JP2002162192A

JP2002162192A - 積層型熱交換器

Info

Publication number: JP2002162192A
Application number: JP2000360045A
Authority: JP
Inventors: Ryoji Okabe; 良次岡部
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2000-11-27
Filing date: 2000-11-27
Publication date: 2002-06-07

Abstract

(57)【要約】【課題】熱応力変形を防止すること。【解決手段】燃料電池１０に用いられるメタノール／
水Ｍが流れる流路を有する複数の板状タンクエレメント
１２５と、複数の板状タンクエレメント１２５に対して
それぞれ交互に積層され、長手方向の断面積が他の部分
の断面積に比べて小さい小断面積部分が形成された略断
面波状の複数のアウターフィン１２６と、複数のアウタ
ーフィン１２６のそれぞれに担持された燃焼触媒とを備
えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、燃料電池発電シ
ステムの一部を構成し、メタノール／水を蒸発させる積
層型熱交換器に関し、更に詳しくは、ラミネート構造の
タンクエレメントと、燃焼触媒を担持し熱応力変形を防
止するためのスリット等が形成されたアウターフィンと
が積層されてなる積層型熱交換器に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１３は、例えば、蒸発器として用いら
れる従来の熱交換器の構成を示す一部裁断側面図であ
る。この種の熱交換器は、ドロンカップ型に分類されて
おり、複数の板状チューブエレメント１、１、・・・と、
薄板部材が略断面波形状に形成されてなる複数のフィン
３、３、・・・とが交互に積層された構造体をなしてい
る。これらの板状チューブエレメント１、１、・・・のそ
れぞれの一端部は、チューブ部材２に接合されている。

【０００３】上記構成において、板状チューブエレメン
ト１、１、・・・内に被蒸発液が流れている状態で、フィ
ン３、３、・・・に高温の気体が供給されると、熱交換作
用により、被蒸発液が蒸発する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前述したよ
うに、従来の熱交換器では、高温にさらされているた
め、熱応力により、フィン３、３、・・・にうねりが生じ
たり、熱応力が許容値を超えると、フィン３、３、・・・
の物理的な力が板状チューブエレメント１、１、・・・に
作用することで図１４に示したように全体が変形すると
いう問題があった。このような熱応力変形が繰り返され
ると、熱交換器を構成する部材間の接合状態が悪化する
ため、熱交換器の寿命が短くなる。

【０００５】ここで、熱応力σは、縦弾性係数をＥ、フ
ィン３の熱膨張係数をα₁ 、フィン３の温度変化量をΔ
Ｔ₁ 、板状チューブエレメント１の熱膨張係数をα₂ 、
板状チューブエレメント１の温度変化をΔＴ₂ とすると
つぎの式で表される。 σ＝Ｅ（α₁・ΔＴ₁ −α₂・ΔＴ₂ ）

【０００６】そこで、この発明は、上記に鑑みてなされ
たものであって、熱応力変形を防止することができる積
層型熱交換器を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に係る発明は、燃料電池に用いられる燃料
が流れる流路を有する複数のエレメントと、前記複数の
エレメントに対してそれぞれ交互に積層され、長手方向
の断面積が他の部分の断面積に比べて小さい小断面積部
分が形成された略断面波状の複数のアウターフィンと、
前記複数のアウターフィンのそれぞれに担持された燃焼
触媒とを備えたことを特徴とする。

【０００８】この発明によれば、複数のエレメントのそ
れぞれに燃料が供給された状態で、燃焼ガス等が複数の
アウターフィンに供給されると、燃焼ガスが燃焼媒体に
より完全燃焼することで、複数のエレメントが加熱さ
れ、燃料が蒸発する。ここで、複数のアウターフィンに
小断面積部分が形成されているため、座屈応力が低い。
従って、比較的小さな熱応力がアウターフィンに作用す
ると、アウターフィンが座屈する。

【０００９】このように、この発明によれば、アウター
フィンに小断面積部分を形成し、アウターフィンの座屈
応力を低くしたので、熱応力によるアウターフィンのう
ねりが防止されるとともに、複数のエレメント（積層型
熱交換器）の熱応力変形が防止され、信頼性が向上す
る。

【００１０】また、請求項２に係る発明は、請求項１に
記載の積層型熱交換器において、前記小断面積部分は、
前記アウターフィンの側壁における中央部分に形成され
ていることを特徴とする。

