JP4735393B2 - Heat exchanger and heat exchange type reformer - 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。 The present invention relates to a heat exchanger and a heat exchange type reformer for generating hydrogen by reforming a reforming raw material to which the heat exchanger is applied.
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)。
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、複数プレートで構成され積層方向に沿って延在する接合面とマニホルド部材との接合部のガスシール性(気密)を確保することが困難であった。 However, in the conventional technology as described above, when a manifold for distributing gas to a plurality of reforming channels and heating channels or collecting a gas from the plurality of reforming channels and heating channels is provided, a rectangular cylindrical shape is provided. Since the manifold member is joined to the end face of the laminated plate, it is possible to ensure the gas sealability (airtightness) of the joined portion between the joined surface constituted by a plurality of plates and extending in the laminating direction and the manifold member. It was difficult.
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における積層境界を経由したリークを効果的に防止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。 In view of the above facts, the present invention provides a heat exchanger and a heat exchange type reformer that can effectively prevent leakage via a lamination boundary in a laminated core in which a plurality of unit members are laminated. Is the purpose.
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、筒状に形成され、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の少なくとも1つを挿入させると共に、内面が挿入させた前記積層部分に全周に亘り接合された筒状体と、を備え、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それぞれ収容すると共に内面において収容した前記積層部分に接合された4つの前記筒状体が、それぞれ前記熱交換流路形成部の積層部分を収容した熱交換部収容部に一体的に設けられて、前記積層コアを全体として外側から覆うケースを構成している。 In order to achieve the above object, a heat exchanger according to a first aspect of the present invention includes a heat exchange flow path forming section, a first inlet flow path forming section, a first outlet flow path forming section, and a second inlet flow path forming section. And by stacking a plurality of unit members in which the second outlet flow path forming portion is independently extended along the same plane, the first heat exchange medium flowing from the first inlet flow path forming portion is A first heat exchange channel that flows out to the first outlet channel formation unit side, and a second heat exchange medium that flows in from the second inlet channel formation unit to the second outlet channel formation unit side A laminated core including a plurality of heat exchange portions adjacent to each other via a heat exchange passage forming portion of the unit member; and a first inlet passage in the laminated core formed in a cylindrical shape Laminating portion of forming portion, laminating portion of first outlet channel forming portion, laminating portion of second inlet channel forming portion, and second outlet flow Together to insert the at least one of the stacked portion of the forming section, and a bonded tubular body over the entire circumference in the stacking portion inner surface was inserted, the first inlet passage formation portions in the stacked core The laminated portion, the laminated portion of the first outlet flow path forming portion, the laminated portion of the second inlet flow passage forming portion, and the laminated portion of the second outlet flow passage forming portion are accommodated and joined to the laminated portion accommodated on the inner surface. The four cylindrical bodies thus formed are integrally provided in a heat exchange portion accommodating portion that accommodates a laminated portion of the heat exchange flow path forming portion, respectively, and constitute a case that covers the laminated core from the outside as a whole. ing.
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構成しており、これら少なくとも4つの突出部のうちの少なくとも1つは、筒状体に挿入又は挿通されている。筒状体は、その内面において突出部の外面(外周)に接合されているので、突出部における各流路形成部の熱交換媒体の入口又は出口である開口端面に接合する構成と比較して、大きな接合面積で(熱交換媒体の流れ方向の接合幅を確保して)接合することができる。これにより、シール性が確保される接合構造が得られる。そして、例えば、筒状体を熱交換流路形成部とは反対側に延設したり、別の筒状部材を接合したりすることで、シール性を確保したマニホルドを構成することができる。 2. The heat exchanger according to claim 1, wherein the laminated core includes a laminated portion of the first inlet flow passage forming portion and a laminated portion of the first outlet flow passage forming portion from the laminated portion of the heat exchange flow passage forming portion (heat exchange portion). The stacked portion of the second inlet flow path forming portion and the stacked portion of the second outlet flow path forming portion protrude in different directions (sides) to form a protruding portion, and of these at least four protruding portions At least one is inserted or inserted into the cylindrical body. Since the cylindrical body is joined to the outer surface (outer periphery) of the protruding portion on the inner surface, the cylindrical body is compared with the configuration in which the cylindrical body is joined to the opening end surface that is the inlet or outlet of the heat exchange medium of each flow path forming portion. , It is possible to perform bonding with a large bonding area (with a bonding width in the flow direction of the heat exchange medium secured). Thereby, the joining structure in which sealing performance is ensured is obtained. Then, for example, a manifold having a sealing property can be configured by extending the cylindrical body to the side opposite to the heat exchange flow path forming portion or joining another cylindrical member.
