(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向に多数の貫流孔（２１ａ）が形成され、回転することにより低温流体が通過する低温流体通路（Ａ）と高温流体が通過する高温流体通路（Ｂ）とを交互に移動して、前記高温流体の熱を前記低温流体に移送する回転蓄熱体（２１）と、
前記回転蓄熱体（２１）における前記貫流孔（２１ａ）が開口する両端面をそれぞれ覆うように配置され、多数の貫流孔（２２ａ、２３ａ）が形成された一対のシール部材（２２、２３）と、
前記回転蓄熱体（２１）を通過する前記低温流体の流路および前記高温流体の流路を区画する流路区画部（２１ｂ、２２ｂ、２２ｃ、２３ｂ、２３ｃ、２４、２５）とを備えることを特徴とする回転蓄熱式熱交換器。
【請求項２】
前記シール部材（２２、２３）に形成された貫流孔（２２ａ、２３ａ）は、前記回転蓄熱体（２１）の軸方向に対して平行に整列して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転蓄熱式熱交換器。
【請求項３】
前記流路区画部は、前記回転蓄熱体（２１）の両端面の外周部に対応するリング部（２１ｂ、２２ｂ、２３ｂ、２４ａ、２５ａ）と、前記リング部の中心を通るクロスアーム部（２２ｃ、２３ｃ、２４ｂ、２５ｂ）とからなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転蓄熱式熱交換器。
【請求項４】
前記流路区画部（２４、２５）は、前記一対のシール部材（２２、２３）の両外側に配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の回転蓄熱式熱交換器。
【請求項５】
前記リング部（２２ｂ、２３ｂ）および前記クロスアーム部（２２ｃ、２３ｃ）は、前記シール部材（２２、２３）の前記貫流孔（２２ａ、２３ａ）に充填材を充填して形成されることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の回転蓄熱式熱交換器。
【請求項６】
前記リング部（２１ｂ）は、前記回転蓄熱体（２１）の前記貫流孔（２１ａ）に充填材を充填して形成され、前記クロスアーム部（２２ｃ、２３ｃ）は、前記シール部材（２２、２３）の前記貫流孔（２２ａ、２３ａ）に充填材を充填して形成されることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の回転蓄熱式熱交換器。
【請求項７】
前記高温流体通路（Ｂ）における上流側に位置するシール部材（２３）において、高温流体通路（Ｂ）に位置する部位に酸化触媒を担持することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の回転式熱交換装置。
【請求項８】
前記高温流体通路（Ｂ）における下流側に位置するシール部材（２２）において、高温流体通路（Ｂ）に位置する部位に酸化触媒を担持することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の回転式熱交換装置。
【請求項９】
前記低温流体通路（Ａ）における下流側に位置するシール部材（２３）において、低温流体通路（Ａ）に位置する部位に改質触媒を担持することを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の回転式熱交換装置。
【請求項１０】
前記一対のシール部材（２２、２３）の間には、前記回転蓄熱体（２１）の軸方向長さより長い隙間保持部材（２６）が配置されていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載の回転蓄熱式熱交換器。
【請求項１１】
前記回転蓄熱体（２１）は、その外周部に駆動手段（２７）からの駆動力が伝達されることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の回転蓄熱式熱交換器。
【請求項１２】
前記回転蓄熱体（２１）は、その回転軸（３０）に駆動手段（２７）からの駆動力が伝達されることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の回転蓄熱式熱交換器。
【請求項１３】
