JP2000203801A

JP2000203801A - 熱交換可能な触媒装置

Info

Publication number: JP2000203801A
Application number: JP11282647A
Authority: JP
Inventors: Akihisa Nishimura; 晃尚西村; Masayoshi Taki; 正佳滝; Norio Yamagishi; 典生山岸; Atsushi Ogino; 温荻野; Kenji Kimura; 憲治木村; Naomichi Akimoto; 直道秋元; Keiichi Yoshii; 桂一吉井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-11-02
Filing date: 1999-10-04
Publication date: 2000-07-25

Abstract

(57)【要約】【課題】コンパクトな、生産性の高い、熱交換可能な
触媒装置の提供。【解決手段】熱交換部１１のフィン１４部分に触媒を
担持した熱交換可能な触媒装置。仕切板１５を有する装
置。各要素をロウ付けしてなる装置。当接部に変形許容
部２２が設けられた装置。触媒が酸化触媒である装置。
冷媒が水＋メタノールである装置。タンク部分と仕切板
とが別部材である。タンク部分と仕切板とが一体の押出
材である。浄化部５の前段に酸素供給部３０を有する。
酸素供給パイプ３１を有する。分割浄化部の触媒が互い
に異なる。浄化部５が複数に分割された装置。分割浄化
部の改質燃料流路がフレキシブルパイプ４０で接続され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、コンパクトな、生
産性の高いシール構造をもつ熱交換可能な触媒装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】特開平５−４３２０１号は、触媒を封入
した反応部とフィンを有し冷却媒体が流れる予熱部とを
交互に積層した熱交換器からなる熱交換可能な触媒装置
を開示している。反応部および予熱部は、反応部および
予熱部を仕切るプレート間に内部が中空の枠体を配置
し、プレートと枠体間をシールすることにより構成され
ている。積層型熱交換器では、プレートおよび枠体など
の要素間のシールは、従来、アーク溶接によっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の積層型
熱交換器には、つぎの問題がある。反応部と予熱部とが別々のため反応部の積層数だけ
の容積と予熱部の積層数だけの容積との和の容積が必要
であり、コンパクト化が困難である。また、シールがア
ーク溶接の場合、要素がアーク溶接時に溶け落ちしない
だけの厚み（約１ｍｍ以上）を有している必要があり、
薄くするのに限度があり、コンパクト化が困難である。シールをアーク溶接で行う場合、溶接に時間がかか
るので、生産性がよくない。本発明の目的は、コンパク
ト化が可能な熱交換可能な触媒装置を提供することにあ
る。本発明のもう一つの目的は、コンパクト化が可能
で、かつ生産性の高いシール構造をもつ熱交換可能な触
媒装置を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明は、つぎの通りである。（１）熱交換部のフィン部分に触媒を担持した、熱交
換可能な触媒装置。（２）フィン部分とタンク部分とをシールする仕切板
を有する（１）記載の熱交換可能な触媒装置。（３）随所にアルミ板にロウ材がコーティングされた
板を使用して各要素をロウ付けして構成される（２）記
載の熱交換可能な触媒装置。（４）仕切板とそれが当接される熱交換器部材との当
接部に、変形許容部を有する（２）記載の熱交換可能な
触媒装置。（５）触媒は水素リッチガス中の一酸化炭素酸化触媒
である（１）記載の熱交換可能な触媒装置。（６）冷媒は水とメタノールの混合液である（１）記
載の熱交換可能な触媒装置。（７）タンク部分と仕切板とは別部材である（２）ま
たは（３）記載の熱交換可能な触媒装置。（８）タンク部分と仕切板とが一体に押出材で構成さ
れる（２）または（３）記載の熱交換可能な触媒装置。（９）熱交換部のフィン部分に触媒を担持した浄化部
と、浄化部の水素リッチガス流れ方向上流側に配置され
た酸素供給部とを有している（１）記載の熱交換可能な
触媒装置。（１０）酸素供給部は、枠体と、枠体にロウ付けによ
り固定された酸素供給パイプを有する（９）記載の熱交
換可能な触媒装置。（１１）酸素供給部は、酸素供給パイプに接続され
た、一対の、マニホルドを有している（１０）記載の熱
交換可能な触媒装置。（１２）浄化部が水素リッチガス流れ方向に複数に分
割されており、酸素供給部も分割されて各分割浄化部の
上流側にそれぞれの分割酸素供給部が設けられ、各分割
浄化部と各分割酸素供給部との組み合わせが水素リッチ
ガス流れ方向に直列に接続されている（９）記載の熱交
換可能な触媒装置。（１３）浄化部が水素リッチガス流れ方向に複数に分
割されている場合に、少なくとも２つの分割浄化部の触
媒が互いに異なる（１２）記載の熱交換可能な触媒装
置。（１４）浄化部が水素リッチガス流れ方向に複数に分
割されている場合に、分割浄化部間の冷媒通路がフレキ
シブルパイプにより接続されている（１２）記載の熱交
換可能な触媒装置。

