JP4667298B2 - 熱交換器及び熱交換型改質器 - Google Patents

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Description

本発明は、熱交換器、及び、該熱交換器が適用されて改質原料を改質して水素を生成するための熱交換型改質器に関する。
積層された複数のプレート間に、炭化水素原料を改質して水素含有ガスを生成するための改質流路と、改質流路に改質反応用の熱を供給するために燃料ガスを燃焼させる加熱流路とを、プレートを介して隣接するように形成した直交流型燃料改質器が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−２４４２３０明細書
しかしながら、上記の如き従来の技術では、複数の改質流路、加熱流路にガスを分配し又は複数の改質流路、加熱流路からのガスを集合させるマニホルドを設ける場合、矩形筒状のマニホルド部材を積層プレートの端面に接合する構造になるため、マニホルド部材が接合される最上層、最下層のプレート等を厚肉に構成する必要があった。このように構成すると、厚肉のプレートからマニホルド部材に熱を伝えやすい熱伝達経路が形成され、この経路から加熱流路で生じた熱が改質流路で消費することなく放熱されることで、熱損失が生じる。
本発明は、上記事実を考慮して、複数の単位部材を積層した積層コアから外部への放熱を抑制することができる熱交換器、及び熱交換型改質器を得ることが目的である。
上記目的を達成するために請求項１記載の発明に係る熱交換器は、熱交換流路形成部から第１入口流路形成部、第１出口流路形成部、第２入口流路形成部、及び第２出口流路形成部が同一平面に沿って独立して延設された複数の単位部材を積層することで、前記第１入口流路形成部から流入した第１熱交換媒体を前記第１出口流路形成部側に流出させる第１熱交換流路と、前記第２入口流路形成部から流入した第２熱交換媒体を前記第２出口流路形成部側に流出させる第２熱交換流路とが前記単位部材の熱交換流路形成部を介して隣接した熱交換部を複数含んで構成された積層コアと、前記積層コアの外形に対応して形成され、該積層コアに対する前記第１熱交換媒体、第２熱交換媒体の流入出可能に該積層コアを収容するケースと、前記ケースに対し前記積層コアを非接触状態で支持するように該ケースの内面と積層コアの外面との間に介在することで、該ケースと積層コアとの間に外部空間とは仕切られた閉空間である断熱層を形成する断熱層形成用シール手段と、を備えている。
請求項１記載の熱交換器では、積層コアは、熱交換流路形成部（熱交換部）の積層部分から第１入口流路形成部の積層部分、第１出口流路形成部の積層部分、第２入口流路形成部の積層部分、及び第２出口流路形成部の積層部分がそれぞれ異なる方向（側）に突出して突出部を有する。この積層コアは、各第１入口流路形成部側から第１出口流路形成部側への第１熱交換媒体の流通、及び各第２入口流路形成部側から第２出口流路形成部側への第２熱交換媒体の流通を可能とするように、全体としてケースに収容されている。
このケースと積層コアとの間には、断熱層形成用シール手段によって封止された閉空間（隙間）である断熱層が形成されている。これにより、積層コアの外面から外部への熱抵抗が増大するため、積層コアからの放熱による熱ロスを抑制することができる。特に、閉空間を扁平状の狭い空間とすれば、例えば閉空間内に空気等のガスが存在する構成であっても、該閉空間内でのガスの対流が抑制されるので、高い断熱効果が得られる。
このように、請求項１記載の熱交換器では、複数の単位部材を積層した積層コアから外部への放熱を抑制することができる。また、例えば積層コアに対し非接触の（擬似分離された）ケースを第１熱交換媒体、第２熱交換媒体の各流入、流出用配管等に接続する構成とすれば、積層コアの熱が各配管を伝わって放熱されることが抑制される。
請求項２記載の発明に係る熱交換器は、請求項１記載の熱交換器において、前記断熱層形成用シール手段は、前記積層コアにおける第１入口流路形成部の積層部分、第１出口流路形成部の積層部分、第２入口流路形成部の積層部分、及び第２出口流路形成部の積層部分と前記ケースとの間を、それぞれ熱交換媒体の流れ方向との交差面に沿う全周に亘ってシールしている。
請求項２記載の熱交換器では、積層コアにおける熱交換流路形成部から異なる方向に突出した各突出部（熱交換流路形成部の積層部分から第１入口流路形成部の積層部分、第１出口流路形成部の積層部分、第２入口流路形成部の積層部分、及び第２出口流路形成部の積層部分）の外面がそれぞれ全周に亘ってケースの内面との間をシールされることで、熱交換流路形成部の積層部分（熱交換部）を全体的に覆う断熱層が形成されている。これにより、断熱層による熱交換器の断熱範囲が大きくなるので、積層コアからの放熱による熱ロスをより効果的に抑制することができる。
請求項３記載の発明に係る熱交換器は、請求項１又は請求項２記載の熱交換器において、前記断熱層は真空層である。
請求項３記載の熱交換器では、ケースと積層コアとの間に形成された断熱層が真空層であるため、積層コアの外面から外部への熱抵抗が一層増大し、積層コアからの放熱による熱ロスをより効果的に抑制することができる。
請求項４記載の発明に係る熱交換器は、請求項３記載の熱交換器において、前記ケースに対し前記積層コアを非接触状態で支持するように該ケースの内面と積層コアの外面との間に介在することで、前記断熱層を複数の閉空間に区画する区画用シール手段をさらに備えた。
請求項４記載の熱交換器では、真空層（断熱層）が複数の空間に区画されているため、区画された１つの室の真空度すなわち熱抵抗が低下した場合に、断熱層内での対流（侵入空気等の対流）が生じても区画用シール手段によって他の室の真空度が維持され、所要の断熱性能を維持することができる。
請求項５記載の発明に係る熱交換器は、請求項１乃至請求項４の何れか１項記載の熱交換器において、前記断熱層形成用シール手段及び区画用シール手段の少なくとも一部は、前記ケースと前記積層コアとを機械的に接合した接合部である。
