JP2002231284A

JP2002231284A - 燃料電池用熱交換器

Info

Publication number: JP2002231284A
Application number: JP2001018734A
Authority: JP
Inventors: Eishin Kameda; 英信亀田; Hitoshi Takenaka; 等竹中; Hiroyuki Yoshida; 宏行吉田; Yuichi Kaitani; 雄一回谷
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2001-01-26
Filing date: 2001-01-26
Publication date: 2002-08-16

Abstract

(57)【要約】【課題】メタノールと水との液状の混合流体を、蒸発
させ、更に所定温度に過熱する事ができる構造を、小型
且つ安価に実現する。【解決手段】上記混合流体を互いに反対方向に向け流
す為の上流側、下流側被加熱流路３４、３５と、中間被
加熱流路３６とを有する複数の伝熱管素子１５を、隣り
合う素子１５同士の間に１対の第一、第二金属板１６、
１７を挟持した状態で重ね合わせて、コア部１９を構成
する。上記上流側、下流側各被加熱流路３４、３５の端
部同士は、上記中間被加熱流路３６により連結する。使
用時には、上記各被加熱流路３４〜３６に上記混合流体
を流すと共に、上記各伝熱管素子１５の外部に設けた複
数の加熱流路５１内に加熱ガスを、上記上流側、下流側
各被加熱流路３４、３５を流れる混合流体の流通方向と
直交する方向に通過させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明の燃料電池用熱交換器
は、燃料電池を構成する燃料改質装置に組み込んで、水
素ガス（Ｈ₂ ）を得るべく、例えばメタノール（ＣＨ₃
ＯＨ）と水（Ｈ₂Ｏ）との混合液を蒸発させ、更に所定
温度に過熱する為に利用する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池の発電原理に就いて、図１２に
より簡単に説明する。この図１２は、燃料電池の単位と
なるセル１を１個のみ示している。このセル１の中間部
は、燐酸等の電解質２を水素極３と空気極（酸素極）４
とでサンドイッチ状に挟んで成る薄膜５により仕切って
いる。この薄膜５は、水素イオン（Ｈ⁺ ）のみを透過さ
せる性質を有する。又、上記水素極３側の第一反応室６
には水素ガス（Ｈ₂ ）を、水素供給口７から送り込み、
水素還流口８から未反応の水素ガスを含むガスを排出自
在としている。又、上記空気極４側の第二反応室９には
酸素（Ｏ₂ ）を含む空気を、酸素供給口１０から送り込
み、排気口１１から排出自在としている。

【０００３】発電を行なう際には、上記水素供給口７か
ら上記第一反応室６内に水素ガスを、上記酸素供給口１
０から第二反応室９内に酸素を含む空気を、それぞれ供
給する。この結果、上記第一反応室６に面した上記水素
極３部分で、Ｈ₂ →２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- の反応が起こり、その結果生じた水素イオンが、上記薄
膜５を透過して上記第二反応室９内に進入する。そし
て、この第二反応室９に面した上記空気極４部分で、２Ｈ⁺ ＋Ｏ₂ ／２＋２ｅ^- →Ｈ₂ Ｏの反応が起こる。この結果、上記水素極３と上記空気極
４との間に電位差が生じる。１個のセル１毎に生じる電
位差は、１Ｖ程度しかない為、図１２に示した様なセル
１を直列に必要数重ね合わせて燃料電池スタック（図示
せず）を構成し、必要とする電圧を確保する。又、この
燃料電池スタックにより得られる電流は直流である為、
交流を必要とする場合には、インバータにより変換す
る。

【０００４】上述の様な原理で上記セル１に発電させる
為には、上記第一反応室６に水素ガスを送り込む必要が
ある。この水素ガスは、水素吸蔵合金等のタンクから直
接取り出したり、水素ガス以外のメタノール（ＣＨ₃ Ｏ
Ｈ）等の燃料を改質して発生させる。例えば、メタノー
ルを燃料として水素ガスを発生させる場合、改質装置
で、ＣＨ₃ ＯＨ＋Ｈ₂ Ｏ→ＣＯ₂ ＋３Ｈ₂ なる反応をさせれば、必要とする水素ガスを得られる。

