(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周に冷却媒体(1) を流通させる多数のチューブ(2) が並列されたコア(3) と、
夫々のチューブ(2) の両端が連通される上部タンク(4) および下部タンク(5) と、
その上部タンク(4) 内に挿入され、下面に多数の給温水孔(6) が互いに離間して配置された温水分配体(7) と、を具備し、
温水(8) が前記上部タンク(4) の前記温水分配体(7) に導かれて、各給温水孔(6) から上部タンク(4) の底に導かれると共に、前記上部タンク(4) 内に高湿度ガス(9) が導かれ、
その高湿度ガス(9) および前記温水(8) が各チューブ(2) 内を流下して、前記冷却媒体(1) により前記高湿度ガス(9) 中の水分が凝縮されると共に、前記温水(8) が冷却されるコンデンシングラジエータ。
【請求項２】
請求項１において、
前記上部タンク(4) および下部タンク(5) ならびに前記温水分配体(7) が前記チューブ(2) の並列方向に細長く形成され、その温水分配体(7) の長手方向に互いに離間して、定間隔または不定間隔に多数の前記給温水孔(6) が設けられたコンデンシングラジエータ。    
【請求項３】
請求項２において、
前記温水分配体(7) が上部タンク(4) を貫通して内部に挿入された温水パイプ(10)からなり、その上部タンク(4) に高湿度ガス導入パイプ(11)が連通されたコンデンシングラジエータ。
【請求項４】
請求項２において、
前記上部タンク(4) を貫通する混合パイプ(12)を有し、その混合パイプ(12)がその上部タンク(4) 内で上端開放の溝状に形成されて前記温水分配体(7) を構成し、
その混合パイプ(12)に温水(8) と高湿度ガス(9) とが同時に供給されるコンデンシングラジエータ。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれかにおいて、
前記各チューブ(2) の上端縁が上部タンク(4) の最低位置より僅か上方に位置し、各チューブ(2) 間に温水溜め部(4b)が形成され、その温水溜め部(4b)の温水(8) が各チューブ(2) の内壁を膜状に流下すると共に、その膜の内側に前記高湿度ガス(9) が流通するコンデンシングラジエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として燃料電池の生成水と加湿供給エアー中の水分とを同時に冷却して回収するコンデンシングラジエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、固体高分子膜からなる電解質膜の一方側のカソードに空気等の酸素が供給され、他方側のアノードに水素リッチな燃料ガスが供給されて、電気化学反応により発電される。このとき電解質膜のイオン伝導性を良好にするため、それを湿潤状態に保つ必要がある。そのために、前記空気等のカソードガスまたは燃料ガス（カソードガス）を加湿する。
【０００３】
下記特許文献１はその加湿ガスを得る方法として、タンク内の水（純水）に空気パイプの先端を延長して、空気を水中に供給してバブリングし、そのタンクの上部から加湿空気を得て、それを燃料電池のカソードに供給することが記載されている。加湿空気の温度は固体高分子型燃料電池の作動温度である50℃〜80℃で露点となるようにしてある。この加湿の際、その水分だけタンク内の水が失われるので、それを補充する方法として、カソードから排出されるガスと生成水との混合物を気液分離装置に導き、生成水のみを分離してタンクに供給することが記載されている。
また、生成水は燃料電池内の反応熱で温水となっているため適度の温度に冷却する必要がある。
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−１０６５９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
カソードから排出されるガス（供給空気より一定量の酸素が消費されたもの）中には多くの水分を含むが、それを外部に排気してしまうと、その分の純水をタンクに補充する必要がある。排出ガス中の水分を再利用する場合には、凝縮器としての熱交換器が必要となる。また同時にカソードから排出される生成水を適温にするには別の熱交換器が必要となり、装置全体が大形化する。