請求項５記載の熱交換器では、積層コアをケースに機械的に接合することで断熱層形成用シール手段及び区画用シール手段の少なくとも一部が構成されるので、換言すれば、機械的強度とシール性とが同じ構造によって確保されるので、構造が簡単である。
請求項６記載の発明に係る熱交換器は、請求項５記載の熱交換器において、前記接合部の少なくとも一部は、前記積層コアの熱変形を抑制する補強機能を有するように配置されている。
請求項６記載の熱交換器では、ケースに対し非接触で支持された積層コア（を構成する単位部材）は、ケース内での熱変形が緩和（許容）され、局所的な応力集中が低減される。そして、接合部の少なくとも一部が補強（補剛）機能を果たすため、積層コアのねじれや撓みなどが抑制される。この補強機能を果たす接合部の構造（接合位置等）は、低温側流体と高温側流体の温度分布（温度差を含む）や流れ方向に応じて設定される。
請求項７記載の発明に係る熱交換器は、請求項１乃至請求項６の何れか１項記載の熱交換器において、前記ケースにおける前記積層コアにおける第１入口流路形成部の積層部分、第１出口流路形成部の積層部分、第２入口流路形成部の積層部分、及び第２出口流路形成部の積層部分を収容する部分には、それぞれ前記第１入口流路形成部、第１出口流路形成部、第２入口流路形成部、又は第２出口流路形成部の開口部に連通する空間を形成するマニホルド部が設けられている。
請求項７記載の熱交換器では、ケースにおける上記各突出部（ケースにおける第１入口流路形成部の積層部分、第１出口流路形成部の積層部分、第２入口流路形成部の積層部分、及び第２出口流路形成部の積層部分）を収容する部分に、熱交換流路形成部とは反対側に延設しり、別の筒状部材を接合したりすることで、上記した突出部の開口端よりも熱交換流路形成部とは反対側に突出したマニホルド部が構成されている。これにより、マニホルドを積層コアに直接的に接合した構成と比較して、該マニホルドを経由した放熱が著しく抑制される。特に、ケースとは別部材であるマニホルド部材を接合することでマニホルド部を設けた構成では、接合部の熱伝達が抑えられてマニホルド部を経由した熱損失の寄与度を低下することができる。
請求項８記載の発明に係る熱交換型改質器は、前記第１入口流路形成部側から導入した改質原料から水素含有ガスを生成する改質反応を行うための改質流路を前記第１熱交換流路とすると共に、前記第２入口流路形成部側から供給された燃料を燃焼して前記改質流路に改質反応を進行するための熱を供給するための加熱流路を前記第２熱交換流路として、請求項１乃至請求項７の何れか１項記載の熱交換器が適用されている。
請求項８記載の熱交換型改質器では、第１入口流路形成部から改質原料が導入された改質流路（第１流路）において、加熱流路（第２流路）から燃焼に伴う燃焼熱の供給を受け（熱交換を行い）つつ、改質反応が行われ、改質原料から水素含有ガスが生成される。上記各構造の熱交換器（構造）が適用されているので、加熱部で生じた熱が改質部で消費されることなく放熱してしまったり、改質部から外部に放熱してしまうことが効果的に抑制される。これにより、本熱交換型改質器では、改質効率が向上する。
以上説明したように本発明に係る熱交換器、及び熱交換型改質器は、複数の単位部材を積層した積層コアから外部への放熱を抑制することができるという優れた効果を有する。
本発明の第１の実施形態に係る熱交換型改質器１０について、図１乃至図５に基づいて説明する。先ず、熱交換型改質器１０が適用された燃料電池システム１１の全体システム構成を説明し、次いで、熱交換型改質器１０の詳細構造を説明することとする。
（燃料電池システムの全体構成）
図５には、燃料電池システム１１のシステム構成図（プロセスフローシート）が示されている。この図に示される如く、燃料電池システム１１は、水素を消費して発電を行う燃料電池１２と、燃料電池１２に供給するための水素含有の改質ガスを生成するための改質装置（改質器）１０とを主要構成要素として構成されている。
燃料電池１２は、アノード電極（燃料極）１４とカソード電極（空気極）１６との間に、図示しない電解質を挟んで構成されており、主にアノード電極に供給される水素とカソード電極１６に供給される酸素とを電気化学反応させて発電を行う構成とされている。燃料電池１２としては、種々の形式のものを採用することができるが、この実施形態では、中温域（３００℃〜６００℃程度）で運転されると共に、発電に伴ってカソード電極１６で水が生成されるプロトン伝導型の電解質を有する燃料電池（例えば、固体高分子型や水素分離膜型の燃料電池）が採用されている。
熱交換型改質器１０は、図５に示される如く、燃料電池１２のアノード電極１４に供給するための水素含有の改質ガスを生成する改質部としての改質流路１８と、改質流路１８が改質反応を行うための熱を供給するための加熱部として加熱流路２０とを含んで構成されている。改質流路１８には、改質触媒２２が担持されており、供給される炭化水素ガス（ガソリン、メタノール、天然ガス等）と改質用ガス（水蒸気）を触媒反応させることで、水素ガスを含む改質ガスを生成する（改質反応を行う）ようになっている。
改質流路１８における改質反応には、以下の式（１）乃至（４）で表されるように、式（１）で示す水蒸気改質反応を含む各反応が含まれる。したがって、改質工程で得た改質ガスには、水素（Ｈ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）、分解炭化水素や未反応の原料炭化水素（ＣｘＨｙ）等の可燃性ガス、及び二酸化炭素（ＣＯ２）、水（Ｈ２Ｏ）等の不燃性ガスを含むようになっている。
ＣｎＨｍ＋ｎＨ２Ｏ → ｎＣＯ ＋（ｎ＋ｍ／２）Ｈ２ … （１）
ＣｎＨｍ＋ｎ／２Ｏ２ → ｎＣＯ ＋ ｍ／２Ｈ２ … （２）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ ⇔ ＣＯ２＋Ｈ２ … （３）
ＣＯ＋３Ｈ２ ⇔ ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ … （４）