【０００５】上述の様にして、メタノールを燃料として
水素ガスを発生させる場合、メタノールと水とを、所定
温度に過熱した高温の混合ガスの状態で、改質装置に送
り込む必要がある。この為に従来から、メタノールと水
との混合液を、上記改質装置に送り込む前に蒸発器及び
過熱器に送り込んで、上記混合液を蒸発させ、更に加温
する事が考えられている。例えば、従来は、図１３に示
す様に、蒸発器１２と過熱器１３とを別体に設ける事が
考えられていた。そして、メタノールと水との混合液
を、高温の混合ガスにする場合には、先ず、上記混合液
を上記蒸発器１２に送り込み、この蒸発器１２で、約５
００℃の高温の加熱ガスとの間で被接触で熱交換をさせ
る。この熱交換により、上記混合液は加温されて、蒸発
し、メタノールと水との混合ガスになる。そして、この
混合ガスを、続いて、上記蒸発器１２とは別体の過熱器
１３に送り込む。そして、この過熱器１３で、上記混合
ガスを、約５００℃の高温の加熱ガスとの間で、やはり
非接触で熱交換させる事で、上記混合ガスを更に約１６
０℃の所定の温度に過熱する。この様に過熱された混合
ガスは、図示しない改質器に送り込んで、水素ガスを発
生する反応を起こさせる為に利用する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述の様にメタノール
と水との混合液を蒸発させ、更に所定温度に過熱すべ
く、互いに別体である蒸発器１２と過熱器１３とを、燃
料電池に設けた場合、この燃料電池の回路が複雑になる
だけでなく、この燃料電池の部品点数が増えて、燃料電
池全体のコスト上昇や大型化を招く原因になる。又、蒸
発器１２と加熱器１３とには、それぞれ高温のガスを流
通させる為、互いに別体であるこれら蒸発器１２と過熱
器１３とを一体的に接合しても、接合方法を特に工夫し
ない限り、接合状態を長期間に亙り良好に維持する事が
難しくなる。又、上記蒸発器１２と過熱器１３とのう
ち、少なくとも一部の構成部材同士をろう付け接合した
場合には、これら蒸発器１２と過熱器１３とを、Ｔｉｇ
溶接等の溶接により一体的に接合すると、これら蒸発器
１２と加熱器１３とのろう付け接合部で、溶接の熱によ
り二次溶解が生じる可能性がある。この様に二次溶解が
生じた場合には、製品の歩留りが悪化して、やはりコス
ト上昇を招く原因となる。本発明は、この様な事情に鑑
みて、メタノールと水との混合液等の被加熱流体を、加
熱ガス等の加熱流体により蒸発させ、更に所定温度に過
熱する事ができる構造を、小型且つ安価に実現すべく発
明したものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の燃料電池用熱交
換器は、被加熱流体を互いに反対方向に向け流す為の扁
平な上流側、下流側被加熱流路及びこれら上流側、下流
側両被加熱流路の端部同士を連結する中間被加熱流路を
有する複数の伝熱管素子を、隣り合う伝熱管素子同士の
間に１対の第一、第二金属板を挟持した状態で重ね合わ
せて成るコア部と、隣り合う伝熱管素子同士の間で、上
記第一、第二金属板同士の間部分に設けられた、加熱流
体を流す為の加熱流路とを備える。そして、この加熱流
路内に上記加熱流体を、上記上流側、下流側各被加熱流
路内での上記被加熱流体の流通方向と直交する方向に通
過させる状態で使用する。

【０００８】又、請求項２に記載した燃料電池用熱交換
器に於いては、上記加熱流体の流通方向に関してコア部
の上流側に、上流側、下流側被加熱流路のうち、下流側
の被加熱流体が流れる下流側被加熱流路を設けている。

【０００９】又、請求項３に記載した燃料電池用熱交換
器に於いては、各伝熱管素子は、第三金属板の両側に１
対の仕切板を重ね合わせて成る。又、このうちの第三金
属板は、長さ方向端部で１８０度反対側に折り返したＵ
字形流路を設けている。又、上記各仕切板は、長さ方向
一端部に第一、第二の通孔を、同じく他端部に幅方向に
長い第三の通孔を、それぞれ設けている。そして、上記
第三金属板の両側に上記１対の仕切板を重ね合わせて伝
熱管素子を構成した状態で、上記Ｕ字形流路の一端寄り
部分に相当する部分に上流側被加熱流路を、同じく他端
寄り部分に相当する部分に下流側被加熱流路を、同じく
中間部に相当する部分に中間被加熱流路を、それぞれ設
けている。又、隣り合う伝熱管素子同士の間に設けた各
第一、第二中間金属板のうち、上記各伝熱管素子の長さ
方向に関して片側に設けた各第一金属板の両端部で、上
記各仕切板に設けた第一、第二の通孔とそれぞれ整合す
る位置に、第四、第五の通孔を設けている。又、上記各
第一、第二金属板のうち、上記各伝熱管素子の長さ方向
に関して他側に設けた各第二金属板の中間部で、上記各
仕切板に設けた第三の通孔と整合する位置に、第六の通
孔を設けている。そして、上記各第一〜第三金属板と各
仕切板とを重ね合わせた状態で互いに対向する、上記各
第一金属板に設けた第四の通孔の内側空間と、上記各上
流側被加熱流路の上流側端部と、上記各仕切板に設けた
第一の通孔の内側空間とを、互いに連通させる事によ
り、内側に送り込まれた被加熱流体を上記各上流側被加
熱流路に向け分流させる為の入口タンク部を構成してい
る。又、上記各第一金属板に設けた第五の通孔の内側空
間と、上記各下流側被加熱流路の下流側端部と、上記各
仕切板に設けた第二の通孔の内側空間とを、互いに連通
させる事により、上記各下流側被加熱流路内を流れる被
加熱流体を集合させる為の出口タンク部を構成してい
る。又、上記各第二金属板に設けた第六の通孔の内側空
間と、上記各中間被加熱流路と、上記各仕切板に設けた
第三の通孔の内側空間とを、互いに連通させる事によ
り、上記各上流側被加熱流路から送られた被加熱流体を
上記各下流側被加熱流路に向け送る為の中間タンク部を
構成している。

