(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１流体と第２流体との間、及び前記第１流体と第３流体との間の夫々で熱交換を行なう三流体用熱交換器であって、
複数の第１板材と、その両外側に配置された第２板材及び第３板材とを、夫々の前記板材の外周部を、互いに隣接する前記板材間において接合して重設し、
前記第１流体が流通する第１流路が、互いに隣接する前記第１板材間において、両第１板材に突出形成された仕切部同士を接触させることにより、前記複数の第１板材の夫々の間に形成され、
前記第２流体が流通する第２流路が、第２板材に突出形成された仕切部を、前記第１板材の前記仕切部に接触させることにより、前記第１板材と前記第２板材との間に形成され、
前記第３流体が流通する第３流路が、第３板材に突出形成された仕切部を、前記第１板材の前記仕切部に接触させることにより、前記第１板材と前記第３板材との間に形成されていることを特徴とする三流体用熱交換器。
【請求項２】
前記第１流路における前記第１流体の流通方向が、前記第２流路における前記第２流体の流通方向及び前記第３流路における前記第３流体の流通方向に対向する方向に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の三流体用熱交換器。
【請求項３】
第１流体と第２流体との間、及び前記第１流体と第３流体との間の夫々で熱交換を行なう三流体用熱交換器であって、
複数の第１板材と、その両外側に配置された第２板材及び第３板材とを、夫々の前記板材の外周部を、互いに隣接する前記板材間において接合して重設し、
前記第１流体が流通する第１流路が、前記複数の第１板材の夫々の間に形成され、
前記第２流体が流通する第２流路が、前記第１板材と前記第２板材との間に形成され、
前記第３流体が流通する第３流路が、前記第１板材と前記第３板材との間に形成され、
前記第１流路及び前記第２流路及び前記第３流路が、前記各板材の重なり方向に平面視して同形状の経路を有するものであり、
前記第１流路における前記第１流体の流通方向が、前記第２流路における前記第２流体の流通方向及び前記第３流路における前記第３流体の流通方向に対向する方向に設定され、
前記第１流路及び前記第２流路及び前記第３流路の経路が、互いに隣接する前記板材間において少なくとも一方側の前記板材に突出形成された仕切部を他方側の前記板材に接合することにより形成された蛇行状経路であることを特徴とする三流体用熱交換器。
【請求項４】
燃焼部で燃料を燃焼用空気により燃焼させるバーナ装置であって、
請求項１から３の何れか一項に記載の三流体用熱交換器を、前記燃焼部から排出された燃焼排ガスを前記第１流体とし、前記燃焼部に供給される前記燃料と前記燃焼用空気とを前記第２流体と前記第３流体として備えたことを特徴とするバーナ装置。
【請求項５】
請求項４に記載のバーナ装置により加熱され、炭化水素系の原燃料ガスを、水蒸気にて、燃料電池に供給される水素含有ガスに改質させる改質処理部を備えたことを特徴とする水素含有ガス生成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、第１流体と第２流体との間、及び前記第１流体と第３流体との間の夫々で熱交換を行なう三流体用熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料を燃焼用空気により燃焼させ燃焼排ガスを排出するバーナ装置において、燃焼排ガスの熱を燃焼用空気等により回収するように構成して熱効率を向上させることがある。
特に、燃料が天然ガス等の気体燃料である場合には、前記燃焼排ガスの熱を、燃焼用空気及び燃料の両方で回収するように構成することで、一層の熱効率の向上を図ることができる。
【０００３】
一方、炭化水素系の原燃料ガスを、水蒸気改質して、燃料電池に供給される水素含有ガスを生成する水素含有ガス生成装置が知られており、このような水素含有ガス生成装置の上記水蒸気改質を行なう改質処理部には、加熱用のバーナ装置が設けられることがある。
そして、このように改質処理部を比較的高温に加熱する必要があるバーナ装置からは、改質処理部の温度以上の高温の燃焼排ガスが排出される。よって、特に、このような改質処理部加熱用のバーナ装置においては、燃焼排ガスの熱を燃料及び燃焼用空気により回収して熱効率を向上することが望まれる。
【０００４】
