JP2007317374A - 積層型熱交換器とこれを有する固体電解質型電気化学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な製法と品質管理で製造できる熱交換器を提供すること。
【解決手段】積層型熱交換器１０は、流体通過空隙部（低温流体用）１１ａ〜１１ｅと流体通過空隙部（高温流体用）１２ａ〜１２ｅが略端部に各々配置されている略平板状の熱交換板１３ａ〜１３ｅで構成されている。これら流体通過空隙部は、お互いに連通して配置することにより、屈曲流路（低温流体用）１４と屈曲流路（高温流体用）１５が形成されている。この構成とすることで、高い熱交換効率と少ない圧力損失のコンパクト構造の積層型熱交換器となり、その製造を簡単な製法と品質管理で行なうことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体や空気の熱交換用途に用いる積層型熱交換器と、これを使用した燃料電池や酸素富加装置などの固体電解質型電気化学装置に関する。

水素イオン導電性または酸素イオン導電性固体電解質の両側電極に空気と水素を各々供給して発電を行う燃料電池が、省資源や環境保護の観点より最近注目されている。これら燃料電池システムは、酸素と水素を電気化学的に反応させてその化学エネルギーを電気エネルギーに変換させる固体電解質型電気化学装置であり、併設した空気熱交換器を介して、燃焼器などで加熱された高温流体で低温流体を予め温めて供給することで、発電効率を高めている。

このような熱交換器は、種々な構成があるが特に、複数枚の偏平板を積層した積層型熱交換器は、コンパクトな構造になり設置面積が小さくなる利点がある（例えば、特許文献１参照）。図５は、従来のこの積層型熱交換器の分解斜視図であり、積層された４枚の熱交換板１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄとセパレータ２で空気熱交換器３が構成されている。セパレータ２、第１熱交換板１ａ、第２熱交換板１ｂ、第３熱交換板１ｃ、第４熱交換板１ｄは、略同一の形状と寸法を有しており、それぞれの配置に対抗して開けられた連通する２個の燃料ガスが通過する孔と、連通する２個の空気が通過する孔を有する。この孔は、使用前の低温の燃料ガスが通過する給気孔５ｓ、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄと、使用後の高温の燃料ガスが通過する排気孔６ｓ、６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄと、使用前の低温空気が通過する貫通孔７ｓ、７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄと、使用後の高温空気を通過する貫通孔（II）８ｓ、８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄである。

セパレータ２は、使用前の低温空気を導入する貫通孔７ｓと、使用後の高温空気が通過する貫通孔（II）８ｓを備えている。また、第１熱交換板１ａは、使用前の低温空気を導入する貫通孔７ａと、使用後の高温空気が通過する貫通孔（II）８ａと、貫通孔７ａから流入した低温空気を通すために表面に設けた凹み９ａを備えている。さらに、第２熱交換板１ｂは、使用前の低温空気を導入する貫通孔７ｂと、使用後の高温空気が通過する貫通孔（II）８ｂと、流入した高温空気を通すための凹み９ｂを備えている。以下、第３熱交換板１ｃおよび第４熱交換板１ｄも同様に、貫通孔７ｃ、７ｄと、貫通孔（II）８ｃ、８ｄと、凹み９ｃ、９ｄを備えている。

セパレータ２の貫通孔（II）８ｓは、第１熱交換板１ａの貫通孔（II）８ａと、第２熱交換板２ｂの表面上凹み９ｂの端部の配置に対抗して開けられており、使用後の高温空気が、貫通孔（II）８ｓから８ａさらに凹み９ｂを経由する空気流れが形成されている。そして、この高温空気の流れは、貫通孔（II）８ｂから８ｃさらに凹み９ｄを経由して８ｄから流出する。第４熱交換板１ｄの貫通孔７ｄは、第３熱交換板１ｃの凹み９ｃの端部に位置する貫通孔７ｃに対抗して開けられており、使用前の低温空気が、貫通孔７ｄから７ｃさらに凹み９ｃを経由する空気流れが形成されている。そして、この低温空気の流れは、貫通孔７ｂから７ａさらに凹み９ａを経由して７ｓから流出する。この流れによって例えば、凹み９ｄを流れる低温空気と、凹み９ｃを流れる高温空気との熱交換が、第３熱交換板１ｃの下面との間で行われる。

また、これ以外の複数枚の板を積層した構造の熱交換器として、片面に１次側流体が流れる流路溝と貫通孔を有する１次側流路隔壁板と、これとほぼ同じ形状であり片面に２次側流体が流れる流路溝と貫通孔を有する２次側流路隔壁板とを１組として複数組積み上げ
た積層熱交換器がある（例えば、特許文献２参照）。さらに、１個以上の連通部と中空部とを備えた複数の熱公エレメントを所定間隔で対向させてその連通部を接合した積層型の熱交換器が有る（例えば、特許文献３参照）。

一方、熱交換器を、燃料電池システムの空気極への空気流路に配置して、燃焼器での発生熱を空気極に供給される室温空気に熱伝達して、応力を低減させ耐久信頼性を向上させる例が有る（例えば、特許文献４参照）。

