CN1953799B

CN1953799B - 气体分离器和气体分离器的操作方法

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Publication number: CN1953799B
Application number: CN2005800157647A
Authority: CN
Inventors: 近藤孝彦; 长谷川卓也; 森本直宏; 真杉英俊
Original assignee: Asahi Kasei Chemicals Corp
Current assignee: Asahi Kasei Corp
Priority date: 2004-05-18
Filing date: 2005-05-16
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2025-05-16
Also published as: JP5563646B2; JP2013056343A; JPWO2005110581A1; JP5414148B2; US20070287036A1; DE112005001084T5; US7985279B2; WO2005110581A1; DE112005001084B4; CN1953799A

Abstract

[问题]提供了一种增湿器，该增湿器在增湿性能、压力损失、体积效率、耐用性方面有优异的性能，并且该增湿器尤其适用于车载燃料电池的气体增湿。同时提供了一种使用该增湿器的操作方法。[解决问题的方法]本发明的气体分离器的特点在于，褶皱模制件中的褶元的上下表面被板覆盖，该板至少又一对入口和出口。使由气体分离膜和至少一层透气增强材料组成的复合膜打褶得到褶皱模制件。把加固框加在褶皱模制件的外围构成褶元。入口和出口间最短长度(L)对于褶皱模制件高度(H)的比值(R＝L/H)优选为0.1～7.0，宽度(W)对于褶皱模制件的长度(Le)的比值(W/Le)优选范围为0.3～10。本增湿器的操作方法是，使其在体积流率大于等于200的条件下运作。

Description

气体分离器和气体分离器的操作方法

技术领域

本发明涉及一种气体分离器，更具体涉及一种适用于增加燃料电池所用各种气体的湿度的增湿器，以及它的操作方法。

背景技术

膜分离技术，由于它比起其他的分离技术(如，蒸馏和吸收)，有着所需设备相对简单，且操作成本低的优点，因而被广泛应用于液体处理如溶液浓缩和水的净化。另一方面，通过膜分离技术进行气体的处理，已经在液氨工厂的氢的回收，汽油桶内挥发性有机化合物的回收，以及空调器的富氧装置方面已部分得到了一些商业化应用，但是这些应用的处理能力不比液体处理那样充分。因此，现在它还没有成为主要工业。在这种情况中所说的处理能力，不仅指单位面积膜的气体的渗透能力(膜的性能)，还包括单位体积的气体的渗透能力(装置的性能)，装置中的压力损失，气体分离膜的寿命(化学劣化和物理破损)，制造成本及操作成本。本发明用燃料电池中排出的气体来选择空气增湿以作为解决这个问题的具体方法，并且研究运用膜处理的新的气体处理技术。

燃料电池是一种电力发生器，其通过电化学氧化燃料如氢、甲醇来产生电能，并且在最近几年里，它作为一种清洁能源而得到了广泛关注。燃料电池是根据其所用电解质进行分类的，可以分为磷酸类、熔融碳酸盐类、固体氧化物类、固体高分子电解质类，等等。由于固体高分子电解质类燃料电池通常可以在100℃或100℃以下低温工作和提供高能密度，所以人们希望它可以作为电动汽车或其他的设备的电源而得到广泛应用。

固体高分子电解质类燃料电池的基本结构是由离子交换膜和结合在它的两个表面上的一对气体扩散电极构成的。氢被通入其中一个电极，而氧被通入另一个电极。两个电极都被连接到一个外部负载电路，以产生电能。更具体的，通入氢的那个电极产生质子和电子，质子移动并通过离子交换膜，到达通入氧的那个电极，在那里质子和氧发生反应而生成水。另一方面，电子沿着导线移动，从通入氢的那个电极移动到输出它们电能的外部负载电路。这样，电子沿着导线到达通入氧的电极，然后参与生成水的反应。

氟离子交换树脂被广泛应用，这是因为，它作为一种用于固体高分子电解质类燃料电池的离子交换膜材料，具有较高的化学稳定性。在这当中，日本杜邦生产的Nafion

得到广泛应用，其主链为全氟碳，并且在其侧链的链端上有个磺酸基。正如本领域技术人员所熟知的工艺技术，这样的氟离子交换树脂，需要在水中充分膨胀以产生较高的离子传导作用。因此，如何确保在有限水供应的移动物体内，尤其是车载燃料电池中，使用氟离子交换树脂时，确保充分的水供应是一个重大的问题。

如前所述，燃料电池在通入氧的那个电极，通过反应而生成水。如果能利用氧端排出的气体中所含的水汽来增湿氧端或氢端的入口空气的话，那么就不需要额外使用水箱或其他设备来提供水份了。在本发明中，“增湿器”是指一种“气体分离器”，它能使“水汽渗透膜”一侧的水汽优先通过水汽渗透膜，从而增湿水汽渗透膜另一侧的气体。“水汽渗透膜”是一种“气体分离膜”，它有优先输送水汽而不是氧气或氮气的性质。

车载燃料电池中使用的增湿器应具备以下特性：

(1)增湿性能；提供燃料电池工作所必需的充分的增湿量；

(2)压力损失；压缩机无负荷时，压力损失小；

(3)体积效率；高体积效率，能够实现紧凑型体积；以及

(4)耐用性；经长期使用仍保持各项性能。

先前有关增湿器的技术，例如专利文献1公开了一种增湿器，它包括一组半透膜(水汽渗透膜)，其按照与燃料电池放置的方向，以相同方向堆叠。根据公开内容，入口处的空气可以在氧端或氢端被增湿。然而，为了充分增湿，就需要确保膜的必要面积，所以这需要堆叠相当数量的半渗透膜。这样一来，根据膜的数量，半渗透膜的密封条就要增加，从而造成成本较高，并且根据膜的数量，气体通道的数量(分离器)也要增加，从而造成体积效率低。

专利文献2公开了一种增湿器，它的水汽渗透膜是由中空纤维做成的。根据公开内容，使用了中空纤维就不需要专利文献1中所需的分离器，这样一来，就可以提高体积效率。然而，中空纤维的不均匀分布或其他情况，易造成气体的不均匀流动，这样一来，它可能会失去充分增湿的性能。另外，中空纤维暴露在内部和外部高速流动的空气中，受到自振和外振的影响而晃动，从而使其容易磨损或折断，或是使其两端的固定部分变形而破损。

专利文献3公开了一种增湿器，它包括圆柱状的褶皱结构，它是通过将波浪形的薄片状水汽渗透膜打褶并卷拢成圆柱状、将接缝处密封、以及使用环形端板将圆柱褶皱膜的两端密封而得到的。根据其公开内容，平面膜做成褶皱形状可以避免专利文献1中的成本问题和体积效率问题，也可以避免专利文献2中的物理耐用性问题。然而，在图3中和在专利文献3的说明书的段落0030中所描述的圆柱状褶皱结构有低体积效率的问题，因为其内径大致是外径的一半，导致存在死角。

低体积效率的增湿器可以通过增加膜面积来提高其增湿性能。然而，正如所预料的那样，增加的膜面积会导致空气流通阻力的增加，。这就出现了一个问题，即需要较高的推动压力来保持设定的流动速率，也即增湿器中压力损失增加的问题。