請求項１ないし１２のいずれか１つに記載の回転蓄熱式熱交換器を用い、改質反応により改質原料から水素を生成する改質装置であって、前記低温流体は前記改質原料であり、前記高温流体は燃焼ガスであることを特徴とする改質装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転により高温流体と低温流体との間で熱交換を行う回転蓄熱体を備える回転蓄熱式熱交換器および改質装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、回転蓄熱体を用いた熱交換器が知られている。回転蓄熱体は、高温流体通路と低温流体通路を行き来し、高温流体の熱を低温流体に移送する。このような回転蓄熱式熱交換器では、圧力差のある流体通路間での流体漏れを防ぐために、シール部材が設けられている。
【０００３】
このようなシール部材を備える回転蓄熱式熱交換器として、特開昭５２−１３００４６号公報に記載されたものがある。この熱交換器のシール部材は、円形のリング部とその中心を径方向に通るクロスアーム部からなるΘ型ソリッド構造に構成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このようなリング部、クロスアーム部といった枠状部材のみからなるシール部材では、構造上、熱応力や高温流体・低温流体の圧力差に対して強度を確保しにくいという問題がある。また、これらの枠状部材は、ソリッド構造なので重くなるという問題もある。
【０００５】
本発明は、上記点に鑑み、回転蓄熱体を有する回転蓄熱式熱交換器において、通路間の流体漏れをシールするシール部材の形状寸法の安定性と強度を向上させ、シール性能の向上を図ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、軸方向に多数の貫流孔（２１ａ）が形成され、回転することにより低温流体が通過する低温流体通路（Ａ）と高温流体が通過する高温流体通路（Ｂ）とを交互に移動して、高温流体の熱を低温流体に移送する回転蓄熱体（２１）と、回転蓄熱体（２１）における貫流孔（２１ａ）が開口する両端面をそれぞれ覆うように配置され、多数の貫流孔（２２ａ、２３ａ）が形成された一対のシール部材（２２、２３）と、回転蓄熱体（２１）を通過する低温流体の流路および高温流体の流路を区画する流路区画部（２１ｂ、２２ｂ、２２ｃ、２３ｂ、２３ｃ、２４、２５）とを備えることを特徴としている。
【０００７】
このように、回転蓄熱体（２１）の端面全体を覆う面積を有するとともに、多数の貫流孔（２２ａ、２３ａ）が形成されたシール部材（２２、２３）を用いることで、例えばΘ型ソリッド構造に比較して、熱変形強度を向上させることができ、軽量化を図ることができる。なお、シール部材（２２、２３）の貫流孔（２２ａ、２３ａ）には、流体が貫流する。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明では、シール部材（２２、２３）に形成された貫流孔（２２ａ、２３ａ）は、回転蓄熱体（２１）の軸方向に対して平行に整列して形成されていることを特徴としている。
【０００９】
このような構成のシール部材（２２、２３）であれば、ハニカム構造の回転蓄熱体（２１）と同様の構成であり、この回転蓄熱体（２１）と同様の製法で作ることができるので、製造コストを低減することができる。
【００１０】
また、流路区画部は、請求項３に記載の発明のように、回転蓄熱体（２１）の両端面の外周部に対応するリング部（２１ｂ、２２ｂ、２３ｂ、２４ａ、２５ａ）と、リング部の中心を通るクロスアーム部（２２ｃ、２３ｃ、２４ｂ、２５ｂ）とから構成できる。
【００１１】
また、請求項４に記載の発明のように、流路区画部（２４、２５）を、一対のシール部材（２２、２３）の両外側に配置することができる。この場合には、流路区画部は、例えばパッキンのような独立した部材として構成される。
【００１２】
また、請求項５に記載の発明のように、リング部（２２ｂ、２３ｂ）およびクロスアーム部（２２ｃ、２３ｃ）は、シール部材（２２、２３）の貫流孔（２２ａ、２３ａ）に充填材を充填して形成することができる。このような構成によれば、シール部材（２２、２３）の構造的な強度をより向上させることができる。
【００１３】
また、請求項６に記載の発明のように、リング部（２１ｂ）は、回転蓄熱体（２１）の貫流孔（２１ａ）に充填材を充填して形成し、クロスアーム部（２２ｃ、２３ｃ）は、シール部材（２２、２３）の貫流孔（２２ａ、２３ａ）に充填材を充填して形成することができる。このような構成によれば、回転蓄熱体（２１）の構造的な強度を向上させることができる。
【００１４】
また、請求項７に記載の発明では、高温流体通路（Ｂ）における上流側に位置するシール部材（２３）において、高温流体通路（Ｂ）に位置する部位に酸化触媒を担持することを特徴としている。