またさらに、酸素イオン導電性固体電解質を用いて酸素濃度を高めた酸素富加装置とした、固体電解質型電気化学装置の提案がある（例えば、特許文献５参照）。この装置は、酸素イオン導電性固体電解質の両面に形成した第１電極と第２電極に、直流電源により数Ｖの電圧を印加して、酸素分子を第１電極から酸素イオン導電性固体電解質を経由して第２電極に移動させ、第２電極の側に１００％の酸素ガスを生成する電気化学素子を構成している。電気化学素子は、接着材料を介して取り付けられた区画手段により、第１電極の側の空間と第２電極の側の空間に区画されている。また、この酸素生成の電気化学反応を効果的におこなうため、電気化学素子の近くには、これを加熱するためのヒータが配置されており、通電により発熱して６００℃前後まで昇温されている。電気化学素子と区画手段とヒータは、その周囲を通気性の断熱材で外包し、さらにその周囲を開口部を設けた筐体で外包して放熱低減を図り、ヒータの電力を低減させている。電気化学素子とヒータが、通気性の断熱材によって、直接に大気と接触しないようにしているので、ヒータによる電気化学素子への熱効率が向上し、電気化学素子の加熱に必要な消費電力を小さくすることができる。また、電気化学素子の保持も同時におこなう区画手段が、熱膨張係数が略同一の鉄―クロム合金の金属箔で構成されているため、電気化学素子は、弾力的に保持されており、断熱材との相乗効果と合せて均一な温度分布とすることができ、温度差を原因とするクラック破損が防止される。
特開平７−１７６３１６号公報 特開平９−２９２１９４号公報 特開２０００−２０５７６８号公報 特開２００５−１６６４３９号公報 特開２００３−２１５０９４号公報

しかしながら、従来例１の熱交換器は、表面に凹みを形成した偏平な熱交換板を複数枚積層した構成であるため、表面への凹み形成に複雑な製法と厳密な品質管理を必要とする課題があった。また、従来例２の熱交換器は、片面に流体が流れる流路溝と貫通孔を有する流路隔壁板を複数枚積層した構成であるため、表面への溝形成に複雑な製法と厳密な品質管理を必要とする課題があった。さらに、従来例３の熱交換器は、１個以上の連通部と中空部とを備えた複数の熱公エレメントを所定間隔で対向させてその連通部を接合した構成であるため、複雑な製法と厳密な品質管理で製造しなければならない課題があった。

一方、従来例４の燃料電池システムとして用いる固体電解質型電気化学装置は、汎用構成の熱交換器を使用するため、装置が大型になる課題があった。

またさらに、従来５の酸素富加装置としての固体電解質型電気化学装置は、加熱に必要な電力を小さくするために、電気化学素子と区画手段とヒータの周囲を通気性の断熱材で外包して放熱低減を図る構成であるため、酸素発生能力が大型化すると、ヒータの消費電力が期待したほど低減しないという課題があった。これは、酸素発生能力が増大すると、多量の空気の供給補充を必要とし、この多量の空気供給補充を円滑にするには、断熱材の通気性を積極的に高める必要性が生じて断熱材の厚みを薄くしなければならないのだが、
このことは結果的に断熱性能の低下となり電気化学素子の温度低下を招いてしまうので、このことを防止する目的で、ヒータの電力量を増大して電気化学素子を所定温度に維持して対処するためである。つまり、従来の固体電解質型電気化学装置における電気化学素子とヒータは、通気性の断熱材によって直接に大気と接触しないようにされている構成であるため、酸素発生濃縮能力が小さいと少量の空気供給補充で済むのでこの構成で対応できるのだが、酸素発生濃縮能力が大きくなると多量の空気供給補充を必要とするので断熱材が空気の供給補充を妨げてしまう。このため、従来の断熱構成をそのまま使用して酸素発生能力を向上させると、断熱材の厚みを薄くするなどしてその通気性を積極的に高める必要があり、このことがヒータの消費電力増大を招いていたのである。

本発明は、前記課題を解決するものであり、簡単な製法と品質管理で製造できるコンパクトな積層型熱交換器の提供と、この熱交換器を使用することで、その容積を小さくし加熱体などの消費電力低減をはかった固体電解質型電気化学装置の提供を目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の積層型熱交換器は、少なくとも２つの流体通過空隙部を有する略平板状の熱交換板の複数枚を積層し、低温流体と高温流体が通過する２種類の屈曲流路を形成した構造体である積層型熱交換器とすることで、その内部に低温流体と高温流体が通過する２種類の屈曲流路を形成しているため、簡単な製法と品質管理で製造できる。また、積層型熱交換器が略平板状の熱交換板の積層構造体であるため、コンパクトな構造となりその容積が小さくなる。

本発明は、簡単な製法と品質管理で製造できる小型の熱交換器と、コンパクトでその容積が小さく加熱に要する消費電力を低減した固体電解質型電気化学装置を提供できる。

第１発明の積層型熱交換器は、少なくとも２つの流体通過空隙部を有する略平板状の熱交換板の複数枚を積層し、低温流体と高温流体が通過する２種類の屈曲流路を形成した構造体である積層型熱交換器であるとした。積層型熱交換器は、少なくとも２つの流体通過空隙部を有する略平板状の熱交換板を主な構成部材として用いて多数枚積層した構造体とすることで、その内部に低温流体と高温流体が通過する２種類の屈曲流路を形成しているため、簡単な製法と品質管理で製造できる。また、積層型熱交換器が略平板状の熱交換板の積層構造体であるため、コンパクトな構造となりその容積が小さくなる。

第２発明の積層型熱交換器は、第１の発明に用いる熱交換器の熱交換板を、筐体の内部空間に配置した構造体であるとした。この構成にすると、少なくとも２つの流体通過空隙部を有する複数枚の熱交換板を、筐体の内部空間に圧入したりバネ材で支持したりして固定できるので、熱交換効率の高いコンパクト構造の熱交換器が、一層簡単な製法と品質管理で製造できる。

第３発明の積層型熱交換器は、第２の発明に用いる熱交換器の入口と出口が、筐体もしくは最外部の熱交換板に略垂直に配置された構造体であるとした。この構成にすると、少なくとも２つの流体通過空隙部が熱交換にとって効果的な配置となり、高い熱交換効率が得られる。また、さらにコンパクト構造の熱交換器が、簡単な製法と品質管理で製造できる。