专利文献1：JP-A-11-354142

专利文献2：JP-A-08-273687

专利文献3：JP-A-2002-252012

发明内容

本发明解决的问题

本发明的目的是提供一种气体分离器和它的操作方法，它在气体分离膜的使用效率、压力损失、耐用性、操作方法方面都有优异的性能。具体说，提供了一种适用于固体高分子电解质类燃料电池的增湿器以及该增湿器的操作方法。

解决问题的方法

通过对上述问题解决方法的研究，本发明的发明者发现，气体分离器的特定的结构因素同气体分离膜的使用效率及压力损失紧密相关，另外，气体分离器的特定的操作条件同气体分离膜的使用效率和压力损失也紧密相关，据此，本发明的发明者完成了本项发明。

具体说，本发明提供了：

1.一种气体分离器，其包括：含有褶皱模制件和加固框的褶元和褶元的上表面和下表面。所述褶皱模制件是通过使由气体分离膜和至少一层透气增强材料形成的复合膜打褶而成的，而所述加固框则位于褶皱模制件的外围。所述上表面和下表面被具有至少有一组入口和出口的板所覆盖，其中，入口和出口间的最短长度(L)对褶元高度(H)的比值(R＝L/H)范围优选为0.1～7.0，褶元的长度(Le)对宽度(W)的比值(W/Le)范围优选为0.3～10.0。

2.如1所述的气体分离器，其中所述气体分离膜是一种水汽渗透膜。

3.如1所述的气体分离器，其中所述气体分离器有增湿功能。

4.如1～3中任何一项所述的气体分离器，其还包括压力缓冲部，该压力缓冲部装在外部管道和入口之间，以及外部管道和出口之间。

5.如1～4中任何一项所述的气体分离器，其中所有的入口、出口以及压力缓冲部都是整体成形的。

6.如1～5中任何一项所述的气体分离器，其中所述加固框是由密封材料形成的。

7.如1～6中任何一项所述的气体分离器，其中，至少有一个褶元位于两块压力板之间，每个褶元的加固框和两块压力板彼此之间紧密接触而构成一个密封的空间。

8.如1～7中任何一项所述的气体分离器，所述褶元具有矩形的形状。

9.一种操作如1～7中任何一项所述的气体分离器的方法，其中，所述气体分离器以200或更高的体积流率(NL/Ve)下运作，所述体积流率(NL/Ve)是指气体单位时间流率(NL)对褶元的外体积(Ve)的比值。

发明效果

附图说明

根据本发明，提供了一种气体分离器及其操作方法。该气体分离器在气体分离膜的使用效率、压力损失、耐用性、操作方法方面都有优异的性能。具体说，提供了一种适用于固体高分子电解质类燃料电池的增湿器以及该增湿器的操作方法。

图1显示了用以说明本发明实施方式的实施例的燃料电池体系结构。

图2中a和b是本发明的褶皱模制件的一个例子的示意图。

图3是用粘合剂或其他物质粘合的平板式褶元的一个例子的示意图。

图4是用板材制的平板式褶元的一个例子的示意图。

图5是平板式褶元的密封材料的一个例子的示意图。

图6是平板式褶元的密封材料的一个例子的示意图。

图7中A是平板式褶元的示意图，B和C是本发明的增湿器的示意图。

图8中A是平板式褶元的示意图，B和C是本发明的增湿器的示意图。

图9是说明褶元的入口和出口之间的关系的示意图。

图10中a和b是用以说明本发明的压力板式机架的示意图，a是显示本发明的增湿器的外观的透视图，b是增湿器的分解图。

图11是图10从B角度看的剖视图。

图12是用以说明增湿器的机架的一个例子的示意图。

图13是图12从A角度看的剖视图。

图14中A，B和C是本发明的增湿器的例子的示意图。

图15中A，B和C是压力缓冲部中气流情况的示意图。

参照号的说明

1燃料电池 35阴极入口

2增湿器 36阴极出口

3压缩机 37阳极入口

4供氢源 38阳极出口

5加固框 20 51粘合剂

6褶元 52加固框

7密封材料 61入口和出口的宽度(W)

8机架 62入口和出口的长度(Le)

21干侧流道 63入口和出口间的间距

22湿侧流道 25 70流道形成装置

23作为气体分离膜基材的褶皱模制件 91，92开口A

23A气体分离膜 93对表面

23B透气增强材料 211，221入口

31，32，33，34，41，42管道 212，222出口

具体实施方式

[组件的定义]

“打褶”在本发明中是指提供具有横截面形状如V形、U形、Ω形的气体分离膜的基材的制作。同以往没有采用这种制作相比，采用这种制作后可以发现，在同样的投影面积和同样的体积下，可以包含更宽的膜面积。

“气体分离膜基材”在本发明中是指元件的一种基本构成部件，它是由气体分离膜和至少一层透气增强材料组成的，它可以按要求做成气体分离膜和透气增强材料的层压材料。“增湿膜基材”是指一种基本构成部件，它是由水汽渗透膜和至少一层透气增强材料组成的，它可以按要求做成水汽渗透膜和透气增强材料的层压材料。

“气体分离膜”在本发明中是指一种选择性渗透膜，它具有从混合气体中优先输送特定气体的性质，包括只在特定分压下输送特定气体的膜。“水汽渗透膜”是气体分离膜的一个例子，它是指一种具有从包含水汽的混合气体中优先输送水汽的性质的选择性渗透膜，包括只在有水汽存在的设定条件下表现出选择渗透性的膜(一种多孔增湿膜，稍后会介绍)。具体说，阻止输送除水汽外的任何气体的性质可以被视为防漏性。本发明的特点是把可以打褶的“平面膜”用作气体分离膜。

“透气增强材料”在本发明中可以通过防止褶皱内临近的气体分离膜的过分接触，从而对得到理想的膜使用效率起到了帮助作用。此外，它对提供褶皱模制件的必要的独立性也有辅助作用。

“褶皱模制件”在本发明中是指一种结构，这种结构是使平面形的气体分离膜基材打褶得到的。

“加固框”在本发明中是指一种结构，这种结构是通过密封接合到褶皱模制件的外围而形成褶元的一种结构。具体地，加固框具有和褶皱模制件的端面相结合的功能，从而使褶元的上表面和下表面密闭的分离。根据目的的不同，可以使用各种材料，如树脂、金属、FRP(纤维增强塑料)来制做加固框。

“褶元”在本发明中是指一种单元，它是由褶皱模制件和加固框构成的。

“机架”在本发明是指一种辅助装置，它提供褶元除了气体分离以外的其他功能(如防止机械破损的功能；和外循环系统连接的功能)。在很多情况下，褶元被置于机架内或连接到机架上，以提供实际使用中“气体分离器”所必需的辅助功能。

在本发明中，褶皱的“长度”是指在与褶皱平行方向的尺寸或距离。褶皱的“宽度”是指在与褶皱垂直方向的尺寸或距离。

本发明的实施方式将结合附图进行说明。

[燃料电池体系]

