(57)【要約】【課題】煩雑な工程を行うことなく冷媒流通路の内壁面にアルマイト層を均一に形成する方法を提供する。【解決手段】一方のタンク部８内に電極棒２１を差し込み、直流電源２２のプラス側を他方のタンク部９に接続すると共にマイナス側を前記電極棒２１に接続して、他方のタンク部９から電解液２７を導入して冷媒流通路１３，１４，１５に電解液２７を流し、一方のタンク部８から電解液２７を排出して当該電解液２７を巡回させておき、両タンク部８，９間に電圧を印加して前記電極棒２１と前記冷媒流通路１３，１４，１５を構成するチューブ５及びタンク部８，９の構成材料であるアルミニウムとの間で前記電解液２７を介して陽極酸化処理を行い、冷媒流通路１３，１４，１５の内壁面にアルマイト層１８を形成する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チューブ（５）と冷却フィン（６）とを交互に積層してなる積層部にタンク部（８，９）を取り付けて構成されたアルミニウムからなる燃料電池用熱交換器（４）において、
冷媒が流れる冷媒流通路（１３，１４，１５）の内壁面にアルマイト層（１８）が形成された
ことを特徴とする燃料電池用熱交換器。
【請求項２】
チューブ（５）と冷却フィン（６）とを交互に積層してなる積層部にタンク部（８，９）を取り付けて構成されたアルミニウムからなる燃料電池用熱交換器の製造方法において、
前記タンク部（８，９）のうち一方のタンク部（８）内に電極棒（２１）を差し込み、直流電源（２２）のプラス側を他方のタンク部（９）に接続すると共にマイナス側を前記電極棒（２１）に接続して、
前記他方のタンク部（９）から電解液（２７）を導入して冷媒流通路（１３，１４，１５）に電解液（２７）を流し、一方のタンク部（８）から電解液（２７）を排出して当該電解液（２７）を巡回させておき、
両タンク部（８，９）間に電圧を印加して前記電極棒（２１）と前記冷媒流通路（１３，１４，１５）を構成するチューブ（５）及びタンク部（８，９）の構成材料であるアルミニウムとの間で前記電解液（２７）を介して陽極酸化処理を行い、冷媒流通路（１３，１４，１５）の内壁面にアルマイト層（１８）を形成する
ことを特徴とする燃料電池用熱交換器の製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池用熱交換器の製造方法において、
前記アルマイト層（１８）を形成した後、前記電極棒（２１）を前記タンク部（８）から抜き取り、前記電解液（２７）に代えて加熱した純水（３４）を前記他方のタンク部（９）から導入して冷媒流通路（１３，１４，１５）に純水（３４）を流し、一方のタンク部（８）から純水（３４）を排出して純水（３４）を巡回させることにより、前記アルマイト層（１８）に生じる微細孔を塞ぐ封孔処理を行う
ことを特徴とする燃料電池用熱交換器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウムからなる燃料電池用熱交換器及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、駆動源として燃料電池を搭載した燃料電池自動車であるＦＣＥＶ車（fuel cell electric vehicle）用の燃料電池として、例えば、高分子電解膜型の燃料電池システムが開発されている。このシステムは、燃料電池スタック内の水素燃料を、高分子電解膜に担持したプロトン触媒の作用でプロトン化し、高分子電解膜を隔てて存在する酸素との共働により電位発生を行うように構成されている。
【０００３】
このようなシステムでは、電極等の導電性部材が燃料電池スタック内に多く存在するため、感電防止の観点より冷媒の導電性を低レベルにする必要がある。このため、極めて導電性の小さい純水が循環水として使用されているとともに、反応制御の必要性から、この循環水を熱交換器により冷却することが行われている。そして、このようなシステムでは、熱交換器を循環する循環水が、プロトン触媒に直接接触するため、触媒被毒の観点から、金属等のイオンの循環水中への混入を抑制することが要望されている。
【０００４】