【０００５】上記（１）の熱交換可能な触媒装置では、
熱交換部のフィン部分に触媒を担持したので、触媒部と
熱交換部とが部分的にスペースが共通となり、別々に設
ける場合に比べてコンパクト化が可能である。上記
（２）の熱交換可能な触媒装置では、フィン部分とタン
ク部分とをシールする仕切板を設けたので、フィン部分
を流れる流体をタンク部分を流れる流体および外部から
仕切板により仕切ることができる。上記（３）の熱交換
可能な触媒装置では、随所にアルミ板にロウ材がコーテ
ィングされた板を使用して各要素をロウ付けして触媒装
置を構成したので、シール部にアーク溶接を用いること
なくロウ付けによりシールできる。その結果、各要素の
厚さをアーク溶接で溶け落ちないだけの厚さにする必要
がなく、各要素の厚さを任意の厚さに薄くすることがで
き、コンパクト化が可能になる。また、各要素を積層し
た状態で一方向に押したアッセンブリを、炉に入れロウ
が溶融する温度に上げるだけで、多数のシール部が一挙
にシールできるので、生産性を高めることができる。ま
た、アッセンブリを複数、炉に入れることにより、複数
のアッセンブリを同時に処理可能であり、さらに生産性
を高めることができる。上記（４）の熱交換可能な触媒
装置では、仕切板とそれが当接される熱交換器部材との
当接部に、変形許容部を設けたので（変形許容部は仕切
板に設けられても仕切板が当接する熱交換器部材側に設
けられてもよい）、各要素の間に製造上または組付け時
に寸法誤差があっても、その誤差を変形許容部の変形で
吸収することができ、シール部のシールを容易に行うこ
とができる。上記（５）の熱交換可能な触媒装置では、
触媒が水素リッチガス中の一酸化炭素酸化触媒からなる
ので、該触媒装置を、車両搭載の燃料電池に供給される
水素含有改質ガス中の一酸化炭素を浄化する改質器の浄
化部に適用できる。上記（６）の熱交換可能な触媒装置
では、冷媒が水とメタノールの混合液からなるので、該
触媒装置を、車両搭載の燃料電池に供給される水素を製
造するための、水とアルコール混合液からなる改質燃料
の予熱兼ＣＯ浄化部として用いることができる。上記
（７）の熱交換可能な触媒装置では、タンク部分と仕切
板とは別部材であり、仕切板両面のロウ材が溶けてドロ
ンカッププレートとの間にフィレットを形成し、シール
構造が得られる。上記（８）の熱交換可能な触媒装置で
は、タンク部分と仕切板とが一体に押出材で構成される
ので、冷媒流路構成プレス品を押出材からなるカップに
はめ込み一方向から加圧してロウ付けできるので、シー
ル面を一方向からの加圧で矯正でき、隙間ができにくく
シール構造が得やすい。上記（９）の熱交換可能な触媒
装置では、浄化部の上流側に酸素供給部が設けられるの
で、酸素供給部から供給された酸素により、浄化部で効
率よくＣＯを浄化できる。上記（１０）の熱交換可能な
触媒装置では、酸素供給パイプがロウ付けにより固定さ
れているので、製造容易である。上記（１１）の熱交換
可能な触媒装置では、酸素供給パイプには一対のマニホ
ルドが接続されているので、酸素の均一供給が可能であ
る。上記（１２）の熱交換可能な触媒装置では、浄化部
と酸素供給部が複数に分割されているので、各分割酸素
供給部から適量の酸素を供給するとともに各分割浄化部
に適量の改質燃料（冷媒）を供給することができ、必要
最小量の酸素で、かつ制御された触媒活性温度領域で、
最適かまたは最適に近いＣＯ浄化を行うことができる。
上記（１３）の熱交換可能な触媒装置では、各浄化部の
触媒を選定することにより、効果的なＣＯ低減が可能で
ある。上記（１４）の熱交換可能な触媒装置では、複数
の分割浄化部がフレキシブルパイプで接続されるので、
分割浄化部の間に製造誤差があってもそれをフレキシブ
ルパイプで吸収することができる。

【０００６】

【発明の実施の形態】図１〜図９は本発明の熱交換可能
な触媒装置のうち浄化部の第１実施例の構造を示し、図
１０〜図１２は本発明の熱交換可能な触媒装置のうち浄
化部の第２実施例の構造を示し、図１３〜図１６は本発
明の熱交換可能な触媒装置のうち酸素供給部を示し、図
１７〜図２０は本発明の熱交換可能な触媒装置のうち浄
化部と酸素供給部の組み合わせが複数直列配置された場
合を示し、図２１は本発明の熱交換可能な触媒装置が適
用された車両用燃料電池の改質器の改質燃料（原料）と
改質ガスの流れ系統を示している。本発明の全ての実施
例に共通するまたは類似する部分には、本発明の全ての
実施例にわたって同じ符合を付してある。

【０００７】まず、本発明の全ての実施例に共通するま
たは類似する部分を、図１〜図９、図１３〜１６、図１
７〜図２０、および図２１を参照して説明する。図２１
に示すように、車両用燃料電池１は固体高分子型燃料電
池であり、燃料電池１へは水素と酸素が供給される。水
素は、水と炭化水素化合物（たとえば、メタノール）の
混合液からなる改質燃料を、改質器２で改質して製造さ
れ、酸素はエアが利用される。

