JP2006505912A

JP2006505912A - 熱交換器

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Publication number: JP2006505912A
Application number: JP2004551509A
Authority: JP
Inventors: バレンサイェルーン; ジェイ．ラインケマイケル; ジー．ボースマーク
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Modine Manufacturing Co
Priority date: 2002-11-08
Filing date: 2003-10-10
Publication date: 2006-02-16
Also published as: EP1705447A2; RU2334928C2; WO2004044514A2; EP1705447A3; BR0315299A; RU2005113871A; MXPA05004367A; EP1567816A2; CA2502763A1; CN1708668A; US7069981B2; US20060151156A1; AU2003284040A1; KR20050084676A; US20040089438A1; WO2004044514A3

Abstract

第１流体（５２）及び第２流体（５４）の間で熱交換を実施するための熱交換器（５０）が提供される。熱交換器（５０）は、熱交換器（５０）を通る最大作動質量流量と、実質的に相対比例する質量流量とを有する。熱交換器（５０）は、能動制御システムを使用することなく、熱交換器（５０）の作動スペクトル内での全ての流量に渡り、第１流体（５２）及び第２流体（５４）のための本来一定の出口温度を提供する。熱交換器（５０）は、プロトン交換膜形式の燃料電池システムの燃料プロセス処理システム（３６）において特に使用されるものである。

Description

本発明は、一般に熱交換器に関し、詳しくは、燃料電池システムにおけるものを含め、工業的に数多く使用される再生熱交換器に関する。

一方の流体の熱を他方の流体に伝え、各流体の質量流量が相互に実質的に比例する熱交換器が知られている。そうした熱交換器の最も一般的な形式のものは、システムの作用流体から、この作用流体がシステムを通過する際に有益な熱を回収あるいは再生する再生熱交換器であろう。そうした再生熱交換器の一例は、プロトン交換膜（ＰＥＭ）形式の燃料電池システムに見出すことのできる再生熱交換器である。代表的な燃料電池システムでは、メタンあるいは類似の炭化水素のような燃料を燃料電池用の水素源として用いる。こうした炭化水素は、水素ガスを提供するために燃料電池に達する前にシステム内で改質する必要がある。改質は、代表的には、燃料プロセス処理システムにおいて、その全てが異なる特異温度範囲内で生じるべきであるところの一連の触媒支援化学反応を介して実施される。再生熱交換器を含む熱交換器は、ガス流れを交互に冷却及び加熱し、所望の触媒反応温度とするために使用される。

図１にはそうした燃料電池システムの一例が示される。図１のＰＥＭ燃料電池システム８（以下、単にシステム８とも称する）はメタン（ＣＨ₄）を燃料として利用するものであり、プロトン交換膜燃料電池１０と、陽極テールガス酸化剤２０と、陽極テールガスの熱をシステム８に流入する空気／メタン及び水（Ｈ₂Ｏ）に移行する熱交換器２２と、この熱交換器２２からの加湿空気／メタン混合物を加湿する加湿器２４と、自動−熱改質器（ＡＴＲ）２６と、ＡＴＲ２６に組み込まれることもある高温水−高温ガスシフトリアクタ（ＨＴＳ）２８と、ＡＴＲ２６が創出する改質物の熱を加湿器２４からの加湿空気／メタン混合物に移行させる再生熱交換器３０と、図１に例示したものでは低温水−低温ガスシフトリアクタ（ＬＴＳ）である別の水−ガスシフトリアクタ３２と、選択酸化器（ＰＲＯＸ）３４と、を含んでいる。随意的には、燃料電池システム８の様々の構成部品間で熱を移行させるための幾つかのその他の熱交換器３６を、燃料電池システム８内の様々な位置に追加することができる。熱交換器２２、加湿器２４、再生熱交換器３０、ＡＴＲ２６、ＨＴＳ２８、ＬＴＳ３２、そしてＰＲＯＸ３４は、燃料電池システム８の燃料プロセス処理システム３６を構成する。ＰＥＭ燃料電池システムには、燃料電池１０に流動する陰極ガスのみならず、この陰極ガス流れに関連する構成部品も含まれ得るが図１にはそれらは示されない。幾つかの燃料電池システムには、ＬＴＳ３２あるいはＨＴＳ２８を、若しくはその両方に代えて中温水−中温ガスシフトリアクタを組み込み得る。

代表的には、ＡＲＴ２６における触媒反応には、約５００℃〜約７５０℃、好ましくはおよそ６３０℃の温度の入口ガス温度が必要とされる。ＬＴＳ３２にでの触媒反応に必要な入口ガス温度は約１８０℃〜約２４０℃、好ましくはおよそ２１０℃である。ＡＴＲ２６及びＬＴＳ３２での触媒反応が比較的狭い温度範囲の入口ガス温度を必要とすることから、燃料電池システム８を作動させる上では再生熱交換器３０の出口温度を制御することが重要となる。然し乍ら、燃料電池システムの電気的負荷が変動するに従い、再生熱交換器３０を含め、燃料電池システムを通るガス流量も同様に変動し、変動範囲はしばしば１０対１となる。代表的には、再生熱交換器３０の伝熱効率は、通過するガスの質量流れの幅広い変動に対して一定のものとはならず、再生熱交換器を出るガスの温度は、再生熱交換器３０にある種の制御システムを組み込まない限り、全流量での所望の温度範囲内には維持されない。この問題の代表的な解決策は、図１に示すようなフィードバック／バイパス制御システム３８のようなバイパス制御システムを介して、再生熱交換器３０を通るガス流量を能動制御することである。制御システム３８は代表的には、再生熱交換器３０を出る改質ガス流れの温度を監視し、監視した温度を、温度センサ４０にして、監視温度を設定温度と比較し、再生熱交換器３０の周囲の加湿空気／メタン混合物の一部分をバイパス流路４６を介して分流させる比例−積分−微分（ＰＩＤ）コントローラ４２に提供する温度センサ４０を含む。これにより、再生熱交換器３０を通して流体流れ間で移行され得る熱量が制限され、従って、ＬＴＳ３２に送られる改質物の過冷却が防止される。
説明したものに代表されるような燃料電池システムは意図された目的を満足させ得るものであるが、尚、改善の余地がある。例えば、能動制御システムの使用はシステムのコスト増及び複雑化を招き、また、そうしたシステムの信頼性を低下させ得る。

