JP4654021B2 - 多管式熱交換装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、第１流体が流動する第１通路を形成する複数の伝熱管が、胴体部に収容されるとともに、前記伝熱管の間には、第２流体が流動する第２通路が形成される多管式熱交換装置及びその製造方法に関する。

通常、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体（単セル）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、通常、単セルとセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。

上記の燃料電池において、カソード電極に酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されると、前記カソード電極と電解質との界面でこの酸化剤ガス中の酸素がイオン化され、酸化物イオン（Ｏ^2-）が電解質を通ってアノード電極側に移動する。アノード電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）やＣＯが供給されているために、このアノード電極において、酸化物イオン及び水素（又はＣＯ）が反応して水（又はＣＯ₂）が生成される。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。

上記の燃料電池では、カソード電極に供給される空気を、予め排ガス（使用済みの反応ガス）等との間で熱交換を行って加熱するために、熱交換器が使用されている。この種の熱交換器としては、例えば、特許文献１に開示されている多管式熱交換器が知られている。

この多管式熱交換器は、図１４に示すように、平行に配列される複数の伝熱管１を備えており、前記伝熱管１の両端部には、前記伝熱管１を支持するための管板２ａ、２ｂが接合されている。伝熱管１は、略楕円状の断面を有するとともに、その内部には、長手方向と平行に延びる１以上のリブ（図示せず）が設けられている。

特開平８−２６１６７９号公報（図１）

上記の特許文献１では、伝熱管１内を流れる管内流体と、前記伝熱管１の外側を流れる管外流体との間における熱交換率や伝熱面積を高めるために、前記伝熱管１の数を増加させる必要がある。しかしながら、伝熱管１の数を増やすためには、前記伝熱管１の直径を小さくする必要があり、前記伝熱管１内を流通する管内流体の圧力損失が大きくなる。これにより、管内流体の供給量を増加させることができず、熱交換装置の効率を高めることができない。

また、スペースの規制により伝熱管１の増加数にも限界があり、この伝熱管１内を流通する管内流体と、該伝熱管１の外側を流通する管外流体との容積比が一定とならず、熱交換率を高めることが困難となるという問題がある。

しかも、伝熱管１の数が増加するのに従って、前記伝熱管１の肉厚部の面積が増加してしまう。これにより、伝熱管１の余分な肉厚によって熱容量が増加し、熱効率の低下が顕著になるという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、熱交換率を有効に向上させることが可能な多管式熱交換装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、第１流体が流動する第１通路を形成する複数の伝熱管が、胴体部に収容されるとともに、前記伝熱管の間には、第２流体が流動する第２通路が形成される多管式熱交換装置及びその製造方法である。そして、伝熱管は、第１通路の通路幅を規制し且つ互いに対向する壁部がインボリュート曲線に沿って形成されている。

また、胴体部の両端には、伝熱管が所定の角度間隔ずつ離間して配設されるフランジ部が設けられるとともに、第２通路は、互いに隣り合う前記伝熱管がインボリュート曲線に沿って配設されることにより形成されることが好ましい。

さらに、伝熱管は、継ぎ目部位を排除した連続形状を有することが好ましく、例えば、前記伝熱管は、引き抜き加工又は押し出し加工により継ぎ目部位を排除した連続形状に一体成形されることが好ましい。

さらにまた、胴体部の一端側には、第１流体を第１通路に流入する第１流体入口部と、第２流体を第２通路から排出する第２流体出口部とが設けられるとともに、前記胴体部の他端側には、前記第１流体を前記第１通路から排出する第１流体出口部と、前記第２流体を前記第２通路に流入する第２流体入口部とが設けられることが好ましい。また、第２流体は、排ガスであることが好ましい。

本発明によれば、伝熱管の互いに対向する壁部が、インボリュート曲線に沿って形成されるため、第１通路の通路幅が全体にわたって等間隔に維持される。従って、第１通路を流動する第１流体に対し、第２通路を流動する第２流体から効率的に伝熱することができ、熱交換率が有効に向上する。しかも、第１通路内では、第１流体の偏流が惹起することがなく、前記第１流体を円滑に流動させることが可能になり、熱交換率の向上が図られる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る多管式熱交換装置が組み込まれる燃料電池システム１０の一部断面説明図であり、図２は、前記燃料電池システム１０を構成する燃料電池１１が矢印Ａ方向に複数積層された燃料電池スタック１２の概略斜視説明図である。

