JP2021086714A - 排気熱交換システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池装置からの排気ガスの放熱性能の向上を図ることが可能な排気熱交換システムを提供する。【解決手段】排気熱交換システム１は、燃料電池装置からの排気ガスを排気ガスよりも低温となる冷却流体と熱交換させて冷却する排気熱交換器２０を備える。ｆ排気熱交換器２０は、排気ガスと冷却流体とが熱交換可能に排気流路と冷却流路とが配列方向に交互に配置されている。加えて、排気熱交換器２０は、排気ガスよりも低温となる外気が流れる流通空間に対して排気流路を形成する部位の一部（本例では、第１対向部位および第２対向部位）が露出している。【選択図】図７

Description

本開示は、燃料電池装置からの排気ガスを冷却流体と熱交換させて冷却する排気熱交換器を含む排気熱交換システムに関する。

従来、燃料電池を含む発電システムとして、燃料電池からの排気ガスを冷却する排気ガス冷却器を備えるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許第３９５６２０８号

しかしながら、特許文献１には、排気ガス冷却器の具体的な構造について何ら開示がなく、燃料電池装置からの排気ガスの放熱性能の観点で改善の余地がある。

本開示は、燃料電池装置からの排気ガスの放熱性能の向上を図ることが可能な排気熱交換システムを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、
排気熱交換システムであって、
燃料電池装置（ＦＣＳ）からの排気ガスを排気ガスよりも低温となる冷却流体と熱交換させて冷却する排気熱交換器（２０）を備え、
排気熱交換器は、
排気ガスが流れる排気流路（２１Ａ）および冷却流体が流れる冷却流路（２１Ｂ）が設けられ、
排気ガスと冷却流体とが熱交換可能に排気流路と冷却流路とが所定の配列方向に交互に配置されるとともに、
排気ガスよりも低温となる外部流体と排気ガスとが熱交換可能に外部流体が流れる流通空間に対して排気流路を形成する排気流路形成部（２２３、２３３、２４３）の一部が露出している、排気熱交換システム。

このように構成される排気熱交換器では、排気ガスを冷却流体に放熱させるだけでなく、排気ガスよりも低温の外部流体にも放熱させることができるので、排気ガスの放熱量を増加させて排気ガスの放熱性の向上を図ることができる。

なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。

実施形態に係る排気熱交換システムの概略構成図である。 排気熱交換器の模式的な側面図である。 排気熱交換器の模式的な分解斜視図である。 図２のＩＶ−ＩＶ断面図である。 図２のＶ−Ｖ断面図である。 図４に示すＶＩ部分の拡大図である。 外気ダクトの模式的な縦断面図である。 外気ダクトの模式的な横断面図である。 排気熱交換器の熱交換流路の第１変形例を示す断面図である。 図９のＸ部分の拡大図である。 排気熱交換器の熱交換流路の第２変形例を示す断面図である。

以下、本開示の一実施形態について図１〜図８を参照しつつ説明する。本実施形態では、本開示の排気熱交換システム１を、燃料電池ＦＣにより電気エネルギを出力する燃料電池装置ＦＣＳに適用した例について説明する。

本例の燃料電池装置ＦＣＳは、一般向けの産業用定置型の装置として構成されている。図１に示すように、燃料電池装置ＦＣＳは、主たるシステム構成として発電部ＰＧ、蒸発部ＳＰ、および改質部ＲＰを備える。

発電部ＰＧは、固体酸化物型の燃料電池ＦＣを備える。固体酸化物型の燃料電池ＦＣは、一般的にＳＯＦＣ（Solid Oxide Fuel Cell の略）とも呼ばれ、作動温度が高温（例えば、５００℃〜１０００℃）となる。燃料電池ＦＣは、燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力する。

具体的には、燃料電池ＦＣは、大気中の空気を酸化剤ガスとして取り込むとともに、水素および一酸化炭素を燃料ガスとして取り込む。この燃料ガスは、改質用の原燃料である都市ガス（メタンを主成分とするガス）を改質して生成される。なお、使用する原燃料は、炭化水素系のガスであれば、都市ガス以外のガスが採用されていてもよい。

燃料電池ＦＣは、以下の反応式Ｆ１、Ｆ２に示す水素および酸素の電気化学反応により図示しない外部回路に対して電気エネルギを出力する。

（燃料極）２Ｈ_２＋２Ｏ^２−→２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻ …（Ｆ１）

（空気極）Ｏ_２＋４ｅ⁻→２Ｏ^２− …（Ｆ２）
また、燃料電池ＦＣは、以下の反応式Ｆ３、Ｆ４に示す一酸化炭素および酸素の電気化学反応により図示しない外部回路に対して電気エネルギを出力する。

（燃料極）２ＣＯ＋２Ｏ^２−→２ＣＯ_２＋４ｅ⁻ …（Ｆ３）

（空気極）Ｏ_２＋４ｅ⁻→２Ｏ^２− …（Ｆ４）
燃料電池ＦＣには、酸化剤ガスとしての空気の導入経路を構成する空気経路ＡＰが接続されている。空気経路ＡＰは配管等によって構成されている。図示しないが、空気経路ＡＰには、燃料電池ＦＣに空気を送風するブロワ、燃料電池ＦＣに供給する空気を加熱する空気予熱器等が配置されている。