【００１１】この発明によれば、アウターフィンの側壁
における中央部分に小断面積部分を形成したので、アウ
ターフィンの座屈応力を効果的に低くすることができる
ため、さらに熱応力変形が防止されるとともに信頼性が
向上する。

【００１２】また、請求項３に係る発明は、請求項１ま
たは２に記載の積層型熱交換器において、前記小断面積
部分には、長穴形状スリット、丸穴形状スリットまたは
溝が形成されていることを特徴とする。

【００１３】この発明によれば、長穴形状スリット、丸
穴形状スリットまたは溝により、アウターフィンに小断
面積部分を形成し、アウターフィンの座屈応力を低くし
たので、熱応力によるアウターフィンのうねりが防止さ
れるとともに、複数のエレメント（積層型熱交換器）の
熱応力変形が防止され、信頼性が向上する。

【００１４】また、請求項４に係る発明は、燃料電池に
用いられる燃料が流れる流路を有する複数のエレメント
と、前記複数のエレメントに対してそれぞれ交互に積層
され、中央部が長手方向に２分割されてなる略断面波状
の複数のアウターフィンと、前記複数のアウターフィン
のそれぞれに担持された燃焼触媒とを備えたことを特徴
とする。

【００１５】この発明によれば、複数のエレメントのそ
れぞれに燃料が供給された状態で、燃焼ガス等が複数の
アウターフィンに供給されると、燃焼ガスが燃焼媒体に
より完全燃焼することで、複数のエレメントが加熱さ
れ、燃料が蒸発する。ここで、アウターフィンが２分割
されているため熱応力がアウターフィンに作用しても、
分割された一方のアウターフィンと他方のアウターフィ
ンとが干渉しない。

【００１６】このように、この発明によれば、アウター
フィンを２分割することで、分割されたアウターフィン
同士が干渉しないようにしたので、複数のエレメント
（積層型熱交換器）の熱応力変形が防止され、信頼性が
向上する。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、この発明につき図面を参照
しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこ
の発明が限定されるものではない。

【００１８】図１は、この発明に係る一実施の形態が適
用された燃料電池発電システムの構成を示すブロック図
である。この燃料電池発電システムは、他の発電手段に
比べて、エネルギー効率が高いこと、化学反応で生成さ
れるのが水（水蒸気）であるため地球環境に対してクリ
ーンであること、タービンのような可動部分がないため
振動や騒音が極めて小さいこと、などの利点が多いた
め、自動車や、工場、オフィス、病院、集合住宅、ホテ
ル等のエネルギー源として有望視されている。

【００１９】また、燃料電池発電システムは、メタノー
ル／水を改質反応させて水素を多量に含む水素リッチガ
スを生成する改質器と、圧縮空気を生成する空気圧縮機
と、水素リッチガス（水素）および圧縮空気（酸素）に
より発電を行う燃料電池とから概略構成されている。上
記メタノールは、液体の状態で大量貯蔵ができ、しかも
取り扱いが容易であるため、燃料として適している。

【００２０】図１に示した燃料電池発電システムは、燃
料電池１０、空気圧縮機２０、改質器１１０およびメタ
ノール／水供給装置１００から概略構成されている。燃
料電池１０は、例えば、固体高分子電解質型のものであ
り、構成単位である単セルを複数積層したスタック構造
を有している。なお、同図には、理解を容易にするため
に、単セルのみの構成が図示されている。

【００２１】燃料電池１０は、電解質１３と、電解質１
３の一方の面側に設けられた酸素極１１と、電解質１３
の他方の面側に設けられた水素極１２とから構成されて
おり、燃料（水素）が有する化学エネルギーを、燃焼に
よって電気化学的に直接電気エネルギーに変換するもの
である。燃焼剤としては、圧縮空気ＰＡ（酸素）が用い
られる。酸素極１１および水素極１２は、電解質１３を
両側から挟むサンドイッチ構造をなすガス拡散電極であ
り、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンク
ロスによりそれぞれ形成されている。

【００２２】また、酸素極１１と電解質１３との間、水
素極１２と電解質１３との間には、セパレータ（図示
略）がそれぞれ介挿されている。このセパレータは、ガ
ス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガ
ス不透過とした緻密質カーボンにより形成されている。
酸素極１１とセパレータとの間には、圧縮空気ＰＡが流
れるガス流路が形成されており、同様にして、水素極１
２とセパレータとの間にも水素リッチガスＧ₈が流れる
ガス流路が形成されている。