【０００８】改質器２は、蒸発部３と改質部４と浄化部
５とからなる。また、浄化部５に相当する部位には熱交
換可能な触媒装置１０が配置される。熱交換可能な触媒
装置１０は、浄化部５と、浄化部５の改質ガス流れ方向
上流側に配置した酸素供給部３０を有する。酸素供給部
３０は改質部４より改質ガス流れ方向下流側に位置す
る。改質燃料６は、蒸発部３で２５０〜３００°Ｃにさ
れて気体とされ、改質部４で、ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂＋ＣＯ₂ （１）の反応で水素を生成し、改質ガス７とする。この反応で
は、約０．５％のＣＯ（一酸化炭素）が生成し、それを
そのまま燃料電池に供給すると燃料電池の電極（Ｐｔで
できている）がＣＯで被毒しセル電圧が低下するので、
浄化部５で、Ｐｔ（白金）、Ｒｕ（ルテニウム）などを
触媒として、ＣＯ＋１／２・Ｏ₂→ＣＯ₂＋２７９．５ＫＪ／ｍｏｌ（２）の反応で、ＣＯをＣＯ₂にして浄化し、ＣＯを５ｐｐｍ
以下にする。（２）式の反応は発熱反応であり、そこで
発生した熱を、改質燃料（たとえば、水＋メタノール）
を蒸発部３に供給する前に浄化部５に通して、改質燃料
の予熱（たとえば、常温から約１００°Ｃにする）に用
いる。また、浄化部５の上流側で、酸素供給部３０に
て、改質ガスに、（２）式の反応で必要な酸素としてエ
アを供給する。したがって、改質ガスは、（２）式の反
応で生じたＨ₂、ＣＯ₂、ＣＯ（ただし、浄化部５でＣ
Ｏ₂にされて浄化され、５ｐｐｍ以下となる）、エア中
のＮ₂、（１）式の反応の余剰のＨ₂Ｏを含む。

【０００９】上記のシステムでは、熱交換可能な触媒装
置１０の浄化部５では、改質燃料６と改質ガス７との２
種類の流体がプレート１８で隔てられて流れ、各々の流
路は外部からシールされる。熱交換可能な触媒装置１０
は、改質ガス７中のＣＯを浄化する触媒装置であるとと
もに、ＣＯの浄化で発生した改質ガス７の熱を改質燃料
６の予熱に熱交換する熱交換器でもある。この熱交換で
は改質燃料６が冷媒である。上記では、燃料電池１を固
体高分子型燃料電池としたが、他のタイプの燃料電池で
あってもよい。

【００１０】熱交換可能な触媒装置１０（の浄化部５）
は、たとえば図１〜図９に示すように、熱交換部のフィ
ン１４部分に触媒（たとえば、Ｐｔ、Ｒｕ）を担持した
触媒装置からなる。触媒は、たとえばＣＯをＣＯ₂に酸
化する酸化触媒からなる。熱交換可能な触媒装置１０
（の浄化部５）は、第１の流体６（たとえば、改質燃料
６、たとえば水とメタノールとの混合液）と第２の流体
７（たとえば、改質ガス７、たとえばＨ₂、ＣＯ₂、Ｃ
Ｏ、Ｈ₂Ｏ、Ｎ₂）間の熱交換を行う熱交換部１１と、
第１の流体６の流れ方向に熱交換部の入口側、出口側に
それぞれ設けられた、内部を第１の流体６が流れる入口
側タンク１２、出口側タンク１３と、熱交換部１１内の
第２の流体７の流路に配置された触媒担持フィン１４
と、からなる。触媒担持フィン１４は平板１４ａと波板
１４ｂとを交互に重ねて接合したハニカム状担体の表面
に触媒（たとえば、Ｐｔ、Ｒｕ）を担持したものからな
る。波板１４ｂと平板１４ａとは接触部で接合されてい
るので、対流のみならず熱伝導によっても伝熱される。

【００１１】熱交換可能な触媒装置１０（の浄化部５）
は、フィン１４部分とタンク部分（入口側タンク１２、
出口側タンク１３）とを仕切るとともに仕切部をシール
する仕切板１５を有する。熱交換部１１は、第１の流体
６の流路１６と第２の流体７の流路１７とを隔てる、第
１の流体６の流れ方向Ｐ（入口側タンク１２から出口側
タンク１３に向かう方向）と直交する方向の端部が互い
に気密に重ねられた複数のプレート１８を有している。
複数のプレート１８は第１の流体６の流れ方向に熱交換
部１１から入口側タンク１２、出口側タンク１３側に延
びており、入口側タンク１２および出口側タンク１３の
少なくとも一部を形成している。各プレート１８は、隣
接されるプレート１８と合わされて接合される縁部１８
ａと、熱交換部１１内に位置し縁部１８に対して板厚方
向に少量変位された熱交換部対応部１８ｂと、熱交換部
１１から入口側タンク１２から出口側タンク１３に延設
され縁部１８に対して板厚方向に大きく変位されたタン
ク対応部１８ｃと、からなる。タンク対応部１８ｃには
穴１８ｄが開いていて、隣接するタンク対応部１８ｃ内
空間を連通し、タンク１２、１３が構成される。

