(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱エネルギーの異なる媒体同士間で熱交換を行う熱交換器、熱交換器の製造方法、および燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、保有する熱エネルギーの異なる２つの流体（媒体）間で熱エネルギーを交換するために、例えば、プレート式熱交換器または二重管式熱交換器等の熱交換器が用いられている。
【０００３】
また、熱交換器の応用例としては、例えば、燃料電池ユニット内に設けられる熱交換器が提案されている。この熱交換器は、発電に利用されなかったガスの燃焼により発生する燃焼ガスの熱により、セルの発電反応に使用する酸化剤ガスを加熱する（例えば、特許文献１）。
【０００４】
特許文献１に開示された熱交換器は、加熱される酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路と、酸化剤ガスの流れを蛇行状にする複数のガイド部と、酸化剤ガスを導入する酸化剤ガス導入部と、燃料電池セル集合体へ供給する複数の酸化剤ガス導出部と、を備えている。また、酸化剤ガスの流れを制限する開口部を、ガイド部より下流側でかつ、酸化剤ガス流路の下流側端部に備える。開口部は、この開口部から各酸化剤ガス導出部への各距離が全て等しくなるように形成されている。これにより、酸化剤ガスの流路を蛇行させた熱交換器において、酸化剤ガスを各燃料電池セルに均等に供給することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−２１１２０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、一例として、低コストでかつ小型化を図ることができる熱交換器、熱交換器の製造方法、および燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の熱交換器の一態様（ａｓｐｅｃｔ）は、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。
【０００８】
本発明の熱交換器の製造方法の一態様は、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、第１外部部材と第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、第１外部部材と第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。
【０００９】
本発明の燃料電池システムの一態様は、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上記した本発明の一態様の熱交換器と、を備える。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の一態様に係る熱交換器、熱交換器の製造方法、および燃料電池システムによれば、低コストでかつ小型化を図ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、実施の形態に係る熱交換器の外観構成の一例を示す斜視図である。
【図２】図２は、図１に示す熱交換器の外観構成の一例を示す正面図である。
【図３】図３は、図１に示す熱交換器の外観構成の一例を示す右側面図である。
【図４】図４は、図１に示す熱交換器の外観構成の一例を示す背面図である。
【図５】図５は、図１に示す熱交換器の分解状態の一例を示す斜視図である。
【図６】図６は、図１に示す熱交換器の分解状態の一例を示す斜視図である。
【図７】図７は、図２に示す熱交換器のＡ−Ａ断面を示す断面図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態に係る熱交換器の製造方法一例を示すフローチャートである。
【図９】図９は、本発明の実施の形態の実施例に係る熱交換器を備えた燃料電池システムの要部構成の一例を概略的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（本発明の一形態を得るに至った経緯）
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。
【００１３】
また、発電用空気流路には複数のガイド板が設けられており、これらのガイド板によって発電用空気が蛇行状に流れる構成としている。このためガイド板を発電用空気流路中に別途、設ける必要がありコストがかかる点を見出した。また、燃焼ガスが流れる領域は、複数の燃焼ガス配管から構成されている。このため複数の燃焼ガス配管を準備する必要がありコストがかかる点を見出した。
【００１４】
また、特許文献１に係る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、燃焼ガス配管を流通する燃焼ガスの単位時間当たりの流量を大きくする必要があり、圧力損失が高くなることを見出した。さらには、発電用空気流路中をできるだけ発電用空気が均一に流通するためには、ある程度の流速が必要となり、発電用空気流路においても圧力損失が高くなることを見出した。このため、燃焼ガスおよび発電用空気を流通させるためにコンプレッサー等の補機が必要となる場合がありコストがかかる点を見出した。
【００１５】
そこで、本発明者らは、低コストでかつ小型化を図ることができる熱交換器について鋭意検討した。その結果、以下の知見に至った。
【００１６】
すなわち、本発明者らは、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点を見出した。また、発電用空気流路と燃焼ガス配管の構成を簡易な構成とすることで低コスト化を実現できる点を見出し、本発明に至った。そして、本発明では具体的には以下に示す態様を提供する。
【００１７】
本発明の第１の態様に係る熱交換器は、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。
【００１８】
