０は、第２水入口５ｂから旋回し、かつ、第１水流路２２ａの１周分の螺旋部４１を飛ばしながら、下降して水出口６から排出される。
【００７３】
次に、第１ガス流路２１ａおよび第２ガス流路２１ｂにおける酸化剤ガスの流れについて説明する。
【００７４】
図１４に示されるように、第１ガス流路２１ａにおいて、酸化剤ガスは、ガス入口３から供給されたとき、第１螺旋板４０ａの１周目の螺旋部４１と第２螺旋板４０ｂの１周目の螺旋部４１との間に流れる。その酸化剤ガスは、芯３０の外周を回りながら上昇し、第１螺旋板４０ａの２周目の螺旋部４１と第２螺旋板４０ｂの２周目の螺旋部４１との間に流れる。ここで、ガスが上述の２個の螺旋部４１以外に位置する２個の螺旋部４１の間に伝わる場合でも、ガスの流れは上述と同様である。
【００７５】
第２ガス流路２１ｂにおいて、酸化剤ガスは、ガス入口３から供給されたとき、第２螺旋板４０ｂの１周目の螺旋部４１と第１螺旋板４０ａの２周目の螺旋部４１との間に流れる。その酸化剤ガスは、芯３０の外周を回りながら上昇し、第２螺旋板４０ｂの２周目の螺旋部４１と第１螺旋板４０ａの３周目の螺旋部４１との間に流れる。ここで、ガスが上述の２個の螺旋部４１以外に位置する２個の螺旋部４１の間に伝わる場合でも、ガスの流れは上述と同様である。
【００７６】
このようにして、第１ガス流路２１ａにおいて、酸化剤ガスは、ガス入口３から旋回し、かつ、第２ガス流路２１ｂの１周分の螺旋部４１を飛ばしながら、上昇してガス出口４から排出される。同時に、第２ガス流路２１ｂにおいて、酸化剤ガスは、ガス入口３から旋回し、かつ、第１ガス流路２１ａの１周分の螺旋部４１を飛ばしながら、上昇してガス出口４から排出される。この際、酸化剤ガスは、第１螺旋板４０ａおよび第２螺旋板４０ｂの上に保持された加湿水２０と接触する。これにより、酸化剤ガスは加湿される。加湿された酸化剤ガスは、燃料電池の酸化剤極に供給される。
【００７７】
本実施形態において、第１螺旋板４０ａおよび第２螺旋板４０ｂは、一対一に対応して第１ガス流路２１ａおよび第２ガス流路２１ｂを形成しているため、第１実施形態に比べて２倍のガス流路の断面積を確保し、ガスの圧力損失を大幅に削減する。したがって、本実施形態によれば、さらなる低圧力損失かつ小型の直接接触式熱交換器１を提供できる。
【００７８】
また、本実施形態において、ｎが２である場合、２個の水入口５は、一対一に対応して２個の水流路２２を形成し、その２個の水流路２２は、２個のガス流路２１に対応しているため、水入口５を複数個設置できる場合に有効である。
【００７９】
また、本実施形態において、ｎを２としているが、３以上でもよい。図１５は、ｎ＝３における直接接触式熱交換器１の立断面図である。すなわち、螺旋板４０および水入口５の個数ｎは３である。３個の螺旋板４０を第１〜第３螺旋板４０ａ〜４０ｃと称し、３個の水入口５を第１〜第３水入口５ａ〜５ｃと称する。第１〜第３水入口５ａ〜５ｃは、第１〜第３螺旋板４０ａ〜４０ｃに一対一に対応して設けられている。第１〜第３螺旋板４０ａ〜４０ｃは、一対一に対応する第１〜第３水入口５ａ〜５ｃから供給される加湿水２０がその上面に流れることにより３個の水流路２２（図示しない）を形成する。第１〜第３螺旋板４０ａ〜４０ｃは、一対一に対応して３個のガス流路２１（図示しない）を形成する。
【００８０】
このように、ｎが３である場合でも、３個の螺旋板４０は、一対一に対応して３個のガス流路２１を形成しているため、第１の実施形態に比べて３倍のガス流路の断面積を確保し、ガスの圧力損失を大幅に削減する。また、３個の水入口５は、一対一に対応して３個の水流路２２を形成し、その３個の水流路２２は、３個のガス流路２１に対応しているため、第３の実施形態に対して加湿能力がさらに増大する。
【００８１】
［第５の実施形態］
図１６は、第５の実施形態に係る直接接触式熱交換器１であり、図１２のＸＶＩ−ＸＶＩ矢視平断面図である。
【００８２】
図１６に示されるように、本実施形態の直接接触式熱交換器１は、第４の実施形態の構成に対して筐体２、芯３０および螺旋板４０の形状が異なる。筐体２と芯３０は、その厚み方向の面が扁平型になるように形成されている。螺旋板４０は、筐体２と芯３０の形状に合わせて、筐体２の内周に接して芯３０の外周に巻きつけられながら螺旋状に形成されている。
【００８３】
第４の実施形態と同様に、第１水流路２２ａにおいて、加湿水２０は、第１螺旋板４０ａの１周分の螺旋部４１の上面を伝って芯３０の外周を回りながら、第１螺旋板４０ａの１周分の螺旋部４１の真下の螺旋部４１に伝わる。第２水流路２２ｂにおいて、加湿水２０は、第２螺旋板４０ｂの１周分の螺旋部４１の上面を伝って芯３０の外周を回りながら、第２螺旋板４０ｂの１周分の螺旋部４１の真下の螺旋部４１に伝わる。
【００８４】
第１ガス流路２１ａにおいて、酸化剤ガスは、第１螺旋板４０ａの１周分の螺旋部４１の上に芯３０の外周を回りながら上昇し、第１螺旋板４０ａの１周分の螺旋部４１の真上の螺旋部４１に流れる。第２ガス流路２１ｂにおいて、酸化剤ガスは、第２螺旋板４０ｂの１周分の螺旋部４１の上に芯３０の外周を回りながら上昇し、第２螺旋板４０ｂの１周分の螺旋部４１の真上の螺旋部４１に流れる。
【００８５】
本実施形態において、筐体２と芯３０の厚み方向の面を扁平型に引き伸ばすことにより、第４の実施形態に比べて第１水流路２２ａおよび第２水流路２２ｂと第１ガス流路２１ａおよび第２ガス流路２１ｂとを延長することができる。その結果、加湿能力がさらに増大し、直接接触式熱交換器１の性能を向上させることができる。
【００８６】
［第６の実施形態］
図１７は、第６の実施形態に係る直接接触式熱交換器１である。
【００８７】
第１〜第５の実施形態における螺旋板４０（図２参照）は、芯３０に対する角度αが９０度で設置され、芯３０の外周に接する部分から筐体２の内周に接する部分に向かって平行に形成されている。
【００８８】
一方、本実施形態の直接接触式熱交換器１では、図１７に示されるように、第１〜第５の実施形態に対して螺旋板４０の形状が異なる。螺旋板４０は、芯３０に対する角度αが９０度より小さく設置され、芯３０の外周に接する部分から筐体２の内周に接する部分に向かって上り勾配で形成されている。
【００８９】
本実施形態において、螺旋板４０が芯３０から上り勾配になるように形成されているため、加湿水２０が芯３０と螺旋板４０との接点に沿って流れ、たとえ螺旋板４０と筐体２との間に隙間が生じても、その隙間から加湿水２０が筐体２の底部へ流れることを抑制することができる。したがって、本実施形態によれば、高性能かつ低圧力損失かつ小型の直接接触式熱交換器１を提供できる。
【００９０】
［第７の実施形態］
図１８は、第７の実施形態に係る直接接触式熱交換器１である。
【００９１】
第１〜第５の実施形態における螺旋板４０（図２参照）は、芯３０に対する角度αが９０度で設置され、芯３０の外周に接する部分から筐体２の内周に接する部分に向かって平行に形成されている。また、第６の実施形態における螺旋板４０（図１７参照）は、上述のように、芯３０に対する角度αが９０度より小さく設置され、芯３０の外周に接する部分から筐体２の内周に接する部分に向かって上り勾配で形成されている。
【００９２】