图1所示是说明本发明实施方式所列举的燃料电池体系的结构(机架没有明确标出)。该燃料电池以空气作为氧源和氢源。

增湿器2包括：干侧流道21，湿侧流道22，入口211和221，出口212和222，以及将这些通道分离的增湿膜基材23。被引入的空气通过干侧流道21，引自燃料电池1的阴极侧排出气则通过湿侧流道22。增湿器的干侧流道21的入口211与压缩机3连接，而压缩机3则通过管道31向增湿器供氧。干侧流道21的出口212通过管道32与燃料电池1在阴极侧上的入口35相连。湿侧流道22的入口221通过管道33与燃料电池1在阴极侧上的出口36相连。湿侧流道22的出口222与管道34相连用以排气。供氢源4通过管道41与燃料电池1在阳极侧上的入口37相连。燃料电池1在阳极侧上的出口38与管道42相连用以排气。

从燃料电池1的阴极侧的排出气是混合气体，它包含电池反应生成的水汽、增湿器2提供的但没有被燃料电池1吸收的水汽、增湿器2提供的但没有参与电池反应的氧气、以及除氧气之外的其他空气组份如氮气。混合气体通过管道33进入到增湿器2的湿侧流道22。由于增湿膜基材23只允许水汽通过，所以湿侧流道22中的水汽进入到干侧流道21，从而增湿干侧流道21中的空气。增湿的空气通过管道32进入燃料电池在阴极侧上的入口35。通过这种方法，用来增湿的增湿器2可以稳定持续地使空气的湿度达到燃料电池工作所需的湿度，而不改变除水汽之外的其他气体组份或压力。因此，本发明的增湿器特别适合装在车载燃料电池上。

由于压缩机3向干侧流道加压，所以那里的总压比湿侧流道内的压力大。因此，水汽渗透膜不仅需要有上述的水汽渗透性，而且还要有足以承受总压差的防漏性能，也就是说，对其他气体(包括空气)的不渗透性。

[水汽渗透膜]

水汽渗透膜的水汽渗透性可以通过各种方法来进行评估。例如，可以用JIS-L-1099中介绍的氯化钙法评估水汽渗透膜的水汽渗透性。

评估水汽膜对包括空气在内的其他气体非渗透性也有各种方法。例如，可以用JIS-P-8117中介绍的空气渗透法来进行评估。用于燃料电池的增湿器，同上述其他性能一样，它的抗热性能也要优先满足。

水汽渗透膜可以分为多孔水汽渗透膜，均质水汽渗透膜和复合水汽渗透膜。

水汽渗透膜的透湿率优选为1000～30000(g/m^2.24hr)，更优选为2000～20000(g/m^2.24hr)，最优选为5000～15000(g/m^2.24hr)。

水汽渗透膜的透气性优选为500秒或更高，更优选为1000秒或更高，再优选为10000秒或更高，再进一步优选为100000，最优选为1000000秒或更高。由于多孔水汽渗透膜(后面会介绍)只在潮湿条件下表现出非渗透性，所以透气法不能用于对非渗透性进行测试。

水汽渗透膜的厚度优选为1～1000μm。厚度的下限优选为不小于5μm，更优选为不小于10μm，最优选为不小于20μm。厚度的上限优选为不大于500μm，更优选为不大于300μm，最优选为不大于200μm。厚度小于1μm可能无法提供足够的机械强度，而厚度大于1000μm则可能减少水汽的渗透量。

[多孔水汽渗透膜]

可以将织造织物、非织造织物、或微孔膜作为多孔水汽渗透膜来使用。正如本领域技术人员所熟知的，当含有水汽的气体与孔径小于等于10μm的水汽渗透膜接触时，就会发生所谓的“Kelvin冷凝”现象，此时，水汽在多孔水汽渗透膜的微孔中冷凝形成一种液膜，从而起到防漏的作用。液膜是由水形成的，所以它有很好的水汽渗透性，水汽可以通过它被很快输送，如同在自由面上的水一样。

多孔水汽渗透膜的孔径优选为0.001～10μm。孔径的下限优选为不小于0.005μm，更优选为不小于0.01μm。孔径的上限优选为不大于5μm，更优选为不大于1μm，再优选为不大于0.5μm，进一步优选为不大于0.2μm，最优选为不大于0.1μm。孔径小于0.001μm可能无法提供足够的水汽渗透性。孔径大于10μm可能使其难以产生“Kelvin冷凝”现象。

多孔水汽渗透膜的孔隙率优选为5～90％。孔隙率的下限优选为不小于10％，更优选为不小于20％，再优选为不小于30％，最优选为不小于40％。孔隙率小于5％可能无法提供足够的水汽渗透性。孔隙率大于90％则可能达不到足够的机械强度。

[均质水汽渗透膜]

由水汽渗透材料做成的均质膜被称为均质水汽渗透膜。

适用的水汽渗透材料包括：非电解质聚合物，例如，聚环氧乙烷、聚乙烯醇、纤维素醚、淀粉、或者是它们的共聚物；电解质聚合物，例如，聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、聚异丙基丙烯酰胺、聚苯乙烯磺酸、聚乙烯基吡啶、聚氨基酸、它们的共聚物、和它们的氯化物；以及还包括吸水或含水树脂(如上所提到的氟离子交换树脂)在内的其他所知的材料。可以按需要使它们交联(如离子交联、化学交联、辐射交联)和增强(如纤维增强和原纤增强)，从而调整其含水量或使其不溶于水。

水汽渗透材料的含水量优选为5～95％。均质多孔膜的含水量下限优选为不少于20％，更优选为不少于40％，再优选为不少于60％，最优选为不少于80％。均质多孔膜的含水量上限优选为不多于90％。含水量少于5％可能无法提供足够的增湿性能。含水量多于95％时，可能会导致干燥期间严重的体积收缩问题和机械强度低等类似问题。

[复合水汽渗透膜]

把水汽渗透材料应用或是浸渍到多孔基材中得到的复合膜称为水汽渗透膜。其中，多孔基材可以是织造织物、非织造织物、或微孔膜。

可用的水汽渗透材料包括：非电解质聚合物，例如，聚环氧乙烷、聚乙烯醇、纤维素醚、淀粉、或者是它们的共聚物；电解质聚合物，例如，聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、聚异丙基丙烯酰胺、聚苯乙烯磺酸、聚乙烯基吡啶、聚氨基酸、它们的共聚物、和它们的氯化物；以及还包括吸水或含水树脂(如上所提到的氟离子交换树脂)在内的其他所知的材料。可以按需要使它们交联(如离子交联、化学交联、辐射交联)和增强(如纤维增强和原纤增强)，从而调整其含水量或使其不溶于水。

水汽渗透材料的含水量优选为5～95％。均质多孔膜的含水量下限优选为不少于20％，更优选为不少于40％，再优选为不少于60％，最优选为不少于80％。均质多孔膜的含水量上限优选为不多于90％。含水量少于5％可能无法提供足够的增湿性能。含水量多于95％时，可能会在干燥或低机械强度或类似情况时，产生体积严重收缩的问题。

多孔基材的孔隙率优选为5～90％。孔隙率的下限优选为不小于10％，更优选不小于20％，更进一步优选30％，最优选40％。孔隙率小于5％会导致水汽渗透率不足。孔隙率大于95％会导致机械强度不足。

[透气增强材料]

透气增强材料是网织品或多孔片，它可放在气体分离膜上，以保持褶皱节距，从而能够很好地将气体引入到褶皱的深处。尽管气体分离膜通常没有足够的劲度，但是它可以被放在透气增强材料上，以提高褶皱模制件的独立性和结构强度，尤其是，提高褶皱模制件的翘曲强度。