上記した構成によると、本発明の第１の態様に係る熱交換器は、分流孔を備えるため、内部流路の第１室側と第２室側とにそれぞれ第１媒体を流入させることができる。また、第１外部流路および第２外部流路が第１折り返し部を含み、内部流路が第２折り返し部を含む形状であるため、これら折り返し部を含まず直線状の流路形状としたときより流路長を長くすることができる。
【００１９】
したがって、第１外部流路および第２外部流路を流通する第１媒体と内部流路を流通する第２媒体との間で熱交換可能な領域の面積を、例えば、特許文献１に開示された熱交換器または２重管式熱交換器のように直線形状の流路で構成された同じサイズの熱交換器と比べて大きくすることができる。それゆえ、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。
【００２０】
また、第１の態様に係る熱交換器は、分流孔、合流孔、第１外部流路、第２外部流路、および内部流路という簡易な部材から構成されるため、少ない製作工数で製作できる。それゆえ、製作に必要なコストを低減させることができる。また、第１の態様に係る熱交換器は、第１媒体と第２媒体との間で熱交換可能な面積を大きくすることで要求される熱交換性能を維持する構成であり、第１媒体または第２媒体の流速を上げて要求される熱交換性能を維持する構成ではない。このため、第１媒体または第２媒体を供給するための補機を省略する、あるいは小型で簡易なものとすることができコストを低減できる。
【００２１】
したがって、第１の態様に係る熱交換器は、低コストでかつ小型化を図ることができるという効果を奏する。
【００２２】
また、本発明の第２の態様に係る熱交換器は、上記した第１の態様において、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、該往路を流通する第１媒体と該復路を流通する第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ように構成されていてもよい。
【００２３】
上記構成によると第１外部流路および第２外部流路において、それぞれの往路と復路との間に熱伝導低減部が備えられるため、往路を流通する第１媒体と復路を流通する第２媒体との間での熱移動を低減させることができる。このため、例えば、所望の温度まで加熱された復路を流通する第１媒体が、所望の温度よりも低い温度で往路を流通する第１媒体に熱を奪われるような事態が生じることを防止することができる。
【００２４】
また、本発明の第３の態様に係る熱交換器は、上記した第１または第２の態様において、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ってもよい。
【００２５】
上記した構成によると、内部流路を形成する外周面の表面積を大きくすることができ、結果として第１媒体と第２媒体との間における熱交換可能な領域の面積を大幅に増加させることができる。
【００２６】
本発明の第４の態様に係る熱交換器の製造方法は、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。
【００２７】
上記方法では、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という簡易な製造方法により、第１媒体を流通させる第１外部流路部および第２外部流路部と、第２媒体を流通させる内部流路部とを形成することができる。このため、熱交換器の製造コストを低減させることができる。
【００２８】
また、内部部材で区画された第１室の第１外部流路と第２室の第２外部流路とを第１媒体が流通し、第１外部流路と第２外部流路とによって挟まれた位置にある内部部材の内部流路を第２媒体が流通する。このため、第１媒体と第２媒体との間で熱交換可能な領域の面積を大きくすることができ、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。
【００２９】
したがって、第４の態様に係る熱交換器の製造方法は、熱交換器を低コストで製作し、かつ熱交換器の小型化を図ることができるという効果を奏する。
【００３０】
また、本発明の第５の態様に係る熱交換器の製造方法は、上記した第４の態様において、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ってもよい。
【００３１】
また、本発明の第６の態様に係る熱交換器の製造方法は、上記した第４または第５の態様において、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ってもよい。
【００３２】
上記構成によると、第１内部部材と第２内部部材、ならびに第１外部部材と第２外部部材はそれぞれ同じ加工部品または同じ金型の成型部品で構成することができる。このため、熱交換器の部品製作のために必要な加工工数、金型作成工数、および成型工数などを大幅に低減することが可能となる。したがって、熱交換器は製作工数を大幅に低減させることができ製作時間を抑え、低コスト化を図ることができる。
【００３３】
本発明の第７の態様に係る燃料電池システムは、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第１から第３の態様のいずれか１つの態様に記載の熱交換器と、を備える。
【００３４】
上記した構成によると、燃料電池システムは、熱交換器を低コストで製作できかつ小型化を図ることができるため、それに伴ってシステム全体の製作コストを抑え、かつ小型化を図ることができる。
【００３５】
したがって、第７の態様に係る燃料電池システムは、低コストでかつ小型化を図ることができるという効果を奏する。
【００３６】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は対応する構成部材には同一の参照符号を付して、その説明については省略する。
【００３７】
（実施の形態）
（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。
【００３８】
熱交換器１は、異なる温度の第１媒体と第２媒体との間で熱エネルギーを交換する。第１媒体および第２媒体としては、例えば、水や空気などの流体が挙げられる。図１に示すように熱交換器１は、筐体部２と、第１流入口２２と、第１流出口２３と、第２流入口３１と、第２流出口３２とを備えてなる構成である。また、図１では特に図示していないが、熱交換器１は、筐体部２の内部に内部部材３０をさらに備えている。