一方、本実施形態の直接接触式熱交換器１では、図１８に示されるように、第１〜第６の実施形態に対して、螺旋板４０の材質が異なる。螺旋板４０の幅は、芯３０の外周と筐体２の内周との間の長さよりも長く、螺旋板４０には、芯３０の外周と筐体２の内周との間に配置されるときに変形することにより、芯３０の外周と筐体２の内周との隙間を埋める材料が用いられる。
【００９３】
本実施形態において、たとえば頂部がまだ筐体２に設置されていない状態で、芯３０を上から筐体２内に設置し、そのあとに螺旋板４０を上から筐体２内に設置するときに、螺旋板４０の幅が芯３０の外周と筐体２の内周との間の長さよりも長いため、螺旋板４０が筐体２の内側面と芯３０の外周との間で変形しながら、筐体２の内側面と芯３０の外周との両方に接触する。その結果、螺旋板４０と筐体２との間に隙間が生じないため、その隙間から加湿水２０が筐体２の底部へ流れることもない。したがって、本実施形態によれば、高性能かつ低圧力損失かつ小型の直接接触式熱交換器１を提供できる。
【００９４】
また、本実施形態において、第６の実施形態のように螺旋板４０が芯３０の外周に接する部分から筐体２の内周に接する部分に向かって上り勾配で形成されることにより、加湿水２０が芯３０と螺旋板４０との接点に沿って流れ、第１〜第６の実施形態に対して加湿能力がさらに増大する。
【００９５】
［他の実施形態］
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、また各実施形態の特徴を組み合わせることができる。たとえば、第６の実施形態の螺旋板４０については第１〜第５の実施形態のいずれにも適用可能である。また、第７の実施形態の螺旋板４０については第１〜第６の実施形態のいずれにも適用可能である。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００９６】
１ … 直接接触式熱交換器
１Ａ … 直接接触式熱交換器
１Ｂ … 直接接触式熱交換器
２ … 筐体
３ … ガス入口
４ … ガス出口
５ … 水入口
５ａ … 第１水入口
５ｂ … 第２水入口
６ … 水出口
７ … リキッドドレイナー
２０ … 加湿水
２１ … ガス流路
２１ａ … 第１ガス流路
２１ｂ … 第２ガス流路
２２ … 水流路
２２ａ … 第１水流路
２２ｂ … 第２水流路
３０ … 芯
３１ … 貫通孔
４０ … 螺旋板
４０ａ … 第１螺旋板
４０ｂ … 第２螺旋板
４０ｃ … 第３螺旋板
４１ … 螺旋部
１００ … 燃料処理装置
１０２ … 改質器
１０３ … 一酸化炭素（ＣＯ）変成器
１０４ … ＣＯ除去器
２００ … 燃料電池スタック
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、直接接触式熱交換器およびこれを用いた固体高分子型燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池システムにおいて、電解質膜の乾燥による燃料電池スタックの劣化を防ぐために、一般的に燃料電池スタックに燃料ガスや酸化剤ガスを供給する前に、その燃料ガスや酸化剤ガスの加湿が行われる。燃料ガスや酸化剤ガスを燃料電池スタック外部で予め加湿すると、燃料電池スタック内部で燃料ガスや酸化剤ガスへ移動する水蒸気が減少する。また、これに伴って燃料電池スタックから失われる蒸発潜熱が低減される。その結果、燃料電池スタックを高い温度に保つ事ができる。燃料電池スタックの高温運転は、定置用燃料電池システムなどの電気エネルギーと熱エネルギーのコージェネレーションシステムにおいて、高い温度の熱回収を実現し、回収した熱エネルギーを湯として溜める貯湯槽の容量削減につながる。
【０００３】
燃料電池スタックから排出される湿度の高いアノード排ガスやカソード排ガスを中空糸膜などの水分透過膜を介して燃料ガスや酸化剤ガスと間接的に接触させることによって、燃料ガスや酸化剤ガスを加湿できる。燃料電池システム内部を循環する純水を燃料ガスや酸化剤ガスの加湿に利用する事も可能である。この場合、たとえば燃料電池スタックの熱を回収して温度が上昇した電池冷却水などの純水を、水分透過膜を介して燃料ガスや酸化剤ガスと間接的に接触させる方法や、純水を燃料ガスや酸化剤ガスと直接接触させる方法がある。
【０００４】
純水を燃料ガスや酸化剤ガスと直接接触させる方法は直接接触式熱交換器という形で実現でき、流体を直接接触させる事で得られる高い熱伝達率が燃料ガスや酸化剤ガスの効果的な加湿につながる。また、燃料ガスや酸化剤ガスと電池冷却水を直接接触させると電池冷却水に含まれる二酸化炭素が燃料ガスや酸化剤ガスへ移動するため、純水ラインの二酸化炭素濃度を低く保つために必要であった脱炭酸塔を燃料電池システムから削除できる。
【０００５】
純水を用いて燃料ガスや酸化剤ガスを加湿する直接接触式熱交換器として、容器に溜めた純水の中にガスを通過させる方法がある。この方法は、必要な加湿能力に合わせた深さの水中に燃料ガスまたは酸化剤ガスを流すため、水頭圧分の高い圧力損失が燃料ガスまたは酸化剤ガスに伴う。また、純水をスプレーノズルなどからガスの流れの中に散水して直接接触を行う方法は、純水を噴霧する際に高い圧力損失（一流体ノズルの場合は純水の圧力損失、二流体ノズルの場合は燃料ガスまたは酸化剤ガスの圧力損失）が発生する。
【０００６】
圧力損失が低い直接接触式熱交換器として、充填材の表面で燃料ガスまたは酸化剤ガスと純水とを接触させる方式が挙げられる。この場合、燃料ガスまたは酸化剤ガスは筐体下部から上部へ充填材の隙間を通って流れ、純水は筐体上部から下部へ充填材に沿って流れる。しかし、ランダムに配置された充填材の表面では、純水が優先的に流れる流路が発生し、筐体全体に純水が分散しない。そのため、純水と接触せずに直接接触式熱交換器を通過する燃料ガスや酸化剤ガスの割合が大きくなる。その結果、十分な加湿能力を確保するためには機器の全長を高くする事が必要になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２７３３５０号公報
【特許文献２】特開２００４−３１０７３号公報
【特許文献３】特開２００４−３６３０２７号公報
【特許文献４】特開２００７−２２７２５２号公報
【特許文献５】特開２００５−２９４１１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
定置用燃料電池システムでは、燃料ガスや酸化剤ガスは通常ブロワによって昇圧されて燃料電池スタックに送り込まれる。このため、加湿装置の設置による燃料ガスラインや酸化剤ガスラインの圧力損失上昇はブロワ動力の拡大につながる。同じように、加湿装置による純水ラインの圧力損失上昇はポンプ動力に影響する。
【０００９】
燃料電池システムにおいて、補機動力の増加はシステム全体の発電効率の低下につながるため、ブロワやポンプの動力低減に向けた、加湿装置の圧力損失低減は重要な設計要素である。さらに、燃料電池システム内での加湿装置の設置スペースを削減するために、加湿装置を小型化することが望まれる。しかし、燃料ガスや酸化剤ガス加湿用の直接接触式熱交換器において、機器の低圧力損失化と小型化の両立が困難である。
【００１０】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、直接接触式熱交換器を小型化かつ低圧力損失化することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
