(57)【要約】【課題】アルミニウム（Ａｌ）又はアルミニウム合金材にて構成して熱交換にすぐれ軽量、小型であるという本来の特徴を損なうことなく、耐久性を著しく向上させた構成からなる熱交換器。【解決手段】Ａｌ／Ｔｉ／Ａｌクラッド材をチューブプレートとして用いてプレートフィン型熱交換器に構成する際に表層のＡｌ材同士のろう付けとして、Ｔｉ芯材との接合をなくすことにより、ろう付け不良をなくし、熱交換器自体の耐食性、耐久性を向上させる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｔｉ又はＴｉ合金材層を芯材として両主面をＡｌ又はＡｌ合金材層で被覆した複合板材を少なくとも一部に用いて構成された熱交換器であり、該板材の端面と他該板材又は他構成部材との接合をＡｌ又はＡｌ合金材の接合部材を介して同接合材用ろう材で行い、芯材の露出又は芯材との接合がない熱交換器。
【請求項２】
芯材としてのＴｉ又はＴｉ合金材層をＡｌ又はＡｌ合金材層で全面被覆した複合板材を少なくとも一部に用いて構成された熱交換器であり、該板材の主面又は端面と他該板材又は他構成部材との接合を被覆したＡｌ又はＡｌ合金材層を介して同層用ろう材で行い、芯材の露出又は芯材との接合がない熱交換器。
【請求項３】
熱交換器の構成がプレートフィン型である請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
複合板材がクラッド材である請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池システムにおいて、純水等との熱交換を行う熱交換器に最適な材料の構成を有する熱交換器に関し、例えばＡｌ／Ｔｉ／Ａｌクラッド材をチューブプレートとして用いてプレートフィン型熱交換器に構成する際に表層のＡｌ材同士のろう付けとして、Ｔｉ芯材との接合をなくし、熱交換器の耐食性、耐久性を向上させた熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
５０℃〜１００℃と比較的低温で動作可能な燃料電池として固体高分子電解質型燃料電池が提案され、種々の改良が加えられているが、基本的な構成は、スタックセルの燃料電池と、前記燃料電池に水素含有ガスを供給する水素供給系と、該電池に酸素含有ガスを供給する酸素供給系と、前記燃料電池に加湿用純水を供給する加湿用純水供給系、該電池の冷却を行うための冷却空気系や冷却水循環系などからなり、これらのシステムは各々必須の構成である。
【０００３】
加湿用純水供給系では、例えば必要とされる純水を効率的に循環させるため、陰極からの排気に含まれた水を凝縮させて回収するための熱交換器を備える構成も提案されている。（特開２０００−２０８１５９）
【０００４】
また、電解質膜を飽和に含水させ多状態を維持するため、反応ガスの湿度を高めて燃料電池へ供給して、膜から反応ガスへの水の蒸発を抑えて乾燥をぼうしするが、反応ガスを加湿する方式として、水を添加された反応ガスと冷却板からの冷却媒体とを熱交換させる熱交換器を配置して行わせる手段も提案されている。（特許第３１１１６８２号）
【０００５】
さらに、固体高分子電解質膜の水分維持のために高い純度の純水を用いるが、この純水を燃料電池の冷却水として共通利用するシステムも提案されており、燃料電池を冷却通過した純水冷却水は、ラジエータとしての熱交換器によって冷却した後にメインタンクに帰還させ、メインタンクより加湿器へ供給する構成も提案されている。（特開２０００−２０８１５７）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
かかる構成の燃料電池システムでは、いくつかの熱交換器を必要とするもので、それらは特に熱交換にすぐれ軽量、小型であるという要求があることから、主にアルミニウム製のプレートフィン型熱交換器が多用されている。