【００２３】ここで、酸素極１１からは、発電に利用さ
れなかった酸素を含む排ガスＰＡ’が排出される。水素
極１２からは、発電に利用されなかった水素を含む水素
オフガスＧ₂ が排出される。この水素オフガスＧ₂は、
管路（図示略）を介して後述する積層型熱交換器１２０
へ供給される。電解質１３は、固体高分子材料、例えば
フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン
交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。こ
の電解質１３の表面には、触媒としての白金または白金
と他の金属からなる合金が担持されている。

【００２４】空気圧縮機２０は、酸素を大量に含む圧縮
空気ＰＡを生成し、これを管路（図示略）を介して酸素
極１１およびバーナ４０へ供給する。改質器１１０は、
メタノールと水とが混合されたメタノール／水Ｍから水
素リッチガスＧ₈ を生成するものであり、バーナ４０、
積層型熱交換器１２０、ＰＯＸ触媒６０、ＬＴＳ熱交換
器７０、ＬＴＳ触媒８０およびＰＲＯｘ触媒一体型熱交
換器９０から構成されている。ここで、メタノール／水
供給装置１００は、積層型熱交換器１２０およびバーナ
４０へ管路（図示略）を介してメタノール／水Ｍを供給
する装置である。

【００２５】バーナ４０は、空気圧縮機２０から管路
（図示略）を介して供給される圧縮空気ＰＡにより、燃
料としてのメタノール／水Ｍを燃焼させ、積層型熱交換
器１２０を加熱するための燃焼ガスＧ₁ を生成する。積
層型熱交換器１２０は、燃焼触媒により燃焼ガスＧ
₃（燃焼ガスＧ₁ および水素オフガスＧ₂）に含まれる
燃料（水素）を触媒燃焼させ、約６００℃の高温下で、
メタノール／水Ｍを蒸発させるものである。この積層型
熱交換器１２０からは、約２５０℃のメタノール水蒸気
Ｇ₄ が次段のＰＯＸ触媒６０へ供給される。

【００２６】積層型熱交換器１２０は、燃焼触媒により
燃焼ガスＧ₃（燃焼ガスＧ₁ および水素オフガスＧ₂）
に含まれる燃料（水素）を触媒燃焼させ、約６００℃の
高温下で、メタノール／水Ｍを蒸発させるものである。
この積層型熱交換器１２０は、図２に示したように、メ
タノール／水Ｍが内部に供給される板状タンクエレメン
ト１２５と、燃焼触媒を担持する断面波形状のアウター
フィン１２６とが交互に積層された構成とされている。
以下、積層型熱交換器１２０の構成について詳細に説明
する。

【００２７】図２に示した積層型熱交換器１２０は、複
数の板状タンクエレメント１２５、１２５、・・・と、こ
れらの板状タンクエレメント１２５、１２５、・・・間に
挟まれるようにそれぞれ配設された複数のアウターフィ
ン１２６、１２６、・・・と、エンドプレート１２７およ
び１２８と、ヘッダ１２９とから構成されている。

【００２８】図３に示したように、板状タンクエレメン
ト１２５は、プレート１２１、プレート１２２、インナ
ーフィン１２３およびインナーフィン１２４がニッケル
ろうを用いた真空ろう付けにより一体に成形されてな
り、略逆Ｕ字状の内部空間（流路）を有するラミネート
構造とされている。この板状タンクエレメント１２５の
内部では、メタノール／水Ｍ（図１参照）が流れるとと
もに、後述する燃焼触媒の作用による高温によってメタ
ノール／水Ｍが蒸発する。

【００２９】プレート１２１には、プレス加工により、
板部材に略逆Ｕ字状の凹部１２１ｂが形成されている。
さらに、プレート１２１には、凹部１２１ｂの両端部分
に穴１２１ｄおよび穴１２１ｅが打ち抜き形成されてい
る。一方、プレート１２２は、プレート１２１と略同面
積の板部材からなり、プレート１２１の蓋としての役目
をしている。このプレート１２２の下部にも、プレート
１２１の穴１２１ｄおよび穴１２１ｅと対向する位置に
穴１２２ａおよび穴１２２ｂが打ち抜き形成されてい
る。

