JP2002164067A

JP2002164067A - 積層型熱交換器

Info

Publication number: JP2002164067A
Application number: JP2000360044A
Authority: JP
Inventors: Ryoji Okabe; 良次岡部; Yasutaka Aoki; 泰高青木; Tadashi Fujisaki; 忠司藤崎
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】小型化、軽量化、低コスト化、高熱交換効率
化を図り、加えて、熱交換能力の設計変更を容易にし量
産化を図ること。【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、燃焼触媒を担持するアウターフィ
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】従来より、水素と空気中の酸素とを化学
反応させることにより発電を行う燃料電池発電システム
の研究が進められている。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。

【０００３】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。

【０００４】図１０は、従来の燃料電池発電システムの
構成を示すブロック図である。同図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
３０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。

【０００５】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。

【０００６】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。

【０００７】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）を介して後述する熱交換器５０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。

【０００８】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３０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、熱
交換器５０、ＰＯＸ触媒６０、ＬＴＳ熱交換器７０、Ｌ
ＴＳ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１
００は、熱交換器５０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。

【０００９】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、熱交換器５０
を加熱するための燃焼ガスＧ₁ を生成する。熱交換器５
０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。この熱交換器５０からは、約２５
０℃のメタノール水蒸気Ｇ₄ が次段のＰＯＸ触媒６０へ
供給される。

【００１０】ここで、図１１（ａ）、（ｂ）および
（ｃ）を参照して、熱交換器５０の外観構成を説明す
る。図１１（ａ）は熱交換器５０の外観構成を示す側面
図であり、図１１（ｂ）は、熱交換器５０の外観構成を
示す平面図である。図１１（ｃ）は、図１１（ｂ）に示
した円Ｓ内の拡大図である。これらの図において、熱交
換器５０は、一定ピッチでそれぞれが平行をなすように
配設された複数枚の板状フィン５１、５１、・・・と、こ
れらの板状フィン５１、５１、・・・の全てを貫通するよ
うに配設され管が蛇行状に形成されてなるチューブ５２
を備えている。

【００１１】このチューブ５２におけるそれぞれの曲部
は、両側の板状フィン５１から外部へ突出している。ま
た、チューブ５２は、図１１（ａ）に示したように、板
状フィン５１の短辺方向に所定間隔をおいて複数配設さ
れている。チューブ５２の流入口５２ａには、メタノー
ル／水Ｍ（図１０参照）が流入され、排出口５２ｂから
は、約２５０℃のメタノール水蒸気Ｇ₄（図１０参照）
が排出される。図１１（ｃ）示した燃焼触媒５３、５
３、・・・は、板状フィン５１と板状フィン５１との間に
担持されており、燃焼ガスＧ₃（図１０参照）を完全燃
焼させることにより、チューブ５２を高温加熱する役目
をしている。この燃焼ガスＧ₃ は、図１１（ｂ）に示し
た矢印方向に熱交換器５０に供給される。

【００１２】図１０に戻り、ＰＯＸ触媒６０は、改質反
応により、熱交換器５０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、熱交換器５０
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。

【００１３】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。

【００１４】上記構成において、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Ｇ₂ が熱交換器５０へ供給されない。従って、バーナ
４０からの燃焼ガスＧ₁ は、燃焼ガスＧ₃ として図１１
（ｂ）に示した熱交換器５０の板状フィン５１、５１、
・・・へ供給される。これにより、燃焼ガスＧ₃ が図１１
（ｃ）に示した燃焼触媒５３、５３、・・・により完全燃
焼されることにより、チューブ５２が約６００℃に加熱
される。

【００１５】この状態で、図１１（ｂ）に示した流入口
５２ａ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、チューブ５２内を排出口５２
ｂに向けて流れるうちに、約６００℃の高温により蒸発
し、メタノール水蒸気Ｇ₄ として、排出口５２ｂから排
出される。このメタノール水蒸気Ｇ₄ は、ＰＯＸ触媒６
０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。

【００１６】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）

【００１７】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、熱交換器５０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。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前述したよ
うに、従来の燃料電池発電システムは、各方面での利用
が可能であるが、特に、自動車のエネルギー源として車
載する場合、車載スペースの制限、燃費向上のための重
量制限等の関係から、できる限り小型、軽量であること
が望ましい。

