(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水分凝縮器として使われる熱交換器と前記熱交換器を冷却するための換気ユニットとを備える燃料電池システム用の熱交換器結合体において、
前記熱交換器は、流入口を有する流入マニフォールドと、排出口を有する排出マニフォールドと、前記流入マニフォールドの流入口と前記排出マニフォールドの排出口との間に位置して、前記流入マニフォールドと前記排出マニフォールドとを連結する熱交換要素と、を備え、
前記換気ユニットによる冷気の方向と前記熱交換要素内で移動する媒介物の流動方向とが互いに反対であり、
前記媒介物は、燃料電池システムの燃料スタックの反応空気であり、
前記熱交換要素は、複数個の曲がったチューブが平行に配置された構造であることを特徴とする、熱交換器結合体。
【請求項２】
前記換気ユニットは、前記熱交換器の一側に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器結合体。
【請求項３】
前記換気ユニットは、換気手段とハウジングとを備えることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器結合体。
【請求項４】
前記熱交換要素の各曲がったチューブは、一方向に延びた第１部分と、隣接した第１部分の端部を連結する第２部分とを備えることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器結合体。
【請求項５】
前記複数の曲がったチューブは、前記一方向に垂直な他方向に平行に配置されたことを特徴とする、請求項４に記載の熱交換器結合体。
【請求項６】
前記第１部分の断面は、前記冷気の流れに平行な主軸と、前記冷気の流れに垂直の第２軸とを有し、前記主軸が前記第２軸より長いことを特徴とする、請求項４に記載の熱交換器結合体。
【請求項７】
熱交換要素の第２部分は、Ｕ字形のチューブ状構造を備えることを特徴とする、請求項４に記載の熱交換器結合体。
【請求項８】
Ｕ字形のチューブ状構造は、互いに直角に配列された直線部分からなることを特徴とする、請求項７に記載の熱交換器結合体。
【請求項９】
熱交換要素の第２部分は、直線のチューブ状構造を備えることを特徴とする、請求項４に記載の熱交換器結合体。
【請求項１０】
熱交換器要素の前記第１部分と前記第２部分とは、直角をなすことを特徴とする、請求項４に記載の熱交換器結合体。
【請求項１１】
第１部分の中間軸と第２部分の中間軸とは、互いに直角に交差することを特徴とする、請求項４に記載の熱交換器結合体。
【請求項１２】
熱交換要素の前記第２部分の断面は、楕円形を有することを特徴とする、請求項４に記載の熱交換器結合体。
【請求項１３】
前記熱交換器は、ｙ方向に延びる幅と、ｘ方向に延びる深さと、ｚ方向に延びる高さとを有し、前記換気手段の一幅または直径は、前記熱交換器の深さと高さとのいずれか小さな値の少なくとも６６％に対応する値を有することを特徴とする、請求項３に記載の熱交換器結合体。
【請求項１４】
前記換気手段の一幅または直径は、前記熱交換器の深さと高さとのいずれか小さな値の少なくとも８０％、望ましくは９０％、最も望ましくは９５％に対応する値を有することを特徴とする、請求項１３に記載の熱交換器結合体。
【請求項１５】
前記排出マニフォールドは、熱交換器を通じて流れる媒介物から凝縮された水分を分離させるための水分分離器から形成されて、熱交換要素の排出口の端部と直接接することを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器結合体。
【請求項１６】
前記換気ユニットは、熱交換器を中心として熱交換要素内の媒介物の流れ方向側として定義される熱交換器の下流側上に配列され、交換器の下流側から上流側に送風するためのファンまたは送風機を備えることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器結合体。
【請求項１７】
前記換気ユニットは、熱交換器を中心として熱交換要素内の媒介物の流れ方向の逆方向側として定義される熱交換器の上流側上に配列され、交換器の下流側から上流側に送風するためのファンまたは送風機を備えることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器結合体。
【請求項１８】