第４発明の積層型熱交換器は、第１の発明に用いる熱交換器が、水分通過性フィルムを設けた伝熱性の熱交換板を介して、高温流体の温水から低温流体の空気に向かって、水分が加湿される構造体とした。この構成にすると、温水の高温水分が低温流体に効果的に伝
達される。

第５発明の固体電解質型電気化学装置は、第４の発明に用いる積層型熱交換器を、水素イオン導電性固体電解質に形成した空気極に通じる空間に配置して、加湿温された空気を前記カソード電極に供給する固体電解質型電気化学装置とした。この構成にすると、水分を多く含む空気が空気極に供給されるため、その耐久信頼性が向上する。

第６発明の固体電解質型電気化学装置は、第１〜４の発明のいずれかに用いる積層型熱交換器を使用しており、イオン導電性固体電解質の両面に形成したカソード電極とアノード電極を有する電気化学素子と、前記電気化学素子のカソード側空間とアノード側空間を区画する区画手段と、前記電気化学素子の加熱をおこなう加熱体と、前記カソード側空間の内部空間内またはこれに通じる併接空間に配置して前記カソード側空間への流入空気を高温流体で加熱するための前述の熱交換器を備えるとした。

熱交換器が略平板状の熱交換板の積層構造体であるため、これを使用した固体電解質型電気化学装置は、コンパクトな構造となりその容積が小さくなる。さらに、熱交換器は、カソード側空間の内部空間内またはこれに通じる併接空間に配置して、カソード側空間への流入空気を高温流体で加熱するため、固体電解質などの電気化学素子を加熱する加熱体などの消費電力低減がはかれる。

第７の発明の固体電解質型電気化学装置は、第６の発明に用いる熱交換器の最外側部の熱交換板に設けられた２つの流体通過空隙部が、カソード側空間に対峙して配置されているとした。この構成にすると、カソード側空間から流出する高温の排出ガス熱が、この空間に流入する室温空気に効果的に熱を伝達できるため、固体電解質型電気化学装置は、熱交換器が高い熱交換効率を有する利点が生じて、熱交換器のない従来品と比較して加熱体の消費電力を一層低減する効果が生じる。

第８の発明の固体電解質型電気化学装置は、第７の発明に用いる熱交換器の２つの流体通過空隙部が、最外側部の熱交換板の略端部に設けられているとした。この構成にすると、カソード側空間から流出する高温の排出ガス熱が、この空間に流入する室温空気にさらに効果的に熱を伝達できるため、固体電解質型電気化学装置は、熱交換器がさらに高い熱交換効率を有する利点が生じて、熱交換器のない従来品と比較して加熱体の消費電力をさらに一層低減する効果が生じる。

第９の発明の固体電解質型電気化学装置は、第７の発明に用いる熱交換器の最外側部の熱交換板に設けられた２つの流体通過空隙部が、カソード側空間に配置された加熱体の略端部と対峙して配置されているとした。この構成にすると、カソード側空間から流出する高温の排出ガス熱が、この空間に流入する室温空気にさらに効果的に熱を伝達できるため、固体電解質型電気化学装置は、熱交換器がさらに高い熱交換効率を有する利点が生じて、熱交換器のない従来品と比較して加熱体の消費電力をさらに一層低減する効果が生じる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、本発明の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
実施の形態１は、本発明の積層型熱交換器の構成について検討した内容であり、その実施の形態を図１に示す。積層型熱交換器１０は、流体通過空隙部（低温流体用）１１ｂと流体通過空隙部（高温流体用）１２ｂを有する略平板状のフェライト系ステンレスなどの熱交換板１３ｂが、１３ａ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅとともに複数枚積層させた構造体を
主な構成部材としている。各々の熱交換板１３ａ〜１３ｅは、銅ロウなどの接合材で接着されており、流体通過空隙部（低温流体用）１１ａ〜１１ｅと流体通過空隙部（高温流体用）１２ａ〜１２ｅが、略端部に各々配置されている。そして、流体通過空隙部（低温流体用）１１ａ〜１１ｅを連通して配置することにより、屈曲流路（低温流体用）１４が形成されている。また、流体通過空隙部（高温流体用）１２ａ〜１２ｅを連通して配置することにより、屈曲流路（高温流体用）１５が形成されている。

また、最外側の熱交換板１３ａには低温流体の入口１６ｘと高温流体の出口１７ｙが、他の最外側の熱交換板１３ｅには高温流体の入口１６ｙと低温流体の出口１７ｘが、平板方向に対して略垂直に配置されている。

この構成にすると、熱交換板１３ｃは伝熱体の役割となり、それ以外の熱交換板１３ａ、１３ｂ、１３ｄ、１３ｅは、屈曲流路（低温流体用）１４と屈曲流路（高温流体用）１５を形成する枠体の役割となる。そのため、高温流体と低温流体は、熱交換板１３ｃを介して伝熱が行なわれ、屈曲流路（高温流体用）１５から屈曲流路（低温流体用）１４に向かって熱移動が行なわれる。また、流体通過空隙部（低温流体用）１１ａ〜１１ｅと流体通過空隙部（高温流体用）１２ａ〜１２ｅを、各々の熱交換板１３ａ〜１３ｅの略端部に各々配置することができるため、屈曲流路（低温流体用）１４と屈曲流路（高温流体用）１５が熱交換にとって効果的な配置となり、高い熱交換効率と少ない圧力損失が得られる。さらに、略平板状の熱交換板１３ａ〜１３ｅを複数枚積層した構造体が主な構成部材であるため、コンパクト構造の積層型熱交換器となり、その製造を簡単な製法と品質管理で行なうことができる。

