(57)【要約】【課題】  液流路内での気泡の滞留を防止できる燃料電池車両用の熱交換器の提供を図る。【解決手段】ガスが流通するガス流路５１と、流通する液がガス流路５１と熱的に接触するように配置された液流路５２と、を備える。液流路５２を略垂直方向に向けて配置するとともに液流路５２の上端部４４から液を導出するものとした。これにより、液流路５２の内部を流通する液が略垂直方向の下方から上方に向けて流通する。そのため、液流路５２に混入した気泡および液流路５２の加熱によって発生した気泡は、液の流れに沿って下方から上方に浮上していき、そのまま液流路５２の上端部４４から導出される。結果、液流路５２内での気泡の滞留を防止でき、液流路５２での気泡の滞留により生じる熱交換性能低下および熱応力発生を防止できる。【選択図】  図５
2005158510.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両駆動源としての燃料電池システムに利用する燃料電池車両用の熱交換器において、
ガスが流通するガス流路と、流通する液が前記ガス流路と熱的に接触するように配置された液流路と、を備え、
前記液流路を略垂直方向に向けて配置し、前記液流路の上端部から液を導出することを特徴とする燃料電池車両用の熱交換器。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池車両用の熱交換器であって、
上下方向に向けて配置された扁平チューブを所定間隔を空けて複数多段に積層し、積層方向に隣接する扁平チューブの上端部同士を連通する上側タンクを設け且つ積層方向に隣接する扁平チューブの下部同士を連通する下側タンクを設けたことで、
前記扁平チューブ内に前記液流路を構成し且つ積層方向に隣り合う扁平チューブ間に前記ガス流路を構成したことを特徴とする燃料電池車両用の熱交換器。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池車両用の熱交換器であって、
前記扁平チューブの積層方向の一方の最外側に、熱交換器液入口および熱交換器液出口を設けたことを特徴とする燃料電池車両用の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両駆動源として燃料電池システムに用いる燃料電池車両用の熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料電池で、水素ガスなどの燃料ガス（アノード供給ガス）と酸素を有する酸化ガス（カソード供給ガス）とを電解質を介して電気化学的に反応させ、電  解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。
【０００３】
近年、この燃料電池システムを車両の駆動源として搭載した燃料電池車両の実用化が進んでいる。この燃料電池車両では多くの熱交換器が用いられ、例えば特許文献１に開示されるよう熱交換器がある。
【特許文献１】特開平０６−０３４２９５号
【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、この特許文献１に開示される燃料電池車両用の熱交換器では内部に液を流通させるチューブが水平方向に配置されているため、チューブ内に形成される液流路に気泡が混入した場合、液流路内に気泡が溜まりやすい。気泡が溜まった部位は、高温ガスと液との間の熱交換が有効に行われない部分となる。また、気泡が溜まった部位は、その他の部位との間に温度差が生じるため、この温度差により熱交換器に通常より大きな熱応力が発生する可能性がある。
【０００５】
特に、燃焼器の燃焼ガスを通風させて、高温の燃焼ガスと液との間で熱交換する熱交換器では、液の沸騰により気泡が多く発生しやすい。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、上記従来の問題点を解決するため、液流路での気泡の滞留を防止できる燃料電池車両用の熱交換器に関する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の燃料電池車両用の熱交換器は、ガスが流通するガス流路と、前記ガス流路と熱的に接触するように配置され且つ液が流通する液流路と、を備え、前記液流路を略垂直方向に向けて配置するとともに前記液流路の上端部から液を導出することを要旨とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、液流路の内部を流通する液が略垂直方向の下方から上方に向けて流通する。そのため、液流路に混入した気泡は、液の流れに沿って下方から上方に浮上していき、そのまま液流路の上端部から導出される。
