JP2004233011A - 燃料電池用アルミニューム製熱交換器の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池用アルミニューム製熱交換器の製造方法であって、内部を流通する冷却液中にイオンが溶出し難く且つ、量産性を有するものの提供。
【解決手段】各部品を組み合わせて熱交換器を組立て、フラックを用いることなく高温の真空炉内で真空ろう付けする工程と、チューブおよびタンク内を７０℃以上の純水またはエチレングリコール液で洗浄する工程とを具備する。
【選択図】 図１
【解決手段】各部品を組み合わせて熱交換器を組立て、フラックを用いることなく高温の真空炉内で真空ろう付けする工程と、チューブおよびタンク内を７０℃以上の純水またはエチレングリコール液で洗浄する工程とを具備する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システム内を循環する循環水を冷却するためのアルミニューム製熱交換器の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、自動車用燃料電池として高分子電解膜型のものが提案されている。この電池のスタック内には純水が循環され、その循環水は熱交換器により冷却される。この循環水はプロトン触媒に接触するので、触媒被毒を避ける必要から循環水中にイオンが混入することを避ける必要がある。
従来の燃料電池用熱交換器は、ステンレス鋼製のものが多く用いられていた。しかしながら、ステンレス鋼製の場合、熱伝導率が低いと共に重量が重い欠点があった。
【０００３】
そこで、これらの欠点を除くためアルミニューム製熱交換器を用いるものも既に提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
これは、次の工程により製造されていた。アルミニュームからなるチューブとコルゲートフィンとタンクとを組み付け、熱交換器を組み立てる工程と、組立てられた熱交換器にろう付け用のフラックスを塗布する工程と、次いでその組立てられた熱交換器をいわゆるノコロックろう付け（ノコロックは商品名）する工程と、ろう付けされた熱交換器を洗浄する工程と、次いで熱交換器の内部に樹脂を塗布し、それを焼き付ける工程を経て完成していた。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１６７７８２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の燃料電池用アルミニューム製熱交換器の製造方法は、フラックスを用いてろう付けを行うため、その残留フラックスが熱交換器内面に存在し、それが冷却水中に溶け出して導電率を上げる原因になっていた。
また、ろう付け後に熱交換器の内部を水で洗浄すると、未反応フラックスが水に溶け出しＡｌ，Ｆ，Ｋ，Ｃａ，Ｆｅ，その他が混入し、その廃液をそのまま自然環境に放出することができず廃液処理が必要であった。
さらには、従来の熱交換器の製造方法は樹脂コーティングが必要であり、その工程が複雑で面倒であった。
そこで本発明は、前記の問題点を解決することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の本発明は、互いに接触する一方の部品表面には予めアルミニューム合金よりなるろう材が被覆されたものを用い、夫々アルミニューム製のフィンとチューブおよびタンクとを組み合わせて、熱交換器を組み立てる工程と、
次いで、組み立てられた熱交換器を、ろう付け用フラックスを用いることなく、高温の真空炉内で真空ろう付けする工程と、
次いで、熱交換器のチューブおよびタンク内を、７０°Ｃ以上の、純水またエチレングリコール液で洗浄する工程と、
を具備する燃料電池用アルミニューム製熱交換器の製造方法である。
【０００７】
請求項２に記載の本発明は、請求項１において、
前記洗浄する工程と共に、あるいはそれに次いでチューブ内面およびタンク内面にアルミニュームの酸化皮膜層またはベーマイト処理層を形成させる工程を設けた燃料電池用アルミニューム製熱交換器の製造方法である。
【０００８】
請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２において、
前記チューブ材の内面側およびタンク材の内面側には、低溶出性のアルミニューム材をクラッドしたものを用いる燃料電池用アルミニューム製熱交換器の製造方法である。
【０００９】
請求項４に記載の本発明は、請求項３において、
