JP2013127344A - 燃料電池用熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトで、システムへの配置が容易な燃料電池用熱交換器を得る。
【解決手段】内部を熱交換媒体が通る中空状の扁平なシェル部材１を備え、シェル部材１の内部に燃焼ガスが通過する複数のパイプ１７を並べて配置した。シェル部材１の平坦部２ａ，４ａに内部に突き出た補強リブ８，９，１０，１１を形成すると共に、補強リブ８，９，１０，１１は熱交換媒体の流れ方向に沿って形成した。シェル部材１の両端側にそれぞれ熱交換媒体の供給口１２と排出口６とを設けると共に、排出口６側のシェル部材１の端部を上方に突出させて形成し、更に、供給口１２側のシェル部材１の端部を下方に突出させた。シェル部材１の両端を閉塞する両隔壁部材１４，１６にパイプ１７の両端をそれぞれ挿入して固定し、隔壁部材１４，１６にキャップ部材１８，２０を被せた。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池発電システムに用いられ、燃焼ガスと熱交換媒体との間で熱交換を行なう燃料電池用熱交換器に関し、特に改質器に用いられる燃料電池用熱交換器に関する。

従来より、燃料電池では、炭化水素系原料ガスと水蒸気とを改質器に供給して、改質器で水蒸気改質して水素リッチな改質ガスを生成し燃料電池本体の燃料極に供給している。その際、特許文献１にあるように、改質器に供給する水蒸気を低温の水から加熱していたのではエネルギーロスになるため、水と燃焼ガスとの熱交換により水を加熱する熱交換器を設けて、省エネを図ったものが提案されている。

特開平０６−１０３９９９号公報

しかしながら、燃料電池は、改質器や熱交換器等の多くの機器から構成されており、小型化を図るためには、それぞれの機器が配置しやすい構造であることが望まれる。特に、燃料電池の一般家庭への普及が促進されており、一般家庭での設置が容易なように、それら多くの機器をコンパクトに配置して小型化が望まれている。

燃料電池発電システムに用いられる改質器も小型化が求められているため、水蒸気改質に用いる改質水を予熱する燃料電池用熱交換器の形状と配置について解決すべき課題が発生している。

第一に、燃料電池発電システムを停止する際、改質器内は乾燥させる必要があるので、燃料電池用熱交換器とその改質水流路の下流に配置される蒸発器からは水を抜かなければならない。一本の配管でスムーズに水を抜くためには、燃料電池用熱交換器は蒸発器の下方に、かつ水がスムースに流れるよう一定の傾斜を持って配置されることが望ましい。小型化の観点から蒸発器下方のスペースの高さは限られているので、燃料電池用熱交換器は接続配管も含めて高さが低いことを求められる。

第二に、燃料電池用熱交換器は条件によっては内部で沸騰が始まり出口で二相流となるが、水や気泡が流出し難い構造であると、一定時間蒸気のみ流出してから急に純水のみが流出する場合がある。液体の水の密度は水蒸気の１０００倍以上なので、純水のみ流れるときの重量流量は燃料電池用熱交換器入口の重量流量に対して増え、反対に蒸気のみの状態では少なくなるので、蒸発器出口の水蒸気流量が時間で変動することになる。このような状態では改質ガスの組成が変動し、燃料電池発電システムの運転が不安定化するリスクがある。燃料電池用熱交換器は、二相流となっても蒸気と水が混合した状態で導出されることを求められる。

第三に、改質水は最終的には沸騰し過熱水蒸気になるので、条件によっては９０ｋＰａまで圧力が上昇する。燃料電池用熱交換器はこの圧力に耐え、かつ内部で沸騰が発生したときに破損してはならない。