【００１５】
これにより、高温流体通路（Ｂ）に例えば水素を含む混合気が流れる場合には、混合気を触媒燃焼させることができる。
【００１６】
また、請求項８に記載の発明では、高温流体通路（Ｂ）における下流側に位置するシール部材（２２）において、高温流体通路（Ｂ）に位置する部位に酸化触媒を担持することを特徴としている。
【００１７】
これにより、低温流体通路（Ａ）より熱交換部（２０）に導入され、移送漏れにより高温流体通路（Ｂ）に移送される未反応燃料ガスを、外部に排出される前に浄化することができる。
【００１８】
また、請求項９に記載の発明では、低温流体通路（Ａ）における下流側に位置するシール部材（２３）において、低温流体通路（Ａ）に位置する部位に改質触媒を担持することを特徴としている。
【００１９】
これにより、熱交換器を改質装置に用いる場合には、低温流体通路（Ａ）を流れる改質原料を、Ｈ2およびＣＯを含む改質ガスに改質することができる。
【００２０】
また、請求項１０に記載の発明では、一対のシール部材（２２、２３）の間には、回転蓄熱体（２１）の軸方向長さより長い隙間保持部材（２６）が配置されていることを特徴としている。
【００２１】
これにより、シール部材（２２、２３）と回転蓄熱体（２１）は完全に密着せず、微少隙間が確保される。このため、回転蓄熱体（２１）が回転する際の摺動による摩耗は極めて少ない。このため、シール効果を発揮させて流体漏れを所定漏れ量に抑制しつつ、回転蓄熱体（２１）やシール部材（２２、２３）の摩耗を防止ないし極力少なくして装置の長寿命化を図ることができる。
【００２２】
また、回転蓄熱体（２１）は、請求項１１に記載の発明のように、外周部に駆動手段（２７）からの駆動力が伝達されるように構成でき、請求項１２に記載の発明のように、回転軸（３０）に駆動手段（２７）からの駆動力が伝達されるように構成することができる。
【００２３】
また、請求項１３に記載の発明では、請求項１ないし１２のいずれか１つに記載の回転蓄熱式熱交換器を用い、改質反応により改質原料から水素を生成する改質装置であって、低温流体は改質原料であり、高温流体は燃焼ガスであることを特徴としている。
【００２４】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、本発明を適用した第１実施形態を図１〜図５に基づいて説明する。本第１実施形態では、回転蓄熱式熱交換器を燃料電池システムの燃料改質装置（水素供給装置）に用いている。図１は改質装置の概略構成を示すブロック図であり、図２は改質装置の各構成要素の配置関係を示す概念図である。本第１実施形態の改質装置は、水素消費装置としての燃料電池５０に水素を供給するように構成されている。
【００２６】
図１、図２に示すように、本第１実施形態の改質装置は、改質原料供給部１０、熱交換部（蒸発部）２０、改質部４０、ＣＯ除去部４３、燃焼ガス供給部（オフガス供給部）６０等を備えている。また、改質装置には、ハウジング１によって、改質原料が通過する低温流体通路（改質原料通路）Ａと、燃焼ガスが通過する高温流体通路（燃焼ガス通路）Ｂとが並行して形成されている。低温流体通路Ａと高温流体通路Ｂはそれぞれ独立しており、熱交換部２０を介して熱の授受が行われる
低温流体通路Ａでは、改質原料供給部１０で供給された改質原料（水と空気と改質燃料の混合気）が熱交換部２０で加熱・気化（蒸発）される。気化された改質原料は、改質部４０にてＨ2およびＣＯを含む改質ガスに改質され、ＣＯ除去部４３にてＣＯが除去された後、燃料電池５０に供給される。
【００２７】
燃料電池５０には、水素とともに空気（酸素）が図示しない空気供給用ポンプにより供給されるように構成されており、水素と酸素との電気化学反応により発電する。燃料電池５０では、発電に用いられなかった未反応水素を含んだオフガスが排出される。
【００２８】
高温流体通路Ｂでは、オフガスがオフガス供給路５１を介して燃焼ガス供給部６０に供給され、燃焼して燃焼ガスとなる。この燃焼ガスの燃焼熱は、熱交換部２０を介して高温流体通路Ｂから低温流体通路Ａを流れる改質原料に伝えられる。なお、本実施形態では、改質燃料としてガソリンや灯油といった液体石油系燃料を用いている。
【００２９】
図２に示すように低温流体通路Ａの最上流部には、改質原料（水、空気、改質燃料）を供給する改質原料供給部１０が配置されている。改質原料供給部１０には、水流量制御弁１１、空気流量制御弁１２、燃料流量制御弁１３、噴霧ノズル１４、混合室１５が設けられている。
