(57)【要約】第１流体（３０）を蒸発させるため、第２流体（２８）及び第３流体（２２）から第１流体（３０）に熱を移すための蒸発熱交換器（１０）が提供される。熱交換器（１０）は、コア（４０）と、コア（４０）における第１流体（３０）のための第１流路（６０）と、コア（４０）における第２流体（２８）のための第２流路（６６）と、コア（４０）における第３流体（２２）のための第３流路（６８）とを含む。コア（４０）は、第１区域（４２）と第２区域（４４）と第３区域（４６）とを含み、第２区域（４４）は第１及び第３区域（４２、４６）を連結する。第１流路（６０）は全区域（４２、４４、４６）を通って延び、第２流路（６６）は第１区域（４２）を通って延び、また、第３流路（６８）は第３区域（４６）を通って延びる。
2006514411.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１流体を蒸発させるため、第２流体及び第３流体から第１流体へと熱を移すための蒸発熱交換器であって、
第１区域と第２区域と第３区域とを含むコアであって、第２区域が第１及び第３区域を連結し、かつ第１及び第３区域が、第１及び第３区域間の熱膨張の差を許容するため、第２区域から離れた位置で互いに分離するコアと、
コアにおける第１流体のための第１流路であって、コアの第１区域における第１通路とコアの第３区域における第２通路とを含み、かつ第２区域を通って延びて第１及び第２通路間に連続する第１流路と、
コアにおける第２流体のための第２流路であって、第２流体から第１通路における第１流体へと熱を移すため、コアの第１区域において第１通路と並行する第２流路と、
コアにおける第３流体のための第３流路であって、第３流体から第２通路における第１流体へと熱を移すため、コアの第３区域において第２通路と並行する第３流路とを備えた蒸発熱交換器。
【請求項２】
前記第１流路は、第１流体を該熱交換器を通るように誘導する複数の第１平行流通路を含み、第２流路は、第２流体を第１区域を通るように誘導する、第１区域における複数の第２平行流通路を含み、第３流路は、第３流体を第３区域を通るように誘導する、第３区域における複数の第３平行流通路を含み、前記第２平行流通路は、第１区域において第１平行流通路と交互に配置され、かつ、前記第３平行流通路は、第３区域において第１平行流通路と交互に配置される請求項１の蒸発熱交換器。
【請求項３】
前記第２流体は、第１通路内の第１流体と並流関係を有する請求項１の蒸発熱交換器。
【請求項４】
前記第３流体は、第２通路内の第１流体と並流関係を有する請求項３の蒸発熱交換器。
【請求項５】
前記第３流体は、第２通路内の第１流体と向流関係を有する請求項３の蒸発熱交換器。
【請求項６】
前記第１流路は、第１及び第２通路においてサーペンタイン構造を有する請求項３の蒸発熱交換器。
【請求項７】
前記第１流路は、第１流体の下流方向に増加する流れ面積を有する請求項３の蒸発熱交換器。
【請求項８】
第１流体を蒸発させるため、第２流体及び第３流体から第１流体へと熱を移すための蒸発熱交換器であって、
第１流体を該熱交換器を通るように誘導する複数の第１平行流通路であって、各第１平行流通路が第２通路に接続する第１通路を有する該第１平行流通路と、
第２流体を該熱交換器を通るように誘導する複数の第２平行流通路であって、第２流体から第１通路を通って流れる第１流体へと熱を移すため、第１通路と交互に配置される第２平行流通路と、
第３流体を該熱交換器を通るように誘導する複数の第３平行流通路であって、第３流体から第２通路を通って流れる第１流体へと熱を移すため、第２通路と交互に配置される第３平行流通路とを備えた蒸発熱交換器。
【請求項９】
前記第２流体は、第１通路内の第１流体と並流関係を有する請求項８の蒸発熱交換器。
【請求項１０】
前記第３流体は、第２通路内の第１流体と並流関係を有する請求項９の蒸発熱交換器。
【請求項１１】
前記第３流体は、第２通路内の第１流体と向流関係を有する請求項９の蒸発熱交換器。
【請求項１２】