熱交換要素は、チューブ状構造を有することを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器結合体。
【請求項１９】
換気手段は、ファンまたは送風機を備えることを特徴とする、請求項３に記載の熱交換器結合体。
【請求項２０】
前記熱交換器の流入口は、燃料電池システムの燃料スタックのカソード排出口に連結されることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器結合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器結合体及びこれを利用した燃料電池の排出口ストリーム冷却方法に係り、特に、燃料電池システム、特に携帯電子装置用の電源供給に使われる直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）において水分凝縮器として使われる熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素及び酸素の供給から電気を生成する電子化学装置である。燃料電池に使われる通常の反応物質は、アノード側の水素とカソード側の酸素とである。燃料電池は、高効率であり、かつ理想的には排出物がないので、現代の応用例において非常に魅力的なものとされている。原理的に、水素燃料電池の唯一の副産物は、水蒸気である。多様な類型の燃料電池が存在するが、それぞれは異なる化学作用を利用する。燃料電池は、一般的に使用する電解質の類型によって分類される。ある類型の燃料電池は、固定発電所での利用に適している。他の類型の燃料電池は、小型携帯用の応用例または自動車に適している。
【０００３】
水素／酸素陽子交換膜（または“高分子電解質”）燃料電池（ＰＥＭＦＣ：proton-exchange membrane fuel cell）において、陽子伝導性高分子膜は、アノード側とカソード側とを分離させる。それぞれの側は電極を有するが、一般的に白金触媒でメッキされた炭素カーボン紙を有する電極である。アノード側上では、水素がアノード触媒に拡散されて陽子と電子とに分離される。陽子は、膜を通じてカソードに伝導されるが、膜が電気的に絶縁物質であるため、電子は外部回路に移動して電力を供給する。カソード触媒上では、酸素分子が外部回路を介して移動した電子及び陽子と反応して水分となる。この例において、唯一の廃棄物は、水蒸気及び／または水分である。
【０００４】
他の燃料は、天然ガス、プロパン、及びメタノールである。メタノールは、液体燃料として輸送及び分配が容易なために、携帯用装置に電力を供給するための候補となりうる。直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）は、触媒層上のメタノールを酸化させて二酸化炭素を形成する。水分は、アノードで消費されてカソードで形成される。陽子（Ｈ＋）は、陽子交換膜を通じてカソードに移動するが、そこで酸素と反応して水分を作る。電子は、アノードから外部回路を介してカソードに移動して外部装置に電力を供給する。直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）は、燃料から水素を抽出するための改質器の利用を必要としないという長所を有する。このために、直接メタノール燃料電池を小型に製造でき、例えば、携帯用の移動通信装置用として製造することができる。
【０００５】
直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）は、アノードと、カソードと、アノードとカソードとの間に介在された電解質膜とを有する。メタノール液状溶液が燃料として利用される。燃料供給が燃料電池と連結されて燃料をアノードに供給する。空気供給器は、カソードに空気を供給する。熱交換器は、カソード排出口に連結されて排出ストリームを冷却させ、排ガスから水分を凝縮し、水分を放出して燃料と混合させる。凝縮された水分は、燃料供給ユニットに再び循環されて再使用される。燃料は、予め水分に希釈される必要がないので、燃料電池のサイズをさらに縮めることができる。
【０００６】
直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）システムは、特許文献１及び特許文献２に開示されている。後者の場合は、直接メタノール燃料電池システムの熱交換器での水分凝縮の問題に関するが、燃料電池の排出ストリームから水分を分離して再循環させて燃料と混合させるためのものである。