この改質反応の中で主となる式（１）の水蒸気改質反応は吸熱反応であり、かつ改質流路１８は、上記の通り中温又は高温で運転される燃料電池１２に改質ガスを供給するため所定温度以上の温度で運転されるようになっている。加熱流路２０は、この改質流路１８における改質反応、運転温度を維持するための熱の供給する構成とされている。加熱流路２０は、酸化触媒２４を担持して改質流路１８に隣接して設けられており、供給された燃料を酸素と共に酸化触媒２４に接触させて触媒燃焼を生じさせる構成とされている。
熱交換型改質器１０は、加熱流路２０で燃料を触媒燃焼させて得た燃焼熱を後述するプレート部５８を介して改質流路１８に供給するようになっている。このため、燃焼ガス等の熱媒（流体）を介して改質流路１８を加熱する構成のように熱量を温度に変換することなく、改質流路１８に熱量を直接的に付与することができる構成とされている。
そして、燃料電池システム１１は、改質流路１８に炭化水素原料を供給するための原料ポンプ２６を備えており、原料ポンプ２６の吐出部は原料供給ライン２８を介して改質流路１８の原料入口１８Ａに接続されている。この炭化水素原料は、例えば蒸発器やインジェクション等図示しない気化手段等によって、気相又は微粒化状態で改質流路１８に供給されるようになっている。
また、改質流路１８の改質ガス出口１８Ｂは、下流端がアノード電極１４の燃料入口１４Ａに接続された改質ガス供給ライン３０の上流端に接続されている。これにより、改質流路１８で生成された改質ガスが燃料電池１２のアノード電極１４に供給されるようになっている。一方、アノード電極１４のオフガス出口１４Ｂには、アノードオフガスライン３２の上流端が接続されており、アノードオフガスライン３２の下流端は加熱流路２０の燃料入口２０Ａに接続されている。
以上により、燃料電池システム１１では、改質流路１８で生成された改質ガス中の水素が燃料電池１２で消費され、この消費された水素を除く残余成分がアノードオフガスとして加熱流路２０に導入され、そのうちの可燃成分（水素（Ｈ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、メタン（ＣＨ４））が加熱流路２０で燃料として消費されるようになっている。この加熱流路２０の排ガス出口２０Ｂには、燃焼排ガスを系外に排出するための排気ガスライン３４が接続されている。
また、燃料電池システム１１は、カソード電極１６にカソード用空気を供給するためのカソード用空気ポンプ３６を備えており、カソード用空気ポンプ３６の吐出部は、下流端がカソード電極１６の空気入口１６Ａに接続されたカソード用空気供給ライン３８の上流端が接続されている。さらに、カソード電極１６のオフガス出口１６Ｂには、水蒸気供給ライン４０の上流端が接続されており、水蒸気供給ライン４０の下流端は、改質流路１８の水蒸気入口１８Ｃ接続されている。これにより、カソード電極１６で生成された水蒸気、該カソード電極１６で消費されなかった酸素を含むカソードオフガスが改質流路１８における水蒸気改質反応に利用される構成である。
さらに、燃料電池システム１１は、燃料電池１２に冷却空気を供給するための冷却用空気ポンプ４２を備えており、冷却用空気ポンプ４２の吐出部は、下流端が燃料電池１２の冷媒流路（図示省略）の入口１２Ａに接続された冷却用空気ライン４４の上流端に接続されている。この冷媒流路の出口１２Ｂは、支燃ガス供給ライン４６の上流端に接続されている。支燃ガス供給ライン４６は、加熱流路２０における支燃ガス入口２０Ｃに接続されており、加熱流路２０に燃焼支燃ガスとしての酸素を含む冷却オフガスを供給するようになっている。これにより、加熱流路２０では、アノードオフガスライン３２からのアノードオフガスと支燃ガス供給ライン４６からの冷却オフガスとを内蔵した酸化触媒２４に接触させて、触媒燃焼を生じさせる構成とされている。
（熱交換型改質器の構成）
図２には、熱交換型改質器１０の概略全体構成が斜視図にて示されており、図１には、熱交換型改質器１０の概略全体構成が分解斜視図にて示されている。これらの図に示される如く、熱交換型改質器１０は、改質流路１８、加熱流路２０を構成する積層コア５０と、積層コア５０を収容するケース５２とを主要構成要素として構成されている。
積層コア５０は、図４に一部分解して示される如く、積層された複数の単位部材としての単位プレート部材５４、５６間に、改質流路１８及び加熱流路２０が、単位プレート部材５４、５６のプレート部５８を隔壁として隔てられた（隣接した）独立のガス流路として形成されている。この実施形態では、改質流路１８と加熱流路２０とは積層方向（プレート部５８の厚み方向）に交互に配置されており、プレート部５８を介して隣接している。以下、具体的に説明する。なお、以下の説明では、改質流路１８のガス流方向を矢印Ｒで、加熱流路２０のガス流方向を矢印Ｃにて示すこととする。
単位プレート部材５４、５６のプレート部５８は、平面視で略十字型の平板状に形成されており、中央部（クロス部）である平面視正方形状の部分が熱交換流路形成部５８Ａとされている。また、各プレート部５８における熱交換流路形成部５８Ａに対する矢印Ｒ方向の上流側は、第１入口流路形成部としての原料入口流路形成部５８Ｂ、熱交換流路形成部５８Ａに対する矢印Ｒ方向の下流側は、第１出口流路形成部としての改質ガス出口流路形成部５８Ｃ、熱交換流路形成部５８Ａに対する矢印Ｃ方向の上流側は、第２入口流路形成部としての燃料入口流路形成部５８Ｄ、熱交換流路形成部５８Ａに対する矢印Ｃ方向の下流側は、第２出口流路形成部としての燃焼排ガス出口流路形成部５８Ｅとされている。
また、各単位プレート部材５４、５６は、プレート部５８の周縁から改質流路１８の形成側に立設された外壁６０を備えている。外壁６０は、矢印Ｒ方向及び矢印Ｃ方向の各上下流端を除きプレート部５８の全周から立設されている。さらに、各単位プレート部材５４は、燃料入口流路形成部５８Ｄ、燃焼排ガス出口流路形成部５８Ｅと熱交換流路形成部５８Ａとの境界部から立設され外壁６０に連続する立壁６２を備えており、各単位プレート部材５６は、原料入口流路形成部５８Ｂ、改質ガス出口流路形成部５８Ｃと熱交換流路形成部５８Ａとの境界部から立設され外壁６０に連続する立壁６４を備えている。
