JP2016205770A - 熱交換器、熱交換器の製造方法、および燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】熱交換器は、第1媒体を流入させる第1流入口22と、第1媒体を流出させる第1流出口とを有する中空の筐体部と、筐体部内を第1室と第2室とに区画する内部部材30と、第1媒体が流通する、第1室内に設けられた第1外部流路および第2室内に設けられた第2外部流路29と、を備え、内部部材は、第1流入口から流入した第1媒体を分流させる分流孔34と、分流された第1媒体を合流させる合流孔35と、第2媒体を流入させる第2流入口31と、第2媒体を流出させる第2流出口32と、第2媒体が流通する内部流路33と、を有しており、第1外部流路および第2外部流路は、第1室および第2室の周縁で内側に折り返される第1折り返し部を含み、内部流路は、内部部材の周縁で内側に折り返される第2折り返し部33cを含み、第1媒体と第2媒体との間で熱交換を行う。
【選択図】図5
Description
本発明者らは「背景技術」にて記載した特許文献1に係る熱交換器に関して鋭意研究したところ、燃焼ガスが流れる燃焼ガス配管は直線状に延設された構成を有する。このため、従来の熱交換器において燃焼ガスと発電用空気との熱交換性能を上げるためには、できるだけ燃焼ガス配管を長くする必要があり、熱交換器の小型化を図ることが困難となるという問題点があることを見出した。
(熱交換器の外観構成)
まず、図1〜図4を参照して実施の形態に係る熱交換器1の外観構成について説明する。図1は、実施の形態に係る熱交換器1の外観構成の一例を示す斜視図である。図1では、斜め前方から熱交換器1を見たときの外観構成を示している。なお、第1外部部材20が設けられている側を前方とし、第2外部部材21が設けられている側を後方とする。また、第1外部部材20および第2外部部材21の長手方向を縦方向とし短手方向を横方向とする。図2は、図1に示す熱交換器1の外観構成の一例を示す正面図である。図2では、前方から後方に向かって熱交換器1を見た場合の外観構成を示す。図3は、図1に示す熱交換器1の外観構成の一例を示す右側面図である。図4は、図1に示す熱交換器1の外観構成の一例を示す背面図である。図4では、後方から前方に向かって熱交換器1を見た場合の外観構成を示す。
ここで、図5〜図7を参照して熱交換器1の内部構造について説明する。図5および図6は、図1に示す熱交換器1の分解状態の一例を示す斜視図である。図5では、斜め前方から熱交換器1を見たときの分解状態を示している。図6では、斜め後方から熱交換器1を見たときの分解状態を示している。図7は、図2に示す熱交換器1のA−A断面を示す断面図である。
まず、第1流入口22と連結された外部の第1媒体用導入管(不図示)を通じて、筐体部2内に第1媒体が流入する。流入した第1媒体の一部は、分流孔34を通過して第2外部流路29を流通し、残余の第1媒体は、第1外部流路28を流通する。分流孔34によって第1外部流路28と第2外部流路29とにそれぞれ分流される第1媒体の流量は、例えば流入した第1媒体の流量のそれぞれ半分とすることができる。
次に、上記した構成を有する熱交換器1の組み立て方法について説明する。まず、熱交換器1を構成する部材の形状について説明する。上記したように、熱交換器1は、第1外部部材20、第2外部部材21、および内部部材30から構成されている。
以上のように、熱交換器1は、発電用空気と燃焼ガスとの間で熱交換可能な面積を大きくすることによって、要求される熱交換性能を維持しつつ小型化を図ることができる構成であり、内部流路33または外部流路(第1外部流路28および第2外部流路29)のいずれかの流路断面積を狭くし、圧力損失を上げることで熱交換性能をあげる構成ではない。このため、例えば、従来の二重管式熱交換器またはプレート式熱交換器などに比べて、流通する第1媒体または第2媒体の圧力損失を大幅に小さくすることができる。それゆえ、第1媒体または第2媒体を昇圧させ熱交換器1に供給させるための補機等を省略する、あるいは小型な補機を備える構成とすることができる。
熱交換器1が備える内部部材30に設けられた内部流路33は、上流側流路部33a、下流側流路部33b、および折り返し部33cから構成された略U字形状となる流路形状であった。しかしながら、内部流路33の流路形状はこれに限定されるものではなく、複数の折り返し部33cと、該折り返し部33cそれぞれに繋がる直線状の流路とから形成されたサーペンタイン形の流路としてもよい。
次に、本発明の実施の形態の実施例に係る熱交換器1について図9を参照して説明する。図9は、本発明の実施の形態の実施例に係る熱交換器1を備えた燃料電池システム100の要部構成の一例を概略的に示した図である。この実施例では、熱交換器1が燃料電池システム100に設けられた例を挙げて説明する。また、燃料電池システム100が備える燃料電池106としては、固体酸化物形燃料電池を例示する。
まず、燃料電池システム100について説明する。燃料電池システム100は、燃料ガス供給ポンプ102、水添脱硫器103、改質器104、空気熱交換器105、燃料電池106、水添脱硫器加熱部108、蒸発器109、予備熱交換器113、排気ガス流入部120、燃焼部123、断熱部124、筐体107を備えてなる構成である。また、各部間には流体が流通する様々な経路が設けられている。
C2H6S+2H2→2CH4+H2S ・・・(1)
H2S+ZnO→H2O+ZnS ・・・(2)
なお、付臭剤は、上述したDMSに限定されるものではなく、TBM(C4H10S)またはTHT(C4H8S)等の他の硫黄化合物であってもよい。
CnHm + (n/2)O2 → n・CO +(m/2)H2・・・(3)