【０００７】
しかし、損傷されることを防止するために、このような小型化された燃料電池は、効率的な熱交換器を必要とする。腐食問題のため、ステンレススチールが燃料電池熱交換器用の材料として主に使われる。最近の技術によれば、異なる類型の熱交換器がこのために使われる。プレート型の熱交換器では、カソード排出口ストリーム及び冷却空気ストリームがステンレススチールプレートの反対面上に供給されて、プレートを通じて熱を交換する。交換面積を拡大させるために、プレートが互いの上部に配置される。この類型の熱交換器は、冷却空気ストリームが不均衡な幾何学的分布を有するため、冷却ファンとの結合が容易でないという問題がある。流動の形状を調整するための付加的な空間が必要であるので、体積が大きい装置となるという問題があった。
【０００８】
他の類型の熱交換器としては、チューブ型がある。この場合、チューブが蛇行状に曲がっている。このチューブの長さ（したがって、チューブの表面積）には制限があるが、冷却されるストリームのために、圧力降下を超えてはならないためである。冷気との熱交換率を上昇させるために、金属薄層（metal lamellae）がチューブの間に挿入されて交換面積を拡大させる。それにもかかわらず、主にステンレススチールのような熱交換器材料の低い熱伝導率のため、この類型の装置の性能はよくない。
【０００９】
他のチューブ類型の熱交換器は、多重の平行したチューブを利用するが、これらは、チューブの端部に付着されて一つのチューブから隣接したチューブにストリームを誘導するレジスタを介して連結されている。しかし、この実施の形態は、レジスタが相当な空間を必要するので、熱交換器として使用するのに適していないという問題があった。さらに、レジスタとチューブとの結合体は高価である。
【００１０】
【特許文献１】米国特許公開第２００４−０１６６３８９号明細書
【特許文献２】米国特許公開第２００４−００６２９６４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、燃料電池システムにおける熱交換器の効率を向上させる熱交換器結合体及びこれを利用した燃料電池の排出口ストリーム冷却方法を提供することを目的とする。
【００１２】
また、本発明は、与えられた熱交換容量に対して最小化した体積を有し、カソード流出及び冷気のいずれに対しても低い圧力降下を有する燃料電池システム用の熱交換器、特に、直接メタノール燃料電池システム用の熱交換器及び燃料電池の排出口ストリーム冷却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】
【００１３】
前記の目的を達成するために、本発明による燃料電池システム用の熱交換器結合体は、熱交換器と前記熱交換器を通じた冷気のストリームを生成する換気ユニットとを備える。換気ユニットは、円形換気手段及びハウジングを備える。熱交換器は、ｙ方向に延びる幅と、ｘ方向に延びる深さと、ｚ方向に延びる高さと、ｙｚ平面で延びる平面によって限定される前面及び背面と、ｘｚ平面で延びる平面によって限定される両側面を有し、熱交換器は、ｘ方向に延びて流入口を有する流入マニフォールドと、流入マニフォールドから離隔してｘ方向に延びて排出口を有する排出マニフォールドと、複数個の空洞の熱交換要素を備えるが、熱交換要素は、内部の媒介物を流入マニフォールドから排出マニフォールドに流し、熱交換要素は、蛇行状にｙｚ平面で前記流入口から前記排出口に延び、ｘ方向に互いに平行であり、熱交換要素の間に空き空間が生成されるように離隔して配置され、熱交換要素は、ｚ方向に延びた第１部分と連続的な第１部分を連結する第２部分とを備え、前記換気ユニットは、ｘｚ平面で延びた熱交換器の側面に平行に配列され、冷気は、熱交換要素の間の自由空間を通じて熱交換要素内の媒介物の流動と反対方向に流れ、換気手段の直径は、熱交換器の深さと高さとのいずれか小さな値の少なくとも６６％に対応する値を有する。
【００１４】
望ましくは、ファンの換気手段の直径は、熱交換器の深さと高さとのいずれか小さな値の少なくとも８０％、さらに望ましくは９０％、最も望ましくは９５％に対応する値を有する。
【００１５】
最大の冷却効果を得るために、冷却ファンは、冷気が逆流方向に流れるように熱交換器に付着される。すなわち、冷気が熱交換器の排出口から流入口に流れる。
【００１６】
