JP2015201305A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】空気予熱器において、小型化を図りつつ、高温の空気を燃料電池に供給する。【解決手段】空気予熱器１０は、第１の空気流路２００と、ガス通路部１３０〜１３２と、燃料電池４０およびガス通路部の間に配置されて第１の空気流路を通過した空気が流れる第２の空気流路２０１を備える。第１、第２の空気流路内の空気は、ガス通路部内の排気ガスとの間の熱交換によって加熱され、第２の空気流路内の空気は、燃料電池４０から輻射される輻射熱によって加熱される。このように排気ガスおよび輻射熱により加熱された空気が燃料電池４０に供給される。【選択図】図４

Description

本発明は、熱交換器に関するものである。

従来、熱交換器では、燃料電池を収納する収納容器と、収納容器の外壁と内壁との間に形成されている排ガス通路と、収納容器の内壁の内側に設けられて燃料電池に供給する空気が流れる空気通路とを備えるものがある（例えば、特許文献１参照）。

このものにおいては、空気通路内の空気は、排ガス通路内の排ガスとの間で熱交換されることによって、高温の空気になる。このため、高温の空気を燃料電池に供給することができる。

また、特許文献２の熱交換器は、燃料電池を収納し、かつ反応ガスを流通させる反応ガス流路を外壁と内壁との間に形成してなる収納容器と、収納容器内に収納されて反応ガス流路を通過した反応ガスを収納容器内の燃料電池に供給するための導く反応ガス導入部材とを備える。

反応ガス流路内の反応ガスは、燃料電池から輻射される輻射熱によって加熱される。このため、収納容器は、反応ガスを加熱する熱交換器を構成することになる。さらに、反応ガス導入部材は、燃料電池の下側に反応ガスを導く導入部と、反応ガス流路を通過した反応ガスを集めて導入部に導く反応ガス収集部と、導入部内に配置されて燃料電池から輻射される輻射熱によって反応ガスを加熱する熱交換フィンとを備える。このことにより、反応ガスは、反応ガス流路および熱交換フィンを介して燃料電池の輻射熱によって加熱される。このため、高温の反応ガスを燃料電池に供給することができる。

特開２００９−２０５８０６号公報 特開２００９−１５８１２２号公報

上記特許文献１の熱交換器では、燃料電池を収納する収納容器によって、排ガスおよび空気の間の熱交換を実施することにより、高温空気を燃料電池に供給することができるものの、収納容器の大きさによって、熱交換の性能が決まる。このため、熱交換の性能を確保するためには、熱交換器を小型化することが困難になる。

上記特許文献２の熱交換器では、反応ガスを加熱するためには、燃料電池を収納する収納容器と熱交換フィンといった２つタイプの熱交換用部材が必要となり、熱交換器の大型化が避けられない。

本発明は上記点に鑑みて、小型化を図りつつ、排ガスと燃料電池の輻射熱とを利用して、高温の空気を燃料電池に供給するようにした熱交換器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、空気および燃料ガスの電気化学反応により電気エネルギをそれぞれ発生する複数のセル（４１）が積層されている燃料電池（４０）に供給する空気を加熱する熱交換器であって、燃料電池に供給される空気が流れる第１の空気流路（２００）と、燃料電池と第１の空気流路との間に配置されて燃焼器（５０）から排出される排ガスが流れる排ガス通路（１３０、１３１、１３２）と、燃料電池と排ガス通路との間で配置されて第１の空気流路を通過した空気が流れる第２の空気流路（２０１）と、を備え、第１、第２の空気流路内の空気は、それぞれ、排ガス通路内の排ガスとの間の熱交換によって加熱されるようになっており、第２の空気流路および燃料電池の間にて複数のセルの積層方向に平行に配置されて、かつ燃料電池から輻射される輻射熱を受ける受熱壁（１０２ｃ）を有し、かつ第２の空気流路を構成する空気流路形成部（１０２）を備えており、空気流路形成部は、受熱壁で受けた輻射熱によって第２の空気流路内の空気を加熱するようになっており、第２の空気流路を通過した空気が燃料電池に供給されるようになっていることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、第１、第２の空気流路内の空気は、それぞれ、排ガス通路内の排ガスとの間の熱交換によって加熱される。さらに、第２の空気流路内の空気は、燃料電池の輻射熱によって加熱される。このため、燃料電池に高温の空気を供給することができる。

請求項１に記載の発明の熱交換器は、燃料電池を収納する収納容器を用いていない。このため、熱交換器の小型化を図ることができる。

ここで、空気流路形成部の壁部の温度が低い場合には、燃料電池から壁部に伝達される輻射熱が過多となり、燃料電池が冷え過ぎる。

これに対して、請求項１に記載の発明によれば、第１の空気流路において排ガスにより加熱された空気が第２の空気流路に導入される。このため、壁部の温度を所望温度以上に設定することができる。したがって、燃料電池から壁部に伝達される輻射熱が過多となることを防ぐことができる。このため、燃料電池が冷え過ぎることを未然に防止できる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す図である。 第１実施形態における燃料電池、および空気予熱器を示す斜視図である。 第１実施形態における空気予熱器の分解図である。 第１実施形態における空気予熱器の模式図である。 （ａ）、（ｂ）は第１実施形態における空気予熱器の第１空気流路内を示す図である。 （ａ）、（ｂ）は第１実施形態における空気予熱器の第２空気流路内を示す図である。 （ａ）、（ｂ）は第１実施形態における空気予熱器の排ガス流路内を示す図である。 本発明の第２実施形態における空気予熱器の模式図である。 第２実施形態における空気予熱器内の熱交換フィンを示す図である。 図１０中X−X断面図である。 本発明の第３実施形態における空気予熱器の断面図である。 本発明の第４実施形態における空気予熱器の断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
図１に本発明に係る燃料電池システム１の第１実施形態の全体図を示す。本実施形態の燃料電池システム１は、空気予熱器１０、改質器２０、水蒸発器３０、燃料電池４０、燃焼器５０、排熱回収器６０、ポンプ７０、７１、７２、およびインバータ８０を備える。