【０００７】しかし、冷却水、純水のいずれの流体も僅かながらといえどもアルミニウムを浸食する性質が有り、熱交換器の長期間の安定的作動が求められているため、従来、アルミニウム材自体の耐食性の改良や、表面に種々材料からなる耐食性保護膜を設ける等の対策が提案されてきた。
【０００８】
この発明は、純水を流体として使用するような燃料電池システムの熱交換器などの用途に最適で、アルミニウム（Ａｌ）又はアルミニウム合金材にて構成して熱交換にすぐれ軽量、小型であるという本来の特徴を損なうことなく、耐久性を著しく向上させた構成からなる熱交換器の提供を目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
発明者は、例えばアルミニウム製のプレートフィン型熱交換器が持つ大きな特徴である、ろう付け一体化が容易で生産性にすぐれること、並びに熱交換にすぐれる点を損なうことなく耐食性を向上させる方法として、構成板材としてチタン（Ｔｉ）を芯材として両主面をＡｌ層で被覆した複合材を使用することに着目したところ、ろう付け端面でＴｉ芯材が露出する構成であると、かえってろう付け不良を生じることがあり、耐食性が劣ることを知見した。
【００１０】
そこで、発明者は、Ａｌ／Ｔｉ／Ａｌクラッド材を用いた熱交換器の最適な構成を目的に種々検討を加えた結果、該板材の端面と他該板材又は他構成部材との接合をＡｌ又はＡｌ合金材の接合部材を介して同接合材用ろう材で行い、芯材の露出又は芯材との接合がない構成とすることで、耐久性を著しく向上させ目的を達成できることを知見し、この発明を完成した。
【００１１】
すなわち、この発明は、Ｔｉ又はＴｉ合金材層を芯材として両主面をＡｌ又はＡｌ合金材層で被覆した複合板材を少なくとも一部に用いて構成された熱交換器であり、該板材の端面と他該板材又は他構成部材との接合をＡｌ又はＡｌ合金材の接合部材を介して同接合材用ろう材で行い、芯材の露出又は芯材との接合がないことを特徴とする熱交換器である。
【００１２】
また、この発明は、芯材としてのＴｉ又はＴｉ合金材層をＡｌ又はＡｌ合金材層で全面被覆した複合板材を少なくとも一部に用いて構成された熱交換器であり、該板材の主面又は端面と他該板材又は他構成部材との接合を被覆したＡｌ又はＡｌ合金材層を介して同層用ろう材で行い、芯材の露出又は芯材との接合がないことを特徴とする熱交換器である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
この発明において、用いる複合板材は、図１Ａに示すごとく、Ｔｉ又はＴｉ合金材層を芯材１として両主面をＡｌ又はＡｌ合金材層２，２でそれぞれ被覆した複合板材３であり、該複合板材３の端面部４には芯材１の露出がある。
【００１４】
この複合板材３の端面と他の複合板材３との接合には、図１Ｂに示すごとく、複合板材３の表層と同じＡｌ又はＡｌ合金材からなる接合部材５を介して行う。すなわち、該接合部材５を介して、複合板材３の表層と同じ接合材用ろう材６を用いてろう付けを行うことで、芯材１の露出又は芯材１との接合がない。また、複合板材３の端面と他の構成部材７との接合には、図１Ｃに示すごとく、構成部材７も表層と同じＡｌ又はＡｌ合金材にて構成することで、同様に複合板材３の表層と同じ接合材用ろう材６を用いてろう付けを行うことで、芯材１の露出又は芯材１との接合がない。
【００１５】
このように、プレートフィン型熱交換器の組立てにおいて、複合板材３の端面と他該板材３又は他構成部材７との接合を、表層と同じ材質の接合部材５を介してＡｌ又はＡｌ合金用ろう材で行うことにより、芯材１の露出又は芯材１との接合箇所がない構成の熱交換器を得ることができ、これは全て同じろう材６を使用できることから、１度のろう付け加熱でよいことはもちろん、Ｔｉ又はＴｉ合金材からなる芯材１との接合に異材質ろう材を用いないため、ろう付け不良が発生しない利点がある。
【００１６】
この発明において、用いる他の構成の複合板材は、図２Ａに示すごとく、Ｔｉ又はＴｉ合金材層を芯材１として両主面及び端面部４をＡｌ又はＡｌ合金材層２，２で全面的に被覆した複合板材８であり、該複合板材８の端面部４にも芯材１の露出は全くない。
【００１７】