【００３９】
筐体部２は、第１媒体を流入させる第１流入口２２と、該第１媒体を流出させる第１流出口２３とを備えた、中空の容器である。筐体部２は、例えば、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いる。筐体部２の形状は任意であるが、図１では扁平な略直方体形状に形成されている構成を例示する。筐体部２は、図３に示すように、その前方側に配置された第１外部部材２０と、その後方側に配置された第２外部部材２１とを接合して形成されており、その内部には後述する内部部材３０が設けられる。
【００４０】
第１外部部材２０は、図２に示すようにその主面は縦方向が長手方向となる略長方形状をしている。第１外部部材２０の主面の周り（周縁部）には、図１、３に示すように後方側に立設された壁部によって囲まれている。第２外部部材２１は、図４に示すようにその主面は第１外部部材２０と同じ略長方形状をしている。そして、第２外部部材２１の主面の周り（周縁部）には、図１、３が示すように前方側に立設された壁部によって囲まれている。そして、第１外部部材２０および第２外部部材２１それぞれの壁部によって、筐体部２の左右の側面、上面、および底面を形成する。
【００４１】
第１流入口２２は、外部から第１媒体が流入するための管状部材であり、第１外部部材２０の主面に対して略垂直で筐体部２の前方側へ突出している。一方、第１流出口２３は、筐体部２内に流入した第１媒体が筐体部２内から外部に流出するための管状部材であり、第２外部部材２１の主面に対して略垂直で筐体部２の後方側に突出している。第１流入口２２は、第１外部部材２０に接合され、第１流出口２３は、第２外部部材２１に接合されている。
【００４２】
図２に示すように、筐体部２を正面視したとき第１流入口２２は、筐体部２の下方側であって横方向の一方の端部近傍（図２における右下角の近傍）に設けられている。また、第１流出口２３は、図４に示すように、筐体部２を背面視したときでは、第１流出口２３は、第１流入口２２と同様の右下角の近傍となる。したがって、筐体部２を正面視した場合、第１流出口２３は、背面視したときの位置を反転させた位置（筐体部２の左下角の近傍）となる。なお、第１流入口２２および第１流出口２３もまた、筐体部２と同様に、例えば、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することができる。
【００４３】
また、図２および図４に示すように筐体部２は、第２流出口３２を貫通させるための第１貫通孔２６と第２流入口３１を貫通させるための第２貫通孔２７が形成されている。そして、これら第１貫通孔２６および第２貫通孔２７をそれぞれ貫通し、内部部材３０が備える第２流入口３１および第２流出口３２が筐体部２の表裏それぞれの主面から突出している。
【００４４】
なお、図２および図３から明らかなように、筐体部２では、第１流入口２２、第１貫通孔２６、第１流出口２３、および第２貫通孔２７を一方向から見たとき、第１流入口２２および第１貫通孔２６を反転させた位置に第１流出口２３および第２貫通孔２７がくるようになっている。このため、図２および図４に示すように、第１外部部材２０と第２外部部材２１とは同じ形状の部材として形成することができる。
【００４５】
（熱交換器の内部構造）
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。
【００４６】
図５および図６に示すように、筐体部２の内部には内部部材３０が設けられている。なお、図５および図６では、内部部材３０を１つの部材として図示しているが、内部部材３０は、正面側に配置され、第２流出口３２を備えた第１内部部材３６と、背面側に配置され、第２流入口３１を備えた第２内部部材３７との２部材から構成される。つまり、第１内部部材３６と第２内部部材３７は同じ形状を有しており、表裏を逆にして張り合わせて形成される。なお、実施の形態に係る熱交換器１では、上記したように内部部材３０を２つの部材から構成してもよいし、一体として形成されていてもよい。
【００４７】
内部部材３０は、図７に示すように筐体部２内の空間を第１室５０と第２室５１とに区画する。第１室５０には、第１流入口２２から流入してきた第１媒体が流通する第１外部流路２８（図６参照）が形成され、第２室５１には、第１流入口２２から流入してきた第１媒体が流通する第２外部流路２９（図５参照）が形成されている。第１外部流路２８および第２外部流路２９それぞれは、第１流入口２２および第１流出口２３と連通している。そして、流路の途中に折り返し部分（第１折り返し部）を有しており、第１媒体が流通する。より具体的には、第１外部流路２８は、第１流入口２２から筐体部２の縦方向に、該筐体部２の上方に向かって延伸し、第１室５０の周縁（上方端部）における第１折り返し部で折り返され、該筐体部２の下方に向って合流孔３５まで延伸する略Ｕ字形状の流路となっている。また、第２外部流路２９は、分流孔３４から筐体部２の縦方向に、該筐体部２の上方に向かって延伸し、第２室５１の周縁（上方端部）における第１折り返し部で折り返され、該筐体部２の下方に向って第１流出口２３まで延伸する略Ｕ字形状の流路となっている。そして、第１外部流路２８および第２外部流路２９を第１媒体が流通する間に、後述する内部流路３３を流通する第２媒体と熱交換をする構成となっている。
【００４８】
また、図５および図６に示すように、第１外部部材２０の裏面（後方側の主面）において、第１外部流路２８の往路(第１流入口２２から第１折り返し部に至るまでの流路)を流通する第１媒体と、復路（第１折り返し部から第１流出口２３に至るまでの流路）を流通する第１媒体との間での熱伝導を抑制するために第１熱伝導低減部２４が設けられている。第２外部部材２１の裏面（前方側の主面）には、第２外部流路２９の往路を流通する第１媒体と、復路を流通する第２媒体との間での熱伝導を抑制するために第２熱伝導低減部２５が設けられている。
【００４９】
第１熱伝導低減部２４および第２熱伝導低減部２５それぞれは、筐体部２の横方向における中央部分を通り縦方向に延設された２つの壁のペアによって形成されている。これらの壁のペアは、後述するＵ字形状の内部流路３３の上流側流路部３３ａと下流側流路部３３ｂとの間でかつ、上流側流路部３３ａおよび下流側流路部３３ｂの延設方向に沿ってそれぞれ設けられている。そして、筐体部２を組み立てた際には、この第１熱伝導低減部２４によって第１外部流路２８の往路と復路との間に空気層を、第２熱伝導低減部２５によって第２外部流路２９の往路と復路との間に空気層を形成するように構成されている。