前記各第１平行流通路は、第１及び第２通路においてサーペンタイン構造を有する請求項９の蒸発熱交換器。
【請求項１３】
前記各第１平行流通路は、第１通路におけるよりも第２通路において大きい流れ面積を有する請求項９の蒸発熱交換器。
【請求項１４】
第１流体を蒸発させるため、第２流体及び第３流体から第１流体へと熱を移すための蒸発熱交換器であって、
複数の平行流れ板であって、各流れ板が、第１区域と、第２区域と、第２区域によって第１区域に接続する第３区域と、該熱交換器を通る第１流体のための流路を形成するため、第１、第２及び第３区域を通って連続的に延びるスロットとを含む該平行流れ板と、
複数の平行板対であって、各板対が、流れ板の第１区域と交互に配置され、かつ第２流体を該熱交換器を通るように誘導する流れチャネルを囲む第１区域と、流れ板の第３区域と交互に配置され、かつ第３流体を該熱交換器を通るように誘導する流れチャネルを囲む第２区域とを含む該平行板対とを備えた蒸発熱交換器。
【請求項１５】
前記各板対の第１及び第２区域は、板対の第１及び第２区域間の熱膨張の差を許容するため、流れ板の第２区域から離れた位置で互いに分離する請求項１４の蒸発熱交換器。
【請求項１６】
前記各流れ板の第１及び第３区域は、流れ板の第１及び第３区域間の熱膨張の差を許容するため、流れ板の第２区域から離れた位置で分離する請求項１５の蒸発熱交換器。
【請求項１７】
前記連続的なスロット各々は、第１及び第３区域においてサーペンタイン構造を有する請求項１４の蒸発熱交換器。
【請求項１８】
前記各スロットは、流れ板の第１区域におけるよりも第３区域において広い幅を有する請求項１４の蒸発熱交換器。
【請求項１９】
アノード排ガス流を生成する燃料電池システムのための燃料処理システムであって水を含む蒸発流体流を最初に蒸発させることによってリフォーメートガス流を生成する燃料処理システムに使用する蒸発熱交換器であって、
第１区域と第２区域と第３区域とを含み、かつ第２区域が第１及び第３区域を連結するコアと、
コアにおける蒸発流体流のための第１流路であって、コアの第１区域における第１通路とコアの第３区域における第２通路とを含み、かつ第２区域を通って延びて第１及び第２通路間に連続する第１流路と、
リフォーメートガス流のための第２流路であって、リフォーメートガス流から第１通路における蒸発流体流へと熱を移すため、コアの第１区域において第１通路と並行する第２流路と、
アノード排ガス流のための第３流路であって、アノード排ガス流から第２通路における蒸発流体流へと熱を移すため、コアの第３区域において第２通路と並行する第３流路とを備えた蒸発熱交換器。
【請求項２０】
前記第１流路は、蒸発流体流を該熱交換器を通るように誘導する複数の第１平行流通路を含み、第２流路は、リフォーメートガス流を第１区域を通るように誘導する、第１区域における複数の第２平行流通路を含み、第３流路は、アノード排ガス流を第３区域を通るように誘導する、第３区域における複数の第３平行流通路を含み、前記第２平行流通路は、第１区域において第１平行流通路と交互に配置され、かつ、前記第３平行流通路は、第３区域において第１平行流通路と交互に配置される請求項１９の蒸発熱交換器。
【請求項２１】
前記第２流体は、第１通路内の蒸発流体流と並流関係を有する請求項１９の蒸発熱交換器。
【請求項２２】
前記アノード排ガス流は、第２通路内の蒸発流体流と並流関係を有する請求項２１の蒸発熱交換器。
【請求項２３】
前記アノード排ガス流は、第２通路内の蒸発流体流と向流関係を有する請求項２１の蒸発熱交換器。
【請求項２４】
前記第１流路は、第１及び第２通路においてサーペンタイン構造を有する請求項１９の蒸発熱交換器。
【請求項２５】