熱交換器の効率をさらに向上させるために、前記第１部分の断面は、前記冷気の流れに平行した主軸を備えるが、これは前記冷気の流れに垂直の第２軸より長い。特に、前記第１部分の断面は、楕円形であるが、楕円の主軸は、前記冷気の流れに平行に配列される。
【００１７】
本発明の特徴によれば、前記排出マニフォールドは、熱交換器を通じて流れる媒介物から凝縮された水分を分離させるための水分分離器で形成されて、熱交換要素の排出口の端部と直接接することができる。
【００１８】
換気ユニットは、ファンまたはラジアル送風機でありうる。換気ユニットは、例えば、軸流ファンまたはラジアル送風機でありうる。一実施の形態において、換気ユニットは、熱交換器の下流側に配列されたファンまたは送風機であるが、ここで熱交換器の下流側は、熱交換器を中心として熱交換器を通過する媒介物の流れ方向側を意味し、送風は、交換器の下流側から上流側になされる。上流側は、熱交換器の流入口に連結された側である。下流側は、熱交換器の排出口に連結された側である。他の実施の形態では、ファンまたは送風機が熱交換器の上流側に配列されて熱交換器の下流側から上流側方向に空気を吸入する。
【００１９】
燃料電池システムの燃料スタックから排ガスの流動を受け入れるために、熱交換要素は空洞となっている。望ましくは、熱交換要素は、チューブ状構造を有する。
【００２０】
さらに短いＵターン部分を有させるために、熱交換要素の第２部分は、実質的に直角である二つの角度からなりうる。しかし、チューブの第２部分は、楕円形チューブまたは直線チューブからなるＵ字形を有してもよい。第１部分と第２部分との連結は、望ましくは直角を形成するが、すなわち、第１部分の中間軸は、第２部分の中間軸と直角に交差する。
【００２１】
望ましくは、システムのサイズを小さくするために、熱交換器の排出口は、熱交換要素の排出口の端部と直接接している水分分離器から形成されうる。
【００２２】
本発明のさらに他の特徴によれば、熱交換要素の前記第２部分の断面は、楕円形を有するものとできる。
【００２３】
望ましくは、燃料電池システムは、直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）システムでありうる。
【００２４】
熱交換器の流入口は、燃料電池システムの燃料スタックのカソード排出口に連結されうる。
【００２５】
したがって、本発明による熱交換器結合体を利用する燃料電池の排出ストリーム冷却方法は、燃料電池の排出ストリームを熱交換器の流入口にガイドする段階と、前記熱交換器の蛇行状の熱交換要素の流入口の端部からそれの排出口の端部にストリームをガイドして、前記ストリームの冷却効果を誘導する段階と、熱交換器の下流側から上流側に前記熱交換要素の周囲に冷気ストリームを提供することによって、ガイドされたストリームの前記冷却効果を向上させる段階とを含む。
【００２６】
望ましくは、前記方法は、熱交換器内の水分を凝縮させる段階をさらに含むことができる。前記方法は、熱交換器の熱交換要素の排出口の端部と直接接している水分分離器で空気ストリームと凝縮された水分とを分離させる段階をさらに含んでもよい。この水分は、再循環されて燃料タンクからの燃料と共に再使用されうる。
【００２７】
前記方法は、前記第１部分の断面が前記冷気の流れに平行であり、前記冷気の流れに垂直の第２軸より長い主軸を備えるようにすることによって、熱交換器内での冷却効果を向上させる段階をさらに含んでもよい。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の燃料電池用の熱交換器結合体及びこれを利用した燃料電池の排出口ストリーム冷却方法によれば、本発明による燃料電池システム用の熱交換器は、与えられた熱交換容量に対して体積を最小化させ、熱交換要素の流線形の外側プロファイルのため、冷気に対する低い圧力降下の結果をもたらし、また、マニフォールドを通じて連結された多重の平行した熱交換要素のため、カソードストリームに対する低い圧力降下の結果をもたらし、冷却ファンとの優れた相互疎通性を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施の形態を詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００３０】