また、燃料電池ＦＣは、改質用の原燃料や燃料ガスの導入経路を構成する燃料経路ＦＰが接続されている。燃料経路ＦＰは配管等によって構成される。燃料経路ＦＰには、図示しない燃料ポンプ、図示しない脱硫器、蒸発部ＳＰ、改質部ＲＰが上流側から順に配置されている。

蒸発部ＳＰは、燃料電池ＦＣ等で生ずる熱によって水を蒸発させて水蒸気を生成する。蒸発部ＳＰは、生成した水蒸気と改質用の原燃料との混合ガスを改質部ＲＰに供給する。蒸発部ＳＰには、水の導入経路である水経路ＷＰが接続されている。水経路ＷＰには、蒸発部ＳＰに対して水を供給する水ポンプＰが配置されている。水経路ＷＰは、水ポンプＰよりも上流側が後述する排気熱交換システム１の回収水タンク４０に接続されている。水ポンプＰが作動すると、回収水タンク４０に貯められた水が蒸発部ＳＰに供給される。排気熱交換システム１については後述する。

改質部ＲＰは、水蒸気と原燃料の混合ガスを改質して水素を含む燃料ガスを生成する。改質部ＲＰは、例えば、ロジウムやルテニウム等の貴金属を含む水蒸気改質触媒を含んでいる。具体的には、改質部ＲＰは、改質反応およびシフト反応により燃料ガス（水素、一酸化炭素）を生成する。

ここで、燃料電池ＦＣから排出されるオフガスには、燃料電池ＦＣで使用されなかった未反応ガスが含まれている。未反応ガスには、可燃性を有する水素が含まれる。このため、燃料電池ＦＣから排出されるオフガスをそのまま大気に排出することは難しい。

そこで、発電部ＰＧには、燃料電池ＦＣに加えて燃焼器ＣＢが設けられている。燃焼器ＣＢは、燃料電池ＦＣから排出されるオフガスを燃焼させる。燃焼器ＣＢは、例えば、酸化剤オフガスおよび燃料オフガスを混合した混合ガスを可燃ガスとして燃焼させる。図示しないが、燃焼器ＣＢは、オフガスを燃焼させるためのバーナを有している。燃焼器ＣＢでは、バーナによってオフガスが燃焼される。

このように構成される燃料電池装置ＦＣＳでは、燃焼器ＣＢで生成された燃焼ガスが、装置内部の蒸発部ＳＰ、改質部ＲＰ等の加熱源として利用された後、排気ガスとして装置外部に排出される。この排気ガスは、排気熱交換システム１にて冷却される。

排気熱交換システム１は、排気ガスを放熱させる放熱システムである。本実施形態の燃料電池装置ＦＣＳおよび排気熱交換システム１は、システムから電気だけを取り出して外部で利用するモノジェネレーション方式のシステムとして構成されている。

燃料電池装置ＦＣＳおよび排気熱交換システム１は、例えば、システムから熱と電気の両方を取り出して外部で利用するコージェネレーション方式に比べて、部品点数が少なく、簡素な構成で実現することができる。このため、例えば、熱利用量の少ないユーザーに設置メリットを提供することができる。

排気熱交換システム１は、燃料電池装置ＦＣＳからの排気ガスが流れる排気系統１０、冷却流体としての冷却水が流れる冷却系統５０、外部流体としての外気が流れる送風系統６０の３つの系統を有している。

排気系統１０は、排気熱交換器２０および回収水タンク４０を備える。排気熱交換器２０は、燃料電池装置ＦＣＳからの排気ガスを排気ガスよりも低温となる冷却水と熱交換させて冷却する熱交換器である。排気熱交換器２０は、排気ガスが流入可能に燃料電池装置ＦＣＳの排気ガスの出口に接続されている。また、排気熱交換器２０は、冷却水が流入可能に後述の水循環回路５２に接続されている。

排気熱交換器２０には、熱交換流路２１として、燃料電池装置ＦＣＳからの排気ガスが流れる排気流路２１Ａおよび冷却水が流れる冷却流路２１Ｂが設けられている。排気流路２１Ａおよび冷却流路２１Ｂは、排気ガスと冷却水とが熱交換可能に互いに隣接して設けられている。なお、排気熱交換器２０の構造および配置形態の詳細については後述する。

ここで、燃料電池ＦＣでは、前述の反応式Ｆ１に示すように、水素と酸素の電気化学反応により水が生成される。この水は、水蒸気となって排気ガスとともに、燃料電池装置ＦＣＳから排気熱交換器２０に流入する。

したがって、排気熱交換器２０にて排気ガスが冷却水によって露点温度以下まで冷却されると、排気ガス中の水蒸気が凝縮する。本実施形態の排気熱交換器２０は、水回収用の熱交換器としても機能する。

回収水タンク４０は、排気熱交換器２０で回収された水を貯留するタンクである。回収水タンク４０は、排気熱交換器２０における排気ガスの出口に接続されている。回収水タンク４０は、排気熱交換器２０で回収された水が流入可能に重力の作用する方向において排気熱交換器２０よりも下方となる位置に配置されている。