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における積層境界を経由したリークを効果的に防止することができる。なお、積層コアと筒状体との接合(方法)としては、例えばロウ付けや拡散接合等を用いることができる。また、第1及び第2熱交換媒体は、気相であっても液相であっても良い。
また、本熱交換器では、ケースは、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、積層コアを全体として外側から覆っている。このケースは、積層コアにおける熱交換流路形成部(熱交換部)の積層部分を収容した熱交換部収容部に対し、積層コアにおける上記した4つの突出部(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出口流路形成部の各積層部分)を収容する筒状体が一体に設けられており、かつ、各筒状体の内面が全周に亘り対応する突出部に接合されているため、各接合部に対する熱交換流路形成部側で積層コアの積層境界からのリークが生じても、リークした熱交換媒体は接合部によってケース外にまでリークすることが防止される。
As described above, in the heat exchanger according to the first aspect, it is possible to effectively prevent the leakage through the lamination boundary in the laminated core in which the plurality of unit members are laminated. In addition, as joining (method) of a laminated core and a cylindrical body, brazing, diffusion joining, etc. can be used, for example. Further, the first and second heat exchange media may be in the gas phase or in the liquid phase.
Further, in the present heat exchanger, the case is configured such that the first heat exchange medium flows from each first inlet channel forming unit side to the first outlet channel forming unit side, and from each second inlet channel forming unit side. The laminated core as a whole is covered from the outside so as to allow the second heat exchange medium to flow to the second outlet flow path forming part side. In this case, the four protrusions (the first inlet flow path forming portion, the first core flow passage forming portion, and the heat exchange portion accommodating portion that accommodates the laminated portion of the heat exchange flow path forming portion (heat exchanging portion) in the laminated core. A cylindrical body that accommodates the first outlet channel forming part, the second inlet channel forming part, and the second outlet channel forming part) is integrally provided, and each cylindrical body Since the inner surface is joined to the corresponding projecting part over the entire circumference, even if a leak occurs from the lamination boundary of the laminated core on the heat exchange flow path forming part side with respect to each joined part, the leaked heat exchange medium is not joined. This prevents leakage outside the case.
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、前記筒状体は、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端に対し前記熱交換流路形成部とは反対側に突出したマニホルド部を有する。 The heat exchanger according to a second aspect of the present invention is the heat exchanger according to the first aspect, wherein the cylindrical body includes the first inlet flow path forming portion, the first outlet flow path forming portion, and the second inlet flow. It has a manifold part which protrudes on the opposite side to the heat exchange channel formation part to the opening end of a channel formation part or the 2nd exit channel formation part.
請求項2記載の熱交換器では、例えば筒状体を熱交換流路形成部とは反対側に延設したり、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、熱交換媒体の流入部、流出部と積層コアとの間のシール性が確保される。 In the heat exchanger according to claim 2, for example, the cylindrical body is extended to the side opposite to the heat exchange flow path forming portion, or another cylindrical member is joined, thereby opening the protruding portion. A manifold portion is formed that protrudes to the opposite side of the heat exchange flow path forming portion from the end. Thereby, the sealing performance between the inflow portion and the outflow portion of the heat exchange medium and the laminated core is ensured.