そして、このように燃焼排ガスの熱を燃料及び燃焼用空気の両方で回収するには、燃焼排ガスと燃料との熱交換を行なう燃料用熱交換器と、燃焼用排ガスと燃焼用空気との熱交換を行なう空気用熱交換器とが、燃焼排ガスの流路に並設される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、燃焼排ガスの流路に２つの熱交換器を並設すると、バーナ装置等の小型化を阻害し、コスト高の原因となる。
従って、本発明は、上記の事情に鑑みて、簡単な構成で、容易に小型化が可能な三流体用熱交換器を実現することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
〔構成１〕
本発明に係る三流体用熱交換器は、請求項１に記載したごとく、第１流体と第２流体との間、及び前記第１流体と第３流体との間の夫々で熱交換を行なう三流体用熱交換器であって、複数の第１板材と、その両外側に配置された第２板材及び第３板材とを、夫々の前記板材の外周部を、互いに隣接する前記板材間において接合して重設し、前記第１流体が流通する第１流路が、互いに隣接する前記第１板材間において、両第１板材に突出形成された仕切部同士を接触させることにより、前記複数の第１板材の夫々の間に形成され、前記第２流体が流通する第２流路が、第２板材に突出形成された仕切部を、前記第１板材の前記仕切部に接触させることにより、前記第１板材と前記第２板材との間に形成され、前記第３流体が流通する第３流路が、第３板材に突出形成された仕切部を、前記第１板材の前記仕切部に接触させることにより、前記第１板材と前記第３板材との間に形成されていることを特徴とする。
【０００７】
〔作用効果〕
本構成の三流体用熱交換器によれば、プレス成型等により皿状に形成された４つ以上の板材を、隣接間に流路を形成しながら、外周部をシーム溶接等により接合して重設することで、第１流路と第２流路と第３流路とが、夫々の板材の重設方向に平面視して同形状の経路を有する構造とすることができる。つまり、上記同形状の経路を有する第１流路と第２流路と第３流路とが、第１板材を介して隣接して形成されていることになるので、伝熱長及び伝熱面積を稼ぐことができるため、第１流体と第２流体及び第３流体との熱交換の促進を図ることができる。また、プレス成型等により皿状に形成された４つ以上の板材を、隣接間に流路を形成しながら、外周部をシーム溶接等により接合して重設することで、プレート形熱交換器として構成されているので、簡単な構成で小型且つ薄形化が可能となる。
【０００８】
さらに、互いに重設された４つ以上の板材の内、中間にある複数の第１板材の間に形成された偏平状の第１流路には、給熱用の燃焼排ガス等の第１流体が流通し、さらに、複数の重設された第１板材の外側を２つの第２板材及び第３板材により挟み込むことで、第２板材の内側（即ち、第１板材側）に形成された偏平状の第２流路には、受熱用の燃料及び燃焼用空気の一方等の第２流体が流通し、さらに、第３板材の内側（即ち、第１板材側）に形成された偏平状の第３流路には、受熱用の燃料及び燃焼用空気の他方等の第２流体が流通することになる。そして、第２流体及び第３流体の夫々は、第１流体に対して、第１板材のほぼ全域を伝熱面とし、夫々の流路の単位容量あたりの伝熱面積を比較的大きいものとして良好に熱交換を行なうことができるので、第１流体と第２流体との間、及び第１流体と第３流体との間で、同時に熱交換を行なうことができる三流体用熱交換器を実現することができる。
【０００９】
〔構成２〕
本発明に係る三流体用熱交換器は、請求項２に記載したごとく、上記構成１の三流体用熱交換器の構成に加えて、前記第１流路における前記第１流体の流通方向が、前記第２流路における前記第２流体の流通方向及び前記第３流路における前記第３流体の流通方向に対向する方向であることを特徴とする。
【００１０】
〔作用効果〕
本構成の三流体用熱交換器によれば、第１流体が、第２流体及び第３流体の流通方向に対向して流れるので、第１流路を流通して排出される直前の第１流体の熱を、第２流路及び第３流路に供給された直後の第２流体及び第３流体により充分に回収することができ、両流体の熱交換を促進することができる。
【００１１】
〔構成３〕