回収水タンク４０は、上部に排気ガスを大気に排出するガス排出口４１が設けられ、底部に水を外部に排出する水排出口４２が設けられている。水排出口４２は、水経路ＷＰに接続されており、回収水タンク４０に回収された水が燃料電池装置ＦＣＳにて再利用される。これにより、燃料電池装置ＦＣＳは、水自立運転が可能になっている。水自立運転は、外部から水を補給しない運転である。水自立運転は、シリカ等を含む水道水に比べて純度の高い水を用いることができるので、燃料電池装置ＦＣＳへの水供給系統の寿命を延ばすことができる。

続いて、冷却系統５０は、冷却水が循環する水循環回路５２、水循環回路５２内に冷却水を循環させる冷却水ポンプ５４、および冷却水を放熱させるラジエータ５６を備える。水循環回路５２には、排気熱交換器２０が設けられ、排気熱交換器２０の入口側に冷却水ポンプ５４が設けられている。また、水循環回路５２には、排気熱交換器２０の出口側にラジエータ５６が接続されている。ラジエータ５６は、排気熱交換器２０における排気ガスとの熱交換で昇温した冷却水を外部流体としての外気に放熱させる熱交換器である。ラジエータ５６は、外気が流れる外気ダクト６２の内側に配置されている。

続いて、送風系統６０は、外気が流れる流通空間を形成する外気ダクト６２および外気を送風する送風機６４を備える。外気ダクト６２は、外気を導入するための開口を有する。外気ダクト６２の内側には、ラジエータ５６が配置されている。外気ダクト６２の内側には、ラジエータ５６に対して供給する外気が流れる外部流体通路６２０が形成されている。

外気ダクト６２の内側には、送風機６４が配置されている。送風機６４は、ラジエータ５６を通過する気流を発生させる機器である。送風機６４は、ラム圧等により外気ダクト６２に流入する外気の通風抵抗とならないように、ラジエータ５６よりも外気流れ下流側に配置されている。

また、外気ダクト６２の内側には、排気熱交換器２０が配置されている。以下、排気熱交換器２０の構造および外気ダクト６２の内側における配置形態について説明する。

まず、排気熱交換器２０の構造について図２〜図６を参照しつつ説明する。図２および図３に示すように、排気熱交換器２０は、コルゲートプレート２２、第１サイドプレート２３、および第２サイドプレート２４を積層した積層体として構成されている。具体的には、排気熱交換器２０は、コルゲートプレート２２の両側に第１サイドプレート２３および第２サイドプレート２４が当接した状態で接合されている。コルゲートプレート２２、第１サイドプレート２３、および第２サイドプレート２４は、例えば、ろう付け等の接合技術によって互いに接合されている。

コルゲートプレート２２は、金属製のプレート（例えば、ステンレス製の薄板）を波形状に成形したものである。図４に示すように、コルゲートプレート２２は、一対の折り返し部２２１、２２２および一対の折り返し部２２１、２２２同士を接続する側壁部２２３を有している。コルゲートプレート２２は、一対の折り返し部２２１、２２２が平坦状になっており、その断面が矩形波状になっている。

第１サイドプレート２３および第２サイドプレート２４は、それぞれ金属製のプレート（例えば、ステンレス製の薄板）で構成されている。第１サイドプレート２３は、一対の折り返し部２２１、２２２のうち一方となる第１折り返し部２２１に接合される。第２サイドプレート２４は、一対の折り返し部２２１、２２２のうち他方となる第２折り返し部２２２に接合される。

排気熱交換器２０は、コルゲートプレート２２の両側を第１サイドプレート２３および第２サイドプレート２４で挟持することで、コルゲートプレート２２の側壁部２２３によって区画される複数の熱交換流路２１が形成される。具体的には、図４および図５に示すように、排気熱交換器２０には、排気流路２１Ａと冷却流路２１Ｂとが所定方向に交互に配置されている。なお、コルゲートプレート２２は、配列方向に直交する方向の両端が、第１サイドプレート２３の第１端板２３ａ、第２サイドプレート２４の第２端板２４ａによって閉塞されている。

ここで、本実施形態では、排気流路２１Ａと冷却流路２１Ｂとの並び方向を配列方向ＤＲｘとする。また、本実施形態では、配列方向ＤＲｘに直交する方向のうち、排気ガスおよび冷却水の流れ方向に沿う方向を流路長さ方向ＤＲｙとし、流路長さ方向ＤＲｙに直交する方向を流路高さ方向ＤＲｚとする。

第１サイドプレート２３には、流路長さ方向ＤＲｙの一端側に排気流路２１Ａに排気ガスを導入するガス導入部２３１が設けられ、流路長さ方向ＤＲｙの他端側に排気流路２１Ａに排気ガスを導出するガス導出部２３２が設けられている。第１サイドプレート２３には、ガス導入部２３１にガス導入管２５が接続され、ガス導出部２３２にガス導出管２６が接続されている。ガス導入管２５およびガス導出管２６は、排気ガスを通過させる配管であって、流路長さ方向ＤＲｙに突き出るように第１サイドプレート２３に接続されている。

ガス導入部２３１およびガス導出部２３２は、第１サイドプレート２３のうち、流路長さ方向ＤＲｙの両側において第１折り返し部２２１から離れる方向（すなわち、流路高さ方向ＤＲｚ）に膨出した部位によって形成されている。