前記低溶出性のアルミニューム材として、３００３合金または１０５０等の純アルミニューム系材料が厚さ０．０３ｍｍ〜０．１０ｍｍの範囲でチューブ材およびタンク材の内面にクラッドされたものを用いる燃料電池用アルミニューム製熱交換器の製造方法である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の熱交換器の製造方法の実施の形態につき説明する。
図１は本発明の製造方法の各工程を示す説明図であり、図２は本発明の対象とする熱交換器の一例を示す要部縦断面図である。また、図３は同熱交換器材料に用いられる板材の断面拡大図である。
図２に示すアルミニューム製熱交換器は、多数のチューブ１とフィン２とが交互に並列されたコアを有し、夫々のチューブ１の両端（下側を省略）がチューブプレート３のチューブ挿通孔に挿通され、その挿通部がろう付け固定される。
【００１１】
また、チューブプレート３の周縁には、タンク本体４の開口端が嵌着し、その嵌着部が一体にろう付け固定される。さらにフィン２とチューブ１との接触部も同様にろう付けされる。
このような熱交換器の各部品は、互いに接触する少なくとも一方の外表面に、図３に示すろう材８が被覆されたアルミニュームクラッド材を用いる。また好ましくは、内面側には１０５０等の純アルミニューム系材料あるいは３００３アルミニューム合金が被覆される。これは低溶出材料であり、使用中に内部を循環する純水またはエチレングリコール液中に金属イオンが溶け出し難いものであり、この内面被覆材はイオン溶出低減を目的とする。その内面クラッド材７の厚みは、０．０３〜１．０ｍｍ 程度とし、好ましくは０．０７ｍｍ〜０．１０ｍｍとする。
【００１２】
そして内面クラッド材７が、チューブおよびタンクの内面側に位置するようにして、チューブ１、チューブプレート３，タンク本体４を成形する。そして図２に示す如く組立てた状態で、高温の真空炉内に挿入する。このとき従来の燃料電池用アルミニューム製熱交換器の如く、フラックスを塗布する工程はとらない。そして高温の炉内で各部品表面に被覆されたろう材を溶融させ、次いでそれを冷却固化することにより、各部品間を一体にろう付け固定する。次いで、温度が７０℃以上の純水またはエチレングリコール液をチューブおよびタンク内に充填し内部を洗浄する。洗浄時間は実験によれば、１分程度で充分である。
【００１３】
なお、純水およびエチレングリコール液の温度をさらに８０℃以上にして煮沸させることにより、チューブ１内面およびタンク内面に薄いベーマイト処理層を形成させることができる。
また、ベーマイト処理層の代わりにアルミニュームの酸化皮膜層を形成させてもよい。これらの皮膜は、金属イオンが冷却水中に溶出することを抑制する。
なお、酸化皮膜等は洗浄工程の後に比較的高温状態で空気に露出させることにより、その内面側に形成することができる。
【００１４】
図３における芯材６は、ＭｇＺｎ系アルミニューム系合金を用いた。一例として、５００５アルミニューム合金，５０５２アルミニューム合金等を用いることができる。これを芯材とし、その内面に被覆材を使用しない場合には、Ｚｎ成分が冷却液に溶け出し導電率を上昇させるおそれがある。そこで、１０５０あるいは１１００等の純アルミニュームや３００３合金を内面クラッド材７として被覆すれば問題はない。
【００１５】
実験によれば、比較的簡単な本発明の製造方法により製造したアルミニューム製熱交換器は、従来の多数の工程を経た熱交換器と同一のイオン不溶出効果のあることが分かった。即ち、従来のアルミニューム製熱交換器の製造方法である、フラックスを用いたろう付け後に、その内面の洗浄を充分（数日間）行い、その後に内面に樹脂を塗布し、それを焼付けした熱交換器と、本発明の製造方法により製造したアルミニューム製熱交換器は同一の性能を有する。
【００１６】
この実験は、両アルミニューム製熱交換器を、夫々内部に純水を満たし、１００時間毎に導電率を夫々測定し、２４００時間まで調べた。その結果、両熱交換器ともに２０００時間経過後も許容される導電率レベルであり、両者は各時間において略同一の導電率であった。
このことから、本発明の熱交換器の製造方法は、従来型製造方法よりも簡便であるにも拘わらず、純水を満たしたときの導電率が同じであることが明らかとなった。
なお、因みに本発明の製造方法による熱交換器の内面にさらに、従来と同様な樹脂コーティングをした場合、従来の製造方法による熱交換器に比べ、各時間毎における導電率は本発明の方が格段に低いレベルにあった。
【００１７】
【発明の作用・効果】
