JP2005116373A

JP2005116373A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2005116373A
Application number: JP2003349974A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Yamada; 一浩山田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-10-08
Filing date: 2003-10-08
Publication date: 2005-04-28
Anticipated expiration: 2023-10-08
Also published as: JP4774668B2

Abstract

【課題】熱交換器の熱交換プレートが縦向きとなるようにして、占有スペースの削減を図り、レイアウトの自由度を向上させる。
【解決手段】燃料電池に供給する水素ガスを加温する水素ガス熱交換器１０を備える。水素ガス熱交換器１０は、互いに積層される熱交換プレートが、積層面がほぼ垂直方向と平行となるように、縦置きに取付けられ、その一方の側面１５に、高温側流体の入口部１１と出口部１２と、低温側の水素ガスの入口部１６と出口部１８とが、それぞれ設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムのとくに熱交換器の取付構造の改良に関する。

水素貯蔵タンクより燃料電池に供給される水素ガスは、減圧により体積膨張して温度が低下する。燃料電池での発電反応を良好にするために、水素ガス中に水分を含ませる必要があるが、低温の水素ガス中に保持できる水分量は少なく、そこで燃料電池に供給する前に水素ガスを加温する熱交換器を備えている（特許文献１参照）。

前記熱交換器は、熱交換素子として、熱交換プレートが積層され、各層を温度交換する流体と、水素ガスとが、互いに交わることなく、交互に流通することにより、水素ガスの温度を上昇させる。
特開平６−２６０２０２号公報

ところで、熱交換器は、熱交換プレートが水平となるように設置されるが、燃料電池車など、車両前部の比較的スペースの少ない部位に熱交換器を設置する場合、占有する面積は熱交換プレートの面積以上となるので、レイアウトの自由度がなく、設置が非常に難しくなる。

また、熱交換器の上方または下方のスペースに他の部品などを配置するにしても、設置部品の支持が難しく、また部品をオーバハングして支持する場合、構造上、強度上の問題もでてくる。

本発明は、このような問題を解消するために提案されたもので、熱交換器の熱交換プレートが縦向きとなるようにして、占有スペースの削減を図り、レイアウトの自由度を向上させることを目的とする。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池に供給する水素ガスを加温する水素ガス熱交換器を備え、この水素ガス熱交換器は、互いに積層される熱交換プレートが、積層面がほぼ垂直方向と平行となるように、縦置きに取付けられ、その一方の側面に、高温側流体の入口部と出口部と、低温側の水素ガスの入口部と出口部とが、それぞれ設けられている。

本発明では、水素ガス熱交換器がいわゆる縦置きとなり、その一方の側面に、高温側流体の入口部と出口部と、低温側の水素ガスの入口部と出口部とが、それぞれ設けられているので、熱交換器の設置のための占有スペースが小さくなり、レイアウトの自由度が高められ、さらに配管接続などが熱交換器の一方側面から行えるので、配管構成もシンプルとなり、接続作業も容易となる。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は全体の斜視図、図２は水素ガス熱交換器の側面図、図３はその正面図、図４は一部の断面図である。

図１において、１０は水素ガス熱交換器であり、水素ガスを加温するために、燃料電池スタックの冷却液を熱媒体として用いている。このため、水素ガス熱交換器１０は、燃料電池に供給する純水の解凍タンク１の近傍に配設される。純水解凍タンク１は、燃料電池スタックを冷却して温度の上昇した冷却液が循環し、これにより極低温起動時など、純水解凍タンク内の純水を加熱し、解凍する。

この純水解凍タンク１を循環したスタック冷却液は、水素ガス熱交換器１０の一方の側面１５に配置した、下方の高温側流体入口部１１から導入され、熱交換後に、上方の高温側流体出口部１２から排出されて再び純水解凍タンク１に戻るように、それぞれ配管１３、１４を介して接続される。

また、水素ガス熱交換器１０の下方には、前記高温側流体入口部１１と出口部１２が設けられたのと同じ側面に、低温側流体入口部１６として、水素ガスの入口部が設けられ、配管１７を介して水素ガスが導入される。さらに水素ガス熱交換器１０にの上方には、低温側流体出口部１８として水素ガスの出口部が設けられ、ここに取付けられる中継ブロック１９を介して、図示しない燃料電池スタックへと暖められた水素ガスを送り出す。

図２〜図４にもあるように、水素ガス熱交換器１０は、熱交換素子として、複数の熱交換プレート２１が伝熱フィン２２を介して所定の間隔をもって積層され、これら熱交換プレート２１の各層間に交互に、高温側流体の冷却液と、低温側流体の水素ガスとが互いに交わることなく流通し、この間に温度の高い冷却液から温度の低い水素ガスに熱が伝達され、水素ガスの温度を上昇させる。

図からも分かるように、水素ガス熱交換器１０は、熱交換プレート２１の積層面が、水平ではなく、ほぼ垂直となる向き、すなわち縦向きに起立状態で、前記純水解凍タンク１の側面にほぼ平行となるように配置、固定される。なお、水素ガス熱交換器１０は、純水解凍タンク１と連結する配管１３と１４によって支持、固定される。