ガス導入部２３１およびガス導出部２３２は、第１折り返し部２２１から離間しており、ガス導入部２３１およびガス導出部２３２の内側の空間が複数の排気流路２１Ａに連通している。これにより、ガス導入管２５を介してガス導入部２３１に導入された排気ガスが複数の排気流路２１Ａそれぞれに分配される。そして、複数の排気流路２１Ａを流れる排気ガスは、ガス導出部２３２に集合した後、ガス導出管２６を介して回収水タンク４０に向けて導出される。

また、第２サイドプレート２４には、流路長さ方向ＤＲｙの他端側に冷却流路２１Ｂに冷却水を導入する冷却水導入部２４１が設けられ、流路長さ方向ＤＲｙの一端側に冷却流路２１Ｂに冷却水を導出する冷却水導出部２４２が設けられている。第２サイドプレート２４には、冷却水導入部２４１に冷却水導入管２７が接続され、冷却水導出部２４２に冷却水導出管２８が接続されている。冷却水導入管２７および冷却水導出管２８は、冷却水を通過させる配管であって、流路長さ方向ＤＲｙに突き出るように第２サイドプレート２４に接続されている。

冷却水導入部２４１および冷却水導出部２４２は、第２サイドプレート２４のうち、流路長さ方向ＤＲｙの両側において第２折り返し部２２２から離れる方向（すなわち、流路高さ方向ＤＲｚ）に膨出した部位によって形成されている。

冷却水導入部２４１および冷却水導出部２４２は、第２折り返し部２２２から離間しており、冷却水導入部２４１および冷却水導出部２４２の内側の空間が複数の冷却流路２１Ｂに連通している。これにより、冷却水導入管２７を介して冷却水導入部２４１に導入された冷却水が複数の冷却流路２１Ｂそれぞれに分配される。そして、複数の冷却流路２１Ｂを流れる冷却水は、冷却水導出部２４２に集合した後、冷却水導出管２８を介してラジエータ５６に向けて導出される。

本実施形態の排気熱交換器２０は、流路長さ方向ＤＲｙの一端側にガス導入部２３１が設けられ、流路長さ方向ＤＲｙの他端側に冷却水導入部２４１が設けられている。そして、排気熱交換器２０は、排気ガスと冷却水とが対向流となる流路構造になっている。具体的には、排気熱交換器２０は、排気流路２１Ａを流れる排気ガスと冷却流路２１Ｂを流れる冷却水とが流路長さ方向ＤＲｙにおいて反対向きに流れる。

ここで、排気流路２１Ａは、図６に示すように、コルゲートプレート２２の側壁部２２３、第１、第２サイドプレート２３、２４において第２折り返し部２２２と対向する第１、第２対向部位２３３、２４３といった４つの面によって区画形成されている。

第１対向部位２３３は、第１サイドプレート２３のうち、排気流路２１Ａを挟んで第２折り返し部２２２に対向する部位である。また、第２対向部位２４３は、第２サイドプレート２４のうち、排気流路２１Ａを挟んで第１対向部位２３３に対向する部位である。本実施形態では、側壁部２２３、第１対向部位２３３、および第２対向部位２４３が排気流路形成部を構成している。

排気流路２１Ａの排気ガスは、コルゲートプレート２２の側壁部２２３を介して冷却流路２１Ｂの冷却水に放熱される。このため、排気熱交換器２０は、排気ガスを冷却水だけでなく外気にも放熱させることができる。本実施形態では、側壁部２２３が排気ガスと冷却流体と熱交換させる第１熱交換部位を構成する。

具体的には、側壁部２２３は、排気流路２１Ａを挟んで配列方向ＤＲｘに対向する第１壁部２２３ａおよび第２壁部２２３ｂを有する。この第１壁部２２３ａおよび第２壁部２２３ｂは、冷却流路２１Ｂに隣接する位置に設けられており、排気ガスを冷却流体と熱交換させる第１熱交換部位を構成している。

前述の如く、排気熱交換器２０は、外気ダクト６２の内側に配置されており、排気熱交換器２０のうち配列方向ＤＲｘに拡がる一対の外側面が外部流体通路６２０に露出している。第１対向部位２３３および第２対向部位２４３は、排気熱交換器２０のうち配列方向ＤＲｘに拡がる一対の外側面の一部を構成するものであり、外部流体通路６２０に露出している。すなわち、排気熱交換器２０は、外気が流れる流通空間に対して排気流路２１Ａを形成する排気流路形成部のうち、第１対向部位２３３および第２対向部位２４３が露出している。

これにより、排気ガスは、第１対向部位２３３および第２対向部位２４３を介して外気ダクト６２の内側を流れる外気に放熱される。本実施形態では、第１対向部位２３３および第２対向部位２４３が排気流路形成部のうち排気流路２１Ａを挟んで配列方向ＤＲｘに対して直交する流路高さ方向ＤＲｚに対向する第３壁部および第４壁部を構成している。
また、本実施形態では、第１対向部位２３３および第２対向部位２４３が排気ガスと外気ダクト６２の内側を流れる外気とを熱交換させる第２熱交換部位を構成している。

このように構成される排気熱交換器２０は、流路高さ方向ＤＲｚの外形寸法が、配列方向ＤＲｘおよび流路長さ方向ＤＲｙの外形寸法よりも小さくなっており、扁平な外形状を有している。

続いて、排気熱交換器２０の外気ダクト６２における配置形態について図７、図８を参照しつつ説明する。排気熱交換器２０は、図７、図８に示すように、外気ダクト６２の内側において、ラジエータ５６よりも上流側に配置されている。これにより、排気熱交換器２０の周囲にラジエータ５６にて昇温する前の低温の外気が流れる。

