(57)【要約】【課題】  冷却性能を大きく落とす事無く、燃料電池からの絶縁を可能とする熱交換器を提供する。【解決手段】  複数積層されるチューブ１３１と、チューブ１３１の長手方向端部に接合される樹脂製のタンク１１０、１２０とを有し、燃料電池１０内を通る冷却液をチューブ１３１内に流通させて冷却する熱交換器において、チューブ１３１は、高熱伝導性樹脂部１３１ａと絶縁性樹脂部１３１ｂとの２層構造にする。【選択図】    図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数積層されるチューブ（１３１）と、
前記チューブ（１３１）の長手方向端部に接合される樹脂製のタンク（１１０、１２０）とを有し、
燃料電池（１０）内を通る冷却液を前記チューブ（１３１）内に流通させて冷却する熱交換器において、
前記チューブ（１３１）は、高熱伝導性樹脂部（１３１ａ）と絶縁性樹脂部（１３１ｂ）との２層から成ることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記チューブ（１３１）の２層構造は、多層押出し成形によって形成されたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器
【請求項３】
前記チューブ（１３１）の表面には、接着剤層が形成されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池車両用の燃料電池を冷却する熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題より有害物質の発生の無いクリーンな燃料電池車両の開発が進められており、燃料電池には冷却用の熱交換器が必要とされている。燃料電池の発電時には冷却媒体（例えば冷却水）に高電圧がかかるため、熱交換器側としては、外部に対する絶縁性が要求される。
【０００３】
これに対応する方法として、例えば、熱交換器自体を絶縁材料（熱可塑性ポリマー）で構成する（特許文献１）、あるいは、金属製熱交換器の内部側表面を絶縁材料で被覆（樹脂コーティング）する（特許文献２）ことが考えられる。
【特許文献１】特開昭６３−３１１０８４号公報
【特許文献２】特開２００３−１８１６２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記絶縁材料で構成された熱交換器では、通常広く用いられるアルミニウム材料に対して、熱伝導率が格段に低く（アルミニウムの約１／１０００）、放熱性能の悪化要因となる。熱伝導率を上げるには金属系材料を混入させる方法があるが、電気抵抗は低下する関係にあり、絶縁性が維持されなくなるので、安易に高熱伝導化はできない。
【０００５】
また、上記金属製のものに絶縁材料を被覆する熱交換器では、複雑な形状を有する内部側表面に被覆を行うので、形状によっては被覆の届きにくい部位が生じて、ピンホール（欠陥）の無い完璧な被覆を行うことが現実的に難しい。
【０００６】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、冷却性能を大きく落とす事無く、燃料電池からの絶縁を可能とする熱交換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。
【０００８】
請求項１に記載の発明では、複数積層されるチューブ（１３１）と、チューブ（１３１）の長手方向端部に接合される樹脂製のタンク（１１０、１２０）とを有し、燃料電池（１０）内を通る冷却液をチューブ（１３１）内に流通させて冷却する熱交換器において、チューブ（１３１）は、高熱伝導性樹脂部（１３１ａ）と絶縁性樹脂部（１３１ｂ）との２層から成ることを特徴としている。
【０００９】
これにより、燃料電池（１０）の作動によって高電圧のかかる冷却液は、熱交換器（１００）内を流通する際に、樹脂製のタンク（１１０、１２０）、およびチューブ（１３１）の絶縁性樹脂部（１３１ｂ）によって外部に対する絶縁が可能となる。
【００１０】
そして、チューブ（１３１）の高熱伝導性樹脂部（１３１ａ）によって熱伝達を高めることができるので、樹脂材をベースとしつつも熱交換器（１００）としての冷却性能を大きく落とすことがない。
【００１１】
更には、チューブ（１３１）を樹脂材とすることで、軽量化、コストダウンが可能となると共に、金属材チューブのような、ろう付け時のフラックス等の冷却液への溶け出しを無くすことができ、冷却液の汚染を防止できる。
【００１２】
チューブ（１３１）の２層構造は、請求項２に記載の発明のように、多層押出し成形によって形成するのが良い。
【００１３】
請求項３に記載の発明では、チューブ（１３１）の表面には、接着剤層が形成されたことを特徴としている。
【００１４】
これにより、チューブ（１３１）とタンク（１１０、１２０）との接合、および通常チューブ（１３１）間に配設されるフィン（１３２）の接合を容易に行うことができる。
【００１５】
尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（第１実施形態）
