JP2513800B2 - 燃料電池発電装置用熱交換器及び熱交換方法 - Google Patents

燃料電池発電装置用熱交換器及び熱交換方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は燃料電池発電装置（fuel cell power plan
t）に使用する為の熱交換器組立体に関し、更に詳しく
は、改質装置内で原料燃料と蒸気を混合する前に原料燃
料を予熱するとともに蒸気を過熱するために、改質ガス
の熱を利用する熱交換器に関する。
〔従来の技術〕
燃料電池発電装置の商業形態の電気化学的発電装置に
使用される燃料はメタン、プロパン、ナフサ、燃料油
（heating oil）等のような原料炭化水素燃料から触媒
作用によつて水素に富んだ燃料ガスに変換即ち改質され
るのである。このような改質作業に於て、原料炭化水素
燃料は予熱されて蒸気と混合される。燃料−蒸気混合物
は改質装置内の触媒ベツドを流過されて触媒作用によ
り、電気化学的反応に使用される水素に富んだ燃料ガス
に変換される。この反応に使用される蒸気は過熱されて
凝結が生じないのを保証するようになされるのが望まし
い。この反応に使用される蒸気は発電装置内の燃料電池
の積層体（stack）を冷却するのに使用される冷却水か
ら得ることが出来る。
従来技術に於ては、蒸気の過熱及び原料炭化水素燃料
の予熱は夫々別個の熱交換器を使用することによつて行
われていて、これらの熱交換器は一旦発電装置の作動が
開始されるとその熱を改質装置のバーナーから得るよう
になされている。これらの熱交換器は起動の為に蒸気コ
ア（steam core）から改質装置に水が入らないのを保証
し、改質装置が改質された新しい燃料を発生する為に起
動される前に改質装置の排出管内の凝結水が蒸発される
のを保証するように電気ヒーターによつて予熱されなけ
ればならない。
〔発明が解決しようとする課題〕
本発明の目的は、発電装置の起動の為に補助的なヒー
ターを必要としない燃料電池発電装置に使用する改良さ
れた熱交換器を提供することである。
本発明の更に他の目的は、単一のハウジング内に取付
けられた３つの導管装置即ち流路コアによつて４つの必
要な熱交換機能を行う上述の特性の熱交換器を提供する
ことである。
本発明の又更に他の目的は、発電装置の発電部からの
加熱された冷却水によつて発電装置の起動の間予熱され
るようになされている上述の特性の熱交換器を提供する
ことである。
更に又本発明の目的は、上述のような熱交換器の作動
方法を提供するものである。
〔課題を解決する為の手段及び作用〕
上述の目的は、特許請求の範囲に限定されるような本
発明による熱交換器によつて達成されるが、この熱交換
器は多機能装置であつて、単一のハウジングに内蔵され
る３つの異なる流路コアによつて４つの異なる熱交換機
能を行うものである。これらの流路コアは総て熱交換フ
インプレートによつて熱的に相互連結されている。本発
明の熱交換器は改質装置の排出燃料ガスの温度を、燃料
ガスを燃料電池の積層体に移送するのに先立つシフトコ
ンバーターの作動（shift converter operation）に適
当な温度まで減少させるのである。本発明の熱交換器は
又改質装置に使用する若干の蒸気を発生させ、この蒸気
を過熱し、原料炭化水素燃料を改質する前にこれを予熱
する。本発明の熱交換器は燃料電池の積層体からの冷却
水及び排出蒸気によつて起動の際に作動温度に上昇さ
れ、このようにして別個の電気的起動ヒーターの必要を
排除する。
〔実施例〕
本発明の上述の目的及び利点は添付図面を参照して行
われる以下の詳細な説明によつて明らかになる。
さて図面を参照し、全体を符号２によつて示された熱
交換器は上部入口シユラウド６及び下部出口シユラウド
８を有する単一のハウジング４を有している。入口パイ
プ10は加熱された改質装置からの流出ガスを触媒改質装
置（図示せず）から入口シユラウド６に移送する。入口
バツフル12が入口シユラウド６の内部及びハウジング４
の内部の間に介在され、ハウジング４内に流入するガス
を均一に分布させてハウジング４内の熱交換コア部分全
体にわたつて温度が均一に分布されるようになつてい
る。ハウジング４の内部は、高温ガスが入口シュラウド
６から出口シュラウド８に流過する通路を形成する中央
コア部分14と、この中央コア部分14の両側に設けられ、
端部プレート20によって上記中央コア部分14と仕切られ
ているマニフォルド及び流れ反転室16及び18に分割され
ている。出口バツフル22がコア部分14から出口シエラウ
ド８までの改質された燃料ガスの流速を制御する。第２