本発明の燃料電池用アルミニューム製熱交換器の製造方法は、組立てられた熱交換器をフラックスを用いることなく真空炉内で真空ろう付けをした後に、７０℃以上の純水またはエチレングリコール液で洗浄することを特徴とする。
それによって、イオンの溶出が抑制されたアルミニューム製熱交換器となる。
即ち、実験によれば本発明の工程によるアルミニューム製熱交換器は、純水またはエチレングリコール液を用いる燃料電池用熱交換器として用いた場合、その内面に樹脂コーティング層を形成しなくても、従来の方法によって樹脂コーティングしたアルミニューム製熱交換器と同等のイオン溶出抑制効果がある。
【００１８】
さらに上記洗浄工程において、あるいはそれに次いでチューブ内面およびタンク内面にアルミニュームの酸化皮膜層またはベーマイト処理層を形成させた場合には、さらにイオンの溶出を抑制することができる。
【００１９】
上記構成において、チューブ材の内面側およびタンク材の内面側に、低溶出性のアルミニューム材をクラッドすることができる。この場合は、燃料電池用熱交換器として使用する際のイオン溶出がさらに抑制される。
【００２０】
上記構成において、アルミニューム材として３００３合金または１０５０等の純アルミニューム系材料を厚さ０．０３ｍｍ〜０．１０ｍｍの範囲でチューブ材およびタンク材の内面にクラッドしたものを用いることができる。この場合には、さらに確実にイオンの溶出を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱交換器の製造方法の各工程を示す説明図。
【図２】本発明の対象とする熱交換器の一例を示す要部縦断面図。
【図３】同熱交換器材料として用いるアルミニューム板の断面拡大図。
【符号の説明】
１ チューブ
２ フィン
３ チューブプレート
４ タンク本体
５ タンク
６ 芯材
７ 内面クラッド材
８ ろう材
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システム内を循環する循環水を冷却するためのアルミニューム製熱交換器の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、自動車用燃料電池として高分子電解膜型のものが提案されている。この電池のスタック内には純水が循環され、その循環水は熱交換器により冷却される。この循環水はプロトン触媒に接触するので、触媒被毒を避ける必要から循環水中にイオンが混入することを避ける必要がある。
従来の燃料電池用熱交換器は、ステンレス鋼製のものが多く用いられていた。しかしながら、ステンレス鋼製の場合、熱伝導率が低いと共に重量が重い欠点があった。
【０００３】
そこで、これらの欠点を除くためアルミニューム製熱交換器を用いるものも既に提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
これは、次の工程により製造されていた。アルミニュームからなるチューブとコルゲートフィンとタンクとを組み付け、熱交換器を組み立てる工程と、組立てられた熱交換器にろう付け用のフラックスを塗布する工程と、次いでその組立てられた熱交換器をいわゆるノコロックろう付け（ノコロックは商品名）する工程と、ろう付けされた熱交換器を洗浄する工程と、次いで熱交換器の内部に樹脂を塗布し、それを焼き付ける工程を経て完成していた。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１６７７８２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の燃料電池用アルミニューム製熱交換器の製造方法は、フラックスを用いてろう付けを行うため、その残留フラックスが熱交換器内面に存在し、それが冷却水中に溶け出して導電率を上げる原因になっていた。
また、ろう付け後に熱交換器の内部を水で洗浄すると、未反応フラックスが水に溶け出しＡｌ，Ｆ，Ｋ，Ｃａ，Ｆｅ，その他が混入し、その廃液をそのまま自然環境に放出することができず廃液処理が必要であった。
さらには、従来の熱交換器の製造方法は樹脂コーティングが必要であり、その工程が複雑で面倒であった。
そこで本発明は、前記の問題点を解決することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の本発明は、互いに接触する一方の部品表面には予めアルミニューム合金よりなるろう材が被覆されたものを用い、夫々アルミニューム製のフィンとチューブおよびタンクとを組み合わせて、熱交換器を組み立てる工程と、
次いで、組み立てられた熱交換器を、ろう付け用フラックスを用いることなく、高温の真空炉内で真空ろう付けする工程と、