前記第１流路は、第１流体の下流方向に増加する流れ面積を有する請求項１９の蒸発熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的な熱交換器、更に詳しくは、蒸発熱交換器、及び三の異なる作動流体を利用する熱交換器に関し、また、更に特定用途において燃料電池システムに使用するそのような熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸発流体流を蒸発させるために一の流体流から該蒸発流体流へと熱を移す蒸発熱交換器もしくは気化熱交換器が知られている。そのような熱交換器の一例は、プロトン交換膜（ＰＥＭ）型燃料電池システムのための燃料処理システムにおいて見られ、そこでは、水蒸気及び炭化水素からなるガス状混合物は、高温で化学的に改質され、リフォーメートとして知られている水素リッチガス流の流れを生成する。一般に、水蒸気と炭化水素のガス状混合物を生成するため、これらのシステムは、液化水と液化炭化水素の混合物を蒸発させるか、又は、メタン等のガス状炭化水素燃料の加湿のために次に用いられる液化水からの蒸気を生成するために、蒸発熱交換器を使用する。いくつかの燃料処理システムにおいて、リフォーメートガス流からの熱は、蒸発流体の液体流の蒸発に必要なかなりの量の潜熱の少なくとも一部を供給するために用いられ、これは、当該システムから廃熱を減らすと共に、次の触媒反応に必要な望ましい温度までリフォーメートを冷却するので有利である。この点に関し、いくつかのシステムにおいて、リフォーメートガス流の選択酸化反応のための最適温度は、蒸発流体流の液体流に対する沸点とほぼ同じであり、これは、選択酸化器のすぐ上流でリフォーメートガス流を蒸発流体流の蒸発のための熱源として使用することを有利にし、そのため、選択酸化反応にとって望ましい温度までリフォーメートガス流を冷却する。しかしながら、一般に、リフォーメートガス流が放出する顕熱は、液体流を完全に蒸発させるには充分ではない。燃料電池システムにおける他の更なる一共通熱源は、触媒反応器内のアノードテールガスの燃焼によって生成されるアノード排ガスである。蒸発流体流が、選択酸化器に入るリフォーメートガス流によってまず部分的に蒸発させられ、次いで、アノード排ガス流によって更に蒸発させられる二段階蒸発手順の使用は知られている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記システムは、それらの所期の目的には効果があり得るが、常に改善の余地が存在する。例えば、上記液体が吸着する熱は大部分が潜熱であるため、各蒸発器の全長の大部分は二相流体が占めることができる。異なる流れ条件が、同一の圧力低下を作り出すことができ（例えば、低い質的変化の高質量流又は過熱状態の低質量流）、従って、平行な通路で共存できるため、そのような蒸発器における流れ（流速）分布は自動（自己）修正ではない。異なる流れ分布は、通路から通路へと著しく変化する熱流束をもたらし得、これは、低い性能及び安定性を招き得る。更に、蒸発のために複数の段階が用いられる場合、蒸発の二段階間において二相混合物を再分配することが困難となり得る。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一形態によれば、第１流体を蒸発させるため、第２流体及び第３流体から第１流体へと熱を移すための蒸発熱交換器が提供される。該熱交換器は、コアと、コアにおける第１流体のための第１流路と、コアにおける第２流体のための第２流路と、コアにおける第３流体のための第３流路とを含む。コアは、第１区域と第２区域と第３区域とを含み、第２区域は、第１及び第３区域を連結する。第１及び第３区域は、第１及び第３区域間の熱膨張差を許容するため（該差に対処するため）、第２区域から離れた位置で互いに分離する。第１流路は、コアの第１区域における第１通路と、コアの第３区域における第２通路とを含み、第１流路は、第２区域を通って延びて第１及び第２通路間で連続する。第２流路は、第２流体から第１通路内の第１流体へと熱を移すため、コアの第１区域において第１通路と並行する（近接並置される）。第３流路は、第３流体から第２通路内の第１流体へと熱を移すため、コアの第３区域において第２通路と並行する。
【０００５】