【００５０】
また、第１熱伝導低減部２４を構成する壁のペアは、第１外部部材２０の主面と、その主面の周縁部に設けられた壁部とともに、第１外部流路２８を形成するものでもある。同様に、第２熱伝導低減部２５を構成する壁のペアは、第２外部部材２１の主面と、その周縁部に設けられた壁部とともに、第２外部流路２９を形成するものでもある。
【００５１】
内部部材３０は、図５および図６に示すように、内部流路３３と、分流孔３４と、合流孔３５と、第２流入口３１と、第２流出口３２とを備えてなる構成である。図５および図６に示すように内部部材３０の主面の形状は、第１外部部材２０または第２外部部材２１の壁部によって取り囲まれた開口形状と一致するように形成されている。このため筐体部２の内部空間を第１室５０と第２室５１とに密閉した状態で区画することができる。
【００５２】
分流孔３４は、第１流入口２２から流入した第１媒体を第１外部流路２８と第２外部流路２９とに分流させる貫通孔である。分流孔３４の開口面積を調整することで、第１外部流路２８と第２外部流路２９とを流れる第１媒体の流量を調整することができる。図５および図６に示すように、分流孔３４は、内部部材３０における、第１流入口２２と対応する位置に設けられた貫通孔であり、第１外部流路２８と第２外部流路２９とを連通させる。なお、第１流入口２２と対応する位置とは、内部部材３０における、第１流入口２２と対向する位置またはその近傍であって、内部流路３３が設けられていない範囲を意味する。なお、第１流入口２２を介して流入した第１媒体が、第１外部流路２８と第２外部流路２９とにそれぞれ同じ流量で流れるように分流孔３４の開口面積が設定されている。すなわち、分流孔３４によって流入した第１媒体が半分ずつにそれぞれ第１外部流路２８と第２外部流路２９とに分流される。
【００５３】
合流孔３５は、第１外部流路２８と第２外部流路２９とに分流された第１媒体を合流させ、第１流出口２３から流出させるための貫通孔である。図５および図６に示すように、合流孔３５は、内部部材３０における、第１流出口２３と対応する位置に設けられた貫通孔であり、第１外部流路２８と第２外部流路２９とを連通させる。なお、第１流出口２３と対応する位置とは、内部部材３０における、第１流出口２３と対向する位置またはその近傍であって、内部流路３３が設けられていない範囲を意味する。
【００５４】
分流孔３４と合流孔３５とは、内部部材３０を例えば、その正面側から一方向に見たとき、内部部材３０の縦方向に延びる中心線に対して、左右対称となる位置に設けられ、同じ開口寸法を有する孔となる。
【００５５】
第２流入口３１は、外部から第２媒体が流入するための管状部材であり、内部部材３０の背面側の主面に対して延伸方向が略垂直となるように設けられている。そして、第２流入口３１は、第２外部部材２１の第２貫通孔２７を貫通し、筐体部２の後方に向かって突出している。
【００５６】
第２流出口３２は、筐体部２内に流入した第２媒体が筐体部２内から外部に流出するための管状部材であり、内部部材３０の正面側の主面に対して延伸方向が略垂直となるように設けられている。そして、第２流出口３２は、第１外部部材２０の第１貫通孔２６を貫通し、筐体部２の前方に向かって突出している。
【００５７】
例えば、筐体部２を正面視したとき、第２流入口３１は、筐体部２の下方側であって横方向において、第１流出口２３が設けられている側とは反対側端部に設けられる。一方、第２流出口３２は、筐体部２を正面視したとき、筐体部２の下方側であって横方向において第１流入口２２が設けられている側とは反対側端部に設けられている。
【００５８】
なお、図５および図６から明らかなように、第１内部部材３６と第２内部部材３７とは同じ形状の部材で形成することができ、一方を表裏が逆になるように反転させて接合させることで内部部材３０を構成する。
【００５９】
内部流路３３は、第１外部流路２８および第２外部流路２９と同じ方向に延伸し、内部部材３０の周縁（上方端部）で折り返した形状を有する、第２媒体が流通する流路である。内部流路３３は、内部部材３０の裏面側で第２流入口３１と連通し、正面側で第２流出口３２と連通している。図５および図６に示すように、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（第２折り返し部）３３ｃから構成されている。上流側流路部３３ａは、第２流入口３１と連通しており、内部部材３０の縦方向において上方に向かって直線状に延びる。下流側流路部３３ｂは、第２流出口３２と連通しており、内部部材３０の縦方向において下方に向かって直線状に延びる。折り返し部３３ｃは、上流側流路部３３ａと下流側流路部３３ｂとを連結し、上流側流路部３３ａを流通した第２媒体を折り返し、下流側流路部３３ｂに導く。このように内部流路３３はＵ字形状をした流路となっている。
【００６０】
内部流路３３では、例えば、上流側流路部３３ａおよび下流側流路部３３ｂの外周壁の断面形状が複数の凹凸部から構成された形状となっている。なお、この外周壁の断面形状は、この複数の凹凸部から構成される形状に限定されるものではない。例えば、外周壁の断面が波形となった波板形状であってもよい。あるいは、外周壁の外周面に複数のフィンが設けられた構成であってもよい。
【００６１】
なお、内部部材３０、内部流路３３、第２流入口３１、および第２流出口３２も例えば、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することができる。
【００６２】
上記した構成を有する熱交換器１は、第１外部流路２８および第２外部流路２９を流通する第１媒体と、内部流路３３を流通する第２媒体との間で熱交換を行うことができる。以下において、熱交換器１を流通する第１媒体および第２媒体の流れについて説明する。
【００６３】
（第１媒体および第２媒体の流れ）
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。
【００６４】