空気予熱器１０は、燃焼器５０の排ガスと燃料電池４０の輻射熱とによってポンプ７０から吹き出される空気を加熱する。空気予熱器１０には、改質器２０を通過した燃焼器５０の排ガスが供給される。なお、空気予熱器１０の構造の詳細は、後述する。ポンプ７０は、空気を空気予熱器１０側に圧送する。

改質器２０は、触媒の水蒸気改質反応によって、燃料ガスとしての都市ガスから水素を含有する改質ガスを生成する。改質器２０の水蒸気改質反応には、水蒸発器３０から与えられる水蒸気と燃焼器５０の排ガスの熱が用いられる。なお、触媒としては、例えば、ルテニウム、ニッケル等が用いられている。

水蒸発器３０は、ポンプ７１によって圧送された水を水蒸気にして改質器２０に与える。ポンプ７２は、都市ガスを圧送して改質器２０に供給する。

燃料電池４０は、複数のセル４１が積層されて構成されている。本実施形態の複数のセル４１は、それぞれ、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）からなるものである。複数のセル４１はそれぞれアノードとカソードとの間に配置されている電解質から構成されている。

具体的には、改質器２０によって生成される改質ガスは、複数のセル４１のアノードに供給される一方、複数のセル４１のカソードには、空気予熱器１０によって加熱された空気が供給される。このことにより、以下の電気化学反応が起こり、電気エネルギが発生する。

（カソード）１／２Ｏ²＋２ｅ^-→Ｏ^2-
（アノード）Ｈ２＋Ｏ^2-→Ｈ２Ｏ⁺＋２ｅ^-
このような電気化学反応によりアノード側では、水蒸気が生成する。この水蒸気を含む未利用燃料が複数のセル４１のアノードから燃焼器５０に供給される。複数のセル４１（図２参照）のカソードを通過した空気も燃焼器５０に供給される。燃焼器５０は、未利用燃料を空気を用いて燃焼して排ガスを排出する。

排熱回収器６０は、燃焼器５０の排ガスから熱を回収して給湯システム６１に与える。本実施形態の排熱回収器６０には、燃焼器５０から排出されて改質器２０および空気予熱器１０を通過した排ガスが供給される。給湯システム６１は、排熱回収器６０から与えられた熱によって給湯する。インバータ８０は、複数のセル４１のアノードおよびカソードの間に発生する直流電力を交流電力に変換する。

以下、本実施形態の空気予熱器１０の構造について図２〜図７について説明する。

図２に示すように、空気予熱器１０は、燃料電池４０に対して所定方向（図２中左側）に配置されている。空気予熱器１０は、扁平形状に形成されている。空気予熱器１０は、燃料電池４０の複数のセル４１の積層方向に対して平行になるように配置されている。なお、以下、説明の簡素化のために、複数のセル４１の積層方向を単に積層方向という。

空気予熱器１０は、図３に示すように、箱部１００、１０１、１０２、および板材１０３を備える。

箱部１００は、箱部１０１、１０２、板材１０３とともに、所定方向に並べられている。以下、箱部１００、１０１、１０２、および板材１０３が並ぶ方向を幅方向という。この幅方向は、後述する第１、第２の空気流路２００、２０１が並ぶ方向に相当している。

箱部１００は、扁平形状で、かつ燃料電池４０側に開口する開口部を有する箱状に形成されている。箱部１００は、複数のセル４１の積層方向に平行になるように配置されている。箱部１００の開口部は、箱部１０１の後壁１０１ａに覆われている。

箱部１００には、空気入口１１０、および空気出口１１１ａ、１１１ｂが設けられている。空気入口１１０は、箱部１００の底壁１００ａのうち積層方向一方側（図３中上側）に配置されている。空気入口１１０には、配管１０４が接続されている。配管１０４は、ポンプ７０から送風される空気を空気入口１１０に導くように形成されている。箱部１００内には、空気入口１１０からの空気が矢印Ｒａの如く、積層方向に空気出口１１１ａ、１１１ｂに向かって流れる第１の空気流路２００が形成されている。

空気出口１１１ａ、１１１ｂは、箱部１００のうち積層方向他方側（図３中下側）に配置されている。空気出口１１１ａ、１１１ｂは、奥行き方向に並べられている。奥行き方向は、積層方向に対して直交し、かつ幅方向に直交する方向である。空気出口１１０ａには、配管１０５ａが接続されている。空気出口１１０ｂには、配管１０５ｂが接続されている。

箱部１０１は、箱部１００に対して燃料電池４０側に配置されている。箱部１０１は、扁平形状で、かつ燃料電池４０側に開口する開口部を有する箱状に形成されている。箱部１０１の開口部は、板材１０３の後壁１０３ｂによって覆われている。箱部１０１には、排ガス入口１２０が設けられている。そして、排ガス入口１２０には、改質器２０および排ガス配管１０６を通過した燃焼器５０の排ガスが流入する。