上記目的を達成するために請求項3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導入された第1熱交換媒を前記第1出口流路形成部から流出するように流通させる第1流路と、前記第2入口流路形成部から導入された第2熱交換媒体を前記第1出口流路形成部から流出するように流通させる第2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ている積層コアと、前記積層コアの外形に対応して形成され、該積層コアを収容すると共に内面の一部において該積層コアに熱交換媒体の流れ方向との交差面に沿う全周に亘って接合されたケースと、を備え、前記ケースは、前記積層コアの第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出口流路形成部の各積層部分に、それぞれ内面が熱交換媒体の流れ方向との交差面に沿う全周に亘って接合されている。 In order to achieve the above object, a heat exchanger according to a third aspect of the present invention includes a heat exchange channel forming unit, a first inlet channel forming unit, a first outlet channel forming unit, and a second inlet channel forming unit. And by stacking a plurality of unit members in which the second outlet channel forming part is independently extended along the same plane, the first heat exchange medium introduced from the first inlet channel forming part is The first flow path that flows so as to flow out from the first outlet flow path forming section, and the second heat exchange medium introduced from the second inlet flow path forming section flows out from the first outlet flow path forming section. And the second flow path to be circulated is formed corresponding to the outer shape of the laminated core adjacent to the laminated core through the heat exchange flow path forming portion of the unit member, and accommodates the laminated core Part of the inner surface is joined to the laminated core over the entire circumference along the plane intersecting the flow direction of the heat exchange medium. And cases, wherein the case includes a first inlet passage formation portion of the laminated core, a first outlet passage formation portion, a second inlet passage formation portion, and each lamination of the second outlet passage formation portion The inner surface is joined to each part over the perimeter along the intersection surface with the flow direction of the heat exchange medium .
請求項3記載の熱交換器では、積層コアは、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がそれぞれ異なる方向(側)に突出した突出部を有する。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なるように、全体としてケースに収容されている。
The heat exchanger according to
ケースは、その内面において積層コア(熱交換流路形成部の積層部分又は突出部)の外面(外周)に接合されているので、突出部における各流路形成部の熱交換媒体の入口又は出口である開口端面に接合する構成と比較して、大きな接合面積で(熱交換媒体の流れ方向の接合幅を確保して)接合することができる。これにより、シール性が確保される接合構造が得られる。そして、例えば、ケースにおける突出部を収容する部分を熱交換流路形成部とは反対側に延設したり、筒状部材を接合したりすることで、シール性を確保したマニホルドを構成することができる。 Since the case is joined to the outer surface (outer periphery) of the laminated core (the laminated portion or the protruding portion of the heat exchange flow path forming portion) on the inner surface, the inlet or outlet of the heat exchange medium of each flow path forming portion in the protruding portion Compared with the structure which joins to the opening end surface which is, it can join with a large joining area (ensure the joining width of the flow direction of a heat exchange medium). Thereby, the joining structure in which sealing performance is ensured is obtained. And, for example, a manifold that secures sealing performance is configured by extending a portion of the case that accommodates the protruding portion to the opposite side of the heat exchange flow path forming portion or joining a cylindrical member. Can do.
このように、請求項3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における積層境界を経由したリークを効果的に防止することができる。なお、積層コアとケースとの接合(方法)としては、例えばロウ付けや拡散接合等を用いることができる。また、第1及び第2熱交換媒体は、気相であっても液相であっても良い。 As described above, in the heat exchanger according to the third aspect, it is possible to effectively prevent the leakage through the lamination boundary in the laminated core in which the plurality of unit members are laminated. As the bonding (method) between the laminated core and the case, for example, brazing or diffusion bonding can be used. Further, the first and second heat exchange media may be in the gas phase or in the liquid phase.
また、本熱交換器では、ケースは、上記した4つの突出部(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出口流路形成部の各積層部分)を収容する筒状部分、それぞれの内面において全周に亘って対応する突出部に接合されているため、各接合部に対する熱交換流路形成部側で積層コアの積層境界からのリークが生じても、リークした熱交換媒体は接合部によってケース外にまでリークすることが防止される。 Further, in the present heat exchanger, the case includes the above-described four projecting portions (a first inlet channel forming unit, a first outlet channel forming unit, a second inlet channel forming unit, and a second outlet channel forming unit). Each of the laminated portions) is joined to the corresponding projecting portion over the entire circumference on each inner surface, so that from the laminated boundary of the laminated core on the heat exchange flow path forming portion side with respect to each joined portion Even if this leak occurs, the leaked heat exchange medium is prevented from leaking out of the case by the joint.