燃料電池システム１０は、設置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。燃料電池システム１０は、図１に示すように、燃料電池スタック１２と、酸化剤ガスを前記燃料電池スタック１２に供給する前に加熱する熱交換器（多管式熱交換装置）１４と、燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器１６と、前記燃料電池スタック１２、前記熱交換器１４及び前記改質器１６を収容する筐体１８とを備える。

筐体１８内では、燃料電池スタック１２の一方の側に、少なくとも熱交換器１４及び改質器１６を含む流体部１９が配置されるとともに、前記燃料電池スタック１２の他方の側に、燃料電池１１の積層方向（矢印Ａ方向）に締め付け荷重を付与する荷重付与機構２１が配設される。流体部１９及び荷重付与機構２１は、燃料電池スタック１２の中心軸に対して軸対称に配設される。

燃料電池１１は、固体電解質型燃料電池であり、この燃料電池１１は、図３及び図４に示すように、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される電解質（電解質板）２０の両面に、カソード電極２２及びアノード電極２４が設けられた電解質・電極接合体２６を備える。電解質・電極接合体２６は、円板状に形成されるとともに、少なくとも内側周端部（セパレータ２８の中央側）には、酸化剤ガスの進入を阻止するためにバリアー層（図示せず）が設けられている。

燃料電池１１は、一対のセパレータ２８間に複数、例えば、８個の電解質・電極接合体２６を挟んで構成される。セパレータ２８間には、このセパレータ２８の中心部である燃料ガス供給連通孔３０と同心円上に８個の電解質・電極接合体２６が配列される。

セパレータ２８は、図３に示すように、例えば、ステンレス合金等の板金で構成される１枚の金属プレートやカーボンプレート等で構成される。セパレータ２８は、中央部に燃料ガス供給連通孔３０を形成する第１小径端部３２を有する。この第１小径端部３２から外方に等角度間隔ずつ離間して放射状に延在する複数の第１橋架部３４を介して比較的大径な円板部３６が一体的に設けられる。円板部３６は、電解質・電極接合体２６と略同一寸法に設定されている。隣り合う円板部３６は、スリット３８を介して互いに分離される。

各円板部３６のアノード電極２４に接触する面３６ａには、前記アノード電極２４の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス通路４６を形成する第１突起部４８が設けられる。各円板部３６のカソード電極２２に接触する面３６ｂには、前記カソード電極２２の電極面に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路５０を形成する第２突起部５２が設けられる（図５参照）。

図６に示すように、第１突起部４８と第２突起部５２は、互いに相反する方向に延在するように突出している。第１突起部４８は、リング状突起を構成するとともに、第２突起部５２は、山状突起を構成する。山状突起である第２突起部５２は、リング状突起である第１突起部４８に囲繞されるように配置されている。

図３〜図５に示すように、円板部３６には、燃料ガス通路４６に燃料ガスを供給するための燃料ガス導入口５４が形成される。燃料ガス導入口５４の位置は、燃料ガスが均一に分布するように決められ、例えば、円板部３６の略中心に対応して設定される。

セパレータ２８のカソード電極２２に対向する面には、通路部材５６が、例えば、ろう付けやレーザ溶接等により固着される。通路部材５６は、図３に示すように、中央部に燃料ガス供給連通孔３０を形成する第２小径端部５８を備える。この第２小径端部５８から放射状に８本の第２橋架部６０が延在するとともに、各第２橋架部６０は、セパレータ２８の第１橋架部３４から円板部３６の燃料ガス導入口５４まで固着される。

通路部材５６の接合面において、第２小径端部５８には、燃料ガス供給連通孔３０に連通して複数のスリット６２が放射状に形成される。このスリット６２には、第２小径端部５８を周回してろう材の流れを防止し、且つ、燃料ガスの流れを均一にするための凹部６４が連通する。第１及び第２橋架部３４、６０間には、燃料ガス供給連通孔３０からスリット６２及び凹部６４を介して燃料ガス通路４６に連通する燃料ガス供給通路６６が形成される。