箱部１０１内には、仕切り板１２１、１２２が配置されている。仕切り板１２１、１２２は、それぞれ、積層方向に平行な方向に延びるように形成されている。仕切り板１２１、１２２は、奥行き方向に並べられている。

ここで、箱部１０１内のうち仕切り板１２１、１２２の間には、排ガス入口１２０から流入した排ガスが積層方向に流れるガス通路部１３０が形成されている。箱部１０１内のうち仕切り板１２１に対してガス通路部１３０の反対側には、矢印Ｒｂの如く、ガス通路部１３０を通過した排ガスが積層方向に流れるガス通路部１３２が形成されている。そして、箱部１０１内のうち仕切り板１２２に対してガス通路部１３０の反対側には、矢印Ｒｃの如く、ガス通路部１３０を通過した排ガスが積層方向に流れるガス通路部１３１が形成されている。つまり、ガス通路部１３０、１３１、１３２が奥行き方向にオフセットして配置されることになる。

板材１０３は、箱部１０１に対して燃料電池４０側に配置されている。板材１０３は、積層方向および奥行き方向に平行で、かつ幅方向に直交するように配置されている。板材１０３には、排ガス出口１４０ａ、１４０ｂが配置されている。排ガス出口１４０ａ、１４０ｂは、板材１０３のうち積層方向一方側（図３中上側）に配置されている。排ガス出口１４０ａ、１４０ｂは、ガス通路部１３１、１３２から排出される排気を配管１０７ａ、１０７ｂに導く。配管１０７ａ、１０７ｂは、ガス通路部１３１、１３２から排出される排気を排熱回収器６０に導く。

板材１０３は、空気入口１４１ａ、１４１ｂが配置されている。空気入口１４１ａ、１４１ｂには、配管１０５ａ、１０５ｂが接続されている。このため、空気入口１４１ａ、１４１ｂは、第１の空気流路２００から空気出口１１１ａ、１１１ｂ、および配管１０５ａ、１０５ｂを通過した空気を箱部１０２内に導くことになる。

箱部１０２は、板材１０３に対して燃料電池４０側に配置されている。箱部１０２は、扁平形状で、かつ板材１０３側に開口する開口部を有する箱状に形成されている。箱部１０２の開口部は、板材１０３の表壁１０３ａによって覆われている。箱部１０２の後壁１０２ｃは、複数のセル４１の積層方向および奥行き方向に対して平行に配置されて、複数のセル４１の端面に対向している。箱部１０２には、空気出口１０２ａが設けられている。箱部１０２内には、空気入口１４１ａ、１４１ｂからの空気を積層方向に空気出口１０２ａに向けて流れる第２の空気流路２０１が設けられている。つまり、箱部１０２は、板材１０３とともに、第２の空気流路２０１を構成する。空気出口１０２ａは、第２の空気流路２０１を通過した空気を燃料電池４０に向けて導く。

なお、本実施形態の箱部１００、１０１、１０２、および板材１０３は、アルミニウム、鉄等の金属材料等によって構成されている。

以下、本実施形態の空気予熱器１０の箱部１００、１０１、１０２の内部構成について図４〜図６を参照して説明する。

図４は、空気予熱器１０をその奥行き方向から視た模式図である。図５（ａ）は、箱部１００の底壁１００ａのＢ矢視図である。図５（ｂ）は、箱部１０１の後壁１０１ａのＡ矢視図である。

箱部１００内には、熱交換フィン１５０ａ、１５０ｂ、および風邪流れ防止部材１５１が配置されている。熱交換フィン１５０ａは、第１の空気流路２００のうちガス通路部１３２に対応する領域に配置されている。熱交換フィン１５０ｂは、第１の空気流路２００のうちガス通路部１３１に対応する領域に配置されている。熱交換フィン１５０ａ、１５０ｂは、箱部１０１の後壁１０１ａに支持されている。

風邪流れ防止部材１５１は、箱部１００内のうちガス通路部１３０に対応する領域に配置されている。つまり、風邪流れ防止部材１５１は、箱部１００の底壁１００ａおよび箱部１０１の後壁１０１ａの間でガス通路部１３０に対応する領域に配置されている。このため、箱部１００のうち風邪流れ防止部材１５１以外の領域が第１の空気流路２００を構成することになる。風邪流れ防止部材１５１は、空気流れ方向に直交するように配置されている複数の板材から構成されている。複数の板材は、空気流れ方向に並べられている。風邪流れ防止部材１５１は、箱部１００の底壁１００ａに支持されている。

図６（ａ）は、箱部１０２の底壁１０２ｂのＡ矢視図である。図６（ｂ）は、板材１０３の表壁１０３ａのＢ矢視図である。

箱部１０２内には、熱交換フィン１５２、１５３ａ、１５３ｂが配置されている。熱交換フィン１５３ａは、第２の空気流路２０１のうちガス通路部１３２に対応する領域に配置されている。熱交換フィン１５３ｂは、第２の空気流路２０１のうちガス通路部１３１に対応する領域に配置されている。熱交換フィン１５３ａ、１５３ｂは、箱部１０２の底壁１０２ｂに支持されている。