本発明の熱交換器の第１実施形態を図１〜図４に示す。本実施形態は、燃料電池１０内を通る冷却水を冷却するラジエータ１００に適用したものであり、例えば燃料電池１０を電源として駆動する走行用モータを備える燃料電池車両に搭載される。尚、図１は本発明における燃料電池の冷却システム全体を示す模式図、図２はラジエータ１００の全体構成を示す正面図、図３はチューブ１３１とプレート部１１２との接合部近傍を示す拡大断面図、図４は、チューブ１３１を示す断面図である。
【００１７】
まず、燃料電池１０の冷却システムについて図１を用いて簡単に説明する。燃料電池１０は、周知のように水素と酸素とを化学反応させて発電を行うものであり、プラス極とマイナス極との間に高分子電解質膜が挟まれて成るセルを複数直列に接続した燃料電池スタックと、この燃料電池スタックを内部に収容する外部ケーシングとから形成されている。
【００１８】
燃料電池１０の外部ケーシングの２ヶ所には絶縁材から成る冷却水流路２０が接続されている。冷却水流路２０は、具体的にはゴム材あるいは樹脂材のホースあるいはパイプから成る流路としている。冷却水流路２０の途中にはラジエータ１００およびウォータポンプ２１が順に配設され、このウォータポンプ２１の作動によって燃料電池１０の外部ケーシング内の冷却水が、冷却水流路２０およびラジエータ１００を通って図１中の矢印の方向に循環するようにしている。尚、冷却水は、通常のガソリンエンジン車等に用いられるものと同様に、水にエチレングリコールを混入させた不凍液としている。
【００１９】
また、冷却水流路２０には、ラジエータ１００と並列となるようにバイパス流路２２が設けられている。バイパス流路２２は、上記冷却水流路２０と同様にゴム材あるいは樹脂材のホースあるいはパイプから成る。バイパス流路２２下流側の冷却水流路２０との接続部にはサーモスタット２３が設けられており、水温によってラジエータ１００とバイパス流路２２とを流れる冷却水の流量が調整される。
【００２０】
ラジエータ１００は、図２、図３に示すように、コア部１３０のチューブ１３１内を流れる冷却水が図中の上から下方向に向かういわゆるバーチカルフロータイプであり、基本構成としてアッパタンク（タンク）１１０、ロウアタンク（タンク）１２０、コア部１３０を有している。
【００２１】
アッパタンク１１０、ロウアタンク１２０は、それぞれタンク本体部１１１、１２１とプレート部１１２、１２２とから構成されており、これらのタンク本体部１１１、１２１、プレート部１１２、１２２は、共に樹脂材から形成されている。尚、樹脂材としては、ここでは成形性に優れ、ラジエータ１００の構成部材とすることから強度剛性が高く、耐熱性に優れる材料が適しており、例えばポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）等とすることができる。
【００２２】
タンク本体部１１１、１２１は、断面形状が略Ｕ字状を成し、プレート部１１２、１２２に対向する側が開口する容器体を成している。アッパ側のタンク本体部１１１にはパイプ部（入口パイプ）１１１ａ、冷却水注入用の注水口１１１ｂ、車両取付け用の取付け部１１１ｃが一体で形成されており、また、ロウア側のタンク本体部１２１にはパイプ部（出口パイプ）１２１ａ、取付け部１２１ｂが一体で成形されている。
【００２３】
プレート部１１２、１２２は、外形が細長の板状部材であり、内側領域に複数のチューブ孔１１２ａが長手方向に並ぶように設けられている。そして、プレート部１１２、１２２の外周には、タンク本体部１１１、１２１の開口側外周部が挿入されるタンク挿入部１１２ｂが設けられている。
【００２４】
そして、各タンク本体部１１１、１２１の開口側外周部と各プレート部１１２、１２２のタンク挿入部１１２ｂとの間にシールパッキン（シール部材）１１４が介在されて、タンク本体部１１１、１２１とプレート部１１２、１２２とは、金属製のかしめプレート１１３、１２３によってかしめられて機械的に接合されている。
【００２５】
尚、各タンク本体部１１１、１２１と各プレート部１１２、１２２との接合に当っては、上記かしめに代えて、接着、溶着等による接合としても良い（シールパッキン１１４は不要）。
【００２６】
コア部１３０は、複数積層される（図２中の左右方向に並べられる）チューブ１３１と、薄肉の帯板材から波形に成形され、チューブ１３１の積層方向の外方および各間に配設されるフィン１３２と、左右最外方のフィン１３２の更に外方に配設され、断面がコの字状に形成された補強部材としてのサイドプレート１３３とから構成されている。そして、チューブ１３１の長手方向端部がプレート部１１２、１２２のチューブ孔１１２ａに嵌合され、サイドプレート１３３の長手方向端部はプレート部１１２、１２２に当接している。
【００２７】
上記コア部１３０においては、チューブ１３１、サイドプレート１３３は樹脂材によって形成され、また、フィン１３２は金属材（アルミニウム材）によって形成されるようにしている。
【００２８】
チューブ１３１は、図４に示すように、断面扁平状に形成されており、高熱伝導性樹脂部としての第１層部１３１ａと、絶縁性樹脂部としての第２層部１３１ｂとの２層構造となっている。第１層部１３１ａは、例えばポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）にアルミニウムや銅等の金属粉を混合したものであり、第２層部１３１ｂは、例えば本来のポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）であり、チューブ１３１は、この２種類の材料を用いた多層押出し成形によって形成されている。多層押出し成形では、予め厚肉断面で押出し、更に引張りによって所定の断面寸法に成形されることで、ピンホールやボイド等の欠陥のないチューブ１３１とすることができる。
