JP5809365B2 - 燃料電池用加湿熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用加湿熱交換器に関し、さらに詳しくは、過熱によるチューブの膨張が引き起されるとしても破損が容易に発生しないながらも、熱交換効率を向上させることができる燃料電池用加湿熱交換器に関する。

燃料電池は、炭化水素燃料に貯蔵された化学エネルギーを電気化学反応により電気エネルギーに直接変換する装置である。即ち、燃料電池は、燃料極における水素酸化反応と、空気極における酸素還元反応とにより化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。このような反応で電気を生産する燃料電池システムは、大きく燃料電池スタック、MBOP（Mechanical Balance of Plant）、EBOP（Electrical Balance of Plant）で構成される。燃料電池スタックは電気化学反応で電気を生産する構成であり、MBOPは燃料電池スタックで水素と酸素を供給する構成であり、EBOPは燃料電池スタックで生産した直流電気を交流電気に変換して必要な個所へ供給する構成である。

ところが、前述の燃料極における酸化反応のためには、燃料電池スタックの燃料極に水素を供給しなければならない。このような水素の供給のため、溶融炭酸塩燃料電池（MCFC）のような高温型燃料電池は、改質器を介し燃料電池用燃料（例えば、LNG）中の炭化水素を水素に改質する。ところが、改質器で引き起される改質反応は水を要する反応である。しかし、液状の水は改質触媒に損傷を与え得るため、改質器には燃料電池用燃料とともに気相の水が供給されなければならない。そして、水を気相に供給すれば、燃料電池用燃料と水がよく混合されるとのメリットもある。このように気相の水を供給するため、溶融炭酸塩燃料電池（MCFC）のような高温型燃料電池は、水を蒸発させて燃料電池用燃料と混合する加湿熱交換器を備える。

一方、このような加湿熱交換器には、従来多管式熱交換器（multi-tubular heat exchanger）のうち固定管板式熱交換器（fixed tube sheet heat exchanger）が主に用いられていた。固定管板式熱交換器は、図4で示している通り、長手方向に両側端に管板12（tube sheet）が備えられ、このような管板12の間にチューブ14が固定される構造を有している。しかし、このような構造により、従来の加湿熱交換器は、管板12とチューブ14との間の結合部分で破損が容易に発生するとの問題がある。

さらに詳述すれば、熱交換中に引き起されるチューブ14の過熱はチューブ14を主に軸方向（長手方向）に膨張させる。しかし、チューブ14は軸方向の終端で管板12と結合しているため、このような膨張は管板12により抑制されるしかない。このような膨張の抑制により、管板12とチューブ14との間の結合部分には応力が集中される。これに伴い、従来の固定管板式熱交換器は、管板12とチューブ14との間の結合部分で破損（または変形）が容易に発生するとの問題がある。

したがって、本発明は、前記のような問題点を解決するため案出されたものであって、本発明の課題は、過熱によるチューブの膨張が引き起されるとしても破損が容易に発生しないながらも、熱交換効率を向上させることができる燃料電池用加湿熱交換器を提供することにある。

本発明に係る燃料電池用加湿熱交換器は、長手方向に一端部分と他端部分にそれぞれガス流入口とガス流出口を有するボディ部と、ボディ部の内部に備えられ、ボディ部の長手方向に沿って螺旋形に巻き取られている第1チューブと、ボディ部の内部に備えられ、第1チューブの外側で第1チューブを取り囲みながらボディ部の長手方向に沿って螺旋形に巻き取られている第2チューブと、ガス流出口側に備えられ、第1チューブと第2チューブに燃料と水の混合物を供給する供給部と、ガス流入口側に備えられ、第1チューブと第2チューブから混合物を排出する排出部とを含む。

さらに、本発明に係る燃料電池用加湿熱交換器は、長手方向に一端部分と他端部分にそれぞれガス流入口とガス流出口を有するボディ部と、ボディ部の内部に備えられ、ボディ部の長手方向に沿って螺旋形に巻き取られている第1チューブと、第1チューブの中心を貫通し、ボディ部の長手方向に沿って延伸する流動拡散部と、ガス流出口側に備えられ、第1チューブに燃料と水の混合物を供給する供給部と、ガス流入口側に備えられ、第1チューブから混合物が排出される排出部とを含む。