これにより、各単位プレート部材５４は、プレート部５８に対する外壁６０、立壁６２の立設側に矢印Ｒ方向の（上流側から下流側への）ガス流のみが許容される扁平状の改質流路１８を構成するようになっており、各単位プレート部材５６は、プレート部５８に対する外壁６０、立壁６２の立設側に矢印Ｃ方向の（上流側から下流側への）ガス流のみが許容される扁平状の加熱流路２０を構成するようになっている。
改質流路１８における各単位プレート部材５４が単位プレート部材５６との間に構成する部分の矢印Ｒ方向の上流側開口端、下流側開口端をそれぞれ改質側コア入口５０Ａ、改質側コア出口５０Ｂといい、加熱流路２０における各単位プレート部材５６が単位プレート部材５４との間に構成する部分の矢印Ｃ方向の上流側開口端、下流側開口端をそれぞれ燃焼側コア入口５０Ｃ、燃焼側コア出口５０Ｄということとする。なお、立壁６２は、燃料入口流路形成部５８Ｄ、燃焼排ガス出口流路形成部５８Ｅの矢印Ｃ方向末端部や中間部に設けられても良く、立壁６４は、原料入口流路形成部５８Ｂ、改質ガス出口流路形成部５８Ｃの矢印Ｒ方向末端部や中間部に設けられても良い。
またさらに、各単位プレート部材５４は、外壁６０、立壁６２の立設側にこれらと同じ高さで立設され、矢印Ｒ方向に沿って延在する複数の隔壁６６を備えている。これにより、積層コア５０内の改質流路１８は、互いに平行な複数の分割流路６５に分割（区画）されるようになっている。同様に、各単位プレート部材５６は、外壁６０、立壁６４の立設側にこれらと同じ高さで立設され、矢印Ｃ方向に沿って延在する複数の隔壁６８を備えている。これにより、積層コア５０内の加熱流路２０は、互いに平行な複数の分割流路６７に分割（区画）されるようになっている。
以上説明した単位プレート部材５４、５６は、例えばステンレス鋼などの金属材にて同じ形状に（共通の型で）形成されており、積層する際の向きが異ならされることで上記の通り別の機能を有する構成とされている。
そして、積層コア５０は、上記した通り、単位プレート部材５４と各単位プレート部材５６とを交互に積層して接合することで、改質流路１８のガス流方向（矢印Ｒ方向）と加熱流路２０のガス流方向（矢印Ｃ方向）とが平面視で直交する直交流型の熱交換型改質部を構成している。なお、図１に示される如く、積層コア５０は、この実施形態では、最上部には外壁６０等が立設されない平板状のプレート部５８（カバー）が積層されて、改質流路１８を閉止している。
図１に示される如く、積層コア５０は、熱交換流路形成部５８Ａの積層部分である熱交換型改質部７０と、矢印Ｒ方向の上流端で各改質側コア入口５０Ａが開口する原料入口流路形成部５８Ｂの積層部分である改質側導入流路部７２と、矢印Ｒ方向の下流端で各改質側コア出口５０Ｂが開口する改質ガス出口流路形成部５８Ｃの積層部分である改質側導出流路部７４と、矢印Ｃ方向の上流端で各燃焼側コア入口５０Ｃが開口する燃料入口流路形成部５８Ｄの積層部分である改質側導入流路部７６と、矢印Ｃ方向の下流端で各燃焼側コア出口５０Ｄが開口する燃焼排ガス出口流路形成部５８Ｅの積層部分である改質側導出流路部７８とが外観上の主要構成部とされている。図示は省略するが、各単位プレート部材５４における熱交換型改質部７０を構成する熱交換流路形成部５８Ａ、複数の隔壁６６、一対の立壁６２には改質触媒２２が担持されており、各単位プレート部材５６における熱交換型改質部７０を構成する熱交換流路形成部５８Ａ、複数の隔壁６８、一対の立壁６４には酸化触媒２４が担持されている。
図１及び図２に示される如く、ケース５２は、平面視で略十字状に形成されており、積層コア５０を全体として収容するようになっている。また、ケース５２は、積層コア５０を主に収容するケース本体８０と、ケース本体８０の開口端（積層コア５０の積層方向の開口端）を閉止するカバー８２とで構成されている。以下、具体的に説明する。
ケース本体８０は、単位プレート部材５４、５６のプレート部５８に対応した形状の底板８０Ａと、底板８０Ａの矢印Ｒ方向及び矢印Ｃ方向の各上下流端を除く周縁から立設された側壁８０Ｂを備えている。また、カバー８２は、形状の底板８０Ａと略同形状の天板８２Ａと、天板８２Ａの矢印Ｒ方向及び矢印Ｃ方向の各上下流端を除く周縁から立設された側壁８２Ｂを備えている。ケース５２は、互いに突き合わせた側壁８０Ｂの開口端と側壁８２Ｂの開口端とをロウ付けや溶接等によって接合することで、全体として積層コア５０を覆うように構成されている。
したがって、このケース５２は、熱交換型改質部７０を収容する熱交換部収容部８４と、改質側導入流路部７２を収容する筒状体としての改質入口マニホルド連結部８６と、改質側導出流路部７４を収容する筒状体としての改質出口マニホルド連結部８８と、改質側導入流路部７６を収容する筒状体としての燃焼入口マニホルド連結部９０と、改質側導出流路部７８を収容する筒状体としての燃焼出口マニホルド連結部９２とが一体的に形成されている。
また、ケース５２には、改質入口マニホルド連結部８６から延設され改質側コア入口５０Ａに対する矢印Ｒ方向の上流側で各改質側コア入口５０Ａを連通する集合空間を形成する改質入口マニホルド９４と、改質出口マニホルド連結部８８から延設され改質側コア出口５０Ｂに対する矢印Ｒ方向の下流側で各改質側コア出口５０Ｂを連通する集合空間を形成する改質出口マニホルド９６と、燃焼入口マニホルド連結部９０から延設され燃焼側コア入口５０Ｃに対する矢印Ｃ方向の上流側で各燃焼側コア入口５０Ｃを連通する集合空間を形成する燃焼入口マニホルド９８と、燃焼出口マニホルド連結部９２から延設され燃焼側コア出口５０Ｄに対する矢印Ｃ方向の下流側で各燃焼側コア出口５０Ｄを連通する集合空間を形成する燃焼出口マニホルド１００とが一体に形成されている。
改質入口マニホルド９４の開口端９４Ａには原料入口１８Ａ及び水蒸気入口１８Ｃが設けられ（接続され）、改質出口マニホルド９６の開口端９６Ａには改質ガス出口１８Ｂが設けられ、燃焼入口マニホルド９８の開口端９８Ａには複数の燃料入口２０Ａ及び支燃ガス入口２０Ｃが設けられ、燃焼出口マニホルド１００の開口端１００Ａには排ガス出口２０Ｂが設けられている。