熱交換フィン１５２は、第２の空気流路２０１のうちガス通路部１３０に対応する領域に配置されている。熱交換フィン１５２は、板材１０３の表壁１０３ａに支持されている。

図７（ａ）は、箱部１０１の底壁１０１ｂのＢ矢視図である。図７（ｂ）は、板材１０３の後壁１０３ｂのＡ矢視図である。

箱部１０１内には、熱交換フィン１５４ａ、１５４ｂ、１５５が配置されている。熱交換フィン１５４ａは、ガス通路部１３２内に配置されている。熱交換フィン１５４ｂは、ガス通路部１３１内に配置されている。熱交換フィン１５４ａ、１５４ｂは、箱部１０１の底壁１０１ｂに支持されている。熱交換フィン１５５は、ガス通路部１３０内に配置されている。熱交換フィン１５５は、板材１０３の後壁１０３ｂに支持されている。

なお、本実施形態の熱交換フィン１５０ａ、１５０ｂ、１５２、１５３ａ、１５３ｂ、１５４ａ、１５４ｂ、１５５、および風邪流れ防止部材１５１は、アルミニウム、鉄等の金属材料等によって構成されている。

次に、本実施形態の空気予熱器１０の作動について説明する。

まず、燃焼器５０から排ガスが改質器２０および排ガス配管１０６を通して空気予熱器１０に流れる。この流れた空気は、排ガス入口１２０から箱部１０１内に流入する。この排ガスは、ガス通路部１３０を通過してからガス通路部１３１、１３２に分流してから配管１０７ａ、１０７ｂを通して排熱回収器６０に流れる。

一方、箱部１００内の空気入口１１０には、ポンプ７０から配管１０４を通して圧送される空気が流入される。

このとき、風邪流れ防止部材１５１が、箱部１００内のうちガス通路部１３０に対応する領域に空気が流れることを防止する。このため、空気入口１１０からの空気は、箱部１００内のうちガス通路部１３１、１３２に対応する２つの領域に分流する。つまり、空気入口１１０から流入した空気は、第１の空気流路２００に流れる。ここで、第１の空気流路２００内の空気は、ガス通路部１３１、１３２内の排ガスに対して逆の方向に流れる。

このとき、第１の空気流路２００内の空気とガス通路部１３１、１３２内の排ガスとが箱部１０１の底壁１０１ｂおよび後壁１０１ａを介して熱交換する。さらに、熱交換フィン１５０ａ、１５０ｂ、１５４ａ、１５４ｂは、第１の空気流路２００内の空気とガス通路部１３１、１３２内の排ガスとの間の熱交換を促進する。このため、第１の空気流路２００内の空気は、排ガスによって加熱されて温度が上昇する。

この温度上昇した空気は、空気出口１１１ａ、１１１ｂおよび配管１０５ａ、１０５ｂを通して第２の空気流路２０１内に流入する。この流入した空気は、第２の空気流路２０１内を通して空気出口１０２ａに向けて流れる。このとき、第２の空気流路２０１内の空気は、ガス通路部１３０内の排ガスに対して逆の方向に流れる。そして、第２の空気流路２０１内の空気とガス通路部１３０内の排ガスとが板材１０３を介して熱交換する。さらに、熱交換フィン１５２、１５５は、第２の空気流路２０１内の空気とガス通路部１３０内の排ガスとの間の熱交換を促進する。これにより、第２の空気流路２０１内の空気は、排ガスによって加熱されて温度が上昇する。

一方、燃料電池４０の複数のセル４１は、上記電気化学反応に伴って輻射熱をそれぞれの端面から発生する。このため、箱部１０２の後壁１０２ｃは、燃料電池４０から輻射熱を受ける。これに伴い、箱部１０２は、後壁１０２ｃで受けた輻射熱を第２の空気流路２０１内の空気に伝達する。このとき、熱交換フィン１５３ａ、１５３ｂは、燃料電池４０の輻射熱を第２の空気流路２０１内の空気に伝達することを促進する。これにより、第２の空気流路２０１内の空気は、輻射熱により加熱されて温度が上昇する。このように温度上昇した空気は、複数のセル４１のカソードに供給される。

以上説明した本実施形態によれば、空気予熱器１０は、複数のセル４１に供給される空気が流れる第１の空気流路２００と、燃料電池４０と第１の空気流路２００との間に配置されて燃焼器５０から排出される排ガスが流れるガス通路部１３０、１３１、１３２と、燃料電池４０とガス通路部１３０、１３１、１３２との間で配置されて第１の空気流路２００を通過した空気が流れる第２の空気流路２０１とを備える。第１の空気流路２００内の空気は、ガス通路部１３１、１３２内の排ガスとの間の熱交換によって加熱される。第２の空気流路２０１内の空気は、ガス通路部１３０内の排ガスとの間の熱交換によって加熱される。箱部１０２は、第２の空気流路２０１および燃料電池４０の間にて複数のセル４１の積層方向に平行に配置されて、かつ燃料電池４０から輻射される輻射熱を受ける後壁１０２ｃを有し、かつ第２の空気流路２０１を構成する。箱部１０２は、後壁１０２ｃで受けた輻射熱によって第２の空気流路２０１内の空気を加熱する。第２の空気流路２０１を通過した空気が燃料電池４０に供給されるようになっている。

以上により、第１、第２の空気流路２００、２０１を通過する空気は、排ガスによって加熱される。第２の空気流路２０１を通過する空気は、燃料電池４０の輻射熱によって加熱される。このため、高温の空気を燃料電池４０に供給することができる。これに加えて、空気予熱器１０は、燃料電池４０を収納する収納容器を用いることなく、空気を加熱する熱交換器を構成している。このため、空気予熱器１０の小型化を図ることができる。したがって、小型化を図りつつ、排ガスと燃料電池４０の輻射熱とを利用して、高温の空気を燃料電池に供給するようにした空気予熱器１０を提供することができる。