本発明に係る燃料電池用加湿熱交換器は、内部のチューブが長手方向に沿って螺旋形に巻き取られているため、過熱によるチューブの膨張が引き起されるとしても、チューブがこのような膨張を容易に収容することができるので、破損が容易に発生しないだけでなく、一つのチューブが他の一つのチューブを取り囲んでいるため、またはチューブの中心を貫通する流動拡散部により高温のガスが外側に拡散されるため、熱交換面積が増加し、熱交換効率が向上され得るとの効果がある。

本発明の一実施形態に係る加湿熱交換器を示している正面図である。 図1の加湿熱交換器を示している側断面図である。 図2のA-A線に沿った断面図である。 従来の技術に係る加湿熱交換器を示している正面図である。

以下では、図を参照しつつ、本発明の好ましい実施形態を詳しく説明する。ところが、本発明が以下の実施形態によって制限されるか限定されるものではない。

図1は、本発明の一実施形態に係る加湿熱交換器を示している正面図であり、図2は、図1の加湿熱交換器を示している側断面図であり、図3は、図2のA-A線に沿った断面図である。図1と図2で示しているところのように、本実施形態に係る加湿熱交換器は基本的にボディ部110を含む。ボディ部110は、加湿熱交換器の胴体（shell）をなすものであって、長手方向（図1や図2を基準に上下方向）に一端部分と他端部分にそれぞれガス流入口112とガス流出口114を有する。

このようなガス流入口112に流入された高温のガスは、後述する第1チューブ120内の混合物を加熱する（そして、後述するところのように、第2チューブをさらに備える場合は、高温のガスが第2チューブ内の混合物も加熱する）。言い換えれば、ガス流入口112に流入されガス流出口114に流出される高温のガスは第1チューブ120内の混合物と熱交換を行い、このような熱交換により第1チューブ120内の混合物はその温度が上昇する。このような過程で混合物内の液状の水は気相の水に気化し、混合物内の燃料は適切な温度に加熱される。このように、第1チューブ120内の混合物（または第1チューブと第2チューブ内の混合物）を加熱する高温のガスは、燃料電池スタックの空気極から排気される空気極排気ガスであり得る。

参考までに、ガス流入口112とガス流出口114は、図1と図2で示す通り、ボディ部110の両側端にそれぞれ備えられるのが好ましい。このように備えられれば、ガスが一直線形に流動することができるので、ガスの円滑な流動に有利なためである。しかし、場合によっては、ガス流入口とガス流出口がボディ部の両側端部分辺りに備えられてもよい。このような場合は、ガス流入口とガス流出口がボディ部の長手方向と垂直な方向（図1と図2を基準に左右方向）に形成されてもよい。

一方、このようなボディ部110内には燃料（fuel）と水（water）の混合物が流れる第1チューブ120が備えられる。第1チューブ120は、図1と図2で示す通り、ボディ部110の長手方向に沿って螺旋形に巻き取られている。このように本実施形態に係るチューブ120は螺旋形の構造を有しているため、過熱されるとしても容易に破損されないとのメリットを有する。これに対しさらに詳述すれば、本実施形態に係るチューブ120は、一種のスプリングのような形状を有する。したがって、過熱によりチューブが膨張するとしても、本実施形態に係るチューブは、長手方向またはそれに垂直な方向にこのような膨張を容易に収容することができる。

例えば、本実施形態に係るチューブ120を内側へ押し込むか（すなわち、図2を基準に上側端または下側端から内側へ押し込むか）、または外側へ引き出すとしても（すなわち、図2を基準に上側端または下側端から外側へ引き出すとしても）、スプリングと似た形状により、本実施形態に係るチューブ120は、そのような加圧による変形を容易に収容することができる。このように本実施形態に係るチューブ120はスプリングと似た形状を有しているため、つまり、ボディ部110の長手方向に沿って螺旋形に巻き取られているため、過熱によりチューブ120が膨張するとしてもそのような膨張を容易に収容することができ、この結果で膨張を抑制する部分が殆どないので、つまり、応力が集中される部分が殆どないので容易に破損されない。