【００１０】

【作用】上述の様に構成する本発明によれば、メタノー
ルと水との混合液等の被加熱流体を、加熱ガス等の加熱
流体により蒸発させ、更に所定温度に過熱する事ができ
る構造を、小型且つ安価に実現できる。即ち、本発明の
場合には、液状の上記被加熱流体が各上流側被加熱流路
を流れる間に、各加熱流路を流れる加熱流体との間での
熱交換を行なう事で、加温されて、蒸発する。そして、
蒸発した上記被加熱流体が各下流側被加熱流路を流れる
間に、この被過熱流体は、更に上記加熱流体との間での
熱交換を行なう事で、所定温度に過熱される。しかも、
本発明によれば、複数の伝熱管素子の一部により、被過
熱流体を互いに反対方向に流す為の上記上流側、下流側
各被加熱流路の端部同士を連結する、中間被加熱流路を
構成できる。この為、互いに別体である蒸発器と加熱器
とを接合する必要がなくなり、燃料電池全体での部品点
数の削減によるコスト低減及び小型化を図れる。しか
も、構成各部材の少なくとも一部を、ろう付け接合した
場合でも、ろう付け接合部で、溶接の熱により二次溶解
が生じる事を確実に防止できる。

【００１１】更に、請求項２に記載した燃料電池用熱交
換器によれば、比較的高温の加熱流体と比較的高温の被
過熱流体とを、比較的低温の加熱流体と比較的低温の被
加熱流体とを、それぞれ互いに熱交換させる事ができ
る。この為、蒸発した上記被加熱流体をより所定温度に
過熱し易くできると共に、上流側、下流側各被加熱流路
と、各加熱流路とを仕切る為に設ける構成部材の両側で
の温度差を小さくできて、これら構成部材で生じる熱応
力を小さく抑えて、本発明の燃料電池用熱交換器の耐久
性を十分に確保できる。

【００１２】更に、請求項３に記載した燃料電池用熱交
換器によれば、被加熱流体をコア部に送り込む為の配管
と、被加熱流体をコア部から取り出す為の配管との端部
の接続位置の自由度の向上を図れる為、本発明の燃料電
池用熱交換器を配置する空間の有効活用を図れる。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１〜１１は、本発明の実施の形
態の１例を示している。本発明の燃料電池用熱交換器で
ある、過熱部付蒸発器１４は、それぞれの内側に被加熱
流体である、メタノールと水との混合流体を流す為の扁
平な流路を有する複数の伝熱管素子１５、１５を、隣り
合う伝熱管素子１５、１５同士の間に１対の第一、第二
金属板１６、１７とアウターフィン１８とを設けた状態
で、互いに重ね合わせる事により構成したコア部１９を
備える。

【００１４】このうちの各伝熱管素子１５は、全体を枠
状に形成した１枚の第三金属板２１を、１対の仕切板２
２、２２により、両側から挟持して成る。又、上記各第
三金属板２１は、図４に詳示する様に、内周面の一部
で、長さ方向片側（図４の下側）に向いた側面の幅方向
一端寄り部分（図４の左端寄り部分）に、長さ方向（図
４の上下方向）に長い１本の仕切り部２３を突出形成し
ている。そして、上記各第三金属板２１の内側に、長さ
方向他端部（図４の下端部）で１８０度反対側に折り返
したＵ字形流路２４を形成している。このＵ字形流路２
４の一端側（図４の右端側）半部の幅方向長さＷ_24a に
対する、同じく他端側（図４の左端側）半部の幅方向長
さＷ_24b の比Ｗ_24b ／Ｗ_24a は、約０．１〜０．２であ
る（Ｗ_24b／Ｗ_24a ≒０．１〜０．２）。更に、本例の
場合には、上記各第三金属板２１の幅方向（図４の左右
方向）両側面のそれぞれ２箇所位置に突部２５ａ、２５
ａを、これら幅方向両側面の長さ方向両端部近くから突
出形成している。又、本例の場合、上記過熱部付蒸発器
１４の構成各部材をろう付けにより接合する前の状態
で、上記各突部２５ａ、２５ａの先端部（図３に斜格子
で示す部分）に略円形の組み付け用支持部２６ａ、２６
ａを形成している。そして、これら各組み付け用支持部
２６ａ、２６ａに、後述するパイプ状の棒を挿通自在な
通孔２７、２７を形成している。上記各組み付け用支持
部２６ａ、２６ａと上記各突部２５ａ、２５ａとの連続
部は、上記過熱部付蒸発器１４の各構成部材をろう付け
接合した後に切断して、上記各第三金属板２１の本体部
分から上記各組み付け用支持部２６ａ、２６ａを取り除
く。