第１外部流路２８および第２外部流路２９を流通する第１媒体は、それぞれ筐体部２の下方から上方に向かって流れ、筐体部２の周縁部（上方端部）で折り返され内部部材３０の合流孔３５に至る。そして、第１外部流路２８を流通した第１媒体がこの合流孔３５を介して第２外部流路２９を流通した第１媒体と一緒になり、第１流出口２３と連結された外部の第１媒体用導出管（不図示）へと導かれる。なお、第１外部流路２８および第２外部流路２９を流通する第１媒体の流速と圧力損失は分流孔３４および合流孔３５の開口面積で調整できる。
【００６５】
一方、筐体部２において第１流入口２２とは反対側に第２流入口３１が設けられている。そして第２流入口３１は、第２媒体を筐体部２に供給させるための外部の第２媒体用導入管（不図示）と連結されている。第２媒体が第２流入口３１を介して内部流路３３内に流入すると、内部流路３３の上流側流路部３３ａを流れる。上流側流路部３３ａを流れた第２媒体は折り返し部３３ｃで折り返され、下流側流路部３３ｂを流通し、第２流出口３２と連結された外部の第２媒体用導出管（不図示）へと導かれる。
【００６６】
以上のように第１媒体が筐体部２の正面側から該筐体部２内に流入し、背面側から流出する。一方、第２媒体が筐体部２の背面側から該筐体部２内に流入し、正面側から流出する。また、第１外部流路２８および第２外部流路２９を流通する第１媒体と内部流路３３を流通する第２媒体との間において該内部流路３３を形成する外周面を介して熱交換され、熱エネルギーが高い媒体の方から低い媒体の方へと熱伝導する。つまり、内部流路３３を形成する外周面が、第１媒体と第２媒体との境界面となり、この境界面を介して第１媒体と第２媒体との熱交換が行われる。そして、熱交換器１における熱交換性能は、第１外部流路２８および第２外部流路２９を流れる第１媒体の流速と温度、内部流路３３を流れる第２媒体の流速と温度、構成材料に起因する境界面の熱伝導率、表面形状に起因する境界面の熱伝導率、境界面の表面積、第１外部流路２８および第２外部流路２９から熱交換器１の外部への放熱量により決定される。
【００６７】
ここで、第１媒体と第２媒体との間で熱交換が行われる範囲（境界面）は、内部流路３３の外周面である。さらに内部流路３３の外周面の断面形状は、上記したように凹凸となっている。このため、第１媒体と第２媒体との間での熱交換可能な範囲の表面積をできるだけ大きくなるように確保できる。
【００６８】
（組み立て方法）
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。
【００６９】
図２および図４に示すように、第１外部部材２０および第２外部部材２１は互いに同形状となっている。内部部材３０は、上記したように、同一形状の第１内部部材３６および第２内部部材３７を重ね合わせ形成している。したがって、熱交換器１を組み立てるにあたり、第１外部部材２０または第２外部部材２１となる部材と、第１内部部材３６または第２内部部材３７となる部材の２種類を用意すればよく、熱交換器１の製造コストを低減させることができる。
【００７０】
上記した形状を有する各部材を用意して上で、第１外部部材２０、第１内部部材３６、第２内部部材３７、および第２外部部材２１を、熱交換器１の正面側からこの順番に重ね合わせて接合する。以下、図８を参照して、熱交換器１の製造方法についての詳細を説明する。図８は、本発明の実施の形態に係る熱交換器１の製造方法一例を示すフローチャートである。
【００７１】
まず、第１外部部材２０と第１内部部材３６とを接合させる。これにより、第１室５０を形成し、この第１室５０内に第１媒体を流通させる第１外部流路２８を形成させる（ステップＳ１１）。このステップＳ１１の工程において、第１流入口２２が取り付けられることとなる。
【００７２】
次に、この第１内部部材３６と第２内部部材３７とを接合させる。これにより、第２媒体を流通させる内部流路３３を形成させる（ステップＳ１２）。また、第１内部部材３６と第２内部部材３７とを接合することで、内部流路３３とともに該内部流路３３と連通する第２流入口３１および第２流出口３２も取り付けられ、第２媒体の流通経路が完成する。さらにこのステップＳ１２の工程において、分流孔３４および合流孔３５も形成される。
【００７３】
次に、この第２内部部材３７と第２外部部材２１とを接合させる。これにより、第２室５１を形成し、第２室５１内に第１媒体を流通させる第２外部流路２９を形成させる（ステップＳ１３）。このステップＳ１３の工程において第１流出口２３が取り付けられることとなり、第１媒体の流通経路が完成する。
【００７４】
このように、第１外部部材２０、第１内部部材３６、第２内部部材３７、および第２外部部材２１の順番に重ね合わせて接合することで熱交換器１を組み立てることができるため第１媒体および第２媒体それぞれを流通させる流路を備えた熱交換器１を容易に製造することができる。なお、第１外部部材２０、第１内部部材３６、第２内部部材３７、および第２外部部材２１の接合は、それぞれの周縁部を溶接、ロウ付け、カシメ、または固定具などによる固定によって行ってもよい。
【００７５】
また、第１内部部材３６と第２内部部材３７とを接合する場合、これらの部材の縦方向に延びる中心線に沿って断続的に溶接または、ねじ締めをする構成としてもよい。この構成とすることで、第２媒体が上流側流路部３３ａの途中から漏れ、下流側流路部３３ｂの途中に流れ込むといった、第２媒体の流れのショートカットを防ぐことができる。このように、内部流路３３において第２媒体がショートカットして流れることを防ぐことができるため、熱交換器１における熱交換性能を向上させることができる。
【００７６】
また、熱交換器１では、第１媒体と第２媒体との間で熱交換可能な範囲は、第１媒体を流通させる第１外部流路２８および第２外部流路２９と、第２媒体を流通させる内部流路３３との接触範囲となる。また、この接触範囲は、内部流路３３の外周の表面積に略等しくなる。このため、内部流路３３の外周の表面積と、該外周を形成する外周壁材料の熱伝導率とにより第１媒体と第２媒体との間における熱交換量を設定できる。このため、内部流路３３の流路長と、その外周の凹凸形状とを適宜、調整することで、必要とされる熱交換量を確保できる。
【００７７】