【００３０】板状タンクエレメント１２５を組み立てる
場合には、プレート１２１の凹部１２１ａおよび凹部１
２１ｃのそれぞれに略断面波状のインナーフィン１２３
およびインナーフィン１２４がセットされる。つぎに、
インナーフィン１２３およびインナーフィン１２４が内
部にセットされたプレート１２１の全体を覆うようにし
てプレート１２２がセットされる。インナーフィン１２
４およびインナーフィン１２３は、ろう付け技術によ
り、プレート１２１およびプレート１２２にろう付けさ
れる。ここで、プレート１２２とプレート１２１との周
縁部は、板状タンクエレメント１２５内の気密を確保す
べく、かしめ技術により接合される。

【００３１】アウターフィン１２６は、図５（ａ）に示
したように薄板部材が略断面波状に形成されてなり、図
７に示したように頂部１２６ａがプレート１２１に、頂
部１２６ｂがプレート１２２にろう付けされている。こ
こで、図５（ａ）〜（ｃ）を参照してアウターフィン１
２６の構成について詳述する。図５（ａ）は、アウター
フィン１２６の構成を示す斜視図であり、図５（ｂ）
は、アウターフィン１２６の構成を示す側面図である。
図５（ｃ）は、図５（ｂ）に示したＢ−Ｂ’線視断面図
である。これらの図において、アウターフィン１２６の
側壁１２６ｃおよび１２６ｅの中央部には、長手方向に
一定間隔をおいて、６個の長穴状スリット１２６ｄ、１
２６ｄ、・・・、長穴状スリット１２６ｆ、１２６ｆ、・・・
がそれぞれ形成されている。

【００３２】これらの長穴状スリット１２６ｄ、１２６
ｄ、・・・は、アウターフィン１２６の長手方向における
断面積が、他の部分に比べて小さい部分を故意に作りだ
し、アウターフィン１２６の座屈応力や圧縮破壊応力を
低下させることを目的として形成されている。このよう
にした場合には、図６に示したように、温度変化量ΔＴ
と熱応力σとの関係において、フィン座屈応力Ｌ₂ を同
図波線で示したフィン座屈応力Ｌ₃ に低下させることが
可能となる。

【００３３】すなわち、同図に示した熱応力特性線Ｌ₁
上の動作点Ｐ₁ が動作点Ｐ₂ となる。上記フィン座屈応
力Ｌ₂ および動作点Ｐ₁ は、アウターフィン１２６に長
穴状スリット１２６ｄ、１２６ｄ、・・・、長穴状スリッ
ト１２６ｆ、１２６ｆ、・・・を形成しない場合に対応し
ている。一方、フィン座屈応力Ｌ₃ および動作点Ｐ₂
は、アウターフィン１２６に長穴状スリット１２６ｄ、
１２６ｄ、・・・、長穴状スリット１２６ｆ、１２６ｆ、・
・・を形成した場合に対応している。

【００３４】この図からわかるように、アウターフィン
１２６が比較的小さい熱応力によって座屈するため、ア
ウターフィン１２６、１２６、・・・のうねりが防止され
るとともに、板状タンクエレメント１２５、１２５、・・
・（積層型熱交換器１２０）の熱応力変形が防止され
る。

【００３５】また、図７に示したように、アウターフィ
ン１２６は、燃焼触媒１３０を担持する。すなわち、ア
ウターフィン１２６の表面および裏面には、燃焼触媒１
３０が塗布されている。この燃焼触媒１３０は、燃焼ガ
スＧ₃（図１参照）を完全燃焼させることにより、板状
タンクエレメント１２５を約６００℃に加熱する役目を
している。この燃焼触媒１３０は、１〜３％の貴金属
（例えば、Ｐｔ）等から組成されている。

【００３６】図２に示したヘッダ１２９は、メタノール
／水Ｍが流入される流入口１２９ａとメタノール水蒸気
Ｇ₄を流出するための流出口１２９ｂとが形成された略
箱形状の部材である。積層型熱交換器１２０を組み立て
る場合には、板状タンクエレメント１２５、１２５、・・
・とアウターフィン１２６、１２６、・・・とが交互に積層
され、この積層構造体の両端面にエンドプレート１２７
およびエンドプレート１２８が取り付けられる。また、
エンドプレート１２８には、ヘッダ１２９が取り付けら
れる。これにより、積層型熱交換器１２０が組み立てら
れた後、ろう付けにより各部材が一体に接合される。た
だし、この時点では、アウターフィン１２６、１２６、
・・・のそれぞれには、燃焼触媒１３０（図７参照）が担
持されていない。