【００１５】又、上記各第三金属板２０の内側で、上記
仕切り部２３を挟んで両側に存在する空間に、幅方向長
さが互いに異なる２枚のインナーフィン２８ａ、２８ｂ
を設けている。これら各インナーフィン２８ａ、２８ｂ
は、ステンレス鋼板等の金属板を、一部に切れ目を形成
しつつ曲げ加工する事により、図５に詳示する様な形状
としている。この図５に詳示する様な形状は、従来から
周知である為、簡単に説明する。これら各インナーフィ
ン２８ａ、２８ｂは、前記混合流体の流通方向（図５の
上下方向）に関する形状を波形とすると共に、この波形
の位相が１／４ピッチ分ずつずれた部分を、幅方向（図
５の左右方向）に関して交互に配置して、幅方向に隣り
合う部分同士の境界部に多数の開口２９、２９を形成し
たものである。上記混合流体は、これら各開口２９、２
９を通過しつつ蛇行して流れる。

【００１６】又、前記各仕切板２１は、図６に詳示する
様に、全体を四角形状としており、長さ方向一端面（図
６の上端面）で、幅方向一端部（図６の左端部）に、半
円状突部３０を突出形成している。そして、上記各仕切
板２１の長さ方向一端部で幅方向他半部（図６の右半
部）に幅方向に長い第一の通孔３１を、同じく幅方向一
端寄り部分（図６の左半部）で上記半円状突部３０とほ
ぼ整合する位置に略半円状の第二の通孔３２を、それぞ
れ形成している。又、上記各仕切板２１の長さ方向他端
部（図６の下端部）に、幅方向に長い第三の通孔３３を
形成している。更に、上記各仕切板２１の幅方向（図６
の左右方向）両側面のそれぞれ２個所位置に、前記各第
三金属板２１の場合と同様の突部２５ｂ、２５ｂを形成
すると共に、これら各突部２５ｂ、２５ｂの先端部（図
６に斜格子で示す部分）にもやはり上記各第三金属板２
１の場合と同様の、組み付け用支持部２６ｂ、２６ｂ及
び通孔２７、２７を形成している。

【００１７】そして、１対の上記仕切板２１と上記第三
金属板２１とを組み合わせて、前記伝熱管素子１５を構
成した状態で、この伝熱管素子１５の内側（１対の仕切
板２１、２１同士の間）で、前記Ｕ字形流路２４のう
ち、幅方向長さが大きい一端寄り部分に相当する部分に
上流側被加熱流路３４を、同じく幅方向長さが小さい他
端寄り部分に相当する部分に下流側被加熱流路３５を、
同じく中間部に相当する部分に中間被加熱流路３６を、
それぞれ設けている。従って、この中間被加熱流路３６
は、上記上流側、下流側両被加熱流路３４、３５の端部
同士を連結する。

【００１８】又、それぞれが上述の様にして構成する、
隣り合う伝熱管素子１５、１５の間部分の両端部に、前
記１対の第一、第二金属板１６、１７を挟持している。
これら各第一、第二金属板１６、１７は、それぞれ上記
各仕切板２１の長さ方向両端部と同様の形状を有する。
尚、図７には、これら各第一、第二金属板１６、１７の
幅方向（図７の左右方向）両端面同士の間で、同図に斜
格子で示す部分に連結部３７、３７を設け、これら各連
結部３７、３７により上記各第一、第二金属板１６、１
７同士を連結した構造を示している。即ち、前記加熱部
付蒸発器１４の構成各部材をろう付け接合する前の状態
で、上記各第一、第二金属板１６、１７同士は、上記各
連結部３７、３７により連結されて、組み合わせ素子３
８と成る。そして、これら各組み合わせ素子３８に設け
た各連結部３７、３７と、上記各第一、第二金属板１
６、１７の端部との連続部は、上記過熱部付蒸発器１４
の各構成部材をろう付け接合した後に切断して、上記各
第一、第二金属板１６、１７同士を分離する。又、上記
各連結部３７、３７の両端部に、図示しないパイプ状の
棒を挿通自在な通孔２７、２７を形成している。

【００１９】又、上記各組み合わせ素子３８の長さ方向
一端部（図７の上端部）で、上記第一金属板１６に相当
する部分の幅方向一端側半部（図７の右半部）の、前記
各仕切板２１に設けた第一の通孔３１と整合する位置
に、第四の通孔３９を形成している。又、上記各組み合
わせ素子３８の長さ方向一端部で、上記第一金属板１６
に相当する部分の幅方向他端部（図７の左端部）の、上
記各仕切板２１に設けた第二の通孔３２と整合する位置
に、第五の通孔４０を形成している。又、上記各組み合
わせ素子３８の長さ方向他端部（図７の下端部）で、上
記第二金属板１７に相当する部分の、上記各仕切板２１
に設けた第三の通孔３３と整合する位置に、第六の通孔
４１を形成している。そして、上記各組み合わせ素子３
８の内側で、上記各第一、第二金属板１６、１７にそれ
ぞれ相当する部分同士の間に、前記アウターフィン１８
を配置している。このアウターフィン１８は、図８に詳
示する様に、ステンレス鋼鈑等の金属板を波形に形成し
たものである。