解決しようとする課題は、新規且つ改良された熱交換器を提供することである。
解決しようとする他の課題は、燃料電池システムにおいて使用するために好適な再生熱交換器を提供することである。

本発明の一態様によれば、第１流体と第２流体との間を伝熱する熱交換器にして、第１流体と第２流体とが、熱交換器を通る最大作用質量流量を有し且つ相互に実質的に比例する質量流量を有する熱交換器が提供される。

本発明の一様相において、第１流体のための第１マルチパス流路にして、各パスが第１入口及び第１出口を有する第１マルチパス流路と、第２流体のための第２マルチパス流路にして、各パスが第２入口及び第２出口を有する第２マルチパス流路とを含む熱交換器が提供される。第１パルチパス流路及び第２マルチパス流路の各パスは、第１マルチパス流路の各パスが第２マルチパス流路の隣り合うパスと対をなす隣り合うパス対として配列される。各パスは、各隣り合うパス対に第１流体が遭遇する順序と、各隣り合うパス対に第２流体が遭遇する順序とが逆になるように配列される。各隣り合うパス対のための第１及び第２の各入口及び出口が、各隣り合うパス対を通して流れる第１及び第２の各流体間に向流流れ関係が提供されるように相対配列される。

各隣り合うパス対は、最大作動質量流量下における第１及び第２の各流体の、隣り合うパス対の第１及び第２の各出口位置での温度を極めて接近させる、あるいは共通温度とするために充分な伝熱効率を提供する形態のものとされる。
本発明の熱交換器の１様相には、第１及び第２の各マルチパス流路を画定する熱交換器ユニットの積層体が含まれる。

１様相において、第１流路における隣り合うパスを通して流動する第１流体に関して全体的に向流流れ関係下に第２流体が流動するところの第２流路の各パスが少なくとも２つの交差パスに分割され、この交差パス内の第２流体は、隣り合うパス内の第１流体に関して部分的な交差流れ関係を有する。

１様相において、熱交換器は複数のチューブを含み、各チューブの内側が第１マルチパス流路を画定し、少なくとも１つのバッフルが各チューブの外側に関して位置付けられ、かくして各チューブの外側を横断する第２マルチパス流路が画定される。更に他の様相において、熱交換器は第２マルチパス流路の各パス内に位置付けた少なくとも１つのバッフルにして、第２流体を、隣り合うパスの第１流体に関して部分交差流れ関係下に流動させるバッフルを更に含む。

１様相において、熱交換器ユニットの積層体が複数のプレート対を含み、各プレート対が、各プレート対の各プレート間に第１マルチパス流路の少なくとも１つのパスを画定し、各プレート対の各プレートの１つと、隣り合うプレート対の１つのプレートとの間に第２マルチパス流路の少なくとも１つのパスを画定する。
１様相において、熱交換器ユニットの積層体が複数のバープレート（ｂａｒｐｌａｔｅ）対を含み、各バープレート対が、第２マルチパス流路の隣り合う２つのパスに隣り合う第１マルチパス流路の２つのパスを画定する。

本発明の他の様相において、第１流体と第２流体との間の伝熱を提供する再生熱交換器にして、第１流体と第２流体とが、熱交換器を通る最大作動質量流量を有し且つ相互に実質的に比例する質量流量を有する再生熱交換器の運転方法が提供される。本方法には、
ａ）再生熱交換器の第１マルチパス流路の第１パスを通して流動させること、
ｂ）再生熱交換器の第２マルチパス流路の、前記第１マルチパス流路の第１パスに隣り合う第２パスを通して第２流体を流動させることにより、最大作動質量流量下における各パスの出口位置での第１流体及び第２流体の各温度を極めて接近させるあるいは共通温度とすること、
ｃ）第１流体が第１マルチパス流路の第１パスを通して流動した後、再生熱交換器の第１マルチパス流路の第２パスを通して第１流体を流動させること、
ｄ）第２流体を、第２マルチパス流路の第２パスを通して流動させるに先立ち、再生熱交換器の第１マルチパス流路の第２パスに隣り合う、第２マルチパス流路の第１パスを通して流動させることにより、最大作動質量流量下での各パスの出口位置での第１流体及び第２流体の各温度を極めて接近させるあるいは共通温度とすること、
が含まれる。

本発明の他の様相によれば、プロトン交換膜形式の燃料電池システムのための燃料プロセス処理システムが提供される。この燃料プロセス処理システムには、燃料電池システムからの加湿空気／燃料混合物を受けるために燃料電池システムに連結した入口と、燃料電池システムに改質物流れを供給するために燃料電池システムに連結した出口とを有する自動−熱改質器と、自動−熱改質器の下流側で燃料電池システムに連結され、燃料電池システムからの改質物を受ける入口と、一酸化炭素含有量の低下された改質物を燃料電池システムに供給する出口とを有する水−ガスシフトリアクタと、第１マルチパス流路及び第２マルチパス流路を含む再生熱交換器にして、第１マルチパス流路が、加湿空気／燃料混合物を自動−熱改質器のための所望の入口温度範囲に予熱するために自動−熱改質器の上流側で燃料電池システムに連結され、第２マルチパス流路が、改質物流れの温度を水−ガスシフトリアクタのために所望される入口温度範囲に冷却するために水−ガスシフトリアクタの上流側で燃料電池システムに連結した再生熱交換器とが含まれる。第１マルチパス流路及び第２マルチパス流路は、燃料電池システムの予測作動スペクトルの範囲内で、能動制御システムを使用することなく、全ての流量下に自動−熱改質器及び水−ガスシフトリアクタのために所望される入口温度を供給するべく相対配列される。
１形態において、再生熱交換器及び自動−熱改質器は一体ユニットである。