【００１９】しかしながら、従来の燃料電池発電システ
ムの一部を構成する熱交換器５０は、構造上、小型化、
軽量化することが困難である。すなわち、図１１（ｂ）
に示したように、熱交換器５０では、板状フィン５１、
５１、・・・を平行をなすように一定ピッチでそれぞれ配
設し、板状フィン５１、５１、・・・にチューブ５２を貫
通させる構成を採用していることから、板状フィン５１
の狭ピッチ化に限界があり、飛躍的に小型化することが
困難である。

【００２０】また、従来の熱交換器５０では、図１１
（ｃ）に示したように、板状フィン５１間に燃焼触媒５
３、５３、・・・を担持する構成を採用していることか
ら、燃焼ガスＧ₃ （図１０参照）が燃焼触媒５３、５
３、・・・に触れる面積が小さくならざるを得ず、熱交換
器５０の容積に対する熱交換面積が小さいため、熱交換
効率が低い。

【００２１】従って、燃料電池発電システムの性能を発
揮し得る熱交換面積を得るためには、板状フィン５１の
面積、枚数や、チューブ５２の本数を増やさなければな
らないため、おのずと、熱交換器５０が大型化、重量化
してしまうとともに、コストが高くつくという問題があ
った。この問題は、特に、燃料電池発電システムを車載
する場合のボトルネックになっており、自動車のエネル
ギー源を燃料電池化するという懸案に関する大きな障壁
の一つとなっている。

【００２２】ここで、設計上の熱交換能力（熱交換面
積）を変更する場合、従来の熱交換器５０では、板状フ
ィン５１、５１、・・・の面積、枚数や、チューブ５２の
本数を増減する必要がある。しかしながら、実際の設計
では、かかる設計変更が熱交換器５０の製造ラインに及
ぼす影響が非常に大きいため、影響が少ない範囲での変
更しか行うことができない。従って、従来の熱交換器５
０では、熱交換能力の設計変更に対する自由度が非常に
低く、多種多様な自動車に燃料電池発電システムを適用
する場合に量産に向かないという問題があった。

【００２３】そこで、この発明は、上記に鑑みてなされ
たものであって、小型化、軽量化、低コスト化、高熱交
換効率化を図ることができるともに、熱交換能力の設計
変更を容易にし量産化を図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。

【００２４】

【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ることを特
徴とする。

【００２５】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。

【００２６】このように、この発明によれば、複数のエ
レメントと、燃焼触媒を担持する複数のアウターフィン
とを交互に積層する構成としたので、積層型熱交換器の
容積に対する熱交換面積（触媒反応面積）を従来のもの
に比べて大きくすることができ、小型化、軽量化、低コ
スト化、高熱交換効率化を図ることができる。

【００２７】また、この発明によれば、略断面波状のア
ウターフィンのフィンピッチ、フィン高さ、チューブ積
層段数を変えることで熱交換面積（触媒反応面積）を変
えることができるため、熱交換能力の設計変更を容易に
行うことができ、量産化を図ることができる。

【００２８】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、前記アウターフィンの
フィンピッチを０．５ｍｍ〜１．０ｍｍ、フィン高さを
４ｍｍ〜１０ｍｍとしたことを特徴とする。

【００２９】この発明によれば、アウターフィンのフィ
ンピッチを０．５ｍｍ〜１．０ｍｍ、フィン高さを４ｍ
ｍ〜１０ｍｍとすることにより、アウターフィンの加工
性を損なわず、しかも塵埃の付着による目詰まりの影響
を低減した状態で、積層型熱交換器を高熱交換効率で稼
働させることができる。

【００３０】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、少なくとも前
記複数のエレメント、前記複数のアウターフィンは、ク
ロムの含有量が２０％、アルミニウムの含有量が５％の
ステンレスからなることを特徴とする。

【００３１】この発明によれば、複数のエレメント、ア
ウターフィンの材質をステンレス（２０Ｃｒ−５Ａｌ）
としたことにより、耐酸化性を高くすることができ、結
果として長寿命化を図ることができる。

【００３２】また、請求項４に係る発明は、請求項１〜
３のいずれか一つに記載の積層型熱交換器において、前
記エレメントは、凹部が形成された第１のプレートと、
第２のプレートとを合わせ、周縁部をかしめることによ
り接合されてなることを特徴とする。

【００３３】この発明によれば、第１のプレートと第２
のプレートとを合わせたものの周縁部をかしめるという
極めて簡単な方法により、エレメントを接合するように
したので、量産化を容易に図ることができる。