【００２０】そして、それぞれが上述の様に構成する、
各伝熱管素子１５、１５と各第一、第二金属板１６、１
７と各インナー、アウターフィン２８ａ、２８ｂ、１８
とを互いに重ね合わせて前記コア部１９を構成すると共
に、このコア部１９の両端に１対のサイドプレート２０
ａ、２０ｂを重ね合わせている。この場合、上記各伝熱
管素子１５の長さ方向に関して片側に上記各第一金属板
１６を、他側に上記各第二金属板１７を、それぞれ配置
する。又、上記各サイドプレート２０ａ、２０ｂは、そ
れぞれ図９、１０に詳示する様に、全体を四角形状に形
成したものである。又、これら各サイドプレート２０
ａ、２０ｂの長さ方向一端面（図９、１０の上端面）
で、幅方向一端部（図９、１０の左端部）に、半円状突
部４２を突出形成している。又、これら１対のサイドプ
レート２０ａ、２０ｂのうち、図９に詳示する、一方の
サイドプレート２０ａの長さ方向一端部で、上記各仕切
板２１に設けた第一、第二の通孔３１、３２（又は各第
一金属板１６に設けた第四、第五の通孔３９、４０）と
それぞれ整合する位置に、流体送り込み口４３と流体取
り出し口４４とを、それぞれ形成している。これに対し
て、上記１対のサイドプレート２０ａ、２０ｂのうち、
図１０に詳示する、他方のサイドプレート２０ｂには、
上述の様な流体送り込み口や流体取り出し口は形成して
いない。又、上記１対のサイドプレート２０ａ、２０ｂ
の幅方向（図９、１０の左右方向）両端面のそれぞれ２
個所位置で、図９、１０に斜格子で示す部分に略円形の
組み付け用支持部２６ｃ、２６ｃを突出形成すると共
に、これら各組み付け用支持部２６ｃ、２６ｃの一部
に、図示しないパイプ状の棒を挿通自在な通孔２７、２
７を形成している。

【００２１】前記各組み合わせ素子３８と、各第三金属
板２１と、各仕切板２２と、上記各サイドプレート２０
ａ、２０ｂとは、ステンレス鋼鈑等から成る芯材の両面
にＮｉを多く含むろう材層をメッキしたもの、或は、ス
テンレス鋼鈑等の両面にＮｉを多く含むペースト状のろ
う材を塗布したものである。或は、上記各部材３８、２
１、２２、２０ａ、２０ｂを単にステンレス鋼板等の金
属板製とすると共に、これら各部材３８、２１、２２、
２０ａ、２０ｂを組み合わせる場合にこれら各部材３
８、２１、２２、２０ａ、２０ｂの間にろう箔を挟み込
ませる事もできる。本発明の燃料電池用熱交換器であ
る、加熱部付蒸発器１４を造る場合には、上記各組み合
わせ素子３８と、各第三金属板２１と、各仕切板２２
と、１対のサイドプレート２０ａ、２０ｂと、前記各イ
ンナー、アウターフィン２８ａ、２８ｂ、１８とを、両
端に１対のサイドプレート２０ａ、２０ｂを配置した状
態で組み合わせる。

【００２２】又、上記各部材３８、２１、２２、２０
ａ、２０ｂ、２８ａ、２８ｂ、１８、を組み合わせた状
態で、互いに重ね合わされた、各組み合わせ素子３８の
幅方向両端部と、各第三金属板２１及び各仕切板２２に
設けた各突部２５ａ、２５ｂと、１対のサイドプレート
２０ａ、２０ｂの片面の幅方向両端部とを互いに重ね合
わせる。又、この状態で、上記各組み合わせ素子３８の
連結部３７、３７に設けた通孔２７、２７と、上記各第
三金属板及び各仕切板２１及び各サイドプレート２０
ａ、２０ｂの各組み付け用支持部２６ａ〜２６ｃに設け
た通孔２７、２７とを、互いに整合させる。そして、こ
れら各通孔２７、２７に４本のパイプ状の棒を挿通し、
仮組み付けする。そして、この様に仮組み付けした状態
で、治具により拘束し、上記各部材を加熱炉中で加熱し
て、上記ろう材等により上記各部材３８、２１、２２、
２０ａ、２０ｂ、２８ａ、２８ｂ、１８を、互いにろう
付け接合して、図１４に示す状態とする。

【００２３】そして、この様に各部材をろう付け接合し
た後に、上記各組み合わせ素子３８に設けた各連結部３
７、３７と、上記各第三金属板２１及び各仕切板２２及
び各サイドプレート２０ａ、２０ｂに設けた各組み付け
用支持部２６ａ〜２６ｃとを、それぞれの本体部分から
取り除くと共に、第一、第二各金属板１６、１７同士を
分離する。そして、隣り合う伝熱管素子１５、１５同士
の間で、前記各アウターフィン１８が存在する、上記各
第一、第二金属板１６、１７同士の間部分を、加熱流体
である、加熱ガスを流す為の加熱流路５１としている。