【０００９】
これにより、液流路内での気泡の滞留を防止できる。結果、液流路での気泡の滞留により生じる熱交換性能低下および熱応力発生を防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明に係る燃料電池車両用の熱交換器の一実施形態を詳細に説明する。
【００１１】
「燃料電池システムの全体構成」
まず、この実施形態の熱交換器８が介装される、燃料電池車両の駆動源としての燃料電池システムについて説明する。図１は燃料電池システムの概念図、図２は同燃料電池システムの燃焼器および熱交換器８の近傍の平面図である。
【００１２】
図１に示すように、燃料電池システムは、水素供給配管１１を介して燃料ガスとしての水素を供給する水素供給装置（燃料ガス供給装置）１と、空気供給配管１４を介して酸化剤ガスとしての空気を供給する空気供給装置（酸化剤ガス供給装置）２と、アノード（燃料極）４とカソード（酸化剤極）５を電極として備えそれぞれの電極に供給された水素と酸素とを用いて発電する燃料電池３と、アノードオフガスをアノードオフガス循環配管１２を介してアノード４の上流に循環させるアノードオフガス循環装置６と、アノードオフガスを燃焼させる燃焼器７と、燃焼器７の燃焼排ガスで冷媒を加熱する熱交換器８と、冷却装置９と、アノード供給ガスとしての水素を加湿する加湿器１０Ａ及びカソード供給ガスとしての空気を加湿する加湿器１０Ｂと、空気流量制御弁１６と、熱交換器８又は冷却装置９と燃料電池３との間の冷媒流路２０に冷媒を循環させる冷媒ポンプ２１と、冷媒流路２０を熱交換器８又は冷却装置９に切り換える三方弁２２と、アノードオフガスをアノードオフガス循環装置６からアノードオフガス排出配管１３を介して燃焼器７へ排出するアノードオフガス排出弁２７と、燃料電池システム全体を制御するシステムコントローラ３７と、を備えている。
【００１３】
尚、この実施形態では、アノード供給ガス用の加湿器１０Ａとカソード供給用の加湿器１０Ｂでは構成が異なっている。アノード供給ガス用の加湿器１０Ａは、水タンク２５に貯蔵される水を利用して水素供給配管１１を流れる水素を加湿する。一方、カソード供給ガス用の加湿器１０Ｂは、内部に中空糸膜の集合体を備え、この中空糸膜内にカソードオフガスを流通させるとともに中空糸膜外にカソード供給ガスを流通させて、このカソードオフガス中の水分でカソード供給ガスを加湿する。つまり、このカソード供給用の加湿器１０Ｂは、カソードオフガスの水分を回収する水回収装置である。
【００１４】
「燃料電池システムの動作」
次に、燃料電池システムの動作を説明する。
【００１５】
まず、水素供給装置１からの水素が加湿器１０Ａで加湿されてアノード４に供給されるとともに空気供給装置２からの空気が加湿器１０Ｂで加湿されてカソード５に供給され、これら水素および空気が燃料電池３内で反応し、発電される。その際アノード４からは消費されずに残ったアノードオフガスが排出される。またカソード５からは一部の酸素が消費され且つ発電により生成した水分を含んだカソードオフガスがそれぞれ排出される。
【００１６】
通常運転時にアノードオフガスは、アノードオフガス循環装置６によりアノードオフガス循環配管１２を介して水素供給配管１１に全量循環されて再度アノード４へと供給される。一方、カソードオフガスは、加湿器１０Ｂ、燃焼器７、熱交換器８、排気管１９を介してシステム外へ排気される。
【００１７】
ここで、燃料電池３のセル電圧を検知する電圧検知手段により所定の電圧値よりも低い電圧が検知された場合には、システムコントローラ３７はアノード供給ガスに蓄積した不純物量が多くなったと判断してパージ信号に発信し、これに基づいて、アノードオフガス排出弁２７から所定流量のアノードオフガスが燃焼器７に排出される。
【００１８】
燃焼器７では、アノードオフガス排出弁２７を介して供給されたアノードオフガス（排水素）がミキサ２３でカソードオフガスと混合され、この混合ガスが燃焼触媒を有する燃焼室２４で燃焼される。燃焼器７で生成された燃焼ガスは、熱交換器８を通過して排気管１９を通じてシステム外（大気）に排気される。