本発明の他の様相によれば、プロトン交換膜形式の燃料電池システムのための燃料プロセス処理システムの運転方法が提供される。本方法には、
ａ）再生熱交換器の第１マルチパス流路を通し、この第１マルチパス流路の下流側に位置付けた自動−熱改質器に空気／燃料混合物を流動させること、
ｂ）自動−熱改質器からの改質物を、再生熱交換器の、自動−熱改質器の下流側で且つ水−ガスシフトリアクタの上流側に位置付けた第２マルチパス流路を通して流動させること、
ｃ）第１マルチパス流路からの空気／燃料混合物を、燃料電池の作動スペクトル範囲内の全ての流量のための所望の触媒温度範囲内において自動−熱改質器に提供すること、
ｄ）燃料電池の作動スペクトル範囲内での全ての流量のための所望の触媒温度範囲内において、第２マルチパス流路からの改質物を水−ガスシフトリアクタに提供すること、
ｅ）段階ｃ）及びｄ）を、再生熱交換器を能動制御すること無く実行すること、
が含まれる。

本発明の１様相によれば、燃料電池システムのための燃料プロセス処理システムのための一体ユニットが提供される。この一体ユニットには再生熱交換器が含まれ、再生熱交換器は、空気／燃料混合物のための第１流路と、改質物のための第２流路とを含み、第１流路及び第２流路は入口及び出口を各有している。一体ユニットは、好ましくは再生熱交換器の一部分によって少なくとも部分的に包囲された自動−熱改質器を更に含む。自動−熱改質器は、第１流路の出口から空気／燃料混合物を受けるために第１流路の出口に連結した入口と、第２流路の入口に改質物を提供するために第２流路の入口に連結した出口とを含む。
１形態において、第１流路及び第２流路は各マルチパス流路であり、自動−熱改質器の少なくとも一部分は第１マルチパス流路の最後のパスと、第２マルチパス流路の最初のパスとによって包囲される。

図２には、プロトン交換膜形式の燃料電池システム５１における、図１に示す再生熱交換器３０及びその制御システム３８に代替する、本発明の熱交換器５０が示される。図１及び図２の各燃料電池システム８及び５１は、熱交換器３０及びその制御システム３８に熱交換器５０を代替させる以外の点では同じである。本発明に従う熱交換器５０は、図２ではプロトン交換膜形式の燃料電池システム５１の燃料プロセス処理システム３６に組み込まれているが、本発明に従う熱交換器はその他の用途において使用し得及びその使用用途を見出し得るものである。従って、特に請求の範囲に記載されない限り、燃料電池システムあるいは燃料電池システムの特定形式において限定使用されることが意図されるものではない。例えば、図１及び図２ではＨＴＳ２８及びＬＴＳ３２が示されるが、熱交換器５０を、中温水−ガスシフトリアクタをＨＴＳ２８及びあるいはＬＴＳ３２と共に用いる、あるいはＨＴＳ２８及びあるいはＬＴＳ３２の代替物として用いる燃料電池システムと共に使用することができる。

図２の熱交換器５０は、ＡＴＲ２６及びＬＴＳ３２への出口温度を本来一定に保つことが出来、従って、ＡＴＲ２６に入る加湿空気／燃料混合物（加湿空気／メタン混合物の形での）と、ＬＴＳ３２に入る改質物とに適宜の触媒反応温度を提供することから、熱交換器３０及び関連する能動制御体３８の代替物として望ましいものである。詳しくは、熱交換器５０は、燃料電池システム１０の作動スペクトル内での加湿空気／燃料混合物及び改質物の全ての流量に渡り、ＡＴＲ２６に約５００℃〜７５０℃の範囲の要求入口ガス温度範囲の加湿空気／燃料混合物を供給し得、またＬＴＳ３２に、約１８０℃〜約２４０℃の範囲の要求入口ガス温度の改質物を供給することができる。この点に関し、熱交換器５０に流入する加湿空気／燃料混合物及び改質物の質量流量は、本来、システム５１の作動スペクトルに渡り相対比例することを銘記されたい。

より好ましい実施例では熱交換器５０は、燃料電池システム５１の作動スペクトル範囲での加湿空気／燃料混合物及び改質物の全質量流量に関し、ＡＴＲ２６に向かう加湿空気／燃料混合物の出口温度を、好ましい実施例では６３０℃であるそのターゲット温度を中心とする前後５０℃の範囲に維持し、また、ＬＴＳ３２に向かう改質物の出口温度を、好ましい実施例では約２１０℃であるそのターゲット温度を中心とする前後４０℃の範囲に維持することができる。この点に関し、最大作用質量流量の大きさは最小作動流量の７倍程度までであり、幾つかの好ましい実施例では１０倍程度までであり得る。燃料電池システム５１の作動スペクトルに渡り、加湿空気／燃料混合物及び改質物双方のための本来一定の出口温度が受動的に提供されることから、熱交換器５０によれば制御システム３８の如き能動制御スキームの必要性を排除することが可能となり、かくして、システム８のような代表的な燃料電池システムと比較して燃料電池システム５１が簡易化され得る。

図３には、図２の燃料電池システム５１では夫々加湿空気／燃料混合物である第１流体５２と、改質物、即ち第２流体５４との間での伝熱を提供するための再生熱交換器５０のダイヤグラム図が示される。熱交換器５０は、第１流体５２のための第１マルチパス流路５６（図３では点線で示す）と、第２流体５４のための第２マルチパス流路５８（図３では実線で示す）とを含んでいる。第１マルチパス流路５６の各パス６０は入口６２と出口６４とを有し、第２マルチパス流路５８の各パス６６は入口６８と出口７０とを有する。パス６０及び６６は隣り合うパス対７２の状態下に配列され、第１マルチパス流路５６の各パス６０が第２マルチパス流路５８の隣り合うパス６６と対を成している。パス６０及び６６は、第１流体５２が第２流体５４とは逆の順序で各隣り合うパス対７２に遭遇するように配列される。