【００２４】又、上述の様に上記各構成部材をろう付け
接合するのと同時に、上記１対のサイドプレート２０
ａ、２０ｂのうち、一方のサイドプレート２０ａの外側
面の長さ方向一端部（図１、３、９の上端部）に、接続
用ブロック４５と流体取り出し管４６（図１、２、１
４）との端面をろう付け接合する。このうちの接続用ブ
ロック４５は、断面形状を略Ｈ形としたもので、中間部
に両側面同士を貫通する矩形状の通孔４７を形成してい
る。そして、この通孔４７の内側を、上記一方のサイド
プレート２０ａに設けた流体送り込み口４３の内側に通
じさせている。又、上記流体取り出し管４６の内側は、
上記一方のサイドプレート２０ａに設けた流体取り出し
口４４の内側に通じさせている。

【００２５】又、上述の様に上記各構成部材を組み合わ
せた状態で互いに対向する、上記各第一金属板１６に設
けた第四の通孔３９の内側空間と、前記各上流側被加熱
流路３４の上流側端部と、上記各仕切板２２に設けた第
一の通孔３１の内側空間とを、互いに連通して、入口タ
ンク部４８を構成している。そして、本例の場合には、
この入口タンク部４８と、上記接続用ブロック４５と、
上記一方のサイドプレート２０ａに設けた流体送り込み
口４３との内側に、前記混合流体を前記コア部１９の内
側に送り込む為の図示しない流体供給部材を挿入してい
る。この流体供給部材は、例えば１対の金属板を重ね合
わせて互いに接合して成るもので、内側に、上記混合流
体を分散しつつ流す為の分散流路を形成している。又、
上記流体供給部材の下部で、上記分散流路と整合する複
数個所に、この流体供給部材の内、外を連通させる通孔
を形成している。

【００２６】そして、上記流体供給部材以外の前記過熱
部付蒸発器１４の各構成部材をろう付け接合した後に、
上記入口タンク部４８と流体送り込み口４３と接続用ブ
ロック４５との内側に上記流体供給部材の一部を挿入す
ると共に、この流体供給部材の残部で、上記接続用ブロ
ック４５よりも外側に突出する部分の外周面と、この接
続用ブロック４５の外端面等とを溶接等により液密に接
合する。この状態で、上記流体供給部材に設けた複数の
通孔の下端部は、前記各伝熱管素子１５に設けた上流側
被過熱流路３４の上流側部分に開口させる。又、上記流
体供給部材の残部で、上記接続用ブロック４５よりも外
側に突出する部分の一部に、上記混合流体を上記流体供
給部材の内部に送る為の配管の端部を接続自在としてい
る。

【００２７】一方、上記各構成部材を組み合わせた状態
で互いに対向する、上記各第一金属板１６に設けた第五
の通孔４０の内側空間と、前記各下流側被加熱流路３５
の下流側端部と、前記各仕切板２２に設けた第二の通孔
３２の内側空間とを、互いに連通して、出口タンク部４
９を構成している。そして、この出口タンク部４９の長
さ方向一端部（図３の右端部）に、前記流体取り出し管
４６の上流端を、前記一方のサイドプレート２０ａに設
けた流体取り出し口４４を介して通じさせている。又、
上記流体取り出し管４６の端部に、前記コア部１９内か
ら前記混合流体を取り出す為の図示しない配管の端部を
接続自在としている。又、上記各構成部材を組み合わせ
た状態で互いに対向する、上記各第二金属板１７に設け
た第六の通孔４１の内側空間と、前記各中間被加熱流路
３６と、上記各仕切板２２に設けた第三の通孔３３の内
側空間とを、互いに連通して、中間タンク部５０を構成
している。

【００２８】更に、本例の場合には、加熱ガスの流通方
向（図３の矢印α方向）に関して前記コア部１９の上流
側（図３の表側）に、上記上流側、下流側各被加熱流路
３４、３５のうち、下流側の混合流体が流れる下流側被
加熱流路３５を設けている。

【００２９】上述の様に構成する本発明の燃料電池用熱
交換器の使用時には、図示しない配管を通じて前記流体
供給部材の内部に、メタノールと水との液状の混合流体
を送り込む。この流体供給部材の内部に送り込まれた混
合流体は、前記分流流路を流れた後、この流体供給部材
の下部に設けた複数の通孔を通じて、前記各伝熱管素子
１５、１５に設けた上流側被加熱流路３４の内側に送り
込まれる。そして、上記混合流体は、これら各上流側被
加熱流路３４内を、上記各第一、第二金属板１６、１７
同士の間部分に設けた各加熱流路５１内を図３の矢印α
方向に流れる高温の加熱ガスとの間で熱交換を行ないつ
つ、上記中間タンク部５０に、同図に矢印イで示す方向
に流れる。この様に混合流体が上記各上流側被加熱流路
３４内を流れる間に、この混合流体は、上記高温のガス
との間で熱交換を行なう為、約１００度に加熱され、蒸
発してガス状になる。