図から判るように、この組立体のコア部分14内には熱交
換フインプレート26が充填されていて、これらのプレー
ト26は第４図に示されるように３つの列26′,26″及び2
6に分割されている。
ハウジング４内の熱交換管を流過する種々の流体に関
しては、発電装置の冷却水の一部分がハウジング４内の
冷却水入口マニフオルド30に開口する入口導管28を経て
熱交換器２に流入されるようになつている。冷却水入口
マニフオルド30には３対出口32、32′及び32″があり、
これらの出口は３対の並列の熱交換管34、34′及び34″
に開口している。熱交換管34は列26内のフインプレー
トを貫通し、管34′は列26″のフインプレートを貫通
し、又管34″は列26′のフインプレートを貫通してい
る。これらの熱交換管の対34、34′及び34″はポート3
8,38′,38″を通つて出口マニフオルド36に連結されて
いる。この出口マニフオルド36は導管38に連結され、こ
の導管は得られた水−蒸気混合物を蒸気分離器（図示せ
ず）に供給し、ここで蒸気相が水相から分離されるよう
になつている。この蒸気相は附加的な処理蒸気と共に分
離器から熱交換器２に導管40を通つて戻されるが、この
導管はハウジング４内の蒸気入口マニフオルド42に開口
している。蒸気入口マニフオルド42には３つの出口開口
44、44′及び44″があり、これらの開口は夫々熱交換管
46、46′及び46″に開口している。管46はフインプレー
ト列26を貫通し、管46′はフインプレート列26″を貫
通し、管46″はフインプレート列26′を貫通している。
管46、46′及び46″は、これらの管がハウジング４内の
蒸気出口マニフオルド54内の出口開口52、52′及び52″
に夫々達するまで垂直の彎曲部48（第３図に示される）
及び水平の彎曲部50を有する蛇行状の通路を形成してい
る。
蒸気出口導管56はマニフオルド54から改質装置（図示
せず）に導かれている。予熱される原料炭化水素燃料は
導管58を通つて熱交換器２に流入されるが、この導管58
は４対の組合される開口62、62′、62″及び62を有す
る多数燃料入口マニフオルド60に開口している。夫々の
対の熱交換管64、64′、64″及び64は燃料入口マニフ
オルドの開口62、62′、62″及び62からハウジング４
内に配置される原料燃料出口マニフオルド68の対応する
開口66、66′、66″及び66まで伸長している。導管70
は予熱された原料炭化水素燃料を改質装置（図示せず）
に向つて移送して導管56からの蒸気と混合させる。
熱交換器２の頂部に改質装置からの流出ガス入口10を
設け、底部に出口24を設けることによつて熱交換器の上
方部分の温度が次第に高くなることが判る。又装置から
出る蒸気及び原料燃料の出口温度が、共に同じ温度の改
質装置からの流出ガスに露出される夫々の熱伝達コアの
独特の配置によつて大体等しくなされ得ることが判る。
流入する改質装置からの流出ガスは約426.7℃（大体800
゜F）の温度で、流出する改質装置からの流出ガスは約1
62.8℃（約325゜F）から約190.6℃（約375゜F）の温度
である。積層体からの冷却水は熱交換器の下方の冷却器
の半分だけを循環して、約140.9℃（約300゜F）から約1
76.7℃（約350゜F）の範囲の温度にてマニフオルド30に
流入する。冷却水が出口マニフオルド36に達するまでの
時間に、その温度は約171.1℃（約340゜F）から約182.2
℃（約360゜F）の範囲になり、２相の水−蒸気混合物に
変換される。分離の後で、蒸気相は他の処理蒸気と混合
されて約176.7℃（約350゜F）の温度で再度熱交換器２
に入り、コア部分14の上方の高温側の半分を横切る。垂
直及び水平の彎曲部を有する二重の蛇行状の流路を使用
することは蒸気がコア部分14内に滞留する時間を増加さ
せ、蒸気が出口導管56に達した時にそれの温度が約260
から271.1℃（約500から700゜F）に上昇され、これによ
つて蒸気が過熱されるようになすのである。原料炭化水
素燃料はコア部分14の全体の高さを横切り、このように
してコア部分内の最も低温の区域及び最も高温の区域を
流過する。原料炭化水素燃料は約65.6℃（約150゜F）の
温度で入口マニフオルド60に入り、過熱蒸気と同じ約26
0から271.1℃（約500から700゜F）の範囲の温度で導管7
0を通つて熱交換器から出て行く。
熱交換器のコア部分14の下方の半分には２つの異なる
ガス即ちガス混合物が熱交換管を通つて循環され、同様
にしてコア部分14の上方の半分には２つの異なるガス即
ちガス混合物が熱交換管を通つて循環されることが判