(n,mは任意の自然数)
そして、この改質ガスを、改質ガス経路116を通じて燃料電池106に供給する。燃料電池106では、改質ガス経路116を通じて供給された改質ガスと、発電用空気経路110を通じて供給された発電用空気とを利用して発電反応を行う。
CnHm + n・H2O → n・CO +(m/2+ n)H2・・・(4)
(n,mは任意の自然数)
上述した式(4)で示される水蒸気改質反応は、式(3)で示される部分酸化改質反応と比較すると、同じ量の炭化水素(CnHm)から生成できる水素量がより多くなる。そのため、燃料電池106での発電反応に利用可能な改質ガスの流量が多くなる。また、式(4)に示す水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、式(3)に示す部分酸化改質反応による発熱と燃焼部123から排出された排気ガスが保有する熱、および燃焼部123からの輻射熱を利用し、水蒸気改質反応を進行させる。そして、改質器104の温度が例えば、600℃以上になれば、蒸気改質反応のみの運転に切り替えてもよい。
2 筐体部
20 第1外部部材
21 第2外部部材
22 第1流入口
23 第1流出口
24 第1熱伝導低減部
25 第2熱伝導低減部
26 第1貫通孔
27 第2貫通孔
28 第1外部流路
29 第2外部流路
30 内部部材
31 第2流入口
32 第2流出口
33 内部流路
33a 上流側流路部
33b 下流側流路部
33c 折り返し部
34 分流孔
35 合流孔
36 第1内部部材
37 第2内部部材
50 第1室
51 第2室
100 燃料電池システム
105 空気熱交換器
106 燃料電池
107 筐体
110 発電用空気経路
113 予備熱交換器
120 排気ガス流入部
121 排気ガス経路
123 燃焼部
Claims (7)
- 第1媒体を流入させる第1流入口と、該第1媒体を流出させる第1流出口とを有する中空の筐体部と、
前記筐体部内の空間を第1室と第2室とに区画する内部部材と、
前記第1流入口および前記第1流出口と連通し、前記第1媒体が流通する、前記第1室内に設けられた第1外部流路および前記第2室内に設けられた第2外部流路と、を備え、
前記内部部材は、
前記第1流入口から流入した前記第1媒体を前記第1外部流路と前記第2外部流路とに分流させる分流孔と、
分流された前記第1媒体を合流させる合流孔と、
第2媒体を流入させる第2流入口と、
前記第2媒体を流出させる第2流出口と、
前記第2流入口および前記第2流出口と連通し、前記第2媒体が流通する内部流路と、を有しており、
前記第1外部流路および前記第2外部流路は、前記第1室および前記第2室の周縁で内側に折り返される第1折り返し部を含み、前記内部流路は、前記内部部材の周縁で内側に折り返される第2折り返し部を含み、
前記第1外部流路および前記第2外部流路を流通する前記第1媒体と前記内部流路を流通する前記第2媒体との間で熱交換を行う熱交換器。 - 前記第1外部流路および前記第2外部流路における、前記第1流入口から前記第1折り返し部に至る往路と前記第1折り返し部から前記第1流出口に至る復路との間に、該往路を流通する前記第1媒体と該復路を流通する前記第1媒体との間での熱伝導を低減させる熱伝導低減部を備える請求項1に記載の熱交換器。
- 前記内部流路を形成する外周面の断面形状が、凹凸形状または波板形状である、請求項1または2に記載の熱交換器。
- 第1外部部材と、第1内部部材と、第2内部部材と、第2外部部材と、を備え、第1媒体と第2媒体との間で熱交換を行う熱交換器の製造方法において、
前記第1外部部材、前記第1内部部材、前記第2内部部材、および前記第2外部部材を、この順番に重ね合わせて接合する接合工程を含み、
前記接合工程は、
前記第1外部部材と前記第1内部部材とを接合させることで、前記第1外部部材と前記第2外部部材とによって形成される空間を区画して設けられる第1室を形成し、該第1室内に前記第1媒体を流通させる第1外部流路を形成させる工程と、
前記第1内部部材と前記第2内部部材とを接合させることで前記第2媒体を流通させる内部流路を形成させる工程と、
前記第2内部部材と前記第2外部部材とを接合させることで、前記第1外部部材と前記第2外部部材とによって形成される空間を区画して設けられる第2室を形成し、該第2室内に前記第1媒体を流通させる第2外部流路を形成させる工程と、を含む熱交換器の製造方法。 - 前記第1内部部材、前記第2内部部材、前記第1外部部材、および前記第2外部部材は、少なくともアルミニウム合金、マグネシウム合金、ステンレス鋼、および銅合金のうちの1つからなる絞り加工部品または切削加工部品により形成されており、
前記接合工程において、
前記第1内部部材、前記第2内部部材、前記第1外部部材、および前記第2外部部材それぞれにおける接合は、該第1内部部材、該第2内部部材、該第1外部部材、および該第2外部部材それぞれを溶接、ロウ付け、またはカシメにより行う請求項4に記載の熱交換器の製造方法。 - 前記第1内部部材と前記第2内部部材とは同一形状の部材であり、前記第1外部部材と前記第2外部部材とは同一形状の部材である、請求項4または5に記載の熱交換器の製造方法。
- 燃料ガスと空気とを用いて電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池の発電において未利用の燃料ガスを燃焼させ排ガスを生成する燃焼部と、
前記空気を第1媒体とし、前記排ガスを第2媒体として、該第1媒体と該第2媒体との間で熱交換を行う請求項1から3のいずれか1項に記載の熱交換器と、を備える燃料電池システム。
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