各パス対７２における各入口６２及び６８と、出口６４及び７０とは、第１流体５２及び第２流体５４が隣り合うパス対７２を通して流動する際に向流流れ関係が提供されるように相対配列される。各隣り合うパス対７２は、各パス対７２の各出口６４及び７０位置での第１流体５２及び第２流体５４の各温度が極めて接近するあるいは共通温度となるに充分な伝熱効率が提供される形態とされる。分析結果によれば、第１流体５２及び第２流体５４の出口温度は、１０対１の比で変化する作動質量流体に対して受容可能な温度範囲に維持され得る。図３では各パス６０及び６６にはＮ個までの隣り合うパス対７２が提供される。

上述した流体温度プロファイルは、図３に関連して以下に説明する図４のグラフを参照することによりおそらく最も良く理解され得るものである。例示目的上、第１流体５２は低温下に熱交換器５０に流入し、従って、第２流体５４から第１流体５２への伝熱が生じる。第１流体５２の温度は熱交換器５０を通過するに従い上昇し、第２流体５４の温度は低下する。図４には、図３に示す隣り合うパス対７２’及び７２”を通して流動する際の第１流体５２及び第２流体５４の温度のグラフが示される。グラフの水平方向軸は入口５２”からの参照距離である。グラフでは摂氏での絶対温度及びミリメートルでの絶対距離が示されるが、図４の温度及び距離は１実施例における例示目的上のみのものであり、特定の熱交換器５０の各隣り合うパス対７２の温度及び距離は用途毎の特定パラメータに対する依存性が高いものであることを理解されたい。

図４に示すように、第１流体５２が入口６２’から出口６４’に流動し、第２流体５４が入口６８”から出口７０”に流動するに際し、出口６４’及び７０”位置での第１流体５２及び第２流体５４の温度は非常に接近する、あるいは共通温度となる。同様に、第１流体５２及び第２流体５４が各入口６２”及び６８’から各出口６４”及び７０’に向けて流動するに従い、第２の隣り合うパス対７２”の出口６４”及び７０’位置での第１流体５２及び第２流体５４の温度は極めて接近する、あるいは共通温度となることが示される。かくして、各パス対７２’、７２”は、各出口６４’、７０”、６４”、７０’位置で第１流体５２及び第２流体５４の温度を“ピンチ留め”する。こうした流体温度プロファイルは、各パス対７２を、第１流体５２及び第２流体５４のための、それよりも低い全ての質量流量下での所望の性能が保証されるべき最大作動質量流量下において、最大向流流れ伝熱効率が達成される設計形状とすることにより実現されることが好ましい。

図５には、熱交換器５０の考え得る一構成が例示され、熱交換器業界ではよく知られたような、形成され、積層されたプレート形式のデザインあるいはバープレート形式構造であり得る熱交換器ユニット８０の積層体が組み込まれている。熱交換器５０は第１マルチパス流路５６のパス６０及び第２マルチパス流路５８のパス６６から成る隣り合うパス対７２を３つ含んでおり、パス６０及び６６は各隣り合うパス対７２において向流流れ関係状態下に配列され、第１流体５２は第２流体５４が各隣り合うパス対に遭遇するのとは逆の順序で、各隣り合うパス対７２に遭遇する。例示した実施例では各隣り合うパス対７２は、形成され、積層され、絞り加工したカッププレート８０から構成した複数の熱交換器ユニット８０からなり、各カッププレート８０は、隣り合うカッププレート８０の各開口と整列し且つシールされ、かくして各パス６０及び６６の入口６２及び６８と、出口６４及び７０とを各構成するマニホルドを形成する４つの開口をその各角部位置に有する。各カッププレート８０間には、各パス６０及び６６のための、交互する流れチャンバ８４が画定される。従って、各隣り合うパス対７２の各パス６０及び６６のための多数の平行な流れチャンバ８４が存在する。所望であれば、フィンあるいは乱流体８６のような伝熱要素を各流れチャンバ８４内に設けることができる。各隣り合うパス対７２を分離するための分離プレート８８を各隣り合うパス対７２間に設け得、また、最上部及び最下部の流れチャンバ８４を閉鎖するための分離プレート８８を最上部の隣り合うパス対の上部及び最下部の各隣り合うパス対７２の下部に設け得る。

図６には、熱交換器５０の考え得る別の実施例が例示され、バープレート形式の構成を含んでいる。詳しくは、各熱交換器ユニット８０は、図６ではその一つが示されるバープレート組み合わせ体８０の構成を有するものとして示されている。図６に示す実施例は、各バープレート組合せ体８０のために２つの隣り合うパス対７２が設けられる点で、図５の実施例よりも幾分複雑なものとなっている。図６の実施例では各バー９０は一体型のバーであり、相互に隣り合い且つバー９０により画定されるＵ字形の流れチャンバ８４から分離した２つの開口８２をその一端に有している。各バー９０間には、熱交換器５０の１層を形成するセパレータープレートあるいはセパレーターシート９１と、幾つかのろう接ホイル９２とが設けられる。各バー９０の開口８２は全てのその他のバー９０の開口８２と組み合わさることにより、第１流体５２及び第２流体５４のための、バー９０の流れチャンバ８４を通過しない流れマニホルドを画定する。図６の実施例もやはり例示目的上のものであり、図４の実施例及び関連する議論を参照することにより理解されるものである。各構成の詳細は、各用途の特定パラメーター、例えば、流量、第１流体５２及び第２流体５４のために用いる特定の流体、第１流体５２及び第２流体５４の入口温度及び出口温度に対する依存性が高いものである。