一形態において、第１流路は、第１流体を該熱交換器に通るように向ける複数の第１平行流通路を含み、第２流路は、第２流体を第１区域に通るように向ける、第１区域における複数の第２平行流通路を含み、また、第３流路は、第３流体を第３区域に通るように向ける、第３区域における複数の第３平行流通路を含む。第１平行流通路の半分は、第１区域において第２平行流通路と交互に配置され、第１平行流通路の他の半分は、第３区域において第３平行流通路と交互に配置される。
【０００６】
一形態において、第２流体は、第１通路内の第１流体と並流関係を有する。更なる形態において、第３流体は、第２通路内の第１流体と並流関係を有する。別の形態において、第３流体は、第２通路内の第１流体と向流関係を有する。
【０００７】
一形態において、第１流路は、第１及び第２通路においてサーペンタイン（蛇行）構造を有する。
【０００８】
一形態において、第１流路は、第１流体の下流方向に増加する流れ面積を有する。
【０００９】
本発明の一形態によれば、第１流体を蒸発させるため、第２流体及び第３流体から第１流体へと熱を移すための蒸発熱交換器が提供される。該熱交換器は、第１流体を該熱交換器に通るように向ける複数の第１平行流通路と、第２流体を該熱交換器に通るように向ける複数の第２平行流通路と、第３流体を該熱交換器に通るように向ける複数の第３平行流通路とを含む。各第１平行流通路は、第２通路に接続する第１通路を有する。第２平行流通路は、第２流体から、第１通路を通って流れる第１流体へと熱を移すため、第１通路と交互に配置される。第３平行流通路は、第３流体から、第２通路を通って流れる第１流体へと熱を移すため、第２通路と交互に配置される。
【００１０】
一形態において、各第１平行流通路は、第１通路におけるよりも第２通路において大きい流れ面積を有する。
【００１１】
本発明の一形態によれば、第１流体を蒸発させるため、第２流体及び第３流体から第１流体へと熱を移すための蒸発熱交換器が提供される。該熱交換器は、複数の平行流れ板と、複数の平行板対とを含む。各流れ板は、第１区域と、第２区域と、第２区域によって第１区域に接続する第３区域と、該熱交換器を通る第１流体のための流路を形成するため、第１、第２及び第３区域を連続的に通って延びるスロットとを含む。各板対は、流れ板の第１区域と交互に配置され、かつ第２流体を該熱交換器に通るように向ける流れチャネルを囲む第１区域と、流れ板の第３区域と交互に配置され、かつ第３流体を該熱交換器に通るように向ける流れチャネルを囲む第２区域とを含む。
【００１２】
一形態において、各板対の第１及び第２対区域は、第１及び第２区域間の熱膨張差を許容するため、流れ板の第２区域から離れた位置で分離する。更なる形態において、各流れ板の第１及び第３区域は、流れ板の第１及び第３区域間の熱膨張差を許容するため、流れ板の第２区域から離れた位置で分離する。
【００１３】
一形態において、各スロットは、流れ板の第１及び第３区域においてサーペンタイン構造を有する。
【００１４】
一形態によれば、各スロットは、流れ板の第１区域におけるよりも第３区域において広い幅を有する。
【００１５】
本発明の一形態によれば、燃料電池システムのための燃料処理システムに使用する蒸発熱交換器が提供される。燃料処理システムは、水を含む（もしくは水からなる）蒸発流体流を最初に蒸発させることにより、リフォーメートガス流を生成する。燃料電池システムはアノード排ガス流を生成する。蒸発熱交換器は、コアと、コアにおける蒸発流体流のための第１流路と、コアにおけるリフォーメートガス流のための第２流路と、コアにおけるアノード排ガス流のための第３流路とを含む。コアは、第１区域と第２区域と第３区域とを含み、第２区域は、第１及び第３区域を連結する。第１流路は、コアの第１区域における第１通路と、コアの第３区域における第２通路とを含み、第１流路は、第２区域を通って延びて第１及び第２通路間で連続する。第２流路は、リフォーメートガス流から第１通路内の蒸発流体流へと熱を移すため、コアの第１区域において第１通路と並行する。第３流路は、アノード排ガス流から第２通路内の蒸発流体流へと熱を移すため、コアの第３区域において第２通路と並行する。