本実施形態では、第１の空気流路２００内の空気とガス通路部１３１、１３２内の排ガスとは、互いに逆の方向に流れる対向流になっている。このため、第１の空気流路２００内の空気とガス通路部１３２内の排ガスとの間の熱交換の効率を向上することができる。

本実施形態では、第２の空気流路２０１内の空気とガス通路部１３０内の排ガスとは、互いに逆の方向に流れる対向流になっている。このため、第２の空気流路２０１内の空気とガス通路部１３０内の排ガスとの間の熱交換の効率を向上することができる。

本実施形態では、熱交換フィン１５０ａ、１５０ｂ、１５４ａ、１５４ｂは、第１の空気流路２００内の空気およびガス通路部１３１、１３２内の排ガスの間の熱交換を促進する。このため、空気および排ガスの間の熱交換の効率をより向上することができる。

本実施形態では、熱交換フィン１５２、１５５は、第２の空気流路２０１内の空気およびガス通路部１３０内の排ガスの間の熱交換を促進する。このため、空気および排ガスの間の熱交換の効率をより一層向上することができる。

本実施形態では、熱交換フィン１５３ａ、１５３ｂと熱交換フィン１５２とは、奥行き方向にオフセットして配置されている。

例えば、熱交換フィン１５３ａ、１５３ｂと熱交換フィン１５２とが接触していると、熱交換フィン１５２および熱交換フィン１５３ａ、１５３ｂを通して箱部１０２と板材１０３との間で熱が伝達される。すなわち、第２の空気通路２０１をバイパスして箱部１０２と板材１０３との間で熱が伝達する熱バイパスが生じることになる。このため、第２の空気流路２０１内の空気を排ガスや輻射熱により加熱することを妨げる。

これに対して、本実施形態では、熱交換フィン１５３ａ、１５３ｂと熱交換フィン１５２とは、奥行き方向にオフセットして配置されている。このため、箱部１０２と板材１０３との間で熱バイパスが生じることを避けることができる。したがって、第２の空気流路２０１内の空気を輻射熱や排ガスによって効率的に加熱することができる。

本実施形態では、仕切り板１２１、１２２は、積層方向に平行な方向に延びるように形成されている。このため、ガス通路部１３０とガス通路部１３１、１３２とが奥行き方向にオフセットして配置される。このため、熱交換フィン１５４ａ、１５４ｂと熱交換フィン１５５とが奥行き方向にオフセットして配置されている。

ここで、熱交換フィン１５４ａ、１５４ｂと熱交換フィン１５５とが接触していると、熱交換フィン１５４ａ、１５４ｂ、１５５を介して箱部１０１および板材１０３の間で熱が伝達される。すなわち、ガス通路部１３０、１３１、１３２をバイパスして箱部１０１および板材１０３の間で熱が伝達される熱バイパスが生じる。このため、第１、第２の空気流路２００、２０１内の空気を排ガスにより加熱することを妨げる。

これに対して、熱交換フィン１５４ａ、１５４ｂと熱交換フィン１５５が奥行き方向にオフセットして配置されている。このことにより、第１、第２の空気流路２００、２０１内の空気と排ガスとの間の熱交換の効率を向上することができる。

また、例えば、第２の空気流路２０１内に流入する空気温度が低い場合には、後壁１０２ｃの温度が低くなる。このため、燃料電池４０から後壁１０２ｃに伝達される輻射熱が過多となり、燃料電池４０の温度が低温になる場合がある。

これに対して、本実施形態によれば、第１の空気流路２００において排ガスにより加熱された空気が第２の空気流路２０１に導入される。このため、熱交換フィン１５０ａ、１５０ｂ、１５３ａ、１５３ｂ等によって、第２の空気流路２０１に導入され温度を調整することができる。このため、箱部１０２の後壁１０２ｃの温度を所望温度以上に調整することができる。したがって、燃料電池４０から壁部に伝達される輻射熱が過多となることを防ぐことができる。このため、燃料電池が冷え過ぎることを未然に防止できる。

なお、上記特許文献２では、燃料電池を収納する収納容器の全体に亘って排ガス通路を構成すると、収納容器の全体に亘って温度勾配が生じる。このため、例えば、収納容器の四隅を支持する支持構造にすると、熱歪みが収納容器に生じて収納容器が破損する恐れがある。また、収納容器内に空気を流入する空気入口部側には、排ガスで加熱される前の低温空気が流れる。このため、燃料電池のうち空気入口部側は、低温空気によって冷却されて冷え過ぎる恐れがある。

これに対して、本実施形態では、上述の如く、排ガス通路を構成する収納容器を用いることなくて、空気予熱器１０を構成している。このため、燃料電池のうち空気入口部側が冷え過ぎることはない。

（第２実施形態）
上記第１実施形態では、第２の空気流路２０１において、空気および排ガスの間の熱交換を促進する熱交換フィン１５３ａ、１５３ｂと、空気および燃料電池４０の輻射熱の間の熱交換を促進する熱交換フィン１５２とを奥行き方向にオフセットした例について説明したが、これに代えて、次のようにする。

図８は、本実施形態の空気予熱器１０を奥行き方向から視た模式図である。図９（ａ）は熱交換フィン１５２の図８中Ｂ矢視図であり、図９（ｂ）は熱交換フィン１５３の図８中Ａ矢視図である。図１０は、図９（ａ）中X−X断面図である。

