(57)【要約】【課題】高合金のような高級材料を使用せずに、しかも大型化を回避しつつ耐用期間の大幅延長を可能にするハイブリッド熱交換器を提供する。【解決手段】複数枚のチューブプレート１，１・・を厚み方向に所定間隔で配列して、流体が通過する偏平な空間３Ａ，３Ｂを複数段に形成する。形成された複数段の空間３Ａ，３Ｂに、複数本のチューブ４，４・・を径方向に並列させて構成されたチューブ列と、コルゲートフィン５とを交互に配置する。チューブ列が配置された空間３Ａ内に高温流体を流通させ、コルゲートフィン５が配置された空間３Ｂ内に低温流体を流通させる。固体電解質型燃料電池において排熱回収により空気を予熱する装置に適する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数枚のチューブプレートを厚み方向に所定間隔で配列して、流体が通過する偏平な空間を複数段に形成すると共に、形成された複数段の空間に、複数本のチューブを径方向に並列させて構成されたチューブ列とコルゲートフィンとを交互に配置したことを特徴とするハイブリット熱交換器。
【請求項２】
チューブ列が配置された空間内に高温流体を流通させ、コルゲートフィンが配置された空間内に低温流体を流通させることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド熱交換器。
【請求項３】
固体電解質型燃料電池において排熱回収により空気を予熱する装置であることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）において排熱回収により空気を予熱する装置に好適に使用されるハイブリッド熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池の一つとして固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）がある。発電効率、耐久性に優れたこの燃料電池では、電池モジュールから高温の排ガスが排出されるため、この排ガスの保有熱を利用して、電池モジュールに供給される空気を予熱することなどが行われている。
【０００３】
この排熱回収による空気予熱装置には、小型化が要求される。このために、例えばプレートフィン型熱交換器が使用されている。プレートフィン型熱交換器は、チューブプレートと呼ばれる分離板を厚み方向に所定間隔で配列して、流体が通過する偏平な空間を複数段に形成すると共に、形成された複数段の空間にコルゲートフィンと呼ばれる伝熱フィンを配置した構造になっている。そして、形成された複数段の偏平な空間に高温媒体と低温媒体を交互に流通させることにより、両者間で熱交換を行わせる。
【０００４】
空間に配置されたコルゲートフィンは、表面積の増大により熱伝導性を高めると共に、熱交換器の剛性確保に寄与する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）で排出される高温排ガスは１０００℃程度の酸化性ガスである。このため、この排熱回収に使用されるプレートフィン型熱交換器には、高い耐酸化性が要求され、耐酸化性に優れたステンレス鋼系の材料が使用されている。
【０００６】
しかしながら、コルゲートフィンのピッチが小さいために、コルゲートフィンの厚さを０．３ｍｍ程度以上に厚くすることが困難である。その結果、高温媒体が流通する空間でコルゲートフィンが短期間に酸化され、使用限界に至る。
【０００７】
高温媒体が流通する空間に配置されるコルゲートフィンの材質を、ステンレス鋼より耐酸化性に優れた高合金に変更すれば、耐用期間の大幅延長が可能である。しかしながら、そのような高級材料は非常に高価であり、入手性も良好とはいえない。
【０００８】
本発明の目的は、高合金のような高級材料を使用せずに、しかも大型化を回避しつつ耐用期間の大幅延長を可能にするハイブリッド熱交換器を提供することにある。
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明のハイブリッド熱交換器は、複数枚のチューブプレートを厚み方向に所定間隔で配列して、流体が通過する偏平な空間を複数段に形成すると共に、形成された複数段の空間に、複数本のチューブを径方向に並列させて構成されたチューブ列とコルゲートフィンとを交互に配置したものである。
【００１０】
そして、チューブ列が配置された空間内に高温流体を流通させ、プレートフィンが配置された空間内に低温流体を流通させることことにより、高合金のような高級材料を使用せずに、しかも大型化を回避しつつ耐用期間の大幅延長が可能になる。
【００１１】
すなわち、径方向に並列された複数本のチューブは、コルゲートフィンと同様に、流体が流通する偏平な空間に配置されて、その空間の圧壊を阻止し、構造材として機能することにより、熱交換器の機械的強度を確保する。また、複数本のチューブの内外を流体が流通することにより、空間内の表面積を増大させ、伝熱性能を向上させる。その一方、コルゲートフィンと異なり厚肉化が容易で、汎用の厚肉チューブも多品種市販されており、この厚肉チューブの使用により、比較的低級な材料の場合も耐用期間を大幅に延長することができる。