図６に示すように、酸化剤ガス通路５０は、電解質・電極接合体２６の内側周端部と円板部３６の内側周端部との間から矢印Ｂ方向に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部６７に連通する。この酸化剤ガス供給部６７は、各円板部３６の内方と第１橋架部３４との間に位置して積層方向に延在している。

各セパレータ２８間には、燃料ガス供給連通孔３０をシールするための絶縁シール６９が設けられる。絶縁シール６９は、例えば、マイカ材やセラミック材で形成されている。燃料電池１１には、円板部３６の外方に位置して排ガス通路６８が形成される。

図１及び図２に示すように、燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池１１の積層方向両端にエンドプレート７０ａ、７０ｂを配置する。エンドプレート７０ａは、略円板状を有しており、外周部に軸線方向に突出してリング状部７２が設けられる。このリング状部７２の外周部には、周回溝部７４が形成される。リング状部７２の中心部に対応して、円柱状凸部７６がこのリング状部７２と同一方向に膨出形成され、前記凸部７６の中央部に孔部７８が形成される。

エンドプレート７０ａには、凸部７６を中心にして同一仮想円周上に孔部８０とねじ孔８２とが、交互に且つ所定の角度間隔ずつ離間して設けられる。図７に示すように、孔部８０及びねじ孔８２は、第１及び第２橋架部３４、６０同士の間に形成される各酸化剤ガス供給部６７に対応して設けられる。図１に示すように、エンドプレート７０ｂは、エンドプレート７０ａよりも大径に構成されるとともに、導電性の薄板で形成される。

筐体１８は、荷重付与機構２１を収容する第１筐体部８６ａと、燃料電池スタック１２を収容する第２筐体部８６ｂとを備える。第１及び第２筐体部８６ａ、８６ｂ間は、エンドプレート７０ｂ及び前記エンドプレート７０ｂの第２筐体部８６ｂ側に絶縁材を介装してねじ８８及びナット９０により締め付けられる。エンドプレート７０ｂは、流体部１９から荷重付与機構２１に高温の排ガスや空気が流入することを阻止する遮熱部を構成する。

第２筐体部８６ｂには、熱交換器１４を構成するリング状外壁板９２の一端部が接合されるとともに、前記外壁板９２の他端部には、ヘッド板９４が固着される。流体部１９は、燃料電池スタック１２の中心軸に対して軸対称に配設される。具体的には、略リング状の熱交換器１４の内側に、略円筒状の改質器１６が同軸的に配設される。

エンドプレート７０ａの周回溝部７４に壁板９６が固定されてチャンバ部９８が構成されるとともに、このチャンバ部９８には、熱交換器１４及び改質器１６が直結される。チャンバ部９８内に形成されるチャンバ９８ａには、熱交換器１４を通って加熱された空気が一旦充填される。孔部８０は、チャンバ９８ａに一旦充填された空気を燃料電池スタック１２に供給するための開口部を構成する。

改質器１６には、燃料ガス供給管１００と改質ガス供給管１０２とが設けられる。燃料ガス供給管１００は、ヘッド板９４を介して外部に延在する一方、改質ガス供給管１０２は、エンドプレート７０ａの孔部７８に嵌挿されて燃料ガス供給連通孔３０に連通する。

ヘッド板９４には、空気供給管１０４と排ガス管１０６とが接続される。筐体１８内には、空気供給管１０４から熱交換器１４を介してチャンバ部９８に直接開口する第１通路１０８と、燃料電池スタック１２の排ガス通路６８から熱交換器１４を介して排ガス管１０６に至る第２通路１１０とが設けられる。第１通路１０８は、使用前の空気を矢印Ａ１方向に流動させる一方、第２通路１１０は、排ガスを矢印Ａ２方向に流動させ、前記空気と前記排ガスとが対向流をなしている。