図７及び図８は、図６の実施例の熱交換器５０に６つのパスを設けるための配列を例示するものである。図示されるように、図７の熱交換器５０は、第１マルチパス流路５６のための６つのパスと、第２の流路５８のための６つのパス６６とからなる６つの隣り合うパス対７２を有している。理解を容易化するため、パス６０及び６６、入口６２及び６８、出口６４及び７０には、第１流体５２及び第２流体５４が通過する順序を示すローマ数字が付記される。図５の実施例に於けるように、図７の熱交換器の実施例は、積層したバープレート組合せ体８０における各パス６０及び６６のための多数の流れチャンバ８４を提供し、バープレート組合せ体８０の隣り合う層の流れチャンバ８４を分離して最上部及び最下部の流れチャンバ８４を閉鎖するための分離プレート８８が設けられる。図８に例示されるように、熱交換器５０には、第１流体５２及び第２流体５４のための好適な入口及び出口フィッティング９４を設け得る。図９には、図７及び図８に示す熱交換器の実施例のための流れ形態を例示する、温度対流れ距離を表す別のグラフが示される。図９には、各隣り合うパス対７２の伝熱効率が、最大質量流量下に各隣り合うパス対７２の出口６４及び７０位置での第１流体５２及び第２流体５４の温度を極めて接近させるあるいは共通温度とするために十分なものであることが示される。かくして、各隣り合うパス対７２が、これら各隣り合うパス対７２の出口６４及び７０の各位置で第１流体５２及び第２流体５４の温度を“ピンチ留め”することが理解されよう。第１流体５２が、第２流体５４とは逆の順序で各隣り合うパス対７２に遭遇することも理解されよう。

図１０及び１１には、考え得るまた別の熱交換器５０の構成が例示され、第１熱交換チューブ１００の円周方向配列の形態において提供される複数の熱交換器が組み込まれ、第１熱交換チューブ１００は、第１流体５２を受けるための内側部分１０２と、円盤形状バッフル１０５により第２流体５４をその上部において方向付けする外側部分１０４と、一連の環状バッフル１０６と、同中心状の一組の円筒形状壁１０８とを含んでいる。例示した実施例では、最も左側及び最も右側の環状バッフルが、第１熱交換チューブ１００の端部をシール状態で受けるヘッダープレート１０７として作用する。第１熱交換チューブ１００の外側部分１０４には環状のプレートフィンの形態のフィン１１０（図１１には示されず）を設けることが好ましい。プレートフィンが例示されるが、幾つかの用途ではその他の形式のフィンを採用することが望ましい場合があり得る。図１０及び図１１の熱交換器５０が、第１マルチパス流路５６及び第２マルチパス流路５８の各パス６０及び６６から成る２つの各隣り合うパス対７２を含み、パス６０及び６６が、各隣り合うパス対７２において向流流れ関係下に配列され、第１流体５２が、第２流体５４が各隣り合うパス対に遭遇する順序とは逆の順序で各隣り合うパス対７２に遭遇することを理解されたい。

パス６０は第１熱交換チューブ１００の、図で右側の端部における開口の形態の入口６２と、図で中央の出口６４とを含み、パス６０’は第１熱交換チューブ１００の中央位置の入口６２’と、図で左側の端部位置の開口の形態の出口６４’とを含む。パス６６は、円盤形状バッフル１０５の図で左側の部分と、環状バッフル１０６の１つにおける図で右側の部分との間に画定される環状の入口６８と、図で最も左側の環状バッフル１０６の右側部分と、別の環状バッフル１０６の左側の部分との間に画定される環状の出口７０とを含む。パス６６’は、最も右側の環状バッフル１０６の左側部分と、更に別の環状バッフル１０６の右側部分との間に画定される環状の入口６８’と、円盤形状バッフル１０５の右側部分と、別の環状バッフル１０６の左側部分との間に画定される環状の出口７０’とを含む。最も外側の２つの円筒形状壁１０８が、パス６６の出口７０からの第２流体５４をパス６６’の入口６８’に配向する。

かくして、例示した実施例では、各隣り合うパス対７２は各第１熱交換チューブ１００の長手方向の半分の部分と、円盤形状バッフル１０５と、３つの環状バッフル１０６とによって画定される。各パス６６において、環状バッフル１０６が第２流体５４を３つのサブパスに配向すること及び、第２流体５４が各サブパス１１２における第１流体と部分的に交差流れ関係を有することを理解されよう。かくして、各隣り合うパス対７２において第１流体５２及び第２流体５４が全体的に向流流れ関係となるのに加え、図１０及び図１１に示す熱交換器５０では第１流体５２及び第２流体５４の部分的な交差流れも提供される。図１０及び図１１に示す熱交換器５０は３つのサブパス１１２を有しているが、幾つかの用途ではサブパスを持たない類似構成の熱交換器、若しくは、各パス６６にもっと多くの環状バッフル１０６を設けることにより３つ以上のサブパスを設けた熱交換器が望ましい場合があり得る。

先に説明した熱交換器５０におけるように、図１０及び図１１の熱交換器５０の各隣り合うパス対７２は、最大作動質量流量下に各隣り合うパス対７２の出口６４及び７０位置での第１流体５２及び第２流体５４の温度を極めて接近させるあるいは共通温度とするために充分な伝熱効果を提供する構成とされる。分析によれば、第１流体５２及び第２流体５４の出口温度が、１０対１の割合で変化する作動質量流量に対して受け入れ可能な温度範囲内のものであることが示された。