また、熱交換器１では、内部流路３３、および第１外部流路２８と第２外部流路２９それぞれの流路形状は、流路が折り返された折り返し形状となっている。このため、流路を折り返さず直線状のままとするよりも、より長い流路長を確保することができる。また、分流孔３４により第１媒体を内部流路３３の正面側と背面側とに分流するとともに、内部流路３３の外周には凹凸形状が形成されているため、第１媒体と第２媒体との間で熱交換可能な範囲の面積がより大きくすることができる。このように、例えば、従来の二重管式熱交換器等に比べて熱交換可能な範囲の面積を大きくすることができ、一方向に延伸させる流路の長さを長くする必要がない。このため、本発明の実施の形態に係る熱交換器１は大幅な小型化が可能となる。
【００７８】
（熱交換器の効果）
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。
【００７９】
また、熱交換器１では、内部部材３０が分流孔３４を備える構成であった。このため、分流孔３４の開口面積の大きさにより第１外部流路２８および第２外部流路２９それぞれを流通する第１媒体の流量を調整することができ、その結果、第１媒体と第２媒体との間における熱交換量も調整することができる。このように、分流孔３４という簡易でかつ、少ない製作工数で形成できる構成により熱交換量を調整することができる。なお、上記ではこの分流孔３４によって第１流入口２２から流入した第１媒体がそれぞれ半分ずつに分流される構成であったが分流される割合はこれに限定されるものではない。第１媒体と第２媒体との間で要求される熱交換量に基づき、分流孔３４の開口面積を調整する構成としてもよい。
【００８０】
また、熱交換器１は、上記したように折り返し形状の第１外部流路２８および第２外部流路２９それぞれの往路と復路との間に第１熱伝導低減部２４および第２熱伝導低減部２５がそれぞれ設けられる構成であった。このため、第１外部流路２８および第２外部流路２９の往路を流通する第１熱媒体と復路を流通する第１媒体との間での熱移動を大幅に抑制することができる。このため、例えば、所望の温度まで加熱された復路を流通する第１媒体が、所望の温度よりも低い温度で往路を流通する第１媒体に熱を奪われるような事態が生じることを防止することができる。
【００８１】
また、熱交換器１では、内部流路３３、および第１外部流路２８と第２外部流路２９それぞれの流路形状は、上記したように折り返し形状となっている。このため、要求される熱交換性能を確保するにあたり、例えば、２重管式熱交換器のように一方向にのみ延伸した形状とする必要がなく、熱交換器１の縦横のアスペクト比を自在に調整することができる。このため、熱交換器１を所望の寸法形状とすることができる。
【００８２】
また、上記したように第１内部部材３６、第２内部部材３７、第１外部部材２０、および第２外部部材２１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いた。このため、上記した金属により熱伝導性を上げ、第１媒体と第２媒体との間における熱交換性能の向上を図ることができる。
【００８３】
また、熱交換器１では、内部部材３０が備える内部流路３３を形成する外周面の断面形状を凹凸形状とする構成であった。このため、内部流路３３を形成する外周面の表面積を大きくすることができ、結果として第１媒体と第２媒体との間における熱交換可能な領域の面積を大幅に増加させることができる。このため、熱交換器１は一層の小型化ならびに高効率化が可能となる。さらに、内部流路３３を形成する外周面によって第１媒体と第２媒体との境界を成しているが、この内部流路３３の外周面の断面形状を凹凸形状とすることにより、第１媒体および第２媒体それぞれの乱流化を促進させることができる。これにより、第１媒体と第２媒体との間における、熱伝達係数が大きくなり熱交換性能を大幅に向上させることが可能となる。なお、内部流路３３を形成する外周面の断面形状を凹凸形状としたがこれに限定されるものではなく、波板形状としてもよい。あるいは断面形状を凹凸または波形とするのではなく内部流路３３の外周面に複数のフィンも所定間隔ごとに設けた構成としてもよい。
【００８４】
また、熱交換器１では、上記したように第１内部部材３６および第２内部部材３７を同一形状の部材とすることできた。また、第１外部部材２０および第２外部部材２１も同一形状の部材とすることができた。このため、第１内部部材３６と第２内部部材３７、ならびに第１外部部材２０と第２外部部材２１はそれぞれ同じ加工部品または同じ金型の成型部品で構成することができる。このため、熱交換器１の部品製作のために必要な加工工数、金型作成工数、および成型工数などを大幅に低減することが可能となる。したがって、熱交換器１は製作工数を大幅に低減させることができ製作時間を抑え、低コスト化を図ることができる。
【００８５】
（変形例）
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。
【００８６】
このように内部流路３３をサーペンタイン形の流路とすることにより、内部流路３３の正面から見た形状を比較的正方形に近い形状とすることができる。このように、熱交換器１は、縦横のアスペクト比を自在に調整することができるため、例えば、一方向に延伸した２重管式熱交換器と比較して小型化を図ることができる。
【００８７】
また、第１媒体が流入する第１流入口２２と第２媒体が流入する第２流入口３１とは、熱交換器１においてそれぞれが反対側となる位置に設けられていた。また、第１媒体が流出する第１流出口２３と、第２媒体が流出する第２流出口３２とも、熱交換器１においてそれぞれが反対側となる位置に設けられていた。しかしながら、第１流入口２２と第２流入口３１とを熱交換器１において同じ側（例えば、正面側）に設け、第１流出口２３と第２流出口３２とを熱交換器１において同じ側（例えば、背面側）に設けた構成としてもよい。
【００８８】
また、図１に示すように熱交換器１において第１流入口２２が正面側に、第１流出口２３が背面側に設けられていたが、それぞれが設けられる位置が逆であってもよい。同様に、熱交換器１において第２流入口３１が背面側に、第２流出口３２が正面側に設けられていたが、それぞれが設けられる位置が逆であってもよい。
【００８９】
また、第１熱伝導低減部２４および第２熱伝導低減部２５は、上記したように２つの壁のペアによって形成されていたがこれに限定されるものではない。例えば、第１熱伝導低減部２４および第２熱伝導低減部２５は、熱伝導率の低い材料から構成された１枚の壁により形成されてもよい。