荷重付与機構２１は、燃料ガス供給連通孔３０の近傍に対して第１締め付け荷重Ｔ１を付与する第１締め付け部１１２ａと、電解質・電極接合体２６に対して前記第１締め付け荷重Ｔ１よりも小さな第２締め付け荷重Ｔ２を付与する第２締め付け部１１２ｂとを備える（Ｔ１＞Ｔ２）。

第１締め付け部１１２ａは、図１、図２及び図８に示すように、エンドプレート７０ａの一方の対角位置に設けられるねじ孔８２、８２に螺合する短尺な第１締め付けボルト１１４ａ、１１４ａを備える。第１締め付けボルト１１４ａ、１１４ａは、燃料電池１１の積層方向に延在するとともに、第１押圧プレート１１６ａに係合する。第１締め付けボルト１１４ａは、セパレータ２８の内部に設けた酸化剤ガス供給部６７内に設けられる。第１押圧プレート１１６ａは、幅狭な板状を有しており、燃料ガス供給連通孔３０を覆ってセパレータ２８の中央部に係合する。

第２締め付け部１１２ｂは、長尺な第２締め付けボルト１１４ｂ、１１４ｂを備え、前記第２締め付けボルト１１４ｂ、１１４ｂは、エンドプレート７０ａの他方の対角位置に設けられるねじ孔８２、８２に螺合する。第２締め付けボルト１１４ｂの端部は、外周湾曲形状の第２押圧プレート１１６ｂを貫通し、この端部にナット１１７が螺合する。第２締め付けボルト１１４ｂは、セパレータ２８の内部に設けた酸化剤ガス供給部６７内に設けられる。第２押圧プレート１１６ｂの各円弧状部には、燃料電池１１の円板部３６に配置される各電解質・電極接合体２６に対応してスプリング１１８及び台座１１９が配設される。スプリング１１８は、例えば、セラミックススプリングにより構成される。

第１の実施形態に係る熱交換器１４では、図９及び図１０に示すように、複数の伝熱管１２０が、所定角度間隔ずつ離間して外壁板９２と内壁板１２２との間、すなわち、胴体部内に収容される。伝熱管１２０内には、第１通路１０８が形成される一方、各伝熱管１２０の間には、第２通路１１０が形成される。伝熱管１２０は、第１通路１０８の通路幅を規制し且つ互いに対向する壁部１２０ａ、１２０ｂがインボリュート曲線に沿って形成される。第２通路１１０には、外壁板９２と内壁板１２２とを段違いに配置することによって、排ガス入口部（第２流体入口部）１３０と排ガス出口部（第２流体出口部）１２８とが形成される。第１通路１０８がインボリュート曲線に沿って形成されることによって、第２通路１１０の通路幅もインボリュート曲線に沿って形成される。

各伝熱管１２０は、両端がフランジ部１２４ａ、１２４ｂに挿入されるとともに、前記伝熱管１２０の外側周面及び内側周面は、外壁板９２及び内壁板１２２に接合されている。互いに隣り合う伝熱管１２０は、インボリュート曲線に沿って配設されることにより、各伝熱管１２０間に第２通路１１０が形成される。

具体的には、図１１に示すように、中心Ｏを中心にインボリュート曲線ＩＶ１を作成し、このインボリュート曲線ＩＶ１から角度α１°離間した位置からインボリュート曲線ＩＶ２が作成される。同様に、このインボリュート曲線ＩＶ２から角度α２°離間した位置からインボリュート曲線ＩＶ３が作成され、以下、所定のインボリュート曲線ＩＶｎまで作成される。

ここで、第１通路１０８と第２通路１１０とにおける表面積を等価にするために、α１°＝α２°に設定する。例えば、第１及び第２通路１０８、１１０を６つずつ設ける際には、α１°＝α２°＝３０°に設定されるとともに、インボリュート曲線ＩＶ１〜ＩＶ１２に沿って第１及び第２通路１０８、１１０が交互に形成されるように、６つの伝熱管１２０が配設される。なお、第１の実施形態では、図９及び図１０に示すように、１８の伝熱管１２０が配設されている。