透气增强材料可以被放在气体分离膜的两个表面或其中的一个表面上。具体说，当气体分离膜从这端到那端存在压力差时，那么在压力较低的一侧至少优选放上透气增强材料。

织造织物、非织造织物、树脂网(如由聚丙烯、聚酯、尼龙做成的树脂网)，或金属网，都可以作为透气增强材料使用。在它们之中，优选为树脂网和金属网。

透气增强材料的厚度优选为10～5000μm。厚度下限优选为不小于100μm，更优选为不小于200μm，最优选为不小于500μm。厚度上限优选为不大于3000μm，更优选为不大于2000μm，最优选为不大于1000μm。厚度小于10μm可能无法提供足够的机械强度。厚度大于5000μm则可能降低气体渗透性。透气增强材料的厚度可以用JIS-L-1096中介绍的方法进行测试。

透气增强材料的孔隙率优选为30～95％。孔隙率的下限优选为不小于40％，更优选为不小于50％，再优选为不小于60％，最优选为不小于70％。孔隙率小于30％可能无法提供足够的气体分离能力。孔隙率大于95％则可能无法提供足够的机械强度。

透气增强材料的透气性优选为小于等于100秒，更优选为小于等于10秒，最优选为小于等于1秒。

当使用网时，网目数优选为2～1000。网目数的下限优选为不少于3，更优选为不少于5，再优选为不少于10，最优选为不少于12。网目数的上限优选为不多于100，更优选为不多于50，再优选为不多于30，最优选为不多于20。

当使用网时，线径优选为0.01～2mm。线径的下限优选为不小于0.02mm，更优选为不小于0.04mm，再优选为不小于0.06mm，最优选为不小于0.08mm。线径的上限优选为不大于1mm，更优选为不大于0.6mm，再优选为不大于0.4mm，最优选为不大于0.2mm。

当使用网目数小于等于100的网时，优选在气体分离膜和透气增强材料之间，再加上一层薄的透气增强材料，以更好地保护气体分离膜。这种类型的透气增强材料，其一个或两个表面最好都做经过表面光滑处理。

[褶皱模制件]

褶皱模制件是将平面形气体分离膜基材打褶而成的。通常是使气体分离膜和透气增强材料组成的层压材料打褶。但如果必要时，也可以只使气体分离膜打褶，而把透气增强材料插在褶皱之间。

图2a和2b以本发明为例，图示举例说明了褶皱模制件的构造。图2a和2b所示的褶皱模制件，是将由气体分离膜23A和透气增强材料23B组成的气体分离膜基材打褶而成的。

可以使用一种已知的方法来进行打褶，如使用往复打褶机(可折叠型)或旋转打褶机来进行打褶。

褶皱的高度(H)是指褶皱模制件的峰到峰之间的高度。如果高度H是不均匀的，那么就把平均高度当做H。高度H优选为5～200mm。高度H的下限优选为不小于10mm，更优选为不小于15mm。高度H的上限优选为不大于150mm，更优选为不大于100mm，再优选为不大于80mm，最优选为不大于50mm。

[加固框]

加固框是褶元的一个组成部分，它是通过固化如粘合剂和密封材料这样的树脂，通过加工树脂板或金属板，或是通过把它们组合在一起做成的。

包含固化树脂的加固框优选是由类似橡胶的弹性体构成。我们可以使用各种材料，如我们熟知的包含硅基材和以丁二烯基材的密封材料，以及不背离本发明目的的弹性体粘合剂。在这种情况下，加固框的厚度优选为1～50mm。厚度下限优选为不小于2mm，更优选为不小于5mm。厚度上限优选为不大于40mm，更优选为不大于30mm，最优选为不大于20mm。

机械加工板时，可加工平面形的板，或可在板中形成呈U形等弯曲部分。弯曲部分的剖视图优选是U形或类似形状的，因为这样的形状可以增加加固框的强度以及它同褶元的结合面积，还可以增加加固框和机架连接时的密封度。当所用的是平面形加固框时，本发明的加固框的端部是指正对着褶皱模制件的上表面或下表面的那个部分。当所用的是具有弯曲部分的加固框时，本发明的加固框的端部是指正对着弯曲部分表面的那个部分。

在这种情况下，板的厚度优选为0.1～5mm。板的厚度的下限优选为不小于0.2mm，更优选为不小于0.5mm。板的厚度的上限优选为不大于4mm，更优选为不大于3mm，最优选为不大于2mm。

加固框的高度通常是根据褶皱的高度H而定的。加固框的高度的内部尺寸特意要做的比褶皱的高度大，以提供“空间部分流道”，这部分内容会稍后介绍。当用一组组合材料做成加固框时，优选使用嵌套结构以增加连接强度。

加固框的弯曲部分宽度优选为1～50mm。弯曲部分宽度的下限优选为不小于5mm，更优选为不小于10mm。弯曲部分宽度的上限优选为不大于40mm，更优选为不大于30mm，最优选为不大于20mm。

[褶元]

褶元优选为平板式。“平板式”是指这样一种类型的褶元，在该种褶元中，气体分离膜的两边缘和褶皱平行，没有结合在一起；而且加固框(主要是长方形的)有四个面，在两侧边缘的两个面朝着垂直于褶皱的方向，在两侧边缘的另两个面则朝着平行于褶皱的方向。

这种平板式褶元有这样几种类型，一种是把褶皱模制件的外围直接用树脂(如粘合剂和密封材料)粘合；另一种类型是把上述板状褶元结合且固定在加工过的加固框的内周，从而构成褶元；还有一种类型就是把这两种方法结合在一起使用。

图3为这种平板式褶元的一个例子的示意图，该种褶元的加固框是用粘合剂、密封材料或是其他类似物直接粘合的。图3中A是从平行于褶皱的方向看的剖视图，图3中B是从垂直于褶皱的方向看的剖视图。加固框52是通过固化树脂而在褶皱模制件23的外围形成的。

图4为这种平板式褶元的一个例子的示意图，该种褶元的板状加固框经过机械加工。图4中A是从平行于褶皱的方向看的剖视图，图4中B是从垂直于褶皱的方向看的剖视图。把褶皱模制件23的外围粘合到加固框5的内周的方法可以通过例如如下所述来实施，如图4A和图4B所示，使粘合剂51流入具有U形剖面的加固框的内周，然后放置并且固化其中的褶皱模制件23；或者通过热熔融粘合。

图5和图6为这种平板式褶元的密封材料的例子的示意图，其中的板状加固框经过机械加工。图5和图6中的a是垂直于褶皱切得的褶元的剖视图，b是平行于褶皱切得的褶元的剖视图，c是平行于褶皱看的褶元的外视图，d是垂直于褶皱看的褶元的外视图。在图5中，加固框的整个一圈都加上密封材料7。在图6中，加固框上面和下面的整个弯曲部分加上密封材料7。另一个例子是，密封材料可以装在机架上，而不是装在加固框上；或者可以在机架和加固框上都加上密封材料。