【００１２】
チューブ列が配置される空間の高さをＨとすると、チューブ径ＤはほぼＨである。チューブの肉厚Ｔは０．５〜１．５ｍｍが好ましい。この肉厚が薄すぎる場合は耐用期間の延長が困難である。厚すぎる場合は重量増加の問題が生じる。チューブの配列ピッチＰは最小で接触状態の１．０×Ｄであり、１．０×Ｄ〜２．０×Ｄが好ましい。このピッチが大きすぎる場合は２次伝面が不足し、熱交換器の体積が増加する。
【００１３】
本発明のハイブリッド熱交換器は、固体電解質型燃料電池において排熱回収により空気を予熱する装置に特に好適である。熱交換器の構成材料としてはステンレス鋼や高ニッケル鋼等が耐酸化性と経済性の両立の点から好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態を示すハイブリッド熱交換器の斜視図である。
【００１５】
本実施形態のハイブリッド熱交換器は、板厚方向に所定の間隔で配列された複数枚のチューブプレート１，１・・と、隣接するチューブプレート１，１の間に流体が流通する偏平な空間を形成するために、この間の両側部に配置されたスペーサバー２，２とを備えている。
【００１６】
前記空間は、ここでは高温流体Ａが流通する偏平な空間３Ａと、低温流体Ｂが流通する偏平な空間３Ｂとが、交互に且つ流通方向を変えて積層された構成（直交流型式）になっており、空間３Ａには複数本のチューブ４，４・・が、空間３Ｂにはコルゲートフィン５が、構造材を兼ねる伝熱促進部材として配置されている。
【００１７】
チューブプレート１，１・・、スペーサバー２，２、チューブ４，４・・及びコルゲートフィン５は、いずれもステンレス鋼からなり、ろう付けにより接合一体化されている。伝熱促進部材であるチューブ４，４・・及びコルゲートフィン５は、当該部材を挟むチューブプレート１，１と伝熱可能に接触している。
【００１８】
伝熱促進部材のうち、空間３Ａに配置された複数本のチューブ４，４・・は例えば１ｍｍ厚程度の厚肉材であり、当該部材を挟むチューブプレート１，１に沿い、且つ隣接するチューブ４，４間に若干の隙間をあけて、管径方向に並列している。一方、コルゲートフィン５は０．１〜０．３ｍｍ程度の薄肉材である。波形プレートであるコルゲートフィン５の具体的な形状は特に問わず、プレーンタイプのほか、パーフォレイトタイプ、ルーバータイプ、セレートタイプなどでもよい。
【００１９】
このような構成のハイブリッド熱交換器を、固体電解質型燃料電池における排熱利用の空気予熱装置に使用した場合、高温で酸化性の排ガスが高温流体Ａとして空間３Ａに通される。また、加熱すべき空気が低温流体Ｂとして空間３Ｂに通される。
【００２０】
空間３Ａに配置される伝熱促進部材がコルゲートフィンの場合、厚肉化が困難なため、素材がステンレス鋼であると、短期間で使用限界に到達するが、複数本のチューブ４，４・・の場合は厚肉化が容易であり、その厚肉化により、素材がステンレス鋼であっても、高合金からなるコルゲートフィン並に耐用期間を延長することができる。
【００２１】
空間３Ａに配置される伝熱促進部材の構造材としての性能については、形状的にはコルゲートフィンより劣るが、厚肉によりこれを補うことができる。このため、コルゲートフィンと同等である。伝熱性能については、コルゲートフィンより伝熱面積が減少するが、各チューブ４の内外面を利用でき、低温流体Ｂが通過する空間３Ｂには伝熱面積が大きいコルゲートフィン５が残されているので、問題のない程度の性能を確保できる。
【００２２】
空間３Ｂに配置されるコルゲートフィン５は、酸化の懸念が少ないので、薄肉であっても、十分な耐用期間を確保できる。
【００２３】
かくして、本実施形態のハイブリッド熱交換器では、高合金のような高級材料を使用せずに、耐用期間の大幅延長が可能になる。従って、経済性に優れる。しかも、プレートフィン型熱交換器の基本構成を踏襲することにより、大型化が回避される。
【００２４】
空間３Ｂに配置される伝熱促進部材の損耗が問題になるような場合は、熱交換性能は多少低下するものの、その伝熱促進部材としてチューブ４，４・・と同様のチューブを使用することは可能である。
【００２５】
【発明の効果】
以上に説明したとおり、本発明のハイブリッド熱交換器は、複数枚のチューブプレートを厚み方向に所定間隔で配列して形成された複数段の空間に、複数本のチューブを径方向に並列させて構成されたチューブ列とコルゲートフィンとを交互に配置したことにより、高合金のような高級材料を使用せずとも、耐用期間の大幅延長を可能にする。従って、高い耐久性能を確保しつつ、経済性の悪化を回避できる。しかも、プレートフィン型熱交換器の基本構成を踏襲することにより、大型化を回避できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すハイブリッド熱交換器の斜視図である。
【符号の説明】
１　チューブプレート
２　スペーサバー
３Ａ，３Ｂ　流体が通過する空間
４　チューブ
５　コルゲートフィン
【図１】
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