図１に示すように、各伝熱管１２０の入口側は、ヘッド板９４内に形成されるチャンバ（第１流体入口部）１２６に連通する。このチャンバ１２６側には、内壁板１２２を切り欠いて排ガス出口部１２８が設けられ、この排ガス出口部１２８は、第２通路１１０の出口側に連通する。チャンバ１２６とは反対側には、第１流体出口部を構成するチャンバ９８ａが設けられ、このチャンバ９８ａは、第１通路１０８の出口側に連通する。チャンバ９８ａの近傍には、排ガス入口部１３０が設けられ、この排ガス入口部１３０は、第２通路１１０の入口側に連通する。

伝熱管１２０は、例えば、耐熱性ステンレスで構成されており、引き抜き加工又は押し出し加工により、継ぎ目部位を排除した連続形状に一体成形される。図１２には、引き抜き加工機１４０が示されている。この引き抜き加工機１４０は、ダイス１４２とプラグ１４４とを備え、環状素材１４６が、前記ダイス１４２と前記プラグ１４４との隙間１４８を通して引き抜かれることにより、伝熱管１２０が一体成形される。

なお、伝熱管１２０は、上記の冷間引き抜き加工の他、図示していないが、加熱された素材を押し出し機に装填し、押し出し加工を介して前記伝熱管１２０を一体成形してもよい。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。

燃料電池システム１０を組み付ける際には、先ず、図３に示すように、セパレータ２８のカソード電極２２に向かう面に通路部材５６が接合される。このため、セパレータ２８と通路部材５６との間には、燃料ガス供給連通孔３０に連通する燃料ガス供給通路６６が形成されるとともに、前記燃料ガス供給通路６６が燃料ガス導入口５４から燃料ガス通路４６に連通する（図６参照）。セパレータ２８には、燃料ガス供給連通孔３０を周回してリング状の絶縁シール６９が設けられる。

これにより、セパレータ２８が構成され、前記セパレータ２８間には、８個の電解質・電極接合体２６が挟持されて燃料電池１１が得られる。図３及び図４に示すように、各セパレータ２８には、互いに対向する面３６ａ、３６ｂ間に電解質・電極接合体２６が配置され、各アノード電極２４の略中央部に燃料ガス導入口５４が配置される。

上記の燃料電池１１が矢印Ａ方向に複数積層され、積層方向両端にエンドプレート７０ａ、７０ｂが配置される。図１、図２及び図８に示すように、エンドプレート７０ｂ側には、第１締め付け部１１２ａを構成する第１押圧プレート１１６ａが燃料電池１１の中央部側に対応して配置される。

この状態で、短尺な各第１締め付けボルト１１４ａは、第１押圧プレート１１６ａを貫通してエンドプレート７０ｂ側からエンドプレート７０ａ側に挿入される。第１締め付けボルト１１４ａの先端は、エンドプレート７０ａの一方の対角位置にあるねじ孔８２に螺合する。第１締め付けボルト１１４ａの頭部は、第１押圧プレート１１６ａが係合しており、前記第１締め付けボルト１１４ａがねじ孔８２に螺回されることによって、前記第１押圧プレート１１６ａの面圧が調整される。これにより、燃料電池スタック１２には、燃料ガス供給連通孔３０の近傍に対して第１締め付け荷重Ｔ１が付与される。

次いで、各円板部３６に対応して配置される電解質・電極接合体２６には、それぞれ軸方向にスプリング１１８及び台座１１９が配列されるとともに、一方の台座１１９には、第２締め付け部１１２ｂを構成する第２押圧プレート１１６ｂが係合する。

長尺な各第２締め付けボルト１１４ｂが、第２押圧プレート１１６ｂを貫通してエンドプレート７０ｂ側からエンドプレート７０ａ側に挿入される。第２締め付けボルト１１４ｂの先端は、エンドプレート７０ａの他方の対角位置にあるねじ孔８２に螺合するとともに、前記第２締め付けボルト１１４ｂの端部にナット１１７が螺合する。このため、ナット１１７の螺回状態を調整することにより、各電解質・電極接合体２６には、各スプリング１１８の弾性力を介して第２締め付け荷重Ｔ２が付与される。