【００１６】
一形態において、第１流路は、蒸発流体流を該熱交換器に通るように向ける、第１、第２及び第３区域を通って延びる複数の第１平行流通路を含み、第２流路は、リフォーメートガス流を第１区域に通るように向ける、第１区域における複数の第２平行流通路を含み、また、第３流路は、アノード排ガス流を第３区域に通るように向ける、第３区域における複数の第３平行流通路を含む。第２平行流通路は、第１区域において第１平行流通路と交互に配置され、また、第３平行流通路は、第３区域において第１平行流通路と交互に配置される。
【００１７】
本発明の更なる目的、利点及び側面は、付随の請求範囲及び図面を含む明細書全体に基づき明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１に見られるように、本発明を具現する蒸発熱交換器すなわち蒸発器１０が、ＰＥＭ型燃料電池システム１４のための、１２で概略的に示す燃料処理システムと共に示されている。ＰＥＭ型燃料電池システム１４は、燃料電池スタック１６とアノードテールガス燃焼／酸化器１８とを含み、アノードテールガス燃焼／酸化器１８は、燃料電池スタック１６からのアノードテールガス流２０における過剰燃料を触媒反応で燃やし、アノード排ガス流２２を生成する。燃料処理システム１２は、改質器２４と選択酸化器２６とを含む。運転中、燃料処理システム１２は、蒸発流体流３０を最初に蒸発させることにより、リフォーメートガス流２８を生成する。蒸発流体流３０は、熱交換器１０によって蒸発させられた後、改質器２４に供給される。この点に関し、蒸発流体流３０は、液化水と液化炭化水素の混合物の形態、又は単なる液化水の形態で熱交換器１０に供給され得、これは、次いで蒸発させられて、改質器２４に入る前に加湿機（随意的に３２で示す）においてガス状炭化水素燃料３３（メタン等）に加湿するために用いられるであろう。蒸発流体３０を蒸発させると共に、リフォーメートガス流２８の温度をＰＲＯＸ２６に対する望ましい入口温度まで下げるため、リフォーメートガス流２８は熱交換器１０を通過して、リフォーメート２８がＰＲＯＸ２６に入る前にその熱を蒸発流体流３０へと移す。アノード排ガス流２２は、熱交換器１０を通過し、その熱を蒸発流体流３０に移して蒸発流体流３０を充分に蒸発させ、また、そうでなければ廃熱となるであろう熱をアノード排ガス流２２から回収する。
【００１９】
熱交換器１０は、ＰＥＭ型燃料電池システム１４の燃料処理システム１２と共にここに記載されるが、当然のことながら、他のタイプの燃料電池システム及び／又は燃料電池システム以外のシステムにおいても有用であると分かるであろう。従って、本発明は、特許請求の範囲に明確に記載されない限り、燃料処理システム１２又は特定タイプの燃料電池システム又は燃料電池システムに限定されない。熱交換器１０は、第１区域４２と第２区域４４と第３区域４６とを有するコア４０を含み、第２区域４４は、第１及び第３区域４２及び４６を連結する。熱交換器１０は、蒸発流体流３０を第１区域４２内に向ける入口ポート４８と、蒸発流体流３０を第３区域４６外に向ける出口ポート５０と、リフォーメートガス流２８を第１区域４２内に向ける入口ポート５２と、リフォーメートガス流２８を第１区画４２外に向ける出口ポート５４と、アノード排ガス流２２を第３区域４６内に向ける入口ポート５６と、アノード排ガス流２２を第３区域４６外に向ける出口ポート５８とを更に含む。６０で概略的に示す蒸発流路が蒸発流体流３０のためにコア４０内に設けられる。蒸発流路６０は、コア４０の第１区域４２における６２で概略的に示す第１通路と、コア４０の第３区域４６における６４で概略的に示す第２通路とを含む。蒸発流路６０は、第２区域４４を通って延び、第１及び第２通路６２及び６４間に連続する。６６で概略的に示す第２流路は、リフォーメートガス流２８のために第１区域４２に設けられる。第２流路６６は、第１区域４２において第１通路６２と並行し、リフォーメートガス流２８から第１通路６２の蒸発流体流３０へと熱を移す。６８で概略的に示す第３流路は、アノード排ガス流２２のために第３区域４６に設けられる。第３流路６８は、第３区域４６において第２通路６４と並行し、アノード排ガス流２２から第２通路６４の蒸発流体流３０へと熱を移す。