【００１２】熱交換部１１は、熱交換部１１の第１の流
体６の流れ方向の端部（入口側端部および出口側端部の
それぞれ）に、かつ隣接するプレート１８間に、熱交換
部１１内の第２の流体７の流路１７を熱交換部外部から
気密に仕切る仕切板１５を有している。仕切板１５は、
第２の流体７の流れ方向と平行な長手方向と隣接するプ
レート１８間方向の幅方向とを有する。仕切板１５は幅
方向の各端でプレート１８に当接され、気密に接合され
ている。触媒担持フィン１４を構成する平板１４ａと波
板１４ｂのうちプレート１８と接触する板はプレート１
８に接合されており、フィン１４からプレート１８に熱
が対流のみならず熱伝導によっても伝熱するようになっ
ている。触媒担持フィン１４と仕切板１５との間には、
第２の流体７が吹き抜けないように、隙間が設けられな
いかまたはあっても極小とされる。

【００１３】熱交換可能な触媒装置１０（の浄化部５）
は、アルミ板（材質は、たとえば、Ａ３００３）にロウ
材（材質は、たとえばアルミ・シリコン系で、たとえば
Ａ４００４）がコーティングされた板とロウ材がコーテ
ィングされていないアルミ板（材質は、たとえば、Ａ３
００３）で各要素を構成して、それを上手に組み合わせ
てロウ付けして構成される。複数のプレート１８および
仕切板１５は、アルミ板Ａの両面にロウ材Ｂがコーティ
ングされたブレージング材Ｃ（図４）からなり、複数の
プレート１８同士の接触部１９、および複数のプレート
１８と仕切板１５の接触部２０がロウ材により気密とさ
れている。したがって、各要素の接合およびシールに
は、アーク溶接は用いられておらず、ロウ材による。プ
レート１８と仕切板１５の接触部２０には、フィレット
２１（図４）が形成され、気密が保持される。触媒担持
フィン１４を構成する平板１４ａはロウ材のないアルミ
板からなり、波板１４ｂはアルミ板の両面にロウ材がコ
ーティングされたブレージング材からなり、平板１４ａ
と波板１４ｂの接合、および平板１４ａと波板１４ｂの
うちプレート１８と接触する板とプレート１８との接合
は、ロウ付けによる接合である。

【００１４】仕切板１５とそれが当接される熱交換器部
材（プレート１８）との当接部には、変形許容部２２が
設けられていてもよい。すなわち、複数のプレート１８
と仕切板１５との接触部には、仕切板１５とプレート１
８のいずれか一方に、押されると変形可能な変形許容部
２２が設けられていてもよい。図５、図６は、変形許容
部２２が仕切板１５に設けられたリップ２２ａ（舌状の
突出部）からなる場合（図５は変形許容部が仕切板１５
の幅方向各端に１つ設けられた場合、図６は変形許容部
が仕切板１５の幅方向各端に２つ設けられた場合）を、
図７は変形許容部２２がプレート１８に設けられた屈曲
部からなる場合を示している。

【００１５】熱交換可能な触媒装置１０には、浄化部５
で効率よくＣＯを浄化できるように、浄化部５の改質ガ
ス流れ方向上流側に酸素供給部３０が設けられている。
酸素供給部３０は、図１３〜図１６に示すように、ロウ
付けにより固定された酸素供給パイプ３１を有する。酸
素供給パイプ３１は改質ガスの流路内に複数本、望まし
くは互いに平行に、配置されている。各酸素供給パイプ
３１には酸素（酸素を含有するガス、たとえばエア、で
ある場合を含む）を流出する小径（０．３〜１．０ｍ
ｍ）の孔３２が複数あけられている。孔３２は改質ガス
流れ方向に対向する方向に向かってあけられている。こ
れは酸素と改質ガスとの混合をよくするためである。ま
た、酸素供給パイプ３１の間隔、孔３２の間隔は、改質
ガスにできる限り均一に酸素を供給できるように定めら
れている。

【００１６】酸素供給パイプ３１には、酸素供給パイプ
３１に酸素を供給するマニホルド３３が、一対、接続さ
れている。一対のマニホルド３３のうち一方のマニホル
ドは酸素供給パイプ３１の一端に接続され、他方のマニ
ホルドは酸素供給パイプ３１の他端に接続されている。
酸素供給パイプ３１には、一対のマニホルド３３の両方
のマニホルド３３から酸素が供給されてもよいし、ある
いは一対のマニホルド３３のうち一方のマニホルド３３
のみから酸素が供給されてもよい。一対のマニホルド３
３のうち一方のマニホルド３３のみから酸素が供給され
場合であっても、酸素を供給しない側にもマニホルド３
３を設けておくことによって、酸素を供給する側のマニ
ホルド３３から酸素供給パイプ３１への酸素の流れ込み
がよくなり、改質ガスに酸素を均一に供給するのに役立
つ。

【００１７】熱交換可能な触媒装置１０の酸素供給部３
０は、対向する互いに平行な一対のプレート３４ａ、３
４ｂとプレート３４ａ、３４ｂに直交する方向に延びて
プレート３４ａ、３４ｂを連結する一対のプレート３４
ｃ、３４ｄとを組み合わせた矩形状の枠３４を有する。
一対のマニホルド３３はプレート３４ａ、３４ｂに取り
付けられ、複数の酸素供給パイプ３１は一対のプレート
３４ａ、３４ｂ間にわたって一対のプレート３４ａ、３
４ｂに直交方向に延びる。プレート３４ａ、３４ｂに
は、マニホルド３３内と酸素供給パイプ３１内とを連通
する複数の孔が設けられている。