【００２９】
尚、チューブ１３１の内部には、平面部１３１ｃ間を繋ぐ仕切り壁１３１ｄが複数設けられている。この仕切り壁１３１ｄによってチューブ１３１の短径方向における平面部１３１ｃの変形が抑制されて、冷却水流通時の内部圧力に対する強度（耐圧性）が向上されるようになっている。また、仕切り壁１３１ｄによって区画されるチューブ１３１内の各流路の相当円直径が小さくなり、冷却水側の熱伝達率を高めて放熱性能が向上されるようになっている。
【００３０】
そして、チューブ１３１の表面には、熱硬化性の樹脂材から成る接着剤を予め塗布（プレコート）しており（接着剤層の形成）、コア部１３０の組立て状態で例えば高温炉内に投入することで、フィン１３２はチューブ１３１に接着され、また、チューブ１３１の長手方向両端部は、プレート部１１２、１２２のチューブ孔１１２ａと接着されるようにしている。尚、サイドプレート１３３の表面にも上記と同様の接着剤を設けており、サイドプレート１３３とフィン１３２との接着、サイドプレート１３３とプレート部１１２、１２２との接着が成されるようにしている。
【００３１】
このように形成されるラジエータ１００の各パイプ部１１１ａ、１２１ａは冷却水流路２０に接続される。燃料電池１０においては、両電極にそれぞれ供給される水素および酸素の化学反応により、電気がつくられる（発電される）。発電時に生ずる熱は、冷却水に伝達され、ウォータポンプ２１によって、この冷却水がラジエータ１００を流通する際に、チューブ１３１およびフィン１３２から外気に放出され、冷却水が冷却されることになる。尚、燃料電池１０の発電作用が少ない時は発熱も少なく、サーモスタット２３によって冷却水がバイパス流路２２側を流れるように制御され、ラジエータ１００での放熱が抑制される。このように冷却水は、ラジエータ１００によって所定の温度以下（略８０℃以下）に冷却され、燃料電池１０作動時の温度が適切に維持される。
【００３２】
ここで、燃料電池１０の発電作用時には、内部の冷却水には高電圧がかかることになるが、本ラジエータ１００においては、樹脂製の両タンク１１０、１２０およびチューブ１３１の第２層部１３１ｂによって外部に対する絶縁が可能となる。
【００３３】
そして、チューブ１３１の第１層部１３１ａによって熱伝達を高めることができるので、樹脂材をベースとしつつもラジエータ１００としての冷却性能を大きく落とすことがない。
【００３４】
また、チューブ１３１を樹脂材とすることで、軽量化、コストダウンが可能となると共に、金属材チューブのような、ろう付け時のフラックス等の冷却液への溶け出しを無くすことができ、冷却液の汚染を防止できる。
【００３５】
更に、チューブ１３１の表面には接着剤層を設けているので、チューブ１３１とタンク１１０、１２０との接合、およびチューブ１３１とフィン１３２との接合を容易に行うことができる（高温炉内での一体接合）。
【００３６】
（その他の実施形態）
上記第１実施形態では、チューブ１３１を断面扁平状のものとして説明したが、これに限らず、図５に示すように、丸管状のものを複数接続したものや、図６に示すように、単純な丸管としたもの等、種々対応可能である。
【００３７】
また、チューブ１３１の形成については多層押出し成形に限らず、他の射出成形（多重成形）等を用いても良い。
【００３８】
また、チューブ１３１の第１層部１３１ａ（高熱伝導性樹脂部）を内側、第２層部１３１ｂ（絶縁性樹脂部）を外側としたが、両者の位置関係を逆にしても良い。
【００３９】
また、チューブ１３１とフィン１３２との接合については、高温炉を用いない常温での接着や、チューブ１３１への接着剤層を設けずに、高温炉内で溶着させるものとしても良い。
【００４０】
また、タンク１１０、１２０は、タンク本体部１１１、１２１とプレート部１１２、１２２とから形成されるものとしたが、一体的に形成されるものとしても良い。
【００４１】
また、フィン１３２はアルミニウム材から成るものとしたが、樹脂材としても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明における燃料電池の冷却システム全体を示す模式図である。
【図２】ラジエータの全体構成を示す正面図である。
【図３】第１実施形態におけるチューブとプレート部との接合部近傍を示す拡大断面図である。
【図４】第１実施形態におけるチューブを示す断面図である。
【図５】その他の実施形態１におけるチューブを示す拡大断面図である。
【図６】その他の実施形態２におけるチューブを示す拡大断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０  燃料電池
１００  ラジエータ（熱交換器）
１１０  アッパタンク（タンク）
１２０  ロウアタンク（タンク）
１３１  チューブ
１３１ａ  第１層部（高熱伝導性樹脂部）
１３１ｂ  第２層部（絶縁性樹脂部）
【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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