実施形態の直接接触式熱交換器は、頂部から加湿水が供給される水入口と底部から前記加湿水が排出される水出口と側面からガスが流入するガス入口と前記側面の前記ガス入口よりも高い位置から前記ガスが流出するガス出口とが形成された筐体と、前記ガスが前記ガス入口から旋回しながら上昇して前記ガス出口から流出されるガス流路が形成され、かつ、前記加湿水が前記水入口から旋回しながら下降して前記水出口から排出され、前記ガス流路と同じ空間で反対向きの水流路が形成されるように、前記筐体の内周に接して前記筐体の底部から頂部に向かって１周目からｍ周目（ｍは２以上）まで順に螺旋状に形成されたｍ周分の螺旋部を有する螺旋板と、を具備することを特徴とする。
【００１２】
また、実施形態の固体高分子型燃料電池システムは、直接接触式熱交換器と、前記直接接触式熱交換器で加湿されたガスが燃料極および酸化剤極のいずれかに供給される燃料電池スタックと、を具備し、前記直接接触式熱交換器は、頂部から加湿水が供給される水入口と底部から前記加湿水が排出される水出口と側面からガスが流入するガス入口と前記側面の前記ガス入口よりも高い位置から前記ガスが流出するガス出口とが形成された筐体と、前記ガスが前記ガス入口から旋回しながら上昇して前記ガス出口から流出されるガス流路が形成され、かつ、前記加湿水が前記水入口から旋回しながら下降して前記水出口から排出され、前記ガス流路と同じ空間で反対向きの水流路が形成されるように、前記筐体の内周に接して前記筐体の底部から頂部に向かって１周目からｍ周目（ｍは２以上の整数）まで順に螺旋状に形成されたｍ周分の螺旋部を有する螺旋板と、を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、直接接触式熱交換器を小型化かつ低圧力損失化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施形態に係る直接接触式熱交換器の立断面である。
【図２】図２は、図１のＩＩ−ＩＩ矢視立断面図である。
【図３】図１において水流路を示す図である。
【図４】図１においてガス流路を示す図である。
【図５】第２の実施形態に係る直接接触式熱交換器であり、図１のＶ−Ｖ矢視平断面図である。
【図６】第３の実施形態に係る直接接触式熱交換器（ｎ＝２）の立断面である。
【図７】図６において水流路を示す図である。
【図８】図６においてガス流路を示す図である。
【図９】図６においてガス流路を示す図である。
【図１０】図６のＸ−Ｘ矢視平断面図である。
【図１１】第３の実施形態に係る直接接触式熱交換器の変形例の立断面である。
【図１２】第４の実施形態に係る直接接触式熱交換器（ｎ＝２）の立断面図である。
【図１３】図１２において水流路を示す図である。
【図１４】図１２においてガス流路を示す図である。
【図１５】第４の実施形態に係る直接接触式熱交換器（ｎ＝３）の立断面図である。
【図１６】第５の実施形態に係る直接接触式熱交換器であり、図１２のＸＶＩ−ＸＶＩ矢視平断面図である。
【図１７】第６の実施形態に係る直接接触式熱交換器である。
【図１８】第７の実施形態に係る直接接触式熱交換器である。
【図１９】各実施形態に係る直接接触式熱交換器に適用される固体高分子型燃料電池システムを示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明に係る直接接触式熱交換器の実施形態を、図面を参照して説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複する説明は省略する。
【００１６】
図１９は、各実施形態に係る直接接触式熱交換器に適用される固体高分子型燃料電池システムの一例を示すブロック図である。図１９に示されるように、固体高分子型燃料電池システムは、燃料処理装置１００と、燃料電池スタック２００と、を具備している。燃料処理装置１００は、改質器１０２と、一酸化炭素（以下、ＣＯ）変成器１０３と、ＣＯ除去器１０４と、直接接触式熱交換器１Ａおよび１Ｂと、を具備している。
【００１７】
直接接触式熱交換器１Ａは、可燃性の燃料ガスと水蒸気とを取り入れて、改質器１０２に供給する。改質器１０２は、直接接触式熱交換器１Ａからの燃料ガスおよび水蒸気と空気とを取り入れて、水素を含む改質燃料ガスを生成する。ＣＯ変成器１０３は、改質器１０２で生成された改質燃料ガス中のＣＯを低減して、ＣＯ変成改質燃料ガスを生成する。ＣＯ除去器１０４は、ＣＯ変成器１０３により生成されたＣＯ変成改質燃料ガスと、水蒸気と、空気とを取り入れて、ＣＯを選択的に酸化燃焼させて二酸化炭素にすることにより、ＣＯを除去したＣＯ除去改質燃料ガスを生成する。このＣＯ除去改質燃料ガスは燃料電池スタック２００のアノード極に供給される。
【００１８】
直接接触式熱交換器１Ｂは、空気と水蒸気とを取り入れて、空気を含む酸化剤ガスを生成する。この酸化剤ガスは燃料電池スタック２００のカソード極に供給される。
【００１９】
燃料電池スタック２００は、カソード極に供給される酸化剤ガスとアノード極に供給される燃料ガス（ＣＯ除去改質燃料ガス）とが電気化学的に反応することにより、酸素と水素から水を生成する過程で電気エネルギーを発生させる。
【００２０】
直接接触式熱交換器１Ａおよび１Ｂは同じ構造である。このため、直接接触式熱交換器１Ｂについてのみ説明し、この場合、直接接触式熱交換器１Ｂに用いられるガスとして酸化剤ガスを例にし、本発明に係る直接接触式熱交換器の実施形態を説明する。また、以下の説明では直接接触式熱交換器１Ｂを単に直接接触式熱交換器１と称する。
【００２１】
［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る直接接触式熱交換器１の立断面である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ矢視立断面図である。図３は、図１において水流路を示す図である。図４は、図１においてガス流路を示す図である。
【００２２】
図１に示されるように、本実施形態の直接接触式熱交換器１は、筐体２と、リキッドドレイナー７と、芯３０と、螺旋板４０とを具備している。
【００２３】
筐体２は、筒状、たとえば円筒型に形成されている。この筐体２は、筐体２の頂部には水入口５が形成され、加湿に用いられる加湿水２０が水入口５から供給される。加湿水２０は、純水であることが好ましい。筐体２の底部には水出口６が形成され、加湿水２０が水出口６から排出される。筐体２の側面にはガス入口３が形成され、酸化剤ガスがガス入口３から流入する。筐体２の側面の頂部近く（少なくともガス入口３よりも高い位置）にはガス出口４が形成され、加湿された酸化剤ガスがガス出口４から流出する。
【００２４】
水出口６には、リキッドドレイナー７が設けられている。リキッドドレイナー７は、ガスの漏出を防止し、かつ、水の排出を可能にする。ここで、リキッドドレイナー７の代わりに、Ｕシールを設けてもよい。
【００２５】
芯３０は、筒状、たとえば円筒型に形成されている。この芯３０は、筐体２内に形成され、筐体２の底部から頂部に向かって延びている。
【００２６】
螺旋板４０は、筐体２の内周に接して芯３０の外周に巻きつけられながら筐体２の底部から頂部に向かって１周目からｍ周目（ｍは１より大きい数であるが、整数でなくてもよい。）まで順に螺旋状に形成されたｍ周分の螺旋部４１を有している。