図１は、本発明による熱交換結合体を利用する燃料電池供給システムを概略的に示す概略図である。燃料電池システムは、直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）システムに具現された場合である。燃料電池スタック１０は、空気流入口１１及び空気排出口１３を有する。空気ポンプまたはファン１２は、空気流入口１１を通じて反応空気をスタックカソードに供給する。スタック燃料排出口１６の下流側に配置されたＣＯ２分離器２０からなる希釈燃料のためのアノードサイクルは、反応ストリームからＣＯ２を除去して、それを排気開口２１を通じて大気に排気させる。
【００３１】
熱交換器５０は、燃料電池カソードの排出口ストリームに装着される。換気ユニット５５、すなわちファンは、熱交換器を冷却させて排出口ストリームの冷却及び水分の凝縮をもたらすのに使われる。この二相流動は、熱交換器の排出口５２の近傍に存在する。換気ユニット５５及び熱交換器５０は、本発明による熱交換結合体を形成する。熱交換器の下流には、空気ストリームから液状水分を分離するために水分分離器６０が装着される。分離された水分は、凝縮ポンプ７０により燃料電池システムのアノードサイクルにフィードバックされ、残存する空気は、排出口６１を通じて大気に排気される。
【００３２】
図２は、本発明の第１の実施形態による熱交換結合体の概略図である。図２に示す本実施の形態の説明のために座標系を利用する。紙の平面はｙｚ平面に対応し、ｘ方向は観察者から紙に向かった方向である。
【００３３】
本実施形態にかかる燃料電池システム用の熱交換結合体は、熱交換器５０と換気ユニット５５とを備える。熱交換器５０は、流入口１０１を有する流入マニフォールド１０２と、排出口１０３を有する排出マニフォールド１０４と、前記流入マニフォールド１０２の流入口１０１と前記排出マニフォールド１０４の排出口１０３との間に位置して、前記流入マニフォールド１０２と前記排出マニフォールド１０４とを連結する熱交換要素１０５とを備える。このとき、熱交換器５０における熱交換効率を極大化するために、換気ユニット５５による冷気の方向と前記熱交換要素１０５内で移動する媒介物の流動方向とを互いに反対とする。以下、本実施形態をさらに詳細に説明する。
【００３４】
換気ユニット５５は、前記熱交換器５０を通した冷気のストリームを生成するために使われ、円形換気手段５６とハウジング５７とを備える。ハウジング５７は、長方形または正方形でありうる。換気手段５６は、換気ユニット５５のハウジング５７に配列され、ファンまたは送風機でありうる。
【００３５】
熱交換器５０は、３次元構造であり、図２に示すようにｙ方向に延びた幅１１３と、ｘ方向に延びた深さ１１４と、ｚ方向に延びた高さ１１５とを有する。熱交換器５０は、正面及び背面を有するが、これらは、ｙｚ平面で延びた平面によって限定される。熱交換器５０の両側面はｘｙ平面で延びている。熱交換器５０は、ｘ方向に延びて流入口１０１を有する流入マニフォールド１０２と、ｘ方向に延びて排出口１０３を有する排出マニフォールド１０４とを備えるが、排出マニフォールド１０４は、流入マニフォールド１０２から離隔してある。
【００３６】
熱交換器は、複数個の熱交換要素１０５をさらに備える。熱交換要素は、空洞構造を有する。空洞構造は、熱交換要素１０５に含まれた媒介物が流入マニフォールド１０２から排出マニフォールド１０４に流れることを可能にする。熱交換要素１０５は、前記流入口１０１から前記排出口１０３に蛇行状にｙｚ平面で延びている。要素１０５は、互いに平行に配列され、ｘ方向にスタック構造を有し、離隔されており、熱交換要素１０５の間の空き空間を形成する。望ましくは、熱交換要素は、自己支持構造を有する。したがって、支持プレートまたは他の支持構造が不要である。これは、隣接した熱交換要素１０５間の最大の空き空間形状を保証する。空き空間は、換気ユニット５５によって生成された冷気を、熱交換器５０を通じて十分に流す。要素１０５は、ｚ方向に延びた第１部分１０６と、連続的な第１部分１０６を連結する第２部分１０７とを備える。図２において第１部分１０６は、垂直に配置されている。各要素１０５は、複数個の第１部分１０６を備える。それらは、互いに離隔して配置される。隣接した第１部分１０６の対は、実質的にｙ方向に延びた第２部分１０７によって連結されるが、それにより、熱交換要素１０５が蛇行状構造を形成する。この構造は、熱交換のための大面積を提供することによって、効率的な熱交換を可能にする。
【００３７】