そこで本発明は、温水と高湿度排気ガスとを一つのラジエータで効率よく冷却及び凝縮することができるコンパクトなものを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の本発明は、外周に冷却媒体(1) を流通させる多数のチューブ(2) が並列されたコア(3) と、
夫々のチューブ(2) の両端が連通される上部タンク(4) および下部タンク(5) と、
その上部タンク(4) 内に挿入され、下面に多数の給温水孔(6) が互いに離間して配置された温水分配体(7) と、を具備し、
温水(8) が前記上部タンク(4) の前記温水分配体(7) に導かれて、各給温水孔(6) から上部タンク(4) の底に導かれると共に、前記上部タンク(4) 内に高湿度ガス(9) が導かれ、
その高湿度ガス(9) および前記温水(8) が各チューブ(2) 内を流下して、前記冷却媒体(1) により前記高湿度ガス(9) 中の水分が凝縮されると共に、前記温水(8) が冷却されるコンデンシングラジエータである。
【０００７】
請求項２に記載の本発明は、請求項１において、
前記上部タンク(4) および下部タンク(5) ならびに前記温水分配体(7) が前記チューブ(2) の並列方向に細長く形成され、その温水分配体(7) の長手方向に互いに離間して、定間隔または不定間隔に多数の前記給温水孔(6) が設けられたコンデンシングラジエータでるある。
請求項３に記載の本発明は、請求項２において、
前記温水分配体(7) が上部タンク(4) を貫通して内部に挿入された温水パイプ(10)からなり、その上部タンク(4) に高湿度ガス導入パイプ(11)が連通されたコンデンシングラジエータである。
【０００８】
請求項４に記載の本発明は、  請求項２において、
前記上部タンク(4) を貫通する混合パイプ(12)を有し、その混合パイプ(12)がその上部タンク(4) 内で上端開放の溝状に形成されて前記温水分配体(7) を構成し、
その混合パイプ(12)に温水(8) と高湿度ガス(9) とが同時に供給されるコンデンシングラジエータである。
【０００９】
請求項５に記載の本発明は、請求項１〜請求項４のいずれかにおいて、
前記各チューブ(2) の上端縁が上部タンク(4) の最低位置より僅か上方に位置し、各チューブ(2) 間に温水溜め部(4b)が形成され、その温水溜め部(4b)の温水(8) が各チューブ(2) の内壁を膜状に流下すると共に、その膜の内側に前記高湿度ガス(9) が流通するコンデンシングラジエータである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のコンデンシングラジエータは、上部タンク４内に設けられた温水分配体７の各給温水孔６により、チューブ２内の各部に温水８を均等に分配し、効率良く温水８を冷却すると共に、チューブ２中に流通する高湿度ガス９中の水分を凝縮して、温水８中に混入し、より多くの冷却された水を得ることができる。
【００１１】
上記構成において、上部タンク４，下部タンク５，温水分配体７を細長く形成し、温水分配体７に給温水孔６を多数設けたものにおいては、さらに効率良く温水８を冷却すると共に、高湿度ガス９中の水分を効率良く凝縮することができる。
上記構成において、温水パイプ10により温水分配体７を形成すると共に、上部タンク４に高湿度ガス導入パイプ11を設けたものにおいては、予め分離された高湿度ガス９と温水８とを供給して両者を冷却し、より多くの冷却された水を得ることができる。
【００１２】
上記構成において、上部タンク４を貫通する混合パイプ12を設け、上部タンク４内ではその上端を開放して溝状に形成して温水分配体７とし、混合パイプ12に温水８と高湿度ガス９とを同時に供給することができる。このようにすることにより、温水８と高湿度ガス９とを予め分離することなく、夫々を効率良く冷却及び凝縮することができる。
上記いずれかの構成において、上部タンク４内でチューブ２間に温水溜め部4bを形成し、そこから温水８をチューブ２の内壁に膜状に流下させることができる。それにより、高湿度ガス９の流通を円滑に行うと共に、温水８の冷却効果を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】