【００２７】
図２に示されるように、螺旋板４０は、たとえば芯３０に対する角度αが９０度で設置され、芯３０の外周に接する部分から筐体２の内周に接する部分に向かって平行に形成されている。
【００２８】
図３および図４に示されるように、この螺旋板４０は、ｍ周分の螺旋部４１により、ガスがガス入口３から旋回しながら上昇してガス出口４から流出されるガス流路２１を形成し、かつ、加湿水２０が水入口５から旋回しながら下降して水出口６から排出され、ガス流路２１と同じ空間で反対向きの水流路２２を形成する。
【００２９】
水流路２２における加湿水２０の流れについて説明する。
【００３０】
図３に示されるように、加湿水２０は、水入口５から供給されると、まず、螺旋板４０の最も高い位置のｍ周目の螺旋部４１に落下し、その螺旋部４１の上面を伝って芯３０の外周を回りながら重力により下方に流れ、（ｍ−１）周目の螺旋部４１に伝わる。（ｍ−１）周目の螺旋部４１に流れた加湿水２０は、その螺旋部４１の上面を伝って芯３０の外周を回りながら重力により下方に流れ、（ｍ−２）周目の螺旋部４１に伝わる。ここで、加湿水２０が螺旋板４０の上述の螺旋部４１以外に位置する螺旋部４１に伝わる場合でも、加湿水２０の流れは上述と同様である。
【００３１】
このようにして、水流路２２において、加湿水２０は、水入口５から旋回しながら下降して水出口６から排出される。
【００３２】
次に、ガス流路２１における酸化剤ガスの流れについて説明する。
【００３３】
図４に示されるように、酸化剤ガスは、ガス入口３から供給されて、まず、螺旋板４０の１周目の螺旋部４１と２周目の螺旋部４１との間に流れる。１周目の螺旋部４１と２周目の螺旋部４１との間の酸化剤ガスは、芯３０の外周を回りながら上昇し、２周目の螺旋部４１と３周目の螺旋部４１との間に流れる。ここで、ガスが螺旋板４０の上述の２個の螺旋部４１以外に位置する２個の螺旋部４１の間に伝わる場合でも、ガスの流れは上述と同様である。
【００３４】
このようにして、ガス流路２１において、酸化剤ガスは、ガス入口３から旋回しながら上昇してガス出口４から排出される。この際、酸化剤ガスは、螺旋板４０の上に保持された加湿水２０と接触する。これにより、酸化剤ガスは加湿される。加湿された酸化剤ガスは、燃料電池の酸化剤極に供給される。
【００３５】
本実施形態において、螺旋板４０が筐体２の内周に接して芯３０の外周に巻きつけられながら螺旋状に形成されているため、ガス流路の圧力損失の増加にはほとんど寄与しない上に、効果的に酸化剤ガスの加湿および加湿水２０と酸化剤ガスとの間での全熱交換を実現する。その結果、加湿能力が増大し、それに伴って小型化が可能になる。したがって、本実施形態によれば、低圧力損失かつ小型の直接接触式熱交換器１を提供できる。
【００３６】
特に、固体高分子型燃料電池システムにおける直接接触式熱交換器では、加湿水２０の流量が非常に小さく、かつ、流れるガスの流量が非常に大きいため、低圧力損失への要求は高い。たとえば筐体２内に平行な板を複数枚設けて加湿水２０と酸化剤ガスとを蛇行させる方法では、酸化剤ガスが筐体の内側面に衝突する際に、若干、圧力損失が生じるが、本実施形態のように筐体２内に芯３０と螺旋板４０とを設けて加湿水２０と酸化剤ガスとを旋回させる方法では、酸化剤ガスが筐体の内側面に衝突することによる圧力損失を防止または低減することができる。このため、本実施形態の直接接触式熱交換器１が有効である。
【００３７】
また、本実施形態において、螺旋板４０の２個の螺旋部４１の間隔が狭すぎると、２個の螺旋部４１の間を加湿水２０が完全に塞いでしまい、酸化剤ガスが２個の螺旋部４１の間を通過できなくなる可能性がある。そこで、２個の螺旋部４１の間隔は、５ｍｍ〜２０ｍｍ程度が適切である。
【００３８】
また、本実施形態においては、酸化剤ガスを加湿する直接接触式熱交換器１について説明したが、燃料ガスを加湿する場合にも適用可能である。
【００３９】
［第２の実施形態］
図５は、第２の実施形態に係る直接接触式熱交換器１であり、図１のＶ−Ｖ矢視平断面図である。
【００４０】
図５に示されるように、本実施形態の直接接触式熱交換器１は、第１の実施形態の構成に対して筐体２、芯３０および螺旋板４０の形状が異なる。筐体２と芯３０は、その厚み方向の面が扁平型になるように形成されている。螺旋板４０は、筐体２と芯３０の形状に合わせて、筐体２の内周に接して芯３０の外周に巻きつけられながら螺旋状に形成されている。
【００４１】
第１の実施形態と同様に、水流路２２において、加湿水２０は、螺旋板４０の１周分の螺旋部４１の上面を伝って芯３０の外周を回りながら、その螺旋部４１の真下の螺旋部４１に伝わる。
【００４２】
ガス流路２１において、酸化剤ガスは、螺旋板４０の１周分の螺旋部４１の上に芯３０の外周を回りながら上昇し、その螺旋部４１の真上の螺旋部４１に流れる。
【００４３】
本実施形態において、筐体２と芯３０の厚み方向の面を扁平型に引き伸ばすことにより、第１の実施形態に比べて水流路２２とガス流路２１とを延長することができる。その結果、加湿能力がさらに増大し、直接接触式熱交換器１の性能を向上させることができる。
【００４４】
［第３の実施形態］
図６は、第３の実施形態に係る直接接触式熱交換器１の立断面である。図７は、図６において水流路を示す図である。図８および図９は、図６においてガス流路を示す図である。
【００４５】
図６に示されるように、本実施形態の直接接触式熱交換器１では、第１および第２の実施形態に対して、螺旋板４０の数と芯３０の形状とが異なる。本実施形態の直接接触式熱交換器１では、螺旋板４０は、ｎ個（ｎは２以上の整数）設けられている。ここで、螺旋板４０の個数ｎは２であるものとする。ここで、２個の螺旋板４０を第１螺旋板４０ａおよび第２螺旋板４０ｂと称する。
【００４６】
第１螺旋板４０ａおよび第２螺旋板４０ｂは、筐体２の内周に接して芯３０の外周に巻きつけられながら筐体２の底部から頂部に向かって１周目からｍ周目まで順に螺旋状に形成されたｍ周分の螺旋部４１を有している。具体的には、第１螺旋板４０ａおよび第２螺旋板４０ｂが設けられる場合、（２×ｍ）周分の螺旋部４１が筐体２の内周に接して芯３０の外周に巻きつけられる。この場合、（２×ｍ）周分の螺旋部４１のうちの奇数周分の螺旋部４１は、第１螺旋板４０ａが有するｍ周分の螺旋部４１であり、（２×ｍ）周分の螺旋部４１のうちの偶数周分の螺旋部４１は、第２螺旋板４０ｂが有するｍ周分の螺旋部４１である。
【００４７】
芯３０には、第１螺旋板４０ａおよび第２螺旋板４０ｂのそれぞれにおける各周分の螺旋部４１のそれぞれに対して、芯３０の厚み方向に貫通する貫通孔３１が設けられている。
【００４８】
図７に示されるように、その貫通孔３１の各々は、第１螺旋板４０ａおよび第２螺旋板４０ｂのそれぞれにおける各周分の螺旋部４１のうちの１周分の螺旋部４１の第１地点から１周分の螺旋部４１の真下の螺旋部４１の第２地点まで芯３０内で繋ぎ、１周分の螺旋部４１の上面を加湿水２０が１周しないうちに真下の螺旋部４１に加湿水２０を伝える。第１螺旋板４０ａおよび第２螺旋板４０ｂは、水入口５から供給される加湿水２０がその上面と貫通孔３１とに流れることにより１つの水流路２２を形成する。
【００４９】
図８および図９に示されるように、第１螺旋板４０ａおよび第２螺旋板４０ｂは、一対一に対応した２個のガス流路２１、すなわち、第１ガス流路２１ａおよび第２ガス流路２１ｂを形成する。