次いで、熱交換器のチューブおよびタンク内を、７０°Ｃ以上の、純水またエチレングリコール液で洗浄する工程と、
を具備する燃料電池用アルミニューム製熱交換器の製造方法である。
【０００７】
請求項２に記載の本発明は、請求項１において、
前記洗浄する工程と共に、あるいはそれに次いでチューブ内面およびタンク内面にアルミニュームの酸化皮膜層またはベーマイト処理層を形成させる工程を設けた燃料電池用アルミニューム製熱交換器の製造方法である。
【０００８】
請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２において、
前記チューブ材の内面側およびタンク材の内面側には、低溶出性のアルミニューム材をクラッドしたものを用いる燃料電池用アルミニューム製熱交換器の製造方法である。
【０００９】
請求項４に記載の本発明は、請求項３において、
前記低溶出性のアルミニューム材として、３００３合金または１０５０等の純アルミニューム系材料が厚さ０．０３ｍｍ〜０．１０ｍｍの範囲でチューブ材およびタンク材の内面にクラッドされたものを用いる燃料電池用アルミニューム製熱交換器の製造方法である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の熱交換器の製造方法の実施の形態につき説明する。
図１は本発明の製造方法の各工程を示す説明図であり、図２は本発明の対象とする熱交換器の一例を示す要部縦断面図である。また、図３は同熱交換器材料に用いられる板材の断面拡大図である。
図２に示すアルミニューム製熱交換器は、多数のチューブ１とフィン２とが交互に並列されたコアを有し、夫々のチューブ１の両端（下側を省略）がチューブプレート３のチューブ挿通孔に挿通され、その挿通部がろう付け固定される。
【００１１】
また、チューブプレート３の周縁には、タンク本体４の開口端が嵌着し、その嵌着部が一体にろう付け固定される。さらにフィン２とチューブ１との接触部も同様にろう付けされる。
このような熱交換器の各部品は、互いに接触する少なくとも一方の外表面に、図３に示すろう材８が被覆されたアルミニュームクラッド材を用いる。また好ましくは、内面側には１０５０等の純アルミニューム系材料あるいは３００３アルミニューム合金が被覆される。これは低溶出材料であり、使用中に内部を循環する純水またはエチレングリコール液中に金属イオンが溶け出し難いものであり、この内面被覆材はイオン溶出低減を目的とする。その内面クラッド材７の厚みは、０．０３〜１．０ｍｍ 程度とし、好ましくは０．０７ｍｍ〜０．１０ｍｍとする。
【００１２】
そして内面クラッド材７が、チューブおよびタンクの内面側に位置するようにして、チューブ１、チューブプレート３，タンク本体４を成形する。そして図２に示す如く組立てた状態で、高温の真空炉内に挿入する。このとき従来の燃料電池用アルミニューム製熱交換器の如く、フラックスを塗布する工程はとらない。そして高温の炉内で各部品表面に被覆されたろう材を溶融させ、次いでそれを冷却固化することにより、各部品間を一体にろう付け固定する。次いで、温度が７０℃以上の純水またはエチレングリコール液をチューブおよびタンク内に充填し内部を洗浄する。洗浄時間は実験によれば、１分程度で充分である。
【００１３】
なお、純水およびエチレングリコール液の温度をさらに８０℃以上にして煮沸させることにより、チューブ１内面およびタンク内面に薄いベーマイト処理層を形成させることができる。
また、ベーマイト処理層の代わりにアルミニュームの酸化皮膜層を形成させてもよい。これらの皮膜は、金属イオンが冷却水中に溶出することを抑制する。
なお、酸化皮膜等は洗浄工程の後に比較的高温状態で空気に露出させることにより、その内面側に形成することができる。
【００１４】
図３における芯材６は、ＭｇＺｎ系アルミニューム系合金を用いた。一例として、５００５アルミニューム合金，５０５２アルミニューム合金等を用いることができる。これを芯材とし、その内面に被覆材を使用しない場合には、Ｚｎ成分が冷却液に溶け出し導電率を上昇させるおそれがある。そこで、１０５０あるいは１１００等の純アルミニュームや３００３合金を内面クラッド材７として被覆すれば問題はない。
【００１５】
実験によれば、比較的簡単な本発明の製造方法により製造したアルミニューム製熱交換器は、従来の多数の工程を経た熱交換器と同一のイオン不溶出効果のあることが分かった。即ち、従来のアルミニューム製熱交換器の製造方法である、フラックスを用いたろう付け後に、その内面の洗浄を充分（数日間）行い、その後に内面に樹脂を塗布し、それを焼付けした熱交換器と、本発明の製造方法により製造したアルミニューム製熱交換器は同一の性能を有する。