【００９０】
（実施例）
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。
【００９１】
（燃料電池システムの構成）
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。
【００９２】
すなわち、燃料電池１０６における発電に利用する、燃料ガスが流通する燃料ガス経路１０１ならびに発電用空気が流通する発電用空気経路１１０が設けられている。また、改質器１０４へ供給される、改質水が流通する改質水経路１１１ならびに空気が流通する改質空気経路１１２が設けられている。さらにまた、水添脱硫器１０３で脱硫された燃料ガスが流通する脱硫後燃料ガス経路１１５、改質器１０４で改質された燃料ガス（改質ガス）が流通する改質ガス経路１１６、水添脱硫器１０３に供給させるための改質ガスの一部が流通するリサイクル経路１１９が設けられている。また、燃焼部１２３の燃焼により生成された排気ガスが流通する排気ガス経路１２１も設けられている。
【００９３】
燃料電池システム１００では、筐体１０７の外部から供給された燃料ガスを改質器１０４で改質し、生成された改質ガスと外部から供給された発電用空気とを利用して燃料電池１０６が発電反応により発電するように構成されている。なお、改質器１０４にて行われる改質反応の詳細については後述する。そして、燃料電池１０６の動作時（発電時）において、燃焼部１２３にて、発電反応に利用されなかった改質ガスと発電用空気とを燃焼させ、高温の排気ガスを生成し、その熱エネルギーを有効に利用することで高効率な発電運転を実現している。
【００９４】
また、燃料電池システム１００では、筐体１０７の内側(内周面)に断熱材からなる断熱部１２４が設けられており、筐体１０７の内部から外部への放熱を可能な限り遮断するように構成されている。筐体１０７の外部には燃料ガス供給ポンプ１０２が配置されている。燃料ガス供給ポンプ１０２は、供給された燃料ガスを昇圧し、燃料ガス経路１０１を通じて筐体１０７内に配置されている水添脱硫器１０３に導入するように構成されている。なお、燃料ガスとしては、炭化水素を主成分とする、例えば、都市ガスまたはプロパンガスなどを用いることができる。
【００９５】
燃料電池１０６は、供給された燃料ガスを改質して生成された改質ガスと、発電用空気とを利用して発電反応により発電を行う固体酸化物形燃料電池である。燃料電池１０６は、改質ガスが供給される燃料極および発電用空気が供給される空気極を有し、該燃料極と該空気極との間で発電反応を行って発電するセルを複数枚、直列に接続してセルスタックを形成している。なお、燃料電池１０６は、更に直列接続したセルスタックを並列に接続させた構成としてもよい。
【００９６】
燃料電池１０６を構成するセルとしては、例えばイットリアをドープしたジルコニア（ＹＳＺ）、イットリビウムやスカンジウムをドープしたジルコニア、あるいはランタンガレート系の固体電解質からなるセルを用いることができる。
【００９７】
水添脱硫器１０３は、水添脱硫方式により燃料ガスに含まれる硫黄成分を除去するためのものである。水添脱硫器１０３の下方には、排気ガス経路１２１の経路中に設けられ、排気ガスが有する熱によって水添脱硫器１０３を所定温度まで加熱させるための水添脱硫器加熱部１０８が備えられている。水添脱硫器１０３は、燃焼部１２３の上方でかつ対向する位置（すなわち、筐体１０７の上面側）であって、断熱部１２４内に配置されている。
【００９８】
燃料電池システム１００では、上記したように燃料電池１０６へ向かう改質ガス経路１１６の途中から分岐したリサイクル経路１１９が設けられている。そして、改質器１０４で生成された改質ガスの一部がこのリサイクル経路１１９を通じて燃料ガス経路１０１に流通し、燃料ガスとともに水添脱硫器１０３へと供給される。このようにして燃料ガスに水素を添加させた状態で水添脱硫器１０３に供給されるため、水添脱硫器１０３は、この水素を利用して以下のように水添脱硫反応を行うことができる。
【００９９】
まず、水添脱硫器１０３に充填する脱硫剤としては、例えば、銅および亜鉛を含む脱硫剤が挙げられる。なお、脱硫剤は、水添脱硫を行うことができればこの脱硫剤に限定されるものではなく、Ｎｉ−Ｍｏ系又はＣｏ−Ｍｏ系触媒と酸化亜鉛との組み合わせであってもよい。Ｎｉ−Ｍｏ系又はＣｏ−Ｍｏ系触媒と酸化亜鉛とを組み合わせた脱硫剤の場合、水添脱硫器１０３は、３５０〜４００℃の温度範囲にて、燃料ガス中の硫黄成分を分解する。そして、水添脱硫器１０３は、生成したＨ２Ｓを、３５０〜４００℃の温度範囲にてＺｎＯに吸着させて除去する。
【０１００】
例えば、燃料ガスが都市ガスの場合、付臭剤として硫黄化合物であるジメチルスルフィド（dimethl sulfide ;Ｃ２Ｈ６Ｓ，ＤＭＳ）が含有されている。このＤＭＳは、水添脱硫器１０３において、以下の反応式（式（１）、（２））によるＺｎＳの形、または物理吸着の形で脱硫剤によって除去される。
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。
【０１０１】
充填する脱硫剤が銅および亜鉛を含む場合、水添脱硫器１０３は、１０〜４００℃程度、好ましくは１５０〜３００℃程度の温度範囲で脱硫を行う。この銅亜鉛系脱硫剤は、水添脱硫能力に加えて物理吸着能力もあり、低温では主に物理吸着、高温では化学吸着を行うことができる。この場合、脱硫後の燃料ガスに含まれる硫黄含有量は、１ｖｏｌ  ｐｐｂ（parts per billion）以下、通常は０．１ｖｏｌ  ｐｐｂ以下となる。以上のようにして水添脱硫器１０３によって脱硫された脱硫後燃料ガスは、改質器１０４へと供給される。
【０１０２】
次に、改質器１０４について説明する。改質器１０４は、部分酸化改質用として用いられるものであってもよいが、更に高効率な動作を実現するために、部分酸化改質反応だけでなく、水蒸気改質反応も行える仕様にしておくことが有利である。図９に示すように、改質器１０４の上流側には蒸発器１０９が配置されている。そして、脱硫された燃料ガスに、改質水経路１１１を通じて供給された水（改質水）を混合させ、蒸発器１０９を介して改質器１０４に供給することができる構成となっている。
【０１０３】