【００１８】一対のプレート３４ａ、３４ｂは両面にロ
ウ材の層が形成されたクラッド材からなり、たとえば、
アルミ板（材質は、たとえば、Ａ３００３）にロウ材
（材質は、たとえばアルミ・シリコン系で、たとえばＡ
４００４）がコーティングされた材料からなる。そし
て、互いに別々に形成した、プレート３４ａ、３４ｂ、
プレート３４ｃ、３４ｄ、酸素供給パイプ３１、マニホ
ルド３３を図１３の形状に組み合わせ、その組み合わせ
たものを、加熱炉に入れてロウ材が溶ける温度（約５８
０℃）以上の温度（たとえば、６００℃）に加熱するこ
とにより、酸素供給部３０をロウ付けだけで全ての接合
部を一度に接合して組み立てることができる。溶接を用
いない組立てのため、高生産性で、変形レスの組立てを
行うことができる。また、図１６に示すように、プレー
ト３４ａ、３４ｂと酸素供給パイプ３１との間にフィレ
ットが形成されるためロウ付け部のシール性が信頼性の
高いものとなる。

【００１９】図１７〜図２０に示すように、熱交換可能
な触媒装置１０は、浄化部５が水素リッチガス（改質ガ
ス）流れ方向に複数（図示例では３つ）に分割されてい
てもよい。浄化部５が複数に分割される場合は、酸素供
給部３０も、水素リッチガス（改質ガス）流れ方向に複
数（図示例では３つ）に分割され、各分割酸素供給部は
各分割浄化部の上流側に、それぞれ、設けられる。分割
浄化部５−１、５−２、５−３と分割酸素供給部３０−
１、３０−２、３０−３との組み合わせ（５−１と３０
−１、５−２と３０−２、５−３と３０−３は、水素リ
ッチガス（改質ガス）流れ方向に、直列に、接続され
る。

【００２０】分割浄化部５−１、５−２、５−３と分割
酸素供給部３０−１、３０−２、３０−３との組み合わ
せが水素リッチガス（改質ガス）流れ方向に複数配置さ
れる場合に、少なくとも２つの分割浄化部５−２、５−
３の触媒は互いに異なる。改質ガス流れ方向上流側から
分割浄化部を、順に、第１浄化部５−１、第２浄化部５
−２、第３浄化部５−３と呼ぶと、第１浄化部５−１と
第２浄化部５−２のＣＯ浄化触媒はＰｔ（白金）であ
り、第３浄化部５−３の触媒はＲｕ（ルテニウム）であ
る。そうする理由は、ＲｕがＰｔに比べてＣＯ含有率が
小さい領域で高いＣＯ浄化性能をもっているので、第１
浄化部５−１と第２浄化部５−２で浄化されＣＯ含有率
が小となっている改質ガスを第３浄化部５−３で効率よ
く浄化するためである。

【００２１】分割浄化部５−１、５−２、５−３でのＣ
Ｏ浄化量が異なるので、分割浄化部５−１、５−２、５
−３での発熱量、必要酸素量が、異なる。したがって、
分割酸素供給部３０−１、３０−２、３０−３からの必
要供給酸素量も互いに異なり、分割浄化部５−１、５−
２、５−３への必要改質燃料（冷媒）量も互いに異な
る。改質燃料（冷媒）量は、分割浄化部５−１、５−
２、５−３への改質燃料入口に流量分配をするための絞
りを設けることによって行われ、酸素量は供給エア量を
調整することによって行われる。これによって、丁度必
要な量の酸素が分割浄化部５−１、５−２、５−３に供
給されて、低酸素量でＣＯを浄化でき、かつ改質燃料
（冷媒）量の分配をコントロールすることで分割浄化部
５−１、５−２、５−３の温度を触媒反応が効率的に起
こる温度にコントロールすることができ、ＣＯ浄化率を
高めることができる。

【００２２】また、分割浄化部５−１、５−２、５−３
での温度コントロールにより、第１分割浄化部５−１で
の冷媒沸騰によって第２分割浄化部５−２、第２分割浄
化部５−３にある改質燃料が蒸発部３に押し出され蒸発
部３での温度コントロールが不能になる現象の発生をな
くすことができる。また、浄化部５は、高モル→低モル
に変化した時オーバヒートする可能性があるが、その際
浄化部５にある改質燃料が浄化部５から押し出されよう
とするが、絞りがあるため、改質燃料液の外部への押し
出しを防ぐことができる。

【００２３】図１８〜図２０に示すように、浄化部５が
水素リッチガス流れ方向に複数に分割されている場合
に、分割浄化部５−１、５−２、５−３間の冷媒（改質
燃料）通路はフレキシブルパイプ４０により接続されて
いる。分割浄化部５−１、５−２、５−３と、分割酸素
供給部３０−１、３０−２、３０−３との接合は、両部
の改質ガスの流路を形成する壁（浄化部５は仕切板１
５、酸素供給部３０は枠体３４）の突き合わせ溶接（符
号４１は溶接部を示す）によっており、両部にフランジ
を形成してボルト・ナットによる締結することによる接
合構造はとらない。この溶接接合は、自動化、生産性向
上、小型軽量化、重量軽減等を達成するために、ロボッ
トによって行われる。浄化部５と酸素供給部３０はロウ
付けによる組立てであるため、浄化部５と酸素供給部３
０の製造誤差などにより、各分割浄化部５−１、５−
２、５−３の位置ずれすると、改質燃料のパイプの接続
が困難となるので、位置ずれを吸収するために、分割浄
化部５−１、５−２、５−３間の改質燃料流路には、フ
レキシブルパイプ４０が用いられている。図２０におい
て、３は蒸発部を示し、４は改質部を示し、５は直列に
接続された分割型の浄化部を示す。