【００３７】また、ヘッダ１２９の流入口１２９ａが複
数の穴１２１ｄおよび１２２ａ（図３参照）と連通する
ように気密加工が施される。同様にして、ヘッダ１２９
の流出口１２９ｂが複数の穴１２１ｅおよび１２２ｂ
（図３参照）と連通するように気密加工が施される。こ
れにより、積層型熱交換器１２０には、同図矢印Ａで示
す流路が形成される。板状タンクエレメント１２５にお
いては、メタノール／水Ｍは、凹部１２１ａ側から凹部
１２１ｃ側へ流れるが（図４参照）、この途中で加熱に
よりメタノール水蒸気Ｇ₄ として蒸発する。このメタノ
ール水蒸気Ｇ₄ は、ヘッダ１２９の流出口１２９ｂより
流出する。

【００３８】つぎに、組み立てられた積層型熱交換器１
２０は、燃焼触媒１３０の成分が含まれる溶液中にどぶ
漬けされた後、引き上げられる。これが繰り返されるこ
とにより、図７に示したように、所定膜厚の燃焼触媒１
３０がアウターフィン１２６に担持される。なお、アウ
ターフィン１２６以外の部分（プレート１２１、プレー
ト１２２等）にも、燃焼触媒１３０が担持されるが、積
層型熱交換器１２０の性能上特に問題はない。

【００３９】また、一実施の形態では、耐酸化性を高め
るために、積層型熱交換器１２０を構成するそれぞれの
部材の材質がＳＵＳ（ステンレス）とされている。例え
ば、アウターフィン１２６の材質は、２０％のＣｒ−５
％のＡｌを含有するフェライト系ステンレスとされてお
り、板状タンクエレメント１２５等は、ＳＵＳ３１６と
されている。特に、アウターフィン１２６は、極めて薄
く、しかも約６００℃という高温下で使用されるため、
極めて高い耐酸化性、高温熱疲労特性が要求される。こ
のため、一実施の形態では、かかる要求を満たすアウタ
ーフィン１２６の材質として、２０％のＣｒ、５％のＡ
ｌを含有するフェライト系ステンレスが用いられてい
る。

【００４０】図１に戻り、ＰＯＸ触媒６０は、改質反応
により、積層型熱交換器１２０より供給されるメタノー
ル水蒸気Ｇ₄ から、特に水素を多く含む水素リッチガス
Ｇ₅（約２５０℃）を得るための触媒であり、積層型熱
交換器１２０の下流側に配設されている。このＰＯＸ触
媒６０は、ハニカム（蜂の巣）状の担持体に担持されて
いる。水素リッチガスＧ₅ には、水素の他に、一酸化炭
素等が含まれている。

【００４１】ＬＴＳ熱交換器７０は、ＰＯＸ触媒６０の
下流側に配設されており、例えば、水冷方式により、Ｐ
ＯＸ触媒６０からの水素リッチガスＧ₅ （約２５０℃）
を、約９０℃の水素リッチガスＧ₆にする。ＬＴＳ触媒
８０は、ＬＴＳ熱交換器７０の下流側に配設されてお
り、水素リッチガスＧ₆ に含まれる一酸化炭素を低減さ
せ、これを水素リッチガスＧ₇ とする。ＰＲＯｘ触媒一
体型熱交換器９０は、ＬＴＳ触媒８０の下流側に配設さ
れており、水素リッチガスＧ₇ に含まれる一酸化炭素を
１０ｐｐｍ以下に低減させ、これを水素リッチガスＧ₈
として、管路（図示略）を介して水素極１２へ供給す
る。

【００４２】つぎに、上述した一実施の形態の動作につ
いて説明する。図１に示した燃料電池発電システムが起
動されると、バーナ４０でメタノール／水Ｍが燃焼され
ることにより、燃焼ガスＧ₁ が生成される。この場合、
起動時であるため、水素極１２からは、水素オフガスＧ
₂ が積層型熱交換器１２０のアウターフィン１２６に担
持されている燃焼触媒１３０（図７参照）へ供給されな
い。従って、バーナ４０からの燃焼ガスＧ₁ は、燃焼触
媒１３０に燃焼ガスＧ₃ として供給される。これによ
り、燃焼ガスＧ₃ が燃焼触媒１３０により完全燃焼され
ることにより、アウターフィン１２６、１２６、・・・、
板状タンクエレメント１２５、１２５、・・・が約６００
℃に加熱される。