このような要求に対し、例えば燃料電池用熱交換器を内側ガス、外側純水の二重管構造にすると、改質水流路の耐圧については問題ないものの、高さは管外径で制限される上、水をスムースに抜くよう構成すると、純水の配管接続は入口出口とも鉛直に突き出される形になるので、蒸発器下方のスペースに収容困難になる。また熱交換面積を確保するために二重管の内管に凹凸をつけると、二相流化した水蒸気の流れを妨げ、発生蒸気流量を変動させて燃料電池発電システムの運転を不安定化させるリスクがある。一方二重管の内管に凹凸をつけなければ、蒸気の流れの妨げにならないが、熱交換面積を確保するために全長を長くすることになり、改質器内に配置することが困難になる。

またプレート式熱交換器（多数のプレートを並べて流路を構成し、プレートとプレートとの間にはガスケットを挟んで締め付けた構成のもの）を水平に近い状態で設置すれば高さについては問題ないものの個々の流路が狭いので水抜きが困難であり、また局所的に突沸が発生した場合に破損するリスクがある。

このように従来使用されている熱交換器は、蒸発器下方の限られたスペースに設置する燃料電池用熱交換器としては仕様を満足しないという課題があった。
本発明の課題は、コンパクトで、システムへの配置が容易な燃料電池用熱交換器を提供することにある。

かかる課題を達成すべく、本発明は課題を解決するため次の手段を取った。即ち、
燃焼ガスと熱交換媒体との間で熱交換を行なう燃料電池用熱交換器において、
内部を前記熱交換媒体が通る中空状の扁平なシェル部材を備え、前記シェル部材の内部に前記燃焼ガスが通過する複数のパイプを並べて配置し、かつ、前記シェル部材の平坦部に内部に突き出た補強リブを形成すると共に、前記補強リブは前記熱交換媒体の流れ方向に沿って形成したことを特徴とする燃料電池用熱交換器がそれである。

前記シェル部材の両端側にそれぞれ前記熱交換媒体の供給口と排出口とを設けると共に、前記排出口側の前記シェル部材の端部を上方に突出させて形成した構成としてもよい。更に、前記供給口側の前記シェル部材の端部を下方に突出させた構成としてもよい。また、前記シェル部材の両端を閉塞する隔壁部材を備えると共に、前記両隔壁部材に前記パイプの両端をそれぞれ挿入して固定した構成としてもよい。その際、前記両隔壁部材にそれぞれキャップ部材を被せて複数の前記パイプの端を連通すると共に、前記両キャップ部材に燃焼ガスのガス入口とガス出口とをそれぞれ形成した構成とするとよい。また、前記シェル部材は上シェル部材と下シェル部材とを重ね合わせて形成した構成としてもよい。更に、前記シェル部材はプレス成形してもよい。

本発明の燃料電池用熱交換器は、シェル部材が扁平であるのでシステムへの配置が容易であるにもかかわらず、シェル部材が扁平であっても補強リブにより十分な剛性が得られ、また、燃焼ガスが通過する複数のパイプを並べて配置したので、コンパクトであるにもかかわらず十分な熱交換性能が得られるという効果を奏する。

排出口側のシェル部材の端部を上方に突出させて形成することにより、気泡の発生による脈動を抑制できる。隔壁部材を設けることにより、シェル部材の両端を閉塞して複数のパイプを保持しやすくなる。また、キャップ部材を設けることにより、ガス入口とガス出口とを設けやすくなる。更に、シェル部材を上シェル部材と下シェル部材とにより形成することにより、プレス成形が容易になる。

本発明の一実施形態としての燃料電池用熱交換器の斜視図である。 本実施形態の燃料電池用熱交換器の正面図である。 本実施形態の燃料電池用熱交換器の下側面図である。 本実施形態の燃料電池用熱交換器の背面図である。 図２のＡＡ断面矢視図である。 図５のＢＢ断面矢視図である。 図５のＣＣ断面矢視図である。