ここで、前述の如く、排気熱交換器２０は、排気ガスが冷却水および外気で冷却された際に排気ガス中の水分が凝縮する。このため、排気熱交換器２０は、水分の凝縮によって得られた水によって排気流路２１Ａが閉塞されないように水を排出し易い構造になっていることが望ましい。

本実施形態の排気熱交換器２０は、図７に示すように、外気ダクト６２の内側においてガス導出部２３２が下方となり、ガス導入部２３１が上方となる姿勢で配置されている。これにより、排気流路２１Ａでは、排気ガスが上方から下方に向けて流れる。そして、排気流路２１Ａで凝縮した水は、自重によってガス導出部２３２に向けて流下した後、ガス導出部２３２から回収水タンク４０に向けて導出される。

また、排気熱交換器２０は、外気との伝熱面積が大きいほど、排気ガスの放熱量を多くすることができる。このため、排気熱交換器２０は、配列方向ＤＲｘに拡がる一対の外側面それぞれに沿って流れるようになっていることが望ましい。

本実施形態の排気熱交換器２０は、図８に示すように、第１対向部位２３３および第２対向部位２４３を含む一対の外壁面が外部流体通路６２０を形成する通路壁面６２０ａとの間に外気が流通な隙間が形成される状態で外部流体通路６２０に配置されている。これにより、排気熱交換器２０の第１対向部位２３３および第２対向部位２４３を含む一対の外壁面が外部流体通路６２０に露出する。

さらに、排気熱交換器２０は、第１対向部位２３３および第２対向部位２４３を含む一対の外壁面とラジエータ５６の流体流入面５６１とが交差する姿勢で外部流体通路６２０に配置されている。

具体的には、ラジエータ５６は、流体流入面５６１が外部流体通路６２０の通路壁面６２０ａと略直交する姿勢で外部流体通路６２０に配置されている。なお、ラジエータ５６は、上方から下方に向けて冷却水が流れる姿勢になっている。

一方、排気熱交換器２０は、第１対向部位２３３および第２対向部位２４３を含む一対の外壁面と外部流体通路６２０の通路壁面６２０ａとが略平行であって一対の外壁面が通路壁面６２０ａに対向する姿勢で外部流体通路６２０に配置されている。本例の排気熱交換器２０は、第１対向部位２３３および第２対向部位２４３を含む一対の外壁面に並行な仮想線ＶＬ１、ＶＬ２が、流体流入面５６１と略直交する姿勢で外部流体通路６２０に配置されている。

次に、燃料電池装置ＦＣＳおよび排気熱交換システム１の基本的な作動について説明する。燃料電池装置ＦＣＳおよび排気熱交換システム１は、図示しない運転スイッチがオンされると制御装置によって燃料電池ＦＣから電気エネルギを出力させる発電処理が実行される。発電処理では、燃料電池ＦＣに対して発電に適した量の酸化剤ガスをおよび燃料ガスが供給される。

具体的には、原燃料と回収水タンク４０の水とが蒸発部ＳＰに供給される。蒸発部ＳＰでは、供給された水が蒸発して原燃料と混合された後、改質部ＲＰに流入する。改質部ＲＰでは、原燃料および水蒸気の混合ガスが供給されると、水蒸気改質反応により燃料ガス（水素、一酸化炭素）が生成される。そして、改質部ＲＰで生成された燃料ガスは、燃料電池ＦＣに流入する。

燃料電池ＦＣは、酸化剤ガスおよび燃料ガスが供給されると、前述の反応式Ｆ１〜Ｆ４に示す反応により電気エネルギを出力する。この際、燃料電池ＦＣは、水分を含む高温のオフガスを排出する。燃料電池ＦＣから排出されたオフガスは、可燃ガスとして燃焼器ＣＢで燃焼される。燃焼器ＣＢで生成された燃焼ガスは、蒸発部ＳＰ、改質部ＲＰ等の加熱源として利用された後に排出ガスとして燃料電池装置ＦＣＳから排出される。

燃料電池装置ＦＣＳからの排出ガスは、排気熱交換器２０に流入し、排気熱交換器２０にて冷却水循環回路を流れる冷却水およびラジエータ５６に供給する前の外気それぞれに放熱して冷却される。この際、排気ガス中の水蒸気が凝縮する。この水は、排気ガスとともに回収水タンク４０に流れる。回収水タンク４０では、排気ガスがガス排出口４１から大気に排出される。また、排気熱交換器２０で回収された水は、回収水タンク４０に貯留され、燃料電池装置ＦＣＳにて再利用される。

ここで、例えば、従来の排気ガス冷却器の如く、排気ガスを冷却水だけに放熱させる場合、排気ガスを放熱させる放熱部位が冷却水の流路に隣接する部位に制限され、放熱部位の面積を確保することが困難である。また、従来の排気ガス冷却器では、何らかの理由で冷却水の供給が停止されると排気ガスの冷却を継続できなくなってしまう。

これに対して、本実施形態の排気熱交換器２０は、排気ガスを冷却水に放熱させる部位だけでなく外気に放熱させる部位を有している。これによると、排気ガスを放熱させる放熱部位の面積を充分に確保することができる。