ところが、このようなチューブは二つが備えられてもよい。すなわち、本実施形態に係る加湿熱交換器は、第1チューブ120の外側で第1チューブ120を取り囲みながらボディ部110の長手方向に沿って螺旋形に巻き取られている第2チューブ130をさらに含むことができる。このように一つのチューブ130が他の一つのチューブ120を取り囲んでいれば、熱交換に一層有利である。これに対しさらに詳述すれば、加湿熱交換器の胴体をなすボディ部110は通常円柱状を有する。これに伴い、円柱状のボディ部110内に螺旋形に巻き取られている二つのチューブを設けると、一つのチューブを設けるときより熱伝達面積が増加するため、熱交換に一層有利である。すなわち、本実施形態に係る加湿熱交換器は、熱伝達面積を拡張させて熱交換効率を向上させるため、一つのチューブ130が他の一つのチューブ120を取り囲んでいる構造を採用している。

このとき、熱交換効率をさらに向上させるためには、図2で示しているところのように、第1チューブ120と第2チューブ130が互いに反対方向に巻き取られていることが好ましい。例えば、第1チューブ120が反時計方向に巻き取られていれば、第2チューブ130は時計方向に巻き取られているのが、熱交換効率の向上との側面でより好ましい。これに対しさらに詳述すれば、ガス流入口112に流入された高温のガスが不規則に流れるほど熱交換に有利である。何故ならば、高温のガスが不規則に流れると、高温のガスとチューブとの間の接触可能性が高くなるためである。言い換えれば、高温のガスが規則的に（例えば、一直線形に、または層流で）流れると、高温のガスがチューブと接触しないままガス流出口114に排出される可能性が高くなる。

したがって、高温のガスが可能な不規則な形態に（例えば、乱流で）流れるようにするのが、熱交換効率の向上との側面で好ましい。そして、このように高温のガスが不規則な形態に流れるためには、第1チューブ120と第2チューブ130が互いに反対方向に巻き取られているのが好ましい。第1チューブ120と第2チューブ130が互いに反対方向に巻き取られていれば、互いに同じ方向に巻き取られているときよりガスの流れがさらに妨げられるため、高温のガスが一層不規則に流れることができる。

結局、本実施形態に係る加湿熱交換器は、二つのチューブ120、130が互いに反対方向に巻き取られているため、ガス流入口112に流入されたガスが一層不規則に流動することができ、このような不規則な流動により高温のガスが一層広い面積でチューブ120、130と接触することができ、この結果で熱交換効率が向上され得る。

一方、第1チューブ120と第2チューブ130へ燃料と水の混合物を供給するため、本実施形態に係る加湿熱交換器は供給部140を含む。このような供給部140は、燃料が供給される燃料供給口142と、水が供給される水供給口144と、燃料供給口142からの燃料と水供給口144からの水とが混合される混合部146とを含む。混合部146は、燃料と水が混合され得るよう、内部に空の空間を有することで十分である。例えば、燃料が流れる管に単に水が流れる管を連結した構造であるとしても、燃料が流れる管と水が流れる管とが合う部分は一種の混合部になり得る。

そして、このような混合部146には、第1チューブ120と第2チューブ130が連結される。このような連結は、直接的になされてもよく、他の管を介し間接的になされてもよい。このような構成により、燃料供給口142から供給された燃料と水供給口144から供給された水とは、混合部146で混合されたあと第1チューブ120と第2チューブ130に供給され得る。