以下本発明を実施するための形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１に示すように、１は熱交換器のシェル部材で、シェル部材１は上シェル部材２と下シェル部材４とを重ね合わせて形成されている。上シェル部材２と下シェル部材４とは、図７に示すように、断面形状がコ字状に形成されており、上シェル部材２と下シェル部材４とを互いに内部が中空状となるように重ね合わせて、直方体の長手方向両端が開口され内部が中空の扁平状のシェル部材１が構成されている。

上シェル部材２は、ほぼ平らな平坦部２ａと平坦部２ａの両側がほぼ直角に下方へ折り曲げられた側壁部２ｂ，２ｃとを備え、平坦部２ａと両側壁部２ｂ，２ｃとにより断面形状がコ字状に形成されている。上シェル部材２の一方の端側の平坦部２ａが上方に突き出されて傾斜部２ｄと上壁部２ｅとが形成されている。上壁部２ｅからほぼ直角に折り曲げられている一方の側壁部２ｂには、バーリング加工等により排出口６が上壁部２ｅに接近し、上壁部２ｅの壁面と排出口６の内周面とが連なるように形成されている。

図１、図２に示すように、平坦部２ａには、補強リブ８，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄが形成されている。各補強リブ８，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄは、平坦部２ａからシェル部材１の内部に向かって凸状にプレス成形されている。本実施形態では、平坦部２ａの中央に形成された補強リブ８は菱形に形成されると共に、向かい合った頂点を結ぶ２本の対角線のうち、長い方の対角線がシェル部材１の長手方向に沿って形成されている。

他の補強リブ１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄは、略水滴形状に形成されると共に、中央の補強リブ８に対して、平坦部２ａの空いた箇所で平坦部２ａの四隅に、補強リブ８に対して対称に形成されている。

各補強リブ８，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄの形状は、菱形や水滴形に限らず、楕円形等でもよく、シェル部材１の長手方向に沿った形状に形成すればよく、長手方向に対して垂直な壁が形成されない形状、特にシェル部材１の長手方向に沿った後述する熱交換媒体の流れに対して陰となり、気泡が溜まりやすい壁が形成されない形状がよい。本実施形態のように、補強リブ８，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄの数は５個に限らず、１個でも複数でもよい。

下シェル部材４も上シェル部材２と同様に、図７に示すように、ほぼ平らな平坦部４ａと平坦部４ａの両側がほぼ直角に上方へ折り曲げられた側壁部４ｂ，４ｃとを備え、平坦部４ａと両側壁部４ｂ，４ｃとにより断面形状がコ字状に形成されている。図３、図４に示すように、上シェル部材２の上壁部２ｅと反対の端側の平坦部４ａが下方に突き出されて傾斜部４ｄと下壁部４ｅとが形成されている。上シェル部材２の一方の側壁部２ｂと同じ側面側の側壁部４ｂには、バーリング加工等により供給口１２が下壁部４ｅに接近して形成されている。供給口１２は排出口６よりも下方に設けられている。

下シェル部材４の平坦部４ａには、前述した平坦部２ａの補強リブ８，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄと同様に、図４に示すように、平坦部４ａからシェル部材１の内部に向かって凸状にプレス成形された補強リブ９，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄがシェル部材１の長手方向に沿って形成されている。

下シェル部材４の両側壁部４ｂ，４ｃの上端側が外側に膨らまされて、上シェル部材２の両側壁部２ｂ，２ｃの下端が嵌め合わされ、上シェル部材２と下シェル部材４とが重ね合わされている。図３に示すように、重ね合わせの割線が、高さ方向でオフセットされて、排出口６側では低く、供給口１２側では高く形成されて、シェル部材１の高さを小さくして、小型化を図っている。また、これにより排出口６や供給口１２の廻りのスペースが確保でき、排出口６や供給口１２へのパイプの接続の際に、溶接やロー付け作業の作業性が向上する。

シェル部材１の長手方向の両端は開口されており、両端にそれぞれ隔壁部材１４，１６が挿入され溶接により固定されて、シェル部材１の両端が閉塞されている。図５、図６に示すように、両隔壁部材１４，１６の間には、複数のパイプ１７が架設されており、複数のパイプ１７はシェル部材１の長手方向に沿ってシェル部材１の内部を貫通して配置されている。