図９（ａ）および図１０に示すように、熱交換フィン１５２は、複数の波形部１５２ｃを備える。複数の波形部１５２ｃは、それぞれ、幅方向に亘って波形状に形成されている。具体的には、複数の波形部１５２ｃは、複数の山部１６０と複数の谷部１６１を備える。

複数の山部１６０は、それぞれ、幅方向一方側に凸となるように形成されている。そして、複数の谷部１６１は、それぞれ、幅方向他方側に凹むように形成されている。複数の山部１６０と複数の谷部１６１とは、山部１６０と谷部１６１とが１つずつ交互に位置するように奥行き方向に並べられている。このように構成される複数の波形部１５２ｃは、それぞれ、空気の流れ方向（セル４１の積層方向）に並べられている。熱交換フィン１５２は、板材１０３の表壁１０３ａに支持されている。なお、図９（ａ）中の１０個の波形部１５２ｃを示している。

図９（ｂ）に示すように、熱交換フィン１５３は、それぞれ、幅方向に亘って波形状に形成されて、空気の流れ方向に並べられている複数の波形部１５３ｃを備える。複数の波形部１５３ｃは、熱交換フィン１５２と同様に、複数の山部と複数の谷部とから構成され、複数の山部と複数の谷部とは、山部と谷部とが１つずつ交互に位置するように奥行き方向に並べられている。熱交換フィン１５３は、箱部１０２の底壁１０２ｂに支持されている。なお、図９（ｂ）中の１０個の波形部１５３ｃを示している。

ここで、波形部１５２ｃ、１５３ｃは、空気流れ方向に１つずつ交互に並べられるように複数の波形部１５２ｃと複数の波形部１５３ｃとがセル４１の積層方向に並べられている。つまり、複数の波形部１５２ｃと複数の波形部１５３ｃとは、セル４１の積層方向にオフセットしている。

以上説明した本実施形態によれば、波形部１５２ｃ、１５３ｃは、空気流れ方向に１つずつ交互に並べられるように複数の波形部１５２ｃと複数の波形部１５３ｃとがセル４１の積層方向に並べられている。したがって、熱交換フィン１５２、１５３が燃料電池４０の輻射熱や排ガスの熱によって第２の空気流路２０１内の空気を効率的に加熱することができる。

（第３実施形態）
上記第２実施形態では、熱交換フィン１５２、１５３は、波形部１５２ｃ、１５３ｃが、空気流れ方向に１つずつ交互に並べられている例について説明したが、これに代えて、本第３の実施形態では、熱交換フィン１５２、１５３を噛み合うように配置した例について説明する。

図１１は、図８中XI−XI断面図である。

本実施形態の熱交換フィン１５２は、複数の山部１５２ｄと複数の谷部１５２ｅを備える波形状に形成されている。複数の山部１５２ｄは、それぞれ、セル４１の積層方向に亘って、幅方向一方側（すなわち、箱部１０２側）に凸になるように形成されている。複数の谷部１５２ｅは、それぞれ、セル４１の積層方向に亘って、幅方向他方側（すなわち、板材１０３側）に凹むように形成されている。

本実施形態の熱交換フィン１５３は、複数の山部１５３ｄと複数の谷部１５３ｅを備える波形状に形成されている。複数の山部１５３ｄは、それぞれ、セル４１の積層方向に亘って、幅方向他方側（すなわち、板材１０３側）に凸になるように形成されている。複数の谷部１５３ｅは、それぞれ、セル４１の積層方向に亘って、幅方向一方側（すなわち、箱部１０２側）に凹むように形成されている。

本実施形態の熱交換フィン１５２の複数の山部１５２ｄは、それぞれ、熱交換フィン１５３の谷部１５３ｅのうち対応する谷部１５３ｅ側に配置されている。熱交換フィン１５３の複数の山部１５３ｄは、それぞれ、熱交換フィン１５２の複数の谷部１５２ｅのうち対応する谷部１５２ｅ側に配置されている。このことにより、熱交換フィン１５２、１５３が噛み合うように配置されることになる。

熱交換フィン１５２の複数の山部１５２ｄは、熱交換フィン１５３の谷部１５３ｅのうち対応する谷部１５３ｅに対して間隔を開けて位置する。熱交換フィン１５３の複数の山部１５３ｄは、熱交換フィン１５２の複数の谷部１５２ｅのうち対応する谷部１５２ｅに対して間隔を開けて位置する。つまり、熱交換フィン１５３、１５２は、隙間を開けて配置されている。

本実施形態では、熱交換フィン１５２と板材１０３の表壁１０３ａとの間は、溶接により接合される。ここで、熱交換フィン１５２を１つの部品で実現することができる。このため、熱交換フィン１５２と板材１０３の表壁１０３ａとの間を容易に接合することができる。

本実施形態では、熱交換フィン１５３と箱部１０２の底壁１０２ｂとの間は、溶接により接合される。ここで、熱交換フィン１５３を１つの部品で実現することができる。このため、熱交換フィン１５３と箱部１０２の底壁１０２ｂとの間を容易に接合することができる。
（第４実施形態）
本第４実施形態では、上記第２実施形態の熱交換フィン１５２、１５３としてオフセットフィンを用いる例について説明する。

図１２に本実施形態の熱交換フィン１５２（１５３）の斜視図を示す。

熱交換フィン１５２は、それぞれ、奥行き（および、幅方向）の断面形状、すなわち、空気流れ方向から見たときの断面形状が凸部３００を幅方向の一方側と他方側に交互に位置させて曲折する波形状に形成されて、かつ幅方向で部分的に切り起こされた切り起こし部３１０を備える。熱交換フィン１５２は、空気流れ方向から見たときに、切り起こし部３１０によって形成される波形状部分が、空気流れ方向で隣接する波形状部分に対して、オフセットしているオフセットフィンである。