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、前記ケースは、前記積層コアの第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出口流路形成部の各積層部分に全周に亘って接合された4つの接合部に対する前記熱交換流路形成部側で、内面が熱交換媒体の流れ方向との交差面に沿う全周に亘って前記積層コアに接合されている。 A heat exchanger according to a fourth aspect of the present invention is the heat exchanger according to the third aspect , wherein the case includes a first inlet channel forming portion, a first outlet channel forming portion, and a second inlet of the laminated core. On the heat exchange flow path forming part side with respect to the four joint parts joined to the respective laminated portions of the flow path forming part and the second outlet flow path forming part over the entire circumference, the inner surface is the flow direction of the heat exchange medium. It is joined to the laminated core over the entire circumference along the intersecting surface.
請求項4記載の熱交換器では、上記した4つの突出部とケースとの接合部によって封止された積層コアの積層境界からケース内へのリーク領域(空間)が、これらの4つの接合部に対し内側に位置する接合部にて区画されているため、ケース外へのリークが一層効果的に防止される。特に、内側の接合部が外側の接合部にて封止されたリーク領域の内側に閉じたリーク領域を形成する構成では、ケース外へのリークがより一層効果的に防止される。 In the heat exchanger according to claim 4 , a leak region (space) from the lamination boundary of the laminated core sealed by the joint between the four protrusions and the case described above into the case is the four joints. Therefore, leakage to the outside of the case is more effectively prevented. In particular, in a configuration in which a leak region closed inside the leak region sealed by the outer joint is formed at the inner joint, leakage to the outside of the case is more effectively prevented.
請求項5記載の発明に係る熱交換器は、請求項3又は請求項4記載の熱交換器において、前記ケースは、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、及び第2出口流路形成部に対し前記熱交換流路形成部とは反対側に突出して開口するマニホルド部が一体に形成されている。 A heat exchanger according to a fifth aspect of the present invention is the heat exchanger according to the third or fourth aspect , wherein the case includes the first inlet flow passage forming portion, the first outlet flow passage forming portion, and the second. A manifold part is formed integrally with the inlet channel forming part and the second outlet channel forming part so as to protrude and open on the opposite side of the heat exchange channel forming part.
請求項5記載の熱交換器では、ケースには、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一体に形成されている。これにより、単に積層コアをケースに収容(接合)するだけで、熱交換媒体の流入部、流出部と積層コアとの間のシール性が確保されたマニホルドが構成される。 In the heat exchanger according to the fifth aspect , the case is integrally formed with a manifold portion that protrudes to the opposite side of the heat exchange flow path forming portion from the opening end of the protrusion portion. As a result, a manifold in which the sealing performance between the inflow portion and the outflow portion of the heat exchange medium and the laminated core is ensured simply by housing (joining) the laminated core in the case.
請求項6記載の発明に係る熱交換器は、請求項1〜請求項5の何れか1項記載の熱交換器において、前記ケースに接合され、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材をさらに備えた。 A heat exchanger according to a sixth aspect of the present invention is the heat exchanger according to any one of the first to fifth aspects, wherein the heat exchanger is joined to the case, and the first inlet flow path forming portion and the first outlet are joined. Further provided is a manifold member that forms a space communicating with the opening of the flow path forming portion, the second inlet flow path forming portion, or the second outlet flow path forming portion.