【００２４】つぎに、本発明の全ての実施例にわたって
共通または類似する部分の作用を説明する。触媒が水素
リッチガス中の一酸化炭素酸化触媒からなる場合、熱交
換可能な触媒装置１０を、車両搭載の燃料電池１に供給
される水素含有改質ガス中の一酸化炭素を浄化する改質
器２の浄化部５に適用できる。また、第１の流体（冷
媒）が水とメタノールの混合液からなる場合、触媒装置
１０を、車両搭載の燃料電池１に供給される水素を製造
するための、水とアルコール混合液からなる改質燃料の
予熱兼ＣＯ浄化部５として使用することができる。

【００２５】熱交換可能な触媒装置１０では、熱交換部
１１のフィン１４部分に触媒を担持したので、触媒部
（反応部）と熱交換部１１とが部分的にスペースが共通
となり、別々に設けて積層する場合に比べて装置がコン
パクトになる。また、フィン１４部分とタンク部分（入
口側タンク１２、出口側タンク１３）とをシールする仕
切板１５を設けたので、フィン１４部分を流れる第２の
流体７をタンク部分（入口側タンク１２、出口側タンク
１３）を流れる第１の流体６および外部から仕切板１５
により仕切り、シールすることができる。

【００２６】また、随所にアルミ板にロウ材がコーティ
ングされた板を使用して各要素をロウ付けして触媒装置
１０を構成したので、シール部（接触部１９、２０と同
じ）にアーク溶接を用いることなくロウ付けによりシー
ルできる。その結果、各要素（プレート１８、仕切板１
５）の厚さをアーク溶接で溶け落ちないだけの厚さにす
る必要がなく、各要素の厚さを任意の厚さに薄くするこ
とができ、コンパクト化が可能になる。また、各要素を
積層した状態で一方向に押したアッセンブリを、炉に入
れロウ材が溶融する温度に上げれるだけで、多数のシー
ル部が一挙にシールできるので、アーク溶接に比べて生
産性が高い。また、各要素を積層したアッセンブリを複
数、炉に入れることにより、複数のアッセンブリのロウ
付けを同時に処理可能であり、さらに生産性を高めるこ
とができる。

【００２７】また、仕切板１５とそれが当接される熱交
換器部材（たとえば、プレート１８）との当接部に、変
形許容部２２が設けられた場合、各要素の間に製造上ま
たは組付け時に寸法誤差があっても、その誤差を変形許
容部の変形で吸収することができ、シール部（接触部１
９、２０と同じ）のシールを容易に行うことができる。

【００２８】浄化部５の上流側に酸素供給部が設けられ
るので、酸素供給部３０から供給された酸素により、浄
化部５で効率よくＣＯを浄化できる。酸素供給部３０で
は、酸素供給パイプ３１、枠体３４がロウ付けにより組
立てられ固定されているので、一度に製造でき、製造が
容易で生産性が高い。酸素供給パイプ３１には一対のマ
ニホルド３３が接続されているので、酸素が改質ガスに
均一供給される。

【００２９】熱交換可能な触媒装置１０が、浄化部５と
酸素供給部３０が複数に分割されている場合、各分割酸
素供給部３０−１、３０−２、３０−３から適量の酸素
を供給するとともに各分割浄化部５−１、５−２、５−
３に適量の改質燃料（冷媒）を供給することができ、必
要最小量の酸素で、かつ制御された触媒活性温度領域
で、最適かまたは最適に近いＣＯ浄化を行うことができ
る。また、各分割浄化部５−１、５−２、５−３の触媒
を選定することにより、効果的なＣＯ低減が可能であ
る。また、複数の分割浄化部５−１、５−２、５−３が
フレキシブルパイプ４０で接続されるので、分割浄化部
５−１、５−２、５−３の間に製造誤差があってもそれ
をフレキシブルパイプ４０で吸収することができる。

【００３０】つぎに、本発明実施例の各実施例に特有な
部分を説明する。本発明の第１実施例においては、図１
〜図９に示すように、タンク部分（入口側タンク１２、
出口側タンク１３）と仕切板１５とは別部材である。入
口側タンク１２の全部分が複数のプレート１８の入口側
タンク１２側への延設部（タンク対応部）１８ｃにより
構成されており、入口側タンク１２と仕切板１５とは別
部材からなる。同様に、出口側タンク１３の全部分が複
数のプレート１８の出口側タンク１３側への延設部（タ
ンク対応部）１８ｃにより構成されており、出口側タン
ク１３と仕切板１５とは別部材からなる。このようなタ
ンク対応部１８ｃが形成されたプレート１８はドロンカ
ッププレートと呼ばれる。本発明の第１実施例では、第
２の流体７の流路１７は、タンク側を仕切板１５によっ
て閉塞され、仕切板１５とプレート１８間は、仕切板両
面のロウ材が溶けてドロンカッププレートとの間に形成
されたフィレットによりシールされる。この場合、一方
向加圧でプレート１８と仕切板１５との接触部は接触さ
れるので、加圧したまま炉に入れてロウ材が溶ける温度
（ただし、板材が溶けない温度）である約６００°Ｃに
加熱することにより、容易にロウ付けを行うことがで
き、フィレットを形成することができる。