特に、燃料電池用の熱交換器には、軽量化のためアルミニウム材が用いられるが、アルミニウムは純水中で腐食し、粉となって液体中を浮遊する。発生した粉は、冷却系内を循環しフィルターに捕捉されるが、大量に発生するとフィルターの寿命が著しく低下する。そのため、アルミニウムの腐食防止と金属イオンの溶出防止を図るべく、熱交換器内部の冷媒流通路に樹脂コーティングを施した樹脂コーティング層を形成した技術が開示されている（例えば、特許文献１等に記載）。
【特許文献１】特開２００５−１８３０１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、冷媒流通路に樹脂コーティング層を形成するには、コーティング液を熱交換器内部に導入した後、コーティング液を乾燥する必要が有り、その工程が非常に煩雑で時間も掛かる。また、コーティング液による塗膜であるため、塗りムラが生じ、膜厚が均等にならず、一部薄くなる部位が生じる。
【０００６】
そこで、本発明は、上記した従来の課題に鑑みてなされたものであり、煩雑な工程を行うことなく冷媒流通路の内壁面にアルマイト層を均一に形成することのできる燃料電池用熱交換器及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の発明は、チューブと冷却フィンとを交互に積層してなる積層部にタンク部を取り付けて構成されたアルミニウムからなる燃料電池用熱交換器であり、冷媒が流れる冷媒流通路の内壁面にアルマイト層が形成されたことを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、チューブと冷却フィンとを交互に積層してなる積層部にタンク部を取り付けて構成されたアルミニウムからなる燃料電池用熱交換器の製造方法において、前記タンク部のうち一方のタンク部内に電極棒を差し込み、直流電源のプラス側を他方のタンク部に接続すると共にマイナス側を前記電極棒に接続して、前記他方のタンク部から電解液を導入して冷媒流通路に電解液を流し、一方のタンク部から電解液を排出して当該電解液を巡回させておき、両タンク部間に電圧を印加して前記電極棒と前記冷媒流通路を構成するチューブ及びタンク部の構成材料であるアルミニウムとの間で前記電解液を介して陽極酸化処理を行い、冷媒流通路の内壁面にアルマイト層を形成することを特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の燃料電池用熱交換器の製造方法において、前記アルマイト層を形成した後、前記電極棒を前記タンク部から抜き取り、前記電解液に代えて加熱した純水を前記他方のタンク部から導入して冷媒流通路に純水を流し、他方のタンク部から純水を排出して純水を巡回させることにより、前記アルマイト層に生じる微細孔を塞ぐ封孔処理を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に記載の発明によれば、アルミニウムからなる熱交換器の冷媒が流れる冷媒流通路の内壁面にアルマイト層を形成したので、樹脂コーティング層と同様、アルマイト層がアルミニウムの腐食を防止すると共にイオン溶け込みによる導電率上昇を抑制することができる。また、アルマイト層は、陽極酸化処理にて形成されるので、煩雑な工程を行うことなく均一な膜厚となる。
【００１１】
請求項２に記載の発明によれば、一方のタンク部内に挿入した電極棒と他方のタンク部との間に電圧を印加して、熱交換器の冷媒流通路内に流した電解液を介して前記電極棒とチューブ及びタンク部の構成材料であるアルミニウムとの間で陽極酸化処理を行うことで、冷媒流通路の内壁面に均一な膜厚とされたアルマイト層を形成することができる。
【００１２】
請求項３に記載の発明によれば、電極棒をタンク部から抜き取り、電解液に代えて加熱した純水を冷媒流通路に流すと、酸化皮膜（ベーマイト）に変化する際、水を含み体積膨張してアルマイト層に生じる微細孔が塞がる。これにより、アルミニウムの耐腐食性及びイオンの冷却水への溶出防止をより一層高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を適用した具体的な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１４】