【００５０】
水流路２２における加湿水２０の流れについて説明する。
【００５１】
図７に示されるように、加湿水２０は、水入口５から供給されると、まず、第２螺旋板４０ｂのｍ周目の螺旋部４１に落下し、その螺旋部４１の上面を伝って芯３０の外周を１周しないうちに、第１螺旋板４０ａのｍ周目の螺旋部４１と第２螺旋板４０ｂのｍ周目の螺旋部４１とを繋ぐ貫通孔３１により、第１螺旋板４０ａのｍ周目の螺旋部４１に伝わる。第１螺旋板４０ａのｍ周目の螺旋部４１に流れた加湿水２０は、その螺旋部４１の上面を伝って芯３０の外周を１周しないうちに、第２螺旋板４０ｂの（ｍ−１）周目の螺旋部４１と第１螺旋板４０ａのｍ周目の螺旋部４１とを繋ぐ貫通孔３１により、第２螺旋板４０ｂの（ｍ−１）周目の螺旋部４１に伝わる。ここで、加湿水２０が螺旋板４０の上述の螺旋部４１以外に位置する螺旋部４１に伝わる場合でも、加湿水２０の流れは上述と同様である。
【００５２】
このようにして、水流路２２において、加湿水２０は、第１螺旋板４０ａおよび第２螺旋板４０ｂの上面と貫通孔３１とに流れることにより、水入口５から旋回しながら下降して水出口６から排出される。
【００５３】
次に、第１ガス流路２１ａおよび第２ガス流路２１ｂにおける酸化剤ガスの流れについて説明する。
【００５４】
図８に示されるように、第１ガス流路２１ａにおいて、酸化剤ガスは、ガス入口３から供給されたとき、第１螺旋板４０ａの１周目の螺旋部４１と第２螺旋板４０ｂの１周目の螺旋部４１との間に流れる。その酸化剤ガスは、芯３０の外周を回りながら上昇し、第１螺旋板４０ａの２周目の螺旋部４１と第２螺旋板４０ｂの２周目の螺旋部４１との間に流れる。ここで、ガスが上述の２個の螺旋部４１以外に位置する２個の螺旋部４１の間に伝わる場合でも、ガスの流れは上述と同様である。
【００５５】
また、図９に示されるように、第２ガス流路２１ｂにおいて、酸化剤ガスは、ガス入口３から供給されたとき、第２螺旋板４０ｂの１周目の螺旋部４１と第１螺旋板４０ａの２周目の螺旋部４１との間に流れる。その酸化剤ガスは、芯３０の外周を回りながら上昇し、第２螺旋板４０ｂの２周目の螺旋部４１と第１螺旋板４０ａの３周目の螺旋部４１との間に流れる。ここで、ガスが上述の２個の螺旋部４１以外に位置する２個の螺旋部４１の間に伝わる場合でも、ガスの流れは上述と同様である。
【００５６】
このようにして、第１ガス流路２１ａにおいて、酸化剤ガスは、ガス入口３から旋回し、かつ、第２ガス流路２１ｂの１周分の螺旋部４１を飛ばしながら、上昇してガス出口４から排出される。同時に、第２ガス流路２１ｂにおいて、酸化剤ガスは、ガス入口３から旋回し、かつ、第１ガス流路２１ａの１周分の螺旋部４１を飛ばしながら、上昇してガス出口４から排出される。この際、酸化剤ガスは、第１螺旋板４０ａおよび第２螺旋板４０ｂの上に保持された加湿水２０と接触する。これにより、酸化剤ガスは加湿される。加湿された酸化剤ガスは、燃料電池の酸化剤極に供給される。
【００５７】
加湿水２０と酸化剤ガスの流れについて、さらに詳しく説明する。図１０は、図６のＸ−Ｘ矢視平断面図である。
【００５８】
１周分の螺旋部４１の領域は、第１領域４２と、第２領域４３とに分けられる。第１領域４２は、図１０中の第１地点Ａから第２地点Ｂまでの領域であり、１周分の螺旋部４１上のガス流路２１と水流路２２との両方の流路に用いられる。第２領域４３は、図１０中の第３地点Ｃから第４地点Ｄまでの領域であり、１周分の螺旋部４１上のガス流路２１のみ用いられる。ここで、第１領域４２の流路の長さは第２領域４３の流路の長さよりも長く、第１領域４２の流路の高さは第２領域４３の流路の高さよりも高い。
【００５９】
水流路２２において、加湿水２０は、１周分の螺旋部４１の第１地点Ａに設けられた貫通孔３１から１周分の螺旋部４１の上面を伝い、芯３０の外周を１周しないうちに第２地点Ｂまで流れ、１周分の螺旋部４１の真下の螺旋部４１に設けられた貫通孔３１に伝わる。第１ガス流路２１ａおよび第２ガス流路２１ｂにおいて、酸化剤ガスは、１周分の螺旋部４１の第２地点Ｂから第１地点Ａに流れ、１周分の螺旋部４１の２周真上の螺旋部４１の第３地点Ｃから第４地点Ｄに流れる。
【００６０】
本実施形態において、第１螺旋板４０ａおよび第２螺旋板４０ｂは、一対一に対応して第１ガス流路２１ａおよび第２ガス流路２１ｂを形成しているため、第１実施形態に比べて２倍のガス流路の断面積を確保し、ガスの圧力損失を大幅に削減する。したがって、本実施形態によれば、さらなる低圧力損失かつ小型の直接接触式熱交換器１を提供できる。
【００６１】
また、本実施形態において、芯３０に設けられた貫通孔３１により１つの水流路２２を形成しているため、水入口５を１つだけしか設置できない場合に有効である。
【００６２】
また、本実施形態において、図１０に示される第２領域４３上で加湿水２０が第４地点Ｄから第３地点Ｃに流れないように、第２領域４３の勾配を変えてもよい。図１１は、第３の実施形態に係る直接接触式熱交換器１の変形例の立断面である。図１１に示されるように、第２領域４３は、ガス流路２１が下り勾配になるように形成されている。これにより、第２領域４３上で加湿水２０が第４地点Ｄから第３地点Ｃに流れずに、確実に加湿水２０が貫通孔３１に流れ、図７に示されるような水流路２２を確保することができる。
【００６３】
［第４の実施形態］
図１２は、第４の実施形態に係る直接接触式熱交換器１の立断面図である。図１３は、図１２において水流路を示す図である。図１４は、図１２においてガス流路を示す図である。
【００６４】
図１２に示されるように、本実施形態の直接接触式熱交換器１では、第１の実施形態に対して、螺旋板４０の数と水入口５の数とが異なる。本実施形態の直接接触式熱交換器１では、螺旋板４０および水入口５は、ｎ個（ｎは２以上の整数）設けられている。ここで、螺旋板４０および水入口５の個数ｎは２であるものとする。２個の螺旋板４０を第１螺旋板４０ａおよび第２螺旋板４０ｂと称し、２個の水入口５を第１水入口５ａおよび第２水入口５ｂと称する。
【００６５】
第１螺旋板４０ａおよび第２螺旋板４０ｂは、筐体２の内周に接して芯３０の外周に巻きつけられながら筐体２の底部から頂部に向かって１周目からｍ周目まで順に螺旋状に形成されたｍ周分の螺旋部４１を有している。具体的には、第１螺旋板４０ａおよび第２螺旋板４０ｂが設けられる場合、（２×ｍ）周分の螺旋部４１が筐体２の内周に接して芯３０の外周に巻きつけられる。この場合、（２×ｍ）周分の螺旋部４１のうちの奇数周分の螺旋部４１は、第１螺旋板４０ａが有するｍ周分の螺旋部４１であり、（２×ｍ）周分の螺旋部４１のうちの偶数周分の螺旋部４１は、第２螺旋板４０ｂが有するｍ周分の螺旋部４１である。
【００６６】
第１水入口５ａおよび第２水入口５ｂは、第１螺旋板４０ａおよび第２螺旋板４０ｂに一対一に対応して設けられている。
【００６７】
図１３に示されるように、第１螺旋板４０ａおよび第２螺旋板４０ｂは、それらと一対一に対応する第１水入口５ａおよび第２水入口５ｂから供給される加湿水２０がその上面に流れることにより２個の水流路２２、すなわち、第１水流路２２ａおよび第２水流路２２ｂを形成する。
【００６８】
図１４に示されるように、第１螺旋板４０ａおよび第２螺旋板４０ｂは、それぞれが一対一に対応して２個のガス流路２１、すなわち、第１ガス流路２１ａおよび第２ガス流路２１ｂを形成する。
