(57)【要約】【課題】  高価な電気絶縁性液体の使用を不要として、且つ自身の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】  チューブ１３１、フィン１３２、樹脂製のタンク１１０、１２０から成り、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を樹脂材から形成し、フィン１３２を金属材から形成する。そして、チューブ１３１は、断面扁平状に形成して、扁平状断面の長径方向の端部１３１ａの肉厚ｔ１は、長径方向に沿う平面部１３１ｂの肉厚ｔ２よりも厚くなるようにする。また、チューブ１３１内には、平面部１３１ｂ間を繋ぐ仕切り壁１３１ｃを設ける。【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、
複数の前記チューブ（１３１）の各間に配設されて、前記チューブ（１３１）に接合されるフィン（１３２）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、樹脂材より形成され、
前記フィン（１３２）は、金属材より形成されたことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記チューブ（１３１）は、扁平状断面を有しており、
前記扁平状断面の長径方向の端部（１３１ａ）の肉厚（ｔ１）は、前記長径方向に沿う平面部（１３１ｂ）の肉厚（ｔ２）よりも厚く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）内には、前記平面部（１３１ｂ）間を繋ぐ仕切り壁（１３１ｃ）が形成されたことを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記仕切り壁（１３１ｃ）は、複数設けられたことを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記フィン（１３２）は、接着あるいは溶着によって前記チューブ（１３１）に接合されたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の熱交換器。
【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】
従来の燃料電池の冷却に関わる技術として、例えば特許文献１に示されるものが知られている。即ち、燃料電池システムとして、冷却材が燃料電池を循環する循環路にラジエータ（熱交換器）を設け、冷却材として電気絶縁性液体を用いたものとしている。この電気絶縁性液体としては、例えばフッ素系不活性液体である住友スリーエム社製のフロリナートや絶縁油等が用いられている。そして、冷却材が流通する循環路と燃料電池との間は絶縁材が介在されている。あるいは循環路自身が絶縁材料で形成されている。
【０００３】
これにより、燃料電池と循環路との間が絶縁され、また、電気絶縁性液体が使用されているので、ラジエータは燃料電池から電気的に絶縁される。
【特許文献１】特開２００２−３３１０８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、フロリナート等の電気絶縁性液体は、通常の水とエチレングリコールを含む冷却水に比べて熱伝導率が低いので、ラジエータでの冷却性能が充分に引き出せないことになる。また、フロリナート等の電気絶縁性液体は、通常の冷却水に比べて高価であり、燃料電池システムのコストアップを招く。
【０００５】
そこで、冷却材としては上記のような通常の冷却水を用いて、ラジエータ自身に絶縁性を持たせるようにした場合、ラジエータを構成する各部材を絶縁材で形成すことが考えられるが、絶縁材は、通常ラジエータに用いられる高熱伝導材（アルミニウム材や銅材等）と比べて熱伝導率が劣るので、ラジエータ自身の冷却性能が確保できなくなる。
【０００６】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、高価な電気絶縁性液体の使用を不要として、且つ自身の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、複数のチューブ（１３１）の各間に配設されて、チューブ（１３１）に接合されるフィン（１３２）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、樹脂材より形成され、フィン（１３２）は、金属材より形成された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、樹脂材から成るチューブ（１３１）およびタンク（１１０、１２０）によって外部に対して絶縁されることになるので、冷却液を高価な電気絶縁性液体とする必要が無い。
【００１０】
そして、熱交換器（１００）における放熱の大半をまかなうフィン（１３２）については、樹脂材に対して熱伝導性に優れる金属材から成るようにしているので、熱交換器（１００）としての冷却性能を大きく落とす事が無い。
【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】
請求項２に記載の発明では、チューブ（１３１）は、扁平状断面を有しており、扁平状断面の長径方向の端部（１３１ａ）の肉厚（ｔ１）は、長径方向に沿う平面部（１３１ｂ）の肉厚（ｔ２）よりも厚く形成されたことを特徴としている。
【００１３】
これにより、長径方向の端部（１３１ａ）において、冷却液流通時の内部圧力、および外部からの衝撃（熱交換器として車両に搭載された時の飛び石等による衝撃）に対する強度を充分に確保できると共に、平面部（１３１ｂ）においては、肉厚（ｔ２）を極力薄くすることでフィン（１３２）側に対する熱抵抗を下げることができ、総じて、強度面、性能面共に優れる熱交換器（１００）とすることができる。
