JP2005049070A

JP2005049070A - 排熱回収熱交換器

Info

Publication number: JP2005049070A
Application number: JP2003283828A
Authority: JP
Inventors: Eishin Kameda; 英信亀田; Hiroki Yoshioka; 宏起吉岡
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2003-07-31
Filing date: 2003-07-31
Publication date: 2005-02-24

Abstract

【課題】ガス流路２中に設けられ該ガス流路を一方向に流れるガスと熱交換を行うことにより該ガス中に含まれる熱を回収する熱交換器３と、ガス流路中に熱交換器の上流側に位置するように設けられ燃料を燃焼させて高温ガスを発生させる燃焼器４とを備え、必要応じて燃焼器に燃料を供給し、燃焼器で発生した高温ガスの熱を熱交換器で回収するようにした排熱回収熱交換器において、燃焼器による熱エネルギーを必要としない場合においてもガスが熱交換器を通過する。
【解決手段】ガス流路中を流れるガスの少なくとも一部を熱交換器を迂回させて下流側に導くバイパス通路８と、このバイパス通路を通過するガスの量を制御する制御弁９とを設け、ガス流路を低温ガスが流れる際には、その少なくとも一部がバイパス通路を通るようにしたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システム等に用いられる排熱回収熱交換器に関する。

図７は従来のこの種の排熱回収熱交換器の一例の概略構成図である。この排熱回収熱交換器は、配管材等により形成されたガス流路１０１中に設けられ該ガス流路１０１を一方向に流れるガスと熱交換を行うことにより該ガス中に含まれる熱を回収する熱交換器１０２と、ガス流路１０１中に熱交換器１０２の上流側に位置するように設けられ燃料を燃焼させて高温ガスを発生させる燃焼器１０３と、燃料を貯える燃料タンク１０４と、この燃料タンク１０４の燃料を燃焼器１０３に導く燃料供給通路１０５と、この燃料供給通路１０５に設けられた開閉弁１０６とをを備えている。

通常、ガス流路１０１には常温のガスが流入しているが、熱エネルギーを必要とする際には開閉弁１０６を開いて燃焼器１０３に燃料を供給し、燃焼器１０３で発生した高温ガスの熱を熱交換器１０２で回収して燃料電池システム等に供給する。

この種の排熱回収熱交換器においては、燃焼器１０３による熱エネルギーを必要としない場合でもガスが熱交換器１０２を通過するが、熱交換器１０２はフィン等を有していて通風抵抗が高いため、圧力損失が大きく、システムの稼働効率を低下させる要因となっていた。

解決しようとする問題点は、燃焼器１０３による熱エネルギーを必要としない場合においてもガスが熱交換器１０２を通過する点である。

本発明は、ガス流路中を流れるガスの少なくとも一部を熱交換器を迂回させて下流側に導くバイパス通路と、このバイパス通路を通過するガスの量を制御する制御手段とを設け、ガス流路２を低温ガスが流れる際には、その少なくとも一部がバイパス通路８を通るようにしたことを主要な特徴とする。

本発明によれば、燃焼器による熱エネルギーを必要としない場合には、ガス流路中を流れるガスの少なくとも一部がバイパス通路を通るため、通風抵抗による圧力損失が低減し、システムの稼働効率が向上する。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の排熱回収熱交換器の概略構成図である。

図１に示す排熱回収熱交換器１は、配管材等により形成されたガス流路２中に設けられ該ガス流路２を一方向に流れるガスと熱交換を行うことにより該ガス中に含まれる熱を回収する熱交換器３と、ガス流路２中に熱交換器３の上流側に位置するように設けられ燃料を燃焼させて高温ガスを発生させる燃焼器４と、燃料を貯える燃料タンク５と、この燃料タンク５の燃料を燃焼器４に導く燃料供給通路６と、この燃料供給通路６に設けられた開閉弁７とを備えている。

通常、ガス流路２には常温のガスが流入しているが、熱エネルギーを必要とする際には開閉弁７を開いて燃焼器４に燃料を供給し、燃焼器４で発生した高温ガスの熱を熱交換器３で回収して燃料電池システム等に供給する。

そして、本発明では、ガス流路２中を流れるガスを熱交換器３を迂回させて下流側に導くバイパス通路８と、このバイパス通路８を通過するガスの量を制御する制御手段としての制御弁９とを設けている。なお、バイパス通路８は、ガス流路２中を流れるガスの全部が流れるようにしても良いし、ガス流路２中を流れるガスの一部のみが流れるようにしてもよい。

本発明の排熱回収熱交換器１は、例えば図６に示すような燃料電池システムに適用される。同図において、５１は燃料電池スタック、５２は圧縮水素を貯留するタンク、５３は純粋タンク、５４は加湿器、５５はラジエータである。そして、実線（細線）は空気、実線（太線）は純水、一点鎖線は水素、破線は冷却水の流れ方向を示している。この場合、タンク５２が図１の燃料タンク５となり、水素供給ラインに設けられた弁５６が図１の開閉弁７となる。

本発明の排熱回収熱交換器１は、燃料電池スタック５１による発電後に余った空気等を排出する経路中に配置され、通常は燃料電池スタック５１より出てくる空気が通過する。また、燃料電池スタック５１の異常等で燃料電池スタック５１から水素が排出されてしまった場合には燃焼器４にて水素を燃焼させて排出させる。この際、水素の燃焼により高温となった排ガスは、安全のために排熱回収熱交換器１により冷却されて排出される。