加えて、排気熱交換器２０では、冷却水の供給が停止されたとしても外気によって排気ガスの冷却を継続させることができる。この結果、燃料電池装置ＦＣＳの水自立運転を継続させることができる。

以上説明した排気熱交換システム１は、排気熱交換器２０は、排気ガスと冷却流体とが熱交換可能に排気流路２１Ａと冷却流路２１Ｂとが配列方向ＤＲｘに交互に配置されている。加えて、排気熱交換器２０は、排気ガスよりも低温となる外部流体が流れる流通空間に対して排気流路２１Ａを形成する部位の一部（本例では、第１対向部位２３３および第２対向部位２４３）が露出している。これによると、排気ガスを冷却流体に放熱させるだけでなく、排気ガスよりも低温の外部空気にも放熱させることができるので、排気ガスの放熱量を増加させて排気ガスの放熱性の向上を図ることができる。この結果、排気ガス中に含まれる水分を充分に回収して、水自立運転を継続させることができる。

本実施形態の排気熱交換器２０は、冷却流路２１Ｂに隣接する位置に設けられて排気ガスを冷却水と熱交換させる第１熱交換部位と、第１熱交換部位とは異なる位置に設けられて排気ガスを外気と熱交換させる第２熱交換部位と、を有している。

具体的には、排気熱交換器２０は、第１熱交換部位として、排気流路２１Ａを挟んで配列方向ＤＲｘに対向する側壁部２２３を含んでいる。また、排気熱交換器２０は、第２熱交換部位として、排気流路２１Ａを挟んで配列方向ＤＲｘに対して直交する流路高さ方向ＤＲｚに対向する第１対向部位２３３および第２対向部位２４３を含んでいる。

これによると、配列方向ＤＲｘに対向する側壁部で排気ガスを冷却流体に放熱させつつ、配列方向ＤＲｘに対して直交する流路高さ方向ＤＲｚに対向する第１対向部位２３３および第２対向部位２４３で排気ガスを外気に放熱させることができる。

また、排気熱交換器２０は、ラジエータ５６に対して供給する外気が流れる外部流体通路６２０に配置されている。このように、ラジエータ５６に供給する外気に排気ガスを放熱させる構成とすれば、排気熱交換器２０に対して外気を供給する供給通路を別に追加することなく、排気熱交換器２０における排気ガスの放熱性を向上させることができる。

具体的には、排気熱交換器２０は、外部流体通路６２０においてラジエータ５６よりも上流側に配置されている。このように構成される排気熱交換器２０では、排気ガスとラジエータ５６を通過する前の低温の外気とが熱交換する。これによれば、排気ガスと外気との温度差を確保して、排気ガスの放熱量を増加させることができる。

また、排気熱交換器２０は、外部流体通路６２０に露出するとともに配列方向ＤＲｘに拡がる一対の外側面と外部流体通路６２０を形成する通路壁面６２０ａとの間に外気が通過可能な隙間が形成されている。加えて、排気熱交換器２０は、一対の外側面とラジエータ５６の流体流入面５６１とが交差する姿勢で外部流体通路６２０に配置されている。

これによると、ラジエータ５６に供給される外気は、外部流体通路６２０を形成する通路壁面６２０ａと一対の外側面との間を通過する際に、一対の外側面に沿って流れ、一対の外側面を伝熱面として排気ガスと熱交換する。本構成では、一対の外側面それぞれが外部流体との伝熱面となり、排気ガスと外部空気との伝熱面積を充分に確保することができるので、排気熱交換器２０における排気の放熱性能の向上を図ることができる。

（第１変形例）
上述の実施形態では、排気流路２１Ａおよび冷却流路２１Ｂがコルゲートプレート２２、第１サイドプレート２３、および第２サイドプレート２４を積層した積層体によって形成されているものを例示したが、排気熱交換器２０はこれに限定されない。

排気熱交換器２０は、複数のプレートの積層体ではなく、例えば、図９および図１０に示すように、断面が矩形となる複数の流路孔Ｈが形成された扁平なチューブＴＢによって熱交換流路２１が構成されていてもよい。なお、チューブＴＢには、排気流路２１Ａと冷却流路２１Ｂとが配列方向ＤＲｘに交互に並ぶように形成されている。

本変形例の排気熱交換器２０では、図１０に示すように、チューブＴＢにおいて排気流路２１Ａを挟んで配列方向ＤＲｘに対向する第１壁部Ｗ１および第２壁部Ｗ２が排気ガスと冷却水とを熱交換させる第１熱交換部位を構成する。また、チューブＴＢにおいて排気流路２１Ａを挟んで流路高さ方向ＤＲｚに対向する第３壁部Ｗ３および第４壁部Ｗ４が排気ガスと外気とを熱交換させる第２熱交換部位を構成する。

（第２変形例）
上述の実施形態では、排気流路２１Ａとして平坦な４つの面を有するものを例示したが、排気流路２１Ａは、これに限定されない。排気流路２１Ａは、例えば、図１１を示すように流路断面が円形になっていてもよい。このことは、冷却流路２１Ｂにおいても同様である。