【００２０】
図２に最も良く示すような熱交換器１０の好ましい実施形態の構成を更に詳細に参照すれば、コア４０は、複数の平行流れ板７０を含む積重ねバー−板型構造であり、各流れ板は、コア４０の第１区域４２に対応する第１区域７２と、コア４０の第２区域４４に対応する第２区域７４と、コア４０の第３区域４６に対応する第３区域７６とを有する。開放チャネルすなわちスロット７８は、各流れ板７０の第１、第２及び第３区域７２、７４及び７６を通って連続的に延び、蒸発流体３０のための流路６０を形成する。各スロット７８は幅Ｗを有し、蒸発流体流３０が蒸発するにつれての該流体流３０の低下する濃度に対応するため、幅Ｗは、スロット７８が区域７２、７４及び７６を通って延びるにつれて拡大する。スロット７８は、第１及び第３区域７２及び７６各々においてサーペンタイン（蛇行）構造を有し、第１区域４２におけるリフォーメートガス流２８及び第３区域４６におけるアノード排ガス流２２に対する蒸発流体流３０のための局部的交差（直交）流路を提供する。第１区域７２におけるスロット７８のサーペンタイン構造は第１通路６２に対応し、また、第３区域７６におけるスロット７８のサーペンタイン構造は第２通路６４に対応する。
【００２１】
コア４０はまた、流れ板７０に挟まれる複数の分離板対８０を含み、各対８０は一組の分離板８１を含む。各板８１は、第１区域４２及び７２に対応する第１区域８２と、第２区域４４及び７４に対応する第２区域８４と、第３区域４６及び７６に対応する第３区域８６とを含む。各板対８０は、板対８０の板８１間に挟まれるフレーム９０を含み、フレーム９０は、第１区域４２、７２及び８２に対応する第１区域９２と、第２区域４４、７４及び８４に対応する第２区域９４と、第３区域４６、７６及び８６に対応する第３区域９６とを含む。各フレームの第１区域９２は、リフォーメートガス流２８のための流れ室１００を囲む連続周囲リム９８を有し、また、各第３区域９６は、アノード排ガス流２２のための流れ室１０４を囲む周囲リム１０２を有する。好ましくは、積重ね方向におけるフレーム９０の厚さは、全区域９２、９４及び９６において同じである。好ましくは、適当な撹拌器（流れを乱す部材）もしくはフィン１０６及び１０８等のフィンは、各室１００及び１０４にそれぞれ設けられ、また、それぞれのガス流２８及び２２と対８０の板８１との間の熱伝達を改善するため、該撹拌器もしくはフィンの側面が対８０の板８１に結合される。板対８０の各板８１は、板対８０が流れ板７０で挟まれる際に流れチャネル７８を密閉するため、流れチャネル７８の上にある領域において中実（隙間が無い）である。板１１０及び１１１は、最上及び最低板対８０の板８１の一つしての役割をそれぞれ果たすと共に、熱交換器１０のポート４８、５０、５２、５４、５６及び５８を取り付けるため、コア４０の上部及び底部に設けられる。
【００２２】
第１及び第３区域４２及び４６並びに対応する第１及び第３区域７２、８２、９２及び７６、８６、９６は、第２区域４４、７４、８４及び９４から離れた位置で分離され、そのため、熱交換器１０は、コア４０の各区域４２及び４６の、互いに対して比較的拘束されない示差熱膨張を吸収することができ、これにより、熱成長による機械的応力を最小にすることができる。
【００２３】