【００３０】
水流量制御弁１１および燃料流量制御弁１３にて流量制御された改質燃料および水は、噴霧ノズル１４から混合室１５に噴霧され、図示ない空気供給用送風機より供給された空気と混合されて、改質燃料と水と空気の混合気が生成する。
【００３１】
低温流体通路Ａにおける改質原料供給部１０の下流側には、熱交換部（蒸発部）２０が配置されている。本第１実施形態の熱交換部２０は回転蓄熱式熱交換器である。
【００３２】
次に、熱交換部２０の構成について図３〜図５に基づいて説明する。図３は熱交換部２０の拡大断面図であり、図４は図３のＸ−Ｘ断面図であり、図５は熱交換部２０の分解斜視図である。
【００３３】
熱交換部２０には、熱エネルギを蓄える回転蓄熱体（マトリクス）２１と、回転蓄熱体２１と微少隙間を介して密接してガス漏れを防止する一対の静止シール部材２２、２３と、回転蓄熱体２１を回転駆動する駆動用モータ２７等が設けられている。
【００３４】
熱交換部２０では、低温流体通路Ａを流れる高圧の改質原料が高温流体通路Ｂに漏れないように、回転蓄熱体２１とハウジング１との間にシール部材２２、２３を介在させることでシールしている。一対のシール部材２２、２３は、回転蓄熱体２１を軸方向の両側から挟んだ状態で、パッキン２４、２５を介してハウジング１に固定されている。
【００３５】
回転蓄熱体２１は、コージェライト等の耐熱性セラミックからなり、円柱形状に形成されている。回転蓄熱体２１は、軸方向に多数の貫流孔（セル）２１ａが形成されたハニカム構造となっている。貫流孔２１ａの表面には酸化触媒（白金、パラジウム等の単体あるいは混合物）が添着（坦持）されている。これにより、高温流体通路Ｂに供給される燃料電池５０のオフガスを触媒燃焼させることができる。
【００３６】
シール部材２２、２３は、回転蓄熱体２１と同様のコージェライト等の耐熱性の低熱膨張セラミック材料から構成されている。図５に示すように、シール部材２２、２３は、回転蓄熱体２１と同様に円柱状であり、軸方向に多数の貫流孔２２ａ、２３ａが形成されたハニカム構造となっている。このような円柱形状に貫流孔２２ａ、２３ａが形成されたシール部材２２、２３は、例えばΘ型の枠状部材からなるシール部材に比較して、全面に材料が存在することにより強度を向上させることができ、貫流孔の存在により軽量化を図ることができる。
【００３７】
シール部材２２、２３の貫流孔２２ａ、２３ａが開口する端面は、少なくとも回転蓄熱体２１の貫流孔２１ａが開口する端面全体を覆うことができる大きさが必要であり、シール部材２２、２３の円柱の径方向長さは、回転蓄熱体２１の径方向長さより長くなっている。
【００３８】
シール部材２２、２３とハウジング１との間には、パッキン２４、２５が介在している。パッキン２４、２５としては、軟性金属（例えば銅）あるいはカーボン系材料のような弾性材を用いる。図５に示すように、パッキン２４、２５は、シール部材２２、２３の端面外周部に対応した円形のリング部２４ａ、２５ａとその中心を通過するクロスアーム部２４ｂ、２５ｂとから構成されるΘ形状となっている。
【００３９】
これらのパッキン２４、２５によって、シール部材２２、２３の貫流孔２２ａ、２３ａが塞がれ、流体が貫流しない非貫流帯がΘ形状に形成される。この非貫流帯は、回転蓄熱体２１を通過する低温流体の流路および高温流体の流路とを区画する流路区画部を構成する。リング部２４ａ、２５ａによって流体通路の外周が形成され、クロスアーム部２４ｂ、２５ｂによって２つの通路が分離される。
【００４０】
図３に示すように回転蓄熱体２１は、並行する低温流体通路Ａと高温流体通路Ｂの双方を横断するように配置される。このとき、パッキン２４、２５のクロスアーム部２４ｂ、２５ｂで区画された一方の領域は低温流体通路Ａに位置し、他方の領域は高温流体通路Ｂに位置する。
【００４１】
回転蓄熱体２１はシール部材２２、２３の間を摺動回転し、改質原料が通過する低温流体通路Ａとオフガス（燃焼ガス）が通過する高温流体通路Ｂとを交互に移動する。回転蓄熱体２１は、高温流体通路Ｂにおいて貫流孔２１ａを通過する燃焼ガスから熱を受け取った後、低温流体通路Ａに移動して貫流孔２１ａを通過する改質原料に熱を伝えて加熱・気化させる。
【００４２】
一対のシール部材２２、２３の間には、スペーサ（隙間保持部材）２６が介在している。スペーサ２６は、低熱膨張の金属材料やセラミック材等の低熱膨張材料からなる。スペーサ２６は、回転蓄熱体２１より大径かつ回転蓄熱体２１の軸方向長さより若干長い円筒形状に形成されている。