請求項6記載の熱交換器では、ケースにマニホルド部材を接合してマニホルドを構成又は拡大(拡張)する構造であるため、各熱交換媒体の流入側、流出側の流路形状に合わせたアジャスト部を容易に構成することができる(ケースの形状による制約がなくなる)。ケースにおける突出部を収容する部分(請求項3に従属する構成では、筒状部)は筒状に形成されているので、積層境界のない接合部における接合が実現され、シール性を確保しつつマニホルド部材を接合することができる。
In the heat exchanger according to claim 6, since the manifold is configured or expanded (expanded) by joining a manifold member to the case, the adjustment is made according to the shape of the flow path on the inflow side and the outflow side of each heat exchange medium. The part can be easily configured (there is no restriction due to the shape of the case). Since the portion of the case that accommodates the protruding portion (in the configuration dependent on
請求項7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〜請求項6の何れか1項記載の熱交換器が適用されている。 According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a heat exchange type reformer comprising a reforming channel for performing a reforming reaction for generating a hydrogen-containing gas from a reforming material introduced from the first inlet channel forming part side. Heating for supplying the heat for advancing the reforming reaction to the reforming channel by combusting the fuel supplied from the second inlet channel forming part side as the first heat exchange channel The heat exchanger according to any one of claims 1 to 6 , wherein a flow path is the second heat exchange flow path.
請求項7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、改質反応に伴う吸発熱(熱交換)による熱履歴の激しい積層コアからのガスリークが効果的に防止される。 In the heat exchange type reformer according to claim 7, in the reforming channel (first channel) into which the reforming raw material is introduced from the first inlet channel forming unit, the heating channel (second channel) is used. A reforming reaction is performed while receiving supply of combustion heat accompanying the combustion (performing heat exchange), and a hydrogen-containing gas is generated from the reforming raw material. Since the heat exchangers (structures) having the above-described structures are applied, gas leakage from the laminated core having a severe thermal history due to the heat absorption and heat generation (heat exchange) accompanying the reforming reaction is effectively prevented.
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における積層境界を経由したリークを効果的に防止することができるという優れた効果を有する。 As described above, the heat exchanger and the heat exchange type reformer according to the present invention are excellent in that leakage through a lamination boundary in a laminated core in which a plurality of unit members are laminated can be effectively prevented. Has an effect.
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。
A heat
(Overall configuration of fuel cell system)
FIG. 5 shows a system configuration diagram (process flow sheet) of the fuel cell system 11. As shown in this figure, the fuel cell system 11 includes a
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。
The
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。
As shown in FIG. 5, the heat
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。
The reforming reaction in the reforming
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。
C n H m + nH 2 O → nCO + (n + m / 2) H 2 ... (1)
C n H m + n / 2O 2 → nCO + m / 2H 2 ... (2)
CO + H 2 O⇔CO 2 + H 2 (3)
CO + 3H 2 CHCH 4 + H 2 O (4)
The main steam reforming reaction of the formula (1) in the reforming reaction is an endothermic reaction, and the reforming
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。
The heat
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。
The fuel cell system 11 includes a
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。
The reformed
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。
As described above, in the fuel cell system 11, hydrogen in the reformed gas generated in the reforming
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。
The fuel cell system 11 also includes a
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。
Further, the fuel cell system 11 includes a cooling
(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。
(Configuration of heat exchange type reformer)
2 shows a schematic overall configuration of the heat
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。
As shown in a partially exploded view in FIG. 4, the
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。
The
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。
Each of the
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。
Thereby, each
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。
The upstream side open end and the downstream side open end in the direction of arrow R of the portion formed between each
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。
Furthermore, each
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。
The
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。
And as above-mentioned, the lamination | stacking
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。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。
As shown in FIG. 1, the
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。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
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。
The case
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。
Therefore, the
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。
Further, in the
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。
A
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。
In the
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)にて封止された隙間Gが形成されている。また、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の幅(それぞれのガス流方向に沿った寸法)Wは、隙間Gの寸法に対し十分に大とされている。なお、矩形環状のロウ材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。
In this embodiment, each of the reforming inlet side
次に、第1の実施形態の作用を説明する。 Next, the operation of the first embodiment will be described.