燃料電池スタック１２は、エンドプレート７０ｂが筐体１８を構成する第１及び第２筐体部８６ａ、８６ｂ間に挟持され、前記エンドプレート７０ｂの第２筐体部８６ｂ側に絶縁体が介装された状態で、前記第１及び第２筐体部８６ａ、８６ｂがねじ８８及びナット９０により固定される。第２筐体部８６ｂには、流体部１９が接合されており、この流体部１９を構成する壁板９６がエンドプレート７０ａの周回溝部７４に装着される。これにより、エンドプレート７０ａと壁板９６との間には、チャンバ部９８が形成される。

次に、燃料電池システム１０では、図１に示すように、燃料ガス供給管１００から燃料（メタン、エタン又はプロパン等）及び必要に応じて水が供給されるとともに、空気供給管１０４から酸化剤ガスである酸素含有ガス（以下、空気ともいう）が供給される。

燃料が改質器１６を通って改質されることにより燃料ガス（水素含有ガス）が得られ、この燃料ガスは、燃料電池スタック１２の燃料ガス供給連通孔３０に供給される。この燃料ガスは、積層方向（矢印Ａ方向）に移動しながら各燃料電池１１を構成するセパレータ２８内のスリット６２を介して燃料ガス供給通路６６に導入される（図６参照）。

燃料ガスは、第１及び第２橋架部３４、６０間を燃料ガス供給通路６６に沿って移動し、円板部３６に形成された燃料ガス導入口５４から燃料ガス通路４６に導入される。燃料ガス導入口５４は、各電解質・電極接合体２６のアノード電極２４の略中心位置に設定されている。このため、燃料ガスは、燃料ガス導入口５４からアノード電極２４の略中心に供給され、燃料ガス通路４６に沿って該アノード電極２４の外周部に向かって移動する。

一方、空気は、図１に示すように、空気供給管１０４から熱交換器１４の第１通路１０８を通って一旦チャンバ９８ａに導入される。この空気は、チャンバ９８ａに連通する孔部８０を通って各燃料電池１１の略中央側に設けられている酸化剤ガス供給部６７に供給される。その際、熱交換器１４では、後述するように、排ガス通路６８に排気される排ガスが第２通路１１０を通るため、使用前の空気と熱交換が行われ、この空気が予め所望の燃料電池運転温度に加温されている。

酸化剤ガス供給部６７に供給された空気は、電解質・電極接合体２６の内側周端部と円板部３６の内側周端部との間から矢印Ｂ方向に流入し、酸化剤ガス通路５０に送られる。図６に示すように、酸化剤ガス通路５０では、電解質・電極接合体２６のカソード電極２２の内側周端部（セパレータ２８の中央部）側から外側周端部（セパレータ２８の外側周端部側）に向かって空気が流動する。

従って、電解質・電極接合体２６では、アノード電極２４の電極面の中心側から周端部側に向かって燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極２２の電極面の一方向（矢印Ｂ方向）に向かって空気が供給される。その際、酸化物イオンが電解質２０を通ってアノード電極２４に移動し、化学反応により発電が行われる。

なお、各電解質・電極接合体２６の外周部に排出される排ガスは、排ガス通路６８を介して積層方向に移動し、熱交換器１４の第２通路１１０を通って空気との間で熱交換を行った後、排ガス管１０６から排出される。

この場合、第１の実施形態では、図９〜図１１に示すように、反応前の空気を流動させる第１通路１０８が形成される伝熱管１２０は、この第１通路１０８の通路幅を規制し且つ互いに対向する壁部１２０ａ、１２０ｂがインボリュート曲線に沿って形成されている。

このため、第１通路１０８は、内壁板１２２から外壁板９２にわたって流路幅が等間隔に維持されており、前記第１通路１０８内では、空気の偏流が惹起することがない。これにより、第１通路１０８に沿って空気を円滑に流動させることが可能になるとともに、前記空気に対して第２通路１１０を流動する排ガスから効率的に伝熱することができ、熱交換率が有効に向上するという効果が得られる。