低温側流体入口部１６と、出口部１８には、それぞれフランジ部２３、２４が設けられ、これにより水素配管１７、あるいは中継ブロック１９との結合を面結合とすることにより、水素ガスのシール性を高めている。

なお、高温側流体入口部１１と出口部１２は、スタック冷却液のため、バルジ加工配管とホースの接続が適し、単にパイプ状に形成されている。

このようにして、水素ガス熱交換器１０に、その下方の低温側流体入口部１６から流入した水素ガスは、熱交換プレート２１の間を上方に移動する間に、温度の高い冷却液と熱交換し、暖められていく。そして、上方の低温側流体出口部１８から排出され、中継ブロック１９を介して図示しない燃料電池へと供給される。

一方、高温側流体入口部１１から流入した高温流体のスタック冷却液は、熱交換プレート２１の間を上方に向かって流れ、水素ガスを暖めた後、上方の高温側流体出口部１２から排出される。この場合、スタック冷却液中に溶け込んだ空気が抜けだして上方に移動しても、高温側流体出口部１２が上方に位置しているので、内部にエア溜まりが発生することがなく、エア溜まりに起因する腐食の防止が図れる。

以上のように本実施形態によれば、水素ガス熱交換器１０がいわゆる縦置きとなり、その一方の側面１５に、高温側流体の入口部１１と出口部１２と、低温側の水素ガスの入口部１６と出口部１８とが、それぞれ設けられているので、熱交換器の設置のための占有スペースが小さくなり、レイアウトの自由度が高められ、さらに配管接続などが熱交換器の一方側面から行えるので、配管構成もシンプルとなり、接続作業も容易となる。

また、水素ガス熱交換器１０に導入される高温側流体は、燃料電池スタックの冷却液であるので、燃料電池発電時の廃熱を有効利用し、特別な熱源を設けることなく、水素ガスの加温を行える。これにより、システムの熱効率が向上し、またシステムの簡素化が達成できる。

高温側流体の入口部１１を水素ガス熱交換器１０の一方の側面の下方に位置して設け、出口部１１を上方に配置したので、冷却液中に溶け込んだ空気の空気抜きがスムーズに行え、熱交換器内部にエア溜まりが生じるのを防ぐことができ、エア溜まりに起因しての腐食などを確実に阻止できる。

水素ガスの入口部１６または出口部１８には、接続用のフランジ部２３、２４が設けられいてるので、水素ガスの配管の接続部のシール性が高められる。また、フランジ部を介して、例えば純水解凍タンク１の一部と連結した中継構造ブロック体などと結合することにより、水素ガス熱交換器１０の支持構造も簡素化できる。

水素ガス熱交換器１０を、純水解凍タンク１を循環した燃料電池スタックの冷却液が導かれる配管１３、１４を介して、純水解凍タンク１に接続、支持するので、水素ガス熱交換器１０の支持が容易で、また、純水解凍タンク１側に、高温側流体の入口部１１、出口部１２が設けられているので、配管接続が容易で、レイアウト性も向上し、システムの小型化も図れる。

高温側の流体入口部１１は、純水解凍タンク１からの冷却液出口側と接続されているので、水素ガス熱交換器１０の高温側流体の入口部１１と出口部１２との間に圧力差を設けることが可能で、高温側流体の流量を増加でき、熱交換器熱効率を向上させられる。

本発明は以上の実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内で当業者がなしうるさまざな変更、改良をも含む。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池車などに利用できる。

本発明の実施形態を示す斜視図である。同じく水素ガス熱交換器の側面図である。同じくその正面図である。図２のＡ−Ａ線断面図である。

符号の説明

１純水解凍タンク
１０水素ガス熱交換器
１１高温側流体入口部
１２高温側流体出口部
１５一方の側面
１６低温側流体入口部
１８低温側流体出口部
２１熱交換プレート
２３フランジ部
２４フランジ部

Claims

燃料電池に供給する水素ガスを加温する水素ガス熱交換器を備え、
この水素ガス熱交換器は、互いに積層される熱交換プレートが、積層面がほぼ垂直方向と平行となるように、縦置きに取付けられ、その一方の側面に、高温側流体の入口部と出口部と、低温側の水素ガスの入口部と出口部とが、それぞれ設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
前記水素ガス熱交換器に導入される高温側流体は、燃料電池スタックの冷却液である請求項１に記載の燃料電池システム。
前記高温側流体の入口部が水素ガス熱交換器の一方の側面の下方に、またその出口部が上方に位置して、それぞれ設けられる請求項１または２に記載の燃料電池システム。
前記水素ガスの入口部または出口部の少なくとも一方には、接続用のフランジ部が設けられいてる請求項１〜３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
前記水素ガス熱交換器に隣接して、燃料電池に供給する純水が導かれる純水解凍タンクが配置され、前記水素ガス熱交換器は、純水解凍タンクを循環した燃料電池スタックの冷却液が導かれる配管を介して、純水解凍タンクに接続、支持されている請求項１〜４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
前記高温側の流体入口部は、純水解凍タンクからの冷却液出口側と接続されている請求項５に記載の燃料電池システム。