【００４３】このとき、アウターフィン１２６、１２
６、・・・に熱応力が作用するが、アウターフィン１２
６、１２６、・・・は、断面積が小さい部分（長穴状スリ
ット１２６ｄ、１２６ｄ、・・・、長穴状スリット１２６
ｆ、１２６ｆ、・・・：図５（ａ）〜（ｃ）参照）によ
り、座屈応力が低下しているため、比較的小さい熱応力
で座屈する。従って、アウターフィン１２６、１２６、
・・・のうねりが防止されるとともに、板状タンクエレメ
ント１２５、１２５（積層型熱交換器１２０）の熱応力
変形が防止される。

【００４４】この状態で、図２に示した流入口１２９ａ
にメタノール／水Ｍ（図１参照）が供給されると、メタ
ノール／水Ｍは、矢印Ａ方向に沿って、板状タンクエレ
メント１２５、１２５、・・・のそれぞれの凹部１２１ａ
側に流れ込んだ後、凹部１２１ｂの形状に沿って凹部１
２１ｃ側に流れる。このとき、メタノール／水Ｍは、約
６００℃の高温により蒸発し、メタノール水蒸気Ｇ₄ と
して、流出口１２９ｂから流出される。このメタノール
水蒸気Ｇ₄ は、図１に示したＰＯＸ触媒６０の改質反応
により水素を多く含む水素リッチガスＧ₅ となる。水素
リッチガスＧ₅は、ＬＴＳ熱交換器７０により熱交換さ
れた後、水素リッチガスＧ₆ としてＬＴＳ触媒８０へ供
給される。

【００４５】これにより、ＬＴＳ触媒８０では、水素リ
ッチガスＧ₆に含まれる一酸化炭素が低減された水素リ
ッチガスＧ₇ が生成される。この水素リッチガスＧ₇
は、ＰＲＯｘ触媒一体型熱交換器９０により、さらに一
酸化炭素が低減され、水素リッチガスＧ₈ として、燃料
電池１０の水素極１２に供給される。この場合、酸素極
１１にも、空気圧縮機２０から圧縮空気ＰＡが供給され
る。これにより、電解質１３の表面において、電気化学
反応が進行し、起電力を得ることができる。以下に、燃
料電池１０で進行する電気化学反応を表わす式を示す。
（１）式は、酸素極１１側における電気化学反応を表
し、（２）式は、水素極１２側における電気化学反応を
表わし、（３）式は、燃料電池１０全体で進行する電気
化学反応を表す。（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（１）Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（２）Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）

【００４６】そして、水素極１２からは、上記電気化学
反応に利用されなかった水素を含む水素オフガスＧ₂ が
管路（図示略）を介して、積層型熱交換器１２０（アウ
ターフィン１２６の燃焼触媒１３０）へフィードバック
される。一方、酸素極１１からは、電気化学反応に利用
されなかった酸素を含む排ガスＰＡ’が排出される。以
後、上述したサイクルにより、水素極１２に水素リッチ
ガスＧ₈ が供給されるとともに、酸素極１１に圧縮空気
ＰＡが供給されることにより、燃料電池１０では、発電
が行われる。

【００４７】なお、上述した一実施の形態では、アウタ
ーフィン１２６の座屈応力を低下させ熱応力変形を防止
するために、図５（ａ）〜（ｃ）に示したようにアウタ
ーフィン１２６に長穴状スリット１２６ｄ、１２６ｄ、
・・・、長穴状スリット１２６ｆ、１２６ｆ、・・・を形成し
た例について説明したが、図８（ａ）〜（ｃ）、図１０
（ａ）〜（ｄ）、図１２に示した変形例１〜３の構成を
採ってもよい。

【００４８】すなわち、図８（ａ）〜（ｃ）に示した変
形例１では、アウターフィン１３１は、図８（ａ）に示
したように薄板部材が略断面波状に形成されてなり、図
９に示したように頂部１３１ａがプレート１２１に、頂
部１３１ｂがプレート１２２にろう付けされている。こ
こで、図８（ａ）〜（ｃ）を参照してアウターフィン１
３１の構成について詳述する。図８（ａ）は、アウター
フィン１３１の構成を示す斜視図であり、図８（ｂ）
は、アウターフィン１３１の構成を示す側面図である。
図８（ｃ）は、図８（ｂ）に示したＣ−Ｃ’線視断面図
である。これらの図において、アウターフィン１３１の
側壁１３１ｃおよび１３１ｅの中央部には、長手方向に
一定間隔をおいて、６個の丸穴状スリット１３１ｄ、１
３１ｄ、・・・、丸穴状スリット１３１ｆ、１３１ｆ、・・・
がそれぞれ形成されている。