この複合板材８の端面と他の複合板材７又は他の構成部材６との接合に際しては、図２Ｂ，Ｃに示すごとく、該板材８の主面又は端面部４と他該板材８又は他構成部材７との接合をそれぞれ被覆したＡｌ又はＡｌ合金材層を介して、同じ接合材用ろう材６を用いてろう付けを行うことが可能で、芯材１の露出又は芯材１との接合がない。
【００１８】
この場合も、プレートフィン型熱交換器の組立てにおいて、複合板材８又は他の構成部材７との接合に際して表層同士を同じＡｌ又はＡｌ合金用ろう材６で行うことにより、芯材１の露出又は芯材１との接合箇所がない構成の熱交換器を得ることができ、これは全て同じろう材６を使用できることから、１度のろう付け加熱でよいことはもちろん、Ｔｉ又はＴｉ合金材からなる芯材１との接合に異材質ろう材を用いないため、ろう付け不良が発生しない利点がある。
【００１９】
この発明において、対象とする熱交換器は、プレートフィン型を初め公知のいずれの形式であっても採用可能であることは言うまでもないことである。また、複合板材は、例えばＡｌ板とＴｉ板の圧延クラッド材であっても、Ｔｉ板表面にＡｌ層をめっき、気相成長させた構成であっても採用できる。
【００２０】
【実施例】
実施例１
図３に示すごとく、上下２層の水平方向の通路を有し、上層通路の右側ヘッダーより導入された純水（Ａ）が同通路を蛇行しながら左側ヘッダーへ移動し下層通路に入り又蛇行（Ｂ）して右側ヘッダーへ移動して導出可能にした純水用通路と、下から上へと空気を通過させる空気通路を交互に積層した構成のプレートフィン型熱交換を作製した。
【００２１】
チューブプレートに図１のＡｌ／Ｔｉ／Ａｌクラッド材を用いて、スペーサーバーとのろう付け時にクラッド材端面のＴｉ材を露出させることのないように、又ヘッダータンクに望む通路端部においても同様に構成した。
【００２２】
得られたプレートフィン型熱交換器に流体を導入する際、材料への浸食を促進するようイオン調整した純水を用い、加速度耐食性試験を行ったところ、５年以上の使用に相当する耐食性を有することを確認した。
【００２３】
実施例２
実施例１のこの発明によるＡｌ／Ｔｉ／Ａｌクラッド材をチューブプレートとして用いたプレートフィン型熱交換器を、動力源に燃料電池システム採用した市内バス用のユニットにおける純水との熱交換装置に採用したところ、３年以上の運行試験を経ても腐食などの問題が全くなく、熱交換器の耐食性、耐久性が著しく向上したことを確認した。
【００２４】
【発明の効果】
この発明による熱交換器は、例えばＡｌ／Ｔｉ／Ａｌクラッド材をチューブプレートとして用いてプレートフィン型熱交換器に構成する際、表層のＡｌ材同士のろう付けとしてＴｉ芯材との接合をなくしているため、ろう付けが一回で確実に行われることで、ろう付け不良箇所が著しく低減され、熱交換器の耐食性、耐久性を向上させることが可能で、例えば純水等との熱交換を行う熱交換器では、浸食されやすいチューブプレート面でＡｌにピンホールを生じてもＴｉ芯材で貫通が防止され、実施例に示すごとく、熱交換器として長期間の安定的動作が保証される利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＡはＡｌ／Ｔｉ／Ａｌクラッド材からなるチューブプレートの断面説明図、Ｂはチューブプレート端面同士の接合を示す断面説明図、Ｃはチューブプレートと他構成材との接合を示す断面説明図である。
【図２】Ａは他の構成のＡｌ／Ｔｉ／Ａｌクラッド材からなるチューブプレートの断面説明図、Ｂはチューブプレート端面同士の接合を示す断面説明図、Ｃはチューブプレートと他構成材との接合を示す断面説明図である。
【図３】Ａはプレートフィン型熱交換器の構成を示す縦断説明図、Ｂは上面説明図である。
【符号の説明】
１  芯材
２  Ａｌ又はＡｌ合金材層
３，８  複合板材
４  端面部
５  接合部材
６  ろう材
７  構成部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
2004211924.tif 000005