有种类型的褶元，它的外围由类橡胶的弹性体粘合剂和树脂(如密封材料)直接固化而成，其加固框有密封材料的作用，而且和机架的结合具有优异的密封性能(稍后会加以说明)。这类褶元，优选在有内压的情况下使用，因为此时会产生所谓的自锁功能，即褶元产生强大的膨胀力，这会使它和机架间的密封性更高。

当使用额外方法以确保密封性时，在机架上和加固框上都可不加上密封材料。

各种密封材料都可以作为密封材料7使用，例如，O形环，橡胶片、金属片，或是一种不背离本发明目的的粘合剂。在它们之中，优选为O形环和橡胶片。使用O形环时，优选通过在机架或加固框中形成凹槽来固定O形环。当把橡胶片作为密封材料7使用时，橡胶片的厚度优选为小于等于5mm，更优选为小于等于3mm，最优选为1mm，优选这样的厚度是因为，橡胶片太厚的话，会引起内压推压橡胶片。

节距P是指褶皱模制件临近两峰之间的距离。当节距不均匀时，使用平均节距作为节距P。节距P优选为0.1～10mm。节距P的下限优选为不小于0.4mm，更优选为不小于0.6mm，再优选为不小于0.8mm，最优选为不小于1.0mm。距P的上限优选为不大于8mm，更优选为不大于6mm，，最优选为不大于4mm。可以通过改变加固框的内宽和褶皱峰的个数来调整节距P。

节距P对气体分离膜基材厚度T的比值M优选为0.5～3.0mm。比值M的下限优选为不小于0.8，更优选为不小于1.0，进一步优选为不小于1.2，再优选为不小于1.4，最优选为不小于1.6。比值M的上限优选为不大于2.5，更优选为不大于2.2，再优选为不大于2.1，进一步优选为不大于2.0，最优选为不大于1.9。当比值M小于0.5时，过小的节距会阻碍空气的流通，容易削弱气体分离的能力。当比值M大于3.0时，过大的节距会减少膜面积，导致气体分离膜基材因为空气的流动而晃动，从而使其容易磨损或折断，或是使气体分离膜的两端固定部分变形，从而易于导致其破损。

比值M为2.0意味着褶皱中相邻气体分离膜基材的表面彼此接触，若比值M小于2.0则意味着褶皱中相邻气体分离膜基材受挤压变薄。图2a示意说明了一个比值M为3.0的V形剖视图。图2b示意说明了一个比值M为2.0的U形剖视图。

典型的褶元是一个有长边有短边的长方形。为了缩短机架梁之间的间距(稍后介绍)，褶元的短边优选为不长过必需的长度。短边的长度优选为小于等于300mm，更优选为小于等于250mm，再优选为小于等于200mm，进一步优选为小于等于150mm，最优选为小于等于100mm。即使梁与梁之间的间距不需要缩短，短边的长度优选为小于等于1000mm，更优选为小于等于500mm。

宽长比(W/Le)是指本发明的褶元的宽度(W)对长度(Le)的比值，根据气体分离能力(分离效率)和压力损失，宽长比(W/Le)优选为0.3～10.0，更优选为0.5～8.0，最优选为1.0～7。

[气体分离器(增湿器)]

气体分离器由配有合适入口、出口、流道(除非另行说明，这三者被统称为“流道”)的褶元构成的。

图7B，7C，8B，8C是本发明气体分离器的示意图。对于增湿器，虚线表示湿侧的流道，实线表示干侧的流道。

图7B和8B显示了使用流道形成装置70在褶元上形成“流道”的例子。流道形成装置可由一种具有高随动性能并具有两个开口(一个入口和一个出口)的薄片材料构成，，例如聚氨酯泡沫、凝胶板。将流道形成装置放到褶元6的表面，这样就在褶元上形成了流道。图7和图8中所示的机架8赋予了褶元除气体分离(增湿)功能外的辅助功能，即防止机械破损的功能及同外循环系统连接的功能等等。

图7C和8C显示了使用机架8而不是流道形成装置70来形成“流道”的例子。

使用图7和图8中所示的结构，会导致褶元和机架的内表面之间产生空间。在本发明中，流道和褶元内侧中的流道分别表示为“空间部分流道”和“基本部分流道”。当褶元中有空间部分流道时，可将流道控制装置(如线网)放在空间部分流道内，以调整气流阻力。例如，在空间部分流道内的高气流阻力可能增加压力损失，但同时它使流入基本部分流道内的空气量增加，所以能够提高气体分离(增湿)性能。

本发明的增湿器中的湿测流道体积比干侧流道体积的比值V[(22M+22S)/(21M+21S)]优选为0.5～100。比值V的下限优选为不小于0.8，更优选为不小于1.0，再优选为不小于1.2，进一步优选为不小于1.5，最优选为不小于2.0。比值V的上限优选为不大于50，更优选为不大于20，再优选为不大于10，最优选为不大于5。比值V若小于0.5会使湿侧流道的压力损失远远大于干侧流道的压力损失。比值V若大于100会使干侧流道的压力损失远远大于湿侧流道的压力损失。

[气体分离器(增湿器)的入口和出口]

本发明的气体分离器(增湿器)，在褶元的两侧至少有一对出入口，即一个入口，一个出口。在本发明中，从膜的使用效率考虑，优选使气体在褶元的宽度方向上均匀流动。图9为褶元入口和出口之间的关系的一个例子的示意图。

入口和出口的宽度61相当于褶元内宽的50％或更高，优选为大于等于80％，更优选为大于等于90％，最优选为大于等于95％。

入口和出口的横截面积相当于外管横截面积的10％或更高，更优选为大于等于20％，再优选为大于等于50％，进一步优选为大于等于100％，更进一步优选为大于等于200％，最优选为大于等于300％。

入口和出口的长度62的优选范围需根据上述宽度和横截面积而定。通常，优选长度范围为1mm～1m。长度下限优选为不小于5mm，更优选为不小于10mm，最优选为不小于15mm。长度上限优选为不大于20cm，更优选为不大于10cm，最优选为不大于5cm。

入口和出口可以被做成任何形状，只要形状的尺寸在上述优选范围内即可。它可以被做成长方形、椭圆形、菱形、梯形或是这些形状的组合。当使用沿宽度方向拉长的长方形时，优选把长方形的两条边做成半圆形，而不是直线，因为这种形状易于加工。

入口和出口之间的间距63被定义为开口间最短的长度，而不是入口和出口中心之间的长度。在本发明中，长度是指接触长度(L)。接触长度(L)比褶皱的高度(H)的比值被定义为比值R(R＝L/H)。

本发明的气体分离器(增湿器)的特征在于其R值为0.1～7.0。R值下限优选为不小于0.2，更优选为不小于0.4，再优选为不小于0.6，进一步优选为不小于0.8，最优选为不小于1.0。R值上限优选为不大于6.0，更优选为不大于5.0，再优选为不大于4.0，最优选为不大于3.0。

以增湿器为例，相对于具有一高度，宽度和长度的褶元A，具有一半长度的褶元B的压力损失是褶元A的一半，但由于它的体积和膜面积是褶元A的一半，于是褶元B的增湿能力就应该是褶元A的一半。然而，本发明惊讶地发现，褶元B的单位体积的增湿性能比褶元A的单位体积的增湿能力好。本发明的发明者对此现象进行研究后发现，具有某一特定R值的增湿器，相对于R值较大的传统增湿器具有优异的性能。基于此点，发明者完成了本发明。