（他の実施形態）
以上、本開示の代表的な実施形態について説明したが、本開示は、上述の実施形態に限定されることなく、例えば、以下のように種々変形可能である。

上述の実施形態では、燃料電池装置ＦＣＳの構成について具体的に説明したが、燃料電池装置ＦＣＳは、これに限定されない。燃料電池装置ＦＣＳは、例えば、発電部ＰＧに燃焼器ＣＢが設けられていなくてもよい。また、燃料電池装置ＦＣＳは、例えば、水経路ＷＰに水道水等が供給可能に構成されていてもよい。

上述の実施形態では、排気熱交換システム１がモノジェネレーション方式のシステムとして構成されている旨を説明したが、これに限らず、排気熱交換システム１は、モノジェネレーション方式のシステムとして構成されていてもよい。

上述の実施形態では、排気熱交換器２０として排気ガスを冷却水および外気と熱交換させて放熱させるものを例示したが、これに限定されない。排気熱交換器２０は、例えば、冷却水とは異なる冷却流体と熱交換可能な構成または外気とは異なる外部流体と熱交換可能な構成になっていてもよい。

上述の実施形態の如く、排気熱交換器２０は、第１対向部位２３３および第２対向部位２４３を含む一対の外壁面が外部流体通路６２０の通路壁面６２０ａとの間に隙間があいた状態で外部流体通路６２０に配置されていることが望ましいが、これに限定されない。排気熱交換器２０は、例えば、第１対向部位２３３および第２対向部位２４３のうち一方の外壁面が外部流体通路６２０の通路壁面６２０ａに接触した状態で外部流体通路６２０に配置されていてもよい。この場合、第１対向部位２３３および第２対向部位２４３のうち、外部流体通路６２０に露出する一方の外壁面が、排気ガスと外気とを熱交換させる第２熱交換部位を構成する。

上述の実施形態では、排気熱交換器２０が、第１対向部位２３３および第２対向部位２４３を含む一対の外壁面と外部流体通路６２０の通路壁面６２０ａとが略平行となる姿勢で外部流体通路６２０に配置されているものを例示したが、これに限定されない。排気熱交換器２０は、例えば、第１対向部位２３３および第２対向部位２４３を含む一対の外壁面が外部流体通路６２０の通路壁面６２０ａに対して交差する姿勢で外部流体通路６２０に配置されていてもよい。

上述の実施形態では、外部流体通路６２０における外気の流れが送風機６４の駆動によって発生させるものを例示したが、送風系統６０は、これに限定されない。送風系統６０は、外部流体通路６２０における外気の流れが車両等の移動体の走行に伴うラム圧によって発生するようになっていてもよい。

上述の実施形態の如く、排気熱交換器２０は、外部流体通路６２０において、ラジエータ５６よりも上流に配置されていることが望ましいが、これに限定されない。排気熱交換器２０は、例えば、外部流体通路６２０におけるラジエータ５６よりも下流に配置されていてもよい。なお、排気熱交換器２０は、ラジエータ５６に対して外気を供給する外部流体通路６２０ではなく、例えば、ラジエータ５６に供給する外気以外の外部流体が流れる通路に配置されていてもよい。

上述の実施形態では、排気熱交換器２０が水回収用の熱交換器としても機能する旨を説明したが、これに限定されない。排気熱交換器２０は、例えば、排気ガスを冷却する熱交換器としてだけ機能するように構成されていてもよい。この際、排気熱交換器２０の姿勢は、外気ダクト６２の内側においてガス導出部２３２が下方となり、ガス導入部２３１が上方となる姿勢で配置されていなくてもよい。

上述の実施形態では、排気熱交換器２０が水回収用の熱交換器としても機能する旨を説明したが、これに限定されない。排気熱交換器２０は、例えば、排気ガスを冷却する熱交換器としてだけ機能するように構成されていてもよい。この際、排気熱交換器２０の姿勢は、外気ダクト６２の内側においてガス導出部２３２が下方となり、ガス導入部２３１が上方となる姿勢で配置されていなくてもよい。

上述の実施形態では、排気熱交換システム１は、回収水タンク４０を備える構成になっているが、これに限定されない。排気熱交換システム１は、例えば、燃料電池装置ＦＣＳの水経路ＷＰに水道水等が供給可能になっていれば、回収水タンク４０を備えていなくてもよい。

上述の実施形態では、固体酸化物型の燃料電池ＦＣを含む燃料電池装置ＦＣＳに本開示の排気熱交換システム１を適用したものを例示したが、排気熱交換システム１の適用対象はこれに限定されない。排気熱交換システム１は、適用対象はこれに限定されない。排気熱交換システム１は、固体高分子型の燃料電池ＦＣ（所謂、ＰＥＦＣ）を含む燃料電池装置ＦＣＳ等にも広く適用可能である。

上述の実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

上述の実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されない。

上述の実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されない。

（まとめ）
上述の実施形態の一部または全部で示された第１の観点によれば、排気熱交換システムは、燃料電池装置からの排気ガスを冷却流体と熱交換させて冷却する排気熱交換器を備える。

排気熱交換器は、排気流路および冷却流路が設けられている。

そして、排気熱交換器は、排気ガスと冷却流体とが熱交換可能に排気流路と冷却流路とが所定の配列方向に交互に配置されるとともに、排気ガスよりも低温となる外部流体が流れる流通空間に対して排気流路を形成する排気流路形成部の一部が露出している。