【００１９】
なお、燃焼器７には、図示せぬ配管を介して水素供給装置１から水素を供給できると共に図示せぬ配管を介して空気を供給できるようになっていて、パージされる排水素を処理する時以外にも、水素および空気（酸素）を燃焼させて熱を発生できるようになっている。この燃焼熱を利用して、必要に応じて燃料電池３を加温できる。
【００２０】
「燃料電池の温度管理」
次に、燃料電池３の温度管理について説明する。燃料電池３は、不凍液等の冷媒により運転温度が適温に維持されるように温度管理されている。
【００２１】
燃料電池システムの通常運転時には、発熱した燃料電池３を適正な運転温度に冷却維持する必要がある。そのため、三方弁２２で冷媒ポンプ２１と冷却装置９とを連通することで、冷媒を冷媒ポンプ２１、三方弁２２，冷却装置９、燃料電池３、冷媒ポンプ２１という閉路に循環させるようになっている。これにより、燃料電池３の発熱を冷却装置９からシステム外へ放出して、燃料電池３の温度を適温に冷却維持する。
【００２２】
一方、燃料電池システムの起動時には、燃料電池３を適正な運転温度に上昇させる必要がある。そのため、三方弁２２で冷媒ポンプ２１と熱交換器８とを連通することで、冷媒を冷媒ポンプ２１、三方弁２２、熱交換器８、燃料電池３、冷媒ポンプ２１という閉路に循環させるようになっている。これにより、通常運転時冷媒として用いる媒体を温媒として用いることができ、温媒温度を熱交換器８で上昇させて、燃料電池３の温度を運転開始に適切な温度まで上昇させることができる。
【００２３】
「熱交換器」
次に、上記燃料電池システムに用いられる熱交換器について説明する。図３は燃焼器および熱交換器および排気管をアッセンブリしたアッセンブリ体の平面図、図４は同アッセンブリ体の側面図、図５はこの実施形態の熱交換器を概略的に示す垂直断面図である。
【００２４】
図３、図４に示すように熱交換器８は、筒状の遮熱体６１の内部において筒状のケーシング６２内に納められている。ケーシング６２の一方の開口端には燃焼器７の排出口と接続される燃焼ガス導入口６３が設けられ、ケーシング６２の他方の開口端には排気管１９入口と接続される燃焼ガス導出口６４が設けられている。
【００２５】
熱交換器８は、図５に示すように、扁平チューブ４２と波状のアウターフィン４３とが交互に積層されたもので、扁平チューブ４２の積層方向最外側には補強用のサイドプレート４８が付設されている。
【００２６】
扁平チューブ４２は垂直方向に向けて配置されている。各扁平チューブ４２の上端部および下端部には、扁平チューブ４２の積層方向Ｚに向けて突設された円筒状のタンク形成部４２ｂが設けられ、隣接する扁平チューブ４２の円筒状のタンク形成部４２ｂ同士は連通している。これにより、熱交換器８の上端部には上側タンク４４が形成され、一方、熱交換器８の下端部には下側タンク４５が形成される。
【００２７】
このように構成されることで、扁平チューブ４２間には燃焼ガスが流通するガス流路５１が形成され、扁平チューブ４２の上端部と下端部との間のチューブ本体部４２ａ内部には、液が流通する液流路５２が形成される。液流路５２内を流れる液は、扁平チューブ４２の素材を介してガス流路５１を流れるガスと熱的に接触する。なお、扁平チューブ４２内には図示せぬ波状のインナーフィンが介在している。
【００２８】
また、この実施形態では、下側タンク４５の長手方向一端部に、熱交換器液入口としてパイプ４７が接続され、且つ、上側タンク４４の長手方向一端部に、熱交換器液出口としてのパイプ４６が接続されている。これら熱交換器入口としてのパイプ４７および熱交換器液出口としてのパイプ４６のいずれも、扁平チューブ４２の積層方向Ｚの一方（図５中右側）に設けられている。
【００２９】
このように構成された熱交換器８では液が図５中矢印で示すように流れる。つまり、熱交換器液入口としてのパイプ４７を通じて下側タンク４５に供給された液は、各扁平チューブ４２内の液流路５２を下方から上方に流れた後、上側タンク４４で集約されて、熱交換器液出口としてのパイプ４６を通じて排出される。液は、扁平チューブ４２内の液流路５２を流れる際に扁平チューブ４２間のガス流路５１を流通する高温の燃焼ガスにより加熱されて、この加熱された液が熱交換器８外に取り出される。なお、これにより燃焼器７から熱交換器８を介して排気管１９に向かう燃焼ガスは、熱交換器８で冷却されて排気管１９を通じて排気されることとなる（図３、４参照）。