次に、図面に基づいて本発明の実施の形態につき説明する。図１〜図３は本発明の第１の実施の形態を示すコンデンシングラジエータ17であって、図１はその一部破断斜視図、図２は同コンデンシングラジエータ17の上部タンク４の要部横断平面図、図３は図２の III− III矢視断面図である。
【００１４】
このコンデンシングラジエータ17は、多数の偏平なチューブ２が定間隔に並列され、各チューブ２間にフィン13が配置されてコア３を構成する。コア３の上下両端には一対の上部タンク４，下部タンク５が配置され、夫々のチューブ２の上下両端が各上部タンク４，下部タンク５に連通する。
この例では、上部タンク４及び下部タンク５は一端が開放された細長い箱状のタンク本体と、その開口を閉塞するチューブプレートとからなる。そして、チューブプレートに設けられたチューブ挿通孔に、チューブ２の上下両端が挿通され、その挿通部が液密にろう付け固定されるものである。
上部タンク４のチューブプレート4aは、図２及び図３に示す如く、チューブ挿通孔の孔縁部にバーリング部4cがその内面側に突出するように形成される。それによって、各チューブ挿通孔間に温水溜め部4bが形成される。
【００１５】
次に、上部タンク４内には図１に示す如く温水分配体７が設けられる。この例では、上部タンク４の全長より僅かに短い温水パイプ10の下面に多数の給温水孔６が定間隔又は不定間隔に穿設され、その温水パイプ10の一端に入口パイプ10a が連通すると共に、その入口パイプ10a が上部タンク４の側壁を貫通する。
給温水孔６の間隔は、好ましくは入口パイプ10a からより遠い距離にある程、そのピッチを狭くする。或いは均等の間隔に孔を穿設し、下流側程孔径を大にする。それにより、流量および圧力が次第に小となる温水パイプ10の下流側の温水８の流量調整を行うことができ、上部タンク４内の各部に均一に温水８を供給できる。
また、上部タンク４には、図１に示す如く、高湿度ガス導入パイプ11が接続される。下部タンク５の下面には水パイプ14が設けられ、その下部タンク５の一側面には排気パイプ15が取り付けられる。
【００１６】
このようにしてなるコンデンシングラジエータ17の温水分配体７には、入口パイプ10a 及び温水パイプ10を介して温水８が供給され、多数の給温水孔６からそれが上部タンク４内に滴下する。そして図３に示す如く、チューブプレート4aの温水溜め部4bに溜まり、それが溢れ出してチューブ２の内壁を膜状に流下する。
また、上部タンク４の高湿度ガス導入パイプ11には、図１に示す如く高湿度ガス９が導かれ、それが各チューブ２内を流下する。そしてチューブ２及びフィン13からなるコア３の外面側には、図示しないファンにより冷却媒体１として冷却風が供給され、チューブ２内の温水８及び高湿度ガス９を冷却する。冷却された高湿度ガス９中の水分は凝縮して温水８に混入し、図１の下部タンク５，水パイプ14を介し、水16となって再利用される。また、下部タンク５の排気パイプ15からは排気9aが流出する。
【００１７】
図９は本発明のコンデンシングラジエータ17の利用の一形態を示す。
このコンデンシングラジエータ17は燃料電池システムに組み込まれたものであり、燃料電池18のアノード18a には水素リッチな燃料ガスが供給され、カソード18c には酸素ガスとして加湿された空気である加湿空気20a が供給される。そして燃料電池18のカソード18c の出口から、加温された生成水よりなる温水８及び高湿度ガス９（供給空気中の酸素が生成水に消費された残りの空気に水分を含む）が放出される。
【００１８】
図１に戻ると、この例では上部タンク４内で温水８と高湿度ガス９とが気水分離され、温水８は上部タンク４内の温水分配体７に供給され、高湿度ガス９は上部タンク４内に導かれる。そして温水８は温水分配体７から上部タンク４の各部に供給され、夫々のチューブ２の内壁を膜状に流下する。また、高湿度ガス９は温水８の膜の内側を流下する。そして冷却風よりなる冷却媒体１によって、チューブ２内の温水８及び高湿度ガス９が冷却され、高湿度ガス９中の水分が凝縮して温水８と共に下部タンク５に導かれる。下部タンク５内の水16は、図９におけるバブリングタンク22に導かれる。
【００１９】