本発明に係る三流体用熱交換器は、請求項３に記載したごとく、第１流体と第２流体との間、及び前記第１流体と第３流体との間の夫々で熱交換を行なう三流体用熱交換器であって、複数の第１板材と、その両外側に配置された第２板材及び第３板材とを、夫々の前記板材の外周部を、互いに隣接する前記板材間において接合して重設し、前記第１流体が流通する第１流路が、前記複数の第１板材の夫々の間に形成され、前記第２流体が流通する第２流路が、前記第１板材と前記第２板材との間に形成され、前記第３流体が流通する第３流路が、前記第１板材と前記第３板材との間に形成され、前記第１流路及び前記第２流路及び前記第３流路が、前記各板材の重なり方向に平面視して同形状の経路を有するものであり、前記第１流路における前記第１流体の流通方向が、前記第２流路における前記第２流体の流通方向及び前記第３流路における前記第３流体の流通方向に対向する方向に設定され、前記第１流路及び前記第２流路及び前記第３流路の経路が、互いに隣接する前記板材間において少なくとも一方側の前記板材に突出形成された仕切部を他方側の前記板材に接合することにより形成された蛇行状経路であることを特徴とする。
【００１２】
〔作用効果〕
第１流路と第２流路と第３流路とが、夫々の板材の重設方向に平面視して同形状の経路を有するものであり、つまり、上記同形状の経路を有する第１流路と第２流路と第３流路とが、第１板材を介して隣接して形成されていることになるので、伝熱長及び伝熱面積を稼ぐことができるため、第１流体と第２流体及び第３流体との熱交換の促進を図ることができる。また、プレス成型等により皿状に形成された４つ以上の板材を、隣接間に流路を形成しながら、外周部をシーム溶接等により接合して重設することで、プレート形熱交換器として構成されているので、簡単な構成で小型且つ薄形化が可能となる。
【００１３】
また、第１流体が、第２流体及び第３流体の流通方向に対向して流れるので、第１流路を流通して排出される直前の第１流体の熱を、第２流路及び第３流路に供給された直後の第２流体及び第３流体により充分に回収することができ、両流体の熱交換を促進することができる。
【００１４】
さらに、互いに重設された４つ以上の板材の内、中間にある複数の第１板材の間に形成された偏平状の第１流路には、給熱用の燃焼排ガス等の第１流体が流通し、さらに、複数の重設された第１板材の外側を２つの第２板材及び第３板材により挟み込むことで、第２板材の内側（即ち、第１板材側）に形成された偏平状の第２流路には、受熱用の燃料及び燃焼用空気の一方等の第２流体が流通し、さらに、第３板材の内側（即ち、第１板材側）に形成された偏平状の第３流路には、受熱用の燃料及び燃焼用空気の他方等の第２流体が流通することになる。そして、第２流体及び第３流体の夫々は、第１流体に対して、第１板材のほぼ全域を伝熱面とし、夫々の流路の単位容量あたりの伝熱面積を比較的大きいものとして良好に熱交換を行なうことができるので、第１流体と第２流体との間、及び第１流体と第３流体との間で、同時に熱交換を行なうことができる三流体用熱交換器を実現することができる。
【００１５】
さらに、第１流路及び第２流路及び第３流路を、夫々の板材間においてシーム溶接等により接合された仕切部により、蛇行状経路とするので、第１流路と第２流路との間、及び第１流路と第３流路との間の夫々において、伝熱長及び伝熱面積を稼いで、第１流体に対する第２流体及び第３流路の熱交換の促進を図ることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて、本発明を燃料電池用の水素含有ガス生成装置に適用した場合の実施の形態を説明する。
図１に示すように、水素含有ガス生成装置Ｐは、供給される天然ガス等の炭化水素系の原燃料ガスを脱硫処理する脱硫処理部１と、供給される原料水を加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成部Ｓと、燃焼式の改質処理部加熱手段としての燃焼部４にて加熱されて、脱硫処理部１から供給される脱硫原燃料ガスを水蒸気生成部Ｓで生成された水蒸気を用いて水素ガスと一酸化炭素ガスを含むガスに改質処理する改質処理部３と、改質処理部３から供給される改質処理ガス中の一酸化炭素ガスを水蒸気を用いて二酸化炭素ガスに変成させることにより変成処理する変成処理部５と、その変成処理部５から供給される変成処理ガス中の一酸化炭素ガスを選択酸化することにより選択酸化処理する選択酸化処理部６と、水素含有ガス生成装置の運転を制御する制御部（図示せず）を備えて構成して、一酸化炭素ガス濃度の低い（例えば１０ｐｐｍ以下）水素リッチな水素含有ガスを生成するように構成してある。
【００１７】
脱硫処理部１においては、例えば１５０〜３００°Ｃの範囲の脱硫処理温度で、脱硫触媒にて原燃料ガス中の硫黄化合物が水素化され、その水素化物が酸化亜鉛に吸着されて脱硫される。ちなみに、脱硫処理部１における脱硫反応は発熱反応である。脱硫処理部１には、ニッケル−モリブデン系、クロム−モリブデン系などの水素化脱硫触媒の粒状成型体の多数が充填されている。