【００３４】また、請求項５に係る発明は、請求項１〜
４のいずれか一つに記載の積層型熱交換器において、前
記燃焼触媒は、複数のエレメントと前記複数のアウター
フィンとが交互に積層された積層構造体が作成された後
に、前記複数のアウターフィンに塗布されることを特徴
とする。

【００３５】この発明によれば、積層構造体が作成され
た後に複数のアウターフィンに燃焼触媒を塗布するよう
にしたので、アウターフィンにおける燃焼触媒の膜厚制
御を容易に行うことができる。

【００３６】

【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。

【００３７】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。この図において、図１０の各部に対応する部分
には同一の符号を付けその説明を省略する。図１におい
ては、図１０に示した改質器３０に代えて、改質器１１
０が設けられている。この改質器１１０においては、図
１０に示した熱交換器５０に代えて積層型熱交換器１２
０が設けられている。

【００３８】積層型熱交換器１２０は、熱交換器５０
（図１０参照）と同様にして、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。しかし
ながら、積層型熱交換器１２０の構成は、熱交換器５０
の構成とは大きく異なる。

【００３９】すなわち、図２に示したように、積層型熱
交換器１２０は、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。

【００４０】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。

【００４１】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。

【００４２】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。

【００４３】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。

【００４４】アウターフィン１２６は、図６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、頂部１２
６ａがプレート１２１に、頂部１２６ｂがプレート１２
２にろう付けされている。このアウターフィン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１３０が塗
布されている。この燃焼触媒１３０は、燃焼ガスＧ
₃（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。

【００４５】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６参照）が担
持されていない。

【００４６】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）、途中でメタノール
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。

【００４７】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６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。

【００４８】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。なお、板状タンクエレメント１２５の材質
も、２０％のＣｒ、５％のＡｌを含有するフェライト系
ステンレスとしてもよい。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Ｃ
ｒ、５％のＡｌを含有するフェライト系ステンレスが用
いられている。

【００４９】図５（ａ）は、エンジンの排ガス中での耐
酸化性に対する、ＳＵＳ中のＣｒの含有量（％）とＡｌ
の含有量（％）の効果を示す図である。この図からわか
るように、Ａｌの場合には、耐酸化性の改善効果が含有
量が増えるにしたがって顕著であるが、Ｃｒの場合は、
含有量２０％で耐酸化性の改善効果が飽和に近づく。図
５（ｂ）は、ＳＵＳ中のＣｒの含有量（％）とＡｌの含
有量（％）に対する、２０〜１０００℃の平均熱膨張係
数のマップを示す図である。この図からわかるように、
熱膨張係数は、Ｃｒの含有量にあまり依存せず、Ａｌの
含有量が増えるにしたがって増加するという特性を有し
ている。

【００５０】このように、高い耐酸化性を維持し、熱疲
労の原因となる熱膨張率を最小にするためには、ＳＵＳ
中のＣｒの含有量を増加し、Ａｌの含有量を減少させる
ことが有効である。しかしながら、図５（ａ）に示した
ように、Ｃｒの場合、耐酸化性の改善効果が含有量２０
％で飽和するため、含有量２０％が最適値である。ここ
で、含有量２０％のＣｒを前提とすると、含有量５％を
越えるＡｌを含むＳＵＳは、冷間加工性が急激に低下す
るため、量産性に問題がある。以上より、２０Ｃｒ−５
ＡｌのＳＵＳは、アウターフィン１２６の材質として最
適である。

【００５１】ここで、一実施の形態で用いられるアウタ
ーフィン１２６（図２参照）は、図７に示したフィン高
さＨｆが４〜１０ｍｍ、フィンピッチＰｆが０．５〜１
ｍｍであることが、熱交換効率の面から好ましい。図２
に示したアウターフィン１２６としては、フィン高さＨ
ｆが５ｍｍ、フィンピッチＰｆが０．８ｍｍのものが用
いられている。

【００５２】すなわち、図７（ｂ）に示したように、フ
ィン高さＨｆを０〜２０ｍｍまでの範囲で変化させた場
合には、燃焼ガスＧ₃（図１参照）側の動力当たりの管
外側伝熱性能は、フィンピッチＰｆ（０．６ｍｍ、０．
８ｍｍ、１．０ｍｍ、１．２ｍｍ、１．４ｍｍ）の値に
依存することなく、フィン高さＨｆが４〜１０ｍｍの範
囲で極大値をとる。すなわち、管外側伝熱性能が高いと
いうことは、少ない動力で多くの熱交換ができ、熱交換
効率が高いことを意味している。