なお、熱交換板１３ａ〜１３ｅに形成される流体通過空隙部（低温流体用）１１ａ〜１１ｅと流体通過空隙部（高温流体用）１２ａ〜１２ｅおよび、これに形成される屈曲流路（低温流体用）１４と屈曲流路（高温流体用）１５の数は、２つに限定する必要はなく用途に応じて２以上の多数としてもよい。また、熱交換板１３ａ〜１３ｅの枚数は、水などの液体や空気などの気体の用途に応じた限定のない多数枚である。

（実施の形態２）
実施の形態２は、積層型熱交換器の構成についてさらに検討した内容であり、その構成を図２示す。実施の形態１である図１との相違は、筐体１８の内部空間１９に、流体通過空隙部１１ｂ〜１１ｅ（低温流体用）と１２ｂ〜１２ｅ（高温流体用）が予め形成されてある熱交換板１３ｂ〜１３ｅを配置した構造体の積層型熱交換器１０ｂとした点である。この構成にすると、熱交換板１３ｂ〜１３ｅが、筐体１８の内部空間１９に圧入されたりバネ材で支持されたりして固定できるので、その固定を簡素化できる利点が生じる。なお、これ以外の実施例として、最外側の熱交換板１３ｅを、他の熱交換板１３ｂ、１３ｃ、１３ｄより大きい寸法として、筐体１８の外側枠体と嵌合する構成としてよい。

（実施の形態３）
実施の形態３は、積層型熱交換器の構成についてさらに検討した内容であり、その構成を図２示す。実施の形態２との相違は、筐体１８の底に、低温流体の入口１６ｘと高温流体の出口１７ｙが略垂直に配置されている構成とした点である。この構成にすると、屈曲流路（低温流体用）１４と屈曲流路（高温流体用）１５の主な流れ向きと、入口１６ｘと出口１７ｙの流れ向きが一致して、低温流体と高温流体が円滑に流れるため、圧力損失が小さい熱交換器となる。また、筐体１８の内部空間１９を成型する向きと、入口１６ｘと出口１７ｙの成型向きが一致するため、その製造を簡単な製法と品質管理で行なうことができる。なお、これ以外の実施例として、最外側の熱交換板１３ｅを、筐体１８の外側枠体と嵌合する形状に成型しその底に、高温流体の入口部１６ｙと低温流体の出口部１７ｘを略垂直に配置する構成としてよい。

（実施の形態４）
実施の形態４は、積層型熱交換器の構成についてさらに検討した内容であり、その構成を図３に示す。図１および図２との相違は、フッ素高分子をスルホン化した材料組成である水分通過性フィルム２０ｏ、２０ｐ、２０ｑ、２０ｒを中央部分に設けた伝熱性の熱交換板を、非水分通過性であり枠体の役割をはたす熱交換板１３ｉ、１３ｊ、１３ｋ、１３ｌ、１３ｍの間に配置した点である。そして例えば、室温空気の屈曲流路（低温流体の空気用）２１に、水分通過性フィルム２０ｏを介して、温水の屈曲流路（高温流体の温水用）２２から温水が加湿されるように、積層型熱交換器１０ｃを構成している。

熱交換板１３ｉ〜１３ｍは、例えば、熱交換板１３ｉに流体通過空隙部（低温流体の空気用）１１ｉを配置して屈曲流路（低温流体の空気用）２１が形成され、熱交換板１３ｊに流体通過空隙部１２ｊ（高温流体の温水用）を配置して屈曲流路（高温流体の温水用）２２が形成されているように、各々に流体通過空隙部（番号付与せず）を配置してこの２種類の屈曲流路が形成されている。

室温空気は、入口１６ｘから流入し例えば、屈曲流路（低温流体の空気用）２１を経由して、水分通過性フィルム２０ｏと接触する。一方、温水は、入口１６ｙから流入し例えば、屈曲流路（高温流体の温水用）２２を経由して、水分通過性フィルム２０ｏと接触する。そして例えば、水分通過性フィルム２０ｏを介して、温水から空気に向かって、熱移動と水分加湿が行なわれて、空気は加湿温風となる。この熱移動と水分加湿は、他の水分通過性フィルム２０ｐ〜２０ｒを介しても行なわれ、加湿温風となった空気が出口１７ｘから、冷えた水が出口１７ｙから各々流出する。

この流体流れを円滑におこなうため、水分通過性フィルム２０ｏ〜２０ｒを設けた伝熱性の熱交換板と、非水分通過性の熱交換板１３ｉ〜１３ｍには、室温空気が流れる２個の流体通過空隙部（１個は記載し、他１個は記載せず）と、温水が流れる２個の流体通過空隙部（１個は記載し、他１個は記載せず）を各々の板に形成した。各々のこれら２個の流体通過空隙部は、開口部とこれに連通する分岐路で構成されている。またさらに、各々の熱交換板は、ゴムおよびエラストマの凸状外周シール材２３（代表例は番号記載し、他は番号記載せず）を挟んで積層し、入口１６ｘと出口１７ｙを有する熱交換板１３ｈと、入口１６ｙと出口１７ｘを有する熱交換板１３ｎを両側に配置し、最後は締結材（記載せず）で締結して加圧保持した。このことで、室温空気が流れる屈曲流路は、水分通過性フィルムを介して熱移動と水分加湿をおこなう２１のような流路と、種々の熱交換板を通過して空気の流出入をおこなう２１ｘの流路が形成されている。また同様に、温水が流れる屈曲流路は、水分通過性フィルムを介して熱移動と水分加湿をおこなう２２のような流路と、種々の熱交換板を通過して温水の流出入をおこなう２２ｘのような流路が形成されている。これらのことで、小型の積層型熱交換器１０ｃが、簡単な製法と品質管理で製造できるようにした。なお、水分通過性フィルム２０ｏ、２０ｐ、２０ｑ、２０ｒは、フッ素高分子をスルホン化した材料組成物を使用したが、この材料は水素イオン導電性固体電解質でもあるので、このような水素イオン導電性固体電解質を使用しても良い。