まず、本実施形態の燃料電池用熱交換器の製造方法について説明する前にＦＣＥＶ冷却系システムについて簡単に説明する。
【００１５】
「ＦＣＥＶ冷却システムの概略構成」
図１は、燃料電池を搭載した電気自動車の冷却系システム図である。燃料電池を駆動源とするいわゆる燃料電池自動車は、当該燃料電池を約８０〔℃〕に加温保持することで水素と酸素による反応が行われて電気を最も効率よく生成するため、加温し過ぎないように冷媒を循環させて燃料電池を冷却している。
【００１６】
この冷却系システム１では、加温された燃料電池を冷却する冷媒は、燃料電池本体２に形成された流路を流れると、ポンプ３によって熱交換器４へ送られ、発電により暖められた冷媒が熱交換器４によって冷却される。そして、冷却された冷媒は、再び燃料電池本体２へと送られ、加温された燃料電池を所定温度に保つように冷却する。
【００１７】
このような経路を循環する冷媒には、例えば導電性の低い純水または純水に凍結防止剤であるエチレングリコールを混合したものが使用される。これは、燃料電池本体２の内部には導電性材料からなる電極などが設けられているため、その内部を循環する冷媒が導電性を持っていると、水素と酸素の反応に悪影響を与えるためである。
【００１８】
「燃料電池用熱交換器の構成及びその製造方法の説明」
図２（Ａ）は本発明方法により製造される燃料電池用熱交換器の断面図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）のＡ部の拡大断面図、図３は本発明方法を工程順に示す工程図、図４は本発明方法の第１の組み付け工程で組み立てられたコア部の正面図、図５は本発明方法で使用する陽極酸化皮膜処理装置を示す概略構成図、図６は図５に示すタンク部への電極棒の設置例を示す要部拡大斜視図である。
【００１９】
先ず、本実施形態の製造方法により製造される燃料電池用熱交換器の構成について簡単に説明する。
【００２０】
本実施形態の燃料電池用熱交換器（以下、単に熱交換器という）４は、図２に示すように、アルミニウム材より偏平長尺形状とされ、内部に循環水である純水を流通させる冷媒流通路１３が形成されたチューブ５と、アルミニウム材より波形状とされ、チューブ５内を流れる純水と周囲通過の空気との間で熱交換を促進できるようになっている冷却フィンであるコルゲートフィン６とを有し、これらチューブ５とコルゲートフィン６とを交互に複数積層することによって積層部を形成し、その積層部の上下端にアルミニウムからなるタンク部８、９を取り付けることにより構成されている。このとき、チューブ５、コルゲートフィン６およびタンク部８、９の互いの接触箇所は、それぞれろう付けによって固定されている。
【００２１】
一方のタンク部８は、燃料電池本体２から流入する純水を導入させる入口側のタンクであり、その一端側に冷媒入口パイプ１０を有している。他方のタンク部９は、熱交換器４の内部を流れて冷却された純水を排出する出口側のタンクであり、その他端側に冷媒出口パイプ１１を有している。なお、冷媒入口パイプ１０及び冷媒出口パイプ１１は、タンク部８、９の長手方向の一端部に設けられている。そして、冷媒入口パイプ１０より流入した純水は、一方のタンク部８の冷媒流通路１４より各チューブ５内の冷媒流通路１３を分流し、他方のタンク部９の冷媒流通路１５で再び合流して冷媒出口パイプ１１より流出する。
【００２２】
本実施形態の熱交換器４では、冷媒が流れる冷媒流通路１３，１４，１５の内壁面にアルマイト層１８が形成されている。アルマイト層１８は、アルミニウムを陽極酸化処理することにより形成されるもので、熱交換器４の冷媒流通路１３，１４，１５内に樹脂コーティング液を流し込んで乾燥させた樹脂コーティング層とは異なり、膜厚が均一で耐食性にも優れ、イオンの溶出も防止することができる。
【００２３】
前記アルマイト層８は、チューブ５の冷媒流通路１３だけでなく上下のタンク部８，９の冷媒流通路１４，１５の内壁面にも形成されており、純水が流れる全ての流路に形成されている。そのため、チューブ５、タンク部８，９を構成するアルミニウムがアルマイト層８によって腐食されるのが防止される。
【００２４】