【００１４】
請求項３に記載の発明では、チューブ（１３１）内には、平面部（１３１ｂ）間を繋ぐ仕切り壁（１３１ｃ）が形成されたことを特徴としている。
【００１５】
これにより、仕切り壁（１３１ｃ）が支えと成ってチューブ（１３１）の短径方向における平面部（１３１ｂ）の変形を抑制することができるので、冷却液流通時の内部圧力に対する強度（耐圧性）を向上することができる。
【００１６】
また、仕切り壁（１３１ｃ）によって区画される各流路の相当円直径を小さくすることができるので、冷却液側の熱伝達率を高めて放熱性能を向上することができる。
【００１７】
そして、請求項４に記載の発明のように、仕切り壁（１３１ｃ）を複数設けるようにしてやれば、仕切り壁（１３１ｃ）によって区画される各流路の相当円直径を更に小さくすることができるので、冷却液側の熱伝達率を更に高めて放熱性能の向上度合いを大きくすることができる。
【００１８】
請求項５に記載の発明では、フィン（１３２）は、接着あるいは溶着によってチューブ（１３１）に接合されたことを特徴としている。
【００１９】
これにより、異種材となるチューブ（１３１）とフィン（１３２）とを容易に接合することができる。
【００２０】
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】
【００２１】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を図１〜図４に示す。本発明の熱交換器は、燃料電池１０内を通る冷却水（本発明の冷却液に対応）を冷却するラジエータ１００であり、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。
【００２２】
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。
【００２３】
図１に示すように、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ラジエータ流路２０が接続されている。ラジエータ流路２０は、具体的にはゴム材（ゴムホース）から成る流路としている。ラジエータ流路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、ラジエータ流路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。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。
【００２４】
また、ラジエータ流路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、上記ラジエータ流路２０と同様にゴム材（ゴムホース）から成る。バイパス流路２２下流側のラジエータ流路２０との接続部には流路切替えバルブ２３が設けられており、図示しない制御装置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ようにしている。
【００２５】
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としており、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から成る。
【００２６】
アッパタンク１１０、ロウアタンク１２０は、樹脂材から成り、主に本体部１１１、１２１とプレート部１１２、１２２とから構成されている。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、且つ、燃料電池１０に用いることから、電気絶縁性に優れるポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）を選定している。
【００２７】
本体部１１１、１１２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。
【００２８】
プレート部１１２、１２２は、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、チューブ孔１１２ａが並ぶ両端側にはサイドプレート孔１１２ｂが設けられている。更に、プレート部１１２、１２２の外周には、本体部１１１、１２１の開口側外周部が挿入されるタンク挿入部１１２ｃが設けられている。
【００２９】
そして、各本体部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１１２ｃとの間にシールパッキン（シール部材）１１４が介在されて、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。
【００３０】
コア部１３０は、複数積層される（図２中の左右方向並べられる）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、サイドプレート１３３の長手方向両端部がプレート部１１２、１２２のチューブ孔１１２ａおよびサイドプレート孔１１２ｂにそれぞれ嵌合され、接合されている。
【００３１】
本発明においては、チューブ１３１は樹脂材より形成され、また、フィン１３２は金属材より形成されるようにしたところに特徴部を持たせている。
【００３２】
チューブ１３１を形成する樹脂材は、上記両タンク１１０、１２０と同一のポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）としている。尚、ポリフェニレンスルフィドは、他の樹脂材に比べて熱伝導性にも優れており、放熱部（コア部１３０）を形成するチューブ１３１の材料として適したものとなっている。一方、フィン１３２は、熱伝導性に優れるアルミニウム材としている。