この熱交換フィン１５２によって、第２の空気流路２０１の内部が奥行き方向に平行な方向で、複数の流路に分割（言い換えると、区画）され、さらに、第２の空気流路２０１の内部で複数に分割された流路は、空気流れ方向で部分的にオフセットしている。すなわち、第２の空気流路２０１内を複数の流路に分割する壁部３０１が、空気流れ方向に沿って、千鳥状に配置されている。また、空気流れ方向で熱交換フィン１５２を見たとき、一方側同士、他方側同士のように、同一側の凸部３００であって、空気流れ方向で隣接する凸部３００同士は、ずれて配置されている。

本実施形態では、熱交換フィン１５２は、複数の凸部３００が板材１０３の表壁１０３ａに接している。熱交換フィン１５２と板材１０３の表壁１０３ａとの間は、上記第３実施形態と同様、溶接により接合される。ここで、熱交換フィン１５２を１つの部品で実現することができる。このため、熱交換フィン１５２と板材１０３の表壁１０３ａとの間を容易に接合することができる。

また、本実施形態の熱交換フィン１５３は、熱交換フィン１５２と同様のオフセットフィンである。熱交換フィン１５３は、複数の凸部３００が箱部１０２の底壁１０２ｂに接している。熱交換フィン１５３と箱部１０２の底壁１０２ｂとの間は、上記第３実施形態と同様、溶接により接合される。

（他の実施形態）
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、上記第１〜第４の実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。

次に、上記第１〜４の実施形態と特許請求の範囲との対応関係について説明する。

空気予熱器１０が熱交換器に対応し、箱部１０２の後壁１０２ｃが受熱壁に対応し、箱部１０２が空気流路形成部に対応し、熱交換フィン１５０ａ、１５０ｂが第１の熱交換フィンに対応する。熱交換フィン１５２が第２の熱交換フィンに対応し、熱交換フィン１５３ａ、１５３ｂが第３の熱交換フィンに対応し、波形部１５２ｃが第２の波形部に対応する。波形部１５３ｃが第３の波形部に対応し、板材１０３の表壁１０３ａが第１の壁部に対応し、箱部１０２の底壁１０２ｂが第２の壁部に対応し、波形部１５２ｃが第２の波形部に対応し、波形部１５３ｃが第３の波形部に対応する。仕切り板１２１、１２２が仕切り部材に対応し、板材１０３の表壁１０３ａが第１の壁部に対応し、箱部１０２の底壁１０２ｂが第２の壁部に対応し、山部１５２ｄが第２の山部に対応し、谷部１５２ｅが第２の谷部に対応する。山部１５３ｄが第３の山部に対応し、谷部１５３ｅが第３の谷部に対応し、箱部１０１の後壁１０１ａが第３の壁部に対応し、箱部１００の底壁１００ａが第４の壁部に対応する。熱交換フィン１５４ａ、１５４ｂが第４の熱交換フィンに対応し、熱交換フィン１５５が第５の熱交換フィンに対応し、ガス通路部１３１、１３２が第１のガス通路部に対応する。ガス通路部１３０が第２のガス通路部に対応し、ガス通路部１３０、１３１、１３２が排ガス通路を構成する。

１ 燃料電池システム
１０ 空気予熱器
２０ 改質器
３０ 水蒸発器
４０ 燃料電池
４１ セル
５０ 燃焼器
２００ 第１の空気流路
２０１ 第２の空気流路
１３１、１３２ ガス通路部

Claims (15)