先に説明した流体温度プロファイルは、図１０に示す各隣り合うパス対７２及び７２’を通る第１流体５２及び第２流体５４の温度を例示する図１２に示すグラフを参照することにより最も良く理解される。図１２のグラフではグラフの水平方向軸線上に入口６２からの参照距離が示される。図１２に示されるように、第１流体５２が入口６２から出口６４に向けて流動し、第２流体５４が入口６８’から出口７０’に向けて流動するに際し、隣り合うパス対７２に出口６４及び７０’位置での第１流体及び第２流体５４の温度は極めて接近するあるいは共通温度となる。同様に、第１流体及び第２流体５４が各入口６２’及び６８から各出口６４’及び７０に向けて流動するに際し、次の隣り合うパス対７２’の出口６４’及び７０の位置ではこれら第１流体５２及び第２流体５４の温度は再度極めて接近するあるいは共通温度となる。この流体温度プロファイルは、各隣り合うパス対７２及び７２’を、第１流体５２及び第２流体５４のための、それよりも低い全ての質量流量下での所望の性能を保証するべき最大作動質量流量下において、最大の伝熱効率が達成される設計形状とすることにより実現されることが好ましい。図１２のデータ点Ａ、Ａ’、Ｂ、Ｂ’が、図１０に示すように、各サブパス１１２間の移行位置での流体温度を表すことを銘記されたい。

図１０及び図１１の熱交換器５０の随意的且つ好ましい特徴の一つは、燃料電池システムの燃料プロセス処理システムに用いる場合に、自動−熱改質器（ＡＴＲ）２６を備える一体ユニット１２０として熱交換器５０を製造し得ることである。図１０及び図１１に示すように、ＡＴＲ２６の少なくとも一部分が、熱交換器５０の少なくとも一部分によって包囲される最も内側の円筒状壁１０８の内部に位置付けられることが好ましい。例示した実施例ではＡＴＲ２６は、図１０に示すように、第１マルチパス流路５６の最後のパス６０’と、第２マルチパス流路５８の最初のパス６６とによって包囲され、ＡＴＲ２６の入口１２２が、出口６４’を出る空気／燃料混合物５２を受けるために出口６４’に連結され、出口１２４が、入口６８に改質物５４を配向するために入口６８に連結される。ＡＴＲ２６の少なくとも一部分が熱交換器５０の少なくとも一部分によって包囲されることが好ましいが、幾つかの用途ではＡＴＲ２６を、熱交換器５０がこのＡＴＲ２６によっては包囲されないようにして熱交換器５０に関して位置付けることが有益な場合があり得る。

例示した実施例では、一体ユニット１２０は入口連結部１３０を介して空気／燃料混合物５２を受け、改質物５４を出口連結部１３２から図示しない中温水−ガスシフトリアクタ（ＭＴＳ）に送る。図２の燃料プロセス処理システム３６と比較するに、一体ユニット１２０からなる燃料プロセス処理システムでは、ＭＴＳを用いることでＨＴＳ２８とＬＴＳ３２とが排除される。この点に関する更に他のオプションとして、一体ユニット１２０の排出口位置に、改質物５４を追加冷却し且つ下流側での反応のための水分を追加する水注入体を設け得る。一体ユニットは、入口連結部１３０からの空気／燃料混合物を熱交換器５０に向けて送る環状プレナム１３６を含む、全体に円筒形状のハウジング１３４により包囲される。

図１０及び図１１の熱交換器５０の場合はＡＴＲ２６との一体化は随意的なものであり、熱交換器５０はＡＴＲ２６無しで提供され得る。更には、第１熱交換チューブ１００及び環状バッフル１０６を円周方向に配列することが好ましいが、幾つかの用途では改質物５４をパス６６を通して送るために好適な形状のバッフルを備える状態で、第１熱交換チューブ１００を非円周方向配列下に提供することが望ましい場合があり得る。

熱交換器５０の幾つかの実施例を示したが、そうした熱交換器のための数多くの構成が存在し得る。例えば、２つ、３つ、６つの隣り合うパス対７２を有する熱交換器５０が示されたが、各用途における特定のパラメータによって決定される如き、本来一定の出口温度を実現するために必要な数の隣り合うパス対を有し得る。この点に関し、所定の入り口条件組み合わせ（温度、質量流れ）に対する隣り合うパス対７２の数Ｎが、各隣り合うパス対７２が温度を“ピンチ留め”すると先に説明したように、第１流体５２及び第２流体５４の各々の出口温度を決定する。図４及び図９と比較するに、隣り合うパス対７２の数Ｎが増えると全体的な熱交換効率が増大し、低温の第１流体５２の出口温度が上昇し、高温の第２流体５４の温度が低下し、かくして、適宜数の隣り合うパス対７２を設けることにより、熱交換器５０を、低温の第１流体５２及び高温の第２流体５４の各入口温度及び出口温度との間の所望の温度範囲を提供する設計のものとすることができる。

熱交換器の一体ユニット、即ちバープレート組合せ体８０のための、形成し、積層したプレートと、バープレートと、チューブ及びフィンとの各例を例示したが、特定用途のための要求性能を実現する必要があれば、任意の好適な熱交換ユニットを用いることが可能である。
本来一定の出口温度、即ち、特定用途の作動スペクトル内での全ての流量のための特定用途のための、受容可能な狭い範囲に渡り変動する出口温度が提供されることにより、再生熱交換器において出口温度を能動制御する必要性が排除され、従って、特定用途が恐らくは簡素化され、コスト及び複雑性が低減され、信頼性が向上し得る。
熱交換器５０のその他の考え得る利益は、比較的汚れに強いことである。詳しくは、各隣り合うパス対７２の出口６４及び７０位置で第１流体５２及び第２流体５４が共通温度に接近することから、熱交換器５０は出口温度に大きな影響を与えることなく大型化することが可能である。大型化することにより、第１流体５２及び第２流体５４の出口温度を変化させることなく、コア汚れなどよる熱交換性能の実質的な低下が許容されるようになる。
熱交換器５０の一組の潜在的利益を説明したが、熱交換器５０の全ての実施例において、説明した潜在的利益の全てあるいは任意のものが提供され得ない場合があることを理解されたい。
以上、本発明を実施例を参照して説明したが、本発明の内で種々の変更をなし得ることを理解されたい。