以上説明したケース５２は、ケース本体８０、カバー８２が共に例えばステンレス鋼等の金属材にて構成されている。そして、ケース５２は、その内面において積層コア５０に接合されている。具体的には、図２に示される如く、ケース５２は、改質入口マニホルド連結部８６の内面と改質側導入流路部７２とが矢印Ｒ方向との直交面に沿う全周に亘って接合された改質入口側接合部１０２と、改質出口マニホルド連結部８８の内面と改質側導出流路部７４とが矢印Ｒ方向との直交面に沿う全周に亘って接合された改質出口側接合部１０４と、燃焼入口マニホルド連結部９０の内面と改質側導入流路部７６とが矢印Ｃ方向との直交面に沿う全周に亘って接合された燃焼入口側接合部１０６と、燃焼出口マニホルド連結部９２の内面と改質側導出流路部７８とが矢印Ｃ方向との直交面に沿う全周に亘って接合された燃焼出口側接合部１０８とにおいて、積層コア５０と接合されている。
この実施形態では、改質入口側接合部１０２、改質出口側接合部１０４、燃焼入口側接合部１０６、燃焼出口側接合部１０８の各接合は、矩形環状を成すように形成されてケース５２の内面と積層コア５０の外面との間に介在（嵌合）されたロウ材１１０（図３参照）を溶融、固化させることで行われている。これにより、積層コア５０とケース５２との間には、図３に示される如く、改質入口側接合部１０２、改質出口側接合部１０４、燃焼入口側接合部１０６、燃焼出口側接合部１０８（矩形環状のロウ材１１０）にて気密（ガスシール）状態で封止された閉空間（隙間）である断熱層１１２が形成されている。この実施形態では、改質入口側接合部１０２、改質出口側接合部１０４、燃焼入口側接合部１０６、燃焼出口側接合部１０８を真空ロウ付けにて形成することで、断熱層１１２は、真空層とされている。
したがって、この実施形態では、改質入口側接合部１０２、改質出口側接合部１０４、燃焼入口側接合部１０６、燃焼出口側接合部１０８（を構成する矩形環状のロウ材１１０）が本発明における断熱層形成用シール手段に相当する。なお、それぞれ積層コア５０の外面とケース５２の内面とを接合する改質入口側接合部１０２、改質出口側接合部１０４、燃焼入口側接合部１０６、燃焼出口側接合部１０８の接合幅Ｗ（それぞれのガス流方向に沿った寸法）は、断熱層１１２の厚み寸法（積層コア５０の外面とケース５２の内面との対向間隔）に対し十分に大とされ、十分なガスシール性を確保するようになっている。ロウ材１１０は、積層コア５０（単位プレート部材５４、５６の接合）に用いるロウ材よりも融点の低い構成とされている。
次に、第１の実施形態の作用を説明する。
上記構成の燃料電池システム１１では、原料ポンプ２６、カソード用空気ポンプ３６の作動によって、原料供給ライン２８から熱交換型改質器１０の改質流路１８に炭化水素原料、水蒸気（カソードオフガス）が導入される。熱交換型改質器１０の改質流路１８内では、加熱流路２０からの熱供給を受けつつ導入された炭化水素原料を水蒸気と共に改質触媒２２に接触させることで水蒸気改質反応を含む式（１）〜式（４）で示す改質反応が行われ、水素を高濃度で含有する改質ガスが生成される。
改質流路１８で生成された改質ガスは、アノード電極１４の燃料入口１４Ａからアノード電極１４に供給される。燃料電池１２では、アノード電極１４に供給された改質ガス中の水素がプロトン化され、このプロトンが電解質を経由してカソード電極１６に移動して該カソード電極１６に導入された空気中の酸素と反応する。このプロトンの移動に伴って電子がアノード電極１４から外部導体を通じてカソード電極に向けて流れ、発電が行われる。
この発電によって燃料電池１２では、アノード電極１４に供給された改質ガス中の水素、カソード電極１６に供給されたカソード用空気中の酸素が発電量（負荷の電力消費量）に応じて消費され、カソード電極１６では水（運転温度において水蒸気）が生成される。この水蒸気を含むガスは、上記の通りカソードオフガスとしてカソード電極１６から水蒸気供給ライン４０に押し出され、水蒸気入口１８Ｃから改質流路１８に導入される。
一方、発電に伴って改質ガス中の水素が発電量に応じて消費された後のガスは、アノードオフとしてアノード電極１４から排出され、このアノードオフガスは、アノードオフガスライン３２を経由して、熱交換型改質器１０の加熱流路２０に供給される。また、加熱流路２０には、支燃ガス供給ライン４６から燃料電池１２を冷却した後の冷却オフガスが供給される。この加熱流路２０では、燃料であるアノードオフガス中の可燃成分を、冷却オフガス中の酸素を支燃ガスと共に酸化触媒２４に接触させることで触媒燃焼が生じる。この触媒燃焼によって生じた熱は、プレート部５８を介して改質流路１８に供給される。この熱によって改質流路１８では、吸熱反応である改質反応を維持すると共に運転温度（改質ガス温）を改質反応に必要な温度に保つ。
以上により、燃料電池システム１１では、熱交換型改質器１０に炭化水素原料を供給すると共に、燃料電池１２の各排出ガス（水蒸気を含むカソードオフガス、可燃成分を含むアノードオフガス、酸素を含む冷却オフガス）を有効利用して、該燃料電池１２に供給する水素を生成する熱交換型改質器１０の運転を維持する。
この熱交換型改質器１０を組み立てるに当たっては、多数の単位プレート部材５４、５６をガス流れ方向（各隔壁６６、６８の長手方向）が直交するように交互に積層し、各外壁６０（立壁６２、６４、隔壁６６、６８）の自由端を隣接するプレート部５８にロウ付けにて接合（シール）し、積層コア５０を組み立てる。このロウ付けは、比較的融点の高い（上記した熱交換型改質器１０の運転温度以上の融点を有する）ロウ材を用いて行われる。この積層コア５０には、各改質流路１８（複数の分割流路６５）、加熱流路２０（複数の分割流路６７）に触媒担体を導入し、この触媒担体に改質触媒２２、酸化触媒２４を担持させる。