複数のパイプ１７の両端はそれぞれ両隔壁部材１４，１６を貫通して、パイプ１７の両端が両隔壁部材１４，１６の外部に開口するように両隔壁部材１４，１６に取り付けられている。本実施形態では、両隔壁部材１４，１６は、一面が開口した直方体の箱状に形成されており、開口側がシェル部材１に挿入されて、シェル部材１に沿って溶接やロー付けにより固定されている。

両隔壁部材１４，１６は、シェル部材１の外部に突き出されており、この両隔壁部材１４，１６に一面が開口した直方体の箱状のキャップ部材１８，２０が開口側から装着されて、両キャップ部材１８，２０に沿って溶接やロー付けにより一体的に固定されている。両隔壁部材１４，１６と両キャップ部材１８，２０とはプレス成形により形成すればよい。

供給口１２に近い一方のキャップ部材１８の側面には、バーリング加工等によりガス出口２２が形成されており、排出口６に近い他方のキャップ部材２０の端面には、バーリング加工等によりガス入口２４が形成されている。

扁平なシェル部材１の内部に複数のパイプ１７を挿入しているので、パイプ１７が複数であっても、外形が扁平で直方体状のコンパクトな形状に形成できる。その際、シェル部材１には平坦部２ａ，４ａが形成され、平坦部２ａ，４ａは外力により変形しやすい。

特に、上シェル部材２と下シェル部材４とが溶接等により一体的に結合され、シェル部材１と両隔壁部材１４，１６とが溶接等により一体的に結合され、両隔壁部材１４，１６と両キャップ部材１８，２０とが溶接等により一体的に結合される。

これらの溶接時に発生する溶接熱による応力が平坦部２ａ，４ａに作用すると、平坦部２ａ，４ａに熱変形が発生しやすいが、平坦部２ａには補強リブ８，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄが、また、他方の平坦面４ａには補強リブ９，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄが形成されており、剛性が高められ、溶接時の熱変形を防止する。溶接に限らず、ロー付けする場合も同様である。

次に、前述した本実施形態の燃料電池用熱交換器の作動について説明する。
ガス入口２４には燃焼ガスが供給されると共に、供給口１２には熱交換媒体としての水が供給される。ガス入口２４に供給された燃焼ガスは、ガス入口２４からキャップ部材２０の内部に流入し、複数のパイプ１７に分かれて、パイプ１７の内部を他方のキャップ部材１８側に流れる。複数のパイプ１７から他方のキャップ部材１８内に流入した燃焼ガスは、ガス出口２２から排出される。

一方、供給口１２に供給された水は、供給口１２からシェル部材１の内部に流入し、シェル部材１の長手方向に沿って流れ、排出口６から外部に排出される。水がシェル部材１の内部を長手方向に流れる際には、複数のパイプ１７を介して、パイプ１７の内部を流れる燃焼ガスとパイプ１７の外部を流れる水との間で熱交換が行われ、水の温度が上昇する。

上シェル部材２の補強リブ８，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄと下シェル部材４の補強リブ９，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄとがシェル部材１の内部に突き出て形成されるが、水の流れ方向に沿って形成されているので、流体抵抗の増加を抑制できる。

また、水がシェル部材１の内部を流れる際、気泡が生じる場合があり、気泡が内部に滞留すると、錆の発生等により耐久性が低下する。水と共に流入した気泡、あるいは内部で発生した気泡は、上昇して、上シェル部材２の平坦部２ａに沿って移動する。

気泡が補強リブ８，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄに達すると、補強リブ８，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄは内部に向かって凸状であるので、補強リブ８，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄの縁を廻り込むように移動する。補強リブ８，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを通過すると、気泡は排出口６から外部に排出されるので、内部に滞留することはない。