（実施の形態５）
実施の形態５は、実施の形態４の積層型熱交換器１０ｃを効果的に使用するために、水素イオン導電性固体電解質を使用した燃料電池などの固体電解質型電気化学装置への応用を検討した内容であり、その構成を図３に示す。積層型熱交換器１０ｃは、高温の水分を多く含む加温された空気が、水素イオン導電性固体電解質２４の空気極２５に供給される様に、空気極２５の前流側に配置した。この固体電解質型電気化学装置は、水素イオン導電性固体電解質２４としてスルホン化したフッ素高分子を使用しており、その両面に空気極（カソード電極とも称す）２５と燃料極（アノード電極とも称す）２６を形成した構成
である。そして、燃料極２６から水素イオン導電性固体電解質２４を経由して空気極２５に移動する水素と、空気極２５に供給される空気中の酸素が反応して得られる化学エネルギーを電気エネルギーとして活用する装置である。空気極２５で行なわれるこの水素と酸素の化学反応は、発熱をともなうためこの発熱によって、空気極２５を劣化し易くしがちである。実施の形態５は、空気極２５に供給される空気が積層型熱交換器１０ｃによって加湿される構成としているため、加湿空気が空気極２５の劣化を抑制し、その耐久信頼性を向上させる利点がある。

なお、積層型熱交換器１０ｃの屈曲流路（高温流体の温水用）２２や２２ｘを流れる温水は、燃料極２６と水素イオン導電性固体電解質２４と空気極２５からなる電気化学素子３０が発電する際の熱を、水を貯めている槽である加熱体３１に貯温して得ている。加熱体３１は、電気化学素子３０に併設して配置されており、このことで効果的に電気化学素子３０からの受熱と加温ができるようにした。そして、貯温層である加熱体３１と、屈曲流路（高温流体の温水用）２２とを接続し、ポンプ（記載せず）により温水が循環する構成とした。

（実施の形態６）
実施の形態５は、実施の形態１〜４の積層型熱交換器を効果的に使用するために、固体電解質型電気化学装置への応用を検討した内容である。図４は、本発明の実施の形態６である固体電解質型電気化学装置の構成図であり、酸素濃度を高める酸素富加装置として使用している。この酸素富加装置は、イオン導電性固体電解質２７として、酸素分子を酸素イオンの形態で導電させる酸素イオン導電性固体電解質を使用している。このイオン導電性電解質２７の両面にカソード電極２８とアノード電極２９が形成されると、酸素分子がその内部を酸素イオンとなって移動する電気化学素子３０となる。電気化学素子３０は、その片側の電極の近くに対向して配置されたヒータなどの加熱体３１により５００〜９００℃前後まで加熱され、直流電源（記載せず）により数Ｖの電圧を印加されると、空気中の酸素分子がカソード電極２８から酸素のイオン導電性固体電解質２７を経由してアノード電極２９に移動し、アノード電極２９の側に１００％の酸素ガスを生成する。また、電気化学素子３０は、区画手段３２により、カソード電極２８の側の空間（以下、カソード側空間と称す）３３と、アノード電極２９の側の空間（以下、アノード側空間と称す）３４に区画されており、生成した１００％の酸素ガスが空気と混合されることなく高純度で得られるようにしている。

カソード側空間３３もしくはアノード側空間３４は、その片側もしくは両方の内部空間またはこれら空間に併接した空間に加熱体３１を配置しており、これらの周りを断熱材３５で外包している。区画手段３２は、イオン導電性固体電解質２７と熱膨張係数が略同一（±２０％以内で同一）の金属やセラミックで構成された部材であり、その一部に配置される電気絶縁性の接合材３６を介してイオン導電性固体電解質２７を保持している。

積層型熱交換器３７は、カソード側空間３３の内部空間内またはこれに併接した空間に配置されており、少なくとも流体通過空隙部３８（流入空気用）と３９（高温流体用）を有する略平板状の熱交換板４０を主な構成部材として用いて積層して、流入空気が通過する屈曲流路（流入空気用）４３とその排出ガスが通過する屈曲流路（高温流体用）４４を形成した構造体である。空気は、積層型熱交換器３７の入口４１から流入して屈曲流路（流入空気用）４３を経由して、カソード側空間３３に流入して加熱された電気化学素子３０や加熱体３１の熱を受熱しその後、屈曲流路（高温流体用）４４を経由して出口４２から排出される。その際に、屈曲流路（流入空気用）４３と屈曲流路（高温流体用）４４において、その排出ガス熱を入口４１からの流入空気に熱伝達して、加熱体３１の消費電力を低減させる。