熱交換器５０は、その熱交換要素１０５を通じて流れる媒介物の熱を交換する。本実施形態にかかる燃料電池１０の排気ガスは、熱交換器５０の流入口１０１に入っていく。流入マニフォールド１０２を通じて、媒介物はマニフォールド１０２に連結された熱交換要素１０５に分配される。媒介物は、流入マニフォールド１０２から熱交換要素１０５を通じて排出マニフォールド１０４及び排出口１０３に流れる。図２において、媒介物の純流動は、ｙ方向、すなわち、右側から左側である。熱交換要素１０５内では、媒介物は、第１部分１０６を通じてｚ方向に上側に流れてから、第２部分１０７を通じてｙ方向に左側に流れ、二番目の第１部分１０６を通じて下側に流れ、再び二番目の第２部分１０７を通じて左側に流れ、その後、三番目の第１部分１０６を通じて再び上側に流れるなど、これによって、媒介物の純流動はｙ方向となる。
【００３８】
熱交換器５０の熱交換を増加させるために、換気ユニット５５は、ｘｚ平面に延びた熱交換器５０の側面に平行に配列される。換気ユニット５５は、熱交換器５０を通過する冷気流動を生成する。冷気は、熱交換要素１０５の間の空き空間を通じて熱交換要素１０５内の媒介物の流れ方向と反対に流れる。したがって、換気ユニット５５は、熱交換器５０内での媒介物の流れに対してそれぞれ逆方向配列に提供される。このような構造において、熱交換器５０内での媒介物の流れ方向と換気ユニット５５による冷気の流れ方向とを互いに反対にすることによって、熱交換器５０における熱交換効率を画期的に向上させうる。
【００３９】
特に、効率的な冷却効果を保証するために、換気手段５６の直径は、熱交換器５０の深さ１１４と高さ１１５とのいずれか小さな値の少なくとも６６％に対応する値を有する。望ましくは、換気手段５６の直径は、熱交換器５０の深さ１１４と高さ１１５とのいずれか小さな値の少なくとも８０％、さらに望ましくは９０％、最も望ましくは９５％に対応する値を有する。直径は、望ましくは深さ１１４と高さ１１５とのいずれか大きい値の１５０％を超えず、さらに望ましくは１２０％、最も望ましくは１００％を超えない。
【００４０】
図２に示すような第１の実施形態において、換気ユニット５５は、熱交換器５０内の媒介物の流動に対して下流側上に位置するファンまたは送風機として図示されている。上流側は、熱交換器５０の流入口１０１に連結された側として定義される。これに対応して、下流側は、熱交換器の排出口１０３に連結された側として定義される。換気ユニット５５は、図２に示すように、熱交換器５０の下流側から上流側への冷気ストリームを形成する。空間を節約するために、換気ユニット５５は、熱交換器５０の上流側に直接隣接して配列される。
【００４１】
図３は、図２の熱交換器５０の側面図である。熱交換器５０の高さ１１５は、熱交換要素１１５の上部と排出マニフォールド１０２の上部との距離、すなわち、熱交換要素の上部と熱交換要素１０５の底が排出マニフォールド１０２と結合する部分の間の距離として定義される。熱交換器５０の深さ１１４は、熱交換器５０の最初の熱交換要素１０５の外側エッジと最後の熱交換要素１０５の外側エッジとの距離として定義される。
【００４２】
図４に示す第２の実施形態において、換気手段５６は、熱交換器５０の媒介物の上流側上に位置するラジアルファンまたは送風機として図示されているが、これは、空気を吸入して熱交換要素１０５における排気ストリームの下流側から上流側への冷気ストリームを形成し、望ましくは、垂直方向、すなわちｚ方向に送風する。
【００４３】
換気ユニット５５の換気手段は、ファンまたは送風機を備えうるが、例えば、軸流ファンまたはラジアル送風機、または特別に広範囲な空気流動を生成可能な任意の他の装置を備えうる。
【００４４】
熱交換器５０の流入口１０１に連結された燃料スタック１０からの排気ガスストリームは、＋ｙ方向に流れる一方、冷気流動は、図４に示すように−ｙ方向に流れる。排出口１０３は、水分分離器６０に連結される。複数個の熱交換要素１０５を通じてマニフォールド１０２を経て流入口１０１から排出マニフォールド１０４及び排出口１０３にガスが流れる間、排気ストリームは、熱交換要素１０５の表面を通じて冷却される。ファンまたは送風機５５からの逆流冷気ストリームは、冷却効果を増進させる。冷気ストリームは、熱交換器を通じて流れて少なくとも一つの熱交換要素１０５を通過し、それによって少なくとも一つの熱交換要素１０５の表面を通じた冷却効果を提供する。
【００４５】
冷気ストリームに対する流動抵抗を減少させるために、チューブの断面は、少なくとも直線部分１０６で楕円形であるが、ここで楕円１１０の主軸は、冷気の流動方向と平行する。