そのバブリングタンク22内には空気配管23が連通し、その先端がバブリングタンク22の底部に延長する。そしてその空気配管23からバブリングタンク22の水16内に空気が供給され、そのバブリングタンク22の上端に連通する図示しない加湿空気配管を介して加湿空気20a が燃料電池18のカソード18c に供給される。
このとき、バブリングタンク22内の水温は、固体高分子型燃料電池の場合には、その作動温度である50℃〜80℃程度の加湿空気20a （酸化ガス）を得られる温度とすることが好ましい。なお、加湿空気20a の温度は供給空気の温度および水温との関係で定まる。その水温（通常80℃前後）を得るには、本発明のコンデンシングラジエータ17の熱交換量を冷却媒体１の風量調節等により調節すればよい。
【００２０】
次に、図４〜図６は本発明の第２の実施の形態を示す。
この例は、上部タンク４の長手方向一端に混合パイプ12が貫通する。この混合パイプ12は、上部タンク４の内部で、図４に示す如く、上端開放の樋状に形成されて温水分配体７を構成する。
温水分配体７の底には、多数の給温水孔６が図５に示す如く穿設されている。給温水孔６のピッチは、温水分配体７の下流側程短くすることにより、前述の如く、下流側の流量減少を補正し、上部タンク４内の各部に均一に温水８を分配する。なお、給温水孔６の孔径やピッチは、各種条件に応じて適宜設計される。
そして、混合パイプ12には、温水８と高湿度ガス９との混合体が供給される。
【００２１】
その温水８は温水分配体７の溝底に沿って導かれ、各給温水孔６から下方に滴下する。また、高湿度ガス９は上部タンク４内では図４に示す如く、温水分配体７の上方から上部タンク４の各部に分配され、各チューブ２内を流下する。
図６はその説明図であり、温水分配体７から滴下した温水８は、先ず上部タンク４の底面に溜まり、それが溢れ出してチューブ２の内壁面に膜状に流下する。そしてその膜の内側を高湿度ガス９が流通し、チューブ２の外面を流通する冷却風によって、高湿度ガス９中の水分を凝縮し、温水８と共に下部タンク５に導く。
【００２２】
次に、図７及び図８は本発明の第３の実施の形態を示し、これが図５及び図６のそれと異なる点は、温水分配体７が上部タンク４の一方の側壁側に偏って配置されている点である。さらに、この例では温水８及び高湿度ガス９が上部タンク４の側面から導かれている。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明のコンデンシングラジエータ17の一部破断斜視図。
【図２】同コンデンシングラジエータ17の上部タンク４の要部横断平面図。
【図３】図２の III− III矢視断面図。
【００２４】
【図４】本発明の第２の実施の形態を示すコンデンシングラジエータ17の斜視略図。
【図５】同コンデンシングラジエータ17の上部タンク４の横断面略図。
【図６】図５のVI−VI矢視断面略図。
【００２５】
【図７】本発明の第３の実施の形態を示すコンデンシングラジエータ17における上部タンク４の横断面略図。
【図８】図７のVIII− VIII 矢視断面略図。
【図９】本発明のコンデンシングラジエータ17の利用形態の一例を示す説明図。
【符号の説明】
【００２６】
１  冷却媒体
２  チューブ
３  コア
４  上部タンク
4a  チューブプレート
4b  温水溜め部
4c  バーリング部
【００２７】
５  下部タンク
６  給温水孔
７  温水分配体
８  温水
９  高湿度ガス
9a  排気
10  温水パイプ
10a   入口パイプ
【００２８】
11  高湿度ガス導入パイプ
12  混合パイプ
13  フィン
14  水パイプ
15  排気パイプ
16  水
17  コンデンシングラジエータ
【００２９】
18  燃料電池
18a   アノード
18c   カソード
20  空気
20a   加湿空気
22  バブリングタンク
23  空気配管
【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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【図９】
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