次いで、積層コア５０の改質側導入流路部７２、改質側導出流路部７４、改質側導入流路部７６、改質側導出流路部７８に矩形環状のロウ材１１０を嵌合し、この状態で積層コア５０をケース本体８０内に挿入する。さらに、ケース本体８０にカバー８２を接合し、積層コア５０を収容したケース５２を形成する。この積層コア５０を収容したケース５２を真空溶融炉を通過させて矩形環状のロウ材１１０を溶融させ、次いで積層コア５０を収容したケース５２を冷却することで矩形環状のロウ材１１０を固化させる。これにより、改質入口側接合部１０２、改質出口側接合部１０４、燃焼入口側接合部１０６、燃焼出口側接合部１０８において積層コア５０とケース５２とが接合されると共に、該積層コア５０とケース５２との間に真空断熱層１１２が形成された熱交換型改質器１０が得られる。
ここで、熱交換型改質器１０では、積層コア５０とケース５２との間に断熱層１１２が形成されているため、積層コア５０から外部への放熱を抑制することができる。以下、図９に示す比較例と比較しつつ具体的に説明する。
図９に示す比較例に係る熱交換型改質器２００では、積層コア５０の改質側導入流路部７２における改質側コア入口５０Ａの開口端面に、矩形筒状のマニホルド部材２０２の一方側開口端が突き合わせられており、この突き合わせ部Ｂがロウ付けにて接合されている。この構成では、積層コア５０が外部に露出されているため、該積層コア５０の外表面から直接的に熱が放出される。しかも、この熱交換型改質器２００では、マニホルド部材２０２が接合される最上部、最下部のプレート部５８、及び各外壁６０は厚肉に構成する必要があるため、これら厚肉のプレート部５８、各外壁６０に熱伝達によって入熱した熱量の一部は、該プレート部５８、各外壁６０の面方向（ガス流方向又はガス流の反対方向）に沿ってマニホルド部材２０２側に移動し、マニホルド部材の壁面から外部への放熱によって消失する。さらに、マニホルド部材２０２からの放熱に加え、マニホルド部材２０２に接続される配管、上下流の各要素（燃料電池１２等）への熱伝導による熱損失も大きい。これらの熱損失によって熱交換型改質器２００では、改質効率（エネルギ効率）が低下したり、また積層コア５０の外表面近傍の各改質流路１８での温度低下（冷却）に伴い改質転化率が低下したりする問題が生じ得る。
これに対して、熱交換型改質器１０では、上記の通り積層コア５０とケース５２との間に断熱層１１２が形成されているため、積層コア５０からケース５２外への熱抵抗が大きく、積層コア５０から外部への直接的な放熱を著しく抑制することができる。しかも、断熱層１１２は、真空層であるため、積層コア５０からケース５２外への熱抵抗が一層大きくなり、積層コア５０から外部への直接的な放熱をより効果的に抑制することができる。
また、熱交換型改質器１０では、改質入口マニホルド９４、改質出口マニホルド９６、燃焼入口マニホルド９８、燃焼出口マニホルド１００が設けられたケース５２は、積層コア５０に対し非接触とされているため、換言すれば、各接合部１０２、１０４、１０６、１０８を介した積層コア５０からケース５２への伝熱経路が最小化されているため、該積層コア５０からケース５２を経由した熱伝導ロス（熱損失）が低減される。これに伴って、各マニホルド９４、９６、９８、１００に接続される配管や上下流の各要素（燃料電池システム１１の構成要素）への伝熱も抑制される。
さらに、熱交換型改質器１０では、積層コア５０における改質側導入流路部７２、改質側導出流路部７４、改質側導入流路部７６、改質側導出流路部７８の外面と、ケース５２における上記各流路部を収容する改質入口マニホルド連結部８６、改質出口マニホルド連結部８８、燃焼入口マニホルド連結部９０、燃焼出口マニホルド連結部９２の内面とを接合する各接合部１０２、１０４、１０６、１０８によって断熱層１１２が封止されているため、積層コア５０の広い範囲を断熱層１１２にて断熱することが実現された。
またさらに、熱交換型改質器１０では、接合部１０２、１０４、１０６、１０８がシール手段として機能することによって断熱層１１２が外部に対し封止されているため、積層コア５０とケース５２との機械的な接合部（強度保持部）とシール部とを別個に設ける必要がなく、構造が簡単である。そして、熱交換型改質器１０では、積層コア５０の外面とケース５２の内面とを接合する構成であるため、十分な接合幅Ｗによって所要のガスシール性を確保することができる。これにより、断熱層１１２の真空度を長期間に亘って維持することができる。また、この構成によって、積層コア５０と各マニホルド９４、９６、９８、１００との間のガスシール性能が、上記したマニホルド部材２０２を端面に接合する比較例と比較して向上しており、熱交換型改質器１０は耐ガスリークも良好である。
このように、第１の実施形態に係る熱交換型改質器１０では、複数の単位プレート部材５４、５６を積層した積層コア５０から外部への放熱を抑制することができる。
また、熱交換型改質器１０では、熱交換型改質器２００のように積層コア５０に矩形筒状のマニホルド部材２０２を接合することがないので、各単位プレート部材５４、５６のプレート部５８、各外壁６０を薄肉に構成することができる。これにより、積層コア５０は熱容量が低減され、熱交換型改質器１０の始動性向上に寄与する。
次に、本発明の他の実施形態を説明する。なお、上記第１の実施形態又は前出の構成と基本的に同一の部品・部分については上記第１の実施形態又は前出の構成と同一の符号を付して説明を省略し、図示を省略する場合もある。
（第２の実施形態）
図６には、本発明の第２の実施形態に係る熱交換型改質器１２０が図２に対応する斜視図にて示されている。この図に示される如く、熱交換型改質器１２０は、断熱層１１２を複数の空間に区画するように積層コア５０とケース５２とを接合する区画用シール手段としての区画接合部１２２が形成されている点で、第１の実施形態に係る熱交換型改質器１０とは異なる。
この実施形態では、区画接合部１２２は、改質入口側接合部１０２に対する矢印Ｒ方向の下流側で改質入口マニホルド連結部８６の内面と改質側導入流路部７２の外周とを全周に亘って接合した改質入口側区画接合部１２４と、改質出口側接合部１０４に対する矢印Ｒ方向の上流側で改質出口マニホルド連結部８８の内面と改質側導出流路部７４の外周とを全周に亘って接合した改質出口側区画接合部１２６と、燃焼入口側接合部１０６に対する矢印Ｃ方向の下流側で燃焼入口マニホルド連結部９０の内面と改質側導入流路部７６の外周とを全周に亘って接合した燃焼入口側区画接合部１２８と、燃焼出口側接合部１０８に対する矢印Ｃ方向の上流側で燃焼出口マニホルド連結部９２の内面と改質側導出流路部７８の外周とを全周に亘って接合した燃焼出口側区画接合部１３０とを含んで構成されている。