【００４３】
一対のシール部材２２、２３は、スペーサ２６を両側から挟んだ状態で、外側を一対のパッキン２４、２５に挟まれ、ハウジング１に形成されたフランジ部１ａの締結力により押圧され、ハウジング１に固定されている。
【００４４】
これにより、回転蓄熱体２１とシール部材２２、２３との間には、微少隙間を保持することができ、シール部材２２、２３が回転蓄熱体２１を押しつけることがない。従って、回転蓄熱体２１が回転する際の摩擦抵抗が極めて小さくなる。
ここでいう微少隙間とは、設計上で微少隙間が存在することを意味し、回転蓄熱体２１が熱変形により、シール部材２２、２３に若干接触する場合は含まれる。
【００４５】
なお、スペーサ２６には、後述ようにモータ２７のピニオン２７ｂと回転蓄熱体外周部のリングギア２８との接続を可能とするために、スリットが形成されている。
【００４６】
回転蓄熱体２１の回転軸３０は、両端をハウジング１で支持されている。回転軸３０は、回転蓄熱体２１の中心部に設けられたソリッド状カーボンからなるハブ３１に挿入されている。回転軸３０は回転蓄熱体２１に固定され、ハウジング１に回転可能に支持されていてもよく、あるいは回転軸３０はハウジング１に固定され、回転蓄熱体２１のみが回転可能となっていてもよい。本第１実施形態では、回転蓄熱体２１の回転軸３０は、円柱形状のシール部材２２、２３の中心軸と共通となっている。
【００４７】
回転蓄熱体２１は電動モータ２７により、回転駆動される。回転蓄熱体２１の外周面にはリングギア２８が設けられている。図３に示すように回転蓄熱体２１とリングギア２８との間にはエラストマのような弾性部材２９を介在させている。電動モータ２７からの回転力は、電動モータ２７の回転軸２７ａに固定されたピニオン２７ｂを介して、リングギア２８に伝えられる。回転蓄熱体２１とリングギア２８との間に弾性部材２９を介在させることで、回転蓄熱体２１の熱変形よる応力を吸収してモータ２７の駆動力を回転蓄熱体２１に伝えることができる。
【００４８】
熱交換部２０の下流側には改質部４０が設けられている。本第１実施形態の改質部４０では、部分酸化改質（発熱反応）と水蒸気改質（吸熱反応）とが併用される。改質部４０には、改質触媒（酸化ニッケル、酸化銅、白金、パラジウム等の単体あるいは混合物）が添着されている。改質部４０では、熱交換部２０による加熱で気化した改質原料を改質し、Ｈ2とＣＯを含んだ改質ガスを生成する。また、改質部４０には、改質触媒の温度を検出する温度センサ（温度検出手段）４１が設けられている。
【００４９】
改質部４０の下流側には、改質ガスをＣＯ除去に必要な温度まで冷却するための冷却部４２が設けられ、冷却部４２の下流側には改質ガスからＣＯを除去するＣＯ除去部４３が設けられている。ＣＯ除去部４３にてＣＯを除去された改質ガス（水素リッチガス）は、水素消費装置としての燃料電池５０に供給される。燃料電池５０には、水素とともに空気（酸素）が供給され、水素と酸素との電気化学反応により発電する。燃料電池５０では、発電に用いられなかった未反応水素を含んだオフガスが排出される。
【００５０】
高温流体通路Ｂにおける熱交換部２０の上流側には、熱交換部２０を加熱するための燃焼ガス供給部（オフガス供給部）６０が設けられている。燃焼ガス供給部６０には、オフガス流量制御弁６１、燃料流量制御弁（燃焼用燃料供給部）６２、オフエア流量制御弁６３、噴霧ノズル６４、点火プラグ（着火手段）６５、混合・燃焼室６６が設けられている。
【００５１】
燃焼ガス供給部６０には、燃料電池５０から排出される未反応の水素を含むオフガスがオフガス供給路５１を介して供給される。これにより低温流体通路Ａと高温流体通路Ｂは改質ガス供給路５０およびオフガス供給路５１を介して連通している。さらに燃焼ガス供給部６０には、燃料電池５０から排出される未反応の酸素を含むオフエアが、オフエア供給路５２を介して供給される。
【００５２】
オフガスおよびオフエアは噴霧ノズル６４から混合・燃焼室６６に噴霧され、オフガス混合気となる。オフガス混合気は、熱交換部２０に供給され、熱交換部２０に設けられた酸化触媒にて触媒燃焼して燃焼ガスを生ずる。この燃焼ガスの燃焼熱で回転蓄熱体２１が加熱される。回転蓄熱体２１は高温流体通路Ｂで熱を受け取り、回転して低温流体通路Ａにて改質原料を加熱する。
【００５３】
改質装置の始動時には、オフガスに代えて、燃料流量制御弁にて流量制御された始動用燃料（燃焼用燃料）を燃焼室６６に噴霧し、点火プラグ６５にて着火して、火炎燃焼により燃焼ガスを生じさせるように構成されている。なお、本第１実施形態では、始動用燃料として改質燃料と同様の液体石油系燃料を用いている。