【００５３】このような特徴が現れるのは、フィン高さ
Ｈｆが小さい値を採った場合に、つぎの傾向が有るため
である。（ａ）図９（ａ）に示したように、アウターフィン１２
６における燃焼ガスＧ₃（図１参照）のガス流路が狭く
なるとともにガス流速が増大することにより、管外圧力
損失が増大する。（ｂ）図９（ｂ）に示したように、板状タンクエレメン
ト１２５（図２参照）の数が増えることにより、積層型
熱交換器１２０全体に占める板状タンクエレメント１２
５の割合が増えるため、単位容積あたり外表面積がやや
減少する。（ｃ）図９（ｃ）に示したように、フィン効率が高くな
る。

【００５４】ここで、積層型熱交換器１２０としては、
動力を少なくするために管外圧力損失が少いこと、小さ
い容積で大きい伝熱面積および燃焼触媒１３０の塗布面
積を得るために単位容積あたりの外表面積が大きいこ
と、フィン効率が高いこと、が理想である。実際には、
上述した（ａ）項から（ｃ）項までの傾向からわかるよ
うに、積層型熱交換器１２０にとって好ましい傾向
（（ｃ）項）と、好ましくない傾向（（ａ）項および
（ｂ）項）とが混在する。しかしながら、総合的に見た
場合、積層型熱交換器１２０におけるフィン高さＨｆの
最適値は、図７（ｂ）を参照して説明した管外側伝熱性
能で判断することができるため、４〜１０ｍｍである。

【００５５】一方、図７（ａ）に示したアウターフィン
１２６のフィンピッチＰｆを小さくした場合には、熱交
換容積あたりの燃焼触媒１３０の塗布面積（外表面積）
が大きくなる。ここで、燃焼ガスＧ₃ に含まれる水素を
完全燃焼させるためには、燃焼触媒１３０の塗布面積を
ある値以上にする必要がある。この塗布面積としては、
積層型熱交換器１２０の容積との関係から、１立方容積
あたり２０００ｍ²／ｍ³以上であることが好ましく、フ
ィンピッチＰｆとしては、１ｍｍ以下であることが好ま
しい。

【００５６】ここで、図８（ａ）および（ｂ）に示した
ように、フィンピッチＰｆを小さくした場合には、管外
熱伝達率が高くなる一方、圧力損失が大きくなる。この
圧力損失が大きくなることは、燃焼ガスＧ₃（図１参
照）側の許容圧力損失が大きいため、特に問題とならな
い。なお、圧力損失が許容圧力損失を超える場合には、
積層型熱交換器１２０の奥行きを小さくし、圧力損失を
許容圧力損失以下となるようにすればよい。また、図８
（ｃ）に示したように、フィンピッチＰｆを小さくした
場合には、１立方容積あたりの触媒反応面積も大きくな
る。このように、積層型熱交換器１２０におけるフィン
ピッチＰｆは、１ｍｍ以下であることが好ましいが、ア
ウターフィン１２６の加工性、塵埃の付着による目詰ま
りを考慮して、０．５〜１ｍｍが最適値である。

【００５７】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６参照）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、板状タンクエレメント１２５、１２５、
・・・が約６００℃に加熱される。

【００５８】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、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Ｇ
₅ 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。

【００５９】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、前述した
（１）式から（３）式の電気化学反応が進行し、起電力
を得ることができる。

【００６０】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。

【００６１】以上説明したように、一実施の形態によれ
ば、複数の板状タンクエレメント１２５と、燃焼触媒１
３０を担持する複数のアウターフィン１２６とを交互に
積層する構成としたので、積層型熱交換器の容積に対す
る熱交換面積（触媒反応面積）を従来のものに比べて大
きくすることができ、小型化、軽量化、低コスト化、高
熱交換効率化を図ることができる。

【００６２】また、一実施の形態によれば、略断面波状
のアウターフィン１２６のフィンピッチＰｆ、フィン高
さＨｆを変えることで熱交換面積（触媒反応面積）を変
えることができるため、熱交換能力の設計変更を容易に
行うことができ、量産化を図ることができる。