【００３３】
更に、本発明においては、チューブ１３１の形状にも特徴部を持たせている。即ち、図４に示すように、扁平状断面の長径方向の端部１３１ａの肉厚ｔ１が、長径方向に沿う平面部１３１ｂの肉厚ｔ２よりも厚く成るようにしている。具体的には、ここでは強度面を考慮してｔ１を０．３ｍｍレベルとし、フィン１３２に対する放熱性の面からｔ２を０．１ｍｍレベルとしている。
【００３４】
また、冷却水が流通するチューブ１３１内には、平面部１３１ｂ間を繋ぐ仕切り壁１３１ｃを複数（ここでは３つ）設けるようにしている。尚、仕切り壁１３１ｃの厚さは、平面部１３１ｂの厚さｔ２に略等しい設定としている。
【００３５】
そして、チューブ１３１の表面には、エポキシ系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、この接着剤によってフィン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。
【００３６】
このように形成されるラジエータ１００の各パイプ部１１１ａ、１２１ａはラジエータ流路２０に接続され、冷却水はパイプ部１１１ａからアッパタンク１１０に流入し、コア部１３０のチューブ１３１内を流れ、ロウアタンク１２０で集合されて、パイプ部１２１ａから流出するようにしている。
【００３７】
次に、上記構成に基づく作動および作用効果について説明する。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、流量切替えバルブ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。
【００３８】
ところで、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、本発明においては、この高電圧のかかる冷却水は、ラジエータ１００内を流通する際に、樹脂材から成るチューブ１３１および両タンク１１０、１２０によって外部に対して絶縁されることになるので、冷却液を高価な電気絶縁性液体とする必要が無い。
【００３９】
そして、ラジエータ１００における放熱の大半をまかなうフィン１３２については、樹脂材に対して熱伝導性に優れる金属材（アルミニウム材）から成るようにしているので、ラジエータ１００としての冷却性能を大きく落とす事が無い。
【００４０】
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、冷却水の汚染を防止できる。
【００４１】
また、チューブ１３１の端部１３１ａの肉厚ｔ１を平面部１３１ｂの肉厚ｔ２よりも厚く成るように形成しているので、端部１３１ａにおいて、冷却水流通時の内部圧力、および外部からの衝撃（ラジエータ１００として車両に搭載された時の飛び石等による衝撃）に対する強度を充分に確保できると共に、平面部１３１ｂにおいては、肉厚ｔ２を極力薄くすることでフィン１３２側に対する熱抵抗を下げることができ、総じて、強度面、性能面共に優れるラジエータ１００とすることができる。
【００４２】
また、チューブ１３１内には、仕切り壁１３１ｃを形成するようにしているので、この仕切り壁１３１ｃが支えと成ってチューブ１３１の短径方向における平面部１３１ｂの変形を抑制することができ、冷却水流通時の内部圧力に対する強度（耐圧性）を向上することができる。
【００４３】
また、仕切り壁１３１ｃ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を小さくすることができるので、冷却水側の熱伝達率を高めて放熱性能を向上することができる。
【００４４】
（その他の実施形態）
チューブ１３１の形状については、上記第１実施形態で説明したものに対して、図５に示すようなものとしても良い。即ち、図５（ａ）に示すチューブ１３１は、仕切り壁１３１ｃによって形成される流路断面を丸孔状にし、これを高密度で配置したものである。これによれば、各流路の相当円直径を更に小さくして、冷却水側の熱伝達率を高めて、放熱性能を更に向上することができる。
【００４５】
また、図５（ｂ）に示すチューブ１３１は、仕切り壁１３１ｃを廃止したものであり、必要とされる強度や放熱性能に応じて、このようなもので対応するようにしても良い。
【００４６】
更に、チューブ１３１とフィン１３２との接合については、上記の接着剤に代えて、溶着によって行うようにしても良い。溶着は、チューブ１３１とフィン１３２とを組付けた後に、例えば炉内に投入して所定温度に昇温させて、チューブ１３１を溶融させることで対応できる。また、振動子を用いた振動溶着を用いるようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【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】チューブとタンク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の詳細形状を示す断面図である。
【図５】その他の実施形態におけるチューブの詳細形状を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４８】
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  長径方向の端部
１３１ｂ  平面部
１３１ｃ  仕切り壁
１３２  フィン
【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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