タブ状拡張部１１２、１１４及び１１６は、流れ板７０、板８１及びフレーム９０にそれぞれ設けられ、蒸発流体３０を入口ポート４８から流路６０のスロット７８内へと向けるための、入口４８の下にある入口マニホルド１１８を形成する。タブ状拡張部１２０、１２２及び１２４は、流れ板７０、板８１及びフレーム９０にそれぞれ設けられ、蒸発流体３０を流路６０のスロット７８から出口ポート５０へと向けるための、出口ポート５０の下にある出口マニホルド１２６を形成する。周囲リム拡張部１２８及び１３０は、流れ板７０及び板８１にそれぞれ設けられ、リフォーメートガス流２８を入口ポート５２から第２流路６６の流れチャネル１００内へと向けるための、入口ポート５２の下にある入口マニホルド１３２をリム９８と共に形成する。周囲リム拡張部１３４及び１３６は、流れ板７０及び板８１にそれぞれ設けられ、リフォーメートガス流２８を第２流路６６の流れチャネル１００から出口ポート５４内へと向けるための、出口ポート５４の下にある出口マニホルド１３８をリム９８と共に形成する。周囲リム拡張部１４０及び１４２は、流れ板７０及び板８１にそれぞれ設けられ、アノード排ガス流２２をポート５４から第３流路６８の流れチャネル１０４内へと向けるための、入口ポート５６の上にある入口マニホルド１４４をリム１０２と共に形成する。周囲リム拡張部１４６及び１４８は、流れ板７０及び分離板８１にそれぞれ設けられ、アノード排ガス流２２を流れチャネル１０４から出口ポート５８内へと向けるための、出口ポートの上にある出口マニホルド１５０をリム１０２と共に形成する。
【００２４】
好ましくは、熱交換器１０の上記各構成要素は、アルミニウム、鋼もしくは銅といった適当な金属材料からなり、板７０及び８１は、薄い金属シートからなり、また、すべての構成要素は、半田付け、鑞付けもしくは溶接等の適当な結合技術を用いて共に接合される。
【００２５】
オプションとして、入口マニホルド１１８のすぐ下流の各スロット７８の部分は、各スロット７８への蒸発流体流３０の一様な分配を強いるように、例えば、上記部分各々を局部的に狭くすることにより、蒸発流体流３０のためのポンプから利用でき得るような大きい圧力低下を有するように設計され得る。そのような設計の利点の一つは、不均衡分配の可能性を本質的に下げるであろうことである。第１通路６２が長い「縮んだ（pinched）」領域を好ましくは有するので、層から層への液体のいかなる潜在的な（起こり得る）不均衡分配も、圧力低下に強い衝撃を与えるであろう。ガス流２８における利用できる熱は完全に消費される（流体流３０の沸点まで温度が下がる）ので、蒸気特性は第１通路６２においてほぼ決定される。これは、背景技術欄で述べた不均衡分配の可能性を効果的に抑える。
【００２６】
認識されるべき点は、バー−板型設計が図示されるが、例えば、各板対８０に対する絞り加工カップ型（シェル型）構造等、他のタイプの構造がコア４０に使用可能であることである。認識されるべき点はまた、各対８０の板８１間に撹拌器もしくはフィンを設けることが好ましいが、いくつかの用途において、撹拌器もしくはフィン１０６及び／又は１０８を無しで済ませることが望ましいか、又は、板８１に窪みを設け、該窪みが対８０の向かい側の板８１の窪みと境を接することが望ましいかもしれないことである。認識されるべき点はまた、各室１００及び１０４の幅が、図示のようにそれらを通って流れる二つの異なる種類のガス間で変わり得ることであり、また、特定タイプの細部及びそこで用いる撹拌器もしくはフィンの構成が変更できるように、用途によっても変わり得ることである。
【００２７】
図３に最も良く見られるように、運転中、蒸発流体流３０は、マニホルド１１８から各流れ板７０のスロット７８内へと向けられ、第１区域７２を通って第１通路６２のサーペンタイン構造を横断し、第１通路６２及びコア４０の第１区域４２を出る二相流の蒸発流体３０が存在するように、第１通路６２の端部に達する前に蒸発し始める。蒸発流体流３０は、第１区域７２から第２区域７４を通って第３区域７６へと各スロット７８内を連続的に流れ、これにより、二相流体の再分配に対する必要性を除去し、該二相の液体部分のドロップアウトを防ぐ。蒸発流体流３０は、次いで、第３区域７６を通って出口マニホルド１２６へと第２通路６４のサーペンタイン構造を横断し、スロット７８の端部に達する前に好ましくは完全に蒸発させられ、そのため、コア４０の第３区域４６において蒸発流体流３０に対する過熱領域が存在する。従って、例示実施形態において水である蒸発流体流３０は、燃料電池１６のための燃料の加湿のために用いられる高品質の水／蒸気混合物へと加熱される。