また、第２通路１１０は、互いに隣り合う伝熱管１２０がインボリュート曲線に沿って配設されることにより形成されるため、この第２通路１１０は、内壁板１２２から外壁板９２にわたって通路幅が等間隔に維持される。従って、第２通路１１０からの熱を伝熱管１２０に効率よく伝えることが可能になり、熱交換率の向上を図ることができる。

しかも、第１及び第２通路１０８、１１０は、互いにインボリュート曲線に沿って配設されるため、共に通路幅を等間隔に維持し、伝熱面積を同一にすることが可能になり、熱交換が等価になる。このため、伝熱性及び熱交換率の向上を図ることができ、小型且つ高熱交換性能を有する熱交換器１４を得ることが可能になる。

その上、インボリュート曲線に沿って形成した伝熱管１２０は、熱交換器１４において等価の伝熱面積を得ようとする際、丸パイプに比較して本数を少なくすることができる。このため、コンパクト化を図るとともに、圧力損失を低減することが可能になり、小型且つ熱交換率の高い熱交換器１４を得ることができる。

さらに、伝熱管１２０は、引き抜き加工又は押し出し加工により継ぎ目部位を排除した連続形状に一体成形されている。これにより、伝熱管１２０の内部及び外周部に沿って、酸化剤ガス及び排ガスを円滑に流動させることができ、偏流の発生を阻止するとともに、前記伝熱管１２０の耐腐食性が向上し、熱交換器１４の耐久性が有効に向上するという利点がある。また、継ぎ目部位を排除したことにより、前記継ぎ目部位を溶接して伝熱管１２０を作製する必要がなく、前記伝熱管１２０の製作にかかる時間及びコストを削減することができる。

さらにまた、第１通路１０８を流動する空気と、第２通路１１０を流動する排ガスとは、対向流をなしており、前記排ガスから前記空気への熱交換効率が有効に高められる。その際、排ガスの熱量を利用することができるため、燃料電池システム１０全体の熱効率が良好に向上する。

図１３は、本発明の第２の実施形態に係る熱交換器（多管式熱交換装置）１６０の要部説明図である。なお、第１の実施形態に係る熱交換器１４と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

熱交換器１６０では、伝熱管１２０同士が比較的大きな角度間隔ずつ離間しており、前記伝熱管１２０同士の間には、通路幅が大きな第２通路１６２が形成される。第２通路１６２は、伝熱管１２０同士がインボリュート曲線に沿って配設されることにより形成されており、この第２通路１６２の通路幅と第１通路１０８の通路幅とは、それぞれを流動する空気及び排ガスの体積によって調整されている。

このように、第２の実施形態では、熱交換器１６０の第１通路１０８に流入する空気と、第２通路１６２に流入する排ガスとの体積の差に合わせて、伝熱管１２０を配列している。例えば、流入する空気の量が排ガスの量に対して２倍になる場合、第１通路１０８の伝熱面積が２倍になるように、伝熱管１２０の本数を増やして配列する。これにより、空気と排ガスとの熱交換率が最大限の効率になるように設定することができ、燃料電池の熱効率を有効に向上させることが可能になるという効果が得られる。

本発明の第１の実施形態に係る多管式熱交換装置が組み込まれる燃料電池システムの一部断面説明図である。 前記燃料電池システムを構成する燃料電池スタックの概略斜視説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池のガス流れ状態を示す一部分解斜視説明図である。 前記セパレータの正面の説明図である。 前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。 前記燃料電池スタックを構成するエンドプレートの正面図である。 前記燃料電池システムを構成する荷重付与機構の一部分解斜視説明図である。 熱交換器の要部斜視説明図である。 前記熱交換器の要部正面説明図である。 前記熱交換器を構成する伝熱管の説明図である。 前記伝熱管を成形する引き抜き機の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る多管式熱交換装置の要部正面説明図である。 特許文献１の多管式熱交換器の説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池システム １１…燃料電池
１２…燃料電池スタック １４…熱交換器
１６…改質器 １８…筐体
１９…流体部 ２０…電解質
２１…荷重付与機構 ２２…カソード電極
２４…アノード電極 ２６…電解質・電極接合体
２８…セパレータ ３０…燃料ガス供給連通孔
３４、６０…橋架部 ３６…円板部
４６…燃料ガス通路 ４８、５２…突起部
５０…酸化剤ガス通路 ５４…燃料ガス導入口
５６…通路部材 ６６…燃料ガス供給通路
６７…酸化剤ガス供給部 ６８…排ガス通路
６９…絶縁シール ７０ａ、７０ｂ…エンドプレート
８６ａ、８６ｂ…筐体部 ９６…壁板
９８…チャンバ部 ９８ａ、１２６…チャンバ
１００…燃料ガス供給管 １０２…改質ガス供給管
１０４…空気供給管 １０６…排ガス管
１０８、１１０、１６２…通路 １１２ａ、１１２ｂ…締め付け部
１１４ａ、１１４ｂ…締め付けボルト １１６ａ、１１６ｂ…押圧プレート
１１８…スプリング