【００５４】
以下、上記構成の改質装置の作動について説明する。まず、改質装置の始動時について説明する。改質部４０において改質反応が開始するためには、改質部４０に供給される改質原料が蒸発・気化しており、かつ改質部４０の改質触媒が改質反応を開始可能な所定温度まで昇温している必要がある。
【００５５】
そこで、まず燃焼ガス供給部６０の燃焼室６６にて始動用燃料と空気との混合気を生成し、点火プラグ６５にて着火して火炎燃焼させる。この火炎燃焼により生成した燃焼ガスは、高温流体通路Ｂを流れて熱交換部２０を貫流する。これにより、回転蓄熱体２１のうち高温流体通路Ｂに位置する部位は燃焼ガスにより加熱される。回転蓄熱体２１が回転することで、燃焼ガスにて加熱された部位が低温流体通路Ａに移動し、低温流体通路Ａを流れる空気が加熱される。この加熱空気が低温流体通路Ａを流れることにより、熱交換部２０の下流側の各構成要素が急速に暖気される。
【００５６】
燃焼ガスの燃焼熱により、熱交換部２０、改質部４０、ＣＯ除去部（シフト部、浄化部）４３といった改質システムの各構成要素が急速に暖気（予熱）される。そして、温度センサ４１にて検出した改質部４０の温度が所定改質反応開始温度に到達した場合に、改質触媒を含めた改質システムの構成要素が改質反応を開始することができる温度に到達したと判断して、燃焼ガス供給部６０での始動用燃料の供給を中断して火炎燃焼を停止する。
【００５７】
各構成要素の暖気が完了すると、改質原料供給部１０にて改質原料（水、空気、改質燃料の混合気）の供給が開始される。改質原料は熱交換部２０にて加熱・気化される。気化された改質原料は、改質部４０にてＨ2とＣＯを含む改質ガスに改質される。改質ガスは、ＣＯ除去部４３にてＣＯが除去され、燃料電池５０に供給される。
【００５８】
燃料電池５０では、水素と酸素との化学反応により発電するとともに、未反応水素を含むオフガスと未反応の酸素を含むオフエアが排出される。オフガスはオフガス導入経路５１を介して、オフエアはオフエア供給路５２を介して高温流体通路Ｂの燃焼ガス供給部６０に導入され、オフガス混合気となる。オフガス混合気は、熱交換部２０に供給され、回転蓄熱体２１を通過する際に触媒燃焼を開始する。このオフガスの触媒燃焼によって発生した熱は回転蓄熱体２１に蓄えられ、回転蓄熱体２１が回転移動することにより、低温流体通路Ａを通過する改質原料を加熱・気化する。
【００５９】
このように、オフガスの触媒燃焼による熱により、改質原料を加熱して気化するとともに、加熱された改質原料を介して下流側の改質部４０をも加熱することができる。これにより、熱交換部２０、改質部４０の加熱は、始動用燃料の火炎燃焼による加熱からオフガス燃焼による加熱に切り替わり、改質装置は自立運転を開始することができる
以上のように、圧力差のある流体通路Ａ、Ｂ間での流体漏れを防ぐシール部材として、回転蓄熱体２１の端面全体を覆う面積を有するとともに、多数の貫流孔２２ａ、２３ａが形成されたシール部材２２、２３を用いることで、例えばΘ型ソリッド構造に比較して、強度を向上させることができ、軽量化を図ることができる。また、Θ型シール部材のクロスアーム部で従来見られる微少間隔のスリットを設けなくとも、熱膨張による応力で生じる熱変形を防ぐことができる。さらに、シール部材２２、２３は、回転蓄熱体２１と同様の構成であり同様の工程で製造することができるので、製造コストを低減することができる。
【００６０】
また、一対のシール部材２２、２３の間には、回転蓄熱体２１の軸方向長さより若干長いスペーサ２６を配置しているので、シール部材２２、２３と回転蓄熱体２１は完全に密着せず、微少隙間が確保される。このため、回転蓄熱体２１が回転する際の摺動による摩耗は極めて少ない。このため、シール効果を発揮させて流体漏れを所定漏れ量に抑制しつつ、回転蓄熱体２１やシール部材２２、２３の摩耗を防止ないし極力少なくして装置の長寿命化を図ることができる。
【００６１】
さらに、シール部材２２、２３が回転蓄熱体２１を押圧しないので、摩擦抵抗を極めて小さくすることができる。この結果、回転蓄熱体２１の駆動動力を大幅に低減させることができ、駆動機構を簡便化することができる。
【００６２】
また、スペーサ２６によって形成される回転蓄熱体２１とシール部材２２、２３との隙間を、中心部に比較して外周部の方を大きくすることで、中心部側では流体漏れを最小限に抑えつつ、外周部では回転蓄熱体２１の熱変形を考慮した最適設計を行うことができる。