【００４６】
製造上の理由及び技術的理由により、Ｕターン部分１０７でのチューブも楕円形状を有するようにすることが望ましいが、ここで楕円断面１１１の主軸は、チューブの直線部分１０６と冷気流動とに垂直である。
【００４７】
望ましい実施の形態が図５に示されている。より短いＵターン部分１０７を有させるために、チューブは、実質的に直角に、すなわちチューブ部分のそれぞれの中間軸の間の角度が実質的に直角に製造される。Ｕ字形は、二つの延びた平行した直線部分１０６と、実質的に直線であり、二部分１０６の間に垂直に配列されて部分１０６を結合させる介在した短い部分１０７とで形成されうる。しかし、他の実施の形態では、第１部分１０６と第２部分１０７共に互いに垂直に配列された直線のチューブ断面を有することができる。一実施の形態では、少なくとも直線部分１０６が、主軸が冷気流動に平行した楕円形の断面を有することができる。
【００４８】
空間を節約するために、チューブ１１２の排出口の端部が直接に水分分離器６０に連結されることもある。水分分離器６０の上部は、熱交換要素１１２の全排出口の端部１１２が水分分離器６０に合体されるように構造化されうる。水分分離器６０は、その上部から下部に縮めていく構造を有しうる。水分分離器６０の下部は、水分フィードバック連結６２に連結されたスパウトを備えうる（図１参照）。
【００４９】
本実施形態にかかるチューブの材料は、例えば、ステンレススチールであるが、それだけでなく、チタンまたはプラスチックであってもよい。本実施形態にかかるチューブ状構造は、望ましくは自己支持構造を有することによって、平行した熱交換要素１０５の間に最大の自由空間を提供する。
【００５０】
本実施形態は、図面に示された実施の形態を参考に説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施の形態が可能であるという点を理解できるであろう。特に、本発明は、直接メタノール燃料電池システムに限定されない。また、結合体が空間で回転した形態に備えられてもよい。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲の技術的思想によって決定されなければならない。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、燃料電池関連の技術分野に好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明による熱交換結合体を利用する燃料電池供給システムを概略的に示す説明図である。
【図２】本発明の第１の実施形態による熱交換結合体を概略的に示す説明図である。
【図３】図２に示す熱交換器の概略的な側面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態による熱交換結合体を概略的に示す説明図である。
【図５】本発明の第３の実施形態による熱交換結合体を概略的に示す説明図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０  燃料電池スタック
１１  スタックのカソード流入口
１２  空気ポンプ
１３  スタックのカソード排出口
１５  スタックのアノード（燃料）流入口
１６  スタックのアノード（燃料）排出口
２０  ＣＯ２分離器
２１  ＣＯ２排出口
２２  混合器
２３  循環ポンプ
３０  燃料タンク
３１  燃料ポンプ
５０  熱交換器
５２  熱交換器の排出口
５５  換気ユニット
５６  換気手段
５７  換気ユニットハウジング
６０  水分分離器
６１  空気排出口
６２  水分フィードバック連結部
７０  水分フィードバックポンプ
１０１  流入口
１０２  流入マニフォールド
１０３  排出口
１０４  排出マニフォールド
１０５  熱交換チューブ
１０６  熱交換器の第１部分
１０７  熱交換器の第２部分
１１０  直線部分の楕円断面の主軸
１１１  Ｕターン部分の楕円断面の主軸
１１２  チューブの排出口の端部
１１３  熱交換器の幅
１１４  熱交換器の深さ
１１５  熱交換器の高さ
【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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