このように供給部140を介しチューブ120、130に供給された燃料と水の混合物は、ボディ部110の内部で高温のガスと熱交換を行ったあと、排出部150を介しボディ部110の外部へ排出される。このような排出部150は、集合管152と排出管154を含む。集合管152は、第1チューブ120からの混合物と第2チューブ130からの混合物とが集合される管であり、排出管154は、集合管152と連結され集合管152に集まった混合物をボディ部110の外部へ排出する管である。ところが、集合管152も前述の混合部146と同様に、第1チューブ120と第2チューブ130からの混合物を収容することができるよう内部に空の空間を有することで十分である。例えば、排出管に単に第1、2チューブが連結された構造であるとしても、排出管と第1、2チューブの合う部分は一種の集合管になり得る。

このような供給部140及び排出部150は、前述のガス流入口112及びガス流出口114と互いに逆に配置される。すなわち、本実施形態では、図2で示す通り、供給部140がガス流出口114側に備えられ、排出部150がガス流入口112側に備えられる。このように配置すれば、供給部140から排出部150までの低温流体（燃料と水の混合物）の流れと、ガス流入口112からガス流出口114までの高温流体（高温ガス）の流れとが互いに反対方向に形成され得る。このように、本実施形態に係る加湿熱交換器では、高温流体（高温のガス）と低温流体（燃料と水の混合物）の流れが互いに反対方向である。

一方、第1チューブ120と第2チューブ130は、図2で示す通り、供給部140側でボディ部110と結合され排出部150側で集合管152と結合される。このように結合されれば、過熱による破損が容易く発生しない。これに対しさらに詳述すれば、過熱による膨張は一般にチューブの結合部分で抑制されるため、このような結合部分に応力が集中される。

ところが、このような結合部分が、本実施形態でのように長手方向に両側端に位置すれば、過熱による膨張が結合部分で抑制される前に既にスプリング形状の部分でそのような膨張を収容してしまう。すなわち、結合部分の間のスプリング形状部分で過熱による膨張を大部分収容してしまうため、実際に結合部分に加えられる応力は非常に微々たるものである。これに伴い、本実施形態のように、チューブが供給部140側でボディ部110と結合され排出部150側で集合管152と結合されれば、過熱による破損が殆ど発生しない。

一方、本実施形態に係る加湿熱交換器は、第1チューブ120の中心を貫通し、ボディ部110の長手方向に沿って延伸する流動拡散部160を含む。前述の通り、本実施形態に係る加湿熱交換器は、熱伝達面積を十分確保するため、第1チューブ120の外側に第2チューブ130をさらに配置することができる。しかし、このように第2チューブ130をさらに配置するとしても、第1チューブ120の中心をそのまま通り過ぎる高温のガスにより熱損失が発生することは防ぎ難い。このような熱損失を防止すべく、本実施形態に係る加湿熱交換器は、第1チューブ120の中心に流動拡散部160を備える。このように流動拡散部160が備えられれば、高温のガスが第1チューブ120の中心を通り過ぎることができないため、つまり、高温のガスが流動拡散部160により外側へ拡散されるため、高温のガスがさらに多くチューブ120、130と接触することができる。

ところが、このような流動拡散部160は、可能な限りその重量が小さいことがより好ましい。重量が重ければ重いほど、その設置や維持が困難なためである。本実施形態では、重量を低減させるため、流動拡散部160を内部が空の円柱状に形成することができる。但し、このように流動拡散部160を形成すれば、高温のガスにより流動拡散部内部の空気が膨張することがあり、このような膨張で流動拡散部160が破損されることもあり得る。このような破損を防止すべく、本実施形態に係る流動拡散部160には排出孔（図示省略）が形成されてもよい。このように排出孔が形成されれば、内部の空気が外部へ排出され得るため、膨張による流動拡散部160の破損を防止可能である。

そして、このような排出孔は、ガス流出口114側に流動拡散部160の終端部分（図2を基準に流動拡散部の上部）に形成されるのが好ましい。このように形成されれば、内部の空気がより自然に流動拡散部160の外部へ排出され得る。さらに、このように形成されれば、排出孔により流動の拡散が妨げられる問題が発生しないことがあり得る。つまり、排出孔が図2を基準に流動拡散部160の下部に形成されれば、高温のガスが正常に拡散されず排出孔に流入される問題が発生することもあり得る。