(1)用相同的增湿膜结构，同样的膜面积，同样的体积，本发明具有较高的水汽运动。

(2)用相同的增湿膜结构，同样的膜面积，同样的体积，本发明的压力损失较低。

当R值小于0.1时，气体无法充分渗透到褶皱的深处，也就无法得到理想的增湿能力。当R值大于7.0时，过长的接触长度可能无法得到理想的压力损失。

接触长度L的优选范围是根据R值和褶皱高度H而定的。通常，接触长度L的优选范围是10～1000mm。接触长度L的下限优选为不小于20mm，更优选为不小于30mm，再优选为不小于40mm，最优选为不小于50mm。接触长度L的上限优选为不大于500mm，更优选为不大于300mm，再优选为不大于200mm，最优选为不大于150mm。用这种方式，由于R值和褶皱高度H的关系，褶元的长度最多为几百毫米，但是褶元的宽度因设定流率、增湿能力、压力损失的不同而可有各种尺寸。

[机架]

褶元可以被连接到机架上以组成实用的气体分离器(增湿器)，它除了具有分离气体(增湿)功能之外，还具有辅助功能(例如防止机械破损的功能及同外循环系统连接的功能)。

作为机架，优选为通过在褶元的两表面放置两个箱形压板，并且使板和部分的加固框紧密接触，从而构成一个密闭的容器。

图10a和10b是用以说明作为本发明褶元机架的优选实施例的压力板型机架的示意图。

使用图示结构能够得到具有坚固可靠的密封性能，并经得住高气压的气体分离器(增湿器)。

如上所述，大多数传统的平面褶皱型分离器是一次性(抛弃型)的，没有考虑过简单易行地将分离器中的褶元取出进行维护。然而，当本发明使用了压力板型机架后，能够更加方便地对紧凑型结构的分离器进行同步维护。

图10a是本发明的气体分离增湿器被用作增湿器的第一个实施例的外观透视图，图10b是增湿器的分解图。

通过加固框5，机架和褶元6彼此密闭接触，也就是说两者紧密接触。

图11是图10a从B方向看的断面图。水汽渗透膜的上面的流道和下面的流道分别作为干侧流道21和湿侧流道22。它们可以根据需要和目的适当时倒过来使用。干侧流道21和湿侧流道22被水汽渗透膜基材23、有密封材料作用的加固框5以及机架8密闭性地分离。干侧流道21与干侧入口211和干侧出口212相连。湿侧流道22与湿侧入口221和湿侧出口222相连。

如图7中虚线所示，湿气从湿侧入口221通入，从湿侧流道22的左边流到右边，最后从湿侧出口222排出。另一方面，如图7中实线所示，干气从干侧入口211通入，从干侧流道21的右边流到左边，最后从干侧出口212排出。在这个过程中，湿气中所含的水汽通过水汽渗透膜移动到了干气中。

一对压力板可以以各种方式结合。例如，可用粘合剂粘合和焊接，以及可用带子和插销固定。

当所用的气体处在高压下时，需要在机架周围加上一层增强材料以避免其变形的可能。

本发明的机架优选为将所有的入口、出口以及压力缓冲部(稍后介绍)整体成形。

所谓整体成形是指机架材料不能用螺栓或螺钉拆分。例如，即使机架材料被分解成几个部件，如果它们是用焊接或其它方式结合起来的，那么分解的部件依然被“整体成形”。

这样的机架结构能够有效地提高其耐振动性和耐压力变化性。

图12是说明本发明增湿器的的一个优选实施例中的机架的示意图。图13是图12从方向A看的断面图。

通过加固框5，机架和褶元6彼此密闭接触，即两者紧密接触。

图14是图12从方向B看的断面图。水汽渗透膜的上面的流道和下面的流道分别作为干侧流道21和湿侧流道22。它们可以根据需要和目的适当时倒过来使用。干侧流道21和湿侧流道22被水汽渗透膜基材23、加固框5、机架8以及需要时插在加固框和压力板之间的密封材料7密闭地分离。干侧流道21与干侧入口211和干侧出口212相连。湿侧流道22与湿侧入口221和湿侧出口222相连。

如图14中虚线所示，湿气从湿侧入口221通入，从湿侧流道22的左边流到右边，最后从湿侧出口222排出。另一方面，如图14中实线所示，干气从干侧入口211通入，从干侧流道21的右边流到左边，最后从干侧出口212排出。在这个过程中，湿气中所含的水汽通过水汽渗透膜移动到了干气中。

只要不背离本发明的目的，机架可以采用各种结构。例如，它可以由树脂铸模或用其他方法制成。各种材料，如不锈钢，铝，塑料，都可以作为机架材料使用。通过一种已知的材料技术，如加强肋和蜂窝结构，可以按要求减少机架的重量。机架优选为具有足够光滑的与褶元接触的表面。

通过加固框5，机架和褶元6彼此密闭接触，即两者紧密接触。在这种情况下，按要求，需要时可在机架和加固框5之间加上密封材料7。

[机架和压力缓冲部]

本发明的压力缓冲部被设计为一种调正装置，以避免在气体分离器(增湿器)的入口和出口处发生局部鼓气问题，还可以实现由装在外部管道、入口和出口之间的机架提供的一些辅助功能。在本发明中，压力缓冲部在很多情况下优选使用。

如图8所示，压力缓冲部在外部管道侧和褶元侧分别有开口A和开口B。开口A的形状和外部管道的形状一样。开口B的形状和褶元入口及出口的形状一样。开口B的宽度通常大于开口A的宽度。当外部管道的宽度接近于褶元入口及出口的宽度时，则无需压力缓冲部。

压力缓冲部可以采用任何结构，只要它能起到上述的调正功能即可。例如，它优选采用如下的管道结构：(1)连接开口A和开口B，而且在开口A和开口B之间的长度较长；(2)在管道内设有非织造织物或网制成的过滤器；(3)使流过开口A和开口B的气流彼此正交。采用这些结构可以使开口B中的压力分布和速度分布相对均匀，这样可以更有效地利用整个褶元表面上的气体分离(水汽渗透)膜。结构(3)为更优选，这是因为和其他结构相比，它更加紧凑，而且可以实现较低的压力损失。“彼此正交”是指管道内的气流方向转变，转变角度除了90度以外，还包括30～150之间的任意角度。

例如，在增湿器中，在虚线表示的湿侧流道22内，来自外循环系统的气体经由左侧的管道的开口A91引入，与正对的由金属板等封闭而成的对表面93发生撞击，形成一个相对均匀的压力场。然后，气体经由位于出口侧管道的下部的开口B引入到褶元中，待其中包含的水汽通过水汽渗透膜被输送到干侧流道21之后，经开口B排入到右侧管道中。排出的气体在管道内形成相对均匀的压力场，然后通过开口A92排出到外循环系统。图11和图13是压力缓冲部例子的示意图。

图15是压力缓冲部中气体的流动的情况的示意图。在图15a显示的流道结构中，当从上方俯视气体分离器(增湿器)的入口和出口时，气体从左前侧流到右后侧。在图15b显示流道结构中，气体从左前侧流到右前侧。在图15c显示的流道结构中，气体从左前侧和左后侧的两个入口流入，流向右前侧和右后侧的两个出口。在这几种结构中，图15c所示的流道结构在压力吸收效率方面为最优选。