即ち、補強リブ８，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄが上シェル部材２の外部に凸状に形成されると、気泡が補強リブ８，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄの内部に入り込み、そのまま滞留するので、錆の発生等により耐久性が低下してしまう。

更に、気泡は平坦部２ａから傾斜部２ｄに沿って流れ、上壁部２ｅに達し、上壁部２ｅから排出口６を介して外部に気泡が排出される。排出口６が上壁部２ｅと連なるように形成されると共に、平坦部２ａから傾斜部２ｄを介して上壁部２ｅに連接しているので、気泡が平坦部２ａから上壁部２ｅ側に流れやすく、また、上壁部２ｅから排出口６に滞留することなく流れ出やすい。

しかも、上壁部２ｅが上方に突き出されて、排出口６の周囲のシェル部材１内の容積を大きくした気泡溜まりが形成されているので、気泡が流れてきたときには気泡が一旦気泡溜まりに溜まって、気液二層状態で排出口６から流れ出るので、脈動の発生を抑制できる。

このように、シェル部材１が扁平であるので燃料電池発電システムへの配置が容易になると共に、シェル部材１が扁平であっても補強リブ８，９，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄにより十分な剛性が得られる。また、燃焼ガスが通過する複数のパイプ１７を並べて配置したので、コンパクトであるにもかかわらず十分な熱交換性能が得られる。補強リブ８，９，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄがシェル部材１の内部に突き出しているので、シェル部材１の外部に突き出すことによる燃料電池発電システムの他の機器との干渉を招くことがなく、配置が容易になる。

本実施形態では、上シェル部材２と下シェル部材４とをほぼ対称形状に形成しているので、プレス金型の共通化が図りやすく、費用の低減を図ることができる。シェル部材１を扁平形状とすることにより、プレス成形しやすくなり、量産性が向上する。更に、シェル部材１を上シェル部材２と下シェル部材４とにより形成することにより、よりプレス成形が容易になる。

以上本発明はこの様な実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施し得る。

１…シェル部材 ２…上シェル部材
２ａ，４ａ…平坦部 ２ｂ，２ｃ，４ｂ，４ｃ…側壁部
２ｄ，４ｄ…傾斜部 ２ｅ…上壁部
４…下シェル部材 ４ｅ…下壁部
６…排出口
８，９，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ…補強リブ
１２…供給口 １４，１６…隔壁部材
１７…パイプ １８，２０…キャップ部材
２２…ガス出口 ２４…ガス入口

Claims (7)

1. 燃焼ガスと熱交換媒体との間で熱交換を行なう燃料電池用熱交換器において、
   内部を前記熱交換媒体が通る中空状の扁平なシェル部材を備え、前記シェル部材の内部に前記燃焼ガスが通過する複数のパイプを並べて配置し、かつ、前記シェル部材の平坦部に内部に突き出た補強リブを形成すると共に、前記補強リブは前記熱交換媒体の流れ方向に沿って形成したことを特徴とする燃料電池用熱交換器。
2. 前記シェル部材の両端側にそれぞれ前記熱交換媒体の供給口と排出口とを設けると共に、前記排出口側の前記シェル部材の端部を上方に突出させて形成したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用熱交換器。
3. 更に、前記供給口側の前記シェル部材の端部を下方に突出させたことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用熱交換器。
4. 前記シェル部材の両端を閉塞する隔壁部材を備えると共に、前記両隔壁部材に前記パイプの両端をそれぞれ挿入して固定したことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池用熱交換器。
5. 前記両隔壁部材にそれぞれキャップ部材を被せて複数の前記パイプの端を連通すると共に、前記両キャップ部材に燃焼ガスのガス入口とガス出口とをそれぞれ形成したことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池用熱交換器。
6. 前記シェル部材は上シェル部材と下シェル部材とを重ね合わせて形成したことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池用熱交換器。
7. 前記シェル部材はプレス成形されたことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の燃料電池用熱交換器。

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