これにより、図７に示される如く、断熱層１１２は、各区画接合部１２４、１２６、１２８、１３０で封止された内側断熱層１４０と、内側断熱層１４０の外側に位置する４つの外側断熱層１４２とに区画されている。また、この実施形態では、区画接合部１２２は、改質側導入流路部７２と改質側導入流路部７６との角部から改質側導出流路部７４と改質側導出流路部７８との角部を対角線に沿って架け渡すようにして、積層コア５０とケース５２とを矢印Ｒ及び矢印Ｃとの各交差面に沿う全周に亘って接合した対角区画接合部１３２を含んでいる。この対角区画接合部１３２によって、内側断熱層１４０は、第１内側断熱層１４０Ａと第２内側断熱層１４０Ｂとに区画されている。
第２の実施形態に係る熱交換型改質器１２０の他の構成は、熱交換型改質器１０の対応する構成と同じである。
したがって、第２の実施形態に係る１２０では、熱交換型改質器１０と同様の作用に沿って熱交換型改質器１０と同様の効果を得ることができる。また、熱交換型改質器１２０では、区画接合部１２２が設けられているため、換言すれば、断熱層１１２が複数の断熱層（第１内側断熱層１４０Ａ、第２内側断熱層１４０Ｂ、４つの外側断熱層１４２）に区画されているため、仮に１つの断熱層の真空度が低下した場合でも、断熱層１１２の全体で対流（侵入空気等の対流）が生じることがなく、断熱性能を維持することができる。すなわち、例えば１つの外側断熱層１４２の真空度が低下しても、内側断熱層１４０及び他の外側断熱層１４２の真空度が維持され、熱交換型改質器１２０の全体としての断熱性能を維持することができる。
また、熱交換型改質器１２０では、積層コア５０がケースに対し非接触で（浮いたような状態で）支持されているため、積層コア５０のケース５２内での変形が緩和（許容）され、応力集中が抑制される（この点は、熱交換型改質器１０においても同様である）。そして、熱交換型改質器１２０では、区画接合部１２２が補強リブとして機能するため、全体の剛性が向上している。特に、直交流型の熱交換器である熱交換型改質器１２０では、熱変形によって熱交換型改質部７０（熱交換流路形成部５８Ａ）のねじれや撓みを生じやすいが、対角区画接合部１３２が補強梁として機能することで、積層コア５０（特に熱交換型改質部７０）のねじれや撓みを効果的に抑制することができる。これにより、熱交換型改質部７０からのガスリークが効果的に防止される。
（第３の実施形態）
図８には、本発明の第３の実施形態に係る熱交換型改質器１５０が図２に対応する斜視図にて示されている。この図に示される如く、熱交換型改質器１５０は、ケース５２に代えて各マニホルド９４、９６、９８、１０２が形成されていないケース１５２を備え、該ケース１５２に別部材であるマニホルド部材１５４を接合することで各マニホルド９４、９６、９８、１０２が構成されている点で、第１の実施形態に係る熱交換型改質器１０とは異なる。
ケース１５２は、改質入口マニホルド連結部８６の上流端８６Ａ、改質出口マニホルド連結部８８の下流端８８Ａ、燃焼入口マニホルド連結部９０の上流端９０Ａ、燃焼出口マニホルド連結部９２の下流端９２Ａがそれぞれマニホルド部材１５４との接合部とされている。各マニホルド部材１５４は、上記接合部の周縁形状に対応した矩形筒状を成しており、対応する上流端８６Ａ、９０Ａ、下流端８８Ａ、９２Ａの端面との間がロウ付けにて接合されている。これにより、各マニホルド９４、９６、９８、１０２が構成されている。
第３の実施形態に係る熱交換型改質器１５０の他の構成は、熱交換型改質器１０の対応する構成と同じである。
したがって、第３の実施形態に係る１５０では、熱交換型改質器１０と同様の作用に沿って熱交換型改質器１０と同様の効果を得ることができる。また、熱交換型改質器１５０では、ケース１５２とは別部材のマニホルド部材１５４を該ケース１５２に接合することで各マニホルド９４、９６、９８、１０２が構成されるので、設計の自由度が高い。すなわち、各マニホルド９４、９６、９８、１０２は、ケース１５２の寸法形状の制約を受けることなく、開口端９４Ａ、９６Ａ、９８Ａ、１００Ａの形状が矩形である例を示したが、接続ライン（原料供給ライン２８、改質ガス供給ライン３０、アノードオフガスライン３２、排気ガスライン３４、水蒸気供給ライン４０、支燃ガス供給ライン４６）の形状等に応じた形状にすることができる。
そして、熱交換型改質器１５０では、積層コア５０に対し非接触と（擬似分離）されたケース１５２と各マニホルド部材１５４とを接続するため、該ケース１５２とマニホルド部材１５４との接合部の熱伝達が抑制され、各マニホルド９４、９６、９８、１０２が一体に設けられたケース５２を用いる構成と比較しても、積層コア５０からケース１５２、各マニホルド９４、９６、９８、１０２、配管等の接続要素を経由した熱損失（最大の熱ロス経路における熱損失）が低減される。
なお、上記した各実施形態では、積層コア５０が各単位プレート部材５４、５６のロウ付けにて構成される例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、積層状態の各単位プレート部材５４、５６を拡散接合にて接合するようにしても良い。
また、上記した各実施形態では、積層コア５０が直交流型の熱交換型改質部を構成した例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、各流路形成部５８Ｂ〜５８Ｅを熱交換流路形成部５８Ａに対し異なる側に傾斜して設けることで、熱交換流路形成部５８Ａを積層した熱交換型改質部７０が並行流型の熱交換部となる構成としても良い。また、積層コア５０は、単位プレート部材５４、５６が交互に積層（改質流路１８、加熱流路２０が交互に形成）される例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、単位プレート部材５４を単位プレート部材５６で挟んだ単位が繰り返されるように（改質流路１８間に２層の加熱流路２０が形成されるように）単位プレート部材５４、５６を積層しても良い。