次に、上記構成の熱交換器４の製造方法について説明する。初めに、図３の工程図における第１の組み付け工程Ｓ１を行う。第１の組み付け工程Ｓ１では、チューブ５とコルゲートフィン６とを交互に積層して積層部を形成した後、この積層部の両端に、タンク部８，９を構成する構成部品の一つである座板１９、２０を組み付ける。このプロセスを経ることにより、コア部７が組み立てられる。
【００２５】
次に、図３の工程図におけるフラックス塗布工程Ｓ２を行う。フラックス塗布工程Ｓ２では、コア部７にろう付け用のフラックスを塗布する。本実施形態では、フラックスにノコロック（Ａｌｃａｎの登録商標）を使用する。
【００２６】
次に、図３の工程図におけるろう付け工程Ｓ３を行う。このろう付け工程Ｓ３では、第１の組み付け工程Ｓ１で組み立てられたコア部７を、図示しない炉内に搬送させ、所定温度で加熱処理することによってチューブ５、コルゲートフィン６、座板１９，２０などがろう付けされる。
【００２７】
次に、コア部７の座板１９，２０にタンクを組み付けることにより熱交換器を組み立てる第２の組み付け工程Ｓ４を行う。続いて、コア部７の流路内（座板１９，２０表面も含む）に残った残渣フラックスを取り除く洗浄工程Ｓ５を行う。洗浄工程Ｓ５では、熱交換器４の内部に洗浄液を導入して残渣フラックスを洗い流す。
【００２８】
次に、図３の工程図における陽極酸化処理工程Ｓ６を行う。陽極酸化処理工程Ｓ６では、陽極酸化皮膜処理工程Ｓ７と封孔処理工程Ｓ８と湯洗工程Ｓ９とを行う。
【００２９】
陽極酸化皮膜処理工程Ｓ７では、図５及び図６に示す陽極酸化皮膜処理装置を使用して、上下のタンク部８，９のうち一方のタンク部８内に電極棒２１を差し込み、直流電源２２のプラス側を他方のタンク部９に接続すると共にマイナス側を前記電極棒２１に接続する。電極棒２１には、タンク部８のに形成された電極棒挿入孔２３の入口に形成された雌ねじ部２４に螺合する雄ねじ部２５が形成されている。電極棒２１を電極棒挿入孔２３に差し込んだ後、雄ねじ部２５を雌ねじ部２４に螺合することで、前記電極棒挿入孔２３が密封される。
【００３０】
この一方、電解液槽２６内に満たした電解液２７をポンプ２８によって下側のタンク部９より導入して冷媒流通路１３，１４，１５に電解液２７を流し、上方のタンク部８から電解液２７を排出して当該電解液２７を巡回させる。電解液２７は、電解液槽２６内に設けられたヒータ２９により温められると共に循環流路に接続された温度センサ３０にて一定温度に保たれる。また、電解液２７の熱交換器入口及び熱交換器出口には、絶縁材としても機能するガスケット３１が接続されている。
【００３１】
そして、この陽極酸化皮膜処理工程Ｓ７では、両タンク部８，９間に電圧を印加して前記電極棒２１と冷媒流通路１３，１４，１５を構成するチューブ５及びタンク部８，９の構成材料であるアルミニウムとの間で前記電解液２７を介して陽極酸化処理を行う。
【００３２】
前記陽極酸化処理を行うことにより、チューブ５の冷媒流通路１３の内壁面及びタンク部の冷媒流通路１４，１５の内壁面が電解液２７によって酸化されて酸化皮膜であるアルマイト層１８が形成される。アルマイト層１８は、防錆性に優れると共にイオンの冷媒中への溶出を抑制する機能をする。
【００３３】
封孔処理工程Ｓ８は、前記工程で生成されたアルマイト層１８に生じる微細孔を塞ぐための処理で、電極棒２１をタンク部８から抜き取り雌ねじ部２４に栓をした後、切換弁３２を操作して電解液循環経路から純水槽３３に満たされた純水３４を熱交換器４の冷媒流通路１３，１４，１５内へと供給する純水経路に切り替える。純水は、純水槽３３内に設けたヒータ３５で加熱して一定温度（例えば９０℃）で供給する。
【００３４】
アルマイト層１８に生じた微細孔は、酸化皮膜（ベーマイト）に変化する際、水を含み体積膨張して塞がる。この封孔処理は、耐食性及び耐汚染性を防止するための処理であり、Ａｌ２Ｏ３＋Ｈ２Ｏ→２ＡｌＯ（ＯＨ）→Ａｌ２Ｏ３・Ｈ２Ｏで表される。
【００３５】
湯洗工程Ｓ９は、封孔処理工程Ｓ８の終了後、熱交換器４の冷媒流通路１３，１４，１５内に温水を導入して洗浄する。ここで導入する温水は、純水を用いる。その後、冷媒流通路１３，１４，１５を乾燥させて全ての工程を終了する。
【００３６】
「実施例」