压力缓冲部的容积定义为开口A和开口B所包围的空间体积。把外部管道的横截面积和褶元内宽的乘积作为参考容积。压力缓冲部的容积相对于参考容积的比值优选为0.1～100。在本发明中，该比值称为比值VB。VB值的下限优选为不小于0.2，更优选为不小于0.5，再优选为不小于1.0，最优选为不小于2.0。VB值小于0.1时，不可能提供足够的压力吸收效率。VB值的上限没有特别的限定，但是VB值优选为不大于100，因为若VB值大于100，那么压力缓冲部的容积比必需的容积大太多。

压力缓冲部的宽度相对于褶元的入口和出口的宽度，优选为50～800％。宽度下限优选为不小于70％，更优选为不小于80％，最优选为不小于90％。宽度上限优选为不大于600％，更优选为不大于400％，最优选为不大于200％。

压力缓冲部的开口B的宽度相对于压力缓冲部的宽度，优选为大于等于50％，更优选为大于等于80％，再优选为大于等于90％，最优选为大于等于95％。

压力缓冲部的开口B的横截面积相对于开口A的横截面积，优选为大于等于50％，更优选为大于等于100％，再优选为大于等于200％，进一步优选为大于等于300％，再进一步优选为大于等于400％，最优选为大于等于500％。

在增湿器中，可以采用各种已知的流动方式作为湿气和干气通过水汽渗透膜相互接触的方式，如对流、并流、错流、辐射流。其中，特别优选对流和并流。

[褶元的堆叠]

在本发明中，可以在机架中设置数个褶元以得到大的膜面积。例如，在本发明中，褶皱的高度P优选为5～200mm，由于增湿器在平面方向上的尺寸因某些原因受到很大限制而在高度方向上的限制较小，因而可以通过以小于等于200mm的高度堆叠褶元而使干侧流道或湿侧流道共享的方式来得到大的膜面积。

[气体分离器(增湿器)的操作方法]

本发明的发明者对包含有褶皱模制件的气体分离器(增湿器)和它的操作方法都做了深入研究，发现可以通过提高单位时间的气体流率对褶元外部形状体积的比值来进一步提高膜的使用效率。

本发明的气体分离器(增湿器)的操作方法的特点是，它的体积流率大于等于200。本发明中体积流率定义为，每分钟通入到气体分离器(增湿器)的气体(增湿器中的干气)的流率(NL)对于褶元的外部体积(Ve)的比值。NL是指标准状态下的气体体积。体积流率的下限优选为不小于400，更优选为不小于600，再优选为不小于800，进一步优选为不小于1000，最优选为不小于1200。体积流率的上限没有特别的限定，但是优选为不大于100000，更优选为不大于50000，最优选为不大于10000。

根据定义，要提高一定流率下的体积流率，就需要减少褶元的体积。例如，褶元减少了约一半的尺寸(高度减至原来的50％，宽度减至原来的50％，长度减至原来的50％)，那么体积就减至原来的1/8，但是压力损失是原来的两倍。本发明的操作方法包括这样一种情况，例如，当增加压力损失并非可取时，那么其尺寸可以这样变化，高度减至原来的50％，宽度减至原来的71％，长度减至原来的0.35％，此时，可以保持原来的压力损失，而体积仍减至原来的1/8。

体积流率的单位是(1/min)，它的量纲是时间的倒数。具体地，大于等于200的体积流率，相当于气体分离器(增湿器)内的平均气体停留时间小于等于0.3。

本发明中的横截面流率定义为每分钟干气的流率(NL/min)对于垂直于褶皱方向切割的横截面积(cm2)之比值。在本发明中，横截面流率的单位(10m/min)是速度量纲。优选地，体积流率(停留时间)不要太低，横截面流率(气体在气体分离器(增湿器)中的速度)不要太高。这意味着，具有较小R值的气体分离器(增湿器)在某一体积下为优选。具体地，本发明的气体分离器(增湿器)以及它的操作方法是基于上述相同的技术思想对设备和操作方法的具体化的发明。横截面流率的上限优选为不大于100，更优选为不大于80，再优选为不大于60，进一步优选为不大于40，最优选为不大于20。

[增湿器的性能]

下文将介绍本发明的作为增湿器使用的气体分离器的性能。

本发明的增湿器的性能可以通过以下方法进行评估。

在下文的介绍中，为了简化，用DI，DO，WI，WO分别表示干侧入口，干侧出口，湿侧入口，湿侧出口。

水汽运动(g/min)＝DO水汽流率-DI水汽流率

单位体积水汽运动(g/min/L)＝水汽运动/褶元体积

平均水汽分压差(kPa)＝(WI水汽分压+WO水汽分压-DI水汽分压-DO水汽分压)/2

交换能力(g/min/kPa/L)＝水汽运动/平均水汽分压差

单位体积交换能力(g/min/kPa/L)＝交换能力/褶元体积

压力总损失(kPa)＝WI总压-WO总压+DI总压-DO总压

综合性能(g/min/kPa²/L)＝单位体积交换能力/压力总损失(kPa)×1000

单位体积交换能力优选为大于等于0.1，更优选为大于等于0.2，再优选为大于等于0.5，进一步优选为大于等于0.7，最优选为大于等于1.0。单位体积交换能力小于0.1为不可取，因为这时，如要提供足够的增湿性能，那么设备体积必需增加很多。在很多增湿应用中，单位体积交换能力大于等于2.5就能完全达到本发明的目的。

干侧和湿侧两者的压力损失优选为小于等于50kPa，更优选为小于等于20kPa，再优选为小于等于10kPa，进一步优选为小于等于5kPa，最优选为小于等于3kPa。压力损失大于50kPa是不可取的，因为在很多增湿应用中，增湿器的能量损失是不可以忽略的。

综合性能优选为大于等于10，更优选为大于等于20，再优选为大于等于40，进一步优选为大于等于60，最优选为大于等于80。

实施例

实施例1

[增湿膜]

使用连续浸渍设备，在全氟离子-交换树脂溶液(Asahi Kasei Corporation生产，Aciplex-SS-1000)中浸渍聚乙烯微孔膜(厚度为16μm，每平方米重量为9g(9g/m²)，孔隙率为40％，空气渗透性为300秒)，然后再在80℃的温度下干燥，得到复合增湿膜。此时，全氟离子-交换树脂的涂层重量为4g/m²。

[褶元]

将聚丙烯制的网A(每平方米重量为104g(104g/m²)，纤维直径为0.3mm，孔径比为66％，厚度为0.7mm)、聚丙烯制的网B(每平方米重量为50g(50g/m²)，纤维直径为0.25mm，孔径比为86％，厚度为0.5mm)作为透气增强材料放在已形成的增湿膜的一侧。将聚丙烯制的网C(每平方米重量为50g(50g/m²)，纤维直径为0.25mm，孔径比为86％，厚度为0.5mm)放在增湿膜的相反侧。制作高度H定为40mm的褶皱。把褶皱当作褶元使用，加固框的宽度为400mm，长度为240mm，高度为44mm(弯曲部分的宽度为10mm)。使用环氧粘合剂粘合褶皱模制件和加固框，它们被密封在一起，形成平板式褶元。峰数N设定为137，褶皱的节距P设定为2.9mm。节距P对于增湿膜基材厚度T的比值M为1.7。