【００６３】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図６、図７に基づいて説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態に比較して、シール部材２２、２３とケーシング１との間にパッキンを設けず、シール部材２２、２３に非貫流帯が形成されている点が異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【００６４】
図６は本第２実施形態の熱交換部２０の拡大断面図であり、図７は熱交換部２０の分解斜視図である。図６、図７に示すように、シール部材２２、２３には、回転蓄熱体２１の両端面における外周部に対応するリング部２２ｂ、２３ｂとその中心を通過するクロスアーム部２２ｃ、２３ｃからなるΘ型の非貫流帯が形成されている。これらの非貫流帯２２ｂ、２２ｃ、２３ｂ、２３ｃが、流路区画部を構成する。
【００６５】
非貫流帯２２ｂ、２２ｃ、２３ｂ、２３ｃは、シール部材２２、２３の貫流孔２２ａ、２３ａにシール部材２２、２３と同材料、あるいは同程度の熱膨張率を有する充填材を充填することにより形成される。このとき、充填材は、必ずしも貫流孔２２ａ、２３ａの軸方向長さのすべてに充填されている必要はなく、少なくとも非貫流帯の面が形成されていればよい。
【００６６】
このようなシール部材２２、２３の構成によっても、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、本第２実施形態のように、貫流孔２２ａ、２３ａに充填材を充填することにより、シール部材２２、２３の構造的な強度が向上する。特に、シール部材２２、２３のうち、スペーサ２６を挟んで両外側からハウジング１で押圧される場合の強度を向上させることができる。
【００６７】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図８、図９に基づいて説明する。本第３実施形態は、上記第２実施形態に比較して、リング部とクロスアーム部からなる非貫流帯が回転蓄熱体２１およびシール部材２２、２３に分離して形成されている点が異なるものである。上記第１、第２実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【００６８】
図８は本第３実施形態の熱交換部２０の拡大断面図であり、図９は熱交換部２０の分解斜視図である。図８、図９に示すように、回転蓄熱体２１には、円柱形状の外周部に非貫流帯リング部２１ｂが形成されている。シール部材２２、２３には、回転蓄熱体２１のリング部２１ｂの中心を通過するように非貫流帯クロスアーム部２２ｃ、２３ｃが形成されている。このような回転蓄熱体２１とシール部材２２、２３を重ね合わせることで、連続的なΘ型の非貫流帯が形成される。これらの非貫流帯２１ｂ、２２ｃ、２３ｃが、流路区画部を構成する。
【００６９】
非貫流帯２１ｂ、２２ｃ、２３ｃは、回転蓄熱体２１およびシール部材２２、２３の貫流孔２１ａ、２２ａ、２３ａに、回転蓄熱体２１およびシール部材２２、２３と同材料、あるいは同程度の熱膨張率を有する充填材を充填することにより形成される。このとき、充填材は、必ずしも貫流孔２１ａ、２２ａ、２３ａの軸方向長さのすべてに充填されている必要はなく、少なくとも非貫流帯の面が形成されていればよい。
【００７０】
このような回転蓄熱体２１、シール部材２２、２３の構成によっても、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、本第３実施形態のように、回転蓄熱体２１の外周部に充填材を充填した非貫流帯２１ｂを形成することで、回転蓄熱体２１の構造的な強度を向上させることができ、熱変形による破損、亀裂等を防止できる。
【００７１】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図１０に基づいて説明する。本第４実施形態は、上記第１実施形態に比較して、回転蓄熱体２１の駆動方式が異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【００７２】
図１０は、本第４実施形態の熱交換部２０の拡大断面図である。図１０に示すように、本第４実施形態では、駆動モータ２７が回転蓄熱体２１の回転軸３０を駆動するように構成されている。回転軸３０は、継ぎ手３２を介してモータ２７に接続されている。本第４実施形態では、回転蓄熱体２１は回転軸３０に固定され、回転軸３０と一体に回転する。