さらに、上記した各実施形態では、ケース５２、１５２がケース本体８０、カバー８２の接合にて構成される例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、上下対称に形成されたハーフケースの接合によってケース５２、１５２を構成しても良い。
さらにまた、燃料電池システム１１に適用される熱交換型改質器１０、熱交換型改質器１２０、１５０を例示したが、本発明はこれに限定されず、熱交換型改質器１０等の構造は、如何なる用途にも適用でき、例えば、水素エンジン（内燃機関）に水素を供給する装置であっても良く、加熱流路２０が系外から燃料供給を受ける構成であっても良い。
本発明の第１の実施形態に係る熱交換型改質器の分解斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る熱交換型改質器の全体構成を示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る熱交換型改質器の平面断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る熱交換型改質器を構成する積層コアの分解斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る改質装置が適用された燃料電池システムの概略システムフロー図である。 本発明の第２の実施形態に係る熱交換型改質器の全体構成を示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る熱交換型改質器の平面断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る熱交換型改質器の全体構成を示す斜視図である。 本発明の実施形態との比較例に係る熱交換型改質器の斜視図である。
符号の説明
１０ 熱交換型改質器（熱交換器）
１８ 改質流路（第１熱交換流路）
２０ 加熱流路（第２熱交換流路）
５０ 積層コア
５２ ケース
５４・５６ 単位プレート部材（単位部材）
５８ プレート部（単位部材）
５８Ａ 熱交換流路形成部
５８Ｂ 原料入口流路形成部（第１入口流路形成部）
５８Ｃ 改質ガス出口流路形成部（第１出口流路形成部）
５８Ｄ 燃料入口流路形成部（第２入口流路形成部）
５８Ｅ 燃焼排ガス出口流路形成部（第２出口流路形成部）
７０ 熱交換型改質部（熱交換流路形成部の積層部分）
７２ 改質側導入流路部（第１入口流路形成部の積層部分）
７４ 改質側導出流路部（第１出口流路形成部の積層部分）
７６ 改質側導入流路部（第２入口流路形成部の積層部分）
７８ 改質側導出流路部（第２出口流路形成部の積層部分）
９４ 改質入口マニホルド（マニホルド部）
９６ 改質出口マニホルド（マニホルド部）
９８ 燃焼入口マニホルド（マニホルド部）
１００ 燃焼出口マニホルド（マニホルド部）
１２０・１５０ 熱交換型改質器（熱交換器）
１５２ ケース

Claims (8)

  1. 熱交換流路形成部から第１入口流路形成部、第１出口流路形成部、第２入口流路形成部、及び第２出口流路形成部が同一平面に沿って独立して延設された複数の単位部材を積層することで、前記第１入口流路形成部から流入した第１熱交換媒体を前記第１出口流路形成部側に流出させる第１熱交換流路と、前記第２入口流路形成部から流入した第２熱交換媒体を前記第２出口流路形成部側に流出させる第２熱交換流路とが前記単位部材の熱交換流路形成部を介して隣接した熱交換部を複数含んで構成された積層コアと、
    前記積層コアの外形に対応して形成され、該積層コアに対する前記第１熱交換媒体、第２熱交換媒体の流入出可能に該積層コアを収容するケースと、
    前記ケースに対し前記積層コアを非接触状態で支持するように該ケースの内面と積層コアの外面との間に介在することで、該ケースと積層コアとの間に外部空間とは仕切られた閉空間である断熱層を形成する断熱層形成用シール手段と、
    備えた熱交換器。
  2. 前記断熱層形成用シール手段は、前記積層コアにおける第１入口流路形成部の積層部分、第１出口流路形成部の積層部分、第２入口流路形成部の積層部分、及び第２出口流路形成部の積層部分と前記ケースとの間を、それぞれ熱交換媒体の流れ方向との交差面に沿う全周に亘ってシールしている請求項１記載の熱交換器。
  3. 前記断熱層は真空層である請求項１又は請求項２記載の熱交換器。
  4. 前記ケースに対し前記積層コアを非接触状態で支持するように該ケースの内面と積層コアの外面との間に介在することで、前記断熱層を複数の閉空間に区画する区画用シール手段をさらに備えた請求項３記載の熱交換器。
  5. 前記断熱層形成用シール手段及び区画用シール手段の少なくとも一部は、前記ケースと前記積層コアとを機械的に接合した接合部である請求項１乃至請求項４の何れか１項記載の熱交換器。
  6. 前記接合部の少なくとも一部は、前記積層コアの熱変形を抑制する補強機能を有するように配置されている請求項５記載の熱交換器。
  7. 前記ケースにおける前記積層コアにおける第１入口流路形成部の積層部分、第１出口流路形成部の積層部分、第２入口流路形成部の積層部分、及び第２出口流路形成部の積層部分を収容する部分には、それぞれ前記第１入口流路形成部、第１出口流路形成部、第２入口流路形成部、又は第２出口流路形成部の開口部に連通する空間を形成するマニホルド部が設けられている請求項１乃至請求項６の何れか１項記載の熱交換器。
  8. 前記第１入口流路形成部側から導入した改質原料から水素含有ガスを生成する改質反応を行うための改質流路を前記第１熱交換流路とすると共に、前記第２入口流路形成部側から供給された燃料を燃焼して前記改質流路に改質反応を進行するための熱を供給するための加熱流路を前記第２熱交換流路として、請求項１乃至請求項７の何れか１項記載の熱交換器が適用された熱交換型改質器。
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