【００６９】
第１水流路２２ａおよび第２水流路２２ｂにおける加湿水２０の流れについて説明する。
【００７０】
図１３に示されるように、第１水流路２２ａにおいて、加湿水２０は、第１水入口５ａから供給されると、まず、第１螺旋板４０ａのｍ周目の螺旋部４１に落下し、その螺旋部４１の上面を伝って芯３０の外周を回りながら重力により下方に流れ、第１螺旋板４０ａの（ｍ−１）周目の螺旋部４１に伝わる。第１螺旋板４０ａの（ｍ−１）周目の螺旋部４１に流れた加湿水２０は、その螺旋部４１の上面を伝って芯３０の外周を回りながら重力により下方に流れ、第１螺旋板４０ａの（ｍ−２）周目の螺旋部４１に伝わる。ここで、加湿水２０が第１螺旋板４０ａの上述の螺旋部４１以外に位置する螺旋部４１に伝わる場合でも、加湿水２０の流れは上述と同様である。
【００７１】
第２水流路２２ｂにおいて、加湿水２０は、第２水入口５ｂから供給されると、まず、第２螺旋板４０ｂのｍ周目の螺旋部４１に落下し、その螺旋部４１の上面を伝って芯３０の外周を回りながら重力により下方に流れ、第２螺旋板４０ｂの（ｍ−１）周目の螺旋部４１に伝わる。第２螺旋板４０ｂの（ｍ−１）周目の螺旋部４１に流れた加湿水２０は、その螺旋部４１の上面を伝って芯３０の外周を回りながら重力により下方に流れ、第２螺旋板４０ｂの（ｍ−２）周目の螺旋部４１に伝わる。ここで、加湿水２０が第２螺旋板４０ｂの上述の螺旋部４１以外に位置する螺旋部４１に伝わる場合でも、加湿水２０の流れは上述と同様である。
【００７２】
このようにして、第１水流路２２ａにおいて、加湿水２０は、第１水入口５ａから旋回し、かつ、第２水流路２２ｂの１周分の螺旋部４１を飛ばしながら、下降して水出口６から排出される。同時に、第２水流路２２ｂにおいて、加湿水２０は、第２水入口５ｂから旋回し、かつ、第１水流路２２ａの１周分の螺旋部４１を飛ばしながら、下降して水出口６から排出される。
【００７３】
次に、第１ガス流路２１ａおよび第２ガス流路２１ｂにおける酸化剤ガスの流れについて説明する。
【００７４】
図１４に示されるように、第１ガス流路２１ａにおいて、酸化剤ガスは、ガス入口３から供給されたとき、第１螺旋板４０ａの１周目の螺旋部４１と第２螺旋板４０ｂの１周目の螺旋部４１との間に流れる。その酸化剤ガスは、芯３０の外周を回りながら上昇し、第１螺旋板４０ａの２周目の螺旋部４１と第２螺旋板４０ｂの２周目の螺旋部４１との間に流れる。ここで、ガスが上述の２個の螺旋部４１以外に位置する２個の螺旋部４１の間に伝わる場合でも、ガスの流れは上述と同様である。
【００７５】
第２ガス流路２１ｂにおいて、酸化剤ガスは、ガス入口３から供給されたとき、第２螺旋板４０ｂの１周目の螺旋部４１と第１螺旋板４０ａの２周目の螺旋部４１との間に流れる。その酸化剤ガスは、芯３０の外周を回りながら上昇し、第２螺旋板４０ｂの２周目の螺旋部４１と第１螺旋板４０ａの３周目の螺旋部４１との間に流れる。ここで、ガスが上述の２個の螺旋部４１以外に位置する２個の螺旋部４１の間に伝わる場合でも、ガスの流れは上述と同様である。
【００７６】
このようにして、第１ガス流路２１ａにおいて、酸化剤ガスは、ガス入口３から旋回し、かつ、第２ガス流路２１ｂの１周分の螺旋部４１を飛ばしながら、上昇してガス出口４から排出される。同時に、第２ガス流路２１ｂにおいて、酸化剤ガスは、ガス入口３から旋回し、かつ、第１ガス流路２１ａの１周分の螺旋部４１を飛ばしながら、上昇してガス出口４から排出される。この際、酸化剤ガスは、第１螺旋板４０ａおよび第２螺旋板４０ｂの上に保持された加湿水２０と接触する。これにより、酸化剤ガスは加湿される。加湿された酸化剤ガスは、燃料電池の酸化剤極に供給される。
【００７７】
本実施形態において、第１螺旋板４０ａおよび第２螺旋板４０ｂは、一対一に対応して第１ガス流路２１ａおよび第２ガス流路２１ｂを形成しているため、第１実施形態に比べて２倍のガス流路の断面積を確保し、ガスの圧力損失を大幅に削減する。したがって、本実施形態によれば、さらなる低圧力損失かつ小型の直接接触式熱交換器１を提供できる。
【００７８】
また、本実施形態において、ｎが２である場合、２個の水入口５は、一対一に対応して２個の水流路２２を形成し、その２個の水流路２２は、２個のガス流路２１に対応しているため、水入口５を複数個設置できる場合に有効である。
【００７９】
また、本実施形態において、ｎを２としているが、３以上でもよい。図１５は、ｎ＝３における直接接触式熱交換器１の立断面図である。すなわち、螺旋板４０および水入口５の個数ｎは３である。３個の螺旋板４０を第１〜第３螺旋板４０ａ〜４０ｃと称し、３個の水入口５を第１〜第３水入口５ａ〜５ｃと称する。第１〜第３水入口５ａ〜５ｃは、第１〜第３螺旋板４０ａ〜４０ｃに一対一に対応して設けられている。第１〜第３螺旋板４０ａ〜４０ｃは、一対一に対応する第１〜第３水入口５ａ〜５ｃから供給される加湿水２０がその上面に流れることにより３個の水流路２２（図示しない）を形成する。第１〜第３螺旋板４０ａ〜４０ｃは、一対一に対応して３個のガス流路２１（図示しない）を形成する。
【００８０】
このように、ｎが３である場合でも、３個の螺旋板４０は、一対一に対応して３個のガス流路２１を形成しているため、第１の実施形態に比べて３倍のガス流路の断面積を確保し、ガスの圧力損失を大幅に削減する。また、３個の水入口５は、一対一に対応して３個の水流路２２を形成し、その３個の水流路２２は、３個のガス流路２１に対応しているため、第３の実施形態に対して加湿能力がさらに増大する。
【００８１】
［第５の実施形態］
図１６は、第５の実施形態に係る直接接触式熱交換器１であり、図１２のＸＶＩ−ＸＶＩ矢視平断面図である。
【００８２】
図１６に示されるように、本実施形態の直接接触式熱交換器１は、第４の実施形態の構成に対して筐体２、芯３０および螺旋板４０の形状が異なる。筐体２と芯３０は、その厚み方向の面が扁平型になるように形成されている。螺旋板４０は、筐体２と芯３０の形状に合わせて、筐体２の内周に接して芯３０の外周に巻きつけられながら螺旋状に形成されている。
【００８３】
第４の実施形態と同様に、第１水流路２２ａにおいて、加湿水２０は、第１螺旋板４０ａの１周分の螺旋部４１の上面を伝って芯３０の外周を回りながら、第１螺旋板４０ａの１周分の螺旋部４１の真下の螺旋部４１に伝わる。第２水流路２２ｂにおいて、加湿水２０は、第２螺旋板４０ｂの１周分の螺旋部４１の上面を伝って芯３０の外周を回りながら、第２螺旋板４０ｂの１周分の螺旋部４１の真下の螺旋部４１に伝わる。
【００８４】
第１ガス流路２１ａにおいて、酸化剤ガスは、第１螺旋板４０ａの１周分の螺旋部４１の上に芯３０の外周を回りながら上昇し、第１螺旋板４０ａの１周分の螺旋部４１の真上の螺旋部４１に流れる。第２ガス流路２１ｂにおいて、酸化剤ガスは、第２螺旋板４０ｂの１周分の螺旋部４１の上に芯３０の外周を回りながら上昇し、第２螺旋板４０ｂの１周分の螺旋部４１の真上の螺旋部４１に流れる。
【００８５】
本実施形態において、筐体２と芯３０の厚み方向の面を扁平型に引き伸ばすことにより、第４の実施形態に比べて第１水流路２２ａおよび第２水流路２２ｂと第１ガス流路２１ａおよび第２ガス流路２１ｂとを延長することができる。その結果、加湿能力がさらに増大し、直接接触式熱交換器１の性能を向上させることができる。
【００８６】