【００４９】これらの丸穴状スリット１３１ｄ、１３１
ｄ、・・・、丸穴状スリット１３１ｆ、１３１ｆ、・・・は、
アウターフィン１２６（図５（ａ）参照）と同様にし
て、アウターフィン１３１の長手方向における断面積
が、他の部分に比べて小さい部分を故意に作りだし、ア
ウターフィン１３１の座屈応力や圧縮破壊応力を低下さ
せることを目的として形成されている。従って、アウタ
ーフィン１３１が比較的小さい熱応力によって座屈する
ため、アウターフィン１３１、１３１、・・・のうねりが
防止されるとともに、板状タンクエレメント１２５、１
２５（積層型熱交換器１２０）の熱応力変形が防止され
る。

【００５０】また、図１０（ａ）〜（ｄ）に示した変形
例２では、アウターフィン１３２は、図１０（ａ）に示
したように薄板部材が略断面波状に形成されてなり、図
１１に示したように頂部１３２ａがプレート１２１に、
頂部１３２ｂがプレート１２２にろう付けされている。
ここで、図１０（ａ）〜（ｄ）を参照してアウターフィ
ン１３２の構成について詳述する。図１０（ａ）は、ア
ウターフィン１３２の構成を示す斜視図であり、図１０
（ｂ）は、アウターフィン１３２の構成を示す側面図で
ある。図１０（ｃ）は、図１０（ａ）に示した円Ｄ内の
拡大図である。図１０（ｄ）は、図１０（ｃ）に示した
Ｅ−Ｅ’線視断面図である。これらの図において、アウ
ターフィン１３２の側壁１３２ｃおよび１３２ｅの中央
部における表面および裏面には、長手方向にＶ字溝１３
２ｄおよび１３２ｆがそれぞれ形成されている。

【００５１】これらのＶ字溝１３２ｄおよびＶ字溝１３
２ｆは、アウターフィン１２６（図５（ａ）参照）と同
様にして、アウターフィン１３２の長手方向における断
面積が、他の部分に比べて小さい部分を故意に作りだ
し、アウターフィン１３２の座屈応力や圧縮破壊応力を
低下させることを目的として形成されている。従って、
アウターフィン１３２が比較的小さい熱応力によって座
屈するため、アウターフィン１３２、１３２、・・・のう
ねりが防止されるとともに、板状タンクエレメント１２
５、１２５（積層型熱交換器１２０）の熱応力変形が防
止される。

【００５２】また、図１２に示した変形例３では、プレ
ート１２１とプレート１２２との間に、長手方向中央部
分から２分割されたアウターフィン１３５が配設されて
いる。つまりアウターフィン１３５は、アウターフィン
１３３およびアウターフィン１３４から構成されてい
る。アウターフィン１３３とアウターフィン１３４と
は、熱応力によっても、互いが干渉しない距離をおいて
離間配置されている。すなわち、アウターフィン１３３
の端縁１３３ｂ、１３３ｂと、アウターフィン１３４の
端縁１３４ｂ、１３４ｂとは、空間１３５ａを隔てて、
共にオープン状態とされている。アウターフィン１３３
は、頂部１３３ａがプレート１２１に接合されている。
同様にして、アウターフィン１３４は、頂部１３４ａ、
１３４ａがプレート１２２に接合されている。

【００５３】このように構成した場合、アウターフィン
１３３、アウターフィン１３４に熱応力が生じても、ア
ウターフィン１３３とアウターフィン１３４とが干渉し
ないため、板状タンクエレメント１２５、１２５（積層
型熱交換器１２０）に不要な力が加わることがなくな
り、熱応力変形が防止される。

【００５４】以上説明したように、一実施の形態によれ
ば、アウターフィン１２６（１３１または１３２）に小
断面積部分を形成し、アウターフィン１２６の座屈応力
を低くしたので、熱応力によるアウターフィン１２６の
うねりが防止されるとともに、複数の板状タンクエレメ
ント１２５（積層型熱交換器）の熱応力変形が防止さ
れ、信頼性が向上する。