燃料電池システムで使用される従来の再生熱交換器のダイヤグラム図である。図１の再生熱交換器に代替する本発明の再生熱交換器のダイヤグラム図である。本発明の熱交換器のダイヤグラム図である。図３及び図６の熱交換器における２つの作用流体の流路長に対する温度を表すグラフである。本発明に従う熱交換器の１実施例の拡大斜視図である。本発明の熱交換器の他の実施例の拡大斜視図である。図６に示す多数の構成部品を用いる本発明の他の実施例における熱交換器の拡大斜視図である。図７の熱交換器の斜視図である。図７及び図８の熱交換器の２つの作用流体の流路長に対する温度を表すグラフである。本発明の他の実施例における熱交換器のダイヤグラム図である。図９の実施例における熱交換器の部分破除した斜視図である。図１０及び図１１の熱交換器の２つの作用流体の流路長に対する温度を表すグラフである。

符号の説明

５０熱交換器
５２第１流体
５６第１マルチパス流路
５４第２流体
５８第２マルチパス流路
６０、６６パス
６２、６２’、６２”、６８、６８’、６８” 入口
６４、６４’、６４”、７０、７０’７０” 出口
７２、７２’、７２” 隣り合うパス対
８０カッププレート
８２開口
８４流れチャンバ
８８分離プレート
９０バー
９１セパレーターシート
９２ろう接ホイル
９４入口及び出口フィッティング
１００第１熱交換チューブ
１０２内側部分
１０４外側部分
１０５円盤形状バッフル
１０６環状バッフル
１０７ヘッダープレート
１０８円筒形状壁
１１２サブパス
１２０一体ユニット
１２２入口
１３０入口連結部
１３２出口連結部
１３４ハウジング
１３６環状プレナム