本発明は、過熱によるチューブの膨張が引き起されるとしても破損が容易に発生しないながらも、熱交換効率を向上させることができる燃料電池用加湿熱交換器に関するものであって、産業上の利用可能性がある。

Claims (9)

1. 長手方向に一端部分と他端部分にそれぞれガス流入口とガス流出口を有するボディ部と、
   前記ボディ部の内部に備えられ、前記ボディ部の長手方向に沿って螺旋形に巻き取られている第1チューブと、
   前記ボディ部の内部に備えられ、前記第1チューブの外側で前記第1チューブを取り囲みながら前記ボディ部の長手方向に沿って螺旋形に巻き取られている第2チューブと、
   前記ガス流出口側に備えられ、前記第1チューブと前記第2チューブに燃料と水の混合物を供給する供給部と、
   前記ガス流入口側に備えられ、前記第1チューブと前記第2チューブから前記混合物を排出する排出部と、
   前記ボディ部の長手方向に沿って延伸し、前記第1チューブの中心を貫通する円柱状の流動拡散部とを含み、
   前記流動拡散部は、内部が空の円柱状を有し、前記ガス流出口側の終端部分に内部の空気が排出される排出孔が形成されていることを特徴とする燃料電池用加湿熱交換器。
2. 前記供給部は、前記燃料が供給される燃料供給口と、前記水が供給される水供給口と、前記燃料供給口からの燃料と前記水供給口からの水とが混合され、前記第1チューブと第2チューブが連結される混合部とを含むことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用加湿熱交換器。
3. 前記排出部は、前記第1チューブからの混合物と前記第2チューブからの混合物とが集合される集合管と、前記集合管と連結され前記混合物を前記ボディ部の外部へ排出する排出管とを含むことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用加湿熱交換器。
4. 前記第1チューブと前記第2チューブは、前記供給部側で前記ボディ部と結合され、前記排出部側で前記集合管と結合されることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池用加湿熱交換器。
5. 長手方向に一端部分と他端部分にそれぞれガス流入口とガス流出口を有するボディ部と、
   前記ボディ部の内部に備えられ、前記ボディ部の長手方向に沿って螺旋形に巻き取られている第1チューブと、
   前記第1チューブの中心を貫通し、前記ボディ部の長手方向に沿って延伸する流動拡散部と、
   前記ガス流出口側に備えられ、前記第1チューブに燃料と水の混合物を供給する供給部と、
   前記ガス流入口側に備えられ、前記第1チューブから前記混合物が排出される排出部と
   を含み、
   前記流動拡散部は、内部が空の円柱状を有し、前記ガス流出口側の終端部分に内部の空気が排出される排出孔が形成されていることを特徴とする燃料電池用加湿熱交換器。
6. 前記ボディ部の内部に備えられ、前記第1チューブの外側で前記第1チューブを取り囲みながら前記ボディ部の長手方向に沿って螺旋形に巻き取られている第2チューブをさらに含み、前記供給部は、前記第1チューブとともに前記第2チューブへ前記混合物を供給し、前記排出部は、前記第1チューブとともに前記第2チューブから前記混合物を排出することを特徴とする請求項5に記載の燃料電池用加湿熱交換器。
7. 前記第2チューブは、前記第1チューブと反対方向に巻き取られていることを特徴とする請求項6に記載の燃料電池用加湿熱交換器。
8. 前記供給部は、前記燃料が供給される燃料供給口と、前記水が供給される水供給口と、前記燃料供給口からの燃料と前記水供給口からの水とが混合され、前記第1チューブと第2チューブが連結される混合部とを含むことを特徴とする請求項6に記載の燃料電池用加湿熱交換器。
9. 前記排出部は、前記第1チューブからの混合物と前記第2チューブからの混合物とが集合される集合管と、前記集合管と連結され前記混合物を前記ボディ部の外部へ排出する排出管とを含むことを特徴とする請求項6に記載の燃料電池用加湿熱交換器。