【００３０】そして、上記中間タンク部５０に達したガ
ス状の混合流体は、続いて、この中間タンク部５０内
を、前記各下流側被加熱流路３５に向け、同図に矢印ロ
で示す方向に流れる。そして、上記混合流体は、これら
各下流側被加熱流路３５内を、上記熱交換を行ないつ
つ、前記出口タンク部４９に、同図に矢印ハで示す方向
に流れる。この様に上記混合流体が各下流側加熱流路３
５内を流れる間に、この混合流体は、上記熱交換により
過熱されて、約１６０℃の所定温度になる。そして、上
記出口タンク部４９に送られた上記混合流体は、この出
口タンク部４９内を同図に矢印ニで示す方向に流れた
後、前記流体取り出し管４６（図１、２、１１）を通じ
て外部に流出する。この様にして外部に流出した混合流
体は、図示しない改質装置に送られて、水素ガスを発生
する反応を起こさせる為に利用する。

【００３１】前述の様に構成し、上述の様にして混合流
体と加熱ガスとの間での熱交換を行ない、液状の混合流
体を蒸発させ、更に所定温度に過熱する、本発明の燃料
電池用熱交換器の場合、複数の伝熱管素子１５、１５の
一部により、混合流体を互いに反対方向に流す為の上流
側、下流側両被加熱流路３４、３５の端部同士を連結す
る、中間被加熱流路３６を構成できる。この為、本発明
によれば、互いに別体の蒸発器と加熱器とを一体的に接
合する必要がなくなると共に、燃料電池全体での部品点
数の削減でき、しかも回路を簡略化できる。更に、本例
の様に加熱部付蒸発器１４の各構成部材の一部をろう付
けにより接合した場合でも、ろう付け接合部で、溶接の
熱により二次溶解が生じる事を確実に防止できて、歩留
りの向上を図れる。従って、本発明によれば、液状の混
合流体を上記加熱ガスにより蒸発させ、更に所定温度に
過熱する事ができる構造を、小型且つ安価に実現でき
る。

【００３２】更に、本例の場合には、加熱ガスの流通方
向αに関してコア部１９の上流側に、上流側、下流側各
被加熱流路３４、３５のうち、下流側の混合流体が流れ
る下流側被加熱流路３５を設けている。この為、比較的
高温の加熱ガスと比較的高温の混合流体とを、下流側被
加熱流路３５内を流れる混合流体との間での熱交換を行
なって、比較的低温になった加熱ガスと、比較的低温の
混合流体とを、それぞれ互いに熱交換させる事ができ
る。この為、上記各下流側被加熱流路３５内で、蒸発し
た上記混合流体を、より所定温度に過熱し易くできる。
更に、過熱ガスを、図３の矢印α方向と反対方向に流す
場合に比べて、上記上流側、下流側各被加熱流路３４、
３５と、各加熱流路５１とを仕切る為に設ける一部の構
成部材（仕切板２２）の両側での温度差を小さくする事
ができる。従って、これら構成部材で生じる熱応力を小
さく抑えて、加熱部付蒸発器１４の耐久性を十分に確保
できる。

【００３３】更に、本例の燃料電池用熱交換器によれ
ば、混合流体をコア部１９に送り込む為の配管と、混合
流体を上記コア部１９から取り出す為の配管との端部の
接続位置の自由度の向上を図れて、過熱部付蒸発器１４
を配置する空間の有効活用を図れる。更に、本例の場合
には、この過熱部付蒸発器１４の各構成部材をろう付け
接合する前の状態で、これら各構成部材の一部に組み付
け用支持部２６ａ〜２６ｃや連結部３７、３７を設ける
と共に、これら各部２６ａ〜２６ｃ、３７に設けた通孔
２７、２７にパイプ状の棒を挿通させる事により、これ
ら各構成部材の仮組み付けを行なっている。従って、こ
れら各構成部材の仮組み付け作業が容易になる。又、こ
れら各構成部材をろう付け接合する前に、第一、第二金
属板１６、１７同士を連結部３７、３７により連結し
て、組み合わせ素子３８としている為、これら第一、第
二金属板１６、１７の取り扱いが容易になる。従って、
本例によれば、過熱部付蒸発器１４の組み付け作業の容
易化を図れる。

【００３４】

【発明の効果】本発明の燃料電池用熱交換器は、以上に
述べた通り構成され作用する為、メタノールと水との混
合液等の被加熱流体を蒸発させ、更に所定温度に過熱す
る事ができる構造を、小型且つ安価に実現できる。この
為、電気自動車等、燃料電池を組み込んだ各種機械装置
の高性能化と低コスト化とに寄与できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の１例を、一部を省略して
示す図。