1. 空気および燃料ガスの電気化学反応により電気エネルギをそれぞれ発生する複数のセル（４１）が積層されている燃料電池（４０）に供給する空気を加熱する熱交換器であって、
   前記燃料電池に供給される空気が流れる第１の空気流路（２００）と、
   前記燃料電池と前記第１の空気流路との間に配置されて燃焼器（５０）から排出される排ガスが流れる排ガス通路（１３０、１３１、１３２）と、
   前記燃料電池と前記排ガス通路との間で配置されて前記第１の空気流路を通過した空気が流れる第２の空気流路（２０１）と、を備え、
   前記第１、第２の空気流路内の空気は、それぞれ、前記排ガス通路内の排ガスとの間の熱交換によって加熱されるようになっており、
   前記第２の空気流路および前記燃料電池の間にて前記複数のセルの積層方向に平行に配置されて、かつ前記燃料電池から輻射される輻射熱を受ける受熱壁（１０２ｃ）を有し、かつ前記第２の空気流路を構成する空気流路形成部（１０２）を備えており、
   前記空気流路形成部は、前記受熱壁で受けた輻射熱によって前記第２の空気流路内の空気を加熱するようになっており、
   前記第２の空気流路を通過した空気が前記燃料電池に供給されるようになっていることを特徴とする熱交換器。
2. 前記排ガス通路は、前記第１の空気流路内の空気との間で熱交換する排ガスが流れる第１のガス通路部（１３１、１３２）と、前記第２の空気流路内の空気との間で熱交換する排ガスが流れる第２のガス通路部（１３０）と、を備え、
   前記第１、第２のガス通路部を仕切る仕切り部材（１２１、１２２）を備えることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記仕切り部材は、前記複数のセルの積層方向に平行な方向に延びるように形成されており、
   前記第１、第２のガス通路は、前記積層方向に直交し、かつ前記第１、第２の空気流路の並ぶ方向に対して直交する方向に、並べられていることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記第１の空気流路内の空気と前記第１のガス通路部内の排ガスとは、互いに逆方向に流れるように前記第１の空気流路と前記第１のガス通路部とが構成されていることを特徴とする請求項２または３に記載の熱交換器。
5. 前記第２の空気流路内の空気と前記第２のガス通路部内の排ガスとは、互いに逆方向に流れるように前記第２の空気流路と前記第２のガス通路部とが構成されていることを特徴とする請求項４に記載の熱交換器。
6. 前記第１の空気流路内の空気および前記排ガスの間の熱交換を促進する第１の熱交換フィン（１５０ａ、１５０ｂ）と、
   前記第２の空気流路内の空気および前記排ガスの間の熱交換を促進する第２の熱交換フィン（１５２）と、を備えることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の熱交換器。
7. 前記受熱壁で受けた輻射熱を前記第２の空気流路内の空気に伝える第３の熱交換フィン（１５３ａ、１５３ｂ）を備えることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の熱交換器。
8. 前記第２の熱交換フィンは、前記第２の空気流路内の空気流れ方向に対して直交し、かつ前記第１、第２の空気流路の並ぶ方向に対して直交する方向に亘って、波形状に形成されて、前記空気の流れ方向に並べられている複数の第２の波形部（１５２ｃ）を備え、
   前記第３の熱交換フィンは、前記第２の空気流路内の空気流れ方向に対して直交し、かつ前記第１、第２の空気流路の並ぶ方向に対して直交する方向に亘って、波形状に形成されて、前記空気の流れ方向に並べられている複数の第３の波形部（１５３ｃ）を備え、
   前記第２、第３の波形部が前記空気の流れ方向に１つずつ交互に位置するように前記複数の第２の波形部と前記複数の第２の波形部とが並べられていることを特徴とする請求項７に記載の熱交換器。
9. 前記空気流路形成部は、前記排ガス通路側に配置されている第１の壁部（１０３ａ）と、前記燃料電池側に配置されている第２の壁部（１０２ｂ）と、を備え、前記第２の空気流路は、前記第１、第２の壁部の間に形成されており、
   前記第２の熱交換フィンは、前記空気の流れ方向に亘って前記第２の壁部側に凸となる複数の第２の山部（１５２ｄ）と、前記空気の流れ方向に亘って前記第１の壁部側に凹む複数の第２の谷部（１５２ｅ）とを備え、
   前記第２の熱交換フィンは、前記第２の山部と前記第２の谷部とが交互に位置するように、前記複数の第２の山部と前記複数の第２の谷部とが、前記第２の空気流路内の空気流れ方向に直交し、かつ前記第１、第２の空気流路の並ぶ方向に直交する直交方向に並べられており、
   前記第３の熱交換フィンは、前記空気の流れ方向に亘って前記第１の壁部側に凸となる複数の第３の山部（１５３ｄ）と、前記空気の流れ方向に亘って前記第２の壁部側に凹む複数の第３の谷部（１５３ｅ）とを備え、
   前記第３の熱交換フィンは、前記第３の山部と前記第３の谷部とが交互に位置するように、前記複数の第３の山部と前記複数の第３の谷部とが、前記第２の空気流路内の空気流れ方向に直交し、かつ前記第１、第２の空気流路の並ぶ方向に直交する直交方向に並べられており、
   前記複数の第２の山部は、それぞれ、前記複数の第３の谷部のうち対応する第３の谷部側に位置し、前記複数の第３の山部は、それぞれ、前記複数の第２の谷部のうち対応する第２の谷部側に位置することを特徴とする請求項７に記載の熱交換器。
10. 前記第２、第３の熱交換フィンは、それぞれ、前記空気の流れ方向に対する直交方向の断面形状が凸部（３００）を一方側と他方側に交互に位置させて曲折する波形状に形成されて、かつ前記空気の流れ方向に平行な方向で部分的に切り起こされた切り起こし部（３１０）を備えるオフセットフィンであることを特徴とする請求項７に記載の熱交換器。
11. 前記第１の空気流路に対して前記燃料電池側に配置されている第３の壁部（１０１ａ）と、
    前記第１の空気流路に対して前記燃料電池の反対側に配置されている第４の壁部（１００ａ）と、を備え、
    前記第３、第４の壁部の間において前記第２のガス通路（１３０）に対応する領域に、前記空気の流れを止める風流れ防止部材（１５１）が配置されていることを特徴とする請求項２ないし５のいずれか１つに記載の熱交換器。
12. 前記第１の空気流路には、前記第１の熱交換フィンが配置されていることを特徴とする請求項６に記載の熱交換器。
13. 前記第２の空気流路のうち前記第２のガス通路部に対応する領域には、前記第２の熱交換フィンが配置されていることを特徴とする請求項６に記載の熱交換器。
14. 前記第２の空気流路のうち前記第１のガス通路部に対応する領域には、前記第３の熱交換フィンが配置されていることを特徴とする請求項７に記載の熱交換器。
15. 前記第１の空気流路内の空気と前記排ガスとの間の熱交換を促進する第４の熱交換フィン（１５４ａ、１５４ｂ）が前記第１の排ガス通路に配置されており、
    前記第２の空気流路内の空気と前記排ガスとの間の熱交換を促進する第５の熱交換フィン（１５５）が前記第２の排ガス通路に配置されていることを特徴とする請求項２ないし５のいずれか１つに記載の熱交換器。

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