［第６の実施形態］
図１７は、第６の実施形態に係る直接接触式熱交換器１である。
【００８７】
第１〜第５の実施形態における螺旋板４０（図２参照）は、芯３０に対する角度αが９０度で設置され、芯３０の外周に接する部分から筐体２の内周に接する部分に向かって平行に形成されている。
【００８８】
一方、本実施形態の直接接触式熱交換器１では、図１７に示されるように、第１〜第５の実施形態に対して螺旋板４０の形状が異なる。螺旋板４０は、芯３０に対する角度αが９０度より小さく設置され、芯３０の外周に接する部分から筐体２の内周に接する部分に向かって上り勾配で形成されている。
【００８９】
本実施形態において、螺旋板４０が芯３０から上り勾配になるように形成されているため、加湿水２０が芯３０と螺旋板４０との接点に沿って流れ、たとえ螺旋板４０と筐体２との間に隙間が生じても、その隙間から加湿水２０が筐体２の底部へ流れることを抑制することができる。したがって、本実施形態によれば、高性能かつ低圧力損失かつ小型の直接接触式熱交換器１を提供できる。
【００９０】
［第７の実施形態］
図１８は、第７の実施形態に係る直接接触式熱交換器１である。
【００９１】
第１〜第５の実施形態における螺旋板４０（図２参照）は、芯３０に対する角度αが９０度で設置され、芯３０の外周に接する部分から筐体２の内周に接する部分に向かって平行に形成されている。また、第６の実施形態における螺旋板４０（図１７参照）は、上述のように、芯３０に対する角度αが９０度より小さく設置され、芯３０の外周に接する部分から筐体２の内周に接する部分に向かって上り勾配で形成されている。
【００９２】
一方、本実施形態の直接接触式熱交換器１では、図１８に示されるように、第１〜第６の実施形態に対して、螺旋板４０の材質が異なる。螺旋板４０の幅は、芯３０の外周と筐体２の内周との間の長さよりも長く、螺旋板４０には、芯３０の外周と筐体２の内周との間に配置されるときに変形することにより、芯３０の外周と筐体２の内周との隙間を埋める材料が用いられる。
【００９３】
本実施形態において、たとえば頂部がまだ筐体２に設置されていない状態で、芯３０を上から筐体２内に設置し、そのあとに螺旋板４０を上から筐体２内に設置するときに、螺旋板４０の幅が芯３０の外周と筐体２の内周との間の長さよりも長いため、螺旋板４０が筐体２の内側面と芯３０の外周との間で変形しながら、筐体２の内側面と芯３０の外周との両方に接触する。その結果、螺旋板４０と筐体２との間に隙間が生じないため、その隙間から加湿水２０が筐体２の底部へ流れることもない。したがって、本実施形態によれば、高性能かつ低圧力損失かつ小型の直接接触式熱交換器１を提供できる。
【００９４】
また、本実施形態において、第６の実施形態のように螺旋板４０が芯３０の外周に接する部分から筐体２の内周に接する部分に向かって上り勾配で形成されることにより、加湿水２０が芯３０と螺旋板４０との接点に沿って流れ、第１〜第６の実施形態に対して加湿能力がさらに増大する。
【００９５】
［他の実施形態］
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、また各実施形態の特徴を組み合わせることができる。たとえば、第６の実施形態の螺旋板４０については第１〜第５の実施形態のいずれにも適用可能である。また、第７の実施形態の螺旋板４０については第１〜第６の実施形態のいずれにも適用可能である。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００９６】
１ … 直接接触式熱交換器
１Ａ … 直接接触式熱交換器
１Ｂ … 直接接触式熱交換器
２ … 筐体
３ … ガス入口
４ … ガス出口
５ … 水入口
５ａ … 第１水入口
５ｂ … 第２水入口
６ … 水出口
７ … リキッドドレイナー
２０ … 加湿水
２１ … ガス流路
２１ａ … 第１ガス流路
２１ｂ … 第２ガス流路
２２ … 水流路
２２ａ … 第１水流路
２２ｂ … 第２水流路
３０ … 芯
３１ … 貫通孔
４０ … 螺旋板
４０ａ … 第１螺旋板
４０ｂ … 第２螺旋板
４０ｃ … 第３螺旋板
４１ … 螺旋部
１００ … 燃料処理装置
１０２ … 改質器
１０３ … 一酸化炭素（ＣＯ）変成器
１０４ … ＣＯ除去器
２００ … 燃料電池スタック
【特許請求の範囲】
【請求項１】
頂部から加湿水が供給される水入口と、底部から前記加湿水が排出される水出口と、側面からガスが流入するガス入口と、前記側面の前記ガス入口よりも高い位置から前記ガスが流出するガス出口とが形成された筐体と、
前記ガスが前記ガス入口から旋回しながら上昇して前記ガス出口から流出されるガス流路が形成され、かつ、前記加湿水が前記水入口から旋回しながら下降して前記水出口から排出され、前記ガス流路と同じ空間で反対向きの水流路が形成されるように、前記筐体の内周に接して前記芯の外周に巻きつけられながら前記筐体の底部から頂部に向かって１周目からｍ周目（ｍは２以上）まで順に螺旋状に形成されたｍ周分の螺旋部を有する螺旋板と、
を具備することを特徴とする直接接触式熱交換器。
【請求項２】
前記筐体内に形成され、前記筐体の底部から頂部に向かって延びる芯と、
前記螺旋板は、前記ｍ周分の螺旋部が前記筐体の内周に接して前記芯の外周に巻きつけられながら螺旋状に形成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の直接接触式熱交換器。
【請求項３】
前記筐体と前記芯の厚み方向の面は扁平型である、
ことを特徴とする請求項２に記載の直接接触式熱交換器。
【請求項４】
前記螺旋板は、ｎ個（ｎは２以上の整数）設けられ、
前記ｎ個の螺旋板は、一対一に対応してｎ個の前記ガス流路を形成する、
ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の直接接触式熱交換器。
【請求項５】
前記水入口は、前記ｎ個の螺旋板の各々に対して設けられ、
前記ｎ個の螺旋板は、一対一に対応するｎ個の前記水入口から供給される前記加湿水がその上面に流れることによりｎ個の前記水流路を形成する、
ことを特徴とする請求項４に記載の直接接触式熱交換器。
【請求項６】
前記芯には、前記ｎ個の螺旋板のそれぞれにおける各周分の螺旋部のそれぞれに対して、前記芯の厚み方向に貫通する貫通孔が設けられ、
前記貫通孔の各々は、前記ｎ個の螺旋板のそれぞれにおける各周分の螺旋部のうちの１周分の螺旋部の第１地点から前記１周分の螺旋部の真下の螺旋部の第２地点まで前記芯内で繋ぎ、前記１周分の螺旋部の上面を前記加湿水が１周しないうちに前記真下の螺旋部に前記加湿水を伝え、
前記１周分の螺旋部の領域は、前記１周分の螺旋部上の前記ガス流路と前記水流路との両方の流路に用いられる第１領域と、前記１周分の螺旋部上の前記ガス流路のみ用いられる第２領域とに分けられ、
前記ｎ個の螺旋板は、前記水入口から供給される前記加湿水がその上面と前記貫通孔とに流れることにより１つの前記水流路を形成する、
ことを特徴とする請求項４に記載の直接接触式熱交換器。
【請求項７】
前記第１領域の流路の長さは前記第２領域の流路の長さよりも長く、
前記第１領域の流路の高さは前記第２領域の流路の高さよりも高い、
ことを特徴とする請求項６に記載の直接接触式熱交換器。
【請求項８】
前記第２領域は、前記ガス流路が下り勾配になるように形成されている、