【図２】図１を下方から見た図。

【図３】本発明の燃料電池用熱交換器の部分分解斜視
図。

【図４】第三金属板を、幅方向両端に組み付け用支持部
を設けた状態で示す図。

【図５】インナーフィンの部分拡大図。

【図６】仕切板を、幅方向両端に組み付け用支持部を設
けた状態で示す図。

【図７】組み合わせ素子を示す図。

【図８】アウターフィンの部分拡大図。

【図９】１対のサイドプレートのうち、一方のサイドプ
レートを示す図。

【図１０】同じく他方のサイドプレートを示す図。

【図１１】本発明の実施の形態の１例を、ろう付け接合
直後の状態で示す図。

【図１２】燃料電池の発電原理を説明する為に使用す
る、セルの略断面図。

【図１３】メタノールと水との混合液を蒸発させ、更に
過熱する為に、従来から考えられていた構造の１例を示
す略斜視図。

【符号の説明】

１セル２電解質３水素極４空気極５薄膜６第一反応質７水素供給口８水素還流口９第二反応質１０酸素供給口１１排気口１２蒸発器１３過熱器１４過熱部付蒸発器１５伝熱管素子１６第一金属板１７第二金属板１８アウターフィン１９コア部２０ａ、２０ｂサイドプレート２１第三金属板２２仕切板２３仕切り部２４Ｕ字形流路２５ａ、２５ｂ突部２６ａ、２６ｂ、２６ｃ組み付け用支持部２７通孔２８ａ、２８ｂインナーフィン２９開口３０半円状突部３１第一の通孔３２第二の通孔３３第三の通孔３４上流側被加熱流路３５下流側被加熱流路３６中間被加熱流路３７連結部３８組み合わせ素子３９第四の通孔４０第五の通孔４１第六の通孔４２半円状突部４３流体送り込み口４４流体取り出し口４５接続用ブロック４６流体取り出し管４７通孔４８入口タンク部４９出口タンク部５０中間タンク部５１加熱流路

フロントページの続き (72)発明者吉田宏行東京都中野区南台５丁目24番15号カルソニックカンセイ株式会社内 (72)発明者回谷雄一東京都中野区南台５丁目24番15号カルソニックカンセイ株式会社内Ｆターム(参考） 4G040 EA02 EA06 EB03 EB44 EB46 4G140 EA02 EA06 EB03 EB44 EB46 5H027 AA02 BA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被加熱流体を互いに反対方向に向け流す
為の扁平な上流側、下流側被加熱流路及びこれら上流
側、下流側両被加熱流路の端部同士を連結する中間被加
熱流路を有する複数の伝熱管素子を、隣り合う伝熱管素
子同士の間に１対の第一、第二金属板を挟持した状態で
重ね合わせて成るコア部と、隣り合う伝熱管素子同士の
間で、上記第一、第二金属板同士の間部分に設けられ
た、加熱流体を流す為の加熱流路とを備え、この加熱流
路内に上記加熱流体を、上記上流側、下流側各被加熱流
路内での上記被加熱流体の流通方向と直交する方向に通
過させる状態で使用する燃料電池用熱交換器。
【請求項２】加熱流体の流通方向に関してコア部の上
流側に、上流側、下流側被加熱流路のうち、下流側の被
加熱流体が流れる下流側被加熱流路を設けた、請求項１
に記載した燃料電池用熱交換器。
【請求項３】各伝熱管素子は、第三金属板の両側に１
対の仕切板を重ね合わせて成り、このうちの第三金属板は、長さ方向端部で１８０度反対
側に折り返したＵ字形流路を設けており、上記各仕切板は、長さ方向一端部に第一、第二の通孔
を、同じく他端部に幅方向に長い第三の通孔を、それぞ
れ設けており、上記第三金属板の両側に上記１対の仕切板を重ね合わせ
て伝熱管素子を構成した状態で、上記Ｕ字形流路の一端
寄り部分に相当する部分に上流側被加熱流路を、同じく
他端寄り部分に相当する部分に下流側被加熱流路を、同
じく中間部に相当する部分に中間被加熱流路を、それぞ
れ設けており、隣り合う伝熱管素子同士の間に設けた各第一、第二中間
金属板のうち、上記各伝熱管素子の長さ方向に関して片
側に設けた各第一金属板の両端部で、上記各仕切板に設
けた第一、第二の通孔とそれぞれ整合する位置に、第
四、第五の通孔を設けており、上記各第一、第二金属板のうち、上記各伝熱管素子の長
さ方向に関して他側に設けた各第二金属板の中間部で、
上記各仕切板に設けた第三の通孔と整合する位置に、第
六の通孔を設けており、上記各第一〜第三金属板と各仕切板とを重ね合わせた状
態で互いに対向する、上記各第一金属板に設けた第四の
通孔の内側空間と、上記各上流側被加熱流路の上流側端
部と、上記各仕切板に設けた第一の通孔の内側空間と
を、互いに連通させる事により、内側に送り込まれた被
加熱流体を上記各上流側被加熱流路に向け分流させる為
の入口タンク部を構成しており、上記各第一金属板に設けた第五の通孔の内側空間と、上
記各下流側被加熱流路の下流側端部と、上記各仕切板に
設けた第二の通孔の内側空間とを、互いに連通させる事
により、上記各下流側被加熱流路内を流れる被加熱流体
を集合させる為の出口タンク部を構成しており、上記各第二金属板に設けた第六の通孔の内側空間と、上
記各中間被加熱流路と、上記各仕切板に設けた第三の通
孔の内側空間とを、互いに連通させる事により、上記各
上流側被加熱流路から送られた被加熱流体を上記各下流
側被加熱流路に向け送る為の中間タンク部を構成してい
る、請求項１又は請求項２に記載した燃料電池用熱交換
器。