【００６３】また、一実施の形態によれば、複数の板状
タンクエレメント１２５、アウターフィン１２６の材質
をステンレス（２０Ｃｒ−５Ａｌ）としたことにより、
耐酸化性を高くすることができ、結果として長寿命化を
図ることができる。

【００６４】また、一実施の形態によれば、プレート１
２１とプレート１２２とを合わせたものの周縁部をかし
めるという極めて簡単な方法により、板状タンクエレメ
ント１２５を接合するようにしたので、量産化を容易に
図ることができる。

【００６５】また、一実施の形態によれば、積層構造体
が作成された後に複数のアウターフィン１２６に燃焼触
媒１３０を塗布するようにしたので、アウターフィン１
２６における燃焼触媒１３０の膜厚制御を容易に行うこ
とができる。

【００６６】

【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、複数のエレメントと、燃焼触媒を担持する
複数のアウターフィンとを交互に積層する構成としたの
で、積層型熱交換器の容積に対する熱交換面積（触媒反
応面積）を従来のものに比べて大きくすることができ、
小型化、軽量化、低コスト化、高熱交換効率化を図るこ
とができるという効果を奏する。

【００６７】また、請求項１に係る発明によれば、略断
面波状のアウターフィンのフィンピッチ、フィン高さを
変えることで熱交換面積（触媒反応面積）を変えること
ができるため、熱交換能力の設計変更を容易に行うこと
ができ、量産化を図ることができるという効果を奏す
る。

【００６８】また、請求項２に係る発明によれば、アウ
ターフィンのフィンピッチを０．５ｍｍ〜１．０ｍｍ、
フィン高さを４ｍｍ〜１０ｍｍとすることにより、アウ
ターフィンの加工性を損なわず、しかも塵埃の付着によ
る目詰まりの影響を低減した状態で、積層型熱交換器を
高熱交換効率で稼働させることができるという効果を奏
する。

【００６９】また、請求項３に係る発明によれば、複数
のエレメント、アウターフィンの材質をステンレス（２
０Ｃｒ−５Ａｌ）としたことにより、耐酸化性を高くす
ることができ、結果として長寿命化を図ることができる
という効果を奏する。

【００７０】また、請求項４に係る発明によれば、第１
のプレートと第２のプレートとを合わせたものの周縁部
をかしめるという極めて簡単な方法により、エレメント
を接合するようにしたので、量産化を容易に図ることが
できるという効果を奏する。

【００７１】また、請求項５に係る発明によれば、積層
構造体が作成された後に複数のアウターフィンに燃焼触
媒を塗布するようにしたので、アウターフィンにおける
燃焼触媒の膜厚制御を容易に行うことができるという効
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の材質を説
明する図である。

【図６】図４に示したＹ−Ｙ’線視断面図である。

【図７】図６に示したアウターフィン１２６のフィン高
さＨｆの変化に伴う傾向を説明する図である。

【図８】図６に示したアウターフィン１２６のフィンピ
ッチＰｆの変化に伴う傾向を説明する図である。

【図９】図６に示したアウターフィン１２６のフィン高
さＨｆの変化に伴う傾向を説明する図である。

【図１０】従来の熱交換器５０を適用した燃料電池発電
システムの構成を示すブロック図である。

【図１１】図１０に示した熱交換器５０の外観構成を示
す図である。

【符号の説明】

１０燃料電池１１０改質器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 ＡＢ 8/10 8/10 (72)発明者藤崎忠司名古屋市中村区岩塚町字高道１番地三菱重工業株式会社名古屋研究所内Ｆターム(参考） 5H026 AA06 5H027 AA06 BA01 BA09

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
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】前記アウターフィンのフィンピッチを
０．５ｍｍ〜１．０ｍｍ、フィン高さを４ｍｍ〜１０ｍ
ｍとした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】少なくとも前記複数のエレメント、前記
複数のアウターフィンは、クロムの含有量が２０％、ア
ルミニウムの含有量が５％のステンレスからなることを
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】前記エレメントは、凹部が形成された第
１のプレートと、第２のプレートとを合わせ、周縁部を
かしめることにより接合されてなることを特徴とする請
求項１〜３のいずれか一つに記載の積層型熱交換器。
【請求項５】前記燃焼触媒は、複数のエレメントと前
記複数のアウターフィンとが交互に積層された積層構造
体が作成された後に、前記複数のアウターフィンに塗布
されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに
記載の積層型熱交換器。