る。フインプレートの夫々の列26′、26″及び26は熱
交換器の夫々の半分内の循環管の組の両者に接触して熱
を管から管に伝達し、同様に改質装置からの流出ガスか
ら管に伝達するのである。このようにして、流入する原
料炭化水素燃料ガスはコア部分を流過する改質装置から
の流出ガスによつて加熱されるだけでなく、又熱交換管
34、34′、及び34″を流過する冷却水混合物によつて加
熱されるのである。同様にして、改質装置からの流出ガ
スは原料炭化水素燃料及び冷却水混合物の両者によつて
冷却されるのである。コア部分14の上方の半分に於て、
加熱された原料炭化水素燃料及び蒸気は更に高温の改質
装置からの流出ガスによつて均一に加熱される。
既述のように、発電装置が起動される時に、熱交換器
２は発電装置の冷却水循環路即ちループを通り、又熱交
換管34、34′及び34″を通る高温の冷却水によつて予熱
されるのである。この冷却水は燃料電池の起動の際に充
分に加熱されて熱交換器のコア部分14の下方の半分の質
量が最初の改質装置からの流出ガスの露点よりも充分に
高く予熱されて凝結が回避されるのである。同様にし
て、熱交換器のコア部分14の上方の半分の質量は熱交換
管46、46′及び46″を通る排出ガスによつて充分に予熱
されて凝結が回避されるのである。上述のような熱交換
器の総ての予熱および調整は熱交換器内に電気ヒーター
を使用しないで行われる。
本発明の概念から逸脱しないで、本発明の上述の実施
例に多くの変更及び変形を施し得るから、特許請求の範
囲に限定される以外に本発明を制限することは企図され
ていないことが理解されなければならない。
〔発明の効果〕
上述のように構成された本発明の熱交換器は比較的小
型な装置であつて、燃料電池の発電装置を正しく作動さ
せるのに必要な４つの熱交換機能を適正に能率よく行い
得ることが容易に判る。このような４つの異なる構成要
素すなわち、改質ガス、原料炭化水素燃料、冷却水、及
び蒸気は、単一のハウジング内に取付けられて総て同様
の熱交換フィンプレートの組によって相互連結された３
つの異なるマニホールド及び熱交換器によって熱的に変
化される。熱交換器内の各流体の流通は、熱交換器に組
合される弁や流れ調整装置を必要としないで燃料電池装
置内に生ずる圧力降下を利用して行われる。熱交換器は
装置内の構成要素となるヒーターを必要としないで、単
に発電部の燃料電池の積層体の起動によつて発生する高
温水及び蒸気を使用することによつて予熱され、予備調
整されることが出来るのである。
【図面の簡単な説明】
第１図は明瞭化の為に一部分破断されている本発明の熱
交換器の立面図。 第２図は明瞭化の為に一部分破断されている熱交換器の
チユーブ平面図。 第３図は第１図の右方から見た熱交換器の立面図。 第４図は第１図の左方から見た第３図と同様の立面図。 ２……熱交換器 ４……ハウジング ６……入口シユラウド ８……出口シユラウド 10……入口パイプ 12……入口バツフル 14……中央のコア部分 16、18……マニフオルド及び流れ反転室 20……端部プレート 22……出口バツフル 24……出口 26……熱交換フインプレート 26′、26″、26……列 28……入口導管 30……冷却水入口マニホールド 32、32′、32″……対をなす出口 34、34′、34″……熱交換管 38……導管 38′、38″、38……ポート 40、58、70……導管 42……蒸気入口マニフオルド 44、44′、44″……出口開口 46、46′、46″……熱交換管 52、52′、52″……出口開口 54……蒸気出口マニフオルド 56……蒸気出口導管 60……入口マニフオルド 62、62′、62″、63……対をなす組合された導管 64、64′、64″、64……熱交換管 66、66′、66″、66……開口 68……原料燃料出口マニフオルド
フロントページの続き (72)発明者 ポール アール．マーギオット アメリカ合衆国コネチカット州マンチェ スター，カーマン ロード 63 (72)発明者 エドマンド ケイ．パレンティ，ジュニ ア アメリカ合衆国コネチカット州マンチェ スター，サイカモアー レーン 76

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】（ａ） 単一のハウジングと、 （ｂ） 燃料電池発電装置における燃料改質装置で加熱
    され改質された改質ガスを上記ハウジング内に再循環さ
    せるため上記ハウジングの一端部に設けられた入口シュ
    ラウドと、 （ｃ） 上記ハウジングの他端部に設けられ、ハウジン
    グ内を流通した改質ガスをハウジング外に排出するため