【００３０】
「効果」
このような熱交換器８によれば以下の効果ある。
【００３１】
まず第１に、この実施形態の熱交換器８によれば、ガスが流通するガス流路５１と、流通する液がガス流路５１と熱的に接触するように配置された液流路５２と、を備え、液流路５２を略垂直方向に向けて配置するとともに液流路５２の上端部４４から液を導出することを特徴とするため、液流路５２の内部を流通する液が略垂直方向の下方から上方に向けて流通する。
【００３２】
そのため、液流路５２に混入した気泡は、液の流れに沿って下方から上方に浮上していき、そのまま液流路５２の上端部４４から導出される。これにより、液流路５２内での気泡の滞留を防止でき、液流路５２での気泡の滞留により生じる熱交換性能低下および熱応力発生を防止できる。
【００３３】
特に、この実施形態では、ガス流路５１を流通するガスが高温で、液流路５２を流通する液が沸騰して内部で気泡が発生しやすいため、気泡が液流路に滞留しない構造が、より有効に作用する。
【００３４】
第２に、この実施形態の熱交換器８によれば、上下方向に向けて配置された扁平チューブ４２を所定間隔を空けて複数多段に積層し、積層方向に隣接する扁平チューブ４２の上端部同士を連通する上側タンク４４を設け、且つ積層方向に隣接する扁平チューブ４２の下端部同士を連通する下側タンク４５を設けた構造としたため、これら扁平チューブ４２、上側タンク４４、下側タンク４５により、簡素に熱交換器８を構成できる。
【００３５】
なお、この実施形態の熱交換器８では、扁平チューブ４２自身が、隣接する扁平チューブ４２と連通してタンク４４、４５を形成するタンク形成部４２ｂを有するため、さらに簡素に熱交換器８を構成できるようになっている。
【００３６】
第３に、扁平チューブの積層方向Ｚの一方の最外側（図５中右側）に、熱交換器液入口４７および熱交換器液出口４６を設けたため、熱交換器８の一方側（図５中右側）から入口側の配管５５（例えばゴムホース）および出口側の配管５４（例えばゴムホース）をともに取り付ることができるため、熱交換器液入口４７および熱交換器液出口４６に接続する配管５４、５５の取付作業が簡易化する。
【００３７】
また、接続スペースＳ（図５中２点鎖線）を、熱交換器８の両側（図５中左右）設ける必要がないため、熱交換器８が占有スペースを縮小できる。そのため、搭載スペースが限られる車両搭載用の熱交換器８として好適である。
【００３８】
以上要するに本発明の燃料電池車両用の熱交換器は、ガスが流通するガス流路と、流通する液が前記ガス流路と熱的に接触するように配置された液流路と、を備え、液流路を略垂直方向に向けて配置するとともに液流路の上端部から液を導出することを特徴とするため、液流路の内部を流通する液が略垂直方向の下方から上方に向けて流通する。そのため、液流路に混入した気泡は、液の流れに沿って下方から上方に浮上していき、そのまま液流路の上端部から導出される。これにより、液流路内での気泡の滞留を防止できる。結果、液流路での気泡の滞留により生じる熱交換性能低下および熱応力発生を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】図１は燃料電池システムの概念図。
【図２】同燃料電池システムの燃焼器および熱交換器の近傍の平面図である。
【図３】燃焼器および熱交換器および排気管をアッセンブリしたアッセンブリ体の平面図。
【図４】燃焼器および熱交換器および排気管をアッセンブリしたアッセンブリ体の側面図。
【図５】この実施形態の熱交換器を概略的に示す垂直断面図。
【符号の説明】
【００４０】
８…熱交換器
４２…扁平チューブ
４２ｂ…タンク形成部
４４…上側タンク
４５…下側タンク
４６…パイプ（熱交換器液出口）
４７…パイプ（熱交換器液入口）
５１…ガス流路
５２…液流路
Ｚ…扁平チューブの積層方向
【図１】
2005158510.tif 000003
【図２】
2005158510.tif 000004
【図３】
2005158510.tif 000005
【図４】
2005158510.tif 000006
【図５】
2005158510.tif 000007