Claims (8)

1. 第１流体が流動する第１通路を形成する複数の伝熱管が、胴体部に収容されるとともに、前記伝熱管の間には、第２流体が流動する第２通路が形成される多管式熱交換装置であって、
   前記胴体部の両端に設けられ、前記伝熱管が所定の角度間隔ずつ離間して配設されるフランジ部、前記伝熱管の外側周面に接する外壁板、及び前記伝熱管の内側周面に接する内壁板を備えるとともに、
   前記伝熱管は、前記第１通路の通路幅を規制し且つ互いに対向する壁部がインボリュート曲線に沿って形成され、
   さらに前記第２通路は、互いに隣り合う前記伝熱管がインボリュート曲線に沿って配設されることにより形成される一方、
   前記伝熱管の前記外側周面及び前記内側周面は、前記外壁板及び前記内壁板に接合されることを特徴とする多管式熱交換装置。
2. 請求項１記載の多管式熱交換装置において、前記伝熱管は、継ぎ目部位を排除した連続形状を有することを特徴とする多管式熱交換装置。
3. 請求項１又は２記載の多管式熱交換装置において、前記胴体部の一端側には、前記第１流体を前記第１通路に流入する第１流体入口部と、
   前記第２流体を前記第２通路から排出する第２流体出口部と、
   が設けられるとともに、
   前記胴体部の他端側には、前記第１流体を前記第１通路から排出する第１流体出口部と、
   前記第２流体を前記第２通路に流入する第２流体入口部と、
   が設けられることを特徴とする多管式熱交換装置。
4. 請求項３記載の多管式熱交換装置において、前記外壁板及び前記内壁板は、互いに段違いに配置されることにより、前記第２流体入口部及び前記第２流体出口部が形成されることを特徴とする多管式熱交換装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の多管式熱交換装置において、前記第２流体は、排ガスであることを特徴とする多管式熱交換装置。
6. 第１流体が流動する第１通路を形成する複数の伝熱管が、胴体部に収容され、前記伝熱管の間には、第２流体が流動する第２通路が形成されるとともに、前記胴体部の両端に設けられ、前記伝熱管が所定の角度間隔ずつ離間して配設されるフランジ部、前記伝熱管の外側周面に接する外壁板、及び前記伝熱管の内側周面に接する内壁板を備え、前記第２通路は、互いに隣り合う前記伝熱管がインボリュート曲線に沿って配設されることにより形成される一方、前記伝熱管の前記外側周面及び前記内側周面は、前記外壁板及び前記内壁板に接合される多管式熱交換装置の製造方法であって、
   前記伝熱管は、前記第１通路の通路幅を規制し且つ互いに対向する壁部がインボリュート曲線に沿って形成されることを特徴とする多管式熱交換装置の製造方法。
7. 請求項６記載の製造方法において、前記伝熱管は、引き抜き加工又は押し出し加工により継ぎ目部位を排除した連続形状に一体成形されることを特徴とする多管式熱交換装置の製造方法。
8. 請求項６又は７記載の製造方法において、互いに隣り合う前記伝熱管がインボリュート曲線に沿って配設されることにより、前記第２通路が形成されることを特徴とする多管式熱交換装置の製造方法。

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