    の出口シュラウドと、 （ｄ） 上記ハウジング内に形成され、端部プレートに
    よって両側のマニフォルド及び反転室と仕切られた、入
    口シュラウドから出口シュラウドへの改質ガスの流路を
    形成する中央コア部分と、 （ｅ） 上記入口シュラウドと出口シュラウド間のハウ
    ジング内のほぼ全長にわたって配設され、上記出口シュ
    ラウド側から供給された原料炭化水素燃料を前記改質ガ
    スと熱交換関係で流通させ、前記入口シュラウド側から
    ハウジング外に排出させる第１の熱交換管と、 （ｆ） ハウジング内における上記出口シュラウド側の
    一半部内に配設され、上記出口シュラウド側から導入さ
    れた発電装置からの冷却水を前記改質ガスと熱交換関係
    で流通させ、ハウジングの中間位置部分から排出させる
    第２の熱交換管と、 （ｇ） ハウジング内における入口シュラウド側の他半
    部内に配設され、ハウジングの中間位置部分から導入さ
    れた蒸気を前記改質ガスと熱交換関係で流通させ、入口
    シュラウド側からハウジング外に排出させる第３の熱交
    換管 とを有し、改質ガスの温度を改質装置温度から燃料電池
    発電装置の発電部の作動温度まで低下させ、原料炭化水
    素燃料の温度を改質装置温度まで上昇させ、前記冷却水
    を十分な温度に上昇させ２相の水−蒸気混合物とし、且
    つ前記蒸気の温度を改質装置温度まで上昇させることを
    特徴とする、燃料電池発電装置用熱交換器。
  2. 【請求項２】中央コア部分内には上記第１、第２及び第
    ３の熱交換管を相互連結する熱交換フインプレートが配
    設されていることを特徴とする、請求項１記載の燃料電
    池発電装置用熱交換器。
  3. 【請求項３】前記ハウジング内には、中央コア部分の一
    側に、前記原子炭化水素燃料、冷却水、及び蒸気用の入
    口マニフォルド、出口マニフォルド、及び前記第１、第
    ２、及び第３の熱交換管の第１の流れ反転部が配設され
    たマニフォルド及び流れ反転室が設けられるとともに中
    央コア部分の他側に、前記第１、第２及び第３の熱交換
    管の第２の流れ反転部が配設された流れ反転室が設けら
    れていることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池発
    電装置用熱交換器。
  4. 【請求項４】第３の熱交換管の流れ反転部分が水平な平
    面内に配置された第２の熱交換管の流れ反転部分に対し
    て垂直な平面内に配置されていることを特徴とする、請
    求項１記載の燃料電池発電装置用熱交換器。
  5. 【請求項５】（ａ） 改質装置で改質された改質ガスを
    ハウジングを通して入口シュラウドから出口シュラウド
    に流過させ、 （ｂ） 原料炭化水素燃料を上記改質ガスと熱交換関係
    でハウジング内を出口シュラウド側から入力シュラウド
    側に流通させ、 （ｃ） 発電装置の発電部からの冷却水を改質ガスと熱
    交換関係でハウジング内を出口シュラウド側から中間部
    分まで流通させ、 （ｄ） 発電装置からの蒸気を改質ガスと熱交換関係で
    ハウジング内を中間部分から入口シュラウド側まで流通
    させ、 （ｅ） 改質温度の改質ガスをハウジング内に流入さ
    せ、発電部温度で上記ハウジングから排出させ、常温又
    は室温の原料炭化水素燃料を改質装置温度に上昇させ、
    発電部温度でハウジング内に流入した冷却水を２相の水
    −蒸気混合物として排出し、蒸気分離器温度でハウジン
    グ内に流入した蒸気を改質装置温度で排出することを特
    徴とする、燃料電池発電装置における熱交換方法。
  6. 【請求項６】発電装置の発電部の起動中、冷却水及び排
    出蒸気によってハウジングを予熱する予熱過程を含むこ
    とを特徴とする、請求項５記載の燃料電池発電装置にお
    ける熱交換方法。
  7. 【請求項７】上記予熱過程によって、発電装置の以前の
    作動サイクルにより残留する湿気を蒸発させるのに十分
    な温度にハウジング内の温度を上昇させることを特徴と
    する、請求項６記載の燃料電池発電装置における熱交換
    方法。
JP63210910A 1987-08-27 1988-08-26 燃料電池発電装置用熱交換器及び熱交換方法 Expired - Fee Related JP2513800B2 (ja)

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