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。
In the fuel cell system 11 having the above-described configuration, the hydrocarbon raw material, water vapor (cathode offgas) is supplied from the raw
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。
The reformed gas generated in the reforming
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。
With this power generation, in the
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。
On the other hand, the gas after the hydrogen in the reformed gas is consumed according to the amount of power generated along with the power generation is discharged from the
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。
As described above, in the fuel cell system 11, the hydrocarbon raw material is supplied to the heat
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。
In assembling the heat
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とが接合された熱交換型改質器10が得られる。
Next, the rectangular
ここで、熱交換型改質器10では、矩形筒状に形成された改質入口マニホルド連結部86の内面が、該改質入口マニホルド連結部86の内部に挿入された改質側導入流路部72の外周に改質入口側接合部102において接合されるため、該改質入口マニホルド連結部86と改質側導入流路部72との十分な接合面積、すなわちシール面積を確保することができる。そして、この改質入口マニホルド連結部86には、改質入口マニホルド94が一体に形成されているため、多数の改質側コア入口50Aに連通する改質入口マニホルド94を高いガスシール性を確保しつつ設ける構成が実現された。
Here, in the heat
また、同様に、多数の改質側コア出口50Bに連通する改質出口マニホルド96、多数の燃焼側コア入口50Cに連通する燃焼入口マニホルド98、多数の燃焼側コア出口50Dに連通する燃焼出口マニホルド100を高いガスシール性を確保しつつ設ける構成が実現された。
Similarly, a reforming
この点を比較例との比較でさらに説明する。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、マニホルド部材202と最上下層のプレート部58との接合は比較的良好に行うことができるものの、多数の外壁60が積層されて構成された部分の端面は、マニホルド部材202とのクリアランス(接合部の平滑性)の管理、すなわちロウ付けによるシール性を確保することが困難である。さらに、積層コア50の組立時のロウ付けによって、改質側コア入口50Aの開口端面には酸化被膜が形成されており、単位プレート部材54と単位プレート部材56との積層境界に存在する鋭角なくぼみへのロウ材の拡散が十分に行われず、ロウ付け接合部に空隙(巣)が形成されてしまうことが懸念される。一方で、改質側コア入口50Aの開口端面では、プレート部58、外壁60の厚みによって接合面積が制約されてしまうので、空隙が形成されてもシール性を確保するだけの接合面積を得ることが困難である。しかも、上記した酸化被膜を除去すること自体も困難である。
This point will be further described in comparison with a comparative example. In the heat
これに対して、熱交換型改質器10では、改質入口マニホルド連結部86の内面が改質側導入流路部72の外周に全周に亘って接合されるので、上記の通り接合幅Wをガス流方向に設定することができ、十分な接合面積を確保することができる。これにより、改質入口マニホルド94が設けられた改質入口マニホルド連結部86と積層コア50との間からのガスリークが防止される。説明は省略するが、他のマニホルド96、98、100についても同様に、積層コア50との間からのガスリークが防止される。
On the other hand, in the heat
しかも、熱交換型改質器10では、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が熱交換部収容部84と一体に形成されて積層コア50を全体として覆うケース52を構成しているため、積層コア50(熱交換型改質器10)において最も熱履歴の激しい熱交換型改質部70からの外部へのガスリークが防止される。すなわち、仮に熱交換型改質部70からガスリークが生じた場合でも、該ガスは積層コア50とケース52との各接合部102、104、106、108で封止された空間である隙間Gに保持され、ケース52外にリークすることが防止される。
Moreover, in the heat
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における積層境界を経由したガスリークを効果的に防止することができる。
As described above, in the heat
また、熱交換型改質器10では、各マニホルド94、96、98、100がケース52に一体に形成されているため、部品点数や接合工数の少ない簡単な構造で、ガスシール性の良好なマニホルドを設ける構成が実現された。
Further, in the heat
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。 Next, another embodiment of the present invention will be described. Parts and portions that are basically the same as those in the first embodiment or the previous configuration are denoted by the same reference numerals as those in the first embodiment or the previous configuration, and the description thereof is omitted. Sometimes omitted.