【００１８】
改質処理部３においては、メタンガスを主成分とする天然ガスが原燃料ガスである場合は、ルテニウム、ニッケル、白金等の改質触媒の触媒作用により、例えば６００〜７００°Ｃの範囲の改質処理温度の下で、メタンガスと水蒸気とが下記の反応式［化１］にて改質反応して、水素ガスと一酸化炭素ガスを含むガスに改質処理される。ちなみに、改質処理部３における改質反応は吸熱反応である。また、上記改質用触媒は、セラミック製の多孔質粒状体に保持され、改質処理部３には、その多孔質粒状体の多数が充填されている。
【００１９】
【化１】
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ2
【００２０】
変成処理部５においては、改質処理ガス中の一酸化炭素ガスと水蒸気とが、酸化鉄又は銅亜鉛の変成触媒の触媒作用により、例えば１５０〜３００°Ｃの範囲の変成処理温度の下で、下記の反応式［化２］にて変成反応して、一酸化炭素ガスが二酸化炭素ガスに変成処理される。ちなみに、変成処理部５における変成反応は発熱反応である。変成処理部５には、粒状成型体の多数が充填されている。
【００２１】
【化２】
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2
【００２２】
選択酸化処理部６においては、白金、ルテニウム、ロジウム等の貴金属系の選択酸化触媒の触媒作用によって、例えば８０〜１２０°Ｃの範囲の選択酸化処理温度の下で、変成処理ガス中に残っている一酸化炭素ガスが選択酸化される。ちなみに、選択酸化処理部６における酸化反応は発熱反応である。また、上記選択酸化用触媒は、セラミック製の多孔質粒状体に保持され、選択酸化処理部６には、その多孔質粒状体の多数が充填されている。
【００２３】
そして、水素含有ガス生成装置にて生成された水素含有ガスは燃料ガスとして、燃料電池Ｇに供給される。燃料電池Ｇは、詳細な説明は省略するが、高分子膜を電解質とする固体高分子型であり、水素含有ガス生成装置Ｐから供給される燃料ガス中の水素と、ブロア（図示せず）から供給される反応用空気中の酸素との電気化学反応により発電するように構成してある。
【００２４】
燃焼部４は、燃料電池Ｇから排出されたオフガスを燃料ガスＦとして燃焼させると共に、改質処理部３を改質処理可能なように加熱するに当たって、オフガスだけでは不足する分を都市ガス（１３Ａ等）で補う。
さらに、燃焼部４には、燃料ガスＦを燃焼させるための燃焼用空気Ａが供給される。そして、燃焼部４からは、少なくとも改質処理温度以上の高温の燃焼排ガスＥが排出される。
また、水蒸気生成部Ｓは、このような燃焼排ガスＥにより水を加熱して、水蒸気を生成するように構成してある。
【００２５】
さらに、水素含有ガス生成装置Ｐには、水蒸気生成部Ｓから排出された少なくとも水蒸気温度以上の燃焼排ガスＥの熱を、燃焼部４に供給される燃料ガスＦ及び燃焼用空気Ａにより回収して、熱効率を向上するための三流体用熱交換器１０が設けられており、この三流体用熱交換器１０の詳細構造について以下に説明する。
【００２６】
この三流体用熱交換器１０は、図２及び図３に示すように、プレス成型等により皿状に形成された厚さ０．５ｍｍのステンレス製の板材である４つの板材１４，１５を、隣接間に流路１１，１２，１３を形成しながら重ね合わせて、夫々の板材１４，１５の外周部１７を、シーム溶接等により接合して、プレート形熱交換器として構成されており、小型且つ薄形である。
【００２７】
三流体用熱交換器１０においては、互いに重設された４つの板材１４，１５の内、中間にある２つの第１板材１４の間に形成された偏平状の第１流路１１には、給熱用の燃焼排ガスＥ（第１流体の一例）が流通し、２つの重設された第１板材１４の外側を２つの第２板材１５及び第３板材１６により挟み込むことで、第２板材１５の内側に形成された偏平状の第２流路１２には、受熱用の燃焼用空気Ａ（第２流体の一例）が流通し、さらに、第３板材１６の内側に形成された偏平状の第３流路１３には、受熱用の燃料ガスＦ（第３流体の一例）が流通し、そして、燃焼排ガスＥと燃料ガスＦとの間、及び燃焼排ガスＥと燃焼用空気Ａとの間の夫々で同時に熱交換を行なうことができる。
【００２８】