【００７３】
このような構成によっても、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００７４】
（他の実施形態）
なお、上記各実施形態では、回転蓄熱体２１の回転軸３０をハウジング１で支持するように構成したが、これに限らず、シール部材２２、２３で支持するように構成してもよい。このように回転軸３０をシール部材２２、２３で支持する場合には、回転軸３０の長さを、一対のシール部材２２、２３の外側の面に合わせることができ、寸法精度の面で有利となる。
【００７５】
また、上記各実施形態では、シール部材２２、２３を貫流孔２２ａ、２３ａが整列したハニカム構造としたが、これに限らず、貫流孔２２ａ、２３ａがランダムに形成された多孔質構造としてもよい。この場合には、流体がシール部材２２、２３中を径方向に通過できる。このため、図７に基づいて上記第２実施形態で示した非貫流帯２２ｂ、２２ｃ、２３ｂ、２３ｃの構成で、シール部材２２、２３の軸方向全体に充填材を充填して流体の径方向の通過を制限する必要がある。
【００７６】
また、シール部材２２、２３に触媒を担持してもよい。例えば高温流体通路Ｂにおける上流側に位置するシール部材２３において、高温流体通路Ｂに位置する部位（図３、６、８、１０中下側）に酸化触媒を担持することで、高温流体通路Ｂを流れるオフガス混合気を触媒燃焼させることができる。この場合には、回転蓄熱体２１への触媒の担持を省略することができる。
【００７７】
さらに、高温流体通路Ｂにおける下流側に位置するシール部材２２において、高温流体通路Ｂに位置する部位に浄化触媒（酸化触媒）を担持することで、低温流体通路Ａより熱交換部２０に導入され、移送漏れにより高温流体通路Ｂに移送される未反応の改質原料ガスを、外部に排出される前に浄化することができる。
【００７８】
さらに、低温流体通路Ａにおける下流側に位置するシール部材２３において、低温流体通路Ａに位置する部位（図３、６、８、１０中上側）に改質触媒を担持することで、低温流体通路Ａを流れる改質原料をＨ2およびＣＯを含む改質ガスに改質することができる。これにより、図１、２の改質部４０を省略することができる。
【００７９】
また、上記各実施形態では、シール部材２２、２３を円柱形状に構成したが、これに限らず、回転蓄熱体２１の端面を少なくとも覆うことができればよく、例えば四角形等の他の形状でもよい。さらに、シール部材２２、２３の軸方向の幅は任意に設定できる。例えばシール部材２２、２３に触媒を担持する場合には、幅を広くすることができる。
【００８０】
また、上記第１〜第３実施形態において、低温流体通路Ａから導入される低温流体が、回転蓄熱体２１の外周部に流入可能に構成してもよい。例えば図３の構成において、低温流体通路Ａの上流側に位置するパッキン２４のうち低温流体通路Ａ側に位置する外周部位に何カ所か溝あるいは隙間を設けることで、回転蓄熱体２１の外周部に流入する。これにより、低温流体で回転蓄熱体２１の駆動部２７ａ、２７ｂ、２８、及び弾性部材２９を冷却することができる。さらに、パッキン２２のうち、低温流体通路Ａ側の部分を除去してＤ型に形成してもよい。
【００８１】
また、上記各実施形態では、本発明の回転蓄熱式熱交換器を燃料電池システムの改質装置に適用したが、これに限らず、例えばガスタービン等にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の改質装置のブロック図である。
【図２】図１の改質装置の概念図である。
【図３】図１の改質装置における熱交換部の断面図である。
【図４】図３のＸ−Ｘ断面図である。
【図５】図１の熱交換部の分解斜視図である。
【図６】第２実施形態の熱交換部の断面図である。
【図７】図６の熱交換部の分解斜視図である。
【図８】第３実施形態の熱交換部の断面図である。
【図９】図８の熱交換部の分解斜視図である。
【図１０】第４実施形態の熱交換部の断面図である。
【符号の説明】
１０…改質原料供給部、２０…熱交換器、２１…回転蓄熱体、２２、２３…シール部材、２４、２５…パッキン（流路区画部）、２６…スペーサ（隙間保持部材）、４０…改質部、５０…燃料電池。
【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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【図１０】
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