【００３１】本発明の第２実施例においては、図１０〜
図１２に示すように、タンク部分（入口側タンク１２、
出口側タンク１３）の一部と仕切板１５とが一体に押出
材で構成される。入口側タンク１２の一部のみが複数の
プレート１８の入口側タンク１２側への延設部１８ｃに
より構成されており、入口側タンク１２の残りの部分と
仕切板１５とが一体に成形されており、その一体成形部
分が押出材を所定長さに切断した部材２３から構成され
ている。同様に、出口側タンク１３の一部のみが複数の
プレート１８の出口側タンク１３側への延設部１８ｃに
より構成されており、出口側タンク１３の残りの部分と
仕切板１５とが一体に成形されており、その一体成形部
分が押出材を所定長さに切断した部材２３から構成され
ている。本発明の第２実施例では、タンク部分（入口側
タンク１２、出口側タンク１３）の一部と仕切板１５と
が一体に押出材で構成されるので、冷媒流路構成プレス
品（プレート１８）を押出材からなるカップ（押出材を
所定長さに切断した部材２３）にはめ込み一方向から加
圧してロウ付けできるので、シール面を一方向からの加
圧で矯正でき、隙間ができにくく、信頼性の高いシール
構造を容易に得ることができる。また、第２実施例では
押出材からなるカップの長さを自由に設定できるので、
熱交換器の応答性に影響を与える冷媒容積の最適設計が
可能となる。（プレート１８を用いる第１実施例の場
合、プレス品に絞り深さが深くなる程成形が困難となる
し、プレス成形工程に手間がかかる。）

【００３２】

【発明の効果】請求項１の熱交換可能な触媒装置によれ
ば、熱交換部のフィン部分に触媒を担持したので、触媒
部と熱交換部とが部分的にスペースが共通となり、別々
に設ける場合に比べて装置をコンパクトにすることがで
きる。請求項２の熱交換可能な触媒装置によれば、フィ
ン部分とタンク部分とをシールする仕切板を設けたの
で、フィン部分を流れる流体をタンク部分を流れる流体
および外部から仕切ることができる。請求項３の熱交換
可能な触媒装置によれば、随所にアルミ板にロウ材がコ
ーティングされた板を使用して各要素をロウ付けして触
媒装置を構成したので、シール部にアーク溶接を用いる
ことなくロウ付けによりシールできる。その結果、各要
素の厚さを任意の厚さに薄くすることができ、コンパク
ト化が可能になる。また、各要素を積層した状態で一方
向に押したアッセンブリを、炉に入れロウが溶融する温
度に上げれるだけで、多数のシール部が一挙にシールで
きるので、生産性を高めることができる。請求項４の熱
交換可能な触媒装置によれば、仕切板とそれが当接され
る熱交換器部材との当接部に、変形許容部を設けたの
で、各要素の間に製造上または組付け時に寸法誤差があ
っても、その誤差を変形許容部の変形で吸収することが
でき、シール部のシールを容易に行うことができる。請
求項５の熱交換可能な触媒装置によれば、触媒が水素リ
ッチガス中の一酸化炭素酸化触媒からなるので、該触媒
装置を、車両搭載の燃料電池に供給される水素含有改質
ガス中の一酸化炭素を浄化する改質器の浄化部に適用で
きる。請求項６の熱交換可能な触媒装置によれば、冷媒
が水とメタノールの混合液からなるので、該触媒装置
を、車両搭載の燃料電池に供給される水素を製造するた
めの、水とアルコール混合液からなる改質燃料の予熱兼
ＣＯ浄化部として用いることができる。請求項７の熱交
換可能な触媒装置によれば、タンク部分と仕切板とは別
部材であるので、仕切板両面のロウ材が溶けてドロンカ
ッププレートとの間にフィレットが形成され、シール構
造を得ることができる。請求項８の熱交換可能な触媒装
置によれば、タンク部分と仕切板とが一体に押出材で構
成されるので、冷媒流路構成プレス品を押出材からなる
カップにはめ込み一方向から加圧してロウ付けでき
る、、シール面を一方向からの加圧で矯正でき、信頼性
の高いシール構造を容易に得ることがでる。請求項９の
熱交換可能な触媒装置によれば、浄化部の上流側に酸素
供給部が設けられるので、酸素供給部から供給された酸
素により、浄化部で効率よくＣＯを浄化できる。請求項
１０の熱交換可能な触媒装置によれば、酸素供給パイプ
がロウ付けにより固定されているので、製造容易であ
る。請求項１１の熱交換可能な触媒装置によれば、酸素
供給パイプには一対のマニホルドが接続されているの
で、酸素の均一供給が可能である。請求項１２の熱交換
可能な触媒装置によれば、浄化部と酸素供給部が複数に
分割されているので、各分割酸素供給部から適量の酸素
を供給するとともに各分割浄化部に適量の改質燃料（冷
媒）を供給することができ、必要最小量の酸素で、かつ
制御された触媒活性温度領域で、最適かまたは最適に近
いＣＯ浄化を行うことができる。請求項１３の熱交換可
能な触媒装置によれば、各浄化部の触媒を選定すること
により、効果的なＣＯ低減が可能である。請求項１４の
熱交換可能な触媒装置によれば、複数の分割浄化部がフ
レキシブルパイプで接続されるので、分割浄化部の間に
製造誤差があってもそれをフレキシブルパイプで吸収す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の熱交換可能な触媒装置の
浄化部の断面図である。