燃料電池システムにおいては、起動時等にスタック等の暖気に熱量が必要となるが、その際には弁５６を開き、直接タンク５２から燃焼器４へ水素を供給し、その燃焼熱を熱交換器３により回収し、冷却水を温め、これを用いてシステム暖気を行う。

図２は第１実施例の制御弁の断面図である。この制御弁９は、バイパス通路８への入口１０を完全に塞ぐことができるように形成されたシール部１１と、このシール部１１を入口１０に対して接離可能に支持する可変金属１２とから成っている。

可変金属１２は、バイメタル、膨張金属、形状記憶合金等から成り、通常は図２（ａ）に示す如くシール部１１が入口１０を塞ぐように収縮しているが、ガス温度が低温となると伸長し、図２（ｂ）に示す如く、入口１０を開放する。このような可変金属１２を用いることにより、駆動源を必要とせずにバイパス通路８を開閉できるという利点が有る。

したがって、燃焼器５による熱エネルギーを必要としない低温のガスの場合には、ガス流路２を流れるガスがバイパス通路８を通過して熱交換器３を迂回するため、ガスの通風抵抗による圧力損失が低減し、システムの稼働効率が向上する。

次に、本発明の第２実施例を説明する。図３は第２実施例の制御弁の断面図である。なお、以下の各実施例において、第１実施例と同一又は類似の部分には同一符号を付してあり、重複する説明を省略してある。

本実施例では、可変金属１２が入口１０を完全に塞ぐことができるように形成されると共に一端側を支点として入口１０から離間する方向に撓むことができるように形成されている。通常は図３（ａ）に示す如く可変金属１２が入口１０を塞いでいるが、ガス温度が低温となると入口１０から離間する方向に撓み、図３（ｂ）に示す如く、入口１０を開放する。

次に、本発明の第３実施例を説明する。図４は第３実施例の制御弁の断面図である。

本実施例では、バイパス通路８と公差する方向に移動してバイパス通路８を開閉するシール部１１と、バイパス通路８の外に突出したシール部１１の一端と固定物１３とを接続する可変金属１２とから成っている。通常は図４（ａ）に示す如くシール部１１がバイパス通路８を塞いでいるが、ガス温度が低温となると可変金属１２が変形してシール部１１が開方向に移動し、図４（ｂ）に示す如く、バイパス通路８を開放する。

次に、本発明の第４実施例を説明する。図５は第４実施例の要部縦断面図である。

本実施例では、熱交換器３のコア１４がケース１５内に挿入され、コア１４とケース１５との間の間隙によりバイパス通路８が形成されている。このバイパス通路８は垂直面内においてＵ字形を成すように形成され、ガス流路２から流れ込んだガスはコア１４の下方を迂回して流れ、ガス流路１２に戻る。制御弁９はバイパス通路８の入口部８ａに設けられている。

このようにコア１４を収納するケース１５を利用してバイパス通路８を形成するようにしたことで、構造が簡素となり、部品点数が低減する。また、バイパス通路８の入口部８ａがガスを鉛直下向きに案内するように形成されているため、ガス温度が変化することにより生じる凝縮水等をバイパス通路８へ誘導することになり、凝縮水の排出を行うことができるという利点が有る。

なお、本発明は上記各実施例に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で上記実施例に種々の変形を施すことができる。

本発明の排熱回収熱交換器の概略構成図である。第１実施例の制御弁の断面図である。第２実施例の制御弁の断面図である。第３実施例の制御弁の断面図である。第４実施例の要部縦断面図である。本発明の排熱回収熱交換器が適用される燃料電池システムの概略構成図である。従来の排熱回収熱交換器の概略構成図である。

符号の説明

１排熱回収熱交換器
２ガス流路
３熱交換器
４燃焼器
５燃料タンク
６燃料供給路
７開閉弁
８バイパス通路
９制御弁（制御手段）
１０入口
１１シール部
１２可変金属
１３固定物
１４コア
１５ケース

Claims

ガス流路（２）中に設けられ該ガス流路（２）を一方向に流れるガスと熱交換を行うことにより該ガス中に含まれる熱を回収する熱交換器（３）と、ガス流路（２）中に熱交換器（３）の上流側に位置するように設けられ燃料を燃焼させて高温ガスを発生させる燃焼器（４）とを備え、必要に応じて燃焼器（４）に燃料を供給し、燃焼器（４）で発生した高温ガスの熱を熱交換器（３）で回収するようにした排熱回収熱交換器であって、ガス流路（２）中を流れるガスの少なくとも一部を熱交換器（３）を迂回させて下流側に導くバイパス通路（８）と、このバイパス通路（８）を通過するガスの量を制御する制御手段（９）とを設け、ガス流路（２）を低温ガスが流れる際には、その少なくとも一部がバイパス通路（８）を通るようにしたことを特徴とする排熱回収熱交換器。
制御手段（９）は熱により形状が変化する素材により形成された弁であることを特徴とする請求項１記載の排熱回収熱交換器。
熱交換器（３）のコア（１４）がケース（１５）内に挿入され、このケース（１５）とコア（１４）との間に生じる間隙によりバイパス通路（８）が形成されるようにしたことを特徴とする請求項１は請求項２記載の排熱回収熱交換器。
バイパス通路（８）の入口部（８ａ）がガスを下向きに案内するように形成されたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の排熱回収熱交換器。