Claims

第１流体と第２流体との間で伝熱させるための熱交換器にして、各第１流体及び第２流体が、熱交換器を通る最大作動質量流量を有し、第１流体及び第２流体が相互に実質的に比例する質量流量を有する熱交換器であって、
第１流体のための第１マルチパス流路にして、各パスが第１入口及び第１出口を有する第１マルチパス流路と、
第２流体のための第２マルチパス流路にして、各パスが第２入口及び第２出口を有する第２マルチパス流路と、
を含み、
第１マルチパス流路及び第２マルチパス流路が、第１マルチパス流路の各パスが第２マルチパス流路の隣り合う１つのパスと対を成し、第２流体が各隣合うパス対に遭遇する順序とは逆の順序で第１流体が各隣合うパス対と遭遇するように各パスが配列され、各隣り合うパス対の前記第１入口、第２入口、第１出口、第２出口が、各隣り合うパス対を流動する第１流体と第２流体との間に向流流れ関係を提供するように相対配列され、各隣り合うパス対が、最大作動質量流量下における第１流体及び第２流体の隣り合うパス対の各第１出口及び第２出口位置での各温度が極めて接近するあるいは共通温度となるに十分な伝熱効率を提供するための形態を有する熱交換器。
第１流路及び第２流路を画定する複数の熱交換器ユニットを更に含む請求項１の熱交換器。
第２マルチパス流路の各パスが少なくとも２つのサブパスに分岐され、該サブパス内の第２流体が、隣り合うパス内の第１流体に関して部分的な交差流れ関係を有する請求項１の熱交換器。
第１マルチパス流路を内部に画定する複数のチューブと、
各チューブの外側に関し、各チューブの外側を横断する第２マルチパス流路を画定するように位置付けた少なくとも１つのバッフルと、
を更に含む請求項１の熱交換器。
隣り合うパス内の第１流体に関して部分的な交差流れ関係下に第２流体を配向するために、第２マルチパス流路の各パス内に位置付けた少なくとも１つのバッフルを更に含む請求項４の熱交換器。
第２マルチパス流路内に伸延するチューブの外側の複数のフィンを更に含む請求項４の熱交換器。
第１流体と第２流体との間で伝熱させるための熱交換器にして、各第１流体及び第２流体が、熱交換器を通る最大作動質量流量を有し、第１流体及び第２流体が相互に実質的に比例する質量流量を有する熱交換器であって、
第１流体のための第１マルチパス流路と、第２流体のための第２マルチパス流路とを画定するための熱交換器ユニットの積層体を含み、
第１マルチパス流路の各パスが第１入口及び第１出口を有し、第２マルチパス流路の各パスが第２入口及び第２出口を有し、第１マルチパス流路及び第２マルチパス流路が、第１マルチパス流路の各パスが第２マルチパス流路の隣り合う１つのパスと対を成し、第２流体が各隣合うパス対に遭遇する順序とは逆の順序で第１流体が各隣合うパス対と遭遇するように各パスが配列され、各隣り合うパス対の前記第１入口、第２入口、第１出口、第２出口が、各隣り合うパス対を流動する第１流体と第２流体との間に向流流れ関係を提供するように相対配列され、各隣り合うパス対が、最大作動質量流量下における第１流体及び第２流体の、隣り合うパス対の第１出口及び第２出口の各位置での各温度が極めて接近するあるいは共通温度となるに十分な伝熱効率を提供するための形態を有する熱交換器。
熱交換器ユニットの積層体が複数のプレート対を含み、各プレート対が、各プレート対間の各プレート間における第１マルチパス流路の少なくとも１つのパスと、プレート対の１つのプレートと隣り合うプレート対の１つのプレートとの間における第２マルチパス流路の少なくとも１つのパスを画定する請求項７の熱交換器。
各プレート対が、各プレート対の各プレート間における第１マルチパス流路の単一のパスと、プレートの１つと隣り合うプレート対のプレートとの間における第２マルチパス流路の単一のパスとを画定する請求項８の熱交換器。
複数のバープレート対を含み、各バープレート対が、各バープレート対の各バープレート間における第１マルチパス流路の２つのパスと、バープレートの１つと隣り合うバープレート対のバープレートとの間における第２マルチパス流路の２つのパスとを画定する請求項７の熱交換器。
熱交換器を通る最大作動質量流量を有し、相互に実質的に比例する質量流量を有する第１流体及び第２流体間の伝熱を低供するための再生熱交換器の運転方法であって、
ａ）再生熱交換器の第１流路の第１パスを通して第１流体を流動させること、
ｂ）第２流路の、第１流路の前記第１パスに隣り合う第２パスを通して第２流体を流動させ、最大作動質量流量下に各パスの出口位置の第１流体及び第２流体の各温度を極めて接近させるあるいは共通温度とすること、
ｃ）第１流体が第１流路の第１パスを通して流動した後、再生熱交換器の第１流路の第２パスを通して第１流体を流動させること、
ｄ）第２流体を、第２流路の第２パスを通して流動させるに先立ち、再生熱交換器の第１流路の第２パスに隣り合う、第２流路の第１パスを通して流動させることにより、最大作動質量流量下での各パスの出口位置での第１流体及び第２流体の各温度を極めて接近させるあるいは共通温度とすること、
を含む方法。
ｅ）第１流路及び第２流路の追加的なパスを通して第１流体及び第２流体を流動させることを更に含む請求項１１の方法。
プロトン交換膜形式の燃料電池システムのための燃料プロセス処理システムであって、
燃料プロセス処理システムからの加湿空気／燃料混合物を受けるために燃料プロセス処理システムに連結した入口と、燃料プロセス処理システムに改質物流れを供給するために該燃料プロセス処理システムに連結した出口とを有する自動−熱改質器と、
該自動−熱改質器からの改質物流れを受けるために該自動−熱改質器の下流側で燃料プロセス処理システムに連結した入口と、燃料プロセス処理システムに一酸化炭素含有量の低減された改質物流れを供給するために燃料プロセス処理システムに連結した出口とを有する水−ガスシフトリアクタと、
第１流路及び第２流路を含む再生熱交換器にして、第１流路が、加湿空気／燃料混合物を自動−熱改質器のための所望の入口温度範囲に予熱するために、自動−熱改質器の上流側で燃料プロセス処理システムに連結され、第２流路が、改質物を水−ガスシフトリアクタのために所望の入口温度範囲に冷却するために、自動−熱改質器の下流側で且つ水−ガスシフトリアクタの上流側で燃料プロセス処理システムに連結され、
前記第１流路及び第２流路が、燃料電池システムの予測される作動スペクトル内の全ての流量下において、能動制御システムを使用することなく自動−熱改質器及び水−ガスシフトリアクタのための所望の入口温度範囲を提供するために相対配列された燃料プロセス処理システム。
再生熱交換器と、自動−熱改質器とが一体ユニットである請求項１３の燃料プロセス処理システム。
プロトン交換膜形式の燃料電池システムのための燃料プロセス処理システムの運転方法であって、
ａ）再生熱交換器の第１流路を通して、該第１流路の下流側に位置付けた自動−熱改質器に空気／燃料混合物を流動させること、
ｂ）再生熱交換器の、自動−熱改質器の下流側で且つ水−ガスシフトリアクタの上流側に位置付けた第２流路を通して、自動−熱改質器からの改質物を流動させること、
ｃ）燃料電池の作動スペクトル内の全ての流量のための所望の触媒温度内に於いて、第１流路からの空気／燃料混合物を自動−熱改質器に提供すること、
ｄ）燃料電池の作動スペクトル内の全ての流量のための所望の触媒温度内に於いて、第２流路からの改質物を水−ガスシフトリアクタに提供すること、
ｅ）再生熱交換器を能動制御することなく、前記ｃ）及びｄ）を実施すること、
を含む方法。
燃料電池システムの燃料プロセス処理システムのための一体ユニットであって、
空気／燃料混合物のための第１流路と、改質物のための第２流路とを含み、第１流路及び第２流路の各々が入口及び出口を有する再生熱交換器と、
自動−熱改質器にして、第１流路からの空気／燃料混合物を受けるために第１流路の出口に連結した入口と、第２流路に改質物を送るために第２流路の入口に連結した出口と、を有する自動−熱改質器と、
を含む一体ユニット。
第１流路及び第２流路がマルチパス流路であり、自動−熱改質器の少なくとも一部分が、第１流路の最後のパスと、第２流路の最初のパスとによって包囲される請求項１６の一体ユニット。
自動−熱改質器の少なくとも一部分が、再生熱交換器の一部分によって包囲される請求項１６の一体ユニット。
第１流体と第２流体との間で伝熱させるための熱交換器にして、各第１流体及び第２流体が熱交換器を通る最大作動質量流量を有し、第１流体及び第２流体が相互に実質的に比例する質量流量を有する熱交換器の運転方法であって、
ａ）再生熱交換器の第１流路のＮ個のパスを通して第１流体を流動させること、
ｂ）再生熱交換器の第２流路のＮ個のパスを通して第２流体を流動させること、
を含み、
各前記Ｎ個のパスにおける第１パス及び第２パスが、Ｎ個の隣り合うパス対を成すように配列され、第１流体及び第２流体が、Ｎ個の各隣り合うパス対を通して向流流れ関係を有し、最大作動質量流量下におけるＮ個の各隣り合うパス対の各パスの出口位置での第１流体及び第２流体の各温度が極めて接近されあるいは共通温度となり、第１流体がＮ個の隣り合うパス対の最初の隣り合うパス対と最初に遭遇し、引き続き、隣接するパス対を通過してＮ個目の隣り合うパス対へと流動し、第２流体が、Ｎ個目の隣り合うパス対と最初に遭遇し、引き続き、隣接するパス対を通過して最初の隣り合うパス対へと流動し、かくして、前記第１流体とは逆の順序で隣り合うパス対と遭遇しつつ流動する方法。
第１流体及び第２流体が再生熱交換器を出入りする際の各入口温度と出口温度との間の所望の温度範囲の関数として、隣り合うパス対の数Ｎを選択することを更に含む請求項１９の方法。