酸素イオン導電性固体電解質を用いて酸素濃度を高めた酸素富加装置とした場合の使用材料と構成について説明する。酸素イオンを伝導するセラミックであるイオン導電性固体電解質体２７は、ＺｒＯ_２の９７〜８５モル％にＹ_２Ｏ_３やＣａＯなどを３〜１５モル％固溶させたジルコニア系複合金属酸化物、（Ｌａ_０．８Ｓｒ０_．２）（Ｇａ_０．８Ｍｇ_０．１５Ｃｏ_０．０５）Ｏ_{３− δ}やＬａＧａＯ_３等のランタンガレード系複合金属酸化物、（Ｂａ、Ｓｒ、Ｌａ）_２（Ｉｎ_１−ｘＹｘ）_２Ｏ_Ｙの欠陥ペロブスカイト型複合酸化物を使用する。これらは、熱膨張係数が９〜１１×１０^−６／℃の材料であるが、ランタンガレード系複合金属酸化物は、酸素イオン導電性に優れており、色が黒色であるため、加熱体３１から発する赤外線を吸収する特性に優れる利点が有る。

カソード電極２８およびアノード電極２９は、酸素欠陥性構造もしくはペロブスカイト構造または両方の金属酸化物を主成分とする金属酸化物系電極または、貴金属を主成分とする貴金属電極または、これら金属酸化物系電極の上にさらに貴金属電極を積層した積層電極のいずれかである。酸素欠陥性構造金属酸化物は、化学量論的にみて酸素分子の枚数が不足した化学式で表現される金属酸化物であり、ペロブスカイト構造金属酸化物は、Ａ金属とＢ金属と酸素とからなりその化学式がＡＢＯ_３と表現される複合金属酸化物である。金属酸化物系電極は、具体的には、ＬａＣｏ_３、ＳｍＳｒＣｏｘ、（Ｌａ_０．６Ｓｒ_０．４）（Ｃｏ_０．２Ｆｅ_０．８）Ｏ_３、（Ｓｒ_０．１０Ｃｅ_０．０１）Ｚｒ_０．８９Ｏ_２、（Ｌａ_０．６Ｓｒ_０．４）ＭｎＯ_３―δ、（Ｌａ_１−ｘＳｒｘ）ＣｏＯ_３―δを使用する。貴金属電極は、白金、パラジウム、金、銀、銀、ロジウム、イリジウム、ルテニウムの単独成分もしくはこれらの複数成分であり、必要により酸化ビスマスを１〜６ｗｔ％さらに混合してもよい。金属酸化物系電極は、酸素分子の良好な吸脱着性を有する金属酸化物であり、酸素イオン導電性固体電解質体１３との密着性を高めてその酸素イオン導電性を高める。また、電気導電性を向上させる目的で金属酸化物系電極の上にさらに貴金属電極を積層した積層電極にすると、さらに酸素イオン導電性が高まる利点があり電気化学の用途に最適となる。

加熱体３１は、鉄―ニッケル合金やニッケルークロム合金を使用した電気ヒータであり、赤外線を多く発する。加熱体３１は、電気化学素子３０の近くに対向して配置して、発せられる熱や赤外線をできるだけ多く電気化学素子３０が受熱できるようにすることが望ましいのだが、電気絶縁性確保のためやむを得ず両者の中間位置に電気絶縁膜を配置する場合は、その膜厚をできるだけ薄くして、加熱体３１から発せられる熱や赤外線を多く電気化学素子３０が受熱できるように工夫した。加熱体３１は、カソード側空間３３に配置されると、酸素濃度が大気と同等もしくはそれ以下のガスに曝されるため、酸素による材料劣化が低減されてその耐久信頼性が向上する効果が生じて、安価な汎用材料で充分対応できる利点がある。一方、加熱体３１をアノード側空間３４に配置すると、大気より高酸素濃度の環境に曝されるため、酸素による材料劣化を防止する観点より耐酸化性に優れて高価な材料を使用する必要性が生じた。

断熱材３５は、シリカやアルミナの単独もしくは複合物を主成分とした材料であり、電気化学素子３０と加熱体３１を外包するカソード側空間３３、さらにはアノード側空間３４を外包する構成としたため、放熱抑制性を有するようにしている。

区画手段３２は、通気性が全くない金属やセラミックであり、これら材料でカソード電極２８およびアノード電極２９の周囲を囲むことで、カソード側空間３３とアノード側空間３４との区画をおこなう。区画手段３２の一部は、電気化学素子３０を構成するイオン導電性固体電解質２７を、ガラスやセラミックの電気絶縁性の接合材３６を介して保持する。そのため、区画手段３２は、イオン導電性固体電解質２７と熱膨張係数が略同一（±２０％以内で同一）である金属材料の板や箔を使用する。具体的には、酸素イオン導電性固体電解質２７の熱膨張係数が９〜１１×１０^−６／℃であることより、接合材３６は、
これより±２０％以内の熱膨張係数を有する鉄―クロム系合金であるフェライト系ステンレス、ニッケルを主成分とするニッケル系合金である。特に、鉄―クロム系合金は、鉄を主成分としてクロムを１８ｗｔ％含有したＳＵＳ４３０を例に挙げると熱膨張係数が１０．４×１０^−６／℃とイオン導電性固体電解質２７とほぼ同じであり、高温焼成によりその表面に酸化クロムや酸化鉄の超微薄膜が生成して赤外線吸収性が増す利点があるので最適であった。電気絶縁性の接合材３６は、イオン導電性固体電解質２７を電気絶縁しながら区画手段３２に接合する役割があるので、熱膨張係数がこれらと略同一（±２０％以内で同一）であるガラスや結晶化ガラスさらにはセラミックを使用した。これら材料の電気絶縁性の接合材３６は、区画手段３２に予め設けた貫通穴の周辺部に塗布し、その上部に電気化学素子３０の端部周辺を積層して高温で焼成して、接合性と電気絶縁性を確保している。また、電気化学素子３０は小面積を有する小型素子を多数使用し、一枚の大面積の金属箔からなる区画手段３２に配置して保持する構成とすることで、酸素分子の移動能力向上と耐久信頼性の向上をはかった。