(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、隙間G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。
(Second Embodiment)
FIG. 6 is a perspective view corresponding to FIG. 2 showing a heat
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。
In this embodiment, the partition
これにより、図7に示される如く、隙間Gは、各区画接合部124、126、128、130で封止された内側隙間G1と、内側隙間G1の外側に位置する4つの外側隙間G2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、内側隙間G1は、第1内側隙間G1Aと第2内側隙間G1Bとに区画されている。
As a result, as shown in FIG. 7, the gap G is divided into an inner gap G1 sealed by the partition joints 124, 126, 128, and 130 and four outer gaps G2 positioned outside the inner gap G1. It is partitioned. Further, in this embodiment, the partition
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。
Other configurations of the
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、積層コア50とケース52との接合構造が複層化されているため、ケース52外へのガスリークが一層効果的に防止される。
Therefore, in 120 which concerns on 2nd Embodiment, the effect similar to the
すなわち、上記の通り最も熱履歴の激しい熱交換型改質部70から内側隙間G1にリークしたガスは、仮に改質入口側区画接合部124等でリークして外側隙間G2にリークしたとしても、さらに内側隙間G1のシール(改質入口側接合部102等)を経由しなくてはケース52の外部にリークすることができない。このように、熱交換型改質器120は、複層化した接合部にて多段シール構造を構成しているため、全体として逃しシール性が著しく向上している。また、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、対角区画接合部132による補強効果が大きい。これにより、熱交換型改質部70(積層コア50)における積層境界の変形が抑制され、ガスシール性が一層良好になる。
That is, as described above, even if the gas leaked from the heat
(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。
(Third embodiment)
FIG. 8 shows a heat
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。
The case 152 includes an
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。
Other configurations of the
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。
Therefore, in 150 which concerns on 3rd Embodiment, the effect similar to the
そして、熱交換型改質器150では、マニホルド部材154がケース152に接合されるため、マニホルド部材202が積層コア50の開口端面に直接的に接合される熱交換型改質器200のように接合部の平滑性や酸化被膜が問題になることがなく、ガスシール性を確保しつつ各マニホルド94、96、98、102を設けることができる。
In the heat
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。
In each of the above-described embodiments, an example in which the
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。
Further, in each of the above-described embodiments, an example in which the
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。
Furthermore, in each of the above-described embodiments, an example in which the
さらにまた、上記した各実施形態では、各マニホルド連結部86、88、90、92がケース52、152を構成する例を示したが、本発明はこれに限定されず、マニホルド連結部86、88、90、92がそれぞれ独立した部材(筒状体)であっても良い。
Furthermore, in each of the above-described embodiments, the example in which the
また、上記各実施形態では、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。
Further, in each of the above embodiments, the
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)
65 分割流路(第1流路)
67 分割流路(第2流路)
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)
84 熱交換部収容部
86 改質入口マニホルド連結部(筒状体)
88 改質出口マニホルド連結部(筒状体)
90 燃焼入口マニホルド連結部(筒状体)
92 燃焼出口マニホルド連結部(筒状体)
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)
150 熱交換型改質器
152 ケース
154 マニホルド部材
10 Heat exchange type reformer (heat exchanger)
18 reforming channel (first heat exchange channel)
20 Heating channel (second heat exchange channel)
50
58 Plate part (unit member)
58A Heat exchange
58C reformed gas outlet channel forming part (first outlet channel forming part)
58D Fuel inlet channel forming part (second inlet channel forming part)
58E Combustion exhaust gas outlet flow path forming part (second outlet flow path forming part)
65 Divided channel (first channel)
67 Divided flow path (second flow path)
70 Heat exchange type reforming part (stacked part of heat exchange flow path forming part)
72 reforming side introduction flow path part (lamination part of first inlet flow path forming part)
74 Reform-side outlet channel part (lamination part of first outlet channel forming part)
76 Reform-side introduction flow path section (stacked portion of second inlet flow path forming section)
78 reforming-side outlet channel part (stacked portion of second outlet channel forming part)
84 Heat exchange
88 Reformation outlet manifold connection (tubular body)
90 Combustion inlet manifold connection (tubular)
92 Combustion outlet manifold connection (tubular)
94 Reformation inlet manifold (manifold section)
96 Reformation outlet manifold (manifold section)
98 Combustion inlet manifold (manifold part)