[增湿元和增湿器]

如图11所示，褶元被连接到机架上以构成增湿元和增湿器。基本部分流道和空间部分流道之间的横截面比值C在湿侧为1.1，在干侧为1.2。湿侧流道体积对于干侧流道体积的比值V是1.5。将线网(其厚度为3mm，网线直径为1.5mm，孔面积率为78％)放置在湿侧的空间部分内，作为流道控制装置。比值R是入口和出口间的长度对于褶皱高度H的比值，该值设定为3.6。逆流时，形成连接，使湿气和干气的进气和出气彼此接触。

[评估]

通过在湿侧出口安置阀门，将湿侧入口的压力控制在40kPaG的的情况下，将相对湿度90％和温度为80℃的湿气以3000NL/min的流率通入增湿器的湿侧入口。通过在干侧出口安置阀门，，将干侧出口的压力控制在60kPaG的情况下，将相对湿度1％和温度为80℃的干气以3000NL/min的流率通入增湿器的干侧入口。

在以上述条件向增湿元连续通一小时气体之后，测量湿侧出口和干侧出口的相对湿度和温度，以此计算通过增湿膜的水汽运动情况。并测量湿侧入口、湿侧出口、干侧入口、干侧出口间的压力损失。

结果如表1所示。

实施例2

用和实例1相同类型的增湿膜和透气增强材料做成褶皱，褶皱高度设定为40mm。把褶皱当作褶元使用，加固框的宽度为400mm，长度为120mm，高度为44mm。环氧粘合剂被用来粘合褶皱模制件和加固框，它们被密封在一起，形成平板式褶元。峰数N设定为176，褶皱的节距P设定为2.3mm。节距P对于增湿膜基材厚度T的比值M为1.4。

如图11所示，褶元被连接到机架上以构成增湿元和增湿器。基本部分流道和空间部分流道之间的横截面比值C在湿侧为1.1，在干侧为1.2。湿侧流道体积对于干侧流道体积的比值V是1.5。将线网(其厚度为3mm，网线直径为1.5mm，孔面积率为78％)放置在湿侧的空间部分内，作为流道控制装置。比值R是入口和出口间的长度对于褶皱高度H的比值，该值设定为1.9。在和实施例1相同的条件下，对增湿器性能进行评估。

结果如表1所示。

实施例3

用和实例1相同类型的增湿膜和透气增强材料做成褶皱，褶皱高度设定为40mm。把褶皱当作褶元使用，加固框的宽度为300mm，长度为300mm，高度为44mm。环氧粘合剂被用来粘合褶皱模制件和加固框，它们被密封在一起，形成平板式褶元。峰数N设定为103，褶皱的节距P设定为2.9mm。节距P对于增湿膜基材厚度T的比值M为1.7。

如图11所示，褶元被连接到机架上以构成增湿元和增湿器。基本部分流道基本部分流道和空间部分流道之间的横截面比值C在湿侧为1.1，在干侧为1.2。湿侧流道体积对于干侧流道体积的比值V是1.5。将线网(其厚度为3mm，网线直径为1.5mm，孔面积率为78％)放置在湿侧的空间部分内，作为流道控制装置。比值R是入口和出口间的长度对于褶皱高度H的比值，该值设定为5.8。在和实施例1相同的条件下，对增湿器性能进行评估。

结果如表1所示。

(对照例1)

用和实例1相同类型的增湿膜和透气增强材料做成褶皱，褶皱高度设定为24mm。把褶皱当作褶元使用，加固框的宽度为240mm，长度为430mm，高度为28mm。环氧粘合剂被用来粘合褶皱模制件和加固框，它们被密封在一起，形成平板式褶元。峰数N设定为82，褶皱的节距P设定为2.9mm。节距P对于增湿膜基材厚度T的比值M为1.7。

如图11所示，褶元被连接到机架上以构成增湿元和增湿器。基本部分流道和空间部分流道之间的横截面比值C在湿侧为1.2，在干侧为1.3。湿侧流道体积对于干侧流道体积的比值V是1.5。将线网(其厚度为3mm，网线直径为1.5mm，孔面积率为78％)放置在湿侧的空间部分内，作为流道控制装置。比值R是入口和出口间的长度对于褶皱高度H的比值，该值设定为14.0。在和实施例1相同的条件下，对增湿器性能进行评估。

结果如表1所示。

表1显示了实施例1～3和对照例的增湿器性能。

所有的实施例例子都表现出低压力损失，单位体积的高增湿性，所有实施例都表现出优异的综合性能。

表1

实施例4

使用和实施例1所用的增湿器一样的增湿器，在同样的条件下对增湿器进行评估，除了湿气的流率和干气的流率改为表2中所列数据外。

结果如表2所示。

由于体积流率大，所以水汽运动加剧。这说明单位体积的效率得到提高。

表2

实施例5

在和实施例1相同条件下进行评估，除了褶元的宽度设定为300以及峰数N设定为103外。

结果如表3所示。

比较实施例1和实施例6，可以发现，在某一流率下通过减少褶元的体积，可以增加体积流率，从而提高单位体积的效率。

表3

工业应用

采用本发明的气体分离器及其操作方法，在各种应用中，能够在成本、体积效率、以及物理耐用性方面都取得一定优势。这些应用如：固体聚合物燃料电池，空调，以及工业用气体生产装置中气体的增湿及去湿。

Claims

1.一种气体分离器，包括：

含有褶皱模制件和加固框的褶元和所述褶元的上表面和下表面，所述褶皱模制件是通过使由气体分离膜和至少一层透气增强材料组成的复合膜打褶而成的，所述加固框位于褶皱模制件的外围，所述上表面和下表面被具有至少有一组入口和出口的板所覆盖，其中，

所述入口和出口间的最短长度(L)对褶元高度(H)的比值(R＝L/H)为0.1～7.0，褶元长度(Le)对褶元宽度(W)的比值(W/Le)范围为0.3～10.0。

2.如权利要求1所述的气体分离器，其中所述气体分离膜是水汽渗透膜。

3.如权利要求1所述的气体分离器，其中所述气体分离器有增湿功能。

4.如权利要求1～3中任何一项所述的气体分离器，进一步包括装在外部管道与所述入口之间、以及外部管道与所述出口之间的压力缓冲部。

5.如权利要求4所述的气体分离器，其中所有所述入口、出口、以及压力缓冲部是整体成形的。

6.如权利要求1～3中任何一项所述的气体分离器，其中所述气体分离器的加固框是由密封材料形成的。

7.如权利要求1～3中任何一项所述的气体分离器，其中至少有一个所述褶元位于两块压力板之间，每个所述褶元的加固框和两块压力板彼此之间紧密接触，从而形成一个密闭的空间。

8.如权利要求1～3中任何一项所述的气体分离器，所述褶元具有长方形的形状。

9.一种操作如权利要求1～7中任何一项所述的气体分离器的方法，其中所述气体分离器以200或更高的体积流率(NL/Ve)运作，所述体积流率(NL/Ve)是指单位时间气体流率(NL)对所述褶元外体积(Ve)的比值。