【００２８】
例示実施形態において、各ガス流２８及び２２は、コア４０のこれらガスのそれぞれの区域４２及び４６において蒸発流体流３０と並流関係を有する。図４は、熱交換器の流体２２、２８及び３０に対する典型的な温度分布を示す。図４に見られるように、コアの第１区域４２の有効性は、次のようなものである。すなわち、リフォーメートガス流２８が蒸発流体流３０（例示実施形態において水）の沸点で縮むようになされ、これにより、リフォーメートガス流２８の熱交換器からの出口温度をすこぶる一定にすることである。これは、リフォーメートガス流２８に対するアクティブ制御方式を必要とすることなく、ＰＲＯＸ２６に対し最適温度でリフォーメートガス流２８を供給することができるので有利である。図４にも見られるように、第３区域４６におけるアノード排ガス流２２の並流は、一又は複数のスロット７８が完全に乾燥して加熱すると生じ得る熱交換器の材料の温度偏位（temperature excursions）を制限する利点を有する。これは、図５に関連して最も良く見られ、該図は、第３区域４６を通る経路の４分の３で発生する模擬完全乾燥を示すと共に、蒸発流体流３０によって吸着される潜熱により、アノード排ガス流２２の温度が第３区域４６において比較的急速に低下しているので、蒸発流体流３０の温度上昇が制限される点を示す。
【００２９】
両ホットガス流２８及び２２を、熱交換器のこれらガスのそれぞれの区域４２及び４６において蒸発流体流３０と並行にすることが好ましい。その理由は、この流れ配列が、熱交換器を出る流体温度の安定性を保証して、熱交換器の構造的保全性を最大にすることを支援することができるからである。しかしながら、いくつかの用途において、ホットガス流２８及び２２のそれぞれの区域４２及び４６において該ホットガス流２８及び２２の一方又は両方を蒸発流体流３０に対して向流とすることが望ましいかもしれない。例えば、いくつかの用途において、いかなる状況でも蒸発流体流３０の完全な蒸発及び加熱を保証することが必要であり得、これは、第３区域４６の加熱領域における熱伝達に対し充分な温度差動を与えるため、第３区域４６におけるアノード排ガス流２２の向流を必要とし得る。しかしながら、このタイプの向流配列は、板８１の完全乾燥位置に高熱誘発応力をもたらし得る。従って、この種の向流設計における熱応力問題に対処するために注意しなければならいない。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】燃料電池システムのための燃料処理システムに関連して本発明を具現化する熱交換器のやや概略的な図である。
【図２】図１の熱交換器の一部分解斜視図である。
【図３】図１の熱交換器の流れ板の平面図である。
【図４】図１の熱交換器の一実施形態の作動流体の温度分布を示すグラフである。
【図５】乾燥しきった状態下の温度分布を示す、図４と同様のグラフである。
【符号の説明】
【００３１】
１０  蒸発熱交換器
１２  燃料処理システム
１４  ＰＥＭ型燃料電池システム
１６  燃料電池スタック
１８  アノードテールガス燃焼／酸化器
２０  アノードテールガス流
２２  アノード排ガス流
２４  改質器
２６  選択酸化器
２８  リフォーメートガス流
３０  蒸発流体流
４０  コア
４２  第１区域
４４  第２区域
４６  第３区域
６０  蒸発流路
６２  第１通路
６４  第２通路
６６  第２流路
６８  第３流路
７０  平行流れ板
７８  開放チャネル（スロット）
８０  分離板対
８１  分離板
９０  フレーム
１００、１０４  流れ室
１０６、１０８  フィン
【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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【国際調査報告】
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