【図２】図１の浄化部の平面図である。

【図３】図１の浄化部の斜視図である。

【図４】図１の浄化部の一部断面図である。

【図５】図１の浄化部において変形吸収部を設けた場合
の一部断面図である。

【図６】図１の浄化部において（図５とは異なる）変形
吸収部を設けた場合の一部断面図である。

【図７】図１の浄化部において（図５、図６とは異な
る）変形吸収部を設けた場合の一部断面図である。

【図８】図１の浄化部の、プレートの斜視図である。

【図９】図１の浄化部の、仕切板の斜視図である。

【図１０】本発明の第２実施例の熱交換可能な触媒装置
の浄化部のタンク部分とその近傍の一部斜視図である。

【図１１】図１０の部分の断面図である。

【図１２】図１０の部分のロウ付け時加圧方向を示す断
面図である。

【図１３】本発明の実施例の熱交換可能な触媒装置の酸
素供給部の斜視図である。

【図１４】図１４の酸素供給部の正面図である。

【図１５】図１４の酸素供給部の側面図である。

【図１６】図１４の酸素供給部の酸素供給パイプと枠体
との溶接部の一部側面図である。

【図１７】本発明実施例の浄化部が分割されて直列に配
置された熱交換可能な触媒装置の斜視図である。

【図１８】本発明実施例の浄化部が分割されて直列に配
置された熱交換可能な触媒装置の側面図である。

【図１９】本発明実施例の熱交換可能な触媒装置を含む
改質器の側面図である。

【図２０】図１９の改質器の平面図である。

【図２１】本発明実施例の熱交換可能な触媒装置を含む
改質器を備えた燃料電池への改質ガス供給系の系統図で
ある。

【符号の説明】

１燃料電池２改質器３蒸発部４改質部５浄化部５−１、５−２、５−３分割浄化部６改質燃料７改質ガス１０熱交換可能な触媒装置１１熱交換部１２入口側タンク１３出口側タンク１３１４触媒担持フィン１５仕切板１６第１の流体６の流路１７第２の流体７の流路１８プレート１８ａ縁部１８ｂ熱交換部対応部１８ｃタンク対応部１８ｄ穴１９プレート１８同士の接触部２０プレート１８と仕切板１５の接触部２１フィレット２２変形許容部２３押出材の切断部材３０酸素供給部３０−１、３０−２、３０−３分割酸素供給部３１酸素供給パイプ３２孔３３マニホルド３４枠体３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄプレート４０フレキシブルパイプ４１溶接部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山岸典生愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者荻野温愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者木村憲治愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者秋元直道愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者吉井桂一愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】熱交換部のフィン部分に触媒を担持し
た、熱交換可能な触媒装置。
【請求項２】フィン部分とタンク部分とをシールする
仕切板を有する請求項１記載の熱交換可能な触媒装置。
【請求項３】随所にアルミ板にロウ材がコーティング
された板を使用して各要素をロウ付けして構成される請
求項２記載の熱交換可能な触媒装置。
【請求項４】仕切板とそれが当接される熱交換器部材
との当接部に、変形許容部を有する請求項２記載の熱交
換可能な触媒装置。
【請求項５】触媒は水素リッチガス中の一酸化炭素酸
化触媒である請求項１記載の熱交換可能な触媒装置。
【請求項６】冷媒は水とメタノールの混合液である請
求項１記載の熱交換可能な触媒装置。
【請求項７】タンク部分と仕切板とは別部材である請
求項２または請求項３記載の熱交換可能な触媒装置。
【請求項８】タンク部分と仕切板とが一体に押出材で
構成される請求項２または請求項３記載の熱交換可能な
触媒装置。
【請求項９】熱交換部のフィン部分に触媒を担持した
浄化部と、浄化部の水素リッチガス流れ方向上流側に配
置された酸素供給部とを有している請求項１記載の熱交
換可能な触媒装置。
【請求項１０】酸素供給部は、枠体と、枠体にロウ付
けにより固定された酸素供給パイプを有する請求項９記
載の熱交換可能な触媒装置。
【請求項１１】酸素供給部は、酸素供給パイプに接続
された、一対の、マニホルドを有している請求項１０記
載の熱交換可能な触媒装置。
【請求項１２】浄化部が水素リッチガス流れ方向に複
数に分割されており、酸素供給部も分割されて各分割浄
化部の上流側にそれぞれの分割酸素供給部が設けられ、
各分割浄化部と各分割酸素供給部との組み合わせが水素
リッチガス流れ方向に直列に接続されている請求項９記
載の熱交換可能な触媒装置。
【請求項１３】浄化部が水素リッチガス流れ方向に複
数に分割されている場合に、少なくとも２つの分割浄化
部の触媒が互いに異なる請求項１２記載の熱交換可能な
触媒装置。
【請求項１４】浄化部が水素リッチガス流れ方向に複
数に分割されている場合に、分割浄化部間の冷媒通路が
フレキシブルパイプにより接続されている請求項１２記
載の熱交換可能な触媒装置。