前記陽極酸化皮膜処理において、電流密度と印加電圧と浴温度を変えて通常アルマイト処理と硬質アルマイト処理を行った。表１は、通常アルマイト処理時と硬質アルマイト処理時における処理条件を示す。
【００３７】
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通常アルマイト処理では、電解液に１５重量％を含む硫酸を用い、電流密度を１００Ａ／ｍ２、浴電圧を１３Ｖ、浴温度を２０℃、処理時間を１０ｍｉｎとした。硬質アルマイト処理では、電解液に１５重量％を含む硫酸を用い、電流密度を２５０Ａ／ｍ２、浴電圧を６０Ｖ、浴温度を０℃、処理時間を１０ｍｉｎとした。
【００３８】
硬質アルマイト処理により得られるアルマイトは、通常アルマイト処理により得られるアルマイトよりも硬度が高く、耐食性及び耐摩耗性に優れる。通常アルマイトは、図７に示すように、樹脂コーティング液を冷媒流通路に塗布し乾燥した樹脂塗膜と同様の導電率であるが、硬質アルマイトはこれらよりも導電率が高い。また、通常アルマイトは、樹脂塗膜と同様、腐食重量が少ない。一方、硬質アルマイトは、通常アルマイト及び樹脂塗膜に比べて腐食重量が多い。以上のように、通常アルマイトであれば、導電率及び腐食の面で何れも樹脂塗膜と同等の性能を得ることができる。
【００３９】
「作用効果」
本発明の燃料電池用熱交換器によれば、アルミニウムからなる熱交換器４の冷媒が流れる冷媒流通路１３，１４，１５の内壁面にアルマイト層１８を形成したので、樹脂コーティング層と同様、アルマイト層１８がアルミニウムの腐食を防止すると共にイオン溶け込みによる導電率上昇を抑制する。また、アルマイト層１８は、陽極酸化処理にて形成されるので、煩雑な工程を行うことなく均一な膜厚となり、耐腐食性をより高めることができる。
【００４０】
本発明の燃料電池用熱交換器の製造方法によれば、一方のタンク部８内に挿入した電極棒２１と他方のタンク部９との間に電圧を印加して、熱交換器４の冷媒流通路１３，１４，１５内に流した電解液２７を介して前記電極棒２１とチューブ５及びタンク部８，９の構成材料であるアルミニウムとの間で陽極酸化処理を行うことで、冷媒流通路１３，１４，１５の内壁面に均一な膜厚とされたアルマイト層１８を形成することができる。
【００４１】
また、本発明の製造方法によれば、電極棒２１をタンク部８から抜き取り、電解液２７に代えて加熱した純水３４を冷媒流通路１３，１４，１５に流すと、酸化皮膜（ベーマイト）に変化する際、水を含み体積膨張してアルマイト層１８に生じる微細孔が塞がる。これにより、アルミニウムの耐腐食性及びイオンの冷却水への溶出防止をより一層高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】図１は燃料電池を搭載した電気自動車の冷却系システム図である。
【図２】図２（Ａ）は本発明方法により製造される燃料電池用熱交換器の断面図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）のＡ部の拡大断面図である。
【図３】図３は本発明方法を工程順に示す工程図である。
【図４】図４は本発明方法の第１の組み付け工程で組み立てられたコア部の正面図である。
【図５】図５は本発明方法で使用する陽極酸化皮膜処理装置を示す概略構成図である。
【図６】図６は図５に示すタンク部への電極棒の設置例を示す要部拡大斜視図である。
【図７】図７は本発明方法により形成されたアルマイト層のイオン溶出特性図である。
【図８】図８は本発明方法により形成されたアルマイト層の純水腐食量を示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
１…冷却系システム
２…燃料電池本体
３…ポンプ
４…熱交換器
５…チューブ
６…コルゲートフィン（冷却フィン）
７…コア部
８，９…タンク部
１３，１４，１５…冷媒流通路
１８…アルマイト層
２１…電極棒
２２…直流電源
２７…電解液
３４…純水
【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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