第２の観点によれば、排気流路形成部は、冷却流路に隣接する位置に設けられて排気ガスを冷却流体と熱交換させる第１熱交換部位と、第１熱交換部位とは異なる位置に設けられて排気ガスを外部流体と熱交換させる第２熱交換部位と、を有している。これによると、第１熱交換部位で排気ガスを冷却流体に放熱させつつ、第１熱交換部位とは異なる第２熱交換部位で排気ガスを外部流体に放熱させることができる。

第３の観点によれば、第１熱交換部位は、排気流路形成部のうち排気流路を挟んで配列方向に対向する第１壁部および第２壁部を含んでいる。第２熱交換部位は、排気流路形成部のうち排気流路を挟んで配列方向に対して直交する方向に対向する第３壁部および第４壁部を含んでいる。

これによると、排気流路形成部のうち配列方向に対向する第１壁部および第２壁部で排気ガスを冷却流体に放熱させつつ、配列方向に対して直交する方向に対向する第３壁部および第４壁部で排気ガスを外部流体に放熱させることができる。

第４の観点によれば、排気熱交換システムは、外部流体と冷却流体とを熱交換させて冷却流体を放熱させるラジエータを備える。排気熱交換器は、ラジエータに対して供給する外部流体が流れる外部流体通路に配置されている。

このように、ラジエータに供給する外部流体に排気ガスを放熱させる構成とすれば、排気熱交換器に対して外部流体を供給する供給通路を別に追加することなく、排気熱交換器における排気ガスの放熱性を向上させることができる。

第５の観点によれば、排気熱交換器は、外部流体通路においてラジエータよりも上流側に配置されている。このように構成される排気熱交換器では、排気ガスとラジエータを通過する前の低温の外部流体とが熱交換する。これによれば、排気ガスと外部流体との温度差を確保して、排気ガスの放熱量を増加させることができる。

第６の観点によれば、排気熱交換器は、外部流体通路に露出するとともに配列方向に拡がる一対の外側面と外部流体通路を形成する通路壁面との間に外部流体が通過可能な隙間が形成されている。加えて、排気熱交換器は、一対の外側面とラジエータの流体流入面とが交差する姿勢で外部流体通路に配置されている。

これによると、ラジエータに供給される外部流体は、外部流体通路を形成する通路壁面と一対の外側面との間を通過する際に、一対の外側面に沿って流れ、一対の外側面を伝熱面として排気ガスと熱交換する。本構成では、一対の外側面それぞれが外部流体との伝熱面となり、排気ガスと外部流体との伝熱面積を充分に確保することができるので、排気熱交換器における排気の放熱性能の向上を図ることができる。

１ 排気熱交換システム
２０ 排気熱交換器
２１Ａ 排気流路
２１Ｂ 冷却流路
２２３ 側壁部（排気流路形成部）
２３３ 第１対向部位（排気流路形成部）
２４３ 第２対向部位（排気流路形成部）
ＦＣＳ 燃料電池装置

Claims (6)

1. 排気熱交換システムであって、
   燃料電池装置（ＦＣＳ）からの排気ガスを前記排気ガスよりも低温となる冷却流体と熱交換させて冷却する排気熱交換器（２０）を備え、
   前記排気熱交換器は、
   前記排気ガスが流れる排気流路（２１Ａ）および前記冷却流体が流れる冷却流路（２１Ｂ）が設けられ、
   前記排気ガスと前記冷却流体とが熱交換可能に前記排気流路と前記冷却流路とが所定の配列方向に交互に配置されるとともに、
   前記排気ガスよりも低温となる外部流体と前記排気ガスとが熱交換可能に前記外部流体が流れる流通空間に対して前記排気流路を形成する排気流路形成部（２２３、２３３、２４３）の一部が露出している、排気熱交換システム。
2. 前記排気流路形成部は、
   前記冷却流路に隣接する位置に設けられて前記排気ガスを前記冷却流体と熱交換させる第１熱交換部位（２２３）と、
   前記第１熱交換部位とは異なる位置に設けられて前記排気ガスを前記外部流体と熱交換させる第２熱交換部位（２３３、２４３）と、を有している、請求項１に記載の排気熱交換システム。
3. 前記第１熱交換部位は、前記排気流路形成部のうち前記排気流路を挟んで前記配列方向に対向する第１壁部（２２３ａ）および第２壁部（２２３ｂ）を含み、
   前記第２熱交換部位は、前記排気流路形成部のうち前記排気流路を挟んで前記配列方向に対して直交する方向に対向する第３壁部（２３３）および第４壁部（２４３）を含んでいる、請求項２に記載の排気熱交換システム。
4. 前記外部流体と前記冷却流体とを熱交換させて前記冷却流体を放熱させるラジエータ（５６）を備え、
   前記排気熱交換器は、前記ラジエータに対して供給する前記外部流体が流れる外部流体通路（６２０）に配置されている、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の排気熱交換システム。
5. 前記排気熱交換器は、前記外部流体通路において前記ラジエータよりも上流側に配置されている、請求項４に記載の排気熱交換システム。
6. 前記排気熱交換器は、前記外部流体通路に露出するとともに前記配列方向に拡がる一対の外側面と前記外部流体通路を形成する通路壁面との間に前記外部流体が通過可能な隙間が形成され、且つ、前記一対の外側面と前記ラジエータのうち前記外部流体が流入する流体流入面とが交差する姿勢で前記外部流体通路に配置されている、請求項４または５に記載の排気熱交換システム。

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