【００５５】また、一実施の形態によれば、図１２に示
したアウターフィン１３５を２分割することで、分割さ
れたアウターフィン同士が干渉しないようにしたので、
複数の板状タンクエレメント１２５（積層型熱交換器）
の熱応力変形が防止され、信頼性が向上する。

【００５６】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１に係る発
明によれば、アウターフィンに小断面積部分を形成し、
アウターフィンの座屈応力を低くしたので、熱応力によ
るアウターフィンのうねりが防止されるとともに、複数
のエレメント（積層型熱交換器）の熱応力変形が防止さ
れ、信頼性が向上するという効果を奏する。

【００５７】また、請求項２に係る発明によれば、アウ
ターフィンの側壁における中央部分に小断面積部分を形
成したので、アウターフィンの座屈応力を効果的に低く
することができるため、さらに熱応力変形が防止される
とともに信頼性が向上するという効果を奏する。

【００５８】また、請求項３に係る発明によれば、長穴
形状スリット、丸穴形状スリットまたは溝により、アウ
ターフィンに小断面積部分を形成し、アウターフィンの
座屈応力を低くしたので、熱応力によるアウターフィン
のうねりが防止されるとともに、複数のエレメント（積
層型熱交換器）の熱応力変形が防止され、信頼性が向上
するという効果を奏する。

【００５９】また、請求項４に係る発明によれば、アウ
ターフィンを２分割することで、分割されたアウターフ
ィン同士が干渉しないようにしたので、複数のエレメン
ト（積層型熱交換器）の熱応力変形が防止され、信頼性
が向上するという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る一実施の形態が適用された燃料
電池発電システムの構成を示すブロック図である。

【図２】図１に示した積層型熱交換器１２０の外観構成
を示す一部分解斜視図である。

【図３】図２に示した板状タンクエレメント１２５の構
成を示す分解図である。

【図４】図２に示したＸ−Ｘ’線視断面図である。

【図５】図３に示したアウターフィン１２６の構成を示
す図である。

【図６】図３に示したアウターフィン１２６における温
度変化量と熱応力との関係を示す図である。

【図７】図４に示したＹ−Ｙ’線視断面図である。

【図８】同一実施の形態の変形例１で用いられるアウタ
ーフィン１３１の構成を示す図である。

【図９】同一実施の形態の変形例１における図４に示し
たＹ−Ｙ’線視断面図である。

【図１０】同一実施の形態の変形例２で用いられるアウ
ターフィン１３２の構成を示す図である。

【図１１】同一実施の形態の変形例２における図４に示
したＹ−Ｙ’線視断面図である。

【図１２】同一実施の形態の変形例３における図４に示
したＹ−Ｙ’線視断面図である。

【図１３】従来の熱交換器の構成を示す一部裁断側面図
である。

【図１４】従来の熱交換器が熱応力変形した場合の状態
を示す図である。

【符号の説明】

１０燃料電池１２０積層型熱交換器１２１プレート１２２プレート１２５板状タンクエレメント１２６、１３１、１３２、１３５アウターフィン１３０燃焼触媒

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｍ 8/06 Ｈ０１Ｍ 8/06 ＧＡＢ 8/10 8/10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料電池に用いられる燃料が流れる流路
を有する複数のエレメントと、前記複数のエレメントに対してそれぞれ交互に積層さ
れ、長手方向の断面積が他の部分の断面積に比べて小さ
い小断面積部分が形成された略断面波状の複数のアウタ
ーフィンと、前記複数のアウターフィンのそれぞれに担持された燃焼
触媒と、を備えたことを特徴とする積層型熱交換器。
【請求項２】前記小断面積部分は、前記アウターフィ
ンの側壁における中央部分に形成されていることを特徴
とする請求項１に記載の積層型熱交換器。
【請求項３】前記小断面積部分には、長穴形状スリッ
ト、丸穴形状スリットまたは溝が形成されていることを
特徴とする請求項１または２に記載の積層型熱交換器。
【請求項４】燃料電池に用いられる燃料が流れる流路
を有する複数のエレメントと、前記複数のエレメントに対してそれぞれ交互に積層さ
れ、中央部が長手方向に２分割されてなる略断面波状の
複数のアウターフィンと、前記複数のアウターフィンのそれぞれに担持された燃焼
触媒と、を備えたことを特徴とする積層型熱交換器。