100 Combustion outlet manifold (manifold part)
120 ・ 150 Heat exchange type reformer (heat exchanger)
150 heat exchange type reformer 152
Claims (7)
筒状に形成され、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の少なくとも1つを挿入させると共に、内面が挿入させた前記積層部分に全周に亘り接合された筒状体と、
を備え、
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それぞれ収容すると共に内面において収容した前記積層部分に接合された4つの前記筒状体が、それぞれ前記熱交換流路形成部の積層部分を収容した熱交換部収容部に一体的に設けられて、前記積層コアを全体として外側から覆うケースを構成している熱交換器。 The first inlet channel forming unit, the first outlet channel forming unit, the second inlet channel forming unit, and the second outlet channel forming unit are independently extended from the heat exchange channel forming unit along the same plane. Laminating the plurality of unit members thus formed, the first heat exchange channel that causes the first heat exchange medium flowing from the first inlet channel forming part to flow out to the first outlet channel forming part side, and A second heat exchange channel that causes the second heat exchange medium flowing in from the second inlet channel forming part to flow out toward the second outlet channel forming part is adjacent to the unit member via the heat exchange channel forming part of the unit member. A laminated core configured to include a plurality of heat exchange units,
Formed in a cylindrical shape, a laminated portion of the first inlet flow passage forming portion, a laminated portion of the first outlet flow passage forming portion, a laminated portion of the second inlet flow passage forming portion, and a second outlet flow passage formation in the laminated core A cylindrical body that is inserted over the entire circumference of the laminated part in which at least one of the laminated parts of the part is inserted and the inner surface is inserted;
Equipped with a,
The laminated portion of the first inlet channel forming portion, the laminated portion of the first outlet channel forming portion, the laminated portion of the second inlet channel forming portion, and the laminated portion of the second outlet channel forming portion in the laminated core, respectively. The four cylindrical bodies that are accommodated and joined to the laminated portion accommodated on the inner surface are integrally provided in a heat exchange portion accommodating portion that accommodates the laminated portion of the heat exchange flow path forming portion, respectively, The heat exchanger which comprises the case which covers a laminated core as a whole from the outside .
前記積層コアの外形に対応して形成され、該積層コアを収容すると共に内面の一部において該積層コアに熱交換媒体の流れ方向との交差面に沿う全周に亘って接合されたケースと、
を備え、
前記ケースは、前記積層コアの第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出口流路形成部の各積層部分に、それぞれ内面が熱交換媒体の流れ方向との交差面に沿う全周に亘って接合されている熱交換器。 The first inlet channel forming unit, the first outlet channel forming unit, the second inlet channel forming unit, and the second outlet channel forming unit are independently extended from the heat exchange channel forming unit along the same plane. Laminating the plurality of unit members thus formed, the first heat exchange channel that causes the first heat exchange medium flowing from the first inlet channel forming part to flow out to the first outlet channel forming part side, and A second heat exchange channel that causes the second heat exchange medium flowing in from the second inlet channel forming part to flow out toward the second outlet channel forming part is adjacent to the unit member via the heat exchange channel forming part of the unit member. A laminated core configured to include a plurality of heat exchange units,
A case that is formed corresponding to the outer shape of the laminated core, accommodates the laminated core, and is joined to the laminated core at a part of the inner surface over the entire circumference along the intersection with the flow direction of the heat exchange medium; ,
With
In the case, the inner surface of each laminated part of the first inlet channel forming portion, the first outlet channel forming portion, the second inlet channel forming portion, and the second outlet channel forming portion of the laminated core is heated. The heat exchanger joined over the perimeter along the crossing surface with the flow direction of the exchange medium .
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