【００１６】
この実験は、両アルミニューム製熱交換器を、夫々内部に純水を満たし、１００時間毎に導電率を夫々測定し、２４００時間まで調べた。その結果、両熱交換器ともに２０００時間経過後も許容される導電率レベルであり、両者は各時間において略同一の導電率であった。
このことから、本発明の熱交換器の製造方法は、従来型製造方法よりも簡便であるにも拘わらず、純水を満たしたときの導電率が同じであることが明らかとなった。
なお、因みに本発明の製造方法による熱交換器の内面にさらに、従来と同様な樹脂コーティングをした場合、従来の製造方法による熱交換器に比べ、各時間毎における導電率は本発明の方が格段に低いレベルにあった。
【００１７】
【発明の作用・効果】
本発明の燃料電池用アルミニューム製熱交換器の製造方法は、組立てられた熱交換器をフラックスを用いることなく真空炉内で真空ろう付けをした後に、７０℃以上の純水またはエチレングリコール液で洗浄することを特徴とする。
それによって、イオンの溶出が抑制されたアルミニューム製熱交換器となる。
即ち、実験によれば本発明の工程によるアルミニューム製熱交換器は、純水またはエチレングリコール液を用いる燃料電池用熱交換器として用いた場合、その内面に樹脂コーティング層を形成しなくても、従来の方法によって樹脂コーティングしたアルミニューム製熱交換器と同等のイオン溶出抑制効果がある。
【００１８】
さらに上記洗浄工程において、あるいはそれに次いでチューブ内面およびタンク内面にアルミニュームの酸化皮膜層またはベーマイト処理層を形成させた場合には、さらにイオンの溶出を抑制することができる。
【００１９】
上記構成において、チューブ材の内面側およびタンク材の内面側に、低溶出性のアルミニューム材をクラッドすることができる。この場合は、燃料電池用熱交換器として使用する際のイオン溶出がさらに抑制される。
【００２０】
上記構成において、アルミニューム材として３００３合金または１０５０等の純アルミニューム系材料を厚さ０．０３ｍｍ〜０．１０ｍｍの範囲でチューブ材およびタンク材の内面にクラッドしたものを用いることができる。この場合には、さらに確実にイオンの溶出を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱交換器の製造方法の各工程を示す説明図。
【図２】本発明の対象とする熱交換器の一例を示す要部縦断面図。
【図３】同熱交換器材料として用いるアルミニューム板の断面拡大図。
【符号の説明】
１ チューブ
２ フィン
３ チューブプレート
４ タンク本体
５ タンク
６ 芯材
７ 内面クラッド材
８ ろう材
Claims (4)
- 互いに接触する一方の部品表面には予めアルミニューム合金よりなるろう材が被覆されたものを用い、夫々アルミニューム製のフィンとチューブおよびタンクとを組み合わせて、熱交換器を組み立てる工程と、
次いで、組み立てられた熱交換器を、ろう付け用フラックスを用いることなく、高温の真空炉内で真空ろう付けする工程と、
次いで、熱交換器のチューブおよびタンク内を、７０°Ｃ以上の、純水またエチレングリコール液で洗浄する工程と、
を具備する燃料電池用アルミニューム製熱交換器の製造方法。 - 請求項１において、
前記洗浄する工程と共に、あるいはそれに次いでチューブ内面およびタンク内面にアルミニュームの酸化皮膜層またはベーマイト処理層を形成させる工程を設けた燃料電池用アルミニューム製熱交換器の製造方法。 - 請求項１または請求項２において、
前記チューブ材の内面側およびタンク材の内面側には、低溶出性のアルミニューム材をクラッドしたものを用いる燃料電池用アルミニューム製熱交換器の製造方法。 - 請求項３において、
前記低溶出性のアルミニューム材として、３００３合金または１０５０等の純アルミニューム系材料が厚さ０．０３ｍｍ〜０．１０ｍｍの範囲でチューブ材およびタンク材の内面にクラッドされたものを用いる燃料電池用アルミニューム製熱交換器の製造方法。
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Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2003
- 2003-01-31 JP JP2003025299A patent/JP3978670B2/ja not_active Expired - Fee Related
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