ことを特徴とする請求項７に記載の直接接触式熱交換器。
【請求項９】
前記螺旋板は、前記芯の外周に接する部分から前記筐体の内周に接する部分に向かって上り勾配で形成される、
ことを特徴とする請求項２ないし請求項８のいずれか１項に記載の直接接触式熱交換器。
【請求項１０】
前記螺旋板の幅は、前記芯の外周と前記筐体の内周との間の長さよりも長く、
前記螺旋板には、前記芯の外周と前記筐体の内周との間に配置されるときに変形することにより、前記芯の外周と前記筐体の内周との隙間を埋める材料が用いられる、
ことを特徴とする請求項２ないし請求項９のいずれか１項に記載の直接接触式熱交換器。
【請求項１１】
燃料極および酸化剤極を有する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの燃料極および酸化剤極のいずれかに供給するためのガスを加湿する直接接触式熱交換器と、
を具備し、
前記直接接触式熱交換器は、
頂部から加湿水が供給される水入口と、底部から前記加湿水が排出される水出口と、側面からガスが流入するガス入口と、前記側面の前記ガス入口よりも高い位置から前記ガスが流出するガス出口とが形成された筐体と、
前記ガスが前記ガス入口から旋回しながら上昇して前記ガス出口から流出されるガス流路が形成され、かつ、前記加湿水が前記水入口から旋回しながら下降して前記水出口から排出され、前記ガス流路と同じ空間で反対向きの水流路が形成されるように、前記筐体の内周に接して前記筐体の底部から頂部に向かって１周目からｍ周目（ｍは２以上の整数）まで順に螺旋状に形成されたｍ周分の螺旋部を有する螺旋板と、
を具備することを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。
【請求項１】
頂部から加湿水が供給される水入口と、底部から前記加湿水が排出される水出口と、側面からガスが流入するガス入口と、前記側面の前記ガス入口よりも高い位置から前記ガスが流出するガス出口とが形成された筐体と、
前記ガスが前記ガス入口から旋回しながら上昇して前記ガス出口から流出されるガス流路が形成され、かつ、前記加湿水が前記水入口から旋回しながら下降して前記水出口から排出され、前記ガス流路と同じ空間で反対向きの水流路が形成されるように、前記筐体の内周に接して前記芯の外周に巻きつけられながら前記筐体の底部から頂部に向かって１周目からｍ周目（ｍは２以上）まで順に螺旋状に形成されたｍ周分の螺旋部を有する螺旋板と、
を具備することを特徴とする直接接触式熱交換器。
【請求項２】
前記筐体内に形成され、前記筐体の底部から頂部に向かって延びる芯と、
前記螺旋板は、前記ｍ周分の螺旋部が前記筐体の内周に接して前記芯の外周に巻きつけられながら螺旋状に形成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の直接接触式熱交換器。
【請求項３】
前記筐体と前記芯の厚み方向の面は扁平型である、
ことを特徴とする請求項２に記載の直接接触式熱交換器。
【請求項４】
前記螺旋板は、ｎ個（ｎは２以上の整数）設けられ、
前記ｎ個の螺旋板は、一対一に対応してｎ個の前記ガス流路を形成する、
ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の直接接触式熱交換器。
【請求項５】
前記水入口は、前記ｎ個の螺旋板の各々に対して設けられ、
前記ｎ個の螺旋板は、一対一に対応するｎ個の前記水入口から供給される前記加湿水がその上面に流れることによりｎ個の前記水流路を形成する、
ことを特徴とする請求項４に記載の直接接触式熱交換器。
【請求項６】
前記芯には、前記ｎ個の螺旋板のそれぞれにおける各周分の螺旋部のそれぞれに対して、前記芯の厚み方向に貫通する貫通孔が設けられ、
前記貫通孔の各々は、前記ｎ個の螺旋板のそれぞれにおける各周分の螺旋部のうちの１周分の螺旋部の第１地点から前記１周分の螺旋部の真下の螺旋部の第２地点まで前記芯内で繋ぎ、前記１周分の螺旋部の上面を前記加湿水が１周しないうちに前記真下の螺旋部に前記加湿水を伝え、
前記１周分の螺旋部の領域は、前記１周分の螺旋部上の前記ガス流路と前記水流路との両方の流路に用いられる第１領域と、前記１周分の螺旋部上の前記ガス流路のみ用いられる第２領域とに分けられ、
前記ｎ個の螺旋板は、前記水入口から供給される前記加湿水がその上面と前記貫通孔とに流れることにより１つの前記水流路を形成する、
ことを特徴とする請求項４に記載の直接接触式熱交換器。
【請求項７】
前記第１領域の流路の長さは前記第２領域の流路の長さよりも長く、
前記第１領域の流路の高さは前記第２領域の流路の高さよりも高い、
ことを特徴とする請求項６に記載の直接接触式熱交換器。
【請求項８】
前記第２領域は、前記ガス流路が下り勾配になるように形成されている、
ことを特徴とする請求項７に記載の直接接触式熱交換器。
【請求項９】
前記螺旋板は、前記芯の外周に接する部分から前記筐体の内周に接する部分に向かって上り勾配で形成される、
ことを特徴とする請求項２ないし請求項８のいずれか１項に記載の直接接触式熱交換器。
【請求項１０】
前記螺旋板の幅は、前記芯の外周と前記筐体の内周との間の長さよりも長く、
前記螺旋板には、前記芯の外周と前記筐体の内周との間に配置されるときに変形することにより、前記芯の外周と前記筐体の内周との隙間を埋める材料が用いられる、
ことを特徴とする請求項２ないし請求項９のいずれか１項に記載の直接接触式熱交換器。
【請求項１１】
燃料極および酸化剤極を有する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの燃料極および酸化剤極のいずれかに供給するためのガスを加湿する直接接触式熱交換器と、
を具備し、
前記直接接触式熱交換器は、
頂部から加湿水が供給される水入口と、底部から前記加湿水が排出される水出口と、側面からガスが流入するガス入口と、前記側面の前記ガス入口よりも高い位置から前記ガスが流出するガス出口とが形成された筐体と、
前記ガスが前記ガス入口から旋回しながら上昇して前記ガス出口から流出されるガス流路が形成され、かつ、前記加湿水が前記水入口から旋回しながら下降して前記水出口から排出され、前記ガス流路と同じ空間で反対向きの水流路が形成されるように、前記筐体の内周に接して前記筐体の底部から頂部に向かって１周目からｍ周目（ｍは２以上の整数）まで順に螺旋状に形成されたｍ周分の螺旋部を有する螺旋板と、
を具備することを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２０１３−３６６４０（Ｐ２０１３−３６６４０Ａ）
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７１２４６（Ｐ２０１１−１７１２４６）
【出願日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【出願人】（３０１０６０２９９）東芝燃料電池システム株式会社 (358)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【出願人】（３０１０６０２９９）東芝燃料電池システム株式会社 (358)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]