なお、改質器１０４に充填される改質触媒としては、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）の球体表面にＮｉを含浸し、担持したものや、Ａｌ２Ｏ３の球体表面にルテニウムを付与したものを適宜用いることができる。
【０１０４】
ところで、燃料電池システム１００の起動時は、筐体１０７内の温度が上昇していない。このため、改質器１０４において吸熱反応である水蒸気改質反応を行うための熱エネルギーが不足している。そこで、燃料電池システム１００の起動時は、改質水経路１１１から蒸発器１０９に水を供給させずに、改質空気経路１１２を通じて改質器１０４に導入した空気を利用して、改質器１０４は以下の式（３）で表される部分酸化改質反応を行い、水素ガスおよび一酸化炭素を含む改質ガスを生成する。
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。
【０１０５】
また、燃料電池１０６における発電が進むと、改質器１０４の温度は上昇していく。すなわち、上記の式（３）で表される部分酸化改質反応は発熱反応であり、更に、燃焼部１２３からの輻射熱および燃焼部１２３で生成された排気ガスの熱により、改質器１０４の温度が上昇する。そして、改質器１０４の温度が、例えば、４００℃以上になれば以下の式（４）で表される水蒸気改質反応を並行して行うことが可能となる。
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。
【０１０６】
蒸発器１０９は、改質器１０４にて水蒸気改質反応を行うために設置したものである。蒸発器１０９では、燃焼部１２３から排出された排気ガスの熱及び燃焼部１２３からの輻射熱を利用して、改質水経路１１１から供給された水を気化させ、水添脱硫器１０３から供給された脱硫後の燃料ガスと混合させる。そして、蒸発器１０９は、この混合ガスを改質器１０４へと供給する。
【０１０７】
空気熱交換器１０５は、燃料電池１０６での発電反応に利用される発電用空気を加熱するためのものであり、燃焼部１２３と対向する位置に設けられる。空気熱交換器１０５には、発電用空気経路１１０を通じて外部から発電用空気が供給される。また、燃焼部１２３の燃焼により生じた排気ガスが供給される。そして、発電用空気と排気ガスとの間で熱交換を行い、発電用空気を加熱する。例えば、空気熱交換器１０５を流通した後の空気は４００〜８００℃まで加熱される。そして、この加熱された発電用空気が燃料電池１０６へと供給される。
【０１０８】
また、空気熱交換器１０５だけでは発電用空気を所望の温度まで加熱できない場合がある。そこで、発電用空気を所望温度まで確実に上昇させるとともに系外に排出される排気ガスの温度を下げることで系外に排出してしまうエネルギー量を低減させる目的で予備熱交換器１１３も設けられている。予備熱交換器１１３は、発電用空気経路１１０において空気熱交換器１０５よりも上流側であり、かつ排気ガス経路１２１において空気熱交換器１０５よりも下流側となる位置に設けられ、発電用空気と排気ガスとの間で熱交換を行う。
【０１０９】
ところで、燃料電池システム１００では、排気ガスは、空気熱交換器１０５、水添脱硫器加熱部１０８、予備熱交換器１１３の順に排気ガス経路１２１を流通し、系外に排出される。排ガスが流通する排気ガス経路１２１に加えて、発電用空気が流通する発電用空気経路１１０の配管を減らし燃料電池システム１００の構成を簡素化させることで、燃料電池システム１００の小型化を図ることができる。また、空気熱交換器１０５、水添脱硫器加熱部１０８、および予備熱交換器１１３のサイズを小型化させることでも燃料電池システム１００の小型化を図ることができる。
【０１１０】
本実施例では、予備熱交換器１１３として本実施の形態に係る熱交換器１を用いる。そして、第１媒体として発電用空気が、第２媒体として排気ガスがそれぞれ熱交換器１に流入する。予備熱交換器１１３として熱交換器１を用いる場合、予備熱交換器１１３として要求される熱交換性能、要求される熱交換性能を満たすために必要な空気および排気ガスの流速、所望されるサイズ、および製作工数（製作コスト）を考慮して設計される。
【０１１１】
本実施例では、予備熱交換器１１３として本実施の形態に係る熱交換器１を用いるため、例えば、従来の二重管式熱交換器等と比較して予備熱交換器１１３を小型化させることができ、空気熱交換器１０５との距離をできるだけ近づけることができる。このため、排気ガス経路１２１および発電用空気経路１１０の配管を減らすことができ、配管からの放熱を低減させることができる。また、予備熱交換器１１３自体からの放熱も大幅に低減させることが可能となる。さらにまた、筐体１０７の小型化を図ることもできるため、筐体１０７から内部の熱が外部に放熱する放熱面積を低減させることができる。よって燃料電池システム１００の発電効率を向上させることができる。また、従来の二重管式熱交換器等と比較して、排気ガスと空気との間で熱交換可能な面積を大きくすることができるため、流入する流体の圧力損失を小さくすることができる。このため、コンプレッサー等の補機を削減または小型化することが可能となる。
【０１１２】
また、上記では予備熱交換器１１３として本発明の実施の形態に係る熱交換器１を用いた構成について説明したが、空気熱交換器１０５についても熱交換器１を用いた構成としてもよい。
【０１１３】
また、上記した燃料電池システム１００では、熱交換器１に流入する第１媒体として発電用空気を、第２媒体として排気ガスを用いる構成であった。つまり、温度の低い空気を第１媒体として第１外部流路２８および第２外部流路２９を流通させ、温度の高い排気ガスを第２媒体として内部流路３３を流通させる構成となっている。このため、熱交換器１から外部への放熱を大幅に低減させることができる。
【０１１４】
上記説明から、当業者にとって、本発明の多くの改良や他の実施の形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【０１１５】
本発明に係る熱交換器は、熱交換器を利用して発電効率を高める必要のある燃料電池システム等において利用できる。
【符号の説明】
【０１１６】
１    熱交換器
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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