積層型熱交換器３７は、流体通過空隙部３８（流入空気用）、３９（高温流体用）を予め形成してあるフェライト系ステンレス板などの複数枚の熱交換板４０が主な構成材料である。そして、この複数枚の熱交換板４０を積層して、低温流体が通過する屈曲流路（流入空気用）４３と排出ガスが通過する屈曲流路（高温流体用）４４が形成された積層物の構成品としている。カソード側空間３３の内部空間に併接して配置されており、入口４１と出口４２の途中に設けた屈曲流路（流入空気用）４３と屈曲流路（高温流体用）４４において熱交換して、加熱された電気化学素子３０や加熱体３１からの排出ガス熱を、低温流体に熱伝達する。

この固体電解質型電気化学装置を試作して効果の確認をおこなった。電気化学素子３０は、（Ｌａ_０．８Ｓｒ０_．２）（Ｇａ_０．８Ｍｇ_０．１５Ｃｏ_０．０５）Ｏ_{３− δ}のランタンガレード系複合金属酸化物からなる酸素のイオン導電性固体電解質体２７の両面に、（Ｌａ_１−ｘＳｒｘ）ＣｏＯ_３―δの金属酸化物系電極の上部に金の貴金属電極を積層した積層電極のカソード電極２８とアノード電極２９を形成した構成である。区画手段３２は、フェライト系ステンレスの箔であり、多数の貫通穴が設けられている。区画手段３２に設けられた貫通穴の周辺部は、ガラスからなる電気絶縁性の接合材３６が厚膜印刷法を用いて塗布されておりその上部に、小面積の電気化学素子３０の端部周辺を各々積層し９００℃で焼成して、両者の接合性と電気絶縁性を確保した。多数の電気化学素子３０を保持する区画手段３２の近くには、電気ヒータの加熱体３１が近接して配置されている。そして、これらの廻りは、シリカやアルミナの複合物を主成分とした断熱材３５で外包されている。

積層型熱交換器３７は、ガスが通過するための流体通過空隙部３８（流入空気用）と３９（高温流体用）を有するフェライト系ステンレス製の略平板状の熱交換板４０を複数枚積層した部材を主な構成部材とした物であり、このことで、低温流体と排出ガスが通過する２つの屈曲流路、すなわち屈曲流路（流入空気用）４３と屈曲流路（高温流体用）４４を形成している。そのため、簡単な製法と簡素な品質管理で製造できた。また、積層型熱交換器３７が略平板状の熱交換板４０を積層した構造体であるため、これを使用した固体電解質型電気化学装置は、コンパクトな構造となりその容積が小さくなった。またさらに、加熱された電気化学素子３０や加熱体３１からの排出ガス熱が、低温流体に熱伝達されるため、加熱体３１の消費電力が、熱交換器のない従来品と比較して、１．５割低減できた。

この固体電解質型電気化学装置は、酸素濃縮装置の用途以外に、酸素イオン導電性固体電解質を用いた燃料電池として使用することもできる。その場合、カソード電極２８は、空気極となるので、酸素欠陥性構造もしくはペロブスカイト構造または両方の金属酸化物
を主成分とする金属酸化物系電極の単独電極もしくは、この上に積層した貴金属を主成分とする貴金属電極との積層電極を用いて対応した。また、アノード電極２９は、燃料極となるので、酸素イオン導電性固体電解質と、酸化ニッケルもしくはニッケルの混合電極を用いて対応した。また、加熱体３１は、燃焼排ガスがその内部空間を通過するステンレスの金属製筒の構成体として、カソード側空間３３やアノード側空間３４、またはこれら空間に併設した空間に配置した。積層型熱交換器３７は、ステンレスなどの金属で熱交換板４０を構成し、カソード電極２８に流入する室温空気をカソード電極２８から排出する高温ガスで熱交換して加熱する用途、カソード電極２８に流入する室温空気を燃焼排ガスから排出する高温ガスで熱交換して加熱する用途に利用した。

また、水素イオン導電性固体電解質を用いた燃料電池として使用することもできる。その場合、カソード電極２８やアノード電極２９は、白金などの貴金属を用いて対応した。また、加熱体３１は、温水がその内部空間を通過するステンレスなどの金属製筒の構成体として、カソード側空間３３やアノード側空間３４またはこれら空間に併設した空間に配置した。積層型熱交換器３７は、樹脂やステンレスなどの金属で熱交換板４０を構成し、カソード電極２８に流入する室温空気を温水流体で熱交換して加熱もしくは加熱加湿する用途、カソード電極２８に流入する室温空気を燃焼排ガスから排出する高温ガスで熱交換して加熱する用途、などに利用した。

（実施の形態７）
実施の形態７は、固体電解質型電気化学装置に積層型熱交換器３７を高い熱交換効率で配置するための構成を検討した内容である。図４に示すように、積層型熱交換器３７は、その最外側部の熱交換板４０に設けられた２つの流体通過空隙部３８（流入空気用）、３９（高温流体用）が、固体電解質型電気化学装置のカソード側空間３３に対峙して設けられていると、カソード側空間３３から流出する高温の排出ガス熱が、流入する室温空気に効果的に熱を伝達できる。そのため、この構成とした固体電解質型電気化学装置は、積層型熱交換器３７が高い熱交換効率を有する利点が生じて、熱交換器ない従来品と比較して、加熱体３１の消費電力を２割低減する効果が生じた。