さらに、三流体用熱交換器１０においては、第１流路１１と第２流路１２と第３流路１３とが、図２に示すように、夫々の板材１４，１５，１６の重設方向から平面視して、同形状の蛇行状経路を有するものとして形成されており、さらに、燃焼排ガスＥの流通方向が燃料ガスＦ及び燃焼用空気Ａの流通方向に対向する方向とされており、伝熱長及び伝熱面積を稼ぐと共に、第１流路１１を流通して排出される直前の燃焼排ガスＥの熱を、第２流路１２及び第３流路１３に供給された直後の比較的低温の燃料ガスＦ及び燃焼用空気Ａにより充分に回収することができ、燃焼排ガスＥと燃料ガスＦ及び燃焼用空気Ａとの熱交換の促進が図られている。
【００２９】
即ち、第１流路１１の経路が、互いに隣接する第１板材１４の間において、両第１板材１４に突出形成された仕切部１８同士を接触させることにより蛇行状経路に形成されており、さらに、夫々の第２流路１２及び第３流路１３が、第２板材１５及び第３板材１６に突出形成された仕切部１８を、第１板材１４の仕切部１８に接触させることにより、第１流路１１と同形状の経路の蛇行状経路に形成されている。そして、このように互いに接合された仕切部１８は、シーム溶接により隣接する板材間において接合されている。
【００３０】
第２板材１５には、第２流路１２に燃焼用空気Ａを流入させるための流入部１２ｉと、第２流路１２から燃焼用空気Ａを流出させるための流出部１２ｏが、絞り加工により管状に形成されており、その流入部１２ｉ及び流出部１２ｏに、燃焼用空気Ａの流路を形成する管材が夫々接合されている。
また、第３板材１６にも、第３流路１３に燃料ガスＦを流入させるための流入部１３ｉと、第３流路１３から燃料ガスＦを流出させるための流出部１３ｏが、絞り加工により管状に形成されており、その流入部１３ｉ及び流出部１３ｏに、燃料ガスＦの流路を形成する管材が夫々接合されている。
【００３１】
また、第１板材１４には、第１流路１１に燃焼用排ガスＥを流入させるための流入部１１ｉと、第１流路１１から燃焼用排ガスＥを流出させるための流出部１１ｏが、絞り加工により、第３板材１６を貫通する管状に形成されており、その流入部１１ｉ及び流出部１１ｏに、燃焼排ガスＥの流路を形成する管材が夫々接合されている。
【００３２】
また、水素含有ガス生成装置Ｐには、脱硫処理部１からの脱硫原燃料ガスと改質処理部３からの高温の改質処理ガスとを熱交換させて、改質処理部３に供給される脱硫原燃料ガスを予熱する脱硫原燃料ガス用熱交換器Ｅｐと、改質処理部３からの高温の改質処理ガスと脱硫処理部１に供給される原燃料ガスを熱交換させて原燃料ガスを予熱する原燃料ガス用熱交換器Ｅａとを設けてある。
又、変成処理部５から排出された変成処理ガスと、水蒸気生成部Ｓへ供給する原料水とを熱交換させて、原料水を予熱する原料水予熱用熱交換器１７を設けてある。
【００３３】
起動時に、脱硫処理部１を脱硫処理可能なように加熱する脱硫処理部用ヒータ３２、変成処理部を変成処理可能なように加熱する２個の変成処理部用ヒータ３３を設けてあり、それらヒータ３２，３３は電気ヒータから成る。
【００３４】
更に、脱硫処理部１の温度を検出する脱硫処理温度センサＴ１、改質処理部３の温度を検出する改質処理温度センサＴ３、及び、選択酸化処理部６の温度を検出する選択酸化処理温度センサＴ５を設けてある。
【００３５】
そして、脱硫処理部用ヒータ３２は、脱硫処理温度センサＴ１により検出される脱硫処理温度が上記の適正な温度に維持されるように加熱能力が調整され、変成処理部用ヒータ３３は、変成処理温度センサＴ５により検出される変成処理温度が上記の適正な温度に維持されるように加熱能力が調整される。さらに、燃焼部４の加熱能力、即ち、燃焼部４に供給する燃料量は、改質処理温度センサＴ３により検出される改質処理温度が上記の適正な温度に維持されるように調整される。
また、選択酸化処理部６は、適正な温度に維持するように、冷却用ファン等により冷却されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】  水素含有ガス生成装置の概略構成図
【図２】  三流体用熱交換器の概略斜視図
【図３】  三流体用熱交換器の断面図
【符号の説明】
１      脱硫処理部
３      改質処理部
４      改質処理部加熱手段
５      変成処理部
６      選択酸化処理部
１０    三流体用熱交換器
１１    第１流路
１２    第２流路
１３    第３流路
１４    第１板材
１５    第２板材
１６    第３板材
１７    外周部
１８    仕切部
Ｓ      水蒸気生成部
Ｇ      燃料電池
【図１】
0003942405.tif 000002
【図２】
0003942405.tif 000003
【図３】
0003942405.tif 000004