（実施の形態８）
実施の形態８は、固体電解質型電気化学装置に積層型熱交換器３７を高い熱交換効率で配置するための構成を検討した内容である。図４に示すように、積層型熱交換器３７は、その最外側部の熱交換板４０に設けられた２つの流体通過空隙部３８（流入空気用）、３９（高温流体用）が、その最外側部の熱交換板４０の略端部に配置されしかも固体電解質型電気化学装置のカソード側空間３３に対峙して設けられていると、カソード側空間３３から流出する高温の排出ガス熱が、流入する室温空気にさらに効果的に熱を伝達できる。そのため、この構成とした固体電解質型電気化学装置は、積層型熱交換器３７がさらに高い熱交換効率を有する利点が生じて、熱交換器のない従来品と比較して、加熱体３１の消費電力を２．５割低減する効果が生じた。

（実施の形態９）
実施の形態９は、固体電解質型電気化学装置に積層型熱交換器３７を高い熱交換効率で配置するための構成を検討した内容である。図４に示すように、カソード側空間３３に配置された加熱体３１の略端部が、積層型熱交換器３７の最外側部の熱交換板４０に設けられた流体通過空隙部３８（流入空気用）および３９（高温流体用）と、対峙して設けられていると、加熱体３１から流出する高温の排出ガス熱が、流入する室温空気に効果的に熱を伝達できる。そのため、この構成とした積層型熱交換器３７は、さらに一層高い熱交換効率を有する利点が生じる。この構成とした固体電解質型電気化学装置は、積層型熱交換器３７が高い熱交換効率を有する利点が生じて、熱交換器のない従来品と比較して、加熱体３１の消費電力を３割低減する効果が生じた。

本発明のポンプ装置は、水素イオンや酸素イオン導電性固体電解質を用いた燃料電池システムや酸素濃縮装置などの用途に応用できる。

本発明の実施の形態１の積層型固熱交換器の分解斜視図 本発明の実施の形態２、３の積層型固熱交換器の分解斜視図 本発明の実施の形態４の積層型固熱交換器の断面図、及び実施の形態５の固体電解質型電気化学装置の部分的断面図 本発明の実施の形態６〜９の固体電解質型電気化学装置の断面図 従来の積層型固熱交換器の分解斜視図

符号の説明

１０、１０ｂ、１０ｃ 積層型熱交換器
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ、流体通過空隙部（低温流体用）
１１ｊ 流体通過空隙部（低温流体の空気用）
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、流体通過空隙部（高温流体用）
１２ｊ 流体通過空隙部（高温流体の温水用）
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ 熱交換板
１３ｈ、１３ｉ、１３ｊ、１３ｋ、１３ｌ、１３ｍ、１３ｎ 熱交換板
１４ 屈曲流路（低温流体用）
１５ 屈曲流路（高温流体用）
１６ｘ 入口(低温流体用)
１６ｙ 入口(高温流体用)
１７ｘ 出口(低温流体用)
１７ｙ 出口(高温流体用)
１８ 筐体
１９ 内部空間
２０ｏ、２０ｐ、２０ｑ、２０ｒ 水分通過性フィルム
２１ 屈曲流路（低温流体の空気用）
２２ 屈曲流路（高温流体の温水用）
２３ 凸状外周シール材
２４ 水素イオン導電性固体電解質
２５ 空気極（カソード電極とも称す）
２６ 燃料極（アノード電極とも称す）
２７ イオン導電性固体電解質
２８ カソード電極
２９ アノード電極
３０ 電気化学素子
３１ 加熱体
３２ 区画手段
３３ カソード側空間
３４ アノード側空間
３５ 断熱材
３６ 接合材
３７ 積層型熱交換器
３８ 流体通過空隙部（流入空気用）
３９ 流体通過空隙部（高温流体用）
４０ 熱交換板
４１ 入口
４２ 出口
４３ 屈曲流路（流入空気用）
４４ 屈曲流路（高温流体用）

Claims (9)

1. 少なくとも２つの流体通過空隙部を有する略平板状の熱交換板の複数枚を積層し、低温流体と高温流体が通過する２種類の屈曲流路を形成した構造体である積層型熱交換器。
2. 熱交換板を、筐体の内部空間に配置した構造体である請求項１記載の積層型熱交換器。
3. 入口と出口が、筐体もしくは最外部の熱交換板に略垂直に配置された請求項２記載の積層型熱交換器。
4. 高温流体の温水から低温流体の空気に向かって温水を加湿する水分通過性フィルムを、設けた伝熱性の熱交換板を配置した構造体の請求項１記載の積層型熱交換器。
5. 請求項４記載の積層型熱交換器を、水素イオン導電性固体電解質に形成した空気極に通じる空間に配置して、加湿温された空気を前記空気極に供給する固体電解質型電気化学装置。
6. イオン導電性固体電解質の両面に形成したカソード電極とアノード電極を有する電気化学素子と、前記電気化学素子のカソード側空間とアノード側空間を区画する区画手段と、前記電気化学素子の加熱をおこなう加熱体と、前記カソード側空間の内部空間内またはこれに通じる併接空間に配置して前記カソード側空間への流入空気を高温流体で加熱するための請求項１〜４のいずれか１記載の積層型熱交換器を有する固体電解質型電気化学装置。
7. 積層型熱交換器は、カソード側空間に対峙して、その最外側部の熱交換板に設けられた流入空気とその高温ガスが各々通過する流体通過空隙部が配置されている請求項６記載の積層型熱交換器を有する固体電解質型電気化学装置。
8. ２つの流体通過空隙部が、最外側部の熱交換板の略端部に設けられている請求項７記載の積層型熱交換器を有する固体電解質型電気化学装置。
9. ２つの流体通過空隙部が、カソード側空間に配置された加熱体の略端部と対峙して配置されている請求